DE1245171B

DE1245171B - Piezoelectric pressure transducer

Info

Publication number: DE1245171B
Application number: DE1963K0049520
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans Conr Sonderegger
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1963-04-05
Filing date: 1963-04-19
Publication date: 1967-07-20
Also published as: AT248737B; GB1052230A; CH394636A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND Int. Cl.:FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY Int. Cl .:

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DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

DeutscheKl.: 42 k-14/04 German class: 42 k -14/04

Nummer: 1245 171Number: 1245 171

Aktenzeichen: K 49520 IX b/42 kFile number: K 49520 IX b / 42 k

Anmeldetag: 19. April 1963 Filing date: April 19, 1963

Auslegetag: 20. Juli 1967Opened on: July 20, 1967

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Druckwandler mit mehreren in eine Druckhülse eingebauten Kristallelementen, die einander zugewandte, mindestens teilweise metallisierte, zur Ladungsabnahme mit einer federnden Elektrode kontaktierte Flächen aufweisen, die einen Hohlraum begrenzen und im wesentlichen in Richtung der neutralen und der optischen Kristallachsen verlaufen, von denen die neutralen Achsen parallel zur Achse des Hohlraumes gerichtet sind. toThe invention relates to a piezoelectric pressure transducer with several built into a pressure sleeve Crystal elements, which at least partially metallized facing one another, contacted with a resilient electrode for charge removal Have surfaces that delimit a cavity and essentially in the direction of the neutral and of the optical crystal axes, of which the neutral axes are parallel to the axis of the cavity are directed. to

Die bekannten metallischen Federkontakte, die nach Art von Steckern ausgebildet sind, sind nicht dazu geeignet, stabile Verhältnisse zu schaffen, die auch unter dem Einfluß starker Vibrationskräfte einen zuverlässigen Kontakt gewährleisten. Da bei ig vielen Anwendungszwecken für derartige Druckwandler erhebliche Vibrationen auftreten, wie beispielsweise auf Motorprüfständen, wo derartige Meßwandler häufig Verwendung finden, treten bei der Verwendung derartiger Federkontakte häufig Störungen auf. Die schlechten Erfahrungen, die mit solchen Federkontakten gemacht worden sind, haben dazu geführt, daß solche Kontakte wegen ihrer Unsicherheit auf allgemeine Ablehnung stoßen.The known metallic spring contacts, which are designed in the manner of plugs, are not suitable to create stable conditions, which are also under the influence of strong vibratory forces ensure reliable contact. As there are many applications for such pressure transducers significant vibrations occur, for example on engine test benches, where such Transducers are often used, occur frequently when using such spring contacts Disturbances on. The bad experiences that have been made with such spring contacts led to the fact that such contacts met with general rejection because of their insecurity.

Eine einwandfreie und unter allen Betriebsbedingungen sichere Abnahme der Ladungen wurde bisher nur mit Hilfe von eingespannten Folien erzielt. Solche Folien sind jedoch nur dann anwendbar, wenn die Kristallelemente fest aufeinander liegende Flächenabschnitte aufweisen, zwischen denen die Folien eingespannt werden können. Derartige Folien finden infolgedessen bei Meßwandlern mit scheibenförmigen Kristallen oder mit im Querschnitt halbkreisförmigen Kristallen Anwendung. Bei der Verwendung von Kristallelementen, die einen Hohlraum begrenzen und im wesentlichen in Richtung der neutralen und der optischen Kristallachsen verlaufen, ist die Anwendung derartiger Folien nicht möglich, es sei denn, es wird der von den Kristallen begrenzte Hohlraum mit einer beispielsweise elastischen Masse ausgefüllt, wie es von einem anderen bekannten Meßwandler her bekannt ist. Bei der bekannten Anordnung dient die elastische Masse zugleich zur Übertragung von Kräften. Bei der hier verwendeten Kristallanordnung muß jedoch vermieden werden, daß auf die Innenfläche der Kristalle wesentliche Kräfte ausgeübt werden, weil sonst diese Kräfte infolge von durch thermische Einflüsse bedingten Volumenschwankungen verschiedene Werte einnehmen könnten, die dann das Meßergebnis verfälschen. Deshalb ist auch dieser Weg nicht gangbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Piezoelektrischer DruckwandlerA flawless and safe acceptance of the loads under all operating conditions so far only achieved with the help of clamped foils. Such films can only be used, however, when the crystal elements have surface sections lying firmly on top of one another, between which the Foils can be clamped. As a result, such films are found in transducers with disk-shaped Crystals or with crystals semicircular in cross section. When using of crystal elements that delimit a cavity and essentially in the direction of the neutral and the optical crystal axes run, the application of such films is not possible, it unless it becomes the cavity delimited by the crystals with an elastic mass, for example filled in, as is known from another known transducer. With the known arrangement the elastic mass also serves to transmit forces. With the one used here However, crystal arrangement must be avoided that is substantial on the inner surface of the crystals Forces are exerted because otherwise these forces are due to due to thermal influences Volume fluctuations could take different values, which then falsify the measurement result. That is why this path is not feasible either. The invention is based on the object of a Piezoelectric pressure transducer

