JP2020507777A - 振動ワイヤセンサ及び振動ワイヤセンサ用振動ワイヤ - Google Patents

Abstract

本発明は、検出すべき電流量の測定条件下で異なる張力がかけられる振動ワイヤ（２１，３１，４１，５１）を備え、その各固有周波数の範囲で、振動ワイヤ（２１，３１，４１，５１）を励起するための励起構造体を備えた振動ワイヤセンサ（２０，３０，４０，５０）において、励起構造体が、振動ワイヤ（２１，３１，４１，５１）の長手方向部分に設けられ、活性化状態に応じて異なる長さをとる圧電活性化層（３３，４６，５２）を有する少なくとも一つの励起層（２２，３２，４２，５２）を備え、それにより、振動ワイヤ（２１，３１，４１，５１）の対応する異なる振動位置をもたらすことを特徴とする振動ワイヤセンサに関する。また、本発明は、圧電活性化層を備えた励起層（２２，３２，４２，５２）を有する振動ワイヤに関する。【選択図】 図５ｂ

Description

本発明は、請求項１及び１０の前文に従った振動ワイヤセンサ及び振動ワイヤセンサ用振動ワイヤに関する。

振動ワイヤセンサは公知であり、多くのアプリケーションで使用されており、（排他的な意味ではないが）歪みや力のような実際の量を測定するために頻繁に使用されている。この場合、用語「歪み」は、動作中の機械要素の弾性変形又は塑性変形として理解される。このような歪みは、あらゆる種類の金属構造体、又は建物や橋等の非金属構造体の安全な動作状態の監視に関連し得る。さらに、動作中に作用している負荷は、例えば、動作制御のために、歪みセンサによって検出され得る。この歪みは、例えば、測定ポイント間の変位を介して歪み／力センサとして機能する振動ワイヤセンサによって検出される。ここでは、力は、歪みを測定するセンサ上に作用する。また、本発明によるセンサは、例えば、天秤のような純粋な力センサとしても使用され得る。

振動ワイヤセンサは、非常に小さな歪み又は力の変動を、細かい分解能で検出し、かつ、時間の経過に伴うドリフトが殆どないように構成され得、この点に関して、振動ワイヤセンサは、ロードセルや歪みゲージよりも質的に優れていることがしばしばある。

このような振動ワイヤセンサの一実施形態は、中国実用新案ＣＮ２０３５９５４９４Ｕ号から公知であり、かつ、図１に示されている。

図面には、動作中、即ち、測定状態にある振動ワイヤセンサ１が示されており、該センサ１は、この実施例では矩形に構成されたフレーム２を備え、フレーム２は、フレーム２の横方向部材５，６上に作用する固定要素３，４を備え、前記固定要素３，４は、それらの固定ポイント７，８によって、図面を明瞭かするために図示されていない、その歪みが測定されるべき構成要素、又は、例えば、計量されるべき重量が測定されるべきバランスの構成要素に固定される（固定は、簡単なネジ連結又は任意の種類の簡単なクランプによって達成され得る。）。測定状態の下で、構成要素の歪みが生じたり、測定されるべき力が発生した場合、センサ１は、例えば、矢印Ｋの方向（又はその反対方向）の力を受け、それにより、そのフレーム２が、力の作用で弾性的に変形され、その結果、伝達レバー９，１０が撓み、そのヘッド１１及び１２において、振動ワイヤ１５が、クランプピン１６を用いてクランプされる。伝達レバーも弾性変形するため、固定点７，８からヘッド１１，１２又はクランクピン１６までの距離・力変換が得られ、その結果、振動ワイヤ１５は、実際に存在する歪み又は測定すべき力に応じて変化する引張応力にさらされる。センサの静止位置で、自然に、即ち、固定点７，８に対する周囲の影響なしに、振動ワイヤ１５には、所定の方法で、張力がかけられる。クランプピンを備えたヘッド１１，１２は、振動ワイヤ１５のクランプ点を形成する。

さらに明らかなのは、動作中に磁場を生成する装置１７が設けられていることである。磁力線は図面の平面に対して垂直であり、かつ、装置１７の左半分では、磁力線は観察者から離れる方向に向けられ、右半分では観察者に向かう方向に向けられる。この目的のために、動作中、交流電流Iが、振動ワイヤ１５を通して流れ、この電流は、明確化のために図面では省略されている電子システムによって生成される。従って、交流電流Iに対応するローレンツ力が振動ワイヤに作用し、振動ワイヤを交流電流の周波数で振動させる。適切な周波数の変化により、振動ワイヤは、それに作用する張力に依存する、即ち、歪み又は力の作用の結果としての測定点７，８の変位に依存する、その固有周波数まで急速に低下する。電子システムは、固有振動数を検出し、検知結果から歪み又は力の作用に対するセンサ信号を生成し得る。

図１は、振動ワイヤセンサの概要を示しており、該センサは、振動ワイヤを備え、振動ワイヤには、検出すべき電流量の測定条件下で、それに応じた異なる張力がかけられる。また、該センサは、その固有周波数の範囲で振動ワイヤを励起する励起装置を有する。

このような振動ワイヤセンサは、電力消費が非常に大きいという欠点があり、又、取り扱いが粗い場合に、磁石が正確な位置から外れる可能性があるという欠点があり、さらに、衝撃のない固定のための費用が高いという欠点を有する。高い電力消費により、例えば、歪みセンサを備えたブリッジを使用する場合に、そのバッテリを継続的に交換するか、又は、代わりに、配線をする必要がある。

本発明の目的は、振動ワイヤセンサを改良することにある。

この目的を達成するために、本発明による振動ワイヤセンサは、請求項１の特徴部分の構成を有し、本発明による振動ワイヤは、請求項１１の特徴部分の構成を有する。

振動ワイヤセンサの振動ワイヤが、圧電活性化層を備えているので、従来の設計に比べて電力消費を大幅に低減することができる。加えて、磁場を形成するための磁石又は他の要素が省略されており、従って、取り扱いが粗い場合にセンサの感度に重要な役割を果たす要素が省略されている。最終的に、本発明による振動ワイヤセンサはコンパクトな構造を有する。

圧電活性化層が活性化状態に応じて様々な長さを有するので、その長さに亘る振動ワイヤの歪みが、弦を振動させるのに適したバイメタルスプリングの方法で得られる。

本発明による振動ワイヤセンサ又は振動ワイヤの実施の形態は、従属項による特徴を有する。

本発明は、添付図面を参照して詳細に説明される。

従来技術による振動ワイヤセンサを示している。 本発明による振動ワイヤセンサの一実施例を示している。 図２ａにおける振動ワイヤの拡大図である 振動ワイヤセンサにおける本発明による振動ワイヤの一実施例の概略図を示している。 振動ワイヤセンサにおける本発明による振動ワイヤの別の実施例の概略図を示している。 振動ワイヤセンサにおける本発明による振動ワイヤの好ましい実施例を示している。 図５ａにおける振動ワイヤを示している。

図２ａは、振動ワイヤセンサ２０の好ましい実施例を用いて本発明の原理を示している。図示された動作状態の振動ワイヤセンサ２０は、（必須ではないが）、図１の振動ワイヤセンサ１と同じ基本構造を有する。しかしながら、磁場を生成するための構造体１７（図１）は備えていない。図面から分かるように振動ワイヤ２１は、少なくとも長さ方向の部分に亘って、この実施例では、全長に亘って、点線で示された励振層２２で覆われており、該励起層２２は、圧電活性化層から成る。励起層２２の実施可能な実施例は、図面に詳細に示されている。

励起層２２には、クランプピン２３、即ち、接触要素を介して交流電圧が印加される。交流電圧は、図面を複雑化しないように省略された振動ワイヤセンサ２０の電子システムによって生成される。図面は、動作状態を示しており、動作状態では、交流電圧を印加した結果、励起層２２の圧電活性化層は、左側部分２４において、それが長くされる活性化状態にあり、右側部分２５において、それが短くされる活性化状態にある。

