JP2021515231A - 機械応力センサ及び製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この及び他の目的は、以後さらに明確に現れるが、さらに、添付された請求項に言及される特性を提示する機械応力センサによって及び対応する製造方法によって、本発明にしたがって達成される。請求項は、本発明に関して以後提供される技術教示の不可欠な部分を形成する。
−指部がお互いに重なり(及びこの理由で、電極E1及びE2、または電極E3及びE4、または電極E5及びE6)、他の電極から電気的に絶縁される第1の一対の電極であって、第1の一対の2つ電極は、またお互いに電気的に絶縁される、第1の一対の電極、
−指部がお互いに重なり、他の電極から電気的に絶縁される第2の一対の(第1の対とは異なる)電極であって、第2の一対の2つ電極は、一緒に電気的に接続される、第2の一対の電極、
−指部がお互いに重なり、他の電極から電気的に絶縁される残りの第3の一対の(第1及び第2の対と異なる)電極であって、第3の一対の2つ電極は、一緒に電気的に接続される、第3の一対の電極、
−分極のために必要な電位差は、一方で第2の一対の電極と他方で第3の一対の電極の間に加えられる。
Claims (18)
- 支持構造(4)と、前記支持構造(4)上の少なくとも1つの第1の圧電トランスデューサ(10)と、を備え、変位または変形を検知するように構成された機械応力センサであって、
前記第1の圧電トランスデューサ(10)は、せん断応力を示す第1の電気信号を生成することができ、
前記第1の圧電トランスデューサ(10)は、
長手方向(L)に延在し、お互いに対向する第1の主面(11a)と第2の主面(11b)とを有する圧電材料の第1の層(11)であって、前記圧電材料の第1の層(11)は、前記長手方向(L)を横断する方向に延在する少なくとも1つの分極軸(A)を有する、圧電材料の第1の層(11)と、
少なくとも1つの第1の電極(E1)と1つの第2の電極(E2)であって、それぞれ、前記圧電材料の第1の層(11)の前記第1及び前記第2の主面(11a,11b)において延在する、複数の部分または指部(F1,F2)をそれぞれ有する、少なくとも1つの第1の電極(E1)と1つの第2の電極(E2)と、を備え、
前記第1の圧電トランスデューサ(10)は、少なくとも1つの第3の電極(E3)及び1つの第4の電極(E4)を備え、
少なくとも1つの第3の電極(E3)及び1つの第4の電極(E4)は、それぞれ、前記圧電材料の第1の層(11)の前記第1及び前記第2の主面(11a,11b)において延在する、複数の部分または指部(F3,F4)をそれぞれ有し、
前記第3の電極(E3)の前記部分または指部(F3)は、前記第1の電極(E1)の前記部分または指部(F1)と互いにかみ合うまたは交互に並び、
前記第4の電極(E4)の前記部分または指部(F4)は、前記第2の電極(E2)の前記部分または指部(F2)と互いにかみ合うまたは交互に並ぶ、ことを特徴とする機械応力センサ(1)。 - 前記第1、前記第2、前記第3及び前記第4の電極(E1−E4)は、実質的に櫛状電極である、請求項1に記載の機械応力センサ。
- 前記第1の電極(E1)、前記第2の電極(E2)、前記第3の電極(E3)、及び前記第4の電極(E4)、の中から少なくともいくつかは、前記圧電材料の第1の層(11)の分極のための電極である、または前記圧電材料の第1の層(11)の分極のための電極及び前記圧電材料の第1の層(11)によって発生される信号を測定するための電極の両方である、請求項1または2に記載の機械応力センサ。
- 前記第1および前記第3の電極(E1,E3)の前記部分または指部(F1,F3)は、少なくともお互いに長手方向(L)に実質的に第1の距離(D1)において延在し、前記第1の電極(E1)の前記部分または指部(F1)は、実質的に第1の距離(D1)の2倍以上、好ましくは実質的に第1の距離(D1)の2倍に等しい相互距離(D2)にあり、第3の電極(E3)の前記部分または指部(F3)は、実質的に第1の距離(D1)の2倍以上、好ましくは実質的に第1の距離(D1)の2倍に等しい相互距離(D2)にあり、
