EP4689574A1 - Vibrationssensor - Google Patents

Vibrationssensor

Info

Publication number
EP4689574A1
EP4689574A1 EP24716117.7A EP24716117A EP4689574A1 EP 4689574 A1 EP4689574 A1 EP 4689574A1 EP 24716117 A EP24716117 A EP 24716117A EP 4689574 A1 EP4689574 A1 EP 4689574A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piezo
vibration sensor
recess
contact
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24716117.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Gruhler
Julian Epting
Benjamin Schätzle
Maximilian HAAS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vega Grieshaber KG
Original Assignee
Vega Grieshaber KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vega Grieshaber KG filed Critical Vega Grieshaber KG
Publication of EP4689574A1 publication Critical patent/EP4689574A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2968—Transducers specially adapted for acoustic level indicators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2966—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves
    • G01F23/2967—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves for discrete levels

Definitions

  • the invention relates to a vibration sensor according to claim 1.
  • vibration sensors which are used, for example, as vibration limit switches, whereby the vibration sensor has a membrane which can be excited to vibrate via a drive unit, by means of which a mechanical oscillator, for example a tuning fork, arranged on the membrane can often be excited to vibrate.
  • a mechanical oscillator for example a tuning fork
  • it can vibrate at a characteristic frequency which can be detected by the vibration sensor and converted into a measurement signal.
  • Such vibration sensors can also be referred to as vibronic sensors.
  • Piezo actuators with a piezo element e.g.
  • piezo ceramic and electrodes are often used as electromechanical transducers in the drive unit of such a sensor.
  • a well-known concept is to fix the piezo actuator using an adhesive connection. This concept is being used more and more frequently because it offers improved performance, lower manufacturing costs and greater automation than, for example, with a screwed piezo actuator.
  • an adhesive layer can be applied to the membrane, a compensating element, e.g. a compensating ceramic, can be glued to the membrane, an adhesive layer can be applied to the compensating ceramic and an adhesive connection can be made to the piezo actuator with this.
  • the piezo actuator in particular an electrode surface of its electrode, can then be contacted, e.g. via a flexible circuit board, to create an electrical connection between the electrode surface and an electronic device.
  • the flexible circuit board can be a so-called flex conductor.
  • the disadvantage here can be that the piezo actuator must be aligned very precisely in terms of its position and rotational position before gluing and often needs to be fixed until the adhesive has hardened. In addition, this alignment is often difficult. Another disadvantage can be that the performance of the piezo actuator is not as high as would be desirable. Another disadvantage can be that the adhesive bond used to connect the piezo actuator to the Membrane is operatively connected and must be thin to achieve good vibration transmission, is not sufficiently stable or uniform. In addition, this adhesive connection and the electrical connection between the electronics and the electrode surface can have a negative influence on each other. For example, this adhesive connection can make it difficult to establish the electrical connection.
  • a vibration sensor according to the invention is used to detect fill levels, limit levels or to monitor process parameters and comprises a membrane that can be set in vibration.
  • a vibration sensor according to the invention comprises a drive unit, wherein the drive unit comprises a piezo actuator.
  • the piezo actuator has a piezo element and an electrode connected to the piezo element.
  • the electrode has an electrode surface.
  • a vibration sensor according to the invention comprises an adhesive connection with the aid of which the piezo actuator is operatively connected to the membrane in such a way that vibrations of the piezo actuator can be transferred to the membrane and preferably vibrations of the membrane can also be transferred to the piezo actuator.
  • This adhesive connection can in particular also be referred to as an assembly adhesive connection.
  • the piezo actuator can be mounted in the sensor using the assembly adhesive connection.
  • the piezo actuator preferably serves both to set the membrane in vibration and to detect the vibration of the membrane.
  • the drive unit is therefore in particular a glued piezo drive or glued piezo actuator.
  • a vibration sensor according to the invention comprises electronics and an electrical connection between the electronics and the electrode surface.
  • the piezo element has a recess and the electrical connection runs through the recess.
  • An electrical conductor that is electrically connected to the electrode surface is arranged in the recess.
  • the electrical conductor can be part of the piezo actuator and it can be a metallization of the wall of the recess of the piezo element.
  • the vibration sensor has a closure element that closes the recess.
  • the electrical connection only slightly affects the active surface of the piezo element and at most in a way that causes no or only minor interference modes.
  • the effect that an asymmetrical or offset positioning of the piezo actuator promotes or amplifies erroneous signals due to the geometry of the piezo actuator and the matching vibrating fork structure when externally excited by interference modes can be reduced or prevented. This can improve the performance of the piezo actuator and reduce the susceptibility to interference modes.
  • the piezo drive can therefore be designed particularly easily to be symmetrical, e.g. rotationally symmetrical.
  • rotationally symmetrical means that a rotation by any angle around the axis of rotation leads to an image on itself.
  • An inventive vibration sensor can be less sensitive to position tolerances of the piezo actuator.
  • a prerequisite is also created for the adhesive connection to be particularly reliable, since the closure element can prevent or reduce a capillary effect of the recess that weakens the adhesive connection.
  • the suction or penetration of adhesive of the assembly adhesive connection into the recess before it hardens due to the capillary effect can be reduced or avoided.
  • the strength of the assembly adhesive connection can also depend on whether suitable adhesive menisci, i.e. adhesive beads or adhesive hollows, form at the edges. This is because these adhesive menisci can even out the mechanical stress curve or prevent points of attack for cracks to form.
  • the closure element can prevent unevenness or weakening of the assembly adhesive connection or disruption of the formation of an adhesive meniscus by adhesive of the assembly adhesive connection with a high degree of certainty, or reduce this to an acceptable level.
  • the extent to which adhesive from the assembly adhesive connection penetrates into the recess can be reduced to the formation of an adhesive meniscus, which, due to its shape and size, is particularly effective in preventing points of attack for cracking.
  • Preventing or reducing the suction or penetration of adhesive from the assembly adhesive connection into the recess can have the additional advantage that no or less area of the wall of the recess or the metallization of this Wall is covered by adhesive of the assembly adhesive connection and is therefore no longer available for electrical contact. This can prevent or reduce the difficulty of establishing an electrical connection between the electronics and the electrode surface caused by the assembly adhesive connection.
  • a small recess means in particular a recess whose diameter is smaller than 5 mm or 2 mm or 1 mm. The diameter of the recess is preferably larger than 0.1 mm.
  • the diameter of the recess is preferably 0.8 mm. Since recesses smaller than 0.8 mm would have to be lasered into the green part and cannot be drilled, this simplifies production, with the recess often being small enough.
  • the closure element preferably closes the recess in an airtight manner. This makes it possible for air remaining in the recess - particularly air trapped between the closure element and the adhesive of the assembly adhesive connection - to effectively counteract the capillary effect and effectively prevent or reduce the entry of adhesive of the assembly adhesive connection into the recess caused by the capillary effect before it hardens.
  • the closure element can fill the recess at least almost completely. This means in particular that the closure element at least almost completely displaces the air in the recess. This makes it particularly effective to reduce or prevent the adhesive from the assembly adhesive connection from entering the recess before it hardens.
  • the closure element extends at least on the side of the piezo element facing away from the membrane.
  • the assembly adhesive connection has an area in which it is in contact with the electrode surface. This area is referred to in particular as the connection area in this publication.
  • the connection area can make up the entire assembly adhesive connection or almost the entire assembly adhesive connection.
  • An adhesive meniscus of the assembly adhesive connection can border the connection area on the inside and/or outside.
  • the closure element can ensure that the adhesive connection in the connection area has at least an almost constant thickness. This creates a prerequisite for a resilient, stable adhesive connection.
  • the thickness can be between 20
  • the closure element can ensure that the adhesive meniscus or menisci are formed at least largely undisturbed.
  • connection region of the adhesive connection is arranged in a ring around the recess.
  • the change in the thickness of the adhesive connection in the connection region in the radial direction is less than 10% or 1% of the greatest thickness of the adhesive connection in the connection region.
  • the performance of the piezo actuator can be particularly high, since only a small amount of the active area of the piezo element is lost through the recess.
  • the closure element is different from the compensation element and the membrane.
  • the closure element is at least also arranged in the recess.
  • the compensation element is at least also or exclusively arranged on the side of the piezo element facing away from the membrane.
  • the closure element is preferably designed as a contact element and is in electrical contact with the electrical conductor. This saves components and simplifies production.
  • the electrical conductor and/or the contact element are in particular part of the electrical connection between the electronics and the electrode surface.
  • the electrical conductor can end in the recess or extend through the recess, i.e. can also extend outside the recess.
  • the electrical conductor preferably extends at least from a first side of the piezo element facing the membrane to the second side of the piezo element facing away from the membrane.
  • the electrical conductor can comprise a connecting section of the electrode or be formed thereby.
  • the electrical conductor preferably comprises a metallization of the wall of the recess of the piezo element or is formed thereby.
  • the area with which the contact element can be in electrical contact with the metallization of the wall of the recess of the piezo element can be larger than 10% or 25% of the wall area of the recess of the piezo element.
  • the contact element comprises conductive adhesive or is formed thereby.
  • the contact element can comprise conductive adhesive and a further element, in particular a contact pin.
  • the contact element is glued to the piezo actuator or the electrical conductor, in particular by means of conductive adhesive, then the electrical contact with the electrical conductor can be established particularly reliably and permanently and the recess can be closed particularly reliably and tightly.
  • the contact element is glued into the recess, then the prerequisites for a particularly large contact surface with the electrical conductor are created.
  • the active surface of the piezo element may then not be affected or only slightly affected by the contact surface.
  • the contact element can be used to establish an electrical contact with the electrode or the electrical conductor, in particular to connect the electrical line or a circuit board to the electrode.
  • the contact element can comprise, for example, a soldering lug or a plug contact.
  • the plug contact can be crimpable.
  • the contact element comprises or is formed by a contact pin, then several advantages can be achieved. Among others This creates a prerequisite for a large contact surface that does not or only slightly impairs the active surface of the piezo element.
  • the adhesive of the assembly bond and/or the conductive adhesive may comprise a filler.
  • the contact pin can have an external dimension that is complementary to the internal dimension of the recess.
  • the pin can have an external diameter that is slightly smaller than the internal diameter of the recess.
  • the external diameter of the pin and the internal diameter of the recess are coordinated with one another in such a way that a minimum gap is maintained so that the filler of the conductive adhesive can still reach the gap.
  • the contact pin has a jacket surface arranged in the recess, which is more preferably in electrical contact with the piezo actuator.
  • the contact pin has a collar that can be glued to the piezo actuator. This can improve the mechanical connection and/or the electrical contact of the contact pin to the piezo actuator.
  • the contact pin is part of an electrical plug connection, components such as a separate plug contact can be eliminated.
  • the vibration sensor comprises a circuit board with electronic components.
  • the contact element preferably connects the piezo actuator, in particular the electrical conductor, to the circuit board electrically and/or mechanically.
  • the mechanical connection can be fixed, i.e. prevent any relative movement between the piezo actuator or electrical conductor on the one hand and the circuit board on the other.
  • the piezo actuator can be connected directly to the circuit board mechanically and/or electrically. This means that components such as a contact pin can be eliminated.
  • an electrical plug contact can be arranged on the circuit board.
  • the contact element can have two sides and contact the piezo actuator or the electrical conductor with one side directly or by means of conductive adhesive and the circuit board with the other side directly or by means of conductive adhesive.
  • the electronics of the vibration sensor can include the electronic components of the circuit board or be formed by them.
  • a further electrode is arranged on the side of the piezo element facing away from the membrane.
  • the vibration sensor comprises a further contact element for establishing electrical contact with the further electrode.
  • the additional contact element comprises an additional contact pin, which is preferably glued to the additional electrode, then a prerequisite for a particularly reliable overall contact of the piezo actuator is created.
  • the additional contact pin can have a thickening at the end to increase the contact and/or adhesive surface with the additional electrode.
  • the thickening can be disk-shaped.
  • the vibration sensor comprises in particular a plug connection glued to the piezo actuator.
  • This electrical plug connection is preferably standardized.
  • the contact pin then has the distance of a standardized plug system, called grid dimension, from the further contact pin.
  • the contact pin and the further contact pin then serve as contacts to a mating connector.
  • the contact pins can each have a recess in the form of a blind hole, which can provide a sleeve section of the respective contact pin for receiving a mating connector contact.
  • the contact pins can be designed to be connected from the outside, for example by means of a spring contact, to be contacted by a mating connector contact.
