KR200171544Y1 - 압전세라믹스 진동자 - Google Patents

Abstract

탄성률이 큰 고분자 재료를 사용하여 압전세라믹스 소자가 기계적 외적 부하의 최소화와 자유진동을 할 수 있도록 고분자 구조물을 제작하고 압전세라믹스 소자의 일면에 내식성 금속박판을 진동판으로 부착하여 1㎒ 이상의 높은 주파수로 진동하게 함으로써 다양한 용도로 활용될 수 있는 디스크(Disc)형 압전세라믹스 소자를 이용한 진동자가 개시된다. 본 고안은, 탄성률이 1000MPa이상의 고분자재료로 이루어진 상부판(100) 및 하부판(200)의 사이에 금속판(302)가 접착된 압전 세라믹스 소자(300)를 볼트로 체결하여 1㎒ 이상의 고주파수 진동에 적합한 진동자를 제작한다. 본 고안의 진동자는 1㎒이상으로 진동하는 진동자에서 전극의 내식성 문제를 해결하고 기계적인 외적 부하의 최소화와 자유 진동을 할 수 있으며, 압전 세라믹스 소자의 파손시 손쉽게 교환 수리가 가능하다.

Description

압전세라믹스 진동자{Piezoelectric Ceramic Transducer}

본 고안은 진동자에 관한 것으로, 특히 탄성률이 큰 고분자 재료를 사용하여 압전세라믹스 소자가 기계적 외적 부하의 최소화와 자유진동을 할 수 있도록 고분자 구조물을 제작하고 압전세라믹스 소자의 일면에 내식성 금속박판을 진동판으로 부착하여 1㎒ 이상의 높은 주파수로 진동하게 함으로써 반도체 공정이나 특수 목적에 주로 사용하는 초음파 세척기, 동·식물 세포 파쇄기, 조직 배양기, 초음파 가습기, 의료용 Nubilizer, 초음파 맛사지기(또는 미용기), 초음파 치료기 등에 활용될 수 있는 디스크(Disc)형 압전세라믹스 진동자에 관한 것이다.

일반적으로, 압전세라믹스 소자에 높은 주파수의 전기에너지를 인가하면 주파수와 동일한 회수의 빠른 진동이 발생한다. 인가 주파수가 20㎑ 이상일 경우에 압전세라믹스 소자는 진동에 의해 소·밀파 즉 인간이 들을 수 없는 초음파(Ultrasonic Wave)를 발생하게 된다. 이와 같은 압전 세라믹 소자를 이용한 진동자는 초음파에 의한 수중 캐비테이션(Cavitation)을 이용하는 세척기, 초음파의 종·횡 진동에 의한 마찰열을 이용하여 플라스틱이나 금속을 접착하는 용착기, 초음파 가공기, 초음파 송·수신에 의하여 피검물의 형상 또는 거리를 측정하는 공중·수중 초음파센서 및 비파괴검사 등에 이용되고 있다.

압전 세라믹스 소자를 이용한 진동자의 저항(lmpedance)은 진동자의 공진주파수에서 최소가 되므로, 진동자의 진동 특성이 최대가 될려면 진동자의 공진 주파수와 거의 동일한 주파수의 전기에너지를 인가해야 한다. 진동자의 공진주파수는 압전세라믹스 소자의 형상과 치수에 따라서 결정되는 값이므로 원하는 주파수에 따라서 소자의 형상과 치수를 설계해야 한다. 일반적으로 디스크형 소자의 공진주파수는 직경과 두께에 반비례한다. 지름 20∼60㎜, 두께 1∼3㎜ 정도의 소자는 약 1㎒ 정도의 공진주파수와 10Ω 미만의 공진 저항을 갖는데, 이러한 소자를 초음파 진동자로 사용하기 위하여 금속 진동판(또는 용기)에 직접 부착할 경우에 금속 진동판이 부가 매스(Mass)로 작용하여 공진 저항이 ㏀ 단위로 증가하게 되므로 진동자로서의 역할을 할 수 없게 된다.

이러한 점을 극복하기 위해서는 진동자에 기계적인 외부 부하의 최소화와 자유 진동을 할 수 있는 조건을 만들어 주어야 한다. 지금까지는 이러한 조건을 만족시켜 주기 위하여 압전세라믹스 소자를 이용한 진동자의 가장자리를 원환(Ring)형의 고무로 감싸서 진동판에 부착하는 방식을 취해 왔다.

즉, 기계적인 외적 부하가 없고 자유 진동을 할 수 있는 1㎒ 이상의 고주파수 압전세라믹스 소자를 이용한 진동자를 만들기 위해서 압전 세라믹스 소자의 가장자리를 원환형의 고무로 감싸서 진동판에 부착하고, 압전세라믹스 소자가 직접 초음파 전달의 매개체(예 : 물, 세정액 등)와 접촉을 하므로 전극 부식을 방지하기 위하여 압전세라믹스 소자에 이온 플레이팅이나 무전해 도금 방법으로 니켈 전극을 만들어 주고 있다.

그러나 종래의 방법으로 제작한 진동자는 사용중에 압전세라믹스 소자가 파손되면 이를 교체할 방법이 없으므로 부착된 진동자 자체를 무리하게 떼내어 수리하거나, 이것이 불가능할 경우에 기기 자체를 폐기해야 하는 문제점이 있다. 또한 내식성의 전극을 만들어 주기 위하여 별도의 이온 플레이팅이나 무전해 도금 방법을 적용하므로 제조 단가가 상승하게 되고, 더욱이 이러한 기술은 주로 플라스틱이나 반도성 세라믹스에 활용되는 기술이며 압전 세라믹스 소자와 같이 납(Pb) 성분이 많은 재료에 적용하는 경우 전극의 형성시 납의 휘발이나 용출로 인하여 균일한 전극을 입힐 수 없는 문제점이 있었다.

본 고안은 상기와 같은 제반 문제점을 해소하기 위하여 고안된 것으로, 탄성률이 큰 고분자 재료를 사용하여 압전세라믹스 소자가 기계적 외적 부하의 최소화와 자유진동을 할 수 있도록 고분자 구조물을 제작하고 압전세라믹스 소자의 일면에 내식성 금속박판을 진동판으로 부착하여 1㎒ 이상으로 진동하는 진동자에서 전극의 내식성 문제를 해결하고 기계적인 외적 부하의 최소화와 자유 진동을 할 수 있으며, 압전세라믹스 소자의 파손시 손쉽게 교환 수리가 가능한 압전세라믹스 진동자를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1(a)는 본 고안에 따른 진동자의 구조를 보여주기 위한 상부판의 평면도이다.

도 1(b)는 도 1(a)에서 도시한 상부판의 정면도이다.

도 1(c)는 본 고안에 따른 진동자의 구조를 보여주기 위한 하부판의 평면도이다.

도 1(d)는 도 1(c)에서 도시한 하부판의 정면도이다.

도 2는 본 고안에 따른 진동자의 조립도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 상부판 110 : 본체

112 : 돌출부 114 : 제 1 인출구멍

116 : 제 2 인출구멍 118 : 체결공

200 : 하부판 212 : 중앙부

214 : 걸림턱 216 : 안치공

218 : 체결부 300 : 압전 세라믹스 소자

302 : 금속판 304 : 고무 O-링

401 : 진동자 설치 대상물

상기의 목적을 수행하기 위한 본 고안은,

본체(110)의 하부에 일정지름을 가진 돌출부(112)가 형성되며 중앙에는 상부 전극 리드선을 위한 제 1 인출구멍(114)이 형성되며, 제 1 인출구멍(114)과 소정간격 이격된 일측에는 하부 전극 리드선을 위한 제 2 인출구멍(116)이 형성되고, 본체(110)의 주변부에는 다수의 체결공(118)이 형성되어 탄성률이 있는 고분자재료로 이루어진 상부판(100);

상부판(100)의 돌출부(112)가 끼움 결합되도록 중앙부(212)가 천공되며 중앙부(212)의 하부 주변에는 일정길이의 걸림턱(214)이 형성되고, 중앙부(212)의 일측에는 전극 단자가 안치되기 위한 안치공(216)이 형성되며, 본체(210)의 주변부에는 상부판(100)과 볼트결합할 수 있도록 다수의 체결부(218)가 형성되어 탄성률이 있는 고분자재료로 이루어진 하부판(200);

상부판(100) 및 하부판(200)의 사이에 위치하도록 하부판(200)의 중앙부(212)의 주변에 형성되는 걸림턱(214)에 안치되며, 일측면에는 일정 두께를 지니고 진동판 및 전극 역할을 하는 금속판(302)이 부착된 압전세라믹스 소자(300)를 포함한다.

본 고안에 의하면 1㎒이상으로 진동하는 진동자에서 전극의 내식성 문제를 해결하고 기계적인 외적 부하의 최소화와 자유 진동을 할 수 있으며, 압전 세라믹스 소자의 파손시 손쉽게 교환 수리가 가능하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 첨부된 도면중 도 1(a)는 본 고안에 따른 진동자의 구조를 보여주기 위한 상부판의 평면도이고, 도 1(b)는 도 1(a)에서 도시한 상부판의 정면도이다.

그리고, 도 1(c)는 본 고안에 따른 진동자의 구조를 보여주기 위한 하부판의 평면도이고, 도 1(d)는 도 1(c)에서 도시한 하부판의 정면도이며, 도 2는 본 고안에 따른 진동자의 조립도이다.

본 고안에 따른 진동자는 탄성율(Young Modulus)이 약 1,000MPa 이상으로 비교적 높은 나일론, 테프론, 우레탄, 고밀도폴리에틸렌, 폴리스틸렌등의 고분자 재료들을 사용하여 도 1(a) 및 도 1(c)에서 보는 바와 같이, 압전세라믹스 소자(300)가 기계적 외적 부하가 없고 자유 진동을 할 수 있도록 진동자 상부판(100) 및 하부판(200)을 제작한다.상부판(100)은 도 1(b)에서 보는 바와 같이, 원판형의 본체(110)의 하부에 일정지름을 가진 돌출부(112)가 형성되며 중앙에는 상부 전극 리드선을 위한 제 1 인출구멍(114)이 형성되며, 제 1 인출구멍(114)과 소정간격 이격된 일측에는 하부 전극 리드선을 위한 제 2 인출구멍(116)이 형성된다. 그리고, 상부판(100)의 주변부에는 다수의 체결공(118)이 형성된다.

하부판(200)은 도 1(d)에서 보는 바와 같이, 원판형의 본체(210)의 중앙에는 상부판(100)의 돌출부(112)가 끼움 결합되도록 천공된 중앙부(212)가 형성되며 중앙부(212)의 하부 주변에는 압전 세라믹스 소자(300)가 안치될 수 있도록 일정길이의 걸림턱(214)이 형성된다. 중앙부(212)의 일측에는 압전세라믹 하부 전극 단자가 안치되기 위한 안치공(216)이 형성되며, 하부판(200)의 본체(210)의 주변부에는 상부판(100)과 볼트결합할 수 있도록 다수의 체결부(218)가 형성된다.

여기서, 상부판(100) 및 하부판(200)은 압전세라믹스 소자(300)의 진동을 용이하게 흡수할 수 있도록 탄성률이 1000MPa 이상인 고분자재료로 이루어진다.

압전세라믹스 소자(300)는 하부판(200)의 중앙부(212)의 주변에 형성되는 걸림턱(214)에 안치되며, 압전세라믹스 소자(300)의 일측면에는 두께가 1㎜ 이하이며 스테인레스강(Stainless Steel), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 도금 강판 등과 같은 진동판 및 전극 역할을 하는 내식성이 있는 금속판(302)을 부착한다. 금속판(302)의 부착은 열경화성 에폭시를 사용한다.

따라서, 도 2에 도시한 바와 같이, 진동자 상부판(100)과 하부판(200) 사이에 진동판의 역할을 하는 금속판(302)을 부착한 압전 세라믹스 소자(300)를 두고, 상부판(100) 및 하부판(200)과 접촉하는 압전세라믹스 소자(300)의 양측 즉, 상,하부판과 압전세라믹스 소자(300)의 사이에는 고무재질의 O-Ring(304)를 끼운다.

