DE102020102028A1

DE102020102028A1 - Piezoelektrisch angetriebener Vibrationssensor

Info

Publication number: DE102020102028A1
Application number: DE102020102028.7A
Authority: DE
Inventors: Dominik Fehrenbach; Julian Epting
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2021-07-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrisch angetriebenen Vibrationssensor (1), insbesondere Vibrationsgrenzschalter, mit einem Antrieb (3) und einer über den Antrieb (3) zu einer Schwingung anregbaren Membran (5), wobei der Antrieb (3) in einer Stapelanordnung entlang einer Stapelachse (S) eine Mehrzahl von Piezoelementen (7) umfasst, wobei ein jedes Piezoelement (7) auf einer ersten Seite (11) und einer der ersten Seite (11) gegenüberliegenden zweiten Seite (12) eine Kontaktfläche (8) aufweist, und wobei an der jeweiligen Kontaktfläche (8) auf einer dem Piezoelement (7) abgewandten Seite der Kontaktfläche (8) zumindest abschnittsweise ein Kontaktelement (10) anliegt.Um bei einem solchen Vibrationssensor (1) zu gewährleisten, dass dieser einerseits in explosionsgeschützten Bereichen, und andererseits bei Temperaturen von bis zu 300 °C eingesetzt werden kann, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Kontaktfläche (8) und das Kontaktelement (10) entlang einer senkrecht zur Stapelachse (S) verlaufenden Querachse (Q) in Bezug zur Länge (LP) des Piezoelements (7) eine geringere Länge (LKF, LKE) aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrisch angetriebenen Vibrationssensor, insbesondere einen Vibrationsgrenzschalter, mit einem Antrieb und einer über den Antrieb zu einer Schwingung anregbaren Membran, wobei der Antrieb in einer Stapelanordnung entlang einer Stapelachse eine Mehrzahl von Piezoelementen umfasst, wobei ein jedes Piezoelement auf einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite eine Kontaktfläche aufweist, und wobei an der jeweiligen Kontaktfläche auf einer dem Piezoelement abgewandten Seite der Kontaktfläche zumindest abschnittsweise ein Kontaktelement anliegt.
Aus dem Stand der Technik sind Vibrationssensoren, die beispielsweise als Vibrationsgrenzschalter verwendet werden, allgemein bekannt. Standardmäßig weist ein solcher Vibrationssensor eine über einen Antrieb zu einer Schwingung anregbare Membran auf, mittels welcher ein an der Membran angeordneter mechanischer Schwinger zu einer Schwingung angeregt werden kann. In Abhängigkeit von einem Bedeckungsgrad des mechanischen Schwingers mit einem Füllgut sowie in Abhängigkeit von der Viskosität des Füllguts schwingt der mechanische Schwinger mit einer charakteristischen Frequenz, die von dem Vibrationssensor detektiert und in ein Messsignal umgewandelt werden kann.
Ein aus dem Stand der Technik bekannter, piezoelektrischer Vibrationssensor ist in der 1 wiedergegeben. Der dargestellte Vibrationssensor 1 kann insbesondere als Vibrationsgrenzschalter eingesetzt werden und weist eine über einen Antrieb 3 zu einer Schwingung anregbare Membran 5 auf, wobei der Antrieb 3 eine Mehrzahl von ringförmig ausgebildeten Piezoelementen 7 mit einer Zentralöffnung 9 und eine elektrische Kontaktierung der Piezoelemente umfasst. Typischerweise sind die Piezoelemente 7 über einen an der Membran 5 des Vibrationssensors 1 angeordneten Zugbolzen 17, der durch die Zentralöffnung 9 der Piezoelemente 7 verläuft, über eine Spannschraube 19 gegen die Membran 5 vorgespannt, sodass eine über ein elektrisches Signal erzeugte Schwingung der Piezoelemente 7 zuverlässig auf die Membran 5 übertragen wird. Mit der Membran 5 verbunden ist ein mechanischer Schwinger 23. Typischerweise sind zwischen den Piezoelementen 7 und der Membran 5 eine Anpasskeramik 13 und eine Spannscheibe 14 angeordnet, die für eine gezielte Einleitung der mechanischen Schwingung in die Membran 5 sowie eine thermische Anpassung sorgen. Analog zu Anpasskeramik 13 und Spannscheibe 14 zwischen der Membran 5 und den Piezoelementen 7 kann ebenfalls eine weitere Anpasskeramik 13 und eine Spannscheibe 14 zwischen der Spannschraube 19 und den Piezoelementen 7 vorgesehen sein, sodass die Spannschraube 19 gegenüber den Piezoelementen 7 elektrisch isoliert ist. Zwischen dem Zugbolzen 17 und dem Antrieb 3 kann eine Isolationshülse 21 vorgesehen sein, mit welcher die Piezoelemente 7 gegenüber dem metallischen Zugbolzen 17 isoliert und zentriert werden können.
