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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Transformator mit einem multifunktionalen Aufbau der Piezolagen mit Innenelektroden, wobei unterschiedlich kontaktierte Innenelektrodenzusammensetzungen im Mehrlagenaufbau vorhanden sind, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Es ist beispielsweise ein Piezoaktor als piezoelektrischer Transformator aus der
DE 10 2005 040 120 A1 bekannt, der zur Betätigung eines mechanischen Bauteils bei Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Speziell betroffen ist hier das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen. Es ist prinzipiell bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Mehrlagenaufbau von Piezolagen jeweils aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so angeordnet werden kann, dass bei Anlage einer elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion der Piezolage erfolgt, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck, bzw. eine mechanische Längung in eine vorgebbare Richtung darstellt.
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Der Mehrlagenaufbau besitzt dabei ein alternierendes (interdigitales) Innenelektrodendesign, bei dem jede piezokeramische Lage zwischen zwei Innenelektroden eingefasst ist, über die eine elektrische Spannung angelegt werden kann und somit jeweils ein Piezoelement bildet. Aufgrund der elektrischen Spannung führen die Piezoelemente jeweils kleine Hubbewegungen in Richtung des Potenzialgefälles aus, die sich zum Gesamthub des Piezoelektrischer Transformators addieren. Die Innenelektroden sind dabei wechselseitig mit Außenelektroden zur Zuführung der elektrischen Spannung verbunden.
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Aus der zuvor genannten
DE 10 2005 040 120 A1 und der
DE 10 345 730 A1 ist darüber hinaus bekannt, dass bestimmte voneinander isolierte Bereiche im Innenelektrodendesign durch eine separate Kontaktierung als Sensorbereich genutzt werden können, mit denen die Hubbewegungen des piezoelektrischen Transformators wiederum detektiert werden können, um eine wirkungsvolle elektrische Regelung des Hubverhaltens des Piezoaktors zu ermöglichen.
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Bei piezoelektrischen Transformatoren wird ebenfalls sowohl der indirekte als auch der direkte piezoelektrische Effekt in Form eines Aktors bzw. Sensors genutzt. Die eingespeiste elektrische Energie wird durch den piezoelektrischen Transformator in mechanische Schwingungen umgewandelt (indirekter piezoelektrischer Effekt), welche durch den gekoppelten Sensor wieder in elektrische Energie umgewandelt wird (direkter piezoelektrischer Effekt). Durch diese Kopplung kann eine Eingangsspannung (Wechselspannung) gezielt umgespannt werden und am Sensor als Ausgangsspannung abgegriffen werden.
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Im Allgemeinen unterscheidet man bei den zuvor beschriebenen piezoelektrischen Transformatoren (PT) ob sie für den Hoch- oder Niederspannungsbereich ausgelegt sind (HVPT bzw. LVPT). Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist das Konstruktionsprinzip des Transformators, hierbei unterscheidet man zwischen „longitudinal” und ”multilayer extensional mode” Transformatoren. Allen diesen Transformatoren ist jedoch gemeinsam, dass die elektrische Energie zunächst in mechanische Energie als Hub und dann wieder in elektrische Energie zurückgewandelt wird.
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Als Folge der fortschreitenden Miniaturisierung insbesondere von elektronischen Bauteilen ist eine starke Zunahme der Bedeutung von solchen piezoelektrischen Transformatoren aufgrund des geringeren Gewichts bzw. geringer Größe gegenüber konventionellen induktiv gekoppelten Transformatoren zu erwarten, sodass es als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden kann, die für einen piezoelektrischen Transformator notwendige Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie sowie die Ruckumwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie zu optimieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht von einem piezoelektrischen Transformator mit einem Mehrlagenaufbau aus Piezolagen aus, die jeweils zwischen Innenelektroden wechselnder Polarität eingefasst sind und die Innenelektroden über Außenelektroden mit jeweils einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung beaufschlagt sind, wobei separat kontaktierbare Bereiche von Piezolagen mit Innenelektroden im Mehrlagenaufbau vorhanden sind und wobei die Piezolagen für den primären Teil und die Piezolagen für mindestens einen sekundären Teil in einem piezoelektrischer Transformator derart integriert sind, dass einzelne Piezolagen für den sekundären Teil zusammen mit den Piezolagen für den primären Teil angeordnet sind. Gemäß der Erfindung sind die separat kontaktierbaren Bereiche von Piezolagen mit Innenelektroden für den sekundären Teil im Mehrlagenaufbau des piezoelektrischer Transformators im inneren Bereich des piezoelektrischer Transformators in vorteilhafter Weise verschränkt in den Mehrlagenaufbau eingefügt und seitlich separat kontaktierbar.
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Generell wird dabei der primäre Teil mit dem sekundären Teil gekoppelt, wobei die vom primären Teil generierte mechanische Energie durch den sekundären Teil wieder in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Kopplung wird durch eine feste Einspannung beider Teile erreicht, wobei der primäre Teil aus einem mit Wechselspannung betriebenen piezokeramischen Multilayeraufbau (Stack) besteht und der sekundäre Teil ebenfalls als piezokeramischer Multilayeraufbau zur Abnahme einer Spannung fungiert. Da das vorgeschlagene System modular ausgeführt sein kann, kann durch einen einfachen Tausch bzw. Anpassung des primären Teils und/oder des sekundären Teils die Spannungsübersetzung gezielt eingestellt werden, sodass ein großer Bereich für die Spannungsübersetzung erschlossen werden kann. Die unterschiedlichen Übersetzungsfaktoren können beispielsweise durch unterschiedliche Keramikschichtdicken und/oder Polarisationszustände des Multilayeraufbaus erreicht werden.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform sind die separat kontaktierbaren Bereiche von Piezolagen mit Innenelektroden für den Sensorteil in Richtung des Mehrlagenaufbaus des piezoelektrischen Transformators verteilt angeordnet und seitlich separat kontaktierbar.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die separat kontaktierbaren Bereiche über voneinander isolierte Außenelektrodenbereiche mittels mehrerer Bondingdrähte kontaktierbar, wobei die separat kontaktierbaren Bereiche auf einfache Weise auch separat, eventuell mit unterschiedlichen Schichtdicken, zuschaltbar sein können, insbesondere um durch ein Umschalten verschiedene Spannungen am piezoelektrischen Transformator abgreifen zu können.
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Die separat kontaktierbaren Bereiche können sich an einer Seitenfläche des Piezoelektrischer Transformators oder an verschiedenen Seitenflächen des Piezoelektrischer Transformators befinden.
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Es ist hierbei vorteilhaft, wenn mindestens ein weiterer separat kontaktierbarer Bereich durch Innenelektroden gebildet ist, die über im Mehrlagenaufbau des piezoelektrischen Transformators jeweils vorgegebenen Innenelektroden zugeordnete voneinander isolierte Außenelektrodenbereiche kontaktierbar sind. Der primäre- und der sekundäre Teil können dabei jeweils separate übereinandergestapelte piezoelektrische Transformatorteile oder Bestandteil eines monolithisch aufgebauten piezoelektrischen Transformators sein.
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Die Erfindung betrifft somit im Kern ein Design für einen piezoelektrischen Transformator, mit dem ein bisher übliches Design, beispielsweise für Piezoaktoren für Dieseleinspritzsysteme, in vorteilhafter Weise weiterbildbar ist. Ein besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Konzepts ist, dass für die Erzeugung von mechanischer Energie ein hochoptimiertes Bauteil eingesetzt werden kann und somit optimale Voraussetzungen für einen effektiven pezoelektrischen Transformator geschaffen werden können.
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Es können hierbei auch verschiedene Konzepte für optimierte piezoelektrische Transformatoren für Anwendungen insbesondere im Niederspannungsbereich vorteilhaft sein, die zumindest teilweise auf Konstruktionsmerkmalen von sogenannten Multilayeraktoren für Common-Rail Einspritzsysteme bei Kraftfahrzeugen beruhen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines piezoelektrischen Transformators mit Innen- und Außenelektroden im gestapelten Aufbau.
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2 eine schematische Darstellung eines piezoelektrischen Transformators mit Innen- und Außenelektroden im Aufbau als Monostack.
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3A, 3C und 3C eine schematische Darstellung eines piezoelektrischen Transformators mit Innen- und Außenelektroden im verschränkten Aufbau.
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4 eine schematische Darstellung eines piezoelektrischen Transformators mit homogen über den Aufbau verteilten primären- und sekundären Schichten.
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5 eine Darstellung eines Piezoelektrischer Transformators mit partieller Kontaktierung von über den Aufbau verteilten primären- und sekundären Schichten über Bondingdrähte.
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6A und 6B eine Darstellung eines Piezoelektrischer Transformators mit partieller Kontaktierung von über den Aufbau verteilten primären- und sekundären Schichten über Doppelsiebe.
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7A und 7B eine Darstellung eines Piezoelektrischer Transformators mit geschalteter Kontaktierung von über den Aufbau verteilten primären- und sekundären Schichten.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Im Folgenden werden fünf verschiedene Ausführungsbeispiele für piezoelektrische Transformatoren beschrieben, die aufbauend auf an sich bekannte Piezoaktordesigns aus einem primären und einem sekundären Teil bestehen.
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Ein in 1 schematisch dargestellter Piezoelektrischer Transformator 1 umfasst mehrere als Mehrlagenaufbau (Multilayeraufbau oder Stack) übereinandergestapelte Piezoelemente, die jeweils aus Piezolagen 3 aus Piezokeramik und diese einschließende Innenelektroden 4 und 5 bestehen. Der piezoelektrische Transformator 1 kann beispielsweise im grundsätzlichen Aufbau vergleichbar mit entsprechenden Bestandteilen eines Piezoinjektors zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor sein. Die Innenelektroden 4 und 5 der Piezoelemente im Bereich eines oberen primären Teils 1a, auch schematisch angedeutet durch einen Pfeil 6, sind mit Außenelektroden (hier sichtbar eine Außenelektrode 7) wechselseitig an eine Spannungsquelle 8 angeschlossen, sodass unter Ausnutzung des indirekten Piezoeffekts beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die jeweiligen Innenelektroden 4 und 5 bei fester mechanischer Einspannung (Pfeil 9) eine Kraft auf das sekundäre Teil 1b, auch schematisch angedeutet durch einen Pfeil 10, wirkt.
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Im unteren Teil des piezoelektrischen Transformators 1 nach der 1 ist das sekundäre Teil 1b (siehe Pfeil 10) mechanisch in Wirkungsrichtung gekoppelt, bei dem die Innenelektroden 4 und 5 ebenfalls mit Außenelektroden (hier sichtbar die Außenelektrode 11) mit einem Spannungsausgang 12 gekoppelt sind. Hierbei wird die vom primären Teil 1a generierte mechanische Energie durch den sekundären Teil 1b wieder in elektrische Energie umgewandelt.
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Beim Ausführungsbeispiel nach 2 sind bei einem piezoelektrischen Transformator 20 die Teile 1a (6) und 1b (10) als sogenannter Monostack ausgeführt.
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Nach 3A besteht ein piezoelektrischer Transformator 30 aus einer Anordnung, bei der ein primäres Teil 31 vorhanden ist, in dem ein sekundäres Teil 32 verschränkt angeordnet ist, wobei die beiden Teile 31 und 32 durch eine Isolationszone 33 voneinander elektrisch isoliert sind. 36 zeigt einen piezoelektrischen Transformator 34, bei dem der primäre Teil 31 im sekundären Teil 32 verschränkt angeordnet ist, wobei auch hier die beiden Teile 31 und 32 durch eine Isolationszone 33 voneinander elektrisch isoliert sind. In 3C ist eine Außenansicht des piezoelektrischen Transformators 30 nach der 3A gezeigt, bei der jeweils eine Außenelektrode 35 für die positive Eingangsspannung des Aktorteils 31 und eine Außenelektrode 36 für die positive Außenelektrode des Sensorteils 32 zu erkennen ist. Ein Vorteil dieser Ausführung ist ein sehr kompaktes Transformatordesign, das auf einfache Weise mit herkömmlicher Technik kontaktiert werden kann und weiterhin bewirken die ineinander verschränkten Innenelektroden eine Selbstklemmung des Systems, wodurch der Multilayeraufbau des piezoelektrischen Transformator-Stacks mechanisch nicht vorgespannt werden muss.
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Anhand 4 soll der prinzipielle Aufbau und das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Transformators mit homogen über den Multilayeraufbau verteilten primären- und sekundären Schichten erläutert werden, der anhand der nachfolgenden Figuren auch mit verschiedenen Kontaktierungskonzepten kombiniert wird.
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Bei diesen Ausführungsbeispielen wird der piezoelektrische Transformator nicht wie anhand der in den 1 bis 3 gezeigten Form von diskreten primären- und sekundären Teilen aufgebaut sondern durch wechselseitig kontaktierte Primär- und Sekundärschichten gebildet, welche je nach Kontaktierung entweder als primärer oder als sekundärer Teil genutzt werden können.
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Aus dem linken Teil der 4 ist erkennbar, dass sowohl dem Spannungseingang 40 (Aktorteil) und dem Spannungsausgang 41 (Sensorteil) eine Groundelektrode 42 gemeinsam ist. Die in der 4 dargestellten Feldlinien 43 und 44 zeigen dabei immer vom höheren zum niedrigeren elektrischen Potenzial. Die primären- und sekundären Schichten sind bei diesem Ausführungsbeispiel über die gesamte Länge des piezoelektrischen Transformators verteilt, die Ausgangsspannung des sekundären Teils wird dabei zwischen der Groundelektrode 42 und einer dritten Elektrode 45 (–) abgegriffen.
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Als Folge der gleichmäßigen Verteilung der Primär- und Sekundärbereiche nach der 4 wird die mechanische Beanspruchung über den gesamten Multilayeraufbau homogenisiert, sodass Belastungsspitzen zwischen den primären- und sekundären Schichten reduziert werden und der piezoelektrische Transformator insgesamt sehr robust wird.
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Anhand der folgenden Figuren werden jeweils alternierende Kontaktierungen der primären- und sekundären Schichten insbesondere nach der 4 vorgeschlagen.
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5 zeigt eine Kontaktierung der Innenelektroden 4 und 5 bei einem piezoelektrischen Transformator 50 durch eine sogenannte Bondingtechnik. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden gebondete Drähte 51 und 52 zur elektrischen Kontaktierung der einzelnen Innenelektroden, zwischen denen sich die primären- und sekundären Schichten befinden, verwendet. Hierbei werden die Bondingdrähte 51 zur Verbindung der aufgedruckten Leitschichten 53 des primären Teils und die Bondingdrähte 52 zur Verbindung der aufgedruckten Leitschichten 54 des sekundären Teils verwendet.
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Aus 6A und 6B ist eine Ausführungsform mit einem piezoelektrischen Transformator 60 zu entnehmen, bei der die Kontaktierung der Innenelektroden 4 und 5 mit Siebaußenelektroden 61 und 62 vorgenommen wird, wobei 6B einen Querschnitt durch die Innelektrode 4 zeigt, die über die Siebaußenelektrode 62 kontaktiert wird. Bei dieser Ausführung sind die Innenelektroden 4 und 5, zwischen denen sich jeweils die primären- und sekundären Schichten befinden, derart ausgeführt, dass diese mindestens einseitig über ein Doppelsieb 61 oder 62 kontaktiert sind.
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Alternativ kann auch gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform eine Kontaktierung der Innenelektroden 4 und 5 durch eine zusätzliche Siebaußenelektrode auf einer dritten Seite des piezoelektrischen Transformators 60 (vgl. 6) vorgenommen werden. Hier befinden sich die Groundelektrode und die Außenelektroden für die Kontaktierung der primären- und sekundären Schichten auf drei unterschiedlichen Seiten des piezoelektrischen Transformators 60.
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Anhand 7A, B wird noch ein schematisches Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischer Transformators mit verschiedenen Ausgangsspannungen erläutert, wobei die Innenelektroden zur Änderung der Spannungsübersetzung umkontaktiert werden können. Für das Abgreifen unterschiedlicher Ausgangsspannungen in einem piezoelektrischen Transformator können bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen auch mehrere primäre- und sekundäre Schichten mit unterschiedlichen Keramikschichtdicken oder Polarisationszuständen eingebracht werden, an denen verschiedene Spannungen abgegriffen werden können.
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Die unterschiedlichen Ausgangsspannungen können dabei diskret abgriffen werden oder in einem bestimmten Verhältnis getaktet über einen Gleichrichter und einen Spannungsglatter abgegriffen werden. Diese Gleichspannung kann, in Abhängigkeit der Schaltzeiten für die sekundären Teile, beliebig zwischen den Ausgangsspannungen der primären- und sekundären Schichten liegen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach der 7A, B können somit einzelne Innenelektroden 4 und 5, zwischen denen sich sowohl primäre- und sekundäre Schichten befinden können, derart mechanisch und/oder elektronisch gruppenweise geschaltet werden, dass sich in Abhängigkeit der Schaltung ein anders Spannungsübersetzungsverhältnis und somit eine andere Ausgangsspannung ergibt. In der 7A sind, neben der festen Kontaktierung der Innenelektroden 4 und einer geschalteten, diese über einen Schalter 71 mit dem Pluspol verbunden. Die Innenelektroden 5 sind über einen Schalter 72 mit dem Minuspol verbunden. In der 7B ist, neben der festen Kontaktierung der Innenelektroden 4 mit dem Pluspol, die dazwischenliegende Innelektrode 5 über einen Schalter 73 mit dem Minuspol verbunden.
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Dieses zuletzt beschrieben Ausführungsbeispiel eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen eine variable Spannungsübersetzung erforderlich ist, wobei die umkontaktierbaren Innenelektroden 4 und 5 besonders vorteilhaft bei piezoelektrischen Transformatoren nach den 5 oder 6 implementiert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005040120 A1 [0002, 0004]
- DE 10345730 A1 [0004]
