RU4603U1

RU4603U1 - PIEZOELECTRIC CONVERTER

Info

Publication number: RU4603U1
Application number: RU96108698/20U
Authority: RU
Inventors: А.А. Шикин; А.А. Радюкевич; В.А. Попов; В.К. Костылев; В.Н. Лазуткин; В.Е. Иванов; М.Д. Панайот
Original assignee: Попов Виктор Александрович
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1996-04-25
Publication date: 1997-07-16

Abstract

1. Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий электропроводный корпус, чувствительный элемент в виде кольца с радиальной поляризацией и электродами, нанесенными на его боковые поверхности и выполненными с зазорами между собой, шириной больше толщины стенки чувствительного элемента, электропроводную инерционную массу, упругий элемент из изолирующего материала, поджимающий элемент, отличающийся тем, что в нем один из электродов покрывает нижний торец чувствительного элемента, а другой - его верхний торец, при этом корпус преобразователя поджимается поджимающим элементом к нижнему электроду чувствительного элемента, а инерционная масса через упругий элемент - к верхнему торцу.2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что между инерционной массой и упругим элементом введена изолирующая прокладка, а упругий элемент выполнен из электропроводного материала.3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что поджимающий элемент выполнен из изолирующего материала, а упругий элемент выполнен из электропроводного материала.4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что поджимающий элемент поджимает корпус к чувствительному элементу через введенный изолирующий элемент, а упругий элемент выполнен из электропроводного материала.1. A piezoelectric transducer containing an electrically conductive housing, a sensing element in the form of a ring with radial polarization and electrodes deposited on its side surfaces and made with gaps between them, a width greater than the wall thickness of the sensing element, an electrically conductive inertial mass, an elastic element made of insulating material, pressing element, characterized in that in it one of the electrodes covers the lower end of the sensing element, and the other - its upper end, while the housing of Tell urging member is urged to the lower electrode of the sensing element and the inertial mass through the resilient member - the upper tortsu.2. The Converter according to claim 1, characterized in that between the inertial mass and the elastic element is inserted an insulating strip, and the elastic element is made of electrically conductive material. The converter according to claim 1, characterized in that the pressing element is made of insulating material, and the elastic element is made of electrically conductive material. The Converter according to claim 1, characterized in that the pressing element presses the housing to the sensitive element through the inserted insulating element, and the elastic element is made of electrically conductive material.

Description

Пьезоэлектрический преобразователь. 1. Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к пьезоэлектрическим устройства1 4, а именно к пьезоэлектрическим преобразователям, работающим в качестве датчика для исполнительного устройства, например, в электронных системах управления двигателем {ЭСУД) автомобилей. Может также быть использована в других областях техники, в которых предъявляются аналогичные требования к датчикам: чувствительность в пределах 10 - 30 мВ/м-с, электрическая емкость 2-4 нФ, частота резонанса около 7 кГц, масса около О, 1 кг при невысокой стоимости и технологичности при массовом производстве. 2. Уровень техники. Известны пьезоэлектрические преобразователи с использованием биморфного пьезоэлемента 1, которые позволяют получить высокую чувствительность при большой электрической емкости. Однако, известные конструкции таких преобразователей требуют для своей сборки достаточно большое число технологических операций, связанных с необходздалостью склейки и закреплением чувствительного элемента, что приводит к увеличеНР1Ю стоимости до уровня, значительно превышаюш,его приемлемый и затрудняет возможность массового производства. GOIH 11/08, GOIP 15/09 Piezoelectric transducer. 1. The technical field to which the utility model relates. The utility model relates to piezoelectric devices 1 4, namely to piezoelectric transducers operating as a sensor for an actuator, for example, in electronic engine control systems (ECMs) of automobiles. It can also be used in other areas of technology in which similar requirements are imposed on sensors: sensitivity in the range of 10-30 mV / m-s, electric capacitance of 2-4 nF, resonance frequency of about 7 kHz, mass of about O, 1 kg at low cost and manufacturability in mass production. 2. The prior art. Known piezoelectric transducers using a bimorph piezoelectric element 1, which allow to obtain high sensitivity with a large electric capacitance. However, the well-known designs of such converters require a sufficiently large number of technological operations for their assembly, associated with the needless gluing and fixing of the sensitive element, which leads to an increase in the cost to a level significantly exceeding its acceptable and complicates the possibility of mass production. GOIH 11/08, GOIP 15/09

Известны пьезоэлектрические преобразователи с использованием продольного пьезоэффекта, содержащие пакет чувствительных элементов, выполненных из пьезокерамики и инерционную массу 2. Однако, достижение необходимых для данного применения чувствительности и электрической емкости при заданной массе требует увеличения числа чувствительных элементов (до 5 и более), что приводит к ухудшению технологичности конструкции и существенному повыщению ее стоимости.Known piezoelectric transducers using a longitudinal piezoelectric effect, containing a package of sensitive elements made of piezoceramics and an inertial mass of 2. However, achieving the required sensitivity and electric capacitance for a given application at a given mass requires an increase in the number of sensitive elements (up to 5 or more), which leads to the deterioration of the manufacturability of the structure and a significant increase in its cost.

Известна также конструкция, содержащая корпус, инерционную массу, чувствительный элемент, выполненный в виде кольца с радиальной поляризацией 3 , что позволяет получить высокую чувствительность и больщую емкость. Однако данная конструкция отличается недостаточно высокой технологичностью вследствие необходимости обеспечения выводов с электродов чувствительного элемента, в частности, при помоищ пайки. При массовом производстве это также приводит к существенному повышенкЕю стоимости.Also known is a structure comprising a housing, an inertial mass, a sensitive element made in the form of a ring with radial polarization 3, which allows to obtain high sensitivity and a large capacity. However, this design is not sufficiently high adaptability due to the need to provide conclusions from the electrodes of the sensing element, in particular, when soldering. In mass production, this also leads to a significant increase in cost.

3. Сущность полезной модели.3. The essence of the utility model.

Сущность полезной модели состоит в том, что в конструкцх-ги пьезоэлектрического преобразователя, содержащей корпус, чувствительный элемент в виде кольца с радиальной поляризацией и электродами, нанесенными на его боковые, (один - на внутреннюю, другой - на внешнюю) поверхности, и выполненными с зазорами между собой шириной больше толщины стенки чувствительного элемента, инерционную массу, упругий элемент, поджимаюший элемент, один из электродов покрывает нижний торец чувствительного элемента, а другой - его верхний торец.The essence of the utility model is that in the construction of the piezoelectric transducer containing the housing, the sensing element is in the form of a ring with radial polarization and electrodes deposited on its side (one on the inside, the other on the outside) surface and made with with gaps between them with a width greater than the wall thickness of the sensing element, the inertial mass, the elastic element, the pressing element, one of the electrodes covers the lower end of the sensitive element, and the other its upper end.

Корпус преобразователя поджимается поджимающим элементом к нижнему электроду чувствительного элемента, а инерционная масса через упругий элемент - к верхнему торцу. Корпус преобразователя и инерционная масса выполнена из электропроводящего материала, а упругий элемент - из изолирующего.The transducer housing is pressed by the pressing element to the lower electrode of the sensing element, and the inertial mass through the elastic element to the upper end. The transducer housing and the inertial mass are made of electrically conductive material, and the elastic element is made of insulating material.

При этом для обеспеченИхЧ выводов с электродов отпадает необходимость пайки.At the same time, to ensure their output from the electrodes, soldering is no longer necessary.

Предлагаются также еще три варианта полезной модели:Three more utility model options are also offered:

В одном в конструкцию вводится изолирующая прокладка между упругим элементом и инерционной массой, а упругий элемент выполнен из электропроводящего материала, например, из металла.In one, an insulating pad is inserted into the structure between the elastic element and the inertial mass, and the elastic element is made of an electrically conductive material, for example, metal.

В другом в конструкции поджимающий элемент выполнен из изолирующего материала, а упругий элемент выполнен из электропроводящего материала.In another design, the pressing element is made of insulating material, and the elastic element is made of electrically conductive material.

В третьем в конструкцию вводится изолирующая прокладка между корпусом и поджимающим элементом, а упругий элемент выполнен из электропроводящего материала.In the third, an insulating gasket is introduced into the structure between the housing and the pressing element, and the elastic element is made of electrically conductive material.

Преобразователь жестко закрепляется на корпусе рабочего объекта, например, двигателя, и работает следующим образом:The converter is rigidly fixed to the body of a working object, for example, an engine, and works as follows:

При возникновении вибрации объекта инерционная масса действует на чувствительный элемент с силой, пропорциональной виброускорению. При этом на электродах чувствительного элемента возникает электрический сигнал, пропорциональный данному виброускорению. Этот сигнал снимается с инерционной массы и корпуса преобразователя, поджатых к электродам чувствительного элемента и изолированных друг от друга, и подается на вход исполнительного или иного устройства.When an object vibrates, the inertial mass acts on the sensing element with a force proportional to vibration acceleration. At the same time, an electrical signal proportional to the given vibration acceleration arises on the electrodes of the sensing element. This signal is removed from the inertial mass and the transducer housing, drawn to the electrodes of the sensing element and isolated from each other, and fed to the input of the actuator or other device.

Полезная модель направлена на создание пьезоэлектрического преобразователя с повышенной технологичностью при сохраненир высокой чувствительности и электрической емкости.The utility model is aimed at creating a piezoelectric transducer with high adaptability while maintaining high sensitivity and electric capacitance.

Предложенная авторами конструкция позволяет уменьшить число технологических операций за счет отказа от пайки при сохраненр1и его чувствительностр PI электрической емкостр, что приводит к повышению технологичностр PI значительному снР1жению СТОРО.ЛОСТИ при массовом прор1зводстве.The design proposed by the authors makes it possible to reduce the number of technological operations due to the refusal of soldering while maintaining its sensitivity and PI electric capacitance, which leads to an increase in the processability of PI and a significant reduction in CAPACITY during mass production.

4. Перечень фигур чертежей.4. The list of figures of the drawings.

Конструкция пьезоэлектрргческого преобразователя представлена на фиг. 1а и состоит из чувствительного элемента 1, выполненного в виде кольца, с нанесеными на него электродами 2, Р1нерционной массы 3, упругого изолируюш,его элемента 4, поджридающего винта 5 и корпуса 6. На фиг. 1а также показаны зазоры между электродами d и толщина стенки чувствительного элемента h.The design of the piezoelectric transducer is shown in FIG. 1a and consists of a sensing element 1, made in the form of a ring, with electrodes 2, P1 of the inertial mass 3 deposited on it, an elastic insulating element, its element 4, a cooling screw 5 and a housing 6. In FIG. 1a also shows the gaps between the electrodes d and the wall thickness of the sensing element h.

Варианты конструкцр1И представлены на фр1г. 16, в, г и состоят 1-13 чувствительного элемента 1 с нанесеными на него электродами 2, инерционной массы 3, упругого элемента 4, поджимающего винта 5, корпуса 6, изолирующей прокладки 7 (фиг. 16), изолирующего элемента 8 (фиг. 1г).Options konstruktr1I are presented on fr1g. 16c, d, and consist of 1-13 of the sensing element 1 with electrodes 2 deposited on it, the inertial mass 3, the elastic element 4, the tightening screw 5, the housing 6, the insulating gasket 7 (Fig. 16), the insulating element 8 (Fig. 1g).

5. Сведения, подтверждаюш е возможность осуществленрхя5. Information confirming the possibility of implementation

полезной модели.utility model.

Для реализацр1и предлагаемой конструкции был использован кольцевой чувствительный элемент высотой 10 мм с внешнрылFor the implementation of the proposed design, an annular sensitive element 10 mm high with an external wing was used

диаметром 8 MIJL и внутренним - 6,8 мм, выполненный i-is пьезокерамики.diameter 8 MIJL and internal - 6.8 mm, made by i-is piezoceramics.

При инерционной массе около 30 г резонансная частота составила 7 кГц ± 400 Гц при емкости 3500 ± 500 пФ и чувствительности около 10 мв/м-с.With an inertial mass of about 30 g, the resonant frequency was 7 kHz ± 400 Hz with a capacitance of 3500 ± 500 pF and a sensitivity of about 10 mV / m-s.

Изготовление преобразователей предлагаемой конструкции возможно с использованием существующих оборудования и технологий при минимальной стоимости и больших объемах производства.The manufacture of converters of the proposed design is possible using existing equipment and technologies at the lowest cost and large volumes of production.

1.Ю.И. Иорищ. Виброметрия, М: Машиностроение, 1963, стр. 483,533, рис. 14.53, н - о.1. Yu.I. Iorishch. Vibrometry, M: Mechanical Engineering, 1963, p. 483.533, Fig. 14.53, n - o.

2.Ю.И. Иориш. Виброметрия, М: Машиностроение, 1963, стр. 483,533, рис. 14.53, в.2. Yu.I. Iorish. Vibrometry, M: Mechanical Engineering, 1963, p. 483.533, Fig. 14.53, c.

3.Ю.И. Иориш. Виброметрия, М: Машиностроение, 1963, стр. 483,533, рис. 14.53, и.3.YU.I. Iorish. Vibrometry, M: Mechanical Engineering, 1963, p. 483.533, Fig. 14.53, and.

ЛИТЕРАТУРА:LITERATURE:

Заявитель: Л Попов Виктор АлександровичApplicant: L Popov Viktor Aleksandrovich

Claims

1. A piezoelectric transducer containing an electrically conductive housing, a sensing element in the form of a ring with radial polarization and electrodes deposited on its side surfaces and made with gaps between them, a width greater than the wall thickness of the sensing element, an electrically conductive inertial mass, an elastic element made of insulating material, pressing element, characterized in that in it one of the electrodes covers the lower end of the sensing element, and the other - its upper end, while the housing of Tell urging member is urged to the lower electrode of the sensing element and the inertial mass through an elastic element - to the upper end.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that between the inertial mass and the elastic element is introduced an insulating gasket, and the elastic element is made of an electrically conductive material.

3. The Converter according to claim 1, characterized in that the pressing element is made of insulating material, and the elastic element is made of electrically conductive material.

4. The Converter according to claim 1, characterized in that the pressing element presses the housing to the sensitive element through the inserted insulating element, and the elastic element is made of electrically conductive material.