KR100317892B1 - 압전변압기소자와그제조방법 - Google Patents

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Abstract

압전 변압기 소자는 세라믹 재료로 만들어진 압전 플레이트 및 압전 플레이트 상에 형성된 입력 전극과 출력 전극을 포함하여 입력 전극에 전압 인가시 출력 전극으로부터 전압을 출력한다. 보강층은 압전 변압기 소자가 구동될 때 장력 스트레스가 집중되는 압전 플레이트의 부분 상에 선택적으로 배치된다. 보강층은 압전 플레이트를 형성하는 세라믹 재료와 동일한 조성을 갖으나, 소결후 입자의 크기가 세라믹 재료보다 더 작은 세라믹 재료로 만들어진다. 압전 변압기 소자를 제조하는 방법은, 압전 변압기 소자에서 압전 플레이트를 형성하는 각각의 세라믹 시트의 요구된 부분에, 세라믹 분말로 만들어진 보강층을 선택적으로 배치하는 단계, 및 세라믹 시트와 세라믹 분말을 성형하고 소결하여 압전 플레이트를 제조하는 단계를 포함한다. 세라믹 분말은 압전 플레이트의 세라믹 시트와 동일한 조성을 가지며, 압전 플레이트보다 분말 비표면적이 더 크다.

Description

압전 변압기 소자와 그 제조 방법{PIEZOELECTRIC TRANSFORMER ELEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 세라믹 재료로 만들어진 압전 변압기 소자에 관한 것으로서 특히, 소형이고 고도의 정밀도를 요하며 고전압을 발생시키는 박형의 로우 프로파일 압전 변압기 소자와 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 액정 디스플레이의 백 라이트 인버터, 형광 관을 점등하는 인버터, 복사기 등의 고전압 전원 공급 회로에서, 권선 전자기 변압기 등이 고전압 발생 소자에 사용되었다. 압전 변압기가 전자기적 노이즈, 전력 소모, 높이 등의 감소가 요구됨에 따라 주목되고 있다. 도 1은 종래의 대칭 로젠(Rosen) 3차 적층형 압전 변압기의 구조를 도시한다. 전극이 표면상에 형성된 적층형 층 구조를 갖는 직사각형 세라믹 압전 플레이트(1)가 있는 로젠 대칭 3차 적층형 압전 변압기에서는, 길이 방향의 압전 플레이트(1)의 양단은 압전 변압기의 입력부로 사용되는 구동부(21)를 형성한다. 구동부(21)에서, 평면의 입력 전극(2a, 2b 및 3a, 3b)은 각각 압전 플레이트(1)의 상측과 하측 표면상에 형성된다. 이들 양단은 두께 방향으로 분극된다. 전극(4a, 4b 및 5a, 5b)은 입력 전극(2a, 2b 및 3a, 3b)을 압전 플레이트(1)의 적층형 층 사이에 형성된 내부 전극 (도시되지 않음)에 전기적으로 연결한다. 압전 플레이트(1)의 중심부는 출력부로 사용되는 전력 발생부(22)를 형성한다. 전력 발생부(22)에서, 출력 전극(6a, 6b)은 각각 압전 플레이트(1)의 상측과 하측 표면에 형성된다. 이 중심부는 압전 소자의 길이 방향으로 분극된다.
종래의 압전 변압기 소자의 작동은 이하 첨부된 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 설명된다. 도 2a는 압전 변압기의 개략적인 단면도이고, 도 2b는 길이 방향으로 3/2 파장의 공진 모드로 진동하는 압전 변압기에서 얻어진 분포의 변위를 도시한 그래프이며, 도 2c는 이 때에 얻어진 스트레스의 분포와 스트레스의 유형을 도시한 그래프이다. 도 1에 도시된 외부 단자(7a, 7b)로부터 구동부(21)의 입력 전극(2a, 2b 및 3a, 3b)으로 전압이 가해지면, 구동부(21)에 분극 방향으로 전기장이 가해진다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 소자가 분극 방향에 수직인 방향으로 변위되는 압전 역효과에 의해 길이 방향의 종 진동은 여기되고, 전체 압전 변압기는 진동한다. 도 2c에 도시된 전력 발생부(22)에서는, 기계적인 변형이 분극 방향으로 발생한다. 그러면 분극화 방향으로 전위차가 발생하는 압전 정 효과에 의해, 입력 전압과 동일 주파수를 갖는 전압이 출력 전극(6a, 6b)으로부터 외부 단자(8a, 8b)로 출력된다. 구동 주파수가 압전 플레이트(1)의 공진 주파수와 동일하게 설정되면, 매우 높은 출력 전압을 얻을 수 있다. 압전 변압기 소자에서 얻을 수 있는 출력은 기계적인 진동의 파워에 비례하고, 구조적으로는 압전 플레이트(1)의 단면적에 비례한다.
따라서, 압전 변압기 소자에서 높은 출력을 얻으려면 소자의 크기가 커지거나 압전 변압기 소자의 진동 속도가 증가해야 한다. 전원이 장착되는 장치가 소형이어야 하기 때문에 크기를 크게 하는 것은 실용적이지 않다. 따라서 진동 속도를 증가시킴으로써 압전 변압기의 출력이 증가될 수 있다. 그러나 진동 속도가 증가하면 소자의 기계적인 강도를 초과할 수 있다. 그러면, 기계만 부서지고 기대 출력을 얻을 수가 없다. 소자의 파손을 피하면서 소자의 강도를 증가시키려면, 미세한 분말이 압전 세라믹 재료로 사용되어야 하고, 세라믹 재료를 소성한 후 세라믹 재료를 조밀하게 하도록 실제적인 크기는 감소해야 한다. 그러나 미세한 분말을 사용함으로써 소자 강도를 향상시키는 기술이 있어도, 분말이 미세할수록 다루기가 더 어려워진다. 그린 시트(green sheet) 공정에서는 분말의 분산이 용이하지 않으므로 압축 밀도가 안정화될 수 없고 이에 따라 소자의 강도를 충분히 강화시키기 어렵다. 구동부나 전력 발생부의 세라믹 입자의 크기가 감소하면, 종래에는 얻을 수 있었던 동일한 압전 특성을 종래와 동일한 적용 전압을 사용해도 얻을 수 없다.변압기의 효율을 저하시키지 않으려면 분극 조건을 고려하여 디자인을 변화시켜야 한다.
소자를 구성하는 세라믹 재료의 구조를 향상시킴으로써 소자의 강도가 증가되는 기술을 사용하는 것이 제안된다. 예를 들어, 적층형 세라믹 부품을 개시하는 일본 미심사 특허 공개 공보 제8-10724호와 제2-100306호에서는, 내부 전극의 두께에 의해 발생되고 압전 변압기나 세라믹 캐패시터와 같은 적층형 세라믹 부품의 파열이나 분리를 발생시키는 단차를 제거하도록, 내부 전극과 거의 동일한 두께를 갖는 각각의 스페이서가 내부 전극 부분을 제외한 부분에 형성된다. 더 명확하게, 도 3a 내지 도 3e는 일본 미심사 공개 공보 제8-107241호에 개시된 압전 변압기 소자의 분해 사시도이다. 압력이 가해지면 파열과 분리를 피하기 위해, 내부 전극(110a 내지 110e)과 함께 스페이서(112a 내지 112e)가 적층된 세라믹 시트(111a 내지 111e)의 다른 평면 위치에 형성된다. 유사하게, 도 4a와 도 4b에 도시한 일본의 미심사 특허 공개 공보 제 2-100316에서는, 적층 전자 부품을 부분적으로 구성하는 하나의 세라믹 그린 시트(211)상에 내부 전극(210)이 형성된다. 스페이서(212)는 하나의 세라믹 그린 시트(211)상에 적층된 다른 세라믹 그린 시트(211)상에 형성되어, 하나의 세라믹 그린 시트(211)의 내부 전극(210)을 둘러싼다. 스페이서(212)는 압력이 가해진 경우 파열과 분리를 방지한다.
이들 참조 문헌에서 설명한 기술에서는 스페이서는 단지 내부 전극을 제외한, 적층된 세라믹 부재의 부분에만 형성된다. 이들 기술이 압력 또는 소결중에 발생된 스트레스에 의해 발생된 파열과 분리를 방지하는데 효과적이지만, 압전 변압기가 구동하는 동안 발생하는 스트레스 집중에 의한 소자의 파손을 제거하기는 어렵다. 특히, 도 1에 도시한 대칭 로젠 3차 압전 변압기에서, 장력 스트레스의 집중점은 외부 전극이 형성될 소자의 길이 방향의 중심부의 영역 상에 위치하고 있으므로, 상기 설명된 스페이서는 이 장력 스트레스에 대항하여 효과적으로 기능하지 못하고 대부분의 경우 외부 전극과 그 근처에서 소자는 파손된다.
본 발명은 종래 기술의 위의 상황을 고려하여 만들어졌으며, 소자 분극 상태가 변하지 않는 한 구동 중에 소자가 쉽게 균열되지 않도록 진동 중에 장력 스트레스가 집중되는 부분이 선택적으로 강화되는 압전 변압기 소자와 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하는 본 발명에 따른 압전 변압기 소자에 있어서, 압전 플레이트를 형성하는 세라믹 재료와 동일한 조성을 갖고, 소결후 입자의 크기가 더 작은 세라믹 재료로 만들어진 보강층은, 압전 변압기 소자가 구동될 때 장력 스트레스가 집중되는 압전 플레이트 상에 선택적으로 배치된다. 압전 플레이트는 2m2/g의 특정한 분말 비표면적을 갖는 세라믹 분말로 이루어진 세라믹 재료로 형성되고, 보강층은 3m2/g 내지 5m2/g의 범위 내에 해당하는 분말 비표면적을 갖는 세라믹 분말로 이루어진 세라믹 재료로 형성된다. 보강층은 압전 플레이트 길이의 5% 내지 12%에 해당하는 범위에 있는 압전 플레이트의 길이 방향으로 폭을 갖도록 형성된다.
상기의 목적을 달성하는 압전 변압기 소자의 제조 방법에 있어서, 압전 변압기 소자의 압전 플레이트를 형성하는 각각의 세라믹 시트의 요구된 부분에, 압전 플레이트의 세라믹 시트와 동일한 조성을 갖고, 압전 플레이트보다 분말 비표면적이 더큰 세라믹 분말로 만들어진 보강층을 선택적으로 배치하는 단계, 및 세라믹 시트와 세라믹 분말을 성형하고 소결하여 압전 플레이트를 제조하는 단계를 포함한다. 2m2/g의 분말 비표면적을 갖는 세라믹 재료가 압전 플레이트의 세라믹 시트를 형성하는데 사용되고, 분말 비표면적이 3m2/g 내지 5m2/g에 해당하는 범위에 있는 세라믹 분말이 보강층을 형성하는데 사용된다. 보강층은 압전 플레이트를 형성하는 세라믹 시트의 표면 위를 코팅하는 세라믹 페이스트를 도포해서 형성된다.
본 발명에 따른 압전 변압기 소자에 있어서, 압전 플레이트를 형성하는 세라믹 시트와 동일한 조성을 갖고, 상기 세라믹 시트보다 입자의 크기가 더 작은 세라믹 재료로 만들어진 보강층은, 압전 변압기 소자가 구동될 때 장력 스트레스가 집중되는 압전 플레이트 상에 선택적으로 배치된다. 따라서, 압전 플레이트의 이 부분은 입자의 크기가 작아 밀집된 구조를 이루므로 부분적으로 강도가 강화된다. 그러므로, 압전 변압기 소자에서 발생한 장력 스트레스에 의해 생긴 압전 변압기 소자의 분리나 파열도 방지된다. 대칭 로젠 3차 압전 변압기 소자에서, 스트레스 집중부만이 미세한 분말로 선택적으로 강화되고, 세라믹 입자의 크기는 구동부나 전력 발생부에서 동일한 상태로 있다. 따라서, 분극 조건은 변할 필요가 없다
본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 보강층의 제조 방법에서 세라믹 페이스트를 사용한 스크린 프린팅이 이용되면 조밀하고 안정된 상태로 형성될 수 있다. 보강층이 압전 플레이트와 동일한 조성을 갖고 있으므로 세라믹 재료를 소결하는 동안 공극이나 분리와 같은 내부 결손은 발생하지 않는다.
본 발명의 상기 목적을 비롯한 다른 목적, 특징 및 이점은, 본 발명의 원리를 포함하는 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하는 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조로 하여, 당업자들에게 명확히 드러날 것이다.
