KR102067196B1 - 자기변형 트랜스듀서 - Google Patents

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KR102067196B1
KR102067196B1 KR1020180100553A KR20180100553A KR102067196B1 KR 102067196 B1 KR102067196 B1 KR 102067196B1 KR 1020180100553 A KR1020180100553 A KR 1020180100553A KR 20180100553 A KR20180100553 A KR 20180100553A KR 102067196 B1 KR102067196 B1 KR 102067196B1
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박상진
주영상
김회웅
김성균
김종범
김태완
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한국원자력연구원
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/08—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with magnetostriction
    • B06B1/085—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with magnetostriction using multiple elements, e.g. arrays
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Abstract

자기변형 트랜스듀서는 상호 대향하며 위치하고 정자기장이 발생되는 한 쌍의 자석, 한 쌍의 자석 사이에 위치하고 제1 방향으로 뻗은 PCB기판, 그리고 PCB기판에 위치하고 제1 전기단자와 연결되는 제1 회로부를 포함하고, 제1 회로부는, PCB기판의 상부에 위치하고 미앤더 패턴의 전기회로를 포함하는 제1 코일부, 그리고 PCB 기판의 하부에 위치하고 제1 코일부와 대향하며 위치하고 동자기장을 발생시키면서 정자기장과 함께 수평횡파를 발생시키고 특정 지점에 수평횡파를 집속시키는 제2 코일부를 포함한다.

Description

자기변형 트랜스듀서 {MAGNETOSTRICTIVE TRANSDUCER}
자기변형 트랜스듀서가 제공된다.
일반적으로 자기변형 트랜스듀서는 자기변형현상을 이용하여 초음파를 발생시키거나 측정할 수 있는 센서로, 정자기장을 발생시키는 영구자석과 동자기장을 발생시키는 코일을 포함할 수 있다. 정자기장과 동자기장 방향이 직교하면 전단 변형이 발생하여 수평횡파(Shear Horizontal wave, SH-wave)를 발생시킬 수 있다.
수평횡파는 입자의 진동방향이 수평방향인 횡파로서 0차 수평횡파는 전 주파수 구간에서 파형이 변하지 않고 전파속도가 일정하여 유도초음파 검사 결과 분석이 유리하다는 점에서 수평횡파를 이용한 유도초음파 검사 방법 등이 연구되고 있다. 관련 선행문헌으로, 한국등록특허 1,328,061은 "전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서"를 개시한다.
한국등록특허 1,328,061
본 발명의 한 실시예는 자기변형 트랜스듀서에서 발생된 수평횡파를 특정 지점에 집속 시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예는 집속된 수평횡파를 통해 인접 경계의 영향을 받지 않고 결함을 탐지하여 검사 성능을 향상시키기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서는 상호 대향하며 위치하고 정자기장이 발생되는 한 쌍의 자석, 한 쌍의 자석 사이에 위치하고 제1 방향으로 뻗은 PCB기판, 그리고 PCB기판에 위치하고 제1 전기단자와 연결되는 제1 회로부를 포함하고, 제1 회로부는, PCB기판의 상부에 위치하고 미앤더 패턴의 전기회로를 포함하는 제1 코일부, 그리고 PCB 기판의 하부에 위치하고 제1 코일부와 대향하며 위치하고 동자기장을 발생시키면서 정자기장과 함께 수평횡파를 발생시키고 특정 지점에 수평횡파를 집속시키는 제2 코일부를 포함한다.
본 발명의 한 실시예는 곡선형 코일에 의한 동자기장 방향 변화에 때문에 발생할 수 있는 전단변형력의 감소 없이 수평횡파를 집속할 수 있다.
본 발명의 한 실시예는 수평횡파의 집속 지점의 S/N비를 향상시킬 수 있으므로 결함 탐지 효율이 커질 수 있다.
본 발명의 한 실시예는 용접부의 결함이나 인접해 있는 결함을 각각 구분하여 탐지할 수 있는 분해능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 사용예를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서를 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서를 나타내는 저면도이다.
도 5는 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서를 나타내는 정면도이다.
도 6은 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 제1 회로부의 전류의 흐름을 나타내는 평면도이다.
도 7은 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 제 1 회로부를 나타내는 저면도이다.
도 8은 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 집속거리 35mm의 음장해석 이미지 및 방사 축 상의 응답분포 결과를 나타내는 실험 그래프이다.
도 9는 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 집속거리 45mm의 음장해석 이미지 및 방사 축 상의 응답분포 결과를 나타내는 실험 그래프이다.
도 10은 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 집속거리 55mm의 음장 해석 이미지 및 방사 축 상의 응답분포 결과를 나타내는 실험 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
그러면, 본 발명의 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서에 대하여 설명한다.
도1은 본 발명의 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 사용예를 나타내는 사시도이며, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서를 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서를 나타내는 평면도이며, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서를 나타내는 저면도이며, 도 5는 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서를 나타내는 정면도이며, 도 6은 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 제1 회로부의 전류의 흐름을 나타내는 평면도이며, 도 7은 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 제 1 회로부를 나타내는 저면도이며, 도 8은 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 집속거리 35mm의 음장 해석 이미지 및 방사 축 상의 응답분포 결과를 나타내는 실험 그래프이며, 도 9는 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 집속거리 45mm의 음장 해석 이미지 및 방사 축 상의 응답분포 결과를 나타내는 실험 그래프이며, 도 10은 한 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 집속거리 55mm의 음장 해석 이미지 및 방사 축 상의 응답분포 결과를 나타내는 실험 그래프이다.
도 1을 참고하면, 자기변형 트랜스듀서(1)는 한 쌍의 자석(10), PCB기판(20), 제1 회로부(30) 그리고 제2 회로부(40)를 포함할 수 있다. 한 쌍의 자석(10)은 PCB기판(20)의 양측에 각각 이격하며 위치할 수 있다. 한 쌍의 자석(10)은 상호 대향하며 위치할 수 있다. 한 쌍의 자석(10)은 요크(Yoke)(11)를 통해 상호 연결될 수 있다. 한 쌍의 자석(10)은 서로 다른 극을 띠고 있어 한 쌍의 자석(10) 사이의 이격 공간에서 정자기장을 발생시킬 수 있다. PCB기판(20)은 제1 방향인 y축 방향으로 뻗으며 위치할 수 있다.
제1 회로부(30)는 PCB기판(20)에 위치할 수 있다. 제1 회로부(30) 는 동자기장을 발생시킬 수 있다. 자기변형 트랜스듀서(1)는 한 쌍의 자석(10)에서 발생된 정자기장과 제1 회로부(30)에서 발생된 동자기장이 직교하면서 전단 변형이 발생하여 수평횡파(W)를 화살표 방향으로 발생시킬 수 있다. 제2 회로부(40)는 PCB기판(20)에 위치할 수 있다. 제2 회로부(40)는 제1 방향인 y축 방향을 중심으로 제1 회로부(30)와 상호 대칭일 수 있다.
제1 회로부(30)와 제2 회로부(40)는 단일 PCB기판(20)에 함께 위치할 수 있으므로, 제1 회로부(30)에서 수평횡파(W)를 발생되어 구조물(S)로 가진 되면, 제2 회로부(40)는 구조물(S)에서 반사된 수평횡파(W)를 수신할 수 있다. 제2 회로부(40)에서 수신된 수평횡파(W)를 통해서 구조물(S)의 두께 등을 측정할 수 있으며, 균열 등을 진단하거나 분석할 수 있다.
제1 회로부(30)와 제2 회로부(40)는 집속거리가 상호 동일할 수 있다. 제1 회로부(30)가 수평횡파(W)를 송신할 경우, 제2 회로부(40)는 수평횡파(W)를 수신할 수 있고, 제1 회로부(30)가 수평횡파(W)를 수신할 경우, 제2 회로부(40)는 수평횡파(W)를 송신 할 수 있다.
정자기장과 동자기장의 방향이 완전하게 직교하지 않으면 전단변형력이 감소할 수 있으며, 발생된 수평횡파의 집속 효과가 저하되어 용접부의 결함이나 상호 인접해있는 구조의 결함 등에 대한 탐지 효율 낮을 수 있다.
반면에, 자기변형 트랜스듀서(1)는 수평횡파(W)를 발생시키고, 미리 설정된 지점에 수평횡파(W)를 집속시킬 수 있다. 자기변형 트랜스듀서(1)는 곡선형태 코일부에 의해 발생될 수 있는 전단변형력 감소를 미연에 방지하고 부가적이고 복잡한 전기 제어를 생략하면서 단일 자기변형 트랜스듀서(1)만으로 특정한 지점에 수평횡파(W)를 집속시킬 수 있다. 이하에서는 도 2 내지 도 5를 통해 자기변형 트랜스듀서(1)의 구조를 좀더 상세하게 설명한다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 자기변형 트랜스듀서(1)는 PCB기판(20), 제1 회로부(30), 제2 회로부(40), 제1 전기단자(50), 제1 접지단자(51), 제2 전기단자(60), 제2 접지단자(61)를 포함할 수 있다.
PCB기판(20)은 장변이 y축 방향을 따라 뻗고 단변이 x축 방향을 따라 뻗을 수 있다. 제1 전기단자(50a, 50b)는 PCB기판(20)의 일측 단부에 위치할 수 있다. 제2 전기단자(60a, 60b)는 PCB기판(20)의 타측 단부에 위치할 수 있다. 제1 전기단자(50a)와 제2 전기단자(60a)는 양극을 가질 수 있으며, 제1 전기단자(50b)와 제2 전기단자(60b)는 음극을 가질 수 있다.
제1 접지단자(51)는 한 쌍으로 제1 전기단자(50a, 50b)의 양측에 각각 위치할 수 있다. 제2 접지단자(61)는 한 쌍으로 제2 전기단자(60a, 60b)의 양측에 각각 위치할 수 있다. 제1 접지단자(51)와 제2 접지단자(61)는 PCB기판(20)의 단부에 각각 위치하면서 상호 대향하며 위치할 수 있다.
제1 회로부(30)는 PCB기판(20)에 위치할 수 있다. 제1 회로부(30)는 제1 전기단자(50a, 50b)와 연결될 수 있다. 제1 회로부(30)는 제1 코일부(31), 제2 코일부(32) 그리고 연결부(33)를 포함할 수 있다.
