DE2724787A1

DE2724787A1 - Kinetischer messfuehler aus polymerem, piezoelektrischem material

Info

Publication number: DE2724787A1
Application number: DE19772724787
Authority: DE
Inventors: Allen L Taylor
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1975-08-08
Filing date: 1977-05-27
Publication date: 1978-12-07
Also published as: GB1567238A; FR2389895A1; US4048526A; FR2389895B1

Description

Kinetischer Meßfühler aus polymerem, piezoelektrischem
Material Die Erfindung betrifft Meßfühler zum Erfassen einer Bewegung und insbesondere Meßfühler, die polymere, piezoelektrische Meßmedien verwenden.
Der erfindungsgemäße Bewegungsmeßfühler verwendet ein oder mehrere sehr flexible, piezoelektrische Meßelemente, die massebelastet sind. Folglich können sich die Meßelemente zur Erzielung hoher Empfindlichkeit um große Beträge biegen, und ein solches Biegen ist auf einen oder mehrere Teile des Meßelements konzentriert, um die Genauigkeit des Meßelementes zu erhöhen und die Verwendung kleiner Elektroden zu gewährleisten.
Der erfindungsgemäße Meßfühler weist ein Gehäuse auf, an dem mindestens ein Meßelement durch Befestigen eines oder mehrerer Enden an der Innenwadung des Gehäuses angebracht ist. Jedes Meßelement weist eine flexible Schicht eines gepolten, piezoelektrischen Materials auf, das entgegengesetste Ladungen auf seinen entgegengesetzten Oberflächen erzeugt, wenn es einer Biegung unterworfen wird. Eine Masse ist mit dem Meßelement verbunden und wirkt als träge Masse, um die Durchbiegung des Meßelementes bei Bewegung des Gehäuses zu erhöhen. Eine solche Durchbiegung tritt in erster Linie an Teile auf, die in Nachbarschaft der Befestigungspunkte des Meßelementes am Gehäuse liegen, und eine flexible, leitende Elektrode ist jeweils auf den gegenüberliegenden Oberflächen der piezoelektrischen Schicht an diesen Teilen gelagert. Die leitenden Elektroden sind mit einer Meßschaltung elektrisch verbunden, die ein Signal erzeugt, das die Bewegung eines Gegenstandes anzeigt, auf dem das Gehäuse angeordnet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Meßelemente in dem Gehäuse angeordnet, das die Meßelemente vor einem ungewollten Biegen schützt, das durch Wind oder andere Elemente bewirkt werden könnte. Die Meßelemente sind nur mit einem Ende am Gehäuse befestigt. Massen sind an den freien Enden der Meßelemente derart gelagert, daß sie ein maximales mechanisches Ubergewicht aufweisen, das eine Durchbiegung der Meßelemente bewirkt. Diese Biegung tritt in erster Linie an dem Teil auf, der in Nähe des am Gehäuse befestigten Endes liegt, und die leitenden Elektroden befinden sich nur an diesem Teil.
Die Meßelemente sind in einer rechtwinkligen Beziehung zueinander angeordnet, um für einen Ausgang im wesentlichen in jeder Richtung zu sorgen, in der das Gehäuse bewegt wird. Die Meßelemente vollführen eine Pendelbewegung, und vorzugsweise ist ein Bandfilter, das auf die Pendelfrequenz abgestimmt ist, in Reihe zwischen den Meßelementen und der elektronischen Meßschaltung des Meßfühlers angeordnet, um letzteren vor schädlieilen Signalen zu isolieren.
Bei einer modifizierten Ausführungsform ist ein einziges, trommelartiges Meßelement an jeder Seite an dem Gehäuse befestigt und von einer Masse belastet, die im wesentlichen in arr Mitte zwischen den befestigten Seiten des Meßelementes gelagert ist. Die leitenden Elektroden sind wiederum an den Teilen in Nähe der Seiten am Gehäuse befestigt. Ein derartiger Aufbau sorgt für einen beständigeren Meßfühler, als bei der ersten Ausführungsform für Anwendungen, bei denen der Meßfühler einer starken Bewegung unterworfen wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Zeichnungen: In letzteren sind: Fig.1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei Teile der Seitenwandungen eines Gehäuses weggeschnitten gezeigt sind, um zwei Meßelemente und die im Gehäuse angeordnete Meßschaltung sichtbar zu machen, Fig.2 eine bruchstückartige Seitenansicht eines Meßelementes nach Fig.1 in der Vergrößerung, Fig.3 ein Blockschaltbild einer elektronischen Meßschaltung, die an die Meßelemente der Fig.1 angeschlossen ist, Fig,4 ein Blockschaltbild, das die Verwendung eines Bandfilters mit der Meßschaltung der Fig.3 darstellt, und Fig.5 eine perspektivische Ansicht einer modifizierten Ausführungsform der in Fig.1 dargestellten Ausführungsform.
Fig.1 zeigt einen Bewegungsmeßfühler 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der in winzigen Größen herstellbar ist, so daß er an einer Vielzahl von Gegenständen befestigt oder gelagert werden kann, wie z.B. an Fahrräder, Skiern, Fahrzeugen und dgl., um eine Bewegung dieser Gegenstände anzuzeigen.
Der Meßfühler 10 weist ein Gehäuse 12 mit einer Bodenwandung 13, einer oberen Wand 14, Seitenwandungen 15 und Befestigungsschellen 16 und 17 auf. Im Gehäuse 12 sind zwei sehr flexible Meßelemente 18 und 19 angeordnet, die entsprechend mit einem Ende an den Befestigungsschellen 16 und 17 angebracht und vorzugsweise senkrecht zu einander ausgerichtet sind.
Die Meßelemente 18 und 19 sind männlichaufgebaut und, wie das in Fig, 2 dargestellte Meßelement 18 zeigt, weist jedes Meßelement 18 und 19 eine dünne, flexible Schicht 20 eines gepolten, polymeren, piezoelektrischen Materials auf, das elektrostatische Ladungen entgegengesetzter Polarität auf gegenüberliegenden, breiten Oberflächen bei Biegung bildet. Die Schicht 20 ist mit einem flexiblen, leitenden Material nur auf den Teilen der gegenüberliegenden, breiten Oberflächen dampfmäßig beschichtet, die in Nähe des am Befestigungsarm angebrachten Endes liegen, um leitenden Elektroden 21 und 22 auf der Schicht 20 zu bilden. Die Schicht 20 wird vorzugsweise von einem Polyvinylidenfluorid gebildet und das leitende Material ist Aluminium, Nickel, Kupfer oder dgl. Wie aus Fig.1 hervorgeht, ist eine kleine Masse 23 auf jedem Meßelement 18 und 19 gelagert und schwer genug, um als träge Masse zu wirken.
Die Nasse 23 ist vorzugsweise am äußeren freien Enden des Meßelementes 18 und 19 derart gelagert, daß die Masse 23 das größte mechanische Ubergewicht aufweist, um die Meßelemente zu beanspruchen. Wenn der Meßfühler 1obewegt wird, bewirkt die träge Masse 23 ein Biegen des Meßelementes 18, was eine Pendel bewegung des letzteren bei einer natürlichen Pendelfrequenz zur Folge hat. Da die piezoelektrische Schicht 20 sehr flexibel ist, kann die Masse 23 über zahlreiche Strecken bewegt werden, um für eine Empfindlichkeit des Meßfühlers zu sorgen. Im wesentlichen tritt die gesamte Biegung der piezoelektrischen Schicht 20, die aus dieser Bewegung resultiert, in dem Teil der Schicht 20 auf, der sich in Nähe des am Gehäuse befestigten Endes befindet. Durch Konzentrierung der Biegung auf einen Teil der Schicht 20 wird die piezoelektrische Ladungsdichte in diesem Teil hoch gestaltet. Hierdurch wird für stärkere elektrische Signale gesorgt und die Verwendung kleiner Elektroden weisen eine geringe elektrische Kapazität auf, was eine höhere Ausgangsspannung zur Folge hat.
Vorzugsweise werden mindestens zwei Meßelemente 18 und 19 in dem Meßfühler 10 verwendet, um für ein äußeres zuverlässiges und genaues Messen zu sorgen. Dies kann durch Umdrehen des Gehäuses 12 derart ausgeführt werden, daß die Bodenwand 13 an die Stelle der oberen Wand 14 kommt, und die Meßelemente 18 und 19 dann beide eine Pendelbewegung ausführen können. Der Hauptgrund dafür, daß die beiden Meßelemente 18 und 19 für einen besseren Betrieb als nur ein Meßelement sorgen, liegt darin, daß die Meßelemente 18 und 19 empfindlicher auf eine Bewegung quer zu ihren planen Oberflächen ansprechen. Durch die Verwendung der beiden Meßelemente 18 und 19, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind, kann eine Bewegung in jeder Richtung erfaßt werden, und die Messung wird gleichmäßiger.
Ein einziges Meßelement kann bei Betriebsweisen verwendet werden, die eine geringere Zuverlässigkeit und Genauigkeit zulassen. Wird jedoch nur ein Meßelement in dem t'ießfühler 10 verwendet, so ist die Empfindlichkeit des Meßfühlers in einer Richtung, die nicht quer zu den planen Oberflächen des Meßelementes verläuft, nicht so groß, wie die Empfindlichkeit in Richtung quer zum Meßelement.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist eine Meßschaltung 24 vorzugsweise zu den leitenden Elektroden 21 und 22 der Meßelemente 18 und 19 parallel geschaltet. Die Meßschaltung 24 kann eine Vielfalt genormter Komponenten zur Erfassung elektrischer Signale, die von elektrostatischer Ladungen auf den Leitenden Elektroden 21 und 22 resultieren, sowie zur Erzeugung eines Nachweissignals in Abhängigkeit von solchen Ladungen aufweisen.
Die Meßschaltung 24 weist vorzugsweise eine Summierschaltung 25, der elektrostatische Ladungen von den Elektroden 21 und 22 zugefiihrt werden, eine Schwellenwertschaltung 26 und einen Signalgeber 27 auf, der mit dem Ausgang der Schwellenwertschaltung 26 verbunden ist. Die Summierschaltung25 summiert die Größen der von den Elektroden 21 und 22 erzeugten elektrischen Signale. Der summierte Ausgang der Summierschaltung 25 wird dann der Schwellenwertschaltung 26 eingegeben, die variabel einstellbar ist, um den Ausgang des Signalgebers 27 bei Erreichen eines gewünschten Pegels des Eingangs von den leitenden Ki:ektrcden21 und 22 zu erzeugen, damit die Eipfindlichkeit des Meßfühlers 10 leicht regelbar ist.
Die Meßelemente 18 und 19 sind sehr flexibel und sorgen für eine Pendelbewegung in reaktion auf eine geringe Bewegung des Meßfühlers 1o, der entsprechend empfindlicher gestaltet werden kann. Die Verwendung der chwellenwertschaltung 26 erweist sich als besonders vorteilhaft, da sie dafür sorgt, daß die Empfindlichkeit des Meßfühler 10 auf verhältnismäßig niedrige Pegel verringert wird. Die Verwendung der Summierschaltung 25 ist nicht erfindungswesentlich, macht es jedoch wünschenswert, daß die meßelemente 18 und 19 so ausgelegt sind, daß sie unterschiedliche natürliche Pendel frequenzen aufweisen. Hierdurch soll die Möglichkeit vermieden werden, daß sich die Meßelemente 18 und 19 außer Phase derart bewegen, daß sich ihre elektrostatischen Ausgänge aufheben. Um die Zuverlässigkeit des Meßfühlers 10 zu verbessern, kann vorzugsweise ein Bandfilter 30 in der lileßschaltung 24 verwendet werden, um die Summierschaltun von den leitenden Schichten 21 und 22 zu isolieren, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Das Bandfilter 30 sollte auf die natürliche Pendel frequenz der Meßelemente 18 und 19 abgestimmt sein, um schädliche Signale zu filtern.
Bei der in Fig. 5 gezeigten modifizierten Ausführungsform der Erfindung weist der Meßfühler 31 ein Gehäuse 12 und eine ähnliche elektronische Schaltung 24 auf, wie sie beim Meßfühler 1o verwendet wird. Der Meßfühler 31 unterscheidet sich jedoch von dem Meßfühler 10 dadurch, daß ein trommelfellartiges, einziges Meßelement 32 vorgesehen ist, daß mit seinem gesamten Umfang an den Seitenwandungen 15 des Gehäuses 12 befestigt ist. Entsprechend den Meßelementen 18 und 19 wird das Meßelement 32 von einer einzigen Schicht eines flexiblen, piezoelektrischen Materials 33 gebildet.
Flexible, leitende Elektroden 34 und 35 sind nur auf den Teilen der Schicht 33 aufgebracht, die in Nähe der mit den Seitenwandungen 15 befestigten Kanten liegen, wo im wesentlichen eine Biegung auftritt. Eine kleine Masse 36 ist vorzugsweise in Nähe des Mittelpunktes des Meßelementes 32 angebracht, um seine Bewegung ähnlich wie bei der Verwendung der Masse 23 bei den Meßelementen 18 und 19 zu verstärken. Das Meßelement 32 weist eine solche ausreichende Länge auf, daß es nicht straff zwischen Seitenwandungen 15 des Gehäuses 12 gestreckt wird, sondern es hängt stattdessen beträchtlich durch, Damit sich das Meßelement 31 ansprechend auf die Bewegung in alle Richtungen bewegen wird.
Weil alle Kanten des Meßelementes 42 an den Seitenwänden 15 des Gehäuses 12 befestigt sind, kann der Meßfühler 31 auch in solchen Situationen verwendet werden, in denen er einer starken Bewegung ausgesetzt ist. Die Verwendung eines Meßfühlers 32, der keinerlei freie Kanten aufweist, schaltet die Möglichkeit aus, daß das Meßelement 32 so stark bewegt wird, daß es eine dauernde Beschädigung erfährt.Die modifizierte Ausführungsform der Erfindung sorgt somit für eine beständige, einfache Einrichtung zum Anzeigen der Bewegung eines Körpers, auf dem der Meßfühler angeordnet ist. Die Verwendung einer trommelfellartigen Schicht 33 ist bei dieser Ausführungsform nicht kritisch und anstelle der Schicht 33 kann ein schmaler Streifen piezoelektrischen Materials verwendet werden, der lediglich mit zwei gegenüberliegenden Enden an gegenüberliegenden Seitenwänden 15 des Gehäuses 12 zu befestigen ist.

Claims

Patentansprüche Meßfühler zur Erfassung einer Bewegung mit einem Gehäuse und einem im Gehäuse angeordneten, ein gepoltes, polymeres, piezoelektrisches Material aufweidenden Meßelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement mit einem oder mehreren Enden an der Innenwandung des Gehäuses befestigt ist und eine flexible Schicht eines gepolten, polymeren, piezoelektrischen Materials aufweist, das elektrostatische Ladungen entgegengesetzter Polarität auf entgegengesetzter Oberflächen bei Biegung erzeugt sowie eine flexible, leitende Elektrode lediglich auf den Teilen jeder Oberfläche der piezoelektrischen Schicht trägt, die in Nähe eines oder mehrerer Enden liegen, daß eine Masse mit dem Meßelement in der Weise verbunden ist, daß sie als träge Masse wirkt und eine Biegung des Meßelementes in Abhängigkeit von der Bewegung des Meßfühlers bewirkt, und daß eine Meßschaltung an die leitenden Elektroden geschaltet ist, die jeweils auf den Oberflächen der piezoelektrischen Schicht gelagert sind, wobei die elektrostatische Ladung erfaßt und ein Signa erzeugt wird, das die Bewegung des Meßfühlers anzeigt.
2.Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement nur an einem Ende mit dem Gehäuse verbunden ist, daß die leitenden Elektrode nur auf den Teilen jeder Oberfläche der piezoelektrischen Schicht gelagert ist, die sich in Nähe dieses Endes befinden, und das die Masse in Nähe des freien rundes des Meßelementes gelagert ist, um eine Pendelbewegung des Meßelementes in Abhängigkeit von der Bewegung des Meßfühlers zu erzeugen.
3. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eßschaltung ein Bandfilter aufweist, das auf die natürliche Pendelfrequenz des Meßelementes und der Masse abgestimmt ist.
4. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement mindestens mit zwei gegenüberliegenden Enden am Gehäuse befestigt ist, und daß die Nässe zwischen den befestigten Enden gelagert ist.
5. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Meßelemente in rechtwinkliger Beziehung zueinander angeordnet sind.
6. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Schicht aus Polyvinylidenfluorid gebildet ist.