Anmelder:Applicant:

Kistler Instrumente A. G., Winterthur (Schweiz) Vertreter:Kistler Instrumente A. G., Winterthur (Switzerland) Representative:

Dipl.-Phys. R. Kohler, Patentanwalt,
Stuttgart, Hohentwielstr. 28Dipl.-Phys. R. Kohler, patent attorney,
Stuttgart, Hohentwielstr. 28

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dipl.-Ing. Hans Conrad Sonderegger,Dipl.-Ing. Hans Conrad Sonderegger,

Sulz-Attikon (Schweiz)Sulz-Attikon (Switzerland)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Schweiz vom 5. April 1963 (4349)Switzerland of April 5, 1963 (4349)

Anordnung zur Ladungsabnahme von den einander zugewandten Flächen der Kristallelemente, die einen Hohlraum begrenzen, zu schaffen, die sich unter Verwendung einer federnden Elektrode durch einen sehr einfachen Aufbau und eine sehr hohe Betriebssicherheit auszeichnet. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine gemeinsame, schraubenfederartig ausgebildete Elektrode vorgesehen ist, die in den Hohlraum eingeschraubt und nach Erreichen der Endstellung durch Gegendrehung verspannt und gesichert ist. Es ist ersichtlich, daß eine solche Elektrode nicht nur leicht herstellbar, sondern auch leicht montierbar ist, weil sie sich durch entsprechendes Zusammendrehen sehr leicht in den Hohlraum einführen läßt. Trotzdem ist aber eine sehr hohe Betriebssicherheit gegeben, weil durch Aufdrehen der Elektrode im Gegensinn diese Elektrode gegen die Kristallflächen verspannt werden kann. Diese Verspannung gewährleistet einen sicheren Kontakt der Elektrode mit den Innenflächen der Kristalle auch unter härtesten Betriebsbedingungen und insbesondere unter dem Einfluß starker Vibrationskräfte. Der von der Elektrode in radialer Richtung auf die Kristallanordnung ausgeübte Druck erzeugt weiterhin ein sattes Anliegen der Kristallflächen an einer zum Abführen der Ladungen der anderen Polarität dienenden Elektrode, die vorzugsweise unmittelbar von der Wandung der Druckhülse gebildet werden kann. Für die Kontaktgabe mit der Druckhülse ist es dann besonders zweckmäßig, wennArrangement for charge removal from the facing surfaces of the crystal elements, the one Limiting the cavity, which can be drawn through a resilient electrode using a very simple structure and a very high level of operational reliability. This task is carried out according to the Invention achieved in that a common, helical spring-like electrode is provided is screwed into the cavity and after reaching the end position by counter-rotation braced and secured. It can be seen that such an electrode is not only easy to manufacture, but is also easy to assemble because they can be twisted together very easily can be introduced into the cavity. Nevertheless, there is a very high level of operational reliability because by turning the electrode in the opposite direction, this electrode can be braced against the crystal faces can. This tension ensures a secure contact of the electrode with the inner surfaces of the Crystals even under the toughest operating conditions and especially under the influence of strong vibratory forces. The radial pressure exerted by the electrode on the crystal array furthermore creates a snug fit of the crystal faces against one for discharging the charges of the other polarity serving electrode, which is preferably directly from the wall of the pressure sleeve can be formed. For making contact with the pressure sleeve, it is particularly useful if

709 617/248709 617/248

die Kristallelemente, im Querschnitt gesehen, im wesentlichen die Form eines Kreisabschnittes aufweisen, so daß die mindestens teilweise metallisierte äußere Mantelfläche jedes Kreisabschnittes an der Wand der Druckhülse anliegen kann, während die inneren, ebenen Flächen der Kreisabschnitte einen prismatischen Hohlraum begrenzen.the crystal elements, seen in cross section, essentially have the shape of a segment of a circle, so that the at least partially metallized outer circumferential surface of each circular segment can rest against the wall of the pressure sleeve, while the inner, flat surfaces of the circular segments delimit a prismatic cavity.

Das aus der Kristallanordnung herausgeführte Ende der schraubenfederartig ausgebildeten Elektrode kann vorteilhaft in einem Isolator verankert sein, der, gegen Verdrehung gesichert, mit dem Wandlergehäuse verbunden ist.The end of the coil spring-like electrode that leads out of the crystal arrangement can advantageously be anchored in an insulator which, secured against rotation, is connected to the converter housing.

Die Erfindung und weiter mit ihr zusammenhängende Merkmale sind nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigtThe invention and further features associated therewith are given below with reference to the In the drawing illustrated embodiments explained in more detail. It shows

Fig. 1 einen Schnitt durch einen piezoelektrischen Druckwandler, Fig. 1 shows a section through a piezoelectric pressure transducer,

F i g. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 durch den Druckwandler nach Fig. 1, F i g. 2 shows a cross section along the line 2-2 through the pressure transducer according to FIG. 1,

F i g. 3 einen Einzelkristall der Kristallanordnung nach den F i g. 1 und 2, F i g. 3 shows a single crystal of the crystal arrangement according to FIGS. 1 and 2,

F i g. 4 im Detail die Verschweißung des Gebergehäuses mit einem die wendeiförmige Kontaktfeder tragenden Isolator und F i g. 4 shows in detail the welding of the encoder housing to an insulator carrying the helical contact spring and

F i g. 5 eine aus zwei hohlzylinderförmigen Halbschalen bestehende Kristallanordnung.F i g. 5 a crystal arrangement consisting of two hollow cylindrical half-shells.

Der in F i g. 1 gezeigte Druckwandler weist ein aus Stahl hergestelltes und mit einem Einspannflansch 2 versehenes Gehäuse 1 auf. In eingebautem Zustand des Gebers wird der Flansch 2 mit Hilfe eines Nippels 3 an eine Dichtung 4 angepreßt, die auf einem schulterartigen Sitz einer Wand 5 aufliegt. Diese Anordnung ergibt einen sehr kurzen Weg der Einspannkräfte, und es befindet sich dieser durch Pfeile 6 angedeutete Weg außerhalb der zur Ubertragung der Meßdrücke dienenden Teile, was die Genauigkeit des Wandlersignals wesentlich erhöht. The in F i g. 1 has a housing 1 made of steel and provided with a clamping flange 2. In the installed state of the transmitter, the flange 2 is pressed with the aid of a nipple 3 against a seal 4 which rests on a shoulder-like seat of a wall 5. This arrangement results in a very short path for the clamping forces, and this path, indicated by arrows 6, is outside the parts used to transmit the measuring pressures, which significantly increases the accuracy of the transducer signal.

Das Gehäuse 1 besitzt einen Unterteil 7, dessen Innenwand 8 im Innern des Gehäuses in eine genau bearbeitete, senkrecht zur Längsachse des Gebers stehende Fläche 9 übergeht. Der OberteillO des Gehäuses ist mit einer Bohrung 11 versehen, die mit dem von der Wand 8 umschlossenen Innenraum des Gehäuseunterteils durch die öffnung 12 verbunden ist.The housing 1 has a lower part 7, the inner wall 8 of which in the interior of the housing in a precisely machined, perpendicular to the longitudinal axis of the encoder surface 9 merges. The upper part of the Housing is provided with a bore 11, which with the enclosed by the wall 8 interior of the Housing lower part is connected through the opening 12.

