DE1791270A1

DE1791270A1 - Vorrichtung und verfahren zum nachweisen eines elektrischen felds

Info

Publication number: DE1791270A1
Application number: DE19681791270
Authority: DE
Inventors: Tadao Kohashi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1967-05-02
Filing date: 1968-04-29
Publication date: 1973-04-26
Also published as: FR1562554A; DE1789141A1; DE1764239A1; DE1791270C3; DE1764239C3; US3550095A; DE1791270B2; DE1764239B2; GB1214222A

Description

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Tei. 2603389

8. Marz 1972

Matsushita Electric Industrial Oo«_t Ltd., Osaka

CJapan)

Vorrichtung und Verfahren zum Nachweisen eines

elektrischen Felds

(1. Aussoheidtmgsanmelaung aus P 17 64 239.6-33)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren zum nachweisen eines elektrischen Felds«

Durch die Erfindung soll das elektrische Feld derart nachweisbar sein, daß es nicht nur während der Meßzeit, sondern auch einige Zeit später durch Sichtbarmachen nachgewiesen werden kann. Dies erweist sich bei verschiedenen Verfahrensdurchführungen als vorteilhaft, bei denen nur das möglicherweise während einer vergangenen Zeitspanne vorübergehende Vorhandensein eines elektrischen Felds nachgewiesen werden soll oder bei der die iiachweisvorrichtung während der Durchführung unzugänglich ist.

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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ziarn Speichern und späteren Sichtbarmachen des Vorhandenseins und der■Verteilung des■-elektrischen Felds ein feldspeiehernde Eigenschaften aufweisendes» elektrolumineszierendes Element derjenigen Art vorgesehen ist, hei der ,.die Lumineszenz strahlung duroh Wechselstrom erregbar und durch ein anliegendes Gleichfeld steuerbar ist/f WGE-Elemente sind an sich bekannt (DT-PS f 087 698)* Hierbei steuert eine am WGE-Element (Wechselspannungs-Öleichspannungs-Elektrolumineszenz-Element) anliegende Gleichspannung den durch die gleichzeitig anliegende Wechselspannung erregten Mchtausgang. Uach der Effiridteg'lst im WÖE-Element eine Substanz eingebaut, die das angelegte elektrische ]?eld speichern kann» Solche Substanzen sind an sich' bekannt und werden auch gelegentlich in der Bildwandlerteohnik verwendet (DT-PS 1 202 913)« Nach der Erfindung dient diese Funktion der Feldspeiche rung dem ^Einfrieren¹¹ des nachzuweisenden Felds im WGB-Element, das anschließend bei Anlegen einer Wechselspannung aufgrund der Steuerung durch das aufgeprägte Gleichfeld mehr oder weniger aufleuchtet. Vorzugsweise ist das elektrolumineszierenäe EIe^ ment sohichtförmig und liegt zwischen zwei Elektroden, von denen mindestens eine lichtdurchlässig ist, so daß die Verteilung des elektrischen Felds in der Schichtebene nachher in Form eines Iieuohtbilds sichtbar gemacht werden kann.

Wie erwähnt, geschieht die Abfragung des Arbeitsergebnisses duroh Anlegen der Wechselspannung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Erzeugung eines negativen oder eines positiven Lichtausgangs verwendet werden. Ein starkes Gleichfeld dämpft den Mchtaus-/* (WGE^M-Element)

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gang * Soll ein .starkes nachzuweisendes Gleichfeld einen starken Lichtausgang bewirken, so wird in der Art vorgegangen,, daß man vor dem Einspeichern des nachzuweisenden elektrischen Felds ein vorläufiges elektrisches Gleichfeld von entgegengesetzter Polarität einspeichert, wobei man vorzugsweise das vorläufige elektrische- Gleichfeld in solcher Höhe und Dauer an das elektrolumineszierende Element anlegt, daß die Speicherung ihrer Sättigung erreicht. Das nachzuweisende elektrische Fe-Id verringert da,nn am Ort seines Auftretens das eingespeicherte vorläufige

Als besondere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sei erwähnt, daß man das zu speichernde Feld durch:Abtasten mit. einem Elektronenstrahl auf die elektrolumineszierende Schicht aufbringt., Es ist auch möglich, eine Matrixanordnung von Elektronenemissionselementen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf ihre Elektronenemission hin abzufragen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Zeichnung beispielsweise dargestellt; es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit ihrer elektrischen Installation;

Fig; 2 und 3 mit einem Oszillographen bei der Vorrichtung nach Fig. 1 beobachtete Spannungs- und Lichtausgangsverläufe.

