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制造陶瓷螺旋脉冲发生器的方法以及陶瓷螺旋脉冲发生器
技术领域
螺旋脉冲发生器是如下器件：其将电容器的特性与波导的特性相统一用于产生具有至少1.5kV的电压的点燃脉冲。借助根据本发明的制造方法，可以产生螺旋脉冲发生器，这些螺旋脉冲发生器根据材料可以耐受直到大约500℃、700℃或者1000℃的温度。螺旋脉冲发生器实施为LTCC器件或者HTCC器件，并且基本上由陶瓷膜和金属导电膏或者金属膜构成，它们卷绕成螺杆并且随后被层压以及烧结。
螺旋脉冲发生器可以用作放电灯的点燃变压器。在该应用中，尤其是要达到的点燃电压大小以及高的耐热性是重要的。
背景技术
所描述的螺旋脉冲发生器的制造或者以LTCC(低温共烧陶瓷)技术或者以进一步改进的方法来实现。LTCC技术适于制造带有集成的无源部件的单片的陶瓷多层系统(参见例如D.L.Wilcox，Proc.1997 ISHMPhiladelphia，第1723页)。该技术特别适于陶瓷器件，导电非常良好的材料如金、铜、银或者铝要集成到这些陶瓷器件中。LTCC技术的主要方法步骤是：
-制造包含有机粘合剂的陶瓷生膜，该陶瓷生膜此外还可以具有玻璃陶瓷。
-可能在陶瓷生膜中产生开口，其考虑用于接触。
-用导电材料填充开口。
-将陶瓷生膜压印以电导体结构。
-将陶瓷生膜彼此堆叠并且层压为复合结构。
-将复合结构烧结为带有单片的多层结构的本体。
通过在烧结过程中使陶瓷材料增密，出现10％-20％的体积收缩。
LTCC方法目前仅仅用于具有平坦结构的器件如电路板、陶瓷电容器等等。然而由于例如变压器具有电感特性，所以其被卷绕。被卷绕的器件不能借助传统的用于LTCC陶瓷本体的方法来制造。
任务
本发明的任务是，提出一种制造方法，借助该方法可以制造类似LTCC的结构类型的螺旋脉冲发生器。同样是本发明的任务的是，提出一种螺旋脉冲发生器，其借助上述方法来制造。
该任务通过具有权利要求1所述的特征的方法以及具有权利要求17所述的特征的螺旋脉冲发生器来解决。
发明内容
为了制造，两个陶瓷“生膜”压印以金属导电膏或者涂覆有金属膜，并且随后错开地绕制成螺旋体，并且最后层压为成型体。可替选地，也可以将陶瓷浆料施加到金属膜上，将浆料/膜复合结构干燥，然后卷绕并层压。金属膏或者金属膜以及陶瓷材料的随后共烧在空气中根据方法变形方案在500℃-600℃、800℃-900℃、1250℃-1450℃的温度范围中进行。根据变形方案，该处理允许螺旋脉冲发生器的直到500℃、700℃、1000℃的温度负载的应用领域。通过这种方式，螺旋脉冲发生器可以紧邻气体放电灯的外灯泡中的放电容器安置，也可以安置在灯头中或者紧邻灯地安置。
有利的是，为了制造陶瓷生膜或者陶瓷浆料而使用具有高的介电常数或者高的导磁率的陶瓷材料系统，或者使用二者的混合物。
此外有利的是，使用阳极氧化的铝膜、钼膜或者金属铜、镍、钢、锌中的一种或者混合物构成的膜。
此外有利的是，在一种制造方法中借助金属膜在唯一的工艺步骤中实施膜复合结构的卷绕和卷绕物的层压。在此，膜复合结构的卷绕和层压可以通过加热的滚筒来进行，这些滚筒在膜的限定的拉力情况下产生限定的装配压力。
层压的卷绕物的烧结优选在铝膜作为金属膜的情况下在500℃-600℃中、在金属膏或者金属铜、镍、钢、锌中的一种或者混合物构成的膜的情况下在800℃-900℃中、以及在钼膜的情况下在1250℃-1450℃中进行。
陶瓷生膜以金属膏的压印优选通过借助间隙宽度为10μm-120μm的刮板在拉拔速度在0.5cm/s到2.0cm/s的之间的拉拔方法来进行。
在金属导电膏的情况下卷绕物的层压优选通过在30℃到80℃的溶池温度以及5分钟至15分钟的挤压时间情况下的均衡挤压过程来进行。
