DE1591255A1

DE1591255A1 - Piezoelectric transducer

Info

Publication number: DE1591255A1
Application number: DE19671591255
Authority: DE
Inventors: Ing Rudolf Zeiringer
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1966-11-11
Filing date: 1967-09-25
Publication date: 1970-10-29

Description

Piezoelektrischer Meßwandler Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Meßwandler. mit einem als Scnichtkörper aus übereinanderliegenden piezoelektrischen Scheiben ausgebildeten Meßelement und je einer an den Enden des Schichtkörpers angeordneten Scheibe aus elektrisch leitendem Material, welche Scheiben mit ihrer Stirnflache mit dem Schichtkörper in Kontakt stehen, und von denen zu elektrischen Anschlußteilen des Wandlers führende, gegen das iandlergehäuse elektrisch isolierte Leiter zur Ableitung der elektrischen Ladungen von den piezoelektrischen Scheiben ausgehen. Piezoelectric transducer The invention relates to a piezoelectric transducer. with one as a layered body made of superimposed Piezoelectric disks formed measuring element and one at each end of the Laminated body arranged disc made of electrically conductive material, which discs are in contact with their end face with the laminate, and from which to electrical connection parts of the converter leading against the converter housing electrically insulated conductors to divert the electrical charges from the piezoelectric ones Slices run out.

Bei Meßwandlern üblicher Bauart wird nicht zuletzt wegen der Schwierigkeit der Herausführung der Leitungen, welche mit den elektrisch leitenden Scheiben zur Abnahme der Ladungen in Verbindung stehen, nur ein Pol aus dem fandlergehäuse isoliert -herausgeführt, der andere-Pol jedoch an die tasse des Meßwandlers gelegt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch diese Art der Herausführung der Ladungen nachteile bezüglich der Anwendbarkeit und Meßgenauigkeit des Meßwandlers entstehen. Dies ist beispielsweise bei der Messung von Differenzdrücken der Fall. Wenn nämlich zwei handelsübliche Druckgeber verwendet werden, deren positive Pole gemeinsam an lasse liegen, bedarf es zur Differenzbildung der Meßwerte einer sehr aufwendigen elettronischen Schaltung. Gegen die in diesem Fall naheliegende Verwendung von entgegengesetzt gepolten Druckgebern spricht hingegen der unverhältnismäßig große Kostenaufwand für die Einzelanfertigung solcher Wandler, da die üblichen Ausführungen stets gleich gepolt sind. Bei BeschleuniÕungsmeßgeräten hat die einpolige Ladungsabführung den Nachteil, daß z.B. bei der Schwingungsmessung an Fahrzeugen mehrere gemeinsam an Liasse geschaltete Meßgeräte einen gegenseitigen Störeinfluß aufeinander ausüben, welcher offenbar mit dem gemeinsamen Masseanscüluß im Zusammenhang steht. In the case of transducers of the usual design, this is not least because of the difficulty the routing of the lines, which are connected to the electrically conductive discs Decrease in the charges connected, only one pole isolated from the finder housing -Exit, but the other pole is placed on the cup of the transducer. It has However, it has been shown that this type of removal of the charges is disadvantageous arise with regard to the applicability and measurement accuracy of the transducer. This is this is the case, for example, when measuring differential pressures. If namely two commercial Pressure transducers are used whose positive poles are jointly connected it is used to form the difference between the measured values of a very complex electronic circuit. Against the obvious use of oppositely polarized pressure transducers in this case on the other hand, speaks the disproportionately high cost of individual production Such a converter, since the usual versions are always polarized the same. With accelerometers unipolar charge dissipation has the disadvantage that, for example, when measuring vibrations on vehicles several measuring devices connected jointly to Liasse one mutual Exert interfering influence on each other, which apparently with the common mass connection is related.

Es ist bereits vorgeschlacen w-orden, einen Meßwandler mit zwei voneinander sowie gegen das Gehäuse isolierten Außenanschlossen zu versehen, und die Ladungen von den an den Enden des nexelementes anliegenden Elektrodenscheiben mittels zweier von den Stirnflachen der Elektrodenscheiben ausgehender Leiter abzuführen, welche isoliert durch Längsbohrungen des Wandlers bis zu den Außenanschlüssen hindurchgeführt und mit diesen elektrisch leitend verbunaen sind. Hierbei ergab sich aber die Notwendigkeit, die piezoe1ektrischen Scheiben für den Durchtritt der beiden Anschlußleitungen zu durchbohren. Dies bedeutet aber einen verhältnismäßig großen Arbeitsaufwand und erhöhte Bruchgefahr der piezoelektrischen Scheiben bei der Bearbeitung und im Betrieb zufolge der durch die Bohrungen bedeutend verminderten Belastbarkeit. It has already been proposed, a transducer with two of each other and to provide external connections insulated from the housing, and the charges of the electrode disks resting on the ends of the nex element by means of two conductors emanating from the end faces of the electrode disks, which insulated through longitudinal bores of the converter up to the external connections and are electrically connected to them. Here, however, the necessity arose the piezoelectric disks for the passage of the two connecting lines to pierce. But this means a relatively large amount of work and increased risk of breakage of the piezoelectric disks during machining and operation as a result of the significantly reduced loading capacity due to the drilling.

Diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden, welche auf eine Vereinfachung in der Herstellung und Montage piezoelektrischer Meßwandler mit zweipoliger Ladungsabführung nach den Gesichtspunkten einer rationellen Serienfabrikation abzielt. Erfindungsgemäß ist zu diesem Zweck vorgesehen,- daß die jeweils von der Umfangsfläche der Scheiben aus elektrisch leitendem Material ausgehenden, bei in atsich bekannter Weise als dUnne Platten oder Folien ausgebildeten Scheiben, mit diesen aus einem Stück bestehenden Leiter zu den seitlich oder stirnseitig am Wandler angebrachten, z.B. in einen Schraubstutzen angeordneten elektrischen Anschlußteilen, beispielsweise Kontakthülsen etwa geradlinig und parallel zueinander herausgeführt sind. Dadurch ergibt sich eine beträchtliche Vereinfachung der vorbereitenden sowie der endgültigen Montagearbeiten bei der serienmäßigen Herstellung der Meßwandler. Am gesamten Schichtkörper sind lediglich an zwei Stellen nach außen führende Leiter vorhanden, sodaß die Verdrahtung des Gerätes, die durch die geradlinige Durchführung der Leiter zu den Außenanschlüssen an sich erleichtert ist, mit wenigen Handgriffen durchgeführt werden kann. These disadvantages are avoided by the invention, which on a simplification in the manufacture and assembly of piezoelectric transducers with two-pole charge discharge from the point of view of efficient series production aims. According to the invention it is provided for this purpose, - that each of the Circumferential surface of the disks made of electrical outgoing conductive material, in the case of panes formed in a known manner as thin plates or foils, with this one-piece ladder to the side or face of the Converter attached, e.g. electrical connection parts arranged in a screw socket, For example, contact sleeves led out approximately in a straight line and parallel to one another are. This results in a considerable simplification of the preparatory as well the final assembly work in the serial production of the transducers. There are conductors leading to the outside at only two points on the entire laminate in place, so that the wiring of the device is carried out by the straight-through implementation the conductor to the external connections is made easier in a few simple steps can be carried out.

Durch die einstückige Ausführung der Leiter mit den die Ableitelektroden bildenden Scheiben ergeben sich hinsiclltlich einer vereinfachten Motage noch weitere Vorteile.Due to the one-piece design of the conductors with the lead electrodes In terms of a simplified assembly, there are still more disks forming Advantages.

Gegenüber dem oben erwähnten Ausführungsvorschlag, welcher den Anschluß der beiden Leiter an den Stirnseiten der elektrodenscheiben vorsieht, besteht darLiber hinaus der Vorteil, daß die davorliegenden Scheiben des Meßelementes nicht durchbohrt werden müssen. Damit wird der Bearbeitungsaufwand und die Gefahr eines Bruches der Scheiben beträchtlich verringert. Compared to the above-mentioned implementation proposal, which the connection the two conductors are provided on the end faces of the electrode disks in addition, the advantage that the discs of the measuring element in front of it do not pierce Need to become. This reduces the processing effort and the risk of breaking the Slices considerably reduced.

Bei Lastmeßzellen und Beschleunigungsmeßgeräten, welche in der Regel seitliche Anschlußstutzen für die Meßleitung zum nachgeschalteten Verstärker auorweisen, bietet die Erfindung auch den Torte-l einer verringerten Bauhöhe gegenüber bekannten Aufünrungen. Bei piezoelektrischen Druckgebern, bei denen das Meßelement innerhalb einer vorgespannten Rohrfeder angeordnet ist, verlaufen die beiden Leiter elextrisch isoliert zunächst parallel zur Achse des Druckgebers innerhalb der Rchrfeder und dann anschließend in fluchtenden Bohrungen des Widerlagers, an dem die Rohrfeder befestigt ist. With load cells and accelerometers, which are usually have lateral connection pieces for the measuring line to the downstream amplifier, the invention also offers the cake l of a reduced overall height compared to known ones Bumps. In the case of piezoelectric pressure transducers, in which the measuring element is within a pretensioned Bourdon tube is arranged, the two conductors extend elextrically isolates initially parallel to the axis of the pressure transducer within the spring and then afterwards in aligned bores of the abutment on which the Bourdon tube is attached.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Beschleunigungsmeßgerät im axialen Mittelschnitt, Fig. 2 eine Draufsicht des Beschleunigungsmeßgerätes nach Fig. 1, Fig. 3 einen piezoelektrischen Druckgeber gemäß der Erfindung im axialen Mittelschnitt und. Fig. 4 eine Einzelheit in perspektivischer Ansicht. The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. 1 shows an accelerometer in axial center section, and FIG. 2 shows a Top view of the accelerometer according to Fig. 1, Fig. 3 a piezoelectric Pressure transmitter according to the invention in the axial center section and. Fig. 4 shows a detail in perspective view.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Beschleunigungsmeßgerät besteht aus einem Gehäuse 1 und einem Deckel 2, welcher durch zwei Schrauben 3 am Gehäuse befestigt ist. In einer zentralen Bohrung des Gehäuses befinden sich übereinandergeschichtet fünf Scheiben 4 aus pezoelektrischem Material, darüber und darunter je eine Scheibe 5 aus elektrisch leitendem Material, welche zur Abnahme der Ladungen von den Scheiben 4 aus piezoelektrischem Material dienen, sowie je eine Scheibe 6 aus elektrisch isolierendem Material. Die Scheiben 6 können wie die Scheiben 4 aus piezoelektrischem Material, z. B. quarz, hergestellt sein. Unterhalb des ganzen Scheibenpaketes befindet sich noch eine Scheibe 7, die aus einen Material mit höherer Wärmedehnung als die Piezoelemente hergestellt ist und zur Kompensation der unterschiedlichen Temperaturdehnung des. Gehwuses 1 und des aus den Scheiben 4,5 und 6 gebildeten Schichtkörpers dient. Eine solche unterschiedlicne Wärmedehnung, die insbesondere auch bei raschen Temperatureinwirkungen besteht, würde den Druck auf die Piezoelemente verändern und so eine falsche Anzeige des Gerätes ergeben. Die Kompensationsscheibe kann beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer hergestellt sein. Zwischen dem Gehäuse 1 und den genannten Scheiben befindet sich ein Rohr 8 aus elektrisch isolierendem Material. The accelerometer shown in Figs. 1 and 2 is made from a housing 1 and a cover 2, which by two screws 3 on the housing is attached. In a central bore of the housing are layered one on top of the other five disks 4 made of pezoelectric material, one above and one below each 5 made of electrically conductive material, which is used to remove the charges on the discs 4 made of piezoelectric material, as well as a disk 6 made of electrical insulating material. The disks 6, like the disks 4, can be made of piezoelectric Material, e.g. B. quartz, be made. Located underneath the entire disk package still a disc 7, which is made of a material with higher thermal expansion than the Piezo elements is made and to compensate for the different temperature expansion Des. Gehwuses 1 and the laminated body formed from the disks 4, 5 and 6 is used. Such a different thermal expansion, which in particular also occurs with rapid temperature effects exists, would change the pressure on the piezo elements and thus a wrong display of the device. The compensation disc can be made of aluminum, for example or made of copper. Between the housing 1 and the said disks there is a tube 8 made of electrically insulating material.

Oberhalb des Scheibenpaketes befindet sich die seismische Masse 9, die von der vorgespannten Rohrfeder 10 an die Scheiben angepreßt wird. Die Rohrfeder 10 besitzt einen verstärkten Boden 10', dessen Masse mit der seismischen Masse 9 zusammenwirkt. Die Rohrfeder 10 ist auf das Gehäuse 1 unter Vorspannung aufgeschweißt. The seismic mass 9 is located above the disk package, from the pretensioned Bourdon tube 10 to the Washers pressed on will. The Bourdon tube 10 has a reinforced bottom 10 ', the mass of which with the seismic mass 9 cooperates. The Bourdon tube 10 is on the housing 1 below Welded pretension.

Von den Umfangsflächen der beiden Scheiben aus elektrisch leitendem Material geht je ein Leiter 11 aus, welche Leiter den Schraubstutzen 1' des Gehäuses 1 innerhalb von Isolierbüchsen 12 durchsetzen. Die außeren Enden der Leiter 11 sind an die Kontakthülsen 13 angelötet -oder angeschweißt. Dies erfolgt am Ende der Montage bei herausgezogenen Leitern 11, worauf die Kontakthülsen von außen eingepreßt, eingeklebt oder mit Isoliermasse eingegossen werden. Electrically conductive from the circumferential surfaces of the two disks Material is always a conductor 11 from which conductor the screw socket 1 'of the housing 1 enforce inside insulating bushes 12. The outer ends of the conductors 11 are soldered or welded to the contact sleeves 13. This is done at the end of the assembly when the conductors 11 are pulled out, whereupon the contact sleeves are pressed in from the outside, glued in or poured in with insulating compound.

Die Ladungen von den einzelnen Scheiben 4 aus piezoelektrischem Material werden auf irgend eine bekannte Art und eise, z.B. mittels Kontaktbrücken, auf die beiden Scheiben 5 aus elektrisch leitendem Material übergeleitet. Diese Einzelheit wird, weil für die Erfindung unwesentlich, hier nicht näher beschrieben. The charges from the individual disks 4 made of piezoelectric material are in some known way, e.g. by means of contact bridges, on the two disks 5 made of electrically conductive material. This particular is not described here because it is not essential to the invention.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Druckgeber sind gleiche Scheibenelemente wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführung verwendet, diese Scheiben sind deshalb mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das Scheibenpaket wird von der vorgespannten Rohrfeder 14 auf das Widerlager 15 gepreßt. In the pressure transducer shown in FIG. 3, the same disk elements are used as used in the embodiment described above, these washers are therefore provided with the same reference numerals. The disc pack is pre-tensioned by the Bourdon tube 14 pressed onto the abutment 15.

Das widerlager 15 wird seinerseits von dem Gehäuse 16 aufgenommen, welches unten durch die aufgeschweißte Membrane 17 abgeschlossen ist. Die Uembrane 17 liegt mit ihrem verstärkten Mittelteil 17' auf dem verstärkten Boden 14' der Rohrteder 14 auf und ist so in der Lage, die Druckkräfte auf die Piezoelemente zu übertragen.The abutment 15 is in turn received by the housing 16, which is closed at the bottom by the welded-on membrane 17. The Uembrane 17 lies with its reinforced central part 17 'on the reinforced floor 14' of the Rohrteder 14 and is thus able to apply the pressure forces to the piezo elements transfer.

Die Ladungsabführung von den Scheiben 4 aus piezoelektriscnem iBIaterial erfolgt über die Scheiben 5 aus elektrisch leitendem Material, von deren Umfangsfläche je ein Leiter 18 ausgeht. Die im wesentlichen in Achsrichtung des Druckgebers zu den beiden Kontakthülsen 19 geführten Leiter 18 durchsetzen zunächst innerhalb der Rohrieder 14 einen Isolierkörper 20 und sodann innerhalb des Widerlagers 15 Isolierhülsen 21. The discharge of charge from the disks 4 made of piezoelectric iBI material takes place via the disks 5 made of electrically conductive material, from their peripheral surface one conductor 18 each goes out. The essentially in the axial direction of the pressure transducer enforce the two contact sleeves 19 guided conductors 18 first an insulating body 20 within the pipe members 14 and then within the abutment 15 insulating sleeves 21.

Die beiden Kontakthülsen 19 befinden sich in dem als Schraubstutzen 15' ausgebildeten oberen Ende des Widerlagers 15, und gewährleisten so den Anschluß eines zweipoligen Anschlußsteckers.The two contact sleeves 19 are located in the screw socket 15 'formed upper end of the abutment 15, and thus ensure the connection a two-pole connector.

An Stelle der Scheiben 5 aus elektrisch leitendem Material können bei beiden Wandlerausführungen dünne Platten oder Folien 22 (Fig. 4) verwendet werden, wobei die von einem solchen Element wegführende Leitung 23 mit dem Element einstückig ausgebildet wird. Je nach Verwendungsart wird diese Leitung 23 in die vollausgezogene Stellung gebracht oder in der gestrichelt angedeuteten Stellung belassen. Instead of the disks 5 made of electrically conductive material can thin plates or foils 22 (Fig. 4) are used for both converter designs, the line 23 leading away from such an element being integral with the element is trained. Depending on the type of use, this line 23 is fully extended Position brought or left in the position indicated by dashed lines.

Claims

P a t e n t a n s p r u c h: Piezoelectric transducer with a designed as a layer body made of stacked piezoelectric disks Measuring element and a disk arranged at the ends of the laminated body electrically conductive material, which discs with their end face with the laminated body are in contact, and from which leading to electrical connection parts of the converter, conductors electrically insulated from the converter housing for discharging the electrical Charges emanate from the piezoelectric disks, which are not possible z e i c h n e t that each of the circumferential surface of the disks 5 from electrically'leitendem Material exposed, in a manner known per se, as thin plates or foils formed disks, with these one-piece conductors 01) or (18) to those attached to the side or front of the andler, e.g. in a screw socket (i ', 15') arranged electrical connection parts, for example contact sleeves (13) and (19) are led out approximately in a straight line and parallel to one another.