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Kunstharz-imorä#riierter Piezokeramikkörper.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Piezokeramikkörper, wie
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
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Seit Jahrzehnten ist die Verwendung von lamellenförmigen Keramikatreifen
und von Keramikfolien bekannt, z.B.
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für Bimorph-Biegestreifen bzw. für Membranfolien. Beiden Ausführungsformen
piezoelektrischer Keramik aus beispielsweise Bariumtitanat oder Blei-Zirkonattitanat
ist gemeinsam, daß die Materialstärke der Streifen oder Folien sehr gering ist und
sogar kleiner als 0,1 mm seinkann. Für ein Keramikmaterial sind derartige Dickenabmessungen
außergewöhnlich. Dennoch hat man derartige Streifen und Folien für technische Produkte
weiterverarbeitet und/oder direkt verwendet.
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Für die Verwendung von dünnen piezokeramischen Streifen od. Folien
mußte stets wesentliche Rücksicht auf deren Brüchigkeit genommen werden, ohne daß
man trotz vielseitiger Bestrebungen dieses Problem zufriedenstellend lösen konnte.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dünne piezokeramische
Streifen oder Folien, d.h. das dazu verwendete Keramikmaterial, derart zu behandeln,
daß deren bzw. dessen Brüchigkeit entscheidend verringert oder beseitigt ist, die
Verwendbarkeit der Streifen und Folien jedoch dadurch nicht eingeschränkt wird.
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Diese Aufgabe wird mit Piezokeramik nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 gelöst, die die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 hat. Weitere Ausgez
staltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus Unteranspriichen hervor.
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Die Erfindung sieht eine als Imprägnierung zu bezeichnende Behandlung
der Piezokeramik-Streifen oder -Folien vor, und zwar mit einem solchen an sich bekannten#Kunstharz,
das nach Durchführung der Imprägnierung in die sogenannte B-Phase gebracht werden
kann. Derartige bekannte Kunstharze findet man vorzugsweise unter den ungesättigten
Polyesterharzen.
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Der erwähnte B-Zustand zeichnet sich dadurch aus, daß in diesem Zustand
das (in das Xeramikmaterial bereits hineinimprägnierte) Material noch nicht ausgehärtet
ist, aber dennoch bereits als eine Art erstarrte Schmelze dem Keramikmaterial wesentlich
höhere mechanische Stabilität verleiht. Im B-Zustand ist das Eunstherz-Material
außerdem auch noch nicht klebend. Dies ist insbesondere für gute Handhabbarkeit
der in Frage kommenden imprägnierten Piezokeramik-Teile von großem Vorteil, z.B.
für die Justierung derselben an dem Ort, an dem sie anzubringen sind.
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Bei nachfolgender Erwärmung wird das im B-Zustand befindliche Kunstharz,
das sich in der Keramik befindet, wieder mehr oder weniger flüssig und auch klebrig,
härtet dann aber zu einem Duroplast aus. Die zwischenzeitlich entstehende Klebfähigkeit
ist eine für Verarbeitung wie erfindungsgemäß imprägnierter Piezokeramik-Teile von
besonderem Vorteil. Zum Beispiel lassen sich unter Aus nutzung dieses Vorteils dann
in sehr einfacher Weise ganze Stapel aufeinanderliegender dünner Piezokeramik= Streifen
miteinander ganzflächig fest verkleben, wobelvon
Vorteil ist#, daß
dieses zeitweise klebrige Kunstharz über die Oberfläche der Keramikteile hinweg
in extrem gleichmäßiger und dünner Schicht vorliegt.
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Ein besonderes Merkmal für das Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäßen
Keramik ist, das zunächst relativ poröse Keramikmaterial in Streifenform oder als
Folie zunächst mit den später notwendigen Elektroden zu versehen, und zwar insbesondere
mit einem solchen Elektrodenmaterial bzw. nach einem solchen Verfahren, mit dem
zu erreichen ist, daß die Poren der dann mit den Elektroden versehenen Keramik nicht
verschlossen sind, d.h. für das Eindringen der Eunstharz-Imprägnierung noch verfügbar
sind. Zum Beispiel empfiehlt es sich, hierfür aufgesputterte Elektroden aus z.B.
Kupfer oder Nickel oder dergleichen vorzusehen.
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Mit der Erfindung erreicht man eine wesentlich erhöhte mechanische
Festigkeit der Keramik, und zwar einesteils durch zusätzliche innere Versteifung
des Keramikgefüges und andererseits durch gleichmäßigere Verteilung auf die Keramik
(während deren Verwendung) einwirkender mechanischer Kräfte. Die Brüchigkeit derartiger
dünner Keramikteile nach der Erfindung ist ganz wesentlich verringert.
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Die Erfindung hat auch darüber hinaus Vorteile, die die elektrischen
Eigenschaften betreffen. Nach der Erfindung imprägnierte Keramik hat ganz erheblich
geringere Neigung zu Spitzen- und Glimmentladung. Sie hat daher erhöhte elektrische
Durchschlagfestigkeit.
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Für die Herstellung von lamellierten Piezokeramik-Körpern aus erfindungsgemäßen
imprägnierten Keramikstreifen bzw.
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-folien ergibt sich eine wesentliche Verringerung der Produktionszeiten
dadurch, daß die miteinander zu wrerbindenden Keramikteile für sich keinen zusätzlichen
Klebstoff-
Auftrag benötigen.
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Unter Verwendung piezoelektrischer Keramik nach der Erfindung sind
sogenannte suzzer und Piezokeramik-TeIefonmembranen hergestellt worden. Die Blechmembran,
die Keramikfolie und die Anschlußdrähte der auf der Folie befindlichen Elektroden
werden aufeinandergeschichtet und anschließend unter Hitze-Einwirkung zusammengepreßt.
