Vibration Modeling and Optimal Design of Differential Electromagnetic Transducer for Implantable Middle Ear Hearing Devices using the FEA

한국음향학회지 제

24

7

pp. 379-386 (2005)

FEA

Vibration Modeling and Optimal Design of Differential Electromagnetic Transducer for Implantable Middle Ear Hearing

Devices using the FEA

김 민

규*,

규**,

송 병

박

용***, 조

(Min-Kyu Kim*, Hyung-Gyu Lim**, Chan-Ho Han**, Byung-Seop Song****

Il-Yong Park***, Jin-Ho Cho****)

*

의용생체학과,

경북대 전자전기컴퓨터공학부,

**** 대구대 재활공학과

월

월

일; 채택일자;

년

월

최근까지

중에서 공기 전도형 보청기의 하울링

현상과 수술 후

등 기존

재생이

인공

청음 명료도가

음

성

신호를

연구된 것이

본 연구

인공중이의

신호

장치인

수학적

계의 진동을 기술하는

그

제한된 크기와 인가 전류

정현파에서 최대

얻기 위해서 전자기력에

결과

의해서 자석과 코일에

최적 크기를 결정하였다.

등자뼈

진동

유사한

을

위해서,

변화하면서

하였다. 설계된

는 마이크로 머시닝

의해서 제작하였고, 그 진동

측정 하였다. 최종적으로 측정된

특성에

분석 을 통하여

핵심용어:

난청,

유한요소

시스템 투고분야: 음향 측정

센서

Among various kinds of hearing aids which have been developed so far, the conventional air conduction hearing aids have some problems such as the acoustic distortion, an howling effect due to acoustic feedback. Another type of hearing aid, the cochlear implant system can be applied to the profound imparied person. However, it shows the disadvantage that there is no possibility of recovery of the acoustic organ such as ossicle. On the other hand, the implantable middle ear hearing devic

은

In this paper, a mathematical modeling and a momentum equation derivation of the DET has been performed. For the optimization of the structure dimension generating maximal vibrating foi'ce of the DET, the computer simulation using a finite element analysis (FEA) software has been performed. Also, the vibrating transducer has been designed to make the frequency characteristics of the transducer be similar to those of the normal middle ear. Through the experimental results, the measured vibration

사

Keywords

ASK sutfject classification

([email protected])

대구시 중구 동인

2

15

508

053-427-5538：

053-427-5539)

380

24

(2005)

L

II.

이식형

트랜스듀서를 사용하여 음성 신호에

중이의

원창에

수

해

청각보조

공기

지닌

하울링

수 있으며 청 음명료도가 우수하다는 장점이

현재까지 개발된 인공중이 시스템의 트랜스듀서는 크

게

나누어지는데,

연구된 압전 트랜스듀서 (piezoelectric

2]- 미국에서 연

­

transducer)

있다.

듀서의

제작에 있어

특성을

있으며 제작이

이식부에

착이

수술이 어렵고

중이

이소 골의

제거해야

4].

전자트랜스듀서는전자의 경우보다이소골

위에

균일 한

트랜스듀서의

외부로부 터의 환경 자장에 크게

받는다.

트랜스듀서에서

환경자장의

있는 트랜스듀서의

이 트랜스듀서의

특성이

그것과 유사해야한다는

동전력으로

조건이

따라서, 본

연구에서는

영향을 적게

평가되는

특성과

사하면서

진동을 가지도록

수힉적으로

운동방정식을 유도하여

이식을

DET 의 크기 내에서 전류

mA

정현파를

때

력을 구하기 위해서

또한,

내 등자뼈의 진동

유사하도록

진 동막의 강성계수를 변화하면서

의 주파수에

진동 해석을

해석된

기술을

균일한

가진

저작

진동 실험에

측정하였다 실험

제작된

는 정상인의

이식형 인공중이를

적합하였다.

2.1. DET에 대한 수학적 모델링

그림 1

난원창

에 진동을

.전달하기 위해 초소형 DET

중이

설

신호처리부에서 인가된

진동체에

생성된다. 이소골 에

환경 자장에

크기의 자석

상태이다.

환경

장에 의해

DET 의

상태를 유지하게

[U].

키기

중공형 초소형

코일내부에

형

길이

십•입하여 구성한다. 전자기력 에

강제

구성하기

서

코일

끝단을

두어

한다.

차동형

같이 구성되며,

과 같이 스프링-질량계에

2

고려할

있다.

서 血은

때

인출선 (lead wire) 이

질량이 皿인 자석의 양쪽에

진동막의 깅성계수이다.

DET 의

질량인 皿과

각각의

위

좌표계

跪(£)로 묘사된다. 인가되는 전류에 의해

즉

F®

용한다.

구조적으로 모델링 된 DET

는 트랜스듀스의 진동계

것

그림

1.

Fig. 1.

View of the

to

implanted

ossicular chain.

FEA

381

이다. 그림 3(c)

에

］.

DET

의

각각의 질량에

뉴턴의 제

如)=七囑,芋3) = [F吗sinf

[m\ f) + [ c]

k]x( t) = ~F( t)

L 0 m 2J

[C] = [C1 + C2

1 *2

［切=仔

1+

1

² k 2 ^J

감쇠계수이다.

자석은크기가 클수록

발생하는

(magnetic

이

큰

발생시키지만,

감쇠시키는

한다.

상관관계를 고려하여 자석의

적절히

식

에서 공기에

점성

강제

모드에서

있 다.

질량,

및

진

DET 의 실제

F l(k2-m2w 2)

% ! = ---22^55~r- ； ---

7T sin 0 ) , (2) 等 2 一

。

)(

와 같이

표현되어진다. DET 의

변위는 식 2

와 같이

차

［끄

］

질량행렬 (mass matrix)

［

(damping

이고,

강성행렬 (stiffness

이다.

长은

DET 에 전류를 공급하기

리드선 부분의

계수,

6

공기에

부분의

는

(a)DET의 구성도

(b)

Fig. 2.Modeledelectromagnetic

transducer

schematic of transducer (b) assembled transducer.

그림 3.

DET

(a)

(b)

(c)

Fig.

(a)

structural

transducer (b) model

(c)

382

24

(2005)

하여 계산되어지며, 2

는

25 伽의

개로

血과 4

병렬로 연결된

2

如，硏/*

32片 ⁽³⁾

七=8(楚也、-竺也 ₍₄₎

와

정의될

있다. 여기서 Et

루어진

리드선의 탄성계수, 4

리드선 단면의

K

^{는 리드선의 직경,}

막의

탄성계수, 互는

관성모멘트,

빔의 길이,

는 빔의 너비, 住

위에 정의된

DET 의

변위량은 정량적으로 구해질

있다.

및 공기에

실제적인 값에

정의된

사용하여

의

최적화하고 컴퓨터

있 다. 식 2

DET 의

강성계수에

영향을 받는데 상대

결정하였다. 식

통해서 볼 때,

그림 4.코일과 자석에 의한 전자기력 발생 원리

Fig.

Gtenerating

electromagnetic f

by a

and

성계수는 막을 구성하는 빔의

길이,

하여

수

다양하게

요소로서

2.2. 구동력의 최적화를 위한 전자기장 해석

인공중이용 트랜스듀서는 중이

이식

때

최대 진동력 을 얻기 위해서는 자석과 코일의

한다. 그림 4 는 DET 의

차동형 자석 에

발생

대해서

발생되 는

자석부의 중앙에서

는

코일에

전류에

결정되는데,

자석

끝단에

로,

통하여 자석과 코일의

결정하여야 한다.

경우에

시뮬레이션

얻기

서

프로그램인

(verson

을

수행하였다.

제한된

직경 1.8 mm,

mm

코일 의 크기에

상당한

보였다. 코 일에

皿

때,

자석의 반경, 코일의

힘의

포의 변화를 알기

시뮬레이션을 하였다. 이

자석과

사이의 공극은 200

하였고, 자석의

제한된

내에서

로

고정하였으며,

Dirichlet

건을 사용하였다. 표

1 은 전자기력

석, 공기에

물성

나타낸 것이다. 그림 5

DET 의 전자기력을 구하기

유한요소해석 모델링과

자기장의

보여준다.

에서는

코일의

크기 내에서

때

의

900

의

반경

자석의

두께의

얻어진 힘의 크기이며

때 코일의

900

하였다

여, 코일의

자석의

이고, 코일의

반경에

% 일 때

dyne 의 최대

얻을

구해진

강제 조화진동

DET 의

[13].

FEA

383

표 1.전자기력 해석을 위한 코일 자석 공기의 물성 값

Table

and

k)r

Coil (copper)

Magnet

(Nd-Fe-B) Air

Resistivity [Qm]

1.7x10 -8 - 1

Coercivity

[kA/m] - 955 -

Permea

ity 1 50 1

그림 5.전자기장 해석을 위한 모델 및 자기장의 분포

Fig.

for electromagnetic analysis and

magnetic flex

p u - 二

8 능

&

(a)

A - 【을 _a

운

O

比

Magnet radius [|im]

(b)

Fig.

Electromagnetic

according to changing the size of magnets and coil.

2.3. 주파수 진동해석을 위한 시뮬레아션

원하는진동

특성의

얻기 위해서

정식의 해에서 가변이

진동막의 강성계

주어

하였다. 그림 7

4 개 빔이 병렬로 연결된

구성했으며, 빔의 너비, 길이의 변화에 의해서

달리

표

2

DET

재료들에

물성 값이고,

이루어졌다.

8 은 강

에

하기

크기에

중에 서

인 사람의 중이 내

특성

선택하였고

그림 9

보여

사람의 이소 골

특성은 고역

주파수를

의

나타내는데, 설계된

~

정도에

갖는다는 것

있다. 또한,

결과는 무부하

나

Beam width

Beam length

.

Fig.7. P히

yimide vibration membrane.

Table

2.

properties

표 2.

DET

Membrane (p

yimide)

C

(copper)

Magnet (Nd-Fe-B)

Cover, ring (titanium) Young's

modulus [GPa]

2.5 110 0.152 110

Density

[kg/m3] 1600 8900 7400 4500

Poisson's

ratio 0.4 0.33 0.3 0.33

그림 8. DETOII대한 진동해석을 하기 우I한 유흔!요소 모델링

Fig.

analysis

384

24

7

(2005)

10000

o

o

o o

o

1 o

1

【든 u o u a u d s K I

100

Beam

size

Length:

450 |un,

300

450 jxm,

400 |un

350 [un,

300 ^ni Length: 350

400

Vibration

of

stapes (input

pressure

100

SPL)

1000 Frequency [Hz]

10000

그림 9.

DET

Fig.

ati

characteristics

transd

cer.

타내지만, 이러한 진동체를

실제

때 전 체

사라지며 대역폭은

경향을

DET 는

높이기

위해서 그림 9 의

중에서

선택하였다.

III. DET

특성이 일정한

대량으로 생산하고, 원하는

머시닝

사용하여 제작하였다. 그림 10(a) 는

반도체

의해

보여준다.

자석,

루어졌으며,

1.8 mm,

mm

미소한

중이 내의

때 최대

길이 2

mm

DET 의

그림 10(b)

제작된

앞면 뒷면

1

VI.

s. 산화막 식각

6

그림

DET

무구속으로

측정하기

실험

있다.

3310B)

0.1 ~ 10

가청

영역

DET 에 인가하고

도플러 진동측정기 (Polytec,

디지 털

에

DET 의

특성을

하는데 영향을

있는

위해서 DET 의

측정을 할 때 공기

방진

위에서

(a)

(b)

DET

(b)

Fig. 10.

and

transducer

(a)fabricationprocess

of vibration membrane (b) photography

(HP,3310B) (Polytec, OFV363)

11.

Fig.

11.

measurement

transducer

FEA

385

Frequency [Hz]

그림

12. DET

Fig.

Its

characteristics

델링한

DET 의

인 등자뼈의

진

실제적으로 DET

제 작하는데

DET 의

마이크로머시닝

이용하여

2 mm, 직경

인 제작된 DET 는

상태에서

수행 하였다.

시

외부적인 감쇠요인에

제

는

비해

가졌 지만,

최종적으로 DET 의

때

인공중이

그림 12

0.1

kHz 의

영역

DET

의

변위에

측정

있다.

측정된

결과로서, 코일에

mA

때 0.1

의

의 음압이

유사하다는

수 있다.

소골에 부착할

사람의

변

수

알

있다. 그림

부착시

재 료에

감쇠 (damping) 와

및

인해서

V

청음 명료도가 높은

청각보조기 인

서 음성

시스템에

에

위해서

된다.

논문에서는 강제

진

통하여

분석을

였고, 이론적인 내용을바탕으로 유한요소해석을위한 모델링을

하였다. 먼저,

의해

전자기력을 최대로 하기 위하여 유한요소

결정하였다.

여,

자석의

70

반경 에 56

때, 10.9 dyne 의

전자기력을

있다. 또한, 구해진

사용하여

감사의 글

본

연구는

보건의료기술진흥사업의 지원 에

이루어진

(과제고유번호:

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386

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• 한 찬 호 (Chan-Ho Han)

1990

2

1992

2

K

D 2003

2

2000

3

2003

8

2004

1

HIT CEO/CTO

※주관심분야: 오디오 및 비디오 신호처리, 디지털「/，

멀티마디어 공학, 자동차 공학 등

• 송 병 섭 (Byung-Seop Song)

1994

1994 〜 1995

1997

K

2002

2001 〜 2002

2003~2004

2004

9

※주관심분야: 재활시스템, 인공청각시스템, 의용전자

• 박 일 용 (Il-Yong Park)

1998

K

2000

K

2004

2004

※주관심분야: 고속영상처리,

DSP

• 조 진 호 (Jin~Ho Cho)

저자 약력

• 김 민 규 (Min-Kyu Kim)

2000

2

2003

2

2004

（박사과정）

※주관심분야:

MEMS,

1977

1979

1988

K

1991~1992

University of Iowa,

1984

1984

2000

2002

12

※주관심분야: 생체전자, 생체신호처리, 의욤 센서시스템, 완전이식형 인공중이, 초 소형 텔레메트리 시스템 등

• 임 형 규 (Hyung-Gyu Lim)

2002

2

2004

2

K

2004

K

※주관심분야: 통신 무선 전력전달 시스템 완전이식형 인공중이