Способ изготовления пьезокерамического преобразователя

 

Изобретение относится к области боростроения, в частности к конструирШанию 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 оэлементов клеевого соста ва/1с6о рку пьезоблока, установку накладок на торцах пьезоблока. сжатие пьезоблока посредством стятгиеающей 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ сОцидлистических

РЕСПУБЛИК.БО 17571 31 А1 (М)5 Н 04 R 31/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ . ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

СПИСАНИЯ ИЗОБРЕтЕния j""."":".,, .„ -",", ;::"-

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ:

1,:,, :..::.. ::;.::. -:---: :: ... -.;-,:.::,,::: .:: 2 .. (21) 4800104f10 . ::.::: .... ", :::. .: ."::, ::: повышения стабильноСти характеристики (46) 23.08.92, Б (71)Киевскййнаучно-исследовательский- ин -. :: предусматрйвает Нанесение на торцовые с прочности АН УССР .::.::.:-:::::. : ;.. - :: -::.:..тов клеевого" состава;,"сборку пьезоблока, (72) Н.Г.Евко, Г;Г.Писаренко. С.И,Пугачев: "." установку накладок"на"арцах пьезоблока, (56) Авторское свидетельство СССР: : :. -::: щей ш пиль ки, полимеризацитю "клеящей

Мартусь В .А. Технология изтотовления. дят сборку йреобраэоваРтеля. и определяют рамическими преобразователями. - Л., йрй" эксплуатационнйх режимах работы, а боростр6ения," в част@ости к: конструирова- .: - .." пьезоэлементов., Постоянное элактрйческое нию и способам изготовления мощных" напряжение йодаат втечение всего процесэлектроакустических преобразователей- . " ."са полимеризации, Дано математическое энергии Целью изобретения является по-., выражение для определения амплйтуды вышение эффективности за счетувеличенйя" . постоянного электрического напряжения. циклической прочности преобразователя "и" 2 ил.

1 (Л вЪ

Ф ению, в частности к койструйрованию и спо-". мых поверхностей давлением 0,06 +-0,03 МПа собам изготовления мощных: и последующую выдержку при 85 -10 С в электроакустйческих преобразователей .теченйе 24 ч, ЙзвестенспоСобизготовления пьеэоке-; возникают остаточные внутренние напрярамического преобразователя, включаю- ; жения как следствие усадкй клеящей массы щий - подготовку поверхностей в йроцессе ее-полимеризаций; направленпьезоэлементов ксклеиванию по известной:: ные внутрь клеевого слоя. Эти остаточные технологии нанесения на соединяемые"пО- внутренние напряженйя являются основверхности клея Дм-5-65 на основе эпоксид- .. ным фактором, снижающим статическую и ной смолы с отвердителем, сборку циклическую прочность пьезокерамических преобразователя с помощью приспособле-: преобразователей.

1757131

Наиболее близким к изобретению по . йэз — пьезоэлектрическая постоянная технической сущности и достигаемому ре- . материала пьезоэлементов; зультату является способ изготовления пье-"., С ь Сзз — упругие постоянные соответзокерамического" преобразователя, ственйо материала стягивающей шпильки и включающий нанесение наторцевыеповер- 5 пьезоэлементов; ° хйости поляризованных пьезоэлементов,, - - Г ч, F„— площади "поперечного сечения клеевого состава, сборку пьезоблока по- : соответственно стягивающей шпильки и средством стягивающей шпильки, полиме- " пьезоэлементов:. ризацию клеящей массы; :,,- :-. -;::, : -:. :..".::: Предварительно по меньшей мере один

