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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor,
der auf dem Zylinderblock eines Verbrennungsmotors zu
montieren ist, geeignet zum Erfassen des
Zylinderblock-Innendrucks.
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Daß man piezoelektrische Sensoren zum Erfassen des
Zylinder-Innendrucks eines verbrennungsmotors verwendet, ist
bekannt. Ein solcher Sensor weist einen Hauptkärper auf, der
so eingerichtet ist, daß er durch Anschrauben am
Zylinderblock befestigbar ist, und zwar in einem Loch, das in der
Wand des Zylinderblocks bereitgestellt und mit einem Gewinde
versehen ist. Der Hauptkärper enthält ein Loch, in dem ein
piezoelektrisches Bauteil und ein Druckübertragungsstift
untergebracht sind. Das Loch ist mit einer Membran
verschlossen, so daß die Membran und der Druckübertragungsstift den
Druck im Inneren des Zylinderblocks auf das piezoelektrische
Bauteil übertragen, wenn der Sensor am Zylinderblock
befestigt ist. Dabei wird der Druck in ein elektrisches Signal
umgesetzt. Als piezoelektrisches Bauteil ist
Bleititanatzirkonat oder Bleititanat verwendet worden.
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Es hat sich gezeigt, daß der bekannte piezoelektrische
Sensor einen Nachteil hat. Es ist erforderlich, den Sensor
zusammen mit Kühlvorrichtungen zu betreiben, die dafür
eingerichtet sind, den Sensor in einem niedrigen
Temperaturbereich zu halten, da sonst das piezoelektrische Bauteil
während des Betriebs Schaden nimmt. Insbesondere ist der
piezoelektrische Sensor allgemein einer hohen Temperatur von
ungefähr 500 ºC ausgesetzt, so daß das piezoelektrische
Bauteil ebenfalls einer Temperatur von etwa 400 ºC ausgesetzt
ist. Da die Gurietemperaturen von Bleititanatzirkonat und
Bleititanat bei ungefähr 250 ºC bzw. 350 ºC liegen, neigt das
piezoelektrische Bauteil dazu, Entpolarisierung zu erzeugen,
wodurch sich seine piezoelektrischen Eigenschaften
verschlechtern.
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Obwohl eine derartige Verschlechterung durch das
Vorsehen geeigneter Kühleinrichtungen, die das Bauteil unter
seiner Curietemperatur halten, vermeidbar ist, wird der
Sensoraufbau umfangreich und kompliziert. Der bekannte
piezoelektrische Sensor hat den weiteren Nachteil, daß während des
Betriebs das S/N-Verhältnis (S/N = Signal/Noise, Signal-
Rausch-Abstand) dazu neigt, sich durch den pyroelektrischen
Effekt zu verringern.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen
piezoelektrischen Sensor bereitzustellen, der die Nachteile des
bekannten piezoelektrischen Sensors nicht mehr aufweist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen
piezoelektrischen Sensor bereitzustellen, der geeignet zum
Erfassen einer physikalischen Größe eines Körpers verwendet
wird, die in eine mechanische Verformung umsetzbar ist,
beispielsweise den Innendruck oder die Schwingung eines
Verbrennungsmotors oder die Beschleunigung eines Fahrzeugs.
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Es ist eine besondere Aufgabe der Erfindung, einen
piezoelektrischen Sensor der obengenannten Art bereitzustellen,
der eine hohe Wärmebeständigkeit und eine lange Lebensdauer
hat.
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Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen
piezoelektrischen Sensor der oben genannten Art
bereitzustellen, der ein hohes S/N-Verhältnis aufweist.
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Erfindungsgemäß wird ein piezoelektrischer Sensor für
einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinder bereitgestellt,
umfassend:
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einen Hauptkörper, der für die Befestigung am Zylinder
eingerichtet ist, und in dem ein axial verlaufendes Loch
bestimmt ist;
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eine Membran, die an einem Ende des Hauptkörpers
befestigt ist, um das Loch zu verschließen; und
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ein in dem Loch angeordnetes piezoelektrisches Bauteil,
so daß der Druck innerhalb des Zylinders über die Membran
auf das piezoelektrische Bauteil übertragen wird,
wobei das piezoelektrische Bauteil eine kreisförmige
oder polygonförmige Scheibe mit einer Dicke von 0,3 - 1,5 mm
ist und aus einem piezoelektrischen Einkristall-Bauteil
geformt ist, das eine Curietemperatur von über 500 ºC hat und
so polarisiert ist, daß die Polarisationsrichtung unter
einem Winkel von 20º oder weniger bezüglich der X-Y-Ebene der
Scheibe ausgerichtet ist.
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Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) und Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;)
haben Curietemperaturen von ungefähr 1200ºC bzw. ungefähr
650ºC und zeigen eine gute Wärmebeständigkeit. Diese
piezoelektrischen Bauteile brechen jedoch sehr leicht, wenn man
sie mit herkömmlichen Schneideverfahren schneidet, bei denen
beispielsweise ein Diamantschneider, ein
Ultraschallschneider oder ein Laserstrahl verwendet wird. Daher muß das
piezoelektrische Bauteil mindestens 0,3 mm dick sein, um dem
Schneidevorgang standzuhalten. Ein mindestens 0,3 mm dickes
Bauteil ist auch wünschenswert, um sowohl eine befriedigende
Genauigkeit der druckaufnehmenden Oberflächen als auch eine
gute Parallelität zu erhalten. Eine zu große Dicke von mehr
als 1,5 mm bewirkt dagegen Brüche des piezoelektrischen
Bauteils durch Wärmestöße. Das piezoelektrische Bauteil ist
bevorzugt ungefähr 0,5 - 1,0 mm dick.
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Die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Bau
teils sollte wegen eines verbesserten S/N-Verhältnisses
unter einem Winkel nicht größer als 20 bezüglich seiner X-Y-
Ebene ausgerichtet sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der
Erfindung kann man der folgenden ausführlichen Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung entnehmen, wenn
sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet
wird.
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Es zeigt:
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Fig. 1 eine Querschnitts-Vorderansicht, die schematisch
eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Sensors zeigt;
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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, die schematisch
ein Beispiel für das piezoelektrische Bauteil zeigt, das im
Sensor nach Fig. 1 zu verwenden ist;
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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, die schematisch
ein weiteres Beispiel des piezoelektrischen Bauteils zeigt;
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Fig. 4 eine perspektivische Ansicht, die ein Verfahren
zum Herstellen piezoelektrischer Bauteile erklärt;
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Fig. 5 eine Kurve des Zusammenhangs zwischen der
Ladung, die durch den pyroelektrischen Effekt eines
Lithiumniobat-Einkristalls erzeugt wird, und dem Ausrichtungswinkel
der Z-Achsen-Komponente der Polarisation des Lithiumniobat
Einkristalls;
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Fig. 6 eine erklärende Ansicht der
Polarisationsrichtung in den X-, Y- und Z-Koordinaten;
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Fig. 7 eine Querschnitts-Vorderansicht eines weiteren
piezoelektrischen Sensors (nicht beansprucht); und
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Fig. 8 eine Querschnitts-Vorderansicht noch eines
weiteren piezoelektrischen Sensors (nicht beansprucht).
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung
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Es wird nun Bezug auf Fig. 1 genommen. Das Bezugszei-
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chen 1 bezeichnet einen Hauptkörper, der aus einem Metall
besteht und ein unteres Teil 1a hat, dessen äußerer Umfang
mit einem Außengewinde 2 versehen ist. Das Außengewinde 2
ist so ausgebildet, daß es in ein Innengewinde einschraubbar
ist, das in der Wand eines Zylinderblocks (nicht
dargestellt) eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist. Der
Hauptkörper weist einen Mittenabschnitt 3 auf, der einen
sechseckigen Querschnitt hat, um das Befestigen des Hauptkörpers
1 am Zylinderblock mit geeigneten Befestigungseinrichtungen,
beispielsweise einem Schraubenschlüssel, zu erleichtern. Der
Hauptkörper 1 weist ein axial verlaufendes Durchgangsloch 4
auf, das aus einem unteren Abschnitt 4a von mittlerem
Durchmesser besteht, und einen Mittelabschnitt 4b von kleinerem
Durchmesser sowie einen oberen Abschnitt 4c von größerem
Durchmesser.
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Im unteren Abschnitt 4a des Durchgangslochs 4 sind
untergebracht: ein elektrisch isolierender Ring 5, ein erster
Anschluß 6, ein piezoelektrisches Bauteil 7, ein zweiter
Anschluß 8 und ein Druckübertragungsstift 10, die in dieser
Reihenfolge zum unteren, offenen Endabschnitt des
Hauptkörpers 1 hin angeordnet sind. Mit 5a ist ein elektrisch
isolierendes Material bezeichnet, das zum Isolieren des
piezoelektrischen Bauteils 7 vom Hauptkörper 1 bereitgestellt
ist. Der erste Anschluß 6 hat einen Vorsprung 6a, der sich
durch den isolierenden Ring 5 erstreckt und an einen
Leitungsdraht 13 angeschlossen ist.
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Das piezoelektrische Bauteil kann die Form einer
Kreisscheibe haben, siehe Fig. 2, oder die Form einer
quadratischen Scheibe, siehe Fig. 3. Unter wirtschaftlichen
Gesichtspunkten bevorzugt man quadratische Scheiben. Fig. 4
stellt schematisch das Herstellungsverfahren für
quadratische Scheiben dar. Durch das Zerschneiden einer großen
Platte aus piezoelektrischem Einkristall-Material entlang
einer Anzahl länqs und quer verlaufender Linien 7t kann
leicht eine große Menge quadratisch geformter Scheiben
hergestellt werden. Wichtig ist, daß das piezoelektrische
Bauteil eine Dicke von 0,3 - 1,5 mm haben sollte. Es sollte
weiterhin aus einem piezoelektrischen Einkristall-Bauteil
geformt sein, das eine curietemperatur von über 500ºC hat,
um eine erhöhte Beständigkeit gegen Hitze sowie thermische
und mechanische Stöße sicherzustellen.
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Die piezoelektrische Scheibe 7 ist mit oberen und
unteren Elektroden 7a und 7b versehen, die durch Metallisieren,
Vakuumabscheiden oder irgendein anderes üblicherweise
angewendetes Verfahren erzeugt werden. Aus Gründen einer
verbesserten Haftung ist es zum Herstellen der Elektroden 7a und
7b ratsam, eine Tinte zu verwenden, die Nickel, Silber oder
ein ähnliches Metall in einem organischen Medium verteilt
enthält. In diesem Fall wird bevorzugt, daß die oben
genannten ersten und zweiten Anschlüsse 6 und 8 auf beide
Oberflächen der Scheibe gelegt werden, nachdem diese mit Tinte
bedruckt wurden, und daß die sich ergebende Baugruppe
zusammengebacken wird; dadurch ist ein sehr guter elektrischer
Kontakt zu erhalten.
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Es wird nun wieder Fig. 1 betrachtet. Die untere
Öffnung des Durchgangslochs 4 ist durch eine Membran 11 ver
schlossen, die aus hitzebeständigem Material wie Inconel,
nichtrostendem Stahl SUS630 oder einer ähnlichen Legierung
gebildet ist. Von den oben genannten Bauteilen, die im
Unterteil 4a des Durchgangslochs 4 untergebracht sind, stehen
je zwei benachbarte Bauteile in gegenseitigem Druckkontakt,
so daß der auf die Membran 11 ausgeübte Druck auf das
piezoelektrische Bauteil 7 ausgeübt wird.
