DE3321435A1 - Process for producing piezoelectric components - Google Patents
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung piezoelektrischer BauelementeProcess for the production of piezoelectric components
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung piezoelektrischer Bauelemente aus polarisierbaren Kunststoffolien.The invention relates to a method for producing piezoelectric Components made from polarizable plastic films.
Bestimmte Kunststoffolien, insbesondere Polyvinylidenfluorid, zeigen nach einer bei höherer Temperatur unter möglichst hoher elektrischer Feldstärke durchgeführten Polarisierung piezoelektrische Eigenschaften. Dieser Effekt läßt sich aber technisch in größerem Maßstab nur ausnutzen, wenn es gelingt, die Arbeitsprozesse zur Herstellung piezoelektrischer Bauelemente aus solchen Folien techniscfi sicher und wirtschaftlich zu beherrschen.Certain plastic films, particularly polyvinylidene fluoride, show after one at a higher temperature with the highest possible electric field strength performed polarization piezoelectric properties. This effect leaves but can only be used technically on a larger scale if the work processes succeed for the production of piezoelectric components from such foils techniscfi safe and economically to master.
Ein Problem besteht a,B. darin, die Metallisierungen der Folie, die meist als sehr dünne Schichten im Vakuum aufgedampft werden, auf einfache Weise dauerhaft mit elektischen Anschlüssen zu verbinden.There is a problem a, B. in it, the metallizations of the foil that mostly as very thin layers in a vacuum, in a simple way to be permanently connected to electrical connections.
Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß für die meisten Anwendungen besonders dünne Kunststoffolien in Betracht kommen, diese aber mechanisch keine ausreichende Stabilität besitzten, um selbsttragende Elemente zu bilden.Another difficulty is that for most applications particularly thin plastic films come into consideration, but mechanically none have sufficient stability to form self-supporting elements.
Für bestimmte Anwendungen werden sog. bimorphe Elemente benötigt, die aus mindestens zwei Schichten piezoelektrischer Kunststoffolie zusammengesetzt sind, wobei sich die Schichten piezoelektrisch entgegengesetzt verhalten.So-called bimorph elements are required for certain applications, composed of at least two layers of piezoelectric plastic film are, wherein the layers behave piezoelectrically in opposite directions.
Dadurch erfährt beim Anlegen einer Spannung die eine Schicht eine Verkürzung und die andere eine Verlängerung, so daß sich das bimorphe Element als Ganzes biegt. Bei derartigen Elementen ist ein Zusammenkleben aus mindetens zwei zuvor getrennten Schichten erforderlich, was aber wegen der geringen Dicke der Folien schwierig ist.As a result, when a voltage is applied, one layer experiences one Shortening and the other an elongation, so that the bimorph element turns out to be Whole bends. In the case of such elements, at least two are glued together Separate layers are required beforehand, but this is due to the small thickness of the foils is difficult.
Die erforderliche Polarisierung der Einzelfolien ist technisch aufwendig und unwirtschaftlich. Dazu ist es nämlich notwendig, daß die Folien beidseitig so metallisiert sind, daß ein Kurzschluß oder Überschlag zwischen den beiden Belägen vermieden wird. Dies erfordert entweder Masken beim Metallisieren oder bei ganzflächiger Metallisierung nachträgliches teilweises Entfernen der Beläge.The required polarization of the individual films is technically complex and uneconomical. For this it is necessary that the foils are so on both sides are metallized that a short circuit or flashover between the two coatings is avoided. This requires either masks for metallization or for full-area Metallization, subsequent partial removal of the coverings.
