PL 218084 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 218084 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 390585 (51) Int.Cl. H01L 41/107 (2006.01) H01L 41/187 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 02.03.2010 (54) Transformator piezoelektryczny (43) Zgłoszenie ogłoszono: 12.09.2011 BUP 19/11 (73) Uprawniony z patentu: UNIWERSYTET ŚLĄSKI W KATOWICACH, Katowice, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.10.2014 WUP 10/14 (72) Twórca(y) wynalazku: LUCJAN KOZIELSKI, Orzesze, PL
2 PL 218 084 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest transformator piezoelektryczny przeznaczony zwłaszcza do zasilaczy urządzeń elektronicznych. Stały i dynamiczny rozwój technologii elektronicznej jest niezmiennie związany z coraz większym stopniem integracji obwodów elektronicznych. Prowadzi to do postępującej miniaturyzacji urządzeń elektronicznych. Jest jednak pewna integralna część urządzeń elektronicznych, która opiera się tej dynamicznej tendencji rozwojowej, a jest nią zasilacz. Obwody zasilające urządzeń elektronicznych, których głównym elementem jest transformator są poza tym dodatkowo w większości przypadków najdroższe i największe gabarytowo. Obecny kierunek rozwojowy opiera się na zastępowaniu zasilaczy sieciowych pracujących na częstotliwości sieci elektroenergetycznej zasilaczami impulsowymi pracującymi na wyższych częstotliwościach. Stosowany w nich transformator elektromagnetyczny, jest obecnie najkosztowniejszym elementem zasilaczy urządzeń elektronicznych, a jednocześnie jego rozmiary znacznie ograniczają proces miniaturyzacji i integracji współczesnych układów elektronicznych i elektroenergetycznych. Miniaturyzacja transformatorów elektromagnetycznych napotyka wiele problemów technicznych: - wzrost strat spowodowany przez zjawisko naskórkowości czyli tendencji do płynięcia prądu elektrycznego na powierzchni przewodu elektrycznego w cienkich uzwojeniach, - bardzo duży wzrost histerezy przy większych częstotliwościach pracy w miniaturyzowanych rdzeniach magnetycznych, - wzrost strat w obwodach magnetycznych prowadzący do nadmiernego nagrzewania się tych obwodów. Wymusiło to konieczność poszukiwania nowych rozwiązań w zakresie przekształcania energii. Jednym z takich rozwiązań jest transformator piezoelektryczny, który pozbawiony jest elementów magnetycznych (uzwojeń), co zdecydowanie ułatwia jego miniaturyzację. Znane transformatory piezoelektryczne zapewniają proces przekształcania energii elektrycznej wykorzystując sprzężenie elektromechaniczne pomiędzy przetwornikami piezoelektrycznymi: wejściowym i wyjściowym. Zaletami tego typu transformatorów są: - dużo wyższa gęstość mocy z jednostki objętości, co jest znaczącym krokiem w kierunku miniaturyzacji układów zasilających, - brak zakłóceń elektromagnetycznych, ponieważ transformator nie posiada uzwojeń, a energia jest transformowana na drodze mechanicznej, - bardzo dobra izolacja obwodów strony wejściowej i wyjściowej będąca integralną własnością materiału, ponieważ piezoelektryki są dielektrykami. Zasada działania tego typu transformatorów wykorzystuje pierwotny i wtórny efekt piezoelektryczny. O wielkości wzmocnienia napięciowego decyduje kierunek wektora polaryzacji elektrycznej związany z biegunowością przyłożonego napięcia w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali naprężeń mechanicznych. Stopień wzmocnienia napięciowego nieobciążonego transformatora w kształcie płytki prostopadłościennej jest określony relacją: Ku ~ k 31 * k 33 * Q m * (l/d) gdzie: k 21, k 33 - kierunkowe współrzędne tensora współczynników elektromechanicznych, Q m - dobroć mechaniczna, l i d- odpowiednio długość i grubość sekcji generującej. Z opisu patentowego US 2830274 znany jest transformator piezoelektryczny typu Rosena wykorzystujący rezonansowe drgania mechaniczne, wykonany z materiału piezoelektrycznego, w postaci prostopadłościennej płytki, na której naniesione są dwie elektrody: elektroda strony wejściowej i elektroda strony wyjściowej. Napięcie zmienne doprowadzone do sekcji wejściowej generuje w niej drgania mechaniczne związane z odwrotnym efektem piezoelektrycznym. Drgania te rozchodząc się w materiale płytki w postaci fali akustycznej docierają do elektrody wyjściowej, w której generują napięcie na zasadzie prostego efektu piezoelektrycznego. Tego typu transformatory wykorzystywane są jako transformatory wysokonapięciowe dla małych obciążeń. Niedogodnością tej konstrukcji jest mała sprawność przetwarzania, związana z dużą ilością drgań pasożytniczych oraz konieczność użycia bardzo wysokich napięć w procesie polaryzacji.
PL 218 084 B1 3 Znane są też transformatory piezoelektryczne dyskowe, wykorzystujące drgania radialne. Charakteryzują się one wyższą sprawnością niż transformatory typu Rosena sięgającą 98%. Przykładowo z opisu patentowego US 3764848 znany jest dyskowy, unipolarny transformator piezoelektryczny, wykonany w postaci dysku z materiału piezoelektrycznego, na którego górnej powierzchni naniesione są elektrody sekcji wejściowej oraz sekcji wyjściowej, a na dolnej powierzchni naniesiona jest elektroda wspólna dla obu sekcji i połączona zazwyczaj z masą obwodu. Napięcie zmienne doprowadzone do sekcji wejściowej generuje drgania mechaniczne rozchodzące się radialnie. Drgania te napotykają sekcję wyjściową i generują w niej napięcie zmienne związane z efektem piezoelektrycznym prostym. Dopasowanie mocy jest regulowane przez zmianę pojemności sekcji wyjściowej realizowane przez zmianę powierzchni elektrody wyjściowej. Umożliwia to pracę w szerokim zakresie obciążeń. Zmianę napięcia wyjściowego osiąga się zmieniając stosunek powierzchni elektrody wejściowej do wyjściowej. Proces polaryzacji jest jednokierunkowy i przeprowadzany w kierunku poprzecznym do powierzchni dysku, dlatego też nie wymaga tak dużych napięć, jakie są konieczne do polaryzacji sekcji wzdłużnej transformatora typu Rosena. Wyższa sprawność transformatorów dyskowych jest również wynikiem dobrych własności filtracyjnych rezonatorów dyskowych i propagacji tylko jednej częstotliwości drgań związanej z częstotliwością drgań własnych dysku. Z opisu patentowego PL 194149 znany jest transformator piezoelektryczny zawierający stos płytek piezoelektrycznych zaopatrzonych w co najmniej dwie pary elektrod, charakteryzujący się tym, że zawiera stos cienkich płytek piezoelektrycznych i stos grubych płytek piezoelektrycznych, w ilości co najmniej dwóch. Stosy te usytuowane są względem siebie szeregowo i ściśnięte w sztywnej ramie, a pomiędzy nimi jest umieszczony mechaniczny układ rezonansowy drgań giętnych wymuszający częstotliwość pracy tego układu, niezależną od częstotliwości drgań własnych użytych płytek piezoelektrycznych. Znane są też konstrukcyjne sposoby zwiększania efektywności przetwarzania energii w transformatorach piezoelektrycznych związane z doborem geometrii sekcji wejściowej i wyjściowej pozwalającej na tłumienie harmonicznych drgań pasożytniczych, ujawnione w opisie JP2004273710 (A). Inną metodą wzrostu konwersji energii jest opisany w patencie CN1604354 (A) sposób sekcjonowania płytki transformatora na części polaryzowane w przeciwnych kierunkach, pozwalające na wzrost częstotliwości pracy transformatora oraz podwojenie liczby sekcji wejściowych i wyjściowych, pozwalających na generację dwóch niezależnych napięć. Oprócz konstrukcyjnych metod zwiększania sprawności omawianych transformatorów zastrzegane były również metody elektroniczne. W opisie WO0101500 (A1) przedstawiono układ dwóch wzmacniaczy operacyjnych, gdzie pierwszy wzmacniacz służy do zasilania transformatora, natomiast drugi pełni funkcję sprzężenia zwrotnego, pozwalającego dostrajać częstotliwość pracy układu zasilającego do częstotliwości optymalnej pozwalającej na zwiększony transfer energii. Wymienione opisy patentowe JP2004273710 (A), CN1604354 (A) oraz WO0101500 (A1) ujawniają rozwiązania w postaci transformatorów piezoelektrycznych na bazie płytki wykonanej z monolitycznego ceramicznego materiału piezoelektrycznego. Znane jest też zjawisko generacji ładunków elektrycznych w niektórych przeźroczystych materiałach piezoelektrycznych (efekt fotowoltaiczny) oraz wywołane powstałym ładunkiem przestrzennym zmiany współczynników piezoelektrycznych. Efektem zewnętrznym oddziaływania tego ładunku jest zmiana generowanego napięcia w przypadku prostego efektu piezoelektrycznego lub wymiarów geometrycznych materiału w przypadku odwrotnego efektu piezoelektrycznego (fotostrykcja). Znane są rozwiązania praktyczne wykorzystujące ten efekt w piezoelektrykach. Przykładowo w opisie patentowym US4449785 opisano wykorzystanie efektu fotowoltaicznego i generowanego światłem ładunku przestrzennego do zapisu informacji w trójwymiarowych, optycznych pamięciach holograficznych. Zjawisko fotostrykcji wykorzystano do sterownia wiązki laserowej do odczytu danych z dysków optycznych w rozwiązaniu opatentowanym przez japońską firmę Toshiba (JP2004273111), a także do bezpośredniej konwersji światła na efekt mechaniczny w różnego typu aktuatorach sterowanych światłem (US5585961, JP4340383, EP0902311). Znane są też zintegrowane konstrukcje materiałowe, zwane materiałami inteligentnymi, wykorzystujące sprzężenie efektu foto-, elektro- i magnetostrykcyjnego do zmian parametrów fali świetlnej w światłowodach (CA2164993). Jednakże żadne z dotychczasowych rozwiązań nie przewidywało zastosowania materiałów o właściwościach piezoelektrycznych, a jednocześnie fotowoltaicznych do budowy transformatorów,
4 PL 218 084 B1 co umożliwiałoby zmianę parametrów przetwarzania energii w zależności od natężenia padającego na transformator światła. Celem twórcy wynalazku było opracowanie inteligentnych transformatorów wykorzystujących specjalne przetworniki piezoelektryczne, a przez to zwiększenie ich efektywności w aplikacjach związanych z oddziaływaniem z falą świetlną. Transformator piezoelektryczny według wynalazku wykonany na bazie płytki z monolitycznego, ceramicznego materiału piezoelektrycznego, na której naniesione są co najmniej dwie odseparowane od siebie przerwą międzyelektrodową elektrody, z których jedna to elektroda sekcji wejścia połączona z doprowadzającymi napięcie zaciskami wejściowymi U we, druga to elektroda sekcji wyjścia połączona z odprowadzającymi napięcie zaciskami wyjściowymi U wy, oraz trzecia elektroda wspólna dla obu sekcji, korzystnie połączona z masą obwodu, charakteryzuje się tym, że płytka wykonana jest z transparentnego materiału piezoelektrycznego o właściwościach fotowoltaicznych, w postaci ceramiki PLZT to jest cyrkonianu tytanianu ołowiu domieszkowanego lantanem, o składzie (Pb 1-x La x )(Zr y Ti 1-y ) O 3. Możliwe są różne warianty umiejscowienia elektrod na płytce piezoelektrycznej. W jednym z nich odseparowane od siebie przerwą międzyelektrodową elektrody sekcji wejścia oraz sekcji wyjścia naniesione są na górnej powierzchni płytki, natomiast elektroda wspólna dla obu sekcji naniesiona jest na przeciwległej powierzchni dolnej. W innym wariancie wykonania elektroda sekcji wejścia naniesiona jest na bocznej powierzchni płytki, elektroda sekcji wyjścia naniesiona jest na górnej powierzchni płytki, natomiast elektroda wspólna dla obu sekcji umieszczona jest na przeciwległej powierzchni dolnej. Korzystnie, jako ceramikę PLZT stosuje się ceramikę o składzie (Pb 0,93 La 0,07 )(Zr 0,65 Ti 0,35 ) O 3, która wykazuje dobre właściwości piezoelektryczne oraz szybkość odpowiedzi. Właściwości te wynikają z odpowiednio dobranych ilości wprowadzonej do ceramiki domieszki lantanu. Siedem procent lantanu i proporcja cyrkonu do tytanu w stosunku 65 do 35 pozwala na uzyskanie największego efektu napięciowego pochodzącego od składowej fotowoltaicznej. Skład tej ceramiki jest umiejscowiony w diagramie fazowym blisko morfotropowej granicy fazowej (MPB) i posiada tetragonalną strukturę krystaliczną. Korzystnie, elektrody wykonane są z przewodzącego i przezroczystego materiału ITO w postaci tlenku cyny indu, o składzie 90% wagowych In 2 O 3 i 10% SnO 2. Korzystnie transformator piezoelektryczny według wynalazku wykonany jest w formie dysku. Transformatory o kształcie dyskowym są tańsze i prostsze w procesie produkcji oraz polaryzacji. Dodatkową zaletą związaną z dominującym radialnym rodzajem drgań rezonatorów dyskowych, jest niezależność częstotliwości rezonansowej od wartości współczynników piezoelektrycznych i mniejszy współczynnik wielokrotności częstotliwości harmonicznych wyższych rzędów w stosunku do częstotliwości podstawowej niż w przypadku innych kształtów płytki transformatora. Ceramiczne materiały piezoelektryczne na bazie ferroelektrycznych związków i roztworów stałych o krystalograficznej niecentrosymetrycznej grupie punktowej (piezoelektrycznej), modyfikowane atomami pierwiastków aktywującymi efekt fotowoltaiczny zaliczane są do grupy materiałów inteligentnych II generacji, których właściwościami można sterować poprzez oddziaływania zewnętrzne różnego typu. W transformatorze wykonanym z ceramicznego materiału piezoelektrycznego o właściwościach fotowoltaicznych wartość przekładni napięciowej, definiowanej jako stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego, jest sprzężona z wielkością natężenia oświetlenia (sprzężenie optyczne). Oznacza to, że transformator odznacza się nie tylko wewnętrzną polaryzacją, której kierunek można zmieniać poprzez przyłożenie zewnętrznego pola elektrycznego, ale i polaryzacją dodatkową, której wartość może być zmieniona poprzez zmianę natężenia oświetlenia. Zastosowanie w zasilaczach transformatorów wykorzystujących przetworniki piezoelektryczne o właściwościach fotowoltaicznych pozwoli na polepszenie ich parametrów elektrycznych m.in. wyższą sprawność, mniejsze rozmiary oraz brak zakłócającego pola elektromagnetycznego. Rozwiązanie według wynalazku umożliwia dodatkowo realizację funkcji układu inteligentnego generującego zmiany napięcia wyjściowego transformatora w zależności od zmian natężenia oświetlenia. Zastosowanie rozwiązania według wynalazku w aplikacjach związanych z podświetlaniem ekranów monitorów ciekłokrystalicznych LCD może niwelować koszty związane ze zużyciem energii oraz zastosowaniem dodatkowych elektronicznych regulatorów jasności świecenia ekranów, poprzez samoczynną adaptację wartości napięcia lamp podświetlających ekran do warunków zewnętrznych. Zastosowanie rozwiązania według wynalazku w aplikacjach wysokonapięciowych do zasilania lamp błyskowych aparatów fotograficznych może samoczynnie dostrajać wielkość napięcia zasilania lampy do warunków zewnętrznego oświetlenia bez stosowania dodatkowych elektronicznych regulatorów.
PL 218 084 B1 5 Zastosowanie rozwiązania według wynalazku w przekaźnikach zdalnie sterowanych światłem może zmieniać sumaryczną wielkość napięcia zasilania przekaźnika przez składową fotowoltaiczną. W przypadku obniżenia wypadkowego napięcia zasilającego elektromagnes przekaźnika poniżej wartości napięcia podtrzymania, nastąpi przełączenie jego styków. Przedmiot wynalazku został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia dyskowy transformator piezoelektryczny, wykonany z transparentnej ceramiki PLZT (w opcji z elektrodami sekcji wejścia oraz wyjścia naniesionymi na górnej powierzchni płytki), fig. 2 przedstawia dyskowy transformator piezoelektryczny, wykonany z transparentnej ceramiki PLZT (w opcji z elektrodą sekcji wejścia naniesioną na bocznej powierzchni płytki i elektrodą sekcji wyjścia naniesioną na górnej powierzchni płytki), natomiast fig. 3 przedstawia wykres zmian przekładni napięciowej transformatora pod wpływem oświetlenia przy różnej rezystancji obciążenia. Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie dyskowego transformatora piezoelektrycznego, wykonanego z transparentnej ceramiki PLZT, w opcji wykonania przedstawionej na fig. 1. Transformator piezoelektryczny 1 wykonany jest na bazie płytki o kształcie dysku, na którego górnej powierzchni naniesiona jest jedna elektroda sekcji wejścia 2 połączona z doprowadzającymi napięcie zaciskami wejściowymi Uwe, oraz jedna elektroda sekcji wyjścia 3 połączona z odprowadzającymi napięcie zaciskami wyjściowymi Uwy. Na dolnej powierzchni piezoelektrycznego dysku naniesiona jest elektroda wspólna 4 dla obu sekcji, połączona z masą 5 obwodu 6. Elektrody sekcji wejścia oraz wyjścia są od siebie odseparowane przerwą międzyelektrodową 7. Płytka wykonana jest z transparentnego, monolitycznego, ceramicznego materiału piezoelektrycznego o właściwościach fotowoltaicznych w postaci ceramiki PLZT, którą stanowi cyrkonian tytanian ołowiu domieszkowany lantanem o nominalnym zapisie tej kompozycji: (Pb 0,93 La 0,07 )(Zr 0,65 Ti 0,35)O 3. Materiał ten został wybrany ze względu na jego przezroczystość konieczną do zastosowań elektrooptycznych, właściwości piezoelektryczne oraz szybkość odpowiedzi (badania wykazały, że charakteryzuje się najlepszymi parametrami spośród badanych materiałów PLZT). Właściwości te wynikają z odpowiednio dobranych ilości wprowadzonej do ceramiki domieszki lantanu. 7 procent lantanu i proporcja cyrkonu do tytanu w stosunku 65 do 35 pozwala na uzyskanie największego efektu napięciowego pochodzącego od składowej fotowoltaicznej. Skład tej ceramiki jest umiejscowiony w diagramie fazowym blisko morfotropowej granicy fazowej (MPB) i posiada tetragonalną strukturę krystaliczną. Elektrody wykonane są z przewodzącego i przeźroczystego materiału ITO (tlenek cyny indu, 90% wagowych In 2 O 3 i 10% SnO 2 ). Transformator piezoelektryczny ze sprzężeniem optycznym wzbudzany jest zmiennym sygnałem elektrycznym doprowadzonym poprzez elektrodę sekcji wejścia do ceramicznego materiału piezoelektrycznego o właściwościach fotowoltaicznych w postaci ceramiki PLZT. Drgania generowane na podstawie odwrotnego efektu piezoelektrycznego w płytce z PLZT propagują do sekcji wyjściowej. W sekcji tej na podstawie prostego efektu piezoelektrycznego generowane jest napięcie wyjściowe transformatora. Drgania transformatora wywołują zmiany anizotropii w materiale piezoelektryka i w konsekwencji - zmiany polaryzacji. W obecności zewnętrznego oświetlenia, w materiale o własnościach fotowoltaicznych generowany jest dodatkowy ładunek przestrzenny. Ładunek ten wymusza dodatkowe zmiany składowej polaryzacji. Zmiany te są rejestrowane przez sekcję wyjściową transformatora w postaci dodatkowej składowej napięcia wyjściowego. Amplituda sygnału jest proporcjonalna (w szerokim zakresie częstotliwości elektromagnetycznej fali świetlnej) do natężenia oświetlenia zewnętrznego. Wyniki pomiarów własnych a także przeprowadzonych w niezależnym ośrodku badań piezoelektryków w Libercu (International Center for Piezoelectric Research) dotyczących pomiaru wzmocnienia napięciowego transformatora w warunkach oświetlenia światłem lampy fluorescencyjnej z zakresu UV oraz w ciemności są przedstawione na wykresie na fig. 3 oraz zestawione w tabeli 1. Optymalne właściwości transformator wykazuje przy rezystancji obciążenia o wartości 100 k, przy której w warunkach oświetlenia transformatora wartość napięcia wyjściowego zwiększa się o 20%. Istota efektu polega na generacji nośników prądu w materiale transformatora i wytworzeniu ładunku przestrzennego, który zmienia zarówno uporządkowanie struktury domen ferroelektrycznych piezoelektryka jak i wartości modułów piezoelektrycznych.
6 PL 218 084 B1 T a b e l a 1 Wpływ oświetlenia transformatora ze sprzężeniem optycznym na jego przekładnię napięciową przy różnych wartościach rezystancji obciążenia Wartość rezystancji obciążenia [ ] Przekładnia napięciowa transformatora oświetlonego U wy/u we Przekładnia napięciowa transformatora w ciemności U wy/u we 1000 0,484 0,385 10000 1,493 1,231 100000 1,912 1,544 1000000 2,019 1,710 10000000 2,179 1,937 Rozwiązanie według wynalazku może znaleźć zastosowanie między innymi w zasilaczach transformatorów wykorzystujących przetworniki piezoelektryczne nowej generacji do podświetlania ekranów monitorów ciekłokrystalicznych LCD, z samoczynną adaptacją jasności podświetlania ekranu do warunków zewnętrznego oświetlenia. Rozwiązanie może być też stosowane w aplikacjach wysokonapięciowych do zasilania lamp błyskowych aparatów fotograficznych, jak również w przekaźnikach zdalnie sterowanych światłem. Zastrzeżenia patentowe 1. Transformator piezoelektryczny wykonany na bazie płytki z monolitycznego, ceramicznego materiału piezoelektrycznego, na której naniesione są co najmniej dwie odseparowane od siebie przerwą międzyelektrodową elektrody, z których jedna to elektroda sekcji wejścia połączona z zaciskami wejściowymi Uwe, druga to elektroda sekcji wyjścia połączona z zaciskami wyjściowymi Uwy, oraz trzecia elektroda wspólna dla obu sekcji, korzystnie połączona z masą obwodu, znamienny tym, że płytka wykonana jest z transparentnego materiału piezoelektrycznego o właściwościach fotowoltaicznych, w postaci ceramiki PLZT to jest cyrkonianu tytanianu ołowiu domieszkowanego lantanem, o składzie (Pb 1-x La x ) (Zr y Ti 1-y ) O 3. 2. Transformator piezoelektryczny według zastrz. 1, znamienny tym, że jako ceramikę PLZT stosuje się ceramikę o składzie (Pb 0,93 La 0,07 )(Zr 0,65 Ti 0,35 ) O 3. 3. Transformator piezoelektryczny według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrody (2), (3) i (4) wykonane są z materiału ITO w postaci tlenku cyny indu, o składzie 90% wagowych In 2 O 3 i 10% SnO 2. 4. Transformator piezoelektryczny według zastrz. 1, znamienny tym, że elektroda sekcji wejścia (2) oraz elektroda sekcji wyjścia (3) naniesione są na górnej powierzchni płytki, natomiast elektroda wspólna (4) dla obu sekcji naniesiona jest na przeciwległej powierzchni dolnej. 5. Transformator piezoelektryczny według zastrz. 1, znamienny tym, że elektroda sekcji wejścia (2) naniesiona jest na bocznej powierzchni płytki, elektroda sekcji wyjścia (3) naniesiona jest na górnej powierzchni płytki, natomiast elektroda wspólna (4) dla obu sekcji umieszczona jest na przeciwległej powierzchni dolnej. 6. Transformator piezoelektryczny według zastrz. 1, znamienny tym, że wykonany jest w formie dysku.
PL 218 084 B1 7 Rysunki
8 PL 218 084 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)