DE3817354A1 - Sensor zur erfassung kinetischer energie, insbesondere piezoelektrischer sensor zur erfassung dynamischer oder kinetischer energie - Google Patents
Sensor zur erfassung kinetischer energie, insbesondere piezoelektrischer sensor zur erfassung dynamischer oder kinetischer energieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor zur
Erfassung dynamischer oder kinetischer Energie. Insbesondere
befaßt sich die Erfindung mit einem piezoelektrischen Sensor,
der als Beschleunigungsmesser zur Erfassung einer Beschleunigung
verwendbar ist. Ferner befaßt sich die Erfindung
insbesondere mit einem piezoelektrischen Sensor, welcher
als Beschleunigungsmesser zur Erfassung einer Beschleunigung
bei einer Schwingung oder relativen Verlagerung von Komponenten
in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einer Schwingung
in einem Motorblock, welche die Größe eines Motorklopfens
angibt, oder beispielsweise eine Relativverschiebung
zwischen einem Fahrzeugteil und einem Aufhängungsteil angibt.
Die japanische Gebrauchsmusterveröffentlichung (Jikkai)
Showa 61-187462 beschreibt einen piezoelektrischen Sensor,
welcher einen Beschleunigungsmesser darstellt. Bei diesem
piezoelektrischen Sensor wird eine piezoelektrische Membran
verwendet, welche schwingungsfähig in einem Sensorgehäuse
befestigt ist zur Schwingung bzw. oszillierenden Bewegung,
mit einer solchen Stärke und Geschwindigkeit, die einer
kinetischen oder dynamischen Energie entspricht, welche auf
ein Element ausgeübt wird, dessen Beschleunigung gemessen
werden soll. Die piezoelektrische Membran enthält einen
dünnen Metallgrundkörper in Platten- oder Scheibenform mit
zwei ebenen Oberflächen, an denen piezoelektrische Elemente
durch Bindemittel befestigt sind.
Um Einflüsse thermischer Ausdehnung des Metallgrundkörpers
und der piezoelektrischen Elemente zu vermeiden bzw. minimal
zu halten, wird der thermische Ausdehnungskoeffizient der
beiden Komponenten der piezoelektrischen Membran so gut wie
möglich einander entgegengesetzt verlaufend gehalten. Wenn
beispielsweise die piezoelektrischen Elemente aus einer Legierung
von PZT (Pb(ZrTi)O₃) gebildet sind, kann eine
Ni-Fe-Legierung mit einem entgegengesetzt sich verhaltenden
thermischen Ausdehnungskoeffizienten zur Bildung des Metallgrundkörpers
verwendet werden.
Da andererseits die piezoelektrischen Elemente temperaturabhängige
Charakteristiken zur Erzeugung einer in Abhängigkeit
von der Temperaturänderung variablen Spannung aufweisen, werden
bimorphe Strukturen verwendet, die für die piezoelektrischen
Komponenten entgegengesetzte Ausgangscharakteristiken
vorsehen, so daß ein von der Temperaturänderung abhängiges
Störrauschen unterdrückt ist.
Bei dem herkömmlichen bimorphen piezoelektrischen Membranstrukturen
sind die piezoelektrischen Elemente mit entgegengesetzten
Polaritäten ausgestattet und elektrisch miteinander
in Reihe geschaltet. Ein derartiger elektrischer Aufbau
ist bestrebt, ein unzulässig starkes Störrauschen zu erzeugen.
Dieses ergibt sich aufgrund des Unterschieds der elektrostatischen
Kapazitäten und Isolationswiderstände zwischen
den piezoelektrischen Elementen. Dieses Rauschen beeinflußt
insbesondere die Genauigkeit der Messung von kinetischer oder
dynamischer Energie bei niedrigem Frequenzpegel.
Wenn der piezoelektrische Sensor bzw. piezoelektrische Beschleunigungsmesser
in einem Steuerungssystem einer Fahrzeugaufhängung
verwendet wird, ist eine Hochfrequenzkomponente
der Ausgangssignale für Schwingungseingänge vorhanden,
welche durch das auf der Straße abrollende Rad infolge von
Straßenunebenheiten usw. herrühren. Eine Niedrigfrequenzkomponente
des Ausgangssignals gibt die Schwingungen wieder,
welche durch den Fahrzeugkörper hervorgerufen werden. Bei
der Überwachung des Fahrzeugverhaltens, welche mit Hilfe des
Aufhängungssteuersystems durchgeführt werden soll, ist die
Niederfrequenzkomponente der wesentliche Parameter zur
Steuerung der Steifigkeit bzw. der Höheneinstellung der Aufhängungssysteme.
Aufgrund der oben geschilderten Nachteile
herkömmlicher piezoelektrischer Sensoren bzw. Beschleunigungsmeßeinrichtungen
war die Anwendung für Fahrzeugaufhängungssteuersysteme
in der Praxis schwierig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen piezoelektrischen
Sensor zu schaffen, bei dem Einflüsse der Änderung der Umgebungstemperatur
vermieden sind und mit dem dadurch die
Meßgenauigkeit bei der Messung kinetischer oder dynamischer
Energie verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
In vorteilhafter Weise wird durch die Erfindung ein piezoelektrischer
Sensor geschaffen, der als Beschleunigungsmeßeinrichtung
in einem Automobilaufhängungssteuersystem
zur Erfassung relativer Verlagerungen zwischen einem Fahrzeugkörper
und einem Aufhängungselement, das drehbar ein
Fahrzeugrad trägt, verwendbar ist.
Hierzu wird durch die Erfindung ein piezoelektrischer Sensor
geschaffen, bei dem eine Parallelschaltung der piezoelektrischen
Elemente in einer piezoelektrischen Membran mit
bimorphem Aufbau verwendet wird. Die Parallelschaltung der
piezoelektrischen Elemente verhindert in vorteilhafter Weise
einen Einfluß des Unterschieds der elektrischen Charakteristiken,
wie beispielsweise eines Unterschieds temperaturabhängiger
Charakteristiken der piezoelektrischen Elemente,
eines Unterschieds der elektrostatischen Kapazitäten und
eines Unterschieds der Isolationswiderstände.
