DE68902930T2 - Elektrostriktives element und keramisches material desselben. - Google Patents
Elektrostriktives element und keramisches material desselben.Info
- Publication number
- DE68902930T2 DE68902930T2 DE8989300937T DE68902930T DE68902930T2 DE 68902930 T2 DE68902930 T2 DE 68902930T2 DE 8989300937 T DE8989300937 T DE 8989300937T DE 68902930 T DE68902930 T DE 68902930T DE 68902930 T2 DE68902930 T2 DE 68902930T2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- ceramics
- ceramic material
- expansion factor
- expansion
- electrostrictive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 title claims description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052776 Thorium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 description 17
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 13
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 8
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- AYJRCSIUFZENHW-UHFFFAOYSA-L barium carbonate Chemical compound [Ba+2].[O-]C([O-])=O AYJRCSIUFZENHW-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 4
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 4
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002585 base Substances 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 2
- QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N barium oxide Chemical compound [Ba]=O QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920003254 poly(benzobisthiazole) Polymers 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000012254 powdered material Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002730 additional effect Effects 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GXUARMXARIJAFV-UHFFFAOYSA-L barium oxalate Chemical compound [Ba+2].[O-]C(=O)C([O-])=O GXUARMXARIJAFV-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229940094800 barium oxalate Drugs 0.000 description 1
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 150000002222 fluorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 150000004679 hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- HTUMBQDCCIXGCV-UHFFFAOYSA-N lead oxide Chemical compound [O-2].[Pb+2] HTUMBQDCCIXGCV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N lead(II) oxide Inorganic materials [Pb]=O YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 150000003891 oxalate salts Chemical class 0.000 description 1
- BBJSDUUHGVDNKL-UHFFFAOYSA-J oxalate;titanium(4+) Chemical compound [Ti+4].[O-]C(=O)C([O-])=O.[O-]C(=O)C([O-])=O BBJSDUUHGVDNKL-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- DAWBXZHBYOYVLB-UHFFFAOYSA-J oxalate;zirconium(4+) Chemical compound [Zr+4].[O-]C(=O)C([O-])=O.[O-]C(=O)C([O-])=O DAWBXZHBYOYVLB-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- LLZRNZOLAXHGLL-UHFFFAOYSA-J titanic acid Chemical compound O[Ti](O)(O)O LLZRNZOLAXHGLL-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FOZHTJJTSSSURD-UHFFFAOYSA-J titanium(4+);dicarbonate Chemical compound [Ti+4].[O-]C([O-])=O.[O-]C([O-])=O FOZHTJJTSSSURD-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- XJUNLJFOHNHSAR-UHFFFAOYSA-J zirconium(4+);dicarbonate Chemical compound [Zr+4].[O-]C([O-])=O.[O-]C([O-])=O XJUNLJFOHNHSAR-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- HAIMOVORXAUUQK-UHFFFAOYSA-J zirconium(iv) hydroxide Chemical class [OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[Zr+4] HAIMOVORXAUUQK-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
- C04B35/49—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates
- C04B35/491—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates based on lead zirconates and lead titanates, e.g. PZT
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/853—Ceramic compositions
- H10N30/8548—Lead-based oxides
- H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrostiktiven Wandler, genauer gesagt einen elektrostriktiven Wandler, der zur Endlage-Steuerung verschiedenartigster mechanischer Systeme geeignet ist, und ein keramisches Material zur Herstellung dieses Wandlers.
- In letzter Zeit sind unter dein Aspekt in hohem Umfang in VLSI-Technik (höchste Integrationsrate) in hohen Stückzahlen und mit hoher Zuverlässigkeit zu produzieren, Mess- und Steuerungstechniken für die Positionen verschiedenster Elemente in den Fertigungsanlagen erforderlich, die mit einer Schrittgenauigkeit bis in den Mikron-Bereich arbeiten.
- Ferner ist auf anderen technischen Gebieten, zum Beispiel Präzisions- Bearbeitungsmaschinen, optische oder astronomische Instrumente ein Betätigungsorgan erforderlich, welches in der Lage ist, in einer Mikrongrößenordnung eine Position oder Verschiebung unterschiedlichster Geräteelemente oder optische Abstandslängen einzustellen.
- Ein piezoelektrisches Element oder ein elektrostriktiver Wandler sind außerordentlich geeignete Geräteelemente als Sensor zur Positionsanzeige oder als Betätigungsorgan zur Positionssteuerung. Hierbei sind bei derartigen Betätigungsorganen entweder ein Elektromotor, der zur Umsetzung einer Rotationsbewegung in eine Längsbewegung geeignet ist, oder ein elektrischer Strom/Verschiebung-Umsetzer vorgesehen, in welchen eine elektromagnetische Spule, ein Permanentmagnet und eine Feder miteinander kombiniert sind.
- Außerdem werden diese Betätigungsorgane vielfältig eingesetzt. Sie sind in ihrer Konstruktion allgemein gehalten,und damit sind auch die Steuerungsrichtungen sehr vielfältig; die Kraft, die durch solche Organe erzeugt oder umgesetzt wird, ist gering und die Anwendung ist damit nicht umfangreich.
- Damit werden auf dem Gebiet der Optik und Präzisionsmaschinen Wandler einer höheren funktionellen Güte benötigt.
- In verschiedenen Werkzeugmaschinen, wie z. B. für optische oder elektronische Kameras, für Meßanordnungen, die einen Laser verwenden und in der Bearbeitungsposition einer Bearbeitungsanlage für hoch integrierte Kreise, hat die geforderte Präzision bereits eine Größenordnung von 0,1 Mikron erreicht,und diese Forderung ist nur schwer zu erfüllen.
- Unter diesen Umständen ist seit einiger Zeit ein elektrostriktives Betätigungsorgan als eine neue Art sehr schnell in Erscheinung getreten,und dessen zukünftige Weiterentwicklung läßt einen neuen Artikel auf dem elektronischen Keramik-Markt erwarten.
- Grundsätzlich können als steuerbare Variable bei der Steuerung volltransistorisierter Umwandlungselemente die Temperatur, das Magnet- oder das elektrische Feld angesehen werden. Davon besitzt ein Element, welches den Temperaturwechsel ausnutzt, den Nachteil, daß es eine geringe Reaktion zeigt, unzureichend in der Stabilität ist und eine hohe Antriebsenergie benötigt.
- Ein Element, das das Magnetfeld ausnutzt, hat den Nachteil, daß es einen geringen Belastungsgrad besitzt, daß es eine Antriebsspule benötigt und somit die Apparatur größere Abmessungen erhalten muß.
- In einem elektrischen Feld/Dehnung-Wandler besteht die Wahl zwischen einem piezoelektrischen und einem elektrostriktiven Element. Ein elektrostriktives Material hat grundsätzlich den Vorteil gegenüber dem piezoelektrischen Material, daß es einen geringen Hysteresefehler besitzt, daß es keinerlei Polarisationsprozeß erfordert und daß es in der Lage ist, die unterschiedlichsten Einsatzbedingungen zu überstehen.
- Dennoch führt ein derartiges Element zu dem Problem, daß es einen kleinen Streckungsfaktor aufweist. Auch geht dieses Problem Schritt für Schritt als ungelöst aus kürzlichen Veröffentlichungen hervor, der Streckungsfaktor hat noch nicht ein befriedigendes Maß erreicht.
- Das zuerst genannte, d. h. das piezoelektrische Element, ist gekennzeichnet durch PZT (Leit-Zirconare-Titanate).
- Auch diese Keramik weist eine Ausdehnung von 0,06 % innerhalb eines elektrischen Feldes von 10 kV/cm auf; der Hysteresefehler beträgt 15 bis 30 %.
- Dabei ist zur genauen Kontrolle der Ausdehnung ein kompliziertes Programm erforderlich.
