KR20010016774A - 고효율 압전 변압기 - Google Patents

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.

이러한 본 발명은 정육면체의 압전소자 위면과 아래면에 정삼각형의 전극을 설치하고 정삼각형 전극의 상하방향으로 분극하여 구동부(1차측)로 하였으며, 출력부(2차측)는 정삼각형의 3변과 각각 평행한 정육면체 압전소자의 두께면을 따라 전극을 설치하고 압전소자의 길이 방향으로 분극시킨 구조로써, 새로운 형태의 전극구조에 의한 출력전력의 증가 및 병렬 연결구동에 의한 대전력의 출력이 가능한 것이다.

Description

고효율 압전 변압기{High efficiency piezo electric transformer}

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.

압전변압기는 1957년 미국 GE사의 C. E. Rosen등이 실용적인 연구를 시작한 것이 처음이다.

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.

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.

또한, 승압비는 권선형의 경우 권선비에 의해 결정되나, 압전변압기의 경우 재료특성 및 전극구조, 치수 등에 의하여 결정된다.

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.

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.

현재까지 고전압, 저전류의 특성을 가진 압전 변압기의 실현이 잘 이루어져 왔고, 이를 적용시킬 수 있는 노트북 컴퓨터의 백라이트(Back light)용 인버터로의 응용이 적극 검토되고 있다.

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.

한편 최근에는 1차 Rosen형, 3차 Rosen형 등의 고출력화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 아울러 병렬운전을 위한 적층방법에 대한 연구도 함께 진행되고 있다.

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.

이러한 본 발명은 정육면체의 압전소자 위면과 아래면에 정삼각형의 전극을 설치하고 정삼각형 전극의 상하방향으로 분극하여 구동부(1차측)로 하였으며, 출력부(2차측)는 정삼각형의 3변과 각각 평행한 정육면체 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.

도 1 은 압전 변압기의 기본 구조도

도 2 는 Rosen 1차형의 진동모드에 대한 변위 및 응력 분포도

도 3 은 Rosen 1차형의 진동모드에 대한 입력전압 대 출력전압 특성도

도 4 는 본 발명에 의한 압전 변압기 구조도

도 5 는 본 발명에 의한 압전 변압기의 병렬구동 구조도

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1 : 압전변압기 2 : 정육면체 압전소자

3 : 정삼각형전극 5,6,7 : 전극

본 발명의 상세설명에 앞서 압전변압기의 기본구조를 도 1 에 의거 살펴본다.

압전변압기의 기본구조는 도 1 과 같이 여러가지 형태가 제안되고 있으나, 제조 및 승압비로 볼 때 장방형 판상인 도 1 의 (a)가 가장 실용적이다.

도 1 에서 보듯이 판상압전소자의 반은 두께방향으로 전극구조가 형성되어 있으며, 분극방향 역시 두께방향으로 형성되어 있다.

다른 반은 길이방향으로 전극구조가 형성되어 있으며, 분극방향 역시 길이 방향으로 되어 있다.

여기서 두께방향의 전극부를 구동부라 하고, 길이방향의 전극부를 출력부라 하며, 이는 권선 변압기의 각각 1차측 및 2차측에 해당한다.

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.

즉 전기적 에너지에서 기계적 에너지로, 기계적 에너지에서 전기적 에너지로의 변환을 이용하여 승압작용을 하게 된다.

출력부가 무부하일 때 승압비()는 압전재료의 압전 정수와 치수에 의존하며 다음 식1과 같이 나타낸다.

식1로 나타낸다.

여기서, Q_m``은 기계적 품질계수, k_31``은 장방형 판상 진동자의 장방향 전기기계 결합계수, k_33``는 원기둥 시료의 두께방향 진동 전기기계결합계수, L``은 압전소자전체길이의 1/2, T``는 압전소자의 두께를 나타낸다.

또한, 기본 공진 주파수는 소자 중의 음속을 c 라 할 때 식 2로 표시된다.

식2

여기서, f_r ``은 반파장 진동시 공진주파수라 하며, 또한 2f_r``( lambda ~ 모드), 3f_r ``일 때도 공진되어 승압특성이 나타난다.

