Piezokeramik. Grundlagen, Werkstoffe, Applikationen. Dipl.-lng. Karl Ruschmeyer

Transkript

1 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Piezokeramik Grundlagen, Werkstoffe, Applikationen Dipl.-lng. Karl Ruschmeyer Dr. G. Helke Dr. J. Koch Dr. K. Lubitz Dipl.-Phys. T. Möckl Dipl.-Phys. A. Petersen Dipl.-Phys. M. Riedel Dr. A. Schönecker Mit 48 Bildern und 76 Literaturstellen Kontakt & Studium Band 460 Herausgeber: Prof. Dr.-lng. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum DI Elmar Wippler expert verlag

2 Inhaltsverzeichnis Herausgeber-Vorwort Autoren-Vorwort.I.I.I Piezoeffekt und Piezoelektrische Konstanten J. Koch Piezoeffekt, inverser Piezoeffekt und Elektrostriktion Grundlegende Zusammenhänge Hystereseschleife Prinzipverhalten keramischer piezoelektrischer Körper Definition und Richtungsabhängigkeit piezoelektrischer Größen sowie Verknüpfungen zwischen ihnen Dielektrizitätskonstante, Elastizitätskonstante, Ladungsund Spannungskonstante Richtungsabhängigkeit piezoelektrischer Konstanten Dynamisches Verhalten von PXE-Wandlern Einfachstes Ersatzschaltbild Bestimmung von Güte und mechanischer Resonanzfrequenz Abstimmung mit einer Induktivität Frequenzkonstanten und Serienresonanzfrequenzen Einfache Berechnung Frequenzkonstanten dicker Scheiben Ermittlung der Resonanzfrequenz eines radial schwingenden Ringes Der Kopplungsfaktor Piezoelektrische Keramiken G. Helke Physikalische Eigenschaften von piezoelektrischen Keramiken als nichtlineare Dielektrika (Ferroelektrika)

3 Piezoelektrizität Ferroelektrizität Elektrostriktion und Piezoelektrizität von Ferroelektrika Polarisation und Piezoelektrizität von ferroelektrischer Keramik Piezoelektrische Keramiken Perowskitstruktur, spontane Polarisation und hohe Dielektrizitätszahl von Bariumtitanatkeramik Feste Lösungen des Systems Bleititanat - Bleizirkonat Der Herstellungsprozeß piezoelektrischer Keramiken Allgemeine Angaben zum Herstellungsprozeß Aufbereitung der Werkstoffe Mischen der Rohstoffe Vorbildung und Pulverpräparation Herstellung von Halbfabrikaten Trockenpressen Formgebung feuchter Massen Sintern von Keramiken Mechanische Bearbeitung piezoelektrischer Keramiken Metallisierung Polung Spezifikation von piezoelektrischen Keramiken für die praktische Anwendung Piezokeramische Multilayer K. Lubitz Herstellverfahren für Vielschicht-Piezokerami k Überblick Materialaus Wahl Pulveraufbereitung Folienherstellung Elektrodensiebdruck Laminieren Ausbrennen des Binders Sinterung Polarisation Charakterisierung Anwendungsbeispiele Pneumatisches Ventil Schnelles Einspritzventil

4 3.4 Aktueller Stand bei Vielschichtaktoren 3.5 Ausblick Meßtechnik für elektromechanische Wandler aus piezokeramischen Werkstoffen 8 A. Schönecker Wirkeffekte, Belastungsarten und Randbedingungen Piezoelektrische Gleichungen Werkstoffkenndaten Testproben Geometrie Elektroden Polung Messung der ferroelektrischen Eigenschaften Remanente Polarisation und Koerzitivfeldstärke Curietemperatur Messung der dielektrischen Eigenschaften Isolationswiderstand Durchbruchfeldstärke Dielektrizitätskonstante und dielektrische Verluste Bestimmung der Piezokonstanten durch dynamische Messung Vorgehensweise Piezoelektrische Resonatoren Schwingungsformen Ersatzschaltbilder und Kenndaten Bestimmung der Kopplungsfaktoren durch Resonanzfrequenzmessung Kopplungsfaktoren und Piezokonstanten für ausgewählte Moden Planarschwingung an Scheiben Transversalschwingung an Stäben Dickenschwingung an Scheiben und Platten Dickenschwingung an Stäben und Zylindern Dickenscherschwingung Ermittlung eines vollständigen Datensatzes Bestimmung der Piezokonstanten durch quasistatische Messung Nichtlineares Verhalten Effekte Großsignalbelastung außerhalb der Resonanz

5 4.7.3 Dielektrische und mechanische Verluste im Resonanzbetrieb 4.8 Temperaturkoeffizienten und Alterungsraten Sensoren A. Petersen Sensoren mit Piezokeramik Statische und resonante Messung Sensorelektroni k Passive Sensoren Aktive Sensoren Temperaturdrift und Kompensation Pyroelektrisches Verhalten Piezomembranen und Akustikwandler T. Möckl Piezo-Akustikwandler Aufbau von Wandlerplatten Elektroakustische lmpedanzwandlung Eigenresonanz von Wandlerplatten Amplitudenoptimierung bei Wandlerplatten Elektroakustische Ersatzschaltungen Akustikkapseln Piezokeramische Biegewandler M. Riedel 7. Auf bautechni ken 7.2 Keramik für Biegewandler 7.3 Design von Biegewandlern 7.4 Eigenschaften von Aktuator 7.5 Eigenschaften als Sensor

6 Resonanz-Leistungs Wandler A. Petersen Zusammengesetzte Wandler Aufbau eines Leistungs-Ultraschallwandlers Scheibenschwinger für Ultraschallreinigung Leistungs-Ultraschallwandler mit Amplitudentransformator (Horn) Flüssigkeitszerstäu bung Piezoelektrischer Motor Piezoelektrische Transformatoren Piezoelektrische Aktuatoren K. Ruschmeyer Übersicht Berechnungsgrundlagen Axial Aktuator (Wandler in 33-Richtung) Transversaler Aktuator (Wandler in 3 -Richtung) Biege-A ktuator Großsignal-Ansteuerung Aufbau von Aktuatoren Axialer Aktuator Transversaler Aktuator Biege-Aktuator Eigenschaften der Aktuatoren Axialer Aktuator Transversaler Aktuator Biege- Aktuatoren Schlußbetrachtung Sachregister Autorenverzeichnis