KR20010092834A - 압전세라믹 음파 트랜스듀서 - Google Patents

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KR20010092834A
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piezoelectric ceramic
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ceramic assembly
weight
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KR1020000015475A
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조치영
서희선
김대환
김군칠
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최동환
국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 압전세라믹 음파 트랜스듀서에 관한 것으로서, 특히 중립면에 고정 몸체를 설계하여 외부로부터의 충격 하중을 견딜 수 있는 수중 초음파 발생기 또는 소나 장비용 음향 트랜스듀서 등에 관한 것이다. 본 발명은 수중 음파를 송수신하는 전면추와, 변형 및 전기신호 상호간을 변환시키는 압전세라믹조립체와, 후면추를 포함하여 이루어지는 압전세라믹 음파 트랜스듀서에 있어서, 전면추와 압전세라믹조립체 사이의 진동 중립면에 고정몸체가 장착되는 압전세라믹 음파 트랜스듀서를 제공한다.

Description

압전세라믹 음파 트랜스듀서{SONIC PIEZOELECTRIC CERAMIC TRANSDUCER}
본 발명은 압전세라믹 음파 트랜스듀서에 관한 것으로서, 특히 중립면에 고정 몸체를 설계하여 외부로부터의 충격 하중을 견딜 수 있는 수중 초음파 발생기 또는 소나 장비용 음향 트랜스듀서 등에 관한 것이다.
수중에서 목표물을 탐지하거나 식별하는데는 음파를 이용한 소나 시스템이 널리 이용되고 있다. 소나 시스템의 성능은 음파를 발생하거나 동시에 목표물로부터 반사되어 오는 음파를 수신할 수 있는 음향 트랜스듀서의 성능에 의해 좌우된다. 그 중에서도 원거리 탐지를 위해서는 높은 음향 출력을 가지며 동시에 수신 감도가 좋은 트랜스듀서가 필수적인데 이를 위하여 최근에 압전세라믹 재질을 이용한 음파 트랜스듀서가 가장 널리 이용되고 있다. 그 이유는 사용하고자 하는 주파수가 트랜스듀서의 고유 공진 모우드와 일치되는 임의의 형상 설계가 용이하기 때문이다.
종래의 압전세라믹 트랜스듀서의 기본적인 형태는 압전세라믹의 구동부를 가운데 두고 좌우 대칭으로 전면추와 후면추가 부착되고, 압전세라믹의 양단면에는 일반적인 탄성체를 조립한 구조를 가지고 있었다. 또한, 수중에서 운용될 경우 외부로부터의 높은 수압을 견디기 위하여 전면추면 또는 후면추면에 적절히 단순 지지에 의한 고정부가 설계된 구조를 가지고 있었다.
그러나, 트랜스듀서의 공진모우드의 진동형태는 변위가 없는 대칭면, 즉 중립면을 중심으로 좌우 대칭으로 변형하는 진동이다. 따라서, 이러한 종래의 음향 트랜스듀서에 외부로부터 큰 충격하중을 받는 경우, 중립면에 최대의 응력이 발생하여 압전세라믹이 파괴되거나 또는 과도한 충격 하중으로 인하여 압전세라믹의 물성치가 변하여 트랜스듀서의 특성이 변화하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 구조가 간단하면서도 외부로부터의 충격하중에 견딜 수 있는 내충격용 압전세라믹 음파 트랜스듀서를 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전세라믹 음파 트랜스듀서에 대한 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 트랜스듀서의 압전세라믹소자에 대한 개략도로서, 도 2a는 측단면도, 도 2b는 평면도이다.
도 3은 도 2의 압전세라믹소자가 적층된 압전세라믹조립체에 대한 개략 측단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 트랜스듀서의 전면추에 대한 개략도로서, 도 4a는 측면도, 도 4b는 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 트랜스듀서의 후면추에 대한 개략도로서, 도 5a는 측면도, 도 5b는 평면도이다.
도 6은 도 1의 트랜스듀서의 전응력 보올트에 대한 개략 측면도이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6의 전응력보올트가 끼워지는 너트에 대한 개략도로서, 도 7a는 측면도, 도 7b는 평면도이다.
도 8a 및 도 8b는 고정몸체에 대한 개략도로서, 도 8a는 측단면도, 도 8b는 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 압전세라믹조립체 2 : 전면추
3 : 후면추 4 : 전응력보올트
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수중 음파를 송수신하는 전면추와, 변형 및 전기신호 상호간을 변환시키는 압전세라믹조립체와, 후면추를 포함하여 이루어지는 압전세라믹 음파 트랜스듀서에 있어서, 전면추와 압전세라믹조립체 사이의 진동 중립면에 고정몸체가 장착되는 압전세라믹 음파 트랜스듀서를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 고정몸체는 플랜지형 고정몸체이고, 전응력 보올트가 후면추, 압전세라믹조립체 및 상기 플랜지형상의 몸체를 관통하여 상기 전면추에 고정됨으로써, 상호간의 고정과 아울러 상기 압전세라믹조립체에 압축 전응력을 가하는 구조를 가지고 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전세라믹 음파 트랜스듀서에 대한 개략도이다. 도시한 바와 같이, 압전세라믹조립체(1)를 가운데 두고 전면추(2)와 후면추(3)가 전응력보올트(4) 및 너트(5)에 의해 체결되어 있으며, 진동 중립면에는 플랜지형 고정몸체(6)가 설치되어 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 트랜스듀서의 압전세라믹소자에 대한 개략도로서, 도 2a는 측단면도, 도 2b는 평면도이다. 축방향으로 분극처리가 되어 축방향의 변형에 대해 전기를 발생시키고, 또 전기를 가하면 축방향의 변형이 발생되는 압전효과를 나타낸다. 압전세라믹소자(7)의 내경의 크기는 전응력보올트(4)의 외경보다 약간 크게 설계한다.
도 3은 도 2의 압전세라믹소자가 적층된 압전세라믹조립체에 대한 개략 측단면도이다. 수중에서 음파의 전파 거리는 주파수에 반비례하므로 탐지 거리를 향상시키기 위해서는, 트랜스듀서의 공진 모우드의 고유 진동 주파수를 가능한 낮게 설계할 필요가 있다, 따라서, 축방향으로 분극 처리된 압전세라믹소자(7)들을 축방향으로 여러 개를 적층하여 사용한다. 압전세라믹소자(7) 사이에는 전극판(9)이 조립되며, 전면추(2)와 후면추(3)가 접촉하는 면에는 전기적인 절연을 시키기 위한 절연판(8)이 조립된다. 그리고 각각의 압전세라믹소자(7)의 전극 연결은 전기적으로 병렬 연결 구조로 설계한다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 트랜스듀서의 전면추에 대한 개략도로서, 도 4a는 측면도, 도 4b는 평면도이다. 도시한 바와 같이, 전면추(2)는 압전세라믹조립체(1)에서 발생되는 축방향 진동을 수중으로 방사하거나 또는 수중으로부터 수신되는 음압에 의해 발생된 변형을 압전세라믹조립체(1)에 전달하는 역할을 한다. 그리고, 방사되는 음압은 전면추(2)의 방사면의 단면적의 크기에 비례하므로, 이를 증가시키기 위하여 절단된 원뿔형상으로 설계하였다. 전면추(2)의 전체적인 축방향 길이는 대략 공진주파수에 의한 파장의 사분의 일 정도로 설계되며, 추후 정밀설계에 의해 약간 조절된다. 그리고, 적용되는 재질로는 압전세라믹보다 밀도가 비교적 낮은 재질을 사용한다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 트랜스듀서의 후면추에 대한 개략도로서, 도 5a는 측면도, 도 5b는 평면도이다. 도시한 바와 같이, 후면추(3)는 압전세라믹조립체(1)에서 발생되는 축방향 진동을 공기중으로 방사시키는 역할을 한다. 따라서, 트랜스듀서의 효율을 보다 향상시키기 위하여 후면추의 진동을 적게 할 필요가 있는데, 이를 위하여 비교적 밀도가 큰 재질을 사용하여 설계한다.
도 6은 도 1의 트랜스듀서의 전응력 보올트에 대한 개략 측면도이고, 도 7a 및 도 7b는 도 6의 전응력보올트가 끼워지는 너트에 대한 개략도로서, 도 7a는 측면도, 도 7b는 평면도이다. 압전세라믹 자체의 압축 강도는 아주 큰데 비해 인장 강도가 취약하므로, 적층된 압전세라믹조립체(1)에 미리 충분한 압축 하중을 가하여 압전세라믹소자(7)에 전응력(prestress)을 부가하기 위하여, 전응력 보올트(4)를 이용하여 압전세라믹조립체(1)와 전/후면추를 체결하였다. 전응력 보올트(4)는 높은 압축 응력을 가하기 위하여 고장력강의 재질로 설계한다.
도 8a 및 도 8b는 고정몸체에 대한 개략도로서, 도 8a는 측단면도, 도 8b는 평면도이다. 플랜지형 고정몸체(6)는 압전세라믹조립체(1)와 전면추(2) 사이의 진동 중립면에 설치되어 외부로부터 가해지는 충격하중을 지지하는 역할을 한다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 구조가 간단하면서도 외부로부터의 충격하중에 견딜 수 있는 내충격용 압전세라믹 음파 트랜스듀서를 제공할 수 있게 된다.

Claims (2)

  1. 수중 음파를 송수신하는 전면추와, 변형 및 전기신호 상호간을 변환시키는 압전세라믹조립체와, 후면추를 포함하여 이루어지는 압전세라믹 음파 트랜스듀서에 있어서,
    전면추와 압전세라믹조립체 사이의 진동 중립면에 고정몸체가 장착되는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 음파 트랜스듀서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 고정몸체는 플랜지형 고정몸체이고, 전응력 보올트가 후면추, 압전세라믹조립체 및 상기 플랜지형상의 몸체를 관통하여 상기 전면추에 고정됨으로써, 상호간의 고정과 아울러 상기 압전세라믹조립체에 압축 전응력을 가하는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 음파 트랜스듀서.
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