ПЬЕЗОМОДУЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники и предназначена для применения в системах управления общепромышленного и специального назначения, транспорта, энергетики, сельского хозяйства и др.
Широкое применение пьезокерамических элементов для коммутации электрических сигналов с начала 90-ых годов 20-го века привело к качественно новому уровню производства кнопок, клавиатур, выключателей и интегрированных устройств на их основе. Это обусловлено такими достоинствами пьезокерамических элементов, как надежность и простота коммутации, большой ресурс и долговечность, приемлемые массогабаритные характеристики, сравнительно низкая стоимость, устойчивая работы в широком диапазоне температур в различных средах, вандалоустойчивость. Крупнейшими производителями мирового рынка пьезокоммутационных изделий, являются компании Baran Advanced Technologies, Израиль, ALGRA, Швеция, SHURTER, Швейцария, а также ряд американских, японских и китайских компаний.
Базовым узлом 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, в качестве которого наиболее часто применяют анизотропную токопроводящую резину «зебра», это напряжение подают на печатную плату - электронный ключ, который коммутирует внешнюю электронную схему. Вся конструкция пьезомодуля выполнена в едином корпусе и залита герметиком.
Известны многочисленные патенты РФ на полезные модели, в которых предлагаются технические решения, направленные на повышение 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.
Известно техническое решение по патенту РФ на полезную модель №109585. Конструкция пьезомодуля изображена на фиг. 1 и содержит изготовленный из полимерного материала цилиндрический корпус 1 с крышкой 6. В корпусе располагаются пьезоэлемент 7, печатная плата (электронный ключ) 8, токосъемник «зебра» 9 с проводящим 10 и диэлектрическими 11 слоями. В корпусе 1 имеются два противолежащих вертикальных выступа 4, расположенные на нижней стороне крышки. Каждый из выступов содержит два боковых ограничителя 5, ограничивающих пространство для размещения токосъемника. Корпус также содержит два фиксатора 2, отходящих от нижней стороны крышки и выполненных в виде упругих лапок. На концах фиксаторов предусмотрены защелки 3, выполненные в виде элементов со скошенной поверхностью, направленной внутрь корпуса. Между фиксаторами и выступами имеются проемы.
Пьезоэлемент 7 прикреплен к внутренней стороне крышки корпуса и представляет собой пьезокерамическую пластину, обычно в форме диска, с нанесенными на нее положительным (+) и отрицательным (-) электродами. Один электрод выводят на контактную поверхность пьезоэлемента и располагают по его внешнему диаметру, второй электрод располагают в центре пьезодиска. Между электродами имеется радиальный зазор. Токосъемник «зебра» 9 размещают под контактной поверхностью пьезоэлемента и вставляют в пространство между боковыми ограничителями 5 выступов 4.
Печатная плата 8 расположена снизу токосъемника и содержит контактные площадки (электроды), которые через токосъемник контактируют с положительным и отрицательным электродами пьезоэлемента 7. Направленные внутрь корпуса 1 защелки 3 фиксаторов 2 прочно удерживают печатную плату 8 в корпусе 1, обеспечивая постоянное усилие прижатия токосъемника 9 к пьезоэлементу 7 и печатной плате 8.
Срабатывание пьезомодуля зависит от следующих факторов. Во-первых, от степени деформации пьезокерамики для генерации достаточной разности потенциалов на электродах пьезоэлемента. Во-вторых, от надежного соединения контактов пьезоэлемента и электронного ключа.
Для обеспечения надежности и работоспособности пьезомодуля, повторяемости и воспроизводимости усилия нажатия для срабатывания пьезомодуля в диапазоне 3÷5 Н в известных аналогах, в том числе в патентах РФ на полезную модель №№73120, 109585, корпус жестко фиксирует входящие в состав пьезомодуля элементы относительно друг друга, обеспечивая постоянное усилие прижатия токосъемника, пьзоэлемента и печатной платы.
