KR20220072264A - 초음파 기기용 혼 및 이를 이용한 공진주파수 보정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 기기용 혼은 간단한 구성을 통하여, 공진주파수를 쉽게 보정할 수 있는 초음파 기기용 혼에 관한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 기기용 혼은, 기본 혼(basic horn), 상기 기본 혼의 출력면에 부착되는 보정 혼(calibration horn), 그리고 상기 보정 혼을 상기 기본 혼에 결합시키는 질량보정나사를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 기기용 혼 및 이를 이용한 공진주파수 보정 방법{Horn for ultrasonic wave device and calibration method using thereof}

본 발명은 초음파 기기용 혼(horn) 및 이를 이용한 공진주파수 보정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 간단한 구성을 통하여, 공진주파수를 쉽게 보정할 수 있는 초음파 기기용 혼에 관한 것이다.

초음파는 20kHz 이상의 고주파로서, 용접, 세정, 측정 및 검사 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 초음파 기기는 일반적으로 주요 구성요소로서, 초음파 발진기(generator, power supply)(1), 초음파 진동자(transducer, converter)(2), 부스터(booster)(3) 및 혼(horn)(4)을 포함한다.

초음파 발진기(1)는 예컨대, 60Hz의 AC 전류를 20kHz 이상의 고주파 전류로 변환시켜 초음파 진동자(2)에 공급한다. 초음파 진동자(2)는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 역할을 한다.

초음파 진동자(2)의 출력단에서 발생하는 초음파 진폭은 5~15 ㎛으로 매우 작기 때문에 진폭을 증가시킬 필요가 있으며, 이를 위해 초음파 진동자(2)의 출력단에 부스터(3)와 혼(3)을 차례로 부착시킨다. 부스터(3)는 초음파 진동자(2)와 혼(3) 사이에 위치하며 초음파 진동자(2)의 진폭을 소정의 진폭으로 증폭시킨다. 그리고 혼(3)은 부스터(3)의 출력단에 장착되어, 마찬가지로 부스터(3)의 진폭을 소정의 진폭으로 증폭시킨다.

한편, 사용자는 공정에 필요한 진폭, 진동 모드 등을 고려하여 혼을 적절하게 설계하여 사용하고 있는데, 이러한 혼은 단차형(stepped) 및 원추형(tapered) 등이 사용되고 있다.

그런데 혼의 설계시 원하는 공진 주파수와 증폭비를 얻기 위하여 혼의 길이와 형상을 결정하게 되는데, 혼의 공진 주파수는 동일한 형상에서도 재료의 물성치와 가공 편차, 매질의 음파 전달 속도에 따라 차이가 발생하기 때문에 가공된 혼은 원하는 주파수에서 공진이 발생하는지를 실험을 통해 확인하고 필요한 경우에 수정 가공을 반복하여 수행하는 실정이다. 이러한 추가 가공에 대비하여 혼의 길이에 2~3 mm의 여유를 주고 있다. 따라서, 혼 설계에 시간이 많이 소요되고 이로 인한 공정 비용의 상승을 가져오는 문제점이 있었다.

한국특허공개 제2018-0088730호 (2018.08.06)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 가공된 혼에 대해 번거로운 수정 가공을 할 필요 없이, 원하는 공진 주파수를 발생시키는 혼을 간단하게 제공할 수 있는 초음파 기기용 혼 및 이를 이용한 공진주파수 보정방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 기기용 혼은 초음파 기기용 혼의 공진주파수를 미세 조정할 수 있는 혼으로서, 기본 혼(basic horn), 상기 기본 혼의 출력면에 부착되는 보정 혼(calibration horn), 그리고 상기 보정 혼을 상기 기본 혼에 결합시키는 질량보정나사를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보정 혼은 서로 다른 질량을 가지는 복수 개의 보정 혼을 포함하고, 상기 질량보정나사는 서로 다른 질량을 가지는 복수 개의 질량보정나사를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기본 혼은 길이방향으로 관통된 제1 관통구멍을 구비하고, 상기 제1 관통구멍의 양단에는 암나사가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 서로 맞닿은 상기 기본 혼의 출력면과 상기 보정 혼의 입력면의 직경은 동일한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보정 혼은 상기 제1 관통구멍과 연결되어 통하는 제2 관통구멍을 구비하며, 상기 제2 관통구멍에는 암나사가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보정 혼과 상기 질량보정나사 사이에는 정밀보정을 위한 미세보정스페이서가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 기기용 혼은 초음파 기기용 혼의 공진주파수를 미세 조정할 수 있는 혼으로서, 기본 혼(basic horn), 그리고 상기 기본 혼에 결합시키는 질량보정나사를 포함하며, 상기 질량보정나사는 서로 다른 길이를 가지는 복수 개의 질량보정나사를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상술한 초음파 기기용 혼을 사용하여 상기 혼의 공진주파수를 보정하는 방법은, 상기 초음파 기기용 혼의 공진 주파수가 목표 주파수와 상이한 경우, 상기 질량보정나사만을 사용하거나, 상기 미세보정스페이서 및 상기 질량보정나사를 함께 사용하여 상기 초음파 기기용 혼의 공진 주파수를 보정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 초음파 기기용 혼의 공진 주파수가 목표 주파수보다 클 경우, 상기 보정 혼과 상기 질량보정나사 사이에 상기 미세보정스페이서를 배치하거나, 장착된 상기 질량보정나사보다 무거운 질량보정나사로 교체 장착하여 보정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 초음파 기기용 혼의 공진 주파수가 목표 주파수보다 작을 경우, 장착된 상기 질량보정나사보다 가벼운 상기 복수 개의 질량보정나사 중 어느 하나로 교체 장착하여 보정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 초음파 기기용 혼의 공진 주파수가 목표 주파수보다 클 경우, 상기 기본 혼과 상기 질량보정나사 사이에 상기 미세보정스페이서를 배치하거나, 장착된 상기 질량보정나사보다 무거운 상기 복수 개의 질량보정나사 중 어느 하나로 교체 장착하여 보정하는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 초음파 기기용 혼 및 이를 이용한 공진주파수 보정방법은 다음과 같은 효과를 가진다.

혼의 공진 주파수를 조정하기 위하여, 종래처럼 혼을 일일이 기계 가공하여 반복 수정할 필요 없이, 복수 개의 질량보정나사 중에 적절히 선택하여 교체 장착함으로써 혼의 공진 주파수를 효과적으로 미세 조절할 수 있다.

또한, 혼의 사용 중, 혼의 말단부의 부식 등이 발생할 경우, 단순히 보정 혼을 교체하면 되고, 기본 혼은 상대적으로 오랜 시간 운용이 가능하여 비용 절감을 달성할 수 있다.

한편, 본 발명은 명시적으로 기재되지는 않았지만 상술한 구성으로부터 기대할 수 있는 다른 효과도 물론 포함한다.

도 1은 기존의 혼을 구비하는 초음파 기기의 모식도이고, 그 구성요소들로부터 발생하는 초음파의 파장을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 기기용 혼의 모식도이다.
도 3은 도 2의 혼의 변형예이다.
도 4는 도 2의 혼의 다른 변형예이다.
도 5는 도 2의 혼에 선택적으로 장착되는 복수 개의 보정 혼을 나타낸다.
도 6은 도 2의 혼에 선택적으로 장착되는 복수 개의 질량보정나사를 나타낸다.
도 7은 도 2의 혼에서 미세보정스페이서가 장착된 모습을 나타낸다.
도 8은 도 2의 혼을 원추형 혼과 서로 연결하여 구성한 1파장(1λ) 타입의 혼을 나타낸다.
도 9는 도 2의 혼을 단차형 혼과 서로 연결하여 구성한 1파장(1λ) 타입의 혼을 나타낸다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

참고로, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 기기용 혼의 모식도고, 도 3은 도 2의 혼의 변형예이고, 도 4는 도 2의 혼의 다른 변형예이고, 도 5는 도 2의 혼에 선택적으로 장착되는 복수 개의 보정 혼을 나타내고, 도 6은 도 2의 혼에 선택적으로 장착되는 복수 개의 질량보정나사를 나타내고, 도 7은 도 2의 혼에서 미세보정스페이서가 장착된 모습을 나타낸다.

본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 기기용 혼(이하, 간단히 본 '초음파 기기용 혼'이라 한다)에 대하여 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 초음파 기기용 혼은 주요 구성으로, 기본 혼(basic horn)(5), 보정 혼(calibration horn)(6), 그리고 질량보정나사(7)를 포함한다.

기본 혼(5)은 부스터의 출력단에 장착되어, 부스터의 진폭을 소정의 진폭으로 증폭시키게 되는데, 도 2에는 스텝 혼(stepped horn)이, 도 3에는 원추형 혼(conical horn)이 각각 예시적으로 도시되어 있다.

본 실시예에서 기본 혼(5)의 외관은 기존의 혼과 유사하나, 기본 혼(5)은 길이방향으로 관통된 제1 관통구멍(51)을 구비하고, 제1 관통구멍(51)의 양단에 암나사(511)가 형성되어 있다. 예를 들면, 기본 혼(5)은 22 kHz 내지 30 kHz의 주파수를 커버할 수 있다.

제1 관통구멍(51)의 양단의 암나사(511)에는 질량보정나사(7) 또는 체결볼트(9)가 선택적으로 체결될 수 있다. 참고로 도 8은 좌측의 스텝 혼(52)과 우측의 원추형 혼(53)을 체결볼트(9)로 서로 연결하고, 우측의 원추형 혼(53)의 출력단에 보정 혼(6)을 연결한 후, 질량보정나사(7)로 서로 고정하여 구성한 기본 혼(5)을 나타낸다. 물론, 이러한 방식으로 다수의 스텝 혼 또는 원추형 혼을 서로 연결하여 혼을 구성할 수도 있다. 또한, 도 9는 좌측의 스텝 혼(52)과 우측의 스텝 혼(54)을 상술한 방식으로 연결하여 구성된 혼을 나타낸다.

기존의 혼은 초음파 기기의 운용시 예컨대, 물속에 그 말단부가 위치한 상태에서 운용되는데, 이 경우 그 말단부는 부식 등의 문제로 인해 티타늄, 스테인리스 스틸 등으로 제작된다. 그런데 이 경우 그 무게로 인해 초음파 발진기에 무리를 주는 경우가 종종 있었다. 그러나 본 실시예에서는 기본 혼(5)의 출력면에 보정 혼(6)이 연결되어 있어, 보정 혼(6)의 재질을 티타늄, 스테인리스 스틸로 구성하면 되고, 따라서 기본 혼(5)의 재질을 상대적으로 가벼운 알루미늄으로 구성하여, 초음파 발진기에 부담을 주지 않을 수 있다.

보정 혼(6)은 기본 혼(5)의 출력면에 부착된다. 그리고 보정 혼(6)은 기본 혼(1)의 제1 관통구멍(51)과 연결되어 통하는 제2 관통구멍(61)을 구비하며, 제2 관통구멍(61)에는 암나사가 형성되어 있다. 보정 혼(5)의 입력면의 직경은 서로 맞닿은 기본 혼(5)의 출력면의 직경과 동일하게 형성하는 것이 바람직하다. 이를 통하여, 응력 집중 문제를 완화할 수 있다. 물론, 응력 집중 문제가 중요하게 영향을 끼치는 경우가 아니라면, 보정 혼(6) 형태의 직경이 큰 실린더 형상으로 형성할 수도 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 기본 혼(1)과 후술하는 질량보정나사(7)만으로도 원하는 공진주파수를 얻을 수 있을 경우에는, 보정 혼(6)의 사용을 생략할 수도 있다.

본 실시예의 혼을 사용한 초음파 기기는, 운용 시 혼의 말단부 즉, 보정 혼(6)이 부식이 발생할 경우, 기본 혼(5)을 교체할 필요 없이 보정 혼(6)만 교체하면 되므로, 비용 절감에 효과적이다. 보정 혼(6)의 재질로는 상술한 바와 같이, 부식 방지를 위한 스테인레스 스틸, 티타늄 등을 사용할 수 있다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 보정 혼(6)은 다양한 주파수 영역을 커버할 수 있도록 서로 다른 크기의 복수 개의 보정 혼(6)이 구비된다. 예를 들면, 보정 혼(6)은 2 kHz 내지 10 kHz의 주파수를 보정할 수 있다.

또한, 보정 혼(6)의 형상은 에너지 전달 면적을 극대화하기 위하여, 그 출력면의 크기를 입력면의 크기보다 크게 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 보정 혼(6)은 원뿔대(truncated cone)의 형상을 가질 수 있다.

질량보정나사(7)는 보정 혼(6)의 제2 관통구멍(61) 및 기본 혼(5)의 제1 관통구멍(51)에 나사결합되어, 보정 혼(6)을 기본 혼(5)에 고정하게 된다.

질량보정나사(7)는 주파수 미세 보정을 위한 것으로, 볼트의 길이, 헤드 크기 등을 변경하여 소정 크기 범위의 주파수를 보정하도록 할 수 있다.

이를 위하여, 질량보정나사(7)는 도 6에 도시된 바와 같이, 소정의 주파수 범위를 커버할 수 있도록 서로 다른 길이 및 헤드 크기를 가지는 복수 개가 구비될 수 있다. 예를 들면, 복수 개의 질량보정나사(7)는 0.2 kHz 내지 1 kHz의 주파수를 보정할 수 있다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 미세보정스페이서(8)가 보정 혼(2)과 질량보정나사(7) 사이에 더 구비될 수 있다. 질량보정나사(7)를 교체할 필요 없이 미세보정스페이서(8)로 0.4 kHz 이내의 주파수 보정이 필요한 경우 사용될 수 있다.

이하에서는 상술한 구성을 가진 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 기기용 혼을 사용하여 혼의 공진주파수를 보정하는 방법에 대하여 설명한다.

기본 혼(5)과 보정 혼(2)을 질량보정나사(7)로 결합한 후, 공진(현재) 주파수를 측정한다.

만일, 현재 주파수가 목표 주파수와 상이한 경우, 질량보정나사(7)만을 사용하거나, 미세보정스페이서(8) 및 질량보정나사(7)를 함께 사용하여 혼의 공진주파수를 보정할 수 있다.

예를 들면, 혼의 공진(현재) 주파수가 목표 주파수보다 클 경우, 보정 혼(2)과 질량보정나사(7) 사이에 미세보정스페이서(8)를 배치하거나, 또는 장착되어 있는 질량보정나사보다 무거운 질량보정나사를 교체하여 장착하여 보정할 수 있다.

또한, 초음파 기기용 혼의 공진(현재) 주파수가 목표 주파수보다 작을 경우, 장착되어 있는 질량보정나사보다 가벼운 질량보정나사를 교체하여 장착하여 보정할 수 있다. 즉, 장착되어 있는 질량보정나사보다 길이가 짧거나 헤드 두께가 작은 질량보정나사로 교체해가면서 혼의 공진 주파수를 간단히 조정할 수 있다.

