KR20230092586A - 경방향-두께방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
경방향-두께방향 진동모드를 이용하여 다중 주파수의 초음파 에너지를 조직에 균질하게 전달 할 수 있는 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브 및 이의 제조방법이 개시된다. 이는 금속 진동체의 주변부에 진동 구속부를 이용하여 경방향 진동을 구속시킴으로써, 경방향 진동모드를 두께방향 진동모드로 변환시킬 수 있다. 따라서, 1MHz의 초음파 출력은 압전트랜스듀서의 경방향 진동모드를 이용하고, 3,10,17MHz의 초음파 출력은 두께방향 진동모드를 이용할 수 있기 때문에 하나의 압전트랜스듀서 및 금속 진동체를 이용하여 4가지 이상의 다중 주파수 초음파를 발생시킬 수 있다. 따라서, 다중 주파수 초음파를 이용하여 시술효과를 향상시킬 수 있으며, 시술시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 경방향-두께방향 진동모드를 이용한 다중 주파수의 초음파 에너지를 조직에 균질하게 전달 할 수 있는 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
초음파기술은 의료 및 산업, 환경처리 분야에 널리 사용되고 있다. 최근, 미용에 대한 관심이 높아지면서, 피부 노화 방지, 주름 개선 또는 피부 탄력 유지가 가능한 화장품, 식품 및 피부관리 기기와 같은 피부관리 제품에 대한 수요가 증가하고 있다. 특히, 나이가 들어가면서 진피층의 콜라겐과 탄력섬유의 감소로 인해 생성되는 주름을 개선할 수 있는 초음파를 이용한 기기들이 다양하게 소개되고 있다. 주름 부위에 조사된 초음파는 주름의 근본 원인인 피부근막층(superficial muscular aponeurotic system, SMAS)에 열을 전달하여, 전달된 열에 의해 피부 조직을 수축 또는 응고시킴으로써 주름을 개선시킬 수 있다.
피부관리 기기들은 이러한 원리를 이용하기 때문에, 시술하고자 하는 특정 부위에만 초음파를 집속시켜 개선효율을 향상시키거나 1, 3Mhz 혹은 3,10Mhz의 두 가지 종류의 주파수를 갖는 초음파를 하나의 프로브에서 발생시켜 피부아래 3cm부터 표피부근까지 빈 공간 없이 초음파를 전달하는 방법을 사용하여 피부 찰과상 치료 및 피부미용 분야의 의료용 장비로 시판되고 있다.
도 1은 종래의 초음파 발생 프로브를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 초음파 발생 프로브는 평판형의 압전트랜스듀서(10)에 금속으로 된 금속판(20)을 부착하여 사용한다. 즉, 종래의 LDM(Local Micro Massage)장치는 프로브 내에 평판형 압전트랜스듀서(10)를 사용하며, 하나의 압전트랜스듀서(10)를 이용하여 1차, 2차 진동모드를 사용한다. 일예로, 1,3Mhz, 3,10Mhz를 교번 적으로 사용하고 있다.
최근에는 피부의 표피부근의 활성화를 위하여 17~20Mhz를 사용하기도 한다. 이때, 1Mhz용 압전트랜스듀서(10)를 사용하여 2차 공진인 3Mhz를 함께 사용하고, 3Mhz용 압전트랜스듀서(10)를 사용하여 2차 공진인 10Mhz근처와 3차 공진인 17~20Mhz까지 교번적으로 함께 사용하기도 한다. 그러나, 하나의 낮은 차수의 1차공진 모드를 높은 차수까지 사용함에 따라 임피던스 특성이 달라 n차 진동모드에서 원하는 출력을 얻기가 쉽지 않다. 또한, 이러한 LDM장치는 1,3Mhz용 금속판(20)과 3,10,17~20Mhz용 금속판(20) 두 개가 사용되는 것이 일반적이기 때문에, 주파수에 따라 금속판(20)을 교체하여 사용해야하는 번거로움이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해, 하나의 금속판(20)에 링타입과 평판타입의 두 가지 압전트랜스듀서를 사용하여 다중 주파수 초음파를 발생시키는 프로브가 공개되기도 하였으나, 하나의 금속판에 두 가지의 다른 압전트랜스듀서를 사용해야하기 때문에 프로브의 크기가 커지고, 제조비용이 증가하는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다양한 초음파 출력을 하나의 압전트랜스듀서와 금속 진동체를 이용하여 충분한 출력을 갖도록 하는 경방향-두께방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브는 경방향 진동모드 및 두께방향 진동모드를 갖는 평판 형태의 압전트랜스듀서, 상기 압전트랜스듀서가 부착되는 평판부와 상기 평판부에서 연장되어 굴곡된 형태를 갖는 주변부를 포함하는 금속 진동체 및 상기 경방향 진동모드가 상기 두께방향 진동모드로 변환되도록 상기 주변부에 배치되는 진동 구속부를 포함한다.
상기 진동 구속부는, 상기 주변부를 감싸도록 형성된 고정부재를 포함할 수 있다.
상기 압전트랜스듀서와 상기 금속 진동체 사이에 배치된 접착부재를 더 포함할 수 있다.
상기 압전트랜스듀서에는 네 가지 이상의 다수 주파수가 교번적으로 입력될 수 있다.
상기 다수 주파수는, 상기 경방향 진동모드의 공진 주파수를 갖는 제1 주파수와 상기 두께방향 진동모드의 공진 주파수를 갖는 제2, 제3, 제4 주파수를 포함할 수 있다.
상기 제3, 제4 주파수는 상기 제2 주파수의 홀수배를 가질 수 있다.
상기 압전트랜스듀서는 압출법 또는 프레스 성형(press)중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 금속 진동체의 재질은 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸, 타이타늄 또는 타이타늄 합금 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.
상기 진동 구속부는, 상기 주변부의 내측에 형성되고, 상기 평판부로부터 돌출되도록 형성된 단턱부를 포함할 수 있다.
상기 압전트랜스듀서의 직경(D1)과 상기 금속 진동체의 직경(D2)의 비(D1/D2)는 0.2 내지 0.8의 범위를 가질 수 있다.
상기 압전트랜스듀서의 두께(T1)와 상기 금속 진동체의 두께(T2)의 비(T1/T2)는 0.4 내지 3의 범위를 가질 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브의 제조방법은 경방향 진동모드의 경방향 임피던스와 두께방향 진동모드의 두께방향 임피던스를 고려하여 압전트랜스듀서의 직경과 두께를 결정하는 단계, 상기 압전트랜스듀서가 부착되는 평판부와 상기 평판부에서 연장되어 굴곡된 형태를 갖는 주변부를 포함하는 금속 진동체의 상기 주변부를 진동 구속부를 이용하여 구속시키는 단계 및 상기 경방향 진동모드의 공진 주파수와 상기 두께방향 진동모드의 공진 주파수를 이용하여 상기 금속 진동체의 두께를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 경방향 진동모드의 공진 주파수는 제1 주파수를 포함하고, 상기 두께방향 진동모드의 공진 주파수는 제2, 제3, 제4 주파수를 포함할 수 있다.
상기 제3, 제4 주파수는 상기 제2 주파수의 홀수배를 가질 수 있다.
상기 진동 구속부는, 상기 주변부를 감싸도록 형성된 고정부재를 포함할 수 있다.
상기 진동 구속부는, 상기 주변부의 내측에 형성되고, 상기 평판부로부터 돌출되도록 형성된 단턱부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 압전트랜스듀서의 경방향 모드와 두께방향 진동모드를 이용하여 하나의 원판형 압전트랜스듀서와 최적화된 금속 진동체를 사용함으로써 4가지 이상의 다중 초음파 출력을 효과적으로 발생할 수 있는 LDM다중출력 초음파 장치를 제작할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 초음파 발생 프로브를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 발생 프로브를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 압전트랜스듀서의 직경을 변화시켰을 때, 경방향 진동모드에서의 임피던스 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 압전트랜스듀서의 중심을 고정시켰을 때의 진동 변위와 압전트랜스듀서의 변위를 나타낸 도면이다.
도 7은 압전트랜스듀서의 주변을 고정시켰을 때의 진동 변위와 압전트랜스듀서의 변위를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파 발생 프로브를 나타낸 이미지이다.
도 9은 도 8에 도시한 초음파 발생 프로브를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 압전트랜스듀서와 금속 진동체에 따른 진동모드 변위량을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 발생 프로브를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 압전트랜스듀서의 직경을 변화시켰을 때, 경방향 진동모드에서의 임피던스 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 압전트랜스듀서의 중심을 고정시켰을 때의 진동 변위와 압전트랜스듀서의 변위를 나타낸 도면이다.
도 7은 압전트랜스듀서의 주변을 고정시켰을 때의 진동 변위와 압전트랜스듀서의 변위를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파 발생 프로브를 나타낸 이미지이다.
도 9은 도 8에 도시한 초음파 발생 프로브를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 압전트랜스듀서와 금속 진동체에 따른 진동모드 변위량을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 발생 프로브를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 발생 프로브(100)는 압전트랜스듀서(110), 금속 진동체(120) 및 진동 구속부(130)를 포함한다.
압전트랜스듀서의 제조
압전트랜스듀서(110)는 인가되는 전압에 의해 발생되는 전계에 의해 진동이 발생될 수 있다. 압전트랜스듀서(110)는 압전소재로 구성될 수 있으며, 일예로, 압전소재는 PZT(lead zirconate titanate), PMN-PT(lead magnesium niobate-lead titanate), PZN-PT(lead zinc Niobate-lead titanate), PINPT(lead indium niobate-lead titanate), PYN-PT(lead ytterbium niobate-lead titanate), BNT(BaNiTiO3) 및 BZT-BCT(barium zirconate titanate- barium calcium titanate) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
압전트랜스듀서(110)는 압출법 또는 프레스 성형(press) 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 지정된 주파수에서 두께 진동이 발생될 수 있도록 양면연마기에 의해 가공될 수 있다.
또한, 압전트랜스듀서(110)는 평판형 압전트랜스듀서일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 압전트랜스듀서(110)는 원형의 평판형으로 형성되어, 경방향(radial) 및 두께(thickness)방향 진동모드에 의한 초음파를 발생시킬 수 있다. 일예로, 경방향 진동모드 및 두께방향 진동모드에 따른 초음파 에너지는 인가되는 주파수의 공진 주파수에 따라 경방향 또는 두께방향의 초음파 에너지를 발생시킬 수 있다. 또한, 이러한 경방향 및 두께방향의 진동모드는 평판형 압전트랜스듀서(110)의 직경 및 두께에 의해 결정될 수 있다.
일예로, 1MHz의 초음파를 발생시키기 위해, 압전트랜스듀서(110)의 경방향 진동모드를 이용하여 1MHz에서의 임피던스를 측정하고, 측정된 경방향 진동모드의 임피던스와 두께방향 진동모드, 예를 들어, 3,10,17~20MHz 주파수에서의 임피던스를 각각 비교하여, 차이가 적은 범위에서의 경방향 n차 진동모드가 1MHz가 될 수 있는 직경을 선택한다.
여기서, 경방향 진동모드를 이용한 1MHz에서의 평판형 압전트랜스듀서(110) 직경은 하기의 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다.
이때, Np는 주파수 정수(frequency constant[Hz·m]), fr은 공진 주파수(resonance frequency), d는 직경(diameter)을 나타낸다.
즉, 1차 경방향 공진 주파수를 1MHz로 설정하기 위한 주파수 정수 Np가 2,260[Hz·m]이므로, 경방향 진동모드를 이용한 1MHz에서의 평판형 압전트랜스듀서(110)의 직경은 수학식 1에 의해 2.26mm의 직경을 가질 수 있다. 허나, 2.26mm의 직경을 갖는 압전트랜스듀서(110)는 10mm이상의 LDM 금속 진동체를 구동하기에는 직경이 너무 작은 한계가 있다. 즉, 직경 10mm이상의 LDM 금속 진동체의 충분한 초음파 출력을 확보하기 위해서는 압전트랜스듀서(110)의 직경이 LDM 금속 진동체 대비 충분한 직경이 요구된다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 압전트랜스듀서의 직경을 변화시켰을 때, 경방향 진동모드에서의 임피던스 변화를 나타낸 그래프이다.
여기서, 도 3 내지 도 5는 1차 두께방향 진동모드를 3MHz로 하고, 압전트랜스듀서(110)의 직경을 각각 8mm, 12mm, 25mm 했을 경우의 주파수에 따른 임피던스 결과를 나타낸다. 이때, 압전트랜스듀서(110)의 두께는 두께방향 진동모드를 3MHz를 사용하기 위해 0.65mm로 고정된다.
우선, 도 3을 참조하면, 압전트랜스듀서(110)의 직경과 두께가 각각 8mm, 0.65mm로 형성된 압전트랜스듀서(110)는 1차 경방향 공진 주파수가 272kHz, 3차 경방향 공진 주파수가 1.1MHz로 측정되며, 이에 따른 임피던스 값은 각각 18Ω, 20Ω이 측정되어 유사한 임피던스 값이 측정되는 것을 확인할 수 있다.
도 4를 참조하면, 압전트랜스듀서(110)의 직경과 두께가 각각 12mm, 0.65mm로 형성된 압전트랜스듀서(110)는 1차 경방향의 공진 주파수가 188kHz, 4차 경방향 공진 주파수가 1.04MHz로 측정되며, 이에 따른 임피던스 값은 각각 22Ω, 85Ω가 측정되어 임피던스 값의 차이가 큰 것을 확인할 수 있다.
도 5를 참조하면, 압전트랜스듀서(110)의 직경과 두께가 각각 20mm, 0.65mm로 형성된 압전트랜스듀서(110)는 1차 경방향 공진 주파수가 113.95kHz, 6차 경방향 공진 주파수가 0.95MHz로 측정되며, 이에 따른 임피던스 값은 각각 23Ω, 21Ω이 측정되어 유사한 임피던스 값이 측정되나, 두께방향 진동모드의 임피던스와는 큰 차이를 갖는 것을 확인할 수 있다.
즉, 직경과 두께가 각각 8mm, 0.65mm로 형성된 압전트랜스듀서(110)에서 임피던스 차이가 가장 적은 것을 확인할 수 있다.
이러한 1MHz에서의 경방향 진동모드와 3,10,17MHz에서의 두께방향 진동모드를 하나의 회로를 이용하여 교번적으로 수행하는 경우, 경방향 진동모드의 임피던스가 두께방향 진동모드에서의 임피던스 값에 근접할수록 모든 구동 주파수에서 충분한 출력을 얻을 수 있다.
구동 주파수에 따른 압전트랜스듀서(110)의 크기별 경방향 진동모드와 두께방향 진동모드의 임피던스는 아래의 표 1과 같이 나타낼 수 있다.
| 압전트랜스듀서의 크기 |
경방향 임피던스(Ω) | 두께방향 임피던스(Ω) | 두께방향 임피던스의 평균(Ω) | |||
| 직경(mm) | 두께(mm) | 1MHz | 3MHz | 10MHz | 17MHz | |
| 8 | 0.65 | 20.5 | 6.9 | 10.3 | 5 | 7.4 |
| 12 | 0.65 | 85.5 | 0.6 | 1.37 | 0.3 | 0.8 |
| 20 | 0.65 | 21 | 0.25 | 0.4 | 6.3 | 2.3 |
표 1을 참조하면, 직경 8mm, 두께 0.65mm의 크기를 갖는 압전트랜스듀서(110)의 두께방향 평균 임피던스는 7.4Ω을 갖는다. 즉, 두께방향의 평균 임피던스와 20.5Ω의 경방향 임피던스와의 차이가 작기 때문에 하나의 임피던스 매칭에 의하여 충분한 출력이 가능하다. 또한, 직경 12mm, 두께 0.65mm의 크기를 갖는 압전트랜스듀서(110)의 두께방향 평균 임피던스는 0.8Ω을 갖는다. 즉, 두께방향의 평균 임피던스와 85.5Ω의 경방향 임피던스와의 차이가 크기 때문에 하나의 임피던스 매칭에 의하여 충분한 출력이 불가능하다. 직경 20mm, 두께 0.65mm의 크기를 갖는 압전트랜스듀서(110)의 두께방향 평균 임피던스는 2.3Ω이며, 경방향 임피던스가 21Ω을 갖기 때문에 직경이 20mm일 때도 역시, 임피던스의 차이가 크기 때문에 하나의 임피던스 매칭에 의하여 충분한 출력이 불가능하다.
따라서, 임피던스 차이가 적은 직경 8mm, 두께 0.65mm의 크기를 갖는 압전트랜스듀서(110)를 사용했을 경우, 1MHz의 경방향 진동모드와 3,10,17MHz의 두께방향 진동모드에 의한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 것을 확인할 수 있다.
금속 진동체 및 진동 구속부의 제조(제1 실시예)
금속 진동체(120)는 압전트랜스듀서(110)가 내부에 배치된 혼(horn) 형태를 가질 수 있다. 일예로, 금속 진동체(120)는 중앙에 압전트랜스듀서(110)가 배치되는 평판부(121)와 평판부(121)에서 연장되어 굴곡된 형태를 갖는 주변부(122)를 포함할 수 있다. 또한, 압전트랜스듀서(110)는 에폭시(epoxy) 등의 접착부재를 이용하여 금속 진동체(120)에 접착될 수 있다. 이러한, 금속 진동체(120)에 의해 압전트랜스듀서(110)에서 발생된 진동은 증폭되어 전달될 수 있다.
금속 진동체(120)의 재질로는 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸, 타이타늄 또는 타이타늄 합금 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있으나, 두 가지 이상의 주파수를 갖는 초음파 에너지를 방사하기 위해서는 사용하는 주파수에 맞게 금속 진동체(120)의 두께와 재질을 고려해야 한다.
진동 구속부(130)는 금속 진동체(120)의 주변부(122)를 감싸도록 배치될 수 있다. 일예로, 진동 구속부(130)는 금속 진동체(120)의 주변부(122)를 고정시키는 고정부재(131)를 포함할 수 있다. 즉, 고정부재(131)는 금속 진동체(120)의 주변부(122)를 고정시킴으로써, 압전트랜스듀서(110)에서 발생된 경방향 진동이 금속 진동체(120)의 주변부(122)로 전달되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 압전트랜스듀서(110)에서 발생된 경방향 진동모드는 고정부재(131)에 의해 두께방향 진동모드로 변환될 수 있다.
도 6은 압전트랜스듀서의 중심을 고정시켰을 때의 진동 변위와 압전트랜스듀서의 변위를 나타낸 도면이다.
도 7은 압전트랜스듀서의 주변을 고정시켰을 때의 진동 변위와 압전트랜스듀서의 변위를 나타낸 도면이다.
우선, 도 6을 참조하면, 도 6(a)는 압전트랜스듀서(110)의 중심을 고정시켰을 경우, 압전트랜스듀서(110)에서 발생되는 1차(λ/2), 2차(3λ/2), 3차(5λ/2) 경방향 진동모드에 따른 분포를 나타내고, 도 6(b)는 압전트랜스듀서(110)의 중심을 고정시켰을 경우, λ/2 진동모드에 따른 압전트랜스듀서(110)의 변화를 나타낸다.
도 6의 압전트랜스듀서(110)의 경우 중심 부위가 진동에 대해 노드(node) 점이 되며, 주변 부위가 진동에 대해 자유단이 될 수 있다. 즉, 진동에 대해 중심 부위의 변위는 제로가 된다. 따라서, 도 6(a),(b)에서와 같이, 압전트랜스듀서(110)의 중심 부위를 고정시킴으로써, 파장에 따른 진동이 중심 부위에서 주변 부위로 전달되며, 이에 따라 압전트랜스듀서(110)의 경방향 수축 변위와 경방향 팽창 변위가 발생되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 도 7(a)는 압전트랜스듀서(110)의 주변 부위를 고정시켰을 경우, 압전트랜스듀서(110)에서 발생되는 1차(λ/2), 2차(3λ/2), 3차(5λ/2) 경방향 진동모드에 따른 분포를 나타내고, 도 7(b)는 압전트랜스듀서(110)의 주변 부위를 고정시켰을 경우, λ/2 진동모드에 따른 압전트랜스듀서(110)의 변화를 나타낸다.
도 7의 압전트랜스듀서(110)의 경우 주변 부위가 진동에 대한 노드점이 되며, 중앙 부위가 진동에 대한 자유단이 될 수 있다. 즉, 주변 부위의 구속에 의해 진동에 대한 주변 부위의 변위는 제로가 된다. 따라서, 도 7(a),(b)에서와 같이, 압전트랜스듀서(110)의 주변 부위를 고정시킴으로써, 파장에 따른 진동이 주변 부위에서 중심 부위로 전달되며, 이에 따라 압전트랜스듀서(110)의 내부에서 상하 방향 즉, 두께방향으로 진동변위가 발생되는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 압전트랜스듀서(110)의 주변 부위를 고정시킴으로써, 경방향 진동모드가 두께방향 진동모드로 변환되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 압전트랜스듀서(110)와 접착된 금속 진동체(120)의 주변부(122)를 고정시킴으로써, 압전트랜스듀서(110)의 경방향 진동모드를 두께방향 진동모드로 변환시킬 수 있다.
일예로, 금속 진동체(120)로 스테인레스를 사용할 경우, 두께방향의 음속이 5,640[m/s]이므로, 상기 수학식 1에 의해 두께방향 진동모드가 3MHz의 λ/2인 경우 금속 진동체(120)의 두께는 0.88mm가 된다.
표 2는 공진 주파수의 파장에 따른 금속 진동체(120)의 두께를 나타낸다.
| 공진 모드 | 주파수(MHz) | 금속 진동체의 두께(mm) | ||||
| 1/2λ | 2/2λ | 3/2λ | 4/2λ | 5/2λ | ||
| 1차 | 3 | 0.881 | 1.763 | 2.644 | 3.525 | 4.406 |
| 2차 | 10 | 0.267 | 0.534 | 0.801 | 1.068 | 1.335 |
| 3차 | 17 | 0.160 | 0.320 | 0.481 | 0.641 | 0.801 |
표 2에 나타낸 바와 같이, 1차(3MHz), 2차(10MHz), 3차(17MHz)의 진동모드를 만족하는 금속 진동체(120)의 두께는 약 0.8mm인 것을 확인할 수 있다.
이러한 금속 진동체(120)의 두께는 가공으로 제작하기에는 두께가 얇기 때문에 압연강판을 이용하여 제작될 수 있다. 즉, 금속 진동체(120)는 주변 부위를 절곡함으로써, 압전트랜스듀서(110)가 배치되는 평판부(121)와 절곡된 부위인 주변부(122)를 가질 수 있다.
또한, 고정부재(131)가 금속 진동체(120)의 주변부(122)를 감싸도록 배치되어, 주변부(122)를 진동에 대해 고정시킬 수 있다. 일예로, 고정부재(131)는 높은 강도와 두께를 갖는 금속으로 된 블록 형태일 수 있으며, 용접 등을 통해 주변부(122)에 고정될 수 있다. 고정부재(131)를 금속 진동체(120)의 주변부(122)에 고정시킴으로써, 도 7에서와 같이, 압전트랜스듀서(110)의 경방향 진동모드를 두께방향 진동모드로 변환시킬 수 있다.
따라서, 1MHz의 경방향 진동모드에서 두께방향 진동모드로 진동모드를 변환시킬 수 있기 때문에, 1,3,10,17MHz의 모든 주파수에서 두께방향 진동모드의 초음파 발생이 가능하다.
즉, 압전트랜스듀서(110)에 n차 경방향 공진 주파수를 갖는 제1 주파수와 두께방향의 1, 2, 3차 공진 주파수를 갖는 제2, 제3, 제4의 주파수가 교번적으로 입력될 경우, 두께방향의 공진 주파수는 대략 두께방향의 1차 공진 주파수의 홀수배에 해당하는 주파수를 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파 발생 프로브를 나타낸 이미지이다.
도 9는 도 8에 도시한 초음파 발생 프로브를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파 발생 프로브(200)는 압전트랜스듀서(210), 금속 진동체(220) 및 진동 구속부(230)를 포함한다.
제2 실시예에 따른 초음파 발생 프로브(200)의 압전트랜스듀서(210) 제조방법은 제1 실시예와 동일하다. 다만, 제2 실시예에 따른 금속 진동체(220)는 평판부(221)와 굴곡된 형태를 갖는 주변부(222)를 포함하되, 주변부(222)의 내측에는 평판부(221)로부터 돌출되도록 형성된 단턱부(231)를 포함할 수 있다. 즉, 단턱부(231)는 경방향 진동모드를 두께방향 진동모드로 변환시키기 위한 진동 구속부(230)로써 기능할 수 있다.
일예로, 금속 진동판의 두께가 박형 형태로 너무 얇게 제작되면, 프로브는 외부의 충격에 파손된 우려가 있으며, 프로브를 얼굴부위와 같은 굴곡진 부위를 시술할 경우, 피부와 밀착시키기 위한 밀착력에 의해 금속 진동체가 변형되어 초음파 에너지의 손실이 발생될 수 있는 단점을 갖는다.
허나, 제2 실시예에 따른 금속 진동체(220)는 금속 진동체(220) 내에 단턱부(231)를 형성함으로써, 외부 충격에 대한 충분한 강도를 확보할 수 있으며, 별도의 고정부재(131)를 장착하지 않더라도 진동 구속부(230)로써 기능을 수행하기 때문에 압전트랜스듀서(210)의 경방향 진동모드를 두께방향 진동모드로 변환이 가능하다.
금속 진동체 및 진동 구속부의 제조(제2 실시예)
도 10 내지 도 12는 본 발명의 압전트랜스듀서와 금속 진동체에 따른 진동모드 변위량을 나타낸 도면이다.
표 3은 공진 주파수의 파장에 따른 금속 진동체(220)의 두께를 나타낸다.
| 공진 모드 | 주파수(MHz) | 금속 진동체의 두께(mm) | ||||||||||
| 1/2λ | 2/2λ | 3/2λ | 4/2λ | 5/2λ | 6/2λ | 7/2λ | 8/2λ | 9/2λ | 10/2λ | 11/2λ | ||
| 1차 | 3 | 0.881 | 1.763 | 2.644 | 3.525 | 4.406 | 5.288 | 6.169 | 7.050 | 7.931 | 8.813 | 9.694 |
| 2차 | 10 | 0.267 | 0.534 | 0.801 | 1.068 | 1.335 | 1.602 | 1.869 | 2.136 | 2.403 | 2.670 | 2.938 |
| 3차 | 17 | 0.160 | 0.320 | 0.481 | 0.641 | 0.801 | 0.961 | 1.122 | 1.282 | 1.442 | 1.602 | 1.763 |
우선, 도 10 및 표 3을 참조하면, 금속 진동체(220)의 두께방향 진동 변위를 3MHz에서 금속 진동체(220)의 상부면 및 하부면에서 최대가 될 수 있는 2/2λ로 설정하면, 압전트랜스듀서(210)가 3MHz에서 1/2λ 모드로 진동할 경우, 도 10에서와 같이, 금속 진동체(220)는 두께방향의 진동모드를 최대로 할 수 있다. 즉, 표 3에서와 같이, 금속 진동체(220)의 두께를 1.76mm 로 설정하면, 3MHz의 2/2λ모드에서 금속 진동체(220)의 상부면 및 하부면에 최대 진동을 유도할 수 있다.
도 11 및 표 3을 참조하면, 금속 진동체(220)의 두께방향 진동 변위를 10MHz에서 금속 진동체(220)의 상부면 및 하부면에서 최대가 될 수 있는 7/2λ로 설정하면, 압전트랜스듀서(210)가 3MHz에서 3/2λ 모드로 진동할 경우, 도 11에서와 같이, 금속 진동체(220)는 두께방향의 진동모드를 최대로 할 수 있다. 즉, 표 3에서와 같이, 금속 진동체(220)의 두께를 1.87mm 로 설정하면, 10MHz의 7/2λ모드에서 금속 진동체(220)의 상부면 및 하부면에 최대 진동을 유도할 수 있다.
또한, 도 12 및 표 3을 참조하면, 금속 진동체(220)의 두께방향 진동 변위를 17MHz에서 금속 진동체(220)의 상부면 및 하부면에서 최대가 될 수 있는 11/2λ로 설정하면, 압전트랜스듀서(210)가 3MHz에서 5/2λ 모드로 진동할 경우, 도 12에서와 같이, 금속 진동체(220)는 두께방향의 진동모드를 최대로 할 수 있다. 즉, 표 3에서와 같이, 금속 진동체(220)의 두께를 1.76mm 로 설정하면, 17MHz의 11/2λ모드에서 금속 진동체(220)의 상부면 및 하부면에 최대 진동을 유도할 수 있다.
상술한 바와 같이, 금속 진동체(220)의 두께가 1.76~1.8mm 범위에서 압전트랜스듀서(210)가 3MHz의 공진, 금속 진동체(220)가 3MHz의 공진을 가질 경우, 각각 1/2λ, 2/2λ 진동모드에서 최대 변위를 가질 수 있다. 또한, 압전트랜스듀서(210)가 3MHz의 공진, 금속 진동체(220)가 7MHz의 공진을 가질 경우, 각각 3/2λ, 7/2λ 진동모드에서 최대 변위를 가질 수 있고, 압전트랜스듀서(210)가 3MHz의 공진, 금속 진동체(220)가 17MHz의 공진을 가질 경우, 각각 5/2λ, 11/2λ 진동모드에서 최대 변위를 가질 수 있다.
즉, 제2 실시예에 따른 초음파 발진 프로브(200)는 제1 실시예에 따른 초음파 발진 프로브(100)보다 금속 진동체(220)의 두께를 확보할 수 있기 때문에 외부 충격에 대한 충분한 강도를 확보할 수 있으며, 가공을 통해 경방향 진동모드를 구속할 수 있는 단턱부(231)를 형성할 수 있기 때문에 경방향 진동모드를 구속하기 위한 별도의 고정부재(131)가 필요하지 않다. 따라서, 금속 진동체(220)에 형성된 단턱부(231)에 의해, 1MHz의 초음파 출력은 압전트랜스듀서(210)의 경방향 진동모드를 이용하고, 3,10,17MHz의 초음파 출력은 두께방향 진동모드를 이용할 수 있기 때문에 하나의 압전트랜스듀서(210) 및 금속 진동체(220)를 이용하여 4가지 이상의 다중 주파수 초음파 발생이 가능하다.
다만, 압전트랜스듀서(210)의 직경(D1)과 금속 진동체(220)의 직경(D2)의 비(D1/D2)는 0.2mm~0.8mm 범위를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 압전트랜스듀서(210)의 두께(T1)와 금속 진동체(220)의 두께(T2)의 비(T1/T2)는 0.4mm~4mm 범위를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 직경의 비(D1/D2)가 0.2mm~0.8mm 범위를 갖고, 두께의 비(T1/T2)가 0.4mm~4mm 범위를 가질 경우, 초음파 발진 프로브는 최대 변위를 발생시킬 수 있다.
일예로, 압전트랜스듀서(210)가 8mm의 직경(D1)과 0.65mm의 두께(T1)를 가질 경우, 금속 진동체(220)의 직경(D2)은 9.6mm~14.4mm 범위에서 최대 진동변위를 가지며, 금속 진동체(220)의 두께(T2)는 0.91mm~2.6mm 범위에서 최대 진동변위를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 경방향-두께방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브 및 이의 제조방법은 금속 진동체의 주변부에 진동 구속부를 이용하여 경방향 진동을 구속시킴으로써, 경방향 진동모드를 두께방향 진동모드로 변환시킬 수 있다. 따라서, 1MHz의 초음파 출력은 압전트랜스듀서의 경방향 진동모드를 이용하고, 3,10,17MHz의 초음파 출력은 두께방향 진동모드를 이용할 수 있기 때문에 하나의 압전트랜스듀서 및 금속 진동체를 이용하여 4가지 이상의 다중 주파수 초음파를 발생시킬 수 있다. 따라서, 다중 주파수 초음파를 이용하여 시술효과를 향상시킬 수 있으며, 시술시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
110,210 : 압전트랜스듀서
120,220 : 금속 진동체
130,230 : 진동 구속부 131 : 고정부재
231 : 단턱부
130,230 : 진동 구속부 131 : 고정부재
231 : 단턱부
Claims (16)
- 경방향 진동모드 및 두께방향 진동모드를 갖는 평판 형태의 압전트랜스듀서;
상기 압전트랜스듀서가 부착되는 평판부와 상기 평판부에서 연장되어 굴곡된 형태를 갖는 주변부를 포함하는 금속 진동체; 및
상기 경방향 진동모드가 상기 두께방향 진동모드로 변환되도록 상기 주변부에 배치되는 진동 구속부를 포함하는 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브. - 제1항에 있어서, 상기 진동 구속부는,
상기 주변부를 감싸도록 형성된 고정부재를 포함하는 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브. - 제1항에 있어서,
상기 압전트랜스듀서와 상기 금속 진동체 사이에 배치된 접착부재를 더 포함하는 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브. - 제1항에 있어서,
상기 압전트랜스듀서에는 네 가지 이상의 다수 주파수가 교번적으로 입력되는 것인 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브. - 제4항에 있어서, 상기 다수 주파수는,
상기 경방향 진동모드의 공진 주파수를 갖는 제1 주파수와 상기 두께방향 진동모드의 공진 주파수를 갖는 제2, 제3, 제4 주파수를 포함하는 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브. - 제5항에 있어서,
상기 제3, 제4 주파수는 상기 제2 주파수의 홀수배를 갖는 것인 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브. - 제1항에 있어서,
상기 압전트랜스듀서는 압출법 또는 프레스 성형(press)중 어느 하나로 형성되는 것인 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브. - 제1항에 있어서,
상기 금속 진동체의 재질은 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸, 타이타늄 또는 타이타늄 합금 중 어느 하나의 재질로 형성되는 것인 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브. - 제1항에 있어서, 상기 진동 구속부는,
상기 주변부의 내측에 형성되고, 상기 평판부로부터 돌출되도록 형성된 단턱부를 포함하는 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브. - 제9항에 있어서,
상기 압전트랜스듀서의 직경(D1)과 상기 금속 진동체의 직경(D2)의 비(D1/D2)는 0.2 내지 0.8의 범위를 갖는 것인 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브. - 제9항에 있어서,
상기 압전트랜스듀서의 두께(T1)와 상기 금속 진동체의 두께(T2)의 비(T1/T2)는 0.4 내지 3의 범위를 갖는 것인 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브. - 경방향 진동모드의 경방향 임피던스와 두께방향 진동모드의 두께방향 임피던스를 고려하여 압전트랜스듀서의 직경과 두께를 결정하는 단계;
상기 압전트랜스듀서가 부착되는 평판부와 상기 평판부에서 연장되어 굴곡된 형태를 갖는 주변부를 포함하는 금속 진동체의 상기 주변부를 진동 구속부를 이용하여 구속시키는 단계; 및
상기 경방향 진동모드의 공진 주파수와 상기 두께방향 진동모드의 공진 주파수를 이용하여 상기 금속 진동체의 두께를 결정하는 단계를 포함하는 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 경방향 진동모드의 공진 주파수는 제1 주파수를 포함하고,
상기 두께방향 진동모드의 공진 주파수는 제2, 제3, 제4 주파수를 포함하는 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 제3, 제4 주파수는 상기 제2 주파수의 홀수배를 갖는 것인 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브의 제조방법. - 제12항에 있어서, 상기 진동 구속부는,
상기 주변부를 감싸도록 형성된 고정부재를 포함하는 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브의 제조방법. - 제12항에 있어서, 상기 진동 구속부는,
상기 주변부의 내측에 형성되고, 상기 평판부로부터 돌출되도록 형성된 단턱부를 포함하는 경방향-두께 방향 진동모드를 이용한 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR20090023597A (ko) | 2006-05-04 | 2009-03-05 | 카디널 헬스 202 인코포레이티드 | 다중주파수 도플러 초음파 프로브 |
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2021
- 2021-12-17 KR KR1020210182108A patent/KR20230092586A/ko unknown
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