DK176073B1 - Piezoelektrisk transformer - Google Patents

Description

DK 176073 B1

Titel: Piezoelektrisk transformer

Opfindelsen angår en piezoelektrisk transformer omfattende et i hovedsagen cylindrisk piezoelektrisk legeme, der er opdelt i en primærdel og en sekundærdel, 5 idet såvel primærdelen som sekundærdelen kan generere og transformere piezoe-lektriske vibrationer i overenstemmelse med en vekselspænding tilført til den ene j del, medens en transformeret spænding vil kunne udtages fra den anden del.

En kendt piezoelektrisk transformer af denne art omfatter et piezoelektrisk legeme 10 i form af en aflang plade, der har en mekanisk resonansfrekvens. Transformeren drives fortrinsvis ved denne resonansfrekvens. En ulempe er imidlertid, at der er yderligere resonansfrekvenser, der vil kunne påvirke transformerens virkemåde.

Endvidere kendes fra US patentskrift nr. 3736446 en piezoelektrisk transformer, 15 der er ringformet. Langs en del af periferien af denne transformer, der udnytter svingninger i periferiretningen, er det piezoelektriske materiale lagdelt ved hjælp af gennemgående elektroder. Alternativt kan der påmales en ring uden på keramikken. En ulempe ved denne konstruktion er, at den er forholdsvis dyr i fremstilling.

Dertil kommer, at resonansfrekvensen for svingsningsformer langs periferien er 20 forholdsvis lav. Effekten der kan transformeres, er proportional med frekvensen.

Den effekt, der kan transformeres ved hjælp af denne ringformede transformer, er derfor forholdsvis lille.

Endvidere kendes fra JP9321363 en stavformet massiv piezoelektrisk transformer, 25 der er opdelt i en primær- og en sekundærside. Den stavformede massive form giver imidlertid en forholdsvis lav resonansfrekvens. Transformerens effekttæthed bliver derfor forholdsvis lille.

Formålet med opfindelsen er derfor at tilvejebringe en piezoelektrisk transformer 30 med en højere effekttæthed end hidtil kendt, og som ikke har uønskede resonansfrekvenser.

DK 176073 B1 2

En piezoelektrisk transformer af den indledningsvis nævnte art er ifølge opfim delsen ejendommelig ved, at det i hovedsagen cylindriske piezoelektriske legeme udgøres af et i hovedsagen ovalt legeme med et hul eller et ringformet legeme, der er polariseret i det væsentlige vinkelret på periferiretningen. Et ring-5 formet piezoelektrisk legeme vil have tre grundlæggende svingningsformer, omkreds - som er den laveste frekvens, planar- og tykkelses svingning, der lig- c ger højere i frekvens, p.g.a. den afgørende dimensions mindre udstrækning. Ringtransformeren ifølge opfindelsen vil derfor kunne arbejde ved en højere frekvens, da den arbejder på en tykkelsessvingning i stedet for en omkreds-10 svingning. Endvidere giver geometrien en højere kapacitet, som sammen med den højere arbejdsfrekvens resulterer i en lavere udgangsimpedans. Transformeren kan således håndtere højere strømme, typisk mellem 0,1 og 5 A.

Effekten i transformeren overføres som en mekanisk svingning. Den højst tilla-15 delige overførte effekt afhænger af keramikkens udmattelsesspænding. For en given maksimal mekanisk tøjning i keramikken er den overførte effekt givet ved P = fres-SVOl-keff2 20 hvor P = overført effekt fres = resonansfrekvens vol = volumen keff = effektiv piezoelektrisk koblingskoefficient, svarende til den aktuelle 25 vibrationsform ε = dielektrisk permittivitet

Hvis to ringformede transformere fremstilles af samme keramik og med samme volumen, er den maksimalt tilladelige tøjning og ε-vol konstant. Resonansfre-30 kvenser er, som tidligere nævnt, højere for tykkelsessvingningen end for omkredssvingningen, og de dertil hørende koblingskoefficienter er for traditionel piezoelektrisk keramik af højeffekttypen henholdsvis 0,3-0,35 (k3i, omkredssvingning) og 0,40-0,45 (ki, tykkelsessvingning).

DK 176073 B1 3

Forskellen i koblingskoefficient vil give en øget effektæthed på (0,45/0,35)2 = 1,65 5 og resonansfrekvensen vil typisk være en faktor 10 højere. Ialt øges effekttæt-heden med 1,65 -10 = 16,5.

Opfindelsen skal nærmere forklares i det følgende under henvisning til tegnin-10 gen,hvor fig. 1 viser en piezoelektrisk transformer med et ringformet piezoelektrisk legeme på hver sin side af en isolerende plade, 15 fig. 2 et snit gennem transformeren i fig. 1, idet svingningsforholdene er illustreret, fig. 3 et snit gennem transformeren i fig. 1, idet man ser elektrodekonfigurationerne, 20 fig. 4 et snit svarende til det i fig. 3 viste, idet den ene primærelektrode er flyttet væk fra isolationslaget for at mindske de mekaniske spændinger, der opstår under polariseringen, fig. 5 et snit svarende til det i fig. 3 viste, men med en alternativ placering af pri-25 mærelektrodeme, fig. 6 et snit svarende til det i fig. 5 viste, hvor den indvendige elektrode er trukket tilbage for at mindske polarisationsspændinger, 30 fig. 7 en piezoelektrisk transformer i en alternativ udformning, hvor det ringformede piezoelektriske legeme er opslidset, DK 176073 B1 4 fig. 8 en piezoelektrisk transformer i en alternativ udformning, hvor det piezoe-lektriske legeme er viklet efter en spiral, fig. 9 en piezoelektrisk transformer i en alternativ udformning, hvor det piezoe-5 lektriske legeme har en bølget lukket form, og fig. 10 en piezoelektrisk transformer i en alternativ udformning, hvor primærsiden er firkanten og har et cirkulært hul.

10 Den i fig. 1 viste piezoelektriske transformer har et ringformet piezoelektrisk legeme på hver side afen isolerende plade 1. Det ene piezoelektriske legeme 2 tjener som primærside, medens det andet piezoelektriske legeme 3 tjener som sekundærside. Der er elektroder ved såvel primærsiden 2 som sekundærsiden 3, og såvel primærsiden som sekundærsiden kan generere og transformere piezoe-15 lektriske vibrationer i overensstemmelse med en vekselspænding, tilført til den ene side, medens den transformerede spænding vil kunne udtages fra den anden side. Ifølge opfindelsen udgøres det enkelte piezoelektriske legeme af et i hovedsagen ovalt eller ringformet legeme. Dette giver en mere ensartet stressfordeling, en højere koblingskoefficient og bedre køleforhold. Til maksimering af den effekti-20 ve kobling er det desuden væsentligt at b/h enten er mindre end 0,25 eller 0,35 < b/h < 0,8 eller især 0,4 < b/h < 0,7, hvor b er bredden, og h er højden.

Fig. 2 illustrerer, at transformeren arbejder som en halvbølgeresonator.

25 Fig. 3 illustrerer et eksempel på en elektrodekonstruktion ved såvel primærsiden som sekundærsiden. På primærsiden er der ved både oversiden 4 og undersiden 5 en rundtgående elektrode. Sekundærsiden er udformet som en flerlagskonstruk-tion med indvendige elektroder 6a, 6b, der skiftevis er forbundet til den ene udgangsterminal 7 og den anden udgangsterminal 8.

I fig. 4 er den ene primær elektrode 5' flyttet væk fra isolationslaget 1 for at mindske de mekaniske spændinger, der opstår under polariseringen. I modsætning til isolationslaget 1 undergår keramikken dimensionsændringer under polarisering.

30 DK 176073 B1 5

Fig. 5 viser en alternativ placering af primærelektrodeme på hhv. indersiden og ydersiden af det ringformede legeme 2. Sekundærelektroderne 6a, 6b har samme placering som i fig. 3 og 4.

5

Fig. 6 viser en alternativ placering af primærelektrodeme, idet den indvendige j elektrode er trukket tilbage for at mindske polarisationsspændinger.

Fig. 7, 8 og 9 viser alternative udformninger af det piezoelektriske legeme, der 10 f.eks. kan være opsplittet og være viklet efter en spiral - se fig. 8.

Det piezoelektriske materiale er fortrinsvis en PZT keramik. Man foretrækker PZT, fordi det har en højere dielektricitetskonstant og en højere koblingskoefficient.

15 Transformeren kan f.eks. anvendes til at transformere 120 VAC til 12 VAC. Den piezoelektriske transformer har en forholdsvis stor energitæthed, op til 0,04 W/cm3· kHz svarende til en effekttæthed på 20 W/cm3 ved 500 kHz. Komponenten er således egnet til miniaturisering.

20 Alt andet lige resulterer dette i en mindre komponent, der igen vil have en lavere fremstillingspris. Den højere arbejdsfrekvens betyder også, at filterkomponenter (spoler, kondensatorer) i den tilhørende konstruktion kan have mindre værdier og derved mindre fysisk størrelse samt lavere pris.

25 Isoleringen mellem primær og sekundær beror ikke længere på krybestrækningen ·, langs overfladen af transformeren, men derimod på gennemslagsspændingen i isolationslaget. De mindre dimensioner er derfor ikke til hinder for at opfylde samme eller bedre krav til isolering.

30 Arbejdsfrekvensen er typisk 500 kHz. Det piezoelektriske materiale kan være Navy type 1. Ydre diameter er 10 mm, medens den indre diameter er 7 mm. Hvert element har en længde på 1,8 mm og de to elementer er adskilt af en rund alumi-naskive afen tykkelse på 0,25 mm. Transformerens samlede længde er 3,85 mm.

DK 176073 B1 6

Hidtil er der kun talt om transformatorer, hvor det ene element er en multilayer-komponent, medens det andet element er en bulkkomponent. Man kan imidlertid også tænke sig at begge komponenter enten er bulk eller multilayer, afhængigt af 5 det ønskede omsætningsforhold og de impedansforhold transformeren skal tilpasses til. Bulkkomponenter er billigere, og man kan ved at anvende materialer af forskellig permittivitet på primær- og sekundærsiden opnå et omsætningsforhold v på op til 1:3.

10 Endvidere kan der i stedet for cylinderformen anvendes et emne, der enten er 3 eller 4 kantet og har et rundt hul - se fig. 10. Hullet placeres asymetrisk for yderligere at dæmpe uønskede resonanser. Firkanter er billigere at skære ud og runde huller et lette at bore.

15

Claims (8)

1. Piezoelektrisk transformer omfattende et i hovedsagen cylindrisk piezoe-lektrisk legeme, der er opdelt i en primærdel (2) og en sekundærdel (3), idet så- 5 vel primærdelen som sekundærdelen kan generere og transformere piezoe-lektriske vibrationer i overensstemmelse med en vekselspænding tilført til den ene del, medens der fra den anden del vil kunne udtages en transformeret spænding, kendetegnet ved, at det i hovedsagen cylindriske piezoelektriske legeme udgøres af et i hovedsagen ovalt legeme med et hul eller et ringformet 10 legeme, der er polariseret i det væsentlige vinkelret på periferiretningen.

2. Piezoelektrisk transformer ifølge krav 1, kendetegnet ved, at primærsiden (2) af det piezoelektriske legeme er polariseret i længderetningen.

3. Piezoelektrisk transformer ifølge krav 1, kendetegnet ved, at primærsi den (2) af det ringformede piezoelektriske legeme er polariseret i det væsentlige radiært.

4. Piezoelektrisk transformer ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det piezo-20 elektriske legeme i det væsentlige beskriver en spiral.

5. Piezoelektrisk transformer ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at transformeren drives ved en resonansfrekvens, fortrinsvis en tykkelsesresonansfrekvens. 25

6. Piezoelektrisk transformer ifølge krav 1-3, kendetegnet ved, at sekundærsiden (3) er udstyret med et antal indvendige elektroder (6a,6b).

7. Piezoelektrisk transformer ifølge kravl, kendetegnet ved, at det piezo-30 elektriske legeme udgøres af et mangekantet legeme, fortrinsvis et firkantet legeme, hvori der er tilvejebragt et hul, fortrinsvis et cirkulært hul. DK 176073 B1 8

8. Piezoelektrisk transformer ifølge krav 7, kendetegnet ved, at hullet er asymmetrisk placeret. 5 K.