DE19816802C2 - Piezoelectric acceleration sensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Beschleunigungs sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a piezoelectric acceleration sensor according to the preamble of claim 1.
Die DE 44 19 843 A1 offenbart einen derartigen piezoelektrischen Beschleunigungssensor. Der dortige Sensor weist ein piezoelek trisches Bauteil auf, das aus aneinanderliegenden piezoelektri schen Plattenteilen mit entgegengesetzter piezoelektrischer Po larisation besteht. Die beiden Oberflächen des piezoelektrischen Bauteils sind mit leitfähigen Elektroden versehen, die mit den Eingängen einer Auswerteelektronik elektrisch verbunden sind.DE 44 19 843 A1 discloses such a piezoelectric Acceleration sensor. The sensor there has a piezoelectric trical component that consists of adjacent piezoelectric plate parts with opposite piezoelectric Po larization exists. The two surfaces of the piezoelectric Component are provided with conductive electrodes that with the Inputs of evaluation electronics are electrically connected.
In der DE 44 40 078 A1 ist ein piezoelektrischer Beschleuni gungssensor beschrieben, der zwei balkenähnliche Biegeelemente aus Piezokeramik beinhaltet, die mit Außenelektroden versehen und mittig aus einer Einspannvorrichtung links und rechts her vorstehend eingespannt sind, so daß bei Einwirkung von Beschleu nigungen die beiden freien Enden der Biegeelemente ausgelenkt werden. Die dadurch induzierte Piezospannung kann von einer an geschlossenen Auswerteelektronik zur Beschleunigungsermittlung ausgewertet werden.DE 44 40 078 A1 describes a piezoelectric accelerator tion sensor described, the two beam-like bending elements made of piezoceramic, which are provided with external electrodes and in the middle from a jig left and right are clamped above, so that when exposed to acces inclinations deflected the two free ends of the bending elements become. The piezo voltage induced by this can start from one closed evaluation electronics for acceleration determination be evaluated.
Insbesondere bei mikromechanischer Bauweise sprechen herkömmli che piezoelektrische Beschleunigungssensoren der oben genannten Art auch auf sehr kurzzeitige Beschleunigungsstörimpulse an, z. B. bei Verwendung in Kraftfahrzeugen durch in Sensornähe ein wirkende Hammerschläge oder Steinschläge. Dies ist in bestimmten Fällen unerwünscht, beispielsweise soll im Fall der Ansteuerung eines Airbags keine Auslösung desselben durch solche kurzzeiti gen Beschleunigungsstörungsimpulse verursacht werden. In particular with micromechanical construction speak conventional che piezoelectric acceleration sensors of the above Kind of also on very short acceleration interference impulses, e.g. B. when used in motor vehicles by near the sensor hammer blows or stone chips. This is certain Cases undesirable, for example in the case of control an airbag is not triggered by such a short time acceleration disturbance impulses.
In der Offenlegungsschrift EP 0 762 133 A1 ist ein piezoelekt rischer Beschleunigungssensor mit einem einseitig fixierten, piezoelektrischen Streifen beschrieben, der sich in Abhängig keit einwirkender Beschleunigungskräfte zusammen mit einer an gekoppelten Prüfmasse auslenkt. Ein Regelkreis versucht den piezoelektrischen Streifen durch Erzeugung kapazitiver Rück stellkräfte in einer definierten Ruhelage zu halten, wobei der Piezostreifen zusammen mit der Prüfmasse zwischen zwei beab standeten Plattenelektroden angeordnet ist oder eine der beiden Plattenelektroden für die Erzeugung der kapazitiven Rückstell kräfte bildet, die von der Auslenkungsamplitude des Piezostrei fens und der angekoppelten Prüfmasse aus der Ruhelage abhängen. Die Höhe der Rückstellkraft ist ein Maß für die zu erfassende Beschleunigung.In the published patent application EP 0 762 133 A1 there is a piezoelectric acceleration sensor with a one-sided, Piezoelectric strip described, which is dependent acceleration forces acting together with one coupled test mass deflects. A control loop tries that piezoelectric stripes by generating capacitive back to keep actuators in a defined rest position, the Piezo strips together with the test mass between two spac stood plate electrodes is arranged or one of the two Plate electrodes for the generation of the capacitive reset Forms forces from the deflection amplitude of the piezostream depend on the fens and the coupled test mass from the rest position. The level of the restoring force is a measure of the one to be recorded Acceleration.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektri schen Beschleunigungssensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der auch bei mikromechanischer Bauweise gegenüber kurzzeitigen Beschleunigungsstörimpulsen unempfindlich ist.The invention has for its object a piezoelectric rule acceleration sensor of the type mentioned create that compared to micromechanical design short-term acceleration interference is insensitive.
Diese Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Beschleuni gungssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 3 gelöst.This task is accomplished by a piezoelectric accelerator tion sensor with the features of claim 1 or 3 solved.
Dieser Beschleunigungssensor weist Gegenkopplungsmittel auf, die eine der beschleunigungsinduzierten Biegebewegung entgegen gerichtete Dämpfungskraft auf den Piezostreifen ausüben. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Sensor sehr klein, insbe sondere in mikromechanischer Bauweise gestaltet werden kann, bei der der beschleunigungssensitive Piezostreifen eine sehr geringe Masse hat. Diese geringe Masse führt zu einer sehr ho hen Übertragungsfrequenz des Piezostreifens, der damit prinzi piell auch auf hochfrequente Beschleunigungseinwirkungen, wie solchen von Hammer- oder Steinschlägen anspricht. Die Empfind lichkeit des Beschleunigungssensors für solche kurzzeitigen Störeffekte wird jedoch durch die Gegenkopplungsmittel verrin gert. Der piezoelektrische Beschleunigungssensor kann somit frequenzselektiv und bidirektional ansprechend ausgelegt sein und z. B. für einen Sicherheits-Triggerschalter in Airbag- Systemen von Kraftfahrzeugen verwendet werden, der nicht durch kurzzeitige Stöße, wie in der Nähe eingeleitete Hammer- oder Steinschläge, sondern nur im Fall von echten, merklichen Fahr zeugverzögerungen schalten soll, wie sie bei Unfallgefahr auf treten.This acceleration sensor has negative feedback means, which counteracts the acceleration-induced bending movement exert directed damping force on the piezo strip. On in this way it is achieved that the sensor is very small, esp can be designed especially in micromechanical construction, where the acceleration sensitive piezo strip is a very has low mass. This small mass leads to a very high hen transmission frequency of the piezo strip, which is prince piell also on high-frequency acceleration effects, such as appeals to those of hammer or stone chips. The sensation Accelerometer for such short-term However, interference effects are reduced by the negative feedback means device. The piezoelectric acceleration sensor can thus be designed to be frequency-selective and bidirectionally appealing and Z. B. for a safety trigger switch in airbag Systems of motor vehicles are used, not by short-term impacts, such as nearby hammer or Rockfalls, but only in the case of real, noticeable driving Tool delays should switch, as in the event of an accident to step.
Beim piezoelektrischen Beschleunigungssensor von Anspruch 1 beinhalten die Gegenkopplungsmittel speziell zwei beabstandete Plattenelektroden, zwischen denen sich der Piezostreifen befin det und die in Abhängigkeit von der Biegebewegung des Piezo streifens mit gegenkoppelnder Ladung derart beaufschlagt wer den, dass die resultierende Bewegungsdämpfung mit wachsender Biegebewegungsgeschwindigkeit ansteigt. Dadurch wird eine ein fache Bauweise effektiver und frequenzselektiver, d. h. kurzzei tige Beschleunigungsimpulse stärker dämpfender Gegenkopplungs mittel realisiert.In the piezoelectric acceleration sensor of claim 1 the negative feedback means specifically include two spaced apart Plate electrodes, between which the piezo strip is located det and depending on the bending movement of the piezo streaked with negative feedback charge that the resulting movement damping increases with Bending movement speed increases. This makes one fold design more effective and frequency selective, d. H. briefly acceleration pulses with more damping negative feedback medium realized.
In einem nach dem Anspruch 2 weitergebildeten piezoelektrischen Beschleunigungssensor sind die Plattenelektroden über ein Hoch passfilter und Dioden mit den Kontakten des Piezostreifens ver bunden. Auf diese Weise wird das Piezosignal direkt zur Erzeu gung der Gegenkopplungskraft durch die Plattenelektroden ge nutzt. Die Dioden gewährleisten die richtige Ansteuerpolarität, während das Hochpassfilter dafür sorgt, dass nur die kurzzeiti gen Beschleunigungsstörimpulse gedämpft werden. In a further developed according to claim 2 piezoelectric Accelerometer are the plate electrodes above a high pass filter and diodes with the contacts of the piezo strip ver bound. In this way, the piezo signal is directly generated the negative feedback force by the plate electrodes uses. The diodes ensure the correct drive polarity, while the high pass filter ensures that only the short-term i be damped against acceleration interference.
Bei dem Beschleunigungssensor von Anspruch 3 sind die Gegen kopplungsmittel als solche vom elektromagnetischen Typ ausge legt.In the acceleration sensor of claim 3, the counter coupling means as such of electromagnetic type sets.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hier bei zeigen:An advantageous embodiment of the invention is in the Drawings shown and will be described below. Here at show:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines piezoelektrischen Beschleu nigungssensors in einer Ruhelage, Fig. 1 is a block diagram of a piezoelectric Accelerat nigungssensors in a rest position,
Fig. 2 ein Blockschaltbild entsprechend Fig. 1, jedoch in einem ausgelenkten Zustand des piezoelektrischen Be schleunigungssensors. Fig. 2 is a block diagram corresponding to Fig. 1, but in a deflected state of the piezoelectric Be acceleration sensor.
Kernstück des in Fig. 1 und 2 dargestellten piezoelektrischen Beschleunigungssensors 10 ist ein aus zwei aneinanderliegenden Hälften 1a, 1b aufgebauter Piezostreifen 1, der sich zwischen zwei seitlichen Plattenelektroden 3 und 4 befindet und einsei tig in einem mechanischen Lager 2 gehalten ist. Während sich der Piezostreifen 1 in Fig. 1 in seiner nicht ausgelenkten, mittigen Ruhelage befindet, zeigt Fig. 2, wie sich bei einer auftretenden Beschleunigung in Richtung des Pfeiles 11 der Pie zostreifen 1 aufgrund der Trägheitskräfte verbiegt. Es ergibt sich dann entsprechend der Amplitude der Auslenkung des Piezo streifens 1 ein Ladungstransfer zwischen gegenüberliegenden au ßenseitigen Elektroden 1a, 1b desselben, so daß sich zwischen diesen eine entsprechende elektrische Spannung aufbaut. Diese Piezospannung wird über Anschlußkontakte abgegriffen und mittels eines Diffe renzverstärkers 9 verstärkt und stellt dann das Ausgangssignal des piezoelektrischen Beschleunigungssensors 10 als Maß für die Beschleunigung dar, der dieser unterworfen ist.The centerpiece of the piezoelectric acceleration sensor 10 shown in FIGS. 1 and 2 is a piezo strip 1 composed of two adjacent halves 1 a, 1 b, which is located between two side plate electrodes 3 and 4 and is held in a mechanical bearing 2 on one side. While the piezo strip 1 in FIG. 1 is in its undeflected, central rest position, FIG. 2 shows how the piezo strip 1 bends due to the inertial forces when acceleration occurs in the direction of arrow 11 . It then results in accordance with the amplitude of the deflection of the piezoelectric strip 1, a charge transfer between opposite outside electrodes 1 a, 1 b of the same, so that a corresponding electrical voltage builds up between them. This piezo voltage is tapped via connection contacts and amplified by means of a differential amplifier 9 and then represents the output signal of the piezoelectric acceleration sensor 10 as a measure of the acceleration to which it is subjected.
