DE2040517C3

DE2040517C3 - Glas für Ultraschallverzögerungsleitungen, das gute Temperaturkonstanz (weniger als S ppm/ Grad C), geringe Dämpfung (weniger als 10 mal 10 hoch -3 db/Zyklus bei 5 Mhz) und ausgezeichnete Alterungsbeständigkeit aufweist

Info

Publication number: DE2040517C3
Application number: DE2040517A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Inamura; Yasuyuki Nakata; Nobukazu Niizeki; Kenichi Sawamoto; Munehisa Tsunekawa
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1969-08-15
Filing date: 1970-08-14
Publication date: 1975-06-05
Also published as: DE2040517A1; DE2040517B2; FR2068888A5; US3857713A; GB1318075A

Description

weist. Die gestellte Aufgabe wird auf Grund der in den

40 Ansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst.

Der Temperaturkoeffizient des neuen Glases ist geringer als ±5 ppm/^cC, die Dämpfung ist geringer als

Glas für Ultraschallverzögerungsleitungen, das gute 10 · 10-* db/Zyklus, gemessen mit einer Frequenz von Temperaturkonstanz (weniger als 5 ppm/°C), geringe 5 MHz und die Veränderung infolge Alterung ist Dämpfung (weniger als 10 · 10~³ db/Zyklus bei 5 Mhz) 45 meistens 0. Ein weiterer Vorteil des Glases gemäß der Und ausgezeichnete Alterungsbeständigkeit aufweist. Erfindung ist darin zu sehen, daß es bei beträchtlich Ultraschallverzögerungsleitungen aus Glas sind an verringerten Kosten hergestellt werden kann, da die Sich bekannt (Zeitschrift »Elektrotechnik«, Nr. 39 Abkühlzeit beträchtlich verringert werden kann, wenn (1966], S. 906 bis 907), wobei die Glaszusammen- bekannte Gläser für Verzögerungsleitungen in Besetzung für eine temperaturunabhängige Verzöge- 50 tracht gezogen werden. Eine langsame Abkühlung rungszeit bedeutsam ist. Es sind verschiedene Glas- wird normalerweise zur Verbesserung der Alterungsfcusammensetzungen bekanntgeworden, unter ande- beständigkeit ausgeführt. Ein weiterer glücklicher rem ein Kalium-Blei-Silikatglas, wobei das Bleioxid Umstand ist die Erniedrigung der Schmelztemperatur durch andere Metalloxide teilweise ersetzt werden des neuen Glases infolge des Gehaltes an Fluoriden; kann, beispielsweise durch BaO, CaO, MgO, SrO, 55 dadurch ist die Verarbeitung des Glasiss beträchtlich CdO, Bi₂O₃ und Al₂O₃ (Ultrasonics, Januar 1967, S. 29 erleichtert.

bis 38). Es sind auch Gläser für temperaturstabile Die neuartigen Merkmale, die als charakteristisch

L'Itraschallverzögerungsleitungen untersucht worden für die vorliegende Erfindung angesehen werden, be-(radio mentor, 35 [1969], S. 229 bis 261). Auch andere stehen in der Tatsache, daß das Glas der vorliegenden Literaturstellen betonen die Wichtigkeit der Tempe- 60 Erfindung Eigenschaften aufweist, die den Bedingunraturstabiiität (Electrochemical Design, Vol. 4, Nr. 3, gen genügen, die bei einer Verzögerungsleitung erfor-1960, S. 14 und 15). Weitere Glassorten beruhen auf derlich sind, wobei die Herstellung des Glases sehr SiO₂, PbO, KgO, BaO, Sb₂O₃ (britische Patentschrift vereinfacht wird.

990 849). Um bessere Eigenschaften für Ultraschall- Die Erfindung soll an Hand eines Amsführungsbei-

verzögerungsglas auf der Basis Alkali-Blei-Silikat zu 65 spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erzielen, ist es bekannt, eine Wärmebehandlung in erläutert werden. In den Zeichnungen zeigt Form einer langsamen Abkühlung aus der Schmelze Fig. 1 eine stabartige Ultraschallverzögerungs-

durchzuführen (kanadische Patentschrift 693 258). leitung,

Fig. 2 die grafische Darstellung der Zusammensetzung des Glasmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Alterung einer Verzögerungsleitung und

F i g. 4 eine grafische Darstellung der Verändirungen der Verzögerungszeit auf Grund der Temperaturänderungen

Bevor die vorliegende Erfindung im einzelnen erläutert wird, wird F i g. 1 beschrieben, welche die gebräuchlichste und einfachste Verzögerungsleitung darstellt. Diese besteht aus einem zylinderförmigen Medium 2, einem Eingangswandler 1 sowie einem Ausgangswandler 3, die an den Enden des Zylinders 2 befestigt sind. Die als Scherwellen vorliegenden mechanischen Signale werden durch den Eingangswandler 1 eingegeben, pflanzen sich durch das Medium 2 fort und werden wieder in elektrische Signale durch den Ausgangswandler 3 umgewandelt. Die Verzögerungszeit ist die Zeit, welche die akustischen Wellen benötigen, um sich in dem Medium 2 zwischen dem Eingangswandler 1 und dem Ausgangswandler 3 fortzupflanzen.

F i g. 2 zeigt eine grafische Darstellung des Bereiches der Zusammensetzung des Glases gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Punkte gleicher Verzögerungszeit bei Änderung der Temperatur als Kurven miteinander verbunden sind. Das Glas besteht aus 36 bis 50 Gewichtsprozent SiO₁, 37 bis 62 Gewichtsprozent PcO, 1 bis 14 Gewichtsprozent Al₂O₃ 4- BaO, wobei BaO mit weniger als 8,9 Gewichtsprozent vorhanden und eine äquivalente Sauerstoffmenge durch 1,2 bis 14,7 Gewichtsprozent Fluor ersetzt ist, weil in den Schmelzansatz AlF₃ und BaF₂ eingeführt wurden. Wenn der Gehalt an Fluor geringer ist als der obengenannte Bereich, wird die Viskosität des geschmolzenen

S Glases erhöht, wodurch ein Teil des SiO_t ungelöst bleibt, so daß es schwierig wird, einen hohen Grad an Homogenisierung zu erreichen. Es ist daher vorzuziehen, daß der Gehalt an Fluor höher als 1,2 Gewichtsprozent ist. Vom Standpunkt der Stabilität aus

ίο ist der Gehalt an Fluor jedoch vorzugsweise geringer als 14,7 Gewichtsprozent. Die Gehalte an PbO und SiO₂ sind etwas unterschiedlich voneinander, und zwar abhängig von den Gehalten und Arten der Fluoride des Schmelzansatzes, aber ein Glas mit einem Temperaturkoeffizienten von weniger als ±5 ppm/"C kann erzielt werden durch Gehalte von 36 bis 50 Gewichtsprozent SiO₂ und 37 bis 62 Gewichtsprozent PbO. Die Dämpfung des Glases ist geringer als 10 bis 10~³db/ Zyklus, gemessen mit einer Frequenz, die höher als

»o 1 MHz ist, und die Alterung der Verzögerungszeit ist geringer als 50 ppm in einem Alterungsbeschleunigungstest, bei dem das Glas einer Belastung von 10~^e oei 40⁰C mit einem Alterungsstrom von 1 MHz ausgesetzt war.

»5 Da das Glas gemäß der vorliegenden Erfindung Bleioxid enthält, kann die Geschwindigkeit der Scherwelle gering sein, so daß die Dimensionen der Verzögerungsleitung verhältnismäßig kleingemacht werden kann.

Die nachstehende Tabelle I zeigt die Zusammensetzung von Beispielen (nach dem Schmelzansatz) und ihre akustischen Eigenschaften:

Tabelle I Beispiele

(Gewichtsprozent)

PbO

AlF₃

BaF₂

Temperaturkoeffizient (ppm/°C)
Geschwindigkeit (km/sec)

40,0

56,0

4,0

0,3
2,51

40,0

53,5

6,5

0,5 2,56 40,5
51,0

8,5

1,3
2,60

40,0
49,5
10,5

1,0
2,63

41,0
48,5
10,5

2,6
2,64

41,0
50,5

8,5
2,0
2,50

Weitere Beispiele für den Schmelzansatz in der Nähe und jenseits (Beispiel F, G, H, J, K) der Bereichsgrenzen nach F i g. 2 sind in nachfolgender Tabelle Π wiedergegeben:

Tabelle II

SiO₂

PbO

AlF₃ ...
BaF₂ ...
PPM/°C
km/sec .

	B	C	»	E	Nr.	F	G	H	I	J	K
A	38,3	43,3	38,0	42,0	46,2	45,9	46,1	35,1	37,3	35,8
43,0	55,7	45,9	48,0	40,0	47,8	34,3	34,1	58,8	56,6	61,3
54,0	6,0	2,8	10,5	12,0	6,0	19,8	19,8	6,1	6,1	2,9
3,0		8,0	3,5	6,0
	4,8	-5,1	4,8	5,0	-7,8	-5,8	-5,8	5,9	4,9	6,1
-4,8	2,52	2,61	2,63	2,71	2,56	2,75	2,75	2,52	2,52	2,53
2,49

44,1

53,8

-5,0 2,4

Die Dämpfung des Glases bei jedem Beispiel war geringer als 10 · 10~³ db/Zyklus. In 20 Jahren ist eine geringere Änderung der Verzögerungszeit als 50 ppm, wie F i g. 3 zeigt, zu erwarten. Dieses Ergebnis wurde durch Alterungstests bei 50⁰C unter einer fortlaufenden Belastung von 10~* mit einem Alterungsstrom von 5 MHz während 100 Tagen ermittelt. Die Temperaturkoeffizienten in Fig. 4 beziehen sich auf die Änderung der Verzögerungszeit infolge Temperaturänderung im Bereich von 0 bis 50⁰C. Das spezifische Gewicht der jeweiligen Gläser beträgt ungefähr 4 g/cm⁸.

Bei der Herstellung bisher bekannter Glasarten für Verzögerungsleitungen ist eine genaue Steuerung der Temperatur und der Zeit bei der Abkühlung der Schmelze erforderlich, aber gemäß der vorliegenden Erfindung ist in dieser Hinsicht ein größerer Toleranzbereich zulässig, weil die akustischen Eigenschaften des Glases der vorliegenden Erfindung sich nicht ändern, auch wenn die Steuerung der Temperatur- und Zeitbedingungen verändert wird. Zum Beispiel ist im Fall des Glases nach Beispiel 1, das aus 40 Gewichtsprozent SiO₂, 56 Gewichtsprozent PbO und 4 Gewichtsprozent AlF₃ erschmolzen isi, der Temperaturkoeffizient, die Dämpfung und die Alterung fast unverändert, sogar wenn die Abkühlgeschwindigkeit von 1 bis 30^GC/Stunde verändert wurde, und es trat ledighch eine Abnahme der Geschwindigkeit um 0,5% ein. Die Viskosität des geschmolzenen Glases gemäß der Erfindung ist gegenüber bekannten Gläsern im allgemeinen kleiner, weil das neue Glas Fluor enthält. Zum Beispiel beträgt die Einschmelztemperatur des neuen Glases 50 bis 150⁰C weniger als die des bisher bekannten Glases, das nur Oxide enthält. Somit sind die Glasschmelzbedingungen sehr viel günstiger.

Die Rohmaterialien des Glases gemäß der Erfindung können in herkömmlicher Weise in einem Tontiegel oder Platingefäß bei einer Temperatur von 1200 bis 135O⁰C gemischt und geschmolzen werden. Das geschmolzene Glas kann durch herkömmliche Verfahren geformt werden. Beispielsweise können das kontinuierliche Wannen- oder das Hafenverfahren gewählt werden. Wenn ein Läuterungsmittel, beispielsweise Sb₂O₃, As₂O₃, zu den Rohmaterialien in sehr geringen Mengen zugemischt wird, kann die Homogenität des Glases sehr verbessert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Die Verwendung von Fluoriden als Fluß- und Läute- Patentansprüche: rungsmittel, insbesondere bsi der Flaschenherstellung, ist bekannt (S c h m i 11 - V ο s s. Die Rohstoffe zur

1. Glas für UltraschaUverzögerungsleitungen, das Glaserzeugung, Leipzig 1958, S. 399 bis 404). Als Urgute Temperaturkonstanz (weniger als 5 ppm/°C), S sache der Scbraekbegunstigung, namentlich der laugeringe Dämpfung (weniger als 10 · 10~^s db/Zyklus ternden Wirkung, wird die Bildung von Siliciumbei 5 Mhz) und ausgezeichnete Alterungsbeständig- fluoridgas angesehen, welches fluchtig ist also in den keit aufweist, gekennzeichnet durch fertigen Gläsern im wesentlichen nicht mehl^vorhanden folgende Zusammensetzung: ist. Zudem begünstigt das Fluor die Gerfahr der Kri-

lo stallisation (Trübung/Glastechnische Berichte, 34,

36 bis 50 Gewichtsprozent SiO₂, 1961, S. 107 bis 120). Nur bei Silikatgläsern mit sehr

37 bis 62 Gewichtsprozent PbO, viel Calcium konnten bisher große Mengen an Fluor 1 bis 14 Gewichtsprozent Al₂O₃ + BaO, eingebaut werden (deutsche Patentschrift 825 738).

Ein älterer Vorschlag für ein Verzogerungsglas be-

wobei BaO mit weniger als 8,9 Gewichtsprozent 15 ruht auf der Verwendung von SiO₂, PbO, PbF₂, Al₂O,,, vorhanden und eine äquivalente Sauerstoffmenge As₂O₃ und K₂O (deutsche OffenJegungsschrift 1918 760). durch 1,2 bis 14,7 Gewichtsprozent Fluor mit der Ein weiterer älterer Vorschlag bezieht sich auf die VerMaßgabe ersetzt ist, daß das Fluor die äquivalente wendung eines Alkali-BIei-Silicium-Fluor-Oxid-Glases Sauerstoffgesamtmenge von Al₂O₃ und BaO nicht als Verzögerungsmedium (deutsche Offenlegungsübersteigt. ao schrift 1 917 551).

2. Glas nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Die wichtigsten Eigenschaften des Verzögerungszeichnet, daß es unter Verwendung von 40,0 Ge- mediums bestehen darin, daß die Vei-zögerungszeit wichtsprozent SiO₂, 56,0 Gewichtsprozent PbO auch bei sich ändernden Temperaturen möglichst kon- und 4,0 Gewichtsprozent AlF₃ als Ausgangsge- stant bleibt, daß die Dämpfung der sich fortpflanzenmenge hergestellt worden ist. »5 den akustischem Welle gering ist und da» die Verzöge-

3. Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- rungszeit im Laufe der Zeit konstant bleibt, d. h., daß net, daß es unter Verwendung von 40,0 Gewichts- eine geringe Alterung stattfindet. Wenn Glas als Ultraprozent SiO₂, 53,5 Gewichtsprozent PbO und schallmedium für eine Verzögerungsleitung in einem 6,5 Gewichtsprozent AlF₃ als Ausgangsgemenge PAL-Farbfernseh-Empfangsgerät benutzt wird, darf hergestellt worden ist. 30 sich die Verzögerungszeit auch unter Berücksichtigung

4. Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- der Alterung nur innerhalb von ±80 ppm ändern. Die net, daß es unter Verwendung von 41,0 Gewichts- Dämpfung sollte geringer sein als 10 · K)-³ db/Zyklus, prozent SiO₂, 50,5 Gewichtsprozent PbO und wenn mit einer Frequenz höher als 1 MHz gemessen 8,5 Gewichtsprozent BaF₂ als Ausgangsgemenge wird.

hergestellt worden ist. 35 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Glas

für Ultraschallverzögerungsleitungen zu schaffen, welches nicht nur eine gute Temperaturkonstanz, sondern auch eine ausgezeichnete Alterungsbeständigkeit auf-