LDM Transducer (물방울 리프팅) 동작 원리 및 설계 방법_2
Unimorph Transducer 설계 시, 가장 중요한 점은 원하는(설계 목적에 부합하는= 의도하는) 주파수가 발진되어야한다.
그리고 Transducer는 설계자가 원하는 주파수에서 최적의 공진 주파수를 가져야 한다.
공진 주파수는 물체가 진동하는 특정 주파수를 의미한다. (모든 주파수에서 진동하는 것이 아님)
Unimorph Transducer 구성 요소 중 압전 세라믹이 진동을 하며, 접합된 금속캡이 그 진동을 극대화 한다.
그래서, 설계시 주요 point는 세라믹의 진동 주파수 선정이 중요하다. 그리고 그 진동 주파수가 더 잘 진동하게 해주는 금속캡의 형상 선정 또한 매우 중요하다.
금속캡이 부착된 압던 세라믹 형태는 horn Transducer 라고 불리며, 초음파 융착기, 초음파 세척기가 그 예이다. 강한 초음파 발생장치에는 horn 형태의 금속캡이 부착되는데 초음파 발생 시 loss가 최적화 설계를 하고 있으며, 오늘 하고 있는 이 포스트는 loss최적화 설계 중 한 가지 이다.
가장 기본이 되는 압전 세라믹의 두께 선정부터 알아보자.
1. 압전 세라믹 두께 선정
위 식에서 람다는 제1차 공진 모드에서 파장을 의미한다. 쉽게 말해서 첫번째 공진 주파수의 파장 [m]를 의미힌다. 여기서 첫번째라는 점에 주의해야한다... 공진 주파수는 하모닉 특징을 갖는다. 홀수 배수( 1배, 3배, 5배)의 주파수에도 진동을 하는 특징을 말힌다. 예를들어, 1MHz의 공진주파수를 갖는 압전 세라믹이 있다고 가정하자. 1MHz의 홀수 배수 인 3MHz, 5MHz 의 주파수에서도 압전 세라믹은 진동한다. 즉, 구동 가능하다. 하지만, 1MHz에서 가장 강하게 진동하며, 배수가 증가할 수록 매우 약하게 진동한다. (이와 관련된 내용은 뒤에서 언급하겠다.)
Vc는 압전 세라믹의 음속을 나타낸다.여기서 음속 이란 소리가 발생되어 매질을 통과할때 매질에 따라 속도가 달라진다. 예를들어 공기중에서 소리를 냈을때, 물 속에서 소리를 냈을때 물속에서 소리가 더 빠르게 전달 된다.
이는 매질에 따라 음속이 다름을 의미한다.
다시 돌아와서, fm 은 구동하려는 주파수를 의미 한다.
예를들어,
Vc= 4440[m/s] (pzt4, pzt8의 음속)
fm= 1 [MHz]
라 가정했을때,
압전 세라믹의 두께는
0.00222[m]= 2.22[mm] 가 된다
이제 압전 세라믹의 두께를 설계하였다.
다음 포스트에서는 금속캡 설계에 대해 포스팅 하겠다.