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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.

PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS MODELING AND CHARACTERIZATION
Author: Miodrag Prokic / Published 2004 in Switzerland by MPI

위의 자료(책)가 초음파 진동자를 이해하기가 좋은 자료인 것 같아 관심있는 지인들과 함께 공부 할 요량으로 번역을 해봤습니다. 많은 오역이 존재 할 수 있다는 것을 사전에 밝힙니다. 이 점을 참고하시고 보시기 바랍니다.

[그림 7] BVD 이중 등가회로의 단순화

여기서는 키르히호프의 법칙, 옴의 법칙 및 기타 회로이론을 적용할 때 회로의 대칭과 DC와 AC의 전류 및 전압 밸런스를 만족시키기 위해 다른 문헌에서는 볼 수 없는 특정 전기 요소를 도입하였다.

실제로 매우 단순하고 함축적인 형태로 [그림 7]처럼 제시된 바와 같이 앞서 거론된 모든 등가 전기회로[그림 1,2,3,5,6]는 현대적인 필터 설계에서 알려진 것처럼 상호 등가 전기회로 또는 이중 필터 설계에 기초하고 있으며, [그림 4]처럼 회로 등가 결합되어 있는 것을 알 수 있다. [그림 1, 2, 3, 5, 6]에 제시된 모든 모델과 Mason모델에 기반한 다른 압전변환기 모델에 대해 [그림 7]에서 발견된 이중-모델 요소 간의 다양한 관계가 충분히 높은 품질요소 회로에 대한 최상의 근사값으로도 적용된다.

이 문서에서 제시한 모델링 전략의 전체적인 그림을 제시하기 위해서 혼(Horn) 또는 부스터를 연결한 때 단일 압전변환기 모델이 어떻게 변하는지를 설명하는 것이 흥미롭다(추가되는 혼 이나 부스터는 컨버터(진동자)와 거의 같은 공진 주파수를 가져야 한다).

실제로 우리는 기본 컨버터 모델에서 추가된 혼을 나타내는 하나의 등가회로 모델에서 어디에 배치해야 하는지를 알아야 한다. 여기에서 가장 중요한 사항은 추가된 혼이 전기적 등가 공진회로로 대체될 수 있는 기계적 공진 구조 하나를 제공한다는 것을 아는 것이다.

컨버터 모델링에 관한 대부분의 문서에서는 추가된 혼은 부하로 취급되지만, 여기서는 주로 모두 종일한 동진에서 작동하는 추가된 공진회로 또는 추가된 필터 회로로 취급한다. [그림 7]에 제시된 단순화 등가회로와 [그림 3]에 제시된 컨버터 모델에서 시작하여 [그림 8]에 주어진 새로운 단계별 단순화 모델을 사용한 “컨버터 + 혼”의 모델링을 설명 할 수 있다. 모두 같은 공진 주파수를 가진 부스터와 혼을 컨버터에 얼마나 많이 추가했는지 상관없이 마지막으로 임피던스 측정을 한 후에는 특정 회로 파라메터와 기계품질 요소만 변경된 [그림 3]과 같은 동일한 모델을 얻을 수 있다. 이것은 지나치게 단순화한 것으로 복잡한 모양의 Sonotrode(소노트로드는 초음파 가공 및 용착과 혼합에서 초음파 진동을 생성하고 이 진동에너지를 가스, 액체 고체 또는 조직에 적용하는 도구를 말함.)

여기에서는 초음파 기계적 진동을 전달 받아 공진하는 초음파 용착 혼(공구혼)을 추가하면 새로운 공진주파수를 만들 수 있지만, 여기서는 사전에 관찰된 잘 절연되고 분리된 한 쌍의 직렬과 병렬공진으로 제한하여 수용한다.

출처 :
PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS MODELING AND CHARACTERIZATION
Author: Miodrag Prokic / Published 2004 in Switzerland by MPI

초음파용착기用 진동자는 압전현상(전왜효과)를 이용한 Actuator이다. 압전현상이란 강 유전성을 가지는 결정체에 고압의 전계를 가하면 구조에서 미세변위가 발생되는 것을 말한다. 전왜효과를 발생시키는 소자는 수정, 로셀염, 티탄산-바륨 등이 있으나 현재는 PZT라고 하는 물질이 가장 많이 사용된다. 이 물질은 세라믹 캐패시터의 기본 물질이기도 하다. PZT는 납 지르코-네이트 티타-네이트(Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O3)의 물질 이름으로 1952년경 도쿄공대에서 처음 개발되어 현재에는세계에서 가장 널리 사용되는 압전(피에조) 세라믹 재료 중 하나입니다.

피에조(Piezo)란 용어는 그리스어의 '누른다'란 뜻의 'Piezein'에서 유래한 말로 피에조-세라믹이라고 하면 압전-세라믹이다.

초음파용착기用 진동자는 피에조-세라믹을 이용하여 안정적인 구조를 갖는 볼트조임형-라쥬반-진동자(Bolt-clamped Langevin Transducer) 가장 많이 사용한다. 라쥬반형 초음파 진동자는 1922년 프랑스의 P.Langevin이 개발한 방법으로 도넛형 또는 링형 압전소자를 금속 블록 사이에 넣어 볼트로 조여 샌드위치 형상으로 만드는 방법이다. 이 방법은 기계적으로 매우 강하고, 고온에서 사용이 가능하다. 이러한 장점 때문에 강력한 초음파 응용 분야에서는 거의 대부분 BLT 타입 진동자를 사용하나 단점은 가격이 비싸며 파워밀도 균질성이 떨어져 에로젼(Erosion) 현상이 심해지는 단점이 있다.

에로젼 현상이란 초음파의 방사면이 침식되는 현상을 말하는 것으로, 사용 시간(기간)이 길어짐에 따라 침식되고 깍여나가 결국은 사용이 불가능한 상태가 된다.

PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS MODELING AND CHARACTERIZATION
Author: Miodrag Prokic / Published 2004 in Switzerland by MPI

위의 자료(책)가 초음파 진동자를 이해하기가 좋은 자료인 것 같아 관심있는 지인들과 함께 공부 할 요량으로 번역을 해봤습니다. 많은 오역이 존재 할 수 있다는 것을 사전에 밝힙니다. 이 점을 참고하시고 보시기 바랍니다.

[그림 6] 순수한 전기적 요소 및 기계적 요소가 분리된 부하가 있는 압전변환기의 대체 BVD모델
(아래 부분은 전기적 부분과 기계적 요소가 트랜스로 분리된 동일한 모델

앞 선 회 차의 [그림 1, 2, 3, 5]의 회로에서 압전변환기의 순수한 전기적 요소를 나타내며, 어떤 요소는 컨버터의 기계적 부품과 특성(부하요소 포함)을 전기적 기능의 등가물로 주어지는지도 중요하다. [그림 6] 참조

[그림 5]와 [그림 6]에 제시된 기본적인 부하가 있는 컨버터의 등가적 기계 품질계수를 줄임으로써 컨버터의 기계적 부하는 직렬 및 병렬로 컨버터의 임피던스에 동등하고 동시에 영향을 미치는 것을 아는 것이 중요하다(또는 동시에 직렬공진 임피던스는 증가시키고 병렬공진 임피던스는 감소 시킨다). 이것은 각 각 나누어진 직렬 및 병렬공진이 전류 또는 전압공진에서 구동할 수 있는 고유한 발진모드로 취급되고, 기계적인 특성이 Force 또는 Velocity로 생성되는 주된 이유이다. 컨버터 임피던스 보정(매칭)을 할 경우 직렬공진과 병렬공진 사이의 임의의 연속적인 주파수를 매우 효율적으로 구동 할 수 있는 것으로 나타났다. 오늘날 대부분의 컨버터는 직렬 및 병렬공진 중 하나의 모드에서 동작하며 직렬공진과 병렬공진 사이에 일정한 주파수 이동이(변이가) 있기 때문에 컨버터 모델링 및 측에 관한 문서에서 많은 저자들 마다 다른 진동모드 또는 고조파에 관하여 이야기하고 있다.

압전변환기 모델링에 관한 다른 문서에서 앞서 설명한 바와 같은 [그림 1, 2, 3, 5, 6]과 매우 유사한 등가회로를 발견할 수 있는데, 회로의 일부 요소는 존재하지 않거나 다른 위상(topology)을 가지고 있을 수도 있다. 여기에서는 모든 상호 등가 압전 모델([그림 1, 2, 3, 5, 6])이 100% 이중 등가 전기회로적 구조 요소를 제시 하여야 하며, 입력 단자에 연결된 전기적으로 동일한 DC 또는 AC 전류 및 전압에 대한 임피던스가 있어야 된다.

출처 :
PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS MODELING AND CHARACTERIZATION
Author: Miodrag Prokic / Published 2004 in Switzerland by MPI

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Author: Miodrag Prokic / Published 2004 in Switzerland by MPI

위의 자료(책)가 초음파 진동자를 이해하기가 좋은 자료인 것 같아 관심있는 지인들과 함께 공부 할 요량으로 번역을 해봤습니다. 많은 오역이 존재 할 수 있다는 것을 사전에 밝힙니다. 이 점을 참고하시고 보시기 바랍니다.

압전변환기와 초음파-전원공급장치(앰프)에 관련된 고출력 초음파 분야에서 일하는 엔지니어는 이 책에서 제시하는 주제에 대한 정확한 답을 알아야 한다. 적절한 초음파 연구를 위하여 수년 간의 노력과 막대한 돈을 낭비하는 대신에 25년 이상 전문적인 R&D환경에서 일한 결과를 종합한 이 책을 참조하는 것이 훨씬 빠르고 쉽다.

