DE4439297A1 - Piezoelektrischer Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor gemäß der Gattung der Patentansprüche, der insbesondere zu Beschleunigungs- und Schwingungsmessungen verwendet werden kann.

Bekanntlich entstehen bei piezoelektrischen bzw. piezokeramischen Elementen, deren Elektroden senkrecht zur Polarisationsrichtung ange­ bracht sind, bei Temperaturänderungen durch den pyroelektrischen Effekt auf diesen Elektroden Ladungen, die sich den durch den direkten piezoelektrischen Effekt erzeugten Ladungen überlagern und somit die aus der gemessenen Ladung oder Spannung ermittelten Werte der wirkenden Kraft oder Beschleunigung verfälschen. Die Verfälschung ist dabei umso größer, je schneller die Temperaturänderung erfolgt und je größer die Temperaturänderung ist. Bei piezokeramischen Elementen, bei denen die Elektroden auf Flächen aufgebracht sind, die parallel zur Pola­ risationsrichtung liegen und üblicherweise als Scherwandler bezeichnet werden, tritt kein pyroelektrischer Effekt auf.

Weiterhin ist bekannt, daß bei Verwendung von sogenannten Serien­ bimorphelementen, bei denen zwei piezoelektrische Platten so miteinan­ der verklebt sind, daß die Polarisationsrichtungen der beiden Platten anti­ parallel zueinander gerichtet sind, an den äußeren Elektroden, an denen üblicherweise die Meßsignale abgegriffen werden, ebenfalls keine Pyro­ spannungen entstehen. Allerdings besteht bei diesen Elementen grund­ sätzlich die Gefahr, daß sich an der Mittelelektrode, die i.a. für eine Kontaktierung nicht zugänglich ist, bei Temperaturänderungen eine Spannungsdifferenz zu den umgebenden Teilen des Sensorelementes auf­ baut, die unter ungünstigen Umständen zu Überschlägen und damit zu unerwünschten Störsignalen oder Signalverfälschungen führt.

Für den Aufbau von Beschleunigungssensoren sind drei prinzipielle Mög­ lichkeiten bekannt, die sich durch die verwendeten piezoelektrischen Elemente und die Art der Kraftaufbringung auf diese Elemente unter­ scheiden. Bekannt sind Shearmode-, Compressionmode- und Beam- oder Flexuarl-Aufnehmer.

Bei Shearmode-Aufnehmern werden ein oder mehrere piezoelektrischen Scherwandler, bei denen die Polarisationsrichtung parallel zu den Elek­ trodenflächen liegt, mit einer Elektrodenfläche über einen Bolzen fest mit einem Gehäuse verbunden, und an der anderen, freien Elektrodenfläche wird eine seismische Masse befestigt. Die Empfindlichkeitsachse, die Richtung, in der die Beschleunigung wirkt, liegt dabei parallel zur Polari­ sationsrichtung der piezoelektrischen Elemente. Diese Aufnehmer zeichnen sich durch eine geringe Temperaturabhängigkeit aus. Sie gelten allgemein als die genauesten piezoelektrischen Beschleunigungsauf­ nehmer. Ihr Aufbau erfordert aber eine hohe Präzision der Einzelteile und der Montage, so daß sie für kostengünstige Massenerzeugnisse nicht geeignet sind.

Bei den Compressionsmode-Aufnehmern werden piezoelektrische Ele­ mente eingesetzt, bei deren Polarisationsrichtung zu den Elektroden­ flächen senkrecht ist. Ein oder mehrere meist ringförmige piezoelektrische Elemente mit einer seismischen Masse am Ende sind übereinander ge­ stapelt und mit einem Bolzen oder einer anderen Verspanneinrichtung gegen das Gehäuse verspannt. Es sind aber auch Compressionsmode- Aufnehmer bekannt, bei denen quader- oder zylinderförmige piezo­ elektrische Elemente ohne seismische Massen verwendet werden. Die Empfindlichkeitsachse aller dieser Aufnehmer liegt parallel zur Polarisa­ tionsachse. Bei Einwirkung einer Beschleunigung wird durch die Trägheit der seismischen Masse oder die Eigenträgheit des piezoelektrischen Elementes eine Druck- oder Zugspannung im jeweiligen Sensorelement erzeugt. Compressionsmode-Aufnehmer zeichnen sich durch eine hohe Steifigkeit und eine daraus resultierende hohe Eigenresonanzfrequenz sowie durch eine hohe Querempfindlichkeit und eine große Empfindlich­ keit gegen Verbiegungen des Sensorgehäuses aus. Insbesondere bei Ver­ wendung von Sensormaterialien mit großem pyroelektrischen Effekt, den alle standardmäßigen piezokeramischen Werkstoffe zeigen, besitzen Compressionsmode-Aufnehmer eine große Abhängigkeit von thermischen Einflüssen.

Beam- oder Flexural-Aufnehmer zeichnen sich durch einen einfachen und gegenüber Verbiegungen des Sensorgehäuses unempfindlichen Aufbau aus; sie sind deshalb für kostengünstige Massenanwendungen prädesti­ niert. In diesen Aufnehmern kommen die oben beschriebenen Bimorph­ elemente mit ihren Vor- und Nachteilen zum Einsatz. Sie werden dabei mittig, einseitig oder beidseitig gehaltert. Bei Einwirkung einer Beschleu­ nigung senkrecht zu den Hauptflächen der Elemente, auf denen die Elek­ troden aufgebracht sind, kommt es zu einer Verbiegung der Elemente, wodurch in der einen Platte des Verbundes im wesentlichen eine Zug­ spannung und in der anderen Platte im wesentlichen eine Druckspannung erzeugt wird. Auch bei diesem Typ ist die Empfindlichkeitsachse des Aufnehmers parallel zur Polarisationsrichtung des Sensorelementes gerichtet.

Alle bekannten Aufnehmertypen haben den Nachteil, daß eine aktive Überprüfung ihrer Funktionsfähigkeit ohne zusätzliche Hilfsvorrichtungen nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein piezoelektrisches Sensor­ element zu schaffen, das auch bei Verwendung von piezokeramischen Materialien keine Beeinflussung der Meßsignale durch den pyroelek­ trischen Effekt aufweist, bei dem alle Elektroden für eine Kontaktierung leicht zugänglich sind und das in der Mehrzahl der Ausführungsarten eine aktive Überprüfung der Sensorfunktion ohne eine zusätzliche, eine Beschleunigung erzeugende Hilfsvorrichtung erlaubt. Darüber hinaus soll es für den Aufbau von kleinen, leichten und kostengünstigen Beschleuni­ gungsaufnehmern und deren Massenfertigung geeignet sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merk­ male des ersten Patentanspruchs gelöst. Durch die Verwendung eines einteiligen platten- oder balkenförmigen piezoelektrischen Elementes mit einer Polarisationsrichtung parallel zur Längskante des Elementes und einer derartigen Anordnung des Elementes, daß eine Beschleunigung senkrecht zu den Hauptflächen des Elementes eine Verbiegung um mindestens eine den Breitenkanten parallele Achse bewirkt, und die asymmetrische Anordnung der Elektroden zu den genannten Achsen auf den zur Polarisationsrichtung parallelen Hauptflächen sind die Vorteile der bekannten Lösungen miteinander kombiniert, ihre Nachteile vermie­ den und die Voraussetzungen für eine kostengünstige Fertigung in großen Stückzahlen gegeben. Gegenüber den bekannten Bimorphelementen ent­ fällt auch die dort erforderliche Verklebung der beiden Platten, was wiederum zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Sensors führt.

Die Anordnung von mindestens drei Elektroden (Signalelektroden), von denen sich zwei auf einer Hauptfläche und die dritte auf der zweiten Hauptfläche des Sensorelementes befinden, erlaubt nicht nur eine einfache aktive Überprüfung der Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Sensors, sondern bietet auch die Möglichkeit die Signalspannung zu erhöhen bzw. auftretende Winkelbeschleunigungen anzuzeigen.

Für die Halterung, Lagerung oder Einspannung des Elementes und die Aufbringung der Elektroden gibt es eine Vielzahl von Gestaltungsmög­ lichkeiten, die Anpassungen an die jeweiligen Anwendungsfälle dar­ stellen. Das Element selbst besteht vorteilhaft aus einer Piezokeramik oder aus Quarz und ist an seinem jeweils freien Ende zur Unterstützung der Beschleunigung mit einer seismischen Masse versehen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein mit Elektroden versehenes erfin­ dungsgemäßes Element,

Fig. 2 einen Längsschnitt entlang einer Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Längsschnitt und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In den Fig. 1 und 2 ist ein plattenförmiges piezoelektrisches Element 1 mit zwei Hauptflächen 2, 3, auf diesen Flächen mit metallischen Elektro­ den (Signalelektroden) 21, 31 versehen, die über Anschlußleitungen 22, 32 kontaktiert sind und von denen die Elektrode 21 die halbe Hauptfläche 2 und die Elektrode 31 die gesamte Hauptfläche 3 bedeckt. Die Haupt­ fläche 2 ist durch Längskanten 23 und Breitenkanten 24 und die Haupt­ fläche 3 von Längskanten 33 und Breitenkanten 34 begrenzt. Das Element 1 stützt sich gegen eine mittige Halterung 5 ab und ist in Richtung eines Pfeiles 4 parallel zu den Längskanten 23, 33 und originär senkrecht zur Richtung einer Beschleunigung 6 (Empfindlichkeitsachse) polarisiert. Infolge der Beschleunigung 6 erfährt das Element 1 in an sich bekannter Weise eine Verbiegung um eine parallel zu den Breitenkanten 24, 34 ge­ richtete, über der Halterung 5 befindliche, in Fig. 2 rechtwinklig zur Zeichenebene gerichtete Achse X-X, wodurch von den Elektroden 21, 31 eine von der Größe der Beschleunigung 6 direkt abhängige Signal­ spannung bzw. ein Signalstrom über die Anschlußleitungen 22, 32 abge­ griffen werden kann. Die Anordnung der Elektroden ist so gewählt, daß bei einer Verbiegung des Elementes 1 die durch den piezoelektrischen Effekt erzeugten Ladungen im Bereich dieser Elektrode im wesentlichen gleiche Vorzeichen besitzen.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße piezoelek­ trische Sensor 10 kann bspw. auch auf der rechten Seite 11 einseitig eingespannt und an der linken Seite 12 mit einer nicht dargestellten seis­ mischen Masse versehen sein.

In Fig. 3 ist ein balkenförmiges piezoelektrisches, in Richtung des Pfeiles 4 polarisiertes Element 1 wieder mittig von der Halterung 5 unter­ stützt. Auf der Hauptfläche 2 befinden sich zwei galvanisch voneinander getrennte Elektroden 21, 25 mit elektrischen Anschlüssen 22, 26 und auf der Hauptfläche 3 die durchgehende, ganzflächige Elektrode 31 mit dem elektrischen Anschluß 32 zu einem nicht dargestellten Anzeigeinstrument. Beim Verbiegen des Elementes 1 durch die lineare Beschleunigung 6 treten infolge der gewählten Anordnung der Elektrode 25 und des piezoelektrischen Effektes im Bereich der Elektrode 25 elektrische Ladungen auf, die im wesentlichen gleich den elektrischen Ladungen sind, die im Bereich der Elektrode 21 erzeugt werden; jedoch sind die Vor­ zeichen der Ladungen in beiden Elektroden 21, 25 entgegengesetzt. Damit stehen zwischen der gemeinsamen Elektrode 31 und den Teilelek­ troden 21, 25 zwei Signale zur Verfügung, die durch einfache Verarbei­ tung ausgewertet werden können. Durch Invertierung eines Signalaus­ ganges und anschließende Addition der Signale beider Signalausgänge ist es möglich, die Spannungs- oder Ladungsempfindlichkeit des Sensors 10 zu verdoppeln. Es ist auch möglich, die Signalspannung zwischen den Elektroden 21 und 25 abzugreifen, wobei die beiden durch die Elektroden 21, 25 gebildeten Teilbereiche des Sensors 10 durch die gemeinsame Elektrode 31 im wesentlichen elektrisch in Reihe geschaltet werden, was wiederum einer Erhöhung der Spannungsempfindlichkeit des Sensors 10 zur Folge hat. Ein weiterer Vorteil des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 3 besteht darin, daß die Möglichkeit der aktiven Überprüfung der Funk­ tionsfähigkeit des piezoelektrischen Sensors 10 gegeben ist. Wird bspw. über den Anschluß 22 ein elektrisches Signal an die Elektrode 21 gelegt, kommt es im Bereich dieser Elektrode durch den reziproken piezoelek­ trischen Effekt zu einer mechanischen Deformation des Materials, die durch die elastische mechanische Kopplung auf den Bereich der Elektrode 25 übertragen wird und dort über den direkten piezoelektrischen Effekt eine Ladung generiert, so daß an der Elektrode 25 ein elektrisches Antwortsignal abgegriffen werden kann.

Neben der bereits beschriebenen Detektion von linearen Beschleuni­ gungen kann der erfindungsgemäße Sensor 10 gemäß Fig. 3 auch zur Detektion von Winkelbeschleunigungen eingesetzt werden. Wird der Sensor 10 gemäß Fig. 3 einer Winkelbeschleunigung um eine Achse X-X ausgesetzt, die in Richtung der Breite des Elementes 1 zeigt, die senk­ recht auf der Polarisationsrichtung 4 steht, rechtwinklig zur Zeichenebene gerichtet ist und durch die Mitte des Elementes 1 verläuft, so kommt es zu einer an sich bekannten S-förmigen Verbiegung des Elementes 1, in deren Folge die an den Teilelektroden 21, 25 abgreifbaren Signale gleiche Polarität besitzen. Durch Auswertung der Polarität und der Größe der Signale ist eine Detektion der Winkelbeschleunigung nach Richtung und Größe möglich.

In Fig. 4 ist das Element 1 auf jeder seiner Hauptflächen 2, 3 mit entspre­ chend angeordneten, galvanisch voneinander getrennten Elektroden 21, 25 bzw. 31, 35 versehen, zu denen Anschlüsse 22, 26 bzw. 32, 36 ge­ hören. Eine Halterung 7 dient zum beidseitigen Halten bzw. Einspannen des Elementes 1, auf das eine Beschleunigung 6 rechtwinklig zu der durch den Pfeil 4 dargestellten Polarisationsrichtung einwirkt, so daß es eine Verbiegung erfährt, die in oben beschriebener Weise anzeigbare bzw. meßbare elektrische Signale erzeugt. Ist in Fig. 4 das Element 1 fest ein­ gespannt, so treten drei Achsen auf, um die sich das Element verbiegt. Auch in diesem Fall sind die Elektroden 21, 25, 31, 35 zu allen drei Achsen unsymmetrisch angeordnet. Bei loser Einspannung des Elementes 1 befindet sich die Biegeachse in der Mitte des Elementes, wie zu Fig. 3 beschrieben.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeich­ nung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebi­ ger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 - piezoelektrisches Element
2, 3 - Hauptflächen
4 - Polarisationsrichtung
5, 7 - Halterung
6 - Beschleunigung
10 - piezoelektrischer Sensor
11 - rechte Seite
12 - linke Seite
21, 25, 31, 35 - Elektroden
22, 26, 32, 36 - Anschlüsse
23, 33 - Längskanten
24, 34 Breitenkanten
X-X Achse

Claims (9)

1. Piezoelektrischer Sensor mit einem balken- oder plattenförmigen Element, das Längs- und Breitenkanten aufweist, die zwei zueinander parallele, am Element auf gegenüberliegenden Seiten befindliche Hauptflächen begrenzen, von denen jede mit mindestens einer metalli­ schen Elektrode versehen ist, wobei die Hauptflächen im wesentlichen rechtwinklig zu einer auf das Element einwirkenden Beschleunigung gerichtet sind und das Element so gehaltert ist, daß es bei einwirkender Beschleunigung eine Verbiegung um mindestens eine, im wesentlichen parallel zu den Breitenkanten gerichtete Achse erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß das Element parallel zu seinen Längskanten pola­ risiert ist, daß die Richtung der Polarisation des Elementes im wesent­ lichen rechtwinklig zur originär einwirkenden Beschleunigung gerichtet ist und daß die mindestens eine Elektrode auf einer der Hauptflächen unsymmetrisch zur mindestens einen Achse angeordnet ist.

2. Piezoelektrischer Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere der Hauptflächen von der auf ihr befindlichen Elektrode im wesentlichen vollständig bedeckt ist.

3. Piezoelektrischer Sensor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen der Hauptflächen zwei galvanisch voneinander getrennte Elektroden angeordnet sind, deren Ladungspolaritäten von Elektrode zu Elektrode unterschiedliche Vorzeichen haben.

4. Piezoelektrischer Sensor gemäß Anspruch 1 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anordnung der Elektroden auf beiden Hauptflächen die gleiche ist.

5. Piezoelektrischer Sensor gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus einer Piezo­ keramik oder aus Quarz besteht.

6. Piezoelektrischer Sensor gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mittig gehaltert ist.

7. Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element einseitig eingespannt ist und sich auf jeder Hauptfläche eine Elektrode befindet, die sich über die gesamte Hauptfläche erstreckt.

8. Piezoelektrischer Sensor gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element beidseitig gelagert oder eingespannt ist.

9. Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Element an seinem jeweils freien Ende mit einer seismischen Masse versehen ist.