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Fig* 1 zeigt ein lumineszierendes Element 10,«das aus einer Schicht 1 elektrolumineszierenden Materials besteht, das in einer dielektrischen Trägersubstanz dispergiert ist, die nachstehend als WGE-Schicht bezeichnet ist (Wechselspannung-Gleichspannung-Elektrolumineszenz-Schicht). Diese Sohicht ist zwischen zwei Elektroden 2 und 3 angeordnet, von denen wenigstens ,eine lichtdurchlässig,i.st. Die dielektrische Trägersubstanz ist in der Lage, ein inneres elektrisches Feld aufzunehmen, wenn eine äußere polarisierende Gleichspannung an sie gelegt wird, und eine Restkomponente, des elektrischen Feldes noch aufrechtzuerhalten, nachdem die Polarisationsspannung abgeschaltet ist. Die GWE-Schicht .11 besteht beispielsweise aus einem Pulver aus durch ZnS grün elektrolumineszierendeni Material, das mit Cu oder Al aktiviert ist..Dieses Pulver ist in einer dielektrischen Tragersubstanz dispergiert, die beispielsweise aus flüssigem Trikresylphosphat besteht. Die Schicht ist in einer Dicke in der Größenordnung von 100 /u ausgebildet. Die Elektroden 2 und 3 sind aus transparenten elektrisch leitenden dünnen Schichten aus Zinnoxid od. dgl. gebildet, die auf transparente Glasplatten 4 bzw. 5 aufgebracht sind. Ein Isolierdistanzstüok 6 besteht beispielsweise aus Polyester.

Gemäß Fig. 1 wird der Lumineszenzausgang Lg von der Seite der Schicht 1 abgegeben, die der ersten Elektrode 2 zunächst liegt. Eine Gleichspannungsquelle 7, die zum Aufzeichnen und Löschen des elektrischen Signals dient, gibt veränderliche Gleichspannungen V-g- und V^ entgegengesetzter Polarität über einen Schalter S an die Elektroden 2 und 3 ab. Eine WechBelspannungsquelle 8 dient zum Erregen der

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1 ftif das Ahlesen 4§s Iiijgii||esgen^l>iides und gifct f§0h§elgpa^ij|umg T^ Tefinde?l|ato.er Amplitude ab, Die nö.ii3|gsq.uellf 7 uj|d die Weehselspa^i»igseLuelle 8 wie in Jig. 1 dargestellt, zusammen mit einem Kondensator 9 mit den Elefctroden 2 «nd 3 verbunden, und zwar sind die Weojißelspaniiungs^uelle 8 und der Kondensator 9 zwischen (|en |!|etetiptfs 2 und 5 in leihe geschaltet, währgjid die &leislispannungsi|uelle 7 zum Kondensator 9 para5.1elg@s<?li^ltet ist_f i|in Widerstand mit geeignetem WiderstajidiWßSi? ^^a?W mit 4ei Kondensat ο ρ 9 verbunden sein, um diesen, z,$ entlidejj., ßder der Epndensator 9 teann auen weg-

fig« 2 zeigt SpgnnungST- und Iiumineszenzyerläufe» die mit der feldspeicliemden W&S^Schiant 1 erhalten und an sinnem Oszlllograp&en beot»aclitet

fig, 2A zeigt zunächst den Terlauf der Wechselspannung Y. zum Brregen der Iiumineszenz, die hei diesem Versuch eine Wechselspannung von 80 Y und 1 kHz ist, gemessen als Veränderung des Potentials der Elektrode 2 auf der Ijuminessenzausgangaseite in bezug zur zweiten Elektrode 3> In ?ig. 2B ist der Verlauf des Iiumineszenzausgangs It₂. dargestellt, ^renn. die in fig, 2A dargestellte Wechselspannung V. an die Elektroden 2 und 3 des Elements 10 gelegt wird, das sich in einem Zustand befindet, in dem keine Bestkomponente eines elektrischen feldes in der WGE-Schicht 1 vorhanden ist.

Diese Restkomponente wird durch derartiges Anlegen einer äußeren polarisierenden Gleichspannung γοη der Gleichspannungsquelle 7 an die Elektroden 2, 3 erzeugt, daß die Polarität der ersten Elektrode 2 positiv in bezug zur zwei-

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' Die Intensität des polarisierten.Restfeldes verringert sich mit der seit dem Wegnehmen der polarisierenden Spannung verstrichenen Zeit. Deshalb tonnen die unteren Grenzen der Spannung Tind der Anlegezeitdauer des.Löschsignals etwa mit den gleichen Werten festgesetzt werden wie. die des Einspeiehersignäls oder mit niedrigeren Werten, je nach der Zeit, die seit dem Einspeichern verstrichen ist. Es ist jedoch :,. weniger schwierig und praktischer, wenn die Spannung und die AnIegezeitdauer auf Werte festgelegt werden; die etwa die gleichen oder die höher sind als die des Einspeichersignals. . ..■./"■. · ■■-■;"

Fig. 2D zeigt den Verlauf des Lumineszenzausgangs L2» de.r zu beobachten ist, wenn die die Lumineszenz erregende Wechselspannung V. an die Schicht gelegt wird, nachdem.ein Löschsignal von 400 V (Spannung von V-Q₁) durch Drehen des Schalters S in die Stellung c hei einer Wechselspannung V^ von Null und Zurückdrehen des Schalters in die neutrale Stellung "b zum Abschalten der Gleichspannung nach einer Sekunde angelegt wurde. In diesem Zustand ist die vorher aufgrund des Einspeicher signals Y-Q₁ vorhandene Restkomponente des polarisierten Feldes gelöscht, wodurch man wieder den unverminderten Lumineszenzausgang L2 erhält, der demjenigen nach Fig. 2B entspricht.

Die Ergebnisse nach Fig. 3 erhielt man bei Versuchen, bei denen das innere elektrische Gleichfeld so gerichtet ist, daß das gespeicherte Signal mit verstärkter Intensität des Lumineszenzausgangs Lg in Abhängigkeit von der Intensität des Eingangseignais dargestellt wird, also als Positiv-Lichtausgang.

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Die für die Oszillogramme nach Fig. 3 verwendete, die lumineszenz erregende Wechselspannung V. ist die gleiche wie die in Pig. 2A-dargestellte, wie auß Pig. 3A ersichtlich. Fig. 3B zeigt den Verlauf des Lumineszenzausgangs Lp unter der FIg₀ 2B entsprechenden Bedingungen»

Fig. 30 ist eine Darstellung des Lumineszenzausgangs Lp der zu beobachten ist, wenn eine die Lumineszenz erregende Spannung V. (Wellenform nach Fig. 3A) von 80 V und IkHz^ an^ die Elektroden 2, 3 gelegt wird und der Schalter S in der Stellung b ist, nachdem vorher ein genügend hohes polari-. siertes Restfeld in der Schicht 11 durch Drehen des Schalters S in die Stellung a erzeugt worden ist, d. h. 'durch Anlegen einer Gleichspannung von 400 V (V-D₂) ^{an d}^^e Schicht für eine Sekunde mit einer solchen Polarität, daß die Elektrode 2 positiv gegenüber der Elektrode 3 ist, bei abge- . schalteter Wechselspannung V.. Nach diesem vorbereitenden Polarisierungsvorgang gibt die Schicht 1 einen sehr geringen Ausgang L₂ ab im Vergleich zu dem in Fig. 3B dargestellten Zustand, bei dem kein Restfeld vorhanden ist« Während des Vorhandenseins dieses Restfeldes wird nun die Gleichspannung V-^₁ von 140 V, die niedriger ist als die Spannung V^₂ und eine dieser entgegengesetzte Polarität hat, für eine Sekunde als rechteckiges Eingangssignal durch Drehen des Schalters S in die Stellung ο bei nicht anliegender Wechselspannung an die Elektroden 2, 3 gelegt» Das Restfeld in der Schicht i"wird in Abhängigkeit vom Wert und von der Anlegezeitdauer der Spannung Vg₁ gelöscht oder verringert. Nun wird nach Drehen des Schalters S in die Stellung b die die Lumineszenz erregende Wechselspannung V. an die Elektroden 2, 3 angelegt. Der Verlauf des sich er-

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gebenden Lumineszenzausgangs Lp ist in Fig« 3D dargestellt. Wie "bei einem Vergleich -der"Wellenform nach den Fig. 30 und 3D festzustellen ist, wird das Restfeld, das durch Anlegen der Spannung V₂₂ erzeugt worden ist, durch Anlegen der Spannung YjJ₁ (Aufzeichnung) verringert oder gesteuert, wodurch ein verstärkter Lumineszenzausgang auftritt»

Der Lumineszenzausgang ist also eine positive Bildwiedergabe■«, Die Wiedergabe des gespeicherten Signals kehrt in den durch die Wellenform nach Fig. 3B bezeichneten Zustand gleichmäßiger maximaler Helligkeit zurück, wenn das Restfeld ganz gelöscht wirdu Das Löschen der Speicherung erfolgt durch Anlegen einer Gleichspannung V^ entgegengesetzter Polarität, die genügend hoch ist, um das polarisierte Restfeld zu löschen, z„ B₀ 400 V₀ Der resultierende Lumineszenzausgang ist in Fig„ 3E dargestellt, die der Figo 3B entspricht■„.

Gemäß den Ergebnissen der in Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 beschriebenen Versuche erreicht die Polarisation der WGE-Schicht T durch Anlegen der Gleichspannungen Vtj.. oder V^ einen spezifischen Sättigungswert, der nach einer bestimmten Anlegezeit von dem Wert und der Polarität der Spannung abhängt. Wenn daher die zum vorherigen Polarisieren, Einspeichern und Löschen erforderlichen Zeiten auf die genannte Sättigungszeifc beschränkt sind, hängen die Polarisation der WGE-Schicht 1, die Bildung des elektrischen Restfeldes und die Steuerungseffekte vom Produkt des Wertes der Gleichspannung V^₁ oder V^p ⁰^ ß-^ev Anlegezeit der Spannung in den jeweiligen oben beschriebenen Arbeitsgängen ab«

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In solchen begrenzten Fällen müssen die Arbeltsbedingungen im Hinblick auf das Produkt der Spannung mit der Anlegezeit gewählt werden, während bei den in Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 beschriebenen Beispielen die bevorzugten Arbeitsbedingungen fast nur unter Berücksichtigung der Werte der Spannungen V-p« und V^n gewählt worden sind, wobei der Einfachheit halber angenommen wurde, daß die Zeiten dieser Arbeitsgänge genügend lang in bezug zur Sättigungszeit sindο 1 . ' '

Es ist möglich, die Erregurigswechselspannung V^, wenn zum Überwachen des Lumineszenzausgangs Lp erforderlich, auch während eines der Arbeitsgänge des Vorpolarisierens, des Feldeinspeicherns oder des Löschens anzulegen. Ferner ist sogar ein ständiges Weohselstrom-Erregen der Schicht 1 möglich» Darüber hinaus ist durch wiederholtes¹Anlegen der Wechselspannung V. während des Vorhandenseins des Re stf elides ein wiederholtes Auslesen des gespeicherten Signals möglich»

Bei der obigen Ausführungsform wird ein äußerer Kurzschluß zwischen den Elektroden 2 und 3 während der Zeiten außer denen für die Vorpolarisation, das Aufzeichnen und LöBChen, beispielsweise durch den Kondensator 9 in Fig. t, verhindert. In diesen Zeiten wird jedoch der Speichereffekt in der WGE-Schicht I nicht sehr stark durch das Kurzschließen des äußeren Gleichstromkreises zwischen den Elektroden 2 und 3 beeinflußt. Deshalb ist es möglich, bei der in Fig. 1 dargestellten Auaführungsform den Kondensator 9 wegzulassen und die der Stellung b entsprechende Schaltklemme mit der Elektrode 3 zu verbinden» Das Weglassen des Kondensators 9 ist besonders empfehlenswert, wenn die

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Gleichspannungen für .dieVorpolarisation, das Aufzeichnen und Löschen impulsförmig sind, da ein Lecken der Spannung am Kondensator 9 .damit nicht möglich ist.

..,.■■ Es ist vorteilhaft, /wenn die Erregerwechsel spannung Y. veränderlich gemacht wird, da die Höhe des Lumineszenzausgangs L₂ zum leichten Ablegen frei gesteuert werden kann» Wenn, ferner die Gleichspannungsnuellen für V-g.. und Y^₂ für die Vorpolarisation, das Einspeichern und Löschen veränderlieh gemacht sind, wird dadurch ein sehr wirkungsvolles Mittel zum Verändern und Steuern der Arbeitskennlinien der Speicherung und. der Leuchtbildwiedergabe geschaffen.

, . Aus den Fig.. 2 und 3 ergibt sich, daß zwei Arten von Luminesisenzimpulsen während jeder Periode der die Lumineszenz erzeugenden Wechselspannung V. erzeugt werden» Das Verhälj^is der Veränderung des Lumineszenzausgangs in "bezug zur eingespeicherten !feldstärke ist bei den beiden Lumineszenz impulsarten verschieden. Um eine Leuchtbildspeicher- und Wiedergabevorrichtung hoher Empfindlichkeit zu erhalten, ist es zu empfehlen, Mittel zum wahlweisen Auslösen nur der Impulse mit größerem Veränderungsverhältnis vorzusehen. Hierzu dient ein mechanischer Lichtzerhacker 13, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, der einen Synchronmotor 11 und eine rotierende Soheibe 12 umfaßt und der synchron mit der Erregerwechselspannung V. arbeitet. Oer Zerhacker unterbricht den Lichtstrom der Impulse mit kleinerem Veränderungsverhältnis im Lumineszenzausgang L₂ und läßt die Impulse mit größerem Veränderungsverhältnis selektiv hindurch, wodurch man einen Lumineszenzausgang L₂' erhält.

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Wie aus den in Fig. 2 und 3 dargestellten Versuchsergebnissen ersichtlich ist, wird jede der beiden Lumineszenzimpulsarten in Abhängigkeit davon erzeugt, ob sich die an die Elektrode 2 gelegte Spannung V. in positiver oder negativer Richtung ändert, wobei letztere dem Lumineszenzimpuls mit größerem Veränderungsverhältnis entspricht. Demnach erhält man den Lumineszenzausgang Lp' durch Sperren der Luminesζenζimpulse, die der positiv verlaufenden Amplitude der Spannung V« entsprechen, und durch selektives Durchlassen der Impulse, die der negativ verlaufenden Amplitude entsprechen.

In der obigen Beschreibung der Erfindung ist die GWE-Schicht flüssig, wobei flüssiges Trikresylphosphat als dielektrische Trägersubstanz verwendet wird.

Die dielektrische Trägersubstanz kann jedoch auch ein Festkörper sein. Durch Versuche wurde festgestellt, daß mit einer keramischen GWE-Schioht, in der ein einen elektrischen Widerstand aufweisendes Glasemaille als dielektrische Trägersubstanz verwendet ist, zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. Ein Beispiel einer solchen Trägersubstanz kann durch folgendes Verfahren hergestellt werden. Frittenpulver, beispielsweise aus Bor-Kieselerde, das Li ¹UiA, wenn erforderlich, Ti enthält, wird mit Pulver, beispielsweise aus ZnS-elektrolumineszierendem Fluoreszenzmateri.al, und Pulver aus Elektrowiderstands-(Halbleiter-)Metalloxid, z» B. SnOg» TiO₂ oder SbgOp-, das das Lumineszenzlicht des Fluoreszenzmaterials reflektiert, vermischt, und das Gemisch wird dann,auf eine geeignete hitzebeständige Platte aus Glas, Keramik, Metall od. dgl. in Form einer Schicht aufgebracht.

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Schließlich, wird das Gemisch, mit der hitzebeständigen Platte 2 bis 8 Minuten lang auf einer Temperatur von 600 ⁰O bis 700 ⁰C gehalten, um das Frittenpulver zu schmelzeno Auf diese Weise umfaßt die keramische WGE-Schioht elektrolumineszierendes üTuoreszenzmaterial, das in einer dielektrischen Trägersubstanz enthalten ist, die aus einem wenigstens Li und, wenn notwendig, Ti enthaltenden Keramik-(Glasemaille -)Mate rial besteht und ein einen elektrischen Widerstand aufweisendes Metalloxid enthält. Eine WGE-Schioht 1

7 10 mit einem spezifischen Widerstand von 10' bis 10 0hm cm erbringt zufriedenstellende Ergebnisse.

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum Nachweisen eines elektrischen Peldes, dadurch gekennze i chnet, daß zum Speichern und späteren Sichtbarmachen des Vorhandenseins und der Verteilung des elektrischen Felds ein feldspeichernde Eigenschaften aufweisendes, elektrolumineszierendes Element (1) derjenigen Art vorgesehen ist, bei der die Lumineszenzstrahlung durch Wechselstrom erregbar und durch ein anliegendes Gleichfeld steuerbar ist ("WGE"-Element)«

2ο Vorrichtung naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrolumineszierende Element (1) schichtförmig ist und zwischen zwei Elektroden (2, 3) liegt, von denen mindestens eine (2) lichtdurchlässig ist.

3« Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Sichtbarmachen des gespeicherten elektrischen Felds die Wechselspannung (V_A) anlegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Einspeichern des nachzuweisenden elektrischen Felds ein vorläufiges elektrisches Gleichfeld von entgegengesetzter Polarität einspeichert.

·' 5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das vorläufige elektrische Gleichfeld in solcher Höhe und Dauer an das elektrolumineszierende Element anlegt, daß die Speicherung ihrejf Sättigung erreicht.

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6, Verfahren nach, einem der Ansprüche 3 bis 5 zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das zu speichernde Feld durch Abtasten mit einem Elektronenstrahl auf die elektrolumineszierende Schicht aufbringt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die entstehende Lumineszenzstrahlung (Lp) ⁱⁿ -PhasenZuordnung zur angelegten Wechselspannung (V^) periodisch unterbricht.

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L e.e r s e r t e.