KR910004442B1 - 전기신호 전송소자 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전기신호 전송소자

제 1 도 본 발명에 따른 전기신호 전송소자의 설명도.

제 2 도 동 전송소자의 등가회로도.

제 3 도 제 2 도에 나타낸 등가회로에 있어서 입력 트랜스듀서의 전기 계통도.

제 4 도 제 2 도에 나타낸 등가회로에 있어서 출력 트랜스듀서의 전기 계통도.

제 5 도 제 4 도의 회로를 별도의 표현으로 바꾸어 그린 회로도.

제 6 도 및 제 7 도 각각 제 5 도를 설명하기 위한 중첩된 원리를 사용한 회로도.

제 8 도 제 6 도 및 제 7 도의 회로를 설명하기 위해서 사용된 펄스 연산자의 파형도.

제 9 도 및 제 10 도 각각 제 6 도에 나타낸 회로의 특성곡선 및 등가회로.

제 11 도(a) (b) (c)는 제 6 도 및 제 7 도에 나타낸 회로의 특성을 중첩시킨 경우의 계단입력과 출력응답을 나타낸 도면.

제 12 도 및 제 13 도 각각 종래의 전기신호 전송소자에 인가된 계단입력 파형도 및 출력 파형도.

제 14 도 종래의 전기신호 전송소자의 설명도.

제 15 도 종래의 전기신호 전송소자의 전기적 등가회로도.

제 16 도 제 15 도에 나타낸 회로에 있어서 계단 입력과 출력의 응답을 나타낸 도면.

제 17 도, 제 18 도 및 제 19 도 각각 제 15 도에 나타낸 트랜스듀서부를 전기적인 소자 (L) (C) (R)로 바꾸어 놓은 등가회로도.

제 20 도 제 19 도의 등가회로 정수와 주파수의 특성곡선.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31 : 초음파 고체 전반 매체 34 : 입력 트랜스듀서

36 : 출력 트랜스듀서 49, 50 : 백킹재

본 발명은 전기신호 전송소자에 관한 것으로서, 특히 전송되는 전기신호의 링깅(ringing)을 가급적으로 감쇄(減殺)시켜서 파형의 왜곡이 생기지 않도록 응답케한 전기신호 전송소자에 관한 것이다.

종래로부터 어떤 초음파 지연선에 펄스신호를 인가하여 출력측에 펄스신호를 보내는 경우에는 제 14 도에 나타낸 바와 같이 입력 트랜스듀서(2)에 전원(그 계단 함수 입력을 e_o, 내부 저항을 Ro로 한다)과 반공진코일(antiresonate coil) (L)을 출력 트랜스듀서(3)에 내부 저항(Ro)과 반공진 코일(L)을 각각 접속한다.

그리고 전기신호를 압전소자의 입력 트랜스듀서로써 한번 탄성파(초음파)로 변환시키고 매체내를 일정 거리 전파(傳播)시킨 후에 다시 출력 트랜스듀서로써 전기 펄스로 바꾸어서 출력시킨다.

즉 입력 트랜스듀서에 계단입력(e_o) (제 12 도)을 인가한 경우 초음파 전반 거리(So)가 길기 때문에 일반적으로는 제 13 도와 같은 응답을 나타내며 링깅(Ri)이 발생한다.

또한 초음파 전반거리(So)는 130mm이상으로 설정되는 것이 일반적이다.

다음에서 그 응답에 관해서 이론적으로 설명하기로 한다.

제 14 도에 나타낸 바와 같이 전파매체(1)에 압전소자의 입,출력 트랜스듀서(2) (3)를 장치하고 또한 각 트랜스듀서에는 백킹(backing)재 (4) (5)를 각각 점착시켜서 전기펄스 전송소자를 구성한다.

입, 출력 트랜스듀서(2) (3)에는 전극(6) (7)을 거쳐서 전원(그 계단 함수 입력을 e_o,내부저항을 Ro로 한다)과 반공진 코일(L)이 각각 접속되어 있다.

제 14 도에 있어서 전파매체(1), 트랜스듀서(2) (3), 백킹재(4) (5)의 모든 것이 동등한 음향 임피이던스(Zo)의 재질(예를들면 같은 재료)로 구성하고 또한 백킹재(4) (5)중에 방사된 신호(8)의 스퓨리어스(9)의 대부분이 그속에서 소멸하여 트랜스듀서 속으로 다시 되돌아오는 일은 없다고 가정하면 그때의 전기 펄스 전송소자의 전기적 등가회로는 제 15 도와 같이 된다(일본전기 통신 학회 잡지 제 44 권 1호, 1961 1월).

제 15 도에 있어서 기계적 부분만에서의 회로계산을 하기 위해서 i(t)를 기계적 부분의 출력전류, y_TS를 어드미턴스, e(t)를 입력 전압으로해서

i(t)=y_TSe(t)‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(1)

로 하면 간단한 회로계산에서

로 할 수 있다.

또한 1α는 매체중의 감쇄정수, 1β는 매체중의 전파정수, D는 매체중의 전파장(傳播長)이다. 식(2)를 라플라스 연산자 P(=jw)를 이용해서 표현하면

y_TS=Y_TS="ψ[1-2exp(-PTo)+exp(-2PTo)]‥‥‥‥‥‥(3)

여기에서

Lo는 트랜스듀서 두께, V는 트랜스듀서중의 전파속도, Y_TS는 전달함수이다.

따라서 라플라스 변환의 변위 정리를 이용하면 (1) (3)식에 의해서

i(t)=Y_TSe(t)

="ψ[1-2exp(-PTo)+exp(-2PTo)] e(t)

="ψ[( e(t)-2 e(t-To)+ e(t-2To)] (4)

따라서 현재 e(t)인 계단입력e_o(

)를 인가했다고 하면 그 응답 i(t)는 제 16 도와 같이 된다.

이것은 어디까지나 전기펄스 전송소자에 기계적인 계단입력(e_o)를 인가한 때에 등가 전류 i(t)를 얻을 수 있다는 것이며 실제로는 입, 출력 트랜스듀서의 구속용량(Co), "Co"를 소거하기 위해서 바깥쪽에 부착하는 반공진 코일(L), 그때의 입, 출력 등가 저항에 매칭되는 바깥쪽에 부착하는 저항(R)등을 부착하는 것이 통상의 사용법이다.

그(L) (R)의 정수를 정하기 위해서 제 15 도의 트랜스듀서부를 전기적인 소자 (L) (C) (R)로 바꾸어 놓아서 제 17 도, 제 18 도 및 제 19 도의 등가회로를 얻는다(「쇼와 덴센 덴란 리뷰」 Vol23, NO.3(1973), 제 19 도에 있어서,

이다.

제 19 도의 등가회로 정수를 어드미턴스 브릿지로 측정하면 제 20 도를 얻는다. 이 도면을 기초로 하여

R

1.8Ra로 해서 R, L을 정하고 있다.

따라서 제 15 도의 입력에 v(t)를 인가했을때의 추력vout(t)는 제 16 도의 응답에 입, 출력의 전기 계통의 응답을 고려하고 또한 안전소자의 진동 이론에서 트랜스듀서상에

의 정재파(定在波)가 여기(勵起)되어 공진하는 것에서,

로 되는 것을 감안한다면 제 13 도와 같이 된다.

전술한 도면에서 명백한 바와 같이 2To후에도 영향을 미치는 것이 일반적이다.

또한 2To는 주기(周期)이다.

이것은 입, 출력 탱크회로의 응답이라는 것은 물론이다.

이와 같이 종래의 전기 펄스 전송소자는 그 입력 트랜스듀서에 계단 입력을 인가한 경우에 출력 트랜스듀서에는 링깅이 발생하며 파형의 왜곡이 야기된다.

본 발명은 전술한 종래의 문제점에 착안하여서 된 것으로써 전송 전기신호의 링깅을 가급적으로 감쇄시켜서 파형의 왜곡이 야기되지 않는 응답을 하는 전기신호 전송소자를 제공하려는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 전기신호 전송소자에 따르면 초음파 고체 전반 매체에 입력 전기신호를 초음파로 변환하는 입력 트랜스듀서와 전술한 초음파를 출력 전기신호로 변환하는 출력 트랜스듀서를 장치하고 전술한 입력 트랜스듀서 및 전술한 출력 트랜스듀서의 전술한 전반 매체와의 결합면의 반대면에 백킹재를 각각 접합하고 전술한 출력 트랜스듀서에 바깥쪽에 부착하는 임피이던스를 접속해서 된 전기신호 전송소자에 있어서 전술한 출력 트랜스듀서에는 적어도 저항(R)으로 구성되는 바깥쪽에 부착하는 임피이던스를 접속하는 동시에 전술한 바깥쪽에 부착하는 임피이던스와 전술한 출력 트랜스듀서의 구속용량(Co)으로 되는 폐회로의 시정수(RCo)를 To

RCo(여기에서 2To는 그 출력 트랜스듀서의 공진주기이다)로 한 것이다.

다음에 본 발명의 바람직한 실시예를 도면에 따라서 설명하자면 본 발명의 전기신호 전송소자는 제 1 도에 나타낸 바와 같이 초음파 고체 전반 매체(31)에 전기신호로써 입력 전기펄스(32)를 초음파(33)로 변환시키는 입력 트랜스듀서(34)와 전술한 초음파를 전기신호로써 입력 전기펄스(35)로 변환시키는 출력 트랜스듀서(36)를 장치하고 있다.

고체 전반 매체(31)는 초음파를 전반하고 입, 출력 트랜스듀서(34) (36)의 전기적 결합을 분리하는 것이다.

입, 출력 트랜스듀서(34) (36)는 전기펄스(32)와 초음파(33)를 변환시키는 것으로써 압전 재료가 사용된다.

또한 "37", "38"과 "39", "40"은 각각 입, 출력 트랜스듀서(34) (36)의 전극이며 "41", "42", "43", 및 "44"는 리이드 선이다.

입력 트랜스듀서(34) 및 출력 트랜스듀서(36)의 전반 매체(31)와의 결합면(45) (46)의 반대면(47) (48)에 백킹지(49) (50)가 각각 접속되어 있다.

백킹재(49) (50)는 각각 그 백킹재에 접합되어 있는 트랜스듀서부터 그 백킹재에 입사된 종파 및 횡파의 한쪽의 초음파(33')를 종파 및 횡파의 다른쪽의 초음파(33")로 모우드 변환하는 모우드 변환 각도(51)의 반사면(52)이 있다.

이와 같이 횡파-종파 또는 종파-횡파 변환을 행하는 백킹재(49) (50)에 따르면 입력 전기펄스(32)는 종파용의 입력 트랜스듀서(34)에 의해서 종파의 초음파(33)로 변환되어 고체 전반 매체(31)를 진행하며 출력 트랜스듀서(36)에 의해서 초음파(33)는 출력 전기펄스(35)가 된다.

이 초음파는 백킹재(49) (50)내에서 진행되며 그 종파(33')는 모우드 변환 각도(51)를 갖는 반사면(52)에서 종파-횡파 변환되어 횡파(33")로서 반사되며 종파용의 입, 출력 트랜스듀서(34) (36)에서는 스퓨리어스 전기 펄스로는 되지 않는다.

또한 입력 트랜스듀서(34)에 의해서 방사되는 음파가 횡파인 경우에는 횡파(33')는 모우드 변환각도(51)를 갖는 반사면(52)에 있어서 횡파-종파 변환되어 종파로서 반사되어 횡파용의 입, 출력 트랜스듀서(34) (36)에서는 스퓨리어스 전기펄스로는 되지 않는다.

또한 이러한 백킹재(49) (50)에 의한 초음파의 모우드 변환에 관해서는 일본 특허원 소화 61-25260호에 개시되어 있으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

백킹재(49) (50), 트랜스듀서(34) (36) 및 전반매체(31)는 실질적으로 동일한 음향 임피이던스의 재료, 예를들면 PZT(티단산 지르콘산 납)계 세라믹스나 니오브산 리튬 니오베이트(LiNbO₃) 압전 단결정 재료로 구성된다.

출력 트랜스듀서(36)에는 적어도 저항(R)으로 되는 바깥쪽에 부착하는 임피이던스가 접속되어 있다.

또한 이 바깥쪽에 부착하는 임피이던스와 출력 트랜스듀서(36)의 구속용량(Co)으로 이루어지는 폐회로의 시정수(RCo)는

To

RCo

(여기에서 2To는 그 출력 트랜스듀서의 공진 주기이다)로 설정된다.

또한 본 실시예에서는 주파수 f=8MHz의 경우에는 Co=200PF, R=2KΩ으로 설정되며 초음파 전반 거리(S₁)는 0.3-0.7mm로 설정되어 있다.

이와 같이 구성되어 있는 전기신호 전송소자에 따르면 입력 전기펄스(32)는 입력 트랜스듀서(34)에 의해서 초음파(33)로 변환되어 고체 전반 매체(31)를 진행시키며 출력 트랜스듀서(36)에 의해서 초음파(33)는 출력 전기펄스(35)로 변환된다.

즉 1배 행정 시간 후에 전달하는 신호로서 출력 전기펄스(35)를 얻을 수 있다.

다음에 이 동작을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

제 2 도의 입력 트랜스듀서(34) (36)의 전기 계통을 나타낸 제 3 도를 참조로해서 설명하자면, 제 3 도에서 계단 입력V_IN(t)을 인가한 때의V_o(t)의 값은 과도 현상이론에 따라서

로 된다.

여기에서

이다.

현재 r

O으로 하면

Vo(t)

V_IN(t)

로 된다.

따라서 제 2 도의 e는

로 된다.

계속해서 제 2 도의 출력 트랜스듀서의 전기 계통은 테브난의 정리를 이용해서 제 4 도로 나타낼 수 있다.

또한 제 4 도를 제 5 도로 그릴 수가 있다(제 18 도 참조).

이 제 5 도의 회로를 해석하는데 있어서 중첩의 원리를 이용해서 제 6 도, 제 7 도의 두 개의 더하기로서 나타내었다.

제 6 도에 있어서, C', Co의 초기저하를 0으로 하면 과도 현상이론에 의해서

여기에서

식(10)에서 R_E, C'가 제 20 도 및 식(5) (6)에 나탸낸 바와 같이 주파수(f)의 함수이므로 이 식의 개략적인 움직임을 조사하는데 있어서 다음의 순서를 필요로 한다.

제 8 도의 펄스를 연산 표시하면

로 된다.

또한

로 할 수가 있으며 또한 식(8)에서

이므로 해서 T=T에 있어서 f=∞로부터 T=To에 있어서 f=fr까지의 주파수 성분을 갖고 있다.

즉 식(10)의 개략을 알려면 펄스가 T=0에서 T=To까지 지속되는 사이에 식(10)의 R_E,C'의 값이 제 20 도 상을 f=∞로부터 f=fr을 향해서 변화한다고 생각할 수 있다.

제 20 도에 있어서 f가 ∞로부터 fr을 향해서 변화하는 때에 R_E는 단조감소. C'(C稿-Co)는 변화가 적으므로 t=0와 t=To의 2점에서 식(10)을 평가하면 그 개요를 알 수가 있다.

즉 t=0일 때 f=∞이므로 제 20 도에서 R_E=∞, C'=0으로 되며,

vout(0)=0‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(12)

또한 t=To일 때 f=fr이므로 제 20 도에서 R_E=Ra, C'=0으로 되며

로 된다.

식(12) (13)을 도면으로 나타내면 제 9 도의 t

To의 구간이 된다.

이어서 t〉To가 되면 입력은 0으로 된다.

즉 제 6 도에 있어서 i=0으로 되는 것이며 이 의미는 트랜스듀서가 진동을 멈춘다는 것이다.

즉 트랜스듀서의 등가 임피이던스(C') (R_E)가 각각 C'=0, R_e=∞로 되는 것이다.

따라서 t〉To이하의 등가 회로는 제 10 도와 같이 된다.

제 10 도에 있어서 과도 현상 이론에 의해서

따라서

로 된다.

여기에서 E'는 t=To에 있어서의 Co 양단의 전압이다. 식(14)를 도시하면 제 9 도의 t〉To의 구간이 된다.

이로써 t

To 및 t〉To의 구간에서는 E'는 제 11 도(b)의 윗쪽의 곡선이 된다.

같은 해석을 제 7 도에서도 행하고 그 결과( 제 11 도(b)의 아랫쪽의 곡선)를 중첩시키면 제 11 도(c)가 된다.

따라서 입력 트랜스듀서에 계단 입력 V_IN(제 11 도(a))를 입력하면서 식(13)의

및 (14)의 CoR을 적당히 선정함으로써 링깅이 없는 제 11 도(c)에 나타낸 계단 응답을 얻을 수가 있다.

단 CoR〈To(=

이면 제 11 도(c)의 A부가 눈에 뜨이기 시작한다.

또한 인덕턴스 성분이 저항(R)으로 되는 바깥쪽에 부착하는 임피이던스에 약간 가해져도 바깥쪽에 부착하는 임피이던스와 트랜스듀서의 구속용량(또는 약간의 부가용량을 가해도 좋다)으로 이루어지는 폐회로의 계단응답이 거의 임계제동 조건에 가까우면 특성상 문제가 없다는 것을 실험적으로 확인하였다.

또한 이상의 실시예에서는 전기신호로써 펄스를 전송하는 예에 관해서 설명하였으나 본 발명의 전송소자는 아날로그 신호에 관해서도 동일하게 전송할 수 있는 것이다.

또한 지연 소자로써 사용했을 경우에도 링깅(Ri)의 발생을 억제할 수 있으므로 매우 유효하다.

이상의 실시예에서도 명백한 바와 같이 본 발명의 전기신호 전송소자에 따르면 입력 트랜스듀서(34) (36)에 계단입력 또는 펄스를 인가한 때에 출력 트랜스듀서에서는 링깅이 감쇄되어 파형 왜곡이 야기되지 않는 미분(微分)응답을 얻을 수가 있다.

Claims (3)

1. 초음파 고체 전반 매체에 입력 전기신호를 초음파로 변환하는 입력 트랜스듀서와 초음파를 출력 전기신호로 변환하는 출력 트랜스듀서를 장착하고, 입력 트랜스듀서 및 출력 트랜스듀서의 전반 매체와의 결합면의 반대면에 백킹재를 각각 접합하며, 출력 트랜스듀서에 바깥쪽에 부착하는 임피이던스를 접속해서 되는 전기신호 전송소자에 있어서, 출력 트랜스듀서에는 적어도 저항(R)으로 되는 바깥쪽에 부착하는 임피이던스를 접속하는 동시에 바깥쪽에 부착하는 임피이던스와 출력 트랜스듀서의 구속용량(Co)으로 이루어지는 폐회로의 시정수 RCo를 To

   

   Rco(여기에서 2To는 그 출력 트랜스듀서의 공진 주기이다)로 한 것을 특징으로 하는 전기신호 전송소자.
2. 제 1 항에 있어서, 각 백킹재, 각 트랜스듀서 및 전반 매체를 실질적으로 동등한 음향 임피이던스로 된 부재로 구성한 것을 특징으로 하는 전기신호 전송소자.
3. 제 1 항에 있어서, 각 백킹재, 각 트랜스듀서 및 전반 매체를 동일재료로 구성한 것을 특징으로 하는 전기신호 전송소자.

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