前記第2および前記第4の電極(E2,E4)の前記部分または指部(F2,F4)は、少なくともお互いに長手方向(L)に実質的に第1の距離(D1)において延在し、前記第2の電極(E2)の前記部分または指部(F2)は、実質的に第1の距離(D1)の2倍以上、好ましくは実質的に第1の距離(D1)の2倍に等しい相互距離(D2)にあり、前記第4の電極(E4)の前記部分または指部(F4)は、実質的に第1の距離(D1)の2倍以上、好ましくは実質的に第1の距離(D1)の2倍に等しい相互距離(D2)にあり、
前記第1の電極(E1)のそれぞれの前記部分または指部(F1)は、前記第3の電極(E2)のそれぞれ1つの前記部分または指部(F2)と実質的に重なるまたは揃えられる位置にあり、
前記第3の電極(E3)のそれぞれの前記部分または指部(F3)は、前記第4の電極(E4)のそれぞれ1つの前記部分または指部(F4)と実質的に重なるまたは揃えられる位置にある、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の機械応力センサ。 - 前記第1及び前記第3の電極(E1,E3)、またはそれぞれの前記部分または指部(F1,F3)は、電気的に一緒に接続され(+)、
前記第2及び前記第4の電極(E2,E4)、またはそれぞれの前記部分または指部(F2,F4)は、電気的に一緒に接続され(−)及び前記第1及び前記第3の電極(E1,E3)から電気的に絶縁され、
少なくとも長手方向(L)に前記圧電材料の第1の層(11)に加えられるせん断応力(SS)は、一方で前記第1及び前記第3の電極(E1,E3)と、他方で前記第2及び前記第4の電極(E2,E4)の間で、前記せん断応力(SS)に比例する値を有する電位差を発生する、請求項4に記載の機械応力センサ。 - 前記第1及び前記第3の電極(E1,E3)の前記部分または指部(F1,F3)は、長手方向(L)にお互いから実質的に第1の距離(D1,D3)において延在し、前記第1の電極(E1)の前記部分または指部(F1)は、第1の距離(D1,D3)の2倍より大きい、第2の相互距離(D2)にあり、第3の電極(E3)の部分または指部(F3)は、実質的にお互いから第2の距離(D2)にあり、
前記第2及び前記第4の電極(E2,E4)の部分または指部(F2,F4)は、長手方向(L)にお互いから実質的に第1の距離(D1,D3)において延在し、前記第2の電極(E2)の部分または指部(F2)は、実質的に第2の相互距離(D2)にあり、第4の電極(E4)の部分または指部(F4)は、実質的に第2の相互距離(D2)にある、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の機械応力センサ。 - 前記第1の電極(E1)のそれぞれの前記部分または指部(F1)は、前記第2の電極(E2)のそれぞれ1つの前記部分または指部(F2)に実質的に重なるまたは揃えられる位置にあり、及び前記第3の電極(E3)のそれぞれの前記部分または指部(F3)は、前記第4の電極(E4)のそれぞれ1つの前記部分または指部(F4)に実質的に重なるまたは揃えられる位置にある、または
前記第1の電極(E1)及び第3の電極(E3)の1つのそれぞれの前記部分または指部(F1)は、前記第2の電極(E2)及び前記第4の電極(E4)の1つのそれぞれ1つの前記部分または指部(F2)に実質的に重なるまたは揃えられる位置にあり、前記第1の電極(E1)及び第3の電極(E3)の他の1つのそれぞれの前記部分または指部(F3)は、前記第2の電極(E2)及び前記第4の電極(E4)の他の1つのそれぞれ1つの前記部分または指部(F4)に対して実質的に交互にずらした位置にある、請求項6に記載の機械応力センサ。 - 前記第1の電極(E1)のそれぞれの前記部分または指部(F1)は、前記第2の電極(E2)のそれぞれ1つの前記部分または指部(F2)に重なるまたは揃えられる位置にあり、
