DE2055197A1 - Piezoelektrische Keramikmasse - Google Patents
Piezoelektrische KeramikmasseInfo
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Description
M 2900
PATENTANWÄLTE
Dr1-In;:;. !-Vv PiJSCHKE
Dipf.-Ini;. Ht:,.Ζ ACULAR
SlK. ι λ 3 a
S βδ
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.
10912971564 original inspected
- 2 - M 2900
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.
109929/1564
- 3 - M 2900
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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- 4 - M 2900
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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- 6 - M 2900
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.
109829/1664
- 7 - M 2900
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 | |||
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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 (1)
- - 8 - M 2900Patentanspruch ίPiezoelektrische 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.109829/166
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |