JP6806900B2 - 動的にも静的にもなり得る力を同時に測定するための測定センサ - Google Patents

動的にも静的にもなり得る力を同時に測定するための測定センサ Download PDF

Info

Publication number
JP6806900B2
JP6806900B2 JP2019528890A JP2019528890A JP6806900B2 JP 6806900 B2 JP6806900 B2 JP 6806900B2 JP 2019528890 A JP2019528890 A JP 2019528890A JP 2019528890 A JP2019528890 A JP 2019528890A JP 6806900 B2 JP6806900 B2 JP 6806900B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
force
piezoelectric material
measurement
resonance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019528890A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2019536046A (ja
Inventor
カバローニ、クラウディオ
プフルガー、キム
Original Assignee
キストラー ホールディング アクチエンゲゼルシャフト
キストラー ホールディング アクチエンゲゼルシャフト
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by キストラー ホールディング アクチエンゲゼルシャフト, キストラー ホールディング アクチエンゲゼルシャフト filed Critical キストラー ホールディング アクチエンゲゼルシャフト
Publication of JP2019536046A publication Critical patent/JP2019536046A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6806900B2 publication Critical patent/JP6806900B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G01L1/162—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators
    • G01L1/165—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators with acoustic surface waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G01L1/162—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/167—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using piezoelectric means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/302—Sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/503—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure having a non-rectangular cross-section in a plane orthogonal to the stacking direction, e.g. polygonal or circular in top view
    • H10N30/505—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure having a non-rectangular cross-section in a plane orthogonal to the stacking direction, e.g. polygonal or circular in top view the cross-section being annular

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Description

本発明は、独立請求項の前文に従って動的にも静的にもなり得る力を同時に測定するための変換器に関する。
欧州特許出願公開第００６５５１１号明細書は、圧電センサ素子を備える、動的力を測定するための測定変換器を教示している。圧電センサ素子は、圧電材料で作られた複数のディスク形状のプレートを備え、プレートのディスク直径は、プレートの厚さよりかなり大きい。力を測定するために縦効果の形の直接圧電効果が用いられる。力に対する圧電材料の空間的方向は、力が通常はプレートのディスク表面に作用し、ディスク表面に分極電荷を発生させるようなものである。分極電荷は、電極によって受け取られ、電荷信号として評価ユニットに伝送される。分極電荷は、ディスクに作用する力に比例する。実際には漏れ電流が常に存在するため、直接圧電効果は、数Ｈｚから数ＭＨｚの範囲の変化率で動的力を測定することができるだけだが、数分の持続時間を有する準静的な力の測定は可能である。
対照的に、静的力は、数時間、数週間、および数年間の長期間にわたって変化を示さない。欧州特許出願公開第００６５５１１号明細書による測定変換器は、静的力を測定するために逆圧電効果を利用することを教示している。別の圧電センサ素子は、電極を介して交流電界が周波数信号として印加される、圧電材料で作られた複数のディスク形状のプレートを備える。交流電界は、逆圧電効果によってプレートを機械的に振動させる。交流電界は、調整可能であり、評価ユニットによって生成される。交流電界の励振周波数がプレートの機械的固有周波数に等しいときに共振が発生し、対応する周波数は共振周波数と呼ばれる。静的力の影響により、プレートの共振周波数が変化し、この周波数変化が、評価ユニットの発振回路によって検出される。欧州特許出願公開第００６５５１１号明細書の教示によれば、動的力および静的力の測定は同時に行われる。
本発明の目的は、従来技術から知られている動的にも静的にもなり得る力を同時に測定するための変換器を改良することである。
欧州特許出願公開第００６５５１１号明細書
こ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、動的にも静的にもなり得る力を同時に測定するための測定変換器であって、少なくとも１つの圧電変換素子であって、力が、圧電変換素子の素子表面に分極電荷を発生させ、発生する分極電荷の量が、力の大きさに比例する少なくとも１つの圧電変換素子と、少なくとも１つの共振周波数に励振され得る共振素子であって、力が、ある力の方向で圧電変換素子および共振素子に印加される共振素子とを備え、前記力が、共振素子の横方向膨張を生じさせ、前記横方向膨張が、共振素子において横方向に発生し、横方向が、力の方向に対してゼロとは異なる角度をなし、横方向膨張の大きさが、力の大きさに比例し、前記横方向膨張が、共振周波数の周波数変化を生じさせ、周波数変化が、力の関数である測定変換器に関する。
欧州特許出願公開第００６５５１１号明細書は、動的力および静的力を同時に測定するために２つの圧電センサ素子を使用することを教示している。２つの圧電センサ素子は、測定される力に対して同じ空間的方向に配置され、測定される力によって同じように作用される。しかしながら、測定原理は異なる。動的力の測定には直接圧電効果が用いられ、静的力の測定には共振周波数の周波数変化が用いられる。逆圧電効果を用いて機械的振動が励振される。この場合、直接圧電効果を生じさせるためには、圧電係数がゼロと異なっていなければならない。さらに、逆圧電効果を生じさせるためには、圧電率がゼロと異なっていなければならない。直接圧電効果および逆圧電効果の両方が生じるような空間的方向に圧電センサ素子の圧電材料を配置することは可能であるが、この場合の圧電効果は弱く、直接圧電効果に対する市場の要求の高感度が達成されない。
さらに、欧州特許出願公開第００６５５１１号明細書による測定変換器は機械的にプレストレスを与えられている。機械的プレストレスは、共振周波数の周波数変化を測定するときに圧電材料と電極との間の電気的接触抵抗の発生を防ぐ。しかしながら、機械的プレストレスもまた機械的振動を減衰させる。したがって、測定変換器は、市場のニーズを満たさない高い損失率を有する。
対照的に、本発明による測定変換器は、互いに対して、また検出される力に対して、欧州特許出願公開第００６５５１１号明細書の欠点が克服されるような空間的方向に互いに独立して配置され得る圧電変換素子および共振素子を備える。圧電変換素子は、荷重経路において力を直接測定し、一方、共振素子は、荷重経路の外側にある振動領域において力によって生じる横方向膨張を測定する。したがって、力の方向に対して高い感度を有する圧電変換素子を正確に配置することが可能である。それにもかかわらず、共振素子が振動領域内で振動するのに十分なスペースを有し、測定変換器に高い品質係数が与えられるように、横方向膨張の方向に対して共振素子を配置することが可能である。
以下では、本発明は、図面を参照して例として説明される。
測定変換器の一部の概略分解図である。 １つの圧電変換素子を備える、図１による測定変換器の第１の実施形態の一部の斜視図である。 図２による、測定変換器の第１の実施形態の一部の断面図を示す。 ２つの圧電変換素子を備える、図１による測定変換器の第２の実施形態の一部の斜視図を示す。 図４による、測定変換器の第２の実施形態の一部の断面図を示す。 １つの圧電変換素子を備える、図１による測定変換器の第３の実施形態の一部の斜視図である。 図６による、測定変換器の第３の実施形態の一部の断面図を示す。 ２つの圧電変換素子を備える、図１による測定変換器の第４の実施形態の一部の斜視図である。 図８による、測定変換器の第４の実施形態の一部の断面図を示す。 力印加角度の関数としての、図１〜図９による測定変換器の共振素子の平均力感度の第１の図を示す。 力印加角度領域の関数としての、図１〜図９による測定変換器の共振素子の平均力感度の第２の図を示す。 図１〜図９による測定変換器の力印加要素の第１の実施形態の斜視図を示す。 図１〜図９による測定変換器の力印加要素の第２の実施形態の斜視図を示す。 第１の力印加角度領域を有する、図１〜図９による測定変換器の力印加要素の第３の実施形態の平面図を示す。 第２の力印加角度領域を有する、図１〜図９による測定変換器の力印加要素の第４の実施形態の平面図を示す。 図１４または図１５による力印加要素を備える、図２または図３による測定変換器の一部の断面図を示す。 図１４または図１５による２つの力印加要素を備える、図８または図９による測定変換器の一部の断面図を示す。 力印加角度の関数としての、図１〜図９による測定変換器の共振素子の平均線熱膨張係数の第１の図を示す。 力印加角度領域の関数としての、図１〜図９による測定変換器の共振素子の平均線熱膨張係数の第２の図である。 図１４または図１５による力印加要素を備える、図１〜図９による取り付けられたすぐに使用できる測定変換器の実施形態の図である。
測定変換器１は、動的にも静的にもなり得る力Ｆを同時に測定するために構成される。動的力Ｆは、数Ｈｚから数ＭＨｚの範囲の変化率で短期間に変化する。静的力Ｆは、数時間、数週間、および数年間の長期間にわたって変化を示さず、ｍＨｚからｎＨｚの範囲の変化率を有する。検出される力Ｆが動的であるか静的であるかはもっぱらその変化率に依存する。本発明を知っている当業者は、動圧および静圧を同時に測定するための測定変換器を構成することもできる。さらに、当業者は、加速度を測定するための測定変換器を構成することができる。
測定変換器１は、縦軸ＡＡ’、横軸ＢＢ’、および対角軸（ｄｉａｇｏｎａｌ ａｘｉｓ）ＣＣ’を有する。これらの軸は互いに角度をなして延びており、好ましくはこれらは互いに垂直である。本発明の目的のために、「角度をなして」という用語は、これらの軸が互いに対して延びる角度がゼロとは異なることを示す。縦軸ＡＡ’は、横平面ＢＣに対して垂直である。図１〜図９は、直接圧電効果によって力Ｆを測定する少なくとも１つの圧電変換素子１０、１０’と、共振周波数の周波数変化によって横方向膨張Ｑを測定する共振素子２０とを備える測定変換器１のいくつかの実施形態を示す。力Ｆおよび横方向膨張Ｑは、矢印として概略的に示されている。
力Ｆは、縦軸ＡＡ’と平行に延びる、力の方向で測定変換器１に加えられる。本発明の目的のために、これを力の方向ＡＡ’と呼ぶ。力Ｆは、少なくとも１つの変換器接触領域Ｋ１、Ｋ１’において圧電変換素子１０、１０’に作用し、変換器接触領域Ｋ１、Ｋ１’は荷重経路内に配置される。力Ｆは、圧電変換素子１０、１０’に直接的または間接的に作用することができる。力Ｆは、少なくとも１つの共振器接触領域Ｋ２、Ｋ２’において共振素子２０に作用し、前記共振器接触領域Ｋ２、Ｋ２’も荷重経路内に配置される。力Ｆは、共振素子２０に直接的または間接的に作用することができる。図１〜図９に示す実施形態では、圧電変換素子１０、１０’は、共振器接触領域Ｋ２、Ｋ２’にわたって共振素子２０と機械的に接触している。
圧電変換素子１０、１０’は、荷重経路において力Ｆを直接測定し、一方、共振素子２０は、荷重経路の外側にある振動領域において力Ｆによって生じる横方向膨張Ｑを測定する。力Ｆは、共振素子２０を弾性変形させる。共振素子２０の弾性変形は、力Ｆの関数であり、好ましくは力Ｆの大きさに比例する。縦軸ＡＡ’に沿って共振素子２０の長さの変化が生じ、一方、横平面ＢＣにおいて横方向膨張Ｑが生じる。横方向膨張Ｑの大きさは、力の関数であり、それは、好ましくは力Ｆの大きさに比例する。図１〜図５に示されているような実施形態において、力Ｆは圧縮力であり、一方、図６〜図９による実施形態において、力Ｆは引張力である。横方向膨張Ｑは、等方性または異方性であり得る。特に圧電材料の場合、横方向膨張Ｑは異方性である。
圧電変換素子１０、１０’の形状は、中空の円筒形（リング、スリーブなど）である。共振素子２０の形状は、円筒形（ディスク、丸棒など）である。縦軸ＡＡ’は、圧電変換素子１０、１０’および共振素子２０の中心を通って延びる。しかしながら、本発明を知っている当業者は、多面体形状、立方体形状、正六面体形状、中空円錐台形状、半円板形状、４分円板形状などの他の既知の形状の圧電変換素子および共振素子を採用することもできる。
圧電変換素子１０、１０’は、圧電材料１１、１１’から作られる。圧電材料１１、１１’は、石英（ＳｉＯ２単結晶）、カルシウムガロゲルマネート（ｃａｌｃｉｕｍ ｇａｌｌｏ−ｇｅｒｍａｎａｔｅ）（Ｃａ３Ｇａ２Ｇｅ４Ｏ１４またはＣＧＧ）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１０またはＬＧＳ）、トルマリン、オルトリン酸ガリウム、および圧電セラミックなどの結晶材料である。好ましくは、圧電材料１１、１１’は、ｍ、３２、３ｍ、４２ｍ、２ｍ、または２３の対称クラスに属する結晶材料からなる。好ましくは、石英が、圧電材料１１、１１’として使用され、その場合、直交軸ｘ、ｙ、ｚは結晶軸であり、ｚ軸は光軸である。石英の弾性係数ｓλμ＝（δＳλ／δＴμ）は、平面ｘｙにおける圧電材料１１、１１’の異なる方向に関して同じ大きさである。Ｓλは、行列表記の機械的歪みテンソルを示し、一方、Ｔμは、行列表記の機械的応力テンソルを表し、テンソルインデックスλ、μ＝１〜６である。さらに、石英の線熱膨張係数αもまた、平面ｘｙにおける圧電材料１１、１１’の異なる方向に関して同じである。
力Ｆは、圧電変換素子１０、１０’に作用し、圧電変換素子１０、１０’の素子表面に分極電荷を発生させる。縦効果の形で直接圧電効果を達成するために、圧電変換素子１０、１０’は、力Ｆが作用するそれらの端面に分極電荷が発生するように配置される。したがって、端面は素子表面である。端面は、横平面ＢＣ内に配置されている。直接圧電効果を達成するためには、圧電係数ｄｉμ＝（δＤｉ／δＴμ）がゼロと異ならなければならない。なお、Ｄｉは変位電界を示し、Ｔμは、行列表記の機械的応力テンソルを表し、ラテンインデックスｉ＝１〜３であり、テンソルインデックスμ＝１〜６である。感度は、第１の圧電材料１１、１１’が力Ｆにどれだけ強く応答するか、すなわち、力Ｆがどのくらいの分極電荷を発生させることができるかを示す。感度は、圧電係数ｄｉμ＝（δＤｉ／δＴμ）によって指定される。圧電材料１１、１１’は、高感度、好ましくは直接圧電効果に対して最大感度を有するように力Ｆに対して配置される。好ましくは、石英が、圧電材料１１、１１’として使用され、その場合、直交軸ｘ、ｙ、ｚは結晶軸であり、ｚ軸は光軸である。圧電係数ｄ１１が、圧電変換素子１０、１０’が平面ｙｚに垂直な軸ｘを有するｘリングとして切断されるときに縦効果に対して最大の感度を示す。ｘリングのｘ軸は、縦軸ＡＡ’と平行である。ｘリングの光軸ｚは、横平面ＢＣ内に配置されている。しかしながら、本発明を知っている当業者は、横効果を使用することもでき、その場合、圧電変換素子は、力Ｆが作用するそれらの端面に対して垂直である素子表面に分極電荷を発生させるように配置される。
共振素子２０も、圧電材料２１からなり得る。好ましくは、圧電変換素子１０、１０’および共振素子２０は、同じ圧電材料１１、１１’、２１で作られ、これにより、測定変換器１の製造は費用対効果が高くなり、圧電変換素子１０、１０’はおよび共振素子２０は実質的に同様の物理的特性を有することになる。しかしながら、本発明を知っている当業者は、圧電材料と、金属、非金属、半導体、有機材料、非金属無機材料などの非圧電材料との複合材から共振素子を製造することができる。好ましくは、２つの材料は、熱圧着、接着剤接合などの材料接合によって互いに接合される。圧電材料の振動の励振は、複合材の機械的振動をもたらす。
共振素子２０は、基音（ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｔｏｎｅ）およびｎ個の倍音（ｎ ｏｖｅｒｔｏｎｅｓ）を有する少なくとも１つの共振周波数を示すように交流電界の励振周波数によって励振することができる。励振周波数が共振素子２０の機械的固有周波数に等しい場合に共振が発生する。逆圧電効果を得るためには、圧電率ｅｉλ（δＤｉ／δＳλ）がゼロと異なっていなければならない。なお、Ｄｉは、変位電界であり、Ｓλは、行列表記の機械的歪みテンソルを示し、ラテンインデックスｉ＝１〜３であり、テンソルインデックスλ＝１〜６である。共振素子２０は、厚み振動子として、または縦モードもしくは膨張振動子として、またはたわみモード振動子として、または面剪断モード振動子として、または厚さ剪断モード振動子として振動するように配置される。好ましくは、共振素子２０は、厚さ剪断モード振動子として動作する。厚さ剪断モード振動子として機能する場合、共振素子２０は、円筒形の共振素子２０の２つの端面が横平面ＢＣ内で反対方向に変位するように配置される。これらの端面は、横平面ＢＣ内に配置される。
横方向膨張Ｑは、共振素子２０の共振周波数ｆの周波数変化Δｆを生じさせる。周波数変化Δｆは、力Ｆの関数である。好ましくは、周波数変化Δｆは、横方向膨張Ｑの大きさに比例する。したがって、周波数変化Δｆ＝Ｑ＊Ｋｆ＊（ｆ２＊η／ｎ＊Ｄ）は、複数のパラメータの関数であり得る。したがって、周波数変化Δｆは、力感度Ｋｆにも比例し得る。力感度Ｋｆ自体は、力印加角度θに依存する。Ｄは、圧電材料２１の横平面ＢＣにおける直径などの寸法パラメータを表し、ηは、デバイスパラメータを表す。好ましくは、石英が、共振素子２０の圧電材料２１として使用され、その場合、直交軸ｘ、ｙ、ｚは結晶軸であり、ｚ軸は光軸である。共振素子２０は、圧電率ｅ２６および弾性率ｃ６６を有する、ｙ軸が平面ｚｘに垂直であるｙディスクとして切断される。ｙディスクのｙ軸は、縦軸ＡＡ’と平行である。ｙディスクの光軸ｚは、横平面ＢＣ内に延びる。共振素子２０として、ｙディスクの代わりにＡＴディスクを使用することも可能である。ＡＴディスクは、ｚ軸とｚ’軸との間に３５．２５°の角度を有する平面ｚ’ｘで切断される。本発明を知っている当業者は、ＣＴ切断、ＧＴ切断、ＢＴ切断、ＤＴ切断、ＦＴ切断などの、圧電結晶材料の他の既知の切断を使用することができる。
図２、図３、図６、図７に示す実施形態では、測定変換器１は、単一の圧電変換素子１０を備える。共振素子２０は、縦軸ＡＡ’に沿って見たときに圧電変換素子１０内に配置されている。共振素子２０は、圧電変換素子１０の第１の圧電材料１１と第２の圧電材料１１’との間に空間的に配置されている。
図４、図５、図８、図９に示す実施形態では、測定変換器１は、２つの圧電変換素子１０、１０’を備える。共振素子２０は、縦軸ＡＡ’に沿って見たときに、第１の圧電変換素子１０と第２の圧電変換素子１０’との間に配置されている。共振素子２０は、第１の圧電変換素子１０の第１の圧電材料１１と第２の圧電変換素子１０’の第２の圧電材料１１’との間に空間的に配置されている。したがって、２つの圧電変換素子１０、１０’を備える測定変換器１の直接圧電効果に対する感度は、１つの圧電変換素子１０のみを備える測定変換器１の感度と比較して、より高く、好ましくは２倍の高さである。
圧電変換素子１０、１０’および共振素子２０に実質的に対称的に力Ｆを加えるために、測定変換器１は、縦軸ＡＡ’に沿って対称的な構造を有する。図２〜図９に示す実施形態では、共振素子２０は、縦軸ＡＡ’の方向において第１の圧電材料１１と第２の圧電材料１１’との間に配置されている。好ましくは、第１の圧電材料１１および第２の圧電材料１１’は、測定変換器１の製造を費用対効果の高いものにする同一の部品である。図２、図３、図６、図７に示す実施形態では、第２の圧電材料１１’は、共振素子２０の圧電材料２１に機械的に接続されている。この機械的接続は、好ましくは、溶接、拡散接合、熱圧着、はんだ付けなどの材料接合によって達成される。このような材料接合は、費用対効果の高い方法でなされ得るものであり、長期間の高い機械的安定性を示す。
