KR20230077279A

KR20230077279A - 트랜스듀서 전응력 인가장치

Info

Publication number: KR20230077279A
Application number: KR1020210164393A
Authority: KR
Inventors: 최영호
Original assignee: 에스티엑스엔진 주식회사
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2023-06-01
Also published as: KR102661321B1

Abstract

본 발명의 트랜스듀서 전응력 인가장치에 따르면, 장력볼트와, 상기 장력볼트의 일단에 결합되어 음향 방사체 역할을 하는 전면추와, 상기 전면추에 적층되어 구동자 역할을 하는 압전소자와, 상기 압전소자에서 발생한 변위를 반사시켜 전면추의 변위를 증폭시키도록 상기 장력볼트의 타단에 결합되는 후면추를 포함하는 트랜스듀서에 전응력을 인가하는 장치에 있어서, 상기 장력볼트의 타단을 장력볼트의 길이방향으로 당겨 상기 압전소자에 전응력(prestress)을 인가하는 것을 특징으로 한다.

Description

트랜스듀서 전응력 인가장치{Transducer pre-stress application device}

본 발명은 트랜스듀서 전응력 인가장치에 관한 것이다.

선저고정형소나는 음파를 이용하여 잠수함을 탐지하는 장비로 수상함의 선저에 고정식으로 장착하며, 능동배열센서와 소나돔으로 구성된다.

능동배열센서는, 트랜스듀서를 원통형이나 구형 등의 일정한 형태로 배열한 센서이며, 트랜스듀서는 음파를 송신하고 수신하는 센서를 가리킨다.

한편, 수중에서 음파를 송수신하는 수중 음향 트랜스듀서는 1차 세계대전 당시 잠수함 탐지를 위해 개발된 이래 2차세계대전 전후에 급속히 발달하여 오늘날에는 매우 정밀한 트랜스듀서가 사용되고 있다. 수중에서 사용하는 음향 트랜스듀서는 반력을 받쳐주는 플랫폼(Platform)의 표면에 설치되어 주로 수중 음파의 송수신기로 작동하는 톤필즈(Tonpilz)형과, 트랜스듀서가 잠긴 상태에서 독자적으로 작동하는 플렉스텐셔널(flextensional)형의 두가지로 크게 나눌 수 있다.

그리고, 톤필즈 트랜스듀서는 두께방향의 진동을 이용하기 때문에 제작이 용이하고, 배열형에 적용하기 쉬우며 수십 kHz 대역에서 고출력 수중 음향 트랜스듀서로 주로 사용된다.

또한, 톤필츠구조는 트랜스듀서의 대표적 구조로 전기신호를 진동신호로 변환하는 압전소자와 진동신호를 음파로 변환하는 전면추 그리고 진동의 크기를 배가하기 위한 후면추와 진동시 압전체의 인장파괴를 방지하기 위한 장력볼트로 구성된다.

고전압의 교류 전기신호를 압전소자에 인가하게 될 경우 압전체는 종방향으로 압축과 팽창의 진동운동을 하게 되며, 팽창시에 인장력에 의해 인장파괴가 발생하게 되며 이러한 인장파괴를 방지하기 위해 장력볼트로 압전체에 적정한 전응력(prestress)을 인가하여 팽창운동을 억제하여 파괴를 방지할 수 있다.

이에 따라, 종래에는 장력볼트에 너트를 체결하고, 토크렌치를 이용하여 너트를 조이면서 압전소자에 전응력을 인가하였다.

이러한 전응력 인가방식은, 저비용의 단순한 방식으로 접근성이 용이하지만, 토크를 수직 응력으로 환산하여야 하며, 너트의 마찰력으로 인해 정확한 토크 인가가 어려움에 있었다.

또한, 토크렌치를 통해 너트를 회전시킴에 따라 발생하는 회전력에 의해 전면추, 압전소자, 후면추 간의 동심에 불균형이 발생하고, 유지시키기 어려웠다.

