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KR100639473B1 - A method for calculating frequency characteristics of piezoelectric material non-linearly according to temperature rising - Google Patents

A method for calculating frequency characteristics of piezoelectric material non-linearly according to temperature rising Download PDF

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KR100639473B1
KR100639473B1 KR1020050051779A KR20050051779A KR100639473B1 KR 100639473 B1 KR100639473 B1 KR 100639473B1 KR 1020050051779 A KR1020050051779 A KR 1020050051779A KR 20050051779 A KR20050051779 A KR 20050051779A KR 100639473 B1 KR100639473 B1 KR 100639473B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
temperature
equation
obtaining
piezoelectric body
piezoelectric
Prior art date
Application number
KR1020050051779A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
이창환
주현우
Original Assignee
주식회사 삼화양행
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 삼화양행 filed Critical 주식회사 삼화양행
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Abstract

A method for non-linearly founding frequency characteristics of a piezoelectric device according to temperature change is provided to quickly and correctly calculate a change of a material constant and a resonant frequency according to temperature increase when the piezoelectric device is operated. The resonant frequency of the piezoelectric device is found at the specific temperature(S10). The temperature of the piezoelectric device is found under the resonant frequency(S20). The material constant of the piezoelectric device is found in a specific temperature condition(S30). The temperature of the piezoelectric device is found by using the found material constant of the piezoelectric device(S40). Previous two steps are repeated until the found temperature is converged(S50). The changed resonant frequency of the piezoelectric device is found at the converged temperature(S60). The converged temperature is found by performing previous 'S20'-'S50' steps under the found resonant frequency(S70). The last two steps are repeated until the found converged temperature is converged(S80).

Description

압전체의 온도 변화에 따른 주파수 특성을 비선형적으로 구하는 방법 {A method for calculating frequency characteristics of piezoelectric material non-linearly according to temperature rising}A method for calculating frequency characteristics of piezoelectric material non-linearly according to temperature rising}

도 1a 및 1b는 각각 본 발명에 따른 방법을 검증하는 모의실험에 사용된 윤곽 진동 방식 압전 변압기의 평면 및 수직 단면의 모식도.1A and 1B are schematic diagrams of a planar and vertical section of a contour vibration type piezoelectric transformer used in a simulation for verifying a method according to the present invention, respectively.

도 2a 및 2b는 각각 압전체의 3차원 유한 요소법을 이용하여, 상기 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있는 압전 변압기 모델의 무부하시 임피던스 크기 및 위상을 나타낸 것.2A and 2B show impedance magnitude and phase at no load of the piezoelectric transformer model shown in FIGS. 1A and 1B, respectively, using a three-dimensional finite element method of a piezoelectric body.

도 3은 상기 도 1a 및 1b에 도시되어 있는 압전 변압기 모델의 출력단에 100Ω의 전기 부하가 연결되어 있는 경우, 압전 변압기의 입력단에서의 임피던스 파형을 나타낸 것.3 is an impedance waveform at an input terminal of a piezoelectric transformer when an electrical load of 100 kV is connected to an output terminal of the piezoelectric transformer model shown in FIGS. 1A and 1B.

도 4a 및 4b는 각각 부하에 따른 압전 변압기의 강압비와 공진 주파수의 변화를 나타낸 것.4a and 4b show the change in the step-down ratio and the resonance frequency of the piezoelectric transformer according to the load, respectively.

도 5a 및 5b는 각각 20W 압전 변압기의 제2시험모델의 평면도 및 단면도.5A and 5B are plan and cross-sectional views of a second test model of a 20 W piezoelectric transformer, respectively.

도 6a 및 6b는 각각 상기 제2시험모델에 대한 무부하시 임피던스 파형 및 100Ω의 전기 부하가 연결되어 있는 경우의 입력단에서의 임피던스 파형을 나타낸 것.6A and 6B show an impedance waveform at an input stage when an unloaded impedance waveform and an electrical load of 100 Hz for the second test model are connected, respectively.

도 7a 및 7b는 각각 상기 제2시험모델의 부하에 따른 공진 주파수 및 전압비의 변화를 나타낸 것.7A and 7B show changes in resonance frequency and voltage ratio according to the load of the second test model, respectively.

도 8은 상기 제1시험모델에 대한 온도 측정 시스템을 도시한 것.8 illustrates a temperature measurement system for the first test model.

도 9a 및 9b는 상기 도 8의 온도 측정점에서 측정된, 전기 부하의 변화에 따른 온도 변화를 비교한 것.9a and 9b compare the temperature change according to the change of the electrical load, measured at the temperature measuring point of FIG.

도 10a 내지 10d는 수학식 1c 내지 1e에 나타낸 물질상수 값을 측정하기 위한 샘플을 도시한 것.10A to 10D illustrate samples for measuring material constant values shown in Equations 1C to 1E.

도 11a 및 11b는 압전체의 물질상수 값들의 온도 특성을 도시한 그래프.11A and 11B are graphs showing temperature characteristics of material constant values of piezoelectric bodies.

도 12는 본 발명에 따른 온도 상승을 고려한 압전 시스템의 비선형 분석 방법의 순서도.12 is a flowchart of a nonlinear analysis method of a piezoelectric system in consideration of the temperature rise according to the present invention.

도 13a 및 13b는 상기 제2시험모델에 대한 온도 분포 해석 결과를 도시한 것.13a and 13b show the results of the temperature distribution analysis for the second test model.

도 14는 상기 도 12에 도시된 순서도에 따라 제2시험모델의 온도 상승에 의한 비선형성을 나타낸 것.FIG. 14 illustrates nonlinearity due to temperature rise in a second test model according to the flowchart shown in FIG. 12.

본 발명은 압전체의 온도 변화에 따른 주파수 특성을 비선형적으로 구하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법에 의하면, 고전계 구동시 온도 상승에 따른 압전체의 비선형적 특성(예를 들어, 온도 변화, 물질상수 변화, 및 공진주파 수 변화)을 빠르고 정확하게 계산할 수 있다.The present invention relates to a method for nonlinearly obtaining the frequency characteristic according to the temperature change of the piezoelectric body. According to the method according to the present invention, it is possible to quickly and accurately calculate the nonlinear characteristics (eg, temperature change, material constant change, and resonant frequency change) of the piezoelectric body in response to temperature rise during high field driving.

현재 압전체는 많은 산업 분야에서 정밀 위치 제어를 위한 액츄에이터, 센서 및 전자 부품 등에 널리 사용되고 있다. 압전체를 고전계에서 구동하는 경우, 압전체 내부의 기계적 진동 손실 및 유전 손실에 의하여 압전체의 온도가 상승하게 된다. 이러한 온도 상승은 압전체의 물질상수 값을 변화시키고, 이에 따라 압전체의 동작 주파수 변화 및 기계적 품질 계수의 저하를 초래한다.Currently, piezoelectric materials are widely used in actuators, sensors, and electronic components for precise position control in many industries. When the piezoelectric body is driven in a high electric field, the temperature of the piezoelectric body increases due to mechanical vibration loss and dielectric loss inside the piezoelectric body. This increase in temperature changes the material constant value of the piezoelectric body, resulting in a change in operating frequency of the piezoelectric body and a decrease in the mechanical quality factor.

따라서, 압전체를 고전계에서 구동하는 경우, 압전체를 효과적으로 구동하고 제어하기 위해서는 압전체의 온도 상승을 해석하고, 온도 상승으로 인한 압전체의 비선형 특성(예를 들어, 물질상수의 변화 및 공진주파수의 변화)을 해석하여야 한다.Therefore, in the case where the piezoelectric body is driven in a high electric field, in order to effectively drive and control the piezoelectric body, the temperature rise of the piezoelectric body is analyzed, and the nonlinear characteristic of the piezoelectric body due to the temperature rise (for example, change of material constant and change of resonance frequency) Should be interpreted.

본 발명은 압전체 구동시 압전체의 비선형 특성을 해석하기 위하여 안출된 것이다. 본 발명에 따른 방법에 의하면, 공진 주파수가 고정된 상태에서 압전체의 온도 변화에 따라 변화된 물질상수 값을 반영하여 압전체의 온도를 구할 수 있다. 또한, 압전체의 온도 변화에 따라 변화된 공진 주파수를 추적하여, 상기 추적된 공진 주파수 조건 하에서의 압전체의 온도 변화를 해석할 수 있다. 따라서, 압전체 구동시 온도 상승에 따른 비선형적 특성, 예를 들어, 물질상수의 변화 및 공진주파수의 변화를 신속하고, 정확하게 계산할 수 있다.The present invention is devised to analyze the nonlinear characteristics of the piezoelectric body when driving the piezoelectric body. According to the method of the present invention, the temperature of the piezoelectric body can be obtained by reflecting a material constant value changed according to the temperature change of the piezoelectric body in a state where the resonant frequency is fixed. In addition, by tracking the resonant frequency changed according to the temperature change of the piezoelectric body, it is possible to analyze the temperature change of the piezoelectric body under the tracked resonant frequency conditions. Therefore, it is possible to quickly and accurately calculate the nonlinear characteristics, for example, the change in the material constant and the change in the resonant frequency, due to the temperature rise during the piezoelectric driving.

따라서, 본 발명의 목적은 압전체 구동시 압전체의 비선형 특성을 해석하는 방법을 제공하기 위한 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for analyzing the nonlinear characteristics of a piezoelectric body when driving a piezoelectric body.

본 발명은 압전체의 온도 변화에 따른 주파수 특성을 비선형적으로 구하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for nonlinearly obtaining the frequency characteristic according to the temperature change of the piezoelectric body.

더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 방법은,More specifically, the method according to the invention,

소정 온도에서의 압전체의 공진주파수를 구하는 단계(a);Obtaining a resonance frequency of the piezoelectric body at a predetermined temperature (a);

소정의 공진주파수 하에서의 압전체의 온도를 구하는 단계(b);Obtaining a temperature of the piezoelectric body under a predetermined resonance frequency (b);

소정의 온도 조건 하에서의 압전체의 물질상수 값을 구하는 단계(c);(C) obtaining a material constant value of the piezoelectric body under a predetermined temperature condition;

상기 단계(c)에서 구한 압전체의 물질상수 값을 사용하여 압전체의 온도를 구하는 단계(d);(D) obtaining a temperature of the piezoelectric body using the material constant value of the piezoelectric body obtained in step (c);

상기 단계(d)에서 구한 온도가 수렴할 때까지 상기 단계(c) 및 (d)를 반복하는 단계(e);(E) repeating steps (c) and (d) until the temperature obtained in step (d) converges;

상기 단계(e)에서 구한 수렴 온도 하에서 압전체의 변화된 공진주파수를 구하는 단계(f);Obtaining (f) a changed resonance frequency of the piezoelectric body under the convergence temperature obtained in step (e);

상기 단계(f)에서 구한 공진주파수 하에서 상기 단계(b) 내지 (e)를 수행하여 수렴 온도를 구하는 단계(g); 및(G) obtaining a convergence temperature by performing steps (b) to (e) under the resonance frequency obtained in step (f); And

상기 단계 (g)에서 구한 수렴 온도가 수렴할 때까지 상기 단계 (f) 및 (g)를 반복하는 단계(h)를 포함한다.And repeating steps (f) and (g) until the convergence temperature obtained in step (g) converges.

상기 단계(e)를 통하여, 공진 주파수가 고정된 상태에서 압전체의 온도 변화에 따라 변화된 물질상수 값을 반영하여 압전체의 온도를 구할 수 있다. 또한, 상 기 단계(h)를 통하여 압전체의 온도 변화에 따라 변화된 공진 주파수를 추적하며, 상기 추적된 공진 주파수 조건 하에서의 압전체의 온도 변화를 해석한다. 따라서, 압전체 구동시 온도 상승에 따른 비선형적 특성을 신속·정확하게 계산할 수 있다.Through step (e), the temperature of the piezoelectric body may be obtained by reflecting a material constant value changed according to the temperature change of the piezoelectric body in a fixed resonance frequency. In addition, the resonant frequency changed according to the temperature change of the piezoelectric body is tracked through the step (h), and the temperature change of the piezoelectric body under the tracked resonant frequency condition is analyzed. Therefore, the nonlinear characteristic according to the temperature rise at the time of piezoelectric driving can be calculated quickly and accurately.

본 발명에 있어서, 상기 단계(a) 또는 상기 단계(f)에서 공진주파수를 구하는 과정은,In the present invention, the step of obtaining the resonant frequency in the step (a) or step (f),

상기 소정 온도에서의 물질상수 값 및 하기 수학식 13의 특성 방정식에 의하여 전위 φ를 구하는 단계;Obtaining a potential φ based on the material constant value at the predetermined temperature and the characteristic equation of Equation 13 below;

상기 단계에서 구한 전위 φ, 전하량 Q 및 하기 수학식 16을 사용하여 임피던스를 구하는 단계; 및Obtaining an impedance using the potential? Obtained in the above step, the charge amount Q, and the following Equation 16; And

주파수를 변화시키면서 상기 단계를 반복하여 구한 임피던스 중 가장 작은 임피던스를 나타내는 주파수를 공진주파수로 결정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다:And repeating the above steps while varying the frequency, determining the frequency representing the smallest impedance as the resonance frequency:

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112005031813544-pat00001
Figure 112005031813544-pat00001

[수학식 16][Equation 16]

Figure 112005031813544-pat00002
Figure 112005031813544-pat00002

상기식에서,In the above formula,

Kuu는 기계적 강성(stiffness) 행렬이고,K uu is the mechanical stiffness matrix,

Duu는 기계적 댐핑 행렬이며,D uu is the mechanical damping matrix,

K는 압전 결합계수 행렬이고,K is the piezoelectric coupling coefficient matrix,

Kφφ는 유전적 경도 행렬이며,K φφ is the genetic hardness matrix,

M은 질량 행렬이고,M is the mass matrix,

u는 기계적 변위이며,u is mechanical displacement,

φ는 전위이고,φ is potential

F는 기계적 힘이며,F is a mechanical force,

Q는 전하이고,Q is the charge,

Z는 임피던스이다.Z is impedance.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 단계(a)에서의 소정 온도는 상온인 것이 바람직하다.In the present invention, the predetermined temperature in the step (a) is preferably room temperature.

본 발명에 있어서, 상기 단계(b)는 상기 단계(a)에서 구한 공진주파수 또는 상기 단계(f)에서 구한 공진주파수 하에서의 압전체의 온도를 구하는 단계인 것이 바람직하다.In the present invention, the step (b) is preferably the step of obtaining the temperature of the piezoelectric body under the resonance frequency obtained in the step (a) or the resonance frequency obtained in the step (f).

이 때, 상기 단계(b) 또는 상기 단계(d)에서 압전체의 온도를 구하는 과정은,At this time, the process of obtaining the temperature of the piezoelectric material in the step (b) or the step (d),

단위부피 당 압전체의 기계적 진동 손실 Pm 및 유전 손실 Pd를 하기 수학식 8a 및 8b를 이용하여 구하는 단계;Obtaining mechanical vibration loss P m and dielectric loss P d of the piezoelectric body per unit volume using Equations 8a and 8b;

하기 수학식 9의 열전달 방정식에서 단위 부피당 내부의 열발생량 Q는 상기 기계적 진동 손실 Pm 및 유전 손실 Pd의 합과 동일한 것으로 가정하는 단계; 및Assuming that an internal heat generation amount Q per unit volume in the heat transfer equation of Equation 9 is equal to the sum of the mechanical vibration loss P m and the dielectric loss P d ; And

상기 수학식 9에 대류 경계조건 및 유한 요소 과정을 적용한 미분방정식인 하기 수학식 11로부터 압전체의 온도 분포를 구하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다:It is preferable to include obtaining the temperature distribution of the piezoelectric body from Equation 11 below, which is a differential equation applying convective boundary condition and finite element process to Equation 9:

[수학식 8a]Equation 8a

Figure 112005031813544-pat00003
Figure 112005031813544-pat00003

[수학식 8b][Equation 8b]

Figure 112005031813544-pat00004
Figure 112005031813544-pat00004

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112005031813544-pat00005
Figure 112005031813544-pat00005

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112005031813544-pat00006
Figure 112005031813544-pat00006

상기식에서,In the above formula,

Qm은 기계 품질 계수이고,Q m is the machine quality factor,

ωr은 공진 주파수이며,ω r is the resonant frequency

tanδ는 유전 손실 인자이고,tanδ is the dielectric loss factor,

X0는 응력의 절대값이며,X 0 is the absolute value of the stress,

S0는 변형률의 절대값이고,S 0 is the absolute value of the strain,

D0는 전속 밀도의 절대값이며,D 0 is the absolute value of the flux density,

E0는 전기장의 절대값이고,E 0 is the absolute value of the electric field,

k는 열전달 계수이며,k is the heat transfer coefficient,

T는 온도이고,T is temperature

Q는 단위부피 당 내부의 열 발생량이며,Q is the internal heat generation amount per unit volume,

Ak, AS, FQ 및 FS 행렬의 각 요소는 하기 수학식 12와 같다:Each element of the A k , A S , F Q and F S matrices is represented by Equation 12:

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112005031813544-pat00007
Figure 112005031813544-pat00007

상기식에서, Ni,j는 형상 함수(polynomial interpolation function)이다.In the above formula, N i, j is a polynomial interpolation function.

본 발명에 있어서, 상기 단계(c)에서 압전체의 물질 상수값은 온도에 따른 물질 상수값을 실험적으로 미리 구한 데이터이다.In the present invention, the material constant value of the piezoelectric material in step (c) is data obtained by experimentally obtaining the material constant value according to the temperature in advance.

본 발명에 있어서, 상기 단계(c)는 상기 단계(b)에서 구한 온도 또는 상기 단계(d)에서 구한 온도 조건 하에서의 압전체의 물질상수 값을 구하는 단계인 것이 바람직하다.In the present invention, the step (c) is preferably a step of obtaining a material constant value of the piezoelectric material under the temperature obtained in the step (b) or the temperature conditions obtained in the step (d).

본 발명에 있어서, 상기 단계(e)에서는 공진 주파수가 고정된 상태에서 압전체의 물질상수 값 변화에 따른 압전체의 온도 변화량이 소정의 임계치 ε1 이내로 수렴할 때까지 상기 단계(c) 및 (d)를 반복하는 것이 바람직하다.In the present invention, in the step (e), the steps (c) and (d) until the temperature change amount of the piezoelectric body according to the change of the material constant value of the piezoelectric body in the state in which the resonance frequency is fixed converges within a predetermined threshold ε 1 . It is preferable to repeat.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 단계(h)에서는 (i) 현재 설정된 공진주파수 조건 하에서 상기 단계(e)에서 구한 수렴온도와 (ii) 이전에 설정된 공진 주파수 조건 하에서 상기 단계(e)에서 구한 수렴온도의 차이가 소정의 임계치 ε2 이내로 수렴할 때까지 상기 단계(f) 및 (g)를 반복하는 것이 바람직하다.In the present invention, in step (h), (i) the convergence temperature obtained in step (e) under the currently set resonance frequency condition and (ii) the convergence obtained in step (e) under the resonance frequency condition set before. It is preferable to repeat the above steps (f) and (g) until the difference in temperature converges within the predetermined threshold ε 2 .

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited by the following examples.

먼저, 압전체의 기본 특성 방정식에 대하여 설명한다.First, the basic characteristic equation of a piezoelectric body is demonstrated.

하기 수학식 1a 내지 1e의 행렬식은 압전체 시스템에서 기계적 현상과 전기적 현상을 연결해 주는 가장 기본적인 지배 방정식이다. 단, 압전체의 비선형성과 손실성분은 고려하지 아니하였다:The determinants of Equations 1a to 1e are the most basic governing equations connecting mechanical and electrical phenomena in piezoelectric systems. However, the nonlinearity and loss components of the piezoelectric body are not considered:

[수학식 1a]Equation 1a

T=cES-etET = c E Se t E

[수학식 1b][Equation 1b]

D=eS+εSED = eS + ε S E

[수학식 1c]Equation 1c

Figure 112005031813544-pat00008
Figure 112005031813544-pat00008

[수학식 1d]Equation 1d

Figure 112005031813544-pat00009
Figure 112005031813544-pat00009

[수학식 1e][Equation 1e]

Figure 112005031813544-pat00010
Figure 112005031813544-pat00010

상기식에서,In the above formula,

T는 응력(mechanical stress)을 나타내고,T stands for mechanical stress,

S는 변형률(mechanical strain)을 나타내며,S represents a mechanical strain,

E는 전기장을 나타내고,E represents the electric field,

D는 전속밀도(electric displacement)를 나타내며,D stands for electric displacement,

물질 특성을 나타내는 행렬들인 cE, e 및 εS는 각각 탄성 계수, 압전상수 및 유전상수를 나타낸다.Matrixes representing material properties c E , e and ε S represent elastic modulus, piezoelectric constant and dielectric constant, respectively.

해밀턴의 변분법을 압전체에 적용하면 하기 수학식 2a 및 2b로 표현된다:Applying Hamilton's variation to the piezoelectric body is represented by the following equations (2a) and (2b):

[수학식 2a]Equation 2a

δ∫Ldt = 0δ∫Ldt = 0

[수학식 2b][Equation 2b]

L = Ekin - Est + Ed + WL = E kin -E st + E d + W

상기식에서,In the above formula,

δ는 일차 변분을 나타내고,δ represents the primary variation,

L은 에너지들로 표현되는 라그랑주 항을 의미하며,L means the Lagrange term expressed in energies,

Ekin은 운동에너지이며, Est는 탄성에너지이고, Ed는 유전에너지이며, W는 외부에서 주어진 에너지를 나타내고, 각각 하기 수학식 3a 내지 3d와 같이 나타낼 수 있다:E kin is the kinetic energy, E st is the elastic energy, E d is the dielectric energy, W represents the energy given from the outside, can be represented by the following equations 3a to 3d:

[수학식 3a]Equation 3a

Figure 112005031813544-pat00011
Figure 112005031813544-pat00011

[수학식 3b][Equation 3b]

Figure 112005031813544-pat00012
Figure 112005031813544-pat00012

[수학식 3c]Equation 3c

Figure 112005031813544-pat00013
Figure 112005031813544-pat00013

[수학식 3d]Equation 3d

Figure 112005031813544-pat00014
Figure 112005031813544-pat00014

상기식에서,In the above formula,

u는 속도벡터[m/s]이고,u is the velocity vector [m / s],

V는 부피[m3]이며,V is the volume [m 3 ],

fB는 부피 힘 밀도 벡터[N/m3]이고,f B is the bulk force density vector [N / m 3 ],

fS는 표면 힘 밀도 벡터[N/m2]이며,f S is the surface force density vector [N / m 2 ]

fP는 힘 벡터[N]이고,f P is the force vector [N],

AF는 힘이 가해지는 면적[m2]이며,A F is the area [m 2 ]

QS는 면 전하[AS]이고,Q S is surface charge [A S ],

QP는 점 전하[AS]이며,Q P is the point charge [A S ],

AC는 전하가 인가되는 영역의 면적[m2]이다.A C is the area [m 2 ] of the region where the charge is applied.

하기 수학식 4a 및 4b의 다항 근사 함수를 상기 수학식 2a에 대입하면, 하기 수학식 5와 같이 압전체의 유한요소해석을 위한 선형 편미분 방정식을 얻을 수 있다:Substituting the polynomial approximation functions of Equations 4a and 4b into Equation 2a, a linear partial differential equation for finite element analysis of the piezoelectric body can be obtained as shown in Equation 5 below:

[수학식 4a]Equation 4a

Figure 112005031813544-pat00015
Figure 112005031813544-pat00015

[수학식 4b][Equation 4b]

Figure 112005031813544-pat00016
Figure 112005031813544-pat00016

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112005031813544-pat00017
Figure 112005031813544-pat00017

상기식에서,In the above formula,

Φ는 전위이고,Φ is the potential,

Figure 112005031813544-pat00018
는 변위량이며,
Figure 112005031813544-pat00018
Is the displacement,

B는 하기 수학식 6과 같이 정의되는 연산자이고,B is an operator defined as in Equation 6 below,

Kuu는 기계적 강성(stiffness) 행렬이며,K uu is the mechanical stiffness matrix,

Duu는 기계적 댐핑 행렬이고,D uu is the mechanical damping matrix,

K는 압전 결합계수 행렬이며,K is the piezoelectric coupling coefficient matrix,

Kφφ는 유전적 경도 행렬이고,K φφ is the genetic hardness matrix,

M은 질량 행렬이며,M is the mass matrix,

FB는 부피에 작용하는 힘 벡터이고,F B is the force vector acting on the volume,

FS는 면에 작용하는 힘 벡터이며,F S is the force vector acting on the face,

FP는 점에 작용하는 힘 벡터이고,F P is the force vector acting on the point,

QS는 표면 전하이며,Q S is the surface charge,

QP는 점 전하이고,Q P is a point charge,

각각 하기 수학식 7로 나타낼 수 있다:Each can be represented by the following equation:

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112005031813544-pat00019
Figure 112005031813544-pat00019

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112005031813544-pat00020
Figure 112005031813544-pat00020

상기식에서,In the above formula,

α 및 β는 각각 댐핑 계수이고,α and β are damping coefficients, respectively

fB는 요소에서의 부피 힘밀도 벡터이며,f B is the bulk force density vector at the element,

fS는 요소면에서의 표면 힘밀도 벡터이고,f S is the surface force density vector at the element plane,

fP는 요소점에서의 힘 벡터이다.f P is the force vector at the element point.

댐핑 특성(damping behavior)은 댐핑 행렬인 Duu에 의하여 결정된다. 댐핑 행렬은 구조물의 댐핑 특성으로부터 얻을 수 있다. 상기 수학식 7의 Duu에 관한 식을 이용하더라도 구조물의 댐핑 특성을 완전하게 표현할 수 없다.Damping behavior is determined by the damping matrix D uu . The damping matrix can be obtained from the damping characteristics of the structure. Even if the equation for D uu of Equation 7 is used, the damping characteristics of the structure cannot be fully expressed.

임의의 구조에 대한 댐핑 특성을 정확하게 표현하기 위해서는, 2개 이상의 댐핑 계수를 필요로 한다. 그러나, 댐핑 계수를 정확하게 구하는 것은 어렵다. 댐핑 계수는 위치 및 주파수에 따라 다르게 측정되기 때문이다. 따라서, 상기 댐핑 계수를 정확하게 구하고, 해석에 적용하는 것은 거의 불가능하다.In order to accurately represent the damping characteristics for any structure, two or more damping coefficients are required. However, it is difficult to accurately find the damping coefficient. This is because the damping coefficient is measured differently according to the position and the frequency. Therefore, it is almost impossible to obtain the damping coefficient accurately and apply it to the analysis.

상기 수학식 7의 Duu에 관한 식은 댐핑 특성을 실용적이고 현실적으로 고려하는 방법으로서, 두 개의 댐핑 계수로 근사한 것이다. 이를 이용하면, 댐핑 계수의 범위에 따라서 다음과 같은 4가지의 댐핑 형태 중 어느 하나로 결정된다:Equation 7 for the expression D uu is a method of practically and realistically considering damping characteristics, which is approximated by two damping coefficients. Using this, one of four damping types is determined by the range of damping coefficients:

(1) 댐핑이 없는 경우 : α=0, β=0;(1) without damping: α = 0, β = 0;

(2) 점성(viscous) 댐핑 : α=0, β>0;(2) viscous damping: α = 0, β> 0;

(3) 질량에 비례하는 댐핑 : α>0, β=0; 및(3) damping proportional to mass: α> 0, β = 0; And

(4) 레일레이(Rayleigh) 댐핑 : α>0, β>0(4) Rayleigh damping: α> 0, β> 0

압전체에 대하여 유한요소 정식화를 통해서 얻은 상기 수학식 5의 2개의 특성 방정식은 기본적으로 하기 수학식 13과 같이 주파수에 관한 하나의 행렬식으로 표현할 수 있다.The two characteristic equations of Equation 5 obtained through the finite element formulation of the piezoelectric body can be basically expressed as one determinant of frequency as shown in Equation 13 below.

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112005031813544-pat00021
Figure 112005031813544-pat00021

상기식에서, Kuu, Duu, K, Kφφ 및 M은 상기 정의한 바와 같다.In the above formula, K uu , D uu , K , K φφ and M are as defined above.

컨버터용 압전 변압기에 사용되는 압전체에 대하여 고려하는 경우, 압전 변압기의 출력단에 부하(ZL)가 연결되어 있다면, 출력단에서의 전압과 전류 관계식은 하기 수학식 14와 같다:When considering the piezoelectric material used in the piezoelectric transformer for the converter, if the load (Z L ) is connected to the output terminal of the piezoelectric transformer, the voltage and current relationship at the output terminal is expressed by the following equation (14):

[수학식 14][Equation 14]

Figure 112005031813544-pat00022
Figure 112005031813544-pat00022

상기 수학식 13 및 14로부터, 압전 변압기의 출력단 전극에서의 부하 조건을 해석하기 위한 압전 시스템의 해석식을 하기 수학식 15와 같이 구할 수 있다:From equations (13) and (14), an equation of the piezoelectric system for analyzing the load condition at the output electrode of the piezoelectric transformer can be obtained as in equation (15) below:

[수학식 15][Equation 15]

Figure 112005031813544-pat00023
Figure 112005031813544-pat00023

이하에서는, 본 발명의 방법에 따라 온도 및 물질상수 값을 계산한 모의실험 결과와 실제 측정 결과를 비교한다.In the following, the results of simulations in which temperature and material constant values are calculated according to the method of the present invention and actual measurement results are compared.

도 1a 및 1b는 각각 본 발명에 따른 방법을 검증하는 모의실험에 사용된, 윤곽 진동 방식 압전 변압기의 평면 및 수직 단면의 형상을 모식적으로 나타낸 것이다. 상기 압전 변압기의 출력단은 3개층으로 구성되어 있다.Figures 1a and 1b schematically show the shape of the planar and vertical cross-section of a contour vibration type piezoelectric transformer, respectively, used in the simulation to verify the method according to the present invention. The output stage of the piezoelectric transformer is composed of three layers.

도 2a 및 2b는 각각 압전체의 3차원 유한 요소법을 이용하여, 상기 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있는 압전 변압기 모델의 무부하시 임피던스 크기 및 위상에 대 한 파형을 나타낸 것이다. 상기 도 2a 및 도 2b에서 점선은 실제 측정한 실험 결과를 나타낸 것이고, 실선은 3차원 유한 요소법으로 구한 결과를 나타낸 것이다. 상기 도면으로부터, 모의실험 결과와 실제 측정 결과가 거의 일치함을 알 수 있다.2A and 2B show waveforms of impedance magnitude and phase at no load of the piezoelectric transformer model shown in FIGS. 1A and 1B, respectively, using a three-dimensional finite element method of a piezoelectric body. In FIG. 2A and FIG. 2B, the dotted line represents the actual measured experimental result, and the solid line represents the result obtained by the three-dimensional finite element method. From the figure, it can be seen that the simulation results and the actual measurement results are almost identical.

도 3은 상기 도 1a 및 1b에 도시되어 있는 압전 변압기 모델의 출력단에 100Ω의 전기 부하가 연결되어 있는 경우, 압전 변압기의 입력단에서의 임피던스 파형을 나타낸 것이다. 상기 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 유한 요소법에 의한 해석 결과가 실제 측정 결과와 거의 일치함을 알 수 있다.3 illustrates an impedance waveform at an input terminal of a piezoelectric transformer when an electrical load of 100 kW is connected to an output terminal of the piezoelectric transformer model illustrated in FIGS. 1A and 1B. As can be seen from FIG. 3, it can be seen that the analysis result by the finite element method is almost identical to the actual measurement result.

도 4a 및 4b는 각각 부하에 따른 압전 변압기의 강압비와 공진 주파수의 변화를 나타낸 것이다. 도 4a 및 4b에 도시되어 있는 바와 같이, 유한 요소법에 의한 해석 결과는 실험 결과와 거의 일치함을 알 수 있다. 부하가 증가하는 경우, 압전 변압기의 이득(gain) 및 공진 주파수도 증가하였다. 따라서, 압전 변압기의 부하 변동에 따른 압전 변압기의 특성 변화를 예측할 수 있다. 또한, 압전 변압기의 설계 시, 압전 변압기의 최적 부하를 결정하는데 이용할 수 있다. 또한, 기존의 1차원적인 등가 회로법에 의한 전기 부하를 고려하는 대신에 3차원 유한 요소법과의 결합을 통하여 전기 부하를 해석함으로써, 부하에 따른 압전 변압기의 특성 변화를 더욱 정확하게 계산할 수 있다.4A and 4B show changes in the step-down ratio and the resonance frequency of the piezoelectric transformer according to the load, respectively. As shown in Figs. 4A and 4B, it can be seen that the analysis results by the finite element method are almost identical to the experimental results. As the load increased, the gain and resonant frequency of the piezoelectric transformer also increased. Therefore, it is possible to predict the characteristic change of the piezoelectric transformer according to the load variation of the piezoelectric transformer. In addition, when designing a piezoelectric transformer, it can be used to determine the optimum load of the piezoelectric transformer. In addition, instead of considering the electrical load by the conventional one-dimensional equivalent circuit method, by analyzing the electrical load through the combination with the three-dimensional finite element method, it is possible to calculate the characteristics change of the piezoelectric transformer according to the load more accurately.

도 5a 및 5b는 20W 압전 변압기의 제2시험모델을 도시한 것이다. 도 5a는 시험 모델의 평면도이고, 도 5b는 시험 모델의 단면도이다.5A and 5B show a second test model of a 20W piezoelectric transformer. 5A is a plan view of the test model, and FIG. 5B is a cross-sectional view of the test model.

도 6a 및 6b는 상기 제2시험모델에 대한 유한 요소 해석 결과를 도시한 것이다. 도 6a는 무부하시 임피던스 파형을 나타낸 것이고, 도 6b는 100Ω의 전기 부 하가 연결되어 있는 경우 압전 변압기의 입력단에서의 임피던스 파형을 나타낸 것이다. 도 6a에 도시되어 있는 바와 같이, 약 70kHz 대역에서의 두 결과는 거의 일치함을 알 수 있다.6A and 6B show the finite element analysis results for the second test model. FIG. 6A illustrates an impedance waveform at no load, and FIG. 6B illustrates an impedance waveform at an input terminal of a piezoelectric transformer when an electrical load of 100 kV is connected. As shown in FIG. 6A, it can be seen that the two results in the band about 70 kHz are almost identical.

도 7a 및 7b는 상기 제2시험모델의 부하에 따른 공진 주파수 및 전압비의 변화를 나타낸 것이다.7A and 7B show changes in resonance frequency and voltage ratio according to the load of the second test model.

이하에서는 3차원 열전달 방정식에 의한 온도 상승 해석에 관하여 설명한다.Hereinafter, the temperature rise analysis by the three-dimensional heat transfer equation will be described.

압전 시스템은 기계적인 히스테리시스 손실 및 전기적인 히스테리시스 손실을 갖는다. 이를 각각 기계적인 진동 손실 및 유전 손실이라 칭한다. 특히, 압전 시스템이 고전계로 구동되는 경우, 온도 상승의 결과를 초래한다. 기존의 해석적인 방법에 의한 손실 해석은 1차원적인 해석이며, 시스템의 손실 분포가 균일하다는 가정하에 계산되었다. 그러나, 압전 시스템은 동작 모드 및 형상에 따라 압전 시스템 내에서의 손실 분포는 일정하지 아니하므로, 1차원적인 손실 계산법은 한계가 있다.Piezoelectric systems have mechanical hysteresis losses and electrical hysteresis losses. These are called mechanical vibration loss and dielectric loss, respectively. In particular, when the piezoelectric system is driven with a high electric field, it results in a temperature rise. Loss analysis by the conventional analytical method is a one-dimensional analysis and is calculated on the assumption that the loss distribution of the system is uniform. However, the piezoelectric system has a limited distribution of losses in the piezoelectric system depending on the operation mode and shape, so that the one-dimensional loss calculation method is limited.

유한 요소법을 이용하여 특정 전압 인가시 압전체의 기계적인 변위량과 압전체 내부에서 발생되는 전압을 계산할 수 있다. 또한, 압전 시스템의 유한 요소 해석의 해인 상기 수학식 4a 및 4b를 이용하여, 기계적인 변형률(S) 및 전계(E)를 구할 수 있다. 계산된 기계적 변형률(S), 전계(E), 응력(X) 및 전속밀도(D)를 이용하여, 단위시간 및 단위부피 당 압전체의 기계적 진동 손실 및 유전 손실을 하기 수학식 8a 및 8b를 이용하여 구할 수 있다:By using the finite element method, it is possible to calculate the mechanical displacement of the piezoelectric body and the voltage generated inside the piezoelectric body when a specific voltage is applied. In addition, mechanical strains S and electric fields E can be obtained by using Equations 4a and 4b, which are solutions of the finite element analysis of the piezoelectric system. Using the calculated mechanical strain (S), electric field (E), stress (X) and flux density (D), mechanical vibration loss and dielectric loss of the piezoelectric body per unit time and volume are calculated using Equations 8a and 8b You can get it by:

[수학식 8a]Equation 8a

Figure 112005031813544-pat00024
Figure 112005031813544-pat00024

[수학식 8b][Equation 8b]

Figure 112005031813544-pat00025
Figure 112005031813544-pat00025

상기식에서,In the above formula,

Qm은 기계 품질 계수이고,Q m is the machine quality factor,

ωr은 공진 주파수이며,ω r is the resonant frequency

tanδ는 유전 손실 인자이고,tanδ is the dielectric loss factor,

Pm은 기계적인 진동 손실이며,P m is the mechanical vibration loss,

Pd는 유전 손실이고,P d is the dielectric loss,

X0는 응력의 절대값이며,X 0 is the absolute value of the stress,

S0는 변형률의 절대값이고,S 0 is the absolute value of the strain,

D0는 전속 밀도의 절대값이며,D 0 is the absolute value of the flux density,

E0는 전기장의 절대값이다.E 0 is the absolute value of the electric field.

열 에너지 보존 법칙과 푸리에 법칙을 이용하면, 정상 상태에서의 온도 분포 해석을 위한 미분 방정식을 하기 수학식 9와 같이 얻을 수 있다:Using the law of thermal energy conservation and Fourier's law, a differential equation for the analysis of temperature distribution at steady state can be obtained as shown in Equation 9:

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112005031813544-pat00026
Figure 112005031813544-pat00026

상기식에서,In the above formula,

k는 열전달 계수이고,k is the heat transfer coefficient,

T는 온도이며,T is temperature

Q는 단위부피 당 내부의 열 발생량이다.Q is the amount of internal heat generation per unit volume.

압전체 표면에서의 대류에 의한 경계 조건을 고려하면, 열전달 해석을 위한 미분 방정식은 하기 수학식 10과 같다:Considering the boundary conditions due to convection on the piezoelectric surface, the differential equation for the heat transfer analysis is given by:

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112005031813544-pat00027
Figure 112005031813544-pat00027

상기식에서,In the above formula,

S는 공기와 접하는 압전체의 표면을 나타내고,S represents the surface of the piezoelectric body in contact with air,

h는 대류계수를 나타내며,h represents the convection coefficient,

Ta는 주변의 공기 온도를 나타낸다.T a represents the ambient air temperature.

상기 수학식 10에 유한 요소법을 적용하는 경우, 열전달 해석을 위한 미분 방정식은 하기 수학식 11과 같다:When the finite element method is applied to Equation 10, a differential equation for heat transfer analysis is given by Equation 11 below:

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112005031813544-pat00028
Figure 112005031813544-pat00028

상기식에서, Ak, AS, FQ 및 FS 행렬의 각 요소는 하기 수학식 12와 같다:Where each element of the A k , A S , F Q and F S matrices is

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112005031813544-pat00029
Figure 112005031813544-pat00029

상기식에서, Ni,j는 형상 함수(polynomial interpolation function)이다.In the above formula, N i, j is a polynomial interpolation function.

압전체의 3차원 유한 요소법을 이용하여 얻은 절점에서의 변위와 전기적인 전위를 이용하여 상기 수학식 8a 및 8b와 같이 압전체 내에서의 단위부피 당 기계적인 진동 손실 Pm 및 유전 손실 Pd를 계산할 수 있다. 이 때, 계산된 두 손실 Pm 및 Pd의 합이 상기 수학식 9 및 10에 정의된 단위 부피당 열량 Q와 같다고 가정한 다. 이와 같이 가정하여 상기 수학식 11의 열전달 방정식을 풀어냄으로써, 고전계 구동시 야기되는 압전 변압기의 온도 상승을 구할 수 있다.The mechanical vibration loss P m and dielectric loss P d per unit volume in the piezoelectric body can be calculated using the displacements and electrical potentials at the nodes obtained by using the three-dimensional finite element method of the piezoelectric body. have. In this case, it is assumed that the sum of the two losses P m and P d calculated is equal to the calorie Q per unit volume defined in Equations 9 and 10. By assuming such a problem, by solving the heat transfer equation of Equation 11, it is possible to obtain the temperature rise of the piezoelectric transformer caused by the high field driving.

도 8은 상기 제1시험모델에 대하여 실험적으로 온도를 측정하는 시스템을 도시한 것이다. P1 내지 P4는 온도 측정점을 나타낸 것이다.8 illustrates a system for experimentally measuring temperature with respect to the first test model. P1 to P4 represent temperature measuring points.

도 9a 및 9b는 상기 도 8의 온도 측정점에서 측정된, 전기 부하의 변화에 따른 온도 변화를 본 발명에 따른 온도 분포 해석 결과와 비교한 것이다.9A and 9B compare the temperature change according to the change of the electrical load measured at the temperature measuring point of FIG. 8 with the temperature distribution analysis result of the present invention.

표 1은 전기 부하에 따른 출력 전력을 나타낸 것이다.Table 1 shows the output power according to the electrical load.

[표 1] 전기 부하에 따른 출력 전력[Table 1] Output power according to electrical load

RL[Ω]RL [Ω] 5050 100100 200200 300300 500500 P0[W]P0 [W] 55 8.58.5 99 1111 15.915.9

도 9a 및 9b에 도시되어 있는 바와 같이, 온도 측정점에서의 온도는 부하가 100Ω인 경우 가장 낮았다. 이는 20W 압전 변압기가 약 100Ω에서 손실이 가장 작다는 것을 의미한다. 따라서, 100Ω이 상기 제1시험모델의 최적 부하가 된다.As shown in Figs. 9A and 9B, the temperature at the temperature measuring point was the lowest when the load was 100 kPa. This means that the 20W piezoelectric transformer has the lowest loss at about 100kW. Therefore, 100 kW is the optimum load of the first test model.

또한, 온도 증가가 가장 두드러지게 나타나는 온도 측정점 P1(입력 전극의 위치)에서의 3차원 유한 요소법과 열전달 방정식에 의한 온도 계산 결과는 상기 표 1에 나타난 바와 같이 부하의 증가에 따른 출력 전력의 증가에 따라 실험값과의 오차가 나타난다. 이는 유한 요소 해석시 요구되는 물질상수 값(즉, 기계적 강성, 압전 상수 및 유전 상수)으로서 상온에서 측정한 값을 사용하였기 때문이다.In addition, the results of the temperature calculation by the three-dimensional finite element method and the heat transfer equation at the temperature measurement point P1 (position of the input electrode) where the increase in temperature is most prominent are shown in Table 1 above. As a result, an error from the experimental value appears. This is because the values measured at room temperature are used as material constant values (ie, mechanical stiffness, piezoelectric constant, and dielectric constant) required for finite element analysis.

압전체의 고전계에서 구동하는 경우, 입력 및 출력 전력의 증가에 따라 압전 변압기의 온도가 상승하고, 이에 따라 압전체의 물질상수 값이 변화하게 된다. 따라서, 고전계 구동시 또는 압전 변압기의 전력의 증가로 인하여 압전 변압기의 온 도 상승 및 온도 상승 시 야기되는 압전 변압기의 특성 변화를 해석하기 위해서는 온도에 따른 물질상수 값의 변화를 반영하여 해석하여야 한다.When driving in the high electric field of the piezoelectric body, the temperature of the piezoelectric transformer increases as the input and output powers increase, thereby changing the material constant value of the piezoelectric body. Therefore, in order to analyze the characteristic change of the piezoelectric transformer caused by the high temperature driving or the increase of the power of the piezoelectric transformer due to the increase in the power of the piezoelectric transformer, the change in the material constant value according to the temperature should be analyzed. .

도 10a 내지 10d는 수학식 1c 내지 1e에 나타낸 물질상수 값을 실험적으로 측정하기 위한 압전체 샘플을 나타낸 것이다. 압전체의 온도에 따른 물질상수 값은 도 10a 내지 10d의 측정 샘플을 온도 챔버에 위치시킨 후, 온도를 증가시키면서 각각의 샘플의 공진 및 반공진 주파수를 임피던스 분석기를 통하여 측정한다.10A to 10D show piezoelectric samples for experimentally measuring the material constant values shown in Equations 1C to 1E. The material constant value according to the temperature of the piezoelectric body is placed in the temperature chamber of the measurement samples of FIGS. 10A to 10D, and then the resonance and anti-resonance frequencies of each sample are measured by an impedance analyzer while increasing the temperature.

도 11a 및 11b는 압전체의 물질상수 값들의 온도 특성을 도시한 그래프이다. 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 압전체의 기계적인 특성을 나타내는 기계적 탄성 계수는 온도에 대한 변화가 상대적으로 적다. 그러나, 압전상수, 유전상수, 손실해석이 필요한 기계적 품질 계수(Qm) 및 유전 손실 인자(tanδ)는 온도에 따라 그 값이 크게 변하는 것을 알 수 있다. 이러한 물질상수 값들의 온도에 따른 변화는 압전 시스템의 공진 주파수의 변화 및 압전 변압기의 전압기의 증가 등 압전 시스템의 동작 특성 변화를 초래한다.11A and 11B are graphs showing temperature characteristics of material constant values of piezoelectric bodies. As shown in the figure, the mechanical elastic modulus representing the mechanical properties of the piezoelectric body has a relatively small change with temperature. However, it can be seen that the piezoelectric constant, dielectric constant, mechanical quality factor (Q m ) and dielectric loss factor (tanδ) that require loss analysis vary greatly with temperature. The change in temperature of these material constants results in a change in operating characteristics of the piezoelectric system, such as a change in the resonant frequency of the piezoelectric system and an increase in the voltage transformer of the piezoelectric transformer.

본 발명에 따라 온도 상승을 고려하여 압전 시스템의 비선형 특성을 해석하는 방법은, 압전체의 유한요소해석, 손실해석 및 열전달 방정식 해석을 통한 온도분포해석, 및 측정된 온도에 따른 압전물질 계수의 변화 등을 이용하여 구현된다.According to the present invention, a method of analyzing the nonlinear characteristics of a piezoelectric system in consideration of a temperature rise includes a finite element analysis of a piezoelectric body, a temperature distribution analysis through a loss analysis and a heat transfer equation, and a change in the piezoelectric material coefficient according to the measured temperature. It is implemented using

도 12는 본 발명에 따라 온도 상승을 고려하여 압전 시스템의 비선형 특성을 해석하는 방법의 순서도를 도시한 것이다. 본 발명에 따른 방법은, 먼저 소정 온 도(예를 들어, 상온)에서의 물질상수 값을 이용하여 압전 시스템의 공진 주파수를 구하고(S10), 그 공진 주파수에서의 압전체의 온도 상승을 계산한다(S20).12 shows a flowchart of a method for analyzing the nonlinear characteristics of a piezoelectric system in consideration of temperature rise in accordance with the present invention. In the method according to the present invention, first, a resonance frequency of a piezoelectric system is obtained using a material constant value at a predetermined temperature (for example, room temperature) (S10), and a temperature rise of the piezoelectric material at the resonance frequency is calculated ( S20).

상기 단계(S10) 또는 이후의 단계(S60)에서 공진주파수를 구하는 과정은, 소정 온도에서의 물질상수 값 및 하기 수학식 13의 특성 방정식에 의하여 전위 φ를 구하는 단계; 상기 단계에서 구한 전위 φ, 전하량 Q 및 하기 수학식 16을 사용하여 임피던스를 구하는 단계; 및 주파수를 변화시키면서 상기 단계를 반복하여 구한 임피던스 중 가장 작은 임피던스를 나타내는 주파수를 공진주파수로 결정하는 단계를 거쳐서 구할 수 있다:The step of obtaining the resonance frequency in the step (S10) or the following step (S60), the step of obtaining the potential φ by the material constant value and the characteristic equation of Equation 13 at a predetermined temperature; Obtaining an impedance using the potential? Obtained in the above step, the charge amount Q, and the following Equation 16; And determining the frequency representing the smallest impedance among the impedances obtained by repeating the above steps while changing the frequency as the resonance frequency:

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112005031813544-pat00030
Figure 112005031813544-pat00030

[수학식 16][Equation 16]

Figure 112005031813544-pat00031
Figure 112005031813544-pat00031

상기식에서,In the above formula,

Kuu는 기계적 강성(stiffness) 행렬이고,K uu is the mechanical stiffness matrix,

Duu는 기계적 댐핑 행렬이며,D uu is the mechanical damping matrix,

K는 압전 결합계수 행렬이고,K is the piezoelectric coupling coefficient matrix,

Kφφ는 유전적 경도 행렬이며,K φφ is the genetic hardness matrix,

M은 질량 행렬이고,M is the mass matrix,

u는 기계적 변위이고,u is mechanical displacement,

φ는 전위이며,φ is potential

F는 기계적 힘이고,F is a mechanical force,

Q는 전하이며,Q is the charge,

Z는 임피던스이다.Z is impedance.

이후, 온도 상승을 고려한 압전 물질값을 구하고(S30), 이를 입력하여 압전체의 온도를 구한다(S40). 이 때, 공진 주파수는 상기 단계(a)에서 구한 공진주파수로 고정된 상태이다.After that, the piezoelectric material value considering the temperature rise is obtained (S30), and the input temperature is obtained to obtain the piezoelectric material (S40). At this time, the resonance frequency is fixed at the resonance frequency obtained in step (a).

상기 단계(S20) 또는 이후의 단계(S40)에서 압전체의 온도를 구하는 과정은, 단위부피 당 압전체의 기계적 진동 손실 Pm 및 유전 손실 Pd를 하기 수학식 8a 및 8b를 이용하여 구하는 단계; 하기 수학식 9의 열전달 방정식에서 단위 부피당 내부의 열발생량 Q는 상기 기계적 진동 손실 Pm 및 유전 손실 Pd의 합과 동일한 것으로 가정하는 단계; 및 상기 수학식 9에 대류 경계조건 및 유한 요소 과정을 적용한 미분방정식인 하기 수학식 11로부터 압전체의 온도 분포를 구하는 단계를 거쳐서 구할 수 있다:The step of obtaining the temperature of the piezoelectric material in the step S20 or the following step S40 may include: calculating mechanical vibration loss P m and dielectric loss P d of the piezoelectric body per unit volume using Equations 8a and 8b; Assuming that an internal heat generation amount Q per unit volume in the heat transfer equation of Equation 9 is equal to the sum of the mechanical vibration loss P m and the dielectric loss P d ; And a temperature distribution of the piezoelectric body from Equation 11, which is a differential equation applying convective boundary conditions and a finite element process to Equation 9, below.

[수학식 8a]Equation 8a

Figure 112005031813544-pat00032
Figure 112005031813544-pat00032

[수학식 8b][Equation 8b]

Figure 112005031813544-pat00033
Figure 112005031813544-pat00033

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112005031813544-pat00034
Figure 112005031813544-pat00034

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112005031813544-pat00035
Figure 112005031813544-pat00035

상기식에서,In the above formula,

Qm은 기계 품질 계수이고,Q m is the machine quality factor,

ωr은 공진 주파수이며,ω r is the resonant frequency

tanδ는 유전 손실 인자이고,tanδ is the dielectric loss factor,

X0는 응력의 절대값이며,X 0 is the absolute value of the stress,

S0는 변형률의 절대값이고,S 0 is the absolute value of the strain,

D0는 전속 밀도의 절대값이며,D 0 is the absolute value of the flux density,

E0는 전기장의 절대값이고,E 0 is the absolute value of the electric field,

k는 열전달 계수이며,k is the heat transfer coefficient,

T는 온도이고,T is temperature

Q는 단위부피 당 내부의 열 발생량이며,Q is the internal heat generation amount per unit volume,

Ak, AS, FQ 및 FS 행렬의 각 요소는 하기 수학식 12와 같다:Each element of the A k , A S , F Q and F S matrices is represented by Equation 12:

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112005031813544-pat00036
Figure 112005031813544-pat00036

상기식에서, Ni,j는 형상 함수(polynomial interpolation function)이다.In the above formula, N i, j is a polynomial interpolation function.

상기 압전체의 온도가 일정 오차(ε1) 이내로 수렴할 때까지 상기 온도변화에 따른 물질상수 값을 구하는 과정(S30) 및 물질상수 값 변화에 따른 온도 변화를 구하는 과정(S40)을 반복한다(S50).Until the temperature of the piezoelectric body converges within a predetermined error (ε 1 ), the process of obtaining the material constant value according to the temperature change (S30) and the process of obtaining the temperature change according to the material constant value change are repeated (S50). ).

온도 상승치가 일정한 오차(ε1) 이내로 수렴하는 경우, 새로운 온도에 대하 여 다시 주파수 탐색을 통하여 온도 증가에 대한 공진 주파수의 변화를 계산한다(S60).When the temperature rise converges within a constant error ε 1 , the change of the resonance frequency with respect to the temperature increase is calculated through the frequency search again for the new temperature (S60).

이후, 새로운 공진 주파수에 대하여 온도 상승치를 계산한다(S20 내지 S50). 이 때, 이전의 공진 주파수 하에서의 온도와 비교하여 그 차이가 일정한 오차(ε2) 이내로 수렴할 때까지, 상기 온도 변화에 따른 공진주파수의 변화를 구하는 과정(S60) 및 상기 공진주파수 하에서 온도 변화에 따른 물질상수 값의 변화를 고려하여 온도 상승을 구하는 과정(S70)을 반복한다(S80).Then, the temperature rise value is calculated for the new resonance frequency (S20 to S50). At this time, the process of obtaining the change of the resonance frequency according to the temperature change and the temperature change under the resonance frequency until the difference converges within a predetermined error ε 2 compared with the temperature under the previous resonance frequency. The process of obtaining a temperature rise in consideration of the change in the material constant value is repeated (S70).

만약, 공진주파수가 변화하였음에도 불구하고, 공진 주파수의 변화가 온도 상승에 큰 영향을 미치지 못하는 경우(즉, 공진 주파수의 변화에 대한 온도 상승이 일정한 오차(ε2) 이내로 수렴하는 경우), 루프(loop)를 종료한다. 이때의 온도 및 공진주파수를 정상상태에서의 온도 상승 및 온도 상승으로 인한 공진 주파수의 변화로 해석할 수 있다.If the resonant frequency changes, but the change in the resonant frequency does not have a significant effect on the temperature rise (that is, the temperature rise due to the change in the resonant frequency converges within a certain error ε 2 ), the loop ( loop). The temperature and the resonance frequency at this time can be interpreted as a change in the resonance frequency due to the temperature rise and the temperature rise in the steady state.

도 13a 및 13b는 상기 제2시험모델에 대한 온도 분포 해석 결과를 도시한 것이다. 도 13a는 상기 도 12의 순서도에 의하여 해석된 온도 상승 결과이다. 도 13b는 상기 제2시험모델에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.13a and 13b show the results of the temperature distribution analysis for the second test model. FIG. 13A is a result of temperature rise analyzed by the flowchart of FIG. 12. Figure 13b shows the experimental results for the second test model.

도 13a 및 13b에 도시되어 있는 바와 같이, 온도 상승 해석 결과는 실험 결과와 유사한 분포 및 값을 갖는다. 직경 30mm의 압전 변압기 내의 온도 차이는 약 10℃이다.As shown in Figs. 13A and 13B, the results of the temperature rise analysis have similar distributions and values as the experimental results. The temperature difference in the piezoelectric transformer with a diameter of 30 mm is about 10 ° C.

따라서, 온도 상승에 따라 큰 특성 변화를 가지는 압전 시스템의 비선형성을 해석하기 위해서는 열 등가회로에 의한 방법이 아니라, 3차원 열전달 방정식에 의한 해석이 타당하다. 또한, 이러한 압전 시스템의 온도 해석 및 비선형 해석법은 압전 시스템의 국부적인 파괴 방지 및 손실에 의한 온도 상승 억제를 위한 최적 설계를 가능하게 한다. 도 13b의 63.6℃는 대류에 의한 압전 변압기의 주변 공기 온도이다.Therefore, in order to analyze the nonlinearity of the piezoelectric system having a large characteristic change with the temperature rise, the analysis by the three-dimensional heat transfer equation is appropriate, not the method by the thermal equivalent circuit. In addition, the temperature analysis and nonlinear analysis of the piezoelectric system enable an optimal design for preventing local destruction of the piezoelectric system and suppressing the temperature rise due to the loss. 63.6 ° C in FIG. 13B is the ambient air temperature of the piezoelectric transformer by convection.

도 14는 상기 도 12에 도시된 순서도에 따라 제2시험모델의 온도 상승에 의한 비선형성을 나타낸 것이다. 점선은 상온에서 실험하여 얻은 물질값을 이용한 주파수에 대한 전압비를 나타내고, 실선은 온도 상승을 고려하여 증가된 온도에서의 물질값을 이용하여 얻은 주파수에 대한 전압비를 나타낸다.FIG. 14 illustrates nonlinearity due to temperature rise of the second test model according to the flowchart shown in FIG. 12. The dotted line represents the voltage ratio to the frequency using the material value obtained by experimenting at room temperature, and the solid line represents the voltage ratio to the frequency obtained using the material value at the increased temperature in consideration of the temperature rise.

도 14에 도시되어 있는 바와 같이, 고전계 구동으로 야기된 압전 변압기의 온도 상승은 공진 주파수의 증가 및 전압비의 상승을 초래하였다. 제2시험모델에 대한 실험 결과와 해석 결과와의 비교를 표 2에 나타내었다.As shown in Fig. 14, the temperature rise of the piezoelectric transformer caused by the high field driving resulted in an increase in the resonance frequency and an increase in the voltage ratio. Table 2 shows a comparison between the experimental results and the analysis results for the second test model.

[표 2]TABLE 2

공진주파수Resonant frequency 전압비Voltage ratio 상온 시At room temperature 온도 증가 시When the temperature increases 상온 시At room temperature 온도 증가 시When the temperature increases 해석 결과Analysis result 208.8[kHz]208.8 [kHz] 210.4[kHz]210.4 [kHz] 0.3720.372 0.420.42 실험 결과Experiment result 203.8[kHz]203.8 [kHz] 205.8[kHz]205.8 [kHz] 0.3780.378 0.4330.433

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 고전계 구동시 야기되는 약 90℃의 온도 상승은 압전 변압기의 공진 주파수를 약 2kHz 증가시키고, 15%의 전압비를 상승시킨다. 온도 상승을 고려한 비선형 해석은 실험 결과와 거의 일치함을 알 수 있다.As shown in Table 2 above, the temperature rise of about 90 ° C caused by high field driving increases the resonance frequency of the piezoelectric transformer by about 2 kHz and increases the voltage ratio of 15%. It can be seen that the nonlinear analysis considering the temperature rise is almost in agreement with the experimental results.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우, 고전계 구동시 온도 상승에 따른 압전체의 비선형적 특성을 빠르고 정확하게 계산할 수 있다.As described above, in the case of using the method according to the present invention, it is possible to quickly and accurately calculate the nonlinear characteristics of the piezoelectric body due to the temperature rise during high field driving.

Claims (9)

압전체 구동시 압전체의 온도 변화를 해석하는 방법으로서,As a method of analyzing the temperature change of the piezoelectric body when driving the piezoelectric body 소정 온도에서의 압전체의 공진주파수를 구하는 단계(a);Obtaining a resonance frequency of the piezoelectric body at a predetermined temperature (a); 소정의 공진주파수 하에서의 압전체의 온도를 구하는 단계(b);Obtaining a temperature of the piezoelectric body under a predetermined resonance frequency (b); 소정의 온도 조건 하에서의 압전체의 물질상수 값을 구하는 단계(c);(C) obtaining a material constant value of the piezoelectric body under a predetermined temperature condition; 상기 단계(c)에서 구한 압전체의 물질상수 값을 사용하여 압전체의 온도를 구하는 단계(d);(D) obtaining a temperature of the piezoelectric body using the material constant value of the piezoelectric body obtained in step (c); 상기 단계(d)에서 구한 온도가 수렴할 때까지 상기 단계(c) 및 (d)를 반복하는 단계(e);(E) repeating steps (c) and (d) until the temperature obtained in step (d) converges; 상기 단계(e)에서 구한 수렴 온도 하에서 압전체의 변화된 공진주파수를 구하는 단계(f);Obtaining (f) a changed resonance frequency of the piezoelectric body under the convergence temperature obtained in step (e); 상기 단계(f)에서 구한 공진주파수 하에서 상기 단계(b) 내지 (e)를 수행하여 수렴 온도를 구하는 단계(g); 및(G) obtaining a convergence temperature by performing steps (b) to (e) under the resonance frequency obtained in step (f); And 상기 단계 (g)에서 구한 수렴 온도가 수렴할 때까지 상기 단계 (f) 및 (g)를 반복하는 단계(h)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 압전체 구동시 압전체의 온도 변화를 해석하는 방법.And repeating the steps (f) and (g) until the convergence temperature obtained in the step (g) converges. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(a) 또는 상기 단계(f)에서 공진주파수를 구하는 과정은,According to claim 1, wherein the step of obtaining the resonant frequency in the step (a) or the step (f), 상기 소정 온도에서의 물질상수 값 및 하기 수학식 13의 특성 방정식에 의하여 전위 φ를 구하는 단계;Obtaining a potential φ based on the material constant value at the predetermined temperature and the characteristic equation of Equation 13 below; 상기 단계에서 구한 전위 φ, 전하량 Q 및 하기 수학식 16을 사용하여 임피던스를 구하는 단계; 및Obtaining an impedance using the potential? Obtained in the above step, the charge amount Q, and the following Equation 16; And 주파수를 변화시키면서 상기 단계를 반복하여 구한 임피던스 중 가장 작은 임피던스를 나타내는 주파수를 공진주파수로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:Determining a frequency representing the smallest impedance among the impedances obtained by repeating the above steps while changing the frequency as a resonance frequency; [수학식 13][Equation 13]
Figure 112005031813544-pat00037
Figure 112005031813544-pat00037
[수학식 16][Equation 16]
Figure 112005031813544-pat00038
Figure 112005031813544-pat00038
상기식에서,In the above formula, Kuu는 기계적 강성(stiffness) 행렬이고,K uu is the mechanical stiffness matrix, Duu는 기계적 댐핑 행렬이며,D uu is the mechanical damping matrix, K는 압전 결합계수 행렬이고,K is the piezoelectric coupling coefficient matrix, Kφφ는 유전적 경도 행렬이며,K φφ is the genetic hardness matrix, M은 질량 행렬이고,M is the mass matrix, u는 기계적 변위이며,u is mechanical displacement, φ는 전위이고,φ is potential F는 기계적 힘이며,F is a mechanical force, Q는 전하이고,Q is the charge, Z는 임피던스이다.Z is impedance.
제 1 항에 있어서, 상기 단계(a)에서의 소정 온도는 상온인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the predetermined temperature in step (a) is room temperature. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(b)는 상기 단계(a)에서 구한 공진주파수 또는 상기 단계(f)에서 구한 공진주파수 하에서의 압전체의 온도를 구하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the step (b) is a step of obtaining a temperature of the piezoelectric body under the resonance frequency obtained in the step (a) or the resonance frequency obtained in the step (f). 제 4 항에 있어서, 상기 단계(b) 또는 상기 단계(d)에서 압전체의 온도를 구하는 과정은,The process of claim 4, wherein the step of obtaining the temperature of the piezoelectric material in the step (b) or the step (d), 단위부피 당 압전체의 기계적 진동 손실 Pm 및 유전 손실 Pd를 하기 수학식 8a 및 8b를 이용하여 구하는 단계;Obtaining mechanical vibration loss P m and dielectric loss P d of the piezoelectric body per unit volume using Equations 8a and 8b; 하기 수학식 9의 열전달 방정식에서 단위 부피당 내부의 열발생량 Q는 상기 기계적 진동 손실 Pm 및 유전 손실 Pd의 합과 동일한 것으로 가정하는 단계; 및Assuming that an internal heat generation amount Q per unit volume in the heat transfer equation of Equation 9 is equal to the sum of the mechanical vibration loss P m and the dielectric loss P d ; And 상기 수학식 9에 대류 경계조건 및 유한 요소 과정을 적용한 미분방정식인 하기 수학식 11로부터 압전체의 온도 분포를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:Obtaining a temperature distribution of the piezoelectric body from Equation 11, which is a differential equation applying convective boundary condition and finite element process to Equation 9: [수학식 8a]Equation 8a
Figure 112005031813544-pat00039
Figure 112005031813544-pat00039
[수학식 8b][Equation 8b]
Figure 112005031813544-pat00040
Figure 112005031813544-pat00040
[수학식 9][Equation 9]
Figure 112005031813544-pat00041
Figure 112005031813544-pat00041
[수학식 11][Equation 11]
Figure 112005031813544-pat00042
Figure 112005031813544-pat00042
상기식에서,In the above formula, Qm은 기계 품질 계수이고,Q m is the machine quality factor, ωr은 공진 주파수이며,ω r is the resonant frequency tanδ는 유전 손실 인자이고,tanδ is the dielectric loss factor, X0는 응력의 절대값이며,X 0 is the absolute value of the stress, S0는 변형률의 절대값이고,S 0 is the absolute value of the strain, D0는 전속 밀도의 절대값이며,D 0 is the absolute value of the flux density, E0는 전기장의 절대값이고,E 0 is the absolute value of the electric field, k는 열전달 계수이며,k is the heat transfer coefficient, T는 온도이고,T is temperature Q는 단위부피 당 내부의 열 발생량이며,Q is the internal heat generation amount per unit volume, Ak, AS, FQ 및 FS 행렬의 각 요소는 하기 수학식 12와 같다:Each element of the A k , A S , F Q and F S matrices is represented by Equation 12: [수학식 12][Equation 12]
Figure 112005031813544-pat00043
Figure 112005031813544-pat00043
상기식에서, Ni,j는 형상 함수(polynomial interpolation function)이다.In the above formula, N i, j is a polynomial interpolation function.
제 1 항에 있어서, 상기 단계(c)에서 압전체의 물질 상수값은 온도에 따른 물질 상수값을 실험적으로 미리 구한 데이터인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the material constant value of the piezoelectric material in step (c) is data obtained by experimentally obtaining a material constant value according to temperature. 제 6 항에 있어서, 상기 단계(c)는 상기 단계(b)에서 구한 온도 또는 상기 단계(d)에서 구한 온도 조건 하에서의 압전체의 물질상수 값을 구하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.7. The method of claim 6, wherein step (c) is a step of obtaining a material constant value of the piezoelectric material under the temperature obtained in step (b) or the temperature condition obtained in step (d). 제 1 항에 있어서, 상기 단계(e)는 공진 주파수가 고정된 상태에서 압전체의 물질상수 값 변화에 따른 압전체의 온도 변화량이 소정의 임계치 ε1 이내로 수렴할 때까지 상기 단계(c) 및 (d)를 반복하는 것임을 특징으로 하는 방법.The method (c) and (d) of claim 1, wherein the step (e) is performed until the temperature change amount of the piezoelectric body according to the change of the material constant value of the piezoelectric body is fixed within a predetermined threshold ε 1 while the resonance frequency is fixed. ) Is repeated. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(h)는 (i) 현재 설정된 공진주파수 조건 하에서 상기 단계(e)에서 구한 수렴온도와 (ii) 이전에 설정된 공진 주파수 조건 하에서 상기 단계(e)에서 구한 수렴온도의 차이가 소정의 임계치 ε2 이내로 수렴할 때까지 상기 단계(f) 및 (g)를 반복하는 것임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the step (h) comprises: (i) the convergence temperature obtained in the step (e) under the currently set resonance frequency condition and (ii) the convergence temperature obtained in the step (e) under the resonance frequency condition set before. And repeating steps (f) and (g) until the difference is within a predetermined threshold ε 2 .
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