AT403959B - Messanordnung mit einem piezoelektrischen, anisotropen messelement - Google Patents

Description

AT 403 959 B

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung mit einem piezoelektrischen Meßelement, welches zwischen zwei krafteinleitenden Auflagern angeordnet ist und zu diesen in einer normal auf die Richtung der Krafteinleitung stehenden Kontaktebene ein anisotropes Wärmedehnungs- und Querdehnungsverhalten aufweist, wobei die Fixierung des Meßelementes in dieser Ebene durch Reibung an den beiden Auflagern erfolgt.

Piezokristalle haben die Eigenschaft unter Einwirkung von Kräften elektrische Ladungen abzugeben. Dieser Effekt wird benutzt, um damit Kraftmessungen zu realisieren.

Neben vielen ausgezeichneten Eigenschaften fällt aber beim Bau von Kraftmeßelementen aus Piezokri-stallen eine Eigenschaft dieser Materialien negativ auf, nämlich die Anisotropie einiger Stoffwerte, wie Wärmedehnung oder Querdehnung unter mechanischer Spannung. An das eigentliche piezoelektrische Meßelement schließt praktisch immer ein Gehäuse an oder zumindest krafteinleitende Auflager, bei welchen Anisotropien in ähnlicher Größe, wie bei den in Frage kommenden Piezokristallen praktisch nicht zu finden sind. Im Übergangsbereich vom anisotropen Kristall zum isotropen Auflager treten daher immer Zustände auf, wie sie weiter unten anhand der Fig. 1A bis 2C gezeigt werden. Unter Druckbelastung oder bei Erwärmung dehnen sich an den Kontaktflächen das Meßelement und das Auflager zumindest in eine Richtung unterschiedlich aus und es kommt zum reibungsbehafteten Gleiten der Teile aufeinander oder zu starken Verspannungen sowohl des Auflagers als auch des Meßelementes, weil isotropes und anisotropes Material bestenfalls in einer Richtung dehnungsangepaßt sein können. Meist wird das Material des Druckstückes oder Auflagers so gewählt, daß sein Wärmedehnungskoeffizient ebenso wie sein Querdehnungskoeffizient zwischen den jeweiligen Extremwerten des Kristalls gemessen in der Ebene der Berührungsfläche liegt, sodaß auf diese Weise eine Beschränkung der Verspannungen bzw. der Gleitvorgänge erreicht wird.

Die durch die Anisotropie hervorgerufenen Spannungen können zur Zerstörung des Auflagers oder des Kristalls führen, letzteres vor allem bei dünnen Meßelementen, wie sie bei der Nutzung des sogenannten longitudinalen Piezoeffektes (Ladungsabnahme erfolgt in der Druckfläche) häufig verwendet werden. Die über große Flächen aufintegrierten Reibungskräfte wirken hier auf einen normal zu diesen Kräften verhältnismäßig geringen Querschnitt.

Weiters wird durch Verspannungen des Kristalls auch dessen Ladungsabgabe, d. h. das Meßsignal beeinflußt. Solange diese Verspannungen aufgrund der Meßkraft und proportional dazu durch Querdehnung entstehen und proportional zu dieser sind, stören sie weiters nicht. Meist aber kommt es in Teilen der Druckfläche zwischen Kristall und Auflager zu reibungsbehaftetem Gleiten und damit zu Hystereseerscheinungen im Meßsignal, die natürlich unerwünscht sind. Sowohl bei den Longitudinalelementen als auch bei den Transversalelementen (Ladungsabgabe erfolgt an einer quer zur Belastung liegenden Fläche des Kristalls) werden große Bereiche des Kristallelements von derartigen Verspannungen am Übergang von isotropen zu anisotropen Material überlagert. Auf gleiche Weise entstehen ebenso unerwünschte temperaturbedingte Verspannungen am Übergang zwischen Kristall und Auflager. Ladungen bzw. Meßsignalanteiie, die von diesen druckunabhängigen Spannungskomponenten stammen verfälschen das Meßergebnis.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs beschriebene Meßanordnung derart zu verbessern, daß druckunabhängige Spannungskomponenten im Bereich zwischen Auflager und piezoelek-trischgem Meßelement weitgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das piezoelektrische Meßelement oder die dem piezoelektrischen Meßelement zugekehrten Endbereiche beider Auflager in mehrere stab-, rollen- oder stegförmige Elemente unterteilt ist bzw. sind, sodaß sich in der Kontaktebene mehrere längliche Kontaktflächen ergeben, sowie daß die beiden Auflager und das piezoelektrische Meßelement in Längsrichtung der länglichen Kontaktflächen der stab-, rollen- oder stegförmigen Elemente im wesentlichen dieselbe Wärmedehnung oder Querdehnung aufweisen. Beseitigt bzw. minimiert werden die genannten Probleme somit durch eine "anisotrope Bauform" des Meßelementes bzw. des Auflagers.

