DE2740254B2

DE2740254B2 - Verfahren und Anordnung zum Polarisieren von piezoelektrischen keramischen Elementen

Info

Publication number: DE2740254B2
Application number: DE2740254A
Authority: DE
Inventors: Eike Dipl.-Ing. 7257 Ditzingen Eckert; Wolfgang Ing.(Grad.) 7016 Gerlingen Heck
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1977-09-07
Filing date: 1977-09-07
Publication date: 1979-07-05
Also published as: DE2740254A1; DE2740254C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Polarisieren von piezoelektrischen keramischen EIementen durch Anlegen einer Polarisationsspannung an die Elemente unter gleichzeitigem Erhitzen auf die Curie-Temperatur.

Es sind bereits verschiedene Verfahren und Anordnungen zum Polarisieren von piezoelektrischen keramisehen Elementen bekannt.

So ist aus der DE-AS 12 93 245 bekannt, piezoelektrische keramische Elemente durch Anlegen einer hohen Gleichspannung zu polarisieren, unter gleichzeitigem Erhitzen über den Curie-Punkt und Abkühlen im Gleichspannungsfeld.

Aus der DE-AS 14 66 189 ist es bekannt, ferroelektrische Stoffe dadurch zu polarisieren, daß zuerst eine Wechselspannung an sie angelegt wird und anschließend eine Gleichspannung.

Aus der DE-AS 25 15478 ist eine Schaltungsanordnung zu gleichzeitigem Polarisieren mehrerer keramischer Elemente bekannt, bei der jedem einzelnen Element eine Anzeigeeinrichtung zugeordnet ist. Die Dauer der Polarisierung und die Entladung werden durch eine Steuereinrichtung gesteuert.

Aus der DE-AS 25 20 058 ist es bekann:, die zu polarisierenden Elemente einem elektrischen Wechselfeld auszusetzen, das eine Frequenz im Schallbereich hat.

Schließlich ist es aus der DE-OS 26 37 951 bekannt, das Polarisieren bei höherer Temperatur vorzunehmen, dann abzukühlen und dann erst das elektrische Feld abzuschalten

Bei allen diesen bekannten Verfahren besteht das Problem, die Erhitzung bis knapp über den Curie-Punkt des piezoelektrischen keramischen Materials vorzunehmen, der auch bei materialgleicher Zusammensetzung von Charge zu Charge gewissen Schwankungen unterworfen ist Weiterhin muß eine Verunreinigung der Oberfläche der Keramikelemente vermieden werden und !schließlich müssen elektrische Durchschläge bei der Polarisation vermieden werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren zum Polarisieren von piezoelektrischen keramischen Elementen durch Anlegen einer Polarisationsspannung an die Elemente unter gleichzeitigem Erhitzen auf die Curie-Temperatur so auszubilden, daß die Curie-Temperatur für jede einzelne Charge der zu polarisierenden Elemente emriittelt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eines der Elemente als frequenzbestimmendes Glied an einen Oszillator angeschlossen wird.

Dadurch ist es möglich, die Erhitzung stets exakt an die Curie-Temperanir der gerade zu polarisierenden Elemente anzupassen, so daß eine optimale Polarisation unter Vermeidung von elektrischen Durchschlägen möglich ist.

Bei den eingangs genannten bekannten Verfahren wird keine Bestimmung der Curie-Temperatur für jede einzelne Charge der zu polarisierenden Elemente vorgenommen, so daß einerseits die Polarisation nicht optimal ist, andererseits Elemente infolge von Durchschlägen unbrauchbar werden.

Bei dem Verfahren nach der DE-AS 12 93 245 soll durch ein Polarisieren in zwei verschiedenen Richtungen eine bessere Polarisation er«?irht werden. Eine optimale Polarisation und die Vermeidung von Durchschlägen ist aber auch dadurch nicht möglich, da die Curie-Tempeiratur der Elemente von Charge zu Charge schwankt.

Nach der DE-AS 14 66 189 wird versucht, gleichmäßig polarisierte Elemente dadurch zu erhalten, daß eine Behandlung in einem elektrischen Wechselfeld durchgeführt wird. Durchschläge werden hierbei dadurch vermieden, daß die Polarisation bei Zimmertemperatur durchgeführt wird. Eine optimale Polarisation ist aber nur möglich, wenn diese dicht oberhalb der Curie-Temperatur des Materials durchgeführt wird. Außerdem sind bei dem bekannten Verfahren sehr hohe Wechselfelder und eine lange Behandlungszeit erforderlich.

Bei dem Verfahren nach der DE-AS 25 15 478 wird jedem einzelnen Element eine Prüfeinrichtung zugeordnet. Abgesehen davon, daß dies einen großen Aufwand erfordert, kann damit auch nur die Unbrauchbarkeit einzelner Elemente infolge von Durchschlägen festgestellt werden. Diese werden jedoch nicht vermieden.

Bei dem Verfahren nach der DE-AS 25 20 058 soll durch Anlegen eines Wechselfeldes eine Stabilisierung der Polarisation über eine längere Zeit erzielt werden. Eine optimal« Polarisation und die Vermeidung von Durchschlagen kann damit nicht erreicht werden.

Nach der DE-OS 26 37 951 wird die Polarisation bei erhöhter Temperatur mit Gleichspannung vorgenommen und anschließend im Gleichspannungsfeld abgekühlt. Eine genaue Bestimmung der Curie-Temperarur

für jede Charge ist nicht vorgesehen, so daO eine optimale Polarisation nicht möglich ist.