共振素子２０は、縦軸ＡＡ’に沿って円筒形の形状であり、中空の円筒形の第１の圧電材料１１と中空の円筒形の第２の圧電材料１１’との間に配置されている。第１の圧電材料１１の中空円筒内に第１のキャビティ３３が形成され、第２の圧電材料１１’の中空円筒内に第２のキャビティ３３’が形成されている。キャビティ３３、３３’は、共振素子２０の上下に配置されている。縦軸ＡＡ’に沿った横平面ＢＣ内のキャビティ３３、３３’の空間寸法は、共振素子２０の機械的振動の振幅より大きい。したがって、共振素子２０は、高いＱ値でキャビティ３３、３３’内で振動するのに十分なスペースを有する。機械的振動は、縦軸ＡＡ’に沿って軸方向に発生し得る。機械的振動は、横平面ＢＣ内で半径方向に発生し得る。機械的振動は、横平面ＢＣ内の厚さ剪断モード振動の形で発生し得る。最後に、機械的振動は、軸方向振動と半径方向振動との組み合わせまたは半径方向振動と厚さ剪断モード振動との組み合わせの形で発生し得る。
力Ｆを測定するために、圧電変換素子１０、１０’の圧電材料１１、１１’の分極電荷は、電極１２、１２’、１３、１３’によって受け取られ、電荷信号として評価ユニットに伝送される。電極１２、１２’、１３、１３’は、電荷受け取り電極１２、１２’、１３、１３’と呼ばれる。横方向膨張Ｑを測定するために、交流電界が、電極２２、２３を介して共振素子２０の圧電材料２１に周波数信号として印加される。電極２２、２３は、周波数電極２２、２３とも呼ばれる。電極１２、１２’、１３、１３’、２２、２３は、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金などの導電性材料の薄層である。電極１２、１２’、１３、１３’、２２、２３は、圧電材料１１、１１’、２１に機械的かつ電気的に接続されている。好ましくは、機械的かつ電気的な接続は、溶接、拡散接合、熱圧着、はんだ付けなどの材料接合によって達成される。このような材料接合は、費用対効果の高い方法でなされ得るものであり、長期間の高い機械的かつ電気的な安定性を示す。
電荷受け取り電極１２、１２’、１３、１３’は、中空の円筒形の形状であり、圧電変換素子１０、１０’の端面をほぼ完全に覆って延在する。周波数電極２２、２３は、円筒形の形状であり、共振素子２０の端面上の振動領域に延在する。振動領域は、共振素子２０の端面の中央領域にあり、この領域は、端面の中心を通って延びる縦軸ＡＡ’に近い。共振素子２０の端面の周辺領域には、周波数電極２２、２３への細い導線だけが、縦軸ＡＡ’から半径方向に離間して配置されている。共振素子２０の振動領域では、圧電材料２１は、機械的振動を発生させるように周波数電極２２、２３によって励振され、共振素子２０は大きい振幅で振動する。共振素子２０の周辺領域には、力Ｆが共振素子２０に加えられる共振器接触領域Ｋ２、Ｋ２’がある。共振素子２０の周辺領域では、圧電材料２１は、機械的に振動するようには周波数電極２２、２３によって励振されず、共振素子２０は小さい振幅で振動し、振幅の大きさは、周波数電極２２、２３からの半径方向の距離が大きくなるにつれて小さくなる。周辺領域の半径方向寸法は、機械的振動が圧電変換素子１０、１０’と共振素子２０との機械的接続によって減衰されないか、または無視できる程度でしか減衰されないように選択される。
図２、図３、図６、図７による第１の実施形態および第３の実施形態は、４つの電極１２、１３、２２、２３を備え、図４、図５、図８、図９の第２の実施形態および第４の実施形態は、６つの電極１２、１２’、１３、１３’、２２、２３を備える。図２、図３に示す第１の実施形態では、電荷受け取り電極１２は、圧電変換素子１０の第１の圧電材料１１と共振素子２０の圧電材料２１との両方に機械的かつ電気的に接続されている。電荷受け取り電極１２は、対電極１２とも呼ばれる。電荷受け取り電極１３は、圧電変換素子１０の第１の圧電材料１１上に配置され、それは、電気的接地として機能し、接地電極１３とも呼ばれる。接地要素電極１３は、測定変換器１の接地ハウジング４１に電気的に接続される。対角軸ＣＣ’に近いちょうど１つの接触領域Ｚにおいて、対電極１２および周波数電極２２、２３は、導電体との電気的かつ機械的な接触のために容易に接近可能である。測定変換器１は、４つの電極１２、１３、２２、２３に対して３つの導電体のみを必要とする。
図４、図５に示す第２の実施形態では、２つの電荷受け取り電極１２、１２’が、共振素子２０の圧電材料２１に機械的に接続されている。２つの電荷受け取り電極１２、１２’は、共振素子２０の圧電材料２１の異なる端面に配置されている。２つの電荷受け取り電極１２、１２’は、互いに電気的に接続され、共通の対電極１２、１２’として機能する。第１の圧電変換素子１０の第１の圧電材料１１および第２の圧電変換素子１０’の第２の圧電材料１１’は、互いに対して反対の分極方向に配置され、これにより、２つの対電極１２、１２’は、同じ極性の分極電荷を受け取る。２つの電荷受け取り電極１３、１３’は、圧電変換素子１０、１０’の圧電材料１１、１１’上に配置され、電気的接地として機能し、接地電極１３、１３’とも呼ばれる。２つの接地要素電極１３、１３’は、測定変換器１の接地ハウジング４１に電気的に接続される。対角軸ＣＣ’の近傍にあるちょうど１つの接触領域Ｚにおいて、共通の対電極１２、１２’および周波数電極２２、２３は、導電体との電気的かつ機械的な接触のために容易に接近可能である。測定変換器１は、６つの電極１２、１２’、１３、１３’、２２、２３に対して３つの導電体のみを必要とする。
図６、図７に示す第３の実施形態では、電荷受け取り電極１３は、圧電変換素子１０の第１の圧電材料１１と共振素子２０の圧電材料２１との両方に機械的かつ電気的に接続されている。電荷受け取り電極１３は、周波数電極２３に電気的に接続されている。２つの電気的に接続された電極１３、２３は、共通の電気的接地として機能し、接地電極１３、２３とも呼ばれる。電荷受け取り電極１２は、圧電変換素子１０の圧電材料１１、１１’上に配置され、対電極１２とも呼ばれる。対角軸ＣＣ’の近傍にあるちょうど１つの接触領域Ｚにおいて、接地電極１３、２３、対電極１２、および周波数電極２２は、導電体との電気的かつ機械的な接触のために容易に接近可能である。測定変換器１は、４つの電極１２、１３、２２、２３に対して３つの導電体のみを必要とする。
図８、図９に示す第４の実施形態では、２つの電荷受け取り電極１２’、１３が、共振素子２０の圧電材料２１に機械的に接続されている。２つの電荷受け取り電極１２’、１３は、圧電材料２１の異なる端面に配置されている。２つの電荷受け取り電極１２、１３’は、圧電変換素子１０、１０’の圧電材料１１、１１’上に配置されている。共振素子２０の圧電材料２１に機械的に接続された電荷受け取り電極１２’と、第１の圧電変換素子１０の第１の圧電材料１１上に配置された電荷受け取り電極１２とは、互いに電気的に接続されており、共通の対電極１２、１２’として機能する。第１の圧電変換素子１０の第１の圧電材料１１および第２の圧電変換素子１０’の第２の圧電材料１１’は、互いに同じ分極方向に配置され、これにより、２つの対電極１２、１２’は、同じ極性の分極電荷を受け取る。共振素子２０の圧電材料２１に機械的に接続された電荷受け取り電極１３と、第２の圧電変換素子１０’の第２の圧電材料１１’上に配置された電荷受け取り電極１３’とは、互いに電気的に接続され、電気的接地として機能し、接地電極１３、１３’とも呼ばれる。２つの接地要素電極１３、１３’は、測定変換器１の接地ハウジング４１に電気的に接続される。対角軸ＣＣ’の近傍にあるちょうど１つの接触領域Ｚにおいて、接地電極１３、対電極１２’、および周波数電極２２、２３は、導電体との電気的かつ機械的な接触のために容易に接近可能である。測定変換器１は、６つの電極１２、１２’、１３、１３’、２２、２３に対して３つの導電体のみを必要とする。
４つまたは６つの電極１２、１２’、１３、１３’、２２、および２３に対して３つの導電体を備える測定変換器１の構成は、省スペースであり、測定変換器１の費用対効果の高い製造を実現する。ちょうど１つの接触領域Ｚにおける電極１２、１２’、１３、１３’、２２、２３と導電体との電気的かつ機械的な接触は、材料および／または摩擦接合によって達成される。材料接合は、溶接、拡散溶接、熱圧着、はんだ付けなどによってなされ、一方、摩擦接合は、ねじ接続、クランプ接続などによって達成される。しかしながら、本発明を知っている当業者は、１つより多くの接触領域における電極と導電体との電気的かつ機械的な接触を実現することもできる。
図６〜図９による実施形態では、測定変換器１は、電気絶縁要素１４を備える。電気絶縁要素１４の形状は中空の円筒形である。電気絶縁要素１４は、セラミック、Ａｌ２Ｏ３セラミック、サファイアなどの電気的に絶縁性の、機械的に剛性の高い材料で作られる。電気絶縁要素１４は、対電極１２に機械的に接続されている。好ましくは、機械的接続は、溶接、拡散接合、熱圧着、はんだ付けなどの材料接合によってなされる。このような材料接合は、費用対効果の高い方法でなされ得るものであり、長期間の高い機械的安定性を示す。
圧電変換素子１０、１０’の圧電材料１１の電荷信号の増幅および評価は評価ユニットで行われる。この目的のために、圧電変換素子１０、１０’の電荷受け取り電極１２、１２’、１３、１３’は、評価ユニットの増幅回路に電気的に接続される。共振素子２０の圧電材料２１は、評価ユニットからの周波数信号によって励振される。この目的のために、共振素子２０の周波数電極２２、２３は、評価ユニットの発振回路に電気的に接続される。周波数変化Δｆは、発振回路によって決定される。検出された周波数変化Δｆから、評価ユニットは、横方向膨張Ｑを決定する。好ましくは、発振回路はコルピッツ回路である。典型的な共振周波数は、数ｋＨｚから数ＭＨｚの範囲内であり、一方、典型的な周波数変化Δｆは、２Ｈｚ／Ｎから１００Ｈｚ／Ｎの範囲内である。
図１０および図１１は、力印加角度θの関数として力感度Ｋｆを示す。この力感度Ｋｆは、キャビティ３３、３３’内で振動する、図１〜図９に示した実施形態による共振素子２０に当てはまる。横軸ＢＢ’に沿った力印加角度θに対して、力感度Ｋｆは、最大となり、１００％に正規化される。横軸ＢＢ’に対して４５°の力印加角度θに対して、力感度Ｋｆはゼロまたは０％となる。対角軸ＣＣ’に沿った力印加角度θに対して、力感度Ｋｆは、最小値または−６０％となる。
図１０を参照すると、力印加角度領域Ωが、横軸ＢＢ’から対角軸ＣＣ’に向かって９０°にわたっている場合、力感度Ｋｆの合計は、１０％の総力感度ＫｆＧとなる。図１１では、力印加角度領域Ωは制限されている。横軸ＢＢ’から対角軸ＣＣ’に向かって４５°にわたる第１の力印加角度領域Ω１に対して、力感度Ｋｆの合計は、５０％の第１の平均力感度ＫｆＭ１となる。横軸ＢＢ’から対角軸ＣＣ’に向かって３０°にわたる第２の力印加角度領域Ω２に対して、力感度Ｋｆの合計は、７５％の第２の平均力感度ＫｆＭ２となる。
力印加角度領域Ωの最適な調整は、少なくとも１つの力印加要素３０、３０’によって達成することができる。力Ｆは、力印加要素３０、３０’に作用し、力印加要素３０、３０’によって圧電変換素子１０、１０’および共振素子２０に伝達される。図１２および図１３は、中空の球台形状の力印加要素３０、３０’の第１の実施形態および第２の実施形態の斜視図を示す。図１４および図１５は、中空の円錐台形状の力印加要素３０、３０’の第３の実施形態および第４の実施形態の平面図を示す。力印加要素３０、３０’の形状は、中空の円筒形、中空の角錐台形などであってもよい。力印加要素３０、３０’は、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、セラミックなどの機械的に剛性の高い材料からなる。
力印加要素３０、３０’は、上面３１、３１’、側面３２、３２’、およびキャビティ３３、３３’を備える中空体である。共振素子２０は、キャビティ３３、３３’内に配置される。キャビティ３３、３３’は、力印加要素３０、３０’と圧電変換素子１０、１０’との両方にある。上面３１、３１’および側面３２、３２’は、互いに機械的に接続されており、キャビティ３３、３３’を取り囲んでいる。力Ｆは、縦軸ＡＡ’に沿って上面３１、３１’上に作用し、上面３１、３１’から側面３２、３２’に伝達される。側面３２、３２’は、少なくとも１つの窪み領域３４、３４’を備え、少なくとも１つの窪み領域３４、３４’は、キャビティ３３、３３’内に延在し、側面３２、３２’での力Ｆの伝達を妨げる。さらに、側面３２、３２’は、少なくとも１つの非窪み領域３５、３５’を備え、この非窪み領域３５、３５’だけが、力Ｆを伝達する。中空体は、上面３１、３１’とは反対側の端部に底部３６、３６’を備える。上面３１、３１’および底部３６、３６’は、側面３２、３２’によって互いに機械的に接続されている。上面３１、３１’、側面３２、３２’、および底部３６、３６’は、好ましくは一体品で作られる。上面３１、３１’および底部３６、３６’は、横平面ＢＣ内で互いに平行である。側面３２、３２’の非窪み領域３５、３５’は、底部３６、３６’と共に横平面ＢＣ内に少なくとも１つの力伝達角度領域Ω、Ω１、Ω２を形成する。
窪み領域３４、３４’は、好ましくは窓のように形成される。図１２による実施形態では、窪み領域３４、３４’は、縦軸ＡＡ’に沿って見たときに側面３２、３２’の下方領域に配置されている。図１３による実施形態では、窪み領域３４、３４’は、縦軸ＡＡ’に沿って見たときに側面３２、３２’の中央領域に配置されている。図１４および図１５による２つの実施形態では、窪み領域３４、３４’は、側面３２、３２’の大部分に対応する。図１４による第３の実施形態では、力印加要素３０、３０’は、それぞれ４５°にわたる４つの第１の力印加角度領域Ω１を備える。図１５による第４の実施形態では、力印加要素３０、３０’は、それぞれ３０°にわたる４つの第２の力印加角度領域Ω２を備える。どちらの場合も、２つの第１の力印加角度領域Ω１または第２の力印加角度領域Ω２は、力Ｆが第１の力印加角度領域Ω１または第２の力印加角度領域Ω２によってのみ伝達されるように窪み領域３４、３４’によって画定されている。好ましくは、各力印加要素３０、３０’は、縦軸ＡＡ’に沿って見たときに互いに対して１８０°の角度で回転された２つの窪み領域３４、３４’を備える。
第１の力印加角度領域Ω１または第２の力印加角度領域Ω２は、全体で平均力感度ＫｆＭ１、ＫｆＭ２が最大の１００％の力感度Ｋｆに近くなるように特定の領域に制限される。第１の力印加角度領域Ω１または第２の力印加角度領域Ω２が小さいほど、圧電変換素子１０、１０’および共振素子２０における局所圧力は大きくなる。第１の力印加角度領域Ω１または第２の力印加角度領域Ω２のサイズ、したがって圧電変換素子１０、１０’および共振素子２０における局所圧力の大きさは、圧電変換素子１０、１０’および共振素子２０の圧縮強度の関数として選択することができる。圧電変換素子１０、１０’および共振素子２０がより耐圧性であるほど、より小さい第１の力印加角度領域Ω１または第２の力印加角度領域Ω２を選択することができ、平均力感度ＫｆＭ１、ＫｆＭ２はより高くされる。
図１６は、図１４または図１５による１つの力印加要素３０を備える、図２および図３による測定変換器１の断面図を示す。図１７は、図１４または図１５による２つの力印加要素３０、３０を備える、図８および図９による測定変換器１の断面図を示す。好ましくは、２つの力印加要素３０、３０’は同一の部品であり、前記同一の部品は、力Ｆを圧電変換素子１０、１０’および共振素子２０に対称的に伝達する。
圧電変換素子１０、１０’および共振素子２０は、好ましくは間接的な機械的接続によって側面３２、３２’に機械的に接続される。したがって、図１６および図１７に示す実施形態では、圧電変換素子１０、１０’は、変換器接触領域Ｋ１、Ｋ１’および底部３６、３６’によって間接的に力印加要素３０、３０’に機械的に接続されている。さらに、図１６および図１７に示す実施形態では、共振素子２０の共振器接触領域Ｋ２、Ｋ２’を介した圧電変換素子１０、１０’への別の間接的な機械的接続があり、その結果、それは変換器接触領域Ｋ１、Ｋ１’および底部３６、３６’によって力印加要素３０、３０’に機械的に接続されている。好ましくは、機械的接続は、溶接、拡散接合、熱圧着、はんだ付けなどの材料接合によって達成される。
図１６を参照すると、力Ｆは、第１の力印加要素３０と圧電変換素子１０との両方に作用する。この場合、力Ｆは、一方では第１の力印加要素３０を介して間接的に圧電変換素子１０に作用し、他方では変換器接触領域Ｋ１’を介して圧電変換素子１０に直接作用する。図１７を参照すると、力Ｆは、第１の力印加要素３０に作用し、第１の底部３６および変換器接触領域Ｋ１を介して第１の圧電変換素子１０に伝達され、力Ｆは、第２の力印加要素３０’に作用し、第２の底部３６’および変換器接触領域Ｋ１’を介して第２の圧電変換素子１０’に伝達される。この場合、力Ｆは、力印加要素３０、３０’を介して間接的に両方の圧電変換素子１０、１０’に作用する。このようにして、力Ｆは、圧電変換素子１０、１０’によって共振素子２０に伝達される。
