KR20180105116A - 압전 변환기 - Google Patents

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에프코스 아게
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Abstract

본 발명은, 길이 L 의 압전 소자(1)를 포함하는 압전 변환기에 관한 것으로서, 이 경우 변압비 일반식(I)에 따라, 출력측(3)에서 출력 전압(Uout)으로 변환하기 위해 입력측(2)에 입력 전압(Uin)이 인가될 수 있다. 상기 압전 소자(1)는 다수의 내부 전극 층(4a, 4b, 4c)을 가지며, 이들 내부 전극 층은 다수의 상이한 층(S1, S2, S3) 내에 배치되어 있다. 각각의 내부 전극 층(4a, 4b, 4c)이 미리 결정된 길이의 하나 이상의 미리 결정된 하위 섹션을 따라서 연장되고, 이 경우 제1 그룹 층(S1, S3)들의 내부 전극 층(4a, 4c)들의 하위 섹션들과 제2 그룹 층(S2)들의 내부 전극 층(4b)들의 하위 섹션들이 상이한 치수를 가짐으로써, 상기 압전 변환기가 다음 조건을 충족하며:
Figure pct00084
,
이 경우 Cin은 입력 커패시턴스를 나타내고, Cout은 출력 커패시턴스를 나타내며, 그리고 N은 이상적인 변환기의 변압비를 나타낸다.

Description

압전 변환기
본 발명은 압전 변환기에 관한 것으로서, 이 압전 변환기는 길이 L 의 미리 결정된 길이 치수를 갖는 압전 소자(piezoelectric element)를 포함하고, 이때 상기 길이 치수를 따라 상기 변환기의 하나 이상의 입력측과 하나 이상의 출력측이 규정되어 있다. 변압비(transformation ratio)
Figure pct00001
에 따라, 상기 출력측에서 출력 전압(Uout)으로 변환하기 위해 상기 입력측에는 입력 전압(Uin)이 인가될 수 있다. 이 경우 상기 압전 소자는 다수의 내부 전극 층을 가지며, 이들 내부 전극 층은 상기 길이 치수의 방향에 수직인 방향으로 다수의 상이한 층 내에 배치되어 있다.
상기와 같은 유형의 압전 변환기들은 전압 변환을 목적으로 사용되는 경우가 많다. 상기 압전 변환기의 최대 효율은 특정 공진 주파수에서, 출력측의 부하가 압전 변환기의 출력 커패시턴스(= 경우에 따라 금속 코팅된 출력측 영역과 내부 전극들 사이 전기 용량)의 임피던스에 상응하면 달성된다. 종래 방식의 압전 변환기에서, 입력 임피던스는 특정 범위에서 대략 상기와 같은 최대 효율만큼 용량성 거동을 나타낸다. 그러므로 상기와 같은 범위에서 변환기의 입력 전력은 무효 전력(reactive power) 성분을 포함한다.
종래 방식의 솔루션들은, 트리거링 시 압전 변환기의 용량성 입력 거동을 보정하기 위한 직렬 인덕턴스(series inductance)를 제공한다. 그러나 트리거링 시 압전 변환기의 입력 커패시턴스(= 입력측의 압전 기판과 내부 전극 층들 사이 전기 용량)와 직렬 인덕턴스 사이의 전기 에너지의 재충전이 무손실로 이루어지지 않는다. 또한, 내부 전극들의 유한 전극 컨덕던스가 부품의 가열을 야기한다.
다른 가능성은, 입력 임피던스가 순수 저항성(purely ohmic)인 경우 최대 효율 범위 밖에서 압전 변환기를 작동시키는 것이다. 그러나 최대 효율 범위를 밖에서는 압전 소자의 손실도 증가한다.
따라서 본 발명의 과제는, 부품에서 전기적 손실이 최소화되고, 또한, 변환기가 최대 가능한 효율로 작동할 수 있도록 압전 변환기에서 입력 임피던스의 무효 전력 성분을 최소화하거나 완전히 억제하는 것이다.
상기 과제는 도입부에 언급한 유형의 압전 변환기에 의해서 해결되며, 이때 각각의 내부 전극 층은 길이 치수의 하나 이상의 미리 결정된 하위 섹션(sub-section)을 따라서 연장되고, 그리고 제1 그룹 층들의 (내부 전극) 층들의 하위 섹션들과 제2 그룹 층들의 (내부 전극) 층들의 하위 섹션들이 상이한 치수를 가지며, 그 결과 상기 압전 변환기가 다음 조건을 충족하며:
Figure pct00002
,
이 경우 Cin은 입력 커패시턴스를 나타내고, Cout은 출력 커패시턴스를 나타내며, 그리고 N은 이상적인 변환기의 변압비를 나타낸다.
앞서 설명한 조건은 압전 변환기의 등가 회로도에 따른 관찰(consideration)에 상응한다. 이러한 등가 회로도는 도 5에 도시되어 있다. 상기 등가 회로도는 본 발명에 설명된 유형의 압전 변환기와 관련하여 통상적으로 사용되고 회로 기술상 간략화된 기술을 보여준다. 입력측에는 입력 전압(Uin)이 인가되고, 출력측에는 출력 전압(Uout)이 인가된다. 입력측에는 입력 커패시턴스(Cin)가 형성되어 있으며, 출력측에는 출력 커패시턴스(Cout)가 형성되어 있다. 압전 기판의 전송 및 커플링 특성을 기술하는 또 다른 등가 회로도의 변수 R1, C1 및 L1 이외에, 등가 회로도에서 1:N의 입력측과 출력측 (또는 출력측과 입력측 = N) 변환비를 갖는 이상적인 변환기에 대한 변환이 도시된다.
종래의 구조적 형상의 변환기와 비교해서 언급한 유형의 압전 변환기의 장점은, 변환기의 입력 임피던스가 임의의 저항성 및 용량성 부하 조건에서 각각 가능한 최대 효율과 함께 순수 저항성이고, 무효 전력 성분을 전혀 포함하지 않거나 단지 무시할 수 있을 정도의 무효 전력 성분을 포함한다는 것이다. 이러한 특성은 압전 변압기가 앞서 설명한 바와 같은
Figure pct00003
의 조건을 충족시킴으로써 달성된다. 상기 조건은, 내부 전극의 적합한 설계를 통해, 변환기의 입력 커패시턴스가 감소하는 반면, 동시에 변환비가 전반적으로 변동 없이 유지됨으로써 충족된다. 압전 소자에서 제2 그룹 층들의 (내부 전극) 층들의 하위 섹션들과 비교해서 제1 그룹 층들의 내부 전극 층들의 하위 섹션들이 상이하게 치수 설계됨으로써, 특히 압전 변환기의 입력 커패시턴스(Cin)와 출력 커패시턴스(Cout)의 비례 비율이 영향을 받을 수 있다.
특히, 제1 그룹 층들에 따른 (내부 전극) 층들의 하위 섹션들은 제2 그룹 층들에 따른 (내부 전극) 층들의 하위 섹션들보다 작게 치수 설계될 수 있다. 이로 인해 제1 그룹 층들의 내부 전극 층들이 입력 커패시턴스(Cin)에 영향을 미치고, 이 경우 상기 입력 커패시턴스는 종래 방식의 전극 설계에 비해 제1 그룹 층들의 (내부 전극) 층들의 하위 섹션들의 감소에 상응하게 감소된다.
따라서 제2 그룹 층들의 (내부 전극) 층들의 하위 섹션들이 제1 그룹 층들의 (내부 전극) 층들의 하위 섹션들보다 크게 치수 설계된 다음, 상기 제2 그룹 층들의 (내부 전극) 층들은 전자 물리적(electrophysical)으로 출력측과 관련한 압전 변환기의 커패시턴스, 즉 상기 압전 변환기의 출력 커패시턴스(Cout)를 결정한다. 따라서 제1 그룹 층들의 (내부 전극) 층들과 비교해서 제2 그룹 층들에 따른 (내부 전극) 층들의 하위 섹션들의 길이 차이를 적합하게 치수 설계함으로써, 출력 커패시터(Cout)는 변경되지 않거나 심지어는 압전 변환기들의 종래 방식의 전극 설계에 비해 증가될 수 있다.
간단히 말하자면, 제2 그룹 층들에 따른 내부 전극 층들의 하위 섹션들에 비해, 제1 그룹 층들의 내부 전극 층들의 하위 섹션들의 상이한 치수 설계 및 치수에 의해, 입력 커패시턴스(Cin)가 변환비(N)의 제곱으로 곱해진 출력 커패시턴스(Cout)보다 작거나 같도록 달성될 수 있고, 그 결과 전술한 조건이 충족된다. 따라서 이미 설명한 바와 같이, 압전 변환기의 순수 저항성 입력 임피던스가 달성될 수 있으며, 이 경우 상기 압전 변환기는 변환기의 출력측에서 부하가 상이한 경우 변환기의 입력측에서 무효 전력 성분을 갖지 않는다.
일 실시 형태에서, 압전 변환기는 로젠(Rosen)형 변환기로서 형성되어 있다. 압전 소자는, 예를 들면 티탄산 지르콘산 연(PZT, lead zirconate titanate) 세라믹으로 형성되어 있다. 내부 전극들은 예를 들어, 은-팔라듐 또는 구리로 제조되어 있다. 적합한 다층 구조로 제조된 압전 소자의 경우, 예를 들어 50개의 층이 압전 소자의 길이 치수 방향에 수직인 방향으로 적층될 수 있으며, 이 경우 상기 층들 중 특정 층 또는 모든 층 내에 상응하는 내부 전극 층이 형성되어 있다. 압전 소자는, 예를 들면, 길이 L의 정해진 길이 치수, 폭 B의 정해진 폭 치수 및 높이 H의 정해진 높이 치수를 갖도록 치수 설계되어 있다. 이 경우 상기 길이 L의 길이 치수는 압전 소자의 주 치수(main dimension)를 나타낸다. 즉, 압전 소자의 길이는 폭보다 길고, 높이보다 길다.
일 실시 형태에 따르면, 압전 소자는 입력측에서는 길이 치수 방향에 수직인 방향으로 분극화(polarize)되어 있고, 출력측에서는 길이 치수 방향으로 분극화되어 있다. 이는, 압전 변환기가 입력측에서 소위 31-모드(횡 방향 모드)로 작동하고, 출력측에서는 소위 33-모드(종 방향 모드)로 작동한다는 것을 의미하며, 이 경우 압전 소자는 분극 방향(polarization direction)으로 입력측에 전계가 인가되면 소자의 길이 치수 방향으로 횡 방향 이동을 수행한다. 이러한 이동은 압전 소자 내에서 전기 전하 캐리어의 이동을 야기하여, 길이 치수 방향으로, 즉, 종 방향으로 재차 전압이 조정되고, 이때 상기 전압은 변환기의 출력 전압(Uout)으로서 출력측에 인가된다.
일 실시 형태에서, 압전 소자의 입력측은 길이 치수의 0 내지
Figure pct00004
의 범위에 설치되어 있고, 이 경우 상기 압전 소자의 출력측은 길이 치수의
Figure pct00005
내지 L 범위에 설치되어 있다.
본 출원서에 기술된 압전 변환기의 전술한 바람직한 특성 달성은, 최대 효율에서 종래의 압전 변환기의 용량성 거동이, 압전 변환기의 입력이 31-모드로 작동하고, 출력이 33-모드로 작동한다는 것을 근거로 하는 사고에 기초한다. 즉, 입력측 압전 전하 상수(piezoelectric charge constant)(d31)가 출력측 압전 전하 상수(d33)보다 작다는 것을 의미하고, 이 경우 입력의 유효 커플링 계수(coupling factor)(keff,in)가 출력의 유효 커플링 계수(keff,out)보다 작다. 전기적으로 관찰할 때 이는, 종래 구조의 압전 변환기들에서 입력 커패시턴스(Cin)가 변환비(N)의 제곱으로 곱해진 출력 커패시턴스(Cout)보다 항상 크다는 것을 의미한다. 상응하는 등가 회로도를 이용하여 압전 변환기의 특성에 대한 분석적 관찰을 참고로 하면, 변환기의 작동 중에 출력 부하(RL)가 특정 효율 범위 내에 있는 경우 변환기의 입력 임피던스가 용량성으로 되는 것을 알 수 있으며, 이때 상기 특정 효율 범위는 다음과 같이 수학적으로 설명될 수 있다:
Figure pct00006
종래의 압전 변환기의 이러한 거동은 도 1에도 설명되어 있다. 도 1은 한편으로는 종래의 압전 변환기의 효율 특성 라인(I)을 도시하며, 이때 상기 특성 곡선은 출력의 정규화 부하
Figure pct00007
에 따라 발생하는 방식으로, 출력 및 입력
Figure pct00008
의 유효 전력(active power) 비율로서 규정된다. 또한, 도 1은 입력 피상 전력(Sin) 값에 대한 출력 유효 전력(Pout)의 비율을 나타내는 추가 특성 라인(II)을 도시한다. 도 1에서는, 특성 곡선(II)이 범위
Figure pct00009
에서 2개의 가장자리 극점(수직 마크 표시 참조)에서
Figure pct00010
의 극솟값(local minimum)으로 떨어지는 것을 알 수 있다. 도시된 범위에서 종래의 압전 변환기의 입력 임피던스는 무효 전력을 야기하는 용량성 성분을 갖는다. 이에 따라 무효 전력 성분으로 인해, 입력 피상 전력(Sin) 값에 대한 출력 유효 전력(Pout)의 비율이 대칭적으로
Figure pct00011
로 떨어진다. 이 지점에서는 입력 임피던스의 최대 용량성 거동으로 인해 무효 전력이 가장 크며, 그 결과 여기에서는 유효 전력의 효율
Figure pct00012
이 가장 낮다.
한편, 본 발명은 첫 번째 근삿값으로서 비율
Figure pct00013
이 압전 전하 상수(d33/d31)에 의존한다는 지식을 이용한다. 적합한 전극 설계에 의해서는, 도 1에서도 설명한 범위의 전술한 분석적 설명의 조건
Figure pct00014
이 달성되면, k가 k = 1로 표시되도록 입력 임피던스가 감소되는 것이 달성될 수 있다. 이는, 조건
Figure pct00015
에서는 도 1에 도시된 범위가 소멸되는 것을 의미한다. 따라서 언급한 조건에서는, 최대 효율에서 압전 변환기의 입력 임피던스가 순수 저항성이고, 재차 입력 전력의 무효 전력을 야기할 수 있는 용량성 성분을 포함하지 않는다. 또한, 이러한 조건에서의 입력측 압전 전하 상수(d31)는 출력측 압전 전하 상수(d33)보다 크다. 이는 입력측 유효 커플링 계수(keff,in)가 출력측 유효 커플링 계수(keff, out)보다 크다는 것을 의미한다.
이러한 인식 그리고 전술한 압전 소자의 상이한 층들 내 내부 전극의 상이한 치수 설계로 인해, 입력 임피던스는 각각 효율이 최대이고 변환기의 출력 상의 임의의 저항성 또는 용량성 부하 조건에서 순수 저항성으로 치수 설계될 수 있으며, 그 결과 상기 입력 임피던스가 무효 전력 성분을 포함하지 않는다. 하나의 장점은, 트리거링 시 종래의 직렬 인덕턴스가 생략될 수 있고, 이 때문에 압전 변환기와 구동 제어 회로의 시스템 전체 효율이 증가될 수 있다는 것이다. 추가 장점은, 최대 효율로의 조절이 출력 상의 임의의 부하에서 쉽게 구현된다는 것이다. 순수 저항성 입력 임피던스로 인해 최대 효율에서 입력 임피던스의 위상 각은 항상 φ = 0°이며, 그 결과 입력 전류와 입력 전압의 시간 경과는 항상 일치한다. 이러한 방식으로 압전 변환기 조절이 간단하게 유지될 수 있으며, 이 경우에는 상응하게 출력에 부하가 인가되면 효율
Figure pct00016
이 최댓값으로 조절되도록 주파수 조절만 실행될 수 있다. 이상적으로, 임피던스의 출력 부하가 압전 변환기의 출력 커패시턴스(Cout)에 상응하면, 최대 효율은 압전 소자의 공진 주파수에 이른다.
압전 변환기 조절에 대한 예는 비열 대기압 플라즈마를 발생시키는 데 사용되는 압전 변환기의 응용예이다. 이 경우 비유도성, 저항성 및/또는 용량성으로 관찰되는, 압전 변환기의 출력 상의 부하는 플라즈마의 기능이다. 플라즈마는 재차 대기 또는 사용된 공정 가스의 성질에 의존하기 때문에, 이러한 플라즈마를 통해 작용하는 부하는 일반적으로 가변적이다. 이러한 가변적 부하가 변환기에서의 입력 전류 및 입력 전압의 시간 경과의 위상 변이에 영향을 줄 수는 있지만, 주파수는 비교적 쉽게 재조정될 수 있으므로 상기 위상 변위는 φ = 0°가 된다. 따라서 최대 효율로의 조절이 간단하게 형성될 수 있다.
바람직하게는 본 출원서에 기술된 유형의 압전 변환기의 트리거링은 정현파 입력 전압 신호를 통해 이루어진다. 상기 정현파 입력 전압 신호는 예를 들어, 고주파수 펄스 폭 변조(PWM) 스위칭 신호에 의해 생성될 수 있다.
언급한 유형의 압전 변환기의 일 실시 형태에서, 제1 그룹 층들은 제2 그룹의 층들과 교대한다. 이는 각각 길이 치수와 관련하여 제1 구성에 따른 내부 전극 층을 갖는 층이, 압전 소자의 층 구조 방향으로 길이 치수와 관련하여 제2 구성에 따른 내부 전극 층을 갖는 층과 교대한다는 것을 의미한다. 이러한 방식으로 압전 소자의 층 구조를 따라서 상이한 치수 설계를 갖는 내부 전극 층들의 균일한 분포가 달성될 수 있다.
압전 변환기의 일 실시 형태에 따르면, 제1 그룹 층들의 내부 전극 층들은 각각 제1 위치와 제2 위치 사이에서, 상기 길이 치수의
Figure pct00017
및
Figure pct00018
범위로 연장되고, 이 경우 상기 제1 위치와 제2 위치 사이에서 개별 하위 섹션이 상기 길이 치수의
Figure pct00019
의 길이를 차지한다. 또한, 상기 제1 그룹 층들의 내부 전극 층들의 이러한 치수 설계 시, 조건
Figure pct00020
을 충족하기 위해 압전 변환기의 입력 커패시턴스(Cin)가 충분히 작게 치수 설계될 수 있음이 밝혀졌다.
압전 변환기의 일 실시 형태에서, 제1 그룹 층들의 내부 전극 층들은 각각 제1 위치와 제2 위치 사이에서, 약 상기 길이 치수의
Figure pct00021
위치만큼 대칭적으로 연장된다. 상기와 같이 내부 전극 층들이 약 상기 길이 치수의
Figure pct00022
위치만큼 대칭적으로 배치되는 데에는 전자 기계적 이유가 있다. 주기적인 입력 전압 신호를 갖는 압전 변환기의 작동 중에, 변환기는 기본 주파수와 관련하여 제2 조파 진동(harmonic oscillation)의 횡 방향 진동으로 여기될 수 있다. 이 경우 압전 소자를 따라서 길이 치수의
Figure pct00023
및
Figure pct00024
에서 2개의 마디점이 설정된다. 따라서 상기 위치들에서 압전 소자의 기계적 변형 작업이 없다(또는 단지 무시할 수 있을 정도의 기계적 변형 작업만 이루어진다). 또한, 상기 마디점들에서는 압전 소자 내부로의 전기 에너지 결합 효과가 최적의 상태이다. 길이 치수의 0 내지
Figure pct00025
범위에서 압전 소자의 입력측을 관찰하면, 길이 치수의
Figure pct00026
위치는 제1 그룹 층들의 내부 전극 층들을 형성하기 위한 최적의 대칭점을 나타낸다.
압전 변환기의 일 실시 형태에서, 상기 제2 그룹 층들의 내부 전극 층들은 각각 제1 위치와 제2 위치 사이에서, 상기 길이 치수의
Figure pct00027
및
Figure pct00028
범위로 연장되고, 이 경우 상기 제1 위치와 제2 위치 사이에서 개별 하위 섹션은 상기 길이 치수의
Figure pct00029
및
Figure pct00030
의 길이를 차지한다. 상기와 같은 제2 그룹 층들의 내부 전극 층들의 구성은, 출력 커패시턴스(Cout)가 감소되지 않는다는 장점이 있다. 따라서 전술한 바와 같이 제1 그룹 층들의 내부 전극 층들의 구성과 관련하여, 조건
Figure pct00031
이 매우 우수하게 달성될 수 있다.
이에 추가로, 일 실시 형태에서 제2 그룹 층들의 내부 전극 층들은 각각 제3 위치와 제4 위치 사이 일 하위 섹션에서 추가로, 길이 치수의
Figure pct00032
및
Figure pct00033
범위로 연장된다.
대안적인 일 실시 형태에서, 제2 그룹 층들의 내부 전극 층들은 제1 및 제2 위치 사이에서 길이 치수의
Figure pct00034
및
Figure pct00035
의 범위로 연장되며, 이 경우 제1 위치와 제2 위치 사이에서 개별 하위 섹션은 상기 길이 치수의
Figure pct00036
및
Figure pct00037
의 길이를 차지한다.
바로 앞에서 언급한 유형의 대안적인 실시 형태들에 의해서는, 출력 커패시턴스(Cout)가 증가될 수 있으며, 그 결과 마찬가지로 조건
Figure pct00038
이 충족될 수 있다.
하기에서는 본 발명이 다수의 도면을 참조하여 더 상세하게 설명된다. 도면부에서:
도 1은 종래 기술에 따른 압전 변환기의 출력측 정규화 부하에 따른 특성 곡선을 나타내고,
도 2는 종래 기술에 따른 압전 변환기의 부분적 층 구조를 도시한 개략도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 변환기의 부분적 층 구조를 도시한 개략도이고,
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 압전 변환기의 부분적 층 구조를 도시한 개략도이며, 그리고
그림 5는 통상적으로 사용되는, 압전 변환기의 등가 회로도이다.
도 1에서는 이미 전술한 바대로 종래 기술에 따른 압전 변환기의 출력측 정규화 부하에 따른 특성 곡선이 도 5에 따른 압전 변환기의 등가 회로도와 같이 논의되었다.
도 2는 종래 기술에 따른 압전 변환기의 부분적 층 구조의 개략도를 도시한다. 상기 변환기는 길이 L의 미리 결정된 길이 치수를 갖는 압전 소자(1)를 포함하며, 이때 상기 길이 치수는 좌측(길이 = 0)에서 우측(길이 = L)까지 규정되어 있다. 상기 압전 소자(1)는 입력측(2)과 출력측(3)을 갖는다. 상기 출력측(3)의 외부 단부는 예를 들어, 금속 코팅될 수 있고 출력 전극을 형성할 수 있다. 상기 입력측(2)은, 상기 압전 소자(1)의 좌측에서 길이 치수의 0 내지
Figure pct00039
의 범위로 연장된다. 상기 출력측(3)은 상기 압전 소자(1)의 우측에서 길이 치수의
Figure pct00040
내지 L 범위로 연장된다.
압전 소자(1)는 다층 구조로 설계되어 있으며, 이 경우 도 2에는 상기 길이 치수의 방향에 수직인 방향으로 형성된 다수의 층(S1, S2 및 S3)이 도시되어 있다. 더 나은 도면 설명을 위해, 층(S1 내지 S3)들은 서로 분리되어 도시되어 있지만, 최종 부품에서는 층 방향으로 위 아래로 겹쳐서 적층되고 압전 소자(1) 형성을 위해 형태가 연결되어 있다. 이러한 연결은 제조 공정에 따라, 예를 들면, 특수한 소결 공정으로 수행될 수 있다. 압전 소자(1)는 예를 들면, PZT 연결부로 형성된다.
각각의 층(S1 내지 S3) 상에는 각각 내부 전극 층(4a, 4b 및 4c)이 제공되어 있고, 이 층들은 압전 소자의 입력측(2)에서, 제1 위치(P1)와 제2 위치(P2) 사이에서,
Figure pct00041
내지
Figure pct00042
범위로 연장된다. 내부 전극 층(4a, 4b 및 4c)들은 측면 외부 콘택팅(K1)들을 통해서, 입력측 전원 장치와 전기적으로 연결될 수 있으며, 이때 상기 측면 외부 콘택팅들은 측면에서 압전 소자(1)의 외측면 상에 교대로 배치되어 있다. 이러한 방식에 의해서 내부 전극층(4a 내지 4c)들에 전압이 인가될 수 있음으로써, 압전 소자(1) 및 이와 더불어 압전 변환기가 작동될 수 있다. 작동 중에 압전 소자(1)는 입력측 정현파 교류 전압(Uin)에 의해 진동하도록 여기되며, 그 결과 길이 치수를 따라서 횡파(transverse wave)를 형성된다. 이러한 이유로 압전 소자(1)의 출력측에서 출력 전압(Uout)이 형성되고, 이 경우 입력 전압(Uin)은 미리 결정된 변환비
Figure pct00043
에 따라 출력 전압(Uout)으로 변환된다. 출력 전압(Uout)은 제2 외부 콘택팅(K2)들을 통해서 압전 소자(1)의 출력측(3)에서 얻어지거나 정해진 다른 기능을 충족할 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(1)는, 비열 대기압 플라스마 점화를 위한 압전 변환기로서 플라즈마 생성에 사용될 수 있다. 따라서 압전 소자(1)의 출력측(3)의 매우 높은 출력 전압(Uout)으로 인해, 비열 플라즈마는 대기압 상황에서 생성될 수 있다. 출력측(3)의 높은 전계 강도로 인해, 특정 공정 가스가 이온화될 수 있으며, 그 결과 공정 가스 플라즈마가 생성된다.
도 2에 부분적 층 구조에 따른 압전 변환기는 종래 방식의 구조이다. 종래 방식의 압전 변환기의 작동 거동은 실제로 도 1의 검정력 곡선(power curve)(Ⅰ 및 Ⅱ)에 상응하는데, 상기 검정력 곡선의 특성은 이미 전술한 바와 같으며, 이 경우에 참조된다. 도 2에 따른 압전 변환기의 단점은, 도 1에 따른 정규화 출력 부하의 특유의 범위에서 입력측(2) 입력 임피던스가 용량성 거동을 갖지 않는다는 것이다. 이러한 방식에 의해서, 입력측에서 무효 전력 성분이 발생하고, 이러한 무효 전력 성분은 전력 손실로 표현된다.
도 3은, 도 2에 따른 압전 변환기에 비해 개선된 특성을 갖는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 압전 변환기의 부분적 층 구조의 개략도를 도시한다. 도 3에 따른 변환기에서도 마찬가지로, 예를 들면 상응하게 적층된 내부 전극 층(4a 내지 4c)들을 갖는 압전 소자(1)의 3개의 층(S1 내지 S3)이 도시되어 있다. 도 3에서 내부 전극들은 마찬가지로 압전 소자(1)의 입력측(2)에 배치되어 있다.
도 2에 따른 구조와 달리, 압전 소자(1)는 2개의 층 그룹을 포함하고, 이러한 층들은 길이 치수와 관련하여 내부 전극 층들의 하위 섹션들의 치수에서 구별되고, 층 구조 방향으로 교대로 배치되어 있다. 제1 그룹 층(S1 및 S3)들에서는, 내부 전극 층(4a 및 4c)의 하위 섹션들이 길이 치수를 따라서 제2 그룹 층들보다 짧게 치수 설계되어 있으며, 이때 상기 층(S2)은 길이 치수와 관련하여 도시된 내부 전극 층(4b)의 하위 섹션이 길게 치수 설계되어 있다. 물론, 도 3은 단지 층 구조의 부분 확대 단면도일 뿐이다. 층(4b)을 갖는 도시된 층(S2) 외에 상응하는 층(4b)을 갖는 또 다른 층(S2)이 주어진다.
제1 그룹 층(S1 및 S3)들의 층(4a 및 4c)들의 하위 섹션들과 제2 그룹 층(S2)들의 층(4b)들의 하위 섹션들이 상이한 치수를 가짐으로써, 도 3에 따른 압전 변환기는 조건
Figure pct00044
을 충족하며, 이 경우 Cin은 입력 커패시턴스를 나타내고, Cout은 출력 커패시턴스를 나타내며, 그리고 N은 도 5의 등가 회로도에 관찰에 따른 이상적인 변환기의 출력측과 입력측의 변압비를 나타낸다. 도 3에 따른 변환기는 종래의 변환기들과 비교해서, 언급한 조건들로 인해 입력 임피던스가 순수 저항성이고, 용량성 성분을 전혀 갖지 않거나 무시할 수 있을 정도로 작은 용량성 성분만 갖는다는 장점을 가지고 있다. 이러한 방식으로 변환기의 입력측(2)에서의 입력 전력은 실제(real)이며 무효 전력 성분을 갖지 않는다. 따라서 주기적인 입력 전압과 주기적인 입력 전류의 시간 경과도 마찬가지로 동 위상(in phase)이며, 그 결과 최대 효율에서 위상 변이는 항상 φ = 0°이다. 이 때문에 도 3에 따른 압전 변환기는 특히 저손실이며, 예컨대, 구동 제어 회로의 종래 방식의 직렬 인덕턴스와 같은 추가적인 부품을 필요로 하지 않는다.
또한, 변환기의 입력측(2)에서 입력 전압과 입력 전류의 부하 의존형 위상 변이를 고려하지 않고, 단지 출력측(3)에 있는 부하에 따라 최대 효율을 조절해야 하기 때문에, 도 3에 따른 압전 변환기의 트리거링은 매우 간단하게 설계되어야 한다. 출력측 부하는 예를 들면, 변환기가 플라즈마 생성에 사용되도록 가변적으로 설계될 수 있으며, 이 경우 상기 플라즈마는 사용된 공정 가스 또는 이 경우 분위기와 관련하여 가변적인 특성을 갖는다.
구체적으로, 도 3에 따른 실시 형태에서, 층(S1, S3)들에 따른 내부 전극 층(4a 및 4c)들은 제1 위치(P1)와 제2 위치(P2) 사이에서 약 길이 치수
Figure pct00045
의 위치만큼 대칭적으로 연장되고, 길이
Figure pct00046
을 갖는 하위 섹션을 차지하도록 치수 설계되었다. 이는, 제1 위치(P1)가
Figure pct00047
에 있고, 반면에 위치(P2)가
Figure pct00048
에 있음을 의미한다. 층(S1 및 S3)들에서 내부 전극의 길이가 이와 같은 방식으로 치수 설계됨으로써, 압전 변환기의 입력 커패시턴스(Cin)는 상대적으로 작게 치수 설계될 수 있다. 각각의 경우에 도 3에 따른 층(S1 및 S3)들에서 내부 전극 층(4a 및 4c)들은 도 2에 따른 변환기의 층(S1 및 S3)들에서 내부 전극 층(4a 및 4c)들보다 훨씬 작게 치수 설계되었다.
또한, 약
Figure pct00049
위치에 대칭적으로 이루어지는 층(S1 및 S3)들에서 내부 전극 층(4a 및 4c)들의 설치는, 변환기가
Figure pct00050
및
Figure pct00051
의 마디점을 갖는 조파 진동으로 작동하는 동안,
Figure pct00052
에서 기계 부하가 최소인 동시에, 상기 위치에서 압전 소자(1) 내로 전기 에너지를 결합시키는 우수한 결합 특성이 존재한다는 장점이 있다.
계속해서 도 3에서 층(S2)의 내부 전극 층(4b)은,
Figure pct00053
의 제1 위치(P1)와
Figure pct00054
의 제2 위치(P2) 사이에서 연장되는 방식으로 치수 설계되어 있다. 따라서 층(S2)의 내부 전극이
Figure pct00055
의 길이를 갖는 하위 섹션을 차지한다. 이와 같은 치수 설계로 인해, 도 3에 따른 압전 변환기의 출력 커패시턴스(Cout)는 실제로 도 2에 따른 변환기의 출력 커패시턴스(Cout)와 같이 거동한다. 따라서 도 3에 따른 층(S1, S2 및 S3)들 내에서 이루어지는 내부 전극 층(4a, 4b 및 4c)들의 치수 설계로 인해, 변환기는
Figure pct00056
조건을 충족한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 압전 변환기의 부분적 층 구조의 개략도를 도시한다. 상기 층 구조는 한편으로는, 층(S2) 내에 있는 내부 전극 층(4b)이 제1 위치(P1)와 제2 위치(P2) 사이에서 제1 하위 섹션을 차지함으로써 도 3의 층 구조와 구별되며, 이 경우 상기 제1 위치(P1)는
Figure pct00057
에 배치되어 있고, 상기 제2 위치(P2)는 >
Figure pct00058
에 배치되어 있으며, 결과적으로 내부 전극은 우측으로
Figure pct00059
범위를 능가한다. 예를 들어, 층(4b)의 내부 전극은 길이
Figure pct00060
및
Figure pct00061
의 하위 섹션을 차지한다.
다른 한편으로 도 4에 따른 층 구조는, 층(S2) 내에 있는 내부 전극 층(4b)이 제3 위치(P3)와 제4 위치(P4) 사이 제2 하위 섹션에서
Figure pct00062
및
Figure pct00063
범위로 연장됨으로써 도 3의 층 구조와 구별된다. 층(S2)의 출력측(3)에 추가 전극 면적이 설치됨으로써, 변환기의 출력 커패시턴스(Cout)가 증가될 수 있으며, 이로 인해 마찬가지로 조건
Figure pct00064
이 충족될 수 있다.
도 3 및 도 4에 따른 실시 형태를 결합하는 것도 생각할 수 있는데, 이 경우 층(S2)의 내부 전극 층(4b)은 좌측이 도 3의 실시예에 상응하게 치수 설계될 수 있고, 우측 출력측(3)에 도 4의 실시예에 따른 추가 하위 섹션을 가질 수 있다. 일반적으로 기술된, 전술한 유형의 범위 내에서 다른 치수 설계도 생각할 수 있다.
일반적으로는 전극 설계 및/또는 층(S1, S2, S3)들의 분할을 상응하는 층(4a, 4b, 4c)들과 함께 상기 층(S1, S2, S3) 방향으로 변경하는 것도 고려할 수 있다. 이 경우 내부 전극 층이 없는 중간층을 삽입하는 것도 고려할 수 있다. 여러 번 언급한, 입력 커패시턴스(Cin)와 출력 커패시턴스(Cout)의 비율 조건을 충족하기 위해서는, 제1 그룹 층들의 내부 전극 층들의 하위 섹션들과 제2 그룹 층들의 내부 전극 층들의 하위 섹션들이, 압전 소자(1)의 길이 치수와 관련하여 상이한 치수를 갖는 것이 중요하다. 예를 들어, 도 3에 따른 층(S2)의 내부 전극의 층(4b)은 길이 치수의
Figure pct00065
과
Figure pct00066
사이 길이를 차지할 수 있다. 일반적으로 많은 가능한 조합, 설계뿐만 아니라 도 3 및 도 4에 따른 실시 형태의 변형예도 고려할 수 있다.
도시된 실시 형태들은 단지 예시적으로 선택되었다.
1: 압전 소자
2: 입력측
3: 출력측
4a, 4b, 4c: 내부 전극 층
Kl, K2: 외부 콘택팅
L: 길이
P1: 하위 섹션의 제1 위치
P2: 하위 섹션의 제2 위치
P3: 하위 섹션의 제3 위치
P4: 하위 섹션의 제4 위치
S1, S2, S3: 층

Claims (10)

  1. 압전 변환기(piezoelectric transformer)로서,
    상기 압전 변환기는 길이 L 의 미리 결정된 길이 치수를 갖는 압전 소자(piezoelectric element)(1)를 포함하고, 이때 상기 길이 치수를 따라 상기 변환기의 하나 이상의 입력측(2)과 하나 이상의 출력측(3)이 규정되어 있으며, 이 경우 변압비(transformation ratio)
    Figure pct00067
    에 따라 상기 출력측(3)에서 출력 전압(Uout)으로 변환하기 위해 상기 입력측(2)에 입력 전압(Uin)이 인가될 수 있으며, 이 경우 상기 압전 소자(1)가 다수의 내부 전극 층(4a, 4b, 4c)을 가지며, 상기 내부 전극 층들은 상기 길이 치수 방향에 수직인 방향으로 다수의 상이한 층(S1, S2, S3) 내에 배치되어 있는, 압전 변환기에 있어서,
    각각의 내부 전극 층(4a, 4b, 4c)이 상기 길이 치수의 하나 이상의 미리 결정된 하위 섹션(sub-section)을 따라서 연장되고, 제1 그룹 층(S1, S3)들의 내부 전극 층(4a, 4c)들의 하위 섹션들과 제2 그룹 층(S2)들의 내부 전극 층(4b)들의 하위 섹션들이 상이한 치수를 가짐으로써, 상기 압전 변환기가 다음 조건을 충족하며:
    Figure pct00068
    ,
    이 경우 Cin은 입력 커패시턴스(input capacity)를 나타내고, Cout은 출력 커패시턴스(output capacity)를 나타내며, 그리고 N은 이상적인 변환기의 변압비를 나타내는 것을 특징으로 하는, 압전 변환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 그룹의 층(S1, S3)들이 상기 제2 그룹의 층(S2)들과 교대하는 것을 특징으로 하는, 압전 변환기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 그룹 층(S1, S3)들의 내부 전극 층(4a, 4c)들이 각각 제1 위치와 제2 위치(P1, P2) 사이에서, 상기 길이 치수의
    Figure pct00069
    및
    Figure pct00070
    범위로 연장되고, 상기 제1 위치와 제2 위치(P1, P2) 사이에서 개별 하위 섹션이 상기 길이 치수의
    Figure pct00071
    의 길이를 차지하는, 압전 변환기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 그룹 층(S1, S3)들의 내부 전극 층(4a, 4c)들이 각각 제1 위치와 제2 위치(P1, P2) 사이에서, 상기 길이 치수의 약
    Figure pct00072
    위치만큼 대칭적으로 연장되는, 압전 변환기.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제2 그룹 층(S2)들의 내부 전극 층(4b)들이 각각 제1 위치와 제2 위치(P1, P2) 사이에서, 상기 길이 치수의
    Figure pct00073
    및
    Figure pct00074
    범위로 연장되고, 상기 제1 위치와 제2 위치(P1, P2) 사이에서 개별 하위 섹션이 상기 길이 치수의
    Figure pct00075
    및
    Figure pct00076
    의 길이를 차지하는, 압전 변환기.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제2 그룹 층(S2)들의 내부 전극 층(4b)들이 각각 제1 위치와 제2 위치(P1, P2) 사이에서, 상기 길이 치수의 〉0 및
    Figure pct00077
    범위로 연장되고, 상기 제1 위치와 제2 위치(P1, P2) 사이 개별 하위 섹션이 상기 길이 치수의
    Figure pct00078
    및
    Figure pct00079
    의 길이를 차지하는, 압전 변환기.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 제2 그룹 층(S2)들의 내부 전극 층(4b)들이 각각 제3 위치와 제4 위치(P3, P4) 사이 일 하위 섹션에서 추가로, 상기 길이 치수의
    Figure pct00080
    및
    Figure pct00081
    범위로 연장되는, 압전 변환기.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 길이 치수와 관련하여, 상기 제2 그룹 층(S2)들의 내부 전극 층(4b)들의 제1 위치(P1)가 상기 제1 그룹 층(S1, S3)들의 내부 전극 층(4a, 4c)들의 제1 위치(P1)에 상응하는, 압전 변환기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 소자(1)가 상기 입력측(2)에서 상기 길이 치수 방향에 수직인 방향으로 분극화(polarize)되어 있고, 출력측(3)에서 상기 길이 치수 방향으로 분극화되어 있는, 압전 변환기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력측(2)이 상기 압전 소자(1)의 길이 치수의 0 내지
    Figure pct00082
    범위에 설치되어 있고, 상기 출력측(3)이 상기 압전 소자(1)의 길이 치수의
    Figure pct00083
    내지 L 범위에 설치되어 있는, 압전 변환기.
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