KR102267073B1 - 능동형 초음파 전달 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입사되는 초음파의 작동주파수와 일치되는 공진주파수를 가지도록 주파수를 용이하게 가변시킬 수 있고 입사되는 초음파를 효과적으로 증폭시킬 수 있는 능동형 초음파 전달 구조체를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 서로 다른 반경을 가지면서 이격되게 배치되는 바디부와 인접하는 상기 바디부 사이에 슬릿이 각각 형성되는 복수의 링; 상기 복수의 링에 설치되는 멤브레인; 및 상기 슬릿에 접하는 멤브레인 영역에 배치되고, 상기 멤브레인에 전압을 인가하기 위한 전극부재;를 포함하여, 멤브레인에 인가되는 전압에 따라 멤브레인의 강성이 조정됨으로써 멤브레인의 공진주파수가 가변되도록 하는 특징을 개시한다.

Description

능동형 초음파 전달 구조체{ACTIVE ULTRASONIC DELIVERY STRUCTURE}
본 발명은 능동형 초음파 전달 구조체에 관한 것으로, 상세하게는 입사되는 초음파의 작동주파수에 따라 초음파를 증폭시킬 수 있는 능동형 초음파 전달 구조체에 관한 것이다.
초음파(Ultrasonic, Ultrasound)는 인간이 들을 수 있는 가청 최대 한계 범위를 넘어서는 주파수를 가지는 주기적인 음압(Sound Pressure)을 의미하며, 약 20kHz(20,000Hz)를 초과하는 음파에 해당된다.
초음파는 일반적으로 매개체(매질)을 관통시키거나 반향파의 측정 또는 집중된 에너지를 공급하는 등 여러 분야에서 사용되고 있다. 예를 들어, 초음파 검사 장치는 초음파를 사람, 동물, 물체 등의 피검체에 조사하고, 피검체 내에서 반사되는 에코 신호를 검출하여 피검체 내 조직의 단층상 등을 모니터에 표시하고, 피검체의 검사에 필요한 정보를 제공한다.
초음파의 발신 또는 수신을 담당하는 장치를 초음파 변환기(Transducer)라고 하면, 이러한 초음파 변환기를 포함한 피검체에 접촉되는 일련의 집합체(Transducer Assembly)를 탐촉자(Probe)라 할 수 있다.
한편 초음파의 전파는 매질을 통한 에너지의 전달로 이루어지는데, 초음파가 어떤 매질을 통과할때는 그 매질이 가지는 고유한 음향 인피던스(Acoustic Impedance)에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 초음파는 상대적으로 공기 중에서는 잘 전달되지 못하고, 액체나 고체에서는 잘 전달된다. 이처럼 초음파를 이용한 검사 장치는 해당 매질을 기준으로 접촉식과 비접촉식으로 구별될 수 있다.
접촉식 초음파 검사는 액체나 고체를 매질로 하는 것으로, 전술한 바와 같이 초음파의 전달 출력이 좋아 일반적으로 많이 사용된다. 하지만, 접촉식 초음파 검사는 탐촉자와 피검체 사이에 액체 또는 고체를 넣고 탐상을 진행하므로 피검체가 액체나 고체에 노출되는 경우가 많고, 특히 피검체의 표면에 미세한 요철이나 다공성(Porous)의 조직이 존재하는 경우에는 접촉식 초음파 검사의 적용이 어려워진다.
비접촉식 초음파 검사는 공기를 매질로 하는 것으로, 피검체와의 직접적인 접촉 없이 비접촉 검사가 가능하므로 피검체의 오염 우려가 없고, 피검체의 표면에 미세한 요철이나 다공성(Porous) 물질이 존재하더라도 효과적으로 사용될 수 있으며, 항공, 우주, 건축 자재 등에 사용되는 복합재료의 비파괴 검사 분야에 널리 사용될 수 있다. 하지만, 비접촉식 초음파 검사는 공기와 대상 물질과의 음향 인피던스(Acoustic Impedance) 차이로 인하여 접촉식 초음파 검사에 비해 많은 양의 파동 에너지를 물질 내부로 침투시키지 못하는 단점이 있다. 즉, 접촉식 초음파 검사에 비해 파워가 낮은 초음파 신호 혹은 신호대 잡음비(signal to noise ratio)가 낮은 신호를 얻게 된다. 따라서, 비접촉식 초음파 검사의 성능 향상을 위해서는 탐촉자의 송신 또는 수신되는 초음파 신호를 증폭시킬 필요성이 있다.
한편 일반적으로 초음파 신호를 대상 물질의 감지 등에 사용하는 경우에는 출력되는 초음파 신호의 지향성은 크게 상관이 없으나, 초음파 신호의 수신 시 분해능을 위해서는 초음파 신호의 지향성이 요구될 수 있다.
이러한 지향성의 탐촉자를 구현하기 위해 초음파 변환기에서 발생되는 초음파를 초점부근으로 집속시키기 위하여 별도의 음향렌즈를 구비하게 된다. 이러한 음향렌즈는 기본적으로 방사면이 입사면 측으로 오목한 일정 반경의 곡률을 가지는 오목면으로 구성되는데, 이러한 음향렌즈의 경우 초음파 변환기 및 매질의 음향 인피던스를 고려하여 해당 음향렌즈의 재료 선택 시 매우 제한적이라는 문제가 있고, 구면형 음향렌즈는 곡률반경의 영향으로 두께가 두꺼워질 수 밖에 없어 경량화, 소형화가 불리한 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0023154호(2016.03.03. 공개)
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 본 발명은 입사되는 초음파의 작동주파수와 일치되는 공진주파수를 가지도록 주파수를 용이하게 가변시킬 수 있고, 입사되는 초음파를 증폭시킬 수 있는 능동형 초음파 전달 구조체를 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 초음파 전달 구조체는, 서로 다른 반경을 가지면서 이격되게 배치되는 바디부와, 인접하는 상기 바디부 사이에 슬릿이 각각 형성되는 복수의 링; 상기 복수의 링에 설치되는 멤브레인; 및 상기 슬릿에 접하는 멤브레인 영역에 배치되고, 상기 멤브레인에 전압을 인가하기 위한 전극부재;를 포함하여, 상기 멤브레인에 인가되는 전압에 따라 상기 멤브레인의 강성이 조정됨으로써, 상기 멤브레인의 공진주파수가 가변되는 것을 특징으로 한다.
능동형 초음파 전달 구조체에 있어서, 상기 전극부재를 통해 상기 멤브레인에 인가되는 전압을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부는 상기 멤브레인에 인가하는 전압을 높여 상기 멤브레인의 강성을 증가시킴으로써 상기 멤브레인의 공진주파수를 증가시키거나, 상기 멤브레인에 인가하는 전압을 낮춰 상기 멤브레인의 강성을 감소시킴으로써 상기 멤브레인의 공진주파수를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 초음파 전달 구조체에 있어서, 상기 전극부재는 상기 링의 형상에 상응하는 환 형상을 가지되, 상기 슬릿에 접하는 멤브레인 영역의 중앙에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 초음파 전달 구조체에 있어서, 상기 전극부재는, 상기 멤브레인의 일면에 배치되는 복수의 제1전극부재; 상기 멤브레인의 타면에 배치되는 복수의 제2전극부재; 전원부와 연결되고, 상기 복수의 제1전극부재에 연결되는 제1리드부재; 및 전원부와 연결되고, 상기 복수의 제2전극부재에 연결되는 제2리드부재;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 능동형 초음파 전달 구조체는, 서로 다른 반경을 가지면서 이격되게 배치되는 바디부와, 인접하는 상기 바디부 사이에 슬릿이 각각 형성되는 복수의 링; 상기 복수의 링에 설치되는 멤브레인; 및 상기 슬릿에 접하는 멤브레인 영역에 배치되고, 상기 멤브레인에 전압을 인가하기 위한 전극부재;를 포함할 수 있고, 상기 슬릿에 접하는 멤브레인 영역은 상기 복수의 링의 중심으로부터의 거리에 따라 복수의 멤브레인 서브영역으로 구획되며, 상기 멤브레인 서브영역에 서로 다른 전압이 인가되어 상기 멤브레인 서브영역의 강성이 서로 다르게 설정되어, 상기 멤브레인 서브영역의 공진주파수가 서로 다르게 설정됨으로써 방사되는 초음파가 집속되는 것도 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 능동형 초음파 전달 구조체에 있어서, 상기 전극부재를 통해 상기 멤브레인 서브영역에 서로 다른 전압이 인가되도록 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부는 상기 멤브레인 서브영역에 인가하는 전압을 높여 상기 멤브레인 서브영역의 강성을 증가시킴으로써 상기 멤브레인 서브영역의 공진주파수를 증가시키거나, 상기 멤브레인 서브영역에 인가하는 전압을 낮춰 상기 멤브레인 서브영역의 강성을 감소시킴으로써 상기 멤브레인 서브영역의 공진주파수를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 능동형 초음파 전달 구조체에 있어서, 상기 전극부재는 상기 링의 형상에 상응하는 환 형상을 가지되, 상기 멤브레인 서브영역의 중앙에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 능동형 초음파 전달 구조체에 있어서, 상기 전극부재는, 상기 멤브레인 서브영역의 일면에 각각 배치되는 복수의 제1전극부재; 상기 멤브레인 서브영역의 타면에 각각 배치되는 복수의 제2전극부재; 전원부와 연결되고, 상기 복수의 제1전극부재에 각각 연결되는 복수의 제1리드부재; 및 전원부와 연결되고, 상기 복수의 제2전극부재에 연결되는 제2리드부재;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 능동형 초음파 전달 구조체에 있어서, 상기 제어부는 상기 복수의 링의 중심으로부터 멀어질수록 상기 멤브레인 서브영역에 인가되는 전압을 순차적으로 높여 상기 멤브레인 서브영역의 공진주파수를 순차적으로 증가시키거나, 상기 멤브레인 서브영역에 인가되는 전압을 순차적으로 낮춰 상기 멤브레인 서브영역의 공진주파수를 순차적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 능동형 초음파 전달 구조체에 있어서, 상기 제어부는 상기 복수의 링의 중심부에 배치된 멤브레인 서브영역에 인가되는 전압과, 상기 복수의 링의 가장자리부에 배치된 멤브레인 서브영역에 인가되는 전압의 차이인 전압차를 조절함으로써, 방사되는 초음파의 집속거리를 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 능동형 초음파 전달 구조체에 있어서, 상기 전압차가 상대적으로 큰 경우 상기 집속거리는 짧아질 수 있고, 상기 전압차가 상대적으로 작은 경우 상기 집속거리는 길어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 능동형 초음파 전달 구조체에 있어서, 상기 멤브레인에는 유전물질이 포함될 수 있다.
본 발명에 따르면, 초음파 변환기에서 방사되거나 초음파 변환기측으로 수신되는 초음파를 효과적으로 증폭시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 입사되는 초음파의 작동주파수와 일치되는 공진주파수를 가지도록 주파수를 적절히 가변시킬 수 있기 때문에, 다양한 작동주파수를 가지는 초음파 변환기(Transducer)와의 호환성이 우수하다.
본 발명에 따르면, 기존 초음파 변환기의 사양 변화 없이 높은 출력의 초음파를 송신 또는 수신할 수 있으며, 이에 따라, 고출력의 탐촉자(Transducer Assembly)를 구현할 수 있고, 탐촉자의 경량화 및 소형화 설계가 가능하다.
본 발명에 따르면, 입사되는 초음파의 작동주파수와 일치되는 공진주파수를 가지도록 멤브레인의 강성을 조정함으로써 목적으로 하는 공진주파수를 용이하게 설계할 수 있다.
본 발명에 따르면, 멤브레인 서브영역에 대한 강성을 조정함으로써 방사되는 초음파의 집속거리와 직경의 크기를 다양하고 자유롭게 구현 및 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 전달 구조체의 입체 예시도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 전달 구조체의 평면 예시도(a) 및 저면 예시도(b)이다.
도 3은 도 1의 A-A선 단면 예시도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 초음파 전달 구조체의 평면 예시도(a) 및 저면 예시도(b)이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 초음파 전달 구조체의 집속 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 전달 구조체의 입체 예시도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 전달 구조체의 평면 예시도(a) 및 저면 예시도(b)이며, 도 3은 도 1의 A-A선 단면 예시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1실시예에 따른 초음파 전달 구조체(100)는 일면과 타면을 관통하여 초음파가 통과하는 통로를 가지는 플레이트 형상으로 구비될 수 있다.
초음파 전달 구조체(100)는 입사되는 초음파의 작동주파수와 일치되는 공진주파수를 가지도록 형성될 수 있다. 특정 작동주파수가 초음파 전달 구조체(100)의 일면으로 입사되면, 초음파 전달 구조체(100)에서 공진현상이 발생할 수 있고, 이에 따라, 초음파가 증폭되어 초음파 전달 구조체(100)의 타면으로 출력 향상된 초음파가 방사될 수 있다.
공진(Resonance)은 특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 현상을 말하는데, 초음파의 작동주파수가 초음파 전달 구조체(100)의 공진주파수와 일치할 경우, 초음파 소스에서 지속적으로 초음파가 발생되면 초음파 전달 구조체(100)의 내부 통로에서 높은 세기(Intensity)를 가지는 초음파 신호로 증폭될 수 있다.
이하 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 전달 구조체(100)에 대해 보다 상세히 설명한다.
제1실시예에 따른 초음파 전달 구조체(100)는 복수의 링(110), 멤브레인(130), 전극부재(150)를 포함할 수 있다.
각각의 링(110)은 바디부(111)를 가지고, 바디부(111)는 동심축을 가지며 서로 다른 반경을 가지도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 이웃하는 바디부(111)의 사이에는 슬릿(113)이 형성될 수 있다. 이러한 슬릿(113)은 초음파가 통과하는 통로일 수 있다.
바디부(111)는 제1폭(W1)을 가지도록 형성될 수 있고, 슬릿(113)은 제2폭(W2)을 가지도록 형성될 수 있다. 즉, 이웃하는 바디부(111)는 제2폭(W2)의 간격만큼 이격되어 배치될 수 있다.
복수의 바디부(111)는 서로 동일한 제1두께(T1)를 가지도록 형성될 수 있고, 이에 따라, 복수의 슬릿(113) 역시 서로 동일한 제1두께(T1)를 가지도록 형성될 수 있다.
바디부(111) 및 슬릿(113)은 도시된 바와 같이, 원형 링(110) 형상으로 형성될 수 있고, 도시된 바와 달리, 사각형 링 형상으로 형성될 수도 있다.
멤브레인(130)은 입사되는 초음파의 작동주파수와 일치하는 제1공진주파수를 가지도록 형성될 수 있고, 공진현상으로부터 입사되는 초음파를 증폭시킬 수 있다.
멤브레인(130)은 복수의 링(110)에 설치될 수 있으며, 각 슬릿(113)과 접하도록 슬릿(113)의 형상과 상응하는 형상으로 구비될 수 있다. 즉, 멤브레인(130)은 슬릿(113)의 형상과 상응하도록 서로 다른 반경을 가지는 복수의 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4,…,SAn)을 가질 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 멤브레인(130)은 하나의 판 형상으로 구비될 수 있고, 판 형상의 멤브레인(130)은 바디부(111) 및 슬릿(113)을 교차하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 멤브레인(130)은 슬릿(113)과 접하는 복수의 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4,…,SAn)을 가질 수 있다.
도시되진 않았지만, 멤브레인(130)은 슬릿(113)의 형상과 상응하게 링 형상으로 구비될 수도 있고, 링 형상의 멤브레인(130)은 반경방향의 내측단과 외측단이 이웃하는 바디부(111)에 결합될 수 있다.
멤브레인(130)은 바디부(111) 및 슬릿(113)의 두께방향에 대해 중심부에 배치될 수 있다. 도시되진 않았지만, 멤브레인(130)은 바디부(111) 및 슬릿(113)의 두께방향에 대해 일측에 배치될 수도 있는데, 예를 들면, 멤브레인(130)은 초음파가 입사되는 복수의 링(110)의 일면(도 3에서 하부면) 또는 타면(도 3에서 상부면)에 배치될 수도 있다.
멤브레인(130)은 박막, 필름과 같은 경량의 가요성 막이 적용될 수 있으며, 예를 들면, 알루미늄, 스테인리스, 구리 등의 금속 시트가 적용될 수 있고, 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride:PVC) 등의 폴리머 시트가 적용될 수 있다. 이와 같이, 멤브레인(130)은 다양한 소재로 이루어질 수 있으며, 특별한 소재에 한정되진 않는다.
이처럼 초음파 전달 구조체(100)의 일면으로 입사되는 초음파는 링(110) 구조물 및 멤브레인(130)을 통과하며 진폭이 증가될 수 있고, 타면으로 진폭이 증가된 초음파가 방사될 수 있다.
멤브레인(130)은 유전물질(Dielectric material)을 포함할 수 있는데, 유전물질을 포함한 멤브레인(130)은, 전기장(전압)이 인가되면 유전물질의 유전율에 따른 유전상수만큼 전기장의 전위차는 감소하는 대신 유전물질을 포함한 멤브레인(130)은 감소한 전위차에 해당하는 에너지를 획득할 수 있고, 이러한 에너지 변환 과정에서 강성(Stiffness)이 변화될 수 있다. 예를 들어, 전기장(전압)의 세기가 상대적으로 크면 강성이 증가될 수 있고, 전기장(전압)의 세가가 상대적으로 작으면 강성이 감소될 수 있다.
즉, 후술되는 전극부재(150)로부터 인가되는 전압에 따라 유전물질이 포함된 멤브레인(130)의 강성은 조정될 수 있다.
전극부재(150)는 멤브레인(130)의 강성을 변화시키기 위한 것으로, 슬릿(113)에 접하는 멤브레인(130) 영역에 설치될 수 있다. 즉, 전극부재(150)는 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)에 설치될 수 있다.
전극부재(150)는 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)마다 설치될 수 있고, 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)에 선택적으로 설치될 수도 있다.
전극부재(150)는 멤브레인(130)의 표면(상면 및 하면)에 부착될 수 있고, 이와 달리, 전극부재(150)는 멤브레인(130)의 표면에 매립되어 구비될 수도 있다.
전극부재(150)는 멤브레인(130)상에 다양한 형태로 구비될 수 있는데, 도시된 바와 같이, 각각의 링(110) 형상에 상응하는 환 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 환 형상의 전극부재(150)는 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)의 반경방향에 대해 중심선 상에 배치될 수 있다. 이에 따라, 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)에는 반경방향 및 원주방향을 따라 균등한 전압이 인가될 수 있다.
전극부재(150)는 제1전극부재(151), 제2전극부재(153), 제1리드부재(155), 제2리드부재(157)를 포함할 수 있다.
제1전극부재(151)는 멤브레인(150)의 일면에 배치될 수 있다. 제1전극부재(151)는 링(110) 형상에 상응하는 환 형상으로 형성될 수 있으며, 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)의 일면에 각각 배치될 수 있다.
제2전극부재(153)는 멤브레인(150)의 타면에 배치될 수 있다. 즉, 제1전극부재(151)와 제2전극부재(153)는 멤브레인(150)을 사이에 두고 멤브레인(150)의 양쪽 표면에 배치될 수 있다. 제2전극부재(153)는 제1전극부재(151)에 상응하는 형상으로 형성될 수 있으며, 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)의 타면에 각각 배치될 수 있다.
제1리드부재(155)는 전원부와 복수의 제1전극부재(151)를 연결하도록 구비될 수 있고, 전원부에서 공급되는 전류를 복수의 제1전극부재(151) 측으로 일괄하여 공급할 수 있다.
제2리드부재(157)는 전원부와 복수의 제2전극부재(153)를 연결하도록 구비될 수 있고, 전원부에서 공급되는 전류를 복수의 제2전극부재(153) 측으로 일괄하여 공급할 수 있다.
제1리드부재(155) 및 제2리드부재(157)를 매개로 전원부와 전기적으로 연결된 제1전극부재(151) 및 제2전극부재(153)를 통하여, 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4) 측으로는 동일한 전압이 인가될 수 있고, 동일한 전압이 인가되는 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)은 동일한 강성을 가지도록 변화될 수 있다.
제1실시예에 따른 초음파 전달 구조체(100)는 멤브레인(130)에 인가되는 전압을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
제어부는 제1전극부재(151) 및 제2전극부재(153)를 통하여, 멤브레인(130) 측으로 전압의 인가 여부를 제어할 수 있고, 멤브레인(130) 측으로 인가되는 전압의 세기도 제어할 수 있다.
즉, 전압이 인가되지 않는 경우 멤브레인(130)은 미리 설정된 제1공진주파수를 가지고, 멤브레인(130) 측으로 전압이 인가되면 멤브레인(130) 영역에 전기장이 발생되어 멤브레인(130)의 강성이 변화되고, 강성이 변화된 멤브레인(130)은 제1공진주파수와 다른 제2공진주파수를 가질 수 있다.
이에 더해, 멤브레인(130) 측으로 인가되는 전압의 세기를 조정하여 멤브레인(130) 영역에서 발생되는 전기장의 세기를 변화시키면, 멤브레인(130)의 강성이 연속해서 변화될 수 있고, 결국 멤브레인(130)은 제1공진주파수와 다른 다양한 공진주파수를 가질 수 있다.
예를 들면, 멤브레인(130)에 인가되는 전압을 높여 멤브레인(130) 영역에서 발생되는 전기장의 세기를 높이면, 멤브레인(130)의 강성이 증가될 수 있고, 결국 멤브레인(130)은 미리 설정된 제1공진주파수에서 증가되는 다양한 공진주파수에서 임의의 공진주파수를 설정할 수 있다.
또한 멤브레인(130)에 인가되는 전압을 낮춰 멤브레인(130) 영역에서 발생되는 전기장의 세기를 낮추면, 멤브레인(130)의 강성이 연속해서 감소될 수 있고, 결국, 멤브레인(130)은 미리 설정된 제1공진주파수에서 감소되는 다양한 공진주파수에서 임의의 공진주파수를 설정할 수 있다.
강성 변화로 인하여 새롭게 설정되는 멤브레인(130)의 공진주파수는 입사되는 초음파의 작동주파수 및 매질에서의 초음파 파장을 기반으로 계산될 수 있다.
본 실시예에 따른 초음파 전달 구조체(100)는 초음파 변환기에 일체로 형성될 수 있고, 별도로 제작되어 초음파 변환기에 조립될 수도 있다. 본 발명에 따른 초음파 전달 구조체가 별도로 제작되어 조립되는 경우에는 기존 상용 제품인 초음파 변환기에 결합하여 사용될 수 있고, 기존 상용 제품인 초음파 변환기에 탈부착이 가능할 수도 있다.
이처럼 본 발명에 따른 초음파 전달 구조체(100)는 멤브레인(130)의 강성을 조정하여 멤브레인(130)이 가지는 공진주파수를 변화시킬 수 있기 때문에, 서로 다른 작동주파수를 가지는 다양한 종류의 초음파 변환기(Transducer)에 대한 설치 호환성이 우수한 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 초음파 전달 구조체(100)는 멤브레인(130)에 인가되는 전압을 조정하는 것으로, 기존 초음파 변환기의 별다른 사양 변화 없이, 작동주파수, 전달 매질 및 피검체에 부합하는 공진주파수를 용이하게 설정할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 초음파 전달 구조체(100)는 높은 출력의 초음파를 송신 또는 수신할 수 있어 고출력의 탐촉자(Transducer Assembly)를 구현할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 초음파 전달 구조체를 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 초음파 전달 구조체의 평면 예시도(a) 및 저면 예시도(b)이다. 제2실시예를 설명함에 있어서 제1실시예와 중복되는 부분에 대해서는 설명을 최소로 하고, 차이점을 중심으로 상세히 설명한다.
제2실시예에 따른 초음파 전달 구조체(200) 역시 복수의 링(210), 멤브레인(230), 전극부재(250), 제어부를 포함할 수 있다.
제2실시예에 따른 복수의 링(210) 및 멤브레인(230)은 전술한 제1실시예에 따른 복수의 링(110) 및 멤브레인(130)와 동일하게 구성될 수 있고, 관련한 중복 설명은 생략한다.
제2실시예에 따른 전극부재(250) 역시 전술한 제1실시예에 따른 전극부재(150)와 거의 동일하게 구성될 수 있으며, 제1전극부재(251), 제2전극부재(253), 제1리드부재(255), 제2리드부재(257)를 포함할 수 있다.
다만 제2실시예에 따르면, 제1리드부재(255) 및 제2리드부재(257)를 매개로 전원부와 전기적으로 연결되는 복수의 제1전극부재(251) 및 제2전극부재(253)를 통하여, 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)에 서로 다른 전압이 인가되도록 하는 점에서 전술한 제1실시예와 차이점을 가진다.
도시된 바와 같이, 제1리드부재(255)는 전원부와 복수의 제1전극부재(251)를 각각 연결하도록 구비되고, 제2리드부재(257)는 전원부와 복수의 제1전극부재(251)를 일괄 연결하도록 구비될 수 있다. 물론 반대로, 제1리드부재(255)는 전원부와 복수의 제1전극부재(251)를 일괄 연결하도록 구비되고, 제2리드부재(257)가 전원부와 복수의 제1전극부재(251)를 각각 연결하도록 구비될 수도 있다.
이에 따라, 각각의 제1전극부재(151) 및 제2전극부재(153)가 배치되어 있는 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4) 측으로 서로 다른 전압이 인가될 수 있고, 서로 다른 전압이 인가되는 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)은 서로 다른 강성을 가질 수 있다.
결과적으로 제2실시예에 따르면, 제어부를 통하여 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)이 서로 다른 강성을 가지도록 함으로써 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)의 공진주파수를 서로 다르게 설정할 수 있다.
이에 더해, 제어부는 초음파 전달 구조체(200)의 중심에서 멀어질수록 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3)의 강성이 순차적으로 변화되도록 제어할 수 있다.
즉, 중심에 위치하는 멤브레인 서브영역(SA1)에서 외곽에 위치하는 멤브레인 서브영역(SA4) 측으로 갈수록 인가되는 전압을 순차적으로 높임으로써, 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)의 강성은 중심으로부터 멀어질수록 순차적으로 증가될 수 있고, 반대로, 중심에 위치하는 멤브레인 서브영역(SA1)에서 외곽에 위치하는 멤브레인 서브영역(SA4) 측으로 갈수록 인가되는 전압을 순차적으로 낮춤으로써, 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)의 강성은 중심으로부터 멀어질수록 순차적으로 감소될 수 있다.
이와 같이, 복수의 링(211)의 중심부에서 가장자리로 갈수록 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)의 강성을 순차적으로 조절함으로써, 중심부에서 가장자리로 갈수록 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)이 가지는 공진주파수를 순차적으로 설정 및 정렬할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 초음파 전달 구조체의 집속 원리를 설명하기 위한 예시도로서, 도 4에 도시된 초음파 전달 구조체를 초음파 변환기에 적용하여 방사되는 초음파의 집속 형태를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 복수의 링(211)의 중심부에서 가장자리로 갈수록 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)이 가지는 공진주파수를 순차적으로 정렬함으로써, 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)을 통과하는 초음파의 위상을 조절할 수 있고, 이에 따라, 방사되는 초음파를 집속시킬 수 있다.
한편 초음파 검사에서 피검체의 타겟지점은 피검체 표면으로부터 다양한 깊이에 존재하는 것이 일반적이므로 피검체의 타겟지점에 초음파의 초점을 일치시킬 필요가 있다. 즉, 초음파 전달 구조체(200)에서 방사되는 초음파가 집속되는 거리인 집속거리(FL)를 이동시킬 필요가 있다.
제2실시예에 따르면, 제어부를 통하여 초음파 전달 구조체(200)의 중심부에 위치하는 멤브레인 서브영역에 인가되는 전압과, 가장자리부에 위치하는 멤브레인 서브영역에 인가되는 전압의 차이인 전압차를 조절함으로써, 방사되는 초음파의 집속거리(FL)와 빔 직경의 크기를 다양하고 자유롭게 구현 및 조절할 수 있다.
예를 들면, 중심부에 위치하는 멤브레인 서브영역(SA1)에 인가되는 전압과 가장자리부에 위치하는 멤브레인 서브영역(SA4)에 인가되는 전압의 차이인 전압차를 크게 설정하면, 해당 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4) 간 강성의 차이를 상대적으로 크게 설정할 수 있고, 이에 따라, 초음파의 집속거리(FL)를 짧게 형성할 수 있다.
반대로, 중심부에 위치하는 멤브레인 서브영역(SA1)에 인가되는 전압과 가장자리부에 위치하는 멤브레인 서브영역(SA4)에 인가되는 전압의 차이인 전압차를 작게 설정하면, 해당 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4) 간 강성의 차이를 상대적으로 작게 형성할 수 있고, 이에 따라, 초음파의 집속거리(FL)를 길게 형성할 수 있다.
이처럼 초음파의 집속을 위한 각 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)에 인가되는 전압 및 멤브레인 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4) 간의 전압차는, 요구되는 초음파의 집속거리(FL) 및 초음파의 작동주파수로부터 결정되는 매질에서의 파장을 기반으로 계산될 수 있다.
이상에서와 같이, 제2실시예에 따른 초음파 전달 구조체(200)는 전술한 제1실시예에 따른 효과에 더해서 방사되는 초음파의 집속거리(FL)와 빔 직경의 크기를 다양하고 자유롭게 구현 및 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
100,200: 초음파 전달 구조체
110,210: 링
111,211: 바디부
113,213: 슬릿
130,230: 멤브레인
150,250: 전극부재
SA1,SA2,SA3,SA4: 멤브레인 서브영역

Claims (12)

  1. 입사되는 초음파를 증폭시켜 외부로 방사시키는 초음파 전달 구조체로서,
    서로 다른 반경을 가지면서 이격되게 배치되는 바디부와, 인접하는 상기 바디부 사이에 슬릿이 각각 형성되는 복수의 링;
    상기 복수의 링에 설치되는 멤브레인; 및
    상기 슬릿에 접하는 멤브레인 영역에 배치되고, 상기 멤브레인에 전압을 인가하기 위한 전극부재;를 포함하고,
    상기 멤브레인에 인가되는 전압에 따라 상기 멤브레인의 강성이 조정됨으로써, 상기 멤브레인의 공진주파수가 가변되는 것을 특징으로 하는 능동형 초음파 전달 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극부재를 통해 상기 멤브레인에 인가되는 전압을 제어하는 제어부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 멤브레인에 인가하는 전압을 높여 상기 멤브레인의 강성을 증가시킴으로써 상기 멤브레인의 공진주파수를 증가시키거나, 상기 멤브레인에 인가하는 전압을 낮춰 상기 멤브레인의 강성을 감소시킴으로써 상기 멤브레인의 공진주파수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 능동형 초음파 전달 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극부재는 상기 링의 형상에 상응하는 환 형상을 가지되, 상기 슬릿에 접하는 멤브레인 영역의 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는 능동형 초음파 전달 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극부재는,
    상기 멤브레인의 일면에 배치되는 복수의 제1전극부재;
    상기 멤브레인의 타면에 배치되는 복수의 제2전극부재;
    전원부와 연결되고, 상기 복수의 제1전극부재에 연결되는 제1리드부재; 및
    전원부와 연결되고, 상기 복수의 제2전극부재에 연결되는 제2리드부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 초음파 전달 구조체.
  5. 입사되는 초음파를 증폭시켜 외부로 방사시키는 초음파 전달 구조체로서,
    서로 다른 반경을 가지면서 이격되게 배치되는 바디부와, 인접하는 상기 바디부 사이에 슬릿이 각각 형성되는 복수의 링;
    상기 복수의 링에 설치되는 멤브레인; 및
    상기 슬릿에 접하는 멤브레인 영역에 배치되고, 상기 멤브레인에 전압을 인가하기 위한 전극부재;를 포함하고,
    상기 슬릿에 접하는 멤브레인 영역은 상기 복수의 링의 중심으로부터의 거리에 따라 복수의 멤브레인 서브영역으로 구획되며,
    상기 멤브레인 서브영역에 서로 다른 전압이 인가되어 상기 멤브레인 서브영역의 강성이 서로 다르게 설정되고, 상기 멤브레인 서브영역의 공진주파수가 서로 다르게 설정됨으로써 방사되는 초음파가 집속되는 것을 특징으로 하는 능동형 초음파 전달 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전극부재를 통해 상기 멤브레인 서브영역에 서로 다른 전압이 인가되도록 제어하는 제어부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 멤브레인 서브영역에 인가하는 전압을 높여 상기 멤브레인 서브영역의 강성을 증가시킴으로써 상기 멤브레인 서브영역의 공진주파수를 증가시키거나, 상기 멤브레인 서브영역에 인가하는 전압을 낮춰 상기 멤브레인 서브영역의 강성을 감소시킴으로써 상기 멤브레인 서브영역의 공진주파수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 능동형 초음파 전달 구조체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전극부재는 상기 링의 형상에 상응하는 환 형상을 가지되, 상기 멤브레인 서브영역의 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는 능동형 초음파 전달 구조체.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 전극부재는,
    상기 멤브레인 서브영역의 일면에 각각 배치되는 복수의 제1전극부재;
    상기 멤브레인 서브영역의 타면에 각각 배치되는 복수의 제2전극부재;
    전원부와 연결되고, 상기 복수의 제1전극부재에 각각 연결되는 복수의 제1리드부재; 및
    전원부와 연결되고, 상기 복수의 제2전극부재에 연결되는 제2리드부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 초음파 전달 구조체.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 복수의 링의 중심으로부터 멀어질수록 상기 멤브레인 서브영역에 인가되는 전압을 순차적으로 높여 상기 멤브레인 서브영역의 공진주파수를 순차적으로 증가시키거나, 상기 멤브레인 서브영역에 인가되는 전압을 순차적으로 낮춰 상기 멤브레인 서브영역의 공진주파수를 순차적으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 능동형 초음파 전달 구조체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 복수의 링의 중심부에 배치된 멤브레인 서브영역에 인가되는 전압과, 상기 복수의 링의 가장자리부에 배치된 멤브레인 서브영역에 인가되는 전압의 차이인 전압차를 조절함으로써, 방사되는 초음파의 집속거리를 조절하는 것을 특징으로 하는 능동형 초음파 전달 구조체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전압차가 상대적으로 큰 경우 상기 집속거리는 짧아지고,
    상기 전압차가 상대적으로 작은 경우 상기 집속거리는 길어지는 것을 특징으로 하는 능동형 초음파 전달 구조체.
  12. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 멤브레인은 유전물질이 포함된 것을 특징으로 하는 능동형 초음파 전달 구조체.
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