上面３１、３１’および底部３６、３６’は、横平面ＢＣ内で互いに平行である。縦軸ＡＡ’は、横平面ＢＣに対して垂直である。上面３１、３１’は、好ましくは、縦軸ＡＡ’に対して上面３１、３１’の一定の外半径または最大距離Ｂ１を有する円形である。底部３６、３６’は、好ましくは、縦軸ＡＡ’に対して底部３６、３６’の一定の外半径または最大距離Ｂ２を有する環状である。最大距離Ｂ２は、最大距離Ｂ１より大きい。したがって、側面３２、３２’では、力Ｆは、縦軸ＡＡ’から離れる方向に伝達される。力Ｆの伝達は、側面３２、３２’の非窪み領域３５、３５’の湾曲部分で発生する。力Ｆの伝達は、上面３１、３１’から共振器接触領域Ｋ２、Ｋ２’に向かって発生する。Ａ２は、縦軸ＡＡ’に沿った、上面３１、３１’から共振器接触領域Ｋ２、Ｋ２’までの長さを示す。上面３１、３１’に作用する力Ｆは、共振素子２０の横方向膨張Ｑを増大させる。最大距離Ｂ２と最大距離Ｂ１との差が大きいほど、横方向膨張Ｑは増大する。横方向膨張Ｑが増大するため、力Ｆによって生じる周波数変化も大きくなる。このように、逆圧電効果を用いて静的力を測定すると、市場の要求である高感度が達成される。
力感度Ｋｆが力印加角度θの関数であるという事実も、圧電材料１１、１１’、２１の線熱膨張係数αの大きさに影響を及ぼす。図１８に示すように、横軸ＢＢ’に沿った力印加角度θに対する最大力感度Ｋｆにおいて、線熱膨張係数αは、最大となり、１００％に正規化される。力感度Ｋｆが、対角軸ＣＣ’に沿った力印加角度θに対して最小となるとき、圧電材料１１、１１’、２１の線熱膨張係数αは、最小となり、５５％に正規化される。図１８によれば、横軸ＢＢ’と対角軸ＣＣ’との間の９０°の全力印加角度領域Ωでは、横軸ＢＢ’から対角軸ＣＣ’までにおいて、全体で、総線熱膨張係数（Ｋｆ＊α）Ｇがもたらされる。総線熱膨張係数（Ｋｆ＊α）Ｇは、すべての力印加角度θにわたって合計された、力感度Ｋｆと線熱膨張係数αとの積である。しかしながら、力印加角度領域Ωが制限される場合、全体で圧電材料１１、１１’、２１の、結果として得られる平均線膨張係数（Ｋｆ＊α）Ｍ１、（Ｋｆ＊α）Ｍ２は、第１の力印加角度領域Ω１または第２の力印加角度領域Ω２のサイズに応じて変化する。図１９によれば、横軸ＢＢ’から対角軸ＣＣ’に向かって４５°にわたる第１の力印加角度領域Ω１に対して、全体で第１の平均線熱膨張係数（Ｋｆ＊α）Ｍ１が得られる。横軸ＢＢ’から対角軸ＣＣ’に向かって３０°にわたる第２の力印加角度領域Ω２に対して、全体で第２の平均線熱膨張係数（Ｋｆ＊α）Ｍ２が得られる。
動作中、測定変換器１は、２００℃以上の温度に恒久的にさらされる。この場合、圧電材料１１、１１’、２１および力印加要素３０、３０’の線膨張は異なり得る。力印加要素３０、３０’は、線熱膨張係数α３０を有する。線熱膨張係数α３０と平均線熱膨張係数（Ｋｆ＊α）Ｍ１、（Ｋｆ＊α）Ｍ２とを比較するために、図１９による平均線熱膨張係数（Ｋｆ＊α）Ｍ１、（Ｋｆ＊α）Ｍ２は、図１１による平均力感度ＫｆＭ１、ＫｆＭ２で重み付けされる。第１の力印加角度領域Ω１に対して、圧電材料１１、１１’、２１は、第１の加重線熱膨張係数αＭ１＝（Ｋｆ＊α）Ｍ１／ＫｆＭ１を有する。第２の力印加角度領域Ω２に対して、圧電材料１１、１１’、２１は、第２の加重線熱膨張係数αＭ２＝（Ｋｆ＊α）２／ＫｆＭ２を有する。圧電材料１１、１１’、２１および力印加要素３０、３０’の線膨張差を可能な限り小さく保つために、圧電材料１１、１１’、２１の第１の加重線熱膨張係数αＭ１または第２の加重線熱膨張係数αＭ２は、力印加要素３０、３０’の線熱膨張係数α３０に実質的に等しくされる。好ましくは、図１８および図１９において１００％に正規化される１３．７＊１０−６Ｋ−１の最大線熱膨張係数αと、図１８および図１９において５５％への正規化に対応する７．５＊１０−６Ｋ−１の最小線熱膨張係数αとを有する石英が、圧電材料１１、１１’、２１として使用される。鋼製の力印加要素３０、３０’は、１３．０＊１０−６Ｋ−１の線熱膨張係数α３０を有する。第１の力印加角度領域Ω１＝４５°に対して、圧電材料１１、１１’、２１は、第１の加重線熱膨張係数αＭ１＝１２＊１０−６Ｋ−１を有し、一方、第２の力印加角度領域Ω１＝３０°に対して、圧電材料１１、１１’、２１は、力印加要素３０、３０’の線熱膨張係数α３０に実質的に等しい第２の加重線熱膨張係数αＭ２＝１３＊１０−６Ｋ−１を有する。
共振素子２０は、逆圧電効果により温度Ｔを測定する。共振素子２０の圧電材料２１の共振周波数は、以下の式、すなわち、ｆ（Ｔ）＝１／２ｄ（Ｔ）＊（ｅｉλ（Ｔ）／ρ（Ｔ））１／２に従って温度Ｔに依存し、圧電率ｅｉλ、圧電材料２１の材料厚さｄ、および密度ρは、温度Ｔに依存する。ΔｆＴは、温度依存周波数変化を表す。周波数変化ΔｆＴは、評価ユニットの発振回路によって検出される。評価ユニットは、検出された温度依存周波数変化ΔｆＴから温度Ｔを決定する。好ましくは、数ｋＨｚから数ＭＨｚの範囲の共振周波数と、２０Ｈｚ／Ｋから２００Ｈｚ／Ｋの範囲の温度依存周波数変化ΔｆＴとを有する、共振素子２０の圧電材料２１として石英が使用される。
図２０は、図１４〜図１７による力印加要素３０、３０’を備える、図１〜図９による取り付けられたすぐに使用できる測定変換器１を示す。測定変換器１は、真空下でハウジング４１内に取り付けられる。ハウジング４１は円筒形である。少なくとも１つの力印加要素３０、３０’が、上面３１、３１’に関して、ハウジング４１の端面でハウジング４１から突出する。好ましくは、２つの力印加要素３０、３０’が、それぞれ上面３１、３１’に関して、ハウジング４１の２つの端面でハウジング４１から突出する。図２０の図には１つの端面のみが示されている。各端面は、中空の円筒形のカバー４２を備える。ハウジング４１およびカバー４２は、汚れ、湿気、機械的衝撃などの有害な外部条件から測定変換器１を保護する。ハウジング４１およびカバー４２は、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金などの機械的に耐性のある材料で作られる。力印加要素３０、３０’は、カバー４２によってハウジング４１に機械的に接続されている。カバー４２は、縦軸ＡＡ’に対して半径方向外側の縁部でハウジング４１に機械的に接続されている。好ましくは、機械的接続は、溶接、拡散接合、熱圧着、はんだ付けなどの材料接合によって行われる。カバー４２は、縦軸ＡＡ’に対して半径方向内側の縁部を介して力印加要素３０、３０’に機械的に接続されている。好ましくは、機械的接続は、溶接、拡散接合、熱圧着、はんだ付けなどの材料接合によってなされる。ハウジング４１へそれる小さい力を達成するために、カバー４２は薄くされ、カバー４２の厚さは０．３ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍにされる。カバー４２が薄いほど、ハウジング４１へそれる力は小さくなる。
電荷受け取り電極１２、１２’、１３、および１３’の電荷信号は、導電体によって評価ユニットへの電気接続部４３に伝送される。評価ユニットからの周波数信号は、電気接続部４３を介して導電体によって周波数電極２２、２３に伝送される。評価ユニットは、プラグおよびケーブルによって電気接続部４３に電気的に接続することができる。電気接続部４３は、ハウジング４１の側壁の開口部に配置されている。電気接続部４３は、ハウジング４１に機械的に接続されている。好ましくは、機械的接続は、溶接、拡散接合、熱圧着、はんだ付けなどの材料接合によってなされる。
電極１２、１２’、１３、１３’、２２、および２３と導電体との電気的かつ機械的な接触は、ちょうど１つの接触領域Ｚにおいて容易に達成される。この目的のために、図１〜図９による測定変換器１は、ハウジング４１に挿入される前に導電体の剥ぎ取られた端部と電気的かつ機械的に接触させられる。その後、測定変換器１は、ハウジング４１に挿入され、測定変換器１と電気的かつ機械的に接触している導電体は、ハウジング４１の側壁の開口部を通してハウジングの外側に出され、材料および／または摩擦接続によって電気接続部４３に電気的かつ機械的に接触させられる。材料接合は、溶接、拡散溶接、熱圧着、はんだ付けなどによって達成される。摩擦接続は、ねじ接続、クランプ接続などによって達成される。
ハウジング４１とカバー４２との機械的接続、カバー４２と力印加要素３０、３０’との機械的接続、およびハウジング４１と電気接続部４３との機械的接続は耐圧性である。
Ａ２ 長さ
Ｂ１、ｂ２ 最大距離
ＡＡ’、ＢＢ’、ＣＣ’ 軸
ＢＣ 横平面
Ｋｆ 力感度
ＫｆＧ 総力感度
ＫｆＭ１，ＫｆＭ２ 平均力感度
（Ｋｆ＊α）Ｇ 総線膨張係数
（Ｋｆ＊α）Ｍ１、（Ｋｆ＊α）Ｍ２ 平均線膨張係数
Ｆ 力
Ｑ 横方向膨張
Ｋ１、Ｋ１’ 変換器接触領域
Ｋ２、Ｋ２’ 共振器接触領域
Ｚ 接触領域
α 線膨張係数
θ 力印加角度
Ω、Ω１、Ω２ 力印加角度領域
１ 測定変換器
１０、１０’ 圧電変換素子
１１、１１’、２１ 圧電材料
１２、１２’、１３、１３’ 電荷受け取り電極
１４ 電気絶縁要素
２０ 共振素子
２２、２３ 周波数電極
３０、３０’ 力印加要素
３１、３１’ 上面
３２、３２’ 側面
３３、３３’ キャビティ
３４、３４’ 窪み領域
３５、３５’ 非窪み領域
３６、３６’ 底部
４１ ハウジング
４２ カバー
４３ 電気接続部

