DE2259368C3 - Mechanisch-elektrische Umwandlungsvorrichtung - Google Patents

Mechanisch-elektrische Umwandlungsvorrichtung

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DE2259368C3 DE2259368A DE2259368A DE2259368C3 DE 2259368 C3 DE2259368 C3 DE 2259368C3 DE 2259368 A DE2259368 A DE 2259368A DE 2259368 A DE2259368 A DE 2259368A DE 2259368 C3 DE2259368 C3 DE 2259368C3
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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, I !-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 abgenommen wird. Es 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.
so Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine neuartige mechanoelektrische Umwandlervorrichtung vorzusehen, die eine hohe Flexibilität in bezug auf Form und Größe 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 Füllmittels 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. ! 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 Elastomermaterialien weisen die Elektrostriktion auf, und zwar in Abhängigkeit sowohl von den Füllmitteln wie z. B,
Verstärkungsmittel und alterungsbeständige Mittel (aging resistcrs) als auch vom Misch- und Knetverfahren.
Es ist festgestellt worden, daß ein aus elektrisch leitendem Material, wie z. B. Ruß bestehendes Füllmittel die elektrostriktive Eigenschaft des vulkanisierten Elastomers stark erhöht. Insbesondere nach Vermischung von Elastomeren, die polare Substituenten in ihren Seitenketten enthalten, z. B. Chloropren-
Gummi, chlorsulfoniertem Polyäthylen-Elastomer, Polyisopren-Gummi und Fluorelastomeren, mit Kanalruß und Vulkanisieren derselben können sie nach dieser Behandlung elektrostriktive Konstanten bis zu einem Wert von 10"s CG.S. in E.S.E, aufweisen. Bei Einsetzen in ein elektrisches Gleichstromfeld 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 10~6 C.G.S. in E.S.E, gemessen worden. Diese Zahl ist im wesentlichen identisch mit dtm Wert der piezoelektrischen Konstanten von Bleizirkonat-Porzellanen. Eine »g«-Konstante (4 π du/en) für die Spannungsempfindlichkeit weist eine Größenordnung von 0,5 Volt pro Gramm-Zentimeter auf. Das heißt, daß eine Kraft von 1 Dyn pro Quadratzentimeter in einen elektrischen Ausgang von 0,5 · 10 3 Volt verwnndelt wird. Das bedeutet, daß aus oben beschriebein':i Elastomer-Materialien hergestellte Mikrophone yum unmittelbaren Aufnehmen eines Schalldrucks eine für praktische Zwecke ausreichende Empfindlichkeit von —66 dB aufweisen.
Es ist außerdem festgestellt worden, daG die vorliegende Erfindung auch dahingehend wirksam ist, il'iü, wie nachstehend beschrieben, einigen Elastomeren ohne polare Substituenten in den Seitenketten hohe eliiktrostriktive und piezoelektrische Eigenschaften verliehen werden können.
Dibenzothiazolyl-disulfid, 0,2 Teile Tetramethylthiuram-disulfid und 20 Teile Kanalruß wurden völlig vermischt und 15 Minuten lang bei 16O0C vulkanisiert. Das Produkt wurde gemessen und ergab eine dielek-
trische Konstante von 80 und eine elektrastriktive Konstante von 2,3 · IQ-" CG.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 Vor-
gang wiederholt. Die Meßergebnisse zeigten für die dielektrische Konstante und die elektrostriktive Konstante jeweils die folgenden Werte: 2,8 und 2,6 · 10-8 CG.S. in E.S.E.
15
Beispiel 4 Beispiel 1
100 Teile eines Chloroprengummis des W-Typs, 4 Magnesiumoxid/(MgO)-Tcile, 1 Teil Stearinsäure und 35 Teile Kanalruß wurden gründlich vermischt und dann 30 Minuten lang bei einer Temperatur von 1500C vulkanisiert. Die gemessene dielektrische Konstante des vulkanisierten Elastomeren betrug 90 und die elektrostriktive Konstante 10~5 CG.S. in E.S.E.
Zu Vergleichszwecken wurden die gleichen Ausgangsmaterialien in den gleichen Mengen wie oben beschrieben angewendet, wobei Kanahuß weggelassen und der obige Vorgang wiederholt wurde. Die sich ergebende dielektrische und elektrostriktive Konstante zeitigte jeweils gemessene Werte von 11 und 10~7 CG.S. in E.S.E.
100 Teile eines Copolymers aus Propylen-Hexafluorid und Vinylidenfluorid, einer Art Fluorelastomer, 15 Teile Magnesiumoxid (MgO), 3 Teile N,N'-dicinnanyliden-1,6 Hexan-diamin und 5 Teile Kanalruß wurden völlig vermischt und dann 30 Minuten lang bei 150C vulkanisiert. Die resultierende dielektrische Konstante und elektvostriktive Konstante wies jeweils einen Wert von 55 und 4,0 · 10~e CG.S. in E.S.E, auf. Weiterhin waren die Produkte hochwiderstandsfähig gegen Öl, chemische Einwirkungen und Wetter, so daß sie bei hohen Temperaturen wie 250C 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 · IQ-8 CG.S. in E.S.E.
Beispiel 5 Beispiel 2
100 Teile eines Nitrilgummis mit 30% Nitril — 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-" CG.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 IO8 CG.S. in E.S.E. Nitrilgummiarten sind an sich Chloropren-Gummiarten in bezug auf Elektrostriktion unterlegen, jedoch wird durch einen Austausch des Ofenrußes durch Kanalruß die Elektrostriktion verbessert. Zum Beispiel ergaben sich die gleichen Resultate wie sie oben angegeben wurden, bei 20 Gewichtsteilen Kanalruß.
Beispiel 3
100 Teile eines Isopren-Elastomers, 5 Teile Zinkoxid (ZnOI. 3 Teile Stearinsäure, 2,5 Teile Schwefel, 1 Teil Aus 100 Teilen chlorsulfoniertem Polyäthylen-Elastomer, 10 Teilen Magnesiumoxid (MgO), 2 Teilen Dipenta-r.ethylen-thiuram-tetrasulfid 10 Teilen Dioctyl-Phthalat und 15 Teilen Kanalruß wurde ein inniges Gemisch hergestellt, welches anschließend 30 Minuten lang bei 150:C vulkanisiert wurde.
Das Meßergebnis zeigte eine dielektrische Konstante von 85 und eine elektrostriktiv,» Konstante von 10-6 CG.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 elektro-50 striktive Konstante von 6 · 10"8 CG.S. in E.S.E.
Beispiel 6
Es wurden 100 Teile eines Butadiengummis eines 55 hohen Trans-Typs (der keine polaron Substituenten in den Seitenketten aufweist), 5 Teile Zinkoxid (ZnO), 2 Teile Stearinsäure, 3 Teile Tetra-methyl-thiuramdisulfid und 20 Teile Kanalruß verwendet. Die Vulkanisierung wurde 15 Minuten lang bei 1600C durch-60 geführt. Die gemessenen Werte der dielektrischen Konstanten und der elektrostriktiven Konstanten ergaben 54 und 5 · 10"e CG.S. in E.S.E.
Als Kanalruß weggelassen wurde, ergaben sich entsprechende Werte von 14 und 1,2· 10" C.O.S. in
65 E.S.E.
Bei den obigen Beispielen wurden die dielektrische und die elektrostatische Konstante jeweils in einem elektrischen Feld von 300 Volt pro Zentimeter gemessen.
