WO2020111548A1 - 압전소자 유닛의 설계방법, 이를 이용하여 제조되는 압전소자 유닛을 포함하는 초음파소자, 초음파소자의 제조방법 및 초음파소자를 포함하는 음압 집속장치 - Google Patents

압전소자 유닛의 설계방법, 이를 이용하여 제조되는 압전소자 유닛을 포함하는 초음파소자, 초음파소자의 제조방법 및 초음파소자를 포함하는 음압 집속장치 Download PDF

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ultrasonic
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base material
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허신
송경준
윤길호
최형규
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한국기계연구원
한양대학교 산학협력단
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    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the present invention relates to a method of designing a piezoelectric element unit, an ultrasonic element including a piezoelectric element unit manufactured using the same, a method of manufacturing the ultrasonic element, and a sound pressure focusing device including the ultrasonic element, and more specifically, focusing strength of sound pressure.
  • the present invention relates to a method of designing a piezoelectric element unit capable of raising and precision focusing, an ultrasonic element including a piezoelectric element unit manufactured using the same, a method of manufacturing the ultrasonic element, and a sound pressure focusing device including the ultrasonic element.
  • HIFU high intensity focused ultrasound
  • high intensity focused ultrasound transducers are divided into single component transducers and array transducers.
  • the single element type transducer transfers heat to a fixed focal point determined by the device structure, and the array type transducer can variably form a focal point, most of the high intensity focused ultrasound devices for clinical tumor treatment have an array type transducer. Is being used.
  • a high-intensity focused ultrasound device is generally used in a concave multi-channel array structure.
  • the high-intensity focused ultrasound device increases the intensity of ultrasound and focuses acoustic pressure on the target area so that the temperature of the target area becomes 60°C to 90°C to remove tumor tissue.
  • FIGS. 1A and 1B are exemplary views showing a form of sound pressure generated in a conventional ultrasonic element.
  • the conventional ultrasonic element 10 is formed in a curved shape, and generates sound pressure so as to focus on the target position PT. Therefore, the conventional ultrasonic element 10 has a problem in that it must be adjusted to increase in size according to the distance of the target position PT where the sound pressure is concentrated.
  • the sound pressure in an ideal form has a small size from the installation position P1 to the vicinity of the target position PT, and then becomes the maximum size at the target position PT.
  • the sound pressure generated in the conventional ultrasonic element 10 does not have this form.
  • the concentration of the sound pressure also occurs in the region between the target position PT at the installation position of the ultrasonic element. There is this. As such, concentration of sound pressure appearing in a portion other than the target position may cause burns in other living cells and cause side effects such as requiring a recovery period.
  • an object of the present invention is to provide a method of designing a piezoelectric element unit capable of increasing the focusing strength of sound pressure and enabling precise sound focusing.
  • another object of the present invention is to provide an ultrasonic element including a piezoelectric element unit manufactured using the design method of the piezoelectric element unit.
  • Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the ultrasonic element.
  • Another object of the present invention is to provide a sound pressure focusing device including the ultrasonic element.
  • an embodiment of the present invention is a method of designing a piezoelectric element unit having a plurality of concentric ring pattern portions, a target position at which maximum acoustic pressure is focused and a target up to the target position
  • a selection step of selecting a distance An input step of inputting basic information of a base plate-shaped piezoelectric element base material;
  • the piezoelectric element unit may output sound pressure so that the maximum sound pressure required for each of the target positions is focused.
  • an embodiment of the present invention is manufactured using a method of designing a piezoelectric element unit, the piezoelectric element unit having a plurality of concentric ring pattern portions; A lower electrode provided under the piezoelectric element unit; And it provides an ultrasonic element including an upper electrode provided on the piezoelectric element unit.
  • the piezoelectric element unit further has a connection pattern portion formed in a radial direction to connect the plurality of ring pattern portions, wherein the upper electrode is provided above the ring pattern portion and spaced apart from each other. , May be provided on the connection pattern portion and have upper connection electrodes connecting the upper ring electrodes to each other.
  • the piezoelectric element unit has a base integrally formed under the plurality of ring pattern portions, and the lower electrode may be entirely provided under the base.
  • the piezoelectric element unit is further formed in a radial direction and further has a connection pattern portion connecting the plurality of ring pattern portions, so that the plurality of ring pattern portions are not connected to each other except for the connection pattern portion.
  • the lower electrode may have a lower ring electrode provided below the ring pattern portion and spaced apart from each other, and a lower connection electrode provided below the connection pattern portion to connect the lower ring electrodes to each other.
  • an embodiment of the present invention is a lower electrode preparation step of providing a lower electrode in the form of a disk; A piezoelectric element base material preparation step of preparing a base material of the piezoelectric element as a whole on the lower electrode; An upper electrode preparation step of providing an upper electrode as a whole on the upper part of the piezoelectric element base material; And the upper electrode and the piezoelectric element base material are laser-processed at the same time so that a plurality of ring pattern portions having the ring pattern are formed based on the pattern shape information of the design method of the piezoelectric element unit according to claim 1 or 2. It provides a method of manufacturing an ultrasonic element including a processing step.
  • the laser in the processing step, is irradiated to penetrate the upper electrode from above the upper electrode and not penetrate the lower end of the piezoelectric element base material so that the lower ends of the piezoelectric element base material are connected to each other. It can be processed.
  • the laser in the processing step, is irradiated to penetrate at least a portion of the upper electrode, the piezoelectric element base material, and the lower electrode from the upper side of the upper electrode, the upper electrode, the ring pattern portion And at least a portion of the lower electrode, respectively.
  • an embodiment of the present invention is the ultrasonic element;
  • An absorber provided at the rear of the ultrasonic element to absorb ultrasonic waves generated by the ultrasonic element;
  • An inner housing provided to surround the outer peripheral surfaces of the ultrasonic element and the absorber; And it provides a sound pressure focusing device including an outer housing that accommodates the inner housing inside, and exposes the front of the ultrasonic element to the outside.
  • it may further include a waterproof coating layer covering the outer housing and the upper portion of the ultrasonic element.
  • the waterproof coating layer may be further filled in the gap formed in the ultrasonic element.
  • an impedance matching unit provided between any one of the upper electrode and the waterproof coating layer and the gap formed in the ultrasonic element may be further included.
  • the piezoelectric element unit may be configured to focus the target sound pressure only on the target position. Therefore, it is possible to minimize the problem of focusing sound pressure appearing in unnecessary parts other than the target position, and to prevent problems such as burns that may occur during ultrasound treatment.
  • FIGS. 1A and 1B are exemplary views showing a form of sound pressure generated in a conventional ultrasonic element.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a sound pressure focusing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing the sound pressure focusing device of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an ultrasonic element of the sound pressure focusing device of FIG. 2.
  • 5A and 5B are cross-sectional views taken along the line A-A' in FIG. 4.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of designing a piezoelectric element unit according to another embodiment of the present invention.
  • 7A, 7B, 8A, and 8B are exemplary views for explaining a design process of the piezoelectric element unit of FIG. 6.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an ultrasonic device according to another embodiment of the present invention.
