DE3150143A1

DE3150143A1 - Sensor composed of a piezoelectric material

Info

Publication number: DE3150143A1
Application number: DE19813150143
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr.Rer.Nat. 6000 Frankfurt Voigt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1981-12-18
Filing date: 1981-12-18
Publication date: 1983-07-14
Also published as: DE3150143C2

Abstract

In known piezoelectric sensors for measuring tensile and compressive forces etc., the forces involved are transmitted to the sensor element by mechanical contact. The invention proposes a piezoelectric sensor which measures forces or displacements without contact; this is achieved by connecting to the piezoelectric body magnetically soft or hard layers which are acted on without contact by magnetic tensile or compressive forces. <IMAGE>

Description

Sensor, bestehend aus einem piezoelektrischen WerkstoffSensor consisting of a piezoelectric material

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruclls 1.The invention relates to a sensor according to the preamble of Claims 1.

Stand der Technik Bei bekannten piezoelektrischen Bauelementen zur Erfassung von Zug- und Druclckräften, Biegebeanspruchungen oder Drehmomenten (C. Rohrbach, Handbuch für elektr.PRIOR ART In known piezoelectric components for Recording of tensile and compressive forces, bending loads or torques (C. Rohrbach, manual for electr.

Messen mechanischer Größen, VDI-Verlag, Düsseldorf 1967, S. 211-220) werden die betreffenden Kräfte durch mechanischen Kontakt, d. h. nicht berührurigslos, auf den piezoelektrisch wirksamen Körper übertragen. In gleicher Weise wird der Druck in Flüssigkeiten oder Gasen piezoelektrisch gemessen.Measuring mechanical quantities, VDI-Verlag, Düsseldorf 1967, pp. 211-220) the forces concerned are generated by mechanical contact, i.e. H. not touchless, transferred to the piezoelectrically effective body. In the same way, the Pressure in liquids or gases measured piezoelectrically.

Zur berührungslosen Messung von Verschiebungen, Kräften und Drehmomenten unter Zuhilfenahme magnetischer Felder sind Sensoren bekannt, bei denen die feldabhängige Induktionsänderung in einer oder mehreren Spulen, ferner magnetostriktive Effekte in ferromagnetischen Körpern sowie der Hall-Effekt in Halbleitern ausgenutzt werden (R. Boll, L. Borek 'Magnetic Sensors of New Materials', Siemens Forsch.- u. Entwickl.-Ber. 10 (1981) 2, 83/90).For non-contact measurement of displacements, forces and torques with the aid of magnetic fields, sensors are known in which the field-dependent Induction change in one or more coils, furthermore magnetostrictive effects in ferromagnetic bodies and the Hall effect in semiconductors (R. Boll, L. Borek 'Magnetic Sensors of New Materials', Siemens Research and Development Ber. 10 (1981) 2, 83/90).

Sensoren dieser Art sind passive Bauelemente, d. h. sie benötigen zur Gewinnung des gewünschten Meßwertsignals eine geeignete elektrische Spannungsquelle und elektronische Zusatzeinrichtungen. Ein aktives Element ist der sog. Wiegand-Sensor (R. Boll, L. Borek, o.g.Lit., S.88) der die spontane Ummagnetisierung eines ferromagnet#-schen Drahtes mit hartmagnetischer Schale und weichmag netischem Kern durch ein äußeres Magnetfeld ausnutzt.Sensors of this type are passive components; H. you need a suitable electrical voltage source to obtain the desired measured value signal and electronic accessories. The so-called Wiegand sensor is an active element (R. Boll, L. Borek, o.g.Lit., P.88) that the spontaneous magnetic reversal of a ferromagnet # -schen Wire with a hard magnetic shell and a soft magnetic core through an outer one Uses magnetic field.

Dabei erzeugt # die schl<#gartige Änderung des magnetischen Flusses in einem ~großen Barkllausen-Sprung' in einer elektrischen Wicklung von etwa 1000 Windungen, in der der Wiegand-Draht angeordnet ist, einen Spanrn#ngsimpuls.In doing so, # creates the sudden change in the magnetic flux in a 'big barbell jump' in one electrical winding of about 1000 turns, in which the Wiegand wire is arranged, a tension pulse.

Dieser wird zum Beispiel zur Steuerung des Zündzeitpunktes in Kraftfahrzeugmotoren herangezogen, dergestalt, daß ein Dauermagnet an dem Wiegand-Sensor vorbeigeführt wird und den F'lußsprung in einer bestimmten Position auslöst. Ein zweiter Magnet wird benötigt, um den Sensor durch Umpolung magnetisch für den folgenden Nutzimpuis vorzubereiten. Ein derartiger Sensor hat zwar den Vorteil, daß er bohne elektrische Ililfsenergie unmittelbar ein Spannungssignal liefert Zum Betrieb eines Wiegand-Sensors sind jedoch zwei unterschiedlich gepolte Magneten anordnungen notwendig, und die Abmessungen des gesamten Sensorsystems sind für zahlreiche Anwendungsfälle, bei spielsweise bei der Erfassung der Rotorposition in elektronisch konmutiert en Kleinmotoren, prohibitiv groß.This is used, for example, to control the ignition point in motor vehicle engines used in such a way that a permanent magnet is moved past the Wiegand sensor and triggers the flow jump in a certain position. Another magnet is required to magnetically reverse the sensor for the following useful pulse prepare. Such a sensor has the advantage that it is not electrical Auxiliary energy directly supplies a voltage signal To operate a Wiegand sensor However, two differently polarized magnet arrangements are necessary, and the Dimensions of the entire sensor system are for numerous applications For example, when recording the rotor position in electronically confused small motors, prohibitively large.

Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen aktiven Sensor zu schaffen, der berührungslos Verschiebungen oder Kräfte erfaßt und mit einem geringen technischen Au#fwand unmittelbar eine von der zu erfassenden Größe abhängige elektrische Spannung liefert.The object of the invention is to provide an active sensor to create, which detects displacements or forces without contact and with a small amount technical effort, an electrical one that is directly dependent on the variable to be recorded Voltage supplies.

Lösung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebene Maßnahme gelöst.Solution According to the invention, this object is achieved by the characteristics of claim 1 specified measure solved.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Appropriate further developments of the invention are set out in the subclaims refer to.

Vorteile Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Sensor betriebsmäßig keine Versorgung mit elektrischer Elilfsenergie benötigt, um ein Meß- oder Anzeigesignal zu liefern.Advantages One advantage of the invention is that the sensor is operational no supply of electrical Elilfsenergie required for a measurement or display signal to deliver.

Ein weiterer Vorteil ist der extrem einfache Aufbau des Sensors, der gegenüber anderen magnetischen Sensoren zu besonders kleinen Abmessungen und einem niedrigen technischen Aufwand führt.Another advantage is the extremely simple construction of the sensor, the compared to other magnetic sensors to particularly small dimensions and one low technical effort.

Ferner besteht ein Vorteil darin, daß der Sensor im Unterschied zu einem Wiegand-Sensor nicht nur sehr kurze Spannungs-Impulse, sondern auch langzeitige bleß- oder Mizeigesignale liefert.Another advantage is that the sensor differs from a Wiegand sensor not only has very short voltage pulses, but also long-term ones delivers pale or mismatched signals.

Darstellung der Erfindung Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 zwei magnetische Sensoren mit piezoelektrischem Längswandler, Fig. 2 zwei magnetische Sensoren mit piezoelektrischem Querwandler, Fig. 3 zwei magnetische Sensoren mit piezoelektrischem Biegewandler, Fig. 4 eine berührungslose Anregung eines Sensors nach Fig. 1, Fig. 5 eine berührungslose Anregung eines Sensors nach Fig. 3, Fig. 6 einen Sensor nach Fig. 1 und einen Sensor nach Fig. 2 mit je einem integierten Dauermagneten, Fig. 7 einen Sensor nach Fig. 3 mit einem integrierten Dauermagnet en, Fig. 8 eine berührungslose Anregung eines Sensors nach Fig. 6, Fig 9 eine berührungslosc Anregung eines Sensors nach Fig. 7, Fig 10 einen Sensor nach Fig. 1 mit Schaltung zur Erzeugung von Spannungsimpulsen.DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention is illustrated below with reference to FIG in the drawing schematically illustrated embodiments explained in more detail. 1 shows two magnetic sensors with a piezoelectric longitudinal transducer, FIG. 2 two magnetic sensors with piezoelectric transverse transducers, FIG. 3 two magnetic sensors Sensors with piezoelectric bending transducers, FIG. 4, a contactless excitation a sensor according to FIG. 1, FIG. 5 a contactless excitation of a sensor according to 3, 6 show a sensor according to FIG. 1 and a sensor according to FIG. 2, each with one integrated permanent magnet, FIG. 7 shows a sensor according to FIG. 3 with an integrated one Permanent magnets, FIG. 8 a contactless excitation of a sensor according to FIG. 6, Fig 9 shows a contactless excitation of a sensor according to FIG. 7, FIG. 10 shows a sensor according to FIG Fig. 1 with a circuit for generating voltage pulses.

Die Fig. ia zeigt einen Sensor mit einer weichmagnetischen oder hnrtmagnetlschen Schicht d, die auf einer zu der x,y-Ebene des mit eingezeichneten rechtwinkligen Koordinatellsystetns parallelen fläche eines piezoelektrischen Längswandlers 2 angeordnet ist. An den Elektroden 3, 4 wird die elektrische Spannung abgenommen, die entsteht, wenn}6ie Schicht 1 durch ein, in der Zeichnung nicht dargestelltes Magnetfeld eine Druckkraft 5 oder Zugkraft 6 ausgeübt wird. Die Fig. lb zeigt einen Sensor wie Fig. la, mit zwei magnetisch wirksamen Schichten 1 und 7. In Fig. ia und lb ist außerdem eine mechanische Halterung 8 schematisch dargestellt, auf der der Sensor befestigt ist.Fig. Ia shows a sensor with a soft magnetic or hnrtmagnetlschen Layer d, which is on a right-angled to the x, y-plane of the Coordinate system parallel surface of a piezoelectric longitudinal transducer 2 is arranged is. The electrical voltage is picked up at the electrodes 3, 4, which is generated if} 6 the layer 1 by a magnetic field not shown in the drawing Pressure force 5 or tensile force 6 is exerted. Fig. Lb shows a sensor like Fig. la, with two magnetically effective layers 1 and 7. In Fig. ia and lb is also a mechanical holder 8 is shown schematically on which the sensor is attached is.

Die Fig 2a zeigt einen Sensor mit einem piezoelektrischen Querwandler 10, bei dem eine magnetisch aktive Schicht 11 mit einer zur x,y-Ebene parallelen Fläche verbunden ist und die Elektroden 12, 13 zur Abnahme der piezoelektrischen Spannung auf zwei dazu senkrechten Flächen, d. h. parallel zur x,z-Ebene oder zur y,z-Ebene, angeordnet sind. Die Fig. 2b zeigt einen in gleicher Weise aufgebauten Sensor mit zwei magnetisch wirksamen Schichten 11 und 14.2a shows a sensor with a piezoelectric transverse transducer 10, in which a magnetically active layer 11 with a layer parallel to the x, y plane Area is connected and the electrodes 12, 13 to remove the piezoelectric Tension on two perpendicular surfaces, d. H. parallel to the x, z-plane or to the y, z-plane, are arranged. Fig. 2b shows one constructed in the same way Sensor with two magnetically effective layers 11 and 14.

