EP4710072A1 - Sensor vom vibrationstyp - Google Patents

Sensor vom vibrationstyp

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Publication number
EP4710072A1
EP4710072A1 EP24715531.0A EP24715531A EP4710072A1 EP 4710072 A1 EP4710072 A1 EP 4710072A1 EP 24715531 A EP24715531 A EP 24715531A EP 4710072 A1 EP4710072 A1 EP 4710072A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vibration sensor
electrode
contacting
contacting electrode
sensor according
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
EP24715531.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Bauer
Laura MIGNANELLI
Sergey Lopatin
Mohammad Sadegh Ebrahimi
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.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co 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 Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP4710072A1 publication Critical patent/EP4710072A1/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
    • G01F23/2966—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.
  • the vibration sensor is used, for example, to determine and/or monitor a process variable of a medium.
  • the process variable is, for example, the fill level.
  • Vibration sensors are known in the state of the art, which are designed as, for example, vibrating forks or single rods. Such sensors have a mechanically oscillating unit that is excited to mechanical vibrations by a drive/receiver unit. The vibrations that arise through the interaction with a medium to be measured or monitored are received by the drive/receiver unit and sent for evaluation. For example, a measurement takes advantage of the fact that the vibration frequency or amplitude changes when the mechanically oscillating unit changes from an uncovered state to a state covered by the medium. This allows, for example, the level of the medium in a container to be monitored.
  • the drive/receiver unit usually contains a converter device that converts between electrical signals and mechanical vibrations. Piezoelectric elements that form a stack are often used for this. Contacting electrodes, also known as soldering tabs, are used to make contact with them.
  • WO 01/66269 A1 discloses two examples of the shape of the contacting electrodes with molded-on tabs. In one variant, the contacting electrode is star-shaped, with the spaces between the fingers intended to accommodate adhesive that is used during production. In another embodiment, the contacting electrode is circular, which has the advantage of a larger and more uniform contact surface.
  • the construction of the transducer device means that different materials - metal for the contact electrode and ceramic for the piezoelectric element - are connected to each other in a force-locking manner.
  • the different thermal expansion coefficients can lead to mechanical stresses that may even exceed the breaking stress of the ceramic. In extreme cases, such stresses can also cause depolarization of the piezoelectric elements.
  • the ceramic elements break more frequently.
  • Designs of contacting electrodes can be taken from the state of the art, such as EP 1 134 038 A1 or DE 102019 132 021 A1, which each show soldering lugs with rectangular tips.
  • the invention is based on the object of proposing a vibration sensor in which mechanical stresses in the transducer device are reduced.
  • a vibration sensor with a mechanically oscillatable unit and with a transducer device, wherein the transducer device excites the mechanically oscillatable unit to mechanical vibrations and/or receives mechanical vibrations from the mechanically oscillatable unit, wherein the transducer device has at least one piezo element and at least one contacting electrode, wherein the contacting electrode has an outer border, wherein the outer border is designed essentially star-shaped with alternating elevations and depressions, wherein the depressions are designed essentially trough-like and/or the elevations are designed essentially club-like and wherein the elevations have a rounded shape.
  • the contact electrode (an alternative name is soldering lug) of the vibration sensor according to the invention is star-shaped, with elevations (which can also be referred to as rays, tips or spikes of the star) and depressions (which can also be referred to as valleys) to alternate continuously.
  • the depressions have a trough shape, so that they have a rather flat or largely uniform course in a middle section.
  • the elevations have a club shape, so that they have a rather broad and preferably rounded course in the radially outer area. The elevations therefore do not end in a point.
  • the largely uniform course of the depressions and the rather broad elevations reduce possible radial stresses that can occur particularly in the area of the outer edge.
  • the rounded course of the elevations avoids mechanical stress peaks that can occur when the contact electrode is connected to the electrode of a piezo element.
  • the outer edge area of the contacting electrode is particularly subject to high stress when the temperature rises.
  • the outer edge of the invention is therefore designed in such a way that the depressions pull material from the contacting electrode out into a radially deeper area and the elevations mean that less material remains in the radially outer area.
  • the elevations are widened in particular by the club shape so that the forces occurring there are distributed as evenly as possible over a larger area. Pointed ends are therefore avoided in particular.
