Способ изготовления пьезокерамического преобразователя Советский патент 1992 года по МПК H04R31/00 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к конструированию и спо- собам изготовлениямощнтых

электроакустических преобразователей энергии.

Известен способ изготовления пьезоке- рамическрго преобразователя, включающий подготовку поверхностей пьезоэлементов к склеиванию по известной технологии нанесения на соединяемые поверхности клея ДМ-5-65 на основе эпоксид- ной смолы с отвердителем, сборку преобразователя с помощью прйспбсрблёния, обеспечивающего прижим склеиваемых поверхностей давлением 0,06 ± 0,03 МПа и последующую выдержку при 85 ±10°С в течение 24 ч.

В процессе самой сушк и в клеевых швах возникают остаточные внутренние напряжения как следствие усадки клеящей массы в процессе ее полимеризаций, направленные внутрь клеевого слоя. Эти остаточные внутренние напряжения являются основным фактором, снижающим статическую и циклическую прочность пьезокерамических преобразователей.

vi ел VI

со

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления пье- зокерамического преобразователя, включающий нанесение на торцевые повер- хности поляризованных пьезоэл ементов клеевого состава, сборку пьезоблока посредством стягивающей шпильки, полимеризацию клеящей массы.

Недостатком способа-прототипа явля- ется то, что он не исключает наличия остаточных внутренних напряжений, возникающих в клеевом шве в процессе полимеризации клеящей массы.

Кроме этого, в способе-прототипе при компенсации внутренних остаточных напряжений не учитываются реальные циклические нагрузки, которые будут воздействовать на формируемые клеевые швы в эксплуатационных режимах работы пьезопреобразователя Это существенно снижает циклическую прочность преобразователя

Описанный способ не позволяет изготовить серию близких по механическим свой-

г ,-ч в ствам преобразователей, поскольку

уровень внутренних напряжений при этом в клеевых швах существенно отличается от преобразователя к преобразователю.

Целью изобретения является повыше- ние эффективности за счет увеличения циклической прочности преобра збвателя и повышение стабильности его характеристик

Указанная цель достигается снижением уровня остаточных внутренних напряжений

в клеевых швах благодаря проведению предварительной сборки преобразователя и определению амплитуды циклического напряжения а и нем при эксплуатационных режимах работы, а полимеризация клеящей массы производится при подаче на контакты пьезоэлементов постоянною электрического напряжения с полярностью, совпадающей с полярностью пьезоэлементов, при этом постоянное электрическое на- пряжение подается в течение всего процесса полимеризации, а его амплитуда определяется из выражения

,. I Ьзз (Си Рш +Сзз РП) и аСззСпРш

(1)

где а- амплитуда циклического напряжения, возникающего в преобразователе в эксплуатационных режимах;

I -длина пьезоэлементов преобразователя:

5

0

5 0

5

0

5

0 5

0

5

пзз пьезоэлектрическая постоянная материала пьезоэлементов,

Си, Сзз - упругие постоянные соответственно материала стягивающей шпильки и пьезоэлементов;

Рш, РП - площади поперечного сечения соответственно стягивающей шпильки и пьезоэлементов

Предварительно по меньшей мере один преобразователь собирают по способу-прототипу Это необходимо для того, чтобы определить амплитуду циклических напряжений а, возникающих в преобразователе при эксплуатационных режимах. Эксплуатационный режим преобразователя определяется величиной заданного смещения рабочей поверхности преобразователей Для определения амплитуды циклического напряжения, развиваемого в преобразователе при его динамическом на- гружении, преобразователь нагружают электрическим гармоническим напряжением на частоте основного резонанса до заданной амплитуды смешения рабочей поверхности преобразователя, соответствующей эксплуатационным режимам работы

При этом на электрической стороне преобразователя измеряют эффективное значениетока,потребляемого преобразователем при эксплуатационном режиме, коэффициент электромеханической трансформации и по ним с учетом модуля Юнга пьезоэлементов, скорости звука в пьезокерамике, коэффициента формы колебаний определяют амплитуду циклического напряжения

Постоянное напряжение U подают на преобразователь в течение всего времени полимеризации клеевого состава, а не только в период его гелеобразования, поскольку усадка клеящей массы и формирование остаточных внутренних напряжений происходит в течение всей полимеризации.

Кроме этого, стадия гелеобразования в процессе полимеризации не имеет критерия оценки ее протекания, что вызывает большой разброс изготавливаемых преобразователей по механическим характеристикам.

Во время полимеризации клеевого состава механические напряжения в клеевом шве направлены вдоль оси преобразователя внутрь клеевого шва Дополнительное напряжение, вызванное пьезоэлектрическим расширением пьезоэлементов, также способствует сжатию клеевого шва. Это происходит вследствие того, что прикладываемое электрическое напряжение, полярность которого совпадает с напряжением поляризации склеиваемых пьезоэлементов.

приводит к их растяжению Далее из-за конечной жесткости сжимающей шпил ьки, ограничивающей растяжение пьезоэл е- ментов. деформация растяжения пьезоэ- лементов приводит к сжатию клеевых швов,,После полимеризации клеевого состава за счет усилия поджатия и усадки клеящей массы в клеевом слое остается внутреннее остаточное напряжение, также направленное внутрь клеевого слоя. Это остаточное внутреннее напряжение является концентратором локальных напряжений и приводит к снижению прочности клеевого шва пьезоэлементов. Однако после полимеризации клеевого состава при снятии подводимого электрического напряжения устраняется напряженно-деформированное состояние склеиваемых пьезоэлементов (они стремятся сжаться). При этом происходит компенсация остаточных внутренних напряжений в клеевом шве напряжением упругого сжатия пьезоэлементов, направленным к торцам склеиваемых пьезоэлементов. В результате прекращения воздействия статического- электрического поля после пол- ной полимеризации клеевого шйа обеспечивается получение клеевого шва. свободного от внутренних напряжений.

Величина подводимого электрического напряжения согласно предлагаемому спо- собу изготовления связана с величиной циклического напряжения, развиваемого в пьезоггреобразивателе при эксплуатационных режимах работы. Это связано с необходимостью создания в клеевом шве за счет пьезоэлектрического сжатия, еще на стадии его формирования, напряженно-деформированного состояния, которое способствует повышению прочности клеевого слоя при эксплуатационных режимах работы преоб- разователя и повышает идентичность серии преобразователей по механическим характеристикам., Таким образом, уровень напряжений в клеевых швах, сформированный при сборке преобразователя в соответствии с предпа- гаемым способом, обладает уменьшенным внутренним остаточным напряжением и подготовлен (оттренирован) для знакопеременных механических нагрузок, соотвёт- ствующих номинальным эксплуатационным режимам.

В процессе сборки преобразователя на клеевые швы пьезоэлементов действует сжимающее усилие оь , определенное нологическим процессом склейки.

Подача на пьезоэлементы постоянного электрического напряжения в направлении

растяжения пьезоэлеме нтов вызывает суммарное механическое напряжение сжатия клеевого слоя, равн ое

СГ (7С Ч- On

(2)

где ас- механическое напряжение сжатия согласно технологическому процессу полимеризации клея.;

On- механическое напряжение в пьезо- керамических элементах, возникшее в результате подачи на них постоянного электрического напряжения, это напряжение создает дополнительное пьезоэлектрическое сжатие клееых цгвов.

На практике всегда

он сгс и of (jn, (3) , ,

При этом величина суммарного механического напряжения Oj, , обеспечивающего с жатие клеевых Шво в, должна быть равной величине динамического напряжения О , развиваемого в преобразователе при эксплуатационных режимах работы:

Чг (4)

Это условие, заключающееся в том. чтобы величина суммарного напряжения в процессе склейки была ра вна динамическому напряжению, развиваемому в данном преобразователе при его эксплуатационных режимах работы, определяет получение клеевого соединения, свободного от внутренних напряжений при эксплуатационных нагрузках. Таким образом, еще на Стадии полимеризации клеевой шов формируется под заданные эксплуатационные нагрузки. ЭтЪ позволяет повысить динамическую прочность преобразователя. Таким образом, если сжатие клеевых швов напряжением ор осуществляется за счет механического сжимающего усилия, то растяжение пьезоэлементов и тем самым дополнительное пьезоэлектрическое сжатие клеевых швов является следствием действия статического электрического поля, основанного на пьезоэлектрической природе керамики.

Величину о можно выразить как

сг

Рп Fn

(5)

где Рп - сила, приложенная к пьезоэлементу в результате действия статического электрического поля;.

Fn площадь поперечного сечения пьезоэлементов.

Согласно третьему закону Ньютона

Рп - -Р

ш.

Си - упругая постоянная материала шпильки

В результате из уравнений (7) и (8) с учетом (6) следует

Изобретение относится к области боростроения, в частности к конструирШа- нию и способам изготовЛ ения мощных электроакустических преобразователей энергии. Целью изобретения является повышение эффективности за счетувеличенйя циклической прочности преобразователя и по вышения стабильности характеристики путем снижения уровня остаточных внутренних напряжений в клеевых швах. Способ предусматривает натче сение на торцовые поверхности поляризованных пьез оэлемен- тов клеевого соста ва/1с6о рку пьезоблока, установку накладок на торцах пьезоблока. сжатие пьезоблока посредством стятгиеаю- щей шпильки, полим риз ацию Клеящей массы. При этом предварительно производят сборку преобразователя и определяют амплитуду циклического напряжения в нем при эксплуатационных р ежимах работы, а полимеризацию клеящей массы производят при подаче на ко нтактй ггь е зоэлтементов постоянного электрического напряжения с полярностью, совпадающей с полярностью пьезоэлементов. Постоянное электрическое напряжение по дают втечение всего процесса полимеризации. Дано математическое выражение для опредёлекия амплитуды постоянного электрического напряжения. 2 ил. (Л С

где Рш - усилие, возникающее в шпильке вследствие приложения электрического поля

Для достижения механического равновесия рассматриваемого состояния, кроме равенства сил, необходимо выполнение условия равенства абсолютных удлинений (деформаций) пьезоэлементов преобразователя и сжимающей шпильки

Д АШ (6)

где Д1 - деформация пьезоэлементов преобразователя;

АШ - деформация шпильки

Уравнение деформации пъезозлемен- тов под воздействием постоянного электрического поля выражается как

Д1

U „ Рп I

Г133 Сзз Fn

(7)

где U - величина приложенного к пьезоэле- ментам постоянного электрического напряжения;

пзз - пьезопостоянная материала пьезоэлементов;

I - суммарная толщина пьезоэлементов;

Сзз упругая постоянная материала пьезоэлементов.

Первое слагаемое в уравнении (7) определяет деформацию растяжения пьезоэлементов при подаче на них постоянного электрического поля Второе слагаемое в уравнении (7) согласно закону Гука является следствием сжатия пьезоэлементов сжимающей шпилькой и последующего поджатия, поскольку в результате воздействия электрического поля возрастает деформация пьезоэлементов, а шпилька с конечной жесткостью вызывает, соответсгвеннб, деформацию сжатия в пьезоэлементах, чем и объясняется знак минус во втором члене уравнения (7)

Деформация сжимающей шпильки согласно закону Гука определяется по формуле

Рш -I

ЛШ+(8)

С11 Fm

где Рщ - сила, действующая на шпильку

Рш - площадь поперечного сечения шпильки;

,

Рп

I

Сзз Fn Си Fu

0

10 Отсюда с учетом равенства Рп и Рш определяем

Рп

и е-ь

33

(9)

Далее согласно (5) и (9) следует

6 U

JT.33 си

Ш

F Ь« (,,,-г )

3J

33

(10)

Выражение (9) позволяет определить величину механического напряжения сжатия пьезоэлементов, находящихся в сжатом состоянии, в зависимости от величины поданного на них постоянного электрического напряжения.

Из выражения (9) можно определить ве- /Гичину постоянного электрического напряжения, необходимого для создания заданного механического напряжения в клеевых швах склеиваемых пьезоэлемен- тов#

I Wfc

F« C33 Г) (11)

«-Ч- 1РД.Р..1I -...-.- ..„...

33 C 11 IM

Как следует из приведенного анализа, при равной величине и знаке сжатия склеиваемых пьезоэлементов механическим усилием и механическим усилием в сумме с

дополнительным пьезоэлектрическим под- жатием возникают различные эффекты.

При увеличении амплитуды механического сжатия клеевого слоя увеличивается в нем остаточное внутреннее напряжение,

что снижает прочность преобразователя, а в результате новой совокупности признаков обеспечивается компенсация остаточных внутренних напряжений и повышение прочности преобразователя

На фиг.1 схематически показан изготавливаемый пьезокерамический преобразователь; на фиг.2 - напряжения, действующие в клеевых швах пьезоэлементов и соответствующие им эпюры- в процессе пол

имеризации (а) после полимеризации, но при приложенном постоянном электрическом напряжении (б) после полимеризации и снятия электрического напряжения (в),

На фиг,2 обозначены гтс технологическое напряжение сжатия склеиваемых пье- зоэле ментов; Огг напряжение дополнительного пьезоэлектрического сжатия склеиваемых пьезоэлемеитов; Сур- напряжение, возникающее в клеевом шве при его усадке п процессе полимеризации; оьст- остаточные внутренние напряжения в клеевом шве.

Пьезокерамический преобразователь (фиг 1) содержит поляризованные пьезоэле- менты 1, сжатые с помощью накладки 2 и шпильки 3 Между торцами поляризованных пьезоэлементов 1 имеется клеевой шов 4 Пьезоэлементы 1 электрически соединены параллельно Преобразователь снабжен электрическими контактами 5 и б Контакт 5 предназначен для присоединения к плюсу источников тока, а контакт 6 - к минусу.

Способ изготовления пьезокерамиче- ского преобразователя осуществляется следующим образом

Предварительно собирают по способу- прототипу по меньшей мере один преобразователь из серии и определяют в нем амплитуду циклических напряжений а, возникающих в преобразователе при эксплуатационных режимах Эксплуатационный режим преобразователя определяется величиной заданного смещения рабочей поверхности преобразователя При этом на электрической стороне преобразователя измеряют эффективное значение тока, потребляемого преобразователем при эксплуатационном режиме, коэффициент электромеханической трансформации и по ним с учетом модуля Юнга пьезоэлементов, скорости звука в пьезокерамике, коэффициента формы колебаний определяют амплитуду циклического напряжения

Далее собираются остальные преобразователи серии.

Подготавливаются склеиваемые поверхности к склейке. Подготовка поверхностей к склейке заключается в пескоструйной обработке металлических деталей, обезжиривании всех склеиваемых поверхностей спиртобензиновой смесью (1 1) и просушке.

Затем на склеиваемые поверхности наносится клеящая масса (например, клей ДМ- 5-65 на основе эпоксидной смолы ЭД-5 с отвердителем), собирается преобразователь и склеиваемые поверхности прижимаются усилием, определенным соответствующим технологическим процессом (например, (7С О 06± 0,03 МПа для ДМ-5 65)

После отого на контакты преобразователя подается постоянное электрическое 5 напряжений в течение 1всёго процесса полимеризации с полярностью, совпадающей с полярностью пьезозлементов, и амплитудой, соответствующей эксплуатационным режимам работы преобразователя При

0 этом благодаря обратному пьезоэффекту в преобразователе создаются механические напряжения, равные по амплитуде механическим напряжениям, возникающим в пье- зопреобразователеприего

5 эксплуатационных режимах работы,

Далее производится полимеризация клеевых соединений преобразователя при температуре, определенной конкретным технологическим процессом (например,

0 85 ±10°С для ДМ-5-65 в течение 24 ч) и последующее снятие электрического напряжения

В качестве примера конкретного использования были проведены исследования

5 изготовленных стержневых пьезопреобоа- зоваталей из пьезокерамики типа ЦТБС-3. Пьезокерамическгие стержни склеивались из пьезокерамических колец 40x32x5 мм Сравнительные испытания двух преобрЦзо0 ват елей, собранных по способу-прототипу, и двух преобразователей, собранных по предлагаемому способу, показали, что циклическая прочность преобразователей, собранных по предлагаемому способу,

5 возросла в 1,6 раза Результаты проведенных исследований подтверждают высокую эффективность преобразователей, изготовленных по предлагаемому способу за счет повышения циклической прочности.

0 Способ наряду с повышением циклической прочности преобразователя также существенно влияет на повышение стабильности его характеристик, чем повышает идентичность механических характе5 ристик серии преобразователей.

Формула изобретения Способ изготовления пьезокерамиче- ского преобразователя, заключающийся в нанесении на торцевые поверхности поля0 ризованных пьезоэлементов клеевого состава, сборке пьезоблока, установке накладок на торцах пьезоблока, сжатии пьезоблока посредством стягивающей шпильки, полимеризации клеящей массы, о т л и 5 чающийся тем, что, с целью повышения эффективности за счет увеличения циклической прочности преобразователя и повышения стабильности характеристик путем снижения уровня остаточных внутренних

напряжений в клеевых швах, предварительно производят сборку преобразователя и определяют амплитуду циклического напряжения О в нем гари эксплуатационных ре- жимах работы, а полимеризацию клеящей массы производят при подаче на контакты пьезоэлементов постоянного электрического напряжения с полярностью, совпадающей с полярностью пьезоэлементов, при этом постоянное электрическое напряжение подают в течение всего процесса полимеризации, а его амплитуду определяют из выражения

U

о

11тзз(Сц -FIII + СззРп) Сзз Си Рш

где I - длина пьезоблока;

пзз - пьезоэлектрическая постоянная материала пьезоэлементов;

Си, Сзз - упругие постоянные материала стягивающей шпильки и пьезоэлементов соответственно; ,

Рш, Рп - площади поперечного сечения стягивающей шпильки и пьезоэлементов соответственно.

Фиг.1

ОСт