초음파 진동자(고 출력 BLT) 제작 방법 - 3회

5. 고 출력 BLT 조립 순서 및 중요 사항 들

1) 준비작업: 연마(Polishing) 및 세척(Cleaning)
(1) Metal mass
① 피에조세라믹의 적층 상부에 위치하는 Head-body와 하부에 위치하는 Tail-body는 1차 가공이 끝난 후 접촉면의 평탄도와 이물질 제거하기 위해 연마재를 사용하는 래핑(Lapping) 2차 가공처리를 한다.
② Metal mass에 잔존되어 있는 연마재를 없애기 위해 초음파 세척을 한다.
③ 초음파 세척으로도 제거 되지 않은 연마제 입자를 제거하기 위한 Dry Polishing을 한다.
④ 접촉면에 남아 있는 이물질 및 유분 등을 제거하기 위한 세척 약품을 사용한 최종 세척을 한다.

(2) 전극
전극의 표면에 붙어 있는 이물질(납땜을 하면서 발생 할 수도 있는) 및 유분 등을 제거하기 위한 세척 약품을 사용한 세척을 한다.

(3) 압전소자(피에조세라믹)
진동자 조립 전에 압전소자(피에조세라믹)에 혹시 있을지도 모르는 미세한 이물질 및 산화물의 제거를 위하여 일정하게 평면으로 회전(작동)하는 실크 천 사포(600방 이상) Polishing을 한쪽 면 당 5 ~ 10초간 한 다음, 압축공기 분사기로 공기세척을 한다. 이렇게 하면 압전소자 표면에 뿌옇게 있던 부분이 있으면 없어지며 광택이 난다.

2) 진동자 조립
(1) 중심 축 정렬 지그에서 압전소자 및 적층할 소재들을 차례대로 적층한다.
(2) 센터볼트가 압전소자를 관통하는 부분에 해당하는 만큼 이상의 크기로 절연튜브를 끼운 다음, 머리 부분의 헤드바디에 접촉되는 마찰 면과 테일바디의 나사면에 잠기는 부분에 해당하는 센터볼트에 열에 강한 그리스를 바른다. 이렇게 하지 않으면 센터볼트를 조이는 과정에서 가한 힘의 30~60% 마찰 손실이 일어 날 수도 있다.
(3) 조이는 힘의 마찰손실과 정렬상태를 유지하기 위하여 적층 가조립된 진동자를 볼트 조임 압력의 90%에 해당하는 압력으로 눌러놓고 센터볼트를 볼트 조임 압력까지 조여 준다. 센터볼트는 적층소자 들을 기계적으로 연결하여 주는 스프링으로서의 역할과 BLT의 양쪽 끝단을 전기적으로 연결하는 역할도 한다.

3) 열처리
진동자를 조립한 후에는 품질 안정화를 위하여 60~120℃ 사이의 오븐에 3~7시간 동안 열처리를 하고 오븐이 꺼진 상태로 24시간 이상 자연냉각 한다. 진동자의 금속 소재 들을 열처리 하여 줌으로 각 금속 소재들이 서서히 팽창하였다가 서서히 수축하면 조립·정렬 상태가 기계적·전기적으로 안정화 된다.

4) 1차 특성 검사
열처리가 끝난 진동자들의 임피던스 특성 그래프를 검사를 검사하여 정상 범주의 제품을 선별한다.

5) 숙성(Ageing)
(1) 1차 초음파 전원 인가
1차 특성 검사에서 양품으로 선별된 진동자 들을 무부하 상태로 최대출력 전력(또는 전압)의 60~80%를 10~20분간 초음파 전력을 인가한다. 이때 문제가 있는 진동자 들을 걸러낸다.
(2) 2차 초음파 전원 인가
1차 초음파 전원인가에서 선별된 진동자는 다시 무부하 상태의 최대출력 전력(또는 전압)을 10~30사이로 인가하면 간혹 발열 및 아크방전과 코로나가 발생되기도 하는데 특별한 문제가 없는 경우 이것들은 바로 또는 얼마 후 사라진다. 만약 아크방전이나 코로나 발생이 소멸되지 않으면 불량 제품이다.

6) 1차 품질 검사
(1) 기계적 조립 상태 검사
숙성과정까지 마친 진동자 금속 부분의 온도가 실온과 같게 냉각 되었을 때 단위 조립된 진동자의 1~5%를 무작위로 선정하여 토크게이지를 사용하여 볼트 조임 압력 확인과 풀림이 있는지 확인한다. 만약 10%이상 풀림이 발생했다면 금속 소재 파트에 문제가 있거나, 혹은 소재 디자인이 잘못된 것이다.
(2) 절연저항 검사와 내전압 검사
● 절연저항: 100㏁ 이상
● 내전압: DC 1000V에서 60초 이상

7) 최종 조립
(1) 코팅
적절한 절연재를 사용하여 압전소자(피에조세라믹)의 측면에 습기와 아크방전 등을 막을 수 있게 보호 코딩을 한다. 실리콘 스프레이, 에폭시, 마네트와이어 래커 등을 사용하여 0.1~0.3mm 두께의 코팅 막을 형성시킨다. 이때 보호 물질이 적층된 틈새로 흘러 들어가지 않게 매우 주의 하여야 한다.
(2) 외부 케이스 조립
절연재의 코팅이 완전히 마르고 단단히 굳어진 다음, 분극된 쌍극자 정렬 상태의 특성을 오랜 동안 유지하기 위해 10㏁의 방전저항을 진동자 양극에 부착하고 외부 케이스를 조립한다.
8) 최종 품질 검사
완전히 조립된 진동자는 상온 25℃에서 100시간 이상 방치한 다음, 먼저 절연저항 검사에서 10㏁이상 인 진동자들만 진동자의 주요 특성을 측정하여 양품을 선별한다.