DE938255C - Piezoelektrisches Element - Google Patents

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.

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.

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 der

Nähe des piezoelektrischen Elements erniedrigt wird.

Ein piezoelektrisches Element nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es von einer haftenden, ein chemisch gehärtetes Kunstharz enthaltenden Schicht umgeben ist.

Solche Schichten können angebracht werden, indem das piezoelektrische Element mit einer Lösung eines Kunstharzvorkondensats bedeckt und

ίο das Kunstharz gehärtet wird, welche Erhärtung gewöhnlich durch Erhitzung des auf diese Weise behandelten Elements in einem Ofen erfolgt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Aus dem Verlauf der Kurve ist ersichtlich, daß dieser Wert der Feldstärke etwas oberhalb des Sättigungswertes liegt.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Piezoelektrisches Element, das aus mindestens einer Platte aus durch Wasser nicht angreifbarem, piezoelektrisch empfindlichem

   Material mit polykristallinischer Struktur zusammengebaut ist, wobei jede Platte auf zwei parallelen Flächen mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, ■daß das Element mit einer haftenden, ein chemisch gehärtetes Kunstharz enthaltenden Schicht umgeben ist.
2. 2. Piezoelektrisches Element nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunstharzschicht weniger als 0,2 mm Stärke hat.
3. 3. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht ein Melamin- oder Ureaformaldehydalkoholkondensat oder auch ein Gemisch aus einem Melamin- oder Ureaformaldehydkondensat und einem Alkydharz enthält.
4. 4. Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Elements nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine polarisierende Feldstärke von mehr als 25 kV/cm angewendet wird.
5. 5. Piezoelektrisches Element, das durch das Verfahren nach Anspruch 4 erhalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine Ausgangsspannung hat, die der Ausgangs- 2s leistung eines ähnlichen Elements entspricht, das mit einer polarisierenden Feldstärke von mehr als 25 kV/crn polarisiert ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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