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Verfahren zur Herstellung elektrischer Kondensatoren Die Erfindung
betrifft elektrische Kondensatoren, welche aus dünnen Schichten aus Metall und dielektrischem
Werkstoff, die auf- oder ineinandergeschichtet sind, bestehen, wobei wenigstens
zwei Schichten jeder Art vorhanden sind und zwischen zwei Metallschichten eine verhältnismäßig
große Kapazität in kleinem Raum hervorgerufen wird. Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren,
bei welchem die Schichten spiralförmig auf einer geeigneten Grundlage mittels eines
Niederschlagverfahrens aufgebaut werden, welches die Herstellung von sehr dünnen
Schichten, falls solche erwünscht sind, zuläßt. Der Niederschlag wird in einem hohen
Vakuum bewirkt. Beim neuen Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung wird ein Halteelement
aus Isolierstoff mit Metallendstücken, beispielsweise ein Zylinder mit Metallkappen,
um seine Achse in einer Vakuumkammer in der Nähe verschiedener Aufdampfvorrichtungen
gedreht, durch welche Metall und Dielektrikum in sehr fein verteilter Form niedergeschlagen
werden. Diese Niederschläge werden durch wenigstens vier Vorrichtungen erzeugt,
von denen zwei zum Niederschlagen von Metall und zwei von Dielektrikumwerkstoff
dienen, wobei diese abwechselnd angeordnet und gegeneinander abgeschirmt sind. Sie
sind so angeordnet, daß sie auf verschiedene getrennte Zonen des Halteelements
einwirken.
Erfolgt die Drehung, so werden einander überlappende Schichten, abwechselnd aus
Metall und aus Dielektrikumwerkstoff bestehend, gleichzeitig auf dem Halteelement
erzeugt. Die Aufdampfvorrichtungen wirken auf Blenden ein, welche parallel zur Drehachse
angeordnet sind, um spiralförmig übereinanderliegende Schichten zu bilden. Alle
diese Schichten sind kürzer bzw. schmäler als die axiale Längenabmessung des Halteelements.
Die Dielektrikumschichten haben eine solche Länge, daß die Metallendstücke ganz
oder zum Teil von den dielektrischen Schichten unbedeckt bleiben. Jede der ,Metallschichten
ist so hergestellt, daß sie eines der Metallendstücke, nicht aber das andere überlappt,
und zwar in solcher Weise, daß die Metallendstücke als Anschlüsse für den Kondensator
zu verwenden sind.
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Die Endstücke können beispielsweise in Form von Metallkappen oder
-ringen ausgebildet oder sie können selbst metallisierte Schichten sein.
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Der hier benutzte Ausdruck spiralförmig soll in seinem mathematischen
Sinn verstanden sein. Die spiralförmigen Schichten werden in einer Weise hergestellt,
die dem Umwickeln eines zylindrischen oder sonstwie geformten Formelements mit überlappenden
Windungen aus nachgiebigen Streifen entspricht, und haben infolgedessen einen zunehmenden
radialen Abstand von der Achse, in einer Ebene unter rechten Winkeln zur Achse gesehen,
und sie sind parallel zu dieser Achse, in einer diese enthaltenden Ebene gesehen.
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Die Aufdampfung kann durch thermische Verdampfung oder durch Kathodenzerstäubung
erfolgen. Die erste Art ist im allgemeinen vorzuziehen. Die Dickenabmessung bzw.
Schichtstärke einer jeden Schicht hängt von der Oberflächengeschwindigkeit des Halteelements
ab, auf welches der Niederschlag aufgebracht wird, vorausgesetzt, daß die anderen
Arbeitsbedingungen festliegen. Durch Einregelung der anderen Bedingungen, beispielsweise
der Temperatur, kann eine zusätzliche Regelung vorgenommen werden, welche dazu dienen
kann, die Unterschiede zwischen den Niederschlagsmengen zu berücksichtigen oder
den Oberflächengeschwindigkeitsänderungen Rechnung zu tragen, welche während des
Aufbaus des Kondensators auftreten. Im allgemeinen empfiehlt es sich, alle diese
Bedingungen, mit Ausnahme der Drehgeschwindigkeit, von Anfang an festzulegen und
jede Steuerung oder Regelung nur durch Veränderung der Drehgeschwindigkeit mit fortschreitendem
Niederschlag vorzunehmen.
