JP2017514113A - 動的及び静的な圧力並びに/或いは温度を測定するための圧電測定素子 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、Dは、電気変位場のベクトルであり、Tは、応力テンソルであり、Sは、ひずみテンソルであり、Eは、電場のベクトルである。
厚みすべり振動子の形式でその動作中の本体20の最高の振動品質を可能的に達成する目的のために、圧電eテンソルeijkのスラスト係数eiijの値は、出来る限り高くすべきである。スラスト係数eiijの値がゼロである場合、厚みすべり振動は達成することができず、したがって本体20は、厚みすべり振動子の形式で動作することができない。
ここで、Fは、厚みすべり振動子に作用する力である。このため、力は、共振周波数の決定に基づいて算出することもできる。この原理は、例えば、力センサを製造する目的で水晶振動子のATカットと共に使用される。力若しくは圧力又は温度を決定する目的で厚みすべり振動のハーモニクスを評価することも勿論可能である。
1 測定素子受容体
2 測定素子
3 電子的な評価及び励起システム
4 クオーツクリスタル
10 ダイアフラム
11 当接部
20 本体(圧電性結晶又は圧電セラミック)
21 第1の側面
22 第2の側面
23 第1の端面
24 第2の端面
40 切断平面
210 第1の側面電極
220 第2の側面電極
230 第1の端面電極
240 第2の端面電極
a 厚み
b 幅
d 圧電dテンソル(3階のテンソル)
dijj 横係数
diii 縦係数
e 圧電eテンソル
eiij スラスト係数
f 厚みすべり振動周波数
kiij 電気機械結合係数
l 長さ
z 主軸
D 電気変位場のベクトル
E 電場のベクトル
F 力
L 縦方向
P 圧力
S ひずみテンソル
T 応力テンソル
Ta 横方向
α 主軸に対する切断角度
Claims (12)
- 動的な圧力を測定するため、また追加的に温度及び/又は静的な圧力を測定するための測定素子(2)であって、前記測定素子が圧電材料で作った本体(20、20’)を含み、前記本体(20、20’)が横方向(Ta)に互いに対向して配置される側面(21、22)を有し、その個々の上に側面電極(210、220)が配置され、前記測定素子(2)が圧電効果を利用する目的で与圧方式で縦方向(L)に測定素子台(1)内に配置することができると共に力(F)を受けることができる、測定素子(2)において、
前記本体(20、20’)の圧電材料は、圧電eテンソル(eijk)がゼロ以外のスラスト係数(eiij)を有するように選ばれ(ここで、i(i=1..3)とj(j=1..3))、したがって、逆圧電効果は、厚みすべり振動子の形式で動作中に利用することができ、圧電dテンソル(dijk)は、ゼロ以外の横係数(dijj)を追加的に有し(ここで、i(i=1..3)とj(j=1..3))、及び/又は、圧電dテンソル(dijk)は、ゼロ以外の縦係数(diii)を有し(ここで、i(i=1..3)とj(j=1..3))、したがって、横方向(Ta)の横圧電効果、及び/又は、縦方向(L)の縦圧電効果は、同じ本体(20、20’)の逆圧電効果と同時に利用することができる、ことを特徴とする測定素子(2)。 - 前記本体(20、20’)の前記圧電材料は、十分な振動品質を達成する目的で、前記電気機械結合係数(kiij2)が0.001よりも大きいか又は等しく、好ましくは、0.01よりも大きいか又は等しいように選択される、請求項1に記載の測定素子。
- 前記圧電体(20、20’)は、圧電結晶から切り出され、前記切断平面(40)は、前記圧電結晶の主軸(z)に対して、切断角度(α)に沿って配向され、本体(20、20’)は、ゼロ以外の、スラスト係数(eiij)、横係数(dijj)及び/又は縦係数(diii)を有する、請求項1又は2に記載の測定素子。
- 前記圧電材料は、例えば、トルマリン、LiNbO3、LiTaO3、又は、Reがレア・アース(Y、Gd、La)である、ReCa4O(BO3)3の形式のオキシボレートなどの単結晶圧電材料である、請求項1から3までのいずれか一項に記載の測定素子。
- 前記圧電材料は、例えば、石英又はGaPO4などの結晶学的な空間群P321に所属する単結晶圧電材料である、請求項1から3までのいずれか一項に記載の測定素子。
- 前記圧電材料は、例えば、La3Ga5.5Ta0.5O14、La3Ga5.5Nb0.5O14、Ca3Ga2Ge4O14、La3Ga5Ge0.5O14、Ca3TaGa3SiO14、Ca3NbGa3SiO14、Sr3TaGa3SiO14、Sr3NbGa3SiO14、Ca3Ga2Ge4O14、又はSr3Ga2Ge4O14、などのランガサイト(La3Ga5SiO14)に類似した結晶質構造を有する結晶である、請求項1から3までのいずれか一項に記載の測定素子。
- 前記本体(20、20’)の前記圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT、Pb[ZrxTi1−x]O3、0≦x≦1)、チタン酸ビスマス、又は、例えば、PbNb2O6などのメタニオブ酸鉛、の形式の圧電セラミックである、請求項1又は2に記載の測定素子。
- 前記本体(20、20’)は、縦方向(L)に互いに対向して配置される端面(23、24)上の端面電極(230、240)を特徴的に有し、前記端面電極は、供給ラインを介して電子的な評価及び励起システム(3)に接続することができ、したがって、前記縦効果は、前記端面電極(230、240)で測定することができ、前記逆圧電効果は、同時に励振されて前記側面電極(210、220)で測定することができる、請求項1から7までのいずれか一項に記載の測定素子。
- 前記第1の側面電極(210)は、第1の端面電極(230)に導電接続され、前記第2の側面電極(220)は、第2の端面電極(240)に導電接続され、前記測定素子は、前記測定素子を動作させる目的のためには、2つの供給ラインを用いて電子的な励起システム(3)に接続することだけ必要である、請求項1から8までのいずれか一項に記載の測定素子。
- 測定素子受容体(1)を含み、請求項1から9までのいずれか一項に記載の測定素子(2、2’)が機能的な接続方式でクランプされ、前記測定素子(2、2’)は、電子的な評価及び励起システム(3)に接続することができ、前記逆圧電効果は、圧電効果に加えて同時に利用することができる、センサ構造(0)。
- 前記励起システム(3)は、2つの供給ラインを用いて、即ち、第1の端面電極(230)に導電接続される第1の側面電極(210)と、第2の端面電極(240)に導電接続される第2の側面電極(220)とで、前記測定素子(2、2’)に接続することができる、請求項10に記載のセンサ構造(0)。
- 測定素子受容体(1)内で縦方向(L)にクランプされる圧電体(20)を含む測定素子を用いて静的及び動的な圧力並びに/或いは温度を測定するための方法であって、前記圧電体(20)が、横方向(Ta)に互いに隔置されてその上に側面電極(210、220)が配置される側面(21、22)を特徴的に有する、方法において、
前記測定素子は、請求項1から9までのいずれか一項に記載の測定素子(2、2’)であり、前記測定素子(2、2’)は、供給ラインを介して電子的な評価及び励起システム(3)に機能的に接続され、前記測定素子(2、2’)は、前記電子的な評価及び励起システム(3)を用いて電子的に励振されて厚みすべり振動周波数(f)で振動する厚みすべり振動子として動作し、外力(F)又は前記温度に起因する周波数偏差は、前記静的な圧力又は前記温度を決定するために使用され、前記測定素子(2、2’)は、前記動的な圧力を決定する目的で、前記電子的な評価及び励起システム(3)の助けを借りて、前記縦方向(L)に互いに隔置される端面(23、24)上に端面電極(230、240)を配置することにより、横方向(Ta)の前記直接圧電効果の測定、及び/又は、縦方向(L)の前記直接圧電効果の測定を同時に可能とする、ことを特徴とする方法。
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