KR102083505B1 - 유도초음파용 트랜스듀서의 출력/감도를 향상하는 공진기 장치 및 출력 향상 조절 방법 - Google Patents

유도초음파용 트랜스듀서의 출력/감도를 향상하는 공진기 장치 및 출력 향상 조절 방법 Download PDF

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서울대학교산학협력단
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Abstract

대상체의 표면에 부착되거나 내부에 삽입되고, 상기 대상체의 표면에 평행한 길이방향 길이에 비해 상기 대상체의 표면에 수직한 길이가 짧게 형성되며, 외부 전력원으로부터 전력을 공급받아 초음파를 발생시키거나 외부 초음파를 수신하여 전기를 발생시키는 초음파 트랜스듀서 및 상기 대상체 또는 상기 초음파 트랜스듀서에 부착되거나 상기 대상체의 내부에 삽입되고, 상기 초음파 트랜스듀서에 인접하여 상기 초음파 트랜스듀서의 외부에 평행하게 대칭적으로 배치되는 공진기를 포함하는, 유도초음파용 트랜스듀서의 출력과 측정 감도를 향상시키는 공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체가 제공된다.

Description

유도초음파용 트랜스듀서의 출력/감도를 향상하는 공진기 장치 및 출력 향상 조절 방법 {RESONATOR DEVICE FOR ENHANCING OUTPUT AND SENSITIVITY OF GUIDED WAVE TRANSDUCERS AND THE METHOD OF ENHANCEMENT CONTROLLING}
본 발명은 공진기 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유도초음파용 트랜스듀서의 출력과 측정 감도를 향상시키는 공진기 장치 및 그 출력과 측정 감도 향상을 조절하는 방법에 관한 것이다.
트랜스듀서는 신호의 발생기능을 하는 가진기(actuator)와 신호의 측정 기능을 하는 센서(sensor)를 통칭하는 용어로 신호의 발생과 측정이 모두 가능한 경우에도 사용된다.
가진기로서 기능하는 경우 트랜스듀서의 출력이 크면 측정이 용이하고 멀리까지 신호가 전달되도록 할 수 있고 측정 시의 감도를 향상시킬 수 있는 등 많은 장점을 가지게 된다. 이에 트랜스듀서의 출력을 향상시키기 위한 다양한 시도들이 있어 왔다. 트랜스듀서의 출력을 향상시키기 위한 기존의 방법은 주로 임피던스 매칭과 주파수 또는 파장을 매칭하는 방법에 국한되어 있었다. 임피던스 매칭의 설계를 이용하여 트랜스듀서의 성능을 출력 한계까지 올리는 효과가 있었다. 또한 트랜스듀서를 주파수 또는 파장과의 특정한 관계에 따라 배열함으로써 파동을 보강 중첩시키는 효과가 있었다. 그러나 임피던스 매칭이 아닌 임피던스 자체를 저감시켜 트랜스듀서의 출력을 증가시키는 데에는 이르지 못하였다. 이에 트랜스듀서 자체의 출력을 기존의 한계 이상으로 증가시킬 수 있는 방안을 모색할 필요성이 대두되어 왔다.
대한민국 등록특허 제10-1253965호 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0029200호 일본 공개특허공보 특개201-0041671호 한국 등록특허공보 10-1450076호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 여러개의 트랜스듀서를 사용하지 않으면서도 출력이 증가되거나 또는 측정 감도가 향상된 트랜스듀서를 제공하고, 그 트랜스듀서의 증폭 주파수와 출력 증가폭을 조절할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목표로 한다.
상술한 목적을 위해 본 발명에서는, 유도초음파용 트랜스듀서의 출력과 측정 감도를 향상시키는 공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체로서, 상기 트랜스듀서 복합체는, 대상체의 표면에 부착되거나 내부에 삽입되고, 상기 대상체의 표면에 평행한 길이방향 길이에 비해 상기 대상체의 표면에 수직한 길이가 짧게 형성되며, 외부 전력원으로부터 전력을 공급받아 초음파를 발생시키거나 외부 초음파를 수신하여 전기를 발생시키는, 초음파 트랜스듀서; 및 상기 대상체 또는 상기 초음파 트랜스듀서에 부착되거나 상기 대상체의 내부에 삽입되고, 상기 초음파 트랜스듀서에 인접하여 상기 초음파 트랜스듀서의 외부에 평행하게 대칭적으로 배치되는, 공진기;를 포함하는 트랜스듀서 복합체를 제공한다.
또한 상술한 목적을 위해 본 발명에서는, 공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체의 출력을 향상시키는 방법으로서, 상기 방법은, 길이방향 길이에 비해 두께가 얇은 초음파 트랜스듀서; 및 대상체 또는 상기 초음파 트랜스듀서에 부착되거나 상기 대상체 내부에 삽입되고, 상기 초음파 트랜스듀서에 인접하여 상기 초음파 트랜스듀서의 외부에 평행하게 대칭적으로 배치되는 공진기;를 포함하는 트랜스듀서 복합체를 대상체의 표면에 부착하거나 내부에 삽입하는 단계(S1); 상기 초음파 트랜스듀서가 외부 전력원으로부터 전력을 공급받아 초음파를 발생시키는 단계(S2); 및 상기 초음파의 특정주파수 대역에서 상기 공진기가 동흡진(dynamic absorbing)에 의해 상기 초음파의 파동을 일부 반사하고 상기 트랜스듀서 복합체 내부에서 파동이 중첩되어, 상기 트랜스듀서 복합체의 유효 임피던스가 감소하고 상기 트랜스듀서 복합체의 출력이 증가하는 단계(S3);를 포함하는, 공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체의 출력을 향상시키는 방법이 제공된다.
또한 상술한 목적을 위해 본 발명에서는, 공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체의 측정 감도를 향상시키는 방법으로서, 상기 방법은, 길이방향 길이에 비해 두께가 얇은 초음파 트랜스듀서; 및 대상체 또는 상기 초음파 트랜스듀서에 부착되거나 상기 대상체 내부에 삽입되고, 상기 초음파 트랜스듀서에 인접하여 상기 초음파 트랜스듀서의 외부에 평행하게 대칭적으로 배치되는 공진기;를 포함하는 트랜스듀서 복합체를 대상체의 표면에 부착하거나 내부에 삽입하는 단계(S1); 상기 초음파 트랜스듀서에서 외부 초음파를 수신하여 전기를 발생시키는 단계(S2); 및 상기 외부 초음파의 특정주파수 대역에서 상기 공진기가 동흡진(dynamic absorbing)에 의해 상기 외부 초음파의 파동을 일부 반사하고 상기 트랜스듀서 복합체 내부에서 파동이 중첩되어, 상기 트랜스듀서 복합체의 유효 임피던스가 감소하고 상기 트랜스듀서 복합체의 측정 감도가 향상되는 단계(S3);를 포함하는 트랜스듀서 복합체의 측정 감도를 향상시키는 방법이 제공된다.
본 발명은 임피던스 저감을 통해 초음파 트랜스듀서 자체의 출력을 증가시키거나 측정 감도를 향상시킴으로서 기존 기술의 단점을 보완하는 효과를 가지고 있다. 또한 본 발명은 초음파 트랜스듀서의 증폭이 되는 주파수 영역과 출력 증가폭을 조절할 수 있는 효과를 가지고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서와 공진기로 구성된 트랜스듀서 복합체의 모습을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 트랜스듀서 복합체에 의한 초음파의 출력 및 측정값을 종래의 트랜스듀서와 비교한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기변형 패치를 사용한 초음파 트랜스듀서와 T자 형상의 단면의 공진기로 구성된 트랜스듀서 복합체의 모습을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 트랜스듀서 복합체에 의한 초음파의 출력 및 측정값을 종래의 트랜스듀서와 비교한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 원판형 초음파 트랜스듀서와 공진기로 구성된 트랜스듀서 복합체의 모습을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 도 5의 트랜스듀서 복합체에 의한 초음파의 출력을 종래의 트랜스듀서와 비교한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 원판형 초음파 트랜스듀서와 T자 형상의 단면의 공진기로 구성된 트랜스듀서 복합체의 모습을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 도 7의 트랜스듀서 복합체에 의한 초음파의 출력을 종래의 트랜스듀서와 비교한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 도 1의 트랜스듀서 복합체에서 초음파 트랜스듀서와 공진기 사이의 간격 및 초음파 트랜스듀서의 폭을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 도 1의 트랜스듀서 복합체에서 출력의 변수인 공진기의 질량값과 스프링 계수의 결정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 도 1의 트랜스듀서 복합체에서 초음파 트랜스듀서와 공진기 사이의 간격 변화에 따른 트랜스듀서 복합체의 출력 주파수의 변화를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 도 1의 트랜스듀서 복합체에서 공진기의 공진주파수의 변화에 따른 트랜스듀서 복합체의 출력 증폭의 변화를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가질 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있는 바, 본 발명의 실시예들을 여기에서 상세하게 설명할 것이다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
상기 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이며, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다른 뜻을 가진 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 "포함한다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서와 공진기로 구성된 트랜스듀서 복합체의 모습을 나타낸 것이다.
초음파 트랜스듀서(200)는 외부의 전기 신호 등을 받아들여 초음파를 발생시키거나 반대로 외부에서 발생된 초음파를 전기신호로 바꿔 측정하는 역할을 하는 것으로, 본 발명은 초음파 트랜스듀서의 종류에 관계없이 모든 초음파 트랜스듀서에 적용가능하다. 구체적으로, 자기변형(magnetorestriction), 압전(piezoelectric), 전자기 음향(electromagnetic acoustic) 등 모든 종류의 초음파 가진원과, 가속도계, 레이저 도플러 진동계(laser Doppler vibrometer)와 같은 측정 장치에도 적용 가능하다.
공진기(300)는 초음파 트랜스듀서(200) 주변에 위치하며 동흡진 현상(dynamic absorbing)을 이용하여 초음파 트랜스듀서(200)에서 발생된 초음파의 출력을 증폭시키거나 반대로 외부에서 발생된 초음파를 증폭하여 외부 초음파를 측정하려는 초음파 트랜스듀서(200)의 측정 감도를 높이는 역할을 한다. 공진기의 재질은 금속, 유리, 합성수지 또는 이들의 조합일 수 있다.
초음파 트랜스듀서와 공진기의 형상은 트랜스듀서 복합체를 이용하려는 용도에 따라, 그리고 적용 대상인 대상체의 크기 및 형상, 그리고 특히 트랜스듀서 복합체를 대상체에 부착, 연결 또는 결합시키는 방법에 따라 다양한 형태를 취할 수 있다. 예컨대 트랜스듀서 복합체를 평판 형태의 대상체에 부착하는 경우, 트랜스듀서 복합체는 대상체에 잘 부착될 수 있도록 직사각형 평판 형상의 초음파 트랜스듀서를 가질 수 있다. 또다른 예시로 트랜스듀서 복합체가 파이프 형태인 경우, 트랜스듀서 복합체의 초음파 트랜스듀서는 대상체에 부착할 수 있도록 직사각 곡면판의 형상을 가질 수도 있고, 파이프 내부에 삽입할 수 있도록 더 작은 직경의 봉 형태를 가질 수도 있다. 초음파 트랜스듀서의 형상이 평판 형태인 경우, 초음파 트랜스듀서는 대상체에 부착하거나 삽입하기 용이하도록 길이방향 길이에 비해 그 두께가 얇은 형태를 가질 수 있다.
또한 초음파 트랜스듀서에 의해 발생되거나 측정되는 초음파의 파형을 단순한 또는 대칭적인 형태가 되도록 유도하고 공진기가 그 파형의 증폭에 적합한 형태가 되도록, 공진기는 초음파 트랜스듀서에 대하여 대칭적인 형상을 취하는 것이 유리하다.
예컨대 초음파 트랜스듀서는 평판 형상의 대상체 위에 부착된 1차원의 직선 형상이고 공진기는 그 직선에 평행하게 이격된 2개의 직선 또는 초음파 트랜스듀서를 둘러싸는 파이프 형상일 수 있다. 또한 초음파 트랜스듀서는 직사각형의 평판 형상이고 공진기는 그 평판에 평행하게 이격된 2개 또는 4개의 막대 형상이거나 그 평판을 둘러싸는 형태의 사각형 형상일 수 있다. 또한 초음파 트랜스듀서는 원판 형상이고 공진기는 초음파 트랜스듀서와 일정 간격만큼 이격되어 둘러싸는 형태의 하나 또는 그 이상의 동심원 판 형상일 수 있다. 또한 초음파 트랜스듀서는 구체 형상이고 공진기는 그 구체를 둘러싸는 형태의 쉘 형상일 수 있다. 또한 초음파 트랜스듀서는 봉 형상이고 공진기는 그 봉 형상을 반경방향으로 일정한 거리만큼 이격되어 둘러싸는 파이프 형상일 수 있다. 또한 초음파 트랜스듀서는 파이프 형상이고 공진기는 그 파이프 형상을 일정한 거리만큼 이격되어 둘러싸는 파이프 형상일 수 있다. 이외에도 대상체의 형상에 따라 적합한 초음파 트랜스듀서의 형상을 구현할 수 있고 그 초음파 트랜스듀서의 형상에 따라 발생되는 혹은 측정되는 초음파의 파형을 고려하여 적합한 형태의 공진기의 형상을 구현할 수 있다.