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.

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.

본 발명 압전변압기(1)는 한변의 길이 s가 12.7㎜인 정육면체의 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.

이 압전 변압기(1)의 일실시예 치수는 정육면체 압전소자(2)의 마주보는 모서리와 모서리 사이의 길이 X는 25.4㎜이며, 정육면체 압전소자(2)의 평행한 변 사이의 길이 Y는 22㎜이며, 구동부인 삼각형 한변과 마주보는 출력부의 한변과의 사이의 길이 W는 5.5㎜이다.

그리고 압전소자(2)는 정육면체 뿐아니라 육면체로 구성하여도 실시에는 문제가 없다.

도 4 의 일례로서 나타낸 압전변압기(1)를 이용하여 부하 저항 100㏀인 경우 진동모드에 따른 출력 특성을 다음의 표 1에 나타내었다.

표 1에서 보듯이λ모드일 때 최대출력을 나타내고 있슴을 알 수 있다.

표 1. 진동모드에 따른 출력 특성

진동모드	출력비
3λ/4	40
3λ/2	60

실시예1

본 발명의 실시예에 사용된 세라믹스 압전소자(2)의 압전 및 유전특성은 하기 표2와 같으며, 구동부의 입력전압 범위가 0∼50 V_rms인 정현파를 사용하였으며, 최대 출력을 나타내는모드의 입력 주파수를 사용하였다.

조 성 식	Pb(Mn1/3Sb2/3)-PZT+첨가제
경방향 압전정수(d31)	-100 pC/N
경방향 전기기계결합계수(kp)	0.55
유전율	1200

표 . 본 발명에 사용된 압전변압기용 소자의 압전 및 유전 특성본 발명에 사용된 육면체 압전변압기(1)의 실시예 치수는 하기 표 3 과 같다.

항 목	S-1	S-2	S-3	S-4
평행한 변사이의 길이 Y	22	30	35	40
한변의 길이 s	12.7	17.32	20.21	23.09
두께 D	1.5	1.5	1.5	1.5
마주보는 모서리 길이 X	25.4	34.64	40.42	46.18
구동부와 출력부 사이의 길이 W	5.5	7.5	8.75	10.0

표 . 본 발명에 사용된 정육면체 압전 변압기의 치수(도4(a) 참고)상기 표 3과 같은 치수에서의 입력전압에 따른 출력전압 비를 표 4에 나타내었다.

항목	(㎑)	승압비	출력부 길이비(S-1 기준)
S-1	102	60	1
S-2	74	75	1.36
S-3	65	80	1.59
S-4	54	84	1.82

표 . 실시예 1로 실험할 경우 정육면체 치수변화에 따른 입·출력비

표 4에서 보듯이 구동부와 출력부 사이의 길이가 증가함에 따라 승압비가 증가하는 것을 알 수 있다.

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 정육면체뿐 아니라 육면체로 실시하더라도 본 발명의 실시예 범주를 벗어나진 못한다.

실시예 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.

실시예 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.

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.

Claims (4)

1. 정육면체의 압전소자 윗면과 아랫면에 정삼각형의 전극을 설치하고, 상기 전극의 상하방향으로 분극하여 구동부(1차측)로 구성하며,

   상기 정삼각형 전극의 3변과 각기 평행한 정육면체 압전소자의 두께면을 따라 전극을 설치하고, 그 길이방향으로 분극하여 출력부(2차측)을 구성한 것을 특징으로 하는 고효율 압전 변압기.
2. 정삼각형 전극의 중심에서 한변까지의 거리와, 정삼각형 전극의 한변에서 마주보는 출력부의 한변까지의 거리비율이 같은 것을 특징으로 하는 고효율 압전 변압기.
3. 제 1 항에서, 정삼각형 전극은 다른 압전변압기의 전극과 상호 병렬연결하고, 정육면체 압전소자의 두께면을 따라 설치된 전극을 다른 압전변압기의 전극과 병렬연결하여 출력전력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 고효율 압전 변압기.
4. 제 1 항에서, 압전소자는 육면체로 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 압전 변압기.