KR100358366B1 - High efficiency piezo electric transformer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전재료의 압전효과와 역압전효과를 이용하여 전압을 증폭하는 압전 변압기에 관한 것으로, 새로운 형태의 전극 구조 및 병렬 구동 방법을 이용하여 고출력 특성을 얻도록 하는 고효율 압전 변압기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric transformer for amplifying a voltage using piezoelectric and reverse piezoelectric effects of piezoelectric materials, and to a high efficiency piezoelectric transformer for obtaining high output characteristics using a novel electrode structure and a parallel driving method.
이러한 본 발명은 정육각형의 압전소자 위면과 아래면에 정삼각형의 전극을 설치하고 정삼각형 전극의 상하방향으로 분극하여 구동부(1차측)로 하였으며, 출력부(2차측)는 정삼각형의 3변과 각각 평행한 정육각형 압전소자의 두께면을 따라 전극을 설치하고 압전소자의 길이 방향으로 분극시킨 구조로써, 새로운 형태의 전극구조에 의한 출력전력의 증가 및 병렬 연결구동에 의한 대전력의 출력이 가능한 것이다.In the present invention, a regular triangular electrode is installed on the upper and lower surfaces of the regular hexagonal piezoelectric element and polarized in the vertical direction of the regular triangular electrode to be a driving unit (primary side), and the output unit (secondary side) is parallel to the three sides of the equilateral triangle. The electrode is installed along the thickness of the regular hexagonal piezoelectric element and is polarized in the longitudinal direction of the piezoelectric element. The output power is increased by the new electrode structure and the large power is output by the parallel connection drive.
Description
본 발명은 압전재료의 압전효과와 역압전효과를 이용하여 전압을 증폭하는 압전 변압기에 관한 것으로, 새로운 형태의 전극 구조 및 병렬 구동 방법을 이용하여 고출력 특성을 얻도록 하는 고효율 압전 변압기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric transformer for amplifying a voltage using piezoelectric and reverse piezoelectric effects of piezoelectric materials, and to a high efficiency piezoelectric transformer for obtaining high output characteristics using a novel electrode structure and a parallel driving method.
압전변압기는 1957년 미국 GE사의 C. E. Rosen등이 실용적인 연구를 시작한 것이 처음이다.Piezoelectric transformers were first developed in 1957 by C. E. Rosen of GE Corporation.
그러나 당시 사용하던 압전재료가 티탄산 바륨으로서 승압 범위가 무부하에서 약 50∼60배 정도여서 실용화에는 한계가 있었으나, Pb(Zr,Ti)O3를 주성분으로 하는 새로운 압전재료가 발견됨으로써 그 이상의 승압이 가능하게 되어 본격적인 실용화 연구가 진행되고 있다.However, the step-up being more of a piezoelectric material that was used at the time of about 50 to 60 times yeoseo practical use in the step-up no-load range as barium titanate but there is a limit, found a new piezoelectric material composed mainly of Pb (Zr, Ti) O 3 It becomes possible, and full-scale practical research is going on.
기존의 권선형 변압기를 압전 변압기와 비교해 보면, 권선형 변압기의 경우 전자유도에 의한 승압 방식을 취하고 있으나, 압전 변압기의 경우 압전 및 역압전효과를 이용하고 있어 전자노이즈의 문제가 적다.Compared with the conventional winding type transformer, the winding type transformer uses the step-up method by electromagnetic induction. However, the piezoelectric transformer uses the piezoelectric and reverse piezoelectric effects, thereby reducing the problem of electronic noise.
또한, 승압비는 권선형의 경우 권선비에 의해 결정되나, 압전변압기의 경우 재료특성 및 전극구조, 치수 등에 의하여 결정된다.In addition, in the case of the winding type, the boost ratio is determined by the winding ratio, but in the case of piezoelectric transformer, it is determined by the material characteristics, the electrode structure, the dimensions, and the like.
그리고 출력전력 측면에서 고려해 볼 때, 특히 2차측을 고전압 저전류로 변환하기 위해 권선형의 경우는 권선비를 증가시켜야 하므로 그 만큼 누설 성분이 증가하게 되는 반면, 압전체를 이용한 압전 변압기는 전기-기계(1차측)-기계-전기(2차측) 결합을 이용하고 있으므로 효율이 90% 이상의 것을 실현할 수 있는 장점이 있다.In consideration of the output power, in order to convert the secondary side into high voltage and low current, in the case of the winding type, the winding ratio has to be increased, so the leakage component increases accordingly, whereas the piezoelectric transformer using the piezoelectric body is an electric-mechanical ( Since the primary-side-mechanical-electrical (secondary-side) coupling is used, the efficiency can be realized at 90% or more.