도 1의 (a) 및 (b)에 도시된 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(200)는 직사각형의 평판 형상을 가진 압전체로 에폭시를 사용하여 대상체인 두께 2mm의 알루미늄 평판(100)의 일면에 부착되어 있으며, 공진기는 알루미늄 평판(100)의 양면에 초음파 트랜스듀서(200)로부터 일정한 거리만큼 이격되어 초음파 트랜스듀서(200)의 길이방향에 평행하게 배치된 4개의 막대로 구성되어 있다.
한편, 도 1의 (c)에 도시된 것과 같이 공진기의 단면은, 대상체인 알루미늄 평판(100)의 표면에 평행하게 배치된 중앙 빔과 알루미늄 평판의 표면에 수직하게 배치되고 중앙 빔의 양측 단부와 연결되는 2개의 지지부로 구성된다. 이러한 공진기의 ㄷ자 형상의 단면 및 배치로 인하여 도 1의 트랜스듀서 복합체는 60~80kHz 대역의 주파수에서 최저차의 대칭 램파(S0)를 주로 발생하도록 설계되어 있다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 트랜스듀서 복합체에 의한 대칭 램파 모드의 초음파의 출력을 (공진기가 없는) 종래의 트랜스듀서에 의한 출력과 비교한 것이다. 직선은 이론적으로 계산된 값이고 점선은 실험으로 측정된 값이다. 그 결과 특정 주파수 범위에서 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서 복합체의 출력이 크게 향상된 것을 알 수 있다.
한편 도 2의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 트랜스듀서 복합체로 외부에서 발생한 초음파를 측정한 것을 (공진기가 없는) 종래의 트랜스듀서에 의해 측정한 것과 비교한 것이다. 직선은 이론적으로 계산된 값이고 점선은 실험으로 측정된 값이다. 그 결과 특정 주파수 범위에서 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서 복합체의 측정 감도가 크게 향상된 것을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기변형 패치를 사용한 초음파 트랜스듀서와 T자 형상의 단면의 공진기로 구성된 트랜스듀서 복합체의 모습을 나타낸 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명은 초음파 트랜스듀서의 종류에 상관없이 구현가능하다. 도 3의 (a)에는 자기변형 방식의 초음파 트랜스듀서(210)가 사용되었다. 자기변형 방식의 초음파 트랜스듀서는 외부 자기장에 대응하여 결정격자의 길이가 변화하는 자기변형 패치(211), 전기를 공급받아 자신의 주위에 자기장을 형성하는 코일(212) 및 정자기장을 형성하는 자성체(213)로 구성된다. 코일(212)에 예컨대 교류전기가 인가되면 그에 따라 자기변형 패치(211)에 가해지는 자기장의 세기가 변화하고, 교류전기의 주파수에 따라 자기변형 패치(211)에 변형이 발생하여 초음파가 유도된다. 자기변형 방식에 의한 초음파 트랜스듀서의 구조는 위 원리를 응용하는 한 도 3의 (a)에 도시된 것과 다른 형태를 가질 수도 있다.
한편, 도 3의 (b)에 도시된 것과 같이 공진기(310)의 단면은, 대상체인 알루미늄 평판(100)의 표면에 평행하게 배치된 중앙 빔과 알루미늄 평판의 표면에 수직하게 배치되고 중앙 빔의 중앙부와 연결되는 1개의 지지부로 구성된다. 이러한 공진기(310)의 T자 형상의 단면 및 배치로 인하여 도 3의 트랜스듀서 복합체는 60~120kHz 대역의 주파수에서 최저차의 전단파(SH0)를 주로 발생하도록 설계되어 있다.
도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 트랜스듀서 복합체에 의한 초음파의 출력을 (공진기가 없는) 종래의 트랜스듀서에 의한 출력과 비교한 것이다. 직선은 이론적으로 계산된 값이고 점선은 실험으로 측정된 값이다. 그 결과 특정 주파수 범위에서 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서 복합체의 출력이 크게 향상된 것을 알 수 있다.
