DE19852073A1

DE19852073A1 - Piezoblock-Beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE19852073A1
Application number: DE19852073A
Authority: DE
Inventors: Thomas Berther; Reto Calderara; Kurt Vollenweider; Peter Dr Weber
Original assignee: KK Holding AG
Current assignee: KK Holding AG
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1998-11-11
Publication date: 1999-06-10
Also published as: US5983722A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungsmesser, bei dem ein piezoelektrisches Biegeelement zwischen zwei Halbblöcken eines keramischen Materials (z. B. Al₂O₃) eingeklemmt und befestigt ist, wobei zwischen den Halbblöcken zwei von einem gießbaren Dichtungsmaterial ausgefüllte Distanzspalte vorhanden sind. Das Biegeelement ist durch zwei Deckplatten abgedichtet, und ein Kon takteinschnitt mit wasserdichtem Dichtungsmaterial gefüllt. Damit stehen nur die Signaldrähte, welche durch Spritzmetallisierung oder andere bekannte Metallisierverfahren befestigt sind aus der Oberfläche hervor.

Die Außenabmessungen des Piezoblocks werden in einem für die Mo dalanalyse von elastischen Strukturen besonders günstigen, auser wählten Frequenzbereich für optimale elektrische Leistung gewählt, bei der ein sehr kräftiges Signal verbunden mit sehr geringem Ge wicht des Biegeelements gefordert ist. Für solche Anwendungen lie fert ein Piezokeramikelement ein mindestens 5-mal stärkeres Signal als jedes andere Schub- oder Kompressionselement von ähnlicher Größe oder Gewicht. Wegen seiner höheren Wärmeempfindlichkeit braucht das Biegeelement einen thermischen Schutz, der durch Ein betten in ein Material mit geringer Wärme-Leitfähigkeit sowie durch seitliche Deckplatten zu erreichen ist. Durch diese Maßnahmen läßt sich eine ausreichende Wärmestabilität sichern.

Der Vorteil der keramischen Halbblöcke ist ebenfalls offensicht lich, wenn das Sensorelement mit einer integrierten Elektronik ausgerüstet werden soll. Die Halbblöcke können Streifen kerami schen Materials sein, die in Mehrfachlosen hergestellt und nach Prüfung zu Einzelelementen geschnitten werden. Diese losweise Ver arbeitung, in der Mikrotechnik üblich, gestattet eine Massenpro duktion bei geringen Kosten.

Weitere Einzelheiten werden in Verbindung mit folgenden Zeich nungen erläutert

Fig. 1 zeigt dreidimensional einen Piezoblockelement-Beschleuni gungsmesser für Beschleunigungen in Z-Richtung;

Fig. 2 zeigt eine Anordnung für die Messung von zwei Komponenten nebeneinander, wodurch ein quadratisches Element entsteht;

Fig. 3 zeigt einen Würfel für die Messung aller drei senkrecht zu einander stehenden Richtungskomponenten, wodurch ein sehr kompakter kubischer Sensor entsteht;

Fig. 4 zeigt den Querschnitt A-A des Piezoblockelements von Fig. 1 und 6;

Fig. 5 zeigt die Seitenansicht E-E des Piezoblockelements in Fig. 4;

Fig. 6 zeigt den Grundriß B-B des Piezoblockelements;

Fig. 7 zeigt den Querschnitt A-A eines Halbblocks;

Fig. 8 zeigt das piezoelektrische Biegeelement;

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt A-A eines Piezoblockelements mit integrierter Elektronik.

Der erfindungsgemäße Piezoblock-Beschleunigungsmesser 1 gemäß Fig. 1 besteht aus dem oberen Halbblock 2 und dem unteren Halb block 3, beide aus keramischem Material, wie z. B. Aluminiumoxid, und miteinander verbunden über die Distanz- oder Befestiger spalte 5 für das Biegeelement 4 und die Distanz- oder Befestiger spalte 6 für die Biegeelement-Spieleinstellung. Zwischen den bei den Blöcken wird das piezoelektrische Biegeelement über eine ge wisse Länge eingeklemmt, während der Hauptteil entsprechend einer Beschleunigung in der Z-Richtung frei schwingen kann. Das Biege elementspiel 7 wird so eingestellt, daß ein Bruch des keramischen Biegeelements 4 durch zu starke Schockeinflüsse vermieden wird.

Die Außenabmessungen des Piezoblockelements stellen ein Quadrat A × A mit Blocklänge 2A dar. Das Element kann auf jede Arbeitsfläche an jeder Seite der Blockoberfläche geklebt werden.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung für Messungen in Z- und X-Richtung, was einen quadratischen Block von 2A und Höhe A ergibt.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung für Beschleunigungsmessungen in allen drei Richtungen X, Y, Z eines rechtwinkligen Koordinaten-Systems. Mit Vorteil ist diese Anordnung als kompakter Würfel ausgebildet, wobei das vierte Viertel 30 dem Würfels beispielsweise ein Guß block aus synthetischem Material sein kann, in den die Signallei tungen 9 für alle drei Richtungen und, gegebenenfalls, zusätzlich eine Erdleitung eingebettet sind. Es ist jedoch auch möglich, daß der Blockteil 30 ebenfalls aus Keramik besteht, und in ihn Kon taktstifte eingesetzt sind, mit denen die Signalleitungen 9 ver bunden sind.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt A-A eines Piezoblockelements mit ei ner Öffnung 10 für das schwingende Biegelement 4 und Kontaktmate rial 11 für die obere Fläche (+) und Kontaktmaterial 12 für die untere Fläche (-), wobei beide Flächen metallisiert sind. Kontakt mit den Signaldrähten 9 wird durch Löten oder durch leitfähiges Epoxidharz ermöglicht. Der Einschnitt oder Schlitz 8 dient dem Signaldrahtausgang 9 in jeder erwünschten Richtung. Dieser Schlitz 8 wird nach den Schlußprüfungen mit einem gießbaren Dichtungsmaterial ausgefüllt, wie z. B. Epoxidharz.

Fig. 5 zeigt die Seitenansicht E-E des Piezoblockelements mit den beiden Deckplatten 13, die sich über die ganze Blocklänge er strecken, wodurch die Öffnung 10 vollkommen dicht verschlossen wird. Die Deckplatten können für eine elektromagnetische Ab schirmung metallisch oder metallisiert sein.

Fig. 6 zeigt den Grundriß B-B des Piezoblockelements, mit dem piezoelektrischen Biegeelement 4 in der richtigen Lage. Die Länge C ist die Klemmfläche 16, und die Länge S ist der frei schwingende Teil des Biegeelements 4. Die Befestigungsfläche 14 an beiden Seiten des Schlitzes 8 liefert die Hauptklemmkraft für das Biegeelement 4. Die Befestigungsfläche 15 bestimmt das Spiel für das Biegelement 4, unter Vermeidung starker Schockeinflüsse. Da das Spiel 7 sehr wichtig und von Mikrometergrößenordnung ist, werden die erforderlichen Toleranzen durch den Befestigungsspalt 6 (Fig. 4) bestimmt, der von einer nicht gezeigten Montagevorrich tung eingestellt wird.

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt A-A durch ein Halbblockelement. Die Öffnung 10 für die Schwingung des Biegeelements 4 verlangt eine eng tolerierte Dimension "e" sowie eine Dimension "d" für die Klemmung des Biegeelements 4. Der Block kann aus Keramik sein, hergestellt durch bekannte Keramikformgebungsverfahren.

Fig. 8 zeigt ein piezoelektrisches Biegeelement, wie es von ver schiedenen Lieferanten in verschiedenen Größen erhältlich ist. Die piezokeramische Platte 18 ist verbunden, 19, mit der piezoker amischen Platte 20 und für den Anschluß der Signaldrähte 9 im Schlitz 8 mittels Kontaktmaterial 11 an den (+) Flächen und (-) Flächen metallisiert.

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt A-A durch ein Piezoblockelement mit integrierter Elektronik. Die elektronische Verbindungsfläche 22 des Substrats ist für eine Vielzahl von Sensoren mit elektroni schen Komponenten 23, Verbindungskontakten 24 und Verstärkeraus gangsstiften 25 versehen. Nach den Prüfungen werden alle Ein schnitte oder Schlitze 8 sowie die Elektronik mit einem Dichtungs material überzogen, z. B. Epoxid 26, bis zu den erwünschten Ab messungen. Nach dem Aushärten wird das Substrat bzw. werden die Scheiben zu einzelnen Piezoblöcken geschnitten, anschließend mit Deckplatten 13 abgedeckt und schließlich ganz flächig metalli siert. Dies ist notwendig, um eine elektromagnetische Abschirmung zu erreichen. Die fertigen Piezoblock-Beschleunigungsmesser haben identische Blockdimensionen mit oder ohne integrierter Elektronik.

Die Erfindung bezieht sich zusammenfassend auf einen mit einem Biegeelement (4) ausgestatteten Beschleunigungsmesser (1), der dank seiner geome trischen Außenabmessungen und Verhältnisse sich in jeder Richtung zur vorherrschenden Schwingung anordnen läßt, wobei die Höhe (A) und Breite (A) gleich sind und die halbe Länge betragen. Diese dimensionalen Verhältnisse gestatten einfache Einzelkomponenten-(Z) oder Mehrkomponenten-Messungen (X, Y, Z) bei optimalen Gewichten des Biegelelements (4) und minimalen Abmessungen. Der Beschleuni gungsmesser (1) wird nach bekannten Technologien aus keramischen Materialien hergestellt und besteht aus zwei Halbblöcken (2, 3) mit einem piezoelektrischen Biegeelement (4) dazwischen eingeklemmt.

Die engen Teiltoleranzen werden durch zwei Befestigungsspalten (5, 6) überwunden, die mit einem Spezialmaterial für Mikrokomponen ten ausgefüllt sind. Diese Methode erlaubt einen Ausgleich der Toleranzunterschiede mittels der Befestigungsspalten (5, 6) und der Bestfestigungsschicht, wodurch eine höhere Massenproduktion bei niedrigem Preis ermöglicht wird. Die Halbblöcke (2, 3) bestehen aus einem Keramikmaterial, das in Streifen geschliffen und durch be kannte losweise Produktionsverfahren mit elektronischen Komponen ten verarbeitet wird. Die beiden Seiten der Blöcke (2, 3) werden durch Deckplatten (13) geschützt. Der Anschlußeinschnitt (8) wird mit einem wasserdichten Dichtungsmaterial ausgefüllt. Der Be schleunigungsmesser (1), mit oder ohne integrierter Elektronik, ist luft- und wasserdicht verschlossen, wobei lediglich die Signaldrähte (9) außen hervorstehen. Um einen Bruch bei extrem hoher Schockeinwirkung auszuschließen, besitzt die Öffnung (10) für die Biegeelementschwingung enge Toleranzen (7) gegenüber dem Biegeelement (4). Aufgrund der präzisen Klemmanordnung wird ein sehr geringes übersprechen erreicht. Die Anordnung sowie das neu artige Produktionsverfahren ergeben ein Hochpräzisionsinstrument mit breiten Anwendungen, bei einem sehr konkurrenzfähigen Preis.

Bezugszeichenliste Fig. 1

1

Beschleunigungsmesser

2

Oberer Halbblock

3

Unterer Halbblock

4

Piezoelektrisches Biegeelement

5

Befestigungsspalt für Biegeelement

6

Befestigungsspalt für Biegeelementspiel

7

Spiel für Biegelement

8

Einschnitt oder Schlitz für Kontakte

9

Signaldrähte

Fig. 2 und 3

A Blockbreite, Blockhöhe

2

A Blocklänge
XYZ Koordinaten der Schwingungsamplituden

30

Blockteil

Fig. 4

10

Öffnung für Biegeelementschwingung

11

Kontaktmaterial auf (+) Fläche

12

Kontaktmaterial auf (-) Fläche

Fig. 5, 6, und 7

13

Deckplatten
c Länge der Klemmfläche
s Freie Biegungslänge des piezoelektrischen Biegeelements

14

Befestigungsfläche für Biegeelement

15

Befestigungsfläche für Biegeelementspiel
d Tiefe für Klemmung des piezoelektrischen Biegeelements
e Tiefe für Anschlag des piezoelektrischen Biegeelements

16

Klemmfläche des piezoelektrischen Biegeelements

Fig. 8 und 9

18

Piezokeramische Platte

19

Verbindungsfläche

20

Piezokeramische Platte

Fig. 9

22

Elektronische Verbindungsfläche

23

Elektronische Komponenten

24

Verbindungskontakte der Signaldrähte

9

25

Verstärkerausgangsstifte

26

Dichtungsmaterial

Claims

1. Piezoblock-Beschleunigungsmesser vom Biegeelement-Typ, minde stens enthaltend:

- zwei Halbblöcke (2, 3) eines Keramikmaterials von geringer Wärmeleitfähigkeit;
- ein piezoelektrisches Biegelement (4), geklemmt und befestigt zwischen einem Befestigerspalt (5) für das Biegeelement (4) und einem Befestigerspalt (6) für das Biegeelementspiel (7);
- einen Einschnitt (8) für die Signaldrähte (9);
- sowie zwei Deckplatten (13) mit den Außenabmessungen des Piezoblock-Beschleunigungsmessers, dessen Abmessungen der Querschnitt A×A und die Länge 2A sind.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, wobei die Deck platten (13) an ihren Außenflächen metallisiert sind.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elek tronik auf einem der beiden Halbblöcke (2, 3) integriert und zum Schutz mit einem gießbaren Dichtungsmaterial überzogen ist, wobei ferner die ganze Oberfläche des Beschleunigungsmessers (1) metal lisiert ist.

4. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wo bei ein normales piezoelektrisches Biegeelement (4) über eine Länge (c) eingeklemmt, mit einer freien Schwingungslänge (S) versehen und über den Einschnitt (8) kontaktiert ist.

5. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Spiel (7) des Biegeelements (4) so dimensioniert ist, daß ein Bruch des piezoelektrischen Biegeelements (4) ausgeschlossen ist.

6. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Klemmkraft für das Biegeelement (4) in den Befestigungsflächen (14) an beiden Seiten des Einschnitts (8) durch Trocknen und Kühlen des Befestigungsmaterials im Spalt (5) aufgebracht ist.

7. Beschleunigungsmesser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsfläche (15) haupt sächlich zur Einstellung des Biegeelementspiels (7) in seine richtige Lage, mittels der Montagevorrichtung dient.

8. Beschleunigungsmesser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (22) eines Blocks als Unterlage für eine integrierte Elektronik dient, mit Anschluß an das piezoelektrische Biegeelement (4) innerhalb des Ein schnitts (8).

9. Beschleunigungsmesser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsspalten (5, 6) mit einem Epoxidharz ausgefüllt sind.

10. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Befestigungsspalten (5, 6) mit einer Flüssigglasmasse ausgefüllt sind.

11. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Befestigungsspalten (5, 6) mit einem Metalllot ausgefüllt sind.