KR20120073973A

KR20120073973A - 초음파 전송 장치

Info

Publication number: KR20120073973A
Application number: KR1020100135909A
Authority: KR
Inventors: 황건; 이성규; 양우석; 김종대
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-05

Abstract

본 발명은 초음파 전송 장치에 관한 것으로서, 전기 에너지를 진동 에너지로 변환하는 피에조 진동자; 상기 진동 에너지의 진폭을 확대하여 전달하는 기계적 확장기; 및 진폭이 확대된 진동 에너지를 초음파 에너지로 방사하는 방사판을 포함하되, 상기 방사판은 상판과 하판으로 구성되고, 상기 상판과 상기 하판 사이에는 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 전송 장치{Ultrasonic Transducer}

본 발명은 초음파 전송 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파를 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 초음파 전송 장치에 관한 것이다.

피에조 진동자의 크기가 일정한 경우, 방사판을 가급적 크게 만들면, 초음파 변환 효율을 증가시킬 수 있고, 초음파를 효과적으로 방사할 수 있다. 그러나, 방사판이 커지게 되면, 방사판의 휘어짐이 발생하여 초음파 변환 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법으로서, 일반적인 초음파 전송 장치 혹은 어레이 구조의 초음파 전송 장치를 이용하여 전력을 전송하는 방법과 단차 구조(Stepped Structure)를 이용하여 전력을 전달하는 방법이 있다.

첫째, 일반적인 초음파 전송 장치 혹은 어레이 구조의 초음파 전송 장치를 이용하여 전력을 전송하는 방법은 미국등록특허 제6,798,716 B1호(System and Method for wireless electrical power transmission, Arthur Charych, BC system Inc.)에 개시되어 있다. 이 특허에서는 초음파 전송 장치를 어레이화하고, 이들의 위상을 제어하여 중앙으로 빔이 모이도록 하고, 위상 제어를 통해 빔의 방향을 조정함으로써, 초음파 전송 장치의 지향성을 증대시킨다.

둘째, 단차 구조를 이용하여 전력을 전달하는 방법은 Journal of the Acoustica Society of America Vol. 51/ No. 3 에 발표된 논문(Flexural Vibrating Free-Edge Plates with Stepped Thicknesses for Generating High Directional Ultrasonic Radiation, Juan A. Gallegoju Arez)에 개시되어 있다. 이 논문에서는 지향성을 향상시키기 위해서 동일 위상 지역에 단차 구조를 도입하였다.

그러나, 종래의 방법을 이용하더라도 초음파 변환 효율을 향상시키기 위해서 고차 모드의 적용이 필수적이고, 고차 모드를 적용하기 위해서는 방사판의 두께가 얇아져야 하며, 방사판의 두께가 얇아지면 결국 방사판의 휘어짐이 증가하여 방사판의 두께를 줄이는 데에는 한계가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 초음파를 이용하여 무선으로 전력을 전달하는 데 있어서 높은 공진 주파수에서 고차 모드를 사용하여 에너지 전달 효율 및 지향성을 극대화할 수 있는 초음파 전송 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 초음파 전송 장치는, 전기 에너지를 진동 에너지로 변환하는 피에조 진동자; 상기 진동 에너지의 진폭을 확대하여 전달하는 기계적 확장기; 및 진폭이 확대된 진동 에너지를 초음파 에너지로 방사하는 방사판을 포함하되, 상기 방사판은 상판과 하판으로 구성되고, 상기 상판과 상기 하판 사이에는 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 방사판의 상판과 하판 사이에 공간을 두어 고유 진동수를 높여 고차 모드에서 초음파를 방사시키는 초음파 전송 장치를 제공함으로써, 초음파 에너지가 집중되도록 할 수 있고, 초음파 에너지의 전달 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 초음파 전송 장치에서 초음파 발생 원리를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 전송 장치의 구성을 나타낸 측면도이다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 일반적인 초음파 전송 장치에서 초음파 발생 원리를 설명하기 위한 도면이다.

일반적인 방사판(11) 구조의 초음파 전송 장치의 경우, 방사판(11)의 고유 진동수에서 발생하는 진동 모드(12)는 도 1과 같이 나타나며, 이때 발생하는 파장(13, 14, 16, 17)은 실선으로 표시된다. 지향성을 높이기 위하여 방사판(11)의 노드(19, 20, 21, 22)에서 방사판(11)의 중앙부와 위상이 반대가 되는 구간(19-20, 21-22)에 파장의 1/2 값(λ/2)을 높이로 하는 단차 구조(23, 24)를 추가하면 방사판(11)의 중앙부와 위상이 반대가 되는 구간(19-20, 21-22)에서는 파장(15, 17)이 발생한다. 이것은 원래 발생하는 파장(14, 18)과 상쇄되어 두 구간에서 최종적으로 방사되는 파장은 소멸된다. 따라서, 단차 구조를 갖는 방사판(11)에서는 파장(13)과 파장(16)만 나오게 되어, 초음파 전송 장치의 지향성이 증대된다.

이와 같은 단차 구조는 방사판(11)의 고유 진동수와 그에 따른 진동 모드 형상의 영향을 받는다. 일반적으로 진동 모드의 차수가 증가할수록 에너지 전달 효율이 높아진다. 에너지 전달 효율을 높이기 위해서는 방사판(11)의 고유 진동수를 높여 고차의 진동 모드를 구하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 방사판(11)의 질량이 작아져야 하며, 방사판의 두께(25)를 줄일수록 고유 진동수는 높아진다. 그러나, 방사판의 두께(25)를 줄이면 방사판(11)의 강성이 줄어들어 에너지 전달 효율이 저하되는 문제점이 발생한다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 방사판(11)의 강성을 유지하면서 경량화할 수 있는 구조가 필요하다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 전송 장치의 구성을 나타낸 측면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 전송 장치는 전기 에너지를 진동 에너지로 변환하는 피에조 진동자(210), 피에조 진동자(210)에서 나오는 진동 에너지의 진폭을 확대하여 전달하는 기계적 확장기(220) 및 진폭이 확대된 진동 에너지를 초음파 에너지로 방사하는 방사판(230) 등을 포함한다.

방사판(230)은 상판(231)과 하판(232)으로 구성되고, 상판(231)과 하판(232) 사이에는 공간이 형성되어 있다. 여기서, 상판(231)은 금속재질로 이루어지고, 하판(232)은 소결체(Sintering Material)로 이루어진다.

본 발명의 일실시예에서는 방사판(230)이 단층으로 이루어져 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 방사판(230)은 필요에 따라 적어도 하나 이상의 층으로 구성될 수 있다.

또한, 상판(231)과 하판(232) 사이에는 삼각형, 사각형 및 육각형 등을 포함하는 다각형 구조의 격벽(233)이 형성되어 있고, 이에 따라 상판(231)과 하판(232) 사이의 공간은 복수의 셀(234)로 나누어진다. 여기서, 격벽(233)은 하판(232)과 마찬가지로 소결체로 이루어지는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에 따른 초음파 전송 장치는 방사판(230)의 상판(231)과 하판(232) 사이에 공간을 두어 방사판(230)의 질량을 줄이면서 강성을 유지한 채, 고유 진동수를 높여 고차 모드에서 초음파를 방사할 수 있고, 에너지 전달 효율을 극대화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 상판(231) 상면은 단차 구조(235)로 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 초음파 전송 장치는 상판(231) 상면이 단층 구조(235)로 이루어져 있어 지향성이 향상된 초음파를 발생할 수 있다.

이와 더불어, 이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 초음파 전송 장치는 금형으로 제작되어, 가격 경쟁력을 높일 수도 있다.

본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

210: 피에조 진동자 220: 기계적 확장기
230: 방사판 231: 상판
232: 하판 233: 격벽
234: 복수의 셀 235: 단차 구조

Claims

전기 에너지를 진동 에너지로 변환하는 피에조 진동자;
상기 진동 에너지의 진폭을 확대하여 전달하는 기계적 확장기; 및
진폭이 확대된 진동 에너지를 초음파 에너지로 방사하는 방사판;
을 포함하되,
상기 방사판은 상판과 하판으로 구성되고, 상기 상판과 상기 하판 사이에는 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 전송 장치.