KR20110061023A - 병렬 랑지방 배열 압전소자 이용 초음파 변환기, 그 초음파 변환기의 제조방법, 그 초음파 변환기를 이용한 초음파 변환방법, 그 초음파 변환기를 이용한 초음파 가스미터 및 그 초음파 변환기를 이용한 초음파 거리측정장치 - Google Patents
병렬 랑지방 배열 압전소자 이용 초음파 변환기, 그 초음파 변환기의 제조방법, 그 초음파 변환기를 이용한 초음파 변환방법, 그 초음파 변환기를 이용한 초음파 가스미터 및 그 초음파 변환기를 이용한 초음파 거리측정장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 압전소자 이용 초음파 변환기, 그 초음파 변환기의 제조방법 및 그 초음파 변환기를 이용한 초음파 변환방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 압전소자를 이용한 초음파 변환기에 있어서, 원판형태이고, 전압이 인가되어 한쪽 면은 음극으로 다른 한쪽 면은 양극이 형성되는 압전소자; 압전소자가 안쪽면에 결합고정되는 전방 하우징; 압전소자에 전압을 인가하여, 압전소자는 두께 모드 진동을 형성하고, 동시에 두께 모드 진동에 의해 전면 하우징에 밴딩 모드를 형성하게 하는 발진수단; 및 전면 하우징과 결합되어 내부에 원통형의 캐비티를 구비하고, 발진수단과 결합되는 후방 하우징;을 포함하여, 캐비티 거리에 따른 캐비티 공진주파수와 밴딩 모드에 따른 밴딩 모드 공진주파수가 일치되어 초음파를 발생시키는 압전소자 이용 초음파 변환기에 관한 것이다.
압전소자, 초음파 변환기, 하우징, 캐비티, 캐비티 공진 주파수, 홈, 밴딩 모드 공진 주파수, 병렬배열, 모드변환
Description
본 발명은 병렬 랑지방 방식으로 배열된 압전소자를 이용한 초음파 변환기, 그 초음파 변환기의 제조방법 및 그 초음파 변환기를 이용한 초음파 변환방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 압전소자를 전방 하우징 안쪽면에 병렬 랑지방 방식으로 배열함으로써 하나의 큰 직경소자를 사용하는 것 이상의 효율을 갖는 초음파 변환기에 관한 것이다.
초음파 변환기(전기-음향 변환기)는 전기적 에너지를 역학적(음파) 에너지로 변환하는 장치이다. 현재 일반적으로 많이 사용되고 있는 초음파 변환기는 자기장(magnetic field)을 이용하는 방식, 전기장을 이용하는 방식, 압 전(piezoelectic) 물질을 이용하는 방식 세가지가 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 변환기는 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)와 Lead titanate (PbTiO3), Lead zirconate system (PbZrO3)들은 복결정(multi-crystal)이다. 이러한 압전 특성을 이용하면 초음파 발생용 변환기, 수신용 변환기, 발신/수신 겸용 변환기를 만들 수 있다.
그러나, 통상의 압전소자를 이용한 초음파변환기는 두께 모드 진동 및 반경 모드 진동을 하게 되고, 두께 모드 진동이 공진 주파수를 가질 때 최대변환효율을 가지게 된다. 압전소자가 단일소자로서 신호공급채널을 1개 갖는 경우 두께 모드는 압전소자의 형상 비(aspect ratio)를 고려하여 높은 효율을 얻기 위해서는 두께, 반경을 크게 하여야 함으로, 압전소자를 소형화하기 어려운 문제가 있다. 또한, 복수의 압전소자가 독립적인 신호공급채널에 의해 전기를 공급받는 경우에도 압전소자를 두께 방향으로 축적하여 적층된 구조를 가지고 있기 때문에 소형화가 어려운 문제점이 발생한다. 따라서, 소형화할 수 있으면서 고효율을 갖는 초음파 변환기가 요구되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 고효율 소형 초음파 변환기를 제공하게 된다. 보다 구체적으로, 압전소자를 전방 하우징 안쪽면에 병렬 랑지방(Langevin) 방식으로 배열함으로써 하나의 큰 직경소자를 사용하는 것 이상의 효율을 갖는 초음파 변환기를 제공할 수 있다.
전방 하우징에 병렬 랑지방 방식으로 배열되어 고정된 압전소자는 하나의 신호공급 채널에 의해 동일한 전압을 인가받아, 서로 간의 위상지연을 발생시키지 않는다. 따라서, 압전소자 각각은, 동시에 두께 모드, 반경 모드로 진동하게 된다. 그러나, 본 발명은 반경 모드가 하우징의 구조적인 특성에 의해 전방 하우징의 밴딩 모드로 변환되어 두께 모드와 선형 중첩되게 된다. 그리고, 하우징 내부에 캐비티를 구비함으로써 캐비티의 형상에 따른 캐비티 공진 주파수를 이용하게 되고, 밴딩 공진 주파수와 캐비티 공진 주파수를 일치시켜 고효율의 초음파 변환기를 달성시키게 된다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 제 1 수단은, 압전소자를 이용한 초음파 변환기에 있어서, 원판형태이고, 전압이 인가되어 한쪽 면은 음극으로 다른 한쪽 면은 양극이 형성되는 압전소자; 압전소자가 안쪽면에 결합고정되는 전방 하우징; 압전소자에 전압을 인가 하여, 압전소자는 두께 모드 진동을 형성하고, 동시에 두께 모드 진동에 의해 전면 하우징에 밴딩 모드를 형성하게 하는 발진수단; 및 전면 하우징과 결합되어 내부에 원통형의 캐비티를 구비하고, 발진수단과 결합되는 후방 하우징;을 포함하여, 캐비티 거리에 따른 캐비티 공진주파수와 밴딩 모드에 따른 밴딩 모드 공진주파수가 일치되어 초음파를 발생시키는 압전소자 이용 초음파 변환기로서 달성될 수 있다.
전방 하우징의 안쪽면에는 복수의 홈이 형성되고, 복수의 홈 각각에 압전소자가 결합고정되어 병렬로 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.
복수의 압전소자는 하나의 발진수단에 의해 각각이 동일한 전압을 인가받는 것을 특징으로 할 수 있다.
압전소자는, 전방 하우징에 결합된 면이 발진수단에 의해 음극으로 형성되고, 타측면은 양극이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
전방 하우징 안쪽면에 형성된 홈 일측에는 전방 하우징의 밴딩모드를 유도하기 위한 밴딩 가이드 홈을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
전방 하우징의 홈은, 안쪽면에 특정 반경을 구비한 중앙 홈과, 중앙 홈 주변 둘레에 일정한 거리를 두고 특정 반경을 구비한 3개의 주변 홈을 포함하고, 4개의 압전소자가 중앙 홈과 주변 홈 각각에 끼워져 고정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
전방 하우징의 홈은, 안쪽면에 특정 반경을 구비한 중앙 홈과, 중앙 홈 주변 둘레에 일정한 거리를 두고 특정 반경을 구비한 6개의 주변 홈을 포함하고, 7개의압전소자가 중앙 홈과 주변 홈 각각에 끼워져 고정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
음극은 그라운드된 것을 특징으로 할 수 있다.
홈과 압전소자 사이에 도전성 접착제를 더 포함하여, 전방 하우징과 압전소자가 고정결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
전방 하우징 외면은 산화방지 연소코팅층으로 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
후방 하우징은, 중앙에 발진수단이 결합되는 중앙구멍과 전방 하우징과 결합되어 접지를 형성하는 복수의 나사구멍을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제 2 수단은, 초음파 변환기 제조방법에 있어서, 복수의 압전소자에서 음극을 형성할 일측면을 실버에폭시에 침전하는 단계; 외면은 산화방지 연소코팅층을 구비하는 전방하우징의 안쪽면에 형성된 복수의 홈에, 압전소자 각각을 도전성 접착제를 이용하여 홈에 결합되는 면이 음극을 형성하는 일측면이 되도록 고정결합하는 단계; 홈에 결합된 압전소자 각각의 양극이 될 부분을 병렬로 배선시키고 압전소자의 음극은 그라운드시키는 단계; 및 내부에 원통형 캐비티를 구비하고, 캐비티는 특정 캐비티 공진 주파수를 형성할 수 있는 캐비티 거리를 갖고 일측에 결합된 발진수단에 의해 압전소자 각각에 전압을 인가할 수 있는 후방 하우징을 전방 하우징과 결합시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기 제조방법으로서 달성될 수 있다.
고정결합하는 단계는, 발진수단에 의해 압전소자에 전압이 인가되면 압전소자의 두께 진동 모드에 따라 전방 하우징에 밴딩 모드를 형성하도록 홈 일측에 밴딩 가이드 홈을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
홈은 안쪽면에 특정 반경을 구비한 중앙 홈과, 중앙 홈 주변 둘레에 일정한 거리를 두고 특정 반경을 구비한 6개의 주변 홈을 포함하고, 7개의 압전소자가 중앙 홈과 주변 홈 각각에 끼워져 고정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
전방 하우징 결합 단계는, 후방 하우징은 원하는 캐비티 공진 주파수를 갖도록 캐비티 거리를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제 3 수단은, 초음파 변환기를 이용한 초음파 변환방법에 있어서,
후방 하우징에 결합된 발진수단에 의해 전방 하우징의 안쪽면에 형성된 복수의 홈 각각에 서로 병렬로 결합된 압전소자에 전압을 인가하여 전기장을 형성하는 단계; 압전소자에 인가된 전압에 의해 압전소자 각각이 두께 진동 모드를 형성하고, 동시에 전방 하우징에 밴딩 모드가 형성되어 밴딩 공진 주파수가 발생하는 단계; 및 후방 하우징 내부에 구비된 캐비티의 캐비티 거리에 따른 캐피티 공진 주파수가 형성되어 초음파를 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기를 이용한 초음파 변환방법으로 달성될 수 있다.
밴딩 공진 진동수 발생단계는, 홈 일측에 형성된 밴딩 가이드 홈에 의해 전방 하우징에 밴딩이 유도되어, 두께 모드 진동에 의한 두께 공진 주파수와 밴딩 공진 주파수가 일치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
초음파 발생단계에서, 밴딩 공진 주파수와 캐비티 공진 주파수가 일치되는 경우, 초음파 변화 효율이 최대가 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제 4 수단은, 초음파 변환기를 구비하여 관 내에 흐르는 유체의 유량을 측정하는 초음파 가스미터로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제 5 수단은, 초음파 변환기가 자동차 외면 일측에 구비되어, 자 동차에 접근한 물체의 거리를 측정하는 초음파 거리측정 센서로서 달성될 수 있다.
따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 소형 초음파 변환기로 고효율의 초음파 변환효과를 가질 수 있게 된다. 즉, 압전소자를 전방 하우징 안쪽면에 병렬 랑지방 방식으로 배열함으로써 하나의 큰 직경소자를 사용하는 것 이상의 고효율을 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
전방 하우징에 병렬로 결합된 압전소자는 하나의 신호공급채널로부터 동일한 전기적 에너지를 인가받아 서로 위상지연 없이 각각이 두께 모드, 반경모드로 진동할 수 있게 된다. 그리고, 본 발명은 반경모드가 하우징의 구조적인 특성에 의해 전방 하우징의 밴딩 모드로 변환되어 두께 모드와 선형 중첩되게 된다. 즉, 전방 하우징의 안쪽면에 홈과 밴딩 가이드 홈을 구비하여 복수의 압전소자 각각의 반경모드가 전방 하우징의 밴딩 모드로 변환될 수 있다.
그리고, 하우징 내부에 원통형의 캐비티를 구비함으로써 캐비티의 형상에 따른 캐비티 공진 주파수를 발생시키고, 밴딩 공진 주파수와 캐비티 공진 주파수를 일치시켜 초음파 변환기의 효율을 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다. 구체적으로 초음파 변환기의 Q-값을 증가시키게 된다. 캐비티 공진 주파수는 캐비티의 반경, 길이, 재질에 따라 달라짐으로 캐비티를 적절히 설계함으로써 다양한 캐비티 공진 주파수를 가질 수 있게 된다. 이러한 초음파 변환기는 초음파 가스미터, 거리측정센서, 특히 자동차 후방에 구비하여 접근 물체와의 거리를 측정하기 위해 사용될 수 있는 등 그 실시범위가 광범위하다는 장점을 갖는다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, ‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
<압전소자를 이용한 초음파 변환기의 구성>
이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자(110)를 이용한 초음파 변환기(10)의 구성에 대하여 설명하도록 한다. 먼저, 도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자(110) 이용 초음파변환기(10)의 사시도를 도시한 것이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 초음파 변환기(10)는 전방하우징(100)과 후방하우징(200)을 포함하고, 후방하우징(200)에 발진수단(300)이 결합되어 있다.
초음파 변환기(10)의 내부 구성을 상세히 설명하기 위해 도 1b는 도 1a의 A-A`단면도를 도시한 것이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 전방 하우징(100)과 후방 하우징(200)이 결합된 상태에서 내부공간은 실린더형의 캐비티(140)를 형성하게 된다. 그리고, 전방하우징(100) 안쪽면과 후방 하우징(200) 안쪽면 사이에 소정거리(캐비티 거리, L)를 구비한다. 이러한 캐비티(140)를 구비함으로써, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 변환기(10)는 캐비티 공진 주파수를 이용할 수 있게 된다. 캐비티 공진 주파수는 캐비티 거리(L)에 따라 결정된다. 그리고, 전방 하우징(100)의 안쪽면에는 복수개의 홈(120)이 형성되어 있다.
그리고, 홈(120) 각각에는 전기에너지에 의해 진동이 발생되는 압전소자(110)가 결합된다. 홈(120) 각각에 압전소자(110)가 형상 맞춤되어 고정되고, 도전성 접착제를 이용하여 고정시킨다. 고정된 압전소자(110)들은 병렬 랑지방 방식으로 배열되어 있다. 그리고, 홈(120)에는 밴딩 가이드홈(130)이 형성되어 있다. 밴딩 가이드홈(130)은 전방 하우징(100)이 압전소자(110)의 반경 방향으로의 진동에 따른 밴딩을 유도하기 위해 형성되어 있다. 홈(120)에 형성된 밴딩 가이드 홈(130)에 의해 반경 모드에 따른 두께 진동수와 전방 하우징(100)의 밴딩 진동수가 일치하게 된다. 또한, 후방 하우징(200)에는 발진수단(300)이 결합되어, 압전소자(110)에 전압을 인가하게 된다.
압전소자(110)는 병렬 랑지방 방식으로 배열되어있어, 각각이 동일한 신호전압을 인가받고, 압전소자(110) 간의 위상지연이 없게 된다. 발진수단(300)은 나사구멍(220)을 통해 후방 하우징(200)에 결합되고, 전선이 압전소자(110)에 연결되어 접지된다. 후방 하우징(200)은 발진수단이 경합되는 중앙구멍과 전방하우징(100)과 결합되어 접지를 형성하고, 전기배선 목적의 기판을 전방하우징과 결합하기 위한 복수의 나사구멍(220)을 포함한다. 또한, 전방하우징(100)와 후방하우징(200)의 외면은 산화방지 및 전기적 절연을 위한 산화방지 연소코팅층을 포함하고 있다.
<
캐비티
공진 주파수 이용>
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 캐비티 공진 주파수를 이용하는 원리에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 일실시예는 기체 매질용 초음파 변환기(10) 이기 때문에, 기체가 충진된 캐비티(Cavity, 140))의 공진 주파수를 이용하여 고효율 소형 초음파 변환기(10)를 구현하게 된다. 먼저, 도 2는 캐비티(140) 공진 모드 분석을 모델링한 원통형 캐비티(140)를 갖는 초음파 변환기(10)의 단면도를 모식적으로 도시한 것이다. 도 2에서, L은 캐비티 길이, r은 캐비티 반경, m은 압전소자(110)의 질량, f는 전압인가에 따라 압전소자(110)가 받는 힘이다. 그리고, 압전소자(110)의 진동 또는 전방하우징(100)의 밴딩 진동을 탄성계수 s인 스프링과 댐핑계수 Rm 인 댐퍼로 모델링하였다.
그리고, x를 캐비티 길이 방향으로 압전소자(110)의 변위라고 하면, 압전 소 자(110)의 운동방정식은 이하의 식 1에 의해 정의된다.
P(o,t)는 캐비티(140) 내에서 x=0인 지점의 압력이고, S는 캐비티의 단면적 즉, πr2이다. 그리고, x=0인 지점에서의 압전소자(110)의 속도 u(0,t)=dx/dt가 캐비티(140) 내에 충진된 기체의 입자속도와 같다고 하고, x=L에서의 경계에서 u(L,t) = 0인 조건을 이용하면, 수학식 1의 해는 이하의 수학식 2으로 표현된다.
수학식 2에서, a=는 m/(Sρ0L) 이고, b= sL/(Sρ0L)이다. k는 전기-기계(진동)적 결합인자로 상수값이다.
도 3a는 캐비티 길이(L)가 4mm일 때, 상기 수학식 2이 좌변의 그래프(X) 및 우변 그래프(Y)를 도시한 것이다. 도 3a에서, m = 10 mg, ρ0 =1.21 kg/m3, c0 = 343 m/s, r = 2.8 mm, S = πr2=24.63 mm2, α = 2.78 × 10-5 f1 /2 /r 이다. 또한, 도 3b는 L= 3 mm 일 때 상기 수학식 2이 좌변그래프(X) 및 우변 그래프(Y)를 도시 한 것이다. 도 3b에서, m = 10 mg, ρ0 =1.21 kg/m3, c0 = 343 m/s, r = 2.8 mm, S = πr2=24.63 mm2, α = 2.78 × 10-5 f1 /2 /r 이다 .
수학식 2의 좌변그래프(X)와 우변 그래프(Y)가 만나는 지점에서의 주파수가 캐비티 공진 주파수이며, 캐비티 길이 L = 4 mm 일 때, 도 3a에 도시된 바와 같이, 기본 주파수(fundamental frequency)는 약 40 kHz 근방이고 그 뒤를 따라 고조파(harmonics) 성분의 해들이 나타남을 알 수 있다. L = 3 mm 일 때, 도 3b에 도시되 바와 같이, 기본 주파수는 약 43.15 kHz 근방이고 정수배에서 약간씩 벗어난 주파수 (91.54 kHz, 143.35 kHz, 196.74 kHz, 250.99 kHz, 305.78 kHz, 360.98 kHz, 416.48 kHz)에서 고조파 성분들이 나타남을 알 수 있다.
그리고, x = L인 지점에서의 음압진폭(P(L))은 수학식 2의 공진 특성에 따라 이하의 수학식 3으로 정의된다.
여기서 Zm은 입력단의 기계적 임피던스, F는 구동력이다. 따라서, 하우징(100,200)캐비티(140)는 전방하우징(100) 및 후방하우징(200)에 구비될 수 있다.) 에 구비된 캐비티의 내경(r)과 캐비티 거리(L)를 조절하여 특정 캐비티 공진 주파수가 형성되도록 설계할 수 있다.
도 3c는 캐비티 공진 주파수가 400kHz이 되도록 설계한 초음파 변환기(10)의 하우징(100,200, 구체적 실시예에서는 후방 하우징(200))의 단면도이다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 캐비티(140)의 내경은 5.8mm이고, 캐비티 길이(L)는 4mm인 원동형 캐비티(140)가 형성되도록 설계되어 있다. 전극 연결을 위한 통로를 설계에 반영하였다. 이와 같은 디자인은 전문의 임피던스 정합재를 여러 가지로 바꿔볼 수 있는 장점이 있으나, 압전소자(110)와 임피던스 정합재의 부착 작업에 기술적 숙련이 요구된다. 이는 제작된 변환기(10) 별로 성능의 차이가 나타날 수 있기 때문에 대량 생산을 위해서는 약간의 설계 변경이 필요할 것이다.
<
모드
변환>
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 변환기(10)에서, 압전소자(110)의 반경 모드진동이 전방 하우징(100)의 밴딩 모드진동으로의 모드변환에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 4a는 압전소자(110)에 전압이 인가되지 않은 상태에서, 압전소자(110)가 고정된 전방 하우징(100)의 부분 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 4b 및 도 4c는 전압이 인가되어 압전소자(110)가 두께 방향으로 진동 및 반경 방향으로 진동하는 모습을 도시한 것이다.
도 4b는 압전소자(110)가 두께 방향으로 수축되고, 반경방향으로 인장되어, 전방 하우징(100)이 밴딩된 모습을 도시한 것이고, 도 4c는 압전소자(110)가 두께 방향으로 인장되고, 반경방향으로 수축되어 전방 하우징(100)이 밴딩된 모습을 도시한 것이다. 압전소자(110)의 재질과 반경 및 두께 길이에 따라서, 전압인가에 따 른 두께 모드진동이 달라지게 된다. 즉, 두께 모드 공진 주파수가 달라지게 된다. 따라서, 전압인가에 따라, 압전소자(100)는 두께 모드 진동과 반경 모드 진동이 동시에 발생하게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 초음파 변환기(10)는 압전소자(110)의 형상 구조의 특징에 따라 반경 모드 진동을 밴딩 모드 진동으로 변환하게 된다. 즉, 전방 하우징(100) 안쪽면에 형성된 홈(120)에 압전소자(110)가 도전성 접착제에 의해 고정결합되면서, 두께 방향의 수축에 따라 도 4b에 도시된 바와 같이, 전방 하우징(100)은 아래쪽으로 밴딩되고, 두께 방향의 인장에 따라 도 4c에 도시된 바와 같이, 전방 하우징(100)은 윗쪽으로 밴딩되게 된다. 이러한 밴딩은 전방하우징(100) 홈(120) 일측에 형성된 밴딩 가이드 홈(130)에 의해 가능해진다.
따라서, 압전소자(110)의 반경 모드 진동이 밴딩모드 진동으로 변환되어, 전방 하우징(100)이 밴딩 공진 주파수를 발생시키게 된다. 압전소자(110)는 전방하우징(100)에 병렬 랑지방 방식으로 배열되어 서로간의 위산지연없이, 동일한 신호전압을 인가받는다. 압전소자(110)의 밴딩모드진동과 두께모드 진동이 선형 중첩된다. 그리고, 밴딩 모드 공진 주파수와 캐비티 공진 주차수가 일치됨으로써 Q 값을 높여줄 수 있다. Q 값은 공진 주파수를 중심으로 진동의 공진 조건의 가파른 정도를 나타낸다. 즉, Q 값이 클수록 공진 주파수를 벗어날수록 발진이 잘되지 않고, 공진 주파수에서 최대의 효율로 발진이 일어나게 된다. 본 발명은 밴딩 모드 공진 주파수와 캐비티 공진 주파수를 일치시킴으로써 고효율을 갖는 초음파 변환기(10)를 구현시키게 된다. 또한, 반경 모드 공진주파수와 밴딩모드 공진주파수가 일치될 때, Q-값이 증가하게 된다. 또한, 반경 모드 공진주파수와 밴딩 모드 공진주파수 간에 미세한 차이를 두어 대역폭을 증가시킬 수도 있다.
<
실시예
>
이하에서는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초음파 변환기(10)를 이용한 초음파 변환방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 변환방법의 흐름도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 후방 하우징(200)에 결합된 발진수단(300)에 의해 전방 하우징(100)의 안쪽면에 형성된 복수의 홈(120) 각각에 병렬 랑지방 방식으로 결합된 압전소자(110)에 서로 위상지연없이 동일한 신호 전압을 인가하여 전방하우징(200)에 결합된 모든 면은 음극 그리고, 타측면은 모두 양극을 형성하게 된다(S10).
도 6a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전방 하우징(100)의 평면도를 도시한 것이다. 도 6b는 도 6a의 B-B`단면도이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 전방 하우징(100)의 안쪽면은 4개의 홈(120)이 형성되어 있다. 전방 하우징(100)의 중앙에 구비된 중앙 홈과 중앙 홈과 동일 반경이고, 서로 일정 간격으로 이격되어 형성된 3개의 주변 홈이 형성되어 있다. 4개의 홈(120)은 병렬 랑지방 방식으로 배열되어 있음을 알 수 있다.
이러한 홈(120) 각각에 압전소자(110) 4개가 끼워지게된다. 압전소자(110)는 도전성 접착제에 의해 홈(120)에 결합고정된다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 단면도에는 2개의 홈(120)이 도시되어 있다. 그리고, 각각의 홈(120)에는 밴딩 가이드 홈(130)이 더 형성되어 있다. 밴딩 가이드 홈(130)이 형성되어 있으므로 압전소자(110)의 반경 모드 진동으로 전방 하우징(100)이 밴딩되어 밴딩 모드 공진 주파수를 발생시키게 된다. 도 6c는 압전소자(110) 4개가 전방 하우징(100)에 형성된 홈(120) 각각에 끼워진 제 1 실시예에 따른 전방 하우징(100)의 사시도이다.
그리고, 후방 하우징(200)에 결합된 발진수단(300)에 의해 인가된 전압으로 압전소자(110) 4개 각각이 동시에 반경 모드 진동과 두께 모드 진동을 형성하여 진동한다(S20). 반경 모드 진동이 발생함과 동시에 전방 하우징(100)에 밴딩 모드가 형성되어 밴딩 공진 진동수가 발생하게 된다(S30). 반경 모드 진동이 전방 하우징(100)의 밴딩 모드로 변환되는 것은 앞서 설명한 모드변환과 같다. 또한, 밴딩모드 진동과 두께 모드진동은 선형중첩되게 된다. 그리고, 전방하우징(100)의 밴딩 모드에 의해 전방 하우징(100)가 결합된 후방 하우징(200) 내부에 구비된 캐비티의 거리(L)에 따른 캐피티 공진 주파수가 형성된다.
캐비티 공진 주파수를 이용하는 원리는 앞서 설명한 바와 같이, 전방하우징(100) 및 후방 하우징(200)의 재질과 형상 캐비티의 반경, 및 캐비티의 거리(L)에 의해 결정된다. 캐비티(140)에 의해 캐비티 공진 주파수가 전방 하우징(100)의 밴드 모드 공진주파수와 일치되도록 설계한다. 그리고, 밴드 모드 공진주파수와 캐비티 공진주파수가 일치할 때(S40), 초음파 변환효율을 최대가 된다(S50). 이러한 밴딩 모드 진동과 캐비티(140) 진동은 압전소자(110)에 전압이 인가되는 동안 계속된다(S60).
이하에서는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초음파 변환기(10)를 이용한 초음 파 변환방법에 대해 설명하도록 한다.
도 7a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전방 하우징(100)의 평면도를 도시한 것이다. 도 7b는 도 7a의 C-C`단면도이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 전방 하우징(100)의 안쪽면은 7개의 홈(120)이 형성되어 있다. 특정 반경을 갖고, 전방 하우징(100)의 안쪽면 중앙에 형성된 중앙 홈과 중앙 홈을 기준으로 둘레에 서로 일정 간격으로 이격되어 형성된 6개의 주변 홈들로 구비된다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 중앙 홈과 주변 홈의 반경을 서로 동일하다.
이러한 홈(120) 각각에 압전소자(110) 7개가 형상맞춤되어 끼워지게 된다. 압전소자(110)는 도전성 접착제에 의해 홈(120)에 결합고정된다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 단면도에는 3개의 홈(120)이 도시되어 있다. 그리고, 각각의 홈(120)에는 밴딩 가이드 홈(130)이 더 형성되어 있다. 밴딩 가이드 홈(130)이 형성되어 있으므로 압전소자(110)의 반경 모드 진동으로 전방 하우징(100)이 밴딩되어 밴딩 모드 공진 주파수를 발생시키게 된다. 도 7c는 압전소자(110) 7개가 전방 하우징(100)에 형성된 홈(120) 각각에 끼워진 제 2 실시예에 따른 전방 하우징(100)의 사시도이다.
그리고, 후방 하우징(200)에 결합된 발진수단(300)에 의해 인가된 전압으로 압전소자(110) 7개 각각이 동시에 두께 모드 진동과 반경 모드 진동을 형성하여 진동한다. 압전소자(110)는 서로 병렬 랑지방 방식으로 배열되어 있어, 서로 위상지연없이 같은 신호전압이 인가되고, 동시에 반경 모드 진동과 두께 모드 진동이 발생 된다. 반경 모드 진동이 발생함과 동시에 전방 하우징(100)에 밴딩 모드가 형성 되어 밴딩 공진 진동수가 발생하게 된다. 반경 모드 진동이 전방 하우징(100)의 밴딩 모드로 변환되는 것은 앞서 설명한 모드 변환과 같다. 그리고, 전방하우징(100)의 밴딩 모드 진동에 의해 전방 하우징(100)가 결합된 후방 하우징(200) 내부에 구비된 캐비티의 거리(L)에 따른 캐피티 공진 주파수가 형성된다.
캐비티 공진 주파수를 이용하는 원리는 앞서 설명한 바와 같이, 전방하우징(100) 및 후방 하우징(200)의 재질과 형상 캐비티의 반경, 및 캐비티의 거리(L)에 의해 결정된다. 캐비티(140)에 의한 캐비티 공진 주파수가 전방 하우징(100)의 밴딩모드 공진주파수와 일치되도록 설계한다. 그리고, 밴드모드 공진주파수와 캐비티 공진주파수가 일치할 때, 초음파 변환효율을 최대가 된다. 그리고, 반경 모드 진동에 의한 반경 모드 공진주파수와 밴딩 공진주파수가 일치되어 Q-값이 증가되거나, 반경 모드 공진주파수와 밴딩 모드 공진주파수 간에 미세한 차이를 두어 대역폭을 증가시킬 수 있다.
도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 후방 하우징(200)의 평면도를 도시한 것이다. 이러한 후방 하우징(200)은 전방하우징(100)과 원터치로 결합되어 밀봉된다. 후방 하우징(200)은 전극을 납땜할 수 있는 기판과 접지를 체결할 수 있도록 나사구성 4개와 중앙에 일정직경(구체적 실시예에서는 5mm)인 중앙구멍(210)을 통해 전극을 밖을 뽑아낼 수 있도록 하여 발진수단(300)과 연결된다. 도 8b는 도 8a의 D-D` 단면도를 도시한 것이다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 후방 하우징(200)은 전방 하우징(100)가 원터치로 결합가능하도록 설계되어 있고, 전방 하우징(100)이 후방 하우징(200)에 결합되면 내부에 캐비티(140)가 형성되게 된다. 도 8c는 도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 후방 하우징(200)의 사시도를 도시한 것이다.
<성능평가>
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 변환기(10)의 성능분석평가 결과에 대해 설명하도록 한다. 초음파 가스미터는 가스가 관로 상을 통과하여 수용가에서 사용한 유량을 측정하는 장치이다. 따라서 가스미터에 사용될 초음파 변환기(10)는 관로라는 특수한 경계조건에서 회절과 반사를 통해 전파된다. 또한 수용가에서 가스를 사용하기 위해 밸브를 열었을 때, 일정한 가스가 나오도록 하기 위해서는 기압보다 약간 높은 압력이 유지되어야 한다.
또한 계절이 바뀜에 따라 온도가 큰 폭으로 변화하기 때문에, 온도 및 압력을 변화시킬 수 있는 조건에서 초음파 변환기(10)가 평가되어야 한다. 또한 초음파 변환기(10)는 자신이 발진을 함과 동시에 자신이 수신을 하는 센서로서의 역할을 수행하여야 하기 때문에 초음파 펄스 발진 후 일정한 거리를 전파한 후에 수신된 신호의 크기가 충분하여야 한다.
ASTM E1065 규격에서 정의하고 있는 에코상대감도(Echo relative sensitivitym, ERS)는 이러한 초음파 변환기(10)의 특성을 잘 반영된 평가인자로 평가된다. 초음파변환기(10)의 압전소자(110)에 인가되는 구동전압에 대한 에코신호 전압의 크기에 따른 값이다. 또 다른 지표로서 음향 작용주파수(Acoustic working frequency, AWF)는 일정한 주파수 대역폭(BW)을 갖는 초음파 변환기(10)의 중심 주파수에 해당한다. 이 두 가지 평가 인자를 본 발명의 초음파 변환기(10)의 성능 파라미터로 평가하기 위해서는 초음파 펄스 튜브 시스템(400)이라는 특수한 장치가 필요하다.
도 9는 온도와 압력을 가변시킬 수 있도록 구현된 초음파 펄스 튜브 시스템(400) 개념 단면도이다. 외측 실린더 내부(410)에는 유체출입구(450) 및 유체 배출구(460)을 구비하여 액체를 순환시켜 내측의 온도를 제어할 수 있다. 좌측의 기체 입출구(440)는 대기압보다 높은 압력의 기체를 충진하여 측정하고, 측정 후 방출할 수 있다.
내측 실린더 내부(420)에 피드스로우(feedthrough, 미도시)를 통해 신호를 인가받은 초음파 변환기(10)가 초음파 펄스(470)를 방사하게 된다. 그리고, 내측 실린더 내부(420)에 초음파 변환기(10)와 일정거리를 두고 이격된 반사체(430)가 구비된다. 따라서, 초음파변환기(10)에 의해 오른쪽 방향으로 초음파 펄스(470)가 전파한 후 위치를 가변할 수 있는 반사체(430)에서 반사하여 좌측 방향으로 전파하여 초음파 변환기(10)로 되돌아온다. 되돌아온 후 수신된 펄스를 에코(echo)라 한다.
그리고, 내부에 설치된 반사체(430)의 위치를 오른 쪽에 있는 핸들(431)을 돌려 변화시킬 수 있다. 또한, 외측 실린더 내부(410)로 순환하는 유체의 온도는 내측 실린더를 관통하여 설치되는 백금 저항온도계(미도시)를 이용하여 측정할 수 있다. 그리고, 추진되는 기체의 압력을 측정할 수 있는 압력계(미도시)가 설치되어 있다. 따라서, 내측 실린더의 온도와 압력을 원하는 값으로 설정하여 초음파 변환기(10)의 성능을 평가할 수 있다. 그리고, 초음파 펄스(470) 신호를 만들고 수신할 수 있는 펄스 수신기(Pulse receiver)가 구비된다.
도 10a는 본 발명의 일실시예에 따라, 펄스 튜브 시스템(400) 내부의 온도를 23.48 ℃, 압력을 0.2 MPa로 유지한 상태에서의 초음파 변환기(10)에 수신된 펄스 에코 신호를 도시한 것이다. 좌측에서부터 우측으로, 첫 번째 펄스를 메인뱅(main bang), 두 번째 펄스를 에코 1(1st echo), 세 번째 펄스를 에코 2(2nd echo), 네 번째 펄스를 에코 3(3rd echo), 다섯 번째 펄스를 에코 4(4th echo)라 한다.
일반적으로 가스미터를 구성하는 경우, 1st echo에 해당하는 스로우 트랜스미션(through transmission) 파형만이 검출되기 때문에, 도 10b는 에코 1을 시간-축 상에서 확대하여 도시한 것이다. 그리고, 도 11은 시간 가로축에 에코상대감도 (ESR)를 도시한 그래프이다. 에코상대감도는 이하의 수학식 4에 의해 정의된다.
수학식 4에서 Vp는 에코신호전압이고, V0는 구동전압이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서 에코상대감도 최대값은 -12 dB정도이다.
그리고, 음향 작용주파수(fAWF)는 특정 대역폭에서의 중간 주파수를 의미한다. 대역폭은 특정 크기(dB)에 처음 도달하는 지점과 다시 특정 크기 이하로 떨어지는 지점과의 구간으로 시간 대역폭과 주파수 대역폭으로 표현할 수 있다. 즉, 주파수대역폭(BW) = fhigh - flow로 표현되고, 특정 크기를 -20dB 이라고 하면 BW-20 dB = fhigh[-20dB] - flow [-20 dB ]로 표현된다. flow [-20 dB ]는 -20dB에 처음 도달하는 지점의 주파수이고, fhigh[-20dB]는 다시 -20dB이하로 떨어지게 되는 지점의 주파수이다.
따라서, 음향 작용주파수(fAWF)는 이하의 수학식 5로 정의된다.
그리고, 특정 크기를 -20dB로 할 때, 음향 작용주파수는 이하의 수학식 6으로 정의 된다.
도 12a는 내부 실린더의 온도를 20℃로 유지시키고, 압력을 가하지 않은 상태에서, 초음파변환기(10)와 반사체(430)와의 거리에 따른 에코상대감도(ESR) 변화를 도시한 그래프이다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 압전소자(110) 1 개를 사용한 초음파 변환기(10)는 TR1, 압전소자(110) 4개를 사용한 초음파 변환기(10)를 TR2, 압전소자(110) 7개를 사용한 초음파 변환기(10)를 TR3로 표시하였다. 반사체(430)가 초음파 변환기(10)에서 멀어질수록, 즉, 거리가 커질수록 에코상대감도(ESR)는 거의 선형으로 감소하고 있음을 알 수 있다. 또한, 초음파 변환기(10) 내부에 압전소자(110)의 개수가 증가함에 따라 ERS가 증가하는 특성을 보이고 있다. 초음파변 환기(10)에서 반사체(430)까지의 거리가 D인 경우 펄스의 왕복으로 총 진행거리는 2×D에 해당한다. 따라서 TR2과 TR3는 가스미터의 희망 이격 거리에서 20 dB 이상의 신호를 수신할 수 있는 고성능의 초음파 변환기(10)이다.
그리고, 도 12b는 온도를 20 ℃로 유지한 내측 실린더 내부(410)에서, 반사체(430)와의 거리(D)가 80 mm인 상태에서, 내부 압력에 따른 에코상대감도(ERS)의 크기 변화를 측정한 결과이다. 실제로 가스미터 내부는 대기압보다 높은 압력을 유지하고 있다. 이 측정 결과는 실제 가스미터 내부 압력보다 훨씬 높은 압력 범위까지 측정된 결과이다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 내부의 압력이 조금만 증가하여도 에코상대감도(ERS)는 크게 개선됨을 알 수 있다. 압력이 높아짐에 따라 에코상대감도(ERS)의 증가 속도는 점점 둔화되는 현상을 보이고 있다.
도 12c는 내부 압력을 대기압과 동일하게 유지한 상태에서 반사체(430)와의 거리(D)를 80 mm으로 한 초음파변환기(10)에서 내부 온도에 따른 에코상대감도(ERS)의 크기 변화를 측정한 그래프이다. 도 12c에 도시된 바와 같이 온도가 증가하면 처음에는 어느 정도 에코상대감도(ERS)가 증가하다가 더 높은 온도로 올라갈 경우 ERS가 감소하는 특성을 보이고 있다.
그리고, 도 13은 구체적 실시예에서, 가압을 하지 않고, 온도를 20 ℃로 유지한 펄스 튜브 시스템(400)에서 세 개의 초음파 변환기(10) 각각의 평가표를 도시한 것이다. 압전소자(110) 1 개를 사용한 초음파 변환기(10)는 TR1, 압전소자(110) 4개를 사용한 초음파 변환기(10)를 TR2, 압전소자(110) 7개를 사용한 초음파 변환기(10)를 TR3로 부르기로 한다. 도 13에서 ERS 는 에코상대감도(echo relative sensitivity), fAWF 는 음향작동주파수(acoustic working frequency), BW는 주파수 대역폭(frequency bandwidth)이다.
<초음파 변환기 제조방법>
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 변환기(10)의 제조방법에 대하여 설명하도록 한다. 먼저, 도 14a는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 변환기(10)의 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고, 도 14b는 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자(110) 이용 초음파 변환기(10)의 제조방법에서, 제작과정 각 단계에서의 부분 사시도를 도시한 것이다.
복수의 압전소자(110)를 실버에폭시(20)에 침전시킨다(S100). 압전소자(110) 전체를 실버에폭시(20)에 침전시키는 것이 아니고, 압전소자(110)에서 음극을 형성할 면만 실버에폭시(20)에 침전되도록한다. 도 14b의 가장 윗부분에 도시된 것은, 압전소자(110)에서 음극을 형성할 면이 실버에폭시(20)에 침전된 모습을 도시한 것이다.
그리고, 전방하우징(100)의 안쪽면에 복수의 홈(120)들을 형성시킨다. 복수의 홈(120)에는 압전소자(110)가 끼워져 결합될 수 있도록 홈(120)의 반경은 압전소자(110)의 반경과 일치하도록 제작된다. 그리고, 전방 하우징(100)의 외면은 산화방지 연소코팅층을 형성하도록 한다(S200). 산화방지 연소코팅층은 산화방지와 전기적 절연을 위한 것이다. 도 14b의 두번째 도시된 것은 제 1 실시예에 따른 4개 의 홈(120)이 형성된 전방하우징(100)과 제 2실시예에 따른 7개의 홈(120)이 형성된 전방하우징(100)의 사시도를 도시한 것이다. 도 14b의 두번째 부분에 도시된 바와 같이, 각각의 홈(120) 일측에는 밴딩 가이드 홈(130)이 형성되어 있다.
그리고, 압전소자(110) 각각을 도전성 접착제를 이용하여 홈(120)에 형상맞춤하여 전방 하우징(100)에 압전소자(110)를 결합시킨다(S300). 홈(120)에 결합되는 면 모두는 음극을 형성하는 일측면이 되도록 결합시킨다. 도 14b의 세번째 부분은 압전소자(110)가 결합된 제 1 실시예의 전방 하우징(100)과 제 2 실시예의 전방하우징(100)의 사시도를 도시한 것이다. 홈(120)에 결합된 압전소자(110) 각각의 양극이 될 부분은 병렬 랑지방 방식으로 연결되어 진다.
그리고, 압전소자(110)의 음극 모두를 그라운드시키고, 압전소자(110)에서 양극이 될 부분을 전기적으로 연결하여 배선하게 된다(S400). 도 14b의 네번째 부분은 양극과 음극을 배선한 제 1 실시예와 제 2 실시예의 전방하우징(100)의 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 발진수단(300)이 결합된 후방 하우징(200)을 전방하우징(100)과 결합시키게 된다(S500, S600).
도 14의 다섯번째 부분은 본 발명의 일실시예에 따른 후방 하우징(200)의 사시도를 도시한 것이다. 후방 하우징(200)은 내부에 원통형 캐비티(140)를 구비하고, 캐비티(140)는 특정 캐비티 공진 주파수를 형성할 수 있는 캐비티 거리(L)를 가진다. 그리고, 발진수단(300)이 결합될 수 있는 중앙 구멍(210)을 포함한다. 압전소자(110)에 전압을 인가할 수 있도록 후방 하우징(200)에 나사구멍(220)을 구비한다. 나사구멍(220)에 의해 전방 하우징(100)과 후방하우징(200)이 결합되고, 전 방 하우징(200)과 접지를 형성하고, 전기배선 목적의 기판을 전방하우징(200)과 결합시키게 된다. 따라서, 압전소자와 발진 수단(300)이 전기적으로 연결되게 된다. 도 14b의 여섯번째 부분은 완성된 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초음파 변환기의 사시도를 도시한 것이다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 변환기의 사시도,
도 1b는 도 1a의 A-A`단면도,
도 2는 캐비티 공진 모드 분석을 모델링한 원통형 캐비티를 갖는 초음파 변환기의 단면도,
도 3a는 캐비티 길이(L)가 4mm일 때, 상기 수학식 2이 좌변그래프 및 우변 그래프,
도 3b는 L= 3 mm 일 때 상기 수학식 2이 좌변그래프 및 우변 그래프,
도 3c는 캐비티 공진 주파수가 400kHz이 되도록 설계한 초음파 변환기의 하우징의 단면도,
도 4a는 압전소자에 전압이 인가되지 않은 상태에서, 압전소자가 고정된 전방 하우징의 부분 단면도,
도 4b는 전압이 인가된 상태에서, 압전소자가 두께 방향으로 압축되고, 반경방향으로 인장되어 전방하우징이 밴딩된 상태의 단면도,
도 4c는 전압이 인가된 상태에서, 압전소자가 두께 방향으로 인장되고, 반경방향으로 압축되어 전방 하우징이 밴딩된 상태의 단면도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 변환기를 이용한 초음파 변환방법의 흐름도,
도 6a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전방 하우징의 평면도,
도 6b는 도 6a의 B-B`단면도,
도 6c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전방 하우징의 사시도,
도 7a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전방 하우징의 평면도,
도 7b는 도 7a의 C-C`단면도,
도 7c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전방 하우징의 사시도,
도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 후방 하우징의 평면도,
도 8b는 도 8a의 D-D` 단면도,
도 8c는 본 발명의 일실시예에 따른 후방 하우징의 사시도,
도 9는 온도와 압력을 가변시킬 수 있도록 구현된 초음파 펄스 튜브 개념도,
도 10a는 본 발명의 일실시예에 따라, 펄스 튜브 내부의 온도를 23.48 ℃, 압력을 0.2 MPa로 유지한 상태에서의 초음파 변환기에 수신된 펄스 에코 신호 그래프,
도 10b는 에코 1을 시간-축 상에서 확대한 그래프,
도 11은 시간 가로축에 에코상대감도(ESR) 그래프,
도 12a는 내부 실린더의 온도를 20℃로 유지시키고, 압력을 가하지 않은 상태에서, 에코상대감도(ESR)가 초음파변환기와 반사체와의 거리에 따른 변화를 도시한 그래프,
도 12b는 온도를 20 ℃로 유지한 내부 실린더(펄스 튜브)에서, 반사체와의 거리(D)가 80 mm (L = 160 mm)인 상태에서, 내부 압력에 따른 에코상대감도(ERS)의 크기 변화 그래프,
도 12c는 내부 압력을 대기압과 동일하게 유지한 상태에서 반사체와의 거 리(D)를 80 mm (L = 160 mm)으로 한 초음파변환기에서 내부 온도에 따른 에코상대감도(ERS)의 크기 변화를 측정한 그래프,
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른, 세 개의 초음파 변환기를 가압을 하지 않고, 온도를 20 ℃로 유지한 펄스 튜브에서 초음파 변환기의 에코상대감도, 음향 작용주파수, 주파수 대역폭 평가표,
도 14a는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 변환기 제조방법의 흐름도,
도 14b는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 변환기 제조방법 각 단계의 사시도를 도시한 것이다.
Claims (20)
- 압전소자를 이용한 초음파 변환기에 있어서,원판형태이고, 전압이 인가되어 한쪽 면은 음극으로 다른 한쪽 면은 양극이 형성되는 압전소자;안쪽면에 홈을 형성하여 상기 압전소자가 상기 홈에 결합고정되는 전방 하우징;상기 압전소자에 전압을 인가하여, 압전소자는 반경 모드 진동과 두께 모드 진동을 형성하고, 동시에 상기 반경 모드 진동에 의해 상기 전면 하우징에 밴딩 모드 진동을 형성하게 하는 발진수단; 및상기 전면 하우징과 결합되어 내부에 내경이 일정하고, 실린더형의 캐비티를 구비하고, 상기 발진수단과 결합되는 후방 하우징;을 포함하여,상기 캐비티 거리에 따른 캐비티 공진주파수와 상기 밴딩 모드 진동에 따른 밴딩 모드 공진주파수가 일치되어 초음파를 발생시키는 압전소자 이용 초음파 변환기.
- 제 1 항에 있어서,상기 전방 하우징의 안쪽면에는 복수의 홈이 형성되고,복수의 상기 홈 각각에 상기 압전소자가 결합고정되어 병렬 랑지방 방식으로 배열되어 단일소자 모드변환 초음파 변환기에 비하여 송수신 특성이 향상되는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기.
- 제 2 항에 있어서,복수의 상기 압전소자는 하나의 발진수단에 의해 각각이 동일한 신호 전압을 상기 압전소자 간의 위상지연 없이 인가받는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기.
- 제 3 항에 있어서,복수의 상기 압전소자는,상기 전방 하우징에 결합된 면이 상기 발진수단에 의해 모두 음극으로 형성되고, 타측면은 모두 양극이 형성되는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기.
- 제 3 항에 있어서,상기 전방 하우징 안쪽면에 형성된 홈 일측에는 상기 전방 하우징의 밴딩모드 진동을 유도하기 위한 밴딩 가이드 홈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기.
- 제 3 항에 있어서,상기 전방 하우징의 홈은,상기 안쪽면에 특정 반경을 구비한 중앙 홈과,상기 중앙 홈 주변 둘레에 일정한 거리를 두고 상기 특정 반경을 구비한 3개의 주변 홈을 포함하고,4개의 상기 압전소자가 상기 중앙 홈과 상기 주변 홈 각각에 끼워져 고정되는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기.
- 제 3 항에 있어서,상기 전방 하우징의 홈은,상기 안쪽면에 특정 반경을 구비한 중앙 홈과,상기 중앙 홈 주변 둘레에 일정한 거리를 두고 상기 특정 반경을 구비한 6개의 주변 홈을 포함하고,7개의 상기 압전소자가 상기 중앙 홈과 상기 주변 홈 각각에 끼워져 고정되는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기.
- 제 4 항에 있어서,복수의 상기 압전소자의 상기 음극은 공통으로 그라운드된 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기.
- 제 3 항에 있어서,상기 홈과 상기 압전소자 사이에 도전성 접착제를 더 포함하여,상기 전방 하우징과 상기 압전소자가 고정결합되는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기.
- 제 9 항에 있어서,상기 전방 하우징 외면은 산화방지 및 전기적 절연특정을 위해 형성된 산화방지 연소코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기.
- 제 1 항에 있어서,상기 후방 하우징은,중앙에 상기 발진수단이 결합되는 중앙구멍과 상기 전방 하우징과 결합되어 접지를 형성하고, 전기배선 목적의 기판을 상기 전방 하우징과 결합하기 위한 복수의 나사구멍을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기.
- 제3항의 초음파 변환기 제조방법에 있어서,복수의 압전소자에서 음극을 형성할 일측면을 실버에폭시에 침전하는 단계;외면은 산화방지 및 절연목적의 산화방지 연소코팅층을 구비하는 전방하우징의 안쪽면에 형성된 복수의 홈에, 상기 압전소자 각각을 도전성 접착제를 이용하여 상기 홈에 결합되는 면이 상기 음극을 형성하는 일측면이 되도록 고정결합하는 단계;상기 홈에 결합된 상기 압전소자 각각의 양극이 될 부분을 병렬 랑지방 방식 으로 배선시키고 상기 압전소자의 음극은 그라운드시키는 단계; 및내부에 내경이 일정한 실린터형 캐비티를 구비하고, 상기 캐비티는 특정 캐비티 공진 주파수를 형성할 수 있는 캐비티 거리를 갖고, 일측에 결합된 발진수단에 의해 상기 압전소자 각각에 전압을 인가할 수 있는 후방 하우징을 상기 전방 하우징과 결합시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기 제조방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 고정결합하는 단계는,상기 발진수단에 의해 상기 압전소자에 전압이 인가되면 상기 압전소자에서동시에 발생하는 반경 모드 진동과 두께 모드 진동 중, 상기 반경 모드 진동에 의해 유도된 상기 전방 하우징의 밴딩 모드 진동과 상기 압전소자의 상기 두께 모드 진동이 선형 중첩하도록 상기 홈 일측에 밴딩 가이드 홈을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기 제조방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 홈은 상기 안쪽면에 특정 반경을 구비한 중앙 홈과,상기 중앙 홈 주변 둘레에 일정한 거리를 두고 상기 특정 반경을 구비한 6개의 주변 홈을 포함하고, 7개의 상기 압전소자가 상기 중앙 홈과 상기 주변 홈 각각에 끼워져 고정되는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 전방 하우징 결합 단계는,상기 후방 하우징은,상기 압전소자의 상기 반경 모드 공진 주파수 및 상기 밴딩 모드 공진 주파수와 일치하는 상기 캐비티 공진 주파수를 갖도록 상기 캐비티 거리를 형성하여 상기 캐비티 공진 주파수에서 Q-값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 압전소자 이용 초음파 변환기 제조방법.
- 제 3 항의 초음파 변환기를 이용한 초음파 변환방법에 있어서,후방 하우징에 결합된 발진수단에 의해 전방 하우징의 안쪽면에 형성된 복수의 홈 각각에 서로 병렬 랑지방 방식으로 결합된 압전소자에 전압을 인가하여 전기장을 형성하는 단계;상기 압전소자에 인가된 전압에 의해 상기 압전소자 각각이 반경 모드 진동과 동시에 두께 모드 진동을 형성하고, 동시에 상기 전방 하우징에 밴딩 모드 진동이 형성되어 밴딩 공진 주파수가 발생하는 단계; 및상기 두께 모드 진동과 상기 밴딩 공진 주파수가 선형중첩되는 단계;상기 후방 하우징 내부에 구비된 캐비티의 캐비티 거리에 따른 캐피티 공진 주파수가 상기 밴딩 공진 주파수와 일치되어 상기 캐비티 공진 주파수에서 Q-값을 증가시켜 초음파를 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환 기를 이용한 초음파 변환방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 밴딩 공진 진동수 발생단계는,상기 홈 일측에 형성된 밴딩 가이드 홈에 의해 상기 전방 하우징에 밴딩이 유도되어, 상기 반경 모드 진동에 의한 상기 반경 모드 공진 주파수와 상기 밴딩 공진 주파수가 일치되어 상기 Q- 값을 증가시키거나, 상기 반경 공진 주파수와 상기 밴딩 공진 주파수 간에 미세한 차이를 두어 대역폭을 증가시키는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기를 이용한 초음파 변환방법.
- 제 17 항에 있어서,상기 초음파 발생단계에서,상기 밴딩 공진 주파수와 상기 캐비티 공진 주파수가 일치되는 경우, 초음파 변화 효율이 최대가 되는 것을 특징으로 하는 초음파 변환방법.
- 제 3 항의 초음파 변환기를 구비하여 관 내에 흐르는 유체의 유량을 측정하는 초음파 가스미터.
- 제 3 항의 초음파 변환기가 자동차 외면 일측에 구비되어, 상기 자동차에 접근한 물체의 거리를 측정하는 초음파 거리측정 센서.
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