JP6571873B2 - 加速度測定装置及び加速度測定装置を製造するための方法 - Google Patents

加速度測定装置及び加速度測定装置を製造するための方法 Download PDF

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Description

本発明は、独立請求項の序文による加速度測定装置及びその加速度測定装置を製造する方法に関する。
特許文献1は、圧電システムと、震動質量体(セイスミック・マス、Seismic Mass)と、予圧スリーブと、基部プレートとを備える加速度測定装置を示す。予圧スリーブは、震動質量体と基部プレートとの間にある圧電システムを機械的に予圧する役割を果たす。加速の間に、震動質量体は、その加速度に比例する力を圧電システムに及ぼす。機械的予圧のため、正及び負の加速度の両方が検出されることができる。この力自体は、圧電システムにおいて、加速度信号として電気的に取り出されることができる圧電電荷を生成する。これらの加速度信号は力の大きさに比例する。電気的に取り出された加速度信号は、電気的に増幅され、評価ユニットにおいて評価されることができる。
衝撃及び振動を測定するためのこのような加速度測定装置は、出願人によって型式名8002Kで商業的に流通している。加速度測定装置は、ステンレス鋼製の機械的に強固なハウジングに配置される。データシート番号8002_00_205d_07.05によれば、それは20グラムの重量を有し、取付ボルトによって任意の被測定物に取り付けられることができる。測定範囲は±1000gの範囲内であって、共振周波数は40kHzであって、動作温度範囲は−70℃〜+120℃である。
スイス国特許出願公開第399021号明細書
本発明の第1の目的は、この周知の加速度測定装置を改善することにある。本発明の更なる目的は、このような加速度測定装置を製造する費用効果の高い方法を提供することである。
第1の目的は、独立請求項の特徴によって達成される。
本発明は、圧電システムと、震動質量体と、予圧アセンブリとを備える加速度測定装置に関し、加速の間に、震動質量体はその加速度に比例する力を圧電システムに及ぼし、その力は、圧電システムにおいて圧電電荷を生成し、圧電電荷は、加速度信号として電気的に取り出されることができ、震動質量体は、2つの質量要素を備え、正の圧電電荷が、第1の質量要素において加速度信号として電気的に取り出されることができ、負の圧電電荷が、第2の質量要素において加速度信号として電気的に取り出されることができる。
2つの質量要素からなる震動質量体の利点は、これらの質量要素において加速度信号が今や電気的に取り出されることができることであって、これらの質量要素は、それらの空間的な拡張のために電気的及び機械的に容易に接続されることができる。その結果、加速度測定装置は経済的な生産を可能にする。
以下に、図面を参照して、本発明の実施形態がより詳細に説明される。
加速度測定装置の一部の断面図を示す。 予圧アセンブリ、ハウジング、及びカバーがない場合の図1による加速度測定装置の一部の斜視図を示す。 予圧アセンブリによる機械的予圧前の図1又は図2による加速度測定装置の圧電トランスデューサアセンブリの断面図を示す。 予圧アセンブリによる機械的予圧後の図3による圧電トランスデューサアセンブリの断面図を示す。 図1又は図2による加速度測定装置の震動質量体に対する圧電システムの電気的接続の図を示す。 図1又は図2による加速度測定装置の圧電システムの電極の斜視図を示す。 電気接点及び信号ケーブルを有する図1又は図2による加速度測定装置の一部の断面図を示す。 保護スリーブを取り付ける前の図7による加速度測定装置の斜視図を示す。 保護スリーブを取り付けた後の図8による加速度測定装置の斜視図を示す。
図1は、加速度測定装置1の実施形態の一部の断面図を示す。断面は、垂直方向軸線AA’及び長手方向軸線BB’に沿って延伸する。加速度測定装置1の水平方向軸線CC’は、図2による斜視図に示される。3つの軸線は互いに直交して延伸し、加速度測定装置1の中心Oで交差する。
加速度測定装置1は、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、等のような機械的に耐性のある材料で作られた、ハウジング5及びカバー6を備える。垂直方向軸線AA’に関して、ハウジング5は、断面において中空の円筒形状を有し、一方、カバー6は、断面において円形である。本発明を知っている当業者はまた、多角形等のような異なる断面形状を有するハウジング及びカバーを提供してもよい。ハウジング5及びカバー6は、互いに機械的に接続される。機械的接続は、溶接、拡散溶接、熱圧着、はんだ付け、等のような材料接合によって達成される。ハウジング5及びカバー6は、汚染(塵埃、湿気、等)のような有害な環境条件並びに電磁放射の形態の電気及び電磁干渉の影響から加速度測定装置1を保護する。
加速度計測装置1は、震動質量体3を備える。震動質量体3は、球形状であって、中心Oの周りに配置され、複数の、好ましくは2つの質量要素30、30’と、電気絶縁体31とを備える。質量要素30、30’は、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、等のような機械的に耐性のある材料で作られる。電気絶縁体31は、セラミックス、Alセラミックス、サファイア、等のような電気的に絶縁性で機械的に剛性の材料で作られる。垂直方向軸線AA’に関して、質量要素30、30’は断面において円筒形であって、一方、電気絶縁体31は断面において矩形である。しかし、本発明を知っている当業者はまた、多角形、円形、等のような異なる断面形状を有する質量要素及び電気絶縁体を提供してもよい。質量要素30、30’は、好ましくは等しい部品である。垂直方向軸線AA’に関して、電気絶縁体31は、質量要素30、30’の間に配置され、質量要素30、30’を互いから電気的に絶縁する。質量要素30、30’及び電気絶縁体31は、互いに直接機械的に接触する。電気絶縁体31の絶縁抵抗は、1010Ω以上である。質量要素30、30’は、それらの空間的な拡張のために容易に電気的及び機械的に互いに接続されることができる。質量要素30、30’には、それらの長手方向軸線に関する両端部において、凹部32、32’が設けられる。これらの凹部32、32’は、長手方向軸線BB’に関して断面において矩形である。しかし、この場合においても、本発明を知っている当業者は、円形等のような異なる断面形状を考慮してもよい。
加速度測定装置1は、圧電システム2を備える。圧電システム2は、複数の、好ましくは2つのシステム要素20、20’を備える。これらのシステム要素20、20’は、構成において同一である。システム要素20、20’の構成は、図5に示される。各システム要素20、20’は、複数の電気絶縁体要素21、21’と、複数の電極22、22’と、複数の圧電要素23、23’、23’’とを備える。好ましくは、各システム要素20、20’は2つの電気絶縁体要素21、21’を含む。電気絶縁体要素21、21’は、長手方向軸線BB’に関して断面において矩形であって、セラミックス、Alセラミックス、サファイア、等のような電気的に絶縁性で機械的に剛性の材料で作られる。電気絶縁体要素21、21’の絶縁抵抗は、1010Ω以上である。更に、電極22、22’はまた、長手方向軸線BB’に関して断面において矩形であって、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、等のような導電性材料で作られる。図6は、電極22、22’の斜視図を示す。好ましくは、各システム要素20、20’は、2つの電極22、22’を備える。各電極22、22’は、単一の断片から作られ、複数の、好ましくは2つのヒンジによって互いに機械的に接続された複数の、好ましくは3つの電極表面を備える。その電極表面上で、電極22、22’は、複数の、好ましくは3の圧電要素23、23’、23’’から圧電電荷を収集する。長手方向軸線BB’に関して、圧電要素23、23’、23’’は、断面において矩形であって、水晶(SiO単結晶)、ガロゲルマニウム酸カルシウム(CaGaGe14又はCGG)、ランガサイト(LaGaSiO14又はLGS)、トルマリン、オルトリン酸ガリウム、圧電セラミック、等のような圧電材料から作られる。圧電要素23、23’、23’’は、力が検出されるように高い感度を保証する結晶学的配向で切断される。好ましくは、圧電材料は、縦方向又は横方向の剪断効果のための高い感度を有する。この目的のために、圧電要素23、23’、23’’は、負及び正の圧電電荷が、剪断応力の軸線に垂直又は平行な表面上にそれぞれ生成されるように配向される。図5においては、正及び負の圧電電荷は+及び−で示される。これらの圧電電荷は、加速度信号として電気的に取り出されることができる。本発明を知っている当業者は、電気絶縁体構成要素、電極、及び圧電要素のために、円等のような他の断面形状を提供してもよい。
