DE2055197B2

DE2055197B2 - Piezoelektrische keramik

Info

Publication number: DE2055197B2
Application number: DE19702055197
Authority: DE
Inventors: Seiji Osaka Ueda Ichiro Nishinomiya Hyogo Ikegami, (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1969-12-26
Filing date: 1970-11-05
Publication date: 1973-06-07
Also published as: DE2055197C3; DE2055197A1; NL7018805A; US3642637A; NL154998B; JPS5020278B1; GB1330649A; FR2073941A5

Description

Zusammenfassung

Es handelt sich um eine piezoelektrische Keramik, die im wesentlichen aus Bleititanat und einem gemeinsamen Zusatz \on 0.22 bis 0,36 Gewichtsprozent N'i.L.iganoxid ur.d 1.08 bis 2.43 Gewichtsprozent Lanthanoxid bestehi. einen elektromechanischen Kopplungsfaktor Av, \on 42 bis 50^c

<;inen mechanischen

Gütefaktors on etwa TO(X). eine Dielektrizitätskonstante von etwa 200 sowie eine W-ershärie \on 500 aufweist und zur Herstellung eines Hoch!'ic_Mv.cnz-Keramikfilters mit breitem Durclv.jßbereich und geringer Dämpfung geeignet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Keramik, die zur Herstellung eines Keramikfilters im Hochfrequenzbe^ich geeigne': ist. und im spezielleren auf eine piezoelektrische Keramik, die im wesentlichen aus Bleititanat, das eine 1 gemeinsamen Zusatz von Manganoxid und Lanthanoxid e ithält, bestehi.

Ferroelektrische Keramiken, wie z. B. Bariumtitarat- und Bleititanat-Bieizirkonat-Keramiken. die unter einem Gleichstromfeld polarisiert sind, sind als piezoelektrische Umwandler verwendet worden. Ls ist jedoch schwierig, diese Keramiken für höhere Frequenzen als 10 MH/ zu verwenden, weil die Dielektrizitätskonstanten dif=er Keramiken in der Größenordnung \on 1000 Ii ;gen und die elektrische Impedanz des Umwandler« be hoher Frequenz zu niedrig wird.

Blcilila.natkerami.ken besitzen eine Dielektrizitätskonstante von etwa 200. Daher ist für einen Umwandler, der Bleititanat enthält, die Möglichkeit sehr gegeben, als Hochfrequenzumwandler verwendet zu werden, doch weisen Bleititanatkeramiken im allge- »5 meinen einen kleinen elektromechanischen Kopplungsfaktor vor 30° ₀ cder weniger und einen geringen mechanischen Gütefaktor von 300 oder weniger auf.

Der piezoelektrische keramische Umwandler, insbesondere das Keramikfilter, erfordern einen großen elektromechanische ι Kopplungsfaktor wie auch einen hohen mechanischen Gütefaktor Der große elektromechanische IC ippiuri.zsf;! ktor ist für einen größeren ; Durchlaßbereic.i ces Filters erforderlich, weil die { Bandbreite dem Quainu des Kopplungsfaktors an- ! nähernd proportional int. Der hohe mechanische Gütefaktor ist erforderlich, um die Dämpfung zu • verhindern., die auftritt, wenn dne elektrische Nach rieht durch da% Keramikfilter hindurchgeht.

In der deutschen Offerilegiingi.schrift 1950 315 6ο werden Blekii.t-'natkerarntkeri vorgeuchlajjen. die eine kleine Menge IV anganoxidenthalten und eine Dielektrizitätskonstante von etwa 160 sowie e nen mechanischen Gütefaktor üb τ ICKX) besitzen und als Hochfrequenzfiltennatenal geeignet sind. Dieses Matenal hat jedoch einen elektromechanischen Kopplungsfaktor k₃₃ von höchstens 40 /₀ und eine Vickershärte von 630. Diese Härte i:;t für ein» mechanische Bearbeitung zu groß. Es ist wünschenswert, den elektromechanischen Kopplungsfaktor und die mechanische Härte dieses Materials zu verbessern.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, piezoelektrische Keramiken zur Verfugung zu stellen, die einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor zusammen mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten und einem hohen mechanischen Gütefaktor aufweisen.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde. piezoelektrische Keramiken zur Verfügung zu steilen, die eine für die Durchführung einer mechanischen ^earbeituns geeignete Härte besitzen.

Diese und andere der Erfindung zugrunde liegenden Aufaaben bzw. Ziele der Erfindung sind aus c.er nachfolgenden spezielleren Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen ersichtlich, in denen

F i 2. 1 eine Querschnittsansicht eines keramische^ Filters ist und

F i g. 2 Umrißlinien für den elektromechanischen Kopplungsfaktor k^₁ wiedergeben, aufgetragen in Form eines zusammengesetzten Diagramm; der Zusätze.

