WO2024053781A1 - 초점 심도를 제어하고 허수진동을 억제한 초음파 집속용 압전 소자 - Google Patents

초점 심도를 제어하고 허수진동을 억제한 초음파 집속용 압전 소자 Download PDF

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ultrasonic waves
piezoelectric element
area
focusing
ultrasonic
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PCT/KR2022/017527
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윤만순
박영민
최재혁
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에코디엠랩 주식회사
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    • A61N2007/0065—Concave transducers

Definitions

  • the present invention relates to a dome-shaped piezoelectric element for focusing ultrasonic waves, and particularly to a piezoelectric element for focusing ultrasonic waves in which ultrasonic waves are not generated or suppressed in the center, thereby reducing the length of the depth of focus.
  • Ultrasound technology is widely used in the medical, industrial, and environmental treatment fields, and recently, as interest in beauty has increased, a variety of devices using ultrasound have been introduced to prevent skin aging, improve wrinkles, or maintain skin elasticity.
  • a variety of devices using ultrasound have been introduced to prevent skin aging, improve wrinkles, or maintain skin elasticity.
  • drugs used to treat brain diseases can be propagated smoothly, or by stimulating the cranial nerves using low-output ultrasound to treat depression, It is also used to treat .
  • the ultrasonic focusing piezoelectric element used for this purpose selects a location to focus the ultrasonic waves by tomography of the brain area, and then selects the mounting location of the ultrasonic piezoelectric element with a set focal distance to ensure that the ultrasonic waves can be transmitted to the selected location. , Periodically oscillates ultrasonic waves to stimulate or activate the nerves at the treatment site.
  • Figure 1 shows an ultrasound focusing device for treating brain diseases.
  • a dome-shaped piezoelectric element When a dome-shaped piezoelectric element is driven, a focal zone is formed at a location corresponding to the radius of curvature of the dome-shaped piezoelectric element.
  • the cranial nerves are stimulated by stimulating the cranial nerves by positioning them as shown in Figure 2 so that the focal area formed in this way can be formed in the treatment area imaged by brain tomography.
  • the vibrating body uses a type 1-3 piezoelectric composite as shown in Figure 4, and there is a method of focusing the ultrasonic waves by attaching a polymer-processed lens to the front as shown in Figure 5.
  • This type of ultrasonic focusing device for the treatment of brain diseases has the advantage of being light in weight, and by manufacturing the piezoelectric vibrating body as a type 1-3 composite, it minimizes the impedance difference with the polymer lens and effectively transmits the vibration energy of the ultrasonic vibrating body. It can be a structure.
  • this technology has the disadvantage that the manufacturing process of the 1-3 type composite 400 is complicated, the imbalance of ultrasonic transmission energy due to the difference in thickness between the center and the edge of the polymer spherical lens 300 through which ultrasonic vibration is transmitted, and the polymer spherical lens. Because the thickness of the central part is thin, there are problems in that the depth of focus becomes longer as ultrasonic vibrations are transmitted strongly.
  • the purpose of the present invention is to provide a piezoelectric element for focusing ultrasonic waves with a structure capable of generating ultrasonic waves of uniform intensity by suppressing imaginary vibrations with a reduced depth of focus length.
  • the present invention includes a dome-shaped body part, and the body part is formed at the center of the body part and an oscillation area that generates ultrasonic waves to control the generation of the ultrasonic waves to be less than or equal to the oscillation area. It is possible to provide a piezoelectric element for focusing ultrasonic waves that includes a control area.
  • the piezoelectric element for focusing ultrasonic waves according to the present invention may further include an edge portion that is formed to extend integrally from the edge of the body portion and protrudes from the edge of the body portion.
  • control area may be a through hole formed in the center of the body portion.
  • the oscillation area of the body portion may have the same radius of curvature and the same vertical thickness throughout, and the control area may have a different vertical thickness from the oscillation area.
  • an electrode layer may be formed on the surface of the oscillation area, and there may be no electrode layer on the surface of the control area.
  • the vertical thickness of the oscillation area may be a thickness at which resonance or anti-resonance vibration can occur at a set frequency.
  • the edge portion may have a vertical thickness that is different from the oscillation area of the body portion.
  • the ultrasonic waves generated and focused through the piezoelectric element for ultrasonic focusing according to the present invention have a reduced depth of focus and imaginary vibrations are suppressed, thereby maximizing the ultrasonic focusing efficiency, which makes it possible to miniaturize the ultrasonic focusing device.
  • Figure 1 is a schematic diagram showing an ultrasound focusing device for treating brain diseases.
  • Figure 2 is a schematic diagram explaining treatment of brain disease using an ultrasound focusing device.
  • Figure 3 is a schematic diagram explaining the focusing of ultrasonic waves through an ultrasonic focusing device.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing a type 1-3 piezoelectric composite.
