CN103125029B - 压电多层组件 - Google Patents

Abstract

具有压电基体(1)的压电多层组件，所述压电基体具有输入区(2)和输出区(3)，其中在所述输出区(3)中或在所述输入区(2)中至少两个相邻叠层(21,22；31a,31b；32a,32b)彼此反平行地极化，并且至少两个相邻叠层(31b,32a)彼此平行地极化。

Description

压电多层组件

技术领域

本发明涉及一种压电多层组件、尤其是变压器。

背景技术

尤其是以厚度振荡工作的压电组件适合于高频应用。这种压电组件具有超过500千赫的工作频率，其能够实现电子组件的进一步小型化。

由出版文献US6,707,235中公知一种用于在高频区工作的压电组件的扩展方案。在以厚度振荡工作的压电变压器中，寄生振荡模式的激发、尤其是水平振荡模式的激发影响了所述装置的效率。在出版文献US6,707,235中建议，所述问题通过环形构造的压电基体来解决。然而，压电基体的这种特殊的环形构型要求在制造该组件时使用复杂技术，所述复杂技术与已经使用的多层技术不兼容，所述已经使用的多层技术通常在压电组件的制造中得到使用。由此，根据建议的原理制造这种组件复杂且费用多。

因此，存在对如下压电组件的需求，所述压电组件可以在使用多层技术的情况下制造并且有效地抑制寄生振荡模式的激发。

发明内容

对此，根据优选的实施方式建议一种压电多层组件，所述压电多层组件包括由压电材料制成的、具有输入区和输出区的基体，其中所述输出区或输入区具有至少两个彼此反平行极化的相邻叠层和至少两个彼此平行极化的相邻叠层。

术语“叠层(Lagen)”当前指多层组件的部分。优选地，一个叠层是设置在两个相邻电极之间的部分。优选地，所述叠层具有压电材料。优选地，在所述叠层中的压电材料具有统一的极化方向。输入区中的叠层接下来也称作“层”。输出区中的叠层接下来也称作“子层”。

术语“层”当前优选地用于多层组件的各个部分，所述多层组件的各个部分全部具有相同的厚度，所述厚度优选是基体的高次谐波(Oberschwingung)的波长的一半。一层可以具有多个“子层”。如果一层具有多个子层，则所述子层中的每一个比所述层更薄。

通过所述叠层、尤其是输出区的子层的特殊极化方式，有效地减弱了寄生振荡模式的激发。可以根据已证明的多层技术且因此可成本有利地制造压电组件。寄生振荡模式的减弱导致压电组件的效率提高。

改进方案和扩展方案分别是从属权利要求的主题。

在一个实施方式中，输入区包括至少两个上下叠置的叠层，所述至少两个上下叠置的叠层具有基本上垂直于基体的上侧的、相反定向的极化。

在一个实施方式中，相比于输入区中的叠层，输出区中的叠层的厚度更小。

在一个实施方式中，压电多层组件具有第一初级电极和第二初级电极以及第一次级电极和第二次级电极，所述第一初级电极在输入区之上与基体的上侧平行地设置；所述第二初级电极在输入区之下与第一初级电极平行地构造，所述第一次级电极和第二次级电极至少部分地在基体的输出区的内部与第一初级电极平行地设置。

压电多层组件不仅使用正压电效应而且使用逆压电效应。

“逆压电效应”理解为，压电陶瓷在施加电场时与极化方向平行或反平行或还成一角度地经历变形。

“正压电效应”理解为在出现变形时，基体中有电压降。

压电组件的输入区和输出区通过压电基体的不同层彼此机械地耦合。电输入信号在压电多层组件的输入区中优选转换为基体的机械厚度振荡。由于输入区和输出区的机械耦合，所以两个部分都遭受机械厚度振荡。由于逆压电效应实现电能到机械能的转换。在输出区中，机械厚度振荡优选地由于正压电效应变换回电信号。

通过在第一初级电极和第二初级电极上施加电压，引起基体的机械变形。然后，作为基体变形的结果，可以在第一次级电极和第二次级电极上量取(abgegriffen)电压。

在第一初级电极和第二初级电极上施加交流电压时，可能产生基体的周期性重复的畸变(Deformation)。所述基体的周期性重复的畸变可能又在第一次级电极和第二次级电极中引起周期性变化的电压。通过第一初级电极和第二初级电极与第一次级电极和第二次级电极的合适设置能够实现输出电压与输入电压不同。在这种情况下，获得传输比与电压的比例相等的变压器。

当在压电多层组件的输入区上施加电压时，发生基体的偏移。“偏移”理解为基体的收缩或扩张。原则上在此能够出现厚度振荡、水平振荡和弯曲振荡。在厚度振荡时出现基体的垂直偏移。

压电多层组件优选为高频应用而设计。因为优选地，层的厚度比其长度小得多，所以在厚度振荡时基本振荡的频率高于在水平振荡时基本振荡的频率。水平基本振荡的较高次谐波(Harmonische)可以位于有用的厚度振荡的频率附近。水平基本振荡的谐波是寄生振荡模式，所述寄生振荡模式可以由于所规定的不同层的极化在输入区和输出区中减弱。

在一个实施方式中，压电多层组件包括基体，所述基体具有PZT陶瓷(PZT=Blei-Zirkonat-Titanat：锆钛酸铅)作为压电材料。尤其还可以使用无铅的材料。

在一个改进方案中，输出区具有至少两个上下叠置的层，所述至少两个上下叠置的层分别包括至少两个上下叠置的子层，其中一层的至少两个子层优选基本上垂直于基体的上侧极化并且其中相应的层的至少两个子层优选彼此反平行地极化。

在所述改进方案中，相邻层的相邻子层分别彼此平行地极化。通过平行和反平行地极化的子层的交替序列可以有效减弱寄生振荡模式。

在另一个实施方式中，压电多层组件此外还包括第一电接触部和第二电接触部。第一电接触部与第一次级电极并且第二电接触部与第二次级电极电耦合。借助在输出区中的次级电极的特殊的耦合最终还能额外电补偿已存在的寄生振荡模式，所述寄生振荡模式由于子层的特殊极化而未被完全抑制。在一个实施方式中，第一次级电极和第二次级电极中的一些次级电极交替地设置在各个子层之间。第一次级电极和第二次级电极中的一部分还可以设置在输出区之上或之下。

在输入区和/或输出区中的层的厚度可以是基体的高次谐波的波长的一半。

在输出区中的所述至少两个上下叠置的层的子层可以具有统一的厚度。

在一个实施例中，第二初级电极和所述第一次级电极中的一个第一次级电极构成公共电极。所述公共电极在输入区和输出区之间与第一初级电极平行地设置并且因此还机械地耦合所述两个区域。输入电压在本实施例中施加在第一初级电极上和公共电极上。由于输入电压引起的厚度振荡在输出区机械地传输并且由于正压电效应在公共电极和第二电接触部之间产生压降。

在一个备选的实施方式中，在输入区和输出区之间设置绝缘层。所述绝缘层平行于基体的上侧延伸并且尤其可以包括有机材料或无机材料。输入区和输出区通过绝缘层彼此机械连接并且彼此电(galvanisch)隔离。

根据一个优选的实施方式，压电多层组件尤其是变压器包括：

-由压电材料制成的基体，所述基体具有输入区和输出区，其中输入区设置在输出区之上，

-第一初级电极，所述第一初级电极在输入区之上与基体的上侧平行地设置，

-第二初级电极，所述第二初级电极在输入区之下与第一初级电极平行地构造，

-第一次级电极和第二次级电极，所述第一次级电极和第二次级电极至少部分地在基体的输出区的内部中与第一初级电极平行地设置，

其中输入区包括至少两个上下叠置的层，所述至少两个上下叠置的层具有基本上垂直于基体的上侧的、相反定向的极化，

-其中输出区具有至少两个上下叠置的层，所述至少两个上下叠置的层分别包括至少两个上下叠置的子层，

-其中一层的至少两个子层基本上垂直于基体的上侧极化，

其中相应的层的至少两个子层彼此反平行地极化。

根据一个优选的实施方式，压电多层组件包括由压电材料制成的基体、第一初级电极和第二初级电极以及第一次级电极和第二次级电极。基体具有输入区和输入区，其中输入区设置在输出区之上。输入区包括至少两个上下叠置的层，所述至少两个上下叠置的层相反定向并且基本上垂直于基体的上侧极化。输出区具有至少两个上下叠置的层，所述至少两个上下叠置的层分别包括至少两个上下叠置的子层。相应的层的至少两个子层彼此反平行地并且基本上垂直于基体的上侧极化。

本发明的另一个方面涉及一种用于运行根据上述实施例中至少一个实施例的压电多层组件的方法。

本方法包括在一个频率上运行压电多层组件，所述频率相应于基体的基本振荡的高次谐波振荡(harmonischenOberschwingung)、尤其是第四高次谐波振荡。结合基体的层和子层的上述特殊尺寸，因此在一个频率上操作压电的多层组件，在所述频率下构成厚度振荡的驻波。通过所述层或子层的在上面实施例中描述的反平行和平行的极化并且通过第一次级电极和第二次级电极的所述耦合，能够有效减弱出现的寄生振荡模式、尤其是水平振荡和弯曲振荡。压电多层组件的效率由此增大。

附图说明

随后列举根据附图1的一个实施例详细解释本发明。

图1示出压电多层组件的一种实施方式。

具体实施方式

在图1中示意性地示出所述实施例，其中出于清晰度原因省略了各个元件。显然，专业人员能够补充各个方面。

在图1中示出具有基体1的以厚度振荡工作的压电多层组件的横截面。

由压电材料制成的基体1包括输入区2和输出区3，所述输出区3设置在所述输入区2之下。第一初级电极4安置在输入区2之上与基体1的上侧6平行。第二初级电极5位于输入区2之下，所述第二初级电极5与第一初级电极4平行地构造。此外，压电多层组件包括第一和次级电极7，所述第一和次级电极7至少部分地在基体1的输出区3的内部与第一初级电极4平行地设置。第一次级电极7中的一个在图1示出的实施例中与第二初级电极5电耦合并且构成公共电极11。

在一个未示出的实施例中，第二初级电极5和所述第一次级电极7中的一个可以分开设计，也就是说没有电耦合。在本实施例中，在输入区2和输出区3之间可以设置绝缘层，尤其是由有机材料或无机材料制成的绝缘层。所述绝缘层可以是由任意介电材料(例如玻璃、二氧化硅、有机涂层或陶瓷)制成的钝化层。通过绝缘层，输入区2和输出区3电隔离。

此外，图1中的实施例还包括第二次级电极8，所述第二次级电极位于基体1的输出区3的内部与第一初级电极4平行。

压电多层组件的输入区2由两个上下叠置的层21、22组成，所述两个上下叠置的层具有相反定向的、基本上垂直于基体1的上侧6的极化P。输入区的所述层21、22也称作叠层。在层21、22之间可以设置所谓的“浮动”电极。

输出区3包括两个上下叠置的层31、32。输出区3中的层31由两个上下叠置的子层31a、32a组成。输出区的子层31a、32a也称作叠层。层32包括两个上下叠置的子层32a、32b。输出区的子层32a、32b也称作叠层。所有子层与基体1的上侧6垂直地极化。根据本发明，层31的两个子层31a和31b彼此反平行地极化。这同样适用于层32的子层32a和32b。此外，相邻层31和32的相邻子层31b和32a具有平行的极化。

第一次级电极和第二次级电极7、8交替地设置在压电多层组件的输出区3中、部分地在各个子层31a、31b、32a、32b之间。第一电接触部9与第一次级电极并且与公共电极11或第二初级电极5电耦合。第二电接触部10电连接第二次级电极8。

在第一初级电极4和在本实施例中用作接地端的公共电极9上施加输入电压时，在压电基体1中构成基体1的基本振荡的第四高次谐波振荡。因此，然后由于正压电效应可以在第一电接触部9和第二电接触部10之间量取输出电压。

在图1中，借助虚线V表示用于基本振荡的第四高次谐波振荡的波节和波腹的分布，其中基本振荡称作一次谐波。基体1内的半波长的数量相应于谐波的阶次。

从图1中可推断出，输入区2或输出区3中的层21、22、31、32的厚度分别是基体1的第四高次谐波振荡的半波长。由于子层31a、31b、32a、32b的统一厚度，第二次级电极8恰恰位于第四高次谐波振荡的波腹的区域中。

寄生振荡模式的传播一方面由于输入区2中的层21、22的相反定向的极化而减弱。在第一初级电极4和公共电极11上施加输入电压时，层21和层22由于其不同的极化而相反地畸变。这又导致寄生振荡模式的减弱。这同样适用于压电多层组件的输出区3中的层31和层32。

另一方面，输出区3中的寄生振荡模式额外通过第一次级电极和第二次级电极7、8的上述的互连来电补偿。

所述层或子层的在本实施例中所描述的极化以及所述第一次级电极和第二次级电极的所描述的电耦合有效减弱寄生振荡模式、尤其是水平振荡和弯曲振荡的传播。因此提高了压电多层组件的效率。组件的制造由于多层技术的使用而成本有利。

压电多层组件的极化不限于层或子层的在图1中所示的极化。尤其可以将输入区2中的不同极化与输出区3中的任意极化组合。因此，例如层21和22的极化可以旋转并且与输出区3中的所示的极化组合。同样地，子层31a的极化朝向压电多层组件的上侧定向并且子层31b的极化朝向压电多层组件的下侧定向。专业人员从以上的描述中推断出层或子层的极化的合适变型。

根据所说明的方法，在一个频率上操作压电多层组件，所述频率相应于基体的基本振荡的第四高次谐波振荡。

通过改变压电多层组件的结构，尤其通过在输入区2或输出区3中布置附加的层，可以以其他任意的高次谐波振荡来操作组件。可替代地，也可以改变这些层的厚度，以便以其他谐波或其他频率操作所述组件。通常，层的厚度相应于所激励的厚度振荡的波长的一半。

参考标记列表

1　　　　基体

2　　　　输入区

3　　　　输出区

4　　　　第一初级电极

5　　　　第二初级电极

6　　　　基体的上侧

7,8　　　第一次级电极和第二次级电极

9　　　　第一电接触部

10　　　　第二电接触部

11　　　　公共电极

21,22　　输入区中两个上下叠置的层

31,32　　输出区中两个上下叠置的层

31a,31b　输出区中两个上下叠置的子层

32a,32b　输出区中两个上下叠置的子层

P　　　　极化

V　　　　波节和波腹的分布。

Claims (16)

1.一种压电多层组件，其包括：

-由压电材料制成的基体(1)，所述基体具有输入区(2)和输出区(3)，

其中所述输出区(3)或所述输入区(2)具有至少两个彼此反平行极化的相邻叠层(21,22;31a,31b;32a,32b)以及至少两个彼此平行极化的相邻叠层(31b,32a)，

其中所述输入区(2)和所述输出区(3)上下叠置地布置，并且

其中所述输入区(2)和所述输出区(3)中层的极化方向垂直于所述基体(1)的上侧(6)延伸。

2.根据权利要求1所述的压电多层组件，其中所述输入区(2)包括至少两个上下叠置的叠层(21,22)，所述至少两个上下叠置的叠层具有垂直于所述基体(1)的上侧(6)的、相反定向的极化(P)。

3.根据以上权利要求中任一项所述的压电多层组件，其中相比所述输入区(2)中的所述叠层(21,22)，所述输出区(3)中的所述叠层(31a,31b;32a,32b)的厚度更小。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的压电多层组件，具有：

-第一初级电极(4)，所述第一初级电极在所述输入区(2)之上与所述基体(1)的上侧(6)平行地设置；

-第二初级电极(5)，所述第二初级电极在所述输入区(2)之下与所述第一初级电极(4)平行地构造，

-第一次级电极和第二次级电极(7,8)，所述第一次级电极和第二次级电极至少部分地在所述基体(1)的所述输出区(3)的内部与所述第一初级电极(4)平行地设置，

其中所述第一次级电极和第二次级电极(7,8)至少部分地在所述输出区的层(31a,31b,32a,32b)之间设置。

5.根据权利要求4所述的压电多层组件，还包括：

-第一电接触部(9)，所述第一电接触部与所述第一次级电极(7)电耦合，以及

-第二电接触部(10)，所述第二电接触部与所述第二次级电极(8)电耦合。

6.根据权利要求4所述的压电多层组件，其中所述第一次级电极和第二次级电极(7,8)中的一些次级电极交替地设置在各个叠层(31a,31b,32a,32b)之间。

7.根据权利要求1-2中任一项所述的压电多层组件，其中在所述输入区(2)中的叠层(21,22)的厚度是所述基体(1)的高次谐波的波长的一半。

8.根据权利要求1-2中任一项所述的压电多层组件，其中在所述输出区(3)中的叠层(31,32)的厚度是所述基体(1)的高次谐波的波长的四分之一。

9.根据权利要求1-2中任一项所述的压电多层组件，其中在所述输出区(3)中的所述叠层(31a,31b,32a,32b)具有统一的厚度。

10.根据权利要求4所述的压电多层组件，其中所述第二初级电极(5)和所述第一次级电极(7)中的一个第一次级电极构成公共电极(11)，所述公共电极在所述输入区(2)和所述输出区(3)之间与所述第一初级电极(4)平行地构造。

11.根据权利要求1至2中任一项所述的压电多层组件，其中在所述输入区(2)和所述输出区(3)之间设置绝缘层。

12.根据权利要求1所述的压电多层组件，其中所述压电多层组件是变压器。

13.根据权利要求11所述的压电多层组件，其中，所述绝缘层由有机材料制成。

14.根据权利要求11所述的压电多层组件，其中，所述绝缘层由无机材料制成。

15.用于操作根据以上权利要求中任一项所述的压电多层组件的方法，其中在一个频率上操作所述压电的多层组件，所述频率相应于所述基体(1)的基本振荡的高次谐波振荡。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述高次谐波振荡是第四高次谐波振荡。