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Der Abschnitt 4c mit größerem Durchmesser hat einen
gestuften Sitz 4c', in den ein verbreiterter Abschnitt 9a
einer Metallhülse 9 eingepreßt ist. Das oben beschriebene
Kabel 12 ist mit der Hülse 9 verstemmt, die ihrerseits über
einen oberen dünnen Wandabschnitt 3a des Hauptkörpers 1 fest
mit dem Hauptkörper 1 verbunden ist. Der obere dünne
Wandabschnitt 3a des Hauptkörpers 1 ist über den äußeren Umfang
des verbreiterten Abschnitts 9a der Hülse 9 zwangsweise nach
innen gebogen.
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Das Kabel 12 weist einen Kerndraht 12a auf, der mit dem
Leitungsdraht 13 verbunden ist. Dieser verläuft vom ersten
Anschluß 6a durch den Abschnitt 4b mit kleinem Durchmesser,
so daß das Kabel 12 über die obere Elektrode 7a elektrisch
mit dem piezoelektrischen Bauteil 7 verbunden ist. Die
untere Elektrode 7b des piezoelektrischen Bauteils 7 ist über
den zweiten Anschluß 8 und den Druckübertragungsstift 10 am
Hauptkörper 1 an Masse gelegt.
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Wird der Hauptkörper 1 am Zylinderblock eines
Verbrennungsmotors befestigt, wobei das Außengewinde 2 in das
Innengewinde des Zylinderblocks eingreift, so übertragen die
Membran 11 und der Druckübertragungsstift aufgrund des
obigen Aufbaus den Druck im Zylinderblock auf das
piezoelektrische Bauteil 7, so daß das piezoelektrische Bauteil ein
elektrisches Signal über das Kabel 12 abgibt.
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Fig. 7 zeigt einen weiteren piezoelektrischen Sensor,
der zum Erkennen des Klopfens bei einem Verbrennungsmotor
verwendet wird. Mit 20 ist ein aus Metall geformter
Hauptkörper bezeichnet. Dieser hat einen unteren Vorsprung 23,
der koaxial zum Hauptkörper 20 verläuft. Der äußere Umfang
des Vorsprungs ist mit einem Außengewinde versehen, das für
das Einschrauben in ein Innengewinde angepaßt ist. Das
Innengewinde ist in der Wand eines Zylinderblocks 29 eines
Verbrennungsmotors ausgebildet. Der Hauptkörper 20 ist mit
einem sechseckigen Querschnitt ausgebildet, um das
Befestigen am zylinderblock 29 mit einem geeigneten Befestigungs
mittel, beispielsweise einem Schraubenschlüssel, zu
erleichtern. Der Hauptkörper 20 weist ein mittiges Loch auf, dessen
obere Öffnung von einem Deckel 21 verschlossen ist. Der
Deckel 21 ist über einen oberen dünnen Wandabschnitt 22 des
Hauptkörpers 20 dicht am Hauptkörper 20 befestigt. Der dünne
Wandabschnitt 22 ist über dem äußeren Umfang des Deckels 21
zwangsweise nach innen gebogen.
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Innerhalb des Lochs im Hauptkörper 20 ist ein
Schwingungssensor untergebracht, der allgemein mit 24 bezeichnet
ist. Der Schwingungssensor 24 weist eine dünne Metallplatte
25 auf, die mit einer Schraube 27 am Mittelpunkt eines
unteren Grundteils des Hauptkörpers 20 befestigt ist. Die
Metallplatte 25 trägt ein piezoelektrisches Bauteil 26 in Form
eines Rings. Das piezoelektrische Bauteil 26 ist bevorzugt
in der Form einer piezoelektrischen Einkristall-Keramik
ausgeführt, die eine Curietemperatur von über 500ºC hat. Das
piezoelektrische Bauteil 26 ist an seinen beiden Oberflächen
mit Elektroden versehen. Eine der beiden Elektroden ist
elektrisch mit einem Anschluß 28 versehen, der durch den
Deckel 21 verläuft und von ihm gehalten wird. Die andere
Elektrode ist über die Metallplatte 25 und die Schraube 27
am Hauptkörper 20 an Masse gelegt.
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Erzeugt die Brennkammer des Motors Klopfen, so wird der
Stoß als mechanische Schwingung auf den Zylinderblock
übertragen. Die mechanische Schwingung wird ihrerseits auf die
Schraube 27 übertragen, um sie in Schwingung zu versetzen.
Diese Schwingung wird auf das piezoelektrische Bauteil 26
übertragen, so daß eine Signalspannung erzeugt wird. Durch
Erfassen der Spannung ist es möglich, das Klopfen des Motors
zu erkennen.
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Fig. 8 zeigt einen weiteren piezoelektrischen Sensor,
der als Beschleunigungsdetektor für einen sich bewegenden
Körper verwendet wird. Mit 30 ist ein Gehäuse bezeichnet,
das einen unteren dicken Wandgrundabschnitt 31 hat. Von dort
verläuft ein Vorsprung 34 koaxial zum Gehäuse 30 nach unten.
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Der äußere Umfang des Vorsprungs 34 ist mit einem Außenge
winde versehen. Das Außengewinde ist für das Einschrauben in
ein Innengewinde angepaßt, das in einem sich bewegenden
Körper ausgebildet ist (nicht dargestellt). Im Gehäuse 30 ist
ein piezoelektrisches Bauteil 32 untergebracht. Es ist
direkt auf dem Grundabschnitt 30 des Gehäuses 31 angeordnet.
Auf das piezoelektrische Bauteil 32 ist ein Gewicht 33
gelegt. Das piezoelektrische Bauteil 32 ist aus einer
piezoelektrischen Einkristall-Keramik ausgebildet, die eine
Curietemperatur von mindestens 500ºC hat und auf ihren beiden
Oberflächen mit Elektroden zum Anschluß an Leitungsdrähte
versehen ist (nicht dargestellt). Der obige
Beschleunigungserkennungssensor ist beispielsweise zum Betätigen eines
Airbags in Automobilen verwendbar.
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In der vorhergehenden Ausführungsform&sub1; die in Fig. 1
dargestellt ist, ist das piezoelektrische Bauteil bevorzugt
aus einem LiNbO&sub3;-Einkristall ausgebildet. Wegen der
verbesserten Hitzebeständigkeit und der geringen Pyroelektrizität
sollte ein piezoelektrisches Einkristall-Bauteil verwendet
werden, dessen Polarisationsrichtung einen Winkel von 20º
oder weniger gegen seine X-Y-Ebene einnimmt. Da das
piezoelektrische Bauteil in den Sensoren nach Fig. 7 und Fig. 8
nicht unmittelbar einem so hohen Druck ausgesetzt ist wie im
Bauteil des Sensors nach Fig. 1, ist die Dicke des
piezoelektrischen Bauteils nicht auf 0,3 - 1,5 mm eingeschränkt.
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Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung noch
weiter.
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Beispiel:
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Ein LiNbO&sub3;-Einkristall wurde mit einer
Ultraschallwellen-Schneidevorrichtung in verschiedene Formen geschnitten,
siehe Tabelle 1. Lediglich die Probe Nr. 4 wurde aus einem
LiTaO&sub3;-Einkristall hergestellt. Die Proben Nr. 2, 4 und 15
hatten quadratische Form, die anderen Proben waren
kreisförmige Scheiben. Jede der so geformten piezoelektrischen
Scheiben wurde in einen piezoelektrischen Sensor nach Fig. 1
eingesetzt, wobei eine Membran verwendet wurde, deren Größe
Tabelle 1 zeigt. Die bei den Proben Nr. 8 und 12 - 15
verwendeten Membranen waren 0,2 mm dick; dagegen wurden bei den
anderen Proben 0,1 mm dicke Membranen verwendet. Jeder der
so aufgebauten Sensoren wurde an einem
Automobil-Verbrennungsmotor montiert, der folgende Nenndaten hatte:
Zylindervolumen 2000 cm³, Drehzahl 6000 U/min und einen größten
Zylinderinnendruck von 70 kg/cm². Nach 100 Betriebsstunden
wurde das piezoelektrische Bauteil aus dem Sensor entfernt,
um zu bestimmen, ob das Bauteil gebrochen war oder nicht. Es
ergaben sich die in Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse.
