DE1771937C3

DE1771937C3 - Als Speicherelement oder Schaltelement geeignetes polarisationsumkehrbares Wandlerelement

Info

Publication number: DE1771937C3
Application number: DE19681771937
Authority: DE
Inventors: Keüchiro Tokio; Kumada Akio Kodaira; Yumoto Hiroshi Kokubunji; Ashida Sakichi Fuchu; Furuhata Yoshio Kodaira; Aizu (Japan)
Original assignee: Hitachi, Ltd., Tokio Vte: Beetz sen., R., DipL-Ing.; Lamprecht K., Dipl.-Ing.; Pat-Anwälte, 8000 München
Priority date: 1967-08-02
Filing date: 1968-08-01
Publication date: 1976-09-23

Description

(R₁R₁' J₂O₃-3MO₁ ,W,(),

worin R und R' wenigstens ein Seitenerdclemcnt, χ = O bis 1,0 und e = O bis 0,2 ist, Methylammonium - Aluminiumsulfat - Dodecahydrat. Aminoniunicadmiumsulfat und Eisen-Jod-Boracit besteht und Mittel zur Bewirkung der Polarisalionsumkehr des Elements an einer zur spontanen Belastungs- oder spontanen Polarisationsrichtung des Kristalls senkrechten Fläche sowie Mittel zur Abnahme der im Zusammenhang mit der Umkehr der spontanen Polarisation im Element erzeugten mechanischen Verformung oder elektrischen Energie an einer zur spontanen Belastungs- oder spontanen Polarisationsrichtung senkrechten Flache vorgesehen sind.

2. Wandlerelement nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Endflächen des Elements senkrecht zur spontanen Polarisations- und spontanen Belastungsrichtung geschnitten sind und elektrische Mittel zur Anlegung eines elektrischen Feldes oberhalb des Koerzitivfeldcs des Elements an einem Paar von gegenüberliegenden, zur spontanen Polarisationsrichtung senkrechten Flächen des Elements sowie Mittel zur Abnahme einer durch den Polarisationswechsel im Element erzeugten mechanischen Verformung an den zur spontanen Bclastungsrichtung senkrechten Endflächen des Elements vorgesehen sind.

3. Wandlerelement nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von gegenübeiliegendcn !lachen des Elements senkrecht zur spontanen Polarisations- und spontanen Belastungsrichtung geschnitten sind und mechanische Mittel zur Anlegung einer der mechanischen Koerzitivkraft des Elements wenigstens gleichen Spannung an dem zur spontanen Bclaslimgsrich- to tung des Elements senkrechten Endflächen sowie Mittel zur Abnahme einer durch den Polarisationswechsel im Element erzeugten elektrischen Energie an den gegenüberliegenden, zur spontanen Polarisationsrichtung senkrechten Endflächen vorgesehen sind.

4. Wandlerclcment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare gegenüberliegender Flächen des Elements senkrecht zur spontanen Polarisationsrichtung geschnitten sind und elektrische Mittel zur Anlegung eines elektrischen Feldes von wenigstens der dem Koerzit.vfcld des Elements gleichen Stärke an einem Paar der »euenüberliegenden Flächen sowie Mittel zur Abnakne einer durch den Polarisationswechsel im Element erzeugten elektrischen Energie an dem anderen Paar der gegenüberliegenden Machen vorgesehen sind.

5" Wandlerclement nach Aaspruch 1, dadurch ,»kennzeichnet, daß zwei Paare gegenüberliegender Flächen senkrecht zur spontanen Bclastungsrichtunc geschnitten sind und mechanische Mittel zur Anietiunu einer der mechanischen Koerzitivkraft des"Elernents wenigstens gleichen Spannung an einem Paar der gegenüberliegenden Flachen des Elements sowie Mittel zur Abnahme einer durch den Polarisationswechsel im Element erzeugten mechanischen Verformung am anderen Paar der gegenüberliegenden Flächen des Elements vorues.ehen sind.

b Wandlerelement nach Anspruch 3. weiter «ekennzeichnct durch Impedanzausgleichsmittel zwi sehen dem Element und einer Last.

7 Wandlerelement nach Anspruch 4. weiter ^kennzeichnet, durch Impcdanzausgleichsmittcl zwischen dem Element und einer Last in dem mit dem Elektroenergieabnahmekreis verbundenen Kreis.

Die Erfindung bezieht sich auf ein polarisalionsumkchrbarcs Wandlerelemcnl, bei dem ein elektrisches Feld oder eine mechanische Spannung an einen Krislall mit der ferroelektrischen Eigenschaft angelegt wird, wobei die Größe des elektrischen Feldes oder der mechanischen Spannung gleich oder größer als das elektrische KocrzitivfeU. bzw. die mechanische »Koerzitivkraft« des Kristalls ist, um einen elektrischen Polarisationswechsel hervorzurufen, und bei dem eine in dem Kristall durch den Polarisationswechsel erzeugte mechanische Dehnung oder elektrische Energie ausgewertet wird.

Wie bekannt ist, hat ferroelektrisches Material einen piezoelektrischen Effekt, wobei durch Anlegen einer mechanischen Spannung oder Erzeugen einer Dehnung eine elektrische Spannung oder durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Spannung oder Dehnung erzeugt wird. Unter den Stoffen mit dem piezoelektrischen Effekt hat Blei-Zirkon-Titanat (im folgenden »P.Z.T.« abgekürzt) einen starken piezoelektrischen Effekt, der auf eine elektrische oder mechanische Spannung zurückzuführen ist, die in dem Kristall durch Anlegen einer mechanischen oder elektrischen Spannung induziert wird. Wenn /. B. ein piezoelektrisches Relais aas P.Z.'!'.-Stücken mit einer Länge von 20 bis 30 mm und einem Berühningsspalt von 0,1 mm hergestellt ist. ergibt sich die Ausdehnung In durch den l.ängseffekt (d. h. die angelegte elektrische Spannung \\ und die erzeugte Dehnung liegen in der gleichen Richtung) durch die Gleichung

hi = «/.,., K,.
wobei (/,, eine vom Material um! der Richtung der

elektrischen Spannung abhängige Konstante ist. Der Maximalwert Tür </,, von P.Z.T. ist

J₃., = 600· U)"¹-(m VJ.

So muß die Spannung \'_}. um einen Kontaklspalt der Größenordnung von 0,1 mm zu schallen.

167 kV

1.11 kV

sein, da

• IO

Dehnung .X₁ (d. h. die Dehnung, die KDP im spontanen Zustand besitzt) zu

I/

= 2x\

== S- 1(T

Das für den »Polarisationswechsel« erforderliche elektrische Feld E₁ (im folgenden als Koerzitiv-Feld bezeichnet) ergibt sich zu

Wenn P.Z.T.-Stückc mit einer Seitenabmessunu / = 30 mm und einer Längenabmessung η = 0,1 mm verwendet werden und ihre Quereffckte (d. h.. das angtiegte elektrische Feld E und die Dehnung Λ' stehen senkrecht aufeinander) ausgenutzt werden" so muß. um eine seitliche Dehnung in der Größenordnung von 0.1 mm zu erhalten, die Spannung Γ,

E_c = 1000 V cm.

Deshalb

V, = En

und

I/ = 2

El.

Wenn eine Spannung V_s = 50 V an ein KDP-

2s Stück mit / = 15 mm und η = 0,5 mm angelegt wird.

wird die Längenänderung 1/ = 0,12 mm. So ist es möglich, unter Verwendung des LängselTekts von KDP ein piezoelektrisches Relais herzustellen. d'_}i in den obigen Gleichungen ist der anscheinende piczo-

^o elektrische Modul. Da

Deshalb ergibt sich, daß, selbst wenn das beste P.Z.T. verwendet wird, eine große Steuerspannung erforderlich ist.

Nach umfangreicher Forschung auf dem Gebiet ferroelcktrischer Stoffe wurde gefunden, daß einige Stoffe, z. B. Rochelle-Salz und Kaliumdihydrophosphat (im folgenden mit »KDP« abgekürzt), von Bariumtitanat dadurch verschieden sind, daß die Anlegung einer Spannung über einem bestimmten Wert ihre spontane Polarisation umkehren kann (el h.. die elektrische Polarisation, die der Stoff im spontanen Zustand besitzt). Weiter wurde gefunden, daß der ₄__s Kristall beim Umkehren der Polarisation schnell verzerrt wird, wodurch eine Art von Kriecherscheinung hervorgerufen wird. Diese anomale Verzerrung verschwindet, wenn die Polarisalionsumkchr beendet ist. Bs zeigte sich, daß Hystereseschleifen zwischen _so der Spannung und der Polarisation (λ' gegen P₅) und zwischen der Spannung und der Dehnung (,Y gegen x_s) zu beobachten sind. Man fand weiter, daß der mechanisch-elektrische Umwandlungswirkungsgrad auf Grund dieses neuen Effekts größer als der des herkömmliehen piezoelektrischen Effekts ist. Nimmt man z. B. den ferroelektrischen Stoff KDP, dessen Curie-Punkt 123"K ist. und schneidet ihn in 45-Z-Form (d. h. parallel zu den [OH]-, [010]- und [110]-Flächen), befestigt eine Elektrode an der <*.> Z-([0l 1 ]-)-Fläche seiner dünnen Platte und legt eine Wechselstromspannung an. so beobachtet man eine Hysterese zwischen der Spannung und der elektrischen Spannung in der ferroelektrischen Phase entsprechend dem »Polarisationswechsel«. Wenn die 6s dünne Platte eine Länge / hat und die Variation der Länge der dünnen Platte auf Grund des »Polari·· Kütinrniu/iM-hsek« I/ isi eruibl sich eine spontane I/
2t/

= 40 000 K)

in
I

ist J^₁ 133mal größer als d_3l von P.Z.T.

Es ist daher die allgemeine Aufgabe der Erfindung, ein polarisationsumkehrbares Wandlerelement unter Ausnutzung des »Polarisationswechsels« vorzusehen, der in einem wferroelektrisch-ferroelastischen Stoff« durch ein elektrisches Feld oder eine mechanische Spannung hervorgerufen wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Wandlerelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kristall aus einem Material der Gruppe Kaliumdihydrophosphat. Stoffe der Gadoliniummolybdalkristallslruktur des Typs 42 m F mm 2 lind der chemischen Formel

(R_xR₁' J₂O₃-3MO₁ .,.W_1-Oj.

worin R und R' wenigstens ein Seltenerdelement, χ = 0 bis 1,0 und e - 0 bis 0,2 ist, Methylammonium-Aluminiumsulfat - DodecahyJrat. Ammoniumcadmiumsulfat und Eisen-Jod-Boracit besteht und Mittel zur Bewirkung der Polaiisationsuinkehr des Elements an einer zur spontanen Belastungs- oder spontai.jn Polarisationsrichtung des Kristalls senkrechten Fläche sowie Mittel zur Abnahme der im Zusammenhang mit der Umkehr der spontanen Polarisation im Element erzeugten mechanischen Verformung oder elektrischen Energie an einer /ur spontanen Bclastungs- oder spontanen Polarisationsrichtung senkrechten Fläche vorgesehen sind.

In Weiterbildung der Erfindung weist ein elcklromechanisches Wandlerelemeni das Kennzeichen auf, daß die gegenüberliegenden Endflächen des Elements

senkrecht zur spontanen Polarisations- und spontanen Belastungsrichtung geschnitten sind und elektrische Mittel zur Anlegung eines elektrischen Feldes oberhalb des Koerzitivfcldcs des Elements an einem Paar von gegenüberliegenden, zur spontanen Polarisationsrichtung senkrechten Flächen des Elements sowie Mittel zur Abnahme einer durch den Polarisationswechsel im Element erzeugten mechanischen Verformung an den zur spontanen Belastungsrichtung senkrechten F.ndflächcn des Elements vorgesehen sind.

Weiter ist ein mechanisch-elektrisches Wandlcrelemenl gemäß einer Ausfuhrungsart der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von gegenüberliegenden Flächen des Elements senkrecht zur spontanen Polarisations- und spontanen Belastungsrichtung geschnitten sind und mechanische Mittel zur Anlegung einer der mechanischen Koerzitivkraft des Elements wenigstens gleichen Spannung an dem zur spontanen Belastungsrichtung des Elements senkrechten Endflächen sowie Mittel zur Abnahme einer durch den Polarisationswechsel im Element erzeugten elektrischen Energie an den gegenüberliegenden, zur spontanen Polarisationsrichtung senkrechten Endflächen vorgesehen sind.

Ein elektro-elektrisches Wandlerelement weist in Weiterbildung der Erfindung das Kennzeichen auf, daß zwei Paare gegenüberliegender Flächen des Elements senkrecht zur spontanen Polarisationsrichtung geschnitten sind und elektrische Mittel zur Anlegung eines elektrischen Feldes von wenigstens der dem Koerzitivfeld des Elements gleichen Stärke an einem Paar der gegenüberliegenden Flächen sowie Mittel zur Abnahme einer durch den Polarisationswechsel im Element erzeugten elektrischen Energie an dem anderen Paar der gegenüberliegenden Flächen vorgesehen sind.

Schließlich ist ein mechanisch-mechanisches Wandlerclement nach einer weiteren Ausfuhrungsart der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare gegenüberliegender Flächen senkrecht zur spontanen Belastungsrichtung geschnitten sind und mechanische Mittel zur Anlegung einer der mechanischen Koerzitivkraft des Elements wenigstens gleichen Spannung an einem Paar der gegenüberliegenden Flächen des Elements sowie Mittel zur Abnahme einer durch den Polarisationswechsel im Element erzeugten mechanischen Verformung am anderen Paar der gegenüberliegenden Flächen des Elements vorgesehen sind.

