DE112006000370T5 - Wärmedetektor und Verfahren zum Herstellen eines Wärmeerfassungselements - Google Patents

Wärmedetektor und Verfahren zum Herstellen eines Wärmeerfassungselements Download PDF

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Tetsuya Nagashima
Manabu Dohi
Yoshimi Kawabata
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Abstract

Wärmedetektor, der die Temperatur in einem Überwachungsbereich auf der Grundlage einer Dielektrizitätskonstanten eines keramischen Elements misst, wobei eine Curiepunkttemperatur des keramischen Elements so in einem Bereich eingestellt wird, dass die Curiepunkttemperatur eine vorbestimmte Beziehung zu einem Empfindlichkeitstemperaturbereich des Wärmedetektors hat.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmedetektor, der wärme in einem Überwachungsbereich erfasst und einen Alarm und dergleichen ausgibt, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeerfassungselements, das in dem Wärmedetektor verwendet wird.
  • STAND DER TECHNIK
  • Herkömmlich wird ein Wärmedetektor (thermische Erfassungsvorrichtung), der das Auftreten eines Feuers durch Erfassen von von dem Feuer erzeugter Wärme erfasst, vorgeschlagen. Ein derartiger Wärmedetektor enthält allgemein eine Wärmeerfassungseinheit, die Wärme in einem Überwachungsbereich erfasst, und einen Erfassungsvorrichtungs-Hauptkörper, der einen Alarm gemäß einem von der Wärmeerfassungseinheit erfassten Zustand ausgibt.
  • Die Wärmeerfassungseinheit hat eine Sensoreinheit, die Wärme in einem Überwachungsbereich erfasst und einen erfassten Zustand in eine andere Zustandsänderung umwandelt. Die Sensoreinheit wird beispielsweise durch eine Membran, die ihre Form gemäß einer durch einen Temperaturanstieg bewirkten Ausdehnung von Luft ändert, einen Thermistor, der seinen Widerstandswert gemäß der Temperatur ändert, oder ein Bimetall, das seine Form in einer vorbestimmten Richtung gemäß der Temperatur ändert (siehe beispielsweise die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. H05-266377 ), gebildet.
  • Bei dem eine Membran verwendenden Wärmedetektor wird die Membran verformt, wenn sich die Luft in einer Kammer plötzlich gemäß dem durch ein Feuer bewirkten Temperaturanstieg ausdehnt. Der Wärmedetektor erfasst, wenn eine Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs einen vorbestimmten Wert oder einen höheren Wert erreicht, indem er die Anwesenheit/Abwesenheit der Verformung der Membran erfasst. Dann bestimmt der Wärmedetektor, dass ein Feuer in einem Überwachungsbereich auftritt, und gibt ein Alarmsignal aus.
  • Bei einem einen Thermistor verwendenden Wärmedetektor ändert sich der elektrische Widerstandswert des Thermistors gemäß dem durch ein Feuer bewirkten Temperaturanstieg. Der Wärmedetektor erfasst Änderungen des elektrischen Widerstandswertes. Wenn die Änderungen des elektrischen Widerstandswerts anzeigen, dass eine Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs gleicher einer oder höher als eine vorbestimmte Geschwindigkeit ist, bestimmt der Wärmedetektor, dass ein Feuer in einem Überwachungsbereich auftritt, und gibt ein Alarmsignal aus. 19 ist eine Vorderansicht eines herkömmlichen Wärmedetektors vom Thermistortyp, und 20 ist eine Schnittansicht entlang A-A des Wärmedetektors nach 19. Ein Wärmedetektor 110 enthält schematisch einen Erfassungsvorrichtungs-Hauptkörper 111 und einen Thermistor 112, der so angeordnet ist, dass er von einer Seitenfläche des Erfassungsvorrichtungs-Hauptkörpers 111 vorsteht. Der Thermistor 112 ist wie ein Vorsprung derart angeordnet, dass der Thermistor 112 so weit wie möglich von dem Erfassungsvorrichtungs-Hauptkörper 111 weg angeordnet ist, um eine Wärmeleitung zwischen dem Erfassungsvorrichtungs-Hauptkörper 111 und dem Thermistor 112 zu verhindern, und gleichzeitig so, dass ein Luftstrom von außerhalb des Erfassungsvorrichtungs-Hauptkörpers 111 so direkt wie möglich auf den Thermistor 112 trifft, um die thermische Ansprechbarkeit des Thermistors 112 zu erhöhen. Zusätzlich ist eine Thermistorführung 113 um den Thermistor 112 herum angeordnet für einen Schutz des vertikal angeordneten Thermistors 112 gegenüber der Umgebung.
  • Ein ein Bimetall verwendender Wärmedetektor nutzt eine Eigenschaft des Bimetalls aus, das in einer vorbestimmten Richtung entsprechend der Temperatur verformt wird; wenn die Temperatur eine vorbestimmte oder höhere Temperatur erreicht und das Bimetall einer großen Verformung unterworfen ist, um einen elektrischen Kontakt zu schließen, bestimmt der Wärmedetektor, dass ein Feuer in einem Überwachungsbereich auftritt, und gibt ein Alarmsignal aus (siehe beispielsweise die japanische Gebrauchsmusteranmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. H6-30891 ).
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Durch die Erfindung zu lösende Probleme Herkömmliche Wärmedetektoren 110 haben jedoch verschiedene Probleme. Beispielsweise benötigt der mit einer Membran versehene Wärmedetektor eine Kammer mit einem erheblichen Ausdehnungsraum, um korrekt zu erfassen, dass die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs gleich einer oder höher als eine vorbestimmte Geschwindigkeit ist. Der mit einem Thermistor versehene Wärmedetektor 110 ist relativ sperrig, da der Thermistor 112 selbst sperrig ist und auch, weil eine Thermistorführung 113 um den Thermistor 112 herum vorgesehen ist. Somit ist es schwierig, einen derartigen Wärmedetektor 110 dünner auszubilden. Weiterhin benötigt der mit einem Bimetall versehene Wärmedetektor einen ausreichenden Raum für die Transformation des Bimetalls. Somit ist eine Verkleinerung dieser herkömmlichen Wärmedetektoren schwierig zu realisieren.
  • Um die vorbeschriebenen Probleme zu lösen, prüfen die Erfinder der vorliegenden Erfindung und andere die Verwendung eines keramischen Elements als ein Wärmeerfassungselement. Das keramische Element ist ein ferroelektrisches Material und gibt einen pyroelektrischen Strom durch einen pyroelektrischen Effekt bei der Temperaturänderung aus. In den letzten Jahren wird ein piezoelektrischer Effekt des ferroelektrischen keramischen Elements und dergleichen beobachtet, und das keramische Element und dergleichen wird bei Summern, Lautsprechern und dergleichen angewendet, und piezoelektrische Summer, piezoelektrische Lautsprecher und dergleichen werden hergestellt. Der piezoelektrische Effekt des ferroelektrischen Materials bewirkt, dass sich eine Größe einer inhärenten Polarisation ändert als Antwort auf die Ausübung einer Kraft in einer vorbestimmten Richtung, die positive und negative elektrische Ladungen auf einer Oberfläche eines Kristalls erzeugt. Ein für eine derartige Verwendung hergestelltes keramisches Element wird in eine plattenartige Gestalt oder eine dünnfilmartige Gestalt geformt. Wenn daher ein derartiges keramisches Element für die Wärmeerfassung angewendet werden kann, kann ein Wärmedetektor dünner ausgebildet werden. Tatsächlich schlagen einige vor, Temperaturmessungen unter Verwendung eines piezoelektrischen Materials durchzuführen (siehe beispielsweise die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. H5-296854 ). Die Anwendung derartiger Techniken und die Verwendung eines keramischen Elements können eine Konfiguration eines kleinen Wärmedetektors realisieren.
  • Wenn jedoch das in dem piezoelektrischen Lautsprecher und dergleichen benutzte keramische Element als ein Wärmeerfassungselement so wie es ist verwendet wird, können verschiedene Probleme auftreten. Für die Feuererfassung verwendete Elemente sind verschiedenen Beschränkungen unterworfen und haben besondere Eigenschaften, die in elektrischen Vorrichtungen wie Lautsprechern und Summern nicht gefunden werden. Daher kann eine direkte Anwendung eines herkömmlichen Wärmeerfassungselements bei einer Feuererfassungsvorrichtung neue, unerwartete Probleme aufwerfen.
  • Beispielsweise kann die Dielektrizitätskonstante des keramischen Elements eine Veränderungskurve mit unterschiedlicher Neigung in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur ziehen. Bei den mit dem keramischen Element versehenen herkömmlichen piezoelektrischen Lautsprechern oder dergleichen ist die Umgebungstemperatur kein großes Problem, und die Temperaturcharakteristik der Veränderungskurve der Dielektrizitätskonstanten wird selten berücksichtigt. Wenn das herkömmliche keramische Element so wie es ist in einer besonderen Temperaturumgebung verwendet wird, d. h. einer Feuerumgebung, kann eine gewünschte Temperaturcharakteristik des keramischen Elements nicht erhalten werden. Beispielsweise kann die Veränderungskurve der Dielektrizitätskonstanten übermäßig flach werden. Dann kann eine erwünschte thermische Ansprechbarkeit nicht erhalten werden.
  • Weiterhin hat die thermische Kapazität des Wärmeerfassungselements einen Einfluss auf die thermische Ansprechbarkeit des Wärmedetektors. Die thermische Kapazität wird jedoch nicht sehr beachtet bei der Anwendung des keramischen Elements für die herkömmlichen piezoelektrischen Lautsprecher und dergleichen. Daher kann, wenn das herkömmliche keramische Element in einem Wärmedetektor ohne Änderung verwendet wird, eine gewünschte thermische Ansprechbarkeit nicht erhalten werden.
