초음파진동자 특성에 영향을 미치는 파라메터 요소 - 전기기계결합계수 k

초음파진동자 특성에 영향을 미치는 파라메터 요소 - 전기기계결합계수 k

□ 전기기계결합계수 (Electromechanical coupling coefficient)

전기에너지와 기계적 에너지 간의 변환 효율을 나타내는 계수이다. 앞서 언급한 압전정수는 직접 측정하는 것이 어려워 통상적으로 측정되는 것이 전기기계결합계수 k이다. 이것은 비교적 간단하면서도 정도 있게 측정이 된다.

전기기계결합계수 k는 전기에너지를 기계에너지로 변환하는 표준의 의미를 가지는 것이 확실하지만, k가 가진 물리적 의미의 이해가 어려워 이해하기 쉬운 물리적 의미를 가지는 를 일반적으로 사용하며 아래 식으로 표시된다.

또한 k는 에너지 입출력 방법이나 진동모드를 지정하지 않으면 의미가 없다. k압전계수는 진동모드에 따라 다르기 때문이다.

k33: 분극 방향과 같은 방향의 진동모드

k31: 분극 방향과 수직 각도로 진동모드

k15: 분극 방향과 수직인 2방향 축에서 모멘트가 1방향으로 진동모드

kp(kr): 경(Planar)방향 진동모드

kt: 두께(Thickness)방향 진동모드

공진(Resonance) - 반공진(Antiresonance) 방법에 따라 진동자 모델링 등가회로를 이용하거나 임피던스 분석기 등을 사용하여 공진주파수(fr)과 반공진주파수(fa)를 구하고, 격자상수를 이용하여 근사식에 대입하면 진동자(압전소자)의 전기기계결합계수를 쉽게 산출 할 수 있다.

   예를 들어 위의 식1)에서 BLT 진동자에 해당하는 kt진동모드를 대입하면 아래와 같이 된다.

진동모드에 대한 k33, k31, k15, kp, kt의 모든 상수는 압전소자 물성(특성)표를 이용한다.