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Dabei härtet die Imprägnierung der Keramik aus und verklebt dieselbe
auf der einen Seite mit der Blechmembran und auf der anderen Seite mit den Anschlußdrähten.
Eine andere wichtige Anwendung der Erfindung ist die rationelle Herstellung von
Piezo-Zündkopplern nach der DE-Offenlegungsschrift 30 15 301 (VPA 80 P 7046) und
von Piezo-Tastenelementen nach der DE-Patentschrift 23 14 420 (VPA 73/7030). Bei
diesen Anwendungsfällen wird der einzelne erfindungsgemäß imprägnierte piezoelektrische
Keramikstreifen zwischen die Lagen des Umhüllungsmaterials gelegt. Dieses Laminat
wird unter Druck- und Hitze-Einwirkung ausgehärtet. In diesem speziellen Falle kann
sogar ein eventueller Überschuß an Kunstharz - d.h. sofern ein solcher überhaupt
auftritt - vom Umhüllungsmaterial aufgesogen werden und wird nicht über die Ränder
herausgequetscht. Prinzipiell läßt. sich unter Anwendung der Erfindung für solche
genannten Bauelemente eine wesentlich größere Auswahl an Umhüllungamaterialien verwenden.
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Mit der Erfindung können auch mehrere1 derartige Piezo Zündkoppler
bildende Keramikplättchen zu einem einzigen Koppler verbunden werden, in dem die
einzelnen Plättchen mechanisch parallelgeschaltet sind und elektrisch entweder parallel
oder in Reihe geschaltet werden können, je nachdem ob hoher Strom oder hohe Spannung
aus dem Zündkoppler abgenommen werden soll.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet piezoelektrischer Dünnschicht-Streifen
sind Piezo-Elongatoren und Transducer-
Arrays. Die erfindungsgemäß
imprägnierten (bereits zuvor mit Metall-Elektroden versehenen) Keramikfolien werden
entweder direkt aufeinander oder mit nichtaktiven, neutralen Zwischenstreifen aus
anderem Material aufeinandergelegt. Die einzelnen Streifen können während des Aufeinanderschichtens
zwecks Justierung leicht gegeneinander verschoben werden. Unter Hitze- und Druckanwendung
wird der ganze Stapel dann zu einem Verbund miteinander verklebt.
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Dabei hat sich gezeigt, daß Lufteinschlüsse im Kunstharz verbleiben
und nicht in die Keramikfolie eindringen, wo sie elektrische Störungen verursachen
können. Ein solcher unter Anwendung der Erfindung hergestellter Elongator hat wesentlich
erhöhte mechanische Festigkeit und weit größere elektrische Durchschlagfestigkeit.
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Hergestellt wird eine wie erfindungsgemäß imprägnierte Keramik z.B.
dadurch, daß die bereits mit den erwähnten Metall-Elektrodenschichten versehenen
Streifen, Folien oder dergleichen aus Keramikmaterial in das im Handel erhältliche
flüssige Kunstharz getaucht werden, diese Teile mit der Kunstharz-Flüssigkeit besprüht
werden oder dergleichen. Im Einzelfall kann es empfehlenswert sein, das flüssige
Kunstharz auf geringere Viskosität zu verdünnen und das Verdünnungamittel dann abzudampfen.
Es hat sich gezeigt, daß es für bereits wesentlich erhöhte Festigkeit schon weitgehend
ausreichend ist, wenn oberflächennahe Schichtanteile der Streifen, Folien oder dergleichen
in der Weise durchtränkt sind. Für noch weiter erhöhte elektrische Durchschlagfestigkeit
empfiehlt es sich aber, durch die gesamte Dicke des Keramikmaterials hindurchgehende
Imprägnierung zu erreichen.
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Die Figur zeigt ein Plättchen 1 aus gesinterter Piezokeramik, auf
deren in der Figur oberen Oberfläche zwei Elektroden 2 und 3 aus aufgesputtertem
Metall zu sehen sind. Dieses Metall ist z.B. eine 3-Schichtfolge aus Chrom, Platin
und Gold. Derartige Elektroden haben noch eine erhebliche Porosität. Nach der Anbringung
der Elektroden 2, 3 (und entsprechender Gegenelektroden auf der Unterseite) wird
das vorgesehene Kunstharz aufgebracht. Dies kann z.B. durch Eintauchen des Plättchens
1 erfolgen. Das Kunstharz kann auch aufgesprüht sein Gegebenenfalls ist das Kunstharz
mit Lösungsmittel verdünnt, das man nachfolgend zum Trocknen abdampfen läßt.
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Das Kunstharz wird dann in die bereits erwähnte B-Phase übergeführt.
Entsprechend der Imprägnierung ist das Kunstharz einerseits tief in die Poren der
Keramik ein gezogen und bildet andererseits noch einen ganz dünnen oberflächlichen
Film auf dem Plättchen 1.
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Fig.2 zeigt ein als Elongator zu verwendendes Laminat 11, das aus
mehreren aufeinanderliegenden, miteinander verklebten Piezokeramikatreifen, die
mit den erwähnten Elektroden-Metallisierungen 12 versehen sind. Das Verkleben erfolgt
unter Einwirkung von Druck und Wärme auf das Paket aus imprägnierten, zunächst noch
in der B-Phase des Kunstharzes befindlichen Streifen 1.
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Fig.3 zeigt einen Piezokeramikstreifen 21, dessen Umhül lung 22 unter
Wärmeeinwirkung und mit Andrücken auf dem imprägnierten, zunächst noch in der B-Phase
des Kunstharzes befindlichen Streifen 1 angeklebt ist.
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4 Patentansprüche 3 Fituren
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