ITUB20153257A1

ITUB20153257A1 - PIEZOELECTRIC SENSOR FOR VIBRATION DETECTION

Info

Publication number: ITUB20153257A1
Application number: ITUB2015A003257A
Authority: IT
Inventors: Antonio Morrocchesi
Original assignee: Antonio Morrocchesi
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2017-02-27

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

SENSORE PIEZOELETTRICO PER LA RILEVAZIONE DI VIBRAZIONI PIEZOELECTRIC SENSOR FOR DETECTION OF VIBRATIONS

La presente invenzione ha per oggetto un sensore piezoelettrico per la rilevazione di vibrazioni del tipo precisato nel preambolo della prima rivendicazione. The present invention relates to a piezoelectric sensor for the detection of vibrations of the type specified in the preamble of the first claim.

Come è noto, la piezoelettricità è la proprietà di alcuni materiali cristallini - detti genericamente piezoelettrici - di polarizzarsi elettricamente generando una differenza di potenziale quando sono soggetti ad una deformazione meccanica. In pratica, in presenza di una forza esterna, che comprime o fa vibrare un cristallo piezoelettrico, una faccia del cristallo stesso si carica negativamente e la faccia opposta si carica positivamente. As is known, piezoelectricity is the property of some crystalline materials - generically called piezoelectric - to electrically polarize, generating a potential difference when they are subjected to mechanical deformation. In practice, in the presence of an external force, which compresses or causes a piezoelectric crystal to vibrate, one face of the crystal itself is negatively charged and the opposite face is positively charged.

Se le due facce sono collegate tramite un apposito circuito elettrico, viene rilevato un segnale elettrico la cui forma, frequenza, l'intensità è fisicamente correiabile all'intensità, la frequenza e la direzione della vibrazione impattante con la superficie del cristallo. If the two faces are connected by means of a special electrical circuit, an electrical signal is detected whose shape, frequency, intensity can be physically corrected to the intensity, frequency and direction of the vibration impacting the surface of the crystal.

I materiali piezoelettrici sono di vario tipo e a titolo di esempio sono molto utilizzati il quarzo (S1O2), il piombo zirconato di titanio o PZT (Pb[ZrxTh-x]03), il titanato di bario (BaTiOs), il titanato di piombo (PbTiOs). Piezoelectric materials are of various types and by way of example are widely used quartz (S1O2), lead titanium zirconate or PZT (Pb [ZrxTh-x] 03), barium titanate (BaTiOs), lead titanate ( PbTiOs).

T ra le molte applicazioni previste in svariati campi della tecnica, è diffuso l’impiego dei cristalli piezoelettrici per la rilevazione di vibrazioni e, ad esempio, come componenti di sensori di impianti di sicurezza, controllo accessi, o qualsiasi altra situazione in cui si renda necessario il rilievo della presenza/movimento di persone e/o oggetti, che generando una differenza di pressione su una superficie/volume allarmata/o, ossia provvista/o di sensori, determini una differenza di pressione sul cristallo e, quindi, la generazione del suddetto segnale elettrico. Among the many applications envisaged in various fields of technology, the use of piezoelectric crystals is widespread for the detection of vibrations and, for example, as components of sensors in security systems, access control, or any other situation in which It is necessary to detect the presence / movement of people and / or objects, which by generating a pressure difference on an alarmed surface / volume, i.e. equipped with sensors, determines a pressure difference on the crystal and, therefore, the generation of the said electrical signal.

I sensori in questione comprendono solitamente un involucro esterno nel quale sono alloggiati uno o più elementi o cristalli piezoelettrici e uno o più circuiti stampati che elaborano i segnali derivanti dal piezoelettrico. The sensors in question usually comprise an external casing in which one or more piezoelectric elements or crystals are housed and one or more printed circuits which process the signals deriving from the piezoelectric.

L'involucro esterno è tipicamente in materia plastica, ad esempio in PVC (Polivinilcloruro o Cloruro di Polivinile), vetro, plastica, metallo, o altro materiale. Tra l’involucro esterno e il materiale piezoelettrico ed il relativo circuito stampato è inserito o colato un riempimento in resina termoindurente. The outer shell is typically made of plastic, such as PVC (polyvinyl chloride or polyvinyl chloride), glass, plastic, metal, or other material. A thermosetting resin filling is inserted or poured between the outer casing and the piezoelectric material and the related printed circuit.

Le resine termoindurenti (ad esempio fenoliche, ammidiche, epossidiche, poliuretaniche, poliesteriche insature, siliconiche, alchiliche) si distinguono per le loro elevate proprietà d’isolamento elettrico, rigidità e resistenza al calore. Thermosetting resins (for example phenolic, amide, epoxy, polyurethane, unsaturated polyester, silicone, alkyl) are distinguished by their high electrical insulation properties, rigidity and heat resistance.

Sono materiali nei quali il moto delle catene polimeriche è fortemente limitato dall'elevato numero di reticolazioni esistenti. They are materials in which the motion of the polymer chains is severely limited by the high number of existing crosslinks.

Questo riempimento adempie a vari importanti compiti. This filling fulfills various important tasks.

Un compito che appare immediatamente è quello di protezione delle parti funzionali del sensore contro danneggiamenti accidentali, ad esempio durante la sua messa in opera. A task that appears immediately is that of protecting the functional parts of the sensor against accidental damage, for example during its installation.

Il riempimento provvede anche a sigillare ermeticamente il sensore, in modo che quest’ultimo sia il più possibile protetto rispetto a fattori ambientali o agenti chimici o fisici esterni. The filling also hermetically seals the sensor, so that the latter is as protected as possible from environmental factors or external chemical or physical agents.

Soprattutto, il riempimento in questione ha un’essenziale funzione operativa, quella di trasmettere vibrazioni alla parte piezoelettrica interna. Above all, the filling in question has an essential operational function, that of transmitting vibrations to the internal piezoelectric part.

