DE2148555C3 - Kabeiförmiges piezoelektrisches Element und Verfahren zur Herstellung eines solchen Elements - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein kabeiförmiges piezoelektrisches Element, das z. B. zum Detektieren und Messen von Druckänderungen, Schwingungserscheinungen, zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen und dergleichen verwendet werden kann.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elements.

Die üblichen piezoelektrischen Elemente besitzen meistens die Form flacher Scheiben oder Ringe. Bestenfalls bestehen sie aus kurzen Stäben mit eckigem oder rundem Querschnitt. Der Anwendungsbereich derartiger Elemente ist daher beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein langgestrecktes kabeiförmiges, vorzugsweise biegsames, piezoelektrisches Element zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß es aus mindestens einem länglichen elektrischen Leiter besteht, der innerhalb eines aus elektrisch leitendem Material bestehenden zylindrischen Mantels liegt, wobei der Raum zwischen dem Leiter und dem Mantel zusammengepreßtes Pulver eines keramischen piezoelektrischen Materials enthält, das radial polarisiert ist.

Ein piezoelektrisches Element gemäß der Erfindung weist insbesondere die nachstehenden Vorteile auf: Es ist biegsam und kann infolgedessen z. B. zu einer Spule aufgewickelt werden. Durch passende Wahl des Außenmantels kann ein mehr oder weniger korrosionsfestes Element erhalten werden. Durch seine Form läßt es sich zum Messen und Detektieren von Erscheinungen anwenden, deren Auftrittsstelle zuvor nicht feststeht, wie bei Verkehrszählungen, bei denen 555

ein Kabel senkrecht zur Fahrrichtung der zu zählenden Fahrzeuge liegt. Durch seinen Aufbau hat das erfindungsgemäße Element eine höhere Beständigkeit gegen mechanische Einflüsse als die üblichen miv Elektroden versehenen Körper aus keramischem Material. Schließlich ist es infolge der radialen Polarisation für die Messung und Detektion egal, aus welcher Richtung die zu messende oder zu detektierende Schwingungserscheinung aufgefangen wird.

Das piezoelektrische Element nach der Erfindung besteht in der einfachsten Form aus einem zentralen Leiter, dessen Achse mit der Achse eines zylindrischen Mantels zusammenfällt; ein derartiges Element in Form eines Koaxialkabels kann eine beliebige Länge aufweiseil. Als piezoelektrische Materialien können die käuflich erhältlichen keramischen piezoelektrischen Materialien, wie z. B. mit Blei dotiertes Bariumtitanat(z.B. mit 5 Gewichtsprozent Bleititanat) oder Gemische von Bleititanat und Bleizirkonat in Form fester Lösungen, das sogenannte Bleititanat-Zirkonat, gegebenenfalls in modifizierter Form, Anwendung finden.

An den Enden eines Kabelstücks dieser Art kann ein Spannungsunterschied zwischen dem mittleren Leiter und dem Mantel gemessen werden, wenn das Kabel an einem beliebigen Punkt mechanisch belastet wird.

Aus der US-PS 33 39 164 sind temperaturempfindliche Elemente bekannt, die eine gleiche Bauart wie die Elemente nach der Erfindung aufweisen, wobei der Raum zwischen dem Mantel und dem mittleren Leiter mit einem pulverförmigen Material mit einem negativen Temperaturkoeffizienten ausgefüllt ist. Unter den in dieser Patentschrift genannten Materialien gibt es auch Materialien mit piezoelektrischen Eigenschaften. Die Elemente nach der US-PS 33 39 164 werden aber nicht radial oder auf andere Weise polarisiert. Diese Elemente weisen daher keine piezoelektrischen Eigenschaften auf. Aus der erwähnten US-PS läßt sich auch nicht ableiten, daß durch radiale Polarisation Elemente mit grundsätzlich von den Eigenschaften dieser Elemente verschiedenen Eigenschaften und somit mit einen anderen Anwendungsbereich erhalten werden können und daß eine solche Polarisation beibehalten bleibt.