이와 같은 2차측의 고전압 저전류 인 변압기는 부하가 고임피던스인 경우 임피던스 정합이 잘 이루어지며, 따라서 효율이 좋게 됨으로써 부하특성은 양호하게 되어 에너지 변환 효율을 증가시킨다.Such a high voltage low current transformer on the secondary side has good impedance matching when the load is high impedance, and thus the efficiency is improved, so that the load characteristics are good and the energy conversion efficiency is increased.
현재까지 고전압, 저전류의 특성을 가진 압전 변압기의 실현이 잘 이루어져 왔고, 이를 적용시킬 수 있는 노트북 컴퓨터의 백라이트(Back light)용 인버터로의응용이 적극 검토되고 있다.Until now, the realization of piezoelectric transformers with high voltage and low current characteristics has been well accomplished, and the application of the inverter to backlight inverters of notebook computers is being actively studied.
최근 노트북 컴퓨터는 소형 경량화 추세여서 기존 권선형 트랜스의 경우는 절연·내압 확보로 인하여 소형 박형화가 제한되고 코아손실 등 권선손실에 의한 효율저하가 발생하므로, 이러한 단점을 극복할 수 있는 압전변압기를 적용하면, 압전변압기와 노트북 LCD 백라이트의 임피던스 정합이 잘이루어지므로, 이의 점등장치로 응용되어 일부 적용제품이 출하되고 있다.In recent years, notebook computers have become smaller and lighter, and in the case of conventional winding transformers, the miniaturization is limited due to insulation and withstand voltage, and a decrease in efficiency due to winding loss such as core loss occurs. Therefore, a piezoelectric transformer that can overcome these disadvantages is applied. In other words, the impedance matching between the piezoelectric transformer and the notebook LCD backlight is well achieved, and thus, some application products have been shipped as their lighting devices.
한편 최근에는 1차 Rosen형, 3차 Rosen형 등의 고출력화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 아울러 병렬운전을 위한 적층방법에 대한 연구도 함께 진행되고 있다.On the other hand, in recent years, researches for increasing the output power of the primary Rosen type and the tertiary Rosen type have been actively conducted, and the stacking method for parallel operation has also been actively conducted.
본 발명은 기존의 압전 변압기의 전극 구조와는 다른 새로운 형태의 전극 구조를 발명하여 고출력을 얻고자 하며, 이 새로운 타입의 압전 변압기를 병렬 구동함으로서 출력을 한층 증가시키는데 그 목적이 있다.The present invention seeks to obtain a high output by inventing a new type of electrode structure different from the electrode structure of a conventional piezoelectric transformer, and an object thereof is to further increase the output by driving the new type of piezoelectric transformer in parallel.
이러한 본 발명은 정육각형의 압전소자 위면과 아래면에 정삼각형의 전극을 설치하고 정삼각형 전극의 상하방향으로 분극하여 구동부(1차측)로 하였으며, 출력부(2차측)는 정삼각형의 3변과 각각 평행한 정육각형 압전소자의 두께면을 따라 전극을 설치하고 압전소자의 길이 방향으로 분극시킨 구조로써, 이루어지는 것으로 새로운 형태의 전극구조에 의한 출력전력의 증가 및 병렬 연결구동에 의한 대전력의 출력이 가능한 것이다.In the present invention, a regular triangular electrode is installed on the upper and lower surfaces of the regular hexagonal piezoelectric element and polarized in the vertical direction of the regular triangular electrode to be a driving unit (primary side), and the output unit (secondary side) is parallel to each of three sides of the equilateral triangle. The electrode is installed along the thickness of the regular hexagonal piezoelectric element and polarized in the longitudinal direction of the piezoelectric element, and thus the output power is increased by the new electrode structure and the large power is output by the parallel connection drive.
