DE1293245B - Verfahren zum Vorpolarisieren von piezoelektrischen keramischen Schwingern - Google Patents

Description

• Bekanntlich weisen manche polykristalline keramische Stoffe Elektrostriktion auf, z. B. das Bariumtitanat, das Bleimetaniobat und das Bleititanatzirkonat. Durch Einwirkung eines starken elektrischen Gleichfeldes kann bei diesen Stoffen eine elektrostriktive Dehnung in solchem Grad hervorgerufen werden, ,daß sie nach der Beendigung der Einwirkung remanent vorhanden bleibt. Besonders ausgeprägt wird diese Remanenz, wenn der Stoff bis über die Curietemperatur erhitzt wird und die. anschließende Abkühlung in einem starken elektrischen- Gleichfeld erfolgt. Diese Behandlung des Stoffes wird als Vorpolarisieren bezeichnet, der so behandelte Stoff als piezoelektrischer, keramischer Stoff. Ursache eines solchen Verhaltens sind die sogenannten Domänen, d. h. Bezirke mit gleich und gleichsinnig gerichteten elektrischen Momenten der Dipole, welche aus Molekülen dieser Stoffe gebildet werden.
• Wird ein solcher vorpolarisierter Stoff der Einwirkung eines elektrischen Wechselfeldes ausgesetzt, so entstehen mechanische Schwingungen, die praktisch sinusförmig verlaufen, sofern die Amplitude der durch das Verschiebungswechselfeld hervorgerufenen elektrostriktiven Wechseldehnung klein gegenüber der remanenten elektrostriktiven Dehnung bleibt. Werden in umgekehrter Weise in dem betreffendem Stoff mechanische Schwingungen durch äußere Kräfte hervorgerufen, so entstehen elektrische Wechselfelder in ihm.
• Solche elektrostriktiven Schwinger werden als Sender oder Empfänger, z. B. für Ultraschall, in großem Umfang in der Praxis verwendet.
• Das Erreichen einer starken Vorpolarisation wird erschwert durch die verhältnismäßig geringe Durchschlagfestigkeit der betreffenden Dielektriken und durch die Abnahme ihres Durchgangswiderstandes mit der Temperatur. Auch ist die Anwendung von. hoher Spannung beim Polarisierungsvorgang aus betrieblichen Gründen unerwünscht.
• Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß eine stärker ausgeprägte elektrostriktive Remanenz entsteht, wenn anstatt eines Vorpolarisierens bei einer bestimmten Gleichspannung in einer einzigen Richtung ein Vorpolarisieren in gleicher Spannung nacheinander in zwei verschiedenen, jedoch nicht um 180° unterschiedlichen Richtungen vorgenommen wird. Entsprechend kann man auch eine gleich stark ausgeprägte elektrostriktive Remanenz bei einem Vorpolarisieren mit zwei verschiedenen Richtungen nacheinander mit niedrigerer Spannung erreichen als beim üblichen Vorpolarisieren in nur einer Richtung.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn die beiden Richtungen des Vorpolarisierens senkrecht zueinander liegen. Sofern eine endgültige Remanenz in einer bestimmten Richtung angestrebt wird, ist es zweckmäßig, das zweite Vorpolarisieren in dieser Richtung zu wählen und hierbei möglichst eine größere Feldstärke wirken zu lassen als beim ersten Vorpolarisieren. Da die Curietemperaturen sowie die Durchschlagfestigkeiten und die Durchgangswiderstände der betreffenden Dielektriken bei verschiedenen Temperaturen recht unterschiedlich sind, sei die Arbeitsweise allgemein erläutert.
• Als Beispiel wird ein Dickenscherschwinger in Form eines Quaders gewählt mit der Dicke D und der Länge L, die größer als die Breite B ist. Es werden nacheinander ein erstes Vorpolarisieren in Richtung L und ein zweites in Richtung B mit gleich ,großer Spannung durchgeführt, so daß .die Feldstärke beim zweiten Vorpolarisieren größer als die beim ersten ist. Sodann wird die Arbeitswechselspannung in der Richtung D angelegt und der effektive Kopplungsfaktor kesf bestimmt. Dieser ist bekanntlich ein Maß für die Umsetzung der elektrischen Energie in die mechanische (oder umgekehrt) und beträgt worin fp die -Parallelresonanzfrequenz und fs die Reihenresonanzfrequenz ist. Für jedes Vorpolarisieren und ebenso für die Arbeitswechselspannung sind geeignete Elektroden anzubringen und erforderlichenfalls im Verlauf der weiteren Behandlung wieder zu entfernen, z. B. müssen die Elektroden für das erste Vorpolarisieren beseitigt werden, bevor die Elektroden für das zweite Vorpolarisieren angebracht werden, da andernfalls diese Elektroden zusammengenommen einen leitenden kurzgeschlossenen Ring bilden würden.
• Es werden nun Untersuchungsreihen in folgender Weise durchgeführt: Bei verschieden hohen Ausgangstemperaturen (für die Abkühlung) sowie bei Einsatz verschieden hoher Gleichspannungen werden ein Vorpolarisiereri in Richtung L sowie jeweils anschließend in Richtung B bei gleicher Temperaturabnahme je Zeiteinheit ausgeführt und jedesmal die effektiven Kopplungsfaktoren bestimmt. Jeweils parallel hierzu und unter sonst gleichen Bedingungen wird der gleiche Faktor nach einem üblichen Vorpolarisieren in Richtung B ermittelt. Sowohl bei den Versuchen mit verschiedenen Gleichspannungen als auch bei denjenigen mit verschiedenen Ausgangstemperaturen ist jeweils die Reihenfolge von den niedrigeren zu den höheren Spannungs- bzw. Temperaturdaten einzuhalten. Andernfalls muß die durch das vorangegangene Vorpolarisieren hervorgerufene elektrostriktive Remanenz vor dem nachfolgenden Vorpolarisieren beseitigt werden, und zwar durch eine Erhitzung des Dielektrikums über die Curietemperatur hinaus nebst anschließendem Abkühlen ohne Einwirkung eines elektrischen Feldes.
• Im Schaubild sind die effektiven Kopplungsfaktoren für die Dickenscherschwingung eines Quaders schematisch aufgezeichnet. Kurve 1 zeigt die Abhängigkeit von der Spannung beim üblichen Vorpolarisieren in Richtung B allein, Kurve 2 zeigt die gleiche Abhängigkeit beim Vorpolarisieren nach der Erfmdung (Richtung L, sodann Richtung B). Beide Kurvenzüge laufen asymptotisch auf den Grenzfall zu, bei dem sämtliche Domänen gleich und gleichsinnig gerichtet sein würden. Ersichtlich wird beim Vorpolarisieren nach der Erfindung in einem großen Bereich ein bestimmter Kopplungsfaktor mit wesentlich niedrigerer Spannung erreicht als bei der bekannten Art des Vorpolarisierens. Durch einen Vergleich der Schaubilder für verschiedene Temperaturbereiche beim Vorpolarisieren ermittelt man leicht den günstigsten Fall für die beabsichtigte betriebliche Ausführung.
• Bei durchgeführten Versuchen ergaben sich zahlenmäßig für Dickenscherschwinger in der Form eines Quaders mit L = 9 mm, B = 7 mm und D = 0,3 mm aus Bleititanatzirkonat, dessen Curietemperatur etwa bei 300° C liegt, bei einer Resonanzfrequenz von etwa 4 MHz nach einem bisher üblichen Vorpolarisieren nur in Richtung B mit 30 kV Gleichspannung und einer Ausgangstemperatur von 200° C effektive Kopplungsfaktoren von 55 bis 60 %, dagegen solche von 60 bis 63 % beim Vorpolarisieren nach der Erfindung (nacheinander in Richtung L und B).

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Vorpolarisieren von piezoelektrischen keramischen Schwingern, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein zweimaliges Vorpolarisieren nacheinander in verschiedenen Richtungen vorgenommen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Richtungen aufeinander senkrecht stehen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorpolarisieren in der ersten Richtung mit geringerer Feldstärke als. in der zweiten erfolgt.
4. 4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Richtung eine bestimmte, angestrebte Richtung der Remanenz ist.