In der Praxis erweist sich die Parallelschaltung der piezoelektrischen
Elemente wirksam bei der Reduzierung des Pegels
der von der Temperaturschwankung abhängigen Störkomponente
auf die Hälfte des Pegels von herkömmlichen Sensoren mit
Reihenschaltung der piezoelektrischen Elemente. Bei einer
Ausführungsform der Erfindung enthält ein Sensor zur Erfassung
kinetischer Energie ein Sensorgehäuse mit einem Hohlraum
im Inneren, ein plattenförmiges Schwingungsorgan, das
im Innenraum des Sensorgehäuses schwingungsfähig angeordnet
ist und aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht,
erste und zweite piezoelektrische Elemente, die an entgegengesetzt
liegenden Seitenflächen des plattenförmigen Schwingungsorgans
befestigt sind, wobei die ersten und zweiten
piezoelektrischen Elemente so polarisiert sind, daß sie
einen Strom mit gleicher Richtung in Abhängigkeit von der
auf sie einwirkenden kinetischen Energie erzeugen, und eine
erste Leitungsverbindung, welche das erste und das zweite
parallel zueinandergeschaltete piezoelektrische Element mit
einer Sensorschaltung verbindet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält
ein piezoelektrischer Sensor zur Erfassung kinetischer oder
dynamischer Energie ein Sensorgehäuse, das einen Hohlraum
im Gehäuseinnern bildet, ein plattenförmiges Schwingungsorgan,
das schwingungsfähig im Gehäuseinnern angeordnet ist
und an seinen entgegengesetzt liegenden Seitenflächen eine
erste und eine zweite Ebene aufweist, wobei das plattenförmige
Schwingungsorgan aus elektrisch leitfähigem Material
besteht, erste und zweite piezoelektrische Elemente, die
in der ersten und zweiten Ebene des plattenförmigen Schwingungsorgans
befestigt sind, wobei jedes der ersten und zweiten
piezoelektrischen Elemente ausgestattet ist mit einer
ersten Elektrode, an welcher eine positive Ladung erzeugt
wird in Abhängigkeit von der kinetischen Energie, die in
einer ersten Richtung auf das piezoelektrische Element einwirkt,
und mit einer zweiten Elektrode, an welcher eine
negative Ladung erzeugt wird in Abhängigkeit von der kinetischen
Energie, welche in der ersten Richtung ausgeübt
wird, wobei das erste und zweite piezoelektrische Element mit
dem plattenförmigen Schwingungsorgan an der zweiten Elektrode
gekoppelt sind, und eine erste Leitungsverbindung, welche das
erste und zweite parallel zueinandergeschaltete piezoelektrische
Element mit einer Sensorschaltung verbindet.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ferner
eine zweite Leitungsverbindung vorgesehen zur Verbindung
des plattenförmigen Schwingungsorgans mit der Sensorschaltung,
wobei das plattenförmige Schwingungsorgan elektrisch
mit dem ersten und zweiten piezoelektrischen Element verbunden
ist.
Um Einflüsse der Umgebungstemperatur zu vermeiden, können
die ersten und zweiten piezoelektrischen Elemente gegeneinander
gerichtete Ströme in Abhängigkeit von der Umgebungstemperaturänderung
erzeugen.
In bevorzugter Weise verbindet die erste Leitungsverbindung
die ersten Elektroden des ersten und zweiten piezoelektrischen
Elements mit der Sensorschaltung.
Für den Fall, daß der Sensor zur Erfassung einer niederfrequenten
kinetischen Energie verwendet wird, kann ein Ableitungswiderstand
an die erste Leitungsverbindung zwischen
dem ersten und zweiten piezoelektrischen Element und der
Sensorschaltung angeschlossen sein. Hierdurch wird das erste
und zweite piezoelektrische Element mit einem größeren Isolationswiderstand
versehen.
Die Figuren dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schnittbildliche Darstellung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen
Sensors nach der Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte schnittbildliche Darstellung
einer piezoelektrischen Membran, welche beim
Ausführungsbeispiel das piezoelektrischen Sensors
der Fig. 1 zur Anwendung kommen kann;
Fig. 3 eine weitere vergrößerte schnittbildliche Darstellung
eines Hauptteils des piezoelektrischen
Sensors der Fig. 2;
Fig. 4 eine erläuternde Darstellung, welche die Ausgangspolarität
der piezoelektrischen Elemente
in der piezoelektrischen Membran der Fig. 2
zeigt;
Fig. 5 ein Schaltbild für ein Ausführungsbeispiel einer
Schaltung mit dem Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen
Sensors der Fig. 1;
Fig. 6 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer Schaltung mit dem Ausführungsbeispiel
des piezoelektrischen Sensors der
Fig. 1;
Fig. 7 (A), 7 (C) und 7 (D) Darstellungen zur Erläuterung
des Betriebs eines herkömmlichen piezoelektrischen
Sensors mit in Reihe geschalteten
piezoelektrischen Elementen im Sensor;
Fig. 8 (A), 8 (B), 8 (C) und 8 (D) Darstellungen zur Erläuterung
des Betriebs eines Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen piezoelektrischen Sensors, bei
welchem die piezoelektrischen Elemente des Sensors
parallel geschaltet sind;
Fig. 9 (A) und 9 (B) Schaltbilder von Prüfgeräten im Prüfbetrieb
der Sensoren nach dem Stand der Technik
und nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
und
Fig. 10 (A) bis 10 (H) Kurvendarstellungen der Prüfergebnisse
bei Verwendung der in den Fig. 9 (A) und 9 (B)
verwendeten Prüfgeräte.
Unter Bezugnahme auf die Figuren, insbesondere die Fig. 1,
besitzt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen
Sensors nach der Erfindung eine piezoelektrische
Membran 100. Die piezoelektrische Membran 100 ist flach
ausgebildet und besitzt eine Scheibenform. Die piezoelektrische
Membran 100 ist schwingungsfähig in einem Sensorgehäuse
angeordnet. Dieses Sensorgehäuse besitzt einen unteren Gehäuseteil
2 und einen oberen Gehäuseteil 3. Ein Tragring 4
ist fest im Sensorgehäuse zwischen Anpaßkanten vertikaler
Flächen des oberen und unteren Gehäuseteils 2 und 3 angeordnet.
Der Tragring 4 steht in Eingriff mit dem Umfangsrand
der piezoelektrischen Membran, so daß diese schwingungsfähig
gelagert ist. Der Tragring 4 besteht aus einem elastischen
Material, beispielsweise aus Polyurethan. Eine Leiterplatte
5 ist mit mehreren Sensorschaltungselementen 6, wie beispielsweise
Filter, Verstärker und dgl., bestückt. Diese befindet
sich ebenfalls im Gehäuseinnern des Sensorgehäuses,
wobei das Gehäuseinnere zwischen dem oberen und unteren Gehäuseteil
2 und 3 gebildet ist. Die Leiterplatte 5 ist starr
am Boden des unteren Gehäuseteils 3 befestigt. Die Leiterplatte
5 ist ferner mit einer Vergußmasse 7 umhüllt und mit
einer äußeren Anschlußleitung 8 verbunden.
Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, besitzt die piezoelektrische
Membran 100 eine dünne und flache Metallscheibe 20 sowie
ein Paar piezoelektrischer Elemente 21 und 22. Elektroden 23
und 25 sind an beiden Seitenflächen des piezoelektrischen
Elements 21 vorgesehen. In gleicher Weise sind Elektroden
24 und 25 an beiden Seitenflächen des piezoelektrischen Elements
22 gebildet. Die Elektroden 25 und 26 sind zwischen
den jeweils zugeordneten piezoelektrischen Elementen 21 und
22 und der Metallscheibe 20 gebildet. Die Elektroden 23 und
24 werden im folgenden als "äußere Elektroden" bezeichnet.
Die Elektroden 25 und 26 sind an den piezoelektrischen Elementen
21 und 22 an den Seitenflächen gebildet, die entgegengesetzt
zu den Seitenflächen liegen, an denen die äußeren
Elektroden 23 und 24 vorgesehen sind. Die Elektroden 25 und
26 werden daher im folgenden als "innere Elektroden" bezeichnet.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, besitzen die inneren Elektroden
25 und 26 der piezoelektrischen Elemente 21 und 22 Oberflächen,
welche mit den Oberflächen der Metallscheibe 20 gekoppelt
sind bzw. mit diesen Flächen zusammenarbeiten. Diese
Kupplungsflächen der inneren Elektroden 25 und 26 sind mit
den Kupplungsflächen der Metallscheibe 20 durch Löten verbunden.
Demzufolge sind Lötschichten 31 und 32 zwischen den
Kupplungsflächen der Metallscheibe 20 und den inneren Elektroden
25 und 26 gebildet. Das dargestellte Ausführungsbeispiel
verwendet mithin zum Verbinden der inneren Elektroden
25 und 26 mit der Metallscheibe 20 eine Lötung. Es ist
jedoch auch möglich, elektrisch leitfähige Kleber anstelle
der Lötung zu verwenden.
Die äußeren und inneren Elektroden 23, 24, 25 und 26 sind
Schichten aus einer Ni-Cu-Legierung, die auf ebenen Oberflächen
der piezoelektrischen Elemente 21 und 22 durch Aufsprühen
oder Aufdampfen gebildet sind. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform beträgt die Dicke jeder der äußeren und inneren
Elektroden 23, 24, 25 und 26 etwa 0,1 Mikrometer bis
0,5 Mikrometer. Die äußeren Elektroden 23 und 24 sind über
einen Verbindungsdraht 27 miteinander verbunden. Ein Verbindungsdraht
29 dient zur Verbindung der äußeren Elektroden
23 und 24 mit der Sensorschaltung auf der Leiterplatte 5, so
daß elektrische Ladung, welche an den äußeren Elektroden erzeugt
wird, der Sensorschaltung zugeleitet wird. Andererseits
dient ein Verbindungsdraht 28 zur Verbindung der inneren
Elektroden 25 und 26 mit der Sensorschaltung. Die Metallscheibe
20 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material geformt.
Die inneren Elektroden 25 und 26 stehen in leitfähigem
Kontakt mit der Metallscheibe 20.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen
Sensors wird ein Aufbau verwendet, welcher die gleiche Polarität
der Ausgangscharakteristiken der piezoelektrischen
Elemente 21 und 22 aufweist, wie sie in Fig. 4 dargestellt
ist. Bei dem in der Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel
sind in Abhängigkeit einer Temperaturänderung die Polaritäten
der elektrischen Ladung, welche an den äußeren Elektroden
23 und 24 erzeugt werden, positiv und negativ, und die Polaritäten
der elektrischen Ladungen, welche an den inneren
Elektroden 25 und 26 erzeugt werden, sind positiv und negativ.
Andererseits: wenn kinetische Energie auf die piezoelektrische
Membran 100 zur Einwirkung kommt, wird eine
positive Ladung an beiden äußeren Elektroden 23 und 24 und
eine negative Ladung an den beiden inneren Elektroden 25 und
26 erzeugt.
Bevorzugte Schaltungsanordnungen für Sensorschaltungen, bei
denen das dargestellte Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen
Sensors zur Anwendung kommen kann, sind in den Fig.
5 und 6 dargestellt. Beim Schaltungsaufbau der Fig. 5 sind
die äußeren Elektroden 23 und 24, welche über den Verbindungsdraht
27 miteinander verbunden sind, an eine nichtinvertierende
Eingangsklemme eines Operationsverstärkers 33 angeschlossen.
Der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit
einer Ausgangsklemme 34 verbunden, die mit einer äußeren
Schaltung über den äußeren Anschlußdraht 8 verbunden ist.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 33 ist mit der invertierenden
Eingangsklemme des Operationsverstärkers über eine
Rückkopplungsleitung verbunden. Die inneren Elektroden 25
und 26 sind über die Metallscheibe 20 und den Verbindungsdraht
28 geerdet.
Für den Fall, daß für das piezoelektrische Element ein hoher
Isolationswiderstand vorhanden sein soll, kann ein Ableitungswiderstand
35 mit dem Verbindungsdraht 29 verbunden
sein, wie es in Fig. 6 dargestellt ist.
Die Fig. 7 (A), 7 (B), 7 (C) und 7 (D) sowie die Fig.
8 (A), 8 (B), 8 (C) und 8 (D) zeigen herkömmliche piezoelektrische
Sensoren sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung zur
Erläuterung des Betriebs des piezoelektrischen Sensors nach
der Erfindung im Vergleich mit einem herkömmlichen Sensor.
In beiden Figuren ist mit (A) das Polaritätsverhalten an
einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Membran dargestellt. Bei (B) ist das Ladungspolaritätsverhalten
an jeder der Elektroden dargestellt, welches in
Abhängigkeit von der Einwirkung einer kinetischen Energie
erzeugt wird. Bei (C) ist das Ladungspolaritätsverhalten an
jeder Elektrode dargestellt, welches in Abhängigkeit von
einer Temperaturänderung erzeugt wird. Bei (D) sind Ersatzschaltbilder
der piezoelektrischen Sensorschaltungen dargestellt.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7 (A), 7 (B),
7 (C) und 7 (D) das Verhalten eines herkömmlichen piezoelektrischen
Sensors erläutert. Wie aus Fig. 7 (A) zu ersehen ist,
kann das Ausgangssignal der piezoelektrischen Elemente 21′
und 22′ nur über die äußeren Elektroden 23′ und 24′, welche
in Reihe geschaltet sind, erhalten werden. Die inneren Elektroden
25′ und 26′ sowie die Metallscheibe 20′ sind durch
den isolierenden Tragring elektrisch isoliert. Das Ausgangssignal
des piezoelektrischen Elements enthält eine Signalkomponente
(S), welche die gemessene kinetische Energie darstellt
und eine Störkomponente (N), welche die von der Temperaturänderung
abhängige Störung beispielsweise enthält. Wenn
man annimmt, daß die Spannung der Signalkomponenten (S), welche
in Abhängigkeit von der zur Einwirkung gebrachten kinetischen
Energie erzeugt werden soll, durch V F ausgedrückt
werden kann, läßt sich V F bezüglich eines bestimmten Zeitraums
durch folgende Beziehung wiedergegeben:
V F (t) = V 1 (t) + V 2 (t)
= i 1F × I R 1[1-χ-{1/(IR₁×C₁)×t}]
+ i 2F × I R 2[1-χ-{1/(IR₂×C₂)×t}]
= i 1F × I R 1 + i 2F × I R₂
- [i 1F × I R 1 × χ{-1/(IR₁×C₁)×t}
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+ i 2F × I R 2[1-χ-{1/(IR₂×C₂)×t}]
= i 1F × I R 1 + i 2F × I R₂
- [i 1F × I R 1 × χ{-1/(IR₁×C₁)×t}
+ i 2F × I R 2 × χ{-1/(IR₂×C₂)×t}]
Hierbei bedeuten
i 1F und i 2F Ströme, die in Abhängigkeit von der auf die piezoelektrischen Elemente einwirkenden kinetischen Energie erzeugt sind, und deren Amplitude in Abhängigkeit von der einwirkenden kinetischen Energie sich ändert;
C₁ und C₂ elektrostatische Kapazitäten der piezoelektrischen Elemente 21′ und 22′;
I R 1 und I R 2 Isolationswiderstände der piezoelektrischen Elemente 21′ und 22′.
i 1F und i 2F Ströme, die in Abhängigkeit von der auf die piezoelektrischen Elemente einwirkenden kinetischen Energie erzeugt sind, und deren Amplitude in Abhängigkeit von der einwirkenden kinetischen Energie sich ändert;
C₁ und C₂ elektrostatische Kapazitäten der piezoelektrischen Elemente 21′ und 22′;
I R 1 und I R 2 Isolationswiderstände der piezoelektrischen Elemente 21′ und 22′.
Andererseits erzeugen die piezoelektrischen Elemente 21′ und
22′ einen elektrischen Strom, der durch folgende Beziehung
wiedergegeben werden kann:
i T = g T × dT/dt.
Hierbei bedeuten λ T einen temperaturabhängigen Koeffizienten,
der die Amplitude des Stromes angibt, der in Abhängigkeit
von einem vorgegebenen Ausmaß der Temperaturänderung
erzeugt wird.
Die Spannung V T der Störungskomponente (N) des Ausgangssignals
der piezoelektrischen Elemente kann durch folgende
Beziehung wiedergegeben werden:
V T (t) = V 1 (t) - V 2 (t)
= i 1T × I R 1-i 2 T × I R 2 - [i 1T × I R 1 × χ{-1/(IR₁×C₁)×t} - i 2T × I R 2 × χ{-1/(IR₂×C₂)×t}]. Wenn für die elektrischen Charakteristiken der piezoelektrischen Elemente 21′ und 22′ die folgenden Bedingungen erfüllt sind: i 1F = i 2F i 1T = i 2T C₁= C₂ and IR₁= IR₂ dann ergeben sich für die entsprechenden Spannungen V F und V T der Signalkomponente und der Störungskomponente die folgenden Beziehungen: V F (t) = 2i × IR [1-χ{-1/(IR×C)×t}] V T (t) = (i × IR-i × IR) × [1-χ{-1/(IR×C)×t}] = 0. Hieraus ergibt sich, daß dann, wenn die elektrischen Charakteristiken der piezoelektrischen Elemente identisch zueinander sind, dem Ausgangssignal des piezoelektrischen Elements keine Störungskomponente überlagert ist. In der Praxis ergeben sich jedoch aufgrund von Herstellungstoleranzen bei den piezoelektrischen Elementen und aufgrund von Spannungsbeanspruchung, welche im jeweiligen piezoelektrischen Element durch die Bindung an die Metallscheibe und durch die Elastizität des Tragrings hervorgerufen ist, unvermeidbare Abweichungen der elektrischen Charakteristiken zwischen den piezoelektrischen Elementen. Da die Größe der Strömungskomponente proportional der Größe der Abweichung der elektrischen Charakteristiken zwischen den piezoelektrischen Elementen ist, ist der Einfluß einer geringen Abweichung so, daß ein großer Anteil der Störkomponente erzeugt wird. Dies beeinträchtigt das Signal/Stör-Verhältnis. Typische Faktoren zur Beeinträchtigung des Signal/Stör-Verhältnisses sind die temperaturabhängige Stromdifferenz (i 1T -i 2T ), die elektrostatische Kapazitätsdifferenz (C₁-C₂) und die Isolationswiderstandsdifferenz (IR₁-IR₂). Die Fig. 8 (A), 8 (B), 8 (C) und 8 (D) zeigen den Betrieb eines piezoelektrischen Sensors nach der Erfindung. Aus der Fig. 8 (A) ergibt sich, daß durch die Parallelschaltung der piezoelektrischen Elemente 21 und 22, welche bei der Erfindung zur Anwendung kommen, ein Ausgangssignal erreicht werden kann, das nicht nur von den äußeren Elektroden 23 und 24 abgeleitet ist, sondern auch von den inneren Elektroden 25 und 26 über den mit der Metallscheibe 20 verbundenen Verbindungsdraht 28. Das Ersatzschaltbild ist in der Fig. 8 (D) dargestellt. Die Spannung V F am Ausgang der piezoelektrischen Elemente 21 und 22, welche in einem Zeitraum erzeugt wird, kann durch folgende Gleichung wiedergegeben werden: V F (t) = V 1F (t) (=V 2F (t)) = (i 1F × i 2F ) × IR₁//IR₂ × [1-χ-{(1/IR₁//IR₂×C₁//C₂) × t) ]. Andererseits läßt sich die Spannung V T für die Störkomponente, welche von der Änderung der Umgebungstemperatur abhängt, durch folgende Beziehung wiedergeben: V T (t) = V 1T (t) (=V 2T (t)) = (i 1T × i 2T ) × IR₁//IR₂ × [1-χ-{(1/IR₂//IR₂×C₁//C₂) × t}]. Wenn die elektrischen Charakteristiken der piezoelektrischen Elemente 21 und 22 die gleichen sind, lassen sich obige Be ziehungen wie folgt wiedergeben: V F (t) = i×IR×{1-χ-(1/IR×C)×t }, V T (t) = (i-i)×I/2IR×{1-χ-(1/IR×C)×t } = 0 . Aus der vorstehenden Beziehung ergibt sich, daß die temperaturabhängige Stromdifferenz (i₁-i₂) der einzige Faktor ist, welcher die Störkomponente beeinflußt. Mit anderen Worten: die Unterschiede der elektrostatischen Kapazität und des Isolationswiderstandes beeinflussen die Störkomponente nicht. Andererseits wird durch die Parallelschaltung die Spannung der Signalkomponenten (V F ) auf die Hälfte der Spannung bei Serienschaltung reduziert. Da die Parallelschaltung einen Einfluß der elektrostatischen Kapazitätsdifferenz und der Isolationswiderstandsdifferenz vermeiden kann, läßt sich der Pegel der Störkomponente auf einen geringeren Betrag vermindern als dies bei der Serienschaltung der Fall ist. Demzufolge läßt sich das Signal/Stör-Verhältnis am Ausgang des piezoelektrischen Sensors verbessern. Die geschilderte Verbesserung, welche durch die Erfindung erreicht wird, läßt sich durch Versuche bestätigen. Bei den Versuchen wurden die Schaltungsanordnungen verwendet, welche in den Fig. 9 (A) und 9 (B) gezeigt sind. In der Fig. 9 (A) ist eine Serienschaltung der piezoelektrischen Elemente 21′ und 22′ dargestellt. Ein Ableitungswiderstand 35′ besitzt 5000 Megohm und die piezoelektrische Membran 100′ besitzt 20 000 Pikofarad. Demgemäß beträgt das CR-Produkt 100 (sec). In der Schaltung der Fig. 9 (B) ist eine Parallelschaltung der piezoelektrischen Elemente 21 und 22 dargestellt. Ein Ableitungswiderstand 35 beträgt 1250 Megohm, und die piezoelektrische Membran 100 besitzt 80 000 Pikofarad. Das CR-Produkt beträgt demnach 100 (sec). Unter Verwendung der in den Fig. 9 (A) und 9 (B) dargestellten Detektorschaltungen wurden die Spannungen der Störkomponenten an verschiedenen Testgegenständen gemessen, wobei eine Temperaturänderung mit vorgegebenem Temperaturgradienten vorgesehen war. Die Fig. 10 (A) bis 10 (H) zeigen die Daten der Meßergebnisse. Unter den in den Fig. 10 (A) bis 10 (H) dargestellten Daten zeigen die Fig. 10 (A), 10 (B) und 10 (C) die Meßwerte, welche sich bei der Parallelschaltung der piezoelektrischen Elemente ergeben haben. Die Fig. 10 (D), 10 (E) und 10 (F) zeigen die gemessenen Daten bei Serienschaltung der piezoelektrischen Elemente. Die Fig. 10 (G) und 10 (H) zeigen Temperaturänderungscharakteristiken bei den durchgeführten Versuchen. Wie durch Vergleich der Fig. 10 (A), 10 (B) und 10 (C) mit den Fig. 10 (D), 10 (E) und 10 (F) sich ergibt, ist das Signal/ Stör-Verhältnis am Ausgang des piezoelektrischen Sensors bei der Parallelschaltung erheblich verbessert. Bei Verwendung des piezoelektrischen Sensors mit der oben beschriebenen piezoelektrischen Membran läßt sich die Relativverschiebung zwischen einem Fahrzeugkörper und einem Aufhängungsteil, der drehbar ein Fahrzeugrad trägt, zur automatischen Aufhängungssteuerung erfassen. Wie schon ausgeführt, ist es zur Erzielung einer ausreichenden Steuerung des Fahrzeugaufhängungssystems erforderlich, die niederfrequente Schwingung zu erfassen. Um die niederfrequente Schwingung erfassen zu können, besitzen die piezoelektrischen Elemente bevorzugt einen hohen Isolationswiderstand. Um einen hohen Isolationswiderstand für die piezoelektrischen Elemente des piezoelektrischen Sensors vorzusehen, kann, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, der Ableitungswiderstand 35 in die Schaltung eingefügt werden. Durch Einbringen des Ableitungswiderstandes 35 in der in Fig. 6 dargestellten Weise bildet der piezoelektrische Sensor ein primäres Hochpaßfilter. Die untere Grenze der Frequenz ist für die Messung der kinetischen Energie bestimmt durch das CR-Produkt aus dem Widerstandswert des Isolationswiderstandes der piezoelektrischen Elemente und dem Widerstand des parallel hierzu geschalteten Ableitungswiderstandes sowie den elektrostatischen Kapazitäten der piezoelektrischen Elemente. Beispielsweise kann eine 3-dB-absorbierende Grenzfrequenz fc durch folgende Beziehung wiedergegeben werden: fc = 1/2π CR (Hz). Hieraus ist ersichtlich, daß durch ein entsprechendes CR- Produkt es möglich ist, die kinetische Energie im Niederfrequenzbereich zu messen. Wenn andererseits der Widerstand R erhöht wird, erhöht sich das CR-Produkt. Damit erhöht sich die Störkomponente im Ausgangssignal des piezoelektrischen Sensors zwangsläufig auf einen beträchtlichen Pegel. Wenn zusätzlich das piezoelektrische Element geeignet sein soll, eine kinetische Energie bei einem extrem tiefen Frequenzbereich, beispielsweise bei 0,01 Hz, zu messen, sind 1000 Megohm bis 10 000 Megohm für den Ableitungswiderstand erforderlich. Bei einem derart hohen Widerstand ist es schwierig, eine ausreichende Stabilität und Haltbarkeit während der Verwendung beizubehalten. In bevorzugter Weise wird daher der Ableitungswiderstand niedrig dimensioniert und die elektrostatische Kapazität erhöht zur Erzielung eines ausreichend großen CR-Produkts. Da durch die Erfindung der Einfluß der elektrostatischen Kapazität und des Isolationswiderstandes vermieden wird, ist die Erhöhung der elektrostatischen Kapazität möglich. Im allgemeinen wird für ein piezoelektrisches Element, welches gesintert ist, die Piezoelektrizität durch Anlegen eines hohen elektrischen Feldes zur Polung vorgesehen. In diesem elektrischen Feld wird der Kristall im piezoelektrischen Element zur Richtung des elektrischen Feldes ausgerichtet. Die Ausgangscharakteristiken des piezoelektrischen Elements in Abhängigkeit von der kinetischen Energie und in Abhängigkeit von der Temperaturänderung sind durch die Polungsbedingungen festgelegt. Wenn die so hergestellten piezoelektrischen Elemente in Reihe geschaltet werden, können einige -zig und einige hundert Volt einer Hochspannung in Abhängigkeit einer raschen Temperaturänderung erzeugt werden. Wenn eine im wesentlichen hohe Spannung verwendet wird, wird die Ausrichtung des Kristalls des piezoelektrischen Elements geändert, wodurch eine Änderung der Ausgangscharakteristiken bewirkt wird. Wenn andererseits eine Parallelschaltung verwendet wird, unterdrücken sich temperaturabhängige Ströme gegenseitig so weit, daß nur einige Volt erzeugt werden. Im Hinblick darauf ist der erfindungsgemäße piezoelektrische Sensor vorteilhaft wegen der niedrigen erzeugten Spannung. Die innere Kristallausrichtung des piezoelektrischen Elements wird nicht zerstört. Wie oben erläutert wird, erfüllt die Erfindung alle Ziele und erreicht die Vorteile, welche oben erläutert wurden.
= i 1T × I R 1-i 2 T × I R 2 - [i 1T × I R 1 × χ{-1/(IR₁×C₁)×t} - i 2T × I R 2 × χ{-1/(IR₂×C₂)×t}]. Wenn für die elektrischen Charakteristiken der piezoelektrischen Elemente 21′ und 22′ die folgenden Bedingungen erfüllt sind: i 1F = i 2F i 1T = i 2T C₁= C₂ and IR₁= IR₂ dann ergeben sich für die entsprechenden Spannungen V F und V T der Signalkomponente und der Störungskomponente die folgenden Beziehungen: V F (t) = 2i × IR [1-χ{-1/(IR×C)×t}] V T (t) = (i × IR-i × IR) × [1-χ{-1/(IR×C)×t}] = 0. Hieraus ergibt sich, daß dann, wenn die elektrischen Charakteristiken der piezoelektrischen Elemente identisch zueinander sind, dem Ausgangssignal des piezoelektrischen Elements keine Störungskomponente überlagert ist. In der Praxis ergeben sich jedoch aufgrund von Herstellungstoleranzen bei den piezoelektrischen Elementen und aufgrund von Spannungsbeanspruchung, welche im jeweiligen piezoelektrischen Element durch die Bindung an die Metallscheibe und durch die Elastizität des Tragrings hervorgerufen ist, unvermeidbare Abweichungen der elektrischen Charakteristiken zwischen den piezoelektrischen Elementen. Da die Größe der Strömungskomponente proportional der Größe der Abweichung der elektrischen Charakteristiken zwischen den piezoelektrischen Elementen ist, ist der Einfluß einer geringen Abweichung so, daß ein großer Anteil der Störkomponente erzeugt wird. Dies beeinträchtigt das Signal/Stör-Verhältnis. Typische Faktoren zur Beeinträchtigung des Signal/Stör-Verhältnisses sind die temperaturabhängige Stromdifferenz (i 1T -i 2T ), die elektrostatische Kapazitätsdifferenz (C₁-C₂) und die Isolationswiderstandsdifferenz (IR₁-IR₂). Die Fig. 8 (A), 8 (B), 8 (C) und 8 (D) zeigen den Betrieb eines piezoelektrischen Sensors nach der Erfindung. Aus der Fig. 8 (A) ergibt sich, daß durch die Parallelschaltung der piezoelektrischen Elemente 21 und 22, welche bei der Erfindung zur Anwendung kommen, ein Ausgangssignal erreicht werden kann, das nicht nur von den äußeren Elektroden 23 und 24 abgeleitet ist, sondern auch von den inneren Elektroden 25 und 26 über den mit der Metallscheibe 20 verbundenen Verbindungsdraht 28. Das Ersatzschaltbild ist in der Fig. 8 (D) dargestellt. Die Spannung V F am Ausgang der piezoelektrischen Elemente 21 und 22, welche in einem Zeitraum erzeugt wird, kann durch folgende Gleichung wiedergegeben werden: V F (t) = V 1F (t) (=V 2F (t)) = (i 1F × i 2F ) × IR₁//IR₂ × [1-χ-{(1/IR₁//IR₂×C₁//C₂) × t) ]. Andererseits läßt sich die Spannung V T für die Störkomponente, welche von der Änderung der Umgebungstemperatur abhängt, durch folgende Beziehung wiedergeben: V T (t) = V 1T (t) (=V 2T (t)) = (i 1T × i 2T ) × IR₁//IR₂ × [1-χ-{(1/IR₂//IR₂×C₁//C₂) × t}]. Wenn die elektrischen Charakteristiken der piezoelektrischen Elemente 21 und 22 die gleichen sind, lassen sich obige Be ziehungen wie folgt wiedergeben: V F (t) = i×IR×{1-χ-(1/IR×C)×t }, V T (t) = (i-i)×I/2IR×{1-χ-(1/IR×C)×t } = 0 . Aus der vorstehenden Beziehung ergibt sich, daß die temperaturabhängige Stromdifferenz (i₁-i₂) der einzige Faktor ist, welcher die Störkomponente beeinflußt. Mit anderen Worten: die Unterschiede der elektrostatischen Kapazität und des Isolationswiderstandes beeinflussen die Störkomponente nicht. Andererseits wird durch die Parallelschaltung die Spannung der Signalkomponenten (V F ) auf die Hälfte der Spannung bei Serienschaltung reduziert. Da die Parallelschaltung einen Einfluß der elektrostatischen Kapazitätsdifferenz und der Isolationswiderstandsdifferenz vermeiden kann, läßt sich der Pegel der Störkomponente auf einen geringeren Betrag vermindern als dies bei der Serienschaltung der Fall ist. Demzufolge läßt sich das Signal/Stör-Verhältnis am Ausgang des piezoelektrischen Sensors verbessern. Die geschilderte Verbesserung, welche durch die Erfindung erreicht wird, läßt sich durch Versuche bestätigen. Bei den Versuchen wurden die Schaltungsanordnungen verwendet, welche in den Fig. 9 (A) und 9 (B) gezeigt sind. In der Fig. 9 (A) ist eine Serienschaltung der piezoelektrischen Elemente 21′ und 22′ dargestellt. Ein Ableitungswiderstand 35′ besitzt 5000 Megohm und die piezoelektrische Membran 100′ besitzt 20 000 Pikofarad. Demgemäß beträgt das CR-Produkt 100 (sec). In der Schaltung der Fig. 9 (B) ist eine Parallelschaltung der piezoelektrischen Elemente 21 und 22 dargestellt. Ein Ableitungswiderstand 35 beträgt 1250 Megohm, und die piezoelektrische Membran 100 besitzt 80 000 Pikofarad. Das CR-Produkt beträgt demnach 100 (sec). Unter Verwendung der in den Fig. 9 (A) und 9 (B) dargestellten Detektorschaltungen wurden die Spannungen der Störkomponenten an verschiedenen Testgegenständen gemessen, wobei eine Temperaturänderung mit vorgegebenem Temperaturgradienten vorgesehen war. Die Fig. 10 (A) bis 10 (H) zeigen die Daten der Meßergebnisse. Unter den in den Fig. 10 (A) bis 10 (H) dargestellten Daten zeigen die Fig. 10 (A), 10 (B) und 10 (C) die Meßwerte, welche sich bei der Parallelschaltung der piezoelektrischen Elemente ergeben haben. Die Fig. 10 (D), 10 (E) und 10 (F) zeigen die gemessenen Daten bei Serienschaltung der piezoelektrischen Elemente. Die Fig. 10 (G) und 10 (H) zeigen Temperaturänderungscharakteristiken bei den durchgeführten Versuchen. Wie durch Vergleich der Fig. 10 (A), 10 (B) und 10 (C) mit den Fig. 10 (D), 10 (E) und 10 (F) sich ergibt, ist das Signal/ Stör-Verhältnis am Ausgang des piezoelektrischen Sensors bei der Parallelschaltung erheblich verbessert. Bei Verwendung des piezoelektrischen Sensors mit der oben beschriebenen piezoelektrischen Membran läßt sich die Relativverschiebung zwischen einem Fahrzeugkörper und einem Aufhängungsteil, der drehbar ein Fahrzeugrad trägt, zur automatischen Aufhängungssteuerung erfassen. Wie schon ausgeführt, ist es zur Erzielung einer ausreichenden Steuerung des Fahrzeugaufhängungssystems erforderlich, die niederfrequente Schwingung zu erfassen. Um die niederfrequente Schwingung erfassen zu können, besitzen die piezoelektrischen Elemente bevorzugt einen hohen Isolationswiderstand. Um einen hohen Isolationswiderstand für die piezoelektrischen Elemente des piezoelektrischen Sensors vorzusehen, kann, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, der Ableitungswiderstand 35 in die Schaltung eingefügt werden. Durch Einbringen des Ableitungswiderstandes 35 in der in Fig. 6 dargestellten Weise bildet der piezoelektrische Sensor ein primäres Hochpaßfilter. Die untere Grenze der Frequenz ist für die Messung der kinetischen Energie bestimmt durch das CR-Produkt aus dem Widerstandswert des Isolationswiderstandes der piezoelektrischen Elemente und dem Widerstand des parallel hierzu geschalteten Ableitungswiderstandes sowie den elektrostatischen Kapazitäten der piezoelektrischen Elemente. Beispielsweise kann eine 3-dB-absorbierende Grenzfrequenz fc durch folgende Beziehung wiedergegeben werden: fc = 1/2π CR (Hz). Hieraus ist ersichtlich, daß durch ein entsprechendes CR- Produkt es möglich ist, die kinetische Energie im Niederfrequenzbereich zu messen. Wenn andererseits der Widerstand R erhöht wird, erhöht sich das CR-Produkt. Damit erhöht sich die Störkomponente im Ausgangssignal des piezoelektrischen Sensors zwangsläufig auf einen beträchtlichen Pegel. Wenn zusätzlich das piezoelektrische Element geeignet sein soll, eine kinetische Energie bei einem extrem tiefen Frequenzbereich, beispielsweise bei 0,01 Hz, zu messen, sind 1000 Megohm bis 10 000 Megohm für den Ableitungswiderstand erforderlich. Bei einem derart hohen Widerstand ist es schwierig, eine ausreichende Stabilität und Haltbarkeit während der Verwendung beizubehalten. In bevorzugter Weise wird daher der Ableitungswiderstand niedrig dimensioniert und die elektrostatische Kapazität erhöht zur Erzielung eines ausreichend großen CR-Produkts. Da durch die Erfindung der Einfluß der elektrostatischen Kapazität und des Isolationswiderstandes vermieden wird, ist die Erhöhung der elektrostatischen Kapazität möglich. Im allgemeinen wird für ein piezoelektrisches Element, welches gesintert ist, die Piezoelektrizität durch Anlegen eines hohen elektrischen Feldes zur Polung vorgesehen. In diesem elektrischen Feld wird der Kristall im piezoelektrischen Element zur Richtung des elektrischen Feldes ausgerichtet. Die Ausgangscharakteristiken des piezoelektrischen Elements in Abhängigkeit von der kinetischen Energie und in Abhängigkeit von der Temperaturänderung sind durch die Polungsbedingungen festgelegt. Wenn die so hergestellten piezoelektrischen Elemente in Reihe geschaltet werden, können einige -zig und einige hundert Volt einer Hochspannung in Abhängigkeit einer raschen Temperaturänderung erzeugt werden. Wenn eine im wesentlichen hohe Spannung verwendet wird, wird die Ausrichtung des Kristalls des piezoelektrischen Elements geändert, wodurch eine Änderung der Ausgangscharakteristiken bewirkt wird. Wenn andererseits eine Parallelschaltung verwendet wird, unterdrücken sich temperaturabhängige Ströme gegenseitig so weit, daß nur einige Volt erzeugt werden. Im Hinblick darauf ist der erfindungsgemäße piezoelektrische Sensor vorteilhaft wegen der niedrigen erzeugten Spannung. Die innere Kristallausrichtung des piezoelektrischen Elements wird nicht zerstört. Wie oben erläutert wird, erfüllt die Erfindung alle Ziele und erreicht die Vorteile, welche oben erläutert wurden.
Claims (13)
1. Sensor zur Erfassung kinetischer Energie mit
- - einem Sensorgehäuse, das einen hohlen Innenraum umfaßt;
- - einem plattenförmigen Schwingungsorgan, das schwingungsfähig im Innenraum des Sensorgehäuses angeordnet ist und aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht;
- - einem ersten und zweiten piezoelektrischen Element, die an beiden entgegengesetzt zueinander liegenden Seitenflächen des plattenförmigen Schwingungsorgans befestigt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - erste und zweite piezoelektrische Elemente (21, 22) so polarisiert sind, daß sie in Abhängigkeit einer einwirkenden kinetischen Energie Strom in gleicher Richtung erzeugen, und
- - die ersten und zweiten piezoelektrischen Elemente (21, 22) zueinander parallel geschaltet sind und über eine erste Verbindungsleitung (29) an eine Sensorschaltung angeschlossen sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner
eine zweite Verbindungsleitung (28) das plattenförmige
Schwingungsorgan (20) mit der Sensorschaltung verbindet und
das plattenförmige Schwingungsorgan (20) elektrisch mit dem
ersten und zweiten piezoelektrischen Element (21, 22) verbunden
ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste und zweite piezoelektrische Element (21, 22)
jeweils mit einer ersten Elektrode (23, 24), an welcher
in Abhängigkeit von einer auf das piezoelektrische
Element in einer ersten Richtung einwirkenden kinetischen
Energie eine positive Ladung erzeugt wird, und mit einer
zweiten Elektrode (25, 26), an der in Abhängigkeit von der
in der ersten Richtung einwirkenden kinetischen Energie eine
negative Ladung erzeugt wird, ausgestattet sind, und daß das
erste und zweite piezoelektrische Element (21, 22) an der
zweiten Elektrode (25, 26) mit dem plattenförmigen Schwingungsorgan
(20) gekoppelt sind.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste und zweite piezoelektrische
Element (21, 22) in Abhängigkeit einer Änderung der
Umgebungstemperatur in zueinander entgegengesetzten
Richtungen elektrische Ströme erzeugen.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Verbindungsleitung (29) jeweils
die erste Elektrode (23, 24) des ersten und zweiten piezoelektrischen
Elements (21, 22) mit der Sensorschaltung
verbindet.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Ableitungswiderstand (35) an die
erste Verbindungsleitung (29) zwischen dem ersten und
zweiten piezoelektrischen Element (21, 22) und der Sensorschaltung
angeschlossen ist.
7. Piezoelektrischer Sensor zur Erfassung kinetischer oder
dynamischer Energie mit
- - einem Sensorgehäuse, das einen hohlen Innenraum umfaßt;
- - einem plattenförmigen Schwingungsorgan, das schwingungsfähig im Innenraum des Sensorgehäuses angeordnet ist, eine erste und zweite Ebene an entgegengesetzt liegenden Seitenflächen aufweist und aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist;
- - einem ersten und zweiten piezoelektrischen Element, die in der ersten und zweiten Ebene des plattenförmigen Schwingungsorgans befestigt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - das erste und zweite piezoelektrische Element (21, 22) jeweils mit einer ersten Elektrode (23, 24), an welcher in Abhängigkeit von einer auf das piezoelektrische Element in einer ersten Richtung einwirkenden kinetischen Energie eines positive Ladung erzeugt wird, und mit einer zweiten Elektrode (25, 26), an der in Abhängigkeit von der in der ersten Richtung einwirkenden kinetischen Energie eine negative Ladung erzeugt wird, ausgestattet sind;
- - das erste und zweite piezoelektrische Element (21, 22) mit dem plattenförmigen Schwingungsorgan (20) an der jeweils zweiten Elektrode (25, 26) gekoppelt sind, und
- - das erste und zweite piezoelektrische Element (21, 22) zueinander parallel geschaltet sind und über eine erste Verbindungsleitung (29) an eine Sensorschaltung angeschlossen sind.
8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine
zweite Verbindungsleitung (28) das plattenförmige Schwingungsorgan
(20) mit der Sensorschaltung verbindet, und das
plattenförmige Schwingungsorgan (20) elektrisch mit dem
ersten und zweiten piezoelektrischen Element (21, 22) verbunden
ist.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
erste und zweite piezoelektrische Element (21, 22) in Abhängigkeit
von einer Änderung der Umgebungstemperatur zueinander
entgegengesetzt gerichtete elektrische Ströme erzeugen.
10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Verbindungsleitung (29) die jeweils ersten Elektroden
(23, 24) des ersten und zweiten piezoelektrischen
Elements (21, 22) mit der Sensorschaltung verbindet.
11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Ableitungswiderstand (35) an die erste Verbindungsleitung
(29) zwischen dem ersten und zweiten piezoelektrischen
Element (21, 22) und der Sensorschaltung angeschlossen ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12240087A JPH0715485B2 (ja) | 1987-05-21 | 1987-05-21 | 圧電型力学量センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3817354A1 true DE3817354A1 (de) | 1988-12-01 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19883817354 Ceased DE3817354A1 (de) | 1987-05-21 | 1988-05-20 | Sensor zur erfassung kinetischer energie, insbesondere piezoelektrischer sensor zur erfassung dynamischer oder kinetischer energie |
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JP (1) | JPH0715485B2 (de) |
DE (1) | DE3817354A1 (de) |
Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0401669A2 (de) * | 1989-06-02 | 1990-12-12 | Mitsubishi Petrochemical Co., Ltd. | Beschleunigungsmessaufnehmer |
EP0415627A2 (de) * | 1989-08-28 | 1991-03-06 | Zexel Corporation | Beschleunigungsmessaufnehmer und Beschleunigungsmesssystem |
DE4113587A1 (de) * | 1990-04-27 | 1991-10-31 | Mitsubishi Electric Corp | Beschleunigungsfuehler |
DE4113545A1 (de) * | 1990-04-27 | 1991-10-31 | Mitsubishi Electric Corp | Beschleunigungsfuehler |
WO1991016636A1 (de) * | 1990-04-12 | 1991-10-31 | Prüftechnik Dieter Busch + Partner Gmbh & Co. | Vorrichtung zur beschleunigungsmessung durch piezoelektrische umformer |
DE4135369A1 (de) * | 1991-10-26 | 1993-05-13 | Bosch Gmbh Robert | Testbarer piezoelektrischer beschleunigungssensor |
EP0565065A1 (de) * | 1992-04-10 | 1993-10-13 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Beschleunigungsmessaufnehmer |
EP0616222A1 (de) * | 1993-03-19 | 1994-09-21 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Beschleunigungsmessaufnehmer |
WO1995024977A2 (en) * | 1994-03-15 | 1995-09-21 | Shaw Industries, Ltd. | Hydrophone bender crystal assembly |
EP0882987A1 (de) * | 1997-06-04 | 1998-12-09 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelektrischer Beschleunigungssensor |
DE102004015474A1 (de) * | 2004-03-26 | 2004-12-23 | Conti Temic Microelectronic Gmbh | Aufnehmersystem/Auslösesensor, geeignet für Diagnose-/Sicherheitsvorrichtung, insbesondere für Unfallschutzeinrichtungen in einem Fahrzeug |
US7856880B2 (en) | 2004-03-26 | 2010-12-28 | Conti Temic Microelectronics Gmbh | Vehicle sensor for detecting impact sound |
CN104061122A (zh) * | 2014-06-30 | 2014-09-24 | 北京天源科创风电技术有限责任公司 | 一种皮带张力自动监测系统和监测方法及风电机变桨系统 |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4756309B2 (ja) * | 2004-08-20 | 2011-08-24 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 高感度圧電素子 |
KR20130077393A (ko) * | 2011-12-29 | 2013-07-09 | 삼성전기주식회사 | 관성센서 및 그 제조방법 |
CN104596675B (zh) | 2013-10-31 | 2019-05-14 | 精工爱普生株式会社 | 传感器元件、力检测装置、机器人、电子部件输送装置 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2605809A1 (de) * | 1976-02-12 | 1977-08-18 | Minnesota Mining & Mfg | Elektrisch kompensierter sensor |
DE2815933A1 (de) * | 1977-04-19 | 1978-10-26 | Brueel & Kjaer As | Beschleunigungsmessgeraet (akzelerometer) |
-
1987
- 1987-05-21 JP JP12240087A patent/JPH0715485B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1988
- 1988-05-20 DE DE19883817354 patent/DE3817354A1/de not_active Ceased
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2605809A1 (de) * | 1976-02-12 | 1977-08-18 | Minnesota Mining & Mfg | Elektrisch kompensierter sensor |
DE2815933A1 (de) * | 1977-04-19 | 1978-10-26 | Brueel & Kjaer As | Beschleunigungsmessgeraet (akzelerometer) |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
DE-Z.: Elektronik 8/1981, S 55-57 * |
Patents Abstracts of Japan 61-259175(A) * |
Cited By (26)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0401669A3 (de) * | 1989-06-02 | 1992-11-25 | Mitsubishi Petrochemical Co., Ltd. | Beschleunigungsmessaufnehmer |
EP0401669A2 (de) * | 1989-06-02 | 1990-12-12 | Mitsubishi Petrochemical Co., Ltd. | Beschleunigungsmessaufnehmer |
US5233872A (en) * | 1989-08-28 | 1993-08-10 | Zexel Corporation | Acceleration sensor and acceleration sensing system |
EP0415627A3 (en) * | 1989-08-28 | 1992-11-25 | Zexel Corporation | Acceleration sensor and acceleration sensing system |
EP0415627A2 (de) * | 1989-08-28 | 1991-03-06 | Zexel Corporation | Beschleunigungsmessaufnehmer und Beschleunigungsmesssystem |
WO1991016636A1 (de) * | 1990-04-12 | 1991-10-31 | Prüftechnik Dieter Busch + Partner Gmbh & Co. | Vorrichtung zur beschleunigungsmessung durch piezoelektrische umformer |
DE4113545A1 (de) * | 1990-04-27 | 1991-10-31 | Mitsubishi Electric Corp | Beschleunigungsfuehler |
DE4113587A1 (de) * | 1990-04-27 | 1991-10-31 | Mitsubishi Electric Corp | Beschleunigungsfuehler |
US5226325A (en) * | 1990-04-27 | 1993-07-13 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Acceleration detector with radial arm diaphragm |
US5239869A (en) * | 1990-04-27 | 1993-08-31 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Acceleration detector |
DE4135369A1 (de) * | 1991-10-26 | 1993-05-13 | Bosch Gmbh Robert | Testbarer piezoelektrischer beschleunigungssensor |
US5473930A (en) * | 1991-10-26 | 1995-12-12 | Robert Bosch Gmbh | Acceleration sensor with oppositely-polarized piezoelectric plates |
EP0565065A1 (de) * | 1992-04-10 | 1993-10-13 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Beschleunigungsmessaufnehmer |
EP0616222A1 (de) * | 1993-03-19 | 1994-09-21 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Beschleunigungsmessaufnehmer |
EP0616221A1 (de) * | 1993-03-19 | 1994-09-21 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Beschleunigungsmessaufnehmer |
US5490422A (en) * | 1993-03-19 | 1996-02-13 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Acceleration sensor |
US5515725A (en) * | 1993-03-19 | 1996-05-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric bimorph type acceleration sensor |
WO1995024977A2 (en) * | 1994-03-15 | 1995-09-21 | Shaw Industries, Ltd. | Hydrophone bender crystal assembly |
WO1995024977A3 (en) * | 1994-03-15 | 1995-11-02 | Shaw Ind Ltd | Hydrophone bender crystal assembly |
EP0882987A1 (de) * | 1997-06-04 | 1998-12-09 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelektrischer Beschleunigungssensor |
US6050144A (en) * | 1997-06-04 | 2000-04-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Acceleration sensor |
US6227051B1 (en) | 1997-06-04 | 2001-05-08 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Acceleration sensor |
DE102004015474A1 (de) * | 2004-03-26 | 2004-12-23 | Conti Temic Microelectronic Gmbh | Aufnehmersystem/Auslösesensor, geeignet für Diagnose-/Sicherheitsvorrichtung, insbesondere für Unfallschutzeinrichtungen in einem Fahrzeug |
US7856880B2 (en) | 2004-03-26 | 2010-12-28 | Conti Temic Microelectronics Gmbh | Vehicle sensor for detecting impact sound |
CN104061122A (zh) * | 2014-06-30 | 2014-09-24 | 北京天源科创风电技术有限责任公司 | 一种皮带张力自动监测系统和监测方法及风电机变桨系统 |
CN104061122B (zh) * | 2014-06-30 | 2017-01-04 | 北京天源科创风电技术有限责任公司 | 一种皮带张力自动监测系统和监测方法及风电机变桨系统 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS63289460A (ja) | 1988-11-25 |
JPH0715485B2 (ja) | 1995-02-22 |
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