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KR101338383B1 - 자체 작동 검사 기능을 갖는 압전 변환기 및 이를 포함하는 초음파 장치 - Google Patents

자체 작동 검사 기능을 갖는 압전 변환기 및 이를 포함하는 초음파 장치 Download PDF

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KR101338383B1
KR101338383B1 KR1020130001509A KR20130001509A KR101338383B1 KR 101338383 B1 KR101338383 B1 KR 101338383B1 KR 1020130001509 A KR1020130001509 A KR 1020130001509A KR 20130001509 A KR20130001509 A KR 20130001509A KR 101338383 B1 KR101338383 B1 KR 101338383B1
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piezoelectric
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piezoelectric transducer
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KR1020130001509A
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최민주
조성찬
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주식회사 코러스트
제주대학교 산학협력단
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Abstract

자체 동작 평가 및 역학적 출력 측정 기능을 구비한 압전 변환기는 전기 신호에 의해 역학적으로 진동하는 압전체, 그리고 상기 압전체의 양면에 각각 형성되는 주 전극 및 주 전극과 전기적으로 절연된 검사용 전극을 포함한다. 주 전극은 압전 변환기를 구동하기 위한 전원 공급 장치와 전기적으로 연결되며, 검사용 전극은 신호 수신 장치와 연결된다. 압전체가 주 전극에 의해 진동할 때 검사용 전극에 의해 감지된 전기 신호를 통해 압전 진동체의 작동 상태 및 역학적 출력을 동시에 평가할 수 있게 된다.

