KR20230111046A - Ultrasonic Antifouling Apparatus capable of Generating Omnidirectional Multi-frequency Ultrasonic wave and Method for Manufacturing the Same - Google Patents
Ultrasonic Antifouling Apparatus capable of Generating Omnidirectional Multi-frequency Ultrasonic wave and Method for Manufacturing the Same Download PDFInfo
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Abstract
다양한 크기의 미생물에 초음파를 전달할 수 있고, 전방위로 균질한 초음파를 발생시킬 수 있는 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치 및 이의 제조방법이 개시된다. 이는 돔 형태와 돔 형태의 가장자리로부터 일체로 연장되어 형성된 테두리를 갖는 두 개의 압전 세라믹 진동자를 서로 접합하여 구 또는 회전 타원체 형태의 압전 세라믹 진동자를 형성함으로써, 초음파가 수중에서 전방위로 방사되도록 할 수 있다. 따라서, 종래의 일방향 또는 양방향으로만 방사되는 초음파 방오장치에 비해 초음파 방사 범위를 광범위하게 확대할 수 있다. 또한, 다수의 주파수가 교번적으로 입력되어, 다양한 진동모드를 교번적으로 사용할 수 있기 때문에 수중에서 전파되는 초음파 에너지를 균질하게 전파할 수 있으며, 다양한 크기의 균류에 대응할 수 있어 방오 효율을 향상시킬 수 있다.An ultrasonic antifouling device capable of transmitting ultrasonic waves to microorganisms of various sizes and capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves capable of generating homogeneous ultrasonic waves in all directions and a manufacturing method thereof are disclosed. This is to form a piezoelectric ceramic vibrator in the form of a sphere or spheroid by joining two piezoelectric ceramic vibrators having a dome shape and a rim integrally extended from the edge of the dome shape to each other, so that ultrasonic waves can be radiated in all directions in the water. Therefore, compared to conventional ultrasonic anti-fouling devices that emit only in one direction or in both directions, the ultrasonic radiation range can be broadly expanded. In addition, since a plurality of frequencies are alternately input and various vibration modes can be used alternately, ultrasonic energy propagating in water can be homogeneously propagated, and antifouling efficiency can be improved by responding to fungi of various sizes.
Description
본 발명은 초음파 방오장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전방위로 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic anti-fouling device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to an ultrasonic anti-fouling device capable of generating multi-frequency ultrasonic waves in all directions and a manufacturing method thereof.
초음파기술은 의료 및 산업, 환경처리 분야에 널리 사용되고 있다. 최근, 따개비는 선박에 부착되는 생물막(biofilm)에 의해 사이프리드 단계에서 성장하게 되어 선박이나 잠수함 표면에 부착됨으로서 선박 운행시 연료소비를 증가시는 문제를 발생시키고 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여 선박표면에 독성의 페인트를 도포하여 운행하였으나 해양생태계를 악화시키는 문제로 현재는 사용이 허가되지 않고 있다.Ultrasound technology is widely used in medical, industrial and environmental treatment fields. Recently, barnacles grow in the cyprid stage by a biofilm attached to ships, and are attached to the surface of ships or submarines, causing a problem in increasing fuel consumption during ship operation. In order to prevent this problem, toxic paint was applied to the surface of the ship and operated, but it is currently not permitted to use it due to a problem that deteriorates the marine ecosystem.
최근에는 초음파에 의하여 사이프리드 단계를 제거하는 효과가 확인되어 란쥬반 형태의 일방향성 압전진동자를 선박 안쪽벽에 부착하여 선박의 표면에 초음파 진동을 일으키는 방법이 사용되고 있으나, 불필요한 가청주파수가 발생하며 선박의 선체 두께나 재질에 사용의 한계를 갖고 있다. 또한, 선박에 초음파의 음향발생기를 부착하여 방오를 하는 방법도 상용화 되어 있으나, 이러한 경우 초음파의 충분한 음압이 제공되지 못하여 큰 효과를 거두지 못하고 있으며, 초음파의 지향성으로 인하여 전방위의 방오가 불가능한 단점이 있다. 더욱이, 사이프리드를 제거하는데 효율적인 메커니즘은 초음파가 물속에서 진행할 때 발생하는 캐비테이션효과에 의해 발생하므로 단순한 초음파의 약한 파형을 방사시키는 방법으로는 완벽한 방오가 불가능하다.Recently, the effect of removing the cyprid step by ultrasonic waves has been confirmed, and a method of generating ultrasonic vibration on the surface of the ship by attaching a unidirectional piezoelectric vibrator in the form of a Lanjuvan to the inner wall of the ship has been used. In addition, a method of antifouling by attaching an ultrasonic sound generator to a ship has also been commercialized, but in this case, it is not possible to achieve a great effect because sufficient sound pressure of ultrasonic waves is not provided, and antifouling in all directions is impossible due to the directivity of ultrasonic waves. There is a disadvantage. Moreover, since an effective mechanism for removing cyprid is caused by the cavitation effect generated when ultrasonic waves propagate in water, perfect antifouling is impossible by simply emitting weak waves of ultrasonic waves.
한편, 하천의 녹조역시 남조류의 번식에 의하여 발생하게 된다. 이러한 남조류는 하천의 물 상부층에 초음파를 발생시킬 경우, 초음파의 음압에 의해 조류가 상층부에 도달하는 것을 방지하여 햇빛과의 접촉을 차단시킴으로써 괴사시킬 수 있다. 또한, 초음파 에너지가 남조류의 가스수포를 파괴할 수 있기 때문에, 남조류가 이동하여 성장하는 것을 방지할 수 있어 초음파를 이용한 초음파 방오장치가 사용되고 있다. 허나, 현재 사용되고 있는 초음파 방오장치는 초음파가 일방향 또는 양방향으로만 전파되기 때문에 전방위의 방오가 불가능한 단점이 있다.On the other hand, green algae in rivers are also caused by the propagation of blue-green algae. When ultrasonic waves are generated in the upper layer of water in a river, these blue-green algae can be necrotic by blocking contact with sunlight by preventing the algae from reaching the upper layer by the negative pressure of the ultrasonic wave. In addition, since ultrasonic energy can destroy gas blisters of blue-green algae, it is possible to prevent blue-green algae from moving and growing, so an ultrasonic antifouling device using ultrasonic waves is used. However, currently used ultrasonic antifouling devices have a disadvantage in that antifouling in all directions is impossible because ultrasonic waves propagate only in one direction or in both directions.
도 1은 종래의 초음파 방오장치를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a conventional ultrasonic antifouling device.
도 1을 참조하면, 종래의 초음파 방오장치는 주로 도 1(a)에서와 같이, 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자가 사용된다. 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자(10)는 1 쌍의 금속 블록(11,12) 사이에 분극이 완료된 압전 소자(13)를 끼우고, 볼트(14)를 사용하여 금속 블록(11,12)을 서로 단단히 조인 구조를 갖는다. 허나, 이러한 란쥬반형 초음파 진동자(10)는 도 1(b)에서와 같이, 일방향으로만 초음파를 발생시키기 때문에 전방위의 방오가 불가능한 단점이 있다.Referring to Figure 1, the conventional ultrasonic anti-fouling device is mainly used, as shown in Figure 1 (a), a bolt-on Lanjuvan type ultrasonic vibrator. The bolt-tight Lanjuvan type ultrasonic vibrator 10 has a structure in which a polarized piezoelectric element 13 is sandwiched between a pair of metal blocks 11 and 12, and the metal blocks 11 and 12 are tightly fastened to each other using bolts 14. However, as shown in FIG. 1(b), such a Lanjuban-type ultrasonic vibrator 10 has a disadvantage in that antifouling in all directions is impossible because it generates ultrasonic waves only in one direction.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다양한 크기의 미생물에 초음파를 전달할 수 있고, 전방위로 균질한 초음파를 발생시킬 수 있는 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide an ultrasonic antifouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves capable of transmitting ultrasonic waves to microorganisms of various sizes and generating homogeneous ultrasonic waves in all directions, and a manufacturing method thereof.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치는 돔 형태를 갖는 두 개의 압전 세라믹 진동자가 서로 접합되어 수중에서 전방위로 초음파를 발생시키는 초음파 발생부 및 상기 초음파 발생부의 동작을 제어하고, 상기 초음파 발생부를 이동시키는 제어부를 포함한다.In order to solve the above problems, the ultrasonic anti-fouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves of the present invention includes an ultrasonic generator for generating ultrasonic waves in all directions in water by bonding two piezoelectric ceramic vibrators having a dome shape to each other, and a controller for controlling the operation of the ultrasonic generator and moving the ultrasonic generator.
상기 초음파 발생부는, 돔 부위를 갖고, 상기 돔 부위의 가장자리에 소정 두께의 테두리가 형성된 제1 압전 세라믹 진동자 및 상기 제1 압전 세라믹 진동자와 동일한 형태 및 동일한 크기를 갖는 제2 압전 세라믹 진동자를 포함하고, 상기 제1 압전 세라믹 진동자와 상기 제2 압전 세라믹 진동자는 각각의 상기 돔 부위가 서로 반대 방향을 바라보도록 서로 접합될 수 있다.The ultrasonic generator may include a first piezoelectric ceramic vibrator having a dome portion and a rim of a predetermined thickness formed at an edge of the dome portion, and a second piezoelectric ceramic vibrator having the same shape and same size as the first piezoelectric ceramic vibrator, and the first piezoelectric ceramic vibrator and the second piezoelectric ceramic vibrator may be bonded to each other so that the dome portions face opposite directions.
상기 제1 압전 세라믹 진동자 및 상기 제2 압전 세라믹 진동자는 각각의 테두리가 서로 접하도록 접합될 수 있다.The first piezoelectric ceramic vibrator and the second piezoelectric ceramic vibrator may be bonded such that respective edges are in contact with each other.
상기 제1 압전 세라믹 진동자와 상기 제2 압전 세라믹 진동자 사이에 배치된 링 타입의 연결부재를 더 포함할 수 있다.A ring-type connecting member disposed between the first piezoelectric ceramic vibrator and the second piezoelectric ceramic vibrator may be further included.
상기 연결부재는 내측 중앙 부위가 돌출되도록 내측 주변 부위에 형성된 안착홈을 포함하고, 상기 제1 압전 세라믹 진동자와 상기 제2 압전 세라믹 진동자는 상기 안착홈에 각각 안착되어 상기 연결부재와 접합될 수 있다.The connection member may include a seating groove formed on an inner peripheral portion such that an inner central portion protrudes, and the first piezoelectric ceramic vibrator and the second piezoelectric ceramic vibrator may be respectively seated in the seating groove and bonded to the connection member.
상기 연결부재는 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸, 타이타늄 또는 타이타늄 합금 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.The connecting member may be formed of any one of aluminum, aluminum alloy, stainless steel, titanium or titanium alloy.
상기 제1 압전 세라믹 진동자 및 상기 제2 압전 세라믹 진동자는 돔 형상을 가지되, 단면이 각각 원 형태를 가질 수 있다.The first piezoelectric ceramic vibrator and the second piezoelectric ceramic vibrator may each have a dome shape and a circular cross section.
상기 제1 압전 세라믹 진동자 및 상기 제2 압전 세라믹 진동자는 돔 형상을 가지되, 단면이 각각 타원 형태를 가질 수 있다.The first piezoelectric ceramic vibrator and the second piezoelectric ceramic vibrator may have a dome shape, and cross sections may each have an elliptical shape.
상기 초음파 발생부는 다수의 공진 주파수에 의한 초음파를 교번적으로 발생시킬 수 있다.The ultrasonic generator may alternately generate ultrasonic waves at a plurality of resonant frequencies.
상기 다수의 공진 주파수는 제1 공진 주파수, 제2 공진 주파수 및 제3 공진 주파수를 포함하고, 상기 제2 공진 주파수 및 상기 제3 공진 주파수는 상기 제1 공진 주파수의 홀수 배를 가질 수 있다.The plurality of resonant frequencies may include a first resonant frequency, a second resonant frequency, and a third resonant frequency, and the second resonant frequency and the third resonant frequency may have an odd multiple of the first resonant frequency.
상기 초음파 발생부의 외부 표면은 폴리우레탄에 금속 또는 세라믹 분말이 혼합된 복합체를 이용하여 코팅될 수 있다.The outer surface of the ultrasonic generator may be coated using a composite in which metal or ceramic powder is mixed with polyurethane.
상기 서로 접합된 두 개의 압전 세라믹 진동자 내부에는, 내부로 방사되는 초음파를 흡수하기 위해 채워진 흡음제를 포함할 수 있다.Inside the two piezoelectric ceramic vibrators bonded to each other, a sound absorber filled to absorb ultrasonic waves radiated therein may be included.
상기 초음파 발생부는 분말사출성형(Powder Injection Molding)법을 이용하여 제조될 수 있다.The ultrasonic generator may be manufactured using a powder injection molding method.
상기 제어부는 상기 제어부의 전원공급을 위한 배터리 또는 태양광충전부를 포함할 수 있다.The control unit may include a battery or solar charger for supplying power to the control unit.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치의 제조방법은 돔 부위를 갖고, 상기 돔 부위의 가장자리에 소정 두께의 테두리가 형성된 두 개의 압전 세라믹 진동자가 서로 접합되어, 수중에서 전방위로 초음파를 발생시키는 초음파 발생부를 제조하는 단계 및 상기 초음파 발생부의 동작을 제어하고, 상기 초음파 발생부를 이동시키는 제어부를 상기 초음파 발생부와 연결하는 단계를 포함한다.In order to solve the above problems, the method of manufacturing an ultrasonic anti-fouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves according to the present invention includes the steps of manufacturing an ultrasonic generator that generates ultrasonic waves in all directions in water by bonding two piezoelectric ceramic vibrators having a dome and having a rim of a predetermined thickness formed on the edge of the dome, and connecting a control unit that controls the operation of the ultrasonic generator and moves the ultrasonic generator with the ultrasonic generator.
상기 초음파 발생부를 제조하는 단계는, 상기 두 개의 압전 세라믹 진동자를 분말사출성형법을 이용하여 동일한 형태 및 동일한 크기로 제조하는 단계 및 상기 제조된 두 개의 압전 세라믹 진동자를 서로 접합하는 단계를 포함할 수 있다.The manufacturing of the ultrasonic generator may include manufacturing the two piezoelectric ceramic vibrators having the same shape and size using a powder injection molding method and bonding the two manufactured piezoelectric ceramic vibrators to each other.
상기 두 개의 압전 세라믹 진동자를 서로 접합하는 단계에서, 상기 두 개의 압전 세라믹 진동자의 테두리가 서로 접하도록 접합될 수 있다.In the bonding of the two piezoelectric ceramic vibrators, edges of the two piezoelectric ceramic vibrators may be bonded to each other.
상기 두 개의 압전 세라믹 진동자를 서로 접합하는 단계에서, 상기 두 개의 압전 세라믹 진동자 사이에 배치되고, 내측 중앙 부위가 돌출되도록 내측 주변 부위에 안착홈이 형성된 링 타입의 연결부재를 더 포함하되, 상기 두 개의 압전 세라믹 진동자는 상기 안착홈에 각각 안착되어 상기 연결부재와 접합될 수 있다.In the step of bonding the two piezoelectric ceramic vibrators to each other, a ring-type connecting member disposed between the two piezoelectric ceramic vibrators and having a seating groove formed at an inner peripheral portion such that an inner central portion protrudes, wherein the two piezoelectric ceramic vibrators may be seated in the seating groove and bonded to the connecting member.
