KR100232435B1 - 압전 트랜스 - Google Patents

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KR100232435B1
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아키라 안도
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무라타 야스타카
가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명의 압전 트랜스는 압전체의 제 1단측을 포함하는 압전체의 제 1부분에 위치된 구동부와, 압전체의 제 2단측을 포함하는 압전체의 제 2부분에 위치된 발전부를 갖는 판형상의 압전체를 포함한다. 구동부는 구동용 전극과 두께 방향으로 분극된 압전체의 부분을 반복되게 교대로 적층시킴으로써 만들어진다. 발전부는 발전용 전극과 길이 방향으로 분극된 압전체의 부분을 포함한다. 압전 트랜스에서, 구동부와 발전부 중의 적어도 하나는 구동부와 발전부와의 사이의 경계부로부터 간격을 두고 떨어져서 위치하는 영역에서의 분극도보다 더 낮은 분극도를 갖는, 구동부와 발전부와의 사이의 경계부 근처에 위치하는 영역을 갖는다.

Description

압전 트랜스
본 발명은 압전체를 사용한 압전 트랜스에 관한 것이다.
압전 트랜스는 늘어나는 판 종류의 압전체와, 압전체의 두께 방향으로 서로 대향하여 위치된 제 1 및 제 2전극을 포함한다. 제 1 및 제 2전극은 압전체의 길이 방향으로 제 1단측에서 압전체의 제 1부분 위에 위치되고, 이 압전체는 제 1 및 제 2전극이 위치되는 압전체의 제 1부분에서 두께 방향으로 분극된다. 제 3전극은 길이 방향으로 제 1단측에 대향하게 위치된 제 2단측을 갖는 압전체의 제 2부분의 단면 위에 형성되고, 압전체는 제 3전극이 위치되는 제 2부분에서 길이 방향으로 분극된다. 두께 방향으로 서로 대향하게 위치된 제 1 및 제 2전극을 갖는 제 1부분은 구동부나 입력부로 작용한다. 제 2부분은 발전부(發電部)나 출력부로 작용한다.
길이 방향으로 압전체의 치수에 의해 결정된 고유 주파수를 갖는 입력 전압을 압전체의 제 1부분에 위치된 구동부의 전력 사이에 가할 때, 압전체는 전기 왜곡 효과로 인해 길이 방향으로 강한 기계 진동을 발생한다. 따라서, 압전체는 압전 효과로 인해 발전부로 작용하는 제 2부분에서 전하를 발생시킨다. 이 전하는 구동부에서의 제 1 및 제 2전극 중의 하나와 발전부에서의 제 3전극 사이에 높은 교류 전압으로 흐른다. 이와같이, 압전 트랜스는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환시키고, 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 승압 작용을 일으킨다.
이런 압전 트랜스에서, 납 지르코네이트 티타네이트와 같은 압전 세라믹 재료가 일반적으로 압전체 형성에 사용된다.
비교적 높은 승압비를 갖은 압전 트랜스로서, 적층된 압전 트랜스가 제안되고 있다. 적층된 압전 트랜스는 다수의 압전 세라믹층을 갖는 적층체로 만들어진 압전체를 갖는다. 출력 전극으로 제공된 다수의 구동 전극들은 전극이 압전 세라믹을 통해 인접한 전극이나 인접한 전극들과 서로 대향하도록 형성된다. 구동용 단자 전극 및 발전용 단자 전극은 적층체의 외면 위에 위치된다. 다수의 구동용 전극은 대향하는 단자 전극에 교대로 전기적으로 접속된다. 발전용 단자 전극은 출력 전극으로 제공된다.
구동부와 발전부가 상술한 압전 트랜스의 입출력용으로 두께와 길이 방향으로 형성된 전극을 사용하여 분극되므로, 분극도는 구동부와 발전부 둘다에서 일정하다.
이 배열의 결과로서, 내부 스트레스는 분극 방향이 서로 다른 구동부와 발전부 사이와의 경계부에서 발생된다. 분극 처리의 결과로서 압전체에서 분극되거나 하나 이상의 작은 틈이 발생될 때 압전체의 기계 강도가 감소되어, 내부 스트레스는 압전체를 파괴시킬 수 있다.이와같이, 압전 트랜스는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환시키고, 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 승압 작용을 일으킨다.
본 발명의 바람직한 양태는 분극 처리시에 발생한 내부 스트레스의 발생에 의해 작은 틈의 발생과 압전체의 파괴를 막을 수 있는 우수한 기계 강도를 갖은 압전 트랜스를 제공한다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 압전 트랜스는 구동부와 발전부가 일체형으로 형성된 압전체를 포함한다. 상기 구동부와 발전부 중에서 적어도 하나는 구동부와 발전부와의 사이의 경계부 근처에 위치되면서, 구동부와 발전부와의 사이의 경계부로부터 간격을 두고 떨어져서 위치하는 영역 또는 부분에서의 분극도보다 더 낮은 분극도를 갖는 영역 또는 부분을 갖는다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 압전 트랜스는 구동용 전극과 압전체의 단측을 포함하는 압전체의 제 1부분에서 압전체의 두께 방향으로 분극되는 압전체의 부분을 포함하는 구동부, 및 발전용 전극과 압전체의 다른 단측을 포함하는 압전체의 제 2부분에서 압전체의 길이 방향으로 분극되는 압전체의 부분을 포함하는 발전부를 갖는 압전체를 포함한다. 상기 구동부와 발전부 중에서 적어도 하나는 구동부와 발전부와의 사이의 경계부로부터 간격을 두고 떨어져서 위치하는 영역에서의 분극도보다 더 낮은 분극도를 갖는, 구동부와 발전부와의 사이의 경계부 근처에 위치하는 영역을 갖는다.
압전체는 세라믹 또는 다른 알맞은 압전체 재료로 제조될 수 있다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 구동부와 발전부 중의 적어도 하나가 구동부와 발전부와의 사이의 경계부로부터 간격을 두고 떨어져서 위치하는 영역에서의 분극도보다 더 낮은 분극도를 갖는, 구동부와 발전부와의 사이의 경계부 근처에 위치하는 영역을 가지므로, 분극 처리 동안에 발생된 내부 스트레스에 의한 작은 틈의 발생과 압전체의 파괴를 막을 수 있다. 그러므로, 보다 우수한 기계 강도를 갖은 압전 트랜스를 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 양태의 상기 요소와 또 다른 요소, 및 이점은 첨부된 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 양태의 상세한 하술에 의해 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 양태에 따른 압전 트랜스에 사용된 소성 전에 적층된 그린 시트 단위의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 적층 그린 시트 단위를 갖는 압전 트랜스의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 압전 트랜스의 X-Y 평면에 따른 횡단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
A : 구동부 B : 발전부
10 : 압전 트랜스 11 : 압전체
1a, 1b, 1c, 1d, 1e : 그린 시트
12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f : 구동용 전극
13a∼13f, 14a, 14f, 15a, 15f, 16a, 16f, 17a, 17f : 분극 처리용 전극
19, 20 : 구동용 전극의 단자 전극 21 : 발전용 단자 전극
본 발명의 바람직한 양태에 따른 압전 트랜스는 첨부된 도면을 참조하여 기술된다.
도 1은 압전 트랜스에 사용된 소성 전에 적층된 그린 시트 단위의 분해 사시도이다. 본 발명의 바람직한 양태에 따른 압전체는 세라믹 재료로 만들어진다. 도 1에는 압전 재료로 만들어진 그린 시트 1a, 1b, 1c, 1d 및 1e, 구동용 전극 12a, 12b, 12c, 12d, 12e 및 12f와, 분극 처리용 전극 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f, 14a, 14f, 15a, 15f, 16a, 16f, 17a, 17f가 도시된다. 도 1에 도시된 사시도의 하부에서, 그린 시트 1e는 그린 시트 1e의 하면에 배치된 구동용 전극의 배치를 볼 수 있도록 바람직하게 투시(透視)된다. 전극은 또한 압전체가 소결된 후에 동일한 부호로 표시된다.