  • Noch weiterhin wird das keramische Element üblicherweise einem Beschneidungsprozess unterzogen für eine Erhöhung des piezoelektrischen Effekts, so dass die piezoelektrische Keramik geeignet für den Summer oder den Lautsprecher verwendet wird. Bei dem Beschneidungsprozess wird eine Spannung mit einem vorbestimmten oder einem höheren Pegel an ein ferroelektrisches Material angelegt. Wenn das ferroelektrische Material dem Beschneidungsvorgang unterzogen wird, wird eine Domäne mit einer Polarisation in einer entgegengesetzten Richtung zu dem Vektor des elektrischen Felds unterschieden, und eine Domäne mit einer Polarisation in derselben Richtung wird erzeugt. Als eine Folge werden mehrere Domänen, die in dem ferroelektrischen Material vorhanden sind, integriert und eine inhärente Polarisation kann in verschiedenen Richtungen orientiert werden. Somit macht der Beschneidungsvorgang eine Charakteristik, die von der Orientierung der inhärenten Polarisation abhängig ist, augenscheinlicher als andere Charakteristiken des ferroelektrischen keramischen Elements. Beispielsweise wird der piezoelektrische Effekt bemerkenswerter. Wenn der Beschneidungsvorgang den piezoelektrischen Effekt des ferroelektrischen keramischen Elements bemerkenswerter macht, wenn eine Ausdehnung eines umgebenden Teils oder dergleichen gegen das ferroelektrische keramische Element stößt, kann sich die Dielektrizitätskonstante des ferroelektrischen keramischen Elements aufgrund des piezoelektrischen Effekts ändern. Daher ist es in einigen Fällen nicht erwünscht, das ferroelektrische keramische Element mit einem hohen piezoelektrischen Effekt direkt auf den Wärmedetektor anzuwenden.
  • Noch weiterhin wird, wenn die inhärente Polarisation des ferroelektrischen keramischen Elements durch den Beschneidungsprozess zwangsweise orientiert wird, erwartet, dass ein komplexes Restspannungsfeld in dem keramischen Element erzeugt wird. Dieses kann die Dielektrizitätskonstante im Verlauf der Zeit ändern. Eine derartige Möglichkeit ist nicht bevorzugt, da die Zuverlässigkeit des Wärmedetektors bei langzeitigem Gebrauch verschlechtert werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des Vorstehenden gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verschiedene Probleme zu elimi nieren, die auftreten können, wenn das piezoelektrische keramische Element bei einer besonderen Vorrichtung, d. h. einer Feuererfassungsvorrichtung verwendet wird.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Um die vorbeschriebenen Probleme zu lösen und ein Ziel zu erreichen, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung in einem Wärmedetektor, der die Temperatur in einem Überwachungsbereich aufgrund einer Dielektrizitätskonstante eines keramischen Elements misst, eine Curiepunkttemperatur des keramischen Elements innerhalb eines bestimmten Bereichs eingestellt, der eine vorbestimmte Beziehung mit einem Empfindlichkeitstemperaturbereich des Wärmedetektors hat. Weiterhin enthält gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeerfassungselements, das die Temperatur in einem Überwachungsbereich auf der Grundlage einer Dielektrizitätskonstanten eines dielektrischen Materials misst, das Erwärmen des dielektrischen Materials auf eine Temperatur gleich einer oder höher als eine Curiepunkttemperatur des dielektrischen Materials; und das Abkühlen des dielektrischen Materials auf eine Temperatur, die niedriger als die Curiepunkttemperatur ist.
  • Wirkung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Curiepunkttemperatur des keramischen Elements so eingestellt werden, dass sie eine vorbestimmte Beziehung mit dem Empfindlichkeitstemperaturbereich des Wärmedetektors hat, und insbesondere kann die Curiepunkttemperatur so eingestellt werden, dass ein Nachbarbereich der Curiepunkttemperatur in einer Temperaturcharakteristikkurve des keramischen Elements im Wesentlichen mit dem Empfindlichkeitstemperaturbereich übereinstimmt, wodurch die Temperaturerfassung innerhalb eines Bereichs durchgeführt werden kann, in welchem die Temperaturcharakteristikkurve eine ausgeprägte Neigung hat. Somit kann das thermische Ansprechverhalten des Wärmedetektors verbessert werden. Daher kann das piezoelektrische keramische Element eine spezielle Temperaturerfassungscharakteristik besitzen, die für die Feuererfassungsvorrichtung erforderlich ist, und die Probleme bei der tatsächlichen Anwendung des piezoelektrischen keramischen Elements für die Feuererfassungsvorrichtung können eliminiert werden.
  • Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei der Erwärmung das ferroelektrische keramische Element, das dem Beschneidungsvorgang unterzogen ist und einen hohen piezoelektrischen Effekt hat, allmählich auf eine Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur des in dem keramischen Element vorgesehenen ferroelektrischen Materials erwärmt, und das ferroelektrische keramische Element führt einen Phasenübergang zu dem paraelektrischen Material durch, das keine inhärente Polarisation und Domäne hat. Weiterhin wird bei dem Abkühlen das keramische Element auf eine Temperatur abgekühlt, die niedriger als die Curiepunkttemperatur ist, und es führt einen Phasenübergang zu dem ferroelektrischen Material durch, das mit mehreren Domänen jeweils mit inhärenter Polarisation in unterschiedlichen Richtungen versehen ist. Somit sind, selbst wenn eine Kraft auf das keramische Element aufgrund der Ausdehnung des umgebenden Teils oder dergleichen ausgeübt wird, die pie zoelektrischen Effekte, die in dem mit den mehreren Domänen mit inhärenter Polarisation in unterschiedlichen Richtungen versehenen ferroelektrischen Material erzeugt werden, gegeneinander versetzt, wodurch die durch den piezoelektrischen Effekt bewirkten Störungen unterdrückt werden können. Andererseits können, da die Neigung der Temperaturcharakteristikkurve der Dielektrizitätskonstanten wenig beeinflusst wird, nur die dem piezoelektrischen Effekt zuschreibbaren Störungen verringert werden, und eine geeignete Charakteristik des Temperaturerfassungselements kann erhalten werden. Noch weiterhin ist, da die Domänen zufällig wieder geschaffen werden, um den Energiezustand des ferroelektrischen Materials zu stabilisieren, das komplizierte Feld der Restspannung nicht in dem keramischen Element vorhanden, wodurch die Änderung der Dielektrizitätskonstanten im Verlauf der Zeit verhindert werden kann. Daher kann das piezoelektrische keramische Element eine spezielle Charakteristik des piezoelektrischen Effekts besitzen, die für die Feuererfassungsvorrichtung erforderlich ist, und die Probleme bei der tatsächlichen Anwendung des piezoelektrischen keramischen Elements für die Feuererfassungsvorrichtung können eliminiert werden.
  • BESTE ARTEN DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Ein erstes und ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend im Einzelnen aufeinander folgend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es ist jedoch festzustellen, dass die vorliegende Erfindung durch das erste und das zweite Ausführungsbeispiel beschränkt wird.
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • Das erste Ausführungsbeispiel wird beschrieben. Das erste Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Wärmedetektor zum Überwachen der Temperatur in einem Überwachungsbereich. Der Wärmedetektor kann zum Überwachen eines beliebigen Bereichs für einen beliebigen Zweck verwendet werden. In der folgenden Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels wird angenommen, dass der Wärmedetektor in einem Raum eines gewöhnlichen Hauses oder einer Bürokomplexes installiert ist, um zu überwachen, ob das Feuer auftritt oder nicht. Es ist festzustellen, dass das erste Ausführungsbeispiel in gleicher Weise auf einen Wärmedetektor wie einen Temperatursensor, der die Temperatur in einem Überwachungsbereich misst, anwendbar ist.
  • Eine Aufgabe des vorliegenden Ausführungsbeispiels besteht darin, einen Wärmedetektor mit einem verbesserten thermischen Ansprechverhalten durch Optimieren verschiedener Charakteristiken eines als ein Wärmeerfassungselement verwendeten keramischen Elements vorzusehen. Die Verbesserung des thermischen Ansprechverhaltens durch: (1) Optimierung der Veränderungskurve der Dielektrizitätskonstanten des keramischen Elements, und (2) Optimierung beispielsweise der Wärmekapazität des keramischen Elements. Derartige Mittel werden angewendet, da die Erfinder der vorliegenden Anmeldung gefunden haben, dass, um ein gewünschtes thermisches Ansprechverhalten des Wärmedetektors sicherzustellen, die Veränderungskurve der Dielektrizitätskonstanten des keramischen Elements unter Berücksichtigung des Empfindlichkeitstemperaturbereichs des Wärmedetektors bestimmt werden muss, und dass beispielsweise die Wärmekapazität des keramischen E lements in einem geeigneten Bereich eingestellt werden muss. Ein Wärmedetektor, der unter Berücksichtigung der vorstehend erwähnten Punkte ausgebildet ist, wird nachfolgend beschrieben.
  • 1 ist ein funktionelles Blockschaltbild einer Struktur eines Wärmedetektors. Ein Wärmedetektor 1 enthält ein keramisches Element 10, eine Temperaturberechnungseinheit 20, eine Speichereinheit 30 und eine Steuereinheit 40. Der Wärmedetektor 1 mit einer derartigen Struktur führt eine Feuererfassung wie nachfolgende beschrieben durch. Zuerst wird die Temperatur des keramischen Elements 10, das die Temperatur entsprechend der Temperatur in dem Überwachungsbereich ändert, durch die Temperaturberechnungseinheit 20 auf der Grundlage der dielektrischen Konstanten des keramischen Elements 10 berechnet. Die Steuereinheit 40 vergleicht die Temperatur des keramischen Elements 10 und eines vorher in der Speichereinheit 30 gespeicherten Schwellenwerts. Wenn die Temperatur des keramischen Elements 10 den Schwellenwert überschreitet, bestimmt die Steuereinheit 40, dass das Feuer in dem Überwachungsbereich auftritt, und gibt die Anweisung zur Ausgabe eines Alarms. Im Folgenden werden eine Struktur und eine Arbeitsweise des Wärmedetektors 1 insbesondere in Beziehung mit der Temperaturberechnung beschrieben.
