KR101012767B1 - 자기변형 진동자를 이용한 용기부 내의 압력측정장치 - Google Patents

자기변형 진동자를 이용한 용기부 내의 압력측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기변형 진동자를 이용한 용기부 내의 압력측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용기부의 외부에 코일을, 용기부의 내부에는 진동부를 구성하여, 초음파를 용기부 내부에서 바로 출력함으로써 용기의 변형(천공 등) 없이 초음파를 발생시켜 누설의 가능성을 최소화하고, 용기내의 매질에 전파하는 초음파의 전달 효율을 측정하여 압력을 측정하는 장치이다. 또한, 초음파를 효율적으로 발생시켜, 압력측정시 정확성이 향상되고, 고진공 상태에서도 측정가능한 압력측정장치에 관한 것이다. 본 발명의 구체적 수단으로서 압력측정장치는 용기부(10) 측벽의 외부에 설치되는 제1자화요크(110)에 권취된 가진코일부(120)와; 제1자화요크(110)에 권취된 수신코일부(140)와; 제1자화요크(110)가 설치된 용기부(10)의 측벽의 내부에 구비되는 진동부(150);로 구성된 자기변형 송수신 진동자(100); 가진코일부(120)에 소정의 전류를 인가하는 제어부(20); 및 수신코일부(140)에 의하여 수신된 초음파 신호와 진동부(150)에서 출력된 초음파 신호에 기초하여 용기부(10)의 내부압력을 측정하는 압력측정부(60);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 다른 구체적인 수단으로서, 압력측정장치는 용기부(10)의 일 측벽의 외부에 설치되는 제1자화요크(210)에 권취된 가진코일부(220)와; 제1자화요크(210)가 설치된 용기부(10)의 일 측벽 내부에 구비되는 가진진동부(250);로 구성된 자기변형 가진 진동자(200); 용기부(10)의 타 측벽의 외부에 설치되는 제2자화요크(210')에 권취된 수신코일부(240')와; 제2자화요크(210')가 설치된 용기부(10) 의 타 측벽의 내부에 구비되는 수신진동부(250');로 구성된 자기변형 수신 진동자(200'); 가진코일부(220)에 소정의 전류를 인가하는 제어부(20); 및 수신코일부(240')에 의하여 수신된 초음파 신호와 가진진동부(250')에서 출력된 초음파 신호에 기초하여 용기부(10)의 내부압력을 측정하는 압력측정부(60);를 포함한다.
자기변형, 압력, 진공, 초음파, 반사판, 줄 효과, 빌라리 효과

Description

자기변형 진동자를 이용한 용기부 내의 압력측정장치{Pressure measuring apparatus inside a vessel using magnetostrictive acoustic oscillator}
본 발명은 자기변형(Magnetostriction,자왜)현상에 기초한 압력측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압력을 측정하고자하는 용기부의 외부에 코일을 구성하고 용기부의 내부에 진동부를 구비한 자기변형 초음파 변환기를 이용하여, 압력측정에 필요한 초음파를 용기부 내부에서 직접 출력 및 측정함으로써, 저진공, 고진공 및 고압의 대기압 이상에서도 압력 측정이 가능한 장치에 관한 것이다. 또한, 용기부의 손상이나 변형없이 압력측정에 필요한 초음파를 전달할 수 있는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 공정 및 LCD 생산공정에서 용기부, 특히 진공상태의 용기부(진공용기)의 내부압력은 중요한 변수로 작용한다. 진공도, 즉 용기부의 압력을 측정하려면, 일반적으로 정전용량형 격막 진공계(Capacitance Diaphragm gauge)를 사용한다.
이러한 정전용량형 격막 진공계는 측정하고자하는 용기부의 내부에 설치하여, 용기부의 압력측정을 하는 방식이다. 이러한 정전용량형 격막 진공계를 이용한 진공도, 압력 측정 전에는 진공의 누설정도를 체크해야 하고, 정전용량형 격막 진공계를 설치한 후에 다시 내부를 진공으로 만드는 번거로움이 있었다. 또한, 정전용량형 격막 진공계는 저진공상태에 사용가능하다는 한계가 있다.
