DE3940619A1 - Elektrostriktive stellantriebe - Google Patents
Elektrostriktive stellantriebeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft das Gebiet keramischer Stellantriebe und
Kondensatoren und bezieht sich insbesondere auf einen
Keramikkondensator oder -stellantrieb mit verbesserten
mechanischen Eigenschaften und bei Verwendung als Stellantrieb
mit verbesserten Dehnungseigenschaften und verbessertem
Bruchwiderstand nach wiederholten Verwendungszyklen. Noch
genauer ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur
Herstellung eines Stellantriebs oder Kondensators des
beschriebenen Typs gerichtet. Bequemlichkeitshalber wird auf
das Verfahren und den Gegenstand der vorliegenden Erfindung als
Keramikstellantrieb oder -antriebe Bezug genommen. Dieser
Ausdruck, wie er hier verwendet wird, soll Keramikkondensatoren
umfassen.
Stellantriebe, die aus elektrostriktiven Elementen bestehen,
sind in der Industrie wohlbekannt und werden u.a. in
Druckerköpfen von Impaktdruckern, den krafterzeugenden
Elementen von Relais und als Mittel zur Biegung oder Bildung
optischer Oberflächen verwendet, um deren Charakteristiken zu
ändern. Solche Stellantriebe können die Form von zwei oder mehr
Keramikschichten und im allgemeinen einer Vielzahl von solchen
Schichten annehmen, wobei zwischen den Schichten
Elektrodenbereiche vorgesehen sind. Um die Verbindung der
Elektroden der gleichen Polarität ohne einen Kurzschluß
zwischen den Elektroden benachbarter Schichten zu erleichtern,
ist es (für Kondensatoren oder Stellantriebe) allgemein üblich,
einen Stapel grüner Keramikfilme zu bilden, in denen die
Elektrodenbereiche entgegengesetzter Polaritäten an
unterschiedlichen Oberflächen des Stapels austreten. So können
im Falle eines rechteckförmigen Stellantriebs Elektroden einer
ersten Polarität an der linken Seite des Stapels freiliegen und
dazwischenliegende Elektroden entgegengesetzter Polarität
können auf der rechten Seite des Stapels austreten. Um die
Bildung elektrischer Verbindungen zwischen Elektroden derselben
Polarität zu erhohen, ist es allgemein üblich, den den Stapel
bildenden Film mit Elektrodenmaterial zu beschichten, so daß
der Elektrodenbereich sich bis zu einem Rand des Stapels
erstreckt, jedoch kurz vor dem entgegengesetzten Rand des
Stapels endet. Da der sich ergebende Stapel Elektroden von nur
einer Polarität an jeder der betreffenden beiden Seiten
freilegt, ist es möglich, einen leitenden Abschluß auf die
Gesamtheit der beiden Seiten aufzubringen, wobei der Abschluß
den elektrischen Kontakt zu den freiliegenden Elektroden
herstellt, jedoch wegen des Vorhandenseins unelektrodierter
Keramikbereiche zwischen freiliegenden Elektroden von den
Elektroden entgegengesetzter Polarität isoliert ist.
Während die beschriebene Struktur im wesentlichen für alle von
der Industrie verwendeten Keramikmehrschichtkodensatoren
typisch ist, haben Geräte des beschriebenen Typs insbesondere
da Nachteile ein, wo sie als Stellantriebe, d.h. wegen ihrer
elektrostriktiven Eigenschaft, verwendet werden, jedoch auch
da, wo sie bei konventionellen Kondensatoranwendungen
eingesetzt werden. Der Nachteil ergibt sich insbesondere aus
der Tatsache, daß der fertiggestellte Stellantrieb eine
Keramik-Keramik-Überbrückungsverbindung zwischen benachbarten
dielektrischen Schichten in den Bereichen einschließt, wo kein
Elektrodenmaterial zwischen den Schichten vorhanden ist.
Es hat sich herausgestellt, daß die
Schicht-Schicht-Keramikbindung die Fähigkeit des Keramikgeräts,
sich in einer Richtung senkrecht zur Ebene der dielektrischen
Schichten auszudehnen, drastisch einschränkt oder behindert.
Zusätzlich haben in Übereinstimmung mit den beschriebenen
konventionellen Verfahren hergestellte Stellantriebe eine große
Neigung gezeigt, nach längerer Verwendung zu reißen oder sich
zu spalten. Die Spalttendenz liegt auch bei nicht als
Stellantrieben eingesetzten Keramikkondensatoren vor; eine
Tendenz, von der angenommen wird, daß sie aus der Tatsache
resultiert, daß im wesentlichen alle Keramikzusammensetzungen
in einem gewissen Maße elektrostriktive Eigenschaften haben und
daher Maßänderungen unterworfen sind, wenn Spannungen angelegt
werden.
Um die hemmenden Einflüsse der sich von Schicht zu Schicht
überbrückenden Keramikbereiche zu verhindern und gleichzeitig
Mittel zum Abschließen des Stellantriebs zu schaffen, sind im
Stand der Technik Lösungen vorgeschlagen worden, die, obwohl
wirksam, in wirtschaftlichem Maßstab schwer zu realisieren sind.
Die US-PS 45 23 121 beschreibt ein elektrostriktives
Mehrschichtgerät mit gesteigerten Dehnungseigenschaften, das
zum Widerstand gegen wiederholte Impulsgabe fähig ist. Diese
Vorveröffentlichung erwähnt den beschränkenden Einfluß von
Keramikbrückenbereichen zwischen dielektrischen Schichten und
schlägt als Lösung die Bildung eines im wesentlichen
konventionellen elektrostriktiven Gerätes vor, das durch
Wegschneiden der überbrückenden Keramikbereiche zwischen
benachbarten Schichten durch die Verwendung eines
Diamantschneiders verändert ist (Spalte 11, Zeilen 3 ff.). Die
erwähnte Vorveröffentlichung schägt auch vor, den
Stellantriebsbasisblock so zu bilden, daß sich die Elektroden
beider Polaritäten bis zu den äußersten Rändern des Blocks
erstrecken, danach Isolierbereiche in Übereinstimmung mit den
Randteilen von abwechselnden Schichten auf entgegengesetzen
Seiten des Blocks aufzubringen und danach einen Abschluß über
den Isolierbereichen zu bilden.
Die US-PS 46 81 667 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung
eines elektrostriktiven Geräts durch die Bildung eines
Monolithen aus abwechselnden Keramik- und Elektrodenschichten.
Elektroden einer ersten Polarität werden elektrisch verbunden
und das Gerät in ein Bad eingetaucht, das geladene
Glasisolierpartikel enthält, die an die freiliegenden
Teile der Elektroden, entfernt von der ursprünglichen
Verbindung, angezogen werden. Das Verfahren wird mit den
Elektroden entgegengesetzter Polarität wiederholt, wodurch auf
entgegengesetzten Teilen des Monolithen Oberflächen gebildet
werden, in der nur Elektroden einer bestimmten Polarität
freiliegen. Danach können Abschlüsse auf den Oberflächen
aufgebracht werden, ohne daß zu befürchten wäre, daß
Abschlußmaterial Elektroden entgegengesetzter Polarität
kurzschließt.
Wie bei einer Überprüfung der erwähnten vorbekannten Geräte
offensichtlich wird, sind die vorgeschlagenen Lösungen von
zweifelhafter wirtschaftlicher Lebensfähigkeit. In Anbetracht
der Tatsache, daß die dielektrischen Schichten weniger als 1 mm
dick sein können und daß eine große Anzahl von Schichten in
einem einzigen Stellantrieb verwendet werden können, stellt
die Fähigkeit, Abschnitte mit einer Diamentsäge zu bilden oder
Isolierung genau aufzustreichen oder Isoliermaterialien in
genauer Übereinstimmung mit Elektroden auf entgegengesetzten
Seiten des Monolithen aufzutragen, offensichtlich einen
beträchtlichen Arbeitsaufwand dar und resultiert in einem
erheblichen Kostenanstieg.
Andere Vorveröffentlichungen, die bei einer Recherche nach dem
Stand der Technik gefunden und von von begrenzter oder keiner
Relevanz sind, schließen die folgenden US-Patente ein:
Nr. 46 67 127, 19.05.1987,
Nr. 46 54 546, 31.03.1987,
Nr. 45 27 082, 02.07.1985,
Nr. 39 67 027, 29.06.1976,
Nr. 39 43 614, 16.03.1976,
Nr. 39 40 974, 02.03.1976,
Nr. 32 76 031, 27.09.1966,
Nr. 24 78 223, 09.08.1949.
Nr. 46 67 127, 19.05.1987,
Nr. 46 54 546, 31.03.1987,
Nr. 45 27 082, 02.07.1985,
Nr. 39 67 027, 29.06.1976,
Nr. 39 43 614, 16.03.1976,
Nr. 39 40 974, 02.03.1976,
Nr. 32 76 031, 27.09.1966,
Nr. 24 78 223, 09.08.1949.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur
Herstellung eines Stellantriebs, der keine Verbindung von
Dielektrikum zu Dielektrikum zwischen benachbarten Schichten
hat. Das erfindungsgemäße Verfahren schafft ein wirtschaftlich
und kaufmännisch ausführbares Mittel zur Bildung eines
Stellantriebs des beschriebenen Typs, bei dem Elektroden
entgegengesetzter Polarität an entgegengesetzten Flächen des
Keramikmonolithen freiliegen, wodurch ein Abschluß auf der
Gesamtheit dieser Flächen aufgebracht werden kann, ohne daß ein
Kurzschluß von Schichten entgegengesetzter Polarität zu
befürchten ist. Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt
erstmalig ein praktisches Mittel zur Bildung eines keramischen
elektrostriktiven Stellantriebs, worin eine große Anzahl von
dünnen dielektrischen Schichten vorhanden ist.
Insbesondere betrifft das erfindungsgemäße Verfahren die
Schaffung einer Anzahl von Schichten "grünen" Keramikmaterials,
die mit einem Muster von Bereichen von elektrodenbildenden
Materialien und anderen Bereichen von
"Pseudo-Elektroden"-bildendem Material bedruckt werden. Der
Ausdruck "Pseudo-Elektrode", wie er hier verwendet wird, soll
sich auf ein Material beziehen, das eine Volumenvergrößerung
bringt, um einen Teiler zu schaffen, und das im Laufe der
Herstellung des Keramikmonolithen einer Verflüchtigung
unterworfen ist. Pseudo-Elektroden-Tinten sind an sich z.B. aus
der US-PS 36 79 950 bekannt.
In Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auf
die grünen Keramikträger z.B. durch Seidenrasterdruck o.ä. eine
metalliserte Tinte, d.h. eine Platin- oder Palladium-Partikel
enthaltende Tinte aufgedruckt. Die metalliserte Tinte erstreckt
sich bis zu mindestens einem Rand des Trägers. Der restliche
Träger ist mit einer Pseudo-Elektroden bildenden Tinte
bedruckt, wobei die Pseudo-Tinte sich bis zu mindestens einem
anderen Rand des Trägers erstreckt. Eine Vielzahl der Träger
aus grüner bedruckter Keramik wird so gestapelt, daß die Kanten
der metallisierten Elektrodenschichten der ungeradzahligen
Träger an einer ersten Oberfläche des Stapels und die
metallisierten Elektrodenkanten der dazwischenliegenden
Schichten an einer zweiten Kantenoberfläche des Stapels
freiliegen. Zwischen jedem Paar von freiliegenden Endteilen der
metallisierten Elektroden ist ein Teil eines Trägers
angeordnet, auf dem Pseudo-Elektroden-Materialien an der Kante
freiliegen und sich über eine Strecke nach innen gegen das
Innere des Stapels erstrecken.
Nach dem Ausbrennen und Sintern des Stapels wird das
Pseudo-Elektroden-Material ausgetrieben mit dem Ergebnis, daß
die beiden erwähnten Oberflächen des Stapels aus freiliegenden
Elektroden derselben Polarität mit sich dazwischen befindlichen
Hohlräumen in dem Bereich, der vorher durch das
Pseudo-Elektroden-Material eingenommen wurde, bestehen. Als
Ergebnis kann ein leitender Abschluß auf den erwähnten
Oberflächen aufgebracht werden, wobei der Abschluß nur mit
Elektroden einer bestimmten Polarität Kontakt herstellt. Da das
Abschlußmaterial nicht in den Bereichen der Hohlräume in das
Innere des Stapels eindringt, kann das Abschlußmaterial mit
Elektroden entgegengesetzter Polarität nicht kurzschließen. Da
das Pseudo-Elektroden-Material zusätzlich einen Hohlraum im
Bereich zwischen benachbarten dielektrischen Trägern läßt,
besteht keine bedeutende Bindung zwischen den Trägern, wodurch
die benachbarten dielektrischen Schichten sich ohne Behinderung
ausdehnen können.
Der sich ergebende Stellantrieb wird sich mit einem Faktor von
20% oder mehr des Ausdehnungsbetrages ausdehnen, der verfügbar
wäre, wenn die benachbarten Schichten in
Keramik-Keramik-Verbindung sein würden.
Ein wesentlicher Vorteil eines nach dem erwähnten Verfahren
hergestellten Stellantriebs oder Kondensators ist, daß das
Gerät an den Spaltlinien zwischen Schichten viel stärker
bruchbeständig ist. Das beruht darauf, daß die unverbundenen
Schichten frei von der Tendenz sind, sich zu biegen oder zu
krümmen, wenn sie angelegten Spannungen ausgesetzt werden, wie
es der Fall bei konventionellen Stellantrieben oder
Kondensatoren ist, bei denen die Kantenteile fest verbunden
sind und die mittleren Teile, worin die Elektroden fluchten,
expandieren können.
Die Erfindung ist weiterhin auf einen Herstellungsgegenstand
aus einem in Übereinstimmung mit dem vorstehend beschriebenen
Verfahren gebildeten grünen Keramikstapel gerichtet.
Es ist demnach ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur
Herstellung von Mehrschichtkeramikstellantrieben und
-kondensatoren zu schaffen, die im wesentlichen frei von
Keramik-Keramik-Verbindungen in benachbarten Schichten sind und
die einfach durch konventionelle Abschlußtechniken
abgeschlossen werden können. Ein weiteres Ziel der Erfindung
ist die Schaffung eines Verfahrens der beschriebenen Art, das
einfach in wirtschaftlichem Maßstab realisiert werden kann.
Fig. 1 stellt eine schematische Ansicht im Grundriß
eines Paars grüner, erfindungsgemäß mit einer
Kombination aus elektrodenbildender Tinte und
Pseudo-Elektroden-Tinte beschichteter
Keramikträger dar;
Fig. 2 ist ein schematischer Schnitt durch einen Stapel
der Träger, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind;
Fig. 3 ist ein ähnlicher Schnitt wie Fig. 2 und zeigt
den Stapel der Fig. 2 nach dem Ausbrennen und
Sintern;
Fig. 4 ist ein ähnlicher Schnitt wie Fig. 2 und 3 nach
dem Aufbringen von Abschlüssen.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die schematischer Natur
sind, wird in Fig. 1 ein Paar von grünen Keramikträgern 10, 11
gezeigt, die im wesentlichen gleiche Abmessungen haben. Der
Fachmann wird erkennen, daß die Träger 10, 11 in der
kaufmännischen Praxis aus Segmenten eines größeren Trägers oder
Bands aus grüner Keramik bestehen, wobei der Träger oder das
Band gleichzeitig mit einer Vielzahl von Druckbereichen
bedruckt worden ist, aus denen Träger, wie die Träger 10 und
11, ausgestanzt und nachfolgend gestapelt werden.
In Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden
die Träger mit einem Elektrodenmuster bedruckt, wobei der
Bereich 12 der Träger mit einer im nachstehenden genauer
beschriebenen konventionellen Elektrodentinte bedruckt ist,
die jedoch im Grunde aus einem Lösungsmittel, einem Bindemittel
und aus reinem Metall, wie Platin, Gold oder Palladium,
besteht, das die hohen Sintertemperaturen aushält.
Es ist augenscheinlich, daß die Träger 10, 11 identisch, jedoch
zueinander spiegelbildlich sind. Die elektrodenbildende
Tintenkomponente 12 erstreckt sich bis zu einem Kantenrand 13
des Trägers 10 und bis zum entgegengesetzten Kantenrand 14 des
Trägers 11. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der restliche, die
Elektrodenbereiche 12 umgebende Bereich der Träger 10 und 11 im
allgemeinen U-förmig, wie bei 15 gezeigt, wobei die U-förmigen
Bereiche 15 mit einer Pseudo-Elektroden bildenden
Tintenzusammensetzung 16 beschichtet sind. Geeignete
Pseudo-Tinten-Rezepturen sind aus Patentschriften, wie der
US-PS 36 79 950, bekannt, die die Bildung eines Kondensators
mittels eines Verfahrens behandelt, durch das Hohlräume
innerhalb eines Keramikmonolithen unter Verwendung von
Pseudotinte gebildet und danach die Hohlräume mit geschmolzenem
Blei gefüllt werden, um Elektroden zu definieren. Die
Pseudo-Elektroden-Tinte, die im allgemeinen aus organischen
Materialien besteht, die in einer erhitzten Umgebung
ausbrennen, gewährleistet, daß Hohlräume zwischen den
Keramikschichten nach dem Sintern vorhanden sind.
Während die entsprechenden, wie in Fig. 1 offenbarten
Beschichtungen gezeigt worden sind, als enthielten sie einen
mittleren Bereich 12, der mit elektrodenbildender Tinte
beschichtet ist, und einen im allgemeinen U-förmigen
Umgebungsbereich 15, der mit Pseudotinte 16 beschichtet ist,
sollte eingesehen werden, daß die Geometrie der Beschichtungen
geändert werden kann. Insbesondere kann sich der
Elektrodentintenbereich 12 über die Gesamtheit des Trägers
erstrecken, anstatt durch einen im Grundriß U-förmigen
Pseudoelektrodenbereich umgeben zu sein. Alles was für die
zufriedenstellende Nutzung des Verfahrens erforderlich ist,
ist, daß der Elektrodenbereich 12 sich bis zu einem Rand 13 der
Träger und der Pseudoelektrodenbereich sich bis zu einem
separaten Rand, d.h. 17, der Träger erstreckt. Alternative
geometrische Anordnungen der Elektrodentinte und
Pseudoelektrodentinte bieten sich dem Fachmann ohne weiteres
an. Beispielsweise und ohne Beschränkung wäre es möglich, einen
Stellantrieb in Zylinderform mit einer durchgehenden mittleren
Öffnung zu gestalten. In dieser Ausgestaltung können die
ungeradzahligen Träger Elektrodentinte aufweisen, die sich von
der mittleren Öffnung gegen den Umfang erstrecken, jedoch kurz
vor dem Umfang enden, wohingegen die geradzahligen Träger
Elektrodenbereiche haben würden, die sich vom Umfang gegen die
mittlere Öffnung erstrecken, jedoch kurz davor enden. In allen
Fällen sind die nicht durch Elektrodentinte bedeckten Träger
mit Pseudoelektrodentinte bedeckt.
Zurückkehrend zur Geometrie des dargestellten
Ausführungsbeispiels, wird in Fig. 2 ein Stapel von Trägern 10
und 11 gezeigt, die so angeordnet sind, daß die Ränder 13
abwechselnder Schichten sich bis zu einer Endoberfläche 18 und
der Rand 14 des sich zwischen den abwechselnden Trägern
befindlichen Trägers sich bis zu einer entgegengesetzten
Oberfläche (19) des Stapels erstreckt. Es wird weiterhin
bemerkt werden, daß der sich ergebende Stapel Ränder 17 mit
freiliegender Pseudo-Tinte einschließt, die zwischen jedem der
Ränder 13 oder 14 angeordnet sind, und Elektrodenmaterialien an
den jeweiligen Seiten 18 und 19 des Stapels freiliegen.
In Fig. 3 wird die Ausgestaltung eines fertiggestellten, als
Ergebnis des Sinterns des grünen Keramikstapels der Fig. 2
gebildeten Stellantriebs offenbart. Wie aus Fig. 3 ersichtlich,
liegen Kantenteile 20 der ungeradzahligen Elektroden 21 am Ende
18 des Stellantriebs und Kantenteile 22 der geradzahligen
Elektroden 23 an den Enden 19 des Monolithen frei. Infolge der
Verdampfung der Pseudo-Tinten-Komponenten ergeben sich
Hohlräume 24 an den Enden des Monolithen zwischen den
freiliegenden Enden 20 und 22 der Elektroden.
Wie in Fig. 4 gezeigt, können danach leitende Abschlüsse 25, 26
über den jeweiligen Enden 18, 19 des Monolithen aufgebracht
werden, wobei die Abschlüsse mit den Elektroden nur einer
einzigen Polarität Kontakt herstellen. Der Abschluß 25
verbindet folglich die ungeradzahligen Elektroden 21,
wohingegen der Abschluß 26 mit den geradzahligen Elektroden 23
verbunden ist.
Wahlweise können die jeweiligen Seiten 18 und 19 des Monolithen
bearbeitet werden, um vor Aufbringung des Abschlusses
Isoliermaterialien 27 in die Hohlräume 24 zu injizieren.
Normalerweise ist jedoch die Verwendung von Isoliermaterial,
wie z.B. Elastomere oder Expoxide, wegen der Tiefe der
Hohlräume 24 nicht erforderlich.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt in der Tatsache,
daß infolge der Verdampfung der Pseudo-Elektroden bildenden
Tinte sich kein erwähnenswerter Keramik-Keramik-Kontakt
zwischen benachbarten dielektrischen Schichten ergibt. Das
Fehlen eines solchen überbrückenden Keramikkontaktes zwischen
Schichten erlaubt es dem fertiggestellten Stellantrieb, ohne
Behinderung in einer Richtung senkrecht zur Ebene des
Dielektrikums und der Elektroden zu expandieren. Im Versuch hat
sich herausgestellt, daß das Fehlen von überbrückenden
Keramikbereichen zwischen benachbarten dielektrischen
Oberflächen eine Expansion des Stellantriebs mit einem Faktor
von 20% oder noch größer mit der gleichen Eingangsspannung
erlaubt, als es der Fall bei konventionellen Stellantrieben
ist. Ein weiterer Vorteil der in Übereinstimmung mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Stellantriebe liegt
in der größeren Bruchfestigkeit nach wiederholter Impulsgabe.
Es wird angenommen, daß die erhöhte Lebensdauer der in
Übereinstimmung mit der Erfindung gefertigten Stellantriebe aus
der Tatsache herleitbar ist, daß die dielektrischen Schichten
im Gegensatz zu konventionellen Stellantrieben, bei denen die
Kantenteile durch einen Keramik-Keramik-Kontakt
behindert werden und die mittleren Teile nach der Anlegung von
Spannungen expandieren, einer minimalen Biegung oder Krümmung
unterworfen sind. Es sollte angemerkt werden, daß es beim
Sintervorgang der inneren Natur entspricht, daß ein
gelegentlicher Stiel oder ein Korn sogar in den Bereichen, die
vorher von der Pseudo-Elektroden-Tinte eingenommen wurde, von
einer Schicht zur nächsten durchwächst. Das Vorhandensein
solcher gelegentlicher Stiele beeinträchtigt jedoch nicht
wesentlich die Fähigkeit der dielektrischen Schichten, sich
relativ zueinander in einer Richtung senkrecht zur Ebene
solcher Schichten zu verschieben, und die durch solche
gelegentlichen Stiele verursachte Behinderung einer solchen
Expansion ist minimal.
Nachfolgend werden Einzelheiten der bei der Herstellung der
erfindungsgemäßen Stellantriebe verwendeten Rezepturen und
Behandlungsschritte beschrieben. Es sollte jedoch angemerkt
werden, daß das Verfahren unter Verwendung von Materialien
durchgeführt wird, die alle im Stand der Technik bekannt sind,
einschließlich insbesondere die dielektrischen Rezepturen und
Verfahren zu ihrer Herstellung, die Pseudo-Tinten-Rezepturen,
die Elektroden-Tinten-Rezepturen und die Abschlußrezepturen und
Aufbringungsweise. Als Beispiel und ohne Einschränkung wird
eine bevorzugte Verfahrensweise wie folgt durchgeführt:
Eine Dielektrikummaterialmasse wurde wie folgt zusammengesetzt
(alle angegebenen Werte als Gewichtsprozente):
68,2% Bleioxid (PbO),
27,4% Kolumbit (MgNb2O6),
1,2% Bariumkarbonat (BaCO₃) (Bindemittel),
3,4% Titan (TiO2) (Bindemittel).
27,4% Kolumbit (MgNb2O6),
1,2% Bariumkarbonat (BaCO₃) (Bindemittel),
3,4% Titan (TiO2) (Bindemittel).
Die Ingredienzien werden gemischt und auf eine
Durchschnittspartikelgröße von 1 µ gemahlen und mit einer
Lösungsmittel- und einer Bindemittelrezeptur der folgenden
Zusammensetzung gemischt:
1,75% Fischöl,
12,93% Xylol,
8,24% Äthanol,
2,44% Polyvinylbutyrol,
2,71% UCON-2000 (Union Carbide),
2,25% PX-316 (Aristec).
12,93% Xylol,
8,24% Äthanol,
2,44% Polyvinylbutyrol,
2,71% UCON-2000 (Union Carbide),
2,25% PX-316 (Aristec).
Das vorbeschriebene organische Trägersystem ist nur
repräsentativ und kann, wie im Stand der Technik bekannt,
variiert werden. Die Partikelmaterialien und das Bindemittel
werden gemischt, um eine viskose Flüssigkeitszusammensetzung zu
bilden, deren Viskosität in Übereinstimmung mit der Dicke des
zu gießenden Bandes variiert werden kann. Auf einen Riemen, der
unter einer Rakel oder Rakeln durchläuft, wird ein Band mit/bis
zu einer Dicke von im wesentlichen 203 µ gegossen. Nachdem
überschüssige Lösungsmittel verdampft sind, wird das Band unter
Verwendung von Elektrodentinten und Pseudotinten mit den
beschriebenen Mustern bedruckt. Die Zusammensetzung der
jeweiligen Tinten ist nicht kritisch; eine geeignete
Elektrodentinte ist Nr. RW301 der Johnson-Matthey Corporation.
Eine geeignete Pseudotinte oder unbeständige Tinte wird in der
vorerwähnten US-PS 36 79 950 angegeben. Eine geeignete
Pseudotinte kann aus einem Medium durch Mischung von 80 ml
Pinienöl, 14 g Acrylharz und 1,5 g Lecithin hergestellt werden.
16 g dieser Mischung werden mit 12 g der vorstehend angegebenen
kalzinierten Keramikrezeptur (Durchschnittspartikelgröße ca. 4 µ),
4 g Druckerschwärze und 1,5 g Äthylzellulose vermengt.
Cap-Stoddard-Lösungsmittel oder ein vergleichbares
Lösungsmittel wird zugefügt, bis eine zum Drucken geeignete
Viskosität erreicht ist.
Die Herstellungsverfahren sind konventionell und schließen die
Auftragung von Elektrodentinte durch ein Maschenraster ein, das
in Übereinstimmung mit der Größe und Positionierung der
mehrfachen Elektrodenbereiche gemustert ist. Die
Elektrodentinte kann dann trocknen, und der Träger wird unter
Verwendung einer Maske überdruckt, die ein Negativ der Maske
ist, die verwendet wurde, um die Elektrodentinte aufzubringen.
Eine Anzahl Träger, jeder mit einer Vielzahl von bedruckten
Bereichen, wird fluchtend gestapelt, und der Stapel wird bei
ca. 65°C und ca. 1500 pounds per square inch (10.547×10-2
kp/cm2) laminiert. Der Stapel wird aus der Presse genommen, und
er kann abkühlen. Danach wird der Stapel in Würfel geschnitten,
um aus den gestapelten Reihen großer Träger eine Vielzahl von
einzelnen grünenen Stellantrieben, wie in Fig. 2 dargestellt,
zu bilden. Die einzelnen Einheiten werden getrennt und einem
Ausbrennvorgang unterworfen, bei dem sie 24 Stunden lang einer
sich zunehmend erhöhenden Temperatur ausgesetzt werden, wobei
die Höchsttemperatur 500°C ist. Die Teile werden bei einer
Höchsttemperatur von 1150°C 3 Stunden lang in einem Sinterofen
gebrannt.
Die Endoberflächen der Teile werden nach dem Abkühlen mit
irgendeiner aus einer Reihe konventioneller
Silber-Glasfritte-Zusammensetzungen bekannter Zusammensetzung
abgeschlossen. Eine repräsentative geeignete Zusammensetzung
ist Dupont 6134. Danach wird die Fritte in einem Ofen während
eines ca. halbstündigen Arbeitsgangs, wovon drei Minuten bei
der Höchsttemperatur von 750°C, gebrannt. Auf die
fertiggestellten Stellantriebe wird danach Blei aufgelötet oder
eine Lötbeschichtung aufgetragen in Abhängigkeit von dem
beabsichtigten Endverwendungszweck und der Ausgestaltung. Die
Stellantriebe können, wieder in Abhängigkeit davon, ob das
Endprodukt als Kondensator oder Stellantrieb verwendet werden
soll, z.B. durch Einkapseln in eine Epoxy- oder
Elastomer-Matrix weiterbehandelt werden.
Alternative Abschlüsse, wie z.B. leitende Polymere oder
Elastomere, können dort verwendet werden, wo eine extreme
Expansion oder häufiges Schwingen zu erwarten ist.
Wie aus der vorhergehenden detaillierten Beschreibung eines
besonderen Ausführungsbeispiels ersichtlich, sind die Auswahl
der Rezepturen fur das Dielektrikum, die Elektrodentinte oder
-paste, die unbeständige "Pseudo-Elektroden"-Tinte und die
Abschlußmaterialien sowie die Art und Weise ihrer Herstellung
im Stand der Technik wohlbekannt. Die vorliegende Erfindung
liegt in der Idee der Verwendung der Kombination einer
Elektrodentinte und einer Pseudo-Elektrodentinte in der Art und
Weise, ein monolithisches Gerät zu schaffen, bei dem
Elektroden entgegengesetzer Polarität von unterschiedlichen
Oberflächen des Monolithen ausgehen, bei dem Hohlräume zwischen
Elektroden gleicher Polarität vorhanden sind und bei dem die
dielektrischen Schichten im wesentlichen nicht miteinander
verbunden sind, wobei die einzige bedeutsame Verbindung
zwischen solchen Schichten ist, die durch die Elektroden
verbundene Bereiche darstellen.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich, werden dem
mit der vorliegenden Offenbarung vertraut gemachten Fachmann
zahlreiche Variationen in Geometrie-, Rezeptur- und
Aufbaueinzelheiten einfallen. Daher ist die Erfindung innerhalb
des Umfangs der beigefügten Ansprüche weit auszulegen.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung eines
Mehrschichtkeramikstellantriebs oder -kondensators,
umfassend die Schritte
- - eine Vielzahl von grünen Keramikträgern gleicher Größe zu schaffen,
- - eine Oberfläche der Träger mit einer Beschichtung zu versehen, die diskrete Bereiche elektrodenbildender und Pseudo-Elektroden-Tinte enthält, wobei die Elektrodentintenbereiche sich bis zumindest einem ersten Rand der Träger und die Pseudoelektrodentintenbereiche sich bis zumindest einem zweiten Rand der Träger erstrecken,
- - einen Stapel aus einer Vielzahl der Träger zu bilden, so daß die ersten Ränder abwechselnder Schichten an einer ersten Oberfläche des Stapels und die ersten Ränder der sich zwischen den abwechselnden Schichten befindlichen Schichten an einer zweiten Oberfläche des Stapels freiliegen, wobei die zweiten Ränder sich an den Oberflächen zwischen den ersten Rändern befinden,
- - danach den Stapel zu erwärmen und zu sintern
- - und danach leitende Abschlüsse jeweils auf den ersten und zweiten Oberflächen anzubringen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die
Verwendung von Pseudotinte aus Materialien, die in
Reaktion auf den Erwärmungsschritt verdampfen, um dadurch
im wesentlichen leere Räume zwischen den Schichten in den
früher durch die Pseudotintenbereiche eingenommenen
Bereichen zu schaffen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den
Schritt, Isoliermaterial in die den ersten und zweiten
Oberflächen benachbarten Hohlräume einzuführen, bevor die
leitenden Abschlüsse auf die Oberflächen aufgebracht
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die
Verwendung von Trägern, die im allgemeinen rechteckig im
Grundriß sind, wobei die Bereiche der
Pseudo-Elektroden-Tinte sich bis zu drei Rändern der
Träger erstrecken.
5. Stellantrieb oder Kondensator, hergestellt aus einer
Vorform nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Stapel aus
einer Vielzahl von gleichgroßen grünen Keramikträgern,
wobei ein erster Oberflächenbereich der Träger mit
elektrodenbildendem Material beschichtet wird, das sich
bis zu einem ersten Rand der Träger erstreckt, und
restliche Bereiche der Oberfläche mit
Pseudoelektrodentinte beschichtet werden, wobei die
Pseudotintenbereiche sich bis zumindest einem zweiten
Rand der Träger erstrecken und wobei die Träger im Stapel
so angeordnet sind, daß die ersten Ränder abwechselnder
Träger an einer ersten Oberfläche des Stapels freiliegen
und die ersten Ränder der sich zwischen den abwechselnden
Schichten befindlichen Schichten an einer zweiten
Oberfläche des Stapels freiliegen, wobei die zweiten
Ränder sich zwischen den ersten Rändern der Oberflächen
befinden.
6. Artikel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich
die Pseudo-Tinten-Bereiche bis zu allen Rändern der
Träger, ausgenommen die ersten Ränder, erstrecken.
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