Kristallelement zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie und umgekeGW" sowie Verfahren zur Herstellung desselben In der Elektroakustik werden in zunehmendem Masse piezoelektrische Kristallelemente aus verschie denen Materialien, wie z. B. Alkaliphosphaten, Tar- traten, insbesondere Seignettesalz usw., verwendet, um mechanische in elektrische Kräfte umzuwandeln und umgekehrt. So werden z.
B. piezoelektrische Kristallelemente aus Seignettesalz in Mikrophonen, Tonabnehmergeräten, Prüfgeräten usw., verwendet.
In der gegenwärtig gebräuchlichsten Ausführung weisen die in der Elektroakustik verwendeten piezo- elektrischen Kristallelemente zwei Kristallplatten oder -lamellen auf, die mit Ausnahme der Kanten auf allen Flächen mit Graphit- oder Metallfilmen überzogen und Fläche auf Fläche miteinander ver bunden sind.
Die beiden Aussenflächen der vereinig ten Kristallplatten sind durch einen Anschlussleiter elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden den einen Pol des Elementes, während zwischen den innern, aneinandergrenzenden Flächen der Kristall platten, die den andern Pol des Kristallelementes darstellen, ein Gegenelektroden-Anschlussleiter einge baut ist.
Die Herstellung solcher Kristallelemente ist ziem lich umständlich und verlangt besondere Sorgfalt. Insbesondere das Graphitieren oder Metallisieren der Oberfläche der Kristallplatten stellt eine heikle Operation dar, da die Plattenkanten zwecks Vermei dung jeglicher Nebenschlüsse im fertigen Element absolut frei von Graphit oder Metall gehalten werden müssen. Auch das Einbauen der Zwischenelektroden- Anschlussleiter zwischen den Platten ist umständlich und kompliziert das Herstellungsverfahren ganz wesentlich. überdies müssen die zusammengebauten Kristallelemente einer Trocknung von langer Dauer (z. B. 3 Wochen) unterworfen werden, bevor sie ge brauchsfertig sind.
Bei der beschriebenen Herstel- lungsart werden oft Kristallelemente erhalten, deren Arbeitseigenschaften stark schwanken. So können z. B. die von den einzelnen Elementen eines gleichen Fabrikationsganges bei mechanischer Beanspruchung abgegebenen Spannungen sehr grosse Unterschiede aufweisen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird nun be zweckt, einerseits Kristallelemente mit wesentlich verbesserten Arbeitseigenschaften und anderseits ein einfaches Verfahren zu deren Herstellung zu schaf fen, welches gegenüber den bisher üblichen Herstel lungsverfahren einen wesentlich geringeren Arbeits-, Zeit- und Kostenaufwand erfordert.
Es wurde gefunden, dass piezoelektrische Kristall- elemente erhalten werden können, die sehr gleich mässige Arbeitseigenschaften aufweisen und den weiteren Vorteil besitzen, dass sie sich gegenüber den bisher üblichen Kristallelementen einfacher und schneller herstellen lassen,
indem man Kristallplatten oder -lamellen aus Seignettesalz ohne Aufbringen eines elektrisch leitenden Films auf die zu vereini genden Flächen der Platten und ohne Einbauen eines Zwischenelektroden-Anschlussleiters mittels einer ein komplexes Aluminium-alkalimetalltartrat enthalten den Klebemasse zusammenklebt und die Aussenflä chen des auf diese Weise erhaltenen Gebildes mit elektrisch leitenden Filmen und mit je einem An schlussleiter versieht.
Das neue Kristallelement gemäss der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es min destens eine Kristallplatte mit piezoelektrischen Eigenschaften aus Seignettesalz, die mindestens ein seitig mit einer Schicht einer ein komplexes Alumi- nium-alkalimetall-tartrat enthaltenden Klebemasse überzogen ist, aufweist und an seinen beiden Aussen- flächen mit elektrisch leitenden Filmen und mit je einem Anschlussleiter versehen ist.
Das Kristallelement kann nur eine Kristallplatte oder -lamelle aufweisen, die einseitig oder beidseitig mit einer Schicht der genannten Klebemasse über zogen sein kann. Die elektrisch leitenden Filme kön nen z. B. Metallfolien, wie Aluminiumfolien, sein, die mit den Anschlussleitern, z. B. Streifen aus Sil berfolie, elektrisch leitend verbunden sind. Sofern nur eine Fläche der Kristallplatte mit der genannten Klebemasse überzogen ist, berührt der eine leitende Film direkt die Kristallplatte.
Gemäss einer für die Praxis besonders geeigneten Ausführungsvariante der Erfindung weist das Kri stallelement zwei Kristallplatten auf, die mittels der ein komplexes Aluminium-alkalimetall-tartrat ent haltenden Klebemasse miteinander verklebt sind. Die äussern Flächen der zusammengeklebten Platten kön nen mit einer dünnen Schicht der Klebemasse über zogen sein, auf welche der elektrisch leitende Film und die Anschlussleiter aufgebracht sind. Die Aussen flächen der zusammengeklebten Platten können je doch auch direkt mit den elektrisch leitenden Filmen und den Anschlussleitern versehen sein.
Das Kristallelement gemäss der vorliegenden Er findung kann auch mehr als zwei Kristallplatten oder -lamellen, z. B. drei Platten, aufweisen, die mittels der ein komplexes Aluminium-alkalimetall-tartrat enthaltenden Klebemasse zusammengeklebt sind. Bei einem dreifachen Kristallelement werden somit zwei Verbundstellen vorhanden sein, die jedoch, wie beim zweifachen Kristallelement, keine Zwischenelektro- den-Anschlussleiter aufweisen. Die Elektroden-An- schlussleiter sind auch in diesem Falle an die beiden Aussenflächen des dreifachen Kristallelementes ange schlossen.
Im folgenden werden die Ausdrücke Monolame , Bilame , Trilame usw., verwendet, um Kristallelemente mit 1, 2 bzw. 3 Kristallplatten zu bezeichnen.
Die Kristallelemente gemäss der vorliegenden Erfindung können ferner in bekannter Weise mit einem äussern Schutzüberzug, z. B. aus einem Kunst stofflack, versehen sein.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung der neuen Kristall elemente, und zwar der Bilame-Elemente. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man aus einem Seignettesalzkristall in irgendeiner Ebene, in welcher die Z-Achse des Seignettesalzkristalles ent halten ist, zwei in kristallographischer und piezo- elektrischer Hinsicht identische Kristallplatten aus schneidet, die eine dieser Platten gegenüber der andern in der Ebene um 90 dreht, so dass die Z-Achse der beiden Platten senkrecht zueinander zu stehen kommen,
und die um 90 gedrehte Platte mit ihrer Unterseite auf die Oberseite der andern Platte mittels einer ein komplexes Aluminium-alkali- metall-tartrat enthaltenden Klebemasse aufklebt.
Auf die Aussenflächen des auf diese Weise er haltenen Kristallelementes können dann noch die elektrisch leitenden Filme, die Anschlussleiter und gegebenenfalls Schutzüberzüge aufgebracht werden.
Zur Herstellung der neuen Kristallelemente wird zweckmässigerweise eine Klebemasse verwendet, die aus einem wasserhaltigen, zähflüssigen, streichbaren Material besteht, das ein komplexes Aluminium-al- kalimetall-tartrat enthält, dessen Gehalt an Wein säure, berechnet als Anion, mindestens 1 Mol, vor zugsweise 2,5-5,5 Mol, pro Mol Aluminium be trägt, und ein pH von 4,5-9,6, vorzugsweise von 5,5-6,6, aufweist.
Diese Klebemasse kann dadurch hergestellt wer den, dass man ein wasserlösliches Alkalimetalltartrat mit einer Aluminiumverbindung, die komplexe Tar- trate zu bilden vermag, in einem wässrigen Medium miteinander zur Reaktion bringt und das erhaltene Reaktionsgemisch zwecks Erzielung einer zähflüssi gen, streichfähigen Masse konzentriert.
Als Aluminiumverbindung verwendet man zweck mässigerweise ein frisch gefälltes Aluminiumhydroxyd- gel. Als Alkalimetalltartrat kann man zum Beispiel_ Kalium-natrium-tartrat, Monokaliumtartrat, Mono- natriumtartrat, Dinatriumtartrat, Dikaliumtartrat, Trinatriumtartrat sowie Tartrate anderer Alkalimetalle und Alkalimetall-ammonium-tartrat verwenden.
Die Herstellung des komplexen Aluminium-alkalimetall- tartrates kann z. B. durch Auflösen des frisch gefäll ten, mit Wasser gründlich gewaschenen Aluminium hydroxydgels in einer wässrigen Lösung des Alkali- metalltartrates unter Erhitzen erfolgen. Zur Erzielung einer streichbaren Klebemasse wird dann das Reak tionsgemisch eingeengt, bis so viel Wasser entfernt ist, dass das Konzentrat die zum Streichen erforder liche Viskosität und die gewünschte Klebrigkeit er langt hat.
Die vorliegende Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele unter Hinweis auf die beilie gende Zeichnung im einzelnen erläutert, in welcher Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein piezoelektrisches Kristallelement in der bisher ge bräuchlichsten Ausführungsform darstellt, Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch ein piezoelektrisches Kristallelement gemäss einem Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar stellt, Fig. 3 eine schematische Darstellung ist, die eine Art des Ausschneidens der Kristallplatten aus einem Seignettesalzkristall veranschaulicht,
Fig. 4 eine schematische Darstellung ist, die eine Art der gegenseitigen Anordnung der Kristallplatten beim Zusammenkleben veranschaulicht und Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines aus den in Fig. 4 gezeigten Platten zusammengesetzten Kri stallelementes ist.
Das in Fig. 1 dargestellte Kristallelement, das zu Vergleichszwecken und zur Veranschaulichung des Bauprinzips der bisher allgemein in der Technik verwendeten piezoelektrischen Kristallelemente kurz beschrieben sei, weist zwei Kristallplatten 1 und 2 aus Seignettesalz auf, die auf ihren einander zuge- kehrten Flächen mit elektrisch leitenden überzügen 3 und 4 versehen sind. Die überzüge 3 und 4 sind mit einem Anschlussleiter 7a elektrisch leitend ver bunden.
Die Aussenflächen der Kristallplatten sind mit elektrisch leitenden überzügen 5 und 6 versehen, an welche je ein Zweig eines Gegenelektroden-An- schlussleiters 7b angeschlossen sind.
Das in Fig. 2 dargestellte Kristallelement weist zwei Kristallplatten 8 und 9 auf, die mittels einer ein Aluminium - alkalimetall - tartrat enthaltenden Klebemasse 10 aneinandergekittet sind. Die beiden Aussenflächen des Elementes sind mit elektrisch lei tenden Filmen 11 und 12 überzogen, an welche die Anschlussleiter 13 und 14 elektrisch leitend ange schlossen sind. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dar gestellten Kristallelement weist das in Fig. 2 darge stellte Element keine Zwischenelektrode auf.
Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen zwei Phasen der Herstellung eines Kristallelementes mit quadra tischen Kristallplatten. Aus einem in bekannter Weise durch Auskristallisieren aus einer gesättigten Seignettesalzlösung hergestellten Seignettesalzkristall werden zwei kristallographisch und hinsichtlich der piezoelektrischen Eigenschaften identische quadra tische Kristallplatten 11 und 12 ausgeschnitten. Das Ausschneiden der Platten kann in irgendeiner Ebene des Kristalles, in welcher die Z-Achse des Kristalles enthalten ist, erfolgen.
Der Winkel, den eine gege bene Seite der Platten mit der Z-Achse bildet, kann beliebig gewählt werden, muss jedoch für beide Plat ten gleich sein. Die Platten können z. B., wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, derart ausgeschnitten werden, dass eine ihrer Seiten parallel zur Z-Achse ist. Die ausgeschnittenen Platten werden zweckmässigerweise mit einer Markierung versehen, wie dies in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, um zu gewährleisten, dass die Plat ten beim Zusammenbauen gegenseitig in der richti gen Lage vereinigt werden. Eine der Platten wird dann bezüglich der andern in der Ebene um 90 ge dreht, so dass die Markierung in die linke untere Ecke der Platte zu liegen kommt.
Die um 90 ge drehte Platte wird dann mit ihrer Unterseite auf die Oberseite der andern Platte aufgeklebt. Die äussern Flächen des dabei erhaltenen Elementes werden dann mit elektrisch leitenden überzügen, z. B. Alu miniummetallfolien, versehen. Schliesslich werden die elektrisch leitenden überzüge mit Elektrodenan- schlüssen 13, 14 elektrisch leitend verbunden.
Fig. 5 zeigt ein in der oben beschriebenen Weise hergestelltes Kristallelement. Die beiden Platten 11 und 12 sind mittels der Klebemasse 10 verklebt. Eine bevorzugte Anordnung der Anschlussleiter ist eben falls in Fig. 5 gezeigt. Der Anschlussleiter 13 ist an der untern Hälfte der hintern Platte 12 befestigt, während der Anschlussleiter 14 an der obern Hälfte der vordern Platte 1 befestigt ist.
Die Kristallplatten können auch andere Formen aufweisen. So kann man z. B. rechteckige Kristall platten verwenden. Die in der oben beschriebenen Weise hergestell ten piezoelektrischen Kristallelemente sind sofort ge brauchsfertig. Entgegen den bisher bekannten Kri stallelementen brauchen sie nicht mehr lange ge trocknet zu werden, wodurch die Herstellungszeit ganz wesentlich verkürzt wird.
Im folgenden Beispiel wird beschrieben, wie die zur Herstellung der erfindungsgemässen Kristallele mente verwendete Klebemasse hergestellt werden kann. Es ist jedoch zu betonen, dass die beispielshaft beschriebene Arbeitsweise weitgehend abgewandelt werden.
<I>Beispiel 1</I> Zu einer Lösung von 33,3 -g Aluminiumsulfat, A12(S04)3 # 18H20, in 100 cms Wasser wird bei 60 C unter intensivem Rühren eine Lösung von 12,0 g Natriumhydroxyd in Wasser langsam zu getropft. Das gebildete Aluminiumhydroxyd fällt als wasserunlösliches Gel aus. Es wird auf einer Büchner-Nutsche abfiltriert und erschöpfend mit Wasser ausgewaschen, bis eine Probe des Filtrates mit Bariumchloridlösung keine Trübung mehr gibt.
Das wasserhaltige, neutrale und von Sulfationen freie Aluminiumhydroxydgel wird hierauf bei Raumtemperatur in 168,6 g Kaliumnatriumtartrat, Iü\JaC4H406 '<B>51120,</B> eingetragen. Unter Rühren wird das Gemisch auf 100 C erwärmt, wobei sich das Aluminiumgel unter Bildung eines neutralen, gut wasserlöslichen, komplexen Aluminuim-kalium-na- trium-tartrates löst.
Die wässrige Lösung wird ab schliessend bei Normaldruck unter Abdestillieren von Wasser bei 100-114 so weit eingeengt, bis ein gut streichbarer, zähflüssiger Kitt erhalten wird.
Auf eine aus einem Seignettesalzkristall in einer die Z-Achse enthaltenden Ebene ausgeschnittene rechteckige Kristallplatte von 0,4 mm Dicke wird auf der einen Seite mittels des oben beschriebenen Kittes ein Silber-Anschlussleiter und darüber eine quadratische Aluminiumfolie aufgeklebt. Nach einer Trocknungszeit von etwa 1 Stunde wird auf die Rückseite der Kristallplatte mit einem elektrisch iso lierenden Lack, z. B. Kopallack, in Xylol 1 : 4 ver dünnt, ebenfalls ein Silber-Anschlussleiter sowie eine quadratische Aluminiumfolie aufgeklebt.
Nach einer Trocknungszeit von mindestens 3 Stunden bei maxi mal 40 C wird das Monolam-Element durch einen homogenen überzug aus einem Nitrolack imprä gniert. Das Kristallelement ist dann sofort brauchbar.
Im folgenden Beispiel wird die Herstellung eines Bilame-Kristallelementes unter Verwendung des ge mäss Beispiel 1 erhaltenen Kittes beschrieben.
<I>Beispiel 2</I> Zwei quadratische aus einem Seignettesalzkristall ausgeschnittene Kristallplatten von je 0,20 mm Dicke werden mit dem Kitt gemäss Beispiel 1 so zusammen geklebt, dass die Z-Achsen der Kristallplatten senk recht zueinander zu liegen kommen. Nach kurzer Trocknung während etwa 1 Stunde bei Raumtempe- ratur werden auf die beiden Aussenseiten der Platten je ein Silber-Anschlussleiter und darüber je eine qua dratische Aluminiumfolie mit einem elektrisch iso lierenden Lack, z. B. Kopallack in Xylol 1 : 4 ver dünnt, aufgeklebt.
Das so zubereitete Bilame-Element wird anschliessend während etwa 3 Stunden einer Trocknung bei maximal 40 C unterworfen. Das ge trocknete Bilame-Element wird zum Schluss mit einem Nitrolack homogen imprägniert. Das ge brauchsfertige Element ist gegen Luftfeuchtigkeit be ständig.