도 1은 종래의 대칭 로젠(Rosen) 3차 압전 변압기를 나타내는 사시도.
도 2a 내지 도 2c는 종래의 대칭 로젠 3차 압전 변압기의 작동 원리를 각각 나타내는 도면.
도 3a 내지 도 3e는 종래의 압전 변압기 소자를 형성하는 세라믹 시트의 패턴을 각각 나타내는 분해 사시도.
도 4a와 도 4b는 종래의 적층형 전자 부품을 형성하는 세라믹 시트의 패턴을 각각 나타내는 분해 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 압전 변압기 소자를 대칭 로젠 3차 압전 변압기에 적용한 제1 실시예의 사시도.
도 6은 도 5에 나타낸 압전 변압기 소자의 제조 방법을 설명하는 부분적인 분해 사시도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에서의 보강층의 분말 비표면적, 파열된 소자의 수, 및 효율과의 관계를 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에서의 보강층의 폭, 파열된 소자의 수, 및 효율과의 관계를 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 압전 플레이트
2a, 2b, 3a, 3b : 입력 전극
4a, 4b, 5a, 5b : 측면 전극
6a, 6b : 출력 전극
7a, 7b, 8a, 8b : 외부 단자
9a 내지 9d : 보강층
10a 내지 10d : 세라믹 시트
11a 내지 11d : 내부 전극
12a 내지 12d : 내부 전극
21 : 구동부
22 : 전력 발생부
본 발명의 몇 가지의 바람직한 실시예는 첨부 도면을 참조해서 설명될 것이다. 도 5는 본 발명의 제1 실시예의 구성을 도시하는 사시도이고, 도 6은 제1 실시예의 제조 방법을 설명하기 위한 분해 사시도이다. 제1 실시예에서, 본 발명은 적층형 층구조를 갖는 대칭 로젠 3차 압전 변압기에 적용된 것이다. 다수의 세라믹 층을 적층함으로써 형성된 직사각형의 압전 플레이트(1)의 양단은 압전 변압기 소자의 입력부로 사용되는 구동부(21)를 형성한다. 평면의 입력 전극(2a, 2b 및 3a, 3b)은 각각 압전 플레이트(1)의 상측과 하측 표면상에 형성된다. 이들 양단은 두께 방향으로 분극된다. 압전 플레이트(1)의 중심부는, 출력부로 사용되는 전력 발생부를 형성한다. 전력 발생부(22)에서, 출력 전극(6a, 6b)은 각각 압전 플레이트(1)의 상측과 하측 표면상에 형성된다. 중심부는 압전 플레이트(1)의 길이 방향으로 분극된다.
도 6에 도시된 것과 같이, 압전 플레이트(1)에서 다수의 세라믹 시트 (도 6의 (10a 내지 10e)의 다섯 개의 시트)가 적층된다. 세라믹 시트(10a 내지 10e)에서, 네 개의 하측 세라믹 시트(10a 내지 10d) 각각의 상측 표면에서는 구동부(21)의 영역에 각각 내부 전극(11a 내지 11d 및 12a 내지 12d)이 형성된다. 전력 발생부(22) 영역에는, 네 개의 세라믹 시트(10a 내지 10d) 각각의 상측 표면적의 출력 전극(6a, 6b)의 사이의 위치에 보강층(9 : 9a 내지 9d)이 형성된다. 다섯 개의 세라믹 시트(10a 내지 10e)가 적층되고, 프레스 되며, 소결되어, 압전 플레이트(1)를 형성한다. 도 5에 도시된 것 같이, 압전 플레이트(1)의 구동부(21)의 각각의 측면 상에 측면 전극(4a, 4b 및 5a, 5b)이 형성된다. 내부 전극을 적층 방향으로 교대로 연결해서 상측이나 하측 표면의 입력 전극(2a, 2b 또는 3a, 3b)에 전기적으로 연결하거나 측면 전극(4a, 4b 및 5a, 5b)을 설치한다.
