DE3223801A1 - Verfahren zur herstellung eines piezoelektrischen stellgliedes - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
• Stellgliedes Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Stellgliedes, wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
• Aus der DE-OS 30 40 563 (VPA 80/7188) ist ein elektrisch zu betätigendes Stellglied bekannt, das ein Paket aus piezoelektrischen Lamellen enthält. Diese an ihren Enden mit einem Kraftübertragungselement verbundenen Lamellen verlaufen in diesem Paket parallel zueinander. Die Zwischenräume zwischen jeweils zwei benachbarten Lamellen können mit einem Kunststoffmaterial ausgefüllt sein, das insbesondere ein mit Epoxidharz getränktes Glasfaservlies ist und als Prepreg im Handel ist. In der obengenannten Druckschrift ist. auch die Möglichkeit beschrieben, in das als Abstandshalter zwischen den benachbarten Lamellen vorhandene Kunstharz jeweils eine leiterförmige Metallfolie einzulagern, das vorzugsweise anisotrope Federsteifigkeit bezogen auf die Längsrichtung und auf die Querrichtung der Lamellen hat.
• Bei einem solchen piezoelektrischen Stellglied haben die einzelnen piezoelektrischen Lamellen auf ihren einandergegenüberliegenden (großen) Oberflächen Elektrodenbelegungen aus z.B. Einbrennversilberung. Diese gewährleisten, daß ein auf Grund angelegter elektrischer Spannung im piezokeramischen Material der Lamellen erzeugtes elektrisches Feld nur in diesem Keramikmaterial vorhanden ist. Solche als Elektroden verwendeten Metallisierungen haben aber nur sehr geringe Dicke und daher einen nicht zu vernachlässigenden elektrischen Ausbreitungswiderstand.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfren für ein solches piezoelektrisches Stellglied anzugeben, das ~###üglich seiner mechanischen Eigenschaften einem bekannten piezoelektrischen Stellglied entspricht, das aber bezüglich elektrischer Eigenschaften und insbesondere elektrischer Kontakteigenschaften verbessert ist, wobei dieses Stellglied leichter herzustellen sein soll.
• Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.
• Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
• Der vorliegenden Erfindung liegt zum einen die Überlegung zugrunde, daß die Lamellen weiterhin durch Kleben miteinander verbunden sein sollen. Es soll auch zur Erzielung der bereits erreichten guten mechanischen Eigenschaften innerhalb des verwendeten Klebstoffes eine mechanische Verstärkung vorgesehen sein. Die weiteren Überlegungen der Erfindung gingen dahin, hierfür ein Netz aus Metallfäden zu verwenden, wobei bei diesem Netz die betreffenden Metallfäden (in nicht notwendigerweise rechtem Winkel) zueinander verlaufen und Überkreuzungen aufweisen. Zur Erfindung gehört weiter der Gedanke, das dem Prinzip nach an sich bekannte Verkleben der Lamellen miteinander so auszuführen, daß während noch die Klebstoffschicht plastisch ist und bis zum Aushärten ein solcher Druck ausgeübt wird, daß die einzelnen (zum Stapel angeordneten) Lamellen mit den auf ihren Oberflächen befindlichen (als Elektroden verwendeten) Metallisierungen mit dem Metall des erwähnten Netzes zumindest an den Überkreuzungsstellen der Metallfäden in Berührung kommen. Diese Berührung ist derart, daß sie einen ausreichenden elektrischen Kontakt erzeugt. Die Stärke der Metallfedern ist mit vorzugsweise 0,05 bis 0,5 mm Dicke so groß, daß diese Metallfäden vergleichsweise zu den z.B.
• 1-5/um dicken Metallisierungen auf den Keramiklamellen beträchtlich hohe elektrische Stromleitung übernehmen können und über die Kontakte an den Überkreuzungsstellen der Fäden elektrischen Strom in entsprechend enger Verteilung auf die einzelne Elektrodenmetallisierung übertragen können. Es darf nämlich nicht übersehen werden, daß die Aufladeströme und Entladeströme bei elektrischer Betätigung des piezoelektrischen Stellgliedes beträchtliche Werte annehmen, und zwar insbesondere wenn ein rascher Gradient des Stellvorganges gefordert ist.
