專利名稱：可壓電激勵(lì)的振動(dòng)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可壓電激勵(lì)的振動(dòng)元件。這種類型的振動(dòng)元件特別是用在料位傳感器中，它們例如裝在用于能流動(dòng)的或可流化的介質(zhì)，特別是液體的容器中。振動(dòng)元件根據(jù)液體液面高度的不同與液體接觸或不接觸。振動(dòng)元件的振動(dòng)頻率由于與液體的接觸受到影響。
在EP0810423A2中描述了這種振動(dòng)元件的第一個(gè)例子。在這種已知的振動(dòng)元件中拉緊螺栓焊接在振動(dòng)膜片上，并突出于一與膜片隔開一定距離剛性地安裝的底板。在底板上圍繞拉緊螺栓同心地安裝一組通過絕緣盤隔開的環(huán)形壓電元件。壓電元件組的上端形成一剛性的壓盤，一擰在拉緊螺栓上端的螺旋件壓在此壓盤上。用同樣的壓電元件進(jìn)行振動(dòng)驅(qū)動(dòng)和振動(dòng)測(cè)量；信號(hào)通過兩條電纜傳遞給壓電元件組。
在WO92/21945中描述了第二種已知的振動(dòng)元件。在這種振動(dòng)元件中由EP0810423A2已知的底板用一壓盤代替，它形成壓電元件組的下端并壓緊在一在膜片上其邊緣區(qū)形成的環(huán)形凸肩上，在這里振動(dòng)驅(qū)動(dòng)和振動(dòng)測(cè)量分別通過分開的壓電元件進(jìn)行；采用至少三條輸入導(dǎo)線。
由EP0875742A1已知另一種振動(dòng)元件。在這里壓緊環(huán)也構(gòu)成壓電元件組朝向膜片的下端。這個(gè)壓緊環(huán)不壓在凸肩上，而是壓在在膜片上生成的止推軸頸上。
在用于料位測(cè)量的振動(dòng)元件的結(jié)構(gòu)方面的問題是，一方面在壓電元件和膜片或者另一方面在膜片上成形的振動(dòng)體之間需要特別剛性的連接，從而使振動(dòng)體通過待測(cè)量介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)的阻尼可靠地回饋到壓電元件上，并可以在那里電測(cè)量。在當(dāng)今已知的振動(dòng)元件中這個(gè)要求可以很好地滿足，如果通常做成叉尖的振動(dòng)體具有約100mm的長(zhǎng)度的話。但是在叉尖長(zhǎng)度縮短到例如40mm時(shí)這個(gè)要求不再能充分地滿足。
這個(gè)問題的原因被看作是，叉尖的縮短導(dǎo)致振動(dòng)元件共振頻率的提高。在這里舉例提到的從約100縮短到約40mm的情況下振動(dòng)頻率增加到約3倍。這導(dǎo)致在產(chǎn)生振動(dòng)的壓電元件和叉尖之間明顯的去耦，其結(jié)果是，即使在叉尖完全鎖定的情況下驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械振動(dòng)能力還是減小。但是驅(qū)動(dòng)裝置和叉尖之間充分的剛性連接是叉共振頻率電測(cè)量的必要前提，叉共振頻率的電測(cè)量借助于可分接到驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)的通過叉的振動(dòng)在壓電元件內(nèi)感應(yīng)的電信號(hào)進(jìn)行，這個(gè)電信號(hào)在這里稱作檢測(cè)信號(hào)。只要振動(dòng)體被空氣包圍并從而也許受到弱的阻尼，那么其振動(dòng)運(yùn)動(dòng)仍足夠可靠地跟隨由壓電元件產(chǎn)生的激勵(lì)。但是它一旦與待測(cè)量的容器裝載物接觸，并由此使其振動(dòng)的阻尼加大，那么在檢測(cè)信號(hào)和振動(dòng)體及膜片系統(tǒng)的實(shí)際共振之間便出現(xiàn)過大的偏差和不希望的諧波振動(dòng)。如果裝載物超過一定的粘度值，最終造成振動(dòng)體通過由壓電元件產(chǎn)生的激勵(lì)產(chǎn)生過大的特性去耦，從而使料位傳感器完全喪失功能。因此壓電驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)元件的已知方案不適用于較強(qiáng)的小型化。
傳統(tǒng)的振動(dòng)元件的另一個(gè)問題是需要的單個(gè)零件的數(shù)量大。這不僅影響這種振動(dòng)元件的制造成本，也損害其可靠性。特別是在振動(dòng)元件高的使用溫度時(shí)各個(gè)零件經(jīng)受加大的機(jī)械載荷，這可能導(dǎo)致部件提前老化。
傳統(tǒng)的振動(dòng)元件的又一個(gè)問題是，由制造引起的機(jī)械誤差造成的與壓電元件組相對(duì)于拉緊螺栓的旋轉(zhuǎn)位置有關(guān)的振動(dòng)元件的電/機(jī)械效率。因此為了在規(guī)定的電激勵(lì)振幅時(shí)達(dá)到由結(jié)構(gòu)類型確定的最大機(jī)械振幅，在裝配時(shí)壓電元件組必需這么長(zhǎng)時(shí)間繞拉緊螺栓逐步轉(zhuǎn)動(dòng)，然后慢慢擰緊，直至找到最合適的位置，再將壓電元件組鎖緊在這個(gè)位置上。
在具有能振動(dòng)的膜片，壓電元件組和與膜片連接的用來使壓電元件壓緊在膜片上的拉緊螺栓的振動(dòng)元件中這個(gè)目的這樣達(dá)到，即將拉緊螺栓和膜片做成一體。通過這種方式建立壓電元件和振動(dòng)體之間可靠得多的與材料疲勞不太相關(guān)的機(jī)械連接。
這種一體的連接特別是可以這樣得到，即膜片和拉緊螺栓通過去除材料的，特別是切削加工由一個(gè)坯件制成。
在本發(fā)明的目的的另一種解決方案中，但是它優(yōu)先與上述方案可以組合使用，在壓緊環(huán)和與膜片接觸的支承環(huán)之間的壓電元件組包括兩個(gè)電壓元件，壓緊環(huán)和支承環(huán)可與第一驅(qū)動(dòng)電位連接，并且一設(shè)置在壓電元件之間的電極可與第二驅(qū)動(dòng)電位連接。限于兩個(gè)壓電元件一方面導(dǎo)致振動(dòng)元件結(jié)構(gòu)高度的減小，從而使它在振動(dòng)體上的連接剛性更好，另一方面因?yàn)榈谝或?qū)動(dòng)電位只需加在壓電元件組的一個(gè)部位上，在振動(dòng)元件上可以不用溫度敏感的印刷電路板，從而使它適用于高達(dá)200℃的工作溫度。
壓緊環(huán)和支承環(huán)之間的導(dǎo)電連接可以方便地通過拉緊螺栓建立。通過以下方法達(dá)到振動(dòng)元件方便地更換的可能性，即壓電元件、壓緊環(huán)和支承環(huán)最好通過一包圍它們的殼體合并成一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，該單元可從膜片和拉緊螺栓上拆下。
驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)單元是一組多個(gè)環(huán)形元件，即一支承環(huán)5，它與膜片3直接接觸、一下壓電元件7、一電極8、一上壓電元件6和一壓緊環(huán)12，該壓緊環(huán)承受螺母13的壓緊力并均勻分布到上壓電元件6的整個(gè)表面上。壓緊環(huán)12和支承環(huán)5由金屬制成，并同時(shí)作為兩個(gè)壓電元件6、7的與電極8互補(bǔ)的電極。
壓電元件6、7的內(nèi)側(cè)面通過一絕緣套10相對(duì)于拉緊螺栓4電絕緣。沿徑向向外它們被一驅(qū)動(dòng)殼體11包圍，該驅(qū)動(dòng)殼體圍住支承環(huán)5和壓緊環(huán)12的徑向凸起，并這樣便將所述元件5、6、7、8、12組合成一結(jié)構(gòu)單元。這個(gè)結(jié)構(gòu)單元與帶有數(shù)量更多的壓電元件的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元相比做得很扁，并且只由少數(shù)單個(gè)零件組成。因此使剛性降低的表面過渡的數(shù)量很少。因?yàn)轵?qū)動(dòng)力通過支承環(huán)5直接傳入膜片3，得到在支承環(huán)5在膜片3上在其端面17的徑向外部區(qū)域內(nèi)的作用部位和拉緊螺栓4之間的很小的路程。由于支承環(huán)5與膜片相對(duì)于拉緊螺栓4的同心接觸得到剛性很好的連接。
拉緊螺栓4不是焊接在膜片4上，而是例如通過切削加工，例如也許是車削，與膜片3形成一體。因此在強(qiáng)度保持不變的情況下從拉緊螺栓4到膜片3的過渡截面可以做得小于兩者之間是焊接連接時(shí)的過渡截面，此外還避免了在膜片3上拉緊螺栓4附近由焊接引起的使材料變硬的組織變化。這很重要，因?yàn)椴幌Ｍて?本身變硬。它應(yīng)該是整個(gè)振動(dòng)元件中唯一的能彎曲的構(gòu)件，所有其他構(gòu)件必須具有比它高得多的抗彎剛度。膜片3是叉尖2和驅(qū)動(dòng)單元之間傳遞力的交接區(qū)。其他構(gòu)件的任何彎曲促使叉尖2和驅(qū)動(dòng)單元的去耦，因此是所不希望的。
壓電元件6、7同時(shí)用于振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)和測(cè)量，如例如在EP0810423A2中所述。通過這種方式不僅減少壓電元件數(shù)量，而且也減少所需的觸點(diǎn)接通電極。
第一驅(qū)動(dòng)電位通過第一驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線9輸送給壓電元件6、7，該驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線與包含在壓電元件之間的電極6連接。因?yàn)橹恍枰ㄒ坏囊粋€(gè)連接電極8，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線9可以直接固定在它上面。不需要專門的觸點(diǎn)接通印刷電路板，因此這種振動(dòng)元件適用于高達(dá)200℃的工作溫度。
第二驅(qū)動(dòng)電位通過支承環(huán)5或壓緊環(huán)12施加在壓電元件6、7的外側(cè)上。壓緊環(huán)12通過螺母13和拉緊螺栓4與膜片3導(dǎo)電連接，該膜片也與支承環(huán)5接觸。膜片又通過焊接連接18與嵌入式殼體14導(dǎo)電連接，在該殼體上連接第二驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線15。在某此情況下也許需要的對(duì)于嵌入式殼體14擰在其中的容器的電位隔離在一(未示出的)電子處理單元中可借助于一直流轉(zhuǎn)換器(DC-Wandler)進(jìn)行，并且對(duì)振動(dòng)特性沒有影響。
第一驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線9至少在其延伸穿入嵌入式殼體14的長(zhǎng)度上可以是不屏蔽的，因?yàn)榕c第二驅(qū)動(dòng)電位接通的嵌入式殼體14已經(jīng)是一個(gè)對(duì)于第一驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線9的同軸屏蔽。這特別是在傳感器元件的結(jié)構(gòu)形式中是有利的，其中嵌入式殼體在容器壁上的固定點(diǎn)，在這里是外螺紋16，和膜片3通過一插入容器內(nèi)的相當(dāng)長(zhǎng)的金屬加長(zhǎng)管隔開。因?yàn)檫@個(gè)管子已經(jīng)起電磁屏蔽作用，可以不用在管子內(nèi)設(shè)置也許幾半長(zhǎng)的適宜高溫的、昂貴的同軸連接導(dǎo)線。
驅(qū)動(dòng)元件少的零件數(shù)使它特別適合于在高溫，例如在200℃時(shí)工作。因?yàn)榈诙?qū)動(dòng)導(dǎo)線15可以在容器壁區(qū)域內(nèi)或容器之外導(dǎo)電接通，在這里不需要采取特別的防護(hù)裝置來保證連接的耐高溫性。僅僅第一驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線9與電極8在膜片3周圍的高溫區(qū)內(nèi)導(dǎo)電接通。這種接通最好通過點(diǎn)焊或夾緊連接(Crimpverbindung)建立，因?yàn)殁F焊不適合于這種工作溫度。
由于膜片3和拉緊螺栓4由一個(gè)坯料通過車削加工制成，拉緊螺栓4的傾斜和其位置在膜片3中心之外都是不可能的。同樣也排除了帶有不確定的擴(kuò)展的膜片鋼材內(nèi)的組織變化，因?yàn)槿∠嗽谀苷駝?dòng)的膜片表面上的焊接過程。這一點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)單元非常扁平的結(jié)構(gòu)以及取消許多有誤差的構(gòu)件有助于，使在按本發(fā)明的振動(dòng)元件中效率與驅(qū)動(dòng)單元相對(duì)于拉緊螺栓的旋轉(zhuǎn)取向無關(guān)。因此在加工振動(dòng)元件時(shí)可以完全取消迄今為止需要的對(duì)驅(qū)動(dòng)單元的車削矯正的工序。驅(qū)動(dòng)單元的更換可以迅速和毫無困難地進(jìn)行。
權(quán)利要求
1.一種振動(dòng)元件，包括一能振動(dòng)的膜片(3)、一組壓電元件(6、7)和一個(gè)與膜片(3)連接的用來將壓電元件(6、7)壓緊在膜片(3)上的拉緊螺栓(4)，其特征為所述拉緊螺栓(4)與膜片(3)設(shè)計(jì)成一體。
2.按權(quán)利要求1或按權(quán)利要求1前序部分所述的振動(dòng)元件，其特征為壓電元件組設(shè)置在一壓緊環(huán)(12)和一與膜片接觸的支承環(huán)(5)之間，并包含壓電元件(6、7)，其中壓緊環(huán)(12)和支承環(huán)(5)可與第一驅(qū)動(dòng)電位連接，設(shè)置在壓電元件(6、7)之間的電極(8)可與第二驅(qū)動(dòng)電位連接。
3.按權(quán)利要求2所述的振動(dòng)元件，其特征為支承環(huán)(5)和壓緊環(huán)(12)通過拉緊螺栓(4)導(dǎo)電連接。
4.按權(quán)利要求2或3所述的振動(dòng)元件，其特征為壓電元件(6、7)、壓緊環(huán)(12)和支承環(huán)(5)通過一包圍它們的殼體(11)組合成一結(jié)構(gòu)單元，它可以從膜片(3)和拉緊螺栓(4)上拆下。
5.按權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)或按權(quán)利要求1前序部分所述的振動(dòng)元件，其特征為支承環(huán)(5)與膜片(3)在其朝向膜片(3)的端面(17)的徑向外部區(qū)域上接觸。
6.按權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的振動(dòng)元件，其特征為壓緊環(huán)(12)和支承環(huán)(5)與振動(dòng)元件的嵌入式殼體(14)導(dǎo)電連接。
7.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的振動(dòng)元件，其特征為拉緊螺栓(4)和膜片(3)由一個(gè)坯件通過切除材料的加工制成。
8.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的振動(dòng)元件，其特征為膜片具有長(zhǎng)度為20至70，尤其是約40mm的叉尖。
全文摘要
特別是用于料位傳感器的振動(dòng)元件包括一能振動(dòng)的膜片(3)、一組壓電元件(6、7)和一與膜片(3)連接的用于將壓電元件(6、7)壓緊在膜片(3)上的拉緊螺栓(4)。拉緊螺栓(4)與膜片(3)設(shè)計(jì)成一體。
文檔編號(hào)G01F23/296GK1439093SQ01811787
公開日2003年8月27日 申請(qǐng)日期2001年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月15日
發(fā)明者費(fèi)利克斯·拉夫法爾特, 艾德里安·弗里克, 英戈·哈特 申請(qǐng)人:Vega格里沙貝兩合公司