Die Fig. 3a zeigt einen Sensor mit einem piezoelektrischen Biegewandler 15, der in üblicher Weise mit einem Metallstreifen 16 versteift ist und in einer nicht näher dargestellten Halterung 17 eingespannt ist, so daß durch eine magnetische Zugkraft 18 oder Druckkraft 19 eine Biegebeanspruchung um die x-Achse des angegebenen Koordinatensystems ausgeübt wird. Zur berührungsfreien Übertragung der Kraft 18 bzw. 19 dient ein magnetisch wirksamer Körper 20, der beispielsweise in Gestalt eines weichmagnetischen Quaders am Ende des Biegewandlers 15 angebracht ist. Die bei Biegebeanspruchung entstehende piezoelektrische Spannung wird an den Elektroden 21, 22 abgenommen, die parallel zur x,y-Ebene angeordnet sind.3a shows a sensor with a piezoelectric bending transducer 15, which is stiffened in the usual way with a metal strip 16 and in a not shown bracket 17 is clamped so that by a magnetic Tensile force 18 or compressive force 19 is a bending stress around the x-axis of the specified Coordinate system is exercised. For contact-free transmission the Force 18 or 19 is used by a magnetically effective body 20, for example in Shape of a soft magnetic cuboid attached to the end of the bending transducer 15 is. The piezoelectric voltage generated by bending stress is applied to the Electrodes 21, 22 removed, which are arranged parallel to the x, y plane.

Fig. 3b zeigt ebenfalls einen magnetischen Sensormit einem piezoelektrischen Biegewandler 25, der jedoch im Gegensatz zu einem Sensor nach Fig. 3a mit einem Metallstreifen 23 aus einem magnetisch wirksamen Material versteift ist. Auf diesen Streifen wirkt von außen durch ein Magnetfeld eine Kraft 24, die den piezoelektrischen Wandler 25 biegt und somit an den Elektroden 26, 27 eine entsprechende elektrische Spannung hervorruft.Figure 3b also shows a magnetic sensor with a piezoelectric Bending transducer 25, which, however, in contrast to a sensor according to FIG. 3a with a Metal strip 23 made of a magnetically effective material is stiffened. On this Stripe acts from the outside through a magnetic field a force 24, which the piezoelectric Converter 25 bends and thus at the electrodes 26, 27 a corresponding electrical Creates tension.

Die Fig. 4 zeigt als Beispiel eine berührungslose Anregung eines magnetischen Sensors 28 nach Fig. la mit Hilfe eines Magneten 29, der auf einem Rotor 30 angeordnet ist und bei einer definierten Winkelstellung des Rotors 30 in dem Sensor 28 eine piezoelektrische Spannung erzeugt, sobald das Feld des Magneten 29 auf die magnetisch wirksame Schicht 31 des Sensors berührungsfrei eine magnetische Zugkraft ausübt.4 shows, as an example, a contactless excitation of a magnetic Sensor 28 according to FIG. 1 a with the aid of a magnet 29 which is arranged on a rotor 30 is and at a defined angular position of the rotor 30 in the sensor 28 a piezoelectric voltage generated as soon as the field of the magnet 29 on the magnetic effective layer 31 of the sensor exerts a magnetic tensile force without contact.

Die Fig. 5 zeigt die berührungslose Anregung eines Sensors nach Fig. 3a mit einem piezoelektrischen Biegewandler 15 und einem magnetisch wirksamen quaderförmigen Körper 20, auf den durch einen äußeren Magneten 32 eine nicht dargestellte Zugkraft ausgeübt wird, die in dem Biegewandler 15 zu einer piezoelektrischen Spannung an den Elektroden 21, 22 führt.FIG. 5 shows the contactless excitation of a sensor according to FIG. 3a with a piezoelectric bending transducer 15 and a magnetically effective cuboid Body 20 on which an external magnet 32 exerts a tensile force, not shown is exerted in the bending transducer 15 to a piezoelectric voltage the electrodes 21, 22 leads.

Die Fig. 6 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung eines Sensors nach Fig. 1, dergestalt, daß auf einem piezoelektrischen Längswandler 2 (Fig. 6a) eine Schicht 33 aus dauermagnetischem Material angebracht ist. In analoger Weise sind auch bei einem Sensor nach Fig. 6b mit einem piezoelektrischen Querwandler 10 auf dessen entsprechenden Oberflächen dauermagnetische Schichten 34 angeordnet.6 shows an advantageous further development of a sensor Fig. 1, such that on a piezoelectric longitudinal transducer 2 (Fig. 6a) a Layer 33 made of permanent magnetic material is attached. In analog Way are also with a sensor according to FIG. 6b with a piezoelectric transverse transducer 10 permanent magnetic layers 34 arranged on the corresponding surfaces thereof.

In Fig. 7a ist eine Weiterentwicklung eines Sensors nach Fig. 3a dargestellt, wobei am Ende des piezoelektrischen Biegewandlers 15 ein quaderförmiger oder scheibenförmiger dauermagnetischer Körper 35 angeordnet ist. Die Fig. 7b zeigt ebenfalls einen Sensor mit Biegewandler, wobei im Gegensatz zu einem Sensor nach Fig. 3a oder 3b im Innern des Wandlers 15 ein streifenförmiger Dauer magnet 36 angeordnet ist.In Fig. 7a a further development of a sensor according to Fig. 3a is shown, wherein at the end of the piezoelectric bending transducer 15 a cuboid or disk-shaped permanent magnetic body 35 is arranged. 7b also shows a sensor with bending transducer, in contrast to a sensor according to Fig. 3a or 3b inside of the transducer 15, a strip-shaped permanent magnet 36 is arranged.

Die Fig. 8 zeigt als Beispiel eine berührungslose Anregung eines Sensors nach Fig. 6, wobei die Polarisation des anregenden Magneten 37 entgegengesetzt zu'der Polarisation der dauermagnetischen Schicht 33 gerichtet ist, so daß aufgrund der magnetischen Feldkonfiguration 38 auf den piezoelektrischen Wandler 2 eine Druckkraft wirkt.8 shows, as an example, a contactless excitation of a sensor according to Fig. 6, wherein the polarization of the exciting magnet 37 is opposite to zu'der Polarization of the permanent magnetic layer 33 is directed, so that due to the magnetic field configuration 38 on the piezoelectric transducer 2 a compressive force works.

In der Fig. 9a ist analog zu der Fig. 8 die berührungslose Anregung eines Sensors nach Fig. 7a dargestellt, wobei aufgrund der entgegengesetzten Polarisation des anregenden Magneten 39 und des dauermagnetischen Körpers 35 eine abstoßende Kraft entsteht, die eine Biegung des Wandlers 15 hervorruft. Die Fig. 9b zeigt, daß ein derartiger Sensor unter Verzicht auf einen Magneten 39 auch durch einen ferromagnetischen Körper 41 angeregt werden kann, da dieser durch die Vermittlung des Feldes des dauermagnetischen Körpers 36 eine gegenseitige Anziehung und somit ebenfalls eine Biegung in umgekehrter Richtung wie bei dem Beispiel nach Fig. 9a bewirkt. In gleicher Weise wird ein Sensor nach Fig. 6 mit dauermagnetischen Schichten 33, 34 oder ein Sensor nach Fig. 7b mit einem inneren streifenförmigen Dauermagneten 36 mit Hilfe der Feldverzerrung durch einen ferromagnetischen Körper berührungsfrei von außen angeregt.In FIG. 9 a, the contactless excitation is analogous to FIG. 8 of a sensor according to FIG. 7a, with due to the opposite polarization of the exciting magnet 39 and the permanent magnetic body 35 a repulsive Force arises which causes the transducer 15 to bend. Fig. 9b shows that such a sensor, dispensing with a magnet 39, also by a ferromagnetic body 41 can be excited, since this through the mediation of the field of the permanent magnetic body 36 a mutual attraction and thus also a bend in the opposite direction as in the example of FIG. 9a causes. In in the same way, a sensor according to FIG. 6 with permanent magnetic Layers 33, 34 or a sensor according to Fig. 7b with an inner strip-shaped Permanent magnets 36 with the help of the field distortion by a ferromagnetic body Contact-free stimulated from the outside.

Für bestimmte Anwendungszwecke, beispielsweise zur Erzeugung impulsartiger, stellungsabhängiger Spannungssignale in Kraftfahrzeug-Zündsystemen, ist es vorteilhaft,die von einem Sensor entsprechend den Beispielen der Fig. 1 bis 9 piezoelektrisch erzeugte Spannung zeitlich zu differenzieren.For certain purposes, for example to generate pulse-like, position-dependent voltage signals in motor vehicle ignition systems, it is advantageous to use the generated piezoelectrically by a sensor according to the examples of FIGS Differentiate tension in time.

Die Fig. 10 zeigt eine Schaltung, bei der in bekannter Weise das von einem Sensor gelieferte Spannungssignal U(t) mit Hilfe eines Widerstandes 42 und einer Kapazität 43 zeitlich differenziert wird, so daß Spannungsimpulse u(t) erzeugt werden, die in einem nachgeschalteten Verstärker 44 elektronisch weiterverarbeitet werden.Fig. 10 shows a circuit in which in a known manner that of a sensor supplied voltage signal U (t) with the aid of a resistor 42 and a capacitance 43 is differentiated in time, so that voltage pulses u (t) are generated are processed electronically in a downstream amplifier 44 will.

Für die in einem Sensor mit magnetisch wirksamen Elementen versehenen piezoelektrischen Wandler sind Keramikstoffe mit ferroelektrischen Eigenschaften ('Piezoxide (PXE)', Valvo-Jfandbuch, 1973, Valvo GmbH, Hamburg) vorteilhaft. Sie besitzen eine besonders große piezoelektrische Ladungskonstante von beispielsweise 3 bis 4.10 As/N sowie eine hohe Dielektrizitätszahl von rund 2000, die einen geringen dynamischen Innenwiderstand eines Sensors gewährleistet.For those provided with magnetically effective elements in a sensor Piezoelectric transducers are ceramics with ferroelectric properties ('Piezoxide (PXE)', Valvo-Jfandbuch, 1973, Valvo GmbH, Hamburg) is advantageous. she have a particularly large piezoelectric charge constant of, for example 3 to 4.10 As / N and a high dielectric constant of around 2000, which means a low dynamic internal resistance of a sensor guaranteed.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht ferner darin, daß die magnetisch wirksamen Schichten des Sensors zugleich als Elektroden zur Abnahme des piezoelektrischen Spannungssignals ausgebildet sind.An advantageous further development of the invention also consists in that the magnetically effective layers of the sensor also act as electrodes for removal of the piezoelectric voltage signal are formed.

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Claims

Patent ans p rii c 11 e 1. Sensor, consisting of a piezoelelectrischelr Material with electrodes for the reduction of tension, pressure, bending or torsion generated electrical voltage characterized in that with the piezoelectric effective body (2, 10, 15) white or hard magnetic layers (1, 7, 11, i4, 20, 23, 31, 33, 35, 36) are connected to the non-contact magnetic pull or compressive forces (5, 6, 18, 19, 24, 33, 37, 39) act.

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the sensor is designed as a bending element (15, 25) and that a metal strip in the bending element (16, 23, 35, 36) is embedded, which consists of a soft or hard magnetic Material.

3. Sensor according to claim 1, characterized in that the magnetic effective layers are also electrodes for the piezoelectric voltage.