DE879920C - Bimorphes UEbertragerelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

• Bimorphes Ubertragerelement und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft ein birnorphes Element und ein Verfahren zu seiner Herstellung, insbesondere ein bimorphes Bariumtitanatübertragungs: element.
• Es ist bekannt, daß vielkörnige keramische Körper der Klasse der Erdalkalimetalltitanate, wenn sie einer elektrostatischen Aufladun.g ausgesetzt wurden, zu aktiven piezoelektrischen Elementen werden. Besonders B.ariumtitanat ist erfolgreich als Übertragungselement benutzt worden. In diesem Anwendungsfall wird das Element so gelagert, daß es z. B. durch eine Schallplattennadel mechanisch erschüttert werden kann und das entstehende Wechselstrompotential von Signalelektroden aufgenommen wird, die an den großen flachen Oberflächen einer dünnen Scheibe des aus einer solchen bestehenden keramischen Körpers angeordnet sind. Es sind bereits verschiedene Auswege versucht worden, um eineue Auslöscheffekt zu vermeiden, der durch die Erzeugung entgegengesetzt wirkender Spannungen entsteht. Eines dieser Mittel besteht in der Verwendung von zwei flachen keramischen Körpern mit entgegengesetzten Ladungen, die so miteinander verbunden sind, daß sie ,als ein einziger Körper vibrieren.
• Hauptzweck der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten bimorphen keramischen Titanatel.em,ents, :das besonders .als Übertrager geeignet ist.
• Zur Durchführung der Erfindung wird zunächst ein Erdalkalimetalltitanat in Form einer dünnen Scheibe hergestellt, die dann durch Erhitzen auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur in reduzierender Atmosphäre teilweise reduziert wird, bis sie gleichmäßig teilweise leitend wird. Die so reduzierte Scheibe wird dann eine kürzere Zeit lang in oxydierender Atmosphäre erhitzt, um ihre äußeren Teile ztt - .oxyderen, jedoch in ihrem Innern -eine leibende Schicht zu belassen.
• Durch Anbringun:g von Elektroden an den einander gegenüberliegenden großen Flächen des Körpers und Herstellung eines elektrischen Kontaktes mit der mittleren leitenden Zone können dann. die Teile :des Elements .an den .einander gegenüberliegenden Seiten der mittleren leibenden Zone aufgeladen werden, und die Vibration eines so hergestellten und geladenen Elements erzeugt eine elektrische Spannung in der :gleichen Art wie bei .den üblichen Übertragungselementen. Die Einzelheiten der Ausführung :der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben.
• Fig. i zeigt in vergrößertem Maßstab, teilweise weggebrochen, den keramischen Körper vor seiner Reduktion; Fig. 2 ist ein ähnliches Bild des reduzierten Körpers; Fig.3 ist eine perspektivische Ansicht des oxydierten keramischen Körpers, wobei in gestrichelten Linieneine Art der Herrichtung des reduzierten, und oxydierten Elements angedeutet ist; Fig. ¢ zeigt eine perspektivische Ansicht des zurechtgeschnittenen Elements und läßt .die mittlere leitende Schicht :erkennen; Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht des fertigen Übertragers mit den Signalleitungen und der mittleren Aufladeleitung.
• Bei der Durchführung des Verfahrens und der Herstellung des Elements wurden gute Erfolge mit keramischem Bariumtitanat :erzielt. Aus der Zeichnung sind die verschiedenen Verfahrensschritte ersichtlich. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird zunächst :ein Plättchen aus im wesentlichen reinen keramischen Bariumtitanat gerzeugt, das 2 5 mm Ian , 13 mm breit und etwa 1/4 mm dick ist. Dieses in Fig. i dargestellte Plättchen wurde nach einem geeigneten Verfahren zur Herstellung dünner Platten erzeugt und nach den üblichen. Methoden .dicht gebrannt. Die .so :erzeugte Platte entspricht dann :denen, wie sie für die Herstellung vielkörniger Piezokristalle verwendet werden, jedoch von allgemein beträchtlich .größeren Abmessungen, Tals sie gewöhnlich für diesen Zweck benutzt werden.
• Der keramische Körper aus Bariumtitanat gemäß Fi;g. i wird nun auf ein feuerfestes Porzellanplättchen aufgesetzt und nochmals i o Minuten lang in einer Wasserstoffatmosphäre .auf 1300° C erhitzt. Der so :erhaltene, in Fig.2 dargestellte teilweise reduzierte Körper ist viel :dunkler in der Farbe gals das reime Ausgangsmaterial aus Bariumtitanat und hat einen viel niedrigeren elektrischen Widerstand Tals das Originalmaterial. Allgemein beträgt der Widerstand des reduzierten Materials etwa iooOhm (der Gesamtwiderstand des in Fig.2 gezeigten Elements, gemessen von einem Ende zum anderen, beträgt etwa. 8oo Ohm), während der Widerstand des ursprünglichen keraanischen Bariumtitanats im unre@duzierben Zustand in der Größenordngung von etwa 1012 Ohm liegt. Diese Widerstandsmessungen sind nicht genau durchgeführt worden, sie wurden nur vorgenommen und hier erwähnt, lum zu zeigen, daß das Material schließlich durch -die Reduktionsbehandlung unter hoher Temperatur leibend wird. Ein Stück von 1/4 mm Dicke zeigte sich als im wesentlichen gleichmäßig reduziert in seiner ganzen Masse, nachdem es i o Minuten bei der erwähnten Temperatur behandelt worden war.
• Den in Fig. 2 gezeigten teilweise reduzierten keramischen Körper läßt man nun zunächst abkühlen, gum ihn dann wiederum auf iooo° C, jedoch in -einer oxydierenden Atmosphäre (Luft) 5 Minuten lang zu erhitzen. Diese Behandlung reoxydiert die Oberfläche des Körpers, beläßt aber einen leibenden Streifen :oder eine leitende Schicht in seinem Innern. Durch Beschneiden des so teilweise uroxydierten Elements längs der gestrichelten Linie A in Fig.3 erhält man einen Streifen von etwa 20 mm Länge, 5 mm Breite und 1/4 mm Dicke, wie @er in Fig. q. dargestellt ist. Durch eine solche Herrichtung des Materials wird die mittlere reduzierte Schicht io rund um die Kanten freigelegt, während zwei Außenschichten i i verbleiben, die aus völlig oxydiertem, irr wesentlichen reinen keramischen Bariluntitanat bestehen.
• Durch Aufstreichen einer leitenden Silberpaste auf die breiten gegenüberliegenden. Außenflächen werden,dann, wieg aus Fig. 5 ersichtlich, Elektroden 12 aufgebracht. Hierbei. ist dafür Sorge zu tragen, d@aß nicht zwischen einer der Elektroden und der mittleren schwärzlichen reduzierten Lage ein Kontakt entsteht. Dann wird ,an dem :einen Ende des Körpers ein Silberfleck angebracht und an diesem eine Aufladeleitung 13 befestigt. Nun wird das Element durch ein Gleichstrompotential von 200 Volt aufgeladen, wobei die Ladeleitung 13 mit denn positiven Pol und die zwei Leitungen 14 mit dem negativen Pol verbunden werden. Der Ladevorgang wird 6 Minuten lang durchgeführt. Die Signalleitungen i q. werden dann an ein elektronisches Galvanometer angeschlossen -und das Element zwischen Gummipolster eingespannt. In dem besonderen Fall zeigte sich, daß unter diesen Umständen :eine Spannung von nahezu o,4 Volt erzeugt wurde, das Element :also piezoelektrische Eigenschaften erhalten hat und als wirksames übertragungselement verwendbar ist.
• Es ist ersichtlich, daß die Merkmale der Erfindung in verschiedener Weise benutzt werden können. Das hervorstehendste Merkmal ist die Herstellung einer leitenden mittleren Schicht durch aufeinanderfolgen:de Reduzier- und Oxydierverfahren, wobei, die Reoxydation so begrenzt ist, daß sie sich nur zum Teil in den reduzierten Körper hinein erstreckt. Die. leitende mittlere Lage bildet die Mittelelektrode, und die Signalelektroden werden nach üblichen Verfahren, z. B. durch Anstrich mit einer elektrisch leitenden Farbe, durch Aufspritzen od, dgl., gebildet Bund aufgebracht. Statt den keramischen Körper teilweise zu reoxydieren und dann die Signalelektroden aufzubringen, kann das reduzierte Material auch in der Weise behandelt werden, daß man die Silberelektroden durch Aufspritzen, Tauchen, Anstreichen od. dgl. .aufbringt, wonach das Element zunächst getrocknet und dann gesintert wird. Führt man den Sinterungsvorgang in einer oxydierenden Atmosphäre durch, so erreicht man damit, daß nicht nur die Silberschicht an den keramischen. Körper gebunden wird, sondern im gleichen Arbeitsgang die Erzeugung der oxydierten Außenschichten erreicht wird.
• In dem besonderen gegebenen Ausführungsbeispiel war das behandelte Material Bariumtitanat. Man kann die Erfindung jedoch auch unter Verwendung anderer Er d:alkalimetalltitanate oder von Mischungen derselben, wie einer geeigneten Mischung aus Strontium- und Bariumtitanat, durchführen.
• Bariumtitanat ist jedoch für viele Zwecke besonders vorzuziehen, da es einen verhältnismäßig hohen, Curiepunkt hat. Die LTbertragungselemente können in den verschiedensten Größen und Formen hergestellt werden und wirken in entsprechenden Vorrichtungen, wile z. B. in Tonabnehmern für Grammophone u. dgl., zufried:ensbellend als Übertragungselemente.
• Obwohl der keramische Körper vorteilhaft nach dem beschriebenen Verfahren behandelt wird, um ihn zu reduzieren und dann zu reoxydieren., können auch andere Oxydations- und Reduktionsverfahren oder Kombinationen derselben benutzt «>erden. Zum Beispiel kann der keramische Körper in einer elektrolytischen Zelle während der Reduktion die Kathode und wähnend der Oxydation die Anode bilden, wobei der Elektrolyt ,aus in Schwefelsäure aufgelöstem Kaliumperchlorat besteht und die Temperatur während der Elektrolyse auf ioo° C ge- halten wird. Man kann ,aber als Elektrolyt auch einen Körper aus geschmolzenem Natrium- oder Kaliumnitrat verwenden. Auch unmittelbare chemische Behandlung kann angewandt werden, und zwar bei Temperaturen, die unter jenen liegen, welche man bei der Wasserstoff- und Sauerstoffreduktion bzw. Oxydlation benutzt. Ein vorteilhaftes Verfahren besteht darin, den keramischen Körper in einer Wasserstoffatmosphäre zu reduzieren und die Oxydation elektrolytisch durchzuführen, so daß die Dicke der vollständig oxydierten Schichten besser eingestellt werden kann.
• Die Anwendung eines Ladungspotentials von Zoo Volt über eine Zeit von 6 Minuten ist natürlich nur erläuternd angegeben worden. Sie wird wegen der extrem dünnen wirksamen Piezoschicht möglich. re nach den gewünschten Resultaten werden selbstverständlich geeignete Ladezeiten und -Spannungen angewendet.
• Die Verwendung des bimorphen Elements gemäß der Erfindung beschränkt sich nicht auf den Gebrauch als Übertrager. Es kann z. B. .auch als kapazitive Einheit benutzt werden und ist dann auf Grund der hohen Diel@ektrizitätskonstante der vollständig oxydierten Schicht außerordentlich wirksam. Die bielektrizitätskonstante ergibt sich z. B. für BaTi,0,# zu i2oo bis i.loo, während sie für Aluminiumoxydschichten, die in elektrolytischen Kondensatoren benutzt werden-, nur 6 beträgt. Wird eine kapazitive Einheit od. dgl. nach dem neuen. Verfahren hergestellt, so kann jeder Teil der Oberfläche, der nicht oxydiert werden soll, während der Reoxydation durch eine Schutzschicht abgedeckt werden.
