KR20170057658A - 고효율 초음파 진동자 - Google Patents

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KR20170057658A
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최영희
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Abstract

본 발명은 초음파 진동자에 관한 것으로서, 특히 저전압, 저전력으로 높은 주파수에서도 큰 진동폭을 얻을 수 있고 발열을 감소시켜 주파수 제어비용과 전원비용을 절약할 수 있는 고효율 초음파 진동자에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 전방 혼부, 상기 전방 혼부보다 넓은 폭으로 연장되는 제1 확장 혼부, 상기 제1 확장 혼부보다 넓은 폭으로 연장되는 제2 확장 혼부, 상기 제2 확장 혼부보다 좁은 폭으로 연장되는 압전 세라믹 체결부가 구성되는 탄성체; 및 상기 탄성체의 압전 세라믹 체결부 외면에 설치되어 전기에 의해 진동하는 압전 세라믹; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고효율 초음파 진동자를 제공한다.

Description

고효율 초음파 진동자{High efficiency ultrasonic vibrator}
본 발명은 초음파 진동자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저전압, 저전력으로 높은 주파수에서도 큰 진동폭을 얻을 수 있고 발열을 감소시켜 주파수 제어비용과 전원비용을 절약할 수 있는 고효율 초음파 진동자에 관한 것이다.
종래 기술로서 초음파가 고르게 출력되어 고른 음압분포를 얻을 수 있도록 압전소자. 진동출력몸체, 하우징, 패킹을 포함하여 구성되는 초음파 진동자가 개발된 바 있다(KR 특허 0986586 참조).
상기 초음파 진동자는, 압전소자가 전원을 공급받아 진동하고, 진동출력몸체는 압전소자가 삽입되어 부착되는 압전소자삽입홀이 형성되어 있되 압전소자가 진동하더라도 압전소자의 측면이 접촉되지 않는 크기로 형성되어 있다.
그리고, 하우징은 진동출력몸체의 상부에 결합되어 진동출력몸체의 압전소자삽입홀을 차단하고, 압전소자에 전원을 인가하기 위한 전선이 연결되어 있고, 패킹은 진동출력몸체와 하우징 사이에 위치되어 압전소자삽입홀을 외부와 차단하도록 구성된다.
그러나, 이러한 기존의 초음파 진동자는 단순 원통형 구조로 이루어져 있어서 고른 음압분포를 얻을 수는 있지만, 높은 주파수(200kHz 이상)에서 큰 진동폭을 구현시킬 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 저전력 구동이 어려워 발열 현상에 의해 고유주파수가 쉽게 변화되어 회로에서 구동주파수를 고정시켜 구동시킬 수 없으므로 주파수 피드백 제어 등 별도의 제어비용과 전원비용을 절약할 수 없는 문제점이 있었다.
KR 특허 0986586 (2010.10.03)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 다층 구조의 혼부에 의해 높은 주파수(200kHz 이상)에서 큰 진동폭을 얻을 수 있고 저전압, 저전력 구동으로 발열 현상을 억제하여 구동주파수를 고정시켜 구동할 수 있어서 주파수 피드백 제어 등 별도의 제어비용과 전원비용을 절약할 수 있는 고효율 초음파 진동자를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고효율 초음파 진동자는 전방 혼부, 상기 전방 혼부보다 넓은 폭으로 연장되는 제1 확장 혼부, 상기 제1 확장 혼부보다 넓은 폭으로 연장되는 제2 확장 혼부, 상기 제2 확장 혼부보다 좁은 폭으로 연장되는 압전 세라믹 체결부가 구성되는 탄성체; 및 상기 탄성체의 압전 세라믹 체결부 외면에 설치되어 전기에 의해 진동하는 압전 세라믹; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 압전 세라믹은 원주 방향으로 진동을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 압전 세라믹은 압전 세라믹 체결부에 간격을 두고 링 형태로 설치되는 것을 특징으로 한다.
대안적으로, 상기 탄성체는 전방 혼부, 제1 확장 혼부, 제2 확장 혼부, 압전 세라믹 체결부를 중앙으로 관통하는 오리피스 홀이 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 압전 세라믹 체결부에 결합되어 압전 세라믹을 커버하는 후방 혼부가 더 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전 세라믹 체결부에 결합되어 후방 혼부를 고정하는 클램핑 볼트부가 더 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 고효율 초음파 진동자는 다음과 같은 유용한 효과를 발휘한다.
첫째, 전방의 혼부들이 다층 구조를 이루어 진동폭이 수십 내지 수백 배 증폭되므로 높은 주파수(200kHz 이상)에서도 큰 진동폭을 구현시킬 수 있다.
둘째, 전방의 혼부들이 다층 구조를 이루어 저전압, 저전력에서도 구동이 가능하기 때문에 발열을 감소시켜 고유주파수의 변화를 최소화시킬 수 있다.
셋째, 진동자의 고유주파수 변화가 최소화되면 회로에서 구동주파수를 고정시켜 구동시킬 수 있으므로 주파수 피드백(feedback) 제어 및 별도의 주파수 제어비용을 줄일 수 있다.
넷째, 저전압, 저전력 구동이 가능하기 때문에 구동회로에서의 전원비용을 절약할 수 있어서 경제적인 효과를 추가로 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고효율 초음파 진동자를 나타내는 사시도와 측면도;
도 2는 본 발명에 따른 고효율 초음파 진동자를 나타내는 단면도;
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 고효율 초음파 진동자의 진동 변위량을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭이 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고효율 초음파 진동자를 나타내는 사시도와 측면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 고효율 초음파 진동자를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 고효율 초음파 진동자는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 축대칭 구조로 탄성체(100) 및 압전 세라믹(200)을 포함하여 구성된다.
탄성체(100)는 금속 재질로 이루어지며 전방 혼부(110), 제1 확장 혼부(120), 제2 확장 혼부(130) 및 압전 세라믹 체결부(140)를 포함하여 구성된다.
전방 혼부(Front horn part)(110)는 가늘고 긴 끝단 부분으로 전후 진동변위 발생량이 가장 큰 부분이다.
제1 확장 혼부(120)는 상기 전방 혼부(110)로부터 전방 혼부보다 넓은 폭으로 연장되고, 전방 혼부(110)와의 경계면(전면부)를 따라 실질적 변위가 거의 0인 노달 라인(Nodal line)을 형성한다.
제2 확장 혼부(130)는 상기 제1 확장 혼부(120)로부터 제1 확장 혼부보다 넓은 폭으로 연장되고, 제1 확장 혼부(120)와의 경계면(전면부)를 따라 실질적 변위가 거의 0인 노달 라인(Nodal line)을 형성한다.
즉, 전방 혼부(110), 제1 확장 혼부(120) 및 제2 확장 혼부(130)로 인해 외형상 혼부 전체가 2개 이상의 다층 구조를 가지며, 제3 확장 혼부, 제4 확장 혼부 등으로 필요에 따라 그 층수를 늘릴 수 있음은 물론이다.
압전 세라믹 체결부(140)는 후술할 압전 세라믹(200)이 결합되는 부분으로, 상기 제2 확장 혼부(130)로부터 제2 확장 혼부(130)보다 좁은 폭으로 연장된다.
이때, 상기 압전 세라믹 체결부(140)는 제1 확장 혼부(120)보다도 좁은 폭으로 연장되는 것이 바람직하다.
압전 세라믹(Piezoelectric ceramic)(200)은 예를 들어 링(중공의 디스크) 형태로 상기 탄성체(100)의 압전 세라믹 체결부(140) 외면에 설치되어 전기에 의해 진동한다.
상기 압전 세라믹(200)은 여러 개가 적층(도면에서는 일 실시예로 2개가 적층)될 수 있으며, 단순히 세라믹 자체만을 의미하기 보다는 전기적 신호가 입력되는 구동전극(210)과 접지전극(220)을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
여기서, 상기 압전 세라믹(200)은 도 2에 도시된 바와 같이, 압전 세라믹(200)의 두께 방향이 아닌 원주 방향(둘레쪽 방향)으로 진동을 발생시키는 것이 바람직하다.
이를 위해, 압전 세라믹(200)은 원주 방향(둘레쪽 방향)의 진동변위 발생시 원활한 변형과 냉각을 위한 필요 공간을 형성하기 위해 상기 압전 세라믹 체결부(140)와 간격을 두고 결합되는 것이 바람직하다.
대안적으로, 상기 탄성체(100)는 노즐로 사용시 유체의 공급로 내지 진동변위 발생시 원활한 변형과 냉각을 위한 필요 공간을 위해 전방 혼부(110), 제1 확장 혼부(120), 제2 확장 혼부(130), 압전 세라믹 체결부(140)를 중앙으로 관통하는 오리피스 홀(H)이 구비될 수 있으나, 오리피스 홀(H)이 없이 설계될 수도 있다.
그리고, 상기 탄성체(100)는 압전 세라믹 체결부(140)에 결합되어 압전 세라믹(200)을 후방에서 커버하는 후방 혼부(150)가 더 구성될 수 있다.
또한, 상기 압전 세라믹 체결부(140)에 결합되어 후방 혼부(150)를 후방에서 고정하는 클램핑 볼트부(Clamping bolt part)(300)가 더 구성된다.
상기 후방 혼부(150)는 도면에서 본 발명의 일 실시예로서 클램핑 볼트부(300)의 전면 테두리에 안착된 상태로 압전 세라믹(200)을 커버하고 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 고효율 초음파 진동자는 두께보다 직경이 큰 중공구조와 같은 링 또는 디스크 형상의 압전 세라믹(200)에 전기신호를 원주 방향으로 진동하는 공진주파수에 맞추어 입력하면 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 진동변위가 발생된다.
그리고, 이러한 진동이 탄성체(100)로 전달되면서 전방 혼부(110)와 확장 혼부들(120,130)의 진동변위가 최대로 증폭되는데, 증폭된 변위는 수십㎛의 진동폭(Vibration amplitude)을 가진다.
여기서, 압전 세라믹(200) 주변에 탄성체(100), 특히 혼부들을 2개 이상의 다층 구조로 배치하고 원주방향 진동을 발생시켜 전기에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 초음파 진동자의 효율을 극대화(진동폭을 수십에서 수백 배 증폭)시킴으로써, 높은 주파수(200kHz 이상)에서도 저전압, 저전력으로 큰 진동폭을 구현할 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 발열을 감소시켜 고유주파수의 변화를 최소화시킬 수 있으므로 주파수 피드백(feedback) 제어 및 별도의 주파수 제어비용을 줄일 수 있다.
즉, 본 발명의 초음파 진동자는 에너지 효율이 높아서 발열이 적고 기존 두께방향 진동(1.6MHz)보다는 낮은 원주방향 동작주파수이지만 상대적으로 높은 주파수(200kHz 이상)에서 큰 진동폭으로 동작이 가능할 뿐만 아니라, 다층 구조의 탄성체(100)로 인해 열이 방열되어 일반적인 공기흐름에 의해서도 냉각이 가능함은 물론이고 저전압, 저전력 구동이 가능하기 때문에 구동회로에서의 전원비용을 절약할 수 있는 것이다.
이와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술분야에 있어 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수 있다.
100...탄성체 110...전방 혼부
120...제1 확장 혼부 130...제2 확장 혼부
140...압전 세라믹 체결부 150...후방 혼부
200...압전 세라믹 300...클램핑 볼트부
H...오리피스 홀

Claims (6)

  1. 전방 혼부,
    상기 전방 혼부보다 넓은 폭으로 연장되는 제1 확장 혼부,
    상기 제1 확장 혼부보다 넓은 폭으로 연장되는 제2 확장 혼부,
    상기 제2 확장 혼부보다 좁은 폭으로 연장되는 압전 세라믹 체결부가 구성되는 탄성체; 및
    상기 탄성체의 압전 세라믹 체결부 외면에 설치되어 전기에 의해 진동하는 압전 세라믹; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고효율 초음파 진동자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 세라믹은 원주 방향으로 진동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 고효율 초음파 진동자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 세라믹은 압전 세라믹 체결부에 간격을 두고 링 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 고효율 초음파 진동자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성체는 전방 혼부, 제1 확장 혼부, 제2 확장 혼부, 압전 세라믹 체결부를 중앙으로 관통하는 오리피스 홀이 구비되는 것을 특징으로 하는 고효율 초음파 진동자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 세라믹 체결부에 결합되어 압전 세라믹을 커버하는 후방 혼부가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 고효율 초음파 진동자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 세라믹 체결부에 결합되어 후방 혼부를 고정하는 클램핑 볼트부가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 고효율 초음파 진동자.
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