한편 도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 트랜스듀서 복합체로 외부에서 발생한 초음파를 측정한 것을 (공진기가 없는) 종래의 트랜스듀서에 의해 측정한 것과 비교한 것이다. 직선은 이론적으로 계산된 값이고 점선은 실험으로 측정된 값이다. 그 결과 특정 주파수 범위에서 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서 복합체의 측정 감도가 크게 향상된 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 원판형 초음파 트랜스듀서(220)와 공진기(320)로 구성된 트랜스듀서 복합체의 모습을 나타낸 것이다. 도 5의 (a)에서 초음파 트랜스듀서(220)는 직사각형의 평판 형상이었던 도 1 또는 도 3의 초음파 트랜스듀서와 달리 원판 형상을 가지고 있다. 한편 도 5의 공진기(320)는 도 1의 ㄷ자형 공진기의 단면을 중심축을 기준으로 360도 회전한 형태로, 초음파 트랜스듀서와 일정한 거리만큼 이격되어 동심원 형태를 이룬다. 도 5의 (b)는 도 5의 (a)에서 A-A 선을 따라 절단한 단면도인데, 도 1에서와 마찬가지로 대상체인 알루미늄 평판(100)의 뒷면에도 동일한 형태의 공진기 형상이 배치되어 있다. 이러한 구조로 인하여 도 5의 트랜스듀서 복합체는 전방향 램파 모드(S0)의 초음파를 발생시키게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 트랜스듀서 복합체에 의한 초음파의 출력을 (공진기가 없는) 종래의 트랜스듀서에 의한 출력과 비교한 것이다. 그 결과 특정 주파수 범위에서 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서 복합체의 출력이 크게 향상된 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 원판형 초음파 트랜스듀서(230)와 T자 형상의 단면의 공진기(330)로 구성된 트랜스듀서 복합체의 모습을 나타낸 것이다. 도 7의 트랜스듀서 복합체는 도 5의 트랜스듀서 복합체와 비교하여 공진기(330)의 단면이 ㄷ자 형상이 아닌 T자 형상이다(도 7의 (a)의 A-A 선을 따라 절단한 단면도인 도 7의 (b) 참조). 이러한 구조로 인하여 도 7의 트랜스듀서 복합체는 전방향 전단파 모드(SH0)의 초음파를 발생시키게 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 도 7의 트랜스듀서 복합체에 의한 초음파의 출력을 (공진기가 없는) 종래의 트랜스듀서와 비교한 것이다. 그 결과 특정 주파수 범위에서 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서 복합체의 출력이 크게 향상된 것을 알 수 있다.
이상의 경우에 일정한 주파수 범위에서 본 발명의 실시예들에 따른 트랜스듀서 복합체는 그 출력이 크게 향상되거나 측정 감도가 크게 향상되는 것을 알 수 있다. 이 주파수 대역에서 초음파 트랜스듀서 외부에 배치된 공진기가 공진하면, 동흡진 원리에 의해 초음파 트랜스듀서에 의해 발생된 혹은 초음파 트랜스듀서에 의해 측정되는 초음파의 파동을 일부 반사시키게 된다. 그 결과 초음파 트랜스듀서 내부에 파동이 중첩되고, 초음파 트랜스듀서의 출력이 증가되거나 또는 측정 감도가 향상된다.
전술한 바와 같은 원리로 증폭된 초음파 트랜스듀서 복합체의 출력은 하기 식 (1)을 만족시킨다.
Figure 112018098653251-pat00001
식 (1)
S는 트랜스듀서 복합체의 출력을 나타내는 값이고, Finp는 트랜스듀서의 가진력(exciting force), E는 대상체의 강성, A0는 대상체의 단면적, k는 파수(wave number)이다. L은 도 9에 도시된 것과 같이 트랜스듀서 너비의 절반에 해당한다. W는 트랜스듀서와 공진기 간의 거리, m은 공진기의 질량값, ω는 각주파수, s는 공진기의 스프링 계수, z0는 대상체의 기계적 임피던스, ωR는 공진기의 공진 각주파수이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 도 1의 트랜스듀서 복합체에서 출력의 변수인 공진기의 질량값(m)과 스프링 계수(s)의 결정을 설명하기 위한 개략도이다. 트랜스듀서 복합체의 공진기의 질량값(m)과 스프링 계수(s)는 공진기가 ㄷ자 형상인지 T자 형상인지에 따라 달라진다. 도 10의 (a)와 (b)에는 각각 ㄷ자 형상의 공진기와 T자 형상의 공진기의 단면이 도시되어 있다.
도 10의 (a)에서, ㄷ자 형상의 공진기의 경우, 공진기가 대상체에 고정되어 있는 상태에서 중앙 빔(410)에 대상체의 표면에 평행하고 중앙 빔의 길이 방향에 수직한 방향으로 일정한 힘(F)을 가하여 늘어난 길이를 측정하여 스프링 계수(s)를 계산하며, 질량(m)은 아래 식 (2)에 의해 결정된다.
Figure 112018098653251-pat00002
식(2)
여기서, m은 공진기의 질량값, s는 공진기의 스프링 계수, fR은 공진기의 진 주파수이다(fR = ωR /2π).
