KR100456714B1

KR100456714B1 - 압전 트랜스포머

Info

Publication number: KR100456714B1
Application number: KR10-1999-0047369A
Authority: KR
Inventors: 와타나베요시유키
Original assignee: 다이요 유덴 가부시키가이샤
Priority date: 1998-11-18
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2004-11-10
Also published as: JP3457899B2; JP2000150981A; KR20000035102A; US6288479B1

Abstract

압전체의 두께도 고려한, 큰 승압비, 효율, 출력 전력을 얻을 수 있는 압전 트랜스포머를 제공한다.

압전체(10)의 길이 방향의 중앙부에 입력 전극(12, 14), 양 단면에 출력 전극(16, 18)을 각각 구비하고 있고, 압전체(10)의 중앙부는 두께 방향으로 분극되어 있으며, 압전체(10)의 양 단부는 길이 방향으로 분극되어 있다. 압전체(10)의 길이 방향의 전체 길이 LA와 두께 LC의 두께비 LC/LA를 0.01∼0.06, 보다 바람직하게는 0.02∼0.05로 설정함으로써 효율이 개선된다. 또한, 상기 압전체(10)의 길이 방향의 전체 길이 LA와 상기 입력 전극(12, 14)의 길이 LB의 전극 길이비 LB/LA를 0.6∼0.9, 보다 바람직하게는 0.7∼0.8로 설정함으로써 승압비 및 출력 전력이 개선된다.

Description

압전 트랜스포머{PIEZOELECTRIC TRANSFORMER}

본 발명은 압전 트랜스포머에 관한 것으로, 특히 중앙 구동형의 압전 트랜스포머의 개량에 관한 것이다.

중앙 구동형의 압전 트랜스포머로서는, 예컨대 일본국 특허 공개 평성 제9-74236 호 공보에 개시된 것이 있으며, 도 8에 도시하는 것과 같은 구성으로 되어 있다. 동 도면에 있어서, 긴 판 형상의 압전체(50)의 중앙부에 입력 전극(51, 52)이 대향하여 마련되어 있다. 압전체(50)의 입력 전극(51, 52)의 부분은 두께 방향으로 분극되어 있고, 이 중앙 부분이 구동부로 되어 있다. 한편, 압전체(50)의 양 단면에는 출력 전극(55, 56)이 마련되어 있다. 압전체(50)의 양단부는 역방향으로 분극되어 있고, 이들 부분이 발전부로 되어 있다. 그리고, 압전 트랜스포머의 전체 길이 L1과, 구동부의 길이 L2의 비 L2/L1이 0.3∼0.6으로 되어 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 높은 승압비를 얻고자 하는 것이다.

그러나, 이상과 같은 배경 기술에서는, 압전체의 두께가 고려되어 있지 않다. 본 발명에 관련하여 수행된 실험에 의하면, 압전체의 두께가 효율(출력 전력/입력 전력)에 상당한 영향을 준다는 것이 판명되고 있다. 압전 트랜스포머의 특성으로서는, 효율, 출력 전력, 승압비가 모두 큰 것이 바람직하다.

본 발명은, 이상과 같은 점에 착안한 것으로서, 압전체의 두께도 고려한, 바람직한 압전 트랜스포머의 조건을 제공하는 것이다. 다른 목적은, 효율, 출력 전력, 승압비가 모두 큰 압전 트랜스포머를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 형태에 관한 압전 트랜스포머를 나타내는 사시도,

도 2는 상기 형태의 전극 길이비와 승압비의 관계를 나타내는 그래프,

도 3은 상기 형태의 전극 길이비와 효율의 관계를 나타내는 그래프,

도 4는 상기 형태의 전극 길이비와 출력 전력의 관계를 나타내는 그래프,

도 5는 상기 형태의 두께비와 효율의 관계를 나타내는 그래프,

도 6은 상기 형태의 실시예의 적층 구조를 도시한 도면,

도 7은 상기 실시예의 전극 형성 및 분극의 모양을 도시한 도면,

도 8은 배경 기술의 압전 트랜스포머의 일례를 도시한 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 압전체 12, 14 : 입력 전극

