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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이상과 같은 기존 구동부의 문제점을 해결할 수 있도록 새로운 구조의 구동부를 설계 및 제작하였다. 이 구동부에는 하우징과 스텝모터와 평기어를 이용한 동력 전달부와 탐촉자를 보호하며 내부유체를 보전하는 음향커 버로 구성되어 있으며 각 부에 대한 세부적인 사항은 다음과 같다.
- 3º를 조영할 수 있는 속도를 가진다. 본 연구에서 선정한 스텝모터의 제원 상 회전각과 실제 회전각을 실험을 통해 확인하였다. 측정실험은 스텝모터에 90° 간격으로 2개의 슬릿을 낸 원판 디스크와광학 단속기를 이용하여 두 슬릿을 통과하는 시간을 측정하였다.
- 본 연구에서는 탐촉자의 축을 하우징에 고정시키고 이 축을 중심으로 스텝모터와 기어를 이용해 탐촉자를 회전시킬 수 있도록 하였다. 프로브 하우징의 기본 구조는 그림 3과 같이 초음파 섹터 프루브의 회전에 간섭을 일으키지 않는 최소의 기초타원을 중심으로 하부에는 탐촉자의 축이 지나고 상부에는 스텝모터가 위치하게 된다.
- 본 연구에서는 탐촉자의 축을 하우징에 고정시키고 이 축을 중심으로 스텝모터와 기어를 이용해 탐촉자를 회전시킬 수 있도록 하였다. 프로브 하우징의 기본 구조는 그림 3과 같이 초음파 섹터 프루브의 회전에 간섭을 일으키지 않는 최소의 기초타원을 중심으로 하부에는 탐촉자의 축이 지나고 상부에는 스텝모터가 위치하게 된다.
제안 방법
- 그리고 조립성을 고려하여 양 쪽 지지부 중 한쪽은 전체 지지부를 모듈화하여서 하우징 괴 볼트로 체결할 수 있게 설계하였다.
- 타원의 장축방향으로 탐촉자의 축이 지나게 되는데 축의 지지부는 하우징과 일체형으로 고안하여 축의 흔들림 방지 및 일정한 축간 거리를 유지할 수 있게 하였으며, 탐촉자축의 원활한 회전을 위해 하우징에 베어링을 두었다. 그리고 조립성을 고려하여 양쪽 지지부 중 한쪽은 전체 지지부를 모듈화하여서 하우징과 볼트로 체결할 수 있게 설계하였다. 기초타원 상부에는 스텝모터를 고정하기 위해 터널구조를 가지는 스텝모터 고정부를 두었다.
- 기어의 축간 거리는 하우징의 모터축과 탐촉자 축의 축간 거리와 동일하다. 그리고 중간축에 체결되는 삽입 기어에도 베어링을 두어 원활한 회전이 되도록 설계하였다.
- 기어의 축간 거리는 하우징의 모터축과 탐촉자 축의 축간 거리와 동일하다. 그리고 중간축에 체결되는 삽입 기어에도 베어링을 두어 원활한 회전이 되도록 설계하였다.
- 5 MHz, 대역폭 60% 이상인 컨벡스형 탐촉자를 스텝모터와 기어를 이용하여 회전시킴으로써 3차원 입체영상을 구현할수 있는 구조를 설계하고 제작하였다. 또한, 컨벡스형 탐촉자의 회전 반경과 일치하는 음향커버를 설계하고 제작하였다.
- 5 MHz, 대역폭 60% 이상인 컨벡스형 탐촉자를 스텝모터와 기어를 이용하여 회전시킴으로써 3차원 입체영상을 구현할수 있는 구조를 설계하고 제작하였다. 또한, 컨벡스형 탐촉자의 회전 반경과 일치하는 음향커버를 설계하고 제작하였다.
- 모터의 회전력을 탐촉자 축에 전달하기 위해 본 연구에서는 그림 3과 같이 3단 평기어를 적용하였다. 기어의 설계시 고려해야 할 사항으로 먼저 탐촉자를 원활히 회전시키기 위해 구동축의 기어는 종동축기어보다 작거나 같은 기어를 설계하여야 하며, 종동축의 기어는 탐촉자의 조영각을 침범하지 않게 설계되어야 한다.
- 3º를 조영할 수 있는 속도를 가진다. 본 연구에서 선정한 스텝모터의 제원 상 회전각과 실제 회전각을 실험을 통해 확인하였다. 측정실험은 스텝모터에 90° 간격으로 2개의 슬릿을 낸 원판 디스크와광학 단속기를 이용하여 두 슬릿을 통과하는 시간을 측정하였다.
- 음향커버는 탐촉자로부터 발생된 초음파와 인체로부터 반사된 신호가 원활히 투과되어야 하며, 또한 내부에 충진되어진 음향 유체와탐촉자를 보호하는 역할을 한다. 본 연구에서 설계한음향 커 버는 탐촉자와 음향커버 사이의 간격을 일정하게 유지하여 영상의 왜곡을 방지하도록 하기 위해 그림 4와 같이 탐촉자의 회전반경과 동일한 내부 곡률 반경을 가지도록 제작되었다. 제작한 음향커버의 물성은 인체와 유사한 고분자재료를 사용하였으며 사출 성형법으로 가공하였다.
- 음향커버는 탐촉자로부터 발생된 초음파와 인체로부터 반사된 신호가 원활히 투과되어야 하며, 또한 내부에 충진되어진 음향 유체와탐촉자를 보호하는 역할을 한다. 본 연구에서 설계한음향 커 버는 탐촉자와 음향커버 사이의 간격을 일정하게 유지하여 영상의 왜곡을 방지하도록 하기 위해 그림 4와 같이 탐촉자의 회전반경과 동일한 내부 곡률 반경을 가지도록 제작되었다. 제작한 음향커버의 물성은 인체와 유사한 고분자재료를 사용하였으며 사출 성형법으로 가공하였다.
- 본 연구에서 제작된 3차원 초음파 섹터 프로브는 2차원 단면 영상을 연속적으로 획득하여 3차원 입체영상을 실시간으로 제공하며 조영각과 조영속도, 그리고 3차원 영상획득 비율을 임의로 설정할 수 있다. 제작한 초음파섹터 프로브의 실물을 그림 5에 나타내었으며 표 2에 제작한 3차원 섹터 프로브의 제원을 나타내었다.
- 본 연구에서는 128개의 능동소자로 구성된 중심주파수가 4.5 MHz, 대역폭이 66%인 컨벡스형 탐촉자를 하우징이 결합하고 스텝모터와 평기어를 이용하여 회전시킴으로써 3차원 입체영상을 구현할 수 있는 3차원 초음파 섹티 프로브를 개발하였다. 하우징은 알루미늄을 사용하여 중량을 감소시켜 진단자의 편의를 도모하였고, 회전부에 비어 링을 배치함으로써 원활한 회전을 유도하였다.
- 본 연구에서는 3차원 입체 영상을 구성하기 위해 표1에 나타난 바와 같은 설계사양의 컨벡스형 탐촉자를 제작하여 사용하였다. 탐촉자는 높은 전기 기계결합계수와 작은 내부손실 그리고 큰 압전상수 값을 가지는 PZT-5H 계열을 사용하였으며, 128개의 독립된 진동소자가 곡률반경이 40 mm인 후면층에 부착되어 있고, 소자 전면으로는 초음파의 원활한 투과를 위해 정합층이 있다.
- 본 연구에서는 3차원 입체 영상을 구성하기 위해 표1에 나타난 바와 같은 설계사양의 컨벡스형 탐촉자를 제작하여 사용하였다. 탐촉자는 높은 전기 기계결합계수와 작은 내부손실 그리고 큰 압전상수 값을 가지는 PZT-5H 계열을 사용하였으며, 128개의 독립된 진동소자가 곡률반경이 40 mm인 후면층에 부착되어 있고, 소자 전면으로는 초음파의 원활한 투과를 위해 정합층이 있다.
- 스텝모터는 입력 신호에 대해 일정한 각도를 회전하는 모터로서 정확한 각도제어 및 모터 드라이버의 특성에 따라 풀 스텝, 하프 스텝, 마이크로스텝 등 다양한 구동이 가능하며, 다른 모터에 비해 정지토크가 탁월하며 각도 오차가 누적되는 않는 장점이 있다[2)]. 본 연구에서는 기본 스텝 각이 15º인 스텝모터에 감속비가 11.8:1인 감속기어를 체결하고 풀 스텝 구동을 하여 1.27º의 각도 분해능을 구현하였다.
- 특히 구동부는 배열형 탐촉자를 정확한 각도로 회전시키기 위해서 견고한 하우징과 동력발생부, 그리고 음향커버로 구성된다. 본 연구에서는 중심주파수가 4.5 MHz, 대역폭 60% 이상인 컨벡스형 탐촉자를 스텝모터와 기어를 이용하여 회전시킴으로써 3차원 입체영상을 구현할수 있는 구조를 설계하고 제작하였다. 또한, 컨벡스형 탐촉자의 회전 반경과 일치하는 음향커버를 설계하고 제작하였다.
- 의 각도분해능을 구현하였고, 3단 정밀 평기어를 이용하여 모터의 회전력을탐촉자이 전달하는 작동 기구를 고안하였다.
