DE3324368A1 - ELONGITAL PIEZOELECTRIC CONVERTER AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents
ELONGITAL PIEZOELECTRIC CONVERTER AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOFInfo
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Description
Raytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, MA 02173, Vereinigte Staaten von AmerikaRaytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, MA 02173, United States of America
Langgestreckter piezoelektrischer Wandler und Verfahren zu seiner HerstellungElongated piezoelectric transducer and method of making it
Die Erfindung betrifft piezoelektrische Wandler und Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates to piezoelectric transducers and methods for their manufacture.
Die piezoelektrischen Eigenschaften von Polymeren sind seit einiger Zeit bekannt. Die Piezoelektrizität beruht auf der resultierenden polaren Ausrichtung der sich wiederholenden molekularen Einheiten langer Molekülketten, wobei jede molekulare Einheit einen Dipol bildet. Die resultierende molekulare Polarisation kann entweder von selbst in Erscheinung treten oder die Piezoelektrizität des Polymers kann durch Polarisieren der langen Molekülketten erhöht werden. Dies geschieht normalerweise durch Strecken des Polymers zum Längen der Molekülketten und durch Aufbringen einer Polung, d. h. Anlegen eines starken elektrischen Feldes an den Werkstoff zur richtigen Wiederausrichtung der molekularen Dipole in Richtung des Feldes, so daß eine gewünschte resultierende polare Ausrichtung zustande kommt. Bekannte Entwicklungen und Anwendungen mit ein ■ Polymer enthaltenden Wandlern verwenden den Polymerwerkstoff ' in Folienform oder Plattenform. Ein schwieriges Problem beim j Polarisieren des Materials bekannter Wandler der hier interes- : sierenden Art besteht in der Ausbildung von Entladungen, welcheThe piezoelectric properties of polymers have been around since known for some time. Piezoelectricity relies on the resulting polar alignment of the repetitive molecular units of long molecular chains, each molecular unit forming a dipole. The resulting molecular Polarization can either appear by itself or the piezoelectricity of the polymer can be caused by polarization of long molecular chains can be increased. This is usually done by stretching the polymer to length the molecular chains and by applying a polarity, d. H. Apply a strong electric field to the material for the correct one Realignment of the molecular dipoles in the direction of the field so that a desired resulting polar alignment comes about. Known developments and applications with transducers containing a ■ polymer use the polymer material ' in sheet form or plate form. A difficult problem with j polarizing the material of known transducers of interest here: sizing type consists in the formation of discharges, which
im allgemeinen beim Anlegen starker elektrischer Felder mittels Elektroden auf den einander gegenüberliegenden Seiten · der Polymerplatte oder -folie auftreten. Es hat sich gezeigt, daß die Entstehung von Entladungen oder Funken bzw. Lichtbögen um die Ränder des flachen Blattmaterials oder Plattenmaterials nur schwer zu verhindern ist und daß die Funkenbildung oder die Ausbildung von Entladungen eine effektive Polarisierung des Polymermaterials verhindert, da in diesem Falle dann das elektrische Feld kurzgeschlossen ist.generally when applying strong electric fields by means of electrodes on the opposite sides occur on the polymer sheet or film. It has been shown that the formation of discharges or sparks or arcs around the edges of the flat sheet material or plate material is difficult to prevent and that the spark or the The formation of discharges prevents an effective polarization of the polymer material, since in this case the electrical Field is short-circuited.
Durch die Erfindung soll die Aufgäbe gelöst werden, einen langgestreckten piezoelektrischen Wandler in der Weise auszubilden und herstellen zu können, daß eine Polarisierung des Polymermaterials ohne die Ausbildung von Entladungen möglich ist. Ein langgestreckter Wandler der vorliegend angegebenen Art soll zur Bildung einer nachgiebigen Wandleranordnung verwendet werden können, welche durch Weben oder Wickeln des langgestreckten Wandlers in eine gewünschte Gestalt gebildet wird.The invention aims to solve the problem, a to train and manufacture elongated piezoelectric transducer in such a way that a polarization of the Polymer material is possible without the formation of discharges. An elongated transducer of the ones given here Art is said to be able to be used to form a compliant transducer assembly which can be constructed by weaving or winding the elongated transducer is formed into a desired shape.
Der grundsätzliche Gedanke zur Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der Wandler drahtförmig ausgebildet wird, wobei ein piezoelektrischer Belag einen zentralen Leiter mindestens auf einem Teil seiner Länge umgibt.According to the invention, the basic idea for solving this problem is that the transducer is designed in the form of a wire wherein a piezoelectric coating surrounds a central conductor over at least part of its length.
Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines drahtförmigen piezoelektrischen Wandlers vorgeschlagen, gemäß welchem der aus einem Polymer bestehende Belag eines zentralen Leiters oder Innenleiters gestreckt wird und eine Hochspannung zwischen dem zentralen Leiter oder Innenleiter und der Außenfläche des Belages aus dem Polymer angelegt wird. Auf diese Weise ergibt sich ein wirkungsvolles kontinuierliches Verfahren zum Polarisieren des Polymers des Wandlers im Gegensatz zu der chargenweisen Behandlung des Wandlermaterials bei bekannten Verfahren. Vorzugsweise enthält das Wandlerpolymer Polyvinylidenfluorid.A method for producing a wire-shaped piezoelectric transducer is also proposed, according to which the from a polymer existing coating of a central conductor or inner conductor is stretched and a high voltage between the central conductor or inner conductor and the outer surface of the covering made of the polymer is applied. In this way it arises an effective continuous method of polarizing the polymer of the transducer as opposed to batchwise Treatment of the transducer material in known methods. Preferably the converter polymer contains polyvinylidene fluoride.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der grundsätzlichen Lösung der vorstehend angegebenen Aufgabe sind im übrigen Gegenstand der dem anliegenden Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen.Advantageous refinements and developments of the basic The solution to the above-mentioned object is also the subject matter of claim 1 which is subordinate to the appended claim Claims, the content of which is hereby expressly made part of the description, without being affected by this Ask to repeat the wording.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:Exemplary embodiments are described in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. IA eine schematische Darstellung einerFig. IA is a schematic representation of a
Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers der hier angegebenen Art,Embodiment of a piezoelectric Converter of the type specified here,
Fig. IB eine andere Ausführungsform einesFig. IB shows another embodiment of a
piezoelektrischen Wandlers der vorliegend angegebenen Art in schematischer Darstellungsweise,piezoelectric transducer of the type specified here in a schematic Representation,
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Einrichtung zur Herstellung eines drahtförmigen piezoelektrischen Wandlers,2 shows a cross section through a device for producing a wire-shaped piezoelectric transducer,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine andereFig. 3 is a cross section through another
Ausführungsform eines Teiles der Einrichtung gemäß Fig. 2,Embodiment of part of the device according to FIG. 2,
Fig. 4 eine schematische Abbildung einer Wandleranordnung zur Verwendung unter Wasser, wobei die Wandleranordnung eine Mehrzahl von piezoelektrischen Wandlern etwa gemäß Fig. IA enthält und4 shows a schematic illustration of a transducer arrangement for use under water, wherein the transducer arrangement comprises a plurality of piezoelectric transducers approximately according to Fig. IA contains and
Fig. 5 einen Schnitt durch einen Wandler derFig. 5 is a section through a converter of the
hier vorgeschlagenen Art, wobei die Pfeile in Richtung eines polarisierenden Feldes weisen und die Orientierung der Ausrichtung der molekularen Dipole angeben.type proposed here, with the arrows pointing in the direction of a polarizing field point and indicate the orientation of the alignment of the molecular dipoles.
In Figur IA ist ein drahtförmiger piezoelektrischer Wandler gezeigt. Er enthält einen Innenleiter 12, welcher von einem polarisierten Polymerwerkstoff 14 umgeben ist. Der Polymerwerkstoff 14 wird von einem Polymer gebildet, das piezoelek- j trische Eigenschaften besitzt und besteht gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus Polyvinylidenfluorid, nachfol- \ gend abgekürzt mit PVDF bezeichnet. Das PVDF ist ein halbkristallines Polymer, das von langen Molekülketten gebildet ^st^die aus sich wiederholenden CF -CH -Moleküleinheiten auf-! gebaut sind. Das PVDF zeigt Piezoelektrizität, wenn die sich I wiederholenden Moleküleinheiten mit einer langen Molekülkette so ausgerichtet sind, daß sich eine resultierende Polarisation ergibt. In Anwendungsfällen, welche eine Verwendung eines Wandlers in einem leitfähigen Medium, beispielsweise in Meerwasser vorsehen, muß der Wandler keine zusätzliche Elektrode auf der Außenfläche des Belages 14 tragen, um das piezoelektrische Signal ableiten zu können. Figur IA zeigt einen solchen Anwendungsfall. Der Wandler 10 wird von einem bestimmten Längenstück eines Mittelleiters oder Innenleiters 12 und einem aus Polymerwerkstoff bestehenden Belag 14 gebildet, wobei ein Ende des zylindrische Form aufweisenden Belages 14 durch eineA wire-shaped piezoelectric transducer is shown in FIG. 1A. It contains an inner conductor 12 which is surrounded by a polarized polymer material 14. The polymeric material 14 is formed of a polymer has the piezoelec- j tric properties and consists according to a preferred embodiment of polyvinylidene fluoride, \ successor neighborhood abbreviated to PVDF designated. The PVDF is a semi-crystalline polymer, which is formed by long molecular chains ^ st ^ made up of repeating CF -CH -molecular units! are built. The PVDF exhibits piezoelectricity when the repeating molecular units with a long molecular chain are oriented so that there is a resulting polarization. In applications which provide for the use of a transducer in a conductive medium, for example in sea water, the transducer does not have to carry an additional electrode on the outer surface of the covering 14 in order to be able to derive the piezoelectric signal. Figure IA shows such an application. The transducer 10 is formed by a certain length of a central conductor or inner conductor 12 and a covering 14 made of polymer material, one end of the covering 14 having a cylindrical shape by a
■ elektrisch isolierende Kappe 15 dicht abgeschlossen ist.■ electrically insulating cap 15 is tightly sealed.
j Charakteristischerweise ist die Länge des drahtförmigen Wandlers 10 ein Bruchteil der Wellenlänge des gewählten Signalesj It is characteristic of the length of the wire-shaped transducer 10 a fraction of the wavelength of the selected signal
in dem Medium, in welchem der Wandler 10 verwendet wird. Diein the medium in which the transducer 10 is used. the
• elektrisch isolierende Kappe 15 kann dadurch hergestellt werden,• electrically insulating cap 15 can be produced by
J daß der aus dem Polymer bestehende Belag im Bereich des Endes, , welches abgedichtet werden soll, erhitzt wird und daß dann ein j Isolierstück aufgeschweißt wird. Figur IA zeigt außerdem die Auswerteinrichtung 17, welche einerseits mit dem Mittelleiter 12 und andererseits über eine Elektrode 19 und das leitfähigeJ that the covering consisting of the polymer in the area of the end, which is to be sealed, is heated and then a j The insulating piece is welded on. Figure IA also shows the Evaluation device 17, which on the one hand with the center conductor 12 and on the other hand via an electrode 19 and the conductive
Γ Medium 18, vorliegend Meerwasser, mit der Außenfläche des ausΓ Medium 18, in this case sea water, with the outer surface of the
j Polymer bestehenden Belages 14 verbunden ist. Die Auswertein-j polymer existing covering 14 is connected. The evaluation input
' richtung 17 verarbeitet die von dem Wandler 10 erzeugten Sig-'Direction 17 processes the signals generated by the converter 10
nale und kann eine herkömmliche Sonar-Signalverarbeitungsein-nale and can use a conventional sonar signal processing unit.
j heit sowie Anzeigemittel enthalten. Für die Verwendung inj unit as well as display means included. For use in
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nicht leitfähigen Medien oder für andere Anwendungsfälle ist ein zweiter Leiter 16 beispielsweise ein äußerer leitfähiger Belag, vorgesehen, der über der Außenfläche des Polymerwerkstoffs 14 vorgesehen ist, so daß ein Wandler 10' gebildet ist, der in Figur IB dargestellt ist. Die Auswerteinrichtung 17 ist in diesem Falle unmittelbar an den Mittelleiter 12 bzw. den Außenleitr 16 angeschlossen, um die Signale zu verarbeiten und auszuwerten, welche von der piezoelektrischen Schicht 14 erzeugt werden, die zwischen die genannten Leiter eingelagert ist.non-conductive media or for other applications, a second conductor 16 is, for example, an externally conductive one Covering, provided, which is provided over the outer surface of the polymer material 14 so that a transducer 10 'is formed, which is shown in Figure IB. In this case, the evaluation device 17 is directly connected to the center conductor 12 or the External conductor 16 connected in order to process and evaluate the signals which are transmitted by the piezoelectric layer 14 are generated, which is embedded between the said conductors.
Ein Polymerwerkstoff, beispielsweise das PVDF, zeigt wesent- j lieh stärkeres piezoelektrisches Verhalten, wenn die langen ; Molekülketten gelängt sind und die sich wiederholenden Moleküleinheiten so orientiert sind, daß sich ein resultierendes Dipolmoment ergibt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß : zum einen das Polymer gestreckt wird und zum anderen eine Polarisierung vorgenommen wird, welche durch Anlegen eines i elektrischen Feldes in einer Richtung erreicht wird, in der die gewünschte Ausrichtung der Dipole erfolgen soll. Der piezoelektrische Effekt wird weiter dadurch erhöht, daß die halb- j kristalline Struktur des PVDF in die Form I gezwungen wird, i welche auch als Form B bezeichnet wird. Bei der Form I weisen j die Dipole der sich wiederholenden molekularen Einheiten in \ dieselbe Richtung. Es hat sich gezeigt, daß die Kristallisation in Form I durch Strecken und Polarisieren des Polymerwerkstoffes erreicht werden kann. Eine ins Einzelne gehende Beschreibung der piezoelektrischen Eigenschaften von Polymerwerkstoffen und der verschiedenen Formen von PVDF ist in der Veröffentlichung von R. Hayakawa und Y. Wada, "Piezoelectricity ; and Related Properties of Polymer Films", Band 11, Advances ! in Polymer Science, Springer-Verlag 1973, zu finden. jA polymer material, for example PVDF, shows significantly stronger piezoelectric behavior when the long; Molecular chains are elongated and the repeating molecular units are oriented so that there is a resulting dipole moment. This can be achieved in that: on the one hand, the polymer is stretched and, on the other hand, a polarization is carried out, which is achieved by applying an electric field in a direction in which the desired alignment of the dipoles is to take place. The piezoelectric effect is further increased by forcing the semi-crystalline structure of the PVDF into shape I, which is also referred to as shape B. Exhibit in the form I j the dipoles of the repeating molecular units in \ the same direction. It has been shown that the crystallization in Form I can be achieved by stretching and polarizing the polymer material. For a detailed description of the piezoelectric properties of polymer materials and the various forms of PVDF, see the publication by R. Hayakawa and Y. Wada, "Piezoelectricity; and Related Properties of Polymer Films", Volume 11, Advances! in Polymer Science, Springer-Verlag 1973 to find. j
Es sei nun Figur 2 näher betrachtet, in der eine Einrichtung ■ zur Herstellung des drahtförmigen Wandlers und zur Polarisation des Polymerwerkstoffes gezeigt ist. In einem Trichter oder jIt will now be considered in more detail in Figure 2, in which a device ■ for the production of the wire-shaped transducer and for the polarization of the polymer material is shown. In a funnel or j
Vorratstrog 22 sind PVDF-Körner oder -Kugeln zur Bildung eines Vorrates von Polymerwerkstoff 20 enthalten. Die PVDF-Körner 20 werden durch eine Förderschnecke 24 in eine Schmelzkammer 26 j eingebracht. Die PVDF-Körner 20 in der Schmelzkammer 26 werden I in einer Zone erschmolzen, welche durch eine Heizschlange 28 , bestimmt ist, die den unteren Teil der Schmelzkammer 26 umgibt , und in ausreichendem Maße Wärme zuführt, um die Polymerkörner zu erschmelzen. Ein Leiter 30 wird von einem Vorratshaspel, \ welcher nicht dargestellt ist, durch den aufgeschmolzenen Bereich 20' des Polymers am Boden der Schmelzkammer 26 zu einer Strangpreßform 32 geführt, so daß ein Draht 37 entsteht, der einen Belag 36 aus Polymerwerkstoff aufweist. Die Dicke des Belages 36 wird durch die Vorschubgeschwindigkeit des Leiters 30 durch den Bereich 20' des geschmolzenen Polymers und durch den hydrostatischen Druck des geschmolzenen Materials bestimmt. Beispielsweise beträgt die Temperatur für den Strangpreßvorgang größenordnungsmäßig 250° C. Der Draht 37 läuft dann durch einen Bereich, in welchem eine Luftdüse 34 einen Luftstrahl auf den Draht 37 richtet, um ihn abzuschrecken oder um die Temperatur des Belages 36 soweit herabzusetzen, daß sich das Polymer auf dem Leiter 30 verfestigt. Der Leiter 30 mit dem darauf befindlichen, verfestigten Polymerbelag wird nun durch eine Ziehform 40 geführt, welche eine sich konisch verjüngende oder abgesetzt Bohrung aufweist, so daß der Querschnitt des Belages 36 reduziert wird. Der Draht 37 wird durch die Ziehform 40 mittels Rollen oder Walzen 48 gezogen. Die Rollen oder Walzen 48 drehen sich in der aus Figur 2 aufgrund der eingezeichneten Pfeile ersichtlichen Weise entgegengesetzt zueinander, um den Draht 37 zu erfassen und ihn von der Ziehform 40 wegzuziehen. Das Strecken des Belages 36 findet statt, wenn , der Belag 36 durch die Ziehform 40 mit bestimmter Geschwindigkeit hindurchgezogen wird und die sich verjüngende Bohrung der Ziehform einen Teil des Belagmaterials 36 jeweils zurückhält. Der Querschnitt des Belages 36 wird in der Ziehform 40 um den Faktor 5 vermindert, was auch durch Angabe des Ziehverhältnisses von 5:1 ausgedrückt werden kann. Sollen bestimmte Werte derStorage trough 22 contains PVDF grains or balls to form a supply of polymer material 20. The PVDF grains 20 are introduced into a melting chamber 26 j by a screw conveyor 24. The PVDF-grains 20 in the melting chamber 26 are melted I in a zone which is determined by a heating coil 28, which surrounds the lower part of the melting chamber 26, and feeds sufficiently heat to melt the polymer grains. A conductor 30 is fed from a supply reel, \ which is not shown by the molten area 20 'of the polymer at the bottom of the melting chamber 26 to extrusion die 32 so that a wire is formed 37 having a lining 36 of polymeric material. The thickness of the coating 36 is determined by the rate of advance of the conductor 30 through the region 20 'of the molten polymer and by the hydrostatic pressure of the molten material. For example, the temperature for the extrusion process is on the order of 250 ° C. The wire 37 then runs through an area in which an air nozzle 34 directs an air jet at the wire 37 in order to quench it or to reduce the temperature of the covering 36 to such an extent that it can Solidified polymer on conductor 30. The conductor 30 with the solidified polymer coating located thereon is now passed through a drawing form 40 which has a conically tapering or stepped bore so that the cross section of the coating 36 is reduced. The wire 37 is drawn through the drawing die 40 by means of rollers 48. The rollers or cylinders 48 rotate in the opposite direction to one another in the manner that can be seen from FIG. The stretching of the covering 36 takes place when the covering 36 is pulled through the drawing die 40 at a certain speed and the tapering bore of the drawing die holds back a part of the covering material 36 in each case. The cross section of the covering 36 is reduced by a factor of 5 in the drawing mold 40, which can also be expressed by specifying the drawing ratio of 5: 1. Should certain values of the
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molekularen Orientierung erreicht werden, so sind entsprechende,J gegebenenfalls andere Ziehverhältnisse vorzusehen. Für ein Ziehverhältnis von 5 tritt der Belag 36 aus der Strangpreßform ,32 mit einem Fünftel der Geschwindigkeit des Leiters 30 aus, während der Belag 36 aus der Ziehform 40 mit derselben Geschwindigkeit wie der Leiter 30 austritt. Die Ziehform 40 ist körper-. lieh nahe an der Strangpreßform 32 angeordnet, da das Belagmaterial auf dem Mittelleiter aufgrund des Streckvorganges in der Ziehform 40 im Bereich zwischen den zwei Formen 32 und 40 gleitet. Die Temperatur der Ziehform 40 wird durch eine Heizschlange 41 auf einem solchen Wert gehalten, daß das Ziehen des Belages 36 erleichtert wird, eine so hohe Temperatur jedoch vermieden wird, daß die Moleküle nach dem Ziehen oder Strecken wieder in ihre ursprüngliche Stellung zurückfallen. Ein bevorzugter Temperaturbereich für die Ziehform liegt zwishen 110° C und 130° C. Temperaturen über annähernd 130° C müssen vermieden werden, da anderenfalls die Molekülausrichtung, die durch das Strecken erreicht wird, wieder verloren ginge. Da der Belag ; auf dem Mittelleiter oder Leiterdraht zwischen der Strangpreß- jmolecular orientation are achieved, so are appropriate, J other drawing ratios to be provided if necessary. For a With a draw ratio of 5, the lining 36 emerges from the extrusion mold , 32 from a fifth of the speed of the conductor 30, while the covering 36 from the die 40 at the same speed as the conductor 30 exits. The drawing form 40 is body. borrowed close to the extrusion mold 32, as the facing material on the center conductor due to the stretching process in the drawing mold 40 in the area between the two molds 32 and 40 slides. The temperature of the drawing die 40 is kept at such a value by a heating coil 41 that the drawing of the Lining 36 is facilitated, but such a high temperature is avoided that the molecules after drawing or stretching fall back into their original position. A preferred one The temperature range for the drawing form is between 110 ° C and 130 ° C. Temperatures over approximately 130 ° C must be avoided otherwise the molecular alignment achieved by stretching would be lost again. Because the topping; on the center conductor or conductor wire between the extrusion j
form 32 und der Ziehform 40 gleiten muß, wird zweckmäßig ein Schmiermittel oder Gleitmittel auf dem Leiter vorgesehen, um den Streckvorgang zu erleichtern. Die Blasluft zwischen den beiden Formen wird so eingestellt, daß die Temperatur des Belages, welcher die Strangpreßform 32 verläßt, in den Tempe-■ raturbereich der Ziehform 40 kommt.Form 32 and the drawing form 40 must slide, a lubricant or lubricant is expediently provided on the conductor in order to to facilitate the stretching process. The blown air between the two molds is adjusted so that the temperature of the Covering, which leaves the extrusion mold 32, in the Tempe ■ temperature range of the drawing form 40 comes.
Wenn der mit dem Belag versehene Mittelleiter 30 die Ziehform 40 verläßt, läuft er durch eine Polarisierungselektrode 42 zu einer nicht dargestellten Aufnahmespule, an welcher der Mittelleiter 30 elektrisch geerdet ist. Die Polarisierungselektrode 42 hat hohlzylindrische Gestalt und ist an eine Hochspannungsquelle 44 angeschlossen, welche eine Spannung erzeugt, die in dem Belag 36 ein elektrisches Feld zur Wirkung bringt, das sich radial zu dem Mittelleiter 30 erstreckt und in ausreichendem Maßp die molekularen Dipole des Polymers | polarisiert. Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch den Wandler- !When the coated center conductor 30 leaves the drawing die 40, it runs through a polarizing electrode 42 to a take-up coil, not shown, on which the center conductor 30 is electrically grounded. The polarizing electrode 42 has a hollow cylindrical shape and is connected to a high voltage source 44, which a voltage generated, which brings an electric field into effect in the covering 36, which extends radially to the center conductor 30 and the molecular dipoles of the polymer | polarized. Figure 5 shows a cross section through the converter!
draht 37, wobei die Pfeile 39 die Richtung des elektrischen Feldes aufgrund der Verbindung zur Spannungsquelle 44 angeben. Die Pfeile zeigen auch die Richtung, längs welcher die molekularen Dipole ausgerichtet sind. Die angelegte Spannung ist I so gewählt, daß eine elektrische Feldstärke von mindestens ; 100 kV/mm entsteht. Die Länge der Polarisierungselektrode ; und die Geschwindigkeit, mit welcher der Draht 37 durch die ; Elektrode 42 hindurchgeführt wird, sind so eingestellt, daß j eine bestimmte Stärke des elektrischen Feldes für eine vor- | bestimmte Zeitdauer einwirkt, welche dazu ausreicht, um die ' Polarisierung vollständig durchzuführen. Charakteristischerweise werden 80 % der möglichen Polarisation innerhalb der ersten fünf Minuten erreicht. Wird ein Wandler der in Figur IB gezeigten Art benötigt, so wird der mit Beschichtung versehene Mittelleiter 30 vor dem Aufwickeln auf dem Aufnahmehaspel in : einem nicht dargestellten Bereich einer Station zugeführt, in j welcher ein leitfähiger Belag 16 auf dem piezoelektrischen Belag 36 gebildet wird.wire 37, the arrows 39 indicating the direction of the electric field due to the connection to the voltage source 44. The arrows also indicate the direction along which the molecular Dipoles are aligned. The applied voltage is I chosen so that an electric field strength of at least; 100 kV / mm arises. The length of the polarizing electrode; and the speed at which the wire 37 passes through the; Electrode 42 is passed through, are set so that j a certain strength of the electric field for a pre | A certain period of time acts, which is sufficient to carry out the 'polarization completely. Characteristically 80% of the possible polarization is reached within the first five minutes. If a converter of the type shown in FIG. IB is required, the coated center conductor 30 is prior to winding on the take-up reel in FIG : fed to an area (not shown) of a station in which a conductive coating 16 is placed on the piezoelectric Pad 36 is formed.
Es hat sich gezeigt, daß die Polarisation des Polymers dannIt has been shown that the polarization of the polymer then
vereinfacht und erleichtert wird, wenn das die Polarisierung j herbeiführende elektrische Feld gleichzeitig mit dem Strecken I- des Polymers zur Einwirkung gebracht wird. Dies läßt sich inis simplified and facilitated if that is the polarization j generating electric field is brought into action simultaneously with the stretching I- of the polymer. This can be done in
der Weise erklären, daß berücksichtigt wird, daß ein bestimmter • Energiebetrag notwendig ist, um einen bestirnten Grad der PoIarisation zu erreichen. Bisher hat man einen Teil dieser Energie ι in mechanischer Form zugeführt, indem durch das Strecken die langen Molekülketten weiter gelängt wurden, während der ver- ; bleibende Teil der erforderlichen Energie zu einem späterenexplain the way that it is taken into account that a certain amount of energy is necessary to achieve a certain degree of polarization to reach. So far, some of this energy has been supplied in mechanical form by stretching the long molecular chains were further elongated, during the ver; remaining part of the required energy at a later date
Zeitpunkt in elektrischer Form zugeführt wurde, indem die j Polarisation durch Orientierung der jeweils Dipole bildenden ! Moleküleinheiten der Molekülketten erreicht wurde. Es ist je-Time was supplied in electrical form by the j polarization formed by the orientation of the respective dipoles ! Molecular units of the molecular chains has been achieved. It is ever-
doch mehr als die erforderliche Polarisationsenergie aufzuwenden, was auf einem jeweils begrenzten Wirkungsgrad der gesonderten Verfahensschritte beruht. Der gleichzeitige Einsatz von mechanischer und elektrischer Energie ergibt einebut to spend more than the required polarization energy, which in each case has a limited degree of efficiency separate process steps. The simultaneous use of mechanical and electrical energy results in a
Wirkungsgraderhöhung bezüglich der insgesamt benötigten Energie. Dies wiederum führt zu dem Vorteil eines niedrigeren Feldes oder einer schnelleren Polarisierungszeit dann, wenn ein bestimmter Grad Polarisation gewünscht wird.Increased efficiency with regard to the total energy required. This in turn leads to the advantage of a lower field or a faster polarization time if a certain degree of polarization is desired.