Zur Ausführung der vorliegenden Erfindung sind die folgenden Elastomere verwendbar: Chloropren-Gummiarten, Nitrit-Gummiarten, Isopren-Gummis, Fluor-Elastomere, chlorsulfonierte Polyäthylen-Elastomere, Butadien-Gummiarten. Bevorzugte Beispiele dieser Elastomere können Chloroprengummis und Nitrilgummss mit hohem Nitrilgehalt sein. Von den Fluor-Elastomeren ist ein Copolymer aus Propylcn-Hexafluorid und Vinyliden-Fluorid vorteilhaft zu verwenden und die Butadien-Gummiarten sind vorzugsweise hohe Trans-Typen.
Die beizufügende Rußmenge hängt sowohl von der Ruß- als auch von der Elastomerart ab. Es hat sich herausgestellt, daß eine Höchstmenge des Rußes nicht eine Höchstgrenze überschreiten sollte, über der das zugeordnete Elastomer nach der Vulkanisierung leitend wird, d. h. einen spezifischen Widerstand von 10* Megohm-Zentimeter oder weniger aufweist. Mit anderen Worten, der Ruß kann dem zugeordneten Elastomer in einer Menge von 5 bis 40 Teilen je 100 Gewichtsteile des Elastomers hinzugefügt werden. Wie oben bei Beispiel 2 beschrieben, ist Kanalruß dem Ofenruß überlegen. Das heißt, daß mit einer geringeren Menge Kanalruß als Ofenruß gleiche Resultate erzielt werden.
Es wurde auch herausgefunden, daß der Wert der dem elektrostriktiven Element angelegten Gleichstromspannung vorzugsweise ausreicht, um ein elektrisches Feld aufzubauen, dessen Stärke zwischen 10 zu 10 · 103 Volt pro Zentimeter der Dicke des Elements liegt.
Anschließend wird Bezug auf die Zeichnung genommen, in der in Fig. 1 eine erfindungsgemäß konstruierte mcchano-elektrische Umwandlervorrichtung gezeigt ist, mit der eine Impulsbewegung, z. B. ein Aufprall oder ein mechanischer Druck in entsprechende elektrische Energie umgewandelt wird. Die Anordnung zeigt ein aus einem elektrostriktiven Elastomer, wie es oben in Verbindung mit den Beispieien beschrieben wurde, hergestelltes scheibenförmiges Umwandlerelement 10, eine Heizelektrode 12 aus metallischem Material, wie z. B. Messing, die sich in gleicher Richtung wie die Scheibe erstreckt und auf einer der entgegengesetzten Flächen derselben angeordnet ist, und einen elektrisch isolierenden Block 14, der sowohl die Seitenfläche des Elements 10 und der mit ihm verbundenen Elektrode 12 als auch die freie Fläche der letzteren umfaßt und berührt und nur die Mitte der freien tlektrodenfläche frei läßt, an der eine Ausgangselektrode 16 angeordnet ist. Die Oberfläche der auf diese Weise gebildeten Anordnung ist mit Ausnahme des freien Flächenbereichs gänzlich mit einer metallischen Schutzschicht 18 bedeckt. Ein z, B. aus einem geschäumten Urethan hergestelltes Dämpfungselement 20 ist über der metallischen Schutzschicht 18 an der anderen Fläche des Umwandlerelements 10 angebracht Die Ausgangselektrode 16 und die metallische Schutzschicht 18 sind mit einem Paar Ausgangsklemmen 22 verbunden.
Zum Anlegen einer Gleichstromvorspannung an das Umwandlerelement 10 ist eine Gleichstromquelle 24 über einen Widerstand 26 mit der Ausgangselektrode 16 und der metallischen Schutzschicht 20 verbunden.
Wenn diese Anordnung vorgesehen ist, kann ein Druck auf das Dämpfungselement 20 in Richtung des in Fig. 1 gezeigten Pfeiles A ausgeübt werden. Dadurch wird ein entsprechender Wechselstromausgang an den Ausgangsklemmen 22 erzeugt.
Mit einem Umwandlerelement 10, das in einer Dicke von 2 Millimetern aus dem elektrostriktiven Elastomer des Beispiels 5 hergestellt und an das eine Vorspannung von 18 Volt angelegt ist, kann die Umwandlervorrichtung gemäß Fig. 1 einen Ausgang von 50 Millivolt! erzeugen, wenn eine (nicht gezeigte) Eisenkugel mit einem Gewicht von 12 Gramm auf das Dämpfungselement fällt. E'.s ist zu verstehen, daß die vorliegende Erfindung einen haltbaren Stoßmesser
«5 von hoher Empfindlichkeil: vorsieht, weil das verwendete Elastomer weich genug ist, um die mechanische Impedanz auf einen äußerst geringen Wert zu verringern, wobei das selbst als Fühlelement dienende Elastomer sich Bewegungen mechanischer Systeme
»ο gegenüber, z. B. bei einem Aufprall, sehr zäh verhält. In Fig. 2 ist eine für eine Vorrichtung zur Aufnahme von Schwingungen verwendete Abwandlung der vorliegenden Erfindung gezeigt, in der ein zweiteiliges Gehäuse 30 ein scheibenförmiges Umwandler-
*5 element 32 enthält. Dieses besteht aus einem erfindungsgemäß hergestellten elektrostriktiven Material, das f.;s einer seiner beiden entgegengesetzten Seiten mit der Innenwand des Gehäuses 30 durch eine dünne metallische Elektrode 34 und ein Gewicht 36 verbunden ist, das sich in gleicher Richtung erstreckt und das durch eine zweite dünne metallische Elektrode 38 an der anderen Fläche des Elements 32 angeordnet ist. Die beiden Elektroden 34 und 38 sind durch Leiter und über eine Gleichstrom-Vorspannungsquelle 42 mit einem Paar Ausgangsklemmen 40 verbunden.
Bei Anwendung der Vorrichtung wird ihr eine Schwingung in Richtung des Pfeils B gemäß Fig. 2 eingegeben, die einen entsprechenden Wechselstromausgang an den Ausgangsklemmen 40 erzeugt.
In Fig. 3 ist eine Umwandlervorrichtung gemäß Fig. 1 über eine zusätzliche Vorrichtung sowohl mit einer Wiedergabevorrichtung 48 als auch mit einem Aufzeichnungsgerät 50 verbunden. Die zusätzliche Vorrichtung 46 kann ein Verstärker für den Ausgang bzw. die Ausgangsleistung der Umwandlervorrichtung oder eine Übertragungseinrichtung sein, die zum Verwandeln des Ausgangs der Umwandlervorrichtung 44 in eine andere elektrische Quantität durch elektrische Zählungen dient. Dann wird der Ausgang der Vorrichtung 441 an der Wiedergabevorrichtung 48 wiedergegeben und vom Aufzeichnungsgerät 50 aufgezeichnet.
Die vorliegende Erfindung ist den bekannten Arten der piezoeiektrischen Einkristalle und Porzellane sehr überlegen, weil das betreffende Elastomer in bezug auf mechanische Impedanz äußerst gering und in jeder erwünschtem Form und Größe herstellbar ist. Weiterhin sieht die Erfindung einfach und wirtschaftlich herzustellende mechano-elektrische Umwandlervorrichtungen vor, die durch zweckentsprechendes Kombinieren verschiedener Arten von Elastomeren jede gewünschte Leistung erbringen.
Die Erfindung ist ebensogut für elektro-mechanische 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 I, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer aus der Chloropren-Gummi, Nitril-Gummi, Isopren-Gummi, chlorsulfonierte Polyäthylen-Elastomere und Fluorelastomere enthaltenen Gruppe mit polaren Substituenten in den Seitenketten besteht.
3. Mechanisch-elektrische Umwandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer aus Butadien-Elastomeren 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 Imwandlereiement (10, 32) angelegten Gleichstromspannung zum Aufbau eines elektrischen Feldes ausreicht, dessen Stärke zwischen 10 und 10- 10n Volt pro Zentimeter Dicke des Umwandlcrelements liegt.
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