KR100550255B1

KR100550255B1 - An ultrasonic cutter using a piezoelectric vibrator

Info

Publication number: KR100550255B1
Application number: KR1020030065499A
Authority: KR
Inventors: 고현필; 윤성일; 최승기
Original assignee: (주)피에조테크놀리지
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2006-02-08
Also published as: KR20050029298A

Abstract

본 발명은 란쥬반 진동자 이론을 이용하여 초음파의 진동과 진동에 의한 열에너지를 극대화할 수 있도록 하는 기계 구조를 적용한 초음파 커터에 관한 것으로, 환원형 또는 블록타입의 압전 진동자를 이용하여 제조 공정이 편리하고 크기가 작은 평판형으로 제작이 가능하며, 진동에 잘 견디는 전극을 사용하여 신뢰성이 높고, 진동 효율이 최대가 되도록 압전 진동자를 설계하여 효율이 우수하도록 제작한 초음파 커터에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic cutter using a mechanical structure that can maximize the vibration and the thermal energy of the ultrasonic wave by using the Lanjuban oscillator theory, and the manufacturing process is convenient using a piezoelectric vibrator of reduced or block type. The present invention relates to an ultrasonic cutter which can be manufactured in a small plate type, and which has high reliability by designing a piezoelectric vibrator to have high reliability and maximum vibration efficiency by using electrodes that withstand vibration well.

Description

압전 진동자를 이용한 초음파 커터{An ultrasonic cutter using a piezoelectric vibrator} An ultrasonic cutter using a piezoelectric vibrator

도 1은 본 발명에 의한 압전 진동자의 정면도1 is a front view of a piezoelectric vibrator according to the present invention.

도 2(A)는 본 발명에 의한 압전 진동자의 혼의 정면도Fig. 2A is a front view of the horn of the piezoelectric vibrator according to the present invention.

도 2(B)는 본 발명에 의한 압전 진동자의 혼의 측면도Figure 2 (B) is a side view of a horn of a piezoelectric vibrator according to the present invention

도 3은 본 발명에 사용되는 반파장 진동자의 개략도 및 진동변위곡선Figure 3 is a schematic diagram and vibration displacement curve of the half-wave oscillator used in the present invention

도 4(A)는 본 발명에 사용되는 반파장 진동자의 형태Figure 4 (A) is the form of the half-wave oscillator used in the present invention

도 4(B)는 본 발명에 사용되는 반파장 변환기의 초음파 진동 변위의 시뮬레이션 형태.Fig. 4B is a simulation form of ultrasonic vibration displacement of the half-wave transducer used in the present invention.

도 5는 본 발명에 의한 초음파 커터의 전체 개략도5 is an overall schematic view of an ultrasonic cutter according to the present invention.

도 6은 본 발명에 의한 초음파 커터의 구동회로의 블럭도6 is a block diagram of a driving circuit of the ultrasonic cutter according to the present invention.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※ Explanation of code for main part of drawing

10, 310 : 상부 진동체 20, 320 : 하부 진동체10, 310: upper vibrating body 20, 320: lower vibrating body

30, 40, 330 : 압전 세라믹 50, 340, 420 : 혼30, 40, 330: Piezoelectric Ceramic 50, 340, 420: Horn

60 : 절단부 70 : 상부 전극판60: cut portion 70: upper electrode plate

80 : 하부 전극판 90 : 압착볼트80: lower electrode plate 90: compression bolt

350 : 진동변위 곡선350: vibration displacement curve

500 : 압력조절볼트 510 : 압착샤프트500: Pressure adjusting bolt 510: Crimp shaft

520 : 압착캡 530 ; PBT 덮게520: press cap 530; PBT Cover

540 : 절단 지지부 550, 560 : 지지대540: cutting support 550, 560: support

610 : 발진기 620 : 분주기610: oscillator 620: frequency divider

630 : 전력 증폭기630: power amplifier

종래에는 폴리에스테르 등의 직물을 가공하는데 열칼 또는 회전 날을 이용한 커터가 사용되고 있었으나, 저항체에 전기를 가하여 생기는 열을 이용하여 절단하는 소위 열칼을 이용하여 합성섬유 특히 폴리에틸렌 계열의 천을 절단하는데 사용하는 경우 절단시 합성섬유로부터 유독가스가 발생하고 열칼 자체가 매우 뜨겁기 때문에 사용상의 부주로 인하여 상해의 원인이 되었으며, 상기 열칼로 절단하는 경우 절단면이 매끄럽지 못하고 발생된 열기에 의해 단부가 두꺼워 지는 현상이 나타난다. 또한, 모터 등 회전기구에 미세한 톱날을 가진 커터를 회전시켜 절단하는 커터는 절단 상태는 좋으나 절단면이 깨끗하지 못하고 절단된 면의 올이 풀리는 현상이 나타나기 때문에 외관이 좋지 않고 그에 따른 직물의 형상의 변화 등 작업상에 불편이 있었다.Conventionally, a cutter using a hot knife or a rotary blade has been used to process a fabric such as polyester, but in the case of cutting a synthetic fiber, especially a polyethylene-based cloth using a so-called hot knife that cuts using heat generated by applying electricity to a resistor. Toxic gas is generated from the synthetic fiber during cutting and the hot knife itself is very hot, causing injury due to carelessness. When cutting with the hot knife, the cutting surface is not smooth and the end portion is thickened by the generated heat. In addition, the cutter for cutting by rotating the cutter having a fine saw blade to the rotating mechanism such as a motor is good in the cutting state, but the cut surface is not clean, the appearance of the loosening of the cut surface appears, so the appearance is not good, and the change in the shape of the fabric accordingly There was inconvenience in back work.

