WO1992002961A1 - Kontaktierung eines piezoelektrischen biegewandlers - Google Patents

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WO1992002961A1
WO1992002961A1 PCT/DE1991/000616 DE9100616W WO9202961A1 WO 1992002961 A1 WO1992002961 A1 WO 1992002961A1 DE 9100616 W DE9100616 W DE 9100616W WO 9202961 A1 WO9202961 A1 WO 9202961A1
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bending transducer
copper foil
graphite fiber
glued
fiber layer
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PCT/DE1991/000616
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Christian Stein
Thomas MÖCKL
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type
    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric bending transducer with a graphite fiber layer which is glued with an epoxy resin between two piezoceramic layers provided on both sides with electrodes. It further relates to a method for producing such a piezoelectric bending transducer.
  • an electromechanical bending transducer of the type mentioned is firmly clamped at one end and carries a magnetic head at the other end, then when a voltage is applied to the bending transducer, the magnetic head is deflected by a distance corresponding to this voltage.
  • the bending transducer can then be used in magnetic recording and reproducing devices, for example in video tape devices.
  • Another area of application for a bending transducer is, in addition to video technology, valve technology or the Braille writing reading technology.
  • Piezoelectric bending transducers generally consist of two piezoceramic platelets or layers which are glued to both sides of a metal or plastic film - which can also be fabric-reinforced.
  • the ceramic plates are metallized on both sides. They are polarized to the bimorph before or after bonding with the metal or plastic film. They are introduced into an electric field of, for example, 700 V / mm and are made piezoelectric in this way. If one now applies a potential of, for example, 170 V to the inner electrodes of the two piezoceramic plates and of 0 V to the two outer electrodes, then an electrical field is created, the direction of which is opposite in the upper and in the lower ceramic. The piezoelectric effect makes one piezoceramic plate longer and the other shorter.
  • the bending transducer bends. It can therefore be used as an electro-mechanical control element and has the areas of application given above, for example.
  • a piezoelectric bending transducer of the type mentioned is known.
  • this bending transducer not a layer made of metal or plastic, but a graphite or carbon fiber layer is arranged between the piezoceramic layers.
  • the individual carbon fibers are embedded in an epoxy resin. It is of particular importance that in this electromechanical converter the carbon fibers run in a common direction, that is to say they are all arranged parallel to one another.
  • the individual graphite fibers are laid so that they are parallel to the
  • the piezoelectric ceramic plates can, for example, be made from a blue zirconate titanium ceramic.
  • the bending transducer is dimensioned practically square. None is stated in this publication about the contacting of the individual electrodes.
  • a similar piezoelectric bending transducer with a carbon fiber layer inserted between two piezoceramic layers is known from US Pat. No. 4,363,993 to Nishigaki et al.
  • the ' operating voltage is only applied to the outer electrodes.
  • the internal electrodes are without external connections.
  • the object of the invention is to provide a bending transducer of the type mentioned in the introduction, in which the contacting of the inner electrodes of the two n piezoceramic layers can be carried out in a safe and simple manner, in which case the electrical connection does not involve too much effort required. Furthermore, a method for producing such a bending transducer is to be specified.
  • the first-mentioned object is achieved in that the graphite fiber layer has a greater length than the two piezoceramic layers, that a copper foil is glued to the free part of the graphite fiber layer, and that a surface is provided on the copper foil for attaching a solder contact.
  • the graphite fiber layer is considered to be common
  • Electrode used and provided with an electrical connection for the two internal electrodes This is relatively easy to do.
  • the copper foil has a pretreated surface of the graphite fiber layer with a rough structure.
  • the object with regard to the method is achieved according to the invention in that a graphite fiber layer which is impregnated with not fully hardened epoxy resin is placed between two polarized piezoceramic layers and is glued there when the epoxy resin is hardened, and that the gra ⁇ a copper foil is glued on, preferably simultaneously with the gluing of the two piezoceramic layers.
  • REPLACEMENT LEAF 3 shows a piezoelectric bending transducer according to the invention.
  • a bending transducer 1 comprises a metal foil or metal layer 2M, on the two sides of which piezoceramic plates or layers 10, 12 are glued.
  • the piezoceramic layers 10, 12 are provided on both sides with a metallization or electrode.
  • the inner electrodes are denoted by 14i, 16i and the outer electrodes are denoted by 14a, 16a.
  • the metal foil 2M which can in particular consist of brass, is slightly longer on the right than the two piezoceramic layers 10, 12.
  • an electrical connection 16 that is to say a contact with a solder joint 20 to which a connecting wire 22 leads .
  • an electrical connection 36 with soldering point 40 and connecting wire 42 is provided on the upper outer electrode 14a.
  • a metallic bracket 24 ensures that the two outer electrodes 14a, 16a come into contact with one another.
  • the ceramic plates 10, 12 are polarized before or after the gluing by placing them in an electric field E of, for example, 700 V / mm and thus making them piezoelectric.
  • E electric field
  • a voltage U is applied to the lead wires 22, 42, the bending transducer 1 bends.
  • the composition with brass foil 2M as réelle ⁇ position shown in Figure 1 has the advantage 'that the inner metallization 14i, 16i of the piezoceramic layers 10, 12 can be anorialiert simple manner.
  • the adhesive 11, 13 can be chosen to be so thin that the peaks and elevations, which are always present because of the rough surface of the ceramics 10, 12, penetrate the adhesive 11, 13 at many points, and so that reliable contact between the metal foil 2M and the inner metallization layers 14i, 16i is produced.
  • the wires 22, 42 can be soldered on for electrical further wiring in a simple manner.
  • Metal layers 2M with a coefficient of thermal expansion adapted to the ceramic 10, 12 cannot usually be used because of their susceptibility to corrosion. In addition, they are difficult to solder, so that further wiring becomes difficult again.
  • the ceramic 10, 12 tears.
  • the polarization is namely associated with an alignment of domains in the grains of the ceramic 10, 12.
  • a change in shape thus results from the crystallographic anisotropy of the piezoceramic 10, 12.
  • the ceramic plate 10, 12 in question becomes shorter and thicker. Since it is firmly glued to the brass sheet 2M, it cannot shrink and tear.
  • FIG. 2 shows that, in principle, a plastic film 2K can also be used instead of a metal film 2M. in this case, the contacting of the inner electrodes 14i, 16i is difficult because they adjoin a non-conductive plastic 2K. The inner metallization 14i, 16i can then be moved over the edge (to the right in FIG. 2)
  • FIG. 3 shows a piezoelectric bending transducer in which the contacting problems mentioned have been met.
  • the piezoelectric bending transducer 1 comprises, as an essential element, a graphite fiber layer 2, which consists of carbon fibers 4 running in the longitudinal direction x and carbon fibers 6 running in the perpendicular transverse direction y, and of epoxy resin 8.
  • the individual interwoven carbon fibers 4 and 6 thus form a carbon fiber fabric that is impregnated with the epoxy resin 8.
  • the formation as a fabric with fibers 4 and 6 lying crosswise gives the graphite fiber layer 2 sufficient stability.
  • the graphite fiber layer 2 is glued between two thin piezoelectric plates or layers 10, 12, which are provided on both sides with electrodes 14a, 14i and 16a, 16i.