16, 18 : 출력 전극 30, 30A, 30B : 압전 시트

32, 32A, 32B : 입력 전극 패턴

34A, 34B : 절결부 40 : 적층 압전체

42A, 42B : 외부 전극 44A, 44B : 출력 전극

46 : 리드선 LA : 전체 길이

LB : 전극 길이 LC : 두께

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 긴 판 형상의 압전체의 길이 방향의 중앙부 표리에 입력 전극, 양 단면에 출력 전극을 각각 구비하고 있고, 압전체의 중앙부는 두께 방향으로 분극되어 있으며, 압전체의 양 단부는 길이 방향으로 분극되어 있는 압전 트랜스포머에 있어서, 상기 압전체의 길이 방향의 전체 길이 LA와 두께 LC의 두께비 LC/LA를, 0.01∼0.06으로 한 것을 특징으로 한다. 보다 바람직하게는, 상기 두께비 LC/LA를 0.02∼0.05로 한 것을 특징으로 한다. 다른 발명은, 상기 압전체의 길이 방향의 전체 길이 LA와 상기 입력 전극의 길이 LB의 전극 길이비 LB/LA를 0.6∼0.9로 한 것을 특징으로 한다. 보다 바람직하게는, 상기 전극 길이비 LB/LA를 0.7∼0.8로 한 것을 특징으로 한다.

주요 형태의 하나는, 상기 압전체를, 입력 전극이 길이 방향의 중앙부에 형성된 압전 시트를 다수 적층하여 형성함과 동시에, 이 적층 압전체의 길이 방향의 각 측면에 외부 전극을 대향하여 각각 형성하고, 이들 외부 전극에 상기 입력 전극을 교대로 접속한 것을 특징으로 한다. 본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 이점은, 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면로부터 명료해질 것이다.

(발명의 실시예)

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 도 1에는, 본 형태에 관한 압전 트랜스포머의 외관이 표시되어 있다. 동 도면에 있어서, 긴 판 형상의 압전체(10)의 중앙부에는, 표리면에 입력 전극(12, 14)이 마련되어 있다. 즉, 압전체(10)를 사이에 두고 대향하도록, 입력 전극(12, 14)이 마련되어 있다. 이들 입력 전극(12, 14)에 분극용의 전압을 인가함으로써, 화살표 FA(혹은 그 역방향)로 나타내는 두께 방향으로 압전체(10)가 분극되어 있다. 이 압전체(10)의 전극(12, 14) 사이에 끼워진 부분이, 구동부로 되어 있다. 한편, 압전체(10)의 양 단면에는, 출력 전극(16, 18)이 마련되어 있다. 이들 출력 전극(16, 18)에 의해서, 화살표 FB, FC(혹은 그 역방향)로 나타내는 바와 같이, 압전체(10)의 양 단부가 역방향으로 분극되어 있고, 이들 부분이 발전부로 되어 있다. 또, 화살표 FP, FQ에 대해서는 후술한다.

다음에, 이상과 같은 압전 트랜스포머의 전극 길이비와 승압비의 관계를 측정한 바, 도 2에 도시하는 것과 같은 결과가 얻어졌다. 또, 전극 길이비는, 압전체(10)의 전체 길이 LA와, 입력 전극(12, 14)의 길이 LB의 비이고, LB/LA로서 나타낸다. 이 예의 압전체(10)의 전체 길이 LA는, 35mm이다. 또한, 승압비는, 전극(12, 14) 사이에 인가되는 입력 전압 Vin과, 전극(16, 18)으로부터 출력되는출력 전압 Vout의 비이며, Vout/Vin로서 나타낸다. 도 2에 도시하는 바와 같이 승압비는, 전극 길이비가 0.75 부근에서 피크로 되어, 대략 160배로 된다. 또한, 전극 길이비가 0.6∼0.9의 범위에서는 약 100배 이상, 0.7∼0.8의 범위에서는 약 150배 이상의 높은 승압비가 얻어진다.

다음에, 상기 압전 트랜스포머의 전극 길이비와 효율의 관계를 측정한 바, 도 3에 도시하는 것과 같은 결과가 얻어졌다. 또, 효율은, 입력 전력 Pin과 출력 전력 Pout과의 비이고, Pout/Pin로서 나타낸다. 도 3에 도시하는 바와 같이 효율은 전극 길이비가 0.5 부근에서 피크로 되어, 대략 1로 된다. 다음에, 상기 압전 트랜스포머의 전극 길이비와 출력 전력의 관계를 측정한 바, 도 4에 도시하는 것과 같은 결과가 얻어졌다. 도 4에 도시하는 바와 같이 출력 전력은 전극 길이비가 0.75 부근에서 피크로 되어, 약 25W로 된다. 또한, 전극 길이비가 0.6∼0.9의 범위에서는 약 14W 이상, 0.7∼0.8의 범위에서는 약 24W 이상의 높은 출력 전력이 얻어진다.

