CN109920906A - 电荷输出元件、装配方法及压电加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电荷输出元件、装配方法及压电加速度传感器。该电荷输出元件包括：基座，包括具有多个侧面的多边形连接部件；压电组件，包括沿连接部件的周向间隔分布的至少两个压电单元，至少两个压电单元对应连接部件的多个侧面中的至少两个侧面设置，压电单元包括至少一个压电晶体，各压电晶体并联设置；质量块组件，设置于压电组件的外周侧，压电组件位于连接部件与质量块组件之间；其中，连接部件、压电组件与质量块组件相互过盈配合。本发明公开的电荷输出元件在连接部件的周侧设置多个压电晶体，各压电晶体并联设置，能够增大电荷输出元件的灵敏度，继而增大压电加速度传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种电荷输出元件、装配方法及压电加速度传感器。
背景技术
压电加速度传感器又称压电加速度计，是一种惯性式传感器。压电加速度传感器的原理是利用压电元件的压电效应，在加速度计受振时，质量块在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。标准压电加速度传感器是用来标定加速度传感器所用，因此，对于标准压电加速度传感器性能的要求更为严苛，需要较高的灵敏度，而现有的压电加速度传感器通常灵敏度不够高，不能满足标准压电加速度传感器的要求。
因此亟需一种具有较高灵敏度的电荷输出元件以满足标准压电加速度传感器的要求。
发明内容
本发明实施例提供了一种电荷输出元件、装配方法及压电加速度传感器，旨在能够提高电荷输出元件的灵敏度。
第一方面，本发明提供一种电荷输出元件，包括：基座，包括具有多个侧面的多边形连接部件；压电组件，包括沿连接部件的周向间隔分布的至少两个压电单元，至少两个压电单元对应连接部件的多个侧面中的至少两个侧面设置，压电单元包括至少一个压电晶体，各压电晶体并联设置；质量块组件，设置于压电组件的外周侧，压电组件位于连接部件与质量块组件之间；其中，连接部件、压电组件与质量块组件相互过盈配合。
根据本发明的一个方面，压电晶体为弯折片状结构，弯折片状结构与连接部件的侧面的形状相匹配；或压电晶体为平直片状结构，平直片状结构的形状与连接部件的侧面的形状相匹配，连接部件的每个侧面对应设置有一个压电单元。
根据本发明的一个方面，每个压电晶体的沿连接部件的周面的法线方向的两个相对的表面均设置有导电膜，压电单元包括在法线方向层叠设置的两个以上的压电晶体，相邻层叠设置的两个压电晶体的相互靠近的两个表面的极性相同。
根据本发明的一个方面，进一步包括：电极片，与各层的压电晶体在法线方向上交替层叠设置，电极片的层数比压电晶体多一层，电极片包括贴合部和连接部，贴合部对应压电晶体设置，连接部与贴合部电连接，使电极片形成沿周向断开的环状结构体；其中，各奇数层的电极片通过导线段电连接，各偶数层的电极片通过导线段电连接，以使各压电晶体并联。
根据本发明的一个方面，贴合部的尺寸大于或等于压电晶体的尺寸，以使压电晶体能够完全与贴合部完全贴合；和/或连接部沿连接部件的轴向的宽度小于贴合部的沿轴向的宽度。
根据本发明的一个方面，导线段在电极片的断开位置沿周向将各奇数层的电极片电连接；以及导线段在电极片的断开位置沿周向将各偶数层的电极片电连接。
根据本发明的一个方面，质量块组件包括沿周向间隔分布的多个质量块，每个压电单元的外周侧对应设置有至少一个质量块。根据本发明的一个方面，进一步包括：
进一步包括：热缩环，套设于质量块组件，热缩环与质量块组件过盈配合；绝缘片，套设于连接部件，位于连接部件与压电单元之间。
第二方面，本发明提供一种电荷输出元件的装配方法，包括：对基座进行热处理工艺，以消除基座中的加工应力，其中，基座包括具有多个侧面的多边形连接部件；沿连接部件的周侧间隔设置至少两个压电单元，其中，至少两个压电单元对应连接部的多个侧面中的至少两个侧面设置，压电单元包括至少一个压电晶体；将各压电晶体通过电极片并联；在压电单元的外周侧设置质量块组件；将热缩环套设在质量块组件的外侧并加热收缩，以使热缩环、质量块组件、压电单元与连接部件相互过盈配合。