Infatti, un cristallo piezoelettrico presenta sensibilità diverse in base alla direzione d'impatto delle vibrazioni. In fact, a piezoelectric crystal has different sensitivities based on the direction of impact of the vibrations.

Tipicamente la massima sensibilità occorre nel caso di una vibrazione diretta ortogonalmente a uno specifico piano principale del cristallo, mentre l’effetto della stessa vibrazione è praticamente nullo nel caso di una direzione di propagazione laterale rispetto al detto piano. Typically, maximum sensitivity is required in the case of a vibration directed orthogonally to a specific main plane of the crystal, while the effect of the same vibration is practically zero in the case of a lateral propagation direction with respect to said plane.

In questa situazione è importante che il cristallo piezoelettrico sia annegato in un materiale compatto, omogeneo, il quale non alteri le proprietà elettriche, chimiche e fisiche del cristallo, in modo che anche le vibrazioni con una direzione di impatto non ottimale rispetto al piano sensibile del cristallo abbiano una ridotta alterazione all'interno del rivestimento per poter essere percepite e tradotte dal cristallo piezoelettrico in modo ottimale. In this situation it is important that the piezoelectric crystal is embedded in a compact, homogeneous material, which does not alter the electrical, chemical and physical properties of the crystal, so that even the vibrations with an impact direction that is not optimal with respect to the sensitive plane of the crystal have a reduced alteration within the coating in order to be perceived and translated by the piezoelectric crystal in an optimal way.

Le soluzioni tecniche sopra indicate permettono di realizzare buoni sensori, ma si è rilevato che i sensori attuali non valorizzano in modo ottimale la sensibilità, che costituisce la loro parte essenziale. The technical solutions indicated above make it possible to produce good sensors, but it has been found that current sensors do not optimally enhance the sensitivity, which constitutes their essential part.

Nei sensori attuali si rileva, infatti, un’ alterazione dei segnali che il materiale piezoelettrico riceve e converte in segnale elettrico. In fact, current sensors detect an alteration of the signals that the piezoelectric material receives and converts into an electrical signal.

Inoltre, per sua stessa natura, il cristallo piezoelettrico risulta molto sensibile e estremamente suscettibile agli eventi elettromagnetici esterni. Tali eventi possono sollecitare il piezoelettrico, generando a sua volta degli impulsi elettrici, che sono interpretabili come segnali di allarme, ma in realtà si tratta di falsi allarmi, rendendo complessivamente il sistema di allarme critico e poco affidabile. Furthermore, by its very nature, the piezoelectric crystal is very sensitive and extremely susceptible to external electromagnetic events. These events can stress the piezoelectric, generating in turn electrical impulses, which can be interpreted as alarm signals, but in reality they are false alarms, making the alarm system critical and unreliable as a whole.

Alcuni inconvenienti pratici sono poi legati alla relativa laboriosità delle operazioni di montaggio della sensoristica in questione, la relativa complessità degli impianti che li utilizzano, nonché le non semplici operazioni di manutenzione dell'impianto di allarme. Some practical drawbacks are then linked to the relative laboriousness of the assembly operations of the sensors in question, the relative complexity of the systems that use them, as well as the not simple maintenance operations of the alarm system.

In questa situazione il compito tecnico alla base della presente invenzione è ideare un sensore piezoelettrico per la rilevazione di vibrazioni e un procedimento di realizzazione dello stesso in grado di ovviare sostanzialmente agli inconvenienti citati. In this situation, the technical task underlying the present invention is to devise a piezoelectric sensor for detecting vibrations and a process for manufacturing the same capable of substantially obviating the aforementioned drawbacks.

Nell'ambito di detto compito tecnico è un importante scopo dell'invenzione ideare un sensore piezoelettrico nel quale il materiale piezoelettrico sia sostanzialmente esente da alterazioni della sua sensibilità ad eventuali vibrazioni provenienti dall'esterno. Within the scope of said technical task, it is an important object of the invention to devise a piezoelectric sensor in which the piezoelectric material is substantially free from alterations in its sensitivity to any vibrations coming from the outside.

Un ulteriore scopo è quello di ideare un sensore con un alto grado di affidabilità, sostanzialmente immune da sollecitazioni elettromagnetiche esterne, che possono generare falsi allarmi. A further object is to devise a sensor with a high degree of reliability, substantially immune to external electromagnetic stresses, which can generate false alarms.

Un altro scopo è avere un sensore avente un’ incrementata zona di sensibilità del cristallo piezoelettrico. Another object is to have a sensor having an increased sensitivity area of the piezoelectric crystal.

Non ultimo scopo dell'invenzione è mettere a disposizione un sensore meccanicamente robusto e elettricamente protetto, agevolando il montaggio ed incrementando notevolmente il grado di efficienza e la semplicità nella realizzazione di impianti di allarme e, più in generale, gli impianti di rilevamento delle vibrazioni. Not least object of the invention is to provide a mechanically robust and electrically protected sensor, facilitating assembly and considerably increasing the degree of efficiency and simplicity in the construction of alarm systems and, more generally, vibration detection systems.

Il detto compito tecnico e gli scopi specificati sono raggiunti da un procedimento e da un sensore piezoelettrico per la rilevazione di vibrazioni come rivendicato nelle annesse Rivendicazioni indipendenti. The said technical task and the specified aims are achieved by a method and a piezoelectric sensor for the detection of vibrations as claimed in the attached independent claims.

Esecuzioni preferite sono evidenziate nelle rivendicazioni dipendenti. Preferred embodiments are highlighted in the dependent claims.

Le caratteristiche dell’invenzione sono di seguito chiariti dalla descrizione dettagliata di esecuzioni preferite dell’invenzione stessa, con riferimento agli uniti disegni, nei quali: The characteristics of the invention are clarified below by the detailed description of preferred embodiments of the invention itself, with reference to the accompanying drawings, in which:

- la Fig. 1 mostra una sezione ed in alzato del sensore piezoelettrico secondo l’invenzione, del tipo comprendente due cristalli piezoelettrici; - Fig. 1 shows a section and elevation of the piezoelectric sensor according to the invention, of the type comprising two piezoelectric crystals;

- la Fig. 2 illustra in sezione ed in pianta il sensore di Fig. 1 ; - Fig. 2 is a sectional and plan view of the sensor of Fig. 1;

- la Fig. 3 mostra una sezione ed in alzato di un altro sensore piezoelettrico secondo l’invenzione; e - Fig. 3 shows a section and elevation of another piezoelectric sensor according to the invention; And

- la Fig. 4 evidenzia in sezione ed in pianta un sensore secondo l'invenzione di sagoma rettangolare e comprendente quattro cristalli piezoelettrici. - Fig. 4 shows in section and in plan a sensor according to the invention of rectangular shape and comprising four piezoelectric crystals.

Con riferimento alle Figure, il sensore piezoelettrico per la rilevazione di vibrazioni secondo l'invenzione è globalmente indicato con il numero 1. With reference to the Figures, the piezoelectric sensor for detecting vibrations according to the invention is globally indicated with the number 1.

Esso è atto a essere preferibilmente utilizzato per la rilevazione di vibrazioni . It is adapted to be preferably used for the detection of vibrations.

Il sensore 1 comprende almeno un modulo sensibile 1a comprendente: almeno un cristallo piezoelettrico 2, almeno un circuito stampato 3 connesso al cristallo piezoelettrico 2 e definente la base di appoggio del cristallo stesso. The sensor 1 comprises at least one sensitive module 1a comprising: at least one piezoelectric crystal 2, at least one printed circuit 3 connected to the piezoelectric crystal 2 and defining the supporting base of the crystal itself.

Il modulo sensibile 1a e, quindi, il sensore 1 comprende inoltre una resina termoindurente 4 pressoché totalmente inglobante al suo interno l’almeno un modulo sensibile 1a, ossia il cristallo piezoelettrico 2 ed il circuito stampato 3. The sensitive module 1a and, therefore, the sensor 1 also comprises a thermosetting resin 4 almost totally incorporating within it the at least one sensitive module 1a, namely the piezoelectric crystal 2 and the printed circuit 3.

Opportunamente, il sensore 1 presenta inoltre almeno un cavo d'ingresso 5 segnale/dati e almeno un cavo di uscita 6 segnale/dati atti a permettere a un segnale elettrico di entrare e uscire dal sensore 1 e, quindi, di connettere il sensore a un’unità centralina di controllo e, preferibilmente, ad altri sensori 1. Conveniently, the sensor 1 also has at least one signal / data input cable 5 and at least one signal / data output cable 6 suitable for allowing an electrical signal to enter and exit the sensor 1 and, therefore, to connect the sensor to a control unit unit and, preferably, to other sensors 1.

Preferibilmente, il sensore 1 comprende un unico modulo 1a comprendente due cristalli 2, ad esempio due, un circuito 3. Preferably, the sensor 1 comprises a single module 1a comprising two crystals 2, for example two, a circuit 3.

In alternativa il sensore 1 comprende due o più moduli sensibili 1a reciprocamente connessi come in seguito descritto. Ciascuno modulo 1a comprende un cristallo 2, un circuito 3. Alternatively, the sensor 1 comprises two or more sensitive modules 1a mutually connected as described below. Each module 1a comprises a crystal 2, a circuit 3.

I cristalli piezoelettrici 2 sono vincolati e, in dettaglio, saldati su una superficie, quella di una sua faccia principale 3a, del circuito stampato 3. The piezoelectric crystals 2 are constrained and, in detail, welded on a surface, that of one of its main face 3a, of the printed circuit 3.

Si evidenzia che, preferibilmente, i cristalli 2, i cavi 5 e 6 e tutti gli elementi associati al circuito 3 sono vincolati e, in dettaglio, saldati alla sola faccia 3a. It is pointed out that, preferably, the crystals 2, the cables 5 and 6 and all the elements associated with the circuit 3 are constrained and, in detail, welded to the face 3a alone.

La resina termoindurente 4 avvolge completamente il modulo 1a formando un sol blocco avvolge i cristalli piezoelettrici 2 e i circuiti 3. The thermosetting resin 4 completely envelops the module 1a forming a single block envelops the piezoelectric crystals 2 and the circuits 3.

Vantaggiosamente, la resina termoindurente 4 è scelta tra una resina epossidica, in particolare da colata, e una resina poliuretanica. Essa, preferibilmente, è una resina bicomponente poliuretanica avente, oppportunamente, caratteristiche di compattezza e rigidità. Advantageously, the thermosetting resin 4 is selected from an epoxy resin, in particular for casting, and a polyurethane resin. It is preferably a two-component polyurethane resin having, suitably, characteristics of compactness and rigidity.

La resina poliuretanica sono polimeri contenenti poliolo e isocianato, che riuniti polimerizzano a freddo dando luogo ad un composto stabile e irreversibile. The polyurethane resin are polymers containing polyol and isocyanate, which when combined cold polymerize giving rise to a stable and irreversible compound.

Presenta poi buona fluidità dell’impasto, buona aderenza su metalli, vetro e altre materie plastiche, ed anche assenza di ritiri e stabilità dimensionale. It also has a good fluidity of the mixture, good adhesion to metals, glass and other plastics, and also the absence of shrinkage and dimensional stability.

Questa resina è prevista bicomponente in quanto originata da due componenti separati che quando miscelati danno inizio alla reazione di reticolazione. This resin is expected to be bicomponent as it originates from two separate components which when mixed start the crosslinking reaction.

Inizialmente è un liquido oleoso poco vischioso e capace di penetrare nei più piccoli recessi. Initially it is an oily liquid that is not very viscous and capable of penetrating into the smallest recesses.

Originalmente, la resina termoindurente 4 definisce essa stessa almeno in prevalenza e, preferibilmente, pressoché interamente, la forma e la superficie esterna, ossia, in vista del sensore 1 ed è quindi atta a trasmettere al cristallo 2 una forza esterna incidente il sensore 1 . Originally, the thermosetting resin 4 defines itself at least mainly and, preferably, almost entirely, the shape and the external surface, that is, in view of the sensor 1 and is therefore able to transmit to the crystal 2 an external force impinging on the sensor 1.

E’, infatti, sorprendentemente previsto che il sensore piezoelettrico 1 sia privo di involucro esterno. It is, in fact, surprisingly provided that the piezoelectric sensor 1 has no external casing.

Ciò inaspettatamente migliora la sensibilità del sensore in termini sia di rendimento sia di estensione dell'area sensibile. Questo si ritiene che accada perché, in presenza di un involucro esterno, i segnali devono superare una discontinuità posta tra lo stesso involucro esterno e il riempimento in resina. This unexpectedly improves the sensitivity of the sensor in terms of both efficiency and extension of the sensitive area. This is believed to happen because, in the presence of an external envelope, the signals must overcome a discontinuity placed between the same external envelope and the resin fill.

Inoltre si ritiene che ciò accada perché l’involucro esterno è in generale una materia con una risposta meccanica diversa di una resina termoindurente poliuretanica. Esso, pertanto, assorbe parzialmente le vibrazioni e gli urti e genera un’attenuazione dei segnali che il materiale piezoelettrico deve convertire in segnale elettrico. It is also believed that this happens because the outer shell is in general a material with a different mechanical response than a polyurethane thermosetting resin. It, therefore, partially absorbs vibrations and shocks and generates an attenuation of the signals that the piezoelectric material must convert into an electrical signal.

Per realizzare un sensore piezoelettrico 1 nel quale una resina termoindurente 4 sia in grado di sostituire anche l’involucro esterno, è necessario uno specifico procedimento di stampaggio, come precisato in seguito. To create a piezoelectric sensor 1 in which a thermosetting resin 4 is able to also replace the outer casing, a specific molding process is required, as specified below.

Si prevede poi che il sensore piezoelettrico 1 e, in particolare, ciascun modulo sensibile 1a comprendano una gabbia di Faraday 7 atta a proteggere il materiale piezoelettrico da influenze elettromagnetiche esterne. It is then envisaged that the piezoelectric sensor 1 and, in particular, each sensitive module 1a, comprise a Faraday cage 7 adapted to protect the piezoelectric material from external electromagnetic influences.

Preferibilmente la gabbia di Faraday 7 è annegata nella resina termoindurente 4. Nello specifico, la gabbia di Faraday 7 è uno schermo presentante aperture atte a permettere il passaggio della resina termoindurente 4. Preferably the Faraday cage 7 is embedded in the thermosetting resin 4. Specifically, the Faraday cage 7 is a screen having openings suitable for allowing the passage of the thermosetting resin 4.

Si evidenzia come la gabbia di Faraday 7 è atta a impegnarsi a un circuito stampato 3 definendo, insieme ad esso, un corpo scatolare 7a contenente uno o più cristalli piezoelettrici 2 e atta a essere riempita con la resina termoindurente 4. Opportunamente, la gabbia 7 può prevedere due aperture atte a permettere l’ingresso e uscita del segnale dal modulo 1a attraverso i cavi 5 e/o 6 o altri mezzi di connessione sotto descritti. It is evident that the Faraday cage 7 is able to engage with a printed circuit 3 defining, together with it, a box-like body 7a containing one or more piezoelectric crystals 2 and able to be filled with the thermosetting resin 4. Conveniently, the cage 7 it can provide two openings suitable for allowing the input and output of the signal from the module 1a through the cables 5 and / or 6 or other connection means described below.

Essa è realizzata in un materiale a alta conduttività elettrica (opportunamente conduttività elettrica almeno pari a 1 MS/m) e, preferibilmente e vantaggiosamente in un materiale opportunamente scelto tra: rame, alluminio e leghe metalliche conduttive, come Alpacca (una lega di rame (47-64%), zinco (15-42%) e nichel (10-25%)). It is made of a material with high electrical conductivity (suitably electrical conductivity at least equal to 1 MS / m) and, preferably and advantageously, of a material suitably chosen from: copper, aluminum and conductive metal alloys, such as Nickel silver (a copper alloy ( 47-64%), zinc (15-42%) and nickel (10-25%)).

Questa lega ha buona conducibilità elettrica, anche per il prevalente contenuto in rame, e inoltre è molto resistente alla corrosione. È poi economica e facilmente lavorabile. This alloy has good electrical conductivity, also due to the prevalent copper content, and is also very resistant to corrosion. It is also economical and easily workable.

Opzionalmente, la gabbia di Faraday 7 può essere in un materiale non conduttivo, quale il cloruro di polivinile (PVC). In questo caso, la gabbia 7 è rivestita con un materiale conduttivo e, in particolare, verniciata con una vernice elettricamente conduttiva. Optionally, the Faraday cage 7 can be made of a non-conductive material, such as polyvinyl chloride (PVC). In this case, the cage 7 is coated with a conductive material and, in particular, painted with an electrically conductive paint.

Anche il circuito stampato 3 presenta vantaggiosamente aperture per il passaggio della resina termoindurente 4 e lo schermo in Alpacca è saldato alla faccia principale 3a del medesimo circuito, ove è incollato almeno un cristallo piezoelettrico 2. Also the printed circuit 3 advantageously has openings for the passage of the thermosetting resin 4 and the Nickel silver screen is welded to the main face 3a of the same circuit, where at least one piezoelectric crystal 2 is glued.

Nella faccia secondaria 3b del circuito stampato 3, opposta a quella principale 3a, è presente il piano di massa, che viene elettricamente collegato allo schermo in Alpacca. In the secondary face 3b of the printed circuit 3, opposite to the main face 3a, there is the ground plane, which is electrically connected to the Nickel silver screen.

Per sfruttare effettivamente la schermatura ottenuta con la gabbia di Faraday 7, nel sensore 1 le saldature ed il piazzamento di connettori sono eseguiti in corrispondenza della faccia principale 3a, ove si trova la detta schermatura. To effectively exploit the shielding obtained with the Faraday cage 7, in the sensor 1 the welds and the placement of connectors are carried out in correspondence with the main face 3a, where said shield is located.

Al fine di migliorare l'affidabilità del sensore 1, sia il cavo d’ingresso 5 sia il cavo di uscita 6 comprendono una guaina esterna, conduttori interni atti a trasmettere il segnale elettrico prodotto dal cristallo piezoelettrico 2 ed eventuali dati; e una calza metallica continua interposta tra guaina esterna e conduttori interni e atta a isolare i conduttori evitando l’interferenza di sollecitazioni elettromagnetiche esterne. In order to improve the reliability of the sensor 1, both the input cable 5 and the output cable 6 include an external sheath, internal conductors suitable for transmitting the electrical signal produced by the piezoelectric crystal 2 and any data; and a continuous metal braid interposed between the outer sheath and the internal conductors and designed to isolate the conductors avoiding the interference of external electromagnetic stresses.

Preferibilmente, i conduttori interni comprendono due o più fili elettrici reciprocamente intrecciati tra loro. Preferably, the internal conductors comprise two or more mutually intertwined electrical wires.

Nel caso di sensore piezoelettrico 1 includente una pluralità di moduli sensibili 1a di cui uno provvisto di cavo d’ingresso 5 segnale/dati e uno di cavo di uscita di uscita 6 segnale/dati; il sensore 1 comprende connettori 8 connettenti tra loro i moduli 1a permettendo un reciproco passaggio di dati/segnale. In the case of a piezoelectric sensor 1 including a plurality of sensitive modules 1a, one of which is provided with a signal / data input cable 5 and one with an output signal / data output cable 6; the sensor 1 comprises connectors 8 connecting the modules 1a to each other allowing a reciprocal passage of data / signal.

In questo caso, ogni modulo sensibile 1a comprende, preferibilmente, un solo di detto cristallo piezoelettrico 2, un solo di detto circuito stampato 3 una sola di detta gabbia di Faraday 7 definente, con il circuito 3, un solo di detto corpo scatolare 7a per il cristallo 2 riempito e annegato in detta resina termoindurente 4. In alternativa, un modulo sensibile può comprendere più cristalli 2. In alternativa, ogni modulo sensibile 1a comprende due o più cristallo piezoelettrico 2, preferibilmente due, un solo di detto circuito stampato 3, una sola di detta gabbia di Faraday 7 definente, con il circuito 3, un solo di detto corpo scatolare 7a per il cristallo 2 riempito e annegato in detta resina termoindurente 4. In this case, each sensitive module 1a preferably comprises only one of said piezoelectric crystal 2, only one of said printed circuit 3, one of said Faraday cage 7 defining, with the circuit 3, only one of said box-like body 7a for the crystal 2 filled and embedded in said thermosetting resin 4. Alternatively, a sensitive module can comprise several crystals 2. Alternatively, each sensitive module 1a comprises two or more piezoelectric crystals 2, preferably two, only one of said printed circuit 3, only one of said Faraday cage 7 defining, with the circuit 3, only one of said box-like body 7a for the crystal 2 filled and embedded in said thermosetting resin 4.

Opportunamente i connettori 8 sono vincolati alla faccia 3a del circuito stampato 3 e posti pressoché internamente al corpo scatolare 7a. Essi, in dettaglio, sono posti in corrispondenza delle aperture della gabbia di Faraday 7 cosi da avere le porte di connessione rivolte e affacciatesi verso l’esterno della gabbia 7. Conveniently, the connectors 8 are fastened to the face 3a of the printed circuit 3 and placed almost internally to the box-like body 7a. In detail, they are placed in correspondence with the openings of the Faraday cage 7 so as to have the connection doors facing and facing the outside of the cage 7.

In alternativa, i connettori 8 sono vincolati al circuito stampato 3 esternamente al corpo scatolare 7a. Alternatively, the connectors 8 are bound to the printed circuit 3 externally to the box-like body 7a.

I connettori 8 comprendono jack, porte usb, cavi, piazzole di saldatura o altri mezzi di connessione similari atti a permettere un passaggio di dati/segnale tra i circuito stampato 3 di distinti moduli 1a e, soprattutto, a evitare discontinuità nella protezione da interferenze elettromagnetiche esterne. Preferibilmente, i connettori sono del tipo IP68, ossia appartenenti alla classe 68 dell’/P Code, International Protection Marking. The connectors 8 include jacks, USB ports, cables, soldering pads or other similar connection means designed to allow a data / signal passage between the printed circuit 3 of distinct modules 1a and, above all, to avoid discontinuity in the protection from electromagnetic interference. external. Preferably, the connectors are of the IP68 type, ie belonging to class 68 of the / P Code, International Protection Marking.

Nel caso in cui i moduli 1a siano reciprocamente distanziati, il sensore 1 può prevedere cavi supplementari 9 atti a connettere moduli sensibili 1a e, quindi, connettori 8 non attigui In the event that the modules 1a are mutually spaced, the sensor 1 can provide additional cables 9 suitable for connecting sensitive modules 1a and, therefore, connectors 8 that are not adjacent

Ciascun cavo supplementare 9, in maniera analoga ai cavi 5 e 6, comprende una supplementare guaina esterna, supplementari conduttori interni atti a trasmettere il segnale elettrico prodotto dal cristallo piezoelettrico 2 ed eventuali dati; e una supplementare calza metallica continua interposta tra supplementare guaina esterna e supplementari conduttori interni e atta a isolare i supplementari conduttori evitando l’interferenza di sollecitazioni elettromagnetiche esterne. Each additional cable 9, similarly to cables 5 and 6, comprises an additional external sheath, additional internal conductors suitable for transmitting the electrical signal produced by the piezoelectric crystal 2 and any data; and an additional continuous metal braid interposed between the additional outer sheath and additional internal conductors and designed to isolate the additional conductors avoiding the interference of external electromagnetic stresses.

Preferibilmente, i supplementari conduttori interni comprendono due o più fili elettrici reciprocamente intrecciati tra loro. Preferably, the additional internal conductors comprise two or more mutually intertwined electrical wires.

Riassumendo, in un’esecuzione preferita (Fig. 2) il sensore 1 comprende un unico modulo 1a includente uno e, preferibilmente, due cristalli piezoelettrici 2, un unico circuito stampato 3 e un’unica gabbia di Faraday 7 definente, con il circuito 3, un corpo scatolare 3a racchiudente i cristalli 2, riempito e annegato in un unico blocco di resina termoindurente 4. In summary, in a preferred embodiment (Fig. 2) the sensor 1 comprises a single module 1a including one and, preferably, two piezoelectric crystals 2, a single printed circuit 3 and a single Faraday cage 7 defining, with the circuit 3 , a box-shaped body 3a enclosing the crystals 2, filled and embedded in a single block of thermosetting resin 4.

In un’altra esecuzione preferita (Fig. 3), permessa dall’assenza di un involucro esterno, il sensore piezoelettrico 1 comprende due o più moduli sensibili 1a attigui tra loro; connettori 8 atti a permettere un passaggio dati/segnale tra i moduli 1a; e resina termoindurente 4 riempiente il corpo scatolare 7a di ciascun modulo e definente un unico blocco racchiudente i moduli 1a. In another preferred embodiment (Fig. 3), allowed by the absence of an external casing, the piezoelectric sensor 1 comprises two or more sensitive modules 1a adjacent to each other; connectors 8 adapted to allow a data / signal passage between the modules 1a; and thermosetting resin 4 filling the box-like body 7a of each module and defining a single block enclosing the modules 1a.

In altre esecuzioni il sensore piezoelettrico 1 assume un’originale conformazione, permessa dall’assenza di un involucro esterno: la resina termoindurente 4 viene realizzata con una sagoma a piacere ed include un numero a piacere di cristalli piezoelettrici 2 e, in particolare, di moduli sensibili 1a. In other embodiments, the piezoelectric sensor 1 assumes an original conformation, allowed by the absence of an external casing: the thermosetting resin 4 is made with any shape and includes any number of piezoelectric crystals 2 and, in particular, of modules sensitive 1a.

Ad esempio è previsto che la resina sia un blocco configurante una barra 4a sviluppata secondo uno specifico percorso e inglobante una pluralità di moduli 1a reciprocamente distanziati e supplementari cavi 9. Il detto percorso può realizzare, come illustrato, un rettangolo, adatto ad essere applicato a cornici, quadri, sportelli e vari elementi da proteggere. For example, it is provided that the resin is a block configuring a bar 4a developed according to a specific path and incorporating a plurality of mutually spaced and additional hollow modules 1a 9. Said path can form, as illustrated, a rectangle, suitable for being applied to frames, pictures, doors and various elements to protect.

In Fig. 4, è riportato un possibile esempio non limitante di tale barra 4a. Per chiarezza in questa figura non sono mostrate le gabbie 7. In Fig. 4, a possible non-limiting example of such bar 4a is reported. For clarity, cages 7 are not shown in this figure.

In questo caso la barra 4a presenta una forma rettangolare prevedente, in corrispondenza di ciascun vertice, un modulo sensibile 1a e connettori 8 atti a permettere un passaggio di dati/segnale tra i moduli 1a. In this case the bar 4a has a rectangular shape providing, in correspondence with each vertex, a sensitive module 1a and connectors 8 suitable to allow a data / signal passage between the modules 1a.

Nel caso di sensore piezoelettrico 1 includente In the case of a piezoelectric sensor 1 including

L'invenzione insegna un nuovo procedimento di realizzazione di un sensore piezoelettrico per la rilevazione di vibrazioni . The invention teaches a new method of manufacturing a piezoelectric sensor for detecting vibrations.

Il nuovo procedimento permette di sagomare la resina termoindurente 4, che non deve essere colata in un involucro alloggiante uno o più cristalli piezoelettrici ed i relativi circuiti stampati, come nella tecnica precedente, data la sorprendente assenza dello stesso involucro esterno. The new process makes it possible to shape the thermosetting resin 4, which does not have to be poured into a casing housing one or more piezoelectric crystals and the related printed circuits, as in the prior art, given the surprising absence of the same external casing.

Il procedimento prevede inizialmente una fase di preparazione del sensore 1. The procedure initially involves a phase of preparation of the sensor 1.

In questa fase, sulla faccia principale 3a sono saldati al circuito 3 uno o più cristalli piezoelettrici 2. In this phase, one or more piezoelectric crystals 2 are welded to the circuit 3 on the main face 3a.

Inoltre, per permettere l’ingresso e uscita del segnale/dati dal modulo 1a, sono vincolati alla scheda almeno due elementi scelti tra: il cavo d’ingresso 5, il cavo di uscita 6 e connettori 8. In addition, to allow the input and output of the signal / data from module 1a, at least two elements are bound to the board, chosen from: the input cable 5, the output cable 6 and connectors 8.

A questo punto il modulo sensibile 1a è completato vincolando la gabbia di faraday 7 al circuito cosi da realizzare un corpo scatolare contenente i cristalli 2 e 3. Nel corpo scatolare 7a sono inoltre disposti, se presenti le estremità dei cavo 5 e/o 6 e/o i connettori 8. At this point the sensitive module 1a is completed by binding the faraday cage 7 to the circuit so as to create a box-like body containing the crystals 2 and 3. In the box-like body 7a there are also arranged, if present, the ends of the cable 5 and / or 6 and / or connectors 8.

Il procedimento prevede quindi una fase di collocazione in cui è inserito in uno stampo il sensore 1, ossia l’uno o più moduli 1a, facendo si che i cavi 5 e 6 fuoriescano dallo stesso stampo. Opzionalmente, nello stampo possono essere inseriti più moduli sensibili 1a reciprocamente connessi dai connettori 8 e, se necessario, dai cavi supplementari 9. The procedure therefore provides for a placement phase in which the sensor 1, that is the one or more modules 1a, is inserted in a mold, causing the cables 5 and 6 to come out of the same mold. Optionally, several sensitive modules 1a can be inserted in the mold, mutually connected by the connectors 8 and, if necessary, by the additional cables 9.

Lo stampo presenta almeno una cavità controsagomata al sensore piezoelettrico 1 da realizzare e opportunamente aperta cosi da definire una superficie in vista attraverso cui è preferibilmente colata la resina 4 nello stampo, come sotto descritto. The mold has at least one cavity counter-shaped to the piezoelectric sensor 1 to be made and suitably open so as to define a visible surface through which the resin 4 is preferably poured into the mold, as described below.

Conclusa la fase di collocazione, si ha la fase di colata in cui lo stampo, attraverso detta superficie in vista, è sostanzialmente totalmente riempito con una resina termoindurente 4 di tipo bicomponente poliuretanica, operando in modo che la resina aderisca strettamente a tutti i detti elementi 2, 3 e 7 e riempia e saturi l’uno o più corpi scatolari 7a. Once the placement phase has been completed, the casting phase takes place in which the mold, through said visible surface, is substantially completely filled with a thermosetting resin 4 of the two-component polyurethane type, operating so that the resin adheres tightly to all said elements. 2, 3 and 7 and fill and saturate the one or more box bodies 7a.

In particolare, prima della colata nello stampo la resina bicomponente viene miscelata e si effettua un breve riscaldamento della miscela stessa, in modo da evitare la formazione di piccole bolle o cavità d’aria, che potrebbero incidere sulla qualità e sul funzionamento del sensore. In particular, before casting into the mold, the two-component resin is mixed and the mixture itself is heated briefly, in order to avoid the formation of small bubbles or air cavities, which could affect the quality and operation of the sensor.

La resina poliuretanica dopo la miscelazione dei due componenti rimane liquida e con bassa viscosità per un certo tempo e in queste condizioni di fluidità viene colata nello stampo. The polyurethane resin after mixing the two components remains liquid and with low viscosity for a certain time and under these fluidity conditions it is poured into the mold.

Lo stampo prevede via di fuga dell’aria, per evitare cavità o bolle che possono compromettere il prodotto finale. The mold provides an air escape route, to avoid cavities or bubbles that can compromise the final product.

Infine, il procedimento di realizzazione può comprendere una fase di posa successiva alla fase di colata. Finally, the manufacturing process can comprise a laying step subsequent to the casting step.

In particolare, questa fase di posa è eseguita immediatamente dopo il termine della fase di colata, ossia non appena la resina 4 ha sostanzialmente totalmente riempito lo stampo e si presenta sempre liquida. In particular, this laying step is performed immediately after the end of the casting step, ie as soon as the resin 4 has substantially completely filled the mold and is always liquid.

In questa fase di posa un corpo esterno, identificante la superficie da sorvegliare, è posato sullo stampo in corrispondenza della superficie in vista cosi che una sua superficie esterna sia almeno in parte bagnata dalla resina 4. In this laying phase an external body, identifying the surface to be monitored, is placed on the mold in correspondence with the visible surface so that one of its external surfaces is at least partially wetted by the resin 4.

Il corpo esterno è da identificarsi in una mattonella, una cornice di un quadro, un profilato di un'impalcatura/ponteggio o altro corpo esterno, superficie o volume cui vincolare, in uso, il sensore 1. The external body is to be identified in a tile, a frame of a picture, a profile of a scaffolding / scaffolding or other external body, surface or volume to which the sensor 1 is to be connected, in use.

Conclusa la fase di colata e, se prevista quella di posa, la resina si indurisce aderendo perfettamente a tutti i componenti del sensore piezoelettrico 1 e, se presente, al corpo esterno che è cosi solidale al sensore 1. At the end of the casting phase and, if foreseen that of laying, the resin hardens adhering perfectly to all the components of the piezoelectric sensor 1 and, if present, to the external body which is thus integral with the sensor 1.

Si evidenzia come, opzionalmente, la fase di posa possa essere successiva alla solidificazione della resina 4. It should be noted that, optionally, the laying phase can be subsequent to the solidification of the resin 4.

Pertanto, in questo caso, il procedimento può prevedere una supplementare fase di colata di una supplementare resina, preferibilmente sostanzialmente uguale alla resina 4 precedentemente colata, e, quindi, la suddetta fase di posa del corpo esterno. Therefore, in this case, the process can provide for an additional step of pouring an additional resin, preferably substantially equal to the resin 4 previously cast, and, therefore, the aforementioned step of laying the external body.

Completata la solidificazione della/e resina/e il sensore piezoelettrico 1 è pronto ed estratto dallo stampo. Once the solidification of the resin (s) has been completed, the piezoelectric sensor 1 is ready and extracted from the mold.

In questa situazione il problema tecnico è anche quello di evitare che la resina in questione aderisca anche allo stampo. In this situation, the technical problem is also that of preventing the resin in question from adhering to the mold as well.

La soluzione è ottenuta predisponendo uno stampo in gomma siliconica, cui la resina poliuretanica spontaneamente non aderisce. The solution is obtained by preparing a silicone rubber mold, to which the polyurethane resin spontaneously does not adhere.

L'invenzione raggiunge gli scopi proposti e consente importanti vantaggi. The invention achieves the proposed aims and allows important advantages.

Infatti, è stato ideato un sensore 1 nel quale il materiale piezoelettrico è sostanzialmente esente da alterazioni della sua sensibilità ad eventuali vibrazioni , ed anche sostanzialmente immune da segnali o allarmi non giustificati. In fact, a sensor 1 has been devised in which the piezoelectric material is substantially free from alterations in its sensitivity to any vibrations, and also substantially immune to unjustified signals or alarms.

Va poi sottolineato che il sensore piezoelettrico 1, grazie al fatto di presentarsi come un blocchetto di resina termoindurente e come evidenziato nella fase di posa del procedimento di realizzazione, può essere fissato oppure diventare parte integrante deN'oggetto/superficie/volume da tenere sotto controllo. It should then be emphasized that the piezoelectric sensor 1, thanks to the fact that it appears as a block of thermosetting resin and as highlighted in the installation phase of the manufacturing process, can be fixed or become an integral part of the object / surface / volume to be monitored. .

Inoltre, l'affidabilità del sensore permette di applicare un numero ridotto dei sensori stessi e sono anche realizzabili sensori con sagome a piacere che si posizionano in modo ottimale su vetri, finestre, porte, grate, sportelli, quadri, mattonelle, listelli di parquet, mosaici, ecc. Furthermore, the reliability of the sensor allows you to apply a reduced number of the sensors themselves and sensors with shapes of your choice can also be created, which are optimally positioned on glass, windows, doors, gratings, doors, pictures, tiles, parquet strips, mosaics, etc.

Nell'insieme tutto ciò permette di realizzare impianti di allarme il più possibile semplici. Taken together, all this makes it possible to create alarm systems that are as simple as possible.

Un altro vantaggio è da identificarsi nel fatto che il sensore piezoelettrico 1, essendo privo di quella discontinuità, definita dal passaggio da involucro esterno a resina termoindurente, che caratterizza i sensori ad oggi noti, non altera il segnale incidente il sensore indipendentemente dalla direzione di ingresso della vibrazione impattante il sensore 1. Another advantage is to be identified in the fact that the piezoelectric sensor 1, being devoid of that discontinuity, defined by the transition from the external casing to thermosetting resin, which characterizes the sensors known to date, does not alter the signal incident to the sensor regardless of the direction of entry. vibration impacting sensor 1.

Infatti, nell’innovativo sensore piezoelettrico 1, la sua superficie esterna è definita dalla resina termoindurente 4 che, definendo un blocco unico e compatto a contatto con il cristallo piezoelettrico 2, consente l'estensione della zona di sensibilità del cristallo piezoelettrico 2 ben oltre l'effettiva superficie del cristallo 2. L’invenzione è suscettibile di varianti rientranti nell'ambito del concetto inventivo definito dalle rivendicazioni indipendenti e dai loro equivalenti tecnici. In fact, in the innovative piezoelectric sensor 1, its external surface is defined by the thermosetting resin 4 which, defining a single and compact block in contact with the piezoelectric crystal 2, allows the extension of the sensitivity area of the piezoelectric crystal 2 well beyond the actual surface of the crystal 2. The invention is susceptible of variants falling within the scope of the inventive concept defined by the independent claims and their technical equivalents.

Tutti i dettagli sono sostituibili da elementi equivalenti e le forme e le dimensioni possono essere qualsiasi. All the details can be replaced by equivalent elements and the shapes and dimensions can be any.

Claims

RIVEN DI CAZI O N I 1. Piezoelectric sensor (1) for the detection of vibrations of the type comprising at least one sensitive module (1 a); said sensitive module (1 a) comprising at least one piezoelectric crystal (2), at least one printed circuit (3) connected to said piezoelectric crystal (2), and a thermosetting resin (4) incorporating said piezoelectric crystal (2) and said printed circuit (3), - characterized in that said thermosetting resin (4) is a shaped block defining at least mainly the shape and the external surface of said piezoelectric sensor (1), said piezoelectric sensor (1) having no external casing.

2. Piezoelectric sensor (1) according to the preceding claim, wherein said thermosetting resin (4) is a two-component resin selected from epoxy and polyurethane and entirely defining said external surface of said piezoelectric sensor (1).

3. Piezoelectric sensor (1) according to one or more of the preceding claims, wherein said sensitive module (1 a) comprises a Faraday cage (7) constrained to said printed circuit (3) defining a box-like body (7a) housing said crystal piezoelectric (2) so as to protect said piezoelectric crystal (2) from external electromagnetic influences.

4. Piezoelectric sensor (1) according to the preceding claim, wherein said box-like body (7a) is filled and embedded in said thermosetting resin (4).

5. Piezoelectric sensor (1) according to one or more of claims 3-4, wherein said Faraday cage (7) is a screen having openings suitable for allowing the passage of said thermosetting resin (4).

6. Piezoelectric sensor (1) according to one or more of claims 3-5, wherein said Faraday cage (7) is made of an alloy of copper, zinc and nickel called Nickel silver.

Piezoelectric sensor (1) according to one or more of claims 3-6, wherein two of said at least one piezoelectric crystal (2) are provided in said box-like body (7a).

8. Piezoelectric sensor (1) according to one or more of the preceding claims, comprising a plurality of said at least one sensitive module (1 a) and connectors (8) mutually connecting said sensitive modules (1a) allowing a signal / data passage between said sensitive modules (1 a); and wherein each of said sensitive modules (1 a) comprises one of said piezoelectric crystal (2), one said piezoelectric crystal (2).

9. Piezoelectric sensor (1) according to one or more of the preceding claims, wherein said thermosetting resin (4) is a shaped block defining a bar (4a) developing along a specific path and incorporating a plurality of consecutive piezoelectric crystals (2) between They.

10. Process for manufacturing a piezoelectric sensor (1) for the detection of vibrations of the type comprising at least one piezoelectric crystal (2), at least one printed circuit (3) connected to said piezoelectric crystal (2), and a thermosetting resin (4 ) incorporating said piezoelectric crystal (2) and said printed circuit (3), - characterized in that said sensor is made by molding, said molding comprising a step for inserting said piezoelectric crystal (2) and said printed circuit (3) into a mold having the shape of said piezoelectric sensor (1) internally, and a step in which said thermosetting resin (4) is poured into said mold.