DE3788411T2

DE3788411T2 - Anschlüsse zur anwendung bei wandlern aus piezoelektrischem polymerfilm.

Info

Publication number: DE3788411T2
Application number: DE3788411T
Authority: DE
Inventors: Peter Radice
Original assignee: Whitaker LLC
Current assignee: Whitaker LLC
Priority date: 1986-04-18
Filing date: 1987-04-16
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2007-04-17
Also published as: AU588689B2; US4734044A; EP0271507B1; AU7307887A; EP0271507A4; CA1279399C; EP0271507A1; DE3788411D1; WO1987006394A1

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Wanderanordnung, umfassend einen Film aus piezoelektrischem Polymer und Elektroden, von denen jede eine Leitung hat.
Mehr im besonderen stellt die Erfindung eine piezoelektrische Wandleranordnung zur Verfügung, die einen verbesserten Verbinder zur Verwendung bei einem dünnen Polymerfilm hat, der als das piezoelektrische Element in einer solchen Wandleranordnung verwendet wird.
Auf dem schnell wachsenden Gebiet der Anwendungen von piezoelektrischem Film ist es wesentlich, das zuverlässige und nicht teure Verbinder für den dünnen piezoelektrischen und/ oder pyroelektrischen Polymerfilm verfügbar sind, da die Filme verhältnismäßig empfindlich sind und häufig durch Routinehandhabung oder normale Handhabung beschädigt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine piezoelektrische Wandleranordnung zur Verfügung, die verbesserte Verbinder zur Verwendung bei Wandlern mit piezoelektrischem Polymerfilm haben, welche zur Herstellung in großem Maßstab leicht zusammenzubauen sind, zuverlässiger als die Verbinder mit umgebogenen Zähnen sind, die gegenwärtig von mehreren Herstellern verwendet werden, stärker als Verbinder sind, die Kompressionsverfahren des Anbringens unter Verwendung von leitfähigen Elastomeren anwenden, und permanente Leitungsanbringungen bieten. Es wird erwartet, daß die vorliegenden Verbinder eine weite Anwendung bei Vibrationssensoren, Lautsprechern und nichtintrusiven Monitoren für medizinische Einrichtungen, welche die Kinderherzrate und -atmung messen, finden. Eine solche Überwachung kann leicht durch Sensoren erreicht werden, die in die Kinderbett- oder Korbwiegenmatratze eingebaut sind, oder in einen Sensorgurt, der von dem Kind getragen wird, oder andere geeignete Einrichtungen.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 eine piezoelektrische Wandleranordnung zur Verfügung, umfassend einen Film aus piezoelektrischem Polymer und Elektroden, von denen jede eine Leitung hat, gekennzeichnet durch
eine Metallisierter-Film-Beschichtungselektrode, die auf jeder Seite des Films in im wesentlichen überlagerter Beziehung vorgesehen ist, wobei jede der Elektroden eine Leitung hat, die sich im wesentlichen zu einem Rand des Films in versetzter paralleler Beziehung erstrecken, wobei die obere Leitung und die untere Leitung je einen Kunststoffstreifen hat, der darauf haftet, wobei sich die Kunststoffstreifen über den Rand des Films hinaus erstrecken,
fluchtende Durchgangsmittel, die durch die Kunststoffstreifen an Positionen jenseits des Rands des Films angeordnet sind,
Nietmittel, die durch jedes der fluchtenden Durchgangsmittel angeordnet sind,
elektrische Anschlußmittel, die jedes der Nietmittel kontaktieren, um ein Paar von befestigten benachbarten Verbinderanordnungen jenseits des Rands des Films zu bilden,
wobei einer der Kunststoffstreifen eine durch denselben angeordnete Öffnung hat, die mit einer der Leitungen in Verbindung steht,
eine leitfähige Tinte bzw. Druckfarbe, die über dem einen der Kunststoffstreifen und der Öffnung angeordnet ist und das damit verbundene Nietmittel kontaktiert,
wobei die Tinte bzw. Druckfarbe wenigstens Wände der Öffnung beschichtet, wobei sie einen guten elektrischen Kontakt zwischen der einen der Leitungen und dem damit verbundenen elektrischen Anschlußmittel bildet.
In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 3 eine piezoelektrische Wandleranordnung zur Verfügung, umfassend einen Film aus piezoelektrischem Polymer und Elektroden, von denen jede eine Leitung hat, gekennzeichnet durch
Elektrodenmittel, die auf entgegengesetzten Seiten des Films sind, wobei jede Elektrode einen Leitungsteil hat, der eine jeweilige obere und untere Leitung definiert,
nichtleitfähige Verstärkungsmittel auf entgegengesetzten Seiten des Films benachbart den Leitungen und wenigstens teilweise die Leitungen überlappend,
flüchtende Öffnungen, die durch jede der Leitungen, den Film und die Verstärkungsmittel angeordnet sind,
ein leitfähiges Mittel, das durch jede der fluchtenden Öffnungen angeordnet und in elektrischem Kontakt mit der Leitung ist, die mit der Öffnung verbunden ist, in welcher das leitfähige Mittel angeordnet ist,
Anschlußmittel, die an jedem der leitfähigen Mittel zum Verbinden der mit dem leitfähigen Mittel verbundenen Leitung mit einer elektrischen Schaltung angebracht sind, und
sekundäre Leitermittel zum Vorsehen eines elektrischen Kontakts zwischen einem der leitfähigen Mittel und seiner zugeordneten Leitung.
Kurz, die verbesserten Verbinder in dem piezoelektrischen Wandler der vorliegenden Erfindung umfassen eine Verstärkungsanordnung an der Filmelektrodenleitung oder dem Leitungsanbringungsbereich, wobei jede Anordnung verstärkende Kunststoffstreifen, einen Ringzungenanschlußverbinder oder lediglich einen Unterlegring, der an einen Leitungsdraht gelötet oder in anderer Weise an einem Leitungsdraht befestigt ist, wahlweise Abstands-Unterlegscheiben, und einen Metallniet oder ein anderes Befestigungsmittel, der bzw. das durch die Anordnung und die damit verbundene Leitungsanbringung angeordnet ist, umfaßt. Um einen guten elektrischen Kontakt sicherzustellen, kann der Kunststoffstreifen, welcher über der Filmelektrodenleitungsanbringung liegt, darauf abgelagerte leitfähige Tinte bzw. Druckfarbe haben, welche eine Öffnung durchdringt, die durch den Kunststoffstreifen in wenigstens Beschichtungsteilen der Wände der Öffnung vorgesehen ist, so daß sie dadurch einen kontinuierlichen elektrischen Kontakt zwischen der Leitung und dem Anschlußverbinder bildet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht von Komponenten, die eine typische verstärkte Verbinderanordnung der vorliegenden Erfindung zur Verwendung bei Wandlern mit piezoelektrischem Polymerfilm bilden.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht der Fig. 1, ausgeführt längs der Linie 2-2 derselben.
Fig. 3 ist eine Längsschnittansicht eines Teils einer modifizierten Verbinderanordnung.
Fig. 4 ist eine Teilaufsicht, teilweise gestrichelt, einer anderen Abwandlung einer verstärkten Verbinderanordnung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 und 6 sind Schnittansichten der Fig. 4, ausgeführt längs der Linie 5-5 bzw. 6-6 derselben.
Fig. 7 ist eine Schnittansicht, gleichartig den Fig. 5 und 6, von einer noch anderen Abwandlung einer verstärkten Verbinderanordnung der vorliegenden Erfindung.

Allgemeine Beschreibung des piezoelektrischen Polymerfilms

Generell sind Polymermaterialien nichtpiezoelektrisch. Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist angenähert 50% kristallin und 50% amorph. Die hauptsächlich kristallinen Formen von PVDF sind die in hohem Maße polare β-Form und die nichtpolare α- Form. Hohes Piezoansprechen ist mit der polaren β-Form verbunden. Durch sorgfältiges Steuern der Verfahrensschritte, um den Film zu polarisieren, einschließlich mechanischer Orientierung und Behandlung in einem intensiven elektrischen Feld, resultiert ein in hohem Maße piezoelektrischer und pyroelektrischer Film. Ein solcher Film ist kommerziell unter dem Warenzeichen KYNAR® erhältlich, ein Produkt von Pennwalt Corporation, Philadelphia, PA, Zessionar der vorliegenden Erfindung.
Der Vorgang des Polens ist auf dem Fachgebiet gut bekannt, und in dem Fall von dielektrischen Polymerfilmen beinhaltet er generell die Anwendung einer Gleichstromspannung, zum Beispiel 300 bis 2000 Kilovolt pro Zentimeter der Dicke des Polymerfilms, während er zunächst auf eine Temperatur im Bereich zwischen gerade oberhalb Raumtemperatur bis gerade unterhalb des Schmelzpunkts des Films während einer Zeitdauer erhitzt wird und dann, während das Potential aufrechterhalten wird, wird der Film gekühlt. Bevorzugte Systeme für das kontinuierliche Polen von piezoelektrischem (oder pyroelektrischem) empfindlichem Polymerfilm unter Verwendung einer Coronaentladung zum Induzieren der piezoelektrischen Ladung sind in US-A-4 392 178 und US-A 4 365 283 beschrieben.
Die Erfindung ist nicht auf Filme beschränkt, die nur mit PVDF hergestellt sind, und Copolymere von Vinylidenchlorid und copolymerisierbare Comonomere, wie zum Beispiel Tetrafluorethylen und Trifluorethylen können verwendet werden.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In den Fig. 1 und 2 umfaßt der piezoelektrische Wandler einen piezoelektrischen Polymerfilm 12, typischerweise KYNAR®, der mit einer metallisierten Elektrodenbeschichtung 14 versehen ist, die an einer oberen Oberfläche desselben anhaftet, und einer entsprechenden Elektrodenbeschichtung 16, die an seiner unteren Oberfläche anhaftet. Jede Elektrode kann die heiße Elektrode oder die Erdelektrode umfassen.
Die Elektroden 14 und 16 sind auf dem Film 12 in einer im wesentlichen überlagerten Beziehung abgelagert, anders als die Leitungen 18 und 20, die sich jeweils davon erstrecken, welche versetzt sind. Es muß Sorgfalt beobachtet werden, wenn die Elektroden auf den Oberflächen des Films 12 abgelagert werden, um sicherzustellen, daß eine Metallmigration nicht über die Ränder des Films auftritt, um in einem möglichen Kurzschließen der Elektroden zu resultieren. Demgemäß sieht der Film 12 einen Rand um die Elektroden herum vor, um diese Möglichkeit zu vermindern.
Ein Kunststoffstreifen 24, typischerweise Mylar (Warenzeichen), ist über der Leitung 18 und vorzugsweise über der Elektrode 14 durch irgendeinen geeigneten nicht leitenden Klebstoff befestigt. Mylar ist ein Polyethylenterephthalatharzfilmprodukt von Dupont. Es versteht sich, daß andere widerstandsfähige Kunststoffmaterialien auch verwendet werden können. Ein entsprechender Kunststoffstreifen 26 ist direkt an der unteren Oberfläche des Films 12 über der Leitung 20 und vorzugsweise über der Elektrode 16 haftend angebracht.
Der piezoelektrische Film 12 und die Kunststoffstreifen 24 und 26 sind je mit einem Paar Löchern durch dieselben hindurch versehen, typischerweise ausgestanzten Löchern. Spezieller sind Löcher 30 und 32 durch die Elektrodenleitungen 18 bzw. 20 jeweils angeordnet, wie gezeigt. Die Kunststoffstreifen 24 und 26 sind je mit Löchern 34, 36 bzw. 38, 40 versehen. Die Löcher 34, 30 und 38 sind in Fluchtung, wie es die Löcher 36, 32 und 40 sind. Die Löcher 34 und 40 sind von größerem Durchmesser gemacht als die übrigen Löcher von gleicher Größe aus Gründen, die später zu erörtern sind. Die Kunststoffstreifen 24 und 26 sind mittels eines geeigneten Klebstoffs an den piezoelektrischen Film 12 geklebt.
Paare von Unterlegscheiben 42, 44; 46, 48; und 50, 52 mit einem Paar Ringzungenanschlußverbindern 54 und 56 und Metallbefestigungsmitteln, wie die Niete 58 und 60, die in den Zeichnungen gezeigt sind, vervollständigen die Anordnung.
In Fig. 2 stellt der Anschlußverbinder 54, der zur Angemessenheit mit positiver Polarität bezeichnet ist, einen elektrischen Kontakt mit der Elektrodenbeschichtung 18 durch die metallischen Unterlegscheiben 50 und 46 und den Niet 58 her.
Der Verbinderanschluß 56, der mit negativer Polarität bezeichnet ist, kontaktiert die Elektrodenbeschichtung 20 mittels der Unterlegscheibe 44 und des Niets 60 elektrisch. Es ist natürlich erkennbar, daß mehr oder weniger Abstands- Unterlegscheiben bei jedem Niet verwendet werden können.
In Fig. 3 ist der piezoelektrische Polymerfilm 12 mit der üblichen metallischen Elektrodenbeschichtung auf jeder Oberfläche desselben versehen, wobei nur die Leitungsanbringung 70 veranschaulicht ist. Der Niet 72, der Ringzungenanschlußverbinder 74 und die Unterlegscheibe 76 sind gleichartig oder äquivalent jenen Komponenten, die mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben sind. Der Kunststoffstreifen 24 ist jedoch mit einer Öffnung 80 durch denselben hindurch versehen, typischerweise einem Nadelloch oder ausgestanzten Loch. Die obere Oberfläche des Kunststoffstreifens 24 ist mit einer leitfähigen Tinte bzw. Druckfarbe 82 beschichtet, welche den Niet 72 kontaktiert und die Öffnung 80 durchdringt, um es der Tinte oder Druckfarbe zu ermöglichen, wenigstens einen Teil der Wände der Öffnung 80 zu beschichten oder den durch die Öffnung erzeugten Leerraum zu füllen oder teilweise zu füllen, um dadurch einen zwangsweisen elektrischen Kontakt zwischen der leitfähigen Tinte bzw. Druckfarbe 82 und der Leitung 70 zu bewirken. Die leitfähige Tinte bzw. Druckfarbe kann durch Siebdrucken, Sprühen, Bestreichen und dergleichen aufgebracht werden.
In Fig. 4 hat der piezoelektrische Wandler Elektrodenbeschichtungsleitungen 90 und 92, die sich nach dem Rand des piezoelektrischen Films 12 zu erstrecken.
Die Elektrode und ihre Leitung 92 ist auf der Unterseite des Films 12 angeordnet, wobei die Leitung gestrichelt gezeichnet ist. Zu Zwecken der Ökonomie kann die Verbinderanordnung ein Paar gleichartige Folien aus Kunststoff 96 und 98 umfassen, die in geeigneter Weise an das Substrat und die Leitungen (Fig. 5 und 6) angeklebt sind, oder eine einzige gefaltete Kunststoffolie 100 kann über die Leitungen 90 und 92 geklebt sein (Fig. 7).
Eine Öffnung 102 ist durch den Streifen 98 vorgesehen. Eine leitfähige Tinte bzw. Druckfarbe 104 ist auf den Streifen 98 aufgebracht, welches einen zwangsweisen elektrischen Kontakt zwischen dem Anschlußverbinder 106 und der Elektrodenleitung 90 bewirkt. Ein Niet oder anderes geeignetes Befestigungsmittel 108 vervollständigt die Verbinderanordnung.
Leitfähige Tinte bzw. Druckfarbe 110 wird über den Kunststoffstreifen 96 (Fig. 6) aufgebracht, welche die Öffnung 112 durchdringt, so daß sie einen zwangsweisen elektrischen Kontakt zwischen dem Anschlußverbinder 114 und der Elektrodenleitung 92 sicherstellt.
In Fig. 7 ist der Kunststoffstreifen 100 gefaltet und an die Leitungen 90 und 92 angeklebt, wie gezeigt. Leitfähige Tinte bzw. Druckfarbe 116 bewirkt einen zwangsweisen elektrischen Kontakt zwischen der Leitung 92 und dem Anschlußverbinder 118 mittels der Öffnung 120.
Alle Niete oder anderen Befestigungseinrichtungen für Verbinderanordnungen der vorliegenden Erfindung werden konventionell aufgebracht, das heißt mittels Hand, Nietpistole und dergleichen.
Die Dicke des piezoelektrischen Polymerfilms, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann im Bereich zwischen etwa 6 u bis 110 u und vorzugsweise 20 bis 50 u liegen, wohingegen die Metallisierter-Film-Elektrodenbeschichtungen typischerweise etwa 5 bis 10 u in der Dicke sind. Die Beschichtungen können angemessen auf dem piezoelektrischen Polymerfilm, zum Beispiel mittels eines konventionellen Siebdruckverfahrens, abgelagert werden, wobei die leitfähige Tinte bzw. Druckfarbe für das Siebdrucken ein feinzerteiltes elektrisch leitfähiges Metall enthält, geeigneterweise Silber, Nickel oder Kupfer, eingebettet innerhalb einer Polymermatrix.

Claims

1. Eine piezoelektrische Wandleranordnung, umfassend einen Film (12) aus piezoelektrischem Polymer und Elektroden (14, 16), von denen jede eine Leitung (90, 92) hat, gekennzeichn e t durch

eine Metallisierter-Film-Beschichtungselektrode (14, 16), die auf jeder Seite des Films (12) in im wesentlichen überlagerter Beziehung vorgesehen ist, wobei jede der Elektroden eine Leitung (90, 92) hat, die sich im wesentlichen zu einem Rand des Films (12) in versetzter paralleler Beziehung erstrecken, wobei die obere Leitung (90) und die untere Leitung (92) je einen Kunststoffstreifen (96, 98, 100) hat, der darauf haftet, wobei sich die Kunststoffstreifen (96, 98, 100) über den Rand des Films (12) hinaus erstrecken,

fluchtende Durchgangsmittel, die durch die Kunststoffstreifen (96, 98, 100) an Positionen jenseits des Rands des Films (12) angeordnet sind,

Nietmittel (108), die durch jedes der fluchtenden Durchgangsmittel angeordnet sind,

elektrische Anschlußmittel (114, 116, 118), die jedes der Nietmittel (108) kontaktieren, um ein Paar von befestigten benachbarten Verbinderanordnungen jenseits des Rands des Films (12) zu bilden,

wobei einer der Kunststoffstreifen (96, 98, 100) eine durch denselben angeordnete Öffnung (102, 112, 120) hat, die mit einer der Leitungen (90, 92) in Verbindung steht,

eine leitfähige Tinte bzw. Druckfarbe (104, 110, 116), die über dem einen der Kunststoffstreifen (96, 98, 100) und der Öffnung (102, 112, 120) angeordnet ist und das damit verbundene Nietmittel (108) kontaktiert,

wobei die Tinte bzw. Druckfarbe (104, 110, 116) wenigstens Wände der Öffnung (102, 112, 120) beschichtet, wobei sie einen guten elektrischen Kontakt zwischen der einen der Leitungen (90, 92) und dem damit verbundenen elektrischen Anschlußmittel (106, 114, 118) bildet.

2. Eine piezoelektrische Wandleranordnung des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffstreifen (100), der auf der oberen Leitung (90) haftet, und der Kunststoffstreifen (100), der zu der unteren Leitung (92) anhaftet, ein gefalteter integraler Kunststoffstreifen (100) ist, wobei die Öffnung (120) durch einen der gefalteten Streifen (100) angeordnet ist und die leitfähige Tinte bzw. Druckfarbe (116) über dem einen der gefalteten Streifen (100) und der Öffnung (120) abgelagert ist.

3. Eine piezoelektrische Wandleranordnung, umfassend einen Film (12) aus piezoelektrischem Polymer und Elektroden (14, 16), von denen jede eine Leitung (19, 20, 70) hat, gekennzeichnet durch

Elektrodenmittel (14, 16), die auf entgegengesetzten Seiten des Films (12) sind, wobei jede Elektrode (14, 16) einen Leitungsteil hat, der eine jeweilige obere und untere Leitung (18, 20, 70) definiert,

nichtleitfähiges Verstärkungsmittel (24, 26) auf entgegengesetzten Seiten des Films (12) benachbart den Leitungen (18, 20 70) und wenigstens teilweise die Leitungen (18, 20, 70) überlappend,

fluchtende Öffnungen (30, 32, 34, 36, 38, 40), die durch jede der Leitungen (18, 20, 70), den Film (12) und die Verstärkungsmittel (24, 26) angeordnet sind,

ein leitfähiges Mittel (58, 60, 72), das durch jede ,der fluchtenden Öffnungen (30, 32, 34, 36, 38, 40) angeordnet und in elektrischem Kontakt mit der Leitung (18, 20, 70) ist, die mit der Öffnung (30, 32, 34, 36, 38, 40) verbunden ist, in welcher das leitfähige Mittel (58, 60, 72) angeordnet ist,

Anschlußmittel (54, 56, 74), die an jedem der leitfähigen Mittel (58, 60) zum Verbinden der mit dem leitfähigen Mittel (58, 60, 72) verbundenen Leitung (18, 20, 70) mit einer elektrischen Schaltung angebracht sind, und

sekundäre Leitermittel (44, 46, 50, 76, 82) zum Vorsehen eines elektrischen Kontakts zwischen einem der leitfähigen Mittel (58, 60, 72) und seiner zugeordneten Leitung (18, 20, 70).

4. Eine piezoelektrische Wandleranordnung, wie in Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmittel (24, 26) einen oberen und unteren Kunststoffstreifen umfaßt.

5. Eine piezoelektrische Wandleranordnung, wie in Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmittel (24, 26) einen integralen Kunststoffstreifen umfaßt, der in sich selbst gefaltet ist, um die obere und untere Leitung (18, 20, 70) in die Faltung einzulegen.

6. Eine piezoelektrische Wandleranordnung, wie in Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Mittel (58, 60, 72) ein Nietmittel umfaßt.

7. Eine piezoelektrische Wandleranordnung, wie in Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein leitfähiges Abstandsmittel (42, 44, 46, 48, 50, 52, 76) um jedes der Nietmittel (58, 60, 72) herum angeordnet ist.

8. Eine piezoelektrische Wandleranordnung, wie in Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines (44, 46, 76) der Abstandsmittel (42, 44, 46, 48, 50, 52, 76) die Leitungen (18, 20, 70) kontaktiert.

9. Eine piezoelektrische Wandleranordnung, wie in Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites leitfähiges Abstandsmittel (42, 48, 52) das Nietmittel (58, 60) benachbart seinem Ende, das von der Leitung (18, 20), welche durch das erste Abstandsmittel (44, 46) kontaktiert wird, distal ist, kontaktiert.

10. Eine piezoelektrische Wandleranordnung, wie in Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine zweite Öffnung (80) durch eines (24) der Verstärkungsmittel (24, 26) und in Verbindung mit einer (70) der Leitungen, und worin das sekundäre Leitermittel (76, 82) eine leitfähige Tinte bzw. Druckfarbe (82) umfaßt, die über dem einen (24) der Verstärkungsmittel (24, 26) und seiner Öffnung (80) abgelagert ist, wobei die Tinte bzw. Druckfarbe (82) Wände der Öffnung (80) kontaktiert, um den elektrischen Kontakt zu bilden.