ITRM990223A1 - Sensore di accelerazione piezoelettrico. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

''SENSORE DI ACCELERAZIONE PIEZOELETTRICO"

L'invenzione concerne un sensore di accelerazione piezoelettrico secondo il preambolo della rivendicazione 1.

La DE 44 19 843 Al indica un sensore di accelerazione piezoelettrico di questo tipo. Questo sensore presenta un componente piezoelettrico, costituito da elementi a piastra piezoelettrici, disposti uno accanto all'altro, con polarizzazione piezoelettrica opposta. Le due superfici del componente piezoelettrico sono munite di elettrodi conduttivi, collegati elettricamente con le entrate di un sistema elettronico di valutazione.

Nella DE 4440 078 Al è descritto un sensore di accelerazione piezoelettrico che contiene due elementi flessibili a barre di piezoceramica, i quali sono provvisti di elettrodi esterni e sono bloccati centralmente in modo da sporgere a destra e a sinistra da un dispositivo di bloccaggio in modo che le due estremità libere degli elementi flessibili, in presenza di accelerazioni, vengano deviate. La piezotensione così indotta può essere valutata da un sistema elettronico di valutazione allacciato per il rilevamento dell'accelerazione.

Specialmente nelle strutture micromeccaniche, i sensori di accelerazione piezoelettrici tradizionali del tipo citato sopra reagiscono anche a impulsi di disturbo di accelerazione piezoelettrici di breve durata, causati ad esempio, in caso di impiego in autoveicoli, da colpi di martello o di sassi che agiscono nelle vicinanze dei sensori. Ciò, in determinati casi, non è gradito come, ad esempio, quando, in caso di attivazione dell'airbag, l'apertura non avviene a causa di questi brevi impulsi di disturbo dell'accelerazione.

L'invenzione si prefigge il compito di realizzare un sensore di accelerazione piezoelettrico del tipo citato all'inizio che sia insensibile ai brevi impulsi di disturbo di accelerazione anche in caso di struttura micromeccanica .

Questo compito viene risolto da un sensore di accelerazione piezolettrico con i particolari della rivendicazione 1. Questo sensore di accelerazione presenta mezzi di controreazione che applicano, sulla lamine piezoelettriche, una forza di smorzamento opposta al movimento di flessione indotto dall'accelerazione. In questo modo si ottiene che il sensore può essere realizzato in modo da risultare molto piccolo specialmente in caso di struttura micromeccanica in cui la lamella piezoelettrica sensibile all'accelerazione ha una massa molto piccola. Questa piccola massa produce una frequenza di trasmissione molto alta della lamella piezoelettrica, la quale lamella reagisce, quindi, principalmente, anche ad azioni di accelerazione di alta frequenza, come quelle dei colpi di martello o di sassi. La sensibilità del sensore di accelerazione per tali brevi effetti di disturbo viene ridotta però dai mezzi di controreazione. Il sensore di accelerazione piezoelettrico può essere progettato, quindi, in modo da reagire selettivamente, dal punto di vista della frequenza, e bidirezionalmente e da essere usato, ad esempio, per un interruttore di scatto di sicurezza in sistemi di airbag di autoveicoli, il quale non deve scattare a causa di brevi urti, come i colpi di martello o di sassi generati nelle vicinanze, ma soltanto in caso di vere decelerazioni rilevanti del veicolo, come avviene in caso di pericolo di incidente.

In un sensore di accelerazione piezoelettrico ulteriormente sviluppato secondo la rivendicazione 2, i mezzi di controreazione contengono due elettrodi a piastra distanziati, tra i quali è disposta la lamina piezoelettrica e i quali vengono alimentati con una carica controreagente in funzione del movimento di flessione della lamina piezoelettrica in modo che l'attenuazione del movimento che ne risulta aumenti man mano che aumenta la velocità del movimento di flessione. In questo modo si realizza una struttura semplice di mezzi di controreazione efficaci e selettivi, dal punto di vista della frequenza, cioè di mezzi di controreazione che attenuano fortemente i brevi impulsi di accelerazione.

In un sensore di accelerazione piezoelettrico ulteriormente sviluppato secondo la rivendicazione 3, gli elettrodi a piastra sono collegati tramite un filtro passa-alto e diodi con i contatti della lamina piezoelettrica. In questo modo, il segnale piezoelettrico viene utilizzato direttamente per la produzione della forza di controreazione da parte degli elettrodi a piastra. I diodi garantiscono la giusta polarità di attivazione, mentre il filtro passa-alto fa in modo che vengano attenuati soltanto i brevi impulsi di disturbo dell'accelerazione.

In un sensore ulteriormente sviluppato secondo lèi rivendicazione 4 sono previsti mezzi di controreazione elettromagnetici.

Un esempio di esecuzione vantaggioso dell'invenzione è rappresentato nei disegni ed è descritto in seguito. Nei disegni:

La figura 1 mostra uno schema elettrico a blocchi di un sensore di accelerazione piezoelettrico in una posizione di riposo,

la figura 2 mostra uno schema elettrico a blocchi corrispondentemente alla figura 1, però con il sensore di accelerazione piezolettrico in una posizione deviata.

Il nucleo del sensore di accelerazione piezoelettrico 10 rappresentato nelle figure 1 e 2 è costituito da una lamella piezolettrica 1, costituita da due semilamelle la, lb disposte una accanto all'altra, la quale è disposta tra due elettrodi a piastra laterali 3 e 4 ed è tenuta unilateralmente in un supporto meccanico 2. Mentre la lamina piezoelettrica 1, nella figura 1, si trova nella sua posizione di riposo centrale, non deviata, la figura 2 mostra il modo in cui la lamina piezolettrica 1 si flette, in caso di accelerazione, in direzione della freccia 11 per effetto delle forze di inerzia. In questo caso si ottiene, corrispondentemente all'ampiezza della deviazione della lamella piezoelettrica 1, un trasferimento di carico tra elettrodi esterni la, lb opposti, in modo che tra questi si sviluppi una corrispondente tensione elettrica. Questa piezotensione viene captata tramite contatti di connessione e viene amplificata per mezzo di un amplificatore differenziale 9 e il segnale di uscita del sensore di accelerazione piezolettrico 10 rappresenta poi la misura dell'accelerazione alla quale questo è sottoposto.

Gli elettrodi esterni la, lb della lamina piezoelettrica 1 sono a massa tramite resistenze 8 in modo che, dopo un tempo caratteristico, tra di essi si abbia una compensazione di carica. Allo stesso tempo, tramite due diodi 6 collegati in parallelo, i due elettrodi esterni la, lb della lamina piezoelettrica 1 sono collegati con l'entrata di un filtro passa-alto 7 in modo che questo sia caricato di volta in volta soltanto con un segnale di tensione positivo derivante da uno dei due elettrodi esterni la, lb della lamina piezoelettrica 1. Questo segnale filtrato con il filtro passa-alto viene inviato, per l'amplificazione, ad un amplificatore 5 la cui uscita è collegata con gli elettrodi a piastra 3 e 4. In questo modo, in caso di deviazione della lamella piezoelettrica 1, gli elettrodi a piastra 3 e 4 vengono caricati positivamente. Nella deviazione della lamina piezoelettrica rappresentata nella figura 2, ciò porta, a causa della stessa polarità, ad una repulsione della lamella piezoelettrica 1 da parte dell'elettrodo a piastra destro 3 al quale si avvicina la lamella l e, a causa della diversa polarità, porta ad un'attrazione della lamella piezoelettrica 1 da parte dell'elettrodo a piastra sinistro 4.

In questo modo, la lamella piezoelettrica 1 viene sottoposta ad una forza contraria alla sua deviazione, ottenendo una controreazione. Per effetto del filtro passa-alto 7, questa controreazione è selettiva dal punto di vista della frequenza. Una deviazione rapida, dal punto di vista del tempo di filtrazione caratteristico del filtro passa-alto 7, della lamina piezoelettrica viene contrastata in modo significativo mentre, al contrario, una deviazione lenta rimane abbondantemente non influenzata.

Il sensore di accelerazione mostrato è adatto, ad esempio, come interruttore di scatto di sicurezza per un sistema di airbag di un autoveicolo. Un tale interruttore serve ad evitare una mancata apertura dell'airbag a causa di brevi impulsi di disturbo, ad esempio di colpi di martello e, dall'altro lato, a generare l'attivazione dell'airbag in caso di forti decelerazioni del veicolo prodotte da un incidente. Queste esigenze sono soddisfatte dal sensore mostrato anche quando detto sensore è stato realizzato con una dimensione molto piccola con una tecnologia mi cromeccanica, contrastando la frequenza di trasmissione adeguatamente alta a causa della massa molto piccola della lamella piezoelettrica attraverso l'attenuazione elettrostatica della controreazione filtrata con il filtro passa-alto.

E' evidente che, oltre all'esempio mostrato, sono possibili altre realizzazioni del sensore di accelerazione piezoelettrico secondo l'invenzione, ad esempio una realizzazione in cui una deviazione della lamella piezoelettrica non viene contrastata con controreazione da un campo elettrostatico ma da un campo elettromagnetico. A questo scopo, la lamella piezoelettrica, la quale a sua volta è disposta unilateralmente in un supporto meccanico, è provvista, inoltre, di un rivestimento magnetico. Invece dei due elettrodi laterali a piastra 3 e 4 dell'esempio di esecuzione rappresentato nelle figure, vengono impiegati due elettromagneti opportunamente disposti. Per contrastare una deviazione della lamella piezoelettrica, essi vengono alimentati con corrente tramite un trasformatore di tensione, il quale, analogamente all'esempio di esecuzione rappresentato nelle figure, riceve il suo segnale di tensione di entrata corrispondentemente alla deviazione della lamella piezoelettrica dagli elettrodi esterni della lamella piezoelettrica di volta in volta tramite uno dei due diodi e un filtro passa-alto collocato a valle. In questo modo, questo trasformatore di tensione sostituisce l'amplificatore 5 nell'esempio di esecuzione rappresentato. A seconda dell'intensità di corrente, questi due elettromagneti producono un campo magnetico maggiore o minore con cui il rivestimento magnetico agisce alternativamente sulla lamella piezoelettrica, in modo da produrre una forza che contrasta la deviazione della lamella piezoelettrica. Come nell'esempio di esecuzione rappresentato nelle figure, la controreazione avviene, in questo caso, pure in modo selettivo dal punto di vista della frequenza.

Gli esempi di esecuzione descritti sopra del sensore di accelerazione piezoelettrico possono essere semplificati, in caso di bisogno, per il fatto che la lamella piezoeletrica non viene sottoposta ad un campo elettrico o magnetico, variabile in base al tempo, che controreagisce corrispondentemente alla sua deviazione, ma soltanto ad un campo magnetico od elettrico statico, proveniente da elettrodi o da elettromagneti. In un tale sensore di accelerazione piezoelettrico non si impiegano poi i diodi, il filtro passa-alto e l'amplificatore e rispettivamente il trasformatore di tensione, in modo che esso possa essere realizzato in modo adeguatamente più vantaggioso. In tali esecuzioni del sensore di accelerazione piezoelettrico, le deviazioni rapide e lente della lamella piezoelettrica vengono attenuate quasi con la stessa intensità.

L'invenzione può essere impiegata sia per un sensore di accelerazione piezoelettrico con una lamella piezoelettrica disposta unilateralmente, come indicato nell'esempio di esecuzione, sia per un sensore di accelerazione piezoelettrico con una lamella disposta al centro, com'è noto dalla DE 4440 078 citata all'inizio.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore di accelerazione piezoelettrico (10) con una lamella piezoelettrica (1) che si piega in funzione di forze di accelerazione agenti e produce un'adeguata piezotensione in grado di essere captata tramite contatti bilaterali, caratterizzato da mezzi di controreazione (3, 4) che applicano una forza di smorzamento contraria al movimento di flessione indotto dall'accelerazione sulla lamella piezoelettrica (1).
2. 2. Sensore di accelerazione piezoelettrico (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi di controreazione contengono due elettrodi a piastra (3, 4) distanziati, tra i quali si trova la lamella piezoelettrica (1) e i quali vengono alimentati con carica controreagente in funzione del movimento di flessione della lamella piezoelettrica in modo che lo smorzamento del movimento che ne deriva aumenti man mano che la velocità del movimento di flessione cresce.
3. 3. Sensore di acceleazione piezoelettrico (10) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che gli elettrodi a piastra (3, 4) sono collegati tramite un filtro passa-alto (7) e diodi (6) con i contatti della lamella piezoelettrica (la, lb).
4. 4. Sensore di accelerazione piezoelettrico (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la lamella piezoelettrica (1) è provvista di un rivestimento magnetico e i mezzi di controreazione sono formati da due elettromagneti distanziati, tra i quali si trova la lamella piezoelettrica e i quali vengono attivati in modo controreagente in funzione del movimento di flessione della lamella piezoelettrica in modo che lo smorzamento del movimento risultante aumenti man mano che la velocità del movimento di flessione cresce .