DE2935873C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Ultraschall-Verbundschwingers - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Ultraschall-Verbundschwinger der im Oberbegriff angegebenen Art ist aus der DE-PS 20 32 433 bekannt. Die Piezokeramikscheibe ist dort an dem Metallkörper angeklebt.

Die Verwendung von Klebstoffen für Verbindungen wird generell als vorteilhaft angesehen, jedoch ist sie wegen der notwendigen Abbindezeit zeitaufwendig und für ein besonders rationelles Herstellungsverfahren nicht das Optimum.

Aus dem Stand der Technik, nämlich SU-PS 5 85 887 (Sov, Inv. III. A 46, 3. Jan. 1979), ist ein Verbundkörper aus mehreren piezoelektrischen Keramikkörpern bekannt, die miteinander verlötet sind. Für das Lötverfahren ist dort angegeben, daß die Schmelztemperatur des Lotes niedriger als die Curie-Temperatur der Keramik

ίο sein soll, daß Druck angewendet werden ioll und daß innerhalb eines längeren Zeitraumes wieder abgekühlt wird.

Aus der CH-PS 3 53 923 ist andererseits ein Verfahren zur lötfähigen Beschichtung von ferroelektrischer Keramik bekannt, für das eine Schichtfolge aus sechs aufeinanderlegenden Schichten vorgesehen ist. Ein solches technologisch umständliches Verfahren ist nicht ausreichend wirtschaftlich.

Die Durchführung von Lötverbindungen mit metallisierter Piezokeramik stößt zumindest dann auf erhebliche Schwierigkeiten, wenn für die an sich üblichen Metallisierungsschichten auf der Keramik Einbrennsilber benutzt wird. Dieses Einbrennsilber hat an sich ausgezeichnete Haftfähigkeit auf der Keramik. Dennoch ist aber festzustellen, daß Verlötungen eines piezokeramischen Körpers mit einem anderen Körper, insbesondere wenn es sich um ein Ultraschall-Schwingungssystem m;'i in erheblicher Größe auftretenden inneren mechanischen Kräften handelt, zumindest nicht

JO langzeitig dauerhaft sind und daß im Falle des Brechens der Verbindung an der Piezokeramik die ursprüngliche Einbrenn-Versilberung nicht mehr vorhanden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein rationelles Verfahren zur Herstellung der Verbindung einer Piezokeramikscheibe mit dem Metallkörper eines Ultraschall-Verbundschwingers anzugeben, bei dem die Gefahr ausgeschlossen ist, daß durch eine Auflösung der auf der Piezokeramikscheibe vorhandenen Schicht aus Einbrennsilber die Festigkeit der Lotverbindung in Frage gestellt ist.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren nach dem Oberbegriff mit den Merkmale:i des Kennzeichens des Patentanspruchs I gelöst.
Wie bereits oben erwähnt, wird in der heutigen Fertigungstechnik eine Klebverbindung bevorzugt, sofern mit ihr die notwendige Festigkeit zu erreichen ist, wie dies für Verbundschwinger gegeben ist. Mit der Verwendung einer Zinn-Weichlötung anstelle der Klebung für die Befestigung der bereits polarisierten, piezoelektrischen Keramikscheibe an dem Metallkörper läßt sich iine rationelle Fertigung erreichen. Außerdem wird damit eine verbesserte oder zumindest vereinfachte sowohl elektrische als auch thermische Verbindung zwischen der Elektrodenmetallisierung der Keramikscheibe und dem Metallkörper erzielt.

Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zu den Figuren hervor.

Fig. 1 zeigt ein bereits bekanntes Ultraschall-Schwingsystem.

F i g. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Herstellungsverfahren und

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Der in Seitenansicht in Fig. 1 gezeigte Ultraschalles Verbundschwinger der DE-PS 20 32 433 besteht aus dem Metallkörper 3 aus korrosionsarmen Stahl, aus der Arbeitsplatte 5, auf deren Oberfläche 51 die Flüssigkeitszerstäubung erfolgt, und aus der Scheibe 7 aus

Piezokeramik mit einer Curie-Temperatur größer 300⁰C, Als Piezokeramik kommen hierfür Blei-Zirkonat-Titanat-Keramiken in Betracht, die sich in einem angelegten elektrischen Feld bei einer gegenüber Zimmertemperatur erhöhten Temperatur elektrisch polarisieren lassen.

Mit 9 und 11 sind Elektrodenschichten der Scheibe 7 bezeichnet. 13 und 15 kennzeichnen mit diesen Elektrodenschichten verbundene Anschlußleitungen.

Bei einem Ultraschall-Verbundschwinger nach dem ι ο Stand der Technik befindet sich eine Klebstelle zwischen der Elektrodenschicht 9 und dem Metallkörper 3, die elektrisch überbrückt ist Bei der Erfindung ist diese Schicht 17 eine Schicht aus einem Zinn-Weichlot, mit dem diese Elektrodenschicht 9 und damit die Scheibe 7 mit dem Metallkörper 3 erfindungsgemäß verlötet ist

Für die Elektrodenschicht 9 (und auch für die Elektrodenschicht 11) wird bevorzugt Einbrennsilber verwendet Zu einem solchen Einbrennsilber passend wird als Zinn-Weichlot der Schicht 17 ein mit Silber gepuffertes Zinnlot verwendet

F i g. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens. Auf die Scheibe 7 aus Piezokeramik wird zunächst die lötbart Elektrodenschicht 9 (und die Schicht 11) aus Einbrennsilber aufgebracht. Auf den Metallkörper 3 wird eine Schicht aus einem Zinn-Weichlot aufgebracht, und zwar eine derart große Lotmenge, die größer ist als die des in der Verbindungsschicht 17 im fertigen Verbundschwinger jo vorhandenen Lotes. Die Scheibe 7 aus Piezokeramik kann auf eine vergleichsweise zur Lot-Temperatur niedrigere Temperatur vorgeheizt werden und der Metallkörper 3 wird notwendigerweise auf eine Temperatur aufgeheizt, die auch höher als die Schmelztemperatur des Lotes ist. Daraufhin werden die Scheibe 7 und der Metallkörper 3 unter Druck aufeinander aufgelegt.

Die Aufheiztemperatur des Metallkörpers 3 wird um ein solches Maß höher als die Schmelztemperatur des für die Schicht verwendeten Lotes gewählt, daß die Wärmekapazität des Metallkörpers 3 ausreichend groß ist. die Auflagefläche der Scheibe 7 mit der darauf befindlichen Elektrodenschicht bis zu einer ausreichend großen Tiefe in der gegebenenfalls vorerwärmten Scheibe 7 aufzuheizen, daß die Scheibe 7 bis in diese Tiefe ebenfalls die für den Lc'.vorgang erforderliche Schmelztemperatur des Lotes der Schicht 17 errexht. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß die für das verwendete Lot für den Lötvorgang ertorderliche Temperatur in der Schicht 17 und insbesondere in der Elektrodenschicht 9 nicht wesentlich überschritten wird. Damit läßt sich verhindern, daß das Material der Elektrodenschicht 9, das insbesondere Einbrennsilber ist. in dem Zinn-Weichlot der Schicht 17 aufgelöst und -·5 damit von der Oberfläche der Scheibe 7 entfernt wird.

Weiter läßt man im Verlauf des Herstellungsverfahrens den Metallkörper 3 mit der unter Druck darauf aufliegenden Scheibe 7 abkühlen, wobei die Druckbelastung derart und so lange beibehalten wird, bis das momentan durch das Auflegen der Scheibe 7 auf den Metallkörper 3 abgekühlte Lot der Schicht 17 durch die bereits oben erwähnte Wärmenachfuhr aus dem Metallkörper 3 wieder verflüssigt ist, flüssiges Lot bis auf die dünne Verbindungsschicht 17 zwischen Metall- b-> körper 3 und Platte 7 herausgequetscht ist, und das Lot zu dieser Scheibe 7 und Metallkörper 3 miteinander verbindenden Lotacbicht 17 erstarrt ist.

Wenigstens vom Zeitpunkt des Kontakts der Scheibe 7 mit dem aufgeheizten Metallkörper 3 bis zum Wiedererreichen einer in der Nähe der Raumtemperatur liegenden Temperatur der Scheibe 7 werden die beiden Elektrodenschichten 9 und 11 der Scheibe 7 elektrisch kurzgeschlossen gehalten. Dieses Merkmal des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist wichtig, weil damit in der Scheibe 7 solche Polarisationsänderungen verhindert werden, die Abmessungsänderungen der Scheibe 7 bewirken, die dann zu nachteiligen Spannungen innerhalb der Verbindung zwischen Scheibe 7 und Metallkörper 3 führen würden.

Vorzugsweise erfolgt ein Vorverzinnen des Metallkörpers 3 unter Verwendung von Flußmitteln vor dem Aufbringen der Lotschicht 17 auf dem Metallkörper 3. Dieses Aufbringen kann insbesondere durch Nachverstärkung der Vorverzinnung bis zu einer Schichtdicke erfolgen, die mit der vorgegebenen Lotschichtdicke wenigstens gleich groß, vorzugsweise dieser gegenüber jedoch größer ist. Diese Nachverstärkung der Vorverzinnuirg bis zur gewünschten Dicke der Lotschicht 17 kann auch durch Aufbringung wa Reibelot erfolgen.

Die Fig.3 zeigt in einer Prindpdarsteiiung eine: Vorrichtung zur Durchführung des Lötvorganges des Herstellungsverfahrens.

Die Grundplatte 32 ist vorzugsweise nacheinander sowohl Heizplatte als auch Kühleinrichtung für das Aufheizen des Metallkörper 3 und für das anschließende Wiederabkühlen von miteinander verlötetem Metallkörper 3 und Keramikscheibe 7. Mit 33 ist eine gut wärmeleitende Aufnahme für den Metallkörper 3 des Schwingers bezeichnet

Oberhalb dieser Vorrichtungsteile ist ein hohler Bolzen 34 vorhanden, an dessen Stirnfläche 35 sich die Scheibe 7 aus Piezokeramik durch eine (nicht dargestellte) Metallkappe an einem ansonsten relativ gut wärmeisolierenden Bolzen 34 gebildet. Mittels mehrerer auf den Umfang des Bolzens 34 verteilter Federn 36 wird die Scheibe 7 derart an der Stirnfläche 35 des Bolzens 34 gehalten, daß nach erfolgtem Verlöten von Metallkörper 3 und Scheibe 7 miteinander, der Bolzen 34 zusammen mit seinen Haltefedern 36 wieder angehoben werden kann, der Metallkörper 3 mit der Scheibe 7 darauf jedoch in der Aufnahme 33 verbleibt. Innerhalb des Bolzens 34 befindet sich eine vorgebbar vorzuspannende Druckfeder 38, mit der der Auflagedruck der Keramikscheibe 7 auf dem Metallkörper 3 bestimmt wird. Mit 39 ist einer von mehreren Führungsstiften bezeichne!, die sich an der Aufnahme 33 befinden und aus einem nicht lötfähigen Material bestehen. Die Stifte 39 sorgen dafür, daß die Keramikscheibe 7 beim Herabdrücken des Bolzens 34 einwandfrei zentriert auf die bereits mit dem Lot beschichtete, gegenüberliegende Fläche des Metallkörper 3 gelangt. Der Bob^n 34 ist in einem 7.. B. als Griff ausgebildeten Teil 40 axial geführt und gehalten. Beim Herunterdrücken dieses Teils 40 gelangt dieses Teil 40 mit seinem unteren Flanschring 41, wie mn 4Γ gestrichelt dargestellt, unter eine Sperre 42. Die Bemessung der einzelnen Teile zueinander ist so gewählt, daß bei hinter der Sperre 42 eingerastetem Flansch 41 des Teils 40 der Bolzen 34 weiter als in der F i g. 3 dargestellt in das Teil 40, und zwar entgegen der Feder 38, hineingedrückt ist. Die damit verfügbare Druckkraft der Feder 38 drückt dann die Keramikscheibe in der mit T gestrichelt dargestellten Position auf den Metallkörper 3. Spätestens in diesem Zustand ist das Aufheizen beendet und die Abkühlungsphase beginnt.

Um den elektrischen Kurzschluß zwischen den beiden mit 9, 11 dargestellten Elektrodenschichten der Keramikscheibe 7 herzustellen, können z. B. die Haltefedern 36 genügend weit über den unteren Rand der Scheibe 7 herausragen. Es kann aber auch statt dessen mit Vorteil eine solche elektrisch leitende Verbindung in der gesamten dargestellten Vorrichtung vorgesehen sein, die den Metallkörper 3 über die Aufnahme 33, die Unterlage 32, das Gestell 44, das Teil 40 und den Bolzen 34 mit der Stirnfläche 35 des Bolzens 34 verbindet. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Kurzschluß nur auf elektrische Spannungen von etwa 10 Volt und höher ausgelegt zu sein braucht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   1, Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall-Verbundschwingers zur Flüssigkeitszerstäubung aus einer eine Curie-Temperatur größer 300°C aufweisenden und mit Metallisierungsschichten als Elektrodenschichten versehenen Piezokeramikscheibe, die mit einem zu Biegeschwingungen anregbaren Metallkörper aus einem korrosionsarmen Stahl verbunden ist, gekennzeichnet durch die Kombination der an sich bekannten Maßnahme, daß die für eine Lötung vorgesehene Fläche des Metallkörpers (3) in einer solchen Schichtdicke mit Weichlot versehen wird, die eine größere Lotmenge umfaßt als für den Lötvorgang und die Lotschicht (17) erforderlich ist; mit der Maßnahme, daß die bereits polarisierte Scheibe (7) aus Piezokeramik mit einer vergleichsweise zur Löttemperatur niedrigeren Temperatur auf den bereits auf eine Temperatur höher als die Schmelztemperatur des Lotes aufgeheizteG Ivletallkörper (3) aufgelegt wird; mit der an sich bekannten Maßnahme, daß ein druckbelastetes Aufliegen der Scheibe (7) auf dem Metallkörper (3) erfolgt, und daß der Metallkörper (3) und die Scheibe (7) anschließend abkühlen und daß dabei die Druckbelastung derart und so lange vorgesehen ist, bis das durch das Auflegen der Scheibe (7) auf den Metallkörper (3) momentan abgekühlte Lot der Schicht (7) des Weichlotes auf dem Metallkörper (3) durch .Wärmenachfuhr aus dem Metallkörper (3) wieder verflüssigt und durch den Druck bis auf eine dünne Verbindungsschicht (17) zwischen Metallkörper (3) und Platte (7) herausgequetscht und das Lot dieser verbliebenen Verbiiidungsschicht (17) erstarrt ist; und dadurch, dab die durch die Metallisierungsschichten auf der Piezokera.nikscheibe (7) gebildeten Elektrodenschichten (9, 11) miteinander wenigstens vom Zeilpunkt des Kontakts der Scheibe (7) mit dem aufgeheizten Metallkörper (3) bis zum Wiedererreichen einer in der Nähe der Raumtemperatur gelegenen Temperatur der Scheibe (7) kurzgeschlossen sind.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine aufheizbare Aufnahme (33) für den Metallkörper (3) des Ultraschall-Verbundschwingers (1),

   einen wärmeisolierenden, mit einer Druckfeder (38) belastbaren Bolzen (34), der als Halter für die Scheibe (7) eine Aufnahme (36) aufweist,
   eine Sperre (42), mit der der federdruckbelastete Bolzen (34) mit der an seiner Stirnfläche (35) gehaltenen Scheibe (7) auf den in der Aufnahme (33) befindlichen Metallkörper zu halten ist. und durch
   eine Einrichtung (36) für einen elektrischen Kurzschluß zwischen den Elektroden (9, II) der Scheibe (7)-