  • 10A, 10B, 10C, and 10D are process diagrams for explaining a manufacturing process of the ultrasonic device of FIG. 9.
  • ultrasonic element 110 piezoelectric element unit
  • connection pattern portion 112 connection pattern portion
  • FIG. 2 is a perspective view showing a sound pressure focusing device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing the sound pressure focusing device of FIG. 2.
  • the sound pressure focusing device includes an ultrasonic element 100, an absorber 200, an inner housing 300, and an outer housing 350.
  • the ultrasonic element 100 may include a piezoelectric element unit.
  • the ultrasonic element 100 will be described later.
  • the absorber 200 may be provided behind the ultrasonic element 100.
  • the absorber 200 absorbs ultrasonic waves generated by the ultrasonic element 100 and blocks the reflected waves of the ultrasonic waves from moving forward.
  • the absorber 200 may remove reflected waves by scattering or absorbing ultrasound waves transmitted to the absorber 200 to avoid unnecessary signal interference.
  • the inner housing 300 may be provided to surround the outer peripheral surfaces of the ultrasonic element 100 and the absorber 200.
  • the inner housing 300 is in close contact with the outer circumferential surfaces of the ultrasonic element 100 and the absorbing portion 200 to fix the ultrasonic element 100 and the absorbing portion 200.
  • the inner housing 300 may absorb ultrasonic waves or prevent reflection of ultrasonic waves, and may be formed of a low-density epoxy material.
  • the outer housing 350 may accommodate the inner housing 300 inside.
  • the front of the ultrasonic element 100 may be exposed to the outside while the outer housing 350 accommodates the inner housing 300 inside.
  • a transmission line for transmitting power and control signals to the ultrasonic element 100 and a signal line of a connector (not shown) connected to the ultrasonic element 100 for transmitting and receiving electrical signals (
  • the cable 410 in which the not shown) is accommodated may be connected.
  • the sound pressure focusing device may further include a waterproof coating layer 400.
  • the waterproof coating layer 400 may be provided to cover the upper portion of the outer housing 350 and the ultrasonic element 100. That is, the sound pressure focusing device may be covered by the waterproof coating layer 400, and the waterproof coating layer 400 may provide a waterproof function to the sound pressure focusing device when the sound pressure focusing device is inserted into the body.
  • the sound pressure focusing device may further include an impedance matching unit 250.
  • the impedance matching unit 250 may be provided between the front surface of the ultrasonic element 100 and the waterproof coating layer 400.
  • the impedance matching unit 250 may increase the transmittance of the ultrasound by improving the impedance difference by connecting the incident region and the transmission region of the ultrasound.
  • a low-density epoxy material may be used as the impedance matching unit 250.
  • the impedance matching unit 250 may have a different thickness depending on the operating wavelength of ultrasonic waves generated by the ultrasonic element 100.
  • the impedance matching unit 250 may be provided in a gap 114 (see FIGS. 5A and 5B) between the ring pattern portions 111a, 111b, and FIGS. 5A and 5B of the ultrasonic element 100. That is, the impedance matching unit 250 may be provided between the front surface of the ultrasonic element 100 and the waterproof coating layer 400, and at least one of the gaps 114 formed in the ultrasonic element 100.
  • the gap 114 formed in the ultrasonic element 100 is waterproof instead of the impedance matching unit 250.
  • the coating layer 400 may be filled.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an ultrasonic element of the sound pressure focusing device of FIG. 2, and FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views taken along line A-A′ in FIG. 4.
  • the ultrasonic element 100 may include a piezoelectric element unit 110, a lower electrode 120, and an upper electrode 130.
  • the piezoelectric element unit 110 may have a flat plate shape, specifically, a disc shape, and may have a plurality of concentric ring pattern portions 111.
  • the vibration frequency generated in the piezoelectric element unit 110 may be determined according to the shape of the ring pattern portion 111.
  • FIGS. 7A, 7B, 8A, and 8B are exemplary views for explaining a design process of the piezoelectric element unit of FIG. 6. .
  • the design method of the piezoelectric element unit includes a selection step (S510), an input step (S520), a grouping step (S530), a calculation step (S540), a discrimination step (S550), and It may include a pattern determination step (S560).
  • the selection step (S510) may be a step of selecting a target distance to the target position PT and the target position PT where the maximum acoustic pressure is to be focused.
  • the input step S520 may be a step of inputting basic information of a base plate-shaped piezoelectric element base material.
  • the piezoelectric element base material may be manufactured as a piezoelectric element unit through processing.
  • the basic information input in the input step (S520) includes information about the base material of the piezoelectric element, such as the material, height, and diameter of the base material of the piezoelectric element, the maximum sound pressure to focus on the target position PT, and the voltage applied to the piezoelectric element unit. It may contain the same information.
  • the grouping step (S530) divides the cross section 161 in the height direction of the piezoelectric element base material 160 into a plurality of grids 162 provided in the height direction A1 and the radial direction A2 of the piezoelectric element base material, and the piezoelectric element It may be a step of grouping a plurality of grids 162 provided in the height direction A1 of the base material into a unit grid group 163.
  • the height and diameter of the base material of the piezoelectric element may be set according to the basic information input in the input step (S520).
  • the calculating step S540 may be a step of calculating the size of the output sound pressure to be output from each unit grid group 163 so that the maximum sound pressure is focused on the target position PT.
  • the frequency When a voltage is applied to the piezoelectric element unit, the frequency may be oscillated, and the oscillated frequency may be propagated through attenuation, resonance, etc., and the sound pressure may be adjusted and focused at the target position.
  • the reference sound pressure may be set based on the maximum sound pressure, the target position PT, and the target distance.
  • the reference sound pressure may mean the sound pressure that the ring pattern portion to be formed in the future should output in order to focus the target sound pressure on the target position PT, and the reference sound pressure may have a range value.
  • the determining step S550 is a step of determining a unit grid group for outputting the output sound pressure belonging to the range of the reference sound pressure set based on the maximum sound pressure, the target position PT and the target distance among the plurality of unit grid groups 163.
  • the output sound pressure for each unit grid group 163 is compared with the reference sound pressure, and the unit grid group 163 for outputting the output sound pressure in the range of the reference sound pressure can be determined and selected.
  • the pattern determining step (S560) is based on the pattern shape information including the position and width corresponding to each of the selected unit grid groups 163 determined in the discriminating step (S550) in the base material of the piezoelectric element, a plurality of concentric The ring pattern can be determined.
  • the hatched unit grid group 163 is determined to be a unit grid group 163 that outputs an output sound pressure greater than or equal to a reference sound pressure, the unit grid group 163 not selected through laser processing to be described later. ) Is removed, and the selected unit grid group 163 may remain as a ring pattern.
  • the piezoelectric element unit designed as described above may allow the target sound pressure to be focused on the target position PT, as shown in FIG. 7B.
  • the vertical axis is a value obtained by dividing the square of each sound pressure by the square of the maximum sound pressure, and may be expressed as Equation (1) as follows.
  • P is the negative pressure
  • max P is the maximum negative pressure
  • the sound pressure generated can be the maximum sound pressure.
  • the target sound pressure may be focused only on the target position PT. Therefore, it is possible to minimize the problem of concentration of sound pressure appearing in unnecessary parts other than the target position PT, and to prevent problems such as burns that may occur during ultrasound treatment.
  • a plurality of target positions PT1 and PT2 may be selected in the selection step S510.
  • the maximum pressure to be focused may be input to each target position PT1 and PT2, and then the reference pressure to be output based on this may be set.
  • the unit grid group 163a for outputting the output pressure within the range of the reference pressure from the plurality of grids 162a provided on the cross section 161a of the piezoelectric element base material formed according to the input basic information ) May be determined, and in the pattern determination step (S560 ), pattern shape information may be obtained through this, and a plurality of ring patterns may be determined.
  • the piezoelectric element unit 110 manufactured based on the obtained pattern shape information may have a plurality of ring pattern portions 111 having concentricity capable of outputting sound pressure so that the maximum phosphorus pressure required at each target position is focused. have.
  • the lower electrode 120 may be provided under the piezoelectric element unit 110.
  • the lower electrode 120 may be coupled to the inner housing 300 to face the absorber 200.
  • the upper electrode 130 may be provided on the piezoelectric element unit 110.
  • the upper electrode 130 may be exposed forward.
  • the ring pattern portion 111 may be formed only on the upper portion of the piezoelectric element unit 110, or may be formed on the lower portion of the piezoelectric element unit 110.
  • the upper electrode 130 may have an upper ring electrode 131 having a ring shape corresponding to the ring pattern portion 111.
  • the upper ring electrode 131 is formed to correspond to the ring pattern portion 111, but is provided so as not to be connected to each other, wirings for applying a voltage may be connected to each upper ring electrode 131.
  • voltage is applied to the lower electrode 120 and the upper electrode 130, ultrasonic waves may be oscillated forward in the piezoelectric element unit 110.
  • the piezoelectric element unit 110 may further include a connection pattern portion 112 formed in a radial direction to connect the plurality of ring pattern portions 111.
  • the upper electrode 130 may have an upper connection electrode 132.
  • the upper ring electrode 131 is provided in a shape corresponding to the ring pattern portion 111 on the upper portion of the ring pattern portion 111, and thus may be spaced apart from each other, and the upper connection electrode 132 is connected
  • the upper ring electrode 131 may be connected to each other provided on the pattern portion 112.
  • the wiring for applying a voltage can be provided to be connected to any part of the upper electrode 130, the configuration of the wiring can be simplified.
  • the piezoelectric element unit 110 may have a base 113 integrally formed under a plurality of ring pattern portions 111a.
  • the lower electrode 120 may be provided as a whole under the base 113, and the wiring for applying a voltage may be provided to be connected to any part of the lower electrode 120, so the configuration of the wiring is simple. It can be done.
  • the piezoelectric element unit 110, the ring pattern portion 111b is formed to the lower surface of the piezoelectric element unit 110, may further have a connection pattern portion 112.
  • the plurality of ring pattern portions 111b may be formed separately so that all portions except the connection pattern portion 112 are not connected to each other.
  • the lower electrode 120 may have a lower ring electrode 121 and a lower connection electrode 122.
  • the lower ring electrode 121 may be provided below the ring pattern portion 111 to be spaced apart from each other, and the lower connection electrode 122 may be provided below the connection pattern portion 112 to provide the lower ring electrode 121 to each other. It can be formed to connect. In this case, since the wiring for applying the voltage can be provided to be connected to any part of the lower electrode 120, the configuration of the wiring can be simplified.
  • the ultrasonic element according to the present embodiment has a flat plate shape, it can be made smaller than a conventional curved ultrasonic element, thereby reducing patient discomfort when inserting into the body and allowing space for use.
  • the inserted ultrasonic element is directly in contact with the object to be treated, adhesion can be facilitated.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an ultrasonic device according to another embodiment of the present invention.
  • 10A, 10B, 10C, and 10D are process diagrams for explaining a manufacturing process of the ultrasonic device of FIG. 9.
  • the manufacturing method of the ultrasonic element includes a lower electrode preparing step (S610), a piezoelectric element base material preparing step (S620), and an upper electrode preparing step ( S630) and a processing step (S640).
  • the lower electrode preparation step (S610) may be a step of preparing the lower electrode 120 having a disc shape.
  • the lower electrode may be formed to have a diameter corresponding to the diameter of the base material of the piezoelectric element input in the input step to the design method of the piezoelectric element unit.
  • the piezoelectric element base material preparation step (S620) may be a step of preparing the piezoelectric element base material 160 entirely on the lower electrode 120.
  • the piezoelectric element base material 160 may be formed by depositing a piezoelectric element material on top of the lower electrode 120 (see FIG. 10A ).
  • the upper electrode preparation step S630 may be a step of providing the upper electrode 130 as a whole on the top of the piezoelectric element base material 160 (see FIG. 10B ).
  • the processing step (S640) is a step of simultaneously laser processing the upper electrode 130 and the piezoelectric element base material 160 such that a plurality of ring pattern portions having a ring pattern are formed based on the pattern shape information of the design method of the piezoelectric element unit. Can be.
  • the laser (LB) is irradiated to penetrate the upper electrode 130 from the upper side of the upper electrode 130 and does not penetrate the lower end of the piezoelectric element base material 160. It can be processed so that the lower ends of the piezoelectric element base material 160 are connected to each other.
  • the piezoelectric element unit 110 is formed to have a ring pattern portion 111 and a connection pattern portion 112, and the upper electrode 130 has an upper ring electrode 131 and an upper connection electrode 132 ), the lower electrode 120 may be entirely formed on the lower surface of the piezoelectric element unit 110.
  • the laser (LB) is at least a portion of the upper electrode 130, the piezoelectric element base material 160 and the lower electrode 120 above the upper electrode 130 It may be irradiated to penetrate, and at least a portion of the upper electrode 130, the ring pattern portion 111, and the lower electrode 120 may be processed to be separated from each other.
  • the piezoelectric element unit 110 is formed to have a ring pattern portion 111 and a connection pattern portion 112, and the upper electrode 130 has an upper ring electrode 131 and an upper connection electrode 132 ), the lower electrode 120 may be formed to have a lower ring electrode 121 and a lower connection electrode 122.
  • the laser LB may be a picosecond or femtosecond laser.

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Abstract

본 발명의 일실시예는 음압의 집속강도를 높이고, 정밀한 음향집속이 가능한 압전소자 유닛의 설계방법, 이를 이용하여 제조되는 압전소자 유닛을 포함하는 초음파소자, 초음파소자의 제조방법 및 초음파소자를 포함하는 음압 집속장치를 제공한다. 여기서, 압전소자 유닛의 설계방법은 최대 음압(Acoustic Pressure)이 집속될 타깃위치 및 타깃위치까지의 타깃거리를 선정하고, 압전소자 모재의 기본정보를 입력하고, 압전소자 모재의 높이 방향 단면을 복수의 그리드로 구획하여 복수의 그리드를 단위 그리드 그룹으로 그룹핑하고, 타깃위치에 최대 음압이 집속되게 하기 위해, 각각의 단위 그리드 그룹에서 출력해야 하는 출력 음압의 크기를 계산하고, 단위 그리드 그룹 중에서, 기준 음압의 범위에 속하는 출력 음압을 출력하는 단위 그리드 그룹을 판별하고, 판별된 단위 그리드 그룹 각각에 해당하는 위치 및 폭을 포함하는 패턴형상정보를 기초로 동심을 가지는 복수의 링 패턴을 결정한다.

Description

압전소자 유닛의 설계방법, 이를 이용하여 제조되는 압전소자 유닛을 포함하는 초음파소자, 초음파소자의 제조방법 및 초음파소자를 포함하는 음압 집속장치
본 발명은 압전소자 유닛의 설계방법, 이를 이용하여 제조되는 압전소자 유닛을 포함하는 초음파소자, 초음파소자의 제조방법 및 초음파소자를 포함하는 음압 집속장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음압의 집속강도를 높이고, 정밀한 음향집속이 가능한 압전소자 유닛의 설계방법, 이를 이용하여 제조되는 압전소자 유닛을 포함하는 초음파소자, 초음파소자의 제조방법 및 초음파소자를 포함하는 음압 집속장치에 관한 것이다.
현재 암의 약물치료 또는 방사선 치료는 선택적인 치료가 어렵기 때문에 일반세포에 영향을 주고 부작용이 발생할 수 있으므로, 새로운 선택적 암 치료법으로 고강도집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound: HIFU)의 중요성이 증가하고 있고, 고강도집속 초음파를 이용한 치료는 광범위하게 수행되고 있다.
일반적으로, 고강도집속 초음파 변환기는 단일 소자형 변환기와 어레이형 변환기로 나누어진다.
단일 소자형 변환기는 장치구조에 의해 결정된 고정 초점에 열을 전달하는 방식이고, 어레이형 변환기는 초점을 가변적으로 형성할 수 있기 때문에, 대부분의 임상적 종양치료용 고강도집속 초음파 장치에는 어레이형 변환기가 사용되고 있다.
또한, 통상적으로 고강도집속 초음파소자는 오목형상의 다채널 어레이 구조가 많이 사용되고 있다. 고강도집속 초음파소자는 초음파의 강도를 증가시켜 타깃영역에 음압(Acoustic Pressure)을 집속시켜 타깃영역의 온도가 60℃~90℃ 상태가 되도록 하여 종양조직을 제거하게 된다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 초음파소자에서 발생하는 음압의 형태를 나타낸 예시도이다.
먼저, 도 1a에서 보는 바와 같이, 종래의 초음파소자(10)는 곡면형으로 형성되며, 타깃위치(PT)로 집속되도록 음압을 발생하게 된다. 따라서, 종래의 초음파소자(10)는 음압이 집중되는 타깃위치(PT)의 거리에 따라서 크기가 커지도록 조절되어야 하는 문제점이 있다.
또한, 실제 시술시에는 곡면에 많은 불필요한 임피던스 매칭층을 채워야하고 초음파소자(10)의 크기 증가로 인해 시술 시에 체내 삽입 시에 공간을 많이 차지할 뿐만 아니라, 삽입이 불편한 문제점을 야기한다.
또한, 이상적인 형태의 음압은 설치위치(P1)에서 타깃위치(PT) 부근까지는 작은 크기를 가지다가, 타깃위치(PT)에서 최대크기가 되는 것이다. 그러나, 실제로 종래의 초음파소자(10)에서 발생하는 음압은 이러한 형태를 가지지 못하는 문제점이 있다.
즉, 도 1b에서 보는 바와 같이, 초음파소자에서 발생하는 음압은 타깃위치(PT)에서 최대 음압이 되긴 하지만, 초음파소자의 설치위치에서 타깃위치(PT) 사이의 영역에서도 음압의 집중이 발생하는 문제점이 있다. 이와 같이 타깃위치 이외의 부분에서 나타나는 음압 집중은 다른 생체세포에 화상을 발생시켜 회복기간이 필요한 등의 부작용을 초래할 수 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제1195671호가 있다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 음압의 집속강도를 높이고, 정밀한 음향집속이 가능한 압전소자 유닛의 설계방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 압전소자 유닛의 설계방법을 이용하여 제조되는 압전소자 유닛을 포함하는 초음파소자를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 초음파소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 초음파소자를 포함하는 음압 집속장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 동심을 가지는 복수의 링 패턴부를 가지는 압전소자 유닛의 설계방법으로서, 최대 음압(Acoustic Pressure)이 집속될 타깃위치 및 상기 타깃위치까지의 타깃거리를 선정하는 선정단계; 원판 형상의 압전소자 모재의 기본정보를 입력하는 입력단계; 상기 압전소자 모재의 높이 방향 단면을 상기 압전소자 모재의 높이방향 및 반경방향으로 마련되는 복수의 그리드로 구획하고, 상기 그리드를 단위 그리드 그룹으로 그룹핑하는 그룹핑단계; 각각의 상기 단위 그리드 그룹에서 출력해야 하는 출력 음압의 크기를 계산하는 계산단계; 상기 단위 그리드 그룹 중에서, 상기 최대 음압, 상기 타깃위치 및 상기 타깃거리를 기초로 설정되는 기준 음압의 범위에 속하는 상기 출력 음압을 출력하는 단위 그리드 그룹을 판별하는 판별단계; 그리고 상기 압전소자 모재에서, 판별된 상기 단위 그리드 그룹 각각에 해당하는 위치 및 폭을 포함하는 패턴형상정보를 기초로, 동심을 가지는 복수의 링 패턴을 결정하는 패턴결정단계를 포함하는 압전소자 유닛의 설계방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 선정단계에서 상기 타깃위치가 복수개가 선정되면, 압전소자 유닛은 상기 타깃위치 각각에 요구되는 최대 음압이 집속되도록 음압을 출력할 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 압전소자 유닛의 설계방법을 이용하여 제조되어 동심을 가지는 상기 복수의 링 패턴부를 가지는 압전소자 유닛; 상기 압전소자 유닛의 하부에 마련되는 하부전극; 그리고 상기 압전소자 유닛의 상부에 마련되는 상부전극을 포함하는 초음파소자를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압전소자 유닛은 반경방향으로 형성되어 상기 복수의 링 패턴부를 연결하는 연결패턴부를 더 가지고, 상기 상부전극은 상기 링 패턴부의 상부에 마련되어 서로 이격되는 상부링전극과, 상기 연결패턴부의 상부에 마련되어 상기 상부링전극을 서로 연결하는 상부연결전극을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압전소자 유닛은 상기 복수의 링 패턴부의 하부에 일체로 형성되는 베이스를 가지고, 상기 하부전극은 상기 베이스의 하부에 전체적으로 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압전소자 유닛은 반경방향으로 형성되어 상기 복수의 링 패턴부를 연결하는 연결패턴부를 더 가지고, 상기 복수의 링 패턴부는 상기 연결패턴부를 제외한 모든 부분이 서로 연결되지 않도록 분리 형성되며, 상기 하부전극은 상기 링 패턴부의 하부에 마련되어 서로 이격되는 하부링전극과, 상기 연결패턴부의 하부에 마련되어 상기 하부링전극을 서로 연결하는 하부연결전극을 가질 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 원판 형상의 하부전극을 마련하는 하부전극 마련단계; 상기 하부전극의 상부에 전체적으로 압전소자 모재를 마련하는 압전소자 모재 마련단계; 상기 압전소자 모재의 상부에 전체적으로 상부전극을 마련하는 상부전극 마련단계; 그리고 제1항 또는 제2항에 기재된 압전소자 유닛의 설계방법의 상기 패턴형상정보를 기초로 상기 링 패턴을 가지는 복수의 링 패턴부가 형성되도록, 상기 상부전극 및 상기 압전소자 모재를 동시에 레이저 가공하는 가공단계를 포함하는 초음파소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 가공단계에서, 상기 레이저는 상기 상부전극의 상측에서 상기 상부전극을 관통하고 상기 압전소자 모재의 하단부를 관통하지 않도록 조사되어 상기 압전소자 모재의 하단부가 서로 연결되도록 가공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 가공단계에서, 상기 레이저는 상기 상부전극의 상측에서 상기 상부전극, 상기 압전소자 모재 및 상기 하부전극의 적어도 일부를 관통하도록 조사되어 상기 상부전극, 상기 링 패턴부 및 상기 하부전극의 적어도 일부가 각각 서로 분리되도록 가공할 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 상기 초음파소자; 상기 초음파소자의 후방에 구비되고 상기 초음파소자에 의해 발생하는 초음파를 흡수하는 흡수부; 상기 초음파소자 및 상기 흡수부의 외주면을 감싸도록 구비되는 내부하우징; 그리고 상기 내부하우징을 내측에 수용하고, 상기 초음파소자의 전방이 외부로 노출되도록 하는 외부하우징을 포함하는 음압 집속장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 외부하우징 및 상기 초음파소자의 상부를 덮는 방수코팅층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 방수코팅층은 상기 초음파소자에 형성되는 틈새에 더 채워질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 상부전극의 상부와 상기 방수코팅층의 사이, 그리고 상기 초음파소자에 형성되는 틈새 중 어느 한 곳 이상에 마련되는 임피던스 매칭부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압전소자 유닛은 타깃위치에만 목표 음압이 집속되도록 할 수 있다. 따라서, 타깃위치 이외의 불필요한 부분에서 나타나는 음압 집중 문제를 최소화할 수 있으며, 초음파 치료 시 발생될 수 있는 화상 등의 문제를 방지할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 초음파소자에서 발생하는 음압의 형태를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음압 집속장치를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 음압 집속장치를 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 도 2의 음압 집속장치의 초음파소자를 나타낸 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 4의 A-A′선을 따른 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자 유닛의 설계방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7a, 도 7b, 도 8a 및 도 8b는 도 6의 압전소자 유닛의 설계공정을 설명하기 위한 예시도들이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파소자의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10a, 도 10b, 도 10c 및 도 10d는 도 9의 초음파소자의 제조공정을 설명하기 위한 공정도들이다.
* 부호의 설명
100: 초음파소자 110: 압전소자 유닛
111, 111a, 111b, 링 패턴부 112: 연결패턴부
113: 베이스 120: 하부전극
121: 하부링전극 122: 하부연결전극
130: 상부전극 131: 상부링전극
132: 상부연결전극 160: 압전소자 모재
162, 162a: 그리드 163, 163a: 단위 그리드 그룹
200: 흡수부 250: 임피던스 매칭부
300: 내부하우징 350: 외부하우징
400: 방수코팅층
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음압 집속장치를 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 2의 음압 집속장치를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, 음압 집속장치는 초음파소자(100), 흡수부(200), 내부하우징(300) 그리고 외부하우징(350)을 포함한다.
이하에서는 설명의 편의상, 초음파소자(100)에서 발생하는 초음파의 진행방향을 기준으로 앞단/앞단부/전방, 후단/후단부/후방으로 설명한다. 즉, 초음파가 제1지점에서 제2지점으로 진행되는 경우, 제1지점을 후방으로, 제2지점을 전방으로 하여 설명한다.
초음파소자(100)는 압전소자 유닛을 포함할 수 있다. 초음파소자(100)에 대해서는 후술한다.
그리고, 흡수부(200)는 초음파소자(100)의 후방에 구비될 수 있다. 흡수부(200)는 초음파소자(100)에 의해 발생하는 초음파를 흡수하여 초음파의 반사파가 전방으로 진행하는 것을 차단할 수 있다.
흡수부(200)는 불필요한 신호의 간섭을 피하기 위해 흡수부(200)에 전달되는 초음파를 산란 또는 흡수하여 반사파를 제거할 수 있다.
내부하우징(300)은 초음파소자(100) 및 흡수부(200)의 외주면을 감싸도록 구비될 수 있다. 내부하우징(300)은 초음파소자(100) 및 흡수부(200)의 외주면에 밀착되어 초음파소자(100) 및 흡수부(200)를 고정시킬 수 있다. 내부하우징(300)은 초음파를 흡수하거나 초음파의 반사를 방지할 수 있으며, 저밀도 에폭시 소재로 형성될 수 있다.
외부하우징(350)은 내부하우징(300)을 내측에 수용할 수 있다. 외부하우징(350)이 내부하우징(300)을 내측에 수용한 상태에서 초음파소자(100)의 전방은 외부로 노출될 수 있다.
외부하우징(350)의 후방에는 초음파소자(100)에 전원과 제어신호를 전송하는 전송선(미도시)과, 초음파소자(100)와 연결되어 전기적 신호를 송수신하기 위한 커넥터(미도시)의 신호선(미도시)이 수용되는 케이블(410)이 연결될 수 있다.
그리고, 음압 집속장치는 방수코팅층(400)을 더 포함할 수 있다. 방수코팅층(400)은 외부하우징(350) 및 초음파소자(100)의 상부를 덮도록 마련될 수 있다. 즉, 음압 집속장치는 방수코팅층(400)에 의해 덮일 수 있으며, 방수코팅층(400)은 음압 집속장치가 신체 내에 삽입되었을 때, 음압 집속장치에 방수기능을 제공할 수 있다.
또한, 음압 집속장치는 임피던스 매칭부(250)를 더 포함할 수 있다. 임피던스 매칭부(250)는 초음파소자(100)의 앞면과 방수코팅층(400)의 사이에 마련될 수 있다. 고강도 초음파 집속을 위해서는 높은 에너지 투과율 구현이 필요하다. 특히, 피부와 같은 연조직뿐만 아니라 두개골과 같이 임피던스가 큰 매질로 초음파가 입사하는 경우, 임피던스 미스매치로 인해 많은 음향 에너지가 투과되지 못 할 수 있다. 임피던스 매칭부(250)는 초음파의 입사 영역과 투과 영역을 연결하여 임피던스 차이를 개선함으로써 초음파의 투과성을 증가시킬 수 있다. 임피던스 매칭부(250)로는 저밀도 에폭시 소재가 사용될 수 있다.
임피던스 매칭부(250)는 초음파소자(100)에서 발생되는 초음파의 작동파장에 따라 두께가 달라질 수 있다.
한편, 임피던스 매칭부(250)는 초음파소자(100)의 링 패턴부(111a, 111b, 도 5a 및 도 5b 참조) 사이의 틈새(114, 도 5a 및 도 5b 참조)에 마련될 수도 있다. 즉, 임피던스 매칭부(250)는 초음파소자(100)의 앞면과 방수코팅층(400)의 사이, 그리고 초음파소자(100)에 형성되는 틈새(114) 중 어느 한 곳 이상에 마련될 수 있다.
더하여, 임피던스 매칭부(250)가 초음파소자(100)의 앞면과 방수코팅층(400)의 사이에 마련되는 경우, 초음파소자(100)에 형성되는 틈새(114)에는 임피던스 매칭부(250) 대신 방수코팅층(400)이 채워질 수도 있다.
다음은 초음파소자(100)에 대해서 자세히 설명한다.
도 4는 도 2의 음압 집속장치의 초음파소자를 나타낸 사시도이고, 도 5a 및 도 5b는 도 4의 A-A′선을 따른 단면도들이다.
도 4, 도 5a 및 도 5b에서 보는 바와 같이, 초음파소자(100)는 압전소자 유닛(110), 하부전극(120) 그리고 상부전극(130)을 포함할 수 있다.
압전소자 유닛(110)은 평판 형태, 구체적으로는 디스크 형태일 수 있으며, 동심을 가지는 복수의 링 패턴부(111)를 가질 수 있다. 압전소자 유닛(110)은 링 패턴부(111)의 형상에 따라 발생되는 진동 주파수가 결정될 수 있다.
이하에서는 링 패턴부(111)가 가지는 링 패턴을 결정하여 압전소자 유닛을 설계하는 내용에 대해서는 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자 유닛의 설계방법을 나타낸 흐름도이고, 도 7a, 도 7b, 도 8a 및 도 8b는 도 6의 압전소자 유닛의 설계공정을 설명하기 위한 예시도들이다.
도 6, 도 7a 및 도 7b에서 보는 바와 같이, 압전소자 유닛의 설계방법은 선정단계(S510), 입력단계(S520), 그룹핑단계(S530), 계산단계(S540), 판별단계(S550) 그리고 패턴결정단계(S560)를 포함할 수 있다.
선정단계(S510)는 최대 음압(Acoustic Pressure)이 집속될 타깃위치(PT) 및 타깃위치(PT)까지의 타깃거리를 선정하는 단계일 수 있다.
입력단계(S520)는 원판 형상의 압전소자 모재의 기본정보를 입력하는 단계일 수 있다. 여기서, 압전소자 모재는 가공을 통해 압전소자 유닛으로 제작될 수 있는 것이다.
입력단계(S520)에서 입력되는 기본정보는 압전소자 모재의 재료, 높이, 지름과 같은 압전소자 모재에 대한 정보와, 타깃위치(PT)에 집속하고자 하는 최대 음압, 압전소자 유닛에 인가되는 전압과 같은 정보를 포함할 수 있다.
그룹핑단계(S530)는 압전소자 모재(160)의 높이 방향 단면(161)을 압전소자 모재의 높이방향(A1) 및 반경방향(A2)으로 마련되는 복수의 그리드(162)로 구획하고, 압전소자 모재의 높이방향(A1)으로 마련되는 복수의 그리드(162)를 단위 그리드 그룹(163)으로 그룹핑하는 단계일 수 있다.
도 7a에서 보는 바와 같이, 압전소자 모재의 높이 방향 단면(161) 중에 압전소자 모재의 중심(C)을 기준으로 일측의 단면은 높이방향(A1) 및 반경방향(A2)으로 마련되는 복수의 그리드(162)로 구획될 수 있다. 여기서, 압전소자 모재의 높이 및 지름은 입력단계(S520)에서 입력되는 기본정보에 맞게 설정될 수 있다.
계산단계(S540)는 타깃위치(PT)에 최대 음압이 집속되도록 하기 위해, 각각의 단위 그리드 그룹(163)에서 출력해야 하는 출력 음압의 크기를 계산하는 단계일 수 있다.
압전소자 유닛은 전압이 인가되면 주파수를 발진시킬 수 있으며, 발진되는 주파수는 감쇄, 공진 등을 통해 전파되고, 음압이 조절되며 타깃위치에 집속될 수 있다.
계산단계(S540)에서는 선정단계(S510)에서 선정된 타깃위치(PT)에 목표 음압(AP)이 집속되도록 하기 위해, 각각의 단위 그리드 그룹(163)에서 발생되어야 하는 음압을 계산할 수 있다.
선정단계(S510) 및 입력단계(S520)를 거치면 최대 음압, 타깃위치(PT) 및 타깃거리를 기초로 기준 음압이 설정될 수 있다. 기준 음압은 타깃위치(PT)에 목표 음압이 집속되도록 하가 위해서, 앞으로 형성될 링 패턴부가 출력해야 하는 음압을 의미할 수 있으며, 기준 음압은 범위값을 가질 수 있다.
판별단계(S550)는 복수의 단위 그리드 그룹(163) 중에서, 최대 음압, 타깃위치(PT) 및 타깃거리를 기초로 설정되는 기준 음압의 범위에 속하는 출력 음압을 출력하는 단위 그리드 그룹을 판별하는 단계일 수 있다.
판별단계(S550)에서는 각각의 단위 그리드 그룹(163) 별 출력 음압을 기준 음압과 비교하고, 기준 음압의 범위에 속하는 출력 음압을 출력하는 단위 그리드 그룹(163)을 판별하여 선정할 수 있다.
패턴결정단계(S560)는 압전소자 모재에서, 판별단계(S550)에서 판별되어 선정된 단위 그리드 그룹(163) 각각에 해당하는 위치 및 폭을 포함하는 패턴형상정보를 기초로, 동심을 가지는 복수의 링 패턴을 결정할 수 있다.
즉, 도 7a에서 보는 바와 같이, 빗금처진 단위 그리드 그룹(163)이 기준 음압 이상의 출력 음압을 출력하는 단위 그리드 그룹(163)으로 판별되면, 후술할 레이저 가공을 통해 선정되지 않은 단위 그리드 그룹(163)은 제거되고, 선정된 단위 그리드 그룹(163)은 링 패턴부로 남을 수 있다.
그리고 이렇게 설계되는 압전소자 유닛은 도 7b에서 보는 바와 같이, 타깃위치(PT)에 목표 음압이 집속(Focus)되도록 할 수 있다.
도 7b에서 세로축은 각각의 음압의 제곱을 최대 음압의 제곱으로 나눈 값으로, 아래와 같이 식 (1)로 표현될 수 있다.
식 (1) ---
Figure PCTKR2019014815-appb-I000001
여기서, P는 음압이고, max P는 최대 음압이다.
따라서, 식 (1)의 값이 1이 되는 경우, 발생하는 음압은 최대 음압이 될 수 있다.
도 7b를 참조하면, 본 실시예에 따른 압전소자 유닛은 타깃위치(PT)에만 목표 음압이 집속되도록 할 수 있다. 따라서, 타깃위치(PT) 이외의 불필요한 부분에서 나타나는 음압 집중 문제를 최소화할 수 있으며, 초음파 치료 시 발생될 수 있는 화상 등의 문제를 방지할 수 있다.
한편, 도 8a 및 도 8b에서 보는 바와 같이, 선정단계(S510)에서 복수개의 타깃위치(PT1,PT2)가 선정될 수 있다.
이 경우, 입력단계(S520)에서는 각각의 타깃위치(PT1,PT2)에 집속되어야 하는 최대 인압이 입력될 수 있으며, 그러면 이를 기초로 출력되어야 하는 기준 인압이 설정될 수 있다.
그리고, 판별단계(S550)에서는 입력된 기본정보에 따라 형성되는 압전소자 모재의 단면(161a)에 마련되는 복수의 그리드(162a)로부터 기준 인압의 범위에 속하는 출력 인압을 출력하는 단위 그리드 그룹(163a)을 판별할 수 있으며, 패턴결정단계(S560)에서는 이를 통해 패턴형상정보를 획득하고, 복수의 링 패턴을 결정할 수 있다.
이와 같이 획득된 패턴형상정보를 기초로 제작되는 압전소자 유닛(110)은 타깃 위치 각각에 요구되는 최대 인압이 집속되도록 음압을 출력할 수 있는 동심을 가지는 복수의 링 패턴부(111)를 가질 수 있다.
하부전극(120)은 압전소자 유닛(110)의 하부에 마련될 수 있다. 하부전극(120)은 내부하우징(300)에 결합되어 흡수부(200)에 대향될 수 있다.
그리고, 상부전극(130)은 압전소자 유닛(110)의 상부에 마련될 수 있다. 상부전극(130)은 전방으로 노출될 수 있다.
여기서, 링 패턴부(111)는 압전소자 유닛(110)의 상부에만 형성되거나, 압전소자 유닛(110)의 하부에까지 형성될 수 있다.
따라서, 상부전극(130)은 링 패턴부(111)에 대응되는 링 형상의 상부링전극(131)을 가질 수 있다. 상부링전극(131)이 링 패턴부(111)에 대응되도록 형성되되, 서로 연결되지 않도록 마련되는 경우, 각각의 상부링전극(131)에는 전압을 인가하기 위한 배선이 각각 연결될 수 있다. 하부전극(120) 및 상부전극(130)에 전압이 인가되면 압전소자 유닛(110)에서는 초음파가 전방으로 발진될 수 있다.
한편, 압전소자 유닛(110)은 반경방향으로 형성되어 복수의 링 패턴부(111)를 연결하는 연결패턴부(112)를 더 가질 수 있다.
이 경우 상부전극(130)은 상부연결전극(132)을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 상부링전극(131)은 링 패턴부(111)의 상부에 링 패턴부(111)에 대응되는 형상으로 마련되며, 따라서 서로 이격될 수 있는데, 상부연결전극(132)은 연결패턴부(112)의 상부에 마련되어 상부링전극(131)을 서로 연결할 수 있다. 이 경우, 전압을 인가하기 위한 배선은 상부전극(130)의 어느 일부분에 연결되도록 마련될 수 있기 때문에 배선의 구성이 단순해질 수 있다.
한편, 도 5a에서 보는 바와 같이, 압전소자 유닛(110)은 복수의 링 패턴부(111a)의 하부에 일체로 형성되는 베이스(113)를 가질 수 있다.
이 경우, 하부전극(120)은 베이스(113)의 하부에 전체적으로 마련될 수 있으며, 전압을 인가하기 위한 배선은 하부전극(120)의 어느 일부분에 연결되도록 마련될 수 있기 때문에 배선의 구성이 단순해질 수 있다.
다른 예로, 도 5b에서 보는 바와 같이, 압전소자 유닛(110)은, 링 패턴부(111b)는 압전소자 유닛(110)의 하면에까지 형성되고, 연결패턴부(112)를 더 가질 수 있다. 이 경우, 복수의 링 패턴부(111b)는 연결패턴부(112)를 제외한 모든 부분이 서로 연결되지 않도록 분리 형성될 수 있다.
그러면, 하부전극(120)은 하부링전극(121)과 하부연결전극(122)을 가질 수 있다.
하부링전극(121)은 링 패턴부(111)의 하부에 마련되어 서로 이격되도록 형성될 수 있으며, 하부연결전극(122)은 연결패턴부(112)의 하부에 마련되어 하부링전극(121)을 서로 연결하도록 형성될 수 있다. 이 경우, 전압을 인가하기 위한 배선은 하부전극(120)의 어느 일부분에 연결되도록 마련될 수 있기 때문에 배선의 구성이 단순해질 수 있다.
본 실시예에 따르는 초음파소자는 평판형상을 가지기 때문에, 종래의 곡면형 초음파소자보다 소형화할 수 있으며, 이를 통해, 체내 삽입 시에 환자의 불편함을 줄이고, 공간 활용에 여유가 있을 수 있다. 또한, 삽입된 초음파소자가 치료대상에 직접 면적촉되어 밀착이 가능하기 때문에 시술이 용이해질 수 있다.
이하에서는 초음파소자의 제조방법에 대해서 설명한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파소자의 제조방법을 나타낸 흐름도이다. 도 10a, 도 10b, 도 10c 및 도 10d는 도 9의 초음파소자의 제조공정을 설명하기 위한 공정도들이다.
도 9, 도 10a, 도 10b, 도 10c 및 도 10d를 더 포함하여 보는 바와 같이, 초음파소자의 제조방법은 하부전극 마련단계(S610), 압전소자 모재 마련단계(S620), 상부전극 마련단계(S630) 그리고 가공단계(S640)를 포함할 수 있다.
하부전극 마련단계(S610)는 원판 형상의 하부전극(120)을 마련하는 단계일 수 있다. 하부전극은 압전소자 유닛의 설계방법에의 입력단계에서 입력되는 압전소자 모재의 지름에 대응되는 지름을 가지도록 형성될 수 있다.
압전소자 모재 마련단계(S620)는 하부전극(120)의 상부에 전체적으로 압전소자 모재(160)를 마련하는 단계일 수 있다. 압전소자 모재(160)는 압전소자 물질이 하부전극(120)의 상부에 증착 등의 방법으로 마련될 수 있다(도 10a 참조).
상부전극 마련단계(S630)는 압전소자 모재(160)의 상부에 전체적으로 상부전극(130)을 마련하는 단계일 수 있다(도 10b 참조).
가공단계(S640)는 압전소자 유닛의 설계방법의 패턴형상정보를 기초로 링 패턴을 가지는 복수의 링 패턴부가 형성되도록, 상부전극(130) 및 압전소자 모재(160)를 동시에 레이저 가공하는 단계일 수 있다.
그리고, 도 10c에서 보는 바와 같이, 가공단계(S640)에서, 레이저(LB)는 상부전극(130)의 상측에서 상부전극(130)을 관통하고 압전소자 모재(160)의 하단부를 관통하지 않도록 조사되어 압전소자 모재(160)의 하단부가 서로 연결되도록 가공할 수 있다.
이러한 가공단계를 거치면, 압전소자 유닛(110)은 링 패턴부(111) 및 연결패턴부(112)를 가지도록 형성되고, 상부전극(130)은 상부링전극(131)과 상부연결전극(132)을 가지도록 형성되며, 하부전극(120)은 압전소자 유닛(110)의 하면에 전체적으로 형성될 수 있다.
또는, 도 10d에서 보는 바와 같이, 가공단계(S640)에서, 레이저(LB)는 상부전극(130)의 상측에서 상부전극(130), 압전소자 모재(160) 및 하부전극(120)의 적어도 일부를 관통하도록 조사되어 상부전극(130), 링 패턴부(111) 및 하부전극(120)의 적어도 일부가 각각 서로 분리되도록 가공할 수 있다.
이러한 가공단계를 거치면, 압전소자 유닛(110)은 링 패턴부(111) 및 연결패턴부(112)를 가지도록 형성되고, 상부전극(130)은 상부링전극(131)과 상부연결전극(132)을 가지도록 형성되며, 하부전극(120)은 하부링전극(121)과 하부연결전극(122)을 가지도록 형성될 수 있다.
레이저(LB)는 피코초(Picosecond) 또는 펨토초(femtosecond) 레이저가 이용될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 동심을 가지는 복수의 링 패턴부를 가지는 압전소자 유닛의 설계방법으로서,
    최대 음압(Acoustic Pressure)이 집속될 타깃위치 및 상기 타깃위치까지의 타깃거리를 선정하는 선정단계;
    원판 형상의 압전소자 모재의 기본정보를 입력하는 입력단계;
    상기 압전소자 모재의 높이 방향 단면을 상기 압전소자 모재의 높이방향 및 반경방향으로 마련되는 복수의 그리드로 구획하고, 상기 그리드를 단위 그리드 그룹으로 그룹핑하는 그룹핑단계;
    각각의 상기 단위 그리드 그룹에서 출력해야 하는 출력 음압의 크기를 계산하는 계산단계;
    상기 단위 그리드 그룹 중에서, 상기 최대 음압, 상기 타깃위치 및 상기 타깃거리를 기초로 설정되는 기준 음압의 범위에 속하는 상기 출력 음압을 출력하는 단위 그리드 그룹을 판별하는 판별단계; 그리고
    상기 압전소자 모재에서, 판별된 상기 단위 그리드 그룹 각각에 해당하는 위치 및 폭을 포함하는 패턴형상정보를 기초로, 동심을 가지는 복수의 링 패턴을 결정하는 패턴결정단계를 포함하는 압전소자 유닛의 설계방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선정단계에서 상기 타깃위치가 복수개가 선정되면, 압전소자 유닛은 상기 타깃위치 각각에 요구되는 최대 음압이 집속되도록 음압을 출력하는 것을 특징으로 하는 압전소자 유닛의 설계방법.
  3. 제1항에 기재된 압전소자 유닛의 설계방법을 이용하여 제조되어 동심을 가지는 상기 복수의 링 패턴부를 가지는 압전소자 유닛;
    상기 압전소자 유닛의 하부에 마련되는 하부전극; 그리고
    상기 압전소자 유닛의 상부에 마련되는 상부전극을 포함하는 초음파소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압전소자 유닛은 반경방향으로 형성되어 상기 복수의 링 패턴부를 연결하는 연결패턴부를 더 가지고,
    상기 상부전극은
    상기 링 패턴부의 상부에 마련되어 서로 이격되는 상부링전극과,
    상기 연결패턴부의 상부에 마련되어 상기 상부링전극을 서로 연결하는 상부연결전극을 가지는 것을 특징으로 하는 초음파소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 압전소자 유닛은 상기 복수의 링 패턴부의 하부에 일체로 형성되는 베이스를 가지고, 상기 하부전극은 상기 베이스의 하부에 전체적으로 마련되는 것을 특징으로 하는 초음파소자.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 압전소자 유닛은 반경방향으로 형성되어 상기 복수의 링 패턴부를 연결하는 연결패턴부를 더 가지고, 상기 복수의 링 패턴부는 상기 연결패턴부를 제외한 모든 부분이 서로 연결되지 않도록 분리 형성되며,
    상기 하부전극은
    상기 링 패턴부의 하부에 마련되어 서로 이격되는 하부링전극과,
    상기 연결패턴부의 하부에 마련되어 상기 하부링전극을 서로 연결하는 하부연결전극을 가지는 것을 특징으로 하는 초음파소자.
  7. 원판 형상의 하부전극을 마련하는 하부전극 마련단계;
    상기 하부전극의 상부에 전체적으로 압전소자 모재를 마련하는 압전소자 모재 마련단계;
    상기 압전소자 모재의 상부에 전체적으로 상부전극을 마련하는 상부전극 마련단계; 그리고
    제1항에 기재된 압전소자 유닛의 설계방법의 상기 패턴형상정보를 기초로 상기 링 패턴을 가지는 복수의 링 패턴부가 형성되도록, 상기 상부전극 및 상기 압전소자 모재를 동시에 레이저 가공하는 가공단계를 포함하는 초음파소자의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가공단계에서, 상기 레이저는 상기 상부전극의 상측에서 상기 상부전극을 관통하고 상기 압전소자 모재의 하단부를 관통하지 않도록 조사되어 상기 압전소자 모재의 하단부가 서로 연결되도록 가공하는 것을 특징으로 하는 초음파소자의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가공단계에서, 상기 레이저는 상기 상부전극의 상측에서 상기 상부전극, 상기 압전소자 모재 및 상기 하부전극의 적어도 일부를 관통하도록 조사되어 상기 상부전극, 상기 링 패턴부 및 상기 하부전극의 적어도 일부가 각각 서로 분리되도록 가공하는 것을 특징으로 하는 초음파소자의 제조방법.
  10. 제3항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 기재되는 상기 초음파소자;
    상기 초음파소자의 후방에 구비되고 상기 초음파소자에 의해 발생하는 초음파를 흡수하는 흡수부;
    상기 초음파소자 및 상기 흡수부의 외주면을 감싸도록 구비되는 내부하우징; 그리고
    상기 내부하우징을 내측에 수용하고, 상기 초음파소자의 전방이 외부로 노출되도록 하는 외부하우징을 포함하는 음압 집속장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 외부하우징 및 상기 초음파소자의 상부를 덮는 방수코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음압 집속장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 방수코팅층은 상기 초음파소자에 형성되는 틈새에 더 채워지는 것을 특징으로 하는 음압 집속장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 상부전극의 상부와 상기 방수코팅층의 사이, 그리고 상기 초음파소자에 형성되는 틈새 중 어느 한 곳 이상에 마련되는 임피던스 매칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음압 집속장치.
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