DE1773941A1

DE1773941A1 - Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Beschleunigungsmessgeraetes

Info

Publication number: DE1773941A1
Application number: DE19681773941
Authority: DE
Inventors: Rudolf Zeiringer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-08-02
Filing date: 1968-07-29
Publication date: 1971-08-26
Also published as: AT275198B; US3536939A; DE1773941B2; CH469984A; DE1773944A1; CH469985A; DE1773944B2

Description

Dr. Oskar Konig 177QQ/ 1

Patentanwalt | / / 0 CJ *+ |

7 Stuttgart W,Klopfer. 6

Dipl.IngoDr.Dr.h.CoHans LIST, Graz (Österreich)

Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Beschleunigungsmeßgerätes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Seschleunigungsmeßgerätes mit vorp-eapanntem, mit der seismischen Masse mechanisch gekoppelten und mit Elektroden und Verbindungsleitungen versehenen Meßkristallsatz sowie mit seitlich am Wandlergehäuse angeordneten, mit den Ableitelektroden leitend verbundenen Anschlußsteckern f.ir die MeJleitung,

Die bisher angewendeten Herstellungsverfahren für piezoelektrische Beschleunigungsmeßgeräte haben sich in der Praxie al 3 ametündlich und zeitraubend und damit für die serienmäßige jjVi-r·* i ^uriii wenig .wirtrj-oh iftlioh erwiesen. Der-Zusammenbau, der hlπ 'β; *:,-i · ie ies lor'^'ej tir'i'jlgt^ in i-r Kegel lur'ih df.Tirri'ib— ν ·τ. .'ii.M.-vin, n.uc, '-ix-.-. .,-.>■ .-,..{·} r··; ϊ:·ί ..! rirri 1 -l'... f- i -i: ·;: ^; i i -"J."

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Werte der Vorspannung des Meßkristallsatzes sowie die Abdichtung des Meßwandlergehäuses Schwierigkeiten bereiteten«, Im Betriebe zeigten solcherart hergestellte Beschleunigungsmeßgeräte häufig ein Nachlassen der voreingestellten Vorspannung zufolge der gegenüber Erschütterungen empfindlichen Schraubverbindungβ Eine weitere Fehlerquelle konnte in einem allmählichen Absinken des Isolationswertes festgestellt werden.

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren gerichtet, durch welches die Herstellung piezoelektrischer Beschleunigungsmeßgeräte wesentlich vereinfacht und die Erhaltung der ursprünglich eingestellten Werte für die Vorspannung 3owie die Isolation des Meßkristallsatzes unter allen Betriebsverhältnissen gewährleistet 'werden solle Hiezu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Meßkristallsatz als separate Baueinheit vormontiert und zwischen zwei Scheiben mittels Schrauben vorgea^rii.nt wird, anschließend auf Linearität, Empfindlichkeit und Isnlatiin geprüft und danach in das 7/andlergehäuse einire.jetzt w.ri, worauf die seismische Masse auf den Meßkri3tall3atz aufgelegt und auf las Wanllorgehäuse ein Verschlußstück, z.B. eine Rohrfeder, aufgesetzt und unter gleichzeitigem Aufbringen der endgültigen Vorspannung das Verschlußstück am rVanHergehäuse angeschweißt wird, worauf He Spannschrauben des Meßkristallsatzes entfernt werden und 'Ins Gehäuse hermetisch abgedichtet wird. Damit bietet sich die Möglichkeit, den MeJkristali.-iatz noch vor der endgültigen Montage einer eingehenden Überprüfung zu unterziehen, sodaß die

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Gewähr besteht, daß die fertigmontierten Geräte hinsichtlich ihrer Linearität, Empfindlichkeit und Isolation genau den vorgegebenen Werten entsprechen. Dies führt zu einer beträchtiiclieii Senkung der Ausschußquote, die sich sonst bei nachträglicher Feststellung unzulässiger Abweichungen des Gerätes vert den genannter, Söllv/erten ergibt.

Erfinciungsnemäß können weiters die Ableitelektroden mit den Ansc*:lußsteckern einer als separate Saueinheit ausgebildeten -Ansehluib-.Tohse verbunden werden, worauf die Anschlußbuchse am feiidlerrehäuse qngeschv;ei£t wird. Durch die ausschließlich Anwendung von Schweißverbindungen der funktionswesentlichen Teile des Gerätes werden nicht nur Bearbeitungskosten eingespart, sondern es wird darüberhinaus ein hermetisch dichter Atschlui ■ an den Verbindun.-'ustfiLlen dieser Bauteile erzielt.

In weiterer Ausgestaltung des erf indunrEgemäßen Verfahrens ist es von besonderem Vorteil, das Verschlußstück und gegebenenfalls die die Anschlußstecker tragende Buchse mit dem Wandlergefcäuse mittels elektrischer Ringschweißung zu verbinden. Damit bleibt die Erwärmung des Gerätes auf den unmittelbaren Bereich der Schweißnaht beschränkt und es ergeben sich überdies sehr kurze Schweißzeiten«,

Erfindungsgemäß kann weiters die hermetische Abdichtung des Gehäuses durch Einschweißen von Verschlußpfropfen in für den Durchtritt der Spannschrauben vorgesehenen Gehäusebohrungen erfolgen· Diese sehr einfache Maßnahme gewährleistet einen

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absolut gasdichten Abschluß des Meßkris-tallsatses- gegenüberder Umgebung.

Erfindungsgemäß ergibt'sich .aber auch die Möglichkeit,, das V/an dl ergeh äu se vor dem Abdichten durch Erwärmen auszutrocknen und den Isolationswert des Gerätes zu überprüfen., Eine weitere Verbesserung der Isolationseigenschaften des Gerätes kann schließlich gemäß der Erfindung dadurch herbeigeführt werden, daß das Wandlergehäuse vor dem Abdichten mit einem Edelgas, z.B. Argon, gefüllt wird.

Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Anwendungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens hervor. Es zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt eines vormontierten Meßkristallsatzes, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Baueinheit nach Fig. 1, Figo 3 einen Axialschnitt eines Beschleunigungs—· meßgerätes in der der Abdichtung vorangehenden Herstellungsphase, Fig. 4 einen Axialscbnitt gemäß der Linie IV-IT in Eig<,3, Fig. 5 einen der Fig. 3 entsprechenden Axialschnitt, des fertiggestellten Meßgerätes, Fig. 6 eine üntersicht des in Fig. 5 dargestellten Gerätes, Fig. 7 und ^J'ig. 8 je eine Einzelheit des Gerätes in vergrößerter Schnittdarstellung.

Die vormontierte Baueinheit nach Fig. T und. 2 umfaßt eine Anzahl übereinandergeschichteter Scheiben 1 aus piezoelektrischem Material mit dazwischenliegenden Elektroden, welche beispielsweise von aufgedampften Metallschichten oder eingelegten Metallfolie!! gebildet sind. Gleichnamige Elektroden sind, wie in Fig. 1 durch strichpunktierte Linien angedeutet,

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durch Stege 2 miteinander leitend verbunden. Die Ableitelektroden für die negative und positive Ladung des Meßkristallsatzes sind mit Fahnen 3 und 4 versehen, von denen Anschlußdrähte 5 und 6 ausgehen.

Der Meßkristallsatz ist zwischen zwei Scheiben 7 und 8 größeren Durchmessers, welche aus Montagegründen an der Anschlußseite des Meßkristallsatzes längs einer Sehne abgeschnitten sind, und die mittels dreier Spannschrauben 9 gegeneinander verspannbar sind, in axialer Richtung durch eine definierte Vorspannkraft belastet»

Diese Vormontage des Meßkristallsatzes ermöglicht es, vor dem endgültigen Zusammenbau des Gerätes eine Überprüfung der Linearität, Empfindlichkeit und Isolation des aktiven Y/andlerteiles durchzuführen. Kristallsätze, welche den Anforderungen nicht entsprechen, können daher rechtzeitig ausgeschieden bzw. nach Zerlegung wieder in Ordnung gebracht werden. Zur Vermeidung einer Kantenpressung der piezoelektrischen Scheiben 1 in vorgespanntem Zustand des Meßkristallsatzes, die Randbrüche an den Scheiben 1 verursachen kann, ist die Scheibe 8 nahe ihrem äußeren Rand mit kleinerer Wandstärke ausgeführt, sodaß eine gewisse elastische Verformbarkeit besteht, derzufolge die Randzone frei von Spitzenbelastungen bleibt« Die Scheibe 8 ist weiters mit einem zentrischen zylindrischen Ansatz 8¹ -versehen, welcher zur Befestigung und Zentrierung der Scheibe 8 im Wandlergehäuse 10 dient*

Nach der Überprüfung wird die solcherart vorbereitete Baueinheit einschließlich der Spannschrauben 9 in das Wandler-

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gehäuse 10 (Fig. 3) eingesetzt, wobei der Ansatz 8¹ der
Scheibe 8 in eine Sackbohrung 10' des Gehäuses 10 mit
Preßsitz eingreift, damit bei Beschleunigungen des Gerätes
nach unten keine Fehlanzeige durch die Massenkräfte der
Scheibe 8 entstehtο Das Gehäuse 10 ist für den Durchtritt
der Schrauben 9 mit drei Bohrungen 12 versehen» Die Anschlußdrähte 5 und 6 werden vorerst durch eine zunächst noch offene seitliche Anschlußbohrung 13 hindurchgeführt (nicht dargestellt).

Nun wird die seismische Masse 11 auf die obere Scheibe 7 der vormontierten Meßeinheit aufgelegt und über die seismische Masse eine mit einem massiven Boden 14 versehene Rohrfeder 15 aufgesetzt, weiche längs ihres offenen Randes einen Schweißflansch 16 trägt«

Die Rohrfeder 15 wird nun in bekannter Weise unter
gleichzeitigem Auf bringen ei er endgültigen Vorspannung längs ihres Flansches 16 mit dem Wandlergehäuse 10 durch elektrische
Widerstandsschweißung (Ringschweißung) verbunden» Die Ringschulter 17 des Schweißflansches 16 dient hiebe! als Stützfläche für die eine als Hohlelektrode ausgebildete, in der
Zeichnung nicht dargestellte Elektrode eines Widerstandsschweißgerätes.

Der Meßkristallsatz steht nunmehr unter der durch die Rohrfeder 15 erzeugten betriebsmäßigen Vorspannung, wobei
eine Entladung der Spannschrauben 9 eintritt, welche somit leicht aua den Gewindebohrungen der Scheibe 7 ausgeschraubt

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und durch die Bohrungen 12 des Gehäuses 10 entfernt werden können.

In einem weiteren Arbeitsschritt wird eine als separate Baueinheit ausgebildete Anschlußbuchse 18, welche in einer abgesetzten Blechhülse 19 einen Isolierkörper 20 enthält, in den zwei hohle Steckerstifte 21 eingebettet sind, an die Anschlußbohrung 13 dea Gehäuses 10 herangebracht, wobei die Anschlußdrahte 5 und 6 durch die hohlen Steckerstifte 21 hindurchgezogen werden. Die Anschlußbuchse 18 wird nun längs ihres mit einem Sohweißflansch 22 versehenen Randes - mit der Anschlußbohrung 13 fluchtend - am Wandlergehäuse 10 angeschweii3to Zur Zentrierung der Anschlußbuchse 18 am Gehäuse greifen, wie aus Fig. 8 ersichtlich, am Schweißflansch 22 vorgesehene konische Zentrierflächen 23 und 24 in entsprechende Gegenflächen des Gehäuses 10 ein. Nach dein Anschweißen der Anschlußbuchse 18 werden die Enden der beiden Anschlußdrähte 5 und 6 mit den äußeren Enden der Steckerstifte 21 hurt verlötet.

Es besteht nun die Möglichkeit, vor der endgültigen Fertigstellung des Gerätes, die eine hermetische Abdichtung des Wandlergehäuses mit einschließt, den Wandler zunächst durch Erwärmen auszutrocknen und gegebenenfalls den Isolationewert nochmals zu überprüfen· Besonders günstige Isolationseigenschaften lassen sich durch Füllung des Gehäuseinneren mit einem Edelgas, beispielsweise Argon, erreichen. Nun erfolgt die hermetische Abdichtung des Gehäuses

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durch Einschweißen von Verschlußpfropfen 29 in die Bohrungen 12 des Gehäuses (vgl. insbesondere Fig. 7).

Es werden nun, soweit erforderlich, die Schweißflansche 16 und 22 durch Abdrehen entfernt und auf der Oberseite des Gehäuses 10 eine Schutzkappe 25 montiert, welche die Rohrfeder 15 einschließt. Das somit fertiggestellte Gerät entspricht der Darstellung der Fig. 5 und 6.

| Am Sockel des Gehäuses 10 sind radiale sowie ringförmige Aussparungen 26 bzw. 27 vorgesehen, durch die der Wärmeaustausch des Gerätes mit dem Meßobjekt verringert wird. Zur Befestigung des Beschleunigungsmeßgerätes am Meßobjekt weist das Gehäuse 10 weiters vier Bohrungen 28 für den Durchtritt von nicht dargestellten Befestigungsschrauben aufo

Die vorstehende Beschreibung betrifft nur ein vorzugsweises Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Rahmen der Erfindung besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, in.ihrem Aufbau abweichende Beschleunigungsmeßgeräte nach dem beschriebenen Verfahren herzustellen. So kann beispielsweise zur Erzeugung der Vorspannung anstelle der dargestellten Rohrfeder 15 ein von einer oder mehreren Plattenfedern gebildetes Federöystem treten, welches dann zwischen die seismische Masse und den Boden eines am Wandlergehäuse angeschweißten topfförmigen Verschlußstückes mit massiven Wänden eingelegt wird. Ebenso kann auch der dünnwandige Teil der Rohrfeder mit dem.Gehäuse des Wandlers aus einem Stück bestehen, wobei die Öffnung der

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Rohrfeder durch ein an ihrem ringförmigen Rand ange schweißtes scheibenförmiges Verschlußattlok rerschlossen wird.

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Claims

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Patentansprüche ι

1. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Beschleunigungsmeflgerätes mit vorgespannt·«, mit der seismischen Masse mechanisch gekoppelten und mit Elektroden und Verbindungsleitungen versehenen Heflkristallsatz sowie mit seitlich am Vandlergehiuse angeordneten mit den Ableitelektroden leitend verbundenen Anscblußateckern für * die Meßleitung, dadurch g β k · η η ze i ο haet , dad der MeBkristallest» ale separate Baueinheit vormontiert und zwi»oben awei Scheiben (7,8) mittels Schrauben (9) vorgespannt wird, anschließend auf !linearität« Empfindlichkeit und Isolation geprüft und danach in das fandlergehiuse (10) eingeaetat wird, worauf die seismische Masse (11) auf den Meflkrietalleat« aufgelegt und auf da· Wandlergebäuse (10) ein Verachlufletück, s.B, eine Rohrfeder (15), aufgeseilt und unter gleichseitigem Aufbringen der endgültigen Torspannung dme Verschluflstück am Wandlergehäuse (10) angeschweiflt wird, worauf die flpannecbrauben (9) des. Meßkrietmllsateee entfernt werden und das Gehäuse hermetisch abgedichtet wird.

Z, Terfahren naoh Anspruch 1, dadurch gekennieiebnet» d»J die Ableitelektroden mit den Anseblulsteckern (21) einer als eeparate Baueinheit ausgebildeten AnSohXuflbuohse (18) verbunden werden, worauf die Anschlu#bucbee (16) am Wandler- , gehäuse (10) angeschwellt wird. Λ

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (15) und gegebenenfalls die die Anschlußstecker (21) tragende Buchse (18) mit dem Wandlergehäuse (10) mittels elektrischer Ringschweißung verbunden werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die hermetische Abdichtung des Gehäuses (10) durch Einschweißen von Verschlußpfropfen (29) in für den Durchtritt der Spannschrauben (9) vorgesehene Gehäusebohrungen (12) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlergehäuse (10) vor dem Abdichten durch Erwärmen ausgetrocknet und der Isolationswert des Gerätes überprüft wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlergehäuse (10) vor dem Abdichten mit einem Edelgas, z.B. Argon, gefüllt wird.

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