DE938255C

DE938255C - Piezoelectric element

Info

Publication number: DE938255C
Application number: DEN8442A
Authority: DE
Inventors: Jan Willem Hekkert; Felix Robert Schepman
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1953-02-12
Filing date: 1954-02-11
Publication date: 1956-01-26
Also published as: FR1098774A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Element, das aus einer oder mehreren Platten aus durch Wasser nicht angreifbarem, piezoelektrisch empfindlichem Material mit polykristallinischer Struktur zusammengebaut ist, wobei jede Platte auf zwei parallelen Seiten mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist.The invention relates to a piezoelectric element, which consists of one or more Plates made from water-resistant, piezoelectrically sensitive material with polycrystalline Structure is assembled, with each plate on two parallel sides with one electrically conductive layer is provided.

Solche Platten werden gewöhnlich durch Sinterung einer Kristallmasse oder durch Vereinigung der Kristalle mittels eines Bindemittels hergestellt. Geeignete Stoffe für diese Platten sind z. B. Blei-, Barium- und Calcium-Barium-Titanat, Barium-Zirkonat u. dgl. Ohne weitere Maßnahmen sind solche Platten piezoelektrisch nicht empfindlich, aber man kann eine dauernde piezoelektrische Empfindlichkeit dadurch induzieren, daß sie einem elektrischen Felde ausgesetzt werden. Dazu werden die zwei leitenden Schichten einer Platte mit je einem Pol einer Spannungsquelle verbunden, worauf die angelegte Spannung während einiger Zeit aufrechterhalten wird. Manchmal wird das Element während dieses Vorgangs einer mechanischen Spannung unterworfen.Such plates are usually made by sintering a crystal mass or by union of the crystals produced by means of a binder. Suitable substances for these panels are, for. B. lead, Barium and calcium barium titanate, barium zirconate and the like are without further measures Such plates are not piezoelectrically sensitive, but one can use a permanent piezoelectric Induce sensitivity by exposing them to an electric field. To be the two conductive layers of a plate are each connected to a pole of a voltage source, whereupon the applied voltage is maintained for some time. Sometimes the item will subjected to mechanical tension during this process.

Es ist bekannt, piezoelektrische Elemente mit in Wasser löslichen Stoffen, wie z. B. Rochellesalz, vor der Einwirkung von Feuchtigkeit zu schützen; dazu sind verschiedene Gebilde entwickelt worden, die das Element feuchtigkeitsfrei einschließen, ohne dessen Beweglichkeit stark zu verringern. Gemäß der Erfindung hat es sich ergeben, daß es auch bei einem piezoelektrischen Element mit nicht durch Wasser angreifbaren Kristallen vorteilhaft ist, es feuchtigkeitsfrei einzuschließen, da gefunden wurde, daß die Größe der elektrischen, durch eine mechanische Erschütterung erzeugten Spannung, d. h. der Ausgangsspannung, infolge Feuchtigkeit in derIt is known to use piezoelectric elements with substances soluble in water, such as. B. Rochelle Salt to protect against the effects of moisture; for this purpose, various structures have been developed that enclose the element in a moisture-free manner without greatly reducing its mobility. According to the invention, it has been found that it does not go through with a piezoelectric element Water vulnerable crystals it is advantageous to enclose it moisture-free, since it has been found that the magnitude of the electrical voltage generated by a mechanical shock, d. H. the Output voltage, due to moisture in the

Nähe des piezoelektrischen Elements erniedrigt wird.Is decreased near the piezoelectric element.

Ein piezoelektrisches Element nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es von einer haftenden, ein chemisch gehärtetes Kunstharz enthaltenden Schicht umgeben ist.A piezoelectric element according to the invention is characterized in that it is of a adhesive, a chemically hardened synthetic resin containing layer is surrounded.

Solche Schichten können angebracht werden, indem das piezoelektrische Element mit einer Lösung eines Kunstharzvorkondensats bedeckt undSuch layers can be applied by connecting the piezoelectric element with a Solution of a synthetic resin precondensate covered and

ίο das Kunstharz gehärtet wird, welche Erhärtung gewöhnlich durch Erhitzung des auf diese Weise behandelten Elements in einem Ofen erfolgt.ίο the resin is hardened, what hardening usually by heating the element so treated in an oven.

Vorzugsweise wird die Kunstharzschicht dünn, d. h. mit einer Stärke von weniger als 0,2 mm gehalten, um zu verhüten, daß die im Element erzeugten Schwingungen hinderlich gedämpft werden. Geeignete Kunstharze sind Kondensate von Urea oder Melamin mit Formaldehyd und einem Alkohol, z. B. Butanol. Eine zufriedenstellende Wirkung haben auch Gemische aus Urea- oder Melaminf ormaldehydharzen und Alkydharzen, da die dadurch erzielten Schichten nicht spröde und in Stärken von 0,2 mm und weniger hinreichend feuchtigkeitsbeständig sind, um das Element zu schützen.Preferably the synthetic resin layer is made thin, i. H. held with a thickness of less than 0.2 mm, in order to prevent the vibrations generated in the element from being dampened in an obstructive manner. Suitable synthetic resins are condensates of urea or melamine with formaldehyde and an alcohol, z. B. butanol. Mixtures of urea or melamine also have a satisfactory effect Ormaldehyde resins and alkyd resins, as the resulting layers are not brittle and thick 0.2 mm and less are sufficiently moisture resistant to protect the element.

Außerdem lassen sich solche Schichten herstellen, ohne daß eine Temperatur von 150⁰ C überschritten wird; sonst könnte das Element infolge Erweichung des zur Befestigung gewisser Einzelteile erforderlichen Lots beschädigt werden. Es hat sich ergeben, daß solche Schichten das piezoelektrische Element besser vor der Einwirkung von Feuchtigkeit schützen können als manche Schichten aus einem thermoplastischen Kunstharz oder einem anderen ähnlichen Produkt.In addition, such layers can be produced without a temperature of 150 ^° C. being exceeded; otherwise the element could be damaged as a result of softening of the solder required to fasten certain individual parts. It has been found that such layers can better protect the piezoelectric element from exposure to moisture than some layers of thermoplastic resin or other similar product.

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad eines solchen Elements um so größer ist, je größer, unter im übrigen gleichen Verhältnissen, der angelegte Spannungsunterschied ist, und zum Erhalten eines empfindlichen Elements ist man also bestrebt, die Spannung möglichst zu steigern. Praktische Gründe beschränken jedoch die Größe der anzulegenden Spannung, da stets gewisse Ableitungen auftreten, und manchmal tritt sichtbarer Überschlag ein, wodurch es schwierig ist, die elektrische Spannung im verlangten Wert aufrechtzuerhalten. Diese unerwünschten Erscheinungen können zwar gewissermaßen herabgemindert werden, z. B. indem eine möglichst porenfreie Struktur der Platten vorgesehen, die Polarisierung in feuchtigkeitsfreier Umgebung durchgeführt und die Plattenecken abgerundet werden, aber auch dann treten diese Nach-. teile auf, besonders wenn die Starke des polarisierenden elektrischen Feldes groß gewählt wird. Daher wurden keine höheren Feldstärken als 20 bis 22 kV/cm angewendet, so daß piezoelektrische Elemente erwähnter Art mit einem höheren als einer polarisierenden Feldstärke von 20 bis 22 kV entsprechenden Wirkungsgrad nicht hergestellt werden. Die Durchführung der Erfindung beseitigt diese Nachteile weitgehendst, und die üblichen Feldstärken können ohne Bedenken angewendet werden, wodurch die Herstellung solcher piezoelektrischen Elemente vereinfacht wird. Außerdem läßt sich eine wesentlich höhere Feldstärke anwenden, da die Polarisierung" mit Feldstärken von mehr als 25 kV/cm, z. B. 35 'bis 45 kV/cm, ganz oder nahezu bedenkenfrei ist. In äußersten Fällen, wenn die Platten sehr genau konstruiert sind, kann man sogar Feldstärken von 60 kV/cm anwenden.It is known that the efficiency of such an element, the greater the lower in the rest of the same proportions, is the applied voltage difference, and to obtain one Sensitive element, one strives to increase the tension as much as possible. Practical reasons however, limit the size of the voltage to be applied, since certain derivatives always occur, and sometimes a visible flashover occurs, making it difficult to measure the voltage in the maintain the required value. These undesirable phenomena can to a certain extent be reduced, e.g. B. by providing a structure that is as pore-free as possible for the panels, the polarization is carried out in a moisture-free environment and the panel corners rounded but even then these follow-up. split up, especially when the strength of the polarizing electric field is chosen to be large. Therefore no field strengths higher than 20 to 22 kV / cm applied, so that piezoelectric elements of the type mentioned with a higher than one polarizing field strength of 20 to 22 kV corresponding efficiency cannot be produced. The implementation of the invention largely eliminates these disadvantages and the usual field strengths can be used without hesitation, thereby reducing the production of such piezoelectric Elements is simplified. In addition, a much higher field strength can be used because the Polarization "with field strengths of more than 25 kV / cm, e.g. 35 'to 45 kV / cm, completely or nearly is safe. In extreme cases, when the panels are constructed very precisely, you can even use field strengths of 60 kV / cm.

Bei Durchführung der Erfindung können viele Arten von Materialien zu der maximalen piezoelektrischen Empfindlichkeit polarisiert werden, da es sich ergibt, daß bei Erhöhung der polarisierenden Feldstärke schließlich ein Sättigungswert erreicht wird, oberhalb dessen eine Erhöhung der Feldstärke -keine weitere Erhöhung der dauernden piezoelektrischen Empfindlichkeit herbeiführt. Dieser Sättigungswert liegt für viele piezoelektrisch empfindliche Materialien oberhalb der bisher angewendeten Feldstärke, er läßt sich jedoch mittels der gemäß der Erfindung anwendbaren polarisierenden Feldstärken häufig erreichen.Many types of materials can be used in the practice of the invention to the maximum piezoelectric Sensitivity to be polarized, as it turns out that when increasing the polarizing Field strength finally a saturation value is reached, above which an increase in field strength - does not bring about any further increase in the permanent piezoelectric sensitivity. This saturation value for many piezoelectrically sensitive materials is above that previously used Field strength, but it can be determined by means of the polarizing field strengths applicable according to the invention often reach.

Fig. ι der Zeichnung zeigt einen vergrößerten Schnitt eines piezoelektrischen Elements nach der Erfindung. Die Bezugsziffern 1 und 2 bezeichnen je eine Platte aus polykristallinischem Bariumtitanat ,mit einer Stärke von 0,25 mm. Die Ziffern 3 und S bezeichnen je eine Silberschicht. Die Ziffer 4 bezeichnet zwei durch eine Lötschicht verbundene Silberschichten. Mit 6 ist die das Element umgebende Lackschicht aus einem gehärteten Ureaformaldehyd - Butanolkondensat bezeichnet. Die Schichten 3 und 5 sind leitend mit den festgelöteten Drähten 7 verbunden, die gemeinsam einen der Pole des Elements bilden. Der andere Pol wird durch einen an der Schicht 4 festgelöteten Metalldraht 8 gebildet.Fig. Ι the drawing shows an enlarged section of a piezoelectric element according to the Invention. The reference numerals 1 and 2 denote each a plate made of polycrystalline barium titanate, 0.25 mm thick. The digits 3 and S. each denote a layer of silver. Numeral 4 denotes two connected by a layer of solder Silver layers. With 6 the layer of lacquer surrounding the element is made of a hardened urea formaldehyde - called butanol condensate. The layers 3 and 5 are conductive with the firmly soldered Wires 7 connected, which together form one of the poles of the element. The other pole is through a metal wire 8 soldered to the layer 4 is formed.

In Fig. 2 ist in einer graphischen Darstellung die Größe eines polarisierenden Gleichspannungsfeldes als Abszisse aufgetragen und als Ordinate die Ausgangsleistung eines vorstehend geschilderten Elements in mV, die durch eine mechanische Schwingung mit einer Frequenz von 120 Hz und konstanter Amplitude erzeugt wird.In Fig. 2, the size of a polarizing DC voltage field is in a graphic representation plotted as the abscissa and the output power of an element described above as the ordinate in mV caused by a mechanical oscillation with a frequency of 120 Hz and more constant Amplitude is generated.

Der senkrechte Strich A bezeichnet den Wert der i°5 polarisierenden Feldstärke von 22 kV/cm, die ohne die Durchführung der Erfindung zum Vermeiden der geschilderten Schwierigkeiten nicht überschritten wird. Es ergibt sich, daß die Ausgängsspannung dieses Elements bei der erwähnten Schwingung etwa 400 mV ist. Die Durchführung der Erfindung ermöglicht eine Erhöhung der polarisierenden Feldstärke bis 40 kV/cm, wobei die Ausgangsspannung bis 525 mV steigt.The vertical line A denotes the value of the i ° 5 polarizing field strength of 22 kV / cm, which is not exceeded without the implementation of the invention in order to avoid the difficulties described. It turns out that the output voltage of this element for the oscillation mentioned is about 400 mV. The implementation of the invention enables the polarizing field strength to be increased to 40 kV / cm, the output voltage increasing to 525 mV.

Wird eine polarisierende Feldstärke von 60 kV/cm angewendet, was nur bei genau konstruierten Elementen durchführbar ist, so kann eine Ausgangsspannung von 600 mV erreicht werden.A polarizing field strength of 60 kV / cm is used, which is only possible with precisely constructed elements is feasible, an output voltage of 600 mV can be achieved.

Aus dem Verlauf der Kurve ist ersichtlich, daß dieser Wert der Feldstärke etwas oberhalb des Sättigungswertes liegt.From the course of the curve it can be seen that this value of the field strength is slightly above the Saturation value lies.

Claims

PATENT CLAIMS:

i. Piezoelectric element consisting of at least a plate made of piezoelectrically sensitive, which cannot be attacked by water

Material with polycrystalline structure is assembled, each plate on two parallel surfaces are provided with an electrically conductive layer, characterized in that ■ that the element with an adhesive, a chemically hardened synthetic resin containing Layer is surrounded.

2. Piezoelectric element according to claim i, characterized in that the synthetic resin layer is less than 0.2 mm thick.

3. Piezoelectric element according to claim 1 or 2, characterized in that the layer a melamine or ureaformaldehyde alcohol condensate or a mixture of one Contains melamine or urea formaldehyde condensate and an alkyd resin.

4. A method for polarizing a piezoelectric element according to claim 1 to 3, characterized in that a polarizing field strength of more than 25 kV / cm is applied will.

5. Piezoelectric element obtained by the method according to claim 4, thereby characterized in that the element has an output voltage that of the output 2s power of a similar element with a polarizing field strength of polarized more than 25 kV / crn.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings