KR100228559B1

KR100228559B1 - 압전세라믹 변압기 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100228559B1
Application number: KR1019960019287A
Authority: KR
Inventors: 다까유끼 이노이; 유꼬 사또
Original assignee: 가네꼬 히사시; 닛본덴끼 가부시키가이샤
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 1999-11-01
Also published as: TW302555B; KR960042787A; NL1003235A1; NL1003235C2; JP2671871B2; US5758397A; JPH08330643A

Abstract

입력 교류 전압(Ein)이 인가되는 구동부(41c)와 출력전위(Eout)를 발생하는 발전부(41b)가 압전 세라믹 변압기에 내장되고, 고온 분위기하에서 발전부에 전계가 발생하는 2단계 분극 기술을 통해 발전부(41b)를 분극한 후에, 전계는 변화하지 않고 온도를 감소시켜 크랙이 없는 포화분극을 행한다.

Description

압전세라믹 변압기 및 그 제조 방법

제1도는 종래의 압전세라믹 변압기의 구조를 나타내는 사시도.

제2도는 특원평 제6-174417호에 개시된 압전세라믹 변압기의 구조를 나타내는 사시도.

제3도는 제2도의 압전세라믹 변압기의 구동부내에 형성되는 전계를 나타내는 단면도.

제4도는 본 발명에 의한 압전세라믹 변압기의 구조를 나타내는 사시도.

제5(a)도 내지 제5(d)도는 제4도에 나타낸 압전세라믹 변압기를 제조하는 공정을 나타내는 사시도.

제6도는 본 발명에 의한 다른 압전세라믹 변압기의 구조를 나타내는 사시도.

제7(a)도 내지 제7(d)도는 제6도에 나타낸 압전세라믹 변압기를 제조하는 공정을 나타내는 사시도.

제8도는 압전세라믹 변압기의 구동부에 형성된 전계를 나타내는 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21 : 압전세라믹판 21a : 우측부

21d : 좌측부 22 : 입력전극

23 : 출력전극 23a, 23b : 스트립 형상전극

24a, 24b : 단자

본 발명은 압전세라믹 변압기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전압 승압비가 큰 압전세라믹 변압기의 구조 및 크랙이 없는 압전세라믹 변압기를 제조하는 방법에 관한 것이다.

압전세라믹 변압기는 압전세라믹판상에 제조되며, 구동부와 발전부로 분할되어 있다. 구동부와 발전부는 압전세라믹판을 점유하며, 압전세라믹판의 종방향으로 분리되어 있다. 한쌍의 전극이 구동부에 형성되어 있고, 교류전압이 이 전극쌍에 인가된다. 이 교류전압에 의해 압전세라믹판이 종방향으로 진동을 발생시키고, 이 진동에 의해 발전부가 승압전압을 발생시킨다.

압전세라믹 변압기는 입력전압을 효과적으로 승압하므로, 텔레비젼 수신기의 편향장치나 복사기의 충전기 등의 전원 시스템내의 고전압 발생용 변압기로서 사용된다. 압전세라믹 변압기는 전자(電磁) 변압기보다 부피가 작으므로 전원시스템을 소형화하는데 기여한다.

제1도는 로젠(Rosen)형 압전세라믹 변압기의 일반적인 예를 나타낸다. 종래의 압전세라믹 변압기는 압전세라믹판(1)상에 제조되고, 압전세라믹판(1)은 화살표로 지시된 방향(LG)으로 연장되어 있다. 압전세라믹판(1)은 종방향(LG)으로 분리된 저임피던스부(1a)와 고임피던스부(1b)를 가지며, 저임피던스부(1a)와 고임피던스부(1b)는 구동부(1c)와 발전부(1d)로 각각 할당되어 있다.

구동부(1c)는 한쌍의 전극(2a/2b)을 가지며, 전극(2a/2b)은 저임피던스부(1a)의 대부분의 상부표면과 대부분의 하부표면을 피복한다. 전극(2a/2b)은 저임피던스부의 상부표면의 주변부와 하부표면의 주변부는 피복하지 않는다. 저임피던스부(1a)는 압전세라믹판(1)의 두께방향(TH)으로 분극된다.

한편, 발전부(1d)는 압전세라믹판(1)의 단면에 부착된 단면전극(2c)을 가지며, 고임피던스부(1b)는 종방향(LG)으로 분극된다.

교류전류원(Ein)이 전극(2a/2b) 사이에 접속되면, 교류전압이 저임피던스부(1a)에 인가되면, 압전횡효과(壓電橫效果)가 저임피던스부(1a)에 발생한다. 저임피던스부(1a)는 종방향(LG)으로 진동한다. 이 종방향 진동이 고임피던스부(1b)로 전달되어, 압전종효과가 고임피던스부(1b)에 발생한다. 압전종효과에 의해 전극(2a/2b) 사이에 출력전위(Eout)가 발생된다.

제2도는 NEC 코오포레이션에서 출원한 특원평 제6-17447호에 개시된 압전세라믹 변압기를 나타낸다. 이 압전세라믹 변압기도 또한 압전세라믹판(5)상에 제조되고, 압전세라믹판(5)은 구동부(5a)와 발전부(5b)로 분할되어 있다.

구동부(5a)는 2쌍의 빗형상 전극(6a/6b, 7a/7b)을 가지며, 이 2쌍의 빗형상 전극(6a/6b, 7a/7b)은 각각 구동부(5a)로 할당된 우측부(5c)의 상부표면과 하부표면상에 형성되어 있다. 빗형상 전극(6a, 7a)은 각각 빗형상 전극(6b, 7b)과 맞물려 있고, 빗형상 전극(7a/7b)은 각각 빗형상 전극(6a/6b)에 대응하는 압전세라믹판(5)의 반대측에 위치되어 있다. 빗형상 전극(6a)은 핑거부(6c, 6d, 6e)를 가지며, 다른 빗형상 전극(6b)도 또한 핑거부(6f, 6g, 6h)를 갖는다. 핑거부(6c와 6f, 6f와 6d, 6d와 6g, 6g와 6e, 6e와 6h) 사이에는 갭이 형성되어 있다. 제2도에는 명료하게 도시되어 있지 않지만, 빗형상 전극(7a,7b)도 핑거부를 가지며, 또한 그들 핑거부 사이에도 갭이 형성되어 있다.

핑거부(6c 내지 6h)는 그들 사이에 정의된 갭에 노출되는 압전세라믹 서브부분을 정의하며, 상기 압전세라믹 서브부분들은 상이하게 분극된다. 즉, 모든 압전세라믹 서브부분은 인접하는 압전세라믹 서브부분과 반대방향으로 분극된다. 핑거부(6c와 6f, 6d와 6g, 6e와 6h) 사이의 압전세라믹 서브부분은 화살표(9a)로 지시되는 방향으로 분극되고, 핑거부(6f와 6d, 6g와 6e) 사이의 압전세라믹 서브부분은 화살표(9b)로 지시되는 방향으로 분극된다.

한쌍의 입력단자(8a/8b)가 2쌍의 빗형상 전극(6a/6b, 7a/7b)에 설치된다. 입력단자(8a)는 빗형상 전극(6a, 7a)에 접속되고, 다른 입력단자(8b)는 빗형상 전극(6b, 7b)에 접속되어 있다.

발전부(5b)는 좌측부(5d)를 차지하며, 스트립 형상전극(10a, 10b)이 좌측부(5d)의 상부표면과 하부표면에 각각 형성되어 있다. 스트립 형상전극(10a, 10b)은 압전세라믹판(5)의 폭방향으로 연장되어 있다. 스트립 형상전극(10b)은 압전세라믹(5)의 반대측상에 스트립 형상전극(10a)과 대응하는 위치에 형성되어 있고, 좌측부(5d)는 압전 세라믹판(5)의 종방향(LG)으로 분극된다. 한쌍의 출력단자(11a, 11b)가 발전부(5b)에 설치되어 있다. 출력단자(11b)에는 스트립 형상전극(10a, 10b)이 접속되어 있고, 다른 출력단자(11a)에는 빗형상 전극(6a/7a)이 접속되어 있다.

교류전압(Ein)이 입력단자(8a, 8b)에 인가되면, 압전종효과가 구동부(5a)에서 발생하여, 구동부(5a)는 종방향(LG)으로 진동한다. 이 종진동이 발전부(5b)에 전달되어 압전세라믹판(5) 전체에 걸쳐 종진동을 일으킨다. 발전부(5b)는 압전종효과를 통해 종진동을 출력단자(11a, 11b) 사이의 출력전위(Eout)로 변환한다. 제2도의 압전세라믹 변압기는 압전세라믹판(5)의 상부표면과 하부표면상에 각각 형성된 2세트의 전극을 갖지만, 2세트의 전극 중 하나만으로도 압전세라믹 변압기는 입력전위(Ein)를 출력전위(Eout)로 승압시킬 수 있다.

제2도에 나타낸 압전세라믹 변압기는 제1도에 나타낸 로젠형 압전세라믹 변압기의 고유의 문제점을 해결하였으며, 로젠형 압전세라믹 변압기보다 우수하다.

상세히 말하면, 출력 전위가 로젠형 압전세라믹 변압기의 단면전극(2c)으로부터 도출되고, 단면전극(2c)이 출력단자에 접속되어 있다. 압전세라믹판(1)이 종방향(LG)으로 진동하는 동안, 종진동의 파복(antinode)이 단면전극(2c)상에 발생하여, 출력단자가 단면전극(2c)으로부터 단선(disconnected)되기 쉽다.

다른 한편으로, 스트립 형상전극(10a, 10b)이 압전세라믹판(5)의 상부표면 및 하부표면과 접촉을 유지하며, 스트립 형상전극(10a/10b)은 종진동의 노드가 발생하는 적당한 위치로 조정가능하다. 이 때문에, 출력단자(11b)가 스트립 형상전극(10a/10b)으로부터 쉽게 단선되지 않는다. 이것이 로젠형 압전세라믹 변압기에 대한 제2도에 나타낸 압전세라믹 변압기의 첫번째 이점이다. 로젠형 압전세라믹 변압기에 대한 두번째 이점은 전압 승압비가 크다는 점이다. 전압 승압비에는 2개의 인자(factor)와 관련되어 있다. 2개의 인자중 하나는 종진동을 발생시키는 압전효과이고, 다른 하나는 전계강도이다.

일반적으로, 압전종효과는 압전횡효과보다 큰 변형을 일으킨다. 상술한 바와 같이, 로젠형 압전세라믹 변압기의 구동부(1c)는 압전횡효과를 통해 종방향(LG)으로 진동하고, 제2도의 압전세라믹 변압기는 압전종효과를 통해 구동부(5a)에 종진동을 발생시킨다.

전계가 강할수록 보다 큰 종진동이 발생한다. 핑거부(6c 내지 6h) 사이의 갭이 줄어들면, 전계가 보다 강해지며, 반도체 집적회로용 미세 패터닝 기술이 갭을 극히 협소화시키는데 활용될 수 있다. 그러므로, 제2도의 압전세라믹 변압기의 구동부(5a)에 강한 전계를 발생시키는 것은 비교적 용이하다. 다른 한편으로, 압전세라믹판(1)의 두께는 전계강도에 관련되어 있다. 구동부(1c)에 강한 전계를 발생시키기 위해서는 압전세라믹판(1)의 두께를 줄일 필요가 있다. 그러나 압전세라믹판(1)의 두께가 너무 얇으면, 압전세라믹판(1)이 부러지기 쉽다. 이 때문에, 로젠형 압전세라믹 변압기보다 제2도의 압전세라믹 변압기에 보다 강한 전계가 형성된다.

따라서, 제2도의 압전세라믹 변압기는 로젠형 압전세라믹 변압기보다 2가지 인자에서 우수하므로 큰 전압 승압비를 얻을 수 있다.

상술한 바와같이, NEC 코오포레이션에 의해 이미 제안된 압전세라믹 변압기는 내구성과 큰 전압 승압비의 점에서 우수하다. 그러나, 제2도의 압전세라믹 변압기는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫번째 문제는 제조공정시 발생하는 균열(crock)과 불충분한 분극 사이의 절충(trade-off)이다. 먼저, 압전세라믹 변압기의 제조공정의 전형적인 예를 설명한다.

종래의 공정은 압전세라믹판이 준비되고, 압전세라믹판의 표면상에 전극이 패터닝된다. 다음으로, 구동부와 발전부가 소정의 방향으로 분극된다. 제1도의 로젠형 압전세라믹 변압기의 제조공정에 있어서, 직류 전압이 구동부(1c)용 전극(2a,2b) 사이에 인가되고, 직류 전압이 전극(2a/2b)와 단면전극(2c)에 인가된다. 다른 한편으로, 압전세라믹판(5)이 선택적으로 분극되면, 먼저 빗형상전극(6a/7a)과 스트립 형상전극(10a/10b) 사이에 직류 전압이 인가된 다음, 구동부(5a)의 선택적인 분극을 위하여 빗형상전극(6a/7a)과 빗형상전극(6b/7b) 사이에 직류전압이 인가된다.

이런 식으로, 전극에 직류 전압을 인가하여 분극이 수행된다. 직류전압이 압전세라믹판에 전계를 형성시키고, 이 전계가 분극용 쌍극자 모멘트를 발생시킨다. 일반적으로, 쌍극자 모멘트의 크기는 온도 및 전계 강도에 의존한다. 강한 전계는 충분한 분극을 초래하며, 온도가 높으면, 제조업자는 전계강도를 낮게 할 수 있다. 그러나, 매우 강한 전계 강도하에서의 분극은 통상 위험하며 압전세라믹 변압기의 품질을 나쁘게 할 우려가 있다. 이 때문에, 전극을 갖는 압전세라믹판이 실리콘 오일과 같은 고온의 절연 오일 내부에 침지되고 수kV/mm의 전계가 고온의 절연 오일에 인가된다. 예를 들면, 100℃의 실리콘 오일 중에서 200㎛의 거리로 이격된 전극간에 400V의 전압을 인가하여 분극처리가 수행되며(일본국 특개소 제64-14981호 참조), 전계는 2kV/mm이다. 제2도의 압전세라믹 변압기를 개시하는 특원평 제6-17441호는 100℃의 절연 오일중에 4kV/mm의 전계를 가하여 구동부(5a)와 발전부(5b)의 분극처리를 행한다. NEC 코오포레이션에 의해 출원된 다른 특원평 제4-27040호는 150℃의 절연 오일내에 침지된 구동부와 발전부의 전극에 직류 전압이 인가되어 1.5kV/mm의 전계를 생성한다.

그러므로, 분극처리는 고온의 절연 오일중에 수kV/mm를 인가하여 수행된다. 그러나, 이러한 전계에 의해 제2도에 나타낸 종래의 압전세라믹 변압기에 균열이 발생된다. 상세히 말하면, 스트립 형상전극(10a/10b)과 빗형상 전극(6a/7a) 사이의 거리는 빗형상 전극(6a/7a)과 다른 빗형상 전극(6b/7b) 사이의 거리보다 긴데, 이것은 전압 승압비가 이들 사이의 거리비에 의존하기 때문이다. 빗형상 전극(6a/7a)과 다른 빗형상 전극(6b/7b) 사이의 거리가 협소하면, 강한 전계가 발생되며, 구동부(5a)는 작은 입력전압(Ein)으로부터 큰 변형을 발생시킨다. 다른 한편으로, 빗형상 전극(6a/7a)과 스트립 형상전극(10a/10b) 사이의 거리가 길면, 발전부(5b)에 발생하는 변형량이 증가하고, 다량의 변형은 큰 출력전압(Eout)을 발생시킨다. 그러므로, 스트립 형상전극(10a/10b)과 빗형상 전극(6a/7a) 사이의 거리는 긴 편이 큰 전압 승압비를 얻는데 바람직하다. 그러나, 스트립 형상전극(10a/10b)과 빗형상 전극(6a/7a) 사이의 거리가 길면, 충분한 분극을 위해 바람직하지 않은데, 왜냐하면 충분한 분극을 위해 매우 큰 직류 전압이 필요하기 때문이다. 전기력선의 국소적인 집중에 의한 바람직하지 않은 방전을 억제하기 위해, 핑거부(6c 내지 6h)의 에지가 압전세라믹판(5)의 옆선(5e/5f)으로부터 이격되고, 점선(BL1)으로 표시된 바와 같이 에지와 옆선(5e/5f) 사이에 빈 공간이 발생한다. 결과적으로, 스트립 형상전극(10a/10b)과 빗형상 전극(6a/7a) 사이의 전계에 의해 스트립 형상전극(10a/10b)과 빗형상 전극(6a/7a) 사이의 중앙부에 변형이 발생되지만, 점선(BL2)으로 둘러싸인 중앙부의 양측의 주변부에는 어떤 변형도 발생하지 않는다. 중앙부와 각 주변부 사이의 경계부분에 응력이 발생하고, 이 응력의 크기는 중앙부에 발생되는 변형에 비례한다. 이 때문에, 스트립 형상전극(10a/10b)과 빗형상 전극(6a/7a) 사이의 전계가 너무 강하면, 중앙부와 각 주변부 사이에 큰 응력이 발생하고, 이 큰 응력이 압전세라믹판(5)의 경계부를 따라 크랙을 발생시킨다.

스트립 형상전극(10a/10b)과 빗형상 전극(6a/7a) 사이의 전게가 약하면, 응력이 작아져서 압전세라믹판에 크랙이 발생하지 않는다. 그러나 전계가 약하면, 발전부(5b)에 포화된 분극을 만들 수 없다. 상술한 바와 같이, 분극에 요구되는 전계강도는 온도에 반비례하며, 온도가 매우 높으면, 약한 전계로 발전부(5b)를 충분히 분극시킬 수 있다. 절연 오일은 200℃ 정도에서 한계에 도달하며 크랙과 불충분한 분극 사이에는 절충이 남는다.

제2도에 나타낸 종래의 압전세라믹 변압기의 두 번째 문제점은 불충분한 승압비이다. 불충분한 승압비는 구동부(5a)의 진동모드로부터 기인한다. 제3도는 선택적인 분극하에서 구동부(5a)에 발생하는 전계 분포를 나타낸다. 구동부(5a)내의 전계는 원호(12)로 표시되며, 각 원호(12)는 핑거부(6f, 6g, 6h) 중 하나로부터 시작되어, 인접한 핑거부(6c, 6d, 6e)에서 종료된다. 우세한 진동모드가 원호(12)에 따라 변화된다. 점선(BL3)으로 둘러싸인 원호(12)의 중간부에서는 압전종효과가 우세하지만; 점선(BL4)으로 둘러싸인 개시/종료부에서는 압전횡효과가 우세하다. 중간부에서, 전기력선의 종방향 성분은 압전세라믹판(5)의 두께방향의 성분보다 훨씬 크다. 반면에, 개시/종료부에서는 두께 방향의 성분이 종방향의 성분보다 크다. 그러므로, 압전종효과가 우세한 부분과 압전횡효과가 우세한 부분이 구동부(5a)에 교대로 존재하게 된다. 그러나, 압전횡효과에 의한 진동은 압전횡효과에 의한 진동과 역위상이다. 압전횡효과가 우세한 부분이 종방향으로 팽창하면, 압전횡효과가 우세한 부분이 종방향으로 수축된다. 그러므로, 역위상 진동에 의해 진동이 부분적으로 소거되고, 부분적으로 소거된 진동은 불충분한 전압 승압비를 초래한다.

그러므로, 본 발명의 목적은 단자와 전극 사이의 단선(disconnection)없이 큰 전압 승압비를 얻을 수 있는 압전세라믹 변압기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 크랙없이 압전세라믹판을 충분히 분극하는 압전세라믹 변압기를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일양태에 의하면, 제1방향으로 연장되고, 제1방향으로 제1압전세라믹부와 제2압전세라믹부로 분할되는 압전세라믹판으로서, 제1압전세라믹부가 제1방향으로 분극되는 압전세라믹판; 제1방향으로 진동의 노드가 발생하는 제1압전세라믹부의 영역에 형성되고, 제1방향과 수직인 제2방향으로 연장된 하나 이상의 출력전극; 제1방향으로 하나 이상의 상기 출력전극으로부터 이격된 제2압전세라믹부의 단면에 형성되는 단면전극; 및 제2압전세라믹부상에 형성되는 한쌍 이상의 입력전극으로서, 한쌍 이상의 입력전극중의 하나는 서로 전기적으로 접속되고 제2방향으로 연장된 복수의 제1핑거부를 가지며, 입력전극중의 다른 하나는 서로 전기적으로 접속되고 제2방향으로 연장된 복수의 제2핑거부를 가지는 입력전극을 구비하며, 복수의 제1핑거부는 복수의 제2핑거부와 맞물리며 전기적으로 절연되어 그들 사이에 갭을 형성하는 압전세라믹 변압기에 있어서, 제2압전세라믹부는 갭중의 선택된 갭에 노출되고 제1방향과 대향하는 제3방향으로 분극되는 복수의 제1의 첫 번째 압전세라믹 서브부분과, 갭중의 나머지 갭에 노출되고 복수의 제1의 첫번째 압전세라믹 서브부분과 교대로 배치되며 제1방향으로 분극되는 복수의 제2의 첫번째 압전세라믹 서브부분을 가지며, 복수의 제1의 첫 번째 압전세라믹 서브부분은 압전종효과가 우세한 제1의 두 번째 압전세라믹 서브부분과 압전횡효과가 우세한 제2의 두 번째 압전세라믹 서브부분을 가지며, 압전종효과는 압전횡효과가 단면전극 때문에 우세한 압전세라믹 서브부분이 없이 복수의 제2의 첫 번째 압전세라믹 서브부분에서 우세한 것을 특징으로 하는 압전세라믹 변압기를 제공한다.

본 발명의 다른 양태에 의하면, a) 압전세라믹판을 준비하는 단계와, b) 압전세라믹판의 제1압전세라믹부상에 하나 이상의 출력전극 및 압전세라믹판의 제2압전세라믹부상에 한쌍 이상의 입력전극을 형성하는 단계와, c) 제1압전세라믹부와 제2압전세라믹부를 소정방향으로 각각 분극하는 단계로서, c-1) 제1온도에서 하나 이상의 출력전극과 한쌍 이상의 입력전극 사이에 전계를 인가하는 단계와, c-2) 전계를 변화시키지 않고 제1온도를 제2온도로 감소시켜 제1압전세라믹부를 압전세라믹판의 종방향으로 분극하는 서브 단계를 포함하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 변압기의 제조방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 압전세라믹 변압기와 그 제조방법의 이점과 특징에 대하여 상세히 설명한다.

[제1 실시예]

제4도를 참조하면, 본 발명의 구체화하는 압전세라믹 변압기는 크게 압전세라믹판(21), 입력 교류전압(Ein)이 인가되는 한쌍의 입력전극(22) 및 한쌍의 출력전극(23)으로 구성된다. 제1 실시예를 구현하는 압전세라믹 변압기는 로젠형 압전세라믹 변압기의 개량으로, 단면전극(2c)이 한쌍의 출력전극(23)으로 대체된 것이다.

압전세라믹판(21)은 PZT(지르콘납티탄산염)계의 압전세라믹으로 형성되며, 우측부(21a)와 좌측부(21b)로 분할되어 있다. 우측부(21a)는 화살표(LG)로 지시되는 종방향으로 분극되고, 좌측부(21b)는 화살표(TH)로 지시되는 두께방향으로 분극된다.

한쌍의 입력전극(22)은 우측부(21a)의 상부표면과 하부표면상에 각각 형성되는 2개의 평면형상 전극(22a/22b)을 가지며, 서로 전기적으로 절연되어 있다. 평면형상 전극(22a, 22b)은 각각 단자(24a, 24b)에 접속되고, 단자(24a, 24b) 사이에는 교류전압이 인가된다.

한편, 한쌍의 출력전극(23)은 2개의 스트립 형상전극(23a/23b)을 가지며, 스트립 형상전극(23a/23b)은 압전세라믹판(21)의 폭방향으로 연장되어 있다. 스트립 형상전극(23a/23b)은 종진동의 노드가 발생하는 좌측부(21b)와 접촉을 유지하고 있다. 이 때문에, 스트립 형상전극(23a, 23b)은 격렬하게 흔들리지 않으며, 출력단자(24c)는 스트립 형상전극(23a, 23b)으로부터 거의 단선되지 않는다. 스트립 형상전극(23a, 23b)은 출력단자(24c)에 접속되고, 출력 교류전압이 단자(24a, 24b) 사이에서 발생한다.

우측부(21a), 한쌍의 입력전극(22) 및 단자(24a/24b)는 전체적으로 구동부(21c)를 구성하고, 좌측부(21b), 한쌍의 출력전극(23) 및 단자(24b, 24c)는 조합되어 발전부(21d)를 형성한다.

본 발명에 의한 압전세라믹 변압기는 다음과 같이 작동한다. 입력 교류전압(Ein)이 단자(24a, 24b) 사이에 인가되면, 압전횡효과가 우측부(21a)에 발생하여, 우측부(21a)가 종방향(LG)으로 진동한다. 전기기계 결합계수(k31)는 입력교류전압(Ein)과 종진동 사이의 관계를 나타낸다.

종진동이 발전부(21)에 전달되어 압전세라믹판(21)에 걸쳐 퍼진다. 발전부(21d)는 압전종효과를 통해 종진동을 출력교류전압(Eout)으로 변환시킨다. 전기기계 결합계수(k33)는 종진동과 출력교류전압(Eout) 사이의 관계를 나타낸다.

이어서, 제5(a)도 내지 제5(d)도를 참조하여 압전세라믹 변압기를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

압전세라믹판(21)이 준비된다. 도킨 코오포레이션(Tokin Corporation)에 의해 제조된 압전세라믹 재료가 압전세라믹판(21)용으로 활용가능하다. 압전세라믹 재료는 PZT계이며 NEPEC8로 시판된다. 압전세라믹판(21)은 길이가 28.0mm이고, 폭이 10.0mm 이고, 두께가 1.0mm 이다. 얻어진 구조는 제5(a)도에 나타내었다.

다음으로, 압전세라믹판(21)의 상부표면과 하부표면상에 도전성의 온 페이스트가 스크린 인쇄되고, 페이스트 패턴이 소성되어 평면형상 전극(22a/22b)과 스트립 형상전극(23a/23b)이 형성된다. 또한 도전성의 은 팔라듐 페이트스도 전극(22a/22b, 23a/23b)용으로 활용가능하다. 얻어진 구조는 제5(b)도에 나타내었다.

스트립 형상전극(23a, 23b)은 도전성 지그(31)에 의해 결합되고, 다른 도전성 지그(32)는 평면형상 전극(22a)과 다른 평면형상 전극(22b)을 결합한다. 도전성 지그(31, 32)는 직류전원(33)에 접속되어 있다. 압전세라믹판(21)은 오븐(34)내에 배치되어 공기중에서 300 내지 350℃의 온도로 가열된다. 직류전원(33)은 스트립 형상전극(23a/23b)과 평면형상 전극(22a/22b) 사이의 압전세라믹판(21)에 전계를 발생시키며, 전계는 0.5kV/mm 내지 0.7kV/mm로 조정된다. 스트립 형상전극(23a/23b)과 평면형상 전극(22a/22b) 사이에 인가되는 직류전위를 변화시키지 않고 오븐(34)의 온도를 100℃ 이하로 감소시킨다. 온도가 100℃에 도달하면, 압전세라믹판(21)으로부터 전계가 제거된다. 그후, 압전세라믹판(21)의 발전부(21d)가 종방향(LG)으로 분극된다. 이러한 분극은 "전계냉각법(electric field quenching technique)"으로 불리운다. 얻어진 구조는 제5(c)도에 나타내었다.