  • Figure 5 is a schematic diagram showing the structure of a conventional ultrasonic focusing device.
  • Figure 6 is a schematic diagram explaining ultrasonic focusing through a conventional dome-type piezoelectric actuator.
  • Figure 7 is a schematic diagram explaining ultrasonic focusing through a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a schematic diagram explaining ultrasonic focusing through a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is an image explaining ultrasonic focusing in a conventional dome-type piezoelectric element.
  • Figure 10 is a schematic diagram explaining the structure of a dome-shaped piezoelectric element having an edge portion.
  • Figure 11 is an image explaining ultrasonic focusing in a dome-shaped piezoelectric element having an edge.
  • Figure 12 is a schematic diagram explaining a piezoelectric element for focusing ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a schematic diagram explaining a piezoelectric element for focusing ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 14 is a schematic diagram explaining a piezoelectric element for focusing ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 15 is a schematic diagram explaining a piezoelectric element for focusing ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric element for focusing ultrasound includes a dome-shaped body, and the body is formed at the center of the body and an oscillation area that generates ultrasonic waves, so that the generation of the ultrasonic waves is controlled to be less than or equal to the oscillation area.
  • Can include areas.
  • Figure 6 shows a state in which an ultrasonic beam of a conventionally used ultrasonic focusing piezoelectric element is formed at a focal area.
  • the ultrasonic beam in the central area has strong straightness and thus plays a critical role in lengthening the depth of focus as it is incident on the focal area at a small angle of incidence.
  • the 3dB area where 70% of the energy of the focal area exists becomes longer, thus affecting the area around the area to be treated. In order to eliminate this influence on the depth of focus at the center, it is necessary to control the ultrasonic waves generated at the center of the ultrasonic generator.
  • the piezoelectric element for focusing ultrasonic waves has a dome-shaped body, and the body has an oscillation area that generates ultrasonic waves and an area in the center of the body where ultrasonic waves are not generated or are suppressed, that is, a control area.
  • control area may appear in various forms.
  • the control area may be a through hole formed in the center of the body.
  • the oscillation area of the body may have the same radius of curvature and the same vertical thickness throughout, and the control area may have a different vertical thickness from the oscillation area.
  • vertical thickness refers to the thickness of the piezoelectric element in a vertical direction from the surface in contact with the inner surface when the surface of the piezoelectric element facing the focus where ultrasonic waves are focused is referred to as the inner surface and the opposite surface is referred to as the outer surface.
  • the thickness of the piezoelectric element is an important factor.
  • a resonance or anti-resonance vibration mode is used, and the thickness of this resonance or anti-resonance mode is determined by the frequency constant of the piezoelectric ceramic.
  • the resonance drive frequency of the piezoelectric ceramic and the thickness of the piezoelectric ceramic which represents the maximum displacement during resonance drive, are expressed as Equation 1 below.
  • the resonance frequency according to the thickness of the specimen is determined by Equation 1. That is, if the frequency constant is 2100, the thickness of the piezoelectric material with a thickness direction resonance frequency of 250 kHz is determined as in Equation 2 below.
  • the thickness of the piezoelectric material in order to manufacture an ultrasonic oscillator with a resonance frequency in the thickness direction of 250 kHz, the thickness of the piezoelectric material must be manufactured to be ⁇ 8.4 mm.
  • the frequency constant of piezoelectric materials varies depending on the material, so there may be slight differences in thickness. This is a frequency constant value set to explain an example. Once the piezoelectric material is determined, the frequency constant is determined, and a piezoelectric element with a desired resonance frequency can be manufactured according to the above method.
  • a piezoelectric element for focusing ultrasonic waves can be designed to have a desired focal distance using the principle of a spherical lens and the frequency constant of the thickness vibration mode. That is, by designing the thickness to have the desired ultrasonic generation frequency and manufacturing the piezoelectric body in a dome shape with a predetermined curvature, an ultrasonic focusing element having the desired frequency and focal distance can be manufactured. Normally, the point where the focus of ultrasonic waves occurs coincides with the radius of curvature of the dome-shaped piezoelectric material, but the refractive index changes depending on the medium through which ultrasonic energy is transmitted, and the focal length also moves accordingly.
  • the dome-shaped ultrasonic focusing element of this structure has a through hole formed in the center, as shown in FIG. 7, and ultrasonic vibrations in the central area are suppressed, thereby shortening the length of the depth of focus.
  • the vertical thickness (h 2 , h 3 ) in the control area can be smaller than the vertical thickness of the ultrasonic oscillation area as shown in Figure 8(a) (h 1 > h 2 ) or larger as shown in Figure 8(b) (h 1 ⁇ h 3 ).