이러한 종래의 전응력 인가방식은, 장력볼트의 비틀림으로 인해 내구성이 저하되는 문제점이 발생하였고, 이는 서로 다른 트랜스듀서의 성능 편차가 발생하는 문제점이 있었다.

또한, 성능 편차는 능동배열센서의 성능저하로 직결되며, 내구성 저하는 탑재함정의 생존성을 저하시키는 불편함이 있었다.

대한민국 등록특허 10-1173937

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 정확한 전응력값을 압전소자에 인가할 수 있을 뿐만 아니라, 장력볼트의 길이방향 즉, 수직하중 인가를 통해 전면추, 압전소자, 후면추 간의 동심을 일정하게 유지하며 전응력을 인가할 수 있는 트랜스듀서 전응력 인가장치를 제공하기 위함이다.

또한, 본 발명의 목적은, 트랜스듀서의 성능 편차를 최소화하고 장력볼트의 비틀림을 방지하여 내구성 향상시킬 수 있는 트랜스듀서 전응력 인가장치를 제공하기 위함이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 트랜스듀서 전응력 인가장치에 따르면, 장력볼트와, 상기 장력볼트의 일단에 결합되어 음향 방사체 역할을 하는 전면추와, 상기 전면추에 적층되어 구동자 역할을 하는 압전소자와, 상기 압전소자에서 발생한 변위를 반사시켜 전면추의 변위를 증폭시키도록 상기 장력볼트의 타단에 결합되는 후면추를 포함하는 트랜스듀서에 전응력을 인가하는 장치에 있어서, 상기 장력볼트의 타단을 장력볼트의 길이방향으로 당겨 상기 압전소자에 전응력(prestress)을 인가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 장력볼트의 타단을 당길 때, 상기 후면추가 당겨지지 않도록 하고, 상기 장력볼트만 당겨 상기 압전소자에 전응력을 인가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 장력볼트의 일단이 걸어져 매달리는 걸이부; 상기 걸이부의 외측에 구비되고, 상기 후면추의 일측면에 지지되는 지지부; 상기 걸이부를 장력볼트의 길이방향으로 당기는 가압부; 상기 전응력에 대응하는 가압력으로 상기 장력볼트를 당기도록 상기 가압부를 제어하는 제어부;를 포함한다.

또한, 상기 걸이부는, 하측이 내입된 내입공과, 측부가 내입공과 연통되게 측공이 형성되고, 상기 장력볼트는, 상기 측공으로 내입되어 상기 내입공에 삽입 및 걸리는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 트랜스듀서는, 상기 장력볼트의 타단에 결합되는 고정부재를 더 포함하고, 상기 걸이부는, 상기 내입공의 하부에 상기 고정부재가 걸릴 수 있는 걸림턱이 형성되고, 상기 측공의 상부는, 상기 고정부재가 삽입될 수 있도록 형성되고, 상기 측공의 하부는, 상기 장력볼트가 삽입될 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가압부에 의해 장력볼트가 당겨질 때, 상기 후면추에 가해지는 하중을 측정하는 하중측정센서;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 하중측정센서로부터 측정되는 하중을 통해 상기 가압부의 가압력을 제어하여 일정한 전응력값을 압전소자에 인가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 장력볼트를 당기는 제1가압단계, 제1가압단계를 유지하는 제2가압단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 전응력을 인가하는 전응력 목표값에 대응하는 가압력을 장력볼트에 가할 때, 상기 제1가압단계와 제2가압단계를 다수회 반복하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1가압단계를 다수회 반복하는 경우, 반복되는 제1가압단계는 이전의 제1가압단계 가압력보다 더 강한 가압력을 가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2가압단계를 다수회 반복하는 경우, 반복되는 제2가압단계는, 이전의 제2가압단계 유지시간보다 더 길게 유지하는 것을 특징으로 한다.

이상 살펴본 바와 같은 본 발명의 효과는, 정확한 전응력값을 압전소자에 인가할 수 있을 뿐만 아니라, 장력볼트의 길이방향 즉, 수직하중 인가를 통해 전면추, 압전소자, 후면추 간의 동심을 일정하게 유지하며 전응력을 인가할 수 있는 트랜스듀서 전응력 인가장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 효과는, 트랜스듀서의 성능 편차를 최소화하고 장력볼트의 비틀림을 방지하여 내구성 향상시킬 수 있는 트랜스듀서 전응력 인가장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트랜스듀서 전응력 인가장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트랜스듀서 전응력 인가장치에 트랜스듀서가 결합되기 전을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트랜스듀서 전응력 인가장치의 트랜스듀서를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트랜스듀서 전응력 인가장치를 나타낸 정면 확대도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트랜스듀서 전응력 인가장치를 나타낸 측단면 확대도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 트랜스듀서 전응력 인가장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 트랜스듀서 전응력 인가장치는, 트랜스듀서(10)에 전응력을 인가하는 장치에 관한 것이다.

여기서, 트랜스듀서(10)는, 장력볼트(11)와, 장력볼트(11)의 일단에 결합되어 음향 방사체 역할을 하는 전면추(12)와, 전면추(12)에 적층되어 구동자 역할을 하는 압전소자(13)와, 압전소자(13)에서 발생한 변위를 반사시켜 전면추(12)의 변위를 증폭시키도록 장력볼트(11)의 타단에 결합되는 후면추(14)를 포함한다.

또한, 트랜스듀서(10)는, 장력볼트(11)의 타단에 결합되는 고정부재(15)를 더 포함한다.

여기서, 고정부재(15)는, 장력볼트(11)에 형성된 나사산에 결합되어 장력볼트(11)의 타단에 고정될 수 있다.

이때, 장력볼트(11)에 고정부재(15)가 결합될 때, 후면추(14)의 일측과 이격되어 결합되는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않는다.

이에 따라, 후면추(14)와 고정부재(15) 사이가 이격되어, 장력볼트(11)의 타단이 고정부재(15)의 걸림에 따라 걸어질 수 있다. 그리고, 트랜스듀서(10)를 걸어서 매달아 놓은 상태에서, 장력볼트(11)의 타단을 장력볼트(11)의 길이방향으로 당겨 압전소자(13)에 전응력(prestress)을 인가할 수 있다.

여기서, 장력볼트(11)의 타단을 당길 때, 후면추(14)가 당겨지지 않도록 하고, 장력볼트(11)만 당겨 압전소자(13)에 전응력을 인가하는 것이 바람직하다.

이러한 트랜스듀서 전응력 인가장치는, 걸이부(21), 지지부(25), 가압부(26) 및 제어부(27)를 포함한다.

걸이부(21)는, 장력볼트(11)의 일단이 걸어져 매달릴 수 있다. 이때, 장력볼트(11)의 타단에 고정되는 고정부재(15)가 매달릴 수 있다.

지지부(25)는, 걸이부(21)의 외측에 구비되고, 후면추(14)의 일측면에 지지된다.

가압부(26)는, 걸이부(21)의 상부에 구비되어, 걸이부(21)를 장력볼트(11)의 길이방향으로 당길 수 있다. 즉, 가압부(26)는, 장력볼트(11)에 길이방향으로 가압력을 가하여 상부방향 또는 전면추(12)에서 후면추(14) 방향으로 장력볼트(11)를 당길 수 있다. 이에 따라, 전면추(12)와 후면추(14) 사이에 구비되는 압전소자(13)에 전응력을 인가시킬 수 있다.

제어부(27)는, 전응력에 대응하는 가압력으로 장력볼트(11)를 당기도록 가압부(26)를 제어할 수 있다.

이때, 제어부(27)의 제어에 따라, 가압부(26)에 전원을 공급할 수 있는 전원부(28)가 구비될 수 있다.

한편, 걸이부(21)는, 하측이 내입된 내입공(22)과, 측부가 내입공(22)과 연통되게 측공(23)이 형성된다. 즉, 장력볼트(11)는, 측공(23)으로 내입되어 내입공(22)에 삽입 및 걸릴 수 있다.

여기서, 걸이부(21)는, 내입공(22)의 하부에 고정부재(15)가 걸릴 수 있는 걸림턱(24)이 형성되는 것이 바람직하다.

다시 말해, 걸이부(21)에 장력볼트(11)와 고정부재(15)를 측공(23)으로 삽입하여 내입공(22)에 위치시키고 고정부재(15)를 걸림턱(24)에 걸을 수 있다.

또한, 측공(23)의 상부는, 고정부재(15)가 삽입될 수 있도록 형성되고, 측공(23)의 하부는, 장력볼트(11)가 삽입될 수 있도록 형성된다.

바람직하게는, 측공(23)의 상부는 고정부재(15)의 폭길이와 같거나 더 길게 형성되고, 측공(23)의 하부는 장력볼트(11)의 폭길이와 같거나 더 길게 형성될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.

또한, 본 발명에 따른 트랜스듀서 전응력 인가장치는, 하중측정센서를 더 포함한다.

하중측정센서는, 가압부(26)에 의해 장력볼트(11)가 당겨질 때, 후면추(14)에 가해지는 하중을 측정할 수 있다.

그리고, 제어부(27)는, 하중측정센서로부터 측정되는 하중을 통해 가압부(26)의 가압력을 제어하여 일정한 전응력값을 압전소자(13)에 인가할 수 있다.

즉, 제어부(27)는, 하중의 측정을 통해서 인가해야 하는 전응력 목표값에 대응하는 가압력을 가함으로써, 압전소자(13)에 전응력을 인가할 수 있다.

특히, 제어부(27)는, 장력볼트(11)를 길이방향으로 당기는 제1가압단계와 제1가압단계를 유지하는 제2가압단계를 포함할 수 있다.

이때, 제1가압단계는 시간에 대응하여 가압력이 높아지도록 이루어질 수 있다. 그리고, 제2가압단계는, 제1가압단계가 끝나는 시점의 가압력이 유지될 수 있도록 가압할 수 있다.

이와 같이, 장력볼트(11)의 길이방향 즉, 수직방향으로 가하여 전면추, 압전소자(13) 및 후면추(14) 간의 동심을 동일하게 유지시키는 상태에서 압전소자(13)에 전응력이 인가될 수 있다. 이러한 전응력 인가를 통해서 트랜스듀서(10)의 성능 편차를 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 장력볼트(11)의 비틀림을 발생시키지 않아 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 제어부(27)는, 전응력을 인가하는 전응력 목표값에 대응하는 가압력을 장력볼트(11)에 가할 때, 제1가압단계와 제2가압단계를 다수회 반복할 수 있다.

즉, 압전소자(13)는 압전세라믹으로 이루어질 수 있는데, 취성재료이기 때문에 순간적으로 가압력이 가해지면, 최외각 모서리의 손상이 발생할 수 있어, 이를 방지하기 위해 계단식으로 가압력을 가할 수 있다. 다시 말해, 압전소자(13)에 계단식 전응력을 인가하여, 압전세라믹의 손상을 방지할 수 있도록 할 수 있다.

여기서, 계단식 전응력이란, 순간적으로 전응력 목표값에 대응하는 가압력을 일시적으로 가하는 것이 아니라, 가압력의 강도와 시간을 증가시키면서 가압력을 가해 전응력이 인가되도록 하는 것이다.

따라서, 제1가압단계를 다수회 반복하는 경우, 반복되는 제1가압단계는 이전의 제1가압단계 가압력보다 더 강한 가압력을 가하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않는다. 또한 제1가압단계에서 순간적인 가압력이 가해지지 않고 일정하게 강해지며 가해질 수 있다.

또한, 제2가압단계를 다수회 반복하는 경우, 반복되는 제2가압단계는, 이전의 제2가압단계 유지시간보다 더 길게 유지하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않는다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 더불어, 상술하는 과정에서 기술된 구성의 작동순서는 반드시 시계열적인 순서대로 수행될 필요는 없으며, 각 구성 및 단계의 수행 순서가 바뀌어도 본 발명의 요지를 충족한다면 이러한 과정은 본 발명의 권리범위에 속할 수 있음은 물론이다.

10 : 트랜스듀서 11 : 장력볼트
12 : 전면추 13 : 압전소자
14 : 후면추 15 : 고정부재
20 : 트랜스듀서 전응력 인가장치
21 : 걸이부 22 : 내입공
23 : 측공 24 : 걸림턱
25 : 지지부 26 : 가압부
27 : 제어부 28 : 전원부

Claims

장력볼트와, 상기 장력볼트의 일단에 결합되어 음향 방사체 역할을 하는 전면추와, 상기 전면추에 적층되어 구동자 역할을 하는 압전소자와, 상기 압전소자에서 발생한 변위를 반사시켜 전면추의 변위를 증폭시키도록 상기 장력볼트의 타단에 결합되는 후면추를 포함하는 트랜스듀서에 전응력을 인가하는 장치에 있어서,
상기 장력볼트의 타단을 장력볼트의 길이방향으로 당겨 상기 압전소자에 전응력(prestress)을 인가하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서 전응력 인가장치.
제1항에 있어서,
상기 장력볼트의 타단을 당길 때, 상기 후면추가 당겨지지 않도록 하고, 상기 장력볼트만 당겨 상기 압전소자에 전응력을 인가하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서 전응력 인가장치.
제1항에 있어서,
상기 장력볼트의 일단이 걸어져 매달리는 걸이부;
상기 걸이부의 외측에 구비되고, 상기 후면추의 일측면에 지지되는 지지부;
상기 걸이부를 장력볼트의 길이방향으로 당기는 가압부;
상기 전응력에 대응하는 가압력으로 상기 장력볼트를 당기도록 상기 가압부를 제어하는 제어부;를 포함하는 트랜스듀서 전응력 인가장치.
제3항에 있어서,
상기 걸이부는, 하측이 내입된 내입공과, 측부가 내입공과 연통되게 측공이 형성되고,
상기 장력볼트는, 상기 측공으로 내입되어 상기 내입공에 삽입 및 걸리는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서 전응력 인가장치.
제4항에 있어서,
상기 트랜스듀서는, 상기 장력볼트의 타단에 결합되는 고정부재를 더 포함하고,
상기 걸이부는, 상기 내입공의 하부에 상기 고정부재가 걸릴 수 있는 걸림턱이 형성되고,
상기 측공의 상부는, 상기 고정부재가 삽입될 수 있도록 형성되고,
상기 측공의 하부는, 상기 장력볼트가 삽입될 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서 전응력 인가장치.
제3항에 있어서,
상기 가압부에 의해 장력볼트가 당겨질 때, 상기 후면추에 가해지는 하중을 측정하는 하중측정센서;를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 하중측정센서로부터 측정되는 하중을 통해 상기 가압부의 가압력을 제어하여 일정한 전응력값을 압전소자에 인가하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서 전응력 인가장치.
제3항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 장력볼트를 당기는 제1가압단계, 제1가압단계를 유지하는 제2가압단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서 전응력 인가장치.
제7항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 전응력을 인가하는 전응력 목표값에 대응하는 가압력을 장력볼트에 가할 때, 상기 제1가압단계와 제2가압단계를 다수회 반복하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서 전응력 인가장치.
제8항에 있어서,
상기 제1가압단계를 다수회 반복하는 경우, 반복되는 제1가압단계는 이전의 제1가압단계 가압력보다 더 강한 가압력을 가하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서 전응력 인가장치.
제8항에 있어서,
상기 제2가압단계를 다수회 반복하는 경우, 반복되는 제2가압단계는, 이전의 제2가압단계 유지시간보다 더 길게 유지하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서 전응력 인가장치.