JP5356218B2 - 横効果付きの圧電測定素子と前記測定素子を含むセンサ - Google Patents

Description

本発明は請求項１の特徴部分による圧電測定素子と共に、前記測定素子を含むセンサとに関係する。

圧電測定素子は、複数の応用例、例えば圧力、力、伸びまたは加速度センサで使用されている。測定中、圧電材料から構成された本体が機械的歪を受けて、電荷が本体の特定の表面に発生される。この電荷は収集されて電極によりケーブル接続に導かれる。最終的にはケーブルが電荷を前置増幅器であるかもしれない増幅器に伝送する。

基本的に、電荷の増幅器への伝送には２つの異なる可能性、すなわち、同軸ケーブルの使用または２本の導体ケーブルの使用がある。同軸ケーブルを使用した場合、測定データは第１電極から内部導体に伝送され、一方別の電極は主要電位上にあって、外部干渉電場から測定線路を保護するシールドに接続可能である。さらに、３軸ケーブルにより第２シールドを設けることも可能である。対照的に、２本の導体ケーブルを使用した場合、２個の電極が、全体を単一でまたは２重にそれ自体をシールド可能なケーブルの２本の導線により接続される。増幅器では２本のリード線間の電荷差が評価される。リード線は同一の干渉電場に露出されるため、電荷差の変更は干渉電場からは発生しない。

二導体技術を使用した応用例は、例えば縦効果の１つ以上の圧電板を有する測定素子である。縦効果とは、力が加わる表面で電荷が発生することを意味する。これらの表面が最もひんぱんに金属化されて電荷を収集する。同じ極性の金属化面が各々１つの電極に接続され、この電極が２本の導体の内の一方に与えられる。金属化面は負荷が与えられるため、隣接表面の良好な接触が常に保証される。

同軸技術を使用する応用例もまた、縦効果の１つ以上の圧電板を有する測定素子を含み、その電極は各々内部導体とシールドに接続される。反対に、同軸技術により圧電材料から構成された横効果の棒の使用もまた既知である。横効果とは、負荷の下で電荷が発生する表面が負荷が加えられる表面とは直角に位置していることを意味する。ＥＰ１２８３５５２号は１個を含むこの型式の応用例を記載し、ＷＯ２００５／０２６６７８号は横効果のいくつかの棒結晶を含む応用例を記載している。これらの場合では、電荷を収集する電極は、力印加面上の金属化面に電気的に接続されて電荷を収集する良好な接点を保証する。

縦効果の板に対する横効果の圧電棒の利点は、その感度とコスト性能比にある。板による薄い棒で達成可能な同一の感度を得るためには、多数の板による積層板を使用しなければならず、これは棒より非常に高価であり、さらに相当に高い。棒を含む測定素子の安定度と感度をさらに増加するため、またＷＯ２００５／０２６６７８号で記述するように、いくつかのまたは薄い棒を使用可能である。この応用例では、電極は圧電棒の２つの力印加面上の金属化面に電気的に接続され、これにより良好な接点が得られる。

いくつかの棒を使用するその他の応用例はまたＥＰ１２８３５５２号の図２から既知である。ここでは、３本の棒が３角形に配置され、３角形の内部ではスプリングが第１電極として電荷を受け取り、一方スプリングは同時に結晶の外壁を第２電極である金属壁へ押し付ける。

同軸技術と比較した二導体技術の利点は接地絶縁である。二導体技術の各測定素子は必然的に接地絶縁され、一方同軸技術を使用した測定素子は、主要電位にある電極をしばしば有する。測定素子の絶縁リングとシールドを使用した精妙な組立によってのみ接地絶縁が得られる。これは、例えば、接地接続での電圧の補償、いわゆる接地ループによる干渉を防止するために長い信号リード線がある内燃機関の場合には必須である。内燃機関でのセンサの使用は少なくとも３００℃での温度安定性を必要とすることに注意されたい。このことは、これらの温度に耐えうる特定の素子を必要とする。

その構造により個々の電極が異なる干渉電場を受け、従って測定信号にバイアスがかかるため、既知の横効果の棒で二導体技術を使用することは不可能である。

本発明の目的は、二導体技術で使用可能な、横効果の少なくとも１つの棒を含む圧電測定素子を示唆することである。

この目的は独立請求項の特徴により達成される。

本発明の下に横たわる考えは、測定素子の金属化面、電極及び線路から構成される極が、ハウジングに対するその電気容量が同一であるように、横効果による１つ以上の圧電棒で実現されるということである。これは、例えば、極の完全に対称的な設計により達成されるか、または環境に対する両極の容量差に対応するコンデンサを一方の極からハウジングに設けることにより達成される。

図１は従来技術による内燃機関の接地絶縁された測定素子を断面で示す。これは横効果の圧電材料から構成された棒２を含む。棒２は、測定すべき力を加える表面である２つの対向面３ａ、３ｂと、表面電荷を収集する金属化面５ａ、５ｂを設けた対向面４ａ、４ｂとを含む。金属化面５ａ、５ｂの各々は前面３ａ、３ｂの各々上の電極６ａ、６ｂまで延びる。棒２は、棒２にプレテンションを与えるテンションスリーブでもあるハウジング７の内部空間に位置している。カバー９が棒２を収容するハウジング７を封入する。棒２は任意の適切な領域、特に矩形、楕円、凹面、または凸面区域またはその組合せを有することが可能である。

横効果の四角い棒の感度は、負荷受容面３ａ、３ｂ間の距離により定義される棒の長さと、電荷収集面４ａ、４ｂ間の距離により定義されるその厚さとの比に比例する。従って、感度は板が薄くなればなるほど比例して増大する。測定素子の安定度を増加するため、かつ感度をさらに増加するために何枚かの板を使用してもよい。円盤形状の板を使用して同じ値を達成するためには、非常に多数のディスクを使用することが必要であり、これは非常に高価である。さらに、測定素子の長さは相当大きく、これはさらなる欠点を表す。

この配置では、ハウジング７は第１電極６ａの電位上にある、何故ならこの電極は一つの接触面によりハウジング７と直接接触しているからである。カバー９は金属外部リング９ａを含み、これはハウジング７との直接接触によりまた前記電極６ａの電位上にある。中央では、カバーは、外部リング９ａから絶縁された接点サイト１０を含み、第２電極６ｂと電気的接触している。この接触はまた電極６ｂとカバー９の接点サイト１０との間の共有接触面によっても得られる。短絡を防止するため、カバーには外部リング９ａと中央接点サイト１０との間に絶縁部９ｂが設けられる。外部リング９ａは溶接サイト１９でのプレテンション下でハウジング７に溶接される。

測定素子をここでセンサ・ハウジング１３の内部空間１４内に組み込む場合、テンションスリーブが第１電極６ａと同じ電位であるため、センサ・ハウジングを絶縁しなければならない。それ故、絶縁リング２０がセンサ・ハウジング１３に対して測定素子の両面上に配置される。同軸ケーブル１５が絶縁リング２０の一方を通してカバー９へ伸び、ここで２つの電極６ａ、６ｂと電気的接触を行う。このように組み込まれた測定素子では、前置増幅器または増幅器への線路１５は、測定信号への干渉から絶縁するため、同軸ケーブル、望ましくは追加のシールド（図示せず）から構成されなければならない。

図２ａは本発明による接地絶縁の測定素子の概略図を断面で示す。図１との類似で、同じ参照番号が使用され、横効果による圧電材料から構成される棒２は、測定すべき力を導入する表面としての役割を果たす２つの対向面３ａ、３ｂを有する。この棒２はさらに、表面電荷の収集用の金属化面５ａ、５ｂを設けた２つの他の対向面４ａ、４ｂを含む。またこの実施例では、両金属化面５ａ、５ｂは各々前面に配置された電極６ａ、６ｂまで延びる。しかしながら、本実施例の発明によると、両電極６ａ、６ｂは同じ前面３ｂ上に位置している。他方の前面３ａは両電極６ａ、６ｂから電気的に絶縁されている。これは例えば、図２ａの右側に表示するように金属化面５ａ、５ｂを前面３ａまで完全に伸ばさないことにより達成される。または、図２ａの左側に示すように金属化後に配置した前面３ａの縁の面２１により達成してもよい。前面３ｂは今や２つの電極６ａと６ｂを支持する。２つを互いに電気的に絶縁するため、この前面３ｂ上の金属化面は分離面２１により分離される。

または、電極６ａ、６ｂはまた表面電荷の収集用に表面４ａ、４ｂで直接に電荷を収集可能であり、この場合どの前面も金属化面を設ける必要はない。これは例えば従来技術で記載したようなスプリングにより得ることが可能である。

内部空間８を有するハウジング７は本実施例で棒２を取り囲む。カバー９はハウジング７を封入する。棒２はハウジング７とカバー９との間にプレテンション状態で配置される。これはハウジング７とカバー９との間の溶接サイト１９により達成されることが望ましい。

カバー９は、互いに絶縁され２つの電極６ａ、６ｂと電気的に接触する２本の同一な貫通給電用ピン形状の接点サイト１０ａ、１０ｂを有する。

接地絶縁を達成するため、ハウジング７は両電極６ａ、６ｂから電気的に絶縁されなければならない。これは例えば、カバー９が、接点サイト１０ａと１０ｂ用の２つの導体の給電貫通を設けた、例えばセラミックス製の内部絶縁９ｂを有する外部金属リング９ａを有していることから得られる。セラミックスの代わりに、ガラスまたは絶縁体として適切なその他の材料を選択してもよい。

棒２はハウジング７の中央にあるべきである。これは、棒２を挿入する案内溝（図示せず）を有する床プレート７ａをハウジング７に設けることにより達成可能である。反対に、ハウジング７が内部空間８に向けた１つ以上の開口部１１を有し、プレテンションの印加の前に実行されなければならない中央位置決め用に棒２へのアクセスを与えてもよい。これらの開口部１１はハウジング７の床プレート７ａに設けられるか、及び／または１つ以上の横面の１つ以上の区域に延びることも可能である。中央位置決めの完了後、これらの開口部はまた気密的に再封入可能である。

中央位置決めを簡略化するため、ＥＰ１２８３５５２Ａ２号に記載のようにソケット形状のベースを有する結晶素子も棒として使用可能である。電極の分離用の面部もこれに従って配置されなければならない。

ハウジング７の封入は気密式である。従って、テンションスリーブが開口部を有さない場合、本明細書で記載した測定素子１は既に完成されたセンサであり、その膜はハウジング７の床プレート７ａにより実現される。カバー９上の２つの接点サイト１０ａと１０ｂは増幅器または前置増幅器への２本の導体ケーブルにより導かれる。

この配置は、金属化面５ａ、ｂ、２つの電極６ａ、ｂへのガイドと共に線路への接点サイト１０ａ、ｂを含む２つの極２２ａ、ｂに関してその完全な対称配置により発明性がある。上述した従来技術による配置と対比して、２本の線路の電位差が本配置で評価される。それ故、環境からの電気的干渉は常に測定線路の両極に対して同一の影響を有さねばならず、差には影響しない。また、この理由から、前置増幅器または増幅器への測定信号の伝送には同軸ケーブルは使用不能である。何故なら外部干渉信号が両方の線路に同じ影響を与えないからである。それ故、接点サイト１０ａと１０ｂも同じでなければならない。これらは同一のピンとして実現され、従来技術のようなピンとリングとしては実現されない。

容量の可能な非対称性を補償するため、追加のコンデンサＣを一方の極と環境、例えばハウジング７との間に配置してもよく、このコンデンサＣは所用の対称性を与える適切な値を有する。

図２ａによる測定素子は、センサの簡単な形態として、例えば工事用具としても既に使用可能である。

電極を導くためのいくつかの可能性が存在する。図２ｂと図２ｃは２つの異なる実施例の上面図を示す。図２ｂの実施例は、図２ａの表示に対応しており、前面３ｂ上の面２１またはその他の分離が電極６ａ、ｂを分離し、前面３ｂまで横の金属化面５ａ、ｂが伸びている。表面３ｂ間の縁上の金属化面の隣接する表面４ａ、ｂへの良好な接触を保証するため、これらの縁には丸め２３を設けることが望ましい。これは図２ａには図示されていない。図２ｂ、棒２の上面図では、これらの丸め２３の位置が表現されている。この型式の金属化面は主に厚い棒２に適している。

より薄い棒２では、電極は横方向に非常に小さくなる。この場合、図２ｃと図２ｄに示す別の実施例が望ましい。棒２には、電荷を収集する表面４ａ、ｂの一方の長手方向縁の各々の丸め２３ａと、電荷の収集用の表面４に隣接しない前面３ｂの２つの縁の丸め２３ｂとが設けられる。その後、前面３ａを除いた全ての表面に金属化面が設けられる。最終的には、面２１ａ、ｂ、及びｃが設けられ、金属化面を２つの電気的に分離された電極６ａ、ｂに分離する。すなわち丸め２３ｂ間の中央の前面３ｂ上の面２１ａ、与えた全ての面のＨ形状が得られるような前面３ｂ上横の面２１ｂ、丸めが設けられていない電荷を収集する表面４ａ、ｂの長手方向縁上の面２１ｃの各々である。図２ｂ及び図２ｃの各々に記載した金属化面は２つの電気的に分離された電極を生成し、その両方が同じ前面３ｂ上で除去可能である。さらに、金属化面、従って極２２は対称である。横効果の圧電棒のこの新規の機能は二導体技術での応用で使いることを可能とする。

図３は、センサ１２において、内部空間１４を有するセンサ・ハウジング１３と、カバー９の区域の内部空間１４に取り付けた測定素子１と、測定素子１の２つの接点サイト１０ａ、１０ｂへの電気的接続用の２本の導体ケーブル１５と共に、測定素子１に隣接する力伝達面１７を有する膜１６と、を含むセンサ１２を記載する。何箇所かの溶接サイト１９がセンサ１２を互いに保持する。本発明によると、測定素子１は図２に記載した測定素子に対応する。

図１による測定素子と異なり測定素子１は既に接地絶縁されているため、センサ・ハウジング１３と膜１６に絶縁なしで直接取り付け可能である。例えば部品へのねじ込みにより発生するような、測定素子１へのセンサ・ハウジング１３の歪の伝達を防止するため、いわゆる対歪スリーブ１８が使用可能である。図３の左側の１実施例に図示するように、センサ・ハウジング１３への直接接続によるカバー９の領域への測定素子１の取り付けの代わりに、図３の右側に示すように、この対歪スリーブ１８がカバー９の領域の測定素子１を膜１６の領域のセンサ・ハウジング１３に接続する。このようにして、センサ・ハウジング１３の変形は測定素子１や棒２には何の力も及ぼさない。

カバー９は気密的にハウジング７に取り付けられているため、棒２の周辺の空間は溶接前に真空にできる。この空間はハウジング７の内部空間８のみを含むか、または開口部１１がハウジング７に設けられている場合、センサ・ハウジング１３と測定素子１との間の対歪スリーブ１８、または等価な接続までのセンサ・ハウジング１３の内部空間１４の一部を含むことが可能である。

測定素子の安定度を増加し、同時に感度を増加するため、図４に図示するように１つのハウジング７にいくつかの棒２を配置することも可能である。この目的のため、２つの極２２に対して配置が完全に対称であることを保証しなければならない。これは、棒２の同数の正負極面が外部に対向しなければならないことを意味する。一般的に言って、正極性の容量の和は、棒２の環境、この場合はハウジング７への負極性の容量の和と同一でなければならない。それ故、偶数の棒２を設けなければならない。次いで同一極性の電極が２本の導体ケーブルの接点サイト１０へ互いに合わされ接続される。

プレテンションを可能とする中央に配置された装置２４を有する、図４に図示するような配置が設けられた場合、異なる型式の中央位置決めとプレテンションが遂行可能である。この場合、中央ボルト２４を選択してプレテンション・スリーブ７は省略される。またこの場合、対歪スリーブ１８をこれに応じて使用することも可能である。

棒２は容量対称性を有する電気的に異なる電極による金属化面を含み、同じ前面上の両方の電極を含む。単一の棒２の代わりに、棒２のブロック２５を使用することも可能である。

以下は、いくつかの棒２を接合してブロック２５を形成するオプションを記載する。この目的のため、奇数の棒２を使用することが、必須ではないが望ましい。図５に示すように、これらの棒２は各々反対の極性に配置され、各々同じ極性を有するその金属化面５ａ、ｂにより互いに結合される。電荷を収集する金属化面５ａ、ｂは、接触面のみならず対応する外部面にも取り付けられる。電荷を前面３ｂに渡すために、前面３ｂと電荷収集面４ａ、ｂに隣接する面も金属化される。図２ｃに記載したものに対応する丸め２３は有効である。金属化面を２つの電気的に異なる電極に分離するために設けられた面２１は図２ｃのものに対応する。このようにして、図５に示すように、ブロック２５の半分を超えて各々が延びる、２つの極２２ａ、ｂが生成可能である。

このようなブロック２５は単一の棒２より容易に中央位置決め可能である、何故なら金属化面で結合された棒２が大きなブロックに組み合わされるからである。さらに、このようなブロックの製造は、ウェファで製造可能であるため、コスト的に有利である。

奇数の棒２から構成されるブロック２５は個別にまたはグループで使用可能である。全体としてその極に対して対称となるように、いくつかの前記ブロックを配置することにより、偶数の棒２のブロックも使用可能である。配置の例を図４に示す。これらのブロックの各々が２つの正または２つの負の外部面を含む。交番列で配置することで、所用の対称性が再び得られる。

本発明による前記測定素子またはセンサの各々の利点は、単純で、それ故コスト的に有利な組立体で接地絶縁が得られることである。さらに、感熱部品の使用による温度制限は必要ない。

（参照番号のリスト）
１ 測定素子
２，２’ 棒
３，３ａ、３ｂ 前面、力を導入する表面
４，４ａ、４ｂ 表面電荷を収集する表面
５，５ａ、５ｂ 金属化面
６，６ａ、６ｂ 電極
７ テンションスリーブ、測定素子のハウジング
７ａ テンションスリーブ／ハウジングの床プレート
８ テンションスリーブ／ハウジングの内部空間
９ カバー
９ａ 外部リング
９ｂ 絶縁体
１０，１０ａ、１０ｂ カバーの接点サイト
１１ テンションスリーブの開口部
１２ センサ
１３ センサ・ハウジング
１４ ハウジングの内部空間
１５ ケーブル、線路、二導体または同軸
１６ 膜
１７ 力伝達面
１８，１８ａ、１８ｂ ２端を有する対歪スリーブ
１９ 溶接サイト、溶接
２０，２０ａ、２０ｂ 絶縁リング
２１ 面、分離面
２２，２２ａ、２２ｂ 極
２３ 丸め
２４ プレテンション素子、中央ボルト
２５ ブロック
Ｃ コンデンサ

以下に、本発明を図面と関連して詳細に説明する。
従来技術によるセンサの断面の概略表現図。 本発明による測定素子の概略表現の断面図。 図２ａのような金属化面を有する圧電棒の上面図。 異なる金属化面の、図２ａの圧電棒の上面図。 図２ｃのような金属化面を有する圧電棒の断面図。 本発明によるセンサの概略表現の断面図。 センサ内のいくつかの棒の対称配置を示す図。 対向する配置で互いの上面に配置したいくつかの棒を含む測定素子の上面図。

Claims (15)

1. 互いに絶縁された２つの極（２２ａ、ｂ）を含むハウジング（７）に、各々が力を加える２つの面（３ａ、ｂ）と２つの電荷収集面（４ａ、ｂ）とを有する横効果の１つ以上の圧電棒（２）を含む測定素子（１）において、各極（２２ａ、ｂ）は、環境に対して同一の容量を有する二導体測定信号線路（１５）への接続用の接点サイト（１０ａ、ｂ）と共に、該接点サイトに電気的に接続された電極（６ａ、ｂ）と、前記圧電棒（２）の電荷収集面（４ａ、ｂ）上にあり前記接点サイトに電気的に接続された１つ以上の金属化面（５ａ、ｂ）とを含み、各極（２２ａ、ｂ）と、材料特性と幾何学的条件により各極から電気的に絶縁されているハウジング（７）との間で定義される電気容量が同一であることを特徴とする、測定素子（１）。
2. 請求項１記載の測定素子において、極（２２ａ、ｂ）が完全に同じ材料から形成され、幾何形状に関して完全に対称な設計を有している、測定素子。
3. 請求項１及至２いずれか記載の測定素子において、少なくとも１つの棒（２）が、互いに電気的に分離された、同一前面３ｂ上に配置された両電極（６ａ、６ｂ）を有する、測定素子。
4. 請求項１及至３いずれか記載の測定素子において、１つ以上の棒（２）で前面（３ａ）の各々が両電極（６ａ、６ｂ）から電気的に絶縁されている、測定素子。
5. 請求項１及至４いずれか記載の測定素子において、ハウジング（７）は２本の導体給電貫通を有するカバー（９）を含む、測定素子。
6. 請求項１及至５いずれか記載の測定素子において、ハウジング（７）は気密的に封止されている、測定素子。
7. 請求項１及至６いずれか記載の測定素子において、棒（２）の少なくとも１つはハウジング（７）内でプレテンションされている、測定素子。
8. 請求項７記載の測定素子において、プレテンションは、プレテンション・スリーブ（７）により、膜により、または中央プレテンション素子（２４）により得られる、測定素子。
9. 請求項１及至８いずれか記載の測定素子において、いくつかの棒（２、２’、２”）の１つ以上のグループが測定素子で対称に配置されている、測定素子。
10. 請求項１及至８いずれか記載の測定素子において、２つ以上の棒（２、２’、２”）がブロック（２５）中でその極性に対して反対方向に互いに隣接して配置され、その接触面上に金属化面を含む、測定素子。
11. 請求項１０記載の測定素子において、いくつかのブロック（２５）の１つ以上のグループが測定素子中で対称に配置されている、測定素子。
12. 請求項９または１１いずれか記載の測定素子において、棒（２、２’、２”）のグループまたはブロック（２５）のグループが１つ以上の行に配置されている、測定素子。
13. 請求項９または１１いずれか記載の測定素子において、棒（２、２’、２”）のグループまたはブロック（２５）のグループが円上に配置されている、測定素子。
14. センサ（１２）において、内部空間（１４）を有するセンサ・ハウジング（１３）と、内部空間（１４）に取り付けた請求項１乃至１３のいずれかに記載の測定素子（１）と共に、測定素子（１）に隣接する力伝達面（１７）を有する膜（１６）と、を含むセンサ（１２）。
15. 請求項１４記載のセンサにおいて、測定素子（１）はカバー（９）の区域で対歪スリーブ（１８）の一方の端部（１８ａ）に取り付けられ、対歪スリーブ（１８）の他方の端部（１８ｂ）は膜（１６）の領域のセンサ・ハウジング（１３）に固定されている、センサ。

Images