In this paper, we studied generating characteristic of cymbal type piezoelectric transducer according to change of cymbal cap. The transducer is composed of circular piezoelectric ceramic and two elastic bodies which are shaped as cymbal. Two elastic bodies are attached to upper and bottom of the ceramic. Principle of the transducer is to generate expanded displacement because vertical stress is transformed into horizontal stress by slope angle of elastic bodies. The transducer also has advantage of high durability by the angle of elastic bodies. In this study, each parameter was chosen, and then generating characteristics were analyzed by FEM program. The parameters were slope angle of cymbal cap (theta), cap height (h) and cap inner diameter(d). The model that had generating characteristic Of high voltage was chosen by results of the analysis. Besides, maximum vertical displacements according to change of vertical stress were analyzed by structural analysis in order to find out relation between the maximum vertical stress which can prevent from ceramic damage and conditions of each cap.
In this study, the cymbal actuators with brass and bronze endcap at various endcap thickness were fabricated, and then the displacement vs applied voltage relation and position from the center of endcap relation were investigated The displacement values of all cymbal actuator were measured using laser vibrometer. The displacement of the cymbal actuator was increased linearly with increasing applied voltage. The cymbal actuator with 0.15mm thick brass endcap show approximately 1.3$\mu\textrm{m}$ displacement more than cymbal actuator with uniformly thick bronze endcap. The displacement about 3mm in diameter at the center of the endcap was uniform and rapidly decreased away from 3mm in diameter at the center of the endcap.
수중 탐지용으로 사용되는 심벌 트랜스듀서에는 여러 가지 종류가 연구되어져 왔는데, 대표적인 종류로 Moonie 트랜스듀서, 컨벡스 심벌 트랜스듀서, 그리고 컨케이브 심벌 트랜스듀서 등이 있다. 본 연구에서는 수중 광대역 프로젝터용으로 이들 세 종류의 트랜스듀서의 특성을 분석하고 비교하였다. 트랜스듀서의 구조 변수들이 각 트랜스듀서의 음향 특성에 미치는 영향을 분석하고 이를 바탕으로 각 트랜스듀서 종류가 특정 중심주파수를 가지면서 대역폭이 최대가 되는 구조를 도출하였다. 최적화된 구조를 가지는 트랜스듀서들의 성능을 비교한 결과, 컨벡스 심벌 트랜스듀서가 광대역과 고출력, 두 측면에서 모두 가장 우수하다는 것을 확인하였다.
This paper presents the development of a micro punching system with modified cymbal mechanism. To realize the micro punching, we introduced the hybrid system with a macro moving part and micro punching part. The macro moving part consists of a ball screw, a linear guide and the micro step motor and micro punching part includes the PZT actuators and displacement amplification device with modified cymbal mechanism. The PZT actuator is capable of producing very large force, but they provide only limited displacements which are several micro meters. Thus the displacement amplification device is necessary to make those actuators more efficient and useful. For this purpose, a cymbal mechanism in series is proposed. The finite element method was used to design the cymbal mechanism and to analyze the mode shape of the one. The displacement and mode shape error between the FEM results and experiments are within 10%. A considerable design effort has been focused on optimizing the flexure hinge to increase the output displacement and punching force.
심벌 트랜스듀서는 높은 품질계수와 낮은 에너지 변환 효율성을 가지기 때문에 단일보다는 배열형으로 많이 사용된다. 단, 배열형으로 사용하면 구성 트랜스듀서들 간의 상호작용으로 인해 주파수 특성에 많은 변화가 나타난다. 본 연구에서는 이러한 성질을 이용하여 초광대역 특성을 가지는 배열형 심벌 트랜스듀서의 구조를 설계하였다. 먼저, 특정 중심 주파수를 가지는 심벌 트랜스듀서를 설계하였다. 그리고 설계된 심벌 트랜스듀서들로 2×2 평면 배열을 구성하는데, 구성 트랜스듀서들이 모두 동일하거나 엇갈리는 분극 방향을 가지도록 하였다. 이 배열구조에 대해서 구성 트랜스듀서들 간의 중심 주파수 차이와 트랜스듀서들 중심과 중심 간의 간격이 전체 배열 구조의 음향특성에 미치는 영향을 분석하였다. 이 결과를 바탕으로 비대역폭이 최대가 되는 배열형 심벌 트랜스듀서의 구조를 도출하였다.
The pollution problem of fossil energy sources has caused the development of green energy harvesting systems. Piezoelectric energy harvesting technology has been developed under those external environmental factors. A piezoelectric energy harvester can be defined as a device which transforms mechanical vibration or impact energy into electrical energy. Most researches have focused on bender structures. However, these have a limitation on energy efficiency because of the small effective electromechanical coupling factor, around 10%. Therefore, we should look for a new design for energy harvesting. A cymbal energy harvester can be a good candidate for the high-power energy harvester because it uses a high amplification mechanism using endcaps while keeping a higher electromechanical coupling factor. In this research, we focused on energy efficiency improvements of the cymbal energy harvester by changing the polarization direction, because the electromechanical coupling factor of the k33 mode and the k15 mode is larger than that of the k31 mode. Theoretically, we checked the cymbal harvester with radial polarization and it could obtain 6 times larger energy than that with the k31 direction polarization. Furthermore, we verified the theoretical expectation using the finite element method program. Consequently, we could expect a more efficient cymbal harvester with the radial polarization by comparing two polarization directions.
On this paper, piezoelectric generators using piezoelectric ceramics were designed and fabricated. Generators were made by attaching cymbal type metal plates on upper and bottom sides of a disc type piezoelectric ceramic. Generator converts wasting mechanical energy to electrical energy. Output voltage was increased when thickness of ceramic and displacement of vibration were increased. Temperature of the ceramic was increased when it generates, but the temperature rising was saturated at certain temperature.
On this paper, piezoelectric generators using piezoelectric ceramics were designed and fabricated. Generators were made by attaching cymbal type metal plates on upper and bottom sides of a disc type piezoelectric ceramic. Generator converts wasting mechanical energy to electrical energy. Output voltage was increased when thickness of ceramic and displacement of vibration were increased. Temperature of the ceramic was increased when it generates, but the temperature rising was saturated at certain temperature.
In this study, Brass endcap with 2, 3, 5, and 7mm contact surface and 0.6, 0.9, 1.2, 1.5mm conical cavity depths was fabricated by the punch die while keeping the cavity diameter constant 9.25mm then displacement characteristics of the cymbal actuators with each of brass endcap thickness were measured under an applied voltage $60V_{max}$. Dispacement increased with increasing contact surface and resonant frequency decreased with increasing contact surface, cymbal actuator with 7mm contact surface and 1.5mm endcap cavity depth exhibits $35.89{\mu}m$ displacement and 18.8kHz resonant frequency, displacement increased with increasing endcap cavity depth while contact surface was kept constant at 3mm and Below a endcap thickness of 0.2mm, Differences in displacement between 1.2mm and 1.5mm cavity depth appeared at $0.18{\mu}m$. that is, displacement of cymbal actuator with 1.2mm over cavity depth saturated nearly.
심벌 트랜스듀서는 Class V flextensional 트랜스듀서의 소형화된 버전으로서 크기에 비해 낮은 공진 주파수와 고출력 특성을 가진다. 하지만, 높은 품질계수와 낮은 에너지 변환 효율성 때문에 단일보다는 배열형으로 많이 사용된다. 배열형으로 사용하면 구성 트랜스듀서들 간의 상호작용으로 인해 단일 트랜스듀서에 비해 주파수 특성에 많은 변화가 나타난다. 본 연구에서는 이러한 성질을 이용하여 심벌 어레이가 광대역 특성을 가지게 하는 패턴을 설계하였다. 특정 중심 주파수를 가지는 세 개의 심벌 트랜스듀서를 먼저 설계하였고, 설계된 심벌 트랜스듀서들로 3 × 3 평면 배열을 구성할 수 있는 모든 패턴을 찾았다. 그 후, 이들 패턴들의 주파수 특성을 분석하고, 그 결과를 바탕으로 높은 비대역폭을 구현하기 위해 가장 효과적인 배열 패턴을 도출하였다. 도출된 배열 패턴은 기준 모델에 비해 비대역폭이 최대 24.9 % 개선되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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