상기 분말사출성형법은, PZT 분말 및 결합제를 용매와 혼합한 후, 냉각하여 사출성형용 펠렛으로 분쇄하는 혼합 단계, 상기 분쇄된 펠렛을 사출성형 금형에 투입한 후, 용융 및 사출 성형하여 사출성형물을 형성하는 단계 사출성형 단계 및 상기 사출성형물로부터 결합제를 제거한 후 소결하여 상기 압전 세라믹 진동자를 형성하는 소결 단계를 포함할 수 있다.The powder injection molding method may include a mixing step of mixing the PZT powder and a binder with a solvent, then cooling them and pulverizing them into pellets for injection molding, a step of injecting the pulverized pellets into an injection molding mold, melting and injection molding to form an injection molding step, and a sintering step of removing the binder from the injection molding object and sintering it to form the piezoelectric ceramic vibrator.
본 발명에 따르면, 돔 형태와 돔 형태의 가장자리로부터 일체로 연장되어 형성된 테두리를 갖는 두 개의 압전 세라믹 진동자를 서로 접합하여 구 또는 회전 타원체 형태의 압전 세라믹 진동자를 형성함으로써, 초음파가 수중에서 전방위로 방사되도록 할 수 있다. 따라서, 종래의 일방향 또는 양방향으로만 방사되는 초음파 방오장치에 비해 초음파 방사 범위를 광범위하게 확대할 수 있다.According to the present invention, by bonding two piezoelectric ceramic vibrators having a dome shape and a rim integrally extending from the edge of the dome shape to form a spherical or spheroidal piezoelectric ceramic vibrator, it is possible to emit ultrasonic waves in all directions underwater. Therefore, compared to conventional ultrasonic anti-fouling devices that emit only in one direction or in both directions, the ultrasonic radiation range can be broadly expanded.
또한, 다수의 주파수가 교번적으로 입력되어, 다양한 진동모드를 교번적으로 사용할 수 있기 때문에 수중에서 전파되는 초음파 에너지를 균질하게 전파할 수 있으며, 다양한 크기의 균류에 대응할 수 있어 방오 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, since a plurality of frequencies are alternately input and various vibration modes can be used alternately, ultrasonic energy propagating in water can be homogeneously propagated, and antifouling efficiency can be improved by responding to fungi of various sizes.
더 나아가, 압전 세라믹 진동자의 표면을 폴리우레탄 및 임피던스 매칭을 위한 금속 또는 세라믹 분말이 혼합된 폴리우레탄 복합체를 이용하여 코팅함으로써 초음파 출력의 손실을 최소화할 수 있다.Furthermore, loss of ultrasonic output can be minimized by coating the surface of the piezoelectric ceramic vibrator with a polyurethane composite in which polyurethane and metal or ceramic powder for impedance matching are mixed.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
도 1은 종래의 초음파 방오장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 초음파 방오장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 초음파 발생부의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 초음파 발생부를 제조하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 초음파 발생부 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 6은 본 발명의 초음파 발생부 제조용 사출성형 금형을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6의 사출성형 금형에 의해 제조된 초음파 발생부를 나타낸 이미지이다.
도 8은 도 6의 사출성형 금형에 의해 제조된 초음파 발생부를 소결한 상태를 나타낸 이미지이다.
도 9는 본 발명의 초음파 발생부의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 초음파 발생부의 제3 실시예를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a conventional ultrasonic antifouling device.
Figure 2 is a view showing the ultrasonic anti-fouling device of the present invention.
3 is a view showing a first embodiment of the ultrasonic generator of the present invention.
4 is a view showing a method of manufacturing a conventional ultrasonic generator.
5 is a process flow chart illustrating a method of manufacturing an ultrasonic generator according to the present invention.
6 is a view showing an injection molding mold for manufacturing an ultrasonic generator according to the present invention.
7 is an image showing an ultrasonic generator manufactured by the injection molding mold of FIG. 6 .
8 is an image showing a state in which the ultrasonic generator manufactured by the injection mold of FIG. 6 is sintered.
9 is a view showing a second embodiment of the ultrasonic generator of the present invention.
10 is a view showing a third embodiment of the ultrasonic generator of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the present invention is susceptible to various modifications and variations, specific embodiments thereof are shown by way of illustration in the drawings and will be described in detail below. However, it is not intended to limit the present invention to the particular form disclosed, but rather the present invention includes all modifications, equivalents and substitutions consistent with the spirit of the present invention as defined by the claims.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.It will be appreciated that when an element such as a layer, region or substrate is referred to as being “on” another element, it may be directly on the other element or intervening elements may exist.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers and/or regions, it will be understood that such elements, components, regions, layers and/or regions should not be limited by these terms.
도 2는 본 발명의 초음파 방오장치를 나타낸 도면이다.Figure 2 is a view showing the ultrasonic anti-fouling device of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 방오장치는 초음파를 발생시키는 초음파 발생부(100) 및 초음파 발생부(100)를 제어하는 제어부(200)를 포함한다.Referring to Figure 2, the ultrasonic anti-fouling device according to the present invention includes an ultrasonic generator 100 for generating ultrasonic waves and a control unit 200 for controlling the ultrasonic generator 100.
초음파 발생부(100)는 돔 형태를 갖는 두 개의 압전 세라믹 진동자(110,120)가 서로 접합된 형태를 가질 수 있다. 즉, 초음파 발생부(100)는 돔 형태를 갖는 두 개의 압전 세라믹 진동자(110,120)가 구 형태 또는 회전 타원 형태를 갖도록 서로 접합될 수 있다. 따라서, 초음파 발생부(100)는 돔 형태를 갖는 제1 압전 세라믹 진동자(110) 및 제2 압전 세라믹 진동자(120)를 포함할 수 있다.The ultrasonic generator 100 may have a shape in which two dome-shaped piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 are bonded to each other. That is, in the ultrasonic generator 100, two piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 having a dome shape may be bonded to each other to have a spherical shape or a rotational ellipse. Accordingly, the ultrasonic generator 100 may include a first piezoelectric ceramic vibrator 110 and a second piezoelectric ceramic vibrator 120 having a dome shape.
여기서, 제1 압전 세라믹 진동자(110)와 제2 압전 세라믹 진동자(120)는 서로 동일한 형태 및 동일한 크기를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the first piezoelectric ceramic vibrator 110 and the second piezoelectric ceramic vibrator 120 have the same shape and the same size.
도 3은 본 발명의 초음파 발생부의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.3 is a view showing a first embodiment of the ultrasonic generator of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 발생부(100)는 돔 형태를 갖는 제1 압전 세라믹 진동자(110) 및 제2 압전 세라믹 진동자(120)가 서로 접합되어 구 형태를 갖도록 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3 , the ultrasonic generator 100 according to the first embodiment of the present invention may be formed to have a spherical shape by bonding a dome-shaped first piezoelectric ceramic vibrator 110 and a second piezoelectric ceramic vibrator 120 to each other.
이때, 제1 압전 세라믹 진동자(110) 및 제2 압전 세라믹 진동자(120)는 돔 부위(101)의 가장자리로부터 일체로 연장되어 형성된 테두리(102)를 포함할 수 있다. 테두리(102)는 돔 부위(101)와 동종의 압전 재질로 형성되되, 소정의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 돔 부위(101)는 전체가 동일한 두께를 갖도록 형성하는 것이 바람직하며, 테두리(102)는 돔 부위(101)의 두께보다 두꺼운 두께를 갖는 것이 바람직하다.In this case, the first piezoelectric ceramic vibrator 110 and the second piezoelectric ceramic vibrator 120 may include an edge 102 integrally extending from the edge of the dome portion 101 . The rim 102 is made of the same piezoelectric material as the dome portion 101 and may have a predetermined thickness. In addition, it is preferable that the entire dome portion 101 is formed to have the same thickness, and the edge 102 preferably has a thickness greater than that of the dome portion 101 .
이러한, 돔 형태를 갖는 압전 세라믹 진동자(110,120)를 제조하기 위해 종래에는 곡면 연삭기를 이용하여 압전 세라믹 진동자를 가공하는 방법이 사용되었다.In order to manufacture the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 having a dome shape, conventionally, a method of processing the piezoelectric ceramic vibrator using a curved grinding machine has been used.
도 4는 종래의 초음파 발생부를 제조하는 방법을 나타낸 도면이다.4 is a view showing a method of manufacturing a conventional ultrasonic generator.
도 4를 참조하면, 종래의 초음파 발생부를 제조하는 방법은 프레스에 의해 성형되어 소결한 벌크 형태의 압전 세라믹 진동자(21)를 곡면 연삭기(22) 등을 이용하여 가공함으로써 원하는 두께와 곡률을 갖는 돔 형태의 압전 세라믹 진동자(21)를 제조하는 방법이 사용된다. 허나, 이러한 곡면 연삭기(22)를 이용한 가공 방법은 곡면 연삭에 의해 압전 세라믹 진동자(21) 표면에 미세균열을 발생시키고, 이러한 미세균열은 압전 세라믹 진동자(21)에 인가된 전계에 의해 수축 팽창시 성장하여 압전 세라믹 진동자(21)의 성능을 악화시키기 때문에 내구성에 한계를 갖는다.Referring to FIG. 4, a conventional method of manufacturing an ultrasonic generator is a method of manufacturing a dome-shaped piezoelectric ceramic vibrator 21 having a desired thickness and curvature by processing a bulk piezoelectric ceramic vibrator 21 molded and sintered by a press using a curved grinding machine 22 or the like. However, the processing method using the curved surface grinding machine 22 generates microcracks on the surface of the piezoelectric ceramic vibrator 21 by grinding the surface, and these microcracks grow during contraction and expansion by the electric field applied to the piezoelectric ceramic vibrator 21, thereby deteriorating the performance of the piezoelectric ceramic vibrator 21, and thus has a limit in durability.
따라서, 본 발명에 따른 초음파 발생부(100)의 제1 압전 세라믹 진동자(110) 및 제2 압전 세라믹 진동자(120)는 각각 분말사출성형(Powder Injection Molding, PIM)법을 이용하여 제조될 수 있다.Accordingly, the first piezoelectric ceramic vibrator 110 and the second piezoelectric ceramic vibrator 120 of the ultrasonic generator 100 according to the present invention may be manufactured using a powder injection molding (PIM) method.
도 5는 본 발명의 초음파 발생부 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.5 is a process flow chart illustrating a method of manufacturing an ultrasonic generator according to the present invention.
도 6은 본 발명의 초음파 발생부 제조용 사출성형 금형을 나타낸 도면이다.6 is a view showing an injection molding mold for manufacturing an ultrasonic generator according to the present invention.
도 7은 도 6의 사출성형 금형에 의해 제조된 초음파 발생부를 나타낸 이미지이다.7 is an image showing an ultrasonic generator manufactured by the injection molding mold of FIG. 6 .
도 8은 도 6의 사출성형 금형에 의해 제조된 초음파 발생부를 소결한 상태를 나타낸 이미지이다.8 is an image showing a state in which the ultrasonic generator manufactured by the injection mold of FIG. 6 is sintered.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 초음파 발생부 제조 방법은 혼합 단계(S410), 사출성형 단계(S420) 및 소결 단계(S430)를 포함할 수 있다.5 to 8 , the manufacturing method of the ultrasonic generator according to the present invention may include a mixing step (S410), an injection molding step (S420), and a sintering step (S430).
혼합 단계(S410)에서는 PZT 분말 및 결합제를 용매와 혼합한 후, 냉각하여 사출성형용 펠렛으로 분쇄한다. 이때, PZT 분말은 Pb(Zr,Ti)O3를 주성분으로 하며, 하소 후 단상의 PZT 분말을 합성한 후 고에너지밀에 의하여 300nm의 입자로 분쇄한 후, 스프레이 드라이어에 의하여 구형분말로 건조하여 준비한다. 그리고, 결합제는 폴리부틸 메타아크릴레이트(PBMA)와 파라핀 왁스(PW)를 적정비로 구성되며, 나머지는 석유계 용매에 용해되는 에틸렌비닐아세테이트(EVA)로 구성된다. 이와 같이 제조된 PZT 분말 및 결합제는 부피비로 약 45 ~ 55% 가 되도록 칭량한 후, 용매와 혼합되어 2개의 밴버리 타입 블레이드가 회전하는 가압식 혼합기(Kneader)내에서 150℃로 약 1시간 동안 혼합한 후 냉각하여 사출성형용 펠렛으로 분쇄하여 조립화하게 된다.In the mixing step (S410), the PZT powder and the binder are mixed with a solvent, cooled, and pulverized into pellets for injection molding. At this time, the PZT powder has Pb(Zr,Ti)O 3 as its main component, and is prepared by synthesizing a single-phase PZT powder after calcination, pulverizing it into particles of 300 nm by high energy milling, and then drying it into spherical powder by a spray dryer. And, the binder is composed of polybutyl methacrylate (PBMA) and paraffin wax (PW) in an appropriate ratio, and the rest is composed of ethylene vinyl acetate (EVA) dissolved in a petroleum solvent. The PZT powder and binder thus prepared are weighed to a volume ratio of about 45 to 55%, mixed with a solvent, and mixed at 150° C. for about 1 hour in a pressurized mixer (kneader) in which two banbury-type blades rotate. Then, the mixture is cooled and pulverized into pellets for injection molding to be granulated.
사출성형 단계(S420)에서는 분쇄된 펠렛을 사출성형 금형(510)에 투입한 후, 용융 및 사출 성형하여 사출성형물을 형성한다. 이때, 도 7에 도시된 바와 같이, 돔 형태를 갖는 압전 세라믹 진동자(110,120)는 경방향 진동을 하는 돔 부위(101)와 돔 부위(101)로부터 연장되어 형성된 테두리(102)를 포함하는 구성을 갖는다. 이를 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 돔형 압전 세라믹 진동자(110,120) 제조용 사출성형 금형(510)은 고정측 몸체(511)와 이동측 몸체(512)로 구성되며, 제품의 성형은 러너(513)로 주입된 성형분말이 게이트(514)를 거쳐 캐비티(515) 내에 분말혼합체가 충전되면 이동식 몸체(512)가 이탈된 후 이젝터 핀(516)으로 제품을 취출하는 방식으로 이루어지게 된다.In the injection molding step (S420), the pulverized pellets are put into the injection molding mold 510, and then melted and injection molded to form an injection molding product. At this time, as shown in FIG. 7 , the dome-shaped piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 have a configuration including a dome portion 101 that vibrates radially and a rim 102 extending from the dome portion 101. To this end, as shown in FIG. 6 , the injection molding mold 510 for manufacturing the domed piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 according to the present invention is composed of a fixed side body 511 and a moving side body 512, and the molding of the product is performed when the powder mixture injected into the runner 513 passes through the gate 514 and the powder mixture is filled in the cavity 515. After the movable body 512 is separated, the ejector pin ( 516) to take out the product.
이때, 캐비티(515)를 제조함에 있어서 돔 부위(101)와 일체로 형성된 테두리(102)에 러너(513)와 게이트(514)를 형성시켜 게이트(514) 흔적이 돔 형상에 영향이 없는 테두리(102)의 측면에 형성되도록 한 것이다. 이에 따라, 테두리(102)의 하단에 이젝터 핀(516)이 제품을 취출하므로 초음파 진동을 하는 돔 부위(101)의 형상에 전혀 영향을 미치지 않는 테두리(102)에 설치되므로 제품의 수율을 극대화 시킬 수 있다. 또한, 테두리(102)의 두께는 돔 부위(101)의 두께와 다르게 설계할 수 있으므로, 성형체의 강도를 보강해 주는 역할을 수행할 수 있어 제품의 이동이나 소결시 건전한 제품을 제조할 수 있는 장점을 갖는다.At this time, in manufacturing the cavity 515, the runner 513 and the gate 514 are formed on the rim 102 integrally formed with the dome portion 101 so that the traces of the gate 514 do not affect the dome shape. It is formed on the side of the rim 102. Accordingly, since the ejector pin 516 ejects the product at the lower end of the rim 102, it is installed on the rim 102, which does not affect the shape of the dome portion 101 for ultrasonic vibration, so the yield of the product can be maximized. In addition, since the thickness of the rim 102 can be designed differently from the thickness of the dome portion 101, it can play a role of reinforcing the strength of the molded body, so that a sound product can be manufactured during movement or sintering.
소결 단계(S430)에서는 사출성형물로부터 결합제를 용매추출법으로 1차 제거하고, 열분해법으로 2차 제거한 후 소결하여 돔 부위(101)로부터 돌출되도록 연장되는 테두리(102)를 갖는 돔형 압전 세라믹 진동자(110,120)를 형성한다. 이때, 결합제를 제거하기 위하여 용매추출법과 열분해법을 병행하여 제거하는 것이 바람직하며, 결합제가 제거된 성형체는 1250±50℃에서 PbO의 휘발을 막기 위하여 밀폐된 알루미나 도가니 내에서 소결하는 것이 바람직하다. 도 8은 상기와 같은 방법으로 소결된 압전 세라믹 진동자(110,120)를 나타낸다.In the sintering step (S430), the binder is firstly removed from the injection molded product by solvent extraction, and then secondarily removed by thermal decomposition and then sintered to form a dome-shaped piezoelectric ceramic vibrator (110, 120) having a rim 102 extending to protrude from the dome portion 101. At this time, it is preferable to remove the binder in parallel with the solvent extraction method and the thermal decomposition method, and the molded body from which the binder is removed is preferably sintered in a closed alumina crucible to prevent volatilization of PbO at 1250 ± 50 ° C. 8 shows the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 sintered in the same manner as above.
상기의 과정으로 제조되는 본 발명의 돔형 압전 세라믹 진동자(110,120)는 분말사출성형(PIM)에 의해 제조되므로, 종래의 제조 방식에 비해 두께에 관계없이 가공에 의한 내부응력이 전혀 발생하지 않으며, 가공시 발생하는 깨짐의 형상을 제거한 높은 제조 수율을 갖는 것이 가능하다. 또한, 돔 부위(101)과 일체로 제작된 테두리(102)를 형성시킴으로써, 두 개의 압전 세라믹 진동자(110,120)를 접착할 경우 두께에 관계없이 정확하고 안전하게 에폭시에 의한 결합이 가능하여, 제품의 정밀도나 수율을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.Since the domed piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 of the present invention manufactured by the above process are manufactured by powder injection molding (PIM), internal stress due to processing is not generated at all regardless of the thickness compared to the conventional manufacturing method, and it is possible to have a high manufacturing yield by eliminating the shape of cracks generated during processing. In addition, by forming the rim 102 integrally manufactured with the dome portion 101, when the two piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 are bonded, accurate and safe bonding by epoxy is possible regardless of thickness, and thus the precision or yield of the product can be greatly improved.
계속해서 도 3을 참조하면, 상술한 분말사출성형(PIM)에 의해 제조된 두 개의 압전 세라믹 진동자는 에폭시에 의해 서로 접합될 수 있다. 이때, 두 개의 압전 세라믹 진동자(110,120)는 접합했을 때, 구 형상이 되도록 접합하는 것이 바람직하다. 일예로, 동일한 크기 및 동일한 형태를 갖는 두 개의 압전 세라믹 진동자(110,120)는 에폭시에 의해 테두리(102)가 서로 접하도록 접합될 수 있다.Referring continuously to FIG. 3 , two piezoelectric ceramic vibrators manufactured by the above-described powder injection molding (PIM) may be bonded to each other by epoxy. At this time, it is preferable to bond the two piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 so that they have a spherical shape when bonded. For example, two piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 having the same size and shape may be bonded by epoxy so that the edges 102 come into contact with each other.
돔 형태를 갖는 두 개의 압전 세라믹 진동자(110,120)를 접합하여 구 형태를 갖는 압전 세라믹 진동자를 형성할 수 있기 때문에 본 발명에 따른 초음파 발생부(100)는 전방위로 높은 출력의 초음파를 수중에서 직접 방사할 수 있다. 따라서, 종래의 일방향 또는 이방향으로 초음파를 발생시키는 압전 세라믹 진동자에 비해 전방위로 방오를 효율적으로 수행할 수 있다.Since a piezoelectric ceramic vibrator having a spherical shape can be formed by joining two dome-shaped piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120, the ultrasonic generator 100 according to the present invention can directly radiate high-output ultrasonic waves in water in all directions. Therefore, it is possible to efficiently perform antifouling in all directions compared to conventional piezoelectric ceramic vibrators that generate ultrasonic waves in one or two directions.
또한, 서로 접합된 압전 세라믹 진동자(110,120) 내부에는 내부로 방사되는 초음파를 흡수하는 흡음제가 채워질 수 있다. 일예로, 돔 형태를 갖는 두 개의 압전 세라믹 진동자(110,120)가 접합되어 구 형태 또는 회전 타원체 형태를 가질 경우, 압전 세라믹 진동자의 진동에 의해 발생되는 초음파는 압전 세라믹 진동자의 외부로 방사되는 초음파뿐만 아니라, 내부로 방사되는 초음파도 존재하게 된다. 즉, 두 개의 압전 세라믹 진동자(110,120) 각각의 진동에 의해 내부로 초음파를 각각 방사하기 때문에 대향하는 압전 세라믹 진동자에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 서로의 초음파에 의한 간섭을 방지하기 위해 압전 세라믹 진동자 내부에는 초음파를 흡수할 수 있는 흡음제가 채워질 수 있다. 이러한, 흡음제는 다공성 실리콘 폼, 우레탄 폼 또는 이들 폼(foam)에 초음파를 산란시키기 위한 금속 또는 세라믹 분말이 혼합된 복합제가 사용될 수 있다.In addition, a sound absorber for absorbing ultrasonic waves radiated into the inside of the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 bonded to each other may be filled. For example, when two dome-shaped piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 are joined to have a spherical or spheroidal shape, ultrasonic waves generated by vibration of the piezoelectric ceramic vibrator exist not only to the outside of the piezoelectric ceramic vibrator, but also to the inside of the piezoelectric ceramic vibrator. That is, since ultrasonic waves are respectively radiated to the inside by vibrations of the two piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120, the opposing piezoelectric ceramic vibrators may be affected. Therefore, in order to prevent mutual interference by ultrasonic waves, a sound absorber capable of absorbing ultrasonic waves may be filled in the piezoelectric ceramic vibrator. Such a sound absorber may be a porous silicone foam, a urethane foam, or a composite material in which metal or ceramic powder for scattering ultrasonic waves is mixed with these foams.
두 개의 압전 세라믹 진동자(110,120)의 테두리(102)에는 압전 세라믹 진동자(110,120)에 전원을 인가하기 위한 전원선(130)이 외부로 도출되도록 하는 홀(131)이 각각 형성될 수 있다. 즉, 두 개의 압전 세라믹 진동자(110,120)는 테두리(102)에 형성된 홀(131)이 서로 마주하도록 접합될 수 있다. 따라서, 압전 세라믹 진동자(110,120)와 연결된 전원선(130)은 홀(131)을 통해 외부로 도출되어 제어부(200)와 연결될 수 있다.A hole 131 through which a power line 130 for applying power to the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 is led out may be formed in the edges 102 of the two piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120, respectively. That is, the two piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 may be bonded such that the holes 131 formed in the rim 102 face each other. Accordingly, the power line 130 connected to the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 may be led out through the hole 131 and connected to the control unit 200 .
또한, 구 형태의 압전 세라믹 진동자에서 발생되는 초음파는 다수의 주파수가 서로 교번적으로 입력될 수 있다. 일예로, 제1 공진 주파수 및 제2 공진 주파수인 두 개의 공진 주파수가 교번적으로 발생되도록 하거나, 또는 제1 공진 주파수, 제2 공진 주파수 및 제3 공진 주파수인 세 개의 공진 주파수가 교번적으로 발생되도록 할 수 있다.In addition, a plurality of frequencies of ultrasonic waves generated from the spherical piezoelectric ceramic vibrator may be input alternately. For example, two resonant frequencies, the first resonant frequency and the second resonant frequency, may be alternately generated, or three resonant frequencies, the first resonant frequency, the second resonant frequency, and the third resonant frequency may be alternately generated.
이때, 제2 공진 주파수 또는 제3 공진 주파수는 제1 공진 주파수의 홀수배가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 일예로, 제1 공진 주파수가 20kHz인 주파수를 사용할 경우, 제2 공진 주파수는 제1 공진 주파수의 3배인 60kHz 주파수가 사용될 수 있고, 제3 공진 주파수는 제1 공진 주파수의 5배인 100kHz 주파수가 사용될 수 있다. 예컨대, 초음파 발생부(100)는 20kHz에서 공진이 발생되는 제1 공진 주파수와 60kHz에서 공진이 발생되는 제2 공진 주파수가 교번적으로 발생되도록 형성될 수 있고, 20kHz에서 공진이 발생되는 제1 공진 주파수, 60kHz에서 공진이 발생되는 제2 공진 주파수 및 100kHz에서 공진이 발생되는 제3 공진 주파수가 교번적으로 발생되도록 형성될 수 있다.At this time, the second resonant frequency or the third resonant frequency is preferably an odd multiple of the first resonant frequency. For example, when the first resonant frequency uses a frequency of 20 kHz, the second resonant frequency may be a frequency of 60 kHz that is three times the first resonant frequency, and the third resonant frequency is the first resonant frequency. A frequency of 100 kHz that is five times the frequency can be used. For example, the ultrasonic generator 100 may be formed such that a first resonant frequency at which resonance occurs at 20 kHz and a second resonant frequency at which resonance occurs at 60 kHz are alternately generated, and a first resonant frequency at which resonance is generated at 20 kHz, a second resonant frequency at which resonance is generated at 60 kHz, and a third resonant frequency at which resonance is generated at 100 kHz may be alternately generated.
즉, 본 발명에 따른 초음파 발생부(100)는 초음파가 매질인 수중에서 이동할 시 발생하는 소밀 현상에 의해 음압이 약해지는 부위를 서로 다른 파장의 주파수를 이용하여 제거할 수 있기 때문에 균질한 초음파 에너지를 전달 수 있고, 다양한 미생물 크기에 초음파를 전달할 수 있는 효과가 있다.That is, since the ultrasonic generator 100 according to the present invention can remove parts where the sound pressure is weakened by the roughness phenomenon that occurs when ultrasonic waves move in water, which is a medium, using frequencies of different wavelengths, homogeneous ultrasonic energy can be transmitted, and there is an effect of transmitting ultrasonic waves to various microorganism sizes.
압전 세라믹 진동자(110,120)의 외부 표면은 해수나 담수에 침식되는 것을 방지하기 위해 폴리머 등을 이용하여 코팅될 수 있다. 일예로, 압전 세라믹 진동자(110,120)의 외부 표면은 폴리우레탄을 이용하여 코팅될 수 있다. 또한, 물과 압전 세라믹 진동자(110,120)의 임피던스 차이를 완화하여 초음파 출력을 강화하기 위해, 압전 세라믹 진동자(110,120)의 외부 표면은 폴리우레탄에 임피던스 매칭을 위한 금속 또는 세라믹 분말이 혼합된 폴리우레탄 복합체가 코팅될 수 있다. 이러한, 압전 세라믹 진동자(110,120)의 코팅에 의해 초음파 출력의 손실을 최소화할 수 있다.The outer surfaces of the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 may be coated with a polymer or the like to prevent erosion by seawater or freshwater. For example, outer surfaces of the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 may be coated using polyurethane. In addition, in order to enhance ultrasonic output by mitigating the difference in impedance between water and the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120, the outer surfaces of the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 may be coated with a polyurethane composite in which a metal or ceramic powder for impedance matching is mixed with polyurethane. Loss of ultrasonic output can be minimized by coating the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 .
도 9는 본 발명의 초음파 발생부의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.9 is a view showing a second embodiment of the ultrasonic generator of the present invention.
도 9을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 의한 초음파 발생부(100)는 돔 형태를 갖는 제1 압전 세라믹 진동자(140) 및 제2 압전 세라믹 진동자(150)가 서로 접합되는 구성은 제1 실시예와 동일하나, 각각의 압전 세라믹 진동자(140,150)의 단면은 타원 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 테두리(102)가 접하도록 두 개의 압전 세라믹 진동자(140,150)를 서로 접합했을 때, 제2 실시예에 따른 압전 세라믹 진동자(140,150)는 도 9에서와 같이, 회전 타원체 형태를 가질 수 있다.Referring to FIG. 9 , in the ultrasonic generator 100 according to the second embodiment of the present invention, the structure in which the dome-shaped first piezoelectric ceramic vibrator 140 and the second piezoelectric ceramic vibrator 150 are bonded to each other is the same as that of the first embodiment, but the cross section of each of the piezoelectric ceramic vibrators 140 and 150 may be formed to have an elliptical shape. That is, when the two piezoelectric ceramic vibrators 140 and 150 are bonded to each other so that the edges 102 come into contact with each other, the piezoelectric ceramic vibrators 140 and 150 according to the second embodiment may have a spheroidal shape as shown in FIG. 9 .
이러한 회전 타원체 형태에 의해, 배관 내에 방오를 목적으로 압전 세라믹 진동자(140,150)를 설치했을 때, 관로의 유속의 변화를 최소화시킬 수 있는 효과를 가질 수 있다.When the piezoelectric ceramic vibrators 140 and 150 are installed in the pipe for the purpose of antifouling due to the shape of the spheroid, it is possible to minimize the change in the flow velocity of the pipe.
도 10은 본 발명의 초음파 발생부의 제3 실시예를 나타낸 도면이다.10 is a view showing a third embodiment of the ultrasonic generator of the present invention.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파 발생부(100)는 돔 형태를 갖는 제1 압전 세라믹 진동자(110) 및 제2 압전 세라믹 진동자(120)가 서로 접합되는 구성은 제1 실시예와 동일하다. 허나, 제3 실시예에 따른 초음파 발생부(100)는 제1 압전 세라믹 진동자(110)와 제2 압전 세라믹 진동자(120) 사이에 링 형태의 연결부재(160)가 더 포함될 수 있다.Referring to FIG. 10 , in the ultrasonic generator 100 according to the third embodiment of the present invention, the structure in which the dome-shaped first piezoelectric ceramic vibrator 110 and the second piezoelectric ceramic vibrator 120 are bonded to each other is the same as that of the first embodiment. However, the ultrasonic generator 100 according to the third embodiment may further include a ring-shaped connecting member 160 between the first piezoelectric ceramic vibrator 110 and the second piezoelectric ceramic vibrator 120 .
링 형태를 갖는 연결부재(160)는 내측의 중앙 부위(161)가 돌출되도록 내측 주변 부위에 형성된 안착홈(162)을 포함할 수 있다. 즉, 안착홈(162)은 연결부재(162) 내측 중앙에 형성된 돌출 부위의 양측에 각각 형성될 수 있다. 따라서, 제1 압전 세라믹 진동자(110) 및 제2 압전 세라믹 진동자(120)는 연결부재(160)에 형성된 안착홈(162)에 테두리(102)가 각각 안착되어, 에폭시 등을 통해 접합될 수 있다.The connecting member 160 having a ring shape may include a seating groove 162 formed at an inner peripheral portion so that the inner central portion 161 protrudes. That is, the seating groove 162 may be formed on both sides of a protruding portion formed at the inner center of the connecting member 162 . Accordingly, the first piezoelectric ceramic vibrator 110 and the second piezoelectric ceramic vibrator 120 may be bonded through epoxy or the like with the edges 102 seated in the seating grooves 162 formed in the connecting member 160, respectively.
또한, 연결부재(180)에는 압전 세라믹 진동자(110,120)에 전원을 인가하기 위한 전원선(130)이 외부로 도출되도록 하는 관통홀(163)이 형성될 수 있다. 따라서, 제3 실시예에 따른 압전 세라믹 진동자(110,120)의 전원선(130)은 연결부재(180)에 형성된 관통홀(183)을 통해 외부로 도출될 수 있기 때문에 압전 세라믹 진동자의 테두리(102)에 별도의 홀을 요구하지 않는다. 이러한 연결부재(160)의 재질로는 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸, 타이타늄 또는 타이타늄 합금 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.In addition, a through hole 163 through which a power line 130 for applying power to the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 is led out may be formed in the connecting member 180 . Therefore, since the power line 130 of the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 according to the third embodiment can be led out through the through hole 183 formed in the connecting member 180, a separate hole is not required in the edge 102 of the piezoelectric ceramic vibrator. The connecting member 160 may be made of any one of aluminum alloy, stainless steel, titanium, and titanium alloy.
링 형태의 연결부재(160)를 이용하여 두 개의 압전 세라믹 진동자(110,120)를 서로 접합했을 때, 압전 세라믹 진동자는 구 형태를 가질 수 있으나, 연결부재(160)와 두 개의 압전 세라믹 진동자(110,120)를 타원 형태로 제작하면, 서로 접합된 압전 세라믹 진동자는 회전 타원체 형태도 가질 수 있다.When the two piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 are joined to each other using the ring-shaped connecting member 160, the piezoelectric ceramic vibrator may have a spherical shape, but when the connecting member 160 and the two piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 are manufactured in an elliptical shape, the piezoelectric ceramic vibrator bonded to each other may also have a spheroidal shape.
계속해서 도 2를 참조하면, 제어부(200)는 초음파 발생부(100)의 상부에 배치되되, 압전 세라믹 진동자(110,120)에 전원을 인가하는 전원선(130)과 연결되도록 형성될 수 있다. 따라서, 압전 세라믹 진동자(110,120)는 제어부(200)에서 인가되는 전원에 의해 초음파를 발생시킬 수 있다. 일예로, 본 발명에 따른 초음파 방오장치는 초음파 발생부(100)를 수면(1) 아래에 배치되도록 하고, 제어부(200)는 수면(1)에 안착되도록 배치될 수 있다. 따라서, 초음파 발생부(100)는 수중으로 초음파를 발생시키되, 다수의 주파수를 이용한 초음파를 수중 전방향으로 발생시킬 수 있다.Referring continuously to FIG. 2 , the controller 200 may be disposed above the ultrasonic generator 100 and connected to a power line 130 for applying power to the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 . Accordingly, the piezoelectric ceramic vibrators 110 and 120 may generate ultrasonic waves by power applied from the control unit 200 . For example, the ultrasonic anti-fouling device according to the present invention may be disposed so that the ultrasonic generator 100 is disposed under the water surface 1, and the control unit 200 is seated on the water surface 1. Therefore, the ultrasonic generator 100 may generate ultrasonic waves in the water, but may generate ultrasonic waves using a plurality of frequencies in all directions underwater.
제어부(200) 내에는 초음파 발생부(100)를 이동시키기 위한 모터가 포함될 수 있다. 즉, 제어부(200) 내에서 동작되는 모터의 추진력에 의해, 초음파 발생부(100)가 수중에서 원하는 위치로 이동되도록 할 수 있다.A motor for moving the ultrasonic generator 100 may be included in the controller 200 . That is, the ultrasonic generator 100 can be moved to a desired position in the water by the propulsive force of the motor operated in the control unit 200 .
또한, 제어부(200)는 제어부(200) 자체의 전원공급을 위한 태양광충전부(300)를 더 포함할 수 있다. 태양광충전부(300)는 태양광을 집열하는 태양광 집열판 및 태양광 집열판에 집열 된 태양광 에너지를 저장하는 충전배터리 등을 포함할 수 있다. 따라서, 제어부(200)는 태양광충전부를 통해 저장된 태양광 에너지를 이용하여 제어부(200) 동작에 필요한 전원을 언제든 공급받을 수 있다.In addition, the control unit 200 may further include a solar charging unit 300 for supplying power to the control unit 200 itself. The solar charging unit 300 may include a solar collector that collects sunlight and a rechargeable battery that stores solar energy collected in the solar collector. Therefore, the control unit 200 can receive power necessary for the operation of the control unit 200 at any time by using the solar energy stored through the solar charging unit.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 방오장치는 돔 형태와 돔 형태의 가장자리로부터 일체로 연장되어 형성된 테두리를 갖는 두 개의 압전 세라믹 진동자를 서로 접합하여 구 또는 회전 타원체 형태의 압전 세라믹 진동자를 형성함으로써, 초음파가 수중에서 전방위로 방사되도록 할 수 있다. 따라서, 종래의 일방향 또는 양방향으로만 방사되는 초음파 방오장치에 비해 초음파 방사 범위를 광범위하게 확대할 수 있다. 또한, 다수의 주파수가 교번적으로 입력되어, 다양한 진동모드를 교번적으로 사용할 수 있기 때문에 수중에서 전파되는 초음파 에너지를 균질하게 전파할 수 있으며, 다양한 크기의 균류에 대응할 수 있어 방오 효율을 향상시킬 수 있다.As described above, the ultrasonic antifouling device according to the present invention bonds two piezoelectric ceramic vibrators having a dome shape and a rim integrally extending from the edge of the dome shape to form a spherical or spheroidal piezoelectric ceramic vibrator, so that ultrasonic waves can be emitted in all directions in water. Therefore, compared to conventional ultrasonic anti-fouling devices that emit only in one direction or in both directions, the ultrasonic radiation range can be broadly expanded. In addition, since a plurality of frequencies are alternately input and various vibration modes can be used alternately, ultrasonic energy propagating in water can be homogeneously propagated, and antifouling efficiency can be improved by responding to fungi of various sizes.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in this specification and drawings are only presented as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is obvious to those skilled in the art that other modified examples based on the technical idea of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.
100 : 초음파 발생부
110,140 : 제1 압전 세라믹 진동자
120,150 : 제2 압전 세라믹 진동자
160 : 연결부재
200 : 제어부
210 : 태양광충전부100: ultrasonic generator 110,140: first piezoelectric ceramic vibrator
120,150: second piezoelectric ceramic vibrator 160: connecting member
200: control unit 210: solar charging unit
Claims (19)
상기 초음파 발생부의 동작을 제어하고, 상기 초음파 발생부를 이동시키는 제어부를 포함하는 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.an ultrasonic generator for generating ultrasonic waves in all directions in water by bonding two piezoelectric ceramic vibrators having a dome shape to each other; and
An ultrasonic anti-fouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves including a control unit for controlling the operation of the ultrasonic generator and moving the ultrasonic generator.
돔 부위를 갖고, 상기 돔 부위의 가장자리에 소정 두께의 테두리가 형성된 제1 압전 세라믹 진동자; 및
상기 제1 압전 세라믹 진동자와 동일한 형태 및 동일한 크기를 갖는 제2 압전 세라믹 진동자를 포함하고,
상기 제1 압전 세라믹 진동자와 상기 제2 압전 세라믹 진동자는 각각의 상기 돔 부위가 서로 반대 방향을 바라보도록 서로 접합되는 것인 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.The method of claim 1, wherein the ultrasonic generator,
a first piezoelectric ceramic vibrator having a dome portion and a rim of a predetermined thickness formed at an edge of the dome portion; and
A second piezoelectric ceramic vibrator having the same shape and the same size as the first piezoelectric ceramic vibrator;
The first piezoelectric ceramic vibrator and the second piezoelectric ceramic vibrator are bonded to each other so that the dome portions face opposite directions to each other.
상기 제1 압전 세라믹 진동자 및 상기 제2 압전 세라믹 진동자는 각각의 테두리가 서로 접하도록 접합되는 것인 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.According to claim 2,
The first piezoelectric ceramic vibrator and the second piezoelectric ceramic vibrator are bonded so that respective edges are in contact with each other, an ultrasonic antifouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves.
상기 제1 압전 세라믹 진동자와 상기 제2 압전 세라믹 진동자 사이에 배치된 링 타입의 연결부재를 더 포함하는 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.According to claim 2,
An ultrasonic antifouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves, further comprising a ring-type connecting member disposed between the first piezoelectric ceramic vibrator and the second piezoelectric ceramic vibrator.
상기 연결부재는 내측 중앙 부위가 돌출되도록 내측 주변 부위에 형성된 안착홈을 포함하고,
상기 제1 압전 세라믹 진동자와 상기 제2 압전 세라믹 진동자는 상기 안착홈에 각각 안착되어 상기 연결부재와 접합되는 것인 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.According to claim 4,
The connecting member includes a seating groove formed in an inner peripheral portion so that the inner central portion protrudes,
The first piezoelectric ceramic vibrator and the second piezoelectric ceramic vibrator are respectively seated in the seating groove and bonded to the connecting member.
상기 연결부재는 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸, 타이타늄 또는 타이타늄 합금 중 어느 하나의 재질로 형성되는 것인 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.According to claim 4,
The connecting member is an ultrasonic antifouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves that is formed of any one of aluminum, aluminum alloy, stainless steel, titanium or titanium alloy.
상기 제1 압전 세라믹 진동자 및 상기 제2 압전 세라믹 진동자는 돔 형상을 가지되, 단면이 각각 원 형태를 갖는 것인 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.According to claim 2,
The first piezoelectric ceramic vibrator and the second piezoelectric ceramic vibrator have a dome shape, and each cross section has a circular shape.
상기 제1 압전 세라믹 진동자 및 상기 제2 압전 세라믹 진동자는 돔 형상을 가지되, 단면이 각각 타원 형태를 갖는 것인 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.According to claim 2,
The first piezoelectric ceramic vibrator and the second piezoelectric ceramic vibrator have a dome shape, and an ultrasonic antifouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves, wherein each cross section has an elliptical shape.
상기 초음파 발생부는 다수의 공진 주파수에 의한 초음파를 교번적으로 발생시키는 것인 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.According to claim 1,
The ultrasonic generator is an ultrasonic anti-fouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves that alternately generates ultrasonic waves by a plurality of resonant frequencies.
상기 다수의 공진 주파수는 제1 공진 주파수, 제2 공진 주파수 및 제3 공진 주파수를 포함하고,
상기 제2 공진 주파수 및 상기 제3 공진 주파수는 상기 제1 공진 주파수의 홀수 배를 갖는 것인 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.According to claim 9,
The plurality of resonant frequencies include a first resonant frequency, a second resonant frequency, and a third resonant frequency,
The second resonant frequency and the third resonant frequency are an ultrasonic antifouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves having an odd multiple of the first resonant frequency.
상기 초음파 발생부의 외부 표면은 폴리우레탄에 금속 또는 세라믹 분말이 혼합된 복합체를 이용하여 코팅되는 것인 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.According to claim 1,
The outer surface of the ultrasonic generator is an ultrasonic antifouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves that is coated using a composite in which metal or ceramic powder is mixed with polyurethane.
상기 서로 접합된 두 개의 압전 세라믹 진동자 내부에는, 내부로 방사되는 초음파를 흡수하기 위해 채워진 흡음제를 포함하는 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.According to claim 1,
An ultrasonic antifouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves including a sound absorbent filled inside the two piezoelectric ceramic vibrators bonded to each other to absorb ultrasonic waves emitted therein.
상기 초음파 발생부는 분말사출성형(Powder Injection Molding)법을 이용하여 제조되는 것인 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.According to claim 1,
The ultrasonic generator is an ultrasonic antifouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves that is manufactured using a powder injection molding method.
상기 제어부는 상기 제어부의 전원공급을 위한 배터리 또는 태양광충전부를 포함하는 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치.According to claim 1,
The control unit is an ultrasonic anti-fouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves including a battery or a solar charger for supplying power to the control unit.
상기 초음파 발생부의 동작을 제어하고, 상기 초음파 발생부를 이동시키는 제어부를 상기 초음파 발생부와 연결하는 단계를 포함하는 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치의 제조방법.manufacturing an ultrasonic generator having a dome portion and bonding two piezoelectric ceramic vibrators having a rim of a predetermined thickness formed at an edge of the dome portion to each other to generate ultrasonic waves in all directions in water; and
A method of manufacturing an ultrasonic anti-fouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves comprising the step of connecting a control unit for controlling the operation of the ultrasonic generator and moving the ultrasonic generator with the ultrasonic generator.
상기 두 개의 압전 세라믹 진동자를 분말사출성형법을 이용하여 동일한 형태 및 동일한 크기로 제조하는 단계; 및
상기 제조된 두 개의 압전 세라믹 진동자를 서로 접합하는 단계를 포함하는 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치의 제조방법.The method of claim 15, wherein the step of manufacturing the ultrasonic generator,
manufacturing the two piezoelectric ceramic vibrators in the same shape and size using a powder injection molding method; and
A method of manufacturing an ultrasonic anti-fouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves comprising the step of bonding the two piezoelectric ceramic vibrators manufactured above to each other.
상기 두 개의 압전 세라믹 진동자의 테두리가 서로 접하도록 접합되는 것인 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치의 제조방법.The method of claim 16, wherein in the step of bonding the two piezoelectric ceramic vibrators to each other,
A method of manufacturing an ultrasonic antifouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves, wherein the edges of the two piezoelectric ceramic vibrators are bonded to each other.
상기 두 개의 압전 세라믹 진동자 사이에 배치되고, 내측 중앙 부위가 돌출되도록 내측 주변 부위에 안착홈이 형성된 링 타입의 연결부재를 더 포함하되,
상기 두 개의 압전 세라믹 진동자는 상기 안착홈에 각각 안착되어 상기 연결부재와 접합되는 것인 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치의 제조방법.The method of claim 16, wherein in the step of bonding the two piezoelectric ceramic vibrators to each other,
Further comprising a ring-type connecting member disposed between the two piezoelectric ceramic vibrators and having a seating groove formed at an inner peripheral portion so that an inner central portion protrudes,
The two piezoelectric ceramic vibrators are respectively seated in the seating groove and bonded to the connecting member.
PZT 분말 및 결합제를 용매와 혼합한 후, 냉각하여 사출성형용 펠렛으로 분쇄하는 혼합 단계;
상기 분쇄된 펠렛을 사출성형 금형에 투입한 후, 용융 및 사출 성형하여 사출성형물을 형성하는 단계 사출성형 단계; 및
상기 사출성형물로부터 결합제를 제거한 후 소결하여 상기 압전 세라믹 진동자를 형성하는 소결 단계를 포함하는 전방위 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 방오장치의 제조방법.The method of claim 16, wherein the powder injection molding method,
A mixing step of mixing PZT powder and a binder with a solvent, cooling them, and pulverizing them into pellets for injection molding;
Injecting the pulverized pellets into an injection molding mold, then melting and injection molding to form an injection molding product Injection molding step; and
A method of manufacturing an ultrasonic antifouling device capable of generating omnidirectional multi-frequency ultrasonic waves, comprising a sintering step of removing a binder from the injection molding and then sintering to form the piezoelectric ceramic vibrator.
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