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Ähnliche Proben wurden auch auf ihre Druckabhängigkeit
geprüft, indem der Zusammenhang zwischen der erzeugten
Ladung und dem Druck innerhalb des Zylinders gemessen wurde.
Die Proben Nr. 1, 4 und 7 zeigten eine geringfügige
Druckabhängigkeit. Ähnliche Proben wurden auch auf ihre
Temperaturabhängigkeit untersucht, indem sie mit einem Bandheizkörper
erwärmt wurden. Die Proben Nr. 1 und 7 zeigten eine
deutliche Temperaturabhängigkeit. Als wichtig wird der
Partialdruck in der Membran angesehen, der einen großen Einfluß auf
die Eigenschaften des piezoelektrischen Bauteils hat. Die
geringe Druckabhängigkeit der Probe Nr. 4 beruht auf den
relativ schlechten piezoelektrischen Eigenschaften von LiTaO&sub3;.
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Ähnliche piezoelektrische Scheiben, wie sie in den
Proben Nr. 3 und 11 verwendet wurden, wurden auf ihre
pyroelektrischen Eigenschaften untersucht. Es wurden also
verschiedene Scheiben hergestellt, die entlang verschiedener
Richtungen geschnitten waren, und abwechselnd in Tanks
eingetaucht, die Wasser mit 0ºC und Silikonöl mit 150ºC
enthielten. Die Ergebnisse der Prüfung sind in Fig. 5 als Kurve
dargestellt, die den Zusammenhang zwischen der Ladung, die
bei Temperaturänderungen erzeugt wird (Ordinate), und dem
Grad Θ der Z-Achsen-Komponente der Polarisation (Abszisse)
wiedergibt. Den Ergebnissen in Fig. 5 ist zu entnehmen, daß
die Z-Achsen-Komponente bevorzugt klein ist. Der Winkel Θ
stellt den Abweichungswinkel der Polarisationsrichtung von
der Ebene (X-Y Ebene) auf die Richtung der Dicke (Z-Achse)
zu dar. Hat Θ den Wert 90º, so ist die Polarisationsrichtung
nämlich parallel zur Richtung der Dicke. Hat Θ den Wert 0º,
so ist die Polarisationsrichtung parallel zur Ebene der
Scheibe.
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Es zeigt sich auch, daß ein Winkel Θ von 20º oder
weniger zu bevorzugen ist, um eine Druckempfindlichkeit von 10
atm oder weniger zu erzielen. Besonders bevorzugt ist ein
Winkel Θ von 10º oder weniger entsprechend einer
Druckempfindlichkeit von 5 atm oder weniger. In diesem Fall ist die
Filterung in der Schaltung einfach, und es sind gute
piezoelektrische Eigenschaften zu erhalten.
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Piezoelektrische Bauteilproben ohne Z-Achsen-Komponente
(Θ = 0) zeigten nahezu keine Pyroelektrizität und ergaben
somit ganz ausgezeichnete Eigenschaften. Aus den Proben ohne
Z-Achsen-Komponente (Θ = 0), die entlang der Y-Achse oder
der X-Achse geschnitten waren, zeigten die entlang der Y-
Achse geschnittenen Proben bessere piezoelektrische
Eigenschaften (ungefähr 20 pC/N) als die entlang der X-Achse
geschnittenen (unter 10 pC/N). Die entlang der Y-Achse
geschnittenen Proben zeigten auch gute mechanische
Eigenschaften.
Tabelle 1
Probe Nr.
Piezoelektrisches Bauteil
Membran
Bruchanteil
Durchmesser (o. Seitenl.)
Dicke
Außen-Durchmesser
Innen-Durchmesser
*: Seitenlänge des quadratischen piezoelektrischen
Bauteils
**: Das Bauteil ist aus piezoelektrischem
Lithiumtantalat-Einkristallmaterial ausgebildet.
***: Die Membran ist 0,1 mm dick.