KR20230060023A - 음파 집속 트랜스듀서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음파 집속 트랜스듀서에 관한 것이다. 한 구체예에서 음파 가진기로부터 입사되는 음파를 집속하여 외부로 방사하는 음파 트랜스듀서에 있어서, 원형 압전소자 및 상기 원형 압전소자의 중심점을 기준으로 동심원 형태로 이격 배치되는 다수 개의 환형 압전소자를 포함하는 압전소자부; 상기 압전소자부에 전원을 인가하는 전원인가부; 및 상기 압전소자부와 전기적으로 연결되며, 상기 전원인가부로부터 상기 압전소자부에 전압을 인가하는 전극부;를 포함하되, 상기 전극부는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 극성의 전압을 교대로 인가하며, 상기 압전소자부는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 위상의 음파가 교대로 발생한다.

Description

음파 집속 트랜스듀서 {ACOUSTIC FOCUSING TRANSDUCER}
본 발명은 음파 집속 트랜스듀서에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 바이너리 위상 동심원 환형 압전소자 및 전극을 적용한 음파 집속 트랜스듀서에 관한 것이다.
음파 트랜스듀서(acoustic transducer)는 전기적 신호를 음파 신호로 변환하거나, 반대로 음파 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있는 장치이다.
음파 중에 특히 사람이 들을 수 있는 주파수 보다 높은 대략 20 KHz 이상의 주파수의 음파를 초음파라고 부르며, 이 초음파는 의료용 영상 진단기기 및 자동차나 잠수함 등의 거리측정기기 등에 사용될 수 있다. 이때, 영상 획득이나 물체까지의 거리의 획득은 출력된 초음파 신호가 물체나 신체 조직 등에서 되돌아오는 세기 시간 등을 측정하여 얻게 된다.
현재 일반적으로 많이 사용되는 초음파 트랜스듀서는 자기장(magnetic field)을 이용하는 방식, 전기장을 이용하는 방식 및 압전(piezoelectic) 물질을 이용하는 방식 세 가지가 있다. 이들 중 압전 물질을 이용하는 방식은 높은 주파수 대역(초음파 대역)에서 소형화에 비교적 유리하고 내구성도 뛰어나 많이 사용된다. 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 트랜스듀서는 압전소자에 전기장을 인가하여 압전소자에서 발생되는 진동에 의해 초음파를 발생시키게 된다. 압전소자를 이루는 재료는 로셸염(Rochelle salt)과 수정(quartz) 등의 단결정(single crystal)과, 타이타늄산 바륨(Barium titanate, BaTiO3)과 Lead titanate(PbTiO3), Lead zirconate system(PbZrO3) 등의 복결정 (multi-crystal)이 있다. 이러한 압전 특성을 이용하면 초음파 발생용 변환기, 수신용 변환기 및 발신/수신 겸용 변환기를 만들 수 있다.
한편, 음파 트랜스듀서는 용도에 따라 출력되는 초음파의 지향성이 요구되는 경우가 있으며 특정 초점에 집중시켜야 하는 경우가 많이 있다. 이때 사용되는 방법은 트랜스듀서에서 나오는 음파를 음향렌즈에 통과시키는 방법이 있으며, 트랜스듀서의 형상자체를 디자인하여 특정 초점에 집중되는 음파가 출력되도록 하는 방법이 있다.
트랜스듀서의 형상을 디자인하는 방법에는 초음파 출사면을 오목한 모양으로 만들어 음파가 한곳에 모이도록 하는 방법이 있다. 그러나 곡률반경의 영향으로 두께가 두꺼워질 수밖에 없어 경량화, 소형화에 불리하다는 문제점이 존재한다.
한편 트랜스듀서를 평면형태로 디자인하는 방법으로는 동심원 환형 모양을 취하여 특정 초점에서 각 환형 링에서 출력된 음파가 보강간섭이 일어나도록 하는 방법이 있다. 평면형태로 디자인하는 방법은 구조가 평면으로 단순하여 트랜스듀서에서 가까운 곳에 초점을 둘 수 있는 등의 장점이 있지만 음파의 집속 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명과 관련한 배경기술은 일본 공개특허공보 특개2021-0158624호(2021.10.07. 공개, 발명의 명칭: 초음파 트랜스듀서)에 개시되어 있다.
본 발명의 하나의 목적은 음파 집속 효율이 우수하며, 다양한 음파 조절이 가능한 음파 집속 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 소형화 및 경량화가 용이하고 디자인 자유도가 우수한 음파 집속 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 음파 집속 트랜스듀서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 음파 집속 트랜스듀서에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 음파 집속 트랜스듀서는 음파 가진기로부터 입사되는 음파를 집속하여 외부로 방사하는 음파 트랜스듀서에 있어서, 원형 압전소자 및 상기 원형 압전소자의 중심점을 기준으로 동심원 형태로 이격 배치되는 다수 개의 환형 압전소자를 포함하는 압전소자부; 상기 압전소자부에 전원을 인가하는 전원인가부; 및 상기 압전소자부와 전기적으로 연결되며, 상기 전원인가부로부터 상기 압전소자부에 전압을 인가하는 전극부;를 포함하되, 상기 전극부는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 극성의 전압을 교대로 인가하며, 상기 압전소자부는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 위상의 음파가 교대로 발생한다.
한 구체예에서 상기 환형 압전소자는 하기 식 1의 조건으로 형성될 수 있다:
[식 1]
Figure pat00001
(식 1에서, 상기 Wr은 환형 압전소자의 폭(mm)이며, 상기 λpzt는 목표 음파 주파수를 인가했을 때 상기 환형 압전소자의 파장(mm)이다).
한 구체예에서 상기 환형 압전소자는 하기 식 2의 조건으로 형성될 수 있다:
[식 2]
Figure pat00002
(상기 식 2에서, 상기 n은 상기 중심점에서부터 외곽 방향으로 환형 압전소자 배치 순서이며, 상기 rn은 상기 중심점을 기준으로 n번째 환형 압전소자의 반경(mm)이고, 상기 λ는 전달매질의 음파 파장(mm)이고, 상기 lf는 상기 트랜스듀서의 초점거리(mm)이다).
한 구체예에서 상기 음파 가진기는 압전소자를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 전원인가부와 전기적으로 연결되고, 상기 트랜스듀서가 설정된 초점거리를 제어하며, 상기 압전소자부에 전압을 인가하도록 상기 전압인가부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서, 상기 원형 압전소자 및 환형 압전소자는 각각 두께(tr)가 파장에 따라 다르지만 50㎛~500㎛ 일 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 음파 집속 트랜스듀서의 제조방법에 관한 것이다. 상기 음파 집속 트랜스듀서의 제조방법은 음파 가진기로부터 입사되는 음파를 집속하여 외부로 방사하는 음파 트랜스듀서의 제조방법이며, 원형 압전소자 및 상기 원형 압전소자의 중심점을 기준으로 동심원 형태로 이격 배치되는 다수 개의 환형 압전소자를 포함하는 압전소자부를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 음파 집속 트랜스듀서는, 상기 압전소자부에 전원을 인가하는 전원인가부 및 상기 압전소자부와 전기적으로 연결되며, 상기 전원인가부로부터 상기 압전소자부에 전압을 인가하는 전극부를 포함하되, 상기 전극부는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 극성의 전압을 교대로 인가하며, 상기 압전소자부는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 위상의 음파가 교대로 발생한다.
한 구체예에서 상기 환형 압전소자는, 상기 음파 집속 트랜스듀서의 목표 음파 주파수와, 초점거리(lf)를 결정하는 단계; 전달매질의 음파 파장(λ)을 연산하는 단계; 상기 전달매질의 음파 파장 및 초점거리를 기반으로, 상기 다수 개의 환형 압전소자의 개수, 폭 및 반경을 각각 도출하는 단계; 및 상기 도출된 다수 개의 환형 압전소자의 개수, 폭 및 반경에 따라, 다수 개의 환형 압전소자를 제조하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
한 구체예에서 상기 환형 압전소자는 하기 식 1의 조건으로 형성될 수 있다:
[식 1]
Figure pat00003
(상기 식 1에서, 상기 Wr은 환형 압전소자의 폭(㎛)이며, 상기 λpzt는 목표 음파 주파수를 인가했을 때 상기 트랜스듀서의 파장(㎛)이다).
한 구체예에서 상기 환형 압전소자는 하기 식 2의 조건으로 형성될 수 있다:
[식 2]
Figure pat00004
(상기 식 2에서, 상기 n은 상기 중심점에서부터 외곽 방향으로 환형 압전소자 배치 순서이며, 상기 rn은 상기 중심점을 기준으로 n번째 환형 압전소자의 반경(mm)이고, 상기 λ는 전달매질의 음파 파장(mm)이고, 상기 lf는 상기 트랜스듀서의 초점거리(mm)이다).
한 구체예에서 상기 음파 집속 트랜스듀서는 전원인가부와 전기적으로 연결되고, 상기 트랜스듀서가 설정된 초점거리를 가지며, 상기 다수 개의 환형 압전소자에 전압을 인가하도록 상기 전압인가부를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 트랜스듀서는 음파 집속 효율이 우수하며, 다양한 음파 조절이 가능하며, 소형화 및 경량화가 용이하고 디자인 자유도가 우수할 수 있다. 본 발명은 프레넬(fresnel) 렌즈 형상 등 평면 형태의 렌즈의 형상을 전극의 디자인을 적용하고, 전극의 연결 방향을 역으로 하는 방법을 이용하여, 반대 위상의 음파를 추가적으로 제공하여 디자인 자유도를 높일 수 있으며, 이러한 자유도를 활용하여 음파 집속 트랜스듀서의 집속 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 트랜스듀서를 나타낸 것이다.
도 2은 종래 음파 집속 트랜스듀서의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 트랜스듀서의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 압전소자부 단면도이다
도 5은 본 발명의 한 구체예에 따른 트랜스듀서를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 트랜스듀서의 물 속에서의 음파 세기 분포를 시뮬레이션을 통해 분석한 것이다.
도 7은 실시예 및 비교예 트랜스듀서의 광 집속도를 비교한 것이다.
도 8은 실시예 및 비교예 트랜스듀서의 초점거리 변화에 따른 음파세기 분포를 나타낸 시뮬레이션 결과이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 명세서에서 “상부(상면)”와 “하부(하면)”는 도면을 기준으로 정의한 것으로서, 보는 관점에 따라 “상부(상면)”가 “하부(하면)”로 “하부(하면)”가 “상부(상면)”로 변경될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 위(on)” 또는 “상(on)”으로 지칭되는 것은 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 구조를 개재한 경우도 포함할 수 있다.
음파 집속 트랜스듀서
본 발명의 하나의 관점은 음파 집속 트랜스듀서에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 트랜스듀서를 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 음파 가진기로부터 입사되는 음파를 집속하여 외부로 방사하는 음파 트랜스듀서(100)에 있어서, 원형 압전소자(20) 및 상기 원형 압전소자(22)의 중심점을 기준으로 동심원 형태로 이격 배치되는 다수 개의 환형 압전소자(24)를 포함하는 압전소자부(20); 상기 압전소자부(20)에 전원을 인가하는 전원인가부(미도시); 및 상기 압전소자부와 전기적으로 연결되며, 상기 전원인가부로부터 상기 압전소자부에 전압을 인가하는 전극부(30);를 포함한다.
상기 압전소자를 이용한 트랜스듀서는 압전소자에 전기장을 인가하여 압전소자에서 발생되는 진동에 의해 음파(초음파)를 발생시킬 수 있다. 상기 원형 압전소자 및 환형 압전소자는 통상적인 것을 사용할 수 있다.
예를 들면 상기 원형 압전소자 및 환형 압전소자는 단결정 및 복결정 중 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 단결정은 로셸염(Rochelle salt) 및 수정(quartz) 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 복결정은 타이타늄산 바륨(Barium titanate, BaTiO3)과 Lead titanate(PbTiO3), Lead zirconate system(PbZrO3) 중 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 도 1을 참조하면, 전극부(30)는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 극성의 전압을 교대로 인가한다. 예를 들면, 전극부(30)는 원형 압전소자 및 환형 압전소자에 순차적으로 양극(32) 및 음극(34)을 교대로 전기적으로 연결하여, 서로 다른 극성의 전압을 교대로 인가할 수 있다.
상기 압전소자부는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 위상의 음파가 교대로 발생한다.
상기 도 1을 참조하면, 상기 압전소자부(20)는 음파 가진기(미도시)의 일면에 형성되는 원형 압전소자(22) 및 상기 원형 압전소자(22)의 중심점을 기준으로 동심원 형태로 이격 배치되는 다수 개의 환형 압전소자(24)를 포함하며, 원형 압전소자(22)에서부터 외곽으로 번갈아 가면서, 전극의 방향을 바꾸어 연결하여 정 위상 및 역 위상의 음파가 번갈아 발생하도록 할 수 있다. 또한, 초점 지점에서 보강 간섭이 발생하여 음파가 집중되도록 압전소자부의 구조를 디자인할 수 있다.
도 2는 종래 음파 집속 트랜스듀서의 모식도이며, 도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 음파 집속 트랜스듀서의 모식도이다. 상기 도 2 및 도 3을 참조하면, 종래 트랜스듀서와 본 발명에 따른 트랜스듀서는 지름이 서로 다른 동심원 형태의 환형 압전소자를 포함하는 압전소자부와, 전극부를 포함한다.
상기 도 2 및 도 3을 참조하면, 종래 트랜스듀서의 경우 압전소자부에 전극이 일방향으로만 전기적으로 연결되어 정위상의 음파만 발생하지만, 본 발명은 전극이 방향을 바꾸어 연결하여 정위상 및 역위상의 음파가 교대로 발생하여, 바이너리 위상(binary phase)을 가지는 음파가 발생할 수 있다.
한편 본 발명에서 바이너리 위상을 가지는 전극이란, 상기 압전소자부에 순차적으로 전극의 극성을 서로 반대가 되도록 연결하여, 음파의 위상이 서로 180˚ 다른 반대의 위상을 가지는 음파를 교대로 발생할 수 있도록 하는 전극을 포함하는 것을 의미할 수 있다.
한 구체예에서 상기 원형 압전소자(22)는 반경이 50㎛~300㎛ 일 수 있다. 상기 조건에서 디자인 단순화가 가능하고 효율적인 음파 집속이 가능할 수 있다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 압전소자부 단면도이다. 상기 도 4를 참조하면, 환형 압전소자(24)는 하기 식 1의 조건으로 형성될 수 있다:
[식 1]
Figure pat00005
(상기 식 1에서, 상기 Wr은 환형 압전소자의 폭(mm)이며, 상기 λpzt는 목표 음파 주파수를 인가했을 때 상기 환형 압전소자의 파장(mm)이다).
상기 식 1의 조건을 만족하는 환형 압전소자를 적용시 단일모드로 진동하며, 디자인 단순화가 가능하고 효율적인 음파 집속이 가능할 수 있다. 상기 Wr은 (λpzt/4) < Wr < (λpzt/2)를 만족할 수 있다.
한 구체예에서 상기 환형 압전소자(24)는 하기 식 2의 조건으로 형성될 수 있다:
[식 2]
Figure pat00006
(상기 식 2에서, 상기 n은 상기 중심점에서부터 외곽 방향으로 환형 압전소자 배치 순서이며, 상기 rn은 상기 중심점을 기준으로 n번째 환형 압전소자의 반경(mm)이고, 상기 λ는 전달매질의 음파 파장(mm)이고, 상기 lf는 상기 트랜스듀서의 초점거리(mm)이다).
상기 트랜스듀서의 초점거리, 전달매질의 음파 파장, 환형 압전소자 배치 순서 및 환형 압전소자의 반경이 상기 식 2의 조건을 만족하는 경우, 단일모드로 진동하며, 디자인 단순화가 가능하고 효율적인 음파 집속이 가능할 수 있다.
한 구체예에서 상기 n은 1 이상의 정수이며, 예를 들면 상기 n은 1 내지 1000의 정수일 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 트랜스듀서를 나타낸 것이다. 상기 도 5를 참조하면, 트랜스듀서(100)는 지지체(200)의 일면에 형성될 수 있다. 상기 지지체는, 통상적인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 바이너리 위상을 가지는 전극을 적용하여 음파를 제어할 경우 기존의 한가지 위상의 동심원 환형 전극을 적용한 집속 음향 트랜스듀서에 비하여 음향 집속 효율을 높이는 효과를 제공할 수 있다.
본 발명은 입사되는 음파를 초점부근에서 집속시키는 것을 특징으로 하는 프레넬(fresnel) 존 플레이트 원리를 이용할 수 있다.
한 구체예에서 상기 음파 가진기는 통상적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면 음파 가진기는 압전소자를 포함할 수 있다. 상기 압전소자는 전술한 바와 동일한 종류를 포함할 수 있다. 상기 트랜스듀서는 상기 음파 가진기의 일 표면에 형성될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
한 구체예에서 상기 트랜스듀서는 상기 전원인가부와 전기적으로 연결되고, 상기 트랜스듀서가 설정된 초점거리를 제어하며, 상기 압전소자부에 전압을 인가하도록 상기 전압인가부를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 원형 압전소자 및 환형 압전소자는 각각 두께(tr)가 50㎛~500㎛ 일 수 있다. 상기 조건에서 디자인 단순화가 가능하고 효율적인 음파 집속이 가능할 수 있다. 한 구체예에서 상기 원형 압전소자 및 다수 개의 환형 압전소자는 두께가 동일하거나, 각각 상이할 수 있다.
음파 집속 트랜스듀서의 제조방법
본 발명의 다른 관점은 상기 음파 집속 트랜스듀서의 제조방법에 관한 것이다. 상기 음파 집속 트랜스듀서 제조방법은 음파 가진기로부터 입사되는 음파를 집속하여 외부로 방사하는 음파 트랜스듀서의 제조방법이며, 원형 압전소자 및 상기 원형 압전소자의 중심점을 기준으로 동심원 형태로 이격 배치되는 다수 개의 환형 압전소자를 포함하는 압전소자부를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 음파 집속 트랜스듀서는, 상기 압전소자부에 전원을 인가하는 전원인가부 및 상기 압전소자부와 전기적으로 연결되며, 상기 전원인가부로부터 상기 압전소자부에 전압을 인가하는 전극부를 포함하되, 상기 전극부는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 극성의 전압을 교대로 인가하며, 상기 압전소자부는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 위상의 음파가 교대로 발생한다.
한 구체예에서 상기 환형 압전소자는, 상기 음파 집속 트랜스듀서의 목표 음파 주파수와, 초점거리(lf)를 결정하는 단계; 전달매질의 음파 파장(λ)을 연산하는 단계; 상기 전달매질의 음파 파장 및 초점거리를 기반으로, 상기 다수 개의 환형 압전소자의 개수, 폭 및 반경을 각각 도출하는 단계; 및 상기 도출된 다수 개의 환형 압전소자의 개수, 폭 및 반경에 따라, 다수 개의 환형 압전소자를 제조하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
한 구체예에서 상기 환형 압전소자는 하기 식 1의 조건으로 형성될 수 있다:
[식 1]
Figure pat00007
(상기 식 1에서, 상기 Wr은 환형 압전소자의 폭(mm)이며, 상기 λpzt는 목표 음파 주파수를 인가했을 때 상기 환형 압전소자의 파장(mm)이다).
상기 식 1의 조건을 만족하는 환형 압전소자를 적용시 단일모드로 진동하며, 디자인 단순화가 가능하고 효율적인 음파 집속이 가능할 수 있다. 예를 들면 상기 Wr은 (λpzt/4) < Wr < (λpzt/2)를 만족할 수 있다.
한 구체예에서 상기 환형 압전소자는 하기 식 2의 조건으로 형성될 수 있다:
[식 2]
Figure pat00008
(상기 식 2에서, 상기 n은 상기 중심점에서부터 외곽 방향으로 환형 압전소자 배치 순서이며, 상기 rn은 상기 중심점을 기준으로 n번째 환형 압전소자의 반경(mm)이고, 상기 λ는 전달매질의 음파 파장(nm)이고, 상기 lf는 상기 트랜스듀서의 초점거리(mm)이다).
상기 트랜스듀서의 초점거리, 전달매질의 음파 파장, 환형 압전소자 배치 순서 및 환형 압전소자의 반경이 상기 식 2의 조건을 만족하는 경우, 단일모드로 진동하며, 디자인 단순화가 가능하고 효율적인 음파 집속이 가능할 수 있다.
한 구체예에서 상기 n은 1 이상의 정수이며, 예를 들면 상기 n은 1 내지 1000의 정수일 수 있다.
한 구체예에서 상기 음파 집속 트랜스듀서는 전원인가부와 전기적으로 연결되고, 상기 트랜스듀서가 설정된 초점거리를 가지며, 상기 다수 개의 환형 압전소자에 전압을 인가하도록 상기 전압인가부를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 및 비교예
실시예
지지체 상에 원형 압전소자를 배치하고, 상기 원형 압전소자의 중심점을 기준으로 동심원 형태로 이격 배치되는 다수 개의 환형 압전소자를 포함하는 압전소자부를 형성하고, 상기 압전소자부에 전원을 인가하는 전원인가부 및 상기 압전소자부와 전기적으로 연결되며, 상기 전원인가부로부터 상기 압전소자부에 전압을 인가하는 전극부를 전기적으로 연결하였다.
그 다음에 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향 기준으로 상기 원형 압전소자 및 환형 압전소자에 서로 다른 극성의 전극을 교대로 전기적으로 접속하여 전극부를 형성하여 도 1과 같은 음파 집속 트랜스듀서를 제조하였다.
상기 환형 압전소자는, 상기 음파 집속 트랜스듀서의 목표 음파 주파수와, 초점거리(lf)를 각각 결정하고, 전달매질(물)의 음파 파장(λ)을 연산한 다음, 상기 전달매질의 음파 파장 및 초점거리를 기반으로, 다수 개의 환형 압전소자의 개수, 폭 및 반경을 각각 도출하였다. 그 다음에 상기 도출된 다수 개의 환형 압전소자의 개수, 폭 및 반경에 따라, 다수 개의 환형 압전소자를 제조하였다. 구체적으로 상기 환형 압전소자의 폭(ring width, wr)은 하기 식 1에 따라 제조하였으며, 상기 환형 압전소자의 반경(ring radius, rn)은 하기 식 2의 조건으로 형성하였다.
[식 1]
Figure pat00009
(상기 식 1에서, 상기 Wr은 환형 압전소자의 폭(㎛)이며, 상기 λpzt는 목표 음파 주파수를 인가했을 때 상기 트랜스듀서의 파장(㎛)이다).
[식 2]
Figure pat00010
(상기 식 2에서, 상기 n은 상기 중심점에서부터 외곽 방향으로 환형 압전소자 배치 순서이며, 상기 rn은 상기 중심점을 기준으로 n번째 환형 압전소자의 반경(mm)이고, 상기 λ는 전달매질의 음파 파장(mm)이고, 상기 lf는 상기 트랜스듀서의 초점거리(mm)이다).
비교예
상기 압전소자부에 동일한 극성의 전극을 인가한 것을 제외하고 상기 실시예와 동일한 방법으로 음파 집속 트랜스듀서를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예 음파 집속 트랜스 듀서를 제조시 초점거리(focal length, lf)는 각각 3mm, 6mm 및 9mm로 설정하였다. 또한, 실시예 및 비교예 트랜스듀서의 목표 음파 주파수(frequency, f), 전달매질(물)에서의 음파 속도와, 파장, 트랜스듀서에서의 음파 속도 및 파장과, 환형 압형소자의 폭(ring width) 및 두께(ring thickness) 조건을 하기 표 1에 나타내었으며, 상기 표 1의 조건에 의해 도출된 환형 압형소자의 개수, 폭 및 반경을 표 2에 나타내었다.
Figure pat00011
Figure pat00012
도 6은 10 MHz 주파수의 음파가 3mm의 초점거리를 갖도록 디자인된 실시예 트랜스듀서의 물 속에서의 음파 세기 분포를 시뮬레이션을 통해 분석한 것이다.
도 7은 10 MHz 주파수의 음파가 6mm의 초점거리를 갖도록 디자인된 실시예 및 비교예 트랜스듀서의 광 집속도를 비교한 것이다. 구체적으로 도 7(d)는 비교예 트랜스듀서이고, 도 7(e)는 실시예 트랜스듀서이며, 도 7(a) 및 도 7(c)는 각각 비교예 및 실시예 트랜스듀서의 종축 방향으로 자른 광 집속도 단면이며, 도 7(b)는 비교예 및 실시예 트랜스듀서의 종축 방향으로 자른 단면의 광 집속도 값을 수치로 나타낸 1차원 그래프이다.
도 7(f) 및 도 7(h)는 각각 비교예 및 실시예 트랜스듀서의 횡축 방향으로 자른 광 집속도 단면이며, 도 7(g)는 비교예 및 실시예 트랜스듀서의 비교예 및 실시예 트랜스듀서의 횡축 방향으로 자른 단면의 광 집속도 값을 수치로 나타낸 1차원 그래프이다.
상기 도 7의 결과를 참조하면, 각각의 초점에서 최대 음파의 세기로 정규화(normalize)하여 비교했을 때 초점 이외의 위치로 퍼져 나가 분포되는 음파 에너지가 상대적으로 줄어든 것을 확인할 수 있다. 따라서 실시예는 비교예에 비해 초점으로 모이는 음향 에너지의 집속 효율이 향상된 것을 확인할 수 있다.
도 8은 실시예 및 비교예 트랜스듀서의 초점거리 변화(3mm, 6mm 및 9mm)에 따른 음파세기 분포를 나타낸 시뮬레이션 결과이다. 상기 도 8(a) 내지 도 8(c)는 비교예 트랜스듀서의 음파세기 분포이며, 도 8(d) 내지 도 8(f)는 실시예 트랜스듀서의 음파세기 분포이다. 상기 도 8을 참조하면, 실시예는 비교예 보다 초점 이외의 지역으로 전달되는 에너지가 훨씬 적은 것을 확인할 수 있으며 따라서 초점으로의 음향의 집속 효율이 우수한 것을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
20: 압전소자부 22: 원형 압전소자
24: 환형 압전소자 30: 전극부
32: 양극 34: 음극
100: 음파 집속 트랜스듀서 200: 지지체

Claims (11)

  1. 음파 가진기로부터 입사되는 음파를 집속하여 외부로 방사하는 음파 트랜스듀서에 있어서,
    원형 압전소자 및 상기 원형 압전소자의 중심점을 기준으로 동심원 형태로 이격 배치되는 다수 개의 환형 압전소자를 포함하는 압전소자부;
    상기 압전소자부에 전원을 인가하는 전원인가부; 및
    상기 압전소자부와 전기적으로 연결되며, 상기 전원인가부로부터 상기 압전소자부에 전압을 인가하는 전극부;를 포함하되,
    상기 전극부는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 극성의 전압을 교대로 인가하며,
    상기 압전소자부는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 위상의 음파가 교대로 발생하는 것을 특징으로 하는 음파 집속 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 환형 압전소자는 하기 식 1의 조건으로 형성되는 것을 특징으로 하는 음파 집속 트랜스듀서:
    [식 1]
    Figure pat00013

    (상기 식 1에서, 상기 Wr은 환형 압전소자의 폭(㎛)이며, 상기 λpzt는 목표 음파 주파수를 인가했을 때 상기 트랜스듀서의 파장(㎛)이다).
  3. 제1항에 있어서, 상기 환형 압전소자는 하기 식 2의 조건으로 형성되는 것을 특징으로 하는 음파 집속 트랜스듀서:
    [식 2]
    Figure pat00014

    (상기 식 2에서, 상기 n은 상기 중심점에서부터 외곽 방향으로 환형 압전소자 배치 순서이며, 상기 rn은 상기 중심점을 기준으로 n번째 환형 압전소자의 반경(mm)이고, 상기 λ는 전달매질의 음파 파장(mm)이고, 상기 lf는 상기 트랜스듀서의 초점거리(mm)이다).
  4. 제1항에 있어서, 상기 음파 가진기는 압전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 집속 트랜스듀서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전원인가부와 전기적으로 연결되고, 상기 트랜스듀서가 설정된 초점거리를 제어하며, 상기 압전소자부에 전압을 인가하도록 상기 전압인가부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 집속 트랜스듀서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 원형 압전소자 및 환형 압전소자는 각각 두께(tr)가 50㎛~500㎛인 것을 특징으로 하는 음파 집속 트랜스듀서.
  7. 음파 가진기로부터 입사되는 음파를 집속하여 외부로 방사하는 음파 트랜스듀서의 제조방법이며,
    원형 압전소자 및 상기 원형 압전소자의 중심점을 기준으로 동심원 형태로 이격 배치되는 다수 개의 환형 압전소자를 포함하는 압전소자부를 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 음파 집속 트랜스듀서는, 상기 압전소자부에 전원을 인가하는 전원인가부 및 상기 압전소자부와 전기적으로 연결되며, 상기 전원인가부로부터 상기 압전소자부에 전압을 인가하는 전극부를 포함하되,
    상기 전극부는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 극성의 전압을 교대로 인가하며,
    상기 압전소자부는 상기 원형 압전소자에서부터 외곽 방향으로 서로 다른 위상의 음파가 교대로 발생하는 것을 특징으로 하는 음파 집속 트랜스듀서 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 환형 압전소자는,
    상기 음파 집속 트랜스듀서의 목표 음파 주파수와, 초점거리(lf)를 결정하는 단계;
    전달매질의 음파 파장(λ)을 연산하는 단계;
    상기 전달매질의 음파 파장 및 초점거리를 기반으로, 상기 다수 개의 환형 압전소자의 개수, 폭 및 반경을 각각 도출하는 단계; 및
    상기 도출된 다수 개의 환형 압전소자의 개수, 폭 및 반경에 따라, 다수 개의 환형 압전소자를 제조하는 단계;를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 음파 집속 트랜스듀서 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 환형 압전소자는 하기 식 1의 조건으로 형성되는 것을 특징으로 하는 음파 집속 트랜스듀서 제조방법:
    [식 1]
    Figure pat00015

    (상기 식 1에서, 상기 Wr은 환형 압전소자의 폭(㎛)이며, 상기 λpzt는 목표 음파 주파수를 인가했을 때 상기 트랜스듀서의 파장(㎛)이다).
  10. 제8항에 있어서, 상기 환형 압전소자는 하기 식 2의 조건으로 형성되는 것을 특징으로 하는 음파 집속 트랜스듀서 제조방법:
    [식 2]
    Figure pat00016

    (상기 식 2에서, 상기 n은 상기 중심점에서부터 외곽 방향으로 환형 압전소자 배치 순서이며, 상기 rn은 상기 중심점을 기준으로 n번째 환형 압전소자의 반경(mm)이고, 상기 λ는 전달매질의 음파 파장(mm)이고, 상기 lf는 상기 트랜스듀서의 초점거리(mm)이다).
  11. 제7항에 있어서, 상기 음파 집속 트랜스듀서는 전원인가부와 전기적으로 연결되고,
    상기 트랜스듀서가 설정된 초점거리를 가지며, 상기 다수 개의 환형 압전소자에 전압을 인가하도록 상기 전압인가부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 집속 트랜스듀서 제조방법.


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