ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИЗГИБНОГО ТИПА

Полезная модель относится к области пьезотехники, в части создания чувствительного элемента (ЧЭ) для акселерометров (сейсмодатчиков) и других устройств, в которых используют ЧЭ изгибного типа на основе пьезоэлектрического биморфа, а также других областях пьезотехники, в которых используются пьезоэлектрические биморфы, например, не как часть ЧЭ, а как часть исполнительного механизма, например актюатора.
Область применения технического решения, описанного в данной заявке на полезную модель, может быть существенно расширена в различные области науки и техники, в которых возникают описываемые ниже проблемы, но для простоты изложения, в рамках материала заявки, принято ограничение областей применения чувствительным элементом изгибного типа.
Существует большое множество устройств, в которых отдельные детали объединяются в общую конструкцию с использованием различных закрепляющих материалов - клеев, эпоксидных смол, кремнийорганических герметиков-и др. Как правило, эти материалы дают соединения с высокими электроизолирующими свойствами, а некоторые из них обладают акустоизоляционными свойствами.
В рамках материалов данной заявки, такие материалы будем называть компаундами, поскольку такой термин не имеет точного определения [1, 2] но, по крайней мере, близок по смыслу, чтобы объединить описанные закрепляющие материалы в одну группу.
Закрепление может носить однофункциональный характер, например простое клеевое соединение двух поверхностей, так и более сложный, многофункциональный характер, например обеспечивающее помимо механического закрепления, еще и диэлектрическую или акустическую изоляцию между элементами.
Известен фрагмент устройства, содержащий элементы (субстраты), закрепленные между собой в посадочном месте (заданных областях поверхности) двумя слоями закрепляющего материала - компаунда (клея «БФ-2») [3].
Недостатками такого устройства являются следующие:
1. Однофункциональное назначение слоев закрепляющего материала, ограниченное двумя слоями.
2. Недопустимость использования различных материалов для разных слоев.
Эти недостатки сильно ограничивают возможность использования многослойного закрепления основных элементов с помощью компаундов при изготовлении ЧЭ изгибного типа.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является ЧЭ изгибного типа, состоящий из пьезоэлектрического биморфа с выводами, закрепленного в посадочном месте ЧЭ закрепляющим материалом - компаундом. Зона в которой происходит закрепление пьезоэлектрического биморфа в посадочном месте ЧЭ является не рабочей, а закрепляющий материал - компаунд обеспечивает диэлектрическую и акустическую изоляцию биморфа от деталей посадочного места ЧЭ и фиксацию и закрепление как выводов так и биморфа в необходимом положении [4].
Недостатками такого устройства являются следующие:
1. Технические трудности в одновременном удовлетворении всех вышеупомянутых требований одноразовой заливкой компаундом нерабочей зоны биморфа в посадочном месте ЧЭ. В частности перед заливкой необходимо обеспечить и временно механически зафиксировать одновременно требуемое положение внешних выводов, создать нужные зазоры между элементами нерабочей зоны биморфа и деталями посадочного места ЧЭ, обеспечить необходимое положение биморфа в ЧЭ. После закрепления эти характеристики не должны измениться.
2. Технические трудности в одновременном удовлетворении всех вышеуказанных требований на высоком уровне одним видом компаунда, как правило, являющимся оптимальным для одних требований и менее оптимальным для других. В частности, для создания акустической изоляции необходимы более мягкие закрепляющие материалы, а для фиксации биморфа в виде консоли - более жесткие.
Эти недостатки снижают надежность ЧЭ, снижают процент выхода годных при их производстве, резко сужают номенклатуру допустимых и эффективных закрепляющих материалов-компаундов.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является достижение технического результата в виде повышения надежности ЧЭ, снижения брака при их изготовлении, расширения номенклатуры закрепляющих материалов и других составляющих элементов ЧЭ с учетом особенностей пьезокерамического биморфа, заключающихся в наличии нерабочей зоны [4], в которой' осуществляют его закрепление.
Поставленная задача решается в конструкции ЧЭ изгибного типа, состоящего из пьезокерамического биморфа с внешними выводами, закрепленного в посадочном месте ЧЭ закрепляющим материалом -компаундом, который обеспечивает диэлектрическую и акустическую изоляции биморфа от деталей посадочного места, а также фиксацию и закрепление как выводов, так и самого биморфа в необходимом положении. Причем, закрепляющий материал нанесен в виде нескольких слоев компаунда или компаундов, расположенных в определенной последовательности, и каждый слой нанесен для выполнения одной или нескольких технологических функций, имеющих различные назначения, причем слои закрепляющего материала нанесены в следующей последовательности:
- слой на поверхности посадочного места, обеспечивающий акустическую или электрическую или обе одновременно изоляции биморфа от деталей посадочного места, а также слой, обеспечивающий фиксацию внешних выводов биморфа на части поверхности в его нерабочей зоне;
- затем слой, обеспечивающий фиксацию биморфа в заданном положении в посадочном месте ЧЭ;
- затем слой, обеспечивающий окончательное формирование ЧЭ, причем в качестве закрепляющего материала выбраны компаунды одного или разных типов, причем в качестве компаундов выбраны эпоксидные компаунды или компаунды КЛТ, или быстрополимеризующиеся клеи или их комбинация.
Таким образом, отличительными признаками полезной модели является то, что закрепляющий материал - компаунд нанесен в виде нескольких слоев, расположенных в определенной последовательности и выполняющих каждый одну или несколько технологических функций, имеющих различные назначения, причем слои закрепляющего материала нанесены в следующей последовательности:
- слой на поверхности посадочного места, обеспечивающий акустическую или электрическую, или обе одновременно изоляции биморфа от деталей посадочного места, а также слой, обеспечивающий фиксацию внешних выводов биморфа на части поверхности в его нерабочей зоне;
- затем слой, обеспечивающий фиксацию биморфа в заданном положении в посадочном месте ЧЭ;
- затем слой, обеспечивающий окончательное формирование ЧЭ, причем в качестве закрепляющего материала выбраны компаунды одного или разных типов, причем в качестве компаундов выбраны эпоксидные компаунды или компаунды КЛТ, или быстрополимеризующиеся клеи или их комбинация.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата в виде повышения надежности ЧЭ, снижения брака при их изготовлении, расширения номенклатуры закрепляющих материалов и других составляющих элементов ЧЭ.
Это достигнуто за счет наличия в биморфе, независимо от его конструкции (диск или стержень) нерабочей зоны, в которой осуществляется его закрепление в посадочном месте ЧЭ. В ней допустимы различные технологические факторы и воздействия, не влияющие на основные свойства (параметры) ЧЭ.
Это обстоятельство позволило разделить закрепляющий слой, полученный однооперационно, с недостаточно высокой надежностью и наличием необоснованного брака на слой, полученный многооперационно, в виде ряда слоев, расположенных в определенной последовательности, каждый из которых несет свое функциональное назначение и тем самым каждое такое назначение выполнено с высокой надежностью, а вся совокупность слоев приводит как к более высокой надежности ЧЭ, так и к снижению брака. При этом каждый слой может быть выполнен как из одного и того же закрепляющего материала, так и из различных, наиболее подходящих для достижения технического результата.
Полезная модель поясняется фигурами на примере создания ЧЭ консольного исполнения.
На фиг.1 схематично изображена последовательность расположения слоев закрепляющего материала - компаунда в ЧЭ, собранном на базе биморфа стержневого типа (консоль) [5], с использованием не однооперационного его закрепления в посадочном месте, а с использованием предлагаемой полезной модели.
На фиг.1 а приведен в общих чертах слой закрепляющего компаунда 1, а именно тонкий слой компаунда, нанесенный на дно посадочного места, в которое будет упираться биморф. Этот слой обеспечит диэлектрическую изоляцию электродов биморфа от паразитного контакта с металлической поверхностью посадочного места, приводящего ЧЭ к браку. Этот же слой обеспечит акустическую изоляцию торца биморфа с поверхностью посадочного места 2.
На фиг.1б также приведен в общих чертах слой закрепляющего компаунда 3, нанесенный на часть поверхности нерабочей зоны биморфа 4 и фиксирующей в заданном положении гибкие выводы 5.
На фиг1в приведен слой 6 закрепляющего компаунда, фиксирующий биморф 4 в необходимом положении с помощью центрирующего приспособления 7.
На фиг.1 г приведен слой 8 закрепляющего компаунда, обеспечивающего окончательную конструкцию ЧЭ с заданной геометрией рабочей зоны 9 биморфа и надежной заделкой его в нерабочей зоне биморфа 4.
На предприятии была реализована экспериментальная партия ЧЭ [5], собранных на основе предлагаемой полезной модели (с использованием многооперационного закрепления). В качестве компаундов были использованы:
для слоя 1 - компаунд КЛТ-30;
для слоя 3 - эпоксидный компаунд;
для слоя 6 - быстрополимеризующийся клей;
для слоя 8 - эпоксидный компаунд.
для сравнения была реализована так же партия ЧЭ, изготовленных с использованием однооперационного закрепления.
В случае многооперационного закрепления из 20 шт. ЧЭ брак составил 1 шт.В случае однооперационного закрепления из 20 шт. ЧЭ брак составил 6 шт.
Источники информации:
1. http://electromaterials.narod.ru/kompaundy.html
2. http://edudic.ru/hie/2661/
3. http://sherko.ru/node/8
4. Патент РФ на полезную модель №104779.
5. http://elpapiezo.ru/sensor_element.shtml