EP2050149A1 - Piezoelectric transformer - Google Patents

Piezoelectric transformer

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Publication number
EP2050149A1
EP2050149A1 EP07817742A EP07817742A EP2050149A1 EP 2050149 A1 EP2050149 A1 EP 2050149A1 EP 07817742 A EP07817742 A EP 07817742A EP 07817742 A EP07817742 A EP 07817742A EP 2050149 A1 EP2050149 A1 EP 2050149A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact layer
opening
functional part
aperture
transformer according
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Withdrawn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
EP07817742A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Heinz Florian
Igor Kartashev
Patrick Schmidt-Winkel
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 EP2050149A1 publication Critical patent/EP2050149A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/874—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices embedded within piezoelectric or electrostrictive material, e.g. via connections
    • 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
    • H10N30/06—Forming electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • 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

  • An object to be solved is to provide a piezoelectric transformer which can be mounted to save space on a carrier.
  • a piezoelectric transformer having a body comprising two functional parts and an insulating region which mechanically connects the functional parts.
  • a first breakthrough and a second breakthrough is formed in the body. The respective breakthrough penetrates both functional parts and the insulating area.
  • the piezoelectric transformer is referred to below as a piezo transformer.
  • a first functional part is an input part and a second functional part is an output part of the transformer.
  • the openings are each suitable for receiving a carrier element, which is preferably provided as an electrical connection element for contacting the functional parts.
  • the connection element is for example a pin or a tube.
  • One end of the support member projects out of the body and is mountable in a carrier.
  • the aperture is a through opening which extends from a first end face of the body to the second end face.
  • a continuous opening is particularly robust compared to a blind hole depression and is characterized by a lower probability of cracking. This is of particular importance because the body vibrates during operation of the transformer, which can lead to cracking.
  • the specified piezotransformer is highly reliable.
  • the respective functional part comprises alternately arranged first and second internal electrodes, which are aligned perpendicular to the longitudinal direction of the body.
  • the internal electrodes are each arranged between two piezoelectric layers.
  • the piezoelectric layers are referred to below as piezo layers.
  • the terminal inner electrodes of the respective functional part are arranged in a variant between a piezoelectric layer and the insulating region.
  • the openings preferably extend in the longitudinal direction of the body, ie perpendicular to the internal electrodes.
  • mechanical vibrations are excited, which preferably also propagate in the longitudinal direction.
  • the vibrations are characterized by an electromechanical coupling coefficient k 33 .
  • the openings preferably have at least one contact layer which has a group of internal electrodes with one another combines.
  • an elongated connection element preferably a metal pin, a metal tube or a composite of metal fibers, for. B. a wire rope arranged.
  • metal instead of the metal, other conductive materials come into consideration, for. As electrically conductive ceramics, carbon fiber materials, composites.
  • connection element projects out of the body.
  • the connection element can be firmly connected to an external carrier, preferably a printed circuit board.
  • the connecting element is preferably sufficiently stable and suitable as a supporting element for the body.
  • connection element Between the connection element and the body, a resilient device is preferably arranged, which is suitable for damping vibrations of the body.
  • the connection element may alternatively have self-vibration damping properties or a spring device.
  • the respective contact layer is conductively connected in a variant with an externally accessible terminal surface, which is arranged on an end face of the body.
  • a connection wire can be attached to this connection surface.
  • At least a portion of the inner surface of the first aperture is covered by a first contact layer which conductively connects the first inner electrodes of the first functional portion.
  • At least a portion of the inner surface of the second aperture is covered by a second contact layer which conductively connects the second inner electrodes of the first functional portion.
  • At least a portion of the inner surface of the first opening is protected by a third contact layer. covers the first internal electrodes of the second functional part conductively connects. In this case, at least a region of the inner surface of the second opening is covered by a fourth contact layer, which conductively connects the second inner electrodes of the second functional part.
  • a third breakthrough and a fourth breakthrough is formed in the body. At least a portion of the inner surface of the third aperture is covered by a third contact layer which conductively connects the first inner electrodes of the second functional portion. At least a portion of the inner surface of the fourth aperture is covered by a fourth contact layer which conductively connects the second inner electrodes of the second functional portion.
  • the first internal electrodes of the respective functional part have a recess in which the second aperture is arranged.
  • the second internal electrodes of the respective functional part have a recess in which the first opening is arranged.
  • a filling material is preferably arranged.
  • the filler material is preferably electrically insulating.
  • the filling material is preferably arranged at least in a region of the opening which adjoins the insulating region.
  • the filler material preferably has hydrophobic properties.
  • filling material for example silicone is suitable. However, it is also possible to use other materials, in particular electrically insulating materials, with a high dielectric strength.
  • the piezoelectric layers preferably contain a ceramic material such as. B. lead zirconate titanate. Alternatively, other preferably ceramic, in particular lead-free piezoelectric materials are used.
  • the insulating region comprises an electrically insulating material, preferably ceramic, which differs from the material of the piezoelectric layers.
  • the material of the insulating region may also be the same as the material of the piezoelectric layers.
  • the piezotransformer is manufactured, for example, as follows.
  • a body is provided with two partial bodies and an insulating region arranged between them, wherein the partial bodies are respectively provided by stacking ceramic layers and metal layers.
  • the body In the body at least two openings are generated perpendicular to the layer orientation.
  • the body is sintered with the apertures.
  • the breakthroughs can be generated after sintering.
  • the breakthroughs for example, by drilling - z. As mechanical drilling, laser drilling, jet drilling - or punching can be generated.
  • the openings are preferably each metallized after sintering.
  • a metal paste is applied to the inner surface of the openings and then baked.
  • vapor deposition of a conductive layer is possible.
  • FIG. 1B is a plan view of a metallization plane of the piezo transformer according to FIG. 1A;
  • FIG. 2A fragmentary a piezoelectric transformer with four openings
  • FIG. 2B shows a detail of a first longitudinal section of the piezotransformer according to FIG. 2A;
  • FIG. 2C a detail of a second longitudinal section of the piezotransformer according to FIG. 2A.
  • FIG. 1A shows a piezoelectric transformer with a ceramic body 3, which comprises an input part 5, an output part 7 and an insulating region 10 arranged between them.
  • the input part 5 and the output part 7 are mechanically coupled together by means of the insulating region 10. They are electrically insulated from each other by the insulating area.
  • An electrical input signal is converted in the input part of the piezoelectric transformer into mechanical vibrations of the main body of the transformer. Due to the mechanical coupling of the input part and the output part both parts are affected by the mechanical vibration. The conversion of electrical energy into mechanical energy occurs due to the inverse piezoelectric effect. In the output part, the mechanical vibrations are transformed back into an electrical output signal due to the direct piezoelectric effect.
  • the Output voltage may be smaller or larger than the input voltage depending on the transformation ratio of the transformer.
  • the input and output voltage can also be the same size, the transformer is used for example for a galvanic decoupling of two circuits.
  • a first opening 1 and a second opening 2 is formed in the body 3.
  • the openings connect two opposing faces of the body.
  • the input part 5 includes first inner electrodes 4a and second inner electrodes 4b, which are alternately arranged.
  • the first internal electrodes 4a are conductively connected to one another via a first contact layer 6a, which is arranged in the first opening 1.
  • the second internal electrodes 4b are conductively connected to one another via a second contact layer 6b, which is arranged in the second opening 2.
  • the output part 7 includes first inner electrodes 8a and second inner electrodes 8b arranged alternately.
  • the first internal electrodes 8a are conductively connected to one another via a first contact layer 9a, which is arranged in the first opening 1.
  • the second internal electrodes 8b are conductively connected to one another via a second contact layer 9b, which is arranged in the second opening 2.
  • the contact layers 6a, 6b, 9a, 9b are conductor surfaces which each cover a region of the inner wall of the opening 1, 2 arranged in the input part or output part.
  • the internal electrodes of the piezotransformer can be electrically contacted via the contact layers 6a, 6b, 9a, 9b. _ o _
  • an electrically insulating filling material 11 or a passivation layer 12 is provided in this region of the opening.
  • the passivation layer 12 covers a region of the respective contact layer 6a, 6b, 9a, 9b.
  • the dielectric strength of the filler or the passivation layer preferably exceeds that of the piezoelectric layers.
  • the filler or the passivation layer may have organic and / or inorganic components.
  • the internal electrodes 4a, 4b, 8a, 8b are embedded in the body 3.
  • the configuration of an inner electrode is explained in the figure IB for the inner electrode 4a (section AA). It applies correspondingly to the internal electrodes 4b, 8a, 8b.
  • the first inner electrode 4a contacts the first contact layer 6a, but is spaced from the second contact layer 6b.
  • the first inner electrode 8a contacts the first contact layer 9a and is spaced from the second contact layer 9b.
  • the second inner electrode 4b contacts the second contact layer 6b and is spaced from the first contact layer 6a.
  • the second inner electrode 8b contacts the second contact layer 9b and is spaced from the first contact layer 9a.
  • the second opening 2 is arranged in a recess 41 of the first inner electrode 4a and a recess 43 of the first inner electrode 8a.
  • the second contact layer 6b is disposed in the recess 41 of the first inner electrode 4a and, similarly, the second contact layer 9b is disposed in the recess 43 of the first inner electrode 8a.
  • the first opening 1 is arranged in a recess 42 of the second inner electrode 4b and a recess 44 of the second inner electrode 8b.
  • the first contact layer 6a is disposed in the recess 42 of the second inner electrode 4b and, correspondingly, the first contact layer 9a is disposed in the recess 44 of the second inner electrode 8b.
  • the openings 1, 2 lie in the variant according to the figures IA, IB along a line which passes through the center of the body 3 and is parallel to first side surfaces of the body.
  • the openings 1, 2 lie in a further variant along a diagonal. In principle, any, including asymmetric, arrangement of breakthroughs is possible.
  • the transformer parts are shown with the same spacing between the first and second internal electrodes. This distance can also be chosen differently in order to achieve a desired transmission ratio.
  • FIGS. 2A, 2B, 2C show a further piezotransformer.
  • FIG. 2B corresponds to the section AA and
  • FIG. 2C corresponds to the section BB.
  • each contact layer ie for each contact layer a separate breakthrough.
  • the Contact layers 9a, 9b are arranged in the openings 21 and 22.
  • Each inner electrode is conductively connected to the respective contact layer of one of the openings.
  • the other openings are arranged in a respective recess 42, 43, 44 of this inner electrode. Since the openings 21, 22 are not metallized in the input part 5, can be dispensed with the recesses 43, 44.
  • the design of the piezotransformer in particular the shape and the number of transformer elements, is not limited to the variants presented in the figures.
  • the body is preferably in the form of a cuboid.
  • the faces of the body may be rectangular or square.
  • the body can also be cylindrical.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

A piezoelectric transformer is disclosed having a body (3) with two functional parts (5, 7) and an insulating region (10) which mechanically unites the functional parts (5, 7). A first passage (1) and a second passage (2) are formed in the body (3). Both passages (1, 2) extend through both functional parts and the insulating region.

Description

Beschreibungdescription
Piezoelektrischer TransformatorPiezoelectric transformer
Jeweils ein Piezotransformator ist in der Druckschrift US 6,353,278 Bl und JP 11-354855 A beschrieben.In each case a piezoelectric transformer is described in the document US 6,353,278 Bl and JP 11-354855 A.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen piezoelektrischen Transformator anzugeben, der auf einem Träger Platz sparend montiert werden kann.An object to be solved is to provide a piezoelectric transformer which can be mounted to save space on a carrier.
