KR100324354B1 - 도전성 에폭시를 이용한 초음파 탐촉자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수위계, 유량계, 비파괴 등에 널리 이용되고 있는 초음파 탐촉자에 관한 것으로 일측에 렌즈부가 형성되고 타측에 개방홀이 형성된 금속케이스와, 상기 케이스의 내부에 렌즈부와 밀접하여 설치되는 정합층과, 상기 정합층에 밀접하여 설치되는 압전세라믹부와, 상기 정합층과 압전세라믹부에 삽입되고 분기되어 상기 케이스의 개방홀로 인출되는 접지선과, 상기 압전세라믹부에 밀접하여 설치되어 상기 접지선과 신호선을 매설시키는 후면층과, 상기 압전세라믹부와 후면층의 접합부에 삽입되고 분기되어 상기 케이스의 개방홀로 인출되는 신호선으로 이루어진 초음파 탐촉자에 있어서, 상기 케이스 내부 전체를 몰딩처리한 몰딩부와, 상기 접지선과 상기 케이스의 내부에 양단이 접속되는 제2접지선과, 상기 접지선과 상기 몰딩부에 양단이 접속되는 제 3접지선을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전도용 접착제는 전기 전도도를 가지는 면적을 증가시켜 센서 자체의 잡음을 크게 줄이고 외부로부터 전해오는 잡음의 전달을 억제하여 순수 초음파 신호를 송수신할 수 있어 정확한 측정이 가능하다.

Description

도전성 에폭시를 이용한 초음파 탐촉자{ultrasonic transducer using conductive epoxy}

본 발명은 수위계, 유량계, 비파괴 등에 널리 이용되고 있는 초음파 탐촉자에 관한 것이다.

종래의 일반적인 초음파 탐촉자의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 초음파 탐촉자의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 초음파 탐촉자는 일측에 렌즈가 설치된 케이스(5)와, 상기 케이스(5)의 내부에 위치하고 상기 렌즈(1)와 밀접하여 설치되는 정합층(2)과, 상기 정합층(2)에 밀접하고 상기 렌즈(1)와 대향되는 위치에 설치되는 세라믹부(3)와, 상기 세라믹부(3)에 밀접하여 설치되는 후면층(4)과, 상기 후면층(4)가 접한 세라믹부(3)에 접속된 신호선(8)과, 상기 정합층(2)과 접한 세라믹부(3)에 접속된 접지선(7)으로 이루어진다.

상기 렌즈(1)는 초음파를 집속하고 압전세라믹 부분의 보호역할을 한다.

상기 정합층(2)은 초음파 진동자와 공기와의 음향 임피던스 차이를 감소시킴으로서 초음파의 반사율을 증가시키고 효율을 향상시키는 역할을 한다.

초음파 진동자는 전기적 신호를 음향신호인 초음파로 변환시켜 공기중으로 내보내고, 공기중에서 반사되어 돌아온 초음파 반사신호를 다시 전기적 신호로 변환시켜 장치로 보내는 역할을 한다.

상기 후면층(4)은 초음파 진동자의 공명으로 발생되는 초음파 중 진동자의 후방으로 방출되는 불필요한 초음파를 흡수하는 역할을 한다.

상기와 같은 종래의 초음파 탐촉자는 센서 자체의 잡음과 외부에서 전달되는 잡음으로 인해 정확한 측정이 힘들다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제시된 것으로서, 본 발명의 목적은 초음파 센서의 외주부에 도전성 에폭시로 전체를 감싸서 전기전도도를 가지는 면적을 증가시켜 접지되는 면적이 넓게 하여 센서 자체의 잡음 및 외부로부터 전해오는 잡음을 줄이고, 탐촉자의 무게를 가볍게 하고, 외부로부터의 충격에도 훨씬 안정적인 초음파 탐촉자를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서, 일측에 렌즈부가 형성되고 타측에 개방홀이 형성된 금속케이스와, 상기 케이스의 내부에 렌즈부와 밀접하여 설치되는 정합층과, 상기 정합층에 밀접하여 설치되는 압전세라믹부와, 상기 정합층과 압전세라믹부에 삽입되고 분기되어 상기 케이스의 개방홀로 인출되는 접지선과, 상기 압전세라믹부에 밀접하여 설치되어 상기 접지선과 신호선을 매설시키는 후면층과, 상기 압전세라믹부와 후면층의 접합부에 삽입되고 분기되어 상기 케이스의 개방홀로 인출되는 신호선으로 이루어진 초음파 탐촉자에 있어서, 상기 케이스 내부 전체를 몰딩처리한 몰딩부와, 상기 접지선과 상기 케이스의 내부에 양단이 접속되는 제2접지선과, 상기 접지선과 상기 몰딩부에 양단이 접속되는 제 3접지선을 포함하는 것을 특징으로 하는 발명이 제시된다.

