[논문]공명초음파분광법에 의한 광컨넥터용 결합소자의 비파괴검사

김성훈; 이길성; 김동식; 김영남; 정상화; 양인영

공명초음파분광법에 의한 광컨넥터용 결합소자의 비파괴검사
Nondestructive Test of Optical Connector by Resonant Ultrasound Spectroscopy Method 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.12 no.6, 2004년, pp.143 - 150

김성훈 (조선대학교 대학원) , 이길성 (조선대학교 대학원) , 김동식 (에이지광학(주)) , 김영남 (조선대학교) , 정상화 (조선대학교) , 양인영 (조선대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, resonant ultrasound spectroscopy(RUS) was used to determine the natural frequency of a ceramic ferrule and a ball lens. The ceramic ferrules are cylinderical shape with $\phi$ 2.56mm diameter and l0mm in length. Crack lengths of these ferrules are 10.40$\mu$m, 21.18$\mu$m and 32.35$\mu$m. The spherical ball lens was made of BK-7 glass, one's diameter in 2mm and 5mm. RUS system is consisted of spectrum analyzer, power amplifier, PZT sensor and support frame. The principle of RUS is that the mechanical resonant frequency of the materials depends on density and the coefficient of elasticity. Rus system is based on that given resonant frequency of the materials can be represented by the function of density and the coefficient of elasticity, and it is applied to excite specimen and to inspect the difference of natural frequency pattern between acceptable specimen and defective ones. Defect evaluation by RUS are performed to investigate the natural frequency measure of ferrule and ball lens.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 세라믹제 페롤에서 많이 발생하는 표면크랙 결함에 따른 공진주파수 특성 변화를 고 찰하고, 공명 초음파분광법 을 활용함으로써 볼렌즈의 완성 가공을 위한 연마시 간 추정등에 활용가능한 지표를 제시함으로서 광커넥터용 결합소자의 비파괴검사에 대한 타당성을 확인하고자 한다.
본 연구에서는 직경 2mm와 5mm를 갖는 볼렌즈를 시험편으로 선택하였으며, 볼렌즈의 공정 단계 별 공진주파수를 측정 함으로써 특정 사이즈를 갖는 볼렌즈의 완성을 위한 연마시간 추정 등에 활용가 능한 기본 데이터를 확립하고자 비파괴 검사를 행 하였다.

제안 방법

공명 초음파분광법을 활용한 비파괴 검사시스템 을 사용하여 광 부품 결합소자인 페롤의 표면 크랙 결함평가 및 볼렌즈의 연마정도에 따른 공진주파수 특성 변화를 위한 비파괴검사를 수행한 결과 다음 과 같은 결론을 얻었다.
또한 볼렌즈의 재질은 BK-7이며, 현재 광커넥터 용 결합소자의 부품으로 사용되는 표준사이 즈는 직경 0.15〜 10mm이며, 본 연구에서는 직경 2mm와 5mm를 갖는 볼렌즈를 선택하였으며, 볼렌즈의 공 정 과정의 단계별로 랜덤하게 선택하여 비파괴 검사를 행하였다.
본 연구에서는 공명초음파분광법을 활용한 광부품 결합소자의 비파괴검사실험의 타당성을3.1 절에 서 확인하였으며, 제작된 비파괴 검사시스템을 활용하여 페롤 제조공정 과정에서 가장 많이 발생하 는 원공주변의 표면 크랙에 대하여 비파괴 검사실 험을 행하였다. 기존에 발표된 논문成의 결과와 유 사하게。〜2000kHz 측정 범위 중。〜600kHz 범위에 서는 압전진동자의 길이방향 진동 특성 및 감쇠의 영 향으로 페롤의 결함을 측정하는데 어려움이 있었으며, 600〜2000kHz에서 측정해야함을 확인하였 다.
볼렌즈의 질량과 주파수의 관계를 보다 명확하게 고찰하기 위하여 다음과 같이 공진 주파수 대역 측 정 파라메타인 戶를 도입하였다. 공진주파수 대역 측정 파라메타란 볼렌즈의 질량만 알게되면, 그 볼 렌즈의 공진주파수가 측정되는 대역을 예측할 수 있는 파라메 타로서 실 제 작업 현장에 서 다양한 크기 및 질량을 갖는 볼렌즈의 공진주파수 대역을 측정 하는데 이용가능하리라 사료된다.
기존에 발표된 논문成의 결과와 유 사하게。〜2000kHz 측정 범위 중。〜600kHz 범위에 서는 압전진동자의 길이방향 진동 특성 및 감쇠의 영 향으로 페롤의 결함을 측정하는데 어려움이 있었으며, 600〜2000kHz에서 측정해야함을 확인하였 다. 이와 더불어 본 연구에서는 크랙길이 변화에 따른 페롤의 공진주파수를 측정하였으며, 그 결과를. Fig.

대상 데이터

5에 나타냈다. 획득된 공진주파수는OHz를 기준으로 12, 13 및 14번째 모드이며, 유한 요소해석과 실험에 의해 얻어진 공진주파수 대역이. 거의 같음을 확인할 수 있었다.

데이터처리

또한, 본 연구를 통해 제작된 공명초음파분광법 을 이용한 비파괴검사 시스템의 신뢰성을 검증하 고자 상용 유한요소해석프로그램인 Nastran을 이용 하여 모델링하고 공진주파수 해석을 행하였다. 유 한요소해석을 통해 얻어진 공진주파수 해석결과 및 실험결과 700~900kHz에서 획득된 공진주파수를 대표적으로 Fig.

성능/효과

1) 공명초음파 분광법을 활용한 비파괴 검사시스 템의 결함평가가 가능한 주파수 대역은 600kH z〜2MHz까지이며, 이는 600kHz이하에서는 압 전진동자의 종방향 진동모드의 특성으로 인한 감쇠 및 측정 장치만의 고유진동수가 측정되었기 때문이다.
2) 공명초음파 분광법을 활용한 공진주파수를 측 정함으로써 페롤의 연마가공 중 가장 많이 발생 하는 원공의 표면크랙에 대한 결함 검출이 가능 하였다.
3) 크랙길이변화에 따른 공진주파수 특성을 평가 해 본 결과 크랙길이가 길어질수록 일반적으로 공진주파수 대역이 고주파 대역으로 이동됨을 확인할 수 있었다.
4) 볼렌즈의 가공 단계에 따른 공진주파수 특성 변화가 확인되었으며, 볼렌즈의 질량이 감소할수 록 공진주파수 대역이 고주파 대역으로 이동되 었다. 이러한 결과를 볼렌즈의 가공연마 시간의 추정에 이용하기 위해서는 볼렌즈 가공단계별 비파괴검사 실험을 할 수 있는 자동화 시스템을 구축함과 동시에 피드백 제어에 의한 볼렌즈 가공을 할 경우에 가능하리라 생각된다.
Figs. 6, 7을 살펴 보면, 일반적으로 모든 실험 결과에 있어 크랙 길이 가 커질수록 공진주파수 대역이 고주파 대역으로 이동됨을 알 수 있었다.
이러한 영향을 고려하여 시험편을 제외하고 비파괴검사 시스템만의 공진주파수를 측정한 결과 비파괴 .검사 시스템의 공진주파수는 0〜600kHz 범위에서 나타났으며, 그 결과 페롤과 볼렌즈의 비파괴검사 실험은 측정시스템의 측정 주파수대역을 고려한 600 ~2000kHz 범 위 에 서 비 파괴 검사 평가를 수행하는게 타당하였다
따라서 본 연구에서 제작된 공명초음파분광법을 활용한 비파괴검사 시스템의 타당성을 확인하였다.®

후속연구

10을 살펴보면, 각 모드에 있어 크랙 길이 가 증가함에 따라 공진주파수는 고주파 쪽으로 이동됨을 알 수 있으며, 이러한 결과로 공진주파수를 측정함으로서 페롤에 발생한 크랙의 길이를 예측가능하리라 사료된다. 그러나 본 연구에서는 크랙의 진행 방향 및 형태는 고려되지 않았으며, 이에 따라 다양한 연구가 필요하리라 생각된다.
위 의 결과를 활용함으로써 공명초음파분광법 을 활용한비파괴 검사시스템의 이용을 통하여 볼렌즈의 완성가공정 도를 파악가능하리 라 사료된다. 또한 볼렌즈의 질량을 알 경우 볼렌즈의 공진주파수가 측정되는 주파수 대역을 8를 이용하여 예측할 수 있다고 사료된다.
4) 볼렌즈의 가공 단계에 따른 공진주파수 특성 변화가 확인되었으며, 볼렌즈의 질량이 감소할수 록 공진주파수 대역이 고주파 대역으로 이동되 었다. 이러한 결과를 볼렌즈의 가공연마 시간의 추정에 이용하기 위해서는 볼렌즈 가공단계별 비파괴검사 실험을 할 수 있는 자동화 시스템을 구축함과 동시에 피드백 제어에 의한 볼렌즈 가공을 할 경우에 가능하리라 생각된다.
이러한 결과를 이용함으로써 볼렌즈의 완성을 위한 연마량 및 연마시간을 예측할 수 있으리라 사료 된다.

참고문헌 (10)

S. H. Kim, K. Y. Baek, N. S. Park, H. G. Min,S. H. Jung and I. Y. Yang, 'The Nondestructive Evaluation of the Ferrule and Ball lens by Resonant Ultrasound Spectroscopy,' KSAE 2004 Spring Conference, pp.936- 941, 2004
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J. Maynard, Resonant Ultrasound Spectroscopy, Physics Today, 1996
P. Heyliger and H. Ledbetter, 'Detection of Surface and Subsurface Flaws in Homogeneous and Composite Solids by Resonant Ultra-sound,' Journal of Nondestructive Evaluation, Vol.17, No.2, pp.79-87, 1998

상세보기
J. G. Saxton, 'Resonant Inspection of Production Parts,' The American Ceramic Society Bulletin, Vol.75, No.10, pp.48-50, 1996

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S. H. Kim, Y. N. Kim and I. Y. Yang, 'Nondestructive Evaluation of the Flaw in a Ceramic Ferrule by Resonant Ultrasound Spec-troscopy,' Transactions of KSAE, Vol.12, No.5, 2004
J. L. Sarrao, S. R. Chen, W. M. Visscher, M. Lei, U. F. Kocks and A. Migliori, 'Determination of the Crystallographic Orientation of a Single Crystal using Resonant Ultrasound Spectroscopy,' Review of Scientific Instruments, Vol.65, No.6, pp.2139-2140, 1994

상세보기
T. W. Darling, A. Migliori, G. Strouse, B. Swanson, S. Johnson, M. F. Hundley and J. D.Thompson, 'Resonant Ultrasound Spectro-scopy and Comparative Studies of a l-D LinearChain (MX) Material,' Synthetic Metals, Vol.86, pp.2153-2154, 1997

상세보기
C. D. Fuerst, J. F. Herbst, J. L. Sarrao and A. Migliori, 'Resonant Ultrasound Measurements of Elastic Constants in Melt-spun R2Fe14B Compounds(RCe, Pr, Nd, Er),' Journal of Applied Physics, Vol.75, No.15, pp.6625-6627, 1994

상세보기
K. H. Im, N. S. Park, Y. N. Kim and I. Y. Yang, 'A Study on Impact Characteristics of The Stacking Sequences in CFRP Composites Subjected to Falling Weight Impact Loading,' Int. J. Automotive Technology, Vol.4, No.4, pp.203-211, 2003

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