Der Gehäuseunterteil 7 dient zur Aufnahme der piezoelektrischen Kristallbaugruppe. Diese Gruppe umfaßt eine sehr dünnwandige Druckhülse 13, die eine Wandstärke von nur wenigen hundertste! Millimetern aufweist und zusammen mit ihrem als Druckstempel dienenden Boden 14 eine Kammer zur Aufnahme der Kristallanordnung bildet. Am offenen Ende dieser Kammer besitzt die Druckhülse 13 einen wulstartigen Ansatz 15, der als Anschweißring zum Verschweißen der Druckhülse mit der Gehäusefiäche 9 mittels einer Ringbuckelschweißung 16 dient.The lower housing part 7 serves to accommodate the piezoelectric crystal assembly. This group comprises a very thin-walled pressure sleeve 13, which has a wall thickness of only a few hundredth! Has millimeters and, together with its bottom 14 serving as a pressure stamp, forms a chamber for receiving the crystal arrangement. On the open At the end of this chamber, the pressure sleeve 13 has a bead-like extension 15, which is used as a weld ring for The pressure sleeve is welded to the housing surface 9 by means of an annular projection weld 16.

Der sich im Inneren der Druckhülse befindende Kristallsatz besteht aus drei einzelnen Kristallelementen 17 aus Quarz oder einem anderen piezoelektrischen Material, die einen Hohlraum 18 begrenzen und, wie aus F i g. 2 ersichtlich, einen im wesentlichen kreisabschnittförmigen Querschnitt aufweisen. Es wird bei diesen Kristallelementen der transversale Piezoeffekt benützt, so daß auf den den Hohlraum 18 begrenzenden Flächen 20 der Kristallelemente positive elektrische Ladungen auftreten. Diese Ladungen werden mit Hilfe einer schrauben- The set of crystals located inside the pressure sleeve consists of three individual crystal elements 17 made of quartz or another piezoelectric material, which delimit a cavity 18 and, as shown in FIG. 2 can be seen, have a substantially circular segment-shaped cross section. The transverse piezoelectric effect is used in these crystal elements, so that positive electrical charges occur on the surfaces 20 of the crystal elements delimiting the cavity 18. These charges are loaded with the help of a screw

federartig ausgebildeten Elektrode 19 von den mit einem aufgedampften Metallbelag versehenen ebenen Kristallflächen 20 abgenommen. Die negativen Ladungen werden direkt über die Druckhülse 13 auf das Gehäuse 1 geleitet. Die positiven Ladungeq gelangen über den zentralen Leiter der Elektrode 19, in die zur Aufnahme eines nicht gezeichneten Steckers dienende Buchse 21. Diese Buchse sitzt in einem keramischen Isolator 22, der in den Gehäuseteil 10Spring-like electrode 19 from the planar ones provided with a vapor-deposited metal coating Crystal faces 20 removed. The negative charges are applied directly via the pressure sleeve 13 the housing 1 passed. The positive charges arrive via the central conductor of the electrode 19, in the socket 21 serving to accommodate a plug (not shown). This socket is located in one ceramic insulator 22, which is in the housing part 10

ίο eingesetzt und mit seinen Enden in Metallfassungen 23 und 24 hart eingelötet ist. Die obere Metallfassung 23 ist als Schweißflansch ausgebildet und wird beim Zusammenbau des Gebers durch eine Ringbuckelschweißung 25 mit dem Gehäuseteil 10ίο inserted and soldered with its ends in metal frames 23 and 24. The upper metal frame 23 is designed as a welding flange and When the encoder is assembled, an annular projection weld 25 is made to the housing part 10 vollständig dicht verschweißt.completely tightly welded.

Zum Ausgleich der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten sowie zum Schutz der Kristalle gegen Übermäßige Temperaturspitzen bei Verwendung des Gebers in heißen Medien sind zwei keramischeTo compensate for the different expansion coefficients and to protect the crystals against Excessive temperature peaks when using the encoder in hot media are ceramic Ringe 26 und 27 mit ganz bestimmten Ausdehnungskoeffizienten vorgesehen. An den Boden 14 der Druckhülse ist ebenfalls durch eine Ringbuckelschweißung eine zur Übertragung des durch Pfeile 28 veranschaulichten Meßdruckes dienende MembraqRings 26 and 27 provided with very specific expansion coefficients. At the bottom 14 of the The pressure sleeve is also an annular projection weld to transfer the information indicated by arrows 28 illustrated measuring pressure serving Membraq 29 angeschweißt, deren Rand auf die gleiche Art mit dem Ende des Gehäuseteils 7 verschweißt ist. Die Membran weist im Bereich des Spaltes zwischen dem Boden 14 der Druckhülse und dem Ende (Je« Gehäuseteils 7 eine gegen das Geberinnere gerichtete29 welded on, the edge of which is welded in the same way is welded to the end of the housing part 7. The membrane has in the area of the gap between the bottom 14 of the pressure sleeve and the end (for each housing part 7 one directed towards the inside of the encoder

Einbuchtung auf.Indentation on.

Der geschilderte Druckwandler benützt, wie bereits erwähnt, den transversalen Piezoeffekt, und es werden die elektrischen Ladungen von den im Querschnitt die Form eines Kreisabschnittes aufweisenden Kristallelementen 17 gemäß F i g. 3 senkrecht zur KraftrichtungP abgenommen. Die optische Achse ist mit ζ und die elektrische Achse mit χ bezeichnet. Die neutrale Achsey fällt mit der Richtung der KraftP zusammen. Die Scheitelhöhe H der Kristall elemente beträgt weniger als ein Drittel ihrer Sehnen länge S, während ihre axiale Länge L ein Mehrfaches der Sehnenlänge beträgt. Die Kristalle werden aus rechteckigen Quarzprismen herausgeschliffen, wie es durch die gestrichelte Linie 31 angedeutet ist. As already mentioned, the pressure transducer described uses the transverse piezo effect, and the electrical charges are generated by the crystal elements 17, which have the shape of a circular segment in cross section, as shown in FIG. 3 perpendicular to the direction of force P. The optical axis is denoted by ζ and the electrical axis by χ. The neutral axis y coincides with the direction of the force P. The apex height H of the crystal elements is less than a third of their chord length S, while their axial length L is a multiple of the chord length. The crystals are ground out of rectangular quartz prisms, as indicated by the dashed line 31.

Außer den ebenen Flächen 20 sind auch die zylindrischen Flächen, von denen die negativen Ladungea auf die Druckhülse abfließen, mit einer aufgedampften Metallschicht versehen.In addition to the flat surfaces 20, there are also the cylindrical surfaces, of which the negative charges a flow off onto the pressure sleeve, provided with a vapor-deposited metal layer.

Beim Zusammenbau des Druckgebers werden vor-When assembling the pressure transmitter,

erst alle Teile bis auf den Isolierkörper 22 mit der von ihm getragenen Elektrode 19 miteinander vereinigt. Der Druckhülse 13 wird bei der Montage eise Vorspannung erteilt, so daß die Kristallanordnung ständig unter einer Druckvorspannung steht, die esonly all parts except for the insulating body 22 are combined with the electrode 19 carried by it. The pressure sleeve 13 is iron during assembly Bias issued so that the crystal arrangement is constantly under a compressive bias that it erlaubt, auch Unterdrücke zu messen. Danach wird die fest im Unterteil der Buchse 21 verankerte schraubenfederartig ausgebildete Elektrode 19 in die Bohrung 11 und in die Öffnung 12 eingeführt und dann im Wicklungssinn der Schraubenfeder so verallows to measure negative pressures. Then the is firmly anchored in the lower part of the socket 21 Electrode 19, designed like a helical spring, is inserted into the bore 11 and into the opening 12 and then in the direction of the coil spring so ver dreht, daß sich ihr Wicklungsdurchmesser verkleinert und die Feder in den Innenraum 18 eingeschraubt werden kann. Ist die Elektrode dann bis auf die richtige Tiefe zwischen die Kristallelemente 17 eingedreht, so wird sie nach der entgegengesetztenrotates so that its winding diameter is reduced and the spring can be screwed into the interior space 18. Is the electrode up to the screwed into the correct depth between the crystal elements 17, it is after the opposite Richtung verdreht, so daß sich ihr Wickhragsdurchmesser zu vergrößern sucht und die Elektrode 19 durch diese Gegendrehung gegen die Flächen 20 der Kristallelemente verspannt und gesichert wird.Direction rotated so that its Wickhrag diameter seeks to enlarge and the electrode 19 is braced and secured by this counter-rotation against the surfaces 20 of the crystal elements.

Claims

After the electrode has been installed, according to FIG. 4 the socket 23 is welded to the housing part 10. For this purpose, the holder 23 is pressed with the aid of the welding electrode 32 against the housing, against which the counter electrode 33 is also supported. When the welding current pulse is switched on, the housing part 10 , which ends in a tip 34, is welded tightly to the metal frame 23. The welding is expediently carried out in an evacuated room or in a room filled with an inert gas.

Before assembling the pressure transducer, it is advisable to determine the piezo module, ie the electrical charge per 1 kg of force, of each individual quartz crystal in order to then form sets of three crystals each, in which the sum of the piezo modules has a certain mean value. For this purpose, quartz crystals with vertex heights H that differ within narrow limits are produced in the factory. By appropriate selection and grouping, it is then possible in series production to manufacture encoders with a sensitivity which corresponds to a very specific value and which have at most minimal deviations from this target value. It can thus be achieved that the sensitivity value of the finished transmitter expressed in picocoulombs per atmosphere (pC / at) represents an integer and therefore enables the amplitudes shown on an oscilloscope to be easily converted into pressure units.

It can e.g. B. also another crystal arrangement can be used, such as a hollow cylinder-like crystal arrangement, which consists of one or more partial crystals. F i g. 5 shows such an arrangement with two crystals 37 and 38. However, it is also possible to use a crystal arrangement with ring-shaped, stacked crystal plates. Piezoelectric crystals other than quartz can also be used, e.g. B. barium titanate.

Patent claims:

Optical crystal axes run, of which the neutral axes are directed parallel to the axis of the cavity, characterized in that a common, helical spring-like electrode (19) is provided, which is screwed into the cavity and braced and secured by counter-rotation after reaching the end position.

2. Transducer according to claim 1, characterized in that the crystal elements (17) seen in cross section essentially have the shape of a circular segment and the at least partially metallized outer surface of each circular segment is in direct contact with the pressure sleeve (13) in a manner known per se , while the inner, flat surfaces (20) of the circular sections delimit a prismatic cavity.

3. Transducer according to claim 2, characterized in that each of the three circular segment-shaped piezoelectric crystal elements (17) is ground out of a prismatic crystal part and the edges between its outer lateral surface and its inner section surface are broken so that between the outer lateral surface and the inner section surface two parallel surfaces are created that are not metallized.

4. Converter according to claim 2 or 3, characterized in that the individual crystals (17) have different vertex heights of the circular segment and are matched to each other with respect to this vertex height that the sum of the piezo modules corresponds to a predetermined value.

5. Converter according to one of the preceding claims, characterized in that the end of the coil spring-like electrode (19) , which is led out of the crystal arrangement, is anchored in an insulator (22) which is connected to the converter housing (1) against rotation.

1. Piezoelectric pressure transducer with several publications considered:

The crystal elements built into a pressure sleeve are 45 German Patent Nos. 738 051, 891 149, facing each other, at least 934 022; partially metallized surfaces, contact with Swiss patent specification No. 247 026, a resilient electrode for charge removal 340 356; have that delimit a cavity and in the "VDI-Zeitschrift", 1950, pp. 96 to 100;

essentially in the direction of neutral and 50 »electronics«, 1959, pp. 335 to 338.

1 sheet of drawings