WO2012045635A1 - Piezoelektrischer transformator - Google Patents

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WO2012045635A1
WO2012045635A1 PCT/EP2011/066907 EP2011066907W WO2012045635A1 WO 2012045635 A1 WO2012045635 A1 WO 2012045635A1 EP 2011066907 W EP2011066907 W EP 2011066907W WO 2012045635 A1 WO2012045635 A1 WO 2012045635A1
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WO
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base body
electrodes
piezoelectric
primary
main body
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Application number
PCT/EP2011/066907
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Hoffmann
Igor Kartashev
Original Assignee
Epcos Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Epcos Ag filed Critical Epcos Ag
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    • 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

  • the invention relates to a piezoelectric component, in particular ⁇ a transformer.
  • a piezoelectric component can be used for example in a power supply for voltage conversion.
  • Piezoelectric transformers with a piezoelectric cuboid base body having a polarization in the thickness direction is very well suited for the realization of a high breakdown voltage between the input region and the output region of the transformer, since the electrodes have a large spatial distance in the input and output ⁇ area.
  • the electromechanical coupling coefficient K31 has only small values in this design, which adversely affects the efficiency of the transformer.
  • the coefficient K31 describes the efficiency for the transformation of an e- lektromechanischen energy in the event that vibrations in a piezoelectric cuboid base body which is polarized in the thickness direction, along the longitudinal side of the cuboid base body are excited.
  • the efficiency for the transformation of the electromechanical energy is higher, if in addition suitable vibrations along the width of the cuboid base body are excited.
  • the best efficiency possesses a square or round piezoelectric plate, because at this construction overlaying the vibrations in two spatial directions, and thus the oscillation amplitude magnification ⁇ ßern.
  • the electrodes in the input and from ⁇ can be applied transition region with only a small distance. Insulation between the input region and the output region is very complicated and the breakdown voltage is low.
  • a piezoelectric component is proposed according to claim 1, which comprises a cuboid base body made of piezoelectric material and primary and secondary electrodes, which are angeord ⁇ net at longitudinal ends of the body and wherein the length of the body, the 1.2- to 1.7- times the width of the body is.
  • Rothdurun ⁇ gene and embodiments are the subject matter of the dependent claims.
  • the length of the main body By dimensioning the length of the main body to 1.2 to 1.7 times the width of the main body is at Be ⁇ drive of the piezoelectric device at a frequency that is between a first and a second longitudinal resonance frequency of the body, a high Effective ⁇ achieved degree.
  • a piezoelectric component comprises a cuboid main body of piezoelectric material, which has an upper side and a lower side. has. The top and bottom are defi ned ⁇ over the largest surface portions of the cuboid base body.
  • the primary and secondary electrodes are arranged at the longitudinal ends of the base body in order to achieve the greatest possible spatial distance and thus a high spatial distance
  • the piezoelectric component of the cuboid base body is preferably dimensioned so that the length of the basic ⁇ body is 1.2 to 1.7 times the width of the body.
  • the piezoelectric device uses both the direct and the inverse piezoelectric effect.
  • the direct piezoelectric effect is understood to mean that a voltage drops in the body when deformations occur.
  • the input region and the output region of the piezoelectric component are galvanically separated from each other and mechanically coupled to each other via the piezoelectric body.
  • An electrical input signal is in the input ⁇ range of the piezoelectric component in mechanical Vibrations of the body converted. Because of me ⁇ chanical coupling of the input area and the Monesol both parties are affected by the mechanical vibration. The conversion of electrical energy into mechanical energy occurs due to the inverse piezoelectric effect. In the output range, the mechanical vibrations are transformed back into an electrical signal due to the direct piezoelectric effect.
  • a mechanical deformation of the base body can be caused when a voltage is applied to the primary electrodes.
  • an electrical voltage occurring upon deformation of the body can be tapped.
  • a periodically recurring deformation of the base body can be generated.
  • These recurring Deforma ⁇ tion of the body can in turn cause a periodically varying voltage in the secondary electrodes.
  • suitable arrangement of the primary and secondary electrodes can be achieved that the output voltage is different from the input voltage. In this case, one obtains a transformer with a ratio of the voltages corresponding transmission ratio.
  • the piezoelectric base body is integrally formed and polarized perpendicular to the top of the pie ⁇ zoelektrischen main body.
  • the primary electrodes comprise a first primary electrode on the upper side of the main body and a second primary electrode on the underside of the main body.
  • the first and second primary electrodes are arranged in parallel to the top or bottom of the base ⁇ body.
  • the secondary electrodes comprise egg ne first secondary electrode on top of the Grundkör ⁇ pers and a second secondary electrode on the underside of the base body. Both the first and the second seconding dary electrode are arranged parallel to the upper surface of the Grundkör ⁇ pers and to the underside of the base body.
  • the internal primary electrodes are parallel to the top and bottom of the body and are mutually stacked with piezoelectric material.
  • the exit region of the base ⁇ body comprises a multilayer structure with inner secondary electrodes ren, which are aligned parallel to the top and bottom of the body.
  • the other electrodes in the obtainedsbe ⁇ rich are electrically coupled to the primary electrodes.
  • the internal primary electrodes may alternately be gekop electrically coupled to the other electrodes in the input region on the first and the second longitudinal side of the base body.
