DE2556298C2 - Piezoelektrischer Beschleunigungsgeber - Google Patents

Description

daß bei der Berechnung der Aufnahmecharakteristik mit guter Näherung vom quasistatischen Fall ausgegangen werden kann. Dabei kann jeder auf die träge Masse wirkenden Kraft ein Vektor zugeordnet werden, der sich, unabhängig von dessen Größe und Richtung, stets in die vorher genannten Anteile mit den, durch die Berührungspunkte zwischen der tragen Masse und dem Piezoelement bzw. dem Stützelement bestimmten Richtungen zerlegt Durch einfache Vektoraddition kann der auf das Piezoelement gerichtete Anteil berechnet werden. Das Verhältnis einer auf den Schwerpunkt der tragen Masse einwirkenden Kraft zu dem auf das Piezoelement umgelenkten Anteil liefert dann die Aufnahmecharakteristik des Beschleunigungsgebers in Abhängigkeit von der jeweiligen Richtung der einwirkenden Kraft

Bei konstant gehaltener, auf die träge Masse einwirkender Kraft bestimmt die Lage der Berührungspunkte der tragen Masse mit dem Stützelement die Größe des vom Stützelement aufgenommenen Kräfteanteils und damit auch die Größe des verbleibenden, auf das Piezoelement wirkenden Anteils. Durch Veränderungen dieser Berührungspunkte, d. h. durch Veränderungen des Stützelementes, kann somit auch die Aufnahmecharakteristik des Beschleunigungsgebers in definierter Weise verändert werden.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungsgeber soll anhand einiger, schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch erfindungsgemäße Beschleunigungsgebermit einer sphärischen trägen Masse und mit verschiedenen Stützelementen, deren keisförmige öffnungen unterschiedliche Durchmesser und einen

a) zylindrischen Rand

b) kegligen Rand

c) abgerundeten Rand

aufweisen;

F i g. 2 a; bis c) die Aufnahmecharakteristik der in den Fig. la bis c dargestellten Beschleunigungsgeber;

F i g. 3 einen Schnitt durch einen Beschleunigungsgeber mit zwei sphärischen Massen;

Fig.4 die Aufnahmecharakteristik des in Fig.3 dargestellten Beschleunigungsgebers;

Fig.5 eine Aufsicht auf einen Beschleunigungsgeber mit einer teils sphärischen, teils kegligen trägen Masse und mit einem Stützelement, welches drei Auflagepunkte aufweist;

F i g. 6 einen Schnitt durch den in F i g. 5 dargstellten Beschleunigungsgeber;

Fig. 7 und 8 ein detailliertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsgebers.

Die in den Fig. la bis Ic dargeteilten Beschleunigungsgeber bestehen aus einer elektrisch leitenden sphärischen Masse 1 mit großer Härte, z. B. einer Stahlkugel, aus einem Piezoelement 2 und einem elektrisch leitenden, die sphärische Masse 1 fixierenden Stützelement 3 mit großer Härte. Das druckempfindliche ebenflächige Piezoelement 2 liegt auf einer ebenen elektrisch leitenden Auflage 4. An dieser Auflage 4 ist über einen isolierkörper 5 das ebenfalls elektrisch leitende Stützelement 3 befestigt. Das Piezoelement 2 besieht aus einem ebenen piezoelektrischen Keramikplättchen oder Kristall 2.1 und einer elektrisch leitendenharten Lag?rscheibe 2.2, auf deren ebene Oberseite die sphärische Masse drückt und der ebene Unterseite auf dem piezoelektrischen Plättchen oder Kristall 2.1 liegt. Der über den piezoelektrischen Kristall oder der piezoelektrische Keramikplättchen Zl hinausragende Rand der Lagerscheibe 2.2 ist nur so weit hochgezogen, daß die sphärische Masse bei zentraler Lage nicht auf diesen drückt, sondern nur so weit, daß bei kleinen Horizontalauslenkungen der sphärischen Masse, bedingt durch die Elastizität der einzelnen Bauteile, höchstens ein paralleles Mitverschieben der Lagerscheibe und des piezoelektrischen Kristalls oder Keramikplättchens erfolgt Das Stützelement 3, welches mit dem Rand 3.1,3.2,33 der kreisförmigen öffnung auf der sphärischen Masse aufliegt, drückt diese auf das Piezoelement 2. Die Auflage 4, der Isolierkörper 5 und das Stützelement 3 sind so ausgebildet, daß auf das Piezoelement 2 ein definierter Vordruck zur Voreinstellung ausgeübt wird.

Eine auf den Massenschwerpunict S der sphärischen Masse einwirkende Kraft K wird entsprechend dem Berührungspunkt 7 der sphärischen Masse mit dem Piezoelement bzw. der Berührungspunkte 3.1, 3.2, 33 zerlegt Die Kraftkomponente Kp i ;t dabei für die piezoelektrische Ladung nach Größe und Vorzeichen ausschlaggebend, welche z. B. mit einem, mit der Auflage 4 und dem Stützelement 3 verbundenen ladun^smeßgerät gemessen werden kann, für die im folgenden angegebenen Aufnahmecharakteristiken gilt ohne Einschränkung der Allgemeinheit die Annahme, daß nur Ladungen des geeigneten Vorzeichens berücksichtigt werden, denn das Piezoelement liefert ja aufgrund seiner mechanischen Vorspannung elektrische Ladung eines gewissen Vorzeichens nicht nur bei Druckzunahme, sondern auch die entgegengesetzte Ladung bei Druckabnahme.

Das Verhältnis der Durchmesser der Öffungen 3.1, 3.2, 33 und der sphärischen Masse 1 bestimmen dabei wesentlich die Empfindlichkeit des Beschleunigungsgebers: Je Größer der aus den Fig. la bis Ic ersichtliche Winkel inst, desto geringer wird die Empfindlichkeit des Beschleunigungsgebers auf seitliche Beschleunigung hin sein.

Die Aufnahmecharakteristik, d. h. das Verhältnis der auf das Piezoelement wirkenden Kraft Kp zur einwirkenden Kraft K der jeweiligen, in den Fig. la bis c gezeigten Beschleunigungsgeber ist in den F i g. 2a bis 2c dargestellt. Bei diesen Beschleunigungsgebern ist die Aufnahmechrakteristik rotationssymmetrisch zu der durch den Massenschwerpunkt 5 und dem Berührungspunkt 7 der sphärischen Masse und des Piezoelements verlaufenden Achse. Wird der Winkel zwischen dieser Achse und der au' den Massenschwerpunkt einwirkenden Kraft K mit ^bezeichnet, so kann die theoretische Aufnahmecharakteristik für die in den Fig. la bis Ic dargestellten Ausführungsbeispiele folgendermaßen angegeben werden:

Una

für

Da die einzelnen Teile des Beschleunigungsgebers nicht ideal starr sind, treten im dynamischen Fall kleine Verschiebungen der Berührungspunkte zwischen der sphärischen Masse 1 und dem Stützelement 3 auf. Durch entsprechende Formgebung der Ränder der öffnungen 3.1, 3.2, 33 kanr somit die Aufnahmecharakteristik zusätzlich beeinflußt werden, so kann z. B. durch einen trichterförmigen Rand 3.2 bzw. 33 eine Änderung der Aufnahmecharakteristik bei zunehmender Krafteinwir-

kung unterdrückt oder durch einen zylindrischen Rand 3.1 bewußt erzeugt werden.

Eine fast exakte Kugelcharakteristik kann mit der in Fig.3 dargetellten Ausführung eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsgebers erreicht werden. Die Aufnahmecharakteristik dazu ist in F i g. 4 dargstellt. Bei dieser Ausführung ist ein Piezoelement 2 zwischen zwei sphärischen Massen l.t und 1.2 eingeklemmt, welche jeweils durch zwei gegenüberliegende Stützelemente 3 gehalten werden. Das Piezoelement besteht bei diesem Ausfuhrungsbeispiel aus einem planen piezoelektrischen Kristall 2.1 und aus zwei, zwischen dem Kristall und den Massen 1.1 und 1.2 angeordneten Lagerscheiben 2.2.

Soll die Aufnahmecharakteristik eines Beschleunigungsgebers nicht wie in den in Fig. I und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen rotationssymmetrisch sein, so kann die träge Masse durch entsprechende Formgebung des Stützelementes, z. B. nur in einzelnen, fest vorgegebenen Punkten abgestützt werden. Ein Stützelement 6 mit drei Auflagepunkten 6.1,6.2,6.3 ist in den Fi g. 5 und 6 dargestellt. Die träge Masse ist bei diesem Ausführungsbeispiel im Bereich des Piezoelementes sphärisch und im Bereich des Stützelementes kreiskegelförmig ausgebildet. Die Aufnahmecharakteristik ließe sich bei diesem Ausführungsbeispiel, ähnlich wie in den vorangegangenen, durch Zerlegung der einwirkenden Kraft in Teilkräfte berechnen, deren Richtung durch die Lage der Auflagepunkte bestimmt wird.

F i g. 7 und F i g. 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel bei dem die dem Piezoelement 2 erteilte definierte mechanische Vorspannung dadurch ausgeübt wird, daß

ίο das hier wiederum mit zylindrischem Rand ausgebildete Stützelement 3 mittels einer Tellerfeder 9 mit einer gegenüber den auf die sphärische Masse 1 erwartungsgemäß auftretenden Trägheitskräften großen Kraft an den Berührungspunkten 3.1 gegen die sphärische Masse gedrückt wird. Der Isolierkörper 5 übernimmt hier also keine Federaufgaben und ist in zwei Teilen 5.1 und 5.2 ausgebildet. Der Teil 5.1 wird durch einen Schraubdekkel 11 in das hier als Auflage 4 ausgebildete Gehäuse gepreßt, während der Teil 5.2 zur Durchführung des elektrischen Anschlußstiftes 10 dient, dessen Spannung gegen das Gehäuse 4 abgenommen werden kann, in welchem Befestigungslöcher 12.1, 12.2 und 12J eingebohrt sind. Der Deckel 11 wird mittels zweier Sacklöcher 13.1 und 13.2 aufgeschraubt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche;

1. Piezoelektrischer Beschleunigungsgeber mit einem Pjezoelement und mindestens einer auf dieses einwirkenden tragen Masse, die mit einer ebenen Räche des Piezoelementes in Berührung steht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umlenkung von auf die träge Masse (1) wirkenden Trägheitskräften in eine zur ebenen Fläche des Piezoelementes (2) senkrechten Richtung mindestens ein, die Masse fixierendes Stützelement (3, 6) vorgesehen ist, welches durch die Lage des bzw. der Berührungspunkte (3.1,3.2,33; 6.1, 6.2, 63) mit der tragen Masse (1) die Richtungsabhängigkeit der Empfindlichkeit des Beschleunigungsgebers bestimmt

2. Beschleunigungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die träge Masse mindestens teilweise sphärisch und/oder kreiskegelförmig ausgebilder ist

3. Beschleunigungsgeber nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwei sphärische und/oder kreiskegelförmige Massen (1.1,1.2), zwischen denen das Piezoelement (2) angeordnet ist

4. Beschleunigungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (2) einen piezoelektrischen Kristall oder ein piezoelektrisches Keramikplättchen (2.1) mit einer der trägen Masse (1) zugewandten ebenen Fläche und eine zwischen dem Kristall oder Keramikpläuchen (2.2) und der Masse (I) angeordnete Lagerscheibe (2.3) mit c'iem über den Kristall oder das Keramikpläuchen hinausragenden, überhöhten Rand aufweist

5. Beschleunigungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (3, 6) eine kreisförmige Öffnung aufweist, deren Durchmesser kleiner als der der tragen Masse (1) ist und daß das Stützelement mit dem Rand (3.1, 3.2, 3J) dieser öffnung auf der tragen Masse aufliegt.

6. Beschleunigungsgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige öffnung des Stützelementes (3) einen zylindrischen (3.1), kegligen (3.2) oder abgerundeten Rand (33) aufweist.

7. Beschleunigungsgeber nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Öffnung des Stützelementes (3) konzentrisch zu der durch den Schwerpunkt (S^der trägen Masse (1) und senkrecht zur ebenen Fläche des Piezoelementes (2) verlaufenden Achse angeordnet ist.

8. Beschleunigungsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Öffnung des Stützelementes exzentrisch zu der durch den Schwerpunkt (S) der trägen Masse (I) und senkrecht zur ebenen Fläche des Piezoelementes (2) verlaufenden Achse angeordnet ist.

9. Beschleunigungsgeber nach einem der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (6) mindestens drei definierte Auflagepunkte (6.1, 6.2,63) aufweist.

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Beschleunigungsgeber mit einem Piezoelement und mindestens einer auf dieses einwirkenden trägen Masse, die mit einer ebenen Fläche des Piezoelementes in Berührung steht

Aus der DE-AS 19 55 040 ist ein piezoelektrischer Beschleunigungsmeßwandler bekannt, dessen piezoelektrisches Element mit einer Seite über ein Auflager mit sphärischer Stützfläche abgestützt ist und iiuf dessen

to vordere Seite eine seismische Masse über eine Zwischenscheibe einwirkt Die Masse wird in einem zylindrischen Gehäuse geführt und überträgt daher nur eine Beschleunigungsrichtung in eindeutiger und reproduzierbarer Weise.

Ein aus der DE-AS 21 32 830 bekannter piezoelektrischer Beschleunigungsgeber soll Beschleunigungen nicht nur in einer bestimmten Richtung, sondern in einem weiten Winkel erfassen. Dazu besitzt das Piezoelement eine sphärische Innenausnehmung, in weiche die ebenfalls sphärische Gestalt gleichen Radius aufweisende träge Masse eingreift Aufgrund der pshärischen Formgebung von Piezoelement und träger Masse soll das von dem Piezoelement abgeleitete elektrische Signal innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereiches weitgehend unabhängig von der Richtung der einwirkenden Beschleunigungskraft sein. Inwieweit die Empfindlichkeit eines derartigen Beschleunigungsgebers winkelunabhängig und vorausbestimmbar ist, hängt wesentlich von den mechanischen Fertigungsgenauigkeiten ab, speziell davon, wie genau die sphärischen Flächen des Piezoelementes und der trägen Masse übereinstimmen.

Piezoelemente mit sphärischen Flächen sind jedochselbst bei geringen Anforderungen an die Genauigkeit schwer herzustellen. Da außerdem eine hundertprozentige Obereinstimmung der sphärischen Flächen des Piezoelementes und der trägen Masse nie zu erreichen ist, wird die sphärische Masse stets nur einen oder mehrere undefinierbare Berührungspunkte mit dem Piezoelement haben, so daß die ge.iaue Winkelabhängigkeit des Beschleunigungsgebers von Gerät zu Gerät verschiedenist und nur durch Messungen bestimmt werden kann.

Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Aufgabe es ist,

einen piezoelektrischen Beschleunigungsgeber mit definierter, vorbestimmbarer Winkelabhängigkeit zu schaffen, der einfach und billiger als der bisher bekannte

Beschleunigungsgeber herzustellen ist

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

daß zur Umlenkung von auf die träge Masse wirkenden Trägheitskräften in eine zur ebenen Fläche des Piezoelementes senkrechten Richtung mindestens ein, uie Masse fixierendes Stützelement vorgesehen ist, welches durch die Lage des bzw. der Berührungspunkte mit der trägen Masse die Richtungsabhängigkeit der

Empfindlichkeit des Beschleunigungsgebers bestimmt.

Eine auf die träge Masse einwirkende, gerichtete

Kraft - z. B. Trägheitskraft - wird durch die

erfindungsgemäße Anordnung des Piezoelementes und des Stützelementes stets in zwei Anteile zerlegt Ein Teil der Kraft ist, vom Schwerpunkt der tragen Masse ausgehend, auf den bzw. die Berührungspunkte der trägen Masse mit dem Piezoelement. der andere Teil auf den bzw. die Berührungspunkte der phärischen Masse mit dem Stützelement gerichtet. Da die gesamte Anordnung starr ist, wird ihre Geometrie im dynamischen Fall, d. h. beispielsweise bei Einwirken von Beschleunigungskräften, nahezu unverändert bleiben, so