Da als solches frequenzbestimmendes Glied des Oszillators jeweils immer ein Element einer zu polarisierenden Charge von Elementen verwendet wird, ist sichergestellt, daß die Erhitzung der Elemente beim Polarisieren genau an den Curie-Punkt der gerade zu behandelnden Elemente angepaßt wird. Dies kann in einfacher Wek£ dadurch geschehen, daß die Heizung zum Erhitzen der Elemente beim Erreichen der Curie-Temperatur, d. h. bei einem Frequenzsprung des Oszillators, abgeschaltet wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Curie-Temperatur bei jeder Charge von Elementen sicher erreicht wird, aber daß eine unnötige hohe Erhitzung Tiber den Curie-Punkt vermieden wird.

Die Erhitzung kann auf diese Weise automatisch gesteuert werden und paßt sich immer an den Curie-Punkt der gerade zu polarisierenden Charge von Elementen an.

Um eine Oberfiächenverunreinigung der Elemente während der Polarisierung zu vermeiden, wird die Polarisierung gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens der Erfindung in Luft durchgeführt Dadurch wird vermieden, daß sich unerwünschte Zersetzungsprodukte auf der Oberfläche der Keramikelemente niederschlagen, wie dies beispielsweise beim Polarisieren in einer dielektrischen Flüssigkeit oft der Fall ist

Es ist vielter vorteilhaft, den durch die keramischen Elemente fließenden Strom, der auf der Eigenleitung dieser Elemente beruht, auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen.

Durch diese Maßnahmen ist es möglich, das Polarisieren von piezoelektrischen keramischen EIementen vollautomatisch durchzuführen.

Die Erfindung besteht weiter in einer Anordnung zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens. Diese Anordnung soll anhand der Figur näher beschrieben werden.

Die Anordnung zum Polarisieren von piezoelektrischen keramischen Elementen ist in der Figur schematisch dargestellt Sie besteht im wesentlichen aus einem Behälter 1, der mit einer Wärmeisolierung 2 ausgekleidet ist In diesem Behälter sind zwei Elektroden 3 und 4 angeordnet, welche an eine regelbare Hochspannungsquelle 12 angeschlossen sind. Zwischen den Elektroden 3 und 4 werden mehrere der zu polarisierenden piezoelektrischen Elemente 6 angeordnet Weiter sind in dem Behälter 1, 2 zusätzliche Elektroden vorgesehen, zwischen denen ein einzelnes piezoelektrisches Element 7 angeordnet werden kann. Von den zwei zusätzlichen Elektroden kann die eine Elektrode 3 die gleiche Elektrode sein, die auch zum Polarisieren der Elemente 6 dient Diese Elektrode 3 und die andere Elektrode 5 sind an einen Oszillator 9 angeschlossen, und zwar bildet das Element 7 das frequenzbestimmende Glied des Oszillators 9, vorzugsweise die Schwingkreiskapazität dieses Oszillators. Beim Polarisieren wird von der Hochspannungsquelle 12 eine elektrische Spannung an die Elektroden 3,4 und damit an die Elemente 6 angelegt Da das Polarisieren in Luft stattfandet, muß die Spannung so gewählt werden, daß die Durchschlagsfeldstärke in I. It nicht überschritten wird. Dann wird die Heizung 8 eingeschaltet, so daß die Elemente 6 und 7 bis auf ihre Curie-Temperatur erhitzt werden. Beim Erreichen der Curie-Temperatur ändert sich sprunghaft die Frequenz des Oszillators 9 und üb^r einen nachgeschalteten Frequenzdiskriminator 10 wird mittels einer Abschaltvorrichtung 11 die Heizung 8 abgeschaltet Diese Abschaltung kann mit einer vorbestimmten Verzögerung geschehen, so daß die Curie-Temperatur um einen definierten Wert überschritten wird. Während des Polarisierens fließt infolge der Eigenleitung ein bestimmter Strom durch die piezoelektrischen Elemente 6. Um diesen Strom auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen, ist ein Stromregler 13 vorgesehen, der den von der Hochspannungsquelle 12 abgegebenen Strom auf einen vorbestimmten Wert begrenzt

Auf diese Weise gelingt es, piezoelektrische Elemente abhängig von ihrem Curie-Punkt bis zur Sättigung zu polarisieren und dabei eng tolerierte Eigenschaften zu erzielen. Eine Verunreinigung der Oberfläche der Elemente wird weitgehend vermieden und der ganze Polarisationsvorgang kann infolge der einzelnen Regeleinrichtung vollautomatisch ablaufen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Polarisieren von piezoelektrischen keramischen Elementen durch Anlegen einer Polarisationsspannung an die Elemente unter gleich- s zeitigem Erhitzen auf die Curie-Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Elemente (7) als frequenzbestimmtes Glied an einen Oszillator (9) angeschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das an den Oszillator (9) angeschlossene Element (J) als Schwingkreiskapazität des Oszillators (9) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung der Elemente (β, ι5 T) bei einer sprungartigen Frequenzänderung des Oszillators (9) unterbrochen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisation in Lulft durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Ansprach ! bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die keramischen Elemente (6) fließenden Strom begrenzt wird.

6. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener heizbarer Behälter (1) vorgesehen ist, in dem Elektroden (3, 4) angeordnet sind, zwischen denen mehrere zu polarisierende keramische Elemente (6) angeordnet werden können und die an eine regelbare Gleichspannungsquelle (12) mit jo Strombegrenzung (13) angeschlossen ist, daß im Behälter (1) zwei weitere Elektroden (3, 5) vorgesehen sind, zwischen denen ein weiteres keramisches Element (V) angeordnet werden kann und die an einen Oszillator (9) angeschlossen sind J5 und daß dem Oszillator (9) ein Frequenzdiskriminiitor (10) nachgeschaltet ist, der bei sprunghafter Frequenzänderung eine Abschaltvorrichtung (l 1) für die Heizung (8) betätigt.

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