- Das zuletzt genannte, d. h. das elektrostriktive Element, ist gekennzeichnet durch PMN [Pb(MgNb)O&sub3;] . Dieses besitzt einen Hysteresefehler von weniger als 5 bis 10 % und einen Ausdehnungsfaktor von 0,06 % innerhalb eines elektrischen Feldes von 10 kV/cm. Bei diesem Material besteht ein Problem darin, daß es eine große Dielektrizitätskonstante besitzt und somit eine große elektrische Antriebsleistung erforderlich ist, wodurch wiederum die Selbsterwärmung relativ stark ansteigen kann.
- Als ein elektrostriktives Material außer PMN sind Keramiken bekannt, die repräsentiert sind durch [ Pb, Ba] [Zr, Ti ] O&sub3; (hierunter fallen auch solche wie PBZT).
- Die Keramiken dieser Serie wurden bereits durch K. M. Leung u.a. von HANEY WELL CO. beschrieben (siehe Ferroelektrika, 1980, Bd. 27, S. 41 bis 43). Es wird in der obigen Literatur angegeben, daß die Keramiken eine Zusammensetzung von Pb0.73 Ba0.27 Bi0.02 Zr0.70 Ti0.30 O&sub3; besitzen. Nach diesem Bericht beträgt der Ausdehnungsfaktor 0,06 % in einem maximalen elektrischen Feld von 10 kV/cm.
- Ferner wurden Keramiken, die aus einer Mischung von (Pb0.715 Ba0.285)0.991 (Zr0.707Ti0.293) 0.981Bi0.019 O&sub3; bestehen, von P. C. Lysne in J. App. Phys. 49(7), Juli 1978, S. 4296-4297 beschrieben.
- Die JP-Offenlegung Sho 60-144984 offenbart Keramiken, die aus PBZT mit hinzugefügtem Bi oder W bestehen.
- Die Keramiken, die die Erfindung in dieser Veröffentlichung betreffen, besitzen eine Zusammensetzung, die durch folgende Beziehung repräsentiert ist:
- [Pbx Ba1-x] [Zry Ti1-y] O&sub3;
- wobei gilt:
- 0.75 ≤ x ≤ 0.83
- 0.53 ≤ y ≤ 0.55
- Insofern der Hysteresefehler dieser Keramiken in der Veröffentlichung nicht angegeben wird, ist zu vermuten, daß er sehr hoch ist.
- Auch sind einige Techniken bekannt zur Substitution eines Teiles des Pb in PZT durch Alkalimetall oder alkalische Erdmetalle, die Gesamtheit des substituierten Pb nach diesem Stand der Technik beträgt nicht mehr als 30 %.
- Demgegenüber sollten die keramischen Betätigungslemente nach der vorliegenden Erfindung folgende Forderungen erfüllen:
- (1) einen großen Ausdehnungsfaktor (Ausdehnung in maximalem elektrischen Feld)
- (2) einen kleinen Hysteresefehler
- (3) ein hervorragendes Ansprechen
- (4) eine hervorragende Wiederholbarkeit
- (5) einen geringen Einfluß von Temperaturänderungen
- (6) Bewegbarkeit bei Vorliegen einer geringen Antriebsenergie
- (7) eine hohe Störungssicherheit
- (8) geringe Abmaße und Gewicht
- (9) einen einfachen Einsatzwechsel und Langlebigkeit
- (10) ein gleichbleibendes, maßgefertigtes Erzeugnis mit niedrigen Kosten
- Ein derartiges Keramikmaterial, das alle oben genannten Forderungen erfüllt, ist bisher nicht bekannt geworden.
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Material, das durch eine Zusammensetzung nach folgender Formel gekennzeichnet ist:
- [Pbx Ba1-x]m[Zry Ti1-y] n [M:]l O&sub3;
- wobei gilt: 0,55 ≤ x ≤ 0,70
- 0,45 ≤ y ≤ 0,80
- 0,85 ≤ m ≤ 1,15
- 0,85 ≤ n ≤ 1,15
- 0,01 ≤ l ≤ 0,10
- M ist ein Metall, ausgewählt aus einer Grnppe bestehend aus:
- divalent Cu, Mg, Ni, Zn;
- trivalent Bi, Nd, Y;
- tetravalent Ce, Ge, Hf, Mn, Sn, Te, Th;
- pentavalent Cr, Mn, Nb, Sb, Ta; und
- sexivalent Cr, Mn, Mo, W.
- Die vorliegende Erfindung ergibt ein keramisches Material, das im Unterschied zu den vorveröffentlichten Materialien nach dem Stand der Technik, einen signifikant großen Ausdehnungsfaktor und einen sehr geringen Hysteresefehler besitzt und das sehr gut für einen elektrostriktiven Wandler eingesetzt werden kann.
- In der vorliegenden Beschreibung ist der Ausdehnungsfaktor äls prozentuale Ausdehnung pro elektrische Feldeinheit, d. h. nach der folgenden Formel angegeben:
- Δ L/L E x 100 (%)
- wobei L = Länge des Umformers, gemessen in Richtung des elektrischen Feldes,
- ΔL= Ausdehnung in einem elektrischen Feld von E kV/cm.
- Der maximale Ausdehnungsfaktor betrifft den Ausdehnungsfaktor in einem elektrischen Feld von 10 kV/cm. Der Hysteresefehler nimmt eine Größe ein, die durch folgende Formel repräsentiert ist:
- wobei bedeuten:
- ΔL&supmin; = Ausdehnung des Wandlers, wenn die Größe des elektrischen Feldes von 10 kV/cm auf 5 kV/cm gesunken ist
- ΔL&spplus; = Ausdehnung des Wandlers, wenn die Größe des elektrischen Feldes von 0 kV/cm auf 5 kV/cm angestiegen ist.
- Lmax = maximale Ausdehnung in einem elektrischen Feld von 10 kV/cm.
- Bei den Keramiken gemäß der vorliegenden Erfindung ist der maximale Ausdehnungsfaktor ungefähr 1,5 bis 2 mal so hoch (d. h. 0,12 %), wie der des herkömmlichen Materials,und der Hysteresefehler ist niedriger als die Hälfte (d. h. 2 bis 15 %) dessen vom vorbekannten Material.
- Elektrostriktive Wandler aus derartigem Material mit großem Ausdehungsfaktor und kleinem Hysteresefehler können vielfältig auf verschiedenen technischen Gebieten eingesetzt werden, z. B. für verschiedenartige Werkzeugmaschinen, Tintendrucker oder zur Focussierung von Mikroskopen.
- Wenn nach der vorliegenden Erfindung der oben angegebene x-Wert niedriger als 0,55 liegt, ist der Ausdehnungsfaktor verringert; wenn x den Wert 0,70 übersteigt, dann wird der Hysteresefehler größer; wenn y kleiner als 0,50 wird, vergrößert sich ebenfalls der Hysteresefehler und wenn y den Wert 0,80 übersteigt, nimmt der Ausdehnungsfaktor ab.
- Deshalb ist es wünschenswert, daß x nicht kleiner als 0,55 und nicht größer als 0,70 und y nicht kleiner als 0,50 und nicht größer als 0,80 ist.
- Ferner ist es erforderlich, daß jeder Wert von m und n nicht kleiner als 0,85 und nicht größer als 1,15 ist, um eine elektrische Neutralisierung zu erreichen.
- Wenn l kleiner wird als 0,001 tritt die Wirkung des beigefügten M nicht in Erscheinung; wenn l den Wert 0,1 übersteigt, dann fällt der Ausdehnungsfaktor ab.
- Nun soll ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Materials gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
- Zunächst erfolgt eine Beschreibung des verwendeten Materials.
- Als führend für das Grundmaterial sind meistens Oxide gebräuchlich; dabei können es die wesentlichsten Carbonate, die wesentlichsten Oxalate oder Hydroxide usw. sein.
- Die Materialien Barium, Bariumcarbonat sind günstig einzusetzen, es sollten auch Bariumoxide oder Bariumoxalate usw. sein.
- Hinsichtlich Zirkonium, Zirkoniumoxid sollten es Zirkoniumcarbonat, Zirkoniumoxalat oder Zirkoniumhydroxide sein.
- In Hinsicht auf Titan, Titanoxid sollten Titancarbonat, Titanoxalat oder Titanhydroxide zur Anwendung gelangen.
- Das Metall M ist in Form seiner Oxide, Nitride oder Fluoride beigefügt.
- Diese Grundmaterialien werden gemessen oder gewogen und dann in festgelegtem Verhältnis miteinander gemischt.
- Als Mischanordnung eignet sich vorzugsweise eine Kugelmühle, jedoch kann es auch irgend eine andere Apparatur sein, die geeignet ist, pulverförmige Materialien zu mischen, z. B. eine Homogenisiereinrichtung, eine Walzenmühle oder ein Vibrationsmischer.
- Die Zeit, die zur Mischung der Grundmaterialien erforderlich ist, hängt von der Art der Mischanordnung und von den Eigenschaften des Grundmaterials ab, jedoch liegt sie grundsätzlich in der Größenordnung von 2 bis 20 Stunden. Dieser Zeitraum ist natürlich nicht auf die angegebene Größenordnung begrenzt.
- Als nächstes werden die pulverförmig vorliegenden Materialien kalziniert. Die Kalzinierungstemperatur liegt in der Größenordnung von 600 bis 1.000 ºC, vorzugsweise 800 bis 900 ºC. Die Kalzinierung wird vorzugsweise an Luft über 1 bis 10 Stunden durchgeführt.
- Der angestrebte Ausdehnungsfaktor kann nicht erreicht werden, wenn die Kalzinierungstemperatur unterhalb 600 ºC liegt. Andererseits werden die Materialkörner zu groß, wenn die Kalzinierungstemperatur nicht unter 1.000 ºC bleibt. Des weiteren wird kein zusätzlicher Effekte festgestellt, wenn die Kalzinierungszeit 10 Stunden übersteigt,und eine derartige Kalzinierung ist aus ökonomischer Sicht nicht akzeptabel.
- Die Kalzinierung kann in Nitrogen-Gas, Oxygen-Gas oder Argon-Gas ebenso durchgeführt werden wie in Luft.
- Die kalzinierten Pulver sind das Ausgangsmaterial für den nächsten Prozeß. Als End-Zerkleinerungseinrichtung kann z.B. eine Kugelmühle, eine Vibrationsmühle oder eine Walzenmühle eingesetzt werden, wobei die Ausgangsmaterialien auf eine Feinheit von etwa 80 Maschen/cm² gebracht werden.
- Das Erfordernis für eine derartige Feinmahlung ergibt sich daraus, einige unerwünschte Korngrößen, die durch den Kalzinierungsprozeß entstanden sind, zu beseitigen.
- Sodann werden die Feinpulver unter einem hohen Druck gepreßt, wodurch sie in eine praktikable Form übergeführt werden, z. B. als Scheibe, zylinderförmiger oder quadratischer Körper. Ein Formdruck von 100 bis 3.000 kg/cm² ist grundsätzlich ausreichend.
- Danach wird das vorgeformte Material bei einer Temperatur von 1.100 bis 1.400 ºC gesintert. Wenn die Sintertemperatur nicht über 1.100 ºC liegt, kann die von dem Sinterkörper erwartete Dichte nicht erreicht werden. Andererseits kann sich ein Teil des Materials wieder auflösen (zerfallen), wenn die Sintertemperatur 1.400 ºC übersteigt. Die am meisten praktizierte Sintertemperatur ist 1.200 bis 1.350 ºC.
- Hinsichtlich der Atmosphäre, in der die Sinterung stattfindet, ist Luft am gebräuchlichsten, aber es kann auch Nitrogen-Gas, Oxygen-Gas oder Argon-Gas usw. sein.
- Danach wird der so gesinterte Körper in Scheiben einer bestimmten Dicke geschnitten, auf beiden Seiten jeder Scheibe ein Elektrodenmaterial, das Platin oder Silber enthält, aufgetragen und sodann das Elektrodenmaterial festgebacken, so daß letztendlich ein elektrostriktives Element entsteht.
- Da ein einzelnes Plattenelement nur eine geringe Ausdehnung zeigt, werden 50 bis 100 solcher Elemente zur praktischen Anwendung zusammengebracht.
- PbO, BaCO&sub3;, ZrO&sub2;, TiO&sub2; und ein Oxid des Metalls M werden ausgewogen und unter Zuhilfenahme einer Kugelmühle 10 Stunden gemischt. Die so erhaltene Mischung wird bei einer Temperatur von 800 bis 900 ºC für zwei Stunden kalziniert und sodann in einer Kugelmühle feingemahlen. Nachdem diese Mischung getrocknet ist, wird sie unter einem Druck von 1,5 T/cm² zu einem zylindrischen Körper gepreßt.
- Dieser wird bei einer Temperatur von 1.200 bis 1.350 ºC über 3 Stunden gesintert und der dann vorliegende Körper in Scheiben einer Dicke von 0,80 mm geschnitten. Sodann wird auf beiden Seiten der Scheiben ein Platin-Elektrodenmaterial aufgebracht und festgebacken, so daß ein einzelner elektrostriktiver Übertrager vorliegt.
- Die Elektroden werden an eine Gleichspannungsquelle von 800 V angeschlossen und sodann die Ausdehnung und Hysterese gemessen.
- Die Feldstärke beträgt dabei 10 kV/cm.
- Die gemessenen Ergebnisse sind aus den Tabellen 1A bis 5B zu entnehmen. Tabelle 1A zeigt Daten betreffend eine Keramikmischung nach der Erfindung, wobei Bi als Metall M eingesetzt ist. Tabelle 1B zeigt Vergleichsbeispiele von Keramiken, die nicht im Rahmen der Erfindung liegen, die ebenfalls Bi als Metall M einschließen.
- Gleichermaßen zeigen die Tabellen 2A, 3A, 4A und 5A die entsprechenden Daten von Keramiken nach der Erfindung und die Nb, W, Th und Ta als das Metall M aufweisen. Die Tabellen 2B, 3B, 4B und 5B enthalten Vergleichsbeispiele von Mischungen außerhalb des Rahmens der Erfindung, wobei das gleiche Metall M wie in den betreffenden Tabellen 2A, 3A, 4A und 5A eingesetzt ist.
- Wie zum Beispiel aus den Tabellen 1A bis 5A zu erkennen ist, nimmt der Hysteresefehler in den Keramiken nach der vorliegenden Erfindung einen Wert von weniger als 2 bis 5 % an und der maximale Ausdehnungsfaktor ist größer als 0,06 bis 0,09 %.
- In den Vergleichsbeispielen der Tabellen 1B bis 5B haben die Keramiken den gleichen Hysteresefehler wie die Keramiken nach der vorliegenden Erfindung, zeigen einen maximalen Ausdehnungsfaktor von 0,02 bis 0,03 % und umgekehrt besitzen die Keramiken den gleichen maximalen Ausdehnungsfaktor wie der der Keramiken nach der Erfindung und zeigen einen Hysteresefehler von 15 bis 35 %.
- Bis heute wurde davon ausgegangen, daß innerhalb der Wertezusammenstellung für eine Keramik nach der Erfindung nur ein kleiner Ausdehnungsfaktor erreicht werden könnte. Tabelle 1 A Tabelle 1 B Tabelle 2 A Tabelle 2 B Tabelle 3 A Tabelle 3 B Tabelle 4 A Tabelle 4 B Tabelle 5 A Tabelle 5 B
- Ausgehend von der Forderung nach Erhöhung des Ausdehnungsfaktors von Keramiken nach der oben beschriebenen Zusammensetzung sind von den Erfindern verschiedene metallische Verbindungen zu diesen Keramiken hinzugefügt worden. Dies hat eine neue Zusammensetzung mit einem Ausdehnungsfaktor, der ungefähr 1,5 bis 2 mal so groß ist wie der des Ausgangsmaterials, und einem Hysteresefehler von ungefähr nur der Hälfte des Ausgangsmaterials ergeben.
- Die Eigenschaft der Keramiken nach der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß diese einen größeren Ausdehnungsfaktor und einen kleineren Hysteresefehler als die bekannten piezoelektrischen Elemente oder elektrostriktiven Wandler, wie sie zum Stand der Technik bekannt sind, aufweisen.
- Die bekannten piezoelektrischen Elemente besitzen einen Hysteresefehler von etwa 20 bis 25 %, wohingegen der der Elemente nach der Erfindung maximal 15 %, normalerweise 2 bis 5 % beträgt.
- Darüber hinaus können die Elemente nach der Erfindung einen 1,5 bis 2 mal so großen Ausdehnungsfaktor wie die der bekannten Elemente erreichen. Das ist ein überraschendes Ergebnis.
- Die erfindungsgemäßen Elemente können vielfältig als Betätigungsorgane zur Feinregulierung der Position eines Körpers und als Sensoren zur Anzeige von Kraft, Druck oder einer Verschiebung verwendet werden.
Claims (4)
1. Keramisches Materäal,
gekennzeichnet durch die folgende
Zusammensetzungsformel:
[Pbx Bal-x] m [Zry Til-y] n [M]l O&sub3;
wobei bedeuten:
0,55 ≤ x ≤ 0,70
0,45 ≤ y ≤ 0,80
0,85 ≤ m ≤ 1,15
0,85 ≤ n ≤ 1,15
0,001 ≤ l ≤ 0,1
M ist ein Metall, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus
divalent Cu, Mg, Ni, Zn
trivalent Bi, Nd, Y
tetrevalent Ce, Ge, Hf, Mn, Sn, Te, Th
pentavalent Cr, Mn, Nb, Sb, Ta und
sexivalent Cr, Mn, Mo, W.
2. Keramisches Material gemaß Anspruch 1,
wobei das Metall M ein Metall ist, das aus einer Gruppe
ausgewählt ist, welches besteht aus
Bi, Nd, Y, Ce, Sn, Th, Nb, Ta, Mo und W.
3. Elektrostriktiver Wandler, bei dem die Scheibe aus dem
keramischen Material gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2
hergestellt ist, wobei auf beiden Seitenflachen der Scheibe
jeweils eine Elektrode angebracht ist.
4. Betätigungselement, bei dem die Scheibe aus dem
keramischen Material gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2
hergestellt ist, wobei auf beiden Seitenflächen der Scheibe
jeweils eine Elektrode angebracht ist.
Applications Claiming Priority (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63023769A JP2579334B2 (ja) | 1988-02-05 | 1988-02-05 | 電歪材料 |
JP63091760A JP2543569B2 (ja) | 1988-04-15 | 1988-04-15 | 微細位置決め用電歪素子 |
JP63091761A JP2543570B2 (ja) | 1988-04-15 | 1988-04-15 | 微細位置決め用電歪素子 |
JP63091762A JP2543571B2 (ja) | 1988-04-15 | 1988-04-15 | 微細位置決め用電歪素子 |
JP63091763A JP2543572B2 (ja) | 1988-04-15 | 1988-04-15 | 微細位置決め用電歪素子 |
JP63091759A JP2543568B2 (ja) | 1988-04-15 | 1988-04-15 | 微細位置決め用電歪素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE68902930D1 DE68902930D1 (de) | 1992-10-29 |
DE68902930T2 true DE68902930T2 (de) | 1993-05-06 |
Family
ID=27549121
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE8989300937T Expired - Fee Related DE68902930T2 (de) | 1988-02-05 | 1989-01-31 | Elektrostriktives element und keramisches material desselben. |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0328290B1 (de) |
KR (1) | KR920009913B1 (de) |
DE (1) | DE68902930T2 (de) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4988909A (en) * | 1989-01-20 | 1991-01-29 | Mitsui Toatsu Chemicals, Inc. | Piezoelectric element with giant electrostrictive effect and ceramic composition for preparing same |
DE69318071T2 (de) * | 1992-06-23 | 1998-12-03 | Murata Mfg. Co., Ltd., Nagaokakyo, Kyoto | Piezoelektrische Keramiken |
DE4325167C1 (de) * | 1993-07-27 | 1994-09-22 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Herstellung von PZT-Schichten |
DE102005061529B4 (de) | 2005-12-22 | 2008-04-17 | Siemens Ag | Bleizirkonattitanat mit Nickel-Molybdän-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils unter Verwendung des Bleizirkonattitanats und Verwendung des piezokeramischen Bauteils |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3144411A (en) * | 1961-11-13 | 1964-08-11 | Clevite Corp | Barium-continaining lead titanate ferroelectric compositions and articles |
GB1050449A (de) * | 1962-07-24 | 1900-01-01 |
-
1989
- 1989-01-31 EP EP89300937A patent/EP0328290B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1989-01-31 DE DE8989300937T patent/DE68902930T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1989-02-03 KR KR1019890001282A patent/KR920009913B1/ko not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR890016590A (ko) | 1989-11-29 |
EP0328290B1 (de) | 1992-09-23 |
KR920009913B1 (ko) | 1992-11-06 |
DE68902930D1 (de) | 1992-10-29 |
EP0328290A1 (de) | 1989-08-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102008014728B4 (de) | Piezoelektrische keramische Zusammensetzung | |
EP2130239B1 (de) | Piezoelektrisches material, vielschicht-aktuator und verfahren zur herstellung eines piezoelektrischen bauelements | |
DE102008014394B4 (de) | Piezoelektrische keramische Zusammensetzung | |
DE68903997T2 (de) | Ferroelektrisches keramisches material. | |
EP1704602B1 (de) | Keramikmaterial | |
EP2113495A2 (de) | Keramischer Werkstoff, Verfahren zur Herstellung des keramischen Werkstoffs und Bauelement mit dem keramischen Werkstoff | |
DE69022535T2 (de) | Mehrschichtiger piezoelektrischer Verbund. | |
WO2011103935A1 (de) | Bleifreier, mehrphasiger keramischer werkstoff mit texturierung, verfahren zum herstellen des werkstoffs und verwendung des werkstoffs | |
DE69116048T2 (de) | Piezoelektrische keramische Zusammenfassung für Betätiger | |
DE69404804T2 (de) | Piezoelektrische Keramiken | |
DE68923579T2 (de) | Ferroelektrisches keramisches Material. | |
DE69923635T2 (de) | Piezoelektrische Keramiken | |
EP1979291B1 (de) | Bleifreier piezokeramischer werkstoff, verfahren zum herstellen eines piezokeramischen bauteils mit dem werkstoff und verwendung des bauteils | |
DE2549891B2 (de) | Zusammensetzung eines keramischen Dielektrikums | |
DE68902930T2 (de) | Elektrostriktives element und keramisches material desselben. | |
DE102006015042B4 (de) | Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit Kupferdotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils | |
DE69603687T2 (de) | Piezoelektrisches material, piezoelektrisches element und herstellungsverfahren | |
DE69607119T2 (de) | Piezoelektrische keramische Zusammensetzung | |
EP0714866A1 (de) | Komplexer, substituierter Lanthan-Blei-Zirkon-Titan-Perowskit, keramische Zusammensetzung und Aktuator | |
DE102007012916A1 (de) | Laminiertes piezoelektrisches Element und Herstellungsverfahren hierfür | |
DE69014135T2 (de) | Piezoelektrisches Element mit sehr hohem elektrostriktivem Effekt und keramische Zusammensetzung für dessen Herstellung. | |
DE102006008742A1 (de) | Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit Erdalkalidotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils | |
DE1646823C2 (de) | Piezoelektrischer Keramikmaterial | |
WO2008155222A1 (de) | Blei-zirkonat-titanat-keramik mit texturierung, verfahren zum herstellen der keramik und verwendung der keramik | |
DE1646820C2 (de) | Piezoelektrischer Keramikstoff |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: MITSUI CHEMICALS, INC., TOKIO/TOKYO, JP |
|
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |