DE3114352C2 - Sensor mit einem durch Krafteinwirkung auslenkbaren piezokeramischen Plättchen - Google Patents

Abstract

Bei dem Sensor ist auf ein Piezokeramikplättchen ein ferromagnetischer Körper befestigt, der die bei magnetischer Wechselwirkung mit einem zu ortenden ferromagnetischen Körper auftretenden Kräfte auf das Plättchen überträgt und dadurch an dessen Elektroden piezoelektrische Spannungen hervorruft. Der Sensor zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit auch bei langsamen Flußänderungen aus.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor mit einem durch Krafteinwirkung auslenkbaren pie zoelektrischen Plättchen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter Sensor wird hierbei ein Meßwertumformer verstanden, der eine gemessene physikalische Größe in eine elektrische Größe umwandelt

Ein Sensor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist bekannt aus der DE-OS 27 26 312. Das piezoelektrische Plättchen ist dort auf einer nichtferromagnetischen Membran aufgebracht. Zu beiden Seiten der Membran ist je ein Permanentmagnet vorgesehen, so daß das piezoelektrische Plättchen dem Magnetfluß derselben ausgesetzt ist und auf eine Veränderung des Magnetfeldes anspricht, wenn die beiden Magnete sich nähern oder entfernen. Dabei wird der Halleffekt des Plättchens ausgenutzt und dessen ausgegebenes Signal über einen Verstärker verstärkt. Das Hallelement kann auch noch mit einem piezoresistiven Material kombiniert sein, so daß der Sensor sowohl auf Annäherung als auch auf Druck anspricht. Der Druck wirkt dabei auf die Membran ein.

Weiterhin ist es aus der DE-OS 19 08 835 bekannt, zur Feststeilung der Drehbewegung eines Drehkörpers an diesem einen Permanentmagneten anzubringen. In geringem Abstand dazu ist ein Halbleilerelement vorgesehen, dessen innerer Widerstand sich bei Anlegen einer Druckspannung ändert. Zur Erzeugung dieser Druckspannung ist auf der dem Permanentmagneten abgewandten Seite des Halbleiters ein ferromagnetischer Körper, z. B. Eisen, befestigt Auch hier geht also der Magnetfluß durch den Meßfühler, nämlich das Halbleiterelement

Mit der vorliegenden Erfindung soli die Aufgabe gelöst werden, einen möglichst störunanfälligen Sensor zu schaffen, der zugleich sehr empfindlich ist so daß größere Luftspalte zwischen Sensor und Meßobjekt möglich ίο sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Durch die Verwendung eines auslenkbaren piezoelektrischen Plättchens erhält man auch bei kleinen Ausler.kungen b-reits relativ hohe Ausgangsspannungen, die relativ einfach verstärkt werden können. Die Empfindlichkeit kann durch die Wahl der Dicke des Plättchens in einfacher Weise beeinfluß werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, den mit dem Plättchen verbundenen permanentmagnetischen oder nichtmagnetisierten hartmagnetiäcnen oder weichmagnciischcn Körper auf der dem Gegenpol, also dem weich- bzw. beispielsweise permanentmagnetischen Werkstoff zugewandten Seite anzuordnen. Hierdurch wird die wirksame Feldlinienlänge verkürzt, da die Feldlinien nicht mehr einen Halbleiter oder piezoresistiven oder piezoelektrischen Körper durchfluten müsstn und ggf. von diesem noch abgelenkt werden. Insbesondere mit dieser Anordnung erhält man eine höhere Empfindlichkeit oder man kann bei gleicher Empfindlichkeit den Luftspalt vergrößern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung soll nun mit Hilfe der in den Figuren dargestellten Beispiele ausführlich beschrieben werden. Es zeigt dabei

F i g. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor in auseinandergezogener Darstellung;

F i g. 2 einen ebensolchen durch eine Variante des Aufbaues;

F i g. 3 einen Schnitt eines in ein Gehäuse eingebauten Sensors nach Fig. 2;

F i g. 4 eine Skizze für den Einsatz eines Sensors nach F i g. 3 für die Bestimmung einer Wellendrehzahl.

In Fig. 1 ist mit 1 ein piezokerar.iisches Plättchen bezeichnet, auf dessen beiden Deckflächen Elektroden 2 und 3 z. B. durch Aufdampfen eines metallischen Belages aufgebracht sind. Ein ferromagnetischer Körper 4 ist kraftschlüssig mit dem Plättchen 1 verbunden, so daß auf diesen Körper 4 einwirkende Kräfte auf das Plättchen 1 übertragen werden, diesen reversibel verformen und so piezoelektrische Spannungen zwischen den Elektroden 2 und 3 verursachen. Der ferromagnetische Körper 4 kann entsprechend dem vorgesehenen Einsatz des Sensors aus weichmagnetischem oder aufmagnetisiertem hartmagnetischem bestehen, im letzten Fall also ein Permanentmagnet sein. Ist das mit 5 bezeichnete und durch den Sensor zu ermittelnde ferromagnetische Material ein weichmagnetischer oder ein nichtaufmagnetisierter hartmagnetischer Werkstoff, so wird man für 4 einen Permanentmagneten einsetzen, der bei Vorbeiführen am Material 5 angezogen wird. Besteht das Material 5 aus einem aufmagnetisiertem hartmagnetischen Werkstoff, ist dieses also selbst ein Permanentmagnet, so wird der Körper 4 aus einem weichmagnetih5 schem Material hergestellt. Wählt man auch in diesem Falle für 4 einen Permanentmagneten, so erhält man abhängig von der magnetischen Polarität des dem Körper 4 gegenüberstehenden Teils des Materials 5 Span-

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iungen unterschiedlicher Polarität zwischen den Elek- seinen Anschlüssen ein Impuls abgegeben, so daß sich roden 2 und 3. Wenn dieses in Kauf genommen werden die Wellendrehzahl aus der Anzahl der Impulse pro Micann, läßt sich der ferromagnetische Körper 4 stets a!s nute dividiert durch die Anzahl der Zähne 9 des Zahnra-Permanentmagnet ausbilden. Das piezokeramische des 11 ergibt

Plättchen 1 muß dabei an Fixpunkten, z. B. an seinen 5 Zur Auswertung dieser Impulse gibt es eine Reihe Rändern ortsfest eingepannt sein während die vom Kör- von an sich bekannten Möglichkeiten. So kann durch sie per 4 übertragene Kraft zweckmäßig auf die Plättchen- ein monostabiler Multivibrator dynamisch gesteuert mitte einwirkt werden, dessen Ausgangssignale einen Integrationskon-

In F i g. 2 ist ein Sensor dargestellt, der von dem in densator aufladen, dessen Ladespannung von einem in Fig. 1 gezeigten dadurch abweicht,daß zwischen ferro- ίο Drehzahlen geeichten Meßinstrument angezeigt wird, magnetischem Körper 4 und Elektrode 2 des piezokera- Es können aber auch die in einer Minute anfallenden mischen Plättchens 1 eine Membran 6 zwischengelegt Impulse in einem elektronischen Zähler gezählt und dieist Diese Membran besteht vorzugsweise aus einem ser Wert durch die Zahnzahl des Zahnrades 11 dividiert leitenden, elastischen und für Membranen geeigneten und das Ergebnis digital angezeigt werden. Ersparen metallischen Werkstoff, auf der Plättchen 1 mit Elektro- 15 kann man sich den Divisionsvorgang indem man als de 2 auf der einen Seite und der ferromagnetische Kör- Zählzeit nicht eine Minute sondern nur den der Zahnper 4 auf der gegenüberliegenden Seite durch Löten zahl entsprechenden Teil einer Minute wählt Bei einem oder Kleben befestigt sind. Im Falle des Klebens muß sehr stark durch magnetische und elektrische Störungen sichergestellt werden, daß ein Anschluß für die Elektro- beeinflußten Einsatzort können die piezoelektrischen de 2 herausgeführt wird, was z. B. durch Einsatz eines 20 Impulse nach Verstärkung in einem im Gehäuse 8 mit-Leitklebers geschehen kann. Die Membran kann aber eingebauten Operationsverstärker de, gleich mittels auch aus einem Isoliermaterial bestehen, auf d&i an der einer Licht emittierenden Diode in Uchiiniouise umgeder Elektrode 2 zugekehrten Seite ein leitender Belag wandelt und über eine Glasfaserleitung der Auswerteinaufgebracht ist durch den dann die Kontaktierung der richtung zugeführt werden. Durch diese Maßnahme Elektrode 2 erfolgt Zweckmäßigerweise überragt die 25 wird nicht nur eine 100% Potentialtrennung zwischen Membran 6 das Plättchen 1 an seinen Rändern 7, so daß Sensor ui.J Auswerteeinrichtung erreicht sondern es ein so aufgebauter Sensor an diesen Membranrändern werden auch alle elektrischen und/oder magnetischen in einer Halterung eingespannt werden kann und so die Einflüsse auf die Übertragungsstrecke ausgeschaltet benötigten Fixpunkte für das Plättchen geschaffen wer- Außer dem Einsatz des erfindungsgemäßen Sensors

den. 30 zur Drehzahlmessung sind noch viele andere Einsatz-

F i g. 3 zeigt nun einen Schnitt durch einen in ein Ge- möglichkeiten gegeben. So können mit diesem Sensor häuse 8 eingebauten Sensor nach F i g. 2. Besteht das ferromagnetische Geldstücke, z. B. 10 oder 5 Pfennig-Gehäuse aus einem metallischen Rohr, so kann die stücke dadurch gezählt werden, daß man sie in einer Membran 6 in einer Nut am Gehäuserande eingebör- schräggestellten U-Rinne hintereinander herunterrollen delt, eingelötet oder eingeklebt werden. Am anderen 35 läßt Der Sensor wird unter der Rinne so angeordnet, Rohrrande können Anschlußeinrichtungen für den Sen- daß ein Impuls abgegeben wird, wenn das Geldstück ihn sor eingesetzt sein, wobei der Anschluß für die Elektro· passiert. Infolge der Kreisform der Geldstücke wird de 3 durch Anlöten eines Drahtes an den Belag herge- zwischen den Geldstücken der Abstand zum ferromastellt ist, der dann mit dem Anschluß der Anschlußein- gnetischen Körper 4, in diesem Falle ein PermanerUmarichtung verLanden ist Entsprechend kann die Mem- 40 gnet so groß, daß der Sensor kein Signal mehr abgibt bran 6 auch in eine Nut eines Kunststoffgehäuses einge- Auf Hie gleiche Weise können auch Stahlkugeln für Kusetzt und dort eingeklebt oder thermoplastisch einge- gellager gezählt werden.

bördelt sein. Es muß jetzt allerdings am Membranrand

ein Anschlußdraht für die Elektrode 2 angelötet und mit Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

dem zugehörigen Anschluß der Anschlußeinrichtung 45

verbunden werden. Ein Sensor nach -Fig. 1 und ein solcher nach Fig.2, bei dem die Membran 6 nicht das Plättchen 1 überragt kann durch Aufkleben bzw. Auflöten der Elektrode 3 auf die eine Stirnfläche eines Rohrstücks aus Metall oder Kunststoff gehaltert werden. Die so Elektrode 2 und bei Kunststoffrohr auch die Elektrode 3 wird durch angelötete Anschlußdrähte kontaktiert Diese Halterungsart ist nicht in einer Figur dargestellt

F i g. 4 zeigt nun ein mögliches Anwendungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Sensor und zwar seinen 55 Einsatz bei einem Drehzahlmesser. Auf einer Welle 1Ö, deren Drehzahl bestimmt werden soll, ist ein Zahnrad 11 angebracht. Der Sensor ist nun so montiert, daß bei sich drehender Welle 10 die Zahnräder 9 des Zahnrades 11 an dem ferromagnetischen Körper 4 des Sensors 60 vorbeigeführt werden. Hierbei kann zwischen den Zahnköpfen und der Oberkante des ferromagnetischen Körpers ein Luftspalt von I bis 3 mm auftreten, ohne daß die vom Sensor abgegebenen Impulse nicht noch beträchtliche Amplituden aufweisen. So wurden an Er- 65 probungsmustern bei 3 mm Luftspalt noch Amplituden von etwa 6 V gemessen. Wenn ein Zahnknopf den ferromaenetischen Körper 4 des Sensors passiert, wird von

Claims (5)

Patentansprache:

1. Sensor mit einem durch Krafteinwirkung auslenkbaren piezoelektrischen Plättchen und mit einem ferromagnetischen Körper, der zur Detektion eines weichmagnetischen oder nichtmagnetisierten hartmagnetischen Materials aus magnetisiertem hartmagnetischem Werkstoff und zur Detektion eines magnetisierten hartmagnetischen Materials aus weichmagnetischem oder magnetisiertem hartmagnetischem Werkstoff besteht, wobei das piezoelektrische Plättchen zur Umformung der relativen Vorbeibewegung oder Annäherung bzw. Entfernung von weich- oder magnetisiertem hartmagnetischem Material an dem bzw. zu oder von dem ferromagnetischen Körper ein elektrisches Signal abgibt, d a durch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper (4) unmittelbar oder mittelbar mit dem piezoelektrischen Plättchen (1) verbunden und mit diesem ausienkbar ist

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper (4) unter Zwischenlage einer Membran (6) mit dem piezokeramischen Plättchen (1) verbunden ist

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (6) aus einem leitenden metallischen Werkstoff besteht und daß mit ihr die ihr zugekehrte Elektrode (2) verlötet ist

4. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (6) an ihren Rändern (7) das piezokeramische Plättchen (1) überragt

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder (7) der Me-nbran (6) mit dem Gehäuse (8) des Sensors formschlüssig verbunden sind.