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Piezoelektrischer Druck- bzw. Beschleunigungsaufnehmer
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Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Druck-bzw.
Beschleunigungsaufnehmer mit einem Gehäuse, in dem ein als Plättchen ausgebildeter
Körper aus piezoelektrischem Material, ein auf diesen Piezokörper wirkender und
ihn unter einer bestimmten Vorspannung haltender Druckübertrager sowie zu beiden
Seiten des Piezokörpers zur Abnahme einer dem an den Piezokörper angelegten Druck
bzw. der Beschleunigung entsprechenden elektrischen Ausgangssignals vorgesehen sind.
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Die piezoelektrische Meßtechnik hat sich zu einer der präzisesten
und universellsten Methoden zur Analyse von dynamischen Kraft- und Druckverläufen,
Beschleunigungen und Vibrationen entwickelt.
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Piezoelektrische Aufnehmer, die eine mechanische Größe in ein elektrisches
Ausgangssignal umwandeln, zeichnen sich gegenüber anderen Systemen insbesondere
durch sehr hohe Eigenfrequenz, extreme Starrheit und kleine Abmessungen aus.
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So ist aus der Zeitschrift Meßtechnik 1/70, Seite 5, Punkt 3, ein
Aufnehmer mit einer Quarzsäule als Piezokörper bekannt, bei dem der transversale
Piezoeffekt ausgenutzt wird. Zum Ausgleich von thermischen Spannungen, die durch
verschiedene Ausdehnungskoeffizienten des Piezokörpers und des Gehäuses bedingt
sind, d.h. zur Kompensation der Pseudopyroelektrizität, ist ein Temperaturkompensationskörper
in Form einer Scheibe aus nicht piezoelektrischem Material vorgesehen.
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Als Druckübertrager wird eine Membran in Verbindung mit einer Wärmedämmplatte
aus Asbest verwendet. Bei derartigen Aufnehmern ist man bestrebt, die zu messende
mechanische Größe lediglich in Empfindlichkeitsrichtung des Piezokörpers in diesen
einzuleiten. Bei dem bekannten Aufnehmer können jedoch etwa durch Verformung der
Membran Scherkräfte auf den Piezokörper übertragen werden, die das gewollte Meßergebnis
verfälschen.
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Derartige piezoelektrische AuSnehmer werden unter anderem auch für
sogenannte passive Sicherheitseinrichtungen in Fahrzeugen, vorzugsweise Automobilen,
verwendet; derartige passive Sicherheitseinrichtungen sind z.B. aufblasbare Luftkissen,
spannbare Fangnetze oder Sicherheitsgurte, die die Insassen des Fahrzeuges bei einem
Aufprall auf ein Hindernis gefahrlos auffangen sollen. Die Hauptkomponente der Aufprallkraft
liegt je nach der Unfallart in einem gewissen Winkelbereich zu beiden Seiten der
Fahrtrichtung. Um die Hauptkomponente jeweils zur Auslösung der Sicherheitseinrichtung
zu verwenden, ist es bekannt, einen piezoelektrischen Aufnehmer zu verwenden, bei
dem der Piezokörper als Kugelsegmentschale ausgebildet ist, der um eine als Druckübertrager
dienende federbelastete Vollkugel gelegt ist; vgl. DT-AS 24 16 130.