제1 코일부(31)는 PCB기판(20)의 상면에 위치할 수 있다. 제1 코일부(31)는 제1 상부라인(311), 제2 상부라인(312), 제3 상부라인(313), 제4 상부라인(314) 그리고 제5 상부라인(315)을 포함할 수 있다.
제1 상부라인(311)은 제1 전기단자(50a)와 연결될 수 있다. 제1 상부라인(311)은 PCB기판(20)의 상면에서 y축 방향으로 뻗으며 위치할 수 있다. 제2 상부라인(312)은 제1 상부라인(311)과 연결되고 제1 상부라인(311)의 하부에 위치할 수 있다. 제2 상부라인(312)은 제1 상부라인(311) 보다 x축 방향으로 상부에 위치할 수 있다.
제3 상부라인(313)은 제2 상부라인(312)과 연결되고 제2 상부라인(312)의 상부에 위치할 수 있다. 제3 상부라인(313)은 제2 상부라인(312) 보다 x축 방향으로 상부에 위치할 수 있다. 제4 상부라인(314)은 제3 상부라인(313)과 연결되고 제3 상부라인(313)의 상부에 위치할 수 있다. 제4 상부라인(314)은 제3 상부라인(313) 보다 x축 방향으로 상부에 위치할 수 있다. 제5 상부라인(315)은 제4 상부라인(314)의 상부에 위치할 수 있다. 제5 상부라인(315)은 제4 상부라인(314) 보다 x축 방향으로 상부에 위치할 수 있다. 제5 상부라인(315)은 제1 전기단자(50b)와 연결될 수 있다.
제1 상부라인(311)과 제2 상부라인(312)의 x축 방향에 대한 이격거리(d1)은 수학식 1로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018084879885-pat00001
여기서, d는 제1 상부라인(311)과 제2 상부라인(312)의 x축 방향에 대한 이격거리(d1), λ는 수평횡파(W)의 파장을 나타낸다.
제2 상부라인(312)과 제3 상부라인(313), 제3 상부라인(313)과 제4 상부라인(314), 제4 상부라인(314)과 제5 상부라인(315)의 x축 방향에 대한 이격거리(d1)도 수학식 1로 나타낼 수 있다.
제1 상부라인(311)은 제1 상부패턴(316a), 제2 상부패턴(316b), 제3 상부패턴(316c), 제4 상부패턴(316d), 제5 상부패턴(316e) 그리고 제6 상부패턴(316f)을 포함할 수 있다. 제1 상부패턴(316a)은 제1 전기단자(50a)와 연결되어 -y축 방향으로 연장되고 y축 방향과 수직인 x축 방향으로 연장되고 이어서 y축 방향으로 연장될 수 있다. 제2 상부패턴(316b)은 제1 상부패턴(316a)과 이격하며 위치할 수 있다. 제2 상부패턴(316b)은 제1 상부패턴(316a)과 일직선상에 위치할 수 있다. 제3 상부패턴(316c)은 제2 상부패턴(316b)과 이격하며 위치할 수 있다. 제3 상부패턴(316c)은 제2 상부패턴(316b)과 일직선상에 위치할 수 있다.
제4 상부패턴(316d)은 제3 상부패턴(316c)과 이격하며 위치할 수 있다. 제4 상부패턴(316d)은 제3 상부패턴(316c)과 일직선상에 위치할 수 있다. 제5 상부패턴(316e)은 제4 상부패턴(316d)과 이격하며 위치할 수 있다. 제5 상부패턴(316e)은 제4 상부패턴(316d)과 일직선상에 위치할 수 있다.
제6 상부패턴(316f)은 제5 상부패턴(316e)과 이격하며 위치할 수 있다. 제6 상부패턴(316f)은 y축 방향으로 연장되고 y축 방향과 수직인 x축 방향으로 연장되고 이어서 -y축 방향으로 연장될 수 있다. 제6 상부패턴(316f)은 'ㄷ'형상을 가질 수 있다.
제1 상부패턴(316a), 제2 상부패턴(316b), 제3 상부패턴(316c), 제4 상부패턴(316d), 제5 상부패턴(316e) 그리고 제6 상부패턴(316f)의 라인 연장선은 미앤더(Meander) 형상을 가질 수 있다.
제2 상부패턴(316b)과 제3 상부패턴(316c)은 x축을 기준으로 각각 제5 상부패턴(316e)과 제4 상부패턴(316d)과 대칭인 형상을 가질 수 있다. 제3 상부패턴(316c)의 y축 방향 길이는 제2 상부패턴(316b)의 y축 방향 길이보다 클 수 있다. 제4 상부패턴(316d)의 y축 방향 길이는 제5 상부패턴(316e)의 y축 방향 길이보다 클 수 있다. 제2 상부라인(312), 제3 상부라인(313), 제4 상부라인(314), 그리고 제5 상부라인(315)은 각각의 패턴을 포함하고, 패턴의 라인 연장선은 미앤더 형상을 가질 수 있다.
도 4를 참고하면, 제2 코일부(32)는 PCB기판(20)의 하면에 위치할 수 있다. 제2 코일부(32)는 제1 하부라인(321), 제2 하부라인(322), 제3 하부라인(323), 제4 하부라인(324) 그리고 제5 하부라인(325)을 포함할 수 있다.
제1 하부라인(321)은 PCB기판(20)의 하면에서 y축 방향으로 뻗으며 위치할 수 있다. 제2 하부라인(322)은 제1 하부라인(321)과 이격되며 위치할 수 있다. 제2 하부라인(322)은 제1 하부라인(321)보다 x축 방향으로 상부에 위치할 수 있다. 제3 하부라인(323)은 제2 하부라인(322)과 이격되며 위치할 수 있다. 제3 하부라인(323)은 제2 하부라인(322)보다 x축 방향으로 상부에 위치할 수 있다.
제4 하부라인(324)은 제3 하부라인(323)과 이격되며 위치할 수 있다. 제4 하부라인(324)은 제3 하부라인(323)보다 x축 방향으로 상부에 위치할 수 있다. 제5 하부라인(325)은 제4 하부라인(324)과 이격되며 위치할 수 있다. 제5 하부라인(325)은 제4 하부라인(324)보다 x축 방향으로 상부에 위치할 수 있다.
제1 하부라인(321)은 제1 하부패턴(326a), 제2 하부패턴(326b), 제3 하부패턴(326c), 제4 하부패턴(326d) 그리고 제5 하부패턴(326e)을 포함할 수 있다. 제1 하부패턴(326a)은 y축 방향으로 뻗을 수 있다. 제2 하부패턴(326b)은 제1 하부패턴(326a)과 이격하며 위치할 수 있다. 제2 하부패턴(326b)은 제1 하부패턴(326a)과 일직선상에 위치할 수 있다.
제3 하부패턴(326c)은 제2 하부패턴(326b)과 이격하며 위치할 수 있다. 제3 하부패턴(326c)은 제2 하부패턴(326b)과 일직선상에 위치할 수 있다. 제4 하부패턴(326d)은 제3 하부패턴(326c)과 이격하며 위치할 수 있다. 제4 하부패턴(326d)은 제3 하부패턴(326c)과 일직선상에 위치할 수 있다. 제5 하부패턴(326e)은 제4 하부패턴(326d)과 이격하며 위치할 수 있다. 제5 하부패턴(326e)은 제4 하부패턴(326d)과 일직선상에 위치할 수 있다.
제1 하부패턴(326a)과 제2 하부패턴(326b)은 x축을 기준으로 각각 제4 하부패턴(326d)와 제5 하부패턴(326e)과 대칭인 형상을 가질 수 있다. 제2 하부패턴(326b)의 y축 방향 길이는 제1 하부패턴(326a)의 y축 방향 길이보다 클 수 있다. 제4 하부패턴(326d)의 y축 방향 길이는 제5 하부패턴(326e)의 y축 방향 길이보다 클 수 있다. 제2 하부라인(322), 제3 하부라인(323), 제4 하부라인(324), 그리고 제5 하부라인(325)은 각각 전술한 제1 하부라인(321)과 동일한 다섯 개의 패턴을 가질 수 있다. 제2 하부라인(322), 제3 하부라인(323), 제4 하부라인(324), 그리고 제5 하부라인(325)의 패턴은 x축 방향으로 모아지면서 위치할 수 있다.
제3 하부패턴(326c)의 중앙부에서 제3 하부패턴(326c)의 일측 단부까지의 거리(d2)는 수학식 2로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018084879885-pat00002
여기서,
Figure 112018084879885-pat00003
은 제3 하부패턴(326c)의 중앙부에서 제3 하부패턴(326c)의 일측 단부까지의 거리(d2), n은 하부패턴의 개수, λ는 수평횡파의 파장, F는 수평횡파의 집속거리를 나타낸다.
도 5를 참고하면, 제1 하부패턴(326a)는 제1 상부패턴(316a)과 제2 상부패턴(316b)의 이격공간과 대향하며 위치할 수 있다. 제2 하부패턴(326b)은 제2 상부패턴(316b)과 제3 상부패턴(316c)의 이격공간과 대향하며 위치할 수 있다. 제3 하부패턴(326c)은 제3 상부패턴(316c)과 제4 상부패턴(316d)의 이격공간과 대향하며 위치할 수 있다. 제4 하부패턴(326d)은 제4 상부패턴(316d)과 제5 상부패턴(316e)의 이격공간과 대향하며 위치할 수 있다. 제5 하부패턴(326e)은 제5 상부패턴(316e)과 제6 상부패턴(316f)의 이격공간과 대향하며 위치할 수 있다.
제2 상부패턴(316b)은 제1 하부패턴(326a)과 제2 하부패턴(326b)의 이격공간과 대향하며 위치할 수 있다. 제3 상부패턴(316c)은 제2 하부패턴(326b)과 제3 하부패턴(326c)의 이격공간과 대향하며 위치할 수 있다. 제4 상부패턴(316d)은 제3 하부패턴(326c)과 제4 하부패턴(326d)의 이격공간과 대향하며 위치할 수 있다. 제5 상부패턴(316e)은 제4 하부패턴(326d)과 제5 하부패턴(326e)의 이격공간과 대향하며 위치할 수 있다.
제1 코일부(31) 및 제2 코일부(32)는 연결부(33)를 통해 상호 연결될 수 있다. 연결부(33)는 제1 코일부(31)와 제2 코일부(32)가 뻗은 y축 방향과 직교하는 방향인 z축 방향을 따라 위치할 수 있다. 연결부(33)는 내측면이 도금되어 제조될 수 있다. 연결부(33)는 z축 방향을 따라 위치하며 제1 코일부(31)와 제2 코일부(32)를 전기적으로 연결할 수 있다.
