DE3486151T2

DE3486151T2 - Piezoelektrische Koaxialkabel.

Info

Publication number: DE3486151T2
Application number: DE84308050T
Authority: DE
Inventors: Michael Booth; Richard John Penneck
Original assignee: Focas Ltd
Current assignee: Focas Ltd
Priority date: 1983-11-22
Filing date: 1984-11-21
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2004-11-22
Also published as: US4629925A; GB2150345B; EP0146273B1; GB8429533D0; CA1266119A; EP0146273A3; EP0146273A2; JPS60133771A; US4715098A; DE3486151D1; ATE89952T1; JPH0457116B2; GB2150345A

Description

Die Erfindung betrifft ein Koaxialkabel und insbesondere ein piezoelektrisches Koaxialkabel.
Verschiedene piezoelektrische Koaxialkabel sind bislang vorgeschlagen worden. Solche Kabel enthalten einen zentralen elektrischen Leiter, eine isolierende Zwischenschicht aus piezoelektrischem Material, die den zentralen Leiter umgibt, und einen äußeren elektrischen Leiter, der die Zwischenschicht umgibt. Piezoelektrische Koaxialkabel wurden oft zur Benutzung als Meßwertaufnehmer vorgeschlagen, da bei Anlegen eines Drucks, der z. B. durch den Einschlag eines Teilchens oder durch akustische Druckänderungen eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden durch das piezoelektrische Material erzeugt wird.
In den letzten Jahren wurden bestimmte polymerische Materialien, z. B. Polyvinylidinfluorid und Vinylidinfluorid Copolymere als piezoelektrische Materialien vorgeschlagen. Um die piezoelektrischen Eigenschaften eines Vinylidinfluoridpolymers zu maximieren, ist es nötig, den Polymer durch Dehnung zu orientieren, vorzugsweise bis zu seinem "natürlichen" Streckverhältnis von ungefähr 4 : 1 oder darüberhinaus, um zumindest einen Teil des Polymers aus der ursprünglichen α oder II kristallinen Form in seine β-Phase oder Form I umzuwandeln. Gleichzeitig mit, oder unmittelbar nach dem Dehnungsvorgang, ist es nötig, das Polymer zu polarisieren durch das Anlegen eines großen elektrischen Feldgradientens entlang des Polymers in der Richtung senkrecht zu der Richtung der Orientierung, um die Dipole der Form I Phase des Polymers auszurichten. Elektrische Feldgradienten von 5 bis 200 MVm&supmin;¹ sind typisch für den Polarisationsvorgang, wobei der Maximalwert des angelegten Feldgradientens üblicherweise begrenzt ist durch den Spannungsdurchschlag des Polymermaterials. Im Fall eines piezoelektrischen Materials, das in Plattenform vorliegt, können die für den Polarisationsvorgang benutzten Elektroden Metallschichten sein, die angebracht wurden, nachdem das Material gedehnt wurde, oder wenn die Platten durch den Quetschspalt eines Paars von Walzen gedehnt wurden, so können die Walzen selbst als Elektroden verwendet werden. Eine andere Möglichkeit sieht vor, daß Coronaelektroden auf einer oder beiden Seiten der Platten benutzt werden, wie es z. B. in der US-Patentschrift Nr. 4.308.370 beschrieben wird.
Im Fall von piezoelektrischen Koaxialkabeln muß, um die piezoelektrische Ansprechempfindlichkeit zu maximieren, die Zwischenschicht in Längsrichtung gedehnt und radial polarisiert werden zwischen einer inneren zentralen Elektrode und einer äußeren Elektrode. Während die äußere Elektrode nach dem Dehnungsvorgang auf die Zwischenschicht wirken kann oder wenn die Corona-Polarisationsmethode angewandt wird, das Kabel durch eine Coronaelektrode geführt und ein äußerer elektrischer Leiter für das Kabel anschließend angebracht werden kann, ernsthafte Probleme treten beim Anbringen der inneren Elektrode oder des inneren Leiters für das Kabel auf: es ist nicht möglich, die Zwischenschicht auf einen gewöhnlichen Metalleiter, z. B. einen Kupferleiter zu extrudieren, da es dann schwierig wäre, anschließend die Zwischenschicht zu dehnen, um sie in die Form 1 umzuwandeln. Dieses Problem ist bis jetzt nicht in einer befriedigenden Art gelöst worden. Die Vorschläge im bekannten Stand der Technik haben gewöhnlicherweise das Problem entweder vollständig ignoriert, oder forderten das Pressen eines Hohlrohres aus dem Polymermaterial und anschließende Einführung eines inneren Leiters. Wie leicht einzusehen ist, sind solche Methoden nur praktikabel für die Herstellung einzelner Stücke von Koaxialkabeln mit relativ kurzer Länge.
GB-2.055.018 beschreibt die Herstellung eines Kabels mit kleine Bohrung unter Benutzung einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt. Die Wanddicke nach der Dehnung ist typischerweise 0,1 mm. Diese Dicke ist jedoch zu klein, wenn ein hohen hydrostatischer piezoelektrischer Koeffizient (d3h) benötigt wird, und es hat sich herausgestellt, daß dieses Produkt, wenn es mit der in dieser vorliegenden Erfindung benötigten Wanddicke hergestellt wird, sich nicht wie gefordert verhält.
