KR100751238B1 - Piezoelectric transformer with pinwheel type electrode - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 압전변압기의 구조를 보여주는 도면이다.1 is a view showing the structure of a conventional piezoelectric transformer.
도 2는 로젠타입 1차형 압전 변압기의 진동모드에 대한 응력-변위 분포도이다.2 is a stress-displacement distribution diagram of a vibration mode of a lozenge type primary piezoelectric transformer.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 변압기의 전극 형상도이다.3 is an electrode shape diagram of a piezoelectric transformer according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 변압기의 전극 형상도이다.4 is an electrode shape diagram of a piezoelectric transformer according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 변압기의 전극 형상도이다.5 is an electrode shape diagram of a piezoelectric transformer according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비틀림진동을 설명하기 위한 좌표계를 도시한 도면이다.6 is a diagram illustrating a coordinate system for explaining torsional vibration according to an embodiment of the present invention.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진주파수에서 비틀림 진동의 모습을 보여주는 도면이다.7 and 8 are views showing the appearance of torsional vibration at the resonant frequency according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 변압기의 구동방법을 보여주는 도면이다.9 is a view showing a method of driving a piezoelectric transformer according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 변압기의 구동방법을 보여주는 도면이다.10 is a view showing a method of driving a piezoelectric transformer according to another embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 변압기의 분극 방향을 나타내는 도면이다.11 illustrates a polarization direction of a piezoelectric transformer according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 변압기의 전계 방향을 나타내는 도면이다.12 is a view showing the electric field direction of the piezoelectric transformer according to an embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 변압기의 실제 사진이다.13 is an actual photograph of a piezoelectric transformer according to an embodiment of the present invention.
도 14는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 변압기가 사용된 시스템의 구조를 보여주는 블록도이다.14 is a block diagram showing the structure of a system using a piezoelectric transformer according to a first embodiment of the present invention.
도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 실험에서 입력측과 출력측의 전압 및 전류의 그래프를 도시한 도면이다.FIG. 15 is a diagram illustrating a graph of voltage and current on an input side and an output side in an experiment according to a first embodiment of the present invention.
도 16은 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 변압기가 사용된 시스템의 구조를 보여주는 블록도이다.16 is a block diagram showing the structure of a system using a piezoelectric transformer according to a second embodiment of the present invention.
도 17은 본 발명의 제2실시예에 따른 실험에서 입력측과 출력측의 전압 및 전류의 그래프를 도시한 도면이다.FIG. 17 is a diagram illustrating a graph of voltage and current on an input side and an output side in an experiment according to a second embodiment of the present invention.
도 18은 본 발명의 제3실시예에 따른 압전 변압기가 사용된 시스템의 구조를 보여주는 블록도이다.18 is a block diagram showing the structure of a system using a piezoelectric transformer according to a third embodiment of the present invention.
도 19는 본 발명의 제3실시예에 따른 실험에서 입력측과 출력측의 전압 및 전류의 그래프를 도시한 도면이다.19 is a diagram illustrating a graph of voltage and current on an input side and an output side in an experiment according to a third embodiment of the present invention.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 변압기가 사용된 EEFL 구동 장면을 보여주는 실제 사진이다. 20 is an actual picture showing an EEFL driving scene using a piezoelectric transformer according to an embodiment of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
110 파형 발생기 120 전력 증폭기110
130 입력측 매칭회로 140 압전 변압기130 Input
150 출력측 매칭회로 160, 170 EEFL150 output
180 형광등180 fluorescent tube
본 발명은 압전재료의 압전효과와 역압전효과를 이용하여 전압을 증폭하는 압전 변압기에 관한 것으로, 새로운 형태의 전극 구조 및 분극방향배열을 이용하여 비틀림 진동을 효과적으로 발생시켜 고출력 특성을 얻도록 하는 고효율 압전 변압기에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric transformer for amplifying a voltage by using the piezoelectric effect and the reverse piezoelectric effect of a piezoelectric material. The present invention provides a high efficiency to effectively generate torsional vibration by using a new type of electrode structure and polarization direction arrangement. Relates to a piezoelectric transformer.
압전변압기에 관한 연구는 1957년 미국 GE사의 C. E. Rosen 등이 실용적인 연구를 시작한 것이 처음이다. 그러나 당시 사용하던 압전재료가 티탄산 바륨으로서 승압 범위가 무부하에서 약 50∼60배 정도여서 실용화에는 한계가 있었으나, Pb(Zr,Ti)O3 를 주성분으로 하는 새로운 압전재료가 발견됨으로써 그 이상의 승압이 가능하게 되어 본격적인 실용화 연구가 진행되고 있다.The piezoelectric transformer was first studied in 1957 by CE Rosen of GE of the United States. However, the step-up being more of a piezoelectric material that was used at the time of about 50 to 60 times yeoseo practical use in the step-up no-load range as barium titanate but there is a limit, found a new piezoelectric material composed mainly of Pb (Zr, Ti) O 3 It becomes possible, and full-scale practical research is going on.
