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.
Method for producing a piezoelectric transducer The invention relates to a method for producing a piezoelectric transducer with a crystal arrangement located in the interior of a Bourdon tube under axial compression.
In previously known pressure transducers of this type, the Bourdon tube together with the crystal arrangement enclosed by it forms a pre-tensioned unit that is installed as a whole in a split transducer housing. The two housing parts are usually screwed together, which makes a vacuum-tight design of the encoder difficult and also sets limits to the reduction of the encoder dimension of miniature versions. Leaks in the transmitter can on the one hand result in the crystal arrangement absorbing moisture and then losing the necessary high level of insulation. Leak-proof encoders also make it impossible to use them in rooms that are under vacuum or that come into contact with radioactive media.
Under certain circumstances, seals made of plastics or other materials can be used initially for tightness; However, such materials age relatively quickly, especially at elevated temperatures, and other adverse changes occur under the effect of radioactive radiation.
The invention enables these disadvantages to be largely eliminated. It is characterized by a process for the production of a piezoelectric transducer with a crystal arrangement located inside a Bourdon tube under axial compressive tension, which is supported on the one hand on a Bourdon tube end and on the other hand directly or indirectly on the transducer housing receiving the Bourdon tube, and is characterized in that the for They generate the required expansion of the Bourdon tube for the desired preload when the transducer is assembled with the aid of a stamp (35) that encompasses the Bourdon tube (13) and is supported on a weld-on ring (15) at the other end of the Bourdon tube is used to weld the weld-on ring to the converter housing or a component of the same.
The weld-on ring of the Bourdon tube can be welded to the converter housing by means of ring-projection welding. The patent also relates to a device for carrying out the method according to the invention and to a measuring transducer produced by this method. Such a piezoelectric transducer is characterized by a very simple construction and labor-saving assembly. Welding the Bourdon tube to the housing and generating the desired preload in a single operation simplifies assembly, enables the use of a one-piece encoder housing and results in a hermetic seal of the crystal arrangement against the medium coming into contact with the measuring side of the encoder.
The weld-on ring of the tubular spring can expediently be welded to the encoder housing by means of an electrical annular projection weld. Between rule Bourdon tube and transmitter housing can also be present in front of geous a serving to insert the welding electrode free space. Furthermore, the transmitter housing can have a shoulder surface which is transverse to the axis of the Bourdon tube and on which the other electrical welding electrode can be supported.
The inventions and other related features are explained in more detail below with reference to the execution examples illustrated in the drawing. 1 shows a longitudinal section through a fully assembled transducer, FIG. 2 shows a cross section along the line 2-2 in FIG. 1, FIG. 3 shows a longitudinal section through the housing of a transmitter prepared for welding on the Bourdon tube, FIG Section shows a detail of the arrangement shown in FIG. 3 and FIG. 5 shows the arrangement according to FIG. 3 with welding electrodes attached.
The transducer shown in FIG. 1 has the housing 1 made of steel and provided with a clamping flange 2. When the transmitter is installed, the flange 2 is pressed with the help of the nipple 3 onto the seal 4, which is seated on a shoulder-like seat of the wall 5 rests. This arrangement results in a very short path of the clamping forces, in particular this path indicated by arrows 6 is also outside of the parts used to transmit the measuring pressures, which significantly increases the accuracy of the encoder signal.
The housing 1 has a lower part 7, the inner wall 8 of which merges into a precisely machined surface 9 perpendicular to the longitudinal axis. The upper part 10 of the housing 1 has a bore 11 which is connected to the interior of the lower housing part enclosed by the wall 8 through the opening 12.
The lower housing part 7 serves to accommodate the piezoelectric crystal assembly. This comprises a very thin-walled Bourdon tube 13, which has a wall thickness of only a few hundredths of a millimeter and together with the bottom part 14 as a pressure stamp forms a chamber for receiving the crystal arrangement. At the open end of this chamber, the Bourdon tube has a bulge-shaped extension 15 which serves as a weld-on ring for welding the Bourdon tube 13 and the housing surface 9 by means of a ring-boss weld 16.
The set of crystals located in the interior of the Bourdon tube consists of three individual crystals 17 made of quartz which, according to FIG. 2, have an essentially circular segment-shaped cross section. The transverse piezo effect is used, with the positive electrical charges being removed from the flat crystal surface, which is provided with a vapor-deposited metal coating, with the aid of the contact spring 18 designed as a wire spiral. The nega tive charges are passed directly to the housing 1 via the Bourdon tube 13. The positive charges pass through the central conductor of the contact spring 18 into the socket 19 serving to receive a connector not shown.
This sits in the ceramic insulator 20, which is inserted into the housing part 10 and brazed with its end portions in metal versions 21 and 22 respectively. The upper metal frame 21 is designed as a welding flange and is welded completely tightly ver when assembling the encoder in a final operation, preferably under vacuum or in a noble gas atmosphere by annular projection welding 23 with the housing part 10.
To compensate for the various expansion coefficients and to protect the crystals against excessive temperature peaks when using the encoder at elevated temperatures, two ceramic rings 24 and 25 are provided with very specific expansion coefficients. The membrane 27 serving for the transmission of the measurement pressure illustrated by arrows 26 is welded to the bottom or the pressure ram 14 - likewise by welding ring bosses. The edge portion of the Mem brane is welded in the same way to the housing part 7 and has between the bottom 14 and Ge housing part 7 an indentation directed against the inside of the encoder.
Fig. 3 shows a prepared for welding the crystal chamber housing 1 of the pressure transducer, this has an existing flange 31 on the lower part 7, which is later removed when turning the housing according to the dash-dotted line. In contrast to the arrangement according to FIGS. 1 and 2, the crystal chamber formed from the Bourdon tube 13 and base 14 contains a two-part, hollow cylindrical quartz crystal 32. For the sake of simplicity, the rings 24 and 25 shown in FIG. 1 are also omitted; dropped at all.
The weld ring 15 is provided on its face facing the surface 9 with a welding hump 33, the dimensions of which are appropriately predetermined by experiments. Because the crystal arrangement is to be installed under prestress, the weld projection 33 is at a distance v from the surface 9 when the crystal 32 is in contact with the surface 9. Fig. 4 shows this part on a larger scale.
To produce the welded connection between the ring 15 and the housing 1, an electric welding electrode 35 is used according to FIG. 5, which is formed like a stem and is supported over the entire circumference on the shoulder of the ring 15 facing it. The housing 1 is supported on the fixed counter electrode 36. The force P exerted by the movable electrode 35 expands the tubular spring 13 until the weld bump 33 rests on the surface 9 of the housing 1 under pressure. When the welding current pulse is switched on, the welding boss is compressed and the ring 15 is welded tightly to the housing. The path of the welding current through the housing 1 is indicated by arrows 37.
When the welding current pulse is sent through, the welding boss 33 is practically pressed flat, so that the Bourdon tube is pretensioned by the welding boss height h in addition to the distance v. The contact pressure P of the electrode 35 must therefore be at least so great that it can stretch the Bourdon tube by this total expansion. The finished weld creates an absolutely tight seal between the crystal chamber and the diaphragm part of the encoder.
During the further assembly of the converter, the membrane 27 is initially welded to the bottom 14 of the crystal chamber, expediently with the help of two welding electrodes, one of which is supported from the outside against the membrane, while the other welding electrode is rod-shaped and so in the direction the longitudinal axis of the encoder housing from above through the interior of the part 10, the bore 12 and the free interior space of the crystal 32 is introduced that it is supported inside the quartz chamber on the bottom 14 of the same.
Then the annular indentation of the membrane is created and the latter is then welded to the housing end 1, preferably with the help of an electrode supported against the flange 31 and a welding electrode against the peripheral part of the membrane on the underside thereof. Finally, the insulator 20 with the contact spring 18 is inserted and the cap 21 is welded to the housing part 10.
The pressure transducer obtained in this way is hermetically sealed against the measuring pressure chamber and the environment by welding. The converter is characterized by its extraordinary operational reliability and can also be used under high vacuum or in radioactive media; In particular, it has no elastic seals made of plastics or the like that age or change disadvantageously under the influence of radiation.
The invention is not restricted to the exemplary embodiments described. Of course, a different crystal arrangement can also be selected, for example using one or more circular or circular ring-shaped crystals stacked on top of one another in the crystal chamber as quartz, for example those made of barium titanate etc.