МНОГОСЛОЙНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1995 года по МПК H01L41/08 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к датчикам давления, и предназначено для измерения быстропеременных давлений жидкостей и газов.

Известен многослойный пьезоэлектрический элемент, применяемый в конструкции датчика давления типа ПДС-6000, выполненный в виде пакета из чередующихся пьезопластин и металлических дисковых контактов [1].

Недостатком данной конструкции чувствительного элемента является его низкая помехозащищенность из-за несимметричной схемы выхода (один токовывод на корпусе) и сравнительно невысокая чувствительность из-за того, что пьезопластины выполнены с центральными отверстиями, что уменьшает площадь токосъема, а следовательно, и его чувствительность.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому техническому решению является многослойный пьезоэлектрический элемент, представляющий собой пакет из чередующихся и металлических дисков. Каждый металлический диск имеет по два выступа в диаметрально противоположных направлениях. При укладке в пакет смежные металлические диски располагаются таким образом, чтобы выступы каждого последующего были повернуты по отношению к предыдущему на 90^о. Выступающие участки изгибаются под прямым углом таким образом, чтобы выступы одного ряда соприкасались друг с другом. В местах соприкосновения их сваривают и соединяют с токосъемниками [2].

Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа является то, что многослойный пьезоэлектрический элемент выполнен в виде пакета из чередующихся пьезоэлектрических и металлических дисков, наличие в конструкции металлических дисков элементов, служащих для крепления и электрической коммутации пьезодисков.

Недостатком такой конструкции является невысокая надежность работы чувствительного элемента в условиях воздействия механических факторов (ударов, вибрации и т.д.) высоких уровней.

Это обусловлено наличием большого количества сварных соединений, а также тем, что данная конструкция не исключает полностью случайных радиальных смещений как пьезоэлектрических, так и металлических дисков, а также угловых перемещений последних, что может привести к коротким замыканиям между смежными металлическими дисками, а в худшем случае, и к разрушению чувствительного элемента.

Целью изобретения является повышение надежности работы чувствительного элемента в условиях механических воздействий высоких уровней.

Повышение надежности заявляемого чувствительного элемента в условиях механических воздействий высоких уровней достигается за счет исключения случайно радиальных и угловых смещений пьезоэлектрических дисков металлических токосъемников; уменьшения количества сварных соединений.

Исключение случайных радиальных и угловых смещений пьезоэлектрических дисков и токосъемников обусловлено тем, что изогнутые под прямым углом выступы и перемычки токосъемников расположены на лысках, выполненных на боковой поверхности пьезодисков. Это обеспечивает жесткую фиксацию составных частей чувствительного элемента относительно друг друга. Наличие дополнительных выступов на верхней и нижней токосъемных площадках звеньев токосъемников обеспечивает невозможность радиальных смещений верхнего и нижнего пьезодисков.

Уменьшение количества сварных соединений обусловлено тем, что каждый токосъемник выполнен в виде звена с двумя площадками, соединенными монолитной перемычкой.

На фиг. 1, 2 изображен предлагаемый многослойный пьезоэлектрический элемент; на фиг. 3 и 4 показана развертка токосъемника.

Пьезоэлектрический элемент состоит из пакета чередующихся пьезодисков 1 и токосъемников 2.

Токосъемник содержит две токосъемные площадки 5, соединенные перемычкой 4, и два выступа 3.

На пьезодисках 1 выполнены четыре лыски 8 шириной, равной ширине выступов 3. На практике этот размер выбирается в пределах 0,7-1,2 мм. Условие равенства ширины лыски ширине выступов диктуется выбором оптимального варианта конструкции чувствительного элемента - минимальное снижение чувствительности каждого пьезодиска из-за уменьшения площади токосъема при условии надежности фиксации элементов конструкции прибора от случайных угловых перемещений. Нижний и верхний токосъемники имеют по два дополнительных выступа 7 (см. фиг. 3), служащих для фиксации верхнего и нижнего пьезодисков. Длина их выбирается в пределах 0,3-0,8 толщины пьезодиска. Каждый токосъемник 2 охватывает два смежных пьезодиска 1, и его выступы жестко скрепляются друг с другом (например, контактной сваркой 9). Смежные токосъемники развернуты на 90^о относительно друг друга.

На внутренних поверхностях выступов и перемычек токосъемников нанесен (напылением, наклейкой и т.д.) изолирующий слой 6 шириной а (в зависимости от толщины пьезодиска) для предотвращения коротких замыканий смежных токосъемников. Смежные токосъемники развернуты на 90^о относительно друг друга.

Принцип работы заявляемого устройства следующий.

При действии на чувствительный элемент давления Р в каждом пьезодиске возникают заряды, по величине прямо пропорциональные измеряемому давлению, и посредством токосъемников, скоммутированных в единые электроды разной полярности, заряды пьезопластины складываются и подаются в измерительную цепь.

Предложенная конструкция многослойного пьезоэлектрического элемента перед известной конструкцией-прототипом обладает следующими технико-экономическими преимуществами: повышенной надежностью, особенно в условиях механических воздействий высоких уровней; позволяет увеличить гарантийный ресурс работы устройства.

Использование: при конструировании и производстве пьезоэлектрических датчиков быстропеременных давлений. Сущность изобретения: многослойный пьезоэлектрический элемент состоит из пьезодисков и токосъемников. Токосъемник состоит из двух токосъемных площадок, соединенных перемычкой, и двух выступов. На пьезодисках выполнены четыре лыски шириной, равной ширине выступов. Нижний и верхний токосъемники имеют по два дополнительных выступа, служащих для фиксации нижнего и верхнего пьезодисков. Каждый токосъемник охватывает два смежных пьезодиска , и его выступы жестко скреплены друг с другом. На внутренних поверхностях выступов и перемычек токосъемников нанесен изоляционный слой. Смежные токосъемники развернуты относительно друг друга на 90° и образуют электроды разной полярности. 4 ил.

МНОГОСЛОЙНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, выполненный в виде пакета из нескольких последовательно расположенных пьезодисков и размещенных между ними токосъемников с выступами, расположенными таким образом, что выступы каждого следующего токосъемника повернуты по отношению к выступам предыдущего токосъемника на 90^o, при этом токосъемники одной группы образуют единый электрод положительной полярности, а токосъемники другой группы - единый электрод отрицательной полярности, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, каждый токосъемник выполнен в виде звена с двумя площадками, соединенными перемычкой, ширина которой равна ширине выступов, а длина равна двойной толщине пьезодиска, при этом каждым токосъемником охвачены два смежных пьезодиска, выступы и перемычки токосъемников, изогнутые под прямым углом, расположены на лысках, выполненных на боковой поверхности пьезодисков, причем ширина лысок равна ширине выступов токосъемников, концы выступов каждого звена жестко скреплены друг с другом, одна из токосъемных площадок нижнего и верхнего токосъемников имеет по два дополнительных выступа, выполненных в диаметрально перпендикулярном направлении по отношению к основным выступам и перемычке токосъемников.