Claims (15)

  1. 動的にも静的にもなり得る力（Ｆ）を同時に測定するための測定変換器（１）であって、動的力（Ｆ）の荷重経路において前記動的力（Ｆ）を直接測定するための少なくとも１つの圧電変換素子（１０、１０’）であって、前記動的力（Ｆ）が、前記圧電変換素子（１０、１０’）の素子表面に分極電荷を発生させ、前記発生する分極電荷の量が、前記動的力（Ｆ）の大きさに比例する少なくとも１つの圧電変換素子（１０、１０’）と、静的力（Ｆ）を測定するための共振素子（２０）であって、前記共振素子（２０）は、少なくとも１つの共振周波数（ｆ）に励振され得、前記動的力（Ｆ）および前記静的力（Ｆ）が、ある力の方向で前記圧電変換素子（１０、１０’）および前記共振素子（２０）に作用する共振素子（２０）とを備える測定変換器（１）において、前記共振素子（２０）が、前記荷重経路の外側にある振動領域における前記静的力（Ｆ）を測定し、前記静的力（Ｆ）が、前記共振素子（２０）の横方向膨張（Ｑ）を生じさせ、前記横方向膨張（Ｑ）が、前記共振素子（２０）において横方向に発生し、前記横方向が、前記力の方向に対してゼロとは異なる角度をなし、前記横方向膨張（Ｑ）の大きさが、前記静的力（Ｆ）の前記大きさに比例し、前記横方向膨張（Ｑ）が、前記共振周波数（ｆ）の周波数変化（Δｆ）を生じさせ、前記周波数変化（Δｆ）が、前記静的力（Ｆ）の関数であることを特徴とする測定変換器（１）。
  2. 前記測定変換器（１）が、１つの圧電変換素子（１０）を備え、前記圧電変換素子（１０）が、第１の圧電材料（１１）および第２の圧電材料（１１’）を含み、前記共振素子（２０）が、前記第１の圧電材料（１１）と前記第２の圧電材料（１１’）との間に空間的に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の測定変換器（１）。
  3. 前記測定変換器（１）が、２つの圧電変換素子（１０）を備え、第１の圧電変換素子（１０）が、第１の圧電材料（１１）を含み、第２の圧電変換素子（１０’）が、第２の圧電材料（１１’）を含み、前記共振素子（２０）が、前記第１の圧電材料（１１）と前記第２の圧電材料（１１’）との間に空間的に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の測定変換器（１）。
  4. 前記圧電変換素子（１０、１０’）が、前記動的力（Ｆ）が作用する素子表面に分極電荷が発生するように縦効果の形で直接圧電効果が生じるように配置されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の測定変換器（１）。
  5. 前記第１の圧電材料（１１）が、中空の円筒形の形状であり、第１のキャビティ（３３）を形成しており、前記第２の圧電材料（１１’）が、中空の円筒形の形状であり、第２のキャビティ（３３’）を形成しており、前記共振素子（２０）が、厚み振動子として、または縦モードもしくは膨張振動子として、またはたわみモード振動子として、または面剪断モード振動子として、または厚さ剪断モード振動子として前記キャビティ（３３、３３’）内で振動することを特徴とする、請求項２から４のいずれか一項に記載の測定変換器（１）。
  6. 前記圧電変換素子（１０、１０’）の形状が、中空の円筒形であり、前記共振素子（２０）の形状が、円筒形であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の測定変換器（１）。
  7. 前記圧電変換素子（１０、１０’）が、第１の圧電材料（１１）および第２の圧電材料（１１’）を含み、前記共振素子（２０）が、前記圧電変換素子（１０、１０’）の前記圧電材料（１１、１１’）と同一の圧電材料（２１）を含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の測定変換器（１）。
  8. 前記圧電変換素子（１０、１０’）および前記共振素子（２０）の前記圧電材料（１１、１１’、２１）が、石英からなり、前記圧電変換素子（１０、１０’）の前記圧電材料（１１、１１’）の光軸が、前記共振素子（２０）の前記圧電材料（２１）の光軸と平行に配置されており、前記圧電変換素子（１０、１０’）および前記共振素子（２０）の前記圧電材料（１１、１１’、２１）が、前記光軸に対して垂直な平面内に同様の弾性特性および熱特性を有することを特徴とする、請求項７に記載の測定変換器（１）。
  9. 前記圧電変換素子（１０、１０’）および前記共振素子（２０）の前記圧電材料（１１、１１’、２１）が、ｍ、３２、３ｍ、４２ｍ、２ｍ、または２３の対称クラスの結晶材料で作られていることを特徴とする、請求項８に記載の測定変換器（１）。
  10. 発振回路が、前記共振素子（２０）の前記圧電材料（２１）に交流電界を印加し、評価ユニットが、前記共振素子（２０）の前記圧電材料（２１）の機械的固有周波数の周波数変化（Δｆ）を検出し、前記検出された周波数変化（Δｆ）から前記評価ユニットが前記静的力（Ｆ）を決定することを特徴とする、請求項７から９のいずれか一項に記載の測定変換器（１）。
  11. 発振回路が、前記共振素子（２０）の前記圧電材料（２１）に交流電界を印加し、評価ユニットが、前記共振素子（２０）の共振周波数（ｆ）の温度依存周波数変化（ΔｆＴ）を検出し、前記検出された温度依存周波数変化（ΔｆＴ）から前記評価ユニットが温度を決定することを特徴とする、請求項７から１０のいずれか一項に記載の測定変換器（１）。
  12. 前記動的力（Ｆ）が、前記圧電変換素子（１０、１０’）の素子表面に分極電荷を発生させ、電荷受け取り電極（１２、１２’、１３、１３’）が、前記分極電荷を受け取り、周波数電極（２２、２３）が、前記共振素子（２０）の前記圧電材料（２１）に交流電界を印加し、前記電極（１２、１２’、１３、１３’、２２、２３）が、材料接合によって前記圧電変換素子（１０、１０’）および前記共振素子（２０）の前記圧電材料（１１、１１’、２１）に接続されていることを特徴とする、請求項７から１１のいずれか一項に記載の測定変換器（１）。
  13. 前記測定変換器（１）が、前記電荷受け取り電極（１２、１２’、１３、１３’）および前記周波数電極（２２、２３）のために３つの導電体を備え、前記電荷受け取り電極（１２、１２’、１３、１３’）および前記周波数電極（２２、２３）が、１つの接触領域（Ｚ）において前記導電体によって電気的かつ機械的に接触されていることを特徴とする、請求項１２に記載の測定変換器（１）。
  14. 前記測定変換器（１）が、ハウジング（４１）内に取り付けられており、前記測定変換器（１）が、少なくとも１つの力印加要素（３０、３０’）を備え、前記力印加要素（３０、３０’）が、前記ハウジング（４１）の端面において前記ハウジング（４１）から上面（３１、３１’）で突出していることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の測定変換器（１）。
  15. 前記力印加要素（３０、３０’）が、カバー（４２）によって前記ハウジング（４１）に機械的に接続されており、前記カバー（４２）の厚さが０．３ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１４に記載の測定変換器（１）。
JP2019528890A 2016-11-30 2017-10-05 動的にも静的にもなり得る力を同時に測定するための測定センサ Active JP6806900B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16201405.4A EP3330687A1 (de) 2016-11-30 2016-11-30 Messwertaufnehmer zum gleichzeitigen messen einer kraft, die sowohl dynamisch als auch statisch sein kann
EP16201405.4 2016-11-30
PCT/EP2017/075308 WO2018099633A1 (de) 2016-11-30 2017-10-05 Messwertaufnehmer zum gleichzeitigen messen einer kraft, die sowohl dynamisch als auch statisch sein kann

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019536046A JP2019536046A (ja) 2019-12-12
JP6806900B2 true JP6806900B2 (ja) 2021-01-06

Family

ID=57442564

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019528890A Active JP6806900B2 (ja) 2016-11-30 2017-10-05 動的にも静的にもなり得る力を同時に測定するための測定センサ

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11209325B2 (ja)
EP (2) EP3330687A1 (ja)
JP (1) JP6806900B2 (ja)
CN (1) CN110036267B (ja)
WO (1) WO2018099633A1 (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3285057B1 (de) * 2016-08-17 2023-06-07 Kistler Holding AG Drucksensor für hohe drücke
AT520901B1 (de) 2018-01-24 2019-11-15 Avl List Gmbh Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer Kraft und/oder eines Drehmoments an einer drehmomentübertragenden Welle
AT523511B1 (de) * 2020-01-29 2021-10-15 Piezocryst Advanced Sensorics Strukturiertes, piezoelektrisches Sensorelement
CN113091595B (zh) * 2021-04-02 2023-03-24 浙江省计量科学研究院 一种工具式应变传感器动静态测量装置
CN113237578B (zh) * 2021-05-08 2022-09-30 大连理工大学 一种基于全剪切效应石英晶片的多维力/力矩测量方法
CN114932568B (zh) * 2022-05-07 2023-07-21 之江实验室 一种柔性可动静态压力感知的电子皮肤及其制备方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT369900B (de) 1981-05-20 1983-02-10 List Hans Messwertaufnehmer mit piezoelektrischem sensorelement
US4546658A (en) * 1984-02-24 1985-10-15 General Electric Company Piezoelectric force/pressure sensor
JPH0610638B2 (ja) 1986-12-05 1994-02-09 日本電気株式会社 積層型圧電素子
DE3705471A1 (de) * 1987-02-20 1988-09-01 Mettler Instrumente Ag Kraftmessgeraet
CN101368989B (zh) * 2007-08-17 2010-11-10 中国科学院声学研究所 用于切向压电应变常数d15测量中使用的切向加力部件
CN201259519Y (zh) * 2007-09-24 2009-06-17 中国科学院声学研究所 一种压电材料切向压电应变常数准静态法测量系统
AT511330B1 (de) 2011-06-03 2012-11-15 Piezocryst Advanced Sensorics Sensor für die messung von druck und/oder kraft
US9970831B2 (en) 2014-02-10 2018-05-15 Texas Instruments Incorporated Piezoelectric thin-film sensor
CH709395A1 (de) * 2014-03-21 2015-09-30 Kistler Holding Ag Piezoelektrisches Messelement zur Messung des dynamischen Druckes sowie des statischen Druckes und/oder der Temperatur.

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018099633A1 (de) 2018-06-07
CN110036267B (zh) 2021-06-18
EP3330687A1 (de) 2018-06-06
JP2019536046A (ja) 2019-12-12
US20200271531A1 (en) 2020-08-27
EP3548857A1 (de) 2019-10-09
EP3548857B1 (de) 2022-06-29
US11209325B2 (en) 2021-12-28
CN110036267A (zh) 2019-07-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6806900B2 (ja) 動的にも静的にもなり得る力を同時に測定するための測定センサ
JP6806901B2 (ja) 力を測定するための測定値ピックアップ
US11740142B2 (en) Piezoelectric thin-film sensor and use thereof
JP6959768B2 (ja) 圧電変換器
US4961345A (en) Vibration type transducer
JP6552644B2 (ja) 金属性保護構造を有する超音波トランスデューサのためのインピーダンス整合層
JPWO2005012922A1 (ja) 加速度センサ
US8915139B1 (en) Relaxor-based piezoelectric single crystal accelerometer
JP2015180893A (ja) ジャイロセンサ
WO2005012921A1 (ja) 加速度センサ
WO2016081915A1 (en) Pressure sensor using piezoelectric bending resonators
DK169653B1 (da) Piezoelektrisk accelerometer af forskydningstypen
Ferin et al. Powering autonomous wireless sensors with miniaturized piezoelectric based energy harvesting devices for NDT applications
Hindrichsen et al. Circular piezoelectric accelerometer for high band width application
US5724315A (en) Omnidirectional ultrasonic microprobe hydrophone
KR20170078382A (ko) 가속도 센서
US20240159583A1 (en) Flexible, piezoelectric, miniaturized vibration sensor for machine integration
KR101566798B1 (ko) 차분 진동형 가속도계 센서 칩
JP5743199B2 (ja) 振動式圧力トランスデューサ
JP5522351B2 (ja) 物理量センサー
CN113267647A (zh) 一种低频振动加速度传感器
JPWO2014002416A1 (ja) 歪センサ
JPH03262972A (ja) センサ
IULA et al. A New Multielement Planar Piezoelectric Accelerometer
JPH01107162A (ja) 加速度センサ

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190726

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200610

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200619

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20200916

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20201119

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20201201

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20201204

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6806900

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250