KR100485399B1

KR100485399B1 - 압전 트랜스포머

Info

Publication number: KR100485399B1
Application number: KR1019970706798A
Authority: KR
Inventors: 마사후미 가쯔노; 요시아끼 후다
Original assignee: 엔이씨 도낀 가부시끼가이샤
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1997-01-30
Publication date: 2005-06-16
Also published as: EP0818833A4; JP3978471B2; DE69700685T2; DE69700685D1; TW387157B; EP0818833A1; EP0818833B1; US6278227B1; KR19980703393A; CN1160804C; CN1178603A; WO1997028568A1

Abstract

직사각형 압전체(23)가 길이 방향으로 등분된 제 1 에서 제 4 영역(A1,A2,A3,A4)이 구비되고, 제 1 및 제 4 영역(A1,A4)에 입력 전극으로서 평면 전극(24,25,26,27)을 설치함과 동시에 두께 방향으로 분극하고, 나머지 제 2 및 제 3 영역(A2,A3)의 경계에 출력 전극으로서 띠형상 전극(30,31)을 설치함으로써 압전 트랜스포머(21)가 구성된다. 직사각형 압전체 길이의 반정도가 되는 파장에 대응한 주파수의 교류 입력 전압을 입력 전극에 인가하여, 상기 압전판을 2파장공진모드로 진동시키고, 그 진동에 따른 압전 효과에 의해 발생하는 전압을 출력 단자로부터 인출한다. 상기 트랜스포머는, 소형이고, 진동 속도가 느리고 발열이 적으며, 효율이 양호하다. 변형으로서, 입력 전극은, 제 1 및 제 4 영역으로 한정하지 않고, 상기 2파장공진에 있어서 변위 분포가 서로 반대로 되는 2개 혹은 3개의 영역에 설치할 수 있고, 출력 전극은 다른 영역에 설치할 수 있다.

Description

압전 트랜스포머{PIEZOELECTRIC TRANSFORMER}

본 발명은, 압전 세라믹으로 이루어진 직사각형 판을 사용한 압전 진동자를 이용한 압전 트랜스포머에 관한 것이다.

트랜스포머(변압기)로는, 코어에 코일을 감아 이루어진 전자식 트랜스포머가 공지되어 있다. 상기 전자식 트랜스포머는, 크기가 대형이라는 점, 소비 전력이 크다는 점, 전자 노이즈나 열이 발생한다는 점에서, 소형 전기기기의 전원용으로는 부적당하다. 가령, 정전기 발생 장치나 액정 디스플레이의 백라이트 점등용 고전압 전원의 트랜스포머로서는, 큰 출력 전류는 필요하지 않지만, 1kV-수 와트 정도의 출력 전압이 필요하고, 전자 노이즈나 소비 전력의 저감, 소형화 등이 요구되고 있다.

한편, 압전기 현상을 이용한 압전 트랜스포머는, 전자 노이즈의 발생이 거의 없고, 소형으로도 가능하기 때문에, 소형기기인 전원용 트랜스포머의 실용화가 검토되고 있다.

도 1(a) 및 (b)를 참조하여, 종래의 압전 트랜스포머(11)는, 직사각형의 압전 세라믹판(13)과, 상기 직사각형의 압전 세라믹판(13)의 한끝에서 길이 방향으로 대략 중반부(이하 제 1 부분이라 칭함)에 두께 방향으로 대향되도록 설치된 두 개의 표면 전극(15,15)과, 양 표면 전극 사이 상기 제 1 부분의 내부에 두께 방향으로 간격을 두고 형성되어 있는 복수의 내부 전극(16,17)이 구비되어 있다. 또한, 상기 제 1 부분과 대향되는 측면에 각각 형성되어 있는 측면 전극(18,19)에는, 표면 전극(15,15)이 각각 접속됨과 동시에, 하나씩 걸러 배치된 내부 전극(16)과 나머지 내부 전극(17)이 각각 접속되어 있다. 또한, 직사각형의 압전 세라믹 판(13)의 상기 제 1 부분과는 반대측 중반부(이하 제 2 부분이라 칭함) 단면상에 출력 인출용으로 형성된 단면 전극(20)이 구비되어 있다.

측면 전극(18,19) 간에 직류 전압을 인가함으로써, 직사각형의 압전 세라믹 판(13)의 상기 제 1부분이 분극 처리되어 있다. 즉, 직사각형의 압전 세라믹 판(13)은, 표면 전극(15,15) 및 내부 전극(16,17)의 각 전극간에서 분극되어 있고, 그 분극 방향은, 도 2(b)에 작은 화살표로 나타낸 바와 같이, 내부 전극(16,17)의 각 양측에서, 서로 반대 방향이다. 또한, 양 표면 전극(15)과 단면 전극(20)간에도 직류 전압을 인가함으로써, 직사각형의 압전 세라믹 판(13)의 제 2 부분이, 도 1(b)에 큰 화살표로 나타낸 바와 같이, 길이 방향으로 분극되어 있다.

또한, 상기한 복수의 내부 전극을 가지는 타입은, 실제로는, 그 제조시, 내부 전극과 압전체를 서로 번갈아 적층하면서 형성하기 때문에, 적층형이라 한다. 이에 대해, 내부 전극을 설치하지 않고, 두께 방향의 분극을 서로 대향된 표면 전극(15,15)간에서 한쪽 방향으로만 향하도록 제작한 타입도 공지되어 있다. 이러한 타입은, 제조시에도 적층할 필요가 없고, 한 장의 압전체 표면에 전극을 구성하는 것만으로 충분하기 때문에, 이하 단판형이라 칭하도록 한다.

도 1(a) 및 (b)에 도시된 압전 트랜스포머의 동작을 설명한다.

측면 전극(18,19)의 한쪽을 접지 단자로 하고, 다른 쪽에 대해, 직사각형의 압전 세라믹판(13)의 길이 방향으로 진동하는 1 파장공진모드의 공진주파수와 동일한 주파수의 교류 전압을 입력 전압으로서 인가하면, 적층형 압전 트랜스포머는 압전 진동기로서 작용하고, 도 2(a) 및 (b)에, 각각 도시된 변위 분포 및 왜곡 분포로 진동한다. 이 때, 표면 전극(15)과 내부 전극(16,17) 및 단면 전극(20)간에는 압전 효과에 의해 교류 전압이 발생한다. 발생되는 전압의 크기는, 표면 전극(15) 및 내부 전극(16,17)간의 거리, 표면 전극(15)과 단면 전극(20)간의 거리, 및 입력 전압에 의해 대략 결정된다.

즉, 압전 트랜스포머에 있어서는, 압전 효과를 이용한 에너지 전환, 즉, 전기-기계-전기 변환에 의해, 변압된 전압을 얻을 수 있다. 그런데, 이와 같은 변환계를 가지는 압전 트랜스포머는, 저전압 구동, 소형, 고 승압비(출력 전압/입력 전압)의 요구를 충족시키기 위해, 압전판의 두께를 얇게 제작하거나, 및/또는 입력 전극(표면 전극 및 내부 전극)간의 두께를 얇게 하는 작업이 수행된다. 그 결과, 입력 임피던스가 작아지고, 이에 의해 입력 전류(동작 전류)가 증대된다. 입력 전류는, 기계 변환에 의해 진동 속도로 변환되기 때문에, 입력 전류가 증대됨에 따라, 진동 속도 및 진폭이 사용하는 압전 세라믹 물질 고유의 진동 레벨한계(진동자가 큰 진동 속도, 큰 진폭하에서 발열에 의한 온도(△T)가 소정값에 달하는 진동 속도를 의미하고, 그 소정값은, 예를 들면 △T=25℃로 선정할 수 있다)를 초과한 경우에는, 발열이 증대됨과 동시에, 효율이 저하되는 등의 불합리가 발생한다.

도 1은, 종래의 1파장 공진형 압전 트랜스포머에 관한 설명도로서, (a)는 개략적인 사시도이고, (b)는 (a)의 1B-1B선에 따른 단면도이다.

도 2(a) 및 (b)는, 도 1의 압전 트랜스포머를 구동시켰을 때 나타나는 압전 세라믹 판의 변위 분포와 왜곡 분포를 각각 나타낸다.

도 3은, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 트랜스포머를 나타낸 도면으로서, (a)는 그 개략적인 사시도이고, (b)는 (a)의 3B-3B선에 따른 단면도이고, (c)는, (a)의 3C-3C선에 따른 단면도이고, (d)는 (a)의 3D-3D선에 따른 단면도를 나타낸다.

도 4(a) 및 (b)는, 도 3의 압전 트랜스포머를 구동시켰을 때 나타나는 압전 세라믹 판의 변위 분포와 응력(應力) 분포를 각각 나타낸다.

도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 트랜스포머를 나타낸 도면으로서, (a)는 그 개략적인 사시도이고, (b) 및 (c)는, (a)의 5B-5B선 및 5C-5C선에 따른 단면도를 각각 나타낸다.

도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 트랜스포머를 나타낸 도면으로서, (a)는 그 개략적인 사시도이고, (b),(c) 및 (d)는, (a)의 6B-6B, 6C-6C선 및 6D-6D선에 따른 단면도를 각각 나타낸다. 또한, (a)의 6C'-6C'선에 따른 단면은, (c)와 동일하다.

도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 트랜스포머를 나타낸 도면으로서, (a)는 그 개략적인 사시도이고,(b),(c) 및 (d)는, (a)의 7B-7B, 7C-7C선 및 7D-7D선에 따른 단면도를 각각 나타낸다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 이러한 종래의 결점을 해결하기 위해, 저소비 전력, 저전압 구동, 소형, 고 승압비의 요구를 만족시키면서도, 진동 속도가 느리고, 발열이 적으며, 효율이 높은 압전 트랜스포머의 구조를 얻는 데 있다.

