KR102145223B1

KR102145223B1 - 압전 초음파 발생장치

Info

Publication number: KR102145223B1
Application number: KR1020190100297A
Authority: KR
Inventors: 이형규
Original assignee: 주식회사 에스피티; 이형규
Priority date: 2019-08-16
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2020-08-19
Also published as: WO2021033915A1

Abstract

본 발명은 압전 초음파 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전부; 상기 압전부와 적어도 일부분이 접촉하면서 상기 압전부의 측면 외곽에 형성되는 진동판;을 포함하며, 압전부로부터 인가되는 진동이 압전부의 중심을 상하로 관통하는 가상의 축을 중심으로 횡방향 또는 방사방향으로 전파되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 발생장치를 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 초음파 발생기가 봉 형태로 제작됨으로써 초음파가 측면에서 방사상으로 발생되도록 하였으며, 세척조에 부착할 필요없이 portable 형태로 임의의 피세척물에 초음파를 조사할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 즉, 본 발명은 피세척물(액체 혼합물)의 형상, 크기, 물질에 관계없이 세척조와 분리 독립적으로 만들어 세척조는 사용자가 세척물의 종류, 크기, 용량에 따라 임의의 세척조를 사용하도록 하게 하는 것이다.

Description

압전 초음파 발생장치{Piezoelectric ultrasonic generating device}

본 발명은 압전 초음파 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전부; 상기 압전부와 적어도 일부분이 접촉하면서 상기 압전부의 측면 외곽에 형성되는 진동판;을 포함하며, 압전부로부터 인가되는 진동이 압전부의 중심을 상하로 관통하는 가상의 축을 중심으로 횡방향 또는 방사방향으로 전파되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 발생장치를 제공한다.

압전 세라믹스는 다양한 용도를 가지고 있으며, 특히 세척, 혼합 등의 용도로 사용되는 초음파 발생장치의 주요 부품을 이룬다. 도 1에서 나타낸 바와 같이 일반적으로 BLT(볼트 체결형 란쥬반 진동자(Bolt-clamped Langevin Transducer : BLT))라는 진동자를 구비하는 초음파 발생장치는 압전 세라믹스의 양단에 금속이 결합되어 축방향으로 초음파가 발생되는 구조로 되어 있다. 압전 세라믹스는 양단에 특정주파수의 교류전압을 인가하면 그 주파수에 해당하는 주파수로 진동을 하게 되며, 그 진동은 초음파대역(보통 20kHz 이상)으로서, 압전 세라믹스 양단에 축방향으로 부착된 금속에 전달되어 전체적인 초음파를 발생하게 된다. 이 경우 주로 압전세라믹스 양단에 금속을 부착하여 축방향 길이가 횡방향 길이보다 3~4배 이상 길어지면 초음파 진동은 주로 축방향으로 초음파 진동이 전달되고, 축에 대한 횡방향으로의 초음파 진동은 미미해진다.

이러한 진동자(BLT)를 통하여 발생된 초음파를 세척물(또는 혼합물)에 전달하기 위해서는 세척조를 만들고 그 밑에 진동자를 부착하여 용기(세척조) 밑면에서 초음파가 발생되도록 하며, 이는 액체속에서 cavitation(순간진공)을 일으켜 세척물의 이물질을 떼어내게 하는 원리이다.

이러한 목적으로 만들어지는 초음파 세척기는 세척조의 밑면에 BLT를 붙이고 특정 교류인가전압 회로를 연결하도록 구성된다.

그러나 산업용, 가정용, 업소용 초음파 세척기는 그 용도에 따라 세척물의 종류, 크기, 용량에 따라 세척조의 크기가 정해지기 때문에 각각 다른 용량을 갖는 초음파 세척기를 사용하여야 한다. 즉, 제품군의 다양화가 필요하다.

렌즈세척기, 안경세척기, 보석, 시계용 세척기, 가정용 세척기, 칵테일 믹서기, 업소용 세척기, 산업용 세척기 등 세척기의 종류가 다양하며, 각각의 용도에 맞게 개별적으로 제작되어야 하는 것이다.

따라서, 이와 같은 피세척물의 종류나 형태에 제한되지 않고, 범용으로 사용될 수 있는 세척기가 필요하다.

