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Piezoelektrischer Druckgeber und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Druckgeber mit einem innerhalb des Gebergehäuses von einer Vorspannhülse eingeschlossenen Piezoelement und einer dem Messdruck ausgesetzten Membrane, die an der Vorspannhülse anliegt und das Innere des Gebergehäuses gegen die Druckmessstelle hin abdichtet.
Bei einer bekannten Ausführung eines solchen Druckgebers bildet eine scheibenförmige Membrane die der Messstelle zugewendete abschliessende Stirnfläche des Druckgebers. Die Membrane ist sowohl am stirnseitigen Ringrand des Gebergehäuses als auch an dem als Druckstempel dienenden Boden der Vorspannhülse durch Schweissung befestigt. Im Bereich des Ringspaltes zwischen Gebergehäuse und Vorspannhülse ist die Membrane mit einer einspringenden ringförmigen Sicke versehen. Diese Ausführung weist jedoch sowohl fertigungstechnische als auch funktionelle Nachteile auf. So ist es insbesondere bei Druckgebern mit Wasserkühlung kleiner und kleinster Abmessungen, wie sie z. B. bei der Druckmessung in den Zylindern einer Brennkraftmaschine verwendet werden, ausserordentlich schwierig, einwandfreie, dichte Schweissnähte an der Membrane zu erzielen.
Die Membrane muss auch mit einer grösseren Wandstärke ausgeführt werden, als dies ihrem Zweck als abdichtendes und druckübertragendes Element entspricht. Die dadurch verminderte Elastizität der Membrane wirkt sich jedoch ungünstig auf die Charakteristik des Druckgebers aus. Im allgemeinen besteht nämlich das Bestreben, einen möglichst linearen Verlauf der Charakteristik des Druckgebers zu erhalten. Diese Linearität der Gebercharakteristik geht jedoch durch den Einfluss einer wenig flexiblen Membrane verloren. Nachteilig wirken sich auch durch den Schweissvorgang verursachte innere Spannungen der Membrane auf das Messergebnis aus. Die bekannte Ausführung ist daher für eine wirtschaftliche Serienerzeugung, die gleichbleibende Eigenschaften und Kennwerte des Produktes voraussetzt, kaum geeignet.
Ein weiterer Nachteil des bekannten Druckgebers besteht in der exponierten Anordnung der Membrane, die somit unmittelbar der Gefahr von Beschädigungen ausgesetzt ist.
Bekannt sind ferner Ausführungen, bei denen eine ringförmige Membrane den Ringspalt zwischen Gebergehäuse und Stempel überbrückt. Hiebei bereitet die Abdichtung des Gehäuseinneren gegenüber der Messstelle häufig erhebliche Schwierigkeiten. Eine einwandfreie Abdichtung ist aber unbedingt anzustreben, um das Piezoelement vor dem Eindringen von Feuchtigkeit, Verbrennungsgasen u. dgl. wirksam zu schützen. Bei Druckgebern mit Ringmembrane ist überdies die Gefahr eines unbeabsichtigten Verspannens und einer dadurch bedingten Deformation der Membrane bei deren Montage besonders gross.
Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der bekannten Ausführungen piezoelektrischer Druckgeber sowohl in funktioneller als auch in fertigungstechnischer Hinsicht. Sie besteht in der Verwendung einer zusätzlichen, vorzugsweise zylindrischen Hülse mit einem dünnwandigen, mit der Hülse aus einem Stück bestehenden Boden, welcher die Membrane bildet und welcher an der unteren Stirnfläche der Vorspannhülse anliegt, wobei vorzugsweise die Innenfläche der Membrane mit einer in die Innenwand der Hülse einspringenden Ausrundung in den Schaft der Hülse übergeht. Durch diese Ausbildung erhält die Membrane eine Randversteifung, welche sie vor Verspannungen und Deformationen bei der Montage schützt.
Der
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Schaft der Hülse, der im Verhältnis zur Membrane eine grosse Wandstärke aufweist, ist ohne weiters in der Lage, die beim Einpressen oder Anschweissen der Hülse auftretenden Montage- oder Schweissspannungen weitgehend aufzunehmen und von der Membrane abzuhalten.
Mittels der Hülse lässt sich aber auch die Gesamtvorspannung des Piezoelementes mit grosser Genauigkeit einstellen. Die Gesamtvorspannung ergibt sich nämlich durch additive Überlagerung der anfänglichen Vorspannung des Piezoelementes durch die Vorspannhülse und des Druckes, den die an der Vorspannhülse federnd anliegende Membrane auf die Vorspannhülse ausübt. Der federnde Andruck der Membrane an der Vorspannhülse ist nötig, um bei der Messung von Unterdrücken ein Abheben der Membrane von der Vorspannhülse und damit eine Verfälschung des Messergebnisses zu vermeiden.
Da sich dieser Anteil an der Gesamtvorspannung des Piezoelementes durch entsprechende Masstoleranzen der Hülse sowie andere nachstehend näher beschriebene Massnahmen verändern bzw. einstellen lässt, ist es ohneweiters möglich, bei der Serienerzeugung von Druckgebern die vorgesehene Gesamtvorspannung einheitlich einzuhalten.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung wird überdies die Montage des Druckgebers bedeutend vereinfacht und die Gefahr einer Beschädigung der Membrane beim Einpressen oder Anschweissen derselben wesentlich verringert. Die Membrane kann überdies in einer geschützten Lage im Inneren des Gebergehäuses angeordnet werden, z. B. bei einer Ausführung, bei der der Schaft der Hülse der Messstelle zugewendet ist.
Besonders hohen Qualitätsansprüchen wird die bevorzugte Ausführung des Druckgebers mit einer Ausrundung an der Übergangsstelle von der Membrane zum Schaft der Hülse gerecht. Ein solcher Druckgeber weist eine besonders hohe Messempfindlichkeit auf, da die für die Druckübertragung von der Messstelle auf das Geberelement verfügbare wirksame Membranfläche durch die Ausrundung bei sonst gleichen Abmessungen wesentlich vergrössert ist. Man erreicht überdies eine höhere Lebensdauer der Membrane, da diese infolge der Ausrundung auch eine grössere Standzeit besitzt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Standzeit der Membrane auch wesentlich dadurch gesteigert werden, dass man die Ausrundung mit hochglanzpolierter Oberfläche ausführt. Man beseitigt dadurch schädliche Kerbwirkungen auch durch kleinste Oberflächenunebenheiten, wie Riefen u. dgl., von der vorangegangenen Bearbeitung im Bereich der Ausrundung. Es hat sich gezeigt, dass eine derart ausgebildete Membrane ein Vielfaches der mit üblichen Membranen bisher erreichbaren Lastwechselanzahlen erträgt.
In Anwendung der Erfindung auf geschweisste Druckgeber wird weiters ein Herstellungsverfahren angegeben, das erfindungsgemäss darin besteht, dass die Hülse mit einem ihre freie ringförmige Stirnfläche begrenzenden Stützflansch, dieser mit einer Ringnut hergestellt und das Gebergehäuse an der der Messstelle zugekehrten ringförmigen Stirnfläche mit einem der Ringnut entsprechenden erhabenen Zentrierrand versehen wird, worauf die Hülse mit der Ringnut auf den Zentrierrand des Gebergehäuses aufgesetzt, mit dem Gebergehäuse zwischen den Elektroden eines Widerstandsschweissgerätes verschweisst wird, wobei die Vorspannung des Piezoelementes gemessen und der Schweissvorgang bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes der Vorspannung beendet wird und anschliessend die Hülse durch Abdrehen des Stützflansches auf Fertigmass bearbeitet wird.
Dieses Verfahren erweist sich für die serienmässige Herstellung von Druckgebern in mehrfacher Hinsicht als vorteilhaft. So erübrigt sich die Anordnung eigener Zentrierelemente, wie Zwischenringe od. dgl. beim Zusammenbau des Druckgebers und der Schweissvorgang wird zugleich erheblich vereinfacht. Da wegen der relativ kleinen Übergangsquerschnitte im Bereich des Zentrierrandes eine hohe Stromdichte an der Schweissstelle erzielbar ist, ergibt sich eine einwandfreie Beschaffenheit der Schweissnaht. Die Membrane selbst erfährt hingegen während des Schweissvorganges nur eine mässige Erwärmung, so dass eine Deformation durch Wärmespannungen weitgehend vermieden ist. Die Elastizität der Membrane wird durch die Schweissung nicht beeinträchtigt, da die Schweissnaht nicht an der Membrane selbst sondern an der Stirnseite der Hülse liegt.
Die ständige Überwachung der Vorspannung des Piezoelementes während des Schweissvorganges, vorzugsweise auf elektronischem Wege durch direkte Ladungsmessung und die selbsttätige Beendigung des Schweissvorganges gewährleisten die Einhaltung der vorgegebenen Sollwerte der Vorspannung sowie annähernd gleicher Charakteristiken bei der serienmässigen Herstellung von Druckgebern.
Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen hervor. Es zeigen : Fig. l eine Ausführungsform des Druckgebers gemäss der Erfindung in geschweisster Bauweise und Fig. 2 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemässen Druckgebers, beide Darstellungen im Axialschnitt. Fig. 3 zeigt ein Detail der Ausführungsform gemäss Fig. l und Fig. 4 ein Detail des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 2, beide in vergrösserter Schnittdarstellung.
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Bei beiden Ausführungen ist das Geberelement 3 zentrisch innerhalb des Gebergehäuses 1 angeordnet, dessen zylindrischer Schaft 2 mit einem Aussengewinde zum Einschrauben des Druckgebers in eine Aufnahmebohrung versehen ist. Das Geberelement 3 enthält innerhalb einer Vorspannhülse 4 das Piezoelement, beispielsweise Schichtquarze, samt den zugehörigen Elektroden. Die z. B. als Rohrfeder ausgebildete Vorspannhülse 4 hat die Aufgabe, in an sich bekannter Weise die auch bei einwandfreiem Schliff der Schichtquarze auftretende Spaltfederung an den Berührungsflächen von Schichtquarz und Elektroden auszuschalten und einen annähernd linearen Verlauf der Charakteristik des Piezoelementes zu gewährleisten. An der der Messstelle abgewendeten Seite des Gehäuses 1 läuft das Geberelement 3 in ein Anschlussstück 6 aus.
Bei der geschweissten Ausführung des Druckgebers gemäss Fig. 1 ist die der Messstelle zugewendete Stirnseite des Gebergehäuses 1 durch eine stumpf angeschweisste im wesentlichen zylindrische Hülse 7 verschlossen, deren dünnwandiger Boden 8 eine an der Stirnfläche der Vorspannhülse 4 federnd anliegende Membrane bildet.
Die hier ebene Innenfläche 9 der Membrane geht mit einer in die Innenwand 10 der Hülse einspringenden Ausrundung 11 in den Schaft der Hülse 7 über. Zur Vermeidung von feinsten Kerben, die eine vorzeitige Zerstörung der Membrane hervorrufen könnten, ist die Oberfläche der Ausrundung 11 hochglanzpoliert ausgeführt. Die Hülse 7 umgibt ein Druckring 14, welcher auf der der Messstelle zugewendeten Seite des Gebergehäuses 1 aufgepresst ist. Der Druckring 14 stützt sich mit seiner Stirnfläche abdichtend in der Aufnahmebohrung der Messstelle ab. Bei ausgebautem Druckgeber schützt er die Membrane vor Beschädigungen.
Der Druckgeber gemäss Fig. 2 und 4, bei dem die zylindrische Hülse mit 7' und die mit dem ersteren Ausführungsbeispiel gleichartigen Teile derselben mit 8'- 11'bezeichnet sind, unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 1 und 3 hauptsächlich durch die Anordnung und Befestigungsweise der Hülse 7'am Gebergehäuse. Das Geberelement 3 befindet sich innerhalb des Gebergehäuses 1 in einem hohlzylindrischen Einsatz 15, dessen eine ringförmige Stirnfläche an der Schulter 5 des Geberelementes 3 anliegt. Die andere der Messstelle zugekehrte ringförmige Stirnfläche des Einsatzes 15 liegt mit der Stirnfläche der Vorspannhülse 4 in einer Ebene.
Die Hülse 7'ist mit ihrer Öffnung der Messstelle zugekehrt in das Gebergehäuse 1 eingesetzt, wobei ihr Boden 8'an der Vorspannhülse 4 und der ringförmigen Stirnfläche des Einsatzes 15 anliegt. In die Öffnung der Hülse 7' ist eine axial durchbohrte pilzförmige Kappe 16 mit ihrem zylindrischen Schaft 17 eingepresst. Die Kappe 16 stützt sich mit ihrem Absatz an der stirnseitigen Ringfläche des Gebergehäuses 1 ab und fixiert damit die Lage der Hülse 7'im Gehäuse l. Die Druckbeaufschlagung der Membrane findet bei dieser Ausführung somit durch die Axialbohrung der Kappe 16 statt.
Bei beiden Ausführungsbeispielen sind im Gebergehäuse 1 um die Vorspannhülse 4 Kühlflüssigkeitsräume 18 ausgespart, die über entsprechende Anschlussbohrungen 19 mit Kühlflüssigkeit versorgt werden.
Für die geschweisste Ausführung des Druckgebers gemäss Fig. 1 und 3 kann vorteilhafter Weise das nachstehend beschriebene Herstellungsverfahren gemäss der Erfindung angewendet werden. Vor dem Zusammenbau weist die Hülse 7 an ihrer freien ringförmigen Stirnfläche eine Ringnut 12 und das Gebergehäuse 1 an der der Messstelle zugekehrten ringförmigen Stirnfläche einen der Ringnut 12 entsprechenden erhabenen Zentrierrand 20 auf (Fig. 3). Die Hülse 7 ist überdies, wie durch strichlierte Linien angedeutet, an ihrem Umfang mit einem Stützflansch 13 versehen. Die Hülse 7 wird nun mit ihrer Ringnut 12 auf den Zentrierrand 20 des Gebergehäuses 1 aufgesetzt.
Diese beiden Teile werden nun zwischen die Elektroden eines Widerstandsschweissgerätes gebracht, wobei sich die Hülse 7 mit ihrem Stützflansch 13 und das Gebergehäuse 1 mit seiner äusseren Stirnfläche je an einer der beiden Elektroden abstützen. Während des nachfolgenden Schweissvorganges üben die Elektroden auf die zu verschweissenden Teile einen axialen Druck aus. Die Hitze konzentriert sich auf den Bereich des Zentrierrandes 20, da dort infolge der Querschnittsverjüngung die höchste Stromdichte vorhanden ist. Im weiteren Verlauf der Schweissung kommt der Boden 8 der Hülse 7 mit der Stirnfläche der Vorspannhülse 4 in Berührung und übt auf diese einen zunehmenden axialen Druck aus. Das in der Vorspannhülse 4 eingeschlossene Piezoelement erhält daher eine zunehmende zusätzliche Vorspannung durch die Membrane.
Die Gesamtvorspannung des Piezoelementes wird hiebei laufend gemessen und der Schweissvorgang in dem Augenblick beendet, in dem der vorgegebene Sollwert der Vorspannung erreicht wird. Dies kann vorzugsweise selbsttätig auf elektronischem Wege geschehen, indem die Ladung des Piezoelementes gemessen und bei Erreichen des der Sollvorspannung entsprechenden Wertes die Stromzufuhr zu den Elektroden des Widerstandsschweissgerätes unterbrochen wird.
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Nach erfolgter Schweissung wird die Hülse 7 durch Abdrehen des Stützflansches 13 auf Fertigmass bearbeitet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Piezoelektrischer Druckgeber mit einem innerhalb des Gebergehäuses von einer Vorspannhülse eingeschlossenen Piezoelement und einer dem Messdruck ausgesetzten Membrane, die an der Vorspannhülse anliegt und das Innere des Gebergehäuses gegen die Druckmessstelle hin abdichtet, gekend- zeichnet durch eine zusätzliche vorzugsweise zylindrische Hülse (7, 7') mit einem dünnwandigen, mit der Hülse aus einem Stück bestehenden Boden (8, 8'), welcher die Membrane bildet und welche an der unteren Stirnfläche der Vorspannhülse (4) anliegt, wobei vorzugsweise die Innenfläche (9, 9') der Membrane mit einer in die Innenwand (10, 10') der Hülse (7, 7') einspringenden Ausrundung (11, 111) in den Schaft der Hülse (7, 7 I) übergeht.