-
Piezoelektrischer Körner und Verfahren zur Polarisation Die Erfindung
bezieht sich auf einen rohrförmigen Körper aus Piezokeramik mit permanenter .tusrichtung
der Polarisation und mit ifttteln zur Anregung einer Scherschwingung in dem Körper,
sowie auf ein Verfahren zur Polarisation eines derartigr.
-
Körpers.
-
Rohrförmige Trfö rper aus Piezokeramik als Schwinger, zu ve-rwenden
ist bekannt. Zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem derartigen Körper
sind entsprechende Mittel vorgesehen, mit denen ein elektrisches Signal mechanische
Schwingungen umgesetzt werden kann. Dies können an dem Körper angebrachte elektromechanische
Wandler sein.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen rohrförmigen Körper aus Piezokeramik
anzugeben, der in einfacher Weise zu Scherschwingungen angeregt werden kann, sowie
ein Verfahren aufzzufinden, nach dem dieser Körper dazu in geeigneter Qise polarisiert
werden kann. Diese Aufgabe wird durch einen wie oben bezeichneten rohrförmigen Körper
gelöst, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß er wenigstens zu einem
Anteil seiner Länge eine in Umfangs richtung gerichtete Polarisation aufweist. Vorzugsweise
ist der Körper in seiner gesamten Länge in Umfangsrichtung polarisiert. GemiR einer
Weiterbildung der Erfindung sind an dem Körper ein oder mehrere Elektroden mit Gegenelektrode
(-n) zur Ein- und7oder Auskopplung eIner mechanischen Welle vorgesehen.
-
Die in Umfangsrichtung ausgerichtete Polarisation des Körpers wird
nach einem der Erfindung gemaßeia Verfahren ausgeführt,
das dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Oberfläche des Körpers in Umfangsrichtung in zwei ungleichgroße
Anteile aufgeteilt wird, wobei die in Richtung des Umfangs gemessene Breite eines
ersteren Anteils kleiner als die entsprechende Breite des übrigen, zweiten Umfangsanteils
ist. An den beiden Rändern der Oberfläche dieses ersteren Anteils, die-Mantellinien
des Körpers entsprechen, wird eine in Umfangsrichtung gaichtete elektrische Spannring
zur Polarisation des Materials des Körpers angelegt. Die Größe dieser Spannung wird
so bemessen, daß sie in dem Material des ersten Anteils des Körpers eine permanente
Ausrichtung bzw. Ordnung der Polarisation erzeugt und in dem Material des zweiten
Anteils des Körpers im wesentlichen keine Veränderung des dortigen Polarisationszustandes
bewirkt. Diese Maßnahme der Polarisation des Körpers kann schrittweise nacheinander
für andere Irufteilllr:en der Oberfläche des Körpers durchgeführt werden, bis der
Körper in Umfangsrichtung im wesentlichen vollständig polarisiert ist.
-
Durch das Anlegen einer elektrischen Polarisationsapannung an den
Körper erfolgt in dem Material aufgrund der darin auftretenden elektrischen Feldstärke
eine Ausrichtung bzw.
-
Ordnung elektrischer Einzelmomente, die eine resultierende Polarisation
ergibt und die bei piezoelektrischem Material unter den belannten Vor2ussetzungen,
z.B. Temperatur unter halb des Curie-Punktes, permanent ist.
-
Gemäß einer \eiterbildung dieses Verfahrens wird die elektrische Polarisationsspannung
sowohl auf der Innenals auch auf der Außenseite des rohrförmigen Körpers an diesen
angelegt.
-
Vorteilhafterweise wird die Polarisation unter kontinuierlicher Umdrehung
des Körpers durchgeführt.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschrei.
-
bung und den Figuren eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
und seiner Varianten hervor.
-
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen rohrförmigen Körper mit Elektroden
zur piezoelektrischen Anregung.
-
Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines Kbrpers nach Figur 1, und zwar
mit Mitteln zur Polarisation.
-
Figur 2 zeigt eine Figur 1 ähnliche Ausführungsform mit einer ElektrOdenanordnunF
, die speIell ftir die Verwendung als Verzögerungsleitung geeignet ist.
-
Mit 1 ist ein Schrrschwinger bezeichnet, der im wesentlichen aus dem-rohrförmigen
Körper 2 und auf dessen Oberflächen angebrachten Elektroden besteht. Erfindungsgemäß
ist der Körper 2 in Umfangsrichtung durchgehend elektrisch permanent polarisiert,
wie dies durch die Pfeile 4 auf der Stirnfläche angedeutet ist: Es sei erwähnt,
daß die Polarisation auch diesen Pfeilen 4 entgegengesetzt gerichtet sein kann.
