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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingungssensor und eine Schwingungsermittlungsvorrichtung.
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STAND DER TECHNIK
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Bisher wurde eine Art von Schwingungssensoren entwickelt, die Schwingungen mit Hilfe eines piezoelektrischen Elements ermitteln. Darüber hinaus wurde eine Art von Schwingungssensoren entwickelt, die ein piezoelektrisches Substrat und ein für die Ausbreitung von Ultraschallwellen verwendetes Medium nutzen und dabei eine Schwingung auf der Grundlage einer Änderung der Länge des Ausbreitungsweges einer Ultraschallwelle in dem Medium ermitteln (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1).
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Auch Patentliteratur 2 beschreibt einen entsprechenden Schwingungssensor mit einem flüssigen Medium. In Patentliteratur 3 ist stattdessen ein Schwingungssensor mit einem festen Medium offenbart.
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LISTE DER ANFÜHRUNGEN
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PATENTLITERATUR
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- Patentliteratur 1: JP 2000-329612 A
- Patentliteratur 2: JP 2013-057627 A
- Patentliteratur 3: JP 2017-187421 A
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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TECHNISCHE AUFGABE
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Herkömmliche Schwingungssensoren, die in Patentliteratur 1 usw. beschrieben sind, verwenden Flüssigkeit als Medium für die Ausbreitung der Ultraschallwellen. Ein Problem ist daher, dass sich die Eigenschaften der Schwingungssensoren abhängig von der Temperatur der Flüssigkeit, der Flüssigkeitsmenge usw. stark verändern. Ein weiteres Problem besteht darin, dass eine Struktur vorhanden sein muss, die ein Auslaufen der Flüssigkeit verhindert.
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Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die Lösung der oben genannten Probleme entstanden, und es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Technik zur Beseitigung der Notwendigkeit eines flüssigen Mediums in einer Art von Schwingungssensor sowie eine Schwingungsermittlungsvorrichtung bereitzustellen, die eine Schwingung auf der Grundlage einer Änderung der Länge eines Ausbreitungsweges einer Ultraschallwelle in einem Medium zu erfassen.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Die Aufgabe wird durch einen Schwingungssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 1 ist ein Schwingungssensor vorgesehen, der unter anderem beinhaltet: ein piezoelektrisches Substrat; eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind; einen Verstärker, der elektrisch zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeschlossen ist; und ein festes Medium mit einem ersten Flächenteil, der in Kontakt mit dem piezoelektrischen Substrat steht, und einem zweiten Flächenteil, der gegenüber dem ersten Flächenteil angeordnet ist und für den Kontakt mit einer Zielsubstanz verwendet wird, wobei das feste Medium eine Schallgeschwindigkeit aufweist, die niedriger ist als die Phasengeschwindigkeit einer Plattenwelle in dem piezoelektrischen Substrat, wobei eine Schwingungsschleife das piezoelektrische Substrat, die erste Elektrode, die zweite Elektrode, den Verstärker und das feste Medium beinhaltet und eine Schwingung der Zielsubstanz als Ergebnis einer Änderung der Schleifenlänge der Schwingungsschleife in Reaktion auf die Schwingung der Zielsubstanz erfasst wird.
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VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann aufgrund der obigen Ausgestaltung die Notwendigkeit eines flüssigen Mediums entfallen.
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Figurenliste
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- 1 ist eine erläuternde Zeichnung, die einen Hauptteil einer Schwingungsermittlungsvorrichtung mit einem Schwingungssensor gemäß dem nicht unter die Ansprüche fallenden Ausführungsbeispiel 1 zeigt;
- 2A ist eine erläuternde Zeichnung, die ein Beispiel für einen Zustand zeigt, in dem sich die Länge einer Schwingungsschleife infolge der Verformung eines festen Mediums als Reaktion auf eine vertikale Schwingung einer Zielsubstanz ändert;
- 2B ist eine erläuternde Zeichnung, die ein Beispiel für den Zustand zeigt, in dem sich die Länge der Schwingungsschleife infolge der Verformung des festen Mediums als Reaktion auf eine vertikale Schwingung der Zielsubstanz ändert;
- 3A ist ein charakteristisches Diagramm, das ein experimentelles Ergebnis einer Spannungswellenform zeigt, wenn eine Last intermittierend auf einen zweiten Flächenteil des festen Mediums aufgebracht wird;
- 3B ist ein charakteristisches Diagramm, das ein experimentelles Ergebnis der Spannungswellenform zeigt, wenn eine Last instantan auf den zweiten Flächenteil des festen Mediums aufgebracht wird;
- 4 ist eine erläuternde Zeichnung, die einen Hauptteil einer Schwingungsermittlungsvorrichtung mit einem Schwingungssensor gemäß Ausführungsbeispiel 2 zeigt;
- 5A ist eine erläuternde Zeichnung, die ein Beispiel für einen Zustand zeigt, in dem sich die Länge einer Schwingungsschleife infolge der Gleitbewegung eines festen Mediums als Reaktion auf eine horizontale Schwingung einer Zielsubstanz ändert;
- 5B ist eine erläuternde Zeichnung, die ein Beispiel für den Zustand zeigt, in dem sich die Länge der Schwingungsschleife infolge der Gleitbewegung des festen Mediums als Reaktion auf eine horizontale Schwingung der Zielsubstanz ändert;
- 6 ist ein charakteristisches Diagramm, das ein experimentelles Ergebnis einer Spannungswellenform zeigt, wenn das feste Medium in horizontaler Richtung schwingt;
- 7 ist eine erläuternde Zeichnung, die einen Hauptteil einer Schwingungsermittlungsvorrichtung mit einem Schwingungssensor gemäß Ausführungsbeispiel 3 zeigt;
- 8A ist eine erläuternde Zeichnung, die ein Beispiel für einen Zustand zeigt, in dem sich die Länge einer Schwingungsschleife infolge der Gleitbewegung eines festen Mediums als Reaktion auf eine horizontale Schwingung einer Zielsubstanz ändert; und
- 8B ist eine erläuternde Zeichnung, die ein Beispiel für den Zustand zeigt, in dem sich die Schwingungsschleifenlänge infolge der Gleitbewegung des festen Mediums als Reaktion auf eine horizontale Schwingung der Zielsubstanz ändert.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung detaillierter zu erläutern.
