DE69518896T2 - Piezoelektrischer Wandler - Google Patents
Piezoelektrischer WandlerInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Wandler, der eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweist und mit einer hohen Frequenz in dem praktischen Bereich betrieben werden kann. Der piezoelektrische Wandler nach der vorliegenden Erfindung ist insbesondere nützlich für einen DC-DC-Wandler, der in einem Faxgerät vorgesehen ist oder für eine Hochdruckerzeugungsröhre eines Ozongenerators benutzt wird.
- Ein typischer herkömmlicher piezoelektrischer Wandler, bekannt als der Wandler vom "Rosen-Typ" ist dargestellt in dem Buch: "piezoelectric Ceramics" von B. Jaffe, W. R. Cook Jr. und H. Jaffe, veröffentlicht in Zusammenarbeit mit "Academic Press Limited" 1971, auf Seite 278. Der Wandler vom Rosen-Typ umfasst ein piezoelektrisches keramisches Element in Form einer länglichen Platte. Ein erster Teil der Platte ist in der Richtung der Dicke polarisiert und liegt zwischen einem Elektrodenpaar. Ein zweiter Teil des piezoelektrischen keramischen Elementes ist in der Längsrichtung polarisiert und ist mit zwei Elektroden versehen, wobei die eine sich am Ende des piezoelektrischen keramischen Elementes in einem Abstand von dem ersten Teil befindet, während die andere den Elektroden des ersten Teils entspricht. Wenn eine Wechselspannung mit einer Resonanzfrequenz entsprechend der Längsabmessung des piezoelektrischen keramischen Elementes über die Elektroden des ersten Teils angelegt wird, wird durch den piezoelektrischen Effekt eine große mechanische Schwingung in der Längsrichtung erzeugt. Diese Schwingung wird durch den piezoelektrischen Effekt in eine Ausgangsspannung an dem zweiten Teil umgewandelt, so dass zwischen den Elektroden des zweiten teile eine hohe Spannung erzeugt wird. Auf diese Weise wird eine elektrische Eingangsenergie in eine mechanische Energie umgewandelt, die danach in eine große Ausgangsspannung umgewandelt wird, wobei diese Spannung einige Hunderte Male größer sein kann als die Eingangsspannung.
- Ein piezoelektrischer Wandler in Form einer ebenen Platte mit einer Anzahl piezoelektrischer keramischer Schichten ist ebenfalls bekannt aus der Japanischen Patentanmeldung Nr. 18776/92 und aus dem US-Patent Nr. 5.118.982. Dieser piezoelektrische Wandler umfasst einen ersten Teil und einen zweiten Teil, die je piezoelektrische keramische Schichten aufweisen, die in der Richtung der Dicke polarisiert sind und Elektroden, die je zwischen den benachbarten piezoelektrischen keramischen Schichten vorgesehen sind. Die piezoelektrische keramische Schicht des ersten Teils und des zweiten Teils haben je eine andere Dicke. Dieser herkömmliche piezoelektrische Wandler ist vorteilhaft, da die mechanische Schwingung in der Richtung der Dicke benutzt wird, da er eine niedrige Ausgangsimpedanz hat und mit einer hohen Frequenz betrieben werden kann.
- Ein piezoelektrischer Wandler mit einem ersten Teil, der piezoelektrische keramische Schichten aufweist und mit einem zweiten Teil mit nur einer keramischen Schicht ist bekannt aus JP-A-OS 235432. Die piezoelektrischen keramischen Schichten des ersten und zweiten Teils dieses piezoelektrischen Wandlers sind in der Richtung der Dicke polarisiert. Die piezoelektrischen keramischen Schichten des ersten Teils sind in zwei Gruppen aufgeteilt, welche die piezoelektrische keramische Schicht des zweiten Teils einschließen.