이를 통하여, 혼의 공진 주파수를 조정하기 위하여, 종래처럼 혼을 일일이 기계 가공하여 반복 수정할 필요 없이, 복수 개의 질량보정나사 중에 적절히 선택하여 교체 장착함으로써 혼의 공진 주파수를 효과적으로 미세 조절할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

5...기본 혼
51...제1 관통구멍
511...암나사
6...보정 혼
61...제2 관통구멍
7...질량보정나사
8...미세보정스페이서

Claims (11)

1. 초음파 기기용 혼의 공진주파수를 미세 조정할 수 있는 초음파 기기용 혼으로서,
   기본 혼(basic horn),
   상기 기본 혼의 출력면에 부착되는 보정 혼(calibration horn), 그리고
   상기 보정 혼을 상기 기본 혼에 결합시키는 질량보정나사
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 기기용 혼.
2. 제1항에서,
   상기 보정 혼은 서로 다른 질량을 가지는 복수 개의 보정 혼을 포함하고,
   상기 질량보정나사는 서로 다른 질량을 가지는 복수 개의 질량보정나사
   를 포함하는 초음파 기기용 혼.
3. 제2항에서,
   상기 기본 혼은 길이방향으로 관통된 제1 관통구멍을 구비하고,
   상기 제1 관통구멍의 양단에는 암나사가 형성된 것
   을 특징으로 하는 초음파 기기용 혼.
4. 제2항에서,
   서로 맞닿은 상기 기본 혼의 출력면과 상기 보정 혼의 입력면의 직경은 동일한 것을 특징으로 하는 초음파 기기용 혼.
5. 제3항에서,
   상기 보정 혼은 상기 제1 관통구멍과 연결되어 통하는 제2 관통구멍을 구비하며, 상기 제2 관통구멍에는 암나사가 형성된 것
   을 특징으로 하는 초음파 기기용 혼.
6. 제2항에서,
   상기 보정 혼과 상기 질량보정나사 사이에는 정밀보정을 위한 미세보정스페이서가 더 구비되는 초음파 기기용 혼.
7. 기본 혼(basic horn), 그리고
   상기 기본 혼에 결합시키는 질량보정나사
   를 포함하며,
   상기 질량보정나사는 서로 다른 길이를 가지는 복수 개의 질량보정나사를 구비하는 것
   을 특징으로 하는 초음파 기기용 혼.
8. 제6항 또는 제7항에 따른 초음파 기기용 혼을 사용하여 상기 혼의 공진주파수를 보정하는 방법으로서,
   상기 초음파 기기용 혼의 공진 주파수가 목표 주파수와 상이한 경우, 상기 질량보정나사만을 사용하거나, 상기 미세보정스페이서 및 상기 질량보정나사를 함께 사용하여 상기 초음파 기기용 혼의 공진 주파수를 보정하는 것
   을 특징으로 하는 초음파 기기용 혼의 공진주파수 보정 방법.
9. 제8항에서,
   상기 초음파 기기용 혼의 공진 주파수가 목표 주파수보다 클 경우, 상기 보정 혼과 상기 질량보정나사 사이에 상기 미세보정스페이서를 배치하거나,
   장착된 상기 질량보정나사보다 무거운 질량보정나사로 교체 장착하여 보정하는 것
   을 특징으로 하는 초음파 기기용 혼의 공진주파수 보정 방법.
10. 제9항에서,
    상기 초음파 기기용 혼의 공진 주파수가 목표 주파수보다 작을 경우, 장착된 상기 질량보정나사보다 가벼운 상기 복수 개의 질량보정나사 중 어느 하나로 교체 장착하여 보정하는 것
    을 특징으로 하는 초음파 기기용 혼의 공진주파수 보정 방법.
11. 제8항에서,
    상기 초음파 기기용 혼의 공진 주파수가 목표 주파수보다 클 경우, 상기 기본 혼과 상기 질량보정나사 사이에 상기 미세보정스페이서를 배치하거나,
    장착된 상기 질량보정나사보다 무거운 상기 복수 개의 질량보정나사 중 어느 하나로 교체 장착하여 보정하는 것
    을 특징으로 하는 초음파 기기용 혼의 공진주파수 보정 방법.

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