DE2259368B2 - Mechanisch elektrische Umwand lungsvorrichtung - Google Patents

Mechanisch elektrische Umwand lungsvorrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft eine mechanisch-elektrische Umwandlungsvorrichtung, in der ein im wesentlichen aus einem Elastomer bestehendes elektrostriktives Material verwendet ist, insbesondere eine Vorrichtung zum Umwandeln einer mechanischen Kraft, z. B. einer Schall- oder mechanischen Schwingung in elektrische Energie und umgekehrt.
Außer Einkristall-Rochellesalz, Quarz, Bleizirkonattitanat-Porzellanen usw. sind speziell als piezoelektrisches Material zubereitete synthetische hochmolekulare Verbindungen entdeckt worden, die in Form von Schichten, z. B. aus Polyvinylidenfluoriden, Polyvinylchloriden, Polykarbonaten, 11-Nylon usw. Verwendung finden. Es ist durchaus bekannt, daß Schichten aus diesen hochmolekularen Verbindungen dadurch ziemlich hohe piezoelektrische Eigenschaften erwerben können, daß eine solche bei einer dem Erweichungspunkt nahen Temperatur gehaltene Schicht gedehnt wird, eine Gleichstromspannung in Richtung der Dicke der Schicht an letztere angelegt und die Temperatur der Schicht erhöht wird, während die Gleichstromspannung angelegt bleibt. Dann läßt man die Schicht auf Zimmertemperatur abkühlen, wonach die Spannung von der Schicht abgenomme; wird. Hs heißt, daß diese Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaft der hochmolekularen Schichten sowohl zur durch die Umordnung der Dipole auf Grund des Polarisationseffekts bewirkten spontanen Polarisation als auch zur Elektrostriktion der Schichten beiträgt. Andererseits ist bis jetzt die spontane Polarisation in gummiähnlichen Materialien oder Elastomeren schwierig zu erreichen, obwohl die Tatsache, daß die Elektrostriktion in Elastomeren auftritt, eine seit langem festgestellte Erscheinung ist. Das rührt daher, daß solche Materialien aus hochmolekularen Verbindungen gebildete Brückenbindungen enthalten, wodurch
ίο die Mikrobrownsche Bewegung bewirkt wird. Daher überwiegt zur Zeit die Überlegung, daß eine Ausstattung der Elastomere mit der piezoelektrischen Eigenschaft nicht zu erwarten ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neue verbesserte Umwandlervorrichtung unter Verwendung eines elektristriktiven Materials vorzusehen, das im wesentlichen aus einem mechanische in elektrische Energie hochwirksam umwandelnden Elastomer besteht.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine neuartige mechanoelektrische Umwandlervorrichtung vorzusehen, die eine hohe Flexibilität in bezug auf Form und Große für jede gewünschte Leistung aufweist.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch ein aus einem vulkanisierten Elastomer hergestelltes Element zum Umwandeln mechanischer in elektrischer Energie, dem eine vorbestimmte Menge eines elektrisch leitenden Materials beigemischt ist, und eine Einrichtung zum .Anlegen einer Gleichstromvorspannung an das Umwandlerelement.
Die Elastomere können vorzugsweise aus der Gruppe bestehen, die Chloropren-Gummi, Nitril-Gummi, Isopren-Gummi, chlorsulfonierte Polyäthylen-Elastomere und Fluorelastomere mit polaren Substituenten in den Seitenketten enthält. Es kommt jedoch auch ein Butadien-Elastomer in Frage, das keine polaren Substituenten in den Seitenketten enthält.
Es ist vorteilhaft, das elektrisch leitende Material des Füllmitfels aus der Ruß und Graphit enthaltenden Gruppe zu wählen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist.
Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße mechanoelektrische Umwandlervorrichtung mit elektrischer Schaltung;
Fig. 2 ist eine Fig. 1 ähnliche Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 3 ist ein eine Anwendungsform der Erfindung darstellendes Blockschaltbild.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdekkung, daß bestimmte Elastomere bei Vermischung mit geeigneten elektrisch leitenden Füllmitteln die
bekannten elektrostriktiven und piezoelektrischen Eigenschaften zeigen, solange eine Gleichstromvorspannung an sie angelegt ist. Vulkanisierte Elastomermatcrialien weisen die Elektrostriktion auf, und zwar in Abhängigkeit sowohl von den Füllmitteln wie z. B.
Verstärkungsmittel und alterungsbeständige Mittel (aging resistors) als auch vom Misch- und Knetverfahren.
Hs ist festgestellt worden, daß ein aus elektrisch leitendem Material, wie z. B. Ruß bestellendes Füllmittel die elektrostriktive Eigenschaft des vulkanisierten Elastomers stark erhöht. Insbesondere nach Vermischung von Elastomeren, die polare Substituenten in ihreü Seitenketten enthalten, z. B. Chloropren-
Gummi, chlorsulioniertem Polyäthylen-Elastomer, Polyisopren-Gummi und Fluorelastomeren, mit Kanalruß und Vulkanisieren derselben können sie nach dieser Behandlung elektrostriktive Konstanten bis zu einem Wert von 10 5 C.G.S. in E.S.E, aufweisen. Bei Einsetzen in ein elektrisches Gleichstromfeid in einer Höhe von 300 Volt pro Zentimeter der Dicke des Materials weisen die vulkanisierten Elastomere die piezoelektrische Eigenschaft auf, z. B. sind ihre piezoelektrischen Konstanten du in der Größenordnung von 10"5 C.G.S. in E.S.E, gemessen worden. Diebe Zahl ist im wesentlichen identisch mit dem Wert der piezoelektrischen Konstanten von Bleizirkonat-Porzellanen. Eine »g«-Konstante (4 π dn/fu) für die Spannungsempfindlichkeit weist eine Größenordnung von 0,5 Volt pro Gramm-Zentimeter auf. Das heißt, daß eine Kraft von 1 Dyn pro Quadratzeniimeter in einen elektrischen Ausgang von 0,5 · 10~3 Volt verwandelt wird. Das bedeutet, daß aus oben beschriebenen Elastomer-Materialien hergestellte Mikrophone zum unmittelbaren Aufnehmen eines Schalldrucks eine für praktische Zwecke ausreichende Empfindlichkeit von - 66 dB aufweisen.
Es ist außerdem festgestellt worden, daß die vorliegende Erfindung auch dahingehend wirksam ist, daß. wie nachstehend beschrieben, einigen Elastomeren ohne polare Substituenten in den Seitenketten hohe elektrostriktive und piezoelektrische Eigenschaften verliehen werden können.
Beispiel 1
100 Teile eines Chloroprengummis des W-Typs.
4 Magnesiumoxid/(MgO)-Teile. 1 Teil Stearinsäure und 35 Teile Kanalruß wurden gründlich vermischt und dann 30 Minuten lang bei einer Temperatur von 15C"C vulkanisiert. Die gemessene dielektrische Konstante des vulkanisierten Elastomeren betrug 90 und die elektrostriktive Konstante 10 5 C.G.S. in E.S.E.
Zu Vergleichszwecken wurden die gleichen Ausgangsmaterialien in den gleichen Mengen wie oben beschrieben angewendet, wobei Kanalruß weggelassen und der obige Vorgang wiederholt wurde. Die sich ergebende dielektrische und elektrostriktivp Konstanic zeitigte jeweils gemessene Werte von 11 und 10 7 C.G.S. in E.G.E.
Beispiel 2
100 Teile eines Nitrilgummis mit 30% NiUiI — erhältlich unter dem Warenzeichen Nycar DN 302 —.
5 Teile Zinkoxyd (ZnO), 1 Teil Stearinsäure, 1,5 Teile Dibenzo-thiazol-disulfid, und.40 Teile Ofenruß wurden innig vermischt und bei 150° C 20 Minuten lang vulkanisiert. Die Meßergebnisse zeigten eine dielektrische Konstante von 52 und eine elektrostriktive Konstante von 10 6 C.G.S. in E.S.E.; wurde Ofenruß bei dem oben beschriebenen Verfahren weggelassen, ergab sich eine dielektrische Konstante von 8 und eine elektrostriktive Konstante von 10 s C.G.S. in E.S.Ii.
Nitrilgumm'-irten sind ;tn sich Chloropren-Gummiarten in bezug auf Elektrostriktion unterlegen, jedoch wird durch einen Austausch des Oi'eniul.Vs durch Kanalruß die Elektrostriktion verbessert. Zum Beispiel ergaben sich die gleichen Resultate wie sie oben angegeben wurden, bei Ά) Gewichtsteiien Kanalruß.
H e ι s ρ ι c! 3
100 Teile eines Isopren-Elastomers, 5 TdIe Zinkoxid (ZnO), 3 Teile Stearinsäure, 2.5 Teile Schwefel. 1 Teil Dibenzothiazolyl-disulfid, 0,2 Teile Tetramethylthiuram-disulfid und 20 Teile Kanalruß wurden völlig vermischt und 15 Minuten lang bei 160° C vulkanisiert. Das Produkt wurde gemessen und ergab eine dielektrische Konstante von 80 und eine elektrostriktive Konstante von 2,3 · \0s C.G.S. in E.S.E.
Wie bei Beispiel 1 wurden die gleichen Materialien in gleichen Mengen wie oben beschrieben angewendet, jedoch der Kanalruß weggelassen und der obige Vorgang wiederholt. Die Meßergebnisse zeigten für die dielektrische Konstante und die elektrostriktive Konstante jeweils die folgenden Werte: 2,8 und 2,6· 10 s C.G.S. in E.S.E.
Beispiel 4
100 Teile eines Copolymers aus Propylen-Hexafluorid und Vinylidenfluorid, einer Art Fluorelastomer, 15 Teile Magnesiumoxid (MgO), 3 Teile N,N'-dicinnanyiiden-1.6 Hexan-diamin und 5 Teile Kanalruß wurden völlig vermischt und dann 30 Minuten lang bei 150 C vulkanisiert. Die resultierende dielektrische Konstante und elektrostriktive Konstante wies jeweils einen Wert von 55 und 4,0 · 10 β C.G.S. in E.S.E, auf. Weiterhin waren die Produkte hochwiderstandsfähig gegen Öl, chemische Einwirkungen und Wetter, so daß sie bei hohen Temperaturen wie 250" C Verwendung finden konnten.
Der oben beschriebene Vorgang wurde mit den gleichen Materialien, jedoch unter Weglassung von Kanalruß, wiederholt und ergab dabei eine dielektrische Konstante von 9,5 und einen elektrostriktiven Modulus von 5 · 10 8 C.G.S. in E.S.E.
Beispiel 5
Aus 100 Teilen chlorsulfoniertem Polyäthylen-Elastomer, 10 Teilen Magnesiumoxid (MgO). 2 Teilen Dipenta-meihylen-thiuram-tetrasulfid, 10 Teilen Dioctyl-Phthalat und 15 Teilen Kanalruß wurde ein inniges Gemisch hergestellt, welches anschließend 30 Minuten lang bei 150cC vulkanisiert wurde.
Das Meßergebnis zeigte eine dielektrische Konstante von 85 und eine elektrostriktive Konstante von 10 6 C.G.S. in E.S.E. Das Produkt konnte fortgesetzt bei 150° C verwendet werden und erwies sich als chemisch widerstandsfähig.
Der obige Vorgang wurde unter Wcglassung von Kanalruß und Dioctyl-Phthalat wiederholt und ergab eine dielektrische Konstante von 5,6 und eine elektrostriktive Konstante von 6 ■ 10 8 C.G.S. in E.S.E.
Beispiel 6
Es wurden 100 Teile eines Butadiengummis eines hohen Trans-Typs (der keine polaren Substituenten in den Seitenketten aufweist), 5 Teile Zinkoxid (ZnO), 2 Teile Stearinsäure, 3 Teile Tetra-mcthyl-thiuramdisulfid und 20 Teile Kanalruß verwendet. Die Vulkanisierung wurde 15 Minuten lang bei 160'C durch- :j geführt. Die gemessenen Werte der dielektrischen konstanten und der elektrostriktiven Konstanten ergaben 54 und 5 · 10 ''' C.G.S. in E.S.E.
Als Kanalruß weggelassen wurde, ergaben sich entsprechende Werte von 14 und 1,2- 10 H C.G.S. in 6s E.S.l·.
Bei den obigen Beispielen wurden die dielektrische und die elektrostatische Konstante jeweils in einem elektrischen leid \ on 300 Volt pro /ent i meter gemessen.
