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Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauelement, insbesondere einen Transformator.
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Ein piezoelektrisches Bauelement kann beispielsweise in einem Netzteil zur Spannungswandlung eingesetzt werden.
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Aus der
DE 695 08 176 T2 sind piezoelektrische Transformatoren, die z.B. auf das Impedanzverhalten von Lichterzeuger für LCD-Anzeigen abgestimmt sind, bekannt. Ein Transformator weist dabei zwei Sätze von Eingangselektroden an entgegengesetzten Seiten eines quaderförmigen Grundkörpers sowie eine zentrale Ausgangselektrode in der Mitte des Grundkörpers auf.
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Aus der
DE 10 2005 015 600 A1 sind piezoelektrische Transformatoren bekannt, die mit Longitudinalwellen arbeiten, die sich orthogonal zur Stapelrichtung und orthogonal zu geschichteten Elektrodenstrukturen ausbreiten.
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Weitere piezoelektrische Transformatoren sind aus
US 2004 / 0 232 806 A1 und
DE 10 2006 049 873 A1 bekannt.
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Für solche Anwendungen ist es unerlässlich eine gute Isolierung zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil des Transformators vorzusehen. Piezoelektrische Transformatoren mit einem piezoelektrischen quaderförmigen Grundkörper, der eine Polarisierung in Dickenrichtung aufweist, ist sehr gut geeignet für die Realisierung einer hohen Durchschlagsspannung zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich des Transformators, da die Elektroden im Eingangs- und Ausgangsbereich einen großen räumlichen Abstand aufweisen.
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Jedoch besitzt der elektromechanische Koppelkoeffizient K31 bei dieser Bauweise nur kleine Werte, was den Wirkungsgrad des Transformators negativ beeinflusst. Der Koeffizient K31 beschreibt den Wirkungsgrad für die Transformation einer elektromechanischen Energie für den Fall, dass Schwingungen in einem piezoelektrischen quaderförmigen Grundkörper, der in Dickenrichtung polarisiert ist, entlang der Längsseite des quaderförmigen Grundkörpers angeregt werden.
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Der Wirkungsgrad für die Transformation der elektromechanischen Energie fällt höher aus, wenn zusätzlich geeignete Schwingungen entlang der Breite des quaderförmigen Grundkörpers angeregt werden. Den besten Wirkungsgrad besitzt eine quadratische oder runde piezoelektrische Platte, da sich bei dieser Bauweise die Schwingungen in beiden räumlichen Richtungen überlagern und damit die Schwingungsamplitude vergrößern. Bei einer quadratischen oder runden piezoelektrischen Platte können jedoch die Elektroden im Eingangs- und Ausgangsbereich nur mit einem geringen Abstand aufgebracht werden. Eine Isolierung zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich ist sehr aufwändig und die Durchschlagsspannung ist gering.
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Folglich besteht das Bedürfnis nach einem piezoelektrischen Bauelement, das gute Isolationseigenschaften und einen guten Wirkungsgrad aufweist.
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Dazu wird ein piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1 vorgeschlagen, das einen quaderförmigen Grundkörper aus piezoelektrischem Material und primäre und sekundäre Elektroden umfasst, die an längsseitigen Enden des Grundkörpers angeordnet sind und wobei die Länge des Grundkörpers das 1,2- bis 1,7-fache der Breite des Grundkörpers beträgt. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Durch diese Anordnung wird eine gute Isolierung und damit eine möglichst hohe Durchschlagsspannung sichergestellt.
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Durch die Dimensionierung der Länge des Grundkörpers auf das 1,2- bis 1,7-fache der Breite des Grundkörpers wird bei Betrieb des piezoelektrischen Bauelements auf einer Frequenz, die zwischen einer ersten und einer zweiten longitudinalen Resonanzfrequenz des Grundkörpers liegt, ein hoher Wirkungsgrad erzielt.