보강층(9)을 형성하기 위해, 압전 플레이트(1)를 구성하는 세라믹 시트와 동일한 조성을 갖고 세라믹 시트보다 입자의 크기가 작은 분말로 만들어진 세라믹 페이스트가 위에 설명한 바와 같이 즉, 두께 방향으로 전력 발생부(22)의 중심부에 형성된 외부 전극에 중첩된 영역 상에 각각의 세라믹 시트의 길이 방향으로 중심부에 도포된다. 각각의 세라믹 시트는 정규의 압전 플레이트를 형성하는데 적용된 것과 동일한 방법에 따라 적층되고 형성된다. 이 경우, 압전 플레이트(1)의 길이 방향의 보강층(9)의 폭과 압전 플레이트(1)의 길이 방향의 비율은 요구된 범위 이내로 되도록 설정된다. 이하 설명될 실시예의 설명으로부터 입자의 크기와 보강층의 폭은 명확히 될 것이다.
상기의 구성을 갖는 압전 변압기 소자에서, 외부 단자(7a, 7b)로부터 구동부(21)의 전극(2a, 2b 및 3a, 3b) 양단에 전압이 인가되는 경우, 구동부(21)에서 전기장이 압전 플레이트(1)의 분극 방향으로 가해진다. 분극 방향에 수직인 방향으로 변위되는 압전 역효과에 의해 길이 방향의 종진동 소자가 여기되어, 압전 플레이트(1)의 전체 부분은 도 2b와 같이 진동한다. 전력 발생부(22)에서 분극 방향으로 기계적인 스트레인이 발생하고, 분극 방향으로 전위차가 생기는 압전 정효과에 의해, 입력 전압과 동일 주파수를 갖는 전압이 출력 전극(6a, 6b)에서 외부 단자(8a, 8b)로 출력된다. 도 2c에 도시된 것과 같이 압전 변압기가 구동된 경우 진동의 노드에 스트레스가 집중된다. 특히, 장력 스트레인은 길이 방향으로 소자의 중심부에 집중된다. 세라믹 재료는 압축 스트레스에 대해 저항하나, 장력 스트레인에 대해서는 약하다. 따라서 스트레스가 집중되는 소자의 중심부는 파열될 수 있다. 압전 플레이트(1) 소자의 중심부에 보강층이 있으므로 상기에 설명한 장력 스트레스는 보강층에 의해 실질적으로 0으로 감소되고, 압전 플레이트(1)의 파열과 분리는 방지된다.
본 발명의 제2 실시예에 대해 설명하겠다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 변압기 소자로서, 도 5와 도 6에 도시된 구성을 갖는 다섯 층의 압전 변압기 소자가 만들어졌다. 압전 세라믹 시트(10a, 10b)의 재료로 2m2/g의 미세한 분말 비표면적을 갖는 PZT(PbZrO3-PbTiO3)가 기본인 세라믹 재료가 사용된다. AgPd합금은 구동 내부 전극(11a 내지 11d 및 12a 내지 12d)을 형성하기 위해 스크린 프린팅에 의해 압전 세라믹 시트(10a, 10b)의 양단에 인쇄되고, 압전 세라믹 시트와 동일 조성을 갖는 세라믹 분말은 보강층(9a 내지 9d)을 형성하도록 스크린 프린팅에 의해 인쇄된다. 보강층(9a 내지 9d)을 형성하는 분말 입자의 크기에 따라 각각 다른 네 가지 유형의 압전 플레이트가 형성된다. 특히, 2m2/g, 3m2./g, 4m2/g, 및 5m2/g의 분말 비표면적을 갖는 미세한 세라믹 분말이 사용된다. 보강층(9a 내지 9d)의 코팅 두께와 폭은 각각 25㎛와 5㎜로 고정된다. Ag 페이스트가 각각의 압전 플레이트에 스크린 프린팅에 의해 인쇄되고, 플레이트가 소성되어, 압전 변압기 소자가 입력 전극(2a, 2b 및 3a, 3b), 측면 전극(4a, 4b 및 5a, 5b), 및 출력 전극(6a, 6b)을 형성된다. 각각의 출력 전극의 폭은 1㎜이다. 2kV/㎜의 전압이 170℃의 절연성 오일에서 분극이 일어나도록 결과 소자의 구동부와 전력 발생부에 인가된다. 마침내 각각의 폭 유형에 대한 네 개의 압전 변압기 소자의 샘플이 얻어진다.
압전 변압기 소자의 입력 측면에, 진동 속도가 1에서 1.2m/s인 무부하 상태에서 5분간 전압이 인가되었다. 파괴 테스트가 각각의 폭 형태의 10개의 샘플 조각에 대해 수행되었다. 도 7은 파괴 테스트의 결과를 도시한다. 부하로서 100㏀ 저항이 연결된 경우 출력이 3W인 효율도 관찰된다. 도 7의 그래프에서 횡좌표축은 보강층의 분말 비표면적을 나타내며, 왼쪽의 세로 좌표는 파열된 소자의 수를 나타내고, 오른쪽의 세로 좌표는 변환 효율을 나타낸다. 도 7에 의해 명백한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 변압기에 있어서, 보강층(9)의 재료가 3m2/g와 동일하거나 그 이상의 분말 비표면적을 갖는 경우 압전 변압기 소자의 중심부의 파열은 방지된다. 분말 비표면적이 5m2/g를 넘는 경우, 분말 덩어리는 굳어져서 좋은 분산 능력을 갖는 세라믹 페이스트를 얻을 수 없다. 따라서, 보강층(9)의 분말로는 분말 비표면적이 5m2/g나 그 이하인 것이 바람직하다.
이어서, 본 발명의 제3 실시예에 대해 설명하겠다. 본 발명에 따른 제3 실시예에 의한 압전 변압기 소자에 있어서, 도 5와 도 6에 도시된 구성을 갖는 다섯 층의 압전 변압기 소자가 제작된다. 압전 세라믹 시트(10a 내지 10e)의 재료로 분말 비표면적이 약 2m2/g인 PZT(PbZrO3-PbTiO3)이 기본인 세라믹 재료가 사용된다. AgPd합금이 구동 내부 전극 (11a 내지 11d 및 12a 내지 12d)을 형성하도록 스크린 프린팅에 의해 압전 세라믹 시트(10a, 10b)의 양단에 형성되고, 압전 플레이트와 동일한 조성을 갖고 분말 비표면적이 약 4m2/g인 미세한 세라믹 분말이 보강층(9a 내지 9d)을 형성하기 위해 스크린 프린팅에 의해 인쇄된다. 보강층(9a 내지 9d)의 코팅 두께는 25㎛으로 고정되고, 1㎜, 2㎜, 5㎜, 및 7㎜로 폭이 다른 네 가지 종류의 압전 플레이트가 만들어진다. 만들어진 적층형 압전 플레이트의 길이는 42㎜이고, 폭은 5㎜이며, 전체 두께는 1㎜이다. 따라서 보강층의 폭과 네 가지 유형의 압전 플레이트의 압전 플레이트(소자)의 전체 길이의 비율은 2.4%, 4.8%, 11.9%, 및 16.7%이다. Ag페이스트는 압전 플레이트 상에 스크린 프린팅으로 인쇄되고, 플레이트를 소성함으로써 입력 전극(2a, 2b 및 3a, 3b), 측면 전극(4a, 4b 및 5a, 5b), 및 출력 전극(6a, 6b)을 형성한 압전 변압기 소자를 얻는다. 각각의 출력 전극의 폭은 1㎜이다. 그 다음, 이러한 소자를 구동부와 전력 발생부에 170℃의 절연 오일에서 2kV/㎜의 전압을 인가하고, 분극 처리를 행한다. 마침내 각각의 폭 유형에따른 네 개의 압전 변압기 소자 샘플이 얻어졌다.
압전 변압기 소자의 입력 측면에 진동 속도가 1에서 1.2m/s인 무부하 상태에서 5분간 전압이 인가되었다. 각각의 폭 형태의 10개의 샘플 조각에 대해 파괴 테스트가 수행되었다. 도 8은 파괴 테스트에서 얻어진 결과를 도시한다. 모든 소자에 있어서 소자의 중심부에서는 파열이 일어난다. 부하로서 100㏀의 저항이 접속된 경우, 출력이 3W인 효율도 관찰된다. 도 8의 그래프에서 황좌표축은 보강층의 두께를 나타내고, 왼쪽의 세로 좌표는 파열된 소자의 수를 나타내며, 오른쪽의 세로 좌표는 변환 효율을 나타낸다. 도 8에서 명백한 바와 같이, 압전 변압기가 구동될 때 장력 스트레인이 집중되는 부분에서압전 세라믹 시트를 형성하는 세라믹 재료와 동일한 조성을 갖고 더 작은 입자로 만들어진 세라믹 페이스트를 압전 세라믹 시트의 부분에 선택적으로 도포하여 강도 보강층이 되고, 이러한 강도 보강층의 폭을 소자의 전체 길이의 5%와 동일하거나 그 이상으로 증가하면 소자의 중심부의 파열이 중단된다. 또한 전극의 폭이 12% 이하이면 압전 변압기 소자는 90%와 동일하거나 그 이상의 높은 변환 효율을 유지한다.