도 1은 종래의 초음파 탐촉자를 나타내는 단면도이다.

도 2는 초음파 시스템의 블럭구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 초음파 탐촉자의 사시도이다.

도 4은 도 3의 단면도이다.

도 5는 일반적인 물체 검지 초음파 센서 시스템의 회로도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 렌즈 2 : 정합층

3 : 압전세라믹 4 : 후면층

5 : 금속케이스 6 : 도전성 에폭시

7 : 접지선 8 : 신호선

9 : 제 2접지선 9' : 제 3접지선

10 : 초음파 센서 20 : 펄스발진기

30 : 신호증폭기 40 : 제어부

이하에서는 본 발명의 실시예의 구성 및 작용에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 초음파 시스템의 블럭구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 시스템은 초음파 센서(10)와, 펄스발진기(20)와, 신호증폭기(30)와, 제어부(40)로 구성된다.

상기 펄스 발진기(20)에서 펄스를 초음파 진동자에 가하게 되면 진동자는 진동을 하게 되는 데 이 때 초음파가 발생하게 된다. 상기 신호증폭기(30)는 상기 발사된 초음파가 되돌아 올 경우 감쇄된 신호를 증폭하는 회로이며, 상기 제어부(40)는 상기 증폭된 신호에 따라 시스템을 제어하는 회로이다.

초음파란 주파수가 높은 음파를 말한다. 음파란 잘 알고 있듯이 공기 중이나 수중 또는 고체 속을 전달하는 기계적 진동이다. 음파 중에서 주파수 20Hz∼20KHz 범위의 것은 사람이 귀로 들을 수 있기 때문에 가청음이라 부른다. 일반적으로 초음파라고 하면 이보다 높고 사람이 귀로 직접 들을 수 없는 주파수의 음파를 가리킨다.

초음파라해도 각 분야에서 이용되는 초음파의 주파수는 낮게는 25KHz 정도에서 높게는 초음파 현미경 등에 사용되는 20MHz 이상까지 분포하고 있다. 또, 같은 초음파라도 그 파가 공기, 수중, 그리고 고체 등 어떤 물질에 존재하느냐에 따라 그 성질이 크게 달라진다.

초음파가 공기 중 또는 수중을 전달하여 다른 매질에 닿으면 그 음향 임피던스의 차이에 따라 반사가 일어난다. 따라서 대상물체를 향해 초음파를 발사하고 그 반사를 검출, 해석함으로써 그 물체의 존재나 위치 또는 성질을 파악할 수 있다.

초음파가 어떤 매질을 통하여 다른 매질과의 경계면에 도달했을 때 거기서 반사가 일어난다. 그곳에서의 반사율은 다른 두 매질의 음향 임피던스의 차에 따라 결정되는데 다음 식으로 표현된다.

상기 수학식에서 Z₁은 입사측 매질의 음향 임피던스, Z₂는 나오는 측의 임피던스, θ₁은 입사각, θ₂는 출사각을 나타낸다.

일반적으로 임피던스는 다음 식으로 표현된다.

Z=ρC

상기 수학식에서 ρ는 매질의 빈도, C는 그 매질 속의 음속이다.

상기 수학식은 음향 임피던스가 실수일 때, 즉 전달중에 흡수 감쇠가 없을 때만 성립하므로 아주 정확하다고 할 수 없다. 그러나 일반적으로 초음파가 전달되는 매질에서는 그 허수 성분이 작기 때문에 음향 임피던스는 거의 실수로 생각할 수 있다.

매질의 경계면이 비교적 평탄하고 어느 정도 이상의 면적을 가지면 거기에 도달한 초음파는 규칙적으로 반사한다. 그러나 경계면에 미세한 요철이 있는 경우, 여기서 반사되는 초음파는 불규칙적이다. 또, 초음파가 전달하고 있는 매질 속에 음향 임피던스가 다른 미세한 물체가 존재하는 불균일한 매질의 경우도 그곳에서불규칙적인 반사가 발생한다.

초음파 탐촉자는 초음파를 이용하여 금속, 비금속으로 된 대상체 즉 재료, 부품, 구조물, 인체 등에 손상을 주지 않고 내부나 표면에 존재하는 결함을 검출하고 재질을 평가하고 진단하는 비파괴시험기술의 핵심부품이다. 이는 철강, 조선, 중공업산업, 항공산업, 세라믹, 반도체산업등 다양한 제품의 공정 중/후 품질관리에 널리 사용되고 있다. 또한 국가기간시설물인 원자력 및 화력발전소, 교량, 군사시설 등의 대형구조물의 안전진단 및 상시감시에 사용되고 있다. 또한 군사용 수중음파 탐지기, 상수도나 송유관 등의 유량측정기, 어군탐지기 등에도 사용되고 있다.

초음파 탐촉자는 다양한 특성과 크기를 지닌 다품종 소량의 전형적인 중소기업형 제품이다. 초음파 탐촉자의 종류는 종파, 횡파, 표면파등의 초음파의 종류에 의해서 구분되며 고주파수, 저주파수, 광대역, 협대역 등의 주파수대역에 의해서 구분된다. 또한 직접 접촉식, 국부 접촉식, 수중식, 비접촉식 등의 접촉방법이나 접촉여부에 의해서 구분되며 또한 초음파의 굴절각도, 송수신부의 분리여부, 초음파의 집속 여부 및 집속 거리, 지연선 유무, 대상체의 곡률 등에 따라서 종류가 구분된다.

도 3은 본 발명에 따른 초음파 탐촉자의 사시도이다.

도 4는 도 3의 단면도이다.

도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 초음파 탐촉자는 도 1에서 도시된 종래의 초음파 탐촉자와 유사하게 일측에 렌즈부(1)가 형성되고 타측에 개방홀이 형성된금속케이스(5)와, 상기 케이스(5)의 내부에 렌즈부(1)와 밀접하여 설치되는 정합층(2)과, 상기 정합층(2)에 밀접하여 설치되는 압전세라믹부(3)와, 상기 정합층(2)과 압전세라믹부(3)에 삽입되고 분기되어 상기 케이스의 개방홀로 인출되는 접지선(7)과, 상기 압전세라믹부(3)에 밀접하여 설치되어 상기 접지선(7)과 신호선(8)을 매설시키는 후면층(4)과, 상기 압전세라믹부와 후면층의 접합부에 삽입되고 분기되어 상기 케이스의 개방홀로 인출되는 신호선(8)으로 이루어진 초음파 탐촉자에 있어서, 상기 케이스 내부 전체를 몰딩처리한 몰딩부(6)와, 상기 접지선과 상기 케이스의 내부에 양단이 접속되는 제2접지선(9)과, 상기 접지선과 상기 몰딩부에 양단이 접속되는 제 3접지선(9')으로 이루어진다..

상기 구성으로 이루어진 초음파 탐촉자의 작용을 설명하면 다음과 같다.

상기 렌즈(1)는 초음파를 집속하고 압전 세라믹 부분의 보호역할을 한다.

상기 정합층(2)은 초음파 진동자와 공기와의 음향 임피던스 차이를 감소시킴으로서 초음파의 반사율을 증가시키고 효율을 향상시키는 역할을 한다.

초음파 진동자 즉 압전 세라믹(3)은 전기적 신호를 음향신호인 초음파로 변환시켜 공기중으로 내보내고, 공기중에서 반사되어 돌아온 초음파 반사신호를 다시 전기적 신호로 변환시켜 장치로 보내는 역할을 한다. 초음파 센서에서 음파를 발진시키기위한 재료로는 주로 PZT 계열의 압전세라믹스를 사용하는데 이러한 압전세라믹스에 일정한 전압을 인가하면 특정한 주파수로 압전체가 발진을 시작한다. 이때 발생하는 공진주파수의 영역을 이용하여 초음파 센서의 발진체를 이용하게 되는데 이때 사용하는 압전세라믹스의 발진효율에 따라 초음파 센서에서 발생하는 음파의도달거리가 정해지게 된다.

상기 후면층(4)은 초음파 진동자의 공명으로 발생되는 초음파 중 진동자의 후방으로 방출되는 불필요한 초음파를 흡수하는 역할을 한다.

초음파 센서 즉 압전 세라믹(3)과 전면에 정합층(2) 후면에는 감쇄층의 전 외주부에 전도용 접착제(6)를 이용하여 전체를 몰딩하고, 그 후에 가장 바깥부분에 금속케이스(5)를 한 다음, 압전세라믹의 접지부(7)와 외부 금속케이스(5)를 제 2접지선(9)으로 연결시키고 압전세라믹의 접지부(7)와 상기 몰딩부(6)를 제 3접지선(9')으로 연결하므로서, 기존의 금속케이스(5)만을 이용한 탐촉자보다 넓은 접지 면적을 가져 접지력이 강화되어지기 때문에 센서 자체의 잡음을 크게 줄이고, 실제 사용시 가장 문제되는 외부로부터 전해오는 잡음의 전달을 억제하여 순수 초음파 신호를 송수신할 수 있으므로 정확한 측정이 가능하다.