Das für den zentralen Leiter und den Mantel anzuwendende elektrisch leitende Material besteht vorzugsweise aus einem Metall, das in Berührung mit dem piezoelektrischen Material bei Behandlungen bei hoher Temperatur die piezoelektrischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt. Bei Anwendung eines keramischen piezoelektrischen Materials, das völlig oder teilweise aus einem Titanat besteht, sind geeignete Metalle z. B. Titan, Kupfer und Nickel.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung eines kabeiförmigen piezoelektrischen Elements nach der Erfindung. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines aus einem elektrisch leitenden Material bestehenden zylindrischen Mantels mindestens ein drahtförmiger elektrischer Leiter axial angeordnet und in dem freien Raum zwischen dem Leiter und dem Mantel einPulver eines keramischen piezoelektrischen Materials angebracht wird, wonach von dem erhaltenen Ganzen der Durchmesser durch mechanische Bearbeitung zwecks Zusammenpressung des Pulvers herabgesetzt und das so gebildete kabeiförmige Element auf eine Temperatur in der Nähe des Curie-

punktes des piezoelektrischen Materials erhitzt wird, während zwischen dem elektrischer· Leiter und dem Mantel eine Spannung zum Polarisieren des piezoelektrischen Materials angelegt wird, wonach das Material abgekühlt wird.

Bei diesem Verfahren werden die nn sich bekannten Techniken zum Verkleinern der Querschnittsoberfläche \un länglichen Körpern angewendet, bei denen sich zwischen einem zentralen Leiter und einem Mantel ein elektrisch isolierendes keramisches Material befindet, wie z. B. bei koaxialen Erhitzungskabeln. Diese Bearbeitungen bestehen in Walzen, Ziehen und/ oder Hämmern. Die Füllung kann hierbei aus Pulver oder aus Perlen bestehen, die auf den zentralen Leiter aufgeschoben werden. Zwischen den verschiedenen Bearbeitungen kann gewünschtenfaUs das Ganze in einer geeigneten Atmosphäre ausgeglüht werden. Nach erfolgter mechanischer Querschnittsverringerung wird das Element auf eine Temperatur in der Nähe des Curiepunktes des verwendeten keramischen Materials gebracht. Zwischen dem Mantel und dem zentralen elektrischen Leiter wird nun eine derartige Gleichspannung angelegt, daß das piezoelektrische Material polarisiert wird. Diese Polarisation ist radial gerichtet. Beim Bestimmen der Größe der anzulegenden Spannung sollen die folgenden Faktoren berücksichtigt werden: Bei angelegter Polarisations^cpannung weist das elektrische Feld zwischen dem Mantel und dem zentralen Leiter in der Nähe des zentralen Leiters seinen Höchstwert auf. Die keramischen piezoelektrischen Materialien weisen einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes auf. Bei Erhitzung auf die Temperatur, bei der Polarisation stattfinden wird, nimmt also der Widerstand des keramischen Materials ab. Daraus läßt sich ableiten, daß vorzugsweise diejenigen keramischen piezoelektrischen Materialien anzuwenden sind, die beim Curiepunkt den höchsten elektrischen Widerstand aufweisen; beim Polarisieren ist die zulässige Feldstärke bei diesen Materialien am höchsten. In diesem Zusammenhang haben sich die oben beispielsweise erwähnten piezoelektrischen Materialien als besonders geeignet erwiesen.

Es sei noch erwähnt, daß aus der GB-PS 8 07 019 ein Verfahren bekannt ist zur Herstellung von scheibenförmigen Elementen, gegebenenfalls auch piezoelektrischen Elementen, bei dem ein kabeiförmiges Gebilde ähnlichen Aufbaus wie nach der Erfindung in Scheiben geteilt wird. Während der Herstellung des kabeiförmigen Gebildes wird so hoch erhitzt, daß Sinterung auftritt und ein glasartiges Gebilde aus dem keramischen Material entsteht. Ein solches Element ist nicht biegsam. Überdies geht hieraus nicht hervor, daß die Polarisation des Materials in Pulverform wie bei dem erfindungsgemäßen Element beibehalten bleibt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch ein Element in Form eines Koaxialkabels nach der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen verschiedenen Druckänderungen und den demzufolge erzeugten Spannungsunterschieden bei einem diesen Druckänderungen ausgesetzten Element gemäß der Erfindung.

Das Element nach Fig. 1 enthält einen durch einen zentralen Leiter gebildeten Kern 1, dessen Achse mit der Achse eines zylindrischen Mantels 2 zusammenfällt, der gleichfalls aus elektrisch leitendem Material besteht. Zwischen dem Mantel 2 und dem Kern 1 befindet sich ein keramisches piezoelektrisches Material, das radial polarisiert ist. Dies ist in der Figur auf übliche Weise durch » + «- und » — «-Zeichen dargestellt, die gerichtete Dipole angeben.

Ausführungsbeispiel

In einem aus Titan bestehenden Rohr (Außendurchmesser 13 jiim, Innendurchmesser 10 mm) wurde in der Achse ein zentraler Leiter aus Titan (Durchmesser 3,5 mm) angebracht. Der Raum in dem Rohr wurde mit einem käuflich erhältlichen Pulver aus einem Strontium enthaltenden Bleititanat-Zirkonat der Zusammensetzung [Sr_0iQ5Pb₀,_fl5(Ti_0-47Zr₀,_M)O₃] bestehenden keramischen piezoelektrischen Materials gefüllt.

Der Durchmesser des Ganzen wurde auf mechanischem Wege herabgesetzt, bis ein Element mit einem Außendurchmesser von 2 mm, einem Innendurchmesser des Mantels 2 von 1,54 mm und einem Durchmesser von 0,61 mm des Kerns 1 erhalten war.

Das auf diese Weise erhaltene Element wurde auf eine Temperatur von 300° C gebracht. Zwischen dem Mantel 2 und dem Kern 1 wurde nun eine Gleichspannung von 500 V angelegt. Unter Beibehaltung dieser Spannung wurde das Element auf Zimmertemperatur abgekühlt. Die piezoelektrischen Eigenschaften des auf diese Weise erhaltenen Elements erweisen sich als dauernd bei Temperaturen zwischen —20 und + 70⁰C.
Ein Element nach diesem Ausführungsbeispiel mit einer Länge von 70 cm wurde in ein mit öl gefülltes Rohr gesetzt. Das öl wurde einem Druck unterworfen. Der Druck wurde dann schnell herabgesetzt. Der maximal zwischen dem Mantel und dem Kern auftretende Spannungsunterschied wurde bei verschiede-

nen Druckänderungen mit Hilfe eines Oszilloskops mit bekannter Impedanz gemessen. Aus F i g. 2, in der als Abszisse die Druckänderung in kg/cm² und als Ordinate der maximale Spanrungsunterschied aufgetragen ist, geht hervor, daß das so erhaltene Signal der Druckänderung proportional ist.

Die piezoelektrischen Elemente in Form von Koaxialkabeln nach der Erfindung können unter anderem zum Messen und Detektieren von Druckänderungen, Schwingungserscheinungen und dergleichen,

z. B. beim Kontrollieren des Schwingungspegels von Maschinen, bei Verkehrskontrolle, bei Unterwasserhorchgeräten, verwendet werden. Das Kabel kann auch zum Erzeugen von Schwingungen, z. B. Ultraschallschwingungen, verwendet werden; zu diesem

Zweck wird zwischen dem mittleren Leiter und dem Mantel ein geeignetes elektrisches Wechselfeld angelegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche: 21

1. Kabeiförmiges piezoelektrisches Element, dadurch gekennzeichnet, daß es aus S mindestens einem länglichen elektrischen Leiter (1) besteht, der innerhalb eines aus elektrisch leitendem Material bestehenden zylindrischen Mantels (2) liegt, wobei der Raum zwischen dem Leiter und dem Mantel zusammengepreßtes Pulver eines keramischen piezoelektrischen Materials (3) enthält; das radial polarisiert ist.

2. Verfahren zur Herstillung eines kabeiförmigen piezoelektrischen Elements nach Anspruch 1, dsdurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines aus elektrisch leitendem Material bestehenden zylindrischen Mantels (2) mindestens ein drahtförmiger elektrischer Leiter (1) axial angeordnet und in dem freien Raum zwischen dem elektrischen Leiter und dem Mantel ein Pulver eines keramischen »° piezoelektrischen Materials (3) angebracht wird, wonach der Durchmesser des so erhaltenen Ganzen durch mechanische Bearbeitung zwecks Zusammenpressung des Pulvers herabgesetzt und das so gebildete kabeiförmige Element auf eine Temperatur in der Nähe des Curiepunktes des piezoelektrischen Materials erhitzt wird, während zwischen dem elektrischen Leiter und dem Mantel eine Spannung zum Polarisieren des piezoelektrischen Materials angelegt wird, wonach das Material abgekühlt wird.