前記第3の電極(E3)のそれぞれの前記部分または指部(F3)は、前記第4の電極(E4)のそれぞれ1つの前記部分または指部(F4)に実質的に重なるまたは揃えられる位置にあり、
前記第1及び前記第3の電極(E1,E3)、またはそれぞれ前記部分または指部(F1,F3)は、電気的に一緒に接続され(+)、
前記第2及び前記第4の電極(E2,E4)、またはそれぞれ前記部分または指部(F2,F4)は、電気的に一緒に接続され(−)及び前記第1及び前記第3の電極(E1,E3)から電気的に絶縁され、
前記長手方向(L)を横断する方向(W)に圧電材料の第1の層(11)に加えられるせん断応力(SS)は、一方で前記第1及び前記第3の電極(E1,E3)と、他方で前記第2及び第4の電極(E2,E4)の間に、前記せん断応力に比例する値を有する電位差を発生する、または、
前記第1の電極(E1)及び前記第3の電極(E3)の1つのそれぞれ前記部分または指部(F1)は、前記第2の電極(E2)及び前記第4の電極(E4)の1つのそれぞれ1つの前記部分または指部(F2)と実質的に重なるまたは揃えられる位置にあり、
前記第1の電極(E1)及び前記第3の電極(E3)の他の1つのそれぞれ前記部分または指部(F3)は、前記第2の電極(E2)及び前記第4の電極(E4)の他の1つのそれぞれ1つの前記部分または指部(F4)に対して実質的に交互にずらした位置にあり、
前記第1及び前記第3の電極(E1,E3)、またはそれぞれ前記部分または指部(F1,F3)は、お互いに電気的に絶縁され、
前記第3及び前記4の電極(E3,E4)、またはそれぞれ前記部分または指部(F3,F4)は、お互いから及び前記第1及び第3の電極(E1,E3)から電気的に絶縁され、
前記長手方向(L)を横断する方向(W)に前記圧電材料の第1の層(11)に加えられるせん断応力(SS)は、一方で前記第1の電極(E1)及び前記第3の電極(E3)の1つと、他方で前記第2の電極(E2)及び前記第4の電極(E4)の1つの間で、前記せん断応力(SS)に比例する値を有する電位差を発生し、前記第1の電極(E1)及び前記第3の電極(E3)の1つと前記第2の電極(E2)及び前記第4の電極(E4)の1つは、前記部分または指部が実質的に重なるまたは揃えられる位置である電極であることが好ましい。 - 少なくとも1つの第5の電極(E5)と1つの第6の電極(E6)であって、前記第5の電極(E5)と前記第6の電極(E6)は、櫛状電極であることが好ましく、それぞれ前記圧電材料の第1の層のそれぞれ前記第1及び前記第2の主面(11a,11b)において延在する複数の部分または指部(F5,F6)を有する、第5の電極(E5)と第6の電極(E6)を備え、
特に、前記第5の電極(E5)の部分または指部(F5)は、前記第1及び前記第3の電極(E1,E3)の前記部分または指部(F1,F3)と互いにかみ合うまたは交互に並び、
前記第6の電極(E6)の部分または指部(F6)は、前記第2及び前記第4の電極(E2,E4)の前記部分または指部(F2,F4)と互いにかみ合うまたは交互に並ぶ、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の機械応力センサ。 - 前記第1、前記第3及び前記第5の電極(E1,E3,E5)の前記部分または指部(F1,F3,F5)は、少なくとも長手方向(L)に、お互いから実質的に第1の距離(D1)において延在し、
前記第1の電極(E1)の前記部分または指部(F1)は、実質的に第1の距離(D1)の3倍以上、好ましくは実質的に第1の距離(D1)の3倍に等しい相互距離(D2)にあり、
前記第3の電極(E3)の前記部分または指部(F3)は、実質的に第1の距離(D1)の3倍以上、好ましくは実質的に第1の距離(D1)の3倍に等しい相互距離(D2)にあり、
前記第5の電極(E5)の前記部分または指部(F5)は、実質的に第1の距離(D1)の3倍以上、好ましくは実質的に第1の距離(D1)の3倍に等しい相互距離(D2)にあり、
前記第2、前記第4及び前記第6の電極(E2,E4,E6)の前記部分または指部(F2,F4,F6)は、少なくとも長手方向(L)に、お互いから実質的に第1の距離(D1)において延在し、
前記第2の電極(E2)の前記部分または指部(F2)は、実質的に第1の距離(D1)の3倍以上、好ましくは実質的に第1の距離(D1)の3倍に等しい相互距離(D2)にあり、
前記第4の電極(E4)の前記部分または指部(F4)は、実質的に第1の距離(D1)の3倍以上、好ましくは実質的に第1の距離(D1)の3倍に等しい相互距離(D2)にあり、
前記第6の電極(E6)の前記部分または指部(F6)は、実質的に第1の距離(D1)の3倍以上、好ましくは実質的に第1の距離(D1)の3倍に等しい相互距離(D2)にあり、
好ましくは、前記第1の電極(E1)のそれぞれの前記部分または指部(F1)は、前記第2の電極(E2)の対応する1つの前記部分または指部(F2の実質的に上、または揃えられる位置にあり、
前記第3の電極(E3)のそれぞれの前記部分または指部(F3)は、前記第4の電極(E4)の対応する1つの前記部分または指部(F4)の実質的に上、または揃えられる位置にあり、
前記第5の電極(E5)のそれぞれの前記部分または指部(F5)は、前記第6の電極(E6)の対応する1つの前記部分または指部(F6)の実質的に上、または揃えられる位置にある、請求項9に記載の機械応力センサ。 - 前記第1、前記第3及び前記第5の電極(E1,E3,E5)、またはそれぞれの前記部分または指部(F1,F3,F5)は、お互いに電気的に絶縁され、
前記第2、前記第4及び前記第6の電極(E2,E4,E6)、またはそれぞれの前記部分または指部(F2,F4,F6)は、お互いに及び前記第1、前記第3及び前記第5の電極(E1,E3,E5)から電気的に絶縁され、
前記長手方向(L)を横断する方向(W)に前記圧電材料の第1の層(11)に加えられるせん断応力(SS)は、前記第1の電極(E1)と前記第2の電極(E2)の間、または前記第2の電極(E2)と前記第4の電極(E4)の間、または前記第5の電極(E5)と前記第6の電極(E6)の間で、前記せん断応力(SS)に比例する値を有する電位差を発生する、請求項10に記載の機械応力センサ。 - さらに通常の応力を表す第2の電気信号を発生することができる、第2の圧電トランスデューサ(20)が、支持構造(4)に関連付けられ、
前記第2の圧電トランスデューサ(20)は、2つのそれぞれの電極(E22,E23)の間に配置された圧電材料の第2の層(21)を備え、
前記圧電材料の第2の層(21)は、圧電材料の第2の層(21)によって特定される平面を横断する方向(H)に延在する少なくとも1つの分極軸(B)を有する、請求項1乃至11のいずれか1項に記載の機械応力センサ。 - 前記支持構造(4)は、前記第1の圧電トランスデューサ(10)及び前記第2の圧電トランスデューサ(20)が関連する基板(4)を備え、
前記第1の圧電トランスデューサ(10)及び前記第2の圧電トランスデューサ(20)は、前記基板(4)の全く同一の主面(4a)と関連することが好ましい、請求項12に記載の機械応力センサ。 - 少なくとも前記第1の圧電トランスデューサ(10)は、圧電材料の堆積層(11)及び/または前記圧電材料の堆積層(11)の2つの対向する主面(11a,11b)において、導電材料の堆積電極(E1−E6)を備える、請求項1乃至13のいずれか1項に記載の機械応力センサ。
- i)前記圧電材料の第1の層(11)の前記第1の主面(11a)の少なくとも一部に、前記第1の電極(E1)、少なくとも1つの前記第3の電極(E3,E5)、またはそれぞれの前記部分または指部を備えて、
前記圧電材料の第1の層(11)の前記第2の主面(11b)の少なくとも一部に、前記第2の電極(E2)及び少なくとも1つの第4の電極(E4,E6)、またはそれぞれの前記部分または指部を備えて、
前記第1の圧電トランスデューサ(10)を形成するステップと、