따라서, 폴리 에스테르 등의 직물을 가공하는데 초음파 커터의 사용이 요구되었다. 그러나, 종래의 란쥬반 형 진동자를 이용한 초음파 커터의 경우에는 초음파 진동자의 제작 공정이 까다롭고, 사용되는 전극이 초음파 진동 때문에 쉽게 열화되는 문제점이 있었으며, 초음파 진동자에서 발생된 초음파의 전달을 극대화 시킬 수 있는 진동확대기에 대한 요구가 있었다. 또한, 종래의 초음파 커터는 진동자로 사용되는 압전 세라믹스가 모두 환원형만으로 제작되었기 때문에, 그 크기가 크고 환원형의 압전 세라믹스 진동자를 제조 및 가공하는데 여러 가지 문제점이 있었다. 환원형의 압전 세라믹스는 소결과정에서 환원형의 외경 및 내경의 수축율을 고려해야하는 문제와 상기 수축율의 불균일로 인한 소결체의 크렉이나 압전 특성의 불균일성 등이 발생되어 초음파 커터의 신뢰성에 문제가 있으며, 또한 초음파 커터가 원통형으로만 제작되어야 하는 등의 문제점이 있었다. Thus, the use of ultrasonic cutters has been required to process fabrics such as polyester. However, in the case of a conventional ultrasonic cutter using a lanjuvan type vibrator, the manufacturing process of the ultrasonic vibrator is difficult, and there is a problem in that the electrode used is easily deteriorated due to the ultrasonic vibration, and the transmission of the ultrasonic wave generated from the ultrasonic vibrator can be maximized. There was a need for a vibration magnifier. In addition, since the piezoelectric ceramics used as the vibrator are all made of only a reduction type, the conventional ultrasonic cutter has various problems in manufacturing and processing a piezoelectric ceramic vibrator having a large size and a reduction type. Reduced piezoelectric ceramics have a problem of considering the shrinkage rate of the outer diameter and the inner diameter of the reduced type during the sintering process, the cracks of the sintered body and the nonuniformity of the piezoelectric properties due to the nonuniformity of the shrinkage rate, and thus the reliability of the ultrasonic cutter. There was a problem that the ultrasonic cutter should be made only in a cylindrical shape.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 란쥬반 진동자 이론을 적용하여 신뢰성이 우수하고 효율이 향상된 환원형 및 블록형 압전 세라믹스를 이용하여 초음파 커터를 제작하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and the object of the present invention is to produce an ultrasonic cutter using the reduction and block type piezoelectric ceramics with excellent reliability and efficiency by applying the Lanjuvan oscillator theory. .

또한, 본 발명의 초음파 커터는 압전 진동자에 사용되는 전극의 신뢰성을 유지하면서 발생된 초음파 진동의 최대값이 커터의 절단부에 발생될 수 있도록 초음파 커터를 설계함으로서, 폴리에스테르 등의 섬유, 직물지 등을 절단할 때 높은 초음파 에너지와 열에너지에 의하여 절단면이 매끄럽고 올 풀림 현상을 방지할 수 있는 란쥬반 진동자 이론을 이용한 환원형 및 평판형 초음파 커터를 제작하는데 목적이 있다.
In addition, the ultrasonic cutter of the present invention by designing the ultrasonic cutter so that the maximum value of the ultrasonic vibration generated while maintaining the reliability of the electrode used in the piezoelectric vibrator can be generated in the cutting portion of the cutter, it is possible to It is an object of the present invention to manufacture reduced and flat ultrasonic cutters using the Lanjuban oscillator theory that can cut smoothly and prevent loosening due to high ultrasonic energy and thermal energy.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 진동자는 금속 재질의 상부 진동체 및 하부 진동체, 상기 상부 진동체와 하부 진동체 사이에 분극 방향이 마주 보도록 적층되어 삽입된 적어도 한 쌍의 압전세라믹, 가장 위쪽에 적층된 압전세라믹의 상부에 부착되며 동시에 상기 상부 진동체의 하부에 부착되는 상부 전극판, 상기 적층된 압전세라믹 사이에 부착되는 적어도 하나의 하부 전극판, 상기 하부 진동체는 가장 아래쪽에 적층된 압전세라믹의 하부에 부착되며, 상기 하부 진동체의 아래쪽으로 형성된 혼, 상기 혼의 끝단에 형성된 절단부를 포함하여 구성된 것 을 특징으로 하는 압전 진동자를 포함하여 구성된 초음파 커터에 관한 것이다.The piezoelectric vibrator according to the present invention for achieving the above object is at least a pair of piezoelectric ceramics are stacked and inserted so as to face the polarization direction between the upper vibrating body and the lower vibrating body of the metallic material, An upper electrode plate attached to an upper portion of the piezoelectric ceramics stacked on the uppermost side and simultaneously attached to a lower portion of the upper vibrating body, at least one lower electrode plate attached between the stacked piezoelectric ceramics, and the lower vibrating body It is attached to the lower portion of the laminated piezoceramic, relates to an ultrasonic cutter comprising a piezoelectric vibrator, characterized in that it comprises a cut formed on the end of the lower vibrating body, the end of the horn.

