DE1916658C - Glas zur Verwendung als Ultra schall Verzögerungsleitung - Google Patents

Description

Gewichtsprozent

SiO, 63.5

A1₂Ö_:1 5,0

NaoO 6.0

K_SÖ ...." 6,5

PbO 17,0

Sb₂O₃ 0,9

AsöO·, 0,5

F 0,6

3. Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgende Zusammensetzung hat:

Gewichtsprozent

SiOo 66,0

AUO₃ 2,5

Na.O 6,0

K,Ö 6,5

PbO 17,0

Sb,O_a 1.0

4. Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgende Zusammensetzung p-it:

Gewichtsprozent

SiOo 66,0

AUO₃ 2,5

NaoO 3.0

KoO 9,0

PbO 17.0

Sb₂O₃ 1.0

As₂O_n 1,0

5. Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgende Zusammensetzung hat:

Gewichtsprozent

SiOo 66,5

AUO₃ 2,5

Na₂O 6,0

KoO 6.0

PbO 17,0

Sb₂O₃ 0,9

As₂O₃ 0,5

F 0,6

6o

Die Erfindung betrifft ein Glas zur Verwendung als Ultraschall-Verzögerungsleitung.

Allgemein umfaßt eine Ultraschailverzögerungsleitung ein Medium für die Übertragung von Ultraschallwellen, einen Wandler, der auf einer geeigneten Stelle der Fläche des Mediums angeordnet ist für eine Umformung elektrischer Signale in mechanische und einen anderen Wandler, der für die Umsetzung mechanischer Signale in elektrische bestimmt ist. Die einfachste Konstruktion einer Verzögerungsleitung der beschriebenen Art umfaßt einen Eingangswandler und einen Ausgangswandler, die an den entsprechenden Enden des Mediums angebracht sipil. Durch den Eingangswandler worden elektrische Signale in mechanische Signale (Seherschwingungsform) umgewandelt, die wiederum durch das Medium übertragen werden und den Ausgangswandler erreichen, wo die mechanischen Signale wieder in elektrische Signale umgesetzt werden. In diesem Fall werden die Signale durch die Zeit verzögert, die für die mechanische Signale erforderlich ist, um durch das Medium zu gehen. Das heißt, die Verzögerungszeit wird bestimmt als die Zeitdifferenz zwischen dem Eingangs- und dem Aingangsabschnitt.

Die Eigenschaften der Verzögerungsleitung sind abhängig von der Zeitverzögerung, dem Temperaturkoeffizienten, der Verzögerungszeit, dem Betrag der Dämpfung der Signale usw. Verschiedene Verzögerungsleitungen haben unterschiedliche Gestaltungen und sind aus verschiedenen Materialien hergestellt.

Allgemein werden Verzögerungsleitungen aus Quarz. Glas, Keramikstoffen, Metallen usw. hergestellt, und die Materialien dieser Art, die eine mehrfache Flexion bewirken, sind vorgeschlagen worden, um die Verzögerungsleitung in ihrer Größe gedrungen zu ge stalten und die Zeitverzögerung zu erhöhen.

Uliraschallverzögerungsleiuingen finden vielfache Anwendungen auf verschiedenen Gebieten, beispielsweise Television. Radar, Bandbreitenkompression, elektronische Computer usw. In diesem FaI! sind Verzögerungsleitungen erforderlich, die einen geringer: Temperatv-rkoeflizienten der Verzögerungszeit aufweisen und eine geringe Dämpfung der Signale in dem verzögernden Medium. Die herkömmliche Verzögerungsleitung, aus geschmolzenem Glas hergestellt, besitzt einen Temperaturkoeffizienten der Ver/ögerungszeit im Bereich von etwa 8 10"⁶Z⁰C, der für die Anwendung in dem PAL-Farbfernsehsystem nicht ausreichend ist. das einen Temperaturkoeffizienten von weniger als 3 · 10 ⁶/⁰C erfordert. Das Problem ist bisher nicht befriedigend gelöst worden, weil auch verbesserte Glasmaterialien im allgemeinen diesen Wert nicht erreichen; oder iiur unter Maßnahmen erreichen, die als nachteilig angesehen werden müssen. Im Falle einer Mehrfachrefiexions-Vcrzögerungsleiüing ist ein genauer Bearbeitungsgang erforderlich, so daß vom Standpunkt der Bearbeitbarkeit Glas vorteilhaft ist.

Was die Verzögerung anbetrifft, so hat Quarz den geringsten Dämpfungsfaktor unter Glas mit einem Wert, von 2 ■ 10 ⁱ db pro Zyklus im Meßbereich von über 1 MHz. Im Fall des gewöhnlichen Glases liegt der Dämpfungsfaktor im Bereich von 10 ■ 10"³ bis 50 · K)"³ db, was weit von dem Wert entfernt ist, der in der Praxis zufriedenstellt.

Fs sind bereits mehrere verbesserte Glasmaterialien für Ultraschall-Verzögerungsleitungen vorgeschlagen worden. In der englischen Zeitschrift »Ultrasonics«, Vol. 5, Januar 1967, S. 29 bis 38, werden Ultraschall-Verzögerungsleitungen für Farbfernsehempfänger und Digitalanwendungen betrachtet. In diesem Zusammenhang werden dort auch bekannte Glassorten hinsichtlich ihrer Eignung in solchen Verzögerungsleitungen untersucht, und Hinweise gegeben, welche Glas-

zusammensetzungen als vorteilhaft iiiui > >.ei.;ie ;:;-nachteilig /u sehen seien. Es handeU s'J, ii:;ix-i ;mi Gläser, deren Hauptanteil SiO₂ und I'hn ..:_iV. ,jic als dritte K miponenie K₂O aufweiten un-.i e\c:;: :o'!e weitere Z^äi/e in kleinen Mengen. Hei (.Ui^-, ir: Ji-^m;-Schrift al> bekannt angegebenen Gki-si»^c: Ικ_:.;ΐ der Bleioxid-C ·.-halt zwischen 39,5 und 4s/.5 Gev·. !-ei',i>proze.u. Pie uiioren dieser Schrift empfehlen einen ⁿ'r< )-Anteil u ··'■ mehr als 46 Gewichtspro/jni und '\:!en von einciv. PbO-Anteil von weniger als :5 λκ.!πΓι·._;Η. ι.-, was soca: hei einem Κ,Ο-Anteil von 10 VU>:pni/ent noch eirem Bleioxid-Anteil von 42 (ie ν i^iii - pro/oni entspne' ι. ab, da sich bei den uiuersuchten Gläsern in ci'e--:¹- Bereich des Bleioxid-AiueiN mir eine schlechie chemische Stabilität erreichen Ia:-. liei diesen Ghissofi···! macht es die thermische Si.ihilnät nötig. den K ' '- \ntei! möglichst klein zu hallen, «ewesen ein Aul. ^: von 2 bis 7 Gewichtsprozent KX") empfohlen wird.

Der --.ichteil aller dieser Glassorien liegt in derem hohen Hleioxidgehalt. Bleioxid ist nicht nur hochgiftig, sonder·: auch schwierig zu behandeln und zu verarbeüeü. Oer hohe Blcigehalt macht das Glas schwer und i.:^:. er. da Blcioxid-Rohmatcna! relativ kostsp'elig ist. i !.■ Schmelz- und Verarbeitungseigensehaften zu verbe^ern. wird von den Autoren vorseschlaaen. Bleio'-id teilweise durch andere Metalloxide. 7. B. auch AIoO;, zu ersetzen. Da jedoch nicht mehr als 5 Mi-iprnzent des Bleioxids ersetzt werden sollen, was bei Men vorgeschlagenen PbO-Anteilen auch etwa 5 Gewichtsprozent bedeutet, würde sich auch durch clic:-e Maßnahme der hohe Bleioxidgehalt nur unwesentlich verringern.