  • Zuerst wird eine spezifische Struktur eines Hauptteils der Temperaturberechnungseinheit 20 beschrieben. Die Temperaturberechnungseinheit 20 ist eine Temperaturberechnungsvorrichtung zum Berechnen der Temperatur in dem Überwachungsbereich auf der Grundlage der die elektrischen Konstanten des keramischen Elements 20. 2 ist ein Schaltungsdiagramm des Hauptteils der Temperaturberechnungseinheit 20. Wie in 2 gezeigt ist, wird der Hauptteil der Temperaturberechnungseinheit 20 aus einer elektrischen Schaltung enthaltend mehrere Transistoren TR1 bis TR3, Widerstände R1 bis R5 und einen Komparator IC1, die wie in der Zeichnung gezeigt miteinander verbunden, gebildet.
  • Als Nächstes wird die Temperaturberechnung durch die Temperaturberechnungseinheit 20 beschrieben. Wenn der Basisanschluss des Transistors TR3 einen Entladungstrigger empfängt, entlädt das keramische Element 10 Elektrizität. Wenn ein Eingangssignal nach der Entladung zu einer nicht gezeigten Eingangseinheit geliefert wird, wird ein konstanter Strom zu dem keramischen Element 10 geliefert und das keramische Element 10 wird geladen. Wenn die Menge der elektrischen Ladungen des keramischen Elements 10 während des Ladevorgangs einen vorbestimmten Pegel überschreitet, wird ein Ausgangssignal des Komparators IC1 in "Hoch" geschaltet. Daher kann die Zeit, die für das Laden des keramischen Elements 10 bis zu angenähert einem Pegel, der den vorbestimmten Pegel überschreitet, erforderlich ist, bekannt sein aus der Messung der Zeit, die seit dem Empfang des Eingangssignals in der Eingangseinheit nach der Entladung des keramischen Elements 10 bis zu dem Zeitpunkt, zu welchem das Ausgangssignal des Komparators IC1 "Hoch" annimmt, verstrichen ist. Die Ladezeit des keramischen Elements 10 entspricht im Wesentlichen eindeutig der Dielektrizitätskonstanten des keramischen Elements 10. Weiterhin entspricht die Dielektrizitätskonstante des keramischen Elements 10 im Wesentlichen eindeutig der Temperatur des keramischen Elements 10. Daher kann die Temperatur des keramischen Elements 10, d.h. die Temperatur des Überwachungsbereichs, auf der Grundlage der Ladezeit des kerami schen Elements 10 gemessen werden.
  • 3 zeigt eine Beziehung zwischen der Temperaturänderung des keramischen Elements 10 und der Ladezeit. Wie in 3 gezeigt ist, wird, wenn die Eingangseinheit eine rechteckige Welle als ein Eingangssignal empfängt, bei einem Anstieg der Temperatur des keramischen Elements 10 der Anstieg einer Ladungswellenform während einer Anfangsperiode des Ladens allmählich langsamer. Dann wird eine Zeit t (Ladezeit), die verstrichen ist, bis die Ladungswellenform den Schwellenwert überschreitet, länger, wie durch die Zeit ts gezeigt ist. Daher kann die Temperatur auf der Grundlage der Ladezeit bestimmt werden. Hier speichert die Speichereinheit 30 nach 1 eine Tabelle, die eine Beziehung zwischen der Ladezeit und der Temperatur identifiziert. Die Temperaturberechnungseinheit 20 kann die Temperatur entsprechend der Ladezeit durch Bezugnahme auf die Tabelle bestimmen. Spezifische numerische Werte der Beziehung zwischen der Ladezeit und der Temperatur können leicht anhand eines Experiments oder dergleichen erhalten werden, und daher wird eine Beschreibung hiervon nicht gegeben.
  • 4 ist ein schematisches Diagramm des keramischen Elements 10 als dem Wärmeerfassungselement. Das vorstehend beschriebene keramische Element 10 ist ein ferroelektrisches Material 13 (entsprechend dem "dielektrischen Material" in den angefügten Ansprüchen), das eine ferroelektrische Keramik ist, zumindest in einem Temperaturmessbereich des Wärmedetektors 1. Das ferroelektrische Material 13 ist aus einem ferroelektrischen Material vom PZT-Typ gebildet (entsprechend einer "piezoelektrischen Keramik mit einer perowskitartigen Struktur" in den angefügten Ansprü chen), und bildet in diesem Fall einen Polykristall, der aus mehreren feinen Einkristallen 14 (Kristallkörner) besteht, die zufällig kombiniert sind. Das Kristallkorn 14 ist ein Feinkristall, der jeweils in einem Zustand polarisiert ist, in welchem keine elektrische Spannung angelegt ist (um eine inhärente Polarisation 16 aufzuweisen), und in mehrere Feinbereiche (Domänen 15) mit unterschiedlichen Richtungen von inhärenten Polarisationen 16 geteilt ist. Die Form der Domäne 15 und die Richtung der inhärenten Polarisation 16 sind so eingestellt, dass der Energiezustand jedes Kristallkorns 14 oder des ferroelektrischen Materials 13 stabilisiert ist. Hier kann der Beschneidungsvorgang so bei dem ferroelektrischen Material 13 ausgeübt werden, dass die inhärente Polarisation 16, die in unterschiedlichen Richtungen für jedes der Kristallkörner 14 und die Domänen 15 angeordnet ist, ausgerichtet wird. Dann wird der piezoelektrische Effekt, der von der Richtung der inhärenten Polarisation 16 abhängig ist, noch ausgeprägter.
  • Ein spezifisches Beispiel für die Struktur des keramischen Elements 10 wird weiter beschrieben. 5 ist eine Ansicht, in der eine Draufsicht und ein vertikaler Schnitt durch das keramische Element 10 und andere Elemente in Beziehung miteinander gezeigt sind. Wie in 5 gezeigt ist, ist das keramische Element 10 im Wesentlichen als eine kreisförmige Platte mit Elektroden 11 und 12, die als ein auf jeweiligen Oberflächen hiervon vorgesehenes Paar ausgebildet sind, gebildet. Die Elektroden 11 und 12 sind Elektroden zum Zuführen des von dem keramischen Element 10 gelieferten pyroelektrischen Stroms über einen nicht gezeigten elektrischen Draht zu der Temperaturberechnungseinheit 20. Die Elektroden 11 und 12 sind jeweils durch eine metallische Platte gebildet, die an dem keramischen Element 10 befestigt ist, oder alternativ durch Metall, das beispielsweise durch Bedampfung auf das keramische Element 10 aufgebracht ist.
  • Über die Curiepunkttemperatur Tc des keramischen Elements 10
  • Als Nächstes wird eine Struktur zum Optimieren der Temperaturcharakteristiken der dielektrischen Konstanten des keramischen Elements 10 beschrieben. Für die Optimierung der Temperaturcharakteristiken wird die Curiepunkttemperatur Tc des keramischen Elements 10 vorzugsweise in einem vorbestimmten Temperaturbereich eingestellt, beispielsweise in einem Bereich von angenähert 60 Grad Celsius bis angenähert 170 Grad Celsius. Die Gründe hierfür sind wie folgt.
  • Zuerst ist die Curiepunkttemperatur Tc vorzugsweise höher als der allgemeine Empfindlichkeitstemperaturbereich des Wärmedetektors 1. Der Grund hierfür ist, dass, wenn die Curiepunkttemperatur Tc innerhalb des oder niedriger als der Empfindlichkeitstemperaturbereich ist, für den Fall, dass die zu erfassende Temperatur höher als die Curiepunkttemperatur Tc des Dielektrikums ist, das keramische Element 10 von dem ferroelektrischen Material zu einem paraelektrischen Material übergeht, wodurch sich seine Eigenschaften ändern. Da der allgemeine Empfindlichkeitstemperaturbereich des Wärmedetektors 1 in einem Bereich von 20 Grad Celsius bis 60 Grad Celsius liegt, ist die Curiepunkttemperatur Tc vorzugsweise gleich oder höher als angenähert 60 Grad Celsius.
  • Weiterhin wird, um einen hohen Störabstand (S/N) bei der Temperaturmessung durch den Wärmedetektor 1 zu erhalten, die Wärmeerfassung vorzugsweise innerhalb eines Bereichs durchgeführt, in welchem die Neigung der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten des keramischen Elements 10 ausgeprägt ist. Mit anderen Worten, der Bereich, in welchem die Neigung der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten des keramischen Elements 10 ausgeprägt ist, wird vorzugsweise so ausgebildet, dass er dem Empfindlichkeitstemperaturbereich des Wärmedetektors 1 entspricht. Hier hat die Neigung der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten des keramischen Elements 10 die Tendenz, in der Nachbarschaft der Curiepunkttemperatur Tc des keramischen Elements 10 am schärfsten zu werden, während die Neigung die Tendenz hat, mäßiger zu werden, wenn die Differenz zwischen der betreffenden Temperatur und der Curiepunkttemperatur Tc größer wird. Daher wird ein Bereich in der Nachbarschaft der Curiepunkttemperatur Tc, der eine steile Neigung der Charakteristikkurve des keramischen Elements 10 hat (d.h., ein Bereich, in welchem die Temperatur um angenähert 30 bis 50 Grad Celsius niedriger als die Curiepunkttemperatur Tc ist, beispielsweise ein Bereich, in welchem die Temperatur gleich der Curiepunkttemperatur Tc minus 40 Grad Celsius ist), vorzugsweise so ausgebildet, dass er dem Empfindlichkeitstemperaturbereich des Wärmedetektors 1 entspricht.
