DE3146146A1

DE3146146A1 - Piezoelektrisches biegeelement und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3146146A1
Application number: DE19813146146
Authority: DE
Inventors: Michael Alan 14450 Fairport N.Y. Marcus
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1980-11-24
Filing date: 1981-11-21
Publication date: 1982-06-24
Also published as: GB2090700A; GB2090700B; FR2494913A1; HK1686A; US4375042A; JPS57120388A; FR2494913B1

Description

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Eastman Kodak Company, Rochester, Staat New York, Vereinigte Staaten von Amerika

Piezoelektrisches Biegeelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einschichtige, polymere piezoelektrische Biegeelemente sowie ein Verfahren zur Verbesserung der Biegefähigkeit dieser Elemente.

Herkömmliche piezoelektrische Biegeelemente besitzen in der Regel mehrere Schichten eines Materials unterschiedlicher piezoelektrischer Wirksamkeit. Wird ein elektrisches Feld von außen an eine solche Vorrichtung angelegt, so führt eine geringfügige Ausdehnung und/oder Zusammenziehung in den Ebenen einander gegenüberliegender Schichten dazu, daß sich die Schichten relativ stark aus ihren Ebenen herausbiegen. Wird im Gegensatz dazu eine äußere Kraft auf die Vorrichtung ausgeübt, durch die sich die Vorrichtung biegt, so entsteht an den Schichten der Vorrichtung eine Spannung. Piezoelektri-■15 sehe Biegeelemente werden als Wandler verwendet, die sowohl elektrische in mechanische Energie als auch mechanische in elektrische Energie umsetzen, und finden beispielsweise in Lautsprechern, Mikrofonen, Tonbandkassetten, Motoren und Beschleunigungsmessern Verwendung.

Piezoelektrische Biegeelemente werden normalerweise hergestellt, indem einzelne dünne Platten aus piezoelektrischem Material gleichförmig polarisiert und die Platten dann mit Hilfe eines Klebemittels miteinander verbunden werden. Dieses Verfahren wurde lange Zeit bei der Herstellung von Biegeelementen aus piezoelektrischen KeramikmaLorialicn wie

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etwa Bleizirkonattitanat (PZT) angewendet. Nähere Informationen über strukturelle Einzelheiten solcher Vorrichtungen und einige ihrer Anwendungsbereiche liefert der Artikel von C. P. Germano mit dem Titel "Flexure Mode Piezoelectric Transducers", IEE Transactions on Audio and Electroacoustics, Band AU-19, Nr. 1, März 1971.

In den letzten Jahren wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, piezoelektrische Biegeelemente aus den verschiedensten polymeren Materialien herzustellen, wie beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVF₂), die bei entsprechender Polarisierung eine außergewöhnlich hohe piezoelektrische Wirkung aufweisen. Als Kunststoffe bieten diese Materialien besondere Vorteile, da sie mit Hilfe bereits bekannter hochentwickelter Technologien preiswert hergestellt werden können. Andererseits sind diese Kunststoffmaterialien schwer miteinander zu verbinden, und außerdem ist es schwierig, die mechanische Impedanz von Klebstoff und polymerem piezoelektrischem Material aufeinander abzustimmen.

· Eine Möglichkeit, die oben erwähnten Probleme der Verbindung zwischen dem Klebstoff und dem polymeren Kunststoff zu lösen, wird in der H. G. Baerwald am 17. November 1953 erteilten US-PS 2 65 9 82 9 erwähnt. Baerwald beschreibt darin ein Verfahren, bei dem eine einzige Platte aus piezoelektrischem Material ungleichförmig polarisiert wird, so daß sie sich wie ein Einplatten- oder wie ein Zweiplattenkristall verhält. Nach dem Baerwaldschen Verfahren wird zuerst eine Platte aus piezoelektrischem Material gleichförmig in einer Richtung polarisiert, dann wird die Polarisation in einem Teil der Platte aufgehoben, indem ein Wärmeimpuls bis zu einer bestimmten Tiefe vordringt, wodurch die Temperatur des Materials kurzzeitig über den Curie-Punkt steigt. Die sich ergebende Struktur zeigt eine durchgehende Platte aus einem Material mit Schichten unterschiedlicher piezoelektrischer Wirkung. Die Struktur ähnelt einem herkömmlichen Einplatten-