  • the length 1 of the bending transducer 1 measured in the longitudinal direction x is greater by at least a factor 3 than its width b measured in the direction y perpendicular thereto.
  • the graphite fiber layer 2 is longer than the two ceramic layers 10 and 12 of equal length. It is provided with an electrical connection 17 in the free area (on the right). In the present exemplary embodiment, this is a copper foil 18 glued onto the graphite fiber layer 2, which has on its upper side a surface for a contact 20 made of solder, to which an ' electrical connecting wire 22 is guided.
  • the bending transducer 1 On the other (left) side, the bending transducer 1 has a bracket 24 made of metal, which connects the two outer electrodes 14a, 16a of the piezoceramic layers 10 and 12 to one another.
  • REPLACEMENT LEAF Elongated disks made of lead-zirconate-titanium ceramic (PZT layers) are used in particular as the piezo-ceramic layers 10, 12.
  • Piezoceramic layers 10, 12 are preferably used which have a positive temperature response of the piezo constants which is equal to / greater than 3.5% • / ⁇ * in the range from -20 * C to +60 * C.
  • the temperature response in this range is preferably between 4 and 7 fc./K.
  • the strongly positive temperature response means that the distortion of the ceramic layers 10, 12 and thus the bending effect increases with increasing temperature. With increasing temperature, the epoxy resin 8 in the layer 2 becomes increasingly soft. This effect is compensated for by the positive temperature response of the piezo material, so that the blocking force of the piezoelectric bending transducer 1 remains practically the same at all working temperatures.
  • the electrodes 14a, 14i, 16a, 16i on the piezoceramic layers 10 and 12 are thin precious metal layers, the thickness of which is e.g. is only 50 to 100 nm. It is advantageous to apply a layer in the order Cr-Pt-Au.
  • the starting point is a carbon fiber fabric with cross-lying fibers 4, 6, which is impregnated with epoxy resin 8, which has not yet been fully cured.
  • a material is in the so-called B state, and the material is also known under the name "prepreg”.
  • This “prepreg” is excellently suitable for connecting to the piezoceramic platelets or layers 10, 12, as required for the bending transducer 1.
  • This "prepreg” has a thermal expansion coefficient that is well or largely adapted to the piezo ceramic. It is therefore possible to hot-glue with pre-polarized piezoceramic, without mechanical stresses subsequently occurring in the bond which would cause depolarization of the piezoceramic or cracks.
  • the prepreg material 4, 6, 8 is not yet fully cured between the two polarized
  • REPLACEMENT LEAF Piezoceramic layers 10, 12 are placed and glued there while the epoxy resin 8 is curing.
  • the temperature can be increased, for example, to cure the epoxy resin 8 and to firmly bond it to the two layers 10, 12.
  • the temperature during curing and gluing can be, for example, approximately 130 ° C.
  • the problem of contacting the hardened carbon fiber fabric 2 can be solved as follows: the prepreg 2 is in the area which is not covered by the piezoceramic layers 10, 12 and on which the contact 17 with the inner electrodes 14, 16 is to be established, the copper foil 18 is laminated. This process takes place at the same time as the two piezoceramic layers 10, 12 are glued to the graphite fiber layer 2.
  • the prepreg provides the adhesive because, as required, it contains epoxy resin 8 which has not been completely hardened. In the technical language one speaks of "laminating".
  • a copper foil 18 whose surface to be glued is pretreated.
  • Such a pretreatment can consist of the application of electrodeposited zinc or nickel, whereby a rough surface is produced. Also by depositing copper at a high current density, a rough, well-adhesive surface can be obtained electrolytically on the copper foil 18.
  • soldering point 17 made of copper foil 18 has excellent solderability, and the electrical contact to the carbon fiber fabric 2 is reliable and low-resistance.
  • soldering support point 37 is provided on the outer electrode 14a. It comprises a solder contact 40 with connecting wire 42.

Landscapes

  • Diaphragms For Electromechanical Transducers (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Adjustment Of The Magnetic Head Position Track Following On Tapes (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
  • Electrophonic Musical Instruments (AREA)

Abstract

Der Biegewandler (1) umfaßt eine Graphitfaserschicht (2), die zwischen zwei beidseitig mit Elektroden (14, 16) versehenen Piezokeramik-Schichten (10, 12) mit einem Epoxidharz (8) verklebt ist. Die Graphitfaser-Schicht (2) besitzt dabei eine größere Länge (l) als die beiden Piezokeramik-Schichten (10, 12). Auf dem freien Teil dieser Schicht (2) ist eine Kupferfolie (18) verklebt, und auf dieser Kupferfolie (18) ist eine Fläche zum Anbringen eines Lötkontakts (16) vorgesehen. Auf diese Weise ist das Kontaktieren der innenliegenden Elektroden (14i, 16i) relativ einfach.

Description

Kontaktierung eines piezoelektrischen Biegewandlers
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 Biegewandler verbiegt sich. Er kann somit als elektro- echanisches Stellelement verwendet werden und hat die oben beispielsweise angegebenen Einsatzgebiete.
ERSATZBLATT Aus der DE-A-30 46 535 ist ein piezoelektrischer Biegewandler der eingangs genannten Art bekannt. Bei diesem Biegewandler ist zwischen den bei den Piezokeramik-Schichten nicht eine Schicht aus Metall oder Kunststoff, sondern eine Graphit- oder Kohlenstoff-Faserschicht angeordnet. Die einzelnen Kohlenstoff fasern sind in ein Epoxidharz eingebettet. Von besonderer Be¬ deutung ist es , daß bei diesem el ektromechanischen Wandler die Kohlenstof fasern in einer gemeinsamen Richtung verlaufen , also alle parallel zueinander angeordnet sind. Die einzelnen Gra- phitfasern sind dabei so gelegt, daß sie parallel zu der
Richtung verlaufen , in der sich der elektromechanische Wandler zur Erzeugung der Auslenkung dehnen oder kürzen soll. Es ist dabei davon ausgegangen, daß in dieser Richtung die Graphit¬ faserschicht ihren größten Elastizitätsmodul besitzt . Se nk- recht hierzu ist der Elastizitätsmodul wesentlich geringer. Die piezoelektrischen Ke ramikplatten kön nen zum Beispiel aus einer Bl ei-Zirkonat-Titan-Keramik hergestellt sein . Der Biege¬ wandler ist praktisch quadratisch dimensioniert. Über die Kon- taktierung der einzelnen Elektroden ist in dieser Druckschri ft nichts angegeben.
Ein ähnlicher piezoelektrischer Biegewand ler mit einer zwischen zwei Piezokeramikschichten eingesetzten Ko hlenstof f-Faser¬ schicht ist durch die US-A-4 363 993 von Nishigaki et al be- kannt. Bei diesem piezoelektrischen Biegewandler wird die ' Betriebs spannung nur an den Außenelektroden angelegt. Die Innenelektroden sind ohne äußere Anschlüsse .
Aufgabe der Erfindung ist es , einen Biegewandler der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Ko ntaktierung der Innen¬ elektroden der beide n Piezokeramik-Schichten auf sichere und einfache Weise vorgenommen werden kann , bei dem also der elek¬ trische Anschluß nicht allzuviel Aufwa nd erfordert. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Biegewandlers angegeben werden .
ERSATZBLATT 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
Elektrode 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 völlig ausgehärtetem Epoxidharz getränkt ist, zwischen zwei polarisierte Piezokeramik-Schichten gelegt und dort bei Aus¬ härtung des Epoxidharzes verklebt wird, und daß auf das Gra¬ phitfaser- Gewebe eine Kupferfolie aufgeklebt wird, vorzugs- weise gleichzeitig mit dem Verkleben der beiden Piezokeramik- Schichten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprü¬ chen beschrieben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand 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,
ERSATZBLATT FIG 3 einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegewandler.
Nach Figur 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. Zwischen 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 Verbindungsdraht 22 führt. Entsprechend ist an der oberen Außenelektrode 14a eine elektrische Verbindung 36 mit Löt¬ stelle 40 und Anschlußdraht 42 vorgesehen. Auf der anderen (linken) Seite sorgt ein metallischer Bügel 24 für einen Kontakt der beiden Außenelektroden 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 Figur 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 ankontaktiert werden kann. Denn der Kleber 11, 13 kann so dünn gewählt werden, daß die wegen der rauhen Oberfläche der Kera¬ miken 10, 12 immer vorhandenen Spitzen und Erhebungen an vie¬ len Stellen den Kleber 11, 13 durchdringen und daß so ein zuverlässiger Kontakt zwischen der Metallfolie 2M und den innenliegenden Metallisierungsschichten 14i, 16i hergestellt wird. Zudem können auf einfache Weise die Drähte 22, 42 zur elektrischen Weiterverdrahtung angelötet werden.
ERSATZBLÄTT 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 Abhän- gigkeit 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 Piezo¬ keramik 10, 12 Zugspannungen, und sie wird reißen. Klebt man jedoch bei höherer Temperatur, zum Beispiel bei 130 *C, dann ist man zwar sicher, daß der Biegewandler im Gebrauch kaum höheren Temperaturen ausgesetzt sein wird; die Keramik 10, 12 wird aber unter Druckspannung stehen. Hat man eine Keramik 10, 12 verklebt, die bereits vorpolarisiert war, dann führen die mechanischen 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 schwierig 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 Figur 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 Figur 2 rechts liegende) Kante
