초음파 트랜스듀서는 입력 전기 에너지를 기계적 에너지(즉, 초음파)로 변환하여 전달하는 에너지 변환 장치이며, 자체적으로는 최소한의 전력을 소비합니다.
초음파 발생기(초음파 전원 장치라고도 함)는 220V AC 전원을 고주파 전류로 변환하여 압전 세라믹에 전달합니다. 초음파 주파수에서 공진하는 압전 세라믹은 압전 효과를 이용해 전기 신호를 직선적인 기계적 진동으로 변환합니다. 이러한 진동은 초음파 혼(horn)을 통해 진폭이 증폭(또는 감쇠)된 후 도구 헤드에 전달되어 작동하게 됩니다. 초음파 변환기는 일반적으로 자수축성(magnetostrictive)과 압전 세라믹의 두 가지 형태로 제공됩니다. 당사는 오직 압전 세라믹 트랜스듀서만을 사용하고 있습니다.
자수축성(Magnetostriction): 자기장의 영향을 받아 재료가 변형되거나, 변형될 때 자기장을 생성하는 현상입니다. 이러한 재료는 일반적으로 강한 자수축 효과를 보이는 니켈을 포함합니다. 자수축 센서는 자수축 특성을 가진 재료(보통 적층 형태)를 이용합니다. 와전류로 인해 자수축 트랜스듀서는 압전 트랜스듀서에 비해 일반적으로 손실이 더 크므로 보다 엄격한 냉각 조건이 필요합니다.
초음파 트랜스듀서의 구성
파워 초음파 용도로 사용되는 거의 모든 압전 트랜스듀서는 랑주뱅(Langevin) 타입입니다. 즉, 하나 이상의 압전 세라믹이 프론트 드라이버와 리어 드라이버 사이에서 기계적으로 압축된(사전 응력이 가해진) 형태로 구성됩니다.
초음파 트랜스듀서는 주로 중앙의 압전 세라믹 요소, 앞쪽 및 뒤쪽 금속 커버, 사전 응력 볼트, 전극판 및 절연관으로 구성되며, 아래 도면에 자세히 설명되어 있습니다. 파워 초음파 용도로 사용되는 거의 모든 압전 트랜스듀서는 랑주벤(Langevin) 타입인데, 이는 앞쪽 드라이버와 뒤쪽 드라이버 사이에서 기계적으로 압축(사전 응력 적용)된 하나 이상의 압전 세라믹 요소로 구성됩니다.
후면 드라이버: 압전 트랜스듀서의 뒷면에 위치한 원통형 요소입니다. 후면 드라이버는 마지막 압전 세라믹 조각 옆에 있으며 일반적으로 적층 볼트를 통해 프리로드 압력을 가합니다.
전극판: 트랜스듀서 내 인접한 압전 세라믹 사이에 놓인 얇은 전도성 디스크입니다. 트랜스듀서 구동 전압이 이러한 전극 간에 인가됩니다.
전면 드라이버: 트랜스듀서의 초음파 에너지를 혼(horn) 또는 공구 머리(tool head)로 전달하며, 전면 드라이버는 일반적으로 하우징에 연결하기 위한 설치 플렌지를 포함합니다.
프리스트레스 볼트: 단일 스택 볼트가 세라믹의 중앙 구멍을 관통합니다. 이 볼트를 조이면 세라믹이 리어 드라이버와 프론트 드라이버 사이에서 압축되어 세라믹에 필요한 프리스트레스를 가하게 됩니다.
압전 세라믹: 압전 세라믹은 초음파 발생기에서 온 전기 신호를 선형 기계 진동으로 변환하는 트랜스듀서의 핵심입니다.
압전 세라믹 디스크
트랜스듀서 핵심 구성품
압전세라믹은 일반적으로 '소프트' 또는 '하드'로 구분됩니다. 하드 압전세라믹은 전기적 응용 분야에 사용되며, 두 가지 기본 유형이 있으며 흔히 PZT-4 및 PZT-8로 불립니다(PZT는 압전세라믹의 성분인 납 지르코네이트 티탄산염을 의미함). 당사의 모든 트랜스듀서는 PZT-8 압전세라믹을 사용합니다. PZT-8 압전세라믹은 더 높은 품질 인자(Qm), 더 높은 안전한 작동 온도(큐리 온도), 그리고 낮은 유전 손실(tanδ)을 갖습니다.
저전기장 조건에서 압전 세라믹의 성능
변환기 제조 핵심
압전세라믹의 인장강도가 약하기 때문에 변환기가 초음파 진동을 할 때, 압전세라믹에 인장응력이 가해지는 것을 방지하기 위해 정적인 압축 프리로드를 반드시 적용해야 한다. 또한, 이 프리로드는 압전세라믹 계면에서의 양호한 접촉을 보장하여 소리가 거의 손실 없이 전달될 수 있도록 한다. 프리로드는 압전세라믹이 초음파 인장응력을 받지 않도록 하며, 압전세라믹의 측면 미끄러짐을 방지할 만큼 충분해야 한다. 초음파 변환기 제작 시 적용되는 프리로드의 크기는 품질에 결정적인 역할을 한다.
사전 인장 볼트를 조인 후 압전 세라믹 소재에 프레스트레스(사전 응력)를 가할 수 있습니다. 일반적으로 토크 렌치를 사용하여 사전 인장 볼트를 조이기 전에 특정 토크 값을 설정하지만, 이 파라미터는 여러 요인의 영향을 받아 자주 오차가 발생합니다. 동일한 토크를 사용하더라도 볼트의 윤활 상태와 앞뒤 드라이버에 따라 세라믹 플레이트에 가해지는 프레스트레스의 크기가 달라집니다.
프레스트레스 상태는 볼트의 윤활성에 영향을 받습니다.
트랜스듀서에 대한 프레스트레싱의 영향
압전 세라믹의 임피던스와 주파수는 프리로드(preload, 초기 하중)가 증가함에 따라 안정화됩니다. 높은 프리로드는 트랜스듀서의 임피던스를 감소시킬 수 있습니다. 압전 세라믹이 충분히 클램프되지 않으면 트랜스듀서의 임피던스가 증가하게 됩니다.
트랜스듀서의 프레스트레스가 가능한 한 높아야 한다는 말이 사실입니까?
과도한 프레스트레스는 트랜스듀서의 성능을 저하시킬 수 있으며, 주로 다음 측면에서 나타납니다:
1. 압전 세라믹의 성능은 압축 바이어스 하에서 변화합니다. 구체적으로, 재료의 최대 안전 작동 온도가 크게 감소할 수 있으며, 높은 압축 응력으로 인해 퀴리 온도가 낮아질 수 있습니다.
2. 과도한 프리로드는 상당한 탈분극 현상을 유발할 수 있으며, 이로 인해 임피던스가 불안정해지고 열화 현상이 발생할 수 있습니다.
3. 과도한 사전 응력은 트랜스듀서의 수명을 단축시킬 수 있으며, 심한 경우 트랜스듀서 내부의 세라믹 플레이트에 균열이 생길 수 있습니다.
4. 초기에는 트랜스듀서 내부에 과도한 사전 응력이 가해지면서 임피던스가 낮아질 수 있으나, 시간이 지남에 따라 트랜스듀서의 성능이 저하되며 높은 임피던스를 보이는 제품들이 나타납니다.
HCSONIC 트랜스듀서 제조
우리는 트랜스듀서를 작업대에 고정한 다음 전극판의 양극과 음극을 전용 장비에 연결했습니다. 해당 파라미터를 입력한 후 특수 렌치를 사용해 프리스트레스 볼트를 조였습니다. 프리스트레스가 요구된 수치에 도달하면 장비는 작동 중지를 알리는 신호를 보내고, 이로써 다양한 작업 환경에 적합한 고품질 초음파 트랜스듀서를 제작할 수 있습니다. 초음파 트랜스듀서는 초음파 장비 제작 시 핵심적인 구성 부품입니다.
고객의 요구에 따라 15kHz에서 120kHz까지 다양한 주파수의 트랜스듀서를 맞춤 제작할 수 있으며, 이는 초음파 용접, 초음파 절단, 초음파 미스트 분사 및 초음파 쏘노케미컬 액체 처리 등 여러 응용 분야에 사용됩니다. HCSONIC 초음파 트랜스듀서는 1년간의 보증 서비스를 제공합니다.
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