DE1109219B

DE1109219B - Method for producing a piezoelectric element by gluing together at least two individual elements

Info

Publication number: DE1109219B
Application number: DESCH23752A
Authority: DE
Inventors: Lothar Sengewitz
Original assignee: F & H Schumann GmbH
Current assignee: F & H Schumann GmbH
Priority date: 1958-03-20
Filing date: 1958-03-20
Publication date: 1961-06-22

Description

Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Elementes durch Zusammenkleben von wenigstens zwei Einzelelementen Für Tonabnehmer, Mikrophone und Druckmesser werden in vielen Fällen Kristallelemente aus Seignettesalzkristallen verwendet. Bei der praktischen Anwendung der Seignettesalzkristallelemente werden meist Doppelelemente benutzt. Die Doppelelemente werden durch Zusammenkitten zweier Kristallelemente hergestellt, wobei zwei in der gewünschten Achsenrichtung gezüchtete oder geschnittene, beiderseits mit einem leitenden Belag versehene Kristallplatten achsengleich aufeinanderhegen und so zusammengeschaltet sind, daß sich bei Zuführung einer Spannung das eine Element verkürzt und das andere verlängert.Method for producing a piezoelectric element by Gluing together at least two individual elements for pickups, microphones and In many cases, pressure gauges are made from seignette salt crystals used. In the practical application of the Seignette salt crystal elements mostly double elements used. The double elements are made by cementing two together Crystal elements are made with two grown in the desired axial direction or cut crystal plates with a conductive coating on both sides on the same axis and interconnected in such a way that when the feed one element shortens and the other lengthened in a tension.

Ähnlich wie bei einem Bimetallstreifen erfolgt dann eine Auslenkung des Kristallbiegers. Der Effekt ist umkehrbar. Ein Bieger mit idealen Eigenschaften gibt eine allein vom Druck abhängige Spannung ab; Spannung und Auslenkung sind bei ihm also proportional. Nichtlineare Verzerrungen sind bei einem solchen Bieger nicht vorhanden. Der Kraft, die aufgewendet werden muß, um den Bieger auszulenken, wirkt die Rückstellkraft entgegen. Diese ist frequenzabhängig. Man mißt ihren statischen Wert und ihren frequenzabhängigen Verlauf durch Anwendung des Helmholtzschen Reziprozitätstheorems.A deflection then takes place similar to a bimetal strip of the crystal bender. The effect is reversible. A bender with ideal properties emits a tension that is solely dependent on the pressure; Tension and deflection are at so proportional to him. There are no non-linear distortions in such a bender available. The force that has to be used to deflect the bender is effective counteract the restoring force. This is frequency-dependent. You measure their static Value and its frequency-dependent course by applying Helmholtz's reciprocity theorem.

Als Maßstab für die Güte eines piezoelektrischen Elementes kann neben anderen Eigenschaften, die in keiner Beziehung zum Gegenstand der Erfindung stehen, die Spannungsabgabe in Abhängigkeit von der Auslenkung des Elementes und umgekehrt betrachtet werden, je nachdem, ob eine Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie oder die umgekehrte Umwandlung stattfindet. Diese ist um so verlustärmer, je fester die einzelnen Kristallplättchen, die das piezoelektrische Element bilden, miteinander verbunden sind. Ist die Verbindung zwischen den Kristallplättchen zu weich und können sich diese demzufolge gegeneinander verschieben oder sogar voneinander abheben, wenn das Element zu mechanischen Schwingungen erregt wird, so erfahren die Kristallplättchen eine verminderte Dehnung und Stauchung, und die Empfindlichkeit des Elementes wird dementsprechend ebenfalls geringer sein. Verschiebungen und Abhebungen der Einzelelemente führen zudem zu einer starken Beanspruchung des äußeren Schutzlackes, es kommt leicht zu Haarrißbildungen, insbesondere an den Stoßkanten der Elemente, so daß kein ausreichender Feuchtigkeitsschutz mehr gewährleistet ist. Als Bindemittel für die Herstellung von Kristallelementen sind die verschiedensten Kleber verwendet und empfohlen worden, und zwar sowohl solche, die in organischen Flüssigkeiten gelöst sind, als auch sogenannte Zweikomponentenkleber, bei welchen dieAushärtung durch Zusatz eines Härtungsmittels erfolgt. Die letztgenannten Klebstoffe, meist Äthoxylinharze, haben vielfach denNachteil, daß ihre Struktur eine verhältnismäßig dicke Klebstoffschicht erfordert. Da diese Schicht gewöhnlich sehr hart ist, vergrößert sich die Rückstellkraft in unerwünschtem Maße. Die in organischen Flüssigkeiten gelösten Klebstoffe zeigen je nach der Art der Grundsubstanz und des Lösungsmittels ein unterschiedliches Verhalten. Kleber mit sehr flüchtigen Lösungsmitteln trocknen zwar sehr schnell aus und bilden gut haftende Verbindungen, sie sind aber wenig für eine Serienfertigung geeignet, zumal bei Verwendung von Lösungsmitteln wie Äther und Chloroform Schutzeinrichtungen erstellt werden müssen. Klebstoffe, deren Lösungsmittel einen verhältnismäßig geringenDampfdruck haben - hierzu gehören Alkohole -, trocknen nur sehr langsam aus oder sind mit der gelösten Substanz derart innig verbunden, daß die verbindende Klebstoffschicht nur über sehr lange Zeiträume erhärtet, für den praktischen Gebrauch also einen gewissen Weichheitsgrad behält. Bei diesen langsam trocknenden Klebstoffen besteht ferner die Gefahr, daß die Randzonen der Klebeschicht, die mit der umgebenden Luft in Berührung kommen, schneller erstarren als die Innenzone der Klebeschicht, wodurch ein weiterer Austritt des Lösungsmittels aus der Innenzone verhindert wird und der Kleber dort nicht mehr austrocknen kann.As a benchmark for the quality of a piezoelectric element, besides other properties unrelated to the subject matter of the invention, the voltage output as a function of the deflection of the element and vice versa be considered depending on whether a conversion of mechanical energy into electrical Energy or the reverse conversion takes place. This is all the more lossy, the stronger the individual crystal platelets that form the piezoelectric element, are connected to each other. Is the connection between the crystal platelets too soft and can therefore shift against each other or even from each other take off when the element is excited to mechanical vibrations, so experienced the crystal platelets have reduced elongation and compression, and the sensitivity of the element will also be correspondingly lower. Shifts and withdrawals the individual elements also lead to a heavy load on the external protective lacquer, It is easy to form hairline cracks, especially at the abutting edges of the elements, so that adequate protection against moisture is no longer guaranteed. As a binder A wide variety of adhesives are used for the production of crystal elements and have been recommended, both those dissolved in organic liquids are, as well as so-called two-component adhesives, in which the hardening through A curing agent is added. The latter adhesives, mostly ethoxylin resins, often have the disadvantage that their structure consists of a relatively thick layer of adhesive requires. Since this layer is usually very hard, the restoring force increases to an undesirable extent. The adhesives dissolved in organic liquids show different behavior depending on the type of basic substance and the solvent. Adhesives with very volatile solvents dry out very quickly and form well-adhering connections, but they are not very suitable for series production, especially when using solvents such as ether and chloroform protective devices need to be created. Adhesives whose solvents have a relatively low vapor pressure have - this includes alcohols -, dry out very slowly or are with the dissolved substance so intimately connected that the connecting adhesive layer only hardened over very long periods of time, so a certain amount for practical use Maintains the degree of softness. With these slow drying adhesives there is also the risk that the edge zones of the adhesive layer, which are in contact with the surrounding air come, solidify faster than the inner zone of the adhesive layer, creating another Escape of the solvent from the inner zone is prevented and the adhesive there can no longer dry out.

Als besonders gut haftende Klebemittel zur Herstellung von Seignettesalzelementen haben sich alkoholische Polyvinylbutyrallösungen - erwiesen, wenn Vorsorge dafür getroffen wird, daß das Erstarren des Klebers von der Mitte der verklebten Flächen und nicht vom Rande aus erfolgt.As a particularly well-adhering adhesive for the production of Seignette salt elements have become alcoholic Polyvinyl butyral solutions - proven when Care is taken that the solidification of the adhesive from the center of the bonded Surfaces and not from the edge.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das vorteilhaft zur Fertigung von zusammengesetzten piezoelektrischen Elementen-- mit Hilfe derartiger Butyralkleber angewendet werden kann. Das Verfahren beruht darauf, daß das Trocknen und` Aushärten der Klebeschicht unter Ultraschalleinwirkung erfolgt, derart, daß das piezoelektrische Element selbst als Ultraschallschwinger arbeitet.The invention relates to a method that is advantageous for manufacturing of composite piezoelectric elements - with the help of such butyral adhesives can be applied. The process is based on the fact that drying and curing the adhesive layer takes place under the action of ultrasound, in such a way that the piezoelectric Element itself works as an ultrasonic transducer.

Eine alkoholische Polyvinylbutyrallösung geeigneter Viskosität wird in üblicher Weise z. B. durch Aufspritzen oder Aufpinseln bzw. durch ein anderes gebräuchliches Verfahren auf die miteinander zu verklebenden Flächen aufgebracht. Unter Einhalten einer gewissen Vortrocknungszeit, -deren Dauer von der Art der Butyrallösung und der Raumtemperatur abhängig ist, werden die zu verklebenden Flächen der Einzelelemente zusammengefügt und nach exakter Ausrichtung einer federnden Pressung unterworfen, für deren Bemessung die Bruchfestigkeit der Seignettesalzkristalle zu berücksichtigen ist.An alcoholic polyvinyl butyral solution of suitable viscosity is used in the usual way z. B. by spraying or brushing or by another Common process applied to the surfaces to be glued together. Subject to a certain pre-drying time, the duration of which depends on the type of butyral solution and the room temperature depends, the surfaces to be glued are the individual elements assembled and subjected to a resilient compression after precise alignment, for their dimensioning, the breaking strength of the Seignette salt crystals must be taken into account is.

Den auf die beschriebene Weise vorbereiteten Kristallelementen wird sodann über die leitenden Belege eine Wechselspannung im Ultraschallbereich zugeführt. Die piezoelektrischen Elemente arbeiten während des weiteren Austrocknungs- und Härtungsprozesses als Ultraschallschwinger und erwärmen sich bei diesem Vorgang bis zu einem gewissen Grade, wodurch das Verdampfen und Austreiben des Lösungsmittels wesentlich beschleunigt wird. Während der ganzen Dauer der Beaufschlagung mit Wechselspannung wird die Zusammenpressung der Elemente aufrechterhalten, und es kommt für die Güte der Verklebung wesentlich darauf an, daß der auf die Elemente ausgeübte federnde Andruck und die den Elementen aufgezwungenen Ultraschallschwingungen aufeinander abgestimmt werden.The crystal elements prepared in the manner described will be then an alternating voltage in the ultrasonic range is supplied via the conductive documents. The piezoelectric elements work during the further desiccation and Hardening process as an ultrasonic transducer and heat up during this process to some extent, causing evaporation and driving off the solvent is accelerated significantly. During the entire duration of the application of alternating voltage the compression of the elements is maintained, and it comes for goodness the bonding essentially depends on the fact that the resilient pressure exerted on the elements Pressure and the ultrasonic vibrations imposed on the elements on each other be matched.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den üblichen Austrocknungsmethoden mit Warrnluftgebläsenoder Trockenschränken ist leicht einzusehen. Bei einer Trocknung nach den bekannten Methoden umspült die Warmluft die piezoelektrischen Elemente, wodurch vor allem zuerst die äußeren Randzonen der Klebeschicht getrocknet und ausgehärtet werden, was immer die Gefahr in sich birgt, daß im Innern der Klebstoffschicht Flüsigkeitsinseln und weiche Zonen zurückbleiben. Das erfindungsgemäße Verfahren dagegen erwärmt die Elemente von innen heraus, und die umgebende Luft, die Zimmertemperatur besitzt, kühlt gleichsam die Randzonen der Klebstoffschicht. Das hat zur Folge, daß der Kleber zwischen den zusammengefügten Kristallplättchen von der Mitte aus zu trocknen beginnt und daß der Randbereich der Klebstoffschicht zuletzt aushärtet. Dadurch wird mit Sicherheit vermieden, daß unausgehärtete Klebst2ffzonen zwischen den Kristallplatten des Elementes zurückbleiben. Das Ergebnis der Klebung von piezoelektrischen Elementen unter Anregung zu Ultraschallschwingungen ist eine sehr innige Verbindung der zusammengefügten Einzelelemente, die namentlich bei Verwendung von Polyvinylbutyral als Bindemittel einer Verschweißung gleichkommt.The advantage of the method according to the invention over the usual Drying out methods with warning air blowers or drying cabinets is easy to see. When drying according to the known methods, the warm air washes around the piezoelectric Elements, which primarily dried the outer edge zones of the adhesive layer first and cured, whatever the risk of being inside the adhesive layer Liquid islands and soft zones are left behind. The inventive method on the other hand, the elements heats up from within, and the surrounding air warms the room temperature possesses, cools the edge zones of the adhesive layer as it were. This has the consequence that the glue between the joined crystal platelets starts from the middle begins to dry and that the edge area of the adhesive layer hardens last. Thereby it is avoided with certainty that uncured adhesive zones between remain behind the crystal plates of the element. The result of bonding piezoelectric Elements with stimulation to ultrasonic vibrations is a very intimate connection of the assembled individual elements, especially when using polyvinyl butyral as a binding agent is equivalent to a weld.

Claims

PATENT CLAIM: A method for the production of a piezoelectric element, in particular a Seignette salt element, by gluing together at least two individual elements using polyvinyl butyral as an adhesive, characterized in that the hardening of the adhesive takes place under the action of ultrasound, in such a way that the element works as a piezoelectric oscillator with an ultrasonic frequency and is subjected to a resilient pressure during the time of hardening. Considered publications: German Patent Specifications No. 816 605, 885 413; Römpp, "Chemie-Lexikon", 4th edition, 1958, Vol. II.