第三方面，本发明提供一种压电加速度传感器，包括：电荷输出元件，为上述任一实施例的电荷输出元件；壳体，环绕电荷输出元件，且设置于基座上；信号输出结构，与压电组件电连接。
本发明实施例中，连接部件具有多个侧面，便于在连接部件的周侧的各表面均设置包括至少一个压电晶体的压电单元，能够增加连接部件周侧的压电晶体的数量且节省空间，通过各压电晶体并联设置，能够增大电荷输出元件的灵敏度，继而增大压电加速度传感器的灵敏度。进一步的，连接部件、压电组件与质量块组件相互过盈配合，连接部件、压电组件与质量块组件之间均为刚性接触，无需粘结层，能够增加电荷输出元件整体的刚度，继而能够提升压电加速度传感器的频响特性及谐振。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种电荷输出元件的俯视结构示意图；
图2是本发明实施例的一种电荷输出元件的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例的另一种电荷输出元件的俯视结构示意图；
图4是本发明实施例的一种电极片连接的结构示意图；
图5是本发明实施例的奇数层或偶数层电极片电连接的结构示意图；
图6是本发明实施例的一种电荷输出元件的装配方法流程图；
图7是本发明实施例的一种压电加速度传感器的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。
下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。
为了更好的理解本发明，下面结合图1～图7对本发明的电荷输出元件、装配方法及压电加速度传感器进行详细描述。
请一并参阅图1、图2所示，图1是本发明实施例的一种电荷输出元件的俯视结构示意图；图2是本发明实施例的一种电荷输出元件的剖面结构示意图。本实施例的电荷输出元件包括基座10、压电组件和质量块组件30。基座10包括具有多个侧面的多边形连接部件11。为了加工及装配方便，连接部件11的沿垂直于轴向的截面可以为正多边形，即，连接部件11的多个侧面的形状相同。压电组件包括沿连接部件11的周向间隔分布的至少两个压电单元20，至少两个压电单元20对应连接部件11的多个侧面中的至少两个侧面设置。压电单元20包括至少一个压电晶体21，各压电晶体21，各压电晶体21并联设置。质量块组件30设置于压电组件的外周侧，压电组件位于连接部件11与质量块组件30之间。以上，连接部件11、压电组件与质量块组件30相互过盈配合，以保证电荷输出元件的整体的刚度。
在本实施例中，连接部件11具有多个侧面，便于在连接部件11的各表面周侧均设置包括至少一个压电晶体21的压电单元20，能够增加连接部件11周侧的压电晶体21的数量且节省空间，通过各压电晶体21并联设置，能够增大电荷输出元件的灵敏度，继而增大压电加速度传感器的灵敏度。进一步的，连接部件11、压电组件与质量块组件30相互过盈配合，连接部件11、压电组件与质量块组件30之间均为刚性接触，无需粘结层，能够增加电荷输出元件整体的刚度，继而能够提升压电加速度传感器的频响特性及谐振。
在一些可选的实施例中，请参阅图3所示，图3是本发明实施例的另一种电荷输出元件的俯视结构示意图。本实施例的电荷输出元件的压电晶体21为弯折片状结构，该弯折片状结构与连接部件11的侧面的形状相匹配。对于弯折片状结构的弯折部的具体数量本发明不做限制，只要能保证其弯折形成的形状能够与连接部件11的侧面匹配贴合即可。图中以弯折片状结构具有一个弯折部为例进行说明，连接部件11具有四个侧面，每个弯折片状结构均对应设置在连接部件11的两个侧面上。可以理解的是，为了保证电荷输出效果，压电晶体21在连接部件11的周侧对称设置。