Aas der USA.-Patentschrift 3 154 425. die der hrüHchc Patentschrift 990 265 entspricht, ist ebenfalls eine Glaszusanimensetz.ung als Medium für Ultraschall-Verzögerungsleitungen bekann'. Die Offenbarung dieser Patentschrift ist in der oben angeführten Abhandlung in der britischen Zeitschrift »Ultrasonics« berücksichtigt und in die Untersuchungen mit ein- 4" bezogen. Die USA.-Patentschrift behandelt ebenfalls solche Gläser, die zur K₂O-PbO-SiO.,-Familie gehören. Wenn für diese Gläser auch ein Bleioxidgehall von 10 his 50 Gewichtsprozent beansprucht wird, so wird doch darauf hingewiesen, daß es diesem Glas an chemischer Stabilität mangeln würde, wenn weniger als 20 Gewichtsprozent PbO verwendet würden.

Das nach dieser USA.-Patentschrifl bekannte Glas weist ebenfalls die bereits oben angeführten Nachteile des hohen Bleioxid-Gchaltes auf. Es wird für dieses Glas nur ein Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit von S · 10 °/ C verlangt, was den hier geslellten Anforderungen, wie sie sich z. B. beim PAL-Farhfernschsystcm ergeben, nicht genügt. Für Blcioxidgehalte unterhalb 30 Gewichtsprozent steigt bei diesem Glas der Temperaturkoeffizient stark an.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Ultraschall-Verzögerungsleitung verfügbar zu mr.chen, die einerseits einen ausreichend geringen Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit und einen ausreichend geringen Signaidämpfungsfaktor aufweist, die andererseits billig und weniger problematisch herzr-tellen ist und geringes Gewicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Glas zur Verwendung als Ultraschall-Verzögerungsleitung gelöst, da., aus einer Zusammensetzung von 57 bis 78 Gewichtsprozent an SiO₂, 0 bis 9 Gewichtsprozent an A1,O_:„ 8 bis 19 Gewichtsprozent an PbO, !1 bi> 11 Gewichtsprozent an Na₂O und O bis 20 Ge-AicmsproZent an K₂O besteht, mit einer Gesamtmenge \on Na₂O - K₂O von 9 bis 20 Gewicrnsprozent.

Der Vorteil dieses Verzögerungsmediums besteht darin, daß in einem weilen Temperaturbereich um die Raumtemperatur der Temperatiirkoeffizienz geringer al* 1.5- 10 ⁵. C gemacht werden kann und der Dämpfungsfaktor auf weniger als 10· 10 'db pro Zyklus über 1 MHz reduziert werden kann.

Der Temperaturkoeffizient d.r Zeitverzögerung de> Glases kann durch dessen Zusammensetzung gesteuert werden, wenn es allmählich genügend abgekühlt wird. Allgemein ändert er sich aber in Abhängigkeit von dem ausgewählten Temperaturbereich. Die Beziehung zwischen der Zeitverzögerung r und der Abweichung Ir auf Grund der Temperaturuifferenz kann ausgedrückt werden durch

.UIt x(T~ T_n)-wobei \ -— eine Konstante.

T₀ = die Temperatur, bei der die Zeiuerzöge-

rung ein Minimum ist. T -- die gemessene Temperatur.

Aus der Gleichung ist zu sehen, daß es zur Verringerung des TemperaUirkoeffizienien erforderlich ist, daß T₀ in der Mitte des ausgewählten Betriebs temperaturbereichs sein muß. In dem Glas, das gemäß der vorliegenden Erfindung die oben heschriebene Zusammensetzung hat, haben die Beiandteik SiO₂, Al₂O,, und PbO die Eigenschaften. T_a nach de: positiven Seite zu verschieben. AI₂O_n hai einen großen Einfluß in dieser Hinsicht, während der Einfluß von PbO gering ist. Auf der anderen Seite ergeben die Bestandteile Na₌O und K₂O eine beträchtliche Verschiebung von 7,i zur negativen Se'te hin. Von diesen beiden Bestandteilen hat Na₂O eine größere Wirkung als K₂O. Daher kann durch geeignete Auswahl der Verhältnisse dieser Bestandteile die Temperatur T₀ in die Mitte des Betriebstemperaturbereichs gelegt werden.

Jedoch wird die Zeitverzögerungsleitung allgemein bei Raumtemperatur gebraucht, so daß, wenn (Na₂O j K₂O) im Ausmaß von 20 Gewichtsprozcn: vorhanden ist, der Betrag der verbleibenden Bestandteile nicht genügend ist, um die Temperatur T₀ zur positiven Seite /.u verschieben, wodurch die Temperatur T₀ weit geringer als die Raui/itemperatur wird. Wenn auf der anderen Seite (Na₂O ·- K₂O) weniger als 9 Gewichtsprozent ausmacht, wird die Temperatur T₀ auf eine; Wert weit über der Raumtemperatur an gehoben. Liegt (Na₂O j- K₂O) im Bereich zwischen 9 und 20 Gewichtsprozent, kann eine geeignete Kombination der anderen Bestandteil von 57 bis 7Ϊ! Gewichtsprozent an SiO₂, 8 bis 19 Gewichtsprozent an PbO und O bis 9 Gewichtsprozent an Al₂O₃ die Temperatur T₀ in einen Bereich in der Nähe der Raumtemperatur einstellen.

Der große Vorteil, der sich aus der Erfindung ergibt, liegt darin, daß durch die starke Wirkung von A1₂O_:), die. Temperatur T₀ nach der positiven Seite zu verschieben, auf einen Großteil des bisher mi! hohem Anteil benutzten PbO verzichtet werden kann. Es braucht nur noch ein Bruchteil des bisher üblicher gif'igen jnd teuren Bleioxids verwendet zu werden. Der Wunsch gegenüber bekannten Gläsern größere

Mengen von PbO zn ersetzen, um die Schmelz- und Verarbeitungseigenschaften zu verbessern, wird nun erfindungsgemäß erfüllt. Mit einer relativ kleinen Menge an leichtem AI₂O;, kann ein bedeutender Anteil von schwerem PbO ersetzt werden. Dies bedeutet, eine beachtliche Gewichtsverringerung, die sich besonders bei Transporten des Glases, der fertigen Verzögerungsleitungen und der mit diesen Verzögerungsleitungen bestückten Geräte vorteilhaft bemerkbar macht.

Wenn eine Verzögerungsleitung benötigt wird, deren Temperaturkoeffizient bei etwa 38'C minimal ist, ist es vorteilhaft, die im Anspruch 2 näher gekennzeichnete Glaszusammensclzung zu verwenden.

Die im Anspruch 3 gekennzeichnete Glaszusammensetzung ist vorteilhaft, wenn die Temperatur des minimalen Tcmpcraturkocfnzient.cn bei 5^CC liegen soll.

Ist diese Temperatur für 60' C vorgesehen, erweist sich d:c im Anspruch 4 näher gekennzeichnete Glaszusammcnsetzung als vorteilhaft.

Die im Anspruch 5 beschriebene Glaszusaminensclzung ist vorteilhaft, wenn die Temperatur des minimalen Tcnipcraturkoeffizicnten bei etwa 27 C liegen soll.

Die vorliegende Windung soll nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielcn unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. In diesen zeigt

F i g. I eine typische stabarlige Vcrzögerungs-

lo leitung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Betrag der Veränderung der Verzögerungszeit und der Temperatur der Beispiele der Erfindung.

In Tabelle 1 sind die Zusammensetzungen (Nr. 1 bis 12) des crlindungsgcmäßen Glases mit Bestandteilen angegeben, die innerhalb des oben beschriebenen Bereiches liegen, und solche (Nr. 12 bis Nr. 14) von gewöhnlichem Glas (llint-Glas) und die Tempcraüirkocffizicnlen der Verzögcrungszcit (von O bis 50 C).

Tabelle I
(Zusammensetzung in Gewichtsprozent)

SiO₂

AI₂O₃

Na₂O

K₂O

PbO

Sb₂O₃

As₂O₃

F

Temperaturkoeffizient
in· 10-·/"C

Wie aus der Tabelle 1 klar zu entnehmen ist, haben einen Dämpfungsfaktor von 8-10 ³db pro Zyklus,

alle Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden gemessen durch die Frequenz von 5 MHz.)

Erfindung geringere Temperaturkoeffizienten der Ver- Die Beziehungen zwischen der Temperatur und dem

zögerungszeit als gewöhnliche Glassorten, und der Ausmaß der Änderung in der Verzögerungszeil des Dämpfungsfaktor ist geringer als 10-10 ³db pro 45 Glases nach Tabelle 1 ist in F i g. 2 dargestellt, und

Zyklus über 1 MHz. Daher kann die vorliegende die Temperaturkoeffizienten der Verzögcrur^szeitcn,

Erfindung bei verschiedenen Zeitverzögerungslcitungen die diese Kurven wiedergeben, sind in Tabelle 2

Anwendung finden. (Zum Beispiel das Glas Nr. 3 hat dargestellt.

Tabelle

	2	3	4 i 5	Zusammensetzung	6	7	8	9	10	11	12	13	14
1	59,0	60,5	I 63,5 ! 66,0	66,0	66.5	68,0	69,5	75,5	77,5	56,0	48,0	4 i ,0
58,0	3,5	8,5	5,0 I 2.5	2 5	2,5	0.5	0,5
4,5		10,5	6,0 i 6,0	3,0	6!o	6,5	9,0	6,0	6,0	4,0	4.0
4,0	19,5	1,5	6.5 j 6,5	9.0	6,0	6,5		6,5	6,5	7,0	6,0	8.0
12,5	16,0	17,0	17,0 ! 17,0	17,0	17,0	17.0	17,0	10,0	8,0	32,5	41,5	50,5
19,0	1,0	1,0	0,9 i 1,0	1,0	0,9	0,9	1,0	0,9	0,9
1,0	1,0	1,0	0,5 ! 1,0	1,0	0,5	0.5	1,0	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
1,0			0,6 I		0,6	0.6		0,6	0,6
	3	1	1 I 1	3	1	2	5	4	4	25	34	24
2

Glas	0 bis 50 C	Tempera Iu τ	MicffiVienten in	in Te	T0(0Q
Nr.	1,0	15bis65°C	30 bis 80' C	>(■ 10-3/ C	4,5
5	1,3	i I.» j	2,5 :	2.3 !	28,0
7	1,0	! 2,1 '	4,6	8,8 !	37,5
4	2.7	0,6	1,3	3,6 !	59,5
6	I 1,6	0,7	4.0 I

Es gibt die Beziehung . Ιτ/τ - \(Γ— T₀), wie oben 6o genügt, wie klar aus F i g. 2 und Tabelle 2 zu ersehen

beschrieben wurde, so daß es vorzuziehen ist, das Glas, ist. Beispielsweise ist im Fall des Glases Nr. 5 und

das eine spezifische Temperatur T₀ besitzt, in einem Nr. 7 in Tabelle 2 der Betriebstemperaturbereich von

solchen Temperaturbereich von 7",^CC bis 7V'C zu ver- 0 bis 50 C: im lalle des Glases Nr. 4 voii 15 bi: 65 C

wenden, der etwa der Beziehung von 2F₀ -- T_x - T« und im Falle des Glases Nr. 6 von 30 bis 80 C.

Hierzu 1 Blau Zcichnunsren

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Glas zur Verwendung als Ultraschall-Verzögerungsleitung, dadurch gekenn zeichnet, daß es aus einer Zusammensetzung von 57 bis Gewichtsprozent an SiO;,, O bis 9 Gewichtsprozent an AIoO;,, 8 bis 19 Gewichtsprozent an PbO, O bis 11 Gewichtsprozent an Na₂O und O bis 20 Gewichtsprozent an K₂O besteht, mit einer Gesamtmenge an Na₂C K₂O zwischen 9 bis 20 Gewichtsprozent.

2. Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgende Zusammensetzung hat: