KR101523347B1 - 전 방향 전단파 전자기 음향 트랜스듀서 - Google Patents

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승홍민
김윤영
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 트랜스듀서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 중심부에 원형 관통부를 갖고 소정의 직경 방향 폭을 가져서 상면 및 하면을 갖는 원환 형태로 구성되며 상기 상면 및 하면에 각각 반대 자극이 형성되어 상하 방향 자기장 선속을 형성하는 영구 자석; 및 상기 영구 자석의 관통부가 형성하는 내주면과 외측 둘레가 형성하는 외주면 사이를 가로질러 직경 방향으로 권선되며 둘레 방향으로 권취되는 코일;을 포함하며, 상기 코일은 전도성 재질을 포함하여 전류가 인가되게 구성되고, 상기 코일에 교류 전류가 인가될 때, 상기 코일을 따라 인가되는 전류의 방향과 상기 코일을 관통하는 자기장의 방향은 서로 직교하게 구성되는 트랜스듀서에 관한 것이다.

Description

전 방향 전단파 전자기 음향 트랜스듀서 {Omni-directional shear-horizontal wave electromagnetic acoustic transducer}
본 발명은 트랜스듀서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 중심부에 원형 관통부를 갖고 소정의 직경 방향 폭을 가져서 상면 및 하면을 갖는 원환 형태로 구성되며 상기 상면 및 하면에 각각 반대 자극이 형성되어 상하 방향 자기장 선속을 형성하는 영구 자석; 및 상기 영구 자석의 관통부가 형성하는 내주면과 외측 둘레가 형성하는 외주면 사이를 가로질러 직경 방향으로 권선되며 둘레 방향으로 권취되는 코일;을 포함하며, 상기 코일은 전도성 재질을 포함하여 전류가 인가되게 구성되고, 상기 코일에 교류 전류가 인가될 때, 상기 코일을 따라 인가되는 전류의 방향과 상기 코일을 관통하는 자기장의 방향은 서로 직교하게 구성되는 트랜스듀서에 관한 것이다.
이 발명은 하기와 같이 국가연구개발사업의 지원에 따라 이루어진 것이다.
[과제 고유번호: 21A0131712522
부처명: 교육과학기술부
연구관지 전문기관 : 한국연구재단
연구사업명: BK21 플러스 과학기술분야 사업
연구과제명 : 융합지식기반 창조형 기계항공인재 양성 사업단
주관기간: 서울대학교
기여율: 1/1
연구기간 :2013.09.01~2020.08.31]
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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 트랜스듀서의 개발이 필요하다.
등록특허 10-1061590
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 중심부에 원형 관통부를 갖고 소정의 직경 방향 폭을 가져서 상면 및 하면을 갖는 원환 형태로 구성되며 상기 상면 및 하면에 각각 반대 자극이 형성되어 상하 방향 자기장 선속을 형성하는 영구 자석; 및 상기 영구 자석의 관통부가 형성하는 내주면과 외측 둘레가 형성하는 외주면 사이를 가로질러 직경 방향으로 권선되며 둘레 방향으로 권취되는 코일;을 포함하며, 상기 코일은 전도성 재질을 포함하여 전류가 인가되게 구성되고, 상기 코일에 교류 전류가 인가될 때, 상기 코일을 따라 인가되는 전류의 방향과 상기 코일을 관통하는 자기장의 방향은 서로 직교하게 구성되는 트랜스듀서를 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 트랜스듀서는, 중심부에 원형 관통부를 갖고 소정의 직경 방향 폭을 가져서 상면 및 하면을 갖는 원환 형태로 구성되며 상기 상면 및 하면에 각각 반대 자극이 형성되어 상하 방향 자기장 선속을 형성하는 영구 자석; 및 상기 영구 자석의 관통부가 형성하는 내주면과 외측 둘레가 형성하는 외주면 사이를 가로질러 직경 방향으로 권선되며 둘레 방향으로 권취되는 코일;을 포함하며, 상기 코일은 전도성 재질을 포함하여 전류가 인가되게 구성되고, 상기 코일에 교류 전류가 인가될 때, 상기 코일을 따라 인가되는 전류의 방향과 상기 코일을 관통하는 자기장의 방향은 서로 직교하게 구성된다.
바람직하게는, 상기 영구 자석이 갖는 직경 방향 폭은 발생시키려는 전단파의 주파수에 상응하는 파장의 절반 값과 일치하게 구성된다.
바람직하게는, 상기 영구 자석은, 중심부에 제1 원형 관통부를 갖고 소정의 직경 방향 폭을 가져서 상면 및 하면을 갖는 원환 형태로 구성되며 상기 상면 및 하면에 각각 반대 자극이 형성되어 상하 방향 자기장 선속을 형성하는 제1 영구 자석부, 및
상기 제1 원형 관통부 내에 배치되어 상기 제1 원형 관통부의 내경과 대응되는 외경을 갖고 중심부에 제2 원형 관통부를 가지며 소정의 직경 방향 폭과 면적을 가져서 상면 및 하면을 갖는 원환 형태로 구성되며 상기 상면 및 하면에 각각 반대 자극이 형성되어 상하 방향 자기장 선속을 형성하는 제2 영구 자석부를 포함하며,
상기 코일은, 상기 제2 원형 관통부가 형성하는 내주면과 영구자석이 형성하는 가장 바깥쪽 외주면 사이를 가로질러 직경 방향으로 권선되고,
상기 제1 영구 자석부와 상기 제2 영구 자석부의 배치는, 서로 방대 방향의 자기장 선속을 갖도록 동일한 배향면에 서로 상이한 자극을 갖는 면이 위치하는 배치를 갖는다.
바람직하게는, 상기 제1 영구 자석부의 직경 방향 폭과 상기 제2 영구 자석부의 직경 방향 폭의 크기가 동일한 구성을 갖는다.
바람직하게는, 상기 제1 영구 자석부의 직경 방향 폭과 상기 제2 영구 자석부의 직경 방향 폭, 및 상기 제2 원형 관통부의 직경의 크기가 동일한 구성을 갖는다.
바람직하게는, 상기 코일은, 원환을 가로지르는 제1 권선부, 및 외주부에서 둘레 방향으로 소정 거리 연장되어 상기 제1 권선부와 원주 방향으로 소정 거리 이격된 상태에서 상기 제1 권선부와 동일한 방향으로 원환을 가로지르게 권선되는 제2 권선부를 갖는다.
바람직하게는, 상기 코일은, 상기 영구 자석의 원주 방향에 대하여 동일한 사이각을 갖고 등간격으로 권선된 구성을 갖는다.
바람직하게는, 상기 영구 자석에 부착되는 고정 수단;을 더 포함하며, 상기 고정부는 상기 코일을 위치 고정시키도록 소정의 접착체를 갖는다.
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.
아울러, 비접촉식으로 구조물에 전 방향 전단파를 고르게 발생시켜 측정을 수행할 수 있다. 이러한 트랜스듀서는 전 방향성이라는 이점을 통해 넓은 검사영역을 보다 빠르고 효율적으로 탐상할 수 있다. 즉, 기존의 기술은 전 방향 Lamb 파를 사용하거나 접촉식 전 방향 전단파를 사용 했기 때문에 Lamb 파가 갖는 문제점과 구조물과 트랜스듀서가 접촉하면서 생기는 문제점들을 안고서 사용해야 하는 단점이 있다. 반면에, 본 발명을 통해 전 방향 전단파 트랜스듀서를 사용한다면 앞서 설명한 것처럼 Lamb 파가 갖는 여러 문제점들을 해결하면서 비접촉식으로 효과적인 검사가 가능해질 수 있다.
따라서, 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, 영구 자석의 자력과 입력전류의 세기를 조절하여 트랜스듀서의 성능을 최대화 시킬 수 있고. 또, 코일을 감은 횟수를 조절하여 더욱 균일한 와류를 인가할 수 있으며 다양한 크기를 갖는 자석으로 주파수 특성을 변경시킬 수 있다.
또한, 영구 자석에 권선되는 코일이 균일한 권선 구조를 가짐에 따라서 본 발명에 따른 트랜스듀서는 전 방향에 대해 균일한 전단파를 발생 및 측정할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서를 나타낸 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서의 단면을 나타낸 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서의 자기장선속, 전류 방향, 와류 방향, 및 로렌츠 힘을 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서를 나타낸 도면이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서의 단면을 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서의 자기장선속, 전류 방향, 와류 방향, 및 로렌츠 힘을 나타낸 도면이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 권선 형태를 나타낸 도면이다.
도 8 은 본 발명에 따른 트랜스듀서에 의한 전 방향 전단파 발생을 나타낸 도면이다.
도 9 는 전단파의 파형을 나타낸 도면이다.
도 10 은 본 발명에 따른 트랜스듀서를 포함한 검사 장비를 나타낸 도면이다.
도 11 은 본 발명에 따른 트랜스듀서를 포함한 진단 기법을 나타낸 도면이다.
도 12 는 단일 영구자석을 사용해 구성한 본 발명에 따른 트랜스듀서를 전도체 평판에서 사용하여 전단파를 발생 및 측정하는 것을 확인한 실험결과를 나타낸 도면이다.
도면 13 는 두 영구자석(Periodic Permanent Magnets)을 사용해 구성한 본 발명에 따른 트랜스듀서가 전도체 평판에서 전단파를 발생 및 측정하는 것을 확인한 실험결과를 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 "상부", "하부"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 "가로방향" 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 은 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서(1)를 나타낸 도면이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서(1)의 단면을 나타낸 도면이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서(1)의 자기장선속, 전류 방향, 와류 방향, 및 로렌츠 힘을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 트랜스듀서(1)는, 중심부에 원형 관통부(105)를 갖고 소정의 직경 방향 폭을 가져서 상면 및 하면을 갖는 원환 형태로 구성되며 상기 상면 및 하면에 각각 반대 자극이 형성되어 상하 방향 자기장 선속을 형성하는 영구 자석(100); 및 상기 영구 자석(100)의 관통부가 형성하는 내주면과 외측 둘레가 형성하는 외주면 사이를 가로질러 직경 방향으로 권선되며 둘레 방향으로 권선 연장되는 코일(200);을 포함하며, 상기 코일(200)은 전도성 재질을 포함하여 전류가 인가되게 구성되고, 상기 코일(200)에 교류 전류가 인가될 때, 상기 코일(200)을 따라 인가되는 전류의 방향과 상기 코일(200)을 관통하는 자기장의 방향은 서로 직교하게 구성된다.
영구 자석(100)은 중심부에 원형의 원형 관통부(105)가 형성되고 원형의 외주부를 갖게 구성되며, 전체적으로 원형의 홀 및 외형을 가져서 원환 형태를 갖게 구성된다. 이에 따라서, 영구 자석(100)은 도 1 에 표시된 바와 같이 직경 방향(D)와 원주 방향 (R) 을 갖는다. 이때, 직경 방향으로 소정의 폭 K 를 가져서 소정의 면적을 갖게 구성된다. 이에 따라서, 원환 형태의 상면 및 하면을 갖고, 외측 둘레로 구성된 원형의 외주면, 및 상기 관통부로 형성된 원형의 내주면을 갖는다.
한편, 도 2 에 도시된 바와 같이, 상기 영구 자석(100)은 원환 형태를 가짐에 따라서, 중심점(M)을 가질 수 있으며, 아울러 원형 관통부(105)는 소정의 반경 L 을 가질 수 있다. 이때, 상기 영구 자석(100)의 폭 K 와 상기 원형 관통부(105)의 반경 L 은 소정의 비율을 가질 수 있으며, 일 예로 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)에서 생성되는 전단파의 파장을 λ라 할 때, 상기 폭 K 는 1/2λ의 크기를 갖고, 상기 반경 L 은 3/4λ 의 크기를 가질 수 있다.
영구 자석(100)은 상기 상면과 하면에 각각 반대 자극이 형성되는 자극 배치를 갖는다. 즉, 상기 상면과 하면에 각각 제1 극(102), 및 제2 극(104)이 형성되며, 상기 제1 극(102)은 N 극이고 상기 제2 극(104)은 S 극일 수 있다. 이에 따라서, 상면에 N 극이 형성되고 하면에 S 극이 형성될 경우, 상면에는 상방향으로 나가는 벡터 성분을 갖는 자기장 선속이 형성되며, 하면에는 하부에서 상방향으로 인입되는 벡터 성분을 갖는 자기장 선속이 형성된다. 한편, 상술한 바와 같이, 배향 및 시각에 따라서 상면과 하면은 서로 달리 해석될 수 있으므로, 특정 방향 및 면에 한정되는 것은 아니다.
상기 영구 자석(100)을 중심으로 권선되는 코일(200)이 마련된다. 상기 코일(200)은, 상기 영구 자석(100)의 관통부가 형성하는 내주면과 외측 둘레가 형성하는 외주면 사이를 가로질러 직경 방향으로 권선되며 둘레 방향으로 권선 연장된다. 여기서 권선 연장된다 함은 코일이 권선되면서 영구 자석(100)을 따라서 시계 방향, 또는 반시계 방향으로 둘러져서 진행함을 뜻한다. 즉, 상기 코일(200)은 원환 형태를 갖는 영구 자석(100)을 중심으로 하여 영구 자석(100)을 둘러 권선되며 영구 자석(100)의 둘레 방향으로 각변위하며 권취된다. 이에 따라서, 상기 코일(200)은 상기 영구 자석(100)의 상면 및 하면에서 상기 영구 자석(100)의 직경 방향으로 연장되고, 상기 영구 자석(100)의 외주면 및 내주면에서 상하 방향으로 연장된다.
상기 코일(200)은 전도성 재질을 포함하여 전류가 인가되게 구성된다. 즉, 상기 코일(200)은 예컨대 구리선 등으로 구성되어 전류가 흐를 수 있도록 구성된다. 이에 따라서, 상기 코일(200)의 양 단은 외부로 연장되어 소정의 전원 장치에 연결될 수 있다.
상기 코일(200)에 교류 전류가 인가될 때, 상기 코일(200)을 따라 인가되는 전류의 방향과 상기 코일(200)을 관통하는 자기장의 방향은 서로 직교하게 구성된다.
즉, 도 3 을 참조하며, 상기와 같이 코일(200)이 영구 자석(100)에 권선됨에 따라서, 상기 코일(200)을 통해 흐르는 전류(E)의 방향은 상기 영구 자석(100)의 상면 및 하면 상에서 상기 영구 자석(100)의 직경 방향이 된다. 한편, 상기와 같이 영구 자석(100)은 상면 및 하면에 각 자극이 형성되어 상하 방향의 자기장 선속(T)이 형성되는 바, 상기 자기장 선속(T)이 형성하는 벡터 방향과 상기 코일(200)을 따라 흐르는 전류(E)의 벡터 방향은 직교하게 된다.
본 발명에 따른 트랜스듀서(1)를 사용할 때, 상기 코일(200)에 교류 전원을 인가하게 된다. 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)를 소정의 전도체 평판 상에 위치시키고 상기 코일(200)에 교류 전원을 인가시키면 상기 전도체 평판에는 상기 교류 전류의 방향에 대해서 반대 방향으로 흐르는 와류 전류(eddy current)(G)가 발생한다. 상기 와류 전류(G)는 상기 교류 전류(E)의 방향에 대해서 반대 방향이므로, 교류 전류(E)와 마찬가지로 상기 영구 자석(100)의 직경 방향으로 흐르게 되며, 따라서 영구 자석(100)에 의해서 발생하여 전도체 평판을 통과하는 자기장 선속(T)에 대해서도 직교하게 된다.
이에 따라서, 상기 와류 전류(G)와 자기장 선속(T)은 로렌츠 힘(F)를 발생시킨다. 이때, 트랜스듀서(1)의 하면에 전도체 평판(P)이 위치하도록 할때, 상기 교류 전류 및 상기 와류 전류는 영구 자석(100)의 직경 방향으로 흐르고, 상기 영구 자석(100)에 의한 자기장 선속(T)은 상기 전도체 평판(P)을 관통하는 방향으로 형성되므로, 상기 로렌츠 힘(F)은 상기 전도체 평판(P) 내에서 전도체 평판(P)의 면적 방향으로 형성된다. 한편, 상술한 바와 같이 상기 코일(200)은 상기 영구 자석(100)을 둘러 권선되므로 로렌츠 힘(F)은 영구 자석(100)과 같이 원형으로 발생하게 되며, 후술하는 도 8 과 같은 형태로 형성된다. 따라서, 상기 로렌츠 힘(F)은 전 방향으로 전단력을 생성한다.
일 예로, 영구 자석(100)의 하면이 N 극이고, 트랜스듀서(1)의 하면에 전도체 평판(P)이 위치하며, 상기 교류 전류(E)의 방향이 영구 자석(100)의 하면에서 영구 자석(100)의 중심으로부터 외측 방향일 경우, 로렌츠 힘(F)은 상기 자기장 선속(T)과 와류 전류(G)의 방향에 따라서, 위에서 영구 자석(100)을 내려볼 때 시계방향을 갖게 되며 그 형태는 원형으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 영구 자석(100)이 갖는 직경 방향 폭은 발생시키려는 전단파의 주파수에 상응하는 파장의 절반 값과 일치하게 구성된다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서(2)를 나타낸 도면이고, 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서(2)의 단면을 나타낸 도면이며, 도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서(2)의 자기장선속, 전류 방향, 와류 방향, 및 로렌츠 힘을 나타낸 도면이다.
