KR100259674B1 - 적층형 압전 트랜스 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
적층형 압전 트랜스의 압전층은 내부 전극에 접속하기 위해 형성되는 제 1 개구를 갖는 최외부 세라믹층을 포함한다. 내부 전극은 전체 표면 전극을 포함하고, 이들 각각의 내부 전극은 한 코너에 형성되고 전기 전도성 전극으로 채워지는 제 2 개구와, 다른 코너에서 형성되고 전극과 관계없는 갭으로 둘러싸인 전기 전도성 전극으로 채워지는 제 3 전극을 포함한다. 압전층은 그 내부 전극이 교대로 서로 겹쳐지는 제 2 및 제 3 개구를 통해 교대로 전기 접속하도록 적층된다. 발전기는 압전층과 스트립 형태의 내부 전극을 포함한다. 각 스트립 형태의 내부 전극은 최소한 한 단부에 형성되고 전기 전도성 전극으로 채워지는 제 4 개구를 갖는다.
Description
본 발명은 고전압 발생용의 다양한 전원 회로에 사용되는 압전 트랜스와 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 각 대향 단부에 배치되고 각각 세로로 분극화된 다수의 압전층과, 교대로 겹쳐지는 내부 전극을 가진 한 쌍의 구동 영역을 구비하는 세장형(가늘고 긴) 압전 트랜스 몸체와, 상기 구동 영역 사이에 세로 방향의 중앙에 배치된 세로로 분극화된 발전기를 포함하는 세장형 압전 트랜스 및, 이러한 적층형 압전 트랜스의 제조 방법에 관한 것이다.
지금까지, 텔레비전 세트의 전자 빔 편향 장치, 복사기 내의 충전기 및 고압을 필요로 하는 다른 장치를 위한 고압 전원에서 고압을 생성하기 위해 코일이 감겨진 전자기 트랜스가 일반적으로 사용되어 왔다. 코일이 감겨진 전자기 트랜스는 도체선이 자기 코어 주위에 감겨진 구조이다. 높은 변환비를 얻기 위하여, 전선의 감기는 회수를 증가시키는 것이 필요하다. 따라서, 높은 변환비를 갖는 작은 크기의 전자기 트랜스를 제조하는 데에는 어려움이 있었다.
압전 효과의 원리에 따라 동작하는 압전 트랜스가 제안되어 있다. 제안된 압전 트랜스는 제 3 차 로젠(a third-order-Rosen)형 압전 트랜스로 불린다.
압전 트랜스의 승압비는 전극 사이의 구동 영역의 두께와 발전기의 길이에 의존한다. 승압비를 증가시키기 위하여, 구동 영역의 두께를 줄이고, 발전기의 길이를 증가시키는 것이 필요하다.
종래의 압전 트랜스가 단일의 압전층을 갖기 때문에, 압전 트랜스의 크기를 감소시켜야 한다는 관점에서, 전극 사이의 구동 영역의 두께를 감소시키는 노력과 발전기의 길이를 증가시키는 노력에는 일정한 한계가 있었다. 특히, 구동 영역의 두께를 0.5mm 이하로 감소시키는 것은 불가능하였다. 구동 영역의 두께가 감소될 때에는 또 다른 문제점 즉, 압전 트랜스의 변환 효율이 구동 영역의 두께가 감소함에 따라 낮아진다는 문제가 발생하였다.
일본 공개특허공보(224484/94)에는 상기 문제점을 제거하기 위하여 설계된 적층형 압전 트랜스가 개시되어 있다. 상기 적층형 압전 트랜스를 도 1에 도시하 였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 적층형 압전 트랜스는 한 쌍의 저 임피던스 구동 영역(91)을 구비하고, 이들 구동 영역 각각은 저 임피던스 구동 영역(91)의 각각의 상부 및 하부 표면에 각각 배치된 외부 전극(914,915)과 교대로 겹쳐지는 내부 전극(912,913) 및 압전층(911)을 포함한다. 상기 외부 전극(915)은 도면에는 생략하였지만, 외부 전극(914)으로부터 떨어진 하부 표면상에 장착되어 있다. 교대로 대향 측면상에 노출되는 내부 전극(912,913)은 외부 전극(916,917)에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 외부 전극(917)은 도면에는 생략하였지만, 외부 전극(916)으로부터 떨어진 측면상에 장착되어 있다. 외부 전극(917)은 외부 단자(919)와 전기적으로 접속되고, 외부 전극(916)은 외부 단자(920)와 전기적으로 접속되어 있다.