Недостатком способа-прототйпа явля- 10 преобразователь, собирают.поспособу-про- ется то, что он не исключает налйчйя оста- . "1 откупу. Это необходимо для того, чтобы опточных внутренних:. напряжений, ределить"" амплитуду циклических возникающих в клЕевом шве" в процессе:.. - напряжений о, возникающих в преобразополимеризации:клеящей массы.::- . :,:..., вателе при Эксплуатационных режимах. " . Кроме этого; в способе--прототипе при 15 Эксплуатационный режим преобразователя компенсации внутренних остаточных на- :. - определяется величиной заданного смещепряжений не учитываются реальные цикли- нйя рабочей поверхности преобразоватеческие нагрузки,:;:- которые будут - лей,: Для определения " амплитуды воздействовать на формируемЫе" клеевые-: " циклического напряжения, развиваемого в швы в эксплуатационных режимах работы 20 преобразователепри егодинамическом напьезопреобразователя. Это существенно,: гружении, преобразователь нагружают снижает циклическую прочность riðåîáðà- электрическим гармоническим напряжениОписанныйспособнепозволяетизгото - : - данной амплитуды "смешения рабочей вить серию близкйх по механическим свой- 25 поверхности преобразователя, соответствуствам преобразователей, поскольку ющей эксплуатационным режимам работы, уровень внутренних напряжений при этом в ":" :::. При этом на электрической стороне преклеевых"швах существенно отличается от образователя измеряют эффективное знапреобразователя к преобраэоватейо,":,:::;.:. чение : : тока, : потребляемого Целью изобретения является йовыше- 30 преобразователем при эксплуатационном ние эффективности за счет увеличения цик- режиме, коэффициент электромеханичелической прочности преобразбвателя и . "ской трансформации и по ним с учетом моповышение стабильности его характери-: дуля Юнга пьезоэлементов, скорости звука

Указанная цельдостигается снижением 35 лебаний определяют амплитуду цикличе уровня остаточных внутренних йапряжений .. ского напряжения. :. -:,- -. " в клеевых швах благодаря проведению:...: -.: Постоянное напряжение U подают на предварительной сборки преобразователя преобразователь в течение всего времени и определению амплитуды циклического на- полимеризации клеевого состава, а не толь- . пряжения cr в нем при "эксплуатационных 40 ко в период его гелеобразования, поскольку . режимах работы, а полимеризация клеящей - "усадка клеящей массы и формировайие осмассы производится при подаче на контак- таточных внутренних напряжений происхо ты"пьезбэлементов постоянного электриче- дит в течение всей полимеризации, " ского напряжения с полярностью, : - Кроме этого, стадия гелеобразования в

Сбвпадающей с полярностью пьезоэлемен- процесСе полимеризации не имеет крите " тов, при этом постоянное электрическое на- 45 рия оценки ее протекания, что вызывает пряжение подается в течение всего большой разброс изготавливаемых.преобпроцесса полимеризации, а его амплитуда разователей по механическим характери определяется из выражения . Л ., стикам .

Во время полимеризации клеевого co-! h33 С Fiu + C33 Fn „50 става механические" напряжения в клеевом

О=сг (1) шве направлены вдоль оси преобразовате * Ля внутрь. клеевого шва. Дополнительное напряжение, вызванное пьезоэлектричегде и- амплитуда циклическдго напряже- ским расширением пьезоэлементов, также ния, возникающего в преобразователе в 55 способствует сжатию клеевого шва. Это эксплуатацйбййых режимах; — .. происходит вследствиетого, что приклады-! — длина пьезоэлементов преобразова - . чаемое электрическое напряжение, поляртеля; .. ность которого совпадает с напряжением полярйзации склеиваемых пьезоэлементов, Сзз C«Fm

5 1757131 .. 6

I с приводит к их растяжейию, Далее: из-за растяжения пьезоэлементов вызывает сумконечной жесткости сжимающей шпильки, . марное механическое напряженйв сжатия ограничивающей растяжение пьезоэле- :.:: клеевого слоя, равное ментов. деформация растяжейия йьезоэлементов приводит к сжатию- клеевых " гт . =î, +a„ -. (2} швов, :;:,,- .- .... - : ;. .:.. :- 5 .

После по лиме ризации кл еевого с.остава за счет усилия поджатия и усадки клеящей: . где и,— механическое" йапряжение сжатия массы в клеевом слое остается внутренее . соглэсйо технологическому процессу полостаточное напряжейие, также направлен -, .. имеризэции клея „ нов внутрь клеевого слоя. Зто остаточное .10 д,,— механическое" напряжение в пьезовнутреннее напряжение является концент- :". керамических элементах", возникшее в ре - ратором локальных напряжений и пРиводит . - зультате подачи "на:них постоянного к с нижению и . клеевого состава при снятии подводимого" 15. ческое сжатие клееых швов . злектрическото напряжения устраняется",: :: На практике всегда, напряженно-деформированное состояйие : ся сжаться). При этом it.роисходйт компен - в клеевом шве напряжением упРугого сна-... ческого напряжеййя д, обеСйечивавшего . тия пьезоэлементов, направленным K : OÐ : . сжатие клеевых швов, должна быть равной результате прекращения воздействйя ста.-. a. Развиваемого в преобразователе при тйческого электрйческ ной полимеризации клеевото" шва -, . ™ обе спеч ивается получение клеев ог о"ш ва,,- д :: - (4) свободного от внутренних иэпряжений; ., *

