Неразборный пьезопакет
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в датчиках для преобразования механического перемещения или силы в электрический сигнал, а также для преобразования электрического напряжения в механическое перемещение или силу в пьезокерамических преобразователях, пьезокерамических актюаторах и пьезоприводах. Устройство содержит пьезоэлементы, соединённые электропроводным веществом при помощи адгезии и/или диффузии. Электропроводное вещество образует чередующиеся положительные и отрицательные внутренние электроды, устройство содержит положительный и отрицательный внешние электроды. В боковой поверхности выполнены соответствующие каждому внутреннему электроду канавки. В каждую канавку введён проводок из электропроводящего материала. В области между проводком и внутренними стенками канавки находится электропроводный клей. Каждый внутренний электрод электрически соединён с электропроводным клеем, находящимся в соответствующей этому внутреннему электроду канавке. Все проводки из канавок параллельно соединены с внешним электродом соответствующей полярности. Технический результат состоит в повышении надежности, увеличении времени безотказной работы и количества циклов срабатывания до разрушения. 9 з.п. ф-лы, 12 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в датчиках для преобразования механического перемещения или силы в электрический сигнал. Также изобретение может быть использовано для преобразования электрического напряжения в механическое перемещение или силу в пьезокерамических преобразователях, пьезокерамических актюаторах и пьезоприводах. Возможно использование в промышленности, на транспорте и в быту. Например, в системах автоматического регулирования, электромеханических приводах, эхолокации, в установках ультразвуковой сварки, мойки, а также в шаговых пьезоэлектрических двигателях.
Предпосылки изобретения
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является неразборный пьезопакет, описанный в патенте US 5365140, дата подачи 22.12.1993 г., МПК5 H01L 41/08. Устройство состоит из пьезоэлементов в виде пластин, соединенных электропроводным веществом при помощи адгезии и/или диффузии. Электропроводное вещество образует чередующиеся положительные и отрицательные внутренние электроды. Неразборный пьезопакет содержит также положительный и отрицательный внешние электроды, соединённые параллельно с внутренними электродами соответствующей полярности.
Однако прочность непосредственного соединения внешних электродов с внутренними электродами недостаточна. При механических колебаниях наружной поверхности пьезопакета, при температурных деформациях, обусловленных различными коэффициентами теплового расширения материалов внешних электродов и пьезоэлементов, может произойти отрыв внешних электродов от внутренних. Надёжность такого неразборного пьезопакета низкая.
За счет применения в боковой поверхности неразборного пьезопакета канавок, закреплению в канавках проводков, соединяющих внутренние электроды с внешними электродами соответствующей полярности, удалось повысить его надёжность.
Краткое изложение сущности изобретения
В основе изобретения лежит задача создать надёжное устройство, преобразующее механическое перемещение или силу в электрический сигнал, а также электрического напряжения в механическое перемещение или силу. При таких преобразованиях неизбежно возникают деформации элементов конструкции неразборного пьезопакета. В существующей конструкции вследствие деформаций возникают механические напряжения в соединении внутренних электродов с внешними электродами. При достаточно большом числе циклов деформации происходит отрыв внутренних электродов от внешних, что является неисправностью. В изобретении электрическое соединение между внутренними и внешними электродами выполнено при помощи проводков, размещённых в канавках на боковой поверхности пьезопакета. Проводки изгибаются при деформациях его элементов, при этом механические напряжения не превышают напряжений разрушения.
Технический результат, обеспечиваемый настоящим изобретением, заключается в повышении надежности устройства, увеличении времени безотказной работы и количества циклов срабатывания до разрушения.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата изменена конструкция известного неразборного пьезопакета. Известное устройство содержит пьезоэлементы, соединенённые первым электропроводным веществом при помощи адгезии и/или диффузии таким образом, что первое электропроводное вещество образует чередующиеся положительные и отрицательные внутренние электроды. Неразборный пьезопакет содержит также положительный и отрицательный внешние электроды. В заявляемом устройстве в боковой поверхности неразборного пьезопакета выполнены соответствующие каждому внутреннему электроду канавки. В каждую канавку введён проводок из электропроводящего материала. В области между проводком и внутренними стенками канавки находится электропроводный клей. Каждый внутренний электрод электрически соединён с электропроводным клеем, находящимся в соответствующей этому внутреннему электроду канавке. Все проводки из канавок, соответствующих положительным внутренним электродам, параллельно соединены с положительным внешним электродом, а все проводки из канавок, соответствующих отрицательным внутренним электродам, параллельно соединены с отрицательным внешним электродом.
Новая конструкция неразборного пьезопакета позволяет повысить надежность устройства, увеличить время безотказной работы и количество циклов срабатывания до разрушения.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи.
На фиг. 1 изображён неразборный пьезопакет.
На фиг. 2 изображён вид сверху неразборного пьезопакета.
На фиг. 3 изображён продольный разрез в области боковой поверхности пьезопакета.
На фиг. 4 изображён продольный разрез пьезопакета в области одной канавки, причём канавка заполнена электропроводным клеем, содержащим пузырьки газа.
На фиг. 5 изображён продольный разрез пьезопакета в области одной канавки, причём ширина канавки увеличивается в направлении от боковой поверхности пьезопакета к его продольной оси.
На фиг. 6 изображён продольный разрез в области боковой поверхности пьезопакета. Внутри первого электропроводного вещества расположен слой второго электропроводного вещества.
На фиг. 7 изображён продольный разрез в области боковой поверхности пьезопакета. Внутри первого электропроводного вещества расположен диэлектрический слой.
На фиг. 8 изображён поперечный разрез в области канавки на боковой поверхности пьезопакета.
На фиг. 9 изображён поперечный разрез в области канавки на боковой поверхности пьезопакета. Внутри первого электропроводного вещества расположен диэлектрический слой.
На фиг. 10 изображён неразборный пьезопакет. На боковую поверхность нанесены электроизолирующее вещество и изолирующая планка.
На фиг. 11 изображён вид сбоку неразборного пьезопакета. На боковую поверхность нанесены электроизолирующее вещество и изолирующая планка.
На фиг. 12 изображён вид сверху неразборного пьезопакета. На боковую поверхность нанесены электроизолирующее вещество и изолирующая планка.
Подробное описание вариантов воплощения изобретения
Неразборный пьезопакет, изображенный на фиг. 1 и 2, содержит пьезоэлементы 1, соединённые между собой первым электропроводным веществом при помощи адгезии и/или диффузии. Первое электропроводное вещество образует чередующиеся положительные 2 и отрицательные 3 внутренние электроды. Неразборный пьезопакет содержит также положительный 4 и отрицательный 5 внешние электроды. В боковой поверхности неразборного пьезопакета выполнены соответствующие каждому внутреннему электроду 2 и 3 канавки 6. В каждую канавку 6 введён проводок 7 из электропроводящего материала.
Продольный разрез в области боковой поверхности пьезопакета изображён на фиг.3. Пьезоэлементы 1 соединены между собой положительными 2 и отрицательными 3 внутренними электродами. В боковой поверхности неразборного пьезопакета выполнены соответствующие каждому внутреннему электроду 2 и 3 канавки 6. В каждую канавку 6 введён проводок 7. Проводок 7 может быть изготовлен, например, из посеребренной вольфрамовой проволоки. В области между проводком 7 и внутренними стенками канавки 6 находится электропроводный клей 8. Каждый внутренний электрод 2 и 3 электрически соединён с электропроводным клеем 8, находящимся в соответствующей этому внутреннему электроду канавке 6. Электропроводный клей 8 может состоять, например, из термостойкой карборансодержащей смолы с наполнителем из серебряного или графитового порошка.
Первое электропроводное вещество может иметь следующее соотношение компонентов: доля серебра (Ag) в атомных процентах 80-100; доля углерода (С) в атомных процентах 0-15; доля кислорода (O) в атомных процентах 0-15.
Все материалы, из которых изготовлены элементы пьезопакета, имеют различные коэффициенты теплового расширения. Поэтому при неизбежных колебаниях температуры, возникающих при работе пьезопакета, между склеенными или иным образом соединёнными деталями возникают механические напряжения. Когда эти напряжения возрастают до предельных для данного материала значений, происходит его разрушение или недопустимое изменение геометрической формы (размеров). Возникает неисправность пьезопакета.
Такое разрушение материала может произойти с электропроводным клеем 8. Предположительно его коэффициент теплового расширения существенно превышает коэффициент теплового расширения пьезокерамического элемента 1, первого электропроводного вещества, из которого образованы внутренние электроды 2 и 3, а также проводка 7. Расширяясь при нагреве и будучи зажатым в канавке 6, электропроводный клей 8 может разрушиться сам, может перестать удерживаться адгезионными силами в канавке 6. Это приведёт к нарушению электрического контакта между внутренним электродом 2 или 3 и проводком 7, что вызовет неисправность неразборного пьезопакета.
На фиг. 4 изображён продольный разрез пьезопакета в области одной канавки 6. Канавка 6 заполнена электропроводным клеем 8. С целью исключения возникновения неисправностей в материал электропроводного клея 8 введены пузырьки газа или смеси газов 9. Суммарный объём пузырьков 9 в каждой канавке 6 составляет более 10% от объёма электропроводного клея 8 в ней. Это обеспечивает достаточную сжимаемость электропроводного клея 8 и низкие значения механических напряжений в деталях пьезопакета, контактирующих с электропроводным клеем 8, не приводящие к его неисправности при нагреве.
Для предотвращения нарушения электрического контакта между внутренним электродом 2 или 3 и проводком 7, вызванного тем, что электропроводный клей 8 перестал удерживаться адгезионными силами в канавке 6, стенки 10 канавки 6 выполнены таким образом, что ширина канавки 6 увеличивается в направлении от боковой поверхности пьезопакета к его продольной оси (фиг.5). В этом случае проводок 7, окружённый электропроводным клеем 8, не может переместиться из канавки 6 в направлении боковой поверхности пьезопакета, в которой выполнена канавка 6. Для увеличения надёжности закрепления проводка 7 в канавке 6 такой формы применяемый электропроводный клей 8 может содержать пузырьки газа или смеси газов.
Продольный разрез в области боковой поверхности пьезопакета, у которого внутри первого электропроводного вещества расположен слой второго электропроводного вещества, изображён на фиг.6. Пьезоэлементы 1 соединены между собой положительными 2 и отрицательными 3 внутренними электродами, образованными первым электропроводным веществом 11 и вторым электропроводным веществом 12. Слой второго электропроводного вещества 12 расположен внутри первого электропроводного вещества 11. Он связан адгезией и/или диффузией с первым электропроводным веществом 11. В боковой поверхности неразборного пьезопакета выполнены соответствующие каждому внутреннему электроду 2 и 3 канавки 6. В каждую канавку 6 введён проводок 7. Проводок 7 может быть изготовлен, например, из омеднёной вольфрамовой проволоки. В области между проводком 7 и внутренними стенками канавки 6 находится электропроводный клей 8. Каждый внутренний электрод 2 и 3 электрически соединён с электропроводным клеем 8, находящимся в соответствующей этому внутреннему электроду канавке 6.
Второе электропроводное вещество 12 может быть диффузионно-отверждающимся галлиевым припоем при следующем соотношении компонентов: массовая доля галлия (Ga) 50-60%, массовая доля меди (Cu) 25-35%, массовая доля олова (Sn) 0-5%.
Продольный разрез в области боковой поверхности пьезопакета, у которого внутри первого электропроводного вещества расположен диэлектрический слой, изображён на фиг.7. Пьезоэлементы 1 соединены между собой положительными 2 и отрицательными 3 внутренними электродами, образованными первым электропроводным веществом 11 и диэлектрическим веществом. Диэлектрический слой 13 образован диэлектрическим веществом и расположен внутри первого электропроводного вещества 11. Он связан адгезией и/или диффузией с первым электропроводным веществом 11. В боковой поверхности неразборного пьезопакета выполнены соответствующие каждому внутреннему электроду 2 и 3 канавки 6. В каждую канавку 6 введён проводок 7. Проводок 7 может быть изготовлен, например, из посеребрёной вольфрамовой проволоки. В области между проводком 7 и внутренними стенками канавки 6 находится электропроводный клей 8. Каждый внутренний электрод 2 и 3 электрически соединён с электропроводным клеем 8, находящимся в соответствующей этому внутреннему электроду канавке 6.
Диэлектрический слой может быть стеклоприпоем при следующем соотношении компонентов: массовая доля Al2O3 : 1-10%; массовая доля B2O3 : 10-50%; массовая доля Bi2O3 : 0-0,1%; массовая доля CeO2 : 0,1-1%; массовая доля MgO : 1-10%; массовая доля PbO : 1-10%; массовая доля Sb2O3 : 0,1-1%; массовая доля SiO2 : 10-50%; массовая доля ZnO : >50%.
На фиг. 8 и 9 изображены поперечные разрезы в области боковой поверхности пьезопакета. На фиг.8 поперечный разрез изображён для пьезопакета, продольный разрез которого изображён на фиг. 3 и 6. На фиг.9 поперечный разрез изображён для пьезопакета, продольный разрез которого изображён на фиг. 7 - внутри первого электропроводного вещества расположен диэлектрический слой 13.
На фиг. 10, 11 и 12 изображены соответственно главный вид, вид сбоку и вид сверху неразборного пьезопакета, на боковую поверхность которого нанесены электроизолирующее вещество 14 и изолирующие планки 15. Электроизолирующее вещество 14 покрывает канавки 6 и электропроводный клей 8. Изолирующие планки 15 предохраняют канавки 6, проводки 7 и электропроводный клей 8 от механических повреждений и замыкания на корпус. Сквозное осевое отверстие 16 обеспечивает лучшее охлаждение при работе неразборного пьезопакета в режиме генератора колебаний.
Устройство работает следующим образом. При преобразования электрического напряжения в механическое перемещение или силу на положительный 4 и отрицательный 5 внешние электроды (фиг.1, 2, 10, 11, 12) подают электрическое напряжение. Оно по проводкам 7 и электропроводному клею 8 поступает к внутренним электродам 2 и 3. Между внутренними положительными 2 и отрицательными электродами 3 образуется электрическое поле, которое вызывает в поляризованных пьезоэлементах 1 увеличение толщины. Высота всего неразборного пьезопакета увеличивается. Если неразборный пьезопакет зажат в недеформируемом зазоре, он действует на стенки зазора с определённой силой. Это используется в конкретных промышленных системах.
При преобразовании механического перемещения или силы в электрический сигнал к торцам неразборного пьезопакета прикладывают усилие. В результате этого толщина поляризованных пьезоэлементов 1 уменьшается. На внутренних положительных 2 и отрицательных электродах 3 возникают соответствующие электрические заряды. По размещённому в канавках 6 электропроводному клею 8 и проводкам 7 заряды поступают на соответствующие положительный 4 и отрицательный 5 внешние электроды, образуя между ними электрическое напряжение. Это также используется в конкретных промышленных системах.
При изменении температуры неразборного пьезопакета электропроводный клей 8 при наличии в нём пузырей 4 (фиг.4) расширяется, но механические напряжения в нём не превышают предельных благодаря деформации стенок клея 8 между пузырями 9. Объём пузырей при этом уменьшается.
При выполнении стенок 10 канавки 6 таким образом, что ширина канавки 6 увеличивается в направлении от боковой поверхности пьезопакета к его продольной оси (фиг.5) электропроводный клей 8 продолжает удерживаться в канавке 6 даже при значительных сотрясениях, вибрации и температурных деформациях элементов пьезопакета. Электрический контакт между внутренним электродом 2 или 3 и проводком 7 при этом не нарушается.
Следует чётко понимать, что вышеприведенное описание предназначено для иллюстрации настоящего изобретения, а не для ограничения объема его охраны. Объём охраны должен определяться с учетом лишь формулы изобретения, наряду с полным объемом эквивалентов, на которые формула изобретения дает право.
1. Неразборный пьезопакет, пьезоэлементы которого соединены первым электропроводным веществом при помощи адгезии и/или диффузии, первое электропроводное вещество образует чередующиеся положительные и отрицательные внутренние электроды, неразборный пьезопакет содержит также положительный и отрицательный внешние электроды, отличающийся тем, что в боковой поверхности неразборного пьезопакета выполнены соответствующие каждому внутреннему электроду канавки, в каждую канавку введён проводок из электропроводящего материала, в области между проводком и внутренними стенками канавки находится электропроводный клей, каждый внутренний электрод электрически соединён с электропроводным клеем, находящимся в соответствующей этому внутреннему электроду канавке, все проводки из канавок, соответствующих положительным внутренним электродам, параллельно соединены с положительным внешним электродом, все проводки из канавок, соответствующих отрицательным внутренним электродам, параллельно соединены с отрицательным внешним электродом.
2. Неразборный пьезопакет по п.1, характеризующийся тем, что первое электропроводное вещество имеет следующее соотношение компонентов:
| доля серебра (Ag) в атомных процентах | 80-100 |
| доля углерода (С) в атомных процентах | 0-15 |
| доля кислорода (O) в атомных процентах | 0-15 |
3. Неразборный пьезопакет по п.1, отличающийся тем, что в электропроводном клее содержатся пузырьки газа или смеси газов, причём суммарный объём пузырьков в каждой канавке составляет более 10% от объёма электропроводного клея в ней.
4. Неразборный пьезопакет по п.1, отличающийся тем, что ширина канавок увеличивается в направлении от боковой поверхности неразборного пьезопакета к его продольной оси.
5. Неразборный пьезопакет по п.1, отличающийся тем, что проводки выполнены из вольфрама с покрытием из серебра и/или меди.
6. Неразборный пьезопакет по п.1, отличающийся тем, что между соседними пьезоэлементами неразборного пьезопакета внутри первого электропроводного вещества расположен слой второго электропроводного вещества, связанный адгезией и/или диффузией с первым электропроводным веществом.
7. Неразборный пьезопакет по п.6, характеризующийся тем, что второе электропроводное вещество является диффузионно-отверждающимся галлиевым припоем при следующем соотношении компонентов:
| массовая доля галлия (Ga) | 50-60% |
| массовая доля меди (Cu) | 25-35% |
| массовая доля олова (Sn) | 0-5% |
8. Неразборный пьезопакет по п.1, отличающийся тем, что между соседними пьезоэлементами неразборного пьезопакета внутри первого электропроводного вещества расположен диэлектрический слой, связанный адгезией и/или диффузией с первым электропроводным веществом.
9. Неразборный пьезопакет по п.8, характеризующийся тем, что диэлектрический слой является стеклоприпоем при следующем соотношении компонентов:
| массовая доля Al2O3 | 1-10% |
| массовая доля B2O3 | 10-50% |
| массовая доля Bi2O3 | 0-0,1% |
| массовая доля CeO2 | 0,1-1% |
| массовая доля MgO | 1-10% |
| массовая доля PbO | 1-10% |
| массовая доля Sb2O3 | 0,1-1% |
| массовая доля SiO2 | 10-50% |
| массовая доля ZnO | >50% |
10. Неразборный пьезопакет по п.1, отличающийся тем, что на боковую поверхность нанесено электроизолирующее вещество, покрывающее канавки и электропроводный клей.