외부 전극 사이의 저 임피던스 구동 영역(91)은 이들의 두께에 따라 가로로 분극화된다. 또한, 상기 적층형 압전 트랜스는 그 사이에 배치된 스트립 전극(918)을 갖는 한 쌍의 고 임피던스 발전기(92)를 구비한다. 스트립 전극(918)은 외부 단자(921)에 접속된다. 발전기(92)는 적층형 압전 트랜스의 길이를 따라 세로로 분극화된다. 압전 트랜스에 전원을 공급하기 위하여 외부 단자(919,920) 사이에 교류 전압을 인가하면, 전압이 외부 단자(919,921) 사이에서 출력된다.
압전 트랜스는 그린 시트법(green sheet)에 의해 세라믹 및 내부 전극(912,913)을 적층 및 소결한 후, 외부 전극(914,915)을 소성하여 얻는다. 그 결과, 외부 전극(914,915) 사이의 압전 트랜스 부분의 두께는 안정적으로 줄어들 수 있고, 그 승압비는 증가될 수 있다. 적층형 압전 구조는 전체 두께가 증가될 수 있으므로, 트랜스의 효율은 심하게 낮아지지는 않는다.
일본 공개특허공보(151677/95)에는 내부 전극이 개구를 통해 접속된 적층형 압전 액츄에이터(actuator)가 개시되어 있다. 도 3a 내지 도 3c는 상기 적층형 압전 액츄에이터를 도시한다. 1100으로 표시된 적층형 압전 액츄에이터는 원통형이고, 그 엣지까지 연장된 전극을 갖는 개구(1101)와 그 엣지를 제거하여 전극을 부근까지 연장시킨 개구(1102)를 각각 갖는 세라믹 압전층을 포함한다. 상기 세라믹층되고, 개구(1101,1102)는 전극을 전기적으로 접속시키기 위하여 전기 전도성 탄성 재질(1103)로 충진된다. 각 개구(1101,1102)는 1 내지 2mm 범위의 두께를 갖는다. 개구(1101,1102)를 전기 전도성 탄성 재질(1103)로 충진하기 위하여, 전기 전도성 탄성 재질(1103)은 개구(1101,1102)를 갖는 압전층을 적층되고 소결한 후, 개구(1101,1102) 내부로 압입된다.
상술한 종래의 압전 트랜스는 다음과 같은 결점을 갖는다.
(1) 제 3 차 로젠형 압전 트랜스에 있어서, 낮은 입력전압으로부터 높은 출력전압을 생성하기 위해 승압비를 증가시키려 한다면, 전극 사이의 구동 영역의 두께를 줄이거나, 발전기의 길이를 증가시키는 것이 필요하다. 압전 트랜스가 단일 압전층을 채용하는 한, 전극 사이의 구동 영역의 두께를 줄이려는 노력과, 압전 트랜스의 크기를 줄이려는 관점에서도 발전기의 길이를 증가시키는 노력에는 일정한 제한이 따른다. 더욱이, 상술한 바와 같이, 구동 영역의 두께가 줄어들 때, 압전 트랜스의 변환 효율이 구동 영역의 두께가 감소함에 따라 낮아진다.
(2) 적층형 압전 트랜스는 전극 사이의 구동 영역의 두께가 줄어들 수 있는 만큼 그 승압비를 가질 수 있다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 측면상의 외부 전극(916,917)에 대한 내부 전극(912,913)의 전기 접속은 충분히 높은 변환 효율을 제공하지 못한다. 특히 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 압전 트랜스가 진동할 때, 그 두께 방향(1003), 폭 방향(1001) 및 길이 방향(1002)에서 진동적인 변위가 발생된다. 그러나, 도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 압전 트랜스의 측면상의 외부 전극(916,917)은 방향(1001,1003)에서 변위를 방해하여 변환 효율을 낮추게 작용한다.
(3) 종래의 압전 트랜스를 제조하는 경우, 그린 시트법에 의해 세라믹과 내부전극(912,913)을 적층되여 소결한 후, 외부 전극(914,915)을 소성한다. 그 결과, 이 장치는 두 번 가열되고, 이는 최종 압전 트랜스의 변환 효율을 떨어뜨리는 경향이 있다. 더욱이, 전극이 두 번 형성됨으로, 압전 트랜스에 대한 제작 회수는 비교적 많다. 외부 전극은 상부 및 하부 표면상에 형성되고 또한 압전 트랜스의 측면에도 형성됨으로, 외부 전극에 대한 제작 회수도 많게된다.
(4) 적층형 압전 액츄에이터(actuator)내의 개구는 1 내지 2mm 범위의 비교적 큰 지름을 갖는다. 그러므로, 전기 전도성 탄성 재질로 충진된 개구는 개구의 위치에 따라 압전 액츄에이터의 진동을 방해하게 된다. 특히, 개구를 충진하는 전기 전도성 탄성 재질은 압전 액츄에이터가 진동하는 방향에서 중량 부하로서 작용하고, 압전 액츄에이터의 진동을 방해하게 된다. 게다가 전기 전도성 탄성 재질은 세라믹 압전층이 적층된 후 개구로 압입된다. 세라믹 압전층이 얇고, 높은 승압비를 위하여 이들의 숫자가 증가한다면, 전기 전도성 탄성 재질이 개구로 압입되어 들어갈 때, 전극이 파손될 가능성이 있다.
제1도는 종래의 압전 트랜스의 사시도.
제2a도 및 제2b도는 종래의 압전 트랜스가 진동 변위된 분포를 도시하는 부분 평면도 및 측면도.
제3a도는 형성된 개구를 가진 종래의 적층형 압전 액츄에이터의 단면도.
제3b도 및 제3c도는 제3a도에 도시된 종래의 적층형 압전 액츄에이터의 평면도 및 저면도.
제4도는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스의 사시도.
제5a도, 제5b도 및 제5c도는 각각 제4도의 선(5A-5A, 5B-5B, 5C-5C)을 따라 취한 단면도.
제6a도 내지 제6e도는 제4도에 도시된 적층형 압전 트랜스의 각 층의 사시도.
제7a도 및 제7b도는 제4도에 도시된 적층형 압전 트랜스가 진동 변위된 분포를 도시하는 부분 평면도 및 측면도.
제8도는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스의 사시도.
제9a도 내지 제9c도는 제8도의 선(9A-9A, 9B-9B, 9C-9C)을 따라 각각 취한 단면도.
제10a도, 제10b도 및 제10c도는 제8도에 도시된 적층형 압전 트랜스의 각 층의 사시도.
제11a도 및 제11b도는 제8도에 도시된 적층형 압전 트랜스가 진동 변위된 분포를 도시하는 부분 정면도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
11 : 구동 영역 12 : 발전기
41 : 폭 방향 42 : 길이 방향
43 : 두께 방향 111 : 압전층
112, 113 : 내부 전극 114, 115 : 개구
116, 117 : 내부 전극 접속용 전극
따라서, 본 발명의 목적은 충분히 큰 변환 효율과 승압비를 갖는 적층형 압전 트랜스와 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라서, 각 대향 단부에 배치되고, 각각 세로로 분극화된 다수의 압전층과 교대로 겹쳐지는 내부 전극을 가진 한 쌍의 구동 영역을, 구비하는 세장형(가늘고 긴) 압전 트랜스 몸체와, 상기 구동 영역 사이에 세로 방향의 중앙에 배치된 세로로 분극화된 발전기를 포함하고; 상기 구동 영역 내의 상기 압전층은 내부 전극에 대한 접속을 위해 형성되는 제 1 개구를 가진 최외부 세라믹층을 포함하고, 상기 구동 영역 내의 상기 내부 전극은 전체 표면 전극을 포함하고, 각각 그 코너에 형성되고 전기 전도성 전극으로 채워지는 제 2 개구와, 그 다른 코너에 형성되고 전극과 무관한 갭에 의해 둘러싸인 전기 전도성 전극으로 충진된 제 3 전극을 구비하며, 상기 구동 영역 내의 상기 압전층은 그 내부 전극이 교대로 서로 겹쳐지는 상기 제 2 및 제 3 개구를 통해 교대로 전기적으로 상호 접속되도록 적층되고, 상기 발전기는 압전층과 스트립 형태의 내부 전극을 포함하고, 상기 스트립 형태의 내부 전극의 각각은 최소한 한 단부에 형성되고 전기 전도성 전극으로 채워지는 제 4 개구를 갖고, 상기 발전기의 상기 압전층은 그 내부 전극이 서로 겹쳐지는 상기 제 4 개구를 통해 전기적으로 상호 접속되도록 적층되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 트랜스가 제공된다.