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In einer Ausführungsform umfasst ein piezoelektrisches Bauelement einen quaderförmigen Grundkörper aus piezoelektrischem Material, der eine Oberseite und eine Unterseite aufweist. Die Oberseite und die Unterseite sind über die größten Oberflächenabschnitte des quaderförmigen Grundkörpers definiert. Als piezoelektrisches Material kommt insbesondere eine BZT-Keramik (BZT = Blei-Zirkonat-Titanat) in Betracht.
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Bevorzugt sind die primären und sekundären Elektroden an den längsseitigen Enden des Grundkörpers angeordnet, um einen möglichst großen räumlichen Abstand und damit eine hohe Durchschlagsspannung zwischen den primären und sekundären Elektroden zu erzielen. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des piezoelektrischen Bauelements ist der quaderförmige Grundkörper vorzugsweise so dimensioniert, dass die Länge des Grundkörpers das 1,2- bis 1,7-fache der Breite des Grundkörpers beträgt.
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Das piezoelektrische Bauelement nutzt sowohl den direkten als auch den inversen piezoelektrischen Effekt.
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Es wird unter dem inversen piezoelektrischen Effekt verstanden, dass die piezoelektrische Keramik, die gegebenenfalls zum Einsatz des Bauelements noch polarisiert werden muss, bei Anlegen eines elektrischen Feldes parallel oder antiparallel oder auch in einem Winkel zur Polarisierungsrichtung eine Verformung erfährt.
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Unter dem direkten piezoelektrischen Effekt wird verstanden, dass in dem Grundkörper bei Auftreten von Verformungen eine Spannung abfällt.
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Der Eingangsbereich und der Ausgangsbereich des piezoelektrischen Bauelements sind galvanisch voneinander getrennt und mechanisch über den piezoelektrischen Grundkörper miteinander gekoppelt. Ein elektrisches Eingangssignal wird im Eingangsbereich des piezoelektrischen Bauelements in mechanische Schwingungen des Grundkörpers umgewandelt. Aufgrund der mechanischen Kopplung des Eingangsbereichs und des Ausgangsbereichs sind beide Teile von der mechanischen Schwingung betroffen. Die Umwandlung der elektrischen Energie in die mechanische Energie erfolgt aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts. Im Ausgangsbereich werden die mechanischen Schwingungen aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekts zurück in ein elektrisches Signal verwandelt.
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Mit Hilfe der primären Elektroden kann bei Anlegen einer Spannung an den primären Elektroden eine mechanische Verformung des Grundkörpers hervorgerufen werden. Mit Hilfe der sekundären Elektroden kann eine bei Verformung des Grundkörpers auftretende elektrische Spannung abgegriffen werden.
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Beim Anlegen einer Wechselspannung an den primären Elektroden kann eine periodisch wiederkehrende Deformation des Grundkörpers erzeugt werden. Diese periodisch wiederkehrende Deformation des Grundkörpers kann wiederum in den sekundären Elektroden eine sich periodisch ändernde Spannung hervorrufen. Durch geeignete Anordnung der primären und sekundären 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.
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In einer Weiterbildung ist der piezoelektrische Grundkörper einteilig ausgebildet und senkrecht zu der Oberseite des piezoelektrischen Grundkörpers polarisiert.
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In einer Ausführungsform umfassen die primären Elektroden eine erste primäre Elektrode auf der Oberseite des Grundkörpers und eine zweite primäre Elektrode auf der Unterseite des Grundkörpers. Die erste und zweite primäre Elektrode sind parallel zu der Oberseite beziehungsweise Unterseite des Grundkörpers angeordnet.
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In einer Weiterbildung umfassen die sekundären Elektroden eine erste sekundäre Elektrode auf der Oberseite des Grundkörpers und eine zweite sekundäre Elektrode auf der Unterseite des Grundkörpers. Sowohl die erste als auch die zweite sekundäre Elektrode sind parallel zu der Oberseite des Grundkörpers und zu der Unterseite des Grundkörpers angeordnet.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Eingangsbereich des Grundkörpers eine Vielschichtstruktur mit mehreren innen liegenden primären Elektroden auf. Die innen liegenden primären Elektroden verlaufen parallel zu der Oberseite und der Unterseite des Grundkörpers und sind wechselseitig mit piezoelektrischem Material übereinander geschichtet.
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In einer Weiterbildung umfasst der Ausgangsbereich des Grundkörpers eine Vielschichtstruktur mit innen liegenden sekundären Elektroden, die parallel zu der Oberseite und Unterseite des Grundkörpers ausgerichtet sind.
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In einer Ausführungsform sind weitere Elektroden in dem Eingangsbereich an einer ersten und einer zweiten Längsseite des Grundkörpers und damit senkrecht zu der Oberseite des Grundkörpers angeordnet. Die weiteren Elektroden im Eingangsbereich sind elektrisch mit den primären Elektroden gekoppelt. Die innen liegenden primären Elektroden können wechselseitig mit den weiteren Elektroden im Eingangsbereich an der ersten und der zweiten Längsseite des Grundkörpers elektrisch gekoppelt sein.
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In einer Weiterbildung befinden sich weitere Elektroden in dem Ausgangsbereich an einer ersten und einer zweiten Längsseite des Grundkörpers. Die weiteren Elektroden im Ausgangsbereich kontaktieren elektrisch die sekundären Elektroden. Die weiteren Elektroden im Ausgangsbereich an der ersten und der zweiten Längsseite des Grundkörpers können wechselseitig mit den innen liegenden sekundären Elektroden elektrisch gekoppelt sein.
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Der oben geschilderten Ausführungsform des Transformators mit den innen liegenden Elektroden liegt die Idee zugrunde, die Verbindung der Innenelektroden untereinander und die Positionierung der äußeren Elektroden des Transformators geometrisch voneinander zu entkoppeln. Dadurch entsteht ein großer Gestaltungsspielraum für die Anordnung und insbesondere auch für die flächenmäßige Ausdehnung der äußeren Elektroden des Transformators.
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Die Oberfläche des Grundkörpers ist gemäß einem Ausführungsbeispiel wenigstens teilweise - vorzugsweise zumindest auf einem zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich angeordneten Trennbereich auf der Oberseite und der Unterseite des Grundkörpers - mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt. Die Durchschlagsspannung des piezoelektrischen Bauelements hängt auch von der Dicke und den elektrischen Eigenschaften dieses isolierenden Trennbereichs ab.
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Die isolierende Schicht kann den Grundkörper auf all seinen Oberflächen mit Ausnahmen der außen liegenden Elektroden bedecken.
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Darüber hinaus kann als Material für die isolierende Schicht ein elektrisch isolierendes Material gewählt werden, um die Gefahr eines elektrischen Überschlags zwischen verschieden gepolten äußeren Elektroden zu reduzieren.
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Insbesondere kann als isolierendes Material ein anorganisches Material wie beispielsweise ein glasartiges Material verwendet werden. Das glasartige Material kann zum Beispiel eine chemische Zusammensetzung von 20,5 % Gewichtsanteil B2O3, 6,8 % Gewichtsanteil PbO, 0,3 % Gewichtsanteil Sb2O3, 10,4 % Gewichtsanteil SiO2 und 62,0 % Gewichtsanteil ZnO enthalten.
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Materialien mit anderen Zusammensetzungen sind ebenfalls möglich, soweit sie isolierend sind.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform des piezoelektrischen Bauelements ist es vorgesehen, dass die isolierende Schicht ein organisches Material ist, beispielsweise kommt ein Lack oder ein Verbundmaterial in Betracht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des piezoelektrischen Bauelements enthält die isolierende Schicht ein Schrumpfmaterial und kann zum Beispiel einen Schrumpfschlauch umfassen.
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Ferner kann jedes Material, welches elektrisch isolierend wirkt und für die Passivierung von elektronischen Komponenten geeignet ist, verwendet werden.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Bauelements nach wenigstens einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Dieses Verfahren umfasst den Betrieb des piezoelektrischen Bauelements auf einer Frequenz, die zwischen einer ersten und einer zweiten longitudinalen Resonanzfrequenz des Grundkörpers liegt. In Verbindung mit den oben beschriebenen spezifischen Dimensionen des piezoelektrischen Grundkörpers wird das piezoelektrische Bauelement damit auf einer Frequenz betrieben, bei der sich Schwingungen entlang der Längskante und der Querkante des piezoelektrischen Grundkörpers verstärkend überlagern. Dadurch wird der Wirkungsgrad und die Energiedichte des piezoelektrischen Bauelements vergrößert.
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Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Elemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform des piezoelektrischen Bauelements,
- 2 eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen Bauelements.
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Die einzelnen Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt, wobei einzelne Elemente aus Übersichtsgründen weggelassen sind. Es versteht sich, dass ein Fachmann einzelne Aspekte aus den Ausgestaltungen miteinander kombinieren oder ergänzen kann. Insbesondere können die verschiedenen Positionen und Ausgestaltungen der Elektroden im Eingangs- und Ausgangsbereich des piezoelektrischen Grundkörpers miteinander kombiniert werden.
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1 zeigt ein piezoelektrisches Bauelement 1, insbesondere einen Transformator, mit einem quaderförmigen Grundkörper 2, der aus einem piezoelektrischen Material, beispielsweise einer BZT-Keramik hergestellt ist. Der quaderförmige Grundkörper 2 besitzt eine Oberseite 3 und eine Unterseite 4, die über die größten Oberflächenabschnitte des quaderförmigen Grundkörpers 2 definiert sind. Primäre Elektroden 5, 6 sind in einem Eingangsbereich 7 des Grundkörpers 2 im Wesentlichen parallel zu der Oberseite 3 und der Unterseite 4 an einem ersten Ende des Grundkörpers 2 angeordnet. In einem Ausgangsbereich 10 des Grundkörpers 2 sind sekundäre Elektroden 8, 9 im Wesentlichen parallel zu der Oberseite 3 und der Unterseite 4 an einem zweiten Ende des Grundkörpers 2 angebracht. Die primären und sekundären Elektroden 5, 6, 8, 9 sind an den längsseitigen Enden des Grundkörpers 2 angeordnet, um einen möglichst großen räumlichen Abstand zwischen den primären und sekundären Elektroden 5, 6, 8, 9 und damit eine hohe Durchschlagspannung des piezoelektrischen Bauelements 1 zu erzielen. Die Länge L des Grundkörpers 2 beträgt das 1,2- bis 1,7-fache der Breite W des Grundkörpers 2. Durch diese Abmessungen wird ein hoher Wirkungsgrad des Transformators 1 gewährleistet.
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Die primären Elektroden 5, 6 weisen eine erste primäre Elektrode 5 auf der Oberseite 3 des Grundkörpers 2 und eine zweite primäre Elektrode 6 auf der Unterseite 4 des Grundkörpers 2 auf.
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Die sekundären Elektroden 8, 9 umfassen eine erste sekundäre Elektrode 8 auf der Oberseite 3 des Grundkörpers 2 und eine zweite sekundäre Elektrode 9 auf der Unterseite 4 des Grundkörpers 2.
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Die primären Elektroden 5, 6 werden dafür verwendet, um von außen eine elektrische Spannungsquelle anzuschließen. An den sekundären Elektroden 8, 9 kann von außen eine elektrische Spannung abgegriffen werden.
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Der Grundkörper 2 aus piezoelektrischem Material ist einteilig ausgebildet und senkrecht zu der Oberseite 3 des Grundkörpers 2 polarisiert. In 1 ist die Polarisierung durch den Pfeil P gekennzeichnet. Insgesamt erfolgt die Polarisierung senkrecht zu den primären Elektroden 5, 6 beziehungsweise zu den sekundären Elektroden 8, 9.
