KR102539113B1 - 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기, 음향렌즈, 그 설계방법 및 그 제작방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 본 발명은 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기, 음향렌즈, 그 설계방법 및 그 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기에 있어서, 상기 환형 배열 압전재는, 중심점을 기준으로 동심원 형상으로 배치되는 복수의 동심원 영역을 갖고, 상기 동심원 영역은 중심점부터 반경방향으로, 링형태의 차음영역과, 압전물질로 구성되어 음파를 가진하는 압전링으로 구성된 압전영역이 교차되며 형성되어, 음파를 초점부근에 집속시키며, 양면이 평평한 면으로 구성되고 두께가 일정한 판형태이며, 상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 압전영역 각각의 반경은, 설정된 초음파변환기의 초점거리와, 설정된 음파의 주파수를 기반으로 연산되는 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기 또는 음향렌즈에 관한 것이다.
Description
본 발명은 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기, 음향렌즈, 그 설계방법 및 그 제작방법에 관한 것이다.
초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)(이하, 초음파 변환기)는 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하거나, 반대로 초음파 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있는 장치이다.
초음파는 사람이 들을 수 있는 가청 주파수 대역보다 큰 20 ㎑를 넘는 주파수를 가지는 음파로서, 인간이 청각을 이용하여 들을 수 없다. 이러한 초음파는 다양한 분야에서 널리 활용되며 우리 삶에 많은 영역에서 편의를 제공해주고 있다.
예를 들어, 의료 영상 진단 기기에 사용될 수 있는데, 비침습적(non-invasive)으로 신체의 조직이나 기관의 사진이나 영상을 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 초음파 트랜스듀서는 외부 객체의 검지를 위하여 활용될 수도 있다. 즉, 초음파 변환기를 이용하여 초음파 신호를 출력한 후, 출력된 초음파 신호가 외부 객체에 반사되어 되돌아오는 경우 이를 수신하여 초음파 신호가 되돌아오는 데 걸리는 시간을 측정할 수 있다. 상기 측정된 시간을 이용하여 외부 객체의 존재 및 상기 외부 객체까지의 거리를 계산할 수 있다.
현재 일반적으로 많이 사용되고 있는 초음파 트랜스듀서는 자기장(magnetic field)을 이용하는 방식, 전기장을 이용하는 방식, 압전(piezoelectic) 물질을 이용하는 방식 세 가지가 있다.
이들 중 압전 물질을 이용하는 방식은 높은 주파수 대역(초음파 대역)에서 소형화에 비교적 유리하고 내구성도 뛰어 나서 많이 사용되어 있다.
압전 효과란 역학적인 진동이 가해졌을 때에 결정체(crystal)에 전위차가 발생하는 현상을 말한다. 이와 반대로 결정체에 전기장을 걸어주었을 때에 역학적인 진동이 발생하는 현상을 포함한다.
따라서, 압전소자를 이용한 초음파 트랜스듀서는 압전소자에 전기장을 인가하여 압전소자에서 발생되는 진동에 의해 초음파를 발생시키게 된다.
압전소자를 이루는 재료는 로셸염(Rochelle salt)과 수정(quartz)은 단결정(single crystal)이고, 타이타늄산바륨(Barium titanate, BaTiO3)과 Lead titanate(PbTiO3), Lead zirconate system(PbZrO3) 등은 복결정(multi-crystal)이다.
이러한 압전 특성을 이용하면 초음파 발생용 변환기, 수신용 변환기, 발신/수신 겸용 변환기를 만들 수 있다.
한편, 초음파 변환기를 외부 객체의 감지나 장애인용 시각 보조장치 등에 사용하는 경우, 일반적으로 출력되는 초음파 신호의 지향성은 크게 상관이 없으나, 초음파 신호의 수신 시에는 높은 지향성을 갖는 것이 요구된다.
또한, 집속 초음파 트랜스듀서는 초음파 가진기에서 가진되는 초음파를 초점부근으로 집속시키기 위하여 음향렌즈를 포함하여 구성되게 된다.
도 1은 종래 구면형 음향렌즈(2)가 적용된 초음파 트랜스듀서(1)의 단면도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 초음파 가진기(10)는 초음파를 가진하여 음향렌즈(2) 측으로 초음파를 입사시키게 되고, 입사되는 초음파는 음향렌즈(2)에 의해 초점 부근으로 집속되게 된다.
이러한 종래 음향렌즈(2)의 초음파 출사면은 입사면 측으로 오목한 일정 반경곡률을 갖는 오목면으로 구성됨을 알 수 있다. 그러나, 이러한 종래 구면형 음향렌즈(2)의 경우, 음향렌즈를 구성하는 재료의 임피던스가 초음파 가진기(10) 재료의 임피던스보다는 작고, 전달물질의 임피던스보다는 크게 되어야 하므로 선택될 수 있는 재료가 제한적인 문제점이 존재하였다.
또한, 종래 구면형 음향렌즈(2)는 곡률반경의 영향으로 두께가 두꺼워질 수 밖에 없어 경량화, 소형화에 불리하다는 문제점이 존재하였다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 동심원 영역 각각의 반경 치수를 신속하고 효율적으로 설계할 수 있는 프레넬 존 플레이트(fresnel zone plate, FZP) 형태의 압전재 배열을 통해, 곡면 압전재 사용이 불필요하고, 설계한 초점에 집속 구현이 용이한, 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기, 음향렌즈, 및 그 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 최외반경을 고정하고 내측으로 각 동심원 영역의 반경을 수학식 2로 결정하여, 동심원 영역의 개수를 변화시켜도 환형 배열의 외경은 변하지 않게 하거나, 최내반경을 고정하고 외측으로 각 동심원 영역의 반경을 수학식 3으로 결정하여 동심원 영역의 개수를 변화시켜도 환형 배열의 내경은 변하지 않도록 하여, 동심원 영역의 개수를 변화시켜도 초점은 일정한 위치에 형성되며, 동심원 영역의 개수를 변화시켜 집속빔의 장축길이와 폭을 조절할 수 있으며, 동심원 영역을 선별적 조합이 가능한, 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기, 음향렌즈, 및 그 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 설계된 주파수 이외의 주파수에도 집속이 가능하고 제작공차에 의해 실제 설계된 주파수보다 낮거나 높은 주파수에 공진주파수가 형성되어도 사용이 가능한, 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기, 음향렌즈, 및 그 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기에 있어서, 상기 환형 배열 압전재는, 중심점을 기준으로 동심원 형상으로 배치되는 복수의 동심원 영역을 갖고, 상기 동심원 영역은 중심점부터 반경방향으로, 링형태의 차음영역과, 압전물질로 구성되어 음파를 가진하는 압전링으로 구성된 압전영역이 교차되며 형성되어, 음파를 초점부근에 집속시키며, 양면이 평평한 면으로 구성되고 두께가 일정한 판형태이며, 상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 압전영역 각각의 반경은, 설정된 초음파변환기의 초점거리와, 설정된 음파의 주파수를 기반으로 연산되는 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기로서 달성될 수 있다.
그리고 최대반경을 결정하여 고정하고, 상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 압전영역 각각의 반경은 이하의 수학식 3에 의해 연산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 3]
상기 수학식 3에서, an은 최대반경부터 내측반경방향으로 순차적인 상기 동심원영역의 인덱스이고, a0는 최대반경(R0)이며, k는 파수(wave number)이고, F는 초점거리이다.
또한 최소반경을 결정하여 고정하고, 상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 압전영역 각각의 반경은 이하의 수학식 4에 의해 연산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 4]
상기 수학식 4에서, bn은 최초반경부터 외측반경방향으로 순차적인 상기 동심원영역의 인덱스이고, b0는 최초반경(Rb)이며, k는 파수(wave number)이고, F는 초점거리이다.
또한 양면 각각에 적층되는 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 차음영역을 구성하는 차음물질은 공기 또는 차음재이고, 상기 차음재는 음파의 산란과정을 유도하는 복합재와 음파의 산란과정에서 흡음재의 바탕을 메우는 매트릭스 재료(matrix material)를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 압전링의 개수가 변화하여도 상기 초점거리는 고정되며, 상기 압전링의 개수를 변화시켜 집속빔의 장축길이와 장축폭 조절이 가능한 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 설정된 음파의 주파수 이외의 주파수로 구동될 때의 실효초점거리는 이하의 수학식 5로 연산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 5]
상기 수학식 5에서, a2(i-1)은 i번째 압전링의 외경이고, a2i-1은 i번째 압전링의 내경이다.
또한 상기 설정된 음파의 주파수 이외의 주파수로 구동될 때의 실효초점거리는 이하의 수학식 6으로 연산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 6]
상기 수학식 6에서, b2(i-1)은 i번째 압전링의 내경이고, b2i-1은 i번째 압전링의 외경이다.
본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 제1목적에 따른 환형 배열 압전재를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향렌즈.
본 발명의 제3목적은 집속 초음파변환기 또는 음향렌즈의 환형 배열 압전재의 설계방법에 있어서, 원하는 음파 주파수와, 원하는 초점거리를 설계하는 단계; 최대반경을 결정하여 고정하고, 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 압전물질로 구성되는 압전링 형태의 압전영역 각각의 반경을 이하의 수학식 3에 의해 연산하는 단계; 제작될 집속 초음파변환기 또는 음향렌즈의 최소반경과 동심원 영역의 개수를 결정하는 단계; 및 상기 동심원 영역의 개수와, 최대반경, 최소반경, 및 차음영역과 압전영역 각각의 반경에 부합되도록 초음파변환기 또는 음향렌즈를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재의 설계방법으로 달성될 수 있다.
[수학식 3]
상기 수학식 3에서, an은 최대반경부터 내측반경방향으로 순차적인 상기 동심원영역의 인덱스이고, a0는 최대반경(R0)이며, k는 파수(wave number)이고, F는 초점거리이다.
본 발명의 제4목적은 집속 초음파변환기 또는 음향렌즈에 포함되는 환형 배열 압전재의 설계방법에 있어서, 원하는 음파 주파수와, 원하는 초점거리를 설계하는 단계; 최초반경을 결정하여 고정하고, 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 압전물질로 구성되는 압전링 형태의 압전영역 각각의 반경을 이하의 수학식 4에 의해 연산하는 단계; 제작될 집속 초음파변환기 또는 음향렌즈의 최대반경과 동심원 영역의 개수를 결정하는 단계; 및 상기 동심원 영역의 개수와, 최대반경, 최소반경, 및 차음영역과 압전영역 각각의 반경에 부합되도록 초음파변환기 또는 음향렌즈를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재의 설계방법으로 달성될 수 있다.
[수학식 4]
상기 수학식 4에서, bn은 최초반경부터 외측반경방향으로 순차적인 상기 동심원영역의 인덱스이고, b0는 최초반경(Rb)이며, k는 파수(wave number)이고, F는 초점거리이다.
본 발명의 제3, 제4목적에 있어서, 상기 동심원 영역의 개수를 결정하는 단계에서, 상기 압전링의 개수를 변화시켜 집속빔의 장축길이와 장축폭을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제5목적은 초음파변환기 또는 음향렌즈의 제작방법에 있어서, 중심부에 원판형의 돌출부를 갖고, 상기 돌출부에서 반경방향으로 순차적으로 앞서 언급한 본 발명의 제3 또는 제4목적에 따른 설계방법에 따른 동심원 영역 각각의 반경에 부합되는 동심원 형상의 오목부와 볼록부가 교차 형성되는 금형을 제작하는 단계; 상기 금형 내로 압전물질을 충진시키는 단계; 상기 금형 상부로 캡을 결합하여 충진된 상기 압전물질을 밀폐시키는 단계; 상기 캡을 제거하고, 압전물질을 탈착하고, 상기 금형의 돌출부와 볼록부에 의해 형성된 영역 내로 차음재를 충진하는 단계; 및 양면 각각에 전극층을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제작방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 전극층을 코팅하는 단계 후에, 상기 전극층에 고전압 분극장치를 연결하여 상기 압전물질을 분극화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제6목적은 앞서 언급한 본 발명의 제3 또는 제4목적에 따른 설계방법에 따른 최대반경과 최소반경을 갖는 압전링 모재를 준비하는 단계; 상기 압전링 모재를 중심점 기준으로 회전시키면서, 상기 설계방법에 따른 동심원 영역 각각의 반경에 부합되도록 레이저를 통해 식각하여 차음영역을 형성시키는 단계; 상기 차음영역 내로 차음재를 충진하는 단계; 및 양면 각각에 전극층을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제작방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제7목적은 앞서 언급한 본 발명의 제3 또는 제4목적에 따른 설계방법에 따른 최대반경을 갖는 압전링 모재를 준비하는 단계; 상기 압전링 모재를 중심점 기준으로 회전시키면서, 상기 압전링 모재에서 상기 설계방법에 따른 최소반경에 대응되는 중심 관통부를 형성하도록 레이저를 조사하여 중심부를 제거하는 단계; 상기 압전링 모재를 중심점 기준으로 회전시키면서, 상기 설계방법에 따른 동심원 영역 각각의 반경에 부합되도록 레이저를 통해 식각하여 차음영역을 형성시키는 단계; 상기 차음영역 내로 차음재를 충진하는 단계; 및 양면 각각에 전극층을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제작방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 제거된 상기 중심부를 재활용하거나, 또는 상기 중심 관통부에는 차음재를 충진하지 않고, 중심 관통부 내면에 절연 인서트를 삽입한 후, 상기 중심부 양면에 전극층을 코팅하고, 코팅된 중심부를 상기 중심 관통부에 삽입, 결합시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 유속측정장치, 이를 이용한 굴뚝 현장측정시스템 및 측정방법에 따르면, 본 발명의 실시예에 따르면, 동심원 영역 각각의 반경 치수를 신속하고 효율적으로 설계할 수 있는 프레넬 존 플레이트(fresnel zone plate, FZP) 형태의 압전재 배열을 통해, 곡면 압전재 사용이 불필요하고, 설계한 초점에 집속 구현이 용이한, 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기, 음향렌즈, 및 그 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 최외반경을 고정하고 내측으로 각 동심원 영역의 반경을 수학식 2로 결정하여, 동심원 영역의 개수를 변화시켜도 환형 배열의 외경은 변하지 않게 하거나, 최내반경을 고정하고 외측으로 각 동심원 영역의 반경을 수학식 3으로 결정하여 동심원 영역의 개수를 변화시켜도 환형 배열의 내경은 변하지 않도록 하여, 동심원 영역의 개수를 변화시켜도 초점은 일정한 위치에 형성되며, 동심원 영역의 개수를 변화시켜 집속빔의 장축길이와 폭을 조절할 수 있으며, 동심원 영역을 선별적 조합이 가능한, 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기, 음향렌즈, 및 그 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 설계된 주파수 이외의 주파수에도 집속이 가능하고 제작공차에 의해 실제 설계된 주파수보다 낮거나 높은 주파수에 공진주파수가 형성되어도 사용이 가능한, 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기, 음향렌즈, 및 그 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 구면형 음향렌즈가 적용된 초음파 트랜스듀서의 단면도,
도 2는 종래 설계방법에 의한, 본 발명의 실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 평면도,
도 3은 종래 설계방법에 의한, 본 발명의 실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 집속원리를 설명한 모식도,
도 5는 종래 설계방법에 따른 주파수별 동심원 영역 개수에 대한 음향렌즈의 반경 그래프,
도 6은 종래 설계방법에 따른 초점거리가 30mm일 때, 주파수별, 동심원 영역 각각의반경 수치표,
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 설계방법에 의해 설계된 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와 단면도,
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 설계방법에 의해 설계된 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와 단면도,
도 9a는 종래 설계방법에 따른 동심원 영역의 반경치수 표,
도 9b는 본 발명의 제1실시예에 따른 설계방법에 의한 동심원 영역 반경치수 표,
도 9c는 본 발명의 제2실시예에 따른 설계방법에 의한 동심원 영역 반경치수 표,
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와, 음장 공간 분포도,
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와, 음장 공간 분포도,
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 15개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와, 음장 공간 분포도,
도 13은 본 발명의 제1실시예에 따라, 1개, 4개, 7개, 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 음장 공간 분포도,
도 14는 본 발명의 제1실시예에 따라, 1개부터 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기 각각의 음장 공간 분포도,
도 15a는 본 발명의 제1실시예에 따라, 1개, 4개, 7개, 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 장축의 빔길이 비교 그래프,
도 15b는 본 발명의 제1실시예에 따라, 1개, 4개, 7개, 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 장축의 빔폭 비교 그래프,
도 16은 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 주파수 가변에 따른 초점거리 변화를 나타낸 음장 공간 분포도,
도 17a는 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 주파수 가변에 따른 초점거리 변화 비교그래프,
도 17b는 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 주파수 가변에 따른 장축의 빔폭 비교 그래프,
도 18, 도 19a 내지 도 19d는 본 발명의 제1실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 제작단계별 단면도,
도 20a 내지 도 20c는 본 발명의 제2실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 제작단계별 단면도,
도 21a 내지 도 21d는 본 발명의 제3실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 제작단계별 단면도,
도 22a 내지 도 22e는 본 발명의 제4실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 제작단계별 단면도,
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 평면도를 도시한 것이다 .
도 1은 종래 구면형 음향렌즈가 적용된 초음파 트랜스듀서의 단면도,
도 2는 종래 설계방법에 의한, 본 발명의 실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 평면도,
도 3은 종래 설계방법에 의한, 본 발명의 실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 집속원리를 설명한 모식도,
도 5는 종래 설계방법에 따른 주파수별 동심원 영역 개수에 대한 음향렌즈의 반경 그래프,
도 6은 종래 설계방법에 따른 초점거리가 30mm일 때, 주파수별, 동심원 영역 각각의반경 수치표,
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 설계방법에 의해 설계된 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와 단면도,
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 설계방법에 의해 설계된 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와 단면도,
도 9a는 종래 설계방법에 따른 동심원 영역의 반경치수 표,
도 9b는 본 발명의 제1실시예에 따른 설계방법에 의한 동심원 영역 반경치수 표,
도 9c는 본 발명의 제2실시예에 따른 설계방법에 의한 동심원 영역 반경치수 표,
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와, 음장 공간 분포도,
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와, 음장 공간 분포도,
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 15개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와, 음장 공간 분포도,
도 13은 본 발명의 제1실시예에 따라, 1개, 4개, 7개, 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 음장 공간 분포도,
도 14는 본 발명의 제1실시예에 따라, 1개부터 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기 각각의 음장 공간 분포도,
도 15a는 본 발명의 제1실시예에 따라, 1개, 4개, 7개, 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 장축의 빔길이 비교 그래프,
도 15b는 본 발명의 제1실시예에 따라, 1개, 4개, 7개, 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 장축의 빔폭 비교 그래프,
도 16은 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 주파수 가변에 따른 초점거리 변화를 나타낸 음장 공간 분포도,
도 17a는 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 주파수 가변에 따른 초점거리 변화 비교그래프,
도 17b는 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 주파수 가변에 따른 장축의 빔폭 비교 그래프,
도 18, 도 19a 내지 도 19d는 본 발명의 제1실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 제작단계별 단면도,
도 20a 내지 도 20c는 본 발명의 제2실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 제작단계별 단면도,
도 21a 내지 도 21d는 본 발명의 제3실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 제작단계별 단면도,
도 22a 내지 도 22e는 본 발명의 제4실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 제작단계별 단면도,
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 평면도를 도시한 것이다 .
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
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 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기 또는 음향렌즈의 구성 및 설계방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에서 설명되는 환형 배열 압전재(10)의 구성은 집속 초음파변환기 또는 음향렌즈 모두에 적용될 수 있는 것으로, 이하에서는 집속 초음파변환기(100)를 실시예로 하여 설명하도록 한다.
도 2는 종래 설계방법에 의한, 본 발명의 실시예에 따른 환형 배열 압전재(10)로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 평면도를 도시한 것이다. 그리고 도 3은 종래 설계방법에 의한, 본 발명의 실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 단면도를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 집속원리를 설명한 모식도를 도시한 것이다.
본 발명에 따른 평면형 집속 초음파변환기(100)를 구성하는 환형 배열 압전재(10)는, 도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 중심점을 기준으로 동심원 형상으로 배치되는 복수의 동심원 영역을 갖고 있음을 알 수 있다.
그리고 동심원 영역은 중심점부터 반경방향으로, 링형태의 차음영역(11)과, 압전물질로 구성되어 음파를 가진하는 압전링으로 구성된 압전영역(12)이 교차되며 형성되어, 음파를 초점부근에 집속시키도록 구성된다. 또한 양면이 평평한 면으로 구성되며 두께가 일정한 판형태로 구성된다.
그리고, 동심원 영역 내 복수의 차음영역(11)과 압전영역(12) 각각의 반경은, 설정된 초점거리와, 설정된 음파의 주파수를 기반으로 연산되게 된다.
또한 도 5는 종래 설계방법에 따른 주파수별 동심원 영역 개수에 대한 음향렌즈의 반경 그래프를 도시한 것이고, 도 6은 종래 설계방법에 따른 초점거리가 30mm일 때, 주파수별, 동심원 영역 각각의반경 수치표를 도시한 것이다.
종래 본 발명의 발명자들에 의한 선발명에서는, 이러한 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈, 집속 초음파변환기를 기재하고 있으며 이때, 차음영역(11)과 압전영역(12)이 교차되는 동심원 영역의 반경 치수의 설계는 이하의 수학식 1과 수학식 2에 기반하였다.
이러한 종래 설계방법에 기반하면, 동심원 영역 내 복수의 차음영역(11)과 압전영역(12) 각각의 반경은, 설정된 초점거리와, 설정된 음파의 주파수로부터 결정되는 전달매질에서의 파장을 기반으로 연산되고, 상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역(11)과 압전영역(12) 각각의 반경은 이하의 수학식 1에 의해 연산되게 된다.
[수학식 1]
m은 중심점부터 반경방향으로 순차적인 상기 동심원 영역의 인덱스이고, λ는 전달매질에서의 음파 파장이고, F는 초점거리이다.
또한, 초점거리는 이하의 수학식 2로 정의된다.
[수학식 2]
Ra는 초음파 변환기의 최대 반경이고, λ는 전달매질에서의 음파 파장이고, m은 동심원 영역의 개수이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 동심원 영역 각각의 반경 치수를 신속하고 효율적으로 설계할 수 있는 프레넬 존 플레이트(fresnel zone plate, FZP) 형태의 압전재(10) 배열을 통해, 곡면 압전재 사용이 불필요하고, 설계한 초점에 집속 구현이 용이한하다.
그러나 종래 설계방법을 적용하게 되면, 내측에서 외측으로 반지름을 계산하게 되고(b1, b2, …, bm) 계산된 도 6과 같은 표를 참조하여 외경 D와 동심원 영역의 개수를 결정하게 된다. 그러나, 외경 D의 치수가 mm 수준으로 정확히 맞추기 어려운 문제가 존재한다(정확히 맞추기 위해서는 초점 거리를 조정하여야 함). 또한, 변환기의 하우징 공차 수준의 관리가 어렵게 된다.
또한 원형 디스크 압전재의 경우, 금형으로 치수를 관리하기 때문에 특수한 직경은 단가 상승의 요인이 된다.
따라서 본 발명에서는 새로운 치수 결정 설계방법에 대해 제안한다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 설계방법에 의해 설계된 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와 단면도를 도시한 것이다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 최대반경을 결정하여 고정하고, 동심원 영역 내 복수의 차음영역(11)과 압전영역(12) 각각의 반경은 이하의 수학식 3에 의해 연산된다.
[수학식 3]
상기 수학식 3에서, an은 최대반경부터 내측반경방향으로 순차적인 상기 동심원영역의 인덱스이고, a0는 최대반경(R0)이며, k는 파수(wave number)이고, F는 초점거리이다.
그리고 집속 초음파변환기(100)의 상면과 하면 각각에 적층되는 전극층(30)을 포함하여 구성될 수 있다. 차음영역(11)을 구성하는 차음물질은 공기 또는 차음재로서, 차음재는 음파의 산란과정을 유도하는 복합재와 음파의 산란과정에서 흡음재의 바탕을 메우는 매트릭스 재료(matrix material)를 갖도록 구성될 수 있다.
즉, 원하는 음파 주파수와, 원하는 초점거리를 설계하고, 최대반경을 결정하여 고정한다. 그리고 동심원 영역 내 복수의 차음영역(11)과 압전물질로 구성되는 압전링 형태의 압전영역(12) 각각의 반경을 상기의 수학식 3에 의해 연산하게 된다.
그리고 제작될 집속 초음파변환기(100) 또는 음향렌즈의 최소반경과 동심원 영역의 개수를 결정하고, 설계된 동심원 영역의 개수와, 최대반경, 최소반경, 및 차음영역(11)과 압전영역(12) 각각의 반경에 부합되도록 초음파변환기(100) 또는 음향렌즈를 제작하게 된다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 설계방법에 의해 설계된 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와 단면도를 도시한 것이다.
본 발명의 제2실시예에 따르면, 최소반경을 결정하여 고정하고, 동심원 영역 내 복수의 차음영역(11)과 압전영역(12) 각각의 반경은 이하의 수학식 4에 의해 연산되게 된다.
[수학식 4]
상기 수학식 4에서, bn은 최초반경부터 외측반경방향으로 순차적인 상기 동심원영역의 인덱스이고, b0는 최초반경(Rb)이며, k는 파수(wave number)이고, F는 초점거리이다. 그리고 집속 초음파변환기(100)의 상면과 하면 각각에 적층되는 전극층(30)을 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 원하는 음파 주파수와, 원하는 초점거리를 설계하고, 최초반경을 결정하여 고정한다. 그리고 동심원 영역 내 복수의 차음영역(11)과 압전물질로 구성되는 압전링 형태의 압전영역(12) 각각의 반경을 상기의 수학식 4에 의해 연산하게 된다.
그리고 제작될 집속 초음파변환기(100) 또는 음향렌즈의 최대반경과 동심원 영역의 개수를 결정하게 된다. 그리고 설계된 동심원 영역의 개수와, 최대반경, 최소반경, 및 차음영역(11)과 압전영역(12) 각각의 반경에 부합되도록 초음파변환기(100) 또는 음향렌즈를 제작하게 된다.
도 9a는 종래 설계방법에 따른 동심원 영역의 반경치수 표를 나타낸 것이고, 도 9b는 본 발명의 제1실시예에 따른 설계방법에 의한 동심원 영역 반경치수 표, 도 9c는 본 발명의 제2실시예에 따른 설계방법에 의한 동심원 영역 반경치수 표를 나타낸 것이다.
종래 설계방법은 도 9a에 도시된 바와 같이, 수학식 1에 의한 것으로, 초점거리 75mm, 주파수 1MHz로 설계되었고, 음속 1482m/s일 때로서, 최대반경은 48.188mm, 최소반경은 10.075mm, 동심원 영역 개수는 20, 압전링(12) 개수는 10개임을 알 수 있다. 종래 설계방법에 따르면, 링 반경 중 하나를 고정할 수 없다.
본 발명의 제1실시예에서는 도 9b에 도시된 바와 같이, 수학식 3에 의한 것으로, 초점거리 75mm, 주파수 1MHz로 설계되었고, 음속 1482m/s이고, 최대반경은 50mm로 고정 설계되었을 때, 22번째 동심원 영역의 치수가 복소수가 나오게 되어 압전링(12)의 개수는 10개까지로 제한되고(동심원 개수 20개), 최소반경은 12.653mm임을 알 수 있다. 제1실시예에 따른 설계방법에 따르면, 최대 반경을 고정하고 설계할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 제2실시예에서는 도 9c에 도시된 바와 같이, 수학식 4에 의한 것으로, 초점거리 75mm, 주파수 1MHz로 설계되었고, 음속 1482m/s이고, 최초반경은 20mm로 고정 설계되었을 때, 동심원의 개수(압전링(12) 개수)는 제한되지 않으나, 압전링(12)의 개수를 10개로 하였을 때 최대반경은 52.762mm가 됨을 알 수 있다. 제2실시예에 따른 설계방법에 따르면, 최초 반경을 고정하고 설계할 수 있음을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와, 음장 공간 분포도를 도시한 것이다. 제1실시예에서 최대 가능 압전링 개수는 10개였고, 이때 최대 반경 50mm, 설계 주파수 1MHz일 때, 도 10에 도시된 바와 같이, 설정된 초점거리 75mm에서 집속됨을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와, 음장 공간 분포도를 도시한 것이다. 제2실시예에서 압전링(12) 개수는 제한되지 않으나, 압전링(12)의 개수 10개, 최소 반경 20mm, 설계 주파수 1MHz일 때, 도 11에 도시된 바와 같이, 설정된 초점거리 75mm에서 집속됨을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 15개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 평면도와, 음장 공간 분포도를 도시한 것이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 제2실시예에서 압전링(12)의 개수 15개, 최소 반경 20mm, 설계 주파수 1MHz일 때, 최대 반경은 64.790mm이 되고, 설정된 초점거리 75mm에서 집속됨을 알 수 있다. 즉, 압전링(12)의 개수가 변화되어도 설정된 초점거리에 집속됨을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 제1실시예에 따라, 1개, 4개, 7개, 10개의 압전링(12)을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 음장 공간 분포도를 도시한 것이다. 도 14는 본 발명의 제1실시예에 따라, 1개부터 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기 각각의 음장 공간 분포도를 도시한 것이다.
도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 압전링(12)의 개수를 변화시켜도 초점은 일정한 거리에 형성되게 됨을 알 수 있다.
도 15a는 본 발명의 제1실시예에 따라, 1개, 4개, 7개, 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 집속빔의 장축 길이 비교 그래프를 도시한 것이고, 도 15b는 본 발명의 제1실시예에 따라, 1개, 4개, 7개, 10개의 압전링을 갖는 평면형 집속 초음파변환기의 집속빔의 장축폭 비교 그래프를 도시한 것이다.
즉, 압전링(12)의 개수 설계에 따라 집속빔의 장축 거리와 폭을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 16은 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 주파수 가변에 따른 초점거리 변화를 나타낸 음장 공간 분포도를 도시한 것이다. 도 17a는 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 주파수 가변에 따른 초점거리 변화 비교그래프를 도시한 것이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 설계된 주파수 이회의 주파수에서도 집속이 되나 초점거리가 변화됨을 알 수 있다. 주파수가 낮아지면 초점거리는 짧아지고, 주파수가 증가하면 초점거리가 늘어나게 된다. 제작공차에 의해 실제 설졔된 주파수보다 낮거나 높은 주파수에 공진 주파수가 형성되어도 실효 초점거리 연산을 통해 사용이 가능하다.
본 발명의 제1실시예에 따른 설계방법에서, 설정된 음파의 주파수 이외의 주파수로 구동될 때의 실효초점거리는 이하의 수학식 5로 연산될 수 있다.
[수학식 5]
상기 수학식 5에서, a2(i-1)은 i번째 압전링(12)의 외경이고, a2i-1은 i번째 압전링(12)의 내경이다.
그리고 본 발명의 제2실시예에 따른 설계방법에서, 설정된 음파의 주파수 이외의 주파수로 구동될 때의 실효초점거리는 이하의 수학식 6으로 연산될 수 있다.
[수학식 6]
상기 수학식 6에서, b2(i-1)은 i번째 압전링(12)의 내경이고, b2i-1은 i번째 압전링(12)의 외경이다.
그리고 도 17b는 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 주파수 가변에 따른 집속빔의 장축폭 비교 그래프를 도시한 것이다. 도 17b에 도시된 바와 같이, 주파수에 따라 집속빔의 장축폭을 제어할 수 있음을 알 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 앞서 언급한 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기 또는 음향렌즈의 제작방법에 대해 설명하도록 한다.
도 18, 도 19a 내지 도 19d는 본 발명의 제1실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 제작단계별 단면도를 도시한 것이다.
본 발명의 제1실시예에서는 금형(40)을 적용한 것으로, 도 18에 도시된 바와 같이, 중심부(61)에 원판형의 돌출부(41)를 갖고, 이러한 돌출부(41)에서 반경방향으로 순차적으로 앞서 언급한 제1 또는 제2실시예의 설계방법에 따른 동심원 영역 각각의 반경에 부합되는 동심원 형상의 오목부(42)와 볼록부(43)가 교차 형성되는 금형(40)을 제작하게 된다. 금형(40)의 최외곽단은 볼록부(43)보다 높이가 큰 경계단(44)으로 구성되고, 경계단(44)의 내경은 설계된 최대반경에 해당한다.
그리고 금형(40) 내로 압전물질을 충진시키게 된다. 이때, 제작될 집속 초음파변환기 또는 음향렌즈의 두께는 압전물질 종파 음속에 주파수를 나눈 값의 절반정도로 설계됨이 바람직하다. 그리고 금형(40) 상부로 캡을 결합하여 충진된 상기 압전물질을 밀폐시킨다.
그리고 캡을 제거하고, 압전물질을 탈착하게 된다.
그리고 이러한 압전물질에서 금형(40)의 돌출부(41)와 볼록부(43)에 의해 형성된 영역 내로 도 19a에 도시된 바와 같이, 차음재(20)를 충진하고, 도 19b에 도시된 바와 같이, 양면 각각에 전극층(30)을 코팅한다. 그리고 도 19c에 도시된 바와 같이, 고온챔버상에서 전극층(30)에 고전압 분극장치를 연결하여 압전물질을 분극화한 후, 도 19d에 도시된 바와 같이, 상온 냉각하여 제작을 완료하게 된다.
도 20a 내지 도 20c는 본 발명의 제2실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 제작단계별 단면도를 도시한 것이다
먼저, 앞서 언급한 제1실시예, 제2실시에 따른 설계방법에 따라 설계된 최대반경과 최소반경을 갖고 분극처리가 완료된 전극이 없는 형태의 압전링 모재(60)를 준비한다.
그리고 도 20a에 도시된 바와 같이, 압전링 모재(60)를 중심점 기준으로 회전시키면서, 제1실시예, 제2실시에 따른 설계방법에 따른 동심영 영역 각각의 반경에 부합되도록 레이저(50)를 통해 식각하여 차음영역(11)을 형성시키게 된다. 그리고 도 20b에 도시된 바와 같이, 차음영역(11) 내로 차음재(20)를 충진하고, 도 20c에 도시된 바와 같이, 양면 각각에 전극층(30)을 코팅하여 제작하게 된다.
도 21a 내지 도 21d는 본 발명의 제3실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 제작단계별 단면도를 도시한 것이다. 먼저, 앞서 언급한 제1실시예 또는 제2실시예에 따른 설계방법에 따라 설계된 최대반경(a0)을 갖고 분극처리가 완료되고 전극이 없는 형태의 압전링 모재(60)를 준비한다.
그리고 도 21a에 도시된 바와 같이, 압전링 모재(60)를 중심점 기준으로 회전시키면서, 압전링 모재(60)에서 제1 또는 제2실시예에 따른 설계방법에 따른 설계된 최소반경에 대응되는 중심 관통부를 형성하도록 레이저(50)를 조사하여 중심부(61)를 제거한다. 그리고 압전링 모재(60)를 중심점 기준으로 회전시키면서, 제1 또는 제2실시예에 따른설계방법에 따라 설계된 동심원 영역 각각의 반경에 부합되도록 레이저(50)를 통해 식각하여 차음영역(11)을 형성시키게 된다. 그리고 도 21b에 도시된 바와 같이, 중심 관통부와, 차음영역(11) 내로 차음재(20)를 충진하고, 도 21c에 도시된 바와 같이, 양면 각각에 전극층(30)을 코팅하여 제작을 완료하게 된다. 그리고 도 21d에 도시된 바와 같이, 공정에서 제거되어 남겨진 중심부(61)(압전디스크)는 전극 코팅 후 an 직경의 변환기 제작에 재활용 가능하다.
도 22a 내지 도 22e는 본 발명의 제4실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 제작단계별 단면도를 도시한 것이다.
먼저, 앞서 언급한 제1실시예 또는 제2실시예에 따른 설계방법에 따라 설계된 최대반경(a0)을 갖고 분극처리가 완료되고 전극이 없는 형태의 압전링 모재(60)를 준비한다.
그리고 도 22a에 도시된 바와 같이, 압전링 모재(60)를 중심점 기준으로 회전시키면서, 압전링 모재(60)에서 제1 또는 제2실시예에 따른 설계방법에 따른 설계된 최소반경에 대응되는 중심 관통부를 형성하도록 레이저(50)를 조사하여 중심부(61)를 제거한다. 그리고 압전링 모재(60)를 중심점 기준으로 회전시키면서, 제1 또는 제2실시예에 따른설계방법에 따라 설계된 동심원 영역 각각의 반경에 부합되도록 레이저(50)를 통해 식각하여 차음영역(11)을 형성시키게 된다. 도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기의 평면도를 도시한 것이다. 식각 공정에서 도 23과 같은 형태의 패턴을 형성하는 것도 가능하다.
그리고 도 22b에 도시된 바와 같이, 차음영역(11) 내로 차음재(20)를 충진하고, 관통 중심부(61) 내면에 절연인서트(62)를 삽입한다.
그리고 도 22c에 도시된 바와 같이, 양면 각각에 전극층(30)을 코팅하고, 도 22d에 도시된 바와 같이, 제거된 중심부(61)(압전디스크)의 양면에도 전극층(30)을 코팅한다. 그리고 도 22e에 도시된 바와 같이, 전극층(30) 코팅된 중심부(61)(압전디스크)를 중심 관통부에 삽입, 결합시키고, 외부 링(산란재(63))에서 발진하고 중심의 디스크에서 수신하는 변환기를 제작할 수도 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:종래 초음파 트랜스듀서
2:종래 구면형 음향렌즈
10:환형 배열 압전재
11:차음영역
12:압전영역, 압전링
20:차음재
30:전극층
40:금형
41:돌출부
42:오목부
43:볼록부
44:경계단
50:레이저
60:압전링 모재
61:압전디스크, 중심부
62:절연인서트
63:산란재
100:환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기, 음향렌즈
2:종래 구면형 음향렌즈
10:환형 배열 압전재
11:차음영역
12:압전영역, 압전링
20:차음재
30:전극층
40:금형
41:돌출부
42:오목부
43:볼록부
44:경계단
50:레이저
60:압전링 모재
61:압전디스크, 중심부
62:절연인서트
63:산란재
100:환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기, 음향렌즈
Claims (17)
- 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기에 있어서,
상기 환형 배열 압전재는, 중심점을 기준으로 동심원 형상으로 배치되는 복수의 동심원 영역을 갖고,
상기 동심원 영역은 중심점부터 반경방향으로, 링형태의 차음영역과, 압전물질로 구성되어 음파를 가진하는 압전링으로 구성된 압전영역이 교차되며 형성되어, 음파를 초점부근에 집속시키며,
양면이 평평한 면으로 구성되고 두께가 일정한 판형태이며,
상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 압전영역 각각의 반경은, 설정된 초음파변환기의 초점거리와, 설정된 음파의 주파수를 기반으로 연산되고,
최대반경을 결정하여 고정하고, 상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 압전영역 각각의 반경은 이하의 수학식 3에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기:
[수학식 3]
상기 수학식 3에서, an은 최대반경부터 내측반경방향으로 순차적인 상기 동심원영역의 인덱스이고, a0는 최대반경(R0)이며, k는 파수(wave number)이고, F는 초점거리이다.
- 삭제
- 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기에 있어서,
상기 환형 배열 압전재는, 중심점을 기준으로 동심원 형상으로 배치되는 복수의 동심원 영역을 갖고,
상기 동심원 영역은 중심점부터 반경방향으로, 링형태의 차음영역과, 압전물질로 구성되어 음파를 가진하는 압전링으로 구성된 압전영역이 교차되며 형성되어, 음파를 초점부근에 집속시키며,
양면이 평평한 면으로 구성되고 두께가 일정한 판형태이며,
상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 압전영역 각각의 반경은, 설정된 초음파변환기의 초점거리와, 설정된 음파의 주파수를 기반으로 연산되고,
최소반경을 결정하여 고정하고, 상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 압전영역 각각의 반경은 이하의 수학식 4에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기:
[수학식 4]
상기 수학식 4에서, bn은 최초반경부터 외측반경방향으로 순차적인 상기 동심원영역의 인덱스이고, b0는 최초반경(Rb)이며, k는 파수(wave number)이고, F는 초점거리이다.
- 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
양면 각각에 적층되는 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기.
- 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
상기 차음영역을 구성하는 차음물질은 공기 또는 차음재이고, 상기 차음재는 음파의 산란과정을 유도하는 복합재와 음파의 산란과정에서 흡음재의 바탕을 메우는 매트릭스 재료(matrix material)를 갖는 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기.
- 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
상기 압전링의 개수가 변화하여도 상기 초점거리는 고정되며, 상기 압전링의 개수를 변화시켜 집속빔의 장축길이와 장축폭 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기.
- 제 1항에 있어서,
상기 설정된 음파의 주파수 이외의 주파수로 구동될 때의 실효초점거리는 이하의 수학식 5로 연산되는 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기:
[수학식 5]
상기 수학식 5에서, a2(i-1)은 i번째 압전링의 외경이고, a2i-1은 i번째 압전링의 내경이다.
- 제 3항에 있어서,
상기 설정된 음파의 주파수 이외의 주파수로 구동될 때의 실효초점거리는 이하의 수학식 6으로 연산되는 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기:
[수학식 6]
상기 수학식 6에서, b2(i-1)은 i번째 압전링의 내경이고, b2i-1은 i번째 압전링의 외경이다.
- 제 1항 또는 제 3항에 따른 환형 배열 압전재를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향렌즈.
- 집속 초음파변환기 또는 음향렌즈의 환형 배열 압전재의 설계방법에 있어서,
원하는 음파 주파수와, 원하는 초점거리를 설계하는 단계;
최대반경을 결정하여 고정하고, 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 압전물질로 구성되는 압전링 형태의 압전영역 각각의 반경을 이하의 수학식 3에 의해 연산하는 단계;
제작될 집속 초음파변환기 또는 음향렌즈의 최소반경과 동심원 영역의 개수를 결정하는 단계; 및
상기 동심원 영역의 개수와, 최대반경, 최소반경, 및 차음영역과 압전영역 각각의 반경에 부합되도록 초음파변환기 또는 음향렌즈를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재의 설계방법:
[수학식 3]
상기 수학식 3에서, an은 최대반경부터 내측반경방향으로 순차적인 상기 동심원영역의 인덱스이고, a0는 최대반경(R0)이며, k는 파수(wave number)이고, F는 초점거리이다.
- 집속 초음파변환기 또는 음향렌즈에 포함되는 환형 배열 압전재의 설계방법에 있어서,
원하는 음파 주파수와, 원하는 초점거리를 설계하는 단계;
최초반경을 결정하여 고정하고, 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 압전물질로 구성되는 압전링 형태의 압전영역 각각의 반경을 이하의 수학식 4에 의해 연산하는 단계;
제작될 집속 초음파변환기 또는 음향렌즈의 최대반경과 동심원 영역의 개수를 결정하는 단계; 및
상기 동심원 영역의 개수와, 최대반경, 최소반경, 및 차음영역과 압전영역 각각의 반경에 부합되도록 초음파변환기 또는 음향렌즈를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재의 설계방법:
[수학식 4]
상기 수학식 4에서, bn은 최초반경부터 외측반경방향으로 순차적인 상기 동심원영역의 인덱스이고, b0는 최초반경(Rb)이며, k는 파수(wave number)이고, F는 초점거리이다.
- 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
상기 동심원 영역의 개수를 결정하는 단계에서, 상기 압전링의 개수를 변화시켜 집속빔의 장축길이와 장축폭을 조절하는 것을 특징으로 하는 환형 배열 압전재의 설계방법.
- 초음파변환기 또는 음향렌즈의 제작방법에 있어서,
중심부에 원판형의 돌출부를 갖고, 상기 돌출부에서 반경방향으로 순차적으로 제 10항 또는 제 11항에 따른 설계방법에 따른 동심원 영역 각각의 반경에 부합되는 동심원 형상의 오목부와 볼록부가 교차 형성되는 금형을 제작하는 단계;
상기 금형 내로 압전물질을 충진시키는 단계;
상기 금형 상부로 캡을 결합하여 충진된 상기 압전물질을 밀폐시키는 단계;
상기 캡을 제거하고, 압전물질을 탈착하고, 상기 금형의 돌출부와 볼록부에 의해 형성된 영역 내로 차음재를 충진하는 단계; 및
양면 각각에 전극층을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제작방법.
- 제 13항에 있어서,
상기 전극층을 코팅하는 단계 후에,
상기 전극층에 고전압 분극장치를 연결하여 상기 압전물질을 분극화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제작방법.
- 제 10항 또는 제 11항에 따른 설계방법에 따른 최대반경과 최소반경을 갖는 압전링 모재를 준비하는 단계;
상기 압전링 모재를 중심점 기준으로 회전시키면서, 상기 설계방법에 따른 동심원 영역 각각의 반경에 부합되도록 레이저를 통해 식각하여 차음영역을 형성시키는 단계;
상기 차음영역 내로 차음재를 충진하는 단계; 및
양면 각각에 전극층을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제작방법.
- 제 10항 또는 제 11항에 따른 설계방법에 따른 최대반경을 갖는 압전링 모재를 준비하는 단계;
상기 압전링 모재를 중심점 기준으로 회전시키면서, 상기 압전링 모재에서 상기 설계방법에 따른 최소반경에 대응되는 중심 관통부를 형성하도록 레이저를 조사하여 중심부를 제거하는 단계;
상기 압전링 모재를 중심점 기준으로 회전시키면서, 상기 설계방법에 따른 동심원 영역 각각의 반경에 부합되도록 레이저를 통해 식각하여 차음영역을 형성시키는 단계;
상기 차음영역 내로 차음재를 충진하는 단계; 및
양면 각각에 전극층을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제작방법.
- 제 16항에 있어서,
제거된 상기 중심부를 재활용하거나, 또는
상기 중심 관통부에는 차음재를 충진하지 않고, 중심 관통부 내면에 절연 인서트를 삽입한 후, 상기 중심부 양면에 전극층을 코팅하고, 코팅된 중심부를 상기 중심 관통부에 삽입, 결합시키는 것을 특징으로 하는 제작방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020210013200A KR102539113B1 (ko) | 2021-01-29 | 2021-01-29 | 환형 배열 압전재로 구성된 평면형 집속 초음파변환기, 음향렌즈, 그 설계방법 및 그 제작방법 |
| US17/325,669 US20220241818A1 (en) | 2021-01-29 | 2021-05-20 | Flat-Plate Focusing Ultrasonic Transducer and Acoustic Lens Which are Composed of Annular Array Piezoelectric Element, and Methods of Manufacturing and Designing Thereof |
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