DE1023909B - Elektromechanisches Umwandlungselement mit einem plattenfoermigen Koerper aus keramischem piezoelektrischem Material - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Umwandlungselement mit einem plattenförmigen Körper aus keramischem Material mit rnnanenten Polarisationseigenschaften. Solche keramischen piezoelektrischen, polykristallinen Materialien. können beispielsweise aus Erdalkalititanaten, insbesondere Barium- und Strontiumtitanaten, oder aber aus Tantalaten und Niobaten. sowie ihren Derivaten bestehen. Sie weisen die erwünschten, elektromechanischen Umwandlungseigenschaften, auf, wenn sie in einem elektrischen Feld polarisiert werden. Nach dem Abschalten des elektrischen Feldes bleibt eine ausreichende remanente Polarisation bestehen, so daß während der Energieumwandlung ein Vorpolarisationsfeld entbehrlich ist.

Es ist bereits bekannt, ein solches Umwandlungselement mit Hilfe eines plattenförmigen hohlen Körpers aus keramischem piezoelektrischem Material mit remanenter Polarisation, aufzubauen, in. dessen. Hohlraum eine zum Erzeugen, der Vorpolarisation, dienende Elektrode und auf dessen Außenflächen je eine weitere Elektrode angebracht ist, wobei letztere zusammen mit der Innenelektrode die Vorpolarisation erzeugen, im Normalbetrieb aber allein wirksam sind. Derartige Wandler weisen aber den Nachteil auf, daß ihre mechanische Festigkeit nicht besonders hoch ist, der Wandler jedenfalls nicht mit einem ebenfalls bekannten Umwandlungselement verglichen werden kann, da,s aus zwei keramischen Platten besteht, die über ihre Oberfläche derart miteinander verkittet sind, daß der Gesamtkörper beim Anlegen einer Spannung an die die beiden Außenflächen bedeckenden Elektroden eine Durchbiegung erfährt.

Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil und ist dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem einzigen Stück des erwähnten keramischen. Materials bestehende Körper zwischen seinen beiden Breitwänden eine Mehrzahl von Verbindungsstücken aufweist, die seinen Hohlraum mehrfach unterteilen.

Mit Vorteil können als Verbindungsstücke längs laufende Stege dienen,, die den. Hohlraum in rohrförmige Kanäle unterteilen. Dabei können weiterhin in den längs laufenden Stegen mehrere Unterbrechungen vorgesehen sein, die ein Netz von rohrförmigen, sich etwa senkrecht schneidenden Kanälen ergeben.

Die Erfindung wird an. Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein elektromechanisches Umwandlungselement; in

Fig. 2 und 3 sind zwei teilweise aufgebrochene Körper dargestellt, bei denen unterschiedliche Hohlraumsysteme Anwendung finden, während Fig. 4 den Anschluß eines solchen. Elementes an seine elektrische Betriebsschaltung darstellt.

Umwandlungselement

mit einem plattenförmigen Körper

aus keramischem piezoelektrischem

Material

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. K. Lengner, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Charles K. Gravley, Carfield, Ohio (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen plattenförmigen Körper aus keramischem piezoelektrischem Material, beispielsweise Bariumtitanat, das remanente Polarisationseigenschaften aufweist. Der Körper 1 besteht aus einem einzigen Stück und ist mit einer Anzahl Hohlräume 2 versehen, die durch eine Seitenwand, des Körpers 1 hindurch mit der Außenluft in Verbindung stehen. Diese Hohlräume 2 sind über den ganzen Körper 1 verteilt und als rohrförmige Kanäle gestaltet, die im vorliegenden Falle parallel zueinander und senkrecht zur erwähnten Seitenwand, angeordnet sind. Es ist ersichtlich,, daß die Zahl dieser Bohrungen ziemlich beliebig gewählt werden kann, aber unter anderem durch die mechanische Stärke des Körpers bedingt wird. Auch in bezug auf den. Abstand voneinander, die Größe und die Richtung gegenüber den Abmessungen, des Körpers sind die sich durch den Körper erstreckenden rohrförmigen Kanäle verhältnismäßig beliebig wählbar. Im dargestellten Beispiel besteht das System rohrförmiger Kanäle aus einer Reihe weit voneinander entfernter Röhren mit gleichem kreisförmigem Querschnitt. Außerdem dürfte es einleuchtend sein, daß die Kreisfoorm keine unerläßliche Bedingung ist, so daß an Stelle derselben auch, die rechteckige Form gewählt werden kann. Die Wände dieser Kanäle sind mit Elektrodenmaterial 3 überzogen,. Dieses Material kann beispielsweise aus Graphitteilchen mit angenähert kolloidalen. Abmessungen bestehen und dadurch angebracht werden,

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"daß man die Enden der Kanäle mit einer Flüssigkeit in Berührung bringt, in der die erwähnten Teilchen suspendiert sind. Durch Kapillarwirkung wird das Material dann eingesaugt.

Der Körper ist mit Außenelektroden 4 und 5 bedeckt, die durch die Leitungen 6 und 7 mit den Anschlußklemmen 8 und 9 verbunden sind. Diese Klemmen dienen zum. Ab- oder Zuleiten der elektrischen Energie.

Die rohrförmigen, Kanäle können auf an sich be- ίο kannte Weise hergestellt werden,, beispielsweise indem man von einer Form ausgeht, die zunächst mit einem Koagulierungsmittel und dann durch Eintauchen in eine Flüssigkeit oder einen Brei dieser Materialien mit keramischem piezoelektrischem Material versehen wird. Nach dem Trocknen, des keramischen Materials wird das Material der Form durch Brennen beseitigt, wodurch gleichzeitig das keramische Material gebrannt wird.

Fig. 2 zeigt einen teilweise aufgebrochenen Körperl, der im Innern mit einem solchen Hohlraumsystem versehen ist, daß ein, Teil der rohrförmigen Kanäle 2 senkrecht zu den übrigen, rohrförmigen Kanälen 10 angeordnet ist und mit diesen in offener Verbindung steht. Diese letzteren Kanäle sind an beiden. Enden geschlossen, können jedoch auch ähnlich wie die Kanäle 2 durch die im dargestellten Ausführungsbeispiel abschließenden Seitenwände des Körpers hindurch mit der Außenluft in Verbindung stehen. _

In Fig. 3 enthält der Körper einen einzigen mittleren Hohlraum, der durch eine Anzahl Stücke 11 aus dem gleichen Material wie der Körper, die die plattenförmigen Innenoberflächen 12 und. 13 miteinander verbinden, in die vorstehend erwähnten. Hohlräume unterteilt ist.

Fig. 4 zeigt ein vollständiges elektromechanisches Umwandlungselement gemäß Fig. I, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet sind.

Dieses Element enthält einen plattenförmigen Körper 1 aus keramischem piezoelektrischem Material mit remanenten Polarisationseigenschaften. Dieser Körper ist, ähnlich wie dies in Fig. 1 dargestellt, ist, mit rohrförmigen Kanälen 2 versehen, die in gleichen Abständen sich wenigstens nahezu durch den ganzen Körper erstrecken. Außerdem ist der Körper 1 mit zwei plattenförmigen Außenelektroden ausgerüstet, von denen, nur eine, 4, in der Zeichnung sichtbar ist, und die wieder über die Leitungen 6 und 7 mit den Anschlußklemmen. 8 und 9 verbunden sind. Die Wände der rohrförmigen Kanäle 2 sind mit Elektrodenmaterial 3 belegt, und die Beläge sind elektrisch miteinander verbunden und können mittels der Leitung 14 a,uf dem gleichen elektrischen Potential gehalten werden. Durch Anlegen eines gleichen, von dem zuerst erwähnten verschiedenen elektrischen Potentials an die Außenelektroden werden beim Vorpolarisieren des Umwandlungselementes im keramischen Körper 1 zwei einander entgegengesetzte Felder erzeugt, die für eine rationelle Wirkung notwendig sind, wenn die beiden Außenelektroden an die Betriebsschaltung angeschlossen werden.

Über die Hülse 15 steht das Element mit der Nadel 16 in Verbindung, die sich in der durch den Doppelpfeil angegebenen Richtung frei bewegen kann. Dabei erfolgt eine Biegung des Elementes, wenn dieses andererseits in der mit der Befestigungsplatte 18 verbundenen Hülse 17 befestigt ist. Infolge der Umwandlereigenschaften des Elementes ergibt sich bei einer mechanischen Bewegung der Nadel 16 an, den Klemmen 8 und 9 eine elektrische Spannung, die der Bewegung der Nadel entspricht und auf bekannte Weise in akustische Energie umwandelbar ist. Zu diesem Zwecke wird die Spannung über den Umschalter 19 in der dargestellten Lage dem Verstärker 20 bzw. dem Lautsprecher 21 zugeführt. Es ist auch möglich, die Energie im entgegengesetzten Sinne umzuwandeln, indem die von dem Mikrophon 22 erzeugte Spannung über den Verstärker 23 und die Leitungen 6 und 7 den Außenelektroden zugeführt wird. Diese Spannung bewirkt eine Biegung des Elemente-; und somit eine Bewegung der Nadel.

Es ist nicht notwendig, durch die Vorpolarisation des Körpers in ihm elektrische Felder von einander entgegengesetzter Richtung zu erzeugen. Wenn das vorpclarisierende elektrische Feld durch den ganzen Körper hindurch die gleiche Richtung aufweist, indem an die Außenelektroden einige Zeit lang eine Potentialdifferenz angelegt wird, so kann beim Betrieb des Elementes die Betriebsspannung zwischen der Innenelektrode einerseits und der Außenelektrode andererseits angelegt oder abgegriffen werden.

Claims (3)

Patentansprüche

1. Elektromechanisches Umwandlungsekment mit einem plattenförmigen hohlen Körper aus keramischem piezoelektrischem Material mit remanenter Polarisation, in dessen Hohlraum eine zum Erzeugen der Vorpolarisation dienende Elektrode und auf dessen Außenflächen je eine weitere Elektrode angebracht ist, wobei letztere zusammen mit der Innenelektrode die Vorpolarisation erzeugen, im Normalbetrieb aber allein wirksam sind, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem einzigen Stück des erwähnten keramischen Materials bestehende Körper zwischen seinen, beiden Breitwänden eine Mehrzahl von Verbindungsstücken aufweist, die seinen Hohlraum mehrfach unterteilen.

2. Umwandlungselement nach, Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsstücke längs laufende Stege dienen, die den Hohlraum in rohrförmige Kanäle unterteilen.

3. Umwandlungselement nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den, längs laufenden Stegen mehrere Unterbrechungen, vorgesehen sind, die ein Netz von rohrförmigen, sich etwa senkrecht schneidenden Kanälen, ergeben.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 281 793;
»Industrial and Engineering Chemistry«, 42, vom Jahre 1950, S. 267.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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