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Abgesehen davon, daß die Herstellung eines Piezokörpers in Kugelschalenform
nicht unproblematisch ist, können sich in dem Piezokörper wegen dessen zur Vollkugel
unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten längs des Kreisumfanges gerichtete Spannungen
ausbilden, die sich ungünstig auf die Berührungsfläche zwischen Piezokörper und
Vollkugel auswirken und dadurch auch das Meßergebnis verfälschen0
Für
exakte Meßergebnisse wäre es wünschenswert, die zu messende mechanische Größe lediglich
in Richtung der Empfindlichkeitsachse des Piezokörpers in diesen einzuleiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen
Aufnehmer der eingangs genannten Art konstruktionsmäßig so zu verbessern, daß die
Berührungsfläche zwischen dem Piezokörper und dem Druckübertrager durch Temperaturschwankungen
nicht beeinflußt und zudem die zu messende mechanische Größe lediglich in einer
Richtung, und zwar längs der Empfindlichkeitsachse des Piezokörpers in diesen eingeleitet
wird.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Piezokörper
ein kreisförmiges Plättchen ist, daß dessen eine ebene Oberfläche von der flachen
Seite einer Halbkugel als Teil des Druckübertragers abgedeckt ist, und daß als weiterer
Teil des Druckübertragers ein auf der Halbkugel aufsitzender, diese Jedoch nicht
in ihrem zentralen Bereich der Mittelachse von Piezokörper und Halbkugel beaufschlagender
Hammer vorgesehen ists der in dem Gehäuse in Empfindlichkeitsrichtung des Piezokörpers
gefUhrt ist.
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Durch die angegebene Konstruktion ist die Berührungsfläche zwischen
Druckübertrager und Piezokörper eben, so daß durch entsprechende Behandlung dieser
Flächen die Halbkugel immer vollständig auf dem kreisförmigen Piezoplättchen aufliegt.
Da der auf die Halbkugel wirkende Hammer in Richtung der Mittelachse von Piezoplättchen
und Halbkugel in dem Gehäuse geführt ist, wird lediglich die in dieser Richtung
wirkende Komponente der Meßgröße auf den Piezokörper übertragen. Der Hammer ist
hierbei so ausgebildet, daß er die Halbkugel nur teilweise umfaßt, insbesondere
nicht in einem Bereich um die Mittelachse auf die Halbkugel wirkt.Dadurch werden
zuverlässig Spannungen in Umfangsrichtung
der Halbkugel, sei es
an dieser selbst oder an dem Hammer die zu einer Verfälschung des Meßergebnisses
führen könnten, vermieden.
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Durch die spielfreie Führung des Hammers in dem Gehäuse werden Querbeschleunigungskräfte
vom Hammer direkt auf die Gehäusewand übertragen und bewirken daher kein nennenswertes
elektrisches- Ausgangssignal am Piezokörper. Ebenso können durch Festlegung des
Hammers rotatorische Beschleunigungskräfte, die eine Rotation des Hammers bewirken
könnten, unwirksam gemacht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Hammer
eine die Halbkugel zumindest in einer vorzugsweise zur Oberfläche des Piezokörpers
parallelen Linie berührende Haube, die im Gehäuse in radialer Richtung spielfrei
gelagert und durch ein in Richtung der Mittelachse des Piezokörpers wirkendes Spannelement
auf die Halbkugel gedrückt ist.
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Die Einleitung der mechanischen Größe in den Piezokörper wird auf
diese Weise mit einfach und präzis zu konstruierenden Teilen erreicht. Die gesamte
Konstruktion ist dabei sehr robust, so daß der piezoelektrische Aufnehmer gemäß
der Erfindung mechanisch hoch belastbar ist.
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Um die Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Aufnehmers zu
reduzieren und dadurch die Veränderung der Vorspannung des Piezokörpers durch den
Druckübertrager in engen Grenzen zu halten, ist das Gehäuse und der Hammer aus einem
Material mit sehr geringem thermischen Ausdehnungskoeffizient und zumindest die
das Piezoplättchen beaufschlagende Halbkugel aus einem Material mit gegenüber dem
Piezoplättchen wesentlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizient gefertigt.
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Bei einer solchen Materialauswahl ergibt sich eine über einen großen
Temperaturbereich erstreckende Tempera turunempfindlichkeit für den piezoelektrischen
Aufnehmer.
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Die Erfindung ist in drei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung
näher erläutert, wobei in den drei Figuren jeweils ein piezoelektrischer Aufnehmer
gemäß der Erfindung im Querschnitt dargestellt ist.
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Ein piezoelektrischer Aufnehmer 1 besteht aus einem kreisförmigen
Gehäuse 2, dessen Mittelachse mit 3 bezeichnet ist. Das Gehäuse weist eine napfförmige
Ausnehmung 4 auf, auf deren Boden eine Isolationsschicht 5, z.B. eine Vergußmasse
aus Glas, aufgebracht ist. Auf der Isolationsschicht ist eine Kontaktfläche 6 angeordnet,
die mittels einer Kontaktzunge 7 mit einem durch die Isolationsschicht 5 aus dem
Gehäuse 1 geführten Stecker 8 verbunden ist. Hierdurch ist die Isolationsschicht
6 und der Stecker 8 elektrisch von dem Gehäuse 1 isoliert.
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Auf die Kontaktfläche 6 ist ein kreisrundes Plättchen 9 aus piezoelektrischem
Material gelegt; der Piezokörper besteht z.B.
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aus einkristallinem LiNbO3 oder anderen piezoelektrischen Materialien.
Auf der oberen, der Kontaktschicht 6 gegenüberliegenden ebenen Fläche des Piezokörpers
9 ist eine Halbkugel lo mit ihrer flachen Seite 11 gelegt, wobei der Durchmesser
des Piezokörpers 9 und derjenige der Halbkugel lo identisch sind.
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Die geschilderte Anordnung aus Kontaktfläche 6, Piezokörper 9 und
Halbkugel lo kann an den jeweiligen Berührungsflächen sus sätzlich mit einem elektrisch
leitenden Kleber verklebt sohn; dies ist allerdings nicht notwendig. Die Oberseite
der Kugel wird von einer Schale 12 umfaßt, die jedoch um einen durch einen Zentrumswinkel
von etwa 300 um die Mittelachse bestimmten Bereich
durch eine
Ausnehmung 13 offen ist, der angegebene Winkel kann auch andere Werte annehmen.
In ihrem unteren Bereich weist die Schale 12 einen Uberwurf 14 auf, der am seitlichen
Umfang des Piezokörpers 9 anliegt und diesen gegen seitliches Verschieben sichert.
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Die Schale 12 geht oberhalb des Überwurfes 14 in einen sich radial
erstreckenden Rand 15 über, der oberhalb eines Absatzes 16 der Ausnehmung 4 in dem
Gehäuse sich spielfrei bis an den Rand der Innenwand des Gehäuses erstreckt. In
den Rand 15 der Schale 16 sind um den Umfang verteilt eine oder mehrere Ausnehmungen
17 angeordnet, in die von dem Boden des Gehäuses in Bohrungen 18 eingeführte Bolzen
19 eingreifen, um ein Verdrehen der Schale 12 um die Mittelachse 3 zu verhindern.
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Oberhalb des Absatzes 16 der Ausnehmung 4 im Gehäuse ist die Innenwand
des Gehäuses 2 mit einem Gewinde 20 versehen, in die ein Deckel 21 eingeschraubt
ist. Der Deckel berührt den Rand 15 der Kugelschale lediglich im äußeren Bereich,
wobei die hier mit 22 bezeichnete Berührungsflächen des Randes 15 und des Deckels
21 konisch abgeschrägt sind, wodurch ein zentrischer Sitz der Schale 12 erreicht
wird. Der Deckel 21 wird in das Gewinde 20 so eingeschraubt, daß der Piezokörper
9 eine gewisse Vorspannung erhält, um Drücke bzw. Beschleunigungen auf den Piezokörper
9 in beiden Richtungen längs der Mittelachse 3 messen zu können. In der Endstellung
des Deckels 21 wird dieser durch einen geeigneten Kleber im Gewinde 20 oder durch
Körnung gegen Verdrehen gesichert. Das Gehäuse 2, der Deckel 21, die Schale 12 und
die Halbkugel lo sind aus elektrisch leitendem Material, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Materials für das Gehäuse 2 und den Deckel 21 sehr klein gewählt ist; diese
Teile bestehen z0B. aus InvarstahlO Der thermische
Ausdehnungskoeffizient
der Schale 12 und der Halbkugel lo sind dagegen höher als derjenige des Piezokörpers
9 gewählt, um so den Temperatureinfluß des Piezomaterials bei Messungen zu komsensieren.
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An der in der Figur rechten Seite des Gehäuses 2 über dem Stekker
8 ist eine Ausnehmung 23 vorgesehen, in die ein hier lediglich als Block gezeichneter
Schaltkasten 24 eingesetzt ist, der einen elektrischen Impedanzwandler und anschließend
einen Verstärker zur Anpassung der Ausgangssignale des Piezokörpers 9 enthält. Dieser
Schaltkasten ist nicht unbedingt notwendig; in diesem Falle wird das Ausgangssignal
des Piezokörpers 9 am Stekker 8 und an einem weiteren Anschluß am Gehäuse 2 abgenommen.
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Bei Verwendung des Schaltkastens 24 wird ein Eingang durch eine Verbindung
25 mit dem Stecker 8 verbunden, während ein anderer Eingang durch eine weitere Verbindung
26 mit dem Gehäuse 2 elektrisch verbunden wird. Der Schaltkasten weist drei Ausgänge
27, 28 und 29 auf, an denen das Ausgangssignal (bei 27), ein der Vorspannung des
Piezokörpers entsprechendes Signal (bei 28) und das Nullpotential (bei 29) abgenommen
wird.
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Die Isolationsschicht 5 aus Glas wird vorzugsweise in das Gehäuse
über einen hier nicht gezeigten, gegenüber dem Bolzen 19 um 900 versetzten Verschlußstopfen
eingegossen, wodurch sich eine besonders glatte Anlagefläche an der Kontaktfläche
6 und an dem Boden der Ausnehmung 4 ergibt.
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Der beschriebene Aufnehmer ist sehr klein; sein Durchmesser beträgt
hier ca 13 Millimeter, wobei die Abmessungen je nach Einsatzbedingungen und der
geforderten Empfindlichkeit verkleinert oder vergrößert werden können. Gleichzeitig
wird durch die absolut zentrische Führung der Halbkugel 10 und der Schale 12 gewährleistet,
daß die zu messende mechanische Größe lediglich in
Richtung der
Mittelachse 3 in das Piezoplättchen 9 eingeleitet wird. Querkräfte werden durch
das Gehäuse aufgefangen und nicht an den Piezokörper weitergeleitet. Durch die Ausnehmung
13 im Zentrumsbereich der Schale 12 können sich Spannungen in Umfangsrichtung in
der Schale und in der Halbkugel lo nicht aufbauen, die das Meßergebnis durch inhomogene
Beaufschlagung des Piezokörpers 9 beeinflussen könnten.
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Der in Fig. 2 im Querschnitt dargestellte piezoelektrische Aufnehmer
31 besteht aus einem zylinderförmigen Gehäuse 32 aus Metall mit einer Mittelachse
33. Das Gehäuse 32 weist eine obere und eine untere Gewindebohrung 34 bzw. 35 auf.
In die untere Bohrung 35 ist eine Grundschraube 36 eingeschraubt und gegen Verdrehen
gesichert. Die in das Gehäuse ragende ebene Begrenzungsfläche 37 der Grundschraube
36 ist mit einer elektrischen Kontaktschicht 38 versehen, die z.B. mit einem Kontaktkleber
auf der Fläche 37 befestigt ist. Auf die Kontaktschicht 38 ist ein kreisscheibenförmiges
Piezoplättchen 39 symmetrisch um die rt telachse 33 des Gehäuses gelegt. Die obere
ebene Fläche des Piezokörpers 39 ist mit einer Kontaktfläche 40 aus elektrisch leitfähigem
Material, z.B. Gold, Platin oder Silber, belegt.
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Diese Kontaktfläche ist entweder aufgeklebt oder auf den Piezokörper
aufgedampft. Auf der Kontaktfläche 40 liegt eine Halbkugel 41 auf, deren Durchmesser
größer als derjenige des Piezokörpers 39 ist. Die untere ebene Fläche der Halbkugel
41 weist eine Ausnehmung 42 auf, die direkt auf der Kontaktfläche 40 aufliegt. Der
diese Ausnehmung umgebende Ringsteg 43 der Halbkugel umfaßt die Kontaktschicht 40
und den Piezokörper 39 an deren seitlichem Umfang und schützt diese gegen seitliches
Verschieben.
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Auf die Halbkugel 41 ist eine als Hammer ausgebildete Haube 44 gesetzt,
deren Innenquerschnitt trapezförmig ist. Diese Haube 44
liegt auf
der Halbkugel 41 längs eines gestrichelt dargestellten Kreises 45 parallel zur ebenen
Fläche des Piezokörpers 39 auf. Die Haube 44 weist einen sich radial erstreckenden
Kreisrand 46 auf, auf dem ein im Querschnitt L-förmiger Abstandsring 47 gelegt ist,
dessen einer, sich nach unten erstreckende Schenkel 47t zwischen der Innenwand des
Gehäuses und dem Außenrand des Kreisrandes 46 angeordnet ist und die Haube 44 in
dem Gehäuse spielfrei hält. Der Abstandsring 47 ist an seinen Anlageflächen am Gehäuse
und am Kreis rad verklebt.
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In die obere Gewindebohrung 34 des Gehäuses ist eine Druckschraube
48 eingeschraubt, die einen kreisringförmigen Stempel 48' aufweist, der auf der
oberen Kreisringfläche des Abstandsringes 47 aufliegt. Auch diese Berührungsfläche
wird verklebt.
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Die Druckschraube 48 wird soweit in die Gewindebohrung 34 des Gehäuses
eingeschraubt, bis der Piezokörper mit der gewUnschten Vorspannung versehen ist.
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Auf der in der Figur rechten Seite des Gehäuses ist der Abstandsring
47 aus Isoliermaterial durchbrochen; durch diese Öffnung ragt eine Kontaktschraube
49, die in einer elektrisch isolierenden und mit dem Gehäuse verklebten Hülle 50
nach außen geführt ist. Die Kontaktschraube 49 ist elektrisch mit der Haube 44 verbunden.
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Bei dieser Konstruktion ist der eine elektrische Kontakt das Gehäuse
32 selbst, während der andere Kontakt durch die Kontaktschraube 49 gebildet wird.
Die mit der Kontaktschraube 49 verbundenen elektrisch leitenden Teile, das ist die
Haube 44 die Halbkugel 41 und die Kontaktschicht 40 sind gegen das Gehäuse 32 durch
den Abstandsring 47 aus Isolieraatortal elektrisch isoliert.
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Auch bei diesem Aufnehmer ist eine Einleitung der mechanischen Größe
in den Piezokörper 39 lediglich in Richtung der Mittelachse 33 möglich; eine Ausbildung
von Spannungen am Umfang der Halbkugel 41 wird durch die linienförmige Berührung
zwischen Haube 44 und Halbkugel 41 längs des Kreises 45 vermieden. Eine Einleitung
von in Rotationsrichtung wirkenden Größen auf den Piezokörper ist durch die Verklebung
des Abstandsringes 47 mit dem Gehäuse und des Abstandsringes mit der Haube 44 vermieden;
die Druckschraube 48 wird entweder durch Klebung oder durch eine Arretierschraube
51 in der Endstellung arretiert Bei den zwei beschriebenen piezoelektrischen Aufnehmern
waren die den Piezokörper beaufschlagenden Teile im Gehäuse jeweils fixiert, so
daß mit dem Piezokörper jeweils die Beschleunigung bzw. Verzögerung des gesamten
Gehäuses gemessen wird. Bei dem in Fig. 3 dargestellten piezoelektrischen Aufnehmer
wird eine andere Art zur Erzielung der Vkeßwerte gewählt- Der Aufnehmer 61 weist
hierbei ein topfförmiges Gehäuse 62 aus Metall mit einer Mittelachse 63 auf0 Auf
der Bodenfläche 64 des Gehäuses ist symmetrisch um die Mittelachse 63 wiederum das
kreisförmige Piezoplättchen 65 angeordnet, so daß der Boden des Gehäuses als elektrischer
Kontakt für den Piezokörper dient. Der Piezokörper 65 ist durch eine mit dem Boden
64 des Gehäuses 62 verklebte Lochscheibe 66 aus Isoliermaterial gegen seitliches
Verschieben gesichert. Auf die obere ebene Fläche des Piezokörpers 65 ist eine Halbkugel
67 aus elektrisch leitendem Material gelegt, auf die ein Hammer 68 ebenfalls aus
elektrisch leitfähigem Material drückt. Hierzu weist der Hammer an seiner Unterseite
eine trapezförmige Ausnehmung 69 auf 1 die die Halbkugel 67 längs eines gestrichelt
dargestellten Kreises 70 berührt. Der Hammer 68 besteht aus einem Zylinderblock,
der in dem Gehäuse 62 ohne radiales Spiel längsverschieblich ist. Auf den Zylinderblock
des Hammers 68 ist zinke
Hülse 71 aus elektrisch isolierendem Material
geschoben, die gleichzeitig die Führung des Hammers 68 in Richtung der Hittelachse
63 übernimmt. Das Material für die Hülse 71 soll demnach entsprechende Gleiteigenschaften
aufweisen; als Material wird etwa Teflon gewählt.
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Auf die Oberseite des Hammers 68 ist eine Lochscheibe 72 ebenfalls
aus Isoliermaterial gelegt. In dem Bereich oberhalb dieser Lochscheibe 72 weist
das Gehäuse 62 eine Gewindebohrung 73 auf, in die ein Deckel 74 eingeschraubt und
gegen Verdrehen gesichert ist. Der Deckel 74 weist an seiner dem Hammer 68 zugewandten
Seite einen kreisförmigen Vorsprung 75 auf, der in entsprechende zentrische Ausnehmungen
eines Tellerfederpaketes 76 eingreift, das sich zwischen dem Deckel 74 und der Lochscheibe
be 72 abstützt. Die Tellerfedern 76 und die Lochscheibe 72 sind durch einen gemeinsamen1
in das Gehäuse 62 hereinragenden und arretierten Bolzen 77 gegen Verdrehen gesichert.
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Der Deckel 74 wird so weit in die Gewindebohrung 73 des Gehäuses 62
eingeschraubt, bis die über die Tellerfedern 76, den Hammer 68 sowie die Halbkugel
67 auf den Piezokörper 65 ausgeübte Vorspannung den gewünschten Wert einnimmt.
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In die obere Seite des Hammers 68 ist ein Kontaktstift 78 eingeschraubt,
der durch eine zentrische Bohrung 79 im Deckel 74 aus dem Gehäuse 62 geführt ist.
Die Bohrung 79 geht in eine zentrische Ausnehmung 80 im Deckel 74 mit zwei Absätzen
80' und 802 über. Auf dem ersten, unteren Absatz 801 der zentrischen Ausnehmung
80 ist ein 0-Ring 81 eingelegt- der den Kontaktstift 78 umgibt und an der Innenwand
der Ausnehmung 80 anliegt. In die Ausnehmung 80 ist eine pilzförmige Führungshülse
82 aus Isoliermaterial eingesetzt, die sich auf dem oberen
Absatz
809 der Ausnehmung 80 abstützt und den Kontaktstift 78 umgibt, so daß dieser längs
der Mittelachse 63 geführt ist.
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Das Ausgangssignal des Piezokörpers 65 wird daher einmal am Gehäuse
62 und zum anderen am Kontaktstift 78 abgenommen.
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Bei diesem piezoelektrischen Aufnehmer kann entsprechend einer positiven
oder negativen Beschleunigung der Hammer 68 sich längs der Mittelachse 63 verschiebens
wodurch der Druck auf den Piezokörper 65 entsprechend geändert wirdO Diese Ausführungs
form ist besonders einfach konstruiert und günstig für Sicherheitseinrichtungen
in Automobilen verwendbar.
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Wie bereits zur ersten Ausführungsform eines piesoelektriSchen Aufnehmers
beschrieben, sind bei den zuletzt beschriebenen Auf nehmern ebenfalls die Materialien
des Gehäuses, des Hammers und der Halbkugel so ausgewählt1 daß die thermische ausdehnung
des Piezokörpers kompensiert wird. Die Auswahl der Materialien geschieht wie oben
beschrieben.