도 2는 도 1에 도시된 적층된 그린 시트 단위를 갖는 압전 트랜스 10의 사시도이다. 도 2에는 압전체 11, 구동부 A 및 발전부 B가 도시된다. 또한, 구동용 전극으로 작용하는 단자 전극 19, 20과, 발전용 전극으로 작용하는 단자 전극 21이 도시된다. 다른 부분들은 도 1에 도시된 부분들과 동일하므로, 도 1에 사용된 부호를 동일하게 사용하고, 그의 설명은 생략한다.
도 3은 도 2에 도시된 압전 트랜스 10의 평면 X-Y에 따른 횡단면도이다. 각 부분들은 도 1과 도 2에 도시된 부분들과 동일하므로, 도 1과 도 2에 사용된 부호를 동일하게 사용하고, 그의 설명은 생략한다.
도 2와 도 3에 도시된 압전 트랜스 10의 바람직한 제조 방법은 도 1을 참조하여 기술된다. 압전 재료로 만들어진 그린 시트 1a, 1b, 1c, 1d 및 1e를 먼저 준비한다. 그린 시트 1a∼1f가 Pb(Zr, Ti)O3세라믹 분말을 바인더와 용매로 바람직하게 혼합시켜 페이스트를 만든 후에, 닥터 블레이드법을 사용하여 시트가 바람직하게 형성된다.
그린 시트 1a의 표면에, 실질적으로 직사각형 형상인 구동용 전극 12a와 거의 I자 형상의 분극 처리용 전극 13a, 14a, 15a, 16a, 17a 및 18a가 전기적 도체 성분으로 Ag/Pd를 갖은 도체 페이스트를 사용하여 스크린 페인팅법에 의해 바람직하게 형성된다. 전극 12a 와 13a 사이의 갭은 바람직하게 약 1㎜이고, 또 다른 인접한 전극 사이의 갭은 바람직하게 약 2㎜이다. 이 전극들은 바람직하게 도 1에 도시된 형상을 갖는다.
동일한 방법으로, 구동용 전극 12b와 분극 처리용 전극 13b는 그린 시트 1b의 표면에 형성된다. 구동용 전극 12c와 분극 처리용 전극 13c는 그린 시트 1c의 표면에 형성된다. 구동용 전극 12d와 분극 처리용 전극 13d는 그린 시트 1d의 표면에 형성된다. 구동용 전극 12e와 분극 처리용 전극 13e는 그린 시트 1e의 표면에 형성된다.
그린 시트 1e의 표면에, 구동용 전극 12f와 분극 처리용 전극 13f, 14f, 15f, 16f, 17f 및 18f가 형성된다. 전극 12f와 13f 사이의 갭은 바람직하게 약 1㎜이고, 또 다른 인접한 전극 사이의 갭은 바람직하게 약 2㎜이다. 이 전극들은 도 1에 도시된 바람직한 형상을 갖는다.
도 1에 도시된 것처럼, 그린 시트 1e, 1d, 1c, 1b 및 1a는 적층된 후에, 그린 시트 단위를 형성하도록 가압된다.
가압된 적층 그린 시트 단위는 내외부에 전극을 갖은 압전체 11을 형성하도록 약 1100℃에서 바람직하게 소결된다. 주성분으로 바람직하게 Ag을 함유한 도체 페이스트를 사용하여, 구동용 전극 12a, 12c 및 12e에 전기적으로 접속된 단자 전극 19와, 구동용 전극 12b, 12d 및 12f에 전기적으로 접속된 단자 전극 20은 압전체 11의 표면 상에 형성된다. 또한, 발전용 단자 전극 21은 발전부의 단면에 형성된다.
다음으로, 상슬한 것처럼 얻어진 압전체는 실리콘 오일 내에서 분극 처리된다. 전극 13a, 13c 및 13e를 전기적으로 단락시키는 전극과, 전극 13b, 13d 및 13f를 전기적으로 단락시키는 다른 전극 사이에 약 0.5∼약 1.5㎸/㎜의 전기장을 바람직하게 약 100℃에서 가한다. 압전체 11은 압전체의 압전도가 포화되지 않을 정도로 두께 방향으로 분극된다.
그 다음으로, 압전체 11은 단자 전극 19와 20에 약 2∼약 5㎸/㎜의 전기장을 바람직하게 약 100℃에서 가하므로, 압전체의 압전도가 포화될 때까지 두께 방향으로 분극된다.
전극 13a, 13b, 13c, 13d, 13e 및 13f를 전기적으로 단락시키는 전극과, 전극 14a 및 14f를 전기적으로 단락시키는 다른 전극 사이에 전기장을 가한다. 압전체는 압전체의 압전도가 포화되지 않을 정도로 두께 방향으로 분극된다.
전극 14a 및 14f를 전기적으로 단락시키는 전극과, 전극 15a 및 15f를 전기적으로 단락시키는 다른 전극 사이에 전기장을 가한다. 압전체 11은 압전체의 압전도가 포화될 때까지 길이 방향으로 분극된다. 분극 방향은 전극 13a, 13b, 13c, 13d, 13e 및 13f를 전기적으로 단락시키는 전극과, 전극 14a 및 14f를 전기적으로 단락시키는 다른 전극 사이의 분극 방향과 동일하다. 동일한 방법으로, 압전체 11은 분극도가 포화될 때까지 전극 15a 및 15f와, 전극 16a 및 16f 사이에서 분극된다. 압전체 11은 분극도가 포화될 때까지 전극 16a 및 16f와, 전극 17a 및 17f 사이에서 분극된다. 압전체 11은 분극도가 포화될 때까지 전극 17a 및 17f와, 전극 18a 및 18f 사이에서 분극된다. 압전체 11은 분극도가 포화될 때까지 전극 18a 및 18f와, 단자 전극 21 사이에서 분극된다.
상술한 바와같이, 본 발명의 바람직한 양태에 따른 압전 트랜스는 구동부와 발전부 사이의 경계부 근처의 분극도가 구동부와 발전부 사이의 경계부로부터 간격을 두고 떨어져서 위치하는 영역에서의 분극도보다 낮게 제조된다. 한 실시예에서, 본 발명의 바람직한 양태에 따라 제조된 압전 트랜스의 치수는 40×20×2㎜로 측정된다.
비교해보면, 종래의 압전 트랜스도 본 발명의 바람직한 양태에 따라 구성된 압전 트랜스와 동일한 치수와 동일한 전극 구조를 갖으며, 구동부에서의 일정한 분극도와 발전부에서의 일정한 분극도를 갖게 제조되었다.
기계 강도면에서 본 발명의 바람직한 양태에 따른 압전 트랜스와 종래의 압전 트랜스를 비교하였다. 압전 트랜스의 10개 각각의 단위의 파손에 대한 저항 강도를 두께 방향으로 측정하였다. 얻은 데이터는 평균 파괴 강도(μ)과 형상 인수(m)를 얻도록 웨이블(Weibull) 확률지에 기입하였다. 하기표 1에 결과를 나타낸다.
평균 파괴 강도[μ] (㎏f/㎟) 형상 인수[m]
본 발명의 압전 트랜스 13.6 14.9
종래의 압전 트랜스 6.7 4.7
상기 표 1에 나타난 것처럼, 본 발명의 바람직한 양태에 따른 압전 트랜스는 종래의 압전 트랜스에 비해 평균 파괴 강도가 약 두배로 향상되었고, 형상 인수로 알 수 있는 것처럼 분산이 대폭 감소된다는 것을 알 수 있다. 이것은 본 발명의 바람직한 양태에 따른 압전 트랜스가 분극 처리 동안에 형성되던 작은 틈과 같은 것에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 압전 트랜스는 상기 바람직한 양태에만 제한되지 않고, 본 발명의 범위 내에서 다양하게 변형될 수 있다. 구동용 전극의 위치, 형상, 개수, 분극 처리시에 사용되던 전극의 위치, 형상, 개수, 및 발전용 단자 전극의 위치, 형상이 필요에 따라 변형될 수 있다.
상기 바람직한 양태는 적층된 압전 트랜스를 포함한다. 그러나, 구동용 전극이 압전체의 대향하는 면에 형성된 단일 판의 압전 트랜스도 사용될 수 있다.
상기 바람직한 양태에서, 분극 처리용 전극들은 압전 트랜스에 위치된다. 이 전극들은 그들의 필요한 용도에 따라 분극 처리된 후에 압전체의 표면으로부터 제거될 수 있다.
상기 바람직한 양태에서, 구동부와 발전부 둘다는 분극도가 낮은 영역을 갖는다. 이런 영역은 구동부와 발전부 중의 한 부분에만 제공될 수 있다.
상기 바람직한 양태에서, 압전 트랜스를 일체형으로 형성하기 위해서, 압전 재료로 만들어진 적층된 그린 시트를 소결시키는 방법이 사용된다. 또한, 프린팅할 때 압전체 페이스트의 중첩과 소결체의 융합과 같은 다른 방법들이 사용될 수도 있다.
상기 바람직한 양태에서, 세라믹이 압전체의 재료로 사용된다. 그러나, 압전성 수지와, 세라믹과 압전성 수지의 복합물과 같은 다른 재료들도 사용될 수 있다.
상술한 바와같이, 본 발명을 본 발명의 특정한 양태에 대해서 도시하고 기술하였지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서의 다양한 변형 및 변형은 본 기술 분야의 전문가에게는 자명할 것이다. 그러므로 첨부된 청구범위는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 상술한 다양한 변형 및 변형을 포함하는 것으로 인지되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 구동부(driving section)와 발전부(power-generating section)를 갖는 압전체를 포함하는 압전 트랜스로서,
    상기한 구동부와 상기한 발전부 중에서 적어도 하나는 상기한 구동부와 상기한 발전부에서 상기한 구동부와 상기한 발전부와의 사이의 경계부로부터 간격을 두고 떨어져서 위치하는 영역에서의 분극도보다 더 낮은 분극도를 갖는, 상기한 구동부와 상기한 발전부와의 사이의 경계부 근처에 위치하는 영역을 가짐을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  2. 제 1항에 있어서, 상기한 압전체가 세라믹 재료로 제조됨을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  3. 제 1항에 있어서, 상기한 구동부와 발전부에서 상기한 경계부로부터 간격을 두고 떨어져서 위치하는 영역이 포화점에서 분극됨을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  4. 제 1항에 있어서, 상기한 압전체가 분리된 다수의 압전체층을 갖는 일체형의 단위를 포함함을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  5. 제 1항에 있어서, 상기한 압전체가 단일한 단위의 판부재를 포함함을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  6. 제 1항에 있어서, 상기한 압전체에서 상기한 구동부가 압전체의 두께 방향으로 분극되는 부분을 포함함을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  7. 제 1항에 있어서, 상기한 압전체에서 상기한 발전부가 압전체의 길이 방향으로 분극되는 부분을 포함함을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  8. 