Eine elektrische Kontaktierung der Piezoelemente 7 erfolgt über an den Oberflächen der Piezoelemente angeordnete Kontaktflächen 8, die über Kabel 25 und damit elektrisch verbundene Kontaktelemente 10 (dabei kann es sich insbesondere um Elektroden handeln) elektrisch kontaktiert werden.
Derartige piezoelektrische Vibrationssensoren können beispielsweise auch in explosionsgeschützten Bereichen verwendet werden. Für einen solchen Einsatz müssen die in den Vibrationssensoren verwendeten piezoelektrischen Stapelantriebe jedoch gewisse normative oder gesetzliche Grundlagen erfüllen. Insbesondere gilt dies für die zwischen den elektrischen Kontaktierungen vorliegenden Isolationsstrecken. Für ein gewünschtes Schutzniveau von 10 V muss dabei bei einer reinen Luftisolation eine Isolationsstrecke von 1,5 mm gewährleistet sein. Bei festen Isolierungen ist für das genannte Schutzniveau eine Isolationsstrecke von 0,5 mm erforderlich. Entsprechend den gewünschten Anforderungen können auf diese Weise auch höhere oder niedrigere Schutzniveaus realisiert werden. Entsprechend mag auf den ersten Blick ein feste Isolierung vorteilhaft erscheinen, beispielsweise aufgrund eines geringeren Raumanspruchs, letztlich sind feste Isolierungen (dies können beispielsweise Kunststoffhülsen oder Vergussmassen sein) einerseits mit einer zusätzlichen Erhöhung der Anzahl der benötigten Bauteile (also einem erhöhten Fertigungsaufwand) verbunden, andererseits gestaltet sich die Verwendung von festen Isolierungen bei Hochtemperaturanwendungen der Vibrationssensoren bei bis zu 300 °C kompliziert. Ferner kann es ebenfalls problematisch sein, dass feste Isolierungshülsen entlang ihrer Seitenwände keine hundertprozentige Isolierung bilden können, da stets ein geringer Spalt zwischen Hülse und abzudichtender Fläche vorhanden ist. Daher können beispielsweise die Kontaktflächen 8 und die Kontaktelemente 10 von der ersten Seite zu der gegenüberliegenden Seite der Piezos 7 nicht mittels einer seitlichen Hülse isoliert werden.
Vornehmlich ist dies in einer relativ geringen Temperaturbeständigkeit der herkömmlich verwendeten Vergussmassen bzw. Kunststoffmaterialien begründet.
Bei einer an sich bekannten Isolierung der Kontaktstellen mittels einer Luftisolation ist es aufgrund der bekannten flächigen Kontaktierung der Piezoelemente, sowie aufgrund der vorliegenden Größenverhältnisse problematisch, eine für die Erzielung des Schutzniveaus notwendige Isolationsstrecke von 1,5 mm bereitzustellen. Bei bekannten Lösungen kann dies - wenn überhaupt - erreicht werden, indem die Dicke der Piezoelemente auf Kosten eines Wirkungsgradverlustes erhöht wird. Beispielsweise kann eine Verwendung von 1,5 mm dicken Piezoelementen (wodurch eine Luftisolationsstrecke von 1,5 mm gewährleistet wäre) im Vergleich zu einem Vibrationssensor mit 1 mm dicken Piezoelementen zu einem Wirkungsgradverlust von 33 % führen.
Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrisch angetriebenen Vibrationssensor, insbesondere einen Vibrationsgrenzschalter, vorzuschlagen, welcher einerseits in explosionsgeschützten Bereichen, und andererseits bei Temperaturen von bis zu 300 °C eingesetzt werden kann.
Zur Lösung der genannten Aufgabe wird ein piezoelektrisch angetriebener Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
Der vorgeschlagene piezoelektrisch angetriebene Vibrationssensor kann insbesondere als Vibrationsgrenzschalter eingesetzt werden. Erfindungsgemäß handelt es sich um einen Vibrationssensor mit einem Antrieb und einer über den Antrieb zu einer Schwingung anregbaren Membran, wobei der Antrieb in einer Stapelanordnung entlang einer Stapelachse eine Mehrzahl von Piezoelementen umfasst, wobei ein jedes Piezoelement auf einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite eine Kontaktfläche aufweist, und wobei an der jeweiligen Kontaktfläche auf einer dem Piezoelement abgewandten Seite der Kontaktfläche zumindest abschnittsweise ein Kontaktelement anliegt. Erfindungsgemäß weisen die Kontaktfläche und das Kontaktelement entlang einer senkrecht zur Stapelachse verlaufenden Querachse in Bezug zur Länge des Piezoelements eine geringere Länge auf.
Der vorgeschlagene Vibrationssensor macht sich bei dem damit verwendeten Stapelantrieb das einleitend beschriebene Isolationsprinzip der Luftisolation zu eigen - welche die elektrische Isolierung der an einem jeweiligen Piezoelement angeordneten Kontaktflächen bzw. Kontaktelementen bereitstellt. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten und eingangs beschriebenen Stapelanordnungen wird die Luftisolationsstrecke allein über die Dicke eines jeweiligen Piezoelements festgelegt. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufbau wird die Luftisolationsstrecke im Vergleich zu den bekannten Anordnungen vergrößert. Gleichermaßen kann auf zusätzliche Isolationskomponenten (z.B. Kunststoffhülsen oder Vergussmasse) verzichtet werden. Aufgrund der geringeren Länge der Kontaktfläche und des Kontaktelement entlang der senkrecht zur Stapelachse verlaufenden Querachse im Vergleich zur Länge des Piezoelements in dieser Richtung wird ein Zugewinn der der Luftisolationsstrecke erzielt, welcher der Differenz der Länge entspricht. Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion kann einerseits ein außenseitig an einem Piezoelement vorliegender Luftisolationsabstand erhöht werden, andererseits aber auch (bei Ausbildung der Piezoelementen in Form von Lochscheiben) ein innenseitig in Richtung eines durch die Lochscheibe hindurchgeführten Zugbolzens vorliegender Luftisolationsabstand zwischen den Kontaktflächen bzw. Kontaktelementen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung der dort genannten Merkmale bzw. ggf. ergänzender Ausgestaltungen angegeben.
Nach einer ersten besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Piezoelemente jeweils ringförmig ausgebildet sind und eine Zentralöffnung aufweisen. Ferner können auch die jeweiligen Kontaktflächen ringförmig ausgebildet sein. Insbesondere können die Piezoelemente nach Art einer Lochscheibe ausgebildet sein. Aber auch andere Geometrien (scheibenförmig, polygonal, oval etc.) sind grundsätzlich vorstellbar. Gleiches gilt für die Ausbildung der Kontaktflächen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kontaktfläche in Form einer Oberflächenmetallisierung auf die erste und zweite Seite des jeweiligen Piezoelements aufgebracht ist, und dass das Kontaktelement in Form einer Ringscheibe ausgebildet ist. Die Metallisierung kann auf jegliche bekannte Art und Weise erfolgen, sei es durch Bedampfen im Wege eines PVD, CVD oder DIP-Coating Verfahrens, durch galvanische Metallbeaufschlagung oder durch mechanisches Anordnen einer Metallschicht auf dem Piezoelement (z.B. durch Aufkleben einer Metallfolie). Die Metallisierung kann ein- oder mehrlagig aufgebaut sein und umfasst ein oder mehrere elektrisch leitfähige Metalle, Metalllegierungen oder Metallverbindungen. Vorzugsweise ist die Oberflächenmetallisierung flächig und zusammenhängend (d.h. ohne Unterbrechung) auf die erste und zweite Seite des jeweiligen Piezoelements aufgebracht. Da im Rahmen der Erfindung insbesondere Piezoelemente nach Art einer Piezolochscheibe zum Einsatz kommen können (d.h. die Piezoelemente weisen eine Zentralöffnung auf), ist die Metallisierung lediglich in jenem die Zentralöffnung umgebenden Bereich der Piezoelemente aufgebracht. Wie an späterer Stelle noch zu erläutern ist, weist die Oberflächenmetallisierung bzw. Kontaktfläche einen ersten Abstand zu einem der jeweiligen Zentralöffnung zugewandten Innenrand des Piezoelements und einen zweiten Abstand zu einem der Zentralöffnung abgewandten Außenrand des Piezoelements auf. Gleiches gilt für die (vorzugsweise als Ringscheibe ausgebildeten) Kontaktelemente bzw. Elektroden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Länge der Kontaktfläche und die Länge des Kontaktelements entlang der Querachse den gleichen Wert annehmen. Dies bedeutet, dass das Kontaktelement mit der Kontaktfläche sowohl in Richtung des Außenrandes des jeweiligen Piezoelements als auch in Richtung des der Zentralöffnung zugewandten Innenrandes bündig abschließen, gleichwohl in einem Abstand zu den jeweiligen Rändern. Durch eine solche Ausbildung wird eine besonders effiziente elektrische Leitung bereitgestellt. Auch etwaige Kurzschlüsse werden somit vermieden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kontaktfläche und das Kontaktelement entlang der Querachse und bezogen auf die Stapelachse einen größeren Innenradius und einen geringeren Außenradius aufweisen als das Piezoelement. Anders formuliert bedeutet dies, dass die Kontaktfläche bzw. das Kontaktelements zum äußeren oder inneren Rand der als Lochscheiben ausgebildeten Piezoelemente beabstandet angeordnet sind. So weisen sie im Vergleich zu den Piezoelementen einen geringeren Außendurchmesser auf, jedoch einen größeren Innendurchmesser. Durch eine solche Ausgestaltung wird neben jenem durch die Dicke der Piezoelemente bereitgestellten Luftisolationsabstand ein zusätzlicher Isolationsabstand bereitgestellt, dabei sowohl in Richtung des Außenrandes als auch in Richtung des Innenrandes (in Richtung des Zugbolzens). Mit einer solchen Ausgestaltung kann der Luftisolationsabstand erhöht werden, gleichzeitig aber ohne Notwendigkeit die Dicke der Piezoelemente zu erhöhen. Letzteres wäre insbesondere deshalb unvorteilhaft, da mit einer Dickenerhöhung unweigerlich Wirkungsgradverluste einhergehen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kontaktfläche und das Kontaktelement einen ersten Abstand zu einem der Zentralöffnung zugewandten Innenrand des Piezoelements und einen zweiten Abstand zu einem der Zentralöffnung abgewandten Außenrand des Piezoelements aufweist. Damit wird der Luftisolationsabstand also entlang der vorangehend bereits eingeführten Querachse in beide Achsrichtungen vergrößert. Bezogen auf die Außenseite (also die dem Zugbolzen abgewandte Seite) des Piezoelements setzt sich die Luftisolationsstrecke also aus dem zweifachen zweiten Abstand und der Dicke des Piezoelements zusammen. Für die Innenseite definiert sich die Luftisolationsstrecke aus der Summe des zweifachen ersten Abstands und der Dicke des Piezoelements. Vorteilhaft kann dabei sein, dass der erste Abstand und der zweite Abstand den gleichen Wert annehmen. Dies führt zu einer symmetrischen Ausgestaltung des Stapelantriebs bzw. der Piezoelemente samt Kontaktflächen und Kontaktelemente. Ohne Weiteres kann aufgrund von baulichen Anforderungen aber auch vorgesehen sein, dass der erste Abstand und der zweite Abstand einen voneinander abweichenden Wert annehmen. Dabei kann der erste oder zweitere jeweils einen größeren oder kleineren Wert annehmen, je nach den konkret vorliegenden baulichen Bedingungen des Vibrationssensors. Anders ausgedrückt kann dies bedeuten, dass die Kontaktfläche entlang der Querachse einerseits im Vergleich zum Piezoelement einen geringeren Außenradius aufweist, jedoch einen größeren Außenradius als das Kontaktelement. Gleichsam kann der Außenradius der Kontaktfläche aber auch größer sein als jener Außenradius des Kontaktelements. Der Innenradius der Kontaktfläche ist im Vergleich zum Innenradius des Piezoelements größer. In Bezug zum Kontaktelement, kann die Kontaktfläche einen größeren oder geringeren Innenradius aufweisen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Abstand oder der zweite Abstand gemeinsam mit einem über die Dicke des jeweiligen Piezoelements definierten Abstand eine Luftisolationsstrecke ausbilden. Im Speziellen wird die Luftisolationsstrecke, auf der dem Zugbolzen zugewandten Innenseite des Piezoelements, jedoch durch die Summe des zweifachen ersten Abstands und der Dicke des Piezoelements festgelegt. Auf der Außenseite des Piezoelements wird die Luftisolationsstrecke jedoch durch die Summe des zweifachen zweiten Abstands und der Dicke des Piezoelements.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein jedes Piezoelement eine Dicke von 1 mm aufweist und die Luftisolationsstrecke zumindest 1,5 mm beträgt. In diesem Fall kann der erste Abstand und/oder der zweite Abstand beispielsweise einen Wert von 0,25 mm annehmen. Mit einem eine Dicke von 1 mm aufweisenden Piezoelement wird ein Wirkungsgradverlust vermieden, durch die vorhandenen Abstände zwischen Kontaktfläche bzw. Kontaktelement zu den äußeren/inneren Rändern des Piezoelements wird gleichwohl aber eine Erhöhung der Luftisolationsstrecke zu den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen ermöglicht.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Dicke der Piezoelemente und die Länge der Kontaktfläche und die Länge des Kontaktelements dahingehend skaliert werden, dass eine Luftisolationsstrecke von zumindest 1,5 mm bereitgestellt wird. Je nach Anforderung an den konstruktiven Aufbau des Vibrationssensors kann die Größe der Piezoelemente oder anderer Bauteile variieren. Durch die erfindungsgemäß bereitgestellte Ausgestaltung der Piezoelemente, der Kontaktflächen und Kontaktelemente können - wie erwähnt - Abstände zwischen den Kontaktflächen/Kontaktelementen zu einem inneren oder äußeren Rand bereitgestellt werden. Die Abstände ermöglichen eine intrinsische Erhöhung der Luftisolationsstrecke ohne dabei jedoch die Baugröße der Piezoelemente verändern zu müssen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1 einen Vibrationssensor gemäß dem Stand der Technik (einleitend bereits beschrieben);
2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines in dem Vibrationssensor nach 1 verbauten Piezoelements samt Kontaktierung;
3 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines in dem erfindungsgemäßen Vibrationssensor verbauten und nach Art einer Lochscheibe ausgebildeten Piezoelements samt Kontaktfläche und Kontaktelement.

In der 1 ist der eingangs beschriebene und grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannte Vibrationssensor figürlich wiedergegeben. Hinsichtlich der diesbezüglichen Figurenbeschreibung sei auf die einleitenden Ausführungen verwiesen.
Die 2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen Ausschnitt des Piezostapelantriebs nach 1. Wiedergegeben ist dabei insbesondere ein einzelnes nach Art einer Lochscheibe ausgebildetes Piezoelement 7, welches auf einer ersten Seite 11 (z.B. einer Oberseite) und einer zweiten Seite 12 (z.B. einer Unterseite) eine Kontaktfläche 8 (dies kann wie eingangs erwähnt z.B. eine Metallisierung sein) respektive ein Kontaktelement 10 aufweist. Vorliegend ist die Kontaktfläche 8 und das Kontaktelement allerdings nicht separiert dargestellt. Das nach Art einer Lochscheibe ausgebildete Piezoelement 7 weist eine Zentralöffnung 9 auf, durch welche der eingangs erwähnte Zugbolzen 17 hindurchragt (schematisch illustriert).
Wie die 2 zu erkennen gibt, weist das Piezoelement 7 einen gewissen Abstand zu dem Zugbolzen 17 auf. Gleiches gilt in Bezug auf eine (nicht dargestellte) Außenhülse des Vibrationssensors 1. Die auf der ersten Seite 11 und der zweiten Seite 12 angeordneten Kontaktflächen 8 bzw. Kontaktelementen 10 sind nach außen oder innen (im Bereich des Zugbolzens 17) voneinander lediglich durch einen jenen Abstand separiert, der durch die Dicke D des Piezoelements 7 festgelegt ist. Die Dicke D des Piezoelements 7 definiert also den vorliegenden Luftisolationsabstand 20.
Die 3 zeigt in einer Schnittdarstellung ein nach der Erfindung ausgebildetes Piezoelement 7 als Teil des erfindungsgemäßen Vibrationssensors 1. Das Piezoelement 7 ist dabei ringförmig nach Art einer Lochscheibe ausgebildet, d.h. es weist eine Zentralöffnung 9 auf, die von einem Zugbolzen 17 durchragt wird. Das Piezoelement 7 weist auf der ersten Seite 11 und auf jener der ersten Seite 11 gegenüberliegenden zweiten Seite 12 eine ringförmig ausgebildete (d.h. durchgängig umlaufende) Kontaktfläche 8 auf, bei welcher es sich insbesondere um eine Oberflächenmetallisierung oder eine Metallfolie handeln kann.
An den dargestellten Kontaktflächen 8 liegt auf einer dem Piezoelement 7 abgewandten Seite der Kontaktflächen 8 ein Kontaktelement 10 an. Entlang einer senkrecht zur Stapelachse S verlaufenden Querachse Q weist die Kontaktfläche 8 wie auch das Kontaktelement 10 in Bezug zur Länge L_P des Piezoelements 7 eine geringere Länge L_KF , L_KE auf, wobei das Bezugszeichen L_KF die Länge der Kontaktfläche 8 und das Bezugszeichen L_KE die Länge des Kontaktelements repräsentiert.
Die Kontaktfläche 8 weist entlang der Querachse Q bezogen auf die Stapelachse S einen größeren Innenradius RI_KF und einen geringeren Außenradius RA_KF auf als das Piezoelement 7. Gleiches gilt für den Innenradius RI_KE und den Außenradius RA_KE des Kontaktelements 10. Letztlich führt die erfindungsgemäße Anordnung bzw. Dimensionierung der Kontaktfläche 8 und des Kontaktelements 10 in Bezug zum Piezoelement 7 dazu, dass die Kontaktfläche 8 und das Kontaktelement 10 einen ersten Abstand A₁ zu einem der Zentralöffnung 9 zugewandten Innenrand 15 des Piezoelements 7 aufweist. Ferner wird durch die erfindungsgemäße Anordnung ein zweiter Abstand A₂ zwischen der Kontaktfläche 8 bzw. dem Kontaktelement 10 und einem der Zentralöffnung 9 abgewandten Außenrand 16 des Piezoelements 7 bereitgestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass der erste Abstand A₁ dem zweiten Abstand A₂ entspricht, also beide Abstände den gleichen Wert annehmen.
Der Zugewinn der Luftisolationsstrecke 20 zwischen den Kontaktflächen 8 bzw. Kontaktelementen 10 die auf der ersten Seite 11 und jenen Kontaktflächen 8 bzw. Kontaktelementen 10 auf der zweiten Seite 12 des Piezoelements 7 ergibt sich aus der beschriebenen Dimensionierung der Länge entlang der Achse Q.
Die Luftisolationsstrecke 20 ergibt sich bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 aus der Summe des zweifachen Abstands A1 (einmal bzgl. der ersten Seite 11 und einmal bzgl. der zweiten Seite 12) sowie der Dicke D des Piezoelements 7. Im Vergleich zur aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltung (1, 2) ist die Luftisolationsstrecke 20 innenseitig (also dem Zugbolzen 17 zugewandt) um die Strecke A₁ + A₁ erhöht. Außenseitig ist die Luftisolationsstrecke 20 um die Strecke A₂ + A₂ erhöht. Eine solche Erhöhung der Luftisolationsstrecke 20 erlaubt den Einsatz des erfindungsgemäßen Vibrationssensors 1 in explosionsgeschützten Bereichen, in welchen strenge Anforderungen an Luftisolationsstrecken 20 gelten. Gleichsam wird - wie eingangs beschrieben - ein Erhalt des Wirkungsgrades gewährleistet, denn die Dicke D der Piezoelemente 7 bleibt erfindungsgemäß unverändert. Beispielsweise können die Piezoelemente 7 eine Dicke von 1 mm aufweisen. Die Abstände A₁ bzw. A₂ können 0,25 mm betragen, sodass für die innenseitige oder außenseitige Luftisolationsstrecke 20 Werte von 1,5 mm erhalten werden. Ein solcher Wert entspricht den zum Anmeldetag vorliegenden gesetzlichen Rahmenbedingungen zum Einsatz eines Vibrationssensors 1 bzw. Vibrationsgrenzschalters bei einem Schutzniveau von 10 V. Betont sei nochmals, dass die genannten Werte - je nach Anforderung - beliebig skaliert werden können. So kann die Dicke D des jeweiligen Piezoelements 7 und die Länge L_KF der Kontaktfläche 8 und die Länge L_KE des Kontaktelements 10 dahingehend skaliert werden, dass eine Luftisolationsstrecke von 1.5 mm oder mehr bereitgestellt wird.
Bei dem beschriebenen erfindungsgemäßen Vibrationssensor 1 kann auf den Einsatz einer isolierenden Kunststoffhülse (vgl. 1) bzw. Vergussmasse verzichtet werden. Betont sei, dass der in 3 gezeigte Aufbau in einer Stapelanordnung bereitgestellt wird, d.h. an die Kontaktelemente 10 grenzt nach oben bzw. unten ein weiteres Piezoelement 7 an usw.
Bezugszeichenliste

1: Vibrationssensor
3: Antrieb
5: Membran
7: Piezoelement
8: Kontakfläche
9: Zentralöffnung
10: Kontaktelement
11: erste Seite
12: zweite Seite
13: Anpasskeramik
14: Spannscheibe
15: Innenrand
16: Außenrand
17: Zugbolzen
19: Spannschraube
20: Luftisolationsstrecke
21: Isolationshülse
23: mechanischer Schwinger
25: Kabel
A1: erster Abstand
A2: zweiter Abstand
D: Dicke
LKF: Länge der Kontaktfläche
LKE: Länge des Kontaktelements
RIKF: Innenradius der Kontaktfläche
RIKE: Innenradius des Kontaktelements
RAKF: Außenradius der Kontaktfläche
RAKE: Außenradius des Kontaktelements
S: Stapelachse
Q: Querachse

Claims

Piezoelektrisch angetriebener Vibrationssensor (1), insbesondere Vibrationsgrenzschalter, mit einem Antrieb (3) und einer über den Antrieb (3) zu einer Schwingung anregbaren Membran (5), wobei der Antrieb (3) in einer Stapelanordnung entlang einer Stapelachse (S) eine Mehrzahl Piezoelementen (7) umfasst, wobei ein jedes Piezoelement (7) auf einer ersten Seite (11) und einer der ersten Seite (11) gegenüberliegenden zweiten Seite (12) eine Kontaktfläche (8) aufweist, und wobei an der jeweiligen Kontaktfläche (8) auf einer dem Piezoelement (7) abgewandten Seite der Kontaktfläche (8) zumindest abschnittsweise ein Kontaktelement (10) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (8) und das Kontaktelement (10) entlang einer senkrecht zur Stapelachse (S) verlaufenden Querachse (Q) in Bezug zur Länge (L_P) des Piezoelements (7) eine geringere Länge (L_KF, L_KE) aufweisen.
Vibrationssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (7) jeweils ringförmig ausgebildet sind und eine Zentralöffnung (9) aufweisen, und dass die jeweiligen Kontaktflächen ringförmig ausgebildet sind.
Vibrationssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (8) in Form einer Oberflächenmetallisierung auf die erste und zweite Seite (11, 12) des jeweiligen Piezoelements (7) aufgebracht ist, und dass das Kontaktelement (10) in Form einer Ringscheibe ausgebildet ist.
Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L_KF) der Kontaktfläche (8) und die Länge (L_KE) des Kontaktelements (10) entlang der Querachse (Q) den gleichen Wert annehmen.
Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (8) und das Kontaktelement (10) entlang der Querachse (Q) und bezogen auf die Stapelachse (S) einen größeren Innenradius (RI_KF, RI_KE) und einen geringeren Außenradius (RA_KF, RA_KE) aufweisen als das Piezoelement (7).
Vibrationssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (8) und das Kontaktelement (10) einen ersten Abstand (A₁) zu einem der Zentralöffnung (9) zugewandten Innenrand (15) des Piezoelements (7) und einen zweiten Abstand (A₂) zu einem der Zentralöffnung (9) abgewandten Außenrand (16) des Piezoelements (7) aufweist.
Vibrationssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand (A₁) und der zweite Abstand (A₂) den gleichen Wert annehmen.
Vibrationssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand (A₁) und der zweite Abstand (A₂) einen voneinander abweichenden Wert annehmen.
Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand (A₁) oder der zweite Abstand (A₂) gemeinsam mit einem über die Dicke (D) des jeweiligen Piezoelements (7) definierten Abstand eine Luftisolationsstrecke (30) ausbilden.
Vibrationssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jedes Piezoelement (7) eine Dicke (D) von 1 mm aufweist und die Luftisolationsstrecke (30) zumindest 1.5 mm beträgt.