DE69838796T2

DE69838796T2 - Piezoelektrischer vielschicht-transformator

Info

Publication number: DE69838796T2
Application number: DE69838796T
Authority: DE
Inventors: Richard Patten Burke Bishop
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1998-05-26
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2018-05-27
Also published as: DE69838796D1; EP1025596A1; CN1213490C; UA47525C2; AU7798398A; ATE379851T1; WO1998054766A1; HK1030679A1; CA2291636A1; EP1025596A4; CN1265229A; US5834882A; EP1025596B1; AU731764B2; NZ502061A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische keramische Transformatoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung mehrschichtige piezoelektrische keramische Transformatoren.
2. Stand der Technik
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Weitere piezoelektrische Transformatoren des Standes der Technik werden in JP59035493 , US 5 118 982 und in WO 96/15560 offengelegt,
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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.
Dementsprechend besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines piezoelektrischen Transformators, der mühelos und kostengünstig hergestellt werden kann.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
Weitere Aufgaben und Vorteile meiner Erfindung werden aus einer Betrachtung der Zeichnungen und der folgenden Beschreibung derselben erkennbar werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Perspektivzeichnung und zeigt den Aufbau des piezoelektrischen Rosen-Transformators nach dem Stand der Technik.
2 ist eine Perspektivzeichnung und zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Transformators, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
3 ist ein Querschnittsaufriss und zeigt Details des Aufbaus der Laminatschichten der Erfindung.
4 ist eine Perspektivzeichnung eines modifizierten Ausführungsbeispieles der Erfindung.
5 ist eine Perspektivzeichnung eines modifizierten Ausführungsbeispieles der Erfindung; und
6 ist eine Perspektivzeichnung eines modifizierten Ausführungsbeispieles der Erfindung.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELES
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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-SI^TM, 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-SI^TM, 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-SI^TM 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.
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.
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).
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-SI^TM. 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.
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).
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).
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.
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.
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.
BETRIEB
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).
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.
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.
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.
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.
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.
Dementsprechend soll der Erfindungsbereich nicht durch das veranschaulichte Ausführungsbeispiel, sondern vielmehr durch die anhängenden Patentansprüche und ihre rechtlichen Äquivalente bestimmt werden.

Claims

Transformator (1, 2, 3), der aufweist: – ein erstes elektroaktives Element (30), das zwei gegenüberliegende Hauptflächen besitzt, die auf den gegenüberliegenden Seiten einer ersten Längsachse angeordnet sind, wobei das erste elektroaktive Element (30) eine piezoelektrische Eingangsschicht aufweist; – ein zweites elektroaktives Element (48), das zwei gegenüberliegende Hauptflächen besitzt, die auf den gegenüberliegenden Seiten einer zweiten Längsachse angeordnet sind, wobei das zweite elektroaktive Element (48) eine piezoelektrische Ausgangsschicht aufweist; – wobei eine Elektrode (32, 38) an jeder der zwei gegenüberliegenden Hauptflächen des ersten elektroaktiven Elements (30) verbunden ist; und wobei eine Elektrode (46, 50) an jeder der zwei gegenüberliegenden Hauptflächen des zweiten elektroaktiven Elements (48) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass – das erste elektroaktive Element (30) quer in der Dicken-Richtung zwischen den zwei gegenüberliegenden Hauptflächen des ersten elektroaktiven Elements (30) so polarisiert ist, dass sich das erste elektroaktive Element (30) in Längsrichtung spannt, wenn eine elektrische Spannung über die zwei gegenüberliegenden Hauptflächen des ersten elektroaktiven Elements (30) angelegt wird; – das zweite elektroaktive Element (48) quer in einer Dicken-Richtung zwischen den zwei gegenüberliegenden Hauptflächen des zweiten elektroaktiven Elements (48) so polarisiert ist, dass sich das zweite elektroaktive Element (48) längs spannt, wenn eine elektrische Spannung über die zwei gegenüberliegenden Hauptflächen des zweiten elektroaktiven Elements (48) angelegt ist, wobei das zweite elektroaktive Element (48) in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu dem ersten elektroaktiven Element (30) polarisiert ist; – wobei das erste elektroaktive Element (30) mechanisch an dem zweiten elektroaktiven Element (48) durch eine Verbindungsschicht (40, 42, 44), die zwischen einer ersten Hauptfläche des ersten elektroaktiven Elements (30) und einer ersten Hauptfläche des zweiten elektroaktiven Elements (48) angeordnet ist, verbunden ist; – wobei die Verbindungsschicht (40, 42, 44) eine Vorspanneinrichtung (42) aufweist, um eine Druckspannung in Längsrichtung auf das erste (30) und das zweite elektroaktive Element (48) aufzubringen; und – wobei, unter der Längsspannung des ersten elektroaktiven Elements (30), das erste elektroaktive Element (30) mechanisch die Längsspannung über die Verbindungsschicht (40, 42, 44) auf das zweite elektroaktive Element (48) überträgt, um dadurch eine Ausgangsspannung zwischen den zwei gegenüberliegenden Hauptflächen des zweiten elektroaktiven Elements (48) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsschicht ein erstes elektrisch leitendes Element (38, 42) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Verbindungsschicht weiterhin ein zweites elektrisch leitendes Element (42, 46) und eine dielektrische Schicht (40, 44; 62, 62a) aufweist, wobei die dielektrische Schicht (40, 44; 62, 62a) zwischen dem ersten und dem zweiten elektrisch leitenden Element (42, 38, 46) angeordnet ist und wobei das erste elektrisch leitende Element (38, 42) in elektrischer Verbindung mit der ersten Hauptfläche des ersten elektroaktiven Elements (30) steht und das zweite elektrisch leitende Element (42, 46) in elektrischer Verbindung mit der ersten Hauptfläche des zweiten elektroaktiven Elements (48) steht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Hauptfläche des ersten elektroaktiven Elements (30) konkav ist und eine zweite Hauptfläche des ersten elektroaktiven Elements (30) konvex ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste Hauptfläche des zweiten elektroaktiven Elements (48) konvex ist und eine zweite Hauptfläche des zweiten elektroaktiven Elements (48) konkav ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Verbindungsschicht (40, 42, 44) ein thermoplastisches Copolyimid-Material aufweist, das einen Schmelzpunkt oberhalb von 100 Grad Celsius besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorspanneinrichtung (42) ein thermoplastisches Copolyimid-Material aufweist, das einen Schmelzpunkt oberhalb von 100 Grad Celsius besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorspanneinrichtung weiterhin ein erstes elektrisch leitendes Element (42) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorspanneinrichtung (42) weiterhin ein zweites elektrisch leitendes Element, und eine dielektrische Schicht, aufweist, wobei die dielektrische Schicht zwischen dem ersten und dem zweiten elektrisch leitenden Element angeordnet ist und wobei das erste elektrisch leitende Element in elektrischer Verbindung mit der ersten Hauptfläche des ersten elektroaktiven Elements steht und das zweite elektrisch leitende Element in elektrischer Verbindung mit der ersten Hauptfläche des zweiten elektroaktiven Elements steht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, die weiterhin eine Vorspannschicht (36) aufweist, die mit einer zweiten Fläche des ersten elektroaktiven Elements (30) verbunden ist, wobei die Vorspannschicht (36) eine Druckspannung in Längsrichtung auf das erste elektroaktive Element (30) aufbringt, oder weiterhin eine Vorspannschicht (54) aufweist, die an einer zweiten Fläche des zweiten elektroaktiven Elements (48) verbunden ist, wobei die Vorspannschicht (54) eine Druckspannung in Längsrichtung auf das zweite elektroaktive Element (48) aufbringt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Vorspannschicht (36, 54) ein thermoplastisches Copolyimid-Material aufweist, das einen Schmelzpunkt oberhalb 100 Grad Celsius besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vorspannschicht (36, 54) weiterhin ein drittes elektrisch leitendes Element aufweist.