DE19651227C2 - Meßanordnung mit einem piezoelektrischen, anisotropen Meßelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung mit einem piezoelek­ trischen Meßelement, welches zwischen zwei krafteinleitenden Auflagern angeordnet ist und zu diesen in einer normal auf die Richtung der Krafteinleitung stehenden Ebene ein anisotropes Wärmedehnungs- und Querdehnungsverhalten aufweist, wobei die Fixierung des Meßelementes in dieser Ebene durch Reibung an den beiden Auflagern erfolgt.

Piezokristalle haben die Eigenschaft unter Einwirkung von Kräften elektrische Ladungen abzugeben. Dieser Effekt wird be­ nutzt, um damit Kraftmessungen zu realisieren.

Neben vielen ausgezeichneten Eigenschaften fällt aber beim Bau von Kraftmeßelementen aus Piezokristallen eine Eigenschaft dieser Materialien negativ auf, nämlich die Anisotropie eini­ ger Stoffwerte, wie Wärmedehnung oder Querdehnung unter mecha­ nischer Spannung. An das eigentliche piezoelektrische Meßele­ ment schließt praktisch immer ein Gehäuse an oder zumindest krafteinleitende Auflager bei welchen Anisotropien in ähnli­ cher Größe, wie bei den in Frage kommenden Piezokristallen praktisch nicht zu finden sind. Im Übergangsbereich vom aniso­ tropen Kristall zum isotropen Auflager treten daher immer Zu­ stände auf, wie sie weiter unten anhand der Fig. 1A bis 2C ge­ zeigt werden. Unter Druckbelastung oder bei Erwärmung dehnen sich an den Kontaktflächen das Meßelement und das Auflager zu­ mindest in eine Richtung unterschiedlich aus und es kommt zum reibungsbehafteten Gleiten der Teile aufeinander oder zu star­ ken Verspannungen sowohl des Auflagers als auch des Meßelemen­ tes, weil isotropes und anisotropes Material bestenfalls in einer Richtung dehnungsangepaßt sein können. Meist wird das Material des Druckstückes oder Auflagers so gewählt, daß sein Wärmedehnungskoeffizient ebenso wie sein Querdehnungskoeffizi­ ent zwischen den jeweiligen Extremwerten des Kristalls gemes­ sen in der Ebene der Berührungsfläche liegt, sodaß auf diese Weise eine Beschränkung der Verspannungen bzw. der Gleitvor­ gänge erreicht wird.

Die durch die Anisotropie hervorgerufenen Spannungen können zur Zerstörung des Auflagers oder des Kristalls führen, letzteres vor allem bei dünnen Meßelementen, wie sie bei der Nutzung des sogenannten longitudinalen Piezoeffektes (Ladungsabnahme erfolgt in der Druckfläche) häufig verwendet werden. Die über große Flächen aufintegrierten Reibungskräfte wirken hier auf einen normal zu diesen Kräften verhältnismäßig geringen Querschnitt.

Weiters wird durch Verspannungen des Kristalls auch dessen La­ dungsabgabe, d. h. das Meßsignal beeinflußt. Solange diese Verspannungen aufgrund der Meßkraft und proportional dazu durch Querdehnung entstehen und proportional zu dieser sind, stören sie weiters nicht. Meist aber kommt es in Teilen der Druckfläche zwischen Kristall und Auflager zu reibungsbehafte­ tem Gleiten und damit zu Hystereseerscheinungen im Meßsignal, die natürlich unerwünscht sind. Sowohl bei den Longitudinal­ elementen als auch bei den Transversalelementen (Ladungsabgabe erfolgt an einer quer zur Belastung liegenden Fläche des Kri­ stalls) werden große Bereiche des Kristallelements von derar­ tigen Verspannungen am Übergang von isotropen zu anisotropen Material überlagert. Auf gleiche Weise entstehen ebenso uner­ wünschte temperaturbedingte Verspannungen am Übergang zwischen Kristall und Auflager. Ladungen bzw. Meßsignalanteile, die von diesen durckunabhängigen Spannungskomponenten stammen verfäl­ schen das Meßergebnis.

Im Zusammenhang mit der Fixierung eines Druckmeßelementes zwischen zwei krafteinleitenden Auflagern ist aus der US 4 738 146 A eine Meßanordnung bekannt geworden, bei welcher ein um einen Trägerring gewickelter Widerstandsdraht durch die beiden Auflager mit dem zu messenden Druck beaufschlagt wird. Der Widerstandsdraht wird dabei zum Teil in die Poren bzw. Unebenheiten der Auflager gepreßt und so in den Auflagern verankert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs be­ schriebene Meßanordnung derart zu verbessern, daß druckunab­ hängige Spannungskomponenten im Bereich zwischen Auflager und piezoelektrischgem Meßelement weitgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das piezoelektrische Meßelement oder die dem piezoelektrischen Meßelement zugekehrten Endbereiche beider Auflager in mehrere stab-, rollen- oder stegförmige Elemente unterteilt ist bzw. sind, sowie daß die beiden Auflager und das piezoelektrische Meßelement in Längsrichtung der stab-, rollen- oder stegförmi­ gen Elemente normal auf die Richtung der Krafteinleitung im wesentlichen dieselbe Wärmedehnung oder Querdehnung aufweisen. Beseitigt bzw. minimiert werden die genannten Probleme somit durch eine "anisotrope Bauform" des Meßelementes bzw. des Auf­ lagers.

Insbesondere ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Auflager aus isotropem Material bestehen und das piezoelektrische Meße­ lement in schmale stabförmige Elemente unterteilt ist, deren Wärme- und Querdehnung in Längsrichtung mit jener der isotro­ pen Auflager im wesentlichen übereinstimmt, bzw. daß die dem piezoelektrischen Meßelement zugekehrten Endbereiche beider Auflager aus isotropem Material stegförmige Elemente, Rollen oder Rollensegmente aufweisen, deren Wärme- und Querdehnung in Längsrichtung an jene des piezoelektrischen Meßelementes ange­ paßt ist.

Erfindungsgemäße Ausführungsvarianten werden anhand der fol­ genden Beispiele beschrieben: Es zeigen Fig. 1A bis 1C eine herkömmliche Meßanordnung mit Transversalelement, Fig. 2A bis 2C eine herkömmliche Meßanordnung mit Longitudinalelement, je­ weils in mehreren schematischen Ansichten sowie die Fig. 3A bis Fig. 9 Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Meßan­ ordnung.

Die Fig. 1A bis 1C zeigen in schematischer Darstellung eine herkömmliche Meßanordnung mit einem piezoelektrischen Meßele­ ment 1 (Transversalelement), welches zwischen zwei kraftein­ leitenden Auflagern 2 bzw. 3 angeordnet und mit einer Kraft F beaufschlagt ist. Die Ladungsabgabeflächen stehen beim Trans­ versalelement auf die beiden Druckflächen 4, 5 normal und wei­ sen Elektroden 6 bzw. 7 zur Ladungsabfuhr auf.

Bei der Erwärmung des anisotropen Meßelementes 1 zwischen den isotropen Druckstücken bzw. Auflagern 2 und 3 kommt es in stark überhöhter Darstellung zu den in den Fig. 1A bis 1C ge­ zeigten Verspannungen, wobei mit strichlierten Linien 1' die theoretische, von angrenzendem Material unbeeiflußte Form des Meßelementes 1 und mit 2' sowie 3' jene der beiden Auflager 2, 3 bei Ausdehnung der Meßanordnung durch Wärme- oder Druckbela­ stung veranschaulicht wird. Aus Fig. 1C (Schnitt entlang der Linie I-I in Fig. 1A) ist ersichtlich, daß das aniosotrope Me­ ßelement 1' in Richtung A eine größere Wärmedehnung (bzw. Querdehnung) aufweist als das Auflager 2' und sich in Richtung B die Verhältnisse umkehren. Durch die unterschiedli­ che Ausdehnung des Meßelementes 1 und der Auflager 2, 3 kommt es im Bereich der Druckflächen 4, 5 zu Verspannungen, welche in Richtung B (siehe Fig. 1A) als Einschnürung und in Rich­ tung A (siehe Fig. 1B) als Ausbuchtung des Meßelementes er­ kennbar sind. Die sich nach Erwärmung oder Druckbelastung ein­ stellende Außenkontur des Meßelementes wird mit 1e jene der beiden Auflager mit 2e bzw. 3e beschrieben. Die in Richtung der eingeleiteten Druckkräfte F auftretende Wärmedehnung ist in den Zeichnungen nicht dargestellt.