ii)一方において、前記第1の電極(E1)の少なくとも1つ及び少なくとも1つの前記第3の電極(E3,E5)、またはそれぞれの前記部分または指部と、
他方において、前記第2の電極(E2)の少なくとも1つ及び少なくとも1つの前記第4の電極(E4,E6)、またはそれぞれの前記部分または指部と、の間に電位差を加えることによって、前記圧電材料の第1の層(11)の分極を実行するステップと、を備え、
前記ステップii)は、前記第1の圧電トランスデューサ(10)がせん断応力を検知するために次に使用されるとき、用いられる前記電極またはそれぞれの前記部分または指部の電気接続の第2の形態と異なる、電極またはそれぞれの前記部分または指部の電気接続の第1の形態で実行される、請求項1乃至14のいずれか1項に記載の機械応力センサを製造する方法。 - −請求項5に記載のまたは請求項8に記載の機械応力センサを生産するために、ステップii)の進行において、
前記第1及び前記第2の電極(E1,E2)は、電気的に一緒に接続され(−)、
前記第3及び前記第4の電極(E3,E4)は、電気的に一緒に接続され(+)、前記第1及び前記第2の電極(E1,E2)から電気的に絶縁され、
電位差は、一方で前記第1の電極と前記第3の電極(E1,E3)と、他方で前記第2の電極と前記第4の電極(E2,E4)の間で加えられる、または、
−請求項10に記載の機械応力センサを生産するために、ステップii)の進行において、
前記第1、前記第2、前記第3及び前記第4の電極(E1−E4)は、お互いに電気的に絶縁され、電位差は、一方で前記第1の電極と前記第3の電極(E1,E3)の1つと他方で前記第2の電極と前記第4の電極(E2,E4)の1つの間で加えられ、前記第2の電極と前記第4の電極(E2,E4)の1つは、前記部分または指部が、前記第1及び前記第3の電極(E1,E3)の1つの前記部分または指部に対して交互にずらした位置にある電極である、または、
−請求項11に記載の機械応力センサを作り出すために、ステップii)の進行において、
−前記第1及び前記第2の電極(E1,E2)、前記第3及び前記第4の電極(E3,E4)並びに前記第5及び第6の電極(E5,E6)の中から選択された第1の対の電極(E1,E2)の電極は、お互いに及び他の電極(E3−E6)から電気的に絶縁され、
−前記第1及び前記第2の電極(E1,E2)、前記第3及び前記第4の電極(E3,E4)並びに前記第5及び第6の電極(E5,E6)の中から選択された第2の対の電極(E3,E4)の電極は、電気的に一緒に接続され(−)及び他の電極(E1,E2,E5,E6)から電気的に絶縁され、
−前記第1及び前記第2の電極(E1,E2)、前記第3及び前記第4の電極(E3,E4)並びに前記第5及び第6の電極(E5,E6)の中から選択された第3の対の電極(E5,E6)の電極は、電気的に一緒に接続され(+)及び他の電極(E1−E4)から電気的に絶縁され、
−電位差は、一方で前記第2の対の電極(E2,E4)と他方で前記第3の対の電極(E5,E6)の間に加えられる、請求項15に記載の方法。 - 前記第1の圧電トランスデューサ(10)、または対応する前記圧電材料の第1の層(11)及び/またはその対向する主面(11a,11b)における電極(E1−E6)は、お互いの上部に異なる材料層を堆積する、特にスクリーン印刷によって少なくとも一部得られる、請求項15または16に記載の方法。
- 支持構造(4)と、前記支持構造(4)上の少なくとも1つの第1の圧電トランスデューサ(10)と、を備え、変位または変形を検知するように構成された機械応力センサであって、
前記第1の圧電トランスデューサ(10)は、せん断応力を示す第1の電気信号を生成することができ、
長手方向(L)、幅方向(W)、及び厚さ方向(H)に延在し、お互いに対向する第1の主面(11a)と第2の主面(11b)とを有する圧電材料(11)の第1の層であって、前記圧電材料(11)の前記第1の層は、前記長手方向(L)及び前記幅方向(W)の間及び/または前記厚さ方向(H)を横断する方向の少なくとも1つに延在する少なくとも1つの分極軸(A)を有する、圧電材料の第1の層(11)と、
前記圧電材料の第1の層(11)のそれぞれ前記第1及び前記第2の主面(11a,11b)において、前記長手方向(L)及び前記幅方向(W)の1つに少なくとも延在する、少なくとも1つの第1の電極(E1,F1)及び1つの第2の電極(E2,F2)と、を備え、
前記機械応力センサ(FS)及び/または前記第1の圧電トランスデューサ(10)は、次の:
−第3の電極(E3,F3)及び第4の電極(E4,F4)、
−第5の電極(E5,F5)及び第6の電極(E6,F6)、
−それぞれ複数の部分または指部(F1,F2,F3,F4,F5,F6)または櫛状形状を有する、電極(E1,E2,E3,E4,E5,E6)、
−お互いに少なくとも一部が互いにかみ合わされるまたは間に入れられるそれぞれ複数の部分または指部(F1,F2,F3,F4,F5,F6)を有する電極(E1,E2,E3,E4,E5,E6)、
−前記長手方向(L)及び前記幅方向(W)の少なくとも1つ、または前記長手方向(L)または前記幅方向(W)に対して曲げられるまたは斜めである方向に延在するような形状にされた電極(E1,F1,E2,F2,E3,F3,E4,F4,E5,F5,E6,F6)、
−前記圧電材料の第1の層(11)の分極の目的に役立つ電極(E1,F1,E2,F2,E3,F3,E4,F4)、
−前記圧電材料の第1の層(11)の分極の目的及び前記圧電材料の層(11)によって発生される電気信号の測定または検知の目的の両方の少なくとも一部に役立つ電極(E1,F1,E2,F2,E3,F3,E4,F4)、
−厚さ方向(H)に向かう少なくとも一部に配置された前記圧電材料の第1の層(11)のそれぞれの前記第1及び前記第2の主面(11a,11b)において配置される、少なくとも第1の電極(E1,F1,E3,F3,E5,F5)の一部及び第2の電極(E2,F2,E4,F4,E6,F6)の一部、
−前記幅方向(H)に交互にずらした少なくとも一部にある前記圧電材料の第1の層(11)のそれぞれ前記第1及び第2の主面(11a,11b)に配置された少なくとも第1の電極(E1,F1,E3,F3,E5,F5)の一部及び第2の電極(E2,F2,E4,F4,E6,F6)の一部、
−前記圧電材料の層(11)の分極のために用いられる前記圧電材料の第1の層(11)の全く同一の主面(11a,11b)に配置された少なくとも2つの電極(E1,F1,E2,F2,E3,F3,E4,F4,E5,F5,E6,F6)、
−前記圧電材料の層(11)の分極のために用いられる、前記圧電材料の第1の層(11)の全く同一の上面(11a)に配置された少なくとも2つの電極(E1,F1,E3,F3,E5,F5)及び/または前記圧電材料の第1の層(11)の全く同一の下面(11b)に配置された少なくとも2つの電極(E2,F2,E4,F4,E6,F6)、
−前記圧電材料の第1の層(11)の全く同一の上面(11a)に配置された2つの電極(E1,F1,E3,F3,E5,F5)の少なくとも一部の間、及び/または前記圧電材料の第1の層(11)の全く同一の下面(11b)に配置された2つの電極(E2,F2,E4,F4,E6,F6)の少なくとも一部の間に提供される、絶縁層(7,8)、
−好ましくは2つの部分(2,3)を備える、支持構造または容器またはケース、
−変位または応力、特に少なくとも横断するまたはせん断応力及び/または軸または圧縮応力を検知するための少なくとも第1の圧電トランスデューサ(10)、好ましくは、第2の圧電トランスデューサ(20)にも、関連付けられる少なくとも部分的に動作可能な要素(5)、
−前記支持構造(4)上の少なくとも1つの第2の圧電トランスデューサ(20)、
−少なくとも1つの圧電材料の第2の層(21)、
−前記第2の圧電トランスデューサ(20)の少なくとも2つの電極(E22,E23)、少なくとも1つを備える、機械応力センサ。
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