  • the vibration sensor is also referred to as a sensor in this publication.
  • the term "piezo element" in this publication refers to the part of the piezo actuator made of piezoelectric material, e.g. a piezo disk.
  • the piezo element can be a piezo crystal or a piezoelectric ceramic, for example.
  • the piezo element preferably has a first side facing the membrane.
  • electrode surface refers in particular to the part of the electrode that is arranged - preferably exclusively - on this first side of the piezo element.
  • the electrode surface is preferably circular.
  • the piezo element preferably has a second side facing away from the membrane.
  • the recess preferably extends through the piezo element, in particular from the first side to the second side.
  • the recess can have the shape of a bore and the wall of the recess can be hollow-cylindrical.
  • the electrode surface in the sensor is preferably arranged between the piezo element and another component, e.g. a compensating element or the membrane, and is therefore in particular not freely accessible.
  • the electrode surface is preferably covered by the adhesive connection, in particular completely.
  • the electrical connection can be used to make contact with the electrode and in particular with the electrode surface.
  • the electrode surface can preferably be contacted from the side of the piezo element facing away from the membrane, usually from above, through the recess.
  • the contact is made in particular around the piezo element or around an edge of the piezo element formed in particular by the recess and can therefore also be referred to as re-contacting.
  • One area of the piezo actuator preferably serves to cause the membrane to vibrate.
  • the piezo actuator does not have separate areas for the excitation and detection of the vibration of the membrane.
  • a common area of the piezo actuator is used both used to make the membrane vibrate, as well as to determine the frequency and/or amplitude with which the membrane vibrates.
  • a common area of the piezo actuator can be used - e.g. alternately - as a transmitter and receiver.
  • the electrode is galvanically separated from the membrane.
  • the electronics are in particular electronic parts or components by means of which the piezo actuator is supplied with drive energy and/or by means of which the signals detected by the piezo actuator are evaluated.
  • the electronics can be evaluation electronics.
  • the electronics are connected in particular to a power source for the energy supply.
  • the electronics can be arranged in a housing which serves to insulate and shield the electronics.
  • the term "electrical connection between the electronics and the electrode surface" in the context of this publication refers in particular to the entirety of all elements that electrically connect the electrode surface to the electronics.
  • the electrical connection preferably runs partly in and partly outside the recess.
  • the electrical connection preferably comprises contacting the piezo actuator, in particular with the aid of the contact element.
  • the electrical connection can comprise an electrical line, e.g. a cable and/or a flexible circuit board.
  • the electrical connection can comprise contacting, in particular, an electrical line or a circuit board with the electrode or the connecting section or the contact element.
  • the contacting can comprise a conductive adhesive.
  • the contacting can be soldered and/or clamped.
  • the contacting of the piezo actuator comprises in particular contacting the electrical conductor arranged in the recess, in particular the metallization of the wall of the recess.
  • the electrical connection can comprise a soldered, adhesive and/or welded connection, in particular between the electrical line and/or a circuit board on the one hand and the electrode or electrode surface or the contact element on the other.
  • the adhesive connection is preferably made using conductive adhesive.
  • the circuit board can be made of solid material or of flexible material.
  • the circuit board can also be referred to as a circuit board.
  • the piezo element preferably extends in a plane.
  • the piezo element preferably has a base area that lies in this plane in particular. If the electrical connection in the plane of the piezo element does not protrude beyond the outline of the piezo element, then the sensor can be particularly compact. If the piezo element has the shape of a circular ring disk, with a circular ring as the top and a circular ring as the bottom, then the base area means the area of one of the circular rings.
  • the assembly adhesive connection is electrically conductive and preferably forms the electrode surface, then a particularly simple structure can result.
  • the assembly adhesive connection is not electrically conductive. In this way, it can have a particularly small thickness and transmit vibrations with particularly low losses. In addition, the strength of the adhesive of the assembly adhesive connection can then be particularly high.
  • the piezo element or piezo actuator can be disk-shaped.
  • the piezo element or piezo actuator is preferably ring-disk-shaped, preferably with a circular outline.
  • the piezo element or piezo actuator can be rotationally symmetrical.
  • the recess can run in the region of the axis of rotation or parallel to the axis of rotation of the piezo actuator or piezo element.
  • the electrode is not an independent component, but a metallized surface of the piezo element.
  • the electrode is preferably designed as a metallization applied to the surface of the piezo element.
  • the electrode surface is flat, i.e. it extends exclusively in one plane.
  • the wall of the recess of the piezo element is preferably inclined towards the first side of the piezo element, in particular by approximately 90 degrees. If the piezo element is rotationally symmetrical about a rotation axis and the electrode is point-symmetrical to the rotation axis or rotationally symmetrical to the same rotation axis, then a prerequisite is created that a twisting of the piezo actuator during assembly has no negative effects. Alignment means, such as an alignment notch in the piezo actuator, can therefore be omitted and a larger active area of the piezo actuator becomes possible. If the piezo actuator is designed as a ring disk glued into the sensor, in particular with central contact, then the piezo actuator can be particularly insensitive to tolerances during assembly.
  • the electrode can have a connecting section.
  • the connecting section can form the electrical conductor.
  • the connecting section is preferably inclined towards the electrode surface. It can have the shape of a hollow cylinder that merges into the electrode surface in the region of the edges of the recess.
  • the electrode can therefore have the shape of a circular surface with a hole and a hollow cylinder adjacent to the edges of the hole.
  • the hole is preferably congruent with the recess and more preferably arranged around the axis of rotation of the piezo element or the piezo drive.
  • the connecting section can extend into the recess of the piezo element.
  • the connecting section can comprise a metallization of the wall of the recess of the piezo element or be formed by this.
  • the electrode or the metallization of the piezo element forming the electrode preferably extends in particular seamlessly from the side of the piezo element facing the membrane to the wall of the recess. If the electrical connection comprises the connecting section of the electrode, then the electrode surface can be particularly well contacted.
  • the contactability of the electrode surface can be simplified - e.g. in embodiments in which a positioning means is arranged in the recess of the piezo element - if the connecting section of the electrode has a region running on the side of the piezo element facing away from the membrane.
  • the electrode therefore extends to both sides of the piezo element.
  • the size of the area of the connecting section of the electrode running on the side of the piezo element facing away from the membrane is smaller than 1/10 or 1/20 of the size of the electrode surface.
  • the size of the The electrode on the side of the piezo element facing away from the membrane preferably corresponds to less than 1/10 or 1/20 of the size of the electrode on the side of the piezo element facing the membrane. It has been shown that this only results in a slight reduction in the active area of the piezo element, which benefits the performance of the piezo actuator, and is also sufficient for reliable contact with the electrode.
  • the area of the connecting section that runs on the side of the piezo element facing away from the membrane can be ring-shaped, in particular circular. This area can be collar-shaped. This area can be arranged around the recess of the piezo element.
  • the conductive adhesive can be arranged at least partially in the recess of the piezo element.
  • the conductive adhesive can contact the connecting section of the electrode.
  • the conductive adhesive can contact the area of the connecting section that runs on the side of the piezo element facing away from the membrane.
  • the conductive adhesive preferably connects components of the electrical connection, such as the connecting section of the electrode or the electrical conductor and, for example, an electrical line, in particular a flexible conductor, a circuit board or the contact element to one another, in particular electrically and/or mechanically.
  • the same adhesive can be used for the assembly adhesive connection that effectively connects the piezo actuator to the membrane and for the conductive adhesive of the electrical connection.
  • the electrical conductor can not only be contacted by means of conductive adhesive, but it is also conceivable that it itself comprises conductive adhesive or is formed by it.
  • the adhesive of the assembly adhesive connection and the conductive adhesive are different adhesives.
  • the assembly adhesive connection comprises an adhesive with a coordinated combination of strength and flexibility, such that the adhesive is sufficiently strong to transmit the vibrations on the one hand, and on the other hand, the stresses acting on it due to different thermal expansion coefficients of the surrounding components.
  • the conductive adhesive of the electrical connection can be softer or tougher than the adhesive of the adhesive bonding the piezo actuator to the membrane.
  • a compensation element for example a compensation ceramic
  • a compensation element is preferably arranged between the membrane and the piezo actuator.
  • a compensation element which is typically disk-shaped, can absorb thermal expansion of the membrane and thus largely avoid electrical stresses caused by thermal stresses.
  • the compensation ceramic can comprise steatite ceramic. The effect of differences in thermal expansion between the piezo element and membrane can be mitigated in this way.
  • the compensation element is preferably electrically non-conductive.
  • the adhesive connection is preferably arranged between the piezo actuator and the compensation element.
  • the compensation element is preferably glued to the membrane.
  • the sensor preferably comprises a further electrical connection, preferably between the further electrode and the electronics.
  • a potential difference between the electrode and the further electrode can be brought about or tapped with the aid of the electronics.
  • a potential difference can be applied or tapped on opposite sides or surfaces of the piezo element with the aid of the electronics, the electrode and the further electrode.
  • the area in which the electrode and the further electrode overlap, spaced apart by the piezo element, can be referred to as the active area of the piezo element.
  • the active area of the piezo element is preferably larger than 7/10 or 8/10 or 9/10 of the base area of the piezo element.
  • the active area is preferably rotationally symmetrical.
  • the active area can correspond to the area of the further electrode.
  • the preferred rotational symmetry of the active area can cause or contribute to the insensitivity of the piezo actuator to twisting.
  • the further electrode is preferably ring-shaped, in particular in the form of a circular ring.
  • the further electrode is preferably arranged around the recess.
  • the further electrode can extend at least almost over the entire side of the piezo element facing away from the membrane, preferably with the exception of an inner circular ring arranged around the recess, to create an insulation distance for isolating the further electrode from the electrode.
  • the further electrode is preferably rotationally symmetrical about the same axis of rotation as the electrode.
  • the piezo actuator preferably has exactly two electrodes. Therefore, the sensor preferably also comprises only two electrical contact areas or contacts to electrodes of the piezo actuator.
  • the contact areas can comprise a soldered and/or welded connection. They preferably comprise an adhesive connection with conductive adhesive.
  • the sensor can comprise positioning means for positioning the piezo actuator and/or the compensation element relative to the membrane.
  • the positioning means can comprise, for example, a - in particular cylindrical - stamp of the compensation element on the side of the compensation element facing the piezo actuator.
  • Two fork tines of a tuning fork can be arranged on the membrane as a mechanical oscillator. Areas of the vibration sensor, e.g. the piezo actuator and the contact element, can be cast using a casting compound. A pin strip can be provided for the mechanical alignment and fixing of the contact pins.
  • the electrical contact to the electrical conductor or the electrode is preferably made by means of conductive adhesive.
  • the conductive adhesive can be a silver conductive adhesive.
  • the conductive adhesive can be thixotropic before it hardens. This can ensure that the conductive adhesive is not or only slightly sucked into the recess due to capillary action.
  • a negative influence on the electrical connection between the electronics and the electrode surface, which can be brought about with the help of the conductive adhesive, and the assembly adhesive connection, can also be prevented or reduced in this way.
  • the vibration sensor can therefore comprise, on the one hand, the mounting adhesive connection and, on the other hand, an adhesive bond with conductive adhesive for contacting the piezo actuator.
  • the electrical connection comprises or is formed by an inner conductor of a coaxial connection.
  • the electrical connection can be implemented as an inner conductor of a coaxial cable, with the inner conductor at least partially protruding into the recess.
  • the inner conductor of the coaxial cable can be offset for a length that corresponds approximately to the thickness of the piezo element and inserted into the opening of the piezo element.
  • the inner conductor can be electrically connected to the electrode using an electrically conductive adhesive and at the same time mechanically fixed.
  • the bonding and electrical contacting can take place on the circumference of the inner conductor in the connection section, but can also be at least partially done via bonding on the front.
  • the inner conductor preferably penetrates the recess at least halfway, more preferably at least 80%, particularly preferably almost completely.
  • a diameter of the inner conductor is adapted to a diameter of the recess in such a way that a defined distance remains between the inner conductor and the inner wall of the recess, which is bridged by the electrically conductive adhesive.
  • An exact adjustment can be achieved, for example, using a calibration tool with which the diameter of the inner conductor is processed during or after placement so that it fits optimally into the recess.
  • the closure element can be formed, for example, by a dielectric and/or an outer conductor of the coaxial connection.
  • the additional electrode can be contacted by the outer conductor of the coaxial connection.
  • the outer conductor can also be electrically bonded to the additional electrode, preferably at the front.
  • Fig. 1 is a cross-sectional view of part of a vibration sensor known from the prior art
  • Fig. 2 is a cross-sectional view of part of a first embodiment of a vibration sensor
  • Fig. 3 the electrode of the vibration sensor shown in Fig. 2,
  • Fig. 4 is a perspective view of the piezo actuator from Fig. 2, with
  • Fig. 5 is a perspective view of the piezo actuator from Fig. 2, with
  • Fig. 6 is a cross-sectional view of part of a second embodiment of a vibration sensor
  • Fig. 7 is a cross-sectional view of part of a third embodiment of a vibration sensor
  • Fig. 8 is a cross-sectional view of part of a fourth embodiment of a vibration sensor
  • Fig. 9 is a perspective view of a piezo actuator, looking at the side facing away from the membrane,
  • Fig. 10 is a perspective view of the piezo actuator from Fig. 9, with
  • Fig. 11 is a cross-sectional view of part of a fifth embodiment of a vibration sensor.
  • Fig. 1 a part of a vibration sensor known from the prior art is shown in sketch form.
  • a piezo actuator 16 with a ring-shaped piezo element 18 is glued to an insulating compensating element 44 made of ceramic material.
  • the structure of the piezo actuator 16 and compensating element 44 is also fixed to a membrane 12 by an adhesive connection.
  • the membrane 12 extends into a housing 10 or is attached to it. By applying an electrical potential to the piezo element 18, the membrane 12 can be set into vibration in such a structure.
  • the side of the piezo actuator facing the membrane is not freely accessible and therefore cannot be contacted directly.
  • the vibration sensor partially shown in Fig. 2 is used to detect fill levels, limit levels or to monitor process parameters and comprises a membrane 12 that can be set in vibration.
  • the membrane 12, the housing 10 and the fork tines 62, 64 can be designed as shown in Fig. 1. In Figs. 2 to 5, the membrane 12 is not shown for the sake of simplicity of illustration.
  • the vibration sensor comprises a drive unit 14 designed as a piezo actuator 16.
  • the piezo actuator has a piezo element 18 and an electrode 20 connected to the piezo element 18.
  • the electrode 20 is a metallization of the piezo element and has an electrode surface 21.
  • the vibration sensor comprises an adhesive connection 26, more precisely an assembly adhesive connection, with the aid of which the piezo actuator 16 is operatively connected to the membrane 12 in such a way that vibrations of the piezo actuator 16 can be transmitted to the membrane 12 and vice versa.
  • the vibration sensor comprises electronics 22 and an electrical connection 24 between the electronics 22 and the electrode surface 21.
  • the electrode surface 21 is shown in Fig. 2 only as the lower boundary of the piezo actuator 16.
  • the piezo element 18 has a recess 32 and the electrical connection 24 runs through the recess 32.
  • the electrical connection 24 can also have an electrical line 72, namely a cable.
  • An electrical conductor 110 that is electrically connected to the electrode surface 21 is arranged in the recess 32.
  • the electrical conductor 110 is part of the electrical connection 24 between the electronics 22 and the electrode surface 21 and comprises a connecting section 23 of the electrode 20, more precisely a metallization of the wall of the recess 32.
  • the vibration sensor also has a closure element 125 that closes the recess 32 and is arranged in the recess 32 and on the side 30 of the piezo element 18 facing away from the membrane 12.
  • the closure element 125 is designed as a contact element 130 that is glued to the piezo actuator 16 and is in electrical contact with the electrical conductor 110.
  • the contact element 130 is glued in the recess 32, among other things.
  • the contact element 130 comprises a contact pin 140 and conductive adhesive 40.
  • the sensor comprises a compensating element 44 between the membrane 12 and the piezo actuator 16 in the form of a compensating ceramic and the adhesive connection 26 is arranged between the piezo actuator 16 and the compensating element 44.
  • the compensating element 44 is in turn glued to the membrane 12. As Fig. 2 also shows, the piezo element extends in a plane 70.
  • the adhesive connection 26 has a connecting region 120 arranged in a ring around the recess 32 and is in contact with the electrode surface 21 in this connecting region 120.
  • the connecting region 120 has a small outer adhesive meniscus and an inner adhesive meniscus 260 in the embodiment shown in Fig. 2, the entire adhesive connection 26.
  • the adhesive connection has a constant thickness D in the connection area 120. Suction and penetration of the adhesive of the assembly adhesive connection 26 into the recess 32 by capillary action and a resulting variation in the thickness of the adhesive connection and disruption of the formation of the adhesive meniscus 260 do not occur to any significant extent, even though the recess 32 has a diameter U of less than 2 mm. Disruption of the electrical contact of the metallization of the wall of the recess 32 caused by the adhesive of the assembly adhesive connection is also prevented.
  • Fig. 2 shows that the recess 32 was closed by the contact element 130 comprising the contact pin 140 and the adhesive connection 26 was produced in such a way that air trapped in the recess counteracted the capillary effect of the recess 32 during the production of the adhesive connection 26.
  • Fig. 2 also shows that the closure element 125 is arranged in the recess 32 and on the side 30 of the piezo element facing away from the membrane 12.
  • the piezo element Before assembly in the vibration sensor, i.e. before making the adhesive connection 26, the piezo element was metallized on one of its sides and in the recess 32 to provide the electrode 20 after the recess 32 had been made. By metallizing an area of the other side of the piezo element, a further electrode 45 was created.
  • the contact pin 140 is glued in the recess 32 with conductive adhesive 40, closes the recess 32 and also establishes the electrical contact with the electrical conductor 110.
  • the outer surface of the contact pin 140 arranged in the recess 32 is in electrical contact with the piezo actuator 16, more precisely the electrical conductor 110.
  • the contact pin 140 has an outer dimension that is complementary to the inner dimension of the recess 32.
  • the contact pin 140 has a collar 150 that is glued to the piezo actuator 16.
  • the piezo element 18 has a first side 28 facing the membrane 12.
  • the electrode surface 21 is arranged exclusively on this first side 28.
  • the piezo element 18 has a second side 30 facing away from the membrane 12.
  • the recess 32 extends from the first side 28 to the second side 30 through the center of the piezo element 18.
  • the further electrode 45 is arranged on the side 30 of the piezo element 18 facing away from the membrane 12 and the vibration sensor comprises a further contact element 190 in the form of a further contact pin 200 which is glued to the further electrode 45.
  • the further contact pin 200 has a disk-shaped thickening 210 at the end.
  • the piezo actuator 16 is designed as a glued ring disk 34, with centric contact 36.
  • the piezo element 18 and the electrode 20 are rotationally symmetrical about the same axis of rotation.
  • the electrode 20 has a connecting section 23 extending into the recess 32, which forms the electrical conductor 110 (Fig. 3).
  • the sensor comprises a further electrical connection 74 between the further electrode 45 and the electronics 22.
  • the further electrode 45 has the shape of a circular ring 66, is arranged around the recess 32 and extends at least almost over the entire side of the piezo element 18 facing away from the membrane 12, with the exception of an inner circular ring 68 arranged around the recess 32, for isolating the further electrode 45 from the electrode 20.
  • Fig. 3 illustrates the shape of the electrode 20 of the embodiment shown in Fig. 2, with the flat, circular electrode surface 21 and the connecting section 23.
  • the electrode 20 extends over surfaces inclined to one another and in the embodiment shown in these figures has the shape of a circular surface forming the electrode surface 21 with a hole and a hollow cylinder adjacent to the edges of the hole, providing the connecting section 23.
  • the connecting section 23 can also have, as shown in Figs. 2 to 5, an area 42 running on the side 30 of the piezo element facing away from the membrane. This area 42 is circular and collar-shaped, and arranged around the recess 32 of the piezo element 18.
  • the connecting section 23 can be designed without the region 42 running on the side 30 of the piezo element facing away from the membrane 12 in order to enlarge the active area of the piezo element.
  • FIGS 4 and 5 illustrate the structure of the piezo actuator 16 with annular piezo element 18, the electrode 20 described above and another annular electrode 45.
  • FIG. 6 to 8 Further embodiments are shown in Figs. 6 to 8.
  • the same reference numerals designate - unless otherwise stated - the same elements with the same function. In this respect, reference is made to the above description. Only differences from the embodiment shown in Fig. 2 are shown below.
  • the adhesive meniscus 260 present in all embodiments shown in Figs. 6 to 8 has been omitted in Figs. 6 to 8 for reasons of clarity of the drawing.
  • Fig. 6 shows an embodiment in which the contact pin 140 and the further contact pin 200 are part of a standardized electrical plug connection 160 and the distance 230 between the contact pins is a grid dimension.
  • the contact pin 140 and the further contact pin 200 serve as contacts to a mating connector 220.
  • the contact pins each have a recess in the form of a blind hole, which provides a sleeve section of the respective contact pin for receiving a mating connector contact.
  • the vibration sensor comprises a plug connection 160 glued to the piezo actuator 16 instead of a flexible conductor.
  • Fig. 6 also shows a potting cup 270 for introducing potting compound (not shown in the figures) and a pin strip 280 for mechanically aligning and fixing the contact pins.
  • the vibration sensor comprises a circuit board 170 with electronic components 180.
  • the contact element 130 electrically connects the piezo actuator 16, more precisely the electrical conductor 110, to the circuit board 170 and also establishes a firm mechanical connection between the piezo actuator 16 and the circuit board 170.
  • An electrical plug contact in the form of a 2-pole socket 240 is arranged on the circuit board 170.
  • the contact element 130 contacts the piezo actuator 16, in particular at least also the electrical conductor 110, with one side by means of conductive adhesive 40, and the circuit board 170 with the other side directly or by means of conductive adhesive not shown at this point in Fig. 7.
  • the contact element does not comprise a contact pin, but is formed by conductive adhesive 40 and the piezo actuator 16 is mechanically and electrically connected directly to the circuit board 170, via contact surfaces 250 of the circuit board.
  • the connecting section 23 of the electrode has a region 42 running on the side 30 of the piezo element facing away from the membrane 12, then the closure element 125 can, as shown in Fig. 8, be arranged exclusively on the side 30 of the piezo element facing away from the membrane 12. If the electrode does not have this region, then the conductive adhesive 40 extends into the recess 32, unlike what is shown in Fig. 8, and contacts the metallized wall of the recess 32.
  • Figures 9 and 10 show a a piezo actuator 16 as it can be used in another.
  • Piezoelement 18 is not circular and collar-shaped around the 32 but is exclusively in the This is achieved by placing the further electrode 45 closer to the The electrical the electrode 20 has in the
  • FIG 11 shows, in an enlarged detail, a section in the longitudinal direction of the recess 32 through a further embodiment of a vibration sensor with a piezo actuator 16, as shown in Figures 9 and 10.
  • the electrical contacting of the piezo element 18 is carried out on the one hand by an inner conductor 86 of a coaxial line 84, which is arranged in the recess 32 of the piezo element 18 and is connected to it both electrically and mechanically by means of the conductive adhesive 40.
  • the further electrode 45 is connected to the outer conductor 88 of the coaxial line 84, which is also connected to it mechanically and electrically by means of a conductive adhesive 40.
  • Fig. 11 makes it particularly easy to achieve electrical and mechanical contact and sealing of the recess 32.
  • the piezo element 18 can be designed to be completely rotationally symmetrical due to the central contact, less stress occurs due to the deformation of the piezo, which, among other things, significantly increases the mechanical load capacity and durability of the piezo element 18. Furthermore, the fact that a contact point located further out in the radial direction is eliminated also reduces the rigidity, which means that a larger amplitude can be generated.

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Abstract

Vibrationssensor, zur Detektion von Füllständen, Grenzständen oder zur Überwachung von Prozessparametern, umfassend: - eine in Schwingung versetzbare Membran (12), - eine Antriebseinheit (14), wobei die Antriebseinheit (14) einen Piezoaktor (16) umfasst, der ein Piezoelement (18), und eine mit dem Piezoelement (18) verbundene Elektrode (20) mit einer Elektrodenfläche (21) aufweist, - eine Klebeverbindung (26), mit deren Hilfe der Piezoaktor (16) so mit der Membran (12) Wirkverbunden ist, dass Schwingungen des Piezoaktors (16) auf die Membran (12) übertragbar sind, - eine Elektronik (22), - eine elektrische Verbindung (24) zwischen der Elektronik (22) und der Elektrodenfläche (21), wobei das Piezoelement (18) eine Aussparung (32) aufweist und die elektrische Verbindung (24) durch die Aussparung (32) verläuft, wobei in der Aussparung (32) ein mit der Elektrodenfläche (21) elektrisch verbundener elektrischer Leiter (110) angeordnet ist und der Vibrationssensor ein die Aussparung (32) verschließendes Verschlusselement (125) aufweist.

Description

Vibrationssensor
Die Erfindung betrifft einen Vibrationssensor gemäß Patentanspruch 1.
Nach dem Stand der Technik sind Vibrationssensoren, die beispielsweise als Vibrationsgrenzschalter verwendet werden, bekannt, wobei der Vibrationssensor eine über eine Antriebseinheit zu einer Schwingung anregbaren Membran aufweist, mittels der oft ein an der Membran angeordneter mechanischer Schwinger, beispielsweise eine Schwinggabel, zu einer Schwingung anregbar ist. Abhängig von einem Bedeckungsstand des mechanischen Schwingers mit einem Füllgut sowie abhängig von der Viskosität dieses Füllgutes kann dieser mit einer charakteristischen Frequenz schwingen, die von dem Vibrationssensor detektiert werden und in ein Messsignal umgewandelt werden kann. Derartige Vibrationssensoren können auch als vibronische Sensoren bezeichnet werden. Als elektromechanische Wandler der Antriebseinheit eines solchen Sensors kommen oft Piezoaktoren mit einem Piezoele- ment, z. B. einer Piezokeramik, und Elektroden zum Einsatz. Ein bekanntes Konzept besteht dabei darin, den Piezoaktor mittels einer Klebeverbindung zu fixieren. Dieses Konzept findet immer häufiger Verwendung, da so eine verbesserte Performance, geringere Herstellkosten und eine höhere Automatisierbarkeit als beispielsweise bei einem verschraubten Piezoaktor zu erreichen sind.
Hierzu kann auf die Membran eine Klebeschicht aufgebracht, ein Ausgleichselement, z. B. eine Ausgleichskeramik, mit der Membran verklebt, auf die Ausgleichskeramik wiederum eine Klebeschicht aufgebracht und mit dieser eine Klebeverbindung zu dem Piezoaktor hergestellt werden. Der Piezoaktor, insbesondere eine Elektrodenfläche seiner Elektrode, kann anschließend, z. B. über eine flexible Leiterplatte, kontaktiert werden, zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Elektrodenfläche und einer Elektronik. Die flexible Leiterplatte kann ein sogenannter Flexleiter sein.
Nachteilig hierbei kann es sein, dass der Piezoaktor hinsichtlich seiner Position und Rotationslage vor dem Verkleben sehr exakt ausgerichtet sein und oft bis zur Aushärtung des Klebstoffs fixiert werden muss. Zudem ist diese Ausrichtung oft schwierig. Nachteilig kann zudem sein, dass die Leistungsfähigkeit des Piezoaktors nicht so hoch ist, wie es wünschenswert wäre. Ein weiterer Nachteil kann darin bestehen, dass die Klebeverbindung, mit deren Hilfe der Piezoaktor mit der Membran Wirkverbunden ist und die zur Erzielung einer guten Schwingungsübertragung dünn auszuführen ist, nicht ausreichend stabil bzw. gleichmäßig ist. Zudem können sich diese Klebeverbindung und die elektrische Verbindung zwischen der Elektronik und der Elektrodenfläche gegenseitig negativ beeinflussen. Beispielsweise kann diese Klebeverbindung das Herstellen der elektrische Verbindung erschweren.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen weitergebildeten Vibrationssensor bereitzustellen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor dient zur Detektion von Füllständen, Grenzständen oder zur Überwachung von Prozessparametern und umfasst eine in Schwingung versetzbare Membran. Zudem umfasst ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor eine Antriebseinheit, wobei die Antriebseinheit einen Piezoaktor umfasst. Der Piezoaktor weist ein Piezoelement und eine mit dem Piezoelement verbundene Elektrode auf. Die Elektrode weist eine Elektrodenfläche auf. Zudem umfasst ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor eine Klebeverbindung, mit deren Hilfe der Piezoaktor so mit der Membran Wirkverbunden ist, dass Schwingungen des Piezoaktors auf die Membran übertragbar sind und bevorzugt auch Schwingungen der Membran auf den Piezoaktor übertragbar sind. Diese Klebeverbindung kann insbesondere auch als Montageklebeverbindung bezeichnet werden. Der Piezoaktor kann mithilfe der Montageklebeverbindung in dem Sensor montiert sein. Bevorzugt dient der Piezoaktor sowohl dazu, die Membran in Schwingung zu versetzen als auch dazu, die Schwingung der Membran zu detektieren. Die Antriebseinheit ist insbesondere also ein geklebter Piezoantrieb bzw. geklebter Piezoaktor. Zudem umfasst ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor eine Elektronik und eine elektrische Verbindung zwischen der Elektronik und der Elektrodenfläche. Das Piezoelement weist eine Aussparung auf und die elektrische Verbindung verläuft durch die Aussparung. In der Aussparung ist ein mit der Elektrodenfläche elektrisch verbundener elektrischer Leiter angeordnet. Der elektrische Leiter kann ein Teil des Piezoaktors sein und er kann eine Metallisierung der Wand der Aussparung des Piezoelements sein. Der Vibrationssensor weist ein die Aussparung verschließendes Verschlusselement auf.
Auf diese Weise ist eine Voraussetzung dafür geschaffen, dass die elektrische Verbindung die aktive Fläche des Piezoelements nur geringfügig und allenfalls in einer Weise beeinträchtigt, die keine oder nur geringere Störmoden hervorruft. Der Effekt, dass eine unsymmetrische oder versetzte Positionierung des Piezoaktors aufgrund der Geometrie des Piezoaktors und dem hierzu passenden Schwinggabelaufbau bei Fremdanregung durch Störmoden fehlerhafte Signal begünstigt bzw. verstärkt, kann reduziert oder verhindert werden. Hierdurch kann die Leistungsfähigkeit des Piezoaktors verbessert und die Anfälligkeit für Störmoden verringert sein. Der Piezoantrieb kann hierdurch besonders einfach symmetrisch, z. B. rotationssymmetrisch, aufgebaut sein. Mit rotationssymmetrisch ist im Rahmen dieser Druckschrift gemeint, dass eine Drehung um beliebige Winkel um die Rotationsachse zu einer Abbildung auf sich selbst führt. Ein erfinderischer Vibrationssensor kann unempfindlicher gegen Positionstoleranzen des Piezoaktors sein. Bei einem erfindungsgemäßen Vibrationssensor ist zudem eine Voraussetzung dafür geschaffen, dass die Klebeverbindung besonders zuverlässig sein kann, da das Verschlusselement eine die Klebeverbindung schwächende Kapillarwirkung der Aussparung verhindern oder reduzieren kann. Das Saugen bzw. Eintreten von Klebstoff der Montageklebeverbindung vor dessen Aushärtung aufgrund des Kapillareffekts in die Aussparung kann verringert oder vermieden werden. Die Festigkeit der Montageklebeverbindung kann auch davon abhängen, ob sich an den Rändern geeignete Klebemenisken, also Klebstoffwülste oder Klebstoffhohlkehlen, ausbilden. Denn diese Klebemenisken können den mechanischen Spannungsverlauf vergleichmäßigen bzw. Angriffspunkte für Rissbildungen vermeiden. Insbesondere kann das Verschlusselement eine Verungleichmäßigung bzw. Schwächung der Montageklebeverbindung bzw. eine Störung der Bildung eines Klebemeniskus durch Klebstoff der Montageklebeverbindung mit hoher Sicherheit verhindern oder auf ein akzeptables Maß reduzieren. Das Maß des Eintretens von Klebstoff der Montageklebeverbindung in die Aussparung kann auf die Bildung eines Klebemeniskus reduziert werden, der aufgrund seiner Form und Größe besonders gut dazu beiträgt, Angriffspunkte für eine Rissbildung zu vermeiden. Die Verhinderung oder Reduzierung des in die Aussparung Saugens bzw. Eintretens von Klebstoff der Montageklebeverbindung kann den weiteren Vorteil haben, dass hierdurch keine oder weniger Fläche der Wand der Aussparung bzw. der Metallisierung dieser Wand von Klebstoff der Montageklebeverbindung bedeckt ist und hierdurch nichtmehr zur elektrischen Kontaktierung zur Verfügung steht. Hierdurch kann eine durch die Montageklebeverbindung bewirkte Erschwerung des Herstellens einer elektrische Verbindung zwischen der Elektronik und der Elektrodenfläche vermieden oder reduziert werden.
Dies ist insbesondere bei kleinen Aussparungen, bei denen der Kapillareffekt andernfalls besonders stark auftreten würde, vorteilhaft. Hierdurch wird es auch möglich, ohne Qualitätseinbußen der Klebeverbindung eine kleine Aussparung zu verwenden. Durch das Verwenden einer kleinen Aussparung kann der Verlust von aktiver Fläche des Piezoelements reduziert werden. Dies kann eine möglichst große Amplitude der Schwingung des Piezoaktors bewirken. Mit einer kleinen Aussparung ist im Rahmen dieser Druckschrift insbesondere eine Aussparung gemeint, deren Durchmesser kleiner ist als 5 mm oder 2 mm oder 1 mm. Bevorzugt ist der Durchmesser der Aussparung größer als 0,1 mm.
Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Aussparung 0,8 mm. Da kleinere Aussparungen als 0,8 mm im Grünling gelasert werden müssten und nichtmehr gebohrt werden können, wird hierdurch die Fertigung vereinfacht, bei oft genügend kleiner Aussparung.
Das Verschlusselement verschließt die Aussparung bevorzugt luftdicht. Hierdurch kann erreicht werden, dass in der Aussparung verbleibende - insbesondere zwischen dem Verschlusselement und dem Klebstoff der Montageklebeverbindung eingeschlossene - Luft effektiv gegen die Kapillarwirkung wirkt und das durch den Kapillareffekt bewirkte Eintreten von Klebstoff der Montageklebeverbindung vor dessen Aushärtung in die Aussparung effektiv verhindert oder verringert.
Das Verschlusselement kann die Aussparung zumindest nahezu vollständig ausfüllen. Hiermit ist insbesondere gemeint, dass das Verschlusselement die in der Aussparung befindliche Luft zumindest nahezu vollständig verdrängt. Hierdurch kann ein Eintreten von Klebstoff der Montageklebeverbindung vor dessen Aushärtung in die Aussparung besonders effektiv verringert oder vermieden werden.
Bevorzugt erstreckt sich das Verschlusselement zumindest auch auf der der Membran abgewandten Seite des Piezoelements. Die Montageklebeverbindung weist einen Bereich auf, in dem sie mit der Elektrodenfläche in Kontakt steht. Dieser Bereich wird im Rahmen dieser Druckschrift insbesondere als Verbindungsbereich bezeichnet. Der Verbindungsbereich kann die gesamte Montageklebeverbindung oder nahezu die gesamte Montageklebeverbindung ausmachen. An den Verbindungsbereich kann innen und/oder außen ein Klebemeniskus der Montageklebeverbindung angrenzen. Durch das Verschlusselement kann erreicht sein, dass die Klebeverbindung in dem Verbindungsbereich eine zumindest nahezu gleichbleibende Dicke aufweist. Hierdurch ist eine Voraussetzung für eine belastbare, stabile Klebeverbindung geschaffen. Die Dicke kann zwischen 20 |jm und 80 |jm betragen. Zudem kann das Verschlusselement bewirken, dass der oder die Klebemenisken zumindest weitgehend ungestört ausgebildet sind.
Bevorzugt ist der Verbindungsbereich der Klebeverbindung ringförmig um die Aussparung herum angeordnet. Bevorzugt ist die Änderung der Dicke der Klebeverbindung in dem Verbindungsbereich in radialer Richtung kleiner als 10 % oder 1 % der größten Dicke der Klebeverbindung in dem Verbindungsbereich.
Wenn die Aussparung einen Durchmesser von weniger als 5 mm oder 2 mm oder 1 mm aufweist, dann kann die Leistungsfähigkeit des Piezoaktors besonders hoch sein, da nur wenig aktive Fläche des Piezoelements durch die Aussparung verloren geht.
Bevorzugt ist das Verschlusselement von dem Ausgleichselement und der Membran verschieden. In einer Ausführungsform ist das Verschlusselement zumindest auch in der Aussparung angeordnet. In einer Ausführungsform ist das Ausgleichselement zumindest auch oder ausschließlich auf der der Membran abgewandten Seite des Piezoelements angeordnet.
Das Verschlusselement ist bevorzugt als Kontaktelement ausgebildet und steht in elektrischem Kontakt zu dem elektrischen Leiter. Hierdurch können Bauteile eingespart und die Fertigung kann vereinfacht sein.
Der elektrische Leiter und/oder das Kontaktelement sind insbesondere Teil der elektrischen Verbindung zwischen der Elektronik und der Elektrodenfläche. Der elektrische Leiter kann in der Aussparung enden oder durch die Aussparung hindurchreichen, sich also auch außerhalb der Aussparung erstrecken. Bevorzugt reicht der elektrische Leiter zumindest von einer ersten, der Membran zugewandten Seite des Piezoelements bis zur zweiten, der Membran abgewandten Seite des Piezoelements. Der elektrische Leiter kann einen Verbindungsabschnitt der Elektrode umfassen oder hierdurch gebildet sein. Der elektrische Leiter umfasst bevorzugt eine Metallisierung der Wand der Aussparung des Piezoelements oder ist hierdurch gebildet.
Die Fläche, mit der das Kontaktelement in elektrischem Kontakt zu der Metallisierung der Wand der Aussparung des Piezoelements stehen kann, kann größer sein als 10 % oder 25 % der Wandfläche der Aussparung des Piezoelements.
In einer Ausführungsform umfasst das Kontaktelement leitfähigen Klebstoff oder ist hierdurch gebildet. Das Kontaktelement kann leitfähigen Klebstoff und ein weiteres Element, insbesondere einen Kontaktstift, umfassen.
Wenn das Kontaktelement mit dem Piezoaktor bzw. dem elektrischen Leiter verklebt ist, insbesondere mittels leitfähigem Klebstoff, dann kann der elektrische Kontakt mit dem elektrischen Leiter besonders zuverlässig und dauerhaft hergestellt und die Aussparung besonders zuverlässig und dicht verschlossen sein.
Wenn das Kontaktelement in der Aussparung verklebt ist, dann ist eine Voraussetzung für eine besonders große Kontaktfläche zu dem elektrischen Leiter geschaffen. Zudem kann die aktive Fläche des Piezoelements durch die Kontaktfläche dann nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt sein.
Das Kontaktelement kann zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zu der Elektrode bzw. dem elektrischen Leiter, insbesondere zur Verbindung der elektrischen Leitung oder einer Leiterplatte mit der Elektrode dienen. Das Kontaktelement kann z. B. eine Lötfahne oder einen Steckkontakt, umfassen. Der Steckkontakt kann crimpbar sein.
Wenn das Kontaktelement, wie bevorzugt, einen Kontaktstift umfasst oder hierdurch gebildet ist, dann können mehrere Vorteile erreicht werden. Unter anderem ist dann erneut eine Voraussetzung für eine große und/oder die aktive Fläche des Piezoelements nicht oder nur geringfügig beeinträchtigende Kontaktfläche geschaffen.
Der Klebstoff der Montageklebeverbindung und/oder der leitfähige Klebstoff können einen Füllstoff umfassen.
Der Kontaktstift kann eine Außenabmessung aufweisen, die komplementär zu der Innenabmessung der Aussparung ist. Beispielsweise kann der Stift einen Außendurchmesser aufweisen, der geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Aussparung ist. Vorzugsweise sind der Außendurchmesser des Stifts und der Innendurchmesser der Aussparung so aufeinander abgestimmt, dass ein Mindestspalt eingehalten wird, damit der Füllstoff des leitfähigen Klebstoffs noch in den Spalt gelangt. Bevorzugt weist der Kontaktstift eine in der Aussparung angeordnete Mantelfläche auf, die weiter bevorzugt in elektrischem Kontakt zu dem Piezo- aktor steht.
Vorzugsweise weist der Kontaktstift einen Kragen auf, der mit dem Piezoaktor verklebt sein kann. Hierdurch kann die mechanische Verbindung und/oder der elektrische Kontakt des Kontaktstifts zu dem Piezoaktor verbessert sein.
Wenn der Kontaktstift Teil einer elektrischen Steckverbindung ist, dann können Bauteile, etwa ein separater Steckkontakt, eingespart werden.
Der Vibrationssensor umfasst in einer Ausführungsform eine Leiterplatte mit elektronischen Komponenten. Vorzugsweise verbindet das Kontaktelement den Piezoaktor, insbesondere den elektrischen Leiter, mit der Leiterplatte elektrisch und/oder mechanisch. Die mechanische Verbindung kann fest sein, also jede Re- lativbewegung zwischen einerseits dem Piezoaktor bzw. elektrischem Leiter und andererseits Leiterplatte verhindern.
Insbesondere wenn das Kontaktelement durch leitfähigen Klebstoff gebildet ist, dann kann der Piezoaktor direkt mit der Leiterplatte mechanisch und/oder elektrisch verbunden sein. Hierdurch können Bauteile, wie ein Kontaktstift, eingespart werden. Insbesondere in einer Ausführungsform, in der der Kontaktstift nicht Teil einer elektrischen Steckverbindung ist, kann auf der Leiterplatte ein elektrischer Steckkontakt angeordnet sein.
Das Kontaktelement kann zwei Seiten aufweisen und mit einer Seite unmittelbar oder mittels leitfähigem Klebstoff den Piezoaktor bzw. den elektrischen Leiter kontaktieren und mit der anderen Seite unmittelbar oder mittels leitfähigem Klebstoff die Leiterplatte.
Die Elektronik des Vibrationssensors kann die elektronischen Komponenten der Leiterplatte umfassen oder hierdurch gebildet sein.
Bevorzugt ist an der der Membran abgewandten Seite des Piezoelements eine weitere Elektrode angeordnet. Vorzugsweise umfasst der Vibrationssensor ein weiteres Kontaktelement, zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zu der weiteren Elektrode.
Wenn das weitere Kontaktelement einen weiteren Kontaktstift umfasst, der bevorzugt mit der weiteren Elektrode verklebt ist, dann ist eine Voraussetzung für eine besonders zuverlässige Gesamtkontaktierung des Piezoaktors geschaffen. Der weitere Kontaktstift kann endseitig eine Verdickung aufweisen, zur Vergrößerung der Kontakt und/oder Klebefläche mit der weiteren Elektrode. Die Verdickung kann scheibenförmig sein.
Wenn der Kontaktstift und bevorzugt der weitere Kontaktstift Teil einer elektrischen Steckverbindung sind, dann umfasst der Vibrationssensor insbesondere eine mit dem Piezoaktor verklebte Steckverbindung. Diese kann anstelle eines Flexleiters vorgesehen sein. Bevorzugt ist diese elektrische Steckverbindung standardisiert. Insbesondere besitzt der Kontaktstift dann den Abstand eines standardisierten Stecksystems, genannt Rastermaß, zu dem weiteren Kontaktstift. Vorzugsweise dienen der Kontaktstift und der weitere Kontaktstift dann als Kontakte zu einem Gegenstecker. Zu diesem Zweck können die Kontaktstifte jeweils eine Aussparung in Form einer Sacklochbohrung aufweisen, die einen Hülsenabschnitt des jeweiligen Kontaktstifts zur Aufnahme eines Gegensteckerkontakts bereitstellen kann. Alternativ können die Kontaktstifte dazu eingerichtet sein, von außen, etwa mittels eines Federkontakts, von einem Gegensteckerkontakt kontaktiert zu werden.
Der Vibrationssensor wird im Rahmen dieser Druckschrift auch kurz als Sensor bezeichnet. Mit dem Begriff „Piezoelement" wird im Rahmen dieser Druckschrift der aus dem piezoelektrischen Material gebildete Teil des Piezoaktors, z. B. eine Piezoscheibe, bezeichnet. Das Piezoelement kann z. B. ein Piezokristall oder eine piezoelektrische Keramik sein.
Bevorzugt weist das Piezoelement eine erste, der Membran zugewandte Seite auf. Mit dem Begriff „Elektrodenfläche" wird im Rahmen dieser Druckschrift insbesondere der Teil der Elektrode bezeichnet, der - vorzugsweise ausschließlich - auf dieser ersten Seite des Piezoelements angeordnet ist. Die Elektrodenfläche ist bevorzugt kreisringförmig. Vorzugsweise weist das Piezoelement eine zweite, der Membran abgewandte Seite auf. Vorzugsweise reicht die Aussparung durch das Piezoelement hindurch, insbesondere von der ersten Seite bis zur zweiten Seite. Die Aussparung kann die Form einer Bohrung haben und die Wand der Aussparung kann hohlzylinderförmig sein.
Die Elektrodenfläche ist in dem Sensor bevorzugt zwischen dem Piezoelement und einem weiteren Bauteil, z. B. einem Ausgleichselement oder der Membran angeordnet, insbesondere also nicht frei zugänglich. Bevorzugt ist die Elektrodenfläche durch die Klebeverbindung abgedeckt, insbesondere vollständig.
Mittels der elektrischen Verbindung kann eine Kontaktierung der Elektrode und insbesondere der Elektrodenfläche erfolgen. Bevorzugt ist die Elektrodenfläche von der der Membran abgewandten Seite des Piezoelements, üblicherweise also von oben, durch die Aussparung kontaktierbar. Die Kontaktierung erfolgt insbesondere um das Piezoelement oder um eine insbesondere durch die Aussparung gebildete Kante des Piezoelements herum und kann daher auch als Umkontaktierung bezeichnet werden.
Ein Bereich des Piezoaktors dient bevorzugt dazu, die Membran in Schwingung zu versetzten. Bevorzugt weist der Piezoaktor keine getrennten Bereiche für die Anregung und die Detektion der Schwingung der Membran auf. In der bevorzugten Ausführungsvariante wird ein gemeinsamer Bereich des Piezoaktors sowohl dazu genutzt, die Membran in Schwingung zu versetzen, als auch dazu, die Frequenz und/oder Amplitude, mit der die Membran schwingt, zu ermitteln. Ein gemeinsamer Bereich des Piezoaktors kann - z. B. abwechselnd - als Sender und Empfänger genutzt werden. Bevorzugt ist die Elektrode von der Membran galvanisch getrennt.
Bei der Elektronik handelt es sich insbesondere um elektronische Bauteile oder Komponenten, mittels welcher der Piezoaktor mit Antriebsenergie versorgt wird und/oder mittels welcher die von der dem Piezoaktor detektierten Signale ausgewertet werden. Die Elektronik kann eine Auswerteelektronik sein. Die Elektronik ist insbesondere zur Energieversorgung mit einer Stromquelle verbunden. Die Elektronik kann in einem Gehäuse angeordnet sein, welches zur Isolierung und Abschirmung der Elektronik dient.
Mit dem Begriff „elektrische Verbindung zwischen der Elektronik und der Elektrodenfläche" ist im Rahmen dieser Druckschrift insbesondere die Gesamtheit aller die Elektrodenfläche mit der Elektronik elektrisch verbindenden Elemente bezeichnet. Die elektrische Verbindung verläuft bevorzugt teilweise in und teilweise außerhalb der Aussparung. Die elektrische Verbindung umfasst bevorzugt die Kontaktierung des Piezoaktors, insbesondere mit Hilfe des Kontaktelements. Die elektrische Verbindung kann eine elektrische Leitung, z. B. ein Kabel und/oder eine flexible Leiterplatte umfassen. Die elektrische Verbindung kann eine Kontaktierung insbesondere einer elektrischen Leitung oder einer Leiterplatte mit der Elektrode bzw. dem Verbindungsabschnitt bzw. dem Kontaktelement umfassen. Die Kontaktierung kann einen leitfähigen Klebstoff umfassen. Die Kontaktierung kann gelötet und/oder geklemmt sein. Die Kontaktierung des Piezoaktors umfasst insbesondere die Kontaktierung des in der Aussparung angeordneten elektrischen Leiters, insbesondere also der Metallisierung der Wand der Aussparung.
Die elektrische Verbindung kann eine Löt-, Klebe- und/oder Schweißverbindung, insbesondere zwischen einerseits der elektrischen Leitung und/oder einer Leiterplatte und andererseits der Elektrode bzw. Elektrodenfläche bzw. dem Kontaktelement umfassen. Die Klebeverbindung ist bevorzugt mittels leitfähigem Klebstoff ausgeführt. Die Leiterplatte kann aus festem Material gefertigt sein oder aus flexiblem. Die Leiterplatte kann auch als Platine bezeichnet werden. Bevorzugt erstreckt sich das Piezoelement in einer Ebene. Bevorzugt weist das Piezoelement eine Grundfläche auf, die insbesondere in dieser Ebene liegt. Wenn die elektrische Verbindung in der Ebene des Piezoelements nicht über den Umriss des Piezoelements hinaussteht, dann kann der Sensor besonders kompakt aufgebaut sein. Wenn das Piezoelement die Form einer Kreisringscheibe hat, mit einem Kreisring als Oberseite und einem Kreisring als Unterseite, dann ist mit der Grundfläche die Fläche eines der Kreisringe gemeint.
Wenn die Montageklebeverbindung elektrisch leitend ist und bevorzugt die Elektrodenfläche bildet, dann kann sich ein besonders einfacher Aufbau ergeben.
Bevorzugt ist die Montageklebeverbindung nicht elektrisch leitend. Auf diese Weise kann sie eine besonders geringe Dicke aufweisen und Schwingungen besonders verlustarm übertragen. Zudem kann dann die Festigkeit des Klebstoffs der Montageklebeverbindung besonders hoch sein.
Wenn die Aussparung durch das Zentrum des Piezoelements verläuft, dann ist eine weitere Voraussetzung dafür geschaffen, dass die elektrische Verbindung bzw. die Aussparung die aktive Fläche des Piezoelements in einer Weise beeinträchtigt, die keine Störmoden hervorrufen. Zudem ist dann eine Voraussetzung dafür geschaffen, dass eine Ausrichtung der Rotationslage des Piezoaktors vor dem Verkleben entfallen kann.
Das Piezoelement bzw. der Piezoaktor kann scheibenförmig sein. Bevorzugt ist das Piezoelement bzw. der Piezoaktor ringscheibenförmig, vorzugsweise mit einem kreisförmigen Umriss. Das Piezoelement bzw. der Piezoaktor kann rotationssymmetrisch sein. Die Aussparung kann im Bereich der Rotationsachse bzw. parallel zur Rotationsachse des Piezoaktors bzw. Piezoelements verlaufen.
Bevorzugt ist die Elektrode kein eigenständiges Bauteil, sondern eine metallisierte Oberfläche des Piezoelements. Die Elektrode ist bevorzugt als flächig aufgebrachte Metallisierung des Piezoelements ausgebildet. Bevorzugt ist die Elektrodenfläche eben, erstreckt sich also ausschließlich in einer Ebene.
Die Wand der Aussparung des Piezoelements ist bevorzugt zur ersten Seite des Piezoelements geneigt, insbesondere um etwa 90 Grad. Wenn das Piezoelement um eine Rotationsachse rotationssymmetrisch ist und die Elektrode punktsymmetrisch zu der Rotationsachse bzw. rotationssymmetrisch zu derselben Rotationsachse ist, dann ist eine Voraussetzung dafür geschaffen, dass eine Verdrehung des Piezoaktors bei der Montage keine negativen Auswirkungen hat. Daher können auch Ausrichtmittel, wie etwa eine Ausrichtkerbe in dem Piezo- aktor, entfallen und eine größere aktive Fläche des Piezoaktors möglich werden. Wenn der Piezoaktor als in dem Sensor verklebte Ringscheibe ausgebildet ist, insbesondere mit zentrischer Umkontaktierung, dann kann der Piezoaktor besonders unempfindlich gegen Toleranzen bei der Montage sein.
Die Elektrode kann zusätzlich zu der Elektrodenfläche einen Verbindungsabschnitt aufweisen. Der Verbindungsabschnitt kann den elektrischen Leiter bilden. Der Verbindungsabschnitt ist bevorzugt zur Elektrodenfläche geneigt. Er kann die Form eines im Bereich der Ränder der Aussparung in die Elektrodenfläche übergehenden Hohlzylinders aufweisen. Die Elektrode kann also die Form einer Kreisfläche mit Loch und an den Rändern des Lochs angrenzenden Hohlzylinders haben. Bevorzugt ist das Loch deckungsgleich mit der Aussparung und weiter bevorzugt um die Rotationsachse des Piezoelements bzw. des Piezoantriebs herum angeordnet. Der Verbindungsabschnitt kann in die Aussparung des Piezoelements reichen. Der Verbindungsabschnitt kann eine Metallisierung der Wand der Aussparung des Piezoelements umfassen oder hierdurch gebildet sein. Bevorzugt erstreckt sich die Elektrode bzw. die die Elektrode bildende Metallisierung des Piezoelements insbesondere nahtlos von der der Membran zugewandten Seite des Piezoelements bis auf die Wand der Aussparung. Wenn die elektrische Verbindung den Verbindungsabschnitt der Elektrode umfasst, dann kann die Elektrodenfläche besonders gut kontaktierbar sein.
Die Kontaktierbarkeit der Elektrodenfläche kann - z. B. in Ausführungsformen, in denen in der Aussparung des Piezoelements ein Positioniermittel angeordnet ist - vereinfacht sein, wenn der Verbindungsabschnitt der Elektrode einen auf der der Membran abgewandten Seite des Piezoelements verlaufenden Bereich aufweist. Die Elektrode erstreckt sich in dieser Ausführungsform also auf beide Seiten des Piezoelements. Bevorzugt ist die Größe der Fläche des auf der der Membran abgewandten Seite des Piezoelements verlaufenden Verbindungsabschnitts der Elektrode kleiner als 1/10 oder 1/20 der Größe der Elektrodenfläche. Die Größe der Elektrode auf der der Membran abgewandten Seite des Piezoelements entspricht bevorzugt also weniger als 1/10 oder 1/20 der Größe der Elektrode auf der der Membran zugewandten Seite des Piezoelements. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch einerseits nur eine geringfügige Verkleinerung der aktiven Fläche des Piezoelements erfolgt, was der Leistungsfähigkeit des Piezoaktors zugutekommt und dies andererseits zur zuverlässigen Kontaktierung der Elektrode ausreicht.
Der auf der der Membran abgewandten Seite des Piezoelements verlaufende Bereich des Verbindungsabschnitts kann ringförmig, insbesondere kreisringförmig sein. Dieser Bereich kann kragenförmig sein. Dieser Bereich kann um die Aussparung des Piezoelements herum angeordnet sein.
Der leitfähige Klebstoff kann zumindest teilweise in der Aussparung des Piezoelements angeordnet sein. Der leitfähige Klebstoff kann den Verbindungsabschnitt der Elektrode kontaktieren. Der leitfähige Klebstoff kann den auf der der Membran abgewandten Seite des Piezoelements verlaufenden Bereich des Verbindungsabschnitts kontaktieren.
Bevorzugt verbindet der leitfähige Klebstoff Bestandteile der elektrischen Verbindung, etwa den Verbindungsabschnitt der Elektrode bzw. den elektrischen Leiter und z. B. eine elektrische Leitung, insbesondere einen Flexleiter, eine Leiterplatte oder das Kontaktelement miteinander, insbesondere elektrisch und/oder mechanisch.
Für die den Piezoaktor mit der Membran wirkverbindende Montageklebeverbindung und für den leitfähigen Klebstoff der elektrischen Verbindung kann derselbe Klebstoff verwendet sein. Der elektrische Leiter kann nicht nur mittels leitfähigem Klebstoff kontaktiert sein, sondern es ist denkbar, dass er selbst leitfähigen Klebstoff umfasst oder hierdurch gebildet ist.
Bevorzugt sind der Klebstoff der Montageklebeverbindung und der leitfähige Klebstoff unterschiedliche Klebstoffe. Vorzugsweise umfasst die Montageklebeverbindung einen Klebstoff mit einer abgestimmten Kombination aus Festigkeit und Nachgiebigkeit, derart, dass der Klebstoff einerseits ausreichend fest ist, um die Schwingungen zu übertragen, und andererseits die auf ihn wirkenden Spannungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der umliegenden Bauteile erträgt.
Der leitfähige Klebstoff der elektrischen Verbindung kann weicher bzw. zäher sein als der Klebstoff der den Piezoaktor mit der Membran wirkverbindenden Klebeverbindung.
Zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Membran und Pie- zoelement ist zwischen der Membran und dem Piezoaktor bevorzugt ein Ausgleichselement, bspw. eine Ausgleichskeramik, angeordnet. Durch ein solches, typischerweise scheibenförmig ausgebildetes Ausgleichselement können thermische Ausdehnungen der Membran aufgenommen und aufgrund thermischer Spannungen hervorgerufene elektrische Spannungen damit weitgehend vermieden werden. Insbesondere können durch ein solches Ausgleichselement mechanische Spannungen, die zu einem Versagen bzw. Brechen des Piezoaktors führen können, vermieden oder reduziert werden. Die Ausgleichskeramik kann Steatitkeramik umfassen. Die Auswirkung von Unterschieden der thermischen Ausdehnung zwischen Piezo- element und Membran können hierdurch abgemildert sein. Das Ausgleichselement ist bevorzugt elektrisch nicht-leitend. Die Klebeverbindung ist bevorzugt zwischen dem Piezoaktor und dem Ausgleichselement angeordnet. Das Ausgleichselement ist bevorzugt mit der Membran verklebt.
Bevorzugt umfasst der Sensor eine weitere elektrische Verbindung, vorzugsweise zwischen der weiteren Elektrode und der Elektronik. Bevorzugt ist mit Hilfe der Elektronik eine Potentialdifferenz zwischen der Elektrode und der weiteren Elektrode bewirkbar bzw. abgreifbar. Bevorzugt ist mit Hilfe der Elektronik, der Elektrode und der weiteren Elektrode eine Potentialdifferenz an gegenüberliegenden Seiten bzw. Flächen des Piezoelements anlegbar bzw. abgreifbar.
Die Fläche, in der sich die Elektrode und die weitere Elektrode, beabstandet durch das Piezoelement, überdecken, kann als aktive Fläche des Piezoelements bezeichnet werden. Bevorzugt ist die aktive Fläche des Piezoelements größer als 7/10 oder 8/10 oder 9/10 der Grundfläche des Piezoelements. Bevorzugt ist die aktive Fläche rotationssymmetrisch. Die aktive Fläche kann der Fläche der weiteren Elektrode entsprechen. Die bevorzugte Rotationssymmetrie der aktiven Fläche kann die Unempfindlichkeit des Piezoaktors gegen Verdrehung bewirken oder hierzu beitragen. Die weitere Elektrode ist bevorzugt ringförmig, insbesondere in Form eines Kreisrings ausgebildet. Die weitere Elektrode ist bevorzugt um die Aussparung herum angeordnet. Die weitere Elektrode kann sich zumindest nahezu auf der gesamten der Membran abgewandten Seite des Piezoelements erstrecken, vorzugsweise mit Ausnahme eines um die Aussparung herum angeordneten inneren Kreisrings, zur Schaffung eines Isolationsabstands zur Isolierung der weiteren Elektrode von der Elektrode. Bevorzugt ist die weitere Elektrode um dieselbe Rotationsachse rotationssymmetrisch, wie die Elektrode. Vorzugsweise weist der Piezoaktor genau zwei Elektroden auf. Daher umfasst der Sensor bevorzugt auch nur zwei elektrische Kontaktbereiche bzw. Kontakte zu Elektroden des Piezoaktors. Die Kontaktbereiche können eine Löt- und/oder Schweißverbindung umfassen. Bevorzugt umfassen sie eine Klebeverbindung mit leitfähigem Klebstoff.
Der Sensor kann Positioniermittel zur Positionierung des Piezoaktors und/oder des Ausgleichselements relativ zur Membran umfassen. Die Positioniermittel können z. B. einen - insbesondere zylindrischen - Stempel des Ausgleichselements auf der dem Piezoaktor zugewandten Seite des Ausgleichselements umfassen.
An der Membran können, als mechanischer Schwinger, zwei Gabelzinken einer Schwinggabel angeordnet sein. Bereiche des Vibrationssensors, z. B. der Piezoaktor und das Kontaktelement, können mittels Vergussmasse vergossen sein. Es kann eine Stiftleiste vorgesehen sein, zur mechanischen Ausrichtung und Fixierung der Kontaktstifte.
Bevorzugt ist der elektrische Kontakt zu dem elektrischen Leiter bzw. der Elektrode mittels leitfähigem Klebstoff hergestellt. Auf diese Weise oder wenn das Kontaktelement durch leitfähigen Klebstoff gebildet ist, kann die elektrische Verbindung zwischen der Elektronik und der Elektrodenfläche einfach herstellbar und zuverlässig sein. Der leitfähige Klebstoff kann ein Silberleitklebstoff sein. Der leitfähige Klebstoff kann vor seiner Aushärtung thixotrop sein. Hierdurch kann erreicht werden, dass der leitfähige Klebstoff nicht oder nur geringfügig in die Aussparung aufgrund von Kapillarwirkung gesaugt wird. Eine negative Beeinflussung der elektrischen Verbindung zwischen der Elektronik und der Elektrodenfläche, die mit Hilfe des leitfähigen Klebstoffs bewirkt sein kann, und der Montageklebeverbindung, kann auch hierdurch verhindert oder reduziert sein. Der Vibrationssensor kann also zum einen die Montageklebeverbindung und zum anderen eine Klebung mit leitfähigem Klebstoff, zum Kontaktieren des Piezoaktors, umfassen.
In einer alternativen Ausgestaltungsform umfasst die elektrische Verbindung einen Innenleiter einer Koaxialverbindung oder ist durch diesen ausgebildet.
Bspw. kann die elektrische Verbindung als Innenleiter eines Koaxialkabels realisiert werden, wobei der Innenleiter wenigstens teilweise in die Aussparung ragt. Der Innenleiter des Koaxialkabels kann dafür für eine Länge, die in etwa der Dicke des Piezoelements entspricht, abgesetzt sein und in die Öffnung des Piezoelements eingeführt werden. Dort kann der Innenleiter mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs elektrisch leitend mit der Elektrode verbunden und gleichzeitig mechanisch fixiert sein. Die Klebung und elektrische Kontaktierung kann am Umfang des Innenleiters dem Verbindungsabschnitt erfolgen, kann aber auch wenigstens teilweise über eine stirnseitige Verklebung erfolgen.
Der Innenleiter durchdringt die Aussparung vorzugsweise wenigstens zur Hälfte, weiter bevorzugt zu wenigstens 80%, besonders bevorzugt annähernd vollständig. Je größer die Überlappung zwischen dem Innenleiter und der Aussparung ist, desto größer ist die Fläche, die elektrisch und/oder mechanisch kontaktiert werden kann. Dadurch kann eine besonders gute elektrische und/oder mechanische stabile Verbindung erreicht werden.
Bevorzugt ist ein Durchmesser des Innenleiters so an einen Durchmesser der Aussparung angepasst, dass ein definierter Abstand zwischen dem Innenleiter und der Innenwandung der Aussparung verbleibt, der durch den elektrisch leitfähigen Klebstoff überbrückt wird. Eine exakte Anpassung kann bspw. durch ein Kalibrierwerkzeug erreicht werden, mit dem der Durchmesser des Inneneiters beim oder nach dem Absetzen so bearbeitet wird, dass dieser optimal in die Aussparung passt.
Das Verschlusselement kann in dieser Ausgestaltungsform bspw. durch ein Dielektrikum und/oder einen Außenleiter der Koaxialverbindung gebildet sein. Die weitere Elektrode kann durch den Außenleiter der koaxialen Verbindung kontaktiert sein. Auch der Außenleiter kann elektrisch leitend mit der weiteren Elektrode verklebt sein, vorzugsweise stirnseitig.
Auf diese Weise wird eine besonders einfach herzustellende Variante zur Verfügung gestellt, bei der effektiv die Kapillarwirkung der Aussparung verringert wird.
Auf diese Weise kann ferner besonders einfach und ohne zusätzliche Komponenten eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Piezoelement und der elektrischen Zuleitung erreicht werden.
Weitere praktische Vorteile und Ausführungsbeispiele sind nachfolgend in Verbindung mit den Figuren beschrieben. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung eines Teils eines aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensors,
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung eines Teils eines ersten Ausführungsbeispiels eines Vibrationssensors,
Fig. 3 die Elektrode des in Fig. 2 gezeigten Vibrationssensors,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Piezoaktors aus Fig. 2, mit
Blick auf die der Membran abgewandten Seite,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des Piezoaktors aus Fig. 2, mit
Blick auf die der Membran zugewandte Seite,
Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung eines Teils eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Vibrationssensors,
Fig. 7 eine Querschnittsdarstellung eines Teils eines dritten Ausführungsbeispiels eines Vibrationssensors,
Fig. 8 eine Querschnittsdarstellung eines Teils eines vierten Ausführungsbeispiels eines Vibrationssensors, Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines Piezoaktors, mit Blick auf die der Membran abgewandten Seite,
Fig. 10 eine perspektivische Darstellung des Piezoaktors aus Fig. 9, mit
Blick auf die der Membran zugewandte Seite, und
Fig. 11 eine Querschnittsdarstellung eines Teils eines fünften Ausführungsbeispiels eines Vibrationssensors.
In Fig. 1 ist ein Teil eines aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensors skizzenhaft gezeigt.
Ein Piezoaktor 16 mit ringscheibenförmigem Piezoelement 18 ist hierbei auf ein isolierendes Ausgleichselement 44 aus keramischem Material geklebt. Der Aufbau von Piezoaktor 16 und Ausgleichselement 44 ist ebenfalls durch eine Klebeverbindung auf einer Membran 12 fixiert. Die Membran 12 geht in ein Gehäuse 10 über oder ist hieran befestigt. Durch Anlegen eines elektrischen Potentials an das Piezoelement 18 kann die Membran 12 bei einem solchen Aufbau in Schwingung versetzt werden. Auf der äußeren Seite der Membran 12 können sich weitere mechanisch schwingfähige Elemente, wie beispielsweise Gabelzinken 62, 64 einer Schwinggabel befinden, die in Fig. 1 durch gestrichelte Linien lediglich angedeutet sind. Die der Membran zugewandte Seite des Piezoaktors ist nicht frei zugänglich und kann somit nicht direkt kontaktiert werden.
Der in Fig. 2 teilweise gezeigte Vibrationssensor dient zur Detektion von Füllständen, Grenzständen oder zur Überwachung von Prozessparametern und umfasst eine in Schwingung versetzbare Membran 12. Die Membran 12, das Gehäuse 10 und die Gabelzinken 62, 64 können wie in Fig. 1 gezeigt ausgebildet sein. In den Fig. 2 bis 5 ist die Membran 12 der einfacheren Darstellbarkeit halber nicht gezeigt.
Der Vibrationssensor umfasst eine als Piezoaktor 16 ausgebildete Antriebseinheit 14. Der Piezoaktor weist ein Piezoelement 18, und eine mit dem Piezoelement 18 verbundenen Elektrode 20 auf. Die Elektrode 20 ist eine Metallisierung des Piezo- elements und weist eine Elektrodenfläche 21 auf. Zudem umfasst der Vibrationssensor eine Klebeverbindung 26, genauer Montageklebeverbindung, mit deren Hilfe der Piezoaktor 16 so mit der Membran 12 wirk- verbunden ist, dass Schwingungen des Piezoaktors 16 auf die Membran 12 übertragbar sind und umgekehrt. Zudem umfasst der Vibrationssensor eine Elektronik 22 und eine elektrische Verbindung 24 zwischen der Elektronik 22 und der Elektrodenfläche 21. Die Elektrodenfläche 21 ist in Fig. 2 lediglich als untere Begrenzung des Piezoaktors 16 dargestellt.
Das Piezoelement 18 weist eine Aussparung 32 auf und die elektrische Verbindung 24 verläuft durch die Aussparung 32. Die elektrische Verbindung 24 kann auch eine elektrische Leitung 72, nämlich ein Kabel aufweisen.
In der Aussparung 32 ist ein mit der Elektrodenfläche 21 elektrisch verbundener elektrischer Leiter 110 angeordnet. Der elektrische Leiter 110 ist Teil der elektrischen Verbindung 24 zwischen der Elektronik 22 und der Elektrodenfläche 21 und umfasst einen Verbindungsabschnitt 23 der Elektrode 20, genauer gesagt eine Metallisierung der Wand der Aussparung 32. Der Vibrationssensor weist zudem ein die Aussparung 32 verschließendes und in der Aussparung 32 sowie auf der der Membran 12 abgewandten Seite 30 des Piezoelements 18 angeordnetes Verschlusselement 125 auf. Das Verschlusselement 125 ist als mit dem Piezoaktor 16 verklebtes Kontaktelement 130 ausgebildet und steht in elektrischem Kontakt zu dem elektrischen Leiter 110. Das Kontaktelement 130 ist unter anderem in der Aussparung 32 verklebt. Das Kontaktelement 130 umfasst einen Kontaktstift 140 und leitfähigen Klebstoff 40.
Der Sensor umfasst ein Ausgleichselement 44 zwischen der Membran 12 und dem Piezoaktor 16 in Form einer Ausgleichskeramik und die Klebeverbindung 26 ist zwischen dem Piezoaktor 16 und dem Ausgleichselement 44 angeordnet. Das Ausgleichselement 44 ist seinerseits mit der Membran 12 verklebt. Wie Fig. 2 auch zeigt, erstreckt sich das Piezoelement in einer Ebene 70.
Die Klebeverbindung 26 weist einen ringförmig um die Aussparung 32 herum angeordneten Verbindungsbereich 120 auf und steht in diesem Verbindungsbereich 120 mit der Elektrodenfläche 21 in Kontakt. Der Verbindungsbereich 120 macht bis auf einen kleinen äußeren Klebeminiskus und einen inneren Klebemeniskus 260 in dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die gesamte Klebeverbindung 26 aus. Die Klebeverbindung weist in dem Verbindungsbereich 120 eine gleichbleibende Dicke D auf. Ein in die Aussparung 32 Saugen und Eintreten des Klebstoffs der Montageklebeverbindung 26 durch Kapillarwirkung und eine hierdurch erfolgte Dickenvariation der Klebeverbindung und Störung der Bildung des Klebemeniskustritt 260 tritt nicht in erheblichem Maße auf, obwohl die Aussparung 32 einen Durchmesser U von weniger als 2 mm aufweist. Auch eine durch Klebstoff der Montageklebeverbindung bewirkte Störung der elektrischen Kontaktierung der Metallisierung der Wand der Aussparung 32 ist verhindert.
Dies wurde in dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass die Aussparung 32 durch das den Kontaktstift 140 umfassende Kontaktelement 130 verschlossen und die Klebeverbindung 26 hergestellt wurde, derart, dass in der Aussparung eingeschlossene Luft der Kapillarwirkung der Aussparung 32 während des Herstellens der Klebeverbindung 26 entgegenwirkte. Fig. 2 zeigt auch, dass das Verschlusselement 125 in der Aussparung 32 und auf der der Membran 12 abgewandten Seite 30 des Piezoelements angeordnet ist.
Vor der Montage in den Vibrationssensor, also vor dem Herstellen der Klebeverbindung 26, wurde das Piezoelement, nachdem die Aussparung 32 eingebracht wurde, zur Bereitstellung der Elektrode 20 auf einer seiner Seiten und in der Aussparung 32 durchgehend metallisiert. Durch die Metallisierung eines Bereichs der anderen Seite des Piezoelements wurde eine weitere Elektrode 45 geschaffen.
Der Kontaktstift 140 ist mit leitfähigem Klebstoff 40 in der Aussparung 32 verklebt, verschließt die Aussparung 32 und stellt zudem den elektrischen Kontakt zu dem elektrischen Leiter 110 her. Die in der Aussparung 32 angeordnete Mantelfläche des Kontaktstifts 140 steht in elektrischem Kontakt zu dem Piezoaktor 16, genauer dem elektrischen Leiter 110.
Der Kontaktstift 140 weist eine Außenabmessung auf, die komplementär zu der Innenabmessung der Aussparung 32 ist. Der Kontaktstift 140 weist bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einen Kragen 150 auf, der mit dem Piezoaktor 16 verklebt ist. Wie die Figuren 2 bis 5 zeigen, weist das Piezoelement 18 eine erste, der Membran 12 zugewandte Seite 28 auf. Die Elektrodenfläche 21 ist ausschließlich auf dieser ersten Seite 28 angeordnet. Das Piezoelement 18 weist eine zweite, der Membran 12 abgewandte Seite 30 auf. Die Aussparung 32 reicht von der ersten Seite 28 bis zur zweiten Seite 30 durch das Zentrum des Piezoelements 18 hindurch.
An der der Membran 12 abgewandten Seite 30 des Piezoelements 18 ist die weitere Elektrode 45 angeordnet und der Vibrationssensor umfasst ein weiteres Kontaktelement 190 in Form eines weiteren Kontaktstifts 200, der mit der weiteren Elektrode 45 verklebt ist. Der weitere Kontaktstift 200 weist endseitig eine scheibenförmige Verdickung 210 auf.
