CH707704A1

CH707704A1 - A method of manufacturing an acceleration sensor.

Info

Publication number: CH707704A1
Application number: CH00594/13A
Authority: CH
Inventors: Christof Sonderegger; Peter Charles Tack
Original assignee: Kistler Holding Ag
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2014-09-15

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 flexible 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 Stirnfläche eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Abstützung (4) und Sensorelement (2) ausgebildet wird.The invention relates to a method for producing an acceleration sensor for use in machines, plants, vehicles or aircraft, which should be suitable in particular for measuring acceleration values in one or three axes and which can be manufactured easily and flexibly. The acceleration sensor comprises a cylindrical or cubic housing (1) in its basic form with inner supports (4) for accommodating one sensor element (2) which is pre-mounted with an end face on a support (4), wherein subsequently by means of resistance welding end face cohesive connection between the support (4) and sensor element (2) is formed.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors für die Anwendung in Maschinen, Anlagen, Fahrzeugen oder Flugzeugen. The invention relates to a method for producing an acceleration sensor for use in machines, equipment, vehicles or aircraft.

[0002] Sie betrifft weiterhin einen Beschleunigungssensor, insbesondere einen Beschleunigungssensor zur Messung von Beschleunigungswerten in drei Achsen. It further relates to an acceleration sensor, in particular an acceleration sensor for measuring acceleration values in three axes.

[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. Pressure or force sensors are often simultaneously exposed to different forces or moments in different axial directions and depending on the application, several components are to be measured. Each force component must be detectable independently of other forces or moments. For this purpose, a sensor comprises, as needed, a plurality of measuring bodies with one or more measuring elements.

[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. Acceleration sensors are known and are used in various fields of application. They may only have a small size and dead weight, which can lead to an elaborate production and corresponding delivery times, especially in tri-axial sensors. So recording chambers are milled in a sensor housing in a small space, which also still threaded holes for mounting the acceleration sensor on a substrate, respectively. must be embedded in a base and the sensor elements must be embedded in a seismic mass and installed in a confined space. Due to the demand for ever smaller sensors, the sensitive sensor elements can not be prefabricated and installed on this basis.

[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. The invention is therefore an object of the invention to provide a method for producing an acceleration sensor for use in machinery, equipment, vehicles or aircraft, which allows a simpler and more flexible production of such sensors.

[0006] Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. The object is solved with the features of claim 1.

[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. In a first step, after the preassembly of a sensor element, the sensor element is positioned with the end face on a joining surface of a support in the housing. Preferably, the acceleration sensor has three sensor elements, but may also include only one sensor element.

[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. Subsequently, a welding electrode with a defined force is placed on the head part of the sensor element, wherein the welding electrode is connected to a system, not shown, for resistance welding. By applying a defined welding voltage, a current flow through the welding electrode, the base body with head part and the housing as well as a counterelectrode is produced, which causes an at least partial melting of the elevation and corresponding areas of the joining surface, so that an annular, cohesive connection is produced.

[0009] Im Ergebnis wird eine präzise und plan ausgerichtete Verbindung erreicht, die schnell herstellbar ist und auch eine weitere Flächenreduktion ermöglicht. As a result, a precise and plan aligned connection is achieved, which can be produced quickly and also allows a further reduction in area.

[0010] Umgebende Bereiche der Abstützung oder des Gehäuses werden nicht beeinträchtigt, da durch die geringe Energie nur eine sehr geringe Temperaturerhöhung resultiert. Surrounding areas of the support or the housing are not affected, since only a very small increase in temperature results due to the low energy.

[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. Another object is to provide an acceleration sensor, in particular an acceleration sensor for measuring acceleration values in one or in three axes, which has a modular structure.

[0012] Diese Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. This object is solved with the features of patent claim 6.

[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. The acceleration sensor comprises a cubic in the basic form usually housing with at least one support for a sensor element, wherein each a sensor element is arranged cohesively on a support, and wherein the connection between the sensor element and support is preferably carried out by resistance welding.

[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. The modular design allows the use of different sensor elements for different measuring ranges in a housing in only one size. The housing should be as small as possible, so that there is no space for hitherto conventional mounting devices for fixing sensor elements.

[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. The inventive manufacturing method allows for easy and standard prefabrication and storage of sensor elements and their fast, accurate and cost-effective installation in the sensor housing, thus low throughput times, a short-term provision of acceleration sensors.