  • further electrodes are located in the output region at a first and a second longitudinal axis. side of the main body.
  • the other electrodes in the output area ⁇ electrically contact the secondary electrodes.
  • the further electrodes in the output region on the first and the second longitudinal side of the main body can be mutually electrically coupled to the inner secondary electrodes.
  • the above-described embodiment of the transformer with the internal electrodes is based on the idea of geometrically decoupling the connection between the internal electrodes and the positioning of the external electrodes of the transformer. This creates a great deal of creative freedom for the arrangement and in particular for the areal extent of the outer electrodes of the transformer.
  • the surface of the base body is according to an embodiment ⁇ example, at least partially - preferably at least on a arranged between the input area and the output area separation area on the top and bottom of the body - with an electrically insulating
  • the breakdown voltage of the piezoelectric device also depends on the thickness and the electrical properties of this insulating separation region.
  • the insulating layer can cover the main body on all its surfaces with the exception of the external electrodes.
  • an electrically insulating material can be selected to reduce the risk of electrical flashover between differently polarized outer electrodes.
  • an inorganic material such as a glassy material verwen ⁇ det.
  • the glassy material may, for example, a chemical composition of 20.5% by weight B 2 O 3, 6.8% by weight PbO, 0.3% by weight of Sb 2 0 3, 10.4% of Ge ⁇ weight proportion S1O 2 and 62.0 % By weight ZnO included.
  • the insulating layer is an organic material, for example a lacquer or a composite material is possible.
  • the insulating layer comprises a shrink mate rial ⁇ and may for example comprise a shrink tube.
  • any material that is electrically insulating and suitable for the passivation of electronic components can be used.
  • Another aspect of the invention relates to a method of operating a piezoelectric device according to at least one of the embodiments described above.
  • This method includes operating the piezoelectric device at a frequency that is between a first and a second longitudinal resonant frequency of the body.
  • the piezoelectric component will thus Betrie ⁇ ben on a frequency at which vibrations along the longitudinal edge and the Reinforcing the transverse edge of the piezoelectric body. As a result, the efficiency and the energy density of the piezoelectric component is increased.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the piezoelectric component
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the piezoelectric component.
  • Figure 1 shows a piezoelectric device 1, insbesonde re ⁇ a transformer, with a cuboid base body 2 which is made of a piezoelectric material, for example a BZT ceramic.
  • the cuboid base ⁇ body 2 has a top 3 and a bottom 4, over the largest surface portions of the cuboid Basic body 2 are defined.
  • Primary electrodes 5, 6 are arranged in an input region 7 of the basic body 2 substantially parallel to the upper side 3 and the lower side 4 at a first end of the main body 2.
  • In a ⁇ output area 10 of the base body 2 are secondary electrodes 8, 9 substantially parallel to the upper side 3 and the Untersei ⁇ te 4 attached to a second end of the body.
  • the primary and secondary electrodes 5, 6, 8, 9 are arranged at the longitudinal ends of the main body 2 in order to achieve the greatest possible spatial distance between the primary and secondary electrodes 5, 6, 8, 9 and thus a high breakdown voltage of the piezoelectric component 1 to achieve.
  • the length L of the basic body 2 is 1.2 to 1.7 times the width W of the base body 2. Through this Abmessun ⁇ gene, a high efficiency of the transformer 1 is provided ⁇ guaranteed.
  • the primary electrodes 5, 6 have a first primary electrode 5 on the upper side 3 of the main body 2 and a second primary electrode 6 on the underside 4 of the main body 2.
  • the secondary electrodes 8, 9 comprise a first secondary electrode 8 on the upper side 3 of the base body 2 and a second secondary electrode 9 on the bottom 4 of the base body ⁇ . 2
  • the primary electrodes 5, 6 are used to connect from outside an electrical voltage source.
  • At the secondary electrodes 8, 9 can be tapped from the outside an electrical voltage.
  • the main body 2 of piezoelectric material is integrally formed and perpendicular to the top 3 of the basic body 2 polarized.
  • the polarization is indicated by the arrow P.
  • the Polarized ⁇ tion is perpendicular to the primary electrodes 5, 6 or to the secondary electrodes 8,. 9
  • the input region 7 and the output region 10 are galvanically separated from one another by a separation region between the primary and secondary electrodes 5, 6, 8, 9 and mechanically coupled to one another through this separation region.
  • the upper side 3 and the bottom 4 of the base body 2 with an insulating layer 11 is be ⁇ covers. Through the insulating layer, a via ⁇ shock between the primary and secondary electrodes 5, 6, 8, 9 can be reduced.
  • the primary and secondary electrodes 5, 6, 8, 9 are provided with connecting elements to the primary electrodes 5, 6 having an input voltage source and the secondary electric ⁇ 8, 9 to contact with a tap for the output voltage.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the piezoelectric component 1, in particular a transformer.
  • the piezoelectric component 1 according to FIG 2 comprises a qua ⁇ derförmigen base body 2 of piezoelectric material having a top face 3 and a bottom. 4
  • the piezoelectric Component 1 from FIG. 2 in an input region 7 and in an output region 10 a multilayer structure.
  • the multilayer structure in the input region 7 is structured by mutually stacked layers of piezoelectric material and inner primary electrodes 5, 6.
  • the primary electrodes 5, 6 are aligned parallel to the upper side 3 and the lower side 4 of the main body 2.
  • the output section 10 of the base body 2 is constructed similarly to the A ⁇ transition area 7 and has alternately stacked layers of piezoelectric material and internal secondary electrodes 8, 9. These electrodes 8, 9 are designed parallel to the top 3 and the bottom 4 of the body.
  • the piezoelectric component 1 comprises further electrodes 12, 13 in the input region 7 and further electrodes 14, 15 in the output region 10.
  • the further electrodes 12, 13, 14, 15 are respectively on a first and a second longitudinal side of the base body and thus perpendicular to the Top 3 of the main body 2 is arranged.
  • the superimposed internal primary electrodes 5, 6 in the input region 7 engage in one another like a comb and are mutually electrically coupled to the further electrodes 12, 13 in the input region 7.
  • the inner secondary electrodes 8, 9 mesh with one another like a comb and are mutually electrically coupled to the further electrodes 14, 15 in the output region 10.
  • the piezoelectric base ⁇ body 2 When an alternating voltage is applied to the further electrodes 12, 13 in the input region 7, the piezoelectric base ⁇ body 2 is mechanically deformed due to the inverse piezoelectric effect with a frequency of the AC voltage. This deformation of the main body 2 is transmitted from the input area 7 to the output area 10. As a result of the direct piezoelectric effect, an alternating voltage at the further electrodes 14, 15 in the output region 10 can then be tapped off. The mechanical energy of the input region 7 is most effectively transmitted to the output region 10 when the piezoelectric main body 2 is in a resonance region at which the amplitude of the mechanical vibrations has a maximum.
  • the main body 2 of the piezoelectric component 1 is dimensioned such that the length L of the main body 2 is 1.2 to 1.7 times the width W of the main body 2. This Dimensi ⁇ tioning results in a coexistence of the vibration in the width and length direction of the piezoelectric body. 2
  • the exact determination of the dimensions of the base body 2 is dependent on the electromechanical properties of the piezoelectric material of the base body 2. Assigns the electromechanical coupling coefficient K31 of the piezoelectric ⁇ rule material small values, then the length shifts to width ratio of the basic body 2 in the direction of the upper Limits (1.7). Accordingly, the length to width ratio of the main body 2 for large values of the electromechanical coupling coefficient K31 moves at the lower limit (1,2).
  • the piezoelectric component 1 is operated at a frequency which lies between a first and a second longitudinal resonance frequency of the main body.

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Abstract

Piezoelektrisches Bauelement (1) mit einem quaderförmigen Grundkörper (2) aus piezoelektrischem Material, primären Elektroden (5, 6) in einem Eingangsbereich (7) des Grundkörpers (2) und sekundären Elektroden (8, 9) in einem Ausgangsbereich (10), wobei die primären und sekundären Elektroden (5, 6, 8, 9) an den längsseitigen Enden des Grundkörpers (2) angeordnet sind und wobei die Länge (L) des Grundkörpers das 1,2- bis 1,7-fache der Breite (W) des Grundkörpers (2) beträgt.

Description

PIEZOELEKTRISCHER TRANSFORMATOR
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauelement, ins¬ besondere einen Transformator.
Ein piezoelektrisches Bauelement kann beispielsweise in einem Netzteil zur Spannungswandlung eingesetzt werden.
Für solche Anwendungen ist es unerlässlich eine gute Isolie¬ rung zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil des
Transformators vorzusehen. Piezoelektrische Transformatoren mit einem piezoelektrischen quaderförmigen Grundkörper, der eine Polarisierung in Dickenrichtung aufweist, ist sehr gut geeignet für die Realisierung einer hohen Durchschlagsspannung zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich des Transformators, da die Elektroden im Eingangs- und Ausgangs¬ bereich einen großen räumlichen Abstand aufweisen.
Jedoch besitzt der elektromechanische Koppelkoeffizient K31 bei dieser Bauweise nur kleine Werte, was den Wirkungsgrad des Transformators negativ beeinflusst. Der Koeffizient K31 beschreibt den Wirkungsgrad für die Transformation einer e- lektromechanischen Energie für den Fall, dass Schwingungen in einem piezoelektrischen quaderförmigen Grundkörper, der in Dickenrichtung polarisiert ist, entlang der Längsseite des quaderförmigen Grundkörpers angeregt werden.
Der Wirkungsgrad für die Transformation der elektromechani- schen Energie fällt höher aus, wenn zusätzlich geeignete Schwingungen entlang der Breite des quaderförmigen Grundkörpers angeregt werden. Den besten Wirkungsgrad besitzt eine quadratische oder runde piezoelektrische Platte, da sich bei dieser Bauweise die Schwingungen in beiden räumlichen Richtungen überlagern und damit die Schwingungsamplitude vergrö¬ ßern. Bei einer quadratischen oder runden piezoelektrischen Platte können jedoch die Elektroden im Eingangs- und Aus¬ gangsbereich nur mit einem geringen Abstand aufgebracht werden. Eine Isolierung zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich ist sehr aufwändig und die Durchschlagsspannung ist gering.
Folglich besteht das Bedürfnis nach einem piezoelektrischen Bauelement, das gute Isolationseigenschaften und einen guten Wirkungsgrad aufweist.
Dazu wird ein piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1 vorgeschlagen, das einen quaderförmigen Grundkörper aus piezoelektrischem Material und primäre und sekundäre Elektroden umfasst, die an längsseitigen Enden des Grundkörpers angeord¬ net sind und wobei die Länge des Grundkörpers das 1,2- bis 1,7-fache der Breite des Grundkörpers beträgt. Weiterbildun¬ gen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Durch diese Anordnung wird eine gute Isolie¬ rung und damit eine möglichst hohe Durchschlagsspannung si¬ chergestellt .
Durch die Dimensionierung der Länge des Grundkörpers auf das 1,2- bis 1,7-fache der Breite des Grundkörpers wird bei Be¬ trieb des piezoelektrischen Bauelements auf einer Frequenz, die zwischen einer ersten und einer zweiten longitudinalen Resonanzfrequenz des Grundkörpers liegt, ein hoher Wirkungs¬ grad erzielt.
In einer Aus führungs form umfasst ein piezoelektrisches Bau¬ element einen quaderförmigen Grundkörper aus piezoelektrischem Material, der eine Oberseite und eine Unterseite auf- weist. Die Oberseite und die Unterseite sind über die größten Oberflächenabschnitte des quaderförmigen Grundkörpers defi¬ niert. Als piezoelektrisches Material kommt insbesondere eine BZT-Keramik (BZT = Blei-Zirkonat-Titanat ) in Betracht.
Bevorzugt sind die primären und sekundären Elektroden an den längsseitigen Enden des Grundkörpers angeordnet, um einen möglichst großen räumlichen Abstand und damit eine hohe
Durchschlagsspannung zwischen den primären und sekundären E- lektroden zu erzielen. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des piezoelektrischen Bauelements ist der quaderförmige Grundkörper vorzugsweise so dimensioniert, dass die Länge des Grund¬ körpers das 1,2- bis 1,7-fache der Breite des Grundkörpers beträgt .
Das piezoelektrische Bauelement nutzt sowohl den direkten als auch den inversen piezoelektrischen Effekt.
Es wird unter dem inversen piezoelektrischen Effekt verstan- den, dass die piezoelektrische Keramik, die gegebenenfalls zum Einsatz des Bauelements noch polarisiert werden muss, bei Anlegen eines elektrischen Feides parallel oder antiparallel oder auch in einem Winkel zur Polarisierungsrichtung eine Verformung erfährt.
Unter dem direkten piezoelektrischen Effekt wird verstanden, dass in dem Grundkörper bei Auftreten von Verformungen eine Spannung abfällt.
Der Eingangsbereich und der Ausgangsbereich des piezoelektrischen Bauelements sind galvanisch voneinander getrennt und mechanisch über den piezoelektrischen Grundkörper miteinander gekoppelt. Ein elektrisches Eingangssignal wird im Eingangs¬ bereich des piezoelektrischen Bauelements in mechanische Schwingungen des Grundkörpers umgewandelt. Aufgrund der me¬ chanischen Kopplung des Eingangsbereichs und des Ausgangsbe reichs sind beide Teile von der mechanischen Schwingung betroffen. Die Umwandlung der elektrischen Energie in die mechanische Energie erfolgt aufgrund des inversen piezoelektr sehen Effekts. Im Ausgangsbereich werden die mechanischen Schwingungen aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekt zurück in ein elektrisches Signal verwandelt.
Mit Hilfe der primären Elektroden kann bei Anlegen einer Spannung an den primären Elektroden eine mechanische Verformung des Grundkörpers hervorgerufen werden. Mit Hilfe der sekundären Elektroden kann eine bei Verformung des Grundkörpers auftretende elektrische Spannung abgegriffen werden.
Beim Anlegen einer Wechselspannung an den primären Elektroden kann eine periodisch wiederkehrende Deformation des Grundkörpers erzeugt werden. Diese periodisch wiederkehrende Deforma¬ tion des Grundkörpers kann wiederum in den sekundären Elektroden eine sich periodisch ändernde Spannung hervorrufen. Durch geeignete Anordnung der primären und sekundären Elektroden kann erreicht werden, dass die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung verschieden ist. In diesem Fall erhält man einen Transformator mit einem dem Verhältnis der Spannungen entsprechenden Übersetzungsverhältnis .
In einer Weiterbildung ist der piezoelektrische Grundkörper einteilig ausgebildet und senkrecht zu der Oberseite des pie¬ zoelektrischen Grundkörpers polarisiert.
In einer Aus führungs form umfassen die primären Elektroden eine erste primäre Elektrode auf der Oberseite des Grundkörpers und eine zweite primäre Elektrode auf der Unterseite des Grundkörpers. Die erste und zweite primäre Elektrode sind pa- rallel zu der Oberseite beziehungsweise Unterseite des Grund¬ körpers angeordnet.
In einer Weiterbildung umfassen die sekundären Elektroden ei ne erste sekundäre Elektrode auf der Oberseite des Grundkör¬ pers und eine zweite sekundäre Elektrode auf der Unterseite des Grundkörpers. Sowohl die erste als auch die zweite sekun däre Elektrode sind parallel zu der Oberseite des Grundkör¬ pers und zu der Unterseite des Grundkörpers angeordnet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Eingangsbe¬ reich des Grundkörpers eine Vielschichtstruktur mit mehreren innen liegenden primären Elektroden auf. Die innen liegenden primären Elektroden verlaufen parallel zu der Oberseite und der Unterseite des Grundkörpers und sind wechselseitig mit piezoelektrischem Material übereinander geschichtet.
In einer Weiterbildung umfasst der Ausgangsbereich des Grund¬ körpers eine Vielschichtstruktur mit innen liegenden sekundä ren Elektroden, die parallel zu der Oberseite und Unterseite des Grundkörpers ausgerichtet sind.
In einer Aus führungs form sind weitere Elektroden in dem Eingangsbereich an einer ersten und einer zweiten Längsseite de Grundkörpers und damit senkrecht zu der Oberseite des Grund¬ körpers angeordnet. Die weiteren Elektroden im Eingangsbe¬ reich sind elektrisch mit den primären Elektroden gekoppelt. Die innen liegenden primären Elektroden können wechselseitig mit den weiteren Elektroden im Eingangsbereich an der ersten und der zweiten Längsseite des Grundkörpers elektrisch gekop pelt sein.
In einer Weiterbildung befinden sich weitere Elektroden in dem Ausgangsbereich an einer ersten und einer zweiten Längs- seite des Grundkörpers. Die weiteren Elektroden im Ausgangs¬ bereich kontaktieren elektrisch die sekundären Elektroden. Die weiteren Elektroden im Ausgangsbereich an der ersten und der zweiten Längsseite des Grundkörpers können wechselseitig mit den innen liegenden sekundären Elektroden elektrisch gekoppelt sein.
Der oben geschilderten Aus führungs form des Transformators mit den innen liegenden Elektroden liegt die Idee zugrunde, die Verbindung der Innenelektroden untereinander und die Positionierung der äußeren Elektroden des Transformators geometrisch voneinander zu entkoppeln. Dadurch entsteht ein großer Gestaltungsspielraum für die Anordnung und insbesondere auch für die flächenmäßige Ausdehnung der äußeren Elektroden des Transformators .
Die Oberfläche des Grundkörpers ist gemäß einem Ausführungs¬ beispiel wenigstens teilweise - vorzugsweise zumindest auf einem zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich angeordneten Trennbereich auf der Oberseite und der Unterseite des Grundkörpers - mit einer elektrisch isolierenden
Schicht bedeckt. Die Durchschlagsspannung des piezoelektrischen Bauelements hängt auch von der Dicke und den elektrischen Eigenschaften dieses isolierenden Trennbereichs ab.
Die isolierende Schicht kann den Grundkörper auf all seinen Oberflächen mit Ausnahmen der außen liegenden Elektroden bedecken .
Darüber hinaus kann als Material für die isolierende Schicht ein elektrisch isolierendes Material gewählt werden, um die Gefahr eines elektrischen Überschlags zwischen verschieden gepolten äußeren Elektroden zu reduzieren. Insbesondere kann als isolierendes Material ein anorganisches Material wie beispielsweise ein glasartiges Material verwen¬ det werden. Das glasartige Material kann zum Beispiel eine chemische Zusammensetzung von 20,5 % Gewichtsanteil B2O3, 6,8 % Gewichtsanteil PbO, 0,3 % Gewichtsanteil Sb203, 10,4 % Ge¬ wichtsanteil S1O2 und 62,0 % Gewichtsanteil ZnO enthalten.
Materialien mit anderen Zusammensetzungen sind ebenfalls möglich, soweit sie isolierend sind.
Gemäß wenigstens einer Aus führungs form des piezoelektrischen Bauelements ist es vorgesehen, dass die isolierende Schicht ein organisches Material ist, beispielsweise kommt ein Lack oder ein Verbundmaterial in Betracht.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form des piezoelektrischen Bauelements enthält die isolierende Schicht ein Schrumpfmate¬ rial und kann zum Beispiel einen Schrumpfschlauch umfassen.
Ferner kann jedes Material, welches elektrisch isolierend wirkt und für die Passivierung von elektronischen Komponenten geeignet ist, verwendet werden.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Bauelements nach wenigstens einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Dieses Verfahren umfasst den Betrieb des piezoelektrischen Bauelements auf einer Frequenz, die zwischen einer ersten und einer zweiten longitudinalen Resonanzfrequenz des Grundkörpers liegt. In Verbindung mit den oben beschriebenen spezifischen Dimensionen des piezoelektrischen Grundkörpers wird das piezoelektrische Bauelement damit auf einer Frequenz betrie¬ ben, bei der sich Schwingungen entlang der Längskante und der Querkante des piezoelektrischen Grundkörpers verstärkend ü- berlagern. Dadurch wird der Wirkungsgrad und die Energiedichte des piezoelektrischen Bauelements vergrößert.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbei¬ spielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- bezie¬ hungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen gleiche Bezugszei¬ chen. Insoweit sich Elemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt .
Es zeigen:
Figur 1 eine erste Aus führungs form des piezoelektrischen Bauelements,
Figur 2 eine weitere Aus führungs form des piezoelektrischen Bauelements .
Die einzelnen Ausführungsbeispiele sind in den Figuren sche¬ matisch dargestellt, wobei einzelne Elemente aus Übersichts¬ gründen weggelassen sind. Es versteht sich, dass ein Fachmann einzelne Aspekte aus den Ausgestaltungen miteinander kombinieren oder ergänzen kann. Insbesondere können die verschiedenen Positionen und Ausgestaltungen der Elektroden im Eingangs- und Ausgangsbereich des piezoelektrischen Grundkörpers miteinander kombiniert werden.
Figur 1 zeigt ein piezoelektrisches Bauelement 1, insbesonde¬ re einen Transformator, mit einem quaderförmigen Grundkörper 2, der aus einem piezoelektrischen Material, beispielsweise einer BZT-Keramik hergestellt ist. Der quaderförmige Grund¬ körper 2 besitzt eine Oberseite 3 und eine Unterseite 4, die über die größten Oberflächenabschnitte des quaderförmigen Grundkörpers 2 definiert sind. Primäre Elektroden 5, 6 sind in einem Eingangsbereich 7 des Grundkörpers 2 im Wesentlichen parallel zu der Oberseite 3 und der Unterseite 4 an einem ersten Ende des Grundkörpers 2 angeordnet. In einem Ausgangs¬ bereich 10 des Grundkörpers 2 sind sekundäre Elektroden 8, 9 im Wesentlichen parallel zu der Oberseite 3 und der Untersei¬ te 4 an einem zweiten Ende des Grundkörpers 2 angebracht. Die primären und sekundären Elektroden 5, 6, 8, 9 sind an den längsseitigen Enden des Grundkörpers 2 angeordnet, um einen möglichst großen räumlichen Abstand zwischen den primären und sekundären Elektroden 5, 6, 8, 9 und damit eine hohe Durchschlagspannung des piezoelektrischen Bauelements 1 zu erzielen. Die Länge L des Grundkörpers 2 beträgt das 1,2- bis 1,7- fache der Breite W des Grundkörpers 2. Durch diese Abmessun¬ gen wird ein hoher Wirkungsgrad des Transformators 1 gewähr¬ leistet .
Die primären Elektroden 5, 6 weisen eine erste primäre Elektrode 5 auf der Oberseite 3 des Grundkörpers 2 und eine zweite primäre Elektrode 6 auf der Unterseite 4 des Grundkörpers 2 auf .
Die sekundären Elektroden 8, 9 umfassen eine erste sekundäre Elektrode 8 auf der Oberseite 3 des Grundkörpers 2 und eine zweite sekundäre Elektrode 9 auf der Unterseite 4 des Grund¬ körpers 2.
Die primären Elektroden 5, 6 werden dafür verwendet, um von außen eine elektrische Spannungsquelle anzuschließen. An den sekundären Elektroden 8, 9 kann von außen eine elektrische Spannung abgegriffen werden.
Der Grundkörper 2 aus piezoelektrischem Material ist einteilig ausgebildet und senkrecht zu der Oberseite 3 des Grund- körpers 2 polarisiert. In Figur 1 ist die Polarisierung durch den Pfeil P gekennzeichnet. Insgesamt erfolgt die Polarisie¬ rung senkrecht zu den primären Elektroden 5, 6 beziehungsweise zu den sekundären Elektroden 8, 9.
Der Eingangsbereich 7 und der Ausgangsbereich 10 sind durch einen Trennbereich zwischen den primären und sekundären E- lektroden 5, 6, 8, 9 galvanisch voneinander getrennt und durch diesen Trennbereich mechanisch miteinander gekoppelt. In diesem Trennbereich ist die Oberseite 3 und die Unterseite 4 des Grundkörpers 2 mit einer isolierenden Schicht 11 be¬ deckt. Durch die isolierende Schicht lässt sich eine Über¬ schlagsgefahr zwischen den primären und sekundären Elektroden 5, 6, 8, 9 reduzieren.
Beim Anlegen einer Wechselspannung an die primären Elektroden 5, 6 wird eine periodisch wiederkehrende Deformation des Grundkörpers 2 erzeugt. Diese periodisch wiederkehrende De¬ formation des Grundkörpers 2 ruft wiederum in den sekundären Elektroden 8, 9 eine sich periodisch ändernde Spannung hervor .
Die primären und sekundären Elektroden 5, 6, 8, 9 sind mit Anschlusselementen versehen, um die primären Elektroden 5, 6 mit einer Eingangsspannungsquelle und die sekundären Elektro¬ den 8, 9 mit einem Abgriff für die Ausgangsspannung zu kontaktieren .
Figur 2 zeigt eine weitere Aus führungs form des piezoelektrischen Bauelements 1, insbesondere eines Transformators. Das piezoelektrische Bauelement 1 nach Figur 2 umfasst einen qua¬ derförmigen Grundkörper 2 aus piezoelektrischem Material, der eine Oberseite 3 und eine Unterseite 4 aufweist. Im Gegensatz zur Aus führungs form der Figur 1 besitzt das piezoelektrische Bauelement 1 aus Figur 2 in einem Eingangsbereich 7 und in einem Ausgangsbereich 10 eine Vielschichtstruktur . Die Viel- schichtstruktur im Eingangsbereich 7 ist strukturiert durch wechselseitig übereinander gestapelte Lagen aus piezoelektrischem Material und innen liegenden primären Elektroden 5, 6. Die primären Elektroden 5, 6 sind parallel zu der Oberseite 3 und der Unterseite 4 des Grundkörpers 2 ausgerichtet. Der Ausgangsbereich 10 des Grundkörpers 2 ist analog zu dem Ein¬ gangsbereich 7 aufgebaut und weist wechselseitig übereinander geschichtete Lagen aus piezoelektrischem Material und innen liegenden sekundären Elektroden 8, 9 auf. Auch diese Elektroden 8, 9 sind parallel zu der Oberseite 3 und der Unterseite 4 des Grundkörpers ausgelegt.
Außerdem umfasst das piezoelektrische Bauelement 1 weitere Elektroden 12, 13 im Eingangsbereich 7 und weitere Elektroden 14, 15 im Ausgangsbereich 10. Die weiteren Elektroden 12, 13, 14, 15 sind jeweils an einer ersten und einer zweiten Längsseite des Grundkörpers und damit senkrecht zu der Oberseite 3 des Grundkörpers 2 angeordnet. Die übereinander geschichteten innen liegenden primären Elektroden 5, 6 im Eingangsbereich 7 greifen kammartig ineinander und sind wechselseitig mit den weiteren Elektroden 12, 13 in dem Eingangsbereich 7 elektrisch gekoppelt. In analoger Weise greifen auch die innen liegenden sekundären Elektroden 8, 9 kammartig ineinander und sind wechselseitig mit den weiteren Elektroden 14, 15 in dem Ausgangsbereich 10 elektrisch gekoppelt.
Bei der Aus führungs form in Figur 2 ist die Oberseite 3 und die Unterseite 4 des Grundkörpers 2 ganzflächig mit einer i- solierenden Schicht 11 bedeckt. Damit wird die Überschlags¬ spannung zwischen den weiteren Elektroden 12, 13 im Eingangsbereich 7 und den weiteren Elektroden 14, 15 im Ausgangsbereich 10 wesentlich erhöht. Diese Bauweise des piezoelektri- sehen Bauelements 1 wird ermöglicht durch die Vielschicht- struktur im Eingangsbereich 7 und im Ausgangsbereich 10.
Durch die innen liegenden Elektroden 5, 6, 8, 9 kann die geometrische Platzierung beziehungsweise die Abmessung der äuße¬ ren weiteren Elektroden 12, 13, 14, 15 von den elektrischen Anforderungen entkoppelt werden. Als Resultat können die äu¬ ßeren weiteren Elektroden 12, 13, 14, 15 kleiner dimensioniert und mit größerem räumlichen Abstand an dem piezoelekt¬ rischen Grundkörper 2 angeordnet werden. Infolgedessen vergrößert sich auch die isolierende Schicht 11, was wiederum zusätzlich zu einer höheren Durchschlagsfestigkeit des piezo¬ elektrischen Bauelements 1 beiträgt.
Beim Anlegen einer Wechselspannung an die weiteren Elektroden 12, 13 im Eingangsbereich 7 wird der piezoelektrische Grund¬ körper 2 aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts mit einer Frequenz der Wechselspannung mechanisch deformiert. Diese Deformation des Grundkörpers 2 wird vom Eingangsbereich 7 zum Ausgangsbereich 10 übertragen. Als Resultat des direkten piezoelektrischen Effekts kann dann eine Wechselspannung an den weiteren Elektroden 14, 15 im Ausgangsbereich 10 abgegriffen werden. Die mechanische Energie des Eingangsbereichs 7 wird am Effektivsten auf den Ausgangsbereich 10 übertragen, wenn sich der piezoelektrische Grundkörper 2 in einem Resonanzbereich befindet bei dem die Amplitude der mechanischen Schwingungen ein Maximum aufweisen. Um eine möglichst große Amplitude der mechanischen Schwingung zu erreichen, wird der Grundkörper 2 des piezoelektrischen Bauelements 1 so dimensioniert, dass die Länge L des Grundkörpers 2 das 1,2- bis 1,7- fache der Breite W des Grundkörpers 2 beträgt. Diese Dimensi¬ onierung führt zu einer Koexistenz der Schwingung in Breiten- und Längenrichtung des piezoelektrischen Grundkörpers 2.
Durch die Überlagerung dieser beiden Schwingungen wird die Amplitude der mechanischen Schwingung und damit der Wirkungsgrad des piezoelektrischen Bauelements 1 vergrößert.
Die exakte Festlegung der Abmessungen des Grundkörpers 2 erfolgt in Abhängigkeit der elektromechanischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials des Grundkörpers 2. Weist der elektromechanische Koppelkoeffizient K31 des piezoelektri¬ schen Materials kleine Werte auf, dann verschiebt sich das Längen- zu Breitenverhältnis des Grundkörpers 2 in Richtung des oberen Limits (1,7) . Entsprechend bewegt sich das Längen- zu Breitenverhältnis des Grundkörpers 2 für große Werte des elektromechanischen Koppelkoeffizients K31 am unteren Limit (1,2) .
Gemäß dem angegebenen Verfahren wird das piezoelektrische Bauelement 1 auf einer Frequenz betrieben, die zwischen einer ersten und einer zweiten longitudinalen Resonanzfrequenz des Grundkörpers liegt.
Die exakte Festlegung der Betriebsfrequenz erfolgt in Abhängigkeit der spezifischen Abmessungen des piezoelektrischen Grundkörpers 2.
Bezugs zeichenliste piezoelektrisches Bauelement
Grundkörper
Oberseite
Unterseite
primäre Elektroden,
erste und zweite primäre Elektrode
Eingangsbereich
sekundäre Elektroden,
erste und zweite sekundäre Elektrode
Ausgangsbereich
isolierende Schicht
weitere Elektroden im Eingangsbereich weitere Elektroden im Ausgangsbereich Länge des Grundkörpers
Breite des Grundkörpers
Polarisierung

Claims

Patentansprüche
1. Ein piezoelektrisches Bauelement (1), insbesondere ein Transformator, umfassend:
- einen quaderförmigen Grundkörper (2) aus piezoelektrischem Material, der eine Oberseite (3) und eine Untersei¬ te (4) aufweist, die über die größten Oberflächenab¬ schnitte des quaderförmigen Grundkörpers (2) definiert sind,
- primäre Elektroden (5, 6), die in einem Eingangsbereich (7) des Grundkörpers (2) parallel zu der Oberseite (3) und der Unterseite (4) an einem ersten Ende des Grundkörpers (2) angeordnet sind, um in Reaktion auf eine primäre Wechselspannung eine Schwingung des Grundkörpers (2) zu erregen,
- sekundäre Elektroden (8, 9), die in einem Ausgangsbe¬ reich (10) des Grundkörpers (2) parallel zu der Oberseite (3) und der Unterseite (4) an einem zweiten Ende des Grundkörpers (2) angeordnet sind, um in Reaktion auf die Schwingung des Grundkörpers (2) eine sekundäre Spannung abzugreifen,
wobei die primären und sekundären Elektroden (5, 6, 8, 9) an den längsseitigen Enden des Grundkörpers (2) angeordnet sind und wobei die Länge (L) des Grundkörpers (2) das 1,2 bis 1,7 fache der Breite (w) des Grundkörpers (2) be¬ trägt .
2. Das piezoelektrische Bauelement nach Anspruch 1,
bei dem der Grundkörper (2) einteilig ausgebildet ist und wobei das piezoelektrische Material senkrecht zu der Oberseite (3) des Grundkörpers (2) polarisiert (P) ist.
3. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die primären Elektroden (5, 6) umfassen:
- eine erste primäre Elektrode (5) auf der Oberseite (3) des Grundkörpers (2), die parallel zu der Oberseite (3) des Grundkörpers (2) angeordnet ist; und
- eine zweite primäre Elektrode (6) auf der Unterseite (4) des Grundkörpers (2), die parallel zu der Unterseite (4) des Grundkörpers (2) angeordnet ist.
4. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die sekundären Elektroden (8, 9) umfassen:
- eine erste sekundäre Elektrode (8) auf der Oberseite (3) des Grundkörpers (2), die parallel zu der Oberseite
(3) des Grundkörpers (2) angeordnet ist; und
- eine zweite sekundäre Elektrode (9) auf der Unterseite
(4) des Grundkörpers (2), die parallel zu der Unterseite (4) des Grundkörpers (2) angeordnet ist.
5. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Eingangsbereich (7) des Grundkörpers (2) eine Vielschichtstruktur mit innen liegenden primären Elektroden (5, 6) aufweist, wobei die primären Elektroden (5, 6) parallel zu der Oberseite (3) und der Unterseite (4) des Grundkörpers (2) ausgerichtet sind.
6. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Ausgangsbereich (10) des Grundkörpers (2) eine Vielschichtstruktur mit innen liegenden sekundären Elektroden (8, 9) aufweist, wobei die sekundären Elektroden (8, 9) parallel zu der Oberseite (3) und der Unterseite (4) des Grundkörpers (2) ausgerichtet sind.
7. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem weitere Elektroden (12, 13) in dem Eingangsbereich (7) an einer ersten und einer zweiten Längsseite des Grundkörpers (2) und damit senkrecht zu der Oberseite (3) des Grundkörpers (2) angeordnet sind, wobei die wei¬ teren Elektroden (12, 13) im Eingangsbereich (7) die primären Elektroden (5, 6) kontaktieren.
8. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem weitere Elektroden (14, 15) in dem Ausgangsbereich (10) an einer ersten und einer zweiten Längsseite des Grundkörpers (2) und damit senkrecht zu der Oberseite (3) des Grundkörpers (2) angeordnet sind, wobei die wei¬ teren Elektroden (14, 15) im Ausgangsbereich (10) die sekundären Elektroden (8, 9) kontaktieren.
9. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem wenigstens ein Teil der Oberseite (3) und der Un¬ terseite (4) des Grundkörpers (2) mit einer isolierenden Schicht (11) bedeckt ist.
10. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem wenigstens ein Teil der Oberseite (3) und der Un¬ terseite (4) des Grundkörpers (2) mit einer isolierenden Schicht (11) enthaltend ein anorganisches Material be¬ deckt ist.
11. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein Teil der Oberseite (3) und der Un¬ terseite (4) des Grundkörpers (2) mit einer isolierenden Schicht (11) enthaltend ein organisches Material bedeckt ist .
Ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Bauelements nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das piezoelektrische Bauelement (1) auf einer Frequenz betrieben wird, die zwischen einer ersten und einer zweiten longitudinalen Resonanzfrequenz des Grundkörpers (2) liegt.
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