CZ277927B6

CZ277927B6 - Piezo-electric transducer

Info

Publication number: CZ277927B6
Application number: CS903222A
Authority: CZ
Inventors: Miroslav Ing Csc Havranek
Original assignee: Havranek Miroslav
Priority date: 1990-06-28
Filing date: 1990-06-28
Publication date: 1993-06-16
Also published as: CS322290A3; SK277950B6

Abstract

Sensor of acceleration, power or pressure is created with piezoelectric element (1) tired on editing in direction of its internal polarization (P), which is on opposite surfaces perpendicular on direction of this internal polarization (P) equipped with electrodes (3). Piezoelectric element (1) is located in holder (2) and is equipped in cause of acceleration sensor with internal mass (4) and in cause of power sensor or press sensor with element of transfer of this power or press. In space between holder (2) and accelerating mass (4) or element of transfer of power or press, are electrodes (3) in editing place on all length interrupted a.e. by draw in opposite places. Opposite parts of electrodes (3) are mutually conductive interfaced. Sensitivity of sensor can be influenced with choice of form of groove and holder (2) of piezoelectric element (1).

Description

Vynález se týká piezoelektrického snímače ve funkci snímače zrychlení nebo snímače síly nebo snímače tlaku s piezoelektrickým elementem namáhaným na střih.The present invention relates to a piezoelectric transducer in the function of an acceleration sensor or a force transducer or a pressure transducer with a shear stressed piezoelectric element.

V současné době je známo několik konstrukcí piezoelektrického snímače. Lze je rozdělit podle druhu namáhání piezoelektrického elementu na dvě skupiny. Nej.základnéjší je uspořádání, kdy je piezoelektrický element namáhán na tlak silou ve směru jeho vnitřní polarizace a jeho elektrody jsou uspořádány kolmo na směr vnitřní polarizace. Tento typ je tvořen držákem, k němuž je připevněn alespoň jeden piezoelektrický element, na který v případě, že se jedná o piezoelektrický snímač ve funkci snímače zrychlení, dosedá setrvačná hmotnost a v případě, že se jedná o snímač síly nebo tlaku je piezoelektrický element opatřen prvkem pro přenos síly nebo tlaku. Často je piezoelektrický element tvořen párem piezokeramických destiček, což zvyšuje nábojovou citlivost a vyrovnává případnou různou citlivost na tlak a tah. Nevýhodou tohoto uspořádání je velká citlivost na změny teploty, kdy se změna velikosti vektoru polarizace projevuje vznikem velkého parazitního náboje, který velmi ruší při měření při nízkých frekvencích. Z tohoto důvodu se často používají snímače druhého typu, kdy je piezoelektrický element namáhán na střih, a to silou působící ve směru vnitřní polarizace. Uspořádání takovéhoto typu piezoelektrického snímače je obdobné jako v předešlém případě s tím rozdílem, že elektrody jsou uspořádány rovnoběžně se směrem vnitřní polarizace. Při tomto způsobu namáhání piezoelektrického elementu a snímání náboje vzniká parazitní náboj mimo elektrody a neruší tedy vlastní měření. Takto uspořádaný piezoelektrický snímač má nevýhodu v tom, že použitá piezokeramika je z důvodu vysokých nároků na výrobu podstatně dražší než v předešlém uspořádání.Several piezoelectric sensor designs are currently known. They can be divided into two groups according to the type of stress of the piezoelectric element. The most basic is the arrangement in which the piezoelectric element is subjected to pressure by a force in the direction of its internal polarization and its electrodes are arranged perpendicular to the direction of the internal polarization. This type consists of a bracket to which at least one piezoelectric element is attached, to which, in the case of a piezoelectric sensor in the function of an acceleration sensor, the inertia bears and, in the case of a force or pressure sensor, the piezoelectric element is provided element for transmitting force or pressure. Often the piezoelectric element is formed by a pair of piezoceramic plates, which increases the charge sensitivity and compensates for any different pressure and tension sensitivity. The disadvantage of this arrangement is the high sensitivity to temperature changes, where the change in the magnitude of the polarization vector results in the formation of a large parasitic charge, which greatly interferes with measurements at low frequencies. For this reason, sensors of the second type are often used in which the piezoelectric element is subjected to shear by a force acting in the direction of internal polarization. The arrangement of such a type of piezoelectric transducer is similar to the previous case, except that the electrodes are arranged parallel to the direction of the internal polarization. This method of stressing the piezoelectric element and sensing the charge generates a parasitic charge outside the electrodes and thus does not interfere with the actual measurement. The piezoelectric sensor thus arranged has the disadvantage that the piezoceramic used is considerably more expensive than in the previous arrangement because of the high production demands.

Všechny doposud známé piezoelektrické snímače nemají možnost jednoduchého nastavení citlivosti. Například v případě snímačů zrychlení se citlivost mění změnou velikosti setrvačné hmotnosti, což ale ovlivňuje rezonanční vlastnosti snímače.Not all known piezoelectric sensors have the possibility of simple sensitivity adjustment. For example, in the case of acceleration sensors, the sensitivity changes by changing the amount of inertia, but this affects the resonance properties of the sensor.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje piezoelektrický snímač podle vynálezu. Tento piezoelektrický snímač síly je tvořen piezoelektrickým elementem namáhaným na střih ve směru jeho vnitřní polarizace, který je opatřen na protilehlých plochách elektrodami a je umístěn v držáku. V případě snímače zrychlení je piezoelektrický element opatřen setrvačnou hmotností, v případě snímače síly nebo tlaku prvkem pro přenos síly nebo tlaku. Podstatou vynálezu je, že elektrody jsou vytvořeny na těch protilehlých plochách piezoelektrického elementu, které jsou kolmé na směr vnitřní polarizace a jsou v prostoru mezi držákem a setrvačnou hmotností nebo, prvkem pro přenos síly či tlaku po celé délce v protilehlých.místech přerušeny. Takto vzniklé části elektrod jsou pak vodivě spojeny, a to vždy dvě souhlasně protilehlé části.The above-mentioned drawbacks are overcome by the piezoelectric sensor according to the invention. The piezoelectric force transducer consists of a piezoelectric shear stressed element in the direction of its internal polarization, which is provided with electrodes on opposite surfaces and is located in the holder. In the case of an acceleration sensor, the piezoelectric element is provided with an inertia mass, in the case of a force or pressure sensor an element for transmitting force or pressure. It is an object of the invention that the electrodes are formed on those opposing faces of the piezoelectric element that are perpendicular to the direction of internal polarization and are interrupted in the space between the holder and the inertia or the element for transmitting force or pressure along its entire length. The resulting electrode portions are then conductively connected, and each of the two mutually opposed portions.

Výhodou piezoelektrického snímače podle vynálezu je, že rozdělením elektrod v místě střihu a vodivým propojením takto vzniklých protilehlých částí se zajistí, že náboj, vznikající pyroelektrickým jevem, je zkratován a náboj, vznikající střihovým namáháním indukuje v rozdělených elektrodách opačný náboj.An advantage of the piezoelectric transducer according to the invention is that by splitting the electrodes at the shear point and conductively connecting the opposing parts thus formed, the charge generated by the pyroelectric effect is short-circuited and the shear charge induces the opposite charge in the split electrodes.

' CZ 277927 B6 2'CZ 277927 B6 2

Citlivost takto uspořádaného piezoelektrického snímače síly lze měnit volbou tvaru držáku a tvaru držáky, která rozděluje elektrody.The sensitivity of the piezoelectric force sensor thus arranged can be varied by selecting the shape of the holder and the shape of the holder that divides the electrodes.

Příklad piezoelektrického snímač je schematicky uveden na výkrese na obr. 1. Na obr. 2 je znázorněno v řezu jedno z možných konkrétních provedení. Obr. 3 a 4 demonstrují vlastní funkci snímače, kde na prvním z nich je znázorněn stav v klidu a na druhém stav, kdy je piezoelektrický element namáhán.An example of a piezoelectric transducer is shown schematically in the drawing of FIG. 1. FIG. 2 shows one cross-section of one possible embodiment. Giant. Figures 3 and 4 illustrate the actual function of the transducer, in which the first one shows the state at rest and the second one the state where the piezoelectric element is stressed.

Piezoelektrický snímač je ve své podstatě tvořen piezoelektrickým elementem 1, který je opatřen na protilehlých stranách kolmých na směr vnitřní polarizace P elektrodami 3.· Na zbývajících protilehlých stranách je z jedné z nich piezoelektrický element 1 upevněn do držáku 2 a na druhé jev případě snímače zrychlení opatřen setrvačnou hmotností 4 a v případě snímače síly nebo tlaku je opatřen prvkem přenosu této síly nebo tlaku. V prostoru mezi držákem 2 a setrvačnou hmotností 4 resp. prvkem přenosu síly nebo tlaku v místě střihu jsou obě elektrody 2 P° celé délce, a to v protilehlých místech přerušeny. Takto vzniklé protilehlé.části elektrod 3 jsou vždy v páru vodivě spojeny.The piezoelectric sensor consists essentially of a piezoelectric element 1, which is provided on opposite sides perpendicular to the direction of internal polarization P by electrodes 3. On the remaining opposite sides, one of the piezoelectric element 1 is mounted in the holder 2 and on the other is provided with an inertia mass 4 and, in the case of a force or pressure sensor, is provided with an element of transmission of this force or pressure. In the space between the bracket 2 and the inertia mass 4, respectively. As an element of transmission of force or pressure at the shear point, the two electrodes 2 P ° of the entire length are interrupted at opposite points. The opposing portions of the electrodes 3 thus formed are each conductively coupled in pairs.

V konkrétním případě, kdy se jedná o piezoelektrický snímač ve funkci snímače zrychlení, je možné například následující uspořádání. Držák 2 má profil ve tvaru T a má v užší části vytvořen zářez 5. Do tohoto zářezu 5 zapadá piezoelektrický element .1, který je tak upevněn v držáku 2. Piezoelektrický element'1 může být například tvaru mezikruží. Na plochách rovnoběžných se základovou, tedy širší částí držáku 2, které jsou zároveň kolmé na směr vnitřní polarizace P piezoelektrického elementu 1. jsou vytvořeny elektrody 2- Na vnějším obvodu je piezoelektrický element 1 opatřen setrvačnou hmotností 4,. V prostoru mezi držákem 2 a setrvačnou hmotností 4. jsou obě elektrody 2 piezoelektrického elementu 1 přerušeny drážkou 6, a to v místech, ležících proti sobě. Přerušení je situováno do místa střihu piezoelektrického elementu 1. Takto vzniklé protilehlé části elektrod 2 jsou vždy vodivě navzájem spojeny. Toto vodivé spojení lze nejjednoduššeji realizovat tak, že držák 2 a setrvačná hmotnost 4 jsou z vodivého materiálu. Tímto způsobem vytvářejí části elektrod 2 přiléhající k držáku 2 jeden pól piezoelektrického snímače a části elektrod 3 přiléhající k setrvačné hmotnosti 4 druhý pól' piezoelektrického snímače.In the particular case of a piezoelectric sensor in the function of an acceleration sensor, the following arrangement is possible, for example. The holder 2 has a T-shaped profile and has a notch 5 formed in the narrower part. This notch 5 fits a piezoelectric element 1, which is thus fixed in the holder 2. The piezoelectric element 1 can be, for example, annular. Electrodes 2 are formed on surfaces parallel to the base, i.e. the wider part of the holder 2, which are at the same time perpendicular to the direction of internal polarization P of the piezoelectric element 1. On the outer periphery, the piezoelectric element 1 is provided with an inertial mass 4. In the space between the holder 2 and the inertia 4, the two electrodes 2 of the piezoelectric element 1 are interrupted by a groove 6, at points opposite to each other. The interruption is situated at the shear point of the piezoelectric element 1. The opposing portions of the electrodes 2 thus formed are always conductively connected to each other. This conductive connection can be realized in the simplest way so that the holder 2 and the inertia 4 are made of conductive material. In this way, the electrode portions 2 adjacent to the holder 2 form one pole of the piezoelectric sensor and the electrode portions 3 adjacent to the inertia mass 4 form the other pole of the piezoelectric sensor.

Situaci v klidu naznačuje obr. 3, kde je znázorněna část piezoelektrického elementu 1, opatřeného rozdělenými elektrodami 2 upevněného z jedné strany k držáku 2 a z druhé strany k setrvačné hmotnosti 4. Je zde vyznačen i směr vektoru vnitřní polarizace P. Při namáhání piezoelektrického elementu 1 silou E dochází k natáčení vektoru polarizace P, který lze potom rozdělit do dvou kolmých složek. Složka vektoru rovnoběžná s elektrodami 2 indukuje v rozdělených elektrodách 2 náboj, úměrný namáhání. Změna vektoru ve směru kolmém na elektrody 2 indukuje náboj, který je však zkratován, protože protilehlé části elektrod 2 jsou vodivě spojeny. Stejně tak jsou zrušeny náboje vyvolané pyroelektrickým jevem.Fig. 3 shows a part of the piezoelectric element 1 provided with divided electrodes 2 fastened from one side to the holder 2 and from the other side to the inertial mass 4. The direction of the internal polarization vector P is also indicated here. The force E causes the polarization vector P to be rotated, which can then be divided into two perpendicular components. The vector component parallel to the electrodes 2 induces a charge proportional to the stress in the divided electrodes 2. Changing the vector in the direction perpendicular to the electrodes 2 induces a charge, which, however, is short-circuited because the opposing portions of the electrodes 2 are conductively connected. Likewise, charges caused by the pyroelectric effect are eliminated.

Neméně významným jevem je, že velikost indukovaného náboje závisí nejen na velikosti namáhání, ale hlavně na poloze zóny deformace vůči místu rozdělení elektrod 2· Bude-li toto rozdělení mimo deformovanou část, nebude se indukovat prakticky žádný náboj. Naopak maximální citlivosti lze dosáhnout, je-li místo rozdělení v místě maximální deformace piezoelektrického elementuNo less significant is that the magnitude of the induced charge depends not only on the magnitude of stress, but mainly on the position of the deformation zone relative to the electrode splitting point. 2 If this distribution is outside the deformed portion, virtually no charge will be induced. Conversely, maximum sensitivity can be achieved if the distribution point is at the maximum deformation point of the piezoelectric element

1. Je tedy zřejmé, že vhodnou volbou tvaru drážky 6, která rozděluje elektrody 2 ^a tvaru držáku 2 piezoelektrického elementu 1 lze dosáhnout toho, že natáčením piezoelektrického elementu 1 lze posouvat zónu deformace a tím jednoduchým způsobem měnit citlivost piezoelektrického snímače síly, aniž by byly ovlivněny jeho rezonanční vlastnosti, případně jeho necitlivost na příčné síly.It is therefore clear that by appropriately selecting the shape of the groove 6 which divides the electrodes 2 ^{and the} shape of the holder 2 of the piezoelectric element 1, it is possible to rotate the piezoelectric element 1 to shift the deformation zone and thereby easily change the sensitivity of the piezoelectric force sensor its resonant properties or its insensitivity to transverse forces.

Claims

A piezoelectric transducer, formed by a piezoelectric shear stressed in the direction of its internal polarization and provided with electrodes on opposite surfaces, which is located in a holder and is provided with an inertia mass or force or pressure transfer element, characterized in that the electrodes (3) are formed on surfaces of the piezoelectric element (1) perpendicular to the direction of internal polarization (P), the electrodes (3) being in the space between the holder (2) and the inertia (4) or the shear force or pressure transfer element at opposite points · The electrodes (3), which are mutually opposite, are conductively connected.