이어서, 구동부(21a)가 두께방향(TH)으로 분극된다. 도전성 지그(31과 32)가 제거되고, 금속성 프로브(35a 와 35b)가 각각 평면형상 전극(22a 와 22b)으로 눌린다. 압전세라믹판(21)이 실리콘 오일(36)내에 침지되고, 상기 실리콘 오일이 100 내지 200℃로 가열된다. 직류 전원(37)이 금속성 프로브(35a/35b)에 접속되어, 평면형상 전극(22a 와 22b)사이에 2 내지 3kV/mm의 전계를 발생시킨다. 그결과, 압전세라믹판(21)의 구동부(21a)는 제5(d)에 도시된 바와 같이 두께 방향(YH)으로 분극된다. 이러한 분극은 "고온분극법"으로 불리운다.

따라서, 발전부(21d)와 구동부(21a)가 전계냉각법과 고온분극법을 통해 각각 분극되어 제4도에 도시된 압전세라믹 변압기가 얻어진다.

350℃ 이상으로 가열된 공기중에서 발전부를 분극시키지 않는 것은 바람직하지 않은데, 그 이유는, 도전성 지그(31, 32)가 변형되어 전극(23a/23b, 22a/22b) 사이에 바람직하지 않은 방전이 발생하기 때문이다. 또한, 200℃ 이상으로 가열된 실리콘 오일내에서의 분극도 바람직하지 못하다. 왜냐하면, 오일의 열분해에 의해 전기적인 절연이 파괴되기 쉽기 때문이다. 한편, 공기 중에서 300℃ 미만의 열처리와 오일 내에서의 100℃ 미만의 열처리는 불충분한 분극을 초래한다. 이 때문에, 본 발명자는 공기중에서 분극을 행하는 경우에는 온도를 300 내지 350℃의 범위로 하고, 오일중에서 분극을 행하는 경우에는 온도를 100 내지 200℃의 범위로 하였다.

본 발명자는 다음과 같이 압전세라믹 변압기를 평가하였다. 먼저, 제4도에 나타낸 100개의 압전세라믹 변압기 샘플을 본 발명에 다른 방법으로 제조하였다.

비교의 목적으로, 제1비교 샘플 100개와 제2 비교 샘플 100개가 다음과 같이 추가로 제조되었다. 제1 비교샘플과 제2 비교샘플은 본 발명에 의한 100개의 샘플과 구조에 있어서 유사하지만, 분극이 다른 방법으로 수행되었다. 제1 비교샘플에 있어서, 발전부는 0.5kV/mm 내지 0.7kV/mm의 전계인가하에서 300℃의 공기중에서 분극되고, 구동부는 2kV/mm 내지 3kV/mm의 전계 인가하에서 100℃의 실리콘 오일중에서 분극되었다. 제2 비교샘플에 있어서, 발전부는 0.7kV/mm 내지 1.0kV/mm의 전계 인가하에서 300℃의 공기 중에서 분극되고, 구동부는 3.0kV/mm 내지 3.5kV/mm의 전계 인가하에서 100℃의 실리콘 오일중에서 분극되었다.

이어서, 본 발명자는 본 발명에 의한 샘플의 소진폭 특성을 측정하여, 전기기계 결합계수(k31, k33)를 산출하였다. 전기기계 결합계수(k31)는 18.5 내지 19.5%이었고, 전기기계 결합계수(k33)는 38.5 내지 39.5%이었다. 포화상태의 분극에서 이상적인 압전세라믹 변압기는 20%의 전기기계 결합계수(k31)와 40%의 전기기계 결합계수(k33)를 갖는다. 그러므로, 본 발명에 의해 분극된 압전세라믹 변압기의 샘플은 포화상태의 분극에서 이상적인 압전세라믹 변압기의 전기기계 결합계수에 근사한 전기기계 결합계수(k31, k33)를 얻었다.

본 발명자는 제1 비교샘플과 제2 비교샘플의 소진폭 특성을 측정하여, 전기기계 결합계수(k31, k33)를 산출하였다. 제1 비교샘플에 의하면, 전기기계 결합계수(k31)는 최대 16%이었고, 전기기계 결합계수(k33)는 최대 36%이었다. 한편, 제2 비교샘플은 전기기계 결합계수(k31, k33)가 본 발명에 의한 샘플의 전기기계 결합계수와 동일하였다. 그러므로, 본 발명에 의한 샘플은 제1 비교샘플보다 전기기계 결합계수에서 우수하고, 큰 전기기계 결합계수(k31, k33)에 의해 제1 비교샘플보다 큰 전압 승압비를 얻었다.

본 발명자는 본 발명에 의한 샘플 및 제2 비교샘플에 교류전압을 가하고, 이들 샘플을 240시간동안 연속적으로 구동시켰다. 240시간 동안의 연속 구동후, 본 발명자는 본 발명에 의한 샘플과 제2 비교샘플에 크랙이 발생하였는지 여부를 체크하였다. 본 발명에 의한 샘플은 모두 크랙이 발생하지 않았지만, 제2 비교샘플에서는 10%정도 크랙이 발생하여 특성이 저하되었다.

그러므로, 불충분한 분극과 크랙에 대하여 전계 냉각이 효과적이며, 본 발명에 의한 방법은 크랙없이 전압 승압비가 크며 충분히 분극된 압전세라믹 변압기를 제조한다.

[제2 실시예]

제6도에 의하면, 압전세라믹판(41)상에 다른 압전세라믹 변압기가 제조된다. 압전세라믹 변압기는 구동부(41a)와 발전부(41b)로 분할된다. 압전세라믹판(41)은 우측부(41c)와 좌측부(41d)로 분할되고, 우측부(41c)와 좌측부(41d)는 각각 구동부(41a)와 발전부(41b)로 할당된다.

구동부(41a)는 2쌍의 빗형상 전극(42a/42b, 43a/43b)을 가지며, 2쌍의 빗형상 전극(42a/42b, 43a/43b)은 우측부(41c)의 상부표면과 하부표면상에 각각 형성되어 있다. 빗형상 전극(42a, 43a)은 각각 빗형상 전극(42b, 43b)과 각각 서로 맞물려 있고, 빗형상 전극( 43a, 43b)은 빗형상 전극(42a, 42b)으로부터 압전세라믹판(41)의 반대측에 위치되어 있다. 빗형상 전극(42a)은 핑거부(42c, 42d, 42e)를 가지며, 다른 빗형상 전극(42b)도 핑거부(42f, 42g, 42h)를 갖는다. 핑거부(42c와 42f, 42f와 42d, 42d와 42g, 42g와 42e, 42e와 42h) 사이에 갭이 생긴다. 제6도에는 분명히 도시되어 있지 않지만, 빗형상 전극(43a,43b)도 핑거부를 가지며, 또한 그들 사이에도 갭이 생긴다.

핑거부(42c 내지 42h)는 그들 사이에 정의된 갭에 노출된 압전세라믹 서브부분을 정의하며, 상기 압전세라믹 서브부분들은 상이하게 분극된다. 즉, 모든 압전세라믹 서브부분은 인접하는 압전세라믹 서브부분과 반대방향으로 분극된다. 예를 들어, 핑거부(42c와 42f, 42d와 42g, 42e와 42h) 사이의 압전세라믹 서브부분은 화살표(44a)로 지시되는 방향으로 분극되고, 핑거부(42f와 42d, 42g와 42e) 사이의 압전세라믹 서브부분은 화살표(44b)로 지시되는 방향으로 분극된다.

2쌍의 빗형상 전극(42a/42b, 43a/43b)에 대하여 한쌍의 입력단자(45a/45b)가 설치된다. 입력단자(45a)는 빗형상 전극(42a, 43a)에 접속되고, 다른 입력단자(45b)는 빗형상 전극(42b, 43b)에 접속되어 있다.

발전부(41b)는 스트립 형상전극(46a, 46b)을 가지며, 스트립 형상전극(46a, 46b)은 좌측부(41d)의 상부표면과 하부표면에 각각 형성되어 있다. 스트립 형상전극(46a, 46b)은 압전세라믹판(41)의 폭방향으로 연장되어 있다. 스트립 형상전극(46b)은 스트립 형상전극(46a)으로 부터 압전세라믹판(41)의 반대측에 형성되어 있고, 좌측부(41d)는 압전 세라믹판(41)의 종방향(LG)으로 분극된다.

발전부(41b)에 대하여 한쌍의 출력단자(47a, 47b)가 설치된다. 스트립 형상전극(46a, 46b)이 출력단자(47b)에 접속되고, 다른 출력단자(47a)가 빗형상 전극(42a/43a)에 접속되어 있다.

압전세라믹 변압기는 추가로 단면전극(48)을 구비한다. 단면전극(48)은 구동부(41a)의 분극에 사용되지만, 전압 승압에는 사용되지 않는다.

스트립 형상전극(46a, 46b)은 종진동의 노드가 발생하는 영역에 위치하고, 이 때문에, 출력단자(47b)는 거의 단선되지 않는다.

입력단자(441a, 441b)에 교류전압(Ein)이 인가되면, 구동부(41a)에 압전종효과가 발생하여, 구동부(41a)가 종방향(LG)으로 진동한다. 교류전압(Ein)과 종진동 사이의 변환은 전기기계 결합계수(k31)로 표현된다. 종진동이 발전부(41b)에 전달되어, 압전세라믹판(41) 전체에 걸쳐 종진동이 발생한다. 발전부(41b)는 압전종효과를 통해 종진동을 출력단자(47a, 47b) 사이의 출력전위(Eout)로 변환시킨다. 종진동과 출력전위(Eout) 사이의 변환은 또한 전기기계 결합계수(k33)로 표현된다.

이하, 제7(a)도 내지 제7(d)도를 참조하여 압전세라믹 변압기를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 압전세라믹판(41)을 준비한다. 압전세라믹 재료(NEPEC8)가 또한 압전세라믹판(41)으로 사용된다. 압전세라믹판(41)의 길이는 28.0mm이고, 폭은 10.0m m이고, 두께는 1.0mm이다. 얻어진 구조는 제7(a)도에 나타내었다.

다음으로, 핑거부(42c 내지 42h)와 스트립 형상전극(46a/46b)을 형성하기 위하여 도전성의 은 페이스트를 압전세라믹판(41)의 상부표면과 하부표면상에 스크린 인쇄하고 단면전극(48)을 형성하기 위하여 도전성 페이스트를 단면에 피복한다. 페이스트 패턴을 소성(sinter)하여 핑거부(42c 내지 42h), 스트립 형상전극(46a/46b) 및 단면전극(48)을 형성한다. 빗형상 전극(43a/43b)의 일부를 형성하는 핑거부는 빗형상 전극(42a/42b)과 동일부호로 라벨되어 있다. 이들 전극용으로 도전성의 은 팔라듐 페이스트도 활용가능하다. 얻어진 구조를 제7(b)도에 나타내었다.

핑거부(42c)가 도전성 지그(51a)로 클램프되고, 다른 도전성 지그(51b)는 스트립 형상전극(46a/46b)을 클램프한다. 도전성 프로브(51b)가 단면전극(48)에 대하여 눌리고, 압전세라믹판(41)이 오븐(52)에 배치된다. 압전세라믹판(41)은 오븐(52)내의 공기중에서 300 내지 350℃의 온도로 가열되고, 직류전원(53)이 스트립 형상전극(46a/46b), 핑거부(42c) 및 단면전극(48) 사이에 직류전압을 가하여 스트립 형상전극(46a/46b)과 핑거부(42c) 사이에 0.5 내지 0.7kV/mm의 전계와 핑거부(42c) 및 단면전극(48) 사이에 0.5 내지 0.7kV/mm의 전계를 형성한다. 그후, 스트립 형상전극(46a/46b), 핑거부(42c) 및 단면전극(48) 사이에 인가되는 직류전원을 변화시키지 않고 오븐(52)내의 온도를 100℃ 이하로 감소시킨다. 온도가 100℃에 도달하면, 압전세라믹판(41)으로부터 전계를 제거한다. 그러면, 발전부(41d)와 구동부(41a)는 화살표(LG)로 지시되는 종방향과 화살표(LG')로 지시되는 반대방향으로 각각 분극된다. 방향(LG')은 종방향(LG)과 반대방향이다. 얻어진 구조를 제7(c)도에 나타내었다.

이어서, 모든 다른 압전세라믹 서브부분은 분극이 반전된다. 상세히 말하면, 도전성 지그(51a/51b)와 프로브(51c)가 분리되고, 도전성 지그(54a, 54b, 54c, 54d)는 각각 한쌍의 핑거부(42f, 42d, 42g, 423)를 클램프한다.

압전세라믹판(41)을 실리콘 오일(55)에 침지하고, 실리콘 오일(55)을 100 내지 200℃로 가열한다. 직류 전원(56)이 지그(54a/54c, 54b/54d) 사이에 접속되어, 핑거부(42f, 42d) 사이와 핑거부(42d, 42g) 사이에 2 내지 3kV/mm의 전계를 발생시킨다. 결과적으로, 핑거부(42f, 42d) 사이와 핑거부(42g, 42e) 사이의 압전세라믹 서브부분에서 화살표(44b)로 나타낸 바와 같이 극성이 반전된다. 얻어진 구조는 제7(d)도에 나타내었다.

마지막으로, 핑거부(42c 내지 42e)가 서로 접속되어 빗형상 전극(42a/43a)을 형성하고, 핑거부(42f 내지 42h)가 서로 접속되어 다른 빗형상 전극(42b/43b)을 형성한다.

이런 식으로, 구동부(41a)가 다른 방향(44a 와 44b)으로 선택적으로 분극되며, 제8도는 구동부(41a)에 발생되는 전계 분포를 도시한다. 화살표(57a)는 핑거부(42c, 42f), 핑거부(42d, 42g) 및 핑거부(42e, 42h) 사이의 압전세라믹 서브부분의 전계를 나타내며, 종방향에 평행하다. 이것은 전계가 두께방향의 성분을 갖지 않는다는 것을 의미한다. 즉 핑거부(42c, 42f), 핑거부(42d, 42g) 및 핑거부(42e, 42h) 사이의 압전세라믹 서브부분에만 압전종 효과가 발생한다.

반면에, 원호(57b)는 핑거부(42f, 42d)와 핑거부(42g, 42e) 사이의 압전세라믹 서브부분의 전계를 나타낸다. 점선(BL10)으로 둘러싸인 중간부에서는 두께방향 성분을 무시해도 되며 이들 중간부에서는 압전종효과가 우세하다. 그러나, 점선(BL11)으로 둘러싸인 양쪽 단부는 상당량의 두께방향의 성분을 포함하며 단부에서는 압전횡효과가 우세하다.

제3도의 전계분포와 제8도의 전계분포를 비교하면, 두께방향 성분의 전체량에 있어서 구동부(41a)는 구동부(5a) 보다 작은데, 이것은 핑거부(42c, 42f), 핑거부(42d, 42g) 및 핑거부(42e, 42h) 사이의 압전세라믹 서브부분이 두께방향 성분을 가지지 않기 때문이다. 상술한 바와 같이, 압전횡효과에 의한 종진동은 압전종효과에 의한 종진동과 역위상이다. 구동부(41a)에 대한 압전횡효과의 영향은 구동부(5a)에 대한 압전횡효과의 영향보다 작고, 이 때문에, 구동부(41a)는 구동부(5a)의 종진동보다 진폭이 넓은 종진동을 발생시킨다. 넓은 진폭은 큰 승압비를 초래하고, 제2 실시예를 구현하는 압전세라믹 변압기에서 전압 승압비가 확실히 개선된다.

본 발명자는 압전세라믹 변압기를 다음과 같이 평가하였다. 먼저, 제6도에 도시된 100개의 압전세라믹 변압기의 샘플을 본 발명에 의한 방법을 통해 제조하였다.

비교를 위해, 100개의 제3비교 샘플과 100개의 제4 비교 샘플을 다음과 같이 제조하였다. 제3 비교샘플과 제4 비교샘플은 본 발명에 의한 100개의 샘플과 구조에 있어서 유사하지만, 분극이 다른 방법으로 수행되었다. 제3 비교샘플에 있어서, 먼저 발전부와 구동부가 0.5kV/mm 내지 0.7kV/mm 범위의 전계인가하에서 300℃의 공기중에서 분극되고, 구동부의 극성은 2 내지 3kV/mm 범위의 전계 인가하에서 100℃의 실리콘 오일중에서 선택적으로 반전된다. 제4 비교샘플에 있어서, 먼저 발전부와 구동부가 0.7 내지 1.0kV/mm의 범위로 증가된 전계의 인가하에서 300℃의 공기 중에서 분극되고, 구동부의 극성은 3 내지 3.5kV/mm의 범위의 증가된 전계의 인가하에서 100℃의 실리콘 오일중에서 선택적으로 반전되었다.

이어서, 본 발명자는 본 발명에 의한 샘플의 소진폭 특성을 측정하여, 전기기계 결합계수(k33)를 산출하였다. 발전부에서의 전기기계 결합계수(k33)는 38.5 내지 39.5%이었고, 구동부에서의 전기기계 결합계수는 35.5 내지 35.6%이다. 발전부는 40%의 포화 분극하에서 이상적인 압전세라믹 변압기의 전기기계 결합계수(k33)와 거의 동일하다. 그 이유는 빗형상 전극(42a/43a, 42b/43b) 사이의 거리가 협소하기 때문이다.

본 발명자는 제3 비교샘플과 제4 비교샘플에 대한 소진폭 특성을 측정하여, 전기기계 결합계수(k33)를 산출하였다. 제3 실시예에 있어서, 발전부에서의 전기기계 결합계수(k33)는 최대 36%이고, 구동부에서의 전기기계 결합계수는 최대 33%이다. 한편, 제4 비교샘플에 있어서, 최대 전기기계 결합계수(k33)는 본 발명에 의한 샘플의 최대 전기기계 결합계수와 동일하다. 그러므로, 본 발명에 의한 샘플은 전기기계 결합계수에 있어서 제3 비교샘플보다 우수하여 큰 전기기계 결합계수(k33)에 의해 전압 승압비가 개선된다.

본 발명자는 본 발명에 의한 샘플과 제4 비교샘플에 교류전압을 인가하여 이들 샘플을 240시간동안 연속적으로 구동시켰다. 240시간 동안 연속적으로 구동시킨 후에, 본 발명자는 본 발명에 의한 샘플과 제4 비교샘플에 크랙이 발생하였는지 여부를 체크하였다. 본 발명에 의한 샘플은 크랙이 발생하지 않았지만, 제4 비교샘플에서는 20%정도 발생하여 특성을 저하시켰다.

그러므로, 전계냉각법이 불충분한 분극과 크랙에 효과적이며, 본 발명에 의한 방법은 충분히 분극되고 크랙없이 큰 전압 승압비를 달성하는 압전세라믹 변압기를 제조한다.

본 발명은 특정한 실시예를 들어 상세히 설명했지만, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변형과 수정이 가능하다. 제4도에 도시된 압전세라믹 변압기는 발전부(21b)의 상부표면과 하부표면상에 각각 형성된 스트립 형상전극(23a/23b)을 갖는다. 그러나, 스트립 형상전극(23a/23b) 중 하나가 어느 한 표면에 형성되어도, 스트립 형상전극은 제1실시예의 이점을 달성할 수 있다.

게다가, 본 발명에 따른 분극은 제1도에 도시된 로젠형 압전세라믹 변압기에도 활용가능하다.

제6도에 도시된 압전세라믹 변압기는 압전세라믹판(41)의 상부표면과 하부표면상에 형성된 2세트의 전극(42a/42b/46a와 43a/43b/46b)을 각각 갖지만, 2세트의 전극 중 하나만으로도 압전세라믹 변압기는 입력전위(Ein)로 부터 출력전위(Eout)로 승압시킬 수 있다.

Claims

제1방향(LG)으로 연장되고, 제1방향으로 제1압전세라믹부(41d)와 제2압전세라믹부(41c)로 분할되는 압전세라믹판(41)으로서, 상기 제1압전세라믹부가 상기 제1방향으로 분극되는, 상기 압전세라믹판과, 상기 제1방향으로 진동의 노드가 발생하는 제1압전세라믹부의 영역에 형성되고, 상기 제1방향과 수직인 제2방향으로 연장된 하나 이상의 출력전극(46a/56b)과, 상기 제2압전세라믹부에 형성된 한쌍 이상의 입력전극(42a/42b)으로서, 상기 한쌍 이상의 입력전극 중 하나는, 서로 전기적으로 접속되고 상기 제2방향으로 연장된 복수의 제1핑거부(42c/42d/42e)를 가지며, 상기 입력전극중 다른 하나는, 서로 전기적으로 접속되고 상기 제2방향으로 연장된 복수의 제2핑거부(42f/42g/42h)를 갖는, 상기 한쌍 이상의 입력전극을 구비하며, 상기 복수의 제1핑거부(42c∼42e)가 상기 복수의 제2핑거부(42f∼42h)와 맞물리며 전기적으로 절연되어 그들 사이에 갭을 형성하는, 압전세라믹 변압기에 있어서, 상기 하나 이상의 출력전극으로부터 제1방향으로 이격된 상기 제2압전세라믹부의 단면상에 단면전극(48)이 형성되고, 상기 제2압전세라믹판(41c)는, 상기 갭중의 선택된 갭에 노출되고 상기 제1방향(LG/44b)과 반대인 제3방향(44a)으로 분극되는 복수의 제1의 첫 번째 압전세라믹 서브부분 및, 상기 갭중의 나머지 갭에 노출되고 복수의 제1의 첫번째 압전세라믹 서브부분과 교대로 배치되며 상기 제1방향(44b)으로 분극되는 복수의 제2의 첫번째 압전세라믹 서브부분을 가지며, 상기 복수의 제1의 첫 번째 압전세라믹 서브부분은, 압전종효과가 우세한 제1의 두 번째 압전세라믹 서브부분(BL10) 및 압전횡효과가 우세한 제2의 두 번째 압전세라믹 서브부분(BL11)을 가지며, 상기 압전종효과가, 상기 단면전극(48)에 의해, 상기 압전횡효과가 우세한 압전세라믹 서브부분이 없이 상기 복수의 제2의 첫 번째 압전세라믹 서브부분에서 우세한 것을 특징으로 하는 압전세라믹 변압기.
제1항에 있어서, 상기 압전세라믹판(41)은, 상기 하나 이상의 출력전극(46a/46b) 및 상기 한쌍 이상의 입력전극(42a/42b)이 형성된 상부 직사각형 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 변압기.
제2항에 있어서, 상기 압전세라믹판은 다른 출력전극(46a/46b)과 다른 한쌍의 입력전극(43a/43b)이 형성된 상기 상부 직사각형 표면에 대향하는 측상에 하부 직사각형 표면을 가지며, 상기 다른 출력전극은 상기 하나 이상의 출력전극에 전기적으로 접속되고, 상기 다른 한쌍의 입력전극 중 하나와 상기 다른 한쌍의 상기 입력전극 중 다른 하나가 상기 한쌍 이상의 상기 입력전극 중 하나와 상기 한쌍 이상의 상기 입력전극 중 다른 하나에 각각 접속된 것을 특징으로 하는 압전세라믹 변압기.
a) 압전세라믹판(21; 41)을 준비하는 단계와, b) 상기 압전세라믹판의 제1압전세라믹부(21b; 41d)상에 하나 이상의 출력전극(23a/23b; 46a/46b)을 그리고, 상기 압전세라믹판의 제2압전세라믹부(21a; 41c)상에 한쌍 이상의 입력전극(22a/22b; 42a/42b)을 형성하는 단계와, c) 상기 제1압전세라믹부와 상기 제2압전세라믹부를 소정방향으로 각각 분극하는 단계로서, c-1) 제1온도에서 하나 이상의 출력전극과 한쌍 이상의 입력전극 사이에 전계를 인가하는 서브단계와, c-2) 상기 전계를 변화시키지 않고 상기 제1온도를 제2온도로 감소시켜 상기 제1압전세라믹부(21b/41d)를 상기 압전세라믹판의 종방향(LG)으로 분극하는 서브 단계를 포함하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 변압기의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 전계는 0.5kV/mm 내지 0.7kV/mm 의 범위내에 있으며, 상기 제1압전세라믹부(21b; 41d)가 공기중에서 300℃ 내지 350℃의 상기 제1온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 변압기의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 c-1) 단계에서 상기 제1압전세라믹부(21b; 41d)가 300℃ 내지 350℃의 상기 제1온도의 공기중에서 0.5kV/mm 내지 0.7kV/mm의 범위내의 상기 전계하에서 분극되고, 상기 c-2) 단계에서 상기 제1온도는 100℃ 이하의 상기 제2온도로 감소되는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 변압기의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 c) 단계는, c-3) 상기 제1온도보다 낮은 제3온도의 절연오일중에서 상기 제2압전세라믹부(21a; 41c)에 다른 전계를 발생시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 변압기의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 절연오일은 실리콘 오일이고, 상기 제3온도는 100℃ 내지 200℃의 범위인 것을 특징으로 하는 압전세라믹 변압기의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 압전세라믹판은 상기 한쌍 이상의 입력전극(22a/22b)이 각각 형성된 상부표면 및 하부표면을 가지며, 2.0kV/mm와 3.0kV/mm 사이의 상기 다른 전계가 100℃ 내지 200℃ 범위의 실리콘 오일내의 상기 입력전극 사이에 발생하여 상기 제2압전세라믹부를 상기 압전세라믹판의 두께방향(TH)으로 분극시키는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 변압기의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 한쌍 이상의 전극은, 상기 압전세라믹판의 제1표면상에 형성되고 복수의 제1핑거부(42c/42d/42e)를 갖는 제1빗형상 전극(42a) 및, 상기 제1표면상에 형성되고 복수의 제2핑거부(42f/42g/42h)를 갖는 제2빗형상 전극(42b)을 가지며, 상기 복수의 제2핑거부는 상기 복수의 제1핑거부와 상기 복수의 제2핑거부 사이에 전기적 접속없이 상기 복수의 제1핑거부에 각각 맞물리며, 상기 복수의 제1핑거부(42c∼42e)와 상기 복수의 제2핑거부(42f∼42h)는 상기 복수의 제1핑거부와 상기 복수의 제2핑거부 사이의 갭에 각각 노출되는 상기 제2압전세라믹부(41c)에서의 복수의 압전 서브부분을 정의하고, 상기 압전세라믹판은 상기 b) 단계에서 단면전극(48)이 형성되는 상기 제1표면에 수직인 단면을 추가로 가지며, 상기 전계는, 상기 하나 이상의 출력전극(46a/46b), 상기 하나 이상의 출력 전극에 가장 근접한 상기 복수의 제1핑거부의 제1핑거부(41c) 및 상기 단면전극(48) 사이에 추가로 발생하여 상기 제1압전세라믹부(41d)를 상기 종방향으로, 상기 제2압전세라믹부(41c)를 상기 종방향(LG)과 반대반향(LG')으로 동시에 분극하고, 직류전압이 상기 복수의 제1핑거부로부터 선택된 제1핑거부(42d/42e)와 상기 복수의 제2핑거부로부터 선택된 제2핑거부(42f/42g) 사이에 선택적으로 인가되어 상기 c-3) 단계에서 상기 제2압전세라믹부의 모든 다른 압전세라믹 서브부분의 극성을 반전시키는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 변압기의 제조방법.