초음파 진동자(고 출력 BLT) 제작 방법 - 2회

4. 볼트 조임 압력
BLT형 진동자에서 적절한 볼트의 조임 압력은 아래의 식과 같다.

 

 

    Ps: 볼트 조임 정압
    Pp: 정(압축 / 누르는)방향 압력
    Pn: 역(신장 / 늘어나는)방향 압력

만약에 압축 또는 신장 방향의 압력을 모를 경우, 압축방향의 압력은 압전소자를 누르는 방향으로 압력을 증가 시켜, 압전소자가 파괴(깨지는, 부서지는)되는 압력 점이 압축방향의 압력이다. 대부분의 압전소자(Piezoceramic)는 압축(누르는)방향의 압력이 당기는(늘어나는) 방향의 압력보다 5배 정도 크다. 또 BLT의 적층된 압전소자에 60MPa 이상의 압축방향 압력을 가하지 않는 것을 권장한다. 참고로 Branson의 최고 출력 진동자의 볼트 조임 압력은 51MPa이다.

최적의 볼트 조임 압력을 찾는 다른 방법은 센터볼트를 서서히 조이면서 임피던스 분석기로 임피던스 특성과 주파수특성을 관찰하여 찾아내는 방법이다. 실행 절차는 다음과 같이 한다.

① 압전소자의 적층 상태가 유지 될 수 있는 최소한의 조임 압력으로 실험 진동자를 만든다.
    (또는 지그를 갖춘다.)

② 센터볼트를 아주 조금씩 조여 나가면서 임피던스 특성, 정전용량, 주파수를 가한 압력과 함께 기록한다.

③ 센터 볼트를 계속해서 조여 나가다 보면 임피던스 특성, 정정용량, 주파수 값이 상대적으로 안정화 되고 기계적 품질계수가 최고가 되는 구간이 나타난다.

④ 센터 볼트를 계속해서 조이면 측정 파라메타 요소들이 상대적으로 안정화 된 상태가 반복적으로 점점 더 짧게 나타나다가 비 직선적으로 급격한 변화를 보이며 압전소자나 센터 볼트에 치명적인 손상이 나타난다.

⑤ 측정된 파라메타 요소들이 상대적으로 안정화 된 상태가 시작된 처음 구간과 마지막 구간에서 처음 시작된 구간부터 50% 안쪽의 압력 점들마다 2차 실험 진동자를 다수 만든다.(최초 시작점의 압력에 대해서는 2차 실험 진동자를 만들지 않는다. 왜냐하면 지속적인 압력이 가해진 상태에서 각 부분의 이완이 발생하고 일정 시간이 지난 후 초기 종임 압력의 10%정도 풀림이 발생하기 때문이다.)

⑥ 측정된 파라메타 요소들이 상대적으로 안정화 된 상태의 압력 점마다 만들어진 다수의 진동자를 일정시간(3시간 ~ 7시간 사이) 열처리(60℃ ~ 120℃ 사이)한다. 열처리가 끝나면 자연스럽게 실온까지 냉각 시킨 후 24시간을 상온 상태에 방치 한다.

⑦ 열처리가 끝나고 24시간 상온에 방치된 진동자의 파라메타 요소를 측정하여 가장 좋은 특성을 지닌 진동자의 볼트 조임 압력이 최적의 볼트 조임 압력이다.

⑧ 만약 BLT形 진동자의 중요 부분이 변경되면 위의 절차대로 실험을 되풀이하여 최적의 볼트 조임 압력을 찾아야 한다.