WO2012065989A1 - Piezoelektrisches bauelement - Google Patents

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WO2012065989A1
WO2012065989A1 PCT/EP2011/070141 EP2011070141W WO2012065989A1 WO 2012065989 A1 WO2012065989 A1 WO 2012065989A1 EP 2011070141 W EP2011070141 W EP 2011070141W WO 2012065989 A1 WO2012065989 A1 WO 2012065989A1
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WO
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electrodes
primary
region
piezoelectric
base body
Prior art date
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PCT/EP2011/070141
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English (en)
French (fr)
Inventor
Igor Kartashev
Peter Kraxner
Markus Puff
Original Assignee
Epcos Ag
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Publication date
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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
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/871—Single-layered electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. internal electrodes
    • 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.
  • the efficiency of a piezoelectric device depends on the values of the mechanical quality factor Q m and the coupling coefficient Ku.
  • the coupling coefficient ⁇ ⁇ is a measure of the effectiveness of the conversion of electrical energy into mechanical energy and vice versa.
  • the coupling coefficient K33 has the highest value. This corresponds to an arrangement in which the mechanical vibrations in the piezoelectric device along the length of the piezoelectric body are excited.
  • the electrodes are arranged perpendicular to the longitudinal direction of the piezoelectric body.
  • the piezoelectric material is polarized in the longitudinal direction of the base body.
  • piezoelectric Transformer Using Inter-Digital Internal Electrodes Masafu- mi Katsuno, Yoshiaki Fuda, IEEE Ultrasonics Symposium 1998, pages 897 to 900.
  • the manufacturing process is especially page 899
  • the piezoelectric component comprises a plurality of ceramic layers which are arranged in the longitudinal direction of the piezoelectric main body and which are stacked one above the other perpendicular to the longitudinal direction of the main body structure of a piezoelectric transformer corresponds to and is therefore produced by the conventional methods the structure of a Dahlkeramikkonden- crystallizer. in particular, this manufacturing process has Before ⁇ parts with respect to the separation of the layers during the thermal treatment u nd compliance with the correct dimensions.
  • the electrodes arranged on the surfaces of the layers together form a plurality of vertical electrodes, which are arranged at a right angle to the longitudinal direction of the piezoelectric main body.
  • a problem with this construction is per ⁇ but the relatively high probability of a voltage between electrodes ⁇ rollover at the entrance and exit area of the transformer, which are arranged on the same surface of a layer. This problem occurs in particular This is due to the polarization and generally high voltages between the electrodes in the input and output regions. However, if the insulating areas are increased accordingly, the efficiency of the piezoelectric transformer decreases.
  • a piezoelectric component which comprises a cuboid main body of piezoelectric material, first and second primary electrodes and first and second secondary electrodes.
  • first and second primary electrodes At entge ⁇ gennewen longitudinal ends of the body an input area and an output area are arranged, which are mechanically coupled together.
  • the cuboid base body has a multilayer structure.
  • the arranged in the interior of the input area primary electrodes have according to the invention in a side facing the exit area portion at a greater distance to longitudinal side surfaces of the base body than in the bossbe ⁇ remote rich portion.
  • the secondary electrodes arranged in the interior of the output region have a greater distance from the longitudinal side faces of the partial region facing the input region
  • Base body as in a portion facing away from the entrance area.
  • the breakdown voltage can be significantly reduced. borrowed, since there are larger insulating regions between the input region and the output region of the piezoelectric component.
  • the Ef ⁇ ficiency of the piezoelectric element can be increased also, since the primary and secondary electrodes in partial areas that are located at the respective longitudinal ends of the base body, extend over the entire width of the piezoelectric body.
  • the piezoelectric device can be easily and inexpensively manufactured, since conventional multilayer technologies are used.
  • the piezoelectric device uses the direct as well as the inverse piezoelectric effect.
  • the base body of piezoelectric material When an alternating voltage is applied to the first and second primary electrodes in the input region, the base body of piezoelectric material is set into mechanical oscillations. Since the input area is mechanically coupled to the output area, these mechanical vibrations are transmitted to the output area. Due to the direct piezoelectric effect, an output voltage can now be tapped in the output region at the first and second secondary electrodes.
  • the piezoelectric Bauele ⁇ ment includes primary insulating regions, which, Zvi ⁇ rule the primary electrodes and the longitudinal side surfaces of the base body are arranged in the portion of the A ⁇ transition region which faces the exit region.
  • the piezoelectric component also has secondary insulating regions, which are arranged in the Sectionbe ⁇ rich of the output region, which faces the input area, between the secondary electrodes and the longitudinal side surfaces of the base body. The primary and secondary insulating regions lead to an additional insulation on the side surfaces of the piezoelectric body and thus increase the breakdown voltage of the piezo ⁇ electrical component.
  • the primary electrodes closest to the exit region are spaced from both longitudinal side surfaces of the main body.
  • two separate primary insulating regions, which are each arranged between the primary electrodes and the longitudinal side surfaces of the base body arise.
  • the nearest to the entrance of secondary electrodes are spaced from both longitudinal side surfaces of the base body, whereby two separate secondary isolation regions, which are respectively arranged between the secondary electrodes, and the length-side side surfaces of the base body are formed Kgs ⁇ NEN.
  • an additional isolation region is disposed between the input region and the output region.
  • the primary electrodes closest to the exit region are at a greater distance from the longitudinal side faces of the main body than the primary electrodes furthest from the exit region. Furthermore, they can be the entrance area nearest secondary electrodes have a greater distance from the longitudinal side faces of the main body than the farthest from the input area secondary electrodes.
  • the piezoelectric device may be such as those sectors ⁇ taltet that the length of the primary electrodes decreases continuously in the direction of the output area from the entrance area.
  • the primary electrodes depending ⁇ wells have a length which is the length of all those primary electrodes is less than or equal to, which are arranged closer to the entrance area.
  • the secondary electrodes may each have a length that is less than or equal to the length of all those secondary electrodes that are located closer to the exit region.
  • the Dahl Anlagenk- comprises structure of the piezoelectric element several parallel to ei ⁇ ner top of the body stacked qua ⁇ derförmige layers.
  • the primary and secondary electrodes may be disposed between the layers substantially perpendicular to the longitudinal side surfaces of the base body.
  • the second primary electrodes and the second secondary electrodes are the smallest spatial distance between the primary and the second have secondary electrodes, each arranged on different layers.
  • the term "spatial distance" here preferably denotes the spatial distance parallel to the layers of the base body
  • the first primary electrodes and the second primary electrodes it is possible for the first primary electrodes and the second primary electrodes to have the smallest spatial distance between the primary and the secondary electrodes , the spacing between electrodes are arranged on the same layer are respectively arranged on different layers., is thereby increased. This measure ⁇ acquisition leads to an improved isolation between the input and output areas of the piezoelectric element and thus increased to a breakdown voltage.
