KR101450076B1 - 전 방향 전단파 자기변형 패치 트랜스듀서 및 코일 권선 방법 - Google Patents

전 방향 전단파 자기변형 패치 트랜스듀서 및 코일 권선 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 트랜스듀서는, 정자기장을 발생시키는 영구 자석; 상기 영구 자석 하부에 배치되며 자기장 변화에 따라서 변형되는 재질로 구성된 패치; 상기 패치의 상면에 배치되는 절연체; 및 상기 패치 및 절연체에 소정의 형태로 권선되며 전류의 인가에 따라서 상기 패치에 동자기장이 유도되도록 하는 코일; 을 포함하며, 상기 코일의 권선 형태는, 상기 영구 자석이 발생하는 정자기장과 상기 코일이 권선되어 발생시킨 동자기장의 방향이 서로 직교하도록 하는 형태를 갖는다.

Description

전 방향 전단파 자기변형 패치 트랜스듀서 및 코일 권선 방법{ALL DIRECTION SHEAR WAVE MAGNETOSTRICTIVE PATCH TRANSDUCER AND WINDING METHOD}
본 발명은 트랜스듀서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 본 발명에 따른 트랜스듀서는, 정자기장을 발생시키는 영구 자석; 상기 영구 자석 하부에 배치되며 자기장 변화에 따라서 변형되는 재질로 구성된 패치; 상기 패치의 상면에 배치되는 절연체; 및 상기 패치 및 절연체에 소정의 형태로 권선되며 전류의 인가에 따라서 상기 패치에 동자기장이 유도되도록 하는 코일; 을 포함하며, 상기 코일의 권선 형태는, 상기 영구 자석이 발생하는 정자기장과 상기 코일이 권선되어 발생시킨 동자기장의 방향이 서로 직교하도록 하는 형태를 갖게 구성된다.
자기변형, 즉 마그네토스트릭션(magnetostriction)이란 강자성 재료가 자기장 아래 놓일 때 기계적인 변형이 발생하는 현상을 말하며 주울 효과(Joule effect)라고도 한다. 이것의 역현상으로 재료에 응력이 작용할 때 재료 내부의 자기적 상태가 변화하는 현상을 역자기변형 현상(inverse magnetostrictive effect) 또는 빌라리 효과(Villari effect)라고 한다.
자기변형 효과를 이용한 트랜스듀서는 측정하고자 하는 대상과 기계적인 접촉 없이 측정물의 변형을 측정할 수 있기 때문에 접촉식 센서의 적용이 불가능한 여러 분야에 응용되고 있다. 자기변형 효과를 이용하면 비접촉으로도 탄성파를 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전통적인 압전 효과를 이용한 방식보다 크기가 큰 탄성파를 발생시킬 수 있다.
전 방향 트랜스듀서는 모든 방향으로 동일한 크기와 모드를 갖는 파동을 발생시킬 수 있어 위상배열 시스템에 적용될 경우, 모든 방향에 대하여 동일한 알고리즘 (Algorithm)으로 효율적인 파동 집속이 가능한 장점을 가지고 있다. 하지만 기존의 전 방향 트랜스듀서들은 주로 Lamb파 (Lamb wave)만을 발생 및 측정하였고, 이러한 Lamb파는 기본 모드(SH0 모드)가 비분산 특성을 갖는 전단파 (Shear-Horizontal wave)에 비해 여러 가지 단점을 갖는다. 따라서, 전단파를 효율적으로 발생 및 측정할 수 있는 자기변형 패치 트랜스듀서의 개발이 필요하다.
본 발명은 교육과학기술부 및 재단법인 서울대학교 산학협력단의 도약연구지원사업 및 첨단비파괴 검사기술 개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.
[과제관리번호 : 20120005693, 과제명 : 파동 특이현상을 이용한 탄성/진동/음향 파동 테일러링, 정부부처명 : 교육과학기술부(한국연구재단), 주관기관명 : 서울대학교, 기여율 : 50%]
[과제관리번호 : 20120006397, 과제명 : 원전 배관 비파괴 진단용 자기 기계 유도초음파 트랜스듀서 시스템 개발, 정부부처명 : 교육과학기술부(한국연구재단), 주관기관명 : 서울대학교, 기여율 : 50%]
공개특허 10-2012-0073503
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 정자기장을 발생시키는 영구 자석; 상기 영구 자석 하부에 배치되며 자기장 변화에 따라서 변형되는 재질로 구성된 패치; 상기 패치의 상면에 배치되는 절연체; 및 상기 패치 및 절연체에 소정의 형태로 권선되며 전류의 인가에 따라서 상기 패치에 동자기장이 유도되도록 하는 코일; 을 포함하며, 상기 코일의 권선 형태는, 상기 영구 자석이 발생하는 정자기장과 상기 코일이 권선되어 발생시킨 동자기장의 방향이 서로 직교하도록 하는 형태를 갖는 트랜스듀서를 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 트랜스듀서는, 정자기장을 발생시키는 영구 자석; 상기 영구 자석 하부에 배치되며 자기장 변화에 따라서 변형되는 재질로 구성된 패치; 상기 패치의 상면에 배치되는 절연체; 및 상기 패치 및 절연체에 소정의 형태로 권선되며 전류의 인가에 따라서 상기 패치에 동자기장이 유도되도록 하는 코일; 을 포함하며, 상기 코일의 권선 형태는, 상기 영구 자석이 발생하는 정자기장과 상기 코일이 권선되어 발생시키는 동자기장의 방향이 서로 직교하도록 하는 형태를 갖는다.
바람직하게는, 상기 패치는, 니켈을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 패치는, 중심에 홀이 형성된 원환 형태로 구성된다.
바람직하게는, 상기 영구 자석은 상기 패치의 중앙부에 배치되어 상기 영구 자석에서 발생한 정자기장이 상기 패치에 대해서 방사형 형태를 가지며, 상기 코일은 상기 원환 형태의 패치를 방사형으로 둘러싸게 권선되어 상기 코일에 의해서 발생한 동자기장이 상기 패치에 대해서 원주 방향으로 형성되도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 코일은, 상기 패치의 원주 방향에 대하여 등간격으로 권선된다.
바람직하게는, 상기 패치는, 상기 홀의 반경이 패치 전체의 반경의 1/3로 구성된다.
바람직하게는, 상기 절연체는, 중심에 홀이 형성된 원환 형태로 구성되되, 외주부에 등간격으로 형성된 외홈, 및 내주부에 등간격으로 형성된 내홈을 포함하고, 상기 외홈과 내홈은 동수 형성되며 직경 방향으로 서로 대응되는 위치에 배열된다.
바람직하게는, 상기 코일은 상기 패치 및 절연체를 둘러싸게 권선되되, 상기 절연체에 형성된 외홈 및 내홈에 안치되어 지지된다.
본 발명에 따른 코일 권선 방법은, 중심에 홀이 형성된 원환 형태로 구성되며,
외주부에 등간격으로 형성된 외홈, 및 내주부에 등간격으로 형성된 내홈을 포함하고,
상기 외홈과 내홈은 동수 형성되며 직경 방향으로 서로 대응되는 위치에 배열되는 패치형 구조체에 전선을 권선하여 등간격의 코일을 형성하는 방법으로서,
상기 패치형 구조체의 외측에서 직경 방향으로 전면을 따라 전선을 전달하는 단계,
상기 전선을 제1 내홈을 거쳐 패치의 후면으로 전달하되 제1 외홈으로 전달하여 권선하는 단계,
제1 외홈을 통해 전면으로 노출된 전선을 제1 가이드의 전면을 지나 제2 외홈을 통과하여 후면으로 전달하는 단계,
상기 전선을 제2 가이드의 후면을 지나 제3 외홈을 통해 전면으로 노출시키는 단계; 를 포함한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 코일 권선 방법은, 상기 외홈 및 내홈의 개수는 2n 개인 패치형 구조체에 전선을 권선하여 등간격의 코일을 형성하는 방법으로서,
상기 코일 권선 방법을 원주 전체에 대해 1 회 반복하는 단계,
상기 전선이 제2n 외홈(N2n)을 통과하여 후면으로 노출되는 단계,
상기 전선이 제2n 외부 가이드(206-2n) 및 제1 외부 가이드(206-1)의 후면을 지나는 단계,
상기 전선이 제2 외홈(N2)을 통해 전면으로 노출되는 단계,
상기 제2 외홈(N2)을 통해 전면으로 노출된 전선을 제2 내홈(M2)으로 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서는, 상기 방법으로 코일이 권선된 절연체 및 패치를 포함하되, 상기 패치는 자기변형 물질로 구성되며, 상기 패치는 상기 절연체 하면에 배치된다.
