CN110361563A - 电荷输出元件及压电加速度传感器 - Google Patents

电荷输出元件及压电加速度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电荷输出元件及压电加速度传感器，电荷输出元件包括：基座，包括支撑部件及设置于支撑部件上的连接部件；挠性件，套设于连接部件弯曲形变；质量块组件，围绕连接部件的周向分布，质量块组件通过挠性件连接至连接部件且悬空于支撑部件上方，以带动挠性件在连接部件的延伸方向上弯曲变形；压电元件，贴附于挠性件远离支撑部件的表面设置，随挠性件连动设置。能够提高电荷输出元件的灵敏度，同时电荷输出元件的灵敏度不容易受到基座应变影响。

Description

电荷输出元件及压电加速度传感器
技术领域
本发明涉及加速度传感器技术领域，特别是涉及一种电荷输出元件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。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加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灵敏度的要求更为严苛，需要压电加速度传感器具有较高的灵敏度，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
本发明实施例提供一种电荷输出元件及压电加速度传感器，能够提高电荷输出元件的灵敏度。
一方面，根据本发明实施例提出了一种电荷输出元件，包括：基座，包括支撑部件及设置于支撑部件上的连接部件；挠性件，套设于连接部件弯曲形变；质量块组件，围绕连接部件的周向分布，质量块组件通过挠性件连接至连接部件且悬空于支撑部件上方，以带动挠性件在连接部件的延伸方向上弯曲变形；压电元件，贴附于挠性件远离支撑部件的表面设置，随挠性件连动设置。
根据本发明实施例的一个方面，连接部件包括相互连接且同轴设置的基体部及固定部，挠性件上设有与固定部相对应的且在延伸方向上贯通挠性件的通孔；其中，固定部设置于通孔内并与围合形成通孔的侧壁固接。
根据本发明实施例的一个方面，在垂直于延伸方向上、固定部的最大截面面积小于基体部的最小截面面积，以在固定部与基体部之间形成过渡面，且挠性件抵靠于过渡面上。
根据本发明实施例的一个方面，在垂直于延伸方向上、挠性件的截面面积是固定部的最大截面面积的11倍到17倍；和/或，在垂直于延伸方向上、挠性件的截面面积是基体部的最小截面面积的5.5倍到8.5倍；和/或，在垂直于延伸方向上、挠性件的截面面积是基体部的最大截面面积的2.5到5.5倍。
根据本发明实施例的一个方面，在延伸方向上、挠性件具有均一的厚度。
根据本发明实施例的一个方面，在延伸方向上、压电元件与固定部间隔设置。
根据本发明实施例的一个方面，压电元件与挠性件之间设置绝缘件；其中，挠性件的厚度是绝缘件与固定部面向彼此的两个表面间的距离的2倍到4倍。
根据本发明实施例的一个方面，压电元件在延伸方向上被进行极化处理，压电元件和质量块组件按照在延伸方向上存在重叠部分的方式分别固接于挠性件远离支撑部件和靠近支撑部件的相背分布的两侧。
另一方面，根据本发明实施例提出了一种压电加速度传感器，包括：上述的电荷输出元件；以及，连接器，安装于基座内，与压电元件电连接，以将电荷输出元件的信号输出压电加速度传感器。
根据本发明实施例的另一个方面，连接器包括：连接器壳体；插针，套设于连接器壳体内部且与连接器壳体同轴设置，连接器壳体与插针之间设置第一玻璃层，连接器壳体与插针通过第一玻璃层烧结固定；固定环，套设于连接器壳体外部且与连接器壳体同轴设置，连接器壳体与固定环之间设置第二玻璃层，连接器壳体与固定环通过第二玻璃层烧结固定。
在本发明实施例提供的电荷输出元件及压电加速度传感器中，质量块组件环绕连接部件的周向设置，质量块组件顶部与挠性件固接且挠性件在支撑部件上悬空设置，在质量块组件受到加速度时对挠性件产生惯性力作用，使挠性件弯曲形变；而压电元件设置于挠性件顶部，压电元件的下表面贴附挠性件的上表面设置且压电元件的下表面与挠性件的上表面固接，因此挠性件的弯曲变形可传导至压电元件，利用压电元件的挠曲电效应，可产生较大电荷输出，进一步提高了电荷输出元件的灵敏度，同时电荷输出元件的灵敏度不容易受到基座应变影响。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。
图1是本发明实施例的压电加速度传感器的立体结构示意图；
图2是图1所示压电加速度传感器的平面结构示意图；
图3是图2所示压电加速度传感器的A-A向剖视图；
图4是图2所示压电加速度传感器去掉外壳的平面结构示意图；
图5是本发明实施例的电荷输出元件的结构示意图；
图6是本发明实施例的基座的结构示意图；
图7是本发明实施例的连接器的结构示意图。
图中，
1-电荷输出元件；
10-基座；11-支撑部件；111-缺口；112-凹槽；12-连接部件；121-基体部；122-固定部；123-过渡面；
20-挠性件；21-通孔；
30-质量块组件；31-质量块；
40-压电元件；
50-绝缘件；
2-连接器；
201-连接器壳体；202-插针；203-固定环；204-第一玻璃层；205-第二玻璃层；206-绝缘层；
3-信号线；
4-外壳；
Z-连接部件的延伸方向；
L-挠性件的厚度；
D-绝缘件与固定部面向彼此的两个表面间的距离。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
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，并不是对本发明的电荷输出元件1及压电加速度传感器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。
本发明实施例提供一种压电加速度传感器，能够在简化结构，降低加工难度的同时，提高灵敏度；并且，压电加速度传感器不易受到基座10应变影响。
为了更好地理解本发明，下面结合图1至7根据本发明实施例的压电加速度传感器进行详细描述。
请参阅图1至图7，图1示出了本发明实施例的压电加速度传感器的立体结构示意图；图2示出了图1所示压电加速度传感器的平面结构示意图；图3示出了图2所示压电加速度传感器的A-A向剖视图；图4示出了图2所示压电加速度传感器去掉外壳4的平面结构示意图；图5示出了本发明实施例的电荷输出元件1的结构示意图；图6示出了本发明实施例的基座10的结构示意图；图7示出了本发明实施例的连接器2的结构示意图。
请参阅图1至图4，本发明实施例提供的一种压电加速度传感器，包括电荷输出元件1、连接器2及外壳4，连接器2及外壳4均连接于电荷输出元件1。电荷输出元件1包括基座10，基座10包括支撑部件11及设置于支撑部件11上的连接部件12；挠性件20，套设于连接部件12弯曲形变；质量块组件30，围绕连接部件12的周向分布，质量块组件30通过挠性件20连接至连接部件12且悬空于支撑部件11上方，以带动挠性件20在连接部件12的延伸方向Z上弯曲变形；压电元件40及绝缘件50，绝缘件50在延伸方向Z上的两个表面分别贴附于挠性件20远离支撑部件11的表面和压电元件40靠近支撑部件11的表面设置，压电元件40及绝缘件50均随挠性件20连动设置。
具体的，支撑部件11为柱状结构，作为整个压电加速度传感器的支撑。支撑部间11的侧壁上设有与连接器2相匹配的缺口111，用于安装连接器2。连接部件12包括相互连接且同轴设置的基体部121及固定部122，基体部121为锥台结构，连接于支撑部件11的靠近挠性件20的一侧中部，并且在垂直于延伸方向Z上、支撑部件11的截面面积为基体部121的最大截面面积的3倍到6倍，如此可提高基座10整体的稳定性。在一些可选择的示例中，支撑部件11不限于上述柱状结构，其也可以为锥台结构、棱台结构或棱柱结构等可以实现支撑作用的结构。同样的，基体部121并不限于上述锥台结构，在延伸方向Z上、基体部121靠近挠性件20的一端尺寸小于远离挠性件20的一端的尺寸的除锥台结构以外的其他结构也可以，此种结构能够尽量减小在对压电加速度传感器施加加速度时基座10对挠性件20及压电元件40形变的影响，还能保证基座10对挠性件20及压电元件40的支撑的稳定性，当然，基体部121也可以设置为柱状结构、棱台结构或棱柱结构等满足设计需求的结构。
在一些可选择的示例中，固定部122为柱状结构，挠性件20上设有与固定部122相对应的且在延伸方向Z上贯通挠性件20的通孔21，固定部122设置于通孔21内，并且固定部122的外周表面与围合形成通孔21的侧壁焊接固接，可选择的，固定部122的外周表面与围合形成通孔21的侧壁之间采用激光焊接工艺，焊深可选择的为0.15-0.25mm；在垂直于延伸方向Z上、固定部122的最大截面面积小于基体部121的最小截面面积，以在固定部122与基体部121之间形成过渡面123，固定部122设置于挠性件20的通孔21内且挠性件20抵靠于过渡面123上，也即固定部122远离挠性件20的一端与基体部121靠近挠性件20的一端形成轴肩结构，挠性件20卡设于该轴肩结构上。可选择的固定部122并不限于柱状结构，在一些可选择的示例中，固定部122还可以设计为锥台结构、棱柱结构或棱台结构等；固定部122与围合形成通孔21的侧壁也不限于焊接固定方式，还可以采用胶粘等连接方式。
可选择的，在垂直于延伸方向Z上、挠性件20的截面面积是固定部122的最大截面面积的11倍到17倍；在垂直于延伸方向Z上、挠性件20的截面面积是基体部121的最小截面面积的5.5倍到8.5倍；在垂直于延伸方向Z上、挠性件20的截面面积是基体部121的最大截面面积的2.5到5.5倍。可选择的，挠性件20靠近支撑部件11的一侧表面与支撑部件11上表面之间的距离是质量块组件30靠近支撑部件11的一侧表面与支撑部件11上表面之间的距离的7倍至15倍。上述结构尺寸能够保证基座10对于挠性件20、绝缘件50、压电元件40以及质量块组件30的支撑的稳定性，同时也使得基座10对压电元件40的灵敏度的影响较小。需说明的是，在垂直于延伸方向Z上、挠性件20的截面面积、固定部122的截面面积及基体部121的截面面积的数值关系并不限于上述具体数值范围，其他任何满足设计及使用需求的尺寸均可。
支撑部件11的靠近挠性件20的一端的外缘设有与外壳4尺寸匹配的凹槽112，凹槽112用于安装外壳4。压电加速度传感器的外壳4包括容纳腔及与容纳腔相连通的开口，外壳4的开口朝向支撑部件11并与支撑部件11外缘的凹槽112焊接固定以将压电元件40、挠性件20及质量块31罩设于外壳4内。可选择的，外壳4与支撑部件11外缘的凹槽112采用激光焊接工艺，焊深为0.15-0.25mm。外壳4与支撑部件11的连接不限于上述焊接固定方式，也可采用胶粘、铆接等连接方式。
挠性件20可以为在受到作用力时会产生变形，在作用力失去之后不能恢复原状的一种结构件，材质可以为不锈钢或钛合金等合金材质。挠性件20为在延伸方向Z上具有一定厚度的板状结构，其具体为横截面是正六边形的板状结构，其中部设置有与连接部件12的固定部122相匹配的通孔21，在对压电加速度传感器进行组装时，通过通孔21将挠性件20安装于连接部件12上。挠性件20上位于通孔21两端的位置对称设置有两个用于安装质量块31的安装孔。对应的，质量块组件30包括两个质量块31，两个质量块31的靠近挠性件20的一端均设置安装柱，安装柱与挠性件20上的安装孔相匹配，安装柱的外周面与围合形成安装孔的侧壁焊接固定，最终实现质量块31与挠性件20的固定，可选择的，质量块的安装柱与围合形成安装孔的侧壁焊接固定，采用激光焊接工艺，焊深为0.15-0.25mm。在对质量块31施加加速度时，挠性件20可在延伸方向Z上弯曲形变。在一些可选择的示例中，在延伸方向Z上、挠性件20具有均一的厚度，在挠性件20的厚度L较小时，挠性件20为片状结构。在延伸方向Z上、绝缘件50与固定部122间隔设置，并且挠性件20的厚度L是绝缘件50与固定部122面向彼此的两个表面间的距离D的2倍到4倍，当然此仅为一种可选择的倍数范围，绝缘件50与固定部122面向彼此的两个表面间的距离D与挠性件20的厚度L也可以设计为其他倍数关系，只要满足实际设计需求即可，但具体设计时，需注意如果绝缘件50与固定部122面向彼此的两个表面间的距离D过小，会导致压电传感器易受基座10应变影响，产生较大的基座10应变灵敏度；而如果绝缘件50与固定部122面向彼此的两个表面间的距离D过大，易导致挠性件20与连接部件12的连接不牢固。
可选择的，质量块组件30包括两个质量块31，质量块31均包括长方形块体及安装柱，安装柱设置于长方形块体的中部，在质量块31通过安装柱固接于挠性件20时，长方形块体的远离连接部件12的一侧的侧壁与挠性件20的外壁齐平。此种结构设计可以使对质量块31施加加速度时，保证整个挠性件20的弯曲形变比较均匀。当然，在一些可选择的示例中，质量块31也可以相较本实施例的位置向远离或靠近连接部件12的位置偏离，只要能够达到需求即可。在一些可选择的示例中，质量块31也可以为一个套设于连接部件12外的环形结构体，环形结构体与连接部件12的面向彼此的两个环面之间可选择的具有空隙。质量块31也可以包括两个以上围绕连接部件12周向均匀设置的质量块31。
可选择的，压电元件40包括一层或两层以上的压电晶体，在延伸方向Z上、压电晶体均具有相背设置的两个表面，两个表面上均镀有镀金层；两层以上压电晶体在延伸方向Z上层叠设置且相互并联连接，相邻两层压电晶体的相互靠近的两个表面的极性相同。可选择的，镀金层的厚度为1um或者镀金层的厚度也可以小于1um，只要满足实际设计需要即可。压电元件40的材料不限于下述材料种类：石英单晶、锆钛酸铅压电陶瓷、铋层状陶瓷或铌酸锂，当然也可以选择其他满足设计需求的材料。
压电元件40与挠性件20之间设置有绝缘件50，可选择的，绝缘件50为片状结构，其具有相背设置的第一表面和第二表面，第一表面通过环氧树脂胶与压电元件40的面向绝缘件的一侧表面粘接固定，第二表面通过环氧树脂胶与挠性件20的面向绝缘件的一侧表面粘接固定，此方式安装简便，便于后期的拆卸与维修。在一些可选择的示例中，压电元件40与绝缘件50之间也可采用其他粘接剂粘接固定，还可采用例如铆接、螺纹连接等固定方式。
本发明实施例还提供一种压电加速度传感器，连接器2设置于基座10的缺口111内，并且连接器2的固定环203与基座10焊接固定，可选择的采用激光焊接工艺，焊深为0.15-0.25mm。连接器2通过信号线3与压电元件40电连接。连接器2包括连接器壳体201、插针202及固定环203；其中，插针202套设于连接器壳体201内部，连接器壳体201与插针202之间设置第一玻璃层204，连接器壳体201与插针202通过第一玻璃层204烧结固定；固定环203套设于连接器壳体201外部，连接器壳体201与固定环203之间设置第二玻璃层205，连接器壳体201与固定环203通过第二玻璃层205烧结固定。连接器壳体201与插针202之间且位于第一玻璃层204一端的位置设置绝缘层206，绝缘层206具有相背设置的内环面和外环面，内环面与插针202的外壁固接，外环面与连接器壳体201的内壁固接。在本实施例中，连接器2为单芯连接器2，且连接器2为双层玻璃烧结结构设计，使信号与壳体隔离，相较具有单层玻璃结构的连接器2能够有效解决连接器2易受外界噪声等干扰的问题，尤其是在低频时的信号干扰。当然，在一些可选择的示例中，连接器2也可以为仅具有第一玻璃层204或第二玻璃层205的单层玻璃结构的连接器2，只是单层玻璃的连接器2相较双层玻璃烧结结构的抗干扰能力较差。
本发明实施例还提供一种电荷输出元件1，包括基座10，基座10包括支撑部件11及设置于支撑部件11上的连接部件12；挠性件20，套设于连接部件12弯曲形变；质量块组件30，围绕连接部件12的周向分布，质量块组件30通过挠性件20连接至连接部件12且悬空于支撑部件11上方，以带动挠性件20在连接部件12的延伸方向Z上弯曲变形；压电元件40及绝缘件50，绝缘件在延伸方向Z上的两个表面分别贴附于挠性件20远离支撑部件11的表面和压电元件40靠近支撑部件11的表面设置，压电元件40及绝缘件50均随挠性件20连动设置。其利用质量块组件30在受到加速度对挠性件20产生惯性力作用，使挠性件20弯曲形变，应变传导至压电元件40，利用压电元件40的挠曲电效应，可产生较大电荷输出，因而提升了具有该电荷输出元件1的压电加速度传感器的灵敏度。
虽然已经参考可选择的实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其特征在于的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种电荷输出元件，其特征在于，包括：
基座(10)，包括支撑部件(11)及设置于所述支撑部件(11)上的连接部件(12)；
挠性件(20)，套设于所述连接部件(12)弯曲形变；
质量块组件(30)，围绕所述连接部件(12)的周向分布，所述质量块组件(30)通过所述挠性件(20)连接至所述连接部件(12)且悬空于所述支撑部件(11)上方，以带动挠性件(20)在所述连接部件(12)的延伸方向(Z)上弯曲变形；
压电元件(40)，贴附于所述挠性件(20)远离所述支撑部件(11)的表面设置，随所述挠性件(20)连动设置。
2.根据权利要求1所述的电荷输出元件，其特征在于，所述连接部件(12)包括相互连接且同轴设置的基体部(121)及固定部(122)，所述挠性件(20)上设有与所述固定部(122)相对应的且在所述延伸方向(Z)上贯通所述挠性件(20)的通孔(21)；其中，所述固定部(122)设置于所述通孔(21)内并与围合形成所述通孔(21)的侧壁固接。
3.根据权利要求2所述的电荷输出元件，其特征在于，在垂直于所述延伸方向(Z)上、所述固定部(122)的最大截面面积小于所述基体部(121)的最小截面面积，以在所述固定部(122)与所述基体部(121)之间形成过渡面(123)，所述挠性件(20)抵靠于所述过渡面(123)上。
4.根据权利要求2所述的电荷输出元件，其特征在于，在垂直于所述延伸方向(Z)上、所述挠性件(20)的截面面积是所述固定部(122)的最大截面面积的11倍到17倍；和/或，
在垂直于所述延伸方向(Z)上、所述挠性件(20)的截面面积是所述基体部(121)的最小截面面积的5.5倍到8.5倍；和/或，
在垂直于所述延伸方向(Z)上、所述挠性件(20)的截面面积是所述基体部(121)的最大截面面积的2.5到5.5倍。
5.根据权利要求2所述的电荷输出元件，其特征在于，在所述延伸方向(Z)上、所述挠性件(20)具有均一的厚度。
6.根据权利要求2所述的电荷输出元件，其特征在于，在所述延伸方向(Z)上、所述压电元件(40)与所述固定部(122)间隔设置。
7.根据权利要求5所述的电荷输出元件，其特征在于，所述压电元件(40)与所述挠性件(20)之间设置绝缘件(50)；其中，所述挠性件(20)的厚度(L)是所述绝缘件(50)与所述固定部(122)面向彼此的两个表面间的距离(D)的2倍到4倍。
8.根据权利要求1所述的电荷输出元件，其特征在于，所述压电元件(40)在所述延伸方向(Z)上被进行极化处理，所述压电元件(40)和所述质量块组件(30)按照在所述延伸方向(Z)上存在重叠部分的方式分别固接于所述挠性件(20)远离所述支撑部件(11)和靠近所述支撑部件(11)的相背分布的两侧。
9.一种压电加速度传感器，其特征在于，包括：
权利要求1-8任一项所述的电荷输出元件(1)；以及，
连接器(2)，安装于所述基座(10)内，与所述压电元件(40)电连接，以将所述电荷输出元件(1)的信号输出所述压电加速度传感器。
10.根据权利要求9所述的压电加速度传感器，其特征在于，所述连接器(2)包括：
连接器壳体(201)；
插针(202)，套设于所述连接器壳体(201)内部且与所述连接器壳体(201)同轴设置，所述连接器壳体(201)与所述插针(202)之间设置第一玻璃层(204)，所述连接器壳体(201)与所述插针(202)通过所述第一玻璃层(204)烧结固定；
固定环(203)，套设于所述连接器壳体(201)外部且与所述连接器壳体(201)同轴设置，所述连接器壳体(201)与所述固定环(203)之间设置第二玻璃层(205)，所述连接器壳体(201)与所述固定环(203)通过所述第二玻璃层(205)烧结固定。
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