Пьезоэлектрический элемент и преобразователь колебаний с пьезоэлектрическим элементом

Изобретение относится к устройствам для преобразования сигналов давления в электрические сигналы, и наоборот. Сущность: преобразователь колебаний содержит пьезоэлемент, который установлен в корпусе. Одна торцевая поверхность пьезоэлектрического элемента жестко связана с дном корпуса. Другая торцевая поверхность представляет собой поверхность, которая является чувствительной к колебаниям, и, предпочтительно, не закрыта корпусом. Объем корпуса заполнен заливочным составом. Пьезоэлектрический элемент механически отделен от заливочного состава. Пьезоэлектрический элемент содержит пористое однородное керамическое тело и по меньшей мере два электрода, присоединенных к нему. Пористое керамическое тело имеет открытые поры и покрыто, предпочтительно по всей поверхности, эластичным покрытием. Технический результат: повышение чувствительности. 3 ил., 4 табл., 15 з.п. ф-лы.

 

Изобретение касается пьезоэлектрического элемента для преобразования сигналов давления в электрические сигналы, и наоборот, согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения, а также преобразователя колебаний с пьезоэлектрическим элементом.

Из DE 4029972 известен пьезоэлемент, который предназначен для использования в качестве ультразвукового преобразователя и который состоит из нескольких слоев пористой пьезокерамики, размещенных один на другом, с электродами, расположенными между ними. Каждый слой пористой пьезокерамики изготовлен путем протягивания пластиковой пленки сквозь сосуд, который содержит керамический шликер, смешанный с зернами полимера. Стопка из пленки впоследствии прессуется и обжигается. В пределах каждого слоя пористая пьезокерамика имеет перепад пористости, при этом на граничных поверхностях пористость минимальна для улучшения контакта с электродами.

Преобразователи колебаний используются в самых различных целях; они могут использоваться в микрофонах, например контактных микрофонах для передачи информации, в датчиках ускорений, устройствах для аускультативной диагностики, для сейсмических исследований или аналогичных применений, в системах безопасности и других устройствах.

Из ЕР 0515521 В1 известен пьезокерамический датчик ускорений, который включает коробчатый, состоящий из двух частей, корпус из стекла или керамики, в котором формируется выемка, при этом между двумя частями корпуса закреплена пластина из пьезокерамики, которая вставлена в выемку. Пластина из пьезокерамики снабжена электродами в краевой угловой области, которая служит для соединения между половинами корпуса, причем половины корпуса имеют металлизацию для присоединения электродов с помощью контактных соединительных площадок к электрической схеме.

Целью изобретения является создание пьезоэлектрического элемента для преобразования сигналов давления в электрические сигналы, и наоборот, который имеет повышенную чувствительность и одновременно достаточную механическую прочность, при этом чувствительность преобразователя особенно повышена в одном направлении.

Согласно изобретению эта цель достигается посредством признаков, изложенных в независимых и зависимых пунктах формулы изобретения.

Посредством признаков, конкретизированных в зависимых пунктах, возможно получение дополнительных преимуществ и улучшений.

Под пористой пьезокерамикой здесь понимается пьезокерамический материал, например на основе отвержденной смеси цирконата-титаната свинца, имеющий пьезоэлектрические свойства и имеющий поры. В зависимости от того, имеет ли керамическое тело закрытые, то есть изолированные, или открытые, то есть сообщающиеся, поры, пористая пьезокерамика относится к пьезокомпозитам, которые соответствуют связи 3-0 или 3-3.

Известно, что с переходом от высокотвердой низкопористой керамики к высокопористой пьезокерамике пьезоэлектрическая константа g_н (чувствительность к звуку в воздухе/толщина пьезокерамики), которая является мерой чувствительности, значительно увеличивается, причем при пористости более 30% по объему происходит нелинейное увеличение упругой деформируемости керамики и уменьшение коэффициента Пуассона, то есть коэффициента поперечного сжатия, в соответствии с увеличением пористости. Первое свойство гарантирует высокую чувствительность, а второе обеспечивает то, что при механических колебаниях, действующих в пространстве во все стороны, величина пьезоэлектрической константы g_н, то есть чувствительность, остается равной своему полному значению вдоль поляризационной оси, в то время как у твердой керамики она понижается из-за наложения сигнальных компонент главной оси, то есть поляризационной оси с противофазными сигнальными компонентами вторичных осей, так что пьезоэлемент становится менее чувствительным.

Этот эффект наиболее выражен у пористой керамики с открытыми порами, однако с увеличением пористости керамического тела его механическая прочность понижается, так что высокопористая керамика обычно не используется. Известно, что для улучшения стойкости высокопористой пьезокерамики с открытыми порами к механическим воздействиям можно заполнять поры различными полимерными соединениями, но при этом удельная пьезочувствительность значительно понижается. Типичными заполнителями являются эпоксидная смола и силиконовый каучук.

Благодаря тому, что согласно изобретению пористое керамическое тело включает открытые поры и снабжается эластичным покрытием по меньшей мере на той его поверхности, которая не занята электродами, пьезоэлектрическая константа пьезоэлектрического элемента значительно увеличивается, а эластичное покрытие улучшает механическую прочность керамического тела. В то же самое время очень удобно, когда керамическое тело по всей его поверхности герметично защищено покрытием.

Роль эластичного покрытия, кроме увеличения механической прочности керамического тела с более высокой пористостью, посредством чего становится возможным его использование в пьезоэлектрическом элементе для преобразования сигналов давления в электрические сигналы, и наоборот, состоит в том, что благодаря этому покрытию эффект акустической волны повышает перепад давления между внутренним объемом пьезоэлемента и окружающей средой и, соответственно, достигается повышенная деформируемость пьезоэлемента. Из-за низкого коэффициента Пуассона высокопористой пьезокерамики повышенная объемная деформация преобразуется в одноосевую, главным образом продольную, деформацию, которая в результате прямого пьезоэффекта создает электрический заряд на электродах пьезоэлемента. В конечном итоге сигнал объемной деформации преобразуется пьезоэлементом из пористой керамики в электрический сигнал соответственно высокого уровня. При отсутствии эластичного покрытия деформация пьезоэлемента значительно меньше, так как в нем не возникает перепада давления и его пьезоэлектрическая константа также более низкая.

Предпочтительно, если пористое керамическое тело по всей площади сечения по существу однородно в отношении распределения открытых пор, сообщающихся друг с другом. Чтобы не нарушить посторонним материалом "дыхание", благодаря которому перепад давления в пределах керамического тела увеличивается, поры заполнены только воздухом или газом, а не твердым наполнителем, и не используется слоистая структура из различных материалов.

Также толщина эластичного покрытия, которое имеет упругость в области между 10 и 50 по Шору, предпочтительно между 10 и 30 по Шору, должна быть выбрана в зависимости от материала так, чтобы деформация не подавлялась. Эта толщина находится в диапазоне от 0,1 до 1,5 мм, предпочтительно приблизительно от 0,1 до 0,5 мм.

Пористость предпочтительно должна быть выбрана настолько высокой, насколько это возможно, при этом верхний предел ограничен заданной прочностью, желательной чувствительностью и способом изготовления.

Поскольку преобразователь колебаний согласно изобретению включает пьезоэлемент с пористым керамическим телом с открытыми порами, где одна торцевая поверхность пьезоэлектрического элемента по существу жестко соединена с дном корпуса, а противоположная торцевая поверхность образует чувствительную поверхность, и объем корпуса по меньшей мере частично заполнен заливочным составом, причем пьезоэлемент механически отделен от заливочного состава, достигается высокая чувствительность преобразователя к сигналам колебаний при хорошем отношении сигнал/шум, а благодаря механическому отделению амплитудно-частотная характеристика преобразователя улучшается, причем из-за жесткого соединения пористого керамического тела с дном корпуса, с учетом окружающего его заливочного состава, чувствительность будет направленной.

Дополнительным преимуществом является то, что корпус установлен на рамке из материала, поглощающего колебания, и соединен с ней, то есть установлен упруго и так, чтобы гасить колебания, так как при этом чувствительность преобразователя к посторонним колебаниям резко уменьшается при поддержании высокой чувствительности по отношению к колебаниям, которые действуют на переднюю сторону преобразователя, причем этот эффект еще больше усиливается, если рамка образована втулкой, окружающей корпус, и опорной пластиной, а между втулкой и корпусом, и между опорной пластиной и корпусом имеется промежуток, который заполнен гасящей или поглощающей колебания средой.

Примеры вариантов конструкции согласно изобретению показаны на чертежах и рассматриваются ниже более подробно.

На фиг.1 показано сечение пьезоэлектрического элемента согласно примеру выполнения настоящего изобретения.

На фиг.2 показано сечение преобразователя колебаний согласно первому примеру выполнения изобретения.

На фиг.3 показано сечение для другого примера выполнения преобразователя колебаний согласно изобретению.

На фиг.1 показано пористое и по существу однородное керамическое тело, обозначенное позицией 1, которое имеет открытые поры, причем объем, занятый порами, составляет не меньше 10%, предпочтительно - больше 30%; например, пористость может лежать между 50 и 70%. Поры обычно заполнены воздухом, но могут также содержать другие газы. К двум противолежащим поверхностям керамического тела присоединены два электрода 2, которые соединены с соединительными проводниками 3. Керамическое тело 1 по всей его периферии, кроме поверхности, занятой электродами 2, снабжено герметичным эластичным покрытием 4, например из полимера типа полиуретана, силиконового каучука, изопренового каучука или аналогичного материала. Толщина покрытия не должна быть слишком большой, чтобы сохранялась деформируемость керамического тела под действием колебаний, то есть чтобы деформация не предотвращалась, то же самое касается упругости покрытия. Упругость должна, например, находится в области от 10 до 50 единиц по Шору А, предпочтительно от 10 до 30 единиц по Шору А. Толщина слоя эластичного покрытия может находиться в диапазоне между от 0,1 до 1,5 мм, предпочтительно между 0,1 до 1,0 мм, в зависимости от используемого материала. Особенно хорошие результаты достигаются при толщине между 0,1 и 0,5 мм.

Примеры

В качестве конкретных примеров выполнения пьезоэлементы были изготовлены из пьезокерамического материала PTZ-36 с пористостью 62-63% объема в форме дисков с диаметром 12 мм и высотой 5 мм. После осаждения металлического слоя на торцевые поверхности дисков, припаивания к этим слоям проводов для снятия сигналов и поляризации керамического корпуса эти поверхности элементов с целью сравнения были герметизированы слоями из различных эластичных полимеров, таких как полиуретан, силиконовый каучук и синтетический каучук.

Пьезоэлектрическая константа g_н определялась согласно формуле

g_н=Y/h.

где Y - чувствительность керамического тела к звуку в воздухе, в мВ/Па; h - высота керамического тела. Измерения проводились в пространстве без отражений на частоте 1000 Гц. Полученные результаты приведены в табл.1.

Таблица 1
№	Материал покрытия с толщиной слоя h=0,5 мм	gн (мВ·м/Н)
1	Эпоксидная смола	28
2	Полиметилметакрилат	28
3	Полиуретан	252
4	Силиконовый каучук	280
5	Синтетический изопреновый каучук	294
6	Без покрытия	14

Из приведенных данных следует, что посредством использования эластичных покрытий поддерживается высокая пьезоэлектрическая константа элементов из керамики с открытыми порами, причем чувствительность по сравнению с тем же самым керамическим телом без покрытия повышается в 20 раз. Из таблицы 1 также следует, что неэластичное покрытие приводит к увеличению пьезоэлектрической константы только в 2 раза.

Положительное влияние эластичного покрытия на пьезочувствительность имеет место в широкой полосе частот. В таблице 2 приведены пьезоэлектрические константы g_н(мВ·м/Н) в зависимости от частоты для эластичного и неэластичного покрытия.

Таблица 2
Частота (Гц)	10	100	1000	5000	10000	15000
gн с эластичным	230	250	280	230	250	265
покрытием
gн с неэластичным	230	250	280	230	250	265
покрытием

В отличие от характера пористости (открытые или закрытые поры) размер пор только слегка влияет на пьезочувствительность. В таблице 3 приведены значения чувствительности пьезоэлементов с одной и той же пористостью с открытыми порами в зависимости от размера пор, с покрытием из силиконового каучука.

Таблица 3
Размер пор ( в мкм)	gн(мВ·м/Н)
20-80	280
50-200	308
100-500	300
500-1000	280

В следующем примере, в таблице 4, пьезочувствительность представлена в зависимости от толщины слоя покрытия, без дополнительной нагрузки массой, при пористости 56%.

Таблица 4
Толщина слоя (мм)	0,0	0,1	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5
Чувствительность
к передающемуся
по воздуху звуку (мВ/Па)	0,02	0,7	0,7	0,7	0,45	0,33	0,21
Чувствительность
к передающемуся по
твердому телу звуку (мВ/g)	1,2	25	27	20	15	11	7

Следует отметить, что при толщине слоя 0,1 и 0,5 мм можно достичь самой высокой чувствительности.

В таком пьезоэлектрическом элементе достигается намного более высокая пьезочувствительность, чем в известных пьезоэлементах, и он имеет более простую конструкцию. По сравнению с пьезоэлементами из сплошной пьезокерамики пьезоэлемент, выполненный согласно изобретению, имеет почти в два раза более высокую пьезоэлектрическую константу, а также характеризуется широким частотным диапазоном (10-200 Гц) и равномерной амплитудно-частотной характеристикой, флуктуации которой в полосе звуковых частот не превышают 6 дБ.

На фиг.2 показан преобразователь колебаний, в котором используется вышеописанный пьезоэлемент. Преобразователь колебаний включает пьезоэлектрический элемент 22, размещенный в корпусе 8 и окруженный заливочным составом 5, заполняющим корпус 8. Корпус 8 имеет, например, форму бачка, открытого с одной стороны, на фиг.2 - открытого сверху, а пьезоэлемент 22 несколько выступает за уровень заливочного состава 5, образуя тем самым чувствительную поверхность датчика на пьезоэлементе 22. Корпус 8, то есть пьезоэлемент 22 и заливочный состав 5, закрыты экранирующей пленкой 6, выполненной из металлической фольги или из тонкопроволочной сетки или из металлизированной пластиковой пленки или из электропроводящего полимера. Корпус имеет край в виде фланца, который окружен фланцевым кольцом 7, зажимающим экранирующую пленку 6 и край корпуса 8.

Пьезоэлемент 22 снабжен электродами для передачи электрических сигналов на другие устройства. Электроды 2 соединены со схемой 20 преобразователя импеданса, посредством которой осуществляется соответствующее электрическое согласование.

Верхний электрод 2 соединен с экранирующей пленкой 6 через соединение 16, а нижний электрод 2 соединен со схемой 20 преобразователя импеданса через соединительный вывод. Соединительный кабель 18 идет наружу.

Пористое керамическое тело 1 для механической стабилизации и для увеличения перепада давления снабжено эластичным покрытием 4, которое герметично окружает керамическое тело 1 по всей его поверхности.

При изготовлении преобразователя колебаний, показанного на фиг.2, пористое керамическое тело 1, снабженное эластичным полимерным покрытием 4, одной торцевой поверхностью посредством жесткого соединения 19 соединяется, например, с адгезивным слоем на дне корпуса. Керамическое тело 1, снабженное эластичным покрытием 4, соединяется со свободной, то есть не жестко присоединенной, оболочкой 9, которая, например, может быть сформирована в виде силиконовой трубки, которая надевается на керамическое тело 1, и затем корпус полностью или частично заполняется заливочным составом - эпоксидной смолой или другим малоэластичным компаундом. При этом оболочка 9 отделяет пьезоэлемент 22 от заливочного состава 5 и обеспечивает их механическое разделение. Схема преобразователя импеданса, соединенная с электродами, залита и окружена тем же самым заливочным составом 5.

В результате выполнения устройства так, как показано на фиг.2, тыльная сторона керамического тела максимально "нагружена" инертной массой корпуса 8, а его передняя сторона максимально "разгружена", что увеличивает чувствительность преобразователя колебаний с этой передней стороны и одновременно понижает его чувствительность с тыльной стороны. Использование защитной оболочки 9 для покрытия поверхности или боковой поверхности пьезоэлемента, помимо прочего, допускает использование малоэластичного материала для заливки корпуса, без понижения при этом чувствительности преобразователя, что делает возможным сдвинуть собственный резонанс преобразователя в область высоких частот и таким образом улучшить его амплитудно-частотную характеристику в области низких частот.

Такой преобразователь может, как уже было упомянуто выше, использоваться как контактный микрофон или микрофон для обнаружения шумовых ударных ускорений, причем в этом случае только торцевая поверхность пьезоэлемента, которая выступает за переднюю сторону корпуса 8, имеет контакт с поверхностью источника сигнала.

В одном конкретном примере преобразователь, показанный на фиг.2, имеет высоту 5,8 мм и диаметр 21,5/18,0 мм и массу приблизительно 7 г, его коэффициент передачи шумовых ударных ускорений составляет 1500 мВ/g, амплитудно-частотная характеристика в частотном диапазоне 50-5000 Гц имеет неравномерность в пределах 6 дБ, а отношение чувствительностей с передней и тыльной сторон составляет около 20 дБ.

Еще один пример выполнения изобретения показан на фиг.3, где преобразователь обозначен позицией 10 и может иметь конструкцию согласно фиг.2.

Как можно видеть, край 13 корпуса 8 поддерживается цилиндрической втулкой 11 из эластичного звукопоглощающего материала, которая окружает корпус 8 по его периметру. Кроме того, имеется крышка 12, также в виде бачка, в которую помещен корпус 8 вместе с цилиндром 11, причем цилиндр 11, выполненный из звукопоглощающего материала, посредством соединительных участков 14 соединен, с одной стороны, с краем 13 корпуса, выполненным в виде фланца, а с другой стороны - с дном крышки 12. В то же самое время между дном корпуса 1 и дном стакана 12 имеется промежуток 15, который заполнен средой, поглощающей колебания. Это может быть воздух, вакуум, текучая или другая среда.

В настоящем примере конструкции используется крышка, но могут также использоваться и другие варианты выполнения, делающие преобразователь 10 колебаний нечувствительным к посторонним колебаниям. При этом, однако, остается прежней основная концепция упругой звукопоглощающей подвески преобразователя и наличия промежуточного пространства, образующего двойное дно устройства.

В такой конструкции достигается значительное понижение или, для некоторых частот, фактически полное подавление чувствительности преобразователя к посторонним колебаниям, в то время как сохраняется высокая чувствительность к сигналам колебаний, которые действуют на переднюю сторону, при минимальном увеличении толщины преобразователя. Втулка из эластичного звукопоглощающего материала, окружающая корпус преобразователя, которая может иметь форму цилиндра, прикрепляется одной стороной к передней стороне корпуса, а другой стороной - к дну крышки, надетой на преобразователь, или только к одному внешнему диску. В то же самое время между корпусом преобразователя и диском, или между корпусом и дном крышки имеется промежуточное пространство, образующее двойное дно, которое может быть заполнено газом, вакуумом, жидкостью или другой поглощающей колебания средой.

1. Преобразователь колебаний с установленным в корпусе пьезоэлектрическим элементом, содержащим пористое керамическое тело, имеющее открытые поры, и, по меньшей мере, два электрода, прикрепленные к этому телу, причем, по меньшей мере, та поверхность пьезоэлектрического элемента, которая не занята электродами, снабжена эластичным покрытием, одна торцевая поверхность пьезоэлектрического элемента жестко соединена с дном корпуса, противоположная торцевая поверхность представляет собой поверхность, которая является чувствительной к колебаниям внешней среды, а пьезоэлектрический элемент в корпусе окружен заливочным составом и механически отделен от него.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эластичное покрытие выполнено герметичным и покрывает всю поверхность керамического тела вместе с электродами.

3. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что пористое керамическое тело изготовлено из смеси титаната-цирконата свинца.

4. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что пористость составляет по меньшей мере 10%, предпочтительно более 30%.

5. Преобразователь по п.4, отличающийся тем, что пористость предпочтительно лежит между 50 и 70%.

6. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанное покрытие выполнено из силиконового каучука, изопренового каучука, или полиуретана, или другого подобного материала.

7. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что толщина указанного покрытия составляет от 0,1 до 1,5 мм, предпочтительно от 0,1 до 1,0 мм, а еще более предпочтительно - от 0,1 до 0,5 мм.

8. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что твердость указанного покрытия находится в диапазоне от 10 до 50 единиц по Шору, предпочтительно от 10 до 30 единиц по Шору А.

9. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что пористое керамическое тело с открытыми порами является по существу однородным.

10. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что боковая поверхность пьезоэлемента окружена оболочкой, которая соединена с этой поверхностью нежестко для обеспечения указанного механического отделения заливочного состава от пьезоэлемента.

11. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что электроды пьезоэлемента соединены со схемой преобразователя импеданса, которая залита указанным заливочным составом.

12. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что чувствительная торцевая поверхность пьезоэлемента выступает из корпуса.

13. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанная чувствительная торцевая поверхность покрыта металлической фольгой, или проволочной сеткой, или фольгой из металлизированной пластмассы, или электропроводным эластомером.

14. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что корпус помещен в рамку из материала, поглощающего колебания, и соединен с ней.

15. Преобразователь по п.14, отличающийся тем, что рамка включает втулку, по меньшей мере частично окружающую корпус, и опорную пластину, причем между втулкой и корпусом имеется промежуток, который заполнен средой, поглощающей колебания.

16. Преобразователь по п.15, отличающийся тем, что втулка закреплена на фланце корпуса, а опорная пластина является частью крышки, окружающей корпус.

Приоритет по пунктам:

27.07.2001 - пп. 1-6, 10-16;

25.07.2002 - пп. 7-9.