ERSATZBLATT 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 Figur 3 ist ein piezoelektrischer Biegewandler dargestellt, bei dem den besagten Kontaktierungsproblemen begegnet ist.
Nach Figur 3 umfaßt der piezoelektrische Biegewandler 1 als wesentliches Element eine Graphitfaserschicht 2, die aus in Längsrichtung x verlaufenden Kohlenstof fasern 4 und in der dazu senkrechten Querrichtung y verlaufenden Kohlenstof f fasern 6 sowie aus Ep.oxidharz 8 besteht. Die einzelnen miteinander verwobenen Kohlenstof fasern 4 und 6 bilden somit ein Kohlen- stof ffaser-Gewebe, das mit dem Epoxidharz 8 getränkt ist. Die Ausbildung 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- kera ik-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 Biegewandlers 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 1 = 80 mm, eine in y-Richtung gemessene Breite b = 2 mm und eine in z-Richtung gemessene Höhe h = 1 mm besitzen. Die Graphitfaser¬ schicht 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 vor¬ liegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine auf die Graphitfaserschicht 2 aufgeklebte Kupferfolie 18, die an ihrer Oberseite eine Fläche für eine Kontaktierung 20 aus Lot besitzt, an die ein' elektrischer Verbindungsdraht 22 ge- führt 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 verbindet.
ERSATZBLATT Als Piezokeramik-Schichten 10, 12 werden insbesondere langge¬ streckte Scheiben aus Blei-Zirkonat-Titan-Kera ik (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 %•/¥* ist. Vorzugsweise liegt der Temperaturgang in diesem Bereich zwischen 4 und 7 fc./K. Der stark positive Tem¬ peraturgang 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 Piezo- materials kompensiert, so daß die Blockierkraft des piezo¬ elektrischen Biegewandlers 1 praktisch bei allen Arbeits- temperaturen gleich bleibt.
Die Elektroden 14a, 14i, 16a, 16i auf den Piezokeramik-Schich¬ ten 10 bzw. 12 sind dünne Edelmetall-Schichten, deren Dicke z.B. 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 Kohlenstof faser-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 Piezo¬ keramik gut oder weitestgehend angepaßten thermischen Aus¬ dehnungskoeffizienten. Daher kann mit vorpolarisierter Piezo¬ keramik 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
ERSATZBLATT Piezokeramik-Schichten 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 βC betragen .
Untersuchungen haben gezeigt , daß die elektrische Leitfähig- keit des Kohlenstof faser-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 Graphitfaser¬ schicht 2, da durch die Webart eine zusätzliche Oberflächen- Struktur angeboten wird .
Wie in Figur 3 dargestellt , kann das Problem der Kontaktierung des ausgehärteten Kohlenstof faser-Gewebes 2 folgendermaßen ge¬ löst werden : Auf das Prepreg 2 wird in dem Bereich, welcher von de n Piezokeram ik-Schichten 10 , 12 nicht bedeckt wird und auf welchem der Kontakt 17 zu den inneren Elektroden 14 , 16 hergestellt werden soll, die Kupferfolie 18 laminiert. Dieser Vorgang erfolgt gleichzeitig mit dem Verkleben der beiden Piezokeramik-Schichten 10, 12 auf de r Graphitfaserschicht 2. Den Kleber liefert das Prepreg , weil es voraussetzungsgemäß nicht ganz au sgehär tetes Epoxidharz 8 enthält. In der Fach¬ sprache 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 elektroly¬ tisch abgeschiedenem Zink oder Ni ckel, wodurch eine rauhe Oberfläche erzeugt wird. Auch durch Abscheidung von Kupfer bei hoher Stromdichte kann elektrolytisch eine rauhe , gut klebbare Oberfläche auf de r Kupferfolie 18 erhalten werden .
ERSATZBLATT Der gezeigte Lötstützpunkt 17 aus Kupferfolie 18 besitzt eine ausgezeichnete Lötbarkeit, und der elektrische Kontakt zum Kohlenstof faser-Gewebe 2 ist zuverlässig und niederohmig.
Ein weiterer Lötstützpunkt 37 ist auf der Außenelektrode 14a vorgesehen. Er umfaßt eine Lot-Kontaktierung 40 mit Verbin¬ dungsdraht 42.
ERSATZBLATT

Claims

Patentansprüche
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, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , 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 Löt¬ kontakts (16) vorgesehen ist.
2. Biegewandler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß die Kupferfolie (18) eine vor¬ behandelte, der Graphitfaser-Schicht (2) zugewandte Oberfläche besitzt.
3. Biegewandler nach Anspruch 2, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , 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, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , 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 Kupfer¬ folie (18) aufgeklebt wird, vorzugsweise gleichzeitig mit dem Verkleben der beiden Piezokeramik-Schichten (10, 12).
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , daß die Kupferfolie (18) vor dem Aufkleben vorbehandelt wird, indem sie mit einer dünnen rauhen Metall¬ schicht belegt wird.
ERSATZBLATT
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß die dünne rauhe Schicht aus Zink oder Nickel besteht und durch elektrolytische Abscheidung aufge¬ bracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß die dünne rauhe Schicht aus Kupfer be¬ steht und durch elektrolytische Abscheidung bei hoher Strom¬ dichte aufgebracht wird.
ERSÄTZBLATT
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