DE1011646B

DE1011646B - Element zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie oder umgekehrt, das aus polykristallinem keramischem Material besteht

Info

Publication number: DE1011646B
Application number: DEN5051A
Authority: DE
Inventors: Edwin J Brajer
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1951-02-10
Filing date: 1952-02-05
Publication date: 1957-07-04
Also published as: FR1052792A; BE509098A; NL85585C; GB716046A; US2708243A; CH304854A

Description

DEUTSCHES

Es ist bekannt, daß manche polykristallinen keramischen Stoffe, wie z. B. Bariutntitanat, die gegebenenfalls durch das Anlegen einer ziemlich hohen Gleichspannung dauernd polarisiert sind, als Elemente zum Umwandeln mechanischer in elektrische Energie, oder umgekehrt, benutzt werden können.

Solche Elemente können dadurch hergestellt werden, daß die Bestandteile in feinpulverisierter Form gemischt werden, ihnen z. B. durch Pressen, Gießen oder Spritzen eine bestimmte Form gegeben und danach das so erhaltene Formstück gesintert wird.

Bei einem solchen Element soll der sogenannte »Umformungs-Koeffizient« möglichst hoch sein. Unter dem »Umformungs-Koeffizienten« versteht man das Verhältnis der beim Anlegen eines mechanischen Druckes senkrecht zur Polarisationsrichtung frei werdenden elektrischen Energie zur dabei aufgewandten mechanischen Energie.

Hohe Werte des »Umformungs-Koeffizienten« zeigen insbesondere Elemente aus Werkstoffen, die im wesentlichen aus Bariumtitanat bestehen und die nach der Sinterung nicht mehr als die normalerweise auftretenden Verunreinigungen in Höhe von bis zu etwa 1 °/o enthalten. Diese Verunreinigungen bestehen z. B. aus Oxyden von Strontium, Calcium, Natrium, Aluminium und Silizium. Von diesen Werkstoffen ist es bekannt, daß ihre Dielektrizitätskonstante sehr hoch ist und stark von der Temperatur abhängt. Insbesondere tritt bei etwa 120° C ein sehr hohes erstes Maximum und bei etwa 10° C ein niedrigeres zweites Maximum auf. Die Temperatur, bei der das erstgenannte Maximum liegt, wird im folgenden der »erste Übergangspunkt« genannt, und die niedrigere Temperatur, bei der die Dielektrizitätskonstante ein zweites, wenn auch niedrigeres, Maximum aufweist, wird als der »zweite Übergangspunkt« bezeichnet. An diesen Übergangspunkten erfolgt eine Umwandlung im Kristallgefüge und ein Übergang zu einer anderen Struktur.

Diese Strukturumwandlung wirkt sich nicht nur auf die Dielektrizitätskonstante, sondern auch auf den Umformungs-Koeffizienten aus, und zwar insbesondere am zweiten Übergangspunkt, der in der Nähe der Zimmertemperatur liegt. Hat man nämlich einen im wesentlichen aus Bariumtitanat bestehenden Körper unterhalb des zweiten Übergangspunktes polarisiert, so erhält man einen höheren Umformungs-Koeffizienten als ohne Polarisation.

Bei zunehmender Temperatur tritt in der Nähe des zweiten Übergangspunktes jedoch eine erhebliche Verminderung des Umformungs-Koeffizienten ein, und bei späterer Abkühlung wird der durch Polarisation erzielte hohe Wert nicht wieder erreicht.

Neben einer Erhöhung des Umformungs-Koeffi-Element zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie oder umgekehrt,
das aus polykristallinen! keramischem
Material besteht

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. K. Lengner, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. Februar 1951

Edwin J. Brajer, Maple Heights, Ohio (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

zienten selbst ist es daher erforderlich, dafür zu sorgen, daß der zweite Übergangspunkt so hoch liegt, daß er im praktischen Betrieb nicht überschritten wird. Da der übliche Betriebstemperaturbereich bei Zimmertemperatur (20° C) liegt und sich von etwa 0 bis 40° C erstreckt, soll der zweite Übergangspunkt möglichst oberhalb dieses Temperaturgebietes liegen.

