KR20010023626A - 전압 피드백을 이용한 압전 변압기 - Google Patents

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데일 지. 홀
제임스 알. 필립스
갈리 엘. 바우겐
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해롤드 더블유. 메시
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제닌 엠. 데이비스
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Abstract

전압 피드백을 갖는 압전 변압기(200)가 개시된다. 변압기는 선정 길이(L), 폭(W) 및 높이(H)의 압전 플레이트를 포함하며 내부적으로 서로 맞물린 층들을 갖는 다수의 압전 세라믹 층을 엊갈리게 적층한 구동부(202)를 갖는다. 비편광 유전체부(208), 외곽 스트립의 다층 전극 구조의 형태의 전압 피드백부(220) 및 정규 비편광 유전체부(222)를 포함하는 피구동부(206)는 또한 개시된다. 변압기는 구동부로부터 전송된 압전 진동에 의해 출력 단자에서 출력 전압을 발생한다. 피드백 제어 회로는 전압 피드백부에 접속된다. 고립된 전압 피드백은 변압기의 출력 부하에서 변화가 있더라도 적절한 공진 주파수로 변압기가 동작하도록 유지한다.

Description

전압 피드백을 이용한 압전 변압기{PIEZOELECTRIC TRANSFORMER WITH VOLTAGE FEEDBACK}
압전 효과를 이용한 압전 변압기가 당 기술분야에 알려져 있다. 압전 변압기란 재료의 압전 특성을 이용하여 전압이나 전류 또는 임피던스의 변환을 달성하는 수동 전기 에너지 전달 디바이스로 정의될 수 있다. 최근 압전 변압기는 특정 전자 응용을 위한 전력 회로에서 고전압을 발생시키기 위한 권선형 전자기 변압기를 대체하였다. 이들 압전 변압기는 통상의 전자기 변압기에 비하여 작고 날씬한 형상, 튼튼한 구조, 상대적으로 작은 패키지의 높은 효율 및 신뢰도를 포함하여 다수의 이점을 제공한다. 압전 변압기는 특히 고전압 응용에 적합하다.
압전 세라믹 변압기는 현재 사진 복사, 액정 디스플레이용 백라이트, 평판 디스플레이, 전력 변압기, CRT 디스플레이 등을 포함하는 각종의 응용 분야에서의 응용을 모색하고 있다. 도 1은 종래 기술의 압전 변압기의 대표적인 예인 로젠타입(Rosen-type) 압전 변압기의 구조를 도시하고 있다.
도 1은 도전성 금속화 전극 패턴(102)의 층들로 뒤섞인 다층 세라믹 그린 테이프의 코파이어드 패키지(co-fired package)로부터 형성된 표준형 다층 세라믹 압전 변압기(100)를 도시하고 있다. 이 변압기 패키지는 비록 그린 세라믹 테이프의 층들로 이루어지지만, 파이어링 시에, 이 변압기 패키지는 단일 세라믹 구조로 소결된다. 따라서, 모든 도면들은 파이어드 패키지 구조를 도시할 것이고 그린 테이프의 개개의 층들은 도시되지 않을 것이다. 전극층들(104)을 가로질러 입력 전압(VIN)이 인가되면 구동 영역(106)을 가로질러 전위차가 생긴다. 도 1에 도시된 전극층들(104) 사이에 화살표로 표시된 바와 같이 구동 영역(106)은 그 두께 방향으로 분극화된다.
분극화(polarization)는 세라믹에 4Kv/mm 범위의 매우 큰 직류(DC) 전압을 인가하여 그 재료에 압전 특성을 부여하기 위한 처리이다. 유사하게, 참조 부호(108)로 표시된 압전 변압기(100)의 일부는 전력 발생 또는 피구동부이다. 전력 발생부(108)에 대응하는 압전 변압기(100)의 단부 표면(100) 상에 출력 전압(VOUT)이 형성된다. 단부 표면(100)은, 압전 변압기(100)의 구동부(106) 내의 상부 표면(112)이 그러한 것처럼, 도전성 코팅으로 금속화된다. 다층 패키지 내부의 전극층들(104) 또한 도전성 코팅 재료로 이루어진다. 전력 발생부(108)는 도 1에 화살표로 표시된 것과 같이 길이 방향으로 분극화된다.
도 1을 참조함으로써, 압전 변압기의 기본 동작이 이해될 수 있다. 압전 변압기(106)의 구동부(106)에 전압이 인가되면, 그로 인해 발생한 전계는 변압기의 구동부(106)의 두께의 변화에 기인하는 수직 진동을 초래한다. 이 수직 진동은 결국 변압기(100)의 전체 길이를 따라서 길이 방향으로 수평 진동을 일으킨다(압전 횡단 효과(31) 모드로도 알려져 있음). 전력 발생부(108)(피구동부라고도 함)에서는, 분극화 방향으로의 기계적 변형력으로 인해 분극화 방향으로 전위차가 발생하는 압전 효과에 따라서 출력 전극(VOUT)을 통하여 입력 전압(VIN)과 동일한 주파수를 갖는 전압이 얻어진다. 이때, 만일 구동 주파수가 압전 변압기의 공진 주파수와 같도록 설정된다면, 매우 높은 출력 전압이 얻어질 수 있다. 다르게 설명하면, 압전 재료의 구동부(106)를 통하여 교류를 인가함으로써 그 두께 특성이 변화할 것이고, 이는 커플링을 통하여 피구동부(108)의 길이의 변화를 초래할 것이고, 이는 결국 전기 기계 효과에 의해 초래되는 전기 출력의 변화를 일으킨다.
도 1에 도시된 것과 같은 많은 종래의 압전 변압기는 변압기의 출력 전압(VOUT)으로부터의 피드백을 측정한다. 일반적으로, 피드백 신호는 피드백 네트워크, 발진기, 및 증폭기를 통하여 송신된다(도 1 참조). 이하에서 논하겠지만, 부하와 관계없이, 변압기 상의 다른 위치로부터 피드백이 측정될 때 상당한 이점이 얻어질 수 있다. 게다가, 피드백 신호는 부하로부터 격리될 때 보다 정확히 공진을 추적할 수 있다.
본 발명은 압전 세라믹 변압기, 특히 전압 피드백을 이용한 압전 변압기에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 압전 변압기를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 전압 피드백을 갖는 압전 변압기를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 전압 피드백을 갖는 압전 변압기의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 전압 피드백 외부 스트립을 갖는 압전 변압기를 도시한 도면.
도 5는 분리된 전압 피드백이 없는 압전 변압기에 대한 변압기 등가 회로를 도시한 도면.
도 6은 분리된 전압 피드백을 갖는 압전 변압기에 대한 변압기 등가 회로를 도시한 도면.
임의의 전자 응용에 대한 압전 변압기 제조시 직면하는 문제는, 변압기가 그 공진 주파수로 구동된다는 가정을 포함한다는 것이다. 압전형 변압기의 "Q" 특성("Q"는 대역폭에 의해 분할된 중심 주파수로 정의됨)은 자기형 변압기의 "Q" 특성에 비해 매우 높다. 수백 이상의 "Q"값은 압전형 변압기에 대해서는 일반적이다. 높은 "Q"값이 협대역폭과 관련되므로, 압전형 변압기에 대한 공진 주파수를 유지하는 것(높은 "Q")은 자기형 변압기에 대한 공진 주파수를 유지하는 것(낮은 "Q")보다 상당히 어려워진다.
대부분의 압전 변압기 응용에 있어서, 변압기는 그 공진 주파수 또는 그 부근에서 동작되어야 한다. 일부 응용에서는, 0.5% 미만의 주파수 에러는 치명적이고 변압기의 오동작을 유발시킨다. 따라서, 전압 피드백을 통해 주파수를 추적하는 능력은 많은 응용에 있어서 매우 중요하다고 할 수 있다. "주파수"에 대해 변압기를 유지하는 능력은 변압기의 동작을 보장하는데 필요할 수 있다.
불행하게도, 변압기의 공진 주파수가 장치가 동작하는 동안 변화할 수 있는 다수의 방식이 있다. 압전 변압기의 공진 주파수는 출력 부하 변화, 구동 레벨, 장착 기술, 및 온도와 같은 많은 인자에 의해 영향받을 수 있다.
전압 피드백을 갖춘 압전 변압기 이 문제에 대한 해결책을 제공한다. 폐쇄-루프 자기 발진 회로에서 변압기를 동작시킬 수 있다. 이 경우에, 발진은, 회로 입력에서의 위상이 회로 출력에서의 위상과 동일한 주파수에서 발생한다. 다른 가능성은, 전압 제어 발진기(VCO) 또는 다른 유형의 발진기가 회로 입력에 응답하여 피드백 신호의 위상에 의해 결정된 주파수에서 동작하도록 한다. 모두의 경우, 압전 변압기를 통한 위상 시프트는, 표준 위상 시프트 네트워크가 피드백 루프를 폐쇄하고 주파수 안정성 및 트래킹 특성을 유지하는데 사용될 수 있다.
전압 피드백을 갖춘 압전 변압기는 기술 분야에 공지되어 있다. 피드백 탭은 변압기의 고전압 출력(Vout) 대신에 비교적 낮은 전압 신호를 제공할 필요가 있듯이 종래 기술에 일반적으로 기술되어 있다. 게다가, 피드백 탭은 또한 변압기의 입력 구동 신호(Vin)에 대한 일정한 위상 관계를 신호에 제공할 필요가 있다. 이는, 변압기의 공진 주파수가 유지되도록 한다. 그러나, 종래의 전압 피드백 설계는, 이하 설명되는 바와 같이, 많은 압전 변압기 응용에 적용할 수 없는 일부 기본적인 단점을 갖는다.
종래의 압전 변압기에서, 출력 전압 또는 전류의 비율은 종종 피드백 신호에 사용된다. 입력 구동 신호에 대한 출력 신호의 위상이 부하가 변함에 따라 변할 수 있기 때문에, 이러한 방법은 일정한 부하에 대해서만 이용될 수 있다.
또한, 피드백 탭이 사용되는 종래의 압전 변압기에서, 피드백 신호는 실제로 부하와는 무관하다. 이는, 피드백 신호가 부하가 변화함에 따라 발생하는 일부 위상 변화를 반영한다는 사실 때문이다.
종래의 압전 변압기의 또 다른 단점은, 전압 피드백 탭이 입력 구동 신호로부터 에너지를 결합하는 변압기의 영역에 물리적으로 배치된다는 것이다. 즉, 종래의 피드백 탭은 변압기의 구동부에 배치된다. 이는, 보다 높은 차수의 하모닉이 공진의 추적을 곤란케 하는 입력부에 공급되도록 하는 역효과를 갖는다.
게다가, 종래 기술의 다른 단점은, 피드백 탭이 스류리어스 진동 모드를 지원하는 변압기의 영역에 물리적으로 배치된다는 것이다. 게다가, 많은 종래 기술의 변압기는 스퓨리어스 진동 모드를 억제하지 못하는 물리적 디멘죤을 갖는다.
피드백 전압을 갖는 압전 변압기가 출력 전압과 무관해질 수 있어 구동 전압에 대한 피드백 전압의 위상이 공진시 일정하면, 부하를 변화시키기 위한 공진 주파수는 유지될 수 있다.
"공진시" 변압기를 유지하는데 사용될 수 있고 변압기의 구동부내의 전략적 배치에 의해 분리되고 입력 전압에 대한 공진시 부하를 변화시키기 위한 일정한 위상 관계를 갖는 피드백 전압 형식으로 피드백 제어를 제공하고 관심있는 주파수에서의 하모닉을 감소시키고 필요한 전자 부품의 개수를 감소시킴으로써 복잡한 주파수 추적 문제에 대한 저렴한 해결 방안을 제공하는, 전압 피드백부(전압 피드백 탭)를 갖는 압전 변압기는 기술 분야의 개선사항으로 고려될 수 있다.
도 2는 분리된 전압 피드백을 갖는 압전 변압기(200)를 도시한다. 전압 피드백은 변압기(200)의 한 단부면(210)에서 측정된 출력 전압(VOUT)으로부터 분리되어 있는 변압기(200)의 구동부(206) 상의 전압 피드백부(220)로부터 측정된다. 본 실시예에서, 변압기(200)는 빽빽한 세라믹 물질 블록 안으로 신터(sinter)를 연소시킬 때 다수의 적층 녹색 세라믹 테이프층들에 의해 이루어진다. 소정의 길이(L), 폭(W) 및 높이(H)를 가지며 압전 세라믹 물질로 이루어진 빽빽한 압전판들은 도 2에 도시된 바와 같이 형성된다. 구동부(202)가 제공되며 입력 전압(VIN)이 한 세트의 전극층(204)에 인가될 때 구동부(202) 내에서 전위차를 생성하도록 동작한다. 구동부(202)는 압전판 전체 길이의 약 1/2의 길이를 갖는다. 전극층들(204)은 도전성 페이스트 물질에 의해 형성되며 압전 패키지의 안으로 상호 맞물린 전극 패턴을 제공한다. 구동부(202)는 도 2에 도시된 전극층들(204) 사이의 화살표 방향으로 표시된 바와 같이, 그 두께 방향으로 분극된다. 구동부(202)는, 입력 전압(VIN)으로서 구동 전압이 인가될 때 압전 바이브레이션을 발생시킨다. 압전 변압기(200)의 구동부(202)의 상부면(212)과 저부면(214)은 또한 도전성 코팅제로 피복된다.
