DE102004036751A1 - Piezoelektrischer Transformator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Körper (1), enthaltend ein piezoelektrisches Material, mit wenigstens zwei Eingangselektroden (21, 22), mit wenigstens zwei Ausgangselektroden (31, 32), wobei die Elektroden mit Anschlussleitungen (41, 42, 51, 52) verbunden sind, und mit mindestens einer Wärmeleitungsschicht (61, 62, 63), die mit keiner der Anschlussleitungen (41, 42, 51, 52) verbunden ist und die zwischen zwei Elektroden (21, 22, 31, 32) angeordnet ist. Durch die Wärmeleitungsschicht kann eine schädliche Überhitzung des Transformators vermieden werden.

Description

• Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Transformator mit einem Körper enthaltend ein piezoelektrisches Material.
• Aus der Druckschrift US 2830274 ist ein Piezotransformator der eingangs genannten Art bekannt, der einen röhrenförmigen piezoelektrischen Körper aufweist.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Piezotransformator anzugeben, der eine verbesserte Langzeitstabilität aufweist.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Transformator nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Transformators sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Gemäß wenigstens eines Ausführungsbeispieles wird ein Transformator angegeben, der einen Körper aufweist, welcher ein piezoelektrisches Material enthält.
• Ein piezoelektrisches Material kann beispielsweise eine Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT) sein.
• Hierbei wird unter dem inversen piezoelektrischen Effekt verstanden, dass die piezoelektrische Keramik, die gegebenenfalls zum Einsatz des Bauelementes noch polarisiert werden muss, bei Anlegen eines elektrischen Feldes parallel oder antiparallel oder auch in einem Winkel zur Polarisierungsrichtung eine Verformung erfährt.
• Unter dem direkten piezoelektrischen Effekt wird verstanden, dass in dem Körper bei Auftreten von Verformungen eine Spannung abfällt.
• Es können in dem Körper vorteilhafterweise Eingangselektroden vorgesehen sein. Mit Hilfe der Eingangselektroden kann bei Anlegen einer Spannung an den Eingangselektroden eine mechanische Verformung des Körpers hervorgerufen werden.
• In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind Ausgangselektroden vorgesehen, die in Kontakt mit dem Körper stehen. Mit Hilfe der Ausgangselektroden kann eine bei Verformung des Körpers auftretende elektrische Spannung abgegriffen werden.
• Die Eingangselektroden und die Ausgangselektroden können auch innerhalb eines Bauelementes miteinander kombiniert werden. Dann kann bei Anlegen einer Wechselspannung an den Eingangselektroden eine periodisch wiederkehrende Deformation des Körpers erzeugt werden. Diese periodisch wiederkehrende Deformation des Körpers kann wiederum in den Ausgangselektroden eine sich periodisch ändernde Spannung hervorrufen. Durch geeignete Anordnung der Elektroden kann erreicht werden, dass die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung verschieden ist. In diesem Fall erhält man einen Transformator mit einem dem Verhältnis der Spannungen entsprechenden Übersetzungsverhältnis.
• Vorzugsweise sind die Eingangselektroden und die Ausgangselektroden, fortan auch als Elektroden bezeichnet, mit Anschlussleitungen versehen, um die Elektroden mit einer Eingangsspannungsquelle oder mit einem Abgriff für die Ausgangsspannung kontaktieren zu können.
• Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist wenigstens eine Wärmeleitungsschicht vorgesehen, die mit keiner der Elektroden verbunden ist. Vorzugsweise ist die Wärmeleitungsschicht kombiniert mit ebenfalls vorhandenen Eingangselektroden und mit Ausgangselektroden.
• Die Wärmeleitungsschicht kann vorzugsweise zwischen zwei Elektroden angeordnet sein.
• Bei Betrieb des Transformators kann durch ständiges Verformen des Körpers und im Zusammenspiel mit innerer Reibung eine beträchtliche Menge an Wärme entstehen. Da die Wärme aufgrund der im allgemeinen schlechten Wärmeleitfähigkeit von piezoelektrischen Materialien schlecht abgeleitet wird, kann es vorkommen, dass der Körper in seiner Mitte eine höhere Temperatur aufweist als an seinem Rand.
• Bei sehr großen Mengen von erzeugter Wärme kann die Temperatur des Körpers auf einen Wert ansteigen, der die Polarisierung des piezoelektrischen Materials vermindert und somit auch den für den Betrieb des Bauelements benutzten Effekt vermindert. Dadurch werden die Bauelementeeigenschaften schlechter.
• Durch die Anordnung einer Wärmeleitungsschicht kann der Transport von Wärme vom Innern des Bauelements nach draußen verbessert werden, wodurch die Temperatur des Körpers sinkt, was vorteilhaft ist.
• Die Wärmeleitungsschicht ist elektrisch nicht mit den Anschlussleitungen des Piezotransformators verbunden. Somit greift sie auch nicht in den Betrieb des Piezotransformators und auch nicht in seine Kenngrößen, beispielsweise das Übersetzungsverhältnis des Transformators, ein.
• Vorzugsweise werden mehrere Wärmeleitungsschichten gleichmäßig über den Körper verteilt angeordnet.
• Vorzugsweise werden die Wärmeleitungsschichten so ausgebildet, dass sie vom Innern des Körpers bis zu seinem Rand reichen.
• Gemäß einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Wärmeleitungsschicht ein Metall enthält. Metalle haben im allgemeinen eine gute Wärmeleitfähigkeit und eignen sich somit für den Einsatz in der Wärmeleitungsschicht.
• In einer besonderen Ausführungsform enthält die Wärmeleitungsschicht Kupfer oder sie besteht sogar vollständig aus Kupfer. In diesem Fall ist die Wärmeleitungsschicht besonders dafür geeignet, um in einem Prozess der gemeinsamen Sinterung mit einer PZT-Keramik und Eingangs- beziehungsweise Ausgangselektroden aus Kupfer hergestellt zu werden.
• Gemäß wenigstens einem Ausführungsbeispiel wird ein piezoelektrischer Transformator angegeben, der in zwei Teile unterteil ist. Der erste Teil ist der Eingangsteil und der zweite Teil ist der Ausgangsteil. Die beiden Teile sind mechanisch fest miteinander verbunden. Jeder Teil weist innenliegende Elektrodenschichten auf, die es ermöglichen, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln und umgekehrt. Vorzugsweise liegen die Innenelektroden senkrecht zur Polarisierungsrichtung des jeweiligen Teils des Transformators. Erst durch die Polarisierung wird die Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts ermöglicht. Vorteilhafterweise sind in jedem Teil des Transformators mehrere Elektrodenschichten vorgesehen, wobei jeweils benachbarte Elektrodenschichten einander überlappen und wobei jeweils benachbarte Elektrodenschichten mit unterschiedlichen Polen einer Eingangsspannungsquelle beziehungsweise mit unterschiedlichen Anschlüssen eines Ausgangsspannungsabgriffs verbunden sind. Durch die Verwendung mehrerer Elektroden kann der Platzbedarf des Piezotransformators vermindert werden.
• Ein elektrisches Eingangssignal wird im Eingangsteil des piezoelektrischen Transformators in mechanische Schwingungen des Körpers des Transformators umgewandelt. Die Umwandlung der elektrischen Energie in die mechanische Energie erfolgt aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts. Aufgrund der mechanischen Kopplung des Eingangsteils und des Ausgangsteils sind beide Teile von der mechanischen Schwingung betroffen. Im Ausgangsteil werden die mechanischen Schwingungen aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekts zurück in ein elektrisches Signal verwandelt.
• Der piezoelektrische Transformator wird vorzugsweise hergestellt durch Gemeinsamsinterung eines Stapels von übereinanderliegenden Grünfolien die eine piezoelektrische Keramik enthalten. Zwischen den Grünfolien sind Elektrodenschichten angeordnet, die in Form einer metallhaltigen Paste aufgetragen sind. Dadurch entstehen piezoelektrische Transformatoren mit einer laminierten Struktur die durch Gemeinsamsinterung hergestellt sind und die somit einen monolithischen Aufbau haben.
• Aus Kostengründen werden vorzugsweise Kupferelektroden verwendet. Diese erfordern allerdings eine spezielle Prozessführung, da Kupfer aufgrund seines niedrigen Schmelzpunktes und seiner starken Neigung zur Oxidation nicht ohne weiteres mit den einen piezoelektrischen Effekt aufweisenden Keramikmaterialien verarbeitet werden kann.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Körper einen Eingangsteil auf, der Eingangselektroden enthält. Ferner weist der Körper einen Ausgangsteil auf, der Ausgangselektroden enthält. Darüber hinaus ist zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil eine Wärmeleitungsschicht angeordnet. Auch an der Schnittstelle zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil des piezoelektrischen Transformators kann somit vorteilhafterweise Wärme vom Innern des Körpers nach außen abgeleitet werden.
• Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Wärmeleitungsschicht elektrisch leitfähig. Elektrisch leitfähige Schichten haben im allgemeinen auch eine gute Wärmeleitfähigkeit, vergleiche beispielsweise die Eigenschaften von Metallen.
• Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Wärmeleitungsschicht mit einer weiteren Anschlussleitung verbunden, die sich unterscheidet von den Anschlussleitungen, mit denen die Eingangselektroden und die Ausgangselektroden verbunden sind. Diese weitere Anschlussleitung ist auch nicht mit den anderen Anschlussleitungen kontaktiert. Die Anschlussleitung ist auch nicht mit den Ausgangs- und den Eingangselektroden kontaktiert.
• Ein solchermaßen gestalteter Aufbau eines piezoelektrischen Transformators erlaubt es, die Wärmeleitungsschicht, die elektrisch leitfähige Eigenschaften hat und die vorzugsweise zwischen den beiden Teilen des piezoelektrischen Transformators liegt mit einem Erdanschluss zu verbinden. Dadurch können die Primärseite und die Sekundärseite des Transformators elektrisch gut voneinander entkoppelt werden, was parasitäre elektrische Kopplungen zwischen den beiden Teilen vermindert und somit die galvanische Trennung zwischen Primärseite und Sekundärseite verbessert.
• Gemäß einer anderen Ausführungsform des Transformators ist zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil des Körpers eine Isolationsschicht angeordnet, die die beiden Teile mechanisch miteinander verbindet und diese mechanisch so koppelt, dass Schwingungen von dem einen Teil zu dem anderen Teil übertragen werden können.
• Die Isolationsschicht kann beispielsweise aus einem Keramikmaterial hergestellt werden. Insbesondere kommt eine piezoelektrische Keramik in Betracht. Die Isolationsschicht hat den Vorteil, dass eine galvanische Trennung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Transformators realisiert werden kann.
• In der Isolationsschicht kann vorzugsweise eine oder mehrere Wärmeleitungsschichten angeordnet sein.
• Während des Betriebs des piezoelektrischen Transformators wird ein Teil der beim Betrieb verwendeten Energie dissipiert, das heißt in Wärmeenergie umgewandelt. Dies geschieht aufgrund mechanischer und elektrischer Verluste. Die disipierte Energie wird in Wärme umgewandelt. Im Fall eines Langzeitbetriebes kann die so erzeugte Hitze eine beträchtliche Erhöhung der Temperatur des Transformators verursachen. Der Temperaturanstieg kann so stark sein, dass die Polarisierung des piezoelektrischen Materials verloren geht. In dem die erzeugte Wärme aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der piezoelektrischen Materialien schlecht vom Innern des Körpers nach außen transportiert wird kann die Temperatur im Innern des Körpers bedeutend höher sein als am Rand des Körpers. Dadurch wird der die Eigenschaften der piezoelektrischen Keramik schädigende Prozess noch weiter verstärkt.
• Die hier beschriebenen Ausführungsformen lassen sich zumindest teilweise anwenden, sowohl auf monolithische Transformatoren, die einen keramischen Körper und auf der Oberfläche des Körpers aufgebrachte Elektroden enthalten, als auch auf Vielschichttransformatoren, welche aus alternierenden Schichten aus piezoelektrischer Keramik und Metallelektroden bestehen.
• Da die Elektroden des Transformators im allgemeinen elektrisch leitfähig sind und dementsprechend eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, ist es besonders vorteilhaft, die Wärmeleitungsschichten in Bereichen des Transformators anzuordnen, in denen die Dichte an Elektrodenschichten beziehungsweise die Abstände zwischen den Elektrodenschichten besonders groß sind, da in solchen Bereichen sich auch besonders viel Wärme staut.
• Im folgenden werden piezoelektrische Transformatoren anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert:
• 1 zeigt beispielhaft einen piezoelektrischen Transformator gemäß einer ersten Ausführungsform in einem schematischen Querschnitt.
• 2 zeigt gemäß einer anderen Ausführungsform beispielhaft einen piezoelektrischen Transformator in einem schematischen Querschnitt.
• 3 zeigt einen Transformator entsprechend 2, mit dem Unterschied, dass an eine Wärmeleitungsschicht ein Masseanschluss angeschlossen ist.
• Elemente, die gleich sind oder die gleiche Funktionen ausüben, sind dabei mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
• Die 1 zeigt einen piezoelektrischen Transformator mit einem Körper 1, der ein piezoelektrisches Material enthält. Dieses Material kann beispielsweise eine PZT-Keramik sein.
• Der Körper 1 ist unterteilt in ein Eingangsteil 71 und ein Ausgangsteil 72. Der Eingangteil 71 bildet den oberen Teil des Körpers 1. Der Ausgangsteil 72 bildet den unteren Teil des Körpers 1. Auf der Oberseite des Eingangsteils 71 ist eine Eingangselektrode 21 angeordnet. Auf der Unterseite des Eingangsteils 71 ist eine Eingangselektrode 22 angeordnet. Zwischen den Eingangselektroden 21, 22 kann durch Anlegen einer Eingangsspannung U1 ein elektrisches Feld erzeugt werden, das parallel liegt zur Polarisierungsrichtung des Eingangsteils 71, die durch den Pfeil dargestellt ist. Entsprechendes gilt für das Ausgangsteil 72. Dort ist auf der Oberseite eine Ausgangselektrode 32 und auf der Unterseite eine Ausgangselektrode 31 angeordnet. Die Ausgangselektroden 31, 32 sind verbunden mit Anschlussleitungen 42, 51, mittels derer eine Ausgangsspannung U2 am Transformator abgegriffen werden kann. Die Eingangselektroden 21, 22 sind mittels der Anschlussleitungen 41, 42 verbunden mit einer Eingangsspannung U1.
• Der Eingangsteil 71 ist verbunden mit dem Ausgangsteil 72 mittels der Elektroden 22, 32, die elektrisch miteinander verbunden sind. Auch im Ausgangsteil 72 ist die Polarisierung der piezoelektrischen Keramik durch den Pfeil angedeutet. Wenigstens einer der beiden Teile 71, 72 ist darüber hinaus versehen mit einer Wärmeleitungsschicht 61, 62. Die Wärmeleitungsschichten 61, 62 liegen parallel zu den Elektroden 21, 22, 32, 31. Sie liegen auch jeweils zwischen zwei Elektroden, wobei die Wärmeleitungselektrode 61 zwischen den Eingangselektroden 21, 22 und die Wärmeleitungselektrode 62 zwischen den Ausgangselektroden 32, 31 liegt.
• In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist im Unterschied zu 1 für jede Elektrode 21, 22, 31, 32 eine eigene Anschlussleitung 41, 42, 51, 52 vorgesehen. Darüber hinaus ist zwischen den beiden Teilen 71, 72 eine Isolationsschicht 9 vorgesehen, die eine weitere Wärmeleitungsschicht 63 enthält. Die anderen Elektroden 21, 22, 31, 32 können mittels der Anschlussleitungen 41, 42, 51, 52 an Spannungsquellen angeschlossen werden. In Betracht kommen insbesondere eine Eingangsspannung U1 und eine Ausgangsspannung U2.
• In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist die Wärmeleitungsschicht 63 mittels einer weiteren Anschlussleitung 8 so gestaltet, dass sie beispielsweise an eine Masse 10 angeschlossen werden kann. Diese Wärmeleitungsschicht 63 ist elektrisch leitfähig.

1

Körper

21, 22

Eingangselektrode

31, 32

Ausgangselektrode

41, 42, 51, 52

Anschlussleitung

61, 62, 63

Wärmeleitungsschicht

71

Eingangsteil

72

Ausgangsteil

8

Weitere Anschlussleitung

9

Isolationsschicht

10

Masse

U1

Eingangsspannung

U2

Ausgangsspannung

Claims (8)

1. Piezoelektrischer Transformator – mit einem Körper (1) enthaltend ein piezoelektrisches Material, – mit wenigstens zwei Eingangselektroden (21, 22), – mit wenigstens zwei Ausgangselektroden (31, 32), – wobei die Elektroden mit Anschlussleitungen (41, 42, 51, 52) verbunden sind, – und mit wenigstens einer Wärmeleitungsschicht (61, 62, 63), die mit keiner der Anschlussleitungen (41, 42, 51, 52) verbunden ist und die zwischen zwei Elektroden (21, 22, 31, 32) angeordnet ist.
2. Transformator nach Anspruch 1, bei dem die Wärmeleitungsschicht (61, 62, 63) elektrisch leitfähig ist.
3. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die Wärmeleitungsschicht (61, 62, 63) ein Metall enthält.
4. Transformator nach Anspruch 3, bei dem die Wärmeleitungsschicht (61, 62, 63) Kupfer enthält.
5. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, – bei dem der Körper (1) einen Eingangsteil (71) enthaltend Eingangselektroden (21, 22) und einen Ausgangsteil (72) enthaltend Ausgangselektroden (31, 32) aufweist, – und bei dem zwischen dem Eingangsteil (71) und dem Ausgangsteil (72) eine Wärmeleitungsschicht (61, 62, 63) angeordnet ist.
6. Transformator nach Anspruch 5, bei dem die Wärmeleitungsschicht (61, 62, 63) mit einer weiteren Anschlussleitung (8) verbunden ist, die mit keiner der Eingangs- und Ausgangselektroden (21, 22, 31, 32) kontaktiert ist.
7. Transformator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem zwischen dem Eingangsteil (71) und dem Ausgangsteil (72) eine Isolationsschicht (9) angeordnet ist und bei dem in der Isolationsschicht (9) eine Wärmeleitungsschicht (61, 62, 63) angeordnet ist.
8. Transformator nach Anspruch 6, bei dem die Wärmeleitungsschicht (63) mit einer Masse (10) verbunden ist.