KR20170122894A

KR20170122894A - 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈가 적용된 집속 초음파 트랜스듀서 및 그 트랜스 듀서의 제작방법

Info

Publication number: KR20170122894A
Application number: KR1020160051605A
Authority: KR
Inventors: 김용태; 백경민; 일 도; 김세화
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2017-11-07
Also published as: US9711132B1; KR101860198B1

Abstract

본 발명은 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈, 그 음향렌즈의 설계방법, 제작방법, 그 음향렌즈가 적용된 집속 초음파 트랜스듀서 및 그 트랜스 듀서의 제작방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 집속 초음파 트랜스듀서에 적용되는 음향렌즈에 있어서, 중심점을 기준으로 동심원 형상으로 배치되는 복수의 동심원 영역을 갖고, 상기 동심원 영역은 중심점부터 반경방향으로, 입사되는 음파를 차음시키는 차음영역과, 음파를 투과시키는 투과영역이 교차되며 형성되어, 입사되는 음파를 초점부근에서 집속시키는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈에 관한 것이다.

Description

프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈가 적용된 집속 초음파 트랜스듀서 및 그 트랜스 듀서의 제작방법{Focusing ultrasonic transducer to applying acoustic lens using fresnel zone plate and method for manufacturing the focusing ultrasonic transducer}

본 발명은 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈, 그 음향렌즈의 설계방법, 제작방법, 그 음향렌즈가 적용된 집속 초음파 트랜스듀서 및 그 트랜스 듀서의 제작방법에 대한 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 트랜스튜서는 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.

대한민국 공개특허 제10-2012-0004896호 대한민국 공개특허 제10-2003-0082303호 대한민국 공개특허 제10-2015-0096401호 대한민국 공개특허 제10-2015-0091373호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 원판형 형태를 가지게 되므로 두께가 얇아 경량화, 소형화가 가능하고, 종래와 대비하여 치수한계로부터 자유롭고 집속구현이 용이한, 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 초점거리에서 집속이 용이한, 음향렌즈 내의 투과영역과 차음영역이 교차되는 다수의 동심원 영역 각각의 반경 치수를 신속하고 효율적으로 설계할 수 있는 음향렌즈의 설계방법 및 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 집속 초음파 트랜스듀서에 적용되는 음향렌즈에 있어서, 중심점을 기준으로 동심원 형상으로 배치되는 복수의 동심원 영역을 갖고, 상기 동심원 영역은 중심점부터 반경방향으로, 입사되는 음파를 차음시키는 차음영역과, 음파를 투과시키는 투과영역이 교차되며 형성되어, 입사되는 음파를 초점부근에서 집속시키는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 음향렌즈는 양면이 평평한 면으로 구성되며 두께가 일정한 판형태인 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 투과영역 각각의 반경은, 설정된 음향렌즈의 초점거리와, 설정된 음파의 주파수로부터 결정되는 전달매질에서의 파장을 기반으로 연산되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 투과영역 각각의 반경은 이하의 수학식 1에 의해 연산되는 것을 특징으로 할 수 있다.

[수학식 1]

m은 중심점부터 반경방향으로 순차적인 상기 동심원 영역의 인덱스이고, λ는 전달매질에서의 음파 파장이고, F는 음향렌즈의 초점거리이다.

그리고, 상기 음향렌즈의 초점거리는 이하의 수학식 2로 정의되는 것을 특징으로할 수 있다.

[수학식 2]

Ra는 음향렌즈의 반경이고, λ는 전달매질에서의 음파 파장이고, m은 음향렌즈 내의 동심원 영역의 개수이다.

또한, 상기 투과영역을 구성하는 투과물질은 유리 및 고무 중 적어도 어느 하나이고, 상기 차음영역을 구성하는 차음물질은 공기 또는, 음파의 산란과정을 유도하는 복합재와 음파의 산란과정에서 흡음재의 바탕을 메우는 매트릭스 재료(matrix material)갖는 흡음재인 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 음향렌즈의 두께는, 차음영역에서 초음파 파장의 크기보다 크고, 투과영역에서 초음파 파장의 크기보다 작은 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 초음파 트랜스듀서에 있어서, 초음파를 가진 시키는 초음파 가진기; 및 상기 초음파 가진기로부터 초음파를 입사받고, 입사되는 초음파를 초점부근에서 집속시키는 앞서 언급한 제 1목적에 따른 음향렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈가 적용된 집속 초음파 트랜스듀서로서 달성될 수 있다.

그리고, 상기 초음파 가진기는 압전소자로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 음향렌즈를 설계하는 방법에 있어서, 원하는 초음파 주파수와, 원하는 초점거리를 결정하는 단계; 전달매질 내에서의 초음파 파장을 연산하는 단계; 상기 초음파 파장과, 상기 초점거리를 기반으로, 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 투과영역 각각의 반경을 연산하는 단계; 제작된 상기 음향렌즈의 반경을 초음파 가진기의 반경 내에서 결정하고, 상기 동심원 영역의 개수가 결정되는 단계; 및 상기 동심원 영역의 개수와, 상기 음향렌즈의 반경과, 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 투과영역 각각의 반경에 부합되도록 음향렌즈를 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 설계방법으로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 반경을 연산하는 단계는, 상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 투과영역 각각의 반경은 이하의 수학식 1에 의해 연산되는 것을 특징으로 할 수 있다.

[수학식 1]

그리고, 상기 반경을 연산하는 단계는, 초점거리 별로, 초음파 주파수에 대한 순차적인 동심원 영역 각각의 반경을 연산하여 데이터베이스화하여 저장하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제4목적은, 음향렌즈를 제작하는 방법에 있어서, 중심부에 원판형의 돌출부를 갖고, 상기 돌출부에서 반경방향으로 순차적으로 동심원 형상의 오목부와 볼록부가 교차 형성되는 금형을 제작하는 단계; 상기 금형 내로 음파를 투과시키는 투과물질을 충진시키는 단계; 상기 금형 상부로 캡을 결합하여 충진된 상기 투과물질을 밀폐시키는 단계; 상기 투과물질을 경화시키는 단계; 및 상기 캡을 제거하고, 경화된 투과물질을 탈착하여 음향렌즈를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 제작방법으로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 금형의 최외곽단은 상기 볼록부보다 높이가 큰 경계단으로 구성되고, 상기 캡은 상기 경계단에 결합되며, 상기 투과물질은 상기 캡과 상기 금형 사이공간으로 충진되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 탈착된 음향렌즈의 오목단에 내로 음파를 차음시키는 차음물질을 충진, 경화시키는 단계를 더 포함하고, 경화된 상기 투과물질은 상기 음향렌즈의 투과영역들을 구성하고, 경화된 상기 차음물질은 상기 음향렌즈의 차음영역들을 구성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제5목적은, 초음파 트랜스듀서의 제작방법에 있어서, 앞서 언급한 제4목적에 따라 음향렌즈를 제작하는 단계; 및 상기 음향렌즈를 초음파를 가진시키는 초음파 가진기에 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈가 적용된 집속 초음파 트랜스듀서의 제작방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 원판형 형태를 가지게 되므로 두께가 얇아 경량화, 소형화가 가능하고, 종래와 대비하여 치수한계로부터 자유롭고 집속구현이 용이한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 초점거리에서 집속이 용이한, 음향렌즈 내의 투과영역과 차음영역이 교차되는 다수의 동심원 영역 각각의 반경 치수를 신속하고 효율적으로 설계할 수 있는 장점을 갖는다.

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 일실시예를 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 본 발명의 일실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 평면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 단면도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 집속원리를 설명한 모식도,
도 5는 본 발명의 일실시예인 음향렌즈 설계방법에 따른 주파수별 동심원 영역 개수에 대한 초점거리 그래프,
도 6은 본 발명의 일실시예인 음향렌즈 설계방법에 따른 주파수별 동심원 영역 개수에 대한 음향렌즈의 반경 그래프,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 음향렌즈의 설계방법의 흐름도,
도 8은 본 발명의 일실시예인 음향렌즈 설계방법에 따른 초점거리가 30mm일 때, 주파수별, 동심원 영역 각각의 반경 수치표,
도 9는 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 1MHz일 때, 반경이 25mm이고, 동심원 개수는 9개로 설계된 음향렌즈의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프,
도 10은 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 1MHz일 때, 반경이 25mm이고, 동심원 개수는 13개로 설계된 음향렌즈의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프,
도 11은 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 1MHz일 때, 반경이 25mm이고, 동심원 개수는 17개로 설계된 음향렌즈의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프,
도 12는 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 1MHz일 때, 반경이 6.25mm이고, 동심원 개수는 7개로 설계된 음향렌즈의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프,
도 13은 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 3MHz일 때, 반경이 25mm이고, 동심원 개수는 9개로 설계된 음향렌즈의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프,
도 14는 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 3MHz일 때, 반경이 25mm이고, 동심원 개수는 13개인 음향렌즈의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프,
도 15는 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 3MHz일 때, 반경이 25mm이고, 동심원 개수는 17개로 설계된 음향렌즈의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프,
도 16은 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 3MHz일 때, 반경이 6.25mm이고, 동심원 개수는 9개인 음향렌즈의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프,
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 음향렌즈의 제작방법의 흐름도,
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 금형의 단면도,
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 투과물질이 충진된 금형의 단면도,
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 금형에 캡이 결합되어 투과물질이 밀폐된 상태의 단면도,
도 21은 본 발명의 일실시예에 따라 캡을 제거하고, 제작된 음향렌즈를 제거하는 상태의 분해 단면도,
도 22는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 음향렌즈를 초음파 가진기에 결합한 집속 트랜스듀서의 단면도를 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 일실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈(20)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈(20)의 평면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈(20)의 단면도를 도시한 것이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈(20)의 집속원리를 설명한 모식도를 도시한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈(20)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 중심점을 기준으로 동심원 형상으로 배치되는 복수의 동심원 영역을 갖고 있음을 알 수 있다.

이러한 다수의 동심원 영역은 중심점부터 반경방향으로, 입사되는 음파를 차음시키는 차음영역(21)과, 음파를 투과시키는 투과영역(22)이 교차되며 형성되게 됨으로 알 수 있다. 이러한 동심원 형상의 다수의 차음영역(21)과 다수의 투과영역(22)이 교차되어 형성됨으로써, 도 4에 도시된 바와 초음파 가진기(10)를 통해 입사되는 초음파를 초점부근에서 집속시키게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈(20)는, 종래와 구면형 음향렌즈와 달리 두께가 일정하며 입사면과 출사면이 모두 평면으로 구성된 향상을 가지게 되므로, 소형화와 경량화가 가능해 진다.

또한, 후에 상세하게 설명되는 바와 같이, 원하는 초점에서 초음파가 효율적으로 집속될 수 있는 동심원 영역 내 복수의 차음영역(21)과 투과영역(22) 각각의 반경 치수는, 설정된 음향렌즈(20)의 초점거리와, 설정된 음파의 주파수로부터 결정되는 전달매질에서의 파장을 기반으로 계산되어 질 수 있다.

또한, 투과영역(22)을 구성하는 투과물질은 유리, 고무 등이 될 수 있으며, 초음파를 투과시킬 수 있는 물질이라면 그 재질에 제한은 없다. 또한, 차음영역(21)을 구성하는 차음물질은 공기 등에 해당하며, 음파의 산란과정을 유도하는 복합재와 음파의 산란과정에서 흡음재의 바탕을 메우는 매트릭스 재료(matrix material)갖는 흡음재로 구성될 수도 있다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈(20)의 설계방법에 대해 설명하도록 한다. 도 5는 본 발명의 일실시예인 음향렌즈(20) 설계방법에 따른 주파수별 동심원 영역 개수에 대한 초점거리 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 6은 본 발명의 일실시예인 음향렌즈(20) 설계방법에 따른 주파수별 동심원 영역 개수에 대한 음향렌즈(20)의 반경 그래프를 도시한 것이다. 또한, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 음향렌즈(20)의 설계방법의 흐름도를 도시한 것이다.

이러한 본 발명의 일실시예에 따른 음향렌즈(20)의 설계방법은, 원하는 초점거리와 초음파 가진기(10)의 주파수에서 최적으로 초점부근에서 초음파를 집속시킬 수 있는 동심원 영역의 개수, 다수의 차음영역(21)과 투과영역(22) 각각의 반경 치수를 설계하게 된다.

먼저, 원하는 초음파 주파수와, 원하는 초점거리를 결정하게 된다(S1). 즉, 원하는 초음파 주파수를 가진시키는 초음파 가진기(10)를 선택하거나 초음파 가진기(10)를 제어하여 원하는 초음파 주파수가 가진되도록 한다. 그리고, 초음파 주파수가 결정되면, 전달매질 내에서의 초음파 파장을 연산하게 된다(S2).

초음파 파장과, 초점거리를 기반으로, 동심원 영역 내 복수의 차음영역(21)과 투과영역(22) 각각의 반경을 연산하게 된다(S3). 동심원 영역 내 복수의 차음영역(21)과 투과영역(22) 각각의 반경은 이하의 수학식 1에 의해 연산되게 된다.

[수학식 1]

m은 중심점으로부터 반경방향까지의 순차적인 상기 동심원영역 인덱스이고, λ는 전달매질에서의 음파 파장이고, F는 음향렌즈(20)의 초점거리이다.

또한, 초점거리와, 음향렌즈(20)의 반경, 전달매질에서의 음파 파장과의 관계는 이하의 수학식 2로 정의될 수 있다.

[수학식 2]

Ra는 음향렌즈(20)의 반경이고, λ는 전달매질에서의 음파 파장이고, m은 음향렌즈(20) 내의 동심원 영역의 개수이다.

또한, 본 발명의 일실시예에서는 데이터베이스를 포함하여, 초점거리 별로, 초음파 주파수에 대한 순차적인 동심원 영역 각각의 반경을 연산하여 데이터베이스화하여 저장하게 되고, 이러한 데이터를 이용하여, 초점거리와, 초음파 주파수를 결정하면, 신속하게 최적의 인덱스 별 동심원 영역 각각의 반경치수(b₁, b₂, b₃...b_m)을 선택할 수 있게 된다.

그리고, 제작된 상기 음향렌즈(20)의 반경을 초음파 가진기(10)의 반경 내에서 결정하면, 동심원 영역의 개수가 결정되게 된다. 이러한 음향렌즈(20)의 반경은 초음파 가진기(10)의 반경 내로 제한되게 된다.

그리고, 동심원 영역의 개수와, 상기 음향렌즈(20)의 반경과, 동심원 영역 내 복수의 차음영역(21)과 투과영역(22) 각각의 반경에 부합되도록 음향렌즈(20)를 제작하게 된다.

도 8은 본 발명의 일실시예인 음향렌즈(20) 설계방법에 따른 초점거리가 30mm일 때, 주파수별, 동심원 영역 각각의 반경 수치표를 도시한 것이다. 이러한 기 연산된 데이터가 데이터베이스에 저장되어, 데이터 값을 읽어들여 신속하게 동심원 영역 각각의 반경치수를 설계할 수 있게 된다.

즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 원하는 초점거리가 30mm이고, 매질 내에서의 속도가 1540m/s일 때, 초음파 주파수가 1.MHz ~ 10MHz 일 때의, 최적의 동심원 영역 각각의 반경치수가 수학식 1에 의해 연산되어 진다.

예를 들어, 초점거리가 30mm이고, 초음파 주파수가 1MHz인 경우, 첫번째, 동심원 영역이 차음영역(21)의 반경은 b1 = 6.8mm이고, 순차적으로 투과영역(22)의 반경은 b2= 9.7, b3 = 12.0mm, b4=13.9mm … b15 = 28.7mm이 됨을 알 수 있다.

그리고, 설계될 음향렌즈(20)의 반경을 예를 들어, 22mm로 할 경우, 1MHz에서 도 8에 도시된 바와 같이, 동심원 영역의 개수는 9개가 되고, 그 9개 각각의 동심원 영역의 반경치수가 결정되게 된다.

따라서, 초점거리가 30mm이고, 초음파 주파수가 1MHz이고, 설계할 음향렌즈(20)의 반경이 22mm일 때, 동심원 영역 9개 각각의 반경이 도 8의 표에서 결정된 반경치수가 되도록 음향렌즈(20)를 제작하게 된다.

도 9는 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 1MHz일 때, 반경이 25mm이고, 동심원 개수는 9개로 설계된 음향렌즈(20)의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프를 도시한 것이다.

그리고, 도 10은 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 1MHz일 때, 반경이 25mm이고, 동심원 개수는 13개로 설계된 음향렌즈(20)의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프를 도시한 것이다.

또한, 도 11은 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 1MHz일 때, 반경이 25mm이고, 동심원 개수는 17개로 설계된 음향렌즈(20)의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프를 도시한 것이다.

그리고, 도 12는 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 1MHz일 때, 반경이 6.25mm이고, 동심원 개수는 7개로 설계된 음향렌즈(20)의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프를 도시한 것이다.

또한, 도 13은 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 3MHz일 때, 반경이 25mm이고, 동심원 개수는 9개로 설계된 음향렌즈(20)의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프를 도시한 것이다.

그리고, 도 14는 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 3MHz일 때, 반경이 25mm이고, 동심원 개수는 13개인 음향렌즈(20)의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프를 도시한 것이다.

또한, 도 15는 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 3MHz일 때, 반경이 25mm이고, 동심원 개수는 17개로 설계된 음향렌즈(20)의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프를 도시한 것이다.

그리고, 도 16은 가진되어 입사되는 초음파 주파수가 3MHz일 때, 반경이 6.25mm이고, 동심원 개수는 9개인 음향렌즈(20)의 평면도, 초점에서의 Z축 단면과, X축 단면, 그리고, z축과 x축에서의 초음파 세기 그래프를 도시한 것이다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 음향렌즈(20)의 제작방법에 대해 설명하도록 한다. 도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 음향렌즈(20)의 제작방법의 흐름도를 도시한 것이다.

먼저, 중심부에 원판형의 돌출부(31)를 갖고, 돌출부(31)에서 반경방향으로 순차적으로 동심원 형상의 오목부(32)와 볼록부(33)가 교차 형성되는 금형(30)을 제작하게 된다(S10). 이러한 돌출부(31), 오목부(32)와 블록부의 반경 수치는 앞서 언급한 본 발명의 일실시예에 따른 설계방법에 따라 설계된 치수와 일치되도록 제작되게 된다. 도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 금형(30)의 단면도를 도시한 것이다.

예를 들어, 원하는 초점거리가 30mm이고, 설계될 음향렌즈(20)의 반경이 11.3mm이고, 초음파 주파수가 3MHz인 경우, 도 8에 도시된 것을 기반으로, 금형(30)의 돌출부(31)의 외반경은 3.9mm, 돌출부(31) 외면에 연결되는 오목부(32) 외반경은 5.6mm, 그 다음 볼록부(33)는 6.8mm, 그 다음 오목부(32)는 7.9mm, 그 다음 볼록부(33)는 8.9, 그 다음 오목부(32)는 9.7mm, 그 다음 볼록부(33)는 10.5mm, 그 다음 오목부(32)는 11.3mm의 수치가 되도록 금형(30)을 제작하게 된다. 그리고 금형(30)의 최외곽단은 볼록부(33)보다 높이가 큰 경계단(34)으로 구성되게 된다.

그리고, 금형(30) 내로 음파를 투과시키는 투과물질(3)을 충진시키게 된다(S20). 도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 투과물질(3)이 충진된 금형(30)의 단면도를 도시한 것이다. 앞서 언급한 바와 같이, 투과물질(3)은 초음파를 투과시킬 수 있는 물질이라면 그 재질은 제한되지 않으며, 고무, 유리 등으로 구성될 수 있다.

그리고, 금형(30) 상부로 캡(35)을 결합하여 충진된 상기 투과물질(3)을 밀폐시키게 된다(S30). 도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 금형(30)에 캡(35)이 결합되어 투과물질(3)이 밀폐된 상태의 단면도를 도시한 것이다. 즉, 도 20에 도시된 바와 같이, 캡(35)은 경계단(34)에 결합되며, 상기 투과물질(3)은 캡(35)과 금형(30) 사이공간으로 충진되어 밀폐되게 된다.

그리고, 투과물질(3)을 고온 투어링하여 경화시키게 된다(S40). 마지막으로, 캡(35)을 제거하고, 경화된 투과물질(3)을 탈착하여 음향렌즈(20)를 제작하게 된다(S50). 도 21은 본 발명의 일실시예에 따라 캡(35)을 제거하고, 제작된 음향렌즈(20)를 제거하는 상태의 분해 단면도를 도시한 것이다.

이러한 형태의 음향렌즈(20)는 도 21에 도시된 바와 같이, 다수의 동심원 형상을 갖는 오목단(23)을 구성하게 되고, 음향렌즈(20)를 초음파 가진기(10)에 결합하게 되면 오목단(23) 내부의 공기 자체가 차음물질에 해당하므로 음향렌즈(20)의 차음영역(21)이 되게 된다. 도 22는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 음향렌즈(20)를 초음파 가진기(10)에 결합한 집속 트랜스듀서(100)의 단면도를 도시한 것이다.

차음영역(21)을 공기가 아닌 흡음제 등의 물질로 구성하고자 하는 경우, 탈착된 음향렌즈(20)의 오목단(23)에 내로 음파를 차음시키는 차음물질, 흡음재를 충진, 경화시키게 된다. 따라서, 경화된 투과물질(3)은 제작된 음향렌즈(20)의 투과영역(22)들을 구성하고, 경화된 차음물질은 제작된 음향렌즈(20)의 차음영역(21)들을 구성하게 된다.

또한, 제작된 음향렌즈(20)의 두께는 차음영역(21)에서 초음파 파장의 크기보다 크고, 투과영역(22)에서 초음파 파장의 크기보다 작게 구성되게 된다.

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
3:투과물질
10:초음파 가진기
20:프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈
21:차음영역
22:투과영역
23:오목단
30:금형
31:돌출부
32:오목부
33:볼록부
34:경계단
35:캡
100:프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈가 적용된 집속 초음파 트랜스듀서

Claims

집속 초음파 트랜스듀서에 적용되는 음향렌즈에 있어서,
중심점을 기준으로 동심원 형상으로 배치되는 복수의 동심원 영역을 갖고,
상기 동심원 영역은 중심점부터 반경방향으로, 입사되는 음파를 차음시키는 차음영역과, 음파를 투과시키는 투과영역이 교차되며 형성되어,
입사되는 음파를 초점부근에서 집속시키는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈.
제 1항에 있어서,
상기 음향렌즈는 양면이 평평한 면으로 구성되며 두께가 일정한 판형태인 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈.
제 2항에 있어서,
상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 투과영역 각각의 반경은,
설정된 음향렌즈의 초점거리와, 설정된 음파의 주파수로부터 결정되는 전달매질에서의 파장을 기반으로 연산되는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈.
제 3항에 있어서,
상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 투과영역 각각의 반경은 이하의 수학식 1에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈:
[수학식 1]

m은 중심점부터 반경방향으로 순차적인 상기 동심원 영역의 인덱스이고, λ는 전달매질에서의 음파 파장이고, F는 음향렌즈의 초점거리이다.
제 4항에 있어서,
상기 음향렌즈의 초점거리는 이하의 수학식 2로 정의되는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈:
[수학식 2]

Ra는 음향렌즈의 반경이고, λ는 전달매질에서의 음파 파장이고, m은 음향렌즈 내의 동심원 영역의 개수이다.
제 5항에 있어서,
상기 투과영역을 구성하는 투과물질은 유리 및 고무 중 적어도 어느 하나이고,
상기 차음영역을 구성하는 차음물질은 공기 또는, 음파의 산란과정을 유도하는 복합재와 음파의 산란과정에서 흡음재의 바탕을 메우는 매트릭스 재료(matrix material)갖는 흡음재인 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈.
제 1항에 있어서,
상기 음향렌즈의 두께는, 차음영역에서 초음파 파장의 크기보다 크고, 투과영역에서 초음파 파장의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈.
초음파 트랜스듀서에 있어서,
초음파를 가진 시키는 초음파 가진기; 및
상기 초음파 가진기로부터 초음파를 입사받고, 입사되는 초음파를 초점부근에서 집속시키는 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 음향렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈가 적용된 집속 초음파 트랜스듀서.
제 8항에 있어서,
상기 초음파 가진기는 압전소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈가 적용된 집속 초음파 트랜스듀서.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 음향렌즈를 설계하는 방법에 있어서,
원하는 초음파 주파수와, 원하는 초점거리를 결정하는 단계;
전달매질 내에서의 초음파 파장을 연산하는 단계;
상기 초음파 파장과, 상기 초점거리를 기반으로, 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 투과영역 각각의 반경을 연산하는 단계;
제작된 상기 음향렌즈의 반경을 초음파 가진기의 반경 내에서 결정하고, 상기 동심원 영역의 개수가 결정되는 단계; 및
상기 동심원 영역의 개수와, 상기 음향렌즈의 반경과, 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 투과영역 각각의 반경에 부합되도록 음향렌즈를 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 설계방법.
제 10항에 있어서,
상기 반경을 연산하는 단계는,
상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 투과영역 각각의 반경은 이하의 수학식 1에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 설계방법:
[수학식 1]

m은 중심점부터 반경방향으로 순차적인 상기 동심원 영역의 인덱스이고, λ는 전달매질에서의 음파 파장이고, F는 음향렌즈의 초점거리이다.
제 11항에 있어서,
상기 반경을 연산하는 단계는,
초점거리 별로, 초음파 주파수에 대한 순차적인 동심원 영역 각각의 반경을 연산하여 데이터베이스화하여 저장하는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 설계방법.
음향렌즈를 제작하는 방법에 있어서,
중심부에 원판형의 돌출부를 갖고, 상기 돌출부에서 반경방향으로 순차적으로 동심원 형상의 오목부와 볼록부가 교차 형성되는 금형을 제작하는 단계;
상기 금형 내로 음파를 투과시키는 투과물질을 충진시키는 단계;
상기 금형 상부로 캡을 결합하여 충진된 상기 투과물질을 밀폐시키는 단계;
상기 투과물질을 경화시키는 단계; 및
상기 캡을 제거하고, 경화된 투과물질을 탈착하여 음향렌즈를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 제작방법.
제 13항에 있어서,
상기 금형의 최외곽단은 상기 볼록부보다 높이가 큰 경계단으로 구성되고,
상기 캡은 상기 경계단에 결합되며, 상기 투과물질은 상기 캡과 상기 금형 사이공간으로 충진되는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 제작방법.
제 14항에 있어서,
탈착된 음향렌즈의 오목단에 내로 음파를 차음시키는 차음물질을 충진, 경화시키는 단계를 더 포함하고,
경화된 상기 투과물질은 상기 음향렌즈의 투과영역들을 구성하고, 경화된 상기 차음물질은 상기 음향렌즈의 차음영역들을 구성하는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈의 제작방법.
초음파 트랜스듀서의 제작방법에 있어서,
제 13항에 따른 제작방법으로 음향렌즈를 제작하는 단계; 및
상기 음향렌즈를 초음파를 가진시키는 초음파 가진기에 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈가 적용된 집속 초음파 트랜스듀서의 제작방법.