Das mechanisch-elektrische Wandierelement kann crfindungsgemäß Impedanzausgleichsmittel zwischen dem Element und einer Last aufweisen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das elektro-elektrische Wandlerelement weiter durch Impedanzausgleichsmittel zwischen dem Element und einer Last in dem mit dern Elektroenergieabnahmekreis verbundenen Kreis gekennzeichnet.

Andere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung gewisser bevorzugter Ausfuhrungsjeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung. Es »igt

F i g. 1 eine Hystereseschleife eines ferroelekrischen Materials in Abhängigkeit von der Polariation uad dem elektrischen Feld,

F i g. 2 eine Hystereseschleife eines ferroelastischen if ateriab in Abhängigkeit von der Dehnung und der Spannung,

Fi g. 3 eine Hystereseschleife eines ferrocleklrischferroelastischen Materials in Abhängigkeit von der Dehnung und dem elektrischen Feld,
Fi g. 4 eine Hystereseschleife eines ferroelektrischferroelastischen Materials in Abhängigkeit von der Polarisation und der Spannung,

Fig. 5a und 5b Orientierungszustandc einer Einheitszelle in dem Spontanzustand eines zum Typ 42 m F mm₂ gehörenden ferroeleklrisch-ferroejastischen Materials,

Fi g. 6a und 6b Orientierungszustände einer Einheitszelle in dem Spontanzustand eines zu dem Typ 222 F2 gehörenden ferroelektrisch-ferroelastischen Materials,

Fig. 7a und 7b Seiten- und Seitenschnittansichten zur Darstellung eines Wandlerelements als eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 8 eine Erläuterungüansicht eines piezoelektrischen Relais unter Verwendung eines Wandlerelements gemäß der Erfindung,

F i g. 9 ein erfindungsgemäßes Wandierelement, das in einem bimorphen Typ von piezoelektrischem Vibrator benutzt wird,
Fig. 10 und 11 die Arbeitsweise des bimorphen Vibratortyps in F i g. 9 bei verschiedenen Arten der Stapelung dünner Kristallplatten und

Fig. 12a und 12b einen Längsschnitt und eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen Wandlerelements in Verwendung als piezoeleli trischer Transformator.

Die Erfindung wird nun im Zusammenhang mit der Zeichnung erläutert.

Ein ferroelektrisches Material hat mehr als zwei verschiedene Orientierungen der elektrischen Polarisation in Abwesenheit eines elektrischen Feldes und einer mechanischen Spannung, und diese beiden verschiedenen Orientierungen kännen durch Anlegung eines elektrischen Feldes einer gegenseitigen Umwandlung unterworfen werden. Es ist hierbei festzustellen, daß zwei Orientierungszustände bezüglich der Kristallstruktur stets identisch oder enantiomorph sind. Das ferroelektrische Material zeigt allgemein eine Hystereseschleife der Polarisation*P) mm elektrischen Feld (E), wie sie in F i g. 1 dargestellt ist.

Wie bekannt ist, ergibt sich das thermodynamische Potential des ferroelektrischen Materials unter den Bedingungen, daß die Temperatur Γ, das elektrische Feld E (Vektor) und die Spannung X (zweitrangiger Tensor) konstant sind, als

Ψ = u-TS-EP+X:x,

worin u die innere Energie, ίί die Entropie, P die elektrische Polarisation und χ die mechanische Dehnung sind.

Das ferroelektrische Material hat folgende Eigenschaften:

(a) Wenn E- 0 und £ = t) ist, gibt es mehr als zwei verschiedene Orientierungszustände P mit einer

stabilen elektrischen Polarisation. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes Έ einer geeigneten Stärke wird die Differenz von Ψ zwischen zwei Zuständen infolge des dritten Gliedes der rechten Häffie der Gleichung (1) beträchtlich groß. Das bedeutet, daß

6s die Zustände instabil sind Man kann daher feststellen, daß es durch das elektrische Feld eine übergangsmöglichkeit zwischen zwei verschiedenen Zuständen gibt.

(b) In Abwesenheit eines elektrischen Feldes und einer Spannung gibt es bei verschiedenen Dehnungen mehr als zwei Orkntierungszustände, und der Unterschied von '/' zwischen zwei Zustanden wird durch Anlegen einer mechanischen Spannung X einer gecigneten Größe infolge des vierten Gliedes auf der rechten Seite der Gleichung (1) erheblich groß. Daraus ergibt sich, daß durch die mechanische Spannung eine Ubergangsmöglichkeit zwischen diesen beiden Zuständen gegeben ist.

Weiter wird das Material fcrroelastisches Material genannt, wenn es mehr als zwei verschiedene Orienticrungszustände der mechanischen Dehnung in Abwesenheit eines elektrischen Feldes und einer Spannung hat und durch eine mechanische Spannung übergänge /wischen zwei verschiedenen Orientierungszuständen durchlaufen kann. Das ferroelastische Material zeigt eine Rechteck-Hystereseschleife der gegenseitigen Abhängigkeit einer Dehnung (χι und einer Spannung[X), wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Es ist hier festzustellen, daß zwei Orientierungs zustände bezüglich der Kristallstruktur stets identisch oder enantiornorph sind.

Das Material wird in dieser Anmeldung »ferroelektrisch-ferroelastisches Material« genannt, wenn es die ferroelektrischen und ferroelastischen Eigenschaften gleichzeitig besitzt. Übergänge zwischen zwei beliebigen Zuständen können entweder durch ein elektrisches Feld oder durch eine Spannung hervorgerufen werden. In der Abwesenheit einer Spannung zeigt das ferroelektrisch-ferroel astische Material die Hysterese des elektrischen Feldes gegenüber der elektrischen Polarisation, wie sie in F i g. 1 gezeigt ist. sowie die Hysterese des elektrischen Feldes gegenüber der mechanischen Spannung, wie sie in F i g. 3 gezeigt ist. In Abwesenheit eines elektrischen Feldes zeigt das Materia! die Spannungs-Dehnungs-Hysteresc gemäß Fig. 2 sowie die Spannungs-Elektropolansations-Hysterese entsprechend F i g. 4.

Einige der Kristalle, die ihre Orientierungszustände der Polarisation durch ein elektrisches Feld oder eine Spannung ändern, erleiden eine mechanische Dehnung in einer Einheitszelle entweder, wenn die spontane Polarisation positiv (»O«-Zustände genannt), oder, wenn sie negativ (»1 «-Zustand genannt, 180"-Änderung in der Orientierung der elektrischen Polarisation) ist. Ein keine Dehnung erleidender Kristall wird als ein regelmäßiges ferroelektrisches Material definiert, während ein eine Dehnung erleidender Kristall als ein unregelmäßig ferroelektrisches Material definiert wird, wobei das letztere zum »ferroelektrischferroelastischen« Material gehört.

Tabelle 1

Entsprechend den durchgeführten Forschungsarbeiten sind Rochelle-Salz, KDP, Methylammonium-Aluminium-Sulfatdodecahydrat (im folgenden mit MASD bezeichnet) und Gadoliniummolybdat, die zur Punktgittergruppe mm 2 gehören und durch die Formel

(R und R' sind wenigstens eine Art von Seltenerdelement, χ = O bis 1,0 und e = 0 bis 0,2) gekennzeichnet werden, unregelmäßig ferroelektrische Stoffe.

In den Hystereseschleifen nach den F i g. 1 bis 4 entsprechen die Kurven AB und ("O voneinander verschiedenen Orientierungszuständen. Die halbe Polarisationsdifferenz in der Abwesenheit des elektrischen Feldes und der mechanischen Spannung wird »spontane Polarisation« P₅ genannt, während der halbe Unterschied der mechanischen Spannung »spontane Spannung« x, genannt wird. Die Kurven BB' und DD' entsprechen Zwischenzuständen des Überganges. Das elektrische Feld und die Spannung, die für solche übergänge erforderlich sind, heißen »Koerzitivfeld« bzw. »mechanische Koerzitivkraft«.

Das »ferroelektrisch-ferroelastische Material« verhält sich allgemein wie ein besonderer Phasenübergang in Richtung auf die paraelektrisch-paraelastische Phase. Wenn zwei ferroelektrisch-ferroelastische Materialien bezüglich ihrer eigenen Punktgittergruppe und einer entsprechenden Punktgittergruppe von paraelektrisch-paraelastischer Phase gleich sind, werden sie im gleichen Typ klassifiziert. 42 Typen sind in der Tabelle 1 klassifiziert, wo das Symbol der Punktgittergruppe des ferroelektrisch-ferroelastischen Materials rechts vom Buchstaben »F« und das Symbol der Punklgittergruppe der entsprechenden paraelektrisch-paraelastischen Phase links des »F« geschrieben ist. Die erste Spalte zeigt den Typ, die zweite die Zahl der Orientierungszustände, die dem Typ zukommen, und die dritte Spalte das durch das Symbol dargestellte Material. Der Buchstabe »p« in den Klammern in Spalte 1 bedeutet, daß die kristallographische Hauptachse der ferroelektrisch-ferroelastischen Phase zu der der paraelektrisch-paraelastischen Phase (die zum nichtkubischen System gehört) parallel ist. Der Buchstabe »s« bedeutet, daß die kristallographische Hauptachse der ferroelektrisch-ferroelastischen Phase senkrecht auf der der paraelektrisch-paraelastischen Phase (die zum nichtkubischen System gehört) oder parallel zu der einen der Phasendiagonalen eines kubischen Gitters der paraelektrisch-paraelastischen Phase (zum nichtkubischen System gehörig) steht

Typ	Zahl der	Entsprechendes Material
	Zustände
2Fl	2
mFl	2
222Fl	4
222F2	2	Rochelle-Salz
mm2Fl	4
mm2Fm	2
4Fl	4
4Fl	4

Typ

Zahl der Zustände

Entsprechendes Material

3mFm	3
6Fl	6
6Fl	6
6Fm	3
622Fl	12
622F2<s)	6
6mm Fl	12
6mmFtn	6

	9	1771 937

Fortsetzung	Zahl der
Typ	Zustünde	Entsprechendes Material
	2
4F2	8
422Fl	4
422 F 2 (S)	8
4mm Fl	4
4mm Fm	8
42 m FI	4
42 m F 2(s)	4
42 m F m	2
42 m F mm 2	3	GMO, KDP
3Fl	6
32Fl	3
32 F 2	6
3 m Fl

Typ

6m2Fl
6m2Fm(s)
6m2Fm(p)
6m2Fmm2
23 F!
23 F 2
23 F 3
432Fl
432 F 2(s)
43 m Fl
43 m Fm
43mFmm2
43mF3m

Zahl der
Zustande

12
6
6
3

12
6
4

Entsprechendes Material

MASD*)

♦| Mclhylamniunium-Aluminiunisuirut-Doilccahydrut und Aninionium-Cadmiunisulfal.

Das angelegte elektrische Feld oder die angelegte Spannung sowie ihre Typen und Richtungen, welche übergänge zwischen zwei Orientierungszuständen hervorrufen, sind für jeden der 42 Typen bestimmt.

Im Fall von KDP, welches zum Typ 42 m F mm 2 gehört, orientieren sich, wenn die z-Achse parallel zur 4-Achse der Symmetrie der paraelektrisch-paraelastischen Phase und die x- und y-Achse senkrecht auf den beiden Spiegelebenen der Symmetrie definiert sind, die a- und die i>-Achse der Einheitszelle des ferroelektrisch-ferroelastischen Materials, die zum Typ gehören, so, wie in den F i g. 5 a und 5 b gezeigt ist (genannt »0«- bzw. »!«-Zustände). Die Orientierung der spontanen Polarisation ist parallel zur z-Achsc (d. h. senkrecht auf der Zeichenebene), wobei die Richtung im »1 «-Zustand positiv, im »O«-Zustand dagegen negativ ist. Ein übergang vom »0«- zum »1 «-Zustand durch ein elektrisches Feld wird durch Anlegen des Feldes in der positiven Richtung der z-Achse erzielt. Ein übergang vom »0«- zum »1 «-Zustand durch eine Spannung wird durch Einwirken eines Druckes auf eine Kristalloberfläche senkrecht zur x-Achse, einer Spannung an einer Kristalloberfiäche senkrecht zur y-Achse oder einer Schubspannung längs einer Kristalloberfläche unter Bildung eines Winkels gegenüber sowohl der x- als auch der y-Achse erzeugt. Ein übergang vom »1«- zum »0«-Zustand durch ein elektrisches Feld wird durch Anlegen des Feldes in der negativen Richtung der z-Achse erhalten. Ein Übergang vom »1«- zum »0«-Zustand durch eine Spannung wird durch Einwirken eines Druckes auf eine Kristalloberfläche senkrecht zur y-Achse, einer Spannung an einer Kristalloberfläche senkrecht zur x-Achse, eines Drucks und Zugs zur gleichen Zeit oder einer Schubspannung an einer Kristalloberfläche unter Bildung eines Winkels gegenüber der x- und der y-Achse erreicht

Im Falle des zum Typ 222 F 2 gehörenden Rochelle-Salzes orientiert sich, wenn die x-, y- und z-Achsen parallel zu den drei diagonalen .(diad-)Symmetrieachsen der paraelektrisch-paraelastischen Phase definiert sind, die Einheitszelle des ferroelektrisch-ferroelastischen Materials entsprechend dem Typ, wie er in den Fig. 6a und 6b in den »0«- und »1 «-Zuständen gezeigt ist. Hier ist die Diagonal-(diad-)Achse der Symmetrie des ferroelektrisch-ferroelastischen Materials parallel zur z-Achse gewählt. Daher erhält man einen Zustandsübergang durch ein elektrisches Feld durch Anlegen des Feldes parallel zur z-Achse. Ein Zustandsübergang durch eine Spannung erhält man durch Anlegen einer Schubspannung längs eines Paares von Kristalloberflächen senkrecht zu der x- und der y-Achse oder Einwirken eines Druckes oder einer Spannung an einem Paar von parallelen Kristalloberflächen unter Bildung eines Winkels mit den x- und ^-Achsen.
Die GMO-Kristallstruktur

(R und R' sind wenigstens eine Art von Seltenerdelement, χ = 0 ~ 1,0 und e = 0 ~ 0,2), die nach dieser Erfindung verwendet wird, gehört zum orthorhombischen System Pba2 und der Punktgittergruppe mm 2. KDP gehört ebenfalls zur Punktgittergruppe mm 2, hat jedoch einen Curie-Punkt von - 150°C und andere praktische Fehler. Andererseits behält das GMO mit dem Curie-Punkt in der Nähe von 160⁰C die Eigenschaft eines »ferroelektrisch-ferroelastischen Materials« über einen weiten Temperaturbereich und zeigt einen hohen Umwand-

lungswirkungsgrad von mechanischer zu elektrischer Energie. Daher ist die Eignung von GMO für eine mechanisch-elektrische Kopplungsvorrichtung aus* gezeichnet.

Obwohl dieser Kristalltyp als Einkristall im USA.-

Patent 4 18 206 vom 14. 12. 1964 beschrieben wird, gehört die Kristallstruktur von Gadoliniummolybdat mit gleichen Kristallgitterkonstanten a) und b), wie sie dort offenbart sind, weder zur Punktgruppe mm 2 noch zu den unregelmäßig ferroelektrischen Mate-

rialien. Es gehört nicht einmal zu den ferroelektrischferroelastischen Materialien im weiten Sinne.
Eine Erklärung des

(R*Ri-x)₂0_? 3Mo,__e W,O₃

mit der GMO-Struktur und Zugehörigkeit zur Punktgittergruppe mm 2 wird später gegeben.

Ergebnisse und Messungen mittels eines Dreiachsenröntgen-Goniometers und der Röntgendif-

fraktionsmethode zeigten, daß Gd₂(MoO₄), zum rhombischen System mit folgenden Gitterkonstanten

a) = 10,38 ± 0,005 A,

b) = 10,426 ± 0,005 Ä,

c) = 10,709 ± 0,005 Ä

gehört und durch die
Tabelle 2

l'iohc

Raumgruppe Pba	± 0,005
a)	± 0,005
(Al	-t 0,005
10,377	± 0,005
10,388
10,331
10,478

und die

Eu₂(MoO₄),
Gd₂(MoO₄),
Dy₂(MoO₄),
Sm₂(MoO₄),

Die Einkristalle von Gd₂(MoO₄J₃, Sm₂(MoO₄J₃, Eu₂(MoO₄)₃, Tb₂(MoO₄J₃ und Dy₂(MoO₄J₃ wurden parallel zu den [100]-, [010]- und [00 l]-Flächen geschnitten, welche senkrecht auf ihren α-, b- und c-Achsen stehen, und durch Polen (poling) behandelt, um die Einbereichsstruktur zu erhalten (dies wurde unter einem Polarisationsmikroskop unter Einführung polarisierten Lichts in der Richtung der Achse und Betätigung eines gekreuzten Nicol-Prismas überprüft). Die Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts aus verschiedenen Richtungen des Einkristalls wurde mit einem Röntgen-Dreiachsen-Goniometer gemessen. Die Messung wurde bei einer Reflexion von den Oberflächen [400], [600], [800] und [1000] und den Flächen [003], [004] und [005] durchgerührt. Anschließend wurde eine umgekehrte Spannung in der Richtung der c-Achse angelegt. Nach Bestätigung der Umkehr der a- und b-Achse wurden die Intensitätsverteilungen des von den Flächen [040], [060], [0801 und [0100] reflektierten Lichts mit Hilfe der Cu-Kd-Linie mit einem Röntgenirisablenkschlitz von 1", einem Streuschlitz von 1" und einem Empfangslichtschlitz von 0,1 mm gemessen. Die Spannung und der Strom der Röntgenstrahlquelle waren 30 kV bzw. 1OmA. Die Abtastgeschwindigkeit des Goniometers war ¹Z₄ ⁰ZmJn und der Radius des Geiger-Zählers 185 mm.

Wenn weiter die Polbedingung des obengenannten GMO-Kristalls aufgehoben ist, wird es schwierig, den Unterschied zwischen den Kristallgitterkonstanten a) und b) zu beobachten. Darüber hinaus kann durch Verwendung eines GMO-Einkristalles, der, wie oben erwähnt, durch Polen behandelt ist, im Wandlerelement gemäß der Erfindung der erfindungswesentliche Effekt weiter verbessert werden.

Die zusammengesetzten Materialien, die gemäß der Erfindung verwendet werden, sind Einkristalle aus chemischen Verbindungien mit der GMO-Kristallstruktur, chemische Verbindungseinkristalle und ihre feste Lösung.

Die Ergebnisse von Messungen verschiedener Arten von zusammengesetzten Materialien mit der GMO-Kristallstruktur sind in der Tabelle 2 wiedergegeben. Die gemäß der Erfindung verwendete Kristallstruktur wird durch die Abmessungen der dabei verwendeten positiven Ionen beeinflußt. Wenn ein positives Ion übermäßig groß oder klein ist, ändert sich die Kristallstruktur. Die Arrhenius-'Ionenradien der Seltenerd-Punktgittergruppe mm 2 gekennzeichnet werden kann.

Eu₂(MoO₄)-,, Tb₂(MoO₄J₃, Dy₂(MoOJ₃ und Sm₂(MoO₄)₃ sind Isomorphe von Gd₂(MoO₄J₃, doch die mittels Röntgendiffraktionsmethoden gemessenen Gitterkonstanten unterschieden sich in den Kristallgitterkonstanten a) und b). Alle diese chemischen Verbindungen haben die GMO-Kristallstruktur.

b)
(A)

10,472 ± 0,005
10,426 ± 0,005
10,346 ± 0,005
10,511 ± 0,005

C)

(A)

10,655 ± 0,005 10,709 ± 0,005 10,603 ± 0,005 10,856 ± 0,005

Ionen sind Tür Sm⁺³ 1,00 Ä, für Eu⁺³ 0,98 Ä, für Gd⁺³ 0,97 Ä, für Tb 0,93 Ä und für Dy 0,92 Ä. Daher bildet (R₁RJ-J₂O₃ · 3Mo,__eW_eO₃ (R und R' sind wenigstens eine Art von Seltenerd-Element, χ = 0 ~ 1,0 und e = 0 ~ 0,2), das unter Beteiligung dieser positiven Ionen hergestellt ist, ähnliche GMO-Strukturen. Die Abmessungen des Kristalls mit der GMO-Struktur, die zum rhombischen System und zur Punktgruppe mm 2 gehört, von welchen erfindungsgemäß Gebrauch gemacht wird, sind

a) = 10,388 ± 0,005 Ä,

b) = 10,42 ± 0,005 Ä,

c) = 10,709 ± 0,005 Ä.

Die spontane Dehnung x_s ergibt sich zu

la

> 5 ■ 10

Die Tabelle 3 zeigt die Eigenschaften von Gd₂(MoO₄J₃, welches erfindungsgemäß verwendet wird.

Tabelle 3

Eigenschaften von Gd₂(MoO₄J₃

Farbe farblos und durchsichtig

Dichte 4600 kg/m²

Punktgittergruppe rhombisch mm 2

ferroelektrischferroelastische Phase, wenn T Tc (Curie-Temperatur),

tetragonal ?2m paratlektrische Phase, wenn T Tc Phasenübergangs-

temperatur 162 ± 3° C

Schmelzpunkt 117Q°C

Spaltungsoberfläche [110] und [001]

Dielektrische Konstante... ta = rh = 9,5,

te = 10,5 bei 20^oC(fa,fbund

te entsprechen den Achsen a, b und c)

Fortsetzung	. 1,86 · 1(T⁵ (c/m²)
Spontane Polarisierung ..	(Richtung der
	c-Achse)
	1,5 · 1(T³
Spontane Dehnung .,	310-.¹²
Elastizitätsmodul	(m²/Newton)
	6 · 10⁵ (V/m)
Koerzitivelektrisches Feld
Mechanische Koerzitiv	1,4 ■ 10⁵
kraft	(Newton/m²)
	. mehr als 10¹⁰UCm
Elektrischer Widerstand..
Wasserdichtheits- und
chemische Beständig	stark
keitseigenschaften
Efforeszenz- und Zerfließ	Null
eigenschaften

Nun soll die Herstellungsmethode des gemäß der Erfindung verwendeten GMO-Kristalls durch Beispiele erläutert werden.

B e i s pi e1 1

361,8 g Gd₂O₃ und 431,7 g MoO₃ wurden gemischt, um unter geeignetem Druck ein Pellet zu bilden. Die Gd₂(MoOJ₃-Scheibe wurde in einen Platintiegel getan oder auf eine Platinplatte in einem Aluminiumoxydtiegel gelegt und einige Stunden im elektrischen Ofen auf 70O⁰C erhitzt. Die Probe wurde aus dem Ofen herausgenommen, pulverisiert, umgerührt und wieder unter Druck gesetzt. Die Gd₂(MoO₄)₃-Scheibe wurde in einen Tiegel getan und für 2 bis 4 Stunden im elektrischen Ofen auf 1000° C erhitzt. Das Produkt wurde nach der Pulverröntgendiffraktionsmethode gemessen und hatte die GMO-Kristallstruktur.

Weiter wurde das oben erhaltene Gd₂(Mo OJ₃-

Tabelle 4

Pulver in den Platintiegel gegeben und bei etwa 1190⁰C geschmolzen. Ein Platindraht von 1 mm Durchmesser wurde in das Gd₂(MoO^)₃ als Keimkristall getaucht. Die Temperatur wurde gesenkt, bis die geschmolzene Lösung am Draht fest wurde. Die Umdrehung des Platindrahts erfolgte mit 30 bis 60U/min. Dann wurde der Platindraht mit einer Geschwindigkeit von 1,5 bis 18 mm/Ii angehoben. Die Stromzufuhr zur Induktionsspule wurde erhöht,

ίο bis der Durchmesser des Kristalls etwa 1 mm erreichte. Dann wurde die Ofeneingangsleistung so gesteuert, daß der Durchmesser des Kristalls 10 bis 15 mm erreichte, wobei der Kristall mit 1 mm Durchmesser als Keimkristall diente. Die Zuggeschwindigkeit war ebenfalls 1,5 bis 18 mm/h. Als der Kristall bis auf etwa 30 bis 70 mm 0 angewachsen war, wurde er aus der Gd₂(MGOJ₃-Lösung herausgeschnitten. Der ausgeschnittene Kristall wurde in einen Nacherhitzer getan und die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 100°C/h gesenkt, um das Auftreten von Rissen im Kristall zu verhindern. Das so erhaltene Produkt wurde als Gd₂(MoO₄)-, identifiziert, welches zum rhombischen System und zur Punktgittergruppe mm 2 gehört, und erfindungs gemäß verwendet.

Beispiele 2 bis 40

Die im Beispiel 1 beschriebene Methode wurde zur Herstellung von Einkristallen entsprechend Tabelle 4 benutzt. Die Menge der Reagenzien, die in dieser Tabelle angegeben ist, wurde bis kurz untei den Schmelzpunkt erhitzt, um eine feste Lösung zu bilden. Dann wurden diese chemischen Verbindunger erhitzt und die Einkristalle aus der geschmolzener Lösung — wie im Beispiel 1 — herausgezogen.

Einkristall

Sm₂ · (MoOJ₃
Eu₂ · (MoOJ₃
Dy₂ · (MoOJ₃
Tb₂ · (MoO₄J₃
(Gd₀₅Sm₀₅I₂ · (MoO₄J₃
(Gd„_₅Eu„.₅)₂ (MoO₄).!
(Gd_{0 5}Tb₀.₅)₂ · (MoOJ₃
(Gd₀ ..,Dy₀₅J₂-(MoOJ,
(Gd₀.₉₅Yb_O(l5)₂ (MoOJ,

Molybdal (Teile)	Sclicncrdoxyd (Teile)	(Sm₂O₃: 174,3
431,8	(Sm₂O.,) 348,7	(Eu₂O₃) 176,0
431,8	(Eu₂O₃) 352,0	(Tb₄O₁) '87,2
431,8	(Dy₂O₃) 373,0	(Dy₂O₃) 186,5
863,6	(Tb₄O₇) 748,8	(Yb₂O₃) 19,7
431,8	(Gd₂O₃) 180,9
431,8	(Gd₂O₃) 180,9
431,8	(Gd₂O₃) 180,9
431,8	(Gd₂O₃) 180,9
431,8	(Gd₂O₃) 343.7

/Io

15

Fortsetzung
Einkristall

(Gd₀.₉₅Ho₀₀₅)₂ · (MoO₄I₃ (Gd_o_„Lu_{o 05}), ■ (MoO₄J₃ (Gd₀₉₅Tm₁₁₀₅J₂ · (MoO₄J₃ (Gd₀₉₅Sc_{0 05})₂ · (MoO₄J₃ (Gd₀ O₅La_{n 115}), · (MoO₄)., (Gd₀₄₅Pr₁₁₀₅J₂ · (MoO₄J₃ (Gd₀₁₁Y₀₄J₂- (MoO₄)., <Gd_o._(lOLa_{o 40})₂ (MoO₄)., (Gd₀₁₁₀Tb₀₂₀Dy₀₂₀J₂ ■ (MoO₄)., (Gd₀₇₀Eu₀₂₀Dy₀₁₁J)₂ ■ (MoO₄), (Gd₀ ,,,,Sm_{0 20}Tb„ ₁₀)₂ · (MoO₄), (Gd_{0 7O}Eu_(K2OTb₍₁₁₍₎)₂ · (MoO₄), (Gd₀₇Y₀₂La₁₁₁I₂-(MoO₄)., (Gd_{0 7}Eu_{0 20}Ho₀₁₀)₂ · (MoO₄J₃ (Gd₀.₇Sm₀.,Eu₁₁ .,Y₀₁J₂ · (MoO₄).,

(Gd₀C₅Nd₀₀₅I₂ · (MoO₄J₃ (Gd_o,,Tb_o.₂Y_o,La_o,)₂· (MoO₄J₃ Gd₂(Mo₀₀₉₅W₀₁O₄), · (MoO₄), (Sm₀₅Eu₀₅I₂ (MoO₄) (Sm₀₅Dy₀₅I₂ (MoO₄)., (Sm_0i5Tb„ ₅)₂ · (MoO₄), (Sm₀₁₁₅Yb₁₁₀₅), · (MoO₄),

*er.* <£-■	16	(Ho₂O₃) 18,9	(Tb₄O₇) 78,8
1771 937	Seitenerdoxyd (Teile)	(Lu₂O₃) 19,9	(Dy₂O₃) 37,3
Molybdat (Teile)	(Gd₂O₃) 343,7	(Tm₂O₃) 19,3	(Tb₄O₇) 39,4
431,8	(Gd₂O₃) 343,7	(Sc₂O₃) 6,9	(Tb₄O₇) 39,4
431,8	(Gd₂O₃) 343,7	(La₂O₃) 16,3	(Y₂O₃) 45,2
431,8	(Gd₂O₃) 343,7	(Pr₁₁O₁₁) 17,0	(Ho₂O₃] 37,8
431,8	(Gd₂O₃) 343,9	(Y₂O₃) 90,3	(Eu₂O₃) 35,2
431,8	(Gd₂O₃) 343,9	(La₂O₃) 130,0
431,8	(Gd₂O₃) 217,0	(Dy₂O₃) 74,6
431,8	(Gd₂O₃) 217,0	(Eu₂O₃) 70,4	(La₂O₃ 32.6
431,8	(Gd₂O₃) 217,0	(Sm₂O₃) 69,7
431,8	(Gd₂O₃) 253,3	(Eu₂O₃) 70,4
431,8	(Gd₂O₃) 217,0	(La₂O₃) 32,6
431,8	(Gd₂O₃) 253,3	(Eu₂O₃) 70,4
431,8	(Gd₂O₃) 253,3	(Sm₂O₃) 34,9
431,8	(Gd₂O₃) 253,3
431,8	(Gd₂O₃) 253,3	(Nd₂O₃) 16,8
431,8	(Y₂O₃) 22,6	(Tb₄O₇) 39,4
	(Gd₂O₃) 343,7
431,8	(Gd₂O₃) 217,0	ι (Eu₂O₃) 176,0
431,8	(Wo₃) 70,0	I (Dy₂O₁) 186,5
431,8	(Sm₂O₃) 174.1	) (Tb₄O₇) 187,2
431,8	(Sm₂O₃; 174.1	) (Yb₂O,) 19.7
431.8	(Sm₂O, 174,1
431,8	(Sm₂O₃ 331,3
431,8

17

18

Fortsetzung

Einkristall

(Sm₁₁₉₅Ho_{0 05})₂ - (MoOJ.

J.,

(Sm_0g5Tm_O(:5)₂ -(MoOJ₃ (Sm₀₁₁₅Sc₀₀₅), -(MoO₄J₃ (Sm_()l,₅Y₀₀₅), (MoOJ, (Sm_111H1Er₀₁), ■ (MoO₄), (Sm₀„Eu„ ,Er₀₁), ■ (MoO₄), ISm₁₁₇Tb₀₂Y₀₁),-(MoO₄), (Sm_{11 s}Er₀₁ Y₁₁₁), (MoO₄), (Sm₁₁₈Dy₀ ,Y₀₀₅Er₀₀₅), · (MoO₄),

ISm₀₅Tb₀₅), (Mo₀₉₀W₀₁), <Dy_0-115L_0-05), (MoO₄), (Dy₀₄₅Pr₀₁₁₅), (MoO₄)., (Dy₀₁₁₅Nd₁₁₀₅), (MoO₄), (Dy_11-SNd₁₁₁₀H₁₁₁₁₁), (MoO₄I_-, (Eu₁₁₁₁Tb₁₁ ,,,Dy₁₁₂)₂ ■ (MoO₄), (Gd₀₁₁Eu₁₁ ,Sm₀ ,Tb₀ ,Dy_ol)₂ · (MoO₄),

Molybdat (Teile)	Seltenerdoxyd. (Teile)	(Ho₂O₃) 18,9	(Er₂O₃) 19,1
431,8	(Sm₂O₃) 331.3	(Lu₂O₃) 19,9	(Y₂O_-1) 22.6
431,8	(Sm₂O₃) 331,3	(Tm₂O₃) 19,3	(Er₂O₃) 19.1
431,8	(Sm₂O₃) 331.3	(Sc₂O₃) 6,9	(Y₂O₃)
431,8	(Sm₂O₃) 331,3	/Y₂O₃) 11.3
431,8	(Sm₂O₃) 331.3	(Er₂O₃) 19.1
431.8	(Sm₂O_-1) 313.4	(Eu₂O₃) 105.4
431,8	(Sm₂(I,) 209.4	(Tb₄O-,) 78,8
431,8	(Sm₂O₃) 244.0	(Y₂O₃) 22,6
431,8	(Sm₂O₃) 278.9	(Dy₂O₃)
431,8	(Sm₂O₃)

388.6 431.8 431,8 431,8 431.8 431,8 431.8

278,9 37.3 11.3

(Er₂O_-1)

9.5

(Sm₂O₃) (Tb₄O₇) 174.1 187.2

IWO_-1) 70,0

(Dy₂O₃) Il ' O₃)

369.3 16.3

(Dy₂O₃) (Pr₁₁O₁₁)

369.3 17.0

(Nd₂O₃) (Dy₂O₃)

16.8 369,3

(Dy₂O₁) (Ho₂O₃) (Nd₂O₁)

298.4 37,8 33,7

(Eu₂O₃) (Dy₂O₁) (Tb₄O-)

211,2 74,6 78,8

(Gd₂O₃) [Sm₂O₃)' (Eu₂O₃)

217,0 34,9 70.4

(Dy₂O₃) 37,3

Anschließend werden Ausführungsbeispiele der Anordnung wurde in flüssigen Stickstoff getaucht,

Erfindung beschrieben. Gd₂(MoO₄), wird darin ein- um sie auf einer extrem niedrigen Temperatur zu

fach mit GMO abgekürzt. ho halten. Ein Fenster 8 wurde in der Pyrofcrritanord-

. _.. . ... , mum vorgesehen, um eine schnelle Wanderung von

Ausfuhrungsbe.sp.el I flüssigem Stickstoff zu fördern und eine Kontakt-

Wie in den Fig. 7a und 7b gezeigt ist. wurde feder 6 (s. Fig. 7b) leicht anzubringen. Ein Druck

ein 5-mm-Würfel I von 45 Z-Sehnitl-KDP (parallel in der Größenordnung von lOOkg/cnr wurde unter

zu den I lachen [(K)I], [I K)] und [11O]) geschnitten, 6s Verwendung eines doppelten Druckstabes 5 mit

dessen [(M)I !-Oberfläche mit einer Elektrode 2 ver- Druckflächen 4 auf die Anordnung ausgeübt. Eine

sehen war, in einer hohlen, zylindrischen Druck- Spannung der Größenordnung von 5000 V konnte

/eile 3 aus einer Art von Pyrofcrril angeordnet. Die der Elektrode 2 zugeführt weiden. Wie im seitlichen

schnitt in Fig. 7b gezeigt ist, war ein Konden- ;ator 7 der Größenordnung von 380 pF parallel zum K.DP-Würfel 1 über die Kontaktfeder 6 angeschlossen, und es wurde eine elektrische Energie von 5 · 10~³ Joule erhalten. " _s

Ausführungsbeispiel 2

Wie in F i g. 8 gezeigt ist, wurde ein Z-Schnitt-KDP-Stück 1 mit den Abmessungen von 0,5 mm Dicke, 2 mm Breite und 15 mm Länge (senkrecht zur ι ο c-Achse geschnitten), dessen [001]-Oberfläche mit zwei Elektroden 2 auf beiden Seiten verbunden war, während eine andere Oberfläche 10 an eine Relaiskontaktzone 11 angeschlossen war, in einem Tieftemperaturbad unter Verwendung von z. B. flüssigem Stickstoff angeordnet. Als ein Relaiskreij 13 an der Kontaktzone Il angeschlossen und über die Anschlüsse 14 eine Spannung von 50 V an den Elektroden 2 angelegt wurde, erfolgte ein Polarisationswechsel im KDP 1. Da sich der KDP-Kristall 1 in der Richtung der Kontaktzone ausdehnte und den Kontakt ^chloß, floß ein Strom durch den Rclaiskreis 13. Als eine Umkehrspannung von -50 V angelegt wurde, zog sich der Kristall in der Richtung der Kontaktzone zusammen, so daß das Relais geöffnet wurde. Daher kann der Polarisationswechsel von KDP durch ein elektrisches Feld zur Herstel'ung eines piezoelektrischen Relais des Selbsthaltetyps verwendet werden. Das Steuerelement für ein solches piezoelektrisches Relais kann aus ferroelektrischferroelaslischen Kristallen unter Einschluß nicht nur von KDP, sondern auch von GMO und Rochellc-SaI/ hergestellt werden.

Ausrührungsbeispiel 3

Wie in F i g. 9 gezeigt ist, wurden Z-Schnitt-GMO-Dünnplattcn I₁ und I₂ (senkrecht zur c-Achse geschnitten) auf beiden Seiten mit einem Metallstück 15 verbunden, wobei ihre c-Achsen in der gleichen oder der entgegengesetzten Richtung angeordnet waren, so daß ein Bimorph gebildet wurde. Ein Ende 17 des Metallstücks wurde festgelegt, während das andere Ende mit einem Ausleger verbunden wu.de, der eine Saphirnadel 18 trug. Gummidämpfer 16 wurden auf beiden Seiten des Metallstücks 15 vorgesehen. Wenn der so konstruierte Abtaster längs einer Spur 20 bewegt wurde, übte er ein Biegemoment auf das Bimorph aus. Dabei wurde im GMO ein Polarisationswechsel entsprechend dem Maß der Biegung erzeugt, und es ergab sich eine Änderung der elektrischen Energie an den Oberflächen der GMO's I₁ und I₂.

1. Wenn die GMO's mit beiden Seiten des Metallstücks 15 verbunden und ihre c-Achsen in der gleichen Richtung angeordnet sind, wie in F i g. 10 dargestellt ist, tritt eine Spannung an den Elektroden 2I₁ und 2I₂ auf. Da die Biegungen der GMO's Ii und I₂ und daher ihre Polarisationswechsel proportional der Amplitude der Spur sind, kann eine der Amplitude der Spur proportionale Spannung erzielt werden.

2. Wenn die Z-Schnitt-GM O-Kristaile an beiden Seiten des Metallstücks 15 befestigt und ihre c-Achsen in der umgekehrten Richtung angeordnet sind und ein Druck "auf die GMO's I₁ und I₂ ausgeübt wird, ergibt sich eine Spannung entsprechend dem in 1 beschriebenen Prinzip (Fig. 11).

Ausführungsbei;>piel 4

Wie in den Fig. 12a und 12b gezeigt ist, wurde ein 45' -Z-Schnitt-GM O-Stück 1 (parallel zu den [OGl]- und [UO]-Flächen. die senkrecht auf der c-Ächse stehen, geschnitten) mit Abmessungen von 0,2 mm Dicke, 20 mm Länge und 1,5 mm Breite an beiden Seilen der [O01]-Oberfläche mit 2 Paaren von Elektroden 2 und 2' und mit einem Kondensator 22 von 0,1 uF auf der Seite der Elektrode 21' bestückt. Als eine Wechselspannung von 100 V und 50 Hz an den Primäranschlüssen der Elektrode 21 angelegt wurde, wurde in dem Bereich A des GMO-Stücks 1 eine Spannung induziert und eine Änderung in der spontanen Polarisation erzeugt. So wurde in den Sekundärelektroden 2' eine elektrische Energie erzeugt, wobei sich am Sekundäranschluß 23 eine Spannung von 2 V und 50 Hz ergab.

Die in" den vorstehenden Ausführungsbeispiclcn verwendeten ferroelektrisch-ferroelastischen Materialien können in einem polarisationsumkehrbaren Wandlcrelement unter Ausnutzung des Polarisationswechsels der Kristalle verwendet werden, die zu den Typen in Tabelle 1 gehören. Insbesondere eignen sich Rochelle-Salz KDP, MASD, Eisen-Jod-Boracit und die GMO-Kristallstruktur

(R_xR^_x)O₃-3MoO₃-W^O₃

(wobei R und R' wenigstens eine Art von Scltenerdelement, χ = 0 ~ 1,0 und e = 0 ~ 0,2 ist), die zum rhombischen System und zu der Punktgittergruppe mm 2 gehören, als polarisationsumkehrbares Wandlerelcment gemäß der Erfindung.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Als Speicherelement oder Schaltelement geeignetes polarisationsumkehrbares Wandlerelement, bei dem ein elektrisches Feld oder eine mechanische Spannung an einen Kristall mit der ferroclektrischen Eigenschaft angelegt wird, wobei die Größe des elektrischen Feldes oder der mechanischen Spannung gleich oder größer als das elektrische Koerzitivfeld bzw. die mechanische »Koerzitivkraft« des Kristalls ist, um einen elektrischen Polarisationswechsel hervorzurufen, und bei dem eine in dem Kristal¹ durch den Polarisationswechsel erzeugte mechanische Dehnung oder elektrische Energie ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus einem Material der Gruppe Rochelle-Sal/. Kaiiumdihydrophosphat, Stoffe der Gadoliniummolybdatkristallstruktur des Typs 42 m F mm 2 und der chemischen Formel