반면 도 10의 (b)에서, T자 형상의 공진기의 경우, 공진기가 대상체에 고정되어 있는 상태에서 중앙 빔(420)에 대상체의 표면에 평행하고 중앙 빔의 길이 방향에 평행한 방향으로 일정한 힘(F)을 가하여 늘어난 길이를 측정하여 스프링 계수(s)를 계산하며, 질량(m)은 위 식 (2)에 의해 결정된다. 도 10의 (b)에서 힘(F)의 방향을 표현하기 위하여 화살표 대신 힘이 지면에 수직한 방향으로 가해짐을 표시하는 X자가 도시되어 있다.
위 식 (1) 및 식 (2)는 도 1의 트랜스듀서 복합체의 경우에 적용되는 것이지만, 당업자는 본 발명에 기초하여 다른 구조의 대상체와 트랜스듀서 복합체에 대해서도 유사하게 각 변수와 출력의 상관관계를 유도할 수 있을 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 도 1의 트랜스듀서 복합체에서 초음파트랜스듀서와 공진기 사이의 간격(W) 변화에 따른 트랜스듀서 복합체의 출력 주파수의 변화를 나타낸 것이다. 초음파 트랜스듀서와 공진기 사이의 간격(W)이 커질수록 출력이 최대가 되는 주파수의 값이 작아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 위 식에 기초하여 W 값을 조절함으로써 원하는 특정 주파수 영역에서 트랜스듀서 복합체의 출력을 최대로 만들 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 도 1의 트랜스듀서 복합체에서 공진기의 공진주파수(fR)의 변화에 따른 트랜스듀서 복합체의 출력 증폭의 변화를 나타낸 것이다. 초음파 트랜스듀서의 공진주파수(fR) 값이 감소함에 따라 트랜스듀서 복합체의 출력 증폭이 증가함을 알 수 있다. 따라서, 초음파 트랜스듀서의 구조 및 형상 등을 조절하여 그 공진주파수 또는 공진 각주파수(ωR = 2πfR)를 변화시켜 원하는 수준의 출력 증폭을 얻어낼 수 있다.
본 발명에 의한 트랜스듀서 복합체는 초음파 트랜스듀서의 출력을 향상시키기 위한 기존의 방법인 임피던스 매칭과 주파수/파장 매칭과 달리 대상체의 유효 임피던스를 저감함으로서 해당 영역 내의 모든 가진원의 출력을 증폭시킬 수 있다. 또한 본 발명에 의한 트랜스듀서의 출력을 향상시키는 방법은 기존의 방법들과 독립적이므로 동시에 중첩적으로 적용이 가능하다. 따라서 기존의 방법을 이용하여 초음파 트랜스듀서의 성능을 최대한 끌어올린 후, 본 발명을 적용하여 출력 증폭 효과를 더욱 증대시킬 수 있다. 본 발명은 특정 방향의 트랜스듀서 뿐만 아니라 전방향 트랜스듀서에도 적용이 가능하다.
본 발명의 위와 같은 기술적 특징은 전술한 선행기술문헌들의 단독 혹은 그 조합으로부터 용이하게 발명할 수 없는 것이다. 예컨대, 전술한 (특허문헌 1)은 초음파 트랜스듀서, (특허문헌 4)는 자기변형 패치 트랜스듀서만을 개시하고 있을 뿐, 그와 결합된 공진기 구조에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않다. (특허문헌 2)에는 케이스 부재(110)가 개시되어 있으나, 초음파 변환기를 외부 노출로부터 보호하기 위한 목적일 뿐 공진 현상과는 전혀 무관한 것으로서 역시 본 발명의 공진기 구조에 대응되지 않는다. (특허문헌 3)에는 케이스부(10)가 개시되어 있으나, 피탐지 대상인 대상체를 필요로 하지 않는 스피커에 대한 발명일 뿐더러, 진동판(11)과 본체 공간(S1)의 공기가 공진하는 것이고 본 발명은 초음파 트랜스듀서와 공진기가 공진하는 것이어서 공진의 대상, 형태가 상이하다.
여기서는 본 발명의 실시예들에 의한 트랜스듀서 복합체와 그 출력과 측정 감도 조절을 위한 방법만을 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 트랜스듀서 복합체를 사용한 다양한 응용방법을 구현할 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 알루미늄 평판
200, 210, 220, 230: 초음파 트랜스듀서
211: 자기변형 패치
212: 코일
213: 자성체
300, 310, 320, 330: 공진기
410: ㄷ자 형상 공진기의 중앙 빔
420: T자 형상 공진기의 중앙 빔

Claims (12)

  1. 유도초음파용 트랜스듀서의 출력과 측정 감도를 향상시키는 공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체로서, 상기 트랜스듀서 복합체는,
    대상체의 표면에 부착되거나 내부에 삽입되고, 상기 대상체의 표면에 평행한 길이방향 길이에 비해 상기 대상체의 표면에 수직한 길이가 짧게 형성되며, 외부 전력원으로부터 전력을 공급받아 초음파를 발생시키거나 외부 초음파를 수신하여 전기를 발생시키는, 초음파 트랜스듀서; 및
    상기 대상체 또는 상기 초음파 트랜스듀서에 부착되거나 상기 대상체의 내부에 삽입되고, 상기 초음파 트랜스듀서에 인접하여 상기 초음파 트랜스듀서의 외부에 평행하게 대칭적으로 배치되는, 공진기;를 포함하고,
    상기 트랜스듀서 복합체의 출력은 하기 식 (1)을 만족시키는
    Figure 112018098653251-pat00003
    식(1)
    (S: 트랜스듀서 복합체의 출력, Finp: 트랜스듀서의 가진력(exciting force), E: 대상체의 강성, A0: 대상체의 단면적, k: 파수(wave number), L: 트랜스듀서 너비의 절반, W: 트랜스듀서와 공진기 간의 거리, m: 공진기의 질량값, ω: 각주파수, s: 공진기의 스프링 계수, z0: 대상체의 기계적 임피던스, ωR: 공진기의 공진 각주파수),
    트랜스듀서 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서는 자기변형(magnetostriction), 압전(piezoelectric) 또는 전자기음향(electromagnetic acoustic) 중 어느 하나의 방식으로 상기 초음파를 발생시키거나 상기 외부 초음파를 수신하여 전기를 발생시키는,
    트랜스듀서 복합체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공진기의 단면은, 상기 대상체의 표면에 평행하게 배치된 상기 초음파 트랜스듀서의 표면과 평행한 중앙 빔과, 상기 중앙 빔의 양측 단부와 연결되고 상기 대상체의 표면에 평행하게 배치된 상기 초음파 트랜스듀서의 표면에 수직한 방향의 2개의 지지부를 구비하며,
    상기 공진기의 상기 스프링 계수(s)는, 상기 공진기가 상기 대상체에 고정된 상태에서 상기 공진기의 상기 중앙 빔에 상기 대상체의 표면에 평행하고 상기 중앙 빔의 길이 방향에 수직한 방향으로 일정한 힘을 가하여 늘어난 길이를 측정하여 계산되고, 상기 공진기의 상기 질량(m)은 하기 식(2)에 의해 계산되는
    Figure 112018098653251-pat00004
    식 (2),
    (m: 공진기의 질량값, s: 공진기의 스프링 계수, fR: 공진기의 공진주파수)
    트랜스듀서 복합체.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 공진기의 단면은, 상기 대상체의 표면에 평행하게 배치된 상기 초음파 트랜스듀서의 표면과 평행한 중앙 빔과, 상기 중앙 빔의 중앙부와 연결되고 상기 대상체의 표면에 평행하게 배치된 상기 초음파 트랜스듀서의 표면에 수직한 방향의 1개의 지지부를 구비하며,
    상기 공진기의 상기 스프링 계수(s)는, 상기 공진기가 상기 대상체에 고정된 상태에서 상기 공진기의 상기 중앙 빔에 상기 대상체의 표면에 평행하고 상기 중앙 빔의 길이 방향에 평행한 방향으로 일정한 힘을 가하여 늘어난 길이를 측정하여 계산되고, 상기 공진기의 상기 질량(m)은 하기 식(3)에 의해 계산되는
    Figure 112018098653251-pat00005
    식 (3),
    (m: 공진기의 질량값, s: 공진기의 스프링 계수, fR: 공진기의 공진주파수)
    트랜스듀서 복합체.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서는 직사각형의 평판 형상이고,
    상기 공진기는 상기 초음파 트랜스듀서와 평행하게 등거리로 이격된 복수의 막대 형상인,
    트랜스듀서 복합체.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서는 원판 형상이고,
    상기 공진기는 상기 초음파 트랜스듀서와 평행하게 등거리로 이격된 하나 또는 그 이상의 동심원 형태인,
    트랜스듀서 복합체.
  7. 공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체의 출력을 향상시키는 방법으로서, 상기 방법은,
    길이방향 길이에 비해 두께가 얇은 초음파 트랜스듀서; 및 대상체 또는 상기 초음파 트랜스듀서에 부착되거나 상기 대상체 내부에 삽입되고, 상기 초음파 트랜스듀서에 인접하여 상기 초음파 트랜스듀서의 외부에 평행하게 대칭적으로 배치되는 공진기;를 포함하는 트랜스듀서 복합체를 대상체의 표면에 부착하거나 내부에 삽입하는 단계(S1);
    상기 초음파 트랜스듀서가 외부 전력원으로부터 전력을 공급받아 초음파를 발생시키는 단계(S2); 및
    상기 초음파의 특정주파수 대역에서 상기 공진기가 동흡진(dynamic absorbing)에 의해 상기 초음파의 파동을 일부 반사하고 상기 트랜스듀서 복합체 내부에서 파동이 중첩되어, 상기 트랜스듀서 복합체의 유효 임피던스가 감소하고 상기 트랜스듀서 복합체의 출력이 증가하는 단계(S3);를 포함하고,
    상기 트랜스듀서 복합체의 출력은 하기 식 (4)을 만족시키는
    Figure 112018098653251-pat00006
    식(4)
    (S: 트랜스듀서 복합체의 출력, Finp: 트랜스듀서의 가진력(exciting force), E: 대상체의 강성, A0: 대상체의 단면적, k: 파수(wave number), L: 트랜스듀서 너비의 절반, W: 트랜스듀서와 공진기 간의 거리, m: 공진기의 질량값, ω: 각주파수, s: 공진기의 스프링 계수, z0: 대상체의 기계적 임피던스, ωR: 공진기의 공진 각주파수),
    공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체의 출력을 향상시키는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서와 상기 공진기 사이의 거리(W)를 조절하여 상기 트랜스듀서 복합체의 출력이 최대가 되는 주파수를 조절하는 단계(S4);를 더 포함하는,
    공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체의 출력을 향상시키는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 공진기의 공진 각주파수(ωR)를 조절하여 상기 트랜스듀서 복합체의 출력 증폭의 크기를 조절하는 단계(S5);를 더 포함하는,
    공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체의 출력을 향상시키는 방법.
  10. 공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체의 측정 감도를 향상시키는 방법으로서, 상기 방법은,
    길이방향 길이에 비해 두께가 얇은 초음파 트랜스듀서; 및 대상체 또는 상기 초음파 트랜스듀서에 부착되거나 상기 대상체 내부에 삽입되고, 상기 초음파 트랜스듀서에 인접하여 상기 초음파 트랜스듀서의 외부에 평행하게 대칭적으로 배치되는 공진기;를 포함하는 트랜스듀서 복합체를 대상체의 표면에 부착하거나 내부에 삽입하는 단계(S1);
    상기 초음파 트랜스듀서에서 외부 초음파를 수신하여 전기를 발생시키는 단계(S2); 및
    상기 외부 초음파의 특정주파수 대역에서 상기 공진기가 동흡진(dynamic absorbing)에 의해 상기 외부 초음파의 파동을 일부 반사하고 상기 트랜스듀서 복합체 내부에서 파동이 중첩되어, 상기 트랜스듀서 복합체의 유효 임피던스가 감소하고 상기 트랜스듀서 복합체의 측정 감도가 향상되는 단계(S3);를 포함하고,
    상기 트랜스듀서 복합체의 측정 감도 하기 식 (5)을 만족시키는
    Figure 112018098653251-pat00007
    식(5)
    (S: 트랜스듀서 복합체의 출력, Finp: 트랜스듀서의 가진력(exciting force), E: 대상체의 강성, A0: 대상체의 단면적, k: 파수(wave number), L: 트랜스듀서 너비의 절반, W: 트랜스듀서와 공진기 간의 거리, m: 공진기의 질량값, ω: 각주파수, s: 공진기의 스프링 계수, z0: 대상체의 기계적 임피던스, ωR: 공진기의 공진 각주파수),
    공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체의 측정 감도를 향상시키는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서와 상기 공진기 사이의 거리(W)를 조절하여 상기 트랜스듀서 복합체의 측정 감도가 최대가 되는 주파수를 조절하는 단계(S4);를 더 포함하는,
    공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체의 측정 감도를 향상시키는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 공진기의 공진 각주파수(ωR)를 조절하여 상기 트랜스듀서 복합체의 측정 감도 증폭의 크기를 조절하는 단계(S5);를 더 포함하는,
    공진기를 포함하는 트랜스듀서 복합체의 측정 감도를 향상시키는 방법.
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