  • electrodes of the first primary electrodes and of the second secondary electrodes are on a first layer and electrodes of the second primary electrodes and of the first secondary electrodes are on a second one
  • the piezoelectric device comprising a first electrode and a second additional primary additional primary electrode which are located in attachments ⁇ ren the input range.
  • the first to ⁇ additional primary electrode with the first primary electric ⁇ and the second additional primary electrode with the second primary electrodes are electrically coupled.
  • the first and second primary electrodes may mesh in a comb-like manner.
  • the piezoelectric component has a first and a second additional secondary electrode in the interior of the output region.
  • the first additional Secondary electrode is electrically coupled to the first secondary electrode and the second additional secondary electrode with the two ⁇ th secondary electrodes.
  • the first and second secondary electrodes may mesh in a comb-like manner.
  • the piezoelectric Bauele ⁇ ment comprises a first and a second outer primary electrode, which are electrically coupled respectively to the first and second additional primary electrodes and which are disposed on opposite longitudinal side surfaces of the base body.
  • the piezoelectric device having a first and a second outer secondary electrode which are each ⁇ wells electrically coupled to the first and second additional secondary electrode and the longitudinal side on ge ⁇ opposite side surfaces of the body are arranged.
  • the special shape of the addi ⁇ tional primary and secondary electrodes, the outer primary and secondary electrodes can be positioned at a greater spatial distance from each other. This increases to ⁇ additionally the value of the withstand voltage of the piezoelectric element.
  • the piezoelectric component of the base body to ⁇ additional insulating layers are deposited on the top and a bottom.
  • the insulation is improved to the top and the bottom ⁇ side of the body and thus increases the flashover ⁇ voltage of the piezoelectric device.
  • the piezoelectric material of the main body is polarized in the longitudinal direction of the main body. Adjacent portions of the piezoelectric ⁇ Ma terials between the first and the second primary and / or secondary electrodes are polarized in the opposite direction.
  • Another aspect of the invention relates to a method of operating a piezoelectric device according to at least one of the embodiments described above.
  • the piezoelectric device is excited to vibrate along the longitudinal direction of the main body.
  • the frequency of this oscillation corresponds to a harmonic of the fundamental vibration of the body.
  • the frequency is selected such that bone ⁇ ten in the harmonic result at positions where the first and second outer primary
  • FIG. 1 shows a layer of a first embodiment of the piezoelectric component
  • FIG. 2A shows a first layer of a second embodiment of the piezoelectric component
  • FIG. 2B shows a second layer of the second embodiment of the piezoelectric component
  • FIG. 3A shows a cross section of the first embodiment of the piezoelectric component
  • FIG. 3B shows a cross section of the second embodiment of the piezoelectric component.
  • the cuboid base body 1 has a Multi-layer structure, which comprises a plurality of parallelepiped parallel to the Obersei ⁇ te of the main body 1 stacked layers 11. The upper side of the main body 1 is defined over one of the largest surface sections of the cuboid base body 1.
  • the piezoelectric device comprises first and second primary electrodes 4, 5 in the interior of decisionssbe ⁇ Reich 2 and first and second secondary electrodes 6, 7 inside the outlet portion 3, which are arranged in the multilayer structure.
  • the primary and secondary electrodes 4, 5, 6, 7 are arranged between the layers 11 substantially perpendicular to the longitudinal side faces of the main body 1.
  • the vertically superposed primary and secondary electrodes 4, 5, 6, 7 form vertical electrodes, which are aligned substantially perpendicular to the longitudinal direction of the piezoelectric body 1.
  • the primary electrodes 4, 5 in a partial region facing the output region 3 have a greater distance from longitudinal side surfaces of the main body 1 than in a partial region facing away from the output region 3.
  • the primary electrodes 4, 5 closest to the output region 3 are at a greater distance from the longitudinal side faces of the main body 1 than the primary electrodes 4, 5 farthest from the output region 3.
  • the secondary electrodes 6, 7 also have an entrance region 2 facing portion a greater distance from the longitudinal side surfaces of the base body 1 as in a the input region 2 remote portion.
  • the secondary electrodes 6, 7 closest to the input area 2 have a greater distance from the longitudinal sides. term side surfaces of the base body 1 than by the A ⁇ transition region 2 farthest secondary electrodes 6, 7.
  • primary insulating regions 8 are formed, which in the partial region of the input area 2, which is the off ⁇ transition region faces 3, between the primary electrodes 4, 5 and the longitudinal side surfaces of the base body 1 are arranged.
  • secondary insulating regions 9 are located between the secondary electrodes 6, 7 and the longitudinal side surfaces of the main body 1 in the partial region of the output region 3, which faces the input region 2.
  • an additional insulating region 10 is formed between the input region 2 and the output region 3.
  • the piezoelectric component comprises a first additional primary electrode 12 which is electrically coupled to the first primary electrodes 4 and a second additional primary electrode 13 which is electrically coupled to the second primary electrodes 5.
  • the first and second additional primary electrodes are partially disposed inside the input area 2.
  • the piezoelectric device comprising a first additional secondary electrode 14 which is electrically coupled to the first seconding ⁇ dary electrode 6 and a second additional secondary electrode 15 which is electrically coupled to the second se ⁇ ondary electrodes. 7
  • the first additional secondary electrode 14 and the second additional secondary electrode 15 are located partially inside the output region 3.
  • the first and second primary electrodes 4, 5 and the first and second secondary electrodes 6, 7 engage in a comb-like manner.
  • the piezoelectric device comprises a first outer primary electrode 16 electrically coupled to the first additional primary electrode 12, a second outer primary electrode 17 electrically coupled to the second additional primary electrode 13, a first outer secondary electrode 18, which is electrically connected to the first zuslegili ⁇ chen secondary electrode 14 and a second outer secondary electrode 19 which is electrically connected to the second additional secondary electrode 15th
  • the first and second outer primary electrodes 16, 17 and the first and second outer secondary electrodes 18, 19 are disposed on the longitudinal side surfaces of the main body 1.
  • the piezoelectric material of the component is polarized in the longitudinal direction of the base body ⁇ 1, wherein the Polarized ⁇ tion of adjacent sections between the first and the second primary and / or secondary electrodes 4, 5, 6, 7 directed opposite.
  • additional insulating layers may be applied on the upper side and an underside of the main body 1.
  • the generated longitudinal vibration of the piezoelectric body 1 is transmitted to the output region 3 due to the mechanical coupling. Due to the direct piezoelectric effect, an output voltage is generated between the first and second outer secondary electrodes 18, 19. Also in the output region 3, the efficiency of the piezoelectric component is increased by the parallel-connected first and second secondary electrodes and by the utilization of the entire available width of the piezoelectric body 1.
  • the value of the breakdown voltage is determined by the distance of the outer primary and secondary electrodes 16, 17, 18, 19 and the insulating regions 8, 9, 10 formed therebetween.
  • the breakdown voltage is determined by technical standards which also limit the distance between the outer electrodes to, for example, 6 mm.