kristall, wobei die eine Schicht piezoelektrisch aktiv und eine andere Schicht im wesentlichen inaktiv ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Platte dann einem Polarisationsfeld entgegengesetzter Polarität ausgesetzt, das so stark ist, daß das nicht polarisierte Material polarisiert wird, die Polarität des bereits polarisierten Teils des Materials jedoch nicht umgekehrt wird. Das Ergebnis ist ein Element ähnlich einem herkömmlichen Zweiplattenkristall mit zwei Schichten, die, in entgegengesetzte Richtungen polarisiert, in einer durchgehenden Platte enthalten sind'.

Falls diese Technik zur Herstellung einer mehrschichtigen Struktur.in einem durchgehenden einstückigen Materialkörper auf polymere piezoelektrische Materialien angewandt werden könnte, ließen sich auch die Verbindungsprobleme lösen. Leider weisen polymere piezoelektrische Materialien wie etwa Polyvinylidenfluorid unterhalb des Schmelzpunktes des Polymers keinen wirklichen Curie-Punkt auf. Beim Wärmepolarisationsverfahren entsteht lediglich ein Klumpen aus geschmolzemem Kunststoff.

Es ist festgestellt worden, daß Polyvinylidenfluorid-Einzelschichten, die unter bestimmten Feld- und Temperaturbedingungen polarisiert sind, ein Biegeverhalten aufweisen, das zurückzuführen ist auf eine ungleichförmige Verteilung der piezoelektrischen Wirkung innerhalb des Films (siehe Artikel von H. Sussner und K. Dransfeld mit dem Titel "Importance of the Metal-Polymer Interface for the Piezoelectricity of the Polyvinylidene Fluoride", Journal of Polymere Science: Polymere Physics Edition, Band 16, Seite 529 bis 543, (1978), John Whiley & Sons, Inc.). Obwohl das so erzeugte ungleichförmig polarisierte polymere piezoelektrische Material eine gewisse Biegefähigkeit aufweist, ist es nicht annähernd so biegbar wie diejenigen Elemente, die durch Verbinden mehrerer Schichten unterschiedlich polarisierter Materialien entstehen.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur ungleichförmigen Polarisation von polymerem Matetial, beispielsweise Polyvinylidenfluorid, zu schaffen, dessen piezoelektrische Biegefähigkeit gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbessert "ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß ein Temperaturgefälle innerhalb der Dickenausdehnung einer Platte (eines Films) aus· polymerem Material erzeugt wird, und daß ein elektrisches Feld angelegt wird, um das Material zu polarisieren und es somit piezoelektrisch wirksam zu machen. Als Folge dieser Polarisation wird der Bereich der Platte, der näher an der kühleren Fläche liegt, wesentlich stärker polarisiert als der Bereich, der näher an der wärmeren Fläche liegt. Obwohl das Temperaturgefalle lediglich 10° C oder sogar 100° C betragen kann, liegt der bevorzugte Wert zwischen etwa 20° C und etwa 60° C, wobei sich die Temperatur der kühleren Fläche in einem Bereich von etwa 25° C bis etwa 70° C bewegt.

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird eine Platte aus polymerem Material zunächst polarisiert, wobei das oben erwähnte Verfahren angewandt wird, um den näher an der einen Fläche liegenden Teil der Platte viel stärker zu polarisieren als den näher an der gegenüberliegenden Fläche liegenden Teil. Anschließend werden das Temperaturgefälle und die Feldpolarität umgekehrt, und der näher an der gegenüberliegenden Seite liegende Bereich der Platte wird in der entgegengesetzten Richtung polarisiert.

Biegeelemente, die aus durchgehenden einstückigen Platten aus polymerem piezoelektrischem Material bestehen, das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ungleichförmig polarisiert ist, verbiegen sich relativ stark unter der Wirkung der angelegten Felder.

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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gerätes, das •5 zum Polarisieren von Proben aus polymerem piezo

elektrischem Material gemäß den Verfahren der
vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Testverfahrens, das verwendet wird, um das Biegeverhalten von in

dem Gerät gemäß Fig. 1 polarisierten Proben zu
prüfen;

Fig. 3a die Polarisationsbedingungen für ein Vergleichsbeispiel ohne Temperaturgefälle;

Fig. 3b eine vergrößerte, schematische Teilansicht einer Platte aus polymerem piezoelektrischem Material, das gemäß dem Vergleichsbeispiel polarisiert ist, im Schnitt;

Fig. 4a - 7a die Polarisationsbedingungen für eine Reihe von Proben aus polymerem piezoelektrischem
Material, das gemäß den Verfahren der vor-

liegenden Erfindung unter Verwendung ver

schiedener Temperaturgefälle polarisiert
ist, und

Fig. 4b - 7b eine vergrößerte schematische Teilansicht
der Proben aus polymerem piezoelektrischem

Material, das gemäß der vorliegenden Erfindung unter den Bedingungen gemäß Fig. 4a 7a polarisiert ist, im Schnitt.

Fig. 1 zeigt ein Gerät, das zur Polarisation von Proben aus polymerem piezoelektrischem Material gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das Gerät umfaßt eine allgemein mit 10 bezeichnete Presse, die eine obere Platte 12 und eine untere Platte 14 besitzt. Die untere Platte 14 wird unter Verwendung von Steuermitteln mittels eines hydraulischen Hebers 16 zur oberen Platte 12 hin gedrückt. Die Temperaturen der oberen und unteren Platte können unabhängig voneinander mit Hilfe einer Temperatursteuereinheit 18 gesteuert werden. Die untere und obere Platte ist jeweils mit einem elektrischen Heizelement 20 bzw. 22 und mit einer Kühlrohre 24 bzw. 26 für eine Kühlflüssigkeit (z. B. kaltes Wasser) ausgestattet.

Die Temperatursteuereinheit 18 hält die Temperatur der jeweiligen Platte in bekannter Weise auf' einem bestimmten Niveau, indem sie die Heizelemente mit bestimmten Mengen elektrischen Stroms und/oder die Kühlrohre mit Kühlflüssigkeit versorgt.

Zwei Polarisationselektroden 28 und 30 weisen etwa 50 χ 50 χ 13 Millimeter dicke Blöcke aus Edelstahl auf, sind zwischen den beiden Platten angeordnet und mit Hilfe von Abstandshaltern 32 und 34 aus Aluminiumoxid elektrisch isoliert. Diese Abstandshalter bewirken eine gute elektrische Isolierung und sind gleichzeitig gute Wärmeleiter. Eine Probe 36 (in Form einer Platte) aus polymerem piezoelektrischem Material wird zwischen die Elektroden 28 und 30 geklemmt. Die das piezoelektrische Material berührenden Flächen der Elektroden sind optisch eben, damit der thermische und elektrische Kontakt mit der Materialprobe gleichmäßig erfolgen kann. Ein Polarisationsfeld wird mit Hilfe eines Hochspannungsnetzanschlusses 38 an die Elektroden angelegt.

Proben aus polymeren piezoelektrischen Materialien, die in dem Gerät gemäß Fig. 1 polarisiert sind, werden, wie in

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Fig. 2 schematisch dargestellt, auf ihre Biegefähigkeit hin getestet. Ein rechteckiger Streifen 40 von etwa 3 mm χ 40 nun Größe wird aus dem polarisierten piezoelektrischen Material 36 herausgeschnitten (siehe Fig. 1). Der Streifen 40 ist in Fig. 2 im Schnitt dargestellt.

Aluminiumelektroden 42 und 44 werden auf die oberen bzw. unteren Flächen mit Hilfe bekannter Techniken aufgedampft. Ein Ende der sich ergebenden Struktur wird in eine Spannvorrichtung 46 eingeklemmt und bildet so ein einseitig gehaltenes piezoelektrisches Biegeelement. Eine Spannung wechselnder Polarität wird an das piezoelektrische Material angelegt, indem ein 300 V Wechselstrom-Netzanschluß 48 mit den Elektroden 42 und 44 verbunden wird. Dadurch biegt sich das Biegeelement nach oben und unten, wie in Fig. 2 in gestrichelten Linien dargestellt. Die stärkste Biegung ö an der Spitze des Biegeelements wird zur Bestimmung der Biegungsaktivität der polarisierten Probe gemessen.

Aus den Verbiegungswerten, die an den Proben unter verschiedenen Polarisationsbedingungen gemessen werden, wird eine effektive piezoelektrische Konstante ermittelt, indem die tatsächlich erzeugten Verbiegungswerte mit dem erwarteten Verbiegungswert eines theoretisch perfekten Zweiplattenkristalls verglichen werden, dessen Verbindungsschicht die Dicke Null hat.

Die theoretische Verbiegung am freien Ende eines solchen vollkommenen Zweiplattenkristalls entspricht der folgenden Gleichung:

= 3/2d₃₁VL²/t²

wobei:

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6 die Verbiegung ist;

d₃₁ die piezoelektrische Konstante, welche die in der

Ebene des Materials durch ein elektrisches Feld senkrecht zur Ebene des Materials erzeugte Spannung definiert;

V die angelegte Spannung;
L die Länge des Biegeelements und t die Gesamtdicke.

Nachdem eine Probe gemäß dem oben beschriebenen Verfahren für die Bestimmung von δ gestestet worden ist, wird die Gleichung (1) nach d,.. gelöst und ergibt eine Effektiv-Konstante

eff eff

d₃₁ (d₃₁ ), die mit der Konstanten (d₃₁ ) anderer Proben,

die unter anderen Polarisationsbedingungen hergestellt wurden, verglichen werden kann.
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. BEISPIELE

In den folgenden Beispielen wurde eine Reihe von Proben aus 90 um dickem, einachsig gerecktem Polyvinylidenfluorid-Film in einem Feld von 0,5 MV/cm unter verschiedenen Temperaturbedingungen verschieden lang polarisiert, um sie piezoelektrisch aktiv zu machen. Nach der Polarisation wurden die Proben auf ihre Biegefähigkeit hin mit Hilfe der oben in

eff Fig. 2 beschriebenen Methode getestet. Eine Konstante d₃₁ wurde für jede Probe anhand der Testergebnisse errechnet, so daß ein Vergleich mit den anderen Proben möglich warv

Beispiel 1 — Vergleichsbeispiel

Um Vergleiche mit Proben ziehen zu können, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung polarisiert sind, wurde

eine erste Probe 60 Minuten lang in einer Richtung bei einer gleichbleibenden Temperatur von 90° C polarisiert.

Fig. 3a zeigt diese Polarisationsbedingungen. Die durchgezogene Linie gibt die Feldpolarität der oberen Polarisationselektrode im Vergleich zur unteren Polarisationselektrode an, und die Temperaturwerte der oberen und unteren Fläche der Probe erscheinen oberhalb bzw. unterhalb der Zeitachse. Nach der Polarisation wurde das Polarisationsfeld aufgehoben und die Probe wieder der Zimmertemperatur ausgesetzt. Die Probe wurde dann vorbereitet und auf ihre Biegefähigkeit hin getestet, wobei sich eine Konstante d®? von 2,1 χ 10~ m/Volt (m/V) ergab/ woraus sich eine gewisse Ungleichförmigkeit im polarisierten Material ableiten läßt. Fig. 3b zeigt schematisch einen teilweisen Querschnitt durch das gemäß Beispiel 1 polarisierte Material 40. Die Pfeile 50 und 52 sollen die durchschnittliche piezoelektrische Aktivität in der oberen und unteren Hälfte der Probe andeuten. Die Pfeile 50 und 52 weisen in dieselbe Richtung und zeigen an, daß die Polarität der piezoelektrischen Wirkung in der gesamten Probe gleich ist, wobei der Unterschied in der Pfeillänge das Vorhandensein einer Biegefähigkeit deutlich macht. Für piezoelektrisches Material, das asymmetrisch in einer Richtung polarisiert ist, verringert jede in der schwächeren Hälfte des Materials vorhandene piezoelektrische Wirkung teilweise die in der stärkeren Hälfte vorhandene piezoelektrische Wirkung, die zur Biegung in der stärkeren Hälfte des Materials beiträgt.