연결부(33)는 핀홀일 수 있다. 연결부(33)는 제1 핀홀(34a), 제2 핀홀(34b), 제3 핀홀(34c), 제4 핀홀(34d), 제5 핀홀(34e), 제6 핀홀(34f), 제7 핀홀(34g), 제8 핀홀(34h), 제9 핀홀(34i) 그리고 제10 핀홀(34j)을 포함할 수 있다.
제1 핀홀(34a)은 제1 상부패턴(316a)의 일측 단부와 제1 하부패턴(326a)의 일측 단부를 전기적으로 연결할 수 있다. 제2 핀홀(34b)은 제2 상부패턴(316b)의 일측 단부와 제1 하부패턴(326a)의 타측 단부를 전기적으로 연결할 수 있다. 제3 핀홀(34c)은 제2 상부패턴(316b)의 타측 단부와 제2 하부패턴(326b)의 일측 단부를 전기적으로 연결할 수 있다. 제4 핀홀(34d)은 제3 상부패턴(316c)의 일측 단부와 제2 하부패턴(326b)의 타측 단부를 전기적으로 연결할 수 있다. 제5 핀홀(34e)은 제3 상부패턴(316c)의 타측 단부와 제3 하부패턴(326c)의 일측 단부를 전기적으로 연결할 수 있다.
제6 핀홀(34f)은 제4 상부패턴(316d)의 일측 단부와 제3 하부패턴(326c)의 타측 단부를 전기적으로 연결할 수 있다. 제7 핀홀(34g)은 제4 상부패턴(316d)의 타측 단부와 제4 하부패턴(326d)의 일측 단부를 전기적으로 연결할 수 있다. 제8 핀홀(34h)은 제5 상부패턴(316e)의 일측 단부와 제4 하부패턴(326d)의 타측 단부를 전기적으로 연결할 수 있다. 제9 핀홀(34i)은 제5 상부패턴(316e)의 타측 단부와 제5 하부패턴(326e)의 일측 단부를 전기적으로 연결할 수 있다. 제10 핀홀(34j)은 제6 상부패턴(316f)의 일측 단부와 제5 하부패턴(326e)의 타측 단부를 전기적으로 연결할 수 있다.
도5 및 도6을 참고하면, 제1 전기단자(50a)에서 양극 전류가 화살표 방향을 따라 이동하여 제1 상부라인(311)의 제1 상부패턴(316a)으로 이동할 수 있다. 이어서 제1 상부패턴(316a)을 통과한 전류는 화살표 방향을 따라 도금된 제1 핀홀(34a)을 통과하여 제1 하부패턴(326a)으로 이동하고, 제2 핀홀(34b)을 따라 제2 상부패턴(316b)으로 이동할 수 있다. 제2 상부패턴(316b)을 통과한 전류는 화살표 방향을 따라 제3 핀홀(34c), 제2 하부패턴(326b), 제4 핀홀(34d), 제3 상부패턴(316c)을 따라 차례대로 이동할 수 있다.
그리고 제3 상부패턴(316c)을 통과한 전류는 화살표 방향을 따라 도금된 제5 핀홀(34e)을 통과하여 화살표 방향을 따라 제3 하부패턴(326c), 제6 핀홀(34f), 제4 상부패턴(316d), 제7 핀홀(34g), 제4 하부패턴(326d), 제8 핀홀(34h) 그리고 제5 상부패턴(316e)을 따라 차례대로 이동할 수 있다.
제5 상부패턴(316e)을 통과한 전류는 화살표 방향을 제9 핀홀(34i), 제5 하부패턴(326e), 제10 핀홀(34j) 그리고 제6 상부패턴(316f)으로 이동할 수 있다. 전류는 제6 상부패턴(316f)을 따라 이동하고 전술한 패턴들을 따라 제2 상부라인(312), 제3 상부라인(313), 제4 상부라인(314) 그리고 제5 상부라인(315)을 차례대로 이동하면서 제1 전기단자(50b)로 이동할 수 있다.
제1 하부라인(321), 제2 하부라인(322), 제3 하부라인(323), 제4 하부라인(324) 그리고 제5 하부라인(325)은 전술한 패턴을 가지며, 전류가 상기 제1 코일부(31), 연결부(33) 그리고 상기 제2 코일부(32)를 따라 PCB기판(20)의 상부와 하부를 통과하면서 동자기장을 발생시킬 수 있다.
자기변형 트랜스듀서(1)는 회절(Diffraction) 현상과 제1 코일부(31), 연결부(33) 그리고 제2 코일부(32)의 구조를 통해서 수평횡파를 집속시킬 수 있으므로, 집속된 지점에서 구조물을 집중적으로 탐지할 수 있다. 이에, 자기변형 트랜스듀서(1)는 용접 부위나 구조물 경계 등의 영향을 받지 않고 구조물의 결함을 탐지할 수 있는 분해능이 증가할 수 있다. 또한 자기변형 트랜스듀서(1)는 집속 지점에서의 S/N(Signal-Noise)비가 높을 수 있으므로 구조물의 결함 탐지 효율이 높을 수 있다.
도1 내지 도 4를 참고하면, 제2 회로부(40)는 PCB기판(20)에 위치하고, 제1 회로부(30)와 대향하며 위치할 수 있다. 제2 회로부(40)는 제2 전기단자(60a, 60b)와 연결될 수 있다. 제2 회로부(40)는 제3 코일부(41), 제4 코일부(42) 그리고 연결부(미도시)를 포함할 수 있다.
제3 코일부(41)는 제1 코일부(31)와 y축 방향을 중심으로 상호 대칭일 수 있다. 제3 코일부(41)는 제1 코일부(31)를 일방향으로 180도 회전한 형상을 가질 수 있다. 제4 코일부(42)와 제2 코일부(32)와 연결부(33)와 유사한 패턴을 가질 수 있다. 제4 코일부(42)는 제2 코일부(32)와 유사한 하부라인들(미도시)를 포함할 수 있다. 제4 코일부(42)의 하부라인들의 패턴은 제2 코일부(32)를 향한 방향으로 모아지면서 위치할 수 있다. 연결부(미도시)는 z축 방향을 따라 위치하며 제3 코일부(41)와 제4 코일부(42)를 전기적으로 연결할 수 있다. 제2 회로부(40)는 제1 회로부(30)에서 발생되어 구조물(S)에서 반사된 수평횡파를 수신하여 구조물(S)의 균열 등을 분석할 수 있다. 제2 회로부(40)는 전술한 제1 회로부(30)의 구조와 유사하므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서는 실험예를 사용하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
음장 집속 측정 실험
실험예 1
도 1과 동일한 구조를 가지는 자기변형 트랜스듀서를 제조한다. 수평횡파의 음장은 중심주파수 1MHz이다. 레일리-좀머펠트 적분법(Rayleigh-Sommerfeld Integral, RSI)을 통해 방사 음장을 계산하였고 실험적으로 측정한다.
도 7를 참고하면, 자기변형 트랜스듀서의 집속거리(Focal Length)는 35mm로 제조한다. 제3 하부패턴의 y축 방향 길이(d3)은 21mm, 제2 하부패턴 및 제4 하부패턴의 y축 방향 길이(d5)는 3.7mm, 제1 하부패턴 및 제5 하부패턴의 y축 방향 길이(d7)는 2.9mm로 제조한다. 제3 하부패턴의 일측 단부에서 제2 하부패턴의 타측 단부까지의 이격거리(d4) 및 제3 하부패턴의 타측 단부에서 제4 하부패턴의 일측 단부까지의 이격거리(d4)는 4.8mm로 제조한다. 제2 하부패턴의 일측 단부에서 제1 하부패턴의 타측 단부까지의 이격거리(d6) 및 제4 하부패턴의 타측 단부에서 제5 하부패턴의 일측 단부까지의 이격거리(d6)는 3.3으로 제조한다.
실험예 1의 실험 결과
도 8은 본 발명의 실험예 1의 자기변형 트랜스듀서의 음장 집속 측정 실험 결과를 나타낸다. 도 8의 (a)는 자기변형 트랜스듀서의 레일리-좀머펠트 적분법을 이용한 음장 해석 이미지이고, (b)는 자기변형 트랜스듀서의 방사 축 상의 응답분포 결과를 나타내는 실험 그래프이다. 도 8을 참고하면, 음장이 집속 지점(Focal Point)은 약 35mm 부근에서 집중되고 이후 분산된다. 또한 자기변형 트랜스듀서의 집속 지점에서의 빔 세기가 크다. 그리고 자기변형 트랜스듀서의 집속 지점의 강도(Intensity)는 주변의 강도 대비 약 2배(6dB)가 크다.
실험예 2
도 1와 동일한 구조를 가지는 자기변형 트랜스듀서를 제조한다. 수평횡파의 음장은 중심주파수 1MHz이다. 레일리-좀머펠트 적분법을 통해 방사 음장을 계산하였고 실험적으로 측정한다.
도 7를 참고하면, 자기변형 트랜스듀서의 집속거리는 45mm로 제조한다. 제3 하부패턴의 y축 방향 길이(d3)는 24.8mm, 제2 하부패턴 및 제4 하부패턴의 y축 방향 길이(d5)는 4mm, 제1 하부패턴 및 제5 하부패턴의 y축 방향 길이(d7)는 3.2mm로 제조한다. 제3 하부패턴의 일측 단부에서 제2 하부패턴의 타측 단부까지의 이격거리(d4) 및 제3 하부패턴의 타측 단부에서 제4 하부패턴의 일측 단부까지의 이격거리(d4)는 5.4mm로 제조한다. 제2 하부패턴의 일측 단부에서 제1 하부패턴의 타측 단부까지의 이격거리(d6) 및 제4 하부패턴의 타측 단부에서 제5 하부패턴의 일측 단부까지의 이격거리(d6)는 3.7mm로 제조한다.
실험예 2의 실험 결과
도 9는 본 발명의 실험예 2의 자기변형 트랜스듀서의 음장 집속 측정 실험 결과를 나타낸다. 도 9의 (a)는 자기변형 트랜스듀서의 레일리-좀머펠트 적분법을 이용한 음장 해석 이미지이고, (b)는 자기변형 트랜스듀서의 방사 축 상의 응답분포 결과를 나타내는 실험 그래프이다. 도 9를 참고하면, 음장이 집속 지점(Focal Point)은 약 45mm 부근에서 집중되고 이후 분산된다. 또한 자기변형 트랜스듀서의 집속 지점에서의 빔 세기가 크다. 그리고 자기변형 트랜스듀서의 집속 지점의 강도는 주변의 강도 대비 약 2배(6dB)가 크다.
실험예 3
도 1와 동일한 구조를 가지는 자기변형 트랜스듀서를 제조한다. 수평횡파의 음장은 중심주파수 1MHz이다. 레일리-좀머펠트 적분법을 통해 방사 음장을 계산하였고 실험적으로 측정한다.
도 7를 참고하면, 자기변형 트랜스듀서의 집속거리는 55mm로 제조한다. 제3 하부패턴의 y축 방향 길이(d3)는 27.2mm, 제2 하부패턴 및 제4 하부패턴의 y축 방향 길이(d5)는 4.4mm, 제1 하부패턴 및 제5 하부패턴의 y축 방향 길이(d7)는 3.4mm로 제조한다. 제3 하부패턴의 일측 단부에서 제2 하부패턴의 타측 단부까지의 이격거리(d4) 및 제3 하부패턴의 타측 단부에서 제4 하부패턴의 일측 단부까지의 이격거리(d4)는 6mm로 제조한다. 제2 하부패턴의 일측 단부에서 제1 하부패턴의 타측 단부까지의 이격거리(d6) 및 제4 하부패턴의 타측 단부에서 제5 하부패턴의 일측 단부까지의 이격거리(d6)는 4mm로 제조한다.
실험예 3의 실험 결과
도 10은 본 발명의 실험예 2의 자기변형 트랜스듀서의 음장 집속 측정 실험 결과를 나타낸다. 도 10의 (a)는 자기변형 트랜스듀서의 레일리-좀머펠트 적분법을 이용한 음장 해석 이미지이고, (b)는 자기변형 트랜스듀서의 방사 축 상의 응답분포 결과를 나타내는 실험 그래프이다. 도 10을 참고하면, 음장이 집속 지점(Focal Point)은 약 55mm 부근에서 집중되고 이후 분산된다. 또한 자기변형 트랜스듀서의 집속 지점에서의 빔 세기가 크다. 그리고 자기변형 트랜스듀서의 집속 지점의 강도는 주변의 강도 대비 약 2배(6dB)가 크다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 자기변형 트랜스듀서 10: 자석
11. 요크 20. PCB기판
30. 제1 회로부 31. 제1 코일부
32. 제2 코일부 33. 연결부
34. 핀홀 40. 제2 회로부
41. 제3 코일부 42. 제4 코일부
50. 제1 전기단자 51. 제1 접지단자
60. 제2 전기단자 61. 제2 접지단자
311. 제1 상부라인 312. 제2 상부라인
313. 제3 상부라인 314. 제4 상부라인
315. 제5 상부라인 316. 상부패턴
321. 제1 하부라인 322. 제2 하부라인
323. 제3 하부라인 324. 제4 하부라인
325. 제5 하부라인 326. 하부패턴

Claims (14)

  1. 상호 대향하며 위치하고 정자기장이 발생되는 한 쌍의 자석,
    상기 한 쌍의 자석 사이에 위치하고 제1 방향으로 뻗은 PCB기판, 그리고
    상기 PCB기판에 위치하고 제1 전기단자와 연결되는 제1 회로부
    를 포함하고,
    상기 제1 회로부는,
    상기 PCB기판의 상부에 위치하고 미앤더 패턴의 전기회로를 포함하는 제1 코일부, 그리고
    상기 PCB 기판의 하부에 위치하고 상기 제1 코일부와 대향하며 위치하고 동자기장을 발생시키면서 상기 정자기장과 함께 수평횡파를 발생시키고 특정 지점에 상기 수평횡파를 집속시키는 제2 코일부
    를 포함하며,
    상기 제1 회로부는 상기 제1 방향과 교차하는 방향인 제2 방향으로 상기 제1 코일부와 상기 제2 코일부를 연결하는 연결부를 포함하는 자기변형 트랜스듀서.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 제1 전기단자의 전류는 상기 제1 코일부와 상기 연결부 그리고 상기 제2 코일부를 따라 상기 PCB기판의 상부와 하부를 통과하는 자기변형 트랜스듀서.
  4. 제1항에서,
    상기 제2 코일부는 상기 제1 방향으로 뻗는 제1 하부라인을 포함하는 자기변형 트랜스듀서.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 하부라인은 제1 하부패턴, 상기 제1 하부패턴과 이격하며 위치하는 제2 하부패턴, 상기 제2 하부패턴과 이격하며 위치하는 제3 하부패턴, 상기 제3 하부패턴과 이격하며 위치하고 상기 제3 하부패턴을 중심으로 상기 제2 하부패턴과 대칭인 제4 하부패턴 그리고 상기 제4 하부패턴과 이격하며 위치하고 상기 제3 하부패턴을 중심으로 상기 제1 하부패턴과 대칭인 제5 하부패턴을 포함하는 자기변형 트랜스듀서.
  6. 제5항에서,
    상기 제3 하부패턴 중앙부에서 상기 제3 하부패턴의 일측 단부까지의 거리
    Figure 112018084879885-pat00004
    은 다음의 식에 의해 산출하는 자기변형 트랜스듀서.
    Figure 112018084879885-pat00005

    (여기서, n은 하부패턴의 개수,
    Figure 112018084879885-pat00006
    는 수평횡파의 파장, F는 수평횡파의 집속거리를 나타냄)
  7. 제6항에서,
    상기 제2 코일부는 상기 제1 하부라인과 상기 제1 방향과 교차하는 방향인 제3 방향으로 이격되며 위치하는 제2 하부라인, 상기 제2 하부라인과 상기 제3 방향으로 이격되며 위치하는 제3 하부라인, 상기 제3 하부라인과 상기 제3 방향으로 이격되며 위치하는 제4 하부라인 그리고 상기 제4 하부라인과 상기 제3 방향으로 이격되며 위치하는 제5 하부라인을 포함하는 자기변형 트랜스듀서.
  8. 제5항에서,
    상기 제1 코일부는 상기 제1 전기단자와 연결되는 제1 상부라인, 그리고 상기 제1 상부라인과 연결되고 상기 제1 방향과 교차하는 방향인 제3 방향을 따라 연장되고 상기 제1 상부라인의 상부에 위치하는 제2 상부라인을 포함하는 자기변형 트랜스듀서.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 상부라인과 상기 제2 상부라인의 상기 제3 방향의 이격거리 d는 다음의 식에 의해 산출하는 자기변형 트랜스듀서.
    Figure 112018084879885-pat00007

    (여기서,
    Figure 112018084879885-pat00008
    는 수평횡파의 파장을 나타냄)
  10. 제9항에서,
    상기 제1 상부라인은 상기 제1 전기단자에서 연장되는 제1 상부패턴, 상기 제1 상부패턴과 이격하며 위치하고 상기 제1 하부패턴과 상기 제2 하부패턴의 이격공간과 대향하며 위치하는 제2 상부패턴, 상기 제2 상부패턴과 이격하며 위치하고 상기 제2 하부패턴과 상기 제3 하부패턴의 이격공간과 대향하며 위치하는 제3 상부패턴, 상기 제3 상부패턴과 이격하며 위치하고 상기 제3 하부패턴과 상기 제4 하부패턴의 이격공간과 대향하며 위치하는 제4 상부패턴, 상기 제4 상부패턴과 이격하며 위치하고 상기 제4 하부패턴과 상기 제5 하부패턴의 이격공간과 대향하며 위치하는 제5 상부패턴, 그리고 상기 제5 하부패턴과 이격하며 위치하고 일측은 상기 제3 방향으로 연장되고 타측은 상기 제1 방향으로 뻗는 제6 상부패턴을 포함하는 자기변형 트랜스듀서.
  11. 제10항에서,
    상기 연결부는 상기 제2 방향으로 뻗으며 상기 제1 상부패턴의 일측 단부와 상기 제1 하부패턴의 일측 단부를 연결하는 제1 핀홀, 상기 제2 상부패턴의 일측 단부와 상기 제1 하부패턴의 타측 단부를 연결하는 제2핀홀, 상기 제2 상부패턴의 타측 단부와 상기 제2 하부패턴의 일측 단부를 연결하는 제3핀홀, 상기 제3 상부패턴의 일측 단부와 상기 제2 하부패턴의 타측 단부를 연결하는 제4핀홀, 상기 제3 상부패턴의 타측 단부와 상기 제3 하부패턴의 일측 단부를 연결하는 제5핀홀, 상기 제4 상부패턴의 일측 단부와 상기 제3 하부패턴의 타측 단부를 연결하는 제6 핀홀, 상기 제4 상부패턴의 타측 단부와 상기 제4 하부패턴의 일측 단부를 연결하는 제7 핀홀, 상기 제5 상부패턴의 일측 단부와 상기 제4 하부패턴의 타측 단부를 연결하는 제8 핀홀, 상기 제5 상부패턴의 타측 단부와 상기 제5 하부패턴의 일측 단부를 연결하는 제9 핀홀 그리고 상기 제6 상부패턴의 일측단부와 상기 제5 하부패턴의 타측 단부를 연결하는 제10 핀홀을 포함하는 자기변형 트랜스듀서.
  12. 제1항에서,
    상기 PCB기판에 위치하고 제2 전기단자와 연결되고 상기 제1 회로부와 대향하며 위치하는 제2 회로부를 더 포함하는 자기변형 트랜스듀서.
  13. 제12항에서,
    상기 제2 회로부는 상기 PCB기판의 상부에 위치하고 미앤더 패턴의 전기회로를 포함하는 제3 코일부, 그리고 상기 PCB 기판의 하부에 위치하고 상기 제3 코일부와 대향하며 위치하고 동자기장을 발생시키면서 상기 정자기장과 함께 수평횡파를 발생시키고 특정 지점에 상기 수평횡파를 집속시키는 제4 코일부를 포함하는 자기변형 트랜스듀서.
  14. 제13항에서,
    상기 제1 회로부에서 발생된 수평횡파를 구조물로 가진시키고 상기 구조물에서 반사된 수평횡파를 상기 제2 회로부에서 수신하는 자기변형 트랜스듀서.
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