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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische keramische Transformatoren.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung mehrschichtige piezoelektrische
keramische Transformatoren.
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2. Stand der Technik
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Gewickelte
elektromagnetische Transformatoren sind erzeugt worden, um Hochspannung
in internen Hauptstromkreisen von Geräten, wie zum Beispiel Fernsehgeräten, oder
in Ladegeräten
von Kopiermaschinen, die Hochspannung erfordern, zu erzeugen. Solche
elektromagnetischen Transformatoren gibt es in Form eines Leiters,
der auf einen Kern aus einem magnetischen Stoff gewickelt wird.
Da eine große
Anzahl von Windungen erforderlich ist, um ein großes Übersetzungsverhältnis zu
erzielen, sind elektromagnetische Transformatoren, die wirksam und
gleichzeitig kompakt und von schlanker Form sind, schwierig herzustellen.
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Um
dieses Problem zu lösen,
sind nach dem Stand der Technik piezoelektrische Transformatoren bereitgestellt
worden, die den piezoelektrischen Effekt ausnutzen. Die Größe eines
piezoelektrischen Transformators kann kleiner sein als die von elektromagnetischen
Transformatoren mit vergleichbarem Übersetzungsverhältnis. Piezoelektrische
Transformatoren können
nichtentzündbar
ausgelegt werden, und sie erzeugen keine elektromagnetisch induzierten
Störgeräusche.
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Der
in piezoelektrischen Transformatoren des Standes der Technik verwendete
keramische Körper
nimmt verschiedene Formen und Anordnungen an, wie unter anderem
Ringe, flache Tafeln und ähnliches.
Ein typisches Beispiel eines piezoelektrischen Transformators des
Standes der Technik wird üblicherweise
als piezoelektrischer „Rosen-Transformator" bezeichnet. Der
grundlegende Rosen-Transformator wurde in dem
US-Patent Nr. 2,830,274 , erteilt auf
Rosen, offengelegt, und zahlrei che Variationen dieses grundlegenden
Gerätes
sind nach dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Der typische piezoelektrische
Rosen-Transformator umfasst eine flache Keramiktafel
10,
die wesentlich länger
als breiter und wesentlich breiter als dick ist. Wie in
1 gezeigt
wird, wird ein piezoelektrischer Körper
10 verwendet,
bei dem einige Abschnitte unterschiedlich zu anderen polarisiert
sind. In dem Fall von
1 liegt der piezoelektrische
Körper
10 in
Form einer flachen Tafel vor, die wesentlich breiter als dick ist
und die eine größere Länge als
Breite aufweist. Ein wesentlicher Abschnitt der Tafel
10,
der Abschnitt
12 rechts von der Mitte der Tafel, ist in
Längsrichtung
polarisiert, während
der Rest der Tafel in Querrichtung zu der Ebene der Vorderseite
der Tafel polarisiert ist. In diesem Fall ist der Rest der Tafel
genau genommen in zwei Abschnitte unterteilt, wobei ein Abschnitt
14 in
einer Richtung in Querrichtung polarisiert ist und der Rest der
linken Hälfte
der Tafel, der Abschnitt
16, ebenfalls in Querrichtung
polarisiert ist, jedoch in der Richtung entgegengesetzt zu der Polarisierungsrichtung
in dem Abschnitt
14.
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Damit
elektrische Spannungen ins Verhältnis zu
der mechanischen Beanspruchung der Tafel 10 gebracht werden
können,
werden Elektroden bereitgestellt. Wenn dies gewünscht wird, kann eine gemeinsame
Elektrode 18 vorhanden sein, die als geerdet gezeigt wird.
Für den
Primäranschluss
und zum Verknüpfen
der Spannung auf gegenüberliegenden Oberflächen des
in Querrichtung polarisierten Abschnittes 14 der Tafel 10 ist
eine Elektrode 20 gegenüberliegend
zu der gemeinsamen Elektrode 18 vorhanden. Zum Verknüpfen der
Spannungen mit Beanspruchung, die in der Längsrichtung der Tafel 10 erzeugt
wird, ist eine Sekundärelektrode
oder Hochspannungselektrode 22 vorhanden, die mit der gemeinsamen
Elektrode 18 zusammenwirkt. Die Elektrode 22 wird
als mit einem Anschluss 24 einer Ausgangslast 26,
die an ihrem gegenüberliegenden Ende
geerdet ist, verbunden gezeigt.
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In
der in 1 veranschaulichten Anordnung wird eine zwischen
den Elektroden 18 und 20 angelegte Spannung bis
zu einer Hochspannung zwischen den Elektroden 18 und 22 abgestuft,
um die Last 26 mit einer weitaus höheren Spannung zu versorgen
als diejenige, die zwischen den Elektroden 18 und 20 angelegt
wird.
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Ein
Problem mit piezoelektrischen Transformatoren des Standes der Technik
besteht darin, dass diese in der Herstellung kompliziert sind, da
einzelne keramische Elemente jeweils wenigstens zwei Mal „gepolt" werden müssen und
da die Ausrichtung der Pole voneinander unterschiedlich sein muss.
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Ein
weiteres Problem mit piezoelektrischen Transformatoren des Standes
der Technik besteht darin, dass diese kompliziert in der Herstellung
sind, da es notwendig ist, Elektroden nicht nur an den Hauptflächen des
keramischen Elementes anzubringen, sondern auch an wenigstens einer
der Nebenflächen
des keramischen Elementes.
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Ein
weiteres Problem mit piezoelektrischen Transformatoren des Standes
der Technik besteht darin, dass diese kompliziert in der Herstellung
sind, da es notwendig ist, Elektroden an den Hauptflächen des
keramischen Elementes sowie an wenigstens einer Nebenfläche des
keramischen Elementes anzubringen (zum Beispiel durch Löten oder
durch andere Verfahren), um den Transformator elektrisch mit einer
elektrischen Schaltung zu verbinden.
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Ein
weiteres Problem mit piezoelektrischen Transformatoren des Standes
der Technik besteht darin, dass der Spannungsausgang des Gerätes durch
die Fähigkeit
des keramischen Elementes, Verformung ohne Rissbildung oder strukturellen
Ausfall zu erdulden, begrenzt wird. Es ist daher wünschenswert,
einen piezoelektrischen Transformator bereitzustellen, der angepasst
ist, um sich unter Bedingungen hoher Spannung zu verformen, ohne
dass das keramische Element des Gerätes beschädigt wird.
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Weitere
piezoelektrische Transformatoren des Standes der Technik werden
in
JP59035493 ,
US 5 118 982 und in
WO 96/15560 offengelegt,
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der
Ausdruck piezoelektrischer Transformator wird hierbei auf ein Gerät der passiven
elektrischen Energieübertragung
angewendet, welches die piezoelektrischen Eigenschaften zweier miteinander verbundener
Materialien nutzt, um Umspannung von Spannung oder Strom oder Scheinwiderstand
zu erzielen. Eine Aufgabe der Erfindung gemäß Anspruch 1 besteht in der
Bereitstellung eines piezoelektrischen Transformators, der nicht
nur wesentliche Übersetzungsverhältnisse
bereitstellen kann, sondern in dem relativ hohe Leistung in Bezug
auf die Größe des Gerätes übertragen
werden können.
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Dementsprechend
besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines
piezoelektrischen Transformators, der mühelos und kostengünstig hergestellt
werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Gerätes
der beschriebenen Art, das in der Lage ist, hohe Spannungen zu erzeugen,
und das in Hochspannungskreisen sicher eingesetzt werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines piezoelektrischen Transformators der beschriebenen Art, der
ein Paar keramischer Elemente umfasst, von denen ein jedes piezoelektrische
Eigenschaften aufweist, die dergestalt in physischer (mechanischer)
Verbindung miteinander stehen, dass Verformung des einen keramischen
Elementes zu einer entsprechenden Verformung des jeweils anderen
keramischen Elementes führt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines piezoelektrischen Transformators der beschriebenen Art, der mühelos herzustellen
ist, da es ausreichend ist, ein jedes keramische Element nur einmal
zu polen, und wobei die Polrichtung für ein jedes keramische Element über seine
gesamte Masse konstant ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines piezoelektrischen Transformators der beschriebenen Art, der mühelos herzustellen
ist, da es ausreichend ist, Elektroden nur an den Hauptflächen der
keramischen Elemente anzubringen und da kein Anbringen von Elektroden
an den Nebenflächen
der keramischen Elemente erforderlich ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines piezoelektrischen Transformators der beschriebenen Art, der mühelos herzustellen
ist, da es ausreichend ist, Elektroden nur an zwei Parallelflächen der
keramischen Elemente anzubringen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines piezoelektrischen Transformators der beschriebenen Art, der mühelos zu
verbinden oder in einer elektrischen Schaltung zu installieren ist,
da es ausreichend ist, elektrische Leiter (zum Beispiel Drähte) nur
an Elektroden auf den Hauptflächen
des keramischen Elementes zu befestigen (das heißt durch Löten oder auf andere Weise).
