KR20130053105A - 초음파를 이용한 식품 컷팅 툴 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파를 이용하여 식품을 컷팅하는 컷팅 툴에 관한 것으로, 종래에는 식품을 절단하는 장치로는 초음파 나이프가 개발되어 사용되고 있는데, 상기 초음파 나이프는 왕복운동에 의해 구동되며, 이러한 나이프는 속도가 느리고 식품을 깨끗하게 절단하지 못했다. 따라서 본 발명은 고유 진동수를 가진 혼(horn)을 설계하여 공명 현상을 이용해 식품을 잔여물 없이 깨끗하게 컷팅할 수 있는 초음파를 이용한 식품 컷팅 툴에 관한 것이다.

Description

초음파를 이용한 식품 컷팅 툴{THE CUTTING TOOL USING THE ULTRASONIC}

본 발명은 초음파 진동을 이용하여 대상물을 절단하기 위한 컷팅 툴(tool)에 관한 것으로, 특히 고유 진동수를 가진 혼(horn)을 설계하여 공명 현상을 이용해 식품을 컷팅하는 초음파를 이용한 식품 컷팅 툴에 관한 것이다.

일반적으로 식품의 절단 작업 및 식품을 절단하는 장치로는 나이프가 사용되고 있는데, 이러한 칼을 이용한 식품의 절단 작업은 속도가 느리고 식품을 깨끗하게 절단하지 못하는 문제가 있다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 종 방향 진동 모드로 설계된 컷팅 툴의 공진을 사용하는 초음파 접합 및 컷팅 툴이 다양하게 사용되고 있는데, 이와 같은 초음파 접합 및 컷팅 툴은 금속, 고무, 플라스틱, 목재, 음식 등 다양한 소재의 접합과 컷팅에 사용되고 있다. 상기 초음파 접합 및 컷팅 기술은 대량 생산이나 소량 생산에 관계없이 빠른 작업 시간이 소요되고, 또한, 소모성 부품이 필요 없어 결국 에너지를 절감할 수 있는 기술로서 산업분야 전반에서 새롭게 부각되고 있다. 여기서 컷팅 툴을 혼(horn)이라 하는데, 이러한 혼(horn)의 설계는 이론적으로 혼의 길이를 계산한 후, 유한 요소 모델을 가지고 진동 모드와 고유 주파수를 해석하여 혼의 형상과 치수 및 길이를 결정하는 방법이 가장 많이 사용되고 있다.

상기 유한 요소법을 바탕으로 실제 가공한 혼의 성능은 해석 결과와 어느 정도 차이가 발생하기 때문에 정확하게 혼을 조정하기 위해, 수정 가공을 하고 성능을 평가하는 과정을 여러 번 반복하여 제조한다.

본원에서는 종 방향 모드로 공진하는 고유 진동수 40,000hz를 가지는 컷팅 툴을 진동 방정식을 이용하여, 혼의 길이를 결정하고 모델 해석을 수행했다.

종래의 초음파를 이용한 식품 컷팅 툴은 사용하고자 하는 재질에 따른 온도의 차이와 사용시 식품 잔여물이 남아 위생적이지 못하고, 처리 속도 또한 느리며 툴의 강도도 약하다는 문제점으로 인해 다양하게 사용되지 못하고, 초음파를 이용한 컷팅은 산업 전반에 사용되고 있지만, 식품 전용으로는 많이 사용되지 않고 있어, 식품 절단을 위한 초음파 식품 컷팅 툴의 개발이 절실히 요구되었다. 즉 식품 종류에 상관없는 컷팅이 이루어지고, 식품 잔여물이 발생하지 않아 기존의 컷팅보다 안전할 뿐 아니라, 훨씬 위생적이며, 쉽고 빠르게 작업할 수 있는 컷팅 툴을 필요로 하게 되었다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 초음파 식품 컷팅 툴의 소재는 음향학적 성질이 뛰어나고 강도가 우수한 티타늄 합금을 사용하는데, 상기 티타늄은 툴 자체가 부스터와 공진이 잘 이루어지며 내구성 측면에서 장점이 있다. 또한, 부재에 따른 공구의 제한과 온도 차이와 식품 잔여물이 남는 문제점이 없어 식품 가공시 더욱 많이 사용될 것이다.

따라서 본 발명의 초음파를 이용한 식품 컷팅 툴은 전기 에너지를 진동 에너지로 변환하는 진동자와 진폭을 감소 또는 증폭하는 부스터가 특정 주파수에 맞추어 사용된다. 상기 초음파 혼은 최대 증폭된 진폭으로 접합 및 컷팅 제품에 진동 에너지를 직접 전달하는 역할을 하며, 툴의 치수 및 형상은 작업물의 크기에 따라 정해지는데 절단을 용이하게 하기 위해 더욱 정밀하게 제조할 필요가 있다.

상기 초음파 혼의 제조는 대략 혼의 길이를 계산하고 진동 모드와 고유 주파수를 계산하여 형상과 치수를 결정하여 제조하고 있는데, 이론적인 결과와 실제 제조한 혼은 차이가 있으므로 최상의 혼(horn)을 조정하기 위해 수회의 유한요소 해석을 수행한다.

본원에서는 종방향 모드로 공진하는 고유 진동수 40,000hz를 가지는 컷팅 툴을 진동 방정식을 이용하여 길이를 결정하여 제조하였다.

따라서 본 발명의 초음파를 이용한 식품 컷팅 툴은 외부 전원으로부터 50 내지 60Hz의 전기 에너지를 제공하는 파워 서플라이와, 상기 파워 서플라이로부터 출력되는 전기에너지를 기계적 진동 에너지로 변환하는 진동자와, 상기 진동자로부터 출력되는 신호의 진폭을 증가 또는 감소시키는 부스터와, 상기 부스터와 접합 되어 신호가 전달되는 툴을 포함하며, 상기 툴의 길이는 진동 방정식을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 초음파를 이용한 식품 컷팅 툴의 상기 기계적 진동 에너지는 20,000Hz 내지 40,000Hz, 특히 모달 해석과 주파수 응답 해석에서는 공진이 발생하도록 하는 40,000Hz에 근접한 고유 진동수를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 초음파를 이용한 식품 컷팅 툴의 재질은 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 초음파를 이용한 식품 컷팅 툴은 식품의 잔여물이 생기지 않고 종래의 방법보다 안전하게 가공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 컷팅기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 혼을 제조하기 위한 설계도면을 나타내는 도면이다.
도 3은 도의 변수b를 23mm로 설정하고 9,10,11,12,13 모드로 나타낸 도면이다.
도 4는 컷팅 툴의 주파수 응답을 나타내는 도면이다.

이하 도면을 참조로 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 초음파 컷팅 및 접합 처리의 구성을 나타내는 도면으로서, 도시된 바와 같이 입력으로서 파워 서플라이에 50Hz 내지 60Hz의 전기에너지를 가하면, 상기 파워 서플라이를 통과한 전기에너지는 20,000Hz 내지 40,000hz의 진동에너지로 진동자를 통해 변화하게 된다. 이어서 상기 진동자는 진폭을 감소 또는 증폭시키는 부스터에 연결되고, 상기 부스터는 진동 주파수로 혼을 때리는데 이때 공명이 발생하고 이를 이용하여 식품을 컷팅하는 것이다.

상기와 같이 식품을 컷팅하는 초음파 툴은 이론적으로 대략 혼의 길이를 계산한 후 유한 요소 모델을 가지고 진동 모드와 고유 주파수를 해석하여 툴의 형상과 치수를 결정하는 방법이 가장 많이 사용되고 있다. 유한 요소법을 바탕으로 실제 가공한 툴의 성능은 해석 결과와 어느 정도 차이가 발생하기 때문에 정확하게 기구를 조정하기 위해 가공 후 주파수 분석과 내구성 시험을 거친다.

또한, 초음파 컷팅 툴의 주요 기능은 사용자가 원하는 수준의 진폭을 얻을 수 있도록 진동을 진폭하고 진동자에서 발생한 진동 에너지를 사용재에 전달하는 역할을 한다.

상기 초음파 기구는 통상 반파장의 공명체로서 그 재질은 일반적으로 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금중 하나가 사용되고 있는데, 그 중에서도 음향학적 성질과 강도가 우수한 티타늄 합금이 널리 사용되고 있다.

아래의 표 1에서는 본 발명에 사용된 티타늄 합금의 물성치를 나타낸다.

성질
밀도	4.42g/㎠
프아송의비	0.31
영률	120Gpa

본 발명에 따른 식품 컷팅 툴의 혼(horn)은 진동자에서 부여되는 주파수는 40.000Hz로 고정되어 있어, 이 주파수에서 공진이 발생하도록 진동 방정식에 의한 아래의 식(1), (2)를 통해 혼의 끝 부분에서 최대 변위의 진폭을 갖는 대략적인 혼의 길이를 정했다

식 (1)

식 (2)

또한, 혼의 형상은 일반적으로 진동자에 부여되는 주파수가 40,000Hz로 고정되어 있으므로 본 원에서는 주파수 공진이 발생하도록 봉의 진동 방정식을 통해 기구의 전체 길이를 62mm 로 설정하여 제조하였다.

또한, 부스터와 맞닿는 툴의 입력면 직경은 부스터와 같은 28mm, 상기 부스터와 체결 직경은 8mm로 정했으며, 툴의 스텝부분에서 발생하는 집중 응력을 최소화하기 위해 R을 주었다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 툴의 형상변수 b에 따라 툴의 고유진동수가 변화하므로 고유 주파수 40,000Hz에 근접한 고유 진동수를 갖도록 b를 정수배 만큼 변화시키며, 모델해석을 하였는데 그 결과는 표 2와 같다.

no.	길이	고유 주파수
1	21	38,422
2	22	39,211
3	23	39,863
4	24	40,645
5	25	41,467

도 3의 (a) 내지 (e)는 도 2의 형상 변수b를 23mm로 하였을 때 9, 10,11, 12, 13차 모드를 나타낸 것이며, 11차 모드 (c)에서 40,000Hz에 가장 근접한 39,863Hz의 결과를 가지는 것을 나타낸다.

도 4는 상기 모델 해석을 결과로 컷팅 툴의 입력 면을 30,000Hz 내지 50,000Hz까지의 주파수의 가했을 때, 출력부의 주파수 응답 해석을 수행한 것으로 도시처럼 39,867Hz의 주파수 응답에서 양호한 것을 확인할 수 있었다. 즉 모델 해석에서는 39,863Hz 주파수 응답 해석에서는 모델 해석과 유사하게 39,867Hz의 주파수 응답을 확인할 수 있었다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 당업자라면 다양한 변형실시가 가능하다.

본 발명의 초음파를 이용한 식품 컷팅 기구는 식품의 종류나 형상에 제한받지 않아 모든 식품 컷팅에 적용 및 이용이 가능하다.

Claims (3)

1. 초음파를 이용한 식품 컷팅 툴에 있어서,
   외부 전원으로부터 50Hz 내지 60Hz의 전기에너지를 제공하는 파워 서플라이와,
   상기 파워 서플라이로부터 출력되는 전기에너지를 기계적 진동 에너지로 변환하는 진동자와,
   상기 진동자로부터 출력되는 신호의 진폭을 증가 또는 감소시키는 부스터와,
   상기 부스터와 접합 되어 신호가 전달되는 툴을 포함하며,
   상기 툴의 길이는 진동 방정식을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 식품 컷팅 툴.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 기계적 진동 에너지는 40,000Hz, 특히 모달 해석과 주파수 응답 해석에서는 공진이 발생하도록 40,000Hz에 근접한 고유 진동수를 가지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 식품 컷팅 툴.
3. 제 1항에 있어서
   상기 툴의 재질은 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 식품 컷팅 툴.

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