KR100413730B1 - 압전세라믹을 이용한 초음파진동자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동의 세기를 증가시킬 수 있고, 조립이 용이할 뿐만 아니라 균형적인 진동에 의해 파손을 방지할 수 있는 세라믹 압전체를 이용한 초음파 진동자에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 초음파 진동자는 영율이 60내지 80GPa이고, 강성율(G)이 22내지 27.5 GPa인 금속으로 만들어진 금속진동체와 ; 세라믹 압전체로 구성되되,

상기 세라믹 압전체의 두께가 t이고,

상기 금속진동체의 두께 T가이며,

상기 초음파진동자의 최대 초음파 발생 변위를 갖는 구동주파수(F_r)는사이임을 특징으로 한다.

fr : 압전체의 공진주파수

Fr : 압전체와 금속진동체가 접합된 상태에서 최대 초음파 발생 변위를 갖는 구동주파수

Description

압전세라믹을 이용한 초음파진동자{Ultra sonic transducer of piezoelectric ceramic}

본 발명은 세라믹 압전체를 이용한 초음파 진동자에 관한 것으로 보다 상세하게는 진동의 세기를 증가시킬 수 있고, 조립이 용이할 뿐만 아니라 균형적인 진동에 의해 파손을 방지할 수 있는 세라믹 압전체를 이용한 초음파 진동자에 관한 것이다.

압전 세라믹스는 전자·통신·기계 등의 다양한 분야에서 초음파 응용소자 및 변위발생소자, 각종센서 등으로 널리 사용되고 있다.

압전체에 전기적 신호를 인가할 때 그 신호의 주파수와 일치하는 수축과 팽창이 나타나는 특성을 이용하여 초음파진동자, 소나, 압전 부져 및 스피커, 액튜에이터로 사용되고 있으며, 압전체에 기계적 에너지가 인가될 때 발생하는 전기에너지를 이용하여 압전착화소자나 각종 센서 등에 활용되고 있다.

압전체의 전기적신호를 인가할 때 기계적 진동이 발생하는 것을 역압전효과라하며, 압전세라믹의 공진주파수의 전압을 인가할 때 가장 많은 변위가 발생하게되므로, 초음파진동자로 널리 사용되고 있다.

이러한 압전체를 이용한 초음파진동자는 고주파전력을 기계적 진동으로 변환하고, 그 기계적 진동을 전송, 증폭하는 진동체(통상 금속으로 제작된 혼)를 통하여 매질에 전달하게 된다.

일반적으로 널리 사용되는 초음파 세척기용 진동자는 전기기계 변환효율이 우수한 레드지르코네이트티타네이트(PZT)재료를 사용하고 있으며, 스테인레스로 구성된 바울에 압전세라믹 진동자를 여러개 접착시켜 사용하고 있다.

이때 스테인레스 바울은 압전세라믹의 기계적 진동을 바울 내의 액체에 효과적으로 전달시켜주는 진동체 역할을 하나, 압전체의 초음파 세기를 증폭시켜주는 역할은 하지 않는다. 또한 압전체의 진동이 스테인레스 바울의 진동을 발생시켜, 가청주파수의 소음을 유발시키며, 압전진동자중 일부가 가동 중에 부주의나 혹은 열화 현상에 의하여 파손될 경우 전체 바울을 교체해야하는 불편함을 않고 있다.

또한 강력 초음파 발생장치로 사용되는 란쥬반형 초음파 진동자는 두 개 또는 그 이상의 압전체와 진동체를 이용하여 발생 변위를 증가시켜 강력 초음파를 발생시킨다. 그러나 이와 같은 구조는 정밀 가공한 금속진동체와 볼트, 너트, 전극판 등의 구조물이 많고, 수 작업에 의하여 공진 주파수를 조절하여, 생산비와 수율이 낮아 고가이며, 이러한 구조 역시 상기와 같이 바울에 접착·고정시켜 사용하므로 상기한 비와 같은 문제점이 발생되며, 진동자 파손 시 교체비용이 더욱 증가하는 문제점을 않고 있다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 최근에는 스테인레스 진동판을 이용하여 개별적인 초음파 진동판을 제작한 후 바울에 조립하여 병렬로 연결하여 사용하는 방법이 제안되어 있으나, 이러한 초음파 진동자는 압전체의 중심부와 스테인레스 진동판의 중심부가 일치할 경우에는 1차 공진주파수의 임피던스 곡선이 한 개로 나타나지만, 일치하지 않을 경우 공진주파수의 임피던스 곡선이 분리되는 현상이 발생하며, 이러한 불요 공진이 중복될 경우 병렬로 연결된 진동판의 일부가 초음파발생이 약하게 발생하는 문제가 있었다.

또한, 이러한 공진주파수의 분리는 공진시 임피던스의 상승을 발생시켜 초음파의 전달을 약화시키게 되며, 접착층의 두께가 일정치 않는 경우도 상기와 같은 문제점을 발생시키며, 압전체 주변의 접착제가 균일하게 배열되지 않을 경우 압전체의 경방향 진동시 진동변위가 국부적으로 집중되어 소체 파손에 직접적인 악영향을 미치게 된다.

또한, 기존의 진동판을 세척기의 바울에 조립시하는 방법은 바울의 홀에 스테인레스 진동판의 가장자리에 형성된 캡 부분을 나사 조임하여 설치하되, 누수방지용 실리콘 고무링를 끼워 바울의 홀에 장착하여 세척기 내의 물이 누출되는 것을 방지하고 있다.

그러나 이와 같은 방법으로 접착한 경우에는 임피던스가 다른 접착 층이 증가하여, 에너지 전달의 손실이 발생하며, 초음파진동자의 진동 변위에 의하여 접착증의 분리가 발생할 수 있는 확률이 증가하게 되며, 개개의 진동자를 직렬로 구동할 경우 각각에 대하여 임피던스 메칭(matching)을 위하여 리엑턴스(쵸크) 코일을 설계 장착함으로써 제조단가 상승 및 조립이 어려운 문제점을 않고 있다.

또한, 스테인레스 진동체와 바울의 조립이 전술한 바와 같이 다수의 볼트로체결되므로 조립 공정수가 증가하고, 볼트가 고정된 부분들 사이의 자유단 부분과 고정부가 공존하여, 효과적인 초음파에너지의 발생이 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로 보다 진동의 세기를 증가시킬 수 있고, 조립이 용이할 뿐만 아니라 균형적인 진동에 의해 파손을 방지할 수 있는 세라믹 압전체를 이용한 초음파 진동자를 제공하는 데 목적이 있다.

또한, 초음파 세척기의 바울과 같은 고정체와의 전체적으로 고르게 결합되게 함으로서 공진주파수의 불일치를 근본적으로 제거하고, 불필요한 진동을 제거함은 몰론 진동자의 변위를 증폭하여 초음파 강도를 증폭시키는 초음파진동자를 제공함을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파진동자의 일예를 도시한 부분 절개 분해 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 초음파진동자의 다른 일예를 도시한 부분 절개 분해 사시도이고,

도 3은 본 발명에 따른 초음파진동자의 또 다른 일예를 도시한 부분 절개 사시도이고,

도 4는 도 3에 도시한 초음파진동자의 설치 예를 도시한 부분 사시도이고,

도 5는 본 발명에 따른 초음파진동자의 또 다른 일예를 도시한 부분 절개 사시도이고,

도 6은 도 5에 도시한 초음파진동자의 설치 예를 도시한 부분 사시도이며,

도 7은 본 발명의 초음파진동자와 기존의 초음파진동자에 의해 발생되는 초음파의 세기를 대비하기 위해 실험한 알루미늄 박판의 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 세라믹 압전체 20 : 금속진동체

21 : 압전제 안치홈 22 : 나사산

23 : 돌출부 24 : 경사면

25 : 키홈 30 : 접착층

40 : 패킹 50 : 고정링

상기와 같은 본 발명의 목적은 영율이 60내지 80GPa이고, 강성율(G)이 22내지 27.5 GPa인 금속으로 만들어진 금속진동체와 ; 세라믹 압전체로 구성되되,

상기 세라믹 압전체의 두께가 t이고, 상기 금속진동체의 두께 T가임을 특징으로 하는 세라믹 압전체를 이용한 초음파진동자에 의해 이루어진다.