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Bei der Auswahl der Werkstoffe für den Niederschlag liegt es auf der
Hand, daß das Dielektrikum von solcher Art sein muß, daß es gute .elektrische Eigenschaften
aufweist, und daß Metall und Dielektrikum aufeinander abgestimmt sind, d. h. sich
zusammenfügen. lassen., ohne daß benachbarte Schichten durchdrungen werden. Bei
Anwendung der Verdampfungsverfahren ist Zinn, Zink oder Aluminium als Metall geeignet,
während Siliziumdioxvd oderSilizium enthaltendeWerkstoffe, wie.z.B. Glas oder Quarz,
als Dielektrikum brauchbar sind. Wenn auch, wie bereits erwähnt, die Schichten aus
Dielektrikumwerkstoff und Metall durch gleichzeitigen Niederschlag auf das Halteelement
aufgebaut werden, so hat es sich im allgemeinen als zweckmäßig herausgestellt, den
Niederschlag einer jeden Schicht getrennt beginnen zu lassen. Dies ermöglicht ein
zunehmendes Absetzen bzw. Versetzen der Anfangskanten der erzeugten Schichten, wie
dies sich aus der nachfolgenden Beschreibung im einzelnen erkennen läßt. Aus dem
gleichen Grunde können die vier oder mehr Partikelströme zweckmäßig der Reihe nach
am Ende des Herstellungsvorganges abgeschnitten werden. Das schützt unter anderem
gegen die Möglichkeit, daß die Metallschichten etwa dadurch miteinander Kontakt
machen können, daß die Verdampfung des Dielektrikums nicht sofort ihre volle Stärke
erreicht.
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Ein Beispiel für ein Verfahren zum Herstellen von Kondensatoren soll
nunmehr an Hand der Figuren ausführlicher beschrieben werden, und zwar zeigen die
Fig. i und 2 Vorder- und Seitenansichten, teilweise in Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen
Geräts.
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Wie sich aus den Zeichnungen ergibt, besteht die Vakuum- oder Unterdruckkammer
aus einem Tisch i, der auf einem rohrförmigen Halter 2 sitzt, welcher als Unterdruckabsaugleitung
dient, und aus einem Deckel 3. Innerhalb der Kammer ist ein kleinerer Tisch ¢ vorgesehen,
an welchem zwei Paare von Haltern 5 sitzen, die für die waagerechten Spindeln. 6
und 7 bestimmt sind, zwischen deren inneren Enden ein isolierender Formkörper 8
gehalten wird. Der Formkörper 8 weist zwei Metallendstücke oder -kappen g und io
mit Mittelaussparungen auf, in welche die Enden der Spindeln 6 und 7 hineinpassen.
Die Spindel 6, welche angespitzt ist, kann sich frei in ihren Lagern drehen und
wird gegen den Formkörper 8 durch eine Feder i i gepreßt, welche sich gegen einen
Ring 12, der auf der Spindel befestigt ist, legt. Die Spindel 7, welche ein quadratisches
Ende hat, das in eine in gleicher Weise ausgebildete Aussparung in der Endkappe
io paßt, wird über einen (nicht dargestellten) Elektromotor oder über eine andere
Antriebsvorrichtung, die innerhalb oder außerhalb der Vakuumkammer vorgesehen sein
kann, angetrieben.
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Unter dem Formkörper 8 sitzt auf dem Tisch q. ein Verdampfer, der
aus einem rechteckigen Gehäuse 13 besteht, das in Längsrichtung in vier Teilräume
durch Trennwände 14 aufgeteilt ist und einen Deckel 15 mit einer halbzylindrischen
Aussparung aufweist, die teilweise den Formkörper 8 umgibt. In dem ausgesparten
Teil des Deckels 15 sind vier gleiche Schlitze 16, 17, 18 und i9 vorgesehen, und
zwar je einer oberhalb jeder Teilkammer A bis D.
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Zwischen Deckel 15 und Formkörper 8 ist eine halbzylindrische Blende
oder Maske 2o vorgesehen, welche frei drehbar zwischen oberen Führungsrollen 21
und unteren Führungsrollen 22 vorgesehen
ist. Eine der unteren Führungsrollen
wird von einer Spindel 23 gehalten, welche durch den Deckel 3 der Unterdruckkammer
hindurchführt. Durch Drehen der Spindel 23 kann die Stellung der Blende oder Maske
2o eingeregelt werden. Die Blende ist mit Schlitzen a bis d versehen, welche
sowohl in der Länge als auch in der Breitenabmessung voneinander abweichen. Ihre
Längen sind aus den Buchstaben a bis d in Fig.i zu ersehen, während aus Fig.
2 ersichtlich ist, daß der Schlitz a viermal so breit ist wie die Schlitze 16 bis
i9 im Deckel 15; Schlitz b ist dreimal so weit, Schlitz c zweimal so weit, während
Schlitz d die gleiche Weite wie die Schlitze 16 bis i9 im Deckel 15 hat. Befindet
sich die Blende in der durch Fig. 2 wiedergegebenen Stellung, so sind alle Schlitze
16 bis ig abgedeckt. Die Antriebsvorrichtung für die Blende 20 (nicht dargestellt)
ist derart, daß sie die Maske in vier gleichen Schritten bewegt. Die Bewegung um
den ersten Schritt gibt den Schlitz 16 frei; durch den zweiten Schritt wird Schlitz
17 freigegeben (16 bleibt unbedeckt) ; durch den dritten Schritt wird 18 freigegeben
(16 und 17 bleiben unbedeckt), und durch den letzten Schritt wird i9 freigegeben
(16, 17 und 18 bleiben unbedeckt). Der Verdampfer wird mittels eines elektrischen
Heizelements 24. geheizt.
