专利名称：可压电激励的振动元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可压电激励的振动元件。这种类型的振动元件特别是用在料位传感器中，它们例如装在用于能流动的或可流化的介质，特别是液体的容器中。振动元件根据液体液面高度的不同与液体接触或不接触。振动元件的振动频率由于与液体的接触受到影响。
在EP0810423A2中描述了这种振动元件的第一个例子。在这种已知的振动元件中拉紧螺栓焊接在振动膜片上，并突出于一与膜片隔开一定距离刚性地安装的底板。在底板上围绕拉紧螺栓同心地安装一组通过绝缘盘隔开的环形压电元件。压电元件组的上端形成一刚性的压盘，一拧在拉紧螺栓上端的螺旋件压在此压盘上。用同样的压电元件进行振动驱动和振动测量；信号通过两条电缆传递给压电元件组。
在WO92/21945中描述了第二种已知的振动元件。在这种振动元件中由EP0810423A2已知的底板用一压盘代替，它形成压电元件组的下端并压紧在一在膜片上其边缘区形成的环形凸肩上，在这里振动驱动和振动测量分别通过分开的压电元件进行；采用至少三条输入导线。
由EP0875742A1已知另一种振动元件。在这里压紧环也构成压电元件组朝向膜片的下端。这个压紧环不压在凸肩上，而是压在在膜片上生成的止推轴颈上。
在用于料位测量的振动元件的结构方面的问题是，一方面在压电元件和膜片或者另一方面在膜片上成形的振动体之间需要特别刚性的连接，从而使振动体通过待测量介质的运动的阻尼可靠地回馈到压电元件上，并可以在那里电测量。在当今已知的振动元件中这个要求可以很好地满足，如果通常做成叉尖的振动体具有约100mm的长度的话。但是在叉尖长度缩短到例如40mm时这个要求不再能充分地满足。
这个问题的原因被看作是，叉尖的缩短导致振动元件共振频率的提高。在这里举例提到的从约100缩短到约40mm的情况下振动频率增加到约3倍。这导致在产生振动的压电元件和叉尖之间明显的去耦，其结果是，即使在叉尖完全锁定的情况下驱动装置的机械振动能力还是减小。但是驱动装置和叉尖之间充分的刚性连接是叉共振频率电测量的必要前提，叉共振频率的电测量借助于可分接到驱动单元内的通过叉的振动在压电元件内感应的电信号进行，这个电信号在这里称作检测信号。只要振动体被空气包围并从而也许受到弱的阻尼，那么其振动运动仍足够可靠地跟随由压电元件产生的激励。但是它一旦与待测量的容器装载物接触，并由此使其振动的阻尼加大，那么在检测信号和振动体及膜片系统的实际共振之间便出现过大的偏差和不希望的谐波振动。如果装载物超过一定的粘度值，最终造成振动体通过由压电元件产生的激励产生过大的特性去耦，从而使料位传感器完全丧失功能。因此压电驱动的振动元件的已知方案不适用于较强的小型化。
传统的振动元件的另一个问题是需要的单个零件的数量大。这不仅影响这种振动元件的制造成本，也损害其可靠性。特别是在振动元件高的使用温度时各个零件经受加大的机械载荷，这可能导致部件提前老化。
传统的振动元件的又一个问题是，由制造引起的机械误差造成的与压电元件组相对于拉紧螺栓的旋转位置有关的振动元件的电/机械效率。因此为了在规定的电激励振幅时达到由结构类型确定的最大机械振幅，在装配时压电元件组必需这么长时间绕拉紧螺栓逐步转动，然后慢慢拧紧，直至找到最合适的位置，再将压电元件组锁紧在这个位置上。
在具有能振动的膜片，压电元件组和与膜片连接的用来使压电元件压紧在膜片上的拉紧螺栓的振动元件中这个目的这样达到，即将拉紧螺栓和膜片做成一体。通过这种方式建立压电元件和振动体之间可靠得多的与材料疲劳不太相关的机械连接。
这种一体的连接特别是可以这样得到，即膜片和拉紧螺栓通过去除材料的，特别是切削加工由一个坯件制成。
在本发明的目的的另一种解决方案中，但是它优先与上述方案可以组合使用，在压紧环和与膜片接触的支承环之间的压电元件组包括两个电压元件，压紧环和支承环可与第一驱动电位连接，并且一设置在压电元件之间的电极可与第二驱动电位连接。限于两个压电元件一方面导致振动元件结构高度的减�。佣顾谡穸迳系牧痈招愿茫硪环矫嬉蛭谝磺缥恢恍杓釉谘沟缭榈囊桓霾课簧希谡穸峡梢圆挥梦露让舾械挠∷⒌缏钒澹佣顾视糜诟叽�200℃的工作温度。
压紧环和支承环之间的导电连接可以方便地通过拉紧螺栓建立。通过以下方法达到振动元件方便地更换的可能性，即压电元件、压紧环和支承环最好通过一包围它们的壳体合并成一个结构单元，该单元可从膜片和拉紧螺栓上拆下。
驱动结构单元是一组多个环形元件，即一支承环5，它与膜片3直接接触、一下压电元件7、一电极8、一上压电元件6和一压紧环12，该压紧环承受螺母13的压紧力并均匀分布到上压电元件6的整个表面上。压紧环12和支承环5由金属制成，并同时作为两个压电元件6、7的与电极8互补的电极。
压电元件6、7的内侧面通过一绝缘套10相对于拉紧螺栓4电绝缘。沿径向向外它们被一驱动壳体11包围，该驱动壳体围住支承环5和压紧环12的径向凸起，并这样便将所述元件5、6、7、8、12组合成一结构单元。这个结构单元与带有数量更多的压电元件的传统驱动单元相比做得很扁，并且只由少数单个零件组成。因此使刚性降低的表面过渡的数量很少。因为驱动力通过支承环5直接传入膜片3，得到在支承环5在膜片3上在其端面17的径向外部区域内的作用部位和拉紧螺栓4之间的很小的路程。由于支承环5与膜片相对于拉紧螺栓4的同心接触得到刚性很好的连接。
拉紧螺栓4不是焊接在膜片4上，而是例如通过切削加工，例如也许是车削，与膜片3形成一体。因此在强度保持不变的情况下从拉紧螺栓4到膜片3的过渡截面可以做得小于两者之间是焊接连接时的过渡截面，此外还避免了在膜片3上拉紧螺栓4附近由焊接引起的使材料变硬的组织变化。这很重要，因为不希望膜片3本身变硬。它应该是整个振动元件中唯一的能弯曲的构件，所有其他构件必须具有比它高得多的抗弯刚度。膜片3是叉尖2和驱动单元之间传递力的交接区。其他构件的任何弯曲促使叉尖2和驱动单元的去耦，因此是所不希望的。
压电元件6、7同时用于振动的驱动和测量，如例如在EP0810423A2中所述。通过这种方式不仅减少压电元件数量，而且也减少所需的触点接通电极。
第一驱动电位通过第一驱动导线9输送给压电元件6、7，该驱动导线与包含在压电元件之间的电极6连接。因为只需要唯一的一个连接电极8，驱动导线9可以直接固定在它上面。不需要专门的触点接通印刷电路板，因此这种振动元件适用于高达200℃的工作温度。
第二驱动电位通过支承环5或压紧环12施加在压电元件6、7的外侧上。压紧环12通过螺母13和拉紧螺栓4与膜片3导电连接，该膜片也与支承环5接触。膜片又通过焊接连接18与嵌入式壳体14导电连接，在该壳体上连接第二驱动导线15。在某此情况下也许需要的对于嵌入式壳体14拧在其中的容器的电位隔离在一(未示出的)电子处理单元中可借助于一直流转换器(DC-Wandler)进行，并且对振动特性没有影响。
第一驱动导线9至少在其延伸穿入嵌入式壳体14的长度上可以是不屏蔽的，因为与第二驱动电位接通的嵌入式壳体14已经是一个对于第一驱动导线9的同轴屏蔽。这特别是在传感器元件的结构形式中是有利的，其中嵌入式壳体在容器壁上的固定点，在这里是外螺纹16，和膜片3通过一插入容器内的相当长的金属加长管隔开。因为这个管子已经起电磁屏蔽作用，可以不用在管子内设置也许几半长的适宜高温的、昂贵的同轴连接导线。
驱动元件少的零件数使它特别适合于在高温，例如在200℃时工作。因为第二驱动导线15可以在容器壁区域内或容器之外导电接通，在这里不需要采取特别的防护装置来保证连接的耐高温性。仅仅第一驱动导线9与电极8在膜片3周围的高温区内导电接通。这种接通最好通过点焊或夹紧连接(Crimpverbindung)建立，因为钎焊不适合于这种工作温度。
由于膜片3和拉紧螺栓4由一个坯料通过车削加工制成，拉紧螺栓4的倾斜和其位置在膜片3中心之外都是不可能的。同样也排除了带有不确定的扩展的膜片钢材内的组织变化，因为取消了在能振动的膜片表面上的焊接过程。这一点和驱动单元非常扁平的结构以及取消许多有误差的构件有助于，使在按本发明的振动元件中效率与驱动单元相对于拉紧螺栓的旋转取向无关。因此在加工振动元件时可以完全取消迄今为止需要的对驱动单元的车削矫正的工序。驱动单元的更换可以迅速和毫无困难地进行。
权利要求
1.一种振动元件，包括一能振动的膜片(3)、一组压电元件(6、7)和一个与膜片(3)连接的用来将压电元件(6、7)压紧在膜片(3)上的拉紧螺栓(4)，其特征为所述拉紧螺栓(4)与膜片(3)设计成一体。
2.按权利要求1或按权利要求1前序部分所述的振动元件，其特征为压电元件组设置在一压紧环(12)和一与膜片接触的支承环(5)之间，并包含压电元件(6、7)，其中压紧环(12)和支承环(5)可与第一驱动电位连接，设置在压电元件(6、7)之间的电极(8)可与第二驱动电位连接。
3.按权利要求2所述的振动元件，其特征为支承环(5)和压紧环(12)通过拉紧螺栓(4)导电连接。
4.按权利要求2或3所述的振动元件，其特征为压电元件(6、7)、压紧环(12)和支承环(5)通过一包围它们的壳体(11)组合成一结构单元，它可以从膜片(3)和拉紧螺栓(4)上拆下。
5.按权利要求1至4中任一项或按权利要求1前序部分所述的振动元件，其特征为支承环(5)与膜片(3)在其朝向膜片(3)的端面(17)的径向外部区域上接触。
6.按权利要求2至5中任一项所述的振动元件，其特征为压紧环(12)和支承环(5)与振动元件的嵌入式壳体(14)导电连接。
7.按上述权利要求中任一项所述的振动元件，其特征为拉紧螺栓(4)和膜片(3)由一个坯件通过切除材料的加工制成。
8.按上述权利要求中任一项所述的振动元件，其特征为膜片具有长度为20至70，尤其是约40mm的叉尖。
全文摘要
特别是用于料位传感器的振动元件包括一能振动的膜片(3)、一组压电元件(6、7)和一与膜片(3)连接的用于将压电元件(6、7)压紧在膜片(3)上的拉紧螺栓(4)。拉紧螺栓(4)与膜片(3)设计成一体。
文档编号G01F23/296GK1439093SQ01811787
公开日2003年8月27日 申请日期2001年5月12日 优先权日2000年5月15日
发明者费利克斯·拉夫法尔特, 艾德里安·弗里克, 英戈·哈特 申请人:Vega格里沙贝两合公司
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