CH707602A2 - Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors und Beschleunigungssensor. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors für die Anwendung in Maschinen, Anlagen, Fahrzeugen oder Flugzeugen, der insbesondere zur Messung von Beschleunigungswerten in einer oder drei Achsen geeignet sein soll und der einfach und flexibel gefertigt werden kann. Der Beschleunigungssensor umfasst ein in seiner Grundform zylindrisches oder kubisches Gehäuse (1) mit inneren Abstützungen (4) zur Aufnahme von je einem Sensorelement (2), das vormontiert mit einer Stirnfläche auf einer Abstützung (4) positioniert wird, wobei nachfolgend mittels Widerstandsschweissung eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Abstützung (4) und Sensorelement (2) ausgebildet wird.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors für die Anwendung in Maschinen, Anlagen, Fahrzeugen oder Flugzeugen.

[0002] Sie betrifft weiterhin einen Beschleunigungssensor, insbesondere einen Beschleunigungssensor zur Messung von Beschleunigungswerten in drei Achsen.

[0003] Druck- oder Kraftsensoren sind oft gleichzeitig verschiedenen Kräften oder Momenten in unterschiedlichen Achsrichtungen ausgesetzt und je nach Anwendungsfall sollen mehrere Komponenten gemessen werden. Dabei muss jede Kraftkomponente unabhängig von anderen Kräften oder Momenten erfassbar sein. Hierzu umfasst ein Sensor je nach Bedarf mehrere Messkörper mit einem oder mehreren Messelementen.

[0004] Beschleunigungssensoren sind bekannt und gelangen in diversen Anwendungsgebieten zum Einsatz. Sie dürfen nur eine geringe Grösse und Eigengewicht aufweisen, was insbesondere bei tri-axial wirkenden Sensoren zu einer aufwändigen Fertigung und entsprechenden Lieferfristen führen kann. So werden auf geringem Raum Aufnahmekammern in ein Sensorgehäuse gefräst, das zudem noch Gewindebohrungen für die Befestigung des Beschleunigungssensors auf einem Substrat resp. einer Basis aufnehmen muss und die Sensorelemente müssen in eine seismische Masse eingebettet werden und auf engstem Raum eingebaut werden. Infolge der Forderung nach immer kleineren Sensoren können die empfindlichen Sensorelemente auf dieser Basis nicht vorgefertigt und eingebaut werden.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors für die Anwendung in Maschinen, Anlagen, Fahrzeugen oder Flugzeugen zu schaffen, das eine einfachere und flexible Fertigung derartiger Sensoren ermöglicht.

[0006] Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0007] In einem ersten Schritt wird nach dem Vormontieren eines Sensorelements das Sensorelement mit der Stirnfläche auf einer Fügefläche einer Abstützung im Gehäuse positioniert. Bevorzugt weist der Beschleunigungssensor drei Sensorelemente auf, kann aber auch nur ein Sensorelement beinhalten.

[0008] Nachfolgend wird eine Schweisselektrode mit definierter Kraft auf dem Kopfteil des Sensorelements aufgesetzt, wobei die Schweisselektrode mit einer nicht dargestellten Anlage für ein Widerstandsschweissen verbunden ist. Durch Anlegen einer definierten Schweissspannung wird ein Stromfluss durch die Schweisselektrode, den Grundkörper mit Kopfteil und das Gehäuse sowie eine Gegenelektrode erzeugt, der ein zumindest teilweises Schmelzen der Erhebung und entsprechender Bereiche der Fügefläche bewirkt, so dass eine ringförmige, stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird.

[0009] Im Ergebnis wird eine präzise und plan ausgerichtete Verbindung erreicht, die schnell herstellbar ist und auch eine weitere Flächenreduktion ermöglicht.

[0010] Umgebende Bereiche der Abstützung oder des Gehäuses werden nicht beeinträchtigt, da durch die geringe Energie nur eine sehr geringe Temperaturerhöhung resultiert.