또한 본 발명의 목적은 상기 초음파진동자의 최대 초음파 발생 변위를 갖는 구동주파수(F_r)가의 영역 내에 있게 함에 의해 이루어진다.(여기서 fr : 압전체의 공진주파수, Fr : 압전체와 금속진동체가 접합된 상태에서 최대 초음파 발생 변위를 갖는 구동주파수 임)

이하, 본 발명에 따른 초음파진동자의 일예를 첨부된 도면에 의거 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파진동자의 일예를 도시한 부분 절개 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 초음파진동자의 다른 일예를 도시한 부분 절개 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 초음파진동자의 또 다른 일예를 도시한 부분 절개 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시한 초음파진동자의 설치 예를 도시한 부분 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 초음파진동자의 또 다른 일예를 도시한 부분 절개 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시한 초음파진동자의 설치 예를 도시한 부분 사시도이다.

본 발명에 따른 초음파 진동자는 금속진동체(20)와 세라믹압전체(10)로 이루어진다.

상기 금속진동체(20)는 스테인레스(19.6×10^-9dyne/㎠), 알루미늄, 티타늄합금(11.6×10^-9dyne/㎠), 두랄루민 등의 재질이 널리 사용될 수 있으나, 진동 발생력을 높일 수 있게 하기 위해 영률이 작은 두랄루민(7.15×10^-9dyne/㎠)과 압연된 알루미늄(6.8∼7.1×10^-9dyne/㎠)을 사용하는 것이 초음파의 세기를 증가시키 위해 바람직하며, 그 저면에는 세라믹 압전체(10)가 설치되는 압전체 안치홈(21)이 형성되어 있다.

상기 금속진동체(20)의 두께(T)와 세라믹 압전체(10)의 두께(t)와의 관계는 다음과 같다.

즉, 금속진동체(20)의 두께(T)는에서 최적의 공진주파수를 얻을 수 있게 되며, 이렇게 얹어진 초음파진동자의 최대 초음파 발생 변위를 갖는 구동주파수(F_r)는 다음의 범위이다.

fr : 압전체의 공진주파수

Fr : 압전체와 금속진동체가 접합된 상태에서 최대 초음파 발생 변위를 갖는 구동주파수

상기와 같이 구성된 초음파진동자의 금속진동체(20)는 도 1 내지 도 6에 도시한 바와 같이 평면상에서 도시하였을 때 원형이며, 상부면 즉, 세라믹 압전체(10)가 설치되는 세라믹 안치홈(21)이 형성된 면의 반대측에는 돌출부(23)을 더 형성할 수 있다.

상기 돌출부(23)는 도 4 및 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 초음파진동자가 설치되는 장치에 본 발명의 초음파진동자를 설치할 때 설치되는 면의 두께에 해당하는 정도의 두께 즉, 초음파 세척기일 경우 바울의 바닥면의 두께와 동일한 두께를 갖게 형성된다.

또한 금속진동체(20)의 가장자리 즉, 외주 단부에는 금속진동체(20)를 바울에 고정시키기 위한 고정편을 더 형성할 수 있도 있다.

상기 금속진동체(20)의 외주면에는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 나사산(22)을 형성하여 바울과의 결합을 용이하게 하였으며, 이와 같이 외주면에 나사산이 형성하였을 때에는 그면 즉, 세라믹 압전체(10)가 설치된 면의 일부에 키홈(50)을 형성하여 플라이어등의 작업공구가 삽입될 수 있게 하여 금속진동체(20) 전체를 회전시킬 수 있게 하였다.

또한 상기 금속진동체(20)의 일측에 돌출부(23)을 형성할 경우에는 돌출부(23)의 단부 모서리를 모따기 하여 경사면(24)을 형성함으로서 설치 위치에 형성된 구멍에 용이하게 삽입될 수 있게 하였다.

상기와 같이 구성된 초음파진동자는 도 4 또는 도 6에 도시한 바와 같은 방법으로 설치된다.

도 4는 초음파진동자의 금속진동체(20)의 외주면에 나사산(22)이 형성되었을 때의 설치구조로서 금속진동체(20)의 외주면에 형성된 나사산(22)이 진동자 고정판(초음파 식기 세척기에 있어서는 '바울'의 저면)에 형성되 구멍에 형성된 나사산에 치합되게 정렬한 후 금속진동체(20)의 저면에 형성된 키홈(25)에 롱노우즈플라이어 등과 같은 공구를 삽입하여 회전시킴에 의해 고정 설치될 수 있다.

도 6은 고정링(50)을 이용한 설치 구조로서, 금속진동체(20)의 외주면에 나사산이 형성되지 않았을 경우의 설치 방법으로서, 진동자 고정판에 형성된 구멍의 측벽에 고정링(50)이 삽입될 수 있는 홈을 형성하고, 구멍에 진동자를 삽입한 후 그 저면에 밀착된 상태로 고정링(50)을 설치하여 고정시킨다.

상기 고정링(50)은 탄성이 우수한 스프링강(spring steel)으로 도시한 바와 같이 그 일측이 절개된 고리 형상으로 절개된 부분의 단부가 좁혀짐에 의해 그 외경이 좁혀지고 이 상태에서 진동자 고정판의 측벽에 형성된 홈에 삽입 설치되어 그 위의 초음파 진동자를 고정시킨다.

상기의 각 고정 구조에는 진동자 고정판에 형성된 고정 구멍과 금속진동체(20) 사이에는 패킹(40)이 설치되어 누수를 방지할 수 있게 하였다.

상기와 같이 구성된 초음파 진동자의 구체적인 예를 그 크기를 대비하여 보다 상세하게 부연 설명 한다.

상기 세라믹 압전체(10)의 두께는 3mm로 하였으며, 지름은 50mm의 것을 사용하였다. 상기 세라믹 압전체(10)의 두께가 3mm이므로, 금속진동체(20)의 두께는 최대변위를 얻기 위해서 3mm, 6mm 즉, 3×n(n은 양의 자연수)로 하여 설계하였으며, 접착제로 접착층(30)을 형성하여 접착하였다.

상기에서 세라믹 압전체(10)의 두께(t)와 금속진동체(20)의 두께의 비율이일 경우에는 진동의 세기가 약할 뿐만 아니라 불요 진요진동이 발생하게 된다.

따라서 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속진동체의 두께를와 같이 제작함으로서를 벗어난 영역이 되어 진동의 세기가 강할 뿐만 아니라 불요진동을 억제할 수 있게 된다.

상기 금속진동체(20)의 두께는 상기한 바와 같이 3mm로 만들어질 수도 있으나 이와 같이 얇게 제작하면 조립의 용이성이 떨어지므로 초음파의 진동의 세기와 조립성을 감안하여 두께는 6mm로 설계하였으며, 중앙의 돌출부(23)의 모서리에 경사면(24)을 형성하여 조립을 용이하게 함은 물론, 초음파 방사각이 퍼지게 하였다.

상기 금속진동체(20)와 세라믹 압전체(10)의 중심이 3mm이상 어긋날 경우 공진주파수의 분리 현상이 발생되므로 금속진동체(20)의 저면에는 세라믹 압전체(10)의 외경보다 약 2mm 큰 압전체 안치홈(21)을 0.1∼0.5mm 깊이로 형성하고 이에 세라믹 압전체(10)를 고정시켰다.

또한, 바울내의 액체가 누수 되지 않도록 하기 위하여 실리콘 고무로 만들어진 패킹(40)을 설치하였다.

또한, 금속진동체(20)의 외주면에는 나사산(22)을 형성하고, 도 4에 도시한 바와 같이, 저면에는 키홈(25)을 형성하여 롱노우즈 플라이어나 에어드라이버에 의하여 간단하게 조립이 가능하도록 하였으며, 키홈(25)중 어느 일측의 키홈(25)에는 볼트에 의하여 전원 단자가 설치되도록 하였다.

상기 금속진동체(20)에 접속된 단자 이외의 하나의 단자는 세라믹압전체(10)표면의 은전극에 납땜으로 접합되고, 이들 두 단자 사이에 발진회로가 구성되어 초음파 진동자가 구동된다.

도 7에는 본 발명에 따른 초음파 진동자와 기존 초음파진동자의 초음파 강도를 비교 실험하기 위해 각각의 최대발진주파수에서 구동한 결과 수면의 3㎝, 10㎝에서 20초간 초음파를 방사한 후 알루미늄 호일의 천공상태를 관찰한 것이다.

초음파세척기의 바울에 본 발명에 따른 초음파 진동자와 기존 초음파진동자 각각 설치하고, 물을 바닥으로부터 12㎝ 높이로 넣은 후 진동자를 구동시킨 것이다.

최대발진주파수를 측정한 결과 4개가 병렬로 연결된 기존 초음파 진동자의 최대진폭을 나타내는 발진 주파수는 44.5∼45㎑로 세라믹 압전체의 공진주파수와 일치하였으나, 본 발명에 의한 초음파 진동자는 48∼49㎑로 세라믹 압전체의 공진 주파수와 일치하지 않는 곳에서 최대발진주파수가 관찰되었다.

이것은 세라믹 압전체의 공진점에서 연속 구동시 발생하는 세라믹 압전체의 파손과 직접 연관된 현상으로 본 발명의 제품은 연속 구동에 의한 압전체의 파손이 발생하지 않는 특성을 나타낸다.

도 7의 (a),(b)는 기존의 초음파 진동자를 사용한 경우로서, (a)는 수면 3㎝, (b)는 수면 10㎝에서 알루미늄 호일의 천공 상태이며,

도 7의 (c),(d)는 본 발명에 따른 초음파 진동자를 사용한 경우로서, (a)는 수면 3㎝, (b)는 수면 10㎝에서 알루미늄 호일의 천공상태이다.

관찰 결과로부터 알 수 있듯이 동일 수면에서 본 발명에 따른 초음파 진동자의 초음파 강도가 강한 것을 알 수 있다. 동일 수면 깊이에서 본 발명에 따른 초음파 진동자는 알루미늄 박판에 천공의 숫자가 증가함과 동시에 작은 요철이 골고루 분포한 반면, 기존 초음파 진동자는 수 개의 천공만이 발생하였다.

상기와 같은 실험 결과를 볼 때 본 발명의 금속진동체가 초음파의 전달 길이와 세기가 큰 것을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 초음파진동자는 초음파의 세기가 기존의 초음파 진동자보다 세며, 초음파의 전달 길이 또한 기존보다 길어져 이를 사용하는 초음파 세척기의 경우 세척력을 향상시킬 수 있고, 가습기의 경우 가습량을 보다 용이하게 조절함은 물론 미세한 수분을 공급할 수 있게 한다.

또한, 고정판에 금속진동체의 고정을 용이하게 할 수 있게 한다.

본 발명은 상기한 실시예의 내용에 한정되지는 않으며, 본 발명의 기술분야에 익숙한 기술자라면, 본 발명의 실시예를 참고로 다양하게 변형, 부가할 수 있을 것이다.

Claims (9)

1. 영율이 60내지 80GPa이고, 강성율(G)이 22내지 27.5 GPa인 금속으로 만들어진 금속진동체와 ;

   세라믹 압전체로 구성되되,

   상기 세라믹 압전체의 두께가 t이고,

   상기 금속진동체의 두께 T가

   임을 특징으로 하는 세라믹 압전체를 이용한 초음파진동자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파진동자의 최대 초음파 발생 변위를 갖는 구동주파수(F_r)는 다음의 범위임을 특징으로 하는 세라믹 압전체를 이용한 초음파진동자.

   fr : 압전체의 공진주파수

   Fr : 압전체와 금속진동체가 접합된 상태에서 최대 초음파 발생 변위를 갖는 구동주파수
3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속진동체는 두랄루민(Duralumin)임을 특징으로 하는 세라믹 압전체를 이용한 초음파진동자.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 금속진동체의 세라믹 압전체가 부착되는 면의 중앙에는 소정의 깊이로 세라믹 압전체 안착홈이 형성됨을 특징으로 하는 세라믹 압전체를 이용한 초음파진동자.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 금속진동체는 그 평면이 원형이고, 외주 단부에는 나사산이 형성됨을 특징으로 하는 세라믹 압전체를 이용한 초음파진동자.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 금속진동체는 그 평면이 원형이고, 외주 단부에는 고정편이 환형으로 형성됨을 특징으로 하는 세라믹 압전체를 이용한 초음파진동자.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 금속진동체에 형성된 고정편의 단부에는 나사산이 더 형성됨을 특징으로 하는 세라믹 압전체를 이용한 초음파진동자.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 금속진동체는 그 평면이 원형이고, 일측면 중앙에는 돌출부가 원형으로 형성됨을 특징으로 하는 세라믹 압전체를 이용한 초음파진동자.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 금속진동체의 일측 중앙에 형성된 돌출부의 가장자리 모서리 부분은 소정의 각으로 모따기하여 고리형상으로 경사면이 형성됨을 특징으로 하는 세라믹 압전체를 이용한 초음파진동자.