• Findet das bimorphe Element gemäß der Erfindung -als Übertrager Verwendung, so ist es wünschenswert, daß es aus einem Er dalkalimetalltitanat besteht, wobei sich Bariumtitanat als besonders wirksam für diesen Zweck gezeigt hat. Benutzt man das bimorphe Element als kapazitive Einheit oder als Gleichrichter, so können andere Metalltitanate mit Einschluß von Titandioxyd und Mischungen derselben mit verschiedenen Titanaten verwendet werden.

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Herstellung eines bimorphen Titanats, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein keramischer Streifen aus Metalltitanaten, Titandioxyd oder Mischungen von solchen geformt und dieser dann so behandelt wird, daß der keramische Körper teilweise reduziert und sein elektrischer Widerstand ,eerringert wird, wonach man nur einen Teil des Streifens in der Weise einer Oxydationsbehandlung unterwirft, daß im Ergebnis mindestens zwei Schichten von verschiedener elektrischer Leitfähigkeit entstehen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Streifen bzw. Körperaus Erd,alk,alim,eita.lltitanaten, vorzugsweise Bariumtitanat, besteht.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein flacher Streifen des keramischen Ausgangswerkstoffes in reduzierender Atmosphäre auf eine erhöhte Temperatur erhitzt wird, bis im wesentlichen der ganze Streifen leitend geworden ist, worauf der so reduzierte Körper in oxydierender Atmosphäre in der Weise erhitzt wird, daß im wesentlichen nur seine Außenflächen oxydiert werden, im Innern aber ein unoxväierter leitender Teil verbleibt. q..
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion bei einer Temperatur von etwa 125o' C durchgeführt wird und daß sowohl die Oxydationsdauer wie die -temperatur kürzer bzw. niedriger sind als die für das Reduzieren verwendete Zeit bzw. Temperatur.
5. 5. Verfahren zur Herstellung eines Bariurntitanatübertragers nach Anspruch i bis 4., dadurch gekennzeichnet, daß er .aus. einer verhältnismäßig dünnen Platte .aus keramischem Bariumtitanat geformt wird, die man nach der Reduktion und Oxydation zu der Form eines Übertragerelements zuschneidet, so daß mindestens an einer Kante des Elements die leitende Schicht freigelegt wird, worauf man an den einander gegenüberliegenden Großflächen leitende Elektroden ;anbringt, die Signalelektroden bilden, und das Element dadurch auflädt, daß man die mittlere leitende Schicht mit dem einen Pol der Aufladequelle und die zwei Signalelektroden mit dem anderen Pol derselben verbindet.
6. 6. Nach dem Verfahren ,gemäß Anspruch r bis 5 hergestelltes bimorphes Element, dadurch gekennzeichnet, daß es ,aus, einem einzigen Stück teilweise chemisch reduziertem Erdalkalimetalltibana.t besteht, das äußere, nicht leitende Schichten undeine dazwischenliegende elektrisch leitende 'Schicht aufweist.
7. 7. Bimorphes Element nach Anspruch(>, da-,durch gekennzeichnet, daß es raus .einer verhältnismäßig dünnen Platte aus Bariumtixanat besteht, die .eine mittlere rausreichend :chemisch reduzierte Schicht aufweist, umelektrisch leitend zu- werden. B.
8. Bimorphes Element nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß @es ein Paar- von Signalelektroden ran den einander gegenüber-13,eg kenden Großflächen des Bariumtitanatkörpers aufweist, wobei die Bariumtitanatschichten an einander gegenüberliegenden Seiten der leitenden Schicht entgegengesetzt geladen sind.
9. 9. Bimorphes Element nach Anspruch 5 bis 8, gekennzeichnet :durch ei;nen keramischen Körper aus Titandioxyd und Metalltitanaten, der mindestens zwei Schichten aufweist, von denen wenigstens, eine ,eine chemisch teilweise reduzierte Schicht aus dem keramischen Material ist.