DE102008054556A1

DE102008054556A1 - Piezotransformator

Info

Publication number: DE102008054556A1
Application number: DE102008054556A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Hagemann; Bertram Sugg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Ein Piezotransformator (1) weist einen gerollten oder konzentrischen Aktorkörper (2) auf. Der Aktorkörper (2) umfasst mehrere Elektroden (7, 8, 21, 32, 33) und ein zwischen den Elektroden (7, 8, 21, 32, 33) vorgesehenes piezoelektrisches Material (18). Dabei unterscheiden sich ein mittlerer Abstand (24) einer Elektrode (7), die in einem ersten Bereich (5) des Aktorkörpers (2) vorgesehen ist, zu einer Bezugselektrode (8) und ein mittlerer Abstand (25) einer Elektrode (21, 32), die in einem zweiten Bereich (6) des Aktorkörpers (2) vorgesehen ist, zu einer Bezugselektrode (8, 33) voneinander.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezotransformator. Speziell betrifft die Erfindung einen Piezotransformator, der eine elektrische Eingangsspannung mit einem vorgegebenen Übersetzungsverhältnis in eine Ausgangsspannung umsetzt.
Zur Ausgestaltung eines Piezotransformators ist es denkbar, dass zwei Bereiche in einem gemeinsamen piezoelektrischen Grundkörper angeordnet sind, die sich in Bezug auf die Dicke der aktiven Piezoschichten unterscheiden. Wird nun einer der Bereiche, der als Eingangsbereich verwendet wird, mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so führt dies auf Grund des inversen piezoelektrischen Effekts zu einer mechanischen Dehnung des piezoelektrischen Grundkörpers, die sich auf Grund der monolithischen Struktur auch auf den anderen Bereich des Grundkörpers überträgt, der als Ausgangsbereich dient. Die Größe der Dehnung ist abhängig von der anliegenden elektrischen Spannung und der Schichtdicke im Eingangsbereich.
Durch die eingeprägte mechanische Dehnung wird auf Grund des piezoelektrischen Effekts im Ausgangsbereich des Transformators eine elektrische Spannung erzeugt, deren Betrag von der Schichtdicke in diesem Bereich abhängt. Damit lässt sich über das Schichtdickenverhältnis der beiden Transformatorbereiche das Übersetzungsverhältnis des Transformators vorgeben.
Denkbar ist es ferner, dass ein solcher Transformator in Resonanz betrieben wird, da dann auf Grund einer Resonanzüberhöhung eine besonders hohe Effizienz erreicht werden kann. Problematisch hierbei ist allerdings, dass es zur Delamination des Grundkörpers kommen kann, wenn ein als Grundkörper dienender Vielschichtaktor in Resonanz betrieben wird.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Piezotransformator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass vorteilhafte Ausgestaltungen möglich sind. Speziell kann ein robuster Piezotransformator geschaffen werden, der kostengünstig hergestellt werden kann.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Piezotransformators möglich.
In vorteilhafter Weise sind der erste Bereich des Aktorkörpers und der zweite Bereich des Aktorkörpers entlang einer Längsachse des Aktorkörpers voneinander getrennt. Hierdurch wird der gerollte oder konzentrische Aktorkörper in axialer Richtung aufgeteilt. Insbesondere kann der Aktorkörper in zwei Bereiche, nämlich den ersten Bereich und den zweiten Bereich, aufgeteilt werden. Die Teilungsebene kann hierbei genau in der Mitte liegen, es sind aber auch andere Aufteilungen möglich.
Vorteilhaft ist es allerdings auch, dass der erste Bereich des Aktorkörpers und der zweite Bereich des Aktorkörpers bezüglich eines Querschnitts des Aktorkörpers voneinander getrennt sind. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass der zweite Bereich den ersten Bereich umschließt. Bei einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Bereich zumindest näherungsweise teilkreisförmig, insbesondere halbkreisförmig, ausgestaltet, wobei der zweite Bereich an den ersten Bereich angepasst ist und zumindest näherungsweise teilkreisförmig, insbesondere halbkreisförmig, ausgestaltet ist. Dabei können beispielsweise strukturierte Elektrodenschichten vorgesehen sein, die auf geeignete Weise zusammengeschaltet sind, um die Elektroden in dem jeweiligen Bereich auszubilden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die in dem zweiten Bereich vorgesehene Elektrode an einer Stirnseite des Aktorkörpers vorgesehen. Speziell kann die in dem zweiten Bereich vorgesehene Elektrode auf die Stirnseite des Aktorkörpers aufgebracht, insbesondere aufgeschichtet, werden. Die Elektrode in dem zweiten Bereich ist dabei vorzugsweise als vollflächige Elektrode ausgestaltet. Bei der Herstellung des Aktorkörpers wird die Elektrode des zweiten Bereichs vorzugsweise mit dem übrigen Aktorkörper einschließlich weiterer Elektroden gesintert, so dass ein monolitischer Gesamtverbund entsteht.
Vorteilhaft ist es, dass in dem ersten Bereich des Aktorkörpers zumindest eine Elektrode und zumindest eine Bezugselektrode vorgesehen sind, die zumindest im Wesentlichen in einer Umfangsrichtung und entlang einer Längsachse ausgedehnt sind, und dass die im ersten Bereich vorgesehene Bezugselektrode sowohl die Bezugselektrode für die Elektrode, die in dem ersten Bereich vorgesehen ist, als auch die Bezugselektrode für die Elektrode, die in dem zweiten Bereich vorgesehen ist, bildet. Hierdurch ist die Herstellbarkeit des Piezotransformators weiter verbessert.
Vorteilhaft ist es, dass in dem ersten Bereich des Aktorkörpers zumindest eine Elektrode und zumindest eine Bezugselektrode vorgesehen sind, die zumindest im Wesentlichen in einer Umfangsrichtung und entlang einer Längsachse ausgedehnt sind, dass in dem zweiten Bereich des Aktorkörpers zumindest eine Elektrode und zumindest eine Bezugselektrode vorgesehen sind, die zumindest im Wesentlichen in einer Umfangsrichtung und entlang einer Längsachse ausgedehnt sind, und dass die Elektrode des ersten Bereichs von der Elektrode des zweiten Bereichs getrennt ist. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass die Bezugselektrode des ersten Bereichs und die Bezugselektrode des zweiten Bereichs durch eine gemeinsame Bezugselektrodenschicht gebildet ist oder dass die Bezugselektrode des ersten Bereichs mit der Bezugselektrode des zweiten Bereichs elektrisch verbunden ist. Dadurch kann eine gemeinsame Bezugselektrode geschaffen werden, so dass die Herstellbarkeit vereinfacht und eine Kontaktierung der Elektrodenschichten erleichtert ist. Die Ausgestaltung der voneinander getrennten Elektroden des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs kann beispielsweise durch eine strukturierte Elektrodenschicht erreicht werden.
Vorteilhaft ist es allerdings auch, dass die Bezugselektrode des ersten Bereichs von der Bezugselektrode des zweiten Bereichs getrennt ist. Dies ermöglicht eine elektrische Trennung einer Eingangsseite des Transformators von einer Ausgangsseite.
Das piezoelektrische Material kann als piezokeramisches Material oder als elektroaktives Material ausgestaltet sein. Als elektroaktives Material können beispielsweise ferroelektrische, elektroaktive Polymere dienen.
Durch die Ausgestaltung des Aktorkörpers als gerollter Aktorkörper oder konzentrischer Aktorkörper ist eine große Robustheit des Piezotransformators gegeben, wobei insbesondere eine Delamination im Betrieb, insbesondere im Resonanzbetrieb, verhindert oder zumindest vermieden ist. Gegebenenfalls kann eine Vorspannung des Aktorkörpers erfolgen, um die Robustheit weiter zu verbessern. Der Aktorkörper kann somit ohne oder mit einer relativ geringen mechanischen Vorspannung betrieben werden, ohne dass Schädigungen durch Risse oder dergleichen auftreten.
Vorteilhaft ist es, dass der Aktorkörper drei oder mehr Bereiche aufweist, in denen jeweils zumindest eine Elektrode vorgesehen ist, und dass sich die mittleren Abstände der in dem jeweiligen Bereich vorgesehenen Elektroden zu zumindest einer Bezugselektrode voneinander unterscheiden. Hierdurch können gleichzeitig mehrere Übersetzungsverhältnisse realisiert werden. Beispielsweise können mit drei Bereichen sechs unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Piezotransformator in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zwei bedruckte Folien vor dem Laminieren zur Herstellung eines Piezotransformators eines zweiten Ausführungsbeispiels in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung;
3 einen Piezotransformator entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung;
4 einen senkrecht zu einer Längsachse orientierten Querschnitt durch einen Piezotransformator entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung und
5 einen Piezotransformator entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen Piezotransformator 1 mit einem Aktorkörper 2 entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung. Der Aktorkörper 2 weist eine Längsachse 3 und eine sich entlang der Längsachse 3 erstreckende Durchgangsöffnung 4 auf. Entlang der Längsachse 3 ist der Aktorkörper 2 in einen ersten Bereich 5 und einen zweiten Bereich 6 unterteilt, wobei die Unterteilung etwa hälftig, das heißt in der Mitte, erfolgt.
In dem ersten Bereich 5 weist der Aktorkörper 2 Elektrodenschichten 7, 8 auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Aktorkörper 2 als gerollter Aktorkörper ausgestaltet, so dass die Elektrodenschichten 7, 8 des gerollten Aktorkörpers 2 sich mehrfach um die Längsachse 3 erstrecken. Die Elektrodenschichten 7, 8 sind dabei sowohl entlang der Längsachse 3 als auch näherungsweise in einer Umfangsrichtung um die Längsachse 3 ausgedehnt. Die Elektrodenschichten 7, 8 bilden dadurch Elektroden 7, 8 in dem ersten Bereich 5 des Aktorkörpers 2.
Bei einer konzentrischen Ausgestaltung des Aktorkörpers 2 können in dem ersten Bereich 5 mehrere Elektrodenschichten vorgesehen sein, die zylindermantelförmig ausgestaltet sind und konzentrisch zu der Längsachse 3 angeordnet sind. Hierbei sind die Elektroden vorzugsweise alternierend zusammengeschaltet, wodurch sich eine ähnliche Situation wie bei dem gerollten Aktorkörper 2 des ersten Ausführungsbeispiels ergibt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 8 mit einer an einer Stirnseite 9 des Aktorkörpers 2 angebrachten Elektrodenanbindung 10 elektrisch kontaktiert. Die Elektrodenanbindung 10 ist dabei mittels einer elektrischen Leitung 11 mit einem Anschlusspunkt 12 verbunden. Ferner ist die Elektrodenschicht 7 bis an eine Außenseite 13 des Aktorkörpers 2 geführt, wo sie mittels einer an der Außenseite 13 vorgesehenen Elektrodenanbindung 14 verbunden ist. Die Elektrodenanbindung 14 ist mittels einer elektrischen Leitung 15 mit einem Anschlusspunkt 16 verbunden.
Allerdings kann die Elektrodenanbindung 14 auch mit der Elektrodenanbindung 10 an der Stirnseite 9 des Aktorkörpers 2 liegen. In diesem Fall können die Elektrodenanbindungen 10, 14 beispielsweise halbflächig ausgestaltet sein. Diese Ausgestaltung und eine Ausgestaltung der Elektroden 7, 8 ist dabei so gewählt, dass eine Kontaktierung der jeweiligen Elektrode 7, 8 erfolgt.
Die Elektrode 7 kann auch an eine durch die Durchgangsöffnung 4 gebildete Innenseite 17 des Aktorkörpers 2 geführt sein und dort mit einer entsprechenden Elektrodenanbindung verbunden werden, um eine elektrische Verbindung mit dem Anschlusspunkt 16 herzustellen.
Außerdem weist der Aktorkörper 2 ein piezoelektrisches Material 18 auf. Das piezoelektrische Material 18 kann als piezokeramisches Material oder als elektroaktives Material ausgestaltet sein. Als elektroaktives Material kommen insbesondere elektroaktive, ferroelektrische Polymere in Frage.
An einer der Stirnseite 9 abgewandten weiteren Stirnseite 20 ist eine Elektrodenschicht 21 vorgesehen, die eine Elektrode 21 bildet. In dem zweiten Bereich 6 ist nur die Elektrode 21 vorgesehen. Im übrigen ist in dem zweiten Bereich 6 nur das piezoelektrische Material 18 vorgesehen. Die Elektrode 21 ist mittels einer elektrischen Leitung 22 mit einem Anschlusspunkt 23 verbunden.
Der Piezotransformator 1 kann unterschiedlich angesteuert werden. Hierbei kann an den Anschlusspunkt 12 oder den Anschlusspunkt 16 beispielsweise eine elektrische Masse angelegt werden, so dass die entsprechende Elektrode 7, 8 als Bezugselektrode dient. Beispielsweise kann der Anschlusspunkt 12 mit einer elektrischen Masse verbunden werden. Der erste Bereich 5 kann als Eingangsbereich dienen. Hierbei wird eine elektrische Spannung zwischen den Anschlusspunkt 16 und den Anschlusspunkt 12 angelegt. Diese Spannung ist dabei nicht konstant und hat beispielsweise die Form einer periodischen Wechselspannung, der gegebenenfalls ein Gleichspannungsanteil überlagert ist.
Bei dieser Ansteuerung ergibt sich ein mittlerer Abstand, der in der 1 durch den Abstand 24 veranschaulicht ist, zwischen der Elektrode 7 und der als Bezugselektrode dienenden Elektrode 8.
Da in dem zweiten Bereich 6, der als Ausgangsbereich dient, in diesem Ausführungsbeispiel nur die Elektrode 21 vorgesehen ist, muss als Bezugselektrode eine der Elektroden 7, 8 im ersten Bereich 5 dienen. In diesem Ausführungsbeispiel dient die Elektrode 8 auch als Bezugselektrode für die Elektrode 21. Die Elektrode 21 hat dabei einen mittleren Abstand, der durch den Abstand 25 in der 1 veranschaulicht ist, von der Bezugselektrode 8, der größer ist als der mittlere Abstand 24. In Bezug auf die zwischen die Anschlusspunkte 16, 12 angelegte elektrische Spannung ergibt sich somit auf Grund der unterschiedlichen Schichtdicken an piezoelektrischem Material 18 eine Übersetzung der Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung zwischen den Anschlusspunkten 23, 12, die durch das Schichtdickenverhältnis vorgegeben werden kann. Somit kann in Bezug auf den jeweiligen Anwendungsfall das gewünschte Übersetzungsverhältnis vorgegeben werden.
Hierbei könne der Eingang und der Ausgang auch vertauscht werden, um herunterzutransformieren.
Wenn der Abstand 25 größer gewählt wird, dann wird auch die Schichtdicke des piezoelektrischen Materials 18 in Bezug auf die Elektrode 21 größer. Somit nimmte die Schichtdicke des piezoelektrischen Materials 18 in Bezug auf die Elektrode 21 relativ zu dem Abstand 24 zu. Dadurch kann das Übersetzungsverhältnis vergrößert werden.
Bei der Herstellung des Aktorkörpers 2 sind die Elektrodenschichten 7, 8 über den ersten Bereich 5 im Wesentlichen vollflächig ausgeführt. Dabei ist die Elektrodenschicht 7 allerdings etwas von der Stirnseite 9 beabstandet, während die Elektrodenschicht 8 bis an die Stirnseite 9 geführt ist, um selektiv die Elektrode 8 an der Stirnseite 9 mit der Elektrodenanbindung 10 zu kontaktieren. Damit ergibt sich in dem ersten Bereich 5 eine Schichtdicke einer Schicht aus dem piezoelektrischen Material 18, die der Dicke einer Folie entspricht, wie es durch den mittleren Abstand 24 veranschaulicht ist. In dem zweiten Bereich 6 sind im Gegensatz hierzu keine Elektrodenschichten vorgesehen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass in dem zweiten Bereich 6 vor dem Rollen des Aktorkörpers 2 keine Elektrodenschichten auf die piezoelektrischen Folien aufgedruckt werden. Nach dem Rollen, Laminieren und eventuellem Beschleifen der Stirnseiten 9, 20 wird gleichzeitig mit dem Aufbringen der Elektrodenanbindung 10 für den ersten Bereich 5 eine Elektrodenschicht zur Ausbildung der Elektrode 21 an der Stirnseite 20 aufgebracht, die vollflächig ausgestaltet ist. Abschließend wird der Aktorkörper 2 gesintert.
2 zeigt bedruckte Folien 30, 31 vor einem Laminieren zur Herstellung eines Piezotransformators 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Folien aus einem piezoelektrischen, insbesondere piezokeramischen, Material 18 gebildet. Auf die Folien 30, 31 ist jeweils eine Elektrodenschicht 7, 8 aufgebracht. Hierbei ist die Elektrodenschicht 7 auf einen ersten Bereich 5 der Folie 30 beschränkt. Die Elektrodenschicht 8 ist auf einen ersten Bereich 5 der Folie 31 beschränkt. Ferner ist auf die Folie 30 im zweiten Bereich 6 eine strukturierte Elektrodenschicht 32 aufgebracht. Entsprechend ist auf die Folie 31 eine strukturierte Elektrodenschicht 33 aufgebracht, die auf den zweiten Bereich 6 begrenzt ist. Die so bedruckten Folien 30, 31 werden aufeinander laminiert, wobei die ersten Bereiche 5 der Folien 30, 31 sowie die zweiten Bereiche 6 der Folien 30, 31 jeweils aufeinander liegen. Anschließend wird das Schichtsystem aus den Folien 30, 31 in einer Roll- oder Wickelrichtung 34 aufgerollt. Die Richtung 34 entspricht im aufgerollten Zustand einer Umfangsrichtung. Die Elektrodenschicht 33 weist mehrere miteinander verbundene Elemente auf, wobei in der 2 exemplarisch ein Element 35 gekennzeichnet ist. Eine Breite 36 eines Elements 35 entspricht dabei einem Umfang der aufgerollten Folien 30, 31 an einer radialen Stelle, an der sich im aufgerollten Zustand das Element 35 befindet. Die Breite 36 der Elemente 35 nimmt in der Roll- oder Wickelrichtung 35, das heißt von innen nach außen, zu. Entsprechend ist auch die Elektrodenschicht 32 aus mehreren Elementen gebildet, deren Breite an die Position angepasst ist und variiert.
3 zeigt einen Piezotransformator 1 entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel, der aus den in der 2 dargestellten bedruckten Folien 30, 31 hergestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind in dem ersten Bereich 5 Elektroden 7, 8 vorgesehen und auch in dem zweiten Bereich 6 sind Elektroden 32, 33 vorgesehen. Die aus den strukturierten Elektrodenschichten 32, 33 gebildeten Elektroden 32, 33 weisen einen mittleren Abstand 25 auf, der größer ist als ein mittlerer Abstand 24 zwischen den Elektroden 7, 8. Dies ist durch die strukturierte Ausgestaltung der Elektrodenschicht 32, 33 vorgegeben. Beispielsweise kann der mittlere Abstand 25 zwischen den Elektroden 32, 33 im zweiten Bereich 6 etwa doppelt so groß vorgegeben sein wie der mittlere Abstand 24 zwischen den Elektroden 7, 8 im ersten Bereich 5. Hierdurch ist ein Übersetzungsverhältnis des Piezotransformators 1 vorgegeben. Allerdings kann durch die Ausgestaltung der strukturierten Elektrodenschichten 32, 33 auch ein anderes Übersetzungsverhältnis vorgegeben werden.
In diesem Ausführungsbeispiel sind beide Elektroden 7, 8 des ersten Bereichs von beiden Elektroden 32, 33 des zweiten Bereichs 6 getrennt. Somit ist keine gemeinsame Bezugselektrode vorgesehen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 7 über die elektrische Leitung 15 mit dem Anschlusspunkt 16 verbunden. Die Elektrode 8 ist über die Elektrodenanbindung 10 an der Stirnseite 9 und die elektrische Leitung 11 mit dem Anschlusspunkt 12 verbunden. Entsprechend ist die Elektrode 32 über die an der Stirnseite 20 vorgesehene Elektrodenanbindung 37 und eine elektrische Leitung 22 mit einem Anschlusspunkt 23 verbunden. Die Elektrode 33 ist über eine elektrische Leitung 38 mit einem Anschlusspunkt 39 verbunden.
Allerdings kann die Kontaktierung der Elektrode 7 auch über eine geeignete Elektrodenanbindung an der Stirnseite 9 erfolgen. Ferner kann auch die Kontaktierung der Elektrode 33 an der Stirnseite 20 erfolgen.
In diesem Ausführungsbeispiel können beispielsweise die Elektrode 8 des ersten Bereichs 5 und die Elektrode 32 des zweiten Bereichs 6 jeweils als Referenzelektrode dienen. Hierfür können beispielsweise die Anschlusspunkte 12, 23 jeweils auf Masse gelegt werden. Die beiden Massepotentiale können jedoch elektrisch getrennt sein. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Anschlusspunkt 16 und dem Anschlusspunkt 12 kann der erste Bereich 5 als Eingangsbereich dienen. Hierbei kommt es zu einer Ansteuerung des Aktorkörpers 2. Beispielsweise kann sich hierbei die Wandstärke des Aktorkörpers 2 periodisch in radialer Richtung ausdehnen und zusammenziehen, wobei sich der Aktorkörper in axialer Richtung zusammenzieht beziehungsweise ausdehnt. Die in dem ersten Bereich 5 verursachte mechanische Anregung setzt sich in den zweiten Bereich 6 fort, so dass im dem zweiten Bereich 6 eine elektrische Spannung zwischen dem Anschlusspunkt 39 und dem Anschlusspunkt 23 verursacht wird.
Das Übersetzungsverhältnis des Piezotransformators 1 ist über die Größe der Aussparungen 40 zwischen den Elementen 36 der strukturierten Elektrodenschicht 33 sowie entsprechende Aussparungen in der strukturierten Elektrodenschicht 32 vorgebbar. In diesem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise eine näherungsweise Verdoppelung der Eingangsspannung, die zwischen die Anschlusspunkte 12, 16 angelegt wird, erfolgen, wobei die Ausgangsspannung zwischen dem Anschlusspunkt 39, 23 abgegriffen werden kann.
Wie es in der 2 dargestellt ist, weisen die strukturierten Elektrodenschichten 32, 33 durchgehende Verbindungsstreifen 41, 42 auf. Dies erleichtert die elektrische Kontaktierung der Elektroden 32, 33.
Bei der beschriebenen Ausgestaltung des Piezotransformators 1 des zweiten Ausführungsbeispiels sind die beiden bedruckten Folien 30, 31 zusammen laminiert und aufgerollt, wobei in dem zweiten Bereich 6 Aussparungen 40 in den bedruckten Folien 30, 31 vorgesehen sind. Die Ausgestaltung des Piezotransformators 1 des zweiten Ausführungsbeispiels kann allerdings auch in entsprechender Weise erreicht werden, indem eine größere Anzahl an Folien 30, 31 zusammen laminiert und dann aufgerollt wird, wobei in dem zweiten Bereich 6 nur ein Teil der Folien, beispielsweise nur die Hälfte der Folien, bedruckt ist.
Eine Teilungsebene 43, die senkrecht zu der Längsachse 3 orientiert ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel etwa mittig bezüglich des Aktorkörpers 2 vorgesehen. Die Teilungsebene 43 teilt den ersten Bereich 5 von dem zweiten Bereich 6. Hierdurch ist der erste Bereich 5 in etwa gleich groß vorgegeben wie der zweite Bereich 6. Allerdings sind auch andere Aufteilungen möglich.
Bei der Ausgestaltung des Piezotransformators 1 des zweiten Ausführungsbeispiels kann auch eine gemeinsame Bezugselektrode vorgegeben sein. Zum einen können beispielsweise die Elektroden 8, 32 extern zusammengeschaltet sein, indem die Anschlusspunkte 12, 23 miteinander und mit Masse verbunden werden. Allerdings ist es auch möglich, dass beispielsweise die Elemente 35 der Elektrodenschicht 33 bis an die Elektrodenschicht 8 geführt sind, so dass die Elektroden 8, 33 innerhalb des Aktorkörpers 2 miteinander verbunden sind. Dies erleichtert die elektrische Kontaktierung des Piezotransformators 1. In diesem Fall kann der Anschlusspunkt 39 entfallen und die Ausgangsspannung beispielsweise zwischen den Anschlusspunkten 23, 12 abgegriffen werden. Die Verbindung zwischen den Anschlusspunkten 12, 23 kann ebenfalls entfallen.
4 zeigt einen Querschnitt durch einen Piezotransformator 1 eines dritten Ausführungsbeispiels in einer schematischen Darstellung. In diesem Ausführungsbeispiel liegt die Längsachse 3 in der Teilungsebene 43. Die Teilungsebene 43 teilt den Querschnitt des Aktorkörpers 2 in zwei Hälften.
Durch die eine Hälfte ist der erste Bereich 5 vorgegeben und durch die andere Hälfte ist der zweite Bereich 6 vorgegeben. In dem ersten Bereich 5 sind die Elektroden 7, 8 vorgesehen, die sich entlang der Längsachse 3 und näherungsweise in der Umfangsrichtung 34, die gleich der Roll- oder Wickelrichtung ist, ausdehnen. In dem zweiten Bereich 6 sind die Elektroden 32, 33 vorgesehen, die sich ebenfalls entlang der Längsachse 3 und näherungsweise in der Umfangsrichtung 34 erstrecken. Durch Anlegen einer Spannung zwischen die Anschlusspunkte 16, 12 wird der erste Bereich 5 des Aktorkörpers 2 angesteuert, wobei sich die Wandstärke dieses Bereichs 5 abwechselnd ausdehnt und kontrahiert, was entsprechend dem Spannungsverlauf der Spannung zwischen den Anschlusspunkten 12, 16 erfolgt. Hierdurch kommt es zu einer entsprechenden radialen Ausdehnung und Kontraktion der Wandstärke im zweiten Bereich 6 des Aktorkörpers 2, wobei auf Grund des piezoelektrischen Effekts eine Spannung zwischen den Elektroden 32, 33 und somit zwischen den Anschlusspunkten 23, 39 hervorgerufen wird.
Die Ausgestaltung des Aktorkörpers 2 des dritten Ausführungsbeispiels kann ebenfalls durch eine Strukturierung der Elektrodenschichten 7, 8, 32, 33 vor dem Aufrollen realisiert werden. Die elektrische Kontaktierung ist in der 4 schematisch dargestellt. Vorzugsweise kann die elektrische Kontaktierung der Elektroden 7, 8, 32, 33 über die Stirnflächen des Aktorkörpers 2 erfolgen. Dabei sind auch andere Schichtdickenverhältnisse als 1:2 möglich.
5 zeigt einen Piezotransformator 1 entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung. In diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Bereich 5 von dem zweiten Bereich 6 in radialer Richtung getrennt. Hierbei liegt der erste Bereich 5 innerhalb des zweiten Bereichs 6. Der zweite Bereich 6 umgibt den ersten Bereich 5 ringförmig. Die Elektroden 7, 8 des ersten Bereichs 5 sind abwechselnd an die Stirnseiten 9, 20 geführt. Die Elektrode 8 ist an die Stirnseite 9 geführt und dort mit der Elektrodenanbindung 10 elektrisch kontaktiert. Über die Elektrodenanbindung 10 und eine elektrische Leitung 11 ist die Elektrode 8 mit einem Anschlusspunkt 12 verbunden, der in diesem Ausführungsbeispiel auf Masse gelegt ist. Die Elektrode 7 ist an die Stirnseite 20 geführt und dort mit einer Elektrodenanbindung 14 verbunden. Über die Elektrodenanbindung 14 und eine elektrische Leitung 15 ist die Elektrode 7 mit dem Anschlusspunkt 16 verbunden. Durch Anlegung einer elektrischen Spannung zwischen den Anschlusspunkt 16 und den Anschlusspunkt 12 kann der Aktorkörper 2 über den als Eingangsbereich dienenden ersten Bereich 5 angeregt werden.
Die Elektrodenschichten 32, 33 des zweiten Bereichs 6 sind abwechselnd an die Stirnseite 9 und die Stirnseite 20 geführt. Dabei ist die Elektrode 33 an die Stirnseite 9 geführt und dort mit der Elektrodenanbindung 10 verbunden, mit der auch die Elektrode 8 des ersten Bereichs 5 verbunden ist. Somit ist die Elektrode 33 ebenfalls mit dem Anschlusspunkt 12 und somit mit Masse verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 8, 33 daher zusammengeschaltet und gemeinsam mit Masse verbunden. Die Elektroden 8, 33 dienen somit als gemeinsame Referenzelektrode.
Die Elektrode 32 ist an die Stirnseite 20 geführt und dort mit einer Elektrodenanbindung 37 verbunden. Über die Elektrodenanbindung 37 und die elektrische Leitung 22 ist die Elektrode 32 mit einem Anschlusspunkt 23 verbunden.
Die durch die Anregung des Aktorkörpers 2 im ersten Bereich 5 verursachten radialen Dehnungen und Kontraktionen des piezoelektrischen Materials 18 im zweiten Bereich 6 rufen eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden 32, 33 des zweiten Bereichs 6 hervor, so dass eine elektrische Ausgangsspannung zwischen den Anschlusspunkten 23, 12 abgegriffen werden kann. Zwischen den Elektroden 7, 8 ist ein mittlerer Abstand 24 vorgegeben. Außerdem ist zwischen den Elektroden 32, 33 ein mittlerer Abstand 25 vorgegeben. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Aktorkörper 2 beispielsweise aus zwei unterschiedlichen Folien gewickelt sein, nämlich einer zum Ausbilden des ersten Bereichs 5 und einer anderen zum Ausbilden des zweiten Bereichs 6. Hierdurch können weitgehend beliebige Übersetzungsverhältnisse für den Piezotransformator 1 vorgegeben werden, insbesondere nicht ganzzahlige.
Eine Ausgestaltung des in der 5 gezeigten Aktorkörpers 2 ist allerdings auch durch eine gewickelte Folie möglich, auf der die strukturierte Elektroden 32, 33 vorgesehen sind. Hierfür kann beispielsweise die in der 2 dargestellte bedruckte Folie 30 verwendet werden, wobei allerdings eine Aufteilung der Folie 30 in die Bereiche 5, 6 in einer abgewandelten Ausgestaltung erfolgt, nämlich in der Roll- und Wickelrichtung 34, während bei der in der 2 dargestellten Ausgestaltung die Aufteilung auf die Bereiche 5, 6 senkrecht zur Roll- und Wickelrichtung 34 erfolgt. Hierbei werden die Segmente der Elektroden 32, 33 der bedruckten Folie 30 dann vorzugsweise über die gesamte, senkrecht zur Roll- und Wickelrichtung 34 liegende Breite der Folie 30 ausgestaltet.
Bei dem anhand der 5 beschriebenen vierten Ausführungsbeispiel des Piezotransformators 1 ist es auch möglich, dass die Elektrode 33 getrennt von der Elektrode 8 ist und mit einem separaten Anschlusspunkt kontaktiert wird.
Es ist anzumerken, dass auch mehr als zwei Bereich 5, 6 in einem Aktorkörper 2 vorgesehen sein können. Hierdurch ist es möglich, mehrere Ausgangsspannungen zu erzeugen. Außerdem kann ein weiterer Bereich als Sensorbereich dienen, mit dem ein Zustand des Aktorkörpers 2 des Piezotransformators 1 überwacht werden kann. Hierdurch kann auch eine Steuerung realisiert werden.
Ferner ist anzumerken, dass eine besonders kostengünstige Fertigung erreicht werden kann, indem mehrere Aktorkörper 2 aus einem relativ großen gerollten Schichtsystem gefertigt werden, das nach dem Laminieren durch Sägen oder andere Trennverfahren in die einzelnen Aktorkörper 2 aufgeteilt wird.
Ferner ist anzumerken, dass der zweite Bereich 6 auch als Eingangsbereich dienen kann, während der erste Bereich 5 als Ausgangsbereich dient. Speziell kann der Piezotransformator 1 je nach Anwendungsfall zum Heraufsetzen oder Herabsetzen einer Eingangsspannung dienen.
Außerdem ist es möglich, dass der Aktorkörper 2 vorgespannt ist. Hierbei kann der Aktorkörper 2 durch eine externe Kraft und/oder intern durch Addition eines Gleichspannungsanteils zu einer Wechselspannung für die Eingangsspannung vorgespannt werden.
Der Aktorkörper 2 kann auch ohne eine Durchgangsöffnung 4 ausgestaltet sein. Beispielsweise kann ein passiver Kern vorgesehen sein, der anstelle der Durchgangsöffnung 4 vorgesehen ist. Ferner kann eine Außenkontur des Aktorkörpers 2 auch anders, insbesondere elliptisch oder quadratisch, vorgegeben sein. Die Außenkontur kann dabei durch die Form eines Kerns vorgegeben werden, der nach dem Aufrollen oder Aufwickeln als passiver Kern in dem Aktorkörper 2 verbleiben kann.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Piezotransformator (1) mit einem gerollten oder konzentrischen Aktorkörper (2), der mehrere Elektroden (7, 8, 21, 32, 33) und ein zwischen den Elektroden (7, 8, 21, 32, 33) vorgesehenes piezoelektrisches Material (18) aufweist, wobei sich ein mittlerer Abstand (24) zumindest einer Elektrode (7), die in einem ersten Bereich (5) des Aktorkörpers (2) vorgesehen ist, zu einer Bezugselektrode (8) und ein mittlerer Abstand (25) zumindest einer Elektrode (21, 32), die in einem zweiten Bereich (6) des Aktorkörpers (2) vorgesehen ist, zu einer Bezugselektrode (8, 33) voneinander unterscheiden.
Piezotransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (5) des Aktorkörpers (2) und der zweite Bereich (6) des Aktorkörpers (2) entlang einer Längsachse (3) des Aktorkörpers (2) voneinander getrennt sind.
Piezotransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (5) des Aktorkörpers (2) und der zweite Bereich (6) des Aktorkörpers (2) bezüglich eines Querschnitts des Aktorkörpers (2) voneinander getrennt sind.
Piezotransformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (6) den ersten Bereich (5) umschließt.
Piezotransformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (5) zumindest näherungsweise teilkreisförmig, insbesondere halbkreisförmig, ausgestaltet ist, und dass der zweite Bereich (6) zumindest näherungsweise teilkreisförmig, insbesondere halbkreisförmig, ausgestaltet ist.
Piezotransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (5) des Aktorkörpers (2) und der zweite Bereich (6) des Aktorkörpers (2) den Aktorkörper (2) zumindest näherungsweise hälftig aufteilt.
Piezotransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem zweiten Bereich (6) vorgesehene Elektrode (21) an einer Stirnseite (20) des Aktorkörpers (2) vorgesehen ist.
Piezotransformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Bereich (5) des Aktorkörpers (2) zumindest eine Elektrode (7) und zumindest eine Bezugselektrode (8) vorgesehen sind, die zumindest im Wesentlichen in einer Umfangsrichtung (34) und entlang einer Längsachse (3) ausgedehnt sind, und dass die im ersten Bereich (5) vorgesehene Bezugselektrode (8) sowohl die Bezugselektrode (8) für die Elektrode (7), die in dem ersten Bereich (5) vorgesehen ist, als auch die Bezugselektrode (33) für die Elektrode (32), die in dem zweiten Bereich (6) vorgesehen ist, bildet.
Piezotransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Bereich (5) des Aktorkörpers (2) zumindest eine Elektrode (7) und zumindest eine Bezugselektrode (8) vorgesehen sind, die zumindest im Wesentlichen in einer Umfangsrichtung (34) und entlang einer Längsachse (3) ausgedehnt sind, dass in dem zweiten Bereich (6) des Aktorkörpers (2) zumindest eine Elektrode (33) und zumindest eine Bezugselektrode (32) vorgesehen sind, die zumindest im Wesentlichen in einer Umfangsrichtung (34) und entlang einer Längsachse (3) ausgedehnt sind, und dass die Elektrode (7) des ersten Bereichs (5) von der Elektrode (33) des zweiten Bereichs (6) getrennt ist.
Piezotransformator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugselektrode (8) des ersten Bereichs (5) und die Bezugselektrode (32) des zweiten Bereichs (6) durch eine gemeinsame Bezugselektrodenschicht gebildet sind oder dass die Bezugselektrode (8) des ersten Bereichs (5) mit der Bezugselektrode (32) des zweiten Bereichs (6) elektrisch verbunden ist.
Piezotransformator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugselektrode (8) des ersten Bereichs (5) von der Bezugselektrode (32) des zweiten Bereichs (6) getrennt ist.
Piezotransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material (18) ein piezokeramisches Material oder ein elektroaktives Material ist.
Piezotransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper (2) vorgespannt ist.
Piezotransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper (2) drei oder mehr Bereiche (5, 6) aufweist, in denen jeweils zumindest eine Elektrode (7, 8, 21, 32, 33) vorgesehen ist, und dass sich die mittleren Abstände (24, 25) der in dem jeweiligen Bereich (5, 6) vorgesehenen Elektroden (7, 8, 21, 32, 33) zu zumindest einer Bezugselektrode (8, 33) voneinander unterscheiden.