Недостатками известных технических решений, в том числе по патенту РФ на полезную модель №109585, принятую в качестве прототипа, являются: сложная и дорогостоящая конструкция корпуса пьезомодуля, низкая технологичность и высокая трудоемкость сборки пьезомодуля.
Целью полезной модели является упрощение конструкции корпуса пьезомодуля, улучшение технологичности сборки пьезомодуля, уменьшение себестоимости изготовления пьезомодуля.
Заявляемые результаты достигают за счет следующих технических решений: исключения из конструкции корпуса пьезомодуля выступов и ограничителей, применения кольцевого электрода на печатной плате.
Сущность предлагаемых технических решений поясняет фиг. 2, на которой изображен вид сверху расположения токосъемника на печатной плате. На фиг. 2 обозначены: 12 -традиционный электрод, расположенный в центре печатной платы, 13 - кольцевой электрод печатной платы. Применение электрода 13 в форме кольца обеспечивает контакт между электродами пьезоэлемента и печатной платы при любом варианте взаимного расположения пьезоэлемента, токосъемника и печатной платы. Внутренний диаметр кольцевого электрода печатной платы должен быть равен или больше внутреннего диаметра кольцевого электрода пьезоэлемента. Для упрощения разводки печатной платы расположение электрода 13 можно ограничить сектором, в этом случае при сборке пьезомодуля токосъемник располагают над этим сектором печатной платы.
Благодаря кольцевому электроду 13 из конструкции корпуса 1 можно исключить выступы 4 и ограничители 5, обеспечивающие фиксацию положения токосъемника 9. Это значительно упрощает конструкцию и удешевляет изготовление корпуса, являющегося наиболее дорогостоящей деталью пьезомодуля. Кроме того, отсутствие технологической операции по точному позиционированию токосъемника 9 во время сборки пьезомодуля для совмещения проводящего слоя 10 токосъемника с контактными площадками (электродами) печатной платы 8 значительно уменьшает трудоемкость сборки и себестоимость пьезомодуля.
Токосъемник типа «зебра» представляет собой соединитель с чередующимися проводящими и изолирующими слоями, который одной своей поверхностью соприкасается с положительными и отрицательными электродами пьезоэлемента, а противоположной поверхностью соприкасается с контактными площадками (электродами) печатной платы. Токосъемник «зебра» обладает анизотропной проводимостью и обеспечивает передачу электрического сигнала только в токопроводящем слое от электродов пьезоэлемента к электродам печатной платы.
Поперечное сечение пьезомодуля в собранном состоянии изображено на фиг. 3, где обозначены: 14 - отрицательный кольцевой электрод пьезоэлемента, 15 - положительный центральный электрод пьезоэлемента, 16 - колпачок с фиксаторами и защелками (модифицированный корпус), 17 - выводы печатной платы. Между электродами 14 и 15 имеется кольцевой зазор. Возможна иная полярность электродов, важно обеспечить коммутацию одноименных электродов пьезоэлемента и печатной платы. Для предотвращения короткого замыкания электродов пьезоэлемента через кольцевой электрод печатной платы 13 его внутренний диаметр должен быть равен, как показано на фиг. 3, или больше внутреннего диаметра кольцевого электрода пьезоэлемента 14.
Пьезомодуль работает следующим образом. При нажатии на верхнюю сторону корпуса 16 усилие нажатия передается на пьезоэлемент 7, что приводит к его деформации и генерации электрического напряжения между его положительным 15 и отрицательным 14 электродами. Элементы конструкции 9, 12-16 с силой прижимаются друг к другу, обеспечивая в режиме генерации сигнала надежное электрическое соединение элементов пьезомодуля. Генерируемое напряжение через токосъемник «зебра» 9 передается на отрицательный кольцевой электрод 13 и на положительный центральный электрод 12 печатной платы 8, открывая электронный ключ и коммутируя через выводы 17 внешнюю электрическую схему. После прекращения усилия нажатия на корпус пьезоэлемент возвращается в исходное недеформированное состояние и электронный ключ запирается.