ПЬЕЗОМОДУЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники и предназначена для применения в системах управления общепромышленного и специального назначения, транспорта, энергетики, сельского хозяйства и др.
Современный уровень развития электротехники характеризуется широким и все более возрастающим использованием пьезокерамических элементов для коммутации электрических сигналов. Это обусловлено такими их достоинствами, как надежность и простота коммутации, большой ресурс и долговечность, приемлемые массогабаритные характеристики, сравнительно низкая стоимость, устойчивая работы в широком диапазоне температур в различных средах, высокая помехоустойчивость, отсутствие необходимости в дополнительных источниках питания, вандалоустойчивость. Согласно обзору http://sec4all.net/statea159.html крупнейшими мировыми производителями, охватывающими в совокупности более 80% рынка пьезокоммутационных изделий, являются компании Вагап Advanced Technologies, Израиль (http:/lib.chipdip.ru/271/DOC000271132.pdf), ALGRA, Швеция, SHURTER, Швейцария.
Базовым узлом любого пьезокоммутационного изделия является пьезомодуль, типовая конструкция которого содержит следующие основные элементы: корпус, пьезоэлемент, токосъемник, печатная плата, герметик (компаунд), электрические выводы. При механическом воздействии на крышку корпуса происходит деформация пьезоэлемента, на электродах которого возникает разность потенциалов (напряжение). Через токосъемник это напряжение подают на печатную плату с расположенным на ней электронным ключом, который через электрические выводы коммутирует внешнюю электронную схему. Вся конструкция пьезомодуля выполнена в едином корпусе и залита герметиком.
Известны патенты РФ на полезные модели, в которых предлагаются технические решения, направленные на повышение отдельных потребительских качеств пьезомодулей: совершенствование конструкции и материалов корпуса №№32340, 109585, 117709; надежное крепление элементов пьезомодулей в корпусе №№32340, 54278, 73120, 109585, 121647; применение различных материалов токосъемника №№32340, 109585, 117709; улучшение конструкции электрических выводов №95177; улучшение гальванической развязки пьезомодулей с управляющей электронной схемой №134696.
Известны технические решения по патентам РФ на полезные модели №№73120, 109585, в которых элементы унифицированного пьезомодуля надежно фиксируются в едином корпусе, выполненном в виде стакана с защелками, расположенными на основании корпуса и обеспечивающими плотное прилегание компонентов модуля друг к другу. Токосъемник представляет соединитель типа «зебра», выполненный из токопроводящей резины с чередующимися проводящими и изолирующими слоями. Недостатком пьезомодулей является сложная и дорогостоящая конструкция корпуса, обусловливающая значительные массогабаритные характеристики пьезомодуля, что ограничивает плотность монтажа и шаг расположения модулей в пьезоклавиатурах.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является техническое решение по патенту РФ на полезную модель №117709, в котором по сравнению с конструкциями пьезомодуля по патентам РФ на полезные модели №№73120, 109585 исключены защелки и токосъемник «зебра», взамен которого применяют токопроводящий клей. За счет этих изменений вдвое уменьшается толщина пьезомодуля, а также незначительно уменьшается его масса.
Конструкция пьезомодуля, изображенная на фиг. 1, содержит: 1 - пьезоэлемент, 2 - печатная плата, 3 - корпус, 4 - контактные площадки печатной платы, 5 - выводы, 6 - слой токопроводящего клея, 7 - слой обычного непроводящего клея. Корпус 3 центрирует и фиксирует расположение деталей друг относительно друга. Слои клеев 6, 7 электрически и механически соединяет пьезомодуль в единый конструктив: слой 6 токопроводящего клея соединяет контактные площадки печатной платы с положительным (+) и отрицательным (-) электродами пьезоэлемента, слой 7 обычного клея соединяет корпус и пьезоэлемент.
Работа пьезомодуля основана на прямом пьезоэффекте. При нажатии на верхнюю часть корпуса 3 усилие передается через клеевой слой 7 на пьезоэлемент 1 и на его электродах возникает разность потенциалов (напряжение). Это напряжение через токопроводящий слой клея 6 воспринимается контактными площадками 4 печатной платы 2 и подается на электронный ключ печатной платы, в результате чего ключ открывается и через выводы 5 коммутирует внешнюю электронную схему. После снятия давления с крышки корпуса 3 пьезоэлемент 1 принимает прежнюю форму, разность потенциалов исчезает и электронный ключ запирается.
Пьезомодуль по полезной модели №117709 имеет ряд недостатков. Во-первых, как и в полезных моделях №№73120, 109585, плотность установки пьезомодулей и минимально возможный шаг их установки на клавиатуре ограничены наружным диаметром корпуса пьезомодуля.
Во-вторых, применение клеевых соединений имеет серьезные технологические и эксплуатационные ограничения. Технология склеивания токсична и пожароопасна, она предусматривает тщательное смешивание компонент, многооперационную обработку и очистку поверхностей. Отверждение клеевого соединения требует длительного времени в условиях поддержания постоянного усилия прижима склеиваемых поверхностей, особых температурных режимов и влажности. При этом температурная обработка вызывает необратимую деградацию свойств самой пьезокерамики. Указанные особенности технологии обусловливают дополнительные требования к производственным помещениям и оборудованию, что значительно усложняет технологию, повышает издержки производства и удорожает себестоимость пьезомодулей.
Клеи имеют низкую влаго- и теплостойкость, низкую стойкость к ударным нагрузкам, склонность к ползучести и охрупчиванию при низких температурах, малую прочность на разрыв. Клеевые соединения нельзя демонтировать и заменять, невозможно контролировать качество клеевого слоя и определить его ресурс в условиях реальной эксплуатации. Клеи растрескиваются, отслаиваются и деградируют от влаги, влияния агрессивных сред, вибраций и механических воздействий, перепадов температур; адгезия между склеенными поверхностями нарушается, снижается прочность и эластичность клеевой прослойки. Все это характеризует низкую надежность пьезомодулей с клеевыми соединениями.
Принимая во внимание отмеченные недостатки пьезомодулей существующего уровня техники, целью предлагаемой полезной модели является разработка простой, надежной и технологичной конструкции, обеспечивающей минимальные массогабаритные характеристики и низкую стоимость изготовления пьезомодуля.
Заявленная цель достигается переходом от конструкции пьезомодуля, предусматривающей компоновку элементов пьезомодуля в корпусе-стакане, к бескорпусной конструкции с введением новых элементов - электродов-держателей, обеспечивающих одновременно механическое крепление и удерживание элементов пьезомодуля, а также электрическую коммутацию электродов пьезоэлемента с электродами печатной платы.
Конструкцию и работу пьезомодуля поясняет фиг. 2, на которой обозначены: 1 - пьезоэлемент, 2 - печатная плата с электронным ключом и выводами (на фиг. 2 не указаны), 8 - защитное покрытие, 9 - отрицательный электрод пьезоэлемента, 10 - положительный электрод пьезоэлемента, 11 - электроды-держатели, 12 - положительная контактная площадка электронного ключа печатной платы, 13 - зазор между электродами 9, 10 пьезоэлемента.
Принципиально новый конструктивный элемент пьезомодуля - электрод-держатель изготавливают из токопроводящих материалов, например, резин, полимеров, углепластиков, металлов, преимущественно нержавеющей стали. Для обеспечения надежной фиксации элементов пьезомодуля форма, профиль и количество (один и более) электродов могут быть различными. Например, на фиг. 2 показаны два электрода-держателя 11, имеющих Г-образный профиль.
Крепление электродов-держателей к электроду электронного ключа на печатной плате осуществляют с помощью точечной сварки, пайки, микромонтажа и др. Крепление электродов-держателей к пьезоэлементу при сборке пьезомодуля осуществляют преимущественно механически - прижимом, замковым способом, пайкой или другими способами, например, спеканием, склеиванием. На фиг. 2 показано положение двух Г-образных лепестковых электродов-держателей 11 относительно пьезоэлемента 1. Электроды-держатели устанавливают на краях печатной платы 2 перпендикулярно (или под углом) к ее поверхности, лепестки упруго прижимаются к верхней контактной площадке пьезоэлемента, соединяя с усилием пьезоэлемент и печатную плату в единый конструктив. Усилие прижима зависит от механических свойств материала (упругости, эластичности), толщины, радиуса, формы и способа гибки электродов-держателей. Такая конструкция на Г-образных проводниках не требует дополнительного крепежа для обеспечения взаимной фиксации входящих в модуль элементов, при сборке пьезомодуля пьезоэлемент вставляют между Г-образными электродами-держателями, перемещая по поверхности печатной платы.
Одновременно с механическим соединением электроды-держатели выполняют функцию токосъемника взамен «зебры» или токопроводящего клея. Являясь электродами печатной платы, они обеспечивают электрическую коммутацию однополярных электродов пьезоэлемента и электронного ключа печатной платы. Например, на фиг. 2, электроды-держатели соединяют отрицательный электрод пьезоэлемента с отрицательным электродом электронного ключа печатной платы.
Для электрической изоляции и защиты соединений электродов-держателей с электродом пьезоэлемента и внешней поверхности пьезокерамики от окисления, коррозии, механических повреждений, истираний и агрессивных воздействий потовых выделений из пальцев человека применяют защитное покрытие. В качестве материалов защитного покрытия преимущественно используют пленки из высококачественных полимеров, таких как термопластичные полиуретаны, полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен и др., покрытых с одной стороны клеем для сцепления с пьезоэлементом и имеющих с другой стороны олеофобный слой.
Работа пьезомодуля происходит следующим образом. При механическом воздействии (нажатии) на защитное покрытие 8 верхней контактной площадки пьезоэлемента 1 происходит деформация пьезокерамики. Элементы 9-12 одновременно с силой прижимаются друг к другу, обеспечивая в режиме генерации управляющего напряжения надежное электрическое соединение компонентов пьезомодуля и малое переходное сопротивление контактов. Положительный электрод 10 пьезоэлемента 1 выступает над поверхностью керамики и поэтому при соприкосновении легко входит в соединение с положительной контактной площадкой 12, расположенной на поверхности печатной платы 2.
При деформации пьезоэлемента 1 между его положительным 10 и отрицательным 9 электродами возникает разность потенциалов. Она передается через электроды-держатели 11 на отрицательную контактную площадку печатной платы 2 и через проводящий металлический слой 10 на положительную 12 контактную площадку печатной платы 2, открывая электронный ключ печатной платы и коммутируя через выводы печатной платы (на фиг. 2 не показаны) внешнюю электронную схему. Между электродами пьезоэлемента всегда имеется зазор 13, что полностью исключает случайное замыкание контактов пьезоэлемента и электронного ключа. После прекращения нажатия на верх пьезомодуля пьезоэлемент 1 принимает прежнюю форму, разность потенциалов исчезает и электронный ключ запирается.
В конструкции пьезомодуля применяют цельнометаллические соединения, обладающие высокими механическими и электротехническими характеристиками: высокой прочностью в сочетании с гибкостью и упругостью, стойкостью к различным воздействиям, а также малыми переходными сопротивлениями. Указанные преимущества таких соединений обусловливают более высокие показатели надежности пьезомодуля (ресурс, долговечность, время наработки на отказ), а также повышенную помехоустойчивость к радиоэлектронным шумам и помехам.
Предлагаемая конструкция пьезомодуля является более технологичной за счет исключения стадии нанесения и отверждения разных по составу клеев, а также исключения корпуса как наиболее дорогостоящего элемента конструкции. Это позволяет значительно упростить сборку и монтаж, снизить массогабаритные характеристики пьезомодуля, уменьшить материалоемкость и издержки производства. В итоге резко уменьшается себестоимость пьезомодуля, улучшаются условия труда, создаются предпосылки для удешевления и массового производства интегрированных пьезокерамических изделий (клавиатур, панелей и др.) с высокой плотностью расположения модулей.