Über Widerstände 8 sind die Außenelektroden 1a, 1b des Piezo streifens 1 geerdet, so daß nach einer charakteristischen Zeit ein Ladungsausgleich zwischen ihnen stattfindet. Gleichzeitig sind über zwei parallel geschaltete Dioden 6 die beiden Außen elektroden 1a, 1b des Piezostreifens 1 mit dem Eingang eines Hochpaßfilters 7 so verbunden, daß dieser lediglich mit einem von jeweils einer der beiden Außenelektroden 1a, 1b des Piezo streifens 1 herrührenden positiven Spannungssignal beaufschlagt wird. Dieses hochpaßgefilterte Signal wird zur Verstärkung einem Verstärker 5 zugeführt, dessen Ausgang mit den Plattenelektroden 3 und 4 verbunden ist. Somit werden bei einer Auslenkung des Piezostreifens 1 die Plattenelektroden 3 und 4 positiv aufgela den. Bei der in Fig. 2 dargestellten Auslenkung des Piezostrei fens 1 führt dies, bedingt durch gleiche Polarität, zu einem Ab stoßen des Piezostreifens 1 durch die rechte Plattenelektrode 3, der sich der Streifen 1 annähert, und, bedingt durch unter schiedliche Polarität, zu einem Anziehen des Piezostreifens 1 durch die linke Plattenelektrode 4.About resistors 8 , the outer electrodes 1 a, 1 b of the piezo strip 1 are grounded, so that after a characteristic time, a charge equalization takes place between them. At the same time, the two outer electrodes 1 a, 1 b of the piezo strip 1 are connected to the input of a high-pass filter 7 via two diodes 6 connected in parallel in such a way that they only come with one of each of the two outer electrodes 1 a, 1 b of the piezo strip 1 positive voltage signal is applied. This high-pass filtered signal is fed to an amplifier 5 for amplification, the output of which is connected to the plate electrodes 3 and 4 . Thus, when the piezo strip 1 is deflected, the plate electrodes 3 and 4 are positively charged. In the deflection of the Piezostrei fens 1 shown in Fig. 2, this leads, due to the same polarity, to a repulsion of the piezo strip 1 through the right plate electrode 3 , which approximates the strip 1 , and, due to different polarity, to one Tightening the piezo strip 1 through the left plate electrode 4 .
Der Piezostreifen 1 wird somit einer seiner Auslenkung entgegen wirkenden Kraft unterworfen, und es entsteht eine Gegenkopplung. Aufgrund des Hochpasses 7 ist diese Gegenkopplung frequenzselek tiv. Einer bezüglich der charakteristischen Filterzeit des Hoch passes 7 schnellen Auslenkung des Piezostreifens 1 wird signifi kant entgegengewirkt, während demgegenüber eine langsame Auslen kung weitgehend unbeeinflußt bleibt.The piezo strip 1 is thus subjected to a force counteracting its deflection, and negative feedback occurs. Due to the high pass 7 , this negative feedback is frequency selective. A with respect to the characteristic filter time of the high pass 7 rapid deflection of the piezo strip 1 is significantly counteracted, whereas a slow deflection remains largely unaffected.
Der gezeigte Beschleunigungssensor eignet sich z. B. als Sicher heits-Triggerschalter für ein Airbagsystem eines Kraftfahrzeu ges. Ein solcher Schalter dient dazu, eine Airbag-Fehlauslösung durch kurzzeitige mechanische Störimpulse, beispielsweise von Hammerschlägen, zu verhindern, andererseits aber die Airbag- Auslösung bei unfallbedingten, starken Fahrzeugverzögerungen freizugeben. Diese Forderungen erfüllt der gezeigte Sensor selbst dann, wenn er sehr klein bauend in mikromechanischer Technologie gefertigt ist, indem der aufgrund der sehr geringen Masse des Piezostreifens 1 entsprechend hohen Übertragungsfre quenz durch die hochpaßgefilterte elektrostatische Gegenkopp lungsdämpfung entgegengewirkt wird.The acceleration sensor shown is suitable for. B. as a safety trigger switch for an airbag system of a motor vehicle. Such a switch serves to prevent incorrect airbag deployment by brief mechanical interference pulses, for example from hammer blows, but on the other hand to enable airbag deployment in the event of severe vehicle decelerations caused by an accident. These requirements are met by the sensor shown even if it is made very small in micromechanical technology by counteracting the attenuation due to the very low mass of the piezo strip 1 correspondingly high transmission frequency by the high-pass filtered electrostatic counter coupling.
Es versteht sich, daß neben dem gezeigten Beispiel weitere Rea lisierungen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Beschleuni gungssensors möglich sind, z. B. eine solche, bei der einer Aus lenkung des Piezostreifens nicht durch ein elektrostatisches, sondern durch ein elektromagnetisches Feld gegenkoppelnd entge gengewirkt wird. Dazu ist der Piezostreifen, der wiederum ein seitig in einem mechanischen Lager aufgenommen ist, zusätzlich mit einer magnetischen Beschichtung versehen. Anstelle der bei den seitlichen Plattenelektroden 3 und 4 des in den Figuren dar gestellten Ausführungsbeispiels werden zwei entsprechend ange ordnete Elektromagnete verwendet. Um einer Auslenkung des Pie zostreifens entgegenzuwirken, werden diese über einen Spannungs- Stromwandler mit Strom beaufschlagt, der analog zum in den Figu ren dargestellten Ausführungsbeispiel sein Eingangs-Spannungs signal entsprechend der Auslenkung des Piezostreifens von den Außenelektroden des Piezostreifens über jeweils eine von zwei Dioden und einen nachgeschalteten Hochpaß erhält. Dieser Span nungs-Stromwandler ersetzt somit den Verstärker 5 im dargestell ten Ausführungsbeispiel. Je nach Stromstärke erzeugen diese bei den Elektromagnete ein größeres oder kleineres Magnetfeld, mit dem die magnetische Beschichtung auf dem Piezostreifen wechsel wirkt, so daß eine der Auslenkung des Piezostreifens entgegen wirkende Kraft hervorgerufen wird. Wie bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dabei die Gegenkopp lung ebenfalls frequenzselektiv. It is understood that in addition to the example shown, further realizations of the piezoelectric acceleration sensor according to the invention are possible, for. B. one in which a deflection of the piezo strip is counteracted by an electrostatic, but by an electromagnetic field counteracting. For this purpose, the piezo strip, which in turn is accommodated on one side in a mechanical bearing, is additionally provided with a magnetic coating. Instead of the side plate electrodes 3 and 4 of the embodiment shown in the figures, two correspondingly arranged electromagnets are used. In order to counteract a deflection of the piezo strip, these are supplied with current via a voltage current transformer which, analogously to the exemplary embodiment shown in the figures, shows its input voltage signal corresponding to the deflection of the piezo strip from the outer electrodes of the piezo strip via one of two diodes and receives a downstream high pass. This voltage-voltage current transformer thus replaces the amplifier 5 in the exemplary embodiment shown. Depending on the current intensity, these generate a larger or smaller magnetic field with the electromagnets, with which the magnetic coating on the piezo strip changes, so that a force counteracting the deflection of the piezo strip is produced. As in the embodiment shown in the figures, the negative feedback is also frequency-selective.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele des piezoelektri schen Beschleunigungssensors können bei Bedarf dadurch vereinfa chend modifiziert sein, daß der Piezostreifen nicht einem ent sprechend seiner Auslenkung gegenkoppelnden, zeitlich sich än dernden elektrischen oder magnetischen Feld ausgesetzt wird, sondern lediglich einem statischen, von Elektroden oder Elektro magneten herrührenden elektrischen oder magnetischen Feld. Bei einem solchen piezoelektrischen Beschleunigungssensor entfallen dann Dioden, Hochpaß und Verstärker bzw. Spannungs-Stromwandler, so daß er entsprechend günstiger herstellbar ist. Bei solchen Ausführungen des piezoelektrischen Beschleunigungssensors werden schnelle und langsame Auslenkungen des Piezostreifens etwa gleich stark bedämpft.The above-described embodiments of the piezoelectric rule acceleration sensor can thereby simplify if necessary be modified accordingly that the piezo strip does not ent speaking against its displacement, temporally changing exposed to an electrical or magnetic field, but only a static one, from electrodes or electrical magnets originating in an electrical or magnetic field. At such a piezoelectric acceleration sensor is not required then diodes, high-pass and amplifiers or voltage-current transformers, so that it is correspondingly cheaper to manufacture. In such Designs of the piezoelectric acceleration sensor will be fast and slow deflections of the piezo strip, for example equally dampened.
Die Erfindung ist anwendbar sowohl auf einen piezoelektrischen Beschleunigungssensor mit einem einseitig gelagerten piezoelek trischen Streifen, wie in dem Ausführungsbeispiel dargestellt, als auch auf einen piezoelektrischen Beschleunigungssensor mit einem mittig gelagerten Streifen, wie er aus der eingangs zi tierten DE 44 40 078 A1 bekannt ist.The invention is applicable to both a piezoelectric Accelerometer with a piezoelek mounted on one side trical stripes, as shown in the exemplary embodiment, as well as with a piezoelectric acceleration sensor a strip in the middle, as it is from the zi tured DE 44 40 078 A1 is known.
Claims (3)
- - einem einseitig gelagerten piezoelektrischen Streifen (1),
der sich in Abhängigkeit einwirkender Beschleunigungskräfte
verbiegt und eine entsprechende Piezospannung erzeugt, die ü
ber beidseitige Kontakte abgreifbar ist,
gekennzeichnet durch - - Gegenkopplungsmittel (3, 4), die eine der beschleunigungsin duzierten Biegebewegung entgegengerichtete Dämpfungskraft auf den Piezostreifen (1) ausüben und zwei beabstandete Platten elektroden (3, 4) beinhalten, zwischen denen sich der Piezo streifen (1) befindet und die in Abhängigkeit von der Biegebe wegung des Piezostreifens mit gegenkoppelnder Ladung derart beaufschlagt werden, dass die resultierende Bewegungsdämpfung mit wachsender Biegebewegungsgeschwindigkeit ansteigt.
- a piezoelectric strip ( 1 ) mounted on one side, which bends depending on the acceleration forces acting on it and generates a corresponding piezo voltage which can be tapped via contacts on both sides,
marked by - - feedback means (3, 4) which exert an oppositely directed the beschleunigungsin duced bending movement damping force on the piezo strip (1) and two spaced plates electrodes (3, 4) include between which the piezoelectric strip (1) and which in dependence on the bending movement of the piezo strip can be loaded with negative feedback in such a way that the resulting movement damping increases with increasing bending movement speed.
- - einem piezoelektrischen Streifen (1), der sich in Abhängig
keit einwirkender Beschleunigungskräfte verbiegt und eine ent
sprechende Piezospannung erzeugt, die über beidseitige Kontak
te abgreifbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass - - der Piezostreifen (1) mit einer magnetischen Beschichtung versehen ist und Gegenkopplungsmittel vorgesehen sind, die ei ne der beschleunigungsinduzierten Biegebewegung entgegenge richtete Dämpfungskraft auf den Piezostreifen (1) ausüben und durch zwei beabstandete Elektromagnete gebildet sind, zwischen denen sich der Piezostreifen befindet und die in Abhängigkeit von der Biegebewegung des Piezostreifens gegenkoppelnd derart angesteuert werden, dass die resultierende Bewegungsdämpfung mit wachsender Biegebewegungsgeschwindigkeit ansteigt.
- - A piezoelectric strip ( 1 ) that bends in dependence on the acting acceleration forces and generates a corresponding piezo voltage that can be tapped via contacts on both sides,
characterized in that - - The piezo strip ( 1 ) is provided with a magnetic coating and counter-coupling means are provided which exert ei ne the acceleration-induced bending movement against damping force on the piezo strip ( 1 ) and are formed by two spaced electromagnets, between which the piezo strip is located and which in Depending on the bending movement of the piezo strip, the negative feedback can be controlled such that the resulting movement damping increases with increasing bending movement speed.
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