Beispiel 2 — Erfahrung

Eine zweite, gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung vorbereitete Probe wurde 30 Minuten lang in einer Richtung bei einem Temperaturgefälle von 35° C polarisiert. Die obere Polarisationselektrode wurde auf einem Temperaturwert von 55° C und die untere Polarisationselektrode auf einem Wert

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von 90° C gehalten. Die Polarisationsbedingungen sind in Fig. 4a dargestellt. Die polarisierte Probe wurde auf ihre

ef f

Biegefähigkeit hin getestet und dabei eine Konstante d^₁ — 12 öl

von 6,2 χ 10 m/V, d. h. eine fast dreifache Verbesserung im Vergleich zu Beispiel 1 festgestellt. Fig. 4b zeigt in schematischer Darstellung die durchschnittliche piezoelektrische Aktivität in der oberen und unteren Hälfte eines Teils der polarisierten Probe. Dabei ist die Ungleichförmigkeit zwischen der oberen und der unteren Hälfte ganz deutlich. Die stärkste Wirkung zeigt sich in dem Teil des Materials, der während' der Polarisation auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wurde. In dem Teil, der auf einer höheren Temperatur gehalten wurde, ist hingegen eine geringe oder gar keine Aktivität festzustellen.

Beispiel 3 — Erfindung

Eine dritte Probe wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 vorbereitet, mit der Ausnahme, daß das Temperaturgefälle innerhalb des Materials entgegengesetzt verlief, wobei die relativ kühle Seite unten und die relativ warme Seite, wie in Fig. 5a dargestellt, oben lag. Beim Biegetest stellte

ef f sich bei der polarisierten Probe eine Konstante d,.. von

1 O «ι

- 5,9 χ 10 m/V heraus. Das Minuszeichen (-). bei | zeigt an, daß sich die Probe im Vergleich zu Beispiel 2 in der entgegengesetzten Richtung biegt. Fig. 5b zeigt in schematischer Darstellung die durchschnittliche piezoelektrische Aktivität in der oberen und der unteren Hälfte eines Teils der Probe. Wiederum ist fast die ganze piezoelektrisehe Aktivität in einem Teil des Materials konzentriert, der während der Polarisation auf einem niedrigeren· Temperaturwert gehalten wurde. Dieses Verhaltensmuster eines ungleichförmig polarisierten polymeren piezoelektrischen Materials, bei dem die Polarisierungsrichtung des stärker polarisierten Teils des Materials nach innen weist, und nicht etwa nach außen, wird als neu angesehen.

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Beispiel 4 — Erfindung

Eine vierte Probe wurde zuerst 30 Minuten lang bei einem Tem peraturgefälle von 35° C (wie in Beispiel 2) in einer Richtung polarisiert, dann wurden das Polarisationsfeld und das Temperaturgefälle umgekehrt und die Probe erneut 30 Minuten lang polarisiert. Das Temperaturgefälle und das Polarisationsfeld wurden umgekehrt, indem die Probe aus dem Gerät herausgenommen und umgedreht wurde. Diese Polarisationsbedungungen sind in Fig. 6a dargestellt. Die polarisierte Probe wurde auf ihre Biegefähigkeit hin getestet, und dabei

eine Konstante d|^^f von 10,9 χ 1θ"¹² m/V festgestellt. Dieses Biegungsverhalten ist wirklich beeindruckend bei einer einzigen Platte aus einem ungleichförmig polarisierten polymeren piezoelektrischen Material. Fig. 6b zeigt die durchschnittliche piezoelektrische Aktivität in der oberen und unteren Hälfte eines Teils der Probe.

Beispiel 5 — Erfindung

Zum Schluß wurde eine Probe 30 Minuten lang bei einem Temperaturgefälle von 35° C in einer Richtung polarisiert, dann wurden die Feldpolarität und das Temperaturgefälle umgekehrt und die Probe erneut 30 Minuten lang polarisiert, ähnlich wie in Beispiel 4, mit dem Unterschied, daß die Richtung des Temperaturgefalles und des Polarisationsfeldes im Vergleich zu Beispiel 4 um 180° phasenverschoben waren. Die Polarisationsbedingungen sind in Fig. 7a dargestellt. Die polari-

eff —12

sierte Probe ergab eine Konstante d-.. von -10,4 χ 10 m/V; das Minuszeichen (-) zeigt an, daß sich die Probe gegenüber der Probe in Beispiel 4 in entgegengesetzter Richtung biegt. Fig. 7b zeigt die durchschnittliche piezoelektrische Aktivität in der oberen und unteren Hälfte der Probe. Dieses Verhaltensmuster eines ungleichförmigen polarisierten polymeren piezoelektrischen Materials, bei dem die Polarisierungsrichtungen in beiden Hälften des Materials nach innen weisen und nicht nach außen, wird als neu angesehen.

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Andere Experimente wurden durchgeführt mit Temperaturgefällen im Bereich von 20° bis '60° C, wobei die niedrigeren Temperaturen zwischen 25° und 70° C lagen. Dabei wurden Polarisationsfelder von 0,80 bis 0,25 MV/cm verwendet. In allen Fällen stellte sich der Teil der Probe, der während der Polarisation auf dem niedrigeren Temperaturwert gehalten wurde, als der piezoelektrisch aktivere heraus, unabhängig von der Richtung des Polarisationsfeldes. Eine anschließende Umkehrung der Polarisierungsrichtung und des Temperaturgefälles führte stets zu einer Verbesserung der Biegefähigkeit, die annähernd einem Faktor von 2 entsprach.

Eine einleuchtende mechanistische Erklärung für die durch Anwendung eines Temperaturgefälles erzeugte ungleichförmige Polarisation gemäß der vorliegenden Erfindung basiert auf der temperaturabhängigen elektrischen Leitfähigkeit des piezoelektrischen Materials. Aufgrund des Temperaturgefalles ist die elektrische Leitfähigkeit der Probe in hohem Maße ungleichförmig. Wenn das,Polarisationsfeld angelegt wird, führt die ungleichförmige Leitfähigkeit dazu, daß das Polarisationsfeld innerhalb des Materials ungleichförmig wird und daß sich das Feld im kühleren und somit weniger leitfähigen Teil des Materials konzentriert. Im allgemeinen ist die Leitfähigkeit eines polymeren piezoelektrischen Materials nur oberhalb seiner GlasÜbergangstemperatur (Tg) temperaturabhängig. Tg für Polyvinylidenfluorid liegt bei etwa - 40° C. Nach der zuvor aufgestellten Theorie würde das eine niedrigere Grenze (Tg) für die Polarisationstemperatur eines polymeren piezoelektrischen Materials bedeuten. Darüber hinaus kann ein polymeres piezoelektrisches Material im allgemeinen nicht genau oder nahe an seinem Schmelzpunkt (Tm) polarisiert werden, wodurch bereits eine obere Grenze für die Polarisationstemperatur gesetzt ist. Tm für "Polyvinylidenfluorid liegt bei etwa 160° C. Das maximale Temperaturgefälle, bei dem ein polymeres piezoelektrisches Material polarisiert werden könnte, beträgt daher Tm -Tg, wobei die

eine äußere.Seite des Materials bei Tm und die andere bei Tg liegt. In der Praxis sind jedoch starke Temperaturgefälle
in der Größenordnung von 200° C schwer und nur mit hohen
Kosten verbunden aufrechtzuerhalten und lassen im Vergleich zu schwächeren Temperaturgefällen keine wesentlichen Verbesserungen erwarten.

Man nimmt gegenwärtig an, daß in der Praxis die obere Grenze eines Temperaturgefalles für eine ungleichförmige Polarisation eines polymeren piezoelektrischen Materials gemäß der
vorliegenden Erfindung bei etwa 100° C liegt.

Wenn andererseits das Temperaturgefälle zu gering ist, führt der Mechanismus der temperaturabhängigen Leitfähigkeit im

polymeren piezoelektrischen Material innerhalb des Materials nicht zu einer signifikanten Ungleichförmigkeit des Polarisationsfeldes. Man nimmt an, daß in der Praxis die untere
Grenze für das Temperaturgefälle zur ungleichförmigen Polarisation eines polymeren piezoelektrischen Materials gemäß der vorliegenden Erfindung bei etwa 10° C liegt. Das hier bevorzugte Temperaturgefälle liegt in einem Bereich von 20° C bis 60° C und die untere Temperaturgrenze im Bereich zwischen
25° C und 70° C.

Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben, jedoch lassen Rahmen und Umfang der Erfindung
Änderungen und Modifikationen zu. Die Erfindung wurde beispielsweise anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben,
bei denen die Polarisation eine bestimmte Zeit lang in einer Richtung erfolgte, das Polarisationsfeld und das Temperaturgefälle dann umgekehrt wurden und die Polarisation in der
entgegengesetzten Richtung über den gleichen Zeitraum hinweg stattfand. Gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung
könnten auch verschieden lange Zeiten für verschiedene Richtungen sowie verschiedene Temperaturgefalle und/oder Polarisationsfelder verwendet werden.

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Das Temperaturgefälle könnte während der Polarisation auch mit anderen Mitteln als einer Presse mit temperaturgesteuerten Polarisatxonselektroden aufrechterhalten werden. So könnte z. B. polymeres piezoelektrisches Material gemäß der vorliegenden Erfindung polarisiert werden, indem vor der Polarisation dünne Elektroden auf das Material aufgebracht und die Elektroden dann als Polarisationselektroden verwendet werden. Das Temperaturgefälle könnte aufrechterhalten werden, indem relativ wärme Luft auf die eine Elektrode'und relativ kühle Luft auf die andere Elektrode geblasen wird.

Obwohl die Erfindung am Beispiel von Polyvinylidenfluorid beschrieben wurde, könnte auch ein anderes Polymer mit piezoelektrischen Eigenschaften verwendet werden, z. B. ein Kopolymer aus Vinylidenfluorid und ein Monomer, das mit Vinylidenfluorid, z. B. Tetrafluoräthylen, Vinylidenfluorid, Trifluorethylen, Vinylfluorid, Chlortrifluoräthylen oder Propylenhexafluorid polymerisierbar ist.

Claims

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209,800 19. November 1981

Eastman Kodak Company, Rochester, Staat New York, Vereinigte Staaten von Amerika

Patentansprüche

Piezoelektrisches Biegeelement, erhältlich dadurch daß an die sich gegenüberliegenden Flachseiten einer einstückigen Platte aus polymerem Material über eine vorbestimmbare Zeitdauer ein elektrisches Feld angelegt und

gleichzeitig in Richtung der Dickenausdehnung der Platte ein vorbestimmbares Temperaturgefälle erzeugt wird, so daß innerhalb der Platte von Flachseite zu Flachseite gerichtete piezoelektrische Wirkungen in ihrer Intensität einstellbar sind.
2. Piezoelektrisches Biegeelement nach Anspruch 1, erhältlich dadurch, daß die über eine vorbestimmbare Zeitdauer angelegte Polarität des elektrischen Feldes und die Richtung des vorbestimmbaren Temperaturgefälles für eine gleiche Zeitdauer umgekehrt werden,

so daß im Innern der Platte von Flachseite zu Flachseite verlaufende piezoelektrische Wirkungen entgegengesetzter Wirkungsrichtungen einstellbar sind.
3. Verfahren zur Polarisation einer dünnen Platte aus polymerem Material zur Erzeugung einer ungleichförmigen piezoelektrischen Wirkung, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Feld über eine vorbestimmbare Zeitdauer an die Platte angelegt wird

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und daß während dieser Zeitdauer ein vorbestimmbares Temperaturgefälle an der Platte aufrechterhalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Aufrechterhalten des elektrischen Feldes und des

Temperaturgefälles über eine vorbestimmbare Zeitdauer die Polarität des elektrischen Feldes und die Richtung des Temperaturgefalles für eine gleich lange Zeitdauer umgekehrt werden.
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5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturgefalle im Bereich von etwa 10° C und etwa 100° C liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturgefälle größer als etwa 20° C und geringer als etwa 60° C ist und daß die kühlere Seite der Platte auf einem Wert von etwa 25° C bis 75° C gehalten wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material aus Polyvinylidenfluorid besteht, daß das Temperaturgefälle etwa 35° C beträgt, daß die kühlere Seite der Platte auf einer Temperatur von etwa 55° C gehalten wird, daß das elektrische Feld etwa 0,5 MV/cm beträgt und die vorbestimmbare Zeitdauer sich auf etwa 30 Minuten beläuft.