DE2055197A1

DE2055197A1 - Piezoelektrische Keramikmasse

Info

Publication number: DE2055197A1
Application number: DE19702055197
Authority: DE
Inventors: Seiji Osaka Ueda Ichiro Nishinomiya Hyogo Ikegami, (Japan) P C04b
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1969-12-26
Filing date: 1970-11-05
Publication date: 1971-07-15
Also published as: DE2055197C3; NL7018805A; US3642637A; NL154998B; JPS5020278B1; GB1330649A; FR2073941A5; DE2055197B2

Description

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PATENTANWÄLTE

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Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd., Kadoma, Osaka, Japan

Piezoelektrische Keramikmasse

Zus ammenfass ung:

Es handelt sich um eine piezoelektrische Keramik, die im wesentlichen aus Bleititanat und einem gemeinsamen Zusatz von 0,22 bis 0,36 Gew.-% Manganoxid und 1,08 bis 2,4j5 Gew.-% Lanthanoxid be- ä steht, einen elektromechanischen Kopplungsfaktor k« von 42 bis 50 #, einen mechanischen Gütefaktor von etwa 1000, eine Dielektrizitätskonstante von etwa 200 sowie eine Vickershärte von 500 . aufweist und zur Herstellung eines Hochfrequenz-Keramikfilters mit breitem Durchlassbereich und geringer Dämpfung geeignet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Keramikmasse, die zur Herstellung eines Keramikfilters im Hochfrequenzbereich geeignet ist, und im spezielleren auf eine piezoelektrische Keramikmasse, die im wesentlichen aus Bleititanat, das einen ge meinsamen Zusatz von Manganoxid und Lanthanoxid enthält, besteht.

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Ferroelektrisch^ Keramiken, wie zum Beispiel Bariumtitanat- und Bleititanat-Bleizirkonat-Keramiken, die unter einem Oleichstromfeld polarisiert sind, sind als piezoelektrische Umwandler verwendet worden. Es ist jedoch schwierig, diese Keramiken für höhere Frequenzen als 10 MHz zu verwenden, wet I die Dielektrizitätskonstanten dieser Keramten in der Grössenordnung von 1000 liegen und die elektrische Impedanz des Umwandlers bei hoher Frequenz zu niedrig wird.

Bleititanatkeramiken besitzen eine Dielektrizitätskonstante von fc etwa 200. Daher ist für einen Umwandler, der Bleititanat enthält, die Möglichkeit sehr gegeben, als Hochfrequenzumwandler verwendet zu werden, doch weisen Bleititanatkeramiken im allgemeinen einen kleinen elektromechanischen Kopplungsfaktor von 30 % oder weniger und einen geringen mechanischen Gütefaktor von 300 oder weniger auf.

Der piezoelektrische keramische Umwandler, insbesondere das Keramikfilter, erfordern einen grossen elektromechanischen Kopplungsfaktor wie auch einen hohen mechanischen Gütefaktor. Der grosse elektromechanische Kopplungsfaktor ist für einen grösseren Durchlassbereich des Filters erforderlich, weil die Bandbreite dem Quadrat des Kopplungsfaktors annähernd proportional P ist. Der hohe mechanische Gütefaktor ist erforderlich, um die Dämpfung zu vermindern, die auftritt, wenn eine elektrische Nachricht duich das Keramikfilter hindurchgeht.

In der deutschen Patentanmeldung P 19 50 ]515·2-35 werden Bleititanatkeramiken vorgeschlagen, die eine kleine Menge Manganoxid enthalten und eine Dielektrizitätskonstante von etwa l60 sowie einen mechanischen Gütefaktor über 1000 besitzen und als Hochfrequenzfiltermaterial geeignet sind. Dieses Material hat jedoch^ einen elektromechanischen Kopplungsfaktor k,-* von höchstens 40 ^ und eine Viokershärte von 630. Diese Härte ist für eine mechanische Bearbeitung zu gross. Es ist wünschenswert, den elektromechanischen Kopplungsfaktor und die mechanische Härte dieses Materials zu verbessern.

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Dei' Erfindung liegt nundie Aufgabe zugrunde, piezoelektrische Keramiken zur Verfügung zu stellen, die einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor zusammen mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten und einem hohen mechanischen Gütefaktor aufweisen.

D er Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, piezoelektrische Keramiken zur Verfügung zu stellen, die eine für die Durchführung einer mechanischen Bearbeitung geeignete Härte besitzen.

Diese und andere der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben bzw. j Ziele der Erfindung sind aus der nachfolgenden spezielleren Beschreibung zusammen mit den dazugehörigen Zeichnungen ersichtlich, in denen

Figur 1 eine Querschnittsansicht eines keramischen Filters ist und

Figur 2 Umrisslinien für den elektromechanischen Kopplungsfaktor k-,., wiedergeben, aufgetragen in Form eines zusammengesetzten Diagramms der Zusätze.

Bevor die nach der Erfindung vorgeschlagenen neuen piezoelektrischen Keramikmassen im einzelnen beschrieben werden, soll der ä beispielhafte Aufbau eines keramischen Filters, das piezoelektrische Keramikmassen nach der Erfindung enthält, unter Bezugnahme auf die Zeichnung 1 erläutert werden, in der die Bezugsziffer 1 einen scheibenförmigen Körper aus keramischem Material bezeichnet. Der Körper 1 ist mit einem Elektrodenpaar 2 und jj an seinen beiden gegenüberliegenden Oberflächen versehen. Leitungsdrähte 4 und 5 sind mit den Elektroden 2 und J verbunden. Der Körper 1 ist mittels der Leitungsdrähte 4 und 5 elektrostatisch polarisiert, so dass eine Piezoelektrizität gegeben ist.

Nach der Erfindung ist gefunden worden, dass der Körper 1, wenn er im wesentlichen aus Bleititanat und einem gemeinsamen Zusatz

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von 0,22 bis 0,36 Gew.-% Manganoxid und 1,08 bis 2,43 Gew.-# Lanthanoxid besteht, einen grossen elektromechanischen Kopplungsfaktor k_, von 42 bis 50 % sowie eine Vickershärte von 500 zusammen mit einer Dielektrizitätskonstanten von etwa 200 und einem mechanischen Gütefaktor von etwa 1000 besitzt. Die piezoelektrische Keramikmasse nach der Erfindung 1st daher zur Herstellung eines keramischen Filters geeignet, das bei hoher Frequenz mit breitem Durchlassbereich und geringer Dämpfung arbeiten kann. Die Keramik mit einer geringen Härte kann leicht zu einem Keramikfilter durch Bearbeitung ausgebildet werden.

Die Ausgangsstoffe sind chemisch reines Bleioxid, Titanoxid, Manganoxid und Lanthanoxid. Irgendwelche anderen Formen,wie zum Beispiel Carbonate und Hydroxide, die indie vorgesehenen Oxide umgewandelt werden können, können als Ausgangsstoffe verwendet werden. Der Keramikkörper nach der Erfindung kann nach einer auf dem Gebiet der Keramik an sichbekannten Verfahrensweise hergestellt werden. Gemische mit einer bestimmten Zusammensetzung werden zum Beispiel mit Wasser in einer Kugelmühle gut gemischt, unter Infrarotbestrahlung getrocknet, leicht zu einer Kugel zusammengepresst, und bei 700 bis 90o° C 2 Stunden lang kalziniert. Die kalzinierte Kugel wird dann vollständig zerklei-

nert und mit einem Druck von etwa 1000 kg/cm in die Rrm einer Scheibe nach aufdem Gebiet der Keramik bekannten Techniken zu· sammengepresst. Diese Scheiben werden bei 1200 bis IjJOO⁰ C eine Stunde lang in Luft erhitzt und ofengekühlt. Der gesinterte Körper wird mit Elektroden versehen, wie es in der Figur 1 dar* gestellt ist und unter einem Gleichstromfeld von 30 bis 60 kV/em bei 15Ö bis 250° C polarisiert. Die piezoelektrischen EigenßcbAften der polarisierten Keramiken werden nach bekannten Methoden gemessen. Die Effekte eines gemeinsamen Zusatzes von Manganoxid und Lanthanoxid werden in der Tabelle wiedergegeben· Zum Vergleich werden Bleititanatkeramiken mit einem einzelnen Zueats von Manganoxid oder Lanthanoxid ebenfalle hergestellt, und zwar auf die gleiche Art und Welse wie bei dem obigen gemeinsamen Zusatz. Die Effekte eines einzelnen Zusatzes werden ebenfalls in der AeIIe angegeben.

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Der elektromechanisch^ Kopplungsfaktor K„ ist an Keramiken gemessen worden, die unter einem Gleichstromfeld von 55 kV/cm bei 200° C polarisiert worden sind.

