적층 압전 트랜스듀서의 진동특성 해석 :Analysis of Vibration Characteristics of Stacked Piezoelectric Transducers

박춘광

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박춘광 (숭실대학교, 숭실대학교 대학원)

지도교수: 김진오

발행연도: 2017

저작권: 숭실대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수6

이 논문의 연구 히스토리 (14)

2018

압전 트랜스듀서에 의한 봉의 굽힘모드 가진 및 감지

박춘광 , 황정길 , 김진오 외 1명 한국소음진동공학회논문집 2018.02 학술저널

2017

가진부와 감지부를 구분한 다층 압전 트랜스듀서의 진동 특성

박춘광 , 선상옥 , 김진오 한국소음진동공학회논문집 2017.11 학술저널

압전 트랜스듀서에 의한 봉의 굽힘모드 가진 및 감지

박춘광 , 황정길 , 김진오 외 1명 한국소음진동공학회 학술대회논문집 2017.10 학술대회자료

2층 압전 환판 초음파 트랜스듀서의 진동 특성

박춘광 , 김진오 한국소음진동공학회논문집 2017.06 학술저널

송수신 기능을 갖춘 다층 압전 트랜스듀서의 진동 특성

박춘광 , 김진오 , 이상훈 한국소음진동공학회 학술대회논문집 2017.04 학술대회자료

적층 압전 트랜스듀서의 진동특성 해석

박춘광 기계공학과 2017.01 학위논문

2016

압전 원판과 환판이 결합된 초음파 트랜스듀서의 진동 특성

박춘광 , 김진오 대한기계학회 춘추학술대회 2016.12 학술대회자료

2층 압전 원판형 초음파 트랜스듀서의 진동 특성

박춘광 , 김진오 한국소음진동공학회 학술대회논문집 2016.04 학술대회자료

2015

압전 원판이 결합된 트랜스듀서의 진동 특성

박춘광 , 김진오 한국소음진동공학회 학술대회논문집 2015.10 학술대회자료

탄성 원판이 적층된 압전 원판의 복합진동 특성

박춘광 , 김진오 한국소음진동공학회 학술대회논문집 2015.04 학술대회자료

초음파 트랜스듀서의 탄성파 에너지 투과율

박춘광 , 김대종 , 김진오 한국소음진동공학회논문집 2015.02 학술저널

2014

탄성체와 결합된 압전 원판의 진동 특성

박춘광 , 김진오 대한기계학회 춘추학술대회 2014.11 학술대회자료

유속 측정용 초음파 트랜스듀서의 탄성파 에너지 투과율

박춘광 , 김대종 , 김진오 외 1명 한국소음진동공학회 학술대회논문집 2014.10 학술대회자료

2013

원판 링형 압전변환기의 복합진동 특성

박춘광 , 김진오 한국소음진동공학회 학술대회논문집 2013.10 학술대회자료

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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 상용프로그램인 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.

This paper deals with the analysis of vibration characteristics of piezoelectric transducers. The piezoelectric transducer has a single-layer type piezoelectric disc or a ring which is polarized in the thickness direction, and has a stacked type in which a disc or a ring is stacked with two layers, and a single-layer combination of a disc and a ring, and multilayered rings. In the stacked transducer, there is a type in which an piezoelectric disc laminated with and elastic disc, and a piezoelectric disc transducer laminated with an unpolarized piezoelectric disc.
The vibration characteristics of a piezoelectric transducer were divided into radial mode and thickness mode. Theoretically, natural frequency and mode shape of radial mode and thickness mode were obtained from characteristic equation and solution by solving piezoelectric governing equation and boundary conditions. By the finite element analysis, the natural frequency of the radial mode and the thickness mode were obtained using the commercial program ANSYS, and the three-dimensional mode shape was obtained to supplement the theoretical analysis. Experimentally, the natural frequencies were measured by an impedance analyzer, and the in-plane mode shape were obtained from the vibration amplitudes measured by a laser in-plane vibrometer. The theoretical analysis was verified by comparing with the finite element analysis and the experiment.
Because the results of the theoretical analysis of the natural frequency characteristics including the natural frequency of fundamental mode and the mode shape are almost the same as those of the finite element and the experimental results, it is confirmed that the theoretical analysis results can be used in the design of the piezoelectric transducer having the desired vibration characteristics. A piezoelectric transducer laminated in the thickness direction or a one layer piezoelectric transducer combined with the disk and the ring was designed In the multilayered piezoelectric transducer, a structure for separating the excitation part and the sensing part in one transducer is devised, and the excitation and sensing function of the multilayered piezoelectric transducer were confirmed by combining it with the vibration rod for sensor.

#적층 #압전 트랜스듀서 #진동 #센서

국문초록 ⅸ
ABSTRACT ?
기호 설명 ⅹⅲ
제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 및 필요성 1
1.2 기존 연구 4
1.3 연구 목적 및 방법 5
제 2 장 단층 초음파 압전 트랜스듀서 8
2.1 이론적 해석 8
2.2 유한요소 해석 15
2.3 실험 28
2.4 결과 비교 및 고찰 38
제 3 장 2층 초음파 압전 트랜스듀서 45
3.1 이론적 해석 45
3.2 유한요소 해석 61
3.3 실험 75
3.4 결과 비교 및 고찰 88
제 4 장 압전 원판과 환판의 결합 트랜스듀서 96
4.1 이론적 해석 96
4.2 유한요소 해석 99
4.3 실험 103
4.4 결과 비교 및 고찰 106
제 5 장 다층 압전 트랜스듀서 108
5.1 이론적 해석 109
5.2 유한요소 해석 112
5.3 실험 115
5.4 결과 비교 및 고찰 119
제 6 장 결 론 120
참고문헌 122
부 록 A 유속 측정용 초음파 트랜스듀서 128
부 록 B 가공공정 모니터링용 압전 진동 센서 146
부 록 C 원통좌표계로 표현된 압전 이론 158

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