DE102010048781B4 - Hochspannungsgenerator und Verfahren zu seinem Betrieb - Google Patents

Abstract

Ein Hochspannungsgenerator aufweisend: – einen Grundkörper (1) aus piezoelektrischem Material, der einen Eingangsbereich (2) und einen Ausgangsbereich (3) aufweist, wobei der Eingangsbereich (2) mechanisch mit dem Ausgangsbereich (3) gekoppelt ist, – primäre Elektroden (4), die im Eingangsbereich (2) angeordnet sind, – sekundäre Elektroden (5), die im Ausgangsbereich (3) angeordnet sind, wobei zumindest der Ausgangsbereich (3) zumindest zwei piezoelektrische Teilkörper (6, 7, 8) umfasst, die mechanisch parallel miteinander gekoppelt sind, wobei die sekundären Elektroden (5) wenigstens an längsseitigen Enden der zumindest zwei piezoelektrischen Teilkörper (6, 7, 8) angeordnet sind, wobei räumlich benachbarte Teilkörper der zumindest zwei piezoelektrischen Teilkörper (6, 7, 8) abwechselnd jeweils an einem der längsseitigen Enden über eine der sekundären Elektroden (5) elektrisch miteinander gekoppelt und an einem anderen der längsseitigen Enden durch eine elektrisch isolierende Schicht (9) gegeneinander isoliert sind und wobei die sekundären Elektroden (5) elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei zumindest zwei Dioden (10, 11, 12), die jeweils elektrisch parallel zu den zumindest zwei piezoelektrischen Teilkörpern (6, 7, 8) geschaltet sind, wobei die Durchlassrichtung der Dioden (10, 11, 12) der Polarisierungsrichtung des jeweiligen Teilkörpers (6, 7, 8) entspricht, wobei der piezoelektrische Grundkörper (2) in Form eines zylindrischen Hohlkörpers ausgeführt ist und die piezoelektrischen Teilkörper (6, 7, 8) eine zylindrische Form aufweisen, wobei die piezoelektrischen Teilkörper (6, 7, 8) parallel zum Eingangsbereich (2) im Hohlraum des zylindrischen Hohlkörpers angeordnet sind und wobei die zumindest zwei Dioden (10, 11, 12) im Hohlraum des zylindrischen Hohlkörpers angeordnet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauelement als Hochspannungsgenerator.
• Piezoelektrische Bauelemente eignen sich sehr gut für die Erzeugung von hohen Spannungen. Eine bekannte Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements für die Erzeugung von hohen Spannungen ist nach seinem Erfinder Rosen benannt ( US 2 974 296 A ). Aus den Druckschriften US 7 800 595 B2 , DE 697 24 437 T2 , US 6 215 227 B1 , US 5 962 954 A , WO 2003/069 688 A1 und US 5 278 471 A sind verschiedene Piezoelektrische Transformatoren bekannt. In der Druckschrift US 5 986 384 A ist ein Signalkonverter mit einer piezoelektrischen Keramik offenbart.
• Piezoelektrische Bauelemente nutzen sowohl den direkten als auch den inversen piezoelektrischen Effekt. Unter dem inversen piezoelektrischen Effekt wird verstanden, dass die Piezoelektrische Keramik bei Anlegen einer Wechselspannung in einem Eingangsbereich des piezoelektrischen Bauelements zu einer mechanischen Schwingung angeregt wird. Diese mechanische Schwingung überträgt sich auf den gesamten piezoelektrischen Körper. In einem Ausgangsbereich der piezoelektrischen Keramik wird die mechanische Schwingung aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekts wieder zurück in eine elektrische Wechselspannung verwandelt. Bei Hochspannungsgeneratoren ist die resultierende Wechselspannung im Ausgangsbereich wesentlich größer als die angelegte Wechselspannung im Eingangsbereich. Bei der Erzeugung von hohen Spannungen ist zu beachten, dass die äußeren Elektroden einen großen Abstand zwischen Eingangsbereich und Ausgangsbereich aufweisen, um einen Spannungsüberschlag zu vermeiden. Dies erfordert zumindest eine größere Länge des piezoelektrischen Bauelements im Ausgangsbereich. Aus Symmetriegründen weist der Eingangsbereich jedoch üblicherweise die gleiche Länge auf. Bei einer BZT-Keramik (BZT = Blei-Zirkonat-Titanat), die weit verbreitet in piezoelektrischen Hochspannungsgeneratoren eingesetzt wird, kann für jeden Millimeter Länge des piezoelektrischen Materials maximal eine Ausgangsspannung mit einem Spitze-Tal-Wert von ungefähr 1 kV erzeugt werden, ohne dass es zu einem Überschlag kommt. Für die Erzeugung einer 10 kV Ausgangsspannung muss daher der Ausgangsbereich des piezoelektrischen Bauelements eine Länge von ungefähr 10 mm aufweisen. Ist der Eingangsbereich aus Symmetriegründen gleich lang ausgelegt, ergibt dies eine Gesamtlänge des piezoelektrischen Bauelements von ungefähr 20 mm. Für die Erzeugung höherer Spannungen muss die Gesamtlänge des Bauelements entsprechend weiter vergrößert werden. Große Abmessungen der piezoelektrischen Keramik führen jedoch zu Problemen bei der Herstellung, falls herkömmliche Produktionsmethoden eingesetzt werden. Der ktrische Tezieller Herstellungstechnologien wiederum führt zu erhöhten Produktionskosten. Probleme treten ebenfalls auf, falls der piezoelektrische Hochspannungsgenerator in einem sehr kleinen Gerät verbaut werden muss. Die kleineren Abmessungen des piezoelektrischen Bauelements führen bei den bekannten Ausführungsformen automatisch zu einer geringeren maximalen Ausgangsspannung.
• Folglich besteht das Bedürfnis nach einem piezoelektrischen Bauelement, das es erlaubt höhere Ausgangsspannungen bei kleinen äußeren Abmessungen zu erzeugen, das eine hohe Effizienz aufweist und das einfach hergestellt werden kann.
• Dazu wird ein Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1 vorgeschlagen, das einen Grundkörper aus piezoelektrischem Material, primäre Elektroden und sekundäre Elektroden umfasst. Der Grundkörper weist einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich auf, wobei der Eingangsbereich mechanisch mit dem Ausgangsbereich gekoppelt ist. Die primären Elektroden befinden sich im Eingangsbereich, die sekundären Elektroden sind im Ausgangsbereich angeordnet. Erfindungsgemäß umfasst zumindest der Ausgangsbereich wenigstens zwei piezoelektrische Teilkörper, die mechanisch im Wesentlichen parallel miteinander gekoppelt sind. Die sekundären Elektroden sind zumindest an den längsseitigen Enden der piezoelektrischen Teilkörper angebracht. Zusätzlich können sich die sekundären Elektroden auch im Inneren der piezoelektrischen Teilkörper befinden. Benachbarte Teilkörper sind abwechselnd jeweils an einem der längsseitigen Enden über eine der sekundären Elektroden elektrisch miteinander gekoppelt und an einem anderen der längsseitigen Enden durch eine elektrisch isolierende Schicht gegeneinander isoliert. Die sekundären Elektroden im Ausgangsbereich sind elektrisch in Reihe geschaltet.
• Durch diese spezielle Anordnung der piezoelektrischen Teilkörper im Ausgangsbereich und die in Reihe geschalteten sekundären Elektroden kann eine weitaus höhere Ausgangsspannung erzielt werden als für ein piezoelektrisches Bauelement, das nur einen piezoelektrischen Körper im Ausgangsbereich aufweist. So ist z. B. die Amplitude der Ausgangsspannung bei Verwendung von zwei Teilkörpern im Ausgangsbereich doppelt so groß wie die Amplitude der Spannung, die von einem einzigen Teilkörper erzeugt würde. Damit wird eine hohe Effizienz des piezoelektrischen Hochspannungsgenerators erreicht. Für die Produktion dieses Elements können herkömmliche Verfahren eingesetzt werden. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• In einer Ausführungsform sind die piezoelektrischen Teilkörper im Wesentlichen parallel zu ihrer Längsachse polarisiert. Räumlich benachbarte Teilkörper weisen eine entgegen gerichtete Polarisierung auf. Als piezoelektrisches Material kann eine piezoelektrische Keramik eingesetzt werden.
• Das piezoelektrische Bauelement nutzt den direkten als auch den inversen piezoelektrischen Effekt.
• Bei Anlegen einer Wechselspannung an die primären Elektroden im Eingangsbereich wird der Grundkörper aus piezoelektrischem Material in mechanische Schwingungen versetzt. Da der Eingangsbereich mit dem Ausgangsbereich mechanisch gekoppelt ist, werden diese mechanischen Schwingungen auch auf den Ausgangsbereich und damit auch auf die mechanisch im Wesentlichen parallel miteinander gekoppelten piezoelektrischen Teilkörper im Ausgangsbereich übertragen. Durch die Parallelschaltung schwingen die Teilkörper im Wesentlichen synchron zueinander. Aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekts kann nun im Ausgangsbereich an den sekundären Elektroden eine Ausgangsspannung abgegriffen werden. Da die sekundären Elektroden elektrisch in Reihe geschaltet sind, addieren sich die Teilspannungen der Teilkörper zu einer Ausgangsspannung. Bei einer entgegen gerichteten Polarisierung der räumlich benachbarten Teilkörper überlagern sich die Teilspannungen der Teilkörper konstruktiv und führen damit zu einer größeren Amplitude der Ausgangsspannung.
• Der Hochspannungsgenerator weist zumindest zwei Dioden auf, die jeweils elektrisch parallel zu den zumindest zwei piezoelektrischen Teilkörpern geschaltet sind. Die parallel geschalteten Dioden sind so geschaltet, dass die Durchlassrichtung der Dioden der Polarisierungsrichtung des jeweiligen Teilkörpers entspricht. Diese Dioden bewirken, dass an den sekundären Elektroden eine unipolar pulsierende Spannung abgreifbar ist. Damit kann die Effizienz des piezoelektrischen Hochspannungsgenerators weiter gesteigert werden.
• In einer Weiterbildung sind die primären Elektroden an Außenseiten des Grundkörpers angeordnet.
• Des Weiteren kann der Eingangsbereich eine Vielschichtstruktur aufweisen, die mehrere piezoelektrische Teilschichten umfasst. Benachbarte Teilschichten sind entgegengesetzt zueinander polarisiert. Einige der primären Elektroden können im Inneren des Eingangsbereichs und zwischen den Teilschichten angeordnet sein.
• In einer weiteren Ausführungsform umfasst das piezoelektrische Bauelement weiterhin einen ersten elektrischen Kontakt, der mit einem ersten Teil der primären Elektroden elektrisch gekoppelt ist, und einen zweiten elektrischen Kontakt, der mit einem zweiten Teil der primären Elektroden elektrisch gekoppelt ist. Durch diese spezielle Verschaltung der primären Elektroden und durch die Vielschichtstruktur im Eingangsbereich kann die elektrische Energie effizienter in mechanische Schwingungsenergie umgewandelt werden. Die Effizienz des piezoelektrischen Bauelements wird dadurch gesteigert.
• In einer weiteren Ausführungsform umfasst das piezoelektrische Bauelement eine weitere Diode, die elektrisch mit einer der sekundären Elektroden gekoppelt ist, und einen Kondensator, der elektrisch mit der weiteren Diode gekoppelt ist. Der Kondensator dient zur Glättung der unipolar pulsierenden Ausgangsspannung. Die weitere Diode stabilisiert zusätzlich die geglättete Ausgangsspannung und verhindert ein Abfließen der Ladung von dem Kondensator.
• In einer Ausführungsform sind die primären Elektroden dazu geeignet, eine Schwingung anzuregen, deren Ausbreitungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der Anordnung der sekundären Elektroden ist. Die primären Elektroden können im Wesentlichen senkrecht zu den sekundären Elektroden angeordnet sein.
• In einer weiteren Ausführungsform sind der Eingangsbereich und die Teilkörper des Ausgangsbereichs mechanisch parallel miteinander gekoppelt. Des Weiteren können der piezoelektrische Grundkörper im Eingangsbereich und die piezoelektrischen Teilkörper im Ausgangsbereich zumindest teilweise auf ihren längsseitigen Enden mit einer weiteren isolierenden Schicht bedeckt sein.
• Der piezoelektrische Grundkörper ist im Eingangsbereich in Form eines zylindrischen Hohlkörpers ausgeführt. Die piezoelektrischen Teilkörper im Ausgangsbereich weisen eine zylindrische Form auf und sind parallel zum Eingangsbereich im Hohlraum des zylindrischen Hohlkörpers angeordnet.
• Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem ein Hochspannungsgenerators nach wenigstens einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, betrieben wird.
• Dieses Verfahren umfasst den Betrieb des piezoelektrischen Bauelements auf einer Frequenz, die einer harmonischen Oberschwingung der Grundschwingung des Grundkörpers entspricht.
• In einer Weiterbildung des Verfahrens wird an den Grundkörper im Eingangsbereich und die piezoelektrischen Teilkörper im Ausgangsbereich eine mechanische Vorspannung in Druckrichtung angelegt. In dieser Konfiguration weisen piezoelektrische Keramiken einen sehr viel größeren dynamischen Bereich für mechanische Schwingungen auf als in einer Konfiguration, in der eine Vorspannung in Zugrichtung angelegt wird. Als Resultat kann eine höhere Ausgangsspannung und eine höhere Ausgangsenergie erzeugt werden.
• Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- bzw. wirkungsgleiche Elemente tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Elemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
• Es zeigen:
• 1 eine nicht erfindungsgemäße erste Ausführungsform des piezoelektrischen Bauelements,
• 2A eine zweite Ausführungsform des piezoelektrischen Bauelements im Längsschnitt,
• 2B die zweite Ausführungsform des piezoelektrischen Bauelements im Querschnitt entlang einer Achse A-A,
• 3 ein dritte Ausführungsform des piezoelektrischen Bauelements,
• 4 eine Weiterbildung der zweiten oder dritten Ausführungsform des piezoelektrischen Bauelements zur Beschreibung der mechanischen Vorspannung.
• 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 Eingangsbereich und Ausgangsbereich des piezoelektrischen Grundkörpers miteinander kombiniert werden.
• In der 1 ist ein mit Longitudinalschwingungen arbeitender piezoelektrischer Hochspannungsgenerator mit einem Grundkörper 1 in einem Längsschnitt gezeigt. Der Grundkörper 1 aus piezoelektrischem Material umfasst einen Eingangsbereich 2 und einen Ausgangsbereich 3, der mechanisch mit dem Eingangsbereich 2 gekoppelt ist. Der Eingangsbereich 2 weist eine Vielschichtstruktur auf, die mehrere piezoelektrische Teilschichten 13 umfasst. Wie in 1 mit den Pfeilen gezeigt, sind benachbarte Teilschichten 13 entgegengesetzt zueinander polarisiert. Des Weiteren umfasst das piezoelektrische Bauelement primäre Elektroden 4, die im Eingangsbereich 2 angeordnet sind. Zwei der primären Elektroden 4 befinden sich an Außenseiten des Grundkörpers 1, die anderen primären Elektroden 4 sind im Inneren des Eingangsbereichs 2 und zwischen den Teilschichten 13 angeordnet. Weiterhin umfasst das piezoelektrische Bauelement einen ersten elektrischen Kontakt 14, der mit einem ersten Teil der primären Elektroden 4 elektrisch gekoppelt ist, und einen zweiten elektrischen Kontakt 15, der mit einem zweiten Teil der primären Elektroden 4 elektrisch gekoppelt ist.
• In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann das piezoelektrische Bauelement auch eine Monostruktur im Eingangsbereich 2 aufweisen, bei der die primären Elektroden 4 lediglich auf den Außenseiten des Grundkörpers 1 angeordnet sind.
• Der Ausgangsbereich 3 umfasst zwei piezoelektrische Teilkörper 6, 7, die mechanisch im Wesentlichen parallel miteinander gekoppelt sind. Außerdem umfasst das piezoelektrische Bauelement sekundäre Elektroden 5, die an längsseitigen Enden der zwei piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 angeordnet sind. An den längsseitigen Enden, die dem Eingangsbereich 2 zugewandt sind, sind die piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 über eine der sekundären Elektroden 5 elektrisch miteinander gekoppelt. Die längsseitigen Enden der piezoelektrischen Teilkörper 6, 7, die dem Eingangsbereich 2 abgewandt sind, sind durch eine elektrisch isolierende Schicht 9 gegeneinander isoliert. Diese isolierende Schicht 9 kann mit den längsseitigen Enden der piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 verklebt sein. Weiterhin sind auf diesen längsseitigen Enden sekundäre Elektroden 5 angeordnet. Die sekundären Elektroden 5 an den längsseitigen Enden der piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 sind elektrisch in Reihe geschaltet.
• Die piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 sind im Wesentlichen parallel zu ihrer Längsachse polarisiert. Wie in 1 gezeigt, ist die Polarisierung der räumlich benachbarten Teilkörper 6, 7 entgegen gerichtet.
• Des Weiteren umfasst das piezoelektrische Bauelement zwei Dioden 10, 11. Die Diode 10 ist parallel zu dem piezoelektrischen Teilkörper 6 und die Diode 11 parallel zu dem piezoelektrischen Teilkörper 7 geschaltet. Die Durchlassrichtung der Dioden 10, 11 entspricht jeweils der Polarisierungsrichtung der entsprechenden Teilkörper 6, 7.
• Des Weiteren umfasst das piezoelektrische Bauelement eine weitere Diode 16, die elektrisch mit einer der sekundären Elektroden 5 gekoppelt ist. Der Ausgang der weiteren Diode 16 wird mit einer Last gekoppelt, die nicht in 1 gezeigt ist.
• In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die primären Elektroden 4 im Wesentlichen senkrecht zu den sekundären Elektroden 5 angeordnet.
• Beim Anlegen einer Wechselspannung an den ersten und zweiten elektrischen Kontakt 14, 15, und damit an die primären Elektroden 4, bildet sich durch den inversen piezoelektrischen Effekt in dem piezoelektrischen Grundkörper 1 eine longitudinale Schwingung aus. Aufgrund der Vielschichtstruktur im Eingangsbereich 2 und die damit verbundene Kopplung der primären Elektroden 4 kann eine hohe Effizienz bei der Wandlung einer elektrischen in eine mechanische Energie erzielt werden. Die erzeugte longitudinale Schwingung des piezoelektrischen Grundkörpers 1 wird in gleicher Weise auf die piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 übertragen, da die piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 mechanisch parallel zueinander geschaltet sind. Aufgrund der entgegen gerichteten Polarisierung der piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 und der in Serie geschalteten sekundären Elektroden 5, addieren sich die Teilspannungen, die infolge des direkten piezoelektrischen Effekts an den piezoelektrischen Teilkörpern 6, 7 auftreten. Die parallel geschalteten Dioden 10, 11 bewirken, dass eine unipolar pulsierende Spannung an den sekundären Elektroden erzeugt wird. Die unipolar pulsierende Spannung an den sekundären Elektroden 5 weist die doppelte Amplitude des Spitze-Tal-Wertes einer Teilspannung auf, die an einem der piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 generiert wird. Damit wird eine unipolar pulsierende Spannung mit geringeren Kriechverlusten an eine Last transferiert, die sich außerhalb der Hochspannungsanschlüsse der sekundären Elektroden 5 befindet. Durch die Verwendung der weiteren Diode 16 kann eine Gleichspannung generiert werden. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich ein Kondensator elektrisch mit der weiteren Diode 16 gekoppelt, um die Ausgangsspannung zusätzlich zu glätten. Der Spannungslevel der Gleichspannung ist ungefähr 5, 6 Mal höher als die Effektivspannung der Teilspannung, die an jedem piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 erzeugt wird.
• Aufgrund der oben beschriebenen Merkmale erzeugt dieses piezoelektrische Bauelement eine doppelt so hohe Ausgangsspannung wie ein herkömmliches piezoelektrisches Bauelement, ohne die Länge des piezoelektrischen Bauelements zu verdoppeln.
• 2A zeigt eine zweite Ausführungsform des piezoelektrischen Bauelements im Längsschnitt. Der Querschnitt dieser zweiten Ausführungsform entlang einer Achse A-A ist in 2B gezeigt.
• In dieser alternativen Ausführungsform ist der piezoelektrische Grundkörper 1 im Eingangsbereich 2 in Form eines zylindrischen Hohlkörpers ausgeführt.
• In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann der piezoelektrische Grundkörper 1 im Eingangsbereich 2 auch eine im Wesentlichen ringförmige Struktur mit einem innen liegenden Hohlraum aufweisen.
• Die piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 aus 2A/2B weisen eine zylindrische Form auf und sind parallel zum Eingangsbereich 2 im Hohlraum des zylindrischen Hohlkörpers angeordnet. Der Eingangsbereich 2 und die piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 des Ausgangsbereichs 3 sind mechanisch parallel miteinander gekoppelt. Die sekundären Elektroden 5 sind durch die isolierende Schicht 9 gegenüber den primären Elektroden 4 elektrisch isoliert. Durch diese isolierende Schicht 9 kann ein elektrischer Überschlag zwischen den sekundären Hochspannungselektroden 5 und den primären Elektroden 4 im Eingangsbereich 2 vermieden werden. Die isolierende Schicht 9 kann z. B. eine Aluminiumoxidkeramik oder auch andere dielektrische Keramiken umfassen.
• Der piezoelektrische Grundkörper 1 im Eingangsbereich 2 und die piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 sind zumindest teilweise auf ihren längsseitigen Enden mit einer weiteren isolierenden Schicht 17 bedeckt. Diese weitere isolierende Schicht wird auf der Oberseite und der Unterseite des piezoelektrischen Bauelements aufgetragen und kann z. B. mit Hilfe eines Epoxidklebers mit dem Eingangsbereich 2 und den piezoelektrischen Teilkörpern 6, 7 verklebt werden. Auch für die weitere isolierende Schicht 17 wird ein Material gewählt, das einen sehr hohen Wert für die Durchschlagsspannung aufweist (z. B. eine Aluminiumoxidkeramik).
• Der Eingangsbereich 2 des piezoelektrischen Bauelements weist eine Monostruktur auf, d. h. die primären Elektroden 4 sind lediglich an den Außenseiten des Grundkörpers 1 angeordnet. Die Polarisierung ist, wie in 2A gezeigt, senkrecht zu den Außenseiten des Grundkörpers 1 ausgerichtet.
• In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann der Eingangsbereich 2 des piezoelektrischen Bauelements auch eine Vielschichtstruktur aufweisen, bei dem die primären Elektroden 4 auch im Inneren des Eingangsbereichs 2 angeordnet sind.
• Die Anordnung der piezoelektrischen Teilkörper 6, 7, der Dioden 10, 11 und der sekundären Elektroden 5 aus 2A/2B entspricht den Ausführungen zu der 1.
• Beim Anlegen einer Wechselspannung an die primären Elektroden 4 im Eingangsbereich 2 wird der Eingangsbereich 2 aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts in mechanische Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen übertragen sich auf den gesamten piezoelektrischen Grundkörper 1 des piezoelektrischen Hochspannungsgenerators. Die Amplitude dieser mechanischen Schwingungen erreicht ein Maximum, wenn die angeregte Frequenz einer Resonanzfrequenz des gesamten piezoelektrischen Bauelements inklusiv aller aktiven piezoelektrischen Anteile und aller isolierenden passiven Anteile entspricht.
• Die angeregten mechanischen Schwingungen erzeugen aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekts an den piezoelektrischen Teilkörpern 6, 7 entsprechende Teilspannungen. Die Dioden 10, 11 und die in Reihe geschalteten sekundären Elektroden 5 führen zu einer Addition der Teilspannungen im Ausgangsbereich 3. Die erzeugte unipolar pulsierende Ausgangsspannung weist eine Amplitude auf, die doppelt so groß ist wie der Spitze-Tal-Wert einer Teilspannung, die an einem der piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 zur Verfügung steht. Auch diese Ausführungsform zeigt, dass das piezoelektrische Bauelement sehr hohe Spannungen auf kleinem Raum erzeugt. Der eingangs erwähnte piezoelektrische Transformator (Rosen) benötigt eine vier Mal so große Länge, um die gleiche Hochspannung erzeugen zu können wie der im Ausführungsbeispiel beschriebene piezoelektrische Hochspannungsgenerator.
• Eine dritte Variante des piezoelektrischen Bauelements ist in 3 gezeigt. Diese Ausführungsform ist eine Weiterbildung des piezoelektrischen Bauelements, das in 2 beschrieben wurde.
• Der piezoelektrische Grundkörper 1 ist, wie in 2 beschrieben, im Eingangsbereich 2 in Form eines zylindrischen Hohlkörpers ausgeführt. Das piezoelektrische Bauelement weist jedoch einen zusätzlichen piezoelektrischen zylindrischen Teilkörper 8 auf, sodass nun drei piezoelektrische Teilkörper 6, 7, 8 parallel zum Eingangsbereich 2 im Hohlraum des zylindrischen Hohlkörpers angeordnet sind. Des Weiteren umfasst das piezoelektrische Bauelement neben den Dioden 10, 11 eine Diode 12. Die Dioden 10, 11, 12 sind jeweils elektrisch parallel zu den piezoelektrischen Teilkörpern 6, 7, 8 geschaltet. Die benachbarten piezoelektrischen Teilkörper 6, 7 sind an ihrem oberen längsseitigen Ende über eine der sekundären Elektroden 5 elektrisch miteinander verbunden und an ihrem unteren längsseitigen Ende über die isolierende Schicht 9 gegeneinander isoliert. Die benachbarten piezoelektrischen Teilkörper 7, 8 sind an ihren oberen längsseitigen Enden über die isolierende Schicht 9 gegeneinander isoliert und sind an ihren unteren längsseitigen Enden über eine der sekundären Elektroden 5 elektrisch miteinander verbunden.
• Bei dieser Ausführungsform befinden sich die Hochspannungselektrode und die Masseelektrode der sekundären Elektroden 5 auf unterschiedlichen Seiten des piezoelektrischen Bauelements. Dadurch kann der Wert der Durchschlagsspannung für dieses piezoelektrische Bauelement nochmals erhöht werden.
• Der Eingangsbereich 2 weist eine Vielschichtstruktur auf, bei der die primären Elektroden 4 auch im Inneren des Eingangsbereichs 2 angeordnet sind. Durch die elektrische Verschaltung der primären Elektroden 4 im Eingangsbereich 2 und die Ausrichtung der Polarisierung des piezoelektrischen Materials in Längsrichtung sowohl im Eingangsbereich 2 als auch im Ausgangsbereich 3 wird die Effizienz des piezoelektrischen Bauelements erhöht.
• Die Polarisierung im Eingangsbereich 2 kann aber auch senkrecht zu den Außenseiten des Grundkörpers 1 ausgerichtet sein (wie in 2 gezeigt).
• Eine an die primären Elektroden 4 angelegte Wechselspannung bewirkt eine mechanische Schwingung des Grundkörpers 1. Diese mechanische Schwingung überträgt sich im Wesentlichen gleichförmig auf die mechanisch im Wesentlichen parallel geschalteten piezoelektrischen Teilkörper 6, 7, 8. Aufgrund der Reihenschaltung der sekundären Elektroden 5 und der parallel geschalteten Dioden 10, 11, 12 addieren sich die Teilspannungen, die an den piezoelektrischen Teilkörpern 6, 7, 8 erzeugt werden, zu einer Ausgangsspannung, deren Amplitude drei Mal so groß ist wie der Spitze-Tal-Wert einer Teilspannung, die an einem piezoelektrischen Teilkörper 6, 7, 8 erzeugt wird.
• Die unipolar pulsierende Ausgangsspannung kann auch optional über eine weitere Diode 16 und einen Kondensator geglättet werden. Die resultierende Gleichspannung ist ungefähr 8,5 Mal höher als die Effektivspannung einer Teilspannung, die an jedem der piezoelektrischen Teilkörper 6, 7, 8 erzeugt wird. Ein herkömmlicher piezoelektrischer Transformator nach Rosen benötige eine sechs Mal so große Länge, um die gleiche Hochspannung zu erzeugen wie die oben beschriebene Ausführungsform des piezoelektrischen Hochspannungsgenerators.
• Gemäß dem angegebenen Verfahren wird das piezoelektrische Bauelement auf einer Frequenz betrieben, die einer harmonischen Oberschwingung der Grundschwingung des Grundkörpers 1 entspricht. In die Ermittlung der Resonanzfrequenz fließen alle aktiven piezoelektrischen Anteile und alle passiven isolierenden Anteile des piezoelektrischen Grundkörpers 1 ein.
• In einer Weiterbildung des Verfahrens kann die Ausgangsspannung weiter erhöht werden, wenn an den Grundkörper 1 im Eingangsbereich 2 und die piezoelektrischen Teilkörper 6, 7, 8 im Ausgangsbereich 3 eine mechanische Vorspannung in Druckrichtung angelegt wird. Bei Anlegen einer mechanischen Vorspannung in Druckrichtung weisen die piezoelektrischen Keramiken einen wesentlich höheren Dynamikbereich auf, als wenn eine Kraft in Zugrichtung angelegt würde. 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform, wie diese mechanische Vorspannung in Druckrichtung aufgebracht werden kann. 4 zeigt nur einen zentralen Ausschnitt aus einem piezoelektrischen Bauelement mit den weiteren isolierenden Schichten 17. Die Anordnung der restlichen erforderlichen Elemente eines piezoelektrischen Bauelements wurden aus Übersichtsgründen weggelassen. In 4 sind eine Achse 18, eine Feder 19 und eine Gewindemutter 20 gezeigt. Durch Zudrehen der Gewindemutter 20 kann eine Kraft in Druckrichtung auf den Eingangsbereich 2 und die piezoelektrischen Teilkörper 6, 7, 8, die sich zwischen den isolierenden Schichten 17 befinden, ausgeübt werden. Als Resultat ergeben sich eine noch höhere Ausgangsspannung und eine höhere Ausgangsenergie.
• Bezugszeichenliste

1

Grundkörper

2

Eingangsbereich

3

Ausgangsbereich

4

primäre Elektroden

5

sekundäre Elektroden

6, 7, 8

piezoelektrische Teilkörper

9

isolierende Schicht

10, 11, 12

Dioden

13

piezoelektrische Teilschichten

14

erster elektrischer Kontakt

15

zweiter elektrischer Kontakt

16

weitere Diode

17

weitere isolierende Schicht

18

Achse

19

Feder

20

Gewindemutter

Claims (13)

1. Ein Hochspannungsgenerator aufweisend: – einen Grundkörper (1) aus piezoelektrischem Material, der einen Eingangsbereich (2) und einen Ausgangsbereich (3) aufweist, wobei der Eingangsbereich (2) mechanisch mit dem Ausgangsbereich (3) gekoppelt ist, – primäre Elektroden (4), die im Eingangsbereich (2) angeordnet sind, – sekundäre Elektroden (5), die im Ausgangsbereich (3) angeordnet sind, wobei zumindest der Ausgangsbereich (3) zumindest zwei piezoelektrische Teilkörper (6, 7, 8) umfasst, die mechanisch parallel miteinander gekoppelt sind, wobei die sekundären Elektroden (5) wenigstens an längsseitigen Enden der zumindest zwei piezoelektrischen Teilkörper (6, 7, 8) angeordnet sind, wobei räumlich benachbarte Teilkörper der zumindest zwei piezoelektrischen Teilkörper (6, 7, 8) abwechselnd jeweils an einem der längsseitigen Enden über eine der sekundären Elektroden (5) elektrisch miteinander gekoppelt und an einem anderen der längsseitigen Enden durch eine elektrisch isolierende Schicht (9) gegeneinander isoliert sind und wobei die sekundären Elektroden (5) elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei zumindest zwei Dioden (10, 11, 12), die jeweils elektrisch parallel zu den zumindest zwei piezoelektrischen Teilkörpern (6, 7, 8) geschaltet sind, wobei die Durchlassrichtung der Dioden (10, 11, 12) der Polarisierungsrichtung des jeweiligen Teilkörpers (6, 7, 8) entspricht, wobei der piezoelektrische Grundkörper (2) in Form eines zylindrischen Hohlkörpers ausgeführt ist und die piezoelektrischen Teilkörper (6, 7, 8) eine zylindrische Form aufweisen, wobei die piezoelektrischen Teilkörper (6, 7, 8) parallel zum Eingangsbereich (2) im Hohlraum des zylindrischen Hohlkörpers angeordnet sind und wobei die zumindest zwei Dioden (10, 11, 12) im Hohlraum des zylindrischen Hohlkörpers angeordnet sind.
2. Der Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrischen Teilkörper (6, 7, 8) parallel zu ihrer Längsachse in eine Polarisationsrichtung polarisiert sind und wobei die Polarisierungsrichtungen räumlich benachbarter Teilkörper (6, 7, 8) einander entgegen gerichtet sind.
3. Der Hochspannungsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die primären Elektroden (4) an Außenseiten des Grundkörpers (1) angeordnet sind.
4. Der Hochspannungsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Eingangsbereich (2) eine Vielschichtstruktur aufweist, die mehrere piezoelektrische Teilschichten (13) umfasst, wobei benachbarte Teilschichten (13) entgegengesetzt zueinander polarisiert sind und bei dem zumindest einige der primären Elektroden (4) im Inneren des Eingangsbereichs (2) und zwischen den Teilschichten (13) angeordnet sind.
5. Der Hochspannungsgenerator nach Anspruch 4, weiter aufweisend: – einen ersten elektrischen Kontakt (14), der mit einem ersten Teil der primären Elektroden (4) elektrisch gekoppelt ist, und – einen zweiten elektrischen Kontakt (15), der mit einem zweiten Teil der primären Elektroden (4) elektrisch gekoppelt ist.
6. Der Hochspannungsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der wenigstens eines der folgenden Merkmale aufweist: – eine weitere Diode (16), die elektrisch mit einer der sekundären Elektroden (5) gekoppelt ist, – einen Kondensator, der elektrisch mit der weiteren Diode (16) gekoppelt ist.
7. Der Hochspannungsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest einige der sekundären Elektroden (5) durch die isolierende Schicht (9) gegenüber den primären Elektroden (4) elektrisch isoliert sind.
8. Der Hochspannungsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die primären Elektroden (4) senkrecht zu den sekundären Elektroden (5) angeordnet sind.
9. Der Hochspannungsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Eingangsbereich (2) und die Teilkörper (6, 7, 8) des Ausgangsbereichs (3) mechanisch parallel miteinander gekoppelt sind.
10. Der Hochspannungsgenerator nach Anspruch 9, bei dem eine der sekundären Elektroden (5) mit wenigstens einer der primären Elektroden (4) elektrisch gekoppelt ist.
11. Der Hochspannungsgenerator nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei dem der piezoelektrische Grundkörper (1) im Eingangsbereich (2) und die piezoelektrischen Teilkörper (6, 7, 8) im Ausgangsbereich (3) zumindest teilweise auf ihren längsseitigen Enden mit einer weiteren isolierenden Schicht (17) bedeckt sind.
12. Ein Verfahren, bei dem ein Hochspannungsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, betrieben wird, bei dem der Hochspannungsgenerator auf einer Frequenz betrieben wird, die einer harmonischen Oberschwingung einer Grundschwingung des Grundkörpers (1) entspricht.
13. Das Verfahren nach Anspruch 12, bei dem an den Grundkörper (1) im Eingangsbereich (2) und die piezoelektrischen Teilkörper (6, 7, 8) im Ausgangsbereich (3) eine mechanische Vorspannung in eine Druckrichtung angelegt wird.

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