DE4025435C2 - Piezoelektrischer Biegewandler und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Biege­ wandler mit einer Graphitfaserschicht, die zwischen zwei beid­ seitig mit Elektroden versehenen Piezokeramik-Schichten mit einem Epoxidharz verklebt ist. Sie bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen piezoelektrischen Bie­ gewandlers.

Wenn ein elektromechanischer Biegewandler der genannten Art an einem Ende fest eingespannt ist und am anderen Ende einen Ma­ gnetkopf trägt, dann wird beim Anlegen einer Spannung an den Biegewandler der Magnetkopf um eine dieser Spannung entsprechen­ de Strecke ausgelenkt. Der Biegewandler kann dann in dieser Aus­ bildung in magnetischen Aufzeichnungs- und Wiedergabegeräten, wie zum Beispiel Video-Bandgeräten, eingesetzt werden. Ein wei­ teres Einsatzgebiet für einen solchen Biegewandler ist neben der Videotechnik auch die Ventiltechnik oder die Blindenschrift- Lesetechnik.

Piezoelektrische Biegewandler bestehen in der Regel aus zwei piezokeramischen Plättchen oder Schichten, die auf beiden Sei­ ten einer Metall- oder Kunststoffolie - die auch gewebever­ stärkt sein kann - aufgeklebt sind. Die Keramikplättchen sind auf ihren beiden Seiten mit einer Metallisierung versehen. Sie werden vor oder auch nach dem Verkleben mit der Metall- oder Kunststofffolie zum Bimorph polarisiert. Dabei werden sie in ein elektrisches Feld von beispielsweise 700 V/mm eingebracht und auf diese Weise piezoelektrisch gemacht. Legt man nun ein Potential von zum Beispiel 170 V an die inneren Elektroden der beiden piezokeramischen Plättchen und von 0 V an die beiden äußeren Elektroden, dann entsteht ein elektrisches Feld, des­ sen Richtung in der oberen und in der unteren Keramik entge­ gengesetzt ist. Durch den piezoelektrischen Effekt wird das eine piezokeramische Plättchen länger und das andere kürzer werden. Der Biegewandler verbiegt sich. Er kann somit als elektromechanisches Stellelement verwendet werden und hat die oben beispielsweise angegebenen Einsatzgebiete.

Aus der DE-A-30 46 535 ist ein piezoelektrischer Biegewandler der eingangs genannten Art bekannt. Bei diesem Biegewandler ist zwischen den beiden Piezokeramik-Schichten nicht eine Schicht aus Metall oder Kunststoff, sondern eine Graphit- oder Kohlen­ stoff-Faserschicht angeordnet. Die einzelnen Kohlenstoffasern sind in ein Epoxidharz eingebettet. Von besonderer Bedeutung ist es, daß bei diesem elektromechanischen Wandler die Kohlen­ stoffasern in einer gemeinsamen Richtung verlaufen, also alle parallel zueinander angeordnet sind. Die einzelnen Graphitfa­ sern sind dabei so gelegt, daß sie parallel zu der Richtung verlaufen, in der sich der elektromechanische Wandler zur Er­ zeugung der Auslenkung dehnen oder kürzen soll. Es ist dabei davon ausgegangen, daß in dieser Richtung die Graphitfaser­ schicht ihren größten Elastizitätsmodul besitzt. Senkrecht hierzu ist der Elastizitätsmodul wesentlich geringer. Die pie­ zoelektrischen Keramikplatten können zum Beispiel aus einer Blei-Zirkonat-Titan-Keramik hergestellt sein. Der Biegewandler ist praktisch quadratisch dimensioniert.