  • Um die Curiepunkttemperatur Tc und den Empfindlichkeitstemperaturbereich in einer vorbestimmten Beziehung einzustellen, kann die additive Rate x der Verunreinigung geändert werden. Beispielsweise zeigt 6 eine Beziehung zwischen der Curiepunkttemperatur Tc und der relativen Dielektrizitätskonstanten ε. Es wird angenommen, dass Bleititanat (PbTiO3), das einer von perowskitartigen Kristallen ist, verwendet wird und Pb(Mag1/3Nb2/3)O3 dotiert ist. Wenn die additive Rate der Verunreinigung durch "x" dargestellt wird, kann die Struktur des Bleititanats dargestellt werden als "(1-x)xPb(Mg1/3Nb2/3)=O3-xxPbTiO3". 6 zeigt Temperaturcharakteristikkurven a bis e, die jeweils einen Fall mit einer unterschiedlichen additiven Rate x der Verunreinigung darstellen. Wie aus 6 ersichtlich ist, wird zusammen mit der Änderung der additiven Rate x die Curiepunkttemperatur Tc angenähert –10, 20, 60, 80 bzw. 170 Grad Celsius, und wird dargestellt als die Temperaturcharakteristikkurven a bis e. Wie auch in 6 gezeigt ist, wird in jeder der Temperaturcharakteristikkurven a bis d mit unterschiedlichen additiven Raten x der Verunreinigung die Neigung in der Nachbarschaft der Curiepunkttemperatur Tc steiler. Beispielsweise ist bei der Charakteristikkurve d mit der additiven Rate x = 0,17 die die Temperaturen in dem Bereich von 50 bis 80 Grad Celsius darstellende Neigung steiler als die Neigung, die denselben Bereich in der Charakteristikkurve e mit der additiven Rate x = 0,33 darstellt.
  • Als Nächstes wird eine Beziehung zwischen jeder der Charakteristikkurven und S/N geprüft. Es wird angenommen, dass die Curiepunkttemperatur Tc angenähert 50, 80 und 170 Grad Celsius und die Empfindlichkeitstemperatur 20 Grad Celsius und 60 Grad Celsius betragen. Die Änderungsrate der Dielektrizitätskonstanten zwischen dem Fall von 20 Grad Celsius und dem Fall von 60 Grad Celsius (d.h., Dielektrizitätskonstante in dem Fall von 60 Grad Celsius/Dielektrizitätskonstante in dem Fall von 20 Grad Celsius) wird für die jede Curiepunkttemperatur Tc berechnet. Wenn die Curiepunkttemperatur Tc angenähert 60 Grad Celsius beträgt, ist die Änderungsrate der Dielektrizitätskonstanten gleich 27,5E-3/14E- 3 = 2,0; wenn die Curiepunkttemperatur Tc angenähert 80 Grad Celsius beträgt, ist die Änderungsrate der Dielektrizitätskonstanten gleich 22E-3/5E-3 = 4,4, und wenn die Curiepunkttemperatur Tc angenähert 170 Grad Celsius beträgt, ist die Änderungsrate der Dielektrizitätskonstanten gleich 3,9E-3/1,9E-3 = 2,1. Wenn daher die Curiepunkttemperatur Tc angenähert 60 bis 170 Grad Celsius beträgt, ist das S/N-Verhältnis gleich oder höher als 2,0 für die Temperaturänderung innerhalb des Empfindlichkeitstemperaturbereichs von 20 bis 60 Grad Celsius, während wenn die Curiepunkttemperatur Tc nicht innerhalb des Bereichs von angenähert 60 bis 170 Grad Celsius ist, das S/N-Verhältnis gleich oder niedriger als 2,0 ist.
  • Als Nächstes wird das in dem Wärmedetektor 1 erforderliche S/N-Verhältnis (Störabstand) geprüft. Im Allgemeinen ist ein hohes S/N-Verhältnis eines Sensors in dem Wärmedetektor 1 bevorzugter. Um eine stabile Erfassungscharakteristik aufrechtzuerhalten, ist erforderlich, dass das S/N-Verhältnis zumindest gleich oder höher als 2 ist. Der Grund hierfür ist der folgende. Gemäß den legalen Vorschriften, die das Leistungsvermögen des Wärmedetektors 1 vorschreiben (beispielsweise "Ministerial Order Stipulating Technical Standard Relating Sensors and Transmitters of Fire Alarm Installation" in Japan), sollte der spezielle Wärmedetektor vom 65-Grad-Festtemperaturtyp nicht innerhalb einer Minute arbeiten, nachdem derselbe in eine Umgebungstemperatur von 55 Grad Celsius gebracht wurde (Nichtoperationstest). Es wird angenommen, dass die Curiepunkttemperatur Tc angenähert 60, 80 und 170 Grad Celsius ist, und die Änderungsrate der Dielektrizitätskonstanten wird für die empfindliche Temperatur von 20 Grad Celsius und die empfindliche Temperatur von 55 Grad Celsius berechnet (d.h., Dielektrizitätskonstante von 45 Grad Celsius/Dielektrizitätskonstante von 20 Grad Celsius). Wenn die Curiepunkttemperatur Tc angenähert 60 Grad Celsius ist, ist die Änderungsrate der Dielektrizitätskonstanten gleich 26,8E-3/14E-3 = 1,9; wenn die Curiepunkttemperatur Tc angenähert 80 Grad Celsius beträgt, ist die Änderungsrate der Dielektrizitätskonstanten gleich 17E-3/5E-3 = 3,4; und wenn die Curiepunkttemperatur Tc angenähert 170 Grad Celsius beträgt, ist die Änderungsrate der Dielektrizitätskonstanten gleich 3,6E-3/1,9E-3 = 1,9. Kurz gesagt, das minimale S/N-Verhältnis beträgt hier angenähert 1,9.
  • Daher müssen, damit der Wärmedetektor 1 den Nichtoperationstest besteht, das S/N-Verhältnis von 1,9, das bei der Umgebung von 55 Grad Celsius bei dem Nichtoperationstest erhalten wird, und das S/N-Verhältnis von 2,0 oder mehr, das höher als das S/N-Verhältnis von 1,9 ist, durch die Steuereinheit 40 des Wärmedetektors 1 voneinander unterschieden werden. In der Praxis muss eine derartige Unterscheidung bei einer Umgebung, in der elektrische Störung und Pseudosignale, die durch Faktoren von mechanischen Veränderungen bewirkt werden, vorhanden sind, korrekt durchgeführt werden. Wenn die Größe derartiger Störungen als 5% des Signals angenommen wird, ist ein S/N-Verhältnis von 2,0 oder mehr als Minimum erforderlich. Um das S/N-Verhältnis gleich 2,0 oder mehr zu machen, kann es ausreichend sein, wenn die Curiepunkttemperatur Tc innerhalb des Bereichs von angenähert 60 bis 170 Grad Celsius eingestellt wird, wie vorstehend erwähnt ist. Somit ist verständlich, dass die Curiepunkttemperatur Tc des in dem Wärmedetektor 1 verwendeten keramischen Elements 10 vorzugsweise innerhalb des Bereichs von angenähert 60 bis 170 Grad Celsius liegt.
  • Über die Dicke des keramischen Elements 10 Als Nächstes wird eine angemessene Dicke des keramischen Elements 10 geprüft. Im Allgemeinen hat die Wärmekapazität des keramischen Elements 10 die Tendenz, zusammen mit der Zunahme der Plattendicke des keramischen Elements 10 zuzunehmen. Wenn jedoch die Wärmekapazität des keramischen Elements 10 zunimmt, wird die Zeit, die erforderlich ist, damit die Temperatur des keramischen Elements 10 ansteigt, nachdem ein Strom von heißer Luft aus dem Überwachungsbereich auf das keramische Element 10 aufgetroffen ist, länger, wodurch das thermische Ansprechverhalten verschlechtert wird. Daher ist das dünnere keramische Element 10 bevorzugt, solange wie das keramische Element 10 einem notwendigen Widerstandserfordernis oder dergleichen genügt.
  • Als Nächstes wird die Wärmekapazität des keramischen Elements 10 geprüft. Die Temperatur T(t), die t Sekunden, nachdem die Umgebungstemperatur Tf erreicht hat, erhalten wird, kann durch eine folgende Formel (1) ausgedrückt werden. Weiterhin kann, wenn die Wärmekapazität als C = γcV dargestellt wird, die Zeitkonstante durch eine folgende Formel (2) ausgedrückt werden. T(t) – Tf = (t0 – Tf) × Exp (–t/τ) (1), τ = C/hA (2),worin T0 die Anfangstemperatur ist, τ die Zeitkonstante ist, die als γcV/hA dargestellt ist, γ das Gewicht/Volumen-Verhältnis ist, c die spezifische Wärme ist, V das Volumen ist, h die Wärmeleitfähigkeit ist und A der Oberflächenbereich ist.
  • 7 zeigt die Differenz in der Charakteristik der Wärmeempfindlichkeit gemäß der nach Gleichung (1) berechneten thermischen Zeitkonstanten bei einem Operationstest der speziellen 65 Grad-Erfassungsvorrichtung. Gemäß der vorgenannten ministeriellen Vorschrift, die das Leistungsvermögen des Wärmedetektors 1 vorschreibt, muss der spezielle Wärmedetektor vom 65 Grad-Festtemperaturtyp mit dem Betrieb innerhalb von 30 Sekunden beginnen, wenn er in eine Umgebungstemperatur von 180 Grad Celsius gebracht wird. In diesem Fall ist gemäß 7 erforderlich, dass die Zeitkonstante τ des Wärmedetektors 1 gleich oder kürzer als 24 Sekunden ist.
  • Um die Zeitkonstante gleich oder kürzer als 24 Sekunden einzustellen, ist erforderlich, dass die Wärmekapazität gleich einem oder kleiner als ein vorbestimmter Betrag ist, da die Zeitkonstante τ proportional der Wärmekapazität ist, wie in Gleichung (2) gezeigt ist. Die Wärmekapazität ist proportional zu dem Volumen des keramischen Elements 10 und der Elektroden 11 und 12, die in Kontakt mit dem keramischen Element 10 sind. Ein Durchmesser des keramischen Elements 10 oder ein Durchmesser der Elektroden 11 oder 12 müssen ausreichend groß sein, so dass das keramische Element 10 und die Elektroden 11 und 12 sicher den Strom von heißer Luft aus dem Überwachungsbereich empfangen können. Insbesondere müssen die Dicken des keramischen Elements 10 und der Elektroden 11 und 12 eingestellt werden.
  • Ein Testprodukt wird mit der Dicke des keramischen Elements 10 von 80 μm und der Dicke der Elektroden 11 und 12 von 50 μm hergestellt. Wenn die Wärmeempfind lichkeit des Testprodukts gemessen wird, beträgt die Zeitkonstante des keramischen Elements 10 und der Elektroden 11 und 12 angenähert 20 Sekunden. Da die Zeitkonstante τ des Wärmedetektors 1 wie vorstehend beschrieben 24 Sekunden beträgt, muss der Wärmedetektor 1 das keramische Element 10 und die Elektroden 11 und 12 mit der Wärmekapazität von angenähert 110% (≌24/21) oder weniger mit Bezug auf diejenige des Testprodukts enthalten, um dem Standard als Wärmedetektor zu genügen.
  • 8 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke des keramischen Elements 10 (horizontale Achse) und der Wärmekapazität als einem relativen Wert (vertikale Achse), und 9 zeigt eine Beziehung zwischen der kombinierten Dicke des keramischen Elements 10 und der Elektroden 11 und 12 (horizontale Achse) und der Wärmekapazität als einem relativen Wert mit Bezug auf das vorstehend genannte Testprodukt (vertikale Achse). Wie aus den 8 und 9 ersichtlich ist, muss das keramische Element 10 eine Dicke von angenähert 100 μm oder weniger haben, und die kombinierte Dicke des keramischen Elements 10 und der Elektroden 11 und 12 muss angenähert 130 μm oder weniger sein, wenn die Wärmekapazität von angenähert 110% oder weniger erforderlich ist. Durch die Herabsetzung der Wärmekapazität steigt, wenn das keramische Element 10 den Strom der von dem Feuer erzeugten heißen Luft empfängt, die Temperatur des keramischen Elements 10 unmittelbar an und eine schnelle Wärmeerfassung kann durchgeführt werden.
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des keramischen Elements 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. 10 ist ein Flussdiagramm des Herstellungsverfahrens. Wie in 10 gezeigt ist, werden zuerst das keramische Element 10 bildende Materialien hergestellt und kombiniert. Insbesondere wird eine gewünschte additive Rate von Verunreinigung zu Metalloxiden (PbO, TiO2, ZrO2 oder dergleichen) hinzugefügt (Schritt SA-1). Dann werden diese Materialien zerkleinert und gemischt (Schritt SA-2), in einem Trockner getrocknet (Schritt SA-3), vorübergehend in einem Tiegel bei der Temperatur von 800 bis 850 Grad Celsius gesintert und in ein gesintertes Material (PbO, TiO2, ZrO2 oder dergleichen) umgewandelt (Schritt S-4).
  • Dann wird das erhaltene gesinterte Material zerkleinert (Schritt SA-5). Die erhaltenen Pulver werden in einem Bindemittel gemischt (Schritt SA-6) und in eine im Wesentlichen plattenartige Gestalt geformt (Schritt SA-7). Dann wird das plattenartige Formteil so gestanzt, dass ein scheibenartiges Produkt erhalten wird (Schritt SA-8). Die scheibenartigen Produkte werden in eine Einheit von wenigen Scheiben geteilt und jede Einheit wird in ein Schiffchen eingebracht (Schritt SA-9). Da Schiffchen wird in einen Tunnelofen oder dergleichen gebracht und einer Hauptsinterung während angenähert zwei Tagen bei der Temperatur von angenähert 1100 bis 1200 Grad Celsius unterzogen (Schritt SA-10). Dann werden die Scheiben von dem Schiffchen getrennt, während Ultraschall oder dergleichen hierauf einwirkt (Schritt SA-11), und eine Silberpaste wird auf eine Seitenfläche der Scheibe in einem Muster aufgedruckt, die später die Elektrode 11 bildet (Schritt SA-12). Nachdem der zum Erhöhen des piezoelektrischen Effekts erforderliche Polarisationsvorgang (Beschneidungsvorgang) durchgeführt ist (Schritt SA-13), werden die elektrischen Eigenschaften gemessen (Schritt SA-14), und die Elektrode 12 wird an einer Seitenfläche, auf die die Silberpaste nicht aufgebracht ist, der Scheibe befestigt (Schritt SA-15). Mit der Prüfung (Schritt SA-16) ist der Warmedetektor fertig gestellt.
  • Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann die Curiepunkttemperatur des keramischen Elements so eingestellt werden, dass sie eine vorbestimmte Beziehung zu dem Empfindlichkeitstemperaturbereich des Wärmedetektors hat, insbesondere kann der Nachbarbereich der Curiepunkttemperatur in der Temperaturcharakteristikkurve des keramischen Elements so ausgebildet werden, dass er im Wesentlichen dem Empfindlichkeitstemperaturbereich entspricht. Wodurch die Temperaturerfassung in einem Bereich durchgeführt werden kann, in welchem die Neigung der Temperaturcharakteristikkurve ausgeprägt ist, das thermische Ansprechverhalten des Wärmedetektors erhöht werden kann.
  • Weiterhin kann gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Dicke des keramischen Elements auf eine Dicke eingestellt werden, die gleich einer oder geringer als eine Dicke ist, die im Wesentlichen der vorbestimmten Zeitkonstanten bei der Feuererfassung entspricht, wodurch die Wärmekapazität des keramischen Elements herabgesetzt werden kann. Somit kann das thermische Ansprechverhalten des Wärmedetektors verbessert werden.
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • Das zweite Ausführungsbeispiel wird als Nächstes beschrieben.
  • Vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel wird das keramische Element 10 dem Beschneidungsvorgang unterzogen, so dass die inhärente Polarisation für jeden Feinkristall und jede Domäne in unterschiedlichen Richtungen orientiert ist. Wenn jedoch der Beschneidungsvorgang durchgeführt wird, zeigt das vorstehend beschriebene ferroelektrische keramische Element 10 einen bemerkenswerten piezoelektrischen Effekt, der von der Orientierung der inhärenten Polarisation abhängt. Daher schieben die umgebenden Teile das ferroelektrische keramische Element 10 aufgrund von Ausdehnung oder dergleichen, die elektrischen Ladungen des keramischen Elements 10 ändern sich leichter aufgrund des piezoelektrischen Effekts als bei dem keramischen Element 10, das dem Beschneidungsvorgang nicht unterzogen wird. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Herstellen des Wärmedetektors, in welchem die durch den piezoelektrischen Effekt bewirkten Störungen verringert sind, beschrieben. Das zweite Ausführungsbeispiel ist hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, (1) dass es ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeerfassungselements ist, das die Temperatur in dem Überwachungsbereich auf der Grundlage der Dielektrizitätskonstanten des dielektrischen Materials misst, und dass das Verfahren eine Erwärmung des dielektrischen Materials bis zu einer Temperatur gleich oder höher als der Curiepunkttemperatur des dielektrischen Materials und das Abkühlen des dielektrischen Materials auf eine Temperatur unterhalb der Curiepunkttemperatur des dielektrischen Materials enthält; und (2) das bei der Erwärmung des dielektrischen Materials dieses während einer vorbestimmten Zeitperiode auf einer Temperatur gehalten wird, die beispielsweise gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur ist.
  • Darstellung des keramischen Elements 10
  • Zuerst wird ein keramisches Element beschrieben, das nach dem Verfahren der Herstellung des Wärmeerfassungselements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hergestellt ist. 11 ist ein schematisches Diagramm des keramischen Elements 10, das eine hohe ferroelektrische Charakteristik hat, nachdem es durch den Hersteller oder dergleichen dem Beschneidungsvorgang unterzogen wurde, und vor der Implementierung des Verfahrens zur Herstellung des Wärmeerfassungselements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Aufgrund des Anlegens einer hohen elektrischen Gleichspannung sind die mehreren Domänen 15 der jeweiligen Kristallkörner 14 des keramischen Elements 10 miteinander integriert, und die inhärente Polarisation 16 ist orientiert. Weiterhin ist, da das ferroelektrische Material 13 insgesamt polykristallin ist, die inhärente Polarisation allgemein orientiert. 12 zeigt zeitliche Änderungen der Ausgangsspannung des keramischen Elements 10, dessen inhärente Polarisation 16 durch den Beschneidungsvorgang orientiert ist. 12 zeigt, wie sich die Ausgangsspannung des keramischen Elements 10 ändert, wenn ein Druck auf das keramische Element 10 unter der Bedingung einer festen Temperatur ausgeübt wird. Es ist aus 12 ersichtlich, dass sich die Ausgangsspannung des keramischen Elements 10 während der Ausübung des Drucks aufgrund des piezoelektrischen Effekts wesentlich ändert. Das Verfahren zum Herstellen des Wärmeerfassungselements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird auf das keramische Element angewendet, dessen Domänen integriert sind, und die inhärente Polarisation 16 ist durch den Beschneidungsvorgang orientiert. Das Verfahren wird durchgeführt, um den Zustand des keramischen Elements 10, dessen Domänen integriert sind und dessen inhärente Polarisation 16 orientiert ist, zurück zu dem Zustand vor dem Beschneidungsvorgang zu ändern. Das Verfahren der Her stellung des Wärmeerfassungselements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird nachfolgend als ein Domänenwiedererschaffungsvorgang beschrieben.
  • Darstellung des Domänenwiedererschaffungsvorgangs
  • 13 ist ein Flussdiagramm einer Prozessfolge des Domänenwiedererschaffungsvorgangs. Zuerst wird das keramische Element 10 allmählich auf eine Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur des ferroelektrischen Materials erwärmt (Schritt S101) und wird während einer vorbestimmten Zeitperiode auf der Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur gehalten (entsprechend dem "Erwärmen" in den angefügten Ansprüchen). Wenn das in dem keramischen Element 10 enthaltene ferroelektrische Material 13 beispielsweise ferroelektrisches Material 13 vom PZT-Typ ist, beträgt die Curiepunkttemperatur des ferroelektrischen Materials 13 vom PZT-Typ angenähert 200 Grad Celsius. Daher wird das ferroelektrische Material 13 allmählich auf eine Temperatur gleich oder höher als 200 Grad Celsius erwärmt und bei der Temperatur gleich oder höher als 200 Grad Celsius während 30 Minuten gehalten.
  • Das ferroelektrische Material 13 verliert die inhärente Polarisation 16 und die in 11 gezeigten Domänen 15, wenn es auf eine Temperatur gleich der oder höher als seiner inhärenten Curiepunkttemperatur erwärmt wird, und bewirkt einen Phasenübergang, um es in ein paraelektrisches Material umzuwandeln. 14 ist ein schematisches Diagramm des keramischen Elements 10, das auf die Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur erwärmt ist. Wie in 14 gezeigt ist, verliert ein paraelektrisches Material 17 (entsprechend dem "dielektrischen Materi al" in den angefügte Ansprüchen) die inhärente Polarisation 16 und die Domänen 15.
  • Zurückkehrend zu 13 wird das vorstehend beschriebene keramische Element 10 auf eine Temperatur unterhalb der vorbeschriebenen Curiepunkttemperatur abgekühlt (Schritt S102: entsprechend dem "Abkühlen" in den angefügten Ansprüchen). Wenn das keramische Element 10 auf die Temperatur unterhalb der Curiepunkttemperatur abgekühlt ist, bewirkt das paraelektrische Material einen Phasenübergang, um es wieder in das ferroelektrische Material 13 umzuwandeln. Bei dem Phasenübergang werden mehrere Domänen 15 mit der inhärenten Polarisation 16 in unterschiedlichen Richtungen wieder zufällig erzeugt, um das in 11 gezeigte ferroelektrische Material 13 zu bilden. Somit endet der Domänenwiedererschaffungsvorgang.
  • Als Nächstes werden das ferroelektrische Material 13 mit der orientierten inhärenten Polarisation 16 vor dem Domänenwiedererschaffungsvorgang und das ferroelektrische Material 13 mit den mehreren Domänen mit unterschiedlichen Richtungen der inhärenten Polarisation, das durch den Domänenwiedererschaffungsvorgang erzeugt wurde, mit Bezug auf die Ausgangsspannung verglichen. 15 zeigt zeitliche Änderungen der Ausgangsspannung des keramischen Elements 10 vor und nach dem Domänenwiedererschaffungsvorgang. Es ist aus 15 ersichtlich, dass die Änderungen der Ausgangsspannung während der Ausübung von Druck nach dem Domänenwiedererschaffungsvorgang extrem kleiner werden im Vergleich mit denjenigen vor dem Domänenwiedererschaffungsvorgang.
  • Somit wird gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel das keramische Element 10 enthaltend das dem Beschnei dungsvorgang unterzogene ferroelektrische Material 13 allmählich bis zu der Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur des ferroelektrischen Materials 13 in dem keramischen Element 10 während des Erwärmens erwärmt, so dass das ferroelektrische Material 13 einen Phasenübergang bewirkt, um sich in das paraelektrische Material 17 ohne die inhärente Polarisation 16 und die Domänen 15 umzuwandeln. Weiterhin wird bei dem vorstehenden beschriebenen Abkühlen das keramische Element 10 auf die Temperatur unterhalb der Curiepunkttemperatur abgekühlt, und das paraelektrische Material 17 bewirkt einen Phasenübergang, um sich in das ferroelektrische Material 13 mit den mehreren Domänen 15 mit inhärenten Polarisationen 16 in unterschiedlichen Richtungen umzuwandeln. Somit sind, selbst wenn eine Kraft auf das keramische Element 10 aufgrund der Ausdehnung der umgebenden Teile oder dergleichen ausgeübt wird, die in dem ferroelektrischen Material 13 mit den mehreren Domänen 15 mit inhärenten Polarisationen 16 in unterschiedlichen Richtungen erzeugten piezoelektrischen Effekte gegeneinander versetzt, wodurch die dem piezoelektrischen Effekt zuschreibbaren Störungen verringert werden können.
  • Weiterhin wird, da das keramische Element 10 während der vorbestimmten Zeitperiode bei der vorstehend beschriebenen Erwärmung auf der Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur gehalten wird, eine bei dem Beschneidungsvorgang erzeugte Verzerrung oder dergleichen beseitigt. Daher beeinträchtigt bei dem Abkühlen eine derartige Verzerrung den Phasenübergang des paraelektrischen Materials 17 in das ferroelektrische Material nicht, und Domänen werden zufällig gebildet.
  • Der Domänenwiedererschaffungsvorgang realisiert eine zufällige Wiedererschaffung der Domänen 15 in einer solchen Weise, dass der Energiezustand jedes Kristallkorns 14 oder das ferroelektrische Material 13 stabil werden. Daher ist ein kompliziertes Restspannungsfeld in dem keramischen Element 10 nicht vorhanden und die zeitlichen Änderungen der Dielektrizitätskonstanten können verhindert werden.
  • Einfluss des Domänenwiedererschaffungsvorgangs auf die Neigung der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten
  • Insbesondere kann, da die Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten im Wesentlichen auf demselben Pegel vor und nach dem Domänenwiedererschaffungsvorgang gehalten werden kann, selbst wenn die von dem Beschneidungsvorgang erzeugte Verzerrung oder dergleichen in dem Domänenwiedererschaffungsvorgang beseitigt wird, eine bevorzugte Charakteristik als ein Temperaturerfassungselement erhalten werden. 16 zeigt eine Beziehung zwischen der Temperatur und der Dielektrizitätskonstanten vor und nach dem Domänenwiedererschaffungsvorgang. In 16 stellt eine durch weiße Punkte gezeigte Aufzeichnung Daten über das keramische Element 10 mit einer Polarisation dar (d.h., nach dem Beschneidungsvorgang und vor dem Domänenwiedererschaffungsvorgang), und eine durch schwarze Punkte gezeigte Aufzeichnung stellt Daten über das keramische Element 10 ohne Polarisation dar (d.h., nach dem Beschneidungsvorgang und dem Domänenwiedererschaffungsvorgang).
  • Wie in 16 gezeigt ist, ist die Dielektrizitätskonstante des keramischen Elements 10 ohne Polarisation im Allgemeinen niedriger als die Dielektri zitätskonstante des keramischen Elements 10 mit Polarisation bei derselben Temperatur. Die Neigung der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten ist jedoch im Wesentlichen dieselbe ungeachtet der Anwesenheit oder Abwesenheit der Polarisation. Somit ist ersichtlich, dass, da die Temperaturmessung durch das keramische Element 10 gemäß der vorliegenden Erfindung die Neigung der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten wie vorstehend beschrieben verwendet, sie nicht durch die Absolutwerte der Dielektrizitätskonstanten beeinträchtigt ist und daher eine geeignete Charakteristik als ein Temperaturerfassungselement ungeachtet der Anwesenheit oder der Abwesenheit der Polarisation erhalten werden kann.
  • Herabsetzung der Curiepunkttemperatur
  • Als Letztes wird die Herabsetzung der Curiepunkttemperatur beschrieben. Bei der vorliegenden Erfindung wird weiterhin bei dem Erwärmen in dem Domänenwiedererschaffungsvorgang das keramische Element 10 während der vorbestimmten Zeitperiode auf der Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur gehalten, so dass die bei dem Beschneidungsvorgang erzeugte Verzerrung oder dergleichen beseitigt wird. Wenn daher das keramische Element 10 mit einer niedrigen Curiepunkttemperatur verwendet wird, kann die Temperatur, die bei dem Erwärmen erreicht werden muss, gesenkt werden, und die zum Erwärmen erforderliche Zeit kann verkürzt werden, wodurch die für den Domänenwiedererschaffungsvorgang erforderliche Gesamtzeit reduziert werden kann. Die Herabsetzung der Curiepunkttemperatur des keramischen Elements 10 für einen derartigen Zweck wird nachfolgend beschrieben.
  • 17 zeigt eine Beziehung zwischen dem Additiv zu dem keramischen Element 10 und der Curiepunkttemperatur. Hier wird angenommen, dass Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 als eine Verunreinigung in Bleititanat (PbTiO3), das eines von perowskitartigen Kristallen ist, dotiert ist. Wenn die Additivrate der Verunreinigung als "x" dargestellt ist, kann die Struktur des Bleititanats als "(1-x)xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-xxPbTiO3" ausgedrückt werden. Hier sind, wie in 17 gezeigt ist, die Additivrate x und die Curiepunkttemperatur Tc in einem proportionalen Verhältnis, und die Curiepunkttemperatur Tc kann durch die Abnahme der Additivrate x gesenkt werden.
  • Hier kann, wenn die Curiepunkttemperatur Tc niedriger wird, die während der Wärmebehandlung in dem Domänenwiederbeschaffungsvorgang erforderliche Temperatur insgesamt gesenkt werden, und die für den Domänenwiedererschaffungsvorgang benötigte Zeit kann entsprechend verkürzt werden. Angesichts der erforderlichen Zeit allein ist es bevorzugt, die Curiepunkttemperatur soweit wie möglich abzusenken. Zusammen mit der Änderung der Curiepunkttemperatur Tc ändert sich jedoch auch die Neigung der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten. Daher wird für den Optimierung der Neigung die Curiepunkttemperatur Tc vorzugsweise auf einen festen Pegel eingestellt.
  • 18 zeigt eine Beziehung zwischen der Curiepunkttemperatur Tc und der relativen Dielektrizitätskonstanten ε. 18 zeigt Temperaturcharakteristikkurven a bis e, die erhalten werden, wenn die Additivrate x der zu dem Bleititanat (PbTiO3) mit derselben Struktur wie der in 17 dotierten Verunreinigung geändert wird. Hier ist im Allgemeinen der Temperaturerfassungsbereich des Wärmedetektors vorzugsweise auf den Bereich von angenähert 20 bis 60 Grad Celsius eingestellt. Andererseits ist bei der Temperaturmessung durch den Wärmedetektor die Verwendung eines Bereichs, in welchem die Neigung der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten ausgeprägt ist, vorzugsweise für den Erwerb eines hohen S/N-Verhältnisses. Daher ist die Curiepunkttemperatur Tc vorzugsweise so eingestellt, dass der Bereich, in welchem die Neigung der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten ausgeprägt ist, mit dem Bereich von angenähert 20 bis 60 Grad Celsius übereinstimmt. Insbesondere kann eine geeignete Temperaturcharakteristik in dem Bereich von angenähert 20 bis 60 Grad Celsius erhalten werden, wenn die Additivrate x der Verunreinigung auf angenähert 0,33 eingestellt ist, und die Curiepunkttemperatur Tc wird auf angenähert 170 Grad Celsius abgesenkt, wie durch die Temperaturcharakteristikkurve e in 18 gezeigt ist. Wenn die Curiepunkttemperatur Tc auf einen Pegel gleich oder niedriger als angenähert 170 Grad Celsius eingestellt ist, kann die Curiepunkttemperatur um angenähert 30 Grad gesenkt werden im Vergleich mit der Curiepunkttemperatur des ferroelektrischen Materials 13 vom PZT-Typ, d.h., angenähert 200 Grad Celsius. Somit trägt die Abnahme der Curiepunkttemperatur Tc zu der Abnahme der Temperatur für die Wärmebehandlung in dem Domänenwiedererschaffungsvorgang insgesamt und der Reduzierung der für die Verarbeitung erforderlichen Zeit bei. Demgegenüber wird, wenn die Curiepunkttemperatur Tc extrem niedrig ist, die zu erfassende Temperatur höher als die Curiepunkttemperatur Tc des ferroelektrischen Materials. Dann führt die dielektrische Keramik einen Phasenübergang durch, um aus einer ferroelektrischen Keramik ein paraelektrisches Material zu werden, wodurch ihre Eigenschaften verändert werden. Um derartige Änderungen zu verhindern, ist erforderlich, dass die Curiepunkttemperatur Tc auf eine Temperatur gleich dem oder höher als der Temperaturerfassungsbereich des Wärmedetektors eingestellt wird, d.h., gleich oder höher als 60 Grad Celsius.
  • Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird bei dem Erwärmen das ferroelektrische keramische Element, das dem Beschneidungsvorgang unterzogen wurde und einen hohen piezoelektrischen Effekt hat, allmählich bis zu der Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur des in dem keramischen Element vorgesehenen ferroelektrischen Materials erwärmt, und es wird ein Phasenübergang bewirkt, um es in das paraelektrische Material umzuwandeln, das keine inhärente Polarisation und Domänen aufweist. Weiterhin wird bei dem Abkühlen das keramische Element auf die Temperatur unterhalb der Curiepunkttemperatur abgekühlt und wieder ein Phasenübergang bewirkt, um es in das ferroelektrische Material mit mehreren Domänen mit inhärenten Polarisationen in mehreren Richtungen umzuwandeln. Somit werden, selbst wenn eine Kraft auf das keramische Element aufgrund einer Ausdehnung des umgebenden Teils oder dergleichen ausgeübt wird, die in dem ferroelektrischen Material mit den mehreren Domänen mit inhärenten Polarisationen in unterschiedlichen Richtungen erzeugten piezoelektrischen Effekte gegeneinander versetzt, wodurch die Störungen durch den piezoelektrischen Effekt unterdrückt werden können. Da andererseits die Neigung der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten wenig beeinflusst wird, werden nur die Störungen, die den piezoelektrischen Effekten zuschreibbar sind, verringert, wodurch eine geeignete Charakteristik als das Temperaturerfassungselement erhalten werden kann. Weiterhin ist, da die Domänen zufällig so wiederge schaffen werden, dass der Energiezustand des ferroelektrischen Materials stabilisiert wird, ein kompliziertes Restspannungsfeld in dem keramischen Element nicht vorhanden, wodurch die zeitlichen Änderungen der Dielektrizitätskonstanten verhindert werden können.
  • Noch weiterhin wird gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, da das dielektrische Material während einer vorbestimmten Zeitperiode auf der Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur gehalten wird, die bei dem Beschneidungsvorgang erzeugte Verzerrung oder dergleichen beseitigt. Daher beeinträchtigt die Verzerrung den Phasenübergang von dem paraelektrischen Material in das ferroelektrische Material beim Abkühlen nicht und die Domänen werden zufällig gebildet.
  • Noch weiterhin kann gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, da die Curiepunkttemperatur abgesenkt wird, die zum Erwärmen des paraelektrischen Materials erforderliche Zeit verkürzt werden und die zum Herstellen des Wärmeerfassungselements erforderliche Zeit kann verkürzt werden.
  • Noch weiterhin kann gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, da die Curiepunkttemperatur in den Bereich von angenähert 60 bis 170 Grad Celsius eingestellt wird, die Temperaturcharakteristik des ferroelektrischen Materials für die Wärmeerfassung optimiert werden.
  • Somit werden das erste und das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben. Eine spezifische Struktur und ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung können jedoch beliebig innerhalb des Bereichs des technischen Konzepts der vorliegenden Erfindung, so wie sie in den angefügten Ansprüchen wiedergegeben ist, geändert oder verbessert werden. Die Änderung der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben.
  • Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung kann nicht nur auf den vorstehend beschriebenen Wärmedetektor 1 angewendet werden, sondern auch auf alle Vorrichtungen, die Wärme in dem Überwachungsbereich erfassen und einen Alarm entsprechend dem erfassten Zustand ausgeben, beispielsweise auf einen Wärmedetektor.
  • Zu lösende Probleme und Wirkung der Erfindung
  • Die durch die vorliegende Erfindung zu lösenden Probleme und die Wirkungen der vorliegenden Erfindung sind nicht durch die vorstehende Beschreibung beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann ein Problem lösen, das vorstehend nicht beschrieben ist, und sie kann eine Wirkung ausüben, die nicht vorstehend beschrieben ist. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung einen Teil der vorsehend beschriebenen Probleme lösen, und sie kann einen Teil der vorstehend beschriebenen Wirkungen ausüben. Beispielsweise kann, selbst wenn das thermische Ansprechverhalten des Wärmedetektors 1 nicht einem gewünschten Pegel des thermischen Ansprechverhaltens genügt, wenn das erreicht thermische Ansprechverhalten zumindest eine Verbesserung gegenüber dem herkömmlichen Wärmedetektor ist, eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung als gelöst angesehen werden.
  • Über den Wärmedetektor
  • Der Wärmedetektor führt eine Temperaturberechnung durch auf der Grundlage der Ladezeit, die sich gemäß der Dielektrizitätskonstanten des keramischen Elements 10 ändert. Die Implementierung der Temperaturberechnung ist jedoch nicht auf das vorbeschriebene Beispiel beschränkt und kann auf der Grundlage einer oszillierenden Frequenz, die sich gemäß der Dielektrizitätskonstanten ändert, realisiert werden.
  • Weiterhin ist, obgleich der Wärmedetektor nach den Ausführungsbeispielen ein Wärmedetektor vom Festtemperaturtyp ist, der eine Temperaturberechnung auf der Grundlage der Ladezeit, die sich gemäß der Dielektrizitätskonstanten ändert, durchführt, der Typ des Wärmedetektors nicht auf den vorstehend beschriebenen beschränkt und kann ein Wärmedetektor vom Differenztyp sein, der die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs auf der Grundlage der Änderungsgeschwindigkeit der Ladezeit, die sich entsprechend der Dielektrizitätskonstanten ändert, erfasst. Weiterhin kann der Wärmedetektor zusätzlich zu der Temperaturberechnungseinheit 20, die eine Temperatur auf der Grundlage der Ladezeit oder der Oszillationsfrequenz, die sich gemäß der Dielektrizitätskonstanten des keramischen Elements 10 ändert, berechnet, eine Temperaturkorrekturvorrichtung, die die Temperatur auf der Grundlage eines pyroelektrischen Stroms oder dergleichen, der auf der Grundlage der Änderungsgeschwindigkeit der Dielektrizitätskonstanten des keramischen Elements 10 erzeugt wird, korrigiert, und einen Schalter, der zwischen der Temperaturberechnungseinheit 20 und der Temperaturkorrekturvorrichtung umschaltet, enthalten.
  • Über das keramische Element 10
  • Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird Keramik vom PZT-Typ als das das keramische Element 10 bildende ferroelektrische Material 13 verwendet. Hier kann jedes Mischungsverhältnis von Zr und Ti verwendet werden. Weiterhin kann die Keramik vom PZT-Typ einen Zusatz wie Nb, La, Ca und Sr enthalten. Weiterhin ist das das keramische Element 10 bildende ferroelektrische Material 13 nicht auf die Keramik vom PZT-Typ oder das vorstehend genannte Bleititanat (PbTiO3) beschränkt und kann eine ferroelektrische Keramik sein, die eine andere perowskitartige Kristallstruktur hat, wie Strontiumtitanat (SrTiO3) oder Bariumtitanat (BaTiO3).
  • Die das keramische Element 10 bildende ferroelektrische Keramik ist für große Härte vorteilhaft. Wenn ein derartiger Vorteil nicht erforderlich ist, kann ein anderes ferroelektrisches Material als die Keramik zur Bildung des keramischen Elements 10 verwendet werden. Das ferroelektrische Material 13, das nicht aus Keramik besteht, ist beispielsweise hochpolymeres ferroelektrisches Material wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder ferroelektrischer Kristall wie Glyzinsulfat. Diese ferroelektrischen Materialien können zur Bildung des keramischen Elements 10 verwendet werden. Somit kann, selbst wenn das keramische Element 10 aus einem ferroelektrischen Material gebildet wird, das nicht die ferroelektrische Keramik ist, der Wärmedetektor 1 die Temperaturberechnung gemäß der Dielektrizitätskonstanten oder der Änderungsgeschwindigkeit der Dielektrizitätskonstanten des keramischen Elements 10 durchführen.
  • Über den Domänenwiedererschaffungsvorgang
  • Im Schritt S101 oder im Schritt S102 des zweiten Ausführungsbeispiels wird das keramische Element 10 mit dem dem Beschneidungsvorgang unterzogenen ferroelektrischen Material 13 allmählich erwärmt oder abgekühlt. Solange wie das ferroelektrische Material 13 und die Elektrode 12, die das keramische Element bilden, und die Klebverbindung zwischen dem ferroelektrischen Material 13 und der Elektrode 12 nicht beschädigt werden, kann das keramische Element 10 schnell erwärmt oder abgekühlt werden. Weiterhin können der Schritt S101 oder der Schritt S102 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel durch Einführung des keramischen Elements 10 in einen Heizofen, dessen Temperatur gleich der oder die Curiepunkttemperatur eingestellt ist, oder in ein Kühlbad, dessen Temperatur unterhalb der Curiepunkttemperatur eingestellt ist, realisiert werden. Noch weiterhin kann das keramische Element 10 im Schritt S102 durch natürliche Wärmestreuung abgekühlt werden.
  • Weiterhin wird im Schritt S101 des zweiten Ausführungsbeispiels das keramische Element 10 während einer vorbestimmten Zeitperiode auf der Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur des keramischen Elements 10 gehalten. Das Halten während der vorbestimmten Zeitperiode wird für den Zweck der Beseitigung der Verzerrung oder dergleichen, die bei dem Beschneidungsvorgang erzeugt wurde, und des Phasenübergangs in das paraelektrische Material 17 durchgeführt. Wenn die Beseitigung der Verzerrung jedoch nicht erforderlich ist, oder wenn die Verzerrung augenblicklich beseitigt werden kann, oder wenn nur eine geringe Verzerrung vorliegt, kann das Abkühlen unmittelbar nach dem Erwärmen des keramischen Elements 10 auf eine Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur beginne, ohne dass die vorbestimmte Zeitperiode zum Halten des keramischen Elements 10 bei der Temperatur abgewartet wird. Wenn die Zeit, die erforderlich ist, um das keramische Element 10 auf der Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur zu halten, verkürzt wird, wird der Durchsatz des Domänenwiedererschaffungsvorgangs verbessert.
  • Weiterhin kann ein Teil des ferroelektrischen Materials 13, das das keramische Element 10 bildet, eine paraelektrische Phase auf einer Niedrigtemperaturseite einer ferroelektrischen Phase haben. In diesem Fall kann das keramische Element 10 im Schritt S101 des zweiten Ausführungsbeispiels auf eine Temperatur gleich der oder niedriger als die Curiepunkttemperatur abgekühlt werden, und es kann im Schritt S102 auf eine Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur erwärmt werden. in diesem Fall kann das keramische Element 10 bei der Temperatur gleich der oder niedriger als die Curiepunkttemperatur während einer vorbestimmten Zeitperiode gehalten werden.
  • Weiterhin ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel das das keramische Element 10 bildende ferroelektrische Material 13 ausgebildet, um einen Phasenübergang in das paraelektrische Material 17 durch die Temperaturänderung zu bewirken. die Art, in der der Phasenübergang induziert wird, ist jedoch nicht auf die vorbeschriebene Weise beschränkt, und der Phasenübergang in das paraelektrische Material 17 kann durch Anwendung von Energie wie Druck oder Licht induziert werden.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Die vorliegende Erfindung kann das thermische Ansprechverhalten einer Wärmeerfassungseinheit wie ei nes keramischen Elements verbessern und eine schnelle Wärmeerfassung realisieren.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein funktionelles Blockschaltbild einer Struktur eines Wärmedetektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 2 ist ein Schaltungsdiagramm eines Hauptteils einer in 1 gezeigten Temperaturberechnungseinheit;
  • 3 zeigt eine Beziehung zwischen der Temperaturänderung und der Ladezeit eines keramischen Elements;
  • 4 ist ein schematisches Diagramm des keramischen Elements;
  • 5 zeigt eine Draufsicht und einen vertikalen Schnitt des keramischen Elements oder dergleichen in Beziehung miteinander;
  • 6 zeigt eine Beziehung zwischen der Curiepunkttemperatur Tc und der relativen Dielektrizitätskonstanten ε;
  • 7 zeigt einen Unterschied der Charakteristiken der thermischen Empfindlichkeit gemäß einer thermischen Zeitkonstanten;
  • 8 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke des keramischen Elements (horizontale Achse) und der Wärmekapazität als einen rela tiven Wert (vertikale Achse);
  • 9 zeigt eine Beziehung zwischen der kombinierten Dicke des keramischen Elements und einer Elektrode (horizontale Achse) und der Wärmekapazität als einem relativen Wert (vertikale Achse);
  • 10 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung des keramischen Elements;
  • 11 ist ein schematisches Diagramm des keramischen Elements nach dem Beschneidungsvorgang und vor der Implementierung des Verfahrens zur Herstellung eines Wärmeerfassungselements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
  • 12 zeigt zeitliche Änderungen einer Ausgangsspannung des keramischen Elements, dessen inhärente Polarisation durch den Beschneidungsvorgang orientiert wurde;
  • 13 ist ein Flussdiagramm einer Prozessfolge eines Domänenwiedererschaffungsvorgangs;
  • 14 ist ein schematisches Diagramm des auf eine Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur erwärmten keramischen Elements;
  • 15 zeigt zeitliche Änderungen einer Ausgangsspannung des keramischen Elements vor und nach dem Domänenwiedererschaffungsvorgang;
  • 16 zeigt eine Beziehung zwischen der Tempera tur und der relativen Dielektrizitätskonstanten vor und nach dem Domänenwiedererschaffungsvorgang;
  • 17 zeigt eine Beziehung zwischen einem Zusatz zu dem keramischen Element und der Curiepunkttemperatur;
  • 18 zeigt eine Beziehung zwischen der Curiepunkttemperatur und der relativen Dielektrizitätskonstanten;
  • 19 ist eine Vorderansicht eines herkömmlichen Wärmedetektors vom Thermistortyp; und
  • 20 ist eine Schnittansicht des in 19 gezeigten Wärmedetektors entlang der Linie A-A.
  • Zusammenfassung:
  • Es ist ein Wärmedetektor vorgesehen, bei dem das thermische Ansprechverhalten einer Wärmeerfassungseinheit wie eines keramischen Elements verbessert ist.
  • Ein Wärmedetektor (1) enthält ein keramisches Element (10), das in einem Erfassungsvorrichtungs-Hauptkörper aufgenommen ist, und misst eine Temperatur in einem Überwachungsbereich auf der Grundlage einer Dielektrizitätskonstanten des keramischen Elements (10). Die Curiepunkttemperatur des keramischen Elements ist in einem vorbestimmten Empfindlichkeitstemperaturbereich eingestellt.
    • 1, 110
    Wärmedetektor
    10
    keramisches Element
    11, 12
    Elektrode
    13
    ferroelektrisches Material
    14
    Kristallkorn
    15
    Domäne
    16
    inhärente Polarisation
    17
    paraelektrisches Material
    20
    Temperaturberechnungseinheit
    30
    Speichereinheit
    40
    Steuereinheit
    111
    Erfassungsvorrichtungs-Hauptkörper
    112
    Thermistor
    113
    Thermistorführung
    R1 bis R5
    Widerstand
    TR1 bis TR3
    Transistor
    IC1
    Komparator

Claims (13)

  1. Wärmedetektor, der die Temperatur in einem Überwachungsbereich auf der Grundlage einer Dielektrizitätskonstanten eines keramischen Elements misst, wobei eine Curiepunkttemperatur des keramischen Elements so in einem Bereich eingestellt wird, dass die Curiepunkttemperatur eine vorbestimmte Beziehung zu einem Empfindlichkeitstemperaturbereich des Wärmedetektors hat.
  2. Wärmedetektor nach Anspruch 1, bei dem die Curiepunkttemperatur des keramischen Elements in einem Bereich derart eingestellt ist, dass ein Nachbarbereich der Curiepunkttemperatur auf einer Temperaturcharakteristikkurve des keramischen Elements im Wesentlichen dem Empfindlichkeitstemperaturbereich entspricht.
  3. Wärmedetektor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Curiepunkttemperatur in einem Bereich von angenähert 60 Grad Celsius bis angenähert 170 Grad Celsius eingestellt ist.
  4. Wärmedetektor, der die Temperatur in einem Überwachungsbereich auf der Grundlage einer Dielektrizitätskonstanten eines keramischen Elements misst, wobei eine dicke des keramischen Elements gleich einer oder geringer als eine Dicke ist, die im Wesentlichen einer vorbestimmten Zeitkonstanten bei einer Feuererfassung entspricht.
  5. Wärmedetektor nach Anspruch 4, bei dem die Zeitkonstante gleich oder weniger als angenähert 24 Sekunden ist.
  6. Wärmedetektor nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Dicke des keramischen Elements gleich oder weniger als angenähert 100 Mikron ist.
  7. Wärmedetektor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem eine kombinierte Dicke des keramischen Elements und einer auf dem keramischen Element vorgesehenen Elektrode gleich oder weniger als angenähert 130 Mikron ist.
  8. Wärmedetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das keramische Element ein piezoelektrisches keramisches Element mit einer perowskitartigen Struktur ist.
  9. Verfahren zum Herstellen eines Wärmeerfassungselements, das zum Messen der Temperatur in einem Überwachungsbereich auf der Grundlage einer Dielektrizitätskonstanten eines dielektrischen Materials dient, welches aufweist: Erwärmen des dielektrischen Materials auf eine Temperatur gleich einer oder höher als eine Curiepunkttemperatur des dielektrischen Materials; und Abkühlen des dielektrischen Materials auf eine Temperatur, die niedriger als die Curiepunkttemperatur ist.
  10. Verfahren zum Herstellen des Wärmeerfassungselements nach Anspruch 9, bei dem das Erwärmen das Halten des dielektrischen Materials auf der Temperatur gleich der oder höher als die Curiepunkttemperatur während einer vorbestimmten Zeitperiode enthält.
  11. Verfahren zum Herstellen des Wärmeerfassungselements nach Anspruch 10, bei dem das dielektrische Material eine piezoelektrische Keramik mit einer perowskitartigen Struktur ist.
  12. Verfahren zum Herstellen des Wärmeerfassungselements nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Curiepunkttemperatur durch Zugabe einer vorbestimmten Verunreinigung zu dem dielektrischen Material mit einer vorbestimmten additiven Rate abgesenkt ist.
  13. Verfahren zum Herstellen des Wärmeerfassungselements nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Curiepunkttemperatur des dielektrischen Materials innerhalb eines Bereichs von angenähert 60 Grad Celsius bis angenähert 170 Grad Celsius eingestellt ist.
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