Vorzugsweise erstreckt sich die Polarisation in der angegebenen Richtung 4 über
die gesamte Länge des Körpers 2. In einzelnen Anwendungsfällen kann es jedoch von
Vorteil sein, wenn der ausgerichtete, permanent polarisierte Zustand im wesentlichen
nur im Bereich der im folgenden noch näher zu beschreibenden Elektroden vorliegt.
rit 6 und 8 sind auf der Oberfläche der Außenseite bzw. der Innenseite des rohrförmigen
Körpers 2 angebrachte Elektroden bezeichnet. 6 und 8 bilden ein zusammengehöriges
Elektrodenpaer,bestehend aus einer Elektrode 6 und der ihr zugehörigen Gegenelektrode.
Die Elektroden sind vorzugsweise auf das Material des Körpers 2 aufgetragen, z.E.
durch eine Versilberung mit einer Silbertinktur. Mit 16 und 18 sind elektrische
Zuleitungen bezeichnet. Diese Zuleitungen sind vorzugsweise an Stellen eines Schwingungaknotens
bzw. einer Schwingungsknotenlinie an der jeweiligen Elektrode befestigt.
-
Figur diese Anschlußleitungen werden dünne Drähte bevorzugt, die daE
Schwingungsverhalten des Körpers 2-nicht störend beeinflussen.
-
Mit 10 ist eine weitere, der Elektrode 6 entsprechende, auf dem Körper
2 angebrachte Elektrode bezeichnet. Als Gegenelektrode zur Elektrode 10 ist auf
der Innenseite eine der Elektrode 10 gegenüberliegende Elektrode vorgesehen. Soweit
eine Gegenelektrode verwendet wird, die in ihrer Anordnung der Elektrode 8 entspricht,
ist diese in der Darstellung der Figur 1 nicht sichtbar. Beim Beispiel der Figur
1 ist die Elektrode 8 als eine durchgehende Belegung der Innenseite des Körpers
2 ausgebildet und ist damit nicht nur Gegeneiektrode zur Elektrode 6, sondern auch
Gegenelektrode zur Elektrode 10.
-
Anstelle der Innenseite könnte auch die Außenseite des Körpers diese
durchgehende Belegung aufweisen und getrennte Elektroden könnten auf der Innenseite
des Körpers vorgesehen sein. Mit 110 ist eine 16 und 1&'entsprechende Zuleitung
für die Elektrode 10 bezeichnet.
-
Eine Scherschwingung kann bei dem speziellen Ausführungsbeispiel nach
Figur 1 in verschiedener Weise, je nach dem geunschten Anwendungszweck, bewirkt
werden. Beim Anlegen einer elektrischen Wechsel- oder Impulsspannung an die Elektrodenpaare6
und 8 bzw. 10 und 8 wird im Bereich der Elektroden aufgrund des piezoelektrischen
Effektes eine mechanische Welle im Körper erzeugt. Beim Ausführungsbeispiel nach
Figur 1 werden im wesentlichen Volumen-Scherwellen erzeugt.
-
Eine bevorzugte Anwendung eines Scherschwingers der beschriebenen
Art ist diejenige als Verzögerungsleitung, da Scherwellen in rohrförmigen Körpern
relativ geringe Dispersion haben. Für diesen Anendungszeck wird das zu verzögernde
Eingangssignal an eines der Elektrodenpaare 6 und 8 oder 10 und 8 angelegt. Die
erzeugte Welle pflanzt sich in dem Körper 2 in Richtung auf das andere Ende zu fort.
Sobald die der erzeugten mechanischen Welle entsprechendeEnregung den
Bereich.
des anderen Elektrodenpaares- durchläuft, wird aufgrund des piezoelektrischen Effektes
zwischen der- Elektrode 10 und der jeweiligen Gegenelektrode eine der Erregung entsprechende
elektrische Spannung erzeugt. Der Laufzeit der Welle entsprechend tritt diese Spa'nnung-
zeitlich verzögert auf.
-
In manchen Anwendungsfällen wird die Elektrode 10 weggelas.sen bzw.
elektrisch nicht angeschlossen und d'as. Ausgangssignal des als Verzögerungsleitung
wirkenden Körpers 2-wieder an den Elektroden 6 uni 8 abgenommen. Hiersu ist es erforderlich,
daß eine Reflexion der in das Material des rohrförmigen Körpers piezoelektrisch
eingeprägten Welle am gegenüberliegenden Ende des Körpers 2 erfolgt und daß; ein
eventuelles zeitliches Zusammentreffen des reflektierten, Signals mit einem neu
einzugebenden Signal berücksichtigt ist--.
-
In den Fällen, in denen keine Reflexion an den Enden der Verzögerungsleitung
gewüngscht ist, werden diese En -den in einer, in der Figur nicht dargestellten",
jedoch grundsätzlich bekannten Art und Weise mit Mitteln zur Dämpfung von Reflexionen
verse-hen. Die Elektroden 6 und 10 befinden sich in diesen Fallen nicht am äußersten
Ende des Körpers, sondern sind etwas weiter nach innen verschoben auf dem Körper
2: angebracht und die Enden selbst sind mit einem Absorptionsmittel für mechanische
Wellen-, beisp-ielswe-ise mit einem Kunstharzklebestoff, ausreichend dick beschichtet.
-
In einzelnen Anwendungsfällen kann es von Vorteil sein auch zwischen
den den Eingang und den Ausgang der Verzögerungsleitung bildenden Elektroden eine
oder-mehrere weitere Elektroden mit Gegenelektrode auf dem Körper 2 anzubringen,
um an diesen Stellen ein zu verwertendes elektrisches Signal der Verzögerungsleitung
entnehmen zu können.
-
Beim Beispiel der Figur 1 ist dafür die Elektrode 14 mit der Elektrode
8 als Gegenelektrode vorgesehen.
-
Die eingetragenen Doppélpfeile 5 weisen auf die Richtung des elektrischen
Feldes hin, das bei Anlegen einer elektrischen-Signal-Wechselspannung zwischen den
Elektroden 6 und 8 im.
-
Material des Körpers 2 auftritt. Wie ersichtlich, ist die Richtung
des elektrischen Feldes 5 im wesentlichen orthogonal zur Polarisationsrichtung 4,-
was zur Erzeugung ein :uechanischen Scherwelle in-dem Körper 2 führt.. Diese Scherwelle
ist.
-
vorzugsweise eine Torsions- oder Drillungsüelle. Lediglich ergänzendsei
darauf hingels-lesen, daß zusätzlich zur Grundschwingung in dem Körper 2 auch Oberwellenschwinguiigen
a--uftreten können. Aufgrund der relativ geringen Dispersion von Scherwellen ist
jedoch deren abweichende Au sbreltungsgeschwindigkeit inden Körper 2 für die meisten
Anwendungsfälle nicht störend.
-
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäß polarisierten rohrförmigen Körper
2, auf dessen Oberfläche 2 Elektrodenpaare angeordnet sind Jedes der beiden Elektrodenpaare
besteht aus zwei nahe benachbarten ringförmigen Elektroden 101, 102 bzw. 103, 104.
Eine zwischen die Elektroden eines der Elektrodenpaare angelegte elektrische Signalwechselspannung
erzeugt in dem Körper 2 eyine sich in Längsrichtung fortpflanzende Oberflächen-Scherwelle.
-
An dem anderen Elektrodenpaar kann mit einer der Laufzeit entsprechenden
Zeitverzögerung ein entsprechendes Signal abgenommen werden.
-
Insbesondere aus der Figur 3 sind Einzelheiten für das der Erfindung
gemäße Polarisationsverfahren des rohrförmigen Körpers 2 zu entnehmen. Wie bereits
oben erwähnt, wird der Körper 2 in Richtung des Umfanges in zwei ungleichbreite
Antile seiner Oberfläche aufgeteilt. Diese Aufteilung verläuft dabei im wesentlichen
entlang Mantellinien der Oberfläche des Körpers. Das Aufteilungsverhältnis ist dabei
so gewShlt, daß durch Anlegen der Polarisationsspannung- an
dem
ersteren, kleineren Anteil des Körpers 2 in dem dort vorhandenen Material des Körpers
eine ausgerichtete permanente elektrische Polarisation erreicht wird. In dem dagegen
größeren, zweiten Anteil, erfolgt keine Veränderung des dortigen Poiarisationszustandes.
-
Zum Anlegen der Polarisationsspannung werden an dem Körper 2 vorübergehend,
und zwar noch bevor die Elektroden 6, 8,--'rn10, 14 usw. aufgebracht sind, Elektroden
22 und 26 vorgesehen.
-
Diese Elektroden bilden ein Paar Polarisationselektroden.
-
Vorzugsweise wird auch gegenüberliegend auf der Innenseite -des Körpers
ein Paar Polarisatiönselektroden 24 und 28 vorge-sehen. Bei innen und außen angebrachten
Elektroden werden jeweils die einander gegenüberliegenden Elektroden, beim Beispiel
der Figur 2 die Elektroden 22 und 24 sowie 26 und 28 paarweise miteinander kurzgeschlossen.
Die zwischen den Elektroden 22 und 26 anzulegende elektrische Põiarisationsspannung
polarisiert den zwischen diesen Elektroden liegenden Anteil des rohrförmigen Körpers
in der durch die Pfeile 4 angedeuteten Art. Die Polarisationsrichtung, in Pfeilrichtung
oder , in Gegenrichtung, hängt lediglich von der gegenseitigen Polarität der zwischen
22 und 26 angelegten elektrischen Spannung ab. Die Höhe dieser angelegten Spannung
ist so gewählt, daß das Material in diesem Anteil- des Körpers eine resultierende
Ausrichtung der permanenten Polarisation erhält. Sie ist aber auf einen solchen
Wert beschränkt, der einen vorhandenen, insbesondere in dem übrigen sweitenUmSangsanteil
des Körpers 2 bereits erreichten ausgerichteten Polarisationszustand nicht wesentlich
verändert.
-
Im vorliegenden Beispiel umfaßt der erste Anteil etwa ein Viertel
des gesamten Umfanges des Körpers 2. Erfindungsgemäß wird das zur Polarisierung
dieses Umfangsantells beschriebene Verfahren aufeinanderfolgend für aen gesamten
Umfang des Körpers 2 durchgeführt. Hierzu nicht mehrbenötigte Polarisationselektroaen
werden vorsugsweise wieder entfernt. Es, kann aber im allgemeinen auch ausreichend
seinf diese Elektroden
lediglich elektrisch offen zu lassen und
erst nach Abschluß der Polarisation und vor dem Aufbringen der Elektroden 6, 10
und 14 alle für den Polarisationsprozeß verwendeten Elektroden zu entfernen.
-
Abhängig von dem zu polarisierenden Material kann es vorteilhaft sein,
während des Polarisationsvorganges eine Temperaturerhöhung des Materials vorzusehen.
Bei dieser Temperaturerhöhung ist selbstverständlich darauf zu achten, daß nicht
bereits erfindungsge-mäß ausgerichtet polarisierte Anteile des Körpers, insbesondere
durch zu starke Annäherung an die Curietemperatur, wieder depolarisiert werden.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die abschnittsweise auf einanderfolgende Polarisation
des Körpers durch eine nur abschnittsweise Erwärmung desselben begleitet wird, Z.B.
-
durch Anblasen des Körpers 2 mit einer durch die büse 27 gefUhrtenheißm
Luft an dem zu polarisierenden Bereich kann eine weitgehend partielle Erwärmung
des Körpers 2 vorgenommen werden. Durch Wärmeeinwirkung der vorbei strömenden Luft
und durch Wärmeleitung des Materials selbst erfolgt zwar eine Erwärmung auch des
übrigen Anteils des Körpers 2, Jedoch bleibt dessen Temperatur gegenüber dem zu
polarisierenden, unmittelbar angeblasenen Anteil zurück. Anstelle des Anblasens
mit Luft oder mit einem anderen Gas kann auch eine Wärmezufuhr durch Wärme strahlung
vorgesehen sein. Es können auch Wärmestrahlung und heiße Luft zusammen verwendet
werden. Be im Augenblick nicht zu polarisierende Bereich kann auch gekühlt werden,
z.B. durch Anblasen mittels kalter Luft. In axialer Richtung des Körpers 2 gesehen
wird das Anlegen der elektrischen Spannung und, soweit vorgesehen, die Erwärmung
des Materials. so weist ausgedehnt, ie eine Polarisation in dem Material erwünscht
ist. Wie bereits oben erwähnt, kann nämlich auch vorgesehen sein, daß der Körper
nicht auf seiner gesamten Länge polarisiert ist. Fiir die piezoelektrische Einkopplung
und Auskopplung des Signals in bzw. aus dem Körper genügt es nämlich, daß das Material
wenigstens
im Bereich der ringförmigen Elektroden polarisiert ist.
-
Für die Polarisationselektroden können insbesondere. auch Schleifkontakte
an den Körper angelegt sein. In diesem Falle ist es möglich, den Körper durch kontinuierliches
Rotieren um seine Achse durchgehend'zu polarisieren. Hierbei ist allerdings darauf
zu achten, daß ein sehr guter elektrischer Kontakt zur Oberfläche erreicht wird,
da das für den Körper 2 vorgesehene Material in der Regel relativ hohe Dielektrizitätskonstante
hat. Aus diesem Grunde empfiehlt es sich, die Schleifkontakte mit Quecksilber zu
benetzen. Das Quecksilber benetzt die Oberfläche des rohrförmigen Körpers an den
gencinschten Kontaktstellen ausreichend gut.
-
Als' Material für einen der Erfindung gemäßen Scherschwinger kommt
jegliches ferroelektrisches Material mit permanent ausrichtbarer Polarisation in
Betracht. Insbesondere eignet sich Bleizirkonat-Titanatkeramik. Das erfindungsemäße
Verfahren zur Polarisation ist besonders dann einfach auszuführen, wenn das verwendete
ferroelektrische Material eine annähernd rechteckige Hystereseschleife aufweist.
-
13 Patentansprüche 3 Figuren