Es hat sich herausgestellt, daß die Verwendung einer Graphit­ faserschicht aus nur in einer Richtung parallel zueinander an­ geordneten Kohlenstoffasern mit Nachteilen behaftet ist: Der Biegewandler ist relativ zerbrechlich. Zumindest ergeben sich leicht Sprünge parallel zu den einzelnen Fasern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach die Angabe eines piezoelektrischen Biegewandlers der eingangs genannten Art, der bei der Handhabung wesentlich stabiler ist. Weiterhin soll ein Verfahren zu seiner Herstellung angegeben werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Graphitfaserschicht ein Gewebe ist, das mit dem Epoxid­ harz getränkt ist, und daß seine Länge mindestens um den Fak­ tor 3 größer ist als seine Breite.

Bei einem solchen piezoelektrischen Biegewandler ist durch Verwendung des Gewebes gewährleistet, daß die Bevorzugung von Brüchen parallel zu einer Richtung eliminiert ist. Ein solches Graphitfaser-Gewebe läßt sich relativ einfach fertigen oder käuflich erhalten. Seine Anwendung führt zu einer vereinfach­ ten Fertigung des piezoelektrischen Biegewandlers. Darüber hinaus ist bei der Herstellung eine relativ große Maßgenauig­ keit gewährleistet. Außerdem läßt sich der Ausschuß bei der Produktion gering halten.

Die zweitgenannte Aufgabe bezüglich der Angabe eines Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen Biegewandlers ist erfin­ dungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Graphitfaser-Gewebe, das mit nicht völlig ausgehärtetem Epoxidharz getränkt ist, zwischen zwei polarisierte Piezokeramik-Schichten gelegt und dort bei Aushärtung des Epoxidharzes verklebt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des piezoelektrischen Biegewandlers und seines Herstellungsverfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen piezoelektrischen Biegewandler nach der Erfindung und

Fig. 2 einen Biegewandler mit einer alternativen Ausführung für den elektrischen Anschluß an der Graphitfaserschicht.

Nach Fig. 1 umfaßt ein piezoelektrischer Biegewandler 1 als wesentliches Element eine Graphitfaserschicht 2, die aus in Längsrichtung x verlaufenden Kohlenstoffasern 4 und in der da­ zu senkrechten Querrichtung y verlaufenden Kohlenstoffasern 6 sowie aus Epoxidharz 8 besteht. Die einzelnen miteinander ver­ wobenen Kohlenstoffasern 4 und 6 bilden somit ein Kohlenstoffa­ ser-Gewebe, das mit dem Epoxidharz 8 getränkt ist. Die Ausbil­ dung als Gewebe mit über Kreuz liegenden Fasern 4 und 6 ver­ leiht der Graphitfaserschicht 2 eine ausreichende Stabilität. Die Graphitfaserschicht 2 ist zwischen zwei dünnen Piezokera­ mik-Plättchen oder -Schichten 10, 12, die beidseitig mit Elek­ troden 14a, 14i bzw. 16a, 16i versehen sind, verklebt.

Die in Längsrichtung x gemessene Länge l des Biegewandlers l ist um mindestens des Faktor 3 größer als seine in der dazu senkrechten Richtung y gemessene Breite b. Beispielsweise kann der Biegewandler l eine in x-Richtung gemessene Länge l = 80 mm, eine in y-Richtung gemessene Breite b = 2 mm und eine in z-Rich­ tung gemessene Höhe h = 1 mm besitzen. Die Graphitfaserschicht 2 ist länger als die beiden gleich langen Keramik-Schichten 10 und 12. Sie ist im (rechtsgelegenen) freien Bereich mit einem elektrischen Anschluß 17 versehen. Im vorliegenden Ausführungs­ beispiel handelt es sich dabei um eine auf die Graphitfaser­ schicht 2 aufgeklebte Kupferfolie 18, die an ihrer Oberseite eine Fläche für eine Kontaktierung 20 aus Lot besitzt, an die ein elektrischer Verbindungsdraht 22 geführt ist.

An der anderen (linken) Seite besitzt der Biegewandler 1 einen Bügel 24 aus Metall, der die beiden äußeren Elektroden 14a, 16a der Piezokeramik-Schichten 10 bzw. 12 miteinander elektrisch verbindet.

Als Piezokeramik-Schichten 10, 12 werden insbesondere langge­ streckte Scheiben aus Blei-Zirkonat-Titan-Keramik (PZT-Schich­ ten) herangezogen. Bevorzugt werden Piezokeramik-Schichten 10, 12 eingesetzt, die einen positiven Temperaturgang des Piezo­ koeffizienten haben, der im Bereich von -20°C bis +60°C gleich/größer 3,5 ‰/K ist. Vorzugsweise liegt der Temperatur­ gang in diesem Bereich zwischen 4 und 7 ‰/K. Der stark posi­ tive Temperaturgang der Piezokonstanten hat zur Folge, daß mit steigender Temperatur die Verzerrung der Keramik-Schichten 10, 12 und damit der Biegeeffekt zunimmt. Mit steigender Temperatur wird das Epoxidharz 8 in der Schicht 2 in zunehmendem Maße weich. Dieser Effekt wird durch den erwähnten positiven Tempe­ raturgang des Piezomaterials kompensiert, so daß die Blockier­ kraft des piezoelektrischen Biegewandlers 1 praktisch bei allen Arbeitstemperaturen gleich bleibt.

Die Elektroden 14a, 14i, 16a, 16i auf den Piezokeramik-Schich­ ten 10 bzw. 12 sind dünne Edelmetall-Schichten, deren Dicke zum Beispiel nur 50 bis 100 nm beträgt. Von Vorteil ist es, einen Schichtenauftrag in der Reihenfolge Cr-Pt-Au zu verwenden.

Zur Herstellung des Biegewandlers 1 ist folgendes zu sagen:
Ausgangspunkt ist ein Kohlenstoffaser-Gewebe mit über Kreuz liegenden Fasern 4, 6, welches mit Epoxidharz 8 getränkt ist, das noch nicht ganz ausgehärtet wurde. Ein solches Material befindet sich im sogenannten B-Zustand, und das Material ist auch unter dem Namen "Prepreg" bekannt. Dieses "Prepreg" ist hervorragend geeignet, sich mit den Piezokeramik-Plättchen oder -Schichten 10, 12, wie man sie für den Biegewandler 1 benötigt, zu verbinden. Dieses "Prepreg" hat einen der Piezokeramik gut oder weitestgehend angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten. Daher kann mit vorpolarisierter Piezokeramik heiß verklebt werden, ohne daß später im Verbund mechanische Spannungen entstehen, die Depolarisation der Piezokeramik oder Risse verursachen würden. Zusammenfassend kann man sagen, daß das Prepreg-Material 4, 6, 8 in noch nicht völlig ausgehärtetem Zustand zwischen die beiden polarisierten Piezokeramik-Schich­ ten 10, 12 gelegt und dort unter Aushärtung des Epoxidharzes 8 verklebt wird.

Zur Aushärtung des Epoxidharzes 8 und zum festen Verkleben mit den beiden Schichten 10, 12 kann beispielsweise die Temperatur erhöht werden. Die Temperatur beim Aushärten und Verkleben kann beispielsweise etwa 130°C betragen.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die elektrische Leitfähigkeit des Kohlenstoffaser-Gewebes 4, 6 für die Potentialzufuhr voll ausreicht; und die Kontaktierung mit den Innenelektroden 14, 16 der beiden Piezokeramik-Schichten 10, 12 ist noch inniger als bei einer Metallfolie an Stelle der Graphitfaser-Schicht 2, da durch die Webart eine zusätzliche Oberflächenstruktur angeboten wird.

Wie in Fig. 1 dargestellt, kann das Problem der Kontaktierung des ausgehärteten Kohlenstoffaser-Gewebes 2 folgendermaßen ge­ löst werden: Auf das Prepreg 2 wird in dem Bereich, welcher von den Piezokeramik-Schichten 10, 12 nicht bedeckt wird und auf welchem der Kontakt zu den inneren Elektroden 14, 16 hergestellt werden soll, die Kupferfolie 18 laminiert. Dieser Vorgang er­ folgt gleichzeitig mit dem Verkleben der beiden Piezokeramik- Schichten 10, 12 auf der Graphitfaserschicht 2. Den Kleber lie­ fert das Prepreg, weil es voraussetzungsgemäß nicht ganz aus­ gehärtetes Epoxidharz 8 enthält. In der Fachsprache spricht man vom "Laminieren".

Um eine gute Haftung der Kupferfolie 18 auf der Schicht 2 zu erzielen, ist es zweckmäßig, eine Kupferfolie 18 zu verwenden, deren zu verklebende Oberfläche vorbehandelt ist. Eine solche Vorbehandlung kann bestehen aus dem Auftragen von elektrolytisch abgeschiedenem Zink oder Nickel, wodurch eine rauhe Oberfläche erzeugt wird. Auch durch Abscheidung von Kupfer bei hoher Strom­ dichte kann elektrolytisch eine rauhe, gut klebbare Oberfläche auf der Kupferfolie 18 erhalten werden.

Der gezeigte Lötstützpunkt 17 aus Kupferfolie 18 besitzt eine ausgezeichnete Lötbarkeit, und der elektrische Kontakt zum Koh­ lenstoffaser-Gewebe 2 ist zuverlässig und niederohmig.

Ein weitere Lötstützpunkt 37 ist auf der Außenelektrode 14a vorgesehen. Er umfaßt eine Löt-Kontaktierung 40 mit Verbin­ dungsdraht 42.

In Fig. 2 sind für gleiche Teile dieselben Bezugszeichen ver­ wendet wie in Fig. 1. Hier ist eine Alternative zum elektri­ schen Anschluß 16 mit Kupferfolie 18 dargestellt. Hier wird ei­ ne Hohlniete 26 verwendet, die durch ein Loch im freien Bereich der Graphitfaserschicht 2 hindurchgeführt ist. Die Hohlniete 26 besteht bevorzugt aus Kupfer, und an ihrem Kopf kann ein An­ schlußdraht 22 verlötet werden.

Claims (10)

1. Piezoelektrischer Biegewandler (1) mit einer Graphitfaser­ schicht (2), die zwischen zwei beidseitig mit Elektroden (14, 16) versehenen Piezokeramik-Schichten (10, 12) mit einem Epo­ xidharz (8) verklebt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Graphitfaserschicht (2) ein Gewebe ist, das mit dem Epoxidharz (8) getränkt ist, und daß seine Län­ ge (1) mindestens um den Faktor 3 größer ist als seine Breite.

2. Biegewandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Piezokeramik-Schichten (10, 12) einen positiven Temperaturgang der Piezokonstanten haben, der im Bereich -20°C bis +60°C größer/gleich 3,5 ‰/K ist.

3. Biegewandler nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Temperaturgang im Bereich von 4 bis 7 ‰/K liegt.

4. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Piezokera­ mik-Schichten (10, 12) PZT-Schichten sind.

5. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Graphit­ faserschicht (2) länger als die beiden Piezokeramik-Schichten (10, 12) und im freien Bereich mit einem elektrischen Anschluß (17) versehen ist.

6. Biegewandler nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Anschluß (17) eine auf die Graphit­ faserschicht (2) aufgeklebte Kupferfolie (18) oder eine Hohl­ niete (26) umfaßt.

7. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß er an einer Seite einen Bügel (24) umfaßt, der die beiden äußeren Elek­ troden (14a, 16a) elektrisch miteinander verbindet.

8. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Biegewand­ lers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Graphitfaser-Gewebe (2), das mit nicht völlig ausgehärtetem Epoxidharz (8) getränkt ist, zwischen zwei polarisierte Piezokeramik-Schichten (10, 12) ge­ legt und dort bei Aushärtung des Epoxidharzes (8) verklebt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Aushärtung des Epoxidharzes (8) die Temperatur erhöht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Temperatur beim Aushärten und Verkleben etwa 130°C beträgt.