CH394637A - Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Messwandlers - Google Patents

Description

  Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Messwandlers    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her  stellung eines piezoelektrischen Messwandlers mit im  Inneren einer Rohrfeder unter axialer Druckvor  spannung befindlicher Kristallanordnung.  



  Bei bisher bekannten Druckgebern dieser Art  bildet die Rohrfeder zusammen mit der von ihr  eingeschlossenen Kristallanordnung eine für sich vor  gespannte Einheit, die als Ganzes in ein geteiltes  Gebergehäuse eingebaut wird. Die beiden Gehäuse  teile sind üblicherweise miteinander verschraubt, was  eine vakuumdichte Ausführung des Gebers erschwert  und zudem der Verkleinerung der Geberdimension  von Miniaturausführungen Grenzen setzt.     Undicht-          heiten    des Gebers können einerseits dazu führen,  dass die Kristallanordnung Feuchtigkeit aufnimmt und  dann die notwendige hohe Isolation verliert. Un  dichte Geber verunmöglichen aber auch ihre Ver  wendung in Räumen, die unter Vakuum stehen oder  die mit radioaktiven Medien in Berührung kommen.

    Wohl kann unter Umständen durch Verwendung  von Dichtungen aus Kunststoffen oder anderen  Materialien anfänglich für Dichtheit gesorgt werden;  solche Materialien altern aber verhältnismässig rasch,  besonders unter erhöhten Temperaturen, andere  nachteilige Veränderungen entstehen unter der Ein  wirkung von radioaktiver Strahlung.  



  Die Erfindung ermöglicht, diese Nachteile weit  gehend auszuschalten. Sie ist gekennzeichnet durch  ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen  Messwandlers mit im Innern einer Rohrfeder unter  axialer Druckvorspannung befindlicher Kristallanord  nung, die sich einerseits auf ein Rohrfederende und  anderseits mittelbar oder unmittelbar auf dem die  Rohrfeder aufnehmenden Wandlergehäuse abstützt,  und ist dadurch gekennzeichnet, dass die zum Er  zeugen der gewünschten Vorspannung nötige Deh  nung der Rohrfeder beim Zusammenbau des Mess-    wandlers mit Hilfe eines die Rohrfeder (13) um  greifenden und sich auf einen Anschweissring (15)  am anderen Rohrfederende abstützenden Stempels  (35) erzeugt wird, der gleichzeitig als elektrische  Schweisselektrode zum Verschweissen des Anschweiss  ringes mit dem Wandlergehäuse oder einem Bestand  teil desselben verwendet wird.

      Der Anschweissring der Rohrfeder kann durch  Ringbuckelschweissung mit dem Wandlergehäuse ver  schweisst werden. Das Patent betrifft auch eine Vor  richtung zur Durchführung des     erfindungsgemässen     Verfahrens sowie einen nach diesem Verfahren her  gestellten Messwandler. Ein solcher piezoelektrischer  Messwandler zeichnet sich durch sehr einfachen Auf  bau und arbeitssparenden Zusammenbau aus. Das  Verschweissen der Rohrfeder mit dem Gehäuse und  das Erzeugen der gewünschten Vorspannung in einem  einzigen Arbeitsgang vereinfacht den Zusammenbau,  ermöglicht die Verwendung eines einteiligen Geber  gehäuses und ergibt eine hermetische Abdichtung der  Kristallanordnung gegenüber dem mit der     Messseite     des Gebers in Berührung kommenden Mediums.  



  Zweckmässig kann der     Anschweissring    der Rohr  feder durch eine elektrische     Ringbuckelschweissung     mit dem Gebergehäuse verschweisst werden. Zwi  schen Rohrfeder und Gebergehäuse kann ferner vor  teilhaft ein zum Einführen der Schweisselektrode  dienender freier Raum vorhanden sein. Weiter kann  das Gebergehäuse eine zur Achse der Rohrfeder  querstehende Schulterfläche aufweisen, auf welche  sich die andere elektrische Schweisselektrode ab  stützen kann.  



  Die Erfindungen und weitere mit ihr zusammen  hängende Merkmale sind nachstehend anhand der  in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungs  beispiele näher erläutert. Es zeigen:      Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen fertig  zusammengebauten Wandler,  Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2  in Fig. 1,  Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Gehäuse  eines     zum    Anschweissen der Rohrfeder vorbereiteten  Gebers,  Fig. 4 im Schnitt ein Detail der in Fig. 3  gezeichneten Anordnung und  Fig. 5 die Anordnung nach Fig. 3 mit ange  setzten Schweisselektroden.  



  Der in Fig. 1 gezeigte Wandler besitzt das aus  Stahl hergestellte und mit einem Einspannflansch 2  versehene Gehäuse 1. In eingebautem Zustand des  Gebers wird der Flansch 2     mit    Hilfe des     Nippels    3  auf die Dichtung 4 gepresst, die auf einem schulter  artigen Sitz der Wand 5     aufliegt.    Diese Anordnung  ergibt einen sehr kurzen Weg der Einspannkräfte,  insbesondere befindet sich dieser durch Pfeile 6  angedeutete Weg auch ausserhalb der zur Übertra  gung der Messdrücke dienenden Teile, was die Ge  nauigkeit des Gebersignales ganz wesentlich erhöht.  



  Das Gehäuse 1 besitzt einen Unterteil 7, dessen  Innenwand 8 in eine genau bearbeitete, senkrecht  zur Längsachse stehende Fläche 9 übergeht. Der  Oberteil 10 des Gehäuses 1 besitzt eine Bohrung 11,  welche mit dem von der Wand 8 umschlossenen  Innenraum des Gehäuseunterteils durch die     Öffnung     12 zusammenhängt.  



  Der Gehäuseunterteil 7 dient zur Aufnahme der  piezoelektrischen Kristallbaugruppe. Diese umfasst  eine sehr dünnwandige Rohrfeder 13, die eine Wand  stärke von nur wenigen Hundertstelmillimetern auf  weist und zusammen mit der als Druckstempel die  nenden Bodenpartie 14 eine Kammer zur Aufnahme  der Kristallanordnung bildet. Am offenen Ende dieser  Kammer besitzt die Rohrfeder einen wulstförmigen  Ansatz 15, der als Anschweissring zum Verschweissen  von Rohrfeder 13 und Gehäusefläche 9 mittels Ring  buckelschweissung 16 dient.  



  Der im Inneren der Rohrfeder befindliche  Kristallsatz besteht aus drei Einzelkristallen 17 aus  Quarz, die gemäss Fig. 2 einen im wesentlichen  kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisen. Es wird  der transversale Piezoeffekt benützt, wobei die posi  tiven elektrischen Ladungen mit     Hilfe    der als Draht  spirale ausgebildeten Kontaktfeder 18 von der mit  einem aufgedampften Metallbelag versehenen ebenen       Kristalloberfläche    abgenommen werden. Die nega  tiven Ladungen werden direkt über die Rohrfeder  13 auf das Gehäuse 1 geleitet. Die positiven Ladun  gen gelangen über den zentralen Leiter der Kontakt  feder 18 in die zur Aufnahme eines nicht gezeich  neten Steckers     dienende    Buchse 19.

   Diese sitzt im  keramischen Isolator 20, der in den Gehäuseteil  10 eingesetzt und mit seinen Endpartien in Metall  fassungen 21 bzw. 22 hart eingelötet ist. Die obere  Metallfassung 21 ist als Schweissflansch ausgebildet  und     wird    beim Zusammenbau des Gebers in einer  letzten Operation vorzugsweise unter Vakuum oder    in Edelgasatmosphäre durch Ringbuckelschweissung  23 mit dem Gehäuseteil 10 vollständig dicht ver  schweisst.  