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines piezoelektrischen Transformators der beschriebenen Art, der
angepasst ist, sich unter Bedingungen hoher Spannung zu verformen,
ohne das keramische Element des Gerätes zu beschädigen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines piezoelektrischen Transformators der beschriebenen Art, der
bei einer breiten Eingangs- und Ausgangs-Frequenzbandbreite betrieben
werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines piezoelektrischen Transformators der beschriebenen Art, der
die Spannung und den Strom an dem Eingang des Gerätes von
der Spannung und dem Strom an dem Ausgang des Gerätes elektrisch
isoliert.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile meiner Erfindung werden aus einer Betrachtung
der Zeichnungen und der folgenden Beschreibung derselben erkennbar
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Perspektivzeichnung und zeigt den Aufbau des piezoelektrischen
Rosen-Transformators nach dem Stand der Technik.
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2 ist
eine Perspektivzeichnung und zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel
eines piezoelektrischen Transformators, der gemäß der vorliegenden Erfindung
aufgebaut ist.
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3 ist
ein Querschnittsaufriss und zeigt Details des Aufbaus der Laminatschichten
der Erfindung.
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4 ist
eine Perspektivzeichnung eines modifizierten Ausführungsbeispieles
der Erfindung.
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5 ist
eine Perspektivzeichnung eines modifizierten Ausführungsbeispieles
der Erfindung; und
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6 ist
eine Perspektivzeichnung eines modifizierten Ausführungsbeispieles
der Erfindung.
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BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELES
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein piezoelektrischer Transformator (allgemein
mit 1 bezeichnet) hergestellt, indem eine Anzahl von Laminatschichten
wie in 2 veranschaulicht und gemäß der untenstehenden ausführlicheren
Beschreibung gestapelt und miteinander verbunden werden.
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Ein
erster piezoelektrischer Keramikwafer 30 liegt vorzugsweise
in Form einer Tafel vor, die zwei im Wesentlichen parallele Hauptflächen aufweist,
die jeweils elektroplattiert sind, 32 und 38.
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Ein
zweiter piezoelektrischer Keramikwafer 48 liegt vorzugsweise
in Form einer Tafel vor, die zwei im Wesentlichen parallele Hauptflächen aufweist,
die jeweils elektroplattiert sind, 46 und 50.
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Eine
erste Vorspannschicht 36 ist angrenzend an eine elektroplattierte
Fläche 32 des
ersten piezoelektrischen Keramikwafers 30 angeordnet. Eine
Klebstoffschicht 34 wird zwischen der ersten Vorspannschicht 36 und
der angrenzenden elektroplattierten Fläche 32 des ersten
piezoelektrischen Keramikwafers 30 angeordnet, um die beiden
Elemente (das heißt
die erste Vorspannschicht 36 und den ersten piezoelektrischen
Keramikwafer) miteinander zu verbinden. Die erste Vorspannschicht 36 ist vorzugsweise
ein leitfähiges
Material (vorzugsweise Metall), das einen Wärmedehnungskoeffizienten/Wärmeschrumpfungskoeffizienten
aufweist, der größer ist
als der des ersten Keramikwafers 30.