Es wird ein piezoelektrischer Transformator mit einem Körper angegeben, der zwei Funktionsteile und einen Isolierbereich umfasst, welcher die Funktionsteile mechanisch verbindet. Im Körper ist ein erster Durchbruch und ein zweiter Durchbruch ausgebildet. Der jeweilige Durchbruch durchdringt beide Funktionsteile und den Isolierbereich.There is provided a piezoelectric transformer having a body comprising two functional parts and an insulating region which mechanically connects the functional parts. In the body, a first breakthrough and a second breakthrough is formed. The respective breakthrough penetrates both functional parts and the insulating area.
Der piezoelektrische Transformator wird im Folgenden Piezotransformator genannt .The piezoelectric transformer is referred to below as a piezo transformer.
Als Funktionsteile werden Bereiche des Transformators bezeichnet, in denen eine elektromechanische Wandlung stattfindet. Ein erster Funktionsteil ist ein Eingangsteil und ein zweiter Funktionsteil ein Ausgangsteil des Transformators.As functional parts of areas of the transformer are referred to, in which an electromechanical conversion takes place. A first functional part is an input part and a second functional part is an output part of the transformer.
Die Durchbrüche sind jeweils zur Aufnahme eines Trägerelements geeignet, das vorzugsweise als ein elektrisches Anschlusselement zur Kontaktierung der Funktionsteile vorgesehen ist. Das Anschlusselement ist beispielsweise ein Stift oder ein Rohr. Ein Ende des Trägerelements ragt aus dem Körper heraus und ist in einem Träger befestigbar. Durch die Anordnung eines Teils der Trägerelemente im Körperinneren ist eine Platz sparende Montage des Transformators auf dem Träger möglich.The openings are each suitable for receiving a carrier element, which is preferably provided as an electrical connection element for contacting the functional parts. The connection element is for example a pin or a tube. One end of the support member projects out of the body and is mountable in a carrier. By the arrangement of a part of the support elements in the body is interior a space-saving installation of the transformer on the carrier possible.
Der Durchbruch ist eine durchgehende Öffnung, die sich von einer ersten Stirnseite des Körpers bis zur zweiten Stirnseite erstreckt. Eine durchgehende Öffnung ist verglichen mit einer Sacklochvertiefung besonders robust und zeichnet sich durch eine geringere Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung aus. Dies ist von besonderer Bedeutung, da der Körper im Betrieb des Transformators vibriert, was zur Rissbildung führen kann.The aperture is a through opening which extends from a first end face of the body to the second end face. A continuous opening is particularly robust compared to a blind hole depression and is characterized by a lower probability of cracking. This is of particular importance because the body vibrates during operation of the transformer, which can lead to cracking.
Aus oben genannten Gründen ist der angegebene Piezotransfor- mator in hohem Maße zuverlässig.For the reasons mentioned above, the specified piezotransformer is highly reliable.
Der jeweilige Funktionsteil umfasst abwechselnd angeordnete erste und zweite Innenelektroden, die senkrecht zur Längsrichtung des Körpers ausgerichtet sind. Die Innenelektroden sind jeweils zwischen zwei piezoelektrische Schichten angeordnet. Die piezoelektrischen Schichten werden im Folgenden Piezoschichten genannt . Die endständigen Innenelektroden des jeweiligen Funktionsteils sind in einer Variante zwischen einer Piezoschicht und dem Isolierbereich angeordnet.The respective functional part comprises alternately arranged first and second internal electrodes, which are aligned perpendicular to the longitudinal direction of the body. The internal electrodes are each arranged between two piezoelectric layers. The piezoelectric layers are referred to below as piezo layers. The terminal inner electrodes of the respective functional part are arranged in a variant between a piezoelectric layer and the insulating region.
Die Durchbrüche erstrecken sich vorzugsweise in der Längsrichtung des Körpers, d. h. senkrecht zu den Innenelektroden. Im Körper werden mechanische Schwingungen angeregt, die sich vorzugsweise auch in Längsrichtung ausbreiten. Die Schwingungen werden durch einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k33 charakterisiert.The openings preferably extend in the longitudinal direction of the body, ie perpendicular to the internal electrodes. In the body, mechanical vibrations are excited, which preferably also propagate in the longitudinal direction. The vibrations are characterized by an electromechanical coupling coefficient k 33 .
Die Durchbrüche weisen vorzugsweise mindestens eine Kontaktschicht auf, die eine Gruppe von Innenelektroden miteinander verbindet. Im jeweiligen Durchbruch ist ein lang gestrecktes Anschlusselement, vorzugsweise ein Metallstift, ein Metallrohr oder ein Verbund von Metallfasern, z. B. ein Drahtseil, angeordnet. Anstelle des Metalls kommen auch andere leitfähige Materialien in Betracht, z. B. elektrisch leitende Keramiken, Kohlefasermaterialien, Verbundwerkstoffe.The openings preferably have at least one contact layer which has a group of internal electrodes with one another combines. In the respective breakthrough is an elongated connection element, preferably a metal pin, a metal tube or a composite of metal fibers, for. B. a wire rope arranged. Instead of the metal, other conductive materials come into consideration, for. As electrically conductive ceramics, carbon fiber materials, composites.
Das Anschlusselement ragt aus dem Körper hinaus . Das Anschlusselement kann mit einem externen Träger, vorzugsweise einer Leiterplatte, fest verbunden werden. Das Anschlusselement ist vorzugsweise ausreichend stabil und als ein tragendes Element für den Körper geeignet .The connection element projects out of the body. The connection element can be firmly connected to an external carrier, preferably a printed circuit board. The connecting element is preferably sufficiently stable and suitable as a supporting element for the body.
Zwischen dem Anschlusselement und dem Körper ist vorzugsweise eine federnde Vorrichtung angeordnet, die für die Dämpfung von Schwingungen des Körpers geeignet ist. Das Anschlusselement kann alternativ selbst schwingungsdämpfende Eigenschaften oder eine Federvorrichtung aufweisen.Between the connection element and the body, a resilient device is preferably arranged, which is suitable for damping vibrations of the body. The connection element may alternatively have self-vibration damping properties or a spring device.
Die jeweilige KontaktSchicht ist in einer Variante mit einer von außen zugänglichen Anschlussfläche leitend verbunden, die an einer Stirnseite des Körpers angeordnet ist. An dieser Anschlussfläche kann ein Anschlussdraht befestigt werden.The respective contact layer is conductively connected in a variant with an externally accessible terminal surface, which is arranged on an end face of the body. A connection wire can be attached to this connection surface.
Zumindest ein Bereich der Innenfläche des ersten Durchbruchs ist durch eine erste Kontaktschicht bedeckt, die die ersten Innenelektroden des ersten Funktionsteils leitend verbindet. Zumindest ein Bereich der Innenfläche des zweiten Durchbruchs ist durch eine zweite Kontaktschicht bedeckt, die die zweiten Innenelektroden des ersten Funktionsteils leitend verbindet.At least a portion of the inner surface of the first aperture is covered by a first contact layer which conductively connects the first inner electrodes of the first functional portion. At least a portion of the inner surface of the second aperture is covered by a second contact layer which conductively connects the second inner electrodes of the first functional portion.
In einer Variante ist zumindest ein Bereich der Innenfläche des ersten Durchbruchs durch eine dritte Kontaktschicht be- deckt, die die ersten Innenelektroden des zweiten Funktions- teils leitend verbindet. Dabei ist zumindest ein Bereich der Innenfläche des zweiten Durchbruchs durch eine vierte Kontaktschicht bedeckt, die die zweiten Innenelektroden des zweiten Funktionsteils leitend verbindet.In a variant, at least a portion of the inner surface of the first opening is protected by a third contact layer. covers the first internal electrodes of the second functional part conductively connects. In this case, at least a region of the inner surface of the second opening is covered by a fourth contact layer, which conductively connects the second inner electrodes of the second functional part.
In einer weiteren Variante ist im Körper ein dritter Durchbruch und ein vierter Durchbruch ausgebildet . Zumindest ein Bereich der Innenfläche des dritten Durchbruchs ist durch eine dritte KontaktSchicht bedeckt, die die ersten Innenelektroden des zweiten Funktionsteils leitend verbindet. Zumindest ein Bereich der Innenfläche des vierten Durchbruchs ist durch eine vierte KontaktSchicht bedeckt, die die zweiten Innenelektroden des zweiten Funktionsteils leitend verbindet.In a further variant, a third breakthrough and a fourth breakthrough is formed in the body. At least a portion of the inner surface of the third aperture is covered by a third contact layer which conductively connects the first inner electrodes of the second functional portion. At least a portion of the inner surface of the fourth aperture is covered by a fourth contact layer which conductively connects the second inner electrodes of the second functional portion.
Die ersten Innenelektroden des jeweiligen Funktionsteils weisen eine Aussparung auf, in der der zweite Durchbruch angeordnet ist. Die zweiten Innenelektroden des jeweiligen Funktionsteils weisen eine Aussparung auf, in der der erste Durchbruch angeordnet ist.The first internal electrodes of the respective functional part have a recess in which the second aperture is arranged. The second internal electrodes of the respective functional part have a recess in which the first opening is arranged.
Im jeweiligen Durchbruch ist vorzugsweise ein Füllmaterial angeordnet. Das Füllmaterial ist vorzugsweise elektrisch isolierend. Das Füllmaterial ist vorzugsweise zumindest in einem Bereich des Durchbruchs angeordnet, der an den Isolierbereich angrenzt. Das Füllmaterial weist vorzugsweise hydrophobe Eigenschaften auf. Als Füllmaterial ist beispielsweise Silikon geeignet. Es können aber auch andere, insbesondere elektrisch isolierende Materialien mit einer hohen Durchschlagfestigkeit eingesetzt werden.In the respective breakthrough, a filling material is preferably arranged. The filler material is preferably electrically insulating. The filling material is preferably arranged at least in a region of the opening which adjoins the insulating region. The filler material preferably has hydrophobic properties. As filling material, for example silicone is suitable. However, it is also possible to use other materials, in particular electrically insulating materials, with a high dielectric strength.
Die Piezoschichten enthalten vorzugsweise ein Keramikmaterial wie z. B. Blei-Zirkonat-Titanat . Alternativ können auch ande- re vorzugsweise keramische, insbesondere bleifreie piezoelektrische Materialien eingesetzt werden.The piezoelectric layers preferably contain a ceramic material such as. B. lead zirconate titanate. Alternatively, other preferably ceramic, in particular lead-free piezoelectric materials are used.
Der Isolierbereich umfasst in einer Variante ein elektrisch isolierendes Material, vorzugsweise Keramik, das sich vom Material der Piezoschichten unterscheidet. Das Material des I- solierbereichs kann aber auch gleich dem Material der Piezoschichten sein.In one variant, the insulating region comprises an electrically insulating material, preferably ceramic, which differs from the material of the piezoelectric layers. The material of the insulating region may also be the same as the material of the piezoelectric layers.
Der Piezotransformator wird beispielsweise folgendermaßen hergestellt. Es wird ein Körper mit zwei Teilkörpern und einem zwischen diesen angeordneten Isolierbereich bereitgestellt, wobei die Teilkörper jeweils durch Stapeln von Keramikschichten und Metallschichten bereitgestellt werden. Im Körper werden mindestens zwei Durchbrüche senkrecht zur Schichtausrichtung erzeugt . In einer Variante wird der Körper mit den Durchbrüchen gesintert. Alternativ können die Durchbrüche auch nach dem Sintern erzeugt werden. Die Durchbrüche können beispielsweise durch Bohren - z. B. mechanisches Bohren, Laser-Bohren, Strahlbohren - oder Stanzen erzeugt werden.The piezotransformer is manufactured, for example, as follows. A body is provided with two partial bodies and an insulating region arranged between them, wherein the partial bodies are respectively provided by stacking ceramic layers and metal layers. In the body at least two openings are generated perpendicular to the layer orientation. In one variant, the body is sintered with the apertures. Alternatively, the breakthroughs can be generated after sintering. The breakthroughs, for example, by drilling - z. As mechanical drilling, laser drilling, jet drilling - or punching can be generated.
Die Durchbrüche werden jeweils vorzugsweise nach dem Sintern metallisiert. Beispielsweise wird dabei auf die Innenfläche der Durchbrüche eine Metallpaste aufgetragen und danach eingebrannt. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Durchbrüche anderweitig mit einer KontaktSchicht zu versehen. Beispielsweise ist das Aufdampfen einer leitfähigen Schicht möglich.The openings are preferably each metallized after sintering. For example, a metal paste is applied to the inner surface of the openings and then baked. Alternatively, it is possible to otherwise provide the apertures with a contact layer. For example, vapor deposition of a conductive layer is possible.
Der angegebene Piezotransformator wird nun anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen: Figur IA im Längsschnitt einen Piezotransformator, der zwei durchgehende Öffnungen aufweist;The specified piezoelectric transformer will now be explained with reference to schematic and not to scale figures. Show it: Figure IA in longitudinal section a piezoelectric transformer having two through openings;
Figur IB eine Draufsicht auf eine Metallisierungsebene des Piezotransformators gemäß der Figur IA;FIG. 1B is a plan view of a metallization plane of the piezo transformer according to FIG. 1A;
Figur 2A ausschnittsweise einen Piezotransformator mit vier Durchbrüchen;Figure 2A fragmentary a piezoelectric transformer with four openings;
Figur 2B ausschnittsweise einen ersten Längsschnitt des Piezotransformators gemäß der Figur 2A;FIG. 2B shows a detail of a first longitudinal section of the piezotransformer according to FIG. 2A;
Figur 2C ausschnittsweise einen zweiten Längsschnitt des Piezotransformators gemäß der Figur 2A.FIG. 2C a detail of a second longitudinal section of the piezotransformer according to FIG. 2A.
In Figur IA ist ein Piezotransformator mit einem Keramikkörper 3 gezeigt, der einen Eingangsteil 5, einen Ausgangsteil 7 und einen zwischen diesen angeordneten Isolierbereich 10 urti- fasst .FIG. 1A shows a piezoelectric transformer with a ceramic body 3, which comprises an input part 5, an output part 7 and an insulating region 10 arranged between them.
Der Eingangsteil 5 und der Ausgangsteil 7 sind mittels des Isolierbereichs 10 mechanisch miteinander verkoppelt. Sie sind durch den Isolierbereich elektrisch voneinander isoliert. Ein elektrisches Eingangssignal wird im Eingangsteil des piezoelektrischen Transformators in mechanische Schwingungen des Grundkörpers des Transformators umgewandelt. Aufgrund der mechanischen Kopplung des Eingangsteils und des Ausgangsteils sind beide Teile von der mechanischen Schwingung betroffen. Die Umwandlung der elektrischen Energie in die mechanische Energie erfolgt aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts . Im Ausgangsteil werden die mechanischen Schwingungen aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekts zurück in ein elektrisches Ausgangssignal verwandelt. Die AusgangsSpannung kann je nach Transformationsverhältnis des Transformators kleiner oder größer sein als die Eingangsspannung. Die Ein- und AusgangsSpannung können auch gleich groß sein, wobei der Transformator beispielsweise für eine galvanischen Entkopplung von zwei Schaltungskreisen verwendet wird.The input part 5 and the output part 7 are mechanically coupled together by means of the insulating region 10. They are electrically insulated from each other by the insulating area. An electrical input signal is converted in the input part of the piezoelectric transformer into mechanical vibrations of the main body of the transformer. Due to the mechanical coupling of the input part and the output part both parts are affected by the mechanical vibration. The conversion of electrical energy into mechanical energy occurs due to the inverse piezoelectric effect. In the output part, the mechanical vibrations are transformed back into an electrical output signal due to the direct piezoelectric effect. The Output voltage may be smaller or larger than the input voltage depending on the transformation ratio of the transformer. The input and output voltage can also be the same size, the transformer is used for example for a galvanic decoupling of two circuits.
Im Körper 3 ist ein erster Durchbruch 1 und ein zweiter Durchbruch 2 ausgebildet. Die Durchbrüche verbinden jeweils zwei gegenüber liegende Stirnflächen des Körpers.In the body 3, a first opening 1 and a second opening 2 is formed. The openings connect two opposing faces of the body.
Der Eingangsteil 5 umfasst erste Innenelektroden 4a und zweite Innenelektroden 4b, die abwechselnd angeordnet sind. Die ersten Innenelektroden 4a sind über eine erste Kontaktschicht 6a leitend miteinander verbunden, die im ersten Durchbruch 1 angeordnet ist. Die zweiten Innenelektroden 4b sind über eine zweite Kontaktschicht 6b leitend miteinander verbunden, die im zweiten Durchbruch 2 angeordnet ist.The input part 5 includes first inner electrodes 4a and second inner electrodes 4b, which are alternately arranged. The first internal electrodes 4a are conductively connected to one another via a first contact layer 6a, which is arranged in the first opening 1. The second internal electrodes 4b are conductively connected to one another via a second contact layer 6b, which is arranged in the second opening 2.
Der Ausgangsteil 7 umfasst erste Innenelektroden 8a und zweite Innenelektroden 8b, die abwechselnd angeordnet sind. Die ersten Innenelektroden 8a sind über eine erste Kontaktschicht 9a leitend miteinander verbunden, die im ersten Durchbruch 1 angeordnet ist. Die zweiten Innenelektroden 8b sind über eine zweite Kontaktschicht 9b leitend miteinander verbunden, die im zweiten Durchbruch 2 angeordnet ist.The output part 7 includes first inner electrodes 8a and second inner electrodes 8b arranged alternately. The first internal electrodes 8a are conductively connected to one another via a first contact layer 9a, which is arranged in the first opening 1. The second internal electrodes 8b are conductively connected to one another via a second contact layer 9b, which is arranged in the second opening 2.
Die Kontaktschichten 6a, 6b, 9a, 9b sind Leiterflächen, die jeweils einen im Eingangsteil bzw. Ausgangsteil angeordneten Bereich der Innenwand des Durchbruchs 1, 2 bedecken. Die Innenelektroden des Piezotransformators sind über die Kontaktschichten 6a, 6b, 9a, 9b elektrisch kontaktierbar . _ o _The contact layers 6a, 6b, 9a, 9b are conductor surfaces which each cover a region of the inner wall of the opening 1, 2 arranged in the input part or output part. The internal electrodes of the piezotransformer can be electrically contacted via the contact layers 6a, 6b, 9a, 9b. _ o _
Um einem elektrischen Überschlag zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil entlang der Oberfläche des jeweiligen Durchbruchs vorzubeugen, ist zumindest ein Bereich des Durchbruchs, der im Isolierbereich 10 angeordnet ist, frei von einer Metallisierung ausgebildet. Um die Durchschlagsfestigkeit des Piezotransforraators weiter zu erhöhen, ist in diesem Bereich des Durchbruchs ein elektrisch isolierendes Füllmaterial 11 oder eine Passivierungsschicht 12 vorgesehen. Die Pas- sivierungsschicht 12 überdeckt einen Bereich der jeweiligen Kontaktschicht 6a, 6b, 9a, 9b. Somit wird eine elektrische Kriechstrecke verlängert .In order to prevent an electrical flashover between the input part and the output part along the surface of the respective opening, at least a region of the opening, which is arranged in the insulating region 10, is formed free of metallization. In order to further increase the dielectric strength of the piezotransformer, an electrically insulating filling material 11 or a passivation layer 12 is provided in this region of the opening. The passivation layer 12 covers a region of the respective contact layer 6a, 6b, 9a, 9b. Thus, an electrical creepage distance is extended.
Die Durchschlagsfestigkeit des Füllmaterials oder der Passivierungsschicht übersteigt vorzugsweise diejenige der piezoelektrischen Schichten. Das Füllmaterial bzw. die Passivierungsschicht kann organische und/oder anorganische Anteile aufweisen.The dielectric strength of the filler or the passivation layer preferably exceeds that of the piezoelectric layers. The filler or the passivation layer may have organic and / or inorganic components.
Die Innenelektroden 4a, 4b, 8a, 8b sind im Körper 3 eingebettet. Die Ausgestaltung einer Innenelektrode ist in der Figur IB für die Innenelektrode 4a erläutert (Schnitt AA) . Sie gilt in entsprechender Weise für die Innenelektroden 4b, 8a, 8b.The internal electrodes 4a, 4b, 8a, 8b are embedded in the body 3. The configuration of an inner electrode is explained in the figure IB for the inner electrode 4a (section AA). It applies correspondingly to the internal electrodes 4b, 8a, 8b.
Die erste Innenelektrode 4a kontaktiert die erste Kontakt- Schicht 6a, ist aber von der zweiten KontaktSchicht 6b beabstandet. Die erste Innenelektrode 8a kontaktiert die erste Kontaktschicht 9a und ist von der zweiten KontaktSchicht 9b beabstandet. Die zweite Innenelektrode 4b kontaktiert die zweite KontaktSchicht 6b und ist von der ersten Kontakt- Schicht 6a beabstandet . Die zweite Innenelektrode 8b kontaktiert die zweite Kontaktschicht 9b und ist von der ersten Kontaktschicht 9a beabstandet. Der zweite Durchbruch 2 ist in einer Aussparung 41 der ersten Innenelektrode 4a und einer Aussparung 43 der ersten Innenelektrode 8a angeordnet. Somit ist die zweite KontaktSchicht 6b in der Aussparung 41 der ersten Innenelektrode 4a und in entsprechender Weise die zweite KontaktSchicht 9b in der Aussparung 43 der ersten Innenelektrode 8a angeordnet. Der erste Durchbruch 1 ist in einer Aussparung 42 der zweiten Innenelektrode 4b und einer Aussparung 44 der zweiten Innenelektrode 8b angeordnet. Somit ist die erste KontaktSchicht 6a in der Aussparung 42 der zweiten Innenelektrode 4b und in entsprechender Weise die erste Kontaktschicht 9a in der Aussparung 44 der zweiten Innenelektrode 8b angeordnet.The first inner electrode 4a contacts the first contact layer 6a, but is spaced from the second contact layer 6b. The first inner electrode 8a contacts the first contact layer 9a and is spaced from the second contact layer 9b. The second inner electrode 4b contacts the second contact layer 6b and is spaced from the first contact layer 6a. The second inner electrode 8b contacts the second contact layer 9b and is spaced from the first contact layer 9a. The second opening 2 is arranged in a recess 41 of the first inner electrode 4a and a recess 43 of the first inner electrode 8a. Thus, the second contact layer 6b is disposed in the recess 41 of the first inner electrode 4a and, similarly, the second contact layer 9b is disposed in the recess 43 of the first inner electrode 8a. The first opening 1 is arranged in a recess 42 of the second inner electrode 4b and a recess 44 of the second inner electrode 8b. Thus, the first contact layer 6a is disposed in the recess 42 of the second inner electrode 4b and, correspondingly, the first contact layer 9a is disposed in the recess 44 of the second inner electrode 8b.
Die Durchbrüche 1, 2 liegen in der Variante gemäß der Figuren IA, IB entlang einer Linie, die durch die Mitte des Körpers 3 geht und parallel zu ersten Seitenflächen des Körpers ist. Die Durchbrüche 1, 2 liegen in einer weiteren Variante entlang einer Diagonalen. Im Prinzip ist eine beliebige, darunter auch asymmetrische, Anordnung von Durchbrüchen möglich.The openings 1, 2 lie in the variant according to the figures IA, IB along a line which passes through the center of the body 3 and is parallel to first side surfaces of the body. The openings 1, 2 lie in a further variant along a diagonal. In principle, any, including asymmetric, arrangement of breakthroughs is possible.
In der Figur IA sind die Transformatorteile mit dem gleichen Abstand zwischen den ersten und zweiten Innenelektroden dargestellt. Dieser Abstand kann aber auch unterschiedlich gewählt sein, um ein gewünschtes Übersetzungsverhältnis zu erzielen.In FIG. 1A, the transformer parts are shown with the same spacing between the first and second internal electrodes. This distance can also be chosen differently in order to achieve a desired transmission ratio.
In den Figuren 2A, 2B, 2C ist ein weiterer Piezotransformator gezeigt. Die Figur 2B entspricht dem Schnitt AA und die Figur 2C dem Schnitt BB.FIGS. 2A, 2B, 2C show a further piezotransformer. FIG. 2B corresponds to the section AA and FIG. 2C corresponds to the section BB.
In diesem Fall sind vier Durchbrüche 1, 2, 21, 22 vorgesehen, d. h. für jede Kontaktschicht ein eigener Durchbruch. Die Kontaktschichten 9a, 9b sind dabei in den Durchbrüchen 21 und 22 angeordnet.In this case, four openings 1, 2, 21, 22 are provided, ie for each contact layer a separate breakthrough. The Contact layers 9a, 9b are arranged in the openings 21 and 22.
In diesem Fall ist nur ein im Eingangsteil 5 angeordneter Bereich der Durchbrüche 1, 2 zur Bildung der Kontaktschichten 6a, 6b sowie ein im Ausgangsteil 7 angeordneter Bereich der Durchbrüche 21, 22 zur Bildung der Kontaktschichten 9a, 9b metallisiert .In this case, only one region of the apertures 1, 2 arranged in the input part 5 is metallized to form the contact layers 6a, 6b and a region of the apertures 21, 22 arranged in the output part 7 to form the contact layers 9a, 9b.
Jede Innenelektrode ist mit der jeweiligen Kontaktschicht von einem der Durchbrüche leitend verbunden. Die anderen Durchbrüche sind in jeweils einer Aussparung 42, 43, 44 dieser Innenelektrode angeordnet. Da die Durchbrüche 21, 22 im Eingangsteil 5 nicht metallisiert sind, kann auf die Aussparungen 43, 44 verzichtet werden.Each inner electrode is conductively connected to the respective contact layer of one of the openings. The other openings are arranged in a respective recess 42, 43, 44 of this inner electrode. Since the openings 21, 22 are not metallized in the input part 5, can be dispensed with the recesses 43, 44.
Die Ausgestaltung des Piezotransformators , insbesondere die Form und die Anzahl der Transformatorelemente, ist auf die in den Figuren vorgestellten Varianten nicht beschränkt.The design of the piezotransformer, in particular the shape and the number of transformer elements, is not limited to the variants presented in the figures.
Der Körper ist vorzugsweise in Form eines Quaders ausgebildet. Die Stirnflächen des Körpers können rechteckig oder quadratisch sein. Der Körper kann aber auch zylindrisch sein. The body is preferably in the form of a cuboid. The faces of the body may be rectangular or square. The body can also be cylindrical.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 erster Durchbruch1 first breakthrough
2 zweiter Durchbruch2 second breakthrough
3 Körper3 body
4a erste Innenelektrode des Eingangsteils4a first inner electrode of the input part
4b zweite Innenelektrode des Eingangsteils4b second inner electrode of the input part
5 Eingangsteil5 entrance section
6a erste KontaktSchicht des Eingangsteils6a first contact layer of the input part
6b zweite Kontaktschicht des Eingangsteils6b second contact layer of the input part
7 Ausgangsteil7 output part
8a erste Innenelektrode des Ausgangsteils8a first inner electrode of the output part
8b zweite Innenelektrode des Ausgangsteils8b second inner electrode of the output part
9a erste KontaktSchicht des Ausgangsteils9a first contact layer of the output part
9b zweite KontaktSchicht des Ausgangsteils9b second contact layer of the output part
10 Isolierbereich10 insulation area
11 Füllmaterial11 filling material
12 Passivierungsschicht12 passivation layer
21 dritter Durchbruch21 third break
22 vierter Durchbruch22 fourth breakthrough
41, 42, 43, 44 Aussparung in einer Innenelektrode 41, 42, 43, 44 recess in an inner electrode

Claims

Patentansprüche claims
1. Piezoelektrischer Transformator1. Piezoelectric transformer
- mit einem Körper (3) , der zwei Funktionsteile (5, 7) und einen Isolierbereich (10) umfasst, der die Funktionsteile (5, 7) mechanisch verbindet,- comprising a body (3) comprising two functional parts (5, 7) and an insulating region (10) mechanically connecting the functional parts (5, 7),
- wobei im Körper (3) ein erster Durchbruch (1) und ein zweiter Durchbruch (2) ausgebildet ist,- wherein in the body (3) a first opening (1) and a second opening (2) is formed,
- wobei der jeweilige Durchbruch (1, 2) beide Funktionsteile (5, 7) und den Isolierbereich (10) durchdringt.- Wherein the respective opening (1, 2) penetrates both functional parts (5, 7) and the insulating region (10).
2. Transformator nach Anspruch 1,2. Transformer according to claim 1,
- wobei die Durchbrüche (1, 2) sich in der Längsrichtung des Körpers (3) erstrecken.- Wherein the openings (1, 2) extend in the longitudinal direction of the body (3).
