KR100224139B1

KR100224139B1 - 압전 트랜스

Info

Publication number: KR100224139B1
Application number: KR1019950033926A
Authority: KR
Inventors: 다가미사또루
Original assignee: 가네꼬 히사시; 닛뽕덴끼 가부시끼가이샤
Priority date: 1994-10-05
Filing date: 1995-10-04
Publication date: 1999-10-15
Also published as: JPH08107240A; KR960015973A; DE69508176T2; TW311288B; JP2658904B2; EP0706227B1; EP0706227A1; DE69508176D1

Abstract

[목적] 압전 트랜스의 출력특성을, 이하의 사항을 방지함으로써 개선하다. 즉, 접속부하에 비하여 트랜스 출력 임피던스가 작은 것에 의해 출력부족이나, 폭진동의 결합에 의한 길이 종진동의 여진능력의 저하를 방지한다.

[구성] 장판상의 세라믹으로 이루어지며, 길이방향의 종방향의 파장 λ의 1/2의 비의 값 R을 0.5≤R≤0.8로 한다. 이로써, 출력측의 제동용량을 증대시키고, 출력 임피던스를 저감시킨다. 이 결과, 트랜스 출력특성이 개선된다. 한편, 폭 w을 너무 넓히면 길이방향의 종진동과 결합하기 위하여, w에 상한을 둠으로써, 이를 방지하고, 출력특성의 저하를 방지한다.

Description

압전 트랜스

제1도는 본 발명의 실시예 1에 의한 λ/2의 3배 모드의 압전 트랜스를 나타내는 사시도.

제2도는 제1도에 나타낸 압전 트랜스의 폭치수와 효율간의 관계를 나타내는 특성도.

제3도는 제1도에 나타낸 압전 트랜스의 폭치수와 승압비간의 관계를 나타내는 특성도.

제4도의 (a)는 본 발명에 따른 실시예 2에 의한 적층구조의 압전 트랜스를 나타내는 사시도.

제4도의 (b)는 제4도의 (a)의 선 A-A에 따른 단면도.

제4도의 (c)는 제4도의 (a)의 선 B-B에 따른 단면도.

제5도는 앞서 제안된 압전 트랜스를 나타내는 사시도.

제6도는 제5도에 나타낸 압전 트랜스의 승압비의 접속부하 의존성을 나타내는 특성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 압전체 2 : 구동부 전극

3 : 구동부의 하전극

4 : 2전극과 3전극간에 가해지는 입력

5 : 구동부 6 : 발전부

7 : 발전부 전극 8 : 발전부 전극간 출력

9 : 구동부 전극 하부단자 10 : 구동부 전극 상부단자

11 : 발전부 전극 하부 지지겸용 단자

21 : 발전부 적층용 전극 22 : 구동부 적층용 전극

23 : 구동부 적층용 전극간의 절연층

본 발명은 고신뢰도, 소형화가 요구되는 고전압전원에 관한 것이며, 특히 액정 디스플레이장치의 백라이트용의 인버터용에 적용한 압전 트랜스에 관한 것이다.

종래는 액정 디스플레이의 백라이트용 인버터에 이용되는 고전압발생용 트랜스의 대부분은, 전자식 권선 트랜스였다.

한편, 제5도에 나타내는 바와 같은 권선 트랜스와는 전혀 동작원리가 다른 압전트랜스가 제안되고, 상기한 백라이트용 인버터에도 적용할 수 있는 가능성을 본원 출원인은 먼저 제안하였다(일본국 특원평 4-27040).

제5도에서, 압전체(1)의 상하면에는 전극(2),(3),(7)이 형성되어 있다. 전극(2),(3)의 사이(4)에 입력으로서 교류전압이 가해지고, 이를 구동부라 칭한다. 구동부(5)에서는, 압전체(1)는 그 좌우에서, 두께 방향에 반대방향에 분극처리가 실시되어 있다. 구동부 이외의 부분(6)은 발전부라 칭한다. 발전부(6)에서는 압전체(1)는 길이방향으로 분극처리가 실시되어 있다. 이 발전부에 전극(7)이 있으며, 전극(7)과 전극(3)의 사이(8)로부터 출력을 얻을 수 있다.

2개의 입력단(4)에 압전체(1)의 길이방향의 종진동의 3차의 공진주파수를 가지며 서로 역상의 교류를 인가한다. 이때, 압전체(1)는 기계적인 공진을 하고, 그 결과, 발전부로부터 고전압이 출력된다. 그리고, 출력단(8)은 병렬로 출력하는 것이다.

이 선원에 의해, 종래의 전자 트랜스에서는 볼 수 없었던 소형, 박형화 가능한 압전 트랜스를 이용한 인버터의 가능성을 나타냈다.

이 종래의 압전 트랜스에서도 이하와 같은 문제점이 있었다.

예를 들면, 컬러 액정 디스플레이용 백라이트는 큰 광량을 요하므로, 그 광원으로서 통상 냉음극간(이하 CFL 로 약한다)을 이용하지만, 이 CFL은, 100㏀ 이상의 고임피던스이므로, 예를 들면, CFL 을 덮어싸도록 형성된, 근접해 있는 금속성 반사판과의 사이에 부유용량 Cst가 발생한다. 이 Cst는 CFL과 병렬로 기생하고, 그 크기는 1개의 CFL에 대하여 약 10pF정도로 견적할 수 있다. 압전 트랜스의 3차 모드의 공진주파수를 100KHz정도로 하면, Cst와 CFL의 합성의 임피던스는, 61㏀정도로 저하한다.

한편, 압전트랜스의 출력특성은, 이에 접속하는 부하임피던스에 의존하여 변화한다. 제6도에는, 상기 선두의 경우의 특성예를 나타낸다. 제6도로부터 명확해지듯이, 압전 트랜스는 1MΩ 정도의 고임피던스를 접속하면, 큰 승압비, 따라서, 큰 출력전력을 얻을 수 있지만, 100㏀ 정도 이하에서는, 출력은 대폭적으로 저하하고, 승압비는 10배 이하로 된다.

현재상황에서는, 상기 백라이트용 인버터의 입력전압은 DC 12V 정도이며, 10배 정도의 승압비에서는, CFL이 점등개시하기 위하여 필요한 350V 정도의 출력전압을 얻는 것 조차 불가능하다.

① 트랜스 입력전압을 크게한다.

② 적층방식 등을 고려한 트랜스의 재설계를 한다.

그러나, ① 에 대해서는, 백라이트 인버터의 상위 시스템 예를 들면 퍼스널 컴퓨터 본체의 전원능력을 올리든지, 인버터부분에서, 트랜스의 전단에 승압회로를 늘리든가 하는 대책이 필요해진다. 전자의 대책은, LSI 등도 포함한 저전압화의 동향에 역행하는 것이다. 또 후자도, 부품수증가를 포함하여, 비용상승의 요인이고, 시스템의 소형화요구로부터 브레이크 다운되는 인버터, 나아가서는 디스플레이의 소형, 박형화에 역행하는 것이다. 즉, ①의 대책은, 공업적 메리트를 잃은 쪽이다.

② 에 대해서도, 예를 들면, 그린 시이트법 등에 의해, 수십㎛ 오더의 막두께의 세라믹층을 소망의 수만큼 적층하는 구조로 하면, 입력의 전계강도를 올리는 것이 가능해 지며, 전압비 부족을 해소하고, 큰 출력전압은 얻을 수 있다. 그러나 그린 시이트법에 의한 적층전압 트랜스의 제조 프로세스 자신이 시시점(視時點)에서는 미확립되고, 또, 비용상승의 방향이기도하므로, 역시 현실적이지 못하다. 적층법에 구애받지 않고, 트랜스소자의 대형화를 허락하면, 최적 해결법이 없는 것은 아니지만, 역시 ①과 같은 공업적 유리함을 잃는다.

본 발명의 압전 트랜스에서는, 상술한 문제점을 해결하기 위한 다음과 같은 수단을 강구하고 있다. 상술한 압전 트랜스 출력특성이 접속부하 의존성을 나타내는 제6도를 이용하여 설명한다. 출력 특성이 급격히 상승을 시작하는 부하는, 트랜스 출력 임피던스와 부하 임피던스의 크기가 일치하는 정합부하라 불리는 값으로 나타낸다. 즉, 압전 트랜스의 출력특성을 개선하는 데에는

출력 임피던스접속부하 임피던스

의 관계를 만족하도록 하면 좋다. 특히 본원에서는, 접속부하에 의하지 않고 대책할수 있는 것으로서, 트랜스 출력임피던스를 저감하는 방책을 제안한다.

트랜스의 출력임피던스 Z2, out은 다음과 같이 나타낸다.

Cd₂: 압전트랜스 2차측의 구속용량

k₃₃: 압전재의 33방향에 있어서의 전기기계 결합계수

ε₀: 진공의 유전율 , ε_r: 압전재의 비유전율

w : 압전트랜스의 폭 치수 t : 압전트랜스의 두께 치수

l₂: 압전 트랜스의 2차측의 전극간 거리

f : 구동 주파수 ω : 구동각 주파수

즉, 폭치수(w)를 크게함으로써, 출력임피던스를 저감하고, 출력특성을 개선하는 것이다.

여기에서 t를 크게하거나, 또는 f를 크게 함으로써 개선이 이루어지는 듯이 보이지만, t를 크게 하면 입력전계강도가 저하한다. 또는 f를 크게하면, 예를 들면, 백라이트와 같은 부하라면, Cst의 존재에 의해, 접속부하 임피던스도 저하한다. 즉, 양자는 종합적으로 보아, 트랜스특성의 개선에 이어지지 않는다. 1₂를 작게 하는 것은 f를 크게하는 것과 등가이므로 설명은 생략한다. 그리고, w가 커지면, 길이방향의 종진동외에, 폭방향의 진동도 여진되기 쉬워진다. 따라서, 길이방향의 종진동이 약해지는 만큼, 트랜스 출력특성은 저하한다. 이로써, 종래는 λ/2와 w의 비를 λ/2 : w ≥1 : 0.5로 하는 것이 일반적이었다.

상술한 출력임피던스의 저감효과에 의해, λ/2 : w 의 비가 1 : 0.5를 초과하여도, 특성의 개선은 이어지지만, 일정 이상 넓어지면, 역시 상술한 바와 같이 스퓨리어스(spurious) 진동의 영향으로, 출력이 저하된다. 따라서, w 치수에는 최적범위가 존재하게 된다. 본 발명에서는, 그 최적범위를 제안하는 것이다.

본 발명의 압전 트랜스는, 장판상(長板狀)의 압전체와 그 표면에 형성한 전극으로 이루어지며, 압전체의 길이방향의 종진동의 기계공진의 파장 λ의 1/2의 3배의 진동모드로 여진하고, 압전체의 진동부를 기계공진의 접점을 포함하는 양단영역에 형성하고, 발전부를 기계공진의 접점을 포함하는 중앙영역에 형성한 구조로 하고, 이 압전 트랜스의 폭 w와 파장 λ의 1/2의 비의 값 R을 0.5≤R≤0.8의 범위로 한다.

다음에 본 발명에 대하여 제1도, 제2도, 제3도, 제4도를 참조하여 설명한다. 먼저, 이하의 실시예에서 공통의 사항을 정리하여 설명한다.

① 압전 트랜스용 소자

전기기계 결합계수 k가 크고, 기계적 품질계수 Qm이 큰 압전 세라믹 재료로서, 예를 들면 NEPEC 8(상품명, (주) 도우낑 제)를 이용하였다. 이 소결체를 희망하는 형상으로 절삭가공하여, 장판상으로 하였다.

② 전극의 형성

은(銀)페이스트를 통상의 막두께 스크린 인쇄법에 의해 전극패턴을 형성하고 600℃에서 베이크하였다.

③ 분극처리

150℃로 가열한 절연유중에서 약 1.5㎸/㎜의 직류전계를 가하여 15분간 유지하였다.

