NO129274B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og anordning for kompensasjon av den pyroelektriske effekt ved élektromekaniske omformere.

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for kompensasjon av den pyroelektriske effekt ved elektromekaniske omformere, særlig ferroelektrika, som utnytter den longitudinale eller den trans-

versale piezoelektriske effekt eller den piezoelektriske effekt ved mekanisk skjærbelastning av pyroelektriske materialer, og en anord-

ning for utførelse av fremgangsmåten.

Av de i naturen forekommende krystaller finnes et antall

som er piezoelektriske, og som mangler symmetrisentrum. Disse kan inndeles i to klasser, nemlig pyroelektriske og ikke-pyroelektriske.

;Pyroelektriske krystaller har en permanent makroskopisk elektrisk polarisasjon. Polarisasjonsvektorén kompenseres vanlig-vis, av bundne ladninger. Dersom energitilstanden i krystallgitteret

endrer seg, endres også polarisasjonsvektoren. Som følge av mekanisk deformasjon eller temperaturendringer i gitteret, endres der-for det nødvendige antall ladninger for.kompensasjon av polarisasjonsvektoren. Krystallen er da ikke lenger nøytral utad, så lenge det ikke inntrer noen ny likevektstilstand som følge av ladningsut-jevning.

Ved anvendelse av piezoelektriske materialer i elektromekaniske omformere er det nødvendig at ladningsendringene. ved-omformerelementets elektroder er tilordnet elementets mekaniske spen-nings- eller strekktilstand etter en kjent funksjon, idet lineari-tet etterstrebes.

Ved pyroelektriske materialer oppstår det ved temperatur-variasjoner ytterligere ladningsendringer ved elektrodene. Den pyroelektriske effekt forstyrrer lite når de mekaniske tilstands-forandringer som skal måles, forløper tilstrekkelig mye raskere enn de termiske. Ved hjelp av et høypassfilter registreres da bare de hurtige ladningsendringer, og disses tilordning til mekaniske måle-størrelser er innen visse grenser uavhengig av omformerelementets mekaniske tilstand. Om derimot tidsendringene på grunn av temperatur og mekaniske målestørrelser blir av samme størrelsesorden, er en signaladskillelse umulig i praksis.

Tidligere ble det ved meget lavfrekvente forløp benyttet kvarts som målemateriale, da kvarts blandt annet har den fordel at det tilhører den ikke-pyroelektriske krystallklasse. På den annen side har kvarts mye lavere dielektrisitetskonstant enn piezokera-mikk. Dessuten er fremstilling av omformere med kvarts meget kost-bar.

Formålet med oppfinnelsen er å kunne utnytte fordelene

ved pyroelektriske ferroelektrika (særlig keramiske materialer) for lavfrekvente måleproblemer, og å undertrykke de forstyrrelsessig-naler som opptrer i denne forbindelse.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette ved at to eller flere piezoelektriske enkeltelementer i omformeren sammenkoples på en slik måte at to og to av disses polarisasjonsvektorer er rettet mot hverandre, og at de således sammenhørende enkeltelementer mekanisk påvirkes i motfase,og at de ved hjelp av en kompenaasjonsutjevning som oppnås ved å variere elektrodeflaten for et pie-zoelement (eller flere piezoelementer), eller ved etterpolarisasjon av et element,

til sammen gir en minimal pyroelektrisk effekt.

En anordning for utførelse av denne fremgangsmåte er ifølge oppfinnelsen kjennetegnet ved at elementene foruten det normalt vanlige elektrodepar har et annet elektrodepar av passende størrelse, som er sammenkoplet på en slik måte med det første elektrodepar. og hvis flatevektorer har en slik stilling i forhold til det første elektrodepars flatevektorer, at en komponent av den remanente polarisasjonsvektor i teknisk betydning kompenseres.

Oppfinnelsen egner seg såvel for elektromekaniske omformere som utnytter den longitudinale piezoelektriske effekt som for sådanne som utnytter den transversale piezoelektriske effekt hos pyroelektriske materialer, og for sådanne som utnytter den piezoelektriske effekt ved mekanisk skjærbelastning av pyroelektriske materialer.

Oppfinnelsen skal i det,følgende beskrives nærmere ved hjelp av et utførelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser den longitudinale piezoelektriske effekt ved et piezoelement, fig. 2 viser den transversale piezoelektriske effekt ved et piezoelement, fig. 3 viser en fremstilling for forståelse av den pyroelektriske effekt ved et piezoelement, fig. 4 viser kompensasjonen av ladningsendringer av pyroelektrisk opprinnelse i piezoelementer og fig. 5 og 6 omformere som utnytter den piezoelektriske effekt ved skjærbelastning.

I motsetning til fig. 5 og 6 viser fig. 1-4 skjematiske omformere som utnytter den longitudinale eller transversale piezoelektriske effekt. I fig. 3 danner koordinataksene 1, 2, 3 et rettvinklet system, der retning 3 angir polarisasjonsvektorens og samtidig elektrodeflatevektorens retning. Retningene 1 og 2 er på grunn av krystallsymmetri likeverdige. Den øvre elektrode 4 bærer n^ bundne positive ladninger og den nedre elektrode 5 bærer n-^ negative ladninger. En oppvarming (symbol Ae) 'av piezaskiven forårsaker en reduksjon av polarisasjonsvektorens størrelse, dvs. ved den øvre elektrode 4 blir positive ladninger (+ a^ n-^) og ved den nedre elektrode 5 blir negative ladninger (-a^ n^) frigjort (0<a<l).

(Den fremstilling at en temperaturstigning AG forårsaker opptreden av a.n frie ladninger er for så vidt riktig, men teoretisk ikke tilstrekkelig nøyaktig formulert. I beskrivningen er det dog bevisst gitt avkall på å angi en teori for pyroelektrisitet).

En annen skive i samsvar med fig. 3 avgir også frie ladninger (+ 02 n2^ som f#l9e av oppvarmingen AQ. En kompensasjon av den pyroelektriske effekt (AQtotal =0) skjer da ifølge oppfinnelsen (fig. 4) når

Kompensasjonsbetingelsen (fig. 4) kan innen visse grenser oppfyl-les ved at a) elektrodeflaten av en av de to skiver 6, 7 varieres (dvs. elektrodeflatens størrelse økes eller minskes), eller b) den pyroelektriske koeffisient p for en skive forandres ved etterpolarisasjon.

Størrelsen p er et mål for de frigitte ladninger som følge av en temperaturendring og er blant annet avhengig av den remanente polarisasjonsvektors størrelse. Den sistnevnte kan ved ferroelektriske materialer varieres ved påtrykning av et ytre elektrisk felt.

Ved polarisasjonsforløpet, som innledes ved påtrykning av en høy likespenning på piezoelementet, blir aldri samtlige ele-menter polarisert, dvs. innrettet. Den ved polarisasjonen oppnådde tilstand kan endres ved at man påtrykker en noe høyere spenning, eventuelt også polariserer under høyere temperatur, på samme måte som man også kan dreie elementene tilbake ved påtrykning av en motsatt rettet likespenning. Når en polarisasjon ikke viser det øns-kede resultat, kan man eventuelt gjenta denne med noe høyere spenning eller temperatur, hvilket betegnes som etterpolarisasjon.

Naturligvis kan flere enn to piezoelementer sammenkoples slik som angitt på fig. 4.

For at ikke også nyttesignalet (AQ som følge av mekanisk belastning) skal forsvinne ved kompensasjonen ifølge fig. 4, må begge skiver 6, 7 mekanisk påvirkes i motfase.

Fig. 5 viser de elektriske og mekaniske korrdinaters stilling ved utnyttelse av skjæreffekten på et piezoelement.

Når polarisasjonsvektoren står nøyaktig loddrett på elektrodenes 4, 5 flatevektor, kan det ved temperaturendringer ikke oppstå frie ladninger på elektrodene (imidlertid kan sådanne oppstå som følge av skjærbelastning ifølge fig. 5). Dette spesial-tilfelle kan ikke oppnås i praksis, da polarisasjonsvektoren alltid har en komponent i elektrodeflatevektorens retning, dvs. at det opptrer pyroelektriske forstyrrelser.