구동부(202)는 압전판의 길이의 약 1/2이며 어떠한 내부 전극도 갖지 않은 비분극 유전부(208) [또한, 데트 존(dead zone)이라고도 함]을 포함한다. "데드 존"이 내부 전극을 포함하지는 않지만, 특정 설계 조건들에 따라 분극되거나 분극되지 않을 수 있다. 바람직한 실시예에서, 비분극 유전부(208)는 구동부(202)에 종방향으로 인접해 있다. 비분극 유전부(208)는 다수의 압전 세라믹층들을 포함하여 구동부(202)로부터 전압 피드백부(220)와 정상 분극된 유전부(222)로 압전 바이브레이션을 전송한다.
전압 피드백부(220)는 압전판의 두께 방향으로 분극된 유전 물질 시트들을 분리하는 상호 맞물린 내부 전극층들을 구비한다. 도 2에는 일련의 화살표들을 이용하여 분극 구조를 도시한다. 도 2에 도시된 실시예의 전압 피드백부(220)는 다층 압전 변압기 구조 전반에 걸쳐서 전극층들을 갖는다는 것에 주목하자.
정상 분극된 유전부(222)는 소정의 길이를 가지며 압전판의 두께 방향과 법선 방향으로 분극된 압전 세라믹층들로 이루어진다. 정상 분극된 유전부(222)는 도 2에서 화살표로 도시된다. 정상 분극된 유전부(222)는 전압 피드백부(220)에 종방향으로 인접해 있다. 또한, 정상 분극된 유전부(222)는 구동부(202)로부터 전송된 압전 바이브레이션에 의해 압전 변압기(200)의 단부면(210) 상에 출력 전압(VOUT)을 발생한다.
또한, 도 2에는 전압 피드백부(220)와 변압기의 입력 신호(VIN)를 접속하는 피드백 제어부(224)가 도시된다. 도 2을 참조하면, 피드백 제어부(224)는 피드백 회로망, 발진기 및 전력 증폭기로 이루어진다. 피드백 회로망은 능동형 또는 수동형일 수 있고 발진기는 자려 발진기(self oscillator)나 구동-발진기 중 하나일 수 있다. 상기 컨트롤 회로의 목적은 상기 압전 변압기의 공진 주파수에 일정한 위상의 입력 신호를 제공하는 것이다.
본 발명에 있어서, 또한, 전압 피드백 루프, 절연 탭 또는 전압 피드백 탭으로 불리우는 상기 전압 피드백부(220)는 그것의 공진 주파수에서 오퍼레이트되는 변압기를 허용하는 피드백 컨트롤을 제공하는 기능을 제공한다. 상기 전압 피드백은 상기 작동 구역(206) 또는 상기 변압기(200)의 전력 발생부에 있는 구역에서의 출력으로부터 측정된다는 것은 유의해야만 한다. 이것은 상기 작동 구역(206)으로부터 필수젓으로 측정되는 신호이기 때문에 중요하다. 특히, 상기 피드백 컨트롤 회로(224)는 상기 압전 변압기의 종단면(210)에 대한 출력 전압(VOUT)에서 분리된다. 더구나, 일반적으로 출력 전압(VOUT)보다 적은 출력 전압이 변압기의 종단면(210)로부터 취해지지만, 전압 피드백은 구동부내에 필수적인 제2 출력 전압을 제공한다.
상기 전압 피드백 신호는 상기 피드백 루프를 완료하는 상기 전압 입력(VIN)으로 전압 컨트롤 회로를 통해 통과해야만 한다. 따라서, 본 발명의 관점에서 전형적으로 피드백망(능동 또는 수동), 발진기(자가 또는 조종), 및 전력 증폭기로 구성되는 컨트롤 회로는 상기 전압 피드백부(220)와 같은 라인에 존재한다는 것은 중요한 일이다.
본 발명의 또 다른 흥미로운 점은 상기 전압 피드백부(220) 또한 관심 주파수의 고조파를 예방하는 점을 제공할 것이라는 사실이다. 한가지 문제는 고조파는 종종 전형적인 전압 피드백에서 발생하는 결과 신호를 방해하는 것이다. 그러나, 본 발명은 이러한 문제는 이득의 공진 모드에서 강화되는 피드백 신호와 다른 스퓨리어스 모드에서는 약화되는 신호와 같은, 상기 압전 변압기(200)의 작동부(206)내의 전압 피드백부(220)의 전략적인 배치에 의해 해결한다.
본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 상기 전압 피드백 부(220)(또는 전압 피드백 스트립이라 불리움)는 상기 압전 변압기를 정의하는 다중층 구조의 모든 층에 놓일 다수의 전극층으로 구성될 것이다. 특히, 도 2에 있어 상기 전압 피드백부(220)는 상기 변압기(200)의 모든 층을 통해 위치할 피드백 전극의 열로 구성된다. 그것과 마찬가지로, 상기 전압 피드백부(220)는 상기 압전 변압기(200)를 구성하는 유전체 층 사이에서 훨씬 큰 전극 범위를 포함하고, 결과적으로 훨씬 큰 용량을 제공한다.
본 발명의 상기 압전 변압기의 제조에 있어서, 다른 중요한 설계는 상기 전압 피드백부(220)가 상기 작동부(202)와 떨어져 위치한 거리를 포함한다. 다시 말해서, 상기 무극성 유전체부(208)의 길이가 다른 중요한 설계 사항이 될 것이라는 것이다. 상기 무극성 유전체부(208)는 또한 "데드 존(dead zone)"으로 간주될 것이다. 양호한 실시예에 있어서, 상기 전압 피드백부(220)는 용량 연결장치(상기 작동부(202)와 상기 전압 피드백부(220) 사이)가 최소화되는 것과 같은 상기 작동부(202)로부터 충분하게 분리될 것이다. 본 발명의 한 가지 실시예에 있어서, 상기 무극성 유전체부(208)는 약 상기 압전 플레이트를 형성하는 유전체 테입의 한 개 층의 높이보다 4배 더 긴 길이를 갖는다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 전압 피드백 부(220)는 제2 정렬 공진 모드로 이동 노드에 전략적으로 위치한다. 상기 압전 변압기(200)로부터 분리되도록 이끄는 것을 방해하고 상기 변압기의 초과 질량 적재를 방해하는 것은 필수적일 것이다.
전압 피드백부의 전극 패턴(금속화 패턴)은 여전히 또다른 중요한 설계 고려사항이다. 변압기의 구동기의 전극들과 유사하게, 전압 피드백부(220)는 내부의 서로 맞물린 전극층을 가질 수도 있다. 맞물린 전극 설계는 연속층들이 변압기의 반대편 면에 접속될 수 있도록 하여 서로 반대되는 전하가 각각의 연속층에 인가될수 있도록 해준다. 이렇게 하여 연속된 유전 물질층들간에 전위차가 생성된다.
전압 피드백부(220)에 서로 다른 전극화 기법(electroding scheme)을 사용하는 것도 가능하다. 한 실시예에서, 구동부(202) 내부의 서로 맞물린 전극층들과 전압 피드백부(220)의 내부의 서로 맞물린 전극층들은 양 또는 음의 전하로 충전된다. 이러한 구성에서, 하나의 동작으로 양쪽 부분 모두, 즉, 구동부(202)와 전압 피드백부(220)이 분극(polarize)될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 구동부(202)의 전극층들은 전압 피드백부(220)의 전극층과는 다른 전하를 가질 수도 있다. 이러한 경우, 분극은 2-단계 동작이 된다. 실제적인 전극 충전 구성에 관계없이, 본 발명의 중요한 특징은, 도 2의 변압기(200)에 대한 전압 피드백부(220)를 정의하는 영역 내의 전체 다층 구조에 걸쳐 전극층들이 존재한다는 사실이다.
본 발명의 또 다른 중요한 특징은, 전압 피드백부(220)(전압 피드백 스트립)에 접속되어 입력 전압(VIN) 단자에 신호를 되돌려보내는 피드백 제어 회로를 포함한다. 피드백 제어 회로는 압전 변압기의 공진 주파수에서 일정한 위상으로 입력 신호를 제공한다. 추가적으로, 구동 회로의 비정형파적 특성에 의해 더 높은 주파수가 도입되더라도, 본 발명의 전압 피드백 설계는 싸이클 당 단지 하나의 제로 크로싱만 있도록 고차 조화 모드를 필터링한다.
본 발명의 또 다른 특징은, 압전 변압기의 외부 크기는 전압 피드백부(220)의 성능을 개선시키도록 신중하게 선택된다는 사실이다. 변압기(200)의 구동부(206) 내의 전압 피드백부(220)의 전략적 위치외에도, 변압기의 대응하는 길이, 폭, 및 높이는 변압기 설계시의 중요한 파라미터가 된다. 일반적으로, 예를 들어, 압전 변압기(200)의 적절한 기능, 특히, 전압 피드백부(220)의 적절한 기능을 보장하기 위해서는 어떤 선정된 길이-대-폭의 비율이 필요하다. 따라서, 장치의 외부 치수는 격리된 전압 피드백을 갖는 압전 변압기의 설계시 중요한 파라미터이다.
조화 모드를 최소화하고 변압기의 효율을 개선시키기 위해, 압전 변압기를 위한 선정된 길이-대-폭 비율이 제공될 수 있다. 한 실시예에서, 4 : 1의 비율이 제공된다. 또 다른 실시예에서는 8 : 1의 비율이 사용된다. 예를 들어, 저주파 변압기 응용을 위해 더 높은 길이-대-폭 비율을 갖는 더 가늘고 긴 압전 변압기가 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 범위는 이들 2개의 비율로만 제한되는 것은 아니다. 고유한 조화 시나리오를 포함하는 특정 응용에 따라, 다른 선정된 길이-대-폭 비율이 사용될 수도 있다.
변압기(200)의 구동부(206) 내의 전압 피드백부(220)의 접지 구성은 여전히 본 발명의 또 다른 흥미있는 특징이다. 전압 피드백부(220)은 물리적 부착물을 통해 접지되거나 접지되지 않을 수도 있다. 사실상, 특정의 실시예에 대해, 전압 피드백부를 물리적으로 접지하지 않고 부동 상태로 두는 것이 바람직할 수도 있다. 따라서, 도 2의 접지는 점선으로 도시되어 있다. 전압 피드백부(220)를 어떻게 접지 할지에 관한 결정은, 전압 피드백 신호와 변압기의 전체 성능 모두에 영향을 줄 수 있다.
도 3은 격리된 전압 피드백부를 갖는 압전 변압기의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 변압기의 구동부(302)는 도 2에 도시된 변압기(200)의 구동부와 유사하다. 구동부와 관련한 도2의 설명은 참고용으로 포함된 것이다. 또한, 피드백망, 발진기, 및 전력 증폭기를 갖는 도 2의 피드백 제어 회로의 논의는 도 3의 논의에서도 포함되어 있다. 게다가, 정상 분극 유전체부(322)와 출력 전압(VOUT)외에, 무분극 유전체부(308)은 도 2 및 도 3에 대한 것과 유사하다.
도 3의 중요한 특징은, 부분(318과 320)이 변압기(300)의 모든 층을 통해 전극화되어 있다는 사실에도 불구하고, 부분(318과 320)은 서로 분리되어 있다는 것이다. 전압 피드백부(318)는 변압기(300)에 전압 피드백을 제공하기 위한 내부 교대 배치형 전극층들을 갖는 다수의 압전층을 포함한다. 부(320)는 또한 변압기(300)에 부가적인 입력 구동부를 제공하기 위한 내부 교대 배치형 전극층들을 갖는 다수의 압전층을 포함한다. 부(320)는 도 3에 도시된 바와 같이 접지될 수 있다. 전압 피드백부(318)와 부가적 입력 구동부(320) 사이의 영역은 미분극 상태(unpolarized)이며, 전압 피드백부(318)와 부가적 입력 구동부(320) 모두는 구동부(302)와는 반대로 세워진다.
도 4는 전압 피드백을 갖는 압전 변압기의 또 다른 실시예를 도시한 것이다. 그러나, 이 실시예에서는 전압 피드백은 외부 스트립 형태를 취한다. 즉, 피드백 영역에서의 변압기(400)의 외면은 금속화, 즉 전극화되지만, 내부층들은 전극화될 수 없다. 도 4를 참조로 설명하면, 압전 변압기(400)는 도 2와 3과 거의 동일한 구동부(402)를 갖는다. 구동부(402)의 전극은 도 4의 화살표로 도시되어 있다. 대응 출력부(VOUT)를 갖는 단부면(410)은 물론 미분극 유전체부(408)와 정상 분극 유전체부(422)도 도 2와 3에 유사하다. 더욱이, 피드백 네트워크, 발진기, 및 증폭기를 포함하는 피드백 제어 회로도 도 2와 3에 유사하다. 압전 변압기(400)의 이들 양상들의 전술된 설명은 여기에 참조로서 포함된다.
도 4에 도시된 실시예가 다른 실시예들과 다른 점은 전압 피드백 외부 스트립(420), 전압 피드백 영역(418), 및 접지 전극 외부 스트립(416)을 참조로 가장 잘 이해될 수 있다. 압전 변압기의 외면은 금속화되어 있지만, 도 4에서의 점선 라인은 바람직한 실시예의 이 전압 피드백에는 내부 금속화(전극)가 없음을 보여준다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예들에서는 전압 피드백 외부 스트립과 접지 전극 외부 스트립은 다수의 내부 금속화층을 더 포함하여 용량을 증가시키고 더 큰 피드백 신호를 공급할 수 있다.
그러나, 미분극 유전체부(408)에서부터 단부면(410)에 이르는 전체 변압기(400)는 변압기(400)의 두께 방향에 대해 수직인 방향으로 분극된다는 점에 유의해야 한다. 이것은 도 4에서 화살표로 도시되어 있다. 접지 전극 외부 스트립(416)은 접지로서 작용하며 전압 피드백 영역(418)에 대한 전압이 측정된다. 이 실시예는 나머지 다른 실시예들과는 다른 물리적 구현을 갖고 있으나, 여전히 전술한 이유로 해서 매우 바람직한 독립된 전압 피드백을 제공한다.
도 5는 압전 변압기에 대한 간단한 등가 회로를 도시한 것이다. 이 회로에는 입력 전압(VIN), 입력 커패시턴스(CI), 인덕턴스(LM), 기계적 컴플라언스(CM), 동작 저항(RM), 압전-기계적/기계적-전기적 권선비(N), 출력 커패시턴스(CO), 부하 저항(RL), 및 출력 전압(VOUT)이 도시되어 있다. 동작 전류는 도 5에서 곡선 화살표로 도시되어 있다. 이 회로에서는 출력 커패시턴스(CO)에 대한 부하 저항(RL)의 큰 변화는 변압기의 공명 주파수에서의 큰 변화는 물론 공진 주파수에서의 입력 신호에 대한 출력 신호의 위상에서의 큰 변화로 나타날 것이다.
도 6은 압전 변압기에 대한 간단한 등가 회로에 분리된 전압 피드백 탭을 부가한 효과를 나타낸 것이다. 이 회로의 많은 구성 소자는 도 5에 있는 것과 동일하며, 이들 구성 소자들은 도 6에 참조로서 포함된다. 도 6의 회로는 또한 피드백 저항(RFB)은 물론 피드백 전압(VFEEDBACK)을 보여준다. 도 6의 회로에서, 공진 주파수와 출력 신호 위상은 도 5에서 설명된 부하 저항(RL)의 변화에 따라 변할 것이다. 그러나, 전압 피드백 탭(전압 피드백부)은 출력 전류가 아닌 동작 전류를 모니터한다. 그러므로, 피드백 신호는 부하 변화와는 무관하게 공진에서의 동작 전류의 주파수와 위상을 정확하게 나타낼 것이다. 독립적인 피드백 탭을 가진 압전 변압기의 등가 회로 모델은 알려질 수 있어도, 본 발명은 이 모델을 실용적인 압전 변압기 장치로 구현하는 설계를 제공한다.
그러나, 본 발명의 전압 피드백을 갖는 압전 변압기는 많은 압전 변압기 사이에 공통적인 어떤 특성을 반드시 갖고 있다. 본 발명의 압전 변압기는 그 목적하는 응용에 따라서 셋-업형 또는 셋-다운형 변압기로서 동작할 것이다. 이 변압기는 또한 압전 세라믹 재료로 만들어 질 것이다. 어떤 실시예들은 납 티타네이트(lead titanate), 납 티타네이트-납 지르코네이트(zirconate), 또는 바륨 티타네이크으로 만들어진 변압기를 가질 수 있다. 물론, 본 발명의 변압기는 압전 특성을 나타내는 어떠한 재료로부터도 만들어질 수 있다. 마지막으로, 변압기의 공진은 변압기가 설계되는 특정 응용에 따라 변할 수 있다. 특정 실시예들은 반파, 전파, 1과 1/2파 공진기로서 공진할 수 있다. 다른 주문 응용에 대해서는 다른 공진 구성이 이용될 수 있다.
본 발명의 여러 가지 실시예들에 대해 설명하였지만, 본 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 본질과 범위로부터 벗어남이 없이 전술한 실시예들을 변형, 수정 및 치환할 수 있음은 물론 재구성하고, 조합할 수 있음은 물론이다.

Claims (10)

  1. 전압 피드백을 구비한 압전 변압기에 있어서,
    압전 세라믹 재료로 제조된 선정된 길이, 폭, 및 높이의 압전 플레이트로서,
    상기 압전 플레이트의 두께 방향으로 편광된 다수의 압전 세라믹층을 엇갈리게 적층함에 의해 형성되는 상기 압전 플레이트 길이의 약 1/2인 구동부 - 상기 구동부는 제1 및 제2 입력 단자에 인가된 구동 전압에 의해 압전 진동을 초래하는 내부적으로 서로 맞물린 전극층을 가짐 -; 및
    상기 구동부에 길이 방향으로 인접한 비편광 유전체 부와 상기 비편광 유전체부에 길이 방향으로 인접한 전압 피드백부와 상기 전압 피드백부에 길이 방향으로 인접한 정규 편광 유전체 부를 포함하는 상기 압전 플레이트 길이의 약 1/2인 피구동부를 포함하되,
    상기 비편광 유전체부는 상기 구동부로부터 상기 전압 피드백부 및 상기 정규 편광 유전체 부까지 압전 진동을 전달하는 다수의 압전 세라믹층을 포함하고,
    상기 전압 피드백부는 상기 압전 플레이트의 두께 방향으로 편광된 내부적으로 서로 맞물린 전극층을 갖는 다수의 압전층을 포함하고,
    상기 전규 편광 유전체부는 선정 길이를 가지며, 상기 압전 플레이트의 길이 방향에 법선 방향으로 편광되며 상기 구동부로부터 전송된 상기 압전 진동에 의해 출력 단자에서 출력 전압을 발생시키기 위한 다수의 압전 세라믹 층을 포함하는
    압전 플레이트; 및
    상기 전압 피드백부와 상기 압전 변압기의 공진 주파수 및 상수 위상으로 입력 신호를 제공하는 제1 및 제2 입력 단자에 접속된 피드백 제어 회로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 피드백 제어 회로는 피드백 네트워크, 발진기, 및 전력 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구동부의 상기 내부적으로 서로 맞물린 전극층 및 상기 전압 피드백부의 상기 내부적으로 서로 맞물린 전극층은 단일 동작으로 편광되는 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전압 피드백부는 상기 구동부로부터 충분히 떨어져서 용량성 결합(capacity coupling)이 감소되는 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전압 피드백부는 추가 입력 구동을 제공하는 내부적으로 서로 맞물린 전극층을 갖는 제1 다수의 압전층 및 전압 피드백을 제공하는 내부적으로 서로 맞물린 전극층을 갖는 제2 다수의 압전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  6. 제1항에 있어서, 컴퓨터 백라이트 분야에 이용되는 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 압전 변압기의 길이 대 폭 비는 4:1인 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 압전 세라믹 재료는 납 티탄산염(lead titanate), 납 티탄산염-납 지르콘 산염(PbZrO3-PbTiO3) 및 바륨 티탄산염 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 압전 플레이트의 상기 구동부는 선택적으로 편광되어 선정된 출력 전압을 제공하는 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  10. 전압 피드백을 구비한 압전 변압기에 있어서,
    압전 세라믹 재료로 제조된 선정된 길이, 폭, 및 높이의 압전 플레이트로서,
    상기 압전 플레이트의 두께 방향으로 편광된 다수의 압전 세라믹층을 엇갈리게 적층함에 의해 형성되는 상기 압전 플레이트 길이의 약 1/2인 구동부 - 상기 구동부는 제1 및 제2 입력 단자에 인가된 구동 전압에 의해 압전 진동을 초래하는 내부적으로 서로 맞물린 전극층을 가짐 -; 및
    상기 구동부에 길이 방향으로 인접한 비편광 유전체 부와 상기 비편광 유전체부에 길이 방향으로 인접한 전압 피드백 외곽 스트립(strip)과 상기 전압 피드백 외곽 스트립에 길이 방향으로 인접한 전압 피드백 영역과 상기 전압 피드백 영역에 길이 방향으로 인접한 접지 전극 외곽 스트립과 상기 접지 전극 외곽 스트립에 길이 방향으로 인접한 정규 편광된 유전체 부를 포함하는 상기 압전 플레이트 길이의 약 1/2인 피구동부를 포함하되,
    상기 비편광 유전체부는 상기 구동부로부터 상기 전압 피드백부 및 상기 정규 편광 유전체 부까지 압전 진동을 전달하는 다수의 압전 세라믹층을 포함하고,
    상기 전압 피드백 외곽 스트립은 상기 압전 변압기의 외곽 표면 주위에 금속화된 스트립을 포함하고,
    상기 전압 피드백 영역은 상기 전압 피드백 외곽 스트립과 상기 접지 전극 외곽 스트립 사이의 영역을 포함하며, 상기 전압 피드백 외곽 스트립과 상기 접지 전극 외곽 스트립 사이의 전압 전위차를 제공하며,
    상기 접지 전극 외곽 스트립은 상기 압전 변압기의 외곽 표면 주위에 금속화된 스트립을 포함하며,
    상기 정규 편광 유전체 부는 선정 길이를 가지며, 상기 압전 플레이트의 두께 방향에 법선 방향으로 편광된 다수의 압전 세라믹층을 포함하며, 상기 구동부로부터 전송된 상기 압전 진동에 의해 출력 단자에서 출력 전압을 생성하기 위한
    압전 플레이트; 및
    전압 피드백 외곽 스트립과 상기 압전 변압기의 공진 주파수 및 상수 위상으로 입력 신호를 제공하는 제1 및 제2 입력 단자에 접속된 피드백 제어 회로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
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