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Ausführungsbeispiel 1.
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1 ist eine erläuternde Zeichnung, die einen Hauptteil einer Schwingungsermittlungsvorrichtung mit einem Schwingungssensor gemäß dem nicht unter die Ansprüche fallenden Ausführungsbeispiel 1 zeigt. Die Schwingungsermittlungsvorrichtung mit dem Schwingungssensor gemäß Ausführungsbeispiel 1 wird anhand von 1 erläutert.
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In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein piezoelektrisches Substrat. Eine Interdigitalelektrode (im Folgenden als „erste Elektrode“ bezeichnet) 2, die zur Eingabe eines elektrischen Signals dient, ist auf einem Flächenteil des piezoelektrischen Substrats 1 angeordnet. Außerdem ist auf dem Flächenteil des piezoelektrischen Substrats 1 eine Interdigitalelektrode (im Folgenden als „zweite Elektrode“ bezeichnet) 3 angeordnet, die zur Ausgabe eines elektrischen Signals dient. Ein Verstärker 4 ist elektrisch zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 angeschlossen.
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Im Folgenden kann eine Richtung, die sich entlang einer Plattenoberfläche des piezoelektrischen Substrats 1 erstreckt, als „horizontale Richtung“ bezeichnet werden. Ferner kann eine Richtung, die senkrecht zur Plattenoberfläche des piezoelektrischen Substrats 1 verläuft, als „vertikale Richtung“ bezeichnet werden.
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In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 5 ein festes Medium. Das feste Medium 5 hat ein Paar einander entgegengesetzt angeordnete Flächenteile 51 und 52. Ein Flächenteil (im Folgenden als „erster Flächenteil“ bezeichnet) 51 des Paares von Flächenteilen 51 und 52 steht in Kontakt mit einem hinteren Flächenteil des piezoelektrischen Substrats 1. Der andere Flächenteil (im Folgenden als „zweiter Flächenteil“ bezeichnet) 52 des Paares von Flächenteilen 51 und 52 wird für den Kontakt mit einer Substanz verwendet, die ein Ziel für die Ermittlung von Schwingungen durch den Schwingungssensor 100 ist (im Folgenden als „Zielsubstanz“ bezeichnet). Bei der Zielsubstanz handelt es sich beispielsweise um eine feste Substanz, eine flüssige Substanz oder ein Gas.
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Ein Hauptteil des Schwingungssensors 100 besteht aus dem piezoelektrischen Substrat 1, der ersten Elektrode 2, der zweiten Elektrode 3, dem Verstärker 4 und dem festen Medium 5. Insbesondere kann der Schwingungssensor 100 zur Erfassxung von Schwingungen in verschiedenen Geräten eingesetzt werden. Außerdem kann der Schwingungssensor 100 zur Erfassung von Schwingungen in verschiedenen Materialien eingesetzt werden.
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Dabei wird eine so genannte „Schwingungsschleife“ (L in der Figur) durch das piezoelektrische Substrat 1, die erste Elektrode 2, die zweite Elektrode 3, den Verstärker 4 und das feste Medium 5 gebildet. Die Schwingungsschleife L beinhaltet den Verstärker 4. Ferner beinhaltet die Schwingungsschleife L einen Teil (d. h. das piezoelektrische Substrat 1), durch den sich eine Plattenwelle ausbreitet, einen Teil (d. h. die erste Elektrode 2, die zweite Elektrode 3, den Verstärker 4 usw.), durch den sich ein elektrisches Signal ausbreitet, und einen Teil (d. h. das feste Medium 5), durch den sich eine Ultraschallwelle ausbreitet.
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Die Einspeisung eines elektrischen Signals in die erste Elektrode 2 bewirkt die Erzeugung einer Plattenwelle, die sich durch das piezoelektrische Substrat 1 ausbreitet. Konkret wird eine so genannte „Lamb-Welle“ erzeugt. Das feste Medium 5 besteht aus einem Material, dessen Schallgeschwindigkeit geringer ist als die Phasengeschwindigkeit der Plattenwelle, die sich durch das piezoelektrische Substrat 1 ausbreitet. Daher führt ein Leck der Energie der erzeugten Plattenwelle in das feste Medium 5 zur Erzeugung einer Ultraschallwelle (im Folgenden als „erste Ultraschallwelle“ bezeichnet), die sich durch das feste Medium 5 ausbreitet. In der Figur zeigt P1 ein Beispiel für den Ausbreitungsweg der ersten Ultraschallwelle.
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Durch die Reflexion der ersten Ultraschallwelle am zweiten Flächenteil 52 wird eine Ultraschallwelle (im Folgenden als „zweite Ultraschallwelle“ bezeichnet) erzeugt, die sich durch das feste Medium 5 ausbreitet. In der Figur zeigt P2 ein Beispiel für den Ausbreitungsweg der zweiten Ultraschallwelle. Wenn die zweite Ultraschallwelle das piezoelektrische Substrat 1 erreicht, wird eine Plattenwelle erzeugt, die sich durch das piezoelektrische Substrat 1 ausbreitet. Die zweite Elektrode 3 gibt ein der erzeugten Plattenwelle entsprechendes elektrisches Signal an den Verstärker 4 ab. Wie zuvor erwähnt, ist der Verstärker 4 elektrisch zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 angeschlossen. Wenn der Verstärkungsfaktor im Verstärker 4 einen vorgegebenen Wert überschreitet, schwingt daher die Schwingungsschleife L.
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Die Schwingungsfrequenz (im Folgenden einfach als „Frequenz“ bezeichnet) F in der Schwingungsschleife L hat einen unterschiedlichen Wert, der von der Schleifenlänge der Schwingungsschleife L (im Folgenden als „Schwingungsschleifenlänge“ bezeichnet) abhängt. Genauer gesagt, wird die Frequenz F mit zunehmender Schwingungsschleifenlänge immer niedriger. Mit anderen Worten wird die Frequenz F mit abnehmender Schwingungsschleifenlänge immer höher. Wie in 1 dargestellt, ist ein Großteil der Schwingungsschleifenlänge die Länge der Ausbreitungswege der ersten und zweiten Ultraschallwelle. Genauer gesagt besteht der größte Teil der Schwingungsschleifenlänge aus den Längen der Ausbreitungswege P1 und P2 im festen Medium 5.
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Ein Frequenz-Spannungs-Wandler (im Folgenden als „FV-Wandler“ bezeichnet) 6 wandelt die Frequenz F in eine Spannung V um. Eine Anzeige 7 zeigt einen Bildschirm mit einer Wellenform an, die die Spannung V in Abhängigkeit von der Zeit darstellt (im Folgenden als „Spannungswellenform“ bezeichnet). Die Anzeige 7 besteht zum Beispiel aus einer Flüssigkristallanzeige oder einer organischen Elektrolumineszenzanzeige (EL).
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Der Hauptteil der Schwingungsermittlungsvorrichtung 200 besteht aus dem Schwingungssensor 100, dem FV-Wandler 6 und der Anzeige 7.
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Als nächstes wird ein Verfahren zur Erfassung einer Schwingung durch die Schwingungsermittlungsvorrichtung 200 anhand von 2 erläutert. Genauer gesagt wird ein Verfahren zur Erfassung einer Schwingung mit mindestens einer Schwingungskomponente in vertikaler Richtung (im Folgenden als „vertikale Schwingung“ bezeichnet) erläutert. Darüber hinaus wird die Verwendung der Schwingungsermittlungsvorrichtung 200 erläutert.
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Wie in 2 dargestellt, verformt sich das feste Medium 5 infolge der Schwingungen der Zielsubstanz O in vertikaler Richtung in einem Zustand, in dem die Zielsubstanz O in Kontakt mit dem zweiten Flächenteil 52 des festen Mediums 5 steht. In der Figur bezeichnen D1 und D2 die Bewegungsrichtungen der Zielsubstanz O, die durch die vertikale Schwingung verursacht werden. Genauer gesagt bezeichnen D1 und D2 die Schwingungsrichtungen der Zielsubstanz O.
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Die Verformung des festen Mediums 5 bewirkt, dass sich die Weglängen der Ausbreitungswege P1 und P2 ändern. Die Änderungen der Weglängen der Ausbreitungswege P1 und P2 bewirken, dass sich die Schwingungsschleifenlänge ändert. Durch die Änderung der Schwingungsschleifenlänge ändert sich die Frequenz F. Die Änderung der Frequenz F bewirkt eine Änderung der Spannung V. Daher kann der Benutzer der Schwingungsermittlungsvorrichtung 200 die vertikale Schwingung der Zielsubstanz O visuell erkennen, indem er die auf der Anzeige 7 angezeigte Spannungswellenform betrachtet. Auf diese Weise kann die Schwingungsermittlungsvorrichtung 200 die vertikale Schwingung der Zielsubstanz O erfassen.
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Handelt es sich bei der Zielsubstanz O beispielsweise um einen Teil eines Geräts, kann der Benutzer ein von der Schwingungsermittlungsvorrichtung 200 geliefertes Erfassungsergebnis verwenden, um die Notwendigkeit oder Unnötigkeit von Wartungsarbeiten an dem Gerät zu bestimmen. Genauer gesagt vergleicht der Benutzer den Schwingungszustand des Geräts im Normalzustand mit dem Schwingungszustand, der durch das von der Schwingungsermittlungsvorrichtung 200 gelieferte Erfassungsergebnis angezeigt wird. So kann der Benutzer bestimmen, ob sich das Gerät im Normalzustand oder im abnormalen Zustand befindet. Wenn bestimmt wird, dass sich das Gerät in einem abnormalen Zustand befindet, bestimmt der Benutzer, dass es notwendig ist, die Wartungsarbeiten am Gerät durchzuführen.
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Wird dagegen bestimmt, dass sich das Gerät im Normalzustand befindet, bestimmt der Benutzer, dass es nicht notwendig ist, die Wartungsarbeiten am Gerät durchzuführen. Auf diese Weise können unnötige Wartungsarbeiten vermieden werden. Infolgedessen können die Wartungskosten für die Geräte gesenkt werden.
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Im Folgenden wird das Material des festen Mediums 5 erläutert.
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Der Schwingungssensor 100 verwendet das feste Medium 5. Damit die Energie der Plattenwelle, die sich durch das piezoelektrische Substrat 1 ausbreitet, in das feste Medium 5 entweichen kann, muss die Schallgeschwindigkeit im festen Medium 5 niedriger sein als die Phasengeschwindigkeit der Plattenwelle. Obwohl die Phasengeschwindigkeit der Plattenwelle in Abhängigkeit von der Frequenz F, der Dicke des piezoelektrischen Substrats 1, dem Material des piezoelektrischen Substrats 1 usw. variiert, ist die Phasengeschwindigkeit im Wesentlichen gleich oder größer als 1.500 Meter pro Sekunde (im Folgenden als „m/s“ bezeichnet). Die Phasengeschwindigkeit der Plattenwelle beträgt zum Beispiel 2.600 m/s.
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Herkömmliche Schwingungssensoren verwenden hier ein flüssiges Medium anstelle des festen Mediums 5. Im Allgemeinen ist die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit in Festkörpern gering. Die Schallgeschwindigkeit in Wasser beträgt zum Beispiel etwa 1.500 m/s. Ein Grund dafür, dass in herkömmlichen Schwingungssensoren ein flüssiges Medium verwendet wird, besteht darin, dass ein Entweichen der Energie der Plattenwelle in das Medium erleichtert wird, indem die Schallgeschwindigkeit im Medium verringert wird.
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Mit anderen Worten ist die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten im Allgemeinen hoch. Die Schallgeschwindigkeit einer Longitudinalwelle in Stahl beträgt beispielsweise etwa 5.930 m/s. In einem Fall, in dem die Phasengeschwindigkeit der sich durch das piezoelektrische Substrat 1 ausbreitenden Plattenwelle 2.600 m/s beträgt und das feste Medium 5 aus Stahl besteht, geht die Energie der Plattenwelle nicht in das feste Medium 5 über. Da die Schwingungsschleife L nicht schwingt, wird folglich keine Schwingung der Zielsubstanz detektiert.
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Dagegen beträgt die Schallgeschwindigkeit einer Longitudinalwelle in Polysulfon beispielsweise etwa 2.260 m/s. Daher geht in einem Fall, in dem die Phasengeschwindigkeit der sich durch das piezoelektrische Substrat 1 ausbreitenden Plattenwelle 2.600 m/s beträgt und das feste Medium 5 aus Polysulfon besteht, die Energie der Plattenwelle in das feste Medium 5 über. Da die Schwingungsschleife L schwingt, wird folglich eine Schwingung der Zielsubstanz detektiert.
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Genauer gesagt kann der Schwingungssensor 100 seine wesentlichen Funktionen erfüllen, da das feste Medium 5 aus einem Material besteht, dessen Schallgeschwindigkeit geringer ist als die Phasengeschwindigkeit der sich durch das piezoelektrische Substrat 1 ausbreitenden Plattenwelle.
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Nachfolgend werden die experimentellen Ergebnisse der Spannungswellenform im Falle der Verwendung des festen Mediums 5 aus Polysulfon anhand von 3 erläutert.
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3A zeigt ein experimentelles Ergebnis einer Spannungswellenform, wenn eine Last intermittierend auf den zweiten Flächenteil 52 des festen Mediums 5 aus Polysulfon aufgebracht wird. Wie in 3A gezeigt, wird bei intermittierender Belastung des zweiten Flächenteils 52 eine sinusähnliche Spannungswellenform auf der Anzeige 7 angezeigt. Ferner zeigt 3B ein experimentelles Ergebnis der Spannungswellenform, wenn eine Last instantan auf den zweiten Flächenteil 52 des festen Mediums 5 aus Polysulfon aufgebracht wird. Wie in 3B gezeigt, wird bei instantaner Belastung des zweiten Flächenteils 52 eine zackenförmige Spannungswellenform auf der Anzeige 7 angezeigt. Aus diesen Ergebnissen geht hervor, dass der Schwingungssensor 100 seine wesentlichen Funktionen erfüllt.
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Das Material des festen Mediums 5 ist nicht auf Polysulfon beschränkt. Wie oben erwähnt, muss das Material des festen Mediums 5 lediglich eine Schallgeschwindigkeit aufweisen, die geringer ist als die Phasengeschwindigkeit der Plattenwelle, welche sich durch das piezoelektrische Substrat 1 ausbreitet.
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Darüber hinaus kann beispielsweise ein Element, mithilfe dessen das feste Medium 5 an dem piezoelektrischen Substrat 1 haften kann, zwischen dem hinteren Flächenteil des piezoelektrischen Substrats 1 und dem ersten Flächenteil 51 des festen Mediums 5 angeordnet sein. Genauer gesagt kann der Kontakt des ersten Flächenteils 51 mit dem piezoelektrischen Substrat 1 entweder ein direkter Kontakt ohne ein solches Element oder ein indirekter Kontakt über ein solches Element sein.
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Ferner kann beispielsweise ein Element zum Abdecken auf einem Teil des festen Mediums 5 angeordnet sein, der zumindest den zweiten Flächenteil 52 einschließt. Genauer gesagt kann der Kontakt des zweiten Flächenteils 52 mit der Zielsubstanz entweder ein direkter Kontakt sein, der nicht über ein solches Element erfolgt, oder ein indirekter Kontakt über ein solches Element.
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Wie oben erwähnt, beinhaltet der Schwingungssensor 100 des Ausführungsbeispiels 1: das piezoelektrische Substrat 1; die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3, die auf dem piezoelektrischen Substrat 1 angeordnet sind; den Verstärker 4, der elektrisch zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 angeschlossen ist; und das feste Medium 5 mit dem ersten Flächenteil 51, der in Kontakt mit dem piezoelektrischen Substrat 1 steht, und dem zweiten Flächenteil 52, der gegenüber dem ersten Flächenteil 51 angeordnet ist und für den Kontakt mit einer Zielsubstanz verwendet wird, und das eine Schallgeschwindigkeit aufweist, die niedriger ist als die Phasengeschwindigkeit der Plattenwelle in dem piezoelektrischen Substrat 1, und die Schwingungsschleife L beinhaltet das piezoelektrische Substrat 1, die erste Elektrode 2, die zweite Elektrode 3, den Verstärker 4 und das feste Medium 5, und eine Schwingung der Zielsubstanz wird als Ergebnis einer Änderung der Schleifenlänge (Schwingungsschleifenlänge) der Schwingungsschleife L in Reaktion auf die Schwingung der Zielsubstanz detektiert bzw. ermittelt. Dadurch ist es möglich, auf ein flüssiges Medium zu verzichten.
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Ferner variiert die Schleifenlänge (Schwingungsschleifenlänge) infolge der Verformung des festen Mediums 5 als Reaktion auf eine vertikale Schwingung der Zielsubstanz. Dadurch kann eine vertikale Schwingung der Zielsubstanz anhand einer Änderung der Schwingungsschleifenlänge erkannt werden.
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Ausführungsbeispiel 2.
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4 ist eine erläuternde Zeichnung, die einen Hauptteil einer Schwingungsermittlungsvorrichtung mit einem Schwingungssensor gemäß Ausführungsbeispiel 2 zeigt. Die Schwingungsermittlungsvorrichtung mit dem Schwingungssensor gemäß Ausführungsbeispiel 2 wird anhand von 4 erläutert. In 4 sind die gleichen strukturellen Komponenten und dergleichen wie in 1 mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet, und eine Erklärung dazu entfällt.
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Wie in 4 gezeigt, ist die Form eines festen Mediums 5a eine, bei der ein zweiter Flächenteil 52a nicht parallel zu einem ersten Flächenteil 51 ist. Genauer gesagt handelt es sich bei der Form des festen Mediums 5a um eine Form, bei der der zweite Flächenteil 52a in Bezug auf den ersten Flächenteil 51 geneigt ist.
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Außerdem ist, wie in 4 gezeigt, ein Mechanismus 8 zum Stützen bzw. Lagern des festen Mediums 5a in einer solchen Weise angeordnet, dass das feste Medium in horizontaler Richtung gleiten kann (im Folgenden als „Gleitstützmechanismus“ bezeichnet). Folglich ist das feste Medium 5a ausgebildet, als Reaktion auf eine Schwingung einer Zielsubstanz zu gleiten, wenn die Zielsubstanz in horizontaler Richtung schwingt (eine so genannte „Gleitschwingung“), und zwar in einem Zustand, in dem die Zielsubstanz in Kontakt mit dem zweiten Flächenteil 52a steht. In der Figur zeigt R einen Bereich, in dem eine Gleitbewegung des festen Mediums 5a möglich ist (im Folgenden als „Gleitbewegungsbereich“ bezeichnet).
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Handelt es sich bei der Zielsubstanz beispielsweise um eine feste Substanz, so schwingt das feste Medium 5a aufgrund einer Reibungskraft oder eines Anpressdrucks zwischen der Zielsubstanz und dem zweiten Flächenteil 52a integral mit der Zielsubstanz. Alternativ dazu kann beispielsweise in dem Fall, in dem die Zielsubstanz eine feste Substanz ist, durch eine Fixierung zwischen der Zielsubstanz und dem festen Medium 5a unter Verwendung eines Elements zur Fixierung oder ähnlichem das feste Medium 5a integral mit der Zielsubstanz schwingen. Wenn es sich bei der Zielsubstanz um eine flüssige oder gasförmige Substanz handelt, schwingt das feste Medium 5a stattdessen integral mit der Zielsubstanz, indem ein Teil des festen Mediums 5a, der mindestens den zweiten Flächenteil 52a einschließt, in der Zielsubstanz angeordnet wird. Auf diese Weise gleitet das feste Medium 5a als Reaktion auf eine Schwingung der Zielsubstanz.
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Ein Hauptteil des Schwingungssensors 100a besteht aus einem piezoelektrischen Substrat 1, einer ersten Elektrode 2, einer zweiten Elektrode 3, einem Verstärker 4, dem festen Medium 5a und dem Gleitstützmechanismus 8. Der Hauptteil der Schwingungsermittlungsvorrichtung 200a besteht aus dem Schwingungssensor 100a, einem FV-Wandler 6 und einer Anzeige 7.
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Als nächstes wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Schwingung durch die Schwingungsermittlungsvorrichtung 200a anhand von 5 erläutert. Genauer gesagt wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Schwingung mit mindestens einer Schwingungskomponente in horizontaler Richtung (im Folgenden als „horizontale Schwingung“ bezeichnet) erläutert.
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Wie in 5 gezeigt, gleitet das feste Medium 5a als Reaktion auf die horizontale Schwingung einer Zielsubstanz O, wenn die Zielsubstanz O in einem Zustand, in dem sie mit dem zweiten Flächenteil 52a in Kontakt ist, in horizontaler Richtung schwingt. In der Figur zeigen D3 und D4 die Bewegungsrichtungen der Zielsubstanz O, die sich aus der horizontalen Schwingung ergeben. Genauer gesagt zeigen D3 und D4 die Schwingungsrichtungen der Zielsubstanz O. Ferner zeigen D3 und D4 die Bewegungsrichtungen des festen Mediums 5a, die sich aus der Gleitbewegung ergeben.
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Da der zweite Flächenteil 52a nicht parallel zum ersten Flächenteil 51 verläuft, variieren dabei die Längen der Ausbreitungswege einer ersten Ultraschallwelle und einer zweiten Ultraschallwelle infolge der Gleitbewegung des festen Mediums 5a. Genauer gesagt variieren die Weglängen der Ausbreitungswege P1 und P2 in dem festen Medium 5a.
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Konkret werden die Weglängen der Ausbreitungswege P1 und P2 durch eine Bewegung des festen Mediums 5a in eine Richtung D3 der Richtungen D3 und D4 lang (siehe 5A). Die Länge einer Schwingungsschleife wird durch die Vergrößerung der Weglängen der Ausbreitungswege P1 und P2 groß. Die Frequenz F wird durch die Vergrößerung der Schwingungsschleifenlänge niedrig.
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Ferner werden die Weglängen der Ausbreitungswege P1 und P2 durch eine Bewegung des festen Mediums 5a in die andere Richtung D4 der Richtungen D3 und D4 kurz (siehe 5B). Die Schwingungsschleifenlänge wird durch die Verringerung der Weglängen der Ausbreitungswege P1 und P2 kurz. Die Frequenz F wird durch die Verringerung der Schwingungsschleifenlänge hoch.
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Auf diese Weise ändert sich die Schwingungsschleifenlänge infolge der Gleitbewegung des festen Mediums 5a als Reaktion auf eine horizontale Schwingung der Zielsubstanz O. Infolgedessen kann die Schwingungsermittlungsvorrichtung 200a die horizontale Schwingung der Zielsubstanz O erfassen.
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Nachfolgend wird ein experimentelles Ergebnis der Spannungswellenform im Falle der Verwendung des festen Mediums 5a aus Polysulfon anhand von 6 erläutert.
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6 zeigt ein experimentelles Ergebnis der Spannungswellenform, wenn das feste Medium 5a aus Polysulfon durch eine Gleitbewegung in horizontaler Richtung in einem Zyklus von mehreren Hertz schwingt. Wie in 6 gezeigt, wird bei einer horizontalen Schwingung des festen Mediums 5a die der horizontalen Schwingung entsprechende Spannungswellenform auf der Anzeige 7 angezeigt.
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Die Schwingungsermittlungsvorrichtung 200a kann zusätzlich zur Ermittlung einer horizontalen Schwingung der Zielsubstanz auch eine vertikale Schwingung der Zielsubstanz erfassen. Genauer gesagt kann, wenn die Zielsubstanz in einem Zustand, in dem sie mit dem zweiten Flächenteil 52a des festen Mediums 5a in Kontakt steht, in vertikaler Richtung schwingt, die vertikale Schwingung der Zielsubstanz als Ergebnis der Verformung des festen Mediums 5a als Reaktion auf die vertikale Schwingung der Zielsubstanz detektiert werden.
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Ferner ist das Material des festen Mediums 5a nicht auf Polysulfon beschränkt. Das Material des festen Mediums 5a muss lediglich eine Schallgeschwindigkeit aufweisen, die geringer ist als die Phasengeschwindigkeit einer Plattenwelle, welche sich durch das piezoelektrische Substrat 1 ausbreitet.
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Ferner muss die Form des festen Mediums 5a nur so beschaffen sein, dass der zweite Flächenteil 52a nicht parallel zum ersten Flächenteil 51 verläuft, und ist nicht auf das konkrete Beispiel aus 4 und 5 beschränkt. In Ausführungsbeispiel 3, auf das später eingegangen wird, wird ein Schwingungssensor 100b mit einem festen Medium 5b, das eine andere Form als das feste Medium 5a hat, erläutert.
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Darüber hinaus können in der Schwingungsermittlungsvorrichtung 200a die gleichen verschiedenen Varianten wie in Ausführungsbeispiel 1 angenommen werden.
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Wie oben erwähnt, hat das feste Medium 5a in dem Schwingungssensor 100a aus Ausführungsbeispiel 2 eine Form, bei der der zweite Flächenteil 52a nicht parallel zu dem ersten Flächenteil 51 ist, und der Gleitstützmechanismus 8 zum Stützen des festen Mediums 5a in einer solchen Weise, dass das feste Medium in einer horizontalen Richtung gleiten kann, ist vorgesehen, und eine horizontale Schwingung der Zielsubstanz wird als ein Ergebnis der Gleitbewegung des festen Mediums 5a als Reaktion auf die horizontale Schwingung ermittelt. Dadurch kann eine horizontale Schwingung der Zielsubstanz anhand einer Änderung der Schwingungsschleifenlänge detektiert werden.
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Ferner hat das feste Medium 5a in dem Schwingungssensor 100a eine Form, bei der der zweite Flächenteil 52a nicht parallel zu dem ersten Flächenteil 51 ist, und der Gleitstützmechanismus 8 zum Stützen des festen Mediums 5a in einer solchen Weise, dass das feste Medium in einer horizontalen Richtung gleiten kann, ist vorgesehen, und eine vertikale Schwingung der Zielsubstanz wird als ein Ergebnis der Verformung des festen Mediums 5a als Reaktion auf die vertikale Schwingung ermittelt, und eine horizontale Schwingung der Zielsubstanz wird als ein Ergebnis der Gleitbewegung des festen Mediums 5a als Reaktion auf die horizontale Schwingung erfasst. Dadurch kann auf der Grundlage von Änderungen der Schwingungsschleifenlänge nicht nur eine horizontale, sondern auch eine vertikale Schwingung der Zielsubstanz erfasst werden.
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Ausführungsbeispiel 3.
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7 ist eine erläuternde Zeichnung, die einen Hauptteil einer Schwingungsermittlungsvorrichtung mit einem Schwingungssensor gemäß Ausführungsbeispiel 3 zeigt. Die Schwingungsermittlungsvorrichtung mit dem Schwingungssensor gemäß Ausführungsbeispiel 3 wird anhand von 7 erläutert. In 7 sind die gleichen strukturellen Komponenten und dergleichen wie in 4 mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet, und eine Erklärung dazu entfällt.
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Wie in 7 dargestellt, hat ein festes Medium 5b dieselbe Form wie eine so genannte „plankonvexe Zylinderlinse“ (im Folgenden als „plankonvexe Zylinderform“ bezeichnet). Ein erster Flächenteil 51 des festen Mediums 5b besteht aus einem flachen Flächenteil in der plankonvexen Zylinderform. Ferner besteht ein zweiter Flächenteil 52b des festen Mediums 5b aus einem zylindrischen Flächenteil in der plankonvexen Zylinderform. Genauer gesagt, hat, während der erste Flächenteil 51 eine ebene Form hat, der zweite Flächenteil 52a eine zylindrische Flächenform. Folglich ist der zweite Flächenteil 52b nicht parallel zum ersten Flächenteil 51.
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Ein Hauptteil des Schwingungssensors 100b besteht aus einem piezoelektrischen Substrat 1, einer ersten Elektrode 2, einer zweiten Elektrode 3, einem Verstärker 4, dem festen Medium 5b und dem Gleitstützmechanismus 8. Der Hauptteil der Schwingungsermittlungsvorrichtung 200b besteht aus dem Schwingungssensor 100b, einem FV-Wandler 6 und einer Anzeige 7.
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Wie in 8 gezeigt, gleitet das feste Medium 5b als Reaktion auf die horizontale Schwingung der Zielsubstanz O, wenn die Zielsubstanz O in einem Zustand, in dem sie mit dem zweiten Flächenteil 52b in Kontakt ist, in horizontaler Richtung schwingt. Da der zweite Flächenteil 52b zu diesem Zeitpunkt nicht parallel zum ersten Flächenteil 51 ist, variieren die Längen der Ausbreitungswege einer ersten Ultraschallwelle und einer zweiten Ultraschallwelle als Ergebnis der Gleitbewegung des festen Mediums 5b. Genauer gesagt variieren die Weglängen der Ausbreitungswege P1 und P2 in dem festen Medium 5b.
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Konkret werden die Weglängen der Ausbreitungswege P1 und P2 durch eine Bewegung des festen Mediums 5b in eine Richtung D3 der Richtungen D3 und D4 aus einem Zustand heraus, in dem sich das feste Medium 5b in einem zentralen Teil eines Gleitbewegungsbereichs R befindet (siehe 8A), kurz. Die Länge einer Schwingungsschleife wird durch die Verringerung der Weglängen der Ausbreitungswege P1 und P2 kurz. Die Frequenz F wird durch die Verringerung der Schwingungsschleifenlänge hoch.
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Ferner werden die Weglängen der Ausbreitungswege P1 und P2 durch eine Bewegung des festen Mediums 5b in der anderen Richtung D4 der Richtungen D3 und D4 aus dem Zustand heraus, in dem sich das feste Medium 5b in dem zentralen Teil eines Gleitbewegungsbereichs R befindet (siehe 8B), kurz. Die Schwingungsschleifenlänge wird durch die Verringerung der Weglängen der Ausbreitungswege P1 und P2 kurz. Die Frequenz F wird durch die Verringerung der Schwingungsschleifenlänge hoch.
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Auf diese Weise ändert sich die Schwingungsschleifenlänge infolge der Gleitbewegung des festen Mediums 5b als Reaktion auf eine horizontale Schwingung der Zielsubstanz O. Infolgedessen kann die Schwingungsermittlungsvorrichtung 200b die horizontale Schwingung der Zielsubstanz O erfassen.
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Das feste Medium 5b kann dieselbe Form wie eine so genannte „plankonvexe sphärische Linse“ haben (im Folgenden als „plankonvexe sphärische Flächenform“ bezeichnet). In diesem Fall besteht der erste Flächenteil 51 des festen Mediums 5b aus einem flachen Flächenteil in der plankonvexen sphärischen Flächenform. Ferner besteht der zweite Flächenteil 52b des festen Mediums 5b aus einem sphärischen Flächenteil in der plankonvexen sphärischen Flächenform. Genauer gesagt, hat, während der erste Flächenteil 51 eine ebene Form hat, der zweite Flächenteil 52b eine sphärische Form. Daher kann zusätzlich zur Ermittlung einer horizontalen Schwingung in den Richtungen D3 und D4, die sich entlang der Seite in 8 erstrecken, die Ermittlung einer horizontalen Schwingung in den Richtungen D5 und D6 (nicht dargestellt) orthogonal zu der Seite in 8 durchgeführt werden.
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Ferner kann die Schwingungsermittlungsvorrichtung 200b zusätzlich zur Erfassung einer horizontalen Schwingung der Zielsubstanz auch eine vertikale Schwingung der Zielsubstanz detektieren. Genauer gesagt kann, wenn die Zielsubstanz in einem Zustand, in dem sie mit dem zweiten Flächenteil 52b des festen Mediums 5b in Kontakt steht, in vertikaler Richtung schwingt, die vertikale Schwingung der Zielsubstanz als Ergebnis der Verformung des festen Mediums 5b als Reaktion auf die vertikale Schwingung der Zielsubstanz ermittelt werden.
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Darüber hinaus können in der Schwingungsermittlungsvorrichtung 200b die gleichen verschiedenen Varianten wie in Ausführungsbeispiel 1 angenommen werden.
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Wie oben erwähnt, hat das feste Medium 5b in dem Schwingungssensor 100b aus Ausführungsbeispiel 3 eine Form, bei der der zweite Flächenteil 52b nicht parallel zu dem ersten Flächenteil 51 ist, und der Gleitstützmechanismus 8 zum Stützen des festen Mediums 5b in einer solchen Weise, dass das feste Medium in einer horizontalen Richtung gleiten kann, ist vorgesehen, und die Schleifenlänge (Schwingungsschleifenlänge) variiert als Ergebnis der Gleitbewegung des festen Mediums 5b als Reaktion auf eine horizontale Schwingung der Zielsubstanz. Dadurch kann eine horizontale Schwingung der Zielsubstanz anhand einer Änderung der Schwingungsschleifenlänge detektiert werden.
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Ferner hat das feste Medium 5b in dem Schwingungssensor 100b eine Form, bei der der zweite Flächenteil 52b nicht parallel zu dem ersten Flächenteil 51 ist, und der Gleitstützmechanismus 8 zum Stützen des festen Mediums 5b in einer solchen Weise, dass das feste Medium in einer horizontalen Richtung gleiten kann, ist vorgesehen, und die Schleifenlänge (Schwingungsschleifenlänge) variiert infolge einer Verformung des festen Mediums 5b als Reaktion auf eine vertikale Schwingung der Zielsubstanz, und die Schleifenlänge (Schwingungsschleifenlänge) variiert infolge einer Gleitbewegung des festen Mediums 5b als Reaktion auf eine horizontale Schwingung der Zielsubstanz. Dadurch kann auf der Grundlage von Änderungen der Schwingungsschleifenlänge nicht nur eine horizontale, sondern auch eine vertikale Schwingung der Zielsubstanz erfasst werden.
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Ferner hat das feste Medium 5b eine plankonvexe zylindrische Form, der erste Flächenteil 51 wird durch einen flachen Flächenteil in plankonvexer zylindrischer Form gebildet, und der zweite Flächenteil 52b wird durch einen zylindrischen Flächenteil in plankonvexer zylindrischer Form gebildet. Folglich kann eine horizontale Schwingung in den Richtungen D3 und D4 erfasst werden.
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Des Weiteren hat das feste Medium 5b eine plankonvexe sphärische Flächenform, der erste Flächenteil 51 wird durch einen flachen Flächenteil in der plankonvexen sphärischen Flächenform gebildet, und der zweite Flächenteil 52b wird durch einen sphärischen Flächenteil in der plankonvexen sphärischen Flächenform gebildet. Dadurch kann nicht nur eine horizontale Schwingung in den Richtungen D3 und D4, sondern auch eine horizontale Schwingung in den Richtungen D5 und D6 erfasst werden.
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Es versteht sich, dass eine beliebige Kombination der Ausführungsbeispiele vorgenommen werden kann, verschiedene Änderungen an jeder Komponente in jedem der Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können, oder jede Komponente in jedem der Ausführungsbeispiele innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung weggelassen werden kann.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Der Schwingungssensor und die Schwingungsermittlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung können zur Ermittlung von Schwingungen z. B. in verschiedenen Geräten verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- piezoelektrisches Substrat,
- 2
- erste Elektrode,
- 3
- zweite Elektrode,
- 4
- Verstärker,
- 5, 5a, 5b
- festes Medium,
- 6
- Frequenz-Spannungs-Wandler (FV-Wandler),
- 7
- Anzeige,
- 8
- Gleitstützmechanismus,
- 51
- erster Flächenteil,
- 52, 52a, 52b
- zweiter Flächenteil,
- 100, 100a, 100b
- Schwingungssensor und
- 200, 200a, 200b
- Schwingungsermittlungsvorrichtung.
