DE1806124B2 - Piezoelektrischer transformator - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen oder hohlzylindrischem Aufbau nicht. Auch könnten Transformator mit einem piezoelektrischen Körper die bekannten Ringelektroden eine eventuell vorin Form eines als rechtwinkliges Parallelepiped aus- handene Bruchgefahr nicht vermindern, gebildeten Stabes, dessen eine Hälfte den Treibteil Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem piezodes Transformators darstellt und auf seiner oberen 5 elektrischen Transformator mit einem als recht- bzw. unteren Oberfläche mit nicht miteinander ver- winkliges Parallelepiped ausgebildeten piezoelektribundenen Eingangselektroden belegt und in Dicken- sehen Körper in Form eines Stabes die Bruchgefahr richtung polarisiert ist, während die als Leistungs- an der Übergangsstelle vom beidseitig mit Elektroden erzeuger für den Transformatorausgang dienende belegten Treibteil zum auf seinen Oberflächenelektroandere Hälfte an ihrer vom Treibteil abliegenden io den freien Leistungserzeugerteil zu vermindern. Endfläche eine Ausgangselektrode aufweist und in Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geLängsrichtung polarisiert ist. löst, daß der stabförmige Körper zwischen Treibteil Transformatoren dieser Bauart werden aus piezo- und Leistungserzeuger einen Zwischenabschnitt aufelektrischem Material hergestellt. Dafür ist beispiels- weist, in dem sich die Polarisationsrichtung von der weise Bariumtitanat, PZT-Keramik (Blei-Zirkonat- 15 im Treibteil und von der im Leistungserzeuger unter-Titanat-Keramik), PCM-Keramik (Blei-Chromat- scheidet.

Molybdat-Keramik) od. dgl. geeignet. Derartige Ma- Dabei kann der Zwischenabschnitt nicht oder nur terialien weisen nur eine beschränkte Widerstands- ganz geringfügig polarisiert sein. Auch ist es mögkraft gegen mechanische Belastungen auf. Nun lieh, im Zwischenabschnitt die Polarisationsrichtung kommt es aber bei piezoelektrischen Transforma- 20 in einem allmählichen Übergang von der Polarisatoren auf Grund der mit den piezoelektrischen Vor- tionsrichtung im Treibteil zu der dazu rechtwinkgängen verbundenen Meterialdehnungen und Stau- !igen Polarisationsrichtung im Leistungserzeuger umchungen zum Angreifen mechanischer Kräfte am zulenken. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Keramikkörper. Diesen Kräften könnte der piezo- Treibteil einerseits und andererseits der Leistungselektrische Körper dann auch für lange Betriebs- 35 erzeuger mit ihren zueinander senkrechten Polarisazeiten standhalten, wenn die Kräfte über den ganzen tionsrichtungen nicht unmittelbar aneinander anKörper gleichmäßig verteilt wären. Das ist aber nicht stoßen. Es kann sich daher auch keine Stoßstelle ausder Fall. Der den piezoelektrischen Transformator bilden, an der wegen der unterschiedlichen Polarisabildende Körper wird vielmehr im zwischen zwei tionsrichtungen in den aneinander anschließenden Elektroden eingeschlossenen Treibteil in Richtung 30 Teilen eine erhebliche Scherbeanspruchung aufgebaut seiner Dicke und im sich anschließenden für die wird. Im Zwischenabschnitt erfolgt vielmehr ein all-Leistungserzeugung bestimmten Teil in Längsrich- mählicher Übergang von der expandierenden zur tung polarisiert. Damit sind im Treibteil den Körper striktiven mechanischen Beanspruchung des Transdehnende, im Leistungserzeuger striktive mechanische formatorkörpers. Belastungsspitzen treten nicht auf. Kräfte am Werk. Die einen sind genau auf den elek- 35 Es kommt deshalb nicht zum Bruch des piezoelektritrodenbelegten Treibteil beschränkt, die anderen sehen Körpers, der damit erheblich verlängerte Betreten in dem nicht mit Elektroden belegten Lei- triebszeiten erreichen kann.

stungserzeugerteil auf. An der Grenze zwischen bei- Der Zwischenabschnitt kann dabei beispielsweise den Teilen kommt es deshalb zu einer Scherspan- dadurch ausgebildet werden, daß man auf die Obernungsbeanspruchung, die nach gewisser Zeit zum 40 flächen des Leistungserzeugers in einigem Abstand Bruch des Körpers aus piezoelektrischem Material an vom Rand der Elektroden des Treibteils Polarisierdieser Stelle führt. Die Körper und damit der ge- elektroden anordnet, zwischen denen und der Aussamte piezoelektrische Transformator wiesen daher gangselektrode des Leistungserzeugers zum Aufbisher eine geringe Lebensdauer auf und mußten bauen der Polarisation in diesem eine Spannung anhäufig ausgetauscht werden, so daß sie nur für 45 gelegt wird. Es ist dann nicht mehr erforderlich, die Laborgeräte, nicht aber für Verbrauchergeräte, wie Polarisierspannung für den Leistungserzeuger zwibeispielsweise Fernsehempfänger, verwendet werden sehen den Elektroden auf dem Treibteil und der Auskonnten. Auch waren mit der Notwendigkeit der gangselektrode des Leistungserzeugers anzulegen, häufigen Erneuerung erhebliche Kosten verbunden. Dadurch bleibt der Zwischenabschnitt zwischen dem Außer den rechtwinklig parallelepipedisch, also 5° Rand der Elektroden auf dem Treibteil und den auf etwa in Form eines kleinen Brettchens ausgebildeten dem Leistungserzeuger angeordneten Polarisierelekpiezoelektrischen Körper sind als piezoelektrische troden polarisationsfrei. Ein gleiches Ergebnis kann oder elektromagnetische Filter bereits zylindrische auch erzielt werden, indem auf gleiche Weise auf dem bzw. kreisförmige Wandlerelemente bekannt (USA.- Leistungserzeuger eine diesen rings umgreifende Patentschriften 2 742 614 und 2 953 755). Bei der- 55 Ringelektrode angeordnet wird, artigen Elementen ist wegen ihres andersartigen Auf- Ein allmählicher Übergang der Polarisationsrichbaus eine Bruchgefahr nicht zu besorgen. tung im Zv/ischenabschnitt von derjenigen im Treib-Bei einem anderen elektromechanischen Wandler teil einerseits zu derjenigen im Leistungserzeuger mit nahezu quadratischem Querschnitt oder hohl- andererseits kann beispielsweise dadurch erzielt werzylindrischem Aufbau ist bereits die Verwendung 60 den, daß die Länge der einen Eingangselektrode auf von den ganzen piezoelektrischen Körper umgreifen- dem Treibteil größer gewählt wird als die Länge der den Ringelektroden bekannt, deren Aufgabe es ist, ihr gegenüber angeordneten anderen Eingangselekzwei in gleicher Richtung polarisierte Wandler- trode. Auch kann auf dem Leistungserzeuger wieder abschnitte miteinander elektrisch zu verbinden und eine diesen umgreifende Ringelektrode angeordnet so die an ihnen abgreifbaren Ausgänge durch eine 65 werden, die mit der verlängerten Eingangselektrode Reihenschaltung einander zu überlagern (britische einstückig ausgebildet ist. Auch dadurch wird erPatentschrift 799 891). Eine Bruchgefahr besteht bei reicht, daß die beiden Abschnitte mit zueinander Wandlern mit nahezu quadratischem Querschnitt senkrechter Polarisationsrichtung durch einen Zwi-

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schenabschnitt voneinander getrennt werden, indem stungserzeuger 7 dienenden Teil besteht. Der Treibsich die Polarisationsrichtung nur allmählich ändert. teil 6 und der Leistungserzeuger 7 sind durch einen Einer Bruchgefahr des piezoelektrischen Körpers ist Zwischenabschnitt 8 mit verminderter Polarisationsso wirkgungsvoll begegnet. beanspruchung voneinander getrennt. Der Treibteil 6

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise 5 ist wieder mit Eingangselektroden 9 und 10, der Lei-

veranschaulicht, und zwar zeigt stungserzeuger 7 mit einer Ausgangselektrode 11 be-

F i g. 1 schematisch eine perspektivische Ansicht legt,

eines bekannten piezoelektrischen Transformators, Im piezoelektrischen Körper B ist durch Pfeile die

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung Richtung und die Amplitude der Polarisationsbeanzur Erläuterung einer ersten Art erfmdungsgemäß io spruchung angegeben. Man erkennt durch die Verangestrebter Polarisationsverhältnisse, kürzung der Pfeile im Bereich des Zwischen-

F i g. 3 und 4 der F i g. 1 entsprechende Darstel- abschnitts 8, daß erfindungsgemäß in diesem Zwilungen von zwei praktischen Ausführungsformen der schenabschnitt die Polarisationsbeanspruchung verErfindung zur Realisierung der in F i g. 2 angedeute- mindert und unter Umständen ganz ausgeschaltet ten Polarisierungsverhältnisse, 15 werden soll. Durch diese Maßnahme würden gleich-

F i g. 5 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung zeitig die an dieser Stelle auf das piezoelektrische

zur Erläuterung einer anderen Art erfindungsgemäß Material einwirkenden Kräfte vermindert, so daß es

angestrebter Polarisationsverhältnisse und in den durch den Zwischenabschnitt 8 wiedergegebe-

F i g. 6 und 7 der F i g. 1 entsprechende Darstellun- nen Grenzbereich zwischen Treibteil 6 und Leistungsgen praktischer Ausführungsformen der Erfindung 20 erzeuger 7 nicht zu einer Scherbeanspruchung zur Realisierung der an Hand von F i g. 5 erläuterten kommt. Im folgenden sollen nun Ausführungsformen Polarisationsverhältnisse. beschrieben werden, durch die ein solcher Polarisa-

F i g. 1 zeigt einen bekannten piezoelektrischen tionsverlauf erzielbar ist.

Transformator. Bei diesem ist ein piezoelektrischer F i g. 3 zeigt einen piezoelektrischen Transforma-Körper^4 stabförmig in Form eines rechtwinkligen 25 tor, der weitgehend wie derjenige von Fig. 2 auf-Parallelepipeds ausgebildet. Die eine Hälfte dieses gebaut ist. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugs-Körpers bildet einen Treibteil 1 des Transformators, zeichen versehen. Man erkennt, daß der Leistungsder auf seiner Oberseite und auf seiner Unterseite mit erzeuger 7 in einigem Abstand vom Ende der Ein-Eingangselektroden 2 bzw. 3 versehen ist. Die andere gangselektroden 9 und 10 auf dem Treibteil 6 oben Hälfte des aus piezoelektrischem Material bestehen- 30 und unten mit Polarisierelektroden 12 und 13 verden Körpers bildet einen Leistungserzeuger 4, dessen sehen ist. Der Leistungserzeuger kann nun dadurch vom Treibteil 1 abliegende Endfläche mit einer Aus- auf gewünschte Weise in Längsrichtung polarisiert gangselektrode 5 versehen ist. werden, daß zwischen die Polarisierelektroden 12

Die so erhaltene Anordnung arbeitet unter Aus- und 13 einerseits und die Ausgangselektrode 11 des nutzung der elektrostriktiven Wirkung bzw. des 35 Leistungserzeugers 7 andererseits eine Gleichspanpiezoelektrischen Effektes als Transformator, wenn nung angelegt wird. Die Polarisierelektroden 12 und der Treibteil 1 in Dickenrichtung (Pfeil P) und der 13 werden dabei kurzgeschlossen. Anschließend wird Leistungserzeuger 4 in Längsrichtung (Pfeil P') pola- sodann der Treibteil 6 in Dickenrichtung dadurch risiert sind. Das geschieht beispielsweise dadurch, polarisiert, daß zwischen die Eingangselektroden 9 daß man kurzseitig die Eingangselektroden 2 und 3 40 und 10 eine Gleichspannung gelegt wird. Die Einkurzschließt und zwischen sie und die Ausgangselek- gangselektroden 9 und 10 werden jedoch für die trode 5 eine Gleichspannung anlegt und kurzseitig Polarisierung des Leistungserzeugers 7 nicht mehr bei Auftrennung der Verbindung zwischen den Ein- benötigt. Dadurch entsteht zwischen den Enden der gangselektroden 2 und 3 zwischen diesen eine Gleich- Elektroden 9 und 10 auf dem Treibteil 6 und den spannung anlegt. Die so erzielte Polarisation ergibt 45 Polarisierelektroden 12 und 13 auf den Leistungs-Polarisationsrichtungen, die zueinander senkrecht erzeuger 7 ein nicht oder nur geringfügig polarisiersind. Die zueinander senkrechten Polarisationsrich- ter Zwischenabschnitt 8.

tungen treffen an der Grenzebene von Treibteil 1 und F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei

Leistungserzeuger 4 unmittelbar aufeinander. der der Polarisationsverlauf von F i g. 2 realisiert ist.

Piezoelektrisches Material weist die Eigenschaft 50 Auch hier sind wieder gleiche Teile mit den gleichen auf, sich in Polarisationsrichtung auszudehnen und Bezugszeichen versehen wie in F i g. 2. Man erkennt, sich in Richtung senkrecht zur Polarisationsrichtung daß auf dem Leistungserzeuger 7 eine Ringelektrode zusammenzuziehen. Der stabförmige Körper ,4 ist 14 angeordnet ist, die den piezoelektrischen Körper daher in Treibteil 1 bis zur Grenzebene zwischen die- rings umgreift. Die Betriebsweise entspricht dersem und dem Leistungserzeuger 4 hin einer expan- 55 jenigen von Fig. 3. Jedoch ist ein Kurzschließen der dierenden mechanischen Kraft (Pfeil S), in Leistungs- Polarisierelektroden 12 und 13 nicht mehr erfordererzeuger 4 bis zur Grenzebene zum Treibteil 1 hin lieh. Auch hier wird zwischen den Enden der Eineiner striktiven mechanischen Kraft (Pfeil S') aus- gangselektroden 9 und 10 auf dem Treibteil 6 und gesetzt. In der Grenzebene kommt es daher zu einer der Ringelektrode 14 auf dem Leistungserzeuger 7 erhöhten Scherspannungsbeanspruchung, die im Be- 60 ein nicht oder nur geringfügig polarisierter Zwischentrieb zu Zerstörungen und schließlich zum Bruch abschnitt 8 erzielt. Zwar ist das Ausbilden der Ringdes stabförmigen Körpers A führt. elektrode 14 in der praktischen Durchführung kom-

Dieser Mangel soll erfindungsgemäß dadurch aus- plizierter als das Aufbringen der Polarisierelektrogeschaltet werden, daß die Teile mit zueinander den 12 und 13, es läßt sich aber mit dem etwas ersenkrechter Polarisationsrichtung voneinander ge- 65 höhten Aufwand eine erheblich verbesserte Polarisatrennt werden. tionsfreiheit des Zwischenabschnitts 8 erzielen.

F i g. 2 zeigt einen stabförmigen Körper B, der F i g. 5 dient der Erläuterung einer anderen Mögebenfalls aus einem Treibteil 6 und einem als Lei- lichkeit des Polarisationsbeanspruchungsverlaufes,

bei der eine Scherspannungsbeanspruchung der Grenzebene zwischen Treibteil und Leistungserzeuger nicht auftritt. Gleiche Teile sind wieder mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 2. Man erkennt an Hand der die Polarisationsbeanspruchung angebenden Pfeile, daß in Zwischenabschnitt 8 ein allmählicher Übergang von der Polarisation in Dickenrichtung in Treibteil 6 zur Polarisation in Längsrichtung im Leistungserzeuger 7 erfolgt. Es treffen also nicht zwei Bereiche mit zueinander senkrechter Polarisationsrichtung aufeinander, so daß die Scherspannungskonzentration und damit die Bruchgefahr vermindert ist.

F i g. 6 zeigt eine praktische Ausführungsform eines piezoelektrischen Transformators, bei der ein Verlauf der Polarisationsrichtungen nach F i g. 5 erzielt ist. Dafür genügt es, die eine der beiden Eingangselektroden auf dem Treibteil 6 zu verlängern. Die verlängerte Elektrode 15 übergreift einen Teil des Leistungserzeugers 7 und führt so zur Ausbildung des Zwischenäbschnitts 8 mit einem allmählichen Übergang von einer Polarisationsrichtung zur anderen.

F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der die verlängerte Elektrode 15 zusätzlich zu einer den Leistungserzeuger 7 rings umgreifenden Ringelektrode 14 vorgesehen ist. Die beiden Elektroden sind dabei miteinander einstückig verbunden. Für den Betrieb wird zunächst der Leistungserzeuger 7 durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen der verlängerten Elektrode 15 und die Ausgangselektrode 11 polarisiert. Anschließend wird der Treibteil 6 in Dickenrichtung polarisiert, indem man zwischen seine Elektroden 10 und 15 eine Gleichspannung anlegt. Auch durch diese Ausführungsform kann der in F i g. 5 gezeigte Verlauf der Polarisationsrichtungen erzielt und damit die Scherspannungsbeanspruchung im Übergangsbereich von Treibteil 6 zu Leistungserzeuger 7 vermindert werden.

Man erhält so einen piezoelektrischen Transfermator von hoher Betriebszuverlässigkeit, der auch für den Transformatorbetrieb mit großer Amplitude geeignet ist und als Hochspannungstransformator in Fernsehgeräten Verwendung finden kann.

Claims (7)

45 Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Transformator mit einem piezoelektrischen Körper in Form eines als rechtwinkliges Parallelepiped ausgebildeten Stabes, dessen eine Hälfte den Treibteil darstellt und auf seiner oberen bzw. unteren Oberfläche mit Eingangselektroden belegt und in Dickenrichtung polarisiert ist, während die als Leistungserzeuger dienende andere Hälfte an ihrer vom Treibteil abliegenden Endfläche eine Ausgangselektrode aufweist und in Längsrichtung polarisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Körper (B) zwischen Treibteil (6) und Leistungserzeuger (7) einen Zwischenabschnitt (8) aufweist, in dem sich die Polarisationsrichtung von der im Treibteil und von der im Leistungserzeuger unterscheidet.

2. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenabschnitt (8) nicht oder nur ganz geringfügig polarisiert ist (Fig. 2).

3. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zwischenabschnitt (8) ein allmählicher Übergang von der Polarisationsrichtung im Treibteil (6) zu der im Leistungserzeuger (7) erfolgt (F i g. 3).

4. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der oberen und der unteren Oberfläche des Leistungserzeugers (7) in vorbestimmtem Abstand vom Treibteil (6) Polarisierelektroden (12, 13) angeordnet sind, zwischen denen und der Ausgangselektrode (11) eine Gleichspannung anlegbar ist (Fig. 3).

5. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Leistungserzeugers (7) und diesen rings umgreifend in vorbestimmtem Abstand vom Treibteil (6) eine Ringelektrode (14) angeordnet ist, zwischen der und der Ausgangselektrode (11) eine Gleichspannung anlegbar ist (F i g. 4).

6. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der einen Eingangselektrode (10) auf dem Treibteil (6) größer ist als die Länge der ihr gegenüber angeordneten Eingangselektrode j(t5j des Treibteils (Fig. 6). ^'2-

7. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verlängerte Eingangselektrode (15) und die Ringelektrode (14) zu einer einstückigen Elektrode gebunden sind, zwischen der und der Ausgangselektrode (11) eine Gleichspannung anlegbar ist (Fig-7).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen