DE4025436A1 - Kontaktierung eines piezoelektrischen biegewandlers - 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 entspre­ chende Strecke ausgelenkt. Der Biegewandler kann dann in die­ ser Ausbildung in magnetischen Aufzeichnungs- und Wiedergabe­ geräten, zum Beispiel in Video-Bandgeräten, eingesetzt werden. Ein weiteres Einsatzgebiet für einen Biegewandler ist neben der Videotechnik auch die Ventiltechnik oder die Blinden­ schrift-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 Kunststoffolie 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, dessen Richtung in der oberen und in der unteren Keramik entgegenge­ setzt ist. Durch den piezoelektrischen Effekt wird das eine piezokeramische Plättchen länger und das andere kürzer werden. Der Siegewandler verbiegt sich. Er kann somit als elektromecha­ nisches Stellelement verwendet werden und hat die oben bei­ spielsweise 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. Über die Kontaktie­ rung der einzelnen Elektroden ist in dieser Druckschrift nichts angegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Biegewandler der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Kontaktierung der Innen­ elektroden der beiden Piezokeramik-Schichten auf sichere und einfache Weise vorgenommen werden kann, bei dem also der elek­ trische Anschluß nicht allzuviel Aufwand erfordert. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Biegewandlers angegeben werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Graphitfaserschicht eine größere Länge besitzt als die beiden Piezokeramik-Schichten, daß auf dem freien Teil der Graphitfaserschicht eine Kupferfolie verklebt ist, und daß auf der Kupferfolie eine Fläche zum Anbringen eines Löt­ kontakts vorgesehen ist.

Hierbei wird also die Graphitfaser-Schicht als gemeinsame Elek­ trode verwendet und mit einem elektrischen Anschluß für die beiden innenliegenden Elektroden versehen. Dies läßt sich relativ einfach durchführen.

Um den Kontakt zwischen Kupferfolie und Graphitfaser-Schicht besonders gut zu gestalten, ist nach einer Weiterbildung vor­ gesehen, daß die Kupferfolie eine vorbehandelte, der Graphit­ faser-Schicht zugewandte Oberfläche von rauher Struktur be­ sitzt.

Die Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird erfindungsgemäß da­ durch gelöst, daß eine Graphitfaser-Schicht, die mit nicht völ­ lig ausgehärtetem Epoxidharz getränkt ist, zwischen zwei pola­ risierte Piezokeramik-Schichten gelegt und dort bei Aushärtung des Epoxidharzes verklebt wird, und daß auf das Graphitfaser- Gewebe eine Kupferfolie aufgeklebt wird, vorzugsweise gleich­ zeitig mit dem Verkleben der beiden Piezokeramik-Schichten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprü­ chen beschrieben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen verdeutlicht. Es zeigen:

Fig. 1 einen piezoelektrischen Biegewandler mit Messingfolie als Innenlage zur Verdeutlichung der Problemstellung,

Fig. 2 einen piezoelektrischen Biegewandler mit Kunststoffolie als Innenlage, ebenfalls zur Verdeutlichung der Problem­ stellung,

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegewandler.

Nach Fig. 1 umfaßt ein Biegewandler 1 eine Metallfolie oder Metallschicht 2M, auf deren beiden Seiten Piezokeramik-Plätt­ chen oder -Schichten 10, 12 aufgeklebt sind. Die Piezokeramik- Schichten 10, 12 sind auf beiden Seiten mit einer Metallisie­ rung oder Elektrode versehen. Die Innenelektroden sind mit 14i, 16i und die Außenelektroden sind mit 14a, 16a bezeichnet. Zwi­ schen den Schichten 2M, 10 und 12 befinden sich relativ dicke Schichten 11 bzw. 13 aus einem Kleber. Die Metallfolie 2M, die insbesondere aus Messing bestehen kann, ist rechts etwas länger als die beiden Piezokeramik-Schichten 10, 12. Im freien Bereich befindet sich ein elektrischer Anschluß 16, das heißt eine Kontaktierung mit einer Lötstelle 20, zu der ein Verbindungs­ draht 22 führt. Entsprechend ist an der oberen Außenelektrode 14a eine elektrische Verbindung 36 mit Lötstelle 40 und An­ schlußdraht 42 vorgesehen. Auf der anderen (linken) Seite sorgt ein metallischer Bügel 24 für einen Kontakt der beiden Außen­ elektroden 14a, 16a miteinander.

Die Keramikplättchen 10, 12 werden vor oder nach dem Verkleben polarisiert, indem man sie in ein elektrisches Feld E von bei­ spielsweise 700 V/mm bringt und sie so piezoelektrisch macht. Bei Anlegen einer Spannung U an die Zuleitungsdrähte 22, 42 verbiegt sich der Biegewandler 1.

Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau mit Messingfolie 2M als Innen­ lage hat den Vorteil, daß die innenliegende Metallisierung 14i, 16i der Piezokeramik-Schichten 10, 12 auf einfache Weise ankon­ taktiert werden kann. Denn der Kleber 11, 13 kann so dünn ge­ wählt werden, daß die wegen der rauhen Oberfläche der Keramiken 10, 12 immer vorhandenen Spitzen und Erhebungen an vielen Stel­ len den Kleber 11, 13 durchdringen und daß so ein zuverlässiger Kontakt zwischen der Metallfolie 2M und den innenliegenden Me­ tallisierungsschichten 14i, 16i hergestellt wird. Zudem können auf einfache Weise die Drähte 22, 42 zur elektrischen Weiter­ verdrahtung angelötet werden.

Der Aufbau mit Messingfolie 2M hat jedoch auch gravierende Nachteile. Zum einen ist Messing schwierig zu verkleben, zum anderen haben Messing und Piezokeramik sehr verschiedene ther­ mische Ausdehnungskoeffizienten. Dadurch entstehen in Abhängig­ keit von der Klebetemperatur und der Gebrauchstemperatur Zug- oder Druckspannungen in der Piezokeramik 10, 12. Klebt man bei Zimmertemperatur und wird der Biegewandler 1 im Gerät, in dem er eingebaut ist, erwärmt, dann entstehen in der Piezokeramik 10, 12 Zugspannungen, und sie wird reißen. Klebt man jedoch bei höherer Temperatur, zum Beispiel bei 130^oC, dann ist man zwar sicher, daß der Biegewandler im Gebrauch kaum höheren Tempera­ turen ausgesetzt sein wird; die Keramik 10, 12 wird aber unter Druckspannung stehen. Hat man eine Keramik 10, 12 ver­ klebt, die bereits vorpolarisiert war, dann führen die mecha­ nischen Spannungen zur Depolarisation und damit zu einer Schwächung des Piezoeffekts. Die Durchbiegung wird kleiner.

Metallschichten 2M mit einem der Keramik 10, 12 angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten können wegen ihrer Kor­ rosionsanfälligkeit meist nicht eingesetzt werden. Zudem sind sie schlecht lötbar, so daß die Weiterverdrahtung wieder schwie­ rig wird.

Polarisiert man dagegen den geklebten Verbund, dann reißt die Keramik 10, 12. Die Polarisation ist nämlich mit einer Ausrich­ tung von Domänen in den Körnern der Keramik 10, 12 verbunden. Aus der kristallographischen Anisotropie der Piezokeramik 10, 12 resultiert damit eine Formänderung. Das betreffende Keramik­ plättchen 10, 12 wird kürzer und dicker. Da es fest mit dem Messingblech 2M verklebt ist, kann es nicht schwinden und reißt.

In Fig. 2 ist gezeigt, daß anstelle einer Metallfolie 2M prinzipiell auch eine Kunststoffolie 2K verwendet werden kann. In diesem Fall ist die Ankontaktierung der inneren Elektroden 14i, 16i schwierig, weil sie an einen nicht-leitfähigen Kunst­ stoff 2K angrenzen. Man kann dann die innenliegende Metalli­ sierung 14i, 16i über die (in Fig. 2 rechts liegende) Kante der jeweiligen Piezokeramik 10, 12 nach oben bzw. unten führen, um kontaktieren zu können. Auf diese Weise erhält man zwei Kontaktierungsstellen 36. Das ist technologisch alles sehr aufwendig.

In Fig. 3 ist ein piezoelektrischer Biegewandler dargestellt, bei dem den besagten Kontaktierungsproblemen begegnet ist.

Nach Fig. 3 umfaßt der piezoelektrische Biegewandler 1 als wesentliches Element eine Graphitfaserschicht 2, die aus in Längsrichtung x verlaufenden Kohlenstoffasern 4 und in der dazu senkrechten Querrichtung y verlaufenden Kohlenstoffasern 6 so­ wie aus Epoxidharz 8 besteht. Die einzelnen miteinander ver­ wobenen Kohlenstoffasern 4 und 6 bilden somit ein Kohlenstoffaser-Gewebe, das mit dem Epoxidharz 8 getränkt ist. Die Aus­ bildung als Gewebe mit über Kreuz liegenden Fasern 4 und 6 verleiht der Graphitfaserschicht 2 eine ausreichende Stabili­ tät. Die Graphitfaserschicht 2 ist zwischen zwei dünnen Piezo­ keramik-Plättchen oder -Schichten 10, 12, die beidseitig mit Elektroden 14a, 14i bzw. 16a, 16i versehen sind, eingeklebt.

Die in Längsrichtung x gemessene Länge 1 des Siegewandlers 1 ist um mindestens des Faktor 3 größer als seine in der dazu senkrechten Richtung y gemessene Breite b. beispielsweise kann der Biegewandler 1 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 (rechts gelegenen) 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 der Piezo­ konstanten haben, der im Bereich von -20°C bis +60°C gleich/ größer 3,5%/K ist. Vorzugsweise liegt der Temperaturgang in diesem Bereich zwischen 4 und 7%/K. Der stark positive Temperaturgang hat zur Folge, daß mit steigender Temperatur die Verzerrung der Keramik-Schichten 10, 12 und damit der Biege­ effekt zunimmt. Mit steigender Temperatur wird das Epoxidharz 8 in der Schicht 2 in zunehmendem Maße weich. Dieser Effekt wird durch den erwähnten positiven Temperaturgang des Piezomaterials kompensiert, so daß die Blockierkraft 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 ver­ klebt werden, ohne daß später im Verbund mechanische Spannungen entstehen, die Depolarisation der Piezokeramik oder Risse ver­ ursachen 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^oC 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 anstelle der Graphitfaserschicht 2, da durch die Webart eine zusätzliche Oberflächenstruktur angeboten wird.

Wie in Fig. 3 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 17 zu den inneren Elektroden 14, 16 herge­ stellt werden soll, die Kupferfolie 18 laminiert. Dieser Vor­ gang erfolgt gleichzeitig mit dem Verkleben der beiden Piezo­ keramik-Schichten 10, 12 auf der Graphitfaserschicht 2. Den Kleber liefert das Prepreg, weil es voraussetzungsgemäß nicht ganz ausgehärtetes 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 weiterer Lötstützpunkt 37 ist auf der Außenelektrode 14a vorgesehen. Er umfaßt eine Lot-Kontaktierung 40 mit Verbindungs­ draht 42.

Claims (7)

1. Piezoelektrischer Biegewandler (1) mit einer Graphitfaser­ schicht (2), die zwischen zwei beidseitig mit Elektroden (14i, 14a, 16i, 16a) versehenen Piezokeramik-Schichten (10, 12) mit einem Epoxidharz (8) verklebt ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Graphitfaserschicht (2) eine größere Länge (1) besitzt als die beiden Piezokeramik- Schichten (10, 12), daß auf dem freien Teil der Graphitfaser- Schicht (2) eine Kupferfolie (18) verklebt ist, und daß auf der Kupferfolie (18) eine Fläche zum Anbringen eines Lötkontakts (16) vorgesehen ist.

2. Biegewandler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kupferfolie (18) eine vor­ behandelte, der Graphitfaser-Schicht (2) zugewandte Oberfläche besitzt.

3. Biegewandler nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberfläche der Kupferfo­ lie (18) mit einer rauhen Schicht aus Zinn, Nickel oder Kupfer belegt ist.

4. Verfahren zum Herstellen eines Biegewandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Graphitfaser-Schicht (2), die mit nicht völlig ausgehärtetem Epoxidharz (8) getränkt ist, zwischen zwei polarisierte Piezokeramik-Schichten (10, 12) gelegt und dort bei Aushärtung des Epoxidharzes (8) verklebt wird, und daß auf das Graphitfaser-Gewebe (4, 6) eine Kupferfolie (18) aufgeklebt wird, vorzugsweise gleichzeitig mit dem Verkleben der beiden Piezokeramik-Schichten (10, 12).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kupferfolie (18) vor dem Aufkleben vorbehandelt wird, indem sie mit einer dünnen rauhen Metall­ schicht belegt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dünne rauhe Schicht aus Zink oder Nickel besteht und durch elektrolytische Abscheidung aufge­ bracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dünne rauhe Schicht aus Kupfer be­ steht und durch elektrolytische Abscheidung bei hoher Strom­ dichte aufgebracht wird.