DE4028900A1 - Vorrichtung zum polarisieren piezoelektrischer keramikteile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Polarisieren piezoelektrischer Keramikteile nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere hat es die Erfindung mit einer Vorrichtung zum Polarisieren oder Polen eines piezoelektrischen Kera­ mikteils zu tun, welches zwei in gegenseitigem räumlichem Abstand angeordnete Elektroden umfaßt, wobei der zu pola­ risierende piezoelektrische Teil auf einer der beiden Elektroden so angeordnet wird, daß er von der anderen Elektrode einen räumlichen Abstand hat.

Es ist bekannt, daß der piezoelektrische Effekt eines ke­ ramischen Materials dadurch hervorgerufen werden kann, daß man dieses keramische Material "polt" oder polarisiert.

Die Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Vorrichtung zum Pola­ risieren eines piezoelektrischen Keramikmaterials. Die Vorrichtung umfaßt einen Polarisierungstank 90, der ein Silikonöl 91 enthält. In das Silikonöl 91 wird eine Schei­ be 92 aus piezoelektrischem Keramikmaterial eingetaucht. Zwei Seitenflächen der piezoelektrischen Keramikscheibe 92 sind mit einer Silberschicht 93 elektroplatiert. Die Scheibe 92 ruht auf einer Metallplatte 94 auf. Die obere Silberschicht 93 und die Metallplatte 94 sind jeweils mit der positiven bzw. negativen Elektrode einer Gleichstrom­ quelle 95 verbunden, so daß an der piezoelektrischen Kera­ mikscheibe 92 eine vorgegebene Spannung anliegt. Auf diese Weise kann die piezoelektrische Keramikscheibe in einem polarisierenden Feld gepolt oder polarisiert werden, je nach Höhe der vorgegebenen Spannung und der Temperatur des Silikonöls 91 im Polarisationstank 90. Da jedoch die obere Silberschicht 93 mit der positiven Elektrode der Gleich­ stromquelle 95 über eine direkt mit dieser Schicht in Kon­ takt tretende Sonde 96 verbunden ist, kann es leicht vor­ kommen, daß die obere Silberschicht 93 durch diese Sonde 96 von der piezoelektrischen Keramikscheibe 92 abgeschabt wird. Wenn darüber hinaus die an die piezoelektrische Ke­ ramikscheibe 92 angelegte Spannung hoch und instabil ist, kann die piezoelektrische Keramikscheibe 92 beschädigt oder sogar zerbrochen werden, und zwar aufgrund einer "Kräuselung", welche durch die Hochspannung aus der Gleichstromquelle 95 hervorgerufen wird. Dies erniedrigt die Produktionsausbeute der polarisierten piezoelektri­ schen Teile. Bei Verwendung der beschriebenen, herkömmli­ chen Vorrichtung zur Polarisierung piezoelektrischer Kera­ mikteile ist es außerdem erforderlich, die Polarisierungs­ zeit der piezoelektrischen Keramikteile während des Pola­ risierungsvorganges zu beachten und den polarisierten pie­ zoelektrischen Teil am Ende des Polarisierungsprozesses durch einen neuen Teil oder eine Scheibe zu ersetzen, die noch nicht gepolt oder polarisiert ist. Diese Maßnahmen sind unschön und schließen hohe Arbeitskosten ein. Schließlich unterliegt der piezoelektrische Keramikteil der Gefahr, während des Austauschprozesses durch einen, noch nicht polarisierten Teil, erheblich beschädigt zu werden. Infolgedessen ist die bekannte Polarisierungsvor­ richtung zur Durchführung eines voll automatisierten Ver­ fahrens im industriellen Maßstab im Sinne einer Massenfer­ tigung piezoelektrischer Keramikteile ungeeignet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Polari­ sieren piezoelektrischer Keramikteile so auszubilden, daß diese Teile während ihrer Polarisierung weder durch einen Kräuselungseffekt infolge instabiler Spannung beschädigt noch durch eine der Elektroden zerkratzt werden.

Weiterhin soll die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ein­ satz in automatisierter Massenproduktion von piezoelektri­ schen Keramikteilen geeignet sein.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dementsprechend umfaßt eine Vorrichtung zum Polarisieren piezoelektrischer Keramikteile gemäß der Erfindung eine erste und eine zweite Elektrode, die an eine Gleichstrom­ quelle angeschlossen und voneinander durch einen bestimm­ ten Abstand getrennt sind, so daß sich zwischen ihnen ein Polarisierungsfeld ausbildet. Zwischen der ersten und zweiten Elektrode befindet sich ein elektrisch isolieren­ des Medium. Die zweite Elektrode ist befähigt, den zu po­ larisierenden piezoelektrischen Keramikteil so aufzunehmen und abzustützen, daß er in einem Abstand von der ersten Elektrode gehalten ist.

Auf diese Weise kann ein piezoelektrischer Teil polari­ siert werden, ohne daß er durch die erste Elektrode abge­ schabt oder zerkratzt wird und ohne daß er durch einen Kräuselungseffekt beschädigt wird, der auf eine instabile Spannung der verwendeten Gleichstromquelle zurückzuführen ist. Dies geht letzten Endes darauf zurück, daß der zu po­ larisierende piezoelektrische Keramikteil von der ersten Elektrode getrennt ist, und daß ein Puffereffekt vorliegt, welcher durch das elektrisch isolierende Medium zwischen den Elektroden verursacht wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die zweite Elektrode in Gestalt einer angetriebenen, aus Metall gefertigten Fördereinrichtung bestehen, so daß die piezoelektrischen Keramikteile, welche polarisiert werden sollen, kontinuierlich das Polarisationsfeld durchlaufen und in diesem Feld polarisiert werden können. Auf diese Weise läßt sich leicht eine Massenfertigung von polari­ sierten piezoelektrischen Keramikteilen realisieren.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsfor­ men der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine an sich bekannte Vor­ richtung zum Polarisieren piezoelektri­ scher Keramikteile in Arbeitsstellung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Polarisieren piezoelektrischer Keramik­ teile gemäß der Erfindung in Arbeits­ stellung;

Fig. 3 ein Schaubild mit der Darstellung der Beziehung zwischen dem elektro-mechani­ schen Kopplungsfaktor (Kp) und der an die Vorrichtung zur Polarisierung der piezoelektrischen Keramikteile angeleg­ ten Spannung und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Polarisie­ rung piezoelektrischer Keramikteile in Arbeitsstellung.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, umfaßt eine Vorrichtung zum Polarisieren eines piezoelektrischen Keramikteils gemäß der Erfindung einen Polarisierungstank 1, der ein elek­ trisch isolierendes Medium 10, beispielsweise Silikonöl, enthält. Das Isoliermedium 10 kann, falls erwünscht, auch durch Luft ersetzt werden. Jedoch ist die Verwendung von Silikonöl vorzuziehen. Eine erste und eine zweite Elektro­ de 11 bzw. 12 sind mit den positiven und negativen Klemmen einer Gleichstromquelle 13 verbunden und in das Isolierme­ dium 10 eingetaucht. Die erste Elektrode 11 liegt genau über der zweiten Elektrode 12 und in einem bestimmten räumlichen Abstand über derselben. Die erste Elektrode 11 ist vorzugsweise als Kupferplatte ausgebildet. Die zweite Elektrode 12 ist eine Metallplatte. Auf diese Weise kann eine Scheibe 2 aus piezoelektrischem Keramikmaterial in dem Polarisierungsfeld zwischen den Elektroden 11 und 12 polarisiert werden, wenn die piezoelektrische Keramik­ scheibe 2 auf der zweiten Elektrode angeordnet wird. Dabei liegt die Oberfläche der Scheibe 2 in einem Abstand d von der Unterseite der ersten Elektrode 11.

Die Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem elektro-me­ chanischen Kopplungsfaktor Kp und der Spannung KV, welche erfindungsgemäß an die piezoelektrische Keramikscheibe 2 angelegt wird. Der elektro-mechanische Kopplungsfaktor Kp ist das Verhältnis der mechanischen Ausgangsenergie und der elektrischen Eingangsenergie, welches in unterschied­ lichen Entfernungen d zwischen der ersten Elektrode 11 und der piezoelektrischen Keramikscheibe 2 erhalten wird. In Fig. 3 zeigt die Kurve (d = 0 mm) die Beziehung zwischen dem elektro-mechanischen Kopplungsfaktor Kp und der an die Scheibe 92 angelegten Spannung, und zwar in der bekannten Vorrichtung gemäß Fig. 1 bei einer Arbeitstemperatur von 130°C. Es ist ersichtlich, daß dann, wenn der Kp-Wert des piezoelektrischen Keramikteils konstant gehalten wird und die Entfernung d zwischen der ersten Elektrode 11 und der piezoelektrischen Keramikscheibe 2 vergrößert wird, die Spannung zunimmt, welche an die piezoelektrische Keramik­ scheibe 2 angelegt werden muß. Es ist daher leicht ver­ ständlich, daß sich durch Verwendung der erfindungsgemäßen Polarisationsvorrichtung der Kp-Wert der bekannten Polari­ sierungsvorrichtung dadurch erreichen läßt, daß man die an die piezoelektrische Keramikscheibe angelegte Spannung entsprechend steigert. Dies bedeutet, daß die Polarisie­ rungsvorrichtung gemäß der Erfindung den gleichen Effekt wie die bekannte Vorrichtung erzielen kann. Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein Spalt zwischen der piezoelektri­ schen Keramikscheibe 2 und der ersten Elektrode 11 ausge­ bildet und in diesem Spalt ein elektrisch isolierendes Me­ dium 10 vorgesehen, so daß verhindert ist, daß die piezo­ elektrische Keramikscheibe 2 beschädigt oder zerbrochen wird, und zwar durch Hochspannungskräuselungen und Abscha­ bung oder Abkratzung während des Polarisierungsvorganges.

Die Fig. 4 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Polarisieren pie­ zoelektrischer Keramikteile mit einem Polarisierungstank 1, in dem ein elektrisch isolierendes Medium 10, beispiels­ weise Silikonöl, enthalten ist. In das Isoliermedium 10 sind eine erste Elektrode 14 und eine zweite Elektrode 15 eingetaucht, wobei die zweite Elektrode 15 genau unter der ersten Elektrode 14 angeordnet ist. Die erste Elektrode 14 ist eine Kupferplatte mit einem ebenen, flachen Abschnitt 143, sowie ersten und zweiten, nach oben schräg verlaufen­ den Abschnitten 141, 142, die an gegenüberliegenden Seiten von dem flachen Abschnitt 143 abstehen. Die zweite Elek­ trode 15 ist als eine aus Metall gefertigte, von einem Mo­ tor angetriebene Fördereinrichtung ausgebildet. Mit den ersten und zweiten Elektroden 14, 15 ist ein Steuersystem 16 verbunden, so daß die erforderlichen Bedingungen für den Polarisationsvorgang, beispielsweise die an die Schei­ be 2 anzulegende elektrische Spannung, die Entfernung zwi­ schen den beiden Elektroden 14, 15, die Temperatur im Po­ larisierungstank 1 und die Fördergeschwindigkeit der die zweite Elektrode 15 bildenden Fördereinrichtung entspre­ chend eingestellt werden können.

Im Betrieb wird eine piezoelektrische Scheibe 2 mit Hilfe einer Zuführeinrichtung 17 (beispielsweise ein Zuführrohr) zugeführt. Die Zuführeinrichtung 17 ist an einem Ende der die zweite Elektrode 15 bildenden Fördereinrichtung ange­ ordnet und überführt jeweils ein piezoelektrisches Kera­ mikteil auf die Fördereinrichtung. Das piezoelektrische Keramikteil wird anschließend durch die Fördereinrichtung in der durch den Pfeil A in Fig. 4 angegebenen Richtung weitertransportiert und durchläuft dabei das zwischen den beiden Elektroden 14, 15 erzeugte Feld, so daß hierdurch die Scheibe 2 polarisiert wird. Die piezoelektrische Kera­ mikscheibe 2 wird dabei zuerst einem allmählich ansteigen­ den elektrischen Feld ausgesetzt, während sie unter dem ersten, nach oben schräg verlaufenden Abschnitt 141 der ersten Elektrode 14 hindurchpassiert. Anschließend durch­ läuft die Scheibe 2 ein konstantes elektrisches Feld unter dem ebenen Abschnitt 143 der ersten Elektrode 14. Schließ­ lich gelangt die zu polarisierende Scheibe 2 in ein all­ mählich abnehmendes elektrisches Feld, während sie unter dem zweiten, nach oben schräg verlaufenden Abschnitt 142 der Elektrode 14 hindurchläuft. Auf diese Weise ist die piezoelektrische Keramikscheibe 12 vor der direkten Ein­ wirkung eines hohen elektrischen Feldes geschützt, und es tritt kein plötzlicher Spannungsanstieg oder Spannungsab­ fall auf, was zu einem Bruch der Scheibe 2 führen könnte.

Die Polarisationszeit, nämlich diejenige Zeit, im Verlauf welcher die piezoelektrische Keramikscheibe 2 dem polari­ sierenden Feld ausgesetzt ist, kann dadurch gesteuert wer­ den, daß man die Fördergeschwindigkeit der die zweite Elektrode 15 bildenden, angetriebenen Fördereinrichtung entsprechend einstellt. Wenn die Scheibe 2 gepolt oder po­ larisiert ist, wird sie einer Sammeleinrichtung 18 überge­ ben, beispielsweise einem Sammelkasten, worauf der Polari­ sationsvorgang abgeschlossen ist. Somit kann eine Vielzahl piezoelektrischer Keramikscheiben 2 kontinuierlich polari­ siert und auf diese Weise eine Massenproduktion solcher Scheiben vollzogen werden.

Es wurde gefunden, daß bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die piezoelektrischen Keramikscheiben nicht nur davor bewahrt werden können, durch eine Elektrode zer­ kratzt oder abgeschabt zu werden, sondern daß auch ihre Beschädigung oder ihr Bruch durch Kräuselung infolge in­ stabiler Spannung verhindert werden kann. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur fortlaufen­ den Polarisierung einer Vielzahl piezoelektrischer Kera­ mikteile eingesetzt werden, so daß sich eine automatisier­ te Massenproduktion realisieren läßt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Polarisieren piezoelektrischer Kera­ mikteile, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
eine erste und eine zweite Elektrode (11 bzw. 12), die an eine Gleichstromquelle (13) angeschlossen und voneinander durch einen bestimmten Abstand getrennt sind, so daß sich zwischen ihnen ein Polarisierungs­ feld ausbildet, wobei die zweite Elektrode (12) befä­ higt ist, den piezoelektrischen Keramikteil so aufzu­ nehmen und abzustützen, daß er im Abstand (d) von der ersten Elektrode (11) gehalten ist, und
ein elektrisch isolierendes Medium (10) zwischen der ersten und zweiten Elektrode (11, 12).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (15) eine aus Metall beste­ hende, angetriebene Fördereinrichtung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elektrisch isolierende Medium (10) Silikonöl ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Mittel zum Einstellen des Abstandes zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (11, 12; 14, 15), um auf diese Weise das Polarisationsfeld für den piezoelektrischen Keramikteil zu justieren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung, welche die zweite Elektro­ de (15) bildet, mit Mitteln (17, 18) versehen ist, welche die piezoelektrischen Keramikteile der Förder­ einrichtung zuführen und sie nach vollzogener Polari­ sierung aufsammeln, und daß diese Mittel jeweils an einander gegenüberliegenden Enden der Fördereinrich­ tung vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektroden (14, 15) Metallplatten sind, daß die Me­ tallplatte der ersten Elektrode (14) einen horizonta­ len, ebenen Abschnitt (143) oberhalb der zweiten Elektrode (15) umfaßt, und daß von diesem ebenen Abschnitt (143) an gegenüberliegenden Enden zwei nach oben schräg verlaufende Abschnitte (141, 142) abste­ hen.