3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2,3. Transformer according to claim 1 or 2,
- wobei der jeweilige Funktionsteil (5, 7) abwechselnd angeordnete erste und zweite Innenelektroden (4a, 4b, 8a, 8b) umfasst, die senkrecht zur Längsrichtung des Körpers (3) ausgerichtet sind.- Wherein the respective functional part (5, 7) alternately arranged first and second internal electrodes (4a, 4b, 8a, 8b), which are aligned perpendicular to the longitudinal direction of the body (3).
4. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3,4. Transformer according to one of claims 1 to 3,
- wobei zumindest ein Bereich der Innenfläche des ersten Durchbruchs (1) durch eine erste KontaktSchicht (6a) bedeckt ist, die die ersten Innenelektroden (4a) des ersten Funktionsteils (5) leitend miteinander verbindet, und- Wherein at least a portion of the inner surface of the first aperture (1) by a first contact layer (6a) is covered, which conductively connects the first inner electrodes (4a) of the first functional part (5), and
- wobei zumindest ein Bereich der Innenfläche des zweiten Durchbruchs (2) durch eine zweite Kontaktschicht (6b) bedeckt ist, die die zweiten Innenelektroden (4b) des ersten Funktionsteils (5) leitend miteinander verbindet.- Wherein at least a portion of the inner surface of the second aperture (2) by a second contact layer (6b) is covered, the two inner electrodes (4b) of the first functional part (5) conductively interconnects.
5. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4,5. Transformer according to one of claims 1 to 4,
- wobei zumindest ein Bereich der Innenfläche des ersten Durchbruchs (1) durch eine dritte KontaktSchicht (9a) bedeckt ist, die die ersten Innenelektroden (8a) des zweiten Funktionsteils (7) leitend verbindet, und- wherein at least a portion of the inner surface of the first Breakthrough (1) by a third contact layer (9a) is covered, which conductively connects the first inner electrodes (8a) of the second functional part (7), and
- wobei zumindest ein Bereich der Innenfläche des zweiten Durchbruchs (2) durch eine vierte Kontaktschicht (9b) bedeckt ist, die die zweiten Innenelektroden (8b) des zweiten Funktionsteils (7) leitend verbindet.- Wherein at least a portion of the inner surface of the second aperture (2) by a fourth contact layer (9b) is covered, which conductively connects the second inner electrodes (8b) of the second functional part (7).
6. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4,6. Transformer according to one of claims 1 to 4,
- wobei im Körper ein dritter Durchbruch (21) und ein vierter Durchbruch (22) ausgebildet ist,wherein a third opening (21) and a fourth opening (22) are formed in the body,
- wobei zumindest ein Bereich der Innenfläche des dritten Durchbruchs (21) durch eine dritte KontaktSchicht (9a) bedeckt ist, die die ersten Innenelektroden des zweiten Funktionsteils (5) leitend verbindet, und- Wherein at least a portion of the inner surface of the third aperture (21) by a third contact layer (9a) is covered, which conductively connects the first inner electrodes of the second functional part (5), and
- wobei zumindest ein Bereich der Innenfläche des vierten Durchbruchs (22) durch eine vierte KontaktSchicht (9b) bedeckt ist, die die zweiten Innenelektroden des zweiten Funktionsteils (7) leitend verbindet.- Wherein at least a portion of the inner surface of the fourth aperture (22) by a fourth contact layer (9b) is covered, which conductively connects the second internal electrodes of the second functional part (7).
7. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6,7. Transformer according to one of claims 1 to 6,
- wobei die ersten Innenelektroden (4a, 8a) des jeweiligen Funktionsteils eine Aussparung (41, 43) aufweisen, in der der zweite Durchbruch (2) angeordnet ist, und- Wherein the first internal electrodes (4a, 8a) of the respective functional part have a recess (41, 43), in which the second opening (2) is arranged, and
- wobei die zweiten Innenelektroden (4b, 8b) des jeweiligen Funktionsteils eine Aussparung (42, 44) aufweisen, in der der erste Durchbruch (1) angeordnet ist.- Wherein the second internal electrodes (4b, 8b) of the respective functional part have a recess (42, 44), in which the first opening (1) is arranged.
8. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7,8. Transformer according to one of claims 1 to 7,
- wobei im jeweiligen Durchbruch (1, 2) ein Füllmaterial (11) oder eine Passivierungsschicht (12) angeordnet ist.- Wherein a filling material (11) or a passivation layer (12) is arranged in the respective opening (1, 2).
9. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, - wobei im jeweiligen Durchbruch (1, 2, 21, 22) ein elektrisches Anschlusselement zur Kontaktierung der Funktionsteile angeordnet ist.9. Transformer according to one of claims 1 to 8, - Wherein in the respective aperture (1, 2, 21, 22) an electrical connection element for contacting the functional parts is arranged.
10. Verfahren zur Herstellung eines Piezotransformators, umfassend die folgenden Schritte:10. A method of manufacturing a piezoelectric transformer, comprising the following steps:
- ein Körper mit zwei Teilkörpern und einem zwischen diesen angeordneten Isolierbereich wird bereitgestellt, wobei die Teilkδrper jeweils durch Stapeln von Keramikschichten und Metallschichten bereitgestellt werden,a body with two partial bodies and an insulating region arranged between them is provided, wherein the partial bodies are respectively provided by stacking ceramic layers and metal layers,
- im Körper werden mindestens zwei Durchbrüche senkrecht zur Schichtausrichtung erzeugt,in the body at least two openings are produced perpendicular to the layer orientation,
- der Körper mit den Durchbrüchen wird gesintert.- The body with breakthroughs is sintered.
11. Verfahren nach Anspruch 10,11. The method according to claim 10,
- wobei die Durchbrüche nach dem Sintern erzeugt werden. - The openings are generated after sintering.
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