이를 위하여 대한민국공개특허 특2003-0086556호 "원통형 초음파 세정장치"를 개시하였는데, 동 선행기술에서는 관 내부에서 하우징에 원통형 진동자를 결합시키고, 여기에 전원을 공급하여 원통형 진동자가 반경방향으로 진동하게 하며, 관 내부에 주기적인 초음파 음장을 형성시킨다. 즉 형성된 초음파 음장에 의해 관 벽면에 붙어 있는 이물질이 제거된다. 따라서 상기 발생된 초음파로 인해 형성된 캐비테이션(cavitation)이 기포의 진동에 따라 아주적은 교반과 기포의 파괴로 인한 화학적, 열적 작용의 복합 반복으로 액체 중에서 반응의 촉진과 분산작용이 증가하여 피세척물 주위에 부착되어 있는 이물질을 세정하는 것이다.

그러나, 위 원통형 진동자는 자체적으로 압전 세라믹을 사용할 수 있도록 하고 있으며, 하우징의 길이에 대응되는 길이를 갖도록 단일의 바디로 제작되어 있다. 이 경우, 피세척 대상인 관의 크기가 매우 큰 경우 이에 따라서 압전 세라믹의 부피가 동반하여 매우 커질 수 있어 비경제적이며, 또한, 하우징의 길이에 따라서 이에 대응되는 길이의 원통형 진동자가 각각 별개로 제작되어야 하는 문제점이 있다.

대한민국공개특허 특2003-0086556호 (2003. 11. 10)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 초음파 발생기가 봉 형태로 제작됨으로써 초음파가 측면에서 방사상으로 발생되도록 하였으며, 세척조에 부착할 필요없이 portable 형태로 물이 담긴 임의의 용기에 피세척물을 넣고 초음파를 조사할 수 있는 초음파 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 봉형의 휴대형 초음파 발생장치를 임의의 세척조에 침잠하여 사용하면 되므로, 별도의 세척조를 구비할 필요가 없도록 하는 초음파 발생장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 압전부의 진동판을 부착하여 진동을 전파하되, 진동판을 압전부의 측면 외곽에 결합함으로써 압전부에서 비롯되는 여러방향의 진동 중 횡방향(방사방향)으로 큰 진폭을 갖도록 유도하고, 진동판이 부착되어 있는 횡방향(방사방향)으로의 전파를 특히 극대화할 수 있도록 진동판이 매개하게 하는 초음파 발생장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 압전부를 일정 두께를 갖는 단위셀(진동판이 한 몸체인 단위, 즉 진동판이 단일한 상태에서 이와 결합되는 압전부가 단수인지 복수인지 구분안하고 진동판이 하나이면 하나의 단위셀을 이룸)로 제작하고, 이를 초음파 발생장치의 길이에 따라서 적당한 갯수를 적층하여 사용함으로써, 초음파 발생장치의 길이에 대응되는 길이를 갖는 압전부를 별개로 각각 제작함에 따른 비경제성을 극복할 수 있는 초음파 발생장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 압전부의 외곽에 진동판을 결합함으로써 작은 부피의 압전부로써도 보다 넓은 영역에 초음파를 전달할 수 있도록 하는 초음파 발생장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 압전부; 상기 압전부와 적어도 일부분이 접촉하면서 상기 압전부의 측면 외곽에 형성되는 진동판;을 포함하며, 압전부로부터 인가되는 진동이 압전부의 중심을 상하로 관통하는 가상의 축을 중심으로 횡방향 또는 방사방향으로 전파되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 발생장치를 제공한다.

상기 압전 초음파 발생장치는, 봉형태로서 파지가 가능하도록 구성된 손잡이부; 봉형태로서, 상기 손잡이부로부터 연장되어 형성되는 초음파 발생부;를 포함하여 구성되는 프레임의 초음파 발생부에 내장되는 것이 바람직하다.

상기 손잡이부 또는 초음파 발생부의 일측 외부에 돌출 형성되는 거치부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 압전부는 압전부의 중심을 상하로 관통하는 가상의 축에 대한 수직 단면이 곡면형, 도넛형, 다각형 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기 압전부는 판형으로서 복수개가 상하로 결합되는 것이 바람직하다.

상기 각 압전부 사이에는 플라스틱, 공기층, 고무 중에서 선택되는 어느 하나의 재질로 이루어진 압전부 스페이서가 개재되는 것이 바람직하다.

상기 압전부스페이서는 압전부와 교번하여 배치되는 것이 바람직하다.
상기 스페이서 중 세라믹, 플라스틱, 고무의 스페이서는 압전부 또는 압전부 및 진동판의 조합체의 상부 또는 하부에 연결되는 진동판스페이서이며, 상기 진동판스페이서는 압전부와 진동판으로 이루어지는 단위셀간 구분과 진동을 차폐하는 역할을 수행하는 것이 바람직하다.

삭제

상기 압전부가 도넛형의 경우에는 그 내측에 지지판이 더 형성되는 것이 바람직하다.

상기 진동판의 외주면에는 요철이 형성되는 것이 바람직하다.

상기 진동판과 지지판은 각각 초음파 발생부의 구동을 위한 전극단자로 사용되는 것이 바람직하다.

상기 압전부와 진동판이 결합된 상태에서 측정된 직경 / 두께의 비율이 2.0 이상인 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 초음파 발생기가 봉 형태로 제작됨으로써 초음파가 측면에서 방사상으로 발생되도록 하였으며, 세척조에 부착할 필요없이 portable 형태로 임의의 피세척물에 초음파를 조사할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 즉, 본 발명은 피세척물(액체 혼합물)의 형상, 크기, 물질에 관계없이 세척조와 분리 독립적으로 만들어 세척조는 사용자가 세척물의 종류, 크기, 용량에 따라 임의의 세척조를 사용하도록 하게 하는 것이다.

본 발명은 봉형의 휴대형 초음파 발생장치를 임의의 세척조에 침잠하여 사용하면 되므로, 별도의 세척조를 구비할 필요가 없도록 하는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 압전부의 진동판을 부착하여 진동을 전파하되, 진동판을 압전부의 측면 외곽에 결합함으로써 압전부에서 비롯되는 여러방향의 진동 중 횡방향(방사방향)으로 큰 진폭을 갖도록 유도하고 진동판이 부착되어 있는 횡방향(방사방향)으로의 전파를 특히 극대화할 수 있도록 진동판이 매개하게 하는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 압전부를 일정 두께를 갖는 단위셀로 제작하고, 이를 초음파 발생장치의 길이에 따라서 적당한 갯수를 적층하여 사용함으로써, 초음파 발생장치의 길이에 대응되는 길이를 갖는 압전부를 별개로 각각 제작함에 따른 비경제성을 극복할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 압전부의 외곽에 진동판을 결합함으로써 작은 부피의 압전부로써도 보다 넓은 영역에 초음파를 전달할 수 있도록 하는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 세척물의 복잡한 형상에도 균일하게 내부까지 세척되도록 하는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 물과 기름처럼 잘 섞이지 않는 이종의 액체도 균일하게 믹싱하는 유화작용(emulsion action)이 가능하며, 그 밖에도 실험실에서의 사용이나 칵테일 등의 제조에서 혼합을 용이하게 하는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 부피가 기존의 초음파 세척기에 비하여 훨씬 작으므로 보관이 편리한 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 종래의 초음파 발생장치로서, BLT(볼트 체결형 란쥬반 진동자)를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치가 내장된 초음파 세척장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치가 압전부와 진동판이 결합된 상태와 분리된 상태를 각각 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치가 서로 다른 속성의 압전부스페이서와 적층된 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치가 진동판 및/또는 압전부스페이서와 다양하게 조합된 형태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치를 제조하기 위하여 두개로 분리된 진동판을 체결가능하도록 구성한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치로서, 압전부의 중앙부에 통공이 마련되며, 통공 내부에 압전부와 결합된 지지판이 존재하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치의 면적진동과 두께진동을 각각 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

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.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.

여기서, "직경"이라 함은 압전부와 진동판이 결합된 상태에서의 평면방향의 최대 외경을 의미하며, 이 때, 압전부와 진동판은 원형만을 의미하는 것은 아니므로 "외경"은 "길이"의 개념이고, "두께"라 함은 진동판을 고려하지 않은 압전부만의 두께를 의미한다.

도 1은 종래의 초음파 발생장치로서, BLT(볼트 체결형 란쥬반 진동자)를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치가 내장된 초음파 세척장치를 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치가 압전부와 진동판이 결합된 상태와 분리된 상태를 각각 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치가 서로 다른 속성의 압전부스페이서와 적층된 상태를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치가 진동판 및/또는 압전부스페이서와 다양하게 조합된 형태를 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치를 제조하기 위하여 두개로 분리된 진동판을 체결가능하도록 구성한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치로서, 압전부의 중앙부에 통공이 마련되며, 통공 내부에 압전부와 결합된 지지판이 존재하는 상태를 나타내는 도면이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 발생장치의 면적진동과 두께진동을 각각 나타내는 도면이다.

본 발명은 압전부(110); 상기 압전부(110)와 접촉하면서 상기 압전부(110)의 측면 외곽에 형성되는 진동판(120);을 포함하며, 압전부(110)로부터 인가되는 진동이 압전부(110)의 중심을 상하로 관통하는 가상의 축을 중심으로 횡방향 또는 방사방향으로 전파되는 것이 특징이다.

압전부(110)는 압전세라믹스 자체 또는 이와 결합된 전극을 포함하는 개념이고, 초음파 진동의 근원이 된다. 압전부(110)의 횡방향 측면 단부에 결합된 진동판(120)은 압전부(110)로부터 발생되는 진동을 횡방향(또는 방사방향)으로 전달하는 역할을 수행한다.

여기서, 횡방향 또는 방사방향의 초음파 진동은 면적진동이라고도 하며, 횡방향 또는 방사방향은 예를들어 압전부(110)가 원판의 형태인 경우, 원판의 중심을 상하로 관통하는 가상을 축을 기준으로 그 수직방향을 의미한다. 다만, 정확히 수직방향으로만 진동이 전파되는 것은 아니며, 수직방향을 기준으로 어느 정도는 상하로 확산되는 진동까지 포함하는 개념이다. 상기 가상의 축과 평행하게 진동하는 두께진동과는 구분되는 개념이다. 이를 도 8에 개념적으로 나타내었다.

본 발명은 일정 두께를 갖는 초음파 발생장치(압전부와 진동판의 결합상태)의 직경과 두께 중 직경이 두께에 비하여 임계치 이상 길어지는 경우에는 두께진동에 비하여 면적진동이 우세하고, 반대로 두께가 길이에 비하여 임계치 이상 길어지는 경우에는 면적진동에 비하여 두께진동이 더 우세하게 일어난다는 점을 실험을 통하여 확인하게 되었으며, 이 중 면적 진동을 보다 더 강화함으로써 횡방향(방사방향)으로의 초음파 전달을 극대화할 수 있는 초음파 발생장치(100)의 구조를 고안하기에 이르렀다.

이를 위하여 고안된 본 발명은 진동판(120)을 압전부(110)의 측면 외곽에 형성하고, 진동판(120)이 초음파의 전달의 주체가 되도록 함으로써 초음파가 미치는 영역이 압전부(110)에 의하여 결정되기 보다는 압전부(110)와 진동판(120)에 의하여 결정되도록 함으로써 압전부(110)의 제한된 부피로도 보다 넓은 영역에 초음파를 전달할 수 있도록 하였다는 점과, 압전부(110)의 측면 외곽에 횡방향으로 진동판(120)을 결합시킨 것이므로 횡방향으로의 진동성능을 극대화할 수 있다는 점, 그리고, 압전부(110)를 여러개 적층하는 경우에 압전부(110)간에 압전부스페이서(140)를 개재시킴으로써, 초음파 진동장치의 전체적인 두께를 보다 두껍게 하거나 진동판의 면적을 보다 크게 하는 효과를 거두어, 봉의 상부로부터 하부까지 이어지는 초음파 발생영역을 보다 더 확장할 수 있도록 하였다는 점에 특징이 있다. 즉, 본 발명은 주어진 크기의 압전부(110)를 이용하여 보다 더 넓은 영역에 초음파를 전달할 수 있도록 하였다는 점에 특징이 있는 것이다.

본 발명은 압전부(110); 상기 압전부(110)와 접촉하면서 상기 압전부(110)의 측면 외곽에 형성되는 진동판(120);을 포함하며, 압전부(110)로부터 인가되는 진동이 압전부(110)의 중심을 상하로 관통하는 가상의 축을 중심으로 횡방향 또는 방사방향으로 전파되는 초음파 발생장치(100)를 제공한다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 초음파 발생장치(100)를 주요 구동원으로 사용하는 초음파 세척장치(200)는, 봉형태의 손잡이부(210); 상기 손잡이부(210)로부터 연장되어 형성되는 초음파 발생부(230)로 구성된다.

봉형태는 소위 파이프의 형태를 의미하며, 이러한 봉은 그 단면의 형상이 제한되는 것은 아니나, 통상은 곡면형(예를 들어 원형), 사각형, 육각형, 팔각형 등 다각형으로 제작되는 예가 많을 것이다.

주로 손잡이 부분에 장치 구동을 위한 온오프 스위치를 마련하고, 동등 위치에 제어부를 내장시킬 수 있으나, 이러한 형태가 통상적인 형태가 될 것이며, 물론 제어부의 내장위치가 물론 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 손잡이 부분에 수신장치만을 내장하고 제어부가 외부에 위치되도록 할 수도 있다.

본 발명의 장치를 구동하는 방법으로는 전원선의 연결방법은 물론 배터리 내장방법이 가능하며, 이는 통상적인 기술로서, 구체적인 설명은 생략한다.

상기 중공형의 봉 일측 외부에 돌출 형성되는 거치부(220);를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 거치부(220)는 평소 기기의 보관시 벽면이나 걸개를 만들어 여기에 걸어서 보관하는 것을 목적으로 구성된 것이며, 예를 들어 원반의 형태가 될 수 있고, 피세척물이 실린더 형태인 경우 해당 피세척물의 직경보다 원반 형태의 거치부(220)의 직경이 더 큰 경우에는 피세척물의 입구에 거치부(220)를 거치시킨 상태에서 세척과정을 수행할 수 있다. 한편, 상기 거치부(220)는 손잡이부(210)와 초음파 발생부(230)가 구분되도록 봉의 내외에서 구획하는 것이 바람직하다. 즉, 거치부(220)는 손잡이부(210)와 초음파 발생부(230)를 구획함으로써 서로 구분되도록 할 수도 있다. 도 2에서는 초음파 세척장치(200)의 작동상태와 거치상태를 나타낸 것이며, 거치하는 경우에는 거치대(300)를 별도로 구비하도록 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 거치대(300)는 지지대(310)와 걸이부(320)로 구성된다.

전술한 바와 같이 봉은 물론, 압전부(110)의 수평 단면 또한 다양한 형상을 구현될 수 있으며, 곡면형(원판형), 다각형, 도넛형 중 어느 하나가 될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

또한, 상기 압전부(110)의 각층은 서로 이격되어 형성되거나(공기층으로 구분되거나), 세라믹, 플라스틱, 고무 중에서 선택되는 어느 하나의 재질로 이루어진 스페이서(140, 150)가 개재되는 것이 바람직하다. 상기 스페이서(140, 150)는 압전부(110)의 진동을 전달받은 진동판(120)의 진동을 상하로 차폐하는 진동판스페이서(150)와 압전부(110)의 진동과 연동하여 진동을 전파하는 압전부스페이서(140)로 구분될 수 있으며, 전자는 세라믹, 플라스틱, 고무가 될 수 있고, 후자는 공기층, 플라스틱 등이 될 수 있다.

도 5에서 도시된 바와 같이, 압전부(110)와 진동판(120) 및 스페이서(140, 150)의 조합은 다양한 형태로 구현될 수 있는데, 핵심적 특징은 압전부(110)를 중심으로 그 측면 외곽에 진동판(120)이 결합됨으로써 압전부(110)로부터 비롯되는 진동이 진동판(120)을 매개로 압전부(110)의 횡방향(방사방향)으로 전파된다는 점이다.

도 5(a)와 같이 압전부(110) 및 압전부(110)의 측면 외곽에 결합된 진동판(120)과 그 상부 또는 하부에 결합된 진동판스페이서(150)가 조합된 상태가 하나의 예가 될 수 있다. 물론, 조합의 형태는 이에 한정되지는 않는다. 여기서 압전부(110)의 측면 외곽에 결합된 진동판(120)은 그 내곽이 압전부(110)의 측면 전체와 접촉하면서 결합될 필요는 없으며, 적어도 일부가 접촉된 상태이어도 무방하다. 또한, 상기 진동판스페이서(150)는 세라믹, 플라스틱, 고무 등 단위셀에서 비롯된 진동의 단위셀간 전달을 차폐하는 재질이다.

도 5(b)와 같이 구성될 수도 있는데, 도 5(b)는 도 5(a)와 비교하여 ㄷ압전단일의 진동판(120)에 북수개의 압전부(110)가 결합된 것이 차이점이다.

도 5(c)는 하나의 진동판(120) 내에 두개의 압전부(110)가 결합되어 있고, 그 두개의 압전부와 하나의 진동판에 의하여 구성되는 단위셀의 상부와 하부로 진동판스페이서(150)가 결합된 형태를 예로써 나타낸 것이다. 여기서 두개의 압전부(110) 사이에는 압전부스페이서(140)가 개재되어 있다.

도 5(d)는 하나의 진동판(120) 내에 세개 이상의 압전부(110)가 결합되어 있고, 그 상부와 하부로 진동판스페이서(150)가 결합된 형태를 예로써 나타낸 것이다. 여기서 복수개의 압전부(110) 사이에는 압전부스페이서(140)가 개재되어 있다.

이 경우도 도 5(c)와 마찬가지로 우세한 면적진동을 갖는 초음파 발생장치를 구현할 수 있다.

위 세가지 경우에 있어서 압전부(110)의 직경 또는 압전부(110)와 진동판(120)이 결합된 상태에서의 직경과 압전부(110)의 두께의 비율이 직경(도시되지는 않았으나, 하기 표 2에서와 같은 사각형 단면인 경우는 장변의 길이)(a) : 두께(b) = 2.0 : 1의 비율을 임계로 직경이 더 클수록 면적진동이 우세하며, 위 비율을 임계로 두께가 더 클수록 두께진동이 우세함을 실험적으로 확인할 수 있었다. 이는 아래 표 1, 2에 의해서 확인될 수 있다.

그러므로, 도 4에서 압전부(110)의 두께와 압전부(110)와 진동판(120)이 결합된 상태에서의 직경(진동판(120) 없이 압전부(110)만 존재하는 경우에는 압전부(110)의 직경)의 비율이 위 비율을 만족하는 경우라면 압전부스페이서(140)를 매개로 상하로 계속하여 적층함으로써 상하로 긴 영역에서 초음파가 발생되는 초음파 발생장치(100)를 제조할 수 있다. 여기서, 이해되어야 하는 것은 상기 직경(또는 사각형 단면인 경우는 장변의 길이) : 두께 = 2.0 : 1의 비율을 고려할 때 스페이서(140, 150)는 배제된다는 것이다.

도시되지는 않았으나, 복수의 압전부(110)가 압전부스페이서(140)가 개재됨 없이 상하 유격(공기층으로 이격된 상태로)을 가지고 초음파 발생부(230)에 내장되도록 할 수도 있다.

직경(또는 사각형 단면인 경우는 장변의 길이)과 두께의 관계에 따른 직경방향 및 두께방향의 변위량을 실험한 결과 아래와 같다.

직경/두께의 비율(ratio)	직경 변위량 / 두께 변위량
5	2.06
2.5	1.04
1.67	0.78
1.25	0.63

*원판형(원통형) 초음파 발생장치의 경우

장변의 길이/두께의 비율(ratio)	장변의 길이 변위량 / 두께 변위량
8	3.21
4	2.91
2	1.35

*직사각형 초음파 발생장치의 경우, 여기서 직경은 장변의 길이로 하였다. 즉, 사각형이 단면인 경우에는 본 명세서의 직경은 장변의 길이와 동일하다. 더 나아가 직경은 압전부와 진동판이 결합된 상태에서 측정된 평면상의 길이 중 최대길이로 이해될 수 있다.

위 표들로부터 알 수 있는 바와 같이, 직경 / 두께의 비율(ratio)이 클수록 직경 변위량 / 두께 변위량의 값이 커짐을 알 수 있고, 압전부(110)의 횡방향으로 전파되는 초음파가 두께방향으로 전파되는 초음파에 비하여 우세하려면, 즉 면적진동이 두께진동과 우세하려면 직경 / 두께의 비율이 대략 2.0 전후에서 그 임계값을 가지며, 그 이상이 되어야 함을 알 수 있다.

상기 압전부(110)의 각층에 개재된 압전부스페이서(140)는 교번하여 전극단자로 작용할 수 있다. 이 경우는 압전부스페이서(140)가 도전성 재료가 되어야 할 것이다.

경우에 따라서는 진동판과 압전부스페이서를 일체형으로 만들 수 도 있다. 이럴 경우 스페이서는 압전부의 진동이 진동판에 전달을 확실히 전달하는 효과가 있다.

상기 손잡이부(210)와 초음파 발생부(230)를 이루는 봉은 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다. 물론 서로 이종의 재질로써 별도로 제작되어 연결되도록 할 수도 있으나, 이 보다는 일체형으로 제작하는 것이 제조상의 장점이 있다.

상기 진동판(120)의 외주면에는 요철이 형성되는 것이 바람직하다. 진동판(120)의 진동변위가 원하는 수준에 못 미치면 요철의 돌출부와 함몰부가 존재할 때, 이 진동변위량이 돌출부에서는 커지게 되므로 다소간 다른 유형의 진동을 전달할 수 있다.

한편 도 6에서와 같이, 상기 초음파 발생부(230)의 외곽 진동판(120)은 반원(semi cylinder) 형태로 또는 여러 조각으로 분할된 실린더를 만들어 리본부분을 볼트로 연결하여 체결할 수도 있다. 이는 압전부(110)에 대한 진동판(120)의 체결력을 높이고 따라서 진동이 보다 더 확실하게 전달되도록 하기 위함이다. 도 6에서는 반원 형태로 분할된 실린더를 도시하였다.

또한, 도 7에서와 같이, 도넛 형상의 압전부(110)인 경우에는 그 내곽에 지지판(130)을 더 구비하도록 할 수도 있다. 이는 압전부(110)가 진동할 때, 외곽방향으로 수축팽창, 내곽방향으로 수축팽창이 동시에 일어나는데 이 중 내곽방향에 수축팽창성이 더 적은 재료를 결합함으로써 수축팽창을 억제할 수 있으며, 그 결과 외곽방향으로의 수축팽창을 더 극대화하고 따라서 외곽방향으로의 진동의 전파를 더 크게 하기 위한 것이다.

상기 초음파 발생부(230)의 지지판(130)의 재질은 금속, 세라믹, 플라스틱 등의 재질로 만들 수 있다. 상기 초음파 발생부(230)의 전극단자는 진동판(120)과 지지판(130)을 이용하여 구성할 수도 있다

상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 초음파 발생장치 110 : 압전부
120 : 진동판 130 : 지지판
140 : 압전부스페이서 150 : 진동판스페이서
160 : 통공 200 : 초음파 세척장치
210 : 손잡이부 220 : 거치부
230 : 초음파 발생부 300 : 거치대
310 : 지지부 320 : 걸이부

Claims

압전부;
상기 압전부와 적어도 일부분이 접촉하면서 상기 압전부의 측면 외곽에 형성되는 진동판;
을 포함하며, 압전부로부터 인가되는 진동이 압전부의 중심을 상하로 관통하는 가상의 축을 중심으로 횡방향 또는 방사방향으로 전파되고,
상기 각 압전부 사이에는 플라스틱, 공기층, 고무 중에서 선택되는 어느 하나의 재질로 이루어진 압전부 스페이서가 개재되며, 상기 압전부스페이서는 압전부와 교번하여 배치되고,
상기 압전부와 진동판이 결합된 상태에서 측정된 직경 / 두께의 비율이 2.0 이상인 것을 특징으로 하는 압전 초음파 발생장치."
제1항에 있어서,
상기 압전 초음파 발생장치는,
봉형태로서 파지가 가능하도록 구성된 손잡이부;
봉형태로서, 상기 손잡이부로부터 연장되어 형성되는 초음파 발생부;
를 포함하여 구성되는 프레임의 초음파 발생부에 내장되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 발생장치.
제2항에 있어서,
상기 손잡이부 또는 초음파 발생부의 일측 외부에 돌출 형성되는 거치부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 발생장치.
제1항에 있어서,
상기 압전부는 압전부의 중심을 상하로 관통하는 가상의 축에 대한 수직 단면이 곡면형, 도넛형, 다각형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 압전 초음파 발생장치.
제1항에 있어서,
상기 압전부는 판형으로서 복수개가 상하로 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 발생장치.
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제1항에 있어서,
상기 압전부 또는 압전부 및 진동판의 조합체의 상부 또는 하부에는 진동판스페이서가 더 연결되며, 상기 진동판스페이서는 압전부와 진동판으로 이루어지는 단위셀간 구분과 진동을 차폐하는 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 발생장치.
제1항에 있어서,
상기 압전부가 도넛형의 경우에는 그 내측에 지지판이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 발생장치.
제1항에 있어서,
상기 진동판의 외주면에는 요철이 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 발생장치.
제9항에 있어서,
상기 진동판과 지지판은 각각 초음파 발생부의 구동을 위한 전극단자로 사용되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 발생장치.
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