이와 같이, 승압비 및 출력 전력은, 도 2 및 도 4를 비교하면 명백한 바와 같이, 거의 근사하게 변화하고 있다. 그리고, 모든 전극 길이비가 0.75 부근에서 피크로 되어 있다. 이것에 반하여, 도 3과 같이, 효율은 0.5 부근에 피크가 있으며, 승압비나 출력 전력의 피크와 일치하지 않는다. 이 때문에, 전극 길이비를 승압비가 피크로 되는 0.75로 설정하면, 출력 전력은 거의 마찬가지로 피크로 되지만, 효율은 피크에서 어긋나서 0.4 정도까지 저하해 버린다. 반대로, 전극 길이비를 효율이 피크로 되는 0.5로 설정하면, 승압비는 약 70 배강으로 피크의 절반 이하, 출력 전력은 8 W에서 피크의 1/3 이하까지 떨어져 버린다.

따라서, 본 형태에서는, 압전체(10)의 두께를 고려하여, 효율의 향상을 도모하고 있다. 도 5에는, 압전체(10)의 두께비와 효율의 측정 결과가 도시되어 있다. 두께비는, 압전체(10)의 전체 길이 LA에 대한 두께 LC의 비이고, LC/LA로 나타낸다. 또, 도 5의 그래프는, 전극 길이비를, 승압비 및 출력 전력이 피크로 되는 0.75로 하여 얻은 것이다. 도 5에 도시하는 바와 같이 두께비가 0.03 부근에서 효율이 피크로 되고, 거의 1.0으로 되어 있다. 또한, 두께비가 0.01∼0.06의 범위에서는 약 0.8 이상으로 되어 있고, 0.02∼0.05의 범위에서는 약 0.9 이상으로 되어 있다.

이러한 결과로 보면, 양호한 승압비 및 출력 전력가 얻어지도록 전극 길이비를 설정함과 동시에, 양호한 효율이 얻어지도록 두께비를 설정함으로써, 승압비, 출력 전력, 및 효율 모두가 양호한 압전 트랜스포머를 얻을 수 있다. 구체적으로는, 전극 길이비를 0.6∼0.9의 범위로 함으로써, 승압비 120배 이상, 출력 전력 14W 이상이 얻어지고, 두께비가 0.01∼0.06의 범위에서 80% 이상의 높은 효율이 얻어진다. 특히, 전극 길이비가 0.7∼0.8의 범위에서는, 거의 160배나 되는 승압비와 25W 이상의 높은 출력 전력이 얻어지고, 두께비가 0.02∼0.05의 범위에서는 90% 이상의 높은 효율이 얻어진다.

다음에, 도 6을 참조하면서, 본 형태에 관한 압전 트랜스포머의 실시예를 설명한다. 도 6의 (a)에 도시하는 바와 같이 본 예에서는, 복수의 압전 시트를 적층함으로써, 압전체를 구성하고 있다. 압전 시트(30)로서는, 예컨대 닥터블레이드(doctor blade)법으로 제조한 PZT(티탄산지르콘산연)의 시트를 사용한다. 이 압전 시트(30)의 중앙 부분에, 입력 전극 패턴(32)을 스크린 인쇄 등 적절한 방법으로 형성한다. 이 때, 도 6의 (b), 도 6의 (c)에 각각 도시하는 바와 같이, 2가지 패턴의 것을 준비한다. 동 도면 (b)의 입력 전극 패턴(32A)은, 그 상측이 일부 결여되어 있고, 절결부(34A)로 되어 있다. 동 도면 6의 (c)의 입력 전극 패턴(32B)은, 그 하측이 일부 결여되어 있고, 절결부(34B)로 되어 있다.

이들, 도 6의 (b), (c)의 입력 전극 패턴(32A, 32B)의 압전 시트(30A, 30B)를, 동 도면 (a)에 도시하는 바와 같이 교대로 적층한다. 그리고 또한, 상하에, 더미용(보호용)으로서, 전극 패턴이 형성되어 있지 않은 압전 시트(30)를 각각 적층한다. 이 적층체를 압착함과 동시에, 탈바인더, 소성 등의 처리를 실시한다. 그렇게 하면, 도 7의 (a)에 나타내는 것과 같은 적층 압전체(40)가 얻어진다. 이 적층 압전체(40)의 중앙부에는, 입력 전극 패턴(32A, 32B)이 교대로 적층되어 있다. 이 적층 압전체(40)의 각 측면에, 도 7의 (b)에 도시하는 바와 같이 인출용의 외부 전극(42A, 42B)을 대향하여 각각 형성한다. 상술한 바와 같이, 입력 전극 패턴(32A, 32B)에는, 각각 절결부(34A, 34B)가 마련되어 있다. 이 때문에, 외부 전극(42A)은 입력 전극 패턴(32A)에 접속하고, 외부 전극(42B)은 입력 전극 패턴(32B)에 접속한다. 또한, 적층 압전체(40)의 양 단면에는, 출력 전극(44A, 44B)이 각각 형성된다. 외부 전극(42A, 42B), 출력 전극(44A, 44B)은, 예컨대 은의 소성 등 방법으로 형성한다. 또한, 상기 외부 전극(42A, 42B) 및 출력 전극(44A, 44B)에, 도전성 수지 또는 땜납에 의해서 리드선(46)을 접속한다.

다음에, 외부 전극(42A, 42B)을 거쳐서 입력 전극(32A, 32B) 사이에 직류 전압을 인가하여, 적층 압전체(40)의 중앙 부분을 분극한다. 또한, 외부 전극(42A, 42B)과 출력 전극(44A, 44B) 사이에 직류 전압을 인가하여, 적층 압전체(40)의 양 단부를 분극한다. 도 7의 (d)에는 그 모양이 도시되어 있고, 적층 압전체(40)의 중앙 부분은, 화살표 FA1, FA2 방향(또는 그들의 역방향)으로 분극된다. 또한, 적층압전체(40)의 양단부는, 화살표 FB, FC 방향(또는 그들의 역방향)으로 분극된다.

다음에, 이상과 같은 구성의 압전 트랜스포머에 관하여, 이하의 표 1에 도시하는 바와 같이 치수가 다른 복수의 샘플을 작성하였다.

이 표 1에 있어서, 압전 시트의 적층 매수는, 샘플 A∼E 중 어느 하나에 있어서도 15장이다. 또한, 압전 적층체의 길이(도 1의 LA)도, 샘플 A∼E에서 공통으로 되어 있으며, 30mm으로 되어 있다. 그러나, 샘플간에 두께가 다르고, 샘플 A, E는 1.5mm, 샘플 B∼D는 0.9mm으로 되어 있다. 또, 적층 매수가 동일하더라도, 압전 시트 1장 당의 두께가 다르기 때문에 전체적으로 두께도 다르게 된다. 따라서, 두께비는, 샘플 A, E가 0.05, 샘플 B∼D가 0.03로 된다. 또한, 전극 길이비는, 샘플 A가 0.50, 샘플 B, E가 0.70, 샘플 C가 0.75, 샘플 D가 0.80으로 되도록 입력전극(32)의 길이가 설정되어 있다.

이러한 샘플 A∼E에 대해, 100kΩ의 부하를 접속함과 동시에, 실온에서 4.5 V_p-p의 정현파 전압을 인가하였을 때의 승압비, 출력 전력, 및 효율을 측정한 바, 다음의 표 2에 나타내는 것과 같은 결과가 얻어진다.

이 표 2에 있어서, 우선, 전극 길이비가 동일하고 두께비가 다른 샘플 B와 샘플 E를 비교한다. 그렇게 하면, 두께비 0.03의 샘플 B가, 두께비 0.05의 샘플 E에 비해, 승압비, 출력 전력, 및 효율의 어느 것에 대해서도 높은 값으로 되어 있다. 다음에, 샘플 E에 대하여 전극 길이비를 0.70로부터 0.50로 한 샘플 A를 보면, 도 3에 도시한 바와 같이 효율에 대해서는 개선이 보이지만, 승압비 및 출력 전력에 대해서는 오히려 반대로 낮아지고 있다.

이들 샘플 A, E에 대하여, 두께비를 0.03로 함과 동시에, 전극 길이비를 0.70∼0.80로 한 샘플 B∼D는, 승압비, 출력 전력, 및 효율의 어느 것에 대해서도, 양호한 값이 얻어진다.

이와 같이, 본 형태에 의하면, 우선, 양호한 승압비 및 출력 전력이 얻어지도록, 전극 길이비가 설정된다. 그리고 다음에, 양호한 효율이 얻어지도록, 두께비가 설정된다. 이와 같이 함으로써, 승압비, 출력 전압, 및 효율 모두가 양호한 압전 트랜스포머를 얻을 수 있다. 구체적으로는,

① 전극 길이비는 0.6∼0.9의 범위, 보다 바람직하게는 0.7∼0.8의 범위로 하고,

② 두께비는 0.01∼0.06의 범위, 보다 바람직하게는 0.02∼0.05의 범위로 함으로써, 양호한 특성의 압전 트랜스포머가 얻어진다.

본 발명에는 수많은 실시 형태가 있고, 이상의 개시에 근거하여 다양하게 개변하는 것이 가능하다. 예컨대, 다음과 같은 것도 포함된다.

① 상기 형태에서 나타낸 재료나 제조 방법은 일례이고, 공지의 각종 재료나 방법을 이용하여도 좋다. 또한, 긴 판 형상의 압전체는, 도 6∼도 7에 도시한 바와 같이 압전 시트를 적층한 구성으로 하여도 무방하고, 도 1에 도시된 바와 같은 벌크 형상의 압전체를 이용하더라도 무방하다. 압전 시트의 적층수도, 필요에 따라서 증감하여도 무방하다. 적층 구조로 함으로써, 분극 전압의 저감을 도모할 수 있다.

② 상기 형태에서는, 압전체의 양단부를 서로 역방향으로 되도록 분극하였지만, 도 1에 점선 화살표 FP, FQ(또는 그들의 역방향)로 도시하는 바와 같이, 동일 방향으로 분극하도록 하더라도 무방하다. 이와 같이 하면, 출력 전극(16, 18)의 진동 방향이 일치하게 되어, 상술한 경우와 비교하여 승압비가 거의 2배로 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

① 압전체의 길이 방향의 전체 길이 LA와 두께 LC의 두께비 LC/LA를 0.01∼0.06, 바람직하게는 0.02∼0.05으로 하였기 때문에, 효율의 향상을 도모할 수 있다.

② 또한, 압전체의 길이 방향의 전체 길이 LA와 상기 입력 전극의 길이 LB의 전극 길이비 LB/LA를 0.6∼0.9, 바람직하게는 0.7∼0.8로 하였기 때문에, 높은 효율, 승압비, 및 출력 전력을 얻을 수 있다.

Claims

긴 판 형상의 압전체의 길이 방향의 중앙부 표리에 입력 전극, 양 단면에 출력 전극을 각각 구비하고 있고, 압전체의 중앙부는 두께 방향으로 분극되어 있으며, 압전체의 양단부는 길이 방향으로 분극되어 있는 압전 트랜스포머에 있어서,

상기 압전체의 길이 방향의 전체 길이 LA와 두께 LC의 두께비 LC/LA를 0.01∼0.06으로 하고, 상기 압전체의 길이 방향의 전체 길이 LA와 상기 입력 전극의 길이 LB의 전극 길이비 LB/LA를 0.6보다 크고 0.9보다 크지 않도록 한 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 1 항에 있어서,

상기 두께비 LC/LA를 0.02∼0.05로 한 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 4 항에 있어서,

상기 압전체의 길이 방향의 전체 길이 LA와 두께 LC의 두께비 LC/LA를 0.02∼0.05로 하는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 1 항에 있어서,

상기 전극 길이비 LB/LA를 0.7∼0.8로 한 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 압전체를, 입력 전극이 길이 방향의 중앙부에 형성된 압전 시트를 다수적층하여 형성함과 동시에, 이 적층 압전체의 길이 방향의 각 측면에 외부 전극을 대향하여 각각 형성하고, 이들 외부 전극에 상기 입력 전극을 교대로 접속한 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.