Description

자체 작동 검사 기능을 갖는 압전 변환기 및 이를 포함하는 초음파 장치{piezoelectric transducer with a function of self performance testing and ultrasonic device including the same}
본 발명은 작동 상태 또는 성능을 자체적으로 검사하는 기능을 가진 압전 변환기 및 이를 포함하는 초음파 장치에 관한 것이다.
압전 변환기는 압전체의 양면에 전극을 형성하여 이루어지며 전기 신호를 역학적 진동으로 변환함으로써 전기적인 포텐셜을 역학적인 포텐셜로 전환한다. 이러한 특성을 이용하는 압전 변환기는 압전 소재에 전기 신호를 가해 동일한 주파수의 역학적 진동을 생성하며, 주파수 발진기, 음파(통상의 음파 또는 보다 높은 주파수의 초음파)를 발생하는 음파 발생기로 사용될 수 있다.
한편, 압전 변환기는 외부의 역학적인 포텐셜을 전기적인 포텐셜로 전환할 수도 있다. 이러한 현상을 이용하면, 외부의 역학적 진동을 전기 신호로 감지하는 진동 센서로 활용될 수 있다.
압전 변환기는 초음파 발생기로 사용되어 인체 조직에 치료 효과를 얻기 위해 초음파 자극을 주거나, 초음파 센서로 사용되어 생체 조직의 초음파 전파 특성을 감지하여 진단 정보를 얻을 수 있다. 초음파는 사용자가 들을 수 없는 주파수 대역으로 소리이고 진동의 크기도 수 마이크로미터 수준으로 거의 느낄 수 없기 때문에, 사용자가 압전 변환기가 정상적으로 작동하는지 여부를 확인하는 것은 고가의 장비 또는 숙련된 기술 없이 불가능하다. 초음파 치료기를 이용하여 환자를 치료할 때 시술자는 압전 변환기에서 초음파가 발생하고 있는지 또는 설정된 초음파 파워를 조사하고 있는지 알 수 없는 상태에서 환자를 치료하는 경우가 있다. 기존 압전 변환기는 대부분 압전 소자가 정상적으로 작동하고 있는지 확인할 수 있는 기능을 구비하고 있지 못하기 때문이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 압전 변환기가 정상적으로 작동하고 있는지 여부를 확인할 수 있는 기능을 가진 압전 변환기 및 이를 포함하는 초음파 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 자체 작동 검사 기능을 갖는 압전 변환기는, 전기 신호에 의해 역학적으로 진동하는 압전체, 상기 압전체의 양면에 각각 형성되며 외부의 전원 공급 장치와 전기적으로 연결되는 주 전극, 그리고 상기 주 전극과 전기적으로 절연되는 상태로 상기 압전체의 양면에 각각 형성되며 외부의 신호 수신 장치와 전기적으로 연결되는 검사용 전극을 포함한다.
상기 검사용 전극은 상기 주 전극의 가장 자리 부근에 위치하고 일부 경계가 상기 압전체의 측면으로 노출되는 개방형 구조로 형성될 수 있다.
상기 검사용 전극부는 상기 주 전극에 의해 각각 둘러싸이도록 형성되는 폐쇄형 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 장치는, 전원 공급 장치, 신호 수신 장치, 전기 신호에 의해 역학적으로 진동하는 압전체, 상기 압전체의 양면에 각각 형성되며 상기 전원 공급 장치와 전기적으로 연결되는 주 전극, 그리고 상기 주 전극과 전기적으로 절연되는 상태로 상기 압전체의 양면에 각각 형성되며 상기 신호 수신 장치와 전기적으로 연결되는 검사용 전극을 포함한다. 상기 신호 수신 장치는 상기 주 전극을 통해 공급된 전기 신호에 의해 압전체가 역학적으로 진동할 때 상기 검사용 전극에서 수신된 전기적인 신호를 기초로 상기 압전체의 동작 상태 평가 및 상기 압전체로부터 방사되는 역학적 에너지를 동시에 측정할 수 있는 기능을 가진다.
본 발명에 의하면, 압전 변환기가 압전체를 구동하기 위한 전기 신호를 인가 받기 위한 주 전극 외에 정상 작동 여부를 감지할 수 있는 검사용 전극을 구비함으로써, 별도의 검사 장비 없이도 압전 변환기의 정상적인 작동 여부를 실시간으로 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 변환기의 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 변환기의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 변환기의 전극 구조를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자체 작동 검사 기능을 갖는 압전 변환기를 포함하는 초음파 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 자체 작동 검사 기능을 갖는 압전 변환기에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 변환기는 압전체(10)와 그 양면에 각각 형성되는 주 전극(21)과 검사용 전극(22)을 포함한다. 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 압전체(10)는 원형 플레이트의 형태를 가질 수 있으며, 주 전극(21)과 검사용 전극(22)은 원형 플레이트의 양면에 각각 형성될 수 있다. 이때, 주 전국(21)와 검사용 전극(22)은 서로 전기적으로 절연되는 상태로 형성된다.
이때, 도면에는 도시되지 않았으나, 압전체(10)는 압전 변환기의 하우징(도시되지 않음)에 고정될 수 있다.
도2를 참조하면, 주 전극(21)은 압전체(10)의 양면에 서로 대향하도록 형성되는 한 쌍의 전극(21a, 21b)으로 이루어질 수 있으며, 유사하게 검사용 전극(22)도 압전체(10)의 양면에 서로 대향하도록 형성되는 한 쌍의 전극(22a, 22b)으로 이루어질 수 있다.
도 5를 참조하면, 주 전극(21)은 외부의 전원 공급 장치(30)에 전기적으로 연결될 수 있고, 검사용 전극(22)의 외부의 신호 수신 장치(40)에 전기적으로 연결될 수 있다.
주 전극(21a, 21b)을 통해 전기 신호가 인가되며, 압전체(10)는 전기적 신호에 의해 압전(piezoelectric) 효과에 의한 진동을 일으키며 이러한 진동에 의해 초음파를 생성할 수 있다. 즉, 압전체(10)는 하우징에 고정된 상태로 전기 신호에 의해 역학적으로 진동한다. 압전체(10)는 압전 효과를 일으킬 수 있는 임의의 재료로 형성될 수 있으며, 예를 들어 압전 세라믹 (piezoelectric ceramic) 또는 수정(crystal) 웨이퍼를 가공하여 제조될 수 있다.
검사용 전극(22a, 22b)은 압전 변환기가 정상적으로 작동하고 있는지를 자체적으로 검사하기 위한 전극이며, 주 전극(21a, 21b)을 통해 공급된 전기 신호에 의해 압전체(10)가 역학적으로 진동할 때 검사용 전극(22a, 22b)을 통해 유기된 전기적인 신호를 기초로 압전체의 동작 상태를 평가할 수 있다. 즉, 주 전극(21a, 21b)이 역학적으로 진동하는 경우 그에 따라 검사용 전극(22a, 22b)에도 진동이 전달되며 그 진동에 의해 검사용 전극(22a, 22b)에 전기 신호가 유기되며 이 신호를 외부의 신호 수신 장치(40)가 전달받아 이를 기초로 압전 변환기의 정상 작동 여부를 검사할 수 있다.
주 전극(21) 및 검사용 전극(22)은 전기 전도성을 가지는 금속 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금, 은, 또는 이들에 크롬, 니켈, 알루미늄 등을 혼합한 합금 등 다양한 금속 재질로 형성될 수 있다. 한편, 도면에는 도시의 편의를 위해 주 전극(21) 및 검사용 전극(22)의 두께가 확대되어 나타나 있으나 주 전극(21) 및 검사용 전극(22)의 두께는 매우 얇게 형성될 수 있다.
한편 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 검사용 전극(22)은 주 전극(21)에 의해 둘러싸이도록 폐쇄형 구조로 형성될 수 있다. 즉, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 압전체(10)의 한 면에 형성된 검사용 전극(22a)은 주 전극(21a)에 의해 둘러싸이도록 형성될 수 있으며, 압전체(10)의 다른 한 면에 형성된 검사용 전극(22b)은 주 전극(21b)에 의해 둘러싸이도록 형성될 수 있다. 그리고 검사용 전극(22a, 22b)은 원 형태를 가질 수 있다. 그러나 주 전극(21a, 21b) 및 검사용 전극(22a, 22b)의 형상, 위치, 크기 등은 도면에 도시된 것에 한정되지 않으며 다양하게 변경될 수 있다. 검사용 전극(22)이 주 전극(21)에 둘러싸이도록 형성됨으로써, 주 전극(21)에 의해 야기되어 전달되는 진동을 보다 잘 감지할 수 있게 된다.
한편, 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 검사용 전극(24)이 주 전극(23)의 가장 자리 부근에 위치하고 일부 경계가 압전체(10)의 측면으로 노출되는 개방형 구조로 형성될 수 있다. 즉, 본 실시예에서는, 검사용 전극(24)이 주 전극(23)에 의해 둘러싸이는 대신에 주 전극(23)의 주변부에 위치하게 된다.
검사용 전극(24)이 압전체(10)의 주변부에 위치하여 압전체 측면으로 노출되는 구조를 가지므로, 압전 변환기를 고정하는 하우징(도시되지 않음)의 구조물을 통해 검사용 전극(24)의 전기선 배열을 용이하게 할 수 있게 된다.
한편, 검사용 전극(24)이 대략 원형 형태를 가지는 것으로 도시되어 있으나, 검사용 전극(24)의 형태는 이에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.
위에서 설명한 실시예들에서 검사용 전극의 크기 및 위치는 측정 가능한 역학적 신호를 감지할 수 있는 조건을 만족하되, 압전 변환기의 구동 성능 저하에 미치는 영향을 최소화하도록 소형화하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다. 초음파 장치는 위에서 설명한 압전 변환기, 그리고 외부의 전원 공급 장치(30) 및 신호 수신 장치(40)를 포함한다.
전원 공급 장치(30)는 주 전극(21, 23)을 구동할 전기 신호를 출력하며, 신호 수신 장치(40)는 검사용 전극(22, 24)에 의해 야기된 전기 신호를 수신한다. 신호 수신 장치(40)는 검사용 전극(22, 24)으로부터 수신된 전기 신호를 기초로 압전체(10)의 동작 상태를 평가할 수 있다. 이때, 검사용 전극(22, 24)에서 수신된 신호를 이용하여 압전 변환기의 동작 상태 및 성능을 평가하되, 전원 공급 장치에서 압전체로 공급한 전기 신호 및 검사용 전극(22, 24)의 위치 및 크기를 고려하여 압전체(10)의 동작 상태 또는 성능을 평가할 수 있다.
신호 수신 장치(40)는 검사용 전극(22, 24)의 전기 신호를 수신하여 이를 기초로 압전체(10)의 작동 여부 및 압전체(10)가 방사하는 역학적인 파워를 평가한다. 예를 들어, 이러한 기능의 수행을 위해, 신호 수신 장치(40)는 마이크프로세서, 메모리 등 관련 하드웨어와 소프트웨어를 포함할 수 있으며, 소프트웨어는 상기한 기능을 수행할 수 있도록 프로그램될 수 있다. 예를 들어, 압전체(10)의 진동에 의해 야기되어 생성되는 검사용 전극(22, 24)의 전기 신호와 미리 저장되어 있는 데이터를 비교하여 압전체(10)가 전기에너지에 의해 진동을 하고 있는지 여부 및 진동 정도를 평가할 수 있다.
이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 압전 변환기가 인체에 초음파 시술을 위한 초음파 변환기로 사용되는 경우, 주 전극을 통해 구동된 압전 변환기를 통해 발생된 초음파를 인체에 조사하면서 동시에 압전체의 진동에 의해 유발되는 전기 신호를 검사용 전극을 통해 감지함으로써 압전 변환기에서 초음파가 정상적으로 생성되고 있는지를 실시간으로 확인할 수 있게 된다. 또한 검사용 전극을 통해 감지된 신호를 적절한 캘리브레이션 과정을 통해 압전 변환기에서 방사되는 역학적인 에너지를 추정하는 데 활용할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 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.
10: 압전체
21, 23: 주 전극
22, 24: 검사용 전극
30: 전원 공급 장치
40: 신호 수신 장치

Claims (4)

  1. 전기 신호에 의해 역학적으로 진동하는 압전체,
    상기 압전체의 양면에 각각 형성되며 외부의 전원 공급 장치와 전기적으로 연결되는 주 전극, 그리고
    상기 주 전극과 전기적으로 절연되는 상태로 상기 압전체의 양면에 각각 형성되며 외부의 신호 수신 장치와 전기적으로 연결되는 검사용 전극을 포함하는 자체 작동 검사 기능을 갖는 압전 변환기.
  2. 제1항에서,
    상기 검사용 전극은 상기 주 전극의 가장 자리 부근에 위치하고 일부 경계가 상기 압전체의 측면으로 노출되는 개방형 구조로 형성되는 자체 작동 검사 기능을 갖는 압전 변환기.
  3. 제1항에서,
    상기 검사용 전극부는 상기 주 전극에 의해 각각 둘러싸이도록 형성되는 폐쇄형 구조를 가지는 자체 작동 검사 기능을 갖는 압전 변환기.
  4. 전원 공급 장치,
    신호 수신 장치,
    전기 신호에 의해 역학적으로 진동하는 압전체,
    상기 압전체의 양면에 각각 형성되며 상기 전원 공급 장치와 전기적으로 연결되는 주 전극, 그리고
    상기 주 전극과 전기적으로 절연되는 상태로 상기 압전체의 양면에 각각 형성되며 상기 신호 수신 장치와 전기적으로 연결되는 검사용 전극을 포함하며,
    상기 신호 수신 장치는, 상기 주 전극을 통해 공급된 전기 신호에 의해 상기 압전체가 역학적으로 진동할 때, 상기 검사용 전극에서 수신된 전기적인 신호를 기초로 상기 압전체의 동작 상태 평가 및 상기 압전체로부터 방사되는 역학적 에너지를 동시에 측정할 수 있는 기능을 갖는 초음파 장치.
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