JP2004502158A - 物理−電気センサ - Google Patents

Abstract

力または振動を検知するための物理−電気センサは、圧電性支持構造体（３）に支持された内側本体（１）を具備し、圧電性支持構造体は周囲のフレームワーク（２）に遊動状態で支持され、支持構造体の両極から延びる信号伝送用導線をさらに具備する。あるいは、周囲のフレームワーク（２）は、フレームワーク（２）上の支持構造体用の遊動支持位置に配置された圧電領域を備えてもよい。また、フレームワーク（２）は弾性材料（４）によって外側フレーム（５）に遊動支持されてもよい。

Description

【０００１】
本発明は、力または振動を検知し、検知された力または振動状態のパラメータを示す電気信号を送出することに関する。より詳細には、本発明は、力または振動を検知して、検知された力または振動の関数である少なくとも一つの電気信号を送出する物理−電気センサに関する。
【０００２】
力センサ、加速度センサおよび振動センサには多くの用途があり、様々な実施形態が存在する。通常、例えば、バネシステム内に遊動状態で支持（以下、「遊動支持」と称す）された質量体を各基準フレームに対して移動させることによって直交する三つの方向における加速度を検知するのに、二つまたは三つの別個のセンサが用いられる。また、通常、回転はジャイロスコープ装置によって検知される。
【０００３】
本発明は、既に公知の解決法よりも良好に、指向性効果をもって作動し且つ可動本体のみによって平行移動および回転を良好に測定することができるようなセンサを提供することを目的とする。
【０００４】
ここで、本発明によれば、特許請求の範囲の請求項１に正確に定義されたような物理−電気センサが提供される。利点を有する本発明の実施形態は、特許請求の範囲の従属請求項から明らかである。
【０００５】
以下、図面を参照しつつ、例示的な実施形態によってさらに本発明を鮮明にする。
【０００６】
図１に、比較的単純な二次元的形態の本発明の実施形態を示す。内側本体１がフレームワーク２内に圧電性の箔状部材３によって遊動状態で支持（以下、「遊動支持」と称す）され、箔状部材３の別個の側部に接続された信号伝送用ワイヤ（図示せず）は、内側本体１が無負荷状態における中央位置から移動することによって箔状部材が変形させられたときに発生せしめられる電気信号を伝達することができる。図は、六角形の開口内で緊張された三つの箔状部材を示しているが、一つ箔状部材のみを用いてもよいし、それ以上の箔状部材を用いてもよい。内側本体はセンサが用いられる分野に応じて選択される。柔軟な表面からの記録等で使用する場合、内側本体は例えば様々なショア硬さのプラスチックまたはシリコーンゴムから形成される。別の用途では、例えば工業用ダイアモンド材料が使用される。また、内側本体の材質とその幾何形状との組合せが重要である。内側本体は、この内側本体を空気が通過することができるような開口を有してもよい。箔状部材は、互いに絶縁された二つの金属製の部分フレーム間に、且つ場合によっては信号が金属製の部分フレームから集合せしめられるように外周に沿って他方の部分フレームから絶縁された二つの金属製の部分フレームの間に取付られる。箔状部材３が図示したように使用されている場合、箔状部材の伸張方向は、例えばストリップ状の各箔状部材の長手方向に沿った方向であり、このことにより、開口を横断する一つのストリップとしてまたは開口全体を覆う完全な「ダイアフラム」として一つの信号用箔状部材のみを用いた場合に比べて、より高い積算された全体の信号を集合させる機会が与えられる。
【０００７】
中央本体を芯合わせする必要はなく、内側本体を偏心した位置に配設した実施形態を実現してもよい。また、フレームワーク２が剛固で且つ圧電性箔状部材を取付けるのに適してさえいれば、フレームワーク２の形状も重要ではない。
【０００８】
このような二次元的形態のセンサでは、センサによって定められる平面に対して垂直な方向の力または振動の影響に関して感度が最も高いことは明らかであるが、補助平面における力、すなわち内側本体の横方向の移動を検知することもできる。
【０００９】
図２は図１と同様な実施形態を示すが、基本センサ全体が外側のフレームワーク５に遊動支持される。遊動支持は弾性要素、例えばゴム要素によって行われ、このような実施形態のセンサは例えばマイク内のセンサ素子として当該センサを用いるときに特に有利である。外側のフレームワーク５の主な目的は、ノイズの低減、すなわちセンサの圧電素子を振動させる振動であるノイズの低減にある。センサが外側フレーム５に取付けられると、二つの振動系が存在し、この場合、内側の振動系はセンサ自体である。このように設計すると、外側の振動系の共鳴周波数は内側フレーム／圧電性遊動支持構造体／内側本体を具備する振動系の共鳴周波数よりも低くなる。したがって、これによりフレームワークがローパスフィルタとして作動するという効果が得られる。このことは主に二次元的形態における解決に関する。
【００１０】
さらに、周囲に対する振動にさらされるのがフレームワーク２であるかまたは内側本体１であるかは非常に重要である。理想的に言えば、フレームワーク２が周囲に対して静止した状態で維持され、内側本体がフレームワークに対して振動することが望まれる。実際には、通常では、センサのフレームを遊動支持することによって周囲とセンサ要素との間で「良好な」音響的な連結がなされるが、通常ではこのことは望まれていない。概して、特性（周波数応答性）に対する影響は内側本体の質量によるものが最も大きいが、形状および材料の選択は「検知される媒体」とセンサとの間の連結において重要である。振動系を連結することにより、質量比、剛性等の関数として特性を最適化しなければならない。
【００１１】
高周波数に適したマイクの例では、空気中の振動により遊動支持式ダイアフラムが振動し、フレームワーク２が中央本体１周りで振動する。このような場合、センサの振動する部分はできるだけ軽くなければならない。
【００１２】
図３に、本発明の二次元的形態の別の実施形態を示す。図３では、内側本体１が扇形状の複数の圧電性箔状部材３に遊動支持されており、全ての扇形状箔状部材の伸張方向はそれぞれの位置における径方向に対して同じように配設され、例えば、ほぼ径方向に向けられる。この場合、箔状部材間には小さい開口があり、例えばマイクにおいて使用した場合にはこの開口を介して空気が通過するので有利である。さらに、信号伝送用導線の接続は図１において説明したのと同様に行われ、必要であれば各扇形状箔状部材からの信号伝送用リード線を適切に接続することで、集合した高い電圧を得ることができる。あるいは、別個の信号が各扇形状箔状部材から集合されてもよい。
【００１３】
図４は、図２と同様な形態における外側フレーム５内での遊動支持を示すが、この場合、遊動支持構造体は例えばゴム製の弾性的な扇形状ダイアフラムである。
【００１４】
図５に、三次元的形態の実施形態を示す。中央本体１は圧電性箔状部材３によって球状フレーム２の中央に遊動状態で保持される。圧電性箔状部材は内側本体１の相対移動または回転を箔状部材３によって発生する電圧によって検出できるように配設され、発生した電圧はフレームを通って突出する箔状部材の両側部に接続された信号伝送用ワイヤ（図示せず）によって集合せしめられる。もちろん、フレームワーク２は球状でなくてもよく、閉じている必要もないが、中央本体の位置の基準として構成するために剛固であることは重要である。
【００１５】
図６は図５と同様の設計形態を示すが、圧電性箔状部材は糸状部材に替わっている。糸状部材は、図５の箔状部材に対応する機能を備えた圧電タイプである。または、糸状部材は、実質的に非弾性的であって緊張しているが、フレームワークの圧電性領域（図示せず）に取付けられ、これら圧電性領域がフレームワーク２に対する内側本体の平行移動または回転に応じて電圧が発生させるようにしてもよい。
【００１６】
図５および図６に示したような三次元的形態の力／振動センサの基礎は、フレームワークと力または場合によっては加速度を測定するための内側本体との間の剛固な結合にあり、内側本体の慣性により遊動支持構造体３またはその取付領域に測定可能な電圧が生成される。そして、信号伝送用導線を適切な処理機器に接続することで、加速度／振動センサは、例えば慣性式航法システムにおいて主要ユニットを構成する。
【００１７】
また、図５および図６に示した三次元的形態の実施形態のセンサは、二次元的形態または三次元的形態の弾性材料を介して外側フレームワークに遊動支持されてもよい。
【００１８】
図５の実施形態に示した箔状部材部材は、例えばより扇形状であったり、場合によっては円領域全体のほとんどであったりする等、他の形状であってもよく、架橋される平面は図示したように直交している必要はない。
【００１９】
また、箔状部材または糸状部材の材料は本出願における材料のみではなくてもよく、また、内側本体とフレームワークとの間の遊動支持構造体は圧電性バイモルフ素子または同様な素子であってもよい。
【００２０】
本発明は、既に記載されている変更例、すなわち遊動支持構造体が圧電素子でなくフレームワークの圧電性領域に取付けらる変更例を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の二次元的形態のセンサの実施形態を示す。
【図２】
外側フレームに遊動支持された状態にある図１と同じ実施形態を示す。
【図３】
本発明の二次元的形態のセンサの別の実施形態を示す。
【図４】
外側フレームに遊動支持された状態にある図３と同じ実施形態を示す。
【図５】
箔状の支持構造体を備える本発明の三次元的形態のセンサの実施形態を示しており、部分的に切除されている。
【図６】
糸状の支持構造体を備える本発明の三次的形態のセンサの実施形態を示しており、部分的に切除されている。

Claims (19)

1. 力または振動を検知し且つ検知した力または振動の関数である少なくとも一つの電気信号を送出する物理−電気センサにおいて、
   少なくとも一つの圧電性支持構造体に支持された少なくとも一つの内側本体を具備し、上記圧電性支持構造体は周囲のフレームワークに遊動状態で支持され、上記少なくとも一つの支持構造体の両極から延びる信号伝送用導線をさらに具備することを特徴とする物理−電気センサ。
2. 上記フレームワークは二次元的形態であり、すなわち実質的に一つの平面上に収まることを特徴とする請求項１に記載の物理−電気センサ。
3. 上記少なくとも一つの支持構造体は一つの圧電性箔状部材から形成され、該圧電性箔状部材はその周縁に沿って緊張状態で上記フレームワークに保持されることを特徴とする請求項２に記載の物理−電気センサ。
4. 上記支持構造体は扇形状の複数の箔状部材から形成され、該箔状部材はその周縁においてフレームワークに取付けられ且つ場合によっては中央箔状支持部材によってその中央において一つの内側本体に取付けられることを特徴とする請求項２に記載の物理−電気センサ。
5. 各箔状部材は、その伸張方向が径方向に対して一つの同一の関係となるように配設され、信号伝送用導線は各箔状部材からの各出力信号を加算するように接続されることを特徴とする請求項４に記載の物理−電気センサ。
6. 上記内側本体は偏心した状態で配設されることを特徴とする請求項２に記載の物理−電気センサ。
7. 上記支持構造体は複数の圧電性糸状部材から形成され、各糸状部材は上記内側本体と上記フレームワークとに取付けられることを特徴とする請求項２に記載の物理−電気センサ。
8. 上記フレームワークは三次元的形態であることを特徴とする請求項１に記載の物理−電気センサ。
9. 上記支持構造体は平坦な圧電性箔状部材から形成され、上記箔状部材の存在する平面は三次元空間に及ぶことを特徴とする請求項８に記載の物理−電気センサ。
10. 上記箔状部材の存在する平面の数は三つであり、且つ上記平面は直交していることを特徴とする請求項９に記載の物理−電気センサ。
11. 箔状部材の存在する各平面には、内側本体の外部において間に隙間を備えた複数の箔状部材が設けられることを特徴とする請求項９に記載の物理−電気センサ。
12. 上記支持構造体は複数の圧電性糸状部材から形成され、各圧電性糸状部材は内側本体とフレームワークとに取付けられることを特徴とする請求項８に記載の物理−電気センサ。
13. 力または振動を検知し且つ検知した力または振動の関数である少なくとも一つの電気信号を送出する物理−電気センサにおいて、
    少なくとも一つの圧電性支持構造体に支持された少なくとも一つの内側本体を具備し、上記圧電性支持構造体は周囲のフレームワークに遊動状態で支持され、該フレームワークは少なくとも一つの支持構造体用のフレームワーク上の遊動支持位置に近接して包囲するかまたは該遊動支持位置に近接して配置された圧電性領域を有し、全ての上記圧電性領域それぞれの両極から延びる信号伝送用導線をさらに具備することを特徴とする物理−電気センサ。
14. 上記少なくとも一つの支持構造体は、実質的に弾性の無い緊張した状態の複数の糸状部材から形成され、各糸状部材は上記少なくとも一つの内側本体と上記フレームワークの取付地点とに取付けられ、上記圧電性領域は全ての取付地点それぞれの中央に位置する領域として配設されることを特徴とする請求項１３に記載の物理−電気センサ。
15. 上記フレームワークは二次元的形態であり、上記糸状部材は内側本体とフレームワークとの間に実質的にホイールのスポークのように延び、上記中央本体が偏心した位置にある場合には各糸状部材の長さは異なることを特徴とする請求項１４に記載の物理−電気センサ。
16. 上記フレームワークは三次元的形態であることを特徴とする請求項１４に記載の物理−電気センサ。
17. 上記フレームワークは弾性材料によって外側フレームに遊動状態で支持されることを特徴とする請求項１または１３に記載の物理−電気センサ。
18. 上記弾性材料は弾性膜であることを特徴とする請求項１７に記載の物理−電気センサ。
19. 上記弾性材料は三次元的形態のゴム材料またはその均等物であることを特徴とする請求項１７に記載の物理−電気センサ。