또한, 본 발명에 따라서, 각 대향 단부에 배치되고, 각각 세로로 분극화된 다수의 압전층과, 교대로 겹쳐지는 내부 전극을 가진 한 쌍의 구동 영역을, 구비하는 세장형 압전 트랜스 몸체와, 상기 구동 영역 사이에 세로 방향의 중앙에 배치된 세로로 분극화된 발전기를 포함하고; 상기 구동 영역 내의 상기 압전층은 내부 전극에 대한 접속을 위해 형성된 제 1 개구를 가진 최외부 세라믹층을 포함하고, 상기 구동 영역 내의 상기 내부 전극은 2 개 이상의 스트립 형태의 전극을 포함하고, 상기 스트립 형태의 전극의 각각은 최소한 일 단부에 형성되고 전기 전도성전극으로 채워지는 제 2 개구를 갖고, 상기 구동 영역 내의 압전층은 그 내부 전극이 교대로 서로 겹쳐지는 상기 제 2 개구를 통해 전기적으로 상호 접속되도록 적층되고, 상기 발전기는 압전층과 스트립 형태의 내부 전극을 포함하고, 상기 스트립 형태의 내부 전극의 각각은 최소한 일 단부에 형성되고 전기 전도성 전극으로 채워지는 제 3 개구를 갖고, 상기 발전기의 상기 압전층은 그 내부 전극이 서로 겹쳐지는 제 3 개구를 통해 전기적으로 상호 접속되도록 적층되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 트랜스가 제공된다.
상기 내부 전극이 그 단부에 형성된 개구를 통해 전기적으로 상호 접속되고, 최외부 세라믹층은 상기 내부 전극과의 접속을 위한 개구를 가지므로, 적층형 압전 트랜스는 증가된 변환 효율과 승압비를 갖는다. 상기 적층형 압전 트랜스는 반복적으로 전원을 받을 때에도 균열되지 않는다.
최외부 세라믹층에 형성된 제 1 개구 각각은 전기 전도성 전극으로 충진된다.
본 발명에 따라서, 압전층내의 개구를 소정 위치에 형성하는 단계와, 상기 개구를 전기 전도성 전극으로 채워서, 상기 압전층 상에 내부 전극 패턴을 형성하는 단계와, 상기 개구가 서로 겹쳐지도록 상기 압전층을 적층하는 단계와, 상기 압전층, 상기 내부 전극 패턴 및 상기 전기 전도성 전극을 동시에 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 트랜스의 제조 방법이 제공된다.
상기 적층형 압전 트랜스가 전원을 공급받을 때, 도 7a, 도 7b, 도 11a 및 도 11b에서 점선으로 표시된 바와 같이 폭, 두께 및 길이 방향으로 그 입력 측에서 진동적으로 변위된다.
내부 전극을 상호 접속시키는 전극의 위치와 적층형 압전 트랜스의 진동 변위가 적층형 압전 트랜스의 특성을 나타내는 효과에 대해 이하에서 설명한다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 종래의 적층형 압전 트랜스에 있어서, 전기적으로 내부 전극을 상호 접속시키는 외부 전극(916,917)은 적층형 압전 트랜스의 폭과 두께 방향(1001,1003)에서의 변위가 최대가 되는 위치에 배치된다. 그러므로, 외부 전극(916,917)이 적층형 압전 트랜스의 변위를 방해하는 경향이 있어, 진동 손실과 변환 효율의 감소가 발생된다.
본 발명에 따라서, 내부 전극을 전기적으로 상호 접속시키는 전극은 도 7a, 도 7b, 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 적층형 압전 트랜스의 폭 방향(41,81), 두께 방향(43,83) 및 길이 방향(42,82)에서의 변위가 최대가 되는 위치에 배치되지 않는다. 그러므로, 적층형 압전 트랜스가 전원을 공급받을 때, 내부 전극을 전기적으로 상호 접속시키는 전극이 변위를 방해하는 임의의 레벨은 종래의 적층형 압전 트랜스보다 낮아진다. 이와 같이 배치된 내부 전극을 전기적으로 상호 접속시키는 전극에 있어서, 임의의 진동 손실은 감소되고, 변환 효율은 증가한다.
종래의 적층형 압전 트랜스가 제조되면, 세라믹층과 내부 전극을 적층하고 소결한 다음, 전기 전도성 페이스트를 조립체의 상부 및 하부와 측면 상에 코팅하여, 외부 전극을 생성한다. 그러므로, 조립체는 두 번 가열된다. 특히, 외부 전극을 형성하기 위한 소결 프로파일은 종래의 적층형 압전 트랜스의 특성에 악 영향을 미친다.
그러나, 본 발명에 의하면, 세라믹 압전층, 내부 전극 및 전기적으로 내부 전극을 상호 접속시키는 전극을 동시에 소결하므로, 조립체는 한 번만 가열하고, 적층형 압전 트랜스의 특성상의 어떠한 열적 효과도 최소화 된다.
본 발명의 상술한 목적 및 다른 목적, 특성 및 장점은 본 발명의 예를 도시하는 첨부 도면을 참조하여 보다 명백해진다.
[실시예]
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스는 각각 교대로 겹쳐지는 다수의 압전층(111)과 내부 전극(112)을 포함하는 한쌍의 저 임피던스 구동 영역(11)을 포함한다. 상기 적층형 압전 트랜스는 구동 영역(11)에 각각 형성되고, 입력 전압을 압전 트랜스에 인가하여 에너지를 공급하기 위한 각각의 내부 전극 접속용 전극(116)이 충진된 개구를 갖는다.
상기 압전 트랜스는 구동 영역(11) 사이에 배치되고 각각 교대로 겹쳐지는 내부 전극(113)과 다수의 압전층(111)을 포함하는 한 쌍의 발전기(12)를 포함한다. 발전기(12)는 상기 압전 트랜스로부터 출력 전압을 추출하기 위하여 내부 전극 접속 전극(117)으로 채워지는, 그들 사이에 형성되는 개구(115)를 갖는다.
도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 각 구동 영역(11)내의 내부 전극(112) 중의 선택적인 하나는 개구(114) 내에서 내부 전극 접속용 전극(116)에 의해 서로 전기적으로 접속되고, 개구(114) 내에서 전극과 무관한 갭(118)에 의해 다른 내부 전극(112)으로부터 절연된다. 내부 전극(112) 사이의 압전층(111)은 압전 트랜스의 두께 방향에서 분극화된다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 모든 내부 전극(113)은 발전기(12)로부터 출력 전압을 추출하기 위하여 개구(115) 내에서 내부 전극 접속용 전극(117)에 의해 전기적으로 상호 접속된다.
내부 전극의 패턴에 대해, 도 6a 내지 도 6e를 참조하여 후술한다.
도 6a 내지 도 6e는 적층형 압전 트랜스의 각 압전층(111)을 도시한다. 도 6a 내지 도 6e는 내부 전극 접속용 전극(116,117)(도 6e에는 도시 안됨)을 갖는 압전층(111)의 최외부 압전층을 도시한다. 도 6b 내지 도 6e에 도시된 압전층(111)은 구동 영역(11) 내에서 내부 전극(112)으로서 놓이는 전체 표면의 내부 전극 패턴(312)을 갖는다. 도 6c 및 도 6d에 도시된 압전층(111)은 그 코너에 형성되고 내부 전극(112)의 어느 하나를 접속시키기 위한 내부 전극 접속용 전극(116)으로 채워지는 개구(114)를 갖는다. 내부 전극 접속용 전극(116)은 내부 전극(112)의 어느 하나를 절연시키기 위하여, 전극과 무관한 갭(118)에 의해 둘러싸인다. 도시되지 않았지만, 압전층(111)은 내부 전극(112)의 어느 하나를 접속시키기 위하여 그 대향 코너에 형성된 갖지만, 이들 개구에는 전극과 무관한 갭이 없다.
도 6a 내지 도 6e에 도시된 바와 같이, 압전층(111)은 또한, 발전기(12)로 부터 출력 전압을 출력하기 위한 내부 전극(113)으로서 놓이는 스트립 형태의 내부 전극 패턴(313)을 갖는다. 도시되지는 않았지만, 스트립 형태의 내부 전극 패턴(313)은 내부 전극(113)을 접속시키기 위한 내부 전극 접속용 전극으로 충진된 개구를 갖는다.
이하, 적층형 압전 트랜스를 제조하는 공정에 대해 설명한다.
도 1에 도시된 적층형 압전 트랜스는 그린 시트로 제작된다. 특히 압전층(111)은 Nepec 8(토킨社 제작)로 이루어진다.
상기 압전층(111)으로서 사용하기 위한 그린 시트를 준비한 후, 각각 0.5mm의 지름을 갖는 개구(114,115)가 관통 핀을 가진 지그(jig)에 의해 그린 시트의 소정위치에 형성된다.
그 후, 소결가능한 전도성 Ag/Pd 페이스트를 사용하여, 구동 영역(11)의 내부 전극(112)과 발전기(12)의 내부 전극(113)이 그린 시트 상의 내부 전극 패턴(312,313)에 따라 프린트되고, 개구(114,115)는 상기 페이스트로 충진된다.
프린트된 내부 전극(112,113)을 가진 그린 시트를 적층하여 압축한 후, 2시간 동안 1100℃로 함께 소결하여, 적층형 압전 트랜스를 제조한다.
상기 실시예에 있어서, 압전층(111)은 PZT 압전 세라믹으로 이루어지고, 내부 전극(112,113)은 Ag/Pd로 이루어진다. 그러나, 압전층(111)과 내부 전극 (112,113)은 함께 소결될 수 있는 다른 압전 및 전극 재질의 조합으로 제공될 수 있다.
이렇게 제조된 적층형 압전 트랜스의 층은 3 개의 내부 활성 압전층, 2 개의 최외부 비활성 압전층, 및 4 개의 내부 전극층을 포함한다. 각 압전층은 200μm의 두께를 갖고, 적층형 압전 트랜스는 1mm의 전체 두께를 갖는다.
이 후, 분극화 지그를 사용하여, 0.5 내지 0.7kV/mm 범위의 전계가 300 내지 350℃ 범위의 공기내에서 적층형 압전 트랜스에 인가되며, 전계가 인가되면 온도는 100℃로 낮추어지고, 이후 인가된 전계는 오프 되어 발전기(11)를 분극화시킨다.
그 후, 2 내지 3kV/mm 범위의 전계가 100 내지 200℃의 실린콘 오일 내에서 적층형 압전 트랜스에 인가되어 구동 영역(12)을 분극화시킨다.
적층형 압전 트랜스는 100kΩ의 저항을 부하로서 접속시킨 상태에서 전압을 가하여, 그 특성을 평가하였다. 적층형 압전 트랜스는 98%의 변환 효율을 갖는데 반해, 종래의 적층형 압전 트랜스는 93%의 변환 효율을 갖는다. 또한 48의 승압비를 갖는데 반해, 종래의 적층형 압전 트랜스는 44의 승압비를 갖는다. 적층형 압전 트랜스가 반복적으로 전원이 공급될 때에도, 균열이 발생되지 않으므로, 충분한 신뢰성을 갖는다.
상기 평가 시험에서, 적층형 압전 트랜스는 그 출력측부에 내부 전극(112,113)을 갖는다. 그러나, 내부 전극(112,113)을 갖지 않는 적층형 압전 트랜스도 평가 시험에서 동일한 결과가 나타났다.
상기 실시예에 있어서, 적층형 압전 트랜스는 그 대향 표면에 형성된 개구(114,115)를 갖는다. 그러나, 개구(114,115)는 적층형 압전 트랜스의 대향표면중 하나의 표면에 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스를 도시한다. 제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스는 구동 영역내의 내부 전극 패턴, 내부 전극이 접속되는 방법, 및 구동 영역이 분극화되는 방향에 대해서, 제 1 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스와는 다르다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스는 교대로 겹쳐지는 내부 전극(512)과 다수의 압전층(511)을 각각 포함하는 한 쌍의 저-임피던스 구동 영역(51)을 포함한다. 적층형 압전 트랜스는 그 일 표면상의 대향 엣지에서 구동 영역(51)내에 각각 형성되고 압전 트랜스에 입력 전압을 인가하여 에너지를 공급하기 위하여 내부 전극 접속용 전극(516)으로 각각 채워지는 개구(514)를 갖는다.
압전 트랜스는 또한, 구동 영역(51) 사이에 배치되고, 교대로 겹쳐지는 내부 전극(513)과 다수의 압전층(511)을 각각 포함하는 한 쌍의 발전기(52)를 갖는다. 상기 발전기(52)는 그 사이에 형성된 개구(515)를 갖고, 상기 개구는 압전 트랜스로부터 출력 전압을 추출하기 위하여 내부 전극 접속용 전극(517)으로 충진된다.
도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 각 구동 영역(51)의 내부 전극(512A,512B)은 개구(514A,514B)에 충진된 내부 전극 접속용 전극(516A,516B)에 의해 서로 전기접속되어 있다. 내부 전극(512A,512B) 사이의 압전층(511)은 압전 트랜스의 두께 방향으로 분극화된다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 발전기(52)로부터 출력 전압을 추출하기 위하여, 모든 내부 전극(513)은 내부 전극 접속용 전극(517)에 의해 개구(515)에 전기적으로 상호 접속된다.
내부 전극의 패턴에 대하여, 도 10a 내지 도 10c를 참조로 후술한다.
도 10a 내지 도 10c는 적층형 압전 트랜스의 각 압전층(711)을 도시한다. 도 10a 내지 도 10c는 발전기(52)와 구동 영역(51)의 내부 전극 접속용 전극(516,517)(도시 안됨)을 가진 압전층(711)중 최외부 압전층을 도시한다.
도 10b 및 도 10c에 도시된 압전층(711)은 내부 전극(512)으로서 구동 영역(51)내에 놓이는 스트립 형태의 내부 전극 패턴(712)을 갖는다. 내부 전극(512)은 내부 전극(512)의 단부에서 개구(514) 내에 채워지는 내부 전극 접속용 전극(516)에 의해 전기적으로 접속된다.
도 10b 및 도 10c에 도시된 바와 같이, 압전층(711)은 또한, 발전기(52)로 부터 출력 전압을 추출하기 위해 내부 전극(513)으로서 놓이는, 스트립 형태의 내부 전극 패턴(713)을 갖는다. 도시하지는 않았지만, 스트립 형태의 내부 전극 패턴(713)은 그 단부에 형성되고 내부 전극(513)을 접속하기 위한 내부 전극 접속용 전극으로 채워지는 개구를 갖는다.
분극화 지그를 사용하여, 1.5 내지 2kV/mm 범위의 전계가 100 내지 200℃의 온도 범위로 실리콘 오일에서 적층형 압전 트랜스에 인가되어, 스트립 형태의 내부 전극 패턴(712) 사이의 압전층을 세로 방향으로 분극화시킨다.
제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스에 있어서, 스트립 형태의 내부 전극 패턴(712)의 인접한 하나의 패턴은 서로 0.5mm만큼 서로 떨어져 위치하고, 각 구동 영역(51)내의 각 압전층(711)상에 8 개의 스트립 형태의 내부 전극 패턴(712)이 제공된다. 제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스의 층은 3 개의 내부 활성 압전층, 2 개의 최외부 비활성 압전층 및 4 개의 내부 전극층을 포함한다. 각 압전층은 200μm의 두께를 갖고, 적층형 압전 트랜스는 1mm의 전체 두께를 갖는다.
제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스는 부하로서 100kΩ의 저항을 접속한 채로 전압을 인가하여 그 특성을 평가한다. 적층형 압전 트랜스는 종래의 적층형 압전 트랜스가 93%의 변환 효율을 갖는 반면에, 96%의 변환 효율을 갖고, 종래의 적층형 압전 트랜스가 44의 승압비를 갖는 반면에, 70의 승압비를 갖는다. 제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스는 제 1 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스보다 약간 낮은 변환 효율을 갖지만, 제 1 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스보다 1.5배의 승압비를 갖는다. 그러므로, 제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스는 높은 출력 전압이 요구되는 적용예에서는 보다 더 유용하다.
제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스의 승압비가 제 1 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스의 승압비보다 높은 이유에 대해 후술한다.
제 1 실시예에 따른 각각의 적층형 압전 트랜스의 구동 영역(11)에 있어서, 압전층(111)은 압전 트랜스의 두께 방향으로 분극화된다. 전원이 공급될 때, 제 1 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스는 분극화된 방향에서 전자기 변환 처리에 영향을 미친다. 특히, 제 1 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스는 두께 방향에서의 변위를 측방향으로 추출하기 위하여, k31의 전자기계적 결합계수에 기초한 전압을 발생한다.
제 2 실시예에 따른 각각의 적층형 압전 트랜스의 구동 영역(51)에 있어서, 압전층(511)은 압전 트랜스의 길이 방향으로 분극화된다. 전원이 공급될 때, 제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스는 분극화된 방향에서 전자기 변환 처리에 영향을 미친다. 특히, 제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스는 길이에 따른 방향에서의 변위를 세로로 추출하기 위하여, k33의 전자기계 접속 계수에 기초한 전압을 생성한다.
재질 상수로서의 k33의 전자기계 접속 계수는 재질 상수로서의 k31의 전자기계 접속 계수의 약 두 배 정도이다. 따라서, k33의 전자기계적 결합계수를 사용함으로써 보다 높은 전압이 생성될 수 있다. 제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스의 승압비는 트랜스의 구성에 의해 영향을 받기 때문에, (재질 상수의 비에 따라) 제 1 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스의 승압비의 2배가 아닌, 1.5배이다.
상기 평가 시험에 있어서, 제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스는 출력 측상에 내부 전극을 갖는다. 그러나, 내부 전극을 갖지 않는 적층형 압전 트랜스도 평가 시험에서 동일한 결과가 얻어졌다.
제 2 실시예에 있어서, 적층형 압전 트랜스는 그 일표면상의 대향엣지에서 구동 영역(51)내에 각각 형성된 개구(514)를 갖는다. 그러나, 개구(514)는 하나의 대향엣지 또는 구동 영역(51)의 대향표면에 형성될 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예가 특정 조건을 사용하여 설명되었지만, 이 설명은 도시하기 위한 목적일 뿐이고, 후술하는 청구범위의 사상과 범주에서 벗어남이 없이 변경과 개선이 일어날 수 있음은 물론이다.
이상과 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스는 반복적으로 전원이 공급될 때에도, 균열이 발생되지 않으므로, 충분한 신뢰성을 갖는다.
또한, 제 2 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스는 제 1 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스보다 약간 낮은 변환 효율을 갖지만, 제 1 실시예에 따른 적층형 압전 트랜스보다 1.5배의 승압비를 가지므로, 높은 출력 전압이 요구되는 적용예서는 보다 더 유용하다.
Claims (6)
- 각 대향 단부에 배치되고, 각각 세로로 분극화된 다수의 압전층과 교대로 겹쳐지는 내부 전극을 가진 한 쌍의 구동 영역을, 구비하는 세장형(가늘고 긴) 압전트랜스 몸체와, 상기 구동 영역 사이에 세로 방향의 중앙에 배치된 세로로 분극화된 발전기를 포함하고; 상기 구동 영역 내의 상기 압전층은 내부 전극에 대한 접속을 위해 형성되는 제 1 개구를 가진 최외부 세라믹층을 포함하고, 상기 구동 영역 내의 상기 내부 전극은 전체 표면 전극을 포함하고, 각각 그 코너에 형성되고 전기 전도성 전극으로 채워지는 제 2 개구와, 그 다른 코너에 형성되고 전극과 무관한 갭에 의해 둘러싸인 전기 전도성 전극으로 충진된 제 3 전극을 구비하며, 상기 구동 영역 내의 상기 압전층은 그 내부 전극이 교대로 서로 겹쳐지는 상기 제 2 및 제 3 개구를 통해 교대로 전기적으로 상호 접속되도록 적층되고, 상기 발전기는 압전층과 스트립 형태(strip-shape)의 내부 전극을 포함하고, 상기 스트립 형태의 내부 전극의 각각은 최소한 한 단부에 형성되고 전기 전도성 전극으로 채워지는 제 4 개구를 갖고, 상기 발전기의 상기 압전층은 그 내부 전극이 서로 겹쳐지는 상기 제 4 개구를 통해 전기적으로 상호 접속되도록 적층되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 트랜스.
- 제1항에 있어서, 상기 최외부 세라믹층에 형성된 상기 각각의 제 1 개구는 전기 전도성 전극으로 채워지는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 트랜스.
- 각 대향 단부에 배치되고, 각각 세로로 분극화된 다수의 압전층과, 교대로 겹쳐지는 내부 전극을 가진 한 쌍의 구동 영역을, 구비하는 세장형 압전 트랜스 몸체와, 상기 구동 영역 사이에 세로 방향의 중앙에 배치된 세로로 분극화된 발전기를 포함하고; 상기 구동 영역 내의 상기 압전층은 내부 전극에 대한 접속을 위해 형성된 제 1 개구를 가진 최외부 세라믹층을 포함하고, 상기 구동 영역 내의 상기 내부 전극은 2 개 이상의 스트립 형태의 전극을 포함하고, 상기 스트립 형태의 전극의 각각은 최소한 일 단부에 형성되고 전기 전도성 전극으로 채워지는 제 2 개구를 갖고, 상기 구동 영역 내의 압전층은 그 내부 전극이 교대로 서로 겹쳐지는 상기 제 2 개구를 통해 전기적으로 상호 접속되도록 적층되고, 상기 발전기는 압전층과 스트립 형태의 내부 전극을 포함하고, 상기 스트립 형태의 내부 전극의 각각은 최소한 일 단부에 형성되고 전기 전도성 전극으로 채워지는 제 3 개구를 갖고, 상기 발전기의 상기 압전층은 그 내부 전극이 서로 겹쳐지는 제 3 개구를 통해 전기적으로 상호 접속되도록 적층되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 트랜스.
- 제3항에 있어서, 상기 최외부 세라믹층에 형성된 상기 각각의 제 1 개구는 전기 전도성 전극으로 채워지는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 트랜스.
- 제1항에 따른 적층형 압전 트랜스를 제조하는 방법에 있어서, 압전층 내의 개구를 소정 위치에 형성하는 단계와, 상기 개구를 전기 전도성 전극으로 채워서, 상기 압전층 상에 내부 전극 패턴을 형성하는 단계와, 상기 개구가 서로 겹쳐지도록, 상기 압전층을 적층하는 단계와, 상기 압전층, 상기 내부 전극 패턴 및 상기 전기 전도성 전극을 동시에 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 트랜스의 제조 방법.
- 제3항에 따른 적층형 압전 트랜스를 제조하는 방법에 있어서, 압전층 내의 개구를 소정 위치에 형성하는 단계와, 상기 개구를 전기 전도성 전극으로 채워서, 상기 압전층 상에 내부 전극 패턴을 형성하는 단계와, 상기 개구가 서로 겹쳐지도록, 상기 압전층을 적층하는 단계와, 상기 압전층, 상기 내부 전극 패턴 및 상기 전기 전도성 전극을 동시에 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 트랜스의 제조 방법.
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