바람직하게는, 상기 영구 자석(100)은, 중심부에 제1 원형 관통부를 갖고 소정의 직경 방향 폭을 가져서 상면 및 하면을 갖는 원환 형태로 구성되며 상기 상면 및 하면에 각각 반대 자극이 형성되어 상하 방향 자기장 선속을 형성하는 제1 영구 자석부(110), 및 상기 제1 원형 관통부 내에 배치되어 상기 제1 원형 관통부의 내경과 대응되는 외경을 갖고 중심부에 제2 원형 관통부(125)를 가지며 소정의 직경 방향 폭과 면적을 가져서 상면 및 하면을 갖는 원환 형태로 구성되며 상기 상면 및 하면에 각각 반대 자극이 형성되어 상하 방향 자기장 선속을 형성하는 제2 영구 자석부(120)를 포함하며, 상기 코일(200)은, 상기 제2 원형 관통부(125)가 형성하는 내주면과 제1 영구 자석부(110)의 외측 둘레가 형성하는 외주면 사이를 가로질러 직경 방향으로 권선되고, 상기 제1 영구 자석부(110)와 상기 제2 영구 자석부(120)의 배치는, 서로 방대 방향의 자기장 선속을 갖도록 동일한 배향면에 서로 상이한 자극을 갖는 면이 위치하는 배치를 갖는다.
제1 영구 자석부(110)와 제2 영구 자석부(120)는 기본적으로 상술한 영구 자석(100)과 유사한 구성을 갖는다. 즉, 상면 및 하면을 갖도록 직경 방향으로 소정의 폭을 갖는 원환 형태로 구성되며, 상면 및 하면에 각각 반대 자극이 형성된다. 이에 따라서, 상기 제1 영구 자석부(110) 중심에는 제1 원형 관통부가 형성되고, 상기 제2 영구 자석부(120) 중심에는 제2 원형 관통부(125)가 형성된다. 이에 따라서, 상기 제1 영구 자석부(110)와 상기 제2 영구 자석부(120)는 동심으로 구성되며, 중심점(M2)을 공유한다. 아울러, 상기 제1 영구 자석부(110) 및 제2 영구 자석부(120)는 마찬가지로 서로 상이한 자극인 제1 극(112, 122), 및 제2 극(114, 124)을 갖는다.
상기 제2 영구 자석부(120)는 상기 제1 영구 자석부(110)의 제1 원형 관통부 내에 삽입되는 배치를 갖는다. 즉, 상기 제1 영구 자석부(110)의 제1 원형 관통부 내에 상기 제2 영구 자석부(120)가 배치되도록, 상기 제1 원형 관통부의 내경은 상기 제2 영구 자석부(120)의 외경과 대응되는 크기를 가질 수 있다.
한편, 상기 제1 영구 자석부(110)와 상기 제2 영구 자석부(120)는, 서로 반대 방향의 자기장 선속(T)을 갖도록 동일한 배향면에 서로 상이한 자극을 갖는 면이 위치하는 배치를 갖는다. 즉, 예컨대 상기 제1 원형 관통부 내에 상기 제2 영구 자석부(120)가 삽입되어 배치될 때, 상기 제1 영구 자석부(110)와 상기 제2 영구 자석부(120)의 동일한 배향면은 서로 상이한 자극을 갖는다. 여기서, 배향면이라 함은 제1 영구 자석부(110) 내에 제2 영구 자석부(120)가 삽입되어 하나의 결합체를 형성할 때, 상기 결합체의 상, 하면을 지칭한다고 파악될 수 있다.
이에 따라서, 하면을 고찰할 때, 도 6 에 도시된 바와 같이, 제1 영구 자석부(110)의 제2 극(114)이 S 극을 갖고, 제2 영구 자석부(120)의 제2 극(124)이 N 극으로 구성되며, 서로 동일면 상에 위치할 경우, 상기 제2 영구 자석부(120)에서 직하방향으로 진행되는 자기장 선속(T)은 자극의 배치에 따라서 180° 만곡되어 상기 제1 영구 자석부(110)의 S 극으로 항하게 된다.
이에 따라서, 상기 제1 영구 자석부(110)의 하부에 형성되는 로렌츠 힘(F1)과 제2 영구 자석부(120)의 하부에 형성되는 로렌츠 힘(F2)의 방향은 반대가 된다. 즉, 상술한 구조를 갖는 영구 자석(100)을 포함하는 트랜스듀서(2) 하부에 전도성 평판(P)이 위치하고 상기 실시 형태와 같이 코일(200)에 교류 전류를 인가하면 전도성 평판(P)에 와류 전류(G2)가 발생한다. 이때, 와류 전류(G2)의 방향과 상기 제1 영구 자석부(110)에 의한 자기장 선속(T) 및 제2 영구 자석부(120)에 의한 자기장 선속(T)은 서로 직교하며, 제1 영구 자석부(110)에 의한 자기장 선속(T) 및 제2 영구 자석부(120)에 의한 자기장 선속(T)은 서로 반대 방향이므로, 로렌츠 힘(F)의 방향 또한 반대 방향이 된다. 아울러, 상기 설명한 바와 같이 로렌츠 힘(F)은 영구 자석(100)을 따라서 원형으로 인가되되, 상기 제1 영구 자석부(110)에 의한 로렌츠 힘(F1)의 방향과 제2 영구 자석부(120)에 의한 로렌츠 힘(F2)의 방향은 서로 반대이므로, 어느 하나는 시계 방향, 다른 하나는 시계 반대 방향의 로렌츠 힘(F)을 갖게 된다. 예컨대, 도 6처럼 제1 영구 자석부(110)에 의한 로렌츠 힘(F1)은 시계 방향일때, 제2 영구 자석부(120)에 의한 로렌츠 힘(F2)은 시계 반대방향이며, 그 역도 가능하다.
이에 따라서, 본 발명에 따른 트랜스듀서(2)는 서로 반대 방향의 로렌츠 힘(F)을 생성하여 비틀림 힘을 전도성 평판(P)에 인가하므로, 더욱 강화된 전 방향 전단파를 생성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 영구 자석부(110)의 직경 방향 폭(K1)과 상기 제2 영구 자석부(120)의 직경 방향 폭(K2)은 동일하며, 제2 원형 관통부(125)의 반경(N)의 2 배의 크기를 갖는 구성을 가질 수 있다. 즉, 상기 폭이 동일하며 상기 제2 원형 관통부(125)의 반경의 2 배를 가져서, 각각 본 발명에 따른 트랜스듀서(2)에 의해서 생성되는 전단파의 반파장 길이(1/2λ)와 대응되므로, 보강 간섭이 이루어져 더욱 강화된 전 방향 전단파를 생성할 수 있다. 아울러, 상기 제1 영구 자석부(110)와 상기 제2 영구 자석부(120)는 서로 밀착할 수 있다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일(200) 권선 형태를 나타낸 도면이다.
바람직하게는, 상기 코일(200)은, 원환을 가로지르는 제1 권선부(210), 및 외주부에서 둘레 방향으로 소정 거리 연장되어 상기 제1 권선부(210)와 원주 방향으로 소정 거리 이격된 상태에서 상기 제1 권선부(210)와 동일한 방향으로 원환을 가로지르게 권선되는 제2 권선부(220)를 갖는다.
즉, 도 7 에 도시된 바와 같이, 상기 코일(200)은, 영구 자석(100)이 형성하는 원환을 직경방향으로 가로질러 각각 1 회 권선되는 제1 권선부(210)와 제2 권선부(220)를 포함하며, 상기 제1 권선부(210)와 제2 권선부(220)는 서로 동일한 방향으로 권선되되, 원주 방향으로 소정 거리 이격되어 소정의 사이각을 갖게 구성된다. 여기서, 도 7 에 도시된 화살표는 전류의 방향을 나타낸다.
이때, 상기 코일(200)은 상기 제1 권선부(210)를 통해 권선된 후 원주 방향으로 이격되어 제2 권선되도록 소정의 연장부(230)를 갖는다. 상기 연장부(230)는 영구 자석(100)의 외주부를 따라서 연장되어 권선 위치를 이동시키며, 만곡되거나 또는 직선 형태로 연장될 수 있다. 이에 따라서, 영구 자석(100)의 일 각위치에서 코일(210)이 권선된 후, 외주부를 따라 각 변위하여 다른 각위치에서 코일(220)이 권선되며, 이러한 과정이 반복되어 코일(200)이 소정의 사이각을 갖는 복수의 권선부를 가져서 영구 자석(100)의 원주 방향으로 균일한 권선 구조를 가질 수 있다.
이때, 상기 영구 자석(100)의 외주부를 따라서 연장된 연장부(230)는 로렌츠 힘에 대해 영향을 주지 아니한다. 즉, 상기 영구 자석(100)이 상하 방향으로 상이한 자극을 가짐에 따라서, 연장부(230)를 통해 흐르는 전류는 자기장 선속 내에 위치하지 아니하므로 상기 연장부(230)는 로렌츠 힘에 영향을 주지 않으며, 따라서 로렌츠 힘에 대한 영향이 없이 코일(200)의 균일한 권선이 이루어질 수 있으며, 상기 코일(200)은, 상기 영구자석(100)의 원주 방향에 대하여 동일한 사이각을 갖고 등간격으로 권선된 구성을 가질 수 있다.
한편, 이러한 등간격으로 권선된 구성을 달성하도록 소정의 고정 수단이 마련될 수 있다. 상기 고정 수단은 상기 영구 자석(100)에 부착되어 접착력을 갖는 소정의 부재일 수 있다. 일 예로, 상기 고정 수단은 셀로판 테이프, 접착제 등과 같이 소정의 접착력을 갖는 재질을 포함하는 소정의 부재, 또는 성분으로 이루어질 수 있으며, 상기 영구 자석(100)의 표면에 도포되거나 접착되어 상기 코일(200)이 정 위치에 고정되도록 하고 이에 따라서 상기 코일(200)이 등간격으로 권선되는 구성을 유지하도록 할 수 있다.
도 8 은 본 발명에 따른 트랜스듀서에 의한 전 방향 전단파 발생을 나타낸 도면이고, 도 9 는 전단파의 파형을 나타낸 도면이며, 도 10 은 본 발명에 따른 트랜스듀서를 포함한 검사 장비를 나타낸 도면이다.
도 8 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 트랜스듀서(1,2)는 전 방향으로 전단파를 발생시킬 수 있다. 이때, 상기 전단파가 형성하는 방향은 상술한 바와 같이 영구 자석(100)의 자극에 따라서 시계 방향, 또는 반시계 방향일 수 있다.
아울러, 도 9 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.
본 발명에 따라서, 비접촉식으로 구조물에 전 방향 전단파를 고르게 발생시켜 측정을 수행할 수 있다. 이러한 트랜스듀서는 전 방향성이라는 이점을 통해 넓은 검사영역을 보다 빠르고 효율적으로 탐사할 수 있다. 즉, 기존의 기술은 전 방향 램파를 사용하거나 접촉식 전 방향 전단파를 사용 했기 때문에 램파가 갖는 문제점과 구조물과 트랜스듀서가 접촉하면서 생기는 문제점들을 안고서 사용해야 하는 단점이 있다. 반면에, 본 발명을 통해 전 방향 전단파 트랜스듀서를 사용한다면 앞서 설명한 것처럼 램파가 갖는 여러 문제점들을 해결하면서 비접촉식으로 효과적인 검사가 가능해질 수 있다.
또한, 영구 자석(100)의 자력과 입력전류의 세기를 조절하여 트랜스듀서의 성능을 최대화 시킬 수 있고. 또, 코일(200)을 감은 횟수를 조절하여 더욱 균일한 와류를 인가할 수 있으며 다양한 크기를 갖는 자석으로 주파수 특성을 변경시킬 수 있다.
도 10 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 트랜스듀서를 소정의 평판(P)에 배열하고, 진단 영역에 대해 전단파를 발생시킴으로써 진단 영역의 파손, 또는 각종 이상 상태가 진단될 수 있다. S1 은 트랜스듀서 배열(A)에서 생성된 전단파를 나타내며, S2 는 진단 영역으로부터 반사된 전단파를 나타 내나, 도 8 에 도시된 형태로 파형이 한정되는 것은 아니다. 이때, 소정의 기기(W)를 통해 상기 진단 영역의 영상화 및 데이터화가 이루어질 수 있다.
도 11 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 트랜스듀서(1, 2)를 소정의 평판(P)에 리시버로써 다수 개를 배열하고 중앙에 접촉식 전 방향 전단파 트랜스듀서(M)를 트랜스미터로 설치하여 STMR(Single Transmitter Multiple Receivers) 을 구성하여 평판 전체 영역을 진단할 수도 있다. 이때, 리시버들을 트랜스듀서(1, 2)를 사용하여 비접촉식으로 사용하면 접촉식 트랜스듀서가 갖는 오차를 줄이고 트랜스미터와 리시버간의 간격을 자유롭게 조절하며 진단할 수 있다는 점,한 개의 리시버만 사용하여도 여러 지점을 측정하는 방식으로 불필요한 채널과 전선 구성을 피할 수 있다는 장점을 가질 수 있다.
도 12 는 단일 영구자석을 사용해 구성한 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)를 전도체 평판에서 사용하여 전단파를 발생 및 측정하는 것을 확인한 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 12 (A) 는 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)를 비접촉으로 설치하여 트랜스미터로 사용하고 접촉식 전단파 트랜스듀서를 리시버를 설치하여 신호를 수신한 결과이고 도 12 (B) 는 두 트랜스듀서의 역할을 바꾸어 트랜스듀서(1)을 리시버로 사용하고 접촉식 전단파 트랜스듀서를 트랜스미터로 사용하여 신호를 수신한 결과이다. 두 경우에 대한 실험결과로 미루어 보아 본 발명에 따른 트랜스듀서(1)가 전단파를 발생 및 측정할 수 있음을 알 수 있다.
도면 13 는 두 영구자석(Periodic Permanent Magnets)을 사용해 구성한 본 발명에 따른 트랜스듀서(2)가 전도체 평판에서 전단파를 발생 및 측정하는 것을 확인한 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 12 에서 상술한 바와 마찬가지로 도 13 (A) 는 본 발명에 따른 트랜스듀서(2)를 비접촉으로 설치하고 접촉식 전단파 트랜스듀서를 리시버를 설치하여 신호를 수신한 결과이고 도 13 (B)는 두 트랜스듀서의 역할을 바꾸어 트랜스듀서(2)을 리시버로 사용하고 접촉식 전단파 트랜스듀서를 트랜스미터로 사용하여 신호를 수신한 결과이다. 두 경우에 대한 실험결과로 미루어 보아 본 발명에 따른 트랜스듀서(2) 또한 전단파를 발생 및 측정할 수 있음을 알 수 있다. 더불어 다른 모드의 영향 또한 상술한 도면에서 보인 결과에 비해 월등히 좋은 것을 알 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.
1: 트랜스듀서
100: 영구 자석
102: 제1 극
104: 제2 극
105: 원형 관통부
110: 제1 영구 자석부
112: 제1 극
114: 제2 극
120: 제2 영구 자석부
122: 제1 극
124: 제2 극
125: 제2 원형 관통부
200: 코일
210: 제1 권선부
220: 제2 권선부
230: 연장부

Claims (8)

  1. 중심부에 원형 관통부를 갖고 소정의 직경 방향 폭을 가져서 상면 및 하면을 갖는 원환 형태로 구성되며 상기 상면 및 하면에 각각 반대 자극이 형성되어 상하 방향 자기장 선속을 형성하는 영구 자석; 및
    상기 영구 자석의 관통부가 형성하는 내주면과 외측 둘레가 형성하는 외주면 사이를 가로질러 직경 방향으로 권선되며 둘레 방향으로 권취되는 코일;을 포함하며, 상기 코일은 전도성 재질을 포함하여 전류가 인가되게 구성되고,
    상기 코일에 교류 전류가 인가될 때, 상기 코일을 따라 인가되는 전류의 방향과 상기 코일을 관통하는 자기장의 방향은 서로 직교하게 구성되는 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영구 자석이 갖는 직경 방향 폭은 발생시키려는 전단파의 주파수에 상응하는 파장의 절반 값과 일치하는 트랜스듀서
  3. 제1항에 있어서,
    상기 영구 자석은, 중심부에 제1 원형 관통부를 갖고 소정의 직경 방향 폭을 가져서 상면 및 하면을 갖는 원환 형태로 구성되며 상기 상면 및 하면에 각각 반대 자극이 형성되어 상하 방향 자기장 선속을 형성하는 제1 영구 자석부, 및
    상기 제1 원형 관통부 내에 배치되어 상기 제1 원형 관통부의 내경과 대응되는 외경을 갖고 중심부에 제2 원형 관통부를 가지며 소정의 직경 방향 폭을 가져서 소정의 면적을 가져서 상면 및 하면을 갖는 원환 형태로 구성되며 상기 상면 및 하면에 각각 반대 자극이 형성되어 상하 방향 자기장 선속을 형성하는 제2 영구 자석부를 포함하며,
    상기 코일은, 상기 제2 원형 관통부가 형성하는 내주면과 제1 영구자석부외측 둘레가 형성하는 외주면 사이를 가로질러 직경 방향으로 권선되고,
    상기 제1 영구 자석부와 상기 제2 영구 자석부의 배치는, 서로 방대 방향의 자기장 선속을 갖도록 동일한 배향면에 서로 상이한 자극을 갖는 면이 위치하는 배치를 갖는 트랜스듀서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 영구 자석부의 직경 방향 폭과 상기 제2 영구 자석부의 직경 방향 폭은 동일한 트랜스듀서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 영구 자석부의 직경 방향 폭과 상기 제2 영구 자석부의 직경 방향 폭, 및 상기 제2 원형 관통부의 직경은 동일한 트랜스듀서.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 코일은,
    원환을 가로지르는 제1 권선부, 및
    외주부에서 둘레 방향으로 소정 거리 연장되어 상기 제1 권선부와 원주 방향으로 소정 거리 이격된 상태에서 상기 제1 권선부와 동일한 방향으로 원환을 가로지르게 권선되는 제2 권선부를 갖는 트랜스듀서.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 코일은, 상기 영구 자석의의 원주 방향에 대하여 동일한 사이각을 갖고 등간격으로 권선된 구성을 갖는 트랜스듀서.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 영구 자석에 부착되는 고정 수단;을 더 포함하며,
    상기 고정 수단은 상기 코일을 위치 고정시키도록 소정의 접착체를 갖는 트랜스듀서.
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