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제안 방법
- 그림. 1에서와 같이적층형 압전변압기는 내부 전극법을 사용하여 제작하였으며 내부 전극 면적이 압전세라믹스의 면적보다 약간 작다. 이러한 구조는 소자 내부에 비활성 영역이 존재하여 이 비활성부가 변형의 발생을 억제함과 동시에 응력 발생의 원인이 되는 문제를 일으킨다.
- Rosen형 적층 압전변압기 등가회로모델과 단순화 등가회로모델를 검증하기 위해 각각 유도한 입줄력 관계식을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 먼저 그림 2의 등가회로모델로부터 유도한 입출력 관계식(7)를 이용한 시뮬레이션에서 적층수 n을 프로그램 내에서 11과 13으로 구분하여 시뮬레이션한 결과로 적층의 영향을 보였고, 각 시뮬레이션 결과는 11층과 13층 압전변압기를 가지고 실험한 결과와 비교하였다.
- Rosen형 적층 압전변압기의 등가회로모델를 이용하여 적층형 압전변압기의 입출력 관계식을 유도하였다. 전기-기계적 시스템에 전기적인 회로 이론을 적용하여 구동부와 발전부의 전기-기계적인 관계를 구한 후 각 부분에서의 관계를 이용하여 전체적인 적층형 압전변압기의 입출력 관계식을 구할 수 있다.
- 단순화 등가회로모델의 입출력 관계식 (10)과 (11)를 이용한 시뮬레이션 결과와 그림 2의 적층형 등가회로 모델에서 유도한 입출력 관계식에 의한 시뮬레이션을 비교하였다. 그림 10과 그림 11은 부하저항이 50 kQ일 때 11층과 13층 압전변압기의 시뮬레이션 결과를 비교한 그림으로 11층과 13층 모두 단순화 등가회로모델과 적층형 등가회로 모델이 같은 출력 결과를 보인다.
- 또 Rosen형 적층 압전변압기의 등가회로 모델은 그 구동부의 회로가 적층수 만큼 반복적으로 병렬 연결된 복잡한 형태이며, 이를 단판형과 같은 단일 입력 형태의 간단한 형태를 가진 단순화 등가회로모델을 구하였다.
- 본 논문은 압전진동자에 관한 Mason의 등가회로 모델을 기초로 한 단판형 압전변압기의 등가회로 모델을 응용하여, 적층 구조인 구동부는 각 층의 전기기계적인 등가회로가 병렬 연결된 형태로 표현되고 발전부는 단판형 진동자의 등가회로로 표현된 Rosen형 적층 압전변압기의 등가회로 모델을 제안하였다. 또 Rosen형 적층 압전변압기의 등가회로 모델은 그 구동부의 회로가 적층수 만큼 반복적으로 병렬 연결된 복잡한 형태이며, 이를 단판형과 같은 단일 입력 형태의 간단한 형태를 가진 단순화 등가회로모델을 구하였다.
- 이에 본 논문에서는 단판형 압전 진동자에 관한 Mason의 등가회로[6, 기를 응용하여 적층형 압전변압기 구동부의 각 층을 병렬로 연결한 형태의 적층형 등가회로모델을 제안하였고, 구동부가 병렬 형태로 된 등가회로모델을 단판형으로 단순화시킨 Rosen형 적층 압전변압기의 등가회로 모델을 제안하였다. 이 두 가지 등가회로모델을 가지고 Rosen형 적층 압전변압기의 입출력 관계식을 유도하였다. 제안한 등가회로모델이 타당함을 보이기 위해 유도한 입출력 관계식을 이용하여 주파수 변화와 부하 저항 변화에 따라 출력전압 특성을 시뮬레이션 하였고 11층과 13층 압전변압기를 이용하여 실험한 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
- 이러한 구조는 소자 내부에 비활성 영역이 존재하여 이 비활성부가 변형의 발생을 억제함과 동시에 응력 발생의 원인이 되는 문제를 일으킨다. 이런 현상을 크램핑 효과(clamping effect)라 하며 이 변형의 억제와 응력의 발생을 손실(此.)로 하여 구동부의 각 병렬 부분의 기계적 임피던스 %에 직렬로 추가하였다. 그림 2에서 구동부는 첨자 1을 사용하고 발전부는 첨자 2를 사용하여 구분하였다.
- 5]. 이에 본 논문에서는 단판형 압전 진동자에 관한 Mason의 등가회로[6, 기를 응용하여 적층형 압전변압기 구동부의 각 층을 병렬로 연결한 형태의 적층형 등가회로모델을 제안하였고, 구동부가 병렬 형태로 된 등가회로모델을 단판형으로 단순화시킨 Rosen형 적층 압전변압기의 등가회로 모델을 제안하였다. 이 두 가지 등가회로모델을 가지고 Rosen형 적층 압전변압기의 입출력 관계식을 유도하였다.
- 출력전압은 5 kQ, 50 風 500 kQ의 부하저항에서 VEE Lab으로 각 장비를 제어하여 HP3240 Function Generator의 입력전압 주파수를 각 부하 저항마다 95 kHz에서 108 kHz까지 200 Hz 씩 증가시키면서 HP34401A Digital Multimeter로 측정하였다. 제안한 Rosen형 적층 압전변압기의 등가회로모델이 타당함을 검증하기 위해 유도한 입출력 관계식을 이용하여 실험과 동일한 조건에서 시뮬레이션 하였다. Rosen형 적층 압전변압기의 두께는 11층이 1.
- 입력 전압은 10 Vp_p로 하였다. 출력전압은 5 kQ, 50 風 500 kQ의 부하저항에서 VEE Lab으로 각 장비를 제어하여 HP3240 Function Generator의 입력전압 주파수를 각 부하 저항마다 95 kHz에서 108 kHz까지 200 Hz 씩 증가시키면서 HP34401A Digital Multimeter로 측정하였다. 제안한 Rosen형 적층 압전변압기의 등가회로모델이 타당함을 검증하기 위해 유도한 입출력 관계식을 이용하여 실험과 동일한 조건에서 시뮬레이션 하였다.
대상 데이터
- 그림 6. 11층 압전변압기의 출력전압 특성(실험).
- 그림 8. 13층 압전변압기의 출력전압 특성(실험).
- 제안한 Rosen형 적층 압전변압기의 등가회로모델이 타당함을 검증하기 위해 유도한 입출력 관계식을 이용하여 실험과 동일한 조건에서 시뮬레이션 하였다. Rosen형 적층 압전변압기의 두께는 11층이 1.1 mm, 13층이 1.2 mm, 길이는 11층과 13층 모두 31.2 mm, 폭은 4.7 nun로 동일하고, 시뮬레이션에서 사용한 재료 상수는 표 1과 같다.
- 그림 11. 단순화 등가모델회로의 주파수 특성 비교 (13층).
- 실험에 사용한 압전변압기는 11층과 13층 Rosen형 적층 압전변압기이고 출력특성 측정을 위한 입력 전압은 10 Vp_p로 하였다. 출력전압은 5 kQ, 50 風 500 kQ의 부하저항에서 VEE Lab으로 각 장비를 제어하여 HP3240 Function Generator의 입력전압 주파수를 각 부하 저항마다 95 kHz에서 108 kHz까지 200 Hz 씩 증가시키면서 HP34401A Digital Multimeter로 측정하였다.
데이터처리
- 먼저 그림 2의 등가회로모델로부터 유도한 입출력 관계식(7)를 이용한 시뮬레이션에서 적층수 n을 프로그램 내에서 11과 13으로 구분하여 시뮬레이션한 결과로 적층의 영향을 보였고, 각 시뮬레이션 결과는 11층과 13층 압전변압기를 가지고 실험한 결과와 비교하였다.
- 제안한 Rosen형 적층 압전변압기의 등가회로 모델과 이론적인 해석방법의 타당성을 확인하기 위하여 Rosen형 적층 압전변압기를 제작하고 이 압전변압기에 연결된 부하저항과 인가전원의 주파수를 각각 가변시키면서 측정한 출력전압의 실험값과 이론적으로 유도한 전기적 입출력 관계식을 이용하여 시뮬레이션한 계산값을 비교 분석하였다. 이러한 압전변압기의 출럭전압에 관한 시뮬레이션 결과와 실험 결과는 거의 동일하게 나타났으며 이를 통해 Rosen형 적층 압전변압기에 관하여 제안한 등가회로모델과 그 이론적인 해석방법이 타당성이 있음을 보여 주었다.
- 이 두 가지 등가회로모델을 가지고 Rosen형 적층 압전변압기의 입출력 관계식을 유도하였다. 제안한 등가회로모델이 타당함을 보이기 위해 유도한 입출력 관계식을 이용하여 주파수 변화와 부하 저항 변화에 따라 출력전압 특성을 시뮬레이션 하였고 11층과 13층 압전변압기를 이용하여 실험한 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
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