제 1항에 있어서, 상기한 구동부는 압전체의 제 1단측에 위치되며, 상기한 발전부는 상기한 제 1단측에 대향하는 압전체의 제 2단측에 위치됨을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  9. 제 1항에 있어서, 상기한 구동부는 압전체의 제 1단측에서 압전체의 대향하는 측에 배치된 제 1 및 제 2전극을 포함하며, 상기한 발전부는 상기한 제 1단측에 대향하는 압전체의 제 2단측에 배치된 제 3전극을 포함함을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  10. 구동부와 발전부가 일체형으로 형성되는 압전체를 포함하는 압전 트랜스로서,
    상기한 구동부는
    적어도 하나의 구동용 전극과,
    상기한 압전체의 두께 방향으로 분극된 압전체의 부분을
    포함하며;
    상기한 발전부는
    적어도 하나의 발전용 전극과,
    압전체의 길이 방향으로 분극된 압전체의 부분을
    포함하며;
    상기한 구동부와 발전부 중에서 적어도 하나는, 상기한 구동부와 상기한 발전부에서 상기한 구동부와 상기한 발전부와의 사이의 경계부로부터 간격을 두고 떨어져서 위치하는 영역에서의 분극도보다 더 낮은 분극도를 갖는, 상기한 구동부와 상기한 발전부와의 사이의 경계부 근처에 위치하는 영역을 가짐을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  11. 제 10항에 있어서, 상기한 압전체가 세라믹 재료로 제조됨을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  12. 제 10항에 있어서, 상기한 구동부와 발전부에서 상기한 경계부로부터 간격을 두고 떨어져서 위치하는 영역이 포화점에서 분극됨을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  13. 제 10항에 있어서, 상기한 압전체가 다수의 분리된 압전체층을 포함한 일체형 단위를 포함함을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  14. 제 10항에 있어서, 상기한 압전체가 단일한 단위의 판부재를 포함함을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  15. 제 10항에 있어서, 상기한 구동부는 압전체의 제 1단측에 위치되며, 상기한 발전부는 상기한 제 1단측에 대향하는 제 2단측에 위치됨을 특징으로 하는 압전 트랜스.
  16. 구동부와 발전부를 포함하는 압전체를 형성시키는 단계;
    상기한 구동부와 발전부와의 사이의 경계부에 인접하게 위치하는 구동부와 발전부 중에서 하나의 영역이 제 1의 분극도를 갖게 분극시키는 단계; 및
    상기한 구동부와 발전부에서 상기한 구동부와 발전부 사이의 경계부로부터 간격을 두고 떨어져서 위치하는 영역이 상기한 제 1의 분극도보다 높은 제 2의 분극도를 갖게 분극시키는 단계를 포함함을 특징으로 압전 트랜스의 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기한 구동부와 발전부에서 상기한 경계부로부터 간격을 두고 떨어져서 위치하는 영역이 포화점에서 분극됨을 특징으로 압전 트랜스의 제조 방법.
  18. 제 16항에 있어서, 압전체의 제 1단측에 상기한 구동부가 형성되도록 압전체의 대향하는 측에 제 1 및 제 2전극을 위치시키는 단계; 및
    상기한 압전체에서 상기한 발전부가 형성되도록 상기한 제 1단측에 대향하는 제 2단측에서 압전체 상에 제 3전극을 위치시키는 단계를 더 포함함을 특징으로 압전 트랜스의 제조 방법.
  19. 제 16항에 있어서, 상기한 압전체의 형성 단계가 다수의 압전체 시트를 적층시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 압전 트랜스의 제조 방법.
  20. 제 16항에 있어서, 상기한 압전체의 형성 단계가 상기한 구동부를 형성하도록 압전체의 두께 방향으로 압전체의 부분을 분극시키는 단계; 및
    상기한 압전체에서 상기한 발전부를 형성하도록 압전체의 길이 방향으로 압전체의 부분을 분극시키는 단계를 포함함을 특징으로 압전 트랜스의 제조 방법.
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