Fig. 6 viser kompensasjon ifølge oppfinnelsen av en komponent av polarisasjonsvektoren ved hjelp av kompensasjonselektroder på piezoelementer.

Polarisasjonsvektorkomponenten i hovedelek trodeflatevek-torens retning kompenseres ifølge oppfinnelsen ved at det ved hjelp av et annet elektrodepar 8, 9 (kompensasjonselektroder), hvis flatevektor har en egnet orientering i forhold til hovedelektrodenes 4, 5 vektor, elektrisk motkoples en beløpsmessig like stor polari-sas jonsvektorkomponent. Betingelsen for kompensasjon (AQ = 0) blir:

der "forst." betyr forstyrrelse og "komp." betyr kompensasjon.

I ovenstående uttrykk har man at

der A2 er elektrodeflaten i retning 2, hvor er flaten av en kompensasjonselektrode. Konstantene P2 og p-j er de pyroelektriske koeffisienter i retning 2 og 3. Således må kompensa-sjonselek trodeflåtene ha en sådan passende størrelse at kompen-sas jonsbetingelsen tilfredsstilles.

Ved sammenkopling av elektrodene må det tas hensyn til at elektrodenes frigitte ladninger som følge av en oppvarming A9, har motsatt fortegn.

Kompensasjonsutjevningen kan skje ved a) variasjon av de enkelte elektrodeflåters størrelse eller b) endring av flate-vektorens innbyrdes størrelser.

For variasjon av elektrodeflåtene finnes flere muligheter.

F.eks. kan elektrodeflåtenes størrelse økes eller minskes ved

hjelp av mekaniske eller kjemiske metoder.

En gjenværende pyroelektrisk'resteffekt kan ifølge fig.

4 ytterligere svekkes ved anvendelse av flere skiver 6, 7.

Løsningen ifølge oppfinnelsen av problemet med kompensa-

sjon av pyroelektriske forstyrrelser (fig. 5 og 6) innebærer at de kompenserte skiver får en meget liten piezoelektrisk koeffisient for hydrostatisk belastning. En skive som i henhold til fig. 6 er utstyrt med kompensasjonselektroder, viser også en forbedret ret-ningsselektivitet.

Sammenstilling av benyttede symboler

D = Dielektrisk forskyvning

E = Elektrisk feltstyrke

v = Hastighet

F = Kraft

P = Remanent elektrisk polarisasjon

AØ = Temperaturendring

n =' Antall ladningsbærere

a = Tallfaktor som angir den som følge av AØ

frigjorte brøkdel av bundne ladninger

AQ = Ladningsdifferanse

P = pyroelektrisk koeffisient

P = Remanent elektrisk polarisasjonsvektor

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for kompensasjon av den pyroelektriske effekt ved elektromekaniske omformere, særlig ferroelektrika , som utnytter den longitudinale eller den transversale piezoelektriske effekt eller den piezoelektriske effekt ved mekanisk skjærbelast-

ning av pyroelektriske materialer, karakterisert ved at to eller flere piezoelektriske enkeltelementer (6, 7) i omformeren sammenkoples på en slik måte at to og to av disses polarisasjonsvektorer er rettet mot hverandre, og at de således sammenhørende enkeltelementer mekanisk påvirkes i motfase, og at de ved hjelp av en kompensasjonsutjevning som oppnås ved å variere elektrodeflaten for et piezoelement (eller flere piezoelementer) (6, 7), eller ved etterpolarisasjon av et element, til sammen gir en minimal pyroelektrisk effekt.

2. Anordning ved elektromekaniske omformere av pyroelektrisk materiale for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, karakterisert ved at elementene foruten det normalt vanlige elektrodepar (4, 5) har et annet elektrodepar (8, 9 på fig. 6) av passende størrelse, som er sammenkoplet på en slik måte med det første elektrodepar (4, 5) og hvis flatevektorer har en slik stilling i forhold til det første elektrodepars flatevektorer, at en komponent av den remanente polarisasjonsvektor i teknisk betydning kompenseres.