Способ сборки гидроакустического преобразователя Российский патент 2024 года по МПК H04R17/08 

Изобретение относится к области производства ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей и может быть использовано при сборке других гидро- и сейсмоакустических изделий из пьезокерамических элементов.

Известен способ сборки пакетных пьезоэлектрических преобразователей (см. SU 585887 А1), включающий нанесение электропроводящего покрытия на сопрягаемые поверхности пьезоэлементов, сборку пьезоэлементов в пакет с последующим нагревом и воздействием внешним статическим давлением.

Недостатком данного способа является невозможность использования при реализации конструкций пьезоэлектрических преобразователей, содержащих группу цилиндрических соосно расположенных пьезоэлементов с электродами на боковых поверхностях.

Известен способ монтажа соосно расположенных пьезокерамических преобразователей, соединенных между собой через установочные детали и склеенных центрирующим стержнем (см. Пат. РФ №2244946, МПК G01V 1/52, опубл. 20.01.2005, бюл. №2). При таком способе выводы от пьезокерамических пластин в каждом преобразователе соединены параллельно. Выходы от каждого преобразователя выходят через отверстия в установочных деталях. Преобразователи соединены между собой либо параллельно, либо параллельно-последовательно в зависимости от требуемого импеданса излучения.

Недостатком является необходимость пайки по внутреннему радиусу, а также между блоками пьезоэлементов, что может быть трудно реализуемо для внутреннего диаметра пьезоэлементов малого диаметра. В случае повреждения монтажа имеет место отслоение материала электрода пьезоэлемента.

Наиболее близким по конструктиву является способ сборки гидроакустического преобразователя в гидроакустическом приемнике для геофизической сейсмокосы (см. Пат. РФ №2714866, МПК H04R 1/44 (2006.01), G01V 1/38 (2006.01), опубл. 19.02.2020, бюл. №2). В способе-прототипе гидроакустический преобразователь выполнен из двух соосно расположенных цилиндрических пьезоэлементов, радиально поляризованных в противоположных направлениях, склеенных по торцам через диэлектрическую шайбу, и соединенных последовательно.

Предложенная в прототипе конструкция сборки гидроакустического преобразователя позволила повысить чувствительность приемника, технологичность изготовления и встраивания общую конструкцию. Однако прототипу также, как и вышеуказанным способам, свойственен недостаток, ограничивающий его применение в условиях использования малогабаритных цилиндрических пьезоэлементов. Все они предполагают выполнение сложного технологического монтажа внутренней части пьезоэлементов малого диаметра (10 мм и менее).

Целью изобретения является разработка способа сборки гидроакустического преобразователя на основе N соосных цилиндрических пьезоэлементов малого диаметра с боковыми электродами, n=2, 3,… N, обеспечивающего устойчивый электрический контакт между пьезоэлементами без пайки.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе сборки гидроакустического преобразователя на основе N соосных цилиндрических пьезоэлементах малого диаметра с боковыми электродами n=2, 3,…,N, склеенных по торцам через диэлектрические шайбы, электрический монтаж последовательного соединения пьезоэлементов по внешним электродам выполнен с помощью пайки, а электрические выходы преобразователя соединены с наружными электродами крайних пьезоэлементов, причем электрический монтаж внутренних электродов пьезоэлементов выполняют с помощью упругих контактных электрических соединителей, фиксируемых на соответствующих диэлектрических шайбах, отличающийся тем, что в качестве упругих контактных электрических соединителей используют равномерно размещаемые металлические пластинчатые контактные элементы в количестве K=А⋅(N-1) в зависимости от числа используемых соосных цилиндрических пьезоэлементов N и контактных элементов в группе А, используемых для соединения внутренних электродов двух соседних пьезоэлементов.

Достоинства предлагаемого способа сборки гидроакустического преобразователя на основе группы соосных цилиндрических пьезоэлементов малого диаметра с боковыми электродами состоят: в распределенной площади электрического контакта, возможности монтажа в труднодоступных местах, например, по внутреннему радиусу пьезоэлементов, упрощенном демонтаже пьезоэлементов в необходимых случаях без нарушения целостности их электродов, долговечности контактов без ухудшения технических характеристик в процессе эксплуатации, надежной работе в условиях внешних ударов и вибрации преобразователя, низком и стабильном контактном сопротивлении в течение длительного срока эксплуатации.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где

на фиг. 1 - вариант исполнения упругого контактного электрического соединителя в виде диэлектрической шайбы с установленными пластинами в количестве трех штук при соосном объединении двух цилиндрических пьезоэлементов малого диаметра;

Упругий контактный электрический соединитель (на фиг. 1) цилиндрических пьезоэлементов с боковыми электродами целесообразен к применению при их малом внутреннем диаметре 10 мм и менее. Наиболее распространенными керамическими материалами для изготовления цилиндрических пьезоэлементов этого типа являются ЦТС-19 и ЦТБС-3. Компанией ООО «Аврора-ЭЛМА» г. Волгоград выпускается серия пьезоэлементов с названными характеристиками Щ47.124.129-16, ЖГКД.757681.037-01, -02, -03, -04, -0,5 (см. Аврора-ЭЛМА, пьезокерамика из Волгограда. Электронный ресурс http://www.volgogradru.com/catalog/avrora_elma.org. Дата обращения 20.03.2024). В качестве возможных реализаций электрических соединителей целесообразно использовать металлические пластины (см. фиг. 1). Соединители могут быть выполнены из таких материалов как сплав меди и латуни, нейзильбер и др. (см. В. Шарапов, М. Мусиенко, Е. Шарапова. Пьезоэлектрические датчики. - М.: Техносфера. 2006. - 632 с).

При электрическом монтаже внутренних электродов пьезоэлементов 1 с помощью металлической пластинчатой контактной группы 3 последние равномерно размещают по линии соединения пьезоэлементов 1 (см. фиг. 1), а сами элементы контактной группы 3 фиксируются на диэлектрической шайбе 2. Количество пластинчатых элементов в группе на одной диэлектрической шайбе - три штуки. Тогда общее необходимое количество пластинчатых элементов К для выполнения внутреннего монтажа гидроакустического преобразователя определяется из выражения

K=А⋅(N-1),

где N - количество задействованных цилиндрических пьезоэлементов, А - количество контактных элементов в группе, используемых для соединения внутренних электродов двух соседних пьезоэлементов.

Упругость контактного электрического соединителя С_эс на основе пластин контактной группы 3 должна быть на порядок меньше упругости цилиндрического пьезоэлемента

С_эс << С_пр,

где С_пр - упругость цилиндрического пьезоэлемента с боковыми электродами в радиальном направлении. Защита контактных соединений от негативного воздействия внешней среды достигается использованием токопроводящих смазок, паст на основе серебра и никеля в зависимости от материала электрода пьезоэлементов.

Изобретение относится к технике пьезоэлектрических преобразователей и может быть использовано при монтаже других гидро- и сейсмоакустических изделий малых габаритных размеров. Способ сборки гидроакустического преобразователя на основе N соосных цилиндрических пьезоэлементов малого диаметра с боковыми электродами n = 2,3, ...,N, склеенных по торцам через диэлектрические шайбы, в котором электрический монтаж последовательного соединения пьезоэлементов по внешним электродам выполнен с помощью пайки, а электрические выходы преобразователя соединены с наружными электродами крайних пьезоэлементов, электрический монтаж внутренних электродов пьезоэлементов выполняют с помощью упругих контактных электрических соединителей, фиксируемых на соответствующих диэлектрических шайбах, отличающийся тем, что в качестве упругих контактных электрических соединителей используют равномерно размещаемые металлические пластинчатые контактные элементы в количестве K=А⋅(N-1) в зависимости от числа используемых соосных цилиндрических пьезоэлементов N и контактных элементов в группе А, используемых для соединения внутренних электродов двух соседних пьезоэлементов. Технический результат - обеспечение устойчивого электрического контакта между элементами без пайки. 1 ил.

Способ сборки гидроакустического преобразователя на основе N соосных цилиндрических пьезоэлементов малого диаметра с боковыми электродами n=2, 3,…,N, склеенных по торцам через диэлектрические шайбы, в котором электрический монтаж последовательного соединения пьезоэлементов по внешним электродам выполнен с помощью пайки, а электрические выходы преобразователя соединены с наружными электродами крайних пьезоэлементов, электрический монтаж внутренних электродов пьезоэлементов выполняют с помощью упругих контактных электрических соединителей, фиксируемых на соответствующих диэлектрических шайбах, отличающийся тем, что в качестве упругих контактных электрических соединителей используют равномерно размещаемые металлические пластинчатые контактные элементы в количестве K=А⋅(N-1) в зависимости от числа используемых соосных цилиндрических пьезоэлементов N и контактных элементов в группе А, используемых для соединения внутренних электродов двух соседних пьезоэлементов.