Insbesondere ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Auflager aus isotropem Material bestehen und das piezoelektrische Meßelement in schmale stabförmige Elemente unterteilt ist, deren Wärme- und Querdehnung in Längsrichtung mit jener der isotropen Auflager im wesentlichen übereinstimmt, bzw. daß die dem piezoelektrischen Meßelement zugekehrten Endbereiche beider Auflager aus isotropem Material stegförmige Elemente, Rollen oder Rollensegmente aufweisen, deren Wärme und Querdehnung in Längsrichtung der länglichen Kontaktflächen an jene des piezoelektrischen Meßelementes angepaßt ist.

Erfindungsgemäße Ausführungsvarianten werden anhand der folgenden Beispiele beschrieben: Es zeigen Fig. 1A bis 1C eine herkömmliche Meßanordnung mit Transversalelement, Fig. 2A bis 2C eine herkömmliche Meßanordnung mit Longitudinalelement, jeweils in mehreren schematischen Ansichten sowie die Fig. 3A bis Fig. 9 Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Meßanordnung. 2

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Die Fig. 1A bis 1C zeigen in schematischer Darstellung eine herkömmliche Meßanordnung mit einem piezoelektrischen Meßelement 1 (Transversalelement), welches zwischen zwei krafteinleitenden Auflagern 2 bzw.3 angeordnet und mit einer Kraft F beaufschlagt ist. Die Ladungsabgabeflächen stehen beim Transversalelement auf die beiden Druckflächen 4, 5 normal und weisen Elektroden 6 bzw. 7 zur Ladungsabfuhr auf.

Bei der Erwärmung des anisotropen Meßelementes 1 zwischen den isotropen Druckstücken bzw. Auflagern 2 und 3 kommt es in stark überhöhter Darstellung zu den in den Fig. 1A bis 1C gezeigten Verspannungen, wobei mit strichlierten Linien 1' die theoretische, von angrenzendem Material unbeeiflußte Form des Meßelementes 1 und mit 2' sowie 3' jene der beiden Auflager 2, 3 in der Kontaktebene bei Ausdehnung der Meßanordnung durch Wärme oder Druckbelastung veranschaulicht wird. Aus Fig. 1C (Schnitt entlang der Linie l-l in Fig. 1A) ist ersichtlich, daß das anisotrope Meßelement 1' in Richtung A eine größere Wärmedehnung (bzw. Querdehnung) aufweist als das Auflager 2' und sich in Richtung B die Verhältnisse umkehren. Durch die unterschiedliche Ausdehnung des Meßelementes 1 und der Auflager 2, 3 in der Kontaktebene kommt es im Bereich der Druckflächen 4, 5 zu Verspannungen, welche in Richtung B (siehe Fig. 1A) als Einschnürung und in Richtung A (siehe Fig. 1B) als Ausbuchtung des Meßelementes erkennbar sind. Die sich nach Erwärmung oder Druckbelastung einsteilende Außenkontur des Meßelementes wird mit le jene der beiden Auflager mit 2e bzw. 3e beschrieben. Die in Richtung der eingeleiteten Druckkräfte F auftretende Wärmedehnung ist in den Zeichnungen nicht dargestellt. Ähnlich sehen die Verhältnisse auch bei einem Longitudinalelement in einer herkömmlichen Meßanordnung aus, wie in Fig. 2A bis 2C dargestellt. Bei einem Meßelement 1, bei welchem der Longitudinaleffekt genutzt wird, erfolgt die Ladungsabgabe mittels Elektroden 6, 7 in den Druckflächen 4, 5. Aufgrund der dünnen Longitudinalelemente besteht in herkömmlichen Meßanordnungen eine große Bruchgefahr durch hohe Zugspannungen im Bereich 8.

Die folgenden Darstellungen Fig. 3A bis 9 zeigen erfindungsgemäße Ausführungsvarianten einer Meßanordnung, wobei die Fig. 3A, 3B bzw. 4A, 4B Varianten zeigen, bei welchen der Kristallblock des Meßelementes 1 in stab- oder streifenförmige Elemente 9 unterteilt ist. Wie in den Fig. 3A bis 4B gezeigt, wird der Querschnitt des Meßelementes 1 in schmale Elemente 9 unterteilt, sodaß aus einem großen Kristallblock oder einer Scheibe eine Reihe dünner Einzelelemente mit länglichen Kontaktflächen entsteht und das Material der Auflager 2 und 3 so gewählt, daß deren Querdehnung und/oder Wärmedehnung mit den Werten des Meßelementes in Längsrichtung der Kontaktflächen der schmalen Elemente 9 übereinstimmt (Reil a in Fig. 3B und 4B). Damit wird erreicht, daß in Längsrichtung der Einzelelemente keinerlei unterschiedliche Dehnung zwischen Auflager 2, 3 und Meßelement 1 auftritt, also auch keine Verspannung, kein Bruch und keine Beeinflussung des Meßsignals. In manchen Fällen wird es reichen, nur den wesentlichen Dehnungskoeffizienten des Auflagers an den entsprechenden Koeffizienten in Längsrichtung der Kontaktflächen der schmalen Einzelkristalle anzupassen. Bei mechanisch wenig, thermisch aber hoch belasteten Meßelementen wird ein Großteil der möglichen Vorteile durch Anpassung der Wärmedehnungskoeffizienten erreicht, bei Meßelementen, die im wesentlichen bei konstanter Temperatur arbeiten, aber mechanisch hoch belastet sind, genügt die Anpassung der Querdehnungskoeffizienten. In Richtung der Schmalseite der stabförmigen Einzelelemente treten zwar gegenüber einem Auflager mit mittleren Dehnungskoeffizienten gemäß Stand der Technik relativ größere Spannungen auf, allerdings kann deren Einfluß auf Festigkeit und Meßsignal durch Wahl der Breite der Einzelelemente 9 auf eine vorgebbare Größe beschränkt werden.

Bei dünnen Longitudinalelementen, wie z. B. in Fig. 4A und Fig. 4B, wird das Zerreißen des Kristalls durch die Unterteilung in Einzelkristalle verhindert, wenn die durch Reibung übertragbare Kraft an den Druckflächen 4, 5 kleiner ist als die von Festigkeit und Querschnitt des Kristalls abhängige Bruchkraft.

Unter Vernachlässigung von Spannungsabbau durch Elastizität besteht keine Bruchgefahr solange gilt: s * L * oB > F * u. bei F = b * L ’ p gilt s*L*OB>b’L’p’u also

b<

P*M 3

AT 403 959 B mit s, L, b Dicke, Länge, Breite des Kristallelementes 9 σΒ Bruchfestigkeit des Kristailelementes 9 in Breitenrichtung F gesamte Druckkraft auf das Meßelement 1 U Reibungskoeffizient zwischen Meßelement 1 und Auflager p Druck in der Kontaktfläche zwischen Meßelement und Auflager

Bei hohen Transversalelementen, wie in Fig. 3A und 3B, gelten für die Steigerung der Bruchbeständigkeit ähnliche Zusammenhänge. Hier hat man aber zusätzlich noch den Vorteil, daß Querdehnungsunterschiede am Übergang zwischen den stabförmigen Elementen 9 des Meßelementes 1 und den Auflagern 2, 3 sich in Druckrichtung bzw. Höhe des Meßelementes 1 nur bis in Bereiche auswirken, die etwa der Breite der Kontaktzone entsprechen. Sehr dünne stabförmige Elemente 9, die nur über ihre geringe Dicke Dehnungsunterschiede zum Auflager 2 bzw. 3 aufweisen, sind also, wie in Fig. 3A dargestellt, in einem großen Bereich von Störungen an der Kontaktzone praktisch unbeeinflußt.

Wie in Fig. 5 dargestellt, kann die Größe der gestörten Bereiche durch die Verringerung der Dicke D der Einzelelemente 9 minimiert werden. Der noch vorhandene Einfluß auf das Meßsignal kann dadurch vermieden werden, daß Ladung für das kraftproportionale Meßsignal nur aus ungestörten Bereichen 10 abgenommen wird, während Ladung aus gestörten Bereichen 11 kurzgeschlossen wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein Teil der Elektrode 6 den gestörten Bereich 11 zum Auflager 2 und ein Teil der Elektrode 7 den gestörten Bereich 11 zum Auflager 3 kurzschließt. Lediglich die im ungestörten Bereich 10 abgegriffenen Ladungen tragen zum Meßsignal bei. Ähnliche Effekte, wie sie durch die Teilung des anisotropen Meßelementes 1 zu erzielen sind, lassen sich auch durch die anisotrope Formgebung der Endbereiche 16, 17 der isotropen Auflager 2, 3 erzielen. Wie in den Fig. 6A bis 9 dargelegt, kann durch die Trennung der kompakten Auflager 2, 3 in schmale, beispielsweise stegförmige Elemente 12 und Anpassung der Quer- und/oder Wärmedehnung in Längsrichtung der länglichen Kontaktflächen dieser Elemente 12 an die zugeordnete Kristalldehnung des Meßelementes die Verspannung zwischen Meßelement 1 und Auflager 2, 3 in dieser Richtung (siehe Pfeil a) völlig vermieden werden. Die in Richtung (siehe Pfeil b) quer zu diesen schmalen Elementen 12 auftretenden Spannungen aus in dieser Richtung unterschiedlichen Dehnungen ist durch die Breite der schmalen stegförmigen Elemente 12 auf wählbare, zulässige Größen beschränkbar. Ein Unterschied gegenüber der Teilung des Meßelementes in stabförmige Elemente besteht darin, daß die schmalen Elemente 12 in Querrichtung (bei Dehnung durch Wärme oder Last) an ihrer Kontaktzone zum anisotropen Meßelement andere Wege zurücklegen als an ihrer Kontaktstelle zum weiterführenden isotropen Auflager 2, 3, der in seiner Querdehnung an die Kristalldehnung in Längsrichtung der schmalen Elemente 12 angepaßt ist. Dadurch verkippen die schmalen stegförmigen Elemente 12 (siehe Fig. 6A), was zu Kantenpressung und großer Bruchgefahr am spröden Meßelement 1 führen kann. Eine Möglichkeit diese Kantenpressung zu minimieren, besteht darin, die schmalen Stege 12 der Auflager 2 und 3 möglichst hoch zu gestalten, wodurch allerdings die Steifigkeit des Auflagers in seitlicher Richtung stark reduziert wird.

Eine Axialverschiebung der Auflager 2, 3 in Richtung der wirkenden Kraft F - hervorgerufen durch verkippende Stege 12 - kann durch geeignete Formgebung der Kontaktflächen der stegförmigen Elemente 12 zum Meßelement 1 oder zu einer Zwischenlage ausgeschaltet werden. Die Kontaktflächen können beispielsweise eine Form aufweisen, die ein Abrollen dieser Flächen auf dem Gegenstück ohne Axiaihub des Auflagers 3 erlauben (siehe Fig. 8). Zur Minimierung der Bruchgefahr können z.B. die stegförmigen Elemente 12 am freien, zum piezoelektrischen Meßelement 1 gerichteten Ende vorzugsweise zylinderförmig abgerundet sein, wobei der Radius r in etwa der Höhe der stegförmigen Elemente 12 entspricht.

Eine weitere Möglichkeit diese Bruchgefahr zu beseitigen ist dadurch gegeben, daß zwischen jedem der Auflager 2, 3 und dem piezoelektrischen Meßelement 1 eine Zwischenlage 13 aus einem elastischen, druckfesten Material, vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metallegierung, angeordnet ist. Durch die Verwendung einer Zwischenlage 13 aus elastischem, festem und zähem Material, das den hohen Spannungen aus der Linienpressung standhält, werden die Spannungen bis zum Meßelement 1 auf eine ausreichend große Fläche bzw. Bereich 14 (siehe Fig. 7D als Detail D in Fig. 7A) verteilt. Materialien, die dafür geeignet sind, weisen in der Regel ebenfalls isotrope Dehnungen auf, verursachen also im Zusammenwirken mit dem anisotropen Meßelement 1 bei Wärme- oder Querdehnung, ebenfalls Verspannungen. Auch für die Zwischenlage 13 bringt die beschriebene anisotrope Formgebung durch Unterteilung in schmale streifenförmige Elemente 15 Abhilfe, wobei deren Längsrichtung auf jene der stegförmigen Elemente 12 oder der Rollen bzw. Rollensegmente 18 normal steht (siehe Fig. 7B).

Eine weitere einfache Möglichkeit zur Realisierung eines axialhubfreien Auflagers, das Querdehnungsunterschiede praktisch kraftfrei zuläßt, ist ein Rollenlager, wie in Fig. 9 dargesellt, wobei Rollen oder Rollensegmente 18 zur Anwendung kommen. Wärme- und/oder Querdehnung durch Last aller in Kontakt 4

Claims (9)