즉, 초음파 센서의 외부에 도전성 에폭시로 감싸서 전기 전도도를 가지는 면적을 증가시켜 접지되는 면적이 넓어지면, 센서 자체의 잡음 및 외부로부터 전해오는 잡음을 줄일 수 있고, 탐촉자의 무게를 가볍게 할 수 있으며, 외부로부터의 충격에도 기존의 금속케이스에 바로 센서부가 인접해 있는 초음파 탐촉자에 비해 접착층이 있어 훨씬 안정하다.

도 4는 일반적인 물체 검지 초음파 센서 시스템의 회로도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 회로는 송신부와, 초음파 센서와, 수신부로 구성된다.

상기 송신부에는 펄스구동부가 구성되어 초음파센서에서 초음파에너지로 변환되는 구동펄스를 발생시킨다.

즉, 상기 펄스그동부는 접지단과 전원공급단사이에 직렬접속된 승압용 트랜스포머와 트랜지스터로 구성되고 상기 트랜스포머는 2차권선으로부터 초음파센서에 구동펄스를 출력한다.

따라서, 상기 주기적으로 출력되는 펄스 신호에 따라 초음파센서로부터 초음파에너지가 출력되게되고 물체로부터 반사되어 오는 초음파에코신호는 다시 초음파센서로부터 수신부로 수신되어 제어부로 인가된다.

즉, 초음파센서에 의해서 검출된 에코신호를 저잡음증폭부를 구성하는 연산증폭기에 인가하여 이득을 향상시킨 후 출력단에 잡음이 제거되고 안정적으로 출력될 수 있도록 한다.

출력되는 V₀신호와 기준 전압 V_cc와의 비교를 행함으로써 물체가 존재하는 지의 여부를 결정할 수 있다.

초음파 센서에 의해 얻어진 전압은 조건에 따라 다르지만 mV급이므로 1,000∼10,000배의 증폭이 필요하다. 그리고 일반 저주파 증폭기와 달리 40kHz이상의 신호가 되므로 범용의 OP 앰프로서는 충분한 진폭을 얻을 수 없다. 그래서 트랜지스터 또는 광대역 앰프와 동조회로를 조합하여 주파수 선택성을 가진 앰프를 많이 사용하고 있다.

상기 기술에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 초음파 센서 즉 압전 세라믹과 전면에 정합층 후면에는 감쇄층의 전 외주부에 전도용 접착제를 이용하여 전체를 몰딩하고, 그 후에 가장 바깥부분에 금속케이스를 한 다음, 압전세라믹의 접지부와 외부 금속케이스를 연결시키므로서, 기존의 금속케이스만을 이용한 탐촉자보다 넓은 접지 면적을 가져 접지력이 강화되어지기 때문에 센서 자체의 잡음 및 외부로부터 전해오는 잡음을 줄이고, 탐촉자의 무게를 가볍게 하고, 외부로부터의 충격에도 훨씬 안정적이다.

Claims (2)

1. 일측에 렌즈부가 형성되고 타측에 개방홀이 형성된 금속케이스와,

   상기 케이스의 내부에 렌즈부와 밀접하여 설치되는 정합층과,

   상기 정합층에 밀접하여 설치되는 압전세라믹부와,

   상기 정합층과 압전세라믹부에 삽입되고 분기되어 상기 케이스의 개방홀로 인출되는 접지선과,

   상기 압전세라믹부에 밀접하여 설치되어 상기 접지선과 신호선을 매설시키는 후면층과, 상기 압전세라믹부와 후면층의 접합부에 삽입되고 분기되어 상기 케이스의 개방홀로 인출되는 신호선으로 이루어진 초음파 탐촉자에 있어서,

   상기 케이스 내부 전체를 몰딩처리한 몰딩부와,

   상기 접지선과 상기 케이스의 내부에 양단이 접속되는 제2접지선과,

   상기 접지선과 상기 몰딩부에 양단이 접속되는 제 3접지선을 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 에폭시를 이용한 초음파 탐촉자.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 몰딩부는 도전성 에폭시인 것을 특징으로 하는 도전성 에폭시를 이용한 초음파 탐촉자.