[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.The invention will be described below in an embodiment with reference to a drawing. In the drawing show the <Tb> FIG. 1: <SEP> a housing of an acceleration sensor of prior design without mounted sensor elements (1a) and an inventive acceleration sensor (1b); <Tb> FIG. 2: <SEP> a sensor element; <Tb> FIG. 3: <SEP> a housing indicating the feeding directions of the sensor elements; <Tb> FIG. 4: <SEP> An arrangement for manufacturing an acceleration sensor.

[0017] Die Fig. 1a zeigt einen Beschleunigungssensor nach dem Stand der Technik, der aus einem Stück gefräst ist. Dargestellt sind drei in einem kubischen Gehäuse 1 angeordnete Grundkörper 20 von Sensorelementen, die ebenfalls mit ausgefräst wurden. Fig. 1a shows a prior art acceleration sensor milled in one piece. Shown are three arranged in a cubic housing 1 main body 20 of sensor elements, which were also milled with.

[0018] 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, weshalb sich auch das Fräsen schwieriger gestalten wird. Each sensor element 2 is fully assembled only in the housing 1, which is difficult and time-consuming in the visible small interior of the housing 1. It is foreseeable that the housing will be even smaller in the future, which is why milling will be more difficult.

[0019] 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. A difficulty is between the outside of the housing 1 accessible mounting threads 3 for mounting the acceleration sensor on a base, not shown and thereby not be enlarged and accessible from the outside, internal supports 4 for receiving the sensor elements 2 to see. Since the mounting thread 3 the respective sensor element 2 opposite must be arranged in the supports 4, the wall thickness in this area is very low. At the same time, the sensor elements 2 can not be screwed into the housing 1.

[0020] 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. The internal supports 4 allow compared to an external arrangement a smaller size of the housing 1 and a protected arrangement of sensor element 2, measuring electronics and wiring.

[0021] Erfindungsgemäss besteht das Gehäuse 1 des Beschleunigungssensors aus einem Titan- oder Aluminiumwerkstoff. According to the invention, the housing 1 of the acceleration sensor made of a titanium or aluminum material.

[0022] 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. The sensor element 2 (Fig. 2) itself consists of a pin-shaped base body 20 made of titanium or steel, for higher rigidity, with a round or polygonal head portion 21 which is surrounded by a seismic mass 22, which is still a clamping ring 27th is enclosed in the form of a shrink ring. In the arcuate recesses between the seismic mass 22 and the head part 21, one or more piezoelectric elements 23 are arranged. A, to be placed on the support 4 and facing away from the head portion 21 end face 24 of the base body 20 is provided with an annular projection 25 which is surrounded to the outside by a groove 26. An externally arranged groove 26 allows for small diameters of the base body 20, a larger volume for complete absorption of melt resp. a good quality connection.

[0023] 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. As described above, a sensor element 2 is positioned with the end face 24 parallel to the joining face 6 of the support 4 (FIG. 4) for mounting a sensor element 2 preassembled in the housing 1, with only the tips of the elevation 25 touching the joining face 6 and thereby form a conductive contact zone.

[0024] 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. Subsequently, a welding electrode 5 is placed conductive with defined force on the head part 21, wherein the welding electrode 5 is connected to a system, not shown, for resistance welding. By applying a defined welding voltage, a current flow through the welding electrode 5, the main body 20 with the head part 21 and the housing 1 and a counter electrode is generated, which causes an at least partial melting of the elevation 25 and corresponding areas of the joining surface 6, so that at least one annular, Cohesive connection is made. Possibly. Excess melt can flow into the groove 26. As a result, a precise and plan aligned connection is achieved, which can be produced quickly and also allows a further reduction in area.

[0025] Umgebende Bereiche der Abstützung 4 oder des Gehäuses 1 allgemein werden dadurch nicht beeinträchtigt. Surrounding areas of the support 4 or the housing 1 in general are not affected.

[0026] Analog werden die anderen zwei Sensorelemente 2 im Gehäuse 1 angeordnet, wobei das Gehäuse 1 entsprechend neu in der Einrichtung fixiert wird. Analogously, the other two sensor elements 2 are arranged in the housing 1, wherein the housing 1 is newly fixed in accordance with the device.

