DE3034390A1

DE3034390A1 - Piezoelektrisches schwingelement

Info

Publication number: DE3034390A1
Application number: DE19803034390
Authority: DE
Inventors: Siegfried 5177 Titz Berger; Karl-Heinz Dipl.-Phys. 5170 Jülich Besocke
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1980-09-12
Filing date: 1980-09-12
Publication date: 1982-04-01
Also published as: FR2490348B1; JPH0241703B2; JPS5782756A; US4409509A; FR2490348A1; DE3034390C2; GB2083917B; GB2083917A; BE890329A

Description

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Mz/Br

Kernforschungsanlage Jülich
Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Piezoelektrisches Schwingelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Schwingelement zur Messung von Kontaktpotentialen zwischen relativ zueinander beweglichen Elektroden und von Elektrodenaustrittsarbeiten aus Oberflächen oder Grenzflächen, bei dem eine von einem mittels einer Erregerspannung erregten piezoelektrischen Material angetriebene Schwingelektrode von einem am piezoelektrischen Material befestigten Federelement gehalten ist und bei dem der Erregerspannung eine regelbare Spannung zur Variation des mittleren Elektrodenabstandes überlagert ist.

Ein piezoelektrisches Schwingelement dieser Art ist aus DE-PS 26 13 528 bekannt. Das Schwingelement ist als "Kelvinsonde" zur Bestimmung von Elektrodenaustrittsarbeit aus Materialgrenzflächen beschrieben. Die Elektrodenaustrittsarbeit ist für die Beurteilung von Oberflächeneigenschaften der Materialien von Bedeutung. Über die Verwendung als Kelvinsonde hinaus läßt sich das Schwingelement beispielsweise auch zur Modulation der optischen Durchlässigkeit eines Strahlenganges einsetzen.

Beim bekannten SchwingiLement ist zur Erregung des piezoelektrischen Materials ein Schaltkreis mit Transformator vorgesehen, dem als Wechselspannungsquelle ein Sinuswellengenerator dient. Im Schaltkreis befindet

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sich zum Einstellen des mittleren Abstandes der gegeneinander beweglichen Elektroden eine Gleichspannungsquelle, die eine Spannung liefert, die der Wechselspannung zur Erregung des piezoelektrischen Materials überlagert wird. Nachteilig ist, daß eine Erregung des Schwingelementes in Resonanzfrequenz durch Abstimmen des Sinuswellengenerators sehr genau eingestellt werden muß. Darüber hinaus ist bei einer Änderung der Resonanzfrequenz beispielsweise bei Temperaturschwankungen oder bei Alterung des Materials des Schwingelementes die Frequenz des Sinuswellengenerators nachzuregeln und der Phasenabgleich neu vorzunehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen und selbstregelnden Antrieb für das piezoelektrische Schwingelement zur Anregung und zum Betrieb des Schwingelementes in Resonanzfrequenzen zu schaffen, wobei die zu ermittelnden Meßgrößen störungsfrei bestimmbar sein sollen. Darüberjhinaus soll die Einstellung des mittleren Abstandes zwischen den sich gegeneinander bewegenden Elektroden von der Erregung des Schwingelementes entkoppelt sein. Auch wird eine unabhängige Handhabung der einzelnen Regelgrößen angestrebt.

Diese Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen Schwingelement der eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale ge-

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löst. Dabei wird das piezoelektrische Material einerseits über einen Kondensator an einen in Selbsterregung arbeitenden Erregerkreis, andererseits am Basispotential des Erregerkreises angeschlossen, wobei parallel zu den Polen des piezoelektrischen Materials eine die Variation des mittleren Elektrodenabstandes bewirkende Spannungsquelle anliegt. Auf diese Weise wird eine Selbsterregung des Schwingelementes in Resonanzfrequenzen unabhängig von der der Erregerspannung überlagerten weiteren Spannung erreicht und die gewünschte Resonanzfrequenz (Grundfrequenz oder Oberwellen) selbsttätig eingestellt. Der Erregerkreis weist darübeij-hinaus einen Steuerkreis zur Amplitudenvariation auf.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 2 besteht der Erregerkreis in einfachster Weise aus einem Operationsverstärker mit einem am invertierenden Eingang angeschlossenen Gegenkoppelkreis und einem am nicht invertierenden Eingang angeschlossenen Rückkoppelkreis. Der eine mit dem Schwingkreis verbundene

ist

Pol des piezoelektrischen Materials^ über den Kondensator mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden.

Um eine kontinuierliche Amplitudenveränderung des Schwingelementes durchführen zu können, liegt am Operationsverstärker eine legelbare Versorgungsspannung an. Die Amplitude läßt sich somit in gleicher Weise wie der mittlere Abstand der gegeneinander schwingenden Elektroden des Schwingelementes ohne wesentlichen Einfluß auf die Schwingeigenschaften des Erregerkreises einstellen.

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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen im einzelnen:

Figur 1 Blockdiagramm für die Funktion eines

als Kelvinsonde verwendeten piezoelektrischen Schwingelementes;

Figur 2 Schaltbild eines Erregerkreises mit Abstands- und Amplitudenregelung.

Wie die Zeichnung zeigt, weist das piezoelektrische Schwingelement eine Schwingelektode 1 und eine Gegenelektrode 2 auf, die im Ausführungsbeispiel ortsfest angeordnet ist. Für die Verwendung des Schwingelementes als "Kelvinsonde" bildet die Schwingelektrode 1 eine Referenζelektrode und besteht aus einem Material, dessen Austrittsarbeit sich während der Messung nicht verändern soll, beispielsweise aus Gold. Die Gegenelektrode 2 bildet das Prüfstück. Die Schwingelektrode 1 ist an einem Federelement 3 befestigt, das als Blattfeder an seinem anderen Ende von einem piezoelektrischen Material 4 zu transversalen Schwingungen angeregt wird. Statt einer Blattfeder sind auch andere Federelemente, insbesondere Longitudinalschwinger verwendbar. Das Federelement 3 ist aus Molybdän gefertigt.

Das mit dem Federelement 3 verbundene piezoelektrische Material 4, eine o,1 mm starke Piezokeramikfolie, ist beidseitig mit einer Metallschicht überzogen und weist für den Anschluß elektrischer Leiter Pole 5,6 auf. Als

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temperatur- und ultrahochvakuumbeständige Piezokeramik wurde eine aus Blei-Zirkonat und -Titanat bestehende Piezokeramikfolie verwendet.

Am Pol 5 des piezoelektrischen Materials ist über einen elektrischen Leiter 7 ein das piezoelektrische Material 4 antreibender Erregerkreis angeschlossen. Der Erregerkreis besteht aus einem Operationsverstärker 8, einem Gegenkoppelkreis 9 mit Widerständen 1o, 11 und parallelgeschaltetem Kondensator 12 sowie einen Rückkoppelkreis 13 mit Widerständen 14, 15, wovon der Widerstand 14 regulierbar ist. Der Gegenkoppelkreis 9 ist zwischen invertierendem Eingang 16 und Ausgang 17 des Operationsverstärkers 8, der Rückkoppelkreis 13 am nicht invertierenden Eingang 18 angeschlossen, wobei der Widerstand 14 des Rückkoppelkreises am Basispotential 19, der Widerstand 13 am Ausgang 17 des Operationsverstärkers 8 anliegt. Der mit Pol 5 des piezolektrischen Materials 4 verbundene elektrische Leiter 7 ist über einen Kondensator 2o am invertierenden Eingang 16 des Operationsverstärkers 8 angeschlossen, der Pol 6 des piezoelektrischen Materials 4 liegt über Leiter 21 am Basispotential 19 an.

Die Widerstandswerte der Widerstände 1o, 11, 14 und 15 sowie die Kapazitäten der Kondensatoren 12 und 2o werden so gewählt, daß unter Berücksichtigung der elektrischen Größen des piezoelektrischen Schwingelementes optimale Impedanz-Bedingungen für den Erregerkreis gegeben sind. Der Rückkopplungsgrad des Erregerkreises wird mit Widerstand 14 eingestellt.

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Mit beiden Polen 5,6 ist eine regelbare Spannungsquelle 22 verbunden, mittels der der vom Erregerkreis erzeugten Erregerspannung eine Spannung zur Einstellung des mittleren Abstandes zwischen Schwingelektrode 1 und Gegenelektrode 2 überlagerbar ist. Im Ausführungsbeispiel wird eine regelbare Gleichspannungsquelle verwendet, die manuell einstellbar ist. Statt dessen läßt sich jedoch beispielsweise auch ein selbsttätig wirkender Regelkreis zur automatischen Abstandsregelung oder ein Wechse!spannungsgenerator zur Doppelmodulation für das Schwingelement einsetzen.

Der Operationsverstärker 8 wird von einer regelbaren Ver-

sparmungs

sorgungs)quelle 23 gespeist. Eine Änderung der Versorgungsspannung bewirkt eine Amplitudenvariation. Die Versorgungsspannungsquelle ist über Leiter 24, 25 mit dem Operationsverstärker 8 verbunden. Jeder der Leiter 24, 25 ist am Spannungsteilerausgang von Potentiometern 26, 27 angeschlossen, die ihrerseits mit Spannungsquellen 28, 29 in Verbindung stehen.

Das piezoelektrische SchwingAement wird mit dieser Erregerkreisschaltung selbsttätig auch bei Änderung der elastischen Eigenschaften des Schwingelementes beispielsweise durch Temperaturänderungen oder Alterung des Materials in Eigenresonanz (Grundfrequenz oder Oberwellen) betrieben. Die Resonanzbedingungen ändern sich auch dann nicht, wenn die Impedanz des Schwingelementes durch Anlegen

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von Spannungen mittels der Spannungsquelle 22 geändert wird. Die regelbare Versorgungsspannungsquelle 23 am Operationsverstärker 8 ermöglicht eine kontinuierliche Amplitudenvariation.

Das von der Kontaktpotentialdifferenz zwischen Schwingelektrode 1 und Gegenelektrode 2 bestimmte Meßsignal wird über einen elektrischen Leiter 3o einem phasenempfkindlichen Verstärker 31 zugeführt, der vom Erregerkreis über eine Signalleitung 32 mit einem Phasenreferenzsignal synchronisiert wird. Vom phasenempfindlichen Verstärker 31 wird das Meßsignal einer Signalverarbeitung 33 zugeführt, die mit einem Registriergerät 34 zur Aufzeichnung des Meßsignals verbunden ist.

Für einen automatischen Nullabgleich weist die Signalverarbeitung 33 einen Anschluß für eine Rückführleitung 35 auf, die über eine Spannungsquelle 36 an das Basispotential 19 führt. Die Spannungsquelle 36 dient zur Kompensation und Simulation von Kontaktpotentialdifferenzen und zu Eichzwecken.

Vom Erregerkreis wird unabhängig von Resonanzfrequenz und Amplitude ein phasenstabiles Referenzsignal abgegeben. Der phasenempfindliche Verstärker ist auch bei Änderung der Resonanzfrequenz insbesondere infolge einer Temperaturänderung oder Alterung des Materials nicht nachzujustieren.

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Claims

Kernforschungsanlage Julien
Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Patentansprüche

.) Piezoelektrisches Schwingelement zur Messung von Kontaktpotentialen zwischen relativ zueinander beweglichen Elektroden und von Elektrodenaustrittsarbeiten aus Oberflächen oder Grenzflächen, bei dem eine von einem mittels einer Erregerspannung erregten piezoelektrischen Material angetriebene Schwingelektrode von einem am piezoelektrischen Material befestigten Federelement gehalten ist und bei dem der Erregerspannung eine regelbare Spannung zur Variation des mittleren Elektrodenabstandes überlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Pole 5 des piezoelektrischen Materials 4 über einen Kondensator 2o mit einem in Selbsterregung arbeitenden Erregerkreis 8,9, 13 verbunden ist und der andere Pol 6 des piezoelektrischen Materials 4 am Basispotential 19 des Erregerkreises 8,9, 13 anliegt, wobei parallel zu den Polen 5,6 des piezoelektrischen Materials 4 eine die Variation des mittleren Elektrodenabstandes bewirkende regelbare Spannungsquelle 22 angeschlossen ist und der Erregerkreis 8,9, 13 einen Steuerkreis 26, 27, 28,29 zur Amplitudenvariation aufweist.

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2. Piezoelektrisches Schwingelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerkreis einen zwischen invertierendem Eingang 16 eines Operationsverstärkers 8 und dessen Ausgang 17 anliegenden Gegenkopplungskreis 9 und einem zwischen nicht invertierendem Eingang 18 und Ausgang 17 anliegenden Rückkoppelkreis 13 aufweist, wobei der mit dem Erregerkreis verbundene Pol 5 des piezoelektrischen Materials 4 über den Kondensator 2o am invertierenden Eingang 16 des Operationsverstärkers 8 angeschlossen ist.
3. Pieozoelektrisches Schwingelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Operationsverstärker 8 eine regelbare Versorgungsspanriuny anliegt.