본 발명에 따르면, 제 1단으로부터 반대측인 제 2단까지 연이어 존재하는 판의 길이와, 판의 폭과, 판의 두께를 가지고, 상기 판 길이를 따라 가상적으로 4등분되고 상기 제 1단으로부터 제 2단까지 연속적으로 배열된 4개 영역을 가지는 직사각형 압전판과; 상기 4개 영역으로부터 입력 영역으로 선택된 2 곳 이상의 영역위에 설치되고, 상기 판 길이의 반정도 길이와 동일한 파장에 대응되는 주파수의 교류 입력 전압을 받아 들여 상기 압전판의 2파장공진을 구동하기 위한 입력 전극 수단과; 상기 4개 영역중 나머지 1곳 이상의 영역의 위치에 설치하고, 상기 압전판의 2파장공진으로부터 발생하는 교류 출력 전압을 출력하기 위한 출력 전극 수단을 가지며, 또한, 상기 입력 영역은 상기 판의 두께 방향으로 분극되어 있으며, 상기 나머지 1곳 이상의 영역은 상기 판의 길이 방향으로 분극되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머가 얻어진다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 청구범위 제 2항∼제 11항에 기재된 압전 트랜스포머가 얻어진다.

본 발명에 따르면, 직사각형 압전체의 2파장공진모드에 대응되는 주파수의 전압을 입력 전극에 인가하여, 직사각형 압전체를 2파장공진모드로 진동시키고, 그 진동에 따른 압전 효과에 의해 발생하는 전압을 출력 단자로부터 얻는 것으로서, 1파장공진모드의 경우에 비해, 2배의 에너지를 출력측으로부터 얻을 수 있기 때문에, 같은 입력 전류에 대하여, 진동 속도 및 발열이 적고, 효율이 양호한 압전 트랜스포머를 얻을 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 압전 트랜스포머를 도면을 이용하여 설명한다.

도 3(a),(b),(c) 및 (d)를 참조하면, 압전 트랜스포머(21)에는, 압전 세라믹 (예를 들면, PZT= 납·지르코네이트·티타네이트)으로 이루어진 직사각형판(23)이 구비되어 있다. 상기 직사각형의 압전 세라믹판(23)을, 그 길이 방향으로 4 등분한 4개 영역을, 각각, 도면의 좌측으로부터, 제 1∼4의 영역(A1,A2,A3, 및 A4)으로 가정한다. 길이 방향의 양단측인 제 1 및 제 4 영역(A1 및 A4)에, 그 두께 방향으로 대향된 표면에 각각 입력용 표면 전극(24a,25a,24b,25b)이 형성되고, 그 영역 내부에 두께 방향으로 간격을 두고 내부 전극(26a,27a,26b,27b)이 복수로 형성되어 있다. 이들 표면 전극 및 내부 전극은, 평면 전극으로, 제 1 및 제 4 영역내에서 각각 직사각형판(23)의 길이 방향 및 폭 방향으로 연이어 존재하지만, 그 범위는 각 영역내로 한정된다.

또한 폭 방향으로 대향된 측면에 측면 전극(28a,29a,28b,29b)이 형성되어 있다. 제 1 영역(A1)에 있어서, 표면 전극(24a 및 25a)과 내부 전극(26a 및 27a)은, 측면 전극(28a 및 29a)에 하나씩 걸러 배치된 내부 전극(26a)과 한 쪽의 표면 전극(25a)이 접속되고, 다른 한쪽의 하나씩 걸러 배치된 내부 전극(27a)과 다른 쪽의 표면 전극(24a)이 각각 접속되도록 형성되어 있다. 한편, 제 4 영역(A4)에 있어서, 표면 전극(24b 및 25b)과 내부 전극(26b 및 27b)은, 측면 전극(28b 및 29b)에 하나씩 걸러 내부 전극(26b)과 한쪽의 표면 전극(25b)이 접속되고, 다른 하나씩 걸러 배치된 내부 전극(27b)과 다른 쪽의 표면 전극(24b)이 각각 접속되도록 형성되어 있다.

이들 표면 전극, 내부 전극, 측면 전극은, 이하에 설명하는 바와 같이, 직사각형 판(23)을 2파장 공진 모드로 구동시키기 위한 입력 전압을 인가하는 입력 전극 수단으로서 이용된다. 또한, 제 1 및 제 4 영역(A1 및 A4)은 입력 전극 수단이 설치되는 영역이기 때문에, 입력 영역이라 칭한다.

더욱이, 직사각형의 압전 세라믹판(23) 중앙측인 제 2 및 제 3 영역(A2 및 A3)의 경계부에는, 직사각형판(23)을 주회(周回)하도록, 띠형상의 표면 전극(30)이 형성되고, 내부에, 두께 방향으로 간격을 두고 띠형상의 내부 전극(31)이 복수 형성되어 있다. 도시한 바와 같이, 띠형상 표면 전극은, 직사각형판(23)의 상면과 하면에 연이어 존재하는 부분과 이를 접속하는 측면 부분으로 이루어지며, 상기 측면 부분은, 패드형상을 나타내는 전극이 된다. 띠형상 내부 전극(31)은, 그 양단이 띠형상 표면 전극의 내면, 상세하게는, 측면에 있는 패드 형상의 전극 부분 내면에 접속되도록 설치되어 있다. 이들 띠형상을 이룬 표면 및 내부 전극(30,31)은, 이하에 설명하는 바와 같이 출력 전극 수단으로서 이용된다.

제 1 및 제 4 영역(A1 및 A4) 각 부분의 측면 전극(28a,28b)을 공통적으로 접속하고, (29a와 29b)를 공통으로 접속하여, 이들 사이에, 직류 전압을 인가함으로써, 상기 제 1 및 제 4 영역(A1 및 A4) 부분이 분극 처리된다. 분극 방향은, 도 3(b) 및 (c)에 화살표로 나타낸 바와 같이, 두께 방향으로, 각 내부 전극의 양측에서 서로 반대로 향해 있다. 또한, 도 3(b)에 도시된 좌측 제 1 영역(A1)부분의 분극 방향과, 도 3(c)의 우측 제 4 영역(A4) 부분의 분극 방향은, 서로 반대로 되어 있다.

또한, 제 1 영역(A1)의 측면 전극(28a,29a)을 공통으로 접속하고, 띠형상 전극(30)간에 직류 전압을 인가함으로써, 제 2 영역(A2)이 도3(a)에 굵은 화살표로 도시한 바와 같이 길이 방향 우측을 향해 분극되어 있다(물론, 좌측을 향해도 상관없다). 마찬가지로, 제 4 영역(A4)의 측면 전극(28b,29b)을 공통으로 접속하고, 띠형상 전극(30)과의 사이에 직류 전압을 인가함으로써, 제 3 영역(A3)이 도 3(a)에서 굵은 화살표로 나타낸 바와 같이, 길이 방향 우측을 향해 분극되어 있다.

양쪽 2개의 측면 전극(28a,28b)을 공통으로 접속하고, 양쪽의 다른 2개의 측면 전극(29a,29b)을 공통으로 접속하며, 이들 사이에 교류 전압을 인가한다. 그 주파수를 직사각형 판(23)의 반정도 길이와 동일한 파장의 주파수로 하면, 직사각형판(23)은, 도 4(a) 및 (b)에 도시된 변위 및 왜곡을 드러내도록 진동한다. 이러한 진동에 의해, 출력 전극(30)과 측면 전극(28a,28b,29a 혹은 29b)간에, 승압된 교류의 출력 전압을 얻을 수 있다.

이하, 상기 압전 트랜스포머의 제조 방법에 대하여, 구체적으로 설명한다.

우선, 고 Qm의 PZT로 이루어지는 소정의 형상을 한 복수의 압전 세라믹으로 이루어진 그린시트상의 소정 위치에, 은-팔라듐 전극 페이스트로 내부 전극(26a,26b) 및 띠형상의 내부 전극(31)을 내부 전극패턴으로서 인쇄한다. 한편, 마찬가지로 압전 세라믹의 그린시트 상에 내부 전극 (27a,27b) 및 띠형상의 내부 전극(31)을 인쇄한다. 이어서, 이들 그린시트를 서로 번갈아 복수매 적층하고, 그 위에 전극패턴이 없는 세라믹 그린시트를 적층하여 적층체로 제작한다. 또한, 상기 적층체를 열압착하여, 대기중에서 1100℃로, 2시간 소결하여 소결체로 한다. 이어서, 은-팔라듐 페이스트를 이용하여, 소결체 표면에 미리 적층을 통해 내부에 형성된 전극 패턴의 투영적 패턴을 형성하고, 측면부에 내부 전극과 접속된 입력용 의 측면 전극 및 출력용의 패드형상 측면 전극을 형성한다. 이로써, 표면 전극(24a,25a,24b,25b), 측면 전극(28a,29a,28b,29b), 및 띠형상의 표면 전극(30)이 형성된다.

또한, 단판형의 압전 트랜스포머인 경우에는, 내부전극(26a,27a,26b,27b,31)을 구비하지 않고 표면에 전극을 설치하는 것만으로 구성된다. 즉, 복수매의 적층을 필요로 하지 않는다(즉, 적층수는 1이다).

도 3에 도시된 구조로 형성된 길이 방향의 2파장공진모드의 적층형 압전 트랜스포머 및 단판형 압전 트랜스포머를, 각각 길이 42mm, 폭12mm, 두께1.5mm의 크기를 가지는 것, 및 폭만 6mm로 하고 다른 크기는 동일한 것으로 제작하였다. 또한 비교예로서 도 1에 도시된 종래의 로젠 타입형 구조인 1파장공진모드의 적층형 압전트랜스포머 및 근래 신규로 제안된 3/2 파장 공진모드의 압전 진동자(소위 대칭 3차 로젠타입의 적층형 압전트랜스포머)를 마찬가지로 입력측 적층구조에서 동일한 크기로 시작(試作)하였다. 이들 적층형 압전 트랜스포머의 분극은, 실리콘오일안에서 온도 150℃에서, 전해강도 1.2kV/mm으로 실시하였다.

이상의 과정을 통해 제조된 압전 트랜스포머에 대해, 그 특성을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 정리하였다.

또한, 이들 적층형 압전 트랜스포머에 있어서는, 발열(△T)이 25℃에 달할 때 진동 속도의 레벨 한계는 약 0.22m/s이다.

표 1을 참조하여, 1파장 공진모드의 비교예에 있어서는, 단판형이라도, 적층형이라도, 크기가 42x12x1.5인 경우에는, 발열도 적고, 진동 속도도 한계 레벨에 달하지 않는다. 그러나, 폭의 크기를 반으로 줄이고 진동자의 체적을 감소시켰을 경우(크기가 42x6x1.5인 경우), 진동 속도가 한계 레벨을 초과하여 0.395m/s가 되고, 발열은 43℃가 된다.

또한, 3/2파장공진모드의 비교예에 있어서는, 어떠한 형태라도, 또한 어떠한 크기의 것이라도, 1파장 공진모드에 비해, 진동 속도(m/s)가 느리고, 발열은 최대 5℃이다.

본 발명에 따른 2파장공진모드의 적층형 압전트랜스포머의 경우에는, 어떠한 형태라도, 또한 어떠한 크기의 것이라도, 상기 2개의 비교예에 비해, 동일 출력하의 진동 속도 및 발열(△T)이 낮다는 사실을 알 수 있다. 더욱이, 적층수를 증가시키면, 승압비가 커지고, 보다 저압으로 구동시킬 수 있게 된다.

따라서, 소형화의 요구에 대해, 본 발명에 따른 2파장공진모드의 적층형 압전 트랜스포머는, 승압비, 진동 속도 및 발열의 관점에서 우수하다.

또한, 상기 실시예에서는, 직사각형판(23)의 외면 및 내면에 표면 전극을 형성하였으나, 이하의 실시예에 설명된 바와 같이, 표면전극은 생략할 수 있다. 표면 전극을 생략하면, 표면의 절연이 유리해진다.

다음으로, 도 5(a),(b), 및 (c)를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예를 설명한다.

본 실시예의 압전 트랜스포머도, 상기 실시예와 마찬가지로, 직사각형의 압전 세라믹판(23)에 입력 전극 수단과 출력 전극 수단을 설치하여 이루어진 것이다. 도 3의 실시예와 마찬가지로, 직사각형의 압전 세라믹판(23)을 그 길이 방향으로 도 5(a)에서 좌측으로부터 제 1∼제 4영역(A1∼A4)으로 4등분했다 가정하고, 본 실시예의 압전 트랜스포머에는, 입력 전극 수단이 제 2 및 제 3 영역(A2 및 A3)에 설치되고, 출력 전극 수단이 직사각형판의 길이 방향의 양단면에 단면 전극(32a 및 32b)으로서 설치되어 있는 점에서, 도 3의 압전 트랜스포머와는 기본적으로 다르다. 보다 상세하게는, 본 실시예에서는, 도 3에 있어서 제 4영역(A4) 및 제 1 영역(A1)에 설치된 내부 전극 및 측면 전극의 구성이, 각각 제 2 영역(A2) 및 제 3 영역(A3)에 설치되어 있다. 각 영역의 내부 전극은, 도면 부호 26a,27a, 및 26b, 27b로서 도 5(b) 및 (c)에 도시되어 있다. 측면 전극은, 참조 부호(28a,29a 및 26b,29b)로서 나타내고 있는 바와 같이, 양측면에 각각 설치되어 있다. 또한, 도 3에서 입력 전극 수단의 요소로서 설치되어 있는 표면 전극(24a∼25b)은, 본 실시예에서는, 사용되지 않는다.

분극 처리는, 도 3의 실시예와 동일하게 수행된다. 제 2 및 제 3 영역(A2 및 A3)내에서는, 분극 방향은 두께 방향이고, 그 방향은, 도 5(b) 및 (c)에 화살표로 나타낸 방향이 된다. 본 실시예에서는, 표면 전극을 사용하고 있지 않기 때문에, 최상층의 내부 전극의 상방 및 최하층의 하방은, 분극되지 않게 된다.

또한, 입력 전극과 출력 전극간의 제 1 및 제 4 영역(A1 및 A4)은, 도 5(a)에 굵은 화살표로 나타낸 바와 같이, 길이 방향 우측을 향해 분극되어 있다.

본 실시예의 압전 트랜스포머는, 직사각형판(23)의 길이가 2파장에 상당하는 주파수의 교류 입력 전압을 측면 전극(28 및 29)간에 인가하면, 압전 효과에 의해, 직사각형판은, 도 4(a) 및 (b)에 도시된 변위 분포 및 응력 분포를 가지고 진동한다. 이러한 진동 효과, 압전 효과에 의해, 단면 전극(32a,32b)간에 출력 전압을 얻을 수 있다.

본 실시예의 압전 트랜스포머는, 도 3의 실시예와 동일한 방법으로 제조된다. 상이한 점은, 그린 시트상의 내부 전극용 전극 패턴이 형성되는 위치가 다르다는 점, 적층후에 전극 패턴이 없는 그린 시트를 다시 적층할 필요가 없다는 점, 소결 후, 표면 전극을 설치할 필요가 없다는 점, 측면 전극의 위치가 다르다는 점, 출력 전극으로서 단면 전극을 형성한다는 점이다.

본 실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자를 제조하였다. 소결 조건은, 1100℃하에서 2시간으로 하고, 분극 조건은 150℃의 실리콘오일에서, 전계강도 1kV/mm로 15분간으로 하였다. 얻어진 압전 트랜스포머를, 그 특성을 평가하기 위해, 직경 2.2mm, 길이 220mm의 냉음극관을 부하로 하여, 정현파 입력 전압을 인가하여 구동시켰다. 이 때의 승압 특성 및 안정 점등시의 진동 속도와 발열의 관계를 측정하였다. 그 측정 결과를 표 2에 나타낸다.

비교를 위해 종래 구조의 로젠형 압전 트랜스포머를 동일한 크기, 적층수, 소결 및 분극 조건을 통해 제작하고, 동일한 평가 테스트를 실시하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2를 참조하면, 종래의 압전 트랜스포머에 있어서는, 진동 속도 0.38m/s, 발열이 65℃로도 되어 있다. 그러나, 본 발명의 압전 트랜스포머는, 승압비가 45로서 약간 낮지만, 동일 출력(관전류)하에서의 진동 속도 및 발열량(△T)이 낮고, 보다 효율이 양호한 것을 알 수 있다.

도 6(a)∼(d)를 참조하여, 본 발명의 또다른 실시예를 설명한다.

동도면과, 도 3(a)∼(d)의 비교를 통해 알 수 있는 바와 같이, 도 3(a)에 도시된 압전 트랜스포머의 구조에서 표면 전극을 삭제하는 한편, 직사각형의 압전 세라믹판(23)의 제 2 영역(A2)에도, 제 4 영역(A4)에 설치했던 것과 동일한 구성의 내부 전극 및 측면 전극을 추가로 설치한다. 즉, 제1, 제 2 및 제 4 영역(A1,A2 및 A4)을 입력 영역으로 설정한다. 출력 전극 수단으로서 기능하는 띠형상의 내부전극은 제 3 영역(A3)의 중앙부에 설치되어 있다.

도면에서는, 제 1, 제 2 및 제 4 영역(A1,A2 및 A4)의 내부 전극과 측면 전극은, 각각 도 3과 동일한 참조 숫자에, a,b 및 c의 첨자를 부가하여 도시하였다. 제 1, 제 2 및 제 4 영역(A1,A2, 및 A4)의 내부 전극과 측면 전극은 입력 전극 수단을 구성한다. 출력 전극 수단으로서 기능하는 띠형상의 내부 전극은, 도 3과 동일한 참조 숫자로 나타내고, 외부 전극으로서 패드 형상의 측면 전극(34,35)을 설치한다.

본 실시예에 있어서 압전 트랜스포머의 분극 처리는, 도 3의 실시예와 동일하게 수행하고, 제 1 및 제 2 영역(A1 및 A2)에서는 도 6(b) 및 (c)에 화살표로 도시한 바와 같고, 제 4 영역(A4)에서는 제 2 영역(A2)과 마찬가지로 도 6(c)에 나타낸 바와 같이 분극된다. 제 3 영역(A3)은, 도 6(a)에 화살표로 나타낸 바와 같이, 중앙의 출력 전극쪽을 향해 길이 방향으로 분극되어 있다.

상기 압전 트랜스포머에서는, 측면 전극(28a,28b 및 28c)을 공통으로 접속하는 한편, 도면 부호 29a,29b 및 29c를 공통으로 접속하고, 그 사이에, 직사각형판(23)의 길이가 2파장에 상당하는 주파수의 교류 입력 전압을 인가한다. 그 결과, 압전 효과에 의해, 직사각형판은, 도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 변위 분포 및 응력 분포로 진동한다. 이 진동의 결과, 압전 효과에 의해, 측면 전극(34,35)에 출력전압이 나타난다. 상기 출력 전압의 인출은, 출력 전극 한쪽의 측면 전극(34 혹은 35)과 입력 전극의 측면 전극(28a,28b,28c,29a,29b 및 29c)중 어느 하나(접지하여, 입출력 공통의 접지 단자로 하여도 좋다)사이에서라도 행해진다.

본 실시예의 압전 트랜스포머의 제조는, 도 3의 실시예와 동일한 방법으로 행해진다. 상이한 점은, 그린 시트상의 내부 전극용 전극 패턴의 수가 증가한 점, 띠형상의 출력용 전극의 형성 위치가 다르다는 점, 적층 후 전극 패턴이 없는 그린시트를 다시 적층할 필요가 없다는 점, 소결 후, 표면 전극을 설치할 필요가 없다는 점, 측면 전극의 수가 다르다는 점, 출력 전극으로서의 측면 전극을 형성하는 점이다.

본 실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자를 제조하였다. 소결 조건은, 1100℃에서 2시간동안으로 하고, 분극 조건은 150℃의 실리콘오일에서, 전계강도 1kV/mm로 15분간으로 하였다. 얻어진 압전 트랜스포머의 특성을 평가하기 위해, 도 5의 실시예와 동일한 평가 테스트를 실시하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

비교를 위해 종래 구조의 로젠형 압전 트랜스포머를 동일한 크기, 적층수, 소결 및 분극 조건으로 제작하고, 동일한 평가테스트를 실시하여, 그 결과를 표 3에 나타내었다.

표 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예의 압전 트랜스포머는, 종래의 로젠타입의 압전 트랜스포머와 비교하여, 승압비 면에서 손색이 없고, 체적은 반정도이며 동일 출력(관전류)하에서의 진동 속도가 느리고, 그로 인해 발열량이 적다.

도 7(a)∼(d)를 참조하여, 본 발명의 또다른 실시예를 설명한다.

본 실시예의 압전 트랜스포머는, 도 6의 실시예와 대략 동일한 구성을 가지고 있으나, 제 4 영역(A4)의 내부 전극과 측면 전극이 삭제되어 있다. 즉, 입력 영역이, 제 1 및 제 2 영역(A1 및 A2)으로 되어 있는 점이 다르다. 또한, 출력 전극 수단으로서의 띠형상의 내부 전극과 그 측면 전극이, 제 3 및 제 4 영역 (A3 및 A4)의 경계부로 이동되어 있다. 또한, 출력을 위한 접지 전극 단자로서, 제 4 영역측 단면상에 접지용 단면 전극(32)이 설치되어 있다.

따라서, 제 1 및 제 2 영역(A1 및 A2)의 분극은, 도 7(b) 및 (c)에 도시한 바와 같이, 도 6(b) 및 (c)와 동일하고, 제 3 및 제 4 영역(A3 및 A4)의 분극은, 띠형상의 출력 전극 및 단면 전극을 향해, 길이 방향으로 되어 있다.

상기 압전 트랜스포머에서는, 측면 전극(28a 및 28b)을 공통으로 접속하는 한편, (29a 및 29b)를 공통으로 접속하고, 그 사이에, 직사각형판(23)의 길이가 2파장에 상당하는 주파수의 교류 입력 전압을 인가한다. 그 결과, 압전 효과에 의해, 직사각형판은, 도 4의 (a) 및 (b)에 나타낸 변위 분포 및 응력 분포로 진동한다. 그 진동 결과, 압전 효과에 의해, 출력용 측면 전극(34,35)에 출력 전압이 나타난다. 상기 출력 전압은, 측면 전극(34 혹은 35)과 단면 전극(32) 사이에서 인출할 수 있다.

제조 방법은, 도 6의 실시예와 대략 동일하며, 상이한 점은, 적층시에 제 3 영역의 내부 전극패턴을 형성하지 않고, 출력을 위한 띠형상의 내부 전극용 패턴의 위치가 다르다는 점, 소결후의 출력용 측면 전극과 단면 전극을 형성한다는 점이다.

도 7에 도시된 실시예의 압전 트랜스포머를 제작하였다. 분극 조건 및 소결조건은, 도 6의 실시예와 동일하게 설정하였다.

이상과 같이 제작된 압전트랜스포머의 특성을 평가하기 위해, 도 5의 실시예와 동일한 평가테스트를 실시하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.

비교를 위해 종래 구조의 로젠형 압전 트랜스포머를 동일한 크기, 적층수, 소결 및 분극 조건으로 제작하고, 동일한 평가테스트를 실시하여, 그 결과를 표 4에 나타내었다.

표 4로부터, 본 발명의 압전 트랜스포머는, 종래의 로젠형과 비교하여, 승압비가 약간 낮지만, 반분의 체적에 있어서도 동일 출력(관전류)하의 진동 속도가 느리기 때문에 발열량이 적다는 사실을 알 수 있다.

또한, 도 5∼도 6의 실시예에서는, 표면 전극을 채용하지 않았지만, 도 3의 실시예와 마찬가지로 표면 전극을 설치할 수 있다. 표면 전극을 채용함으로써, 입력 전극이 설치된 영역이, 그 두께 방향 전체에 걸쳐 분극되고, 진동에 기여하기 때문에, 출력 면에서 유리하다. 또한, 표면 전극을 채용할 경우에는, 도 3의 실시예에 관하여 설명한 바와 같이, 내부 전극을 이용하지 않고, 표면 전극만으로 하여, 단판형으로 구성할 수도 있다.

또한, 압전판으로서는, PZT의 세라믹판을 예시하였으나, 압전성을 가지는 것이면 어느 재료라도 상관없다. 더욱이, 전극으로서는, 은-팔라듐의 인쇄에 의한 박막을 예시하였으나, 다른 도전성 박막을 이용할 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.

이상 몇 개의 실시예에 대해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은, 이들 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 범위내에서 각종의 실시 형태가 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 종래의 로젠형 압전 트랜스포머와 비교하여 1/2의 체적이면서, 동일 출력하에서 진동 속도가 느리고, 발열이 적고 효율이 높은 압전 트랜스포머가 얻어지고, 특히, 액정 디스플레이의 백라이트점등용 전원에 이용되기에 적합한 압전 트랜스포머를 제공할 수 있게 된다.

Claims

제 1단에서 반대측의 제 2단까지 연이어 존재하는 판 길이와, 판 폭과, 판 두께를 가지고, 상기 판 길이를 따라 가상적으로 4등분되어 상기 제 1단으로부터 제 2단까지 연속적으로 배열된 4개 영역을 가지는 직사각형의 압전판과;

상기 4개 영역에서 입력 영역으로서 선택된 적어도 2개의 영역위에 설치되고, 상기 판 길이의 반정도되는 길이와 동일한 파장에 대응되는 주파수의 교류 입력 전압을 받아들여 상기 압전판의 2파장공진을 구동시키기 위한 입력 전극 수단과;

상기 4개 영역중 나머지의 적어도 하나의 영역의 한 위치에 설치되고, 상기 압전판의 2파장공진으로부터 발생하는 교류 출력 전압을 출력하기 위한 출력 전극 수단을 포함하고,

상기 입력 영역은 상기 판 두께 방향으로 분극되어 있고, 상기 나머지의 적어도 하나의 영역은 상기 판 길이 방향으로 분극되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 1항에 있어서, 상기 압전판은 상기 판의 폭방향에서 서로 대향되는 측면을 가지며,

상기 입력 전극부는,

상기 입력 영역의 각각에 형성된 복수의 평면전극으로서, 상기 입력 영역내에 한정되지만 상기 판 길이 방향 및 폭 방향으로 연이어 존재하고, 상기 판 두께 방향으로 서로 간격을 두고 형성된 상기 복수의 평면 전극과,

상기 각각의 입력 영역내에서 상기 대향되는 측면에 상기 교류 입력 전압을 인가하기 위해 설치된 2개의 측면 전극을 가지며,

상기 2개의 측면 전극중 하나는 상기 서로 인접한 각 2개의 평면 전극 중 한 쪽에 접속되어 있고, 다른 쪽 측면 전극은 상기 서로 인접한 각 2개의 평면 전극 중 다른 한 쪽에 접속되어 있으며,

상기 각각의 입력 전극은, 상기 2개의 측면 전극에 미리 직류 전압을 인가함으로써, 상기 서로 인접한 각 2개의 평면 전극 사이에서 분극되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 2항에 있어서, 상기 평면 전극은 내부 전극으로서 상기 압전판내에 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 2항에 있어서, 상기 압전판은 상기 판 두께 방향에 있어서 서로 대향하는 상면 및 하면을 가지며,

상기 평면 전극 중 2개가 상기 입력 영역내에서 상기 상면 및 하면 상에 설치되어 있고, 나머지 평면 전극이 내부 전극으로서 상기 압전판내에 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 2항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 전극 수단은,

상기 판의 폭 방향으로 연이어 존재하고, 상기 판 두께 방향으로 서로 간격진 복수의 띠형상 전극과,

상기 대향된 측면상에 형성되고, 상기 띠형상 전극의 양단에 각각 접속되며, 상기 교류 출력 전압을 인출하기 위한 2개의 출력 측면 전극 패드를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 5항에 있어서, 상기 띠형상 전극은, 띠형상의 내부 전극으로서, 상기 압전판내에 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 5항에 있어서, 상기 띠형상의 전극 중 2개가 상기 상면 및 하면 상에 각각 설치되고, 나머지 띠형상 전극이 띠형상의 내부 전극으로서 상기 압전판내에 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서, 제 1∼제 4 의 상기 4개 영역은 상기 제 1단에서 제 2단까지 상기 판 길이 방향으로 상기 순서로 배열되어 있고, 상기 입력 영역은 상기 제 1단 및 상기 제 2단에 각각 인접한 상기 제 1 영역 및 제 4 영역이며, 상기 제 1 영역 및 제 4 영역은 서로 반대 방향으로 분극되어 있고, 상기 출력 전극 수단은 상기 제 2 영역 및 제 3 영역의 경계부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서, 제 1∼제 4의 상기 4개 영역은 상기 제 1단에서 제 2단까지 상기 판 길이 방향으로 상기 순서대로 배열되어 있고, 상기 입력 영역은 서로 인접한 제 2 영역 및 제 3 영역이며, 상기 제 2 영역 및 제 3 영역은 서로 반대 방향으로 분극되어 있고, 상기 출력 전극 수단은 상기 제 1단 및 제 2단 상에 설치된 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서, 제 1∼제 4의 4개 영역은, 상기 제 1단에서 제 2단까지 상기 판 길이 방향으로 상기 순서로 배열되어 있고, 상기 입력 영역은 상기 제 1 영역, 제 2 영역 및 제 4 영역이며, 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역 및 제 4영역 각각은 서로 반대 방향으로 분극되어 있으며, 상기 출력 전극 수단은 상기 판 길이 방향에 있어서, 상기 제 3 영역의 중앙부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1∼제 4의 4개 영역은, 상기 제 1단에서 제 2단까지 상기 판 길이 방향으로 상기 순서대로 배열되어 있으며, 상기 입력 영역은, 상기 제 1 영역 및 제 2 영역이며, 상기 제 1 영역 및 제 2 영역은 서로 반대 방향으로 분극되어 있고, 상기 출력 전극 수단은 상기 제 3 영역 및 제 4 영역의 경계부에 설치되고, 상기 제 2단상에 출력용 접지 전극이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머.