이하, 본 발명에 따르는 초음파 커터의 실시예에 대하여 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the ultrasonic cutter according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 커터용 압전 진동체에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 것으로서, 상부 진동체(10), 하부진동체(20), 압전세라믹스(30, 40), 혼(Horn;50), 절단부(60), 상부 전극판(70), 하부 전극판(80), 압착볼트(90)를 포함하여 구성된다.1 illustrates a configuration of a preferred embodiment of a piezoelectric vibrator for an ultrasonic cutter according to the present invention, and includes an upper vibrator 10, a lower vibrator 20, piezoelectric ceramics 30 and 40, and a horn; 50), the cutting unit 60, the upper electrode plate 70, the lower electrode plate 80, and the compression bolt 90 is configured to include.

란쥬반 진동이론에 의한 진동자를 구현하기 위해 2개의 압전 세라믹스를 초음파 진동체인 상부 진동체(10)과 하부 진동체(20) 사이에 삽입하였으며, 상기 진동체는 금속으로 강도와 경도가 높은 탄소강 등을 사용할 수 있다. 상기 상부 진동체(10)와 하부 진동체(20)사이에 상기 압전 세라믹스를 고정하기 위하여 압착볼트(90)을 이용하여 압착하여 고정시켰다. 상기 압착 정도는 압전 세라믹스의 강도와 진동에너지 등을 고려하여 세라믹에 압력을 가하여 충전된 전압이 오실로스코프(Oscilloscope) 상에서 0.8V가 되도록 한다. 상기 진동체 사이에 압착 고정되는 압전 세라믹스는 일반적으로 산화물 혼합법 등에 의하여 제조되어 가공된다. 상기 압전세라믹스는 양면에 전극을 도포한 후 고전계하에서 분극 처리된다. 상기 상부 압전세라믹스(30)와 하부 압전세라믹스(40)는 서로 분극 방향이 마주 보도록 배치된다. 상부 압전세라믹스(30)과 하부 압전세라믹스(40) 사이에 상부 전극판(80)이 삽입되고, 상부 압전세라믹스와 상부 진동체 사이에 하부 전극판(70)이 삽입된다. 상기 상부 전극판과 하부 전극판을 통하여 구동 회로로부터 진동을 위한 교류 전원이 공급된다. 상기 분극 방향이 서로 마주보도록 형성된 압전세라믹스는 적어도 한쌍으로 구성되며, 블록형 압전세라믹인 경우에는 분극방향이 서로 마주 보도록 매치된 한쌍의 적층된 압전세라믹이 상부와 하부 진동체의 사이에 중간에 간격을 두고 좌측과 우측에 대칭되도록 삽입된다.Two piezoelectric ceramics were inserted between the upper vibrating body 10 and the lower vibrating body 20, which are ultrasonic vibrating bodies, in order to implement a vibrator based on the Lanjuban vibration theory. Can be used. In order to fix the piezoelectric ceramics between the upper vibrating body 10 and the lower vibrating body 20, the pressing bolt 90 was pressed to fix the piezoelectric ceramics. The degree of compression is applied to the ceramic in consideration of the strength and vibration energy of the piezoelectric ceramics so that the charged voltage is 0.8V on the oscilloscope (Oscilloscope). Piezoelectric ceramics that are pressed and fixed between the vibrating bodies are generally manufactured and processed by an oxide mixing method or the like. The piezoelectric ceramics are polarized under high electric field after coating electrodes on both surfaces. The upper piezoelectric ceramics 30 and the lower piezoelectric ceramics 40 are disposed so that their polarization directions face each other. An upper electrode plate 80 is inserted between the upper piezoelectric ceramics 30 and the lower piezoelectric ceramics 40, and a lower electrode plate 70 is inserted between the upper piezoelectric ceramics and the upper vibrating body. AC power for vibration is supplied from the driving circuit through the upper electrode plate and the lower electrode plate. The piezoelectric ceramics formed so that the polarization directions face each other are constituted by at least one pair, and in the case of a block type piezoceramic, a pair of stacked piezoelectric ceramics that are matched so that the polarization directions face each other are spaced between the upper and lower vibrating bodies in the middle. It is inserted symmetrically on the left and right side.