Bei einem Element zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie oder umgekehrt aus polykristallinem keramischem Material, das hauptsächlich aus Bairumtitanat besteht, erhält man einen wesentlich höheren Umformungs-Koeffizienten und eine Verschiebung des zweiten Übergangspunktes über etwa 40° C hinaus, wenn gemäß der Erfindung das Material einen Zusatz von 1,5 bis 4 Gewichtsprozent

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Zirkonoxyd enthält. Dabei können bis etwa 1% Ver- nehmendem Zirkonoxydgehalt ändert. Dieser erste unreinigungen vorhanden sein, wie sie die bei der Übergangspunkt liegt bei 120° C, wenn gar kein Herstellung verwendeten üblichen Rohstoffe meist Zirkonoxyd vorhanden ist, und nimmt bis auf etwa enthalten. 75° C ab, wenn bis zu 8 Gewichtsprozent Zirkon-

Es ist zwar an sich bekannt,' daß die Eigenschaft 5 oxyd zugesetzt worden ist.

keramischer Materialien, die ■ zur Verwendung als Das Verhalten des zweiten Übergangspunktes bei

Kondensator-Dielektrika oder als Isolierstoff be- zunehmenden Mengen Zirkonoxyd wird durch die stimmt sind und die aus Titanaten von Erdalkali- Kurve 21 dargestellt. Aus dieser geht hervor, daß der metallen oder von seltenen Erden allein oder in zweite Übergangspunkt für Bariumtitanat, in dem Mischung bestehen, durch gewisse Zusätze aus einer io kein Zirkonoxyd vorhanden ist, bei 15° C liegt und großen Anzahl von verschiedenen Oxyden, dabei auch daß dieser Punkt auf 75° C verschoben ist, wenn der Zirkonoxyd, beeinflußt werden'können. Man hatte Gehalt an Zirkonoxyd etwa 8 Gewichtsprozent bejedoch nicht festgestellt, daß unter der großen Anzahl trägt.

dieser bekannten keramischen Dielektriken auch - Die Änderung des Umformungs-Koeffizienten mit solche mit guten piezoelektrischen Eigenschaften sind 15 dem Zirkonoxydgehalt bei etwa 25° C ist aus und insbesondere, daß bei Bariumtitanat durch den Kurve 22 .ersichtlich. Man sieht, daß bei etwa 2°/o Zusatz einer geringen Menge von Zirkonoxyd gerade Zirkonoxydgehalt ein ausgeprägtes Maximum aufin dieser Hinsicht wesentliche Verbesserungen er- tritt. Für die Praxis ist, wie oben dargetan wurde, reicht werden können.. ..'.'. "" aber nicht nur eine Vergrößerung des Umformungs-

Für solche Anwendungsfälle, bei denen ein piezo- 20 Koeffizienten, sondern auch eine Verschiebung des elektrisches Element bezüglich seiner Eigenfrequenz ■ zweiten Übergangspunktes noch höherer Temperatur ausgenutzt wird, z. B. zur. Frequenz-Stabilisierung wichtig. Diese wird gemäß Kurve 21 bei zunehmeneines Oszillators, ist es erwünscht, daß der Frequenz- dem Zirkonoxydgehalt ebenfalls erreicht. Koeffizient möglichst klein ist. Unter dem Frequenz- Aus den Kurven der Fig. 2 geht hervor, daß mit

Koeffizienten wird hierbei die Eigenfrequenz der 25 Zusätzen von Zirkonoxyd zwischen 1,5 und 4 Gewichts-Volumeinheit des betreffenden Werkstoffes bei einer ' prozent eine wesentliche Verbesserung erzielt wird, festen Temperatur verstanden. Es hat sich gezeigt, die bei einem Gehalt von etwa 2 Gewichtsprozent daß ein Element nach der Erfindung auch in dieser besonders stark hervortritt.

Hinsicht weitgehend temperätuTUnabhängig und damit Es hat sich weiter gezeigt, daß der Zusatz von

sehr vorteilhaft ist. .... - . 30 Zirkonoxyd auch die Sinterung erleichtert, so daß

Die Erfindung wird nachstehend air Hand der _man geringere Mengen Sintermittel, wie z.B. Zeichnung beispielsweise-näher erläutert. Die Kurven Siliziumoxyd, zuzusetzen braucht, nach Piezoelektrische Elemente sollen vielfach bei einer

Fig. 1 zeigen die Temperaturabhängigkeit des Um- Frequenz verwendet werden, die annähernd ihrer formungs-Koeffizienten auf;.; . 35 (mechanischen) Eigenfrequenz entspricht. Elemente,

Fig. 2 zeigt, wie sich die Lagen des ersten und des die nur aus Bariumtitanat bestehen^ weisen eine zweiten Übergangspunktes sowie des Umformungs- starke Abhängigkeit der Eigenfrequenz von der Tem-Koeffizienten mit dem Zirkonoxydgehalt ändern; peratur auf, und zwar gerade in dem für die Praxis

Fig. 3 bezieht sich auf Sie Temperaturabhängigkeit wichtigen Gebiet zwischen 0 und 40° C. Dies zeigt des Frequenz-Koeffizienten eines bei. der Erfindung 40 Fig. 3, in der Frequenz-Koeffizient von Bariumverwendeten Werkstoffes im Vergleich zu Barium- -■ titana.t über . der Temperatur aufgetragen ist titanat. (Kurve 24). Auch der Frequenz-Koeffizient zeigt er-

In Fig. 1 bezieht sich die Kurve 18 auf einen sichtlich in der Nähe des zweiten Übergangs-Werkstoff, der im wesentlichen aus Bariumtitanat be- punktes starke Änderungen, was unerwünscht ist. steht und unterhalb des zweiten Übergangspunktes 45 In Kurve 25 ist der Verlauf des Frequenzpolarisiert wurde. Aus der Kurve 18 geht hervor, ■ Koeffizienten bei Bariumtitanat mit 3 % Zirkonoxyd daß bei steigender Temperatur der Umformungs- dargestellt. Zwar liegt auch hier ein Bereich starker Koeffizient sich zunächst;kaum ändert, bei weiter an- Änderungen.etwa beim zweiten Übergangspunkt; dies steigender Temperatur in. der Nähe, des zweiten Über- stört'jedoch praktisch nicht, da dieser Übergangsgangspunktes abnimmt "und" schließlich allmählich 50 punkt zu höheren Temperaturen verschoben ist. Der weiter absinkt. Wenn die Temperatur wieder ver- · Frequenz-Koeffizient bleibt somit im Betriebsringert wird, steigt der Umformungs-Koeffizient Temperaturbereich ziemlich unverändert, zwar wieder an, aber bei. weiter fortgesetzter Ab- I_n der nachstehenden Tabelle ist der Umformungskühlung, wird der ursprüngliche Wert nicht mehr er- Koeffizient von bei Zimmertemperatur polarisiertem reicht. Daraus geht hervor, "daß es wesentlich ist, in 55 Bariumtitanat ohne Zusatz und mit Zusätzen angeder Praxis den betreffenden· Werkstoff immer auf geben. Man sieht, daß bei der nach der Erfindung einer Temperatur unterhalb des zweiten Übergangs- benutzten Zusammensetzung eine wesentliche Verpunktes zu halten. "-'' - besserung auftritt.

Die Kurve 19 in Fig; 1 gilt für ein piezoelektrisches Zum Vergleich ist der Umformungs-Koeffizient

Element aus Bariumtitanat, dem nach der Erfindung 60 einer Zusammensetzung angegeben, die außer Gewichtsprozent Zirkdnoxyd zugesetzt sind. Diese Bariumtitanat 4% Bariumzirkonat enthält. Zwar ist Kurve läßt erkennen, daß der Umformungs-Kpeffi- auch in dieser Masse Zirkonoxyd (1,8%) enthalten, zient im Temperaturbereich um 25° C annähernd und es wird etwa die gleiche Verschiebung des konstant ist" und daß weiter in diesem Bereich dieser zweiten Ubergangspunktes nach höheren Tempera-Koeffizient beträchtlich höher liegt als.bei Barium- 65 türen erzielt. Infolge der Verbindung des Zirkontitanat, wenigstens wenriSas Material polarisiert wird oxydes mit Bariumoxyd tritt jedoch die bei der Er- und danach nicht einer Temperatur. oberhalb seines findung erzielte Verbesserung des Umformungszweiten Übergangspunktes ausgesetzt gewesen ist. Koeffizienten nicht auf. Der Umformungs-Koeffizient

Kurve 20 in F"ig. 2 zeigt; wie die Lage, des ersten igt sogar merklich kleiner als bei Bariumtitanat ohne Übergangspunktes bei BaHumtitanat sich mit zu- 70 Zusatz.

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BaTiO₃ 5 )

Ba Ti O₃+2 »/ο Zr O₂ 7,6 \ 10~³

BaTi0₃+4°/oBaZr0₃ .. 4,0 J

Volt

J^e

Claims

PATENTANSPRUCH:

Element zum Umwandeln mechanischer in elektrische Energie, oder umgekehrt, aus polykristallinem keramischem Werkstoff, der haupt-

sächlich aus Bariumtitanat besteht, gekennzeichnet durch einen Zusatz von 1,5 bis 4 Gewichtsprozent Zirkonoxyd.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 680 204; britische Patentschrift Nr. 574 577; USA.-Patentschrift Nr. 2 402 516; Physical Review, Bd. 71, 1947, S. 890 bis 895.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen