KR20050029298A - 압전 진동자를 이용한 초음파 커터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 란쥬반 진동자 이론을 이용하여 초음파의 진동과 진동에 의한 열에너지를 극대화할 수 있도록 하는 기계 구조를 적용한 초음파 커터에 관한 것으로, 환원형 또는 블록타입의 압전 진동자를 이용하여 제조 공정이 편리하고 크기가 작은 평판형으로 제작이 가능하며, 진동에 잘 견디는 전극을 사용하여 신뢰성이 높고, 진동 효율이 최대가 되도록 압전 진동자를 설계하여 효율이 우수하도록 제작한 초음파 커터에 관한 것이다.

Description

압전 진동자를 이용한 초음파 커터{An ultrasonic cutter using a piezoelectric vibrator}

본 발명은 란쥬반 진동자 이론을 이용하여 초음파의 진동과 진동에 의한 열에너지를 극대화할 수 있도록 하는 기계 구조를 적용한 초음파 커터에 관한 것으로, 환원형 또는 블록타입의 압전 진동자를 이용하여 제조 공정이 편리하고 크기가 작은 평판형으로 제작이 가능하며, 진동에 잘 견디는 전극을 사용하여 신뢰성이 높고, 진동 효율이 최대가 되도록 압전 진동자를 설계하여 효율이 우수하도록 제작한 초음파 커터에 관한 것이다.

종래에는 폴리에스테르 등의 직물을 가공하는데 열칼 또는 회전 날을 이용한 커터가 사용되고 있었으나, 저항체에 전기를 가하여 생기는 열을 이용하여 절단하는 소위 열칼을 이용하여 합성섬유 특히 폴리에틸렌 계열의 천을 절단하는데 사용하는 경우 절단시 합성섬유로부터 유독가스가 발생하고 열칼 자체가 매우 뜨겁기 때문에 사용상의 부주로 인하여 상해의 원인이 되었으며, 상기 열칼로 절단하는 경우 절단면이 매끄럽지 못하고 발생된 열기에 의해 단부가 두꺼워 지는 현상이 나타난다. 또한, 모터 등 회전기구에 미세한 톱날을 가진 커터를 회전시켜 절단하는 커터는 절단 상태는 좋으나 절단면이 깨끗하지 못하고 절단된 면의 올이 풀리는 현상이 나타나기 때문에 외관이 좋지 않고 그에 따른 직물의 형상의 변화 등 작업상에 불편이 있었다.

따라서, 폴리 에스테르 등의 직물을 가공하는데 초음파 커터의 사용이 요구되었다. 그러나, 종래의 란쥬반 형 진동자를 이용한 초음파 커터의 경우에는 초음파 진동자의 제작 공정이 까다롭고, 사용되는 전극이 초음파 진동 때문에 쉽게 열화되는 문제점이 있었으며, 초음파 진동자에서 발생된 초음파의 전달을 극대화 시킬 수 있는 진동확대기에 대한 요구가 있었다. 또한, 종래의 초음파 커터는 진동자로 사용되는 압전 세라믹스가 모두 환원형만으로 제작되었기 때문에, 그 크기가 크고 환원형의 압전 세라믹스 진동자를 제조 및 가공하는데 여러 가지 문제점이 있었다. 환원형의 압전 세라믹스는 소결과정에서 환원형의 외경 및 내경의 수축율을 고려해야하는 문제와 상기 수축율의 불균일로 인한 소결체의 크렉이나 압전 특성의 불균일성 등이 발생되어 초음파 커터의 신뢰성에 문제가 있으며, 또한 초음파 커터가 원통형으로만 제작되어야 하는 등의 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 란쥬반 진동자 이론을 적용하여 신뢰성이 우수하고 효율이 향상된 환원형 및 블록형 압전 세라믹스를 이용하여 초음파 커터를 제작하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 초음파 커터는 압전 진동자에 사용되는 전극의 신뢰성을 유지하면서 발생된 초음파 진동의 최대값이 커터의 절단부에 발생될 수 있도록 초음파 커터를 설계함으로서, 폴리에스테르 등의 섬유, 직물지 등을 절단할 때 높은 초음파 에너지와 열에너지에 의하여 절단면이 매끄럽고 올 풀림 현상을 방지할 수 있는 란쥬반 진동자 이론을 이용한 환원형 및 평판형 초음파 커터를 제작하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 진동자는 금속 재질의 상부 진동체 및 하부 진동체, 상기 상부 진동체와 하부 진동체 사이에 분극 방향이 마주 보도록 적층되어 삽입된 적어도 한 쌍의 압전세라믹, 가장 위쪽에 적층된 압전세라믹의 상부에 부착되며 동시에 상기 상부 진동체의 하부에 부착되는 상부 전극판, 상기 적층된 압전세라믹 사이에 부착되는 적어도 하나의 하부 전극판, 상기 하부 진동체는 가장 아래쪽에 적층된 압전세라믹의 하부에 부착되며, 상기 하부 진동체의 아래쪽으로 형성된 혼, 상기 혼의 끝단에 형성된 절단부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압전 진동자를 포함하여 구성된 초음파 커터에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 따르는 초음파 커터의 실시예에 대하여 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 커터용 압전 진동체에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 것으로서, 상부 진동체(10), 하부진동체(20), 압전세라믹스(30, 40), 혼(Horn;50), 절단부(60), 상부 전극판(70), 하부 전극판(80), 압착볼트(90)를 포함하여 구성된다.

란쥬반 진동이론에 의한 진동자를 구현하기 위해 2개의 압전 세라믹스를 초음파 진동체인 상부 진동체(10)과 하부 진동체(20) 사이에 삽입하였으며, 상기 진동체는 금속으로 강도와 경도가 높은 탄소강 등을 사용할 수 있다. 상기 상부 진동체(10)와 하부 진동체(20)사이에 상기 압전 세라믹스를 고정하기 위하여 압착볼트(90)을 이용하여 압착하여 고정시켰다. 상기 압착 정도는 압전 세라믹스의 강도와 진동에너지 등을 고려하여 세라믹에 압력을 가하여 충전된 전압이 오실로스코프(Oscilloscope) 상에서 0.8V가 되도록 한다. 상기 진동체 사이에 압착 고정되는 압전 세라믹스는 일반적으로 산화물 혼합법 등에 의하여 제조되어 가공된다. 상기 압전세라믹스는 양면에 전극을 도포한 후 고전계하에서 분극 처리된다. 상기 상부 압전세라믹스(30)와 하부 압전세라믹스(40)는 서로 분극 방향이 마주 보도록 배치된다. 상부 압전세라믹스(30)과 하부 압전세라믹스(40) 사이에 상부 전극판(80)이 삽입되고, 상부 압전세라믹스와 상부 진동체 사이에 하부 전극판(70)이 삽입된다. 상기 상부 전극판과 하부 전극판을 통하여 구동 회로로부터 진동을 위한 교류 전원이 공급된다. 상기 분극 방향이 서로 마주보도록 형성된 압전세라믹스는 적어도 한쌍으로 구성되며, 블록형 압전세라믹인 경우에는 분극방향이 서로 마주 보도록 매치된 한쌍의 적층된 압전세라믹이 상부와 하부 진동체의 사이에 중간에 간격을 두고 좌측과 우측에 대칭되도록 삽입된다.

상기 압전 세라믹스는 환원형이나 블록형이 사용될 수 있다. 환원형의 경우에는 압전 세라믹스의 제조공정에서 원하는 환원의 외경 및 내경을 맞추기 위해서 압전 세라믹스가 소결되는 과정에서 발생되는 수축율 등을 고려해야 하는 번거러움이 있으나, 블록형을 사용하는 경우에는 이러한 압전 세라믹스의 제조 및 가공 상의 문제점을 해결할 수 있게 된다. 또한, 환원형의 경우에는 압전 진동체 전체의 구조가 원형으로 제작되어야 하나, 블록형 압전 세라믹스를 사용하는 경우에는 그 형태를 평판형으로도 제작이 가능하다. 환원형 압전세라믹을 사용하는 경우에는 적어도 한쌍의 환원형 압전세라믹이 사용되며, 압전 진동자의 진동의 정도를 고려하여 상기 한쌍의 환원형 압전세라믹의 상부와 하부에 인접한 압전 세라믹과 분극방향이 반대가 되도록 압전세라믹을 추가로 적층하여 제작할 수도 있다. 블록형 압전세락믹을 사용하는 경우에는 도 1에서 보는바와 같이 상부와 하부의 금속 진동체 사이의 좌측과 우측에 분극 방향이 마주보도록 적층된 한쌍의 블록형 압전세라믹이 각각 배치되며, 환원형 압전세라믹의 경우와 마찬가지로 상기 한쌍의 압전세라믹의 상부와 하부에 인접한 압전세라믹의 분극방향과 반대가 되도록 압전세라믹을 추가로 적층하여 제작할 수도 있다. 압전세라믹을 추가로 적층하는 경우에는 각각의 압전세라믹의 사이에 상기 하부 전극판이 설치된다.

본 발명의 상기 실시예에서는 상기 압전 세라믹스를 블록형으로 제작한 것을 중심으로 설명하였으나, 환원형으로도 제작이 가능하다.

상기 상부 전극판(70)과 하부 전극판(80)은 압전 세라믹스에서 발생되는 진동을 가장 극심하게 받게 되는 부분이므로, 전극판의 재질이 매우 중요하다. 일반적으로 극심한 진동을 견디기 위해서는 금속이면서 연성, 취성 및 인장강도가 뛰어난 전극판을 사용해야 한다. 일반적으로 구리, 동 등을 사용하였으며, 본 발명에서는 베릴리움 구리(Beryllium Copper)가 사용되었다.

각각의 압전세라믹의 상면과 하면의 전극은 실버 페이스트(viscosity 138kcps , solid content 69.7%)를 이용하여 압전 세라믹 상부 및 하부에 도포 하여 전극을 상온에서 형성하였으며, 상부 전극판(70)과 하부 전극판(80)은 에폭시재료와 경화제의 비율을 질량비 10:1로 혼합한 에폭시를 이용하여 상기 상부 진동체(10) 하부 진동체(20), 상기 상부 전극판 및 하부 전극판을 접착한 후 오븐(Convection Oven)에서 100℃, 1시간 동안 고화하였다.

상기 하부 진동체(20)와 혼(50)은 일체형으로 제작되었으며, 혼의 형태는 직선형, 사다리꼴형, 익스포낸셜형 등의 여러 가지의 형태가 가능하며, 본 발명에서는 익스포낸셜(Exponential) 형태로 기계적 가공을 하였다. 상기 익스포낸셜형은 효율적인 초음파의 전달과 혼(50) 부분에 과도한 하중이 걸다. 상기한 바와 같이 혼의 형태는 익스포낸셜형으로 제작되었으며, 절단부의 형태는 블레이드 형으로 제작되었다.

도 2는 압전진동자의 하부 진동체와 혼의 정면도 및 측면도이다. 블록형 압전세라믹을 이용하여 제작하였기 때문에 평판형으로 제작되었음을 알 수 있으며, 효율적인 초음파의 전달과 혼부분에 과도한 하중이 걸리는 것을 방지하기 위하여 혼의 모양을 익스포낸셜 형태로 가공하였다. 하부 진동체와 혼을 일체형으로 제작하였으나 분리하여 제작할 수도 있다. 초음파 방사용 진동체 역할을 하는 상부 및 하부 진동체(10,20)의 크기는 진동자의 효율을 고려하여 정하여 지며, 대체로 압전 세라믹(40)을 중심으로 대칭이 되도록 제작한다.

도 3은 반파장 진동자의 개략도 및 진동변위곡선을 나타낸 그림이다. 혼(340)의 끝 부분인 절단부, 즉 에서의 진동 크기는 다음 식으로 계산되어 진다.

여기서, 는 반파장 변환기 전체의 기계적 변위(Mechanical Displacement)이며 U는 압전세라믹에 가해지는 전압을 나타낸 것이다. 즉, 반파장 변환기는 압전세라믹의 압전상수(d₃₃)와 압전세라믹에 가하지는 전압, 또한 란쥬반 진동에 관한 계수(Coefficient)에 비례하게 된다.

여기서,

Y는 란쥬반 진동에 관한 계수이다. 즉, Y에는 영역 0,1,2의 변위가 고려되었다.

여기서

만약, 상기 진동 확대기와 압전세라믹스(330)의 물질상수 및 구동부에서 필요한 진동속도를 알고 있으면 위에서 언급한 표현식 으로 전압의 크기를 계산하는 것이 가능하다. 진동체가 되는 금속(310,320)에서 혼(340)으로 증폭할 때의 변위가 4-10배에 달하기 때문에 매우 변환효율이 높은 진동자를 형성할 수 있다.

압전세라믹(330)의 상부 및 하부 전극판에 교류를 인가하면, 분극에 의한 압전 특성에 의하여 교류 왜곡(distortion)이 발생되며, 이 왜곡(distortion)은 축 방향으로 신장이 일어나면 축에 직각인 두 횡 방향으로는 수축이 일어나고 따라서 그 방향에 압축변형 이 생기는 현상인 possion 현상을 통해 기계적인 진동력을 발생시켜 금속 진동체(310,320)을 진동시킨다. 도 3은 진동변위 곡선(350)은 반파장 변환기의 진동 변위를 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 것으로, 진동체(310,320)와 혼(340)의 길이의 합이 반파장이 되는 경우 혼의 끝단, 즉 절단부에서 진동 변위(350)가 가장 크게 나타나는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 본 발명에서는 압전 세라믹스를 포함하는 진동부의 길이와 혼의 길이가 동일하여 절단부에서 최대의 진동이 발생할 수 있도록 초음파 커터를 구성하였다.

도 4(A)는 반파장 진동자의 변위 발생 이전의 형태이고, 도 4(B)는 초음파 진동에 의해 진동자에 변위가 발생한 형태를 도시한 것이다. 초음파 진동에 의해 진동자의 길이가 늘어나고 형태가 변형된 것을 볼 수 있다.

도 5는 초음파 커터의 전체 개략도이다. 도 1의 압전진동자를 지지대에 부착시켜 완성된 초음파 커터를 도시한 것이다.

초음파 커터에 삽입된 압전 세라믹스(30,40)는 진동자 내부의 진동응력이 큰 위치에 있을 때 능력을 발휘한다. 반면에 상기 압전 세라믹스(30, 40)는 진동 응력이 일정 수준 이상이 되면 피로현상으로 인하여 파손되기 때문에 압전 세라믹(30,40)의 파손과 진동능력의 저하를 방지하고 최적의 응력을 주기 위해 상기 압전 진동자의 절단부와 직물과의 압착되는 압력을 조절해야 한다.

따라서, 본 발명에서는 상기 초음파 커터 상부에 압력 조절 볼트(500), 압착 샤프트(510) 및 압착캡(520)을 개재하여 직물을 자를 때의 압력조건을 최적화 하도록 조절할 수 있도록 하고 있다. 초음파 커터의 주변에는 기계적 물리적 특성이 우수한 엔지니어링 플라스틱(engineering plastic) 계통인 PBT(Polybutylene Terephthalate)로 덮개(130)를 형성하였으며, 상기 덮게(130)는 초음파 커터에 가해지는 외부충격으로부터 진동체(10,20)와 horn(50)을 보호함과 동시에 전기적으로 절연시키는 작용을 하는 것이다.

섬유 등의 직물지가 이동하여 절단부(60)과 접촉되는 부분을 지지하기 위하여 절단면 지지부(540)를 개재하였다. 상기 지지부(540)는 상기 직물지가 이동해 왔을 때 직물지에 가해지는 마찰력을 줄여주고, 초음파에 의해 고주파 진동을 하고 있는 절단부(60)와 접촉면을 이루어 직물을 효과적으로 절단 할 수 있게 제작 하였다. 또한 절단면 지지부(540)를 고정시키기 위한 지지대(550,560)를 형성하였다.

도 6은 초음파 커터 구동회로의 블록도 이다. 초음파 커터 구동회로는 크게 발진기(610), 분주기(620), 푸시-풀 전력 증폭기(630)로 구성된다. 발진기(610)는 일반적인 전압제어식 주파수 발생기로 전압 레벨에 의해 주파수를 가변하여 50%의 듀티비를 갖는 펄스파를 발생시킨다. 분주기(620)는 발진기(610)의 출력을 이용하여 푸시-풀 전력증폭기(630)를 제어한다. 분주기(620)는 발진기(610)의 출력을 20%의 위상차를 갖는 2개의 펄스파로 변환하며 각각의 펄스파는 180도의 위상차를 갖는다. 푸시-풀 전력증폭기(630)는 2개의 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)와 1개의 트랜스포머로 구성되며 분주기의 출력에 의해 제어되며 초음파 커터에 정현파의 교류전압을 인가하여 구동시킨다.

이상에서 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위하여 개시된 것으로, 당업자라면 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에 다양한 다른 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.

상기와 같이 구성되어 이루어지는 본 발명에 따른 란쥬반 진동이론을 이용한 초음파 커터는 제조 공정이 간편하며, 작고 효율이 높은 초음파 커터를 제공할 수 있다.