1.    압전변환기 모델링 및 해석

다음의 사진은 모델링 및 해석 기술과 관련된 제품의 사진이다. 이 책에서 제시한 바와 같이 장치 및 구성 요소는 모두 동일한 방법론 및 동일한 용어를 사용하여 측정, 모델링 및 해석 될 수 있다.

압전변환기의 동등한 모델을 제시하고 분석 할 수 있는 많은 가능성이 있다. 여기에 제시된 분석은 주로 고출력 압전, Langevin, sandwich-converter (초음파 세척, 플라스틱 용접, 초음파 화학 및 기타 전력 산업 응용 분야에 적용 가능)의 모델링이며, 다양하고 광범위한 다른 압전변환기 및 센서의 분야에도 쉽게 적용 할 수 있다. (그러나 이 내용은 본 책의 주요 목적은 아니다).

최대 초음파 출력을 기계적 부하에 전달하기 위해 초음파전원공급 장치를 최적화 할 때 전기공학적 요구사항에는 쉽게 측정이 가능하고 정량화된 단순하고 실용적인 전기적 파라메터(저항, 컨덴서, 코일, 전압, 전류와 같은)로 이루어진 등가회로 모델이 필요하다. 이러한 모델에서 어떤 특정 구성 요소가 순수한 전기적 특성을 나타내는지 그리고 어떤 구성요소가 기계적 부하와 음향적 특성을 표현하는지를 알아야 한다. 일반적인 압전변환기의 가장 좋은 등가회로의 파라메터는 Butterworth-Van Dyke(BVD)로 나타내거나 Redwood가 개발한 이중회로(Mason 등가회로를 간소화하거나 실험 결과와 전기기계적 유추를 기반으로 하는 압전 임피던스 모델링)로 나타낸다. 이 책에서는 위에서 언급한 서로 상응하는 두 개의 이중 전기 모델을 사용하여 직렬공진 및 병렬공진에서 작동하는 [그림 1]과 같은 압전변환기 모델을 제시한다.

임피던스 분석기(HP 4194A와 유사한 기기 들)가 전자산업에서 개발된 후 압전변환기 모델링은 매우 단순화 되었다. 실제로 모델링을 위해 하나의 변환기에서 동작모드(한 쌍의 직렬공진 및 병렬공진 중 해당하는 주파수 영역을 선택)를 선택하면 임피던스 분석기는 선택된 주파수 영역에서 스위핑 신호를 발생시켜 컨버터에서 통과하는 전압과 전류를 측정함으로써 전기적 임피던스 측정을 수행한다. 다음 단계는 측정된 임피던스 파라메터를 이론적으로 알려진 컨버터 모델과 비교하여 이론적 임피던스 모델에 배치 및 계산을 한다. 이 방법을 통해 몇 가지(임피던스 분석기의 측정모드) 단계에서 선택된 주파수 범위에 관련된 모든 전기적 구성요소(R, L, C)의 값을 얻을 수 있고, 이러한 것 들은 초음파 전원공급장치의 최적화, 최적의 공진주파수, 출력전력제어, 초음파 진동자 품질 최적화 등 다양한 엔지니어링 목적에 반드시 필요하다. 우리는 임피던스 분석기를 사용하여 측정된 컨버터의 임피던스 값과 임피던스 커브 피팅 절차의 결과 값을 비교 할 수도 있다. 충분히 높은 기계적 품질계수를 가진 잘 설계된 컨버터의 경우, 선택된 주파수 영역에서 R, L, C 파라메터가 측정된 값과 계산된 값이 100% 일치하는 올바른 모델링을 얻을 수도 있다.

이 책(문서)의 목적은 다음과 같다.

○ 압전변환기(초음파 진동자)의 전기적 특성을 단순화하고 실용적이며 쉽게 정량화가 가능한 전기적 등가회로의 파라메터를 설명하기 위해 다양하게 설계된 컨버터의 특성 및 성능의 최적화 등의 목적으로 직렬공진 및 병렬공진에서 압전변환기의 높은 주파수와 고조파에 대한 본질적인 컨버터 모델을 설명하고, 컨버터가 기계적인 입력을 전기적 출력으로 변환(수신기 또는 센서)하는 모델을 설명한다.

○ 압전변환기의 기계적 부하에 대한 매우 일반적인 개념을 수립한다.(여기서는 기계적인 부하를 초음파 전원공급 장치 또는 컨버터 구동회로의 내부 저항에 상당하는 기계적 부하를 정규화된 형태로 표현한다.)

○ 전기적 입력을 기계적 출력으로 변환 할 때 압전변환기가 직렬 및 병렬공진 모드에서 최적의 전력 전달을 분석하고, 두 상황에서 기계적 부하 절차 및 손실을 설명한다.

출처 :
PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS MODELING AND CHARACTERIZATION
Author: Miodrag Prokic / Published 2004 in Switzerland by MPI