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Der Herstellungsvorgang ist wie folgt: Ein Formkörper aus Isolierwerkstoff,
beispielsweise aus einem unter der geschützten Warenbezeichnung »Mycalex« vertriebenen
Werkstoff, mit Metall- (z. B. Messing-)Kappen 9 und io wird zwischen den Spindeln
6 und 7 in der aus Fig. i ersichtlichen Weise eingebracht, wobei die Teilkammern
A und C teilweise mit einem leicht verdampfenden Metall, wie beispielsweise Zink,
gefüllt sind, während die Teilkammern B und D mit einem verdampfbaren
Dielektrikum, wie Glas oder Quarz, gefüllt sind. Die Unterdruckkammer wird auf ein
hohes Vakuum mittels einer Diffusionspumpe gebracht und daraufhin das Heizelement
24 eingeschaltet. Wenn die Werkstoffe in den Teilkammern A bis
D zu verdampfen beginnen, wird der Antrieb für die Spindel 7 eingeschaltet,
so daß diese sich um ihre Achse dreht. Die Blende 20 wird dann schrittweise, wie
vorbeschrieben, bewegt und deckt der Reihe nach die vier Schlitze 16 bis i9 auf.
Die Zeitdauer zwischen diesen Schritten wird so mit der Drehgeschwindigkeit des
Formkörpers 2o abgestimmt, daß die Vorderkanten der niedergeschlagenen Schichten
mit genügendem Abstand zueinander versetzt sind. Dieser Abstand, welcher der Überlappung
der Enden der Folien und des Papiers in den üblichen Papier-Folien-Kondensatoren
wesensgleich ist, verändert sich mit der Anwendungsart, welche für den Kondensator
in Betracht kommt. Werden alle Schlitze beim gezeigten Gerät gleichzeitig geöffnet,
so ergibt sich ein Abstand gleich etwa einem Achtel des Umfanges des Formkörpers
B. Ist die Zeitdauer zwischen den Bewegungsschritten der Maske 2o gleich der Zeit,
die der Formkörper 8 braucht, um einen Winkel von 135° zurückzulegen, dann ist der
Abstand gleich dem halben Umfang des Formkörpers B. Die Schichtstärke der niedergeschlagenen
Schichten kann durch Änderung der Drehgeschwindigkeit des Formkörpers 8 oder der
Verdampfungsgeschwindigkeit des Metalls und Dielektrikums verändert werden.
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Die Blende 2o bestimmt bzw. regelt außerdem die Breitenabmessung der
niedergeschlagenen Schichten. Die Metallschicht, die durch die Niederschlagsmenge
zum Niederschlag kommt, die aus dem Teilraum A ausgeschickt wird, überlappt das
Endstück 9, nicht aber das Endstück io. Die zweite Metallschicht überlappt das Endstück
io, nicht aber das Endstück 9. Beide Dielektrikumschichten erstrecken sich zwischen
den beiden Metallendstücken, aber überlappen sie nicht. Auf diese Weise dienen die
beiden Endstücke als Anschlußklemmen für den so geformten Kondensator und ermöglichen
es, daß seine Kapazität dauernd während der Herstellung über eine Verbindung mit
einem Meßgerät zu den beiden Spindeln 6 und 7 gemessen werden kann.
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Wenn die Kapazität den gewünschten Wert erreicht hat, wird die Blende
mit Schritten, die denjenigen entsprechen, die zu Beginn des Niederschlagvorganges
ausgeführt worden sind, in die durch Fig.2 angegebene Stellung zurückbewegt; die
Drehung des Formkörpers 8 hört auf, und dieser wird aus den Spindeln 6 und 7 abgenommen.
Diese Abnahme sowie das Einbringen der Formkörper in die Niederschlagsstellung können
aus Vorratsstellungen innerhalb der Kammer heraus oder in diese hinein, und zwar
vom Äußeren der Kammer her, über Luftschleusen durchgeführt werden, so daß das Vakuum
aufrechterhalten werden kann.
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Das Halteelement wird allgemein vorteilhaft mit kreisförmigem Querschnitt
versehen; doch ist dies nicht unbedingt notwendig. Andere Querschnitte können angewendet
werden, beispielsweise die einer Ellipse oder eines Polygons.