- Wenn der Wandler vom "Rosen-Typ" hergestellt wird, erfordert die Polarisation in der Längsrichtung eine höhere Spannung als im Vergleich zu der Polarisation in der Dickenrichtung. Weiterhin ist, weil der Abstand zwischen den Elektroden des zweiten Teils groß ist, die Ausgangsimpedanz groß. Dadurch ist die Ausgangsspannung abhängig von der Belastungsimpedanz. Das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung ist ebenfalls abhängig von der Belastungsimpedanz.
- Der bekannte piezoelektrische Wandler mit einer Anzahl piezoelektrischer keramischer Schichten erfordert eine Eingangsspannung mit einer hohen Frequenz, von beispielsweise einigen MHz. Der Grund dazu ist, dass die Resonanzfrequenz für eine mechanische Schwingung einer piezoelektrischen keramischen Schicht abhängig ist von der Größe der piezoelektrischen keramischen Schicht in der Richtung der Schwingung, d. h. in der Dickenrichtung. Die piezoelektrische keramische Schicht des bekannten Wandlers sollte deswegen mit einer sehr hohen Frequenz ist Schwingen gebracht werden. In der Praxis ist es aber schwer, die piezoelektrische Schicht mit sehr hohen Frequenzen schwingen zu lassen. Weiterhin ist bei einer HF-Schwingung, von einigen MHz, der Dielektrizitätsverlust groß, so dass die Umwandlungseffizienz gering wird. Eine unerwartete Längsschwingung tritt ebenfalls durch den Effekt der Dickenschwingung der piezoelektrischen keramischen Schicht auf. Da die Resonanzfrequenz der Dickenschwingung eine Hochfrequenz von einigen MHz ist, während die Resonanzfrequenz der Längsschwingung eine niedrige Frequenz ist, umfasst die unerwartete Längsschwingung Streuanteile mit einer Längsresonanzfrequenz höherer Ordnung. Da die Längsschwingung auf diese Weise auftritt, wird die Umwandlungseffizienz des Wandlers noch weiter reduziert.
- Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrischen Wandler mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz und einer hohen Umwandlungseffizienz zu schaffen, der geeignet ist zur Miniaturisierung und zum Betreiben mit einer hohen Frequenz in einem praktischen Bereich.
- Dazu weist ein piezoelektrischer Wandler mit einem ersten und einem zweiten Teil, die je piezoelektrische keramische Schichten mit zwischenliegenden inneren Elektrodenschichten aufweisen, wobei die piezoelektrischen keramischen Schichten in der Richtung der Dicke polarisiert sind, wobei die piezoelektrischen keramischen schichten des ersten Teils in zwei Gruppen aufgeteilt sind, welche die piezoelektrischen keramischen Schichten des zweiten Teils einschließen, das Kennzeichen auf, dass Materialien der piezoelektrischen keramischen Schichten des ersten Teils und des zweiten Teils einen elektromechanischen Koppelkoeffizienten K&sub3;&sub1; von wenigstens 0,3 haben. Mit dem Wandler nach der Erfindung kann eine Ausgangsspannung der piezoelektrischen keramischen Schichten des zweiten Teils dadurch erzeugt werden, dass dem ersten Teil eine Spannung zugeführt wird, die eine Resonanzfrequenz hat in der Richtung senkrecht zu der Dicke der piezoelektrischen keramischen Schichten des ersten Teils oder des zweiten Teils.
- Weiterhin weist eine bevorzugte Ausführungsform des piezoelektrischen Wandlers nach der Erfindung das Kennzeichen auf, dass die Dicke der piezoelektrischen keramischen Schichten des ersten Teils größer ist als die Dicke der piezoelektrischen keramischen Schichten des zweiten Teils. Bei einer zweitbevorzugten Ausführungsform des Wandlers nach der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der piezoelektrischen keramischen Schichten des ersten Teils kleiner als die Dicke der piezoelektrischen keramischen Schichten des zweiten Teils. Bei der ersten Ausführungsform wird der piezoelektrische Wandler nach der vorliegenden Erfindung benutzt als Abwärtswandler benutzt. Bei der zweiten Ausführungsform wird der piezoelektrische Wandler nach der vorliegenden Erfindung als Aufwärtswandler benutzt.
- Eine andere bevorzugte Ausführungsform des piezoelektrischen Wandlers nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil eine Entkopplungsschicht vorgesehen ist, die ein Material aufweist, dessen Dielektrizitätskonstante niedriger ist als die des Materials der piezoelektrischen keramischen Schichten.
- Wenn ein piezoelektrischer Wandler nach der vorliegenden Erfindung benutzt wird, ist es nicht notwendig, an die piezoelektrischen keramischen Schichten zum Polarisieren in der Richtung der Dicke eine große Spannung anzulegen, weil die Dicke der Schichten gering ist. Die Ausgangsimpedanz ist proportional zu dem Abstand zwischen den Elektroden, welche die piezoelektrischen keramischen Schichten einschließen. Da der Abstand zwischen den Elektroden nach der vorliegenden Erfindung der Dicke einer einzigen piezoelektrischen keramischen Schicht entspricht, kann die Ausgangsimpedanz gering sein. Da die Ausgangsimpedanz gering ist, ist das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung weniger abhängig von der Belastungsimpedanz. Da der piezoelektrische Wandler nach der vorliegenden Erfindung eine Anzahl piezoelektrischer keramischer Schichten aufweist, kann ein großer Ausgangsstrom erhalten werden. Ob der piezoelektrische Wandler ein Aufwärtswandler oder ein Abwärtswandler ist, ist abhängig von der Differenz in der Dicke zwischen den piezoelektrischen keramischen Schichten des ersten Teils und den piezoelektrischen keramischen Schichten des zweiten teils. Die Ausgangsimpedanz jedes Wandlers ist gering, weil der Abstand zwischen den Elektroden jedes Wandlers gering ist.
- Das Tastverhältnis des Wandlers nach der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise wenigstens 1,5 betragen. Wenn die Länge des Wandlers dessen Breite nahezu entspricht, kann die Resonanzfrequenz in der Längsrichtung der Resonanzfrequenz in der Dickenrichtung nahezu entsprechen, so dass die Umwandlungseffizienz gering wird.
- Der piezoelektrische Wandler nach der vorliegenden Erfindung benutzt den piezoelektrischen Effekt durch eine Längsschwingung. Eine Material, geeignet für eine Längsschwingung, erfordert einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K&sub3;&sub1; von wenigstens 0,3. Vorzugsweise wird PZT oder PLZT als Material der piezoelektrischen keramischen Schicht benutzt. So enthält beispielsweise PZT PbZrO&sub3;, PbTiO&sub3; und Gemische derselben. Das Verhältnis von PbZrO&sub3; zu PZT kann zwischen der Größenordnung von 52% und 57% liegen um zu verwirklichen, dass K&sub3;&sub1; mehr ist als 0,3.PZT mit K&sub3;&sub1; von mehr als 0,2, dargestellt in dem obengenannten Buch "Piezoelectric Ceramics" auf Seite 143. PXE54 (Philips) kann ebenfalls benutzt werden als piezoelektrisches keramisches Material. Die Resonanzfrequenz der piezoelektrischen keramischen Schicht ist abhängig von dem piezoelektrischen Material und von der Abmessung des piezoelektrischen Wandlers in der Richtung der Schwingung, wie in der nachfolgenden Gleichung 1 dargestellt.
- wobei "f" die Resonanzfrequenz ist, "l" die Länge des piezoelektrischen Wandlers ist, " " die Dichte des Materials der piezoelektrischen keramischen Schicht ist, "s" die Schallgeschwindigkeit ist, "E" die mechanische Nachgiebigkeit in der Längsrichtung ist und wobei "n" und "m" konstante Werte sind. Da die Längsresonanzfrequenz der piezoelektrischen keramischen Schicht nach der vorliegenden Erfindung vorzugsweise etwa 100 kHz ist, ist es nicht schwer, den piezoelektrischen Wandler anzutreiben, was bedeutet, dass der piezoelektrische Wandler nach der vorliegenden Erfindung eine Antriebsfrequenz in einem praktischen Bereich haben kann.
- Da der zweite Teil des piezoelektrischen Wandlers zwischen den beiden Gruppen des ersten Teils wie ein Sandwich vorgesehen ist, wird der piezoelektrische Wandler nicht lateral gebogen. Deswegen ist der Energieverlust durch eine Schwingung in der Biegemode gering.
- Weiterhin ist zwischen einem ersten Teil und einem zweiten Teil vorzugsweise eine Entkopplungsschicht mit einer niedrigen relativen Dielektrizitätskonstanten vorgesehen, so dass eine Interferenz an der Grenze zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil nicht auftritt. Die Degradation der Umwandlungseffizienz des piezoelektrischen Wandlers kann durch diese Maßnahme verringert werden.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers nach der vorliegenden Erfindung,
- Fig. 2 eine Schaubildliche Ansicht der ersten Ausführungsform des piezoelektrischen Wandlers,
- Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers nach der vorliegenden Erfindung,
- Fig. 4 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers nach der vorliegenden Erfindung.
- In Fig. 1 und 2 umfasst ein piezoelektrischer Wandler 1 zwei Gruppen 6 und 7 des ersten Teils, wobei in jedem dieser Teile eine Anzahl dünner piezoelektrischer keramischer Schichten 10 mit je einer rechteckigen Form und polarisiert in der Richtung der Dicke, wie durch Pfeile A und B angegeben, mehrfach geschichtet sind und eines zweiten Teils 8, in dem eine Anzahl dicker piezoelektrischer keramischer Schichten 12 mehrfach geschichtet und in der Richtung der Dicke polarisiert sind, wobei der zweite Teil 8 zwischen den beiden Gruppen 6 und 7 des ersten Teils vorgesehen ist.
- Die Elektroden 2, 3, 4 und 5 sind alle in der Form einer flachen Schicht. Die piezoelektrischen keramischen Schichten 10 oder 11, die in der Richtung der Dicke polarisiert sind, sind zwischen diesen Elektroden vorgesehen. Die piezoelektrischen keramischen Schichten 10 und 11 sind durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes in der Richtung von A und B bevor sie mehrfach geschichtet wurden, polarisiert worden. Die piezoelektrischen keramischen Schichten 10 und 11 sind derart vorgesehen, dass die polarisierte Richtung jeder Schicht wechselweise invertiert ist. Ein piezoelektrischer Wandler mit solchen internen mehrfach geschichteten Elektroden kann nach der bekannten Multischicht-Keramik-Technologie hergestellt werden, wobei diese Technologie im Bereich von Multischicht-Keramik-Kondensatoren benutzt wird. Bei dem nach einem derartigen Verfahren hergestellten piezoelektrischen Wandler kann die Dicke der Schicht klein gemacht werden bis etwa 10 bis 25 m. Die Materialien der piezoelektrischen keramischen Schichten 10 und 11 sollten vorzugsweise sehr empfindlich sein für Längsschwingung. Dies wegen der Tatsache, dass wenn der elektromechanische Koppelkoeffizient K&sub3;&sub1; des piezoelektrischen keramischen Schichtmaterials unterhalb 0,3 liegt, die Umwandlungseffizienz des piezoelektrischen Wandlers wesentlich niedrig wird. Bei dieser Ausführungsform wird ein PZT-Material mit einem elektromechanischen Koppelkoefflzienten K&sub3;&sub1; von 0,35 benutzt. Ein derartiges piezoelektrisches Material mit K&sub3;&sub1; von 0,35 kann auf einfache Art und Weise aus dem oben genannten Buch "Piezoelectric Ceramics" von B. Jaffe, W. R. Cook Jr. und H. Jaffe auf Seite 143 entnommen werden. Die Dicke, die Breite und die Länge jeder piezoelektrischen keramischen Schicht 10 des ersten Teils sind 20 m, 6 mm bzw. 12 mm. Das Seitenverhältnis der Länge zu der Breite ist als 2. Die Anzahl piezoelektrischer keramischer Schichten 10 des ersten Teils beträgt insgesamt 12. Die zwei Gruppen 6 und 7 enthalten je sechs Schichten und schließen den zweiten Teil 8 mit piezoelektrischen keramischen Schichten 11 ein. Die Dicke, die Breite und die Länge jeder piezoelektrischen Schicht 11 des zweiten Teils 8 sind 80 m, 6 mm bzw. 12 mm. Die Anzahl piezoelektrischer keramischer Schichten 11 des zweiten Teils ist 4. Die Elektroden 2, 3, 4 und 5 liegen zwischen den piezoelektrischen keramischen Schichten 10 oder 11, so dass eine Spannung an jede piezoelektrischen keramischen Schicht in der Richtung A oder B angelegt werden kann. Als Elektrodenmaterial wird eine AgPd- Legierung verwendet. Damit an jede piezoelektrische keramische Schicht 10 eine Spannung angelegt werden kann, ist jede Elektrode 2, 3 in den zwei Gruppen 6 und 7 mit jeweils zwei Elektroden und mit einer positiven Elektrodenklemme 12 oder mit einer negativen Elektrodenklemme 13 verbunden. Jede Elektrode 4, 5 in dem zweiten Teil 8 ist ebenfalls mit jeweils zwei Elektroden und mit einer positiven Elektrodenklemme 14 oder mit einer negativen Elektrodenklemme 15 verbunden. Die negative Elektrodenklemme 13 des ersten Teils und die negative Elektrodenklemme 15 des zweiten Teils können miteinander verbunden sein, damit sie dasselbe Potential haben.
- An die Klemmen der Gruppen 6 und 7 wird eine Wechselspannung von etwa 2 V angelegt. Die Frequenz der Wechselspannung beträgt 120 kHz, wobei diese Frequenz einer Resonanzfrequenz erster Ordnung in der Längsrichtung der piezoelektrischen keramischen Schichten 10 und 11 nahezu entspricht. Dadurch werden die piezoelektrischen keramischen Schichten 10 der Gruppen 6 und 7 in der Längsrichtung durch den piezoelektrischen Effekt ins Schwingen gebracht. Da die piezoelektrischen keramischen Schichten 10 der Gruppen 6 und 7 in der Längsrichtung ins Schwingen gebracht werden, werden die piezoelektrischen keramischen Schichten 11 des Zweiten Teils 8 ebenfalls in der Längsrichtung ins Schwingen gebracht. Da die piezoelektrischen keramischen Schichten 11 auf diese Weise in der Längsrichtung ins Schwingen gebracht werden, wird zwischen den Elektroden 4 und 5 des zweiten Teils 8 durch den piezoelektrischen Effekt eine Spannung erzeugt. Die erzeugte Spannung ist zu einem Abstand zwischen den Elektroden in dem zweiten Teil proportional, so dass eine Ausgangsspannung von etwa 8 V zwischen den Klemmen 14 und 15 erhalten wird. Das Verhältnis der Ausgangsspannung zu der Eingangsspannung entspricht dem Verhältnis der Dicke des zweiten Teils zu der des ersten Teils. Bei dieser Ausführungsform beträgt das Verhältnis der Ausgangsspannung zu der Eingangsspannung etwa 4. Da der zweite Teil 8 zwischen den Gruppen 6 und 7 wie ein Sandwich vorgesehen ist, wird der piezoelektrische Wandler 1 selber nicht in seitlicher Richtung gebogen. Da die Dicke der piezoelektrischen keramischen Schichten 11 des zweiten Teils 8 dünn ist, d. h. 80 m, ist eine Ausgangsimpedanz im Vergleich zu der Ausgangsimpedanz des Wandlers vom "Rosen-Typ" viel niedriger. Bei dieser Ausführungsform beträgt die Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 14 und 15 etwa 8 V, sogar wenn eine Belastungsimpedanz den Wert von 10 Ohm übersteigt.
- Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen piezoelektrischen Wandler einer zweiten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung. Die Gruppen 22 und 23 des ersten Teils des piezoelektrischen Wandlers 21 enthalten piezoelektrische keramische Schichten 25, die je in der Richtung A oder B polarisiert sind. Ein zweiter Teil 24 umfasst piezoelektrische keramische Schichten 26, die je in der Richtung A oder B polarisiert sind. Die piezoelektrische keramische Schicht 25 ist dicker als die piezoelektrische keramische Schicht 26. Dadurch kann der piezoelektrische Wandler 21 als Abwärtswandler benutzt werden.
- Fig. 4 ist ein Schnitt durch einen piezoelektrischen Wandler einer dritten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung. Zwischen einer Gruppe 32 und dem zweiten Teil 34 und zwischen einer Gruppe 33 und dem zweiten Teil 34 sind Entkopplungsschichten 37 bzw. 38 vorgesehen. Diese Entkopplungsschichten 37 und 38 bestehen aus einem Material, beispielsweise Al&sub2;O&sub3;, mit einer niedrigen relativen Dielektrizitätskonstanten. Nach den oben erwähnten zwei Ausführungsformen aus den Fig. 1, 2 und 3 kann die Umwandlungseffizienz an dem Teil zwischen den Gruppen und dem zweiten Teil ziemlich niedrig sein, und zwar wegen der Interferenz des piezoelektrischen Effektes. Nach dieser Ausführungsform ist die Entkopplungsschicht mit einer niedrigen relativen Dielektrizitätskonstanten zwischen den piezoelektrischen keramischen Schichten 35 und 36 vorgesehen, so dass die Interferenz zwischen den Gruppen des ersten Teils und des zweiten Teils nicht auftritt. Dadurch kann die Degradation der Umwandlungseffizienz verringert werden.
- Wie oben beschrieben, kann nach der vorliegenden Erfindung ein piezoelektrischer Wandler mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz und geeignet zur Miniaturisierung und zum Betreiben mit einer hohen Frequenz in einem praktischen Bereich erhalten werden.
Claims (4)
1. Piezoelektrischer Wandler (1) mit einem ersten und einem zweiten Teil
(8), die je piezoelektrische keramische Schichten (10, 11) mit zwischenliegenden
inneren Elektrodenschichten (2, 3, 4, 5) aufweisen, wobei die piezoelektrischen
keramischen Schichten (10, 11) in der Richtung der Dicke (A, B) polarisiert sind, wobei die
piezoelektrischen keramischen Schichten (10) des ersten Teils in zwei Gruppen (6, 7)
aufgeteilt sind, welche die piezoelektrischen keramischen Schichten (11) des zweiten
Teils (8) einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass Materialien der piezoelektrischen
keramischen Schichten (10, 11) des ersten Teils und des zweiten Teils (8) einen
elektromechanischen Koppelkoeffizienten K&sub3;&sub1; von wenigstens 0,3 haben.
2. Piezoelektrischer Wandler (1) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Dicke der piezoelektrischen keramischen Schichten (10) des ersten Teils
größer ist als die Dicke der piezoelektrischen keramischen Schichten (11) des zweiten
Teils (8).
3. Piezoelektrischer Wandler (1) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Dicke der piezoelektrischen keramischen Schichten (10) des ersten Teils
kleiner ist als die Dicke der piezoelektrischen keramischen Schichten (11) des zweiten
Teils (8).
4. Piezoelektrischer Wandler (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Entkopplungsschicht (37, 38) zwischen dem ersten Teil und
dem zweiten Teil (8) vorgesehen ist, wobei diese Entkopplungsschicht (37, 38) ein
Material aufweist, dessen relative Dielektrizitätskonstante niedriger ist als die des
Materials der piezoelektrischen keramischen Schichten (10, 11).
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