CH297593A - A method of manufacturing an artificial piezoelectric element. - Google Patents

A method of manufacturing an artificial piezoelectric element.

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CH297593A
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Chilowsky M Constantin
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Description

  

  Procédé de fabrication d'un élément piézo-électrique     artificiel.       La présente invention a pour objet un  procédé de fabrication d'un élément     piézo-          électrique        artificiel    qui peut.

   être considéré  comme un perfectionnement du procédé     dé-          erit    dans le brevet suisse N  278747 où, dans  une forme d'exécution, une suspension de       eristaux    piézo-électriques pulvérulents dans       titi    liquide convenable est soumise à l'action  simultanée d'un champ électrique et d'une  pression, de manière à     polariser    les parti  cules de cristaux en     suspension    et à les orien  ter dans une direction:

       uniforme.    Selon une  autre forme d'exécution, on peut exercer  (les effets thermiques, de manière à     déter-          itiiner    une polarisation     pyro-électrique    de la  matière mise en suspension.

   La suspension  peut être     soumise    à une filtration, de telle  manière que. les particules orientées se<B>dé-</B>  posent sur le filtre pour former une couche  qui est ainsi rendue compacte, le liquide de       support    original étant généralement retiré et       remplacé    par une matière     solidifiable    inerte       susceptible    de remplir les     interstices    de la  couche cristalline, de manière à former une  plaque ou feuille pleine de matière à     caraeté-          rist.iques        piézo-électriques.    La.

   matière     solidi-          fiable    peut également être introduite     dans    la       suspension    sous la forme d'une poudre sup  plémentaire, également mise en     ,suspension.     Il est évident que le liquide de support ori  ginal peut être choisi en, tenant compte    uniquement de ses propriétés qui doivent  être     utilisées    pendant les phases de polarisa  tion et d'orientation, étant donné qu'il n'est  pas nécessairement présent .dans le produit  final.  



       Lorsqu'on    utilise des cristaux non     polari-          sables    par :compression homogène (que l'on  désignera par cristaux du type A), par  exemple     quartz,    on détermine     l'orientation    en ,  appliquant des oscillations à haute fréquence  électriques et mécaniques     synchrones.    Dans  le cas de cristaux pouvant être     polarisés    par  compression homogène (cristaux du type     B),     l'orientation peut être obtenue soit par appli  cation d'une pression .constante et d'un  champ électrique constant, soit par l'action  simultanée d'oscillations mécaniques et élec  triques synchrones.  



  Le procédé selon l'invention pour la fa  brication d'un élément piézo-électrique est  caractérisé en ce qu'on divise finement de la  matière piézo-électrique, qu'on met ladite ma  tière en     suspension    dans un milieu compre  nant un fluide et dont la     constante    diélec  trique est, au moins approximativement égale  à celle de ladite matière, qu'on oriente ladite  matière par rapport à ses axes     piézo-élec-          triques    de manière     sensiblement    uniforme,

    qu'on élimine pratiquement complètement le  dit fluide     pendant    que la     matière        piézo.         électrique est maintenue     dans    son état  orienté.  



  On a. cherché à utiliser comme fluide des  liquides de support     filtrables    susceptibles de  déterminer une orientation     particulièrement     complète de la matière cristalline et de sim  plifier les     processus    d'orientation et de con  solidation finale de la matière.  



  Plus particulièrement, on a cherché à uti  liser     un    liquide dont la constante diélectrique  est. égale ou     sensiblement.    égale à celle des  cristaux mis en suspension. Dans le cas de  cristaux ayant des     constantes    diélectriques  différentes, suivant les axes, on utilise un  liquide dont. la.     constante    diélectrique est une  moyenne arithmétique convenablement     choisie     entre les     constantes    diélectriques des cris  taux, suivant les différents axes de ceux-ci.  



  Il résulte d'un tel choix du liquide de  support qu'on peut. réaliser une orientation  beaucoup plus complète et rationnelle et que  le module piézo-électrique du produit final  est considérablement augmenté.  



  L'orientation peut être produite par  effets synchrones d'un champ électrique  alternatif et d'oscillations mécaniques de la  même fréquence.  



  L'orientation piézo-électrique des cristaux  en poudre dépend de deux facteurs:  a) de la     polarisation    initiale (par com  pression de la suspension par variation de la  température, c'est-à-dire     pyro-électriquement     ou, éventuellement.,     petites    charges natu  relles initiales);  b) des champs électriques.  



  Elle peut être réalisée par effets syn  chrones d'un champ électrique et de la pola.  risation initiale de la matière     mise    en sus  pension.  



  Le champ électrique, en soi, peut pro  duire une orientation, même     sans        polarisation     initiale, mais la direction de cette orientation       iie    coïncide généralement pas avec celle de  l'axe piézo-électrique. Par exemple, des cris  taux de quartz sont souvent orientés par le       champ    électrique dans la. direction de l'axe  optique et non     dans    celle de l'axe     piézo-          électrique.    En fait, la forme du cristal et sa    constante diélectrique sont généralement les  facteurs déterminants dans une orientation  électrique simple de ce type.

   Au contraire,  la direction de la.     polarisation    par pression  coïncide, par définition même, avec l'axe       piézo-électrique.    Il: résulte de ce qui précède  que     dans    le processus d'orientation par l'ac  tion simultanée d'une pression et. d'un champ  électrique (cristaux type.

   B) comme dans le  processus     Torientation    par     oscillations    de  haute fréquence mécanique et. électrique syn  chronisées (cristaux type<B>A</B>), le facteur dé  terminant  pression  doit, dans la majorité  des cas, avoir une prépondérance considé  rable et     décisive    sur le facteur champ élec  trique, de manière à réduire dans une grande  mesure, ou même à éliminer complètement,  selon la. forme des grains de la poudre cristal  line et leurs     ,iconstantes        diélectriques,    les  orientations parasitaires éventuelles.  



  Il est à     noter    toutefois que l'uniformité  de l'orientation dépend     essentiellement,    de       l'existence:    d'un rapport. élevé entre l'effet. de  polarisation par pression et celui du champ  électrique, même dans le cas où les valeurs  absolues de ces facteurs sont petites, étant  donné que, dans ce cas, l'orientation a simple  ment lieu plus lentement (bien entendu dan,       les    limites définies par les minima indispen  sables).  



  L'importance d'une prépondérance de la  pression et de l'utilisation d'une pression  élevée conduit à la possibilité d'utiliser des  filtrations très rapides (limitées bien entendu  par le temps généralement très court néces  sité par l'orientation d'une particule en sus  pension). On peut désigner     -Lui    tel processus  sous le nom de      filtration    par choc  (résul  tant par exemple de la descente rapide d'un  piston).  



  La prédominance du facteur de     pression,     c'est-à-dire du facteur principal de polarisa  tion, qui élimine le danger de= voir la, polari  sation soumise à d'autres facteurs parasi  taires, importerait beaucoup moins s'il était,  possible, comme     suggéré    dans le brevet déjà<B>,</B>  cité, de donner aux petits cristaux une forme  absolument sphérique. Mais cette disposition      est. difficile à réaliser et la corrosion de cris  taux de quartz ou de tourmaline, par exem  ple par (le l'acide fluorhydrique, ne fait qu'ar  rondir leurs     angles    et arêtes, mais ne les rend  pas parfaitement sphériques.  



  Le milieu de     suspension    et les cristaux       mis    en     suspension    sont autant que     possible     choisis de manière à     former    une substance  qui peut être dite      isodiélectrique ,        c'est-          à-dire    que ledit milieu, par exemple     un     liquide (ou un mélange de liquides), est  choisi de telle manière qu'il ait la même  constante diélectrique que les cristaux piézo  électriques mis en suspension.

   Dans une telle  suspension     isodiélectrique,    un champ élec  trique (continu ou     alternatif)        agissant    seul  ne produit en général aucune orientation des       cristaux.    En conséquence, toute orientation  parasitaire est plus ou moins complètement  éliminée et une orientation parfaitement cor  recte et complète peut être obtenue, quel que  soit le rapport entre le facteur  polarisation  électrique  et le facteur  champ     électrique ,     à condition que le produit de     .ces    facteurs  soit. suffisamment grand.

   Il     est    ainsi possible  de tirer pleinement parti du grand avantage  de ce     processus    de filtration par choc qui per  met d'utiliser un type     de;    liquide isolant quel  conque comme support de la.     suspension,    du  fait. que ce liquide est ultérieurement éliminé.  



       Parmi    les autres avantages de l'utilisa  tion d'une     suspension        isodiélectrique,    on peut  citer la possibilité de réaliser, dans certains  cas, l'orientation par la seule action du  champ électrique, notamment pour certains  cristaux piézo-électriques possédant déjà une  légère polarisation électrique naturelle ini  tiale. Cette     suspension    permet également de  réduire considérablement les pressions et  d'utiliser un rapport.     quelconque    entre le fac  teur  polarisation  et le facteur  champ élec  trique .

   Elle est     particulièrement    intéres  sante pour l'orientation     pyro-électrique,        ..    du  fait qu'elle permet d'utiliser de     légères    pola  risations     pyro-électriques    avec une. faible     aug-          nientation,    de température, la faible valeur du  degré de polarisation étant compensée par  l'utilisation d'un champ électrique     très    puis-    saut. Elle permet., en outre, l'utilisation éven  tuelle de     pyroélectricité    secondaire.  



  L'avantage d'utiliser des     suspensions        iso-          diélectriques    peut être particulièrement im  portant dans le cas où l'on     utilise    des cris  taux type A et notamment du quartz, qui  posent un problème beaucoup plus difficile  que les cristaux     dit    type B. Dans le cas de  cristaux de quartz, l'orientation parasitaire  par le champ électrique peut être particu  lièrement marquée.

   La suppression totale de  cette     orientation    parasitaire     permet    d'obtenir  une orientation correcte avec des oscillations  mécaniques relativement très faibles, tandis  que la faible valeur du     degré    de polarisation  obtenu par la     pression    peut être compensée  par     l'utilisation    de champs électriques alter  natifs     intenses.    Avantages plus importants  encore, il est possible, dans ces conditions, de  réduire (dans le cas de cristaux type A) la  viscosité des liquides, et la fréquence des       oscillations.     



  Comme exposé précédemment, l'utilisation  de     suspensions        isodiélectriques,    tout en assu  ras     t.    une orientation correcte, quelles que  soient les     formes    :

  des cristaux, réduit ou éli  mine l'avantage qu'aurait la forme sphérique  des particules mises en     suspension.    Mais il y  a lieu de tenir     compte    de ce     qu'ru1e,    forme  sphérique est néanmoins utile pour réduire  ou éliminer les orientations parasitaires     mo-          nient.anées        possibles    ou les erreurs d'orienta  tion au moment où une particule orientée quel  conque entre en contact avec le filtre ou avec  la couche déjà déposée.  



  Dans le .cas d'une filtration d'une suspen  sion double comportant des particules de cris  taux     piézo-électriques    et des particules  inertes (matière de remplissage), ces der  nières doivent     autant    que possible être utili  sées sous une forme beaucoup plus finement  divisée que les     premières        (dans    la mesure où  cela est possible     sans    risque de colmater le  filtre).  



  On peut obtenir un liquide de     suspension          isodiélectrique    ayant les     .caractéristiques    dési  rées en mélangeant dans des proportions ap  propriées deux ou plus de deux     liquides    élee-           triquement        isolants    (de préférence orga  niques) dont l'un a une     constante    diélectrique  (k) plus élevée et l'autre une constante  diélectrique (k)     plies    faible que celle des cris  taux à mettre en suspension.

       Conviennent     particulièrement, des mélanges de composés  nitrés, tels que     nitro-benzène        (7c=34,8),        nitro-          éthane,    avec des huiles minérales ou végé  tales. A titre d'exemples d'huiles convenables,  on peut citer: l'huile de, paraffine (k=2,55),  l'huile de térébenthine (k=2,80), l'huile à  transformateurs (k=2,21), l'huile d'olive  (k=3,16) et l'huile de ricin (k=4,7).  



  Ainsi, pour la.     mise    en     suspension    de cris  taux de quartz     (k=4,49    et. 4;55), on peut  ajouter du nitro-benzène à de l'huile d'olive  dans une proportion     suffisante    pour     porter     la valeur le du mélange à 4,49 ou 4,55 ou       encore    à une valeur intermédiaire; on peut  également. mélanger de l'huile de ricin avec  -une autre huile (par exemple de     térébenthine)     de manière à obtenir le résultat désiré.

   Pour  la mise en     suspension        @de        tourmaline   <I>(1c=7,1</I>  et 6,05), on peut     a,jonter    une proportion de  nitro-benzène augmentée     dans    une mesure  correspondante à de l'huile d'olive ou encore       utiliser    de l'huile de ricin au lieu d'huile       d'olive,    de manière     qu'une    quantité plus  faible de     nit.ro-benzène    suffise.  



  Bien que les proportions exactes des ingré  dients nécessaires     puissent    être calculées       d'après    leurs constantes connues, il peut  être simple, dans un grand nombre de cas,  d'effectuer le, mélange dans un récipient  muni d'un     condensateur    convenablement dis  posé monté en série avec un appareil de me  sure indiquant     directement    la capacité élec  trique de ce     condensateur    (et, par consé  quent, la valeur k du mélange). Lors du  choix empirique des proportions des ma  tières utilisées, il n'est pas nécessaire de tenir  compte de la température ni du     volume    du  bain.

   Les mélanges suggérés (y compris les  huiles visqueuses) ont une grande viscosité,  ce qui assure la. stabilité de la suspension  pour le laps de temps nécessaire et (en parti  culier lorsqu'on     utilise    de l'huile de ricin)  une bonne     transmission        sans         cavitation     des    oscillations à haute fréquence généralement  recommandées pour l'orientation de     cristaux     du type A.  



  Dans le cas de. deux constantes diélec  triques différant. dans deux directions diffé  rentes, il est possible de former un liquide de  constante diélectrique moyenne, où les     légers     écarts éventuels par rapport à la     suspension          isodiélectrique    idéale sont suffisamment  faibles pour pouvoir être pratiquement. né  gligés.  



       Ion    cas de  double suspension  (poudre  de cristaux     piézo-électriques    et matière de  remplissage pulvérulente) il convient, comme  précédemment indiqué,     d'utiliser    la matière  de remplissage sous une forme si possible       phis    finement. divisée que celle des     cristaux          piézo-électriques.     



       Dans    ce cas, le liquide avec seulement sa  matière de remplissage     possède    sa propre  constante diélectrique      moyenne         (c'est-à-dire     la constante du liquide proprement. dit mo  difiée par celle de la matière en     suspension)     qu'on peut désigner sous le nom de  cons  tante diélectrique apparente  et dans la     sus-          pension        isodiélectrique    double, la      constante     diélectrique apparente  doit.

       "être    au     moins     approximativement égale à la     constante     diélectrique de la     matière    piézo-électrique.  



  On pourrait aussi combiner la     suspension          isodiélectrique    avec une     suspension        isobare     dans laquelle le liquide supportant la ma  tière en suspension est choisi tel qu'il ait,  d'une part., la. même constante diélectrique  que la. matière piézo-électrique et,     dfautre     part, la même densité que les particules  mises en, suspension. Cette disposition peut  être utile dans le cade liquides à faible vis  cosité, de manière à déterminer une suspen  sion     plus    stable et plus homogène et à éli  miner tonte perturbation éventuelle pouvant       résulter    de la. décantation ou de la. sédimenta  tion.

   Il     est.    à noter toutefois que la suspen  sion isobare, en soi, ne contribue pas à l'orien  tation     proprement.    dite,     iii    à son exactitude  et la.     préparation    d'une     suspension    isobare  peut être assez délicate. L'utilisation d'une      filtration suffisamment rapide ou même s'il  y a lieu ultra-rapide, permet de procéder  avec succès     sans        suspension        isobare.     



  La suspension     isodiélectrique    permet d'ob  tenir une orientation parfaite de la matière       piézo-électrique        ainsi    qu'un module     piézo-          électrique    élevé     correspondant    au rapport  élevé     clé    la matière piézo-électrique en suspen  sion, à la matière clé remplissage dans le pro  duit final.  



  On peut déterminer une     augmentation    de  ce module en réduisant encore les interstices  entre lies cristaux. On peut y     parvenir    en sou  mettant un élément artificiel obtenu de la  manière précitée à une     compression    plus  grande et suffisante pour produire un  broyage des particules     cristallines    en contact  intime. On peut     obtenir    un tel broyage en  soumettant l'élément à la pression puissante  d'un piston hydraulique éventuellement sous  la forme d'un choc mécanique violent, ou en  core en étirant l'élément     dans    un laminoir.  



  Un tel laminage, ou la compression du  produit laminé, s'effectuent ide préférence à  une température ou dans des     conditions     telles que la matière de     remplissage    (qui  peut être avantageusement une matière       thermoplastique)    ait encore une plasticité  suffisante pour lui permettre de sortir des  interstices à la surface, d'où elle peut être  retirée par tout moyen approprié. A cet effet,  on peut chauffer ladite matière de     remplis-          sage    dans une mesure suffisante pour qu'elle  soit ramollie et on comprime alors la matière  piézo-électrique et la matière de remplissage  en une masse compacte.

   Selon une ' autre  forme d'exécution, dans le cas d'application  de pression par un piston, la matière de rem  plissage     en,    excès petit être     absorbée    par     fine     couche d'une matière poreuse appropriée. De  préférence, lorsqu'on     envisage    un tel broyage,  le volume de la matière     'pulvérulente    de rem  plissage peut être choisi relativement petit et  considérablement inférieur au volume normal  des interstices. Lors du broyage le volume  final des interstices est réduit au volume mi  nimum désiré de la matière de remplissage,  ladite matière constituant une matrice très    fine entre les fragments cristallins produits  par le broyage des cristaux.  



  En particulier, la poudre     cristalline    peut  être par exemple du quartz ou de préférence  de la     tourmaline    et la matière de remplissage  peut. être     une    poudre vitreuse à bas point de  fusion, par exemple du verre ou un oxyde à  bas     point    de fusion pris dans une faible pro  portion, comme expliqué ci-dessus. La plaque  ou la couche formée par ces deux poudres  (à particules orientées) chauffée à la tempé  rature de ramollissement de la poudre vi  treuse est soumise d'une manière appropriée  à un .choc de broyage violent ou à une com  pression puissante et de durée     phis    ou moins  grande     sous    une     presse    hydraulique.  



  Dans les procédés destinés à rendre la       matière    plus compacte précédemment men  tionnés, il est évident qu'une puissante pres  sion de broyage peut rompre et désorienter  une partie de la matière     piézo-électrique    tout  en augmentant sa concentration ou sa den  sité par rapport à la couche considérée     dans     son ensemble. Il y a lieu, en conséquence, de       ne    prolonger l'opération de broyage que Jus  qu'au degré où l'augmentation du modale       piézo-électrique    de la .couche considérée dans  son     ensemble    en raison de la concentration  n'est pas dépassée par la réduction de ce  module résultant de la rupture et' du dé  rangement des particules.  



  Dans un grand nombre de cas, il est suf  fisant de préparer la matière piézo-électrique  artificielle en plaques de forme     régulière     (par exemple carrée, hexagonale, triangu  laire, etc.) clé dimensions linéaires modérées,  par     exemple    de 125 à 250 mm environ,     sus-          ceptibles    de former une mosaïque de grandes  et très grandes     dimensions.    Des plaques ou  feuilles de grandes dimensions peuvent, bien,  entendu, être obtenues par une opération  unique, ces .dimensions n'étant limitées que ,  par     celles    de l'appareil utilisé.  



  Il est également possible, soit par le pro  cédé décrit dans le brevet     précité,    soit par le  procédé     décrit        dans    le brevet     suisse    N  278746,  de former des plaques de matière     piézo-élec-        i     trique artificielles de forme     ïncurvée,    cylin-           dr        ique,    concave, convexe ou même sphérique.

    Sont particulièrement intéressantes, des formes  telles que l'énergie     ultra-acoustique    émise       puisse    être focalisée et concentrée     sur    des  points, lignes ou surfaces beaucoup plus pe  tits que les surfaces- émettrices.     Dans    le pro  cédé     décrit.-@dans    le présent. brevet, de telles  formes peuvent: être obtenues par filtration  si l'on prévoit. des surfaces de filtre ayant. les       dimensions    et forme désirées.



  A method of manufacturing an artificial piezoelectric element. The present invention relates to a method of manufacturing an artificial piezoelectric element which can.

   to be considered as an improvement of the process described in Swiss patent N 278747 where, in one embodiment, a suspension of piezoelectric piezoelectric crystals in suitable liquid titi is subjected to the simultaneous action of an electric field and with a pressure, so as to polarize the particles of crystals in suspension and to orient them in one direction:

       uniform. According to another embodiment, the thermal effects can be exerted, so as to determine a pyroelectric polarization of the suspended material.

   The suspension can be subjected to filtration, such that. the oriented particles settle on the filter to form a layer which is thus compacted, the original carrier liquid generally being removed and replaced by an inert solidifiable material capable of filling the interstices of the layer crystalline, so as to form a plate or sheet full of material with piezoelectric characteristics. The.

   solid material can also be introduced into the suspension in the form of an additional powder, also suspended. It is obvious that the original carrier liquid can be chosen taking into account only its properties which are to be used during the polarization and orientation phases, since it is not necessarily present in the liquid. final product.



       When using crystals which are not polarizable by: homogeneous compression (which will be denoted by crystals of type A), for example quartz, the orientation is determined by applying synchronous electrical and mechanical high frequency oscillations. In the case of crystals which can be polarized by homogeneous compression (crystals of type B), the orientation can be obtained either by application of a constant pressure and a constant electric field, or by the simultaneous action of synchronous mechanical and electrical oscillations.



  The method according to the invention for the manufacture of a piezoelectric element is characterized in that piezoelectric material is finely divided, said material is suspended in a medium comprising a fluid and the dielectric constant of which is at least approximately equal to that of said material, that said material is oriented with respect to its piezoelectric axes in a substantially uniform manner,

    that said fluid is practically completely eliminated while the piezo material. electrical is maintained in its oriented state.



  We have. sought to use as fluid filterable support liquids capable of determining a particularly complete orientation of the crystalline material and of simplifying the processes of orientation and final consolidation of the material.



  More particularly, attempts have been made to use a liquid whose dielectric constant is. equal or substantially. equal to that of the crystals suspended. In the case of crystals having different dielectric constants, along the axes, a liquid is used. the. dielectric constant is an arithmetic mean suitably chosen between the dielectric constants of the cris rates, along the different axes thereof.



  It results from such a choice of the carrier liquid that one can. achieve a much more complete and rational orientation and that the piezoelectric modulus of the final product is considerably increased.



  Orientation can be produced by synchronous effects of an alternating electric field and mechanical oscillations of the same frequency.



  The piezoelectric orientation of the powdered crystals depends on two factors: a) on the initial polarization (by compression of the suspension by varying the temperature, i.e. pyro-electrically or, possibly, small initial natural loads); b) electric fields.



  It can be carried out by synchronous effects of an electric field and pola. initialization of the material put on hold.



  The electric field, per se, can produce an orientation even without initial polarization, but the direction of this orientation iie generally does not coincide with that of the piezoelectric axis. For example, quartz rate cries are often directed by the electric field in the. direction of the optical axis and not in that of the piezoelectric axis. In fact, the shape of the crystal and its dielectric constant are usually the determining factors in a simple electrical orientation of this type.

   On the contrary, the direction of the. polarization by pressure coincides, by very definition, with the piezoelectric axis. It: follows from the above that in the process of orientation by the simultaneous action of pressure and. of an electric field (crystals type.

   B) as in the process Torientation by mechanical high frequency oscillations and. syn chronized (crystals type <B> A </B>), the determining pressure factor must, in the majority of cases, have a considerable and decisive preponderance over the electric field factor, so as to greatly reduce measure, or even eliminate completely, depending on the. forms grains of the crystal line powder and their dielectric iconstants, any parasitic orientations.



  It should be noted however that the uniformity of the orientation depends essentially, on the existence: of a report. high between the effect. polarization pressure and that of the electric field, even in the case where the absolute values of these factors are small, since in this case the orientation simply takes place more slowly (of course within the limits defined by the essential minimums).



  The importance of a preponderance of pressure and the use of high pressure leads to the possibility of using very rapid filtrations (limited of course by the generally very short time required by the orientation of a particle in addition to pension). Such a process can be denoted by the name of shock filtration (resulting for example from the rapid descent of a piston).



  The predominance of the pressure factor, that is to say of the principal polarization factor, which eliminates the danger of seeing the polarization subjected to other parasitic factors, would matter much less if it were possible. , as suggested in the patent already cited <B>, </B> to give the small crystals an absolutely spherical shape. But this provision is. difficult to achieve and the corrosion of cris rates of quartz or tourmaline, for example by (hydrofluoric acid, only rounds their angles and edges, but does not make them perfectly spherical.



  The suspension medium and the crystals put in suspension are as far as possible chosen so as to form a substance which may be said to be isodielectric, that is to say that said medium, for example a liquid (or a mixture of liquids), is chosen such that it has the same dielectric constant as the suspended piezoelectric crystals.

   In such an isodielectric suspension, an electric field (direct or alternating) acting alone does not generally produce any orientation of the crystals. Consequently, any parasitic orientation is more or less completely eliminated and a perfectly correct and complete orientation can be obtained, whatever the ratio between the electric polarization factor and the electric field factor, provided that the product of these factors is . large enough.

   It is thus possible to take full advantage of the great advantage of this shock filtration process which allows one type of; insulating liquid any shell as a support for the. suspension, due. that this liquid is subsequently removed.



       Among the other advantages of the use of an isodielectric suspension, one can quote the possibility of carrying out, in certain cases, the orientation by the only action of the electric field, in particular for certain piezoelectric crystals already having a slight polarization. initial natural electric. This suspension also makes it possible to considerably reduce the pressures and to use a report. between the polarization factor and the electric field factor.

   It is particularly interesting for pyro-electric orientation, .. because it allows the use of light pyro-electric pola risations with a. small increase in temperature, the low value of the degree of polarization being compensated by the use of a very powerful electric field. It also allows the possible use of secondary pyroelectricity.



  The advantage of using isodielectric suspensions can be particularly important in the case where type A crystals are used and in particular quartz, which pose a much more difficult problem than so-called type B crystals. In the case of quartz crystals, the parasitic orientation by the electric field can be particularly marked.

   The complete elimination of this parasitic orientation makes it possible to obtain a correct orientation with relatively very weak mechanical oscillations, while the low value of the degree of polarization obtained by the pressure can be compensated by the use of intense alternating electric fields. Even more important advantages, it is possible, under these conditions, to reduce (in the case of type A crystals) the viscosity of the liquids, and the frequency of the oscillations.



  As explained above, the use of isodielectric suspensions, while assu ras t. correct orientation, whatever the shapes:

  crystals, reduces or eliminates the advantage that the spherical shape of the suspended particles would have. But it should be taken into account that a spherical shape is nonetheless useful in reducing or eliminating possible parasitic orientations or possible errors of orientation at the moment when an oriented particle comes into contact with any one. with the filter or with the layer already deposited.



  In the case of filtration of a double suspension comprising particles of piezoelectric rate and inert particles (filling material), the latter should as far as possible be used in a much more finely divided form. than the first (insofar as this is possible without risk of clogging the filter).



  An isodielectric slurry liquid having the desired characteristics can be obtained by mixing in appropriate proportions two or more electrically insulating (preferably organic) liquids, one of which has a higher dielectric constant (k). and the other a dielectric constant (k) folds low than that of the rate cries to be suspended.

       Particularly suitable are mixtures of nitro compounds, such as nitro-benzene (7c = 34.8), nitro-ethane, with mineral or vegetable oils. As examples of suitable oils, mention may be made of: paraffin oil (k = 2.55), turpentine oil (k = 2.80), transformer oil (k = 2 , 21), olive oil (k = 3.16) and castor oil (k = 4.7).



  So, for the. suspension of cris rate of quartz (k = 4.49 and. 4; 55), nitro-benzene can be added to olive oil in a sufficient proportion to bring the value of the mixture to 4, 49 or 4.55 or again to an intermediate value; we can also. mix castor oil with another oil (eg turpentine) so as to obtain the desired result.

   For the suspension @de tourmaline <I> (1c = 7.1 </I> and 6.05), it is possible to add a proportion of nitro-benzene increased to a corresponding extent to oil of olive or alternatively use castor oil instead of olive oil, so that a smaller amount of nitro-benzene is sufficient.



  Although the exact proportions of the ingredients required can be calculated from their known constants, it may be simple, in many cases, to effect the mixing in a vessel provided with a suitably arranged condenser mounted in series with a measuring device indicating directly the electric capacity of this capacitor (and, consequently, the k value of the mixture). In the empirical choice of the proportions of the materials used, it is not necessary to take into account the temperature or the volume of the bath.

   The suggested mixtures (including viscous oils) have a high viscosity, which ensures the. stability of the suspension for the time required and (especially when using castor oil) good transmission without cavitation of the high frequency oscillations generally recommended for orientation of type A crystals.



  In the case of. two dielectric constants differing. in two different directions it is possible to form a liquid of medium dielectric constant, where possible slight deviations from the ideal isodielectric suspension are small enough to be practically possible. ne gligés.



       In the case of a double suspension (powder of piezoelectric crystals and powdery filling material) it is appropriate, as previously indicated, to use the filling material in a form if possible phis finely. divided than that of piezoelectric crystals.



       In this case, the liquid with only its filler material has its own average dielectric constant (that is to say the constant of the liquid itself, modified by that of the suspended matter) which can be denoted under the name of apparent dielectric constant and in the double isodielectric suspension, the apparent dielectric constant must.

       "be at least approximately equal to the dielectric constant of the piezoelectric material.



  One could also combine the isodielectric suspension with an isobaric suspension in which the liquid supporting the material in suspension is chosen such that it has, on the one hand., The. same dielectric constant as. piezoelectric material and, on the other hand, the same density as the suspended particles. This arrangement can be useful in the case of liquids with low screw cosity, so as to determine a more stable and homogeneous suspension and to eliminate any possible disturbance which may result from the. settling or the. sedimentation.

   It is. Note, however, that the isobaric suspension in itself does not contribute to orientation itself. said, iii to its correctness and the. preparing an isobaric suspension can be quite tricky. The use of sufficiently rapid or even ultra-rapid filtration, if necessary, makes it possible to proceed successfully without isobaric suspension.



  The isodielectric suspension allows to obtain a perfect orientation of the piezoelectric material as well as a high piezoelectric modulus corresponding to the high key ratio of the piezoelectric material in suspension, to the key filling material in the final product. .



  An increase in this modulus can be determined by further reducing the interstices between the crystals. This can be accomplished by subjecting an artificial element obtained in the above manner to greater compression sufficient to produce grinding of the crystalline particles in intimate contact. Such grinding can be obtained by subjecting the element to the powerful pressure of a hydraulic piston possibly in the form of a violent mechanical shock, or even by stretching the element in a rolling mill.



  Such rolling, or the compression of the rolled product, is preferably carried out at a temperature or under conditions such that the filling material (which can advantageously be a thermoplastic material) still has sufficient plasticity to allow it to come out of the interstices. on the surface, from where it can be removed by any suitable means. To this end, said filler material can be heated to a sufficient extent so that it is softened and the piezoelectric material and the filler material are then compressed into a compact mass.

   According to another embodiment, in the case of application of pressure by a piston, the excess filling material may be absorbed by a thin layer of a suitable porous material. Preferably, when contemplating such grinding, the volume of the powdery filling material may be chosen relatively small and considerably less than the normal volume of the interstices. During grinding, the final volume of the interstices is reduced to the desired minimum volume of the filling material, said material constituting a very fine matrix between the crystalline fragments produced by the grinding of the crystals.



  In particular, the crystalline powder can be for example quartz or preferably tourmaline and the filling material can. be a low melting point glassy powder, for example glass or a low melting point oxide taken in a low proportion, as explained above. The plate or the layer formed by these two (particle oriented) powders heated to the softening temperature of the vitreous powder is suitably subjected to a violent crushing shock or to a powerful and lasting pressure. phis or smaller under a hydraulic press.



  In the processes intended to make the material more compact previously mentioned, it is evident that a powerful crushing pressure can rupture and disorient a part of the piezoelectric material while increasing its concentration or its density with respect to the mass. layer considered as a whole. It is therefore necessary to prolong the grinding operation only to the extent that the increase in the piezoelectric modal of the layer considered as a whole due to the concentration is not exceeded by the reduction of this modulus resulting from the breaking and decaying of the particles.



  In a large number of cases it is sufficient to prepare the artificial piezoelectric material in regularly shaped plates (e.g. square, hexagonal, triangular, etc.) with moderate linear dimensions, e.g. from about 125 to 250 mm , capable of forming a large and very large mosaic. Plates or sheets of large dimensions can, of course, be obtained by a single operation, these .dimensions being limited only by those of the apparatus used.



  It is also possible, either by the process described in the aforementioned patent, or by the process described in Swiss patent N 278746, to form artificial piezoelectric material plates of curved, cylindrical shape, concave, convex or even spherical.

    Of particular interest are forms such that the ultra-acoustic energy emitted can be focused and concentrated on points, lines or surfaces much smaller than the emitting surfaces. In the process described --@in the present. patent, such shapes can be obtained by filtration if provided. filter surfaces having. the desired dimensions and shape.

 

Claims (1)

REVENDICATION: Procédé de fabrication d'un élément piézo-électrique artificiel, caractérisé en ce qu'on divise finement de la matière piézo électrique, qu'on met ladite: matière en sus pension dans un milieu comprenant. un fluide et dont la. constante diélectrique est au moins approximativement égale à celle de la dite matière, qu'on oriente ladite matière par rapport à ses axes piézo-électriques de ma nière sensiblement. uniforme, qu'on élimine pratiquement complètement. ledit fluide pen dant que la. matière piézo-électrique est. maintenue dans son état. orienté. SOUS-REVENDICATIONS l.. CLAIM: A method of manufacturing an artificial piezoelectric element, characterized in that piezoelectric material is finely divided, that said material is placed in suspension in a medium comprising. a fluid and whose. dielectric constant is at least approximately equal to that of said material, that said material is oriented with respect to its piezoelectric axes substantially. uniform, which is almost completely eliminated. said fluid during the. piezoelectric material is. maintained in its condition. oriented. SUB-CLAIMS l .. Procédé suivant la. revendication, ca ractérisé en ce que l'orientation est. produite par d'un champ électrique et de la polarisation électrique initiale de la matière mise en suspension. 2. Procédé suivant la revendication et la sous-revendication 1, caractérisé en ce que la polarisation électrique initiale est. produite par compression de la suspension. 3. Process according to. claim, ca acterized in that the orientation is. produced by an electric field and the initial electric polarization of the suspended matter. 2. Method according to claim and sub-claim 1, characterized in that the initial electrical polarization is. produced by compression of the suspension. 3. Procédé suivant, la revendication et la sous-revendication 1, caractérisé en ce que la polarisation électrique initiale est produite pyro-électriquem.ent par une variation de la température de la suspension. Procédé suivant la revendication, ca ractérisé en ce que l'orientation est. produite par effets synchrones d'un champ électrique alternatif et. d'oscillations mécaniques de la même fréquence. 5. A method according to claim and sub-claim 1, characterized in that the initial electrical polarization is produced pyro-electrically by a variation in the temperature of the suspension. A method as claimed in claim, characterized in that the orientation is. produced by synchronous effects of an alternating electric field and. mechanical oscillations of the same frequency. 5. Procédé suivant. la revendication, ca ractérisé en ce que le milieu fluide est un mélange d'au moins deux substances dont l'une a une constante diélectrique supérieure, et. l'autre une constante diélectrique infé rieure, à celle de la, matière piézo-électrique. 6. Procédé suivant la revendication, ca ractérisé en ce que ledit milieu comprend, outre un, fluide, de la matière de remplis sage finement divisée en suspension dans le fluide. 7. Next process. claim, characterized in that the fluid medium is a mixture of at least two substances, one of which has a higher dielectric constant, and. the other a dielectric constant lower than that of the piezoelectric material. 6. A method according to claim, characterized in that said medium comprises, besides a fluid, finely divided filler material suspended in the fluid. 7. Procédé suivant la revendication et la sous-revendication 6, caractérisé en ce que la matière de remplissage est. plus finement. di visée que la matière piézo-électrique. 8. A method according to claim and sub-claim 6, characterized in that the filling material is. more finely. di referred to as piezoelectric material. 8. Procédé suivant. la revendication et la sous-revendication 6, caractérisé en ce que le volume total de. la matière de remplissage est inférieur au volume total des interstices exis tant dans la matière piézo-éleet.rique orientée après l'élimination du fluide et en ce qu'on comprime ladite matière piézo-électrique et ladite matière de remplissage pour les amener dans un état tel que la matière de remplis sage remplisse les interstices. 9. Procédé suivant la revendication et la sous-revendication 6, caractérisé en ce que la. Next process. claim and sub-claim 6, characterized in that the total volume of. the filling material is less than the total volume of the interstices existing in the oriented piezoelectric material after removal of the fluid and in that said piezoelectric material and said filling material are compressed to bring them into a state such that the wise filling material fills the interstices. 9. A method according to claim and sub-claim 6, characterized in that the. matière de remplissage est thermoplastique et en ce qu'on chauffe ladite matière de rem plissage dans une mesure suffisante pour qu'elle soit ramollie et: qu'on comprime la matière piézo-électrique et. la matière de rem plissage en une masse compacte. 10. Procédé suivant. la revendication et les sous-revendications 6 et. 9, caractérisé en ce que la. matière piézo-électrique est de la tourmaline et en ce que la matière de rem plissage est. du verre. filling material is thermoplastic and in that said filling material is heated to a sufficient extent so that it is softened and that the piezoelectric material is compressed and. the filling material into a compact mass. 10. Next process. claim and sub-claims 6 and. 9, characterized in that the. piezoelectric material is tourmaline and in that the filling material is. glass.
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