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제안 방법
- 1) 유한요소법의 3차원 모드 해석을 이용하여 바혼의 진동 모드를 분석하고, 바혼의 균일도를 증가시키기 위하여 실험계획법을 이용하여 그루브와 슬롯 치수를 결정하는 설계식을 제안하였다. 그루브 바혼과 슬롯 바혼에서 균일도에 가장 큰 영향을 주는 인자는 그루브의 깊이와 슬롯 폭이며, 본 연구에서 제안한 설계식은 혼의 두께와 폭이 각각 30mm와 100mm 이하인 경우에 적용할 수 있다.
- . 그러므로 그루브 깊이와 그루브 위치를 바혼의 제어인자로 선택하였고, 그루브 폭은 스풀 혼의 설계식을 사용하여 결정하였다. 바혼의 고정 인자는 혼의 폭과 두께 및 그루브 폭이며, 각각의 치수는 70mm, 30mm, 5.
- 1) 유한요소법의 3차원 모드 해석을 이용하여 바혼의 진동 모드를 분석하고, 바혼의 균일도를 증가시키기 위하여 실험계획법을 이용하여 그루브와 슬롯 치수를 결정하는 설계식을 제안하였다. 그루브 바혼과 슬롯 바혼에서 균일도에 가장 큰 영향을 주는 인자는 그루브의 깊이와 슬롯 폭이며, 본 연구에서 제안한 설계식은 혼의 두께와 폭이 각각 30mm와 100mm 이하인 경우에 적용할 수 있다.
- 1은 슬롯이 가공되지 않은 단순 바혼, 균일도를 증가시키기 위한 그루브 바혼과 슬롯 바혼의 형상을 나타낸다. 바혼의 3차원 모드 해석을 위하여 상용의 유한요소 프로그램인 ANSYS를 이용하여 혼의 공진 주파수와 응력 및 출력면의 변위를 계산하였으며, 실험계획법을 이용하여 그루브와 슬롯의 인자가 균일도에 미치는 영향을 분석하였다. 바혼의 설계 인자 중에서 고정 인자는 혼의 길이(L), 폭(W)과 두께(T)이며, 그루브의 제어 인자는 그루브의 깊이(A)와 폭(B) 및 위치(h)이다.
- 바혼의 설계시 균일도 이외에도 초음파 진동시 혼의 내부에서 발생하는 응력과 인접한 주파수와의 분리를 고려하였다.
- 본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 바혼의 그루브와 슬롯이 진폭 균일도에 미치는 영향을 유한요소법을 이용하여 해석하였으며, 실험계획법을 이용하여 높은 균일도를 얻을 수 있는 그루브와 슬롯의 치수 결정하였다. 해석 결과를 검증하기 위하여 바혼을 가공하고 LDV(Laser Doppler Vibrometer)를 이용하여 혼의 공진과 출력면의 변위를 측정하고 해석결과와 비교하였다.
- 이중에서 공진 주파수는 바혼의 길이에 의해 결정되고, 증폭도는 혼의 입력면과 출력면의 면적에 의해 결정된다. 본 연구에서는 초음파 접합을 LCD 구동 소자의 접합에 적용하기 때문에 진폭 균일도가 혼의 설계에서 중요한 인자이며, 95%의 균일도를 기준으로 설계하였다. 진폭 균일도는 혼의 출력면에서 발생하는 최소 변위와 최대 변위의 비율로 나타낸다7).
- 수치해석 결과를 검증하기 위하여 바혼을 가공하고 LDV를 이용하여 출력면의 변위를 측정하고 분석하였다. 주파수 분석기를 이용하여 측정한 발진기의 주파수와 LDV로 측정한 진동자와 부스터의 출력면에서의 주파수는 24.
- 위의 식에서 그루브 폭(B)은 스풀 혼의 설계식과 동일하며7), 그루브 폭의 설계식의 타당성을 검증하기 위하여 그루브의 깊이와 위치를 설계값인 5.5mm와 25mm로 고정시키고, 그루브의 폭을 4.7mm, 5.2mm, 5.7mm로 변화시키면서 진폭 균일도를 계산하였다. 그루브의 폭이 변화하여도 균일도는 98%로 일정하였으며, 이 결과로부터 스풀 혼에서와 동일하게 바혼의 경우에도 그루브의 폭은 혼의 균일도에 거의 영향을 주지 않는다.
- 혼의 재질은 Al7075-T6이며, 유한요소 해석에 사용된 재질의 특성을 Table 1에 정리하였다. 유한요소 해석은 Fig. 1에 보인 단순 바혼과 그루브 바혼 및 슬롯 바혼에 대해 수행하였다. 혼의 고유 진동수와 변위를 계산하기 위하여 ANSYS 프로그램의 SOLID 45 요소를 사용하여 3차원 모드 해석을 수행하였다.
- 수치해석 결과를 바탕으로 그루브 바혼과 슬롯 바혼을 가공하였으며, 혼의 공진 주파수와 출력면의 변위를 측정하고 계산 결과와 비교하여 수치해석 결과를 검증하였다. 주파수 분석기를 이용하여 초음파 발진기의 출력 주파수를 측정하였고, LDV를 이용하여 진동자와 부스터 및 혼의 출력면에서 주파수와 속도를 측정하였다. 출력면의 변위는 LDV로 측정한 속도를 적분하여 구하였다.
- 진폭 균일도가 높은 바혼을 설계하기 위하여 유한요소법과 실험계획법을 이용하여 높은 균일도를 얻을 수 있는 바혼의 형상을 구하여 실험결과와 비교하였으며, 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 주파수 분석기를 이용하여 초음파 발진기의 출력 주파수를 측정하였고, LDV를 이용하여 진동자와 부스터 및 혼의 출력면에서 주파수와 속도를 측정하였다. 출력면의 변위는 LDV로 측정한 속도를 적분하여 구하였다.
- 슬롯 혼의 경우에 슬롯을 혼의 중앙에 위치시키며, 슬롯의 제어 인자는 슬롯의 길이(Ls)와 폭(Ws)이다. 통계처리를 위하여 MINITAB을 이용하였고, 균일도에 미치는 영향이 큰 제어 인자와 그루브와 슬롯의 설계 치수를 구하고 이를 이용하여 설계식을 제안하였다.
- 1에 보인 단순 바혼과 그루브 바혼 및 슬롯 바혼에 대해 수행하였다. 혼의 고유 진동수와 변위를 계산하기 위하여 ANSYS 프로그램의 SOLID 45 요소를 사용하여 3차원 모드 해석을 수행하였다. 혼에 인가된 입력 변위는 3.
대상 데이터
- 그러므로 그루브 깊이와 그루브 위치를 바혼의 제어인자로 선택하였고, 그루브 폭은 스풀 혼의 설계식을 사용하여 결정하였다. 바혼의 고정 인자는 혼의 폭과 두께 및 그루브 폭이며, 각각의 치수는 70mm, 30mm, 5.2mm이다. 직교 배열표에서 사용한 제어 인자의 레벨(level)은 Table 2에 정리하였다.
- 혼의 재질은 Al7075-T6이며, 유한요소 해석에 사용된 재질의 특성을 Table 1에 정리하였다. 유한요소 해석은 Fig.
데이터처리
- 직교 배열표에서 사용한 제어 인자의 레벨(level)은 Table 2에 정리하였다. Table 2의 제어 인자의 값에 대하여 유한요소법을 이용하여 진폭 균일도를 계산하고, MINITAB을 이용하여 제어 인자가 균일도에 미치는 영향을 분석하여 최적값을 구하였다. Fig.
- 수치해석 결과를 바탕으로 그루브 바혼과 슬롯 바혼을 가공하였으며, 혼의 공진 주파수와 출력면의 변위를 측정하고 계산 결과와 비교하여 수치해석 결과를 검증하였다. 주파수 분석기를 이용하여 초음파 발진기의 출력 주파수를 측정하였고, LDV를 이용하여 진동자와 부스터 및 혼의 출력면에서 주파수와 속도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 바혼의 그루브와 슬롯이 진폭 균일도에 미치는 영향을 유한요소법을 이용하여 해석하였으며, 실험계획법을 이용하여 높은 균일도를 얻을 수 있는 그루브와 슬롯의 치수 결정하였다. 해석 결과를 검증하기 위하여 바혼을 가공하고 LDV(Laser Doppler Vibrometer)를 이용하여 혼의 공진과 출력면의 변위를 측정하고 해석결과와 비교하였다.
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