PL194149B1

PL194149B1 - Piezoelectroc transformer

Info

Publication number: PL194149B1
Application number: PL338324A
Authority: PL
Inventors: Antoni Latuszek
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2007-04-30
Also published as: PL338324A1

Abstract

Transformator piezoelektryczny zawierający stos płytek piezoelektrycznych zaopatrzonych w co najmniej dwie pary elektrod, znamienny tym, że zawiera stos cienkich płytek (1,2,3...n) piezoelektrycznych i stos grubych płytek (4') piezoelektrycznych, w ilości co najmniej dwóch, które to stosy usytuowane są względem siebie szeregowo i ściśnięte w sztywnej ramie (5), a pomiędzy nimi jest umieszczony mechaniczny układ rezonansowy (8) drgań giętnych.Piezoelectric transformer containing stack of piezoelectric plates fitted at least two pairs of electrodes, characterized in that it contains a pile of thin plates (1,2,3 ... n) piezoelectric plates and a pile of thick (4 ') piezoelectric plates, in an amount of at least two that the stacks are in series with respect to each other and compressed into the rigid frame (5), and in between there is a mechanical resonance system (8) bending vibrations.

Description

RZECZPOSPOLITAREPUBLIC

POLSKAPOLAND

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 194149 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 338324 ^{(51) Int.Cl.} Patent Office of the Republic of Poland (12) PATENT DESCRIPTION (19) PL (11) 194149 (13) B1 (21) Application number: 338324 ^{(51) Int.Cl.}

H01L 41/107 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 09.02.2000 (54)H01L 41/107 (2006.01) (22) Date of notification: 09.02.2000 (54)

Transformator piezoelektrycznyPiezoelectric transformer

(73) Uprawniony z patentu: (73) The right holder of the patent: (43) Zgłoszenie ogłoszono: (43) Application was announced: Politechnika Warszawska,Warszawa,PL Warsaw University of Technology, Warsaw, PL 13.08.2001 BUP 17/01 13.08.2001 BUP 17/01 (72) Twórca(y) wynalazku: (72) Inventor (s): Antoni Latuszek,Warszawa,PL Antoni Latuszek, Warsaw, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: (45) The grant of the patent was announced: 30.04.2007 WUP 04/07 April 30, 2007 WUP 04/07 (74) Pełnomocnik: (74) Representative: Krystyna Lewińska Krystyna Lewińska

⁽⁵⁷⁾ 1. Transformator piezoelektryczny zawierający stos płytek piezoelektrycznych zaopatrzonych w co najmniej dwie pary elektrod, znamienny tym, że zawiera stos cienkich płytek (1,2,3...n) piezoelektrycznych i stos grubych płytek (4') piezoelektrycznych, w ilości co najmniej dwóch, które to stosy usytuowane są względem siebie szeregowo i ściśnięte w sztywnej ramie (5), a pomiędzy nimi jest umieszczony mechaniczny układ rezonansowy (8) drgań giętnych. ⁽⁵⁷⁾ 1. A piezoelectric transformer comprising a stack of piezoelectric plates provided with at least two pairs of electrodes, characterized in that it comprises a stack of thin piezoelectric plates (1,2,3 ... n) and a stack of thick piezoelectric plates (4 '), in the number of at least two, which stacks are arranged in series with respect to each other and compressed in a rigid frame (5), and a mechanical bending vibration resonance system (8) is interposed therebetween.

PL 194 149B1PL 194 149B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest transformator piezoelektryczny stosowany zwłaszcza do urządzeń wysokiego napięcia.The subject of the invention is a piezoelectric transformer used in particular for high voltage devices.

Znany jest transformator piezoelektryczny, zawierający płytkę piezoelektryczną zaopatrzoną w jedną parę elektrod na połowie obu powierzchni płytki i drugą parę elektrod na krawędzi bocznej drugiej połowy tej płytki. Powierzchnie obu par elektrod różnią się więc znacznie. Energia drgań mechanicznych jest w obu połówkach płytki w przybliżeniu taka sama, energie kondensatorów z tak utworzonych elektrod są sobie równe, więc napięcia na elektrodach transformują się jak pierwiastek ze stosunku pojemności. Powoduje to, że napięcie na elektrodach kondensatora o małej pojemności uzyskuje się kilkadziesiąt razy większe od napięcia zasilającego pierwszą połowę płytki piezoelektrycznej.A piezoelectric transformer is known, comprising a piezoelectric plate provided with one pair of electrodes on half of both surfaces of the plate and a second pair of electrodes on the side edge of the other half of the plate. The surfaces of the two pairs of electrodes therefore differ significantly. The energy of mechanical vibrations in both halves of the plate is approximately the same, the energies of the capacitors from the electrodes formed in this way are equal, so the voltages on the electrodes transform like a square from the capacitance ratio. As a result, the voltage on the electrodes of the capacitor with a small capacity is obtained several dozen times higher than the voltage supplying the first half of the piezoelectric plate.

Wadą takiego transformatora jest skomplikowana budowa specjalnego generatora elektronicznego zasilającego transformator.The disadvantage of such a transformer is the complicated construction of a special electronic generator that powers the transformer.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że zawiera stos cienkich płytek piezoelektrycznych i stos grubych płytek piezoelektrycznych, w ilości co najmniej dwóch, które to stosy usytuowane są względem siebie szeregowo i ściśnięte w sztywnej ramie, a pomiędzy nimi jest umieszczony mechaniczny układ rezonansowy drgań giętnych. Oba stosy oddzielone są od sztywnej ramy i od mechanicznego układu rezonansowego izolatorami. Mechaniczny układ rezonansowy ma postać trzpienia, który na końcach ma głowice, w które wkręcone są śruby dostrajające do częstotliwości rezonansowej.The essence of the solution according to the invention consists in the fact that it comprises a stack of thin piezoelectric plates and a stack of thick piezoelectric plates in the number of at least two, which stacks are arranged in series and compressed in a rigid frame, and between them is a mechanical bending vibration resonance . Both stacks are separated from the rigid frame and from the mechanical resonance system by insulators. The mechanical resonance system is in the form of a mandrel with heads at the ends, into which the screws adjusting to the resonance frequency are screwed.

Transformator według wynalazku charakteryzuje się tym, że może być podłączony do sieci elektrycznej i nie wymaga specjalnego generatora elektronicznego.The transformer according to the invention is characterized in that it can be connected to the mains and does not require a special electronic generator.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schematycznie transformator piezoelektryczny.The subject of the invention is illustrated in an exemplary embodiment in the drawing which shows schematically a piezoelectric transformer.

Transformator zawiera stos cienkich płytek 1,2,3...n piezoelektrycznych i stos trzech grubych płytek 4'. Płytki w tych stosach mają elektrody na stykających się powierzchniach i na powierzchniach zewnętrznych. Stosy te są usytuowane względem siebie szeregowo i są ściśnięte w sztywnej ramie 5. Cienkie płytki 1,2,3...n i grube płytki 4' oddzielone są od sztywnej ramy 5 izolatorami 6', a między sobą oddzielone są izolatorami 6, pomiędzy którymi to izolatorami 6 umieszczony jest mechaniczny układ rezonansowy 8 drgań giętnych. Układ ten ma postać trzpienia, który na końcach ma głowice, w których wkręcone są śruby 7', które służą do precyzyjnego dostrajania do częstotliwości rezonansowej układu. Płytki piezoelektryczne 1,2,3...n połączone są w pary w ten sposób, że wspólna elektroda pary powstaje przez połączenie elektrod o tej samej polaryzacji, a co za tym idzie elektrody zewnętrzne pary są znaku przeciwnego. Elektrody cienkich płytek 1,2,3...n połączone są z zaciskami wejściowymi Uwe, a elektrody grubych płytek 4' połączone są z zaciskami wyjściowymi Uwy.The transformer contains a stack of 1,2,3 ... n piezoelectric thin plates and a stack of three 4 'thick plates. The plates in these stacks have electrodes on the contacting surfaces and on the outer surfaces. These piles are arranged in series with respect to each other and are compressed in a rigid frame 5. Thin plates 1, 2, 3 ... n and thick plates 4 'are separated from the rigid frame by insulators 6', and are separated from each other by insulators 6, between which the insulators 6 contain a mechanical resonance system 8 of bending vibrations. This system is in the form of a mandrel with heads at the ends in which screws 7 'are screwed in, which are used for fine tuning to the resonant frequency of the system. Piezoelectric plates 1,2,3 ... n are connected in pairs in such a way that the common electrode of the pair is formed by connecting the electrodes of the same polarity, and thus the outer electrodes of the pair are of the opposite sign. The electrodes of the thin plates 1,2,3 ... n are connected to the input terminals Uwe, and the electrodes of the thick plates 4 'are connected to the output terminals of the Uwe.

Napięcie zmienne sieci Uwe powoduje wydłużanie się i skracanie par cienkich płytek 1,2,3 o odcinek dL = 2d₃₃ Us, gdzie d₃₃ - moduł piezoelektryczny tworzywa piezoceramicznego cienkich płytek 1,2,3. Odkształcenia par płytek stosu sumują się tak, że wydłużenie stosu jest zwielokrotnione odpowiednio do ilości par płytek. Odkształcenie stosu cienkich płytek 1,2,3 powoduje znaczne odkształcenia pary grubych płytek 4' i powstanie napięcia na jej elektrodach Uwy = dL1,2,3 x g33 x Eg, gdzie Eg -moduł Younga grubych płytek 4', a g33 - napięciowy moduł piezoelektryczny tworzywa piezoceramicznego grubych płytek 4'. Współczynnik transformacji napięcia Uwy/Uwe = 2 x 3 x d33 x g33 x Eg.The alternating voltage of the network Uwe causes lengthening and shortening of pairs of thin plates 1,2,3 by the section dL = 2d ₃₃ Us, where d ₃₃ - piezoelectric module of the piezoceramic material of thin plates 1,2,3. The deformations of the pairs of plates of the stack add up so that the elongation of the stack is multiplied according to the number of pairs of plates. The deformation of the stack of thin plates 1,2,3 causes a significant deformation of the pair of thick plates 4 'and the voltage on its electrodes Uwy = dL1,2,3 x g33 x Eg, where Eg - Young's module of thick plates 4', and g33 - voltage modulus piezoelectric piezoceramic material thick plates 4 '. Voltage transformation ratio Uwy / Uwe = 2 x 3 x d33 x g33 x Eg.

Dzięki dużej dobroci mechanicznego układu rezonansowego 8, co spowodowane jest tym, że energia transformatora jest zwielokrotniona o wartość dobroci układu rezonansowego i o tę samą wartość zwielokrotnione jest napięcie na wyjściu transformatora Uwy.Due to the high Q factor of the mechanical resonant system 8, which is caused by the fact that the transformer's energy is multiplied by the goodness value of the resonant system and the voltage at the output of the transformer Uwy is multiplied by the same value.

Claims

Patent claims

1. A piezoelectric transformer comprising a stack of piezoelectric plates provided with at least two pairs of electrodes, characterized in that it comprises a stack of thin piezoelectric plates (1,2,3 ... n) and a stack of thick piezoelectric plates (4 ') in an amount at least two, which stacks are situated in series with respect to each other and compressed in a rigid frame (5), and between them is a mechanical bending vibration resonance system (8).

PL 194 149 B1

2. Transformer according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that both stacks are separated from the rigid frame (5) and from the mechanical resonant system (8) by insulators (6, 6 ').

3. Transformer according to claim 2. The method according to claim 2, characterized in that the mechanical resonant system (8) is in the form of a mandrel which has heads at its ends, into which screws adjusting to the resonance frequency are screwed.