  • Transforma ⁇ tors who work on a small power levels the same as isolating transformers which operate at a high performance level.
  • larger isolation ranges result in decreasing efficiency of the piezoelectric transformer.
  • the specially shaped primary insulating regions 8 and seconding ⁇ dary insulating regions 9 are formed in the embodiment of FIG. 1 These provide good insulation between the primary electrodes 4, 5 in the input area 2 and the secondary electrodes 6, 7 in the output area 3 safe. Since the outer primary electrodes 16, 17 and the outer secondary electrodes 18, 19 now have a greater spatial distance, the value of the breakdown voltage also increases. Despite the primary and secondary insulating regions 8, 9, a high efficiency of the piezoelectric element can be ensured, since the primary and seconding ⁇ dary electrodes 4, 5, 6, 7 from a position of the outer primary and secondary electrodes 16, 17, 18, 19 exploit the full width of the piezoelectric body 1 to the respective longitudinal ends of the piezoelectric body 1. The dimensions of the primary and secondary insulating regions 8, 9 are determined by the value of the breakdown voltage required by the piezoelectric transformer.
  • FIG. 2A and 2B show a second embodiment of the piezoelectric component and illustrate an arrangement of electrodes in two adjacent layers 11.
  • FIG. 2A shows that electrodes of the first primary electrodes 4 and the second secondary electrodes 7 are arranged on a first layer 11.
  • Figure 2B illustrates that on a second layer 11, which is arranged directly adjacent to the first layer 11, the electrodes of the second Primae ⁇ ren electrodes 5 and the first secondary electrodes are arranged. 6 Due to this special arrangement, those electrodes which have the smallest spatial distance between the primary and secondary electrodes 4, 5, 6, 7, namely the second primary electrodes 5 and the second secondary electrodes 7, are each on different layers 11 the second primary electrodes 5 and the second secondary electrodes 7 are additionally separated from each other by the thickness of a layer 11. With By means of this measure, the value of the breakdown voltage of the piezoelectric component can be further increased.
  • the thickness of a layer usually moves in a range of 10 to 50 ⁇ and is dependent on the distance of the primary and secondary electrodes 4, 5, 6, 7th
  • FIG. 3A shows a cross section of the first embodiment of the piezoelectric component parallel to a side surface of the piezoelectric main body.
  • Figure 3B shows the same view of the piezoelectric component for the second embodiment.
  • the thickness of a layer 11 is located between the second primary electrodes 5 and the second secondary electrodes 7.
  • the piezoelectric component when an alternating voltage is applied to the outer primary electrodes 16, 17, the piezoelectric component is excited to oscillate along the longitudinal direction of the main body 1.
  • the frequency of the ⁇ ser oscillation corresponds to a harmonic of the fundamental oscillation of the base body 1.
  • the frequency is selected so that there are nodes of the harmonic at positions at which the first and second outer primary and / or secondary electrodes 16, 17, 18 , 19 are arranged.
  • the frequency beeinflus ⁇ sen the outer primary and / or secondary electrodes 16, 17, 18, 19 do not negatively the propagation of the mechanical vibration.
  • the electrical energy can be very efficiently converted into a mechanical energy (and vice versa) the.
  • the efficiency of the piezoelectric component is thereby additionally increased.

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Abstract

Ein piezoelektrisches Bauelement umfasst einen quaderförmigen Grundkörper (1) aus piezoelektrischem Material, der einen Eingangsbereich (2) und einen Ausgangsbereich (3) an entgegengesetzten längsseitigen Enden des Grundkörpers (1) aufweist. Des Weiteren umfasst das piezoelektrische Bauelement erste und zweite primäre Elektroden (4, 5), die im Inneren des Eingansbereichs (2) angeordnet sind und erste und zweite sekundäre Elektroden (6, 7), die im Inneren des Ausgangsbereichs (3) angeordnet ist. Die primären Elektroden (4, 5) besitzen in einem dem Ausgangsbereich (3) zugewandten Teilbereich einen grösseren Abstand zu längsseitinge Seitenflächen des Grundkörpers (1) als in einem dem Ausgangsbereich (3) abgewandten Teilbereich. Ebenfalls weisen die sekundären Elektroden (6, 7) in einem dem Eingansbereich (2) zugewandten Teilbereich einen grösseren Abstand zu den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers (1) auf als in einem dem Eingangsbereich (2) abgewandten Teilbereich.

Description

Beschreibung
Piezoelektrisches Bauelement
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauelement, ins¬ besondere einen Transformator.
Die Effizienz eines piezoelektrischen Bauelements ist abhängig von den Werten des mechanischen Qualitätsfaktors Qm und des Koppelkoeffizienten Ku. Der Koppelkoeffizient Κπ ist ein Maß für die Effektivität der Umwandlung von elektrischer E- nergie in mechanische Energie und umgekehrt. Für viele piezo¬ elektrische Materialien weist der Koppelkoeffizient K33 den höchsten Wert auf. Dies entspricht einer Anordnung, bei der die mechanischen Schwingungen in dem piezoelektrischen Bauelement entlang der Länge des piezoelektrischen Grundkörpers angeregt werden. Des Weiteren sind die Elektroden rechtwinklig zu der Längsrichtung des piezoelektrischen Grundkörpers angeordnet. Außerdem ist das piezoelektrische Material in Längsrichtung des Grundkörpers polarisiert. In den meisten bereits bekannten Varianten eines solchen Bauelements sind keramische Schichten innerhalb des piezoelektrischen Trans¬ formators parallel zu den Elektroden angeordnet und entlang der Längsrichtung des piezoelektrischen Grundkörpers übereinander gestapelt. Damit sind die piezoelektrischen Schichten innerhalb des Grundkörpers ebenfalls rechtwinklig zu der Längsrichtung des Grundkörpers angeordnet. Diese so genannte Stack-Bauweise eines piezoelektrischen Transformators weist jedoch einige Probleme bei der Herstellung und der elektrischen Isolierung zwischen den Eingangs- und Ausgangsseiten des Transformators auf. Diese Transformatoren erfordern ein spezielles Sinterprogramm, um eine mögliche Ablösung der Stack-Schichten während der thermischen Behandlung zu verhin- dern. Falls eine sehr gute Isolierung zwischen den Eingangsund Ausgangsseiten des Transformators erzielt werden soll, ist zusätzlich eine spezielle mechanische Behandlung nach dem Sintern erforderlich, um die exakten Abmessungen des piezoelektrischen Bauelements sicher zu stellen.
Eine andere Technologie für die Herstellung eines piezoelekt¬ rischen Transformators ist beschrieben in „Piezoelectric Transformer Using Inter-Digital Internal Electrodes", Masafu- mi Katsuno, Yoshiaki Fuda, IEEE Ultrasonics Symposium 1998, Seiten 897 bis 900. Der Herstellungsprozess ist insbesondere auf Seite 899 ausgeführt. Das piezoelektrische Bauelement um- fasst mehrere keramische Schichten, die in Längsrichtung des piezoelektrischen Grundkörpers angeordnet sind und die senk¬ recht zu der Längsrichtung des Grundkörpers übereinander gestapelt werden. Die Elektroden sind im Inneren des piezoelektrischen Grundkörpers auf den Oberflächen der Schichten angeordnet. Diese Struktur eines piezoelektrischen Transformators entspricht dem Aufbau eines Vielschichtkeramikkonden- sators und ist damit nach den herkömmlichen Methoden herstellbar. Dieser Herstellungsprozess weist insbesondere Vor¬ teile in Bezug auf die Ablösung der Schichten während der thermischen Behandlung und die Einhaltung der korrekten Abmessungen auf.
Die auf den Oberflächen der Schichten angeordneten Elektroden bilden gemeinsam mehrere vertikale Elektroden, die in einem rechten Winkel zur Längsrichtung des piezoelektrischen Grundkörpers angeordnet sind. Ein Problem dieses Aufbaus ist je¬ doch die relativ hohe Wahrscheinlichkeit für einen Spannungs¬ überschlag zwischen Elektroden im Eingangsbereich und Ausgangsbereich des Transformators, die auf derselben Oberfläche einer Schicht angeordnet sind. Dieses Problem tritt insbeson- dere bei der Polarisierung und generell bei hohen Spannungen zwischen den Elektroden im Eingangs- und Ausgangsbereich auf. Werden jedoch die Isolierbereiche dementsprechend vergrößert, so sinkt die Effizienz des piezoelektrischen Transformators.
Folglich besteht das Bedürfnis nach einem piezoelektrischen Bauelement, das eine hohe Isolierung und damit eine hohe Überschlagsspannung zwischen einem Eingangs- und einem Aus¬ gangsbereich des piezoelektrischen Bauelements aufweist und das gleichzeitig, insbesondere auch für kleine Leistungsbe- reiche, eine hohe Effizienz besitzt .
Dazu wird ein piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1 vorgeschlagen, das einen quaderförmigen Grundkörper aus piezoelektrischem Material, erste und zweite primäre Elektroden und erste und zweite sekundäre Elektroden umfasst. An entge¬ gengesetzten längsseitigen Enden des Grundkörpers sind ein Eingangsbereich und ein Ausgangsbereich angeordnet, die mechanisch miteinander gekoppelt sind. Außerdem weist der quaderförmige Grundkörper eine Vielschichtstruktur auf. Die im Inneren des Eingangsbereichs angeordneten primären Elektroden weisen erfindungsgemäß in einem dem Ausgangsbereich zugewandten Teilbereich einen größeren Abstand zu längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers auf als in einem dem Ausgangsbe¬ reich abgewandten Teilbereich. Des Weiteren weisen die im Inneren des Ausgangsbereichs angeordneten sekundären Elektroden in einem dem Eingangsbereich zugewandten Teilbereich einen größeren Abstand zu den längsseitigen Seitenflächen des
Grundkörpers auf als in einem den Eingangsbereich abgewandten Teilbereich .
Durch diese spezielle Ausgestaltung der primären und sekundären Elektroden kann zum einen die Überschlagsspannung wesent- lieh erhöht werden, da sich zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich des piezoelektrischen Bauelements größere Isolierbereiche befinden. Zum anderen kann ebenfalls die Ef¬ fizienz des piezoelektrischen Bauelements erhöht werden, da sich die primären und sekundären Elektroden in Teilbereichen, die sich an den jeweiligen längsseitigen Enden des Grundkörpers befinden, über die gesamte Breite des piezoelektrischen Grundkörpers erstrecken. Außerdem kann das piezoelektrische Bauelement einfach und kostengünstig hergestellt werden, da herkömmliche Vielschichttechnologien zum Einsatz kommen.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das piezoelektrische Bauelement nutzt den direkten als auch den inversen piezoelektrischen Effekt.
Bei Anlegen einer Wechselspannung an die ersten und zweiten primären Elektroden im Eingangsbereich wird der Grundkörper aus piezoelektrischem Material in mechanische Schwingungen versetzt. Da der Eingangsbereich mit dem Ausgangsbereich mechanisch gekoppelt ist, werden diese mechanischen Schwingungen auf den Ausgangsbereich übertragen. Aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekts kann nun im Ausgangsbereich an den ersten und zweiten sekundären Elektroden eine Ausgangsspannung abgegriffen werden.
In einer Aus führungs form umfasst das piezoelektrische Bauele¬ ment primäre Isolierbereiche, die in dem Teilbereich des Ein¬ gangsbereichs, der dem Ausgangsbereich zugewandt ist, zwi¬ schen den primären Elektroden und den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers angeordnet sind. In einer Weiterbildung weist das piezoelektrische Bauelement außerdem sekundäre Isolierbereiche auf, die in dem Teilbe¬ reich des Ausgangsbereichs, der dem Eingangsbereich zugewandt ist, zwischen den sekundären Elektroden und den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers angeordnet sind. Die primären und sekundären Isolierbereiche führen zu einer zusätzlichen Isolierung an den Seitenflächen des piezoelektrischen Grundkörpers und erhöhen damit die Überschlagsspannung des piezo¬ elektrischen Bauelements.
In einer Aus führungs form sind die dem Ausgangsbereich nächstliegenden primären Elektroden von beiden längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers beabstandet. Dadurch können zwei voneinander getrennte primäre Isolierbereiche, die jeweils zwischen den primären Elektroden und den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers angeordnet sind, entstehen. Wei¬ terhin ist es möglich, dass die dem Eingangsbereich nächstliegenden sekundären Elektroden von beiden längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers beabstandet sind, wodurch zwei voneinander getrennte sekundäre Isolierbereiche, die jeweils zwischen den sekundären Elektroden und den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers angeordnet sind, entstehen kön¬ nen .
In einer Aus führungs form ist ein zusätzlicher Isolierbereich zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich angeordnet .
In einer weiteren Aus führungs form weisen die dem Ausgangsbereich nächstliegenden primären Elektroden einen größeren Abstand zu den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers auf als die vom Ausgangsbereich am weitesten entfernten primären Elektroden. Des Weiteren können die dem Eingangsbereich nächstliegenden sekundären Elektroden einen größeren Abstand zu den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers aufweisen als die vom Eingangsbereich am weitesten entfernten sekundären Elektroden.
Weiterhin kann das piezoelektrische Bauelement derart ausges¬ taltet sein, dass die Länge der primären Elektroden vom Eingangsbereich in Richtung des Ausgangsbereichs kontinuierlich abnimmt. Beispielsweise können die primären Elektroden je¬ weils eine Länge aufweisen, die kleiner oder gleich der Länge aller derjenigen primären Elektroden ist, welche näher am Eingangsbereich angeordnet sind.
Darüber hinaus kann die Länge der jeweiligen sekundären
Elektroden vom Ausgangsbereich in Richtung des Eingangsbereichs kontinuierlich abnehmen. Zum Beispiel können die sekundären Elektroden jeweils eine Länge aufweisen, die kleiner oder gleich der Länge aller derjenigen sekundären Elektroden ist, welche näher am Ausgangsbereich angeordnet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vielschichtstruk- tur des piezoelektrischen Bauelements mehrere parallel zu ei¬ ner Oberseite des Grundkörpers übereinander gestapelte qua¬ derförmige Schichten. Die primären und sekundären Elektroden können zwischen den Schichten im Wesentlichen senkrecht zu den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers angeordnet sein .
In einer Weiterbildung befinden sich die nächstliegenden Elektroden des Eingangs- und des Ausgangsbereichs auf unter¬ schiedlichen Schichten. Vorzugsweise sind die zweiten primären Elektroden und die zweiten sekundären Elektroden, die den kleinsten räumlichen Abstand zwischen den primären und den sekundären Elektroden aufweisen, jeweils auf unterschiedlichen Schichten angeordnet. Mit dem Begriff „räumlicher Abstand" ist dabei vorzugsweise der räumliche Abstand parallel zu den Schichten des Grundkörpers bezeichnet. Weiterhin ist es möglich, dass die ersten primären Elektroden und die zweiten primären Elektroden, die den kleinsten räumlichen Abstand zwischen den primären und den sekundären Elektroden aufweisen, jeweils auf unterschiedlichen Schichten angeordnet sind. Der räumliche Abstand zwischen Elektroden, die auf derselben Schicht angeordnet sind, wird dadurch vergrößert. Diese Ma߬ nahme führt zu einer verbesserten Isolierung zwischen dem Eingangs- und Ausgangsbereich des piezoelektrischen Bauelements und damit zu einer erhöhten Durchschlagsspannung.
In einer Weiterbildung sind Elektroden der ersten primären Elektroden und der zweiten sekundären Elektroden auf einer ersten Schicht und Elektroden der zweiten primären Elektroden und der ersten sekundären Elektroden auf einer zweiten
Schicht angeordnet.
In einer weiteren Aus führungs form umfasst das piezoelektrische Bauelement eine erste zusätzliche primäre Elektrode und eine zweite zusätzliche primäre Elektrode, die sich im Inne¬ ren des Eingangsbereichs befinden. Dabei sind die erste zu¬ sätzliche primäre Elektrode mit den ersten primären Elektro¬ den und die zweite zusätzliche primäre Elektrode mit den zweiten primären Elektroden elektrisch gekoppelt. Die ersten und zweiten primären Elektroden können kammartig ineinander greifen .
In einer Weiterbildung weist das piezoelektrische Bauelement im Inneren des Ausgangsbereichs eine erste und eine zweite zusätzliche sekundäre Elektrode auf. Die erste zusätzliche sekundäre Elektrode ist mit den ersten sekundären Elektroden und die zweite zusätzliche sekundäre Elektrode mit den zwei¬ ten sekundären Elektroden elektrisch gekoppelt. Die ersten und zweiten sekundären Elektroden können kammartig ineinander greifen .
In einer Weiterbildung umfasst das piezoelektrische Bauele¬ ment eine erste und eine zweite äußere primäre Elektrode, die jeweils mit der ersten beziehungsweise zweiten zusätzlichen primären Elektroden elektrisch gekoppelt sind und die auf gegenüberliegenden längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers angeordnet sind.
Des Weiteren kann das piezoelektrische Bauelement eine erste und eine zweite äußere sekundäre Elektrode aufweisen, die je¬ weils mit der ersten beziehungsweise zweiten zusätzlichen sekundären Elektrode elektrisch gekoppelt sind und die auf ge¬ genüberliegenden längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers angeordnet sind. Durch die spezielle Formgebung der zusätzli¬ chen primären und sekundären Elektroden können die äußeren primären und sekundären Elektroden in einem größeren räumlichen Abstand voneinander positioniert werden. Dies erhöht zu¬ sätzlich den Wert der Überschlagsspannung des piezoelektrischen Bauelements.
In einer Weiterbildung des piezoelektrischen Bauelements sind auf der Oberseite und einer Unterseite des Grundkörpers zu¬ sätzliche isolierende Schichten aufgebracht. Durch dieses Merkmal wird die Isolierung zu der Oberseite und der Unter¬ seite des Grundkörpers verbessert und damit die Überschlags¬ spannung des piezoelektrischen Bauelements erhöht. In einer weiteren Aus führungs form ist das piezoelektrische Material des Grundkörpers in Längsrichtung des Grundkörpers polarisiert. Benachbarte Abschnitte des piezoelektrischen Ma¬ terials zwischen den ersten und den zweiten primären und/oder sekundären Elektroden sind entgegen gerichtet polarisiert.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Bauelements nach wenigstens einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Bei diesem Verfahren wird das piezoelektrische Bauelement zu einer Schwingung entlang der Längsrichtung des Grundkörpers angeregt. Die Frequenz dieser Schwingung entspricht einer harmonischen Oberschwingung der Grundschwingung des Grundkörpers. Außerdem wird die Frequenz so gewählt, dass sich Kno¬ tenpunkte der harmonischen Oberschwingung an Positionen ergeben, an denen die ersten und zweiten äußeren primären
und/oder sekundären Elektroden angeordnet sind. Dadurch wird sichergestellt, dass keine mechanische Energie verloren geht und damit die mechanische Energie sehr effizient in elektri¬ sche Energie umgewandelt werden kann.
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 Schicht einer ersten Aus führungs form des piezoelektrischen Bauelements, Figur 2A eine erste Schicht einer zweiten Aus führungs form des piezoelektrischen Bauelements,
Figur 2B eine zweite Schicht der zweiten Aus führungs form des piezoelektrischen Bauelements,
Figur 3A ein Querschnitt der ersten Aus führungs form des piezoelektrischen Bauelements,
Figur 3B ein Querschnitt der zweiten Aus führungs form des piezoelektrischen Bauelements.
Die einzelnen Ausführungsbeispiele sind in den Figuren sche¬ matisch dargestellt, wobei einzelne Elemente aus Übersichts¬ gründen weggelassen sind. Des Weiteren können einzelne Elemente zum besseren Verständnis oder zur Verdeutlichung gegenüber anderen Elementen hervorgehoben oder größer dargestellt sein. 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 Eingangsbereich und Ausgangsbereich des piezoelektrischen Grundkörpers miteinander kombiniert werden.
In der Figur 1 ist ein mit Longitudinalschwingungen arbeitender piezoelektrischer Transformator mit einem Grundkörper 1 in einem Längsschnitt parallel zu einer Oberseite des piezo¬ elektrischen Grundkörpers 1 gezeigt. Der quaderförmige Grund¬ körper 1 aus piezoelektrischem Material umfasst einen Eingangsbereich 2 und einen Ausgangsbereich 3, die sich an entgegengesetzten längsseitigen Enden des Grundkörpers 1 befinden. Der Eingangsbereich 2 ist mechanisch mit dem Ausgangsbereich 3 gekoppelt. Der quaderförmige Grundkörper 1 weist eine Vielschichtstruktur auf, die mehrere parallel zu der Obersei¬ te des Grundkörpers 1 übereinander gestapelte quaderförmige Schichten 11 umfasst. Die Oberseite des Grundkörpers 1 ist über einen der größten Oberflächenabschnitte des quaderförmigen Grundkörpers 1 definiert.
Des Weiteren umfasst das piezoelektrische Bauelement erste und zweite primäre Elektroden 4, 5 im Inneren des Eingangsbe¬ reichs 2 und erste und zweite sekundäre Elektroden 6, 7 im Inneren des Ausgangsbereichs 3, die in der Vielschichtstruktur angeordnet sind. Dabei sind die primären und sekundären Elektroden 4, 5, 6, 7 zwischen den Schichten 11 im Wesentlichen senkrecht zu den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers 1 angeordnet. Die vertikal übereinander angeordneten primären beziehungsweise sekundären Elektroden 4, 5, 6, 7 bilden vertikale Elektroden, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung des piezoelektrischen Grundkörpers 1 ausgerichtet sind.
Erfindungsgemäß weisen die primären Elektroden 4, 5 in einem dem Ausgangsbereich 3 zugewandten Teilbereich einen größeren Abstand zu längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers 1 auf als in einem dem Ausgangsbereich 3 abgewandten Teilbereich. Insbesondere weisen die dem Ausgangsbereich 3 nächstliegenden primären Elektroden 4, 5 einen größeren Abstand zu den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers 1 auf als die vom Ausgangsbereich 3 am weitesten entfernten primären Elektroden 4, 5. Auch die sekundären Elektroden 6, 7 besitzen in einem dem Eingangsbereich 2 zugewandten Teilbereich einen größeren Abstand zu den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers 1 als in einem dem Eingangsbereich 2 abgewandten Teilbereich. Dabei weisen die dem Eingangsbereich 2 nächstliegenden sekundären Elektroden 6, 7 einen größeren Abstand zu den längssei- tigen Seitenflächen des Grundkörpers 1 auf als die vom Ein¬ gangsbereich 2 am weitesten entfernten sekundären Elektroden 6, 7. Dadurch werden primäre Isolierbereiche 8 ausgebildet, die in dem Teilbereich des Eingangsbereichs 2, der dem Aus¬ gangsbereich 3 zugewandt ist, zwischen den primären Elektroden 4, 5 und den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers 1 angeordnet sind. Außerdem befinden sich sekundäre Isolierbereiche 9 zwischen den sekundären Elektroden 6, 7 und den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers 1 in dem Teilbereich des Ausgangsbereichs 3, der dem Eingangsbereich 2 zugewandt ist. Zwischen dem Eingangsbereich 2 und dem Ausgangsbereich 3 ist ein zusätzlicher Isolierbereich 10 ausgebildet.
Weiterhin umfasst das piezoelektrische Bauelement eine erste zusätzliche primäre Elektrode 12, die mit den ersten primären Elektroden 4 elektrisch gekoppelt ist und eine zweite zusätzliche primäre Elektrode 13, die mit den zweiten primären Elektroden 5 elektrisch gekoppelt ist. Die erste und zweite zusätzliche primäre Elektrode sind teilweise im Inneren des Eingangsbereichs 2 angeordnet.
Außerdem umfasst das piezoelektrische Bauelement eine erste zusätzliche sekundäre Elektrode 14, die mit den ersten sekun¬ dären Elektroden 6 elektrisch gekoppelt ist und eine zweite zusätzliche sekundäre Elektrode 15, die mit den zweiten se¬ kundären Elektroden 7 elektrisch gekoppelt ist. Die erste zusätzliche sekundäre Elektrode 14 und die zweite zusätzliche sekundäre Elektrode 15 befinden sich teilweise im Inneren des Ausgangsbereichs 3.
Die ersten und zweiten primären Elektroden 4, 5 sowie die ersten und zweiten sekundären Elektroden 6, 7 greifen kammartig ineinander. Zusätzlich umfasst das piezoelektrische Bauelement eine erste äußere primäre Elektrode 16, die mit der ersten zusätzlichen primären Elektrode 12 elektrisch gekoppelt ist, eine zweite äußere primäre Elektrode 17, die mit der zweiten zusätzlichen primären Elektrode 13 elektrisch gekoppelt ist, eine erste äußere sekundäre Elektrode 18, die mit der ersten zusätzli¬ chen sekundären Elektrode 14 elektrisch verbunden ist und eine zweite äußere sekundäre Elektrode 19, die mit der zweiten zusätzlichen sekundären Elektrode 15 elektrisch verbunden ist. Die erste und zweite äußere primäre Elektrode 16, 17 und die erste und zweite äußere sekundäre Elektrode 18, 19 sind auf dem längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers 1 angeordnet .
Das piezoelektrische Material des Bauelements ist in Längs¬ richtung des Grundkörpers 1 polarisiert, wobei die Polarisie¬ rung von benachbarten Abschnitten zwischen den ersten und den zweiten primären und/oder sekundären Elektroden 4, 5, 6, 7 entgegen gerichtet ist.
In einer nicht gezeigten Aus führungs form können auf der Oberseite und einer Unterseite des Grundkörpers 1 zusätzliche isolierende Schichten aufgebracht sein.
Beim Anlegen einer Wechselspannung an die erste und zweite äußere primäre Elektrode 16, 17 bildet sich durch den inver- sen piezoelektrischen Effekt in dem piezoelektrischen Grundkörper 1 eine longitudinale Schwingung aus. Aufgrund der Pa¬ rallelschaltung der ersten und zweiten primären Elektroden 4, 5 durch die erste und zweite zusätzliche primäre Elektrode 12, 13 wird eine hohe Effizienz bei der Wandlung einer elektrischen in eine mechanische Energie erzielt. Da die ersten und zweiten primären Elektroden 4, 5 ab einer Position der äußeren primären Elektroden 16, 17 bis zu dem längsseitigen Ende des Grundkörpers 1 hin die volle Breite des piezoelekt¬ rischen Grundkörpers 1 ausnutzen, wird die Effizienz des pie¬ zoelektrischen Bauelements zusätzlich gesteigert.
Die erzeugte longitudinale Schwingung des piezoelektrischen Grundkörpers 1 wird aufgrund der mechanischen Kopplung auf den Ausgangsbereich 3 übertragen. Infolge des direkten piezoelektrischen Effekts wird zwischen der ersten und zweiten äußeren sekundären Elektrode 18, 19 eine Ausgangsspannung erzeugt. Auch im Ausgangsbereich 3 wird die Effizienz des piezoelektrischen Bauelements durch die parallel geschalteten ersten und zweiten sekundären Elektroden und durch die Ausnutzung der gesamten zur Verfügung stehenden Breite des piezoelektrischen Grundkörpers 1 gesteigert.
Der Wert der Überschlagsspannung wird bestimmt durch Abstand der äußeren primären und sekundären Elektroden 16, 17, 18, 19 und die dazwischen ausgebildeten Isolierbereiche 8, 9, 10. Für manche Anwendungen, zum Beispiel im Hausnetzbereich, wird die Überschlagsspannung über technische Normen festgelegt, die auch den Abstand zwischen den äußeren Elektroden auf zum Beispiel 6 mm limitieren. Als Resultat erfordern Transforma¬ toren, die auf einem kleinen Leistungslevel arbeiten die gleichen Isolierbereiche wie Transformatoren, die auf einem hohen Leistungslevel arbeiten. Größere Isolierbereiche führen jedoch zu einer abnehmenden Effizienz des piezoelektrischen Transformators .
Aus diesem Grund sind in dem Ausführungsbeispiel zur Figur 1 die speziell geformten primären Isolierbereiche 8 und sekun¬ dären Isolierbereiche 9 ausgebildet. Diese stellen eine gute Isolierung zwischen den primären Elektroden 4, 5 im Eingangs- bereich 2 und den sekundären Elektroden 6, 7 im Ausgangsbereich 3 sicher. Da die äußeren primären Elektroden 16, 17 und die äußeren sekundären Elektroden 18, 19 nun einen größeren räumlichen Abstand aufweisen, steigt auch der Wert der Überschlagsspannung. Trotz der primären und sekundären Isolierbereiche 8, 9 kann eine hohe Effizienz des piezoelektrischen Bauelements gewährleistet werden, da die primären und sekun¬ dären Elektroden 4, 5, 6, 7 ab einer Position der äußeren primären und sekundären Elektroden 16, 17, 18, 19 bis zu dem jeweiligen längsseitigen Enden des piezoelektrischen Grundkörpers 1 die volle Breite des piezoelektrischen Grundkörpers 1 ausnutzen. Die Abmessungen der primären und sekundären Isolierbereiche 8, 9 werden bestimmt durch den Wert der Überschlagsspannung, der von dem piezoelektrischen Transformator gefordert wird.
Figur 2A und 2B zeigen eine zweite Aus führungs form des piezoelektrischen Bauelements und illustrieren eine Anordnung von Elektroden in zwei angrenzenden Schichten 11. Figur 2A zeigt, dass Elektroden der ersten primären Elektroden 4 und der zweiten sekundären Elektroden 7 auf einer ersten Schicht 11 angeordnet sind. Des Weiteren illustriert Figur 2B, dass auf einer zweiten Schicht 11, die direkt benachbart zu der ersten Schicht 11 angeordnet ist, die Elektroden der zweiten primä¬ ren Elektroden 5 und der ersten sekundären Elektroden 6 angeordnet sind. Aufgrund dieser speziellen Anordnung befinden sich diejenigen Elektroden, die den kleinsten räumlichen Abstand zwischen den primären und sekundären Elektroden 4, 5, 6, 7 aufweisen, nämlich die zweiten primären Elektroden 5 und die zweiten sekundären Elektroden 7, auf jeweils unterschiedlichen Schichten 11. Damit sind die zweiten primären Elektroden 5 und die zweiten sekundären Elektroden 7 zusätzlich durch die Dicke einer Schicht 11 voneinander getrennt. Mit Hilfe dieser Maßnahme kann der Wert der Überschlagsspannung des piezoelektrischen Bauelements weiter gesteigert werden. Die Dicke einer Schicht bewegt sich üblicherweise in einem Bereich von 10 bis 50 μπι und ist abhängig von der Entfernung der primären und sekundären Elektroden 4, 5, 6, 7.
Figur 3A zeigt einen Querschnitt der ersten Aus führungs form des piezoelektrischen Bauelements parallel zu einer Seitenfläche des piezoelektrischen Grundkörpers. Figur 3B zeigt die gleiche Ansicht des piezoelektrischen Bauelements für die zweite Aus führungs form. Wie aus einem Vergleich der Figur 3A und Figur 3B zu ersehen ist, vergrößert sich der räumliche Abstand zwischen den primären Elektroden 4, 5 und den sekundären Elektroden 6, 7 in der zweiten Aus führungs form des piezoelektrischen Bauelements. Zwischen den zweiten primären Elektroden 5 und den zweiten sekundären Elektroden 7 befindet sich zusätzlich die Dicke einer Schicht 11.
Gemäß dem angegebenen Verfahren wird das piezoelektrische Bauelement bei Anlegen einer Wechselspannung an die äußeren primären Elektroden 16, 17 zu einer Schwingung entlang der Längsrichtung des Grundkörpers 1 angeregt. Die Frequenz die¬ ser Schwingung entspricht einer harmonischen Oberschwingung der Grundschwingung des Grundkörpers 1. Die Frequenz wird so gewählt, dass sich Knotenpunkte der harmonischen Oberschwingung an Positionen ergeben, an denen die ersten und zweiten äußeren primären und/oder sekundären Elektroden 16, 17, 18, 19 angeordnet sind. Durch diese Wahl der Frequenz beeinflus¬ sen die äußeren primären und/oder sekundären Elektroden 16, 17, 18, 19 nicht negativ die Ausbreitung der mechanischen Schwingung. Damit kann die elektrische Energie sehr effizient in eine mechanische Energie (und umgekehrt) umgewandelt wer- den. Die Effizienz des piezoelektrischen Bauelements wird dadurch zusätzlich gesteigert.
Bezugs zeichenliste
1 Grundkörper
2 Eingangsbereich
3 Ausgangsbereich
4, 5 erste und zweite primäre Elektroden
6, 7 erste und zweite sekundäre Elektroden
8 primäre Isolierbereiche
9 sekundäre Isolierbereiche
10 zusätzlicher Isolierbereich
11 Schichten
12 erste zusätzliche primäre Elektrode
13 zweite zusätzliche primäre Elektrode
14 erste zusätzliche sekundäre Elektrode
15 zweite zusätzliche sekundäre Elektrode
16 erste äußere primäre Elektrode
17 zweite äußere primäre Elektrode
18 erste äußere sekundäre Elektrode
19 zweite äußere sekundäre Elektrode

Claims

Patentansprüche
1. Ein piezoelektrisches Bauelement, insbesondere ein Trans¬ formator, umfassend:
- einen quaderförmigen Grundkörper (1) aus piezoelektrischem Material, der einen Eingangsbereich (2) und einen Ausgangsbereich (3) an entgegen gesetzten längsseitigen Enden des Grundkörpers (1) aufweist, wobei der Eingangsbe¬ reich (2) mechanisch mit dem Ausgangsbereich (3) gekoppelt ist und wobei der Grundkörper (1) eine Vielschichtstruktur aufweist,
- erste und zweite primäre Elektroden (4, 5), die im Inne¬ ren des Eingangsbereichs (2) in der Vielschichtstruktur angeordnet sind,
- erste und zweite sekundäre Elektroden (6, 7), die im In¬ neren des Ausgangsbereichs (3) in der Vielschichtstruktur angeordnet sind,
wobei die primären Elektroden (4, 5) in einem dem Ausgangsbereich (3) zugewandten Teilbereich einen größeren Abstand zu längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers (1) aufweisen als in einem dem Ausgangsbereich (3) abgewandten Teilbereich,
wobei die sekundären Elektroden (6, 7) in einem dem Eingangsbereich (2) zugewandten Teilbereich einen größeren Abstand zu den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers (1) aufweisen als in einem dem Eingangsbereich (2) abgewandten Teilbereich.
2. Das piezoelektrische Bauelement nach Anspruch 1,
bei dem die dem Ausgangsbereich (3) nächstliegenden primären Elektroden (4, 5) einen größeren Abstand zu den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers (1) aufweisen als die vom Ausgangsbereich (3) am weitesten entfernten primären Elektroden (4, 5) .
3. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die dem Eingangsbereich (2) nächstliegenden sekundären Elektroden (6, 7) einen größeren Abstand zu den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers (1) aufweisen als die vom Eingangsbereich (2) am weitesten entfernten sekundären Elektroden (6, 7) .
4. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Länge der primären Elektroden (4, 5) vom Eingangsbereich (2) in Richtung des Ausgangsbereichs (3) kontinuierlich abnimmt.
5. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Länge der sekundären Elektroden (6, 7) vom Ausgangsbereich (3) in Richtung des Eingangsbereichs (2) kontinuierlich abnimmt.
6. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
das wenigstens einen der folgenden Isolierbereiche auf¬ weist:
- primäre Isolierbereiche (8), die in dem Teilbereich des Eingangsbereichs (2), der dem Ausgangsbereich (3) zugewandt ist, zwischen den primären Elektroden (4, 5) und den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers (1) angeordnet sind, - sekundäre Isolierbereiche (9), die in dem Teilbereich des Ausgangsbereichs (3), der dem Eingangsbereich (2) zugewandt ist, zwischen den sekundären Elektroden (6, 7) und den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers (1) angeordnet sind,
- ein zusätzlicher Isolierbereich (10), der zwischen dem Eingangsbereich (2) und dem Ausgangsbereich (3) ausgebildet ist.
7. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Vielschichtstruktur mehrere parallel zu einer Oberseite des Grundkörpers (1) übereinander gestapelte quaderförmige Schichten (11) umfasst, wobei die Oberseite des Grundkörpers (1) über einen der größten Oberflächenabschnitte des quaderförmigen Grundkörpers (1) definiert ist und
bei dem die primären und sekundären Elektroden (4, 5, 6, 7) zwischen den Schichten (11) im Wesentlichen senkrecht zu den längsseitigen Seitenflächen des Grundkörpers (1) angeordnet sind.
8. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem Elektroden der zweiten primären Elektroden (5) und der zweiten sekundären Elektroden (7) den kleinsten räumlichen Abstand zwischen den primären und den sekundären Elektroden (4, 5, 6, 7) aufweisen,
wobei die zweiten primären Elektroden (5) und die zweiten sekundären Elektroden (7) jeweils auf unterschiedlichen Schichten (11) angeordnet sind.
9. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem Elektroden der ersten primären Elektroden (4) und der zweiten sekundären Elektroden (7) auf einer ersten Schicht (11) angeordnet sind und
bei dem Elektroden der zweiten primären Elektroden (5) und der ersten sekundären Elektroden (6) auf einer zweiten Schicht (11) angeordnet sind.
10. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend:
- eine erste zusätzliche primäre Elektrode (12), die mit den ersten primären Elektroden (4) elektrisch gekoppelt ist und die zumindest teilweise im Inneren des Eingangs¬ bereichs (2) angeordnet ist,
- eine zweite zusätzliche primäre Elektrode (13), die mit den zweiten primären Elektroden (5) elektrisch gekoppelt ist und die zumindest teilweise im Inneren des Eingangs¬ bereichs (2) angeordnet ist,
wobei die ersten und zweiten primären Elektroden (4, 5) kammartig ineinander greifen.
11. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend:
- eine erste zusätzliche sekundäre Elektrode (14), die mit den ersten sekundären Elektroden (6) elektrisch gekoppelt ist und die zumindest teilweise im Inneren des Ausgangsbereichs (3) angeordnet ist,
- eine zweite zusätzliche sekundäre Elektrode (15), die mit den zweiten sekundären Elektroden (7) elektrisch gekoppelt ist und die zumindest teilweise im Inneren des Ausgangsbereichs (3) angeordnet ist, wobei die ersten und zweiten sekundären Elektroden (6, 7) kammartig ineinander greifen.
12. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, das wenigstens einige der fol¬ genden Elektroden umfasst:
- eine erste äußere primäre Elektrode (16), die mit der ersten zusätzlichen primären Elektrode (12) elektrisch gekoppelt ist und die auf einer der längsseitigen Seitenflächen angeordnet ist,
- eine zweite äußere primäre Elektrode (17), die mit der zweiten zusätzlichen primären Elektrode (13) elektrisch gekoppelt ist und die auf einer anderen der längsseitigen Seitenflächen angeordnet ist,
- eine erste äußere sekundäre Elektrode (18), die mit der ersten zusätzlichen sekundären Elektrode (14) elektrisch gekoppelt ist und die auf einer der längsseitigen Seitenflächen angeordnet ist,
- eine zweite äußere sekundäre Elektrode (19), die mit der zweiten zusätzlichen sekundären Elektrode (15) elektrisch gekoppelt ist und die auf einer anderen der längs¬ seitigen Seitenflächen angeordnet ist.
13. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem auf der Oberseite und einer Unterseite des Grund¬ körpers (1) zusätzliche isolierende Schichten aufgebracht sind .
14. Das piezoelektrische Bauelement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das piezoelektrische Material in Längsrichtung des Grundkörpers (1) polarisiert ist und bei dem die Polarisierung des piezoelektrischen Material von benachbarten Abschnitten zwischen den ersten und den zweiten primären und / oder sekundären Elektroden (4, 5, 6, 7) entgegen gerichtet ist.
Ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Bauele ments nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem das piezoelektrische Bauelement zu einer Schwin¬ gung entlang der Längsrichtung des Grundkörpers (1) ange regt wird,
wobei das piezoelektrische Bauelement auf einer Frequenz betrieben wird, die einer harmonischen Oberschwingung de Grundschwingung des Grundkörpers (1) entspricht und bei dem die Frequenz so gewählt wird, dass sich Knoten¬ punkte der harmonischen Oberschwingung an Positionen ergeben, an denen die ersten und zweiten äußeren primären und / oder sekundären Elektroden (16, 17, 18, 19) angeordnet sind.
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