电荷输出元件及环形剪切式压电加速度传感器的制作方法

本发明涉及压电加速度传感器技术领域，特别是涉及一种电荷输出元件及环形剪切式压电加速度传感器。

背景技术：

压电加速度传感器又称压电加速度计，也属于惯性式传感器。压电加速度传感器的原理是利用压电元件的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

压电加速度传感器的结构形式主要有中央安装压缩式、倒装中心配合压缩式以及环形剪切式，环形剪切式压电加速度传感器结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，应用较为广泛。

现有技术中的环形剪切式压电加速度传感器是利用压电元件剪切变形产生电信号与加速度值成正比。环形剪切式压电加速度传感器主要由电荷输出元件及电路板组成，电荷输出元件包括底座、压电元件及质量块。环形剪切式压电加速度传感器在使用时，电荷输出元件内需要装入连接件，连接件的装入会使底座产生应变并对压电元件传递应力，导致环形剪切式压电加速度传感器在使用时，频率响应及横向灵敏度不稳定，影响检测结果。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种电荷输出元件及环形剪切式压电加速度传感器，能够避免连接件对压电元件的影响，保证环形剪切式压电加速传感器的频率响应及横向灵敏度的稳定性，进而保证检测结果的准确性。

本发明实施例一方面提出了一种电荷输出元件，包括底座，包括支撑部件及设置在所述支撑部件上的连接部件，连接部件上设置有安装孔；支架，套设在连接部件上且与连接部件之间留有间隙设置，支架与支撑部件连接；压电元件，套接在支架上；质量块，套接在压电元件上且在支撑部件上方悬空设置。

根据本发明实施例的一个方面，支架为环绕连接部件设置的环形结构件，包括相对的内环面及外环面，内环面与连接部件之间留有间隙设置，压电元件套接在支架的外环面上。

根据本发明实施例的一个方面，支架的外环面沿其周向设置有支撑凸缘，支撑凸缘所在高度高于支撑部件所在高度，压电元件抵靠在支撑凸缘上。

根据本发明实施例的一个方面，支撑部件和支架的其中一者设置有定位槽，支撑部件和支架的其中另一者设置有定位块，定位块与定位槽在支架连接到支撑部件时彼此配合，以使支架与连接部件同轴。

根据本发明实施例的一个方面，连接部件具有柱状结构，安装孔沿着连接部件的轴线方向设置且贯通连接部件，支撑部件为围绕连接部件设置的盘类结构且位于连接部件的一端。

根据本发明实施例的一个方面，压电元件为由压电陶瓷或石英晶体构成的环形结构体，包括相对的内环面及外环面，压电元件的内环面及外环面上镀有导电层，质量块套接在压电元件的外环面上。

本发明实施例另一方面提出了一种环形剪切式压电加速度传感器，包括：上述电荷输出元件；电路板，电路板与压电元件及质量块按预定距离设置，压电元件与电路板电连接。

根据本发明实施例的另一个方面，环形剪切式压电加速度传感器还包括壳体，壳体环绕电荷输出元件设置，壳体上和/或连接部件上设置有隔板，电路板环绕连接部件设置且支撑在隔板上，电路板为印制电路板或厚膜电路板。

根据本发明实施例的另一个方面，隔板为连续设置在壳体和/或连接部件周向上的环形板，或者，隔板包括两个以上间隔设置在壳体和/或连接部件周向上的弧形板。

根据本发明实施例的另一个方面，环形剪切式压电加速度传感器还包括连接器，连接器设置在壳体上且与电路板电连接。

根据本发明实施例提供的电荷输出元件及环形剪切式压电加速度传感器，其包括底座、支架、压电元件及质量块。使用时，连接件装配在底座的连接部件上的安装孔内，由于压电元件套接在支架上，而支架套设在底座的连接部件上且与连接部件之间留有间隙，因此，即使当连接件装入安装孔内使底座产生应变，也不会将应力传递至压电元件中，能够避免连接件对压电元件的影响，保证环形剪切式压电加速传感器的频率响应及横向灵敏度的稳定性，进而保证检测结果的准确性。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本发明实施例的电荷输出元件的立体结构示意图；

图2是本发明实施例的电荷输出元件的剖面结构示意图；

图3是本发明实施例的底座的结构示意图；

图4是本发明实施例的支架的结构示意图；

图5是本发明实施例的压电元件的结构示意图；

图6是本发明实施例的质量块的结构示意图；

图7是本发明实施例的环形剪切式压电加速度传感器的立体结构示意图；

图8是本发明实施例的环形剪切式压电加速度传感器的剖面结构示意图。

图中：

1-电荷输出元件；

10-底座；11-支撑部件；12-连接部件；13-安装孔；14-定位槽；

20-支架；21-内环面；22-外环面；23-支撑凸缘；24-定位块；

30-压电元件；31-内环面；32-外环面；

40-质量块；41-内环面；42-外环面；

2-电路板；

3-壳体；

4-隔板；

5-连接器；

6-密封盖。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的电荷输出元件的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了更好地理解本发明，下面结合图1至图6根据本发明实施例的电荷输出元件进行详细描述。

如图1-图4所示，本发明实施例提出了一种电荷输出元件1，包括底座10、支架20、压电元件30及质量块40，底座10包括支撑部件11及设置在支撑部件11上的连接部件12，连接部件12上设置有安装孔13，支架20套设在连接部件12上且与连接部件12之间留有间隙设置，支架20与支撑部件11连接，压电元件30套接在支架20上，质量块40套接在压电元件30上且在支撑部件11上方悬空设置。

具体的，如图3所示，本实施例中连接部件12具有柱状结构，安装孔13沿着连接部件12的轴线方向设置且贯通连接部件12，支撑部件11为围绕连接部件12设置的盘类结构且位于连接部件12的一端，即安装孔13同时也贯通支撑部件11。

如图2、图4所示，支架20为环绕连接部件12设置的环形结构件，由钛合金材质制成，包括相对的内环面21及外环面22，本实施例中，支架20为环绕连接部件12连续设置的环形结构件，内环面21即为环形结构件的内壁面，外环面22即为环形结构件的外壁面，内环面21的横截面形状与连接部件12的外壁面的横截面形状均为圆形，内环面21的横截面直径大于连接部件12的外壁面的横截面直径，以使支架20套设在连接部件12上时，支架20的内环面21与连接部件12的外壁面之间留有间隙。

如图2、图5所示，压电元件30为环形结构体且由压电陶瓷构成，包括相对的内环面31及外环面32，压电元件30的内环面31及外环面32上镀有导电层，导电层为金或者其他能够起到导电作用的材料均可，压电元件30的内环面31套接在支架20的外环面22上。

如图2、图6所示，质量块40为环形结构体且采用钨合金材质制成，包括相对的内环面41及外环面42，质量块40的内环面41套接在压电元件30的外环面32上。

所说的套接为一个部件套设在另一个部件上且与另一个部件连接，即本实施例中，压电元件30套设在支架20上且与支架20连接，质量块40套设在压电元件30上且与压电元件30连接。为了保证电荷输出元件1结构的刚性及稳定性，本实施例中，压电元件30通过粘胶与支架20粘接固定，质量块40通过粘胶与压电元件30粘接固定。为了便于对压电元件30的定位及粘接，在支架20的外环面22沿其周向设置有支撑凸缘23，支撑凸缘23所在高度高于支撑部件11所在高度，压电元件30抵靠在支撑凸缘23上。

由此，本发明实施例提供的电荷输出元件1在使用时，将连接件装配在连接部件12上的安装孔13内，由于压电元件30套接在支架20上，而支架20套设在连接部件12上且与连接部件12之间留有间隙，即使当连接件装入安装孔13内使底座10产生应变，也不会将应力传递至压电元件30中，能够避免连接件对压电元件30的影响，保证环形剪切式压电加速传感器的频率响应及横向灵敏度的稳定性，进而保证检测结果的准确性。

可以理解的是，支架20并不限于为环绕连接部件12连续设置的环形结构件，在一些可选的实施例中，支架20还可以为由两个以上环绕连接部件12间断设置的弧形单体结构围成的环形结构件，此时，支架20的内环面21即为两个以上弧形单体的内壁面共同围成，支架20的外环面22即为两个以上弧形单体的外壁面共同围成，支架20采用上述结构，也能够保证电荷输出元件1的使用要求；同时，压电元件30并不限于由压电陶瓷制成，在一些可选的实施例中，还可以采用单晶，如石英晶体制成。

作为一种可选的实施方式，如图2-图4所示，在支撑部件11上设置有定位槽14，定位槽14为环绕连接部件12外壁面设置的环形凹槽，在支架20上设置有定位块24，定位块24位于支架20靠近支撑部件11的一端，定位块24为围绕支架20设置的盘类结构，定位块24与定位槽14的形状相匹配，当支架20套设在连接部件12上并与支撑部件11相连接时，定位块24插接进入定位槽14内与定位槽14彼此配合，此时，定位块24的侧壁面紧贴定位槽14的侧壁面，两者固定连接，以将支架20定位，使其与连接部件12同轴，保证支架20套设在连接部件12上时，支架20的内环面21不与连接部件12的外壁面接触，进一步保证在安装孔13内装连接件时，如装螺栓时，不会对压电元件30产生影响。为了便于加工，支架20、支撑凸缘23及定位块24为一体式结构。

可以理解的是，对于支架20的定位并不限于上述形式，在一些可选的实施例中，还可以在支撑部件11上设置定位块，在支架20上设置有定位槽，当支架20套设在连接部件12上并与支撑部件11相连接时，支架20上的定位槽及支撑部件11上的定位块的形状相匹配并固定连接，也能够满足对支架20的定位要求，使支架20与连接部件12同轴，保证支架20的内环面21不与连接部件12的外壁面接触。

本发明实施例提供的电荷输出元件1，在使用时，将连接件装配在连接部件12上的安装孔13内，由于压电元件30套接在支架20上，而支架20套设在底座10的连接部件12上且与连接部件12之间留有间隙，即使当连接件装入安装孔13内使底座10产生应变，由于支架20与连接部件12之间的间隙的存在，不会将应力传递至压电元件30中，能够避免连接件对压电元件30的影响；在支架20上相应设置的支撑凸缘23，便于对压电元件30的定位及粘接，且能够使得质量块40在支撑部件11上方处于悬空状态；同时，在支架20及支撑部件11上对应设置的能够相互匹配的定位块24及定位槽14，能够保证支架20与连接部件12同轴设置，进一步保证支架20与连接部件12间需要留有间隙的要求。

如图7、图8所示，本发明实施例还提供了一种环形剪切式压电加速度传感器，包括上述任一实施例的电荷输出元件1及电路板2，在电荷输出元件1的外周环绕电荷输出元件1还设置有壳体3，在壳体3的内壁的下方沿着其周向上设置有缺口，缺口与底座10的支撑部件11卡接配合，在壳体3的顶部卡接设置有密封盖6，密封盖6的中部设置有供连接部件12穿过的通孔，连接部件12的顶面与密封盖6的顶面平齐。电荷输出元件1及电路板2均位于壳体3内，在壳体3上还设置有连接器5，压电元件30及连接器5均与电路板2电连接。在压电元件30及质量块40的上方预定距离设置有隔板4，隔板4为连续设置在壳体3周向上的环形板，隔板4水平布置且固定在壳体3的内壁面上，电路板2采用印制电路板，电路板2环绕连接部件12设置且支撑在隔板4上，以使电路板2与压电元件30及质量块40按预定距离设置，与压电元件30及质量块40均不接触，避免因电路板2的重量不均匀对质量块40、压电元件30造成影响，进而保证环形剪切式压电加速度传感器的频率响应及横向灵敏度的稳定性。

可以理解的是，隔板4并不限于为连续设置在壳体3周向上的环形板，并水平布置且固定在壳体3的内壁面上。在一些可选的实施例中，隔板4还可以为连续设置在连接部件12周向上的环形板，隔板4水平布置且固定在连接部件12的外壁面上。

同时，并不限于只在壳体3的内壁面上或者只在连接部件12的外壁面设置隔板4，有一些实施例中，可以同时在壳体3的内壁面及连接部件12的外壁面设置隔板4，位于壳体3内壁面上的隔板4与位于连接部件12的外壁面上的隔板4位于同一平面上，以更好的完成对电路板2的支撑。

并且，隔板4的结构并不只限为连续设置在壳体3和/或连接部件12周向上的环形板，在一些可选的实施例中，隔板4还可以为两个以上间隔设在壳体3周向上的弧形板，优选两个以上弧形板在壳体3的内壁面上均匀分布，以起到对电路板2的支撑作用；或者，隔板4为两个以上间隔设在连接部件12周向上的弧形板，优选两个以上弧形板在连接部件12的外壁上均匀分布；或者，还可以在壳体3的内壁面上及连接部件12的外壁面上均设置有两个以上间隔布置的弧形板，位于壳体3的内壁面上的弧形板与位于连接部件12的外壁面上的弧形板在同一平面上。隔板4采用上述各实施例的结构及安装形式均能够满足对电路板2的支撑作用，使其与压电元件30及质量块40均不接触，避免因电路板2的重量不均匀对压电元件30、质量块40造成影响。

可以理解的是，电路板2并不限于采用印制电路板，在一些可选的实施例中，电路板2还可以采用厚膜电路板，体积小且质量轻便。同时，电路板2并不限于环绕连接部件12设置且支撑在隔板4上。有一些实施例中，当空间足够大时，电路板2可以设置在任意位置，只要保证其与质量块40及压电元件30按预定距离设置，不与质量块40及压电元件30接触即可。

本发明实施例提供的一种环形剪切式压电加速度传感器，包括上述任一实施例的电荷输出元件1，具有电荷输出元件1相同的优点，故相同的部分不在加以赘述；同时，环形剪切式压电加速度传感器还包括电路板2，压电元件30与电路板2电连接，电路板2能够将压电元件30受力后产生的极其微弱的电荷(或电压)进行放大，以满足使用要求。同时电路板2与质量块40、压电元件30按照预定距离设置，使其与压电元件30及质量块40均不接触，避免因电路板2的重量不均匀对质量块40、压电元件30造成影响，进而保证环形剪切式压电加速度传感器的频率响应及横向灵敏度的稳定性。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。