본 발명에 따른 트랜스듀서에 의하면, 전 방향에 대해 전단파를 발생시키고, 전 방향에 대한 전단파를 측정 할 수 있다. 이러한 전단파는 기존의 Lamb 파의 단점인 주파수에 따른 분산 특성, 대칭 모드와 비대칭 모드가 동시에 존재하는 점, 및 표면 하중에 의한 영향에 민감한 점을 극복할 수 있다. 즉, 비분산 특성을 갖는 SH0 모드를 가질 수 있고, 단일 모드 사용이 용이하며, 표면 하중 영향에 민감하지 아니함으로써, Lamb 파의 단점이 전단파의 장점으로 보완될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 트랜스듀서는 전 방향에 대해 전단파가 발생함에 따라서 용이할 뿐 아니라 정밀한 검사가 이루어지도록 할 수 있으며, 저비용 고효율의 비파괴 검사 장비의 구성이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 트랜스듀서는 전류를 인가할 경우 가진원으로 활용될 수 있고, 전단 변형을 인가할 경우 센서로 활용될 수 있으므로 활용도가 더욱 커질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 코일 권선 방법은, 환형 패치의 원주 방향 전체에 대하여 균일한 코일 권선이 이루어지도록 함에 따라서, 원주방향으로 균일한 동자기장 발생이 가능하도록 하며, 본 발명에 따른 트랜스듀서가 전 방향에 대해 균일한 전단파를 발생시키도록 할 수 있다.
도 1 및 도 2 는 전단변형에 대한 자기변형 현상과 역자기변형 현상에 대한 원리를 나타낸 개념도이다.
도 3 및 도 4 는 본 발명에 따른 트랜스듀서를 나타낸 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 패치 및 절연체를 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서의 패치를 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 9 는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 패치 및 절연체에 코일이 권선된 형태를 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 13 은 본 발명에 따른 트랜스듀서의 패치 및 절연체에 코일을 권선하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 14 는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 패치 및 절연체에 코일을 권선하는 방법에 따라서 코일이 권선된 트랜스듀서를 나타낸 도면이다.
도 15 는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 자기장 형성 형태를 나타낸 도면이다.
도 16 은 본 발명에 따른 트랜스듀서에 의한 전 방향 전단파 발생을 나타낸 도면이다.
도 17 은 전단파의 파형을 나타낸 도면이다.
도 18 은 본 발명에 따른 트랜스듀서를 포함한 검사 장비를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다.
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.
공간적으로 상대적인 용어인 "좌측", 우측", "측부" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 부재 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 부재의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 부재를 가로놓을 경우, "상하방향" 은 "좌우방향" 으로 해석될 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "상하"는 좌우 방향을 모두 포함할 수 있다. 부재는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
아울러, "직교한다" 는 용어는 정확하게 직교하는 경우 외에, 대체로 직교하는 경우도 포함하며, 상식적인 범위 내에서의 오차 범위를 포함하여 이해되어야 한다. 또한, "전 방향" 이라는 용어 또한 대체로 전 방향인 것으로 이해되어야 하며 반드시 모든 방향인 경우에만 한정하여 이해되어서는 안될 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부재는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부재의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각 부재의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시예에서 본 발명의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 본 발명을 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
도 1 및 도 2 는 전단변형에 대한 자기변형 현상과 역자기변형 현상에 대한 원리를 나타낸 개념도로서, 도 1 은 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)에 의한 가진 원리(actuating)를 설명하는 도면이며, 도 2 는 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)에 의한 측정 원리(sensing)를 설명하는 도면이다.
즉, 도 1 에 도시된 바와 같이, 자기변형 물질로 구성된 물체(E) 상에 소정의 방향을 갖는 정자기장(T1)이 인가되고, 상기 정자기장(T1)에 대해 직교하는 동자기장(T2)이 인가되면, 상기 자기변형 물질은 자기장 변화에 의해 전단 변형이 발생하게 된다.
한편, 도 2 에 도시된 바와 같이, 자기변형 물질로 구성된 물체(E) 상에 소정의 방향을 갖는 정자기장(T1)이 인가되고, 상기 물체(E)에 전단 변형(F)이 인가되면 상기 정자기장(T1)에 대해 직교하는 동자기장(T2)이 발생하게 된다.
즉, 정자기장(T1)이 인가된 자기변형 물질에 동자기장(T2)를 정자기장(T1)에 직교하는 방향으로 인가하면 전단 변형이 발생하여 가진원으로 동작할 수 있으며, 반대로 정자기장(T1)이 인가된 자기변형 물질에 전단변형(전단파)이 인가되면 이에 상응하는 유도기전력에 의해 동자기장(T2)이 발생되어 측정 장치로 동작할 수 있다. 따라서, 하나의 구성을 갖는 장치를 선택에 따라서 액추에이터, 및 센서로 동시에 활용할 수 있게 된다.
도 3 및 도 4 는 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)를 나타낸 도면이며, 도 5 는 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)의 패치(100) 및 절연체(200)를 나타낸 도면이고, 도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서(1)의 패치(100)를 나타낸 도면이며, 도 7 내지 도 9 는 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)의 패치(100) 및 절연체(200)에 코일(300)이 권선된 형태를 나타낸 도면이고, 도 10 내지 도 13 은 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)의 패치(100) 및 절연체(200)에 코일(300)을 권선하는 방법을 나타낸 도면이며, 도 14 는 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)의 패치(100) 및 절연체(200)에 코일을 권선하는 방법에 따라서 코일이 권선된 트랜스듀서(1)를 나타낸 도면이고, 도 15 은 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)의 자기장 형성 형태를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4 는 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4 를 참조하면, 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)는, 정자기장을 발생시키는 영구 자석(400); 상기 영구 자석(400) 하부에 배치되며 자기장 변화에 따라서 변형되는 재질로 구성된 패치(100); 상기 패치(100)의 상면에 배치되는 절연체(200); 및 상기 패치(100) 및 절연체(200)에 소정의 형태로 권선되며 전류의 인가에 따라서 상기 패치(100)에 동자기장이 유도되도록 하는 코일(300); 을 포함하며, 상기 코일(300)의 권선 형태는, 상기 영구 자석(400)이 발생하는 정자기장과 상기 코일(300)이 발생시킨 동자기장의 방향이 서로 직교하도록 구성될 수 있다.
영구 자석(400)은 정자기장을 발생시키도록 구비된다.
패치(100)는 자기장의 변화에 따라서 변형될 수 있는 재질로 구성된다. 즉, 도 1 및 도 2 에 관한 설명에서 상술한 바와 같이, 정자기장의 인가 및 이에 직교한 방향으로의 동자기장 인가에 따라서 전단 변형되거나, 또는 정자기장의 인가 및 전단 변형의 인가에 따라서 동자기장이 발생되는 재질로 구성되며, 예컨대 상기 패치(100)는 니켈로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 패치(100)는, 중심에 홀(110)이 형성된 원환 형태로 구성될 수 있다. 즉, 상기 패치(100)는 환형 형상을 가질 수 있다.
이때, 상기 패치(100)와 상기 영구 자석(400)의 배치는, 상기 영구 자석(400)의 양극의 배열 방향이 상기 패치(100)의 면의 법선 벡터와 일치하도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 영구 자석(400)의 양극의 배열로 이루어지는 벡터 성분은 패치(100)가 이루는 평면을 직교하여 관통하는 배치를 가질 수 있다. 일 예로, 도 15 에 도시된 바와 같이, 상기 패치(100)가 평면 상에 배치되고, 상기 영구 자석(400)은 상기 패치(100) 상에 배치되되, 상기 영구 자석(400)의 양 극은 연직 방향으로 배열될 수 있다. 바람직하게는, 상기 영구 자석(400)은 상기 패치(100)의 정 중앙부에 위치할 수 있다.
상기와 같은 배치를 가짐에 따라서, 도 15 에 도시된 바와 같이 상기 영구 자석(400)에서 발생한 정자기장은 상기 패치(100)의 중심에서 외측으로 직경 방향으로 진행하는 방사형 형태를 갖는다.
상기 패치(100)의 상면에는 절연체(200)가 배치된다. 바람직하게는, 상기 절연체(200)는 상기 패치(100)의 상면에 배치되어 상기 절연체(200) 아래에 패치(100)가 게재되는 배치 구조를 가질 수 있다. 절연체(200)가 상기 패치(100)의 상면에 배치됨에 따라서 후술하는 코일(300)과 패치(100)의 직접적인 접촉이 패치 상면에서는 이루어지지 아니할 수 있다. 상기 절연체(200)는 상기 패치(100)의 형상에 대응하여, 상기 패치(100)와 마찬가지로 중심에 홀(210)이 형성된 원환 형태의 환형으로 구성될 수 있다.
코일(300)은 상기 패치(100)와 절연체(200)에 소정의 형태로 권선되며 전류가 인가될 수 있다.
이때, 코일(300)이 상기 패치(100)와 절연체(200)에 권선된다는 의미는, 상기 코일(300)에 인가되는 전류가 상기 패치(100)에 동자기장을 발생시킬 수 있도록 소정의 형태로 권선됨을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 상술한 바와 같이 상기 패치(100)의 상면에는 절연체(200)가 배치되므로, 상기 코일(300)은 상기 패치(100)와 상기 절연체(200)가 결합된 구조물 전체 상에 권선된다고 할 수 있다.
이때, 코일(300)의 권선 형태는, 상기 영구 자석(400)이 발생하는 정자기장 방향과 상기 코일(300)에 전류가 인가됨에 따라서 코일(300)이 권선되어 발생시킨 동자기장의 방향이 서로 직교할 수 있도록 하는 형태를 가질 수 있다.
예컨대, 도 15 를 참조하면, 상기 영구 자석(400)이 발생시키는 정자기장(K1)은 상기 패치(100)에 대하여 방사형 형태를 가지므로, 상기 코일(300)에 의한 동자기장(K2)은 상기 정자기장(K1)과 직교하도록 상기 패치(100)에 대하여 원주형 형태를 가질 수 있으며, 상기 코일(300)은 이러한 형태의 동자기장(K2)이 형성되도록 하는 권선 형태를 가질 수 있다. 이에 따라서, 상기 코일(300)을 통한 전류에 의해 발생한 원주 방향 동자기장(K2)은 상기 정자기장(K1)과 직교할 수 있다. 한편, 바람직하게는, 상기 코일(300)은 상기 패치(100)의 원주 방향에 대하여 등간격으로 권선되어 상기 동자기장(K2)이 원주방향으로 균일하게 패치에 인가되도록 할 수 있다.
상기와 같은 자기장의 인가에 의해서, 상술한 도 1 에 따른 원리가 적용되어 상기 패치(100)의 면적을 형성하는 면의 전 방향으로 전단파가 발생할 수 있다. 즉, 상기 영구 자석(400)에서 발생한 정자기장은 상기 패치(100)의 중심으로부터 상기 패치(100)의 전 방향으로 방사형 형태를 가지며, 상기 동자기장은 상기 패치(100)의 원주 방향으로 발생되므로, 패치(100)의 모든 지점에서 두 자기장이 직교할 수 있다. 이러한 모든 지점에서의 두 자기장의 직교는 전단 변형이 패치(100) 전체에 걸쳐서 이루어지도록 할 수 있고, 이러한 전 방향 전단 변형은 도 16 에 도시된 바와 같이 전 방향 전단파를 발생시킬 수 있다.
아울러, 도 2 에 따른 원리에 의해서 상기 패치(100)에 전단 변형이 인가되면 상기 코일(300)을 구성하는 전선에 유도 전류를 발생시키는 동자기장이 발생할 수 있다.
한편, 바람직하게는, 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)를 소정의 목적물에 대해 적절히 부착, 또는 안착시킬 수 있도록 소정의 지지부(600)가 구비되며, 상기 코일(300)에 대해서 전력을 인가하거나 또는 코일(300)에서 생성된 유도 전류가 입력될 수 있는 전기 단자(500)가 구비될 수 있다.
이하에서는 상기 절연체(200)의 구체적인 구성에 대해 설명한다.
도 5 를 참조하면, 상기 절연체(200)는, 중심에 홀(210)이 형성된 원환 형태의 환형으로 구성되되, 외주부에 등간격으로 형성된 외홈(202), 및 내주부에 등간격으로 형성된 내홈(204)을 포함하고, 상기 외홈(202)과 내홈(204)은 동수 형성되며 직경 방향으로 서로 대응되는 위치에 배열될 수 있다.
즉, 도 5 를 참조하면, 상기 절연체(200)는 환형으로 구성되되, 외주부 및 내주부에 복수의 홈이 형성되는 구성을 가질 수 있다. 상기와 같이 외주부에 형성된 복수의 외홈(202)과 내주부에 형성된 복수의 내홈(204)은 각각 외주부 및 내주부에 등간격을 갖게 형성되며, 서로 동수로 형성되고 직경 방향으로 서로 대응되는 위치에 배열된다.
일 예로, 상기 외홈(202)이 10 개인 경우, 상기 내홈(204) 또한 10 개일 수 있으며, 각각의 외홈(202) 및 내홈(204) 사이의 사이각은 36°가 될 수 있다. 한편, 상기 외홈(202) 및 내홈(204)의 수는 임의일 수 있고, 그에 따라서 적절한 사이각을 가질 수 있다.
외홈(202)과 내홈(204) 사이의 대응 관계는, 도 10 에 도시된 바와 같이, 코일(300)이 처음으로 권선되는 부분에 형성된 외홈(202) 및 내홈(204)을 각각 제1 외홈(N1) 및 제1 내홈(M1)이라고 할 때, 상기 제1 내홈(M1)과 제1 외홈(N1)은 중심으로부터의 거리만 상이할 뿐, 원주 방향으로는 동일한 위치에 위치할 수 있다. 즉, 패치(100)의 중심을 통과하는 직경 방향의 하나의 선분을 가정할 때, 하나의 선분 상에 상기 제1 내홈(M1)과 제1 외홈(N1)이 함께 위치하며, 이는 이후 다른 외홈(202) 및 내홈(204)에 대해서도 적용된다.
여기서, 각각의 외홈(202) 사이의 부분에는 외부 가이드(206)가 형성되며, 각각의 내홈(204) 사이의 부분에는 내부 가이드(208)가 형성될 수 있다. 상기 외부 가이드(206) 및 내부 가이드(208)는, 후술하는 바와 같이 코일(300)을 구성하는 전선이 용이하게 거치되어 권선되도록 하며, 아울러 패치(100)의 원주 방향으로 등간격의 권선 및 균일한 동자기장의 발생이 이루어지도록 할 수 있다.
상기 외홈(202)과 상기 내홈(204)이 형성됨에 따라서, 절연체(200)에 대한 코일(300)의 권선이 용이하게 이루어질 수 있다. 즉, 상기 코일(300)은 상기 패치(100)와 절연체(200)를 둘러싸게 권선되되, 상기 외홈(202) 및 내홈(204)에 안치되어 지지됨으로써 코일(300)의 안정적인 형성 및 권선이 이루어질 수 있다.
또한, 상기와 같은 외홈(202) 및 내홈(204)을 이용한 코일(300)의 권선 방법에 따라서, 상기 영구자석에 의해 발생한 정자기장에 대해 직교하는 동자기장이 발생하도록 하는 코일(300)의 권선이 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 패치(100)의 홀(110)의 반경은 패치(100) 전체의 반경의 1/3일 수 있다. 즉, 특정 주파수 전단파(SH0 모드)의 반파장, 상기 패치(100)의 외반경과 내반경의 차이(R-r), 및 상기 패치(100)의 내경 (2r)이 각각 일치할 수 있으며, 이때 신호 크기가 가장 크게 측정될 수 있다.
이하에서는 상기와 같이 영구 자석(400)에 의해 발생한 정자기장에 대해 직교하는 동자기장이 발생하도록 하는 코일(300)의 권선 방법에 관해 설명한다.
도 10 을 참조하면, 본 발명에 따른 코일(300)의 권선 방법은 (a)상기 절연체(200)의 외측에서 직경 방향으로 전면을 따라 전선을 전달하는 단계, (b)상기 전선을 제1 내홈(M1)을 거쳐 패치(100)의 후면으로 전달하되 제1 외홈(N1)으로 전달하여 권선하는 단계, (c)제1 외홈(N1)을 통해 전면으로 노출된 전선을 제1 외부 가이드(206-1)의 전면을 지나 제2 외홈(N2)을 통과하여 후면으로 전달하는 단계, (d)상기 전선을 제2 외부 가이드(206-2)의 후면을 지나 제3 외홈(N3)을 통해 전면으로 노출시키는 단계; 를 포함할 수 있다. 상기 각각의 단계를 포함하는 코일(300)의 권선 방법 패치(100) 및 절연체(200)의 원주 전체에 대하여 행하여짐으로써, 패치(100) 및 절연체(200) 전체에 대해 전선의 권선 및 코일(300)의 형성이 이루어질 수 있다. 예컨대 도 7 에 도시된 바와 같이 상기 절연체(200)가 2n 개의 외홈 및 내홈을 갖는 구성을 가질 경우 상기 권선 방법이 n 회 반복되어 원주 전체에 대한 권선이 이루어질 수 있다.
여기서, 제1 외홈(N1), 제1 내홈(M1)은 각각 전선이 최초로 권선되는 위치에 형성된 외홈 및 내홈을 가리키며, 제1 외부 가이드(206-1)는 제1 외홈(N1)과 제2 외홈(N2) 사이의 부분을 가리키고, 제1 내부 가이드(208-1)는 제1 내홈(M1)과 제2 내홈(M2) 사이의 부분을 가리키며, 특정한 외홈, 내홈, 외부 가이드, 및 내부 가이드에 한정하는 것이 아니다. 이와 같은 설명은 n(n≥1) 번째 내홈, 외홈, 외부 가이드, 및 내부 가이드에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다. 한편, 이와 같은 설명에 따라서 제1 외홈(N1)과 제1 내홈(M1)은 직경방향으로 서로 대응되는 위치에 위치하게 되며, 이는 외홈 및 내홈 뿐만 아니라, 외부 가이드, 및 내부 가이드에 대해서도 마찬가지로 적용된다.
상기와 같은 권선 방법이 절연체의 원주 전체에 대해 1 회 반복되면, 도 7과 같은 권선 형태가 이루어진다. 도 7 과 같은 권선 형태는 홀수 번째 외홈 및 이에 대응하는 내홈에 대해 코일이 형성된 형태이므로, 편의상 홀수 번째 외홈 및 내홈에 대해 권선이 이루어진 형태라고 지칭할 수 있다.
