KR20200019340A - 향상된 음향 방사 파워를 갖는 개선된 초음파 변환기 - Google Patents

향상된 음향 방사 파워를 갖는 개선된 초음파 변환기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 변환기는 중공의 튜브 형상인 압전재료, 상기 압전재료의 내주면에 배치된 제1 전극 및 상기 압전재료의 외주면에 배치된 제2 전극을 포함하고, 상기 압전재료의 축을 향하여 초음파 펄스를 방사하는 압전소자, 그리고 상기 압전소자와 상기 축 사이에 배치되며, 상기 압전소자로부터 방사된 초음파 펄스를 반사시키는 반사체를 포함하고, 상기 반사체는 상기 압전소자의 내주면 상단으로부터 상기 축을 향하여 경사지도록 배치되며, 상기 반사체는 상기 압전소자가 상기 초음파 펄스를 방사하는 방향에 대하여 평행한 방향과 30 내지 50°의 각도로 경사지도록 배치된다.

Description

향상된 음향 방사 파워를 갖는 개선된 초음파 변환기{IMPROVED ULTRASONIC TRANSDUCER WITH THE ENHANCED ACOUSTIC RADIATION POWER}
본 발명은 초음파 변환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전소자를 포함하는 초음파 변환기에 관한 것이다.
초음파 변환기는 전기 에너지를 역학 에너지로 변환하는 장치이며, 의료 장치, 세정 장치, 각종 설비진단 장치 등에 다양하게 적용될 수 있다.
일반적으로, 초음파 변환기는 자기장(magnetic field)를 이용하거나, 전기장을 이용하거나, 압전(piezoelectric) 소자를 이용할 수 있다. 이들 중 압전 소자를 이용하는 초음파 변환기는 초음파 대역과 같은 높은 주파수 대역에서도 소형화에 비교적 유리하고 내구성이 뛰어난 장점이 있다.
압전 효과는 역학적인 진동이 가해졌을 때 결정체(crystal)에 전위차가 발생하거나, 결정체에 전기장을 걸어주었을 때 역학적인 진동이 발생하는 현상을 의미한다. 이에 따라, 압전 소자를 이용하는 초음파 변환기는 전기장이 인가된 압전 소자에서 발생되는 진동에 의하여 초음파를 발전시키게 된다.
도 1은 압전 소자를 이용하는 초음파 변환기의 한 예의 일부 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 압전재료(10)의 양면에 제1 전극(12) 및 제2 전극(14)이 배치되며, 제1 전극(12)의 한면에는 소정의 저항(Ω fill )을 가지는 물질로 충전된 후면층(16)이 배치될 수 있다. 이때, 압전재료(10)는 평판 형태일 수 있으며, 초음파는 제1 전극(12)으로부터 제2 전극(14)을 향하는 방향으로 출력될 수 있다.
여기서, 평판 형태의 압전재료(10)로는 출력 크기가 제한되는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 음향 파워가 개선된 압전소자를 포함하는 초음파 변환기를 제공하는데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 변환기는 중공의 튜브 형상인 압전재료, 상기 압전재료의 내주면에 배치된 제1 전극 및 상기 압전재료의 외주면에 배치된 제2 전극을 포함하고, 상기 압전재료의 축을 향하여 초음파 펄스를 방사하는 압전소자, 그리고 상기 압전소자와 상기 축 사이에 배치되며, 상기 압전소자로부터 방사된 초음파 펄스를 반사시키는 반사체를 포함하고, 상기 반사체는 상기 압전소자의 내주면 상단으로부터 상기 축을 향하여 경사지도록 배치되며, 상기 반사체는 상기 압전소자가 상기 초음파 펄스를 방사하는 방향에 대하여 평행한 방향과 30 내지 50°의 각도로 경사지도록 배치된다.
상기 반사체는 상기 압전소자가 상기 초음파 펄스를 방사하는 방향에 대하여 평행한 방향과 35 내지 45°의 각도로 경사지도록 배치될 수 있다.
상기 반사체는 상기 축의 상단으로부터 상기 축의 하단으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상일 수 있다.
상기 반사체는 고깔 형상일 수 있다.
상기 반사체는 은, 납, 황동, 구리, 철 및 이들의 적어도 일부를 포함하는 합금으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 반사체는 은 또는 납으로 이루어질 수 있다.
상기 압전소자의 내주면 간 거리는 가진주파수의 반 파장의 짝수 배의 0.9 내지 1.1배일 수 있다.
상기 압전소자의 내주면 간 거리는 가진주파수의 반 파장의 20 내지 30배의 0.9 내지 1.1배일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 음향 파워가 개선된 압전 소자를 이용하는 초음파 변환기를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 상기 반사체의 형상 변경에 따라 방사되는 초음파의 파면을 제어할 수 있다.
도 1은 압전 소자를 이용하는 초음파 변환기의 한 예의 일부 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 변환기의 일부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 변환기의 사시도이다.
도 4 내지 도 11은 압전소자의 지름에 따른 음향 인텐시티를 설명하는 도면이다.
도 12는 도 1 및 도 2의 초음파 변환기에 대한 음압 및 방사파워를 비교한 결과이다.
도 13은 반사체의 재질에 따른 초음파 방사파워를 측정한 결과이다.
도 14는 반사체의 각도에 따른 초음파 방사파워를 측정한 결과이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 변환기의 일부 단면도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 변환기의 사시도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 2에서 초음파 변환기의 일부, 즉 축을 기준으로 우측 절반만을 도시하고 있으며, 축을 기준으로 우측 절반에 대칭하는 좌측 절반이 생략되어 있다.
도 2 내지 3을 참조하면, 초음파 변환기(100)는 압전소자(110)를 포함한다.
압전소자(110)는 중공의 튜브 형상인 압전재료(112), 압전재료(112)의 내주면에 배치된 제1 전극(114) 및 압전재료(112)의 외주면에 배치된 제2 전극(116)을 포함한다.
여기서, 압전재료(112)는 PbZrTiO3, PbLaZrTiO3, BaTiO3, PbTiO3, PMN-PT 및 PIN-PMN-PT와 같은 PZT 물질, ZnO, AlN, 및 단결정 물질 중 적어도 하나일 수 있다. 예를 들어, 압전재료(112)는 표 1의 특성 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
Coupling factors ×10-2 kp 58
k31 34
k33 70
kt 48
k15 70
Frequency constants. m·Hz Np 2230
N31 1620
N33 1540
Nt 2090
N15 960
Dielectric constants. ε11T/ ε0 1590
ε33T/ ε0 1470
Piezoelectric charge constants. ×10-12 m/V(C/N) d31 -135
d33 310
d15 510
Piezoelectric voltage constants. ×10-3V·m/N(m2/C) g31 -10.2
g33 23.4
g15 36.4
Yungs mdulus. ×1010N/m2 Y11 E=1/s11 E 8.2
Y33 E=1/s33 E 6.6
Y55 E=1/s55 E 2.6
Poisson's ratio. σ 0.29
Mechanical Q Qm 2500
Dissipation factor. % tanδ 0.30
Curie point. ℃ Tc 315
Density. ×103kg/m3 ρ 7.8
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 전극(114) 및 제2 전극(116)에 전압이 인가되면, 중공의 튜브 형상인 압전재료(112)의 축(Z)을 향하여 초음파 펄스가 방사될 수 있다. 이와 같이, 압전재료(112)가 중공의 튜브 형상인 경우, 평판 디스크 형상인 경우에 비하여 초음파 펄스를 방사하는 면적이 늘어날 수 있다.
여기서, 압전소자(110)의 내주면 간 거리(Dring), 즉 중공의 튜브 형상의 압전소자(110)의 지름은 가진주파수의 반 파장(λ/2)의 짝수 배 내지 홀수 배일 수 있다. 압전소자(110)의 내주면 간 거리(Dring)와 가진주파수의 반 파장이 이와 같은 관계를 가질 때, 축(Z)을 중심으로 하는 소정 영역에서 높은 음향 인텐시티를 얻을 수 있다. 예를 들어, 가진주파수가 400 kHz인 경우, 압전소자(110)의 내주면 간 거리(Dring)가 20 내지 50 mm인 범위 내에서는 압전소자(110)의 내주면 간 거리(Dring)가 약 42.5 mm일 때 가장 높은 음향 인텐시티를 가질 수 있고, 압전소자(110)의 내주면 간 거리(Dring)가 50 mm를 초과하는 범위 내에서는 압전소자(110)의 내주면 간 거리(Dring)가 약 65 mm일 때 가장 높은 음향 인텐시티를 가질 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환기(100)는 압전소자(110)와 축(Z) 사이에 배치되는 반사체(120)를 더 포함할 수 있다. 압전소자(110)의 제2 전극(116)으로부터 제1 전극(114)을 향하는 방향으로 방사되는 초음파 펄스는 반사체(120)로부터 반사된 후, 초음파 출력 방향, 즉 중공의 튜브 형상인 압전재료(112)의 아래 방향으로 출력될 수 있다.
이때, 반사체(120)는 압전소자(110)가 초음파 펄스를 방사하는 방향에 대하여 평행한 방향과 30 내지 50°, 바람직하게는 35 내지 45°의 각도(θ)로 경사지도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 압전소자(110)로부터 방사된 초음파 펄스는 초음파의 출력 방향으로 집속되어 음향 파워를 높일 수 있다. 도 2의 압전소자(110)는 PDMS(polydimethylsiloxane) 계열의 접착제로 초음파 변환기의 본체에 부착될 수 있으며, 이는 수치적으로 roller 경계조건으로 모사될 수 있다. 여기서 roller 경계조건이란, 압전소자(110)와 초음파 변환기 본체의 부착부분에서 압전소자(110)의 축(Z)방향으로의 변형을 일정부분 허용하는 조건을 의미한다. 또한, 반사체(120)는 초음파 펄스에 가능한 한 변형이 발생되지 않도록 완전 결합되어야 하며, 이는 fixed 경계조건으로 모사될 수 있다. 여기서 fixed 경계조건이란, 반사체(120)와 초음파 변환기 본체의 부착부분에서 반사체(120)의 축(Z) 및 반지름(r) 방향으로의 변형을 완전히 구속하는 것을 의미한다.
이때, 반사체(120)는 축(Z)의 상단으로부터 축(Z)의 하단으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상(W1>W2), 예를 들어 고깔 형상일 수 있으며, 은, 납, 황동, 구리, 철 및 이들의 적어도 일부를 포함하는 합금으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 반사체(120)의 적어도 일부는 곡면을 포함할 수 있다. 곡면의 형상, 곡률, 곡면의 돌출 방향에 따라 음파의 파면이 제어될 수 있다. 특히, 반사체(120)의 적어도 일부가 압전소자(110)를 향하여 돌출된 곡면을 포함하는 경우, 초음파의 출력 방향으로 음향 파워를 높일 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 이용하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다.
도 4 내지 도 11은 압전소자의 지름에 따른 음향 인텐시티를 설명하는 도면이다.
도 4와 같이, 가진주파수 400 kHz 에서 중공의 튜브 형상인 압전소자의 지름(Dring)을 변화시켜가며 초음파의 출력 방향으로의 음향 인텐시티 및 음압을 측정하였다. 설명의 편의를 위하여 초음파 변환기의 일부만을 도시하고 있으나, 압전소자는 축(Z)에 대하여 대칭으로 배치되며, 압전소자의 내주면 내부인 내부 영역(inner domain) 및 압전소자의 외주면 외부인 외부 영역(outer domain)은 물(water)로 채웠다. 본 명세서에서, 압전소자의 지름(Dring)은 중공의 튜브 형상의 압전소자에서 내주면 간의 거리를 의미할 수 있다. 압전소자는 표 1에서 설명한 C-213을 사용하였으며, 압전소자와 외부 영역은 외부 경계로부터 반사되는 음파를 최소화하는 PML(perfectly matched layer)로 둘러싸이는 환경을 가정하였다. 여기서, 압전소자의 두께 tp는 400 kHz의 두께 모드를 가진하기 위한5.225mm를 예로 들었으며, 설명의 편의를 위하여 반사체를 생략하여 도시하고 있으나, 도 2 내지 3에서 설명한 반사체를 포함하는 초음파 변환기에 적용될 수 있다.
도 5는 압전소자의 Dring을 변화시킬 때의 음향 인텐시티(acoustic intensity, mW)를 나타내고, 도 6은 압전소자의 Dring을 변화시킬 때에, 도 4에서 정의된 각각의 중심영역 (Center domain), 내부영역 (Inner domain), 외부영역 (Outer domain)에서의 정규화된 평균 음향 인텐시티를 나타내는 그래프이다.
도 5(a) 는 압전소자의 Dring이 20 mm일 때, 도 5(b) 는 압전소자의 Dring이 30 mm일 때, 도 5(c) 는 압전소자의 Dring이 40 mm일 때, 도 5(d) 는 압전소자의 Dring이 50 mm일 때, 도 5(e) 는 압전소자의 Dring이 60 mm일 때, 도 5(f) 는 압전소자의 Dring이 70 mm일 때의 결과이다.
도 5 내지 6을 참조하면, 압전소자의 Dring이 20 내지 50 mm인 범위 내에서는 압전소자의 Dring이 약 42.5 mm일 때 가장 높은 음향 인텐시티를 가질 수 있고, 압전소자의 Dring이 50 mm를 초과하는 범위 내에서는 압전소자의 Dring이 약 65 mm일 때 가장 높은 음향 인텐시티를 가질 수 있다. 특히, 도 6을 보면, 압전소자의 Dring이 증가함에 따라 음향 인텐시티가 수렴하지 않고, 아래 위로 변동하는 것을 확인할 수 있다. 즉 압전소자의 Dring과 음향 인텐시티 사이에 특정한 상관관계성이 있음을 알 수 있다.
압전소자의 Dring과 음향 인텐시티 간의 상관관계 및 압전소자의 최적의 Dring의 범위를 도출하기 위하여, 가진주파수의 반 파장과 압전소자의 Dring 간의 비율 별로 음향 인텐시티를 측정하였다.
도 7은 압전소자의 Dring이 가진주파수의 반 파장의 홀수 배인 경우 음향 인텐시티(acoustic intensity, mW)를 나타내고, 도 8 은 압전소자의 Dring이 가진주파수의 반 파장의 홀수 배인 경우 도 4의 각각 영역에서의 정규화된(normalized) 평균 음향 인텐시티를 나타내는 그래프이다. 도 9 는 압전소자의 Dring이 가진주파수의 반 파장의 짝수 배인 경우 음향 인텐시티를 나타내고, 도 10 은 압전소자의 Dring이 가진주파수의 반 파장의 짝수 배인 경우 도 4의 각각 영역에서의 정규화된(normalized) 평균 음향 인텐시티를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 8 (즉, 압전소자의 Dring이 가진주파수의 반 파장의 홀수 배) 및 도 10 (즉, 압전소자의 Dring이 가진주파수의 반 파장의 짝수 배)에서 중심영역 (Center domain)에 해당하는 음향 인텐시티를 함께 나타낸 그래프이다. 도 11을 통해, 압전소자의 Dring과 가진주파수의 반 파장 간의 관계가 더욱 명확히 관찰된다.
도 7 내지 11을 참조하면, 압전소자의 Dring이 가진주파수의 반 파장의 홀수 배인 경우에 비하여 짝수 배인 경우 음향 인텐시티가 전반적으로 높게 나타남을 알 수 있다. 또한, 압전소자의 내부 영역에서의 음향 인텐시티의 분포를 보면, Dring이 가진주파수의 반 파장의 짝수 배인 경우에 더 고른 형태를 가지고 있음을 알 수 있다. 특히, 압전소자의 Dring 이 가진주파수의 반 파장의 약 20 내지 30배 이내의 짝수 배 (즉, 20, 22,?, 28, 30배)에 해당하는 경우, 높은 음향 인텐시티가 발생되며 이는 압전소자의 크기 및 제작관점에서 최적의 범위라는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 압전소자의 Dring은 가진주파수의 반 파장의 짝수 배의 0.9 내지 1.1배, 바람직하게는 0.95 내지 1.05배, 더욱 바람직하게는 0.99 내지 1.01배일 수 있다. 특히, 압전소자의 Dring은 가진주파수의 반 파장의 20 내지 30배 이내의 짝수 배의 0.9 내지 1.1배, 바람직하게는 0.95 내지 1.05배, 더욱 바람직하게는 0.99 내지 1.01배일 수 있다. 한편, 압전소자의 Dring 이 이 범위를 넘어서게 되면, 압전소자의 두께모드 외의 구조적 공진에 의한 연성효과로 인해 효율적인 가진이 어렵고, 많은 제작 비용이 요구된다.
다음으로, 반사체의 유/무가 초음파 출력 방향의 음향 방사파워에 미치는 영향을 시뮬레이션한 결과를 설명한다.
도 12 는 반사체의 유무에 따른 초음파 방사를 측정한 결과이다. 여기서, 압전소자는 표 1에서 설명한 C-213을 사용하였으며, 압전소자와 외부 영역은 외부 경계로부터 반사되는 음파를 최소화하는 PML(perfectly matched layer)로 둘러싸이는 환경을 가정하였다. 제1 전극에 0V의 전압이 인가되고, 제2 전극에 100V의 전압이 인가되며, 압전소자의 두께(tp)는 5.225 mm이고, 지름(Dring)은 가진주파수의 반 파장의 28배에 해당하는 51.87 mm, 가진주파수는 400 kHz이며, 파장은 3.705 mm인 조건으로 시뮬레이션하였다.
도 12(a)에서는 본 발명의 실시예와 같이 중공의 튜브 형상인 압전소자를 이용하되, 압전소자의 축과 압전소자의 내주면 사이에 반사체가 배치되었다. 여기서, 반사체는 은(silver) 재질로 이루어지며, 압전소자가 초음파 펄스를 방사하는 방향에 대하여 평행한 방향과 45°의 각도로 경사지도록 배치되었다. 도 12(b)에서는 평판 디스크 형상의 압전소자를 이용하였다.
압전소자가 평판 디스크 형상인 도 12(b)에서는 42.1 W의 음향 방사파워가 측정되었으나, 본 발명의 실시예와 같이 중공의 튜브 형상인 압전소자를 이용하되, 압전소자의 축과 압전소자의 내주면 사이에 반사체가 배치된 도 12(a)에서는 79.8 W의 음향 방사파워가 측정되었다.
이로부터, 본 발명의 실시예에 따르면, 초음파 출력 방향으로 높은 음향 파워를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
다음으로, 반사체의 재질이 음향 방사파워에 미치는 영향을 시뮬레이션한 결과를 설명한다.
도 13은 반사체의 재질에 따른 초음파 방사파워를 측정한 결과이다. 여기서, 압전소자는 표 1에서 설명한 C-213을 사용하였으며, 압전소자와 외부 영역은 외부 경계로부터 반사되는 음파를 최소화하는 PML(perfectly matched layer)로 둘러싸이는 환경을 가정하였다. 제1 전극에 0V의 전압이 인가되고, 제2 전극에 100V의 전압이 인가되며, 압전소자의 두께(tp)는 5.225mm이고, 지름(Dring)은 가진주파수의 반 파장의 28배에 해당하는 51.87 mm, 가진주파수는 400 kHz이며, 파장은 3.705mm인 조건으로 시뮬레이션하였다.
도 13(a)에서 반사체의 재질은 은(silver)으로 이루어졌고, 도 13(b)에서 반사체의 재질은 납(lead)으로 이루어졌으며, 도 13(c)에서 반사체의 재질은 황동(brass)으로 이루어졌고, 도 13(d)에서 반사체의 재질은 구리(copper) 로 이루어졌으며, 도 13(e)에서 반사체의 재질은 철(iron)로 이루어졌다. 도 13(a)에서 초음파 출력 방향으로 79.8 W의 음향 파워가 측정되었고, 도 13(b)에서 초음파 출력 방향으로 77.3 W의 음향 파워가 측정되었으며, 도 17(c)에서 초음파 출력 방향으로 74.8 W의 음향 파워가 측정되었고, 도 13(d)에서 초음파 출력 방향으로 73.2 W의 음향 파워가 측정되었으며, 도 13(e)에서 초음파 출력 방향으로 72.8 W의 음향 파워가 측정되었다.
이와 같이, 반사체가 은, 납, 황동, 구리, 철 및 이들의 적어도 일부를 포함하는 합금으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 경우, 초음파 출력 방향으로 70 W 이상의 음향 방사파워를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 특히, 반사체가 은 또는 납을 포함하는 경우, 초음파 출력 방향으로 77 W 이상의 높은 음향 방사파워를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
다음으로, 반사체의 각도가 음향 파워에 미치는 영향을 시뮬레이션한 결과를 설명한다.
도 14 는 반사체의 각도에 따른 초음파 방사를 측정한 결과이다. 여기서, 압전소자는 표 1에서 설명한 C-213을 사용하였으며, 압전소자와 외부 영역은 외부 경계로부터 반사되는 음파를 최소화하는 PML(perfectly matched layer)로 둘러싸이는 환경을 가정하였다. 제1 전극에 0V의 전압이 인가되고, 제2 전극에 100V의 전압이 인가되며, 압전소자의 두께(tp)는 5.225mm이고, 지름(Dring)은 가진주파수의 반 파장의 28배에 해당하는 51.87 mm, 가진주파수는 400 kHz이며, 파장은 3.705mm인 조건으로 시뮬레이션하였다. 반사체의 재질은 은(silver)으로 이루어졌다.
도 14(a)에서 반사체는 압전소자가 초음파 펄스를 방사하는 방향에 대하여 평행한 방향과 30°의 각도를 가지도록 배치되었고, 도 14(b)에서 반사체는 압전소자가 초음파 펄스를 방사하는 방향에 대하여 평행한 방향과 40°의 각도를 가지도록 배치되었으며, 도 14(c)에서 반사체는 압전소자가 초음파 펄스를 방사하는 방향에 대하여 평행한 방향과 45°의 각도를 가지도록 배치되었고, 도 14(d)에서 반사체는 압전소자가 초음파 펄스를 방사하는 방향에 대하여 평행한 방향과 50°의 각도를 가지도록 배치되었고, 도 14(e)에서 반사체는 압전소자가 초음파 펄스를 방사하는 방향에 대하여 평행한 방향과 60°의 각도를 가지도록 배치되었다.
도 14(a)에서 초음파 출력 방향으로 67.8 W의 음향 방사파워가 측정되었고, 도 14(b)에서 초음파 출력 방향으로 80.2 W의 음향 파워가 측정되었으며, 도 14(c)에서 초음파 출력 방향으로 79.8 W의 음향 파워가 측정되었고, 도 14(d)에서 초음파 출력 방향으로 74.9 W의 음향 파워가 측정되었으며, 도 14(e)에서 초음파 출력 방향으로 40.9 W의 음향 파워가 측정되었다.
이와 같이, 반사체가 압전소자가 초음파 펄스를 방사하는 방향에 대하여 평행한 방향과 30 내지 50°의 각도, 바람직하게는 35 내지 45°의 각도로 경사지도록 배치되면, 초음파 출력 방향으로 높은 음향 파워를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 중공의 튜브 형상인 압전재료, 상기 압전재료의 내주면에 배치된 제1 전극 및 상기 압전재료의 외주면에 배치된 제2 전극을 포함하고, 상기 압전재료의 축을 향하여 초음파 펄스를 방사하는 압전소자, 그리고
    상기 압전소자와 상기 축 사이에 배치되며, 상기 압전소자로부터 방사된 초음파 펄스를 반사시키는 반사체를 포함하고,
    상기 반사체는 상기 압전소자의 내주면 상단으로부터 상기 축을 향하여 경사지도록 배치되며,
    상기 반사체는 상기 압전소자가 상기 초음파 펄스를 방사하는 방향에 대하여 평행한 방향과 30 내지 50°의 각도로 경사지도록 배치되는 초음파 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사체는 상기 압전소자가 상기 초음파 펄스를 방사하는 방향에 대하여 평행한 방향과 35 내지 45°의 각도로 경사지도록 배치되는 초음파 변환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사체는 상기 축의 상단으로부터 상기 축의 하단으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상인 초음파 변환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반사체는 고깔 형상인 초음파 변환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반사체는 은, 납, 황동, 구리, 철 및 이들의 적어도 일부를 포함하는 합금으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 초음파 변환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사체는 은 또는 납으로 이루어진 초음파 변환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자의 내주면 간 거리는 가진주파수의 반 파장의 짝수 배의 0.9 내지 1.1배인 초음파 변환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압전소자의 내주면 간 거리는 가진주파수의 반 파장의 20 내지 30배의 0.9 내지 1.1배인 초음파 변환기.
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JPH05184575A (ja) * 1992-01-16 1993-07-27 Fujitsu Ltd 超音波探触子
JP3455585B2 (ja) * 1994-06-07 2003-10-14 日本無線株式会社 空中用超音波振動子

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