Der Piezoaktor 16 ist als verklebte Ringscheibe 34 ausgebildet, mit zentrischer Umkontaktierung 36. Das Piezoelement 18 und die Elektrode 20 sind um dieselbe Rotationsachse rotationssymmetrisch.
Die Elektrode 20 weist zusätzlich zu der ebenen Elektrodenfläche 21 einen in die Aussparung 32 reichenden Verbindungsabschnitt 23 auf, der den elektrischen Leiter 110 bildet (Fig. 3).
Der Sensor umfasst eine weitere elektrische Verbindung 74 zwischen der weiteren Elektrode 45 und der Elektronik 22. Die weitere Elektrode 45 hat die Form eines Kreisrings 66, ist um die Aussparung 32 herum angeordnet und erstreckt sich zumindest nahezu auf der gesamten der Membran 12 abgewandten Seite des Piezoelements 18 mit Ausnahme eines um die Aussparung 32 herum angeordneten inneren Kreisrings 68, zur Isolation der weiteren Elektrode 45 von der Elektrode 20.
Fig. 3 verdeutlicht die Form der Elektrode 20 des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels, mit der ebenen, kreisringförmigen Elektrodenfläche 21 und dem Verbindungsabschnitt 23. Wie Fig. 2 und Fig. 3 zeigen, erstreckt sich die Elektrode 20 über zueinander geneigte Flächen und hat in dem in diesen Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel die Form einer die Elektrodenfläche 21 bildenden Kreisfläche mit Loch und an den Rändern des Lochs angrenzendem, den Verbindungsabschnitt 23 bereitstellenden Hohlzylinder. Der Verbindungsabschnitt 23 kann zudem, wie in den Fig. 2 bis 5 gezeigt, einen auf der der Membran abgewandten Seite 30 des Piezoelements verlaufenden Bereich 42 aufweisen. Dieser Bereich 42 ist kreisringförmig und kragenförmig, sowie um die Aussparung 32 des Piezoelements 18 herum angeordnet. Bei allen in den Fig. 2 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispielen kann der Verbindungsabschnitt 23 jedoch zur Vergrößerung der aktiven Fläche des Piezoelements ohne den auf der der Membran 12 abgewandten Seite 30 des Piezoelements verlaufenden Bereich 42 ausgebildet sein.
Die Figuren 4 und 5 verdeutlichen den Aufbau des Piezoaktors 16 mit kreisringförmigem Piezoelement 18, wie oben beschriebener Elektrode 20 und weiterer, kreisringförmiger Elektrode 45.
In den Fig. 6 bis 8 sind weitere Ausführungsbeispiele gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei - soweit nicht anders angegeben - gleiche Elemente mit gleicher Funktion. Insoweit wird auf die obige Beschreibung verwiesen. Im Folgenden werden lediglich Unterschiede zu dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellt. Der in allen in den Fig. 6 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispielen vorhandene Klebemeniskus 260 wurde in den Fig. 6 bis 8 aus zeichnerischen Gründen weggelassen.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Kontaktstift 140 und der weitere Kontaktstift 200 Teil einer standardisierten elektrischen Steckverbindung 160 ist und der Abstand 230 der Kontaktstifte zueinander ein Rastermaß ist. Der Kontaktstift 140 und der weitere Kontaktstift 200 dienen als Kontakte zu einem Gegenstecker 220. Die Kontaktstifte weisen jeweils eine Aussparung in Form eine Sacklochbohrung auf, die einen Hülsenabschnitt des jeweiligen Kontaktstifts zur Aufnahme eines Gegensteckerkontakts bereitstellt. Der Vibrationssensor umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine mit dem Piezoaktor 16 verklebte Steckverbindung 160 anstelle eines Flexleiters. Fig. 6 zeigt zudem einen Vergussbecher 270, zum Einbringen von in den Figuren nicht dargestellter Vergussmasse sowie eine Stiftleiste 280, zur mechanischen Ausrichtung und Fixierung der Kontaktstifte.
Der Vibrationssensor umfasst in den in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsbeispielen eine Leiterplatte 170 mit elektronischen Komponenten 180. Das Kontaktelement 130 verbindet den Piezoaktor 16, genauer gesagt den elektrischen Leiter 110, mit der Leiterplatte 170 elektrisch und stellt zudem eine feste mechanisch Verbindung zwischen dem Piezoaktor 16 und der Leiterplatte 170 her. Auf der Leiterplatte 170 ist ein elektrischer Steckkontakt in Form einer 2 Pol Buchse 240 angeordnet.
Das Kontaktelement 130 kontaktiert bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Seite mittels leitfähigem Klebstoff 40 den Piezoaktor 16, insbesondere zumindest auch das den elektrischen Leiter 110, und mit der anderen Seite unmittelbar oder mittels an dieser Stelle in fig. 7 nicht dargestelltem leitfähigem Klebstoff die Leiterplatte 170.
Bei dem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Kontaktelement keinen Kontaktstift, sondern ist durch leitfähigen Klebstoff 40 gebildet und der Piezoaktor 16 ist direkt mit der Leiterplatte 170, über Kontaktflächen 250 der Leiterplatte, mit der Leiterplatte mechanisch und elektrisch verbunden.
Wenn der Verbindungsabschnitt 23 der Elektrode einen auf der der Membran 12 abgewandten Seite 30 des Piezoelements verlaufenden Bereich 42 aufweist, dann kann das Verschlusselement 125, wie in Fig. 8 gezeigt, ausschließlich auf der der Membran 12 abgewandten Seite 30 des Piezoelements angeordnet sein. Wenn die Elektrode diesen Bereich nicht aufweist, dann reicht der leitfähige Klebstoff 40, anders als in Fig. 8 gezeigt, in die Aussparung 32 hinein und kontaktiert die metallisierte Wand der Aussparung 32.
In den Figuren 9 und 10 ist eine eines Piezoaktors 16 wie er in einem weiteren zum Einsatz kommen kann.
Im Unterschied zu der Variante eines Piezoaktors 16, wie er in den Figuren 4 und
5 gezeigt ist, ist die auf der der Membran 12 Seite des
Piezoelements 18 nicht kreisring- und kragenförmig um die 32 herum sondern ist ausschließlich in der selbst angeordnet. Es wird dadurch erreicht, dass die weitere Elektrode 45 näher an die werden kann. Die elektrische der Elektrode 20 hat in der
Figur 11 zeigt in einer Ausschnittsvergrößerung einen Schnitt in Längsrichtung der Aussparung 32 durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors mit einem Piezoaktor 16, wie er in den Figuren 9 und 10 gezeigt ist. Die elektrische Kontaktierung des Piezoelements 18 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel einerseits durch einen Innenleiter 86 einer Koaxialleitung 84, der in der Aussparung 32 des Piezoelements 18 angeordnet und mit dem leitfähigen Klebstoff 40 mit diesem sowohl elektrisch als auch mechanisch verbunden ist. Die weitere Elektrode 45 ist mit dem Außenleiter 88 der Koaxialleitung 84 verbunden, der ebenfalls mittels eines leitfähigen Klebstoffes 40 mechanisch und elektrisch leitend mit dieser verbunden ist.
Durch die in Fig. 11 gezeigte Ausgestaltung kann besonders einfach eine elektrische und mechanische Kontaktierung und eine Abdichtung der Aussparung 32 erreicht werden.
Dadurch, dass das Piezoelement 18 aufgrund der lediglich zentralen Kontaktierung vollkommen rotationssymmetrisch ausgestaltet werden kann, treten weniger Spannungen aufgrund der Verformungen des Piezos auf, wodurch sich unter anderem die mechanische Belastbarkeit und Haltbarkeit des Piezoelements 18 deutlich verlängert. Ferner verringert sich dadurch, dass eine radial weiter außen liegende Kontaktierungsstelle wegfällt, zusätzlich die Steifigkeit wodurch eine größere Amplitude generiert werden kann.
Bezugszeichenliste
10 Gehäuse
12 Membran
14 Antriebseinheit
16 Piezoaktor
18 Piezoelement
20 Elektrode
21 Elektrodenfläche
22 Elektronik
23 Verbindungsabschnitt der Elektrode
24 elektrische Verbindung
26 Klebeverbindung
28 der Membran zugewandte Seite des Piezoelements
30 der Membran abgewandte Seite des Piezoelements
32 Aussparung des Piezoelements
34 verklebte Ringscheibe
36 zentrische Umkontaktierung
40 leitfähiger Klebstoff
42 auf der der Membran abgewandte Seite des Piezoelements verlaufender Bereich des Verbindungsabschnitts
44 Ausgleichselement
45 weitere Elektrode
62 Gabelzinke
64 Gabelzinke
66 Kreisring
68 innerer Kreisring
70 Ebene
72 elektrische Leitung
74 weitere elektrische Verbindung
84 Koaxialleitung
86 Innenleiter
88 Außenleiter
110 elektrischer Leiter
120 Verbindungsbereich der Klebeverbindung
125 Verschlusselement 130 Kontaktelement
140 Kontaktstift
150 Kragen
160 elektrische Steckverbindung 170 Leiterplatte
180 elektronischen Komponenten
190 weiteres Kontaktelement
200 weiterer Kontaktstift
210 Verdickung 220 Gegenstecker
230 Abstand
240 2 Pol Buchse
250 Kontaktfläche
260 Klebemeniskus 270 Vergussbecher
280 Stiftleiste
Dicke
U Durchmesser

Claims

Patentansprüche
1. Vibrationssensor, zur Detektion von Füllständen, Grenzständen oder zur Überwachung von Prozessparametern, umfassend:
- eine in Schwingung versetzbare Membran (12),
- eine Antriebseinheit (14), wobei die Antriebseinheit (14) einen Piezoak- tor (16) umfasst, der ein Piezoelement (18), und eine mit dem Piezoele- ment (18) verbundene Elektrode (20) mit einer Elektrodenfläche (21) aufweist,
- eine Klebeverbindung (26), mit deren Hilfe der Piezoaktor (16) so mit der Membran (12) Wirkverbunden ist, dass Schwingungen des Piezoak- tors (16) auf die Membran (12) übertragbar sind,
- eine Elektronik (22),
- eine elektrische Verbindung (24) zwischen der Elektronik (22) und der Elektrodenfläche (21), wobei das Piezoelement (18) eine Aussparung (32) aufweist und die elektrische Verbindung (24) durch die Aussparung (32) verläuft, wobei in der Aussparung (32) ein mit der Elektrodenfläche (21) elektrisch verbundener elektrischer Leiter (110) angeordnet ist und der Vibrationssensor ein die Aussparung (32) verschließendes Verschlusselement (125) aufweist.
2. Vibrationssensor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (125) zumindest auch in der Aussparung (32) und/oder auf der der Membran (12) abgewandten Seite (30) des Piezoele- ments (18) angeordnet ist.
3. Vibrationssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (125) als Kontaktelement (130) ausgebildet ist und in elektrischem Kontakt zu dem elektrischen Leiter (110) steht.
4. Vibrationssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (130) mit dem Piezoaktor (16) verklebt ist.
5. Vibrationssensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (130) in der Aussparung (32) verklebt ist.
6. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (130) einen Kontaktstift (140) umfasst.
7. Vibrationssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstift (140) einen Kragen (150) aufweist, der mit dem Piezoaktor (16) verklebt ist.
8. Vibrationssensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstift (140) Teil einer elektrischen Steckverbindung (160) ist.
9. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationssensor eine Leiterplatte (170) mit elektronischen Komponenten (180) umfasst, und das Kontaktelement (130) den Piezoaktor (16), mit der Leiterplatte (170) elektrisch und mechanisch verbindet.
10. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Membran (12) abgewandten Seite (30) des Piezoelements (18) eine weitere Elektrode (45) angeordnet ist und der Vibrationssensor ein weiteres Kontaktelement (190) umfasst, zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zu der weiteren Elektrode (45).
11. Vibrationssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Kontaktelement (190) einen weiteren Kontaktstift (200) umfasst, der mit der weiteren Elektrode (45) verklebt ist.
12. ibrationssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (230) des weiteren Kontaktstifts (200) zu dem Kontaktstift (140) einem Rastermaß entspricht.
13. ibrationssensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung durch einen Innenleiter (86)einer Koaxialverbindung ausgebildet ist.
14. Vibrationssensor gemäß Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement durch ein Dielektrikum und/oder einen Außenleiter (88) der Koaxialverbindung gebildet ist.
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