Величина подвоД™ого эйектРического, : : . Зто условие, заключающееся в том чтопьезопреобразователе и Ри зксплуатэциой- образователе при его эксплуатационйых peHblx ре кимахработы. Зтосвязаноснеобхо- . жимах работы определяет полу жимах ра оты, определяет получение димостыо создания в клеевом UJBG за счег .35, клеевого соединения, свобод о о от, клеевого соединейия, сво одйого от внутпьезоэлектрического сжатия-, еще на стадии :" ренних напряжений при эксплуа ацион его фор<мироваййя, напряженно-деформи-:.:: "- нагрузках, Таким образом, еще на Стадии рованногосостояния;котороеспособствует:::..:; полимеризации клеевой шов формируется повышению прочности клеевого слоя при.::: ., под заданные эксплуатационные нагруз под заданные экспл атационные нагрузки. эксплУатацйонных Режимах Работы пРеоб- 40 ЗтЗ позволяет повыси гь динамическую ,разователя и повышает идентичность серйи прочность преобразователя

- преобразователей по механическим харак-: .:::: Таким образом если Юкатйе клеевых

1 теристикам., -.. -.- " швов напряжением <г осуществляется за аким образо . урове ь напряжений в,.:.:; счет мхэнического сжимающего усилия, то клеевых швах, сформированный при сборке 45 растяжение пьезоэлементов, и тем самйм преобразователя в соответствии с пРедлэ ."" -дополнительное пьезоэлектрическое сжагаемым способом, обладает умейьшенным, тие клеевых швов является следствием дейвнутренним остаточным нэпРяжением и.„ -::ствия статического электрического поля, подготовлен ("оттренировэн") для a at

В процессе сборки преобразователя на ". p„. клеевые швы пьезоэлементов действует" .: О = — (5)

Fn сжимающее усилие ос, определенноЕ 1e>- 55 нологическим процессом склейки.. где Р— си а приложенна П

П да а а езоэ ементы постоянного в результате действия статического электэлектрического напряжения в направлении рического поля, 1

175713 1в

F(, — площадь поперечного сечения пье- . С» — упругая постоянная материала зозлементов.:::;: "::..:::..:; .. шпильки, Согласнотретьему закону Ньютона . . В результате из уравтненйй (7) и (8) с учетом (6) следует

Р(у=--Рш, . ::, . ... - 5 где Р— усилие; -возникающее в шпильке - U .. ": Р, - Р,), вследствие приложения электрического по-".: - : Ьзз . Сээ Fï C» F(U ля .

Для достижения механического равно- 10 Отсйда с учетом равенства Р() и Р> опредевесия рассматриваемого состояния, кроме" : .: ляем равенства сила необходимо выполнение условий равенства абсолютнь(к удлинений:.:::. p:.. :: .:" : 1 (дтеформаций) пьезозпементов преобрвзо- .: и (т- ь ::(т:-,. i, (g) нателл пел)имеющей шпильки ::::.::::::::::, 1б ":. зз, (Сз .. F„c„ ;t,„)

hl = ALLI (6). :, -,::; :::, . ".:- :.:.: -... :„:.). :..:у-::

Далее согласно (5) и (9) следует где hl — дефорзмьацйя пьезоэлементов пре-, ЛШ вЂ” деформация шпильки. :::." .. ::::,::..:.. r !., (, -. (у, . - ) . («) тов под воздействием постоянного электри-,.:-: .,:.,-. :::.: .: ., ческого поля выражается как :- . ... ::.::. .;. . ... Выражение (9) позволяет определить (": Р :-: . -.-" - -- "(7) - тия пьезоэлементов, находящихся в сжатом

1цз Сзз Р» ... : -::,:.:.;,, состоянии, в зависимости от величины rio"данного на них постоянного электрическо ментам постоянного электрического набуря- 30.: Из выражения (9) можно определить ве жесния;-- .:.. : :. ::., ::..-:.:;, .-;,:,,.-. . .- личину постоянного электрического напряh33 пьезопостоянная материала :пье- . -жения, необходимоro "для создания зоэлемейтов;: ." .. "::.;::.::.:,: :, ::... :" заданного механического напряжения в ! — суммарная толщина пуьезтоэлемьентов;:..::: клеевых швдахпсклеи((ремйх пьезоэлеме)(Сзз — упругая постоянная материала Ç5 тов 0 . :":, ., -. пьезоэле.ментов.

Первое слагаемое в уравнении (7) оьппре- ",: ) 6 1 )эд « " " обз () (11) деляет деформацию растяжения пьезоэле-,, . ",::.::::: :, 1ментов при подаче на них постоянного электрического поля. Второе слагаемое в <0 уравнении (7) согласно закону Гука является .:::; Как следует. из" приведенного "анализа, следствием сжатия пьезоэлемейтов сжима- ::. - при равной величине и знаке сжалтйя склеиющей шпилькой и последующего поджатия, . ваемых пььезоэлемейтов механическим усипоскольку в результате воздейСтвия злект- лием и механическим усилием в сумме с рического поля. возрастает деформация пье- ."5 дополнительным пьезоэлектрическим подзоэлементов, а шпилька с конечной жатием возникают раэлйчные эффекты. жесткостью вызывает, соотвеьтцствейно, де-:: При увеличении амплйтуды механичефцормуацию сжтатия в пьезоэлементах, чем и. ского сжатия клеевого слоя увеличивается в объясйяется знак "минус" 80 второмт члене ": нем остаточное вйутреннее напряжение, уравнения (7).: . :,, .-:,:: 50 что снижает прочность преобразователя, а

Деформация сжимающей шупилпьки co- в результате новой совокупности признаков гласно закону Гука определяется по формлу- обеспечивается компенсация остаточных . - ле ..:..:: ..: -.:. : : —: : - "санутьрейнтИхнапряЖенийиповышениепрочРш — ности преобразователя.

F . (),, . 55 На фиг.1 схематически-показан изготавгде Є— сила, действующая на шпильку; ливаемый пьезокерамическийпреобразоваF(((— площадь поперечного сечения .. тель: на фиг.2 — найряжения, действующие

Шпильки," ..:..:::, в клеевых швах пьезбзлементов и соответствующие им эпюры; в процессе пол9 . 1757131 10

I ймерйзации (а), после полимбризации, но сом (например, o<= 0;06 + 0,03 МПа для при приложенном постоянном злектриче - ДУ-5-65), .ском и снятия электрического напряжения(в}. талл подается постоянйое электрическое

На фиг.2 обозйаченыг: о ; — техйолотиче-- 5 напряжени зоэлементов; (J„— напряжение полярностьЮ rrbe303n6M8riTQB, и амплитутия склеиваемых пьезоэлементов; О - "на- . режимам работы преобразователя, При пряжение; возникающее в клеевом шве при 10 этом благодаря обратйому пьезоэффекту в его усадке в процессе: полимеризации; : преобразователе создаюгся механичес:<ие

0<<>- остаточные внутренние напряжения в напряжения, равные по амплитуде механиклеевом шве.. - -:.... —::"-:::: :--:::::--:-. 4

Пьезокерамический: преобразователь ":-" "зопреобразователе :::. при ето (фиг.1) содержит поляризованные пьезоэле -- 15 эксплуатацйонных режимах работы. менты 1, сжатые с помощью накладки 2 и:... . Далее производится полимеризация, шпильки 3. Между торцами" поляризован - . клеевых cîåäéíåíèé преобразователя при йых пьезоэлементов 1 имеется клеевой Шов температуре, определенной конкретйым

;.;,.4. Пьезоэлементы 1 электрйчески Средине--.:. -тЕхналагиЧЕСКим- процессом (например, . .."-ны параллельно. Преобразователь снабжен 20 85 "-10"С для ДМ-.5-65 в течение 24 ч) и

, электрическими контактами 5 и 6. Контакт 5 последующее снятие электрического напря предназначен для присоединения к йлюСу женйя источников тока, а контакт 6 — к минусу.-- ::.::- ..-. В качестве примЕра конкретного ис" Способ. изготовленйя и ьезокерамиче- " . пользования были проведены исследования ского преобразователя осуществляется сле- 25 изготовленных стержневых:пьезопреобоа-

: дующим образом. - .:, ::;,: . -: :::: зователей из пьезокерамики типа ЦТБ -3.

Предварительно собирают по способу- : ПьезокерамичесКйе "стержни склеивались прототипу rio мейьшей мере бдин преобра-: " иэ пьезокерамическйх колец. 40х32х5 мм. зователь из серии и определяют в ijeri ::,:.: Сравнительные иСпытания двух преобрЯво- амплитуду циклических напряженйй o", воз- 30 вателей, собранных "по способу-прототипу, никающих в преобразователе при эксплуа- .- и двух преобразователей, собранных по тационных режимах, Эксплуатацйонный. :: пРедлагаемому способу, показали, что цикрежим преобразователя определяется ве- -:лическая прочность преобразователей, соличиной заданного смещения рабочей: rip- : :-: бранных по предлагаемому способу, верхности преобразователя, При этом:на 35 возросла в 1,б раза, . Результаты проведенэлектрической стороне преобразователя " ных исследований rIîäòr3åðæäýþò высокую

- измеряют эффективное значение тока rip- " эффективность преобразователей, изготовтребляемого преобразователем приэксплу- : -" ленных по предлагаемому способу за счет атационном" режиме, коэффйциент повышения циклической прочностй. электромеханической трансформации и."по 40, Способ наряду с повышением циклйчеййм с учетом!лодуля Юнга пьезоэлемейтов, . :-ской прочности преобразователя также сускорости звука в пьезокерамике, коэффици- -::- щественно влияет на повышение ента формы колебаний определяют ампли-:-::." стабильности его характеристик,. чем повытуду циклического напряжения, - :;,-::,:- ...:шает идентичйость механических характеДалее собираются остал ьн ь е и рео бра- 45 р исти к серии преобразователей. зователи серии. - .. :: :....-:= . ..;. . О о р мул а и зо б р ете н ия

Подготавлйваются склеиваемые йовер- :..":. Способ изготовления пьезокерамиче-

- хности к склейке ; Подготовка поверхностей ского преобразователя, заключающийся в к склейке заключается в пескоструйной o5- . нанесеййи на торцевые поверхности поляработке металлических деталей, обезжири- 50. ризоаанных пьезоэлементов клеевого совании всех склеиваемых поверхностей . става, сборке пьезоблока, установке спиртобензиновой смесью (1:1) и просушке, - накладок на торцах пьезоблока, сжатии пьеЗатем на склеиваемые поверхности йа- - зоблока посредством стягивающей шпильносится клеящая масса(например, клей дМ- " ки, полимеризации клеящей массы, о т л и5-б5 на основе эпоксидной смолы 9Д-5 с 55 ч а ю щи йся тем, 470, с целью повышения отвердителем), собирается преобразова- эффективности за счет увеличеййя цикличетель и склеиваемые поверхности прижима- . ской прочностйпреобразователя иповышеются усилием, определенным ния стабильности характеристик путем соответствующимтехнологическим процес- лужения уровня остаточных внутренних

12

1757131 нвпрвжений в клеевых шввх, предваритель- . I hex (C» Гв + Сзз рл1 но производят сборку: преобразователя и::, - .;; .. Сзз С11F определяют амплитуду"циклического наттзряжения" О в йем ври эксплуа ационных ре- . : где!- длина пьезоблока; жимах работы, а полимеризацию клеящей 5 паз — пьезоэлектрическая постоянная массы:производят при: подаче на контакты . : материала пьезоэлементов; пьезоэлементов постоянного электрическо-. -,, C11; C33 — упругие постоянные материаго:напряжения с полярностзькХ совпадаю- -ла стягивающзей шпзильки и пьезоэлементов .щей с полярзностзью" пьезоэлементов",при . соответственно; этом постоянное" электрическое напряже- l0: F>, Гп - площади поперечного сечения

: ние :подают в течение всего-процесса йзозл- стятивающезй шпилькиипьезозлементовсоимеризации; а его амплитудузопределзяют из ответственно. выражения . - ., з з ь

1757131

Составитель Н, Евко

Редактор О. Юрковецкая Техред М.Моргентал Корректор В. Петрами

Заказ 3101 Тираж -:.::: .. Подписное . ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб;, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101