초음파 진동하는 면을 위쪽으로 설치하고, 진동면 위에 1엔짜리 동전을 올려놓으면, 약간의 갭을 유지하면서 부양하는 것은 잘 알려져 있다. 비접촉 이송, 비접촉 가이드 등에 대한 응용이 제안되고 있다. 이들에 공통되는 점은 진동면과 물체 사이에 척력이 발생하여, 물체에 작용하는 중력을 보상함으로써 비접촉 부양을 가능하게 하는 점이다. 진동면은 예를 들어 매초 3만회 진동하고 있는(교류 성분) 한편, 일정한 액추에이션력(직류 성분)이 존재한다. 이 글에서는 초음파 진동에 기인하는 액추에이션력의 응용에 대해서 소개한다.
비접촉 지지
해석에 의해 앞에서 언급한 척력이 마이너스가 될 수 있다. 즉 흡인력을 발생할 수 있다는 것이 보고되어 있다. 또한 테라다(寺田) 등은 판 모양 물체를 진동면 아래쪽에 비접촉 지지할 수 있다는 것을 보고하였으며, 이때 진동면 직경은 6mm, 판 모양 물체는 6mm의 원판이었다. 이 현상은 초음파 지지라고 불리며, 그림 1에 나타낸 바와 같이 판 모양 대상물에 대해 수직 방향과 수평 방향의 액추에이션(actuation)력이 작용한다. 물체와 진동면의 수평 방향에 어긋남이 있어도 진동면의 중심 방향으로 끌어당기는 힘이 작용하는 현상을 볼 수 있었다.
이 초음파 지지 현상을 관측하기 위해 이용한 장치를 그림 2(a)에 나타냈다. 혼 일체 형상의 랑주방(langevin)형 진동자를 제작하고, 플랜지를 통해 그 마디에서 고정할 수 있도록 하였다. 또한 캡을 그 끝에 결합시켜, 캡을 교환함으로써 진동면 직경을 변경하였다. 진동자의 공진 주파수는 21kHz였다. 진동면의 직경을 3mm로 하고 직경 3mm, 질량 3mg의 원판을 스테이지에 올린 상태에서, 진동 진폭이 약 7µmp-p가 되도록 구동을 시작한 직후의 모습을 그림 2(b)에 나타냈다. 그림 중의 각 사진 오른쪽 아래의 수치는 최초 사진으로부터 상대적인 경과 시간(ms)을 나타낸다. 원판과 진동면의 중심은 어긋나 있었으나, 구동 시작과 함께 대상물이 진동면 중심으로 끌려가면서 지지되는 상태라는 것을 알 수 있다. 또한 왼쪽 방향으로 지나치게 이동한 후, 오른쪽 방향으로 되돌아오는 감쇠 진동이 관찰되었다. 이후 진동면 중심과 원판 중심이 일치하는 위치에서 안정적으로 지지되었다.
이 수직 방향 작용력의 발생 원리에 대해서는 음원 근방에 놓인 원판에 작용하는 방사력이 인력이 될 수 있다는 것, 진동면과 대상물 주변의 경계에 주목하면 진동면의 상하 운동에 따라 공극 내의 유체가 출입을 반복할 때 유입 시에 압력 강하가 발생하는 것 등으로 이해할 수 있다. 한편, 수평 방향의 작용력에 대해서는 갭 내의 유체 흐름이 영향을 미치는 것으로 추정되며, 근거리장 음파 부양에서 진동면과 부양 대상물 사이의 음향류가 확인된 것이 보고되어 있다.
초음파 지지에서 대상물에 작용하는 액추에이션력을 계측하고자 시도하였다. 진동면과 대상물의 상대 위치를 조정하면서 수평 방향·수직 방향의 힘을 계측할 필요가 있다. 따라서 그림 3에 나타낸 바와 같이 초음파를 여기했을 때에 발생한 힘에 의해 이 상대 위치가 변하지 않도록 서보형 액추에이션력 측정 기구를 제안하였다.
볼트 체결 랑주방형 초음파 진동자에 출력 진동면의 진폭을 증폭하기 위한 혼이 체결되고, 혼 끝에는 캡을 결합시켜 진동면 직경을 변경할 수 있도록 하였다. 진동자 공진 주파수는 28kHz 정도이며, 인가하는 교류 주파수는 공진 주파수 추종에 의해 항상 공진 주파수의 구동을 유지하여 최대 진폭을 얻을 수 있도록 하면서 실험을 하였다. 초음파 진동자 전체를 X-Y 스테이지로 안내하여 대상물과의 상대 위치를 조정할 수 있도록 하였다. 2개의 피아노선을 이용해 대상물 고정대(베이스)를 매달고, 거기에 판 모양 대상물을 부착하여 진동자를 접근시켰다. 고정대 주변에 보이스코일 모터(voice coil motor: VCM)를 3개 배치하고, 고정대 변위를 참조하여 코일에 흐르는 전류를 PID 보상기로 제어하였다. VCM1로 X축 방향의 병진 운동, VCM2 및 VCM3으로 Z방향의 병진 운동, Y축 주변의 회전 운동을 제어할 수 있다. VCM의 전류에 대한 추력의 관계를 미리 취득해 두고 힘이 작용함으로써 발생하는 정상 전류의 변화량을 측정하여, 그 변화량으로부터 액추에이션력을 추정하였다. 이렇게 구성함으로써 진동자와 판 모양 물체의 상대 위치는 변하지 않기 때문에 미리 설정한 조건 하에서 측정한 결과를 얻을 수 있다. 또한 진동자를 수평으로 배치함으로써 중력의 영향을 고려할 필요가 없다. 또한 수직․수평 방향 작용력을 동시에 측정하는 것이 가능하다.
액추에이션력 측정 실험의 조건을 그림 4에 나타냈다. 이하의 측정 실험에서 지지 대상물의 두께는 50µm로 하였다. 대상물을 교환함으로써 대상물 반경 d를 변화시키고, 캡을 교환하여 진동면 직경 D를 변화시켰다. 각각의 실험 전에 진동면과 대상물의 평행도를 조정하고, 원점을 구한 후에 실험을 하였다.
진동면, 대상물의 직경을 모두 6mm로 하고, 진동 진폭을 변화시키면서 갭과 수직 방향 액추에이션력의 관계를 관측한 결과를 그림 5에 나타냈다. 세로축에서 플러스의 값은 흡인력을 나타낸다. 결과로부터 극대값을 가지며, 작은 갭에서는 척력이 작용하고 있다는 것을 알 수 있다. 또한 이 부근에서는 플러스의 강성을 나타내고 있다. 대상물에 작용하는 중력이 극대값보다 작은 경우, 흡인력과 중력이 서로 균형을 이루는 갭에서 안정된다는 것을 나타낸다.
다음으로 A＝3.0µmp-p, D＝d의 조건 하에서 갭 변화에 따른 수직 방향 액추에이션력의 변화 모습을 관측하였다. 결과를 그림 6에 나타냈다. 직경이 8.5mm 미만에서는 액추에이션력이 플러스가 되는 것을 확인하였고, 이 관측에서는 직경 8mm일 때에 최대 흡인력이 되었다. 또한 직경이 작은 경우는 총면적이 작아지기 때문에 흡인력이 작아진 것으로 추정된다. 한편, 직경이 8.5mm 이상일 때는 척력만 발생하며, 직경이 커질수록 더 큰 척력이 된다는 것을 알 수 있었다.
진동면, 대상물의 직경을 모두 6mm, 갭 40µm 일정 조건 하에서, 진동 진폭을 변화시키면서 수평 방향의 중심 간 거리와 수평 방향 액추에이션력의 관계를 관측하였다. 그 결과를 그림 7에 나타냈다. 세로축에서 플러스의 값은 진동면 중심을 향하는 방향, 즉 복원력을 나타낸다. 결과로부터 극대값을 가지며, 진동면과 대상물의 중심이 일치하는 위치 근방에서는 플러스의 강성으로 되어 있다는 것을 알 수 있다. 이로 인해 지지된 대상물은 진동면 중심을 향해 끌려가며, 그 근방에서 안정되어 있다고 생각할 수 있다.
수직 방향 액추에이션력이 발생할 때의 압력 강하를 관측하기 위해 실리콘 기판에 MEMS 기술을 이용한 소형 다이어프램(diaphragm)형 압력 센서를 제안하였다. 센서와 이것을 이용한 압력 계측의 개요를 그림 8에 나타냈다. 직경 800µm의 폴리이미드막 다이어프램의 중앙에 직경 400µm의 질량이 구비되어 있으며, 초음파 진동에 따라 다이어프램이 진동하는 것을 방지하고 갭 내 평균 압력을 계측할 수 있도록 되어 있다. 다이어프램을 진동자와 대향시키면 갭 내에서 발생하는 압력과 대기압의 차이에 의해 다이어프램이 수직 방향으로 변위한다. 센서 감도 2.75kPa/µm로부터 다이어프램과 진동면 사이 공간의 평균 압력을 계측할 수 있다.
실험 조건을 진동면 직경 D＝6mm, 갭 G＝60µm 일정으로 하고, 진동 진폭을 A＝3, 5, 7µmp-p로 변화시켰을 때의 수평 방향 압력 분포를 측정하였다. 그 결과를 그림 9에 나타냈다. 각 측정점에서 압력의 절대값은 진동 진폭이 감소함에 따라 감소하며, 어느 진동 진폭에서나 진동면 중심부에서는 플러스압, 진동면 끝 부분에서는 마이너스압이 발생하는 압력 분포가 되었다. 앞에서 언급한 압력 강하를 관측할 수 있었고, 액추에이션력 발생을 확인할 수 있었다.
펌프
그림 10에 나타낸 바와 같이 공기 중에서 초음파 진동하는 면에 내부 배관을 설치하고, 테이퍼를 갖춘 대향면(대향자)과 예압을 주어 접촉시킨다. 초음파 진동을 여기하면, 대향면 중에 진동면과 평행한 부분에서 스퀴즈 막 효과에 의해 진동면과 대향면 사이에는 갭이 발생하고, 그 사이로 유체가 반경 방향으로 이동할 수 있게 된다. 대향면에는 테이퍼가 갖추어져 있어 갭에서 주변으로 유출할 때의 저항과 그 반대 방향으로 흐를 때의 저항이 비대칭이 된다.
그림 10(a)와 같이 대향자의 주변에 테이퍼가 설치되어 있는 경우(산형 대향자)는 평균적인 흐름이 관 내의 공기를 테이퍼 외측으로 배출하는 방향이 되고, 그림 10(b)와 같이 대향면 중앙에 테이퍼가 설치되어 있는 경우(골짜기형 대향자)는 주변의 공기를 배관으로 보내는 방향이 되는 펌프 효과를 볼 수 있다.
앞에서 언급한 펌프 효과를 관측하기 위해 제작한 실험 장치의 예를 그림 11에 나타냈다. 내부 배관을 갖춘 혼이 랑주방형 진동자에 결합되어 있으며, 혼은 그 마디에서 고정되고 내부 배관의 커플링도 마디 부분에 설치하였다. 커플링의 배관은 압력계 및 유량계에 연결되어 스로틀 밸브를 통해 대기 중으로 개방되어 있다. 대향자는 탄성 시트와 금속판으로 지지되어 있으며, 스테이지의 승강에 의해 예압을 조정할 수 있다. 금속판과 스테이지 사이에는 3개의 로드셀을 배치하여 예압을 계측할 수 있게 되어 있다.
펌프 효과에 의해 도달할 수 있는 압력(스로틀 밸브 폐쇄)의 진동 진폭 차이에 따른 계측 결과를 그림 12(산형 대향자)와 그림 13(골짜기형 대향자)에 각각 나타냈다. 펌프 효과를 발생시키고 있는 진동면의 진동 진폭은 계측할 수 없기 때문에 랑주방형 진동자의 상단 진동 진폭을 계측하였다. 진동 진폭과 도달 압력이 비례하는 경향을 볼 수 있었다. 또한 스로틀 밸브 완전 개방 시에는 60ml/min 정도(골짜기형 대향자)의 유량을 볼 수 있었다.
수동적으로 발생하는 공기막에 의해 비접촉이 되고, 관 내의 공기를 배출하거나 또는 주변의 공기를 관 내로 흡인하는 한 방향 흐름을 발생시킬 수 있다. 이 액추에이션력을 이용하면, 밸브나 접촉부가 없기 때문에 메인티넌스성이 우수한 펌프를 제공할 수 있다.
맺음말
초음파 진동하는 면 근방에서 직류 성분으로 작용하는 액추에이션력의 응용 예로서, 초음파 지지 현상과 펌프 현상을 소개하였다. 독자 여러분의 비선형 음향 효과에 대한 이해에 도움이 되기를 바란다.
