[논문]적층 압전 변환기의 진동 특성

김대종; 김진오

doi:10.5050/ksnve.2015.25.3.199

[국내논문] 적층 압전 변환기의 진동 특성
Vibration Characteristics of Stacked Piezoelectric Transducers 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.25 no.3, 2015년, pp.199 - 206

김대종 (Soongsil University) , 김진오 (Soongsil University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the vibration characteristics of stacked transducers composed of piezoelectric discs, which are main elements of ultrasonic sensors or actuators. The stacked transducers were devised in the sense of natural frequencies. Two- or three-layer transducers were fabricated with piezoelectric discs of different diameters. The natural frequencies were determined by the finite element analysis and they were verified by comparing them with experimental results. It appeared that the natural frequencies of the stacked piezoelectric transducers include the natural frequencies of the constituent piezoelectric discs and the natural frequencies caused by stacking. Based on these results, it would be possible to predict the vibration characteristics of the stacked piezoelectric transducers in a design process.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

지름 크기가 같은 압전 원판과 탄성 원판이 적층된 경우에 대해서는 진동 특성을 이론적으로 해석한 사례가 있으나⁽¹¹⁾, 지름 크기가 다른 원판을 적층한 경우에 대한 사례는 발견되지 않았다. 이 논문은 적층 압전 변환기의 고유진동 특성을 유한요소 해석으로 파악한다. 실험을 통해 얻은 결과와 해석 결과를 비교하여, 해석에 의한 특성 예측을 검증한다.
유한요소 해석으로 구한 진동 특성 결과를 검증하기 위한 실험을 하였다.
이 논문은 압전 원판들이 적층된 변환기의 진동 특성을 제시하였다. 유한요소 해석과 임피던스 분석기를 이용한 실험을 통해 적층 압전 변환기의 고유진동 특성을 파악하였다.

제안 방법

지름이 다른 압전 원판을 2층 또는 3층으로 적층한다. 2 종류의 압전 원판을 2층 또는 3층으로 적층하거나, 3 종류의 압전 원판을 3층으로 적층하였다. 이를 제작하기 위해 사용한 압전 원판의 치수와 재질을 Table 1에 기재하였다.
2장에서 설계한 적층 압전 변환기의 진동 특성에 대해 알아보기 위해 유한요소 해석을 하였다. 해석에 상용 프로그램인 ANSYS를 사용하였고 ANSYS Workbench의 Hamonic 해석 기능을 이용하여 임피던스 곡선과 주파수 응답 함수를 구하였다.
해석에 상용 프로그램인 ANSYS를 사용하였고 ANSYS Workbench의 Hamonic 해석 기능을 이용하여 임피던스 곡선과 주파수 응답 함수를 구하였다. SOLID185 요소를 사용하는 해석으로 저차모드의 고유진동수와 진동형상을 구하였다. 고유진동수를 구하기 위해 임피던스 곡선과 주파수 응답 그래프를 분석하였다.
SOLID185 요소를 사용하는 해석으로 저차모드의 고유진동수와 진동형상을 구하였다. 고유진동수를 구하기 위해 임피던스 곡선과 주파수 응답 그래프를 분석하였다. 임피던스는 실수부인 저항과 허수부인 리액턴스(reactance)의 합으로 이루어지는 복소수인데, 허수부가 주파수의 함수로서 음수인 용량성 리액턴스와 양수인 유도성 리액턴스의 합이다.
원판의 결합에는 접착제(가령 Loctite 401)를 사용하였다. 임피던스 분석기로 적층 변환기의 임피던스 곡선을 측정하였다. 사용한 장비는 Agilent Technologies사의 4192A 모델이다.
이 논문은 압전 원판들이 적층된 변환기의 진동 특성을 제시하였다. 유한요소 해석과 임피던스 분석기를 이용한 실험을 통해 적층 압전 변환기의 고유진동 특성을 파악하였다. 그리고 유한요소 해석 결과와 실험 결과를 비교하였다.

대상 데이터

2종 3층 변환기는 Fig. 1(b)에 보인 바와 같이 지름이 다른 2가지 압전 원판을 3층으로 적층한 것이고, Table 1의 압전 원판 A와 B를 사용하였다. 3종 3층 변환기는 Fig.
3종 3층 변환기는 Fig. 1(c)에 보인 바와 같이 지름이 다른 3가지 압전 원판을 3층으로 적층한 것이고, Table 1의 압전 원판 A, B, C를 사용하였다.
11은 실험에 사용된 적층 변환기들의 실물 사진이다. 원판의 결합에는 접착제(가령 Loctite 401)를 사용하였다. 임피던스 분석기로 적층 변환기의 임피던스 곡선을 측정하였다.
임피던스 분석기로 적층 변환기의 임피던스 곡선을 측정하였다. 사용한 장비는 Agilent Technologies사의 4192A 모델이다.

데이터처리

이 논문은 적층 압전 변환기의 고유진동 특성을 유한요소 해석으로 파악한다. 실험을 통해 얻은 결과와 해석 결과를 비교하여, 해석에 의한 특성 예측을 검증한다.
2장에서 설계한 적층 압전 변환기의 진동 특성에 대해 알아보기 위해 유한요소 해석을 하였다. 해석에 상용 프로그램인 ANSYS를 사용하였고 ANSYS Workbench의 Hamonic 해석 기능을 이용하여 임피던스 곡선과 주파수 응답 함수를 구하였다. SOLID185 요소를 사용하는 해석으로 저차모드의 고유진동수와 진동형상을 구하였다.
적층 변환기의 고유진동수에 대한 실험 결과와 임피던스 분석기를 이용하여 측정한 단층 압전 원판의 고유진동수에 대한 실험 결과⁽⁷⁾를 비교하였다. 2종 2층과 2종 3층 및 3종 3층 적층 변환기와 단층 원판의 고유진동수를 비교하여 Tables 5, 6, 7에 각각 기재하였다.
유한요소 해석과 임피던스 분석기를 이용한 실험을 통해 적층 압전 변환기의 고유진동 특성을 파악하였다. 그리고 유한요소 해석 결과와 실험 결과를 비교하였다.

