EP1776724A1 - Piezoelektrischer transformator - Google Patents

Piezoelektrischer transformator

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Publication number
EP1776724A1
EP1776724A1 EP05774390A EP05774390A EP1776724A1 EP 1776724 A1 EP1776724 A1 EP 1776724A1 EP 05774390 A EP05774390 A EP 05774390A EP 05774390 A EP05774390 A EP 05774390A EP 1776724 A1 EP1776724 A1 EP 1776724A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transformer
output
input
input electrodes
piezoelectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05774390A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz Florian
Alexander Glazunov
Igor Kartashev
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP1776724A1 publication Critical patent/EP1776724A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/04—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning
    • H10N30/045—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning by polarising
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/40—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and electrical output, e.g. functioning as transformers

Definitions

  • Piezoelectric transformers of the rose type are z. B. from the document US 297429S known.
  • the electrical polarization in the ceramic in the input part is directed perpendicular to the polarization in the output part of the transformer.
  • An object to be solved is to specify a low-loss piezoelectric transformer.
  • the invention relates to a piezoelectric transformer having a base body which contains a piezoelectric material which is polarized in an input part of the base body along a first axis and in an output part of the base body along a second axis perpendicular to the first axis , Between the input part and the output part there is provided a transition region in which the polarization of the piezoelectric material changes its direction gradually from a polarization along the first to a polarization along the second axis.
  • the internal electrodes in the input part are divided into two groups which have different lengths from each other.
  • the difference in the length of the inner electrodes is greater than the thickness of a piezoelectric layer in the input part of the transformer.
  • the depolarization of a polarized material can occur when the level of the electrical input voltage in the transformer exceeds a limit value which corresponds to the coercive electric field of piezoelectric ceramic.
  • the coercive field is defined as a field strength at which the electrical polarization of piezoelectric ceramics changes direction.
  • the polarity of the input voltage of the transformer (after the polarization process) is the same as the polarity of the electrical voltage applied during the polarization process of the transformer.
  • the electrical ground of the generator at the input part and the electrical ground of the rectifier at the output part are to be connected to the electrodes of the piezoelectric transformer, which were connected to the electrical ground during the polarization process.
  • a laminated piezoelectric transformer of the rose type is specified.
  • the transformer has a base body in the form of a rectangular bar.
  • the main body comprises at least two mechanically interconnected parts, an input part (primary side) and an output part (secondary side).
  • the input part comprises a plurality of piezoelectric layers which polarize in the thickness direction.
  • the piezoelectric layers preferably contain ceramic.
  • first and second internal electrodes are arranged between the piezoelectric layers.
  • the first internal electrodes are conductively connected miteinan ⁇ and form a first group.
  • the second NEN electrodes are conductively connected to each other and form a second group.
  • the first and the second internal electrodes are preferably arranged in an alternating sequence.
  • the output part is polarized along a longitudinal axis, wherein an output electrode z. B. is arranged on the front side of Kör ⁇ pers of the piezoelectric transformer.
  • the two groups of internal electrodes in the input part have a different distance to the arranged on the front side of the transformer body output electrode. This difference is greater than the thickness of a single ceramic layer in the input part.
  • the group of internal electrodes with a shorter distance to the output electrode is connected to the electrical ground during the polarization process.
  • the group of input electrodes with a shorter distance to the output electrode is connected in a variant with the Massen ⁇ terminal of a generator which generates pulses of intelligents ⁇ voltage having the same polarity as the voltage during the polarization process.
  • the output electrode may be connected to a rectifier such that the DC voltage component of the output voltage has the same polarity as the voltage during the polarization process.
  • FIG. 1 shows an exemplary multi-layered piezotransformer of the Rosen type
  • FIG. 2 shows a simplified equivalent circuit diagram of an electrical circuit with the piezoelectric transformer according to FIG. 1, which shows the connection of the piezoelectric transformer to the generator and to the rectifier.
  • Figure 1 shows a schematic view of a laminated Rosen-type piezoelectric transformer.
  • the basic body of the transformer has two parts which are mechanically connected to one another: the input part 1 and the output part 2.
  • first inner electrodes 3 connected in parallel with each other are arranged by means of a first outer electrode 6 and second inner electrodes 4 connected in parallel with each other by means of a second outer electrode 7.
  • the first internal electrodes 3 form a first group and the second internal electrodes 4 form a second group.
  • the output part 2 has a third outer electrode 5, which is arranged on the second Strinseite the output part.
  • the piezoelectric layers arranged in the input part are polarized along the thickness direction, while the output part is polarized along the length of the transformer body.
  • the arrows indicate the directions of electrical polarization in the piezoelectric ceramic.
  • the outer electrodes 6 and 7 are arranged on the first end side of the transformer body.
  • the inner electrodes 3 of the first group have a distance L 2 and the inner electrodes 4 of the second group a different from L 2 - in Figure 1 smaller - distance Li to the third outer electrode 5.
  • the difference in the distances L 1 and L 2 ensures that in this part of the transformer the electrical polarization changes its direction gradually from 0 ° to 90 ° from the input part to the output part.
  • FIG. 2 shows the connection of the Rosen-type piezoelectric transformer with an external circuit.
  • the high voltage output connection of the generator (point 8) is connected to the first internal electrodes 3 of the input part.
  • the second internal electrodes 4 of the input part are connected to the electrical ground.
  • the polarity of the pulses of the input voltage of the transformer is the same as that of the voltage during the polarization.
  • the polarity of the output from the rectifier 9, which is connected to the output electrode 5 of the transformer is also the same as the voltage during the polarization of the output part 2 of the transformer.
  • Such a choice of the polarity of electrical connections ensures that the piezoelectric ceramic is not depolarized in the transformer when a relatively high input voltage is applied to the transformer.
  • the specified transformer is not limited to the examples shown. For example, the primary and the secondary side can be reversed.

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Abstract

Es wird ein Piezotransformator mit einem Grundkörper angegeben, der ein piezoelektrisches Material enthält. Das piezoelektrische Material ist in einem Eingangsteil (1) des Grundkörpers entlang einer ersten Achse und in einem Ausgangsteil (2) des Grundkörpers entlang einer zweiten, zur ersten Achse senkrecht stehenden Achse polarisiert. In einem Übergangsbereich zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil ändert die Polarisierung von piezoelektrischem Material ihre Richtung graduell von einer Polarisierung entlang der ersten zu einer Polarisierung entlang der zweiten Achse.

Description

Beschreibung
Piezoelektrischer Transformator
Piezoelektrische Transformatoren des Rosen-Typs sind z. B. aus der Druckschrift US 297429S bekannt. In diesen Transfor¬ matoren ist die elektrische Polarisierung in der Keramik im Eingangsteil senkrecht zur Polarisierung im Ausgangsteil des Transformators gerichtet.
Eine zu lösende Aufgabe ist es, einen verlustarmen Piezo- transformator anzugeben.
Es wird ein piezoelektrischer Transformator mit einem Grund¬ körper angegeben, der ein piezoelektrisches Material enthält, das in einem Eingangsteil des Grundkörpers entlang einer ers¬ ten Achse und in einem Ausgangsteil des Grundkörpers entlang einer zweiten, zur ersten Achse senkrecht stehenden Achse po¬ larisiert ist. Zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil ist ein Übergangsbereich vorgesehen, in dem die Polarisierung des piezoelektrischen Materials ihre Richtung graduell von einer Polarisierung entlang der ersten zu einer Polarisierung entlang der zweiten Achse ändert.
Im Übergangsbereich erfolgt eine graduelle Änderung der Rich¬ tung elektrischer Polarisierung von 0° im Eingangsteil bis 90° im Ausgangsteil. Um die graduelle Änderung zu erzielen, sind in einer Variante die Innenelektroden im Eingangsteil in zwei Gruppen aufgeteilt, die voneinander unterschiedliche Längen aufweisen. Der Unterschied in der Länge der Innen¬ elektroden ist größer als die Dicke einer piezoelektrischen Schicht im Eingangsteil des Transformators. Die Depolarisierung eines polarisierten Materials kann auf¬ treten, wenn die Höhe der elektrischen Eingangsspannung im Transformator einen Grenzwert überschreitet, der dem koerzi- tiven elektrischen Feld piezoelektrischer Keramik entspricht. Das Koerzitivfeld ist als eine Feldstärke definiert, bei der die elektrische Polarisierung piezoelektrischer Keramik ihre Richtung ändert.
Um die Depolarisierung von Keramik im Transformator zu ver¬ hindern, ist es vorteilhaft, wenn die Polarität der Eingangs¬ spannung des Transformators (nach dem Polarisierungsprozess) dieselbe ist wie die Polarität der während des Polarisie¬ rungsprozesses des Transformators angelegten elektrischen Spannung. Zu diesem Zweck sind die elektrische Masse des Ge¬ nerators am Eingangsteil und die elektrische Masse des Gleichrichters am Ausgangsteil mit den Elektroden des piezo¬ elektrischen Transformators zu verbinden, die während des Po¬ larisierungsprozesses mit der elektrischen Masse verbunden waren.
In einer bevorzugten Variante wird ein laminierter piezo¬ elektrischer Transformator des Rosen-Typs angegeben. Der Transformator weist einen Grundkörper auf in Form eines rechteckigen Stabes. Der Grundkörper umfasst mindestens zwei mechanisch miteinander verbundene Teile, einen Eingangsteil (Primärseite) und einen Ausgangsteil (Sekundärseite) .
Der Eingangsteil umfasst mehrere piezoelektrische Schichten, die in Dickenrichtung polarisiert. Die piezoelektrischen Schichten enthalten vorzugsweise Keramik. Zwischen den piezo¬ elektrischen Schichten sind erste und zweite Innenelektroden angeordnet. Die ersten Innenelektroden sind leitend miteinan¬ der verbunden und bilden eine erste Gruppe. Die zweiten In- nenelektroden sind leitend miteinander verbunden und bilden eine zweite Gruppe. Die ersten und die zweiten Innenelektro¬ den sind vorzugweise in abwechselnder Reihenfolge angeordnet.
Der Ausgangsteil ist entlang einer Längsachse polarisiert, wobei eine Ausgangselektrode z. B. an der Stirnseite des Kör¬ pers des piezoelektrischen Transformators angeordnet ist.
Die zwei Gruppen von Innenelektroden im Eingangsteil weisen einen unterschiedlichen Abstand zur auf der Stirnseite des Transformatorkörpers angeordneten Ausgangselektrode auf. Die¬ ser Unterschied ist größer als die Dicke einer einzelnen Ke¬ ramikschicht im Eingangsteil. Die Gruppe von Innenelektroden mit einem kürzeren Abstand zur Ausgangselektrode ist während des Polarisierungsprozesses mit der elektrischen Masse lei¬ tend verbunden.
Die Gruppe der Eingangselektroden mit einem kürzeren Abstand zur Ausgangselektrode ist in einer Variante mit der Massen¬ klemme eines Generators verbunden, der Impulse der Eingangs¬ spannung erzeugt, die dieselbe Polarität wie die Spannung während des Polarisierungsprozesses aufweisen.
Die Ausgangselektrode kann mit einem Gleichrichter derart verbunden sein, dass der Gleichspannungsanteil der Ausgangs¬ spannung dieselbe Polarität wie die Spannung während des Po¬ larisierungsprozesses aufweist.
Im Folgenden wird der Piezotransformator und die Anordnung mit einem Piezotransformator anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Figuren erläutert. Es zeigen schematisch: Figur 1 einen beispielhaften mehrschichtigen Piezotransfor- mator des Rosen-Typs;
Figur 2 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer elektri¬ schen Schaltung mit dem piezoelektrischen Transformator gemäß Figur 1, das die Verbindung des piezoelektrischen Transforma¬ tors an den Generator und an den Gleichrichter zeigt.
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines laminierten piezoelektrischen Transformators des Rosen-Typs. Der Grund- kδrper des Transformators weist zwei mechanisch miteinander verbundene Teilen auf: den Eingangsteil 1 und den Aus¬ gangsteil 2.
Im Eingangsteil 1 sind mittels einer ersten Außenelektrode 6 parallel miteinander verbundene erste Innenelektroden 3 und mittels einer zweiten Außenelektrode 7 parallel miteinander verbundene zweite Innenelektroden 4 angeordnet. Die ersten Innenelektroden 3 bilden eine erste Gruppe und die zweiten Innenelektroden 4 eine zweite Gruppe. Der Ausgangsteil 2 weist eine dritte Außenelektrode 5 auf, die an der zweiten Strinseite des Ausgangsteils angeordnet ist.
Die im Eingangsteil angeordneten piezoelektrischen Schichten sind entlang der Dickenrichtung polarisiert, während der Aus¬ gangsteil entlang der Länge des Transformatorkörpers polari¬ siert ist. Die Pfeile geben die Richtungen elektrischer Pola¬ risierung in der piezoelektrischen Keramik an.
Die Außenelektroden 6 und 7 sind auf der ersten Stirnseite des Transformatorkörpers angeordnet. In dem Bereich des Transformatorkörpers, in dem der Eingangsteil 1 und der Aus¬ gangsteil 2 miteinander verbunden sind, Die Innenelektroden 3 der ersten Gruppe weisen einen Abstand L2 und die Innenelektroden 4 der zweiten Gruppe einen von L2 unterschiedlichen - in Figur 1 kleineren - Abstand Li zur dritten Außenelektrode 5 auf. Der Unterschied in den Abstän¬ den L1 und L2 sorgt dafür, dass in diesem Teil des Transfor¬ mators die elektrische Polarisierung ihre Richtung graduell von 0° bis 90° vom Eingangsteil zum Ausgangsteil ändert. Die graduelle Änderung in der Polarisierungsrichtung erzeugt me¬ chanische Spannungen am Übergang zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil, deren Betrag viel kleiner ist als der Betrag der mechanischen Spannungen in einem Transformator, in dem die Innenelektroden 3 und 4 denselben Abstand zur Aus¬ gangselektrode 5 aufweisen.
Figur 2 zeigt die Verbindung des piezoelektrischen Trans¬ formators des Rosen-Typs mit einer externen Schaltung. Die Hochspannungs-Ausgangsverbindung des Generators (Punkt 8) ist mit den ersten Innenelektroden 3 des Eingangsteils verbunden. Die zweiten Innenelektroden 4 des Eingangsteils sind mit der elektrischen Masse verbunden. Die Polarität der Impulse der EingangsSpannung des Transformators ist dieselbe wie jene der elektrischen Spannung während der Polarisierung. Die Polari¬ tät des Ausgangs vom Gleichrichter 9, der mit der Ausgangs¬ elektrode 5 des Transformators verbunden ist, ist ebenfalls dieselbe wie die Spannung während der Polarisierung des Aus¬ gangsteils 2 des Transformators. Die derartige Wahl der Pola¬ rität elektrischer Verbindungen sorgt dafür, dass die piezo¬ elektrische Keramik im Transformator nicht depolarisiert wird, wenn eine relativ hohe EingangsSpannung am Transforma¬ tor anliegt. Der angegebene Transformator ist nicht auf die gezeigten Bei¬ spiele beschränkt. Beispielsweise kann die Primär- und die Sekundärseite vertauscht werden.
- S -

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrischer Transformator
- mit einem Grundkörper, der ein piezoelektrisches Materi¬ al enthält, das in einem Eingangsteil (1) des Grundkörpers entlang einer ersten Achse und in einem Ausgangsteil (2) des Grundkörpers entlang einer zweiten, zur ersten Achse senkrecht stehenden Achse polarisiert ist, und
- bei dem in einem Übergangsbereich zwischen dem Ein¬ gangsteil und dem Ausgangsteil die Polarisierung von pie¬ zoelektrischem Material ihre Richtung graduell von einer Polarisierung entlang der ersten zu einer Polarisierung entlang der zweiten Achse ändert.
2. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 1,
- wobei der Eingangsteil (1) Eingangselektroden (3, 4) und der Ausgangsteil (2) mindestens eine Ausgangselektrode (5) aufweist,
- wobei die dem Übergangsbereich zugewandten Enden der Eingangselektroden (4) der einen Polarität von der Aus¬ gangselektrode (5) einen geringeren Abstand (L1) aufweisen als die Enden der Eingangselektroden (3) der anderen Pola¬ rität.
3. Transformator nach Anspruch 2,
- wobei der Eingangsteil (1) eine Vielzahl von als Ein¬ gangselektroden (3, 4) vorgesehenen, im Grundkörper ange¬ ordneten Innenelektroden umfasst,
- wobei der Ausgangsteil (2) nur eine als Ausgangselektro¬ de (5) vorgesehene, an der Grundkörperoberfläche angeord¬ nete Außenelektrode aufweist. 4. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Unterschied der Abstände (Li, L2) der Eingangs- elektroden (4) unterschiedlicher Polarität von der Aus¬ gangselektrode (5) größer ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Eingangselektroden (3,
4) .
5. Verfahren zum Polarisieren eines Transformators nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Eingangselektroden mit dem kürzeren Abstand zur Ausgangselektrode mit einem Masseanschluss verbunden wer¬ den.
6. Verfahren zum Betreiben eines Transformators nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Eingangselektroden mit dem kürzeren Abstand zur Ausgangselektrode mit der Masse eines Spannungsgenerators verbunden werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Generator eine Spannung derselben Polarität er¬ zeugt wie die zur Polarisierung des Transformators verwen¬ dete Spannung.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei an der Ausgangselektrode ein Gleichrichter ange¬ schlossen wird, dessen ausgegebene Spannung eine Polarität aufweist, die der Polarität der beim Polarisieren des Aus¬ gangsteils verwendeten Spannung gleicht.
EP05774390A 2004-08-13 2005-08-04 Piezoelektrischer transformator Withdrawn EP1776724A1 (de)

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DE102004039423 2004-08-13
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EP05774390A Withdrawn EP1776724A1 (de) 2004-08-13 2005-08-04 Piezoelektrischer transformator

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