DE1105213B

DE1105213B - Magnetostriktiver Vibrator

Info

Publication number: DE1105213B
Application number: DEN13291A
Authority: DE
Inventors: Cornelis Martinus Van De Burgt
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1956-02-14
Filing date: 1957-02-09
Publication date: 1961-04-20
Also published as: FR1185406A; US3020426A; BE554942A; DE1471327A1

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetostriktiven Vibrator mit einem von einem magnetischen Wechselfeld in mechanische Schwingung zu versetzenden Vibratorkörper aus Nickelferrit oder Nickel-Zink-Ferrit. Solche Vibratoren finden Anwendung zur Umwandlung elekfrischer in mechanische Schwingungen, z. B. Ultraschallschwingungen, und umgekehrt, bzw. als Zweipol- und/ oder als Übertragungsimpedanz mit hoher Trennschärfe in elektrischen Netzwerken.

Ein Nachteil der üblichen Ferritmaterialien ist dabei ίο der hohe Temperaturkoeffizient, insbesondere bei Verwendung in elektrischen Netzwerken, bei denen es vielfach darauf ankommt, daß die mechanischen Resonanzfrequenzen des Vibrators möglichst genau konstant bleiben. Bei Anwendung zur Umwandlung elektrischer in mechanische Schwingungen sind möglichst hohe elektromechanische Kopplungsfaktoren erwünscht; in dieser Hinsicht sind Nickel- oder Nickel-Zink-Ferrite den anderen bekannten Ferritsorten vorzuziehen.

Die Erfindung schafft einen Vibrator, der einerseits die Eigenschaft besitzt, daß der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenzen wesentlich kleiner ist, der andererseits einen wesentlich höheren Kopplungsfaktor aufweist. Sie besteht in der Verwendung eines Ferrits von der Zusammensetzung

Co_x [Ni^Zn(X_-3;)] (!-S)Fe₂O₄,

wobei y zwischen 1 und etwa 0,3 und das Produkt xy zwischen 0,006 und 0,020, vorzugsweise zwischen 0,009 und 0,015 liegt, als Werkstoff für den Kern eines magnetostriktiven Vibrators.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Vibrator für elektrische Netzwerke,

Fig. 2 eine Impedanz-Frequenz-Kurve eines Vibrators nach Fig. 1,

Fig. 3 Frequenz-Temperatur-Kurven von aus Nickelferrit bzw. Nickel-Kobalt-Ferrit hergestellten Vibratorkörpern, wobei die remanente Magnetisierung als Vormagnetisierung dient,

Fig. 4 ähnliche Kurven von Nickel-Zink-Ferrit bzw. Nickel-Zink-Kobalt-Ferrit,

Fig. 5 einen magnetomechanischen Energiewandler und

Fig. 6 den magnetomechanischen Kopplungsfaktor als Funktion des Kobaltgehaltes für einen solchen Energiewandler.

In Fig. 1 ist ein magnetostriktiver Vibrator an sich bekannter Art dargestellt, wie er bei elektrischen Netzwerken benutzt wird. Er besitzt einen Vibratorkörper 1, der in seiner Mitte mit Hilfe von Stiften 2 eingeklemmt und auf dem eine Wicklung 3 angebracht ist. Der Körper 1 wird durch Dauermagnete 4 auf einen günstigen Wert, bei dem z. B. der Kopplungsfaktor maximal ist, vor-Magnetostriktiver Vibrator

Anmelder:

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

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

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 14. Februar 1956

Cornells Martinus van der Bürgt, Eindhoven

(Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

magnetisiert. Die Wicklung 3 besitzt beim Anlegen einer Wechselspannung, da der Vibratorkörper 1 auf magnetostriktivem Wege in Schwingungen gerät, eine Impedanz \Z\ als Funktion der Frequenz f, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Bei der der mechanischen Resonanzfrequenz des Vibratorkörpers 1 entsprechenden Resonanzfrequenz /> wird ein hoher Wert von \Z\ gefunden, bei einer etwas höheren Frequenz f_a dagegen, im nachfolgenden als Antiresonanzfrequenz bezeichnet, nimmt Z seinen Mindestwert an. Vielfach werden ringförmige, z. B. bei ihrer Remanenz betriebene oder durch Gleichstrom vormagnetisierte Vibratorkörper verwendet.

Für elektrische Filternetzwerke, bei denen die Trennschärfe eine wichtige Rolle spielt, ist es erwünscht, daß diese Frequenzen /> und f_a oder wenigstens eine von beiden, bei sich ändernder Temperatur praktisch konstant bleiben. Bei Verwendung von Nickelferriten bzw. Nickel-Zink-Ferriten für den Vibratorkörper 1 ergeben sich sehr gute Selektivitätswerte und auch weitere Vorteile, wie ein hoher elektromechanischer Kopplungsfaktor und auch bei hohen Frequenzen geringe elektrische Verluste, die diese Materialien als besonders günstige Werkstoffe für die Herstellung von Vibratoren erscheinen lassen. Die obenerwähnte Anforderung, daß die Frequenzen /> und f_a sich nicht mit der Temperatur ändern dürfen, konnte bisher aber in unzureichendem Maße erfüllt werden.

Nach der Erfindung wird an Stelle des ursprünglichen, aus praktisch homogenen Mischkristallen mit Spinellstruktur bestehenden Nickelferrits NiFe^O₄ oder Nickel-Zink-Ferrits Ni₂, Zn₍₁__y) Fe₂O₄ als Kernmaterial ein ebenfalls praktisch homogenes Mischkristall mit Spinellstruktur mit der Zusammensetzung

-^] _(l_a;) Fe₂O₄

109-577/108

verwendet, wobei ΙΟΟλ; den Prozentsatz Nickel plus Zink angibt, der durch Kobalt ersetzt ist.

In Fig. 3 sind die an Ringvibratoren gemessenen Frequenzen f_r und f_a als Funktion der Temperatur T bei verschiedenen Werten von χ und bei y = 1 (Nickelferrit) dargestellt. Die Kurven gehören paarweise zueinander und sind im übrigen der besseren Übersichtlichkeit wegen untereinander dargestellt. Man sieht, daß innerhalb des für die Praxis wesentlichen Temperaturbereiches von 20 bis 50⁰C ein merkliches Absinken dieser Frequenzen mit der Temperatur erst bei einem Wert χ von weniger als 0,006 auftritt, während sie wiederum merklich ansteigen, wenn χ größer als 0,02 wird. Die günstigsten Werte von χ liegen zwischen 0,009 und 0,015. Der Prozentsatz, der somit durch Kobalt ersetzt werden muß, liegt zwischen 0,6 und 2,0 Molprozent, vorzugsweise zwischen 0,9 und 1,5 Molprozent.

Statt reinen Nickelferrits kann auch Nickel-Zink-Ferrit verwendet werden, wobei das Nickel zu einem Im nachfolgenden werden noch einige Beispiele von den erwähnten Anforderungen entsprechenden Ferriten beschrieben.

Ein Gemisch von 74,0 g technisch reinem kobaltfreiem Nickeloxyd (NiO), 159,7 g technisch reinem Ferrioxyd (Fe₂O₃) und 1,19 g technisch reinem Kobaltkarbonat (CoCO₃) wird 18 Stunden lang in einer Kugelmühle unter ίο Zusatz von etwa 90 Gewichtsprozent (0,211) Wasser gemahlen. Nach 16stündigem Trocknen werden mit einem Preßdruck von 100 kg/cm² und unter Zusatz von 10 Gewichtsprozent Wasser Pastillen gepreßt. Diese Pastillen werden nach einer Erhitzung von 200⁰C pro Stunde 2 Stunden lang bei einer Temperatur von 950⁰C in Luft vorgesintert und darauf in 16 Stunden langsam wieder abgekühlt. Die Pastillen werden 18 Stunden lang aufs neue in einer Kugelmühle unter Zusatz von etwa 70 Gewichtsprozent Wasser gemahlen. Das dann erzielte vor-

Teil 1—y durch Zink ersetzt ist. Dies bietet bekanntlich 20 gesinterte Pulver hat eine molekulare Zusammensetzung im allgemeinen den Vorteil, daß eine höhere Permeabilität von Ni₀₎₉₉₀Co₀₎₀₁₀Fe₂O₄.

erzielt wird, während sein elektromechanischer Kopplungsfaktor etwas niedriger ist. Für y wählt man in der Regel keinen niedrigeren Wert als 0,3. Um auch hier eine nahezu temperaturunabhängige Resonanz- und Antiresonanzfrequenz zu erzielen, muß sodann ein größerer

Teil Nickel plus Zink durch Kobalt ersetzt werden. In Fig. 4 sind ähnliche Meßergebnisse von Kobalt-

Nickel-Zink-Ferriten mit etwa gleichem Molprozent Nickel

und Zink, also y = 0,5, graphisch dargestellt. Aus diesem 30 Temperatur von 1260° C in einer Sauerstoff atmosphäre Diagramm ist ersichtlich, daß χ zwischen 0,012 und 0,04, gesintert. Nach Abkühlung in 16 Stunden ergeben sich

Von dem gemäß diesem Verfahren erzielten vorgesinterten Pulver wird unter Zusatz von 10 Gewichtsprozent einer 2°/₀igen Ammonium-Alginat-Lösung als Bindemittel und unter einem Druck von 500 kg/cm² eine Anzahl von Ringen mit einem Außendurchmesser von 35 mm und einen Innendurchmesser von 25 mm gepreßt. Nach Aufheizung mit einer Geschwindigkeit von 200⁰C pro Stunde werden diese Ringe 2 Stunden lang bei einer

vorzugsweise zwischen 0,018 und 0,030, gewählt werden muß. Für dazwischenliegende Werte von y gelten entsprechend geänderte Grenzen, für λ; und für noch kleinere Werte von y muß der erforderliche Kobaltprozentsatz wegen der niedrigen Curie-Temperatur des Ferrits in etwa umgekehrt proportionalem Verhältnis' zu y zunehmen.

Die erzielten Materialien eignen sich auch vorzüglich zur Herstellung von magnetomechanischen Energiewandlern, wie sie zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen, ζ. Β. für Unterwasserpeilung, verwendet werden. Ein solcher an sich bekannter Energiewandler ist in Fig. 5 dargestellt. Der Vibratorkörper 8 hat eine mantelkernförmige Gestalt mit einer vibrierenden Stirnfläche 9 zur Abgabe der mechanischen Schwingungen. Der Wicklung 10 werden elektrische Schwingungen in einem Bereich zwischen z. B. 15 und 500 kHz zugeführt. Der Körper 8 gerät dabei auf magnetostriktivem Wege in Schwingungen und strahlt bei seiner mechanischen Resonanz Schwingungsenergie aus. Je höher dabei der elektromechanische Kopplungsfaktor k ist — hierunter versteht man bekanntlich die Wurzel aus dem Verhältnis zwischen der bei Resonanz erzielten mechanischen Energie zu der im Körper angehäuften magnetischen Energie —, desto größer wird die mit der Vorrichtung erzielte Nutzleistung.

Der Kopplungsfaktor k ist in Fig. 6 für Nickel-Kobalt-Ferrite Co_x Ni(^₃₁)Fe₂O₄ als Funktion des Kobaltgehaltes χ durch die Kurve α dargestellt. Eine deutliche Verbesserung wird bei Werten χ von mehr als 0,006 erzielt. Wird χ größer als 0,02, so tritt plötzlich ein wesentlicher Abfall von k auf. Der günstigste Wert liegt etwa bei χ = 0,015, wobei also 1,5 Molprozent Nickel durch Kobalt ersetzt sind. Ein ähnliches Verhalten findet man wieder, wenn gleichzeitig ein Teil des Nickels durch Zink ersetzt wird. Die dann erzielte Kurve für y = 0,5 ist in Fig. 6 mit b bezeichnet. Zur Erzielung eines hohen Kopplungsfaktors muß man daher wieder ähnliche Grenzen, wie oben erwähnt, einhalten. .

Ringe mit einem Außendurchmesser von etwa 28,5 mm und einem Innendurchmesser von etwa 20,5 mm, wobei die scheinbare Dichte gleich 4,6 g/cm³ und die chemische Zusammensetzung wieder Ni_0l990Co₀₎₀₁₀Fe₂O₄ ist.

Die Resonanzfrequenz f_r und die Antiresonanzfrequenz fa, an einem solchen in seiner Remanenz magnetisierten Ring gemessen, verlaufen innerhalb eines Temperaturintervalls von 5 bis 8O⁰C gemäß der nachstehenden Tabelle:

f_r= 67,40 kHz
fa =68,85 kHz

Temperatur, ⁰C

40

60

Hz

+ 0 + 27

0
0

II

- 3 -20

-11 -40

-37 -88

- 72 -138

Ein ähnlicher, nach demselben Herstellungsverfahren wie unter I hergestellter Ring, jedoch mit einem höheren Prozentsatz Kobaltoxyd, dessen chemische Zusammensetzung Ni_0>886Co_0j014Fe₂O₄ lautete, lieferte folgende Meßergebnisse:

fr =64,10 kHz
fa= 65,57 kHz

Temperatur, ⁰C 30 I 40 I Hz

60

80

-45
-33

+ 32 + 9

+ 51 + 13

+ 71 + 6

+ 67 -39

Im Vergleich damit weist ein ähnlicher Ring aus kobaltfreiem Nickelferrit von 20 bis 40° C eine Frequenzänderung von —100 Hz in der Resonanzfrequenz f_r und eine von —85 Hz in der Antiresonanzfrequenz f_a auf.

III

Ein ähnlicher, nach demselben Herstellungsverfahren wie unter I hergestellter Ring, bei dem aber das Nickel-

oxyd zur Hälfte durch einen gleichen Molprozentsatz Zinkoxyd ersetzt und gleichzeitig ein so großer Prozentsatz Kobalt verwendet wurde, daß die chemische Zusammensetzung des erzielten Ringes Ni_0i49Zn_0j02Fe₂O₄ war, lieferte folgende Meßergebnisse:

	= 77,90 kHz	5	20	Temperatur, °C	— 7	1 ¹I X«J	60	80
	= 78,05 kHz			30 I 40	- 4	-10
		+ 11	+ o	Hz	-33	-62
fr	+ 3	+ 0	-27	-47
fa

Ein ähnlicher Ring, aber dann mit einer solchen Zusammensetzung, daß die chemische Formel etwa

lautete, lieferte folgende Meßergebnisse:

Im Vergleich damit weist ein ähnlicher Ring aus kobaltfreiem Nickel-Zink-Ferrit, von 20 bis 40⁰C, eine ¹S Frequenzänderung von —140 Hz in /> und von —125 Hz in fa auf.

IV

Ein ähnlicher Ring mit einer solchen Zusammen-Setzung, daß die chemische Formel etwa

CN¹O^Zn₀₁₂] 0,9834Co_0j016ere₂O₄ lautete, lieferte folgende Meßergebnisse: f_r = 71,40 kHz
fa = 73,63 kHz

Temperatur, ⁰C

40

60

Hz

74 44

+ 0 + 0

+ 36 + 2

+ 58 - 1

75 120

+ 63 -55

fr = 73,20 kHz
fa =74,28 kHz

	20	Temperatur, °(	40	Hz	-12	-26	60
5		30	-17	-36
	+ 0		-63
+ 9	+ 0	-88
+ 23

25 Es wurde festgestellt, daß das entsprechende kobaltfreie Nickel-Zink-Ferrit zwischen 20 und 40⁰C eine Frequenzänderung von —115 Hz in /> und von —100 Hz in fa, ergibt.

Claims

PATENTANSPRUCH:

Die Verwendung eines Ferrits der Zusammensetzung

80

-116 -156 wobei y zwischen 1 und etwa 0,3 und das Produkt xy zwischen 0,006 und 0,20, vorzugsweise zwischen 0,009 und 0,015, liegt, als Werkstoff für den Kern eines magnetostriktiven Vibrators.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 1TO 577/108 4.