Zur Ausführung der vorliegenden Erfindung sind Wenn diese Anordnung vorgesehen ist, kann ein die folgenden Elastomere verwendbar: Chloropren- Druck auf das Dämpfungselement 20 in Richtung des Gummiarten, Nitril-Gummiarten, Isopren-Gummis, in Fig. 1 gezeigten Pfeiles A ausgeübt werden. Da-Fluor-Elastomere, chlorsulfonierte Polyäthylen-Ela- durch wird ein entsprechender Wechselstromausgang stomere, Butadien-Gummiarten. Bevorzugte Beispiele 5 an den Ausgangsklemmen 22 erzeugt,
dieser Elastomere können Chloroprengummis und Mit einem Umwandlerelement 10, das in einer Nitrilgummis mit hohem Nitrilgehalt sein. Von den Dicke von 2 Millimetern aus dem elektrostriktiven Fluor-Elastomeren ist ein Copolymer aus Propylen- Elastomer des Beispiels 5 hergestellt und an das eine Hcxafluorid und Vinyliden-Fluorid vorteilhaft zu ver- Vorspannung von 18 Volt angelegt ist, kann die Umwenden und die Butadien-Gummiarten sind Vorzugs- io wandlervorrichtung gemäß Fig. 1 einen Ausgang von weise hohe Trans-Typen. 50 Millivolt erzeugen, wenn eine (nicht gezeigte) Ei-
Die beizufügende Rußmenge hängt sowohl von der senkugel mit einem Gewicht von 12 Gramm auf das
Ruß- als auch von der Elastomerart ab. Es hat sich Dämpfungselement fällt. Es ist zu verstehen, daß die
herausgestellt, daß eine Höchstmenge des Rußes nicht vorliegende Erfindung einen haltbaren Stoßmesser
eine Höchstgrenze überschreiten sollte, über der das 15 von hoher Empfindlichkeit vorsieht, weil das verwen-
zugeordnete Elastomer nach der Vulkanisierung lei- dete Elastomer weich genug ist, um die mechanische
tend wird, d. h. einen spezifischen Widerstand von Impedanz auf einen äußerst geringen Wert zu verrin-
10e Megohm-Zentimeter oder weniger aufweist. Mit gern, wobei das selbst als Fühlelement dienende
anderen Worten, der Ruß kann dem zugeordneten Elastomer sich Bewegungen mechanischer Systeme
Elastomer in einer Menge von 5 bis 40 Teilen je 20 gegenüber, z. B. bei einem Aufprall, sehr zäh verhält.
100 Gewichtsteile des Elastomers hinzugefügt werden. In Fig. 2 ist eine für eine Vorrichtung zur Auf-
Wie oben bei Beispiel 2 beschrieben, ist Kanalruß dem nähme von Schwingungen verwendete Abwandlung
Ofenruß überlegen. Das heißt, daß mit einer gerin- der vorliegenden Erfindung gezeigt, in der ein zwei-
geren Menge Kanalruß als Ofenruß gleiche Resultate teiliges Gehäuse 30 ein scheibenförmiges Umwandler-
erzielt werden. 25 element 32 enthält. Dieses besteht aus einem erfin-
Es wurde auch herausgefunden, daß der Wert der dungsgemäß hergestellten elektrostriktiven Material,
dem elektrostriktiven Element angelegten Gleich- das an einer seiner beiden entgegengesetzten Seiten
Stromspannung vorzugsweise ausreicht, um ein elek- mit der Innenwand des Gehäuses 30 durch eine dünne
irisches Feld aufzubauen, dessen Stärke zwischen metallische Elektrode 34 und ein Gewicht 36 verbun-
10 zu 10· 103 Volt pro Zentimeter der Dicke des 3° den ist, das sich in gleicher Richtung erstreckt und das
Elements liegt. durch eine zweite dünne metallische Elektrode 38 an
Anschließend wird Bezug auf die Zeichnung ge- der anderen Fläche des Elements 32 angeordnet ist. nommen, in der in Fig. 1 eine erfindungsgemäß Die beiden Elektroden 34 und 38 sind durch Leiter und konstruierte mcchano-clektrische Umwandlervorrich- über eine Gleichstrom-Vorspannungsquelle 42 mit tung gezeigt ist, mit der eine Impulsbewegung, z. B. 35 einem Paar Ausgangsklemmen 40 verbunden,
ein Aufprall oder ein mechanischer Druck in ent- Bei Anwendung der Vorrichtung wird ihr eine sprechende elektrische Energie umgewandelt wird. Die Schwingung in Richtung des Pfeils B gemäß Fig. 2 Anordnung zeigt ein aus einem elektrostriktiven eingegeben, die einen entsprechenden Wechselstrom-Elastomer, wie es oben in Verbindung mit den Bei- ausgang an den Ausgangsklemmen 40 erzeugt.
spielen beschrieben wurde, hergestelltes scheibenför- 4° In Fig. 3 ist eine Umwandlervorrichtung gemäß miges Umwandlerelement 10, eine Heizelektrode 12 Fig. 1 über eine zusätzliche Vorrichtung sowohl mil aus metallischem Material, wie z. B. Messing, die sich einer Wiedergabevorrichtung 48 als auch mit einem in gleicher Richtung wie die Scheibe erstreckt und auf Aufzeichnungsgerät 50 verbunden. Die zusätzliche einer der entgegengesetzten Flächen derselben ange- Vorrichtung 46 kann ein Verstärker für den Ausgang ordnet ist, und einen elektrisch isolierenden Block 14, 45 bzw. die Ausgangsleistung der Umwaridlervorrichtung der sowohl die Seitenfläche des Elements 10 und der oder eine Übertragungseinrichtung sein, die zum Vermit ihm verbundenen Elektrode 12 als auch die freie wandeln des Ausgangs der Umwandlervorrichtung 44 Fläche der letzteren umfaßt und berührt und nur die in eine andere elektrische Quantität durch elektrische Mitte der freien Elektrodenfläche frei läßt, an der eine Zählungen dient. Dann wird der Ausgang der Vor-Ausgangselektrode 16 angeordnet ist. Die Oberfläche 5° richtung 44 an der Wiedergabevorrichtung 48 wieder- der auf diese Weise gebildeten Anordnung ist mit gegeben und vom Aufzeichnungsgerät 50 aufgezeich- Ausnahme des freien Flächenbereichs gänzlich mit net.
einer metallischen Schutzschicht 18 bedeckt. Ein z. B. Die vorliegende Erfindung ist den bekannten Arter aus einem geschäumten Urethan hergestelltes Dämp- der piezoelektrischen Einkristalle und Porzellane sehi fungselement 20 ist über der metallischen Schutz- 55 überlegen, weil das betreffende Elastomer in bezug aul schicht 18 an der anderen Fläche des Umwandler- mechanische Impedanz äußerst gering und in jedei elements 10 angebracht. Die Ausgangselektrode 16 erwünschten Form und Größe herstellbar ist Weiterund die metallische Schutzschicht 18 sind mit einem hin sieht die Erfindung einfach und wirtschaftlich Paar Ausgangsklemmen 22 verbunden. herzustellende mechano-elektrische Umwandlervor
Zum Anlegen einer Gleichstromvorspannung an 6o richtungen vor, die durch zweckentsprechendes Korn
das Umwandlerelement 10 ist eine Gleichstromquelle binieren verschiedener Arten von Elastomeren jede
24 über einen Widerstand 26 mit der Ausgangselek- gewünschte Leistung erbringen,
trcde 16 und der metallischen Schutzschicht 20 ver- Die Erfindung ist ebensogut für eiektro-mecha·
bunden. nische Umwandlervorrichungen verwendbar.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Mechanisch-elektrische Umwandlervorrichtung, gekennzeichnet durch ein aus einem vulkanisierten Elastomer hergestelltes Element (10, 32) zum Umwandeln mechanischer in elektrische Energie, dem eine vorbestimmte Menge eines elektrisch leitenden Materials beigemischt ist, und eine Einrichtung (24, 42) zum Anlegen einer Gleichstromvorspannung an das Umwandlerelement.
2. Mechanisch-elektrische Umwandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer aus der Chloropren-Gummi, Nitril-G.'immi, Isopren-Gummi, chlorsulfoniert Polyäthylen-Elastomere und Fluorelastomere enthaltenen Gruppe mit polaren Substituenten in den Seitenketten besteht.
3. Mechanisch-elektrische Umwandlervorrichtung iiach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer aus Butadien-Elastomeien gewählt ist, die in den Seitenketten keine polaren Substituenten aufweisen.
4. Mechanisch-elektrische Umwandlervorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material aus der aus Kanalruß und Ofenruß bestehenden Gruppe gewählt ist, und zwar in einer Menge zwischen 5 und 40 Teilen auf der Basis des Gewichts des Elastomers.
5. Mechanisch-elektrische Umwandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der an das Umwandlerelement (10, 32) angelegten Gleichstromspannung zum Aufbau eines elektrischen Feldes ausreicht, dessen Stärke zwischen 10 und SO- 10a Volt pto Zentimeter Dicke des Umwandlerelements liegt.
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