Das Problem der Kontaktierung wurde bisher nicht zufriedenstellend gelöst. Die Schwieriqkeiten, die sich aus der geringen mechanischen Stabilität sehr dünner Kunststoffolien ergeben, kann man zwar prinzipiell durch Aufeinanderkleben mehrerer Folienlagen verbessern, jedoch werden hierbei die Schwierigkeiten der Kontaktierung noch verstärkt und vom wirtschaftlichen Standpunkt aus sind diese Verfahren für eine Massenproduktion nicht geeignet.The problem of contact has so far not been satisfactory solved. The difficulties arising from the low mechanical stability very Thinner plastic films can be obtained by gluing them on top of each other improve several layers of film, but the difficulties of contacting Even more reinforced and from an economic point of view, these procedures are for mass production not suitable.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Hestellung piezoelektrischer Bauelemente aus polarisierbaren Kunststoffolien anzugeben, das die vorstehend aufgezeigten Schwierigkeiten nicht aufweist und das insbesondere zu gut kontaktierbaren piezoelektrischen Bauelementen führt, die in wirtschaftlich preiswerter Weise rationell herzustellen sind.The object of the invention is therefore to provide a method for producing piezoelectric Specify components made of polarizable plastic films, which are indicated above Difficulties do not have and the particularly easy to contact piezoelectric Components leads to produce efficiently in an economically inexpensive manner are.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kunststoffolien mit Metallisierungen versehen werden, die zumindest auf einer Seite einen metallfreien Randstreifen aufweisen, daß die metallisierten Kunststofffolien derart auf Scheiben oder Trommeln aufgewickelt werden, daß die Metallisierungen abwechselnd an je eine der beiden Stirnseiten herangeführt werden, daß die Stirnseiten des derart gebildeten Ringwickels durch ein Metallspritzverfahren mit einer Kontaktschicht versehen werden und daß die einzelnen Bauelemente vom Ringwickel abgetrennt werden Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angeführt Die metallisierten Kunststoffolien, insbesondere aus Polyvinylidenfluorid, werden dabei auf Scheiben oder Trommeln von z.B. 50 cm Durchmesser ringförmig aufeinander gewickelt. Die abwechselnd bis an je eine der beiden Stirnseiten des Ringwickels herausgeführten Metallisierungen werden durch die belagfreien Ränder der jeweils anderen Kante gegen den direkt benachbarten Metallbelag elektrisch isoliert Die Stirnseiten der Ringwickel werden beispielsweise durch das Schoopsche Netallspritzverfahren mit einer stabilen, leicht kontaktierbaren Metallschicht von ca. 0,5 mm Dicke versehen, die alle an der betreffenden Stirnseite anliegenden dünnen Metallbeläge elektrisch verbindet.This object is achieved according to the invention in that the plastic films be provided with metallizations that are metal-free at least on one side Have edge strips that the metallized plastic films in such a way on panes or drums are wound up so that the metallizations are alternately attached to each one of the two end faces are brought up so that the end faces of the so formed Ring coils are provided with a contact layer by a metal spraying process and that the individual components are separated from the coil. Advantageous Refinements of the method according to the invention are given in the subclaims The metallized plastic films, in particular made of polyvinylidene fluoride, are on discs or drums with a diameter of 50 cm, for example, in a ring on top of one another wrapped. The alternating up to one of the two end faces of the coil The metallizations carried out are through the coating-free edges of each The other edge is electrically insulated from the directly adjacent metal covering The end faces of the coils are made, for example, using the Schoop metal spraying process provided with a stable, easily contactable metal layer approx. 0.5 mm thick, all of the thin metal coverings on the face in question electrically connects.
Der Polarisierungsprozeß läßt sich besonders einfach durchführen, indem die noch auf der Scheibe bzw Trommel befindlichen Ringwickel an die Polarisationsspannung gelegt werden, die Anordnung auf eine geeignete Temperatur, z.B 1000 C erwärmt wird, eine bestimmte Zeit, z.B.The polarization process can be carried out particularly easily, by connecting the ring wraps still on the disc or drum to the polarization voltage placed, the arrangement is heated to a suitable temperature, e.g. 1000 C, a certain time, e.g.
2 Stunden, auf der erhöhten Temperatur gehalten wird und dann bei weiterhin anliegender Spannung wieder auf Raumtemperatur abgekühlt wird.2 hours, kept at the elevated temperature and then at continued to be applied voltage is cooled back to room temperature.
Für bestimmte piezoelektrische Elemente kann es aber auch zweckmäßig sein, den Polarisierungsprozeß erst nach dem Zerteilen der Ringwickel in Einzelelemente durchzuführen.However, it can also be useful for certain piezoelectric elements be, the polarization process only after dividing the ring winding into individual elements perform.
Das Zerteilen geschieht durch einen Sägevorgang, bei dem die an die Schnittflächen grenzenden Metallbeläge gegeneinander isoliert werden.The cutting is done by a sawing process in which the Metal coverings bordering cut surfaces are insulated from one another.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.Further advantages of the method according to the invention are based on the following embodiments explained in more detail.
In der dazugehörenden Zeichnung sind nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte piezoelektrische Bauelemente dargestellt. Im einzelnen zeigen Fig. 1 ein piezoelektrisches Element, Fig. 2 und Fig. 3 ein bimorphes piezoelektrisches Elemement, Fig. 4 ein weiteres piezoelektrisches Element, Fig. 5 einen elektromechanischen Koppler, Fig. 6 das Ersatzschaltbild des Kopplers nach Fig. 5, Fig. 7 ein weiteres bimorphes Element und Fig. 8 das Ersatzschaltbild des bimorphen Elements nach Fig. 7.In the accompanying drawing are according to the method according to the invention Manufactured piezoelectric components shown. In detail, Fig. 1 a piezoelectric element, FIGS. 2 and 3 a bimorph piezoelectric element Element, Fig. 4 a further piezoelectric element, Fig. 5 an electromechanical Coupler, FIG. 6 the equivalent circuit diagram of the coupler according to FIG. 5, FIG. 7 another bimorph element and FIG. 8 the equivalent circuit diagram of the bimorph element according to FIG. 7th
In der Fig. 1 ist ein piezoelektrisches Element dargestellt, bei dem durch den ganzen Schichtblock die Metallbeläge 1, 3, 5 bzw. 2, 4, 6, von denen der Übersicht- lichkeit halber je drei eingezeichnet sind, abwechselnd an je eine Stirnkontaktschicht 7 bzw. 8 herausgeführt sind. Die zwischen diesen Metallschichten befindlichen piezoelektrischen Schichten sind nicht besonders gekennzeichnet. Die Schichten 9, 10 können aus piezoelektrisch nicht wirksamen Material bestehen Bei der Polarisierung wird die Spannung an die Stirnkontaktschichten 7 und 8 gelegt, so daß z.B. die durch die Pfeile angedeutete Polarisationsrichtung in den einzelnen Schichten entsteht. Bei Druckbelastung entstehen in den Belägen 1, 3, 5, . . bzw. 2r 4 6 jeweils gleiche Ladungen, d.h. die Wirkung aller Schichten addiert sich. Entsprechend gilt für den umgekehrten piezoelektrischen Effekt, bei dem die Spannung an den Kontakten 7 und 8 liegt, daß die auftretenden Längen- bzw. Dickenänderungen in den Schichten gleichförmig sind.In Fig. 1, a piezoelectric element is shown in which through the whole layer block the metal coverings 1, 3, 5 or 2, 4, 6, of which the Overview- For the sake of convenience, three are drawn alternately are led out to one end contact layer 7 and 8 respectively. The one between these Piezoelectric layers located in metal layers are not particularly marked. The layers 9, 10 can consist of piezoelectrically inactive material During polarization, the voltage is applied to the front contact layers 7 and 8, so that e.g. the direction of polarization indicated by the arrows in the individual Layers arise. When there is pressure in the pads 1, 3, 5,. . respectively. 2r 4 6 equal charges, i.e. the effects of all layers add up. The same applies to the reverse piezoelectric effect, in which the voltage at the contacts 7 and 8 is that the length and thickness changes that occur are uniform in the layers.
So wie die Schichten 9 und 10 können auch ein Tell der piezoelektrischen Schichten im inneren des Schichtpakets durch piezoelektrisch nicht wirksame Schichtlagen ersetzt werden.As with the layers 9 and 10, a part of the piezoelectric Layers inside the layer package through piezoelectrically ineffective layer layers be replaced.
In der Fig. 2 ist ein piezoelektrisches Element dargestellt, bei dem die Hälfte aller Schichten aus piezoelektrisch nicht aktivem Material besteht. Diese Schichten sind in der Figur mit der Bezugsziffer 9 bezeichnet. Die darüber oder darunterliegende zweite Hälfte aus piezoelektrischen Schichten ist gleichartig wie in der Fig. 1 aufgebaut. Ein solches Element wirkt als Bimorph, d.h. bei Biegung in der X, Z-Ebene erfahren alle piezoelektrischen Schichten entweder eine Dehnung oder eine Stauchung, und die an den Belägen 2, 4, ..... bzw. 3 ..... auftretenden Ladungen sind je gleichsinnig. Beim umgekehrten piezoelektrischen Effekt, wenn also Spannung an die Kontakte 7,8 gelegt wird, erfahren alle piezoelektrischen Schichten gleichsinnige Längenänderungen, während die piezoelektrisch nicht wirksamen Schichten 9 ihre Länge beibehalten. Dies führt zu einer Biegung des Elements in der X, Z-Ebene.In Fig. 2, a piezoelectric element is shown in which half of all layers consist of piezoelectrically inactive material. These Layers are denoted by the reference number 9 in the figure. The one above or underlying second half of piezoelectric layers is similar to constructed in FIG. 1. Such an element acts as a bimorph, i.e. when bent in the X, Z plane, all piezoelectric layers either experience an expansion or a compression, and those on the linings 2, 4, ..... or 3 ..... occurring charges are always in the same direction. In the reverse piezoelectric effect, so when voltage is applied to contacts 7,8, all experience piezoelectric Layers produce changes in length in the same direction, while the piezoelectrically ineffective ones Layers 9 maintain their length. This causes the element to bend in the X, Z plane.
In der Fig. 3 ist ein weiteres piezoelektrisches Element dargestellt, daß ebenfalls als Bimorph wirkt.In Fig. 3, another piezoelectric element is shown, that also acts as a bimorph.
Hierbei sind piezoelektrisch inaktive Schichten 9 in der Mitte des Schichtpakets angeordnet, während darüber und darunter die beiden entgegengesetzt wirkenden piezoelektrischen Hälften mit den Belägen 2, 4, .....Here, piezoelectrically inactive layers 9 are in the middle of the Layers arranged, while above and below the two opposite acting piezoelectric halves with pads 2, 4, .....
bzw. 3 ...... einerseits und 2', 4' ........or 3 ...... on the one hand and 2 ', 4' ........
bzw. 3'1 andererseits angeordnet sind.or 3'1 on the other hand are arranged.
In der Fig. 4 ist ein piezoelektrisches Element dargestellt, bei dem die Metallbeläge 2, 4, 66,.....In Fig. 4, a piezoelectric element is shown in which the metal coverings 2, 4, 66, .....
bzw. 1, 3, 5, ..... jeweils so in voneinander elektrisch getrennte Streifen unterteilt sind, daß sich die Streifen je zweier aufeinanderfolgender Beläge überlappen und zwischen den Kontakten 7, 8 n-fache innere Reihenschaltungen bilden. In Fig. 4 ist z.B. n = 3.or 1, 3, 5, ..... each so electrically separated from one another Stripes are subdivided so that the stripes are each two successive coverings overlap and form n-fold inner series connections between the contacts 7, 8. For example, in Fig. 4, n = 3.
Durch diese Ausgestaltung hat man die Möglichkeit, die durch mechanische Verformungen erzeugten elektrischen Spannungen geqenüber der Ausführung nach Fig. 1 auf das n-fache zu erhöhen. Die in der Fig. 4 dargestellte Ausführungsform kann weiterhin in vorteilhafter Weise gleichartig mit piezoelektrisch inaktiven Schichten kombiniert werden, wie es in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, wodurch sich auch im Falle eines Bimorphes eine erhöhte Wirksamkeit ergibt.This configuration gives you the option of mechanical Deformations generated electrical voltages compared to the version according to Fig. 1 to increase n-fold. The embodiment shown in FIG. 4 can furthermore advantageously similar to piezoelectrically inactive layers are combined, as shown in Figs. 2 and 3, which also in the case of a bimorph gives increased effectiveness.
In der Fig. 5 ist ein in Schichtbauweise aufgebauter elektromechanischer Koppler dargestellt, der z.B. als potentialfreier Übertrager eingesetzt werden kann. Die aufeinanderfolgenden Folienlagen tragen abwechselnd die Beläge 1, 1' bzw. 2, 2' bzw. 3, 3' und sofort. Im Bauelement sind zwei Sägeeinschnitte 10, 11 derart angebracht, daß zwar die Beläge 1 3, ....o. und die Beläge 1', 3', ........ ganz durchtrennt sind, nicht aber die Beläge 2, .,.... und 2', ....... Dadurch entstehen, wie das elektrische Ersatzschaltbild von Fig. 6 zeigt, zwischen E 1 und E 2 einerseits und A 1 und A 2 andererseits zwei Reihenschaltungen, die voneinander elektrisch isoliert, mechanisch aber gekoppelt sind. Deshalb läßt sich z.B. E 1, E 2 als Eingang für ein elektrisches Signal benutzen, das über die mechanische Kopplung an A 1 A 2 als Ausgang ein entsprechendes Signal erzeugt.In Fig. 5 is an electromechanical built in layer construction Coupler shown, which can be used, for example, as a potential-free transformer. The successive layers of film alternately carry the coverings 1, 1 'or 2, 2 'or 3, 3' and immediately. There are two saw cuts 10, 11 in the component attached that although the pads 1 3, .... o. and the pads 1 ', 3', ........ whole are severed, but not the coverings 2,., .... and 2 ', ....... as the electrical equivalent circuit diagram of FIG. 6 shows, between E 1 and E 2 on the one hand and A 1 and A 2, on the other hand, are two series circuits electrically connected to each other isolated, but mechanically coupled. Therefore, e.g. E 1, E 2 can be used as an input for an electrical signal that is mechanically coupled to A 1 A 2 generates a corresponding signal as an output.
Auch bei diesem Bauelement können innere Reihenschal tungen bzw. piezoelektrisch nicht wirksame Zwischenlagen gemäß den Figuren 2 bis 4 angeordnet sein.In this component, too, internal series circuits or piezoelectrically can be used ineffective intermediate layers according to FIGS. 2 to 4 can be arranged.
Ein weiteres bimorphes Element ist in der Fig. 7 dargestellt. Hierbei sind zwei Schichtpakete mit den Belägen 1, 2, 3, ~~~~~ bzw. 1', 21r 38 r O aufeinander gewickelt, wobei durch die zwei Einschnitte 102 11 die Beläge so durchgetrennt sind, daß in den beiden Schichtpakethälften die in Fig. 8 dargestellten Ersatzschaltbilder erhalten werden. Zum Polarisieren wird z.B. c an (-) und d an (+) bzw. a an (+) und b an (-) gelegt. Dann entstehen die in der Fig. 8 gezeichneten Pölarisationsrichtungen. Für die Anwendung als Bimorph wird a mit c und b mit d verbunden. Wird nun z#B. an ac der positive Pol einer Gleichspannung an bd der neqative Pol gelegt, dann fällt die Feldrichtung in dem Schichtpaket mit den gestrichenen Belägen mit der Polarisationsrichtung zusammen, in dem Schichtpaket mit den ungestrichenen Belägen ist die Feldrichtung der Polarisationsrichtung entgegengesetzt. Dementsprechend erfahren die in Fig. 8 durch die gestrichelte Linie gekennzeichnenden Schichtpaketteile, die im Element nach Fig. 7 übereinander liegen, entgegengesetzte Längen- bzw. Dickenänderungen, woraus der gewünschte Bimorphcharakter resultiert.Another bimorph element is shown in FIG. Here are two layer packages with coverings 1, 2, 3, ~~~~~ or 1 ', 21r 38 r O on top of one another wrapped, with the two incisions 102 11 severing the linings in such a way that that the equivalent circuit diagrams shown in FIG. 8 are in the two layer packet halves can be obtained. For polarization, e.g. c to (-) and d to (+) or a to (+) and b attached to (-). Then the polarization directions drawn in FIG. 8 arise. For use as a bimorph, a is connected to c and b to d. If now z # B. at ac the positive pole of a direct voltage is applied to bd the negative pole, then the field direction in the layer package with the painted coverings coincides with the Direction of polarization together, in the layer package with the uncoated Toppings the direction of the field is opposite to the direction of polarization. Accordingly experience the layer package parts identified by the dashed line in FIG. 8, which lie one above the other in the element according to FIG. 7, opposite changes in length or thickness, from which the desired bimorph character results.
Weiterhin ist die Erfindung zur Herstellung sogenannter "Buzzer" geeignet, die beispielsweise als Summer in Uhren oder Weckern eingesetzt werden können.Furthermore, the invention is suitable for the production of so-called "buzzers", which can be used, for example, as a buzzer in clocks or alarm clocks.
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Claims (7)
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DE3321435A1 true DE3321435A1 (en) | 1984-12-20 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1983
- 1983-06-14 DE DE19833321435 patent/DE3321435A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |