DE3833493A1

DE3833493A1 - Method for producing a piezoelectric lead

Info

Publication number: DE3833493A1
Application number: DE3833493A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Richter
Original assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Current assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Priority date: 1988-10-01
Filing date: 1988-10-01
Publication date: 1990-04-05

Abstract

A method is disclosed for producing a piezoelectric lead, with which a layer, with piezoelectric properties, made of a polymer having at least 80% beta -content is applied onto and around an inner conductor. This material can be continuously extruded. It does not have to be further stretched. The finished lead is used for amplifying the piezoelectric effect of a high-voltage electric field.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Leitung, mit welchem auf einen Innenleiter rundum eine Schicht aus einem α- und β-Anteile enthaltenden Polymer, das piezoelektrische Eigenschaften hat und darüber ein Außenleiter aufgebracht werden. Solche Leitungen gehen aus der DE-Z "Markt & Technik" Nr. 14 vom 04.04.1986, Seiten 44 und 48 hervor.The invention relates to a method for producing a piezoelectric line, with which a layer of an α and β component containing polymer, which has piezoelectric properties, and an outer conductor is applied to an inner conductor all around. Such lines emerge from DE-Z "Markt &Technik" No. 14 from 04.04.1986, pages 44 and 48.

Bei den bekannten Leitungen wird als Polymer beispielsweise Polyvinylidenfluorid - im folgenden kurz "PVDF" genannt - als Polymer mit piezoelektrischen Eigenschaften verwendet. Es sind aber auch andere Polymere mit diesen Eigenschaften bekannt, wie beispielsweise Polyvinylfluorid. Die Leitungen geben bei Zug-, Druck- oder Torsionsbelastung einen elektrischen Spannungsimpuls ab. Sie können daher mit Vorteil als Sensoren eingesetzt werden, beispielsweise in Schutzzäunen und elektronischen Schaltungen. Ein Nachteil dieser Leitungen besteht darin, daß sie nur in relativ kurzen Längen zur Verfügung stehen. Das liegt daran, daß die den Innenleiter umgebende Polymerschicht in bisheriger Technik in der fertigen Leitung etwa um den Faktor 4 gereckt werden muß, um eine Ausrichtung der molekularen Dipole im PVDF zu erreichen, die den piezoelektrischen Effekt bewirken. Es wird dabei davon ausgegangen, daß mit herkömmlichen Methoden nur PVDF erzeugt werden kann, das überwiegend α-Anteile aufweist, die bei der Herstellung aufgrund ihrer Kristallstruktur eine ungerichtete spontane Polarisation zeigen. Die den piezoelektrischen Effekt aufweisende β-Form des PVDF benötigt eine gerichtete Polarisation. Sie ist nach bisheriger Meinung nur durch Umwandlung aus der α-Form zu gewinnen. Dazu wird das Material, wie weiter oben erwähnt, stark gereckt. Ein solches Verfahren ist daher zur kontinuierlichen Herstellung elektrischer Leitungen mit herkömmlichen Vorrichtungen unter Einsatz herkömmlicher Leiter nicht geeignet.In the known lines, for example, polyvinylidene fluoride - hereinafter referred to as "PVDF" for short - is used as the polymer as the polymer with piezoelectric properties. However, other polymers with these properties are also known, such as polyvinyl fluoride. The cables emit an electrical voltage pulse when subjected to tensile, compressive or torsional loads. They can therefore be used with advantage as sensors, for example in protective fences and electronic circuits. A disadvantage of these lines is that they are only available in relatively short lengths. This is due to the fact that the polymer layer surrounding the inner conductor has to be stretched by a factor of about 4 in the finished line in order to achieve an alignment of the molecular dipoles in the PVDF which bring about the piezoelectric effect. It is assumed that conventional methods can only be used to produce PVDF which predominantly has α components which, because of their crystal structure, have an undirected spontaneous polarization during manufacture. The β- shape of the PVDF with the piezoelectric effect requires directional polarization. According to the previous opinion, it can only be obtained by converting it from the α form. For this, the material is, as mentioned above, strongly stretched. Such a method is therefore not suitable for the continuous production of electrical lines with conventional devices using conventional conductors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine piezoelektrische Leitung in herkömmlicher Technik und unter Verwendung herkömmlicher Leiter hergestellt werden kann.The invention is based on the object Specify the method by which a piezoelectric Conduction using conventional technology and using conventional conductor can be manufactured.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs geschilderten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst,This task is accomplished with a procedure of the beginning solved in accordance with the invention,

- That for the layer to be applied over the inner conductor, a polymer with at least 80% β - parts, remainder a parts and amorphous components, is used, and
- That the line after application of the outer conductor exposed to a high voltage electrical field becomes.

Bei diesem Verfahren wird für das die piezoelektrische Eigenschaft aufweisende Polymer ein Ausgangsmaterial verwendet, das durch gezielte Herstellung bereits mindestens 80% Bestandteile der β-Form enthält. Das Ausgangsmaterial weist daher weitgehendst bereits piezoelektrische Eigenschaften auf. Der Piezoeffekt wird durch das abschließend auf die Leitung einwirkende elektrische Feld wesentlich verstärkt, durch welches die β-Anteile in der erforderlichen Polarisation ausgerichtet werden. Das Polymer kann als Pulver oder Granulat vorliegen und dadurch mit herkömmlichen Maschinen beispielsweise extrudiert werden. Da ein Reckprozeß nicht mehr benötigt wird, können für eine elektrische Leitung übliche, beispielsweise aus Kupfer bestehende Leiter verwendet werden. Die Leitung kann dadurch kontinuierlich in beliebiger Länge hergestellt werden. Das wird besonders einfach, wenn alle Schichten - bis auf die Leiter - durch Extrusion erzeugt werden.In this method, a starting material is used for the polymer exhibiting the piezoelectric property, which already contains at least 80% components of the β- form through targeted production. The raw material therefore largely already has piezoelectric properties. The piezo effect is significantly enhanced by the electrical field finally acting on the line, by means of which the β components are aligned in the required polarization. The polymer can be in the form of powder or granules and can thus be extruded, for example, using conventional machines. Since a stretching process is no longer required, conventional conductors, for example made of copper, can be used for an electrical line. As a result, the line can be produced continuously in any length. This becomes particularly easy when all layers - except for the ladder - are created by extrusion.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Advantageous embodiments of the invention are based the subclaims.

Das Verfahren nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung als Ausführungsbeispiel erläutert.The method according to the invention is based on the Drawing explained as an embodiment.

Die in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellte piezoelektrische Leitung weist einen Innenleiter 1 mit einer darüberliegenden inneren Leitschicht 2 auf. Über der inneren Leitschicht 2 ist eine Schicht 3 aus einem Polymer, beispielsweise PVDF, angebracht, das piezoelektrische Eigenschaften hat. Die Schicht 3 ist von einer äußeren Leitschicht 4 umgeben, über welcher ein auch als Schirm bezeichneter Außenleiter 5 angebracht ist. Über dem Außenleiter 5 ist ein aus Isoliermaterial bestehender Mantel 6 aufgebracht.The piezoelectric line shown in the single figure of the drawing has an inner conductor 1 with an inner conductor layer 2 lying thereover. A layer 3 made of a polymer, for example PVDF, is applied over the inner conductive layer 2 and has piezoelectric properties. Layer 3 is surrounded by an outer conductive layer 4 , over which an outer conductor 5, also referred to as a screen, is attached. A jacket 6 made of insulating material is applied over the outer conductor 5 .

Bei diesem Aufbau der Leitung handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform. Bei entsprechender Gestaltung des Innenleiters 1 und des Außenleiters 5 kann auf die innere Leitschicht 2 und die äußere Leitschicht 4 verzichtet werden. Auch der Mantel 6 muß nicht unbedingt vorhanden sein, wenn ein geschlossener Außenleiter 5 verwendet wird. This construction of the line is a preferred embodiment. With a corresponding design of the inner conductor 1 and the outer conductor 5 , the inner conductive layer 2 and the outer conductive layer 4 can be dispensed with. The sheath 6 does not necessarily have to be present if a closed outer conductor 5 is used.

Für die Schicht 3 wird als Polymer vorzugsweise PVDF verwendet. Es enthält bereits in der Schmelze mindestens 80% β-Anteile, Rest α-Anteile und amorphe Bestandteile. Dieses Material weist wegen der hohen Anzahl von β-Anteilen bereits piezoelektrische Eigenschaften auf. Diese Eigenschaft wird bei der abschließenden Behandlung der fertiggestellten Leitung dadurch wesentlich verstärkt, daß die Leitung einem elektrischen Hochspannungsfeld ausgesetzt wird. Durch dieses Hochspannungsfeld werden die Kristalle der β- Form in der gewünschten Polarisation ausgerichtet. Als Hochspannungsfeld kann ein Wechselfeld mit einer Wechselspannung von beispielsweise 40 kV eingesetzt werden. Das entspricht einer Feldstärke von 100 bis 200 kV/mm. Es kann auch ein Gleichfeld mit einer Gleichspannung von beispielsweise 150 kV verwendet werden. Das entspricht einer Feldstärke von 500 bis 600 kV/mm.PVDF is preferably used as the polymer for layer 3 . Already in the melt it contains at least 80% β- parts, remainder α- parts and amorphous components. This material already has piezoelectric properties due to the high number of β components. This property is greatly enhanced in the final treatment of the finished line by exposing the line to a high voltage electrical field. This high-voltage field aligns the crystals of the β form in the desired polarization. An alternating field with an alternating voltage of, for example, 40 kV can be used as the high-voltage field. This corresponds to a field strength of 100 to 200 kV / mm. A direct field with a direct voltage of, for example, 150 kV can also be used. This corresponds to a field strength of 500 to 600 kV / mm.

In bevorzugter Ausführungsform wird für die Schicht 3 ein PVDF verwendet, das bereits über 90% β-Anteile enthält. Das Polymer liegt in Pulver- oder Granulatform vor. Es kann daher beispielsweise einfach mittels eines Extruders auf die innere Leitschicht 2 aufgebracht werden. Es ist jedoch auch möglich, aus dem Polymer zunächst Bänder herzustellen, die dann ohne Überlappung auf die innere Leitschicht 2 aufgewickelt werden.In a preferred embodiment, a PVDF is used for the layer 3 , which already contains over 90% β components. The polymer is in powder or granule form. It can therefore, for example, be easily applied to the inner conductive layer 2 by means of an extruder. However, it is also possible to first produce tapes from the polymer, which are then wound onto the inner conductive layer 2 without overlap.

Das elektrische Hochspannungsfeld wird in bevorzugter Ausführungsform zwischen Innenleiter 1 und Außenleiter 5 angelegt. Es könnte jedoch prinzipiell auch mit jeder anderen geeigneten Anordnung erzeugt werden. Dazu ist beispielsweise eine Ringspule denkbar, durch welche die fertige Leitung hindurchgezogen wird. In a preferred embodiment, the electrical high-voltage field is applied between inner conductor 1 and outer conductor 5 . In principle, however, it could also be produced with any other suitable arrangement. For this purpose, an annular coil is conceivable, for example, through which the finished line is pulled.

Der Innenleiter 1 kann massiv oder rohrförmig ausgeführt sein. Es kann sich auch um einen Litzenleiter handeln. Als Material wird vorzugsweise Kupfer verwendet. Das gilt auch für den Außenleiter 5, der beispielsweise als Folie auf die äußere Leitschicht 4 aufgewickelt werden kann. Als Außenleiter 5 können aber auch ein Geflecht, insbesondere ein mit Kunststoffäden durchsetztes Spargeflecht, oder eine einfache Umseilung verwendet werden.The inner conductor 1 can be solid or tubular. It can also be a stranded wire. Copper is preferably used as the material. This also applies to the outer conductor 5 , which can be wound onto the outer conductive layer 4 , for example as a film. However, a braid, in particular a sparse braid interspersed with plastic threads, or a simple roping can also be used as the outer conductor 5 .

Die beiden Leitschichten 2 und 4 können auf den Innenleiter 1 bzw. die Schicht 3 aufextrudiert werden. Wichtig ist, daß die Leitschichten 2 und 4 einen guten Kontakt mit der Schicht 3 haben, also gut an derselben haften. Die Leitschichten 2 und 4 können aus leitfähig gemachtem Kunststoff bestehen, dem beispielsweise Ruß beigemengt ist. Es können auch rußgefüllte Leitlacke oder Silberlacke oder Compounds daraus verwendet werden.The two conductive layers 2 and 4 can be extruded onto the inner conductor 1 and the layer 3, respectively. It is important that the conductive layers 2 and 4 have good contact with the layer 3 , that is to say they adhere well to the same. The conductive layers 2 and 4 can consist of plastic made conductive, for example soot is added. Soot-filled conductive lacquers or silver lacquers or compounds thereof can also be used.

Für den gegebenenfalls aufzubringenden Mantel 6 kann jeder für solche Mäntel bekannte Isolierstoff verwendet werden. Geeignet sind beispielsweise Polyvinylchlorid, Polyethylen oder Polyurethan. Der Mantel 6 wird vorzugsweise auf den Außenleiter 5 aufextrudiert. Das für den Mantel 6 verwendete Material kann auch vernetzbar sein, wenn verbesserte mechanische und thermische Eigenschaften gewünscht werden.Any insulating material known for such sheaths can be used for the sheath 6 that may be applied. For example, polyvinyl chloride, polyethylene or polyurethane are suitable. The jacket 6 is preferably extruded onto the outer conductor 5 . The material used for the jacket 6 can also be crosslinkable if improved mechanical and thermal properties are desired.

Claims

1. A method for producing a piezoelectric line, with which a layer of an α and β component containing polymer, which has piezoelectric properties and an outer conductor is applied over it, to an inner conductor, characterized in that

- that a polymer α to be applied to the inner conductor (1) layer (3) having at least 80% β -Anteilen, rest - units and amorphous components is used, and
- That the line after application of the outer conductor ( 5 ) is exposed to an electrical high-voltage field.

2. The method according to claim 1, characterized in that a polymer with over 90% β- parts, the rest α- parts and amorphous components, is used.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical high-voltage field between the inner conductor ( 1 ) and outer conductor ( 5 ) is applied.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that as High voltage field uses an alternating field becomes.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that as High voltage field uses a DC field becomes.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that an inner conductive layer ( 2 ) is applied to the inner conductor ( 1 ) before applying the layer ( 3 ) made of piezoelectric material.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that an outer conductive layer ( 4 ) is applied to the layer ( 3 ) made of piezoelectric material before application of the outer conductor ( 5 ).

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the polymer his pad is extruded.

9. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the polymer in Band shape in at least one layer on its Underlay is wrapped.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the inner conductive layer ( 2 ) is wound as an electrically conductive film on the inner conductor ( 1 ).

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the outer conductive layer ( 4 ) is wound as an electrically conductive film on the layer ( 3 ) made of piezoelectric material.

12. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the inner ( 2 ) and / or the outer conductive layer ( 4 ) are produced by extrusion.

13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that a jacket ( 6 ) made of insulating material is attached over the outer conductor ( 5 ).

14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that cross-linkable insulating material is used for the jacket ( 6 ).