KR101938438B1

KR101938438B1 - 섬유 보강재를 포함하는 용량성 음파 변환기

Info

Publication number: KR101938438B1
Application number: KR1020147004927A
Authority: KR
Inventors: 다비드 바르틸라; 미햐엘 슈만
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2019-01-14
Also published as: KR20140054128A; CN103733086A; EP2737336A1; WO2013017313A1; DE102011080125A1; EP2737336B1

Abstract

본 발명은 베이스 전극(12)과, 하나 이상의 전기 전도층(20)을 가진, 진동 가능 다이어프램(14) 사이에 배치된 음파 변환기(10)에 관한 것으로, 베이스 전극(12)과 진동 가능 다이어프램(14)의 전기 전도층 사이에 하나 이상의 절연층(18)이 제공되고, 진동 가능 다이어프램(14)은 섬유 보강재(24)를 포함한다. 또한, 본 발명은 음파 변환기(10)의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

섬유 보강재를 포함하는 용량성 음파 변환기{CAPACITIVE SOUND TRANSDUCER WITH FIBRE REINFORCEMENT}

본 발명은 음파 변환기에 관한 것으로서, 이 음파 변환기는 베이스 전극 및 전기 전도층을 가지는 진동 가능 다이어프램을 포함한다. 그 외에도, 본 발명은 음파 변환기의 제조 방법에 관한 것이다.

음파 변환기들은 음 에너지를 전기 에너지로 또는 전기 에너지를 음 에너지로 변환하는 전자 음향 변환기이다. 일정한 공간으로부터 음파를 수신하기 위해 또는 음파를 일정한 공간으로 송신하기 위해 일반적으로 진동할 수 있는 전극 다이어프램과 베이스 전극이 조합되어 이용되므로, 전기 기계적 상호 작용이 이루어질 수 있다. 이 경우 이와 같은 음파 변환기의 작동 방식은 다이어프램에 대해 작용하는 힘과 전극들 사이의 거리에 따른 전극 어셈블리의 전압 및 이 전극 어셈블리의 커패시턴스 사이에서 발생하는 직접적 관계에 근거한다.

거리 측정을 실시하기 위해, 초음파 센서들은 일반적으로 음파 변환기로서 이용된다. 이를 위해 초음파 센서가 송신기로서 제어되면, 초음파 펄스가 방출될 수 있다. 송신 후에는 초음파 펄스가 초음파 센서의 도달 거리 내에 있는 물체에 반사되어 수신기로서 기능하는 초음파 센서로 돌아온다. 수신기의 후속 전자 장치에서 반사 물체와의 거리가 초음파 펄스의 전달 시간에 근거해 결정된다.

DE 10 2006 038 597 A1호에는 거리 센서로서 차량에서 이용될 수 있는 초음파 변환기가 공지되어 있다. 이 변환기는 진동 가능 다이어프램 전극 및 이 다이어프램 전극과 일정 거리에 배치된 베이스 전극을 포함한다. 베이스 전극은 회로 캐리어 위에 배치된 도체 스트립에 의해 형성되어 있으며, 이것은 또 커버층을 갖는다. 다이어프램 전극은 캐리어층 및 그 위에 제공된 전기 전도층을 포함하며, 전기 전도층은 다이어프램 전극의, 베이스 전극을 대향하는 측면에 형성되어 있다.

베이스 전극 바로 위에 놓은, 한쪽을 금속화한 플라스틱 필름을 다이어프램 전극으로서 사용하는 음파 변환기를 셀 변환기라고도 칭한다. 이 경우, 다이어프램 전극은 베이스 전극의 표면에 있는 융기부들 바로 위에 놓인다. 이러한 방식으로, 베이스 전극과 다이어프램 전극 사이에 얇은 에어 쿠션들이 형성되어, 이들 안에서 다이어프램 전극이 진동할 수 있다.

앞서 설명한 방식의 음파 변환기는 큰 대역폭 및 높은 감도를 제공한다. 그러나 음파 변환기는 예컨대 습기와 같은 환경 영향들로부터, 기계적 안정성이 작은 박막 다이어프램을 통해서만 보호되고 있다. 그러므로 거친 환경 속에서 응용할 때 외부의 작용들, 예컨대 기계적 작용 또는 진동 때문에 쉽게 다이어프램의 파열이 발생할 수 있다. 이와 같은 파열은 다이어프램의 안정성을 낮추고 습기의 침투를 촉진하여, 이런 점은 음파 변환기에 부정적으로 영향을 줄 수 있으며 특히 동결 시에 음파 변환기의 완전한 파손을 야기할 수 있다.

본 발명에 따라 음파 변환기, 특히 초음파 변환기를 제안하며, 이때 음파 변환기는 베이스 전극 및 하나 이상의 전기 전도층을 갖는, 진동 가능 다이어프램을 포함하며, 베이스 전극과 진동 가능 다이어프램의 전기 전도층 사이에 하나 이상의 절연층이 제공되어 있으며 진동 가능 다이어프램은 섬유 보강재를 포함한다.

바람직한 실시예에서, 음파 변환기는 셀 변환기로서 형성되어 있으며, 베이스 전극은 표면 조도를 가지며 다이어프램은 하나 이상의 절연층 및 하나 이상의 전기 전도층을 갖는다. 또한, 하나 이상의 절연층을 포함하는 다이어프램은 베이스 전극 바로 위에 놓일 수 있다.

베이스 전극은 본 발명의 범위에서 구리, 황동 또는 텅스텐과 같은 하나의 전기 전도성 재료로 중실하게 제조될 수 있거나 또는 인쇄 회로 기판으로서 형성될 수 있다.

셀 변환기로서 본 발명에 따른 음파 변환기를 실시하기 위해 베이스 전극의 표면 조도는 제조를 위해 사용되는 방법에 의해 결정적으로 결정될 수 있다. 그러므로 중실한 전극의 경우에 특히 연마, 증착 또는 연삭을 통해 각각 표면 조도가 다르게 조정될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 표면 조도는 주지하는 것처럼 스퍼터링, 에칭, 밀링에 의해 표면을 구조화하여 또는 특수한 형상, 예컨대 V자 또는 U자 형상의 노치를 제공하여 이루어진다. 마찬가지로, 인쇄 회로 기판의 경우에 베이스 전극을 제조하기 위해 인쇄 회로 기판 위에 도체 스트립을 구조화하는 표준 방법들이 이용될 수 있다. 이 경우, 인쇄 회로 기판을 사용할 때 장점으로서 인쇄 회로 기판이 추가의 회로 소자들을 가질 수 있다.

베이스 전극의 표면 조도는, 다이어프램이 놓이면 베이스 전극과 다어프램 사이에 생기는 중공들의 체적을 결정한다. 즉, 표면 조도가 다이어프램의 진동이 이루어질 수 있는 체적을 결정한다. 그러므로 다이어프램의 강도처럼 다른 인자들과 함께 표면 조도가 음파 변환기의 공진 주파수에 작용한다. 셀 변환기의 베이스 전극의 대응 조도는 중합체 다이어프램을 사용할 때 ㎛ 범위에 있는, 예컨대 최고 100㎛이다. 공진 주파수는 베이스 전극과 다이어프램의 실시에 따라 사람의 귀가 감지할 수 있는 범위에 또는 사람의 귀가 감지할 수 없는 초음파 범위에 있을 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 음파 변환기는 공진 주파수 아래에서 작동될 수 있다.

본 발명에 따른 음파 변환기의 일 실시예에서 다이어프램은 하나 이상의 중합체로 제조될 수 있고, 이 중합체는 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 이축 배향된 PET, 폴리술폰(PSu), 폴리아크릴로니트릴, 퍼플루오르화된 또는 부분적으로 플루오르화된 중합체, 반결정질 중합체, 예컨대 폴리비닐플루오라이드(PVF) 또는 비닐플루오라이드와 테트라플루오로에틸렌 또는 트리플루오로에틸렌의 공중합체, 특히 이축 연신된 PVDF가 될 수 있다.

본 발명에 따른 음파 변환기의 대안적 실시예들에서 다이어프램은 하나 이상의 금속으로 이루어질 수도 있다.

이 다이어프램은 바람직하게는 가요성 다이어프램으로서 형성되어 있으며 그 크기는 수 ㎛ 내지 수백 ㎛이다. 또 다른 한 실시예에서 다이어프램은 복수의 층들, 바람직하게는 전기 전도층, 경우에 따라서는 절연층 및 경우에 따라서는 섬유층을 포함한다.

전기 전도층은 다이어프램 내에서 격리층으로서 제공될 수 있거나 또는 절연층 안에 매립될 수도 있다. 또 다른 한 실시예에서 전기 전도층은 예컨대 다이어프램을 금속화하여 또는 예컨대 금속 입자들, 금속 섬유들 또는 하나 이상의 금속 필름을 다이어프램 안에 도입하여 구현될 수 있다. 금속 섬유들을 사용하면 섬유 보강도 그리고 전기 전도성도 함께 하나의 층 안에서 구현될 수 있지만 추가적 조치들이 필요하지는 않다. 바람직하게는 전기 전도층은 전기 전도성 탄소 섬유들에 의해 형성되어 있다.

일 실시예에서 전기 전도층은 다이어프램의 상측에 형성되어 있다. 이런 맥락에서, 베이스 전극에 인접하는 절연층과 다이어프램의 베이스 전극 반대편 측면 사이에 위치하는 영역을 다이어프램의 상측이라 칭한다. 본 발명에 따른 음파 변환기의 전극 어셈블리를 형성하기 위해, 다이어프램의 절연층이 베이스 전극 위에 놓일 수 있으므로, 베이스 전극과 전기 전도층이 전기적으로 서로 절연되어 평판 커패시터 유사 구조를 형성한다. 이 경우, 다이어프램은 일반적인 고정 수단들, 예컨대 접착 또는 클램핑을 통해 베이스 전극 위 가장자리 영역에 고정될 수 있다.

다른 일 실시예에서 섬유 보강재는 베이스 전극과 직접 인접하는 절연층 위에 제공될 수 있다. 바람직하게는 섬유 보강재는 다이어프램의 상부 영역에 제공되어 있다. 이 경우, 다이어프램의 상부 영역이 베이스 전극에 인접하는 절연층과 다이어프램의, 베이스 전극을 배향하는 측면 사이에 위치하는 영역을 칭한다. 특히 바람직하게는 섬유 보강재는 베이스 전극을 배향하는 다이어프램의 측면 위에 형성되어 있다.

섬유 보강재는 다이어프램, 특히 전기 전도층 및/또는 절연층 안에 섬유들을 제공하여 구현될 수 있다. 이런 섬유들은 0.1 내지 1mm 길이의 단섬유, 1mm 내지 50mm 길이의 장섬유 및/또는 필라멘트일 수 있다. 개별 섬유들은 바람직하게는 다이어프램 안에 매립되며, 규칙적으로 및/또는 불규칙적으로 분포될 수 있다. 추가로 또는 대안으로서, 섬유들이 규칙적으로 및/또는 불규칙적으로 하나 이상의 면 형성물 안에 포함될 수 있으며, 이 면 형성물은 바람직하게는 다이어프램 안에 매립되어 있다. 이 경우 평면 다이어프램은 규칙적 및/또는 불규칙적 섬유들을 포함할 수 있으며, 이 섬유들이 직물, 다축 스크림, 메쉬, 파인컷, 스페이서 직물, 편물, 스크림, 섬유 매트, 펠트 또는 플리스 안에 포함되어 있다. 직물이 바람직하다.

일반적으로 직물, 스크림 또는 편물은 필라멘트로 형성되며, 이것은 예컨대 연신을 통해 한 평면에 제공될 수 있으며 물결형, 즉 인공적으로 형성된 웨이브를 가질 수 있으며, 그리고/또는 이의 요소들이 3개의 모든 공간 방향으로 분포될 수 있다. 단섬유 및 장섬유는 일반적으로 섬유 매트, 펠트 또는 플리스 안에 포함되어 있으며, 개별 섬유들도 마찬가지로 연신을 통해 한 평면 안에 제공되고, 그리고/또는 이의 요소들이 무연신에 의해 3개의 모든 공간 방향으로 제공될 수도 있다.

또한, 섬유 보강재는 하나 이상의 섬유층으로서 제공될 수 있으며, 이 섬유층 안에 섬유들이 규칙적으로 및/또는 불규칙적으로 층을 따라서 분포될 수 있으며 및/또는 면 형성물 안에, 예컨대 직물, 다축 스크림, 메시, 파인컷, 스페이서 직물, 편물, 스크림, 섬유 매트, 펠트 또는 플리스 안에 층을 따라서 포함될 수 있다. 이러한 실시예에서, 섬유층에 배치할 수 있는 섬유의 크기가 제한되어 섬유들은 실질적으로 이차원 섬유층의 평면 안에 배치되어 있다. 이 경우, 섬유층은 1 내지 500㎛, 바람직하게는 7 내지 150㎛의 두께를 가질 수 있다.

본 발명의 범위 내에서 사용하는 섬유들은 바람직하게는 고강도를 가지므로, 다이어프램의 안정성이 향상될 수 있다. 바람직하게는, 이런 강도는, 개별 섬유에 대해 2000 내지 7000MPa, 바람직하게는 3000 내지 5000MPa의 인장 강도에 의해 정해진다. 이런 특성들을 특히 합성 섬유, 예컨대 폴리에틸렌 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 아라미드 섬유, 광물질 섬유, 특히 현무암 섬유 또는 이들 섬유 중 어느 하나 또는 복수의 임의적 조합이 제공한다. 그 외에도, 섬유 보강재의 섬유들은 같은 또는 다른 크기를 가질 수도 있다. 그러므로 섬유들의 길이 및/또는 횡단면은 변할 수 있다.

본 발명에 따라 전술한 것처럼 음파 변환기의 제조 방법을 제안하며, 이 방법은 하기의 단계들, 즉

a) 베이스 전극을 제조하는 단계와,

b) 하나 이상의 전기 전도층 및 섬유 보강재를 포함하거나, 전기 전도 섬유 보강재를 포함하는 진동 가능 다이어프램을 제조하는 단계와,

c) 진동 가능 다이어프램을 베이스 전극 위에 배치하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 제조 방법의 실시예에서, 베이스 전극은 금속 재료로 중실형으로 형성되거나 인쇄 회로 기판으로서 형성된다. 또한, 음파 변환기를 셀 변환기로 형성하기 위해, 베이스 전극이 특히 연마, 증착 또는 연삭을 통해 조정될 수 있는 표면 조도를 갖는다. 대안으로 또는 추가로, 표면 조도는 예컨대 특수한 형상들, 예컨대 V자 또는 U자 형상의 노치의 스퍼터링, 에칭, 밀링을 통해 표면을 구조화하여 이루어질 수 있다. 마찬가지로, 인쇄 회로 기판의 경우에 베이스 전극을 제조하기 위해 인쇄 회로 기판 위에 도체 스트립을 구조화하는 표준 방법들이 이용될 수 있다. 이 경우, 인쇄 회로 기판을 사용할 때 장점으로서 인쇄 회로 기판이 추가의 회로 소자들을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 제조 방법의 또 다른 한 실시예에서, 다이어프램은 라미네이션, 사출 성형, 트랜스퍼 성형, 압출 성형 또는 인발 성형을 통해 제조된다. 또한, 다이어프램은 하나 이상의 중합체로 제조될 수 있고, 이때 중합체는 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 이축 배향된 PET, 폴리술폰(PSu), 폴리아크릴로니트릴, 퍼플루오르화된 또는 부분적으로 플루오르화된 중합체, 반결정질 중합체, 예컨대 폴리비닐플루오라이드(PVF) 또는 비닐플루오라이드와 테트라플루오로에틸렌 또는 트리플루오로에틸렌의 공중합체, 특히 이축 연신된 PVDF가 될 수 있다. 본 발명에 따른 변환기의 대안적 실시예들에서 다이어프램은 하나 이상의 금속으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 제조 방법의 또 다른 한 실시예에서, 하나 이상의 전기 전도층을 다이어프램의 베이스 전극 반대편 측면에 형성하고, 하나 이상의 절연층을 다이어프램의 베이스 전극쪽 측면에 형성하기 위해, 다이어프램의 일측 면이 금속화된다. 전기 전도층은 전기 전도성 섬유, 예컨대 탄소 섬유로 제조될 수 있다. 이러한 방식으로 상기 층의 전기 전도성과 보강 효과가 모두 구현될 수 있다. 셀 변환기로서 형성된 초음파 변환기의 본 발명에 따른 제조 방법의 또 다른 한 실시예에서 다이어프램의 절연층들 중 하나 이상의 절연층이 베이스 전극 바로 위에 놓인다.

바람직하게 섬유 보강재는 베이스 전극에 직접 인접하는 절연층 위에 제공된다. 본 발명에 따른 제조 방법의 또 다른 한 변형예에서 섬유 보강재는 다이어프램의 상부 영역에 제공된다. 또한, 섬유 보강재는 다이어프램의 베이스 전극 반대편 측면에 제공될 수 있다.

다이어프램 안에 섬유 보강재를 제공하는 것은 다양한 방식으로 이루어질 수 있으며, 이 섬유 보강재는 0.1 내지 1mm 길이의 단섬유들, 1mm 내지 50mm 길이의 장섬유들 및/또는 필라멘트들을 포함할 수 있으며, 이들은 규칙적으로 및/또는 불규칙적으로 분포될 수 있으며 및/또는 규칙적인 및/또는 불규칙적인 면 형성물 안에 포함될 수 있다. 그와 같은 섬유 보강재는 다이어프램의 경화 전에 다이어프램 내에 제공될 수 있거나, 다이어프램과 접착될 수 있다. 섬유를 포함하는 다이어프램의 직접 제조 역시 가능하다.

변환기, 특히 초음파 변환기의 기계적 안정성을 용이한 방식으로 향상시켜 이를 환경 영향들로부터 효과적으로 보호하는 것이 본 발명에 의해 가능하다. 그러므로 예컨대 변환기의 다이어프램에 대한 외적 작용들로 인한 파열의 발생이 억제될 수 있도록, 섬유 보강재가 다이어프램 안에 제공된다.

이를 위해, 다이어프램의 다른 요소들에 비해 고강도를 가지며 인장력 및/또는 압축력을 흡수할 수 있는 섬유가 사용된다. 이 경우, 섬유의 이와 같은 효과는 결정적으로 개별 섬유들의 길이를 따라 달성된다. 그에 반해, 개별 섬유들에 대해 횡방향으로는 다이어프램의 다른 요소들과 유사한 인장 강도 및/또는 압축 강도가 형성된다. 그러므로 다른 공간 방향으로 개별 섬유들을 다르게 배치하거나 개별 섬유들의 크기를 다르게 하여 섬유 보강재의 효과를 각 요구 조건들에 매칭시킬 수 있다. 섬유 보강재를 통해 특히, 환경적 영향에도 불구하고 다이어프램이 온전하게 보유되며 변환기 내부가 습기로부터 보호되는 점이 보장된다. 그 결과, 전체적으로 변환기의 신뢰성이 향상되고 수명이 증가하며, 상기 변환기가 간단하면서도 경제적으로 제조될 수 있다.

보호층을 추가로 제공하는 조치에 비해, 본 발명에 따라 제안된 해법을 통해 다이어프램의 질량은 최소로만 증가한다. 그 결과, 셀 변환기로서 형성된 음파 변환기의 감도가 향상되고 대역폭이 커진다. 그러므로 본 발명에 따라 제안된 음파 변환기는 거친 환경에서 사용하기에도 적합하며, 특히 거리 센서로서 사용하기에 매우 적합하다.

본 발명의 실시예들은 도면들로 도시되어 있으며, 하기의 설명에서 자세히 설명된다.

도 1은 셀 변환기로서 형성된 본 발명에 따른 음파 변환기의 개략도이다.
도 2는 도 1에 따른 음파 변환기의 상세도이다.
도 3은 섬유 보강 다이어프램을 포함하는 본 발명에 따른 음파 변환기의 일 실시예에 대한 상세도이다.
도 4는 섬유 보강 다이어프램을 포함하는 본 발명에 따른 음파 변환기의 또 다른 한 실시예에 대한 상세도로서, 다이어프램에 대한 인장력의 효과가 도시되어 있다.
도 5는 직물에 의해 보강된 다이어프램을 포함하는 본 발명에 따른 음파 변환기의 또 다른 한 실시예를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 음파 변환기를 제조하기 위한 방법의 흐름도이다.

도 1에는 셀(Sell) 변환기(10)로서 형성되어 있는 음파 변환기의 구조가 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 음파 변환기는 금속으로 제조된 중실형 베이스 전극(12)을 포함한다. 이 베이스 전극(12) 위에 절연층(18)과 금속층(20)을 포함하는 진동 가능 다이어프램(14)이 펼쳐져 있다. 전파 방향(13)으로 음파를 송신하도록 셀 변환기(10)를 작동하기 위해, 베이스 전극(12)과 다이어프램(14) 사이에 교류 전압(U)이 인가된다. 이 경우, 대역폭이 더 큰 주파수 스펙트럼을 발생시키기 위해, 셀 변환기(10)는 공진 주파수 미만에서 작동될 수 있다. 그 대안으로, 베이스 전극(12)과 다이어프램(14) 사이에서의 전압(U) 거동의 변화가 검출됨으로써, 셀 변환기(10)는 물체에 의해 전파 방향(15)으로 반사되는 음파를 수신할 수 있다. 초음파의 송신 및 수신 시, 셀 변환기(10)의 다이어프램 면이 검출할 물체를 향하는 감지면을 형성한다.

셀 변환기(10)의 베이스 전극(12)과 다이어프램(14)의 상세도가 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 베이스 전극(12)의 표면 조도(23)는 도시된 실시예에서 물결형 프로파일을 갖는다. 다른 실시예들에서 표면 조도(23)는 다른 프로파일을 취할 수도 있으며, 특히 제조에 기인하여 충분히 불규칙적일 수 있다. 다이어프램(14)은 PI, PET, PVF, PVDF, PA 또는 PSu과 같은 중합체 또는 중합체들의 화합물로 제조될 수 있다. 또한, 다이어프램(14)은 예컨대 금속 입자, 전기 전도성 탄소 섬유 또는 그을음 입자를 사용하여 제조될 수 있는 전기 전도층(20)을 포함한다. 이 경우, 입자들은 다이어프램(14) 내에 일측에만 제공되므로, 절연층(18)이 남는다. 다이어프램은 전기 전도층(20)과 절연층(18)의 접착을 통해 적층 방식으로 제조될 수 있다. 대안으로서, 전기 전도층이 다이어프램(14) 위에 증착될 수 있다.

셀 변환기에서는 다이어프램(14)의 절연층(18)이 베이스 전극(12)의 융기부(21) 위에 지지된다. 그 때문에 베이스 전극(12)과, 그의 상대 전극을 형성하는 다이어프램(14)의 전기 전도층(20)이 서로 전기적으로 절연된다. 그러므로 그 구조는 평판 커패시터와 유사하며, 베이스 전극(12)의 표면 조도(23) 및 절연층(18)의 두께는 이런 구조의 커패시턴스에 결정적으로 영향을 미친다.

그 외에도, 베이스 전극(12)의 거친 표면(23)과 다이어프램(14) 사이에 중공들(22)이 형성되고, 이 중공들 내에서 다이어프램(14)이 진동할 수 있다. 다이어프램(14)이 올려져 있는 베이스 전극(12)의 융기부(21)와 진동 가능 다이어프램(14) 사이에 접점들이 생기기 때문에, 중공들(22)의 체적은 셀 변환기(10)의 공진 주파수에 영향을 줄 수 있다. 이들 중공은 다이어프램의 강도에 영향을 주며, 특히 셀 변환기의 주파수 스펙트럼을 결정한다. 중공들(22)의 체적은 추가로 진동 가능 다이어프램(14)의 최대 진폭에 영향을 미친다.

도 3에는 절연층(18)과 전기 전도층(20)을 포함하는 다이어프램(14)의 일 실시예가 도시되어 있다. 여기서는 다이어프램(14)의 절연층(18)이 표면 조도(23)를 갖는 베이스 전극(12) 위에 놓여 있다. 본 실시예에서 표면 조도(23)는 불규칙적인 융기부(21)로 형성되어 있다. 그 때문에, 중공들(22)이 상이한 체적을 갖는 형태로 형성되며, 체적이 클수록 다이어프램의 강도는 더 낮아지고, 그 결과 공진 주파수가 더 감소한다. 추가로, 셀 변환기(10)는 대역폭이 더 큰 주파수 스펙트럼을 발생시키기 위해 공진 주파수 미만에서 작동할 수 있다.

절연층(18)과 전기 전도층(20)에 더하여, 다이어프램(14)은 섬유 보강재(24)를 포함한다. 도 3에 도시되어 있는 실시예에서, 이 섬유 보강재(24)는 다이어프램 표면 근처의 상부 영역(26)에 제공되어 있다. 그 외에도, 섬유 보강재(24)는 섬유층 내에 불규칙하게 분포된 개별 섬유들에 의해 형성되며, 이때 섬유층은 다이어프램(14)의 전기 전도층(20) 내에 형성된다. 이 경우, 개별 섬유들의 길이는 서로 상이하며, 그 직경들 역시 상이할 수 있다.

도 4에 예시적으로 도시된 것처럼, 임의의 물체(28)가 섬유 보강 다이어프램(14)에 충돌하면, 다이어프램(14)에 인장 응력(30)이 작용한다. 그로 인해 다이어프램(14)이 변형되며, 도 4의 파선은 다이어프램(14)의 원래 상태를 나타낸다. 섬유 보강재(24)를 통해 다이어프램(14)의 강도 및 기계적 안정성이 향상된다. 왜냐하면 이 섬유들이 다이어프램(14)에, 특히 표면에 더 높은 강도를 부여하기 때문이다. 이러한 방식으로, 인장력들이 섬유에 의해 흡수되어 다이어프램(14)의 파열 또는 그 밖의 손상들이 방지됨으로써, 셀 변환기(10)가 외부 영향들로부터 보호된다.

도 5에는 섬유 보강 다이어프램(14)의 또 다른 한 실시예가 도시되어 있다. 도 3과 유사하게, 이 다이어프램(14)은 절연층(18) 및 전기 전도층(20)을 포함하며, 다이어프램(14)의 절연층(18)이 표면 조도(23)를 갖는 베이스 전극(12) 바로 위에 놓인다.

도 5에 도시되어 있는 실시예에서 섬유 보강재(24)도 마찬가지로 다이어프램 표면 근처의 상부 영역(26)에 제공되어 있다. 또한, 섬유 보강재(24)는 섬유층(27)을 포함하며, 이 섬유층은 직물, 다축 스크림, 메쉬, 파인컷, 스페이서 직물, 편물, 스크림, 섬유 매트, 펠트 또는 플리스로서 형성될 수 있다. 규칙적인 섬유층(27), 예컨대 편물 안에 섬유들이 일반적으로 종방향 트랙 및/또는 횡방향 트랙으로 연장된다. 그러나 이 섬유들은 펠트 또는 플리스에서 전형적으로 나타나듯이 섬유층(27)을 따라 불규칙적으로 배치될 수도 있다. 그 외에도, 섬유층은 다이어프램(14)의 표면에 대해 평행하게 정렬된다. 섬유층(27)을 통해 및 특히 종방향 트랙 및/또는 횡방향 트랙의 섬유들을 포함하는 규칙적 섬유층(27)을 통해 높은 강도가 달성될 수 있음으로써, 다이어프램(14)은 특히 표면에서 안정화될 수 있다.

섬유층(27) 내 섬유의 배열 외에도, 개별 섬유들의 길이 및 크기 역시 변경될 수 있다. 다이어프램(14)의 강도, 특히 인장 강도와 관련하여, 장섬유 또는 필라멘트를 사용하는 것이 유리한 것으로 증명되었다. 그에 반해, 다이어프램의 섬유 보강재(24)가 단섬유를 포함하면 다이어프램(14)의 압축 강도가 향상된다. 단섬유뿐만 아니라 장섬유 또는 필라멘트도 사출 성형 또는 압출 성형 시 바로 다이어프램(14) 내에 제공될 수 있다. 물론 이 경우 장섬유는 유동 경로를 따라 정렬된다.

도 6에 도시된, 본 발명에 따라 제안된 음파 변환기(10)의 변형예는 셀 변환기로서 형성되어 있다. 이를 위해 단계(100)에서, 중실형으로 형성되며 표면 조도(23)를 갖는 베이스 전극(12)이 제조된다. 단계(102)에서 다이어프램(14)은 PVDF와 같은 중합체로 제조된다. 이러한 제조 단계의 범주에서 전기 전도층(20) 및 섬유 보강재(24)를 위한 섬유가 다이어프램(14)의 한쪽에 제공됨에 따라, 다이어프램(14)의 반대편 쪽에는 절연층(18)이 남는다.

대안으로서, 다이어프램(14)의 개별 층들(18, 20, 24)은 각각 개별적으로 제조되어 예컨대 접착 또는 용접을 통해 재료 결합 방식으로 서로 연결될 수 있다. 상기 두 경우 모두, 섬유 보강재(24)의 섬유들은 다이어프램(14)의 상부 영역에서 전기 전도층(20) 내에 제공되어 다이어프램(14)에 더 높은 안정성을 부여한다. 마지막 단계에서 다이어프램(14)은 베이스 전극(12) 위에 고정되며, 다이어프램(14)의 절연층(18)이 베이스 전극(12) 바로 위에 제공된다.

섬유 보강 다이어프램(14)에 의해 음파 변환기(10)가 환경 영향들로부터 보호된다. 특히 예컨대 무빙 플랫폼의 경우 음파 변환기(10)는 간격 측정기로서 사용되며, 이때 초음파를 송신 및/또는 수신하기 위한 음파 변환기(10)는 주변에 있는 물체들을 검출할 수 있도록 구성된다. 이 경우, 초음파는 진동 가능 다이어프램(14)에 의해 관련 주변으로 전파되거나, 진동 가능 다이어프램(14)에 의해 관련 주변으로부터 검출된다. 그러므로 다이어프램(14)은 일반적으로 거친 환경에서 나타나는 모든 환경 영향들에 노출된다. 예컨대, 작용들, 진동들 또는 습기가 다이어프램(14)에 작용할 수 있다. 특히 그러한 조건에서 다이어프램(14)의 섬유 보강재(24)는 음파 변환기(10)를 확실하게 보호한다.

Claims

베이스 전극(12)과, 하나 이상의 전기 전도층(20)을 가진 진동 가능 다이어프램(14)을 포함하는 음파 변환기(10)이며, 상기 베이스 전극(12)과 진동 가능 다이어프램(14)의 전기 전도층 사이에 하나 이상의 절연층(18)이 제공되는, 음파 변환기에 있어서,
진동 가능 다이어프램(14)은 보호층을 추가로 제공하는 대신 다이어프램 내로의 섬유 매립을 통해 구현되고, 섬유층 내에 불규칙하게 분포된 개별 섬유들에 의해 형성되고, 섬유층은 다이어프램(14)의 전기 전도층(20) 내에 형성되는 섬유 보강재(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 음파 변환기(10).
제1항에 있어서, 다이어프램(14)은 하나 이상의 절연층(18)과 하나 이상의 전기 전도층(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 음파 변환기(10).
제1항 또는 제2항에 있어서, 베이스 전극(12)은 표면 조도(23)를 가지며, 베이스 전극(12) 바로 위에 하나 이상의 절연층(18)을 가진 다이어프램(14)이 놓이는 것을 특징으로 하는, 음파 변환기(10).
제1항 또는 제2항에 있어서, 섬유 보강재(24)는 다이어프램(14)의 상부 영역(26)에 제공되는 것을 특징으로 하는, 음파 변환기(10).
제1항 또는 제2항에 있어서, 섬유 보강재(24)는 단섬유, 장섬유, 및 필라멘트 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 음파 변환기(10).
제5항에 있어서, 섬유 보강재(24)는 다이어프램(14) 안에 매립된 개별 섬유들을 포함하며, 이들 섬유는 하나 이상의 면 형성물 내에 규칙적으로 또는 불규칙적으로 분포될 수 있거나, 규칙적으로 또는 불규칙적으로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는, 음파 변환기(10).
제5항에 있어서, 섬유 보강재(24)는 하나 이상의 섬유층(27)으로서 제공되며, 상기 섬유층 내에는 섬유가 규칙적으로 또는 불규칙적으로 상기 섬유층을 따라 분포되거나, 면 형성물 안에 상기 섬유층을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는, 음파 변환기(10).
제1항 또는 제2항에 있어서, 섬유 보강재(24)는 합성 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 아라미드 섬유, 광물질 섬유 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는, 음파 변환기(10).
제1항 또는 제2항에 있어서, 섬유 보강재(24)는 동일한 크기 또는 상이한 크기의 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는, 음파 변환기(10).
음파 변환기(10)의 제조 방법이며, 하기의 단계들, 즉
a) 베이스 전극(12)을 제조하는 단계(100)와,
b) 하나 이상의 전기 전도층(20) 및 섬유 보강재(24)를 포함하거나, 전기 전도성 섬유 보강재(24)를 포함하는 진동 가능 다이어프램(14)을 제조하는 단계(102와,
c) 상기 진동 가능 다이어프램(14)을 베이스 전극(12) 위에 배치하는 단계(104)를 포함하고,
진동 가능 다이어프램(14)은 보호층을 추가로 제공하는 대신 섬유 보강재를 포함하고, 섬유 보강재는 다이어프램 내로의 섬유 매립을 통해 구현되고, 섬유층 내에 불규칙하게 분포된 개별 섬유들에 의해 형성되고, 섬유층은 다이어프램(14)의 전기 전도층(20) 내에 형성되는, 음파 변환기의 제조 방법.
제10항에 있어서, 진동 가능 다이어프램(14)은 베이스 전극(12) 바로 위에 배치되고, 베이스 전극(12) 위에 다이어프램(14)을 배치할 때 베이스 전극(12)과 다이어프램(14)의 전기 전도층 사이에 하나 이상의 절연층(18)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 음파 변환기의 제조 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서, 섬유 보강재(24)는 다이어프램(14)의 상부 영역(26)에 제공되는 것을 특징으로 하는, 음파 변환기의 제조 방법.
제4항에 있어서, 섬유 보강재(24)는 다이어프램(14)의 베이스 전극(12) 반대편인 측면에 제공되는 것을 특징으로 하는, 음파 변환기(10).
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