DE29510901U1 - Piezoelektrischer Übertrager - Google Patents

Description

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Beschreibung
Piezoelektrischer Übertrager

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Übertrager.

Zur potentialgetrennten Energieübertragung in Schaltungen, z.B. in Steuer- und Leistungsteilen von Wechselrichtern, werden bisher weitgehend Übertrager oder Transformatoren benutzt. Neben dieser induktiven Kopplung werden für Spezialanwendungen, z.B. für Sensoren in der Hochspannungstechnik, auch Lichtwellenleiter in Verbindung mit Laser- und Photodioden eingesetzt. In beiden Fällen wird die Energie durch elektromagnetische Wellen - wenn auch mit sehr unterschiedlicher Frequenz - übertragen.

Der induktive Übertrager ist das gebräuchlichste Bauelement, um sowohl Energie als auch Steuersignale in kurzer Zeit zur 0 sekundären, potentialgetrennten Seite zu übertragen. Der Optokoppler hingegen ermöglicht nur die Übertragung eines Signals, so daß die benötigte Hilfsenergie über eine weitere Potentialtrennstelle geführt werden muß.

Aus der DE-Zeitschrift "Elektronik", Heft 6, 26.03.1982, Seiten 85 bis 90, ist ein Piezo-Zündkoppler bekannt, der zur potentialfreien Ansteuerung von MOS-Transistoren vorgesehen ist. Dieser Piezo-Zündkoppler besteht aus einem piezoelektrischen Plättchen, auf dem mittels Siebdruck die Elektrodenstrukturen aufgebracht sind. Der isolierende Bereich zwischen Primär- und Sekundärelektrode ist als Isolierstrecke von 1,5 mm Breite ausgeführt. Die außenliegende Primärelektrode umschließt die Sekundärelektrode fast ringförmig. Durch diese Anordnung wird eine gute Ausnutzung der Piezokeramikoberfläehe sowie eine feste akustische Kopplung zwischen Primär- und

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Sekundärbereich erzielt. Die Umhüllung entsteht im Kaschierverfahren. Mit beidseitig aufgebrachtem, glasgewebeverstärktem Epoxyd wird ein zuverlässiger Schutz gegen mechanische Beschädigung ohne Beeinträchtigung der akustischen Eigenschäften erzielt. Um ein akustisches Überkoppeln zwischen dem Zündkoppler und seinem Einbauort zu unterbinden, sind seine Anschlußbeinchen gekröpft. Eine Tauchlackierung schützt vor dem Eindringen von Feuchtigkeit.

Aufgrund seiner elektromechanischen Eigenschaften ist die Zeitverzögerung des Eingangssignals verhältnismäßig hoch (einige 10 &mgr;&egr;), so daß dieser Piezo-Zündkoppler nur bei zeitunkritischen Applikationen benutzt werden kann.

Aus dem Aufsatz "Piezoelectric Transformer Using Energy Trapping of Width-Shear Vibration in LiNbC>3 Plate", abgedruckt in IEEE Ultrasonics Symposium 1992, Seiten 977 bis 980, ist ein piezoelektrischer Übertrager bekannt, der auf der Ober- und Unterseite des Keramikkörpers ineinandergreifende, kammartige Elektroden, sogenannte Interdigitalstrukturen, verwendet. Als Keramikmaterial wird LiNbC>3 verwendet. Durch diese Interdigitalstrukturen lassen sich auf dem Piezomaterial Oberflächenwellen relativ leicht erzeugen. Die Polarisation des Keramikkörpers steht in vertikaler Richtung. Durch Anlegen eines Feldes an die Interdigitalstruktur erhält man eine periodische Verformung der Oberfläche, die sich mit Schallgeschwindigkeit auf der Oberfläche ausbreitet. Legt man nun Wechselspannung an, so erhält man verstärkte Wellenabstrahlung, wenn die Frequenz so gewählt ist, daß sich die Phase der Ausgangsspannung gerade umgekehrt hat, wenn die Welle um einen Streifenabstand weitergelaufen ist. Diese Frequenz hat nichts mehr mit den Dimensionen des Elementes zu tun, sondern wird durch den Strichabstand der Interdigitalstruktur bestimmt. Dieser vorgestellte piezoelektrische Übertrager wird bei einer Fre-

quenz von 5 MHz betrieben, wobei 16 Elektrodenpaare auf Ober- und Unterseite des Substrates angeordnet sind.

Aus dem Aufsatz "2 MHz Power Converter with Piezoelectric Ceramie Transformer", abgedruckt in IEEE, 14. Int. Telecommunications Energy Conference INTELEC' 92, Washington DC, USA, A-8 Oct. 1992, Seiten 430 bis 437, ist ein weiter piezoelektrischer Übertrager bekannt. Dieser Übertrager besteht eingangsseitig aus einer Einzelschicht zur Realisierung einer hohen Impedanz und ausgangsseitig aus mehreren Schichten zur Realisierung einer niedrigen Impedanz. Die benachbarten ausgangsseitigen Schichten sind elektrisch parallel geschaltet. Der Eingangsteil und der Ausgangsteil dieses piezoelektrischen Übertragers sind mittels einer Isolationsschicht voneinander getrennt. Für diesen Übertrager wird PbTiC<3-Keramik verwendet, da die elektromechanischen Kopplungsfaktoren für die Querschwingung größer als 50 % und für die Längsschwingung kleiner als 5 % sind. 'Bleizirkonattitanat(PZT)-Keramik wird nicht verwendet, da Längsschwingungen in der Nähe der Resonanzfrequenz der Querschwingung nur schwer unterdrückt werden können. Mittels dieses Übertragers kann eine Leistung von 4,4 W mit einem Wirkungsgrad von 52 % bei einer Frequenz von 2,1 MHz übertragen werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Übertrager anzugeben, der einfach aufgebaut ist und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale 0 des Anspruchs 1.

Dadurch, daß der piezoelektrische Übertrager nur aus drei Teilen besteht, die miteinander kraftschlüssig verbunden sind, erhält man einen einfach aufgebauten Übertrager. 35

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Durch die Auswahl der Materialien für die Elemente des Übertragers und der kraftschlüssigen Verbindung der piezoelektrischen Scheibe jeweils mit dem Isolationskörper wird ein Wirkungsgrad des piezoelektrischen Übertragers von etwa 80 % erzielt.

Bei einem vorteilhaften piezoelektrischen Übertrager ist als Isolationskörper ein isolierender keramischer Ring vorgesehen. Durch diese Ausgestaltung erhält man einen scheibenförmigen Übertrager, der beispielsweise dadurch in Leistungshalbleiter-Schaltelemente integrierbar ist.

Bei einem weiteren vorteilhaften piezoelektrischen Übertrager ist als Isolationskörper ein Keramiksubstrat vorgesehen. Auf diesem Keramiksubstrat können Bauelemente einer elektronischen Schaltung, beispielsweise eine Anregungsschaltung für den piezoelektrischen Übertrager, angeordnet sein. Somit erhält man einen piezoelektrischen Übertrager mit Anregungsschaltung, wobei auch diese Anordnung in Leistungshalbleiter-Schaltelementen integrierbar ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsbeispiele schematisch veranschaulicht sind.

Figur 1 zeigt die Elemente eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Übertragers, wobei in der

Figur 2 der zusammengebaute Übertrager dargestellt ist und in Figur 3 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Übertragers dargestellt.

Die Figur 1 zeigt die Elemente eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Übertragers 8. Dabei handelt es sich um zwei piezoelektrische Scheiben 2 und 4 und einen Isolationskörper 6. Die beiden piezoelektrischen Scheiben 2 und 4 sind jeweils

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beidseitig metallisiert. Als Piezomaterial für die piezoelektrischen Scheiben 2 und 4 wird beispielsweise Bleizirkonattitanat (PZT) verwendet. Der Isolationskörper 6 ist dazu vorgesehen, die erzeugte mechanische Schwingung der einen piezoelektrischen Scheibe 2 schwingungsmechanisch auf die zweite piezoelektrische Scheibe 4 zu übertragen. Die Wahl des Materials des Isolationskörpers 6 hängt von der von der piezoelektrischen Scheibe 2 bzw. 4 erzeugten mechanischen Schwingung ab. Die Übertragung soll möglichst mit minimalen Verlusten und guter Kopplung erfolgen. Als besonders vorteilhaft hat sich als Isolationskörper 6 ein isolierender keramischer Ring auf Al2O3~Basis gezeigt. Die Formgebung der Elemente 2, 4 und 6 des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Übertragers hat keinen Einfluß auf seine Wirkungsweise. Die Kreisform bietet sich aufgrund der sich ausbildenden radialsymmetrischen Resonanzen und des einfachen Zusammenbaus an.

In der Figur 2 ist der zusammengebaute piezoelektrische Übertrager 8 dargestellt, der aus den in der Figur 1 dargestellten Elementen 2, 4 und 6 besteht. Die beidseitig metallisierten piezoelektrischen Scheiben 2 und 4 werden jeweils mit dem isolierenden keramischen Ring 6 auf Al2O3~Basis kraftschlüssig verbunden. Diese kraftschlüssige Verbindung erfolgt durch Löten. Lötbar wurde der Isolationsring 6 durch Beschichten 5 mit einer Silber-Paladium-Paste und anschließendes Einbrennen. Die metallischen Schichten der piezoelektrischen Scheibe 2 bzw. 4 sind jeweils mit einem elektrischen Anschluß 10 versehen. Zur Vereinfachung der Anbringung der elektrischen Anschlüsse 10 können die stirnseitigen metallischen Überzüge 0 der piezoelektrischen Scheiben 2 und 4 jeweils einen Teil der

Mantelfläche der piezoelektrischen Scheiben 2 und 4 bedecken, so daß die elektrischen Anschlüsse 10 jeweils auf der Mantelfläche mit den metallischen Überzügen kontaktiert werden können .
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Die Figur 3 zeigt eine zweite vorteilhafte Ausführungsform, die als Isolationskörper 6 ein Keramiksubstrat verwendet. Dieses Keramiksubstrat enthält Bauelemente einer Hybridschaltung, beispielsweise einer Anregungsschaltung für den piezoelektrischen Übertrager 8. Auch bei dieser Ausführungsform sind die piezoelektrischen Scheiben 2 und 4 mit dem Keramiksubstrat 6 kraftschlüssig verbunden. Durch diese Ausgestaltung erhält man einen piezoelektrischen Übertrager mit integrierter Anregungsschaltung. Auch diese Übertragungsanordnung kann in einem Leistungshalbleiter-Schaltelement (Thyristor, GTO, IGBT) integriert werden.

Dieser piezoelektrische Übertrager gemäß den Figuren 2 und wird vorzugsweise zur Spannungsversorgung von Ansteuerscha1-tungen für Leistungshalbleiter, beispielsweise drehzahlveränderbare Antriebe oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen, verwendet.

Claims (6)

** Mt* 956 8 5 Schutzansprüche

1. Piezoelektrischer Übertrager (8), bestehend aus zwei beidseitig metallisierten piezoelektrischen Scheiben {2, 4) und einem Isolationskörper (6), wobei die beiden piezoelektrischen Scheiben (2, 4) jeweils kraftschlüssig mit einer Seite des Isolationskörpers (6) verbunden sind und wobei jede Metallschicht der piezoelektrischen Scheiben (2, 4) mit einem elektrischen Anschluß (10) verbunden ist. 10

2. Piezoelektrischer Übertrager (8) nach Anspruch 1, wobei als Isolationskörper (6) ein isolierender keramischer Ring vorgesehen ist.

3. Piezoelektrischer Übertrager (8) nach Anspruch 1, wobei als Isolationskörper (6) ein Keramiksubstrat vorgesehen ist.

4. Piezoelektrischer Übertrager (8) nach Anspruch 1, wobei als Isolationskörper (6) eine isolierende keramische Scheibe vorgesehen ist.

5. Piezoelektrischer Übertrager (8) nach Anspruch 1, wobei als Material für die piezoelektrische Scheibe (2, 4) Bleizirkonattitanat vorgesehen ist.

6. Piezoelektrischer Übertrager {8) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Isolationskörper (6) aus einer AI2O3-Basis besteht.