DE1466152A1 - Keramischer piezoelektrischer Schwinger und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Keramischer piezoelektrischer Schwinger und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

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A 2265 2. Februar I965
EM/Ha/Sch.
KABUSHIKI KAISHA HITACHI SEISAKUSHO, 4,1-Chome, Marunouchi,
Chiyoda-Ku, Tokyo-To, Japan
Keramischer piezoelektrischer Schwinger und Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische Schwinger und insbesondere auf neuartige keramische piezoelektrische Schwinger mit hervorragenden Eigenschaften sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
In den letzten Jahren sind in weitem Umfang beispielsweise als Schwinger für Tonabnehmer piezoelektrische Schwinger der Zweielementbauart benutzt worden (beispielsweise unter der Marke "Bimorph" der Brush Development Company).
In Verbindung mit piezoelektrischen Zweielement-Echwingern haben sich verschiedene Schwierigkeiten gezeigt, die hauptsächlich durch den Aufbau derselben bedingt sind,
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SAD
wie noch vollständig beschrieben wird. Die vorliegende Er- · findung bezweckt in erster Linie eine Überwindung dieser Schwierigkeiten.
Im einzelnen bezweckt die vorliegende Erfindung die Schaffung eines piezoelektrischen Schwingers mit einer Gesamtkonstruktion, die keine mechanische Verbindung oder keinen elektrischen Anschluß der Oberfläche der verschiedenen § piezoelektrischen Elemente erfordert.
Weiterhin bringt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen piezoelektrir Schwingers in Vorschlag.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrischer Schwinger vorgeschlagen, der in seinem Gesamtaufbau ein keramisches piezoelektrisches Element umfaßt, in dem durch chemische Reduktion des genannten Elementes eine Zwischenschicht gebildet ist.
Durch die Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung piezoelektrischer Schwinger vorgeschlagen, wonach
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ein keramisches piezoelektrisches Element einer chemischen Reduktion unterworfen wird, wonach sodann durch Oxydation auf der Oberfläche dieses Elementes eine Oxydationsschicht erzeugt wird, worauf diese Oxydationsschicht polarisiert wird.
Die vorliegende Erfindung dient der Schaffung verschiedener Ausführungsformen von keramischen piezoelektrischen Schwingern sowie eines Verfahrens zur Herstellung derselben.
Wesen, Grundgedanke und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung, worin Jeweils entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, noch deutlicher offenbar. Bs stellen dar:
Fig. 1 eine vereinfachte Ansicht einer Anwendungsform eines piezoelektrischen Schwingers,
Fig. 2 und 5
• vereinfachte perspektivische Ansichten bevorzugter AusfUhrungsformen von Schwingern nach der Erfindung,
Fig. 4 und 5
entsprechende perspektivische Ansichten weiterer Ausführungsformen der Erfindung und
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Fig. 6 und 7
perspektivische Ansichten weiterer Ausführungsformen.
Ein piezoelektrischer Schwinger der Zweielementbauart 1st so konstruiert, daß beispielsweise zwei Schwingerelemente mit jeweils gleichgerichteter piezoelektrischer Achse, jedoch entgegengesetzter Ausrichtung derselben miteinander verbunden sind, öo daß sich eine spiegelbildliche " Anordnung ergibt. Eine praktische Ausführungsform eines derartigen Schwingers ist die Biegeschwingerbauart, welche nach Fig. 1 in der beschriebenen Weise miteinander verbundene piezoelektrische Elemente 1 und 2 umfaßt. Wenn ein derartiger piezoelektrischer Schwinger an einem Ende 5 fest eingespannt wird und auf das jeweils andere Ende in der bezeichneten Weise eine Kraft 4 einwirkt, wird das Element 1 einer Zugspannung und das Element 2 einer Druckspannung ausgesetzt. Da die elektrischen Achsen der piezoelektrischen Elemente 1 und 2 einander entgegengesetzt sind, werden in den beiden Schwingerelementen elektrische Felder jeweils gleicher Richtung erregt, so daß man eine große piezoelektrische Ausgangsspannung erzeugen kann.
Da Dicke, Breite und Länge dieser piezoelektrischen Schwinger infolge des Verwendungszweckes, der Werkstoffestig-
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keit und der Resonanzfrequenz Begrenzungen unterliegen und da außerdem die Dicken der piezoelektrischen Elemente infolge der elektrischen Kapazität begrenzt sind, benötigt man piezoelektrische Schwinger, die beiden Bedingungen genügen. Wenn eine große elektrische Kapazität sowie eine hohe Resonanzfrequenz erforderlich sind, muß man die Dicken der piezoelektrischen Elemente herabsetzen. Da in diesem Fall die piezoelektrischen Elemente dünn werden, setzt man nach der herkömmlichen Bauart.als Träger für die beiden Elemente, einen guten Leiter zwischen dieselben. Als piezoelektrische Elemente finden hauptsächlich keramische piezoelektrische Elemente wie beispielsweise Bleititanat-Zirkonat Verwendung. Das weitgehend benutzte Verfahren ZAr Verbindung dieser . Elemente beruht auf einem Löten. Da jedoch eine Lötverbindung benutzt wird, ist die Bindefestigkeit gering, und die AusgangsVerluste in der Bindungsfläche können nicht vernachlässigt werden. Demzufolge kann man keine befriedigenden 3chwingerkennlinien erhalten.
Da für die vorerwähnten Leiter hauptsächlich Metallplatten benutzt werden, sind die von Durchbiegungen herrührenden bleibenden Verformungen groß, und außerdem sind infolge der verschiedenen Werkstoffe Unterschiede in den Materialkonstanten wie beispielsweise dem Ausdehungskoeffizienten und dorn Elastizitätsmodul vorhanden. Man kann daher
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mit solchen Schwingern keine befriedigenden Schwingerkenn- ■ linien erhalten. Außerdem führt bei der Herstellung der durch das Löten bedingte Temperaturanstieg in vielen Fällen zu Verwerfungen und ähnlichen Verformungen, so daß es nach dem Stand, der Technik schwierig ist, Erzeugnisse hoher Qualität zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Uberwindung der genannten Schwierigkeiten durch Schaffung eines piezoelektrischen Schwingers mit einem keramischen piezoelektrischen Element, das eine chemisch reduzierte Zwischenschicht enthält, wie unten unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben ist.
Die Fig. 2 und 3 zeigen den grundsätzlichen Aufbau des erfindungsgemäßen Schwingers. Der Schwingeraufbau besteht aus Bleititanat-Zirkonat-Schichten 22 und 23 (im folgenden als Oxydschichten bezeichnet) sowie einer Zwischenschicht 21 aus chemisch reduziertem Bleititanat-Zirkonat. Die eingezeichneten Pfeile geben jeweils die Polarisationsrichtungen an. In einer abgeänderten Ausführungsform nach Fig. 3 sind an einem Ende des piezoelektrischen Schwingers die Oxydschichten abgetragen, so daß ein Teil 21& der Zwischenschicht freigelegt wird, wodurch die Befestigung von
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Anschlußleitungen in dem Fall erleichtert wird, wo die Oxydschichten 22 und 25 parallel geschaltet werden sollen.
Nunmehr soll das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Schwingers unter Bezugnahme auf das folgende bevorzugte Ausfühnungsbeispiel beschrieben werden.
Ein Stück Bleititanat-Zirkonat wird in Form einer dünnen Schicht von 65OU, Dicke hergestellt. Dasselbe wird bei einer Temperatur von 800° C 15 min lang zur Reduktion der gesamten Schicht In einem Wasserstoffgasstrom behandelt. Sodann wird die Schicht bei einer Temperatur von 6500 C für eine Dauer von zwei Stunden in einem Sauerstoffgasstrom oxydiert, wobei die Oxydation von der Oberflächenschicht aus ins Innere voranschreitet und wodurch auf der Oberfläche eine 15O/U dicke Oxydschicht gebildet wird. Sodann wird diö Schicht auf die entsprechende Breite und Länge zurechtgeschnitten. Schließlich wird zur Erzeugung einer Polarisation zwischen Zwischenschicht 21 und Oxydsohichten 22 und 23 eine Spannung angelegt, wodurch man den fertigen piezoelektrischen Schwinger erhält.
Nach einem ähnlichen Verfahren kann man piezoelektrische Schwinger nach den Fig. 4 und 5 für hochwertige
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stereophonische Plattenspieler herstellen. Diese Schwinger umfassen jeweils reduzierte Schichten 41 und 51, Oxydschichten 42 und 52 sowie jeweils auf die Oberflächen der Oxydschichten kontaktierte Elektroden 4j, 44, 53, 54 bzw. 55· Diese piezoelektrischen Schwinger können folglich durch Reduktion reduzierbarer keramischer piezoelektrischer Elemente geeigneter Größe und Form, nämlich eines rechteckförmigen Stabes bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 bzw. eines hohlzylinderförmigen Stabes bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, und anschließende Oxydationsbehandlung ähnlich dem oben erläuterten Beispiel hergestellt werden, wobei schließlich die Elektroden symmetrisch auf die betreffenden Oberflächen der Oxydschichten aufgebracht werden und. sodann eine Polarisation erzeugt wird. Im Fall eines Hohlzylinders nach Fig. 5 kann die Innenfläche in der erforderlichen Dicke reduziert werden, nachdem das keramisehe piezoelektrische Material in einen Zylinder geformt ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 6 wird ein keramisches piezoelektrisches Material in Form einer ebenen Platte einer Reduktionsbehandlung ausgesetzt, worauf die gesamte Oberflächenschicht oxydiert wird. Somit erhält man eine reduzierte Schicht 61 und eine Oxyd-
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schicht 62. Sodann werden einerseits eine Elektrode 63 durch Aufziehen einer dünnen Metallfolie auf die Oxydschioht 62 sowie anderseits eine Elektrode 64 durch Verbinden einer Leiterplatte mit der reduzierten Schicht geschaffen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nach Fig. ? wird eine Oberfläche eines jeden der beiden piezoelektrischen Elemente reduziert«und sodann werden die beiden reduzierten Oberflächen der beiden Elemente miteinander verbunden. Der so hergestellte Schwinger besitzt Qxydschiohten 7! und 73* welche jeweils aus einer Einzelschicht aus oxydiertem piezoelektrischem Material bestehen«sowie reduzierte Schichten ?2 bzw. 74. Wenn man auch in diesem Fall die beiden reduzierten Schichten 72 und 74 miteinander verbinden muß, hat dies doch keinen nachteiligen Einfluß auf die Kennlinien» da die beiden Schichten längs der neutralen Zone der Gesamtanordnung miteinander verbunden sind. Somit kann man einen piezoelektrischen Schwinger der Zweielementbauart herstellen.
Die Herstellung eines Schwingers mit. dem oben erläuterten Aufbau ist deshalb möglich, weil sein Widerstand durch Heduktioa des BleititaöÄt-lirkonat leicht herab-
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gesetzt werden kann, wobei man einen Widerstand in der Größe von 10" J. 1/crn erhalten kann, und da man eine thermoelektrische Kraft von ^O , V/°C und einen Temperaturkoeffizienten
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von weniger als 10 erreichen kann. Es ist ferner selbstverständlich, daß der erfindungsgemäße Aufbau in entsprechender Weise auch bei anderen ferroelektrisehen Keramika als Bleititanat-Zirkonat wie beispielsweise solchen der BaTiO^-Gruppe bzw. der NaNbO-,-Gruppe zur Anwendung kommen kann. Dieselben Erfolge lassen sich auch dann erwarten, wenn oxydierte und reduzierte Schichten in weiterem Sinne benutzt werden, deren Leitfähigkeit durch den Zusatz eines Elementes beeinflußt wird, beispielsweise wenn eine reduzierte Schicht im weiteren Sinne aus BaTiO-, oder einer ähnlichen Verbindung mit einem Zusatzelement wie Zinn benutzt wird.
Nach der oben beschriebenen Ausführungsweise der Erfindung ist es nicht erforderlich, zwei Schwingerelemente miteinander zu verbinden, welche getrennt hergestellt werden, wie dies zur Herstellung eines piezoelektrischen Schwingers nach dem Stand der Technik erforderlich war. Eine mechanische Verbindung oder elektrische Anschlüsse für die miteinander verbundenen Oberflächen sind nicht erforderlich, und die von der mechanischen Verbindung oder den in den miteinander
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verbundenen Oberflächen auftretenden Ausgangsverlusten herrührenden Schwierigkeiten treten nicht auf.
Außerdem werden nach der vorliegenden Erfindung Verschlechterungen der Schwingerkennlinie infolge der beim Löten nicht zu vermeidenden Erwärmung ausgeschaltet. Die Erfindung bedeutet eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens. Zudem kann man leicht Oxydschichten einer jeweils gewünschten Dicke innerhalb eines Bereiches von 320/'' bis in die Größenordnung von Angström bilden, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere leicht außerordentlich dünne Zweielementschwinger hergestellt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß Materialkonstanten wie der Ausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul im wesentlichen keine Änderung erleiden, da sich die Kristallstruktur des piezoelektrischen Materials, beispielsweise des Bleititanat-Zirkonat bei der Behandlung, d. h. in der Oxydschicht und der reduzierten Schicht, nicht ändert. Infolgedessen werden durch Unterschiede dieser Materialkonstanten bedingte Nachteile, welche zu Schwierigkeiten geführt hatten, völlig vermieden.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Her-90982 1/02 64
Stellung piezoelektrischer Schwinger für hochwertige stereophon! sehe Klanganordnungen vereinfacht und erleichtert wird und nicht umständliche Schritte zum Aufbau derselben erfordert.
Somit wird durch die vorliegende Erfindung ein piezoelektrischer Schwinger mit zahlreichen vorteilhaften Merkmalen geschaffen, die mit bekannten ähnlichen Schwingern nicht erzielt werden konnten. Der erfindungsgemäße Schwinger kann zudem in einfacher Weise und mit vergleichsweise geringen Kosten leicht hergestellt werden. Er ist innerhalb einer Vielzahl von Anordnungen,wie beispielsweise Kopfhörern, Lautsprechern, Mikrophonen und Telephonen,mit gutem Erfolg anwendbar.
Selbstverständlich bezieht sich die vorstehende Offenbarung nur auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, und die Erfindung umfaßt alle Änderungen und Abwandlungen der hier zum Zwecke der Offenbarung ausgewählten AusfUhrungsbeispiele der Erfindung, die nicht von dem Wesen und Grundgedanken der Erfindung abweichen.
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Claims (4)

H66152 PATENTANSPRÜCHE
1.) Piezoelektrischer Schwinger, gekennzeichnet durch einen Qesanitaufbau aus einem keramischen piezoelektrischen
Element, in dem durch chemische Reduktion eine Zwischenschicht erzeugt ist.
2. Piezoelektrischer Schwinger, gekennzeichnet durch einen keramischen piezoelektrischen Gesamtkörper, in welchem ein chemisch reduzierter Bereich von einer keramischen
piezoelektrischen Oberflächenschicht mit mindestens einen
Elektrodenpaar umgeben ist.
3. Verfahren zur Herstellung piezoelektrischer Schwinger, wonach ein keramischer piezoelektrischer Körper einer
chemischen Reduktion ausgesetzt wird, worauf die Oberfläche des Körpers zur Bildung einer Oxydschicht oxydiert wird
und schließlich die Oxydschicht polarisiert wird. *
4. Piezoelektrischer Schwinger, gekennzeichnet durch zwei keramische piezoelektrische Elemente mit je einer
chemisch reduzierten Oberfläche, wobei diese Kiemente durch
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Verbindung ihrer jeweiligen chemisch reduzierten Oberflächen miteinander vereinigt sind.
5· Verfahren zur Herstellung, piezoelektrischer Schwinger, gekennzeichnet durch chemische Reduktion je einer Oberfläche zweier keramischer piezaoelektrischer Elemente sowie
durch Vereinigung der genannten Elemente durch miteinander
Verbinden ihrer jeweiligen reduzierten Oberflächen.
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DE19651466152 1964-02-05 1965-02-03 Piezoelektrischer biegeschwinger der bimorphbauart und verfahren zur herstellung desselben Pending DE1466152B2 (de)

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