Bleititanatkeramiken, die nur Lanthanoxid enthalten, die Beispiele 1 bis 3, weisen einen niedrigen elektromechanischen Kopplungsfaktor k,., von 20 % oder weniger, wie in der Tabelle angegeben ist, auf. Einige der Bleititanatkeramiken, die nur Manganoxid enthalten, haben einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor, Beispiel 4, in dem 0,29 Gew.-% Manganoxid enthalten ist, besitzt einen Kopplungsfaktor k« von 40 %,

Nach der Erfindung ist festgestellt worden, dass ein gemeinsamer Zusatz von 0,22 bis 0,356 Gew.-^ Manganoxid und 1,08 bis 2,45 Gew.-% Lanuanoxid zu einer weiteren Erhöhung des Kopplungsfaktors k„ von Bleititanatkeramiken führt. Die Beispiele 7 bis 28 in der Tabelle enthalten einen gemeinsamen Zusatz von Manganoxid und Lanthanoxid. Die Figur 2 gibt die Umrisslinien für den elektrischen Kopplungsfaktor k,.,, aufgetragen in Form eines zusammengesetzten Diagramms der Zusätze unter Bezugnahme auf die Tabelle, wieder. Die Figur, 2 lässt klar erkennen, dass ein genfönsamer Zusatz von 0,22 bis 0,36 Gew.-^ Manganoxid und 1,08 bis 2,43 Gew.-^ Lanthanoxid zu einem Maximalwert für den Kopplungsfaktor k« führt.

Wie in der Tabelle angegeben ist, überschreiten die elektromechanischen Kopplungsfaktoren k,, vonden Beispielen 10, 12 bis 17 und 22 40 %; insbesondere erreicht das Beispiel 15 50 %» Die Erhöhung des Kopplungsfaktors k,, von 40 % auf 50 % bedeutet eine 56 #ige Steigerung des Durchlassbereichs des Keramikfilters; sogar eine Erhöhung von k„ von 40 % auf 42 % führt zu einer 10 #lgen Steigerung des Durchiaasbereiches. Die Tatsache ist für die Ausbildung von Keramikfilter?! mit breitem Durchlässigkeitsbereich von Bedeutung. Die Beispiele lo, 12 bis 17, und 22 enthalten alle einen gemeinsamen Zusatz, der aus 0,22 bis 0,?6 Gew.-^ Manganoxid und 1,08 bis 2,43 öew.-# Lanthanoxid besteht; diese Keramiken haben Dielektrizitätskonstanten von etwa 200 und mechanische Güte-

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faktoren von etwa 1000 und behalten ihre Eigenschaften als Keramikmaterial bei einem Betrieh bei hoher Frequenz bei.

Das Beispiel 4, das nur MnO₂ enthält, hat einen Kopplungsfaktor von 40 %, hat aber ausserdem eine grosse Vickershärte von 6j5O. Demgegenüber haben die Beispiele 10, 12 bis I7 und 22 nach der Erfindung eine Vickershärte von 500 und bringen daher unter dem Gesichtspunkt einer mechanischen Verarbeitung zu Keramikfiltern Vorteile mit sich.

Oxide von anderen Elementen der Seltenen Erden, zum Beispiel Ceroxid und Gadoliniumoxid, können anstelle von Lanthanoxid verwendet werden und ergeben ähnliche Effekte.

Wie oben erwähnt worden ist, haben die piezoelektrischen Keramiken nach der Erfindung einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor k„, einen grossen mechanischen Gütefaktor, eine kleine Dielektrizitätskonstante und eine geringe Vickershärte, und es ist

leicht zu erkennen, dass die erfindungsgemässen piezoelektrischen Keramikmassen sehr für eine Konstruktion von H>chfrequenzkeramikfiltern mit breitem Durchlassbe^ich und geringer Dämpfung geeignet sind.

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Tabelle

Beispiel	Zusatz	zum Blei-	Elektromechanischer	Vickersharte	-	630
Nr.	titanat	(Gew.-Ji)	Kopplungsfaktor k,, (#)
	MnO₂	La₂O₃	18
1	0,0	0,54	20
2	0,0	1,34	18
3	0,0	2,68	40
4	0,29	0,0	30	500
5	0,51	0,0	22	zerbrechlich
6	0,73	0,0	40	500
7	0,14	1,62	30	500
8	0,14	2,69	16	500
9	0,14	3,77	45	500
10	0,22	1,62		500
11	0,29	0,54	42	500
12	0,29	1,08	45
13	0,29	1,35	48
14	0,29	1,62	50
15	0,29	1,89	45
16	0,29	2,16	42	500
17	0,29	2,43	40
18	0,29	2,70	30
19	0,29	2,97	20
20	0,29	3,24	18
21	0,29	3,78	45
22	0,36	1,63	40
23	0,43	1,D9	35
24	0,43	2,17	18
25	0,43	3,25	30
26	0,58	1,09	20
27	0,73	1,09	18
28	0,88	1,09

- Patentanspruch 109829/156/»

Claims

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Patentanspruch ί

Piezoelektrische Keramikmasse, bestehend im wesentlichen aus Bleititanat und einem gemeinsamen Zusatz von 0,22 bis 0,56 Gew.-% Manganoxid und 1,08 bis 2,4j Gew.-% Lanthanoxid.

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