KR880000902B1 - 압전 세라믹 변압기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

압전 세라믹 변압기

제1도는 본 발명에 따른 압전 세라믹 변압기의 단면도.

제2도는 본 발명에 따른 압전 세라믹 변압기의 공진특성 그래프.

제3(a)도 제3(b)도는 본 발명의 다른 실시예의 단면도.

제4도는 종래의 압전 세라믹 변압기의 단면도.

제5도는 종래의 압전 세라믹 변압기의 공진특성 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 절연체 2 : 입력부

3 : 출력부 4, 4' : 압전 세라믹 소자

5, 5', 6, 6' : 전극 7, 7' : 두께방향

T : 두께

본 발명은 압전 세라믹 소자를 이용한 변압기에 관한 것으로, 특히 압전 세라믹 소자의 형상과 크기를 변형시킴으로써 공진주파수 대역폭을 넓혀주고 온도 변화에 의한 주파수 변동을 방지할 수 있는 압전 세라믹 변압기에 관한 것이다.

일반적으로 티타산 바륨(BaTiO₃)이나, P.Z.T등과 같은 압전 세라믹 소자에 압력을 가하게 되면 일정방향으로 분극되어 전압을 발생하게 되고, 거꾸로 전압을 가하게 되면 압전 세라믹 소자가 진동하게 되는데, 특히 세라믹 소장의 특성에 따른 고유 주파수에 맞추어 줄 경우에 압전 세라믹 소자는 공진하여 강하게 진동하게 되며 이와 같은 압전효과를 이용하여 전기에너지를 기계에너지로 변환시킨다든지 다시 기계에너지를 전기에너지로 변환시킴으로써 그때 얻어지는 변압비를 이용하여 고압을 발생시키도록 된 압전 세라믹 변압기가 널리 사용되고 있다. 또 이러한 압전 세라믹 변압기는 코일형 변압기에 비해 구조가 간단하고 제작 및 소형화에 유용하기 때문에, 특히 소전류 고전압 변압기로써의 실용화를 위한 연구가 활발하게 추진되고 있다.

그러나 압전 세라믹 변압기는 주파수 대역이 매우 좁을 뿐만 아니라 온도변화 등과 같은 외부용인에 의해 변압기의 공진주파수가 많은 영향을 받기가 쉽기 때문에 그 결과 출력전압이 급격히 감소하거나 증가하는 등 전압변동율이 불량하여 텔레비젼용 고압발생장치로 사용하기에는 적당치 못하였다.

한편, 종래에는 상기와 같은 압전 세라믹 변압기의 문제점을 해결하기 위해서 각각 상이한 공진주파수를 갖는 다수개의 압전 세라믹 변압기를 병렬로 연결하여 1개의 압전 세라믹 변압기와 동일하게 동작시킴으로써 공진 주파수 범위의 확장을 도모하여 공진주파수 변화에 대응하고자 하였으나, 이 경우 평활한 직류 고압을 얻기 위해서는 여러대의 압전 세라믹 변압기가 필요하기 때문에 부피가 커지고 수평 출력회로가 복잡해질 뿐만 아니라 각각의 압전 세라믹 변압기에 대한 세라믹 소장의 규격이나 성분이 상이하게 되어 세라믹 소자의 제작에 시간이 많이 소요되고 능률이 저하되며, 결과적으로 가격을 상승시키게 되었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 압전 세라믹 소자의 형상 및 크기를 변형시킴으로써 압전 세라믹 변압기의 공진특성에 따른 선택도(Q)를 작게하며, 그 결과 공진 주파수의 변화에 따른 출력전압의 변화를 소자 자체에서 흡수 억제할 수 있을 뿐만 아니라 평활한 직류 고전압을 얻을 수도 있고, 나아가 1대의 압전 세라믹 변압기로 여려대의 기능을 수행할 수 있도록 함으로써, 가격을 절감하고 소형화에 유용한 압전 세라믹 변압기를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하 본 발명의 구성 및 작용효과를 예시된 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 절연체(1)로 절연시킨 입력부(2)와 출력부(3)로 구성되되 상기 입력부(2)와 출력부(3)는 판형의 각 압전 세라믹 소자(4)(4') 양면에다 전극(5)(6) 및 전극 (5')(6')을 형성시키고, 상기 압전 세라믹 소자(4)(4')는 각각 두께 방향(7)(7')으로 분극되면서, 일정한 기울기로 그 두께(T)를 변형시킨 구조로 되어 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명은 압전 세라믹 소자(4)(4')의 대역폭을 넓혀줌으로써 공진 주파수의 선택도(Q)을 작게 해주고 온도 변화등의 외부요인에 관계없이 안정된 출력전압을 공급할 수 있게 된다.

일반적으로 압전효과를 이용하여 전기에너지를 기계에너지로 다시 기계에너지를 전기에너지로 변환시키는 중에 얻어지는 변압비를 통해서 고압을 얻는 압전 세라믹 변압기의 변압비는 압전 세라믹 소자의 기계적 품질계수가 비례하게 되고, 또 압전 세라믹 변압기의 주파수 특성은 공진 상태에서 최대가 되는데, 여기서 압전 세라믹 변압기의 공진 주파수

의 식으로 주어지며, 이때 fs는 압전 세라믹 소자의 질결 공진주파수, Kt는 압전 세라믹 소자의 전기 기계 결합계수, Co는 고정용량, Ct는 접합층의 절연판과 공기층에 의한 정전용량이다.

이와 같이 압전 세라믹 변압기의 공진주파수(fo)는 fs, Co, Cd 및 Kt와 같은 요소에 의해 많은 영향을 받게 되는데, 특히 고정용량(Co)은 압전 세라믹 소자의 면적에(S) 비례하고 두깨(t)에 반비례하여

와 같이 표시될 수 있는바, 이로서 압전 세라믹 소자의 크기와 두께에 따라 공진 주파수가 변화한다는 것을 알수가 있다.

한편, 종래의 압전 세라믹 변압기는 제4도에 나타난 바와 같이, 그 두께(T)가 일정하기 때문에 고정용량(Co)의 변화가 없고 그에 따라 공진주파수(fo)의 특성도 선택도(Q)값이 크게 되어 제5도와 같은 공전특성 그래프를 나타내게 되는데, 이러한 경우에는 압전 세라믹 변압기의 공진 주파수(fo)를 결정짖는 각 요소들이 온도변화 등의 외부 영향으로 변화될 때 그 공진주파수(fo)값이 변동되어 결과적으로 변압기의 전압 변동율이 불량하게 되는 것이다.

반면, 제1도에 도시된 바와 같이 압전 세라믹 소자의 두께(T)가 일전한 기울기를 가지고 변형되어진 본 발명의 경우에는, 각기 두께(T)가 다른 각 부위에 따라 다양한 고정용량(Co)을 갖게 되어 압전 세라믹 변압기의 공진주파수(fo)가 다양하게 존재하게 되므로 제2도에 도시된 공진특성 그래프와 같이 선택도(Q)값이 작고 평활한 공진주파수(fo)특성을 나타내게 되며, 이와 같이 본 발명에 따른 특성은 온도 변화등의 외부 영향으로 공진주파수(fo)를 결정짖는 각 요소들이 변화될 때 공진주파수(fo)값을 일정하게 유지시켜 변압기의 전압 변동율을 양호한 상태로 유지시킬 수 있도록 해주는 것이다.

제1도에 도시된 본 발명에 따른 압전 세라믹 변압기의 단면도를 통해 그 작용을 좀더 상세히 설명하면, 절연체(1)를 통해 상호 절연된 입력부(2)와 출력부(3)에 있어서, 입력부(2)의 전극(5)(6)에 전압이 인가되면 압전 세라믹 소자(4)가 진동하면서 전기에너지를 기계에너지로 변환시키고, 절연체(1)를 통해 전달된 기게에너지는 출력부(3)의 압전 세라믹 소작(4')를 통해서 전극(5')(6')에 출력전압을 발생시키게 된다.

이때 압전 세라믹 소자(4)(4')의 분극은 화살표와 같은 두께방향(7)(7')으로 입력부(2)와 출력부(3)가 일치하도록 작용하며, 변압비는 각 압전 세라믹 소자(4)(4')의 크기와 성분 특성에 따라 결정되어 진다.

한편 제3(a)도와 제3(b)도는 본 발명에 따른 압전 세라믹 변압기의 다른 실시예를 보여주는 것으로서, 제3(a)도는 압전 세라믹 소자(4)(4')의 두께(T)를 2단으로, 제3(b)도는 압전 세라믹 소자(4)(4')의 두께를 4단으로 각각 성형시킨 것인데 이와 같이 다수의 계단으로 압전 세라믹 소자(4)(4')의 두께(T)를 형성시킬 경우에는 압전 세라믹 변압기가 다수개 설치된 것과 같이 다수의 공진주파수(fo)가 동시에 존재하게 되어 선택도(Q)값을 작게 할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같은 구성 및 작용에 의해서 본 발명은 압전 세라믹 소자(4)(4')의 크기와 두께를 변형시킴으로써 일정한 두께를 갖는 압전 세라믹 소자(4)(4')를 사용한 종래의 압전 세라믹 변압기에 비해서 공진주파수(fo)의 대역폭을 넓게 하고 선택도(Q)를 작게 할 수 있으며, 그에 따라 양호한 변압특성을 가질 수 있을 뿐만 아니라 온도변화 등의 외부 영향에 대해서도 크게 영향을 받지 않고 우수한 출력특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 절연체(1)에 의해 상호 절연시켜진 입력부(2)와 출력부(3)와 출력부(3)으로 구성되어져 있는 압전 세라믹 변압기에 있어서, 상기 입력부(2)와 출력부(3)는 두께방향(7)(7')으로 분극되는 압전 세라믹 소자(4)(4')의 양면에 형성된 전극(5)(6) 및 전극(5')(6')으로 구성되되 상기 압전 세라믹 소자(4)(4')양측단의 두께를 다르게 형성시키므로서 상기 압전 세라믹 소자의 두께(T)가 일정한 기울기를 가지며 변형되도록 함을 특징으로 하는 압전 세라믹 변압기.
2. 절연체(1)에 의해 상호 절연시켜진 입력부(2)와 출력부(3)로 구성되어진 압전 세라믹 변압기에 있어서, 상기 입력부(2)와 출력부(3)사이에 설치된 압전 세라믹 소자(4)(4')가 절연체(1)를 중심으로 서로 대칭되게 계단형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 변압기.

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