이러한 문제를 개선하여 용기부의 외부에서 초음파 출력하고 수신하는 압력측정장치는 용기부의 누설정도의 체크 등의 번거로움이 없다는 장점이 있다. 그러나, 일반적으로 용기부는 그 내부압력과 외부압력의 차이를 견디기 위해 스테인레스 강등의 금속 재질로 이루어진다. 그리하여 압력측정을 위하여 용기부 외부에서 내부로 초음파를 전달시키고자 할 때, 용기의 재질과 내부 기체 사이의 음향 임피던스의 차이가 커 초음파가 용기부 내부 기체로 전달되지 못하는 단점이 있다. 마찬가지로 용기부 내부에서 외부로 전달되는 초음파 또한 음향 임피던스의 차이로 인하여 거의 전달되지 못하는 문제점이 있다. 이처럼 초음파의 전달 및 수신 효율이 낮으므로 압력측정이 어려운 문제가 있다, 따라서 초음파를 이용하여 용기내의 압력을 측정하기 위해서는 초음파를 효율적으로 전달시켜 줄 수 있는 장치가 요구된다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 자기변형 초음파 변환기를 사용함에 있어서, 코일을 용기부 외부에 구성하고 진동부를 용기부 내부에 구비하여 용기부의 손상이나 변형 없이 초음파를 용기부 내부에서 직접 발생시켜 압력측정시 누설의 가능성을 최소화하고, 초음파 전달효율을 증가시키는데 있다.
또한, 본 발명은 반사판 또는/및 공진을 이용하여 용기부 내부의 초음파 전달 효율을 증대시키는바, 용기부의 내부 압력 또는 진공도 측정시 정확도의 향상을 기대할 수 있고, 고진공, 고압의 대기압 이상의 상태에서도 압력측정이 가능한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 구체적 수단으로서, 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치는,용기부(10) 측벽의 외부에 설치되는 제1자화요크(110)에 권취된 가진코일부(120)와; 제1자화요크(110)에 권취된 수신코일부(140)와; 제1자화요크(110)가 설치된 용기부(10)의 측벽의 내부에 구비되는 진동부(150);로 구성된 자기변형 송수신 진동자(100); 가진코일부(120)에 소정의 전류를 인가하는 제어부(20); 및 수신코일부(140)에 의하여 수신된 초음파 신호와 진동부(150)에서 출력된 초음파 신호에 기초하여 용기부(10)의 내부압력을 측정하는 압력측정부(60);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 진동부(150)는 진동부 자화요크(152) 및 진동막(154)으로 구성할 수 있다.
이때, 진동막(154)은 하나의 층 또는 복수개의 층으로 구성될 수 있으며, 자기변형성이 있는 재질로 이루어지고, 자기변형성이 있는 재질은 니켈, 철-코발트 합금 및 갈페놀 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 진동부(150)는 자기변형소자(156) 및 음향 임피던스 정합층(158)으로 구성할 수 있다.
이때, 자기변형소자(156)는 자기변형성이 있는 재질로 이루어지고, 자기변형성이 있는 재질은 터페놀-디인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 용기부(10)의 내부에는 초음파를 반사시키기 위한 반사판(190)이 더 구비됨이 바람직하다.
또한, 제1자화요크(110)는 고투자율의 재료로 이루어지고, 고투자율의 재료는 페라이트 또는 전기강판(SiFe)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 제어부(20)는 자기변형 송수신 진동자(100)와 용기부(10)의 내벽 사이에서 초음파가 공진을 일으키거나, 자기변형 송수신 진동자(100)와 반사판(190) 사이에서 초음파가 공진을 일으키도록, 소정의 제어신호를 자기변형 송수신 진동자(100)로 인가할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구체적인 수단으로, 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치는, 용기부(10)의 일 측벽의 외부에 설치되는 제1자화요크(210)에 권취된 가진코일부(220)와; 제1자화요크(210)가 설치된 용기부(10)의 일 측벽 내부에 구비되는 가진진동부(250);로 구성된 자기변형 가진 진동자(200); 용기부(10)의 타 측벽의 외부에 설치되는 제2자화요크(210')에 권취된 수신코일부(240')와; 제2자화요크(210')가 설치된 용기부(10)의 타 측벽의 내부에 구비되는 수신진동부(250');로 구성된 자기변형 수신 진동자(200'); 가진코일부(220)에 소정의 전류를 인가하는 제어부(20); 및 수신코일부(240')에 의하여 수신된 초음파 신호와 가진진동부(250')에서 출력된 초음파 신호에 기초하여 용기부(10)의 내부압력을 측정하는 압력측정부(60);를 포함한다.
또한, 자기변형 가진 진동자(200)와 자기변형 수신 진동자(200')는 동일 축(A-A')선상에 놓이는 것이 바람직하다.
또한, 제1자화요크(210) 또는 제2자화요크(210')는 고투자율의 재료로 이루어지고, 고투자율의 재료는 페라이트 또는 전기강판(SiFe)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 제어부(20)는 자기변형 가진 진동자(200)에서 출력된 초음파가 자기변형 가진 진동자(200)와 자기변형 수신 진동자(200') 사이에서 공진이 발생하도록, 소정의 제어신호를 자기변형 가진 진동자(200)로 인가할 수 있다.
또한, 가진진동부(250)는 가진진동부 자화요크(252) 및 가진진동막(254)으로 구성할 수 있다.
그리고, 수신진동부(250')는 수신진동부 자화요크(252) 및 수신진동막(254)으로 구성할 수 있다.
또한, 가진진동부(250) 또는 수신진동부(250')는 자기변형소자(256,256') 및 음향 임피던스 정합층(158,158')으로 구성할 수 있다.
본 발명인 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치는 용기부의 내부에 진동부를, 용기부의 외부에 코일을 구비하여 용기부 내부에 직접 초음파를 출력함으로써, 에너지 감쇠를 최소화하여 측정 압력의 정확도가 향상되는 장점이 있다.
또한, 용기부의 손상이나 변형 없이 초음파를 발생시켜 용기부 내부의 압력을 측정하는바, 누설의 가능성이 최소화되는 장점이 있다.
그리고, 반사판을 더 형성하거나 초음파의 공진을 유도하여 고진공 상태 또는 고압의 대기압 이상의 상태에서도 용기부의 내부 압력 즉, 진공도의 측정이 가능하다는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하에서 사용되고, 도 1 내지 도 3에서의, 부호 'U'는 용기부(10) 내부를 진행하는 초음파를 나타내고, 부호 'P'는 용기부(10)의 내부에서 초음파(U)의 진행경로를 나타낸다.
<압력측정장치의 구성>
(실시예 1)
도 1a는 본 발명인 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치의 제 1실시예이다. 압력측정장치는 용기부(10)의 일 측벽에 형성되어 있는 자기변형 송수신 진동자(100)와, 자기변형 송수신 진동자(100)로 소정의 전류를 인가하는 제어부(20)와, 용기부(10)의 내부를 진행한 초음파 신호와 용기부 내부로 출력된 초음파 신호에 기초하여 용기부(10)의 내부 압력을 측정하는 압력측정부(60)로 구성되어 있다.
자기변형 송수신 진동자(100)는 제1자화요크(110)와; 제1자화요크(110)에 권취된 가진코일부(120)와; 수신코일부(140)와; 초음파가 출력되는 진동부(150);로 구성되어 있다. 제1자화요크(110)에 권취된 가진코일부(120)와 수신코일부(140)는 용기부(10)의 외측에 형성되어 있으며, 진동부(150)는 용기부(10) 내측에 구비된다.
제1자화요크(110)는 페라이트 또는 전기강판(SiFe)과 같은 고투자율의 재료로 이루어지는 것이 바람직하다
진동부(150)는 진동부 자화요크(152)와 진동막(154)으로 구성된다. 진동부 자화요크(152)는 제1자화요크(110)와 마찬가지로 페라이트 또는 전기강판과 같은 고투자율의 재료로 이루어짐이 바람직하다. 진동막(154)은 하나의 층 또는 복수 개의 층으로 구성될 수 있으며, 그 재질은 자기변형성이 큰 재질로 구성된다. 자기변형 재질은 강자성체인 니켈, 코발트, 철 등의 합금소재가 있으며, 철-코발트 합금 재질을 사용함이 바람직하다. 철-코발트 합금은 자기변형률이 니켈의 3배 이상이고, 가공성이 좋다는 장점이 있다. 복수개의 층으로 구성되는 경우 각각의 층의 재질은 서로 다른 재질로 구성가능하다.
진동부(150), 특히 진동막(154)의 진동에 의하여, 용기부(10)의 내벽으로 초음파가 출력된다. 또한, 도 1b에 도시된 바와 같이, 자기변형 송수신 진동자(100)가 설치된 용기부(10)의 내벽측으로 초음파를 출력할 수도 있다(진행경로 P').
