KR101003715B1 - 원통형 압전펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 체크밸브를 사용하지 않는 압전펌프에 관한 것이다.

탄성체로 구성되고, 서로 동축을 이루어 밀착되는 두 개의 실린더 윗면에 압전체를 각각 부착한다. 전원부는 상기 압전체들에 사인파 전압을 공급하여 서로 반파장의 위상 차이가 나도록 동기되어 일 원주방향으로 진행하는 진행 파동들을 상기 실린더에 형성시킨다. 상기 서로 반파장 위상 차이가 나는 진행 파동들로 인하여 상기 내측 실린더와 외측 실린더 사이에 일정 공간이 형성되어 상기 일 원주방향으로 연동운동이 일어날 때, 상기 공간에 유체가 채워져서 상기 일방향으로 이동될 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면 압전펌프의 체크밸브가 없어 내구성 및 신뢰성이 향상되고 소형화가 가능하며 양방향 펌프동작이 가능하다.

Description

원통형 압전펌프{PIEZOELECTRIC PUMP WITH CYLINDERICAL SHAPE}

본 발명은 압전 펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전체에 전압이 가해질 때 발생되는 압전체의 외형 변형을 이용하여 유체를 이동시키는 압전펌프에 관한 것이다.

압전성이란 물질에 기계적 응력을 가할 때, 전기분극이 생성되거나 물질에 전계를 인가할 때 기하학적 변형을 생성시키는 성질을 말한다. 이러한 성질을 펌프에 적용한 압전펌프는 다양한 응용을 위해 연구되었다.

종래 압전펌프는 본체, 유입구와 유출구, 컨트롤러, 체크밸브 및 구동부를 포함하여 구성된다. 상기 본체는 압전펌프의 외형을 형성하며, 내부에는 유체를 수용하는 공간이 형성되어 있다. 그리고 상기 유입구와 유출구는 상기 본체에 연결되어 상기 유체를 내부공간 내로 유입 및 유출시킬 수 있다. 상기 체크밸브는 유입구 및 유출구에 각각 구비되어, 유체의 역류를 방지한다. 즉, 유입구 측에서는 유체가 본체 방향으로만 흘러들어가게 하고, 유출구 측에서는 본체에서 나가는 방향으로만 유체가 흐르도록 제어한다. 상기 구동부는 진동판과 그 배면에 구비된 압전소자로 구성되며, 상기 컨트롤러에 의해 제어되어 펌핑 작용을 행하는 구성요소로서 상하 방향으로 진동하면서 상기 본체 내부 공간에 압력차를 발생시켜 유체가 유입구에서 유출구로 흐르도록 한다.

그러나, 상술한 종래의 압전펌프는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 종래의 압전펌프에서는 체크밸브가 사용되어 밸브의 마모, 약화, 막힘 현상과 같은 내구성 및 신뢰성에 문제가 있었다.

둘째, 종래의 압전펌프는 유체를 수용하는 내부공간의 체적을 요구하므로 최초 펌핑 시에 유체가 내부공간에 채워지는 시간 동안 지연이 있어 응답성이 떨어진다. 또한, 구동부의 진동판이 상하방향으로 진동 중에 내벽과 간섭을 방지하기 위해서는 본체 내부에 소정의 공간이 요구된다.

셋째, 여러 부품으로 이루어져 구조가 복잡하고 제조 단가가 높다.

넷째, 펌핑 동작이 일방향이다.

본 발명은 종래 압전 펌프의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 체크밸브를 사용하지 않는 압전 펌프를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 탄성체로 구성되고, 서로 동축을 이루어 밀착되는 두 개의 실린더 윗면에 압전체를 각각 부착하고, 전원부에서 상기 압전체들에 사인파 전압을 공급하여 서로 반파장의 위상 차이가 나도록 동기되어 일 원주방향으로 진행하는 진행 파동들을 형성시켜, 상기 각 실린더 사이에 일정 공간이 형성되어 상기 진행방향으로 연동운동이 일어날 때, 상기 공간에 유체가 채워져서, 상기 실린더들에 형성되는 유체 유입구 및 유체 유출구를 통하여 상기 진행방향으로 이동될 수 있는 압전 펌프를 제공한다.