Ähnlich sehen die Verhältnisse auch bei einem Longitudinalele­ ment in einer herklömmlichen Meßanordnung aus, wie in Fig. 2A bis 2C dargestellt. Bei einem Meßelement 1, bei welchem der Longitudinaleffekt genutzt wird, erfolgt die Ladungsabgabe mittels Elektroden 6, 7 in den Druckflächen 4, 5. Aufgrund der dünnen Longitudinalelemente besteht in herkömmlichen Meßanord­ nungen eine große Bruchgefahr durch hohe Zugspannungen im Be­ reich 8.

Die folgenden Darstellungen Fig. 3A bis 9 zeigen erfindungsge­ mäße Ausführungsvarianten einer Meßanordnung, wobei die Fig. 3A, 3B bzw. 4A, 4B Varianten zeigen, bei welchen der Kri­ stallblock des Meßelementes 1 in stab- oder streifenförmige Elemente 9 unterteilt ist. Wie in den Fig. 3A bis 4B gezeigt, wird der Querschnitt des Meßelementes 1 in schmale Elemente 9 unterteilt, sodaß aus einem großen Kristallblock oder einer Scheibe eine Reihe dünner Einzelelemente entsteht und das Ma­ terial der Auflager 2 und 3 so gewählt, daß deren Querdehnung und/oder Wärmedehnung mit den Werten des Meßelementes in Längsrichtung der schmalen Elemente 9 übereinstimmt (Pfeil a in Fig. 3B und 4B). Damit wird erreicht, daß in Längsrichtung der Einzelelemente keinerlei unterschiedliche Dehnung zwischen Auflager 2, 3 und Meßelement 1 auftritt, also auch keine Ver­ spannung, kein Bruch und keine Beeinflussung des Meßsignals. In manchen Fällen wird es reichen, nur den wesentlichen Deh­ nungskoeffizienten des Auflagers an den entsprechenden Koeffi­ zienten in Längsrichtung der schmalen Einzelkristalle anzupas­ sen. Bei mechanisch wenig, thermisch aber hoch belasteten Meß­ elementen wird ein Großteil der möglichen Vorteile durch An­ passung der Wärmedehnungskoeffizienten erreicht, bei Meßele­ menten, die im wesentlichen bei konstanter Temperatur arbei­ ten, aber mechanisch hoch belastet sind, genügt die Anpassung der Querdehnungskoeffizienten. In Richtung der Schmalseite der stabförmigen Einzelelemente treten zwar gegenüber einem Aufla­ ger mit mittleren Dehnungskoeffizienten gemäß Stand der Tech­ nik relativ größere Spannungen auf, allerdings kann deren Ein­ fluß auf Festigkeit und Meßsignal durch Wahl der Breite der Einzelelemente 9 auf eine vorgebbare Größe beschränkt werden.

Bei dünnen Longitudinalelementen, wie z. B. in Fig. 4A und Fig. 4B, wird das Zerreißen des Kristalls durch die Untertei­ lung in Einzelkristalle verhindert, wenn die durch Reibung übertragbare Kraft an den Druckflächen 4, 5 kleiner ist als die von Festigkeit und Querschnitt des Kristalls abhängige Bruchkraft.

Unter Vernachlässigung von Spannungsabbau durch Elastizität besteht keine Bruchgefahr solange gilt:

s . L . σ_B < F . µ

bei

F = b . L . p

gilt

s . L . σ_B < b . L . p . µ

also

mit s, L, b... Dicke, Länge, Breite des Kristallelementes 9 σ_B... Bruchfestigkeit des Kristallelementes 9 in Breitenrich­ tung
F... gesamte Druckkraft auf das Meßelement 1
µ... Reibungskoeffizient zwischen Meßelement 1 und Auflager
p... Druck in der Kontaktfläche zwischen Meßelement und Auflager

Bei hohen Transversalelementen, wie in Fig. 3A und 3B, gelten für die Steigerung der Bruchbeständigkeit ähnliche Zusammen­ hänge. Hier hat man aber zusätzlich noch den Vorteil, daß Querdehnungsunterschiede am Übergang zwischen den stabförmigen Elementen 9 des Meßelementes 1 und den Auflagern 2, 3 sich in Druckrichtung bzw. Höhe des Meßelementes 1 nur bis in Bereiche auswirken, die etwa der Breite der Kontaktzone entsprechen. Sehr dünne stabförmige Elemente 9, die nur über ihre geringe Dicke Dehnungsunterschiede zum Auflager 2 bzw. 3 aufweisen, sind also, wie in Fig. 3A dargestellt, in einem großen Bereich von Störungen an der Kontaktzone praktisch unbeeinflußt.

Wie in Fig. 5 dargestellt, kann die Größe der gestörten Berei­ che durch die Verringerung der Dicke D der Einzelelemente 9 minimiert werden. Der noch vorhandene Einfluß auf das Meßsi­ gnal kann dadurch vermieden werden, daß Ladung für das kraft­ proportionale Meßsignal nur aus ungestörten Bereichen 10 abge­ nommen wird, während Ladung aus gestörten Bereichen 11 kurzge­ schlossen wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein Teil der Elektrode 6 den gestörten Bereich 11 zum Auflager 2 und ein Teil der Elektrode 7 den gestörten Bereich 11 zum Auf­ lager 3 kurzschließt. Lediglich die im ungestörten Bereich 10 abgegriffenen Ladungen tragen zum Meßsignal bei.

Ähnliche Effekte, wie sie durch die Teilung des anisotropen Meßelementes 1 zu erzielen sind, lassen sich auch durch die anisotrope Formgebung der Endbereiche 16, 17 der isotropen Auflager 2, 3 erzielen. Wie in den Fig. 6A bis 9 dargelegt, kann durch die Trennung der kompakten Auflager 2, 3 in schmale, beispielsweise stegförmige Elemente 12 und Anpassung der Quer- und/oder Wärmedehnung in Längsrichtung dieser Ele­ mente 12 an die zugeordnete Kristalldehnung des Meßelementes die Verspannung zwischen Meßelement 1 und Auflager 2, 3 in dieser Richtung (siehe Pfeil a) völlig vermieden werden. Die in Richtung (siehe Pfeil b) quer zu diesen schmalen Elemen­ ten 12 auftretenden Spannungen aus in dieser Richtung unter­ schiedlichen Dehnungen ist durch die Breite der schmalen steg­ förmigen Elemente 12 auf wählbare, zulässige Größen beschränk­ bar. Ein Unterschied gegenüber der Teilung des Meßelementes in stabförmige Elemente besteht darin, daß die schmalen Ele­ mente 12 in Querrichtung (bei Dehnung durch Wärme oder Last) an ihrer Kontaktzone zum anisotropen Meßelement andere Wege zurücklegen als an ihrer Kontaktstelle zum weiterführenden isotropen Auflager 2, 3, der in seiner Querdehnung an die Kri­ stalldehnung in Längsrichtung der schmalen Elemente 12 ange­ paßt ist. Dadurch verkippen die schmalen stegförmigen Ele­ mente 12 (siehe Fig. 6A), was zu Kantenpressung und großer Bruchgefahr am spröden Meßelement 1 führen kann. Eine Möglich­ keit diese Kantenpressung zu minimieren, besteht darin, die schmalen Stege 12 der Auflager 2 und 3 möglichst hoch zu ge­ stalten, wodurch allerdings die Steifigkeit des Auflagers in seitlicher Richtung stark reduziert wird.

Eine Axialverschiebung der Auflager 2, 3 in Richtung der wir­ kenden Kraft F - hervorgerufen durch verkippende Stege 12 - kann durch geeignete Formgebung der Kontaktflächen der steg­ förmigen Elemente 12 zum Meßelement 1 oder zu einer Zwischen­ lage ausgeschaltet werden. Die Kontaktflächen können bei­ spielsweise eine Form aufweisen, die ein Abrollen dieser Flä­ chen auf dem Gegenstück ohne Axialhub des Auflagers 3 erlauben (siehe Fig. 8). Zur Minimierung der Bruchgefahr können z. B. die stegförmigen Elemente 12 am freien, zum piezoelektrischen Meßelement 1 gerichteten Ende vorzugsweise zylinderförmig ab­ gerundet sein, wobei der Radius r in etwa der Höhe der steg­ förmigen Elemente 12 entspricht.

Eine weitere Möglichkeit diese Bruchgefahr zu beseitigen ist dadurch gegeben, daß zwischen jedem der Auflager 2, 3 und dem piezoelektrischen Meßelement 1 eine Zwischenlage 13 aus einem elastischen, druckfesten Material, vorzugsweise aus einem Me­ tall oder einer Metallegierung, angeordnet ist. Durch die Ver­ wendung einer Zwischenlage 13 aus elastischem, festem und zä­ hem Material, das den hohen Spannungen aus der Linienpressung standhält, werden die Spannungen bis zum Meßelement 1 auf eine ausreichend große Fläche bzw. Bereich 14 (siehe Fig. 7D als Detail D in Fig. 7A) verteilt. Materialien, die dafür geeignet sind, weisen in der Regel ebenfalls isotrope Dehnungen auf, verursachen also im Zusammenwirken mit dem anisotropen Meßele­ ment 1 bei Wärme- oder Querdehnung, ebenfalls Verspannungen. Auch für die Zwischenlage 13 bringt die beschriebene aniso­ trope Formgebung durch Unterteilung in schmale streifenförmige Elemente 15 Abhilfe, wobei deren Längsrichtung auf jene der stegförmigen Elemente 12 oder der Rollen bzw. Rollenseg­ mente 18 normal steht (siehe Fig. 7B).

Eine weitere einfache Möglichkeit zur Realisierung eines axi­ alhubfreien Auflagers, das Querdehnungsunterschiede praktisch kraftfrei zuläßt, ist ein Rollenlager, wie in Fig. 9 darge­ sellt, wobei Rollen oder Rollensegmente 18 zur Anwendung kom­ men. Wärme- und/oder Querdehnung durch Last aller in Kontakt stehenden Teile, nämlich Meßelement 1, Rollensegment 18 und Auflager 3 müssen in Richtung der Rollenachsen übereinstimmen. Auch bei dieser Ausführungsvariante entsteht an den Kontakt­ flächen Linienpressung, welche durch eine Zwischenlage 13 ver­ mindert werden kann, um die Bruchgefahr zu reduzieren.

Bei den Ausführungsvarianten gemäß Fig. 6A bis Fig. 8 wird mit zunehmender Höhe der stegförmigen Elemente 12 und abnehmender Stegbreite - beides ist zur Vermeidung hoher Kantenpressung und Querspannung günstig - die Gefahr des seitlichen Auskip­ pens des Meßelementes 1 größer. Damit können bezüglich Stoßfe­ stigkeit oder Eigenfrequenz Probleme entstehen. Rollenförmige Elemente bzw. Rollensegmente 18 können natürlich überhaupt keine seitlichen Kräfte aufnehmen. Die damit zusammenhängenden Probleme sind zu beseitigen, wenn die Längsrichtung der steg­ förmigen Elemente 12 oder Rollensegmente 18 eines Auflagers 2 auf die Längsrichtung der stegförmigen Elemente 12 oder Rol­ lensegmente 18 des anderen Auflagers 3 normal stehen. Die stegförmigen Bereiche 12 bzw. Rollen oder Rollensegmente 18 müssen bei dieser Ausführungsvariante an die jeweils in ihrer Längsrichtung wirkende Dehnung des Meßelementes 1 angepaßt sein, also auf jeder Seite des Meßelementes 1 unterschiedliche Längsdehnungen aufweisen. Dadurch wird eine relativ steife, stoßsichere Lagerung des Meßelementes mit hoher Eigenfrequenz erreicht.

Claims (9)

1. Meßanordnung mit einem piezoelektrischen Meßelement, wel­ ches zwischen zwei krafteinleitenden Auflagern angeordnet ist und zu diesen in einer normal auf die Richtung der Krafteinleitung stehenden Ebene ein anisotropes Wärmedeh­ nungs- und Querdehnungsverhalten aufweist, wobei die Fi­ xierung des Meßelementes in dieser Ebene durch Reibung an den beiden Auflagern erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Meßelement (1) oder die dem piezo­ elektrischen Meßelement zugekehrten Endbereiche (16, 17) beider Auflager (2, 3) in mehrere stab-, rollen- oder stegförmige Elemente (9; 12; 18) unterteilt ist bzw. sind, sowie daß die beiden Auflager (2, 3) und das piezoelektri­ sche Meßelement (1) in Längsrichtung der stab-, rollen- oder stegförmigen Elemente (9; 12; 18) normal auf die Richtung der Krafteinleitung im wesentlichen dieselbe Wär­ medehnung oder Querdehnung aufweisen.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflager (2, 3) aus isotropem Material bestehen und das piezoelektrische Meßelement (1) in schmale stabförmige Elemente (9) unterteilt ist, deren Wärme- und Querdehnung in Längsrichtung mit jener der isotropen Auflager (2, 3) im wesentlichen übereinstimmt.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem piezoelektrischen Meßelement zugekehrten Endberei­ che (16, 17) beider Auflager (2, 3) aus isotropem Material stegförmige Elemente (12) aufweisen, deren Wärme- und Querdehnung in Längsrichtung mit jener des piezoelektri­ schen Meßelementes (1) im wesentlichen übereinstimmt.

4. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stegförmigen Elemente (12) am freien, zum piezoelek­ trischen Meßelement (1) gerichteten Ende eine Form aufwei­ sen, die ein Abrollen der Kontaktflächen am Meßelement (1) oder einer allfälligen Zwischenlage ohne Axialhub der Auf­ lager (2, 3) zulassen.

5. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem piezoelektrischen Meßelement (1) zugekehrten End­ bereiche (16, 17) beider Auflager (2, 3) aus isotropem Ma­ terial Rollen oder Rollensegmente (18) aufweisen, deren Wärme- und Querdehnung in Längsrichtung mit jener des pie­ zoelektrischen Meßelementes (1) im wesentlichen überein­ stimmt.

6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Längsrichtung der stegförmigen Ele­ mente (12), Rollen oder Rollensegmente (18) eines Aufla­ gers (2) auf die Längsrichtung der stegförmigen Ele­ mente (12), Rollen oder Rollensegmente (18) des anderen Auflagers (3) normal stehen.

7. Meßanordnung nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen jedem der Auflager (2, 3) und dem piezoelektrischen Meßelement (1) eine Zwischen­ lage (13) aus einem elastischen, druckfesten Material, vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metallegierung, angeordnet ist.

8. Meßanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (13) in mehrere streifenförmige Ele­ mente (15) unterteilt ist, wobei deren Längsrichtung nor­ mal auf die Längsrichtung der stegförmigen Elemente (12) oder der Rollen bzw. Rollensegmente (20) ausgerichtet ist.

9. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Verwendung eines Transversalelemen­ tes als Meßelement (1) die durch die Wärme- und/oder Quer­ dehnung gestörten Bereiche des Meßelementes (1) durch Elektroden elektrisch kurzgeschlossen sind, während die Ladungsabfuhr aus einem mittleren ungestörten Bereich (10) des Meßelementes (1) erfolgt.