KR101723163B1 - 다중 주파수 출력이 가능한 초음파 생성 장치 - Google Patents

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Abstract

초음파 생성기는 서로 다른 중심 주파수를 가지며 서로 분리된 상태로 배치되는 복수의 압전소자를 포함하는 초음파 변환기, 그리고 상기 복수의 압전소자로 서로 다른 주파수의 전기 펄스를 각각 공급할 수 있도록 형성되는 펄스 전원 공급기를 포함한다. 하나의 초음파 변환기가 중심 주파수가 서로 다른 복수의 압전소자를 포함함으로써, 서로 다른 주파수의 초음파를 동시에 또는 순차적으로 생성할 수 있다.

Description

다중 주파수 출력이 가능한 초음파 생성 장치{Device for generating ultrasounds of multiple frequencies}
본 발명은 초음파 생성 장치에 관한 것이다.
일반적으로 초음파 생성기는 초음파를 생성하는 장치로 초음파 자극, 초음파 치료 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 초음파 생성기는 초음파 변환기와 이 초음파 변환기에 전원을 인가하는 전원 장치를 구비하며, 일반적으로 초음파 변환기는 압전소자의 양면에 전극이 형성되어 이루어진다. 압전 소자의 양면에 형성된 전극에 펄스 전원이 인가됨으로써, 압전소자의 압전 효과에 의해 초음파 진동이 발생한다.
일반적으로 초음파 생성기는 단일 압전소자를 이용하여 단일 주파수의 초음파를 생성한다. 그러나 초음파는 주파수에 따라 인체에 영향을 미치는 에너지의 몸속 투과 깊이가 달라지고 다른 효능을 갖는다.
다른 주파수의 초음파를 순차적으로 사용하기 위해, 생성되는 초음파의 주파수가 다른 여러 개의 초음파 생성기를 순차적으로 사용하였다. 그러나 이러한 방법은 사용이 번거롭고 여러 개의 초음파 생성기를 구비하고 있어야 하는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 단일 압전소자의 하모닉 특성을 이용하여 단일 압전소자에서 상이한 두 개의 주파수의 초음파를 번갈아서 발생시키는 기술을 채택한 초음파 생성기가 소개되었다. 그러나 이러한 기술은 압전소자의 특성으로 하모닉 성분에 두 가지 주파수의 초음파를 생성할 수는 있지만 각각 개별 주파수의 초음파 출력을 동시에 높이기 어렵고 제조도 쉽지 않은 문제가 있었다.
한국 공개특허공보 10-2013-0015905 (공개일: 2013.02.14.) 한국 등록특허공보 10-1411141 (공고일: 2014.06.23.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 하나의 초음파 변환기에서 동시에 또는 교차하여 서로 다른 주파수의 초음파를 생성할 수 있는 초음파 생성기를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 생성기는 서로 다른 중심 주파수를 가지며 서로 분리된 상태로 배치되는 복수의 압전소자를 포함하는 초음파 변환기, 그리고 상기 복수의 압전소자로 서로 다른 주파수의 전기 펄스를 각각 공급할 수 있도록 형성되는 펄스 전원 공급기를 포함한다.
상기 복수의 압전소자의 전방에는 서로 다른 두께를 가지는 복수의 음향 매칭 레이어가 각각 배치될 수 있다.
상기 복수의 압전소자의 전방에는 서로 같은 두께를 가지는 복수의 음향 매칭 레이어가 각각 배치될 수 있다.
상기 복수의 음향 매칭 레이어는 별도로 제조된 후 서로 결합될 수 있다.
상기 복수의 압전소자의 전방에는 서로 다른 두께를 가지는 복수의 부분을 포함하는 단일의 음향 매칭 레이어가 배치될 수 있다.
상기 복수의 압전소자의 전방에는 서로 같은 두께를 가지는 복수의 부분을 포함하는 단일의 음향 매칭 레이어가 배치될 수 있다.
상기 초음파 변환기는 내장 메모리를 포함할 수 있고, 상기 내장 메모리에는 상기 복수의 압전소자의 고유 특성 및 초음파 출력 특성, 사용 횟수, 및 상기 초음파 변환기의 정보 중 하나 이상의 정보가 저장될 수 있다.
상기 펄스 전원 공급기는 상기 초음파 변환기가 전기적으로 연결되면 상기 메모리에 저장된 정보를 수신하여 이를 기초로 상기 복수의 압전소자를 구동하기 위한 펄스 전원의 출력을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 생성기는 상기 초음파 변환기는 초음파 변환기를 진동시킬 수 있는 진동기를 더 포함할 수 있다.
상기 초음파 변환기는 버저(buzzer)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 생성기는 상기 초음파 변환기는 상기 압전소자 또는 상기 압전소자가 부착된 하우징의 온도를 검출하여 해당하는 신호를 출력하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 초음파 변환기는 상기 압전소자를 냉각하기 위한 냉각기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 하나의 초음파 변환기가 중심 주파수가 서로 다른 복수의 압전소자를 포함함으로써, 서로 다른 주파수의 초음파를 동시에 또는 순차적으로 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 생성기의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 생성기의 평면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절개한 단면도이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 생성기는 초음파 변환기(100)와 펄스 전원 공급기(200)를 포함한다.
펄스 전원 공급기(200)는 초음파 변환기(100)를 구동하기 위한 펄스 전원을 생성하며, 초음파 변환기(100)는 펄스 전원을 인가받아 초음파를 생성한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 초음파 변환기(100)는 복수의 압전소자(101, 103)를 포함한다. 도면에는 두 개의 압전소자(101, 103)가 구비되는 경우가 예시적으로 도시되어 있으나 압전소자의 개수는 이에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다. 이하에서 도면부호 101에 의해 지시된 압전소자를 제1 압전소자라고 칭하고 도면부호 103에 의해 지시된 압전소자를 제2 압전소자라고 칭한다.
제1 압전소자(101)와 제2 압전소자(103)는 서로 다른 중심 주파수를 가지며 서로 분리된 상태로 배치된다. 압전소자의 중심 주파수는 압전소자의 물리적인 특성에 의해 결정되는 것으로 압전소자의 초음파 출력이 최대가 되는 주파수를 의미한다. 중심 주파수와 일치하는 펄스 전원을 공급하면 압전소자는 최대의 초음파 출력을 생성한다. 제1 및 제2 압전소자(101, 103)가 서로 다른 중심 주파수를 가지기 때문에 이들에 의해 생성되는 초음파의 주파수가 달라진다. 이때, 제1 압전소자(101)는 압전 효과를 가지는 압전 세라믹 층(101a)과 그 양면에 형성되는 전극(101b, 101c)으로 구성될 수 있으며, 두 개의 전극(101b, 101c)은 서로 전기적으로 절연된다. 유사하게, 제2 압전소자(103)는 압전 세라믹 층(103a)과 그 양면에 형성되는 전극(103b, 103c)으로 구성될 수 있으며, 두 개의 전극(103b, 103c)은 서로 전기적으로 절연된다.
이때, 제1 압전소자(101)와 제2 압전소자(103)는 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 압전소자(101)는 원형 디스크의 형태를 가질 수 있고, 제2 압전소자(103)는 이와 동심을 갖는 고리 형태를 가질 수 있다. 그러나 제1 및 제2 압전소자(101, 103)의 형태가 이에 한정되지 않고 서로 분리되는 한 다양한 형태로 변경될 수 있으며, 예를 들어 제1 및 제2 압전소자(101, 103)는 이웃하는 반원 형태, 또는 직사각형 형태를 가질 수 있다. 한편, 세 개 이상의 압전소자가 구비되는 경우에는 복수의 압전소자가 원이나 정사각형의 일부의 형태를 가지고 이들이 조합되어 전체적으로 원이나 사각형 형상을 만들 수 있도록 배열될 수 있다.
한편, 펄스 전원 공급기(200)는 복수의 압전소자(101, 103)로 서로 다른 주파수의 전기 펄스를 각각 공급할 수 있도록 형성된다. 예를 들어, 펄스 전원 공급기(200)는 제1 및 제2 압전소자(101, 103)의 중심 주파수에 맞는 전기 펄스를 각각 생성하는 제1 펄스 생성장치(201)와 제2 펄스 생성장치(203)를 포함할 수 있으며, 이와 달리 압전소자를 순차적으로 작동시키는 경우에는 한 개의 펄스 생성장치만으로 구성할 수도 있다. 이들 펄스 생성장치(201, 203)는 기존에 알려진 전기 회로로 구현될 수 있다.
펄스 전원 공급기(200)는 제1 및 제2 펄스 생성장치(201, 203)의 제어 및 초음파 변환기 제어, 정보 처리 등을 위해 필요한 제어를 수행하기 위한 제어부(205)를 구비할 수 있다. 제어부(205)는 마이크로프로세서, 메모리 및 관련 하드웨어와 소프트웨어를 포함할 수 있다.
이때, 초음파 변환기(100)는 펄스 생성장치(201, 203)와 압전소자(101, 103)의 임피던스 매칭을 위한 임피던스 매칭부(107), 그리고 초음파 변환기의 정보를 저장하고 있는 내장 메모리를 구비할 수 있다. 펄스 생성장치(201, 203)에 의해 생성된 펄스 전원은 임피던스 매칭부(107)를 거쳐 압전소자(101, 103)의 두 개의 전극으로 인가된다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 초음파 생성기는 서로 다른 중심 주파수를 가지는 압전소자(101, 103)를 포함하고 이들이 동시에 또는 순차적으로 서로 다른 주파수를 가지는 초음파를 생성할 수 있게 된다.
복수의 압전소자(101, 103)의 전방(즉, 목표 지점을 향해 초음파가 진행하는 방향)에는 복수의 음향 매칭 레이어(105a, 105b)가 각각 배치된다. 이때, 음향 매칭 레이어(105a, 105b)는 서로 다른 두께를 가지는 것이 일반적이지만, 동일한 두께를 가질 수도 있다. 즉, 초음파 생성을 위해 음향 매칭 레이어는 압전소자의 중심 주파수에 따라 두께가 달라지는 것이 효율적이며, 본 발명의 실시예에서는 이 점을 고려하여 중심 주파수가 서로 다른 복수의 압전소자(101, 103) 별로 두께가 다른 음향 매칭 레이어(105a, 105b)가 배치되는 것이다. 압전소자의 중심 주파수에 따라 음향 매칭 레이어의 두께가 달라지는 것은 초음파의 출력 강도와 매우 밀접한 관계가 있다. 압전 소자에서 발생한 초음파는 음향 매칭 레이어를 통과하는데, 이때 음향 매칭 레이어의 두께와 매칭 레이어의 음속에 따라 전달 형태가 달라진다. 복잡한 계산식을 통해서 계산할 수 있지만 통상적으로 음속이 빠른 재질의 매칭 레이어일 경우 중심 주파수의 1/2*파장(λ)의 정수 배의 두께일 경우 가장 강한 출력을 발생시킨다. 따라서 음향 매칭 레이어의 재질에 따라서 두께가 다르게 제작되어야 한다.
이때, 음향 매칭 레이어(105a, 105b)는 대응하는 압전소자(101, 103)의 형상과 동일한 형상을 가질 수 있고, 복수의 압전소자의 경우라도 단일 형상의 음향 매칭 레이어를 가질 수도 있다. 그리고 복수의 음향 매칭 레이어(105a, 105b)는 단일의 부재로 형성될 수도 있고 별도로 제조된 후 결합될 수도 있다.
음향 매칭 레이어(105a, 105b)는 종래에 알려진 바와 같이 금속이나 합성수지 재질로 형성될 수 있으며 에폭시 등에 의해 압전소자(101, 103)에 부착될 수 있다.
한편, 초음파 변환기(100)는 내장 메모리(109)를 구비할 수 있다. 내장 메모리(109)에는 복수의 압전소자(101, 103)의 고유 정보 또는 초음파 출력 특성 및 사용 횟수, 사용 시간 등의 정보 중 하나 이상의 정보가 저장될 수 있다. 예를 들어, 초음파 출력 특성은 압전소자의 중심 주파수, 출력, 전압, 강도, 출력 시간 등을 포함할 수 있으며, 사용 횟수, 사용 시간 등은 사용 시 마다 갱신될 수 있도록 형성될 수 있다.
내장 메모리(109)는 저장된 정보를 펄스 전원 공급기(200)의 제어부(205)로 전송할 수 있도록 제어부(205)에 연결되며, 초음파 변환기(100)가 연결되면 제어부(205)는 수신된 정보를 이용하여 복수의 압전소자(101, 103)를 구동하기 위해 펄스 생성장치(201, 203)의 펄스 전원 출력을 제어하고 초음파 변환기(100)의 정보를 관리한다. 제어부(205)에 전송하는 방법은 유·무선 방식을 이용할 수 있으며, 시리얼 통신, 병렬 통신, 블루투스, 적외선 통신, NFC 등 그 방법에 한정을 두지 않는다.
한편, 초음파 변환기(100)는 초음파 변환기(100)를 진동시킬 수 있는 진동기(111)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 진동기(111)는 압전 소자를 이용하거나, 진동용 모터로 구성될 수 있으며, 초음파 변환기 내부에 부착될 수 있다. 진동기(111)는 초음파 변환기(100)에서 초음파가 발생하거나 사용자가 의도할 경우 작동하여 초음파 변환기(100)를 진동시켜 환자 또는 사용자가 진동을 감지할 수 있도록 한다.
또한 초음파 변환기는 소리를 발생시키는 버저(buzzer)(115)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 버저(115)는 초음파 변환기(100) 내부에 부착되어 초음파 변환기에서 초음파가 발생하거나 사용자가 의도할 경우 작동하여 환자 또는 사용자가 소리를 들을 수 있도록 한다.
또한, 초음파 변환기(100)는 작동 온도를 검출하여 해당하는 신호를 출력하는 온도 센서(113)를 구비할 수 있다. 초음파 생성 시에 온도 상승이 유발되므로, 온도 센서(113)를 이용하여 초음파 변환기(100)의 온도를 검출하고 이를 이용하여 화상 등을 미리 예방할 수 있다. 온도 센서(113)는 온도를 검출하여 해당하는 전기 신호를 출력하며 생성된 신호를 펄스 전원 공급기(200)의 제어부(205)로 전송할 수 있도록 제어부(205)에 연결된다.
한편, 초음파 변환기(100)는 냉각기(117)를 구비할 수 있다. 냉각기(117)는 초음파 생성 시 압전소자에서 발생하는 열을 냉각시킨다. 예를 들어, 냉각기(117)는 압전소자(101)의 후방에 설치되는 냉각 팬(도시되지 않음)일 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
100: 초음파 변환기
101, 103: 압전소자
105: 음향 매칭 레이어
107: 임피던스 매칭부
109: 내장 메모리
111: 진동기
113: 온도 센서
115: 버저
117: 냉각기
200: 펄스 전원 공급기
201, 203: 펄스 생성 장치
205: 제어부

Claims (12)

  1. 서로 다른 중심 주파수를 가지며 서로 분리된 상태로 배치되는 복수의 압전소자를 포함하는 초음파 변환기, 그리고
    상기 복수의 압전소자로 서로 다른 주파수의 전기 펄스를 각각 공급할 수 있도록 형성되는 펄스 전원 공급기를 포함하며,
    상기 복수의 압전소자의 전방에는 서로 다른 두께를 가지는 복수의 부분을 포함하는 단일의 음향 매칭 레이어가 배치되는 초음파 생성기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에서,
    상기 초음파 변환기는 내장 메모리를 포함하고,
    상기 내장 메모리에는 상기 복수의 압전소자의 고유 특성 및 초음파 출력 특성, 사용 횟수, 및 사용 시간 중 하나 이상의 정보가 저장되는 초음파 생성기.
  8. 제7항에서,
    상기 펄스 전원 공급기는 상기 초음파 변환기가 전기적으로 연결되면,
    상기 메모리에 저장된 정보를 수신하여 이를 기초로 상기 복수의 압전소자를 구동하기 위한 펄스 전원의 출력의 제어하는 초음파 생성기.
  9. 제1항에서,
    상기 초음파 변환기는 진동기를 더 포함하는 초음파 생성기.
  10. 제1항에서,
    상기 초음파 변환기는 버저(buzzer)를 더 포함하는 초음파 생성기.
  11. 제1항에서,
    상기 초음파 변환기는 작동 온도를 검출하여 해당하는 신호를 출력하는 온도 센서를 더 포함하는 초음파 생성기.
  12. 제1항에서,
    상기 초음파 변환기는 상기 압전소자를 냉각하기 위한 냉각기를 더 포함하는 초음파 생성기.
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