In Figur 3 ist eine andere Ausführungsform einer Einrichtung gezeigt, die zur Herstellung eines drahtförmigen Wandlers 37 der hier vorgeschlagenen Art eingesetzt werden kann und ein gleichzeitiges Strecken und Polarisieren im Zuge der Herstellung vorsieht. Die Einrichtungsteile zum Erschmelzen des Polymers undIn Figure 3, another embodiment of a device is shown, which can be used to produce a wire-shaped transducer 37 of the type proposed here and a simultaneous one Provides stretching and polarizing in the course of manufacture. The device parts for melting the polymer and
: zum Strangpressen der Beschichtung für den Mittelleiter 30 sind genauso ausgebildet wie bei der Ausführungsform nach Figur 2, so daß eine Darstellung nicht notwendig ist. Der aus der Strang-; preßform 32 austretende, beschichtete Mittelleiter 30 tritt bei der nun beschriebenen Ausführungsform in eine Ziehform 50 ein. Ein erster Abschnitt 52 der Ziehform 50 besitzt eine in ähnlicher Weise konische oder abgesetzte Bohrung wie die Ziehform 40. Die Temperatur ist ebenfalls innerhalb eines entsprechenden: for extrusion molding of the coating for the center conductor 30 are designed exactly as in the embodiment according to Figure 2, so that a representation is not necessary. The one from the strand; Coated center conductor 30 emerging from compression mold 32 joins of the embodiment now described in a drawing mold 50. A first section 52 of the drawing die 50 has a similarly conical or stepped bore as the drawing die 40. The temperature is also within an appropriate range
, vorbestimmten Temperaturbereiches gehalten, was mittels der Heizschlange 54 geschieht. Der Draht 37 wird dann durch einen zweiten Abschnitt 56 der Ziehform 50 gezogen, welcher von dem, held a predetermined temperature range, which happens by means of the heating coil 54. The wire 37 is then through a second portion 56 of the drawing die 50 drawn, which of the
■ erstgenannten Abschnitt durch einen Einstich 57 getrennt ist, so daß sich eine verminderte thermische Leitfähigkeit in diesem Bereich ergibt und die Temperatur in dem zweiten Ziehformab- ■ the first-mentioned section is separated by a recess 57, so that there is a reduced thermal conductivity in this area and the temperature in the second drawing die
j schnitt 56, welche durch die Heizschlange 58 aufrechterhalten . wird, niedriger als die Ziehtemperatur sein kann. Auf diese ' Weise kann eine Depolarisation des Polymerbelages 36 im An- '■ schluß an den Ziehvorgang vermieden werden. Im vorliegenden ιj cut 56 maintained by heating coil 58. is lower than the drawing temperature can be. In this 'example, a depolarization of the polymer coating 36 in purchase' ■ circuit to avoid the drag operation. In the present ι
. Falle wird eine Hochspannungsquelle 60 unmittelbar zwischen Erde und die aus leitfähigem Werkstoff gefertige Form geschaltet.Wie ι zuvor beschrieben wird der Mittelleiter 30 des Wandlers geerdet. Trap is a high voltage source 60 directly between earth and the form made of conductive material switched.Wie ι previously described, the center conductor 30 of the transducer is grounded
ί und führt zu einer Aufnahmerolle, welche in der Zeichnung nicht ; gezeigt ist. Das Strecken und Polarisieren wird also gleichzei- iί and leads to a take-up roll, which is not in the drawing; is shown. The stretching and polarizing is thus at the same time i
ii
. tig durchgeführt. Die Kombination der Heizschlange 54 und des ' verminderten wärmeleitenden Querschnittes zur Erzeugung eines niedrigeren Wärmeüberqangs zum Abschnitt 56 der Ziehform 50. tig carried out. The combination of the heating coil 54 and the ' reduced heat-conducting cross-section for generating a lower heat transfer to section 56 of drawing die 50
a · ΐ a · ΐ
Λ ( Λ (
• *• *
bewirkt, daß die Temperatur an der Austrittsstelle des Drahtes annähernd 90° C oder weniger beträgt. Die optimale Temperatur für das gleichzeitige Strecken und Polarisieren kann bis zu 50° C heruntergehen. Ein nachfoglender Abschreckungsschritt dient hinter der Ziehform 50 zum Festlegen oder Einfrieren der Polarisation.causes the temperature at the exit point of the wire to be approximately 90 ° C or less. The optimal temperature for simultaneous stretching and polarizing can go down to 50 ° C. A subsequent deterrent step is used behind the drawing mold 50 to set or freeze the polarization.
In Figur 4 sind Wandler der vorliegend angegebenen Art als Teile von Sonarsystemen gezeigt. Ein Fahrzeug, beispielsweise ein Schiff 100 schleppt eine Wandleranordnung 110 in einer vorbestimmten Tiefe nach. Die Wandleranordnung 110 ist aus einer Anzahl von PVDF-Wandlerelementen 112 drahtförmiger oder zylindrischer Gestalt gebildet. Jedes Wandlerelement 112 ist so ausgebildet wie das drahtförmige Wandlerelement 10 nach Figur IA und enthält einen Mittelleiterabschnitt 12, der von einem zylindrischen Abschnitt eines polarisierten Polymers 14 umgeben ist, das an einem Ende mit einem isolierenden Abschluß oder einer Isolationskappe versehen ist, um den Mittelleiter zu isolieren. Das gegenüberliegende Ende des Mittelleiters 12 ist an ein Ende eines der Leiter eines vieladrigen Kabels 120 angeschlossen. Die Sonar-Steuereinheit 130 des Systems kann daher die Signale für die einzelnen Wandlerelemente 112 unabhängig voneiander steuern bzw. verarbeiten. Selbstverständlich sind alle Leiter gegenüber dem leitfähigen Meerwasser isoliert, um das zwischen der Innenfläche der piezoelektrischen Schicht 14, welche in Berührung mit dem Mittelleiter 12 steht, und der Außenfläche der Schicht 14, welche in Berührung mit dem Meerwasser steht, auftretende Signale nicht kurzzuschließen. Jedes Wandlerelement kann ein bestimmtes Längenstück eines drahtförmigen Wandlers 10 enthalten, der verwebt ist, um ein flächiges Stück bestimmter Geometrie als Wandlerorgan zu erhalten. Beispielsweise kann durch loses Zickzackführen und Besfestigen eines bestimmten Längenstückes des drahtförmigen Wandlers 10 ein quadratisches Wandlerelement verwirklicht werden, das Abmessungen in der Größenordnung eines Bruchteils der gewünschten Wellenlänge im Seewasser aufweist.In FIG. 4, transducers of the type specified here are shown as parts of sonar systems. A vehicle, for example a ship 100 tows a transducer assembly 110 at a predetermined depth. The transducer assembly 110 is off a number of PVDF transducer elements 112 wire-shaped or formed cylindrical shape. Each transducer element 112 is designed like the wire-shaped transducer element 10 according to FIG Figure IA and includes a center conductor section 12 extending from surrounded by a cylindrical section of polarized polymer 14 terminating at one end with an insulating seal or an insulation cap is provided to insulate the center conductor. The opposite end of the center conductor 12 is connected to one end of one of the conductors of a multi-core cable 120. The system sonar controller 130 can therefore control or process the signals for the individual transducer elements 112 independently of one another. Of course are all conductors are insulated from the conductive seawater in order to avoid that between the inner surface of the piezoelectric layer 14, which is in contact with the center conductor 12, and the outer surface of the layer 14 which is in contact with the sea water not to short-circuit occurring signals. Each transducer element can be a certain length of wire-shaped Transducer 10 included, which is interwoven in order to obtain a flat piece of certain geometry as a transducer organ. For example can by loosely zigzagging and fastening a certain length of the wire-shaped transducer 10 a square transducer element can be realized, the dimensions on the order of a fraction of the desired wavelength in seawater.
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AHAH
Das Sonarsystem nach Figur 4 kann entweder aktiv oder passiv j betrieben werden. Bei der aktiven Betriebsweise enthält die ; Sonar-Steuereinheit 130 Strahlformeinrichtungen, um zum einen elektrische Signalimpulse den einzelnen Wandlerelementen 112 ι in der richtigen Phasenbeziehung zuzuführen, so daß die Wand-. leranordnung 112 einen akustischen Strahl einer bestimmten Richtung abgibt. Dann aktiviert die Steuereinheit die Wandler-The sonar system according to FIG. 4 can be operated either actively or passively. In the active mode of operation, the ; Sonar control unit 130 beam shaping devices, on the one hand, to supply electrical signal pulses to the individual transducer elements 112 in the correct phase relationship, so that the wall. Ler assembly 112 emits an acoustic beam in a certain direction. Then the control unit activates the converter
elemente 112 in einer vorbestimmten gegenseitigen Phasenbeziehung, um Signale aufzunehmen, die jeweils aus einer bestimmten Richtung zurückkehren.elements 112 in a predetermined mutual phase relationship, to pick up signals that each return from a specific direction.
Im passiven Betrieb wird nur die zuletzt beschriebene Funktion verwirklicht. In jedem Falle werden die erzeugten Signalechos durch eine geeignete Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet und die resultierenden Signale gelangen zu einer Auswerteinrichtung, beispielsweise einer Anzeigeeinrichtung auf dem Schiff 100. Die Ausbildung einer Richtcharakteristik bezüglich der Sendesignale und bezüglich der empfangenen Signale ist auf diesem Gebiete der Technik allgemein bekannt.In passive operation, only the last function described is implemented. In either case, the generated signal echoes processed by a suitable signal processing device and the resulting signals are sent to an evaluation device, for example a display device on the ship 100. The formation of a directional characteristic with respect to the transmit signals and the received signals is well known in the art.
Im Rahmen der vorliegend angegebenen Konstruktionsgedanken bietet sich dem Fachmann eine Anzahl von Weiterbildungs- und Abwandlungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann ein bedeutend größerer Durchmesser des Drahtes gewählt werden, auf dem ein Belag eines polarisierten Polymers anzubringen ist. Das zylindrische Polymer kann später abgeschnitten und von dem Draht entfernt werden oder es kann eine aus Polymerwerkstoff bestehende Röhre unmittelbar stranggepreßt werden, um ein schmales kontinuierliches Band eines polarisierten Polymers zu erzeugen.Within the scope of the design ideas given here, the person skilled in the art has a number of training and development options Modification options. For example, one can be significant larger diameter of the wire can be selected on which a coating of a polarized polymer is to be applied. The cylindrical Polymer can later be cut and removed from the wire, or it can be made of polymeric material Tube can be directly extruded to form a narrow continuous ribbon of polarized polymer produce.
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