성능/효과

결과를 보면 실험과 유한요소 해석에 의한 고유진동수가 서로 대응한다. 그리고 진동형상을 분석하여 적층 변환기의 1차, 3차, 5차 모드는 적층에 의해 새로 생긴 굽힘모드이고, 2차, 4차 모드는 구성 원판의 반경모드라는 것을 알아내었다. 유한요소 해석과 실험 결과값의 차이가 많이 나는 고유진동수는 적층에 의해 새로 생긴 모드(1, 3, 5차)의 고유진동수이다.
적층 변환기의 고유진동 특성에는 적층에 의해 새로 생긴 진동모드가 있고 구성 원판의 특성에 해당하는 진동모드가 나타났다. 유한요소 해석과 실험 결과의 고유진동수 값의 차이가 큰 진동모드는 적층에 의해 새로 생긴 것이다.
두 가지 방법에 의한 고유진동수 값이 비슷한 진동모드는 구성 원판의 특성에 해당하는 것이다. 적층 압전 변환기의 고유진동수들에는 구성 요소인 압전 원판들 각각의 고유진동수도 포함되면서 적층으로 인해 새로운 고유진동수가 추가되는 것으로 나타났다.

후속연구

향후 적층 압전 변환기 설계에서 이 논문의 결과를 토대로 진동 특성을 예측할 수 있다. 추후 연구에서는 해석 시 원판간의 결합에 유연성을 추가하여 정확도를 높이는 시도가 필요해 보인다
향후 적층 압전 변환기 설계에서 이 논문의 결과를 토대로 진동 특성을 예측할 수 있다. 추후 연구에서는 해석 시 원판간의 결합에 유연성을 추가하여 정확도를 높이는 시도가 필요해 보인다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지름이 다른 압전 원판을 적층하는 방법에는 무엇이 있는가?	지름이 다른 압전 원판을 2층 또는 3층으로 적층한다. 2 종류의 압전 원판을 2층 또는 3층으로 적층하거나, 3 종류의 압전 원판을 3층으로 적층하였다. 이를 제작하기 위해 사용한 압전 원판의 치수와 재질을 Table 1에 기재하였다.
	압전 현상이란?	압전 현상은 역학적 에너지(응력 또는 압력)와 전기적 에너지(전압 또는 전하)간에 상호변환하는 현상이다(3). 전기 신호를 받아 역학적 진동을 발생시키는 역압전 현상은 액추에이터에 사용되고, 초음파의 역학적 진동을 전기적 신호로 바꿔주는 정압전 현상은 센서에 사용된다.
	파동 에너지를 이용하는 액추에이터의 응용분야는?	진동의 전파인 파동이 다양한 분야에 널리 활용되고 있다(1). 파동 신호를 이용하는 계측기에 초음파 수위계, 초음파 유량계, 차량 후방 감지기 등이 있고, 파동 에너지를 이용하는 액추에이터에 초음파 모터, 초음파 가공기, 초음파 세척기 등이 있다. 이러한 초음파 센서 또는 액추에이터에 압전 변환기가 많이 사용된다(2).

참고문헌 (11)

Kim, J. O., 2000, Ultrasonic Sensors and Actuators, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 10, No. 5, pp. 723~728.
Busch-Vishniac, I. J., 1999, Electromechanical Sensors and Actuators, Springer, New York, Chapter 5.
Ikeda, T., 1996, Fundamentals of Piezoelectricity, Oxford University Press, Oxford.
Miu, D. K., 1993, Mechatronics: Electromechanics and Contromechanics, Springer, New York, Chapter 6.
Kwon, O. S. and Kim, J. O., 2001, Vibration Characteristics of Langevin-type Piezoelectric Torsional Transducers, Transactions of the KSME A, Vol. 25, No. 8, pp. 1197~1205.
Kwon, O. S. and Kim, J. O., 2000, Vibration Characteristics of Piezoelectric Torsional Transducers, Journal of Sound and Vibration, Vol. 264, No. 2, pp. 453~473.
Kim, D. J., Oh, S. H. and Kim, J. O., 2015, Measurements of Radial In-plane Vibration Characteristics of Piezoelectric Disk Transducers, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 25, No. 1, pp. 13~23.

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Piao, C. and Kim, J. O., 2014, In-plane Vibration Characteristics of Piezoelectirc Ring Transducers, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 24, No. 10, pp. 780~787.

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Kim, J. O. and Kim, D. J., 2014, Piezoelectric Stack Transducer, Korea Patent 10-1387064.
Kim, K. J. and Yoo, J. H., 2007, Electrical Properties of Ring-type Multilayer Piezoelectric Actuator, Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, Vol. 20, No. 10, pp. 869~872.

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Piao, C. and Kim, J. O., 2014, Characteristics of a Piezoelectric Disc Coupled with an Elastic Body, Proceedings of the KSME Fall Conference, pp. 1157 ~1159.

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