이러한 상,하부판 및 압전 세라믹스 소자(300)를 볼트로 체결하여 1㎒ 이상의 고주파수 진동에 적합한 압전 세라믹스 소자(300)를 이용한 진동자를 제작한다. 이렇게 제작된 진동자를 부착할 대상(401)에는 반드시 진동자 하부판(200)의 중앙부에 형성된 내경과 동일한 크기의 구멍이 천공되어 있어야 한다. 이렇게 함으로서 진동자에서 발생된 초음파가 대상체에 직접적으로 전달되게 된다.

이러한 구조로 제작된 압전세라믹스 소자(300)를 이용한 진동자는 압전세라믹스 소자의 공진주파수와 진동자의 공진주파수는 ??300㎐ 이내로 거의 일치하며 저항도 5Ω 미만의 낮은 값을 나타내었다.

이를 다시 설명하면, 지름 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60㎜와 두께 0.5, 1, 1.5, 2㎜인 압전세라믹스 소자(300)의 한쪽 면에 두께가 0.05, 0.1㎜인 금속판(302)을 부착한 다음, 일정 내경을 지닌 구멍이 천공된 하부판(200)에 안치시키고, 압전세라믹스 소자(300)의 양측 즉, 상,하부판(100, 200)과 압전세라믹스 소자(300)의 사이에는 고무재질의 O-Ring(304)를 끼우고, 상,하부판(100, 200) 및 압전 세라믹스 소자(300)를 볼트로 체결하여 진동자를 제작한다.

상술한 바와 같이, 본 고안에서 제시한 구조로 진동자를 제작할 경우에 전극의 내식성 문제를 해결할 수 있고, 공진주파수 및 저항 값은 압전세라믹스 소자 상태의 값을 거의 그대로 유지하는 효과가 있어 진동 특성이 매우 양호하며, 압전세라믹스 소자의 파손시에 소자의 교체가 기존의 진동자에 비해 용이하다는 장점이 있다. 또한 이 진동자의 구조는 1㎒ 이상의 높은 주파수에 적용할 때 특히 유리하며 반도체 공정이나 특수 목적에 주로 사용하는 초음파 세척기, 동·식물 세포 파쇄기, 조직 배양기, 초음파 가습기, 의료용 Nubilizer, 초음파 맛사지기(또는 미용기), 초음파 치료기 등에 효과적으로 활용될 수 있다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 고안은 이에 한정되는 것이 아니며 본 고안의 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.

Claims (4)

1. 본체(110)의 하부에 일정지름을 가진 돌출부(112)가 형성되며 중앙에는 상부 전극 리드선을 위한 제 1 인출구멍(114)이 형성되며, 제 1 인출구멍(114)과 소정간격 이격된 일측에는 하부 전극 리드선을 위한 제 2 인출구멍(116)이 형성되고, 상기 본체(110)의 주변부에는 다수의 체결공(118)이 형성되어 탄성률이 있는 고분자재료로 이루어진 상부판(100);

   상기 상부판(100)의 돌출부(112)가 끼움 결합되도록 중앙부(212)가 천공되며 상기 중앙부(212)의 하부 주변에는 일정길이의 걸림턱(214)이 형성되고, 상기 중앙부(212)의 일측에는 전극 단자가 안치되기 위한 안치공(216)이 형성되며, 본체(210)의 주변부에는 상부판(100)과 볼트결합할 수 있도록 다수의 체결부(218)가 형성되어 탄성률이 있는 고분자재료로 이루어진 하부판(200);그리고,

   상기 상부판(100) 및 하부판(200)의 사이에 위치하도록 상기 하부판(200)의 중앙부(212)의 주변에 형성되는 걸림턱(214)에 안치되며, 일측면에는 일정 두께를 지니고 진동판 및 전극 역할을 하는 금속판(302)이 부착된 압전세라믹스 소자(300)를 포함하는 진동자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 상부판(100) 및 하부판(200)과 압전세라믹스 소자(300)의 사이에는 완충역활을 수행하는 고무재질의 오링(304)이 끼움결합되는 것을 특징으로 하는 압전세라믹스 진동자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 금속판(302)는 1㎜ 이하의 두께를 가지며, 내식성이 있는 금속박판인 것을 특징으로 하는 압전세라믹스 진동자.
4. 제 1항에 있어서 상기 상부판(100) 및 하부판(200)은 탄성률이 1000MPa 이상인 고분자 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전세라믹스 진동자.