초음파 출력을 내기 위해 필요한 것! (진동자,메인 혼)

1. 진동자

진동자(Transducer)는 발진기에서 발생하는 전기적 에너지를 기계적 종 진동에너지로 변환시켜주는 역할을 한다. 용착기용으로 사용되는 진동자는 란지방형진동자(B.L.T)로 P.Z.T(티탄소, 지르콘 산연) 전 왜 형으로 알루미늄 합금으로 P.Z.T 소자를 샌드위치 하여 제작한 것인데, 소자 자체는 도자기와 같은 것이므로 일정의 응력을 넘으면 파손된다. 그 때문에 일정 진폭을 넘지 않도록 진폭을 제어하여야 한다.

​

P.Z.T 소자는 전기를 가하면 각 결정의 분극된 방향으로 길이가 늘어나고, 거꾸로 소자에 분극된 방향으로 가압을 하면 전기가 발생하는 압전 현상을 갖고 있는 신소재이다. 이 성질을 이용하여 발진기에서 변조 발생된 주파수의 교류전압 (15,000~38,000㎐의 위상 변화)을 P.A.T 소자로 조립한 B.L.T(Blot Clamping Langevin Type Transducer) 진동자에 가하면 발진기와 진동자의 주파수가 일치되어 공진이 일어나 최고의 종 진동이 진동자에서 발생한다.

​

이 타입의 진동자는 현재 사용되고 있는 것 중에서 전기기계 변환 능률이 제일 크고, 90% 이상이나 되어 동력적 응용 초음파 진동자로 가장 널리 쓰이고 있는데 다음과 같은 특징들이 있다.

​

1) 기계적 Q가 높다 : 특히 큰 진폭으로 진동시키고 있을 때도 Q(예민도)가 높다.

2) 고온에서 사용할 수 있다 : 일반적인 것은 100℃까지, 고온용의 것은 160℃까지 거의 특성의 변화가 없다.

3) 이상의 2가지 특징에서 일반적인 사용법에서는 냉각이 필요하지 않다.

4) 견고하다 : 대부분은 금속 블록으로 되어 있으므로 견고하고, 대 진폭으로 진동시키거나 떨어뜨려도 깨어지는 일

이 없다.

5) 금속부의 볼트를 가공하여 혼을 접합하기 쉽고 큰 진동의 힘을 필요로 하는 경우에 적합하다.

​

아래 그림은 볼트 조임 란지방 진동자의 예를 나타내었다.

진동자

​

2. 메인 혼

​

초음파 플라스틱 용착기에서는, 진동 자에서 발생되는 진동 진폭(5~7μ)과 플라스틱을 용착할 수 있는 실용 진 (20~40μ) 과는 차이가 나는데 이를 보완하기 위해 진동자와 공구혼의 중간에 볼트로 결합할 수 있는 메인 혼을 사용한다.

공구혼의 형상이 제품의 형상에 따라 달라지므로 용착을 할 수 있는 혼의 정확한 진폭을 얻기 위해 메인 혼으로 필요한 진폭으로 증가, 감소시킨다.

​

메인 혼은 알루미늄으로 반 파장 공진 길이에 맞춰 제작하고 진폭을 증가시키기 위해 공구혼과 접촉하는 부분의 면적을 줄이고, 반대로 진폭을 감소시키기 위해 공구혼에 접촉하는 부분의 면적을 늘려 진폭을 조정한다.

메인 혼 종류는 3가지 스탠더드형이 있고, 이는 착색된 색깔로 구별이 되며 그 외의 종류도 주문에 의해 제작된다. 또한, 메인 혼의 진동절점(nodal point)에 고정날개를 제작하여 용착기 메커니즘에 진동부와 공구혼을 고정해 주는 역할도 하여준다. 진동부와 연결 시 요구되는 연결 볼트는 1/2×20 산이고, 공구혼과 연결할 때 필요로 하는 연결볼트는 7/16×20 산을 사용한다.

​

아래 그림에서 보여 주듯이 플라스틱 용착 시 부하(가압력, 진폭)나 공구혼의 모양과 발진기의 출력 상황에 따라 적절한 증폭도의 메인 혼을 선택하여야 한다. 즉, 공구혼이 크거나, 공구혼의 진폭이 크거나, 가압력이 커 야할 때, 다시 말해 과부하의 조건이 필요할 때 저 진폭의 메인혼을 사용하여야 한다.

​

예를 들면, 고 진폭의 메인혼(2.5:1)은 자동차의 고속, 저 토크의 5단 기어 와 비교할 수 있고, 반대로 저 진폭의 메인혼은 자동차의 저속, 고 토크의 1단 기어 와 역할이 같다고 보면 될 것이다.

즉, 자동차가 3단 기어로 언덕에 올라가면 엔진이 부하를 받아 엔진이 멈추듯이, 과부하에서 고 진폭의 혼을 사용하면 쉽게 초음파 발진 동작이 멈추게 된다. 그래서 혼과 메인혼의 적절한 선택은 양호한 플라스틱 용착을 얻기 위해 필요하다.

<이럴 때 고 진폭 메인 혼을 사용하라>

1) 용착하기 위해 진동에너지가 작을 때 : 용착 불량 혹은 용착 시간이 길어진다.

2) 진동에너지가 용착 부위를 통과할 때 : 진동이 지그에 전달되거나 지그에 의해 제품에 손상이 발생한다.

3) 적당한 발진기에서의 출력(70%~100%)을 얻기 위할 때

4) 스태킹 시 보스의 끝부분부터 녹지 않고 밑부분이 녹을 때

5) 오랜 용착 시간 때문에 제품에 손상이 생길 때

​

<이럴 때 저 진폭 메인 혼을 사용하라>

1) 초음파 발진이 스타트가 안되거나 어려울 때

2) 낮은 압력에서 발진이 멈출 때

3) 튜닝 시 메타의 초소 점이 2% 이상일 때

4) 혼의 진폭이 높을 때

5) 제품에 손상이 생길 때

6) 인서트 시 플라스틱이나 금구가 파손될 때

7) 혼의 절 부근에 열이 발생할 때

​

마지막 사진은 진동자와 결합되어 있는 사진으로 이것을 진동부 라고 부른다 진동부는 Khz에 따라 크기가 변동된다. 현재 사진은 20Khz 진동부이다.

20Khz 진동부 1조

​