본 발명의 초음파 모터는 취급이 용이하며 작동 방법이 간단하며, 직물지의 변부가 매끄럽게 절단되고 초음파 열에 의해 직물지의 변부가 융착 되므로 올이 풀리지 않게 되는 효과와 철심 등이 내장된 직물도 절단이 가능하며, 엉김현상이 없으며 비닐 절단시 절단부의 접착이 가능하게 된다. 또한, 초음파가 전달되는 혼의 모양을 변형시킴으로써 효율적인 진동효과를 가지는 초음파 커터에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 압전 진동자의 정면도

도 2(A)는 본 발명에 의한 압전 진동자의 혼의 정면도

도 2(B)는 본 발명에 의한 압전 진동자의 혼의 측면도

도 3은 본 발명에 사용되는 반파장 진동자의 개략도 및 진동변위곡선

도 4(A)는 본 발명에 사용되는 반파장 진동자의 형태

도 4(B)는 본 발명에 사용되는 반파장 변환기의 초음파 진동 변위의 시뮬레이션 형태.

도 5는 본 발명에 의한 초음파 커터의 전체 개략도

도 6은 본 발명에 의한 초음파 커터의 구동회로의 블럭도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 310 : 상부 진동체 20, 320 : 하부 진동체

30, 40, 330 : 압전 세라믹 50, 340, 420 : 혼

60 : 절단부 70 : 상부 전극판

80 : 하부 전극판 90 : 압착볼트

350 : 진동변위 곡선

500 : 압력조절볼트 510 : 압착샤프트

520 : 압착캡 530 ; PBT 덮게

540 : 절단 지지부 550, 560 : 지지대

610 : 발진기 620 : 분주기

630 : 전력 증폭기

Claims (8)

1. 금속 재질의 상부 진동체(10) 및 하부 진동체(20);

   상기 상부와 하부 진동체(10,20)의 사이에 삽입되며, 좌측과 우측이 대칭이 되며, 분극 방향이 마주보도록 적층된 적어도 한 쌍의 압전세라믹(30,40);

   상기 압전세라믹 중에서 가장 위쪽에 적층된 압전세라믹의 상부에 부착되며 동시에 상기 상부 진동체(10)의 하부에 부착되는 상부 전극판(70);

   상기 적층된 압전세라믹 사이에 부착되는 적어도 하나의 하부 전극판(80);

   상기 하부 진동체(20)는 가장 아래쪽에 적층된 압전세라믹의 하부에 부착되며, 상기 부착면과 반대쪽으로 형성된 혼(50);

   상기 혼의 끝 부분에 형성된 절단부(60);

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압전 진동자를 포함하여 구성된 초음파 커터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 상부 및 하부 압전세라믹의 형태가 직사각형의 블록형인 것을 특징으로 하는 압전 진동자를 포함하여 구성된 초음파 커터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 상부 전극판과 하부 전극판은 배릴리움 구리를 사용하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자를 포함하여 구성된 초음파 커터.
4. 제3항에 있어서,

   상기 혼은 익스포낸셜 타입으로 상기 하부 진동체와 일체형으로 형성된 특징으로 하는 압전 진동자를 포함하여 구성된 초음파 커터.
5. 제4항에 있어서,

   상기 혼의 길이는 압전세라믹스를 포함한 상부 및 하부 진동체 전체의 길이와 동일하며, 상기 혼과 압전 세라믹스를 포함하는 압전 진동자의 길이는 초음파 파장의 1/2인 것을 특징으로 하는 압전 진동자를 포함하여 구성된 초음파 커터.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,

   상기 압전 진동자를 보호하고 절연을 유지하기 위한 PBT (Polybutylene Terephthalate) 케이스와 지지대(150,160) 및 절단면 지지부(140)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 커터.
7. 제6항에 있어서,

   상기 PBT 케이스에 상기 압전 진동자와 상기 절단면 지지부의 간격을 조절하기 위한 압착 조절볼트, 압착 샤프트 및 압착 캡을 포함하는 압착 조절부를 설치하는 것을 특징으로 하는 초음파 커터.
8. 제4항 또는 제5항에 있어서,

   상기 압전세라믹의 상부와 하부에 인접한 압전세라믹의 분극방향이 반대가 되도록 압전세라믹을 추가로 적층하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 커터.