제어부(20)는 가진코일부(120)에 인가되는 전류를 조절하여, 궁극적으로 진 동부(150)를 통해 출력되는 초음파를 제어한다. 본 발명에서는 바람직하게 초음파의 공진을 유도하여 전달/수신효율의 증대를 도모할 수 있다. 공진은 고진공 등의 경우처럼 압력 측정을 위해 고출력의 초음파 발생이 요구되는 경우에 유용하다. 따라서, 제어부(20)는, 자기변형 송수신 진동자(100)와 용기부(10)의 내벽 사이에서 공진을 일으키는 소정의 주파수 및 신호 파형을 갖는 초음파가 출력되도록, 소정의 제어신호를 자기변형 송수신 진동자(100)로 인가한다.
압력측정부(60)는 수신코일부(140)로 수신된 초음파의 신호, 즉 용기부(10)의 내부를 진행한 초음파의 신호와 용기부(10) 내부로 출력된 초음파의 신호에 기초하여 용기부(10)의 내부압력을 측정한다. 초음파의 신호는 용기부(10) 내부를 진행하면서 변화된 초음파의 진폭, 및 신호파형 등의 정보를 포함하며, 용기부의 내부에서의 진행시간 등의 정보와 더불어 용기부(10) 내부의 압력을 측정하는데 기초가 된다. 이들 정보에 기초하여 용기부(10)의 내부 압력을 측정하는 것은 당업자의 범위에서 자명한 것으로 자세한 설명은 생략한다.
압력측정부(60)는 수신된 초음파의 신호 이외에도, 용기부(10) 내부로 출력된 초음파의 신호에 대한 정보도 획득하여야 하므로, 제어부(20)와 연결됨이 바람직하다.
바람직하게는 수신코일부(140)에서 수신된 초음파에 대한 신호가 압력측정부(60)로 인가되기 전에, 잡음을 제거하는 필터부(미도시)가 더 부가될 수 있다. 필터부의 일실시예로 하이패스필터(HPF) 또는 밴드패스필터(BPF)가 사용될 수 있다.
(실시예 2)
도 2는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치의 제2실시예이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 도 1의 구성에 반사판(190)이 더 포함된다.
반사판(190)은 용기부(10)의 내부를 진행하는 초음파의 감쇠를 줄이기 위한 것으로 자기변형 송수신 진동자(100)와 근접한 거리에 설치된다.
반사판(190)은 용기부(10) 내부를 진행하는 초음파를 반사시킬 수 있는 물질이면 그 종류를 불문하고 사용할 수 있다. 반사판(190)이 설치되는 위치는 공진조건을 고려하여 설치함이 바람직하다. 일예로, 용기부(10)의 내부로 출력되는 초음파 파장(λ)의 1/2되는 지점이나 그 배수(
Figure 112008032072961-pat00001
)되는 지점에 설치가능하다. 이는 반사판(190)설치의 예시일뿐 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 3)
도 3은 본 발명인 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치의 제3실시예이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 진동부(150)는 자기변형소자(156)와 음향 임피던스 정합층(158)으로 구성될 수 있다. 다른 구성요소는 실시예1을 비롯한 다른 구성과 동일한바 그 자세한 설명은, 앞의 기재로 갈음한다.
자기변형소자(156)는 자기변형성이 강한 터페놀-디(Terfenol-D)와 같은 재질을 사용함이 바람직하다.
음향 임피던스 정합층(158)은 한개 또는 복수 개의 층으로 구성되며, 복수개의 층으로 구성되는 경우, 각각의 층은 서로 음향 임피던스가 다르게 구성된다.
(실시예 4)
도 4는 본 발명인 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치의 제4실시예이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 초음파를 가진하는 부분과 수신하는 부분을 별도로 구성할 수 있다. 초음파를 가진하는 부분은 자기변형 가진 진동자(200)이고, 용기부 내부를 진행한 초음파를 수신하는 부분은 자기변형 수신 진동자(200')가 된다.
자기변형 가진 진동자(200)는 용기부(10)의 일 측벽의 외부에 설치되는 제1자화요크(210);와 가진코일부(220); 및 용기부(10)의 일 측벽의 내부에 구비되는 가진진동부(250);로 구성되어 있다.
제1자화요크(210)는 용기부(10)의 일 측벽의 외부에 설치되고, 가진코일부(220)가 권취되어 있다. 가진코일부(220)는 제어부(20)의 제어신호를 받고, 제어부(20)의 제어에 의하여 용기부(10) 내부로 출력되는 초음파의 진폭 및 파형이 결정된다. 제1자화요크(210)는 페라이트 또는 전기강판과 같은 고투자율의 재로로 이루어질 수 있다.
가진진동부(250)는 가진진동부 자화요크(252)와 가진진동막(254)으로 구성될 수 있다. 가진진동부 자화요크(252)는 페라이트 또는 전기강판과 같은 고투자율의 재료로 이루어짐이 바람직하다. 가진진동부(250)는 제1자화요크(210)와 가진코일부(220)에 의해 발생된 자기장의 영향을 받아, 가진진동막(254)이 진동하여 초음파를 용기부(10) 내부로 출력한다.
자기변형 수신 진동자(200') 역시 그 기본적인 구성은 자기변형 가진 진동자(200)와 마찬가지로, 제2자화요크(210')와 수신코일부(240') 및 수신진동 부(250')을 포함하고, 수신진동부(250')는 수신진동부 자화요크(252')와 수신진동막(254')으로 구성될 수 있다.
제2자화요크(210') 및/또는 수신진동부 자화요크(252')도 페라이트 또는 전기강판과 같은 고투자율의 재료로 이루어짐이 바람직하다.
가진진동막(254)과 수신진동막(254')은 자기변형 재료로 구성될 수 있다. 이는 실시예 1의 진동막(154)에 대한 설명과 동일하므로, 이에 갈음한다.
자기변형 수신 진동자(200')가 설치되는 위치는 자기변형 가진 진동자(200)가 설치된 용기부(10)의 타 측벽이다. 자기변형 수신 진동자(200')의 수신코일부(240')는 압력측정부(60)와 연결되어 용기부(10) 내부를 진행한 초음파의 신호정보를 수신한다.
자기변형 가진 진동자(200)와 자기변형 수신 진동자(200')는 동일한 축(A-A') 선상에 위치함이 바람직하다. 수신되는 초음파 전달 또는/및 수신 효율을 증가시키고, 용기부(10) 내부의 진공도, 즉 압력 이외의 변수를 제거하기 위함이다.
(실시예 5)
도 5는 본 발명인 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치의 제5실시예이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 가진진동부(250)와 수신진동부(250')의 구성은 실시예 3과 같이 구성할 수 있다.
즉, 가진진동부(250)는 자기변형소자(256)와 음향 임피던스 정합층(258)로도 구성될 수 있고, 수신진동부(250')도, 자기변형소자(256')와 음향 임피던스 정합층(258')로 구성될 수 있다.
자기변형소자(256,256')와 음향 임피던스 정합층(258,258')에 대한 설명은, 실시예3의 내용으로 갈음한다.
한편, 미설명부호'90'은 용기부(10)의 내부를 진공상태로 만들기 위한 진공펌프이고, 미설명부호 '80'은 진공을 만드는데 사용되는 밸브를 나타낸다. 이러한 보조장치는 용기부(10)의 내부를 진공상태로 만들기 위한 것으로, 본 발명인 압력측정장치의 필수구성요소는 아니다.
<압력측정방법>
본 발명은 자왜, 즉 자기변형현상을 이용하는 것으로, 자기장의 변화에 따라 강자성 재료가 기계적으로 변형되는 현상인 줄효과(Joule effect)에 기초하여 초음파를 발생시키고, 역자기변형(inverse magnetostriction)에 해당하는 빌라리 효과(Villari effect)에 기초하여 초음파를 감지한다. 초음파를 발생시키는 줄 효과는 자기변형 가진 진동자(200)에 의하여 구현되고, 초음파를 감지하는 빌라리 효과는 자기변형 수신 진동자(200')에 의하여 구현된다.
(제1실시예의 방법)
본 발명인 제1실시예인, 자기변형 송수신 진동자(100)를 이용한 용기부(10)의 내부압력측정방법은 다음과 같다. 우선, 압력측정장치를 설치한다.(S10)
제어부(20)의 전류 제어에 의하여, 가진코일부(120)에 소정의 값을 갖는 전류가 인가된다. 가진코일부(120)에 전류가 흐르면서, 가진코일부(120)가 권취된 제 1자화요크(110)에 자기장이 유도된다. 유도된 자기장에 의하여 용기부(10)의 내부에 설치된 진동부(150)의 진동막(154)이 진동하고, 진동막(154)의 진동에 의하여 초음파가 발생된다(S20).
발생된 초음파는 용기부(10)의 내부를 진행하고, 용기부(10)의 내벽에 반사되어 다시 자기변형 송수신 진동자(100) 측으로 진행한다(S30). 진행경로(P)는 도 1a에 도시된 바와 같다.
용기부(10)의 내부를 진행한 초음파는 진동부(150)의 진동막(154)을 진동시키고, 진동막(154)은 자기변형 재료로 구성되어 있으므로 자기장이 발생한다. 발생된 자기장에 의하여 수신코일부(140)에 전류가 유도된다(S40). 앞서 설명한 초음파가 발생하는 단계(S20)가 역으로 진행하는 것으로 빌라리 효과에 의한 것이다.
수신코일부(140)에 유도된 전류는 용기부(10)의 내부를 진행한 초음파 신호에 관한 정보를 담고 있다. 그 정보는 초음파의 진폭 및 파형 등이 되며, 기타의 정보로 초음파의 진행시간 등이 별도로 측정될 수 있다.
압력측정부(60)는 수신코일부(140)에 의해서 수신된 초음파의 신호(소정의 전류값)와 용기부(10) 내부로 처음 출력된 초음파 신호에 기초하여 용기부(10) 내부의 압력을 측정한다(S50).
제어부(20)는 가진코일부(120)로 인가되는 전류를 제어한다. 진동막(154)과 용기부(10)의 내벽 사이에서 초음파의 공진이 발생할 수 있도록, 제어부(20)는 자기변형 송수신 진동자(100)에서 출력되는 초음파의 주파수와 파형에 관한 소정의 제어신호를 자기변형 송수신 진동자(100)로 인가한다. 초음파의 공진이 일어나는 경우 수신코일부(140)의 수신효율이 증가되기 때문이다.
상기의 압력측정방법은 도 1b에 도시된 바와 같이, 진동부(150)에서 출력되는 초음파의 진행경로(P')가 도 1a의 경우와 반대방향인 경우에도 적용됨은 물론이다.
(제2실시예의 방법)
본 발명의 제2실시예인 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치를 이용한 용기부 내부의 압력을 측정하는 방법은, 상기 실시예 1의 방법과 거의 동일하다. 다만 차이가 있다면, 도 2에 도시된 바와 같이, 반사판(190)이 더 설치되어 있으므로, 용기부(10) 내부를 진행하는 초음파의 진행경로(P)가 짧아진다는 점이다. 초음파의 진행경로(P)가 짧아지므로 수신코일부(140)를 통해 수신되는 초음파 신호의 수신효율이 증가된다. 따라서 용기부(10)의 내부 압력을 측정함에 있어서 더 큰 정확도를 얻을 수 있다.
제어부(20)는 가진진동부(250)와 반사판(190) 사이에서 초음파의 공진이 발생되도록 가진코일부(220)로 인가되는 전류를 제어할 수 있다. 이 역시, 공진을 유도하여 자기변형 수신 진동자(200')의 수신 효율증대를 도모하기 위함이다.
(제3실시예의 방법)
본 발명의 제3실시예인 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치를 이용한 용기부 내부의 압력을 측정하는 방법에서, 압력측정장치는 실시예 1의 방법과 거의 동일하게 설치된다. 다만 차이가 있다면, 도 3에 도시된 바와 같이, 자기변형소자(156)와 음향 임피던스 정합층(158)으로 구성된 진동부(150)가 용기부(10)의 내 부에 구비된다.
제어부(20)의 제어신호를 받아, 자기변형 가진 진동자(200)에서 전기장이 발생하는 것은 제1실시예의 방법과 동일하다. 자기변형소자(156)는 가진코일부(120)에 의하여 발생된 전기장의 영향을 받아, 초음파를 출력한다. 자기변형소자(156)에서 출력된 초음파는 음향임피던스 정합층(158)을 거치면서, 용기부(10)의 내부로의 전달효율이 증대된다.
(제4실시예의 방법)
본 발명의 제4실시예인 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치를 이용한 용기부 내부 압력의 측정방법은 다음과 같다. 우선, 압력측정장치를 설치한다.(S10')
자기변형 가진 진동자(200)와 연결된 제어부(20)의 전류 제어에 의하여, 가진코일부(220)로 소정의 전류가 인가된다. 가진코일부(220)에 전류가 흐르면서, 가진코일부(220)가 권취된 제1자화요크(210)에 자기장이 유도된다. 유도된 자기장에 의하여 용기부(10)의 내부에 설치된 가진진동부(250)의 가진진동막(254)이 진동하고, 가진진동막(254)의 진동에 의하여 초음파가 발생된다(S20').
발생된 초음파는 용기부(10)의 타 측벽에 설치된 자기변형 수신 진동자(200')쪽으로 진행한다(S30').
용기부(10)의 내부를 진행한 초음파는 자기변형 수신 진동자(200')의 수신진동부(250')를 진동시키고, 수신진동부(250'), 특히 수신진동막(254')은 자기변형 재료로 구성되어 있으므로 자기장이 발생한다. 발생된 자기장에 의하여 수신코일부(240')로 전류가 유도된다(S40'). 이 경우, 음향 임피던스 정합층(256')은 초음 파 수신효율을 증대시키는 역할을 한다.
압력측정부(60)는 수신코일부(240')에 의하여 수신된 초음파의 신호(소정의 전류값)와 용기부(10) 내부로 처음 출력된 초음파 신호에 기초하여 용기부(10) 내부의 압력을 측정한다(S50')
(제5실시예의 방법)
본 발명의 제5실시예인 압력측정장치를 이용한 용기부 내부의 압력을 측정하는 방법은, 제4실시예의 방법과 거의 동일하게 설치한다. 다만 차이가 있다면, 가진진동부(250)와 수신진동부(250')의 구성을 각각 자기변형소자(256,256')와 음향 임피던스 정합층(258,258')로 구성하는 점이다.
제어부(20)의 전류제어에 의하여 가진코일부(220)에 전류가 흐르고, 가진코일부(220)에 전류가 흐르면서, 자기장이 유도된다. 유도된 자기장에 의하여 (가진측)자기변형소자(256)는 초음파를 출력하고, 출력된 초음파는 (가진측)음향 임피던스 정합층(258)을 거치면서 전달효율이 증가된다(S30'').
용기부(10)의 내부를 진행한 초음파는, 용기부(10)의 타측에 위치한 (수신측)음향 임피던스 정합층(258)을 거치면서 수신효율이 증가되고, 초음파에 의하여 (수신측)자기변형소자(256')에 자기장이 유도된다. 따라서, 수신코일부(240')에는 소정의 전류가 발생하고(S40''), 압력측정부에서는 수신코일부(240')로 수신된 초음파의 신호(소정의 전류값)와 용기부(10)의 내부로 처음 출력된 초음파의 신호를 기초로, 용기부의 내부압력을 측정하게 된다.
< 변형예 >
본 발명은, 용기부(10)가 1∼10-5 Pa 의 저진공 상태일 경우뿐만 아니라, 10-5 ∼10-9 Pa 의 고진공상태인 경우에도 적용 가능하다.
본 발명에 있어서, 용기부(10)는 저진공상태, 고진공상태의 진공상태인 경우이외에도, 대기압 이상의 특정한 용기의 내부 압력을 측정하고자 하는 경우에도 적용가능함은 물론이며, 용기의 내부가 기체가 아닌 고체, 액체로 채워진 경우에도 적용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로, 제1자화요크(110,210), 제2자화요크(210'), 가진진동부 자화요크(252) 및 수신진동부 자화요크(254')는 도 4의 제1자화요크(110)와 같은 형상으로 제작될 수 있으며, 기타 다양한 형태로 제작될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 압력측정장치 및 측정방법은 반도체 공정 또는 LCD 공정에서 주로 사용될 수 있다. 이외에도, 용기 내부의 진공도, 즉 압력의 정도를 측정하고자 하는 산업분야에서는 모두 적용될 수 있음은 물론이다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는한 다양한 변형이나 수정을 포함할 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명인 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치의 제1실시 설치상태도,
도 2는 본 발명인 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치의 제 2실시 설치상태도,
도 3은 본 발명인 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치의 제3실시 설치상태도,
도 4는 본 발명인 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치의 제3실시 설치상태도.
도 5는 본 발명인 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치의 제5실시 설치상태도를 나타낸다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
10: 용기부 20: 제어부
60: 압력측정부 100: 자기변형 송수신 진동자
110, 210: 제1자화요크 210': 제2자화요크
120, 220: 가진코일부 140, 240': 수신코일부
150: 진동부 152: 진동부 자화요크
154: 진동막 156, 256, 256': 자기변형소자
158,258,258': 음향 임피던스 정합층 190: 반사판
200: 자기변형 가진 진동자 200': 자기변형 수신 진동자
250: 가진진동부 250': 수신진동부
252: 가진진동부 자화요크 252': 수신진동부 자화요크
254: 가진진동막 254': 수신진동막

Claims (17)

  1. 초음파를 사용하여 용기부의 내부 압력을 측정하는 장치에 있어서,
    상기 용기부(10) 측벽의 외부에 설치되는 제1자화요크(110)에 권취된 가진코일부(120)와; 상기 제1자화요크(110)에 권취된 수신코일부(140)와; 상기 제1자화요크(110)가 설치된 상기 용기부(10)의 측벽의 내부에 구비되는 진동부(150);로 구성된 자기변형 송수신 진동자(100);
    상기 가진코일부(120)에 전류를 인가하는 제어부(20); 및
    상기 수신코일부(140)에 의하여 수신된 초음파 신호와 상기 진동부(150)에서 출력된 초음파 신호에 기초하여 상기 용기부(10)의 내부압력을 측정하는 압력측정부(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 진동부(150)는 진동부 자화요크(152) 및 진동막(154)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 진동막(154)는 한 개의 층 또는 복수 개의 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 진동막(154)의 한 개의 층 또는 복수 개의 층은 자기변형성이 있는 재질로 이루어지고,
    상기 자기변형성이 있는 재질은 니켈, 철-코발트 합금 및 갈페놀 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 진동부(150)는 자기변형소자(156) 및 음향 임피던스 정합층(158)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용하나 압력측정장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 자기변형소자(156)는 자기변형성이 있는 재질로 이루어지고,
    상기 자기변형성이 있는 재질은 터페놀-디인 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  7. 제 1항, 제 2항 및 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용기부(10)의 내부에는 상기 초음파를 반사시키기 위한 반사판(190)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1자화요크(110)는 고투자율의 재료로 이루어지고,
    상기 고투자율의 재료는 페라이트 또는 전기강판(SiFe)인 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부(20)는 상기 자기변형 송수신 진동자(100)와 상기 용기부(10)의 내벽 사이에서 상기 초음파가 공진을 일으키도록, 제어신호를 상기 자기변형 송수신 진동자(100)로 인가하는 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제어부(20)는 상기 자기변형 송수신 진동자(100)와 상기 반사판(190) 사이에서 상기 초음파가 공진을 일으키도록, 제어신호를 상기 자기변형 송수신 진동자(100)로 인가하는 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  11. 초음파를 사용하여 용기부의 내부 압력을 측정하는 장치에 있어서,
    상기 용기부(10)의 일 측벽의 외부에 설치되는 제1자화요크(210)에 권취된 가진코일부(220)와; 상기 제1자화요크(210)가 설치된 상기 용기부(10)의 일 측벽 내부에 구비되는 가진진동부(250);로 구성된 자기변형 가진 진동자(200);
    상기 용기부(10)의 타 측벽의 외부에 설치되는 제2자화요크(210')에 권취된 수신코일부(240')와; 상기 제2자화요크(210')가 설치된 상기 용기부(10)의 타 측벽의 내부에 구비되는 수신진동부(250');로 구성된 자기변형 수신 진동자(200');
    상기 가진코일부(220)에 전류를 인가하는 제어부(20); 및
    상기 수신코일부(240')에 의하여 수신된 초음파 신호와 상기 가진진동부(250')에서 출력된 초음파 신호에 기초하여 상기 용기부(10)의 내부압력을 측정하는 압력측정부(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 자기변형 가진 진동자(200)와 상기 자기변형 수신 진동자(200')는 동일 축(A-A')선상에 놓이는 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 제1자화요크(210) 또는 상기 제2자화요크(210')는 고투자율의 재료로 이루어지고,
    상기 고투자율의 재료는 페라이트 또는 전기강판(SiFe)인 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 제어부(20)는 상기 자기변형 가진 진동자(200)에서 출력된 초음파가 상기 자기변형 가진 진동자(200)와 상기 자기변형 수신 진동자(200') 사이에서 공진이 발생하도록, 제어신호를 상기 자기변형 가진 진동자(200)로 인가하는 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 가진진동부(250)는 가진진동부 자화요크(252) 및 가진진동막(254)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 수신진동부(250')는 수신진동부 자화요크(252) 및 수신진동막(254)으로 구성된 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 가진진동부(250) 또는 상기 수신진동부(250')는 자기변형소자(256,256') 및 음향 임피던스 정합층(158,158')으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기변형 진동자를 이용한 압력측정장치.
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