図5による圧電システム2を示す図においては、3つの圧電要素23、23’、23’’は、2つの電気絶縁体要素21、21’の間に配置される。第1の電気絶縁体要素21は中心Oから離れて面し、第2の電気絶縁体要素21’は中心Oに面する。図1〜図4においては、これらの5つの要素は、凹部32、32’内に配置される積み重ねとして示される。これらの凹部32、32’は、システム要素20、20’を本質的に完全に収容するような寸法である。副詞「本質的に」には、±10%の不正確さが含まれる。この結果、圧電システム2及び震動質量体3は、空間を節約するように構築され、すなわち、圧電システム2は、震動質量体3の球形表面内に最大空間効率で配置される。
2つの電極22、22’は、それらの3つの電極表面で圧電要素23、23’、23’’の表面上に配置される。好ましくは、電極22、22’は、等しい部品である。正電極22は、圧電要素23、23’、23’’の表面から正の圧電電荷を受け、一方、負電極22'は、圧電要素23、23’、23’’の表面から負の圧電電荷を受ける。電極22、22’のそれぞれの一方の端部24、24’は、質量要素30、30’に電気的及び機械的に接続される。正電極22は、その端部24を介して、中心O及び垂直方向軸線AA’に関して上側の第1の質量要素30に電気的及び機械的に接続される。負電極22’は、その端部24’を介して、中心O及び垂直方向軸線AA’に関して下側の第2の質量要素30’に電気的及び機械的に接続される。電気的及び機械的接続は、圧入、摩擦嵌め、等のような締まり嵌めによって、質量要素30、30’の表面において達成される。このようにして、負及び正の圧電電荷は、電極22、22’によって加速度信号として電気的に取り出され、質量要素30、30’に電気的に伝達される。
加速度測定装置1は、2つのカバー40、40’とスリーブ41とからなる予圧アセンブリ4を備える。図3及び図4に示されるように、カバー40、40’は、長手方向軸線BB’に関して断面において湾曲され、一方、スリーブ41の形状は、長手方向軸線BB’に関して断面において中空の円筒形である。予圧アセンブリ4は、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、等のような機械的に剛性の材料で作られる。しかし、本発明を知っている当業者はまた、多角形等のような異なる断面形状を有するカバー及びスリーブを提供してもよい。好ましくは、カバー40、40’は等しい部品である。スリーブ41は締結要素42を含む。締結要素42は、示されていない測定対象への機械的接続を保証する。機械的接続は、ねじ接続等のような機械的な力係止接続である。
予圧アセンブリ4は、震動質量体3及び圧電システム2を実質的に完全に取り囲む。カバー40、40’の各々は、震動質量体3の外側表面の一部を取り囲む。中心O及び長手方向軸線BB’に関して、左側の第1のカバー40は、震動質量体3の第1の外側表面の一部を取り囲み、右側の第2のカバー40’は、震動質量体3の第2の外側表面の一部を取り囲む。中心O及び長手方向軸線BB’に関して、スリーブ41は、震動質量体3の中央部分を取り囲む。カバー40、40’及びスリーブ41は部分的に重なる。中心O及び長手方向軸線BB’に関して、左側の第1のカバー40はスリーブ41の第1の端部と重なり、右側の第2のカバー40’はスリーブ41の第2の端部と重なる。システム要素20、20’の領域においては、カバー40、40’は、システム要素20、20’と直接機械的に接触する。中心O及び長手方向軸線BB’に関して、左側の第1のカバー40は、第1のシステム要素20の第2の電気絶縁体要素21’と機械的に接触し、右側の第2のカバー40’は、第2のシステム要素20’の第2の電気絶縁体要素21’と機械的に接触する。この機械的接触は、中心Oから離れて面する第2の電気絶縁体要素21’の外側表面上の面接触である。機械的予圧は、第2の電気絶縁体要素21’の外側表面上にクランプ力を加えることによって達成される。特許文献1において説明される技術水準と比較すると、クランプ力ははるかに大きい断面積に加えられる。特許文献1によるクランプスリーブは、小さい断面積を有するリング形状の突出部を介してクランプ力を震動質量体に加える。本発明によるより大きい断面積のため、対応するより高いクランプ力が加えられることができ、好ましくは、クランプ力は100%高く、好ましくは、データシート番号8002_00_205d_07.05による従来技術より500%高い。
図3及び図4は、圧電システム2の機械的予圧のためのプロセスのステップを断面において示す。第1のプロセスステップにおいては、電気絶縁体31は、垂直方向軸線AA’に関して質量要素30、30’の間に配置される。その後、システム要素20、20’は、垂直方向軸線AA’に関して質量要素30、30’の間の凹部32、32’に配置される。別のステップにおいては、各電極22、22’の一方の端部は、1つの質量要素30、30’に電気的及び機械的に接続される。その後、カバー40、40’及びスリーブ41が、震動質量体3上に配置される。これによって、カバー40、40’がスリーブ41の端部と重なる。更に別のプロセスステップにおいては、カバー40、40’は、質量要素30、30’に対して機械的にシステム要素20、20’を予圧する。この機械的に予圧された状態において、カバー40、40’は、スリーブ41の端部の領域においてスリーブ41に材料接合される。材料接合は、溶接、拡散溶接、熱圧着、はんだ付け、等によって達成される。図4に示されるように、カバー40、40’は、環状溶接部43、43’によってスリーブ41にそれぞれ機械的に接続される。溶接部43、43’は、接合ツールにとって容易に到達可能であって、この結果、容易に製造される。また、溶接部43、43’は、湾曲されたカバー40、40’の半径方向の端部において作り上げられて、それらの半径は、溶接残留応力を低く維持するようにサイズが相対的に大きい。
圧電システム2、震動質量体3、及び予圧アセンブリ4は、圧電トランスデューサアセンブリ10を形成する。圧電トランスデューサアセンブリ10は、ハウジング5に組み立てられる前に、電気的及び機械的に試験されることができる。
図7は、図1及び図2による加速度測定装置1の実施形態の一部を、水平方向軸線CC’に沿った断面において示す。図8及び図9は、対応する斜視図を示す。圧電トランスデューサアセンブリ10は、ハウジング5に取り付けられる。この目的のために、第1のプロセスステップにおいては、圧電トランスデューサアセンブリ10は、ハウジング5の中に導入され、材料接合によってスリーブ41の領域において中心Oに関してハウジング5の底部に取り付けられる。材料接合は、溶接、拡散溶接、熱圧着、はんだ付け、等によって達成される。別のプロセスステップにおいては、カバー6は、中心Oに関してハウジング5の上側縁部上に取り付けられ、ハウジング5に材料接合される。この材料接合はまた、溶接、拡散溶接、熱圧着、はんだ付け、等によって達成される。
ハウジング5には、中心Oに関して水平方向軸線CC’における端部に開口部50が設けられる。質量要素30、30’は、この開口部を通してハウジング5の外側から到達可能である。更なるプロセスステップにおいては、電気接点要素7、7’が、質量要素30、30’に電気的及び機械的に接続される。電気接触要素7、7’は、円筒形状であって、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、等のような導電性材料からなる。電気的及び機械的接続は、溶接、拡散溶接、熱圧着、はんだ付け、等のような材料接合によってなされる。図7及び図8に示される実施形態においては、電気接触要素7、7’は、質量要素30、30’の表面から開口部50の領域の中に延伸している短いワイヤである。短いワイヤは、動作中の機械的応力に対して非常に耐性があって、この結果、耐久性があって、費用効果が高いという利点を有する。
信号ケーブル8を介して、加速度測定装置1は、(示されていない)評価ユニットに電気的に接続されることができる。加速度信号は、電気的に増幅され、評価ユニットにおいて評価されることができる。信号ケーブル8は、信号ケーブルシース及び2つの電気信号導体80、80’を備える。信号ケーブルシースは、電気信号導体80、80’を汚染(塵埃、湿気、等)のような有害な環境条件から保護する。信号ケーブルシースは、同軸電磁シールドを備えてもよく、電磁放射の形態の電気及び電磁干渉の影響から信号導体を保護してもよい。電気信号導体80、80’は、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、等のような導電性材料からなる。中心Oに関して電気信号導体80、80’の前端部は、電気接点要素7、7’に電気的及び機械的に接続される。材料接合、形態嵌め、及び締まり嵌めのような任意の電気的及び機械的接続が使用されてもよい。このようにして、電気信号導体80、80’は、質量要素30、30’に間接的に電気的及び機械的に接続される。加速度信号は、質量要素30、30’によって電気接点要素7、7’を介して電気信号導体80、80’に間接的に電気的に伝達される。しかし、本発明を知っている当業者はまた、電気接点要素と電気信号導体を単一の断片として提供してもよく、電気信号導体と質量要素との間の接続を直接の電気的及び機械的接続として設計してもよい。この場合、加速度信号は、質量要素から電気信号導体に直接電気的に伝達される。
加速度測定装置1は、保護スリーブ9を備える。保護スリーブ9は、中空の円筒形状であって、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、プラスチック、セラミック、等のような機械的に耐性のある材料からなる。更なるプロセスステップにおいては、開口部50は、スリーブ9によって封止され、信号ケーブル8は引っ張りが緩和される。この目的のために、保護スリーブ9は、図8及び図9に示されるようにケーブル8上で引っ張られる。電気信号導体が電気接点要素7、7’に電気的及び機械的に接続された後、保護スリーブ9は、図9において矢印によって示されるハウジング5に対して引っ張られる。保護スリーブは、ディスク90及びチューブ91を備える。ディスク90及びチューブ91は、単一の断片で作られる。ディスク90の直径は、ディスク90によって開口部50を完全に封止するために充分である。その後、ディスク90の半径方向外側の縁部は、ハウジング5に機械的に接続される。機械的接続は、溶接、拡散溶接、熱圧着、はんだ付け、等のような材料接合によって行われる。このようにして、機械的接続は、開口部50の気密封止を形成する。更に、チューブ91は、信号ケーブルシースの外径よりわずかに大きい直径を有する。そして、チューブ91及び信号ケーブルシースは、機械的に互いに接続される。機械的接続は、接着、はんだ付け、等のような材料接合、又は圧着、クランプ、等のような圧力嵌めによって行われる。機械的接続は、電気接点要素7、7’への電気信号導体の電気的及び機械的接続の引っ張りを緩和する。
加速度測定装置1の構成要素が作られる材料は、−70℃から+700℃の範囲の動作温度が達成されるような材料である。従って、ハウジング5、カバー6、質量要素30、30’、電極22、22’、及び予圧アセンブリ4を組み上げるための材料は、好ましくは材料番号2.4969又は2.4632のニッケル合金から選択される。
AA’ 垂直方向軸線
BB’ 長手方向軸線
CC’ 水平方向軸線
O 中心
1 加速度測定装置
2 圧電システム
3 震動質量体
4 予圧アセンブリ
5 ハウジング
6 カバー
7、7’ 電気接点要素
8 信号ケーブル
9 保護スリーブ
10 圧電トランスデューサアセンブリ
20、20’ システム要素
21、21’ 電気絶縁体要素
22、22’ 電極
23、23’、23’’ 圧電要素
24、24’ 電極の端部
30、30’ 質量要素
31 電気絶縁体
32、32’ 凹部
40、40’ カバー
41 スリーブ
42 締結要素
43、43’ 溶接部
50 開口部
80、80’ 電気信号導体
90 ディスク
91 チューブ

Claims (14)

  1. 圧電システム(2)と、震動質量体(3)と、予圧アセンブリ(4)とを備える加速度測定装置(1)であって、
    加速の間に、前記震動質量体(3)は、その加速度に比例する力を前記圧電システム(2)に及ぼし、前記力は、前記圧電システム(2)において圧電電荷を生成し、前記圧電電荷は、加速度信号として電気的に取り出されることができ、
    前記震動質量体(3)は、2つの質量要素(30、30’)を備え、正の圧電電荷が、第1の質量要素(30)において加速度信号として電気的に取り出されることができ、負の圧電電荷が、第2の質量要素(30’)において加速度信号として電気的に取り出されることができることを特徴とする、加速度測定装置(1)。
  2. 前記質量要素(30、30’)は、電気絶縁体(31)によって互い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に記載の加速度測定装置(1)。
  3. 前記圧電システム(2)は、2つのシステム要素(20、20’)を備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の加速度測定装置(1)。
  4. 各システム要素(20、20’)は、複数の圧電要素(23、23’、23’’)及び複数の電気絶縁体要素(21、21’)を備え、前記複数の圧電要素(23、23’、23’’)は、前記複数の電気絶縁体要素(21、21’)の間に配置されていることを特徴とする、請求項3に記載の加速度測定装置(1)。
  5. 各システム要素(20、20’)は、正電極(22)及び負電極(22’)を備え、前記正電極(22)は正の圧電電荷を受け、前記負電極(22’)は負の圧電電荷を受け、前記正電極(22)は、前記第1の質量要素(30)に電気的及び機械的に接続され、前記負電極(22’)は、前記第2の質量要素(30’)に電気的及び機械的に接続されていることを特徴とする、請求項3又は4に記載の加速度測定装置(1)。
  6. 各電極(22、22’)は端部(24、24’)を備え、各電極(22、22’)は、その端部(24、24’)を介して質量要素(30、30’)に電気的及び機械的に接続されていることを特徴とする、請求項5に記載の加速度測定装置(1)。
  7. 各電極(22、22’)は、ヒンジによって互いに機械的に接続された複数の電極表面を備え、前記電極(22、22’)は、前記電極表面によって複数の圧電要素(23、23’、23’’)から圧電電荷を収集することを特徴とする、請求項5又は6に記載の加速度測定装置(1)。
  8. 前記システム要素(20、20’)は、前記質量要素(30、30’)の凹部(32、32’)に配置されていることを特徴とする、請求項3〜7の何れか一項に記載の加速度測定装置(1)。
  9. 前記加速度測定装置(1)は、開口部(50)を有するハウジング(5)を備え、前記質量要素(30、30’)は、前記開口部(50)を通して信号ケーブル(8)に電気的及び機械的に接続されていることを特徴とする、請求項1〜8の何れか一項に記載の加速度測定装置(1)。
  10. 前記信号ケーブル(8)は、2つの電気信号導体(80、80’)を備え、前記電気信号導体(80、80’)は、前記質量要素(30、30’)に直接的又は間接的に電気的及び機械的に接続され、前記電気信号導体(80、80’)は、前記質量要素(30、30’)から加速度信号を電気的に伝達することを特徴とする、請求項9に記載の加速度測定装置(1)。
  11. 請求項の何れか一項に記載の加速度測定装置(1)を製造するための方法であって、前記システム要素(20、20’)は、前記質量要素(30、30’)の間に配置され、前記システム要素(20、20’)の電極(22、22’)は、前記質量要素(30、30’)に電気的に接続されていることを特徴とする、方法。
  12. 複数の圧電要素(23、23’、23’’)及び複数の電気絶縁体要素(21、21’)が、互いの上に積み重ねられてシステム要素(20、20’)を形成し、各システム要素(20、20’)において、前記複数の圧電要素(23、23’、23’’)は、前記複数の電気絶縁体要素(21、21’)の間に配置され、各システム要素(20、20’)において、複数の電極表面を有する2つの電極(22、22’)が、前記複数の圧電要素(23、23’、23’’)の表面に配置されていることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
  13. 前記加速度測定装置(1)のハウジング(5)には、開口部(50)が設けられ、前記質量要素(30、30’)は、前記開口部(50)を通して信号ケーブル(8)に電気的及び機械的に接続されていることを特徴とする、請求項11又は12に記載の方法。
  14. 前記信号ケーブル(8)は、2つの電気信号導体(80、80’)を備え、前記電気信号導体(80、80’)は、前記質量要素(30、30’)に直接的又は間接的に電気的及び機械的に接続されていることを特徴とする、請求項13に記載の方法。
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