[0011] Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Beschleunigungssensors, insbesondere eines Beschleunigungssensor zur Messung von Beschleunigungswerten in einer oder in drei Achsen, der einen modularen Aufbau aufweist.

[0012] Diese Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.

[0013] Der Beschleunigungssensor umfasst ein in der Grundform üblicherweise kubisches Gehäuse mit mindestens einer Abstützung für ein Sensorelement, wobei je ein Sensorelement auf einer Abstützung stoffschlüssig angeordnet ist, und wobei die Verbindung zwischen Sensorelement und Abstützung bevorzugt durch Widerstandsschweissung erfolgt.

[0014] Der modulare Aufbau ermöglicht den Einsatz unterschiedlicher Sensorelemente für unterschiedliche Messbereiche in einem Gehäuse in nur einer Baugrösse. Das Gehäuse soll möglichst klein sein, so dass auch kein Raum für bisher übliche Montagevorrichtungen zur Fixierung von Sensorelementen vorhanden ist.

[0015] Das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren ermöglicht eine einfache und serienmässige Vorfertigung und Lagerhaltung von Sensorelementen und deren schnelle, präzise und kostengünstige Montage im Sensorgehäuse, somit geringe Durchlaufzeiten, eine kurzfristige Bereitstellung von Beschleunigungssensoren.

[0016] Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen die <tb>Fig. 1 :<SEP>ein Gehäuse eines Beschleunigungssensors bisheriger Bauart ohne montierte Sensorelemente (1a) und einen erfindungsgemässen Beschleunigungssensor (1b); <tb>Fig. 2 :<SEP>ein Sensorelement; <tb>Fig. 3 :<SEP>ein Gehäuse mit Angabe der Zuführrichtungen der Sensorelemente; <tb>Fig. 4 :<SEP>eine Anordnung zur Herstellung eines Beschleunigungssensors.

[0017] Die Fig. 1a zeigt einen Beschleunigungssensor nach dem Stand der Technik. Dargestellt sind drei in einem kubischen Gehäuse 1 angeordnete Grundkörper von Sensorelementen 2. Jedes Sensorelement 2 wird erst im Gehäuse 1 vollständig montiert, was beim sichtbar kleinen Innenraum des Gehäuses 1 schwierig und zeitraubend ist. Es ist dabei absehbar, dass die Gehäuse zukünftig noch kleiner werden.

[0018] Eine Schwierigkeit ist zwischen den aussen am Gehäuse 1 zugänglichen Montagegewinden 3 zur Anbringung des Beschleunigungssensors auf einer nicht dargestellten Basis und den dadurch nicht vergrösserbaren und von aussen zugänglichen, innenliegenden Abstützungen 4 zur Aufnahme der Sensorelemente 2 zu sehen. Da die Montagegewinde 3 dem jeweiligen Sensorelement 2 gegenüberliegend in den Abstützungen 4 angeordnet werden müssen, ist die Wandstärke in diesem Bereich sehr gering. Zugleich können die Sensorelemente 2 nicht in das Gehäuse 1 eingeschraubt werden.

[0019] Die innenliegenden Abstützungen 4 ermöglichen im Vergleich zu einer aussenliegenden Anordnung eine geringere Baugrösse des Gehäuses 1 und eine geschützte Anordnung von Sensorelement 2, Messelektronik und Verdrahtung.

[0020] Erfindungsgemäss besteht das Gehäuse 1 des Beschleunigungssensors aus einem Titan- oder Aluminiumwerkstoff.

[0021] Das Sensorelement 2 (Fig. 2 ) selbst besteht aus einem stiftförmigen Grundkörper 20 aus Titan oder Stahl, für höhere Steifigkeit, mit einem runden oder polygonförmigen Kopfteil 21, der von einer seismischen Masse 22 umgeben wird, die noch von einem Spannring 27 in Form eines Schrumpfrings umschlossen wird. In den bogenförmigen Ausnehmungen zwischen seismischer Masse 22 und Kopfteil 21 sind eines oder mehrere piezoelektrische Elemente 23 angeordnet. Eine, auf der Abstützung 4 zu platzierende und vom Kopfteil 21 abgewandte Stirnfläche 24 des Grundkörpers 20 ist mit einer ringförmigen Erhebung 25 versehen, die nach aussen von einer Nut 26 umgeben ist. Eine aussen angeordnete Nut 26 ermöglicht bei kleinen Durchmessern des Grundkörpers 20 ein grösseres Volumen zur vollständigen Aufnahme von Schmelze resp. eine qualitativ gute Verbindung.

[0022] Zur Montage eines, wie vorbeschrieben vormontierten Sensorelements 2 im Gehäuse 1 wird wie vorgenannt ein Sensorelement 2 mit der Stirnfläche 24 parallel zur Fügefläche 6 der Abstützung 4 positioniert (Fig. 4 ), wobei nur die Spitzen der Erhebung 25 die Fügefläche 6 berühren und dabei eine leitfähige Kontaktzone bilden.

[0023] Nachfolgend wird eine Schweisselektrode 5 mit definierter Kraft leitfähig auf dem Kopfteil 21 aufgesetzt, wobei die Schweisselektrode 5 mit einer nicht dargestellten Anlage für ein Widerstandsschweissen verbunden ist. Durch Anlegen einer definierten Schweissspannung wird ein Stromfluss durch die Schweisselektrode 5, den Grundkörper 20 mit Kopfteil 21 und das Gehäuse 1 sowie eine Gegenelektrode erzeugt, der ein zumindest teilweises schmelzen der Erhebung 25 und entsprechender Bereiche der Fügefläche 6 bewirkt, so dass zumindest eine ringförmige, Stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird. Evtl. überschüssige Schmelze kann in die Nut 26 fliessen. Im Ergebnis wird eine präzise und plan ausgerichtete Verbindung erreicht, die schnell herstellbar ist und auch eine weitere Flächenreduktion ermöglicht.

[0024] Umgebende Bereiche der Abstützung 4 oder des Gehäuses 1 allgemein werden dadurch nicht beeinträchtigt.

[0025] Analog werden die anderen zwei Sensorelemente 2 im Gehäuse 1 angeordnet, wobei das Gehäuse 1 entsprechend neu in der Einrichtung fixiert wird.

[0026] Anstelle einer Widerstandsschweissung könnte die Verbindung auch mittels Reibschweissen, Induktionslöten oder Laserschweissen hergestellt werden.

[0027] Auf der Abstützung 4 oder auf dem Kopfteil 21 wird auch die Messelektronik 28 angeordnet. Nach Einbringung der Sensorelemente 2 werden diese mit der Messelektronik 28 sowie einem nicht dargestellten Stecker verdrahtet. Der Stecker sitzt auf einem Deckel 29, der Sensorelement 2 und Abstützung 4 abdeckt.

[0028] Der Draht zum Stecker wird durch die Steckeröffnung gezogen, danach der Deckel 29 bevorzugt eingeklickt, der Draht mit dem Stecker verbunden und abschliessend der Stecker in die Deckelöffnung gefügt.

Liste der Bezugszeichen

[0029] <tb>1<SEP>Gehäuse <tb>2<SEP>Sensorelement <tb>3<SEP>Montagegewinde <tb>4<SEP>Abstützung <tb>5<SEP>Schweisselektrode <tb>6<SEP>Fügefläche <tb>20<SEP>Grundkörper <tb>21<SEP>Kopfteil <tb>22<SEP>seismische Masse <tb>23<SEP>piezoelektrisches Messelement <tb>24<SEP>Stirnfläche <tb>25<SEP>Erhebung <tb>26<SEP>Nut <tb>27<SEP>Spannring <tb>28<SEP>Messelektronik <tb>29<SEP>Deckel

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors für die Anwendung in Maschinen, Anlagen, Fahrzeugen oder Flugzeugen, wobei der fertig gestellte Beschleunigungssensor ein in seiner Grundform zylinderförmiges oder kubisches Gehäuse (1) mit mindestens einer innenliegenden Abstützung (4) mit einem darauf angeordneten Sensorelement (2) umfasst, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte a) Vormontieren eines Sensorelements (2) durch Umgeben eines Kopfteils (21) eines stiftförmigen Grundkörpers (20) mit mindestens einem piezoelektrischen Messelement (23), Umhüllen mit einer seismischen Masse (22) und Umschliessen mit einem Spannring (27), b) Positionierung einer, dem Kopfteil (21) gegenüberliegenden Stirnfläche (24) des Grundkörpers (20) des vormontierten Sensorelements (2) berührend an eine Abstützung (4)zur Bildung einer Kontaktzone, c) kontaktieren einer Elektrode (5) mit dem Kopfteil (21) des Sensorelements (2) und einer Gegenelektrode am Gehäuse (1), d) Anlegen einer definierten Spannung und Erzeugen eines Stromflusses zwischen Elektrode (5), Sensorelement (2), Gehäuse (1) und der Gegenelektrode e) bis zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Abstützung (4) und der Stirnfläche (24) des Grundkörpers (20) des Sensorelements (2) an der Kontaktzone.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt a, eine Messelektronik (28) auf der Abstützung (4) oder auf dem Kopfteil (21) angebracht wird und dass im Anschluss an den Verfahrensschritt e, ein Verschliessen der Abstützung (4) gegen aussen und eine Kontaktierung der piezoelektrischen Messelemente (23) mit einem Anschlussstecker erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Spitzen einer ringförmigen Erhebung (25) der Stirnfläche (24) des Grundkörpers (20) des Sensorelements (2) eine Fügefläche (6) auf der Abstützung (4), die Kontaktzone bildend berühren.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Widerstands-Schweisselektrode (5) für eine Widerstandsschweissung mit einer definierten Kraft auf das Kopfteil (21) des Sensorelements (2) aufgesetzt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass drei Abstützungen (4) im Gehäuse (1) vorgesehen sind und mit je einem Sensorelement (2) stoffschlüssig verbunden werden.

6. Beschleunigungssensor zur Messung von Beschleunigungswerten in einer oder drei Achsen, wobei der Beschleunigungssensor ein in seiner Grundform im Wesentlichen zylinderförmiges oder kubisches Gehäuse (1) mit von aussen zugänglichen, innenliegenden Abstützungen (4) mit darauf angeordneten Sensorelementen (2) umfasst, die einen stiftförmigen Grundkörper (20) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Grundkörper (20) jedes Sensorelements (2) mit einer Stirnfläche (24) an einer der innenliegenden Abstützungen (4) stoffschlüssig angeordnet ist.

7. Beschleunigungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) mit den Abstützungen (4) aus einem Titan- oder Aluminiumwerkstoff besteht.

8. Beschleunigungssensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (20) des Sensorelements (2) aus Titan oder Stahl besteht.

9. Beschleunigungssensor nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Sensorelement (2) vormontiert eingesetzt ist, wobei ein Kopfteil (21) des Grundkörper (20) mit einem piezoelektrischen Messelement (23), umgeben von einer seismischen Masse (22) umhüllt ist, die wiederum von einem Spannring (27) umgeben ist.

10. Beschleunigungssensor nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (24) mit einer ringförmigen Erhebung (25) versehen ist, die aussen von einer Nut (26) umgeben ist.

11. Sensorelement für einen Beschleunigungssensor, dadurch gekennzeichnet, dass es einen stiftförmigen Grundkörper (20) aufweist, dessen Kopfteil (21) mit mindestens einem piezoelektrischen Messelement (23), umgeben von einer seismischen Masse (22) umhüllt ist, die wiederum von einem Spannring (27) umgeben ist.