KR20170060355A

KR20170060355A - 집속 초음파 변환기

Info

Publication number: KR20170060355A
Application number: KR1020150164724A
Authority: KR
Inventors: 배영민; 양종렬; 김인수; 이경희
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2015-11-24
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2035-11-24
Also published as: KR101861354B1

Abstract

초음파 변환기는 초음파 변환기를 구성하는 압전소자의 진동 모드의 변동을 최소화하기 위해서 액체가 채워진 액체 챔버나 공기가 채워진 공기 챔버를 압전소자의 중심부에서 발생한 초음파의 경로상에 설치하여 압전소자의 진동 모드를 유지하면서 압전소자의 중심부의 음압 증대를 효율적으로 해소하는 것을 특징으로 한다.

Description

집속 초음파 변환기{Focused Ultrasonic Transducer}

본 발명은 초음파 변환기에 관한 것으로서, 특히 초음파 변환기를 구성하는 압전소자의 진동 모드의 변동을 최소화하기 위해서 액체가 채워진 액체 챔버나 공기가 채워진 공기 챔버를 압전소자의 중심부에서 발생한 초음파의 경로상에 설치하여 압전소자의 진동 모드를 유지하면서 압전소자의 중심부의 음압 증대를 효율적으로 해소하는 집속 초음파 변환기에 관한 것이다.

초음파 변환기는 전기적 교류 신호를 초음파로 변환하는 장치로 비파괴 검사, 비침습성 의료진단 영상 분야뿐만 아니라 치료 분야에서 많이 사용된다.

도 1은 종래 기술에 따른 초음파 변환기의 구성을 나타낸 도면이다.

종래 기술에 따른 초음파 변환기(10)는 압전소자(11)의 양면에 증착된 제1 전극(12), 제2 전극(13)에 전기적 교류 신호를 인가하여 압전소자(11)를 구동하고, 후면층(14)과 정합층(15)이 형성되어 있다.

정합층(15)은 초음파의 진행 방향 쪽에 조립하여 매질(16)로 초음파 전달 효율을 증진시키며, 후면층(14)의 설계를 통해 초음파 변환기의 대역을 조절하거나 링잉(Ringing) 현상 등을 줄일 수 있다.

특히, 정합층(15)은 압전소자(11)와 매질(16) 간의 효율적인 임피던스 정합을 위해 에폭시 등의 다양한 소재가 활용되고 있다.

초음파 변환기(10)는 압전소자(11)에 전기적 교류 신호를 인가하여 초음파를 발생시키는데 전기적 교류 신호의 주파수에 따라 다양한 진동 모드가 형성되며, 같은 주파수에 대해서도 정합층(15)과 후면층(14)의 부착에 따라 진동 모드가 변한다.

따라서, 종래의 초음파 변환기(10)는 일정한 진동 모드에서 압전소자(11)가 구동되도록 설계하였더라도 정합층(15)의 부착 단계에서 진동 모드가 변하여 초음파 발생 효율이 저하되는 경우가 많이 발생된다.

높은 출력의 초음파를 발생시키기 위해서는 도 2에 도시된 바와 같이, 집속 초음파 변환기(20)가 제작되어 많이 활용되고 있다.

제1 실시예의 집속 초음파 변환기(20)는 오목 형상의 압전소자(21)와, 압전소자(21)의 양면에 제1 전극(21a), 제2 전극(21b)와, 후면층(22), 정합층(23)으로 구성되어 발생하는 초음파가 매질(24)의 일정한 위치에 집속된다.

오목 형상의 압전소자(21)는 크기, 형태, 두께 등 많은 요인에 의해 압전소자(21)의 전체 표면에서 발생되는 초음파의 강도가 균일하지 않은 경우가 대부분이다.

예를 들면, 초음파가 압전소자(21)의 중심 부위에서는 강하고 가장자리에서 약하게 발생할 경우 초점에서 형성되는 초음파의 강도 분포는 길이 방향으로 길고, 폭 방향으로 좁은 형태로 나타난다.

반대로, 초음파가 압전소자(21)의 중심 부위에서 약하고 가장 자리에서는 강하게 발생할 경우 초점에서 형성되는 집속 초음파의 분포는 상대적으로 길이 방향으로 짧고, 폭 방향으로 넓은 형태로 나타난다.

압전소자(21)에서 발생되는 초음파는 특정한 부분에서 초음파가 강하게 발생할 경우에 부작용이 나타날 수도 있다.

특히, 크게 문제되는 경우는 초음파가 압전소자(21)의 중심 부위에서는 강하고 가장자리에서 약하게 발생되는 경우이다. 이러한 경우, 초점에서의 에너지 분포가 길이 방향으로 과도하게 길어져 사용자가 원하는 위치(즉, 표적지)보다 더 깊거나 얕은 곳까지 영향을 미치게 될 수도 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 실시예의 집속 초음파 변환기(30)는 중심부에 구멍(32)이 뚫려 있는 오목 형상의 압전소자(31)와, 압전소자(31)의 양면에 제1 전극(32a), 제2 전극(32b)과, 후면층(33), 정합층(34)으로 구성되어 발생하는 초음파가 매질(35)의 일정한 위치에 집속된다.

집속 초음파 변환기(30)는 중심부에 높은 음압의 초음파가 발생하므로 압전소자(31)의 중심부에 구멍(32)을 뚫어 압전소자(31)의 중심부를 제거하는 방식으로 구현해 볼 수 있다. 이러한 압전소자(31)의 중심부를 제거하는 방식은 제조 공정이 어려워 경제성이 떨어지고 압전소자의 정확한 곡면을 유지하기 어려워 경제성이 크게 떨어지는 문제점이 있다.

결과적으로 종래의 집속 초음파 변환기(20, 30)는 압전소자(21, 31)의 진동 모드를 유지하면서 압전소자(21, 31)의 중심부의 음압 증대를 효율적으로 해소하는데 한계를 가진다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 초음파 변환기를 구성하는 압전소자의 진동 모드의 변동을 최소화하기 위해서 액체가 채워진 액체 챔버나 공기가 채워진 공기 챔버를 압전소자의 중심부에서 발생한 초음파의 경로상에 설치하여 압전소자의 진동 모드를 유지하면서 압전소자의 중심부의 음압 증대를 효율적으로 해소하는 집속 초음파 변환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 초음파 변환기는,

평판 형태의 압전소자;

압전소자의 일면에 형성되는 제1 전극;

압전소자의 타면에 형성되는 제2 전극; 및

제2 전극과 정합층의 사이에 액체가 채워진 액체 챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징에 따른 초음파 변환기는,

오목 형태의 압전소자;

압전소자의 일면에 형성되는 제1 전극;

압전소자의 타면에 형성되는 제2 전극;

제2 전극의 일면에 형성된 정합층을 포함하며, 정합층의 내부에는 공기가 채워진 공기 챔버가 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징에 따른 초음파 변환기는,

평판 형태의 압전소자;

압전소자의 일면에 형성되는 제1 전극;

압전소자의 타면에 형성되는 제2 전극;

제2 전극과 오목 형태의 음향렌즈의 사이에 액체가 채워진 액체 챔버; 및

음향렌즈의 곡면에 형성되는 정합층을 포함하며, 정합층의 내부에는 공기가 채워진 공기 챔버가 형성되는 것을 특징으로 한다.

전술한 구성에 의하여, 본 발명은 초음파 변환기의 압전소자의 진동 모드를 유지하면서 압전소자의 중심부의 음압 증대를 효율적으로 해소하는 효과가 있다.

본 발명은 평판 압전소자를 이용하여 집속 초음파 변환기를 제작할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 압전소자의 진동 모드의 변동을 줄이기 위해 압전소자의 중심부를 제거하는 방식이 아니므로 초음파 변환기의 제조 단가를 낮출 수 있으며, 압전소자의 진동 모드의 변동을 최소화하는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 초음파 변환기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 기술의 제1 실시예에 따른 집속형 초음파 변환기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래 기술의 제2 실시예에 따른 집속형 초음파 변환기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 변환기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 집속 초음파 변환기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 집속 초음파 변환기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 집속 초음파 변환기의 음장 분포(Acoustic Field)를 나타낸 도면이다.

명세서 전체에서, 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.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 변환기의 구성을 나타낸 도면이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 변환기(100)는 전기 신호를 초음파로 변환하는 것으로 선단이 개구된 하우징(미도시)의 내부에 형성된 압전소자(110)의 양면에 증착된 제1 전극(120), 제2 전극(130), 제1 전극(120)의 일면에 형성된 후면층(140)과, 제2 전극(130)과 정합층(150)의 사이에 액체가 채워진 액체 챔버(160)를 구성한다.

압전소자(110)는 평판 형태이고 두께에 따라 발생되는 진동 주파수가 결정되는데 그 주파수의 범위에 제한을 두지 않고 구현 가능한 진동 주파수를 모두 포함한다. 일반적으로 초음파 치료를 위해 사용될 수 있는 모든 범위의 진동 주파수를 포함한다.

압전소자(110)의 크기는 고강도의 집속 초음파 변환기(100)의 에너지의 크기 및 치료 용도에 맞게 적절히 구현할 수 있도록 크기에 제한을 두지 않는다.

제1 전극(120)과 제2 전극(130)는 압전소자(110)의 일면과 타면에 각각 결합되어 전류 생성기(미도시)에 의해 생성된 교류 전류를 인가받을 수 있도록 전류 생성기에 전기적으로 연결될 수 있다.

전류 생성기에 의해 교류 전류가 제1 전극(120), 제2 전극(130)에 인가되면, 인가된 교류 전류는 압전소자(110)에 전류가 흐르고 압전소자(110)의 압전 효과에 의해 압전소자(110)가 진동을 하게 된다. 이러한 진동은 초음파의 특성을 가진다.

압전소자(110)는 정합층(150)과 직접적으로 부착하지 않고 제2 전극(130)과 정합층(150)의 사이에 액체 챔버(160)를 형성한다.

압전소자(110)에서 발생된 초음파는 액체 챔버(160) 내의 액체를 통해 정합층(150)으로 전달되어 매질(170)의 일정한 위치에 전달된다.

액체 챔버(160)는 글리세롤과 같은 유동성이 있으며 음향 감쇠가 낮은 액체물질을 채운다.

압전소자(110)에서 발생된 초음파는 액체 챔버(160)에 채워진 유동성이 있으며 음향 감쇠가 낮은 액체물질과 먼저 접촉한 후, 정합층(150)을 접촉하므로 압전소자(110)의 진동 모드의 변동을 최소화시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 집속 초음파 변환기의 구성을 나타낸 도면이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 집속 초음파 변환기(200)는 전기 신호를 초음파로 변환하는 것으로 선단이 개구된 하우징(미도시)의 내부에 형성된 오목 형상의 압전소자(210)와, 압전소자(210)의 양면에 제1 전극(211), 제2 전극(212)과, 제1 전극(211)의 일면에 형성된 후면층(220)과, 제2 전극(212)의 일면에 형성된 정합층(230)과, 정합층(230)의 내부에 공기가 채워진 공기 챔버(240)로 구성된다.

제1 전극(211)과 제2 전극(212)는 압전소자(210)의 일면과 타면에 각각 결합되어 전류 생성기(미도시)에 의해 생성된 교류 전류를 인가받을 수 있도록 전류 생성기에 전기적으로 연결될 수 있다.

전류 생성기에 의해 교류 전류가 제1 전극(211), 제2 전극(212)에 인가되면, 인가된 교류 전류는 압전소자(210)에 전류가 흐르고 압전소자(210)의 압전 효과에 의해 압전소자(210)가 진동을 하게 된다.

공기 챔버(240)는 정합층(230)의 내부에 형성되는데 특히, 정합층(230)의 내부 중심부 중에서 매질(250)과의 경계면 근처에 형성된다.

공기 챔버(240)는 압전소자(210)에서 발생된 초음파가 접촉되어 반사되는 면이 반원 형태의 곡면인 것을 특징으로 한다.

공기 챔버(240)는 내부에 공기가 채워져 있으며 채워진 공기는 정합층(230)을 구성하는 소재에 비해서 음향 임피던스가 매우 낮기 때문에 곡면형 압전소자(210)의 중심부에서 발생하는 초음파가 공기 챔버(240)의 계면에서 반사되어 매질(250)로 초음파가 전달되는 것을 방지한다.

압전소자(210)에서 발생된 초음파는 일부가 공기 챔버(240)의 계면에서 반사되고 나머지 부분이 정합층(230)을 통해 매질(250)의 일정한 위치에 집속된다.

집속 초음파 변환기(200)는 공기 챔버(240)로 인하여 압전소자(210)의 중심부에서 발생되는 초음파를 반사시켜 중심부보다 상대적으로 낮은 강도를 갖는 압전소자(110)의 가장자리 부분과 초음파 강도를 동일하게 만들거나 압전소자(110)의 가장자리 부분의 초음파 강도보다 조금 약하게 만들수 있다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 집속 초음파 변환기의 구성을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 집속 초음파 변환기의 음장 분포(Acoustic Field)를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 집속 초음파 변환기(300)는 전기 신호를 초음파로 변환하는 것으로 선단이 개구된 하우징(미도시)의 내부에 형성된 평판 형태의 압전소자(310)와, 압전소자(310)의 양면에 증착된 제1 전극(320), 제2 전극(330), 제1 전극(320)의 일면에 형성된 후면층(332)과, 제2 전극(330)과 고체 소재의 음향렌즈(340)의 사이에 액체가 채워진 액체 챔버(160)를 구성한다.

음향렌즈(340)는 곡면 형태로 구성하여 초음파를 집속하는 기능을 한다.

음향렌즈(340)는 일면에 정합층(350)이 형성되고, 정합층(350)은 내부에 공기가 채워진 공기 챔버(240)로 구성된다.

액체 챔버(160)는 압전소자(310)와 음향렌즈(340)의 결합에서 발생되는 진동 모드의 변동을 최소화한다.

압전소자(310)에서 발생된 초음파는 액체 챔버(160)에 채워진 유동성이 있으며 음향 감쇠가 낮은 액체물질과 먼저 접촉한 후, 음향렌즈(340), 정합층(350)의 순서로 접촉하게 된다.

음향렌즈(340)를 통해서 집속된 초음파는 음향렌즈(340)의 중심부에서 높은 음압이 형성된다. 이때, 공기 챔버(240)는 음향렌즈(340)의 중심부에서 발생하는 초음파를 반사하여 매질(360)로 전달되는 것을 방지한다.

집속 초음파 변환기(300)는 압전소자(310)에서 발생된 초음파를 액체 챔버(160)에 의해 진동 모드의 변동을 최소화하고 음향렌즈(340)의 중심부에서 발생하는 초음파를 공기 챔버(240)에 의해 반사되며 정합층(350)을 통해 매질(360)의 일정한 위치에 집속된다.

집속 초음파 변환기(300)의 음장(Acoustic Field) 분포는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 상용 소프트웨어를 이용하여 계산 결과이며, 230kHz 주파수에서의 해석 결과이며, 매질(360)의 내부에 초음파가 집속되는 것을 확인할 수 있다.

도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 정합층(350)과 매질(360) 사이의 경계면과 집속 부분에서의 X 방향(가로방향)에 따른 음압의 분포 프로파일을 보여준다.

압전소자(310)에서 발생된 초음파는 정합층(350)과 매질(360) 사이의 경계면 중에서 중심부에서의 음압이 충분히 저하되면서 매질(360)의 일정한 위치에서 집속된다.

제3 실시예는 평판 압전소자(110, 310)를 이용하여 집속 초음파 변환기(100, 300)를 제작할 수 있는 장점이 있다.

제1 실시예, 제2 실시예 및 제3 실시예는 압전소자의 중심부를 제거하는 방식이 아니므로 초음파 변환기의 제조 단가를 낮출 수 있으며, 압전소자의 진동 모드의 변동을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 초음파 변환기
110: 압전소자
120: 제1 전극
130: 제2 전극
140: 후면층
150: 정합층
160: 액체 챔버
170: 매질
200: 집속 초음파 변환기
210: 압전소자
211: 제1 전극
212: 제2 전극
220: 후면층
230: 정합층
240: 공기 챔버
250: 매질
300: 집속 초음파 변환기
310: 압전소자
320: 제1 전극
330: 제2 전극
332: 후면층
340: 음향렌즈
350: 정합층
360: 매질

Claims

초음파 변환기에 있어서,
평판 형태의 압전소자;
상기 압전소자의 일면에 형성되는 제1 전극;
상기 압전소자의 타면에 형성되는 제2 전극; 및
상기 제2 전극과 정합층의 사이에 액체가 채워진 액체 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기.
초음파 변환기에 있어서,
오목 형태의 압전소자;
상기 압전소자의 일면에 형성되는 제1 전극;
상기 압전소자의 타면에 형성되는 제2 전극;
상기 제2 전극의 일면에 형성된 정합층을 포함하며, 상기 정합층의 내부에는 공기가 채워진 공기 챔버가 형성하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기.
초음파 변환기에 있어서,
평판 형태의 압전소자;
상기 압전소자의 일면에 형성되는 제1 전극;
상기 압전소자의 타면에 형성되는 제2 전극;
상기 제2 전극과 오목 형태의 음향렌즈의 사이에 액체가 채워진 액체 챔버; 및
상기 음향렌즈의 곡면에 형성되는 정합층을 포함하며, 상기 정합층의 내부에는 공기가 채워진 공기 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 액체 챔버에 채워지는 액체는 유동성이 있으며 음향 감쇠가 낮은 액체물질인 것을 특징으로 하는 초음파 변환기.
제1항에 있어서,
상기 압전소자에서 발생된 초음파는 상기 액체 챔버에 채워진 유동성이 있으며 음향 감쇠가 낮은 액체물질과 먼저 접촉한 후, 상기 정합층을 접촉하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기.
제3항에 있어서,
상기 압전소자에서 발생된 초음파는 상기 액체 챔버에 채워진 유동성이 있으며 음향 감쇠가 낮은 액체물질과 먼저 접촉한 후, 상기 음향렌즈, 상기 정합층의 순서로 접촉하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 공기 챔버는 상기 정합층의 내부 중심부 중에서 매질과의 경계면 근처에 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 공기 챔버는 상기 압전소자에서 발생된 초음파가 접촉되어 반사되는 면이 반원 형태의 곡면인 것을 특징으로 하는 초음파 변환기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전극에 일면에 형성된 후면층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기.