상기의 설명에 있어서, 본 발명은 다수의 세라믹 시트를 적층하고 적층된 층 사이에 내부 전극을 갖는 적층형 압전 변압기 소자에 응용된다. 본 발명은 내부 전극이 없는 단일 페이스트형 압전 변압기 소자에도 유사하게 적용된다. 이 경우, 상기에 설명한 분말 비표면적과 폭을 만족하는 보강층은 압전 플레이트를 형성하는 세라믹 그린 시트의 길이 방향으로 중심부에 일체로 매립된다. 압전 플레이트 또는 압전 변압기 소자는 종래의 방법과 동일한 제조 방법에 의해 만들어질 수 있다.
본 발명에 따르면 소자의 분극화 상태가 변하지 않는 한 구동중에 소자가 쉽게 균열되지 않는다는 효과를 갖는다.

Claims (8)

  1. 세라믹 재료로 만들어진 압전 플레이트 및 상기 압전 플레이트 상에 형성된 입력 전극과 출력 전극을 포함하여 상기 입력 전극에 전압 인가시 상기 출력 전극으로부터 전압을 출력하도록 하는 압전 변압기 소자에 있어서,
    상기 압전 플레이트를 형성하는 상기 세라믹 재료와 동일한 조성을 갖고, 소결후 상기 세라믹 재료보다 입자의 크기가 더 작은 세라믹 재료로 만들어진 보강층이 상기 압전 변압기 소자가 구동될 때 장력 스트레스가 집중되는 상기 압전 플레이트의 부분 상에 선택적으로 배치되는 압전 변압기 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전 플레이트는 2m2/g의 분말 비표면적을 갖는 세라믹 분말로 이루어진 세라믹 재료로 제조되고,
    상기 보강층은 3m2/g 내지 5m2/g의 범위에 있는 분말 비표면적을 갖는 세라믹 분말로 이루어진 세라믹 재료로 제조되는 압전 변압기 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보강층은 상기 압전 플레이트의 길이 방향으로 그 폭이 상기 압전 플레이트의 길이의 5% 내지 12%에 있도록 형성되는 압전 변압기 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전 플레이트는 다수의 세라믹 시트를 적층함으로써 형성되고,
    상기 보강층은 상기 다수의 세라믹 시트 사이의 각 틈에 삽입되는 압전 변압기 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압전 플레이트의 길이 방향의 양 측면부에 각각 입력 전극을 갖는 입력부가 배치되고
    상기 압전 플레이트의 길이 방향으로 실질상 중심부에 형성되고,
    상기 보강층은 상기 출력 전극을 포함하는 길이 방향의 영역에 출력 전극을 갖는 출력부가 형성되는 압전 변압기 소자.
  6. 압전 변압기 소자를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 압전 변압기 소자의 압전 플레이트를 형성하는 각각의 세라믹 시트의 요구된 부분에, 상기 압전 플레이트의 상기 세라믹 시트와 동일한 조성을 갖고, 상기 압전 플레이트보다 분말 비표면적이 더 큰 세라믹 분말로 만들어진 보강층을 선택적으로 배치하는 단계, 및
    상기 세라믹 시트와 상기 세라믹 분말을 성형하고 소결하여 상기 압전 플레이트를 제조하는 단계
    를 포함하는 압전 변압기 소자 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    분말 비표면적이 2m2/g인 세라믹 재료가 상기 압전 플레이트의 상기 세라믹 시트를 형성하는데 사용되고,
    분말 비표면적이 3m2/g 내지 5m2/g 에 해당하는 범위에 있는 세라믹 분말이 상기 보강층을 형성하는데 사용되는 압전 변압기 소자 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 보강층은 세라믹 페이스트를 도포하여 상기 압전 플레이트를 형성하는 상기 세라믹 시트의 표면을 코팅함으로써 형성되는 압전 변압기 소자 제조 방법.
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