상기와 같은 방법에 따라서 코일(300)을 권선할 경우, 스프링과 같이 나선형으로 기울어진 권선이 아닌 패치(100)의 각 부분을 직경 방향으로 둘러싸는 권선이 이루어질 수 있으므로, 상기 패치(100)의 원주 방향의 동자기장이 발생될 수 있으며, 따라서 상기 동자기장은 방사형의 정자기장에 대해 직교할 수 있다. 또한, 상기와 같은 권선은 패치(100)의 원주 방향 전체에 걸쳐서 균일한 권선이 이루어지도록 하여 균일한 동자기장이 발생하도록 할 수 있다.
한편, 바람직하게는, 상기 외홈 및 내홈이 2n-1 개일 경우, 상기 코일의 권선은 상기 2n-1 개의 외홈 및 내홈 전체에 대해 이루어질 수 있다.
즉, 도 11 에 도시된 바와 같이, 상기 권선 방법을 반복하여, 전선이 제2n-1 외홈(N2n-1)을 통과하여 전면으로 노출되면, 상기 권선 방법을 전체 원주에 대해 1 회 더 반복함으로써, 짝수 번째 외홈 및 내홈에 대해서도 같은 형태의 권선이 이루어질 수 있다. 즉, 도 11 에 도시된 바와 같이 외홈 및 내홈의 개수가 2n-1 개일 경우, 원주 방향으로 상기 권선 방법을 전체 원주에 대해 2회전 수행되도록 함으로써, 2n-1 개의 외홈 및 내홈 전체에 대해 권선이 이루어질 수 있다.
즉, 상기 외홈 및 내홈이 2n-1 개일 경우, 상기와 같은 권선 방법을 원주 전체에 대해서 2X (X≥1) 회 반복하고 2n-2번째 외홈을 통해 전면으로 노출된 전선을 2n-2번째 내홈으로 전달, 그 후 2n-2번째 내홈을 통해 후면으로 노출된 전선을 2n-2번째 외홈으로 전달함으로써, 상기 원주 전체에 대한 복수 회의 권선이 이루어질 수 있다. 여기서, 2X (X≥1)회 반복하는 것은, 홀수 회 반복할 경우 각 홈의 권선 횟수가 차이가 발생할 수 있기 때문이다.
한편, 상기와 같은 권선을 반복한 후, 최종적으로 제2n-1 외홈 및 내홈까지 권선이 이루어지면, 상기 전선을 외부로 연장하여 도 3 및 4 에 도시된 바와 같은 전기 단자에 연결할 수 있다.
한편, 바람직하게는, 상기 외홈 및 내홈이 2n 개일 경우, 하기와 같은 방법에 의해서 2n 개의 외홈 및 내홈 전체에 대한 권선이 이루어질 수 있다.
여기서는 도 12 및 도 13 을 참조하여 상기 외홈 및 내홈이 2n 개일 경우의 권선 방법에 대해 설명한다. 도 13 은 도 12의 배면을 나타낸 도면이다.
도 12 및 도 13 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 권선 방법은, 상기 권선 방법을 원주 전체에 대해 1 회 반복하여, 코일이 제2n 외홈(N2n)을 통과하여 후면으로 노출시키는 단계(i), 상기 전선을 제2n 외부 가이드(206-2n) 및 제1 외부 가이드(206-1)의 후면을 지나게 하는 단계(j) 상기 전선을 제2 외홈(N2)을 통해 전면으로 노출시키는 단계(k). 상기 제2 외홈(N2)을 통해 전면으로 노출된 전선을 제2 내홈(M2)으로 전달하는 단계(l)를 포함하며, 이어서 상기 도 10 과 관련하여 설명한 권선 방법과 동일한 권선 방법을 원주 전체에 대해 1회 반복한다.
여기서, 도 12 에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 전선을 제2n 외부 가이드(206-2n) 및 제1 외부 가이드(206-1)의 후면을 지나게 하는 단계(j)에서, 전선은 제1 외홈(N1)을 거치지 않고 통과한다.
이에 따라서, 짝수 번째 외홈 및 내홈에 대해서도 동일한 권선이 이루어지며, 상기 패치(100)의 원주 전체에 대한 권선이 이루어질 수 있다.
도 14 는 상기와 같은 방법에 의해서 상기 외홈 및 내홈이 2n 개인 경우, 모든 외홈 및 내홈에 대해 권선이 이루어진 형태의 트랜스듀서(1)를 나타낸 도면이다.
도 18 은 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)를 사용한 검사 장비의 일 예를 도시한 도면이다.
도 18 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)를 소정의 평판(P)에 배열하고, 진단 영역에 대해 전단파를 발생시킴으로써 진단 영역의 파손, 또는 각종 이상 상태가 진단될 수 있다. S1 은 트랜스듀서(1)에서 생성된 전단파를 나타내며, S2 는 진단 영역으로부터 반사된 전단파를 나타내나, 도 18 에 도시된 형태로 파형이 한정되는 것은 아니다. 이때, 소정의 기기(W)를 통해 상기 진단 영역의 영상화 및 데이터화가 이루어질 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)의 효과에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 트랜스듀서(1)는 상기와 같은 구성을 가짐에 따라서, 전 방향에 대해 전단파가 발생할 수 있다.
도 16 는 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)에 의한 전 방향 전단파 발생을 나타낸 도면이며, 도 17 는 전단파의 파형을 나타낸 도면이다.
도 17 에 도시된 바와 같이, 상기 전단파는 입자 운동이 매질 표면에 대해 수평으로 편향되어 전파 방향과 입자 운동 방향이 이루는 평면에 대해 In-plane 변형만이 존재하게 된다.
이러한 전단파는 기존의 Lamb 파의 단점인 주파수에 따른 분산 특성, 대칭 모드와 비대칭 모드가 동시에 존재하는 점, 및 표면 하중에 의한 영향에 민감한 점을 극복할 수 있다. 즉, 비분산 특성을 갖는 SH0 모드를 가질 수 있고, 단일 모드 사용이 용이하며, 표면 하중 영향에 민감하지 아니함으로써, Lamb 파의 단점이 전단파의 장점으로 보완될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)는 전 방향에 대해 전단파가 발생함에 따라서 용이할 뿐 아니라 정밀한 검사가 이루어지도록 할 수 있으며, 저비용 고효율의 비파괴 검사 장비의 구성이 가능해질 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 가진 원리 및 측정 원리에 따라서, 전류를 인가할 경우 가진원으로 활용될 수 있고, 전단 변형을 인가할 경우 센서로 활용될 수 있으므로 활용도가 더욱 커질 수 있다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: 패치 110: 홀
200: 절연체 202: 외홈
204: 내홈 206: 외부 가이드부
208: 내부 가이드부 210: 홀
300: 코일 400: 영구 자석
500: 전기 단자 600: 지지부

Claims (12)

  1. 중심에 홀이 형성된 원반 형태로 구성되며,
    외주부에 등간격으로 형성된 외홈, 및 내주부에 등간격으로 형성된 내홈을 포함하고,
    상기 외홈과 내홈은 동수 형성되며 직경 방향으로 서로 대응되는 위치에 배열되고,
    상기 외홈 및 내홈의 개수가 2N (N≥1)개이며,
    상기 외홈은 상기 외주부를 따라서 순차적으로 2N 개 형성되며,
    상기 내홈은 상기 내주부를 따라서 순차적으로 2N 개 형성되며,
    상기 각각의 외홈 사이에는 외부 가이드가 형성되고,
    상기 각각의 내홈 사이에는 내부 가이드가 형성되는 패치형 구조체에 전선을 권선하여 등간격의 코일을 형성하는 방법으로서,
    상기 패치형 구조체의 외측에서 직경 방향으로 전면을 따라 전선을 전달하는 제1 단계;
    상기 전선을 제1 내홈(M1)을 거쳐 패치의 후면으로 전달하되 제1 외홈(N1)으로 전달하여 권선하는 제2 단계;
    제1 외홈(N1)을 통해 전면으로 노출된 전선을 제1 외부 가이드의 전면을 지나 제2 외홈(N2)을 통과하여 후면으로 전달하는 제3 단계;
    상기 전선을 제2 외부 가이드의 후면을 지나 제3 외홈(N3)을 통해 전면으로 노출시키는 제4 단계;
    상기 제1 내지 제4 단계를 원주 전체에 대해 1 회 반복하여 2n-1 (n≥1) 번째 외홈(N2n-1)(n≥1) 및 내홈(M2n-1)(n≥1) 에 전선을 권선하는 제5 단계;
    상기 전선이 제2N 외홈(N2N)을 통과하여 후면으로 노출되는 제6 단계;
    상기 전선이 제2N 외부 가이드 및 제1 외부 가이드의 후면을 지나되 상기 제1 외홈(N1)을 거치지 않고 통과하는 제7 단계;
    상기 전선이 제2 외홈(N2)을 통해 전면으로 노출되는 제8 단계; 및
    상기 제2 외홈(N2)을 통해 전면으로 노출된 전선을 제2 내홈(M2)으로 전달하는 제9 단계;를 포함하는 코일 권선 방법.
  2. 제1항에 따른 방법으로 코일이 권선된 패치형 구조체를 포함하되,
    상기 패치형 구조체는 절연체 및 패치를 포함하며,
    상기 패치는 자기변형 물질로 구성되고,
    상기 패치는 상기 절연체 하면에 배치된 트랜스듀서.
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