DE1101032B - Ceramic electrostrictive transducer and process for its manufacture - Google Patents
Ceramic electrostrictive transducer and process for its manufactureInfo
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Description
Elektrostriktiver Wandler aus keramischem Material und Verfahren zu seiner Herstellung Es ist bei elektrostriktiven Wandlern aus keramischem Material, sogenannten piezoelektrischen Wandlern, bekannt, diese aus mehreren mit Elektroden belegten Teilen zusammenzusetzen und diese Teile durch Kleben oder Kitten miteinander zu verbinden. Das Kleben oder Kitten hat den Nachteil, daß dadurch eine Fremdsubstanz in den Wandler eingebracht wird, die die mechanischen Eigenschaften verschlechtert und die Empfindlichkeit beim elektromechanischen Wandlungsprozeß herabsetzt.Ceramic electrostrictive transducer and method too its manufacture In the case of electrostrictive transducers made of ceramic material, so-called piezoelectric transducers, known, these from several with electrodes Assemble occupied parts and these parts by gluing or cementing together connect to. Gluing or cementing has the disadvantage that it creates a foreign substance is introduced into the transducer, which deteriorates the mechanical properties and reduces the sensitivity in the electromechanical conversion process.
Diese Nachteile treten nicht auf, wenn bei mit Elektroden versehenen piezoelektrischen Wandlern aus keramischem Material erfindungsgemäß die Elektroden allseitig von dem keramischen Material des Wandlers umgeben sind.These disadvantages do not occur when using electrodes piezoelectric transducers made of ceramic material according to the invention, the electrodes are surrounded on all sides by the ceramic material of the transducer.
Zur Herstellung der Wandler nach der Erfindung werden die Elektroden vor dem Brennen in die Ausgangsmasse, z. B. pulverisiertes Bariumtitanat, mit den nötigen Zusätzen eingesetzt. Damit sie während des Brennvorganges ihre Lage beibehalten, kann man sie vor dem Einsetzen mit kleinen Stiften aus bereits gebranntem keramischem Matenial haltern. Diese Stifte können auch aus -der Brennform herausragen, und, soweit sie überstehen, anschließend vom gebrannten Wandler abgesägt oder abgeschliffen werden.To manufacture the transducer according to the invention, the electrodes before firing in the starting mass, e.g. B. powdered barium titanate, with the necessary additives used. So that they maintain their position during the firing process, you can fix them before inserting them with small pins made of ceramic that has already been fired Hold material. These pins can also protrude from the firing mold, and as far as they protrude, then sawn off or sanded off the burnt converter will.
Es ist zwar auch ein Wandler bekannt, bei dem die als engmaschige Gitter ausgebildeten Elektroden vor,dem Brennen in die Masse eingesetzt sind, so daß sie sich - wie bei Wandlern nach der Erfindung -während des Brennvorganges mit .denn keramischen Material verbinden. Bei diesem bekannten Wandler liegen aber die äußeren Elektroden mit ihrer einen Oberfläche frei auf den Endflächen .des Wandlers auf. Und auch die inneren Elektroden schließen mit ihren Kanten mit den Außenflächen des Wandlers ab. Dem-,gemäß sind bei ,diesem bekannten Wandler die Elektroden im Gegensatz zu Wandlern nach der Erfindung nicht allseitig von dem keramischen Material des Wandlers umgeben. Bei der Erfindung ist es gegenüber diesem bekannten Wandler vorteilhaft, daß das Elektrodenniaterial - abgesehen von den Zuleitungskabeln - nicht mit dem den Wandler umgebenden Medium in Kontakt gerät und .demgemäß, wenn das Medium aggressiv ist, auch nicht von diesem Medium angegriffen werden kann. Es ist bei Wandlern nach der Erfindung im Gegensatz zu Wandlern der genannten bekannten Art nur erforderlich, das keramische Material ausreichend korrosionsbeständig zu wählen, während es bei Wandlern der bekannten Art erforderlich .ist, daneben auch dafür Sorge zu tragen, daß das Elektrodenmateri.al gegenüber dem den Wandler umgebenden Medium ausreichend korrosionsbeständig ist. Unabhängig davon haben Wandler nach der Erfindung, da ihre Oberflächen nicht von E lektrodenteilen durchbrochen sind, sondern einheitlich sind, wenn sie beispielsweise als Schallgeneratoren betrieben werden, eine sauberere Charakteristik, da die schallabstrahlende Fläche ,einheitlich ist. Entsprechendes gilt natürlich auch für die übrigen Betriebsarten.It is also known that a converter is known as a close-meshed Lattice-shaped electrodes are inserted into the mass before burning, so that they - as with converters according to the invention - during the burning process .because connecting ceramic material. In this known converter, however, are the outer electrodes with one surface free on the end surfaces of the transducer on. And the edges of the inner electrodes also close to the outer surfaces of the converter. Accordingly, in this known transducer, the electrodes are in the In contrast to transducers according to the invention, not from the ceramic material on all sides of the converter surrounded. In the invention it is opposite to this known transducer advantageous that the electrode material - apart from the supply cables - does not come into contact with the medium surrounding the transducer and, accordingly, if the medium is aggressive and cannot be attacked by this medium. In the case of transducers according to the invention, in contrast to the transducers mentioned, it is known Kind only required to make the ceramic material sufficiently corrosion resistant choose, while it is necessary for converters of the known type, as well as to ensure that the electrode material opposite the one surrounding the transducer Medium is sufficiently resistant to corrosion. Regardless of this, converters have after of the invention, since their surfaces are not broken by electrode parts, but are uniform when operated as sound generators, for example a cleaner characteristic because the sound-emitting surface is uniform is. The same naturally also applies to the other operating modes.
Falls die Betriebsbedingungen und die Montage des Wandlers derart sind, .daß nur ein Teil der Außenfläche des Wan(dIers an das korrodierende Medium angrenzt, genügt es hierfür, die Elektrode nur an diesen Teilen des Wandlers mit ,dem keramischen Material zu überziehen bzw. in dieses einzuschließen.If the operating conditions and the installation of the converter are such that only part of the outer surface of the wall is exposed to the corrosive medium it is sufficient for this to only include the electrode on these parts of the transducer to coat or enclose the ceramic material.
Damit die Elektroden dien Verband der gesinterten keramischen Masse möglichst wenig stören, sind, gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung, die Elektroden aus Drahtgeflecht oder aus Platten mit Durchbrüchen so ausgebildet, daß das keramische Material durch die Elektroden, also durch die Maschen des Geflechtes oder die Durchbrüche, hindurchgreift.So that the electrodes serve as a bond for the sintered ceramic mass disturb as little as possible, are, according to an expedient development of the invention, the electrodes are made of wire mesh or plates with openings in such a way that that the ceramic material through the electrodes, i.e. through the mesh of the braid or the breakthroughs, reaching through.
Bei bekannten Wandlern sind die Elektroden an den äußeren Flächen angeordnet, und damit ist der Verlauf der elektrischen Felder bestimmt. Der Felderlauf muß aber .diversen Bedingungen genügen, um eine einwandfreie Schwingung anmuregen, welche Bedingungen wiederum ,die Freiheit in der Wahl der Wandlerform bei den bekannten Wandlern einschränken. Erst durch die Erfindung ist es möglich, das Feld unabhängig von der Form des Wandlers durch Einbetten der Elektrode zu gestalten und damit die Form des Wandlers, beispielsweise in der in den Figuren dargestellten Weise, zweckentsprechend zu gestalten. Entsprechendes ,gilt für die Ausbildung und Anordnung der Elektroden. Denn die Ausbildung .der Elektroden ist bei Wandlern nach der Erfindung frei von der Bedingung, an der Außenfläche anzuliegen ---; wie dies bei bekannten Wandlern .der Fall ist -s womit .dien zweckmäßigen Gestaltungen der Elektroden, wie säe in den unten beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen sind, möglich wurden.In known transducers, the electrodes are on the outer surfaces arranged, and thus the course of the electric fields is determined. The field run but must meet various conditions in order to stimulate a perfect oscillation, which conditions in turn, the freedom in the choice of the transducer shape with the known Restrict converters. Only through the invention is it possible to make the field independent on the shape of the transducer by embedding the electrode and thus the Shape of the transducer, for example in the manner shown in the figures, appropriate to the purpose to design. The same applies to the design and arrangement of the electrodes. Because the formation of the electrodes is free of transducers according to the invention the condition to lie against the outer surface ---; like this with known ones Transducers .the case - with which .the appropriate designs of the electrodes, as are provided in the exemplary embodiments described below, possible became.
Auch bezüglich der Anordnung .der Elektroden bestecht bei der Vorrichtung nach der Erfindung weitgehende Freiheit, @da man nicht an die äußere Form des Wandlers gebunden ist, wie es bei dem eingangs geschilderten bekannten zusammengesetzten Wandler der Fall ist. So kann man beispielsweise die Elektroden im Innern des Wandlers auf den Außenflächen geometrischer Gebilde anordnen, die zueinander und zum Wandler koaxial sind und in ihrer Form .der des Wandlers ähnlich sind.The device is also impressive with regard to the arrangement of the electrodes according to the invention extensive freedom, @ since one does not have to adapt to the external shape of the transducer is bound, as is the case with the known compound described above Converter is the case. For example, you can place the electrodes inside the transducer Arrange on the outer surfaces of geometrical structures, which are to each other and to the transducer are coaxial and have a shape similar to that of the transducer.
Man kann die Elektroden auch so ausbilden und anordnen, daß nur Teile,des piezoelektrischen Wandlermaterials zwischen dicht nebeneinander angeordneten, gegenpoligen Elektrodenteilen und d amit ,innerhalb eines Gebietes großer Stärke des angelegten elektrischen Feldes liegen, andere dagegen außerhalb der genannten Gebiete. Zu diesem Zweck kann man die Elektroden beispielsweise .mit verschiedenen Durchbrüchen versehen und/oder sie mit ungleichen Abständen zueinander anordnen, so daß bei einem angelegten elektrischen Feld an die Elektrode nur Teile des Wandlers von dem Hauptteil des elektnischen Feldes durchzogen werden, während andere Teile nur in sehr geringem Maße von Feldlinien durchsetzt werden. Die letztgenannten Gebiete nehmen dann natürlich an dem eigentlichen pi.ezoelektrischen Wandlerprozeß nicht teil, sie sind aber träge schwingende Massen und können aus diesem Grunde zur Beeinflussung des Schwingungsprozesses herangezogen werden. Es ist zwar bekannt, bei piezoelektrischen Wandlern piezoinaktive Massen als Schwingmassen zur Beeinflussung der Schwingung heranzuziehen. So ist z. B. ein Wandler bekannt, der aus einem quaderförmigen Schwingkristall besteht, auf dessen Endflächen Elektroden befestigt sind. Dieser quaderförmige Körper ist mitsamt den Elektroden zwischen zwei zusätzliche Platten aus piezoelektrisch inaktivem Material eingespannt, um die Resonanz dieses Schwingkristalls zu beeinflussen. Während bei diesem bekannten Wandler besondere Elemente zur Beeinflussung der Resonanz vorgesehen sein müssen, erfolgt dies bei Wandlern nach der Erfindung durch die geeignete Formgebung .des Wandlers und-Anordnung der Elektroden ohne( zusätzliche Elemente und ohne da:ß damit die einheitliche Materialstruktur des fertigen Wandlers gestört werdenmuß. Die Zuleitungen für die Elektroden führt man zweckmäßigerweise alle an der gleichen Stelle aus dem Wandler heraus, vorzugsweise an der .der schallabstrahlenden gegenüberliegenden. Man kann auch für die Elektroden gleichen Vorzeichens innerhalb des Wandlers elektrische Verbindungen vorsehen und nur eine Zuleitung aus den Wandler herausführen. Im letzteren Fall ist man allerdings daran gebunden, :die Elektroden zur Vorpolarisation und zur Anregung in der gleichen Zusammenstellung zu verwenden,. was nicht nötig ist; wenn für jede einzelne Elektrode eine eigene Zuleitung herausgeführt ist. Stellt man die Elektroden zur Vorpolarisation in anderer Weise zusammen als zur Anregung, oder verwendet man zur Vorpolarisabion zusätzlich -aufgelegte Elektroden, so kann man in an sich bekannter Weise den Wandler als Biege-, Torsions- oder Sattelschwinger ausbilden und ihn beispielsweise bei Vorrichtungen zur Abtastung oder Beschriftung von Lautschriftträgerri- verwenden. In einem solchen Falle empfiehlt es sich, auch den Nä.delhalter bereits vor dem Brennen in den Wandler einzufügen, so daß er nachher fest mit diesem verbunden ist.The electrodes can also be designed and arranged in such a way that only parts of the piezoelectric transducer material between closely spaced oppositely polarized electrode parts and that is, within an area of great strength of the applied electric field, while others lie outside of the areas mentioned. For this purpose, the electrodes can, for example, have different openings and / or they can be arranged at unequal distances from one another, so that when an electrical field is applied to the electrode, only parts of the transducer are traversed by the main part of the electrical field, while other parts only are penetrated to a very small extent by field lines. The last-named areas then of course do not take part in the actual piezoelectric converter process, but they are inertially oscillating masses and for this reason can be used to influence the oscillation process. It is known to use piezo-inactive masses as oscillating masses for influencing the oscillation in piezoelectric transducers. So is z. B. a transducer is known, which consists of a cuboid oscillating crystal, on the end faces of which electrodes are attached. This cuboid body, together with the electrodes, is clamped between two additional plates made of piezoelectrically inactive material in order to influence the resonance of this oscillating crystal. While with this known transducer special elements have to be provided to influence the resonance, this is done with transducers according to the invention by the appropriate shaping of the transducer and arrangement of the electrodes without (additional elements and without the uniform material structure of the finished transducer The leads for the electrodes are expediently all led out of the transducer at the same point, preferably at the opposite one that emits sound. It is also possible to provide electrical connections for the electrodes of the same sign within the transducer and only one lead out of the transducer . deduce in the latter case, however, is linked thereto.,: to use the electrodes to the pre-polarization and excitation in the same compilation ,. is what is not necessary, if an own supply line is led out for j ny single electrode if one the electrodes for prepolarization in other he way together as for excitation, or if additional electrodes are used for pre-polarization, the transducer can be designed as a bending, torsion or saddle transducer in a manner known per se and use it, for example, in devices for scanning or labeling phonetic transcription carriers. In such a case, it is advisable to insert the nail holder into the converter before firing so that it is firmly connected to it afterwards.
Wenn in der Beschreibung ,und in ,den Ansprüchen von der »schallabstrahlenden Flächhe«,di.e Rede ist, so soll damit nichtgesagt sein, daß .die Wandler nach der Erfindung nur als Sender Verwendung finden können. Vielmehr ist auch ein Empfang mit den beschrie,benen Anordnungen .möglich; die scha.llabstrahlen,de Fläche wird dann zur schallaufnehmenden Fläche.If in the description, and in, the claims of the »sound radiating Flat height ", that is to say, is not intended to mean that the transducers after the Invention can only be used as a transmitter. Rather, it is also a reception with the described arrangements. possible; which radiate the sound, the surface becomes then to the sound-absorbing surface.
Die Erfindung wird nun an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention will now be described in greater detail using a few exemplary embodiments explained.
In Fig. 1 ist ein quaderförmäger Block aus elektrostriktivem keramischem Material dargestellt, in dem die Elektroden 1 bis 6, die aus Drahtgeflecht bestehen, planparallel und in gleichem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Zuleitungen 7 bis 12 zu den Elektroden sind alle an der gleichen Seite aus dem Wandler herausgeführt. Zur (besseren Anschaulichkeit ist der Wandler .an einer Ecke aufgebrochen dargestellt.In Fig. 1 is a cuboid block made of electrostrictive ceramic Material shown in which the electrodes 1 to 6, which consist of wire mesh, are arranged plane-parallel and at the same distance from one another. The supply lines 7 to 12 of the electrodes are all led out of the transducer on the same side. For better clarity, the converter is shown broken away at one corner.
In Fig. 2 .ist ein zylinderförmiger - Wandler dargestellt, bei dem die Elektroden 17, 18, 19 im Innern des Wandlers auf den Außenflächen koaxialer Zylinder angeordnet sind. Die-Elektroden weisen Durchbrüche 20 ajuf, durch die :das keramische Material hindurchtreten kann. Die Elektroden 17 bis 19 und die Durchbrüche 20 sind so angeordnet, ,daß der mittlere Teil des Wandlers bei angelegter Spannung im Bereich größter Feldstärke liegt, die äußeren Teile dagegen kaum von Feldlinien durchzogen werden. Diese Teile werden also, wenn an den Elektroden eine anregende Wechselspannung liegt, da sie von Feldlinien kaum durchzogen werden, nur kolbenförmig mitschwingen. Wenn die gleichen Elektroden zur im allgemeinen notwendigen Vorpolaxisation des Wandlermaterials herangezogen werden, dann wird das Vorpolarisationsfeld sich auch nur sehr schwach in diese äußeren Teile .erstrecken, und :diese äußeren Teeile werden .demzufolge nur schwach vorpolarisiert und, da sie auf diese Weise nur in sehr unbedeutendem Mäße piiezoeleektrisch aktiv sind, auch aus diesein Grunde nur kolbenförmig mitschwingen.In Fig. 2 .is a cylindrical transducer is shown in which the electrodes 17, 18, 19 inside the transducer on the outer surfaces are more coaxial Cylinders are arranged. The electrodes have openings 20 ajuf through which: the ceramic material can pass through. The electrodes 17 to 19 and the openings 20 are arranged so that the central part of the transducer when the voltage is applied is in the area of greatest field strength, the outer parts, on the other hand, hardly have any field lines be traversed. These parts are so when a stimulating at the electrodes As there are hardly any field lines passing through them, alternating voltage is only in the shape of a piston resonate. When the same electrodes are used for the generally necessary prepolaxization of the transducer material are used, then the pre-polarization field will be extend only very weakly into these outer parts, and: these outer parts are therefore only weakly pre-polarized and, since they are only in are piezoelectrically active to a very insignificant extent, for this only reason Swing along in the shape of a piston.
In Fig. 3 ist ein paraboloiidförmiger Wandler dargestellt, der zwischen der schallabstrahlenden und der dieser gegenüberliegenden Fläche eine ringförmige Nut 23 zur Halterung aufweist, die den ganzen Wandler umschließt.In Fig. 3, a paraboloidal transducer is shown, which between the sound-emitting surface and the surface opposite this an annular one Has groove 23 for the holder, which encloses the entire transducer.
In F3g. 4 ist ein Wandler dargestellt, bei dem die Elektroden 26 bis 29 planparallel zu einer Außenfläche im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind. Die Elektroden 26 und 28 sind .innerhalb des Wandlers elektrisch miteinander verbunden und an die Zuleitung 30 angeschlossen. Entsprechendes gilt für die Elektroden 27 un,d 29 und für die Zuleitung 31. An der schallabstrahlenden Seite und an der dieser gegenüberliegenden sind Teile des Wandlers außerhalb -des Gebietes großer Stärke des angelegten elektrischen Feldes. An diesen Stellen, an denen der Wandler nur kolebenförmig schwingt, _sind seitlich Verstärkungen36 bis 39 vorgesehen, so daß die schallabstrahlende Fläche 34 und die dieser gegenüberlegende Fläche 35 größer ist als ein Querschnitt durch die Mitte des Wandlers. Die zwei Bohrungen 32 und 33 sind zur Aufnahme von Haltebolzen vorgesehen.In F3g. 4 shows a transducer in which the electrodes 26 to 29 are arranged plane-parallel to an outer surface at the same distance from one another. The electrodes 26 and 28 are electrically connected to one another within the transducer and connected to the supply line 30. The same applies to the electrodes 27 un, d 29 and to the supply line 31. On the sound-emitting side and on the opposite side, parts of the transducer are outside the area of great strength of the applied electric field. At these locations at which the transducer resonates only kolebenförmig, _ Verstärkungen36 are provided to the side 39, so that the sound-emitting surface 34 and against the superior surface 35 is greater than a cross-section through the center of the transducer. The two bores 32 and 33 are provided for receiving retaining bolts.
Ganz entsprechend sind die nicht .eingezeichneten Elelctroden@ bei dem in Fig. 5 dargestellten Wandler angeordnet. Auch hier ist an der schallabstrahlenden Fläche45 und an der dieser gegenüberliegenden Fläche 46 eine Verdickung des Wandlers, jedoch allseitig, vorgesehen. In dem schmalen Mittelteil 50 sind Abschrägungen 47 bis 49 vorgesehen, die zur Halterung dienen.Correspondingly, the electrodes @ which are not shown are at the transducer shown in Fig. 5 is arranged. Here, too, is at the sound radiating Surface45 and on the opposite one Area 46 a thickening of the converter, but provided on all sides. In the narrow central part 50 there are bevels 47 to 49 are provided, which are used for holding.
In den Fig.6 und 7 ist je ein zylinderförmiger Wandler von oben gesehen dargestellt.A cylindrical transducer is seen from above in each of FIGS. 6 and 7 shown.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Wandler sind zwei Elektroden 55, 56 spiralenförmig umeinandergewickelt vorgesehen, während bei den in Fig. 7 dargestellten Wandlern die Elektroden 60 bis 66 auf den Außenflächen koaxialer Zylinder im Innern des Wandlers mit verschieden großen Abständen zueinander angeordnet sind.The transducer shown in FIG. 6 has two electrodes 55, 56 Provided spirally wrapped around one another, while in the case of those shown in FIG The electrodes 60-66 transducers on the outer surfaces of coaxial cylinders inside of the transducer are arranged at different distances from one another.
Als weiteres Beispiel ist in Fig. 8 ein quaderförmiger Wandler dargestellt, der durch die besondere Art der Vorpodarisation als Biegeschwinger wirkt. Die beiden Elektroden 71 und 72 sind parallel zu den Außenflächen des Wandlers angeordnet. Die Polarisationsrichtung ist durch Pfeile gekennzeichnet. Sie erfolgt in verschiedenen Richtungen, und zwar auf der dein Beschauer zugekehrten Seite des Wandlers mit anderem Vorzeichen als auf der dem Beschauer abgekehrten Seite, wie durch die Pfeilspitzen angedeutet. Dies hat zur Folge, daß beispielsweise bei Erregung des Wandlers der eine Teil gedehnt, der andere ,gestaucht wird, da das Erregungsfeld, wenn es indem dem Beschauer zugekehrten Teil des Wandlers der Vorpolarisationsrichtung gleichgerichtet ist, in dem dem Beschauer abgekehrten Teil des Wandlers der Vorpolarisationsrichtung des Wandlers @entgegengerichtet ist. Der Wandler führt dann im elektro-mechanisch.en Betrieb Biegeschwingungen aus oder gibt dm mechanoelektrischen Betrieb bei Verbiegung elektrische Spannung ab. An der Unterseite des Wandlers ist ein Nadelhalter 73 angeordnet, der bei Anregung des Wandlers Schwingungen in Richtung des Doppelpfeils A ausführt.As a further example, a cuboid converter is shown in Fig. 8, which acts as a flexural oscillator due to the special type of pre-podarization. The two Electrodes 71 and 72 are arranged parallel to the outer surfaces of the transducer. The direction of polarization is indicated by arrows. It takes place in different Directions, namely on the side of the converter facing your observer with other things Sign as on the side turned away from the viewer, as if by the arrowheads indicated. This has the consequence that, for example, when the converter is energized one part is stretched, the other, compressed, since the field of excitation when it is by The part of the transducer facing the viewer is rectified in the direction of pre-polarization is, in the part of the converter of the pre-polarization direction facing away from the viewer of the converter @ is opposite. The converter then leads in the electro-mechanical Operation from bending vibrations or gives the mechano-electrical operation in the event of bending electrical voltage. A needle holder 73 is arranged on the underside of the transducer, which executes oscillations in the direction of the double arrow A when the transducer is excited.
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