DE2433389A1 - Piezoelektrischer transformator - Google Patents

Description

SIEBIEFS AKTIENGESELLSCHAFT München, den 11.7.1974

Berlin und München Wittelsbacherplatζ

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Pie ζ 0 el elctris eher Transf ormat or

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Transformator der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art.

Solch ein Transformator ist beispielsweise aus der deutschen Auslogeschrift 1 806 124 bekannte Gemäß dieser Druckschrift sind auf einer Hälfte eines langen, flachen,, pieaokeramipchen. Blockes Anregungselektroden angebracht, dieser Teil des Blockes bildet den Treibteil. Die andere Hälfte des Blockes bildet den Lelstungserzeuger, dieser besitzt an seiner vom Treibteil abgowandten Flache eine Ausgangselektroöe. Diese Anordnung arbeitet als Transformator, wenn der Treibteil in Dickeiiriehtung zu Schwingungen angeregt wird, der- Leistungserzeuger dagegen in Längsrichtung. Dazu besitzt der piezokeraraische Körper ira Bereich elco Treibteiles e^ine Polarisation in Dickenrichtung, im Bereicb deb· iGistungoerssugers eine Polarisation in Längsrichturig An die Elektroden des Treibteilss wird eine Wechselspannung mit einer solchen Prequons gelegt, die der !Resonanzfrequenz für Läags sch\v^ri'aguii{ic.n des Leistuxigserseugera entspricht. Daroit werden in den) Block Längs schwingung en angeregt, die aufgrund der Ee hohe Arjplituclen aufweisen. SaTr;it k;üin aufgrund dos Effektes jjwiscjien dor Auogangaelektrode ans Lsi und e;i?ier der Ei η gangs elektroden eine Wuch,eels.pannvmg abgonoaaen werdei'., die vfosantlich höher al« die an. den Eingangs elektroden liegeii.c;e Wcehpolspa.rfaiai^ int» Geinäß dieser Auslegeschri.ft ist es auch möglich, am LeiotimpDerfieugor eine woiteru Elektrode in. der JTähe des üreibteiles vor aus eh on, in clioisem Pali wird die wesentlich höhere Wechselspannung an dor? beiden Elektroden des LeistungBei-MvHtgors augegriffen.

Eine derartige bekannte Vorrichtung ist ^eöoch leistungsmäßig

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verhältnismäßig stark beschränkt, da bei starken mechanischen Verformungen die Piezokeramik ihre hohe mechanische Güte verliert. Damit sinkt dann auch gleichzeitig das Übersetzungsverhältnis von Eingangs- zu Ausganggspannuiig.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Transformator aufzuzeigen, der für wesentlich höhere Leistungsübertragungen geeignet ist. Diese Aufgabe wird durch einen wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen piezoelektrischen Transformator gelöst, der erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen dieses Anspruches ausgebildet ist.

Die Erfindung besitzt gegenüber bekannten piezoelektrischen Transformatoren großs Vorteile: Die Lamellen kann man außerordentlich dünn herstellen, so daß sie folienähnlich sind. Dadurch kann die geometrische Übersetzung des Transformators entscheidend gesteigert werden. Unter geometrischer Übersetzung wird das Verhältnis der Länge der Lamelle zu ihrer Dicke verstanden* Aufgrund dieser hohen Übersetzung ist auch die Spamrangsübersetzung sehr hoch, d.h. bereits bei geringer, an den Elektroden des Treibteiles anliegender Eingangespannung kann von den Elektroden des Lsistungserz&ugers eins sehr hohe Aus-gsiigsspanuung abgegriffen werden.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Lamellen aus piezoelektrischer Keramik mit niedriger mechanischer Schwinggüte bestehen dürfen« Vorteilhaft ist weiterhin, daß bei Verwendung einer Keramik mit niedriger Schwinggüte eine verbesserte Lelstungsüber~ tragung aufgrund besserer Kopplungsfaktoren erreicht wird«-Zusätzlich besitzt der erfiiiuungsgesiäße Transformator eine hohe Bandbreite $ d.h. er kann-in einem weiten Frequenzbereich arbeiten«.

¥eitex^:i"ii:a besitzt die Erfindung den Vorteil, daß dünne Lamellen auü PIesolLurasIk wesentlich, leichter als ein verhältnismäßig dicker Block aus Piezokeramik polarisiert v/er den können. Außerdem entstehen boi Lamellen Im Gebiet des Wechsels der PolarisatloiiRrfchtung, d.h. im Gebiet zwischen Treibteil und. Leistimgserzeuger_r nur geringe mechanische Spannungen, so daß diese-Lamellen für eir>e iauerbeansm*achu.,ng durch Schwingungen

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besonders gut geeignet sind.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der E_rfindung anhand der Figuren erläutert.

Figur 1 zeigt eine Gesamtansicht des piezoelektrischen Transformators.

Figur 2 zeigt eine Darstellung nach Art einer Explo's ions zeichnung.

Figur 5 zeigt ein Schnitfbild durch den Transformator gemäß der Schnittlinie IH-III in eier Figur 1.

Figur 4 zeigt ein entsprechendes Schnittbild für eine abgewandelte Ausführungsform,

Gemäß Figur 1 besteht der piezoelektrische Transformator beispielsweise aus den 4 piezokeramisehen Lamellen 1,2,3$4. Im Bereich des Treibteiles 8 besitzt jede Lamelle auf ihrer Ober- und Unterseite jeweils eine Metallisierung» Diese Metallisierungen sind_? wie weiter unten noch genauer dargestellt wird, mit den Anschlüssen 5 und 6 verbunden, so daß die Lamellen Dieigenschwingungen ausführen, sobald die Anschlüsse 5 und 6 mit einer Wechselspannung verbunden werden. Im Bereich des Leistungserzeugers 9 besitzen die Lamellen jeweils eine weitere Metallisierung, die mit dem Anschluß 7 verbunden ist. Sobald die Lamellen - zu LängsSchwingungen im Bereich des Leistungserzeugere angeregt worden, kann zwischen den Anschlüssen 6 und 7 bzw. 5 und 7 eine wesentlich höhere Wechselspannung abgegriffen worden als die Wechselspannung, die über die Anschlüsse 5 und 6 eingespeist wird. Wahlweise können die Lamellen im Beisich des Leistung^·· erzeuger^, in der Fähe des Treibteiles jeweils eine weitere Metallisierung 71 besitzen_? die mit dem Anschluß 72 verbunden ist. In diesem Fall kann die wesentlich höhere Wechselspannung ' auch »wischen den Anschlüssen 7 und 72 abgegriffen werden.

Die weiteren Einzelheiten werden anhand der Figur2 erläutert. Dabei besitzen einander entsprechende Positionen die gleichen Bezu;tözeichon wie in der Figur 1_r Im Bereich des Treibteiler.

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8 besitzen die Lamellen eine Polarisation in Dickenrichtung. Die Richtung dieser Polarisation ist mit den Pfeilen 104 bis 107 angedeutet. Im Bereich des Leistungserzeugers besitzen die Lamellen eine Polarisation in Längsrichtung, welche durch die Pfeile 100 bis 103 angedeutet ist. An der Seite des Leistungserzeugers, die vom Treibteil abgewandt ist, besitzen die Lamellen die Metallisierungen 12, 22, 32 und 42, diese Metallisierungen sind mit dem Anschluß 7 verbunden. Im Bereich des Treibteiles besitzt 3ede Lamelle jeweils zwei Metallisierungen, die Lamelle 1 die Metallisierungen 10 und 11, die Lamelle 2 die Metallisierungen 20 und 21, die Lamelle 3 die Metallisierungen 30 und 31, die Lamelle 4 die'Metallisierungen 40 und 4L Dabei sind die Mobilisierungen 11, 21, 31, 41 mit dein Anschluß 6 verbunden, die Metallisierungen 10, 20, 30, 40 mit dem Anschluß 5. Man erkennt, daß die jeweils zwischen zwei Lamellen liegenden Metallisierungen mit dem gleichen Anschluß verbunden werden. Um zu erreichen, daß die Lamellen bei dieser Schaltung der Metallisierungen gleichphasig schwingen, ist die Polarisation einer Lamelle antiparallel "zur Polarisation der benachbarten Lamelle_;. wie man aus den Pfeilen 104 bis 107 erkennt. Aufgrund der hier dargestellten Schaltung der Metallisierungen können die Lamellen im Bereich des Treibteiles mit einem elektrisch leitenden Kleber miteinander verbunden werden. Eins andere Möglichkeit besteht beispielsweise darin, die Metallisierungen aufeinander zu sintern oder als Zwischenlage für zv/ei Lamellen eine gemeinsame Metallisierung vorzusehen.

Die durch Sintern miteinander verbundenen Metallisierungen sind beispielsweise in der. Figur 3 dargestellt, die ein Sclinittbild entlang der Schnittlinie IH-III in der Figur 1 zeigt. Die jeweils zwischen zwei Lamellen liegenden Metallisierungen^1 und 21, 20 und 30, 31 und 41 sind zu einer metallischen Zwischenlage miteinander verbunden.

Bine andere Möglichkeit wird in der Figur 4 gezeigt. Hier sind die Lamellen im Bereich des Treibteiles zueinander parallel polarisiert* Dies ist mit den Pfeilen IO4O, 1050, 1060 und 1070 symbolisiert. In diesem Fall sind die Metallisierungen zwischen den Lamellen voneinander durch einen isolierenden Kleber oder

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eine isolierende Folie voneinander isoliert, entsprechend zeigt die Figur die isolierenden Zwischenschichten 50, 51, 52.

Die Polarisierung der Lamellen ist sehr einfach herzustellen: I¹Ur die Polarisierung in Längsrichtung der Lamellen werden auf der Lamelle mehrere Hilfselektrode!! vorübergehend aufgebracht, durch Anlegen der Polarisations spannung an jeweils zwei Hilfselektroden wird der Bereich der Lamelle zwischen diesen Elektroden polarisiert. Für die Polarisierung in Dickenrichtung können die Metallisierungen im Bereich des Treibteiles der Lamelle beritzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfinüiig bestand au β 10 Lamellen, die jeweils eine Länge von 80 mm und eine Dicke von 0,22 mm "besaßen. Die Metallisierungen im Treibteil der Lamelle besaßen jeweils eine Länge von 40 mm. Bsi einer Eingangsspannung von 30 V, die an den Anschlüssen 5 und 6 liegt, konnte zwischen den Anschlüssen 6 und 7 bzw. 5 und 7 eine Ausgangsspannung von sehr als 6000 Y abgegriffen werden, Dieser Spannungswert entspricht dem Betrieb in Leerlauf, unter Belastung sinkt die Ausgangs-Spannung ab, es lassen sich jedoch, sehr hohe Spannungsübersetzungen erreicht. Damit ist es möglich, einen piezoelektrischen Eransformator für Hochspannungen zu bauen, wie er beispielsweise in tragbaren Fernsehgeräten eingebaut werden kann. Für diesen Verwendungszweck ist die Erfindung hervorragend geeignet.

5 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims (5)

P atentansprüehe

1.]Piezoelektrischer Transformator mit einem langgestreckten ^. ' Piezokörper mit einem Treibteil und einem Leistungserzeuger, wobei am Treibteil Metallisierungen zum Anschluß an eine Eingang sv/e chs öl spannung angeordnet sind, wobei der Piezokörper im Treibteil eine senkrecht zur Längsrichtung des Piezokörper-s und von einer zur anderen Metallisierung gerichtete Polarisierung besitzt, wobei am Leistungserzeuger mindestens eine weitere Metallisierung zum Abgriff einer Ausgangswechselspannung angeordnet ist, und wobei der Piezokörper im Bereich des Leißtungserzeugers eine Polarisierung in Längsrichtung besitzt, dadurch gekennzeichnet , daß der Piezokörper parallel zu seiner Längsachse aus dünnen. Lamellen (1, 2, 3, 4) geschichtet ist, daß im Bereich des Treibteiles (8) der Lamellen auf deren Ober- und Unterseite jeweils eine Metallisierung (10, 11, 20, 21, 30, 31, 40, 41) zum Anschluß an die Eingangs-wechselspannung angeordnet ist, daß die Polarisierung (104-, 105, 106, 107, 1040, 1060, 1060, 1070) im Bereich des Treibteiles in Dickenrichtung der Lamellen gerichtet ist, daß die Lamellen an vom Treibteil abgewaiidten Ende des leistungseraeugors (9) eine weitere Metallisierung (12, 22, 32, 42) zum Abgriff der Au sgaiigswe chs el spannung besitzen, und daß die Polarisierung (1GO, 101, 102, 103) im Bereich des Leistungserzeugers in Längsrichtung der Lamellen verläuft«

2. Piezoelektrischer Transformator nach Atispruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß die Polarisierungen (1040, 1050, 1060j 1070) zweier benachbarter Lamellen im Bereich des Treib™ teiles zueinander parallel und gleichgerichtet sind, und daß die Metallisierungen benachbarter Lamellen im Bereich des Treibteilet? mittels Isolierschichten (50, 51, 52) voneinander elektrisch isoliert sind«

3» Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 1, dadurch ge k e 11 11 ζ e i c h η e t , daß die Polarisierungen zweier benachbarter Lamellen im Bereich des Treibfceiles zueinander anti-

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parallel sind.

4. Piezoelektrischer Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis . dadurch gekennzeichnet , , daß die Lamellen im Bereich des Leistungserzeugers in der Nähe des Treibteiles jeweils eine weitere Metallisierung'(71) besitzen, die mit einem Anschluß (72) verbindbar ist.

5. Piezoelektrischer Transformator, gekennzeichnet durch eine Piezokeramik auf Basis eines

Pb (Mg-J/3 ^2/3) °3 ~ ^⁰ ^⁰"⁷ '

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