기존의 권선형 변압기를 압전 변압기와 비교해 보면, 권선형 변압기의 경우 전자유도에 의한 승압 방식을 취하고 있으나, 압전 변압기의 경우 압전 및 역압전 효과를 이용하고 있어 전자노이즈의 문제가 적다. 또한, 승압비는 권선형의 경우 권선비에 의해 결정되나, 압전변압기의 경우 재료특성 및 전극구조, 치수 등에 의하여 결정된다.Comparing the conventional winding transformer with the piezoelectric transformer, the winding transformer adopts the step-up method by the electromagnetic induction, but the piezoelectric transformer uses the piezoelectric and reverse piezoelectric effects, thereby reducing the problem of electronic noise. In addition, in the case of the winding type, the boost ratio is determined by the winding ratio, but in the case of piezoelectric transformer, it is determined by the material characteristics, the electrode structure, the dimensions, and the like.
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.In consideration of the output power, especially in the case of the winding type in order to convert the secondary side into high voltage and low current, the winding ratio has to be increased, so the leakage component increases accordingly. Since the (primary side) -mechanical-electrical (secondary side) coupling is used, there is an advantage that an efficiency of 90% or more can be realized.
이와 같은 2차측의 고전압, 저전류인 변압기는 부하가 고임피던스인 경우 임피던스 정합이 잘 이루어지며, 따라서 효율이 좋게 됨으로써 부하특성은 양호하게 되어 에너지 변환 효율을 증가시킨다.Such secondary high voltage and low current transformers have good impedance matching when the load is high impedance, and thus the load characteristics are good by increasing the efficiency, thereby increasing the energy conversion efficiency.
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.Until now, the realization of piezoelectric transformers having characteristics of high voltage and low current has been well accomplished, and the application to the inverter for back light of notebook computers, which can be applied to them, is being actively studied.
최근 노트북 컴퓨터는 소형 경량화 추세인데 반하여, 기존의 권선형 변압기의 경우에는 절연, 내압 확보로 인하여 소형-박형화가 제한되고 코아손실 등 권선손실에 의한 효율저하가 발생한다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 노트북 컴퓨터의 LCD 백라이트에 압전 변압기를 적용하면, 압전 변압기와 노트북 컴퓨터 LCD 백라이트의 임피던스 정합이 잘 이루어지므로, 노트북 컴퓨터의 백라이트용 인버터로서의 응용에 문제가 없으며, 이미 일부 적용제품이 출하되고 있다.Recently, notebook computers have been miniaturized and light weighted, but in the case of conventional winding transformers, small-sized thinning is limited due to insulation and withstand voltage, and efficiency loss due to winding loss such as core loss occurs. When the piezoelectric transformer is applied to the LCD backlight of the notebook computer to overcome these disadvantages, the impedance matching between the piezoelectric transformer and the notebook computer LCD backlight is well achieved, and thus there is no problem in the application as a backlight inverter of the notebook computer. Is being shipped.
한편 최근에는 1차 로젠(Rosen)형, 3차 로젠형 등의 고출력화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 아울러 병렬운전을 위한 적층방법에 대한 연구도 함께 진행되고 있다.On the other hand, recently, researches for increasing the output power of the first Rosen type and the third Rosen type have been actively conducted, and the stacking method for parallel operation has also been progressed.
종래 압전 변압기의 기본구조에 대한 문제점을 도 1을 참조하여 살펴보고자 한다. 압전 변압기의 기본구조는 도 1에서 보는 바와 같이 여러가지 형태가 제안되고 있으나, 제조 및 승압비로 볼 때 장방형 판상인 도 1의 (a)가 가장 실용적인 것으로 평가받고 있다.Problems with respect to the basic structure of a conventional piezoelectric transformer will be described with reference to FIG. 1. The basic structure of the piezoelectric transformer has been proposed in various forms as shown in FIG. 1, but in view of manufacturing and boosting ratio, FIG.
도 1에서 보듯이 판상 압전 소자의 반은 두께방향으로 전극구조가 형성되어 있으며, 분극방향 역시 두께방향으로 형성되어 있다. 다른 반은 길이방향으로 전극구조가 형성되어 있으며, 분극방향 역시 길이 방향으로 되어 있다.As shown in FIG. 1, half of the plate-shaped piezoelectric element has an electrode structure formed in the thickness direction, and the polarization direction is formed in the thickness direction. The other half has an electrode structure in the longitudinal direction, and the polarization direction is also in the longitudinal direction.
여기서 두께방향의 전극부를 구동부라 하고, 길이방향의 전극부를 출력부라 하며, 이는 권선 변압기의 각각 1차측 및 2차측에 해당한다.Here, the electrode portion in the thickness direction is called a driving portion, and the electrode portion in the longitudinal direction is called an output portion, which corresponds to the primary side and the secondary side of the winding transformer, respectively.
길이방향의 치수인 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 인해 전하가 발생하고, 출력단에서 교류 고전압을 얻을 수 있다.When an input voltage of a natural resonance frequency determined by 2L, which is a dimension in the longitudinal direction, is applied to the driving unit (thickness electrode unit), strong mechanical vibration occurs in the longitudinal direction due to the electrostrictive effect, and the output unit (length Electric charges are generated due to the piezoelectric effect occurring at the electrode part in the direction, and an alternating current high voltage can be obtained at the output terminal.
즉, 전기적 에너지에서 기계적 에너지로, 기계적 에너지에서 전기적 에너지로의 변환을 이용하여 승압작용을 하게 된다.That is, the pressure boosting action is performed by using electrical energy to mechanical energy and mechanical energy to electrical energy.
도 2 에는 각각의 진동모드에 대한 변위 및 응력 분포를 나타내고 있다. 2 shows the displacement and stress distribution for each vibration mode.
도 2에서 변위가 0이고 응력이 최대가 되는 점을 노드(node)점이라 하며, 지 지시 노드점을 지지하여야만 최대의 승압비를 얻을 수 있다. In FIG. 2, the point where the displacement is 0 and the stress is the maximum is referred to as a node point, and the maximum boost ratio can be obtained only by supporting the pointing node point.
이러한 구조의 최대 단점은 구동부와 출력부의 분극방향이 직교하고 있으므로 경계면에서의 응력집중이 심하고, 출력부 분극시 고전계(3㎸/㎜)가 인가되므로 분극이 어렵고, 출력단의 전극면적이 작아 고전류를 얻기가 어려워 고전압, 소전류의 출력특성이 얻어지므로 형광등과 같은 대전류 점등에는 적합하지 않다는 것이다.The biggest disadvantage of this structure is that the polarization direction of the driving part and the output part is orthogonal, so the stress concentration at the interface is severe, and the high electric field (3 고전 / mm) is applied during the polarization of the output part. It is difficult to obtain the output characteristics of high voltage and small current, so it is not suitable for lighting a large current such as a fluorescent lamp.
이러한 문제점을 극복하기 위하여 여러 개를 독립적으로 제작하여 병렬 구동시키는 방법이 있으나, 정확한 치수를 제어하기 어려워 공진주파수를 일치시킬 수 없으며 분극공정의 단점이 해소되지 않아 출력특성이 저하된다는 문제점이 있다.In order to overcome this problem, there is a method of manufacturing a plurality of independent driving in parallel, but it is difficult to control the exact dimensions, so that the resonance frequency can not be matched, there is a problem that the output characteristics are deteriorated because the disadvantages of the polarization process is not solved.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 종래 압전 변압기의 전극 구조와는 다른 새로운 형태의 전극 구조 및 분극방향 배열에 의하여 고출력(고전압, 고전류)을 얻을 수 있는 압전 변압기를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, to provide a piezoelectric transformer that can obtain a high output (high voltage, high current) by the electrode structure and the polarization direction arrangement different from the electrode structure of the conventional piezoelectric transformer. will be.
본 발명의 다른 목적은 구동회로에 권선형 변압기를 사용하지 않고도 고전압 및 고전류를 요하는 EEFL(External Electrode Fluorescent Lamp), 형광등, 삼파장 램프 등을 가정용 입력전압(220V/110V)에서 안정적으로 점등시킬 수 있는 고효율의 압전 변압기를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to stably light an external electrode fluorescent lamp (EEFL), a fluorescent lamp, a three-wavelength lamp, etc., which require high voltage and high current, without using a winding transformer in a driving circuit. To provide a high-efficiency piezoelectric transformer.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전 전압기는 압전재료로 된 몸체와, 몸체의 한쪽면에 형성된 상부전극과 반대쪽면에 형성된 하부전극을 구비한다. 상부전극은 몸체와 동일한 평면구조로 되어 있고, 바람개비형상으로 분할된 형태로 형성되어 있으며, 분할된 전극 중 일부 전극에 입력전압이 인가되고, 나머지 전극으로부터 출력전압이 얻어지도록 되어 있다. 일실시예에서 하부전극은 몸체와 동일한 평면구조로 되어 있고 입출력공통전극으로 이루어져 있다. 다른 실시예에서 하부전극은 몸체와 동일한 평면구조로 되어 있으며, 상기 상부전극과 같은 모양의 바람개비형상으로 분할된 형태이되, 상부전극과 일정각도로 틀어져서 형성되어 있으며, 상부전극에서 입력전압이 인가된 전극에 대응하는 전극에 입력전압이 인가되고, 나머지 전극으로부터 출력전압이 얻어지도록 되어 있다. The piezoelectric voltage generator of the present invention for achieving the above object includes a body made of a piezoelectric material, and a lower electrode formed on the opposite side to the upper electrode formed on one side of the body. The upper electrode has the same planar structure as the body, and is formed in a vane shape, and an input voltage is applied to some of the divided electrodes, and an output voltage is obtained from the remaining electrodes. In one embodiment, the lower electrode has the same planar structure as the body and consists of input and output common electrodes. In another embodiment, the lower electrode has the same planar structure as the body, is divided into a pinwheel shape having the same shape as the upper electrode, and is formed at a predetermined angle with the upper electrode, and an input voltage is applied from the upper electrode. The input voltage is applied to the electrode corresponding to the electrode, and the output voltage is obtained from the remaining electrodes.
일실시예에서, 상부전극은 다수개의 나선형의 날개모양 전극과, 상기 다수의 날개모양 전극 이외의 부분에 형성된 전극을 구비하며, 상기 날개모양의 전극은 서로 일정한 간격을 두고 떨어져서 바람개비 형상을 이룬다. 상부전극의 분할된 전극 중에서 날개모양 전극 이외의 부분에 형성된 전극에 입력전압이 인가되고, 상기 다수의 날개모양 전극으로부터 출력전압이 얻어지도록 하거나 또는 그 반대로 할 수 있다. In one embodiment, the upper electrode has a plurality of spiral wing-shaped electrode, and the electrode formed in the portion other than the plurality of wing-shaped electrode, the wing-shaped electrode is separated from each other at regular intervals to form a pinwheel shape. An input voltage is applied to an electrode formed at a portion other than the wing electrode among the divided electrodes of the upper electrode, and the output voltage can be obtained from the plurality of wing electrodes or vice versa.
다른 실시예에서, 상부전극은 중앙에 형성된 절연부위를 중심으로 외부로 향하는 다수개의 나선형 절연선으로 분할되어 바람개비 형상으로 형성된다. In another embodiment, the upper electrode is divided into a plurality of spiral insulated wires facing outward with respect to the insulation portion formed in the center thereof, and formed in a pinwheel shape.
몸체의 분극 방향은 두께 방향이고, 상부전극에 형성된 바람개비형상은 반시계방향으로 돌아가는 모습으로 형성하거나, 시계방향으로 돌아가는 모습으로 형성 할 수 있다. 몸체의 형태는 평면 형태가 원, 원환 등으로 형성할 수 있다. The polarization direction of the body is in the thickness direction, the pinwheel shape formed on the upper electrode may be formed in a form that returns to the counterclockwise direction, or may be formed to return to the clockwise direction. The shape of the body may be formed in a circular shape, such as a circle, a torus.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First of all, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals have the same reference numerals as much as possible even if displayed on different drawings. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 변압기의 전극 형상도이다. 도 3 (a)는 압전 변압기의 상부전극이고, 도 3 (b)는 압전 변압기의 하부전극을 도시한 것이다.3 is an electrode shape diagram of a piezoelectric transformer according to an embodiment of the present invention. 3 (a) shows an upper electrode of a piezoelectric transformer, and FIG. 3 (b) shows a lower electrode of a piezoelectric transformer.
도 3의 실시예에서는 압전재료로 된 동전 형태의 몸체(미도시)의 윗면(제1평면)에 상부전극을 형성하고, 아랫면(제2평면)에 하부전극을 형성한다. 상부전극(도 3의 (a))은 입력전극(5)과 날개 모양의 4개의 출력전극(1,2,3,4)이 바람개비 형상으로 형성되어 이루어진다. 하부전극(도 3의 (b))은 몸체의 평면형상(원)과 동일한 형상의 입출력공통전극으로 이루어져 있다.In the embodiment of FIG. 3, an upper electrode is formed on an upper surface (first plane) of a coin-shaped body (not shown) made of piezoelectric material, and a lower electrode is formed on a lower surface (second plane). In the upper electrode (FIG. 3A), the
도 3 (a)에서 출력전극은 원판의 중심 부근에 꼭지점이 있는 4개의 나선형의 날개모양 전극(1, 2, 3, 4)으로 되어 있으며, 각 날개모양은 다른 날개모양과 간격을 두고 서로 떨어져 있는 형태로 되어 있는 바람개비 형상으로 분할되어 있다. 바람개비 형상은 반시계 방향 또는 시계방향으로 회전하는 모양으로 되어 있다. In Figure 3 (a) the output electrode is composed of four spiral wing-shaped electrodes (1, 2, 3, 4) with a vertex near the center of the disk, each wing is spaced apart from each other at the wing It is divided into a pinwheel shape. The pinwheel shape is shaped to rotate counterclockwise or clockwise.
도 3 (a)에서 상부전극의 분할된 전극 중에서 출력전극(1, 2, 3, 4)을 제외한 입력전극(5)에 입력전압이 인가되고, 출력전극(1, 2, 3, 4)으로부터 출력전압이 얻어지도록 되어 있다.In FIG. 3A, an input voltage is applied to the
도 3 (b)에서 하부전극은 분할되지않고 일체로 형성되며, 공통접지에 연결되어 있다.In FIG. 3 (b), the lower electrode is integrally formed without being divided, and is connected to the common ground.
이러한 도 3의 실시예에 따른 압전 변압기의 구동예를 나타낸 도면이 도 9에 도시되어 있다. FIG. 9 is a diagram illustrating a driving example of the piezoelectric transformer according to the exemplary embodiment of FIG. 3.
도 3에서 입력전압과 출력전압을 연결하는 방법은 일 실시예에 지나지 않으며, 다른 방식으로 연결하여 구동할 수 있음은 당연하다. 예를 들어, 상부전극의 분할된 전극 중에서 날개모양(1, 2, 3, 4)의 전극에 입력전압이 인가되고, 날개모양을 제외한 전극(5)으로부터 출력전압이 얻어지도록 할 수도 있다. In FIG. 3, the method of connecting the input voltage and the output voltage is only one embodiment, and it is natural that the method can be connected and driven in another manner. For example, an input voltage may be applied to the
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 변압기의 전극 형상도이다. 도 4 (a)는 압전 변압기의 상부전극이고, 도 4 (b)는 압전 변압기의 하부전극을 도시한 것이다.4 is an electrode shape diagram of a piezoelectric transformer according to another exemplary embodiment of the present invention. 4 (a) shows an upper electrode of a piezoelectric transformer, and FIG. 4 (b) shows a lower electrode of a piezoelectric transformer.
도 4의 실시예에서는 압전재료로 된 동전 형태의 몸체(미도시)의 윗면(제1평면)에 상부전극을 형성하고, 아랫면(제2평면)에 하부전극을 형성한다. 상부전극(도 4의 (a))은 입력전극(5)과 날개 형상의 4개의 출력전극(1,2,3,4)으로 이루어지며, 입력전극과 출력전극은 절연선(검은선 부분)에 의해 분리되어 있다. 하부전극(도 4의 (b))은 몸체의 평면형상(원)과 동일한 형상의 표면에 상부전극과 같은 모양의 바람개비형상으로 분할된 형태이지만, 상부전극과 일정 각도로 틀어져서 형성된다. In the embodiment of FIG. 4, an upper electrode is formed on an upper surface (first plane) of a coin-shaped body (not shown) made of piezoelectric material, and a lower electrode is formed on a lower surface (second plane). The upper electrode (a) of FIG. 4 is composed of an
도 4 (a)에서 상부전극은 중심부근에 꼭지점이 있는 다수개의 날개모양(1, 2, 3, 4)으로 되어 있으며, 각 날개모양은 다른 날개모양과 간격을 두고 서로 떨어져 있는 형태로 되어 있는 바람개비 형상으로 분할되어 있다. 바람개비 형상은 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 모양으로 구성된다.In Figure 4 (a) the upper electrode is a plurality of wings (1, 2, 3, 4) having a vertex in the center root, each wing shape is spaced apart from each other at the wing shape It is divided into pinwheel shape. The pinwheel shape consists of a shape that rotates clockwise or counterclockwise.
도 4 (a)에서 상부전극의 분할된 전극 중에서 날개모양(1, 2, 3, 4)을 제외한 전극(5)에 입력전압이 인가되고, 날개모양(1, 2, 3, 4)의 전극으로부터 출력전압이 얻어지도록 되어 있다.In FIG. 4A, an input voltage is applied to the
도 4 (b)에서 하부전극은 분할된 전극 중에서 날개모양(1', 2', 3', 4')을 제외한 전극(5')에 입력전압이 인가되고, 날개모양(1', 2', 3', 4')의 전극으로부터 출력전압이 얻어지도록 되어 있다. In FIG. 4B, the lower electrode has an input voltage applied to the electrode 5 'except for the wings 1', 2 ', 3' and 4 'among the divided electrodes, and the
이러한 도 4의 실시예에 따른 압전 변압기의 구동예를 나타낸 도면이 도 10에 도시되어 있다. FIG. 10 is a view illustrating a driving example of the piezoelectric transformer according to the embodiment of FIG. 4.
도 4에서 입력전압과 출력전압을 연결하는 방법은 일 실시예에 지나지 않으며, 다른 방식으로 연결하여 구동할 수 있음은 당연하다. 예를 들어, 상부전극의 분할된 전극 중에서 날개모양(1, 2, 3, 4)의 전극에 입력전압이 인가되고, 날개모양을 제외한 전극(5)으로부터 출력전압이 얻어지도 하고, 하부전극도 상부전극과 대응되도록 연결하여 구동할 수 있다. In FIG. 4, the method of connecting the input voltage and the output voltage is only an embodiment, and it is natural that the method can be connected and driven in other ways. For example, among the divided electrodes of the upper electrode, an input voltage is applied to the electrodes of the
본 발명의 다른 실시예로서, 도 3 및 도 4의 전극의 모양과 다른 형태의 실 시예도 있을 수 있다. As another embodiment of the present invention, there may be an embodiment of the embodiment different from the shape of the electrode of Figs.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 변압기의 전극 형상도이다. 도 5 (a)는 입출력측 전극이 모두 분할된 실시예이고, 도 5 (b)는 원환형 압전 변압기의 실시예를 도시한 도면이다.5 is an electrode shape diagram of a piezoelectric transformer according to another exemplary embodiment of the present invention. Figure 5 (a) is an embodiment in which both the input and output electrodes are divided, Figure 5 (b) is a view showing an embodiment of the toroidal piezoelectric transformer.
도 5 (a)에서 상부전극은 중앙에 형성된 절연부위(검은 원 부분)를 중심으로 외부로 향하는 다수개의 나선형 절연선으로 분할되어 바람개비 형상으로 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 상기 절연부위 및 절연선에 의해 각 전극들은 서로 분리되어 있다.In Figure 5 (a) it can be seen that the upper electrode is divided into a plurality of spiral insulating lines toward the center around the insulating portion (black circle portion) formed in the center is formed in a pinwheel shape. The electrodes are separated from each other by the insulating portion and the insulating line.
도 5 (b)는 원환형 압전 변압기의 실시예로서, 압전재료로 된 원환형의 평면 구조로 되어 있는 몸체와, 몸체 상하의 제1평면 및 제2평면 중 한쪽에 인접하여 형성되어 있으며, 상기 몸체와 동일한 평면구조로 되어 있고, 바람개비형상으로 분할된 형태로 형성되어 있는 상부전극을 포함한다. 5 (b) is an embodiment of the toroidal piezoelectric transformer, which is formed adjacent to one of a toroidal planar structure made of a piezoelectric material, and one of the first and second planes above and below the body. It has the same planar structure and includes an upper electrode formed in a divided shape in a pinwheel shape.
도 5에서 하부전극은 도 3의 (b)와 같이 공통접지전극으로 형성될 수도 있고, 상부전극과 같은 모양의 바람개비형상으로 분할되고 상부전극과 일정각도로 틀어져서 형성될 수도 있다.In FIG. 5, the lower electrode may be formed as a common ground electrode as shown in FIG. 3B, or may be divided into a pinwheel shape having the same shape as the upper electrode, and may be formed at a predetermined angle with the upper electrode.
도 5에서 분할된 전극 중 일부 전극에 입력전압이 인가되고, 나머지 전극으로부터 출력전압이 얻어지도록 구동부를 연결할 수 있다. 예를 들어, 1, 2, 3, 4번 전극에 입력전압을 연결하고, 5, 6, 7, 8번 전극으로부터 출력전압이 얻어지도록 연결할 수 있다. 물론 그 반대도 가능하며, 실시예에 따라서 다양하게 연결하여 구동시킬 수 있다.An input voltage may be applied to some of the divided electrodes in FIG. 5, and the driving unit may be connected to obtain an output voltage from the remaining electrodes. For example, an input voltage may be connected to
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비틀림진동을 설명하기 위한 좌표계를 도시한 도면이다. 도 6의 좌표계는 극 좌표계로서 좌표계의 원점을 중심으로 시계방향으로 회전하는 모양의 전극이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 도 6의 실시예와는 반대의 경우로서, 좌표계의 원점을 중심으로 반시계방향으로 회전하는 모양의 전극이 형성된 실시예도 물론 가능하다.6 is a diagram illustrating a coordinate system for explaining torsional vibration according to an embodiment of the present invention. It can be seen that the coordinate system of FIG. 6 is an electrode having a shape that rotates in a clockwise direction about the origin of the coordinate system as the polar coordinate system. As opposed to the embodiment of FIG. 6, an embodiment in which an electrode having a shape that rotates in a counterclockwise direction about the origin of the coordinate system is also possible.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진주파수에서 비틀림 진동의 모습을 보여주는 것으로서, 진동모드에 따른 변위를 시뮬레이션 한 결과를 도시한 도면이다. 도 7 및 도 8에서는 (a)->(b)->(c)->(d)->(a)...의 순서로 비틀림 진동이 발생하는 것을 확인할 수 있고, 이때 화살표는 진동의 변위 방향을 나타내고 잇다. (a), (c)는 중립상태를 보여주고, (b), (d)는 최대 변위 상태를 보여주고 있다. 이러한 비틀림 진동이 발생하는 이유는 전술한 바와 같이 바람개비형태의 전극 구조에 기인한다.7 and 8 are to show the appearance of the torsional vibration at the resonant frequency according to an embodiment of the present invention, it is a view showing a result of simulating the displacement according to the vibration mode. 7 and 8, it can be seen that torsional vibration occurs in the order of (a)-> (b)-> (c)-> (d)-> (a) ..., wherein the arrow indicates It shows the direction of displacement. (a) and (c) show neutral states, and (b) and (d) show maximum displacement states. The reason why this torsional vibration occurs is due to the pinwheel type electrode structure as described above.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 변압기의 분극 방향을 나타내는 도면이다. 도 11에서 보는 바와 같이 몸체의 분극 방향은 두께 방향으로 형성되어 있다. 도 11에서는 상부전극과 하부전극이 일정 각도로 틀어져 있는 것을 나타내기 위하여, 상부전극의 날개 부위의 끝 부분과, 그에 대응되는 하부전극의 날개 부위의 끝 부분을 점선으로 연결하여 보여주고 있다. 도 11에 도시된 것처럼, 하부전극 은 상부전극과 일정각도로 틀어져서 형성되는 것이 바람직하다.11 illustrates a polarization direction of a piezoelectric transformer according to an exemplary embodiment of the present invention. As shown in FIG. 11, the polarization direction of the body is formed in the thickness direction. In FIG. 11, in order to show that the upper electrode and the lower electrode are distorted at a predetermined angle, the end portion of the wing portion of the upper electrode and the end portion of the wing portion of the lower electrode corresponding thereto are connected by a dotted line. As shown in FIG. 11, the lower electrode is preferably formed at a predetermined angle from the upper electrode.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 변압기의 전계 방향을 나타내는 도면이다. 도 12는 도 3의 전극구조에서 입력측에 형성되는 전계의 방향을 나타낸 도면이다. 도 12에서도 하부전극이 상부전극과 일정각도로 틀어져서 형성되어 있음을 측면에 점선으로 표시하였다.12 is a view showing the electric field direction of the piezoelectric transformer according to an embodiment of the present invention. 12 is a view showing the direction of the electric field formed on the input side in the electrode structure of FIG. Also in FIG. 12, the lower electrode is deviated from the upper electrode at a predetermined angle and is indicated by a dotted line on the side.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 변압기의 실제 사진으로서, 본 발명의 실제 실험에 사용된 것이다.FIG. 13 is an actual photograph of a piezoelectric transformer according to an embodiment of the present invention, which is used in an actual experiment of the present invention.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 변압기가 사용된 시스템의 구조를 보여주는 블록도이다. 도 14의 시스템은 파형 발생기(110), 전력 증폭기(120), 입력측 매칭회로(130), 압전 변압기(140), 출력측 매칭회로(150), EEFL(160)로 이루어진다. 도 14의 실시예에서는 구동부의 입력전압범위가 0~130Vrms인 정현파를 사용하였으며, 최대 출력을 나타내는 모드의 입력 주파수를 사용하였다. 14 is a block diagram showing the structure of a system using a piezoelectric transformer according to an embodiment of the present invention. The system of FIG. 14 includes a
그리고, 사용된 세라믹스 압전소자의 압전 및 유전 특성은 다음과 같다. The piezoelectric and dielectric properties of the ceramic piezoelectric element used are as follows.
< 압전변압기용 소자의 압전 및 유전 특성 ><Piezoelectric and Dielectric Properties of Piezoelectric Transformer Elements>
조성식 Pb(Mn1 /3Nb2 /3)-PZT+첨가제A composition formula Pb (Mn 1/3 Nb 2 /3) -PZT + additive
경방향 압전정수(d31) -150pC/NRadial Piezoelectric Constant (d 31 ) -150pC / N
경방향전기기계결합계수(kp) 0.6Radial electromechanical coupling factor (kp) 0.6
유전율 1200Permittivity 1200
Tanδ 0.25Tanδ 0.25
Qm 2200Qm 2200
Tc 310 ℃Tc 310 ℃
도 14에서는 도 4의 전극구조를 갖는 압전변압기를 사용하였다. 전극 간격은 1.5mm, 직경 28mm, 두께 5mm이다. 1차측 임피던스 매칭을 위해 2.4mH 인덕터와, 부하저항으로는 6W 출력의 EEFL 10개를 병렬 구동하였고, 부하측 임피던스 매칭을 위해 8mH의 인덕터를 사용하였다.In FIG. 14, a piezoelectric transformer having the electrode structure of FIG. 4 was used. The electrode spacing is 1.5 mm, diameter 28 mm, and
도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 실험에서 입력측과 출력측의 전압 및 전류의 그래프를 도시한 도면이다. (a)는 입력측 전압 및 전류의 파형이고, (b)는 출력측 전압 및 전류의 파형이다. 도 15의 그래프를 볼 때 주의할 점은 전압파형은 전압프로브 스케일이 500:1이고, 오실로스코프 스케일이 1000:1이기 때문에 측정값에 0.5를 곱해서 읽어야 한다는 것이다. 예를 들어, 입력측 전압의 실효치 측정값이 206.2 Vrms인데, 실제값은 측정값에 0.5를 곱한 103.1 Vrms이다.FIG. 15 is a diagram illustrating a graph of voltage and current on an input side and an output side in an experiment according to a first embodiment of the present invention. (a) is a waveform of input voltage and current, and (b) is a waveform of output voltage and current. Note that when the graph of FIG. 15 is used, the voltage waveform should be read by multiplying the measured value by 0.5 because the voltage probe scale is 500: 1 and the oscilloscope scale is 1000: 1. For example, the actual measured value of the input voltage is 206.2 Vrms, and the actual value is 103.1 Vrms multiplied by 0.5.
도 16은 본 발명의 제2실시예로서, 도 3의 형태의 압전 변압기가 사용된 시스템의 구조를 보여주는 블록도이다. 도 16의 시스템은 파형 발생기(110), 전력 증폭기(120), 입력측 매칭회로(130), 압전 변압기(140), 출력측 매칭회로(150), EEFL(170)로 이루어진다. 도 16에서 사용된 세라믹스 압전소자의 압전 및 유전 특성은 위의 경우와 같으며, 구동부의 입력전압 범위가 0~130Vrms 인 정현파를 사용하였으며, 최대 출력을 나타내는 모드의 입력주파수를 사용하였으며, 6W급 EEFL 10개를 병렬구동하였다.FIG. 16 is a block diagram showing a structure of a system in which a piezoelectric transformer of the type shown in FIG. 3 is used as a second embodiment of the present invention. The system of FIG. 16 includes a
도 17은 본 발명의 제2실시예에 따른 실험에서 입력측과 출력측의 전압 및 전류의 그래프를 도시한 도면이다. (a)는 입력측 전압 및 전류의 파형이고, (b)는 출력측 전압 및 전류의 파형이다. 도 17의 그래프를 볼 때 주의할 점은 전압파형은 전압프로브 스케일이 500:1이고, 오실로스코프 스케일이 1000:1이기 때문에 측정값에 0.5를 곱해서 읽어야 한다는 것이다. 예를 들어, 입력측 전압의 실효치 측정값이 206.2 Vrms인데, 실제값은 측정값에 0.5를 곱한 103.1 Vrms이다. FIG. 17 is a diagram illustrating a graph of voltage and current on an input side and an output side in an experiment according to a second embodiment of the present invention. (a) is a waveform of input voltage and current, and (b) is a waveform of output voltage and current. In the graph of FIG. 17, note that the voltage waveform has a voltage probe scale of 500: 1 and an oscilloscope scale of 1000: 1. For example, the actual measured value of the input voltage is 206.2 Vrms, and the actual value is 103.1 Vrms multiplied by 0.5.
도 18은 본 발명의 제3실시예로서, 도 3의 형태의 압전 변압기가 사용된 시스템의 구조를 보여주는 블록도이다. 도 18의 시스템은 파형 발생기(110), 전력 증폭기(120), 입력측 매칭회로(130), 압전 변압기(140), 형광등(180)으로 이루어진다. 도 18에서는 55W급 형광등을 병렬구동하였다.FIG. 18 is a block diagram showing a structure of a system in which a piezoelectric transformer of the type shown in FIG. 3 is used as a third embodiment of the present invention. The system of FIG. 18 consists of a
도 19는 본 발명의 제3실시예에 따른 실험에서 입력측과 출력측의 전압 및 전류의 그래프를 도시한 도면이다. (a)는 입력측 전압 및 전류의 파형이고, (b)는 출력측 전압 및 전류의 파형이다. 도 19의 그래프를 볼 때 주의할 점은 전압파형은 전압프로브 스케일이 500:1이고, 오실로스코프 스케일이 1000:1이기 때문에 측정값에 0.5를 곱해서 읽어야 한다는 것이다. 예를 들어, 입력측 전압의 실효치 측정값 이 168.9 Vrms인데, 실제값은 측정값에 0.5를 곱한 84.4 Vrms이다.19 is a diagram illustrating a graph of voltage and current on an input side and an output side in an experiment according to a third embodiment of the present invention. (a) is a waveform of input voltage and current, and (b) is a waveform of output voltage and current. Note that in the graph of FIG. 19, since the voltage waveform has a voltage probe scale of 500: 1 and an oscilloscope scale of 1000: 1, the measurement value should be multiplied by 0.5. For example, the effective measurement of the input voltage is 168.9 Vrms, which is 84.4 Vrms multiplied by 0.5.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 변압기가 사용된 EEFL 구동 장면을 보여주는 실제 사진이다. 도 20에서는 145kHz 구형파를 입력으로 하고, EEFL 10개가 병렬구동되었다.20 is an actual picture showing an EEFL driving scene using a piezoelectric transformer according to an embodiment of the present invention. In FIG. 20, 145 kHz square waves were input, and ten EEFLs were driven in parallel.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 예를 들면, 이상의 설명에서는 바람개비 형상의 전극의 수가 4개인 경우만을 예로 들어 설명하였으나, 바람개비 형상의 전극의 수도 3개로 구성하거나 5개 이상으로 구성하는 등의 변화를 주는 것이 가능하다. 바람개비의 방향도 시계방향이나 반시계방향 모두 가능하다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.While the invention has been described using some preferred embodiments, these embodiments are illustrative and not restrictive. For example, in the above description, only the case where the number of pinwheel-shaped electrodes is 4 has been described as an example. However, the number of pinwheel-shaped electrodes may be configured as three or five or more. The pinwheel can also be turned clockwise or counterclockwise. As such, those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention and the scope of rights set forth in the appended claims. Moreover, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined not only by the appended claims but also by those equivalent to the claims.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 바람개비 형상의 전극구조에서 얻어지는 비틀림방향 진동을 이용함으로써 고전압, 고전류의 출력을 얻을 수 있 고, 구동부와 출력부가 동일방향으로 분극됨으로써 내구성 및 양산성을 확보할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the output of high voltage and high current can be obtained by using the torsional vibration obtained in the pinwheel-shaped electrode structure, and the driving part and the output part are polarized in the same direction to ensure durability and mass productivity. It can be effective.
또한, 상용전압에서 종래 변압기에서는 점등이 불가능하였던 일반가정용 형광램프 및 EEFL 램프의 점등이 가능하도록 한 효과가 있다.In addition, there is an effect to enable the lighting of the general household fluorescent lamps and EEFL lamp that was not possible to turn on in the conventional transformer at the commercial voltage.
Claims (12)
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| N231 | Notification of change of applicant | ||
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