Электромеханический преобразователь и способ его изготовления

1. Электромеханический преобразователь, включающий по крайней мере два слоя пьезокерамического материала, разделенных между собой металлической прокладкой и заключенных между двумя металлическими деталями, соединенных в пакет болтом, отличающийся тем, что, с целью повышения качества преобразователя, слои пьезокерамического материала соединены с металлической прокладкой и металлическими деталями слоями припоя олово кадмий свинец, при этом одна из металлических деталей преобразователя выполнена заодно с болтом, а размеры элементов и напряжения сжатия пьезокерамики находятся между собой в следующем соотношении:

где [ _к] напряжение сжатия пьезокерамики, кг/см²;
l длина, равная суммарной толщине пьезокерамических деталей, металлической прокладки и припоя, см;
a_d коэффициент термического расширения болта (КТР), 1/град;
l_к толщина пьезокерамики, см;
a_к КТР пьезокерамики, 1/град;
l_m толщина прокладки, см;
_m КТР прокладки, 1/град;
l_п суммарная толщина припоя, см;
_п КТР припоя, 1/град;
S сечение болта, см²;
S_к площадь пьезокерамики, см²;
E модуль Юнга материала болта, кг/см²;
DT разность между температурой кристаллизации припоя и комнатной температурой.
2. Способ изготовления электромеханического преобразователя, заключающийся в совмещении слоев пьезокерамического материала и разделительных металлических прокладок, заключенных между двумя металлическими деталями, с последующим соединением этих элементов с помощью болта, отличающийся тем, что, с целью повышения качества преобразователя, на сопрягаемые поверхности металлических деталей предварительно наносят гальванический сплав олово - свинец, содержащий 40% Pb по массе, толщиной 5 7 мкм, на пьезокерамику наносят двустороннее покрытие олово кадмий, содержащее 40% Cd по массе, толщиной 5 7 мкм, проводят механическое соединение элементов конструкции предварительно разогретым до 160 180^oС болтом, после чего осуществляют контактно-реактивную пайку при 150 160^oС.

Изобретение относится к пьезотехнике и может быть использовано в технологии изготовления элеткромеханических преобразователей, в частности при изготовлении пьезодвигателей.
Известен элеткроакустический композитный преобразователь с фиксирующим соединением. Преобразователь содержит две металлические детали с одним слоем пьезоэлектрического материала, расположенного между металлическими деталями. Одна металлическая деталь имеет выступ, входящий в другую металлическую деталь. Данный преобразователь изготавливают следующим образом. Пьезоэлектрический материал располагают на одной из металлических деталей, фиксацию конструкции осуществляют другой деталью, которая соединяется с первой при помощи клея или другого связующего материала. Начальные механические напряжения создаются путем подвода к пьезокерамике дополнительного электрического напряжения (смещения), что заметно усложняет конструкцию блока питания преобразователя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электромеханический преобразователь, содержащий металлическую пластину (для излучения звуковой энергии), которая механически и электрически соединена с преобразователем в виде пакета перемещающихся слоев из аналогичным образом устроенной пластины и пьезоэлектрического материала. Два крайних (конечных) и центральный слои представляют собой металлические пластины, которые соединены с пьезоэлектрическим материалом электропроводным соединительным слоем.
Данный преобразователь изготавливают следующим образом.
Металлические детали и пьезоэлектрический материал собирают в пакет с помощью электропроводного соединительного слоя. Фиксация конструкции осуществляется с помощью болта, при этом начальные напряжения сжатия в пьезоэлектрическом материале, определяющие эксплуатационные характеристики преобразователя, соответствуют моменту закручивания болта. Трудности, связанные с контролем момента закручивания, вызывает неопределенность в механических напряжениях пьезоэлектрического материала и, следовательно, в эксплуатационных характеристиках преобразователя.
Целью изобретения яляется повышение качества преобразователя.
Для этого в электромеханическом преобразователе, включающем, по крайней мере, два слоя пьезокерамического материала, разделенных между собой металлической прокладкой и заключенных между двумя металлическими деталями, соединенных в пакет болтом, слои пьезоэлектрического материала соединены с металлической прокладкой и металлическими деталями слоями припоя олово-кадмий-свинец, при этом одна из металлических деталей преобразователя выполнена заодно с болтом, а размеры элементов и напряжения сжатия пьезокерамики находятся между собой в следующем соотношении

где [ _к]- напряжения сжатия пьезокерамики, кГ/см²;
l длина, равная суммарной толщине пьезокерамических деталей, металлической прокладки и припоя, см;
a_d коэффициент термического расширения болта (КТР), 1/град;
l_k- толщина пьезокерамики, см;
a_к КТР пьезокерамики, 1/град;
l_m толщина прокладки, см;
_m- КТР прокладки, 1/град;
l_m суммарная толщина припоя, см;
_n-КТР припоя, к/град;
S сечение болта, см²;
S_k-площадь пьезокерамики, см²;
E модуль Юнга материала болта, кГ/см²;
DT разность между температурой кристаллизации припоя (Т_k) и комнатной температурой.
Поставленная цель достигается также тем, что в способе изготовления электромеханического преобразователя, заключающемся в совмещении слоев пьезокерамического материала и разделительных металлических прокладок, заключенных между двумя металлическими деталями, с последующим соединением этих элементов с помощью болта, на сопрягаемые поверхности металлических деталей предварительно наносят гальванический сплав олово-свинец, содержащий 40% pb по весу, толщиной 5-7 мкм, на пьезокерамику наносят двухстороннее покрытие олово-кадмий, содержащее 40% Cd по весу, толщиной 5-7 мкм, проводят механическое соединение элементов конструкции предварительно разогретым до температуры 160-180^oC болтом, после чего осуществляют контактно-реактивную пайку при температуре 150-160^oC.
На чертеже представленаконструкция электромеханического преобразователя. Он состоит из волновода-конструктора 1 с гальваническим покрытием 2 олово-свинец толщиной 5-7 мкм, болта-фиксатора 3 с длиной свободной части l с гальваническим покрытием 2 олово-свинец толщиной 5-7 мкм, двух слоев пьезокерамики 4 толщиной l_k с гальваническим покрытием 5 олово-кадмий толщиной 5-7 мкм, металлической прокладки 6 толщиной l_m, разделяющей слои пьезокерамики, с гальваническим покрытием 2 олово-свинец толщиной 5-7 мкм.
Использование гальванических сплавов олово-свинец и олово-кадмий на сопрягаемых деталях позволяет осуществить сборку электромеханического преобразователя методом контактно-реактивной пайки, в результате которой происходит их надежное электрическое и механическое соединение с минимальными по толщине паянными швами.
Выбор толщины сопрягаемых гальванических покрытий в 5-7 мкм определяется двумя факторами; с одной стороны, добротность преобразователя увеличивается при уменьшении толщины паяных швов, с другой стороны, исходя из прочности паяного шва, толщины сопрягаемых покрытий должны обеспечить компенсацию непараллельности сопрягаемых поверхностей, беспористость покрытий и оптимальное соотношение между толщинами интерметаллида и припоя в паяном шве.
Фиксация конструкции предварительно разогретым болтом (Т 160-180^oC) позволяет создать предварительные напряжения сжатия конструкции, обеспечивающие надежное сопряжение гальванических покрытий при проведении пайки.
После фиксации вся конструкция нагревается до 150-160^oC, при этом в результате взаимодействия слоев олово-свинец и олово-кадмий между деталями образуются слои жидкого припоя олово-свинец-кадмий. Образование прослоек жидкости приводит к релаксации предварительных напряжений сжатия. При охлаждении конструкции, начиная с температуры кристаллизации припоя олово-свинец-кадмий 145^oC, до комнатной в силу различия коэффициентов термического расширения (КТР) элементов преобразователя в системе возникает сжимающая сила. Эта сила определяет напряжения сжатия пьезокерамики, которые с учетом толщины паяных швов( приблизительно 40 мкм) и длины свободной части болта (приблизительно 1 см) связаны с размерами элементов конструкции преобразователя следующим соотношением

Пример. Металлические детали преобразователя изготавливали из титана ( = (6 9 10^-61/град, E(1 4) 10^-6 кГ/см²). Толщина пьезокерамики (1 слой) 0,35 см (a= 6 10^-6 1/град. Площадь пьезокерамики 1 1 см². Суммарная толщина паяных швов (1_n= 28 10^-6 1/град)составляла 0,004 см. Сечение болта S = 0,237 см². Требуемые напряжения сжатия пьезокерамики, определяющие добротность преобразователя, должны составлять 100 кГ/см² (известно из практики). На основании исходных из практики).
На основании исходных данных по уравнению (1) рассчитывают толщину металлической прокладки 1_m=0,04 cm и изготовляют детали преобразователя.
На металлические детали конструкции из борфтористоводородного электролита наносят гальваническое покрытие олово-свинец (40 мас. Pb) толщиной 7 мкм. На пьезокерамику из сернокислого электролитап наносят гальваническое покрытие олово-кадмий (40 мас. Cd) толщиной 7 мкм.
Совмещение деталей конструкции осуществляют с помощью оснастки, фиксацию проводят разогретым в термошкафу до 180^oC болтом, после чего помещают конструкцию в глицериновую ванну (Т=160^oC) и осуществляют контактно-реактивную пайку. Охлаждение проводят на воздухе.
При испытании преобразователя, который использовали в качестве пьезоэлект ропривода пьезодвигателя получены следующие результаты: на частоте 38 кГц получено вращение пассивного ротора (n=1800 об/мин), расстройка частоты в 1,5% приводит в реверсу. Мощность, развиваемая преобразователем N приблизительно 3,1 Вт, а его добротность по сравнению с преобразователем, изготовленным по способу-прототипа (механическая фиксация конструкции с помощью болта) увеличивается на 15-20%
Заданные напряжения сжатия пьезокерамики, определяющие эксплуатационные характеристики преобразователя, в предлагаемом способе определяются размерами элементов конструкции и возникают "автоматически" в процессе охлаждения после пайки, что является существенным при серийном производстве.
Изобретение относится к пьезокерамике, а именно к электромеханическим преобразователям, и может быть использовано при изготовлении пьезодвигателей. Цель - повышение добротности преобразователя за счет создания заданных начальных напряжений сжатия пьезокерамики при надежном электрическом контакте между слоями, что обеспечиваются технологией изготовления преобразователя. Способ заключается в нанесении на металлические детали конструкции гальванического сплава Sn-Pb толщиной 5-7 мкм, гальваническом нанесении сплава Sn=Cd толщиной 5-7 мкм на пьезокерамику, фиксации конструкции разогретым болтом-фиксатором (T-180^o С )последующей контактно-реактивной пайкой (Т-160^oC). При этом элементы конструкции преобра зователя и требуемые напряжения сжатия пьезокерамики [ _к] находятся между собой в соотношении , где l - длина свободной части болта, см; a_d-КТР болта, 1_k - толщина пьезокерамики, см, a_к-КТР пьезокерамики; S - сечение болта, см²; S_k - площадь пьезокерамики, см²; E -модуль Юнга материала болта, кГ/см²; DT - величина разности температуры кристаллизации припоя и температуры при нормальных условиях (125^oC); [ _к] - требуемые напряжения сжатия пьезокерамики, кГ/см². 1 ил.