EP-0.089.770 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Rohres, in welchem in einem zweiten Verfahren eine innere Elektrode eingeführt wird. Es ist klar, daß dieses Verfahren nicht geeignet ist für die Herstellung von Sensoren großer Länge. Darüberhinaus, wenn das Verfahren abgewandelt wird um ein kontinuierliches Verfahren zu bilden, in welchem eine Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt benutzt wird, so wird das resultierende Rohr nicht die gestellten Anforderungen erfüllen.
Es besteht somit ein Bedürfnis nach einem piezoelektrischen Koaxialkabel, basierend auf einem piezoelektrischen Polymer, das in großen Längen mit einem kontinuierlichen Verfahren hergestellt werden kann. Wenn jedoch versucht wurde, ein solches Kabel herzustellen, trat ein weiteres Problem auf, welches beim bisherigen Stand der Technik nicht berücksichtigt wurde: wenn ein dehnbarer innerer Leiter benutzt wird, so daß der Leiter und die Zwischenschicht gemeinsam gedehnt werden, so wurde gefunden, daß der innere Durchmesser der Zwischenschicht sich für gewöhnlich nicht so sehr zusammenzieht, wie der äußere Durchmesser des inneren Leiters, wenn die beiden gedehnt werden, was dazu führt, daß Brüche oder Hohlräume entstehen, und zwar entweder im inneren Leiter, was zu einem Verlust an elektrischer Leitfähigkeit führt, oder zwischen dem inneren Leiter und der Zwischenschicht, was zu einem Verlust an den piezoelektrischen Eigenschaften führt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sieht diese ein piezoelektrisches Koaxialkabel vor, mit einem inneren elektrischen Leiter, einem äußeren elektrischen Leiter und einer piezoelektrischen polymeren Zwischenschicht, wobei die Zwischenschicht einen inneren Radius hat, der nicht mehr als 0,5, vorzugsweise nicht mehr als 0,4 und insbesondere um die 0,33 mal seinem äußeren Radius ist und eine Wanddicke zwischen wenigstens 0,2 und 0,8 mm hat.
Vorzugsweise beträgt der innere Radius der Zwischenschicht nicht mehr als das 0,4-fache, vorzugsweise nicht mehr als das 0,35-fache ihres äußeren Radius. Besonders bevorzugt ist es, wenn der innere Radius der Zwischenschicht das 0,33-fache des äußeren Radius beträgt, obwohl der innere Radius auch kleiner ist, z. B. kleiner als das 0,3-fache des äußeren Radius sein kann. Im allgemeinen ändert sich das Verhältnis des inneren Radius zum äußeren Radius der Zwischenschicht nicht wesentlich, wenn der Leiter und die Zwischenschicht gedehnt werden, vorausgesetzt, daß sie in dem oben angegebenen Bereich liegen, so daß das oben angegebene Verhältnis auch für die Radien der Zwischenschicht vor dem Dehnungsvorgang bevorzugt ist. Durch die Wahl einer solchen Anordnung für die Zwischenschicht ist es möglich, die Bildung von Hohlräumen im inneren Leiter oder zwischen dem Leiter und der Zwischenschicht zu vermeiden, auch für relativ dickwandige Koaxialkabel, in welchen das Problem der Hohlraumbildung besonders stark auftritt. Daher kann das nach dieser Erfindung gebildete Kabel, eine Zwischenschicht mit einer Wanddicke von mindestens 0,2 mm, vorzugsweise mindestens 0,3 mm und noch bevorzugter mindestens 0,4 mm und insbesondere mindestens 0,5 mm haben, wodurch die piezoelektrische Empfindlichkeit des Kabels vergrößert werden kann.
Es wurde gefunden, daß die maximale Wanddicke der Zwischenschicht und der Maximalwert des Verhältnisses R zwischen dem inneren Radius der Zwischenschicht und dem äußeren Radius der Zwischenschicht voneinander abhängig sind, und daß sie auch von der Temperatur, bei welcher die Zwischenschicht gedehnt wird, abhängen. Im allgemeinen wird bei einer gegebenen Dehnungstemperatur die maximale Wanddicke der Zwischenschicht, die ohne Bildung von Hohlräumen oder Brüchen im inneren Leiter erreicht werden kann, abnehmen, wenn das Verhältnis zwischen dem inneren Radius und dem äußeren Radius der Zwischenschicht zunimmt. Auch wird die maximale Wanddicke bei einem gegebenen Verhältnis zunehmen, wenn die Dehnungstemperatur erhöht wird. In jedem Fall wird die piezoelektrische Ansprechempfindlichkeit des erhaltenen Kabels schlechter werden, wenn die Dehnungs- und/oder Polarisationstemperatur auf einen zu großen Wert erhöht wird, durch ungenügende Umformung der Form II zur Form I des Polymers, der die Zwischenschicht bildet, und/oder durch thermische Depolarisation des Polymers im Anschluß an den Polarisationsvorgang. Aus diesem Grund ist es vorzuziehen, den Draht bei Temperaturen, die nicht höher als 140ºC, insbesondere nicht höher als 130ºC sind, zu dehnen. Es wurde gefunden, daß bei diesen Temperaturen die Hohlraumbildung des inneren Leiters verhindert werden kann, wenn das Verhältnis R des inneren Radius zum äußeren Radius der Zwischenschicht (nach der Dehnung) folgende empirische Ungleichung erfüllt.
R ≤ 0,75 - 0,55T
oder T ≤ 1.4 - 1.8R
wobei T die Wanddicke der Zwischenschicht nach der Dehnung in Millimetern ist.
Bei einer Dehnungstemperatur von 125ºC ist es vorzuziehen, daß das Verhältnis R und die Dicke T folgende Ungleichung erfüllen:
R ≤ 0.67 - 0.55T
oder T ≤ 1.2 - 1.8R
Obwohl der innere Radius der Zwischenschicht vorzugsweise so klein wie möglich in Bezug auf den äußeren Radius sein sollte, beträgt aus praktischen Gründen der innere Radius normalerweise nicht weniger als das 0,1-fache, z. B. auch das 0,2-fache des äußeren Radius. Daraus ergibt sich, daß das bevorzugte Koaxialkabel im Einklang mit der Erfindung einen inneren Leiter mit einem Radius, der 0,2 bis 0,45 mal der äußere Radius ist, haben wird und eine Zwischenschicht mit einer Wanddicke, die zwischen 0,4 bis 0,8 mm liegt.
Obwohl das Kabel als "Koaxialkabel" bezeichnet wird, soll dieser Ausdruck nicht bedeuten, daß der innere Leiter und der äußere Leiter exakt konzentrisch sein müssen, vielmehr ist gemeint, daß der innere Leiter von dem äußeren Leiter durch eine Zwischenschicht isoliert ist. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es bekannt, daß einige Abweichungen von der absolut konzentrischen Form bei Koaxialkabeln die Regel sind und daß dies in manchen Fällen auch beabsichtigt ist.
Die Zwischenschicht kann aus einem beliebigen Material geformt sein, das piezoelektrisch gemacht werden kann durch Ausrichtung und Polarisation. Solche Materialien sind z. B. Nylon 5, Nylon 7, Polyhydroxybutyrat, Vinylidincyanid/Vinylacetat Copolymere und Vinylidinfluorid Polymere. Der Ausdruck "Vinylidinfluorid-Polymerell soll, Polyvinylidinfluorid, gewöhnlich abgekürzt als "PVDF" oder "PVF&sub2;" und solche Copolymere von Vinylidinfluorid, in welchen piezoelektrische Aktivitäten durch Ausrichtung und Polarisation hervorgerufen oder verstärkt werden können, umfassen. Geeignete Copolymere umfassen auch Copolymere und Termpolymere von Vinylidinfluorid mit Vinylfluorid, Trifluorethylen, Tetrafluorethylen, Vinylfluorid und Chlortrifluorethylen. Darüberhinaus sind auch Mischungen von Vinylidinfluoridpolymeren mit anderen Polymeren, z. B. Polymethylmetacrylat eingeschlossen, vorausgesetzt daß die piezoelektrische Aktivität derselben nicht zerstört ist. Vorzugsweise enthält die Zwischenschicht Vinylidinfluoridpolymer oder noch bevorzugter Polyvinylidinfluorid und besteht insbesondere im wesentlichen aus besten Polyvinylidinfluorid.
Vorzugsweise enthält der innere Leiter ein bei niedrigen Temperaturen schmelzendes Metall, so daß der innere Leiter und die Zwischenschicht erwärmt werden können, so daß das Metall schmilzt, und die Dehnung erfolgen kann, während das Metall noch flüssig ist. Theoretisch kann jedes Metall benutzt werden, dessen Schmelzpunkt so niedrig ist, daß das Metall schmilzt ohne thermische Beeinträchtigung oder Schmelzen der Zwischenschicht, und in einigen Fällen, aus Gründen die weiter unten diskutiert werden, wird es gewünscht, ein Metall zu wählen, dessen Schmelzpunkt so hoch wie möglich liegt in Bezug auf den Erweichungspunkt der Zwischenschicht und in Bezug auf die gewählte Dehnungstemperatur. Vorzugsweise hat das Metall einen Schmelzpunkt von nicht mehr als 170ºC oder noch bevorzugter von nicht mehr als 160ºC und ganz besonders nicht mehr als 150ºC. Es wird auch bevorzugt, daß das Metall einen Schmelzpunkt hat, der mindestens 50º, vorzugsweise 60º, insbesondere mindestens 65º und ganz besonders mindestens 70ºC beträgt. Das Metall, das den inneren Leiter bildet, kann aus einer Legierung bestehen, die eine eutektische Zusammensetzung hat, so daß sie in diesem Fall einen einzigen, wohldefinierten Schmelzpunkt zeigt, oder es kann aus einer nicht-eutektischen Legierung bestehen, so daß in diesem Fall das Metall in eine Phase übergeht, die zwischen der Linie des Festkörpers und der Linie der Flüssigkeit im Phasendiagramm liegt, in welcher seine Verformbarkeit mit der Temperatur anwächst. Es ist nicht nötig, daß das Metall für den Dehnungsvorgang vollständig schmilzt, vorausgesetzt daß es hinreichend verformbar wird, so daß es nicht bricht.
In manchen Fällen, in denen es möglich ist, Metalle mit einem Schmelzpunkt kleiner als 100ºC zu verwenden, kann es erwünscht sein, bismuthhaltige Legierungen zu verwenden, die sich ausdehnen, wenn sie aus der Schmelze erstarren.
Beispiele für Legierungen mit einem niedrigen Schmelzpunkt, die für den inneren Leiter benutzt werden können, zeigt die Tabelle I. TABELLE I Legierungs-Nummer Zusammensetzung (in Gew.-%) Schmelzpunkt
Bei piezoelektrischen Koaxialkabeln gemäß der Erfindung, bei denen ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt als innerer Leiter verwendet wird, wurde gefunden, daß bei Verringerung des inneren Radius der Zwischenschicht im Verhältnis zum äußeren Radius, die piezoelektrische Ansprechempfindlichkeit auf hydrostatische Belastung ansteigt.
Wie oben erwähnt, mag es in manchen Fällen wünschenswert sein, ein Metall auszuwählen, das einen möglichst hohen Schmelzpunkt hat, unter Berücksichtigung der anderen verwendeten Materialien und der Verfahrensbedingungen. Dies hat seine Ursache darin, daß in der Regel gilt, der Elastizitätsmodul des Metalls zusammen mit dem Schmelzpunkt ansteigt, und es kann wünschenswert sein, ein Metall zu verwenden, dessen Dehnungsmodul (Young'sches Modul) so groß wie möglich ist, wie in der gleichzeitig eingereichten europäischen Patentanmeldung Nr. 0146272 beschrieben, auf deren Offenbarung hier Bezug genommen wird. Dies hat seinen Grund darin, wie in dem oben genannten Patent beschrieben, daß befunden wurde, daß die hydrostatische piezoelektrische Ansprechempfindlichkeit eines piezoelektrischen Kabels bei Verwendung einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt als innerer Leiter deutlich mit dem Dehnungsmodul des Metalles anwächst.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung sieht diese ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Kabels vor mit folgenden Schritten:
a) Bilden eines Drahtes mit einem inneren elektrischen Leiter, der gedehnt werden kann, und einer diesen inneren Leiter umgebenden Zwischenschicht aus einem Material, das durch Ausrichtung und Polarisation piezoelektrisch gemacht werden kann;
b) Längsdehnen des Drahtes zur Ausrichtung der Zwischenschicht und zur Formung eines Drahtes in welchem die Zwischenschicht einen inneren Radius hat, der nicht größer als das 0,5-fache, vorzugsweise nicht größer als das 0,4-fache des äußeren Radius ist und eine Wanddicke zwischen 0,2 und 0,8 mm hat;
c) Gleichzeitig mit oder unmittelbar nach Schritt b): radiale Polarisation der Zwischenschicht; und
d) und das Versehen des gedehnten Drahtes mit einem äußeren elektrischen Leiter.
Die Abmessungen des erhaltenen Kabels sind vorzugsweise wie oben beschrieben. Da der absolute Wert der Wanddicke des Kabels abnimmt, wenn der elektrische Leiter und die Zwischenschicht gedehnt werden, ist es vorzuziehen, daß die Zwischenschicht eine Wanddicke vor der Dehnung von mindestens 0,3, vorzugsweise von mindestens 0,5, insbesondere wenigstens 0,8 und ganz besonders mindestens 1.0 mm hat.
Die bevorzugten Materialien zur Herstellung der Zwischenschicht und des inneren Leiters, die vorzugsweise verwendet werden, sind die oben beschriebenen.
Der Draht sollte auf eine hohe Temperatur erwärmt werden, bevor er gedehnt wird, um das Metall des inneren Leiters zu schmelzen, wenn ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt benutzt wird, und um die Zwischenschicht auf eine zweckmäßige Dehnungstemperatur, z. B. eine Temperatur im Bereich zwischen 50 und 170ºC, vorzugsweise zwischen 60 und 105ºC und insbesondere zwischen 80 und 130ºC zu bringen.
Wenn der Draht bei einer Temperatur von 110ºC bis 130ºC gedehnt wird, so ist das Verhältnis R zwischen dem inneren Radius der Zwischenschicht zu dem äußeren Radius (vor der Dehnung) so zu wählen, daß folgende Ungleichung erfüllt.
R ≤ 0,67 - 0,28Tu
wobei Tu die Wanddicke der Zwischenschicht vor dem Ausdehnungsvorgang in Millimetern ist.
Der Draht kann auf verschiedene Arten erwärmt werden. Zum Beispiel kann er mittels einer Heißluftpistole erwärmt werden, oder er kann durch einen Ofen geführt werden, welcher selbst durch eine elektrische Widerstandsheizung oder durch Gas geheizt wird. Andere Methoden zur Heizung des Drahtes, welche in Kombination miteinander benutzt werden können, schließen die Heizung mittels einer Mikrowellenquelle, Heizung mittels einer Induktionsspule, einer Infrarot-Strahlungsquelle, eines heißen Flüssigkeitsbades, z. B. ein Glytzerinbad, oder elektrische Widerstandsheizung des inneren Leiters mit ein. Die spezielle Methode zur Erwärmung des Drahtes wird von einer Reihe von Faktoren abhängen, einschließlich der gewünschten Ausdehnungstemperatur, (die selbst wiederum von der benötigten piezoelektrischen Empfindlichkeit des Kabels abhängt) und der Wahl des Materials, das als zentraler Leiter benutzt wird. In einigen Fällen mag es für den durchzuführenden Prozeß vorzuziehen sein, daß der innere Teil der Zwischenschicht auf einer höheren Temperatur ist als der äußere