1. AT 403 959 B stehenden Teile, nämlich Meßelement 1, Rollensegment 18 und Auflager 3 müssen in Richtung der Rollenachsen übereinstimmen. Auch bei dieser Ausführungsvariante entsteht an den Kontaktflächen Linienpressung, welche durch eine Zwischenlage 13 vermindert werden kann, um die Bruchgefahr zu reduzieren. Bei den Ausführungsvarianten gemäß Fig. 6A bis Fig. 8 wird mit zunehmender Höhe der stegförmigen Elemente 12 und abnehmender Stegbreite - beides ist zur Vermeidung hoher Kantenpressung und Querspannung günstig - die Gefahr des seitlichen Auskippens des Meßelementes 1 größer. Damit können bezüglich Stoßfestigkeit oder Eigenfrequenz Probleme entstehen. Rollenförmige Elemente bzw. Rollensegmente 18 können natürlich überhaupt keine seitlichen Kräfte aufnehmen. Die damit zusammenhängenden Probleme sind zu beseitigen, wenn die Längsrichtung der stegförmigen Elemente 12 oder Rollensegmente 18 eines Auflagers 2 auf die Längsrichtung der stegförmigen Elemente 12 oder Rollensegmente 18 des anderen Auflagers 3 normal stehen. Die stegförmigen Bereiche 12 bzw. Rollen oder Rollensegmente 18 müssen bei dieser Ausführungsvariante an die jeweils in ihrer Längsrichtung wirkende Dehnung des Meßelementes 1 angepaßt sein, also auf jeder Seite des Meßelementes 1 unterschiedliche Längsdehnungen aufweisen. Dadurch wird eine relativ steife, stoßsichere Lagerung des Meßelementes mit hoher Eigenfrequenz erreicht. Patentansprüche 1. Meßanordnung mit einem piezoelektrischen Meßelement, welches zwischen zwei krafteinleitenden Auflagern angeordnet ist und zu diesen in einer normal auf die Richtung der Krafteinleitung stehenden Kontaktebene ein anisotropes Wärmedehnungs- und Querdehnungsverhalten aufweist, wobei die Fixierung des Meßelementes in dieser Ebene durch Reibung an den beiden Auflagern erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Meßelement (1) oder die dem piezoelektrischen Meßelement zugekehrten Endbereiche (16, 17) beider Auflager (2, 3) in mehrere stab-, rollen- oder stegförmige Elemente (9; 12; 18) unterteilt ist bzw. sind, sodaß sich in der Kontaktebene mehrere längliche Kontaktflächen ergeben, sowie daß die beiden Auflager (2, 3) und das piezoelektrische Meßelement (1) in Längsrichtung der länglichen Kontaktflächen der stab-, rollen- oder stegförmigen Elemente (9; 12; 18) im wesentlichen dieselbe Wärmedehnung oder Querdehnung aufweisen.
2. 2. Meßanordnung nch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Auflager (2, 3) aus isotropem Material bestehen und das piezoelektrische Meßelement (1) in schmale stabförmige Elemente (9) unterteilt ist, deren Wärme- und Querdehnung in Längsrichtung der länglichen Kontatkflächen mit jener der isotropen Auflager (2, 3) im wesentlichen übereinstimmt.
3. 3. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem piezoelektrischen Meßelement zugekehrten Endbereiche (16, 17) beider Auflager (2, 3) aus isotropem Material stegförmige Elemente (12) aufweisen, deren Wärme-und Querdehnung in Längsrichtung der länglichen Kontaktflächen mit jener des piezoelektrischen Meßelementes (1) im wesentlichen übereinstimmt.
4. 4. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die stegförmigen Elemente (12) am freien, zum piezoelektrischen Meßelement (1) gerichteten Ende eine Form aufweisen, die ein Abrollen der Kontaktflächen am Meßelement (1) oder einer allfälligen Zwischenlage ohne Axialhub der Auflager (2, 3) zulassen.
5. 5. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die dem piezoelektrischen Meßelement (1) zugekehrten Endbereiche (16. 17) beider Auflager (2, 3) aus isotropem Material Rollen oder Rollensegmente (18) aufweisen, deren Wärme und Querdehnung in Längsrichtung der länglichen Kontaktflächen mit jener des piezoelektrischen Meßelementes (1) im wesentlichen übereinstimmt.
6. 6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die Längsrichtung der länglichen Kontaktflächen der stegförmigen Elemente (12), Rollen oder Rollensegmente (18) eines Auflagers (2) auf die Längsrichtung der länglichen Kontaktflächen der stegförmigen Elemente (12), Rollen oder Rollensegmente (18) des anderen Auflagers (3) normal steht.
7. 7. Meßanordnung nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß zwischen jedem der Auflager (2, 3) und dem piezoelektrischen Meßelement (1) eine Zwischenlage (13) aus einem elastischen, druckfesten Material, vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metallegierung, angeordnet ist. 5 AT 403 959 B
8. 8. Meßanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (13) in mehrere streifenförmige Elemente (15) unterteilt ist, wobei deren Längsrichtung normal auf die Längsrichtung der länglichen Kontaktflächen der stegförmigen Elemente (12) oder der Rollen bzw. Rollensegmente (20) ausgerichtet ist.
9. 9. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Transversalelementes als Meßelement (1) die durch die Wärme- und/oder Querdehnung gestörten Bereiche des Meßelementes (1) durch Elektroden elektrisch kurzgeschlossen sind, während die Ladungsabfuhr aus einem mittleren ungestörten Bereich (10) des Meßelementes (1) erfolgt. Hiezu 6 Blatt Zeichnungen 6