根据本发明的螺旋脉冲发生器或者制造方法的其他有利的改进方案和扩展方案由其他的从属权利要求和以下的描述中得到。
附图说明
下面要借助示例来进一步阐述根据本发明的方法。其中：
图1示出了螺旋脉冲发生器的原理性结构。
图2a-2c示出了根据第一实施形式的通过膜层的截面以及进一步的处理。
图3a-3b示出了膜卷绕物的建立。
图4a-4b示出了层压之后卷绕物的取出。
图5示出了带有外灯泡中的螺旋脉冲发生器的金属卤化物灯。
图6示出了带有灯头中的螺旋脉冲发生器的金属卤化物灯。
图7示出了带有外灯泡中的螺旋脉冲发生器的高压钠灯的原理性结构。
图8示出了带有外灯泡中的螺旋脉冲发生器的金属卤化物灯的原理性结构。
图9a-9b示出了根据第二实施形式和第一构型的通过膜层的截面和进一步的处理。
图10示出了根据第二实施形式以及第二构型的通过膜层的截面。
具体实施方式
根据本发明的方法可以以两种不同的变形方案实施。第一变形方案描述了一种制造方法，使得借用了传统的LTCC方法。第二变形方案是一种进一步改进的方法，其中通过导电的金属膜替代了导电膏。
根据本发明的方法的第一变形方案
如制造传统的LTCC衬底那样，制造陶瓷螺旋脉冲发生器以制造陶瓷生膜开始(图2)。浆料例如通过刮板施加到塑料支承膜51上并且随后被干燥。塑料支承膜随后辗压到带有薄的水膜的平面(例如玻璃板)上。水膜将该膜固定在玻璃板上。浆料包含实际的陶瓷、有机的粘合剂以及可能包含玻璃焊剂。
可替选地，为了制造陶瓷生膜，可以应用根据刮刀方法(Doctor-BladeVerfahren)的膜浇注。在此，如前面所描述的那样，从陶瓷材料以及玻璃焊剂中通过添加溶剂和分散剂来制造可浇注的浆料，该浆料随后借助刀刃(所谓的刮刀)以限定的厚度浇注到环绕的膜上。在干燥之后，所制造的生膜是可塑的并且可以良好地处理。对于膜浇注过程，需要较高含量的粘合剂和塑化剂。适用经验法则的是，陶瓷颗粒间隙必须完全通过该添物来填充，以便得到可处理的生膜。
陶瓷可以是具有高的ε_r的电容性地起作用的陶瓷，或者是具有高的μ_r的电感性地起作用的陶瓷，或者是二者的混合物。对于制造螺旋脉冲发生器适合的是所有从中通过浆料可拉出陶瓷生膜的陶瓷材料系统。电容性地起作用的陶瓷材料系(非金属的无机系统)在基态中具有5到20000之间的介电常数ε_r。电感性地起作用的材料系统在基态中具有20到6000之间的导磁率μ_r。
对于电容性地起作用的陶瓷优选使用的材料系统在下表中给出：

  材料化学名称  介电常数  LTCC技术的陶瓷衬底BaSrTiO₃，BaNd₂Ti₄O₁₂，BaO-Re₂O₃-TiO₂(Re＝La，Sm，Nd，Eu)  3-10000  钛酸钡BaTiO₃  10-20000  钡-锆酸盐-钛酸盐BaZrTiO₃  ～20000  铅-锆酸盐-钛酸盐BaZrTiO₃  ～2000
  带有添加剂的PZT(软  的和硬的)  ABO₃(A＝La，Ag，  B＝Nb)  ～9000  铅-镁-铌酸盐(PMN)  Pb₃MgNb₂O₉  ～20000  铅-锌-铌酸盐(PZN)  Pb₃ZnNb₂O₉  ～20000  钾-钠-铌酸盐(KNN)  (K，Na)NbO₃  ～1000  基于铋的钙钛矿  BiScO₃-PbTiO₃  ～1000  钨-青铜  Na_xWO₃  ～1000
对于电感性地起作用的陶瓷优选使用的材料系统在下表中给出：
  陶瓷铁氧体 导磁率μ_r  六角钡铁氧体 20-100  NiZnCu铁氧体 100-500  MnZn铁氧体 200-6000
为了制造生膜，陶瓷可以包含所述材料系统的一种或者多种。在陶瓷中也可以包含所述材料系统的任意混合物。
在制造陶瓷生膜53之后，以3mm-25mm宽度的带55的形式用金属导电膏压印该陶瓷生膜，如图2a中所示。金属化物55可以借助所有常用的用于处理糊状的物质方法来进行，例如借助丝网印刷方法或者借助特殊成型的刮板来进行。为了制造螺旋脉冲发生器，借助刮板的施加是最有效的。刮板以10μ-120μ的间隙宽度在陶瓷生膜53上拉拔，并且于是施加导电膏55。拉拔速度在此譬如在0.5cm/sec到2cm/sec之间。
在施加印制导线55之后，这些印制导线在60℃至80℃的情况下干燥。干燥时间在5分钟到20分钟之间。印制导线也可以在室温情况下干燥。于是干燥时间为1至3天。
在干燥之后，该装置被切割为所希望的宽度的带。在图2b中示出的带还可以在需要时设置以凹处。这些凹处特别简单地通过冲压来产生。其他的用于将陶瓷生膜结构化的方法、例如光刻或者借助激光辐射来产生开口在此同样可以使用。
带有所施加的印制导线55的生膜53现在从支承膜51取下，如图2c所示的那样。
膜带被卷绕到塑料芯上。塑料芯由塑料套筒33构成，该塑料套筒插到塑料杆31上(图3a)。两个彼此错移地相叠的膜带35现在卷绕到套筒上并且例如借助一些水来固定(图3b)。为了保护陶瓷生膜35，围绕该装置缠绕用分离材料涂覆的橡胶垫。分离材料例如可以是碳。整个装置现在封入膜中。
膜封入对于现在进行的层压过程是必需的。为了层压，所封入的生膜卷绕物经受均衡的挤压过程。挤压时间在5分钟到15分钟之间，溶池温度在30℃到80℃之间。
在层压过程之后，可以将套筒从芯取下(图4a)。通过均衡的挤压，层压的卷绕物41变得结实，使得塑料套筒33可以与卷绕物41分离(图4b)，而在此不会损坏成型体。
随后，卷绕物41在600℃到900℃之间的温度下被共烧。该过程又与普通的LTCC制造过程相同。这里也通过烧结出现材料的增密并且由此出现10％到20％之间的体积收缩。
这样制造的螺旋脉冲发生器允许用于在超过1.5kV的点燃电压情况下温度直到大约700℃的气体放电灯的点燃。
因为LTCC方法适于集成无源的部件，所以可以同样一同将充电电阻集成到螺旋脉冲发生器中。对于驱动螺旋脉冲发生器需要该充电电阻。充电电阻的引入通过LTCC常用方法来进行。
根据本发明的方法的第二变形方案
根据本发明的第二变形方案与第一变形方案的区别在于一些步骤。在下面仅仅阐述与第一方法不同的步骤和过程。
根据本发明的方法的第二变形方案是第一变形方案的进一步改进并且适于机械加工。第二变形方案相对于第一变形方案在成本方面也是有利的，因为使用更为有利的材料。
在根据本发明的方法的第二变形方案中，导体结构由金属膜52构成。这相对于第一变形方案具有两个优点。在第二变形方案中，金属膜52部分地也同时用作支承膜，并且在层压之后支撑陶瓷生膜53，该陶瓷生膜由于其厚度(40μ-60μ)而在机械上非常难以加工(图9a)。对于该方法所使用的金属膜由于所使用的金属(优选为铝或者钼)而明显比主要由稀有金属构建的导电膏成本更为低廉。
在第一工序中，也产生这里的陶瓷生膜53，但该生膜相对于第一方法包含较低熔点的玻璃焊剂(在铝膜的情况下)或者较高熔点的玻璃焊剂(在钼膜的情况下)。此外可以使用如该方法的第一变形方案中所描述的相同的材料系统和其中的混合物。该过程可以并且应当连续地进行。如果在塑料支承体上产生陶瓷生膜53，则该陶瓷生膜在第二步骤中在另外的连续过程中层压到金属膜52上。金属膜优选是阳极氧化的铝膜或者钼膜。阳极氧化物(Al₂O₃)引起陶瓷生膜和铝膜之间的出色的附着。钼膜提供了较高耐热性的优点，因为螺旋脉冲发生器在1250℃-1450℃的情况下被烧结。层压在此可以通过用加热的滚筒和相应的装配压力的碾压来进行。
在层压之后，膜复合结构可以切削为所希望的宽度，如图9b中所示的那样。也可以从开始就使用所希望的宽度的陶瓷生膜和金属膜。
在第二构型中，金属膜52两侧地用陶瓷生膜53、531涂敷，如图10中所示。陶瓷生膜可以具有不同的特性，例如膜53可以具有高的介电常数而其他膜可以具有高的导磁率。在卷绕时，在金属层之间得到双层结构，该双层结构具有两种膜的特性。
一旦层压过程结束，则金属膜负责复合结构的支承强度。复合结构的机械稳定性足以能够在进一步的过程中对其进行机械加工。
膜复合结构现在优选机械地卷绕。为了卷绕，将两个被涂敷的带错移地相叠设置，并且卷绕为螺旋脉冲发生器。在卷绕之后，将还是生的螺旋脉冲发生器层压。该层压也可以直接在卷绕时进行。在此，当然省去了前面的层压过程。优选的是，在此又使用带有限定的装配压力的加热的滚筒。在卷绕时，当然同样维持膜复合结构的限定的拉力。这两个参数与滚筒温度一同保证了螺旋脉冲发生器的不变的并且良好的层压。卷绕可以借助套筒33来进行，然而也可能在没有套筒的情况下卷绕螺旋脉冲发生器。
随后，被卷绕的发生器可以被烧结。在使用铝膜的情况下，该烧结在500℃到600℃的较低温度下进行。这是必要的，以便保持明显在金属膜的熔化温度下。通过铝带的阳极氧化的表面(Al₂O₃)，得到特别坚固的金属/陶瓷复合结构。在由金属铜、镍、钢、锌中的一种或者混合物构成的金属膜情况下，被卷绕的发生器在800℃到900℃的温度下烧结。如果使用钼膜，则烧结在保护气氛下在1250℃到1450℃的温度下进行。
通过根据本发明的方法的第二变形方案，可以成本低廉地制造大件数的螺旋脉冲发生器。通过降低烧结温度，通过成本低廉的市面上可获得的金属膜替代稀有金属膏以及机械加工，可以将螺旋脉冲发生器应用在其迄今由于成本原因而尚未涉足的应用领域。
根据本发明的方法的第三变形方案
根据本发明的方法的第三变形方案与第二变形方案的只有不显著的区别。因此，仅仅阐述与第二变形方案不同的方法步骤。
在根据本发明的方法的第三变形方案中，不再制造随后被进一步加工的陶瓷生膜。更确切地说，生膜制造直接集成在螺旋脉冲发生器的制造过程中。由此，省去了制造陶瓷生膜的第一步骤，该步骤与第二步骤统一。替代将事先制造的生膜层压到金属膜上，将金属膜直接以陶瓷浆料涂覆，并且随后干燥。由此，省去了陶瓷生膜的费事的工序和困难的处理。该过程也可以设计为连续的过程。
涂覆可以借助流延成型方法(Tape-cast-Verfahren)或者借助刮板来完成。优选的是，涂覆借助浸渍法来实施。在此，金属膜通过包含陶瓷浆料的溶池来实施。在此，在金属膜的表面上形成陶瓷浆料的层。因为金属膜完全被陶瓷浆料包封，所以层厚度仅仅需要为所希望的层厚度的一半，因为在将两个被涂覆的金属膜一同卷绕为螺旋脉冲发生器时，在金属膜之间的两个陶瓷层彼此相叠。
为了能够尽可能自由地调节螺旋脉冲发生器的电容性和电感性特性，也可以力求达到陶瓷层的多层结构。为此，将金属膜多次地相继拉过陶瓷浆料的溶池，其中陶瓷浆料可以具有不同的特性。例如有利的是，导电的电感性层被两个良好绝缘的电容性层包围。通过这种方式，防止了在卷绕完成的并且充电的螺旋脉冲发生器中的泄漏电流。
为此，首先将金属膜拉过带有电容性地起作用的浆料的溶池，随后通过带有电感性地起作用的浆料的溶池，并且最后又通过带有电容性地起作用的浆料的溶池。在此，溶池必须设计为使得所沉积的层厚度一同得到所希望的层厚度。在最简单的情况中，在此所沉积的层厚度为膜的所希望的层厚度的三分之一。然而也可能的是，电容性地起作用的层和电感性地起作用的层具有不同的厚度。
因为两个膜的层厚度相加，也可能的是，这种示例性的三层结构借助两个金属膜的层来实现。在此，例如在金属膜上施加电容性的和电感性的层。在另外的膜上涂上电容性的层。如果膜被卷绕在一起，则得到所希望的电容性-电感性-电容性层构成的三层结构。在第一膜上的总层厚度在此可以是在第二膜上的层的两倍厚，使得总体上得到均匀的层厚度分布。层厚度也可以根据需要而改变。
所沉积的层厚度可以通过浆料组成成分、其粘度以及其温度来调节。
用于金属膜的单层涂层的典型浆料组成成分如下：
量      材料100g    陶瓷粉(电介质，铁氧体)20g-40g 溶剂(乙醇，甲苯，水，甲基乙基甲酮)2g-4g   分散剂(例如ICI公司的KD 1-4)30g-45g 粘合剂溶液(聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，丙烯酸酯粘合剂，基于        环氧的粘合剂，聚碳酸亚丙酯，甲基纤维素，聚乙烯醇(PVA))2g-5g   增塑剂(邻苯二甲酸盐，例如邻苯二甲酸丁苄酯)
在此，在20℃-40℃的温度下，浆料的粘度范围应当在10mPa＊s到900mPa＊s之间。
在此，陶瓷粉的平均颗粒大小有利地在500nm到10μm之间。
为了改进浆料在金属膜上的附着，可以将该金属膜首先设置以增附的层。在铝膜的情况下，可以例如施加Al₂O₃层，陶瓷浆料非常好地附着在该层上。
在干燥之后，金属/生膜复合结构如在第二实施变形方案中那样卷绕并且随后层压或者在卷绕时层压。在此，适用如第二变形方案中的相同前提条件。进一步的加工与第二变形方案并无不同。
应用变形方案
图7示出了带有陶瓷放电容器11和外灯泡12的高压钠灯10的原理性结构，其中外灯泡12带有集成于其中的螺旋脉冲发生器13，其中点燃电极14设置在陶瓷放电容器11外部。螺旋脉冲发生器13与火花隙15以及充电电阻16一同安置在外灯泡中。
图8示出了带有集成的螺旋脉冲发生器21的金属卤化物灯20的原理性结构，其中没有点燃电极设置在可以由石英玻璃或者陶瓷制成的放电容器22外部。螺旋脉冲发生器21与火花隙23以及充电电阻24一同安置在外灯泡25中。
图5示出了带有放电容器22的金属卤化物灯20，该放电容器由两个馈电线26、27保持在外灯泡中。第一馈电线26是短弯曲的线。第二馈电线27基本上是杆，其通向远离灯头的穿通部28。在来自灯头30的馈电线29与杆27之间设置有点燃单元31，其包含螺旋脉冲发生器、火花隙和充电电阻，如图4中所表示的那样。
图6示出了类似图5的具有放电容器22的金属卤化物灯20，该放电容器由两个馈电线26、27保持在外灯泡25中。第一馈电线26是短弯曲的线。第二馈电线27基本上为杆，其通向远离灯头的穿通部28。在此，点燃单元设置在灯头30中，更确切地说，不仅螺旋脉冲发生器21而且火花隙23和充电电阻24都设置在灯头30中。
该技术也可以应用于无电极的灯中，其中螺旋脉冲发生器可以用作点燃辅助装置。
这种紧凑型高压脉冲发生器的其他应用在于点燃其他装置。该应用尤其在所谓的魔术球中、在伦琴脉冲的产生中和在电子束脉冲的产生中是有利的。在车辆中作为对常用的点燃线圈的替代物的使用也是可能的。
在此，使用达到500的匝数n，使得输出电压达到100kV的量级。因为输出电压UA作为充电电压UL的函数通过UA＝2×n×UL×η给定，其中效率η通过η＝(AD-ID)/AD给定。
本发明与用于车辆前灯的高压放电灯结合展现出特别的优点，该高压放电灯填充有处于高压(优选为至少3巴)下的氙气和金属卤化物。这特别难以点燃，因为由于高氙气压力所以点燃电压高于10kV。螺旋脉冲发生器可以安置到灯的灯头中或者安置在灯的外灯泡中。
本发明与不含有汞的高压放电灯结合展现出非常特别的优点。这种灯出于环境保护的原因而是特别值得追求的。这种灯包含合适的金属卤化物填充物和尤其是在高压下的稀有气体如氙气。由于没有汞，所以点燃电压特别高。该点燃电压高于20kV。带有集成的充电电阻的螺旋脉冲发生器在此也可以安置到无汞灯的灯头中或者安置在灯的外灯泡中。