在另一些可选的实施例中，请参阅图1所示，压电晶体21可以为平直片状结构，平直片状结构的形状与连接部件11的侧面的形状相匹配，连接部件11的每个侧面对应设置有一个压电单元20。压电晶体21采用平直片状结构，便于在连接部件11的每个侧面均设置该形状的压电晶体21，且每个侧面均可层叠设置多个压电晶体21，各压电晶体并联，能够有效增大电荷输出元件的灵敏度。并且，平直片状结构的压电晶体21结构简单，易加工，且易于叠加。
在一些可选的实施例中，每个压电晶体21的沿所述连接部件11的周面的法线方向的两个相对的表面均设置有导电膜，以便于各压电晶体21的电连接。进一步的，压电单元20包括在法线方向层叠设置的两个以上的压电晶体21，相邻层叠设置的两个压电晶体21的相互靠近的两个表面极性相同，以便于各压电晶体21的并联设置。本实施例的压电晶体21可以采用石英单晶，石英单晶具有良好的热稳定性和温漂特性，且灵敏度高、线性度优、介电常数高。并且通过多个石英单晶并联能够增大电荷输出元件的灵敏度，改善电荷输出元件的抗干扰能力。压电晶体21的两个相对的表面设置的导电膜可以为镀金膜，可以理解的是，压电晶体21极化后两个设置有导电膜的表面的极性不同。
在一些可选的实施例中，电荷输出元件进一步包括电极片80，电极片80与各层的压电晶体21在连接部件11的周面的法线方向上交替层叠设置，电极片80的层数比压电晶体21多一层。请参阅图4所示，图4是本发明实施例的一种电极片的结构示意图，本实施例的电极片80包括贴合部81和连接部82，其中，贴合部81对应压电晶体21设置，连接部82与贴合部81电连接，使各电极片80形成沿周向断开的环状结构体。可以理解的是，本实施例的环状结构体为多边形的环状结构体，可以为具有三个、四个、五个边的环状结构体，对于环状结构体的边数，本发明不做限制，其边数与连接部件11的侧面的数量一致。本实施例中，各奇数层的环状结构体通过导线段83电连接，各偶数层的环状结构体也通过导线段83电连接，以此，实现各压电晶体21的并联。本实施例中奇数层与偶数层，可以为靠近连接部件11的压电晶体21为第一层，依次向外为第二层、第三层等，也可以为远离连接部件11的压电晶体21为第一层，依次向内为第二层、第三层等。本实施例中，对于导线段83的连接位置本发明不做限制。但是，为了减小电荷输出元件的高度，优选的，参阅图5所示，图5是本发明实施例的奇数层或偶数层电极片电连接的结构示意图，导线段83设置在电极片80周侧的断开位置，沿周向将各奇数层、各偶数层的电极片80电连接。本实施例的贴合部81、连接部82、导线段83的材质均可以为纯镍或镍铬合金材质中的至少一种。
以连接部件11的沿垂直于轴向的截面为正方形，连接部件11具有四个侧面，每个侧面均设置两层平直片状结构的压电晶体21为例进行说明，则，连接部件11的周侧设置有三层电极片80，如图1和图5所示，以连接部件11为中心，由内到外侧，第一层电极片80与第三层电极片80的断开处位于连接部件11的周侧的同一位置，在二者周向上的端部通过一个导线段83将二者同侧的端部连接，以使第一层电极片80与第三层电极片80连接成具有两个自由端的一体结构。
进一步的，为了保证压电晶体21与电极片80的良好贴合，电极片80的贴合部81的尺寸应大于或等于压电晶体21的尺寸。可选的，贴合部81的尺寸与压电晶体21的尺寸一致，恰好完全贴合，以避免相邻层的贴合部81之间信号的干扰。电极片80的连接部82的沿轴向的宽度小于电极片80的贴合部81的沿轴向的宽度，以减小整个电极片80的电阻。
在一些可选的实施例中，质量块组件30包括沿周向间隔分布的多个质量块31，每个压电单元20的外周侧对应设置有至少一个质量块31。各质量块31设置于最外侧的电极片80的外周侧。质量块31贴合最外侧的电极片80设置，与电极片80过盈配合。各质量块31设置在电极片80的外周侧，相当于质量块组件30整体在周向上断开设置，便于调整各质量块31的位置，实现各质量块31与电极片80的过盈配合。本实施例的质量块组件30可以采用316L不锈钢材质，具有较强的耐腐蚀性能和耐热性能。
在一些可选的实施例中，电荷输出元件还包括热缩环40，热缩环40套设于质量块组件30，并与质量块组件30过盈配合。热缩环40的材质可以为镍钛记忆合金，冷扩处理，加热收缩。本实施例的热缩环40可以在周侧增加预紧力，使得连接部件11、压电组件与质量块组件30相互过盈配合，以此增强电荷输出元件整体的刚度。
进一步的，本实施例的电荷输出元件还包括绝缘片50，绝缘片50套设于连接部件11，位于连接部件11与压电单元20之间。绝缘片50的设置可以避免压电组件的电荷向连接部件11发生移动，进而可以提高压电加速度传感器的测量精度。绝缘片50的材质可以为95氧化铝陶瓷，具有良好绝缘性能。对于绝缘片50的具体形状本发明不做限制，只要能实现压电组件的电极片80与连接部件11之间的绝缘即可，例如绝缘片50可以为环形，套设在连接部件11上，位于连接部件11与压电组件之间，绝缘片50也可以为片状结构，对应于连接部件11的每个侧面均设置有一个绝缘片50，且连接部件11的每个表面的绝缘片50均位于连接部件11与最内侧的电极片80之间。
本发明还提供了一种电荷输出元件的装配方法，请参阅图6所示，图6是本发明实施例的一种电荷输出元件的装配方法流程图。本实施例的装配方法包括以下步骤：
步骤601，对基座进行热处理，以消除基座中的加工应力。
该步骤的中的基座10包括具有多个侧面的多边形连接部件11。基座10的材质选用α+β钛合金，密度为3g/cm-3～5g/cm-3，弹性模量为1.0×105MPa～1.2×105MPa，具有较强的比强度。具体可以采用TC4型号的α+β钛合金。对加工成型的基座10进行热处理，可以消除基座10中的加工应力，稳定基座10的尺寸，增加基座10的强度，并且可以去除基座10在加工成型过程中增加的有害元素(例如氢)。具体的热处理过程可以包括退火、固溶处理和失效处理中一种或多种，并且本实施例的热处理过程在真空条件下进行。
步骤602，沿连接部件的周侧间隔设置至少两个压电单元。
该步骤中，至少两个压电单元20对应连接部件11的多个侧面中的至少两个侧面设置，压电单元20包括至少一个压电晶体21。
步骤603，将各压电晶体通过电极片并联。
该步骤中，将各压电晶体21通过电极片80并联，能够增加电荷输出元件的灵敏度。
步骤604，在压电单元的外周侧设置质量块组件。
步骤605，将热缩环套设在质量块组件的外侧并加热收缩，以使热缩环、所述质量块组件、所述压电单元与所述连接部件相互过盈配合。
该步骤中，通过热缩环40加热收缩，增加周侧的预紧力，实现质量块组件30、压电单元20、电极片80与连接部件11的过盈配合。
在本实施例中，对加工成型的基座10进行热处理，可以消除基座10中的加工应力，稳定基座10的尺寸，增加基座10的强度，并且可以去除基座10在加工成型过程中增加的有害元素(例如氢)。连接部件11具有多个侧面，至少两个侧面设置包括至少一个压电晶体21的压电单元20，可以增加压电晶体21的数量且节省空间，压电晶体21通过电极片80并联设置，能够增大电荷输出元件的灵敏度。另，通过热缩环40增加轴向预紧力，实现质量块组件30、压电单元20与连接部件11的过盈配合，能够增加电荷输出元件整体的刚度，进而能够提升压电加速度传感器的频响特性及谐振。
本发明还提供了一种压电加速度传感器，请一并参阅图7所示，图7是本发明实施例的一种压电加速传感器的剖面结构示意图。本实施例的压电加速传感器包括上述实施例的电荷输出元件、壳体60和信号输出结构70。壳体60环绕电荷输出元件且设置于基座10上，壳体60可以对电荷输出元件进行密封和保护。信号输出结构70与质量块组件30和压电组件电连接，具体的，可以通过两条信号传输线实现信号输出结构70与质量块组件30、压电组件的电连接，其中一条信号线的一端连接至质量块组件30，另一端连接至信号输出结构70，另一条信号线的一端连接至不与质量块组件30电接触的电极片80，另一端连接至信号输出结构70。以此可以将电荷输出元件的信号通过信号输出结构70传送至外部设备。本实施例的压电加速度传感器的壳体60可以采用与基座10相同热处理过程，以消除壳体60中的加工应力，稳定壳体60的尺寸，增加壳体60的强度，并可以去除壳体60在加工成型过程中增加的有害元素。以此，可以增加压电加速度传感器整体的刚度。
由于本发明实施例的压电加速度传感器包括上述实施例的电荷输出元件，因此，具有上述实施例的电荷输出元件的有益效果，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种电荷输出元件，其特征在于，包括：
基座，包括具有多个侧面的多边形连接部件；
压电组件，包括沿所述连接部件的周向间隔分布的至少两个压电单元，所述至少两个压电单元对应所述连接部件的所述多个侧面中的至少两个侧面设置，所述压电单元包括至少一个压电晶体，各所述压电晶体并联设置；
质量块组件，设置于所述压电组件的外周侧，所述压电组件位于所述连接部件与所述质量块组件之间；
其中，所述连接部件、所述压电组件与所述质量块组件相互过盈配合。
2.根据权利要求1所述的电荷输出元件，其特征在于，所述压电晶体为弯折片状结构，所述弯折片状结构与所述连接部件的侧面的形状相匹配；或
所述压电晶体为平直片状结构，所述平直片状结构的形状与所述连接部件的侧面的形状相匹配，所述连接部件的每个所述侧面对应设置有一个所述压电单元。
3.根据权利要求1所述的电荷输出元件，其特征在于，每个所述压电晶体的沿所述连接部件的周面的法线方向的两个相对的表面均设置有导电膜，所述压电单元包括在所述法线方向层叠设置的两个以上的所述压电晶体，相邻层叠设置的两个所述压电晶体的相互靠近的两个表面的极性相同。
4.根据权利要求3所述的电荷输出元件，其特征在于，进一步包括：
电极片，与各层的所述压电晶体在所述法线方向上交替层叠设置，所述电极片的层数比所述压电晶体多一层，所述电极片包括贴合部和连接部，所述贴合部对应所述压电晶体设置，所述连接部与所述贴合部电连接，使所述电极片形成沿所述周向断开的环状结构体；
其中，各奇数层的所述电极片通过导线段电连接，各偶数层的所述电极片通过所述导线段电连接，以使各所述压电晶体并联。
5.根据权利要求4所述的电荷输出元件，其特征在于，所述贴合部的尺寸大于或等于所述压电晶体的尺寸，以使所述压电晶体能够完全与所述贴合部完全贴合；和/或
所述连接部沿所述连接部件的轴向的宽度小于所述贴合部的沿所述轴向的宽度。
6.根据权利要求4所述的电荷输出元件，其特征在于，所述导线段在所述电极片的断开位置沿周向将各奇数层的所述电极片电连接；以及所述导线段在所述电极片的断开位置沿周向将各偶数层的所述电极片电连接。
7.根据权利要求1所述的电荷输出元件，其特征在于，所述质量块组件包括沿所述周向间隔分布的多个质量块，每个所述压电单元的外周侧对应设置有至少一个所述质量块。
8.根据权利要求1所述的电荷输出元件，其特征在于，进一步包括：
热缩环，套设于所述质量块组件，所述热缩环与所述质量块组件过盈配合；
绝缘片，套设于所述连接部件，位于所述连接部件与所述压电单元之间。
9.一种电荷输出元件的装配方法，其特征在于，包括：
对基座进行热处理工艺，以消除所述基座中的加工应力，其中，所述基座包括具有多个侧面的多边形连接部件；
沿所述连接部件的周侧间隔设置至少两个压电单元，其中，至少两个压电单元对应所述连接部的多个侧面中的至少两个侧面设置，所述压电单元包括至少一个压电晶体；
将各所述压电晶体通过电极片并联；
在所述压电单元的外周侧设置质量块组件；
将热缩环套设在所述质量块组件的外侧并加热收缩，以使所述热缩环、所述质量块组件、所述压电单元与所述连接部件相互过盈配合。
10.一种压电加速度传感器，其特征在于，包括：
电荷输出元件，为权利要求1至8任一项所述的电荷输出元件；
壳体，环绕所述电荷输出元件，且设置于所述基座上；
信号输出结构，与所述压电组件电连接。
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