[0027] Anstelle einer Widerstandsschweissung könnte die Verbindung auch mittels Reibschweissen, Induktionslöten oder Laserschweissen hergestellt werden. Instead of resistance welding, the connection could also be made by means of friction welding, induction soldering or laser welding.

[0028] 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. On the support 4 or on the head part 21 and the measuring electronics 28 is arranged. After introduction of the sensor elements 2, these are wired to the measuring electronics 28 and a plug, not shown. The plug is seated on a cover 29 which covers sensor element 2 and support 4.

[0029] 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. The wire to the plug is pulled through the plug opening, then the lid 29 preferably clicked, the wire connected to the plug and finally joined the plug in the lid opening.

Liste der BezugszeichenList of reference numbers

[0030] <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[0030] <Tb> 1 <September> Housing <Tb> 2 <September> sensor element <Tb> 3 <September> mounting thread <Tb> 4 <September> support <Tb> 5 <September> welding electrode <Tb> 6 <September> joining surface <Tb> 20 <September> body <Tb> 21 <September> headboard <tb> 22 <SEP> seismic mass <tb> 23 <SEP> Piezoelectric Measuring Element <Tb> 24 <September> face <Tb> 25 <September> Survey <Tb> 26 <September> Nut <Tb> 27 <September> clamping ring <Tb> 28 <September> measuring electronics <Tb> 29 <September> Lid

Claims

1. A method for producing an acceleration sensor for use in machines, installations, vehicles or aircraft, wherein the completed acceleration sensor has a cylindrical or cubic housing in its basic form (1) with at least one inner support (4) with a sensor element arranged thereon (2 ), characterized by the method steps a) pre-assembly of a sensor element (2) by surrounding a head part (21) of a pin-shaped basic body (20) with at least one piezoelectric measuring element (23), enveloping it with a seismic mass (22) and enclosing it with a clamping ring (27), b) positioning an end face (24) of the base body (20) of the preassembled sensor element (2) opposite the head part (21) in contact with a support (4) for forming a contact zone, c) contacting an electrode (5) with the head part (21) of the sensor element (2) and a counter electrode on the housing (1), d) applying a defined voltage and generating a current flow between the electrode (5), sensor element (2), housing (1) and the counter electrode e) until the formation of a cohesive connection between the support (4) and the end face (24) of the base body (20) of the sensor element (2) at the contact zone.

2. The method according to claim 1, characterized in that after the method step a, a measuring electronics (28) on the support (4) or on the head part (21) is mounted and that following the step e, a closure of the support ( 4) to the outside and a contacting of the piezoelectric measuring elements (23) takes place with a connector.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that tips of an annular elevation (25) of the end face (24) of the base body (20) of the sensor element (2) a joining surface (6) on the support (4) forming the contact zone touch.

4. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that a resistance welding electrode (5) for a resistance welding with a defined force on the head part (21) of the sensor element (2) is placed.

5. The method according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that three supports (4) in the housing (1) are provided and each with a sensor element (2) are integrally connected.

6. acceleration sensor for measuring acceleration values in one or three axes, wherein the acceleration sensor comprises a basically cylindrical or cubic housing (1) with externally accessible, inner supports (4) with sensor elements (2) arranged thereon, the one Have pin-shaped base body (20), characterized in that each base body (20) of each sensor element (2) with an end face (24) on one of the inner supports (4) is arranged cohesively.

7. An acceleration sensor according to claim 6, characterized in that the housing (1) with the supports (4) consists of a titanium or aluminum material.

8. Acceleration sensor according to claim 6 or 7, characterized in that the base body (20) of the sensor element (2) consists of titanium or steel.

9. An acceleration sensor according to at least one of claims 6 to 8, characterized in that each sensor element (2) is inserted pre-assembled, wherein a head part (21) of the base body (20) with a piezoelectric measuring element (23) surrounded by a seismic mass ( 22) is enveloped, which in turn is surrounded by a clamping ring (27).

10. Acceleration sensor according to at least one of claims 6 to 9, characterized in that the end face (24) is provided with an annular projection (25) which is surrounded by a groove (26) outside.

11. sensor element for an acceleration sensor, characterized in that it comprises a pin-shaped base body (20), the head part (21) with at least one piezoelectric measuring element (23) surrounded by a seismic mass (22) is enveloped, in turn by a clamping ring (27) is surrounded.