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Der Eingangsbereich 7 und der Ausgangsbereich 10 sind durch einen Trennbereich zwischen den primären und sekundären Elektroden 5, 6, 8, 9 galvanisch voneinander getrennt und durch diesen Trennbereich mechanisch miteinander gekoppelt. In diesem Trennbereich ist die Oberseite 3 und die Unterseite 4 des Grundkörpers 2 mit einer isolierenden Schicht 11 bedeckt. Durch die isolierende Schicht lässt sich eine Überschlagsgefahr zwischen den primären und sekundären Elektroden 5, 6, 8, 9 reduzieren.
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Beim Anlegen einer Wechselspannung an die primären Elektroden 5, 6 wird eine periodisch wiederkehrende Deformation des Grundkörpers 2 erzeugt. Diese periodisch wiederkehrende Deformation des Grundkörpers 2 ruft wiederum in den sekundären Elektroden 8, 9 eine sich periodisch ändernde Spannung hervor.
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Die primären und sekundären Elektroden 5, 6, 8, 9 sind mit Anschlusselementen versehen, um die primären Elektroden 5, 6 mit einer Eingangsspannungsquelle und die sekundären Elektroden 8, 9 mit einem Abgriff für die Ausgangsspannung zu kontaktieren.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen Bauelements 1, insbesondere eines Transformators. Das piezoelektrische Bauelement 1 nach 2 umfasst einen quaderförmigen Grundkörper 2 aus piezoelektrischem Material, der eine Oberseite 3 und eine Unterseite 4 aufweist. Im Gegensatz zur Ausführungsform der 1 besitzt das piezoelektrische Bauelement 1 aus 2 in einem Eingangsbereich 7 und in einem Ausgangsbereich 10 eine Vielschichtstruktur. Die Vielschichtstruktur im Eingangsbereich 7 ist strukturiert durch wechselseitig übereinander gestapelte Lagen aus piezoelektrischem Material und innen liegenden primären Elektroden 5, 6. Die primären Elektroden 5, 6 sind parallel zu der Oberseite 3 und der Unterseite 4 des Grundkörpers 2 ausgerichtet. Der Ausgangsbereich 10 des Grundkörpers 2 ist analog zu dem Eingangsbereich 7 aufgebaut und weist wechselseitig übereinander geschichtete Lagen aus piezoelektrischem Material und innen liegenden sekundären Elektroden 8, 9 auf. Auch diese Elektroden 8, 9 sind parallel zu der Oberseite 3 und der Unterseite 4 des Grundkörpers ausgelegt.
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Außerdem umfasst das piezoelektrische Bauelement 1 weitere Elektroden 12, 13 im Eingangsbereich 7 und weitere Elektroden 14, 15 im Ausgangsbereich 10. Die weiteren Elektroden 12, 13, 14, 15 sind jeweils an einer ersten und einer zweiten Längsseite des Grundkörpers und damit senkrecht zu der Oberseite 3 des Grundkörpers 2 angeordnet. Die übereinander geschichteten innen liegenden primären Elektroden 5, 6 im Eingangsbereich 7 greifen kammartig ineinander und sind wechselseitig mit den weiteren Elektroden 12, 13 in dem Eingangsbereich 7 elektrisch gekoppelt. In analoger Weise greifen auch die innen liegenden sekundären Elektroden 8, 9 kammartig ineinander und sind wechselseitig mit den weiteren Elektroden 14, 15 in dem Ausgangsbereich 10 elektrisch gekoppelt.
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Bei der Ausführungsform in 2 ist die Oberseite 3 und die Unterseite 4 des Grundkörpers 2 ganzflächig mit einer isolierenden Schicht 11 bedeckt. Damit wird die Überschlagsspannung zwischen den weiteren Elektroden 12, 13 im Eingangsbereich 7 und den weiteren Elektroden 14, 15 im Ausgangsbereich 10 wesentlich erhöht. Diese Bauweise des piezoelektrischen Bauelements 1 wird ermöglicht durch die Vielschichtstruktur im Eingangsbereich 7 und im Ausgangsbereich 10. Durch die innen liegenden Elektroden 5, 6, 8, 9 kann die geometrische Platzierung beziehungsweise die Abmessung der äußeren weiteren Elektroden 12, 13, 14, 15 von den elektrischen Anforderungen entkoppelt werden. Als Resultat können die äußeren weiteren Elektroden 12, 13, 14, 15 kleiner dimensioniert und mit größerem räumlichen Abstand an dem piezoelektrischen Grundkörper 2 angeordnet werden. Infolgedessen vergrößert sich auch die isolierende Schicht 11, was wiederum zusätzlich zu einer höheren Durchschlagsfestigkeit des piezoelektrischen Bauelements 1 beiträgt.
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Beim Anlegen einer Wechselspannung an die weiteren Elektroden 12, 13 im Eingangsbereich 7 wird der piezoelektrische Grundkörper 2 aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts mit einer Frequenz der Wechselspannung mechanisch deformiert. Diese Deformation des Grundkörpers 2 wird vom Eingangsbereich 7 zum Ausgangsbereich 10 übertragen. Als Resultat des direkten piezoelektrischen Effekts kann dann eine Wechselspannung an den weiteren Elektroden 14, 15 im Ausgangsbereich 10 abgegriffen werden. Die mechanische Energie des Eingangsbereichs 7 wird am Effektivsten auf den Ausgangsbereich 10 übertragen, wenn sich der piezoelektrische Grundkörper 2 in einem Resonanzbereich befindet bei dem die Amplitude der mechanischen Schwingungen ein Maximum aufweisen. Um eine möglichst große Amplitude der mechanischen Schwingung zu erreichen, wird der Grundkörper 2 des piezoelektrischen Bauelements 1 so dimensioniert, dass die Länge L des Grundkörpers 2 das 1,2- bis 1,7-fache der Breite W des Grundkörpers 2 beträgt. Diese Dimensionierung führt zu einer Koexistenz der Schwingung in Breiten- und Längenrichtung des piezoelektrischen Grundkörpers 2. Durch die Überlagerung dieser beiden Schwingungen wird die Amplitude der mechanischen Schwingung und damit der Wirkungsgrad des piezoelektrischen Bauelements 1 vergrößert.
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Die exakte Festlegung der Abmessungen des Grundkörpers 2 erfolgt in Abhängigkeit der elektromechanischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials des Grundkörpers 2. Weist der elektromechanische Koppelkoeffizient K31 des piezoelektrischen Materials kleine Werte auf, dann verschiebt sich das Längen- zu Breitenverhältnis des Grundkörpers 2 in Richtung des oberen Limits (1,7). Entsprechend bewegt sich das Längenzu Breitenverhältnis des Grundkörpers 2 für große Werte des elektromechanischen Koppelkoeffizients K31 am unteren Limit (1,2) .
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Gemäß dem angegebenen Verfahren wird das piezoelektrische Bauelement 1 auf einer Frequenz betrieben, die zwischen einer ersten und einer zweiten longitudinalen Resonanzfrequenz des Grundkörpers liegt.
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Die exakte Festlegung der Betriebsfrequenz erfolgt in Abhängigkeit der spezifischen Abmessungen des piezoelektrischen Grundkörpers 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- piezoelektrisches Bauelement
- 2
- Grundkörper
- 3
- Oberseite
- 4
- Unterseite
- 5, 6
- primäre Elektroden, erste und zweite primäre Elektrode
- 7
- Eingangsbereich
- 8, 9
- sekundäre Elektroden, erste und zweite sekundäre Elektrode
- 10
- Ausgangsbereich
- 11
- isolierende Schicht
- 12, 13
- weitere Elektroden im Eingangsbereich
- 14, 15
- weitere Elektroden im Ausgangsbereich
- L
- Länge des Grundkörpers
- W
- Breite des Grundkörpers
- P
- Polarisierung
