DE1058773B

DE1058773B - Piezoelektrisches keramisches Wandlerelement

Info

Publication number: DE1058773B
Application number: DEW16555A
Authority: DE
Inventors: Warren Perry Mason
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1954-06-21
Filing date: 1955-04-26
Publication date: 1959-06-04
Also published as: NL195880A; GB776498A; NL103781C

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische keramische Wandlerelemente, deren Hauptbestandteil ein ferroelektrischer Stoff von Perovskitstruktur ist; Ein hervorragendes Beispiel für derartige Stoffe ist Bariumtitanat. Außerdem gehören Cadmiumniobat, Bleimetaniobat, Bleititanat, Lithiumniobat, Lithiumtantalat, -Kaliumniobat, Kaliumtantalat, ' Natriumniobat und· Wolframtrioxyd zu der- Gruppe dieser Stoffe. ·

Das Ziel der Erfindung ist es, den elektromechanischen Kopplungsfaktor von· Wandlern der bezeichneten Art zu erhöhen. Dies gelingt dadurch, daß erfindungsgemäß druckausübende Mittel das Wandlerelement im wesentlichen senkrecht zur Polarisationsrichtung dauernd zusammendrücken. An bevorzugten Ausführungen ist das druckausübende^-Mittel eine das Wandlerelement umgebende Flüssigkeit oder ein am Umfang des Wandlerelements aufgeschrumpftes Metallband.

Die erfindungsgemäße Maßnahme gewährleistet zusätzlich zu der Erhöhung des elektromechanischen Kopplungsfaktors des Wandlers eine höhere Druckfestigkeit des Keramikelements und damit eine größere Belastbarkeit.

Die Erfindung wird an Hand der ins einzelne gehenden Erläuterung und der Zeichnungen besser verständlich werden.

Fig. 1 zeigt eine Prüf apparatur, die zur Darstellung des Erfindungsprinzips verwendet wird,

Fig. 2 eine Ausführung der Erfindung, bei der ein Druck hydraulisch auf eine Wandlereinrichtung ausgeübt wird, die aus einer zylindrischen Säule von ferroelektrischen Keramikelementen besteht,

Fig. 3 A eine andere Ausführung der Erfindung, die aus einer scheibenförmigen Platte aus ferroelektrischem Keramikmaterial mit einem auf dem Umfang aufgeschrumpften Metallband besteht,

Fig. 3 B die Ausführung der Fig. 3 A mit Elektrodenbefestigungen.

Keramische Wandler aus ferroelektrischem Material von Perovskitstruktur erhalten ihre piezoelektrische Eigenschaft durch Polarisation im elektrischen Feld. Dabei werden ungefähr ein Drittel der elektrischen Domänen in die Hauptrichtung der elektrischen Polarisation ausgerichtet, während die übrigen Domänen nach einer Zufallsverteilung orientiert sind. Da die Gitterkonstante des ferroelektrischen Stoffes in der Polarisationsrichtung verschieden von derjenigen senkrecht hierzu ist, entsteht bei der Anpassung der Domänen eine mechanische Spannung.

Der Einfluß eines äußeren Drucks auf diese Spannung und auf die piezoelektrischen Eigenschaften des Wandlerelements wurde durch Anlegen eines Drucks von 350 kg/cm² an das Wandlerelement in Polari-

Piezoelektrisches keramisches
Wandlerelement

• Anmelder: ·
Western Electric Company,

Incorporated,
New York, N.Y. (V. St. A;)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht₁ Patentanwalt, Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika, vom 21·. Juni 1-954

Warren Perry Mason₁ West Orange, N. J. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

sationsrichtung - nachgewiesen. Dies wurde in einer Spannungsanordnung durchgeführt, wie sie in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt ist. Ein kubisches Bariumtitanat-Keramikelement 1, das in der durch den Pfeil angegebenen Richtung polarisiert war, wurde zwischen zwei Stahlblöcke 2 und 3 angeordnet, so daß ein Druck gleichmäßig an gegenüberliegenden Oberflächen der Probe 1 in Richtung ihrer Polarisation • durch Betätigung der Einstellschrauben 4 und 5 angelegt wurde. Messungen der Änderung der piezoelektrischen Konstante des zusammengedrückten Keramikelements 1 zeigten, daß dieser Vorgang eine Bewegung der Domänewände in solcher Richtung verursachte, daß die Polarisation verringert wurde.

Umgekehrt stellte man fest, daß eine Dehnung in Polarisationsrichtung oder eine Zusammendrückung senkrecht zur Polarisationsrichtung eine Bewegung der Domänenwände in solcher Richtung bewirkte, daß - die polarisierten Flächen größer wurden. Dies wurde ebenfalls bei der Spannungsanordnung der Fig. 1 nachgewiesen, indem zusätzlich zu den durch die Einstellschrauben 4 und 5 'beeinflußten¹ Blöcke 2 und 3 zwei weitere Blöcke 6 und 7 verwendet wurden, die durch die Einstellschrauben 8 und 9 beeinflußt wur-

50. den. Diese beiden Blockpaare üben bei gleichzeitiger " Betätigung einen Druck senkrecht zur Polarisationsrichtung der kubischen Bariumtitanatprobe 1 aus, der in diesem Falle senkrecht zur Zeichnungsebene liegt. Bei dieser Belastung wurde eine Erhöhung des elek-

909 529/130

Claims

tromechartischen Kopplungsfaktors des -L Wandlerr elements von etwa 40% erreicht, wie durch Messungen der piezoelektrischen Konstanten gezeigt wurde. .Jedoch begann, sobald- der Druck entfernt wurde, die piezoelektrische Konstante mit sichtbarer Geschwindigkeit abzunehmen und kehrte gegebenenfalls zu dem typischen Temperaturalterungswert zurück. Um den Kopplungsfaktor in einem Übertragungselement der beschriebenen Art auf einem konstanten hohen Wert zu halten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, auf das keramische Element dauernd einen Druck senkrecht zur Richtung der Polarisationsachse auszuüben. Eine für diesen Zweck geeignete praktische Einrichtung, die in Fig. 2 dargestellt ist, besteht aus Mitteln zum Ausüben eines hydrostatischen radialen Drucks auf einen Zylinder aus scheibenförmigen Keramikelementen senkrecht zur gemeinsamen Polarisationsachse, die in Längsrichtung des Zylinders verläuft. Im einzelnen besteht die in Fig. 2 dargestellte Übertragungseinrichtung 10 aus einer zylindrischen Säule 11 aus im wesentlichen gleichen scheibenförmigen Keramikplatten 12 aus polykristallinem Bariumtitanat, die einen Radius von z. B. 5,08 cm und eine Dicke zwischen den größeren Flächen von 0,95 cm haben. Wenn auch als Beispiel Bariumtitanat BaTiO3 als hauptsächlicher kristalliner Bestandteil des keramischen Elements 12 genannt wurde, so kann statt dessen offensichtlich jeder der vorangegangenen ferroelektrischen Stoffe oder eine Kombination aus ihnen verwendet werden. Jede der Stirnflächen der keramischen Elemente 12 ist mit einem Elektrodenüberzug 13 versehen, der z. B. aus einem Silberbelag besteht. Die Elemente 12 werden dann in zylindrischer Form mit den Silberüberzügen 13 auf den beiden flachen Außenflächen der Zylinder übereinandergestapelt und zwischen jede der aufeinanderfolgenden beiden Oberflächen der" angrenzenden Scheiben gelegt, die den Zylinder bilden. Die Elektroden 13 werden abwechselnd mit Kontaktdrähten 14 und 15 verbünden, um entgegengesetzt gepolte Elektroden an beiden Seiten jedes Elements 12 zu schaffen. Ein Gehäuse 18, in dem die zylindrische Wandlereinrichtung 11 eingebaut ist, besteht aus einer öldichten Stahltrommel, deren gebogener Teil 24 eine Dicke von z. B. 0,65 cm hat. Oie Endteile ISa des Gehäuses 18, die mit Hilfe der Schrauben 17 an dem gebogenen Teil 24 ausgebaut sind, umfassen die Stahlmembranen 27 und 28, die Teile der Endteile sind und die jeweils einen Durchmesser haben, der etwa so groß ist wie der Durchmesser der Wandlereinrichtung 11. In die oberen und unteren Endteile des Gehäuses 18 sind ringförmige Schlitze 25 und 26 eingeschnitten, um eine Beweglichkeit in Richtung der Pfeile zu erhalten. Die zylindrische Wandlereinrichtung 11 wird konzentrisch in das Gehäuse"18 eingebaut, indem die außenliegenden Elektroden der oberen und unteren Fläche des Zylinders an die Membranen 27 und 28 angelötet werden. Die zylindrische Wandlereinrichtung 11 wird so angeordnet, daß ihre Mantelfläche einen gleichmäßigen Abstand- von '--tier Innenfläche des Gehäuses 18 hat, wobei sie mit dieser eine röhrenförmige Kammer 38 bildet, die als Behälter für eine Druckflüssigkeit, z. B. Rizinusöl od./dgl., dient. Die Flüssigkeit wird durch eine ^Rqhre 21"; eingelassen und durch übliche nicht gezeichnete Pumpmittel auf einen Druck von 350 bis 700 kg/cm2 gehalten. Der Kontaktdraht 14, der zu jeder zweiten Elektrode 13 gehört, wird zur Verbindung mit der Klemme 22 durch eine druckdichte isolierende Einschmelzung herausgeführt. Der Kontaktdraht 15, der zu 'den übrigen Elektroden 13 gehört, ist mit der geerdeten Innenfläche des leitenden Gehäuses 18 verbunden, dessen Außenfläche an die - -Klemme 23 angeschlossen ist.- — Nachdem die Übertragungseinrichtung 11 an ihrer Stelle im Gehäuse 18 festgelötet ist, wird sie einer Vorpolarisierungsbehandlung unterworfen. Während im Betrieb auf die Wandlereinrichtung 11 in radialer Richtung über die Flüssigkeit in der Kammer 38 ein konstanter Druck ausgeübt wird, verursachen an die Membranen 27 und 28 angelegte akustische Signale Schwankungen, welche die Übertragungseinrichtung 11 in PoläTisationsrichtung zusammendrücken, wobei ein elektrischer Ausgang an den Klemmen 22 und 23 entsteht, der, wie oben festgestellt wurde, den bei früheren Verfahren erreichbaren Ausgang wesentlich übersteigt. Eine andere Ausführung der Erfindung ist in den Fig. 3 A und 3 B der Zeichnungen dargestellt, wobei die erstgenannte Figur die Einheit ohne Elektroden zeigt. Eine keramische Scheibe" 30, die aus Bariumtitanat oder einem anderen der genannten ferroelektrischen Stoffe besteht, wird mit Hilfe eines Metallbandes 31, das am Umfang der Scheibe aufgeschrumpft ist, unter ..konstantem radialem Druck gehalten. Um die beste Wirkungsweise sicherzustellen, soll das Metall des Bandes 31 wie Stahl eine hohe Festigkeit und einen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der wesentlich größer als derjenige des keramischen Elements ist. Nachdem das Band 31 auf; die keramische Scheibe 30 in der beschriebenen Weise aufgeschrumpft ist, werden Elektrodenüberzüge 33, auf die Stirnflächen aufgebracht und Zuführungsdrahte 34 an diese angelötet. Sodann wird die Wandlereinrichtung- in üb-■. Iicher Weise vorpolarisiert. Patentansprüche:

1. Piezoelektrisches keramisches Wandlerelement, dessen Hauptbestandteil ein ferroelektrischer Stoff von Perovskitstruktur ist, dadurch gekennzeichnet, daß druckaüsübende Mittel das Wandlerelement im wesentlichen senkrecht zur Polarisationsrichtung dauernd zusammendrücken.

2. Piezoelektrisches keramisches Wandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das druckausübende Mittel eine das Wandlerelement umgebende Flüssigkeit ist.

3. Piezoelektrisches . keramisches Wandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das druckausübende Mittel ein am Umfang des Wandlerelements aufgeschrumpftes Metallband ist. ·.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

® 909 529/130 5.59