  • control area may have an electrode layer formed on the surface of the oscillation area, and may not have an electrode layer on the surface of the control area. If the polarization process that provides piezoelectric performance is performed without applying electrodes to the central control area, ultrasonic vibration occurs in areas excluding the control area.
  • a piezoelectric element for focusing ultrasonic waves that is formed to extend integrally from the edge of the body portion and further includes a border portion protruding from the edge of the body portion.
  • the protruding edge portion is intended to suppress unnecessary vibration, that is, imaginary vibration, generated from the edge vibration of the dome-type piezoelectric element.
  • Figure 9 is a diagram showing the results of a simulation experiment showing the resonance frequency and generation of ultrasonic vibration in the thickness vibration mode of a piezoelectric actuator for focusing ultrasonic waves in which the thickness of the dome-shaped piezoelectric ceramic is constant.
  • the material for the simulation experiment was P8-1, a hard PZT series used as an ultrasonic oscillator.
  • the dome thickness was 8.4 mm
  • the diameter of the dome was 35 mm
  • the radius of curvature was 40 mm.
  • spurious vibration which is an unnecessary vibration that is not focused on the radius of curvature of the dome, exists in the edge area (E) of the piezoelectric actuator, and in the central part (M) of the piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric element for focusing ultrasonic waves has been designed with a structure that can prevent the ultrasonic focusing strength from being weakened by spurious (imaginary) vibrations.
  • Figures 10 (a) and (b) are front and perspective views showing a piezoelectric element for focusing ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric actuator 100 for focusing ultrasonic waves includes a body portion 120 having a dome shape, and an edge of the body portion 120. It is formed to extend integrally from and includes an edge portion 140 protruding from the edge of the body portion 120.
  • the entire body portion 120 has the same vertical thickness.
  • the edge portion 140 is formed of the same piezoelectric material as the body portion 120, and serves to suppress spurious vibration.
  • This edge portion 140 is formed with a vertical thickness (h 4 ) having a frequency different from the resonance (or anti-resonance) frequency when the body portion 120 vibrates, so as not to cause resonance (or anti-resonance) when the body portion 120 vibrates. Therefore, it is preferable that it is formed with a thickness that prevents imaginary vibration.
  • the material for the simulation experiment was P8-1, a hard PZT series used as an ultrasonic oscillator.
  • the dome thickness was 8.4 mm, the diameter of the dome was 35 mm, and the radius of curvature was 40 mm.
  • the resonance frequency of the thickness vibration mode was found to be 268 kHz through simulation testing, and the direction of the thickness vibration displacement caused by applying an alternating electric field at a frequency of 268 kHz is shown in Figure 11.
  • the dome-shaped piezoelectric element for focusing ultrasonic waves can effectively eliminate spurious vibrations that are not directed to the center of the curved radius, which weakens the intensity of ultrasonic focusing, by designing and manufacturing a vibrating part and an edge part of different thickness. I found out that there is.
  • piezoelectric elements according to the present invention are shown in Figures 12 to 15. Through this, it is possible to obtain a dome-type ultrasonic piezoelectric element that controls the depth of focus to be short and suppresses imaginary vibrations at the edge.
  • FIG. 12 shows a piezoelectric element with a through hole 122a in the center as a control area.
  • FIG. 12(a) is a diagonal view from above
  • FIG. 12(b) is a cross-sectional view
  • FIG. 12(c) is a diagonal view from below.
  • the body 120 includes an oscillation area 121 and a through hole 122a formed in the center of the body 120. This through hole serves as a control area that suppresses ultrasonic generation at the center.
  • a silver electrode layer 150 is formed on the surface of the oscillation area 121, allowing a voltage to be applied to the oscillation area 121, which generates ultrasonic waves in the piezoelectric element.
  • the vertical thickness (h 5 ) of the oscillation area 121 is a thickness at which resonance or anti-resonance vibration can occur at a set frequency.
  • an edge portion 140 having a vertical thickness (h 6 ) different from the vertical thickness (h 5 ) of the body portion was formed at the edge of the body portion 120 . Since the silver electrode layer 150 is not formed on the surface of the edge portion 140, polarization that provides piezoelectric performance is not formed.
  • FIG. 13 shows a piezoelectric element having a control area 122b at the center of the body 120 with a vertical thickness (h 7 ) smaller than the vertical thickness (h 5 ) of the oscillation area 121.
  • the silver electrode layer 150 is not formed on the surface of the control area 122b. Meanwhile, a silver electrode layer 150 is formed on the surface of the oscillation area 121 of the body 120 excluding the control area 122b.
  • an edge portion 140 having a vertical thickness different from that of the body portion is formed on the edge of the body portion 120, and an electrode layer is not formed on the surface of this edge portion 140.
  • FIG. 14 shows a piezoelectric element having a control area 122c at the center of the body 120 having a vertical thickness (h 8 ) greater than the vertical thickness (h 5 ) of the oscillation area 121. Additionally, an edge portion 140 without an electrode layer was formed on the edge of the body portion 120 with a vertical thickness different from that of the body portion. The silver electrode layer 150 was formed only on the surface of the oscillation area 121 in the body 120.
  • Figure 15 shows a piezoelectric element having a control area 122d without the silver electrode layer 150 in the center of the body 120. Even if the control area 122d has the same vertical thickness as the oscillation area 121, the electrode layer In the absence of (150), polarization of the piezoelectric material does not occur, so it can serve as a control area 122d in which the generation of ultrasonic waves is not or is limited.
  • a piezoelectric element of this structure it is possible to provide a piezoelectric element for focusing ultrasonic waves that can maximize ultrasonic focusing efficiency by suppressing ultrasonic vibrations in the central area to the maximum, reducing the length of the depth of focus and suppressing imaginary vibrations occurring at the edges. do.

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Abstract

본 발명은 감소된 초점 심도 길이를 가지고 허수 진동을 억제하여 균일한 강도의 초음파를 발생할 수 있는 구조의 초음파 집속용 압전 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 돔 형상인 몸체부를 포함하고, 상기 몸체부는 초음파를 발생시키는 발진영역과 상기 몸체부의 중심에 형성되어 상기 초음파의 발생이 상기 발진영역 보다 적거나 없도록 제어되는 제어영역을 포함하는 초음파 집속용 압전 소자를 제공할 수 있다.

Description

초점 심도를 제어하고 허수진동을 억제한 초음파 집속용 압전 소자
본 발명은 돔 형상의 초음파 집속용 압전 소자에 관한 것으로서, 특히 중심부에서 초음파의 발생이 없거나 억제되어 초점 심도의 길이가 줄어들게 되는 초음파 집속용 압전 소자에 관한 것이다.
초음파기술은 의료 및 산업, 환경처리분야에 널리 사용되고 있으며, 최근에는 미용에 대한 관심이 높아지면서, 피부 노화 방지, 주름 개선 또는 피부 탄력 유지를 위해 초음파를 이용한 기기들이 다양하게 소개되고 있다. 또한, 뇌질환 치료를 위한 저강도, 저주파수(100KHz∼1MHz) 초음파 집속 장치를 이용하여 뇌신경을 자극하여 뇌질환 치료로 사용되는 약물이 원활하게 전파되거나 뇌신경을 저출력의 초음파를 이용하여 자극하여 우울증 등을 치료하는 방법에도 사용되고 있다.
이를 위하여 사용되는 초음파 집속용 압전 소자는 뇌부위를 단층 촬영하여 초음파를 집속시킬 위치를 선정한 후 선정된 위치에 초음파가 전달될 수 있도록 하기 위하여 정해진 초점 거리를 갖는 초음파 압전 소자의 장착 위치를 선정하고, 주기적으로 초음파를 발진하여 시술 위치의 신경을 자극하거나 활성화시킨다.
도 1에 뇌질환 치료용 초음파 집속장치를 나타내고 있다. 돔형의 압전 소자를 구동시키면 돔형 압전 소자의 곡률반경에 해당되는 위치에 초점영역이(focal zone)이 형성된다. 이렇게 형성된 초점영역이 뇌의 단층 촬영에 의하여 촬영된 시술부위에 형성될 수 있도록 도 2와 같이 위치시켜 뇌신경을 자극한다. 이러한 뇌질환 치료용 초음파 집속장치에서 진동체는 도 4와 같이 1-3형 압전 복합체를 사용하고, 도 5와 같이 전면에 폴리머로 가공된 렌즈를 접착시켜 초음파를 집속시키는 방법이 있다. 이러한 형태의 뇌질환치료용 초음파 집속장치는 무게가 가벼운 장점이 있고, 압전 진동체를 1-3형 복합체로 제조함으로써 폴리머 계열의 렌즈와 임피던스 차이를 최소화시켜 초음파진동체의 진동에너지를 효과적으로 전달하는 구조가 될 수 있다. 그러나, 이러한 기술은 1-3형 복합체(400)의 제조공정이 복잡하다는 단점과 초음파 진동이 전달되는 폴리머 구면렌즈(300)의 중앙과 테두리의 두께 차이로 인한 초음파 전달에너지의 불균형, 폴리머 구면렌즈의 중앙 부위의 두께가 얇아 초음파 진동이 강하게 전달됨에 따라 초점 심도의 길이가 길어지는 문제점들이 있다.
본 발명은 감소된 초점 심도 길이를 가지고 허수 진동을 억제하여 균일한 강도의 초음파를 발생할 수 있는 구조의 초음파 집속용 압전 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 돔 형상인 몸체부를 포함하고, 상기 몸체부는 초음파를 발생시키는 발진영역과 상기 몸체부의 중심에 형성되어 상기 초음파의 발생이 상기 발진영역 보다 적거나 없도록 제어되는 제어영역을 포함하는 초음파 집속용 압전 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 집속용 압전 소자에 있어서, 상기 몸체부의 가장자리로부터 일체로 연장되도록 형성되어 상기 몸체부의 가장자리에 돌출 형성된 테두리부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 집속용 압전 소자에 있어서, 상기 제어영역은 상기 몸체부의 중심에 형성된 관통홀일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 집속용 압전 소자에 있어서, 상기 몸체부의 발진영역은 전체에서 동일한 곡률 반경을 가지면서 동일한 수직 두께를 가지고, 상기 제어영역은 상기 발진영역과 상이한 수직 두께를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 집속용 압전 소자에 있어서, 상기 발진영역의 표면에는 전극층이 형성되어 있고, 상기 제어영역의 표면에는 전극층이 없을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 집속용 압전 소자에 있어서, 상기 발진영역의 수직 두께는 설정한 주파수에서 공진 또는 반공진 진동이 발생될 수 있는 두께일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 집속용 압전 소자에 있어서, 상기 테두리부는 상기 몸체부의 발진영역과 상이한 수직 두께를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 집속용 압전 소자를 통해 발생되어 집속되는 초음파는 줄어든 초점 심도를 가지게 되고 허수 진동이 억제되어 초음파 집속 효율이 극대화될 수 있고, 이를 통해 초음파 집속장치의 소형화가 가능하게 된다.
도 1은 뇌질환 치료용 초음파 집속 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 초음파 집속 장치를 이용하여 뇌질환을 치료하는 것을 설명하는 개략도이다.
도 3은 초음파 집속 장치를 통한 초음파의 집속을 설명하는 개략도이다.
도 4는 1-3형 압전 복합체를 나타내는 개략도이다.
도 5는 종래의 초음파 집속 장치의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 6은 종래의 돔형 압전 엑튜에이터를 통한 초음파 집속을 설명하는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 통한 초음파 집속을 설명하는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 통한 초음파 집속을 설명하는 개략도이다.
도 9는 종래의 돔형 압전 소자에서 초음파 집속을 설명하는 이미지이다.
도 10은 테두리부를 가지는 돔형 압전 소자의 구조를 설명하는 개략도이다.
도 11은 테두리부를 가지는 돔형 압전 소자에서 초음파 집속을 설명하는 이미지이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 집속용 압전 소자를 설명하는 개략도이다.
도 13는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 집속용 압전 소자를 설명하는 개략도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 집속용 압전 소자를 설명하는 개략도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 집속용 압전 소자를 설명하는 개략도이다.
본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 초음파 집속용 압전 소자는 돔 형상인 몸체부를 포함하고, 상기 몸체부는 초음파를 발생시키는 발진영역과 상기 몸체부의 중심에 형성되어 상기 초음파의 발생이 상기 발진영역 보다 적거나 없도록 제어되는 제어영역을 포함할 수 있다.
도 6은 종래에 사용되는 초음파 집속용 압전 소자의 초음파 빔이 초점부위에 형성되는 상태를 나타낸다. 도 6에서 볼 수 있듯이 중앙부위의 초음파 빔은 직진성이 강하여 초점 부위에 작은 입사각으로 입사됨에 따라 초점 심도를 길게하는 결정적인 역할을 하게 된다. 도 6의 붉은색 원형부위와 같이 초점영역 에너지의 70%가 존재하는 3dB영역이 길어지므로 시술하고자 하는 부위의 주변에 영향을 미치게 된다. 이러한 중심부의 초점 심도에 미치는 영향을 제거하기 위해 초음파 발생소자의 중심부에서 발생하는 초음파를 제어할 필요가 있게 된다.
이를 위해 본 발명에 따른 초음파 집속용 압전 소자는 돔 형상의 몸체부를 가지면서 몸체부는 초음파를 발생시키는 발진영역과 몸체부의 중심부에 초음파 발생이 없거나 억제되는 영역, 즉 제어영역을 가지게 된다.
이러한 제어영역은 다양한 형태로 나타날 수 있는데, 일 실시예에서 제어영역은 몸체부의 중심에 형성된 관통홀일 수 있다.
도 7과 같이 곡면의 돔 형태의 초음파 집속용 압전 소자에서 중앙에 관통홀(122a)을 형성할 경우 초점 심도 길이가 감소하여 원하는 시술 부위를 정확히 자극할 수 있다. 이때 중앙 관통홀의 크기를 변경함에 따라 초점 심도의 길이를 제어할 수 있는 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 집속용 압전 소자에서 몸체부의 발진영역은 전체에서 동일한 곡률 반경을 가지면서 동일한 수직 두께를 가지고, 제어영역은 발진영역과 상이한 수직 두께를 가질 수 있다. 본 명세서에서 수직 두께는 압전 소자에서 초음파가 집속되는 초점을 향한 면을 내면이라 하고 그 반대면을 외면이라 할 때, 내면에 접하는 면으로부터 수직 방향에서의 압전 소자 두께를 의미한다.
압전 소자에서 이러한 압전 소자의 두께는 중요한 요소이다. 초음파 소자의 진동변위를 확대하기 위하여 공진 혹은 반공진 진동모드를 사용하게 되며, 이러한 공진 혹은 반공진 모드는 압전 세라믹의 주파수 정수로 그 두께가 결정되어진다. 여기서는 공진 구동시 두께 진동 모드의 주파수에 따른 압전체의 두께를 설정하는 원리를 통해 초음파의 초점 심도를 제어하는 기술을 설명한다.
압전 진동자의 두께 진동 모드로 구동할 때 공진 구동 모드를 사용하게 되면 압전 세라믹의 공진 구동 주파수와 그에 따른 공진 구동시 최대 변위를 나타내는 압전 세라믹의 두께는 아래 식 1과 같이 표현된다.
[식 1]
Figure PCTKR2022017527-appb-img-000001
Nt : 주파수정수
fr : 1차 공진주파수[Hz]
t : 시편의 두께[meter]
식 1에 의하여 시편의 두께에 따른 공진주파수가 결정된다. 즉, 주파수 정수 가 2100이라면 250kHz의 두께방향 공진주파수를 갖는 압전 재료의 두께는 다음 식2와 같이 결정된다.
[식 2]
Figure PCTKR2022017527-appb-img-000002
즉, 250kHz의 두께방향의 공진주파수를 갖는 초음파 진동자를 제작하기 위해서는 압전 재료의 두께를 ~8.4mm로 제작해야 한다. 압전 재료의 주파수 정수는 재료에 따라 차이가 있으며, 따라서 두께는 약간의 차이가 존재할 수 있다. 이는 일례를 설명하고자 설정한 주파수 정수 값이다. 압전 재료가 정해지면 주파수 정수가 정해지며 상기 방식에 따라 원하는 공진 주파수를 갖는 압전 소자를 제작할 수 있다. 이러한 원리를 이용하면 하나의 압전 소자에서 두께가 다른 영역이 존재할 때 서로 다른 공진 혹은 반공진 주파수를 갖게 되므로 구동 주파수와 일치하는 두께만이 최대변위로 진동하며, 그 공진 혹은 반공진 주파수와 다른 영역은 진동변위가 최소화되는 것을 이해할 수 있다.
이와 같이, 초음파 집속을 위한 압전 소자는 구면렌즈의 원리와 두께 진동모드의 주파수 정수를 이용하여 원하는 초점 거리를 갖도록 설계될 수 있다. 즉, 원하는 초음파 발생 주파수를 갖도록 두께를 설계하고, 정해진 곡률을 갖는 돔형으로 압전체를 제작하여 원하는 주파수와 초점 거리를 갖는 초음파 집속 소자를 제작할 수 있다. 통상 초음파의 집속이 발생하는 지점은 돔형 압전체의 곡률반경과 일치하게 되지만 초음파에너지가 전달되는 매질에 따라 굴절율이 변하며 이에 따라 초점거리도 이동하게 된다. 이러한, 초음파 압전 소자의 공진구동이 발생하는 두께가 공진 주파수에 따라 변화하는 원리를 이용하면, 중앙부위의 초점 심도를 제어할 수 있는 방법을 제안할 수 있다. 즉, 중앙부위의 일정 면적의 두께를 250kHz의 두께 진동이 발생할 수 없는 두께로 제작하면 중앙부위를 제외한 부분에서 초음파 진동이 발생하게 된다.
이러한 예를 도 8에서 도시하였다. 도 8에 따르면 돔형의 몸체부(120)에서 초음파를 발생시키는 발진영역(121)의 수직 두께(h1)에 비해 몸체 중앙부의 제어영역(122b, 122c)에서 수직 두께(h2, h3)가 다르게 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이때 발진영역(121)의 내면(123)과 외면(124)의 곡률 반경은 동일하게 되고 발진영역(121)에서 내면(123)에 수직한 방향에서의 압전 소자 두께인 수직 두께(h1)는 동일하게 유지된다.
이러한 구조의 돔형 초음파 집속 소자는 중심에 관통홀이 형성된 도 7과 같이 중앙 부위의 초음파 진동이 억제되어 초점심도의 길이를 짧게 할 수 있다. 도 7과 마찬가지로 중앙부위의 제어영역의 넓이를 조절하여 초점심도의 길이를 제어하는 것이 가능하며. 제어영역에서의 수직 두께(h2, h3)는 도 8(a)와 같이 초음파 발진 부위의 수직 두께 보다 작거나(h1> h2) 혹은 도 8(b)와 같이 클 수(h1< h3) 있다.
또한, 제어영역은 상기 발진영역의 표면에는 전극층이 형성되어 있고, 상기 제어영역의 표면에는 전극층이 없을 수 있다. 중앙부위인 제어영역에는 전극을 도포하지 않은 상태로 압전 성능을 부여하는 분극과정을 거치면 제어영역을 제외한 부분에서 초음파 진동이 발생하게 된다.
또한 본 발명에 따라, 상기 몸체부의 가장자리로부터 일체로 연장되도록 형성되어, 상기 몸체부의 가장자리에 돌출 형성된 테두리부를 더 포함하는 초음파 집속용 압전 소자를 제공할 수 있다. 이렇게 돌출 형성된 테두리부는 돔형 압전 소자의 테두리진동에서 발생하는 불요진동 즉 허수 진동을 억제하기 위한 것이다.
도 9는 돔형상의 압전 세라믹의 두께가 일정한 초음파 집속용 압전 액츄에이터의 두께 진동모드에서의 공진 주파수와 초음파 진동 발생을 보여주는 모사실험 결과를 나타낸 도면이다. 이때, 모사실험을 위한 재료는 초음파 진동자로 사용되는 하드 PZT계열의 P8-1을 사용하였으며, 돔의 두께는 8.4mm, 돔의 직경은 35mm이고, 곡률반경은 40mm이었다. 도 9에 도시된 바와 같이, 압전 액츄에이터의 가장자리 영역(E)에서 돔의 곡률반경으로 집속되지 않는 불요진동인 허수진동(spurious vibration)이 존재하는 것을 알 수 있으며, 압전 액츄에이터의 중앙부(M)에는 초음파 진동이 집속되는 것을 알 수 있다. 이러한 곡률 반경의 중심으로 향하지 않는 허수진동(spurious vibration)은 초음파 집속강도를 약화시키며 니어 필드(near field)에 불필요한 노이즈를 발생시키게 된다. 따라서, 이와 같은 형태의 돔 형상은 초음파 집속에 비효율적이다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 집속용 압전 소자는 가짜(허수)진동에 의해 초음파 집속강도가 약화되는 것을 미연에 방지할 수 있는 구조를 고안하였으며, 이에 대하여 이하 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 10의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 집속용 압전 소자를 나타낸 정면도 및 사시도이다.
도 10의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 집속용 압전 액츄에이터(100)는 돔 형상을 갖는 몸체부(120)와, 몸체부(120)의 가장자리로부터 일체로 연장되도록 형성되어, 몸체부(120)의 가장자리에 돌출 형성된 테두리부(140)를 포함한다.
이때, 몸체부(120)는 전체가 동일한 수직 두께를 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 테두리부(140)는 몸체부(120)와 동종의 압전 재질로 형성되어, 가짜진동(spurious vibration)을 억제하는 역할을 한다. 이러한 테두리부(140)는 몸체부의 두께 진동 시 공진(혹은 반공진) 주파수와 다른 주파수를 갖는 수직 두께(h4)로 형성되어 몸체부(120) 진동시 공진(혹은, 반공진)을 일으키지 않도록 하여 허수진동을 방지하는 두께로 형성된 것이 바람직하다. 이때, 모사실험을 위한 재료는 초음파 진동자로 사용되는 하드 PZT계열의 P8-1을 사용하였으며, 돔의 두께는 8.4mm, 돔의 직경은 35mm이고, 곡률반경은 40mm이었다. 두께 진동모드의 공진 주파수는 모사시험에 의하여 268kHz인 것으로 나타났으며, 268kHz의 주파수에서 교류 전계를 가하여 나타나는 두께 진동변위의 방향을 도 11에서 도시하였다.
도 11을 참조하면, 앞서 설명한 도 9의 에서와 같이 가장자리 영역에서 돔의 곡률반경으로 집속되지 않는 허수진동(spurious vibration)이 테두리부에 의하여 억제되어 소멸된 것을 확인할 수 있으며, 돔의 중앙부에서 초음파의 집속이 균일하게 발생하는 것을 알 수 있다.
따라서, 돔 형상의 초음파 집속을 위한 압전 소자는 진동부와 서로 다른 두께의 테두리부를 설계하고 제작함으로써, 초음파 집속 강도를 약화시키는 곡귤 반경의 중심으로 향하지 않는 허수진동(spurious vibration)을 효과적으로 제거할 수 있다는 것을 알아내었다.
이하, 본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시예는 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 아래의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 압전 소자의 실시예를 도 12 내지 15에서 나타내었다. 이를통해 초점 심도 길이를 짧게 제어하고, 테두리의 허수진동을 억제한 돔형 초음파 압전 소자를 얻을 수 있다.
도 12는 제어영역으로 중앙에 관통홀(122a)이 있는 압전 소자를 나타낸다. 도 12(a)는 위의 사선방향의 도면이며, 도 12(b)는 단면도, 도 12(c)는 밑에서 사선방향의 도면을 나타낸다. 몸체부(120)는 발진영역(121)과 몸체부(120)의 중앙에 형성되는 관통홀(122a)을 포함하는데, 이러한 관통홀이 중앙에서 초음파 발생을 억제하는 제어영역이 된다. 발진영역(121)의 표면에는 은 전극층(150)이 형성되어 압전 소자에서 초음파를 발생시키는 발진영역(121)에 전압을 인가할 수 있게 된다. 발진영역(121)의 수직 두께(h5)는 설정된 주파수에서 공진 혹은 반공진 진동이 발생할 수 있는 두께가 된다.
한편, 몸체부(120)의 가장자리에는 몸체부의 수직 두께(h5)와 다른 수직 두께(h6)를 가지는 테두리부(140)가 형성되었다. 이러한 테두리부(140)의 표면에는 은 전극층(150)이 형성되지 않아 압전 성능을 부여하는 분극이 형성되지 않게 된다.
도 13은 몸체부(120)의 중심부에 발진영역(121)의 수직 두께(h5) 보다 작은 수직 두께(h7)를 가지는 제어영역(122b)을 가지는 압전 소자를 나타낸다. 이러한 제어영역(122b)의 표면에는 은 전극층(150)이 형성되지 않게 된다. 한편, 몸체부(120)에서 제어영역(122b)를 제외한 발진영역(121)의 표면에는 은 전극층(150)이 형성된다.
또한, 몸체부(120)의 테두리에는 몸체부와 다른 수직 두께를 가지는 테두리부(140)가 형성되고 이러한 테두리부(140)의 표면에도 전극층이 형성되지 않는다.
도 14는 몸체부(120)의 중심부에 발진영역(121)의 수직 두께(h5) 보다 큰 수직 두께(h8)를 가지는 제어영역(122c)을 가지는 압전 소자를 나타낸다. 또한, 몸체부(120)의 테두리에는 몸체부와 다른 수직 두께를 가지고 전극층이 없는 테두리부(140)가 형성되었다. 은 전극층(150)은 몸체부(120)에 있는 발진영역(121)의 표면에만 형성되었다.
도 15는 몸체부((120)의 중심부에 은 전극층(150)이 없는 제어영역(122d)을 가지는 압전 소자를 나타낸다. 제어영역(122d)이 발진영역(121)과 동일한 수직 두께를 가지더라도 전극층(150)이 없는 상태에서는 압전체의 분극이 일어나지 않기 때문에 초음파의 발생이 없거나 제한되는 제어영역(122d)으로 작용할 수 있게 된다.
이러한 구조의 압전 소자로부터 중앙 부위의 초음파 진동을 최대로 억제하여 초점심도의 길이를 줄이고 테두리에서 발생하는 허수진동을 억제함에 따라 초음파 집속효율을 극대화할 수 있는 초음파 집속용 압전 소자를 제공할 수 있게 된다.

Claims (7)

  1. 돔 형상인 몸체부를 포함하고,
    상기 몸체부는 초음파를 발생시키는 발진영역과 상기 몸체부의 중심에 형성되어 상기 초음파의 발생이 상기 발진영역 보다 적거나 없도록 제어되는 제어영역을 포함하는, 초음파 집속용 압전 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체부의 가장자리로부터 일체로 연장되도록 형성되어, 상기 몸체부의 가장자리에 돌출 형성된 테두리부를 더 포함하는, 초음파 집속용 압전 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어영역은 상기 몸체부의 중심에 형성된 관통홀인, 초음파 집속용 압전 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체부의 발진영역은 전체에서 동일한 곡률 반경을 가지면서 동일한 수직 두께를 가지고,
    상기 제어영역은 상기 발진영역과 상이한 수직 두께를 가지는, 초음파 집속용 압전 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발진영역의 표면에는 전극층이 형성되어 있고, 상기 제어영역의 표면에는 전극층이 없는, 초음파 집속용 압전 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 발진영역의 수직 두께는 설정한 주파수에서 공진 또는 반공진 진동이 발생될 수 있는 두께인, 초음파 집속용 압전 소자.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 테두리부는 상기 몸체부의 발진영역과 상이한 수직 두께를 가지는, 초음파 집속용 압전 소자.
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