CN114441803A - 加速度传感器 - Google Patents

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T·弗罗门威勒
D·韦伯
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Abstract

本发明涉及一种加速度传感器(1)，具有基体(12)、至少一个压电元件(10，10′，10″)、至少一个试验块(11，11′，11″)和转换器单元(1.3)；基体(12)具有切向侧面和法向侧面，切向侧面相对于竖轴(z)切向地布置，法向侧面相对于竖轴法向地布置；其中刚好一个压电元件紧固在至少一个切向侧面上；在该压电元件上紧固刚好一个试验块；试验块在加速时在该试验块紧固于其上的压电元件上施加与加速度成比例的剪切力；压电元件在剪切力的作用下产生压电电荷，压电电荷能够向转换器单元导出；转换器单元仅仅并且直接布置在基体的法向侧面上；或者转换器单元仅仅布置在支架上，该支架紧固在基体的法向侧面上。

Description

加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分所述的加速度传感器。
背景技术
在许多非常不同的应用中，例如机器人、发电、运输等，需要检测物理对象的加速度。在此是检测作用在物理对象上的冲击和物理对象的振动作为加速度。加速度是以重力加速度g＝9.81msec-2的倍数给出。在2Hz至10kHz的测量范围内，所检测到的加速度的典型数量级是+/-500g。为了检测加速度，加速度传感器被紧固在物理对象上。
专利文献CH399021A1示出了一种这样的加速度传感器，其具有试验块、压电系统和基体。为了防止有害的环境影响，加速度传感器具有壳体，试验块、压电系统和基体布置在该壳体中。加速度传感器通过壳体紧固在物理对象上。在加速时，试验块在压电系统上施加与其加速度成比例的力。压电系统具有多个由压电材料制成的、对压电纵向效应具有较高灵敏度的扁平的盘。在力的作用下，压电材料产生压电电荷，所产生的压电电荷的数量与力的大小成比例。在压电纵向效应下，在盘的相同端面上产生压电电荷，作为法向力的力也作用在该端面上。每个盘具有两个端面，在其上产生具有相反极性的压电电荷。压电系统还具有由导电材料制成的薄的电极，以便从所述两个端面截取压电电荷。每个电极具有一个端面大小的表面。电极通过该表面直接且全部地贴靠在端面上。此外，压电系统通过预紧套筒在试验块与基体之间被机械地预紧。通过这样的机械预紧，关闭了端面与电极之间的微小的孔，从而能够截取所有产生的压电电荷，这对于加速度传感器的线性度很重要，线性度是压电电荷的数量与力的大小之比。压电电荷可以作为加速度信号被电导出。电导出的加速度信号可以在转换器单元中进行电转换。
专利文献DE69405962T2也描述了一种加速度传感器，其具有试验块和在印刷电路板上的压电系统。该加速度传感器根据横向剪切效应检测加速度作为沿着轴线的剪切力。压电系统布置在试验块与印刷电路板之间。转换器单元位于印刷电路板上。
专利文献CH399021A1的压电系统仅对于沿着轴线的法向力是敏感的。专利文献DE69405962T2的压电系统则是仅对于沿着轴线的剪切力是敏感的。然而，所期望的是能够同时检测沿着直角坐标系的多个轴线的加速度的加速度传感器。
专利文献RU1792537C1公开了一种可以检测三个物理维度中的加速度的加速度传感器。在具有六个表面的立方体形状的基体上组装有具有六个由压电材料制成的扁平盘和六个试验块的压电系统。每两个表面相对于三个相互垂直的轴线之一法向地取向，该轴线在下文中被称为法向轴线。在六个表面中的每一个表面上，布置一扁平盘在表面与试验块之间。这些盘通过外部的预紧壳体被机械地预紧在基体上。因此，压电系统针对三个法向轴线中的每一个均具有一对盘。这些盘对于横向剪切效应具有高灵敏度。在横向剪切效应的情况下，在剪切力切向作用于法向轴线的盘的相同端面上产生压点电荷，该轴线在下文中被称为主切向轴线。压电系统还具有由导电材料制成的电极，用于从盘的端面截取压电电荷。
根据文献RU1792537C1，压电系统对于三个法向轴线中的每一个均具有一对由压电材料制成的盘，其对于沿着主切向轴线的剪切力具有较高的灵敏度。
不幸的是，无法避免压电材料对于沿着不同轴线的剪切力具有或多或少的灵敏度。因此，对于沿主切向轴线的剪切力具有高灵敏度的压电材料对于沿着垂直于主切向轴线且垂直于法向轴线的剪切力却具有低灵敏度，该轴线在下文中被称为副切向轴线。沿着主切向轴线的剪切力和沿着副切向轴线的剪切力这两个剪切力在盘的端面上产生压电电荷。例如，石英作为压电材料对于沿着主切向轴线的剪切力具有高灵敏度，比对于沿着副切向轴线的剪切力的低灵敏度高7倍。
因此，压电材料对于沿着副切向轴线的剪切力的低灵敏度可能会使对沿着主切向轴线的剪切力的检测失真，相应的压电电荷在下文中被称为压电干扰电荷。为了避免这种失真，根据文献RU1792537C1，针对三个法向轴线中的每一个法向轴线均串联连接一对具有相反极性的盘。这样做的优点在于：沿着副切向轴线作用的剪切力在两个盘的端面上分别产生相同数量的压电干扰电荷，但是这些压电干扰电荷会具有相反的极性并通过串联分接被中和。
专利文献EP054680A1也描述了一种加速度传感器，其利用压电系统，根据横向剪切效应，以高灵敏度检测加速度作为沿着三个相互垂直的主切向轴线的剪切力。在根据图8的实施方式中，压电系统由六个利用压电材料制成的盘构成，针对三个主切向轴线的每一个均串联连接一对具有相反极性的盘。加速度传感器只需要三个试验块，三个主切向轴线每个一个。通过这样的串联分接，对于三个主切向轴线的每一个，源自沿着副切向轴线的剪切力的压电干扰电荷均被中和。
专利文献US5539270A1还涉及一种用于在三个物理维度中检测加速度的加速度传感器。每个维度配置一个压电系统，每个压电系统具有两个由压电材料制成的板。这两个板通过彼此相向的端面相互材料配合地连接。材料配合地连接是电绝缘的。在板的彼此相背的端面上组装有电极，这些电极截取在法向力作用下产生的压电电荷。三个压电系统被机械地紧固在支架上。支架具有电导体，该电导体将压电电荷从电极导出。没有设置试验块。
通常，只有很小的空间用于将加速度传感器紧固到物理对象上。因此，加速度传感器应该具有小的外部尺寸，小于50cm3。所期望的测量频率是超过10kHz。并且由于加速度传感器的谐振频率与其重量成反比，因此加速度传感器应该重量轻。
专利文献CN201152880Y展示了一种加速度传感器，其具有压电系统、试验块和基体。基体是柱状的并沿着竖轴终止于法向端面。压电系统在基体与试验块之间通过预紧套筒沿着垂直于竖轴的法向轴线被机械预紧。预紧套筒是中空柱状的并以侧面终止于基体的法向端面的平面中。试验块是盘形的并且以侧面同样终止于基体的法向端面的平面中。在电荷放大器的实施方式中的转换器单元被设置在该平面中，在预紧套筒和试验块的侧面上以及在基体的法向端面上，这样做节省空间。
这种将转换器单元布置在预紧套筒和试验块的侧面上以及在基体的法向端面上的缺点在于，在试验块与基体之间会有力分流(Kraftnebenschluss)形成。试验块因此不能再在加速度的作用下自由振动，从而抑制了由于试验块的惯性而施加在压电系统上的力，由此使得力不再与加速度是成比例的，并且由压电材料产生的压电电荷同样也不再与待检测的加速度成比例。因此，该力分流使加速度的检测失真。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种可以同时在多个物理维度中检测加速度的加速度传感器。本发明的第二目的是提供一种尽可能无失真地检测加速度的加速度传感器。本发明的第三目的是加速度传感器应具有小的外部尺寸以及轻的重量。本发明的第四目的在于提供一种用于大于10kHz的高测量频率的加速度传感器。本发明的第五目的是加速度传感器应该能够低成本地制造。
上述目的中的至少一个通过独立权利要求的特征来实现。
本发明涉及一种加速度传感器，其具有基体、至少一个压电元件、至少一个试验块和转换器单元；所述基体具有切向侧面和法向侧面，所述切向侧面相对于一竖轴切向地布置，并且所述法向侧面相对于该竖轴法向地布置；其中在至少一个切向侧面上紧固刚好一个压电元件；其中在该压电元件上紧固刚好一个试验块；其中所述试验块在加速时在该试验块被紧固于其上的压电元件上施加与加速度成比例的剪切力；其中所述压电元件在所述剪切力的作用下产生压电电荷，所述压电电荷能够被传导到所述转换器单元；其中转换器单元仅仅并且是直接布置在基体的法向侧面上；或者其中，转换器单元仅仅布置在支架上，该支架被紧固在所述基体的法向侧面上。
将转换器单元直接布置在基体上或者将转换器单元通过支架间接地布置在基体上具有以下优点：在将中间产品紧固在用于防止受到有害环境影响的壳体中之前，基体可以与压电元件、试验块和转换器单元一起被预制为中间产品，这降低了组装成本。并且转换器单元被仅仅并且直接布置在基体上，或者转换器单元被仅仅布置在支架上。与专利文献CN201152880Y不同，将转换器单元仅仅布置在基体或支架上的优点在于：在试验块与基体之间不存在力分流，该力分流会使加速度的检测失真。最后，基体或支架上的转换器单元是有利于接触工具接近的，这使得压电元件与转换器单元的接触以及转换器单元与信号输出端的接触能够简单且快速地进行。
本发明的其它有利的实施方式是从属权利要求的特征的对象。
附图说明
下面参照附图以示例性的实施方式对本发明进行详细说明。其中：
图1为具有传感器单元的加速度传感器的第一种实施方式的一部分的视图；
图2为具有传感器单元的加速度传感器的第二种实施方式的一部分的视图；
图3为具有根据图1的加速度传感器的转换器单元的传感器单元的视图；
图4为具有根据图2的加速度传感器的转换器单元的传感器单元的视图；
图5为根据图1至图4的传感器单元的一部分的分解图；
图6为根据图1至图5的传感器单元在加速度作用下的俯视图；
图7为根据图1至图5的传感器单元的压电元件的第一种实施方式的第一视图；
图8为根据图7的压电元件的实施方式的第二视图；
图9为根据图1至图5的传感器单元的压电元件的第二种实施方式的第一视图；
图10为根据图9的压电元件的第二种实施方式的第二视图；
图11为导出根据图1至图5的传感器单元的压电电荷的示意图；
图12为根据图11的传感器单元的转换器单元的高通滤波器的示意图；
图13为根据图11的传感器单元的转换器单元的低通滤波器的示意图；
图14为组装根据图2的加速度传感器的第一步骤的视图，其中信号导体被引导到壳体中；
图15为组装根据图2的加速度传感器的第二步骤的视图，其中以灌封材料灌封壳体中的信号导体；
图16为组装根据图2的加速度传感器的第三步骤的视图，其中以灌封材料灌封的信号导体在壳体中被区域性地暴露；
图17为组装根据图2的加速度传感器的第四步骤的视图，其中传感器单元被放置到壳体中；以及
图18为组装根据图2的加速度传感器的第五步骤的视图，其中转换器单元电接触传感器单元。
其中，附图标记列表如下：
1 加速度传感器
1.1 传感器单元
1.2 壳体
1.20 壳体开口
1.21 壳体盖
1.22 信号输出开口
1.23 壳体底部
1.24 组装间隙
1.3 转换器单元
1.4 信号输出端
10，10′，10″ 压电元件
11，11′，11″ 试验块
12 基体
12.1，12.2，12.3，12.4 切向侧面
12.6，12.7 法向侧面
13.01，13.01′，13.01″ 第一压电元件触点
13.02，13.02′，13.02″ 第二压电元件触点
13.03，13.03′，13.03″ 第一基体输入触点
13.04，13.04′，13.04″ 第二基体输入触点
13.08，13.08′，13.08″ 第一基体输出触点
13.09 第二基体输出触点
13.1，13.1′，13.1″ 第一压电元件导体
13.2，13.2′，13.2″ 第二压电元件导体
13.3，13.3′，13.3′ 第一基体导体
13.4，13.4′，13.4″ 第二基体导体
13.5，13.5′，13.5″ 第一电阻
13.6，13.6′，13.6″ 第二电阻
13.7 支架
13.8，13.8′，13.8″ 第一基体输出导体
13.9 第二基体输出导体
13.10，13.10′，13.10″ 跨阻抗转换器
14.1，14.1′，14.1″ 第一信号导体
14.2 第二信号导体
14.3 保护罩
14.4 护罩凸缘
14.5 电绝缘部
14.6 灌封材料
14.7 暴露部分
15，15′，15″ 内部连接装置
16，16′，16″ 外部连接装置
17，17′，17″ 低通滤波器
18，18′，18″ 高通滤波器
101 第一导电涂层
102 第二导电涂层
110，120 端面
111，111′ 第一导电端面涂层
112，112′，112″ 第一无涂层端面区域
121-121″′ 第二导电端面涂层
122，122′，122″ 第二无涂层端面区域
130，140，150，160 侧面
131，131′ 第一导电侧面涂层
132，132′-132″″ 第一无涂层侧面区域
133，133′ 另外的第一导电侧面涂层
141 第二导电侧面涂层
142，142′，142″ 第二无涂层侧面区域
151，151′ 第三导电侧面涂层
161 第四导电侧面涂层
a 法向轴线
F 力
h 主切向轴线
n 副切向轴线
S1，S2 加速度信号
x 横轴
y 纵轴
z 竖轴
具体实施方式
图1和图2示出了根据本发明的加速度传感器1的两种实施方式的一部分。加速度传感器1具有传感器单元1.1、壳体1.2、转换器单元1.3和信号输出端1.4。加速度传感器1布置在具有三个轴x、y、z的直角坐标系中，这些轴也还称为横轴x、纵轴y和竖轴z。
壳体1.2保护加速度传感器1免受例如污染物(灰尘、湿气等)的有害环境影响以及电磁辐射形式的电磁干扰。壳体1.2由机械耐性材料制成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等。壳体1.2具有矩形的横截面，该横截面沿着横轴x的宽度优选小于5cm，沿着纵轴y的长度优选小于5cm，沿着竖轴z的高度优选小于2cm，因此该壳体具有小于50cm3的外部尺寸。壳体1.2是罐状的，具有壳体开口1.20和壳体底部1.23。壳体开口1.20的尺寸被确定为，使得传感器单元1.1能够通过壳体开口1.20放置在壳体1.2中，能够通过壳体底部1.23固定，并且能够与信号输出端1.4接触。在本发明中，术语“接触”是指电连接和机械连接。壳体开口1.20能够通过壳体盖1.21被封闭。优选地，该封闭通过例如焊接、钎焊、粘接等这样的材料配合进行。加速度传感器1通过壳体1.2被紧固在应检测其加速度的物理对象上。紧固的类型和方式是任意的。
传感器单元1.1具有第一、第二和第三压电元件10、10′、10″，第一、第二和第三试验块11、11′、11″和基体12。第一、第二和第三压电元件10、10′、10″和第一、第二和第三试验块11、11′、11″被紧固在基体12上。基体12又紧固在壳体1.2上。优选通过材料配合(例如粘接、钎焊等)将基体12紧固在壳体1.2上。
第一、第二和第三压电元件10、10′、10″由压电材料制成，例如石英(SiO2单晶)、镓锗酸钙(Ca3Ga2Ge4O14或CGG)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14或LGS)、电气石、磷酸镓、压电陶瓷等。第一、第二和第三压电元件10、10′、10″对于所接收的力具有高灵敏度。第一、第二和第三压电元件10、10′、10″的横截面是矩形的，其面积优选小于1cm2并且其厚度优选小于2mm。在了解本发明的情况下，本领域技术人员可以实现不同形成的、具有其它横截面形状(例如圆形等)的压电元件。
优选第一、第二和第三试验块11、11′、11″由高密度材料制成，例如铱、铂、钨、金等。由于加速度传感器1的小外部尺寸，第一、第二和第三试验块11、11′、11″具有优选大于19g/cm3的高密度。第一、第二和第三试验块11、11′、11″的横截面是矩形的，其面积优选小于1cm2并且其厚度优选小于5mm。在了解本发明的情况下，本领域技术人员可以实现不同形成的、具有其它横截面形状(例如圆形等)的试验块。本领域技术人员还可以使用由低密度材料(例如钢、陶瓷等)制成的试验块。
基体12由低密度的机械刚性材料制成，例如Al2O3、陶瓷、Al2O3陶瓷、蓝宝石等。基体12是机械刚性的，以便将待检测的加速度无弹性地从壳体1.1传递到第一、第二和第三试验块11、11′、11″上。对于加速度传感器1的高机械刚度，基体12具有优选为350GPa到470GPa的高弹性模量。由于加速度传感器1的重量轻，因此基体12具有优选小于4g/cm3的低密度。基体12优选为具有六个侧面12.1、12.2、12.3、12.4、12.6、12.7的正方体。四个切向侧面12.1、12.2、12.3、12.4相对于竖轴z切向地布置。两个法向侧面12.6、12.7相对于竖轴z法向地布置。侧面12.1、12.2、12.3、12.4、12.6、12.7在很大程度上大小相同。每个侧面12.1、12.2、12.3、12.4、12.6、12.7具有小于1cm2的面积。在本发明的意义上，形容词“在很大程度上”具有“+/-10％”的含义。每个轴x、y、z均法向于两个侧面。在了解本发明的情况下，本领域技术人员可以实现不同形成的、具有其它表面形状(例如圆形等)的基体。
第一试验块11和第一压电元件10紧固在基体12的第一切向侧面12.1上。第二试验块11′和第二压电元件10′紧固在基体12的第二切向侧面12.2上。第三试验块11″和第三压电元件10″紧固在基体12的第三切向侧面12.3上。在此，在切向侧面12.1、12.2、12.3与试验块11、11′、11″之间分别布置有一压电元件10、10′、10″。第四切向侧面12.4是空闲的。
第一、第二和第三试验块11、11′、11″和第一、第二和第三压电元件10、10′、10″在基体12上的紧固是通过第一、第二和第三内部连接装置15、15′、15″和第一、第二和第三外部连接装置16、16′、16″来实现。该紧固通过诸如粘接、热压键合等的材料配合实现。第一、第二和第三试验块11、11′、11″和第一、第二和第三压电元件10、10′、10″通过第一、第二和第三内部连接装置15、15′、15″和第一、第二和第三外部连接装置16、16′、16″的这种机械紧固使得加速度传感器1易于组装并且能够迅速和低成本地进行执行。
第一、第二和第三内部连接装置15、15′、15″和第一、第二和第三外部连接装置16、16′、16″是化学硬化粘合剂或者可物理固化的粘合剂，或者是化学硬化粘合剂和可物理固化粘合剂的组合。优选地，第一、第二和第三内部连接装置15、15′、15″和第一、第二和第三外部连接装置16、16′、16″由粘合剂制成，例如环氧树脂、聚氨酯(Polyurethan)、氰基丙烯酸酯(Cyanacrylat)、甲基丙烯酸甲酯(Methylmethacrylat)等。第一、第二和第三内部连接装置15、15′、15″和第一、第二和第三外部连接装置16、16′、16″是具有大于1012Ωmm2/m的特定电阻的电绝缘体。
如图5所示，第一压电元件10通过第一内部连接装置15紧固在第一切向侧面12.1上。第一试验块11通过第一外部连接装置16紧固在第一压电元件10上。第二压电元件10′通过第二内部连接装置15′紧固在第二切向侧面12.2上。第二试验块11′通过第二外部连接装置16′紧固在第二压电元件10′上。第三压电元件10″通过第三内部连接装置15″紧固在第三切向侧面12.3上。第三试验块11″通过第三外部连接装置16″紧固在第三压电元件10″上。
优选地，第一、第二和第三压电元件10、10′、10″通过第一、第二和第三内部连接装置15、15′、15″和第一、第二和第三外部连接装置16、16′、16″抗剪切力地与第一、第二和第三试验块11、11′、11″和基体12紧固在一起。
每个第一、第二和第三内部连接装置15、15′、15″和每个第一、第二和第三外部连接装置16、16′、16″的横截面均是矩形的，其具有优选小于1cm2的面积和优选小于0.1mm的厚度。在了解本发明的情况下，本领域技术人员可以实现不同形成的、具有其它横截面形状(例如圆形等)的内部连接装置和外部连接装置。
第一、第二和第三压电元件10、10′、10″对于沿着主切向轴线h的横向剪切效应具有高灵敏度，对于沿着副切向轴线n的横向剪切效应具有低灵敏度，并且对于沿着法向轴线a的压电横向效应具有低灵敏度。对于三个压电元件10、10′、10″中的每一个压电元件，主切向轴线h是三个轴x、y、z中不同的一个。对于三个压电元件10、10′、10″中的每一个压电元件，副切向轴线n是三个轴x、y、z中不同的一个。对于三个压电元件10、10′、10″中的每一个压电元件，法向轴线a是三个轴x、y、z中不同的一个。
在沿着主切向轴线h或副切向轴线n的横向剪切效应的情况下，在第一、第二和第三压电元件10、10′、10″的相同端面上产生压电电荷，剪切力沿着主切向轴线h或副切向轴线n作用在这些端面上。
在压电横向效应的情况下，在第一、第二和第三压电元件10、10′、10″的侧面上产生压电电荷，该侧面垂直于第一、第二和第三压电元件10、10′、10″的有法向力沿着法向轴线a作用于其上的端面。
在力大小已给定的情况下，灵敏度越高，产生的压电电荷就越多。在本发明的意义上，术语“高灵敏度”和“低灵敏度”是彼此相关的。三个压电元件10、10′、10″中的每一个压电元件以针对沿着主切向轴线h的剪切力的高灵敏度在每单位力下产生的压电电荷要比以针对沿着副切向轴线n的剪切力或沿着法向轴线a的法向力的低灵敏度所产生的压点电荷至少多5倍。
因此，压电材料被选择为，主要考虑来自沿着主切向轴线h的横向剪切效应的压电电荷以检测加速度。在下文中，将根据沿着副切向平面的横向剪切效应和根据沿着法向轴线a的压电横向效应的压电电荷称为压电干扰电荷。
图6是在加速度作用下的传感器单元1.1的俯视图。根据加速度，通过第一、第二和第三试验块11、11′、11″在第一、第二和第三压电元件10、10′、10″的端面上施加一力F。该力F例如沿着纵轴y平行地作用，如箭头所示。
第一压电元件10对于沿着作为主切向轴线h的纵轴y的剪切力具有高灵敏度。由于力F是沿着纵轴y作用，因此针对该力，第一压电元件10是根据横向剪切效应在端面上产生压电电荷。第一压电元件10对于沿着作为副切向轴线n的竖轴z的剪切力具有低灵敏度，并且对于沿着作为法向轴线a的横轴x的法向力具有低灵敏度。力F沿着纵轴y作用，并沿着竖轴z施加转矩。第一压电元件10针对该转矩根据横向剪切效应在端面上产生压电干扰电荷。
第二压电元件10′对于沿着作为主切向轴线h的横轴x的剪切力具有高灵敏度。然而，由于力F是沿着纵轴y作用，因此第二压电元件10′不会为其在端面上产生压电电荷。第二压电元件10′对于沿着作为副切向轴线n的竖轴z的剪切力具有低灵敏度，并且对于沿着作为法向轴线a的纵轴y的法向力具有低灵敏度。由于力F是沿着纵轴y作用，因此第二压电元件10′针对其根据压电横向效应在侧面上产生压电干扰电荷。
第三压电元件10″对于沿着作为主切向轴线h的竖轴z的剪切力具有高灵敏度。然而，由于力F是作为剪切力沿着纵轴y起作用，因此第三压电元件10″不会针对其在端面上产生压电电荷。第三压电元件10″对于沿着作为副切向轴线n的纵轴y的剪切力具有低灵敏度，并且对于沿着作为法向轴线a的横轴x的法向力具有低灵敏度。力F沿着纵轴线y起作用并沿着竖轴z施加转矩。第三压电元件10″针对该转矩根据横向剪切效在端面上产生压电干扰电荷。
图7和图8详细地示出了传感器单元1.1的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第一种实施方式。图9和图10详细示出了传感器单元1.1的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第二种实施方式。第一、第二或第三压电元件10、10′、10″具有两个端面110、120和四个侧面130、140、150、160。
三个压电元件10、10′、10″中的每一个均具有第一端面110和第二端面120。其中，每个端面110、120均位于由主切向轴线h和副切向轴线n展开的一平面中。在该平面中，副切向轴线n垂直于主切向轴线h。并且法向轴线a处于该平面的法向上。在沿着主切向轴线h的剪切力的作用下，三个压电元件10、10′、10″中的每一个均在所述两个端面110、120上产生压电电荷。并且在沿着副切向轴线的剪切力的作用下，三个压电元件10、10′、10″中的每一个均在两个端面110、120上产生压电干扰电荷。三个压电元件10、10′、10″中的每一个均具有侧面130、140、150、160。这些侧面130、140、150、160平行于法向轴线a。这些侧面130、140、150、160包括第一侧面130、第二侧面140、第三侧面150和第四侧面160。第一侧面130和第四侧面160法向于压电元件10、10′、10″的副切向轴线n。第二侧面140和第三侧面150法向于压电元件10、10′、10″的主切向轴线h。
因此，用于待检测的剪切力的压电电荷仅在压电元件的两个端面110、120上产生。而压电干扰电荷既在两个端面110、120上产生，也在四个侧面130、140、150、160上产生。
端面110、120局部地具有至少一个导电端面涂层111、121。导电端面涂层111、121的区域的大小可以在端面110、120的90％到100％之间。侧面130、140、150、160局部地具有至少一个导电侧面涂层131、141、151、161。导电侧面涂层131、141、151、161的区域的大小可以在侧面130、140、150、160的0％到100％之间。导电端面涂层111、121和导电侧面涂层131、141、151、161可以通过利用金属箔的热覆膜或者通过金属沉积来形成。金属可以使用铜、铜合金、金、金合金、铝、铝合金、银、银合金等。导电端面涂层111、121和导电侧面涂层131、141、151、161的厚度优选小于0.1mm。
因此，加速度传感器1不再具有物理性电极(
Figure BDA0003333515670000131
Elektroden)，而是仅具有导电端面涂层111、121和导电侧面涂层131、141、151、161。由此使得存在的部件更少，这节省了空间并简化了加速度传感器1的组装。
由于导电端面涂层111、121和导电侧面涂层131、141、151、161，使得对第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的机械预紧不是必需的。这是因为导电端面涂层111、121和导电侧面涂层131、141、151、161是材料配合地位于端面110、120和侧面130、140、150、160上，并且封闭了端面110、120和侧面130、140、150、160中的微小的孔。通过封闭这些微小孔，加速度传感器1不再需要任何独立的预紧装置，例如专利文献CH399021A1所述的预紧套筒或专利文献RU1792537C1所述的预紧壳体。因此存在更少的部件，从而节省了空间和重量并简化了加速度传感器1的组装。
根据图7和图8所示的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第一种实施方式，第一端面110局部地具有两个第一导电端面涂层111、111′，并局部地具有两个第一无涂层端面区域112、112′。并且第二端面120局部地具有多于两个的导电端面涂层121、121′、121″。第一侧面130局部地具有第一导电侧面涂层131，局部地具有另外的第一导电侧面涂层133，并且局部地具有多个无涂层的第一侧面区域132、132′、132″、132″′、132″″。第二侧面140局部地具有第二导电侧面涂层141，并且局部地具有第二无涂层侧面区域142。第三侧面150局部地具有第三导电侧面涂层151，并且局部地具有两个无涂层的第三侧面区域152、152′。第四侧面160局部地具有第四导电侧面涂层161。
根据图7和图8所示的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第一种实施方式，所述两个第一导电端面涂层111、111′，另外的第一导电侧面涂层133和第三导电侧面涂层151形成第一连续导电涂层101。多个第二导电端面涂层121、121′、121″，第一导电侧面涂层131、第二导电侧面涂层141和第四导电侧面涂层161形成第二连续导电涂层102。
在本发明的意义上，特征词“连续”具有“以导电方式相互连接”的意义。第一连续导电涂层101截取在第一连续导电涂层101下方的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的表面上产生的第一压电电荷作为第一加速度信号S1。第二连续导电涂层102截取在第二连续导电涂层102下方的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的表面上产生的第二压电电荷作为第二加速度信号S2。第一压电电荷和第二压电电荷具有不同的符号。或者第一压电电荷具有负号而第二压电电荷具有正号，或者第一压电电荷具有正号而第二压电电荷具有负号。
优选地，第一导电端面涂层111和第一导电侧面涂层131形成第一连续导电涂层101。优选地，第二导电端面涂层121和另外的第一导电侧面涂层133形成第二连续导电涂层102。优选地，至少一个第二、第三或第四导电侧面涂层141、151、161是第一连续导电涂层101的一部分或第二连续导电涂层102的一部分。
根据图7和图8所示的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第一种实施方式，第一连续导电涂层101和第二连续导电涂层102通过两个第一无涂层端面区域112、112′，多个第一无涂层侧面区域132、132′、132″、132″′、132″″，第二无涂层侧面区域142和两个第三无涂层侧面区域152、152′彼此电绝缘。
根据图9和图10所示的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第二种实施方式，第一端面110局部地具有第一导电端面涂层111，并且局部地具有多个第一无涂层端面区域112、112′、112″。第二端面120局部地具有多个第二导电端面涂层121、121′、121″，并且局部地具有第二无涂层端面区域122。第一侧面130局部地具有第一导电侧面涂层131，局部地具有两个另外的第一导电侧面涂层133、133′，并且局部地具有多个第一无涂层侧面区域132、132′、132″。第二侧面140局部地具有第二导电侧面涂层141，并且局部地具有多个第二无涂层侧面区域142、142′、142″。第三侧面150局部地具有第三导电侧面涂层151，并且局部地具有第三无涂层侧面区域152、152′。第四侧面160局部地具有第四导电侧面涂层161。
根据图9和图10所示的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第二种实施方式，所述多个第一导电端面涂层112、112′、112″和所述两个第一导电侧面涂层131、131′形成第一连续导电涂层101。所述多个第二导电端面涂层121、121′、121″，所述两个另外的第一导电侧面涂层133、133′，第二导电侧面涂层141，第三导电侧面涂层151和第四导电侧面涂层161形成第二连续导电涂层102。
根据图9和图10所示的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第二种实施方式，第一连续导电涂层101的导电侧面涂层131、131′针对沿着法向轴线a的法向力截取压电干扰电荷，该压电干扰电荷的极性与第一连续导电涂层101的第一导电端面涂层111针对沿着副切向轴线n的剪切力所截取的压电干扰电荷的极性相反。并且第二连续导电涂层102的导电侧面涂层133、141、151、161针对沿着法向轴线a的法向力截取压电干扰电荷，该压电干扰电荷的极性与第二连续导电涂层102的第二导电端面涂层121、121′、121″针对沿着副切向轴线n的剪切力所截取的压电干扰电荷的极性相反。
根据图9和图10所示的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第二种实施方式，第一导电涂层101和第二导电涂层102通过多个第一无涂层端面区域112、112′、112″，第二无涂层端面区域122，多个第一无涂层侧面区域132、132′、132″，多个第二无涂层侧面区域142、142′、142″和第三无涂层侧面区域152彼此电绝缘。
第一导电涂层131的大小与另外的第一导电涂层133的大小之比可以通过第一侧面130的第一无涂层侧面区域132、132′、132″、132″′、132″″的相对位置和/或大小来调节。在本发明的意义上，连词对“和/或”的意义在于：或者仅有连词中的一个发生，或者两个连词都发生。
第一导电涂层131的大小与另外的第一导电涂层133的大小之比可以通过第一侧面130的第一无涂层侧面区域132、132′、132″、132″′、132″″关于第二和第三侧面140、150的相对位置来调整。根据第一侧面130的第一无涂层侧面区域132、132′、132″、132″′、132″″的多个沿第二侧面140方向或多个沿第三侧面150方向的相对位置，可以相应地减小或增大第一导电涂层131的大小与另外的第一导电涂层133的大小之比。根据图7和图8所示的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第一种实施方式，第一无涂层侧面区域132、132′、132″、132″′、132″″相对靠近第二侧面140。根据图9和图10所示的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第二种实施方式，第一无涂层侧面区域132、132′、132″距离第二和第三侧面140、150是相对等距的。
然而，也可以通过增大或减小第一侧面130的第一无涂层侧面区域132、132′、132″、132″′、132″″的大小来调整第一导电涂层131的大小与另外的第一导电涂层133的大小之比。根据图7和图8所示的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第一种实施方式，第一无涂层侧面区域132、132′、132″、132″′、132″″在很大程度上是另外的第一导电涂层133的两倍大，并且第一无涂层侧面区域132、132′、132″、132″′、132″″在很大程度上比第一导电涂层131小五倍。根据图9和图10所示的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第二种实施方式，第一无涂层侧面区域132、132′、132″与第一导电涂层131、131′和另外的第一导电涂层133在很大程度上大小相同。
优选地，第一导电涂层101的导电侧面涂层针对沿着法向轴线a的法向力截取压电干扰电荷，该压电干扰电荷的极性与第一导电涂层101的第一导电端面涂层针对沿着副切向轴线n的剪切力所截取的压电干扰电荷的极性相反。并且第二导电涂层102的导电侧面涂层针对沿着法向轴线的法向力截取压电干扰电荷，该压电干扰电荷的极性与第二导电涂层102的第二导电端面涂层针对沿着副切向轴线n的剪切力所截取的压电干扰电荷的极性相反。
优选地，将第一连续导电涂层101的导电侧面涂层的大小调整为，使得导电侧面涂层针对沿着法向轴线a的法向力所截取的压电干扰电荷与第一连续导电涂层101的第一导电端面涂层针对沿着副切向轴线n的剪切力所截取的压电干扰电荷在很大程度上一样多。并且第二连续导电涂层102的导电侧涂层针对沿着法向轴线a的法向力所截取的压电干扰电荷与第二互连导电涂层102的第二导电端面涂层针对沿着副切向轴线n的剪切力所截取的压电干扰电荷在很大程度上一样多。
与专利文献RU1792537C1不同的是，根据本发明，每个轴仅有一个压电元件10、10′、10″检测剪切力。因此不再有以下的选项：即，将每个轴的两个压电元件串联连接，以使沿着副切向轴线n的剪切力的压电干扰电荷具有相反的极性而中和，这些压电干扰电荷会导致对沿着主切向轴线h的剪切力的检测失真。因此，本发明的加速度传感器1实现了另一种技术方案。因为压电材料对于沿着法向轴线a的法向力也会在侧面130、140、150、160上产生压电干扰电荷。这些压电干扰电荷也会使对沿着主切向轴线h的剪切力的检测失真。因此，这些压电干扰电荷通常也不会被侧面130、140、150、160截取。现在已经认识到，沿着副切向轴线n的剪切力的出现会伴随着沿着法向轴线a的法向力。前者会在端面110、120上产生压电干扰电荷，后者会在侧面130、140、150、160上产生压电干扰电荷。这两种压电干扰电荷会使得对沿着主切向轴线h的剪切力的检测失真。然而，通过合适的第一和第二连续导电涂层101、102，端面110、120和侧面130、140、150、160可以电性串联连接，并且将导致沿着主切向轴线h的剪切力的检测失真的压电干扰电荷中和。
图11是导出传感器单元1.1的压电电荷的示意图。可以看到具有第一侧面130的第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的一部分以及转换器单元1.3的一部分和信号输出端1.4的一部分。
转换器单元1.3可以转换第一加速度信号S1。转换器单元1.3具有至少一个第一和第二压电元件导体13.1、13.1′、13.1″、13.2、13.2′、13.2″，至少一个第一和第二基体导体13.3、13.3′、13.3″、13.4、13.4′、13.4″，至少一个跨阻抗转换器(Transimpedanzwandler)13.10、13.10′、13.10″，以及至少一个第一和第二信号输出端导体13.8、13.8′、13.8″、13.9。转换器单元1.3还具有至少一个第一电阻13.5、13.5′、13.5″和/或至少一个第二电阻13.6、13.6′、13.6″。
在根据图1和图3的加速度传感器1的第一种实施方式中，转换器单元1.3仅仅并且是直接布置在基体12上。优选地，转换器单元1.3仅仅并且是直接布置在基体12的第一法向侧面12.7上。在根据图2和图4的加速度传感器1的第二种实施方式中，转换器单元1.3仅仅布置在支架13.7上。支架13.7由电绝缘材料制成，例如Al2O3、陶瓷、Al2O3陶瓷、纤维增强塑料等。支架13.7被紧固在基体12上。优选地，支架13.7通过诸如粘接、钎焊等这样的材料配合紧固在基体12的第一法向侧面12.7上。
第一和第二压电元件导体13.1、13.1′、13.1″、13.2、13.2′、13.2″，第一和第二基体导体13.3、13.3′、13.3″、13.4、13.4′、13.4″，第一电阻13.5、13.5′、13.5″，第二电阻13.6、13.6′、13.6″以及跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″被紧固在第一法向侧面12.7上(根据图1和图3的加速度传感器1的第一种实施方式)，或者被紧固在支架13.7上(根据图2和图4的加速度传感器1的第二种实施方式)。
第一和第二压电元件导体13.1、13.1′、13.1″、13.2、13.2′、13.2″，第一和第二基体导体13.3、13.3′、13.3″、13.4、13.4′、13.4″以及第一和第二信号输出端导体13.8、13.8′、13.8″、13.9由诸如铜、铜合金、金、金合金、铝、铝合金等的导电材料制成，并且具有0.02mm至0.10mm的直径，并且是机械柔性的。
第一和第二压电元件导体13.1、13.1′、13.1″、13.2、13.2′、13.2″，第一和第二基体导体13.3、13.3′、13.3″、13.4、13.4′、13.4″以及第一和第二信号输出端导体13.8、13.8′、13.8″、13.9以对地绝缘的方式传导第一和第二加速度信号S1、S2。在本发明的意义上，术语“对地绝缘”意味着与加速度传感器1的接地电绝缘。优选地，加速度传感器1的壳体1.2接地，壳体1.2具有与本地接地(lokalen Erdreichs)相同的电势。因此，加速度信号S1、S2是相对于加速度传感器1的电势电绝缘地被传导。由此，加速度的检测不会因为加速度传感器1的电势的波动而失真，例如在壳体1.2与转换器单元1.3之间的波动。
优选地，第一和第二基体导体13.3、13.3′、13.3″、13.4、13.4′、13.4″被结构化(strukturiert)在导电涂层中。导电涂层是通过化学气相沉积、物理气相沉积等实现。导电涂层由导电材料组成，例如铜、铜合金、金合金、铂、铂合金等。导电涂层是导电的薄层。在本发明的意义上，术语“薄层”意味着导电涂层在垂直于平面伸展的方向上具有优选小于0.1mm的厚度。导电涂层直接施加在第一法向侧面12.7上(根据图1和图3的加速度传感器1的第一种实施方式)或支架13.7上(根据图2和图4的加速度传感器1的第二种实施方式)。在本发明的意义上，形容词“直接地”就是“紧靠着(unmittelbar)”的意思。优选地，通过使用模板、光刻和激光烧蚀，实现实现第一和第二基体导体13.3、13.3′、13.3″、13.4、13.4′、13.4″在导电涂层中的结构化。
优选地，转换器单元1.3具有三个第一压电元件导体13.1、13.1′、13.1″和三个第二压电元件导体13.2、13.2′、13.2″。各个第一电压电元件导体13.1、13.1′、13.1″将第一加速度信号S1从第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第一导电涂层101传导到转换器单元1.3。各个第二压电元件导体13.2、13.2′、13.2″将第二加速度信号S2从第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第二导电涂层102传导到转换器单元1.3。
第一和第二压电元件导体13.1、13.1′、13.1″、13.2、13.2′、13.2″接触第一侧面130。由于第一侧面130是可用的并且实现了特定的技术功能，亦即，在其上组装压电元件触点13.01、13.01′、13.01″，以便导出压电电荷，这节省了空间。各个第一压电元件导体13.1、13.1′、13.1″通过第一压电元件触点13.01、13.01′、13.01″与第一导电侧面涂层131接触。各个第二压电元件导体13.2、13.2′、13.2″通过第二压电元件触点13.02、13.02′、13.02″与第二导电侧面涂层133接触。第一和第二压电元件触点13.01、13.01′、13.01″、13.02、13.02′、13.02″被紧固在第一侧面130上。第一和第二压电元件触点13.01、13.01′、13.01″13.02、13.02′、13.02″是例如引线键合(Drahtbonden)、钎焊等的材料配合。对于引线键合，例如热压键合、热超声球楔键合、超声波楔-楔键合等方法是适用的。图11中的圆形的第一和第二压电元件触点13.01、13.01′、13.01″、13.02、13.02′、13.02″是模制的引线。
优选地，转换器单元1.3具有三个第一基体导体13.3、13.3′、13.3″和三个第二基体导体13.4、13.4′、13.4″。各个第一压电元件导体13.1、13.1′、13.1″通过第一基体输入触点13.03、13.03′、13.03″接触第一基体导体13.3、13.3′、13.3″。各个第二压电元件导体13.2、13.2′、13.2″通过第二基体输入触点13.04、13.04′、13.04″接触第二基体导体13.4、13.4′、13.4″。第一和第二基体输入触点13.03、13.03′、13.03″、13.04、13.04′、13.04″紧固在第一法向侧面12.7上(根据图1和图3的加速度传感器1的第一种实施方式)，或者紧固在支架13.7上(根据图2和图4的加速度传感器1的第二种实施方式)。第一和第二基体输入触点13.03、13.03′、13.03″、13.04、13.04′、13.04″是例如引线键合、钎焊等的材料配合。对于引线键合，例如热压键合、热超声球楔键合、超声波楔-楔键合等方法是适用的。图11中的圆形的第一和第二基体输入触点13.03、13.03′、13.03″、13.04、13.04′、13.04″是模制的引线。
第一电阻13.5、13.5′、13.5″，第二电阻13.6、13.6′、13.6″以及跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″通过第一基体导体13.3、13.3′、13.3″相互电连接。带有第一、第二和第三压电元件10、10′、10″的第二加速度信号S2的第二基体导体13.4、13.4′、13.4″被电短路，并且处于转换器单元1.3的参考电势上。该参考电势是稳定的，即随时间保持恒定的直流电压。
优选地，转换器单元1.3具有三个跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″。这三个跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″被相同地构造。在图1和图2所示的实施例中，跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″是电子元件。跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″通过中间媒介
Figure BDA0003333515670000211
材料配合地紧固在第一法向侧面12.7上(根据图1和图3的加速度传感器1的第一种实施方式)，或者紧固在支架13.7上(根据图2和图4的加速度传感器1的第二种实施方式)；和/或跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″通过中间媒介材料配合地紧固在第一和第二基体导体13.3、13.3′、13.3″、13.4、13.4′、13.4″上。中间媒介是化学硬化粘合剂、物理固化粘合剂、焊料等。优选地，中间媒介是粘合剂，例如环氧化物、聚氨酯、氰基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯等。各个第一基体导体13.3、13.3′、13.3″接触跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″。接触的类型和方式是任意的。各个第一基体导体13.3、13.3′、13.3″将第一加速度信号S1传导到跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″的输入端。优选地，跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″的输入端具有大于107Ω的高阻抗。跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″将第一加速度信号S1转换成电压。转换后的第一加速度信号S1被施加在跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″的输出端。优选地，跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″的输出端具有小于102Ω的低阻抗。在了解本发明的情况下，本领域技术人员也可以使用电荷放大器来取代跨阻抗转换器，在电荷放大器的输入端上具有低电阻。
图12示出了转换器单元1.3的高通滤波器18、18′、18″的示意图。优选地，转换器单元1.3具有三个第一电阻13.5、13.5′、13.5″。所述三个第一电阻13.5、13.5′、13.5″被相同地构造。
在图1和图2所示的实施例中，第一电阻13.5、13.5′、13.5″是由诸如Al2O3、陶瓷、Al2O3陶瓷等的电阻材料制成的电阻涂层。电阻涂层通过化学气相沉积、物理气相沉积等实现。电阻涂层是电阻薄层。在本发明意义上，电阻涂层也是“薄层”，其在垂直于平面伸展的方向上具有优选小于0.1mm的厚度。电阻涂层直接施加在第一法向侧面12.7上(根据图1和图3的加速度传感器1的第一种实施方式)，或者在支架13.7上(根据图2和图4的加速度传感器1的第二种实施方式)，和/或电阻涂层被直接施加在第一和第二基体导体13.3、13.3′、13.3″、13.4、13.4′、13.4″上。电阻涂层可以通过使用模板、光刻、激光烧蚀等被结构化。
在根据图2和图4的实施方式中，第一电阻13.5、13.5′、13.5″是具有由陶瓷、金属氧化物等制成的电阻材料和连接线的电气元件。
各个第一基体导体13.3、13.3′、13.3″接触第一电阻13.5、13.5′、13.5″。接触的类型和方式是任意的。各个第一电阻13.5、13.5′、13.5″与所述三个压电元件10、10′、10″之一电性并联连接。该并联连接形成高通滤波器18、18′、18″，因为第一、第二或第三压电元件10、10′、10″是电容。高通滤波器18、18′、18″过滤掉低于截止频率的频率。优选地，截止频率为10Hz。在开始利用加速度传感器1检测加速度时，第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的放电可能会导致低于截止频率的低干扰频率。该低干扰频率施加在跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″的输入端上，并且形成未定义的时间常数。该低干扰频率可能使加速度的检测失真。通过对低干扰频率进行滤波，跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″获得定义的时间常数。截止频率可以通过第一电阻13.5、13.5′、13.5″的值的大小进行调整。
图13示出了转换器单元1.3的低通滤波器17、17′、17″的示意图。优选地，转换器单元1.3具有三个第二电阻13.6、13.6′、13.6″。所述三个第二电阻13.6、13.6′、13.6″被相同地构造。第二电阻13.6、13.6′、13.6″是具有由例如陶瓷、金属氧化物等制成的电阻材料和连接线的电气元件。第一基体导体13.3、13.3′、13.3″接触第二电阻13.6、13.6′、13.6″。接触的类型和方式是任意的。各个第二电阻13.6、13.6′、13.6″与所述三个压电元件10、10′、10″之一电性串联连接。该串联连接形成低通滤波器17、17′、17″，因为第一、第二或第三压电元件10、10′、10″是电容。低通滤波器17、17′、17″过滤掉高于加速度传感器1的固有频率的高干扰频率。该高干扰频率是由加速度传感器1的机械激励引起。该高干扰频率施加在跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″的输入端上，并使跨阻抗转换器13.10，13.10，13.10饱和，从而导致加速度的检测失真。根据第二电阻13.6、13.6′、13.6″的值的大小，将低通滤波器17、17′、17″调节到加速度传感器1的固有频率。
优选地，转换器单元1.3具有三个第一基体输出导体13.8、13.8′、13.8″。跨阻抗转换器13.10、13.10′、13.10″的各个输出端通过第一基体导体13.3、13.3′、13.3″接触第一基体输出触点13.08、13.08′、13.08″。优选地，转换器单元1.3具有第二基体输出导体13.9。第二基体导体13.4、13.4′、13.4″通过第二基体输出触点13.09接触第二基体输出导体13.9。第一和第二基体输出触点13.08、13.08′、13.08″、13.09被紧固在第一法向侧面12.7上(根据图1和图3的加速度传感器1的第一种实施方式)，或者被紧固在支架13.7上(根据图2和图4的加速度传感器1的第二种实施方式)。第一和第二基体输出触点13.08、13.08′、13.08″、13.09是诸如引线键合、钎焊等的材料配合。对于引线键合，例如热压键合、热超声球楔键合、超声波楔-楔键合等方法是适用的。图11中的圆形的第一和第二基体输出触点13.08、13.08′、13.08″、13.09是模制的引线。
第一基体输出导体13.8、13.8′、13.8″将转换后的第一加速度信号S1传导到信号输出端1.4。第二基体输出导体13.9将第二加速度信号S2的和传导到信号输出端1.4。
信号输出端1.4被局部地紧固在壳体1.2上。优选地，根据图1和图2的加速度传感器1的实施方式的信号输出端1.4是电缆。信号输出端1.4具有信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2，保护罩14.3、护罩凸缘14.4、电绝缘部14.5以及灌封材料14.6。
在横截面看，信号输出端1.4具有多层的结构。
信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2形成内层。优选地，信号输出端1.4具有三个第一信号导体14.1、14.1′、14.1″和一个第二信号导体14.2。信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2由诸如铜、铜合金、金、金合金、铝、铝合金等导电材料制成。优选地，每个信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2均具有电绝缘护罩。第一和第二基体输出导体13.8、13.8′、13.8″、13.9接触第一和第二信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2。各个第一基体输出导体13.8、13.8′、13.8″接触一第一信号导体14.1、14.1′、14.1″。第二基体输出导体13.9接触第二信号导体14.2。
电绝缘部14.5形成中间层并且围绕信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2布置。电绝缘部14.5使信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2相对于保护罩14.3电绝缘。电绝缘部14.5由诸如Al2O3、陶瓷、Al2O3陶瓷、纤维增强塑料等电绝缘材料制成。
保护罩14.3形成外层。保护罩14.3保护电绝缘部14.5以及信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2免受例如污染物(灰尘、湿气等)的有害环境的影响以及电磁波的影响，电磁波可能会在第一和第二加速度信号S1、S2中引起不期望的干扰效果。保护罩14.3由机械耐性材料制成，例如金属、塑料等。
图14至图18示出了根据图2所示实施方式的加速度传感器1的组装步骤。
图14示出了第一组装步骤，其中将信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2引入到壳体1.2中。壳体1.2具有信号输出开口1.22。信号输出开口1.22优选地具有保护罩14.3的外径的形状和尺寸。信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2的端部被剥皮，电绝缘护罩在此已被局部地去除。信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2的端部穿过信号输出开口1.22伸入壳体1.2的内部。壳体1.2的内部是壳体底部1.23周围的区域。
信号输出开口1.22通过保护罩14.3和护罩凸缘14.3对外封闭。优选地，保护罩14.3的端部被紧固在护罩凸缘14.4上。护罩凸缘14.4由机械耐性材料制成，例如金属、塑料等。保护罩14.3和护罩凸缘14.4的紧固是通过力配合来实现，例如压接。
金属凸缘14.4又被材料配合地紧固在壳体1.2上。优选地，金属凸缘14.4被紧固在壳体开口1.22的背对壳体1.2内部的外侧边缘上。该材料配合是通过焊接、钎焊、粘接等实现。将护罩凸缘14.4紧固在壳体1.2上会导致保护罩14.3的应力消除(Zugentlastung)。由于保护罩14.3的应力消除，来自保护罩14.3的机械载荷就不能传递到壳体1.2的内部并到达转换器单元1.3，并在那里造成破坏，例如基体输出导体13.8、13.8′、13.8″、13.9被撕裂(Abreissen)或划破(Anreissen)。这种机械载荷源自于保护罩14.3围绕其长伸展轴线的转动、扭曲(Verzwirbelung)等。
图15示出了第二组装步骤，其中壳体1.2中的信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2以灌封材料14.6被灌封。灌封材料14.6通过壳体开口1.20被施加到信号输出开口1.21中的信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2上。灌封材料14.6是化学硬化粘合剂或可物理固化的粘合剂，或者是化学硬化粘合剂与可物理固化粘合剂的组合。优选地，灌封材料14.6由粘合剂制成，例如环氧化物、聚氨酯、氰基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯等。灌封材料14.6是具有大于1012Ωmm2/m的特定电阻的电绝缘体。优选地，将足够的灌封材料14.6施加到信号输出开口1.21中的信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2上，以使信号输出开口1.21被完全封闭。
图16示出了第三组装步骤，其中以灌封材料14.6灌封的信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2在壳体1.2中被局部地暴露。信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2的暴露部分14.7通过合适的切削工具(例如切削楔(Schneidekeil)、铣刀等)来实现。切削工具通过壳体开口1.20进入到壳体1.2的内部，并切掉14.1、14.1′、14.1″、14.2的端部和硬化的灌封材料14.6的区域。暴露部分14.7在由横轴x和纵轴y展开的平面中实现。在暴露部分14.7的区域中，信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2的被切掉的端部的端面暴露在一平面中。优选地，该平面平行于壳体开口1.20延伸。在暴露部分14.7的区域中，信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2的侧面完全被灌封材料14.6包围。灌封材料14.6使得信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2被应力消除地紧固。由于信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2的应力消除，来自信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2的机械载荷就不能传递到壳体1.2的内部中并到达转换器单元1.3，并且在那里造成破坏，例如基体输出导体13.8、13.8′、13.8″、13.9被撕裂或划破。这种机械载荷源自于信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2围绕其长伸展轴线的转动、扭曲(Verzwirbelung)等。并且灌封材料14.6气密地封闭信号输出开口1.21。对信号输出开口1.21的气密封闭防止了湿气通过信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2侵入到壳体1.2的内部到达传感器单元1.1，在那里，湿气可能会损害压电元件10、10′、10″的功能，因为诸如石英这样的压电材料是非常吸湿的。
图17示出了第四组装步骤，其中传感器单元1.1被放置在壳体1.2中。具有转换器单元1.3的传感器单元1.1通过壳体开口1.20被引导到壳体1.2的内部。第二法向侧面12.6通过例如粘接、钎焊等方式被材料配合地紧固在壳体底部1.23上。优选地，传感器单元1.1被定向为，使得第四切向侧面12.4在空间上靠近暴露部分14.7。
图18示出了第五组装步骤，其中传感器单元1.1接触转换器单元1.3。对转换器单元1.3的接触通过合适的接触工具来实现，例如引线键合等。接触工具通过壳体开口1.20被引导到壳体1.2的内部。接触工具将转换器单元1.3的第一和第二基体导体13.3、13.3′、13.3″、13.4、13.4′、13.4″通过第一和第二压电元件导体13.1、13.1′、13.1″、13.2、13.2′、13.2″与第一、第二或第三压电元件10、10′、10″的第一侧面130连接。并且接触工具将转换器单元1.3的第一和第二基体导体13.3、13.3′、13.3″、13.4、13.4′、13.4″通过第一和第二基体输出导体13.8、13.8′、13.8″、13.9与信号输出端1.4的信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2连接。
优选地，第一和第二基体输出导体13.8、13.8′、13.8″、13.9与信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2的被切掉端部的端面直接接触。第一和第二基体输出导体13.8、13.8′、13.8″、13.9与信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2的这种直接接触的优点在于不需要其它的承载装置，例如电路板等，这使得加速度传感器的尺寸和重量保持很小，并且使得加速度传感器的组装简单且成本低廉。第一和第二基体输出导体13.8、13.8′、13.8″、13.9与信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2的直接接触的另一优点在于，转换器单元1.3是通过机械柔性的基体输出导体13.8、13.8′、13.8″、13.9以应力消除的方式与信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2接触，这是因为机械柔性的基体输出导体13.8、13.8′、13.8″、13.9会减弱到达信号导体14.1、14.1′、14.1″、14.2的机械载荷。
在电接触转换器单元1.3被关闭之后，利用壳体盖1.21气密地封闭壳体开口1.20。该封闭以材料配合的方式实现，例如焊接、钎焊、粘接等。

Claims (16)

1.一种加速度传感器(1)，其具有基体(12)、至少一个压电元件(10，10′，10″)、至少一个试验块(11，11′，11″)和转换器单元(1.3)；所述基体(12)具有切向侧面(12.1，12.2，12.3，12.4)和法向侧面(12.6，12.7)，所述切向侧面(12.1，12.2，12.3，12.4)相对于竖轴(z)切向地布置，并且所述法向侧面(12.6，12.7)相对于所述竖轴(z)法向地布置；其中，在至少一个切向侧面(12.1，12.2，12.3)上紧固刚好一个压电元件(10，10′，10″)；其中，在该压电元件(10，10′，10″)上紧固刚好一个试验块(11，11′，11″)；其中，所述试验块(11，11′，11″)在加速时在试验块被紧固于其上的压电元件上(10，10′，10″)上施加与加速度成比例的剪切力；其中，所述压电元件(10，10′，10″)在所述剪切力的作用下产生压电电荷，该压电电荷能够被传递到所述转换器单元(1.3)；其特征在于，所述转换器单元(1.3)仅仅并且直接布置在所述基体(12)的法向侧面(12.7)上；或者所述转换器单元(1.3)仅仅布置在支架(13.7)上，所述支架(13.7)被紧固在所述基体(12)的法向侧面(12.7)上。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述加速度传感器(1)具有刚好三个压电元件(10，10′，10″)和刚好三个试验块(11，11′，11″)；并且在三个切向侧面(12.1，12.2，12.3)上紧固刚好一个压电元件(10，10′，10″)；并且在每个所述压电元件(10，10′，10″)上紧固刚好一个试验块(11，11′，11″)。
3.根据权利要求2所述的加速度传感器(1)，其特征在于，第一压电元件(10)对于由第一试验块(11)施加的沿着纵轴(y)的剪切力具有高灵敏度，并且在该沿着所述纵轴(y)的剪切力的作用下产生压电电荷；第二压电元件(10′)对于由第二试验块(11′)施加的沿着横轴(x)的剪切力具有高灵敏度，并且在该沿着所述横轴(x)的剪切力的作用下产生压电电荷；并且第三压电元件(10″)对于由第三试验块(11″)施加的沿着所述竖轴(z)的剪切力具有高灵敏度，并且在该沿着所述竖轴(z)的剪切力的作用下产生压电电荷。
4.根据权利要求2所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述压电元件(10，10′，10″)具有端面(110，120)；所述三个压电元件(10，10′，10″)中的每一个压电元件在沿着主切向轴线(h)的剪切力的作用下在所述端面(110，120)上产生压电电荷；至少一个端面(110，120)具有至少一个导电端面涂层(111，121)；所述导电端面涂层(111，121)针对沿着所述主切向轴线(h)的剪切力截取压电电荷。
5.根据权利要求4所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述压电元件(10，10′，10″)具有侧面(130，140，150，160)；第一端面(110)具有第一导电端面涂层(111)；第二端面(120)具有第二导电端面涂层(121)；第一侧面(130)具有第一导电侧面涂层(131)和另一个第一导电侧面涂层(133)；所述第一导电端面涂层(111)和所述第一导电侧面涂层(131)形成第一连续导电涂层(101)；所述第二导电端面涂层(121)和所述另一个第一导电侧面涂层(133)形成第二连续导电涂层(102)。
6.根据权利要求5所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述转换器单元(1.3)具有第一压电元件导体(13.1，13.1′，13.1″)和第二压电元件导体(13.2，13.2′，13.2″)；所述第一导电侧面涂层(131)与所述第一压电元件导体(13.1，13.1′，13.1″)材料配合地连接；所述另外的第一导电侧面涂层(133)与所述第二压电元件导体(13.2，13.2′，13.2″)材料配合地连接；所述第一压电元件导体(13.1，13.1′，13.1″)从所述第一连续导电涂层(101)导出压电电荷作为第一加速度信号(S1)；并且所述第二压电元件导体(13.2，13.2′，13.2″)从所述第二连续导电涂层(102)导出压电电荷作为第二加速度信号(S2)。
7.根据权利要求6所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述第一导电侧面涂层(131)通过第一压电元件触点(13.01，13.01′，13.01″)与所述第一压电元件导体(13.1，13.1′，13.1″)材料配合地连接；并且所述第二导电侧面涂层(133)通过第二压电元件触点(13.02，13.02′，13.02″)与所述第二压电元件导体(13.2，13.2′，13.2″)材料配合地连接。
8.根据权利要求6或7所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述转换器单元(1.3)具有第一基体导体(13.3，13.3′，13.3″)和第二基体导体(13.4，13.4′，13.4″)和跨阻抗转换器(13.10，13.10′，13.10″)；所述第一压电元件导体(13.1，13.1′，13.1″)与所述第一基体导体(13.3，13.3′，13.3″)电地和机械地连接；所述第一基体导体(13.3，13.3′，13.3″)将第一加速度信号(S1)传导到所述跨阻抗转换器(13.10，13.10′，13.10″)，所述跨阻抗转换器(13.10，13.10′，13.10″)转换第一加速度信号(S1)；所述第二压电元件导体(13.2，13.2′，13.2″)与所述第二基体导体(13.4，13.4′，13.4″)电地和机械地连接；并且所述第二基体导体(13.4，13.4′，13.4″)传导第二加速度信号(S2)。
9.根据权利要求8所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述第一压电元件导体(13.1，13.1′，13.1″)通过第一基体输入触点(13.03，13.03′，13.03″)与第一基体导体(13.3，13.3′，13.3″)材料配合地连接；并且所述第二压电元件导体(13.2，13.2′，13.2″)通过第二基体输入触点(13.04，13.04′，13.04″)与第二基体导体(13.4，13.4′，13.4″)材料配合地连接。
10.根据权利要求8或9所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述转换器单元(1.3)具有第一电阻(13.5，13.5′，13.5″)；每个第一基体导体(13.3，13.3′，13.3″)与第一电阻(13.5，13.5′，13.5″)电地和机械地连接；每个第一电阻(13.5，13.5′，13.5″)与所述三个压电元件(10，10′，10″)其中之一电性并联连接，该并联连接形成高通滤波器(18，18′，18″)并且过滤掉低于截止频率的频率。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述转换器单元(1.3)具有第二电阻(13.6，13.6′，13.6″)；每个第一基体导体(13.3，13.3′，13.3″)与一个第二电阻(13.6，13.6′，13.6″)电地和机械地连接；每个第二电阻(13.6，13.6′，13.6″)与所述三个压电元件(10，10′，10″)其中之一电性串联连接，该串联连接形成低通滤波器(17，17′，17″)并且过滤掉高于所述加速度传感器(1)的固有频率的频率。
12.根据权利要求8所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述加速度传感器(1)具有信号输出端(1.4)；所述转换器单元(1.3)具有第一基体输出导体(13.8，13.8′，13.8″)和第二基体输出导体(13.9)；每个第一基体导体(13.3，13.3′，13.3″)与第一基体输出导体(13.8，13.8′，13.8″)电地和机械地连接，其中，每个第一基体输出导体(13.8，13.8′，13.8″)将转换后的第一加速度信号(S1)传导到所述信号输出端(1.4)；并且每个第二基体导体(13.4，13.4′，13.4″)与第二基体输出导体(13.9)电地和机械地连接，所述第二基体输出导体(13.9)将第二加速度信号(S2)传导到所述信号输出端(1.4)。
13.根据权利要求12所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述第一基体导体(13.3，13.3′，13.3″)通过第一基体输出触点(13.08，13.08′，13.08″)与所述第一基体输出导体(13.8，13.8′，13.8″)材料配合地连接；并且所述第二基体导体(13.4，13.4′，13.4″)通过第二基体输出触点(13.09)与所述第二基体输出导体(13.9)材料配合地连接。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述基体(12)由低密度的机械刚性材料制成。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述试验块(11，11′，11″)由高密度的材料制成。
16.根据权利要求2至15中任一项所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述加速度传感器(1)具有三个内部连接装置(15，15′，15″)和三个外部连接装置(16，16′，16″)；所述三个压电元件(10，10′，10″)中的每一个压电元件均通过内部连接装置(15，15′，15″)以面向切向侧面(12.1，12.2，12.3)的一侧被紧固在所述基体(12)上；将所述压电元件(10，10′，10″)紧固在切向侧面(12.1，12.2，12.3)上是通过内部连接装置(15，15′，15″)以材料配合的方式实现；所述三个试验块(11，11′，11″)中的每一个试验块通过外部连接装置(16，16′，16″)被紧固在压电元件(10，10′，10″)的背向切向侧面(12.1，12.2，12.3)的一侧上；并且将所述试验块(11，11′，11″)紧固在所述压电元件(10，10′，10″)的背向切向侧面(12.1，12.2，12.3)的一侧上是通过外部连接装置(16，16′，16″)以材料配合的方式实现。
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