- 하우징은 알루미늄을 사용하여 중량을 감소시켜 진단자의 편의를 도모하였고, 회전부에 비어 링을 배치함으로써 원활한 회전을 유도하였다. 적용한 스텝모터는 각 정밀도를 향상시 키기 위해 감속기어를 모터 전면에 설치하여서 1.27º의 각도분해능을 구현하였고, 3단 정밀 평기어를 이용하여 모터의 회전력을 탐촉자에 전달하는 작동 기구를 고안하였다. 설계한 하우징에 스텝모터, 기어 및 음향커버를 조립하여, 음향유체를 충진한 다음 구동 실험을 한 결과 정확한 각도 제어 및 원활한 회전운동이 발생함을 확인하였으며 양질의 3차원 입체영상을 획득할 수 있었다.
- 본 연구에서 설계한음향 커 버는 탐촉자와 음향커버 사이의 간격을 일정하게 유지하여 영상의 왜곡을 방지하도록 하기 위해 그림 4와 같이 탐촉자의 회전반경과 동일한 내부 곡률 반경을 가지도록 제작되었다. 제작한 음향커버의 물성은 인체와 유사한 고분자재료를 사용하였으며 사출 성형법으로 가공하였다. 이 음향커버의 측면으로 탐촉자 축이 통과하게 되는데 축의 통과부에서 음향 유체의 누수를 방지하기 위해 오링 (0-ring)을 삽입하여 오일을 밀봉하였다.
- 본 연구에서 설계한음향 커 버는 탐촉자와 음향커버 사이의 간격을 일정하게 유지하여 영상의 왜곡을 방지하도록 하기 위해 그림 4와 같이 탐촉자의 회전반경과 동일한 내부 곡률 반경을 가지도록 제작되었다. 제작한 음향커버의 물성은 인체와 유사한 고분자재료를 사용하였으며 사출 성형법으로 가공하였다. 이 음향커버의 측면으로 탐촉자 축이 통과하게 되는데 축의 통과부에서 음향 유체의 누수를 방지하기 위해 오링 (0-ring)을 삽입하여 오일을 밀봉하였다.
- 본 연구에서 선정한 스텝모터의 제원 상 회전각과 실제 회전각을 실험을 통해 확인하였다. 측정실험은 스텝모터에 90° 간격으로 2개의 슬릿을 낸 원판 디스크와광학 단속기를 이용하여 두 슬릿을 통과하는 시간을 측정하였다. 이때 스텝모터에는 600 Hz 신호를 인가하였으며 입력 신호에 따른 광학단속기에서의 측정된 출력신호 시간차가 119.
- 본 연구에서 선정한 스텝모터의 제원 상 회전각과 실제 회전각을 실험을 통해 확인하였다. 측정실험은 스텝모터에 90° 간격으로 2개의 슬릿을 낸 원판 디스크와광학 단속기를 이용하여 두 슬릿을 통과하는 시간을 측정하였다. 이때 스텝모터에는 600 Hz 신호를 인가하였으며 입력 신호에 따른 광학단속기에서의 측정된 출력신호 시간차가 119.
- 타원의 장축방향으로 탐촉자의 축 01 지나게 되는데 축의 지지부는 하우징과 일체형으로 고안하여 축의 흔들림 방지 및 일정한 축간 거리를 유지 힐 수 있게 하였으며, 탐촉자축의 원활한 회전을 위해 하 우징에 베어링을 두었다.
- 전체 하우징의 형상은 손에 잡기 쉽도록 하기 위해 하우징 상단이 하단에 비해 두께가 읿은 형상을 취한다. 타원의 장축방향으로 탐촉자의 축이 지나게 되는데 축의 지지부는 하우징과 일체형으로 고안하여 축의 흔들림 방지 및 일정한 축간 거리를 유지할 수 있게 하였으며, 탐촉자축의 원활한 회전을 위해 하우징에 베어링을 두었다. 그리고 조립성을 고려하여 양쪽 지지부 중 한쪽은 전체 지지부를 모듈화하여서 하우징과 볼트로 체결할 수 있게 설계하였다.
- 탐촉자를 회전시키기 위해 본 연구에서는 소형 스텝모터를 선정하였다. 스텝모터는 입력 신호에 대해 일정한 각도를 회전하는 모터로서 정확한 각도제어 및 모터 드라이버의 특성에 따라 풀 스텝, 하프 스텝, 마이크로스텝 등 다양한 구동이 가능하며, 다른 모터에 비해 정지토크가 탁월하며 각도 오차가 누적되는 않는 장점이 있다[2)].
대상 데이터
- 본 연구에서는 3차원 입체 영상을 구성하기 위해 표1에 나타난 바와 같은 설계사양의 컨벡스형 탐촉자를 제작하여 사용하였다. 탐촉자는 높은 전기 기계결합계수와 작은 내부손실 그리고 큰 압전상수 값을 가지는 PZT-5H 계열을 사용하였으며, 128개의 독립된 진동소자가 곡률반경이 40 mm인 후면층에 부착되어 있고, 소자 전면으로는 초음파의 원활한 투과를 위해 정합층이 있다. 그리고 초음파의 집속을 위해 정합층 위에 음향렌즈가 설치되어있다.
- 본 연구에서는 3차원 입체 영상을 구성하기 위해 표1에 나타난 바와 같은 설계사양의 컨벡스형 탐촉자를 제작하여 사용하였다. 탐촉자는 높은 전기 기계결합계수와 작은 내부손실 그리고 큰 압전상수 값을 가지는 PZT-5H 계열을 사용하였으며, 128개의 독립된 진동소자가 곡률반경이 40 mm인 후면층에 부착되어 있고, 소자 전면으로는 초음파의 원활한 투과를 위해 정합층이 있다. 그리고 초음파의 집속을 위해 정합층 위에 음향렌즈가 설치되어있다.
- 프로브 하우징의 기본 구조는 그림 3과 같이 초음파 섹터 프루브의 회전에 간섭을 일으키지 않는 최소의 기초타원을 중심으로 하부에는 탐촉자의 축이 지나고 상부에는 스텝모터가 위치하게 된다. 하우징은 프로브 형상을 유지하며 탐촉자의 축을 지지하는 역할을 감당하는 부분으로서 중량을 고려하여 성형성과 나식성, 표면 처리성이 우수한 구조용 알루미늄 합금 (A60 계열)을 사용하였다. 전체 하우징의 형상은 손에 잡기 쉽도록 하기 위해 하우징 상단이 하단에 비해 두께가 읿은 형상을 취한다.
- 하우징은 프로브 형상을 유지하며 탐촉자의 축을 지지하는 으할을 감당하는 부분으로서 중량을 고려하여 성형성과 나식성, 표면 처리성이 우수한 구조용 알루미늄 합금 （A60 계열）을사용하였다.
성능/효과
- 설계한 하우징에 스텝 모터, 기어 및 음향커버를 조립하여, 음향유체를 충진한 다음 구동 실험을 한 결과 정확한 각도 제어 및 원활한 회전운동이 발생함을 확인하였으며 양질의 3차원 입치영상을 획득할 수 있었다.
- 27º의 각도분해능을 구현하였고, 3단 정밀 평기어를 이용하여 모터의 회전력을 탐촉자에 전달하는 작동 기구를 고안하였다. 설계한 하우징에 스텝모터, 기어 및 음향커버를 조립하여, 음향유체를 충진한 다음 구동 실험을 한 결과 정확한 각도 제어 및 원활한 회전운동이 발생함을 확인하였으며 양질의 3차원 입체영상을 획득할 수 있었다.
- 기어의 설계시 고려해야 할 사항으로 먼저 탐촉자를 원활히 회전시키기 위해 구동축의 기어는 종동축기어보다 작거나 같은 기어를 설계하여야 하며, 종동축의 기어는 탐촉자의 조영각을 침범하지 않게 설계되어야 한다. 위와 같은 고려 사항들을 종합하면 구동축 기어와 종동축 기어는 피치원 직경 및 잇수가 동일하고, 하우징의 중간에 위치한 삽입 기어는구동 기어보다 2배 더 큰 피치원 직경과 잇수를 가진다. 즉 기어의 종 감속비는 1：1이 되도록 설계하였다.
- 기어의 설계시 고려해야 할 사항으로 먼저 탐촉자를 원활히 회전시키기 위해 구동축의 기어는 종동축기어보다 작거나 같은 기어를 설계하여야 하며, 종동축의 기어는 탐촉자의 조영각을 침범하지 않게 설계되어야 한다. 위와 같은 고려 사항들을 종합하면 구동축 기어와 종동축 기어는 피치원 직경 및 잇수가 동일하고, 하우징의 중간에 위치한 삽입 기어는구동 기어보다 2배 더 큰 피치원 직경과 잇수를 가진다. 즉 기어의 종 감속비는 1：1이 되도록 설계하였다.
- 제작한 초음파섹터 프로브의 실물을 그림 5에 나타내었으며 표 2에 제작한 3차원 섹터 프로브의 제원을 나타내었다. 제작한 초음파 섹터 프로브는 단위시간당 획득할 수 있는 최대 3차원 화상수는 22개이며, 초당 756.3º를 조영할 수 있는 속도를 가진다. 본 연구에서 선정한 스텝모터의 제원 상 회전각과 실제 회전각을 실험을 통해 확인하였다.
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