KR20000023735A - 압전 트랜스포머 소자 - Google Patents

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KR20000023735A
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Abstract

압전 트랜스포머 소자에서, 다수의 내부 전극들(1a, 2a)이 왼쪽에 서로 쌓여진다. 이들 내부 전극들은 인터레벨 연결 도체들(8a, 8b)을 통해 서로 교대로 연결되어 두 개의 내부 전극 그룹을 구성한다. 그물 형태의 이차의 출력 전극은 오른쪽의 디바이스 끝 부분 근처에 형성된다. 두 내부 전극 그룹들에 연결된 일차 입력 전극들(1, 2), 이차 출력 전극(3) 및 그물 모양의 이차 출력 전극(9)의 리드 전극이 소자의 동일한 평면에 노출된다.

Description

압전 트랜스포머 소자{PIEZOELECTRIC TRANSFORMER DEVICE}
최근, 액정 크리스탈 디스플레이 패널은, 가지고 다니기 편한 노트북 개인용 컴퓨터(노트북 PC)에 디스플레이 유니트로서 널리 사용되고 있다. 그러한 액정 크리스탈 디스플레이 패널은 패널을 백라이팅(backlighting)하기위한 백라이트로 제공되는 콜드 캐소드 튜브(cold cathode tube)를 일체화한다. 이 콜드 캐소드 튜브를 밝히기 위해, 약 1kV 또는 그 이상의 높은 전압이 요구된다. 빛의 방사를 유지하기 위해, 약 수백볼트의 전압이 공급되어야한다.
그러한 노트북 PC 및 유사한 제품에서는, 그들의 특성때문에, 컴팩트하고 작은 소비 전력의 백라이트를 위한 부스팅(boosting) 모듈에 대한 요구가 높다. 이러한 요구를 충족시키기 위해, 하나의 플레이트 구조를 가진 로젠형이라 불리는 압전 트랜스포머가 사용된다. 단일 플레이트 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자를 사용하는 파워 서플라이 모듈에 따라, 유사한 출력 용량을 가진 권선 트랜스포머와 비교하여 모듈의 크기와 중량의 감소가 얻어질 수 있다.
그러나, 가령 길이가 약 30mm, 폭이 약 3mm, 두께가 약 2mm인 단일 플레이트 구조를 가진 압전 트랜스포머 소자에서, 부스팅율(입력 전압에 대한 출력 전압의 비율)은 고부하에서 약 4 내지 6, 예를 들어, 2W 출력이다. 즉, 바람직한 부스팅율이 얻어질 수 없다는 것이다. 이러한 이유 때문에, 컴팩트한 권선 트랜스포머가 압전 트랜스포머 소자의 입력 단계에 연결되어야한다.
최근에는, 큰 부스팅율을 얻는 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자가 일본 특허 공개 번호, 4-338685, 7-79027 및 7-131088과 같은 데에서 제안되고 있다. 다층 구조를 갖는 그러한 압전 트랜스포머 소자는 서로 병렬로 연결된 단일-플레이트 구조를 가진 다수의 압전 트랜스포머 소자들과 등가이고, 높은 부스팅율을 얻도록 설계된다. 이 소자는 입력 영역을 포함하며 세라믹 압전 멤버와 내부 전극은 각각, 약 50 내지 300㎛의 두께를 가지며 교번적으로 쌓여진다. 이러한 쌓여진 내부 전극들은 교번적이고 전기적으로 서로에 연결되어 서로 전기적으로 절연된 두 내부 전극 그룹을 구성한다. 이러한 두 내부 전극 그룹은 입력 영역의 상부 또는 하부 표면에 형성된 두 개의 외부 전극에 전기적으로 연결된다(일본 특허 공개 7-302938).
도 1 내지 도 5는 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자 구조의 예를 보인다.
도 1은 일반적인 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자를 보이는 사시도이다. 도 2는 도 1의 압전 트랜스포머 소자의 정면도이다. 도 4는 도 1의 압전 트랜스포머 소자의 평면도이다.
이 압전 트랜스포머 소자는 도 1, 도 2 및 도 4에 도시된 것과 같은 외양을 가진다. 소자의 오른쪽 및 왼쪽 절반의 영역은 이제부터 각각 제2 및 제1 영역으로 언급될 것이다.
일차(입력) 전극으로서의 외부 전극(101 및 102)은 제1영역의 상부 및 하부 표면에 형성된다. 다수의 내부 전극(101a, 102a)이 외부 전극 (101, 102) 사이에 교대로 쌓여지고, 이들 내부 전극들 사이의 공간은 압전 요소(106)로 채워진다. 이차(출력) 전극으로서의 외부 전극(103)은 제2영역의 오른쪽 끝 부분에 형성된다. 리드 와이어(105)가 납땜 영역(104)과 함께 외부 전극들(101, 102 및 103)에 연결된다.
제1영역의 내부 구조가 다음에 설명될 것이다. 도 3은 도 1의 압전 트랜스포머 소자의 라인 A-A'를 따라 취해진 단면도이다. 도 5는 도 1의 압전 트랜스포머 소자의 라인 B-B'를 따라 취해진 단면도이다.
도 3 및 도 5에서 보이는것과 같이, 제1영역에서 다수의 내부 전극들(101a)은 종렬 배치의 도체(이후부터는 인터레벨(interlevel) 도체로서 칭함)(107a)를 통해 서로 연결되고, 다수의 내부 전극들(102a)은 인터레벨 연결 도체(107b)를 통해 서로 연결된다. 둥근 홀들(이후부터는 홀(들)로서 칭함)은 내부 전극들(101a 및 102a)이 인터레벨 연결 도체(107a 및 107b)를 통해 서로 연결되지 않도록 내부 전극들(101a 및 102a)내에 형성된다.
상술한 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자는 다음과 같이 동작된다. 무엇보다 먼저, 외부 전극들(101 및 102) 사이에 높은 전압이 공급되어 횡방향(두께 방향)으로 제1영역을 분극화한다. 소정의 전압이 그리고나서 외부 전극(101 또는 102) 및 외부 전극(103) 사이에 적용되어 길이 방향으로 제2영역을 분극화한다. AC 전압이 분극화된 상태의 소자의 외부 전극(101 및 102)사이에 공급될 때, 제1영역의 압전 요소(106)는 압전 요소, 그 공진 특성 및 전체 소자의 차원에 고유한 압전 재료 상수에 맞춰 기계적으로 진동한다. 진동은 제2영역의 압전 요소(106)에 의해 전압으로 변환된다. 결국, 부스팅된 높은 AC 전압은 외부(103) 전극으로부터 추출될 수 있다.
본 발명자가 각각이 두께 약 80㎛를 갖는 25개의 압전 멤버들을 쌓아 올림으로써 길이 30mm, 폭 3mm 및 두께 2mm를 갖는 다층형 압전 트랜스포머 소자를 제조하고 소자에 테스트를 가했을 때, 약 80의 매우 높은 부스팅율이 2-W 출력에서 얻어졌다.
그러나, 상기 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자에서는, 다수의 내부 전극들이 압전 트랜스포머 소자의 옆면에 노출되기 때문에, 옆면에 노출된 내부 전극들 사이에 전기적 방전이 발생하여, 특히 압전 트랜스포머 소자가 공기중에서 분극화될 때, 불완전한 분극의 결과를 낳는 브레이크다운(절연파괴)을 초래한다. 이러한 이유 때문에, 본 발명자는 일본 특허 출원 번호 8-52553에 있는 다음의 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머를 제안하고 있다. 이 구조에서는, 내부 전극들이 소자의 옆면에 노출되지 않으며, 내부 전극들이 쌓아 올려질 위치에서 압전 멤버내에 미리 형성된 홀들이 내부 전극들을 전기적으로 서로 연결하기 위해 도체들로 채워진다.
도 1에 도시된 통상의 압전 트랜스포머 소자는, 그러나, 리드 와이어(105)가 납땜될 외부 전극이 세 개의 표면, 즉, 상부 표면, 하부 표면 및 소자의 길이방향 끝면상에 형성된다. 그것은 외부 전극들이 동일한 평면에 있지 않다는 것이다. 이러한 이유 때문에, 산업 로봇을 사용하는 자동 어셈블리 공정에서, 납땜 단계등이 복잡하다.
또한, 상술한 통상의 압전 트랜스포머 소자는 내부 전극 및 외부 전극들이 소자의 표면에 노출되는 구조를 가진다. 이러한 이유 때문에, 압전 트랜스포머 소자는 안전성을 고려하여, 단일 플레이트 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자와 유사하게, 절연재등으로 구성된 케이스(미도시)안에 하우징되어야한다. 그러한 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자보다 훨씬 큰 케이스는, 소자의 연결 부분의 부피를 고려하여 소자를 하우징하도록 요구된다. 케이스안에 소자를 하우징하는 제조단계는 자동 어셈블리 공정을 복잡하게한다.
또, 다층 구조를 갖는 압전 요소(106)로부터 부스팅된 높은 AC 전압을 추출하기 위해, 외부 전극(101 또는 102) 및 외부 전극(103)이 사용된다. 따라서, 일반적인 권선 트랜스포머와 다르게, 외부 전극(101 또는 102)은 일차(입력) 및 이차(출력)측에 의해 공유되는 공통 전극으로서 사용된다. 이러한 이유 때문에, 상술한 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자는, 일차 및 이차측 사이에서 전기적 절연이 요구되는 회로에 대해 사용될 수 없다.
또한, 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자의 전환 효율, 즉, 외부 전력을 내부 전력으로 나눔으로써 얻어지는 값은 70내지 80%이고, 이것은 단일 플레이트 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자의 변환 효율(90% 이상)보다 낮은 것이다.
본 발명은 다층 구조를 갖는 로젠(Rosen)형 압전 트랜스포머 소자와 같은 압전 트랜스포머 소자에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자를 보이는 사시도이다.
도 2는 도 1의 압전 트랜스포머 소자의 정면도이다.
도 3은 도 1의 압전 트랜스포머 소자의 라인 A-A'를 따라 취해진 단면도이다.
도 4는 도 1의 압전 트랜스포머 소자의 평면도이다.
도 5는 도 1의 압전 트랜스포머 소자의 라인 B-B'를 따라 취해진 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 다층 구조를 가지는 압전 트랜스포머 소자를 보이는 사시도이다.
도 7은 도 6의 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 평면도이다.
도 8은 도 7의 본발명의 제1실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 라인 C-C'를 따라 취해진 단면도이다.
도 9는 도 7의 본발명의 제1실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 라인 D-D'를 따라 취해진 단면도이다.
도 10은 도 7의 본발명의 제1실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 라인 E-E'를 따라 취해진 단면도이다.
도 11은 케이스에 하우징된 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자를 보이는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 다층 구조를 보이는 사시도이다.
도 13a는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 13b는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 13c는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 13d는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자를 보이는 사시도이다.
도 15는 도 14의 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 평면도이다.
도 16은 도 15의 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 라인 G-G'를 따라 취해진 단면도이다.
도 17은 도 15의 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 라인 F-F'를 따라 취해진 단면도이다.
도 18은 본 발명의 제3실시예에 따른 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자를 보이는 사시도이다.
도 19는 도 18의 본 발명의 제3실시예에 따른 압전 트랜스포머 디바이스의 평면도이다.
도 20은 도 19의 본 발명의 제3실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 라인 H-H'를 따라 취해진 단면도이다.
도 21은 도 19의 본 발명의 제3실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 라인 I-I'를 따라 취해진 단면도이다.
도 22는 케이스에 하우징된본 발명의 제3실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자를 보이는 단면도이다.
도 23은 본 발명의 제4실시예의 내부 전극 물질에 적용될 수 있는 일반적인 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자를 보이는 사시도이다.
도 24는 본 발명의 제4실시예의 내부 전극 물질에 적용될 수 있는 일반적인 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자의 길이방향의 단면도이다.
도 25는 도 24의 본 발명의 제4실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 인터레벨 연결 도체 영역을 따라 폭 방향으로 취해진 단면도이다.
도 26은 본 발명의 제4실시예에 따른, 내부에 형성된 홀들을 구비한 압전 세라믹 테이프를 보이는 평면도이다.
도 27은 본 발명의 제4실시예에 따른, 인터레벨 도체 페이스트가 압전 세라믹 테이프의 홀에 채워진 상태를 도시한 부분 단면도이다.
도 28은 본 발명의 제4실시예에 따른, 내부 전극들이 위에 프린트된 후 압전 세라믹 테이프를 보이는 평면도이다.
도 29는 본 발명의 제4실시예에 따른, 내부 전극들이 위에 프린트된 후 압전 세라믹 테이프를 보이는 평면도이다.
도 30은 본 발명의 제4실시예의 예 및 비교 예에 관한 데이터를 보이는 테이블이다.
도 31은 본 발명의 제4실시예의 예 및 비교 예에 관한 데이터를 보이는 테이블이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 안전성을 보장하고, 쉽게 다뤄지고, 트랜스포머로서 좋은 특성을 보이는 압전 트랜스포머 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전환 효율이 좋은 압전 트랜스포머소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은, 핸들링의 관점에서 자동 제조 공정에 알맞는 압전 트랜스포머 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은, 서로 전기적으로 절연된 일차 및 이차측을 가지고, 좋은 변압 특성을 보이는 압전 트랜스포머 소자를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 압전 트랜스포머 소자는 다음의 구성을 특징으로 한다.
세라믹 압전 멤버들과 내부 전극들이 서로 번갈아 쌓아 올려진 입력 영역을 구비하고, 여기서 각 내부전극은 팔라듐의 20 내지 80 wt%를 포함하는 은(Ag)-팔라듐(Pd) 혼합으로 필수 구성되고 1 내지 5㎛의 두께를 갖는 압전 트랜스포머 소자가 제공된다. 이 구성으로, 내부 전극으로 인한 압전 멤버들의 진동의 감쇠가 억제되어 좋은 전환 효율을 얻는다.
예를들어, 다수의 내부 전극들은, 압전 트랜스포머 소자에 포함되고, 압전 트랜스포머 소자에 포함된 적어도 두 개의 종렬 배치된 도체를 통해 서로 연결되며, 종렬배치 도체가 필수적으로 팔라듐이 20 내지 80wt% 포함된 은-팔라듐 혼합으로 구성되고, 200㎛ 보다 크지 않은 지름을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로, 내부 전극으로 인한 압전 멤버들과 종렬 배치된 도체의 진동의 감쇠가 억제되어 좋은 전환 효율을 얻는다.
덧붙여, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 압전 트랜스포머 소자는 다음의 구성을 특징으로 한다.
두께 방향으로 분극화된 제1영역을 구비하고, 그안에 형성된 일차전극들을 구비하며, 길이 방향으로 분극화된 제2영역을 구비하고 그안에 형성된 이차전극을 구비하며, 서로 쌓아 올려진 다수의 압전 멤버들을 구비하며, 다수의 압전 멤버들 사이에 일차 전극으로 정렬되고 제1영역에 포함된 다수의 제1내부 전극, 다수의 압전 멤버들 사이에 이차 전극으로서 형성되고 제2영역에 포함된 다수의 제2내부 전극들, 다수의 제1내부 전극들로 전압을 공급하기 위해 압전 트랜스포머 소자의 표면상에 형성된 제1외부 전극 및 다수의 제2내부 전극을 통해 전압을 공급중에 압전 트랜스포머 소자에서 발생된 전압을 추출하기 위해 압전 트랜스포머 소자의 표면상에 형성된 제2외부 전극으로 구성되는 압전 트랜스포머 소자가 제공된다. 이러한 구성으로 소자의 표면상에 노출된 금속 영역이 최소화될 수 있다.
예들들어, 제1 및 제2외부 전극들은 압전 트랜스포머 소자의 동일 평면상에 형성된다. 이러한 구성으로, 외부 멤버들로의 연결이 손쉬워진다.
예를들어, 다수의 제2내부 전극이 제2영역에 포함된 다수의 종렬배치 도체들을 통해 그물 모양으로 서로 연결된다. 이러한 구성으로, 이차 전극들이, 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자내에 형성된다.
다수의 제1내부 전극들이, 제1영역에 포함된 적어도 두 개의 종렬배치 도체를 통해 번갈아 서로 연결되고, 그에따라 두 개의 내부 전극 그룹이 만들어지는 것이 바람직하다.
소자는, 제1, 제2내부 전극 및 제1, 제2외부 전극으로부터 절연되고 제1영역의 평면위에 이차 전극의 다른 전극으로서 형성되는 제3외부 전극을 구비함이 더 바람직하다.
상기 구성을 가지는 소자에서, 제1외부 전극 및/또는 제3외부 전극이 압전 트랜스포머 소자의 구동 진동 모드의 한 노드에 대응하는 위치에서 형성되고, 두 개의 종렬배치 도체가, 소자의 진동의 감쇠를 막기 위해 압전 트랜스포머 소자의 구동 진동 모드의 노드에 해당하는 위치에서 형성되는 것이 바람직하다.
또, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 압전 트랜스포머 소자는 다음의 구성을 특징으로 한다.
두께 방향으로 분극화된 제1영역을 구비하고 그안에 형성된 일차 전극을 구비하며, 길이 방향으로 분극화된 제2영역을 구비하고 그안에 형성된 이차 전극을 구비하며, 서로 쌓아 올려진 다수의 압전 멤버들을 구비하고, 제1영역의 다수의 압전 멤버들 사이에 일차 전극으로서 형성되는 다수의 내부 전극, 다수의 내부 전극에 전압을 공급하도록 압전 트랜스포머 소자의 표면상에 형성된 다수의 제1외부 전극, 제2영역의 끝 부분에 이차 전극으로서 형성된 제2외부 전극 및 다수의 내부 전극들과 제1, 제2 외부 전극들로부터 절연되고 제1외부 전극이 형성된 압전 트랜스포머 소자의 제1영역의 표면상에 이차 전극들의 다른 전극으로서 형성되는 제3외부 전극으로 구성되는 압전 트랜스포머 소자가 제공된다. 이 구성으로, 일차 및 이차 측은 서로 절연되어 트랜스포머로서 좋은 특성을 얻는다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은, 첨부된 도면과 관련된 다음의 설명으로부터명백해질 것이며, 도면에서 동일한 참조 부호는 그에 따른 도면들을 통해 같거나 유사한 파트들을 나타낸다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자가 이하에서 설명될 것이다.
이제부터 서술될 각 실시예에서, 압전 트랜스포머 소자는 λ 모드로 구동된다. 그러나, 본 발명은 λ 모드로 한정되지는 않는다. 명백한 대로, 가령, 압전 트랜스포머 소자가 λ/2 및 3/2λ 모드로 구동될 수 있다. 명백한 대로, 본 발명의 압전 트랜스포머 소자의 내부 전극의 수는 첨부된 도면의 한 개에 한정되지 않는다; 내부 전극들은 도시적인 편리를 위해 도시된 것이다.
[제1실시예]
본 발명의 제1실시예는 도 6 내지 도 12를 참조하여 먼저 설명될 것이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른, 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자를 도시하는 사시도이다. 도 7은 도 6의 압전 트랜스포머 소자의 평면도이다.
이 실시예의 압전 트랜스포머 소자는 도 6 및 도 7에 보인 것과 같은 외양을 가진다. 이 구조의 오른쪽 및 왼쪽 절반은 이제부터 각각 제2 및 제1영역으로 언급될 것이다. 일차(입력) 전극으로서의 외부 전극(1 및 2)은 압전 요소(6)의 제1영역 상부 표면에 형성된다. 이차 출력 리드 전극으로서의 외부 전극(3)은 제2영역의 상부 표면에 형성된다. 즉, 이 실시예의 압전 트랜스포머 소자에 의하면, 이들 외부 전극들만이 같은 표면위에 형성되고 노출되고, 다음의 내부 전극들은 압전 요소(6)에 포함된다.
이 실시예의 압전 트랜스포머 소자의 내부 구조는 다음에 설명될 것이다. 도 8은 도 7의 압전 트랜스포머 소자의 라인 C-C'를 따라 취해진 단면도이다. 도 9는 도 7의 압전 트랜스포머 소자의 라인 D-D'를 따라 취해진 단면도이다. 도 10은 도 7의 압전 트랜스포머 소자의 라인 E-E'를 따라 취해진 단면도이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 다수의 내부 전극(1a 및 2a)은 제1영역내에서 교대로 쌓아올려지고 내부 전극들 사이의 공간은 압전 요소(6)로 채워진다. 둥근 홀(이하에서 단순히 홀로 칭함)은, 내부 전극(1a 및 2a)이 인터레벨 연결 도체(8a 및 8b)(이 구조는 나중에 상세히 설명될 것이다)를 통해 서로 연결되지 않도록, 내부 전극(1a(2a))에 삽입된 종렬 배치 도체(이하에서 인터레벨 연결 도체로 칭함)(8b(8a)) 주변에 형성된다. 명백한 바와 같이, 각 홀은 항상 둥근 모양을 갖는 것은 아니다.
다수의 내부 전극들(1a)은 인터레벨 연결 도체(8a)를 통해 서로 연결된다. 인터레벨 연결 도체(8a)는 제1영역의 상부 표면을 향해 확장하고 외부 전극(1)에 연결된다.
유사하게, 다수의 내부 전극들(2a)은 인터레벨 연결 도체(8b)를 통해 서로 연결된다. 인터레벨 연결 도체(8b) 또한 제1영역의 상부 표면을 향해 확장하고 외부 전극(2)에 연결된다.
도 8 내지 도 10에 보여진 것과 같이, 다수의 내부 전극들(3a)은 길이 방향 끝 부분에 가까운 위치에서 제2영역 안에서 쌓아 올려지고, 내부 전극들 사이의 공간은 압전 요소(6)로 채워진다. 내부 전극들(3a)은 인터레벨 연결 도체(8c) 및 다수의 인터레벨 연결 도체(9)를 통해 그물 모양으로 서로 연결된다. 인터레벨 연결 도체(8c)는 제2영역의 상부 표면을 향해 확장하고 외부 전극(3)에 연결된다. 즉, 이 실시예에서, 압전 트랜스포머 소자의 이차(출력) 전극은 내부 전극(3a), 인터레벨 연결 도체(8c) 및 그물 모양으로 연결된 인터레벨 연결 도체(9)에 의해 구성된다. 부스팅된 높은 AC 전압이 리드 전극으로서의 외부 전극(3)을 통해 추출된다.
이 소자 내에 형성된 그물 모양의 이차 전극이 이하에서 설명될 것이다. 이 실시예의 압전 트랜스포머 소자는 도 12를 참조하여 이후에 설명될 다층 구조를 가진다. 이때문에, 출력 전극은 이 소자의 제조 방법으로 인한 도 1의 외부 전극(103)과 같은 접시 모양 전극으로 형성될 수 없다. 그러나, 만약 그물 모양 이차 전극이 단면 면적 5% 또는 이 소자의 폭방향으로의 단면 면적보다 더 크도록 형성되면, 전극은 만족할정도로 출력전극에 알맞게된다.
외부 전극(1 및 2)이 형성된 위치는 다음에 설명될 것이다. 입력 전압이 압전 트랜스포머 소자에 의해 부스팅되어야 할 때, 입력 및 출력 전극의 리드 와이어를 연결하기 위한 터미널의 위치는 구체적으로 제한될 필요가 있다. 그러나, 이론적으로, 소자의 기계적 진동의 노드에 해당하는 위치는 고정점이 된다. 만약 입력 및 출력 전극의 리드 와이어를 연결하기 위한 터미널이, 진동의 노드에 해당하는 위치에서 형성되면, 진동으로 인한 리드 와이어 또는 소자 자체의 벗겨짐, 제거등을 방지할 수 있고, 진동의 감쇠 역시 방지할 수 있다. 보다 상세하게, 각각의 세로의 끝 부분으로부터 소자 길이의 1/4 에 해당하는 위치가 고정된 점이 된다. 따라서, 이 실시예에서는 압전 요소(6)가 길이 방향으로 길이 L을 가지면, 외부 전극(1 및 2)의 중심과 인터레벨 연결 도체(8a 및 8b)의 중심은 제1영역의 끝 부분으로부터 L/4에 해당하는 위치, 즉, 압전 트랜스포머 소자의 구동 진동 모드의 노드에 해당하는 위치에 놓여진다.
이 소자의 분극 처리후 본 발명에 의해 행해지는 구동 테스트에 따르면, 소자는 통상의 소자 특성에 비교되는 특성을 보였다.
본 발명의 압전 트랜스포머 소자의 구조 및 그것을 제조하는 단계가 도 12, 도 13a 내지 도 13d를 참조하여 다음에 설명될 것이다.
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자의 다층 구조를 보인다. 도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자를 제조하는 단계를 설명한다. 도 13a 내지 도 13d 각각은 폭방향을 따라 취해진, 압전 세라믹 테이프(이하에서 테이프로 칭함)(6A)의 인터레벨 연결 도체 영역의 단면도이다. 도 12의 압전 트랜스포머 소자를 제조하는 단계가 이하에서 설명될 것이다.
1) 각 테이프(6A)는 다음과 같이 미리 형성된다. 둥근 제분기(ball mill)를 사용하여, 슬러리(slurry)를 준비하도록 납(Pb)(지르코늄(Zr), 티타늄(Ti))-오존(O3)-기반의 압전 물질 가루에 물 및 접합제를 섞는다. 그리고나서 테이프는 닥터 블레이드법(doctor blade method)에 의해 이 슬러리로부터 형성된다.
2) 통과 홀(through holes)들은, 테이프들이 쌓일 때, 인터레벨 연결 도체(8a, 8b, 8c, 9)에 대응하는 위치에서 각각의 테이프들(6A)내에 형성된다. 인터레벨 연결 도체(8a, 8b)에 대한 홀들이 같은 직경을 가지며, 인터레벨 연결 도체(8c)에 대한 홀들이 같은 직경을 가진다는것에 유의한다.
3) 테이프(6A)의 홀들은 인터레벨 연결 도체에 알맞는 은-팔라듐 페이스트로 채워진다(이 경우에, 채우는 플레이트의 양이 각 페이스트 부분이 각 테이프(6A)의 표면으로부터 볼록한 모양으로 적절하게 튀어나온다).
4) 내부 전극(1a 및 2a)은, 쌓여진 상태의 제1영역에 해당하는 위치(도 12의 왼쪽)에서 각 테이프(6A)의 상부 표면위에 프린트되고, 내부 전극(3a)은, 쌓여진 상태의 제2영역의 끝 부분에 해당하는 위치(도 12의 오른쪽)에 프린트된다. 이러한 내부 전극들은 은-팔라듐 페이스트로부터 형성된다. 이 실시예에서, 명백한대로, 각 내부 전극에 있어서 내포된 구조(이 실시예의 압전 트랜스포머 소자의 특징적 특성인)를 실현하기 위해, 각 테이프(6A)위에 형성된 내부 전극(1a, 2a 및 3a)의 크기는 그들의 가장자리 영역이 테이프(6A)의 가장자리 영역내에 위치하도록 설정된다.
내부 전극(1a 및 2a)의 모양은 이하에서 설명될 것이다. 내부 전극(1a 및 2a)은, 일차측위에서 테이프(6A)의 홀을 채우는 두 개의 인터레벨 연결 도체보다 직경에 있어 큰 홀들이 인터레벨 연결 도체에 연결되었는지 아닌지에 따라 전극내에 형성되는것과 같이 만들어진다. 보다 상세하게는, 주어진 내부 전극이, 인터레벨 연결 도체로 채워진 홀들을 갖는 테이프(6A)위에 프린트될 때, 인터레벨 연결 도체보다 직경에 있어 큰 홀이, 내부 전극에 연결되지 않은 인터레벨 연결 도체중 하나의 상부 영역에 대응하는 위치의 내부 전극내에서 형성된다. 어떤 홀도, 내부 전극에 연결된 다른 인터레벨 연결 도체의 상부 영역에 대응한 위치의 내부 전극내에 형성되지 않는다. 도 13b 및 도 13c가 이 상태를 보인다.
5) 상기 공정을 거친 바람직한 개수의 테이프(6A)가 서로 쌓아올려진다. 예를들어, 도 13d는 도 13b 및 도 13c에 있는 테이프(6A)의 쌓여진 상태를 보인다. 실제로, 다수의 테이프가, 도 13d에 보여진 이 구조의 상부 및 하부 표면상에 쌓여진다.
상술한 단계 1) 내지 3)에서 얻어진 테이프(6A)는, 테이프(6A)에 의해 만들어진 다층 구조의 최상부에 쌓여진다. 인터레벨 연결 도체(8A)에 연결되지 않은 내부 전극(2a)이 프린트된 테이프(6A)는 내부 전극(3a)와 함께, 도 12의 바닥으로부터 제2테이프(6A)와 같이 쌓여진다. 또, 어떤 홀도 갖지 않은 내부 전극((1a 및 3a)이 프린트된 테이프(6A)는 도 12의 최하부 테이프(6A)처럼 합성된 구조의 하부 표면상에 쌓인다.
6) 5)단계에서 얻어진 테이프(6A)는 그리고나서 열압축 결합이 행해지고 1,150℃에서 하소(calcine)된다. 도 13b 및 도 13c에서 보여진 바와 같이, 홀이 형성된 내부 전극의 위치에서 튀어나온 인터레벨 연결 도체 주변에 구멍이 형성된다. 그러나, 그 구멍이, 열압축 결합에 의해 테이프들이 서로 쌓여질 때 인터레벨 연결 도체에 쌓인 테이프(6A)의 압전 멤버들로 채워지기 때문에, 구멍은 없어진다.
7) 은(Ag) 페이스트로부터 형성된 외부 전극(1, 2 및 3)은, 하소에 의해 얻어진 하소된 구조의 상부 표면에 프린트되고, 700℃에서 구워진다. 이 공정으로, 외부 전극(1 및 2)은, 테이프(6A)의 홀을 채우는 인터레벨 연결 도체(8a 또는 8b)를 통해, 아래에 쌓여진 내부 전극(1a 및 2a)에 연결된다. 유사하게, 외부 전극(3)은 테이프(6A)의 홀을 채우는 인터레벨 연결 도체(8c)를 통해 아래에 쌓여진 내부 전극(3a)과 인터레벨 연결 도체(9)에 연결된다.
8) 이 실시예의 압전 트랜스포머 소자는 상기 단계에서 얻어진 압전 트랜스포머 소자를 분극화함으로써 얻어진다.
상술한 바와 같이, 이 실시예의 압전 트랜스포머 소자에 따르면, 일본 특허 출원 번호 8-52553에 공개된 각 내부 전극에 있어서 포함된 구조와 마찬가지로, 외부 전극(1, 2 및 3)만이 소자의 같은 표면에 노출되는 구조가 실현될 수 있다. 덧붙여, 통상의 압전 트랜스포머 소자(도 1)와 같지 않게, 이러한 외부 전극은 입력/출력 전압을 위해 사용되는 터미널에 적합하고, 각 리드 와이어는 납땜이 수행될 수 있는 정도의 영역으로 축소될 수 있다. 따라서, 기본적으로, 이 구조는 케이스에 하우징될 필요가 없고, 그래서 실제 사용할 때 각 외부 전극들과 주변 사이의 접촉을 고려하는 한 취급이 쉽다.
또한, 이 실시예의 압전 트랜스포머 소자는 같은 표면상에 정렬된 각각의 외부 전극을 가진다. 이 때문에, 이 소자를 이용하는 전력 공급 모듈등과 같은 것의 제조 공정에서, 소자는 각 외부 전극으로의 리드 와이어의 매개없이 인쇄 기판등에 직접적으로 탑재될 수 있다. 이것은 부주의한 접촉으로 인한 전기 쇼크를 방지한다. 또한 이 디바이스를 사용하는 제품의 크기가 축소될 수 있고, 제조 공정이 단순해 질 수 있으며, 조립 자동화가 손쉬워진다.
도 11은 케이스에 하우징된, 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자를 보이는 단면도이다. 이 단면도는 도 9의 영역과 같은 영역을 취한다. 도 11에 도시된 바와 같이,압전 트랜스포머 소자가 케이스(7)에 하우징될 때, 리드 와이어(5) 및 납땜 영역(4)은 소자의 아래측에 제공되지 않는다. 도시되지는 않았으나, 외부 전극(3) 또한 외부 전극(1 및 2)의 평면과 같은 평면에 제공된다. 따라서, 가령, 통상의 압전 트랜스포머 소자(도 1)와는 다르게, 케이스의 두께 및 길이가 축소될 수 있다.
[제2실시예]
본 발명의 제2실시예가 도 14 내지 도 17을 참조하여 다음에 설명될 것이다.
도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자의 사시도를 도시하고 있다. 도 15는 도 14의 압전 트랜스포머 소자의 평면도이다.
이 실시예의 압전 트랜스포머 소자는 도 14 및 도 15에서 보인 것과 같은 외양을 가진다. 이 구조의 오른쪽 및 왼쪽 절반은 이제부터 각각 제2 및 제1영역이라고 언급될 것이다. 일차 전극으로서의 외부 전극(21) 및 이차 전극으로서의 외부 전극(20)이 압전 요소(25)의 제1영역의 상부 표면에 형성된다. 일차 전극으로서의 외부 전극(22)은 제1영역의 하부 표면에 형성된다. 제2전극으로서의 외부 전극(23)이 제2영역의 끝 부분에 형성된다.
외부 전극(20)이 이차전극으로서 외부 전극(23)과 함께 사용되기 때문에, 외부 전극(20)의 모양과 면적은 구체적으로 한정될 필요가 없다. 이 실시예에서, 외부 전극(20)은 전극에 흐르는 전류에 대한 전극의 저항을 고려하여 제1영역의 전 표면 위에 있다.
이 실시예의 압전 트랜스포머 소자의 내부 구조가 다음에 설명될 것이다. 도 16은 도 15의 압전 트랜스포머 소자의 라인 G-G'를 따라 취해진 단면도이다. 도 17은 도 15의 압전 트랜스포머 소자의 라인 F-F'를 따라 취해진 단면도이다. 도 17은 또한 주어진 시점에서 압전 요소의 분극 방향을 보인다.
도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 다수의 내부 전극(21a 및 22a)은 제1영역의 내부에 교대로 쌓아올려지고, 내부 전극들 사이의 공간은 압전 요소(25)로 채워진다. 둥근 홀들이 제1실시예에서와 같이, 내부 전극(21a 및 22a)에 형성되고, 그래서 내부전극(21a 및 22a)이 인터레벨 연결 도체(24a 및 24b)를 통해 서로 연결되지 않는것에 유의한다.
다수의 내부 전극(21a)은 인터레벨 연결 도체(24a)를 통해 서로 연결된다. 인터레벨 연결 도체(24a)는 제1영역의 상부 표면을 향해 뻗어나가고 외부 전극(21)과 연결된다. 이와 비슷하게, 다수의 내부 전극(22a)은 인터레벨 연결 도체(24b)를 통해 서로 연결된다. 인터레벨 연결 도체(24b)는 제1영역의 하부 표면을 향해 뻗어나가고 외부 전극(22)에 연결된다. 이러한 구조로서, 전압이 외부 전극들(21 및 22) 사이에 공급될때에도, 도 17에 보이는것과 같이, 외부 전극(20) 및 최상부 내부 전극(21a) 사이의 영역이 분극되지 않는다.
이 실시예에서, 외부 전극(20)이 일차측의 외부 전극(21 및 22)으로부터 절연되기 때문에, 외부 전극(20)과 최상의 내부 전극(21a) 사이의 영역이 분극되더라도 중대한 문제가 발생되지 않는다. 그러나, 만약, 외부 전극(20) 및 최상부 내부 전극(21a) 사이의 영역이 분극화되면, 그 영역은 제1영역의 진동중에 전압을 발생하고, 그 발생된 전압은 이차측의 외부 전극(20 및 23) 사이에 노이즈로서 나타날 것이다. 이 때문에, 이 영역이 분극화되지 않는 것이 바람직하다.
이 실시예의 압전 트랜스포머 소자가 제1영역의 다층 구조에 있어서 도 12의 압전 트랜스포머 소자와 거의 같기 때문에, 제조 공정 및 각 전극에 대한 물질, 상세한 설명이 생략될 것이다. 그러나, 제2실시예의 소자는 다음과 같은 점에서 제1실시예의 소자와 다르다. 내부 전극(21a 및 22a)은 폭방향으로 소자의 옆면에 노출되기에 충분할만큼 크다. 외부 전극(22)은 소자의 최하위 영역에 형성된다. 외부 전극(23)이 접시 모양 전극이기 때문에 외부 전극(23)은, 그 위에 형성된 내부 전극(21a 및 22a)을 구비한 압전 세라믹 테이프가 서로 쌓여지고 하소된 후에 제2영역의 끝 부분에 형성된다.
외부 전극(21)이 형성되는 위치를 다음에 설명할 것이다. 이 실시예에서는, 제1실시예와 유사하게, 리드 와이어와 소자 자체의 벗겨짐, 제거등을 방지하기 위해, 외부 전극(20) 및 인터레벨 연결 도체(24a 및 24b)의 중심이 제1영역의 끝 부분으로부터 L/4(L은 길이 방향으로의 압전 요소(25)의 길이) 에 대응하는 위치, 즉, 압전 트랜스포머 소자의 진동 모드를 구동하는 노드에 대응하는 위치에 놓여진다.
상술한 바와 같이, 이 실시예의 압전 트랜스포머 소자에 따라, 일차측의 외부 전극(21 및 22)은, 일차측에서 발생된 노이즈가 이차측에 영향을 미치는 것을 방지하여 트랜스포머의 좋은 부스팅 특성을 얻도록, 이차측의 외부 전극(22 및 23)으로부터 절연될 수 있다.
이 실시예에서, 내부 전극(21a 및 22a)은 압전 트랜스포머 소자로부터 노출된다. 그러나, 명백한대로, 이들 내부 전극들은 제1실시예에서와 같이 포함될 수 있다.
[제3실시예]
본 발명의 제3실시예가 도 18 내지 도 22를 참조하여 다음에 설명될 것이다.
도 18은 본 발명의 제3실시예에 따른 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자를 보이는 사시도이다. 도 19는 도 18의 압전 트랜스포머 소자의 평면도이다.
이 실시예의 압전 트랜스포머 소자는 도 18 및 도 19에 보인것과 같은 외양을 가진다. 이 구조의 오른쪽 및 왼쪽 절반씩은 각각 제2 및 제1 영역으로 이하에서 언급될 것이다. 일차 전극으로서의 외부 전극(31 및 32)과 이차 전극으로서의 외부 전극(40)은 압전 요소(36)의 제1영역의 상부 표면에 형성된다. 제2전극으로서의 외부 전극(33)은 제2영역의 끝부분에 가까이 형성된다.
외부 전극(40)이 외부 전극(33)과 함께 제2전극으로서 사용되기 때문에, 외부 전극(40)의 모양과 넓이는 구체적으로 한정될 필요가 없다. 이 실시예에서는 제2실시예와는 다르게, 외부 전극(40)이 압전 요소(36)으로부터 노출된 전극 영역을 최소화하기 위해 각 외부 전극(31 및 32)의 크기와 거의 같은 크기를 가진다.
이 실시예의 압전 트랜스포머 소자의 내부 구조가 다음에 설명될 것이다. 도 20은 도 19의 압전 트랜스포머 소자의 라인 H-H'를 따라 취해진 단면도이다. 도 21은 도 19의 압전 트랜스포머 소자의 라인 I-I'를 따라 취해진 단면도이다.
도 20 및 도 21에서 보인바와 같이, 다수의 내부 전극(31a 및 32a)이 차례로 제1영역의 내부에 쌓여지고, 내부 전극들 사이의 공간은 압전 요소(36)로 채워진다. 제1실시예와 비슷하게, 내부 전극(31a 및 32a)이 인터레벨 연결 도체(38a 및 38b)를 통해 서로 연결되지 않도록, 둥근 홀들이 내부 전극(31a 및 32a)에 형성된다.
다수의 내부 전극들(31a)은 인터레벨 연결 도체(38a)를 통해 서로 연결된다. 인터레벨 연결 도체(38a)는 제1영역의 상부 표면을 향해 확장되어 외부 전극(31)에 연결된다.
이와 비슷하게, 다수의 내부 전극들(32a)은 인터레벨 연결 도체(38b)를 통해 서로 연결된다. 인터레벨 연결 도체(38b) 또한 제1영역의 상부 표면을 향해 확장되어 외부 전극(32)에 연결된다.
제1실시예의 도 9에 도시된 구조와 비슷하게, 부스팅된 높은 AC 전압을 추출하기 위한 리드 전극에 알맞는 그물 모양의 이차 전극들 및 외부 전극(33)(상세한 설명 및 그에따른 도시는 생략될 것이다)이 길이 끝 부분 근처의 위치에서 제2영역에 형성된다.
이 실시예의 압전 트랜스포머 소자가 제1영역의 다층 구조에 있어서 도 12의 압전 트랜스포머 소자와 거의 같기 때문에, 제조 공정 및 각 전극에 대한 물질, 그에따른 상세한 설명이 생략될 것이다. 외부 전극(40)은, 그위에 형성된 내부 전극(31a 및 32a)을 갖는 압전 세라믹 테이프가 서로 쌓이고 하소된 후에 외부 전극(21 및 32)을 형성하는 단계에서 형성될 것이다.
외부 전극(31, 32 및 40)이 형성되는 위치가 다음에 설명될 것이다. 이 실시예에서, 제1실시예와 비슷하게, 리드 와이어 및 소자 자체의 벗겨짐, 이탈등을 방지하고 진동의 감쇠 또한 방지하기 위해, 외부 전극(31, 32 및 40) 및 인터레벨 연결 도체(28a 및 28b)의 중심들이 제1영역의 끝부분으로부터 L/4(L은 길이 방향 압전 요소(36)의 길이)에 해당하는 위치, 즉, 압전 트랜스포머 소자의 구동 진동 모드의 노드에 대응하는 위치에 놓여진다.
도 22는 케이스에 하우징되는, 본 발명의 제3실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자를 보이는 단면도이다. 도 22의 단면은 도 21의 단면과 같다. 도 22에 보여진 바와 같이, 이 압전 트랜스포머 소자가 도 11에 도시된 구조에서와 같이 케이스(37)에 하우징될 때, 어떤 리드 및 납땜 영역도 소자의 아래쪽에 제공되지 않는다. 이런식으로 케이스에 하우징되는 중 소자가 사용될 때, 외부 전극(40)은 그 안에 흐르는 전류에 대한 외부 전극(40)의 저항을 고려하여 외부 전극(31 및 32)의 접촉을 피하면서 H 형으로 제1영역의 전 표면위에 형성된다.
상술한 바와 같이, 이 실시예의 압전 트랜스포머 소자에 따르면, 외부 전극(31, 32, 40 및 33)만이 소자의 같은 표면위에 노출된 구조가 실현될 수 있다. 따라서, 제1실시예의 효과(잇점)에 덧붙여, 일차측의 외부 전극(31 및 32)이 이차측의 외부 전극(33 및 40)으로부터 전기적으로 절연될 수 있기 때문에, 제3실시예의 소자는 제2실시예의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 좋은 특성을 갖는 다루기 쉬운 압전 트랜스포머 소자가 실현될 수 있다.
[제4실시예]
본 발명의 결과에 따르면, 상술한 각 실시예의 압전 트랜스포머 소자와 같은 인터레벨 연결 도체를 일체화하는 압전 트랜스포머 소자에서, 내부 전극들과 비슷한 인터레벨 연결 소자는 압전 트랜스포머 소자의 진동을 감쇠하고 부스팅율(전환 효율)을 감소시키는 경향이 있다. 이 실시예에서는, 그래서, 높은 견고성을 가진 인터레벨 연결 도체 및 내부 전극들이 상술한 각 실시예에서의 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자에 대해 사용되고, 각 인터레벨 연결 도체의 직경은 소정 값 또는 그보다 작도록 정해지며, 그에 따라 압전 트랜스포머 소자의 기계적 진동의 감쇠를 억제할 수 있다. 이 실시예에서 이하에 설명될 내부 전극 물질은 일반적인 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자에 적용될 수 있다. 따라서, 이들 물질은 일반적 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자에 적용될 수 있고, 도 23 내지 도 29를 참조하여 아래에 설명될 것이다.
[실시예의 설명]
이 실시예의 내부 전극 물질이 적용될 일반적인 압전 트랜스포머 소자의 구조는 먼저 도 23 내지 도 25를 참조하여 설명될 것이다.
도 23은 본 발명의 제4실시예의 내부 전극 물질이 적용될 수 있는, 일반적인 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자를 보이는 사시도이다. 이 소자는 로젠(Rosen)형 압전 트랜스포머 소자의 예이다.
다층 구조의 압전 트랜스포머 소자(51)는 도 23에 보인 것과 같은 외양을 가진다. 도 23에서, 이 구조의 오른쪽 및 왼쪽 절반씩은 각각 제2 및 제1영역으로 언급될 것이다.
제1영역에서, 세라믹 압전 멤버들(57) 및 내부 전극들(56a 및 56b)은 교대로 쌓여진다. 쌓여진 세라믹 압전 멤버들의 개수는 내부 전극들의 개수보다 1만큼 크다. 일차 전극으로서의 외부 전극들(54)은 제1영역의 상부 및 하부 표면에 형성된다. 이차 전극으로서의 외부 전극(55)은 제2영역의 끝 부분에 형성된다. 제1영역은 두께 방향으로(도 23의 수직방향) 분극화되고, 제2영역은 길이 방향(도 23의 수평방향)으로 분극화된다.
제1영역에서, 내부 전극들(56a 및 56b)은 상술한 각 실시예에서와 같은 방법으로 연결된다. 즉, 서로 쌓여져 있는 번갈아 있는 내부 전극들(56a 및 56b)은 전기적으로 연결되고, 그러므로 전기적으로 서로 절연된 두 개의 내부 전극 그룹이 형성된다. 두 개의 내부 전극 그룹은 각각 제1영역의 상부 및 하부 표면의 전극들(54)에 전기적으로 연결된다.
압전 트랜스포머 소자(51)의 제1영역에서, 내부 전극(56a 및 56b) 및 세라믹 압전 멤버(57)는 같은 납작한 모양을 가지며, 내부 전극(56a 및 56b)은 같은 납작한 모양을 가지며, 내부 전극(56a 및 56b)은 소자의 옆면에 노출된다. 두 내부 전극 그룹으로서 다수의 내부 전극(56a 및 56b)에 연결되기 위한 인터레벨 연결 도체(58)는 제1영역의 끝 부분에서의 두 코너 부분에 형성된다. 이 경우, 끝 부분의 코너 영역에서 각 내부 전극(56a 및 56b)의 두 코너 영역중 하나가 직각의 삼각형 모양으로 베어지고(noched)(명확하게, 베어진 모양이 직각 삼각형으로 한정되지 않는다), 내부 전극(56a 및 56b)의 베어진 코너는 반대측에 놓여진다. 따라서, 코너 영역을 갖는 내부 전극들만이 인터레벨 연결 도체(58)에 연결된다. 각 인터레벨 연결 도체(58)는 대응하는 외부 전극(54)에 전기적으로 연결된다. 이러한 구조로, 내부 전극(56a 및 56b)은 두 개의 내부 전극 그룹을 구성한다.
이 실시예에서 설명된 내부 전극 물질은 도 22에 도시된 구조를 가지는 압전 트랜스포머 소자 뿐 아니라 다음에 설명할 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자에도 적용될 수 있다.
도 24는 본 발명의 제4실시예의 내부 전극 물질이 적용될 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자의 길이방향 단면도이다(이 단면도는 인터레벨 연결 도체(59)를 따라 취해진다는것에 유의한다). 도 25는 도 24의 압전 트랜스포머 소자의 단면도로서, 폭방향으로 인터레벨 연결 도체(59)를 따라 취해진다.
도 24 및 도 25의 외부 전극(54) 및 내부 전극들(56a' 및 56b')은 상술한 도 23에 도시된 압전 트랜스포머 소자에서와 같은 방식으로 서로 전기적으로 연결된다. 인터레벨 연결 도체(59), 각각의 내부 전극들 및 각각의 외부 전극들 사이의 연결 구조가 도 23의 구조와 다름에 유의하라. 이 연결 구조는 아래에 설명될 것이다.
제1영역에서, 두 개의 인터레벨 연결 도체(59)가 소자안에 형성되고, 각 층위의 내부 전극들(56a' 및 56b')은 인터레벨 연결 도체(59)에 연결된다. 도 25에 도시된 바와 같이, 내부 전극들(56a' 및 56b')은 교대로 쌓여지고, 같은 유형의 내부 전극들, 즉, 번갈아 있는 층들은 인터레벨 연결 도체(59)를 통해 서로 연결된다. 홀들이 각각의 내부 전극들에서 형성된다. 이 구조로서, 두 개의 내부 전극 그룹이 형성된다. 상술한 각 실시예에서와 같이, 두 인터레벨 연결 도체(59)가, 압전 트랜스포머 소자의 구동 진동 모드의 노드에 해당하는 위치에서 형성되는 것이 바람직하다.
압전 트랜스포머 소자의 공진 주파수는 재료 및 진동방향으로의 길이에 대응한다. 공진 주파수에 해당하는 주파수를 가지는 AC 전압이 상기 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자의 두 개의 외부 전극들(54) 사이에 공급될 때, 압전 트랜스포머 소자는 역 압전 효과 때문에, 그 공진 주파수에서 기계적으로 진동함으로써 정상파(standing wave)를 발생한다. 압전 트랜스포머 소자가 λ 모드로 진동할 때, 정재파(stationary wave)의 노드들은 디바이스의 두 끝 부분으로부터 소자의 1/4길이(디바이스의 길이가 L로 나타날 때, L/4)에 해당하는 위치에 놓여진다. 정상파에 의해 발생되는 압전 효과 때문에, AC 전압은 외부 전극들(54) 및 외부 전극(55) 사이에서 발생된다. 일반적인 압전 트랜스포머 소자는 입력 전극 및 출력 전극 사이의 거리가 일차측의 입력 전극들 사이의 거리보다 크도록 형성된다. 이 때문에, 입력 및 출력 전극들 사이에 발생되는 전압은 입력 전극들 사이에 공급되는 전압보다 높다.
이 실시예에서, 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자는 일반 소자의 디멘젼과 같은 디멘젼, 즉, 길이가 약 10 내지 50mm, 폭이 약 2 내지 15mm 및 두께가 약 0.3 내지 5mm을 가진다. 제1영역에서, 각각이 약 50 내지 300㎛의 두께를 갖는 약 5 내지 50개의 압전 층이 각각 쌓인다.
(내부 전극 물질들)
세라믹 유전 물질들이 서로 쌓아올려질 때, 은, 은-팔라듐 혼합, 은-플래티늄(Pt) 혼합, 팔라듐, 플래티늄, 구리, 니켈등이 전극 물질로서 사용된다. 그러나, 압전 트랜스포머 소자에 사용되는 납 기반의 압전 물질(납(Zr, Ti) O3)이 사용될 때, 이 압전 물질은 1,000℃ 또는 그 이상의 산소 대기중에서 하소되게 되어 있다. 만약, 그래서, 전극 물질이 그러한 압전 물질같은 것과 함께 하소되게 된다면, 은, 구리 및 니켈이 사용될 수 있다. 플래티늄이 비싸기 때문에, 이 물질은 혼자서 거의 사용될 수 없고, 은-플래티늄 혼합과 같은 도체나 은-플래티늄 혼합이 일반적으로 사용된다.
이 실시예에서, 각 내부 전극들(56a 및 56b(56a' 및 56b'))은 20 내지 80% wt의 팔라듐을 포함한 은-팔라듐 혼합으로 이뤄진다.
각 내부 전극들의 두께는 Qm(기계적 퀄리티 상수)에 영향을 준다. 이 영향의 정도가 압전 트랜스포머 소자 자체 및 쌓여진 내부 전극들 개수의 디멘젼에 종속되지만, 각 내부 전극의 두께는 상기 일반적인 디멘젼과 쌓인 내부 전극들의 개수를 사용하는 이 실시예에서 1 내지 5㎛로 정해진다.
Qm은 아래에 설명될 것이다. 압전 트랜스포머 소자의 전환 효율은 소자의 Qm과 밀접하게 관련된다. 즉, Qm이 다른 상수의 어떤 변화없이 증가하면, 에너지 손실은 감소하고, 전환 효율은 증가한다. 에너지 손실과 Qm 사이의 그러한 관계는 로젠형 압전 트랜스포머 소자의 부스팅율에 대한 공식으로부터 도출된다.
Qm은 또한 적용된 진동의 감쇠에 대한 저항을 나타낸다. 적용된 진동의 감쇠에 대한 저항이 증가하면, 진동을 유지하기 위해 요구되는 에너지는 감소한다. 결국, 전환 효율이 증가한다.
일반적으로 높은 Qm을 가지는 물질이 압전 트랜스포머 소자에 쓰이는 각 압전 멤버를 위한 물질로서 사용된다. 만약, 예를들어, 납-지르콘산염-티탄산염 기반의 압전 세라믹 물질이 사용되어야 하면, 세라믹 물질에 미량의 철이나 망간을 더함으로써 높은 Qm을 가지는 압전 물질이 얻어질 수 있다.
(세라믹 압전 멤버)
압전 요소를 위한 세라믹 물질로서, 예를들어, 납-지르콘산염-티탄산염-기반의(PZT-기반의) 세라믹물질이 일반적으로 사용된다. 이 실시예에서는, 그러나, 전환 효율(부스팅율)을 증가시키기 위해 은-팔라듐 혼합이 사용된다. 보통, 은-팔라듐 혼합은 은-플래티늄 혼합보다 높은 견고성을 가진다. 그러나, 만약 은-팔라듐 혼합이 20wt% 보다 적은 팔라듐을 포함한다면, 각 인터레벨 연결 도체(전극)의 빈약한 견고성으로 인해, Qm이 감소될 것이다. 결국, 전환 효율의 증가는 억제된다. 팔라듐 양이 80 wt%를 초과할 때, 하소된 도체는 밀도에서 감소된다. 결국, Qm이 감소하고, 따라서 전환 효율의 증가는 달성될 수 없다.
이 실시예에서, 20 wt% 이상 및 80 wt% 이하의 팔라듐을 포함한 은-팔라듐 혼합이 세라믹 압전 멤버(57)를 위한 물질로서 사용된다.
만약 은-팔라듐 도체가 세라믹 압전 멤버들 사이에 삽입되면, Qm은 기본적으로 단일 세라믹 압전 멤버에 비해 감소한다. 상기 치수 및 내부 전극들의 개수를 가지는 압전 트랜스포머 소자에서, 만약 각 인터레벨 연결 도체가 5㎛ 보다 두껍다면, 이 Qm의 감소는 무시될 수 없고, 전환 효율의 감소는 허용가능한 범위밖에 있게 된다. 이것과는 반대로, 각 내부 전극이 1㎛ 보다 얇다고 가정하고, 다수의 내부 전극들이 세라믹 압전 멤버들과 함께 하소될 때, 내부 전극 물질은 표면 장력 때문에 둥글게 휘어지려는 경향이 있다. 결국, 내부 전극 물질은 그물모양이 되고, 연속적인 접시 모양 도체가 얻어질 수 없다. 만약 그런 상태의 내부 전극이 사용된다면, 각각의 내부 전극들 사이의 세라믹 압전 멤버들에 균일한 전계가 적용될 수 없다. 결국, 충분한 전기-기계 에너지 전환 함수가 얻어질 수 없고 전환 효율은 안좋아진다.
(인터레벨 연결 도체)
각각의 내부 전극들(두개의 내부 전극 그룹)의 전기적 연결이 인터레벨 연결 도체들을 사용하여 실현되어져야 할 때, 소자(세라믹 압전 멤버들)의 진동은 인터레벨 연결 도체에 의해 감쇠되고, 전환 효율은 내부 전극들의 상기 경우에 있어서 같은 이유 때문에 감소한다. 또, 만약 각 인터레벨 연결 도체의 직경이 증가하면, 각 세라믹 압전 요소의 진동이 보다 쉽게 감쇠한다. 이와는 반대로, 각 인터레벨 연결 도체의 직경이 감소하면, 각 인터레벨 연결 도체 자체의 도전 저항이 무시되기에는 너무 크게되고, 전 세라믹 압전 멤버들의 임피던스가 증가한다. 결국, Q값이 감소하고, 따라서 전환 효율이 그만큼 감소한다.
이 실시예에서, 인터레벨 연결 도체(59) 자체는 20 wt% 이상 80 wt% 이하의 팔라듐을 포함하는 은-팔라듐 혼합으로 구성되고 20㎛ 이하의 직경을 가진다.
인터레벨 연결 도체들이 내부 전극들을 상기 방식으로 서로 연결하도록 사용될 때, 인터레벨 연결 도체들은 압전 트랜스포머 소자의 제1영역의 평면내 임의의 위치에 놓여질 수 있다. 그러나, 그것들은 소자의 진동 노드에 대응하는 위치에 놓여지는 것이 바람직하다. 인터레벨 연결 도체들을 소자가 최소 진동하는 위치에 위치시킴으로써, 인터레벨 연결 도체들로 인한 소자의 진동의 감쇠는 최소화된다. <다층 구조를 가지는 압전 트랜스포머 소자의 제조 방법>
상기 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자의 제조 방법은 구체적으로 한정되지 않는다. 그러나, 소자는 저온 하소된 다층 세라믹 기판을 제조하는 알려진 방법을 사용함으로써 제조되는 것이 바람직하다. 저온 하소된 다층 세라믹 기판을 제조하는 방법을 사용하여 이 실시예에 따른 압전 트랜스포머 소자를 제조하는 방법이 이하에서 간단하게 설명될 것이다.
도 23에 도시된 압전 트랜스포머 소자에 대한 제조 공정이 먼저 설명될 것이다. 도 23에 보여진것과 같은 인터레벨 연결 도체들(인터레벨 연결 도체들(58))을 사용하여 내부 전극이 전기적으로 서로 연결될 때, 압전 세라믹 테이프들이 닥터 블레이드 방법등에 의해 먼저 형성되고, 그리고나서 바람직한 평면 디멘젼을 갖는 소자를 얻도록 절단된다. 이런 경우, 각 압전 세라믹 테이프의 절단 크기는, 다수의 압전 세라믹 테이프를 쌓음으로써 형성되는 다층 구조를 절단함으로써 다수의 압전 트랜스포머 소자들을 얻도록 다량 생산을 고려한, 바람직한 개수의 압전 트랜스포머소자 어레이의 전체 길이로 정해질 수 있다.
내부 전극에 대한 도체 페이스트는 각 압전 세라믹 테이프의 표면에, 그물모양 마스크를 사용함으로써 상기 내부 전극의 형태로 프린트된다. 이 경우에, 이 실시예에 따르면, 직각 삼각형 모양의 베어진 영역은, 압전 트랜스포머 소자의 제1영역의 길이방향 끝 부분의 코너 부분중 한 곳에서 각 내부 전극에 형성된다. 명백한대로, 도 23에 도시된 압전 트랜스포머 소자에서, 내부 전극은 서로다른 위치에서 코너 부분을 베어냄으로써 형성된 두 유형의 베어낸 패턴을 갖는다.
이들 두 패턴을 갖는 내부 전극이 프린트된 압전 세라믹 테이프는 바람직한 같은 개수에 의해 교대로 서로 쌓아 올려진다. 거기에 프린트된 내부 전극을 갖지 않은 압전 세라믹 테이프는 궁극적인 다층 구조의 상부 표면에 쌓여진다. 그 쌓여진 내부 전극들을 갖는 압전 세라믹 테이프들은 열압력 결합이 행해져서 하소된다.
결국, 궁극적인 구조가, 가령, 필요하다면, 절단 및 연마(polishing) 처리되고, 은 페이스트가 구워진다. 이러한 처리로, 외부 전극(54 및 55) 및 인터레벨 연결 도체(54)가 형성되고, 분극이 수행된다.
상기 제조 공정으로, 도 23의 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자가 얻어진다.
도 24 및 도 25에 도시된 압전 트랜스포머 소자에 대한 제조 공정이 다음에 설명될 것이다. 도 24 및 도 25에 도시된 바와 같이, 각각의 내부 전극들이 인터레벨 연결 도체들을 통해 서로 연결되는 구조의 경우, 압전 세라믹 테이프는 닥터 블레이드 방법등에 의해 먼저 형성되고, 바람직한 평면 디멘젼을 가지는 소자를 얻도록 절단된다. 또, 인터레벨 연결 도체가 채워진 각각의 테이프들의 위치에 홀들이 형성된다. 이 경우 마찬가지로, 각 압전 세라믹 테이프의 절단 크기는, 다수의 압전 세라믹 테이프를 쌓음으로써 형성된 다층 구조를 절단함으로써 다수의 압전 트랜스포머 소자를 얻도록 대량 생산을 고려한, 바람직한 개수의 압전 트랜스포머 어레이의 전체 길이로 정해질 수 있다.
도 26은 본 발명의 제4실시예에 따라 홀들이 형성된 압전 세라믹 테이프를 보인다. 도 26을 참조하면, 8개의 홀들(61)이 압전 세라믹 테이프(60)에 쌍들로 형성된다. 만약, 그래서, 다수의 압전 세라믹 테이프(60)를 쌓고 하소시킴으로써 얻어진 다층 구조가 절단되면, 4개의 압전 트랜스포머 소자가 얻어질 수 있다.
인터레벨 연결 도체 페이스트는 금속 마스크등을 사용한 프린트 방법에 의해 이들 홀 각각에 채워진다. 도 27은 이 상태를 보인다. 도 27은 본 발명의 제4실시예에서 인터레벨 연결 도체 페이스트(62)가 각 압전 세리믹 테이프에 채워진 상태를 보이는 부분 단면도이다.
결국, 내부 전극 페이스트는 그물 마스크를 사용함으로써 내부 전극(56a' 및 5b')의 모양으로 각 압전 세라믹 테이프 위에 프린트된다. 도 28 및 도 29는 이 상태를 보인다.
도 28 및 도 29는 본 발명의 제4실시예에서 내부 전극들(56a' 및 5b')이 압전 세라믹 테이프(60)위에 프린트된 상태들을 보인다. 도 28 및 도 29에서 보여진 바와 같이, 둥근 홀들은, 인터레벨 연결 도체들이 해당 내부 전극들에 연결되지 않도록 내부 전극들(56a' 및 5b')에 형성된다. 예를들어 도 28에 도시된 경우에서, 홀이 각 내부 전극(56a')의 상부 왼쪽 부분에 형성되기 때문에, 내부 전극(56a')와 인터레벨 연결 도체(62) 사이에 절연이 유지된다. 홀이 각 내부 전극(56a')의 상부 오른쪽 부분에 형성된다. 따라서, 이 내부 전극이 테이프(60)에 프린트될 때, 내부 전극은 이 영역에서 인터레벨 연결 도체(62)에 연결된다.
도 28 및 도 29에 보인 상술한 상태의 다수의 압전 세라믹 테이프는 만들어져서 교대로 서로 쌓아 올려진다. 한 개의 홀이, 소자가 완성되었을 때 외부 전극(54)과의 연결을 허용하기 위해 궁극적인 다층 구조의 최상부 표면에 형성되고, 그위에 프린트된 내부 전극을 갖지 않는 압전 세라믹 테이프가 그 구조위에 쌓인다.
쌓여진 압전 세라믹 테이프들은 열압축 결합을 거치고 하소된다. 그리고나서 그 결과의 구조는 필요하면 절단과 연마같은 처리를 거치게된다. 외부 전극(54 및 55)은 은 페이스트를 구움으로써 형성되고, 그 결과 구조는 분극화된다.
상기 제조 공정으로, 도 24 및 도 25에서 보인 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자가 얻어진다. 각 실시예의 압전 트랜스포머 소자가 기본 공정으로서 상기 제조 공정을 이용하여 대량 생산된다는 것에 주목하라.
<예의 설명>
도 23의 제4실시예의 압전 트랜스포머 소자 및 도 24 및 25의 압전 트랜스포머 소자의 비제한적인 예 및 비교 예가 다음에 설명될 것이다.
도 23의 압전 트랜스포머 소자의 예 1 내지 예 5 및 비교예 1 내지 비교예 5가 도 30을 참조하여 먼저 설명될 것이다.
(예 1 내지 예 5)
납(Zr, Ti)-O3기반의 압전 물질 파우더의 100 중량부는 볼 밀(ball mill)을 사용하여, 슬러리를 준비하기 위해 25중량부의 물 및 10 중량부의 유상제(emulsion) 타입의 아크릴 베이스의 접합제 비율로 혼합되어졌다. 테이프는, 건조된 후 130㎛ 두께를 가지고, 하소된 후 약 100㎛의 두께를 가지도록 닥터 블레이트 유니트를 사용하여 슬러리로부터 형성되었다.
그 결과의 테이프는 100mm 길이 및 100mm 폭의 사각형으로 절단되었다. 그리고나서, 테이프는 인쇄 프레임 위에 고정되었고, 도 30의 무게 비율의 은 및 팔라듐을 포함하는 내부 전극이, 스크린 마스크를 사용하여, 압전 트랜스포머 소자의 제1영역에 대응하는 테이프 영역에 프린트되었다. 내부 전극은, 내부 전극들을 쌓고, 그 쌓인 구조를 하소시키고, 그 구조를 절단함으로써 얻어진 다층 구조의 제1영역의 길이 방향 끝 부분의 코너 부분들중 하나에서 두 개의 2mm 길이 변을 갖는 직각 삼각형의 형태로 베어진 부분이 각 내부 전극에 형성되도록, 두 패턴 유형에 따라 프린트되었음에 유의한다.
또, 내부 전극은 스크린 마스크의 유상액의 두께 및 페이스트의 고체 내용물이 바뀌는 동안에 프린트되어, 하소후 도 30의 소정 두께를 갖는 내부 전극을 형성한다.
결국, 상기 두 유형의 패턴을 갖는 내부 전극이 인쇄된 테이프들이 각각 10층으로 교대로 쌓이고, 그위에 인쇄된 어떤 내부 전극도 갖지 않는 상기 테이프와 같은 압전 세라믹 테이프는 내부 전극이 노출된 결과 구조의 표면에 쌓여졌다.
그 결과의 구조는 100℃ 및 30Mpa에서, 열압축 결합을 거치고, 두 시간동안 대기중에서 1,150℃ 로 하소되었다.
그 결과의 하소된 구조는 48mm 길이 및 10mm 폭으로 절단되었고, 제1영역의 상부 및 하부 표면상의 외부 전극들(54) 및 제2영역의 길이방향 끝 부분의 외부 전극(55)은 은 페이스로 프린트되고 700℃에서 구워졌다. 외부 전극들(54)에 있어서, 각각의 인접한 내부 전극들이 수평으로 반대의 패턴들을 갖도록, 직각 삼각형 모양으로 똑같이 베어진 영역들이 형성되었다. 또, 외부 전극들(54 및 55)과 비슷하게, 각각이 폭방향 및 길이 방향 모두로 1mm의 폭을 가지는 인터레벨 연결 도체들(58)이 700℃에서 두께 방향의 제1영역의 길이 방향 끝 부분의 두 개의 코너 영역의 전체 외부 영역위에 은 페이스트를 가지고 인쇄되었다.
이 공정으로, 도 23에 보여진 바와 같이, 외부 전극들에 전기적으로 연결된 내부 전극들을 가진 분극화 전의 소자가 얻어졌다.
분극 전 이 소자의 제1영역은 공기중에서 250℃ 및 0.8MV/m(19kV/24mm)의 전계의 세기에서 분극화되었다. 제2영역에서, 입력 전극(외부 전극(54))은 단락 되고, 공기중에서 250℃ 및 0.8MV/m(19kV/24mm)의 전계의 세기에서 분극화되었다.
상기 공정으로, 도 23의 실시예에 따른 다층 타입 압전 트랜스포머 소자들이 얻어졌다.
50-kΩ 부하 저항, 전류계(ammeter) 및 전압계가, 이 방법으로 얻어진 각 다층 타입 압전 트랜스포머 소자의 출력측과 연결되었고, 파워 서플라이, 전류계 및 전압계가 입력측에 연결되었다. 이 상태에서, 소정 출력이 2W를 유지하는 동안 출력 전력이 측정됨으로써 전환 효율을 산출한다. 도 30은 그 결과를 보인다.
전환 효율이 측정된 후, 각 다층 타입 압전 트랜스포머 소자는 절단되었고 각 내부 전극의 두께가 측정되었다. 그 결과, 각 내부 전극이 소정 값을 가짐이 확인되었다.
(비교예 1 내지 비교예 5)
다층 타입 압전 트랜스포머 소자들은, 내부 전극이 도 30에서의 두께를 가지도록 예에서와 같은 방법으로 도 30의 은/팔라듐 조성 비율을 사용하여 제조되었다.
각 소자들의 전환 효율은, 도 30의 예에서 결과를 보인것과 같이, 내부 전극의 두께와 함께 측정되었다.
도 30에 보인 결과로부터 명백한 것과 같이, 내부 전극의 은/팔라듐 비율이 80/20 내지 20/80의 범위내에 있게될 때, 두께는 1 내지 5㎛의 범위내에 있게되고, 압전 트랜스포머 소자들의 전환 효율은 85% 이상이 된다. 분명하게, 상기 값들이 범위밖에 있는 비교예와 비교할 때, 전환 효율의 향상이 이뤄질 수 있다.
도 24 및 도 25에 도시된 압전 트랜스포머 소자의 예 6 내지 예 12 및 비교예 6 내지 비교예 12가 도 31을 참조하여 다음에 설명될 것이다.
(예 6 내지 예 12)
납(Zr, Ti))-O3기반의 압전 물질 가루 중량부 100이, 물 중량부 25 및 유상액 타입의 아크릴 기반의 접합제 중량부 10 비율로, 볼 밀을 사용하여 슬러리를 준비하기 위해 혼합되었다. 테이프는, 건조된 후 두께 130㎛, 하소된 후 약 100㎛의 두께를 가지도록 슬러리로부터 닥터 블레이드 유니트를 사용하여 형성되었다.
그 결과의 테이프는 100mm 길이 및 100mm 폭의 사각형으로 절단되었다. 그리고나서, 테이프는 인쇄 프레임에 넣어지고, 인터레벨 연결 도체로 채워질 둥근 홀들은, 각 홀들이 하소후 도 31에 도시된 직경을 갖도록 펀칭 유니트를 사용하여, 소정 위치에서 테이프에 형성되었다. 홀들은 소자의 길이방향 끝 부분, 즉, 하소 및 절단후 λ 모드에서 진동하는 모드의 진동 노드에 대응하는 위치로부터 12mm 위치에서 2-mm 간격으로 정렬되었다.
상기 홀들은 그리고나서 금속 마스크를 사용한 프린팅 방법을 사용하여, 유기 접합제등을 도 31에 도시된 바와 같은 서로다른 합성 비율의 은-팔라듐 혼합에 더함으로써 얻어진 인터레벨 연결 도체 페이스트로 채워졌다. 그 결과의 구조는 건조되었다. 인터레벨 연결 도체들과 같은 은/팔라듐 비율에서 형성된 내부 전극들은, 어떤 내부 전극도 절단 테이프의 옆 표면으로부터 튀어나오지 않도록 스크린 마스크를 이용하여, 인터레벨 연결 도체 페이스트로 채원진 홀들을 가진 압전 세라믹 테이프들위에 프린트되었다. 도 28 및 도 29에 도시된 상기 형태에서, 각 내부 전극은 전극이 하소후 23.5mm 길이 및 9mm 폭이 되도록 프린트되었고, 해당 인터레벨 연결 도체와 같은 센터를 갖는 둥근 홀을 가지며, 인터레벨 연결 도체보다 직경에서 1mm 길다.
결국, 내부 전극들은 스크린 마스크의 유상액 및 페이스트의 도체 내용물의 두께가 변하는 동안 프린트됨으로써 도 31의 소정 두께를 갖는 내부 전극들을 형성한다.
도 29에 보인것과 같은 10개의 패턴 및 도 28에 보인것과 같은 9개의 패턴들은, 내부 전극 형성 표면이 상부 표면이 되고 도 29에 도시된 것과 같은 패턴이 최상부 표면이 되도록 서로 교대로 쌓여졌다. 그 위에 형성된 우측위의 인터레벨 연결 도체만을 가지는(그위에 프린트된 내부 전극이 없는) 압전 세라믹 테이프는 다층 구조의 최상위 표면에 쌓여졌다. 도 28에 도시된 것과 같은 우측위의 인터레벨 연결 도체가 형성된 압전 세라믹 테이프는 다층 구조의 최하우 표면에 쌓여졌다.
각 다층 구조는 100℃ 및 30Mpa에서 열압축 결합을 거지고, 두 시간 동안 공기중에서 1,150℃로 하소되었다.
이들 샘플들은 그리고나서 내부 전극들이 측면에 노출되지 않도록 길이 48mm 및 폭 10mm로 잘려졌다. 은 페이스트를 가지고, 외부 전극들(54)은 각 샘플의 제1영역의 상부 및 하부 표면에 프린트되었고, 외부 전극(55)은 제2전극의 길이방향 끝 부분에 프린트되었다. 그 결과의 구조는 700℃에서 구워졌다. 결국, 각가이 도 24 및 도 25에 도시된 것과 같은 구조를 가진, 분극화전의 압전 트랜스포머 소자가 얻어졌다.
분극화전의 각 소자의 제1영역(다층 측부)은 공기중에서 250℃및 전계의 세기 3MV/m(300V/100㎛)로 분극화 공정을 거쳤다. 제2영역에서, 입력 전극(외부 전극(54))은 단락되고 공기중에서 250℃및 전계의 세기 3MV/m(300V/100㎛)로 분극화되었다.
상기 공정으로, 도 24 및 도 25의 실시예에 따른 다층 타입 압전 트랜스포머 소자들이 얻어졌다.
50-kΩ 부하 저항, 전류계 및 전압계가 각 다층 타입 압전 트랜스포머 소자의 출력측에 연결되었고, 파워 서플라이, 전류계 및 전압계가 입력측에 연결되었다. 이 상태에서, 입력 전력과 출력 전력이 소정 출력이 2 W에서 유지되는 동안 측정됨으로써 전환 효율을 산출하였다. 도 31은 그 결과를 보인다.
전환 효율이 측정된 후, 각 타층 타입 압전 트랜스포머 소자가 절단되었고, 각 홀의 직경과 각 내부 전극의 두께가 측정되었다. 그 결과, 각 값은 소정의 값이었다.
(비교예 6 내지 비교예 12)
다층 타입 압전 트랜스포머 소자들은 내부 전극들이 도 31의 두께를 가지도록, 예 6 내지 예 12에서와 같은 방식으로 도 31의 은/팔라듐 혼합 비율을 사용하여 제조되었다.
각 디바이스의 전환 효율은, 예 6 내지 예 12에서와 같은 내부 전극의 두께 및 홀의 직경과 함께 측정되었다. 도 31은 그 결과를 보인다.
도 31에서 보인 결과로부터 명백하듯이, 내부 전극의 두께가 1 내지 5㎛ 범위 내에 있고, 인터레벨 연결 도체의 직경이 50 내지 200㎛ 범위 내에 있는 동안, 내부 전극들의 은/팔라듐 비율이 80/20 내지 20/80의 범위내에 있을 때, 압전 트랜스포머 소자의 전환 효율은 85% 이상이된다. 즉, 분명히, 상기 범위밖에 있는 비교 예와 비교할 때, 전환 효율에 있어 중대한 개선이 이뤄질 수 있다.
상술한 바와 같이, 다층 구조를 갖는 압전 트랜스포머 소자가 이 실시예의 내부 전극 재료 및 인터레벨 연결 도체를 사용하여 형성되면, 좋은 전환(부스팅) 특성을 갖는 압전 트랜스포머 소자가 실현될 수 있다. 따라서, 소자는 비슷한 출력 용량을 갖는 통상의 압전 트랜스포머 소자와 비교할 때 크기에서 축소될 수 있다.
명백한 바와 같이, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하는 상술한 각 실시예에 국한되지 않으며, 실시예들의 조합이 발명의 범주에 포함된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 안전성을 보장하고, 다루기 쉽고, 트랜스포머로서 좋은 특성을 보이는 압전 트랜스포머 소자가 제공된다.
또한 높은 전환 효율을 갖는 압전 트랜스포머 소자, 자동 제조 공정에서 다루기 쉬운 압전 트랜스포머 소자 및 전기적으로 서로 절연된 일차측 및 이차측을 가지고 좋은 변압 특성을 보이는 압전 트랜스포머 소자가 제공된다.
본 발명의 많은 명백하고 광범위하게 다른 실시예들이 그에따른 취지 및 범위에서 벗어나지 않고 이뤄질 수 있으며, 첨부된 청구항에서 정의된 것을 제외하고, 발명이 그에따른 구체적인 실시예들에 국한되지 않는다는 것이 이해되어야한다.

Claims (26)

  1. 각각이 필수적으로 20 내지 80 wt%의 팔라듐을 포함하는 은-팔라듐(Ag-Pd) 혼합으로 구성되고 1 내지 5㎛의 두께를 가지는 내부 전극들(56a 및 56b)과 세라믹 압전 멤버들이 서로 교대로 쌓여진 입력 영역을 포함함을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자(6A, 57)
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 입력 전극(56a' 및 56b')은,
    상기 압전 트랜스포머 소자에 포함되고, 상기 압전 트랜스포머 소자에 포함된 적어도 두 개의 종렬배치 도체들(59)을 통해 서로 연결되며, 상기 종렬배치 도체(59)는 필수적으로 20 내지 80 wt%의 팔라듐을 포함하는 은-팔라듐(Ag-Pd) 혼합으로 구성되고 200㎛ 미만의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다수의 내부 전극(1a, 2a, 56a', 56b')은,
    상기 압전 트랜스포머 소자의 일차 전극이고 상기 적어도 두 개의 종렬배치 도체들(8a, 8b, 59)을 통해 서로 교대로 연결되어 두 개의 내부 전극 그룹을 형성함을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 종렬배치 도체들(8a, 8b, 59)은,
    상기 압전 트랜스포머 소자의 구동 진동 모드의 노드에 해당하는 위치에서 형성됨을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  5. 제2항에 있어서, 상기 다수의 내부 전극들(3a)은,
    상기 압전 트랜스포머 소자의 이차 전극들임을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다수의 내부 전극들(3a)은,
    적어도 상기 두 개의 종렬배치 도체들(8c, 9)을 통해 그물 모양으로 서로 연결됨을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  7. 두께 방향으로 분극화된 제1영역과 그안에 형성된 일차 전극들, 길이 방향으로 분극화된 제2영역과 그안에 형성된 이차 전극들 및 서로 쌓여진 다수의 압전 멤버들(6A)을 구비하는 압전 트랜스포머 소자에 있어서,
    상기 다수의 압전 멤버들(6A)사이에서 상기 일차 전극들로서 정렬되고 상기 제1영역에 포함된 다수의 제1내부 전극들(1a, 2a);
    상기 다수의 압전 멤버들(6A) 사이에서 상기 이차 전극으로서 정렬되고 상기 제2영역에 포함된 다수의 제2내부 전극들(3a);
    상기 다수의 제1내부 전극들(1a, 2a)로 전압을 공급하기 위해 상기 압전 트랜스포머 소자의 표면에 형성된 제1출력 전극(1, 2); 및
    상기 다수의 제2내부 전극들(3a)을 통해 전압이 공급중인 상기 압전 트랜스포머 소자에서 발생된 전압을 추출하기 위해 상기 압전 트랜스포머 소자의 표면에 형성된 제2외부 전극(3)을 포함함을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2외부 전극들(1, 2, 3)은,
    상기 압전 트랜스포머 소자의 동일한 표면위에 형성됨을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 다수의 제2 내부 전극들(3a)이 상기 제2영역에 포함된 다수의 종렬배치 도체들(8c, 9)을 통해 그물모양으로 서로 연결됨을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제1외부 전극(1, 2)은,
    상기 압전 트랜스포머 소자의 구동 진동 모드의 노드에 해당하는 위치에서 형성됨을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  11. 제7항 또는 제10항에 있어서, 상기 다수의 제1내부 전극들(1a, 2a)은,
    상기 제1영역에 포함된 적어도 두 개의 종렬방향 도체들(8a, 8b)를 통해 서로 교대로 연결됨으로써 두 개의 내부 전극 그룹을 구성함을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  12. 제11항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 종렬배치 도체들(8a, 8b)은,
    상기 압전 트랜스포머 소자의 구동 진동 모드의 노드에 해당하는 위치에 형성됨을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  13. 제9항에 있어서, 상기 다수의 제2내부 전극들(3a) 및 상기 종렬배치 도체들(8c, 9)로 구성된 상기 그물 모양의 이차 전극들은,
    폭 방향으로 상기 압전 트랜스포머 소자의 단면적의 5%보다 적지 않은 부분을 점유함을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제1, 제2내부 전극(31a, 32a, 33a) 및 상기 제1, 제2외부 전극(31, 32, 33)과 절연되고, 상기 제1영역의 평면에 상기 이차 전극들의 다른 전극으로서 형성되는 제3외부 전극(40)을 더 포함함을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제3외부 전극(40) 및 거기서 가장 가까운 상기 제1내부 전극(31a) 사이에 놓인 상기 다수의 압전 멤버들중 하나는, 분극화되지 않음을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제3외부 전극(40)은,
    상기 압전 트랜스포머 소자의 구동 진동 모드의 노드에 해당하는 위치에서 형성됨을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  17. 제7항 내지 제16항중 어느 하나에 있어서, 상기 제1내부 전극들(1a, 2a, 31a, 32a) 및/또는 상기 제2내부 전극들(3a, 33a)은,
    필히 20 내지 80 wt%의 팔라듐(Pd)을 포함한 은-팔라듐 혼합으로 구성되고, 1 내지 5㎛의 두께를 가짐을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  18. 제17항에 있어서, 상기 종렬배치 도체(8a, 8b, 38a, 38b)는,
    필히 20 내지 80 wt%의 팔라듐(Pd)을 포함한 은-팔라듐 혼합으로 구성되고, 200㎛를 넘지 않는 직경을 가짐을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  19. 두께 방향으로 분극화된 제1영역과 그안에 형성된 일차 전극들, 길이 방향으로 분극화된 제2영역과 그안에 형성된 이차 전극들 및 서로 쌓여진 압전 다수의 멤버들(6A)을 구비한 압전 트랜스포머 소자에 있어서,
    상기 제1영역의 상기 다수의 압전 멤버들(6A)사이에 상기 일차 전극들로서 정렬된 다수의 내부 전극들(21a, 22a);
    상기 다수의 내부 전극들(21a, 22a)에 전압을 공급하기 위해 상기 압전 트랜스포머 소자의 표면에 형성된 다수의 제1외부 전극들(21, 22);
    상기 제2영역의 끝부분에 상기 이차 전극으로서 형성된 제2외부 전극(23); 및
    상기 다수의 내부 전극들(21a, 22a) 및 상기 제1 및 제2외부 전극들(21, 22, 23)로부터 절연되고, 상기 외부 전극(21)이 형성된 압전 트랜스포머 소자의 상기 제1영역의 표면에 상기 이차의 전극들의 다른 전극으로서 형성되는 제3외부 전극(20)을 포함함을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제3외부 전극(20) 및 거기서 가장 가까운 상기 내부 전극(21a) 사이에 놓여진 상기 다수의 압전 멤버들중 하나는 분극화되지 않음을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제3외부 전극(20)은,
    상기 압전 트랜스포머 소자의 구동 진동 모드의 노드에 해당하는 위치에 형성됨을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  22. 제19항 내지 제21항중 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 내부 전극들(21a, 22a)은,
    상기 제1영역에 포함된 적어도 두 개의 종렬방향 도체들(24a, 24b)을 통해 서로 교대로 연결됨으로써 두 개의 내부 전극 그룹을 구성함을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  23. 제22항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 종렬배치 도체들(24a, 24b)은,
    상기 압전 트랜스포머 소자의 구동 진동 모드의 노드에 해당하는 위치에서 형성됨을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  24. 제23항에 있어서, 상기 내부 전극들(21a, 22a)은 상기 압전 트랜스포머 소자에 포함됨을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  25. 제19항 내지 제24항중 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 내부 전극들(21a, 22a)은,
    필히 20 내지 80 wt%의 팔라듐(Pd)을 포함한 은-팔라듐 혼합으로 구성되고, 1 내지 5㎛의 두께를 가짐을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
  26. 제25항에 있어서, 상기 종렬 배치 도체(24a, 24b)는,
    필히 20 내지 80 wt%의 팔라듐(Pd)을 포함한 은-팔라듐 혼합으로 구성되고, 200㎛ 보다 크지 않은 직경을 가짐을 특징으로 하는 압전 트랜스포머 소자.
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