• Von ganz besonderem Vorteil ist die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn hierbei ein vorgefertigtes Halbzeug verwendet wird, das aus einer Folie aus (noch nicht endgültig ausgehärtetem) Klebstoff-Kunststoffmaterial mit darin eingelagertem Netz aus den erwähnten Metallfäden besteht. Eine solche vorgefertigte Folie kann als Halbzeug zunächst in solche Stücke zerteilt werden, die der Flächengröße bzw. der Verklebungsfläche der Lamellen entspricht.
• Es wird dann ein Stapel aus abwechselnd aufeinanderfolgenden piezokeramischen Lamellen#und Folienstreifen dieses Halbzeuges vorbereitet, der dann gemäß einem Merkmal der Erfindung während der zur Durchführung der Verklebung vorgesehenen Maßnahmen wie Wärmezufuhr unter dem erwähnten Druck gesetzt wird.
• Um anisotrope mechanische Wirkung des Netzes aus den Me-Metallfäden zu erhalten, so wie z.B. bei der bekannten Verwendung einer leiterförmigen Metallfolie, empfiehlt es sich in Richtung quer zu den Lamellen stärkere Metallfäden vorzusehen als in Längsrichtung derselben. Entsprechendes kann auch dadurch erreicht werden, daß man Metallfäden von z.B.
• auch gleicher Stärke in Querrichtung dichter anordnet als in Längsrichtung.
• Als Klebstoff kann ein thermoplastisches Material mit Vorteil verwendet werden. Bevorzugt ist auch die Verwendung eines Duroplast-Materials als Klebstoff, das sich im sog.
• B-Zustand befindet. Es ist dies ein Duroplast in dem bereits sämtliche endgültigen Bestandteile, d.h. auch der Härter, enthalten ist und dessen Aushärtung zum endgültigen Duroplast durch Wärmeeinwirkung eingeleitet und vollendet wird.
• Das Netz aus Metallfäden bzw. aus dem Stapel der Lamellen herausragende Enden dieses Netzes werden als äußere Kontaktanschlüsse verwendet.
• Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zu den beigefügten Figuren hervor.
• Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein ansonsten perspektivisch dargestelltes Lamellenpaket eines piezoelektrischen Stellgliedes.
• Fig. 2a,2b zeigen einzelne Stadien des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
• Fig.3 ein Beispiel eines Stellgliedes mit Scheiben.
• In Fig. 1 ist mit 1 ein Paket aus piezokeramischen Lamellen 2 bezeichnet. Der Längsschnitt ist so gelegt, daß zumindest der Umriß der bezüglich des Schnittes obersten Lamelle bzw. deren Oberfläche zu sehen ist. In schematischer Darstellung ist das auf dieser Oberläche der(obersten) Lamelle befindliche Netz 3 aus den in Längsrichtung verlaufenden Metallfäden 4 und den in Querrichtung verlaufenden Metallfäden 5 zu sehen. Die Querfäden sind an denjenigen Stellen mit einer jeweiligen Unterbrechung Figur dargestellt, an denen der Längsfaden in der sich vor dem Querfaden verläuft. Selbstverständlich sind die Querfäden 5 durchgehend, damit sie die insbesondere in Querrichtung erwünschte größere Steifigkeit im Lamellenpaket 1 erzeugen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind auch die Querfäden dichter als die Längsfäden angeordnet. Die am unteren Ende über den Rand des Lamellenpakets 1 hinausragenden Längs fäden 4 können in Verbindung miteinander 41? als- Anschluß 41,#ausgebildet sein. über diese Anschlüsse 41,41' zugeführter elektrischer Strom verteilt sich über die Längsfäden 4 und die Querfäden 5 und an den überkreuzungspunkten zwischen Längsfäden 4 und Querfäden 5, an denen das Metallnetz 3 zwangsläufig seine größte Dicke hat, bilden sich nach der Erfindung gute elektrische Kontakte mit der nicht dargestellten Metallisierung der benachbarten Lamellen 2 aus. Dieses Metallnetz 3 ist in den eine Schicht auf der Keramiklamelle 2 bildenden Klebstoff eingebettet.
• Fig. 2a zeigt in Seitenansicht im Ausschnitt zwei Keramiklamellen 2 mit den Metallisierungen 7, in denen benachbart angeordnet eines der Metallnetze 3 mit seinen Fädenzu sehen ist. In der Fig. Sa ist auch andeutungsweise der jeweilige Klebstoff 6 zu sehen, der jeweils eine Art Schicht in oder Folie bildet, die das erwähnte Metallnetz 3 vorzugsweise eingebettet ist. Es könnte sich alternativ auch zwischen einer jeden Lamelle 2 und einem jeden Netz 3 eine Klebstoffschicht bzw.-folie befinden. Beim nachfolgend zur Fig. 2b zu beschreibenden Verkleben des ganzen Lamellenpaketes 1 würden dann derartige Klebstoffschichten und das jeweilige Metallnetz derart ineinandergehen, daß im Ergebnis das Metallnetz 3 wieder in Klebstoff eingebettet ist. Fig. 2b zeigt nun schematisch das Zusammenpressen eines Staples nach Fig. 2a unter Einwirkung der Druckkräfte P und unter Einwirkung von Wärmestrahlung E innerhalb eines lediglich prinzipiell dargestellten Ofens 10. Der ganze Stapel 1 befindet sich dabei auf einer Unterlage 11. Die Wärmeeinwirkung E und die Druckeinwirkung P wird solange aufrechterhalten bis bei einem Duroplast das Aushärten erfolgt ist. Bei Verwerdung eines Thermoplasts als Klebstoff wird zunächst die Wärmeeinwirkung E abgeschaltet und die Druckwirkung P erst dann weggenommen, wenn das thermoplastische Material die notwendige Festigkeit (bei entsprechend niedriger Temperatur) erreicht hat.
• Die Erfindung ist voranstehend für ein Lamellenpaket als Stellglied beschrieben worden. Sie ist auch für eIn an sich bekanntes Stellglied mit Scheibenstapei zu verwenden. Fig.3 zeigt ein solches Beispiel mit 31 bezeichnet. Die Scheiben haben das Bezugszeichen 32. Mit 33 sind die zwischen den einzelnen Scheiben in den Klebstoff eingebetteten Metallnetze aus den dargestellten Fäden bezeichnet. Mit 41 und 41' sind Anschlüsse dargestellt.
• Die elektrische Kontaktfunktion der Metailnetze 33 ist gleich derjenigen der Netze 3. Auch hier empfiehlt sich die Verwendung eines aus Metallnetz und Klebstoff vorgefertigten Halbzeugs.
• Mit der Erfindung läßt sich eine erhebliche technische Vereinfachung des Herstellungsverfahrens bei zusätzlich verbesserten elektrischen und mechanischen Eigenschaften bewirken.
• 3 Figuren 5 Patentansprüche Leerseite

Claims (5)

1. Patentansprüche t.) Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Stellglieds mit mehreren übereinanderliegenden Lamellen, Scheiben oder dergleichen, die mit Elektrodenmetallisierungen versehen sind und die mittels jeweils einer Klebstoffschicht miteinander verbunden sind, wobei dieses Stellglied nach außen geführte Anschlüsse der Elektrodenmetallisierungen hat, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß in eine jeweilige glebstoffschicht (6) ein Netz (3) aus Metallfäden (4, 5) eingebracht wird, das außerdem für einen elektrischen Anschluß (41) nach außen geführt ist; und daß der Stapel (1) vor und bis zum Aushärten des Materials der Klebstoffschicht (6) bis zum Aushärten derselben unter einem solchen Druck )P)-gehalten wird, bei dem die Fäden (4, 5) des Metallnetzes an ihren jeweiligen Uberkreuzungsstellen mit der jeweils benachbarten Elektrodenschicht (7) der jeweiligen Lamelle (2), Scheibe (32) oder dergleichen andauernden elektrischen Kontakt erreicht haben.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h -n e t dadurch, daß ein vorgefertigtes Halbzeug bestehend aus dem Material der Kiebstoffschicht (6) und einem darin eingelagerten Netz (3) aus Metallfäden (4, 5) (siehe Fig. 2a) verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, g e k e n n z e i c h -n e t dadurch, daß das als große Bahn vorgefertigte Halbzeug durch Zerteilen in an die Größe der Lamellen (2), Scheiben (32) oder dergleichen angepaßte Folienstücke zerteilt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß als Klebstoff ein Thermoplast verwendet wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, g e k e n n z e.i c h n e t dadurch, daß als Klebstoff ein Duroplast im B-Zustand verwendet wird.