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Eine
zweite Vorspannschicht 42 wird angrenzend an die andere
elektroplattierte Fläche 38 des ersten
piezoelektrischen Keramikwafers 30 angeordnet. Eine Klebstoffschicht 40 wird
zwischen der zweiten Vorspannschicht 42 und der angrenzenden
elektroplattierten Fläche 38 des
ersten piezoelektrischen Keramikwafers 30 angeordnet, um
die beiden Elemente (das heißt
die zweite Vorspannschicht 42 und den ersten piezoelektrischen
Keramikwafer 30) miteinander zu verbinden. Die zweite Vorspannschicht 42 ist
vorzugsweise ein leitfähiges
Material (vorzugsweise Metall), das einen Wärmedehnungskoeffizienten/Wärmeschrumpfungskoeffizienten
aufweist, der größer ist
als der des Materials des ersten Keramikwafers 30.
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Eine
elektroplattierte Fläche 46 des
zweiten piezoelektrischen Keramikwafers 48 wird angrenzend
an die zweite Vorspannschicht 42 so angeordnet, dass die
zweite Vorspannschicht 42 zwischen den beiden Keramikwafern 30 und 48 angeordnet
ist, wie in 2 gezeigt wird. Eine Klebstoffschicht 44 wird
zwischen der zweiten Vorspannschicht 42 und der angrenzenden
elektroplattierten Fläche 46 des zweiten
piezoelektrischen Keramikwafers 48 angeordnet, um die beiden
Elemente (das heißt
die zweite Vorspannschicht 42 und den zweiten piezoelektrischen
Keramikwafer 48) miteinander zu verbinden. Die erste Vorspannschicht 36 weist
vorzugsweise einen Wärmedehnungskoeffizienten/Wärmeschrumpfungskoeffizienten
auf, der größer ist
als der des Materials des zweiten Keramikwafers 48.
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Eine
dritte Vorspannschicht 54 wird angrenzend an die andere
elektroplattierte Fläche 50 des zweiten
piezoelektrischen Keramikwafers 48 angeordnet. Eine Klebstoffschicht 52 wird
zwischen der dritten Vorspannschicht 54 und der angrenzenden elektroplattierten
Fläche 50 des
zweiten piezoelektrischen Keramikwafers 48 ange ordnet,
um die beiden Elemente (das heißt
die dritte Vorspannschicht 54 und den zweiten piezoelektrischen
Keramikwafer 48) miteinander zu verbinden. Die dritte Vorspannschicht 54 ist
vorzugsweise ein leitfähiges
Material (vorzugsweise Metall), das einen Wärmedehnungskoeffizienten/Wärmeschrumpfungskoeffizienten
aufweist, der größer ist
als der des zweiten Keramikwafers 48.
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Bei
der Herstellung des Transformators 1 wird der gesamte Stapel
von Laminatschichten (das heißt
die beiden Keramikwafer 30 und 48, die drei Vorspannschichten 36, 42 und 54 sowie
die vier Klebstoffschichten 34, 40, 44 und 52)
wie weiter oben in dieser Schrift beschrieben und wie in 2 veranschaulicht
angeordnet und gleichzeitig auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes
der Klebstoffmaterialien 34, 40, 44 und 52 erwärmt. In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist das Klebstoffmaterial, das in den vier Klebstoffschichten 34, 40, 44 und 52 verwendet
wird, der Klebstoff LaRC-SITM, der von dem
Forschungszentrum NASA-Langley Research Center entwickelt und durch
die IMITEC, Inc. in Schenectady, New York, USA, gewerbsmäßig vermarktet
wird. Der Klebstoff LaRC-SITM, der einen
Schmelzpunkt von oberhalb 300°C
hat, ist ein sehr starker Klebstoff und weist einen Wärmeschrumpfungskoeffizienten
auf, der vorzugsweise größer ist
als der der meisten Keramikwerkstoffe (und der insbesondere vorzugsweise
größer ist
als der der Materialien der beiden Keramikwafer 30 und 48).
Während
der Klebstoff LaRC-SITM in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendet wird, liegt die Anwendung anderer Klebstoffe
innerhalb des Erfindungsbereiches der vorliegenden Erfindung, insofern
diese einen Schmelzpunkt unterhalb dem der anderen Laminatschichten des
Transformators (das heißt
der beiden Keramikwafer 30 und 48 und der drei
Vorspannschichten 36, 42 und 54) aufweisen
und in der Lage sind, auszuhärten,
um eine Bindung zwischen den jeweiligen Vorspannschichten 36, 42 und 54 und
den Keramikwafern 30 und 48 herzustellen, die
ausreichend ist, um Längsspannungen
zwischen benachbarten Schichten des Transformators 1 zu übertragen.
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Nachdem
der gesamte Stapel von Laminatschichten (das heißt die beiden Keramikwafer 30 und 48,
die drei Vorspannschichten 36, 42 und 54 und
die vier Klebstoffschichten 34, 40, 44 und 52)
auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Klebstoffmaterialien 34, 40, 44 und 52 erwärmt worden sind,
wird der gesamte Sta pel von Laminatschichten (das heißt die beiden
Keramikwafer 30 und 48, die drei Vorspannschichten 36, 42 und 54 und
die vier Klebstoffschichten 34, 40, 44 und 52)
auf Umgebungstemperatur abkühlen
gelassen. Wenn die Temperatur der Laminatschichten (das heißt der beiden Keramikwafer 30 und 48,
der drei Vorspannschichten 36, 42 und 54 und
der vier Klebstoffschichten 34, 40, 44 und 52)
unter die Schmelztemperatur der Klebstoffmaterialien 34, 40, 44 und 52 fällt, erstarren
und erhärten
der vier Klebstoffschichten 34, 40, 44 und 52,
wodurch sie mit den angrenzenden Schichten verbunden werden. Während des
Abkühlens
werden die Keramikwafer 30 und 48 zusammendrückend entlang
ihrer Längsachsen
aufgrund der relativ größeren Wärmeschrumpfungskoeffizienten
der Konstruktionsmaterialien der Vorspannschichten 36, 42 und 54 gespannt.
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Es
wird zu erkennen sein, dass ein piezoelektrischer Wandler 1,
der gemäß der vorstehenden Beschreibung
aufgebaut ist, ein Paar in Längsrichtung
vorgespannter (das heißt
verdichteter) piezoelektrischer Keramikwafer umfasst, die entlang
einer ihrer Hauptflächen
innig miteinander verbunden sind (wenngleich sie durch laminierte
Klebstoff- und Vorspannschichten voneinander getrennt sind).
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Wie
weiter oben diskutiert worden ist, umfassen die vier Kunststoffschichten 34, 40, 44 und 52 in dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung vorzugsweise den Klebstoff LaRC-SITM.
Daher ist es in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
wünschenswert,
die Oberflächen
der drei Vorspannschichten 36, 42 und 54,
die in Kontakt mit den vier Klebstoffschichten 34, 40, 44 und 52 stehen
(wie in 3 veranschaulicht wird) aufzurauen,
so dass die Vorspannschichten 36, 42 und 54 zu
den entsprechenden elektroplattierten Oberflächen 32, 38, 46 und 50 der
jeweiligen Keramikwafer 30 und 48 elektrisch leitfähig sind.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die Vorspannschichten 36, 42 und 54 sowie
die vier Klebstoffschichten 34, 40, 44 und 52 länger als
die beiden Keramikwafer 30 und 48 und stehen dementsprechend über die
Enden der Keramikwafer hervor. Elektrische Anschlüsse 56, 58 und 60 sind
mit einer freiliegenden Fläche
der jeweiligen Vorspannschichten 54, 42 beziehungsweise 36 verbunden
(zum Beispiel durch Leitungen und Lötzinn oder durch andere übliche Mittel).
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung belasten die drei Vorspannschichten 36, 42 und 54 sowie
die vier Klebstoffschichten 34, 40, 44 und 52 jeweils
zusammendrückend
die beiden Keramikwafer 30 und 48. Durch zusammendrückendes Belasten
der beiden Keramikwafer 30 und 48 sind die Keramikwafer 30 und 48 weniger
anfällig
gegen Beschädigung
(zum Beispiel Rissbildung und Brechen).
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4 veranschaulicht
den Aufbau eines modifizierten piezoelektrischen Transformators 2,
der ähnlich
dem des bevorzugten Ausführungsbeispieles der
Erfindung (2) ist, jedoch ohne die beiden
außenliegenden
Vorspannschichten 36 und 54 und die Klebstoffschichten 34 und 52.
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5 veranschaulicht
den Aufbau eines weiteren modifizierten piezoelektrischen Transformators 3.
In diesem modifizierten piezoelektrischen Transformator 3 sind
die beiden piezoelektrischen Wafer 30 und 48,
die parallele elektroplattierte Flächen 32, 38, 46 und 50 aufweisen,
an zwei angrenzenden Hauptflächen
der Wafer miteinander verbunden.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des
piezoelektrischen Transformators 1 und der beiden modifizierten
piezoelektrischen Transformatoren 2 und 3 sind
die Keramikwafer 30 und 48 jeweils in einer Richtung
gepolt. Insbesondere sind in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
des piezoelektrischen Transformators 1 und der beiden modifizierten piezoelektrischen
Transformatoren 2 und 3 die Keramikwafer 48 und 30 jeweils
so gepolt, dass wenn Spannungspotential über die entsprechenden Elektroden 46 und 50 oder 32 und 38 an
seine jeweiligen Hauptflächen
angelegt wird, der Wafer in Längsrichtung
verspannt wird. Umgekehrt sind in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
des piezoelektrischen Transformators 1 und der beiden modifizierten
piezoelektrischen Transformatoren 2 und 3 die
Keramikwafer 48 und 30 jeweils so gepolt, dass
wenn einer der Keramikwafer 30 in Längsrichtung verspannt wird,
ein Spannungspotential zwischen den entsprechenden Elektroden 46 und 50 oder 32 und 38 auf seinen
jeweiligen Hauptflächen
erzeugt wird.
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BETRIEB
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Unter
Bezugnahme auf 2: Wenn eine Primärspannung
(das heißt
ein Eingang) V1 an die Anschlüsse 58 und 60,
die mit den Elektroden 32 und 38 des ersten Keramikwafers 30 verbunden
sind, angelegt wird, wird der erste Keramikwafer piezoelektrisch
eine Streckspannung erzeugen, die proportional zu der Größe der Eingangsspannung
V1, den piezoelektrischen Eigenschaften des Materials des Wafers 30,
der Größe und der
Geometrie des Materials des Wafers 30 und der Elastizität der anderen
Materialien der anderen Laminatschichten (das heißt des Keramikwafers 48,
der drei Vorspannschichten 36, 42 und 54 sowie
der vier Klebstoffschichten 34, 40, 44 und 52),
die mit dem ersten Wafer 30 verbunden sind, ist. Die Streckspannung,
die durch die Eingangsspannung V1 erzeugt wird, bewirkt, dass der erste
Keramikwafer 30 verspannt wird (wie zum Beispiel durch
den Pfeil 64 angedeutet wird).
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Da
der erste Keramikwafer 30 sicher mit dem zweiten Keramikwafer 48 verbunden
ist (das heißt durch
die Klebstoffschichten 40 und 44), wird Längsspannung 64 des
ersten Keramikwafers 30 zu einer Längsspannung (der gleichen Größe und Richtung) in
dem zweiten Keramikwafer 48 führen (wie durch den Pfeil 65 angedeutet
wird). Die Längsspannung 65 des
zweiten piezoelektrischen Keramikwafers 48 erzeugt ein
Spannungspotential V2 an den beiden elektroplattierten Flächen 46 und 50 des
zweiten Keramikwafers 48. Die elektrischen Anschlüsse 58 und 56 können elektrisch
mit den entsprechenden elektroplattierten Flächen 46 und 50 des
zweiten Keramikwafers 48 verbunden sein. Die Größe der piezoelektrisch
erzeugten Spannung V2 zwischen den beiden Elektroden 46 und 50 des
zweiten Keramikwafers 48 ist abhängig von den piezoelektrischen
Eigenschaften des Materials des Wafers 48, von der Größe, der
Geometrie und der Polung des Materials des Wafers 48.
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Es
wird daher erkennbar sein, dass durch Anlegen einer ersten Spannung
V1 an die elektroplattierten Hauptflächen 32 und 38 des
ersten Keramikwafers 30 der erste Keramikwafer 30 veranlasst wird,
Längsspannung 64 zu
verursachen, die wiederum den zweiten Keramikwafer 48 veranlasst,
Längsspannung 65 eines ähnlichen
Betrages zu verursachen, die wiederum ein zweites Spannungspotential V2
zwischen den elektroplattierten Hauptflächen 46 und 50 des
zweiten Keramikwafers 48 erzeugt.
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Es
wird erkennbar sein, dass das Verhältnis der ersten Spannung V1
zu der zweiten Spannung V2 von den piezoelektrischen Eigenschaften
der Wafer 30 und 48, von der Größe und der
Geometrie des Materials der Wafer 30 und 48, von
der Elastizität
der anderen Materialien der anderen Laminatschichten (das heißt der Keramikwafer 30, 48,
der drei Vorspannschichten 36, 42 und 54 und
der vier Klebstoffschichten 34, 40, 44 und 52)
sowie von den Polungseigenschaften der beiden Keramikwafer 30 und 48 abhängig ist.
Es wird weiterhin erkennbar sein, dass die erste Spannung V1 alternativ
entweder eine „Eingangsspannung" oder eine „Ausgangsspannung" sein kann beziehungsweise
dass die zweite Spannung V2 entweder eine „Ausgangsspannung" oder eine „Eingangsspannung" sein kann.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die entsprechenden gegenüberstehenden elektroplattierten
Flächen 38 und 46 des
ersten Keramikwafers 30 beziehungsweise des zweiten Keramikwafers 48 elektrisch
mit einem gemeinsamen elektrischen Anschluss 58 verbunden.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel
des Transformators 4 (wie in 6 gezeigt)
sind die entsprechenden gegenüberstehenden
elektroplattierten Flächen 38 und 46 der
beiden Keramikwafer 30 und 48 elektrisch gegeneinander
isoliert (zum Beispiel durch eine dielektrische Klebstoffschicht 62a)
und mit entsprechenden Anschlüssen 69 und 68 verbunden.
Es wird erkennbar sein, dass in diesem Ausführungsbeispiel des Transformators 4 die
beiden piezoelektrischen Keramikwafer 30 und 48 vollständig gegeneinander
isoliert sind. Somit wird erkennbar sein, dass ein Transformator 4,
der gemäß dieser
Modifikation der Erfindung aufgebaut ist, in einer elektrischen
Schaltung verwendet werden kann, um dem Transformator 4 „nachgelagerte" Komponenten gegen
Beschädigung durch
dem Transformator 4 „vorgelagerte" elektrische Unterbrechungen
zu schützen.
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Während die
obenstehende Beschreibung zahlreiche Genauigkeiten im Detail enthält, sind
diese jedoch nicht als Einschränkungen
des Erfindungsbereiches zu verstehen, sondern vielmehr als beispielhafte
Erläuterung
eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
derselben. Zahlreiche andere Varianten sind möglich, wie zum Beispiel:
Die
verschiedenen Laminatschichten (das heißt die Keramikwafer 30 und 48,
die Vorspannschichten 36, 42 und 54 sowie
die Klebstoffschichten 34, 40, 44 und 52)
können
miteinander verbunden werden, ohne sequenziell erwärmt und
gekühlt
zu werden, um die Keramikelemente vorzuspannen.
Die beiden
Keramikwafer 30 und 48 können aus gleichen oder aus
ungleichen piezoelektrischen Materialien hergestellt werden, die
entweder gleiche oder ungleiche piezoelektrische Koeffizienten aufweisen können.
Die
beiden Keramikwafer 30 und 48 können entweder
von gleicher oder von unterschiedlicher Dicke sein; und
Die
Klebstoffschichten (34, 40, 44, 52)
können
entweder elektrisch leitfähig
oder nicht leitfähig
sein.
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Dementsprechend
soll der Erfindungsbereich nicht durch das veranschaulichte Ausführungsbeispiel,
sondern vielmehr durch die anhängenden Patentansprüche und
ihre rechtlichen Äquivalente bestimmt
werden.