その結果、振動ワイヤ２１は、左から右に見た時に、部分２４においては右側に向かって、部分２５においては左側に向かって、バイメタルスプリングのように湾曲する。この湾曲は、中心に振動ノードがある振動ワイヤの振動位置に対応する（振動周波数は、可聴閾値より高いことが望ましい）。

図２ｂは、振動ワイヤセンサ２０の振動ワイヤ２１の部分の拡大図を示している。この図面では、振動ワイヤ２１は、図２ａと比較して、異なる振動位置を有しており、この振動位置は、クランプ２３においてアクティブな交流電圧より半波遅い振動位置に対応する。励起層２２は、左側部分２３が短くされ、右側部分２５が長くされ、その結果、振動ワイヤ２１は、部分２４において左側に湾曲され、部分２５において右側に湾曲される。

振動ワイヤ２１は、励起層２２の異なる活性化状態によって励起され、印加交流電圧に従って図２ａ及び図２ｂに示した振動位置の間で前後に振動する。ここで、交流電圧の周波数は、振動ワイヤ２１が、その現在の固有周波数で振動するまで電子システムによって変化される。現在の固有振動数は、測定点７，８の歪みに従って振動ワイヤ21に引張応力を与えるクランクピン１６，２３によって印加される振動ワイヤ２１の現在の電圧によって決められる。上述したように、電子システムは、センサ２０によって検出されるべき歪み又は力に対応する現在の固有周波数に基づく信号を生成する。

本発明による振動ワイヤセンサの励起構造体は、振動ワイヤの長手方向部分に設けられた、圧電活性化層を備えた少なくとも一つの励起層を備え、圧電活性化層が、活性化状態に従って異なる長さを有し、従って、それに応じて、振動ワイヤに異なる振動位置をもたらす。

さらに、本発明によれば、長手方向部分に少なくとも一つの圧電励起層を備え、前記圧電励起層が、活性化状態に従って異なる長さを有し、それにより、少なくとも一つの長手方向部分に亘って振動ワイヤに歪みをもたらす振動ワイヤが得られる。

別の実施例では、交流電圧は、振動ワイヤ２１の端部２７，２８に印加され得る。従って、クランクピン（又は、任意の種類のクランプ要素又は保持要素）に任意の適切な材料を用いることが可能である。端部２７，２８から振動ワイヤセンサ２０の電子システムに至る対応する導体は、図面を簡単化するために省略されている。

好ましくは、振動ワイヤ２１は、断面において薄く平坦に構成され、例えば、（ほぼ楕円形又は円型でもよいが）矩形であり、振動面において低い慣性モーメントを有する。振動ワイヤ２１は可撓性であり、従って、偏向位置において、曲げによって与えられるばね弾性復元力は殆どなく、その結果、クランプ点を介して加えられる張力のために、実質的に変位位置から振動し、その伸張位置に戻る。この逆振動は、励起層２２の対応するクロック駆動圧電活性化層によって実質的にアシストされ得る。

以下の図面は、本発明による振動ワイヤを備えた振動ワイヤ検出器の様々な実施例を示している。

図３は、矩形によって概略的に示されている振動ワイヤセンサ３０を示しており、これは、図３に示された構成要素から離れて、例えば、図１に示した振動ワイヤセンサ１のように構成することができる。振動ワイヤセンサ３０は、励起層３２を備えた振動ワイヤ３１を有し、励起層３２は、圧電活性化層３３に加えて、活性化層３３の長さ方向に亘ってのびる電極３４を有する。振動ワイヤ３１は、クランプ３５でクランプされている。クランプ３５は、好ましくは、（図１に示した）クランクピンとして構成されるが、別の構成でもよい。振動ワイヤセンサの概略的に示された電子システム３６は、電圧源３７を有し、これは、導体３８を介して、振動ワイヤ３１に接続され、かつ、導体３９を介して電極３４に接続されている。振動ワイヤセンサの残りの構成要素、特に、クランプ３５が配置されているヘッド１１及び１２（図１）は、図面を簡単化するために省略されている。図面は、歪み特性がより良く表現されるように示されているが、振動ワイヤ３１は、実際には、長くて薄く、例えば、０．４ｍｍの幅、０．３ｍｍの厚さ及び２０ｍｍの長さである。励起層３２は、以下に説明するように、製造方法によって薄くされる。

振動ワイヤ３１は、好ましくは、ベリリウム青銅合金から成り、これは、非常に硬く、張力を受けても殆どのびず、かつ、クリープせず、即ち、振動ワイヤセンサの正確なドリフト防止動作に貢献する。

圧電活性化層３３は、好ましくは、１５％から３０％の範囲のスカンジウムを含むＡｌＳｃＮ層として構成される。しかしながら、純粋なAlNで構成することもできる。電極は金薄層として設けられ得る。

さらに好ましくは、活性化層３３は、電極と同様に、スパッタリングによって振動ワイヤ３１に設けられる。好ましくは、スパッタリングの後に、活性化層３３は、キュリー温度より高く加熱され、適切な電界によって分極された後に冷却され、圧電的に活性化するようにされる。スパッタリング中に圧電層を直接分極することも可能である。スパッタリング工程は、また、結晶配向又は特定の結晶型の発現をもたらし、特定の配向におけるその後の分極を促進することができる。当業者にとっては、前記タイプの振動ワイヤに加えて、ＡｌＳｃＮの圧電コーティングがスパッタリングによって生成され得ることも明らかである。

電子システム３６は、例えば、振動ワイヤセンサ３０の静止状態における振動ワイヤ３１の固有周波数に近い開始周波数で、動作中に交流電圧を伝達するよう、上述したように構成される。その後、周波数は、振動ワイヤ３１がその固有周波数になるまで増加され、この固有周波数は、そのインピーダンスから電子システムによって識別され得る。固有周波数において、電極−圧電活性化層−電極構造体の皮相抵抗ｚは最小である（この構成がキャパシタンスを形成する。）。上述したように、固有周波数は、振動ワイヤ３１上に作用する張力の尺度であり、これは検出すべき歪み又は力の尺度であるので、電子システム３６は、振動ワイヤ３１の検出した現在の固有振動数に基づいて、検出した電流値（歪み、力）の信号を生成し得る。

励起層３２は、それらの間で活性化層を囲む電極３４及び３１を備え、振動ワイヤ３１が電極の一方を形成する。この場合、振動ワイヤは、その導電性を改善するために、その圧電活性化層３３側に金がコーティングされ得る。

図４は、別の実施例の振動ワイヤ４１を備えた振動ワイヤセンサ４０を示しており、この実施例では、長手方向一部分に亘って励起層４２が設けられているだけである。加えて、励起層４２は、図面に点線でしめされた絶縁層４３によって振動ワイヤ４１に対して電気的に絶縁されており、これは、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３ 、酸化アルミニウム、ＺｎＯ、又は酸化亜鉛で形成される。上側電極４４に加えて、下側（即ち、振動ワイヤ４１上に配置された）電極４５が設けられ、電子システム３６の電圧源３７は、導体３８を介して下側電極４５に接続され、導体３９を介して上側電極４４に接続される。圧電活性化層４６は、その長さに亘って電極４４及び４５に囲まれている。

図示された構造により、（上述したように、長手方向に殆ど伸びず、低いクリープを有する）その合金のために高いオーム抵抗を有する振動ワイヤ４１を介して電流が流れることを回避するが可能になる。従って、交流電圧回路には比較的低いオーム抵抗しか存在しなくなる。加えて、励起層４２のエネルギ要求は、基本的に低くなり、振動ワイヤ４１の固有周波数では特に顕著に低くなる。これにより、従来の振動ワイヤセンサ１（図１）に比べて、３０％から２０％の電力消費が得られる。

電極は、励起層の内面に配置され、実質的に励起層の長さに亘ってのびている。

図示した構造により、振動ワイヤが振動ノードを有する振動で励起されることを可能にする。

図３に示す実施例のように、電極３４又は４４，４５は、振動ワイヤ３１又は４１の振動部分から、クランプ３５の位置によって与えられた対応するクランプ点を通ってのびる。これにより、電極３４，４４，４５の接続のためにクランプ点の後ろの領域に、より簡単にアクセスすることができるようになるので、電極を、割り当てられた導体３８，３９に、簡単に接続することが可能になり、かつ、振動ワイヤ３１，４１を、適切な接続のために、そこに広げることが可能になる。

図示実施例では、振動ワイヤ４１の右側に励起層が設けられているが、好ましくは同じ構造を有する第二の励起層を振動ワイヤ４１の左側に設けることができ、さらに好ましくは、その反対側に設けることができる。振動ワイヤの異なる側部に二つの励起層を設けることにより、動作中に振動ワイヤの振動の発生を、より正確にトリガすることが可能になり、振動ワイヤの現在の固有周波数に導くことが可能になる。

これにより、二つの励起層が、振動ワイヤの同じ側又は異なる側に配置された振動ワイヤが得られる。

図５ａは、本発明の好ましい実施例を示しており、この図では、振動ワイヤセンサ５０は概略的に示されており、クランプ３５によってクランプされた振動ワイヤ５１を有する。励起層５２は、実質的に、振動ワイヤ５１の全長に亘ってのび、点線で示された絶縁層５３によって振動ワイヤ５１から絶縁され、外側電極５５，５６と内側電極５７とで囲まれた連続圧電活性化層５４を有する。

二つの外側電極５５，５６は相互に離間され、電極５５，５６の一方は電源３７の導体３７に接続され、電極５６，５５の他方は、導体３９に接続される。導体３８，３９の一方が中性線に切り替えられると、他方の導体３９，３８は、電圧線、即ち、相導体に切り替えられる。

この構成は、二つの直列接続コンデンサに対応する。例えば、導体３９が電圧線に切り替えらえた場合、動作中に、上側電極５６と下側電極５７との間で交流電場が得られ、圧電活性化層５４の右側部分２５（例えば、図２ｂ参照）を活性化し、電場の方向及び圧電活性化層５４の分極に応じて、その部分の厚さの変動、従って、長さの変動をもたらし、従って、右側部分２５において振動ワイヤ５１の湾曲をもたらす。

この電界が、右側部分２５に形成されると、下側電極５７に電荷シフトが得られ、従って、左側部分２４が、右側部分２５と反対方向にチャージされ、外側電極５５と共に、左側部分２４に、右側部分２５における電界と反対方向の電界がもたらされる。従って、左側部分５４の長さの変動は、右側部分２５の長さの変動と反対になり、従って、振動ワイヤ５１の中心に振動ノードを有する振動位置をもたらす振動ワイヤ５１の湾曲も反対になる。

印加された交流電圧の次の半波では、振動ワイヤ５１は逆に湾曲し、従って、対応する異なる振動位置をとる。その固有周波数が、再び、抵抗ｚの最小値に基づいて、電子システムによって検知される。

図５ｂは、図５ａの振動ワイヤ５１の斜視図を示しており、実際の比率を用いた分解図である。端部５８，５９は広げられており、端部におけるクランプを改善する。

図５ａ及び図５ｂによる構造は、振動ワイヤを、その全長に亘って、振動ノードを有する所望の形態の振動になるように、簡単な構造（特に、その長さ方向に亘る圧電励起層の同じ分極）で励起できるので特に有利である。

本発明による振動ワイヤセンサでは、励起層が振動ワイヤ５１の一方のクランプ領域５８，５９から他方のクランプ領域５９，５８までのび、二つの電極５５，５６が、励起層５２の同じ側面で、対向するクランプ領域５８，５９からお互いに向けて、励起層５２の中心まで延在し、クランプ領域５８，５９間で連続する電極５３が、励起層５３の反対側の側面に設けられている。好ましくは、図５ａ及び図５ｂに示すように、連続電極５３は、励起層５２の内側に配置される。さらに好ましくは、外側電極５５，５６の一方は、交流電圧源の電圧線に接続され、他方の外側電極は中性線に接続される。さらに好ましくは、電極５６，５７は、圧電活性化層５４の外側に設けられ、少なくとも励起層５２の長手方向部分に亘って延在させられる。

対応する好ましい構成の振動ワイヤは励起層５２を備え、励起層５２は、その一側で連続する一つの電極５７と、その反対側に設けられ、端部領域５８，５９から励起層５２の中心に向けて延在する二つの電極５５，５６とを有する。

図示されていないが、図５ａ及び図５ｂによる実施例と類似の実施例では、圧電活性化層は連続してなく、振動ワイヤの中心で中断され、例えば、電圧線は、下側の連続電極に接続され得る。

当業者であれば、上述した実施例に従って、様々な特徴を適切に組み合わせることができる。

Claims (14)

1. 検出すべき電流量の測定条件下で異なる張力がかけられる振動ワイヤ（２１，３１，４１，５１）を備え、
   その各固有周波数の範囲で、振動ワイヤ（２１，３１，４１，５１）を励起するための励起構造体を備えた
   振動ワイヤセンサ（２０，３０，４０，５０）において、
   励起構造体が、振動ワイヤ（２１，３１，４１，５１）の長手方向部分に設けられ、活性化状態に応じて異なる長さをとる圧電活性化層（３３，４６，５２）を有する少なくとも一つの励起層（２２，３２，４２，５２）を備え、それにより、振動ワイヤ（２１，３１，４１，５１）の対応する異なる振動位置をもたらす
   ことを特徴とする振動ワイヤセンサ。
2. 励起層（３２）が、それらの間で圧電活性化層（３３）を囲む電極（３４，３１）を備え、
   振動ワイヤ（３１）が電極の一方を形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動ワイヤセンサ（３０）。
3. 励起層（４６，５４）が、振動ワイヤ（４１，５１）に対して電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の振動ワイヤセンサ（４０，５０）。
4. 一つの電極（３４，４４，５５，５６）が、圧電活性化層（３３，４６，５４）の外側に設けられ、少なくとも、圧電活性化層（３３，４６，５４）の長手方向部分に亘って延在する
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動ワイヤセンサ（３０，４０，５０）。
5. 一つの電極（３０，４０，５０）が、振動ワイヤ（３１，４１，５１）の振動部分から、クランプ点（５８，５９）をとって延在する
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動ワイヤセンサ。
6. 一つの電極（４３，５３）が、励起層（４２，５２）の内側に配置され、実質的に励起層（４２，５３）の長さに亘って延在する
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動ワイヤセンサ（４０，５０）。
7. 二つ励起層が設けられ、これら励起層が振動ワイヤセンサの異なる側に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動ワイヤセンサ。
8. 振動層が、振動ワイヤ（５１）の一方のクランプ領域（５８，５９）から他方のクランプ領域（５９，５８）まで延在し、かつ、
   二つの電極（５５，５６）が、励起層（５２）の同じ側において、対向するクランプ領域（５８，５９）からお互いに向けて励起層（５２）の中心まで延在するように設けられ、
   クランプ領域（５８，５９）を通過する電極（５７）が、励起層（５２）の反対側に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動ワイヤセンサ。
9. 連続電極（５７）が、励起層（５２）の内側に配置されている
   ことを特徴とする請求項７に記載の振動ワイヤセンサ。
10. 外側電極（５５，５６）の一方が電圧線（３８，３９）に接続され、他方の外側電極（５６，５５）が交流電圧源（３７）の中性線に接続されている
    ことを特徴とする請求項７に記載の振動ワイヤセンサ。
11. 請求項１に記載の振動ワイヤセンサ用の振動ワイヤ（２０，３０，４０，５０）であって、
    少なくとも一つの長手方向部分に設けられた圧電励起層（２２，３２，４２，５２）を備え、
    前記圧電励起層が、励起状態に応じて異なる長さをとり、それにより、少なくとも一つの長手方向部分に亘って振動ワイヤの歪みをもたらす
    ことを特徴とする振動ワイヤ。
12. 励起層（４２，５２）が電気的に絶縁されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の振動ワイヤ（４０，５０）。
13. 励起層（５２）が、その一側で連続する一つの電極（５７）と、その反対側に設けられ、端部領域（５８，５９）から振動ワイヤの中心に向けて延在する二つの電極（５４，５５）とを備えている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の振動ワイヤ（５０）。
14. 振動ワイヤの同じ側又は異なる側に配置された二つの励起層が設けられている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の振動ワイヤ。

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