도 1 은 압전 변압기의 기본 구조도1 is a basic structural diagram of a piezoelectric transformer
도 2 는 Rosen 1차형의 진동모드에 대한 변위 및 응력 분포도2 is a displacement and stress distribution diagram for the vibration mode of Rosen primary type
도 3 은 Rosen 1차형의 진동모드에 대한 입력전압 대 출력전압 특성도3 is an input voltage vs. output voltage characteristic diagram for a vibration mode of Rosen primary type
도 4 는 본 발명에 의한 압전 변압기 구조도4 is a structural diagram of a piezoelectric transformer according to the present invention
도 5 는 본 발명에 의한 압전 변압기의 병렬구동 구조도5 is a structural diagram of a parallel drive of the piezoelectric transformer according to the present invention
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명][Explanation of symbols on the main parts of the drawings]
1 : 압전변압기 2 : 정육각형 압전소자1: piezoelectric transformer 2: regular hexagonal piezoelectric element
3 : 정삼각형전극 5,6,7 : 전극3: positive triangle electrode 5,6,7: electrode
본 발명의 상세설명에 앞서 압전변압기의 기본구조를 도 1 에 의거 살펴본다.Prior to the detailed description of the present invention looks at the basic structure of the piezoelectric transformer based on FIG.
압전변압기의 기본구조는 도 1 과 같이 여러가지 형태가 제안되고 있으나, 제조 및 승압비로 볼 때 장방형 판상인 도 1 의 (a)가 가장 실용적이다.The basic structure of the piezoelectric transformer has been proposed in various forms as shown in FIG. 1, but in view of the manufacturing and boosting ratio, FIG. 1 (a), which is a rectangular plate, is most practical.
도 1 에서 보듯이 판상압전소자의 반은 두께방향으로 전극구조가 형성되어 있으며, 분극방향 역시 두께방향으로 형성되어 있다.As shown in FIG. 1, half of the plate-shaped piezoelectric element has an electrode structure formed in the thickness direction, and the polarization direction is formed in the thickness direction.
다른 반은 길이방향으로 전극구조가 형성되어 있으며, 분극방향 역시 길이 방향으로 되어 있다.The other half has an electrode structure in the longitudinal direction, and the polarization direction is also in the longitudinal direction.
여기서 두께방향의 전극부를 구동부라 하고, 길이방향의 전극부를 출력부라 하며, 이는 권선 변압기의 각각 1차측 및 2차측에 해당한다.Here, the electrode portion in the thickness direction is called a driving portion, and the electrode portion in the longitudinal direction is called an output portion, which corresponds to the primary side and the secondary side of the winding transformer, respectively.
길이방향의 치수 2L로 정해지는 고유공진 주파수의 입력전압을 구동부(두께방향의 전극부)에 인가하면 전왜효과에 의하여 길이 방향으로 강한 기계적 진동이 발생하며, 이러한 기계적 진동에 의하여 출력부(길이방향의 전극부)에서 발생하는 압전효과로 전하가 발생하고, 출력단에서 교류 고전압을 얻을 수 있다.When the input voltage of the natural resonance frequency determined by the dimension of 2L in the longitudinal direction is applied to the driving part (thickness electrode part), strong mechanical vibration occurs in the longitudinal direction due to the distortion effect, and the output part (length direction) by the mechanical vibration Electric charges are generated by the piezoelectric effect generated at the electrode portion of the electrode), and an alternating current high voltage can be obtained at the output terminal.
즉 전기적 에너지에서 기계적 에너지로, 기계적 에너지에서 전기적 에너지로의 변환을 이용하여 승압작용을 하게 된다.In other words, the pressure boosting action is performed by converting electrical energy into mechanical energy and mechanical energy into electrical energy.
출력부가 무부하일 때 승압비()는 압전재료의 압전 정수와 치수에 의존하며 다음 식1과 같이 나타낸다.When the output is no load, the boost ratio ( ) Depends on the piezoelectric constants and dimensions of the piezoelectric material and is represented by the following Equation 1.
식1로 나타낸다.Equation 1 Represented by
여기서,은 기계적 품질계수,은 장방형 판상 진동자의 장방향 전기기계 결합계수,는 원기둥 시료의 두께방향 진동 전기기계결합계수,은 압전소자전체길이의 1/2,는 압전소자의 두께를 나타낸다.here, Silver mechanical quality factor, Longitudinal electromechanical coupling coefficient of silver rectangular plate oscillator, Is the thickness direction vibration electromechanical coefficient of cylindrical sample, 1/2 of the total length of the piezoelectric element, Represents the thickness of the piezoelectric element.
또한, 기본 공진 주파수는 소자 중의 음속을 c 라 할 때 식 2로 표시된다.In addition, the fundamental resonant frequency is expressed by Equation 2 when the sound velocity in the device is c.
식2 Equation 2
여기서,은 반파장 진동(모드)시 공진주파수라 하며, 또한(모드),(모드)일 때도 공진되어 승압특성이 나타난다.here, Is half-wave vibration ( Mode) is called resonant frequency and ( mode), ( Mode), the resonance occurs and the boosting characteristic appears.
도 2 에는 각각의 진동모드에 대한 변위 및 응력 분포를 나타내며, 각각의 진동모드에 대한 입력전압 대 출력전압 특성을 도3에 나타내고 있다. 도2에서 변위가 0이고 응력이 최대가 되는 점을 노드(node)점이라 하며 지지시 노드(node)점을 지지하여야만 최대의 승압비를 얻을 수 있다.2 shows the displacement and stress distribution for each vibration mode, and the input voltage versus output voltage characteristics for each vibration mode are shown in FIG. In FIG. 2, the point where the displacement is zero and the stress is the maximum is referred to as a node point, and a maximum boost ratio can be obtained only by supporting a node point when supporting.
도 4 에 본 발명에 의한 압전변압기의 일례를 나타낸 것으로, (a)는 사시도이고 (b)는 (a)를 180°회전한 경우의 사시도이고, (c)는 평면도이며 (d)는 분극현상을 나타낸 것이다.4 shows an example of a piezoelectric transformer according to the present invention, (a) is a perspective view, (b) is a perspective view when (a) is rotated 180 °, (c) is a plan view, and (d) is a polarization phenomenon It is shown.
본 발명 압전변압기(1)는 한변의 길이 s가 12.7㎜인 정육각형의 압전소자(2) 위면과 아랫면에 도 4(a)에서 보듯이 정삼각형의 전극(3)을 설치하고 도 4 (d)와 같이 상하 방향으로 분극하여 구동부(1차측)로 하였으며, 출력부(2차측)는 도4(a)(b)와 같이 정삼각형의 3변과 각각 평행한 두께면을 따라 전극(5)(6)(7)을 설치하고 길이 방향으로 분극하여 출력부로 이용하였다.In the present invention, the piezoelectric transformer 1 is provided with an equilateral triangle electrode 3 on the upper and lower surfaces of a regular hexagonal piezoelectric element 2 having a length s of 12.7 mm, as shown in FIG. As shown in Fig. 4 (a) and (b), the output part (secondary side) was polarized in the vertical direction to form a driving part (primary side), and the electrodes 5 and 6 were formed along the thickness planes parallel to the three sides of the equilateral triangle. (7) was installed and polarized in the longitudinal direction, and used as an output part.
이 압전 변압기(1)의 일실시예 치수는 정육각형 압전소자(2)의 마주보는 모서리와 모서리 사이의 길이 X는 25.4㎜이며, 정육각형 압전소자(2)의 평행한 변 사이의 길이 Y는 22㎜이며, 구동부인 삼각형 한변과 마주보는 출력부의 한변과의 사이의 길이 W는 5.5㎜이다.One embodiment of the piezoelectric transformer 1 has a dimension X between the opposite edges and the edges of the regular hexagonal piezoelectric element 2 and the length Y between the parallel sides of the regular hexagonal piezoelectric element 2 is 22 mm. The length W between one side of the triangle as the driving unit and one side of the facing output unit is 5.5 mm.
그리고 압전소자(2)는 정육각형 뿐아니라 육각형로 구성하여도 실시에는 문제가 없다.And the piezoelectric element 2 has no problem in implementation even if it is comprised not only a regular hexagon but a hexagon.
도 4 의 일례로서 나타낸 압전변압기(1)를 이용하여 부하 저항 100㏀인 경우 진동모드에 따른 출력 특성을 다음의 표 1에 나타내었다.Using the piezoelectric transformer 1 shown as an example of FIG. 4, the output characteristics according to the vibration mode in the case of a load resistance of 100 mA are shown in Table 1 below.
표 1에서 보듯이λ모드일 때 최대출력을 나타내고 있슴을 알 수 있다.As shown in Table 1 It can be seen that the maximum output is displayed in the λ mode.
표 1. 진동모드에 따른 출력 특성Table 1. Output characteristics according to vibration mode
실시예1Example 1
본 발명의 실시예에 사용된 세라믹스 압전소자(2)의 압전 및 유전특성은 하기 표2와 같으며, 구동부의 입력전압 범위가 0∼50 Vrms인 정현파를 사용하였으며, 최대 출력을 나타내는모드의 입력 주파수를 사용하였다.표 2. 본 발명에 사용된 압전변압기용 소자의 압전 및 유전 특성The piezoelectric and dielectric properties of the ceramic piezoelectric element 2 used in the embodiment of the present invention are shown in Table 2 below. A sinusoidal wave having an input voltage range of 0 to 50 V rms was used, and the maximum output power was shown. The input frequency of the mode was used. Table 2. Piezoelectric and Dielectric Properties of Piezoelectric Transformer Devices
본 발명에 사용된 육각형 압전변압기(1)의 실시예 치수는 하기 표 3 과 같다.표 3. 본 발명에 사용된 정육각형 압전 변압기의 치수(도4(a) 참고)Example dimensions of the hexagonal piezoelectric transformer 1 used in the present invention are shown in Table 3. Table 3. Dimensions of the regular hexagonal piezoelectric transformer used in the present invention (see Fig. 4 (a)).
상기 표 3과 같은 치수에서의 입력전압에 따른 출력전압 비를 표 4에 나타내었다.표 4. 실시예 1로 실험할 경우 정육각형 치수변화에 따른 입ㆍ출력비The output voltage ratio according to the input voltage in the dimension shown in Table 3 is shown in Table 4. Table 4. In the experiment of Example 1, the input / output ratio according to the change of the regular hexagonal dimension
표 4에서 보듯이 구동부와 출력부 사이의 길이가 증가함에 따라 승압비가 증가하는 것을 알 수 있다.As shown in Table 4, it can be seen that the step-up ratio increases as the length between the driving unit and the output unit increases.
본 발명은 삼각형전극(3)의 중심에서 한변까지의 거리와, 삼각형전극(3)의 한변에서 압전소자(2)의 한변까지의 거리비율이 같을 경우 본 발명의 실시예 범주를 벗어나지 못하며, 본 발명의 압전소자(2)는 정육각형뿐 아니라 육면형으로 실시하더라도 본 발명의 실시예 범주를 벗어나진 못한다.The present invention does not depart from the scope of the embodiments of the present invention when the distance from the center of the triangular electrode 3 to one side and the distance ratio from one side of the triangular electrode 3 to one side of the piezoelectric element 2 are the same. The piezoelectric element 2 of the present invention does not depart from the scope of the embodiments of the present invention even if it is implemented in a hexagonal as well as a regular hexagon.
실시예 2Example 2
실시예 1에서 실험한 시료 중 S-1의 시료를 이용하여 4W 램프의 점등실험을 실시한 결과 기존의 쵸크식 안정기에 비하여 효율이 1.3∼1.5배로 증가하였다.As a result of conducting the lighting test of the 4W lamp using the sample of S-1 among the samples tested in Example 1, the efficiency was increased by 1.3 to 1.5 times compared to the conventional choke type ballast.
실시예 3Example 3
출력을 증가시키기 위하여 S-3 시료를 사용한 압전변압기(1)를 3장 병렬 연결하여 도 5 와 같이 구성하여 구동실험한 결과 출력전력이 14W 이상으로 증가하는 것을 알 수 있다.In order to increase the output, the piezoelectric transformer 1 using the S-3 sample was connected in parallel and configured as shown in FIG. 5, and the driving test result shows that the output power increases to 14 W or more.
본 발명은 단위체적당 출력전력을 증가시키기 위하여 전극간 거리의 비를 만족하고, 출력부의 전압과 특히 출력전류를 증가시키기 위하여 출력측 면적을 증가시킨 다각형 구조의 압전변압기를 하므로써, 출력전력을 증가시킬 수 있는 것이다.The present invention can increase the output power by satisfying the ratio of the distance between electrodes in order to increase the output power per unit volume, and by using a piezoelectric transformer having a polygonal structure in which the output side area is increased to increase the voltage of the output and in particular the output current. It is.
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