④ 지지구 부착

진동의 결절점에서, 트랜스 소자의 폭의 반에 상당하는 위치에, 전기용접법에 의해 동등 금속재료를 고정하였다.

⑤ 단자부착

땜납에 의해, 진동의 결절점에서, 트랜스 소자의 폭의 반의 위치에 주석도금 동선을 접속, 고정하였다.

다음에, 본 발명의 실시예 1에 대하여 설명한다.

제1도에 나타내는 바와 같은 λ/2의 3배 모드의 압전 트랜스를 제작하였다.

제1도에서, 부호(1)은 압전체, 부호(2) 및 (3)은 구동부의 전극이며, 그 전극간(4)에 입력전압을 가한다. 부호(5), (6)은 각각 구동부, 발전부이다. 부호(7)은 발전부의 전극이며, 소자 중앙에 위치한다. 전극(3)과 (7)로부터 출력(8)이 얻어진다. 부호(11)은 압전 트랜스의 지지이며, 전극 리드를 겸하여도 좋다. 부호(9)는 각각 구동부에 형성한 지지와 전극리드를 겸한 단자이며, 부호(10)은 소자 상부에 형성한 전극단자이다. 부호(9), (10)은 폭중심선상에 있으며, 각각, 소자 양단으로부터 λ/6의 거리에 위치하고, 즉 진동의 결절점과 일치한다. 이 도면에 있어서 압전체(1)중에 화살표로 나타낸 것은 분극방향이다. 즉, 발전부와 두께방향에 같은 방향으로, 발전부와 길이방향 중심면으로 이분하고, 서로 반대방향에 길이방향으로 분극되어 있다. 이 도면에 나타내는 양단의 구동부(5), 발전부(6)의 길이는 모두 λ/2에 상당하고, 전장 42㎜, 두께 1㎜로 하였다. 폭 w은 이하의 검토결과에 의해 결정하였다. 이 압전 트랜스소자에 컬러 액정 디스플레이용의 백라이트(9.4인치, 1등식)부하로서 접속하는 경우를 전제로 한다. 이 백라이트는 CFL 1개와 이를 덮는 반사판, 및 도광판 등으로 이루어지며, 전기적인 임피던스로서는, 약 100㏀의 크기였다(단, 이것은 도광판상의 휘도로 2000Cd/㎡로 점등 시켰을 때의 값이다).

이때, 소자의 폭치수를 횡축으로 취하고, 트랜스의 효율을 종축으로 취하였을 때의 특성을 제2도에 나타낸다. 단 효율은 트랜스 출력전력과 입력전력의 비를 취한 것이다. 폭비 R=w/λ/2에서 0.5∼0.7의 범위에서 효율이 93∼95%로 가장 좋아져 있다. 이것은, 폭치수 w를 크게함으로써 트랜스 출력 임피던스가 저하하고, 백라이트부하와의 임피던스의 정합성이 개선되었기 때문이다.

제3도에는, 승압비와 폭치수의 관계를 나타냈다. 8≤w≤10㎜의 사이에서 승압비는 급격히 증대한다. 이것은, 이 사이에서, 트랜스 출력 임피던스가, 부하 임피던스 보다 작아져 있기 때문이다.

제2도, 제3도를 통하여 말할 수 있는 것은, w가 10㎜를 초과하면 효율, 승압비 모두 저하하는 것이다. 즉, 길이방향의 종진동에 대하여, 스퓨리어스진동인 폭방향의 종진동이 이러나는 결과, 트랜스 특성은 열화하는 것이다. 따라서 폭비 R에는 최적치라고 말할 수 있다. 실용성을 고려하면 0.5≤R≤0.8이 적당하다. 여기에서는 w=10㎜를 채용하였다. 그리고, 상기는, 진동자 형상에 의한 진동모드의 결합에 기인하므로, 장판상의 전압 트랜스의 형상에 관하여, 일반적으로 부합하는 것은 말할 필요도 없고, 진동모드의 치수 등을 특히 제한하는 것은 아니다.

그리고, 전장 42㎜, 폭 10㎜, 두께 1㎜의 트랜스 소자를 이용하여, 상기한 백라이트를 점등시킨다.

3차 모드의 공진주파수는, 115KHz로, 입력 22V에 대하여 출력전압 550V, 출력전력은 3W 를 얻었다. 효율은 93%이었다. 또, 도광판상의 휘도는 2000Cd/㎡이었다.

이때, 압전 트랜스의 출력측의 정전용량은 30pF였으므로 (1)식에 따라서 출력 임피던스는 약 85㏀로 계산된다.

즉, 부하인 백라이트의 100㏀ 에 비하여, 출력 임피던스가 작아져 있으며, 이결과 큰 승압비를 얻을 수 있다고 말할 수 있다.

다음에, 본 발명의 실시예 2에 대하여 설명한다.

실시예 1과 동일한 소자로, 두께만 0.4㎜로 하고, 이를 3매 전기적으로 병렬로 접속하였다. 또 기계적으로는, 두께방향으로 직렬접속으로 하였다. 구체적으로는, 제4도 (a)∼(c)에 나타내는 바와 같은 적층구조를 취하였다. 즉 구동부는, 종래 알려진 적층 세라믹 컨덴서와 동일한 구조이며, 발전부 전극(21)은 A-A단면도인 제4도 (b)에 나타내는 바와 같은, 모든 도전위의 구조이다. 또 기계적 접속을 위하여는, 각 층간에 절연성의 에폭시성 접착제 등을 도포하고, 구동부의 B-B 단면도인 도면 제4도(c)에 나타내는 바와 같은 절연층(23)을 확보하였다.

이 압전 트랜스에 100㏀ 순저항 부하를 접속한 바, 공진 주파수는 110KHz로 입력전압 8V에 대하여, 출력전압 500V, 2.5w의 출력전력을 얻었다.

이 경우에도, 폭비 R=0.5∼0.8의 범위에서, 출력특성이 우수했었다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 압전 트랜스의 출력특성을 개선하기 위한 폭치수의 최적범위를 (압전 트랜스의 폭 w와 파장 λ1/2의 비의 값 R에서 0.5≤R≤0.8)로 명확하였으므로, 효율을 높게 유지한 채 승압비를 크게 취할 수 있는 알루이하스 스퓨리어스진동(구체적으로는 폭결합 진동)에 의한 출력저하를 방해한다는 효과를 얻을 수 있다.

또, 큰 승압비를 가지므로써, 예를 들면 컬러 액정 디스플레이와 같은 백라이트의 인버터에 본 전압 트랜스를 적용하면, 저입력 전압화를 도모할 수 있고, 기기의 소에너지화를 목적으로 한 저전압 구동화를 촉진하는 것에 이어진다. 또, 전압 트랜스 자신이 고효율이므로, 인버터의 효율을 높히고, 상기한 에너지 절약화를 촉진하게 된다.

또한, 폭치수를 종래 보다 1.5배 정도 넓인 것 뿐이므로, 압전 트랜스를 포함한 인버터의 소형화, 박형화가 가능하다. 예를 들면 종래의 전자식 컬러 액정 디스플레이 백라이트용 인버터와 비교하면, 기판면적으로 50% 감소, 높이에서 40%감소가 가능해 진다.

Claims

장판상의 압전체와 그 표면에 형성한 전극으로 이루어지는 압전트랜스에서, 압전체의 길이방향의 종진동의 기계공진의 파장 λ의 1/2의 3배의 진동모드로 여진하고, 압전체의 진동부를 기계공진의 접점을 포함하는 양단영역에, 발전부를 기계공진의 접점을 포함하는 중앙영역에 형성한 구조로 하고, 이 압전 트랜스의 폭 w와 파장 λ의 1/2의 비의 값 R을 0.5≤R≤0.8의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스.
(정정) 제1항에 있어서, 상기 폭 w가 8㎜이상이고 10㎜이하인 것을 특징으로 하는 압전 트랜스.