박사학위 청구논문  (2017년 8월   숭실대학교 대학원 기계공학과  박 춘 광, 지도교수 김 진 오)

 

적층 압전 트랜스듀서의 진동특성 해석

Analysis of Vibration Characteristics of Stacked Piezoelectric Transducers

 

[국문초록]

   본 논문은 초음파 센서 또는 액추에이터 기능을 하는 압전 트랜스듀서의 진동특성을 다룬다. 연구 대상인 압전 트랜스듀서는 두께방향으로 분극된 압전 원판 또는 환판 하나로 이루어진 단층형, 원판 또는 환판이 2층으로 겹쳐진 적층형, 원판과 환판의 단층 결합형, 그리고 다층 환판형이다. 2층 압전 트랜스듀서에는 압전 원판에 탄성 원판이 겹쳐진 형태와 압전 원판 트랜스듀서에 전극 없는 압전 원판이 겹쳐진 형태도 있다.

   압전 트랜스듀서의 진동특성을 반경모드와 두께모드로 구분하여 파악하였다. 이론적 해석에서는 압전 지배방정식과 경계조건으로부터 특성방정식 및 해를 유도하여 반경모드와 두께모드의 고유진동수 및 모드형상을 구하였다 유한요소해석에서는 상용 프로그램인 ANSYS를 사용하여 반경모드와 두께모드의 고유진동수를 산출하였고, 3차원 모드형상을 구하여 이론적 해석을 보완하였다. 실험에서는 임피던스 분석기를 사용하여 고유진동수를 측정하고, 레이저 면내진동 측정기를 사용하여 반경모드 면내진동 모드형상을 측정하였다. 유한요소해석 및 실험을 통해 이론적 해석 결과를 검증하였다.

   기본모드의 고유진동수와 모드형상을 포함한 고유진동 특성의 이론적 해석 결과와 유한요소 결과 및 실험 결과가 거의 일치하므로, 원하는 진동특성을 갖는 압전 트랜스듀서의 설계에 이론적 해석 결과를 활용할 수 있음을 확인하였다. 두께 방향 적층 또는 단층이되 원판과 환판이 결합되는 압전 트랜스듀서를 설계하였다. 다층 압전 트랜스듀서에서는 한 트랜스듀서 내에 가진부와 감지부를 구분하는 구조를 설계하였고, 센서용 진동 봉과 결합하여 다층 압전 트랜스듀서의 가진 및 감지 기능을 확인하였다.

 

[목 차]

1. 서 론

2. 단층 초음파 압전 트랜스듀서

    2.1 이론적 해석

    2.2 유한요소 해석

    2.3 실험

    2.4 결과 비교 및 고찰

3. 2층 초음파 압전 트랜스듀서

    3.1 이론적 해석

    3.2 유한요소 해석

    3.3 실험

    3.4 결과 비교 및 고찰

4. 압전 원판과 환판의 결합 트랜스듀서

    4.1 이론적 해석

    4.2 유한요소 해석

    4.3 실험

    4.4 결과 비교 및 고찰

5. 다층 압전 트랜스듀서

    5.1 이론적 해석

    5.2 유한요소 해석

    5.3 실험

    5.4 결과 비교 및 고찰

6. 결 론