  Zum Ausgleich der verschiedenen Ausdehnungs  koeffizienten sowie zum Schutz der Kristalle gegen  übermässige Temperaturspitzen bei Verwendung des  Gebers unter erhöhten Temperaturen sind zwei kera  mische Ringe 24 und 25 mit ganz bestimmten Aus  dehnungskoeffizienten vorgesehen. Am Boden bzw.  Druckstempel 14 ist - ebenfalls durch Ringbuckel  schweissung - die zur Übertragung des durch Pfeile  26 veranschaulichten Messdruckes dienende Mem  brane 27 angeschweisst. Die Randpartie der Mem  brane ist auf gleiche Art mit dem Gehäuseteil 7  verschweisst und weist zwischen Boden 14 und Ge  häuseteil 7 eine gegen das Geberinnere gerichtete  Einbuchtung auf.  



  Fig. 3 zeigt ein zum Anschweissen der Kristall  kammer vorbereitetes Gehäuse 1 des Druckgebers,  dieses weist einen am Unterteil 7 vorhandenen  Flansch 31 auf, der später beim Abdrehen des  Gehäuses gemäss strichpunktierter Linie entfernt  wird. Im Unterschied zur Anordnung nach Fig. 1  und 2 enthält die aus Rohrfeder 13 und Boden 14  gebildete Kristallkammer einen zweiteiligen, hohl  zylindrischen     Quarzkristall    32. Der Einfachheit hal  ber sind ferner die in Fig. 1 gezeichneten Ringe 24  und 25 weggelassen, diese können unter Umständen  überhaupt wegfallen.  



  Der Anschweissring 15 ist auf seiner der  Fläche 9 zugekehrten Stirnseite mit einem Schweiss  buckel 33 versehen, dessen Abmessungen zweck  mässig durch Versuche vorbestimmt werden. Weil  die Kristallanordnung unter Vorspannung eingebaut  werden soll, weist der Schweissbuckel 33 bei in  Anlage an der Fläche 9 befindlichem Kristall 32  einen Abstand v zur Fläche 9 auf. Fig. 4 zeigt  diese Partie in grösserem Massstabe.  



  Zum Herstellen der Schweissverbindung zwischen  Ring 15 und Gehäuse 1 wird gemäss Fig. 5 eine  elektrische Schweisselektrode 35 benützt, die stem  pelartig ausgebildet ist und sich über den ganzen  Umfang auf der ihr zugekehrten Schulter des Ringes  15 abstützt. Das Gehäuse 1 ist auf die feste Gegen  elektrode 36 abgestützt. Die von der beweglichen  Elektrode 35 ausgeübte Kraft P dehnt die Rohr  feder 13 so weit, bis der Schweissbuckel 33 unter  Druck auf der     Fläche    9 des Gehäuses 1 anliegt.  Beim Einschalten des Schweissstromimpulses wird  der Schweissbuckel zusammengedrückt und der Ring  15 dicht mit dem Gehäuse verschweisst. Der Weg  des Schweissstromes durch das Gehäuse 1 ist durch  Pfeile 37 angedeutet.

      Beim     Durchschicken    des     Schweissstromimpulses     wird der Schweissbuckel 33 praktisch flachgedrückt,  so dass die Rohrfeder zusätzlich zum Abstand v  noch um die     Schweissbuckelhöhe    h vorgespannt  wird. Die     Anpresskraft    P der Elektrode 35 muss       also    mindestens so gross sein, dass sie die Rohr-      feder um diese Gesamtdehnung zu strecken ver  mag. Die fertige Schweissung erzeugt einen absolut  dichten Abschluss der Kristallkammer gegen die  Membranpartie des Gebers.  



  Während des weiteren Zusammenbaues des  Wandlers wird vorerst die Membrane 27 am Boden  14 der Kristallkammer angeschweisst, und zwar  zweckmässig mit Hilfe zweier Schweisselektroden, von  denen die eine sich von aussen gegen die Membrane  stützt, während die andere Schweisselektrode stab  förmig ausgebildet ist und so in Richtung der Längs  achse des Gebergehäuses von oben durch das Innere  des Teils 10, die Bohrung 12 und den freien Innen  raum des Kristalls 32 eingeführt wird, dass sie sich  im Inneren der Quarzkammer auf den Boden 14  derselben abstützt.

   Dann wird die     ringförmige    Ein  buchtung der Membrane erzeugt und letztere sodann  mit dem Gehäuseende 1 verschweisst, vorzugsweise  mit Hilfe einer sich gegen den Flansch 31 ab  stützenden Elektrode und einer gegen die Umfangs  partie der Membrane auf deren Unterseite ange  legte Schweisselektrode. Schliesslich wird dann der  Isolator 20 mit Kontaktfeder 18 eingesetzt und die  Kappe 21 mit dem Gehäuseteil 10 verschweisst.  



  Der so erhaltene Druckwandler ist durch Schwei  ssungen hermetisch gegen den Messdruckraum und  gegen die Umgebung abgedichtet. Der     Wandler    zeich  net sich durch eine ausserordentliche Betriebssicher  heit aus und kann auch unter Hochvakuum oder  in radioaktiven Medien verwendet werden; insbe  sondere besitzt er keine elastischen Dichtungen aus  Kunststoffen oder dergleichen, die altern oder sich  unter Strahlungseinwirkung nachteilig verändern.  



  Die Erfindung ist nicht auf die geschilderten  Ausführungsbeispiele beschränkt. Selbstverständlich  kann auch eine andere Kristallanordnung     gewählt     werden, zum Beispiel eine oder mehrere in der  Kristallkammer aufeinandergeschichtete, kreis- oder  kreisringförmige Kristalle als Quarz verwenden, zum  Beispiel solche aus Bariumtitanat usw.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Messwandlers mit im Innern einer Rohrfeder unter axialer Druckvorspannung befindlicher Kristallanord nung, die sich einerseits auf ein Rohrfederende und anderseits mittelbar oder unmittelbar auf dem die Rohrfeder aufnehmenden Wandlergehäuse abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Erzeugen der gewünschten Vorspannung nötige Dehnung der Rohr feder beim Zusammenbau des Messwandlers mit Hilfe eines die Rohrfeder (13) umgreifenden und sich auf einen Anschweissring (15) am anderen Rohr federende abstützenden Stempels (35) erzeugt wird, der gleichzeitig als elektrische Schweisselektrode zum Verschweissen des Anschweissringes mit dem Wand- lergehäuse oder einem Bestandteil desselben ver wendet wird.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschweissring (15) der Rohrfeder (13) durch Ringbuckelschweissung mit dem Wandlergehäuse verschweisst wird. 2. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Ringbuckels (h) und der in ungespanntem Zustand der Rohrfeder zwischen Ringbuckel und Anschlussfläche am Wand- lergehäuse vorhandene Abstand (v) so eingestellt werden, dass während des Durchganges des Schweiss impulses die Rohrfeder zusätzlich zu der durch den Abstand (v) gegebenen Dehnung auch noch um die Höhe (h) des Ringbuckels (33) gedehnt wird. PATENTANSPRÜCHE II.

   Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch zwei stempelartige Hohlelektroden (35, 36), die ge geneinandergedrückt werden können. III. Nach dem Verfahren nach Patentanspruch I gebauter Messwandler, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rohrfeder (13) und Wandlergehäuse (1) ein zur Aufnahme der Schweisselektrode dienender freier Raum vorhanden ist. UNTERANSPRUCH 3. Messwandler nach Patentanspruch III, da durch gekennzeichnet, dass das Wandlergehäuse eine zur Achse der Rohrfeder querstehende Schulterfläche aufweist, auf welche sich die als Gegenelektrode dienende zweite Hohlelektrode (36) zum Verschwei ssen der Rohrfeder mit dem Wandlergehäuse ab stützen kann.