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초음파진동자 특성에 미치는 파라메터 요소 - 기계적 품질계수 Qm

□ 기계적 품질계수 Qm(Mechanical quality factor)

기계적 품질계수(Qm)는 에너지 변환 시 시편 내부에서 발생하는 기계적 손실의 역수를 나타낸 것으로 진동자(압전체)의 손실을 나타내며, 압전 진동자 공진주파수에서 기계적 진동의 예리도(날카로움의 정도)를 나타내는 정수이다.

fr: 공진주파수(Hz)    fa: 반공진주파수(Hz)     Zr: 공진 임피던스(Ω)     C: 정전용량

또한 간편한 방법으로 공진주파수에서 최대 전력이 형성되므로 공진주파수로부터 3dB 저하시킨 절점주파수 f1, f2를 이용하여 식4)와 같이 구할 수 있다.

3dB 저점은    단, ed는 공진에서 3dB낮은 이득, er은 공진 시 Peak 이득

전력 측면에서 3dB 낮은 이득까지가 유효전력 범주에 있다.

초음파 진동자 용도로는 Qm이 큰 것이 좋고, 일반적으로 용착기 용 진동자는 Qm값이 1000 이상인 압전세라믹을 사용한다.

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.

초음파진동자 특성에 영향을 미치는 파라메터 요소 - 압전성능

초음파용착기用 진동자는 피에조(압전)세라믹을 이용하여 안정적인 구조를 갖는 BLT Type으로 제작된다. BLT Type으로 제작된 초음파진동자의 특성에 영향을 미치는 파라메터 요소는 압전세라믹의 재료의 특성과 BLT 진동자 제작 과정에서 결정 된다.

압전재료의 물리적 특성은 주로 공진-반공진법을 이용하여 평가하고 이에 대한 측정규격은 IEEE 및 일본 전자재료공업회(EMAS)에 기술되어 있다.

초음파진동자는 압전현상을 이용한 액츄에이터(Actuator)로 압전세라믹과 현상에 대하여 알아본다.

□ 압전의 정의

압전성: 물질에 응력(신축응력, 전단응력)을 가할 때 발생하는 전기, 즉 전기분극을 생기게 하는 성질 또는 이 전기 자체를 의미 함.

압전현상(효과): 응력에 의하여 압전물질 자체의 전기분극이 변하는 압전-정효과와 압전 물질에 전계를 인가할 때 기계적 왜형(변형)이 발생하는 압전-역효과(전왜효과)를 압전현상 또는 압전효과라 한다.

□ 압전 성능

압전의 성능은 압전상수로 나타내고, 이 압전상수는 입력과 출력을 무엇으로 취하느냐에 따라 다르며, 사용 목적에 사용하기 쉽도록 표현 형식을 변화시킨 압전기본식을 사용한다.

- 압전 d정수(압전왜 정수)
압전체에 전계(V/m)를 인가했을 경우, 얼마나 변위하는지를 나타내는 계수로 전계방향과 변위 방향에 의하여 d33, d31, d15로 표현된다. 압전 정수의 단위는 [pm/V]로 표현되는 것이 일반적이다. BLT Type의 진동자 재료로는 d33의 정수가 큰 것이 좋다.

- 압전 g정수
응력이 가해지지 않은 상태의 압전체에 응력(힘, 압력)을 가했을 경우, 얼마나 전계(전압)가 발생하는지를 나타내는 계수로 응력과 분극의 방향에 따라 g33, g31로 표현된다. 압전 g정수의 단위는 [mV/N]이 쓰인다.

응력과 전계, 전속밀도는 크기나 방향이 어떤 벡타 성분을 가지고 있기 때문에 이것을 결부 시키는 정수 s, d, ε도 방향이 있다. 좌표축 x, y, z를 각각 1(4), 2,(5) 3(6)방향으로 하고, 분극 방향을 3으로 정하면 1, 2방향은 분극 축에 수직으로 존재하게 된다.