상기 압전 세라믹스는 환원형이나 블록형이 사용될 수 있다. 환원형의 경우에는 압전 세라믹스의 제조공정에서 원하는 환원의 외경 및 내경을 맞추기 위해서 압전 세라믹스가 소결되는 과정에서 발생되는 수축율 등을 고려해야 하는 번거러움이 있으나, 블록형을 사용하는 경우에는 이러한 압전 세라믹스의 제조 및 가공 상의 문제점을 해결할 수 있게 된다. 또한, 환원형의 경우에는 압전 진동체 전체의 구조가 원형으로 제작되어야 하나, 블록형 압전 세라믹스를 사용하는 경우에는 그 형태를 평판형으로도 제작이 가능하다. 환원형 압전세라믹을 사용하는 경우에는 적어도 한쌍의 환원형 압전세라믹이 사용되며, 압전 진동자의 진동의 정도를 고려하여 상기 한쌍의 환원형 압전세라믹의 상부와 하부에 인접한 압전 세라믹과 분극방향이 반대가 되도록 압전세라믹을 추가로 적층하여 제작할 수도 있다. 블록형 압전세락믹을 사용하는 경우에는 도 1에서 보는바와 같이 상부와 하부의 금속 진동체 사이의 좌측과 우측에 분극 방향이 마주보도록 적층된 한쌍의 블록형 압전세라믹이 각각 배치되며, 환원형 압전세라믹의 경우와 마찬가지로 상기 한쌍의 압전세라믹의 상부와 하부에 인접한 압전세라믹의 분극방향과 반대가 되도록 압전세라믹을 추가로 적층하여 제작할 수도 있다. 압전세라믹을 추가로 적층하는 경우에는 각각의 압전세라믹의 사이에 상기 하부 전극판이 설치된다.The piezoelectric ceramics may be reduced or block type. In the case of the reduction type, in order to meet the outer and inner diameters of the desired reduction in the manufacturing process of the piezoelectric ceramics, it is cumbersome to consider the shrinkage generated during the sintering process of the piezoelectric ceramics, but in the case of using the block type, the piezoelectric ceramics are manufactured. And problems in processing can be solved. In addition, in the case of the reduction type, the entire structure of the piezoelectric vibrating body should be manufactured in a circular shape, but in the case of using a block type piezoelectric ceramics, the shape may also be manufactured in a flat shape. In the case of using a reduced piezoelectric ceramic, at least one pair of reduced piezoelectric ceramics are used, and considering the degree of vibration of the piezoelectric vibrator, the polarization directions of the piezoelectric ceramics adjacent to the upper and lower portions of the pair of reduced piezoelectric ceramics are opposite. The piezoceramic may be manufactured by further laminating as much as possible. In the case of using a block type piezoceramic, as shown in FIG. 1, a pair of block type piezoceramics stacked to face the polarization direction between the upper and lower metal vibrating bodies are disposed, respectively, and a reduced piezoelectric type is used. As in the case of ceramics, piezoelectric ceramics may be additionally laminated so as to be opposite to the polarization direction of the piezoelectric ceramics adjacent to the upper and lower portions of the pair of piezoelectric ceramics. In the case of further stacking piezoelectric ceramics, the lower electrode plate is provided between the piezoelectric ceramics.

본 발명의 상기 실시예에서는 상기 압전 세라믹스를 블록형으로 제작한 것을 중심으로 설명하였으나, 환원형으로도 제작이 가능하다.In the above-described embodiment of the present invention, the piezoelectric ceramics have been described in terms of the block type, but the reduction type is also possible.

상기 상부 전극판(70)과 하부 전극판(80)은 압전 세라믹스에서 발생되는 진동을 가장 극심하게 받게 되는 부분이므로, 전극판의 재질이 매우 중요하다. 일반적으로 극심한 진동을 견디기 위해서는 금속이면서 연성, 취성 및 인장강도가 뛰어난 전극판을 사용해야 한다. 일반적으로 구리, 동 등을 사용하였으며, 본 발명에서는 베릴리움 구리(Beryllium Copper)가 사용되었다.Since the upper electrode plate 70 and the lower electrode plate 80 are the parts that are most severely subjected to vibration generated in the piezoelectric ceramics, the material of the electrode plate is very important. In general, in order to withstand extreme vibrations, an electrode plate having a metal and excellent ductility, brittleness, and tensile strength should be used. In general, copper, copper and the like were used, and in the present invention, beryllium copper was used.

각각의 압전세라믹의 상면과 하면의 전극은 실버 페이스트(viscosity 138kcps , solid content 69.7%)를 이용하여 압전 세라믹 상부 및 하부에 도포 하여 전극을 상온에서 형성하였으며, 상부 전극판(70)과 하부 전극판(80)은 에폭시재료와 경화제의 비율을 질량비 10:1로 혼합한 에폭시를 이용하여 상기 상부 진동체(10) 하부 진동체(20), 상기 상부 전극판 및 하부 전극판을 접착한 후 오븐(Convection Oven)에서 100℃, 1시간 동안 고화하였다. The upper and lower electrodes of each piezoelectric ceramic were coated on the upper and lower parts of the piezoelectric ceramic using silver paste (viscosity 138kcps, solid content 69.7%) to form electrodes at room temperature, and the upper electrode plate 70 and the lower electrode plate. 80 is an oven after adhering the upper vibrating body 10, the lower vibrating body 20, the upper electrode plate and the lower electrode plate by using an epoxy mixed with a ratio of an epoxy material and a curing agent in a mass ratio of 10: 1. Convection Oven) was solidified at 100 ℃ for 1 hour.

상기 하부 진동체(20)와 혼(50)은 일체형으로 제작되었으며, 혼의 형태는 직선형, 사다리꼴형, 익스포낸셜형 등의 여러 가지의 형태가 가능하며, 본 발명에서는 익스포낸셜(Exponential) 형태로 기계적 가공을 하였다. 상기 익스포낸셜형은 효율적인 초음파의 전달과 혼(50) 부분에 과도한 하중이 걸다. 상기한 바와 같이 혼의 형태는 익스포낸셜형으로 제작되었으며, 절단부의 형태는 블레이드 형으로 제작되었다.The lower vibrator 20 and the horn 50 are made in one piece, and the shape of the horn is available in various forms, such as straight, trapezoidal, and expansive, and in the present invention in an exponential form. Mechanical processing was performed. The exponential type puts an excessive load on the horn 50 and efficient ultrasonic transmission. As described above, the shape of the horn is manufactured in an exoncial type, and the shape of the cut part is made in a blade type.

도 2는 압전진동자의 하부 진동체와 혼의 정면도 및 측면도이다. 블록형 압 전세라믹을 이용하여 제작하였기 때문에 평판형으로 제작되었음을 알 수 있으며, 효율적인 초음파의 전달과 혼부분에 과도한 하중이 걸리는 것을 방지하기 위하여 혼의 모양을 익스포낸셜 형태로 가공하였다. 하부 진동체와 혼을 일체형으로 제작하였으나 분리하여 제작할 수도 있다. 초음파 방사용 진동체 역할을 하는 상부 및 하부 진동체(10,20)의 크기는 진동자의 효율을 고려하여 정하여 지며, 대체로 압전

세라믹(40)을 중심으로 대칭이 되도록 제작한다.2 is a front view and a side view of the lower vibrating body and the horn of the piezoelectric vibrator. Since it is manufactured using block piezoceramic, it can be seen that it is manufactured as a flat plate type, and the shape of the horn is processed in an exogenous form in order to effectively transmit ultrasonic waves and prevent excessive load on the horn. The lower vibrating body and the horn are manufactured in one piece, but may be manufactured separately. The size of the upper and lower vibrating

bodies

10 and 20 serving as the ultrasonic radiating vibrator is determined in consideration of the efficiency of the vibrator, and generally piezoelectric.

It is manufactured to be symmetric about the ceramic 40.

도 3은 반파장 진동자의 개략도 및 진동변위곡선을 나타낸 그림이다. 혼(340)의 끝 부분인 절단부,

즉 에서의 진동 크기는 다음 식으로 계산되어 진다.3 is a diagram showing a schematic diagram and a vibration displacement curve of a half-wave oscillator. Cut at the end of the horn 340,

That is, the magnitude of vibration at is calculated by the following equation.

여기서,

는 반파장 변환기 전체의 기계적 변위(Mechanical Displacement)이며 U는 압전세라믹에 가해지는 전압을 나타낸 것이다. 즉, 반파장 변환기는 압전세라믹의 압전상수(d₃₃)와 압전세라믹에 가하지는 전압, 또한 란쥬반 진동에 관한 계수(Coefficient)에 비례하게 된다.here,

Is the mechanical displacement of the half-wavelength transducer and U is the voltage applied to the piezoceramic. In other words, the half-wave converter is proportional to the piezoelectric constant d ₃₃ of the piezoelectric ceramic, the voltage applied to the piezoelectric ceramic, and the coefficient of the Lanjuban vibration.

여기서, here,

Y는 란쥬반 진동에 관한 계수이다. 즉, Y에는 영역 0,1,2의 변위가 고려되었다.Y is a coefficient for Ranjuban vibration. That is, the displacement of the regions 0, 1, and 2 is considered in Y.

여기서

here

만약, 상기 진동 확대기와 압전세라믹스(330)의 물질상수 및 구동부에서 필요한 진동속도를 알고 있으면 위에서 언급한 표현식 으로 전압의 크기를 계산하는 것이 가능하다. 진동체가 되는 금속(310,320)에서 혼(340)으로 증폭할 때의 변위가 4-10배에 달하기 때문에 매우 변환효율이 높은 진동자를 형성할 수 있다.If the vibration expander and the material constant of the piezoelectric ceramics 330 and the vibration speed required by the driving unit are known, it is possible to calculate the magnitude of the voltage by the above-mentioned expression. Since the displacement when amplifying the metal 310 and 320 to be the vibrating body into the horn 340 is 4-10 times, it is possible to form a vibrator having high conversion efficiency.

압전세라믹(330)의 상부 및 하부 전극판에 교류를 인가하면, 분극에 의한 압전 특성에 의하여 교류 왜곡(distortion)이 발생되며, 이 왜곡(distortion)은 축 방향으로 신장이 일어나면 축에 직각인 두 횡 방향으로는 수축이 일어나고 따라서 그 방향에 압축변형

이 생기는 현상인 possion 현상을 통해 기계적인 진동력을 발생시켜 금속 진동체(310,320)을 진동시킨다. 도 3은 진동변위 곡선(350)은 반파장 변환기의 진동 변위를 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 것으로, 진동체(310,320)와 혼(340)의 길이의 합이 반파장이 되는 경우 혼의 끝단, 즉 절단부에서 진동 변위(350)가 가장 크게 나타나는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 본 발명에서는 압전 세라믹스를 포함하는 진동부의 길이와 혼의 길이가 동일하여 절단부에서 최대의 진동이 발생할 수 있도록 초음파 커터를 구성하였다.When alternating current is applied to the upper and lower electrode plates of the piezoelectric ceramic 330, alternating current (distortion) is generated due to the piezoelectric characteristics due to polarization, which is perpendicular to the axis when the distortion occurs in the axial direction. Shrinkage occurs in the transverse direction and thus compressive deformation in that direction

The mechanical vibrating force is generated through the possion phenomenon, which is this phenomenon, to vibrate the

metal vibrating bodies

310 and 320. 3 shows the result of the vibration displacement curve 350 simulating the vibration displacement of the half-wave transducer. When the sum of the lengths of the

vibrators

310 and 320 and the horn 340 becomes half wavelength, the end of the horn, that is, the vibration at the cut portion, is shown. Displacement 350 was found to be greatest. Therefore, in the present invention, the ultrasonic cutter is configured so that the maximum vibration can be generated in the cut part because the length of the vibrator including the piezoelectric ceramics and the length of the horn are the same.

도 4(A)는 반파장 진동자의 변위 발생 이전의 형태이고, 도 4(B)는 초음파 진동에 의해 진동자에 변위가 발생한 형태를 도시한 것이다. 초음파 진동에 의해 진동자의 길이가 늘어나고 형태가 변형된 것을 볼 수 있다.FIG. 4 (A) shows the form before the displacement of the half-wave oscillator, and FIG. 4 (B) shows the form in which the displacement occurs in the vibrator by ultrasonic vibration. It can be seen that the length of the vibrator is increased and its shape is deformed by the ultrasonic vibration.

도 5는 초음파 커터의 전체 개략도이다. 도 1의 압전진동자를 지지대에 부착시켜 완성된 초음파 커터를 도시한 것이다. 5 is an overall schematic view of an ultrasonic cutter. Figure 1 shows the ultrasonic cutter completed by attaching the piezoelectric vibrator to the support.

초음파 커터에 삽입된 압전 세라믹스(30,40)는 진동자 내부의 진동응력이 큰 위치에 있을 때 능력을 발휘한다. 반면에 상기 압전 세라믹스(30, 40)는 진동 응력이 일정 수준 이상이 되면 피로현상으로 인하여 파손되기 때문에 압전 세라믹(30,40)의 파손과 진동능력의 저하를 방지하고 최적의 응력을 주기 위해 상기 압전 진동자의 절단부와 직물과의 압착되는 압력을 조절해야 한다. The piezoelectric ceramics 30 and 40 inserted into the ultrasonic cutter exhibit their ability when the vibration stress inside the vibrator is at a large position. On the other hand, the piezoelectric ceramics 30 and 40 are damaged due to the fatigue phenomenon when the vibration stress is above a certain level, so that the piezoelectric ceramics 30 and 40 are prevented from being damaged and the vibration capacity is reduced, and the optimum stress is applied to the piezoelectric ceramics 30 and 40. The pressure pressed between the cutout of the piezoelectric vibrator and the fabric should be adjusted.

따라서, 본 발명에서는 상기 초음파 커터 상부에 압력 조절 볼트(500), 압착 샤프트(510) 및 압착캡(520)을 개재하여 직물을 자를 때의 압력조건을 최적화 하도록 조절할 수 있도록 하고 있다. 초음파 커터의 주변에는 기계적 물리적 특성이 우수한 엔지니어링 플라스틱(engineering plastic) 계통인 PBT(Polybutylene Terephthalate)로 덮개(130)를 형성하였으며, 상기 덮게(130)는 초음파 커터에 가해지는 외부충격으로부터 진동체(10,20)와 horn(50)을 보호함과 동시에 전기적으로 절연시키는 작용을 하는 것이다.Therefore, in the present invention, the pressure adjusting bolt 500, the pressing shaft 510, and the pressing cap 520 are interposed between the ultrasonic cutter to optimize the pressure condition when cutting the fabric. In the vicinity of the ultrasonic cutter, a cover 130 was formed of polybutylene terephthalate (PBT), which is an engineering plastic system having excellent mechanical and physical properties, and the cover 130 is a vibrating body 10 from an external impact applied to the ultrasonic cutter. And 20) and to protect the horn (50) and at the same time electrically insulating.

섬유 등의 직물지가 이동하여 절단부(60)과 접촉되는 부분을 지지하기 위하여 절단면 지지부(540)를 개재하였다. 상기 지지부(540)는 상기 직물지가 이동해 왔을 때 직물지에 가해지는 마찰력을 줄여주고, 초음파에 의해 고주파 진동을 하고 있는 절단부(60)와 접촉면을 이루어 직물을 효과적으로 절단 할 수 있게 제작 하였다. 또한 절단면 지지부(540)를 고정시키기 위한 지지대(550,560)를 형성하였다.The cutting surface support 540 was interposed in order to support a portion where the textile paper such as fiber is moved and in contact with the cut portion 60. The support portion 540 reduces the friction force applied to the fabric paper when the fabric paper has moved, and made a contact surface with the cutting portion 60 that is subjected to high frequency vibration by ultrasonic waves to effectively cut the fabric. In addition, supporters 550 and 560 for fixing the cut surface support 540 were formed.

도 6은 초음파 커터 구동회로의 블록도 이다. 초음파 커터 구동회로는 크게 발진기(610), 분주기(620), 푸시-풀 전력 증폭기(630)로 구성된다. 발진기(610)는 일반적인 전압제어식 주파수 발생기로 전압 레벨에 의해 주파수를 가변하여 50%의 듀티비를 갖는 펄스파를 발생시킨다. 분주기(620)는 발진기(610)의 출력을 이용하여 푸시-풀 전력증폭기(630)를 제어한다. 분주기(620)는 발진기(610)의 출력을 20%의 위상차를 갖는 2개의 펄스파로 변환하며 각각의 펄스파는 180도의 위상차를 갖는다. 푸시-풀 전력증폭기(630)는 2개의 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)와 1개의 트랜스포머로 구성되며 분주기의 출력에 의해 제어되며 초음파 커터에 정현파의 교류전압을 인가하여 구동시킨다.6 is a block diagram of an ultrasonic cutter driving circuit. The ultrasonic cutter driving circuit is largely composed of an oscillator 610, a divider 620, and a push-pull power amplifier 630. The oscillator 610 is a general voltage controlled frequency generator that generates a pulse wave having a duty ratio of 50% by varying the frequency by the voltage level. The divider 620 controls the push-pull power amplifier 630 using the output of the oscillator 610. The divider 620 converts the output of the oscillator 610 into two pulse waves having a phase difference of 20%, and each pulse wave has a phase difference of 180 degrees. The push-pull power amplifier 630 is composed of two metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) and one transformer, controlled by the output of the divider, and driven by applying an sine wave AC voltage to the ultrasonic cutter.

이상에서 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위하여 개시된 것으로, 당업자라면 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에 다양한 다른 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.Preferred embodiments of the present invention described above are disclosed for the purpose of illustration, and those skilled in the art can improve, change, replace or replace various other embodiments within the technical spirit and the technical scope of the present invention disclosed in the appended claims below. Addition may be possible.

상기와 같이 구성되어 이루어지는 본 발명에 따른 란쥬반 진동이론을 이용한 초음파 커터는 제조 공정이 간편하며, 작고 효율이 높은 초음파 커터를 제공할 수 있다. The ultrasonic cutter using the Lanjuvan vibration theory according to the present invention configured as described above can provide a compact and highly efficient ultrasonic cutter.

본 발명의 초음파 모터는 취급이 용이하며 작동 방법이 간단하며, 직물지의 변부가 매끄럽게 절단되고 초음파 열에 의해 직물지의 변부가 융착 되므로 올이 풀리지 않게 되는 효과와 철심 등이 내장된 직물도 절단이 가능하며, 엉김현상이 없으며 비닐 절단시 절단부의 접착이 가능하게 된다. 또한, 초음파가 전달되는 혼의 모양을 변형시킴으로써 효율적인 진동효과를 가지는 초음파 커터에 관한 것이다.The ultrasonic motor of the present invention is easy to handle and simple to operate, and the edges of the fabric paper are cut smoothly and the edges of the fabric paper are fused by ultrasonic heat, so that the fabrics with the effect of not loosening and the core embedded in the core can be cut. There is no entanglement, and it is possible to bond the cuts when cutting the vinyl. In addition, the present invention relates to an ultrasonic cutter having an efficient vibration effect by modifying the shape of a horn through which ultrasonic waves are transmitted.

Claims

금속 재질의 상부 진동체(10) 및 하부 진동체(20);An upper vibrator 10 and a lower vibrator 20 made of metal;

상기 상부와 하부 진동체(10,20)의 사이에 삽입되며, 좌측과 우측이 대칭이 되며, 분극 방향이 마주보도록 적층된 적어도 한 쌍의 압전세라믹(30,40);At least one pair of piezoelectric ceramics 30 and 40 inserted between the upper and lower vibrating bodies 10 and 20 and symmetrical to the left and right sides and stacked to face the polarization direction;

상기 압전세라믹 중에서 가장 위쪽에 적층된 압전세라믹의 상부에 부착되며 동시에 상기 상부 진동체(10)의 하부에 부착되는 상부 전극판(70);An upper electrode plate 70 attached to an upper portion of the piezoelectric ceramics stacked on an uppermost part of the piezoelectric ceramics and attached to a lower portion of the upper vibrating body 10;

상기 적층된 압전세라믹 사이에 부착되는 적어도 하나의 하부 전극판(80);At least one lower electrode plate 80 attached between the stacked piezoelectric ceramics;

상기 하부 진동체(20)는 가장 아래쪽에 적층된 압전세라믹의 하부에 부착되며, 익스포낸셜 타입으로 이루어져서 상기 부착면과 반대쪽으로 형성된 혼(50);The lower vibrating body 20 is attached to the lower portion of the piezoelectric ceramic stacked on the bottom, the horn (50) made of an expansive type formed on the opposite side to the attachment surface;

상기 혼의 끝 부분에 형성된 절단부(60);A cutting unit 60 formed at an end of the horn;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압전 진동자를 포함하여 구성된 초음파 커터.Ultrasonic cutter comprising a piezoelectric vibrator, characterized in that configured to include.

제1항에 있어서,The method of claim 1,

상기 상부 및 하부 압전세라믹의 형태가 직사각형의 블록형인 것을 특징으로 하는 압전 진동자를 포함하여 구성된 초음파 커터.Ultrasonic cutter comprising a piezoelectric vibrator, characterized in that the upper and lower piezoceramic shape is a rectangular block shape.

제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2,

상기 상부 전극판과 하부 전극판은 배릴리움 구리를 사용하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자를 포함하여 구성된 초음파 커터.The upper electrode plate and the lower electrode plate is an ultrasonic cutter comprising a piezoelectric vibrator, characterized in that using the use of barium.

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제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2,

상기 혼의 길이는 압전세라믹을 포함한 상부 및 하부 진동체 전체의 길이와 동일하며, 상기 혼과 압전세라믹을 포함하는 압전 진동자의 길이는 초음파 파장의 1/2인 것을 특징으로 하는 압전 진동자를 포함하여 구성된 초음파 커터.The length of the horn is the same as the entire length of the upper and lower vibrating body including the piezoceramic, the length of the piezoelectric vibrator including the horn and the piezoelectric ceramic is configured to include a piezoelectric vibrator, characterized in that 1/2 of the ultrasonic wavelength Ultrasonic cutter.

제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2,

상기 압전 진동자를 보호하고 절연을 유지하기 위한 PBT (Polybutylene Terephthalate) 케이스와 지지대(150,160) 및 절단면 지지부(140)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 커터.Ultrasonic cutter characterized in that it comprises a polybutylene terephthalate (PBT) case and a support (150,160) and a cutting surface support (140) for protecting the piezoelectric vibrator and maintaining insulation.

제6항에 있어서,The method of claim 6,

상기 PBT 케이스에 상기 압전 진동자와 상기 절단면 지지부의 간격을 조절하기 위한 압착 조절볼트, 압착 샤프트 및 압착 캡을 포함하는 압착 조절부를 설치하는 것을 특징으로 하는 초음파 커터.Ultrasonic cutter, characterized in that the compression adjustment unit including a compression adjustment bolt, a compression shaft and a compression cap for adjusting the interval between the piezoelectric vibrator and the cutting surface support portion in the PBT case.

제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2,

상기 압전세라믹의 상부와 하부에 인접한 압전세라믹의 분극방향이 반대가 되도록 압전세라믹을 추가로 적층하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 커터.And a piezoelectric ceramic further laminated so that the polarization directions of the piezoelectric ceramics adjacent to the upper and lower portions of the piezoelectric ceramics are reversed.