Bevor die nach der Erfindung vorgeschlagenen neue piezoelektrische Keramik im einzelnen beschrieben werden, soll der beispielhafte Aufbau eines keramischen Filters, das piezoelektrische Keramiknris-en nach der Erfindung enthält, unter Bezugnahme auf die Zeichnung 1 erläutert werden, in der die Bezugsziffer 1 einen scheibenförmigen Körper aus keramischen: Material bezeichnet. Der Körper 1 ist mit einer: Elektrodenpaar 2 und 3 an seinen beiden gegenüberliegenden Oberflächen versehen. Leitungsdrähte 4 und 5 sind mit den Elektroden 2 und 3 verbunden. Der Körper 1 ist mittels der Leitungsdrähie 4 und 5 elektrostatisch polarisiert, so daß eine Piezoelektrizität gegeben ist.

Nach der Erfindung ist gefunden worden, daß der Körper 1, wenn er im wesentlichen aus Bleitiu.nnt und einem gemeinsamen Zusatz von 0,22 bis 0.36 Gewichtsprozent Manganoxid und 1.08 bis 2.43 Gewichtsprozent Lanthanoxid besteht, einen großen elektromechanischen Kopplungsfaktor Α·_Μ von 42 bis 50° „ sowie eine Vickershärte von 500 zusammen mit einer Dielektrizitätskonstanten von etwa 200 und einen. mechanischen Gütefaktor von etwa 1000 besitzt. Die piezoelektrische Keramik nach der Erfindung is_u daher zur Herstellung eines keramischen F.Hers geeignet, das bei hoher Frequenz mit breitem DurchiaC-bereich und geringer Dämpfung arbeiten kann. Die Keramik mit einer geringen Härte kann leicht zu einem Keramikfilter durch Bea.rbeitrng ausgebildet werden.

Die Ausgangsstoffe sind chemisch reines Bleioxid,, 1 itanoxd. Manganoxid und Lanthanoxid. Irgendwelche anderen Formen, wie z. B. Carbonate und Hydroxide, die in die vorgesehenen Oxide umgewandelt werden können, können als Ausgangsstoffe verwendet werden. Der Keramikkörper nach d,:r Erfindung kann nach einer auf denn Gebiet der Keramik an sich bekannten Verfahrensweise hergestellt: werden. Gemische mit einer bestimmten Zusammensetzung werden z. B. mit Wasser in einer Kugelmühle gut gemischt, unter Infrarotbestrahlung getrocknet, leicht zu einer Kugel zusammengepreßt, und bei Tr)O bis 900°C 2 Stunden lang kalziniert. Die kalzinierte Kugel wird dann vollständig zerkleinert und mit einem Druck von etw;a 1000 kg/cm² in die Form einer Sche^ be nach, auf dem Gebiet der Keramik bekannten Tech-

niken zusammengepreßt. Diese Scheiben werden bei 1200 bis 1300C 1 Stunde lang in Luft erhitzt und ofengekühlt. Der gesinterte Körper wird mit Elektroden versehen, wie es in der F i g. 1 dargestellt ist und unter einem Gleichstromfeld von 30 bis 60 kV/cm bei 150 bis 250^: C polarisiert. Die piezoelektrischen Eigenschaften der polarisierten Keramiken werden nach bekannten Methoden gemessen. Die Effekte eines gemeinsamen Zusatzes von Manganoxid und Lanthanoxid werden in der Tabelle wiedergegeben. Zum Vergleich werden Bleititanatkeramiken mit einem einzelnen Zusatz von Manganoxid oder Lanthanoxid ebenfalls hergesellt, und zwar auf die gleiche Art und Weise wie bei dem obigen gemeinsamen Zusatz. Die Effekte eines einzelnen Zusatzes werden ebenfalls in der Tabelle angegeben.

Der eiektromechanische Kopplungsfaktor A₃₃ ist an Keramiken siemessen worden, die unter einem GleichNtromfeld >on 55 kV cm bei 2ü0 C polarisiert worden sind.

B'eititanatkeramiken. die nur Lanthanoxid enthalten, die Beispiele 1 bis 3. weisen einen niedrigen elektromechanischen Kopplungsfaktor Ar₃₃ von 20° ₀ oder weniger, wie in der Tabelle angegeben ist. auf. Einige der Bleititanatkeramiken. die nur Manganoxid enthalten, haben einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor. Beispiel 4. in dem 0.29 Gewichtsprozent Manganoxid enthalten ist. besitzt einen Kopplungsfaktor A₃₃ von 40° „.

Nach der Erfindung ist festgestellt worden, daß ein gemeinsamer Zusatz \on 0.22 bis 0.36 Gewichtsprozent Manganoxid und 1.08 bis 2,43 Gewichtsprozent Lanthanoxid zu einer weiteren Erhöhung des Kopplungsfaktor A₃₃ von Bleititanatkeramiken führt. Die Beispiele 7 bis 28 in der Tabelle enthalten einen gemeinsamen Zusatz von Manganoxid und Lanthanoxid. Die F i g. 2 gibt db L'mrißlinien für den elektrischen Kopplungsfaktor A₃₃. aufgetragen in Form eines zusammengesetzten Diagramms der Zusätze unter Bezugnahme auf die Tabelle, wieder. Die F i g. 2 läßt klc.r erkennen, daß ein gemeinsamer Z.isatz von 0.22 bis 0.36 Gewichtsprozent Manganoxid und 1.08 bih 2.43 Gewichtsprozent Lr.nthano.xid zu einem M.iximalwe.t für den Kopplungsfaktor A₃₃ führt.

Wie in der Tabelle angegeben ist. überschreiten die elektromechanischen Kr^pplungsfaktoren A₃₃ von den Beispielen 10. 12 bis 17 und 22 4O⁰Z₀; insbesondere erreicht d?f Beispiel 15 50°/₀. Die Erhöhung des Kopplungsfaktor A₃₃ von 40 auf 50% bedeutet eine 56°/_oige Steigerung des Durchlaßbereichs des Keramikfilters: sogar eine Erhöhung von A₃₃ von 40 auf 42⁰Z₀ führt zu einer 10°/₀igen Steigerung des Durchlaßbereiches. Die Tatsache ist für die Ausbildung von Keramikfiltern mit breitem Durchlässigkeitsbereich von Bedeutung. Die Beispiele 10, 12 bis 17 und 22 enthalten alle einen gemeinsamen Zusatz, der aus 0,22 bis 0,36 Gewichtsprozent Manganoxid und 1,08 bis 2,43 Gewichtsprozent Lanthanoxid besteht; diese Keramiken haben Dielektrizitätskonstanten von etwa 200 und mechanische Gütefaktoren von etwa 1000 und behalten ihre Eigenschaften als Keramikmaterial bei einem Betrieb bei hoher Frequenz bei. Das Beispiel 4, das nur MnO₂ enthält, hat einen Kopplungsfaktor von 40°/₀, hat aber außerdem eine große Vickershärte von 630. Demgegenüber haben die Beispiele 10, 12 bis 17 und 22 nach der Erfindung eine Yickershärte von 500 und bringen daher unter dem Gesichtspunkt einer mechanischen Verarbeitung zu

ίο Keramikfiltern Vorteile mit sich.

Oxide von anderen Elementen der Seltenen Erden. z. B. Ceroxid und Gadoliniumoxid, können an Stelle von Lanthanoxid verwendet werden und ergeben ähnliche Effekte.

Wie oben erwähnt worden ist. haben die piezoelektrischen Keramiken nach der Erfindung einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor A₃₃. einen großen mechanischen Gütefaktor, eine kleine Dielektrizitätskonstante und eine ..eringe Yickershärte.

und es ist leicht zu erkennen. da3 die erfindung>gemäße piezoelektrische Keramik sehr für eine Konstruktion ν on Hochfrequenzkeramikf'Uern mit breitem Durchlaßbereich und geringer Dämpfung it ist.

Tabelle

	Zusat;	chis-	La₂O,	Elektro-	\'icker>h.::"ie
	! zum	Prozent)	0.54	mechani<cher
Beispiel	Bleititanit	MnO₂	1.34	Kopplungs
:\r. 30	(Geu	0.0	2.6S	faktor /t„
	0.0	0.0	V l> '
1	0.0	0,0	IS
2	0.29	0.0	20	630
35 3	0.51	1.62	IS
4	0.73	2.69	40
5	0.14	3.77	30
6	0.14	1.62
7	0.14	0.54	40
40 S	0.22	1.08	30	500
9	0,29	1.35	16	zerbrechlich
10	0,29	1,62	45	500
11	0.29	1.89	—	500
12	0.29	2.16	42	50O
45 13	0.29	2,43	45	500
14	0,29	2,70	48	500
15	0.29	2.97	50	50G
16	0,29	3,24	45
17	0.29	3,78	42
50 18	0,29	1.63	40
19	0,29	1,09	30
20	0,36	2.17	20	500
21	0/3	3,25	18
22	0,43	1,09	45
55 23	0,43	1.09	40
24	0,58	1,09	35
25	0,73	18
26	0,88	30
27	20
So 28	18

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Piezoelektrische Keramik, bestehend im wesentlichen aus Bleititanat und. einem gemeinsamen Zusatz von 0.22 bis 0,36 Gewichtsprozent Manganoxid und LOS bis 2,43 Gewichtsprozent Lanthanoxid.