Teil. Eine solche Temperaturdifferenz quer zur in der Zwischenschicht erlaubt nicht nur die Benutzung von Metallen mit einem höheren Schmelzpunkt, ohne daß die Polymertemperatur zur effektiven Konservierung der Form I zu hoch ist, sondern es wird auch angenommen, daß dies die radiale Kontraktion der Zwischenschicht unterstützt, während der Draht gedehnt wird, wobei die Möglichkeit der Hohlraumbildung im inneren Leiter oder zwischen dem inneren Leiter und der Zwischenschicht verringert wird. Dies kann in üblicher Weise erreicht werden, entweder indem man dem Draht für einige Sekunden abkühlen läßt, nachdem er erwärmt wurde, oder indem erst der Draht erwärmt wird, z. B. durch eine Mikrowellenquelle oder in einem Wärmebad oder in einer Heißluftzone, gefolgt von einer kurzen Periode verstärkter Kühlung.
Vorzugsweise wird der Draht bis zu dem "natürlichen" Ausdehnungsverhältnis der Zwischenschicht ausgedehnt, wenn solch ein Ausdehnungsverhältnis existiert, z. B. auf das 3,5- bis 4,5-fache seiner ursprünglichen Ausdehnung für den Fall den Vinylidinfluorid-Polymers, obwohl es möglich ist, den Draht auf eine größere oder kleinere Länge zu dehnen, wenn dies gewünscht wird.
Der gedehnte Draht kann mit einem äußeren Leiter versehen werden, entweder vor oder nachdem die Zwischenschicht polarisiert wurde. Z.B. kann der Draht gedehnt und mit einem äußeren Metalleiter versehen werden, und anschließend polarisiert durch Anwendung eines hohen Gleichspannungspotentials auf den inneren und äußeren Leiter polarisiert werden. Vorzugsweise jedoch wird der äußere elektrische Leiter angebracht, nachdem die Zwischenschicht polarisiert wurde, wobei in diesem Fall die Zwischenschicht vorzugsweise mittels Corona polarisiert wird; wobei der Draht durch eine ringförmige Coronaelektrode geführt wird, während die andere Elektrode für den Polarisationsvorgang durch den inneren Leiter dargestellt wird. Wenn der äußere Leiter nach dem Polarisationsschritt angebracht wird, so ist es zweckmäßig, den Dehnungsschritt (b) und den Polarisationsschritt (c) im wesentlichen gleichzeitig durchzuführen, d. h. so, daß zumindest ein Teil des Polarisationsschrittes mit zumindest einem Teil des Dehnungsschrittes zusammenfällt. Es ist nicht nötig, daß beide Schritte die gleiche Zeitdauer haben: es kann erwünscht sein, für die Polarisation (gewöhnlich als "poling" bezeichnet) fortzusetzen, nachdem der Dehnungsvorgang beendet ist.
Bei dem bevorzugten Verfahren werden wenigstens der Dehnungsschritt (b) und der Polarisationsschritt (c) als kontinuierlicher Prozeß durchgeführt, in welchem der in Schritt (a) geformte Draht von unendlicher Länge durch eine Erwärmungszone geführt wird, in welcher der Draht auf eine vorgewählte hohe Temperatur erwärmt wird, und der erwärmte Draht durch eine Dehnungszone und eine Polarisationszone und anschließend durch eine Kühlzone geführt wird, so daß zu jedem Zeitpunkt nur ein Teilstück des Drahtes auf der oder oberhalb der vorgewählten hohen Temperatur ist.
Im Einklang mit einem anderen Aspekt der Erfindung sieht diese ein Verfahren zur Herstellung piezoelektrischer Kabel vor, mit folgenden Schritten:
a) Bildung eines Drahtes mit einem inneren elektrischen Leiter, der dehnbar ist, und diesen zentralen Leiter umgebend eine Zwischenschicht mit einem Material, das piezoelektrisch durch Orientierung und Polarisation umgeformt werden kann;
b) Führen des Drahtes durch eine Heizzone, in welcher der Draht auf eine vorherbestimmte hohe Temperatur erwärmt wird;
c) Führen des erwärmten Drahtes durch eine Dehnungszone und eine Polarisationszone, so daß der Draht gedehnt und gleichzeitig oder anschließend die Zwischenschicht polarisiert wird; und
d) Versehen des gedehnten Drahtes mit einem äußeren elektrischen Leiter.
Die Dehnungszone und die Polarisationszone können an verschiedenen Stellen entlang des Weges des Drahtes angebracht sein, so daß dieser nacheinander gedehnt und gepolt wird, oder sie können an derselben Stelle angebracht sein, so daß Dehnungsvorgang und Polarisation simultan durchgeführt werden. Wird Polyvinylidinfluorid bis zu seinem natürlichen Streckungsverhältnis in einem kontinuierlichen Prozeß gedehnt, so ist an einem bestimmten Punkt eine "Halsbildung" beobachtet worden, d. h. die laterale Dimension nimmt an einem bestimmten Punkt sehr schnell ab, wenn der Draht gedehnt wird. Es ist vorzuziehen, den Draht an der Stelle zu polarisieren, an welcher diese Halsbildung auftritt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, daß sie es ermöglicht, piezoelektrische Koaxialkabel herzustellen, in welchen die piezoelektrische Zwischenschicht im wesentlichen frei von Hohlräumen ist.
Vorzugsweise wird der Strang in Schritt a) durch Co-Extrudieren des inneren Leiters und der Zwischenschicht, so daß große Längen Draht gebildet werden. Dehnungs- und Polarisationsschritt können unmittelbar nach Formung des Drahtes durchgeführt werden, oder dieser kann aufgerollt und gespeichert werden, bevor der Dehnungsvorgang und der Polarisationsvorgang erfolgen.
Der äußere elektrische Leiter kann nach mehreren Arten vorgesehen werden. Z.B. kann er mittels einer Metallfarbe aufgestrichen werden oder ein Metall kann mit einem elektrodenlosen Abscheidungsverfahren, z. B. wie in US-PS 4 180 602 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird, aufgebracht werden. Andere Methoden umfassen Bedampfung, Sputtertechniken oder Ionenbeschichtung. In einer anderen Ausführung kann die äußere Elektrode als Geflecht in bekannter Art ausgestaltet sein. Kombinationen dieser Formen von Leitern sind auch möglich.
Ein Koaxialkabel und ein Verfahren zu seiner Herstellung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine isometrische Ansicht eines Teils des Koaxialkabels nach der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Ansicht der Herstellung eines nichtgedehnten Drahtes;
Fig. 3 eine schematische Ansicht der Dehnung und der Polarisation des Drahtes.
Gemäß Fig. 1 umfaßt ein piezoelektrisches Koaxialkabel einen inneren Leiter 1 aus einer in Tabelle I der angebenen Legierungen eine Zwischenschicht 2 aus Polyvinylidinfluorid und einen äußeren Leiter 3 aus Silberfarbe. Der Radius des inneren Leiters, und somit der innere Radius der Zwischenschicht beträgt das 0,3-fache des äußeren Radius der Zwischenschicht.
Das Kabel kann wahlweise auch mit einem Polymermantel 4 versehen werden, z. B. aus Polyvinylidinfluorid, Polyäthylen, Athylenvinylacetat-Copolymeren und dgl..
Fig. 2 und 3 zeigen schematisch die Herstellung dieses Drahtes und dem anschließenden Dehnungsvorgang und Polarisationsvorgang. Polyvinylidinfluoridpellets 5 und eine Metallegierung 6 mit niedrigem Schmelzpunkt 6 werden einem Extruder zugeführt, der mit einer Koextrusionsdüse 7 versehen ist. Die Düse 7 ist so gestaltet, daß der innere und der äußere Radius der Polyvinylidinfluoridschicht das richtige Verhältnis zueinander haben. Sobald der Draht 8 geformt ist, durchläuft er ein Kühlbad 9 und wird auf Umgebungstemperatur abgeschreckt und wird dann auf eine Aufnahmespule 10 gewickelt. Das vordere Ende des Drahtes 8 wird beim Aufwickeln des Drahtes auf die Spule zugänglich gehalten.
Die Spule 10 wird dann als Zuführspule in der nächsten Stufe des Prozesses, der in Fig. 3 gezeigt ist, benutzt. Der Draht wird von der Spule 10 abgezogen, durchläuft Zuführrollen 11, eine Erwärmungszone 12, eine Abkühlzone 13, eine temperaturgesteuerte Polarisationszone mit kontrollierter Temperatur 14, Zugrollen 15 und einer Heizzone 12, eine Kühlzone 13, eine Polarisationszone mit kontrollierter Temperatur 14, Traktionsrollen 15 und dann zur Aufnahmespule 16 ?. Der innere Leiter 1 ist elektrisch mit beiden Spulen 10 und 16 verbunden, welche selbst geerdet sind. Die Traktionsrollen 15 sind so eingestellt, daß ihre Umfangsgeschwindigkeit 4 mal so groß ist wie jene der Zuführrollen 11, wodurch der Draht 8 im Verhältnis 4 : 1 gedehnt wird, wenn er zwischen ihnen durchläuft. Nachdem der Draht die Zuführrollen verlassen hat, durchläuft er eine Heizzone 12 in der Form eines Glyzerinbades, das den Draht auf eine einheitliche Temperatur, in der Größenordnung zwischen 100 und 170ºC, je nach dem für den inneren Leiter benutzten Metall, aufheizt. Der erwärmte Draht durchläuft eine Abkühlzone 13, in welcher er kurz gekühl wird durch kalte Luft gekühlt wird, um die Temperatur der äußeren Oberfläche des Drahtes um 20 bis 50ºC zu verringern, und gelangt dann über nicht gezeigte Klemmrollen in die Polarisationszone 14, in welcher er einer Coronaentladung von etwa 40 Kilovolt ausgesetzt wird. Die Polarisationszone ist so angeordnet, und ihre Temperatur ist so einstellbar, daß die Halsbildung des Drahtes in diesem Stadium geschieht. Nach dem Polarisationsvorgang durchläuft der Draht 8 Traktionsrollen 15, welche auf Raumtemperatur gehalten werden und so den Draht kühlen, und der Draht wird dann von einer Aufnahmespule 16 aufgenommen.
Nach diesem Vorgang ist der Draht fertig, um den äußeren Leiter in bekannter Art durch Beschichten aufzubringen. Z.B. kann eine Aluminiumschicht von etwa 50 bis 60 nm Dicke durch Sputtern aufgetragen werden, oder eine Silberschicht von 25 Mikrometern typischer Wanddicke kann durch Aufstreichen oder Aufsprühen aufgebracht werden.
Die folgenden Beispiele verdeutlichen die Erfindung:

Beispiel 1

Eine Probe piezoelektrischen Kabels wurde gebildet durch Co-Extrudieren eines inneren Leiters, bestehend aus der Legierung Nummer 4 in Tabelle I, und Polyvinylidinfluorid, so daß der Radius des inneren Leiters und der innere Radius (au) der polymeren Zwischenschicht 0,48 mm und der äußere Radius der isolierenden Schicht (bu) 1,5 mm betrugen.
Der Draht wurde gedehnt bei einer mittleren Temperatur von etwa 120ºC auf ein Dehnungsverhältnis von 4 : 1 und er wurde gleichzeitig polarisiert mittels Coronaentladung mit einer Potentialdifferenz von 35 Kilovolt. Der daraus hervorgehende Draht wurde mit einer äußeren Silberelektrode versehen, wobei Silberfarbe verwendet wurde, die unter dem Handelsnamen "Elektrodag" erhältlich ist u
Der innere Radius der gedehnten Zwischenschicht (as) war 0,24 mm und ihr äußerer Radius (bs) war 0,75 mm, was eine Wanddicke von 0,51 mm und ein Verhältnis as/bs von 0,32 ergibt. Der Wert (au/as)² ist gleich 4 und somit gleich dem Dehnungsverhältnis, was darauf hindeutet, daß das durch die Zwischenschicht umschlossene innere Volumen beim Dehnungsvorgang nicht zugenommen hat.
Das Kabel konnte in großen Längen in einem kontinuierlichen Vorgang gebildet werden und zeigte einen piezoelektrischen Koeffizienten in der 1-Richtung (d&sub3;&sub1;) von 25 pCN&supmin;¹ und einen hydrostatischen, piezoelektrischen Koeffizienten (d3h) von 8-10 pCN&supmin;¹.

Beispiel 2

Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß Legierung Nr. 6 aus Tabelle I für den zentralen elektrischen Leiter benutzt wurde, und die Dimensionen entsprachen jenen in der Tabelle II. Das Kabel hatte einen hydrostatischen, piezoelektrischen Koeffizienten (d3h) von 11-14 pCN&supmin;¹ und einen d&sub3;&sub1;-Koeffizienten von 35 pCN&supmin;¹.

Beispiel 3

Beispiel 2 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß die Maße des inneren Leiters und der isolierenden Zwischenschicht angepaßt wurden, um einen relativ kleinen Wert für das Verhältnis des inneren Radius der Zwischenschicht (a) zu ihrem äußeren Radius (b) zu geben. Die Dimensionen sind in Tabelle II gezeigt.

Beispiel 4

Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß Legierung 6 aus Tabelle I für den inneren Leiter benutzt wurde, die Ausdehnungstemperatur 125ºC war und die Dimensionen denen nach Tabelle II entsprechen.

Beispiel 5

Beispiel 4 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß wie in Tabelle I gezeigt, die Wanddicke relativ groß ist (1,48 mm vor dem Dehnen und 0,79 mm nach dem Dehnen) und das Verhältnis R relativ klein ist (0,23 bis 0,25). Dieses Kabel zeigte einige wenige Brüche im inneren Leiter, aber zwischen diesen Bruchstellen lagen größere Abschnitte durchgehenden Leiters, so daß das Kabel in Abschnitte geschnitten und in diskreten Längen benutzt werden konnte.

Beispiel 6 (Vergleich)

Beispiel 4 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß das Verhältnis R vor dem Dehnungsvorgang 0,5 und nach dem Dehnungsvorgang 0,54 betrug und daß die ursprüngliche Wanddicke der Zwischenschicht 0,78 mm betrug, welche nach dem Dehnen auf 0,38 mm verringert war. Erhebliche Bruch- und Hohlraumbildung im inneren Leiter wurden beobachtet.

Beispiel 7 (Vergleich)

Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß der aus dem inneren Leiter und der Zwischenschicht gebildete Draht zwischen den Backen eines "Instron" (Handelsmarke) Tensometers gedehnt wurde und nicht nach dem bevorzugten kontinuierlichen Verfahren gemäß der Erfindung, und daß Legierung Nr. 1 aus Tabelle I für den inneren Leiter benutzt wurde. Die Dimensionen werden in Tabelle II gezeigt.
Tabelle III zeigt den Wert von Rs - (0,67-0,55T), der Null oder negativ ist, wenn die obige Ungleichung I erfüllt ist, und außerdem wird der Wert von (as/au)²·D gezeigt, welcher dem Verhältnis des für den inneren Leiter verfügbaren Volumens nach dem Dehnen zu dem von ihm eingenommenen Volumen vor dem Dehnen entspricht. Ist dieser Wert kleiner als 1, so bedeutet dies, daß Hohlräume zwischen dem inneren Leiter und der Zwischenschicht oder Brüche im inneren Leiter vorliegen.
Die Kabel nach den Beispielen 1 bis 4 waren alle zufriedenstellend gedehnt. Das Kabel nach Beispiel 5 war ein Grenzfall, und zeigte in Abständen einige wenige Brüche, und die beiden Kabel nach den Beispielen 6 und 7 zeigten beide Hohlraumbildung oder Brüche des inneren Leiters sowie Trennung von der Zwischenschicht. Tabelle II Beispiel Ursprüngliche Wanddicke Endwanddicke Ausdehnungsverhältnis Tabelle III Beispiel Endwanddicke T (Vergleich)

Claims

1. Piezoelektrisches Koaxialkabel mit einem inneren elektrischen Leiter, einem äußeren elektrischen Leiter und einer polymeren piezoelektrischen Zwischenschicht, wobei die Zwischenschicht einen inneren Radius, der nicht mehr als, vorzugsweise nicht mehr als und insbesondere etwa 0,33 mal ihrem äußeren Radius beträgt, und eine Wanddicke zwischen mindestens 0,2 bis zu 0,5 mm aufweisen.

2. Kabel nach Anspruch 1, in dem das Verhältnis R des inneren Radius der Zwischenschicht zu dem äußeren Radius der Zwischenschicht bei einer Temperatur von 125ºC folgende Ungleichung erfüllt:

R ≤ 0.67 - 0.55 T

wobei T die Wanddicke der Zwischenschicht in mm ist.

3. Kabel nach Anspruch 1 oder 2, in dem die Zwischenschicht eine Wanddicke von mindestens 0,33 mm hat.

4. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, in dem die Zwischenschicht ein Vinylidinfluorid-Polymer enthält.

5. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem der innere Leiter aus einem Metall gebildet ist, das einen Schmelzpunkt von nicht mehr als 170ºC und insbesondere zwischen 50 und 150ºC hat.

6. Kabel nach Anspruch 4 oder 5, in dem der innere heiter aus einem Metall gebildet ist, dessen Volumen sich beim Erstarren aus der Schmelze vergrößert.

7. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Kabels, mit folgenden Schritten:

a) Bildung eines Drahtes mit einem inneren elektrischen Leiter, der gedehnt werden kann, und Umgeben des zentralen Leiters mit einer Zwischenschicht, die ein Material enthält, das durch Orientierung und Polarisation piezoelektrisch gemacht werden kann;

b) Längsdehnen des Drahtes zur Ausrichtung der Zwischenschicht und um einen Draht zu bilden, in welchem die Zwischenschicht einen inneren Radius, der nicht mehr als 0,5, vorzugsweise nicht mehr als 0,4 mal ihrem äußeren Radius beträgt, und eine Wanddicke zwischen 0,2 bis 0,8 mm hat;

c) gleichzeitig mit, oder anschließend an, Schritt (b), radiales Polarisieren der Zwischenschicht; und

d) Versehen des gedehnten Drahtes mit einem äußeren elektrischen Leiter.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Zwischenschicht eine Wanddicke von mindestens 0,3 mm nach dem Dehnen hat.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der Draht auf eine Länge im Bereich der 3,5 bis 4,5-fachen seiner Originallänge gedehnt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem vor dem Dehnungsvorgang das Verhältnis R zwischen dem inneren Radius der Zwischenschicht und dem äußeren Radius der Zwischenschicht beim einer Temperatur zwischen 110ºC und 130ºC folgende Ungleichung erfüllt:

R ≤ 0.667 - 0.28 Tu

wobei Tu die Wanddicke der Zwischenschicht in mm vor dem Dehnen ist.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem vor dem Dehnungsvorgang die Zwischenschicht eine Wanddicke von wenigstens 0,5 mm und vorzugsweise mindestens 0,1 mm hat.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem nach dem Dehnen das Verhältnis R zwischen dem inneren Radius der Zwischenschicht und dem äußeren Radius der Zwischenschicht bei einer Temperatur von 125ºC folgende Ungleichung erfüllt:

R ≤ 0.67 0.55 T

wobei T die Wanddicke der Zwischenschicht in mm nach dem Dehnen ist.

13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem der innere Leiter ein Metall mit einem Schmelzpunkt kleiner als 170ºC und insbesondere zwischen 50 und 150ºC hat, so daß es möglich ist, ihn während Schritt (b) zu dehnen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem der Draht erhitzt wird, so daß während des Dehnens der innere Leiter auf einer mittleren Temperatur im Bereich zwischen 120 und 130ºC ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, bei dem die Zwischenschicht mittels Coronaentladung polarisiert wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei dem der Draht in Schritt (a) durch gemeinsames Extrudieren des inneren Leiters und der Zwischenschicht gebildet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 16, bei dem zumindest die Schritte (b) und (c) als kontinuierlicher Vorgang durchgeführt werden, in welchem der in Schritt (a) geformte Draht durch eine Heizzone hindurchläuft, in welcher der Draht auf eine Temperatur zwischen 120 und 130ºC erhitzt wird und der erhitzte Draht eine Dehnungszone und eine Polarisationszone und dann eine Kühlzone durchläuft, so daß zu jedem Zeitpunkt nur ein Abschnitt des Drahtes bei oder oberhalb der genannten Temperatur liegt.

18. Meßwertaufnehmer, der ein Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6 enthält.