여기서, 상기 각 실린더에 부착되는 압전체들은, 적어도 둘의 반원형 압전링판이 링(ring)형태를 이루어 구성된다. 상기 압전링판은 내부가 인접한 부분(segment)이 두께 방향으로 상반된 극성을 갖도록 전기적으로 분극처리하여 구분되어있으며, 상기 전원부에서 발생되는 일정 주파수의 사인파 전압과 코사인파 전압을 각각 인가하면, 상기 각 실린더에는 상기 각 압전링판에서 발생된 정재파(standing wave)가 발생된다. 상기 각 압전링판에서 발생한 정재파는 각 압전링판의 간격에 의해 동시에 소정의 위상이 어긋나게 합쳐져 진행파(traveling wave)가 생성된다. 상기 진행파가 상기 내측 실린더와 외측 실린더의 밀착면에 진 행하는 공간을 생성하고, 상기 유입구로 유입된 유체가 상기 공간으로 이동된다. 한편, 필요에 따라서 상기 각 실린더 위에는 두 개 또는 그 이상의 압전링판이 소정의 간격을 두고 사인파 전압과 코사인파 전압을 번갈아서 인가되는 순서로 부착될 수 있다. 상기 각 압전링판은 정재파의 1/2 파장 간격으로 전기적으로 분극처리하여 구분되고, 상기 각 실린더 위에서 1/4 파장의 간격으로 배치됨이 바람직하다.

유입구와 유출구는 이해를 돕기 위하여 구분된 것으로, 상기 전원부가 사인파 전압과 코사인파 전압을 서로 교체시켜 인가함에 따라 그 역할이 서로 바뀔 수 있다. 또한 상기 유입구 및 유출구가 내측 실린더와 외측 실린더의 접촉면과 만나는 부분에는 소정의 공간을 만들어 유체의 흐름을 원활히 할 수 있다.

상기 압전펌프는 상기 각 실린더의 내부 또는 외부에 형성되는 밀폐수단을 더 포함할 수 있다. 밀폐수단은 단순히 상기 내측 실린더 및 외측 실린더의 접촉면 사이로만 유체가 흐를 수 있게 유체통로(fluid channel)를 형성하는 기능을 한다. 이를 위하여 상기 밀폐수단은 상기 각 실린더를 감싸는 형태 또는 압전펌프 전체를 감싸는 하우징의 형태가 될 수 있으며, 상기 각 실린더 사이의 접촉면에 유입구와 유출구를 둘러싸는 형태의 홈을 파고 오링(O-ring)을 매설하여 유체채널을 형성하는 형태 또한 가능하다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 압전 펌프의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 본 발명에 의하면, 역류를 방지하는 체크밸브를 사용하지 않음으로 구성을 단순화시켜 제작이 용이하고, 펌프의 내구성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

둘째, 본 발명에 의하면, 전원 차단시 자기 차폐(self-locking)기능이 있어 별도의 차단밸브가 요구되지 않아 구성이 단순하고 펌프의 내구성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

셋째, 본 발명에 의하면, 본체 내부 공간을 요구하지 않으므로 소형화가 가능하다.

넷째, 본 발명에 의하면, 손쉽게 전압인가의 교체로 유체의 펌핑 방향을 전환할 수 있어 양방향으로 사용이 가능하다.

이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 실시예들의 이해를 돕기 위하여, 압전모터의 구동 원리가 되는 진행파의 생성을 도 1을 참조하여 먼저 설명한다.

도 1은 두 개의 압전평판이 이격되어 구성되는 압전체에서의 진행파 생성을 나타낸다. 도 1을 참조하여 진행파 생성을 계속 설명하면, 동일한 주파수의 교류 신호로 각각 구동되는 두 개의 압전평판(110, 120)은 각각의 두께방향으로 같이 분극시킨 구간(세그먼트)들 중의 하나가 정재파의 1/2 파장 간격으로 위치하도록 배열한다. 상기 배열을 갖는 두 개의 압전평판은 정재파의 1/4 파장 간격만큼 이격시켜 배열한다. 두 개의 세그먼트는 한 파장(full-wave)의 길이이기 때문에, 압전평판의 하나(110)가 사인파로 인가되는 동안 다른 평판(120)을 코사인파로 구동하면 1/2 구간(segment)의 어긋남은 다른 정재파에서 다른 위상의 1/4의 파장이 변형되는 한 요소의 정재파를 일으킨다. 따라서 동시에 1/4의 파장이 어긋나는 위상을 나타낸다. 이런 신호들의 결과로써 상기 이격된 간격으로 공간적으로 1/4 파장 벗어나고, 또 사인파와 코사인파 차이에 의한 위상에서 1/4 주기 벗어난 동일 주파수에서, 두 개의 정재파의 결합은 진행파를 생성한다. 상술한 진행파의 발생이 압전펌프를 구동하는 압전모터의 기본 동작을 제공하게 된다.

상기 정재파와 진행파를 수학식 1, 2, 3 및 4로 설명한다.

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여기서 Z₁, α, x, λ 그리고 ω는 각 각 진동파, 진폭 최대치, 파의 진행방향 임의위치, 파장 그리고 공진주파수를 나타낸다. 첫 번째 항(sin)은 공간적인 함수의 진동이고 두 번째 항(cos)은 시간적인 함수의 진동이다. 수학식 1로부터 공간적으로 다른 위상에서 1/4의 파장을 가진 정재파가 sin항에서 cos항으로 교체됨으로써 얻어지고, 동시에 시간적으로 1/4주기의 위상차를 갖는 파동이 두 번째 cos항이 sin항으로 교체됨으로써 영향을 받는다. 따라서 두 번째 정재파는 수학식2에 의해 표현된다.

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상기 수학식 1과 수학식 2를 더하면, 수학식 3을 얻을 수 있다.

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상기 수학식 3을 줄이면, 수학식 4를 얻을 수 있다.

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수학식 4는 도 1의 진행파를 나타낸다. 진행파는 탄성평판(200)을 통해 움직이기 때문에 상기 탄성평판의 한 점(240)은 타원형의 궤적으로 이동하게 된다. 상기 동작이 압전 모터의 기본 동작을 제공하게 된다. 한편, 이러한 진행파의 생성은, 압전체의 구성을 변경하여 한 층의 압전평판으로도 가능하다.

이하, 상기 진행파를 이용한 압전모터 및 압전펌프의 기본 구조를 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.

도 2는 상기 진행파에 따른 압전모터의 동작을 보여준다. 도 2를 참조하여 상기 압전모터의 동작을 설명하면, 진행파는 탄성평판(고정자)(260)을 통해 움직이기 때문에 회전자(250) 표면의 모든 지점은 타원형의 경로로 이동하게 된다. 회전자가 확실하게 고정자를 누르기 때문에 타원형의 운동은 회전자(250)에 토크를 전달하여 도시된 바와 같이 보여주듯이, 진행파와 반대 방향으로 회전한다. 압전모터 의 동작은 회전자(250)와 고정자(260) 사이의 경계면의 마찰에 의존하게 되는데, 이와 같은 모터의 동작이 액체나 가스를 전달할 수 있는 압전 펌프의 동작에 기본을 제공한다. 계속해서 도 2의 압전모터를 응용한 압전펌프의 원리를 설명한다.

도 3은 상기 진행파에 따른 압전펌프의 동작을 보여준다. 도 2와 함께 설명된 압전식 모터의 원리를 고려하면, 진행파의 정현파 곡선 공간(300) 사이에, 양쪽 탄성체 표면에 생긴 진동 진행파들의 마루부분은 서로 접촉되고 골부분은 서로 떨어져서 여러 개의 공간이 형성(320)됨을 볼 수 있다. 따라서 상기 공간들(320)은 연동운동으로 진행파의 방향으로 액체나 가스의 전달을 위한 기초를 제공한다. 상기 압전펌프는 물리적으로 회전자(rotor) 없이 서로 마주보는 면을 가진 두 개의 고정자(탄성진동판)(310,311)로 구성된다. 따라서 압전펌프의 이동 공간(320)은 두 배로 증가한다. 진행파(300)는 경계면에서 동시에 생성되고, 액체나 가스를 충분히 채우기 위해 지속적인 여러 공간(320)을 형성한다. 따라서 연동작용은 실질적으로 움직이는 부분과 관련되지 않으며, 유체나 가스는 진행파 방향을 따른다. 이러한 압전 펌프의 가장 큰 특징은 역류를 막는 체크밸브나, 전체적 흐름을 막는 밸브가 필요하지 않다는 것이다. 이유는 압전 펌프의 연동은 압착효과처럼 중요한 역할을 할 수 있는 단단히 닫힌 공간을 만들기 때문이다. 압전 펌프에 공급되는 전압을 끊으면 두 탄성체(고정자) 사이의 경계표면에는 변위가 없이 서로 밀착되어 유체의 흐름을 멈추기 때문에 기존의 밸브가 완전히 동작이 멈춘 것처럼 자기 차단(self-locking) 현상이 발생한다.

상기와 같은 두 평판 사이에서의 압전펌프의 구동 원리를 동축(coaxial) 원 기둥 형태(cylinder)의 측면에 적용할 수 있다. 이를 위하여, 상기 압전평판을 평판 형태의 탄성진동체에 부착하는 대신에 링(ring) 형태로 하여 원통의 윗면에 부착할 수 있다. 이 경우, 구동은 확장 진동 모드를 사용하게된다. 도 4 및 5를 참조하여 이하 원통형 압전펌프의 구동원리를 설명한다.

도 4는 나선형 진행파를 사용하는 압전구동기를 나타낸 개념도이다. 도 4에 도시된 압전구동기는 링(ring) 형태의 압전체의 확장 진동 모드를 사용하여 동작된다. 만일 이러한 형태의 압전구동기가 작동되고, 고정자의 내측 표면 또는 회전자의 외측 표면이 나선형으로 되어 있다면 확장 진행파가 고정자에서 발생될 때, 상기 고정자는 원주방향으로 회전할 수 있고 축방향으로 선형 이동할 수 있다. 이러한 동작을 가능하게 하는 상기 고정자에서 진행파가 동작하기 위해서는 상기 고정자는 이하에서 설명될 두 종류의 축퇴 진동 모드를 발생시켜야 한다. 이하, 도 5와 수학식 5 내지 8을 더 참조하여 상기 압전 모터의 움직임을 설명한다.

도 5는 동축 원통형태의 벡터 방향을 나타내는 개념도이다. 도 5를 참조하여 , 확장 진동 모드에 관하여 원형 링(ring)의 파형 방정식을 풀어 반경과 원주의 변위 U _r 및 U _θ 를 구할 수 있다.

상기 수학식 5의 두 식은 각각 반경의 정재파로 인한 변위와, 원주의 정재파 로 인한 변위를 나타낸다.

상기 수학식 6이 도 6에 나타난 압전모터의 구동을 위한 두 축퇴 진동을 표현한 식이다. 상기 수학식 6의 두 정재파 식을 합치면 진행파를 나타내는 수학식 7을 얻을 수 있다.

상기 수학식 7을 실린더 구조에 적용하면, 수학식 8을 얻을 수 있다.

상기 수학식 8은 원통형 구조에서, 표면 또는 한 부분에 대한 움직임을 나타낸다. 본 발명에서 제안된 압전펌프는 도 4에 도시된 압전모터의 고정자와 유사하게, 링(ring) 형태의 압전체가 부착된 두 개의 동축(coaxial) 원통 구조로 이루어져 있다. 각 동축 원통(실린더) 구조가 서로 접촉하는 표면에서, 확장 진행파는 상기 도 4의 압전모터의 고정자 표면에서 발생한 것과 같은 원리로 발생한다. 1/2 파장의 공간적 위상차를 가지는 두 진행파는 각 원통 구조에서 발생한다. 상기 서로 1/2 파장 위상 차이가 나는 일 원주방향의 진행파동들로 인해 상기 두 개의 동축 원통 구조 사이에 일정 공간이 형성되고, 상기 일정 공간은 연동운동으로 유체를 이동시킬 수 있게 된다.

상기 수학식 8의 진행파 움직임을 이용한 본 발명의 일 실시예를 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전펌프의 구조를 나타내는 사시도이고, 도 7은 도 6에 도시된 압전펌프의 단면도이다.

도 6과 도 7을 함께 참조하여 원통형 압전펌프의 구조를 설명하면, 먼저 탄성체로 구성되고, 원통형으로 형성되는 내측 실린더(20)가 준비된다. 상기 내측 실린더(20)에 동축(coaxial)을 이루고, 탄성체로 구성되는 두 개의 반원통이 상기 내측 실린더(20)의 외측면에 밀착되어 외측 실린더(25,26)를 형성한다. 상기 내측 실린더와 외측 실린더의 윗면에는 링(ring) 형태의 내측 압전체(40)와 외측 압전체(45,46)들이 각각 부착된다. 유체 유입구(11,16) 및 유체 유출구(12,15)는 유체가 외부에서, 상기 외측 실린더와 내측 실린더(20)의 접촉면까지 운반될 수 있도록, 외측 실린더 (25,26)의 외측면에 각각 형성된다. 그리고, 밀폐수단(30)은 각 실린더가 밀착되는 측면에 홈을 파고 실리콘 오링(o-ring)을 삽입하여 형성된다.

한편, 상기 압전펌프는 전원부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 전원부는 서로 반파장의 위상 차이가 나도록 동기되어 일 원주방향으로 진행하는 진행 파동들이 상기 실린더들(20,25,26)에 각각 형성되도록, 상기 압전체들(40,45,46)에 소정 파형의 사인파 전압을 인가한다. 상기 소형 파정의 사인파는 일정 주파수의 사인파인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 서로 반파장의 위상 차이가 나는 진행 파동 들로 인해 상기 실린더들 사이에 일정 공간이 형성되어 상기 진행방향으로 연동운동이 일어난다. 이 때 상기 공간에 유체 유입구(11,16)로 부터 공급된 유체가 채워지고 상기 진행방향으로 이동될 수 있다.

유체 유입구(11,16)와 유출구(12,15)는 이해를 돕기 위하여 구분된 것으로, 상기 컨트롤러가 구동전압의 위상을 반전시키면, 상기 각 실린더에 발생하는 진행파의 방향이 역전되어 그 역할이 서로 바뀔 수 있다. 따라서, 상기 압전펌프는 양방향 펌프로 사용될 수 있다.

도 7에서는 내측 실린더(20)와 각 외측 실린더(25,26)는 이해를 돕기 위해 간격(71,72)을 두었으나, 실제로 작동시에는 상기 내측 실린더(20)의 외측면과 외측 실린더(25,26)의 내측면은 서로 밀착되어 상기 공간(71,72)은 밀착면이 되고, 유체 또한 펌프가 off상태에서는 상술한 자기 차단(self-locking) 상태가 되어 흐르지 못하게 된다.

상기 유입구(11,16)와 유출구(12,15)가 상기 내측 실린더와 외측 실린더의 접촉면(71,72)과 만나는 부분에는 소정의 공간(60)을 형성하여 유체의 흐름을 원활히 할 수 있다. 그리고, 상기 유입구와 유출구의 위치는 도 8에 도시된 위치 외에도 상기 각 실린더의 접촉면(71,72) 사이로 유체를 공급할 수 있는 어떠한 위치에도 형성이 가능할 것이다.

상기 밀폐수단(30)은 유체가 상기 각 실린더의 접촉면(71,72) 사이로만 흐를 수 있도록 유체통로(fluid channel)를 형성하는 기능을 한다. 이를 위하여 도 6 및 도 7에서는 상기 각 실린더의 측면에 유입구와 유출구(11 및 12의 주변 또는, 15 및 16의 주변)를 둘러싸는 형태의 홈을 파고 실리콘 오링(O-ring)을 매설하는 형태로 구형되어 있으나, 상기 각 실린더를 감싸는 형태 또는 압전펌프 전체를 감싸는 하우징의 형태가 될 수도 있다. 또한 상기 압전펌프는 그 전체를 둘러싸는 하우징 또는 케이스를 더 포함할 수 있다.

상기 압전체들(40,45,46)은 적어도 둘의 압전링판이 원을 이루어 구성된다. 상기 압전링판은 내부가 인접한 부분이 두께 방향으로 상반된 극성을 갖도록 분극처리하여 구분되어있다. 이하, 도 8 및 9를 참조하여 상기 압전체들의 구성을 더 자세히 설명한다.

도 8과 도 9는 각각 내측 실린더와 외측 실린더 윗면에 부착되는 압전체의 배치를 나타내는 사시도이다. 도 8을 참조하여 내측 압전체의 압전링판 배치를 설명하면 다음과 같다.

상기 내측 실린더의 윗면에, 사인파 전압이 인가되는 압전링판(700)과, 코사인파 전압이 인가되는 압전링판(710)이 각각 원호(圓弧)형태로 형성되어 사이에 소정의 간격(720)을 두고 원을 이루도록 배치되어있다. 여기서, 상술한 바와 같이 상기 각 압전링판(700,710)은 수 개의 세그먼트로 나누어져 있다. 인접한 세그먼트는 서로 두께 방향으로 상반된 극성을 갖도록 분극처리하여 구분되는데, 상기 각 압전링판(700,710)은 한 영역(세그먼트)이 정재파의 1/2의 파장간격으로 위치하도록 배열될 수 있다. 그리고, 상기 배열을 갖는 두 개의 압전링판은 정재파의 1/4 파장 간격만큼 이격시켜 배열될 수 있다. 두 개의 세그먼트는 한 파장(full-wave)의 길이이다. 따라서, 상술한 진행파의 생성원리와 같이, 압전링판의 하나(700)에 사인 파 전압이 인가되는 동안 다른 압전링판(720)을 코사인파 전압으로 구동하면 1/2 구간(세그먼트)의 어긋남은 다른 정재파에서 다른 위상의 1/4의 파장이 변형되는 한 요소의 정재파를 일으키게 된다. 이 때, 동시에 위상에서 1/4의 주기의 위상차가 일어나고, 이런 신호들의 결과로 시간적으로나 공간적으로 1/4 파장 어긋나는 두 개의 정재파의 결합은 진행파를 생성하게 되는 것이다.

다음으로, 도 9를 참조하여 상기 외측 압전체의 압전링판 배치를 설명하면, 도 8에 도시된 상기 내측 압전체의 배열과 같은 이유로, 사인파 전압이 인가되는 압전링판(750)과 코사인파 전압이 인가되는 압전링판(760) 역시 각 내부의 세그먼트를 정재파의 1/2 파장 간격으로 극성이 두께 방향으로 상반되도록 분극처리하여 구분하고, 각 압전링판 사이의 간격(770)을 상기 정재파의 1/4 파장 길이만큼 두는 것이 바람직하다.

한편, 상기 내측 압전체 및 외측 압전체는 필요에 따라 두 개의 압전링판 대신, 적어도 셋의 원호(圓弧)형태의 압전링판들을 사용하여, 서로 정재파의 1/4 파장 이격되어 원을 이루도록 상기 각 실린더의 윗면에 배치되어 형성될 수 있다.

또한, 전술된 상기 다수의 압전링판을 소정의 간격만큼 이격시켜 압전체를 구성하는 방법 외에도, 한 압전링판의 분극 영역 경계가 다른 압전링판의 분극 영역의 중앙에 위치하도록 서로 포개어 링 형태로 압전체를 형성하고, 상기 두 압전링판에 각각 사인파 전압과 코사인파 전압을 인가하는 방법으로도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성진동판의 동작에 대한 컴퓨터 시뮬 레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 컴퓨터 시뮬레이션은 유한요소법으로 압전효과에 의한 진동 모드에 따른 공명 주파수 분석과 변위분포를 해석하기 위한 목적으로 사용되었다. 상기 도 10의 각 그래프는 각 실린더에 대하여, 황동으로 만든 5차 진동모드로 전압 100 V와 공명 주파수 56.4 kHz를 인가하는 경우의 상기 각 실린더의 움직임을 보여준다. 그래프 a)는 내측 실린더를, b)는 외측 실린더의 한 반원을 각각 나타낸다. 진행파와 그로 인해 생성되는 공간을 확인할 수 있는데, 내측 실린더의 외측면과, 외측 실린더의 내측면의 변위가 같은 패턴임을 알 수 있다. 바깥쪽과 안쪽 원통에서 유도된 변위의 두 패턴사이에는 공간적 위상차가 각각 180도 정도 일어난다. 본 그패프에서 Y축 변위의 값의 단위는 미터(meter)이다. 내측 실린더의 외측면에서 이동하는 진행파의 골과 마루 사이의 최대차(distance between the crest and valley)는 2.8um이고 외측 실린더의 내측면에서의 진행파의 골과 마루사이의 최대차는 0.8um이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전펌프의 구성 부품 시제품을 보여준다. 도 11을 참조하면, 각각 황동으로 구성되는 내측 실린더(925)와 외측 실린더(920,921)와, 그 윗면에는 각각 압전체들 (945,940,941)이 부착되어 있다. 상기 외측 실린더를 구성하는 두 탄성 반원통의 각 측면 가장자리에는 유체 유입구(910) 및 유체 유출구(911)가 형성되어있다. 한편, 내측 실린더(925)의 외측면과 외측 실린더(920,921)의 내측면에는 유체 유입구 및 유체 유출구를 둘러싸 유체채널(fluid channel)을 형성하기 위한 밀폐수단(930)이 들어가는 홈이 형성되어있다. 본 시제품에서 상기 밀폐수단(930)은 실리콘 고무 오링(O-ring)이 사용되었다.

도 12는 도 11의 압전구동기(1000)에 전원부(1100)를 부착한 압전펌프 시제품의 시연장면이다. 압전링판을 구성하는 압전 세라믹 소재는

세라믹이 사용되었다. 압전펌프의 성능은 시간당 펌핑 양인 펌핑 율(pumping rate)과 최고 배압(back pressure)로 측정하였다. 펌핑 율은 10분 동안 펌핑한 유체의 양을 측정하여 단위시간당의 양으로 환산하였다. 압전펌프의 최고 배압은 출구 튜브를 수직으로 세워 도달하는 펌핑 수위에 의해 평가한다. 동작 전압 150V_p, 57kHz에서 성능은 펌핑 율이 약 580ul/min, 물이 도달한 최대 수위가 약 0.85kPa에 해당하는 약 85mm이었다. 펌핑방향은 상기 전원부(1100)가 인가하는 전원의 시간적 위상차의 변화에 의해 쉽게 변할 수 있음을 확인하였다.

상술한 실시예들 및 이점들은 예시적인 것으로서, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 범위 내에서 다양한 변경 또는 변형이 가능하다는 것을 명백히 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 특허청구범위 및 그의 균등물의 범위에 있는 어떠한 변경 또는 변형된 형태도 본 발명의 범위에 포함될 것이다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다. 도면들에서 동일한 번호로 참조되는 본 발명의 특징, 구성 또는 측면들은 하나 이상의 실시예에 따른 동일, 균등 또는 유사한 특징, 구성 또는 측면들을 나타낸다.

도 1은 압전모터의 압전체 구성의 다른 일례를 보여주는 개념도이다.

도 2는 압전모터의 원리를 보여주는 개념도이다.

도 3은 압전펌프의 연동운동에 의한 유체 운반원리을 보여주는 개념도이다.

도 4는 동축 원통형태의 벡터 방향을 나타내는 개념도이다.

도 5는 실린더형 압전모터의 사시도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전펌프의 구조를 나타내는 사시도이다.

도 7은 도 6의 압전펌프의 단면도이다.

도 8은 내측 실린더와 내측 압전체의 사시도이다.

도 9는 외측 실린더의 외측 압전체의 사시도이다.

도 10은 진행파 발생시 각 지점의 변위분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과그래프이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전펌프의 구성 부품 시제품을 보여준다.

도 12는 도 11의 구성 부품을 이용한 압전펌프 시제품의 예를 보여준다.

Claims (17)

1. 원통형의 탄성체로 구성되는 내측 실린더;

   상기 내측 실린더에 동축(coaxial)인 원통형 탄성체로 구성되고, 상기 내측 실린더의 외측면에 밀착되어 형성되는 외측 실린더;

   상기 내측 실린더의 윗면에 부착되고, 링(ring) 형태로 형성되는 내측 압전체;

   상기 외측 실린더의 윗면에 부착되고, 링 형태로 형성되는 외측 압전체;

   서로 반파장의 위상 차이가 나도록 동기되어 상기 내측 실린더의 외주면을 따라 일 방향으로 향하는 진행 파동들이 상기 내측 실린더 및 외측 실린더에 각각 형성되도록, 상기 내측 압전체 및 상기 외측 압전체에 정현파를 인가하는 전원부 및;

   상기 서로 반파장 위상 차이가 나는 진행 파동들로 인하여 상기 내측 실린더와 외측 실린더 사이에 일정 공간이 형성되어 상기 일 방향으로 연동운동이 일어날 때, 상기 공간에 유체가 채워져서 상기 일 방향으로 이동될 수 있도록 상기 실린더들에 형성되는 유체 유입구 및 유체 유출구를 포함하는 압전펌프.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 외측 실린더는 두 개의 반원통 형태로 분할되어 형성된 것을 특징으로 하는 압전펌프.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 외측 압전체는 두 개의 반고리(half-ring)형태로 분할되어 형성된 것을 특징으로 하는 압전펌프.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 내측 압전체 및 상기 외측 압전체는,

   상기 내측 실린더 및 상기 외측 실린더의 길이 방향에 대하여 서로 반대 방향으로 분극된 영역이 반복적으로 배치되는 적어도 두 개의 원호(圓弧)형태의 압전링판들이, 서로 정재파의 1/4 파장 이격되어 원을 이루도록 상기 내측 실린더 및 상기 외측 실린더 각각의 윗면에 배치된 것을 특징으로 하는 압전펌프.
6. 제 1항 내지 제 3항 및 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 내측 실린더와 상기 외측 실린더의 밀착면에 형성되는 밀폐수단이 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
7. 제 1항 내지 제 3항 및 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 내측 실린더와 상기 외측 실린더의 외부에 형성되는 밀폐수단이 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
8. 제 1항 내지 제 3항 및 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 내측 압전체 및 상기 외측 압전체에 공급되는 정현파의 위상을 반전시켜 양방향으로 동작하는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 내측 압전체 및 상기 외측 압전체에 공급되는 정현파가 차단되면 상기 내측 실린더 및 상기 외측 실린더의 연동운동으로 인한 공간이 소멸되어 유체의 흐름이 차단되는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
10. 원통형의 탄성체로 구성되는 내측 실린더;

    상기 내측 실린더에 동축(coaxial)인 원통형 탄성체로 구성되고, 상기 내측 실린더의 외측면에 밀착되어 형성되는 외측 실린더;

    상기 내측 또는 외측 실린더에 형성되는 유체 유입구 및 유체 유출구;

    상기 내측 실린더의 윗면에 부착되고, 링(ring) 형태로 형성되는 내측 압전체; 및

    상기 외측 실린더의 윗면에 부착되고, 링 형태로 형성되는 외측 압전체를 포함하고,

    상기 내측 압전체 및 외측 압전체는, 서로 반파장의 위상 차이가 나도록 동기되어 상기 내측 실린더의 외주면을 따라 일 방향으로 향하는 진행 파동들이 상기 내측 실린더와 외측 실린더에 각각 형성될 수 있도록 외부 전원으로부터 정현파를 인가받을 수 있고,

    상기 서로 반파장 위상 차이가 나는 진행 파동들로 인하여 상기 내측 실린더와 외측 실린더 사이에 일정 공간이 형성되어 상기 일 방향으로 연동운동이 일어날 때, 상기 공간에 유체가 채워져서 상기 일 방향으로 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 외측 실린더는 두 개의 반원통 형태 반고리(half-ring)형태로 분할되어 형성된 것을 특징으로 하는 압전펌프.
12. 제 10항에 있어서,

    상기 외측 압전체는 두 개의 반고리(half-ring)형태로 분할되어 형성된 것을 특징으로 하는 압전펌프.
13. 삭제
14. 제 10항에 있어서,

    상기 내측 및 외측 압전체들은,

    상기 내측 실린더 및 상기 외측 실린더의 길이 방향에 대하여 서로 반대 방향으로 분극된 영역이 반복적으로 배치되는 적어도 두 개의 원호(圓弧)형태의 압전링판들이, 서로 정재파의 1/4 파장 이격되어 원을 이루도록 상기 각 실린더의 윗면에 배치된 것을 특징으로 하는 압전펌프.
15. 제 10항 내지 제 12항 및 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 내측 실린더와 상기 외측 실린더의 밀착면에 형성되는 밀폐수단이 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
16. 제 10항 내지 제 12항 및 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 내측 실린더 및 상기 외측 실린더의 외부에 형성되는 밀폐수단이 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
17. 원통형의 탄성체로 구성되는 내측 실린더;

    상기 내측 실린더에 동축(coaxial)인 원통형 탄성체가, 상기 내측 실린더의 외측면에 밀착되어 형성되는 외측 실린더;

    상기 내측 또는 외측 실린더에 형성되는 유체 유입구 및 유체 유출구;

    상기 내측 실린더의 윗면에 부착되고, 링(ring) 형태로 형성되는 내측 압전체; 및

    상기 외측 실린더의 윗면에 부착되고, 링 형태로 형성되는 외측 압전체를 포함하는 압전펌프를 제어하는 방법에 있어서,

    서로 반파장의 위상 차이가 나도록 동기되어 상기 내측 실린더의 외주면을 따라 일 방향으로 향하는 진행 파동들이 상기 내측 실린더 및 외측 실린더에 각각 형성될 수 있도록 상기 내측 압전체 및 상기 외측 압전체에 정현파를 인가하는 단계;

    상기 진행파동에 의하여 상기 내측 실린더와 외측 실린더 사이에 일정 공간이 형성되어 상기 일 원주방향으로 연동운동이 일어날 때, 상기 공간에 유체가 채워져 상기 일 원주방향으로 유체를 이동시키는 단계를 포함하는 압전펌프 제어 방법.

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