  • the special design of the transducer device which can alternatively be referred to as a drive, offers the advantage that the vibration sensor can also be used at high temperatures, in particular greater than 200 °C.
  • the contact electrodes are mostly made of copper alloys (bronze, brass) with a gold, silver or tin coating. If temperatures exceed 150 °C for a longer period of time, Such contact electrodes are welded to the silver electrodes of the piezo elements. If temperatures exceeding 200 °C occur during use, the vibration sensors may be damaged due to the different thermal expansion coefficients of the piezo ceramic (approx. 6*1 O' 6 1/K) and the contact electrode welded to it (approx. 19*10 -6 1/K). This is prevented by the invention.
  • the contacting electrode is preferably designed as a flat disc.
  • the ends of the elevations form an imaginary circle around a center point of the contacting electrode.
  • the geometry of the contacting electrode is determined from a circle in which the depressions are present as a reduction of the material.
  • the converter device has a plurality of piezo elements, which are preferably arranged in a stack. At least one contacting electrode is preferably assigned to each of the piezo elements. Alternatively or additionally, the converter device has a plurality of contacting electrodes, which are identical or different.
  • One embodiment of the vibration sensor provides that at least one contact lug is formed on the contacting electrode.
  • a contact lug is described, for example, in WO 01/66269 A1. Both the contacting electrode and the contact lug are electrically conductive.
  • the contact tab is designed as a strip.
  • One embodiment includes that the contact lug is arranged in such a way that the contact lug merges into a raised area on the outer edge of the contacting electrode.
  • the geometries of the raised area and the contact lug partially merge with one another by forming a unit in a transition region.
  • the outer edge has four elevations.
  • the contact electrode is a four-pointed star, whereby in another embodiment, one point can experience a kind of extension through the contact lug.
  • the vibration sensor includes that the contacting electrode is at least partially designed as a net.
  • the contacting electrode does not have a completely closed surface, but is formed from overlapping and interwoven threads - in particular made of metal. This allows a certain degree of compensation for thermal expansion effects within the contacting electrode itself.
  • the contacting electrode has at least one recess within its outer border - preferably in the form of a continuous hole or gap.
  • One embodiment of the vibration sensor includes that there are several recesses within the outer border. In this embodiment, the contacting electrode therefore has several recesses, preferably designed as holes.
  • One embodiment of the vibration sensor provides that at least a majority of the recesses are arranged point-symmetrically to a center of the contacting electrode. The symmetry is intended to ensure an even distribution of the forces that can result from thermal expansion.
  • One embodiment of the vibration sensor includes that at least some of the recesses are arranged at a substantially equal radial distance from the center of the contacting electrode. In this embodiment, the recesses are partially arranged in a circle around the center of the contacting electrode.
  • the vibration sensor provides that the at least one recess or at least some of the recesses are circular or star-shaped.
  • a center point of the contacting electrode is located within the at least one recess. In this embodiment, there is thus a recess in the center of the contacting electrode.
  • the remaining material of the The contacting electrode is preferably arranged substantially symmetrically around this recess.
  • a supplementary or alternative embodiment provides that the contact lug has at least one recess.
  • the contacting electrode is characterized by a structure that is as symmetrical as possible in terms of its geometry.
  • One embodiment is characterized in that the contacting electrode and an electrode applied to the piezo element are made of materials that essentially do not form solid bonds at high temperatures or whose alloying elements do not dissolve into one another.
  • a suitable combination of materials is intended to avoid solid material bonds between the contacting electrode and an electrode applied directly to the piezo element, which could lead to problems in the application due to different thermal expansion coefficients.
  • One embodiment consists in the contacting electrode having a chromium component.
  • This embodiment is particularly advantageous when the electrode located on the piezo element consists at least partially of silver.
  • the aim is for the silver of the silver electrode not to diffuse into the metal structure of the contacting electrode and not to form a solid bond or solid solution with one another.
  • an oxide layer is additionally produced on the metal of the electrode of the piezoelectric element and/or the contacting electrode at high temperature (450 °C to 550 °C), which represents an additional barrier to diffusion.
  • the contacting electrode consists at least partially of a rust-proof alloy with a thermal expansion coefficient of less than 15 * 10' 6 1/K.
  • the material of the contacting electrode is a Fe-Cr alloy 1.4016 (or AISI 430) with a low thermal expansion coefficient of 10.5* 10' 6 1/K, with a relatively high chromium proportion and with a ferrite structure.
  • the Cr-Fe alloys are characterized by the fact that they have very low thermal expansion coefficients in the material group of stainless steels.
  • nickel-based alloys such as Hastelloy 2.4819 (or C-276) with a thermal expansion coefficient of 12.5* 10' 6 1/K or INCONEL alloy 783 with an expansion coefficient of approx. 10.5* 10' 6 1/K can be used.
  • a further embodiment provides that the converter device has at least two contacting electrodes and that the at least two contacting electrodes are connected to one another via a contact tab.
  • the contacting electrodes are preferably designed to be identical.
  • the contact tab connects the contacting electrodes to one another.
  • An additional embodiment includes that the converter device has at least two piezo elements arranged in a stack, and that each of the two contacting electrodes is connected to another of the two piezo elements, i.e. is contacted. If several piezo elements are arranged in a stack, this embodiment allows the piezo elements to be contacted with a contacting electrode and thus interconnected, since the individual contacting electrodes are in turn connected to one another via the contact tab. In addition to the electrical contact, the contact tab also ensures that the height difference between the layers on which the contacting electrodes are inserted is overcome.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of a vibration sensor
  • Fig. 2 shows a first embodiment of the contacting electrode
  • Fig. 3 shows a second embodiment
  • Fig. 4 shows a third embodiment
  • Fig. 5 shows a fourth embodiment.
  • Fig. 1 shows a so-called tuning fork as an example of a design of the vibration sensor.
  • the mechanically oscillating unit 1 has two so-called fork tines that are connected to a membrane.
  • a converter device 2 On the opposite side of the membrane, in a housing indicated here, there is a converter device 2, which in the example indicated has two disk-like piezo elements 3.
  • a contacting electrode 4 is present in the example shown, which consists at least partially of a metal and is connected to a wire 6 as an embodiment of an electrical line.
  • Fig. 2 shows a first example of the contact electrode 4.
  • the outer border 40 is designed as a four-pointed star with four elevations 41 and four depressions 42 arranged between them.
  • the depressions 42 are trough-like. There are therefore two gently sloping flanks on the sides with a slight gradient, between which there is an intermediate piece that runs rather flat with only a slightly changing radius. This can also be described as the depressions 42 being significantly wider than they are deep.
  • the elevations 41 are designed like a club radially outwards. The elevations 41 therefore do not end in points, but have rounded and wider end areas.
  • a raised portion 41 merges into a contact tab 5, which is here designed in strip form.
  • Fig. 2 shows a closed surface of the contacting electrode 4 within its outer border 40. In the embodiment of Fig. 3, it has two recesses 43 within the outer border 40 or in the transition area between the contacting electrode 4 and the contact lug 5.
  • Fig. 4 shows an extension of the embodiment of Fig. 2.
  • contact electrodes 4 there are three contact electrodes 4, each of which is connected to one another by a contact tab 5. This design is used in a Converter device application in which several piezo elements are stacked on top of each other. Each contact electrode 4 is connected to another piezo element and the contact tabs 5 between the contact electrodes 4 are each located on the side of the stack of piezo elements and serve to overcome the height difference.
  • two contacting electrodes 4 are connected to one another by a contact lug 5.
  • a further contact lug 5 is used to contact this series circuit from the outside, e.g. by means of a wire 6 as indicated in Fig. 1.

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Abstract

Die Erfindung offenbart einen Vibrationssensor mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1) und einer Wandlervorrichtung (2). Die Wandlervorrichtung (2) regt die mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu mechanischen Schwingungen an und/oder empfängt mechanische Schwingungen von ihr. Sie weist ein Piezoelement (3) und eine Kontaktierungselektrode (4) auf. Die Kontaktierungselektrode (4) verfügt über eine Außenumrandung (210), die sternförmig mit sich abwechselnden Erhebungen (41) und Vertiefungen (42) ausgestaltet ist. Dabei sind die Vertiefungen (42) wannenartig und/oder die Erhebungen (41) keulenartig ausgestaltet. Zudem haben die Erhebungen (41) einen abgerundeten Verlauf.

Description

SENSOR VOM VIBRATIONSTYP
Die Erfindung betrifft einen Vibrationssensor. Der Vibrationssensor dient beispielsweise der Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums. Die Prozessgröße ist beispielsweise der Füllstand.
Im Stand der Technik sind Vibrationssensoren bekannt, die z. B. als Schwinggabeln oder Einstäbe ausgeführt sind. Solche Sensoren verfügen über eine mechanisch schwingfähige Einheit, die von einer Antriebs-ZEmpfangseinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Die sich durch die Wechselwirkung mit einem zu vermessenden oder zu überwachenden Medium einstellenden Schwingungen werden von der Antriebs-ZEmpfangseinheit empfangen und einer Auswertung zugeführt. Für eine Messung wird beispielsweise ausgenutzt, dass sich die Schwingungsfrequenz oder die Amplitude ändert, wenn die mechanisch schwingfähige Einheit von einem unbedeckten zu einem durch das Medium bedeckten Zustand übergeht. Dies erlaubt z. B. die Überwachung des Füllstands des Mediums in einem Behälter.
In der Antriebs-ZEmpfangseinheit ist üblicherweise eine Wandlervorrichtung vorhanden, die zwischen elektrischen Signalen und mechanischen Schwingungen wandelt. Verwendet werden dafür oft piezoelektrische Elemente, die einen Stapel bilden. Für deren Kontaktierung dienen Kontaktierungselektroden, die auch als Lötfahnen bezeichnet werden. Zwei Beispiele für die Form der Kontaktierungselektroden mit angeformten Fähnchen offenbart die WO 01/66269 A1. In einer Variante ist die Kontaktierungselektrode sternförmig, wobei die Freiräume zwischen den Fingern Klebstoff aufnehmen sollen, der während der Herstellung verwendet wird. In einer anderen Ausgestaltung ist die Kontaktierungselektrode kreisförmig, was den Vorteil einer größeren und gleichmäßigen Kontaktfläche hat.
Der Aufbau der Wandlervorrichtung bringt es mit sich, dass unterschiedliche Materialien - Metall für die Kontaktierungselektrode und Keramik für das piezoelektrische Element - kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen können die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu mechanischen Spannungen führen, die ggf. sogar die Bruchspannung der Keramik überschreiten. Solche Spannungen können in extremen Fällen auch eine Depolarisierung der piezoelektrischen Elemente bewirken. Häufiger tritt jedoch der Fall des Brechens der keramischen Elemente auf. Auf dem piezoelektrischen Element befindet sich zumeist eine Elektrode, die häufig zumindest teilweise aus Silber besteht. Somit ist also der Aufbau: Keramik des Piezoelements, Elektrode des Piezoelements und darauf die Kontaktierungselektrode.
Dem Stand der Technik lassen sich Ausführungen von Kontaktierungselektroden entnehmen, so z. B. die EP 1 134 038 A1 oder die DE 102019 132 021 A1 , die jeweils Lötfahnen mit rechteckig mündenden Spitzen zeigen.
Eine Elektrode, die sich zwischen mehreren Piezoelemente erstreckt, zeigt die DE 10 2004 007 767 A1.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationssensor vorzuschlagen, bei dem mechanische Spannungen in der Wandlervorrichtung reduziert sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Vibrationssensor, mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit und mit einer Wandlervorrichtung, wobei die Wandlervorrichtung die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt und/oder mechanische Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt, wobei die Wandlervorrichtung mindestens ein Piezoelement und mindestens eine Kontaktierungselektrode aufweist, wobei die Kontaktierungselektrode eine Außenumrandung aufweist, wobei die Außenumrandung im Wesentlichen sternförmig mit sich abwechselnden Erhebungen und Vertiefungen ausgestaltet ist, wobei die Vertiefungen im Wesentlichen wannenartig und/oder die Erhebungen im Wesentlichen keulenartig ausgestaltet sind und wobei die Erhebungen einen abgerundeten Verlauf haben.
Die Kontaktierungselektrode (eine alternative Bezeichnung ist Lötfahne) des erfindungsgemäßen Vibrationssensors ist sternförmig ausgeführt, wobei sich Erhebungen (die man auch als Strahlen, Spitzen oder Zacken des Sterns bezeichnen kann) und Vertiefungen (die man auch als Täler bezeichnen kann) um laufend abwechseln. Die Vertiefungen haben dabei eine Wannenform, sodass sie in einem jeweils mittleren Abschnitt einen eher flachen oder weitgehend gleichbleibenden Verlauf zeigen. Die Erhebungen haben eine Keulenform, sodass sie im radial äußeren Bereich einen eher breiteren und vorzugsweise abgerundeten Verlauf haben. Die Erhebungen münden daher insbesondere nicht spitz. Der weitgehend gleichmäßige Verlauf der Vertiefungen und die eher breit verlaufenden Erhebungen reduzieren mögliche radiale Spannungen, die insbesondere im Bereich der Außenumrandung auftreten können. Durch den abgerundeten Verlauf der Erhebungen werden mechanische Spannungsspitzen vermieden, die sich bei der Verbindung der Kontaktierungselektrode mit der Elektrode eines Piezoelements einstellen können.
Aufwendige Untersuchungen haben gezeigt, dass insbesondere der äußere Randbereich der Kontaktierungselektrode während einer Temperaturerhöhung hoch belastet ist. Daher ist die Außenumrandung bei der Erfindung so ausgeführt, dass durch die Vertiefungen Material der Kontaktierungselektrode aus dem Außenbereich in einen radial tieferen Bereich zurückgezogen wird und durch die Erhebungen weniger Material in dem radial äußeren Bereich verbleibt. Die Erhebungen sind dabei insbesondere durch die Keulenform verbreitert, damit dort auftretende Kräfte möglichst gleichmäßig über einen größeren Bereich verteilt werden. Daher werden also insbesondere spitze Enden vermieden.
Durch den Wechsel von Erhebungen und Vertiefungen der Kontaktierungselektrode ergibt sich in einer beispielhaften Ausgestaltung, dass in einem Kreisring um einen Mittelpunkt der Kontaktierungselektrode nur ca. 22% durch Material bedeckt ist.
Durch die besondere Ausgestaltung der Wandlervorrichtung, die alternativ auch als Antrieb bezeichnet werden kann, ergibt sich der Vorteil, dass der Vibrationssensor auch bei hohen Temperaturen, insbesondere größer als 200 °C verwendet werden kann.
Im Stand der Technik bestehen die Kontaktierungselektroden zumeist aus Kupferlegierungen (Bronze, Messing) mit einer Gold-, Silber- oder Zinn- Beschichtung. Herrschen längere Zeit Temperaturen größer als 150 °C, so werden solche Kontaktierungselektroden mit den aus Silber bestehenden Elektroden der Piezoelemente verschweißt. Treten in der Anwendung Temperaturen größer als 200 °C auf, so kann es wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Piezokeramik (ca. 6*1 O’6 1/K) und der damit kraftschlüssig verschweißten Kontaktierungselektrode (ca.19*10-6 1/K) zu Beschädigungen der Vibrationssensoren kommen. Dies wird durch die Erfindung verhindert.
Die Kontaktierungselektrode ist vorzugsweise als flache Scheibe ausgeführt.
In einer Ausgestaltung spannen die Enden der Erhebungen einen imaginären Kreis um einen Mittelpunkt der Kontaktierungselektrode auf. In dieser Ausgestaltung wird also für die Gewinnung der Geometrie der Kontaktierungselektrode von einem Kreis ausgegangen, in den die Vertiefungen als Reduktion des Materials vorliegen.
Die Wandlervorrichtung verfügt in einer Ausgestaltung über mehrere Piezoelemente, die vorzugsweise in einem Stapel angeordnet sind. Den Piezoelementen ist dabei vorzugsweise jeweils mindestens eine Kontaktierungselektrode zugeordnet. Alternativ oder ergänzend verfügt die Wandlervorrichtung über mehrere Kontaktierungselektroden, die identisch oder unterschiedlich ausgeführt sind.
Eine Ausgestaltung des Vibrationssensors sieht vor, dass an der Kontaktierungselektrode mindestens eine Kontaktfahne angeformt ist. Eine solche Kontaktfahne ist beispielsweise beschrieben in der WO 01/66269 A1. Dabei sind sowohl die Kontaktierungselektrode als auch die Kontaktfahne elektrisch leitfähig.
In einer Ausgestaltung ist die Kontaktfahne als Streifen ausgestaltet.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Kontaktfahne so angeordnet ist, dass die Kontaktfahne in eine Erhebung der Außenumrandung der Kontaktierungselektrode übergeht. In dieser Ausgestaltung verschmelzen somit die Geometrien von Erhebung und Kontaktfahne teilweise miteinander, indem sie in einem Übergangsbereich eine Einheit bilden. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Außenumrandung vier Erhebungen aufweist. In dieser Ausgestaltung handelt es sich bei der Kontaktierungselektrode um einen vierzackigen Stern, wobei in einer weiteren Ausgestaltung eine Zacke eine Art von Verlängerung durch die Kontaktfahne erfahren kann.
Eine Ausgestaltung des Vibrationssensors beinhaltet, dass die Kontaktierungselektrode zumindest teilweise als Netz ausgestaltet ist. In dieser Ausgestaltung verfügt die Kontaktierungselektrode somit nicht über eine vollständig geschlossene Oberfläche, sondern wird aus einander überlagernden und miteinanderverwobenen - insbesondere aus Metall bestehenden - Fäden gebildet. Dies erlaubt in gewissen Maßen einen Ausgleich von thermischen Ausdehnungseffekten innerhalb der Kontaktierungselektrode selbst.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Kontaktierungselektrode innerhalb ihrer Außenumrandung mindestens eine Aussparung - vorzugsweise in Form einer durchgehenden Bohrung oder Lücke - aufweist. Eine Ausgestaltung des Vibrationssensors beinhaltet, dass sich innerhalb der Außenumrandung mehrere Aussparungen befinden. Die Kontaktierungselektrode verfügt in dieser Ausgestaltung also über mehrere, vorzugsweise als Löcher ausgeführte Aussparungen. Eine Ausgestaltung des Vibrationssensors sieht vor, dass zumindest eine Mehrheit der Aussparungen punktsymmetrisch zu einem Mittelpunkt der Kontaktierungselektrode angeordnet ist. Die Symmetrie soll für eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte sorgen, die sich durch eine thermische Ausdehnung ergeben können. Eine Ausgestaltung des Vibrationssensors beinhaltet, dass zumindest ein Teil der Aussparungen in einem im Wesentlichen gleichen radialen Abstand zu dem Mittelpunkt der Kontaktierungselektrode angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung sind die Aussparungen teilweise in einem Kreis um den Mittelpunkt der Kontaktierungselektrode herum angeordnet. Eine Ausgestaltung des Vibrationssensors sieht vor, dass die mindestens eine Aussparung oder zumindest ein Teil der Aussparungen kreisförmig oder sternförmig ausgestaltet ist. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass sich innerhalb der mindestens einen Aussparung ein Mittelpunkt der Kontaktierungselektrode befindet. Es befindet sich in dieser Ausgestaltung somit eine Aussparung in der Mitte der Kontaktierungselektrode. Das verbleibende Material der Kontaktierungselektrode ist dabei vorzugsweise im Wesentlichen symmetrisch um diese Aussparung herum angeordnet.
Eine ergänzende oder alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die Kontaktfahne mindestens eine Aussparung aufweist.
Vorzugsweise zeichnet sich die Kontaktierungselektrode durch einen möglichst symmetrischen Aufbau in Bezug auf ihre Geometrie aus.
Eine Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungselektrode und eine auf dem Piezoelement aufgebrachte Elektrode aus solchen Materialen bestehen, die bei hohen Temperaturen im Wesentlichen keine festen Verbindungen eingehen oder deren Legierungselemente sich nicht ineinander lösen. Durch eine passende Kombination von Materialien sollen feste Stoffverbindungen zwischen der Kontaktierungselektrode und eine direkt auf dem Piezoelement aufgebrachten Elektrode vermieden werden, die aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten in der Anwendung zu Problemen führen könnten.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Kontaktierungselektrode einen Chrom- Anteil aufweist. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Elektrode, die sich auf dem Piezoelement befindet, zumindest teilweise aus Silber besteht. Angestrebt wird, dass das Silber der Silberelektrode nicht in die Metallstruktur der Kontaktierungselektrode diffundiert und keine feste Verbindung oder feste Lösung miteinander eingeht. Vorzugsweise wird ergänzend auf dem Metall der Elektrode des piezoelektrischen Elements und/oder der Kontaktierungselektrode unter hoher Temperatur (450 °C bis 550 °C) eine Oxidschicht erzeugt, die eine zusätzliche Barriere für die Diffusion darstellt.
Gemäß einer Ausgestaltung besteht die Kontaktierungselektrode zumindest teilweise aus einer nicht rostenden Legierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als 15 * 10’6 1/K. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Material der Kontaktierungselektrode um eine Fe-Cr-Legierung 1.4016 (oder AISI 430) mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10,5* 10’6 1/K, mit einem relativ hohen Chrom- Anteil und mit einer Ferritstruktur. Die Cr-Fe Legierungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie sehr geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten in der Werkstoffgruppe der nicht rostenden Stähle haben. Alternativ können Legierungen auf Nickel-Basis wie z. B. Hastelloy 2.4819 (oder C-276) mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 12,5* 10’6 1/K oder INCONEL alloy 783 mit einem Ausdehnungskoeffizienten von ca. 10,5* 10’6 1/K verwendet werden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Wandlervorrichtung mindestens zwei Kontaktierungselektroden aufweist, und dass die mindestens zwei Kontaktierungselektroden über eine Kontaktfahne miteinander verbunden sind. Die Kontaktierungselektroden sind vorzugsweise gleich ausgeführt. Die Kontaktfahne verbindet die Kontaktierungselektroden miteinander.
Eine ergänzende Ausgestaltung beinhaltet, dass die Wandlervorrichtung mindestens zwei in einem Stapel angeordnete Piezoelemente aufweist, und dass jede der zwei Kontaktierungselektroden mit einer anderen der zwei Piezoelemente verbunden, also kontaktiert ist. Sind mehrere Piezoelemente in einem Stapel angeordnet, so erlaubt diese Ausgestaltung, dass die Piezoelemente jeweils mit einer Kontaktierungselektrode kontaktiert und dadurch miteinander verschaltet werden, da die einzelnen Kontaktierungselektroden wiederum über die Kontaktfahne miteinander verbunden sind. Neben der elektrischen Kontaktierung sorgt die Kontaktfahne auch für die Überwindung des Höhenunterschieds zwischen den Lagen, auf denen die Kontaktierungselektroden eingebracht sind.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Vibrationssensors,
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Kontaktierungselektrode,
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel und
Fig. 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel. Die Fig. 1 zeigt eine sogenannte Schwinggabel als ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Vibrationssensors.
Die mechanisch schwingfähige Einheit 1 verfügt über zwei sog. Gabelzinken, die mit einer Membrane verbunden sind. Auf der gegenüberliegenden Seite der Membrane befindet sich in einem hier angedeuteten Gehäuse eine Wandlervorrichtung 2, die in dem angedeuteten Beispiel über zwei scheibenartige Piezoelemente 3 verfügt. Zur elektrischen Kontaktierung der zwei keramischen Piezoelemente 3 - sowie der darauf aufgebrachten und vorzugsweise aus Silber bestehenden Elektroden 3.1 - ist in dem gezeigten Beispiel eine Kontaktierungselektrode 4 vorhanden, die zumindest teilweise aus einem Metall besteht und die mit einem Draht 6 als ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Leitung verbunden ist.
Die Fig. 2 zeigt ein erstes Beispiel für die Kontaktierungselektrode 4. Dabei ist die Außenumrandung 40 als vierzackiger Stern mit vier Erhebungen 41 und vier dazwischen angeordneten Vertiefungen 42 ausgeführt. Die Vertiefungen 42 sind wannenartig. Es gibt also seitlich zwei mit geringer Steigung sanft abfallende Flanken, zwischen denen sich ein eher flach mit nur gering änderndem Radius verlaufendes Zwischenstück befindet. Dies lässt sich auch so beschreiben, dass die Vertiefungen 42 deutlich breiter als tief sind. Die Erhebungen 41 sind nach radial außen keulenartig ausgestaltet. Die Erhebungen 41 münden daher nicht in Spitzen, sondern haben abgerundete und breitere Endbereiche.
Eine Erhebung 41 geht in eine Kontaktfahne 5 über, die hier streifenförmig ausgeführt ist.
Die Fig. 2 zeigt eine geschlossene Fläche der Kontaktierungselektrode 4 innerhalb ihrer Außenumrandung 40. Bei der Ausgestaltung der Fig. 3 verfügt sie über zwei Aussparungen 43 innerhalb der Außenumrandung 40 bzw. im Übergangsbereich zwischen Kontaktierungselektrode 4 und Kontaktfahne 5.
Die Fig. 4 zeigt eine Erweiterung der Ausgestaltung der Fig. 2.
Vorhanden sind drei Kontaktierungselektroden 4, die jeweils durch eine Kontaktfahne 5 miteinander verbunden sind. Diese Ausgestaltung findet bei einer Wandlervorrichtung Anwendung, bei der mehrere Piezoelemente übereinander gestapelt sind. Jede Kontaktierungselektrode 4 ist mit einem anderen Piezoelement verbunden und die Kontaktfahnen 5 zwischen den Kontaktierungselektroden 4 befinden sich jeweils an der Seite des Stapels aus Piezoelementen und dienen der Überwindung des Höhenunterschieds.
Bei der Variante der Fig. 5 sind zwei Kontaktierungselektroden 4 durch eine Kontaktfahne 5 miteinander verbunden. Eine weitere Kontaktfahne 5 dient der Kontaktierung dieser Reihenschaltung von außen, z. B. durch einen Draht 6 wie in der Fig. 1 angedeutet.
Bezugszeichenhste
1 mechanisch schwingfähige Einheit
2 Wandlervorrichtung 3 Piezoelement
3.1 Elektrode
4 Kontaktierungselektrode
5 Kontaktfahne
6 Draht 40 Außenumrandung
41 Erhebung
42 Vertiefung
43 Aussparung

Claims

Patentansprüche
1 . Vibrationssensor, mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1 ) und mit einer Wandlervorrichtung (2), wobei die Wandlervorrichtung (2) die mechanisch schwingfähige Einheit (1 ) zu mechanischen Schwingungen anregt und/oder mechanische Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit (1 ) empfängt, wobei die Wandlervorrichtung (2) mindestens ein Piezoelement (3) und mindestens eine Kontaktierungselektrode (4) aufweist, wobei die Kontaktierungselektrode (4) eine Außenumrandung (40) aufweist, wobei die Außenumrandung (40) im Wesentlichen sternförmig mit sich abwechselnden Erhebungen (41 ) und Vertiefungen (42) ausgestaltet ist, wobei die Vertiefungen (42) im Wesentlichen wannenartig und/oder die Erhebungen (41 ) im Wesentlichen keulenartig ausgestaltet sind, und wobei die Erhebungen (41 ) einen abgerundeten Verlauf haben.
2. Vibrationssensor nach Anspruch 1 , wobei an der Kontaktierungselektrode (4) mindestens eine Kontaktfahne (5) angeformt ist, und wobei die Kontaktfahne (5) so angeordnet ist, dass die Kontaktfahne (5) in eine Erhebung (41 ) der Außenumrandung (40) der Kontaktierungselektrode (4) übergeht.
3. Vibrationssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Außenumrandung (40) vier Erhebungen (41 ) aufweist.
4. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kontaktierungselektrode (4) zumindest teilweise als Netz ausgestaltet ist.
5. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kontaktierungselektrode (4) innerhalb der Außenumrandung (40) mindestens eine Aussparung (43) aufweist.
6. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, falls abhängig von Anspruch 2, wobei die Kontaktfahne (5) mindestens eine Aussparung (43) aufweist.
7. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kontaktierungselektrode (4) und eine auf dem Piezoelement (3) aufgebrachte Elektrode (3.1 ) aus solchen Materialen bestehen, die bei hohen Temperaturen im Wesentlichen keine festen Verbindungen eingehen oder deren Legierungselemente sich nicht ineinander lösen.
8. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kontaktierungselektrode (4) einen Chrom-Anteil aufweist.
9. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kontaktierungselektrode (4) zumindest teilweise aus einer nicht rostenden Legierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als 15 * 10’6 1/K besteht.
10. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Wandlervorrichtung (2) mindestens zwei Kontaktierungselektroden (4) aufweist, und wobei die mindestens zwei Kontaktierungselektroden (4) über eine Kontaktfahne (5) miteinander verbunden sind.
EP24715531.0A 2023-05-10 2024-03-26 Sensor vom vibrationstyp Pending EP4710072A1 (de)

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