DE1000621B - Verfahren zum Polarisieren eines Koerpers aus keramischem piezoelektrischem Material - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum remanenten Polarisieren eines Körpers aus keramischem piezoelektrischem Material. Solche keramischen piezoelektrischen Materialien, die polykristallinisch sind, können z. B. aus Erdalkalititanaten, insbesondere Barium- und Strontiumtitanaien¹ bestehen.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Polarisieren eines Körpers unter Verwendung von auf einer senkrecht zur Dickenabmessung des zu polarisierenden Körpers liegenden Fläche im mehrfachen Abstand der Dickenabmessunig des Körpers voneinander angeordneter Elektroden, zwischen denen die Polarisationsspannung angelegt wird, so daß der Körper in Richtung der genannten Fläche polarisiert wird. Ein solches Verfahren ist aus der amerikanischen Patentschrift 2 540 412 bekannt.

Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektroden vorgesehen sind, die in bezug auf die Oberfläche des Körpers parallel der Polarisationsrichtung während des Polarisierens verschoben werden.

Gegenüber dem bekannten Verfahren, bei dem eine Anzahl von mehr als zwei Elektroden in der Polarisationsrichtung nebeneinander längs der Oberfläche des zu polarisierenden Körpers fest angeordnet sind, besteht der Vorteil nach der Erfindung darin, daß zu demselben Zwecke nur zwei Elektroden benutzt werden, die relativ zur Oberfläche des Körpers verschiebbar sind.

Nach einer besonderen Ausführungsart des Verfahrens nach der Erfindung schleifen die zur Zuführung der Polarisationsspannung dienenden Elektroden über die Oberfläche des zu polarisierenden Körpers. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß man die Elektroden mit Metallbürsten versieht. Die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung bezieht sich nicht nur auf das Polarisieren länglicher Körper der genannten Art, sondern auch auf das Polarisieren eines Körpers in Form eines Hohlzylinders, bei dem die Polarisationsrichtung sich längs des Umfangs senkrecht zur Zylinderachse erstrecken soll. Gemäß der Erfindung werden in diesem Fall während des Polarisierens die Elektroden und die Zylinderfläche um die Zylinderachse in bezug aufeinander verschoben. Für den Fall, daß die Dickenabmessung der Zylinderwand zu groß wird, um mit einem einzigen Elektrodensatz die angestrebte Wirkung zu erzielen, empfiehlt es sich, mit gesonderten Elektrodenpaaren zu polarisieren, von denen das eine an der Innen- und das andere an der Außenseite des Hohlzylinders angeordnet ist.

Die Erfindung wird durch einige Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Verfahren zum Polarisieren eines Körpers aus keramischem piezoelektrischem

Material

Anmelder:

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

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

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. April 1951

Alfred L. W. Williams, Cleveland Heights,

Ohio (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. ι erläutert ein zweckmäßig angewendetes Verfahren gemäß der Erfindung zum Polarisieren einer verhältnismäßig dünnen Platte aus dem keramischen piezoelektrischen Material in Längsrichtung dieses Materials;

Fig. 2 erläutert das Verfahren nach Fig. 1 unter Verwendung abgeänderter Mittel;

Fig. 3 erläutert das allgemein in Fig. 2 abgebildete Verfahren, bei einem zylindrischen keramischen piezoelektrischen Körper;

Fig. 4 ist eine andere Ausführungsart, die insbesondere geeignet ist zum Polarisieren von verhältnismäßig dicken Körpern.

Fig. ι zeigt eine Platte 10 aus keramischem piezoelektrischem Material, das in der Längsrichtung polarisiert werden muß. Zwei leitende Stäben und 12 sind so angeordnet, daß zwischen diesen eine polarisierende Spannung angelegt werden kann, und zwar derart, daß die zwei Stäbe als ein Ganzes in Längsrichtung über der Oberfläche der Platte 10 bewegbar sind. Um die Stäbe als ein Ganzes bewegen zu können, sind zwei isolierende Distanzteile 14 und 15 angeordnet, die fest an den Stäben befestigt sind. Zu diesem Zweck werden Schrauben 16 und 17 verwendet, wobei der Distanzteil 14 an den Stäben 11 und 12 befestigt wird; Befestigungsteile 19 und 20, die auch als elektrische Klemmen zum Anlegen einer Spannung zwischen den Stäben n und 12 wirken, dienen dazu,.

um den isolierenden Distanzteil 15 an den Stäben 11 bzw. 12 zu befestigen. Die leitenden Teile 19 und 20 sind mit einer geeigneten Polarisationsspannung einer Gleichstromquelle 2.2 verbunden.

Hinsichtlich der Wirkungsweise der geschilderten Anordnung wird es einleuchten, daß beim Anlegen einer Spannung zwischen den Stäben 11 und 12 ein Feld im Material erzeugt wird, das etwa so verläuft, wie es durch die gestrichelten Linien 23 angedeutet ist. Dieses Feld erstreckt sich im wesentlichen in Längsrichtung der Platte 10, und das Maß, in dem sich dieses Feld in Längsrichtung erstreckt, ist abhängig von dem Abstand zwischen den Stäben 11 und 12. Die Spannung, die zum Erreichen eines bestimmten Spannungsgradienten im keramischen Material erforderlich ist, ändert sich aber mit dem Abstand zwischen den Stäben 11 und 12, so daß es sich als notwendig erwiesen hat, daß der Abstand zwischen den Stäben 11 und 12 höchstens einige Male so groß wie die Dicke des zu polarisierenden Materials sein soll.

Um die Platte 10 in Längsrichtung zu polarisieren, wird das ganze Gebilde mit den Stäben 11, 12 langsam bewegt in Längsrichtung des Materials. Im allgemeinen wird das Maß der remanenten Polarisation in solchem keramischen Material eine Funktion sowohl der Spannung als auch der Zeit sein, während der die Spannung angelegt wird. Zur Polarisation bei normalen Zimmertemperaturen ist ein Spannungs-· gradient von etwa 30 000 Volt/cm erwünscht, der auf das Material einige Minuten einwirkt. Das Gebilde mit den Stäben 11, 12 kann also in der Längsrichtung über der Platte 10 mit einer solchen Geschwindigkeit bewegt werden, daß jeder Teil des Materials während der genannten Zeitdauer diesem Spannungsgradienten ausgesetzt ist. Auch ist es möglich, das Gebilde mit den Stäben 11 und 12 mit einer größeren Geschwindigkeit zu bew^regen, und dies kann wiederholt werden, indem das ganze Gebilde zum Beginnpunkt zurückbewegt wird, und dies unter Unterbrechung des Kontaktes mit dem zu polarisierenden keramischen Material, nachdem der Rand des Materials erreicht worden ist.

Es ist klar, daß statt einer kontinuierlichen Bewegung des polarisierenden Gebildes mit den Stäben 11, 12 in Längsrichtung des Materials eine schrittweise Bewegung stattfinden kann. Es kann z. B. das Gebilde längere Zeit in der dargestellten Lage verbleiben und danach als ein Ganzes in eine weitere Lage in Längsrichtung des Materials bewegt werden. Diese Bewegungsschritte sollen im allgemeinen aber den Abstand zwischen den Stäben 11,12 nicht übersteigen. Das Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 2 entspricht im allgemeinen demjenigen nach Fig. 1, wobei entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Unterschied zwischen der Ausbildung nach Fig. 2 und derjenigen nach Fig. 1 besteht nur darin, daß die Stäbe 11 und 12 beim Polarisieren nicht unmittelbar über der Oberfläche des keramischen Umformmaterials bewegt werden. In Fig. 2 sind leitende Bürsten oder nachgiebige Streifen 30 angebracht. Diese sind an den Stäben ii, 12 befestigt und bilden Bürsten, die unter Umständen einen innigeren Kontakt mit dem keramischen Material ergeben als mit den Stäben 11, 12 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erreicht wird. Zur Erläuterung einer geänderten Ausbildung nach Fig. 2 sei auf Fig. 3 hingewiesen.

In Fig. 3 findet das Verfahren nach der Erfindung Anwendung zum Polarisieren von keramischem piezoelektrischem Material in Form eines geraden kreisförmigen Zylinders 31. In Fig. 3 sind Teile, die denjenigen nach Fig. 2 wenigstens annähernd entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Wirkungsweise der Ausführungsform nach Fig. 3 dürfte aus dem Obengeschilderten klar sein. Bei der Ausbildung nach Fig. 3 wird eine polarisierende Spannung der Quelle 22 an das keramische Material 31 angelegt über die parallel zu der Zylinderachse angeordneten Bürsten 30, welche in der Richtung senkrecht zur Zylinderachse bewegt werden, wie vom Pfeil 33 angedeutet. Diese relative Bewegung kann dadurch erfolgen, daß das ganze Gebilde einschließlich der Stäbe ix, 12 bewegt wird, oder durch Drehung des Zylinders 31. In jedem Fall erhält man ein Feld im Zylinder, wie es mit gestrichelten Linien 34 angedeutet ist, und das im wesentlichen in Richtung des Kreisumfangs des Materials verläuft. Die genannte relative Bewegung kann so langsam sein, daß die gesamte erwünschte Polarisation während einer Umdrehung des Zylinders 31 stattfindet, oder aber es kann der Zylinder 31 mit einer größeren Geschwindigkeit gedreht werden. Im letztgenannten Fall bleibt die Spannung hinreichend lang angelegt, um die gewünschte Polarisation in einem Teil des Materials zu bewirken.

L^m eine geänderte Ausführungsart nach Fig. 3 zu erläutern, sei auf Fig. 4 hingewiesen. In Fig. 4 sind Teile, die denjenigen nach Fig. 3 entsprechen, mit gleichen bzw. akzentuierten Bezugszeichen versehen. Ein zweiter Bürstenelektrodensatz ist im Zylinder untergebracht und enthält z. B. in dem Rohr 31 nach Fig. 4 leitende Stäben' und 12' mit leitenden Bürsten 30'. In Fig. 4 ist nur der isolierende Distanzteil 15' sichtbar. Die Ausbildung der inneren Bürstenelektrodenanordnung entspricht im wesentlichen derjenigen der Außenbürstenelektrodenanordnung. Die inneren Bürsten, die gerade gegenüber den Außenbürsten liegen, werden mit dem gleichen Potential beaufschlagt, so daß kein elektrisches Feld unmittelbar durch das Material des Zylinders 31 in radialer Richtung erzeugt wird.

Die Wirkungsweise der Ausführungsart nach Fig. 4 ergibt sich nach dem Obengeschilderten ohne weiteres. Im vorliegenden Fall sieht das Feld, im keramischen Material etwa aus, wie es von den gestrichelten Linien 36 angedeutet ist, und es ist klar, daß dieser Feldverlauf dem mit 34 bezeichneten Feld in Fig. 3 vorzuziehen ist. Weiter ist es klar, daß der Zylinder nach Fig. 4 nur zur Erläuterung der beschriebenen Wirkungsweise der doppelten Bürstenanordnung verwendet ist und daß eine doppelpolarisierende Konstruktion auch in jedem der anderen Ausführungsbeispiele Anwendung finden kann.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zum remanenten Polarisieren eines Körpers aus keramischem piezoelektrischem Material unter Verwendung von auf einer senkrecht zur Dickenabmessung des zu polarisierenden Körpers liegenden Fläche im mehrfachen Abstand der Dickenabmessung des Körpers voneinander angeordneter Elektroden, zwischen denen die Polarisationsspannung angelegt wird, so daß der Körper in Richtung der genannten Fläche polarisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektroden vorgesehen sind, die in bezug auf die Oberfläche des Körpers parallel der Polarisationsrichtung während des Polarisierens verschoben werden.

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2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Zuführung der Polarisationsspannung dienenden Elektroden über die Oberfläche des zu polarisierenden Körpers schleifen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zum Polarisieren eines Körpers in Form eines Hohlzylinders, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und die Zylinderfläche während des Polarisierens um die Zylinderachse in bezug aufeinander verschoben werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisation mittels zweier Elektrodenpaare erfolgt, von denen das eine an der Innen- und das andere an der Außenseite des Hohlzylinders angeordnet ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   USA.-Patentschrift Nr. 2 540 412;
   Physical Review, Bd. 72, S. 981 und 982, 1947.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen