JP7244604B2 - 加速度変換器 - Google Patents

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Description

本発明は独立請求項のプリアンブルによる加速度変換器に関する。
物理的物体の加速度は、ロボット工学、エネルギー生成、及び輸送などの、多種多様な多数の用途で測定される。この目的のため、加速度は、物理的物体に作用する衝撃又は物理的物体の振動の形態で検出される。加速度は重力加速度ｇ＝９．８１ｍｓｅｃ－２の倍数として示される。検出される加速度の一般的な範囲は２Ｈｚから１０ｋＨｚの測定範囲で＋／－５００ｇである。加速度を検出するために、加速度変換器が物理的物体に固定される。
文献ＣＨ３９９０２１Ａ１が、振動質量、圧電システム、及びメイン・ボディを備える上で言及した種類の加速度変換器を提供する。加速度変換器が加速度変換器を有害な環境影響から保護するためのハウジングを備え、ハウジングが、振動質量、圧電システム、及びメイン・ボディを収容する。加速度変換器がハウジングにより物理的物体に取り付けられる。加速度が発生すると、振動質量が振動質量の加速度に比例する力を圧電システムに作用させる。圧電システムが、圧電縦効果のための高い感度を有する圧電材料で作られる複数の平坦なディスクを備える。作用する力の影響下で、圧電材料が圧電電荷を発生させ、発生する圧電電荷の量が力の大きさに比例する。圧電縦効果を用いて、法線力として力が作用している方のディスクの面に圧電電荷が発生する。各ディスクが２つの面を有し、これらの２つの面に逆の極性を有する圧電電荷が発生する。さらに、圧電システムが、２つの端面から圧電電荷を抽出する（ｐｉｃｋ ｏｆｆ）ための導電性材料で作られる薄い電極を備える。各電極が端面のサイズを有する表面を有する。その表面を用いて、電極が端面に直接且つ完全に接触する。加えて、圧電システムが、事前装填スリーブにより振動質量とメイン・ボディとの間に機械的に事前装填される。この機械的な事前装填により、端面と電極との間の微細孔が密閉され、その結果、発生するすべての圧電電荷が得られ得る。これは加速度変換器の線形性のために重要である。線形性は圧電電荷の数（ｎｕｍｂｅｒ）と力の大きさの比を意味する。圧電電荷が電気的に伝送され得、加速度信号を表すことができる。電気的に伝送される加速度信号がコンバータ・ユニット内で電気的に変換され得る。
ＤＥ６９４０５９６２Ｔ２がさらに、振動質量と、印刷回路基板上にある圧電システムとを備える加速度変換器を説明している。加速度変換器が、軸に沿って作用する剪断力としての横方向の剪断効果（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｓｈｅａｒ ｅｆｆｅｃｔ）に従って加速度を検出する。圧電システムが振動質量と印刷回路基板との間に配置される。コンバータ・ユニットが印刷回路基板上に位置する。
したがって、ＣＨ３９９０２１Ａ１の圧電システムは１つの軸に沿う法線力のみに対して感応性を有する。さらに、ＤＥ６９４０５９６２Ｔ２の圧電システムが１つの軸に沿う剪断力のみに対して感応性を有する。しかし、直交座標系の複数の軸に沿う加速度を同時に検出することができる加速度変換器を有することが望ましい。
文献ＲＵ１７９２５３７Ｃ１が、３つの物理次元で加速度を検出することができる加速度変換器を開示している。６つの表面を備える立方体形状のメイン・ボディに対して、圧電材料で作られる６つの平坦なディスクを備える圧電システムと、６つの振動質量とが取り付けられる。２つの表面の各々が、互いに対して垂直である３つの軸のうちの１つの軸に対して垂直である方向に方向付けられる。したがって、以降、この軸を法線軸と称する。６つの表面の各々において、平坦なディスクが表面と振動質量との間に導入される。ディスクが、外部事前装填ハウジングによりメイン・ボディに接触する形で機械的に事前装填される。したがって、圧電システムが、３つの法線軸の各々において一対のディスクを備える。ディスクが横方向の剪断効果に対して高い感度を有する。横方向の剪断効果を用いて、法線軸に対して接線方向の剪断力が作用するところであるディスクの端面に圧電電荷が発生する。したがって、以降、この軸を主接線方向軸と称する。さらに、圧電システムが、ディスクの端面から圧電電荷を抽出するための導電性材料で作られる電極を備える。
ＲＵ１７９２５３７Ｃ１によると、圧電システムが、３つの法線軸の各々における主接線方向軸に沿って作用する剪断力のための高い感度を呈する、圧電材料で作られる一対のディスクを備える。
残念ながら、圧電材料が多様な軸に沿って作用する剪断力のための高い感度を程度の差はあれ有するのを回避することはできない。したがって、主接線方向軸に沿う剪断力のための高い感度を有する圧電材料は、主接線方向軸に対して垂直であり且つ法線軸に対して垂直である軸に沿って作用する剪断力のための感度も、低いとはいえ、呈する。したがって、以降、この軸を副接線方向軸と称する。両方の剪断力、すなわち主接線方向軸に沿って作用する剪断力及び副接線方向軸に沿って作用する剪断力が、ディスクの端面に圧電電荷を発生させる。例として、圧電材料である石英が主接線方向軸に沿う剪断力のための高い感度を有し、これが、副接線方向軸に沿って作用する剪断力ための低い感度の７倍以上である。
したがって、副接線方向軸に沿って作用する剪断力のための圧電材料の低い感度が主接線方向軸に沿う剪断力の検出をねじ曲げる可能性がある。したがって、以降、それぞれの圧電電荷を圧電干渉電荷（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｈａｒｇｅ）と称する。ＲＵ１７９２５３７Ｃ１が、このようなねじ曲げを回避するために、３つの法線軸の各々において、逆の極性を有する一対のディスクを直列に電気的に接続することを開示している。これには、副接線方向軸に沿って作用する剪断力が各々の２つのディスクの端面に等しい数の圧電干渉電荷を発生させ、しかし、これらの圧電干渉電荷が逆の極性を有し、したがって直列に得られるときには互いを無効化する、という利点がある。
さらに、文献ＥＰ０５４６８０Ａ１が、互いに対して垂直である３つの主接線方向軸に沿って作用する剪断力としての横方向の剪断効果に従って高い感度で加速度を検出するための圧電システムを備える加速度変換器を説明している。図８に示される実施例では、圧電システムが圧電材料で作られる６つのディスクから構成され、逆の極性を有する一対のディスクが３つの主接線方向軸の各々において直列に電気的に接続される。加速度変換器が３つの振動質量のみを必要とし、３つの主接線方向軸の各々の接線方向軸に対して１つの振動質量を必要とする。副接線方向軸に沿う剪断力から生じる圧電干渉電荷が直列に得られるときに３つの主接線方向軸の各々において無効化される。
さらに、米国特許第５５３９２７０（Ａ１）号が、３つの物理次元で加速度を検出するための加速度変換器に関する。各次元のために圧電システムが提供され、各圧電システムが圧電材料で作られる２つのプレートを備える。２つのプレートの互いの方を向く端面が物質的に互いに接着される。この材料接続が電気絶縁性を有する。互いから離れる方を向くプレートの端面上に電極が取り付けられ、これらの電極が法線力の影響下で発生する圧電電荷を抽出する。３つの圧電システムが支持体に機械的に取り付けられる。支持体が電極から圧電電荷を伝導するための電気伝導体を備える。振動質量が提供されない。
しばしば、加速度変換器を物理的物体に取り付けるのに利用可能となる空間が制限される。したがって、加速度変換器が、５０ｃｍ３未満の小さい外側寸法を有さなければならない。さらに、１０ｋＨｚを超える振動数を測定することが望まれる。さらに、加速度変換器の共振振動数がその重量に反比例することを理由として、加速度変換器が小さい重量を有さなければならない。
文献ＣＮ２０１１５２８８０Ｙが、圧電システムと、振動質量と、メイン・ボディとを備える加速度変換器を開示している。メイン・ボディが円筒形形状を有し、垂直軸に沿う垂直方向の端面のところで終端する。垂直軸に対して垂直である法線軸に沿って、事前装填スリーブにより、メイン・ボディと振動質量との間に圧電システムが機械的に事前装填される。事前装填スリーブの形状が中空円筒であり、メイン・ボディの垂直方向の端面の平面内で側方表面で終端する。振動質量がディスクとして形成され、やはりメイン・ボディの垂直方向の端面の平面内で側方表面で終端する。電荷増幅器の形態のコンバータ・ユニットが、この平面内で、事前装填スリーブ及び振動質量の側方表面上に配置され、さらにはメイン・ボディの垂直方向の端面上に配置され、それにより空間を節約する。
事前装填スリーブ及び振動質量の側方表面上にあるさらにはメイン・ボディの垂直方向の端面の上にあるコンバータ・ユニットのこの配置の欠点は、振動質量とメイン・ボディとの間に力分断箇所（ｆｏｒｃｅ ｓｈｕｎｔ）が形成されることである。結果として、振動質量が加速度の影響下で自由に振動することができず、振動質量の慣性を原因として圧電システムに作用する力が妨害され、その結果、この力が加速度に比例しなくなり、加えて、圧電材料によって発生する圧電電荷が検出すべき加速度に比例しなくなる。したがって、力分断箇所が加速度の測定をねじ曲げる。
ＣＨ３９９０２１Ａ１ ＤＥ６９４０５９６２Ｔ２ ＲＵ１７９２５３７Ｃ１ ＥＰ０５４６８０Ａ１ 米国特許第５５３９２７０（Ａ１）号 ＣＮ２０１１５２８８０Ｙ
本発明の第１の目的は、複数の物理次元で加速度を同時に検出することができる加速度変換器を提供することである。本発明の第２の目的は、可能な限りねじ曲げない形で加速度を検出する加速度変換器を提供することである。本発明の第３の目的によると、加速度変換器が小さい外側寸法及び低重量を有する。本発明の第４の目的は、１０ｋＨｚを超える振動数を高速測定する（ｈｉｇｈ ｍｅａｓｕｒｅ）ように構成される加速度変換器を提供することである。本発明の第５の目的によると、加速度変換器を低コストで製造することが可能となる。
これらの目的のうちの少なくとも１つの目的が独立請求項の特徴によって達成される。
本発明は、メイン・ボディと、少なくとも１つの圧電要素と、少なくとも１つの振動質量と、コンバータ・ユニットとを備える加速度センサに関し、メイン・ボディが接線方向側面及び垂直方向側面を備え、接線方向側面が垂直軸を対して接線方向に配置され、垂直方向側面が垂直軸に対して垂直に配置され、正確に１つの圧電要素が少なくとも１つの接線方向側面に固定され、正確に１つの振動質量が圧電要素に固定され、加速時に振動質量が、振動質量を取り付けた圧電要素に、加速度に比例する剪断力を作用させ、上記剪断力の影響下で圧電要素が圧電電荷を発生させ、圧電電荷がコンバータ・ユニットに伝送され得、コンバータ・ユニットがメイン・ボディの垂直方向側面上のみに直接配置され、又は、コンバータ・ユニットが支持体上のみに配置され、上記支持体がメイン・ボディの垂直方向側面に取り付けられる。
このようにコンバータ・ユニットがメイン・ボディ上に直接配置されること又はコンバータ・ユニットが支持体によりメイン・ボディ上に間接的に配置されることには、それぞれ、圧電要素、振動質量、及びコンバータ・ユニットと共に、メイン・ボディが中間製品として事前に製造され得、次いで中間製品が、中間製品を有害な環境影響から保護するハウジングの内部に固定され、したがってそれにより組み立てが高コスト効率となる、という利点がある。さらに、コンバータ・ユニットがメイン・ボディ上のみに直接配置されるか又はコンバータ・ユニットが支持体上のみに配置される。ＣＮ２０１１５２８８０Ｙとは対照的に、このようにコンバータ・ユニットがメイン・ボディ又は支持体上に排他的に配置されることには、加速度の測定をねじ曲げる可能性がある力分断箇所（ｆｏｒｃｅ ｓｈｕｎｔ）が振動質量とメイン・ボディとの間に形成されない、という利点がある。最後に、それぞれ、メイン・ボディ又は支持体上に配置されるコンバータ・ユニットに接触ツールが容易にアクセスすることができ、その結果、圧電要素をコンバータ・ユニットに接触させることさらにはコンバータ・ユニットを信号出力部に接触させることが容易に且つ迅速に実行され得る。
本発明の別の有利な実施例が添付の特許請求の特徴の主題である。
以下で、図を参照する例示の実施例により本発明をより詳細に説明する。
変換器ユニットを備える加速度変換器の第１の実施例の一部分を示す図である。 変換器ユニットを備える加速度変換器の第２の実施例の一部分を示す図である。 図１による加速度変換器のコンバータ・ユニットを備える変換器ユニットを示す図である。 図２による加速度変換器のコンバータ・ユニットを備える変換器ユニットを示す図である。 図１から４による変換器ユニットの一部分を示す分解図である。 加速度の影響下の図１から５による変換器ユニットを示す上面図である。 図１から５による変換器ユニットの圧電要素の第１の実施例を示す第１の図である。 図７による圧電要素の実施例を示す第２の図である。 図１から５による変換器ユニットの圧電要素の第２の実施例を示す第１の図である。 図９による圧電要素の第２の実施例を示す第２の図である。 図１から５による変換器ユニットの圧電電荷の伝送を示す概略図である。 図１１による変換器ユニットのコンバータ・ユニットのハイパス・フィルタを示す概略図である。 図１１による変換器ユニットのコンバータ・ユニットのローパス・フィルタを示す概略図である。 信号線がハウジングの中に導入されている、図２による加速度変換器の組み立ての第１のステップを示す図である。 信号線がハウジング内で流延材料の中に存在する、図２による加速度変換器の組み立ての第２のステップを示す図である。 流延材料の中に存在する信号線がハウジング内の一部のエリアで露出している、図２による加速度変換器の組み立ての第３のステップを示す図である。 変換器ユニットがハウジングの中に導入された、図２による加速度変換器の組み立ての第４のステップを示す図である。 変換器ユニットのコンバータ・ユニットが電気的に接続された、図２による加速度変換器の組み立ての第５のステップを示す図である。
図１及び２が、本発明による加速度変換器１の２つの実施例の各々の一部分を示す。加速度変換器１が、変換器ユニット１．１と、ハウジング１．２と、コンバータ・ユニット１．３と、信号出力部１．４とを備える。加速度変換器１が、横軸ｘ、長手方向軸ｙ、及び垂直軸ｚとも称される３つの軸ｘ、ｙ、ｚを有する直交座標系内に配置される。
ハウジング１．２が、汚染（ダスト、湿気など）などの有害な環境影響から、及び電磁放射線の形態の電気干渉及び電磁干渉の影響から、加速度変換器１を保護する。ハウジング１．２が、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、などの、機械的耐性を有する材料（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌ）で作られる。ハウジング１．２が、好適には５ｃｍ未満の横軸ｘに沿う幅と、好適には５ｃｍ未満の長手方向軸ｙに沿う長さと、好適には２ｃｍ未満の垂直軸ｚに沿う高さとを有する長方形断面を有し、その結果、５０ｃｍ３未満の小さい外側寸法を有する。ハウジング１．２がポットの形状を有し、ハウジング開口部１．２０及びハウジング底部１．２３を備える。ハウジング開口部１．２０の寸法が、変換器ユニット１．１をハウジング１．２の中に導入してハウジング底部１．２３に固定してハウジング開口部１．２０を通して信号出力部１．４に接続するのを可能にするような、寸法である。本発明の文脈では、「接続」という用語は、電気的接続及び機械的接続を意味するものとして理解される。ハウジング開口部１．２０がハウジング・カバー１．２１によって密閉され得る。好適には、ハウジング開口部１．２０が、溶接、はんだ付け、接着などの、材料接着により密閉される。加速度変換器１が、ハウジング１．２によりその加速度を検出すべき物理的物体に取り付けられる。任意の取り付け方法が選択され得る。
変換器ユニット１．１が、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’、第１の振動質量１１、第２の振動質量１１’、及び第３の振動質量１１’’、並びにメイン・ボディ１２を備える。第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’、並びに第１の振動質量１１、第２の振動質量１１’、及び第３の振動質量１１’’がメイン・ボディ１２に取り付けられる。さらに、メイン・ボディ１２がハウジング１．２に取り付けられる。好適には、メイン・ボディ１２が、接着、はんだ付けなどの、材料接着により、ハウジング１．２に取り付けられる。
第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’が、石英（ＳｉＯ２の単結晶）、カルシウムガロゲルマネート（Ｃａ３Ｇａ２Ｇｅ４Ｏ１４又はＣＧＧ）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４又はＬＧＳ）、トルマリン、ガリウム、オルトリン酸塩、ピエゾセラミックなどの圧電材料で作られる。第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’が、測定すべき力のための高い感度を有する。第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の断面が長方形であり、好適には１ｃｍ２未満の表面積及び好適には２ｍｍ未満の厚さを有する。本発明を理解している当業者であれば、円形などの、異なる形状及び断面を有する圧電要素を使用することもできる。
好適には、第１の振動質量１１、第２の振動質量１１’、及び第３の振動質量１１’’が、イリジウム、白金、タングステン、金などの、高密度材料で作られる。より小さい外側寸法の加速度変換器１の場合、第１の振動質量１１、第２の振動質量１１’、及び第３の振動質量１１’’が好適には１９ｇ／ｃｍ３を超える高い密度を有することになる。第１の振動質量１１、第２の振動質量１１’、及び第３の振動質量１１’’の断面が、好適には１ｃｍ２より小さい表面積及び好適には５ｍｍ未満の厚さを有する長方形である。本発明を理解している当業者であれば、さらに、円形などの異なる形状及び断面を有する振動質量を使用することもできる。さらに、当業者であれば、鋼鉄、セラミックなどの、より低い密度を有する材料で作られる振動質量を使用することもできる。
メイン・ボディ１２が、Ａｌ２Ｏ３、セラミック、Ａｌ２Ｏ３セラミック、サファイアなどの、低い密度を有する高い機械的スティフネスを有する材料で作られる。メイン・ボディ１２の高い機械的スティフネスは、ハウジング１．１から検出すべき加速度を第１の振動質量１１、第２の振動質量１１’、及び第３の振動質量１１’’上まで非弾性的に伝送するのに必要である。加速度変換器１の高い機械的スティフネスのために、メイン・ボディ１２が、好適には３５０ＧＰａから４７０ＧＰａまでの高い弾性係数を有する。加速度変換器１の低い重量のために、メイン・ボディ１２が好適には４ｇ／ｃｍ３未満である低い密度を有する。メイン・ボディ１２が、好適には、６つの側面１２．１、１２．２、１２．３、１２．４、１２．６、１２．７を有する立方体である。４つの接線方向側面１２、１、１２．２、１２．３、１２．４が垂直軸ｚに対して接線方向に配置される。２つの垂直方向側面１２．６、１２．７が垂直軸ｚに対して垂直に配置される。側面１２．１、１２．２、１２．３、１２．４、１２．６、１２．７が実質的に等しいサイズを有する。各側面１２．１、１２．２、１２．３、１２．４、１２．６、１２．７が１ｃｍ２未満の表面積を有する。本発明の文脈では、「実質的に」という副詞は「＋／－１０％」の意味を有する。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各々が側面のうちの２つの側面に対して垂直である。本発明を認識している当業者であれば、円形などの、異なる形状及び異なる形状の表面を有するメイン・ボディを使用することもできる。
第１の振動質量１１及び第１の圧電要素１０がメイン・ボディ１２の第１の接線方向側面１２．１に取り付けられる。第２の振動質量１１’及び第２の圧電要素１０’がメイン・ボディ１２の第２の接線方向側面１２．２に取り付けられる。第３の振動質量１１’’及び第３の圧電要素１０’’がメイン・ボディ１２の第３の接線方向側面１２．３に取り付けられる。ここでは、圧電要素１０、１０’、１０’’の各々が、それぞれ、接線方向側面１２．１、１２．１、１２．３と振動質量１１、１１’、１１’’との間に配置される。第４の接線方向側面１２．４が空いている。
メイン・ボディ１２に対しての、第１の振動質量１１、第２の振動質量１１’、及び第３の振動質量１１’’、並びに第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の取り付けが、第１の内側接続手段１５、第２の内側接続手段１５’、及び第３の内側接続手段１５’’、並びに第１の外側接続手段１６、第２の外側接続手段１６’、及び第３の外側接続手段１６’’により達成される。この取り付けが、接着、熱圧着などの、材料接着により実行される。第１の内側接続手段１５、第２の内側接続手段１５’、及び第３の内側接続手段１５’’、並びに第１の外側接続手段１６、第２の外側接続手段１６’、及び第３の外側接続手段１６’’による、第１の振動質量１１、第２の振動質量１１’、及び第３の振動質量１１’’、並びに第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’のこのような機械的取り付けが加速度変換器１の組み立てを容易にし、迅速に且つ高いコスト効率で実施され得る。
第１の内側接続手段１５、第２の内側接続手段１５’、及び第３の内側接続手段１５’’、並びに第１の外側接続手段１６、第２の外側接続手段１６’、及び第３の外側接続手段１６’’が、化学的に硬化され得るか又は物理的に固まることができる接着剤であってよいか、或いは化学的に硬化されて物理的に固まることができる接着剤の組み合わせであってよい。好適には、第１の内側接続手段１５、第２の内側接続手段１５’、及び第３の内側接続手段１５’’、並びに第１の外側接続手段１６、第２の外側接続手段１６’、及び第３の外側接続手段１６’’が、エポキシ、ポリウレタン、シアノアクリレート、メチルメタクリレートなどの、接着剤から構成される。第１の内側接続手段１５、第２の内側接続手段１５’、及び第３の内側接続手段１５’’、並びに第１の外側接続手段１６、第２の外側接続手段１６’、及び第３の外側接続手段１６’’が、１０１２Ωｍｍ２／ｍを超える電気抵抗を有する電気絶縁体である。
図５に示されるように、第１の圧電要素１０が、第１の内側接続手段１５を介して第１の接線方向側面１２．１に取り付けられる。第１の振動質量１１が、第１の外側接続手段１６を介して第１の圧電要素１０に取り付けられる。第２の圧電要素１０’が第２の内側接続手段１５’を介して第２の接線方向側面１２．２に取り付けられる。第２の振動質量１１’が第２の外部接続手段１６’を介して第２の圧電要素１０’に取り付けられる。第３の圧電要素１０’’が第３の内側接続手段１５’’を介して第３の接線方向側面１２．３に取り付けられる。第３の振動質量１１’’が第３の外側接続手段１６’’を介して第３の圧電要素１０’’に取り付けられる。
好適には、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’が、第１の内側接続手段１５、第２の内側接続手段１５’、及び第３の内側接続手段１５’’、並びに第１の外側接続手段１６、第２の外側接続手段１６’、及び第３の外側接続手段１６’’により、剪断力に抵抗する形で、第１の振動質量１１、第２の振動質量１１’、及び第３の振動質量１１’’並びにメイン・ボディ１２に取り付けられる。
各々の第１の内側接続手段１５、第２の内側接続手段１５’、及び第３の内側接続手段１５’’、並びに各々の第１の外側接続手段１６、第２の外側接続手段１６’、及び第３の外側接続手段１６’’の断面が長方形であり、好適には１ｃｍ２未満の表面積及び好適には０．１ｍｍ未満の厚さを有する。本発明を理解している当業者であれば、円形などの、異なる形状及び断面の内側接続手段及び外側接続手段を使用することもできる。
第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’が主接線方向軸ｈに沿う横方向の剪断効果のための高い感度を有し、副接線方向軸ｎに沿う横方向の剪断効果のための低い感度を有し、さらには、法線軸ａに沿う圧電横効果のための低い感度を有する。主接線方向軸ｈが、各々の３つの圧電要素１０、１０’、１０’’のための３つの軸ｘ、ｙ、ｚのうちの異なる１つの軸である。副接線方向軸ｎが、各々の３つの圧電要素１０、１０’、１０’’のための３つの軸ｘ、ｙ、ｚのうちの異なる１つの軸である。法線軸ａが、各々の３つの圧電要素１０、１０’、１０’’のための３つの軸ｘ、ｙ、ｚのうちの異なる１つの軸である。
主接線方向軸ｈ又は副接線方向軸ｎに沿う横方向の剪断効果が、主接線方向軸ｈ又は副接線方向軸ｎに沿って剪断力が加えられるところの端面と同じである、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’のうちの端面に圧電電荷を発生させる。
圧電横効果が第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の側方表面に圧電電荷を発生させ、これらの側方表面が、法線軸ａに沿って法線力が作用するところである、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の端面に対して垂直である。
感度が上がると、所与の大きさの力において発生する圧電電荷が増える。本発明では、「高い感度」及び「低い感度」という用語は互いに関連する。主接線方向軸ｈに沿う剪断力のための高い感度を有する３つの圧電要素１０、１０’、１０’’の各々が、副接線方向軸ｎに沿う剪断力のための又は法線軸ａに沿う法線力のための低い感度と比較して、少なくとも５倍の単位力当たりの圧電電荷を発生させる。
したがって、圧電材料は、加速度の検出において主接線方向軸ｈに沿う横方向の剪断効果によって発生する圧電電荷の大部分を考慮に入れることになるように、選択される。以降、副接線方向軸ｎに沿う横方向の剪断効果に従って発生する圧電電荷及び法線軸ａに沿う圧電横効果に従って発生する圧電電荷を圧電干渉電荷と称する。
図６が、加速中の変換器ユニット１．１の上面図を示す。加速度が、第１の振動質量１１、第２の振動質量１１’、及び第３の振動質量１１’により、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の端面に力Ｆを作用させる。実例として、力Ｆが、矢印によって示されるように、長手方向軸に沿って平行に作用する。
第１の圧電要素１０が、その主接線方向軸ｈである長手方向軸ｙに沿う剪断力のための高い感度を有する。力Ｆが長手方向軸ｙに沿って作用することを理由として、第１の圧電要素１０が、その端面にかかる横方向の剪断効果に従って力Ｆのための圧電電荷を発生させる。第１の圧電要素１０がその副接線方向軸ｎである垂直軸ｚに沿って作用する剪断力のための低い感度を有し、その法線軸ａである横軸ｘに沿って作用する法線力のための低い感度を有する。力Ｆが長手方向軸ｙに沿って作用し、ここでは、力Ｆが垂直軸ｚに沿うトルクを作用させる。第１の圧電要素１０が、このトルクによりその端面にかかる横方向の剪断効果に従って圧電干渉電荷を発生させる。
第２の圧電要素１０’が、その主接線方向軸ｈである横軸ｘに沿う剪断力のための高い感度を呈する。しかし、力Ｆが長手方向軸ｙに沿って作用し、第２の圧電要素１０’が力Ｆのための圧電電荷をその端面に発生させない。第２の圧電要素１０’が、その副接線方向軸ｎである垂直軸ｚに沿って作用する剪断力のための低い感度を有し、その法線軸ａである長手方向軸ｙに沿って作用する法線力のための低い感度を有する。力Ｆが長手方向軸ｙに沿って作用することを理由として、第２の圧電要素１０’が、力Ｆのための圧電横効果に従ってその側方表面に圧電干渉電荷を発生させる。
さらに、第３の圧電要素１０’’が、その主接線方向軸ｈである垂直軸ｚに沿う剪断力のための高い感度を呈する。しかし、力Ｆが長手方向軸ｙに沿う剪断力として作用し、第３の圧電要素１０’’が力Ｆのための圧電電荷をその端面に発生させない。第３の圧電要素１０’’がその副接線方向軸ｎである長手方向軸ｎに沿って作用する剪断力のための低い感度を有し、その法線軸ａである横軸ｘに沿う法線力のための低い感度を有する。力Ｆが長手方向軸ｙに沿って作用し、垂直軸ｚに沿うトルクを作用させる。第３の圧電要素１０’’が、このトルクによりその端面にかかる横方向の剪断効果に従って圧電干渉電荷を発生させる。
図７及び８が、変換器ユニット１．１の第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の第１の実施例の詳細図を示す。図９及び１０が、変換器ユニット１．１の第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の第２の実施例の詳細図を示す。第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’が、２つの端面１１０、１２０、及び４つの側方表面１３０、１４０、１５０、１６０を備える。
各々の３つの圧電要素１０、１０’、１０’’が、第１の端面１１０及び第２の端面１２０を備える。各端面１１０、１２０が、主接線方向軸ｈ及び副接線方向軸ｎによって画定される平面内に位置する。この平面内で、副接線方向軸ｎが主接線方向軸ｈに対して垂直である。さらに、法線軸ａがこの平面に対して垂直である。主接線方向軸ｈに沿う剪断力の影響下で、各々の３つの圧電要素１０、１０’、１０’’が２つ端面１１０、１２０に圧電電荷を発生させる。さらに、副接線方向軸ｎに沿う剪断力の影響下で、各々の３つの圧電要素１０、１０’、１０’’が２つの端面１１０、１２０に圧電干渉電荷を発生させる。各々の３つの圧電要素１０、１０’、１０’’が、側方表面１３０、１４０、１５０、１６０を備える。側方表面１３０、１４０、１５０、１６０が法線軸ａに平行である。側方表面１３０、１４０、１５０、１６０が、第１の側方表面１３０、第２の側方表面１４０、第３の側方表面１５０、及び第４の側方表面１６０を備える。第１の側方表面１３０及び第４の側方表面１６０が、圧電要素１０、１０’、１０’’の副接線方向軸ｎに対して垂直である。第２の側方表面１４０及び第３の側方表面１５０が、圧電要素１０、１０’、１０’’の主接線方向軸ｈに対して垂直である。
法線力が法線軸ａに沿って作用するとき、各々の３つの圧電要素１０、１０’、１０’’が４つの側方表面１３０、１４０、１５０、１６０に圧電干渉電荷を発生させる。
したがって、測定されることになる剪断力のために発生する圧電電荷が圧電要素の２つの端面１１０、１２０のみに発生する。加えて、圧電干渉電荷が、２つの端面１１０、１２０、及び４つの側方表面１３０、１４０、１５０、１６０、の両方で発生する。
端面１１０、１２０が、その一部のエリアに、少なくとも、導電性を有する端面コーティング１１１、１２１を備える。導電性を有する端面コーティング１１１、１２１のエリアのサイズが端面１１０、１２０の９０％から１００％の間であってよい。側方表面１３０、１４０、１５０、１６０が、その一部のエリアに、少なくとも、導電性を有する側方表面コーティング１３１、１４１，１５１、１６１を備える。導電性を有する側方表面１３１、１４１、１５１、１６１のエリアのサイズが、側方表面１３０、１４０、１５０、１６０の０％から１００％の間であってよい。導電性を有する端面コーティング１１１、１２１及び導電性を有する側方表面コーティング１３１、１４１、１５１、１６１が、金属フィルムの熱積層により、又は金属蒸着により、製造され得る。銅、銅合金、金、金合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金などがこの金属として使用され得る。導電性を有する端面コーティング１１１、１２１及び導電性を有する側方表面コーティング１３１、１４１、１５１、１６１が、好適には、０．１ｍｍ未満の厚さを有する。
したがって、真の電極の代わりに、加速度変換器１が、導電性を有する端面コーティング１１１、１２１、及び導電性を有する側方表面コーティング１３１、１４１、１５１、１６１のみを備える。したがって、加速度変換器１はより少ない要素を収容することになり、それにより空間が節約され、加速度変換器１の組み立てが容易になる。
導電性を有する端面コーティング１１１、１２１及び導電性を有する側方表面コーティング１３１、１４１、１５１、１６１のおかげで、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の機械的な事前装填が必要ない。その理由は、導電性を有する端面コーティング１１１、１２１及び導電性を有する側方表面コーティング１３１、１４１、１５１、１６１が端面１１０、１２０及び側方表面１３０、１４０、１５０、１６０に材料接触しており、端面１１０、１２０及び側方表面１３０、１４０、１５０、１６０の中の微細孔を密閉するからである。このように微細孔を密閉することにより、ＣＨ３９９０２１Ａ１による事前装填スリーブ又はＲＵ１７９２５３７Ｃ１による事前装填ハウジングなどの、別個の事前装填手段を加速度変換器１に提供することが必要なくなる。これにより構成要素の数が低減され、それにより空間及び重量が節約され、加速度変換器１の組み立てが容易になる。
図７及び８を参照すると、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、又は第３の圧電要素１０’’の第１の実施例によると、第１の端面１１０が、その一部のエリアにある、２つの第１の導電性を有する端面コーティング１１１、１１１’、及びその一部のエリアにある２つの第１の被覆されない端面エリア１１２、１１２’を備える。さらに、第２の端面１２０が、その一部にエリアに、３つ以上の導電性を有する端面コーティング１２１、１２１’、１２１’’を備える。第１の側方表面１３０が、その一部のエリアにある第１の導電性を有する側方表面コーティング１３１、その一部のエリアにある別の第１の導電性を有する側方表面コーティング１３３、及びその一部のエリアにある複数の被覆されない第１の側方表面エリア１３２、１３２’、１３２’’、１３２’’’、１３２’’’’を備える。第２の側方表面１４０が、その一部のエリアにある第２の導電性を有する側方表面コーティング１４１、及びその一部のエリアにある第２の被覆されない側方表面エリア１４２を備える。第３の側方表面１５０が、その一部のエリアにある第３の導電性を有する側方表面コーティング１５１、さらには、その一部のエリアにある２つの第３の被覆されない側方表面エリア１５２、１５２’を備える。第４の側方表面１６０が、その一部にエリアに、第４の導電性を有する側方表面コーティング１６１を備える。
図７及び８に示される、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の第１の実施例によると、２つの第１の導電性を有する端面コーティング１１１、１１１’、別の第１の導電性を有する側方表面コーティング１３３、及び第３の導電性を有する側方表面コーティング１５１が、第１の導電性を有する連続コーティング１０１を形成する。複数の第２の導電性を有する端面コーティング１２１、１２１’、１２１’’、第１の導電性を有する側方表面コーティング１３１、第２の導電性を有する側方表面コーティング１４１、及び第４の導電性を有する側方表面コーティング１６１が、第２の導電性を有する連続コーティング１０２を形成する。
本発明では、「連続」という形容詞は、「導電的に接続される」という意味を有する。第１の導電性を有する連続コーティング１０１が、第１の導電性を有する連続コーティング１０１の下方で第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の表面に発生する第１の圧電電荷を第１の加速度信号Ｓ１として受け取る。第２の導電性を有する連続コーティング１０２が、第２の導電性を有する連続コーティング１０２の下方で第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の表面に発生する第２の圧電電荷を第２の加速度信号Ｓ２として受け取る。第１及び第２の圧電電荷が異なる信号を有する。したがって、第１の圧電電荷が負の信号を有し、第２の圧電電荷が正の信号を有するか、又は第１の圧電電荷が正の信号を有し、第２の圧電電荷が負の信号を有する。
好適には、第１の導電性を有する端面コーティング１１１及び第１の導電性を有する側方表面コーティング１３１が第１の導電性を有する連続コーティング１０１を形成する。好適には、第２の導電性を有する端面コーティング１２１及び別の第１の導電性を有する側方表面コーティング１３３が、第２の導電性を有する連続コーティング１０２を形成する。好適には、少なくとも１つの、第２の導電性を有する側方表面コーティング１４１、第３の導電性を有する側方表面コーティング１５１、又は第４の導電性を有する側方表面コーティング１６１が、第１の導電性を有する連続コーティング１０１の一部であるか又は第２の導電性を有する連続コーティング１０２の一部である。
図７及び８に示されるように、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の第１の実施例によると、第１の導電性を有する連続コーティング１０１及び第２の導電性を有する連続コーティング１０２が、２つの第１の被覆されない端面エリア１１２、１１２’、複数の第１の被覆されない側方表面エリア１３２、１３２’、１３２’’、１３２’’’、第２の被覆されない側方表面エリア１４２、及び２つの第３の被覆されない側方表面エリア１５２、１５２’により、互いから電気的に絶縁される。
図９及び１０に示されるように、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、第３の圧電要素１０’’の第２の実施例によると、第１の端面１１０が、一部にエリアにある第１の導電性を有する端面コーティング１１１、及びその一部のエリアにある複数の第１の被覆されない端面エリア１１２、１１２’、１１２’’を備える。さらに、第２の端面１２０が、その一部のエリアにある複数の第２の導電性を有する端面コーティング１２１、１２１’’、１２１’’、及びその一部のエリアにある第２の被覆されない端面エリア１２２を備える。第１の側方表面１３０が、その一部のエリアにある第１の導電性を有する側方表面コーティング１３１、その一部のエリアにある２つの追加の第１の導電性を有する側方表面コーティング１３３、１３３’、及びその一部のエリアにある複数の被覆されない第１の側方表面エリア１３２、１３２’、１３２’’を備える。第２の側方表面１４０が、その一部のエリアにある第２の導電性を有する側方表面コーティング１４１、及びその一部のエリアにある複数の第２の被覆されない側方表面エリア１４２、１４２’、１４２’’を備える。第３の側方表面１５０が、その一部のエリアにある第３の導電性を有する側方表面コーティング１５１、及びその一部のエリアにある第３の被覆されない側方表面エリア１５２、１５２’を備える。第４の側方表面１６０が、その一部のエリアに、第４の導電性を有する側方表面コーティング１６１を備える。
図９及び１０に示されるように、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の第２の実施例によると、複数の第１の導電性を有する端面コーティング１１２、１１２’、１１２’’及び２つの第２の第１の導電性を有する側方表面コーティング１３１、１３１’が、第１の導電性を有する連続コーティング１０１を形成する。複数の第２の導電性を有する端面コーティング１２１、１２１’、１２１’’、２つの追加の第１の導電性を有する側方表面コーティング１３３、１３３’、第２の導電性を有する側方表面コーティング１４１、第３の導電性を有する側方表面コーティング１５１、及び第４の導電性を有する側方表面コーティング１６１が、第２の導電性を有する連続コーティング１０２を形成する。
図９及び１０に示されるように、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の第２の実施例によると、第１の導電性を有する連続コーティング１０１の導電性を有する側方表面コーティング１３１、１３１’が法線軸ａに沿う法線力のための圧電干渉電荷を抽出し、この圧電干渉電荷が、副接線方向軸ｎに沿う剪断力のための、第１の導電性を有する連続コーティング１０１の第１の導電性を有する端面コーティング１１１によって抽出される圧電干渉電荷の極性と逆の極性を有する。加えて、第２の導電性を有する連続コーティング１０２の導電性を有する側方表面コーティング１３３、１４１、１５１、１６１が法線軸ａに沿って作用する法線力のための圧電干渉電荷を抽出し、この圧電干渉電荷が、副接線方向軸ｎに沿って作用する剪断力のための、第２の導電性を有する連続コーティング１０２の第２の導電性を有する端面コーティング１２１、１２１’’、１２１’’’によって抽出される圧電干渉電荷の極性と逆の極性を有する。
図９及び１０に示されるように、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の第２の実施例によると、第１の導電性を有するコーティング１０１及び第２の導電性を有するコーティング１０２が、複数の第１の被覆されない端面エリア１１２、１１２’、１１２’’、第２の被覆されない端面エリア１２２、複数の第１の被覆されない側方表面エリア１３２、１３２’、１３２’’、複数の第２の被覆されない側方表面エリア１４２、１４２’、１４２’’、及び第３の被覆されない側方表面エリア１５２により、互いから電気的に絶縁される。
第１の導電性を有するコーティング１３１のサイズと別の第１の導電性を有するコーティング１３３のサイズとの比が、第１の側方表面１３０の第１の被覆されない側方表面エリア１３２、１３２’、１３２’’、１３２’’’、１３２’’’’の相対位置及び／又はサイズによって調整され得る。本発明の文脈では、「及び／又は」の一組の接続詞は、これらの接続詞の一方のみ又はこれらの接続詞の両方が適用されることを意味する。
第１の導電性を有するコーティング１３１のサイズと別の第１の導電性を有するコーティング１３３のサイズとの比が、第２の側方表面１４０及び第３の側方表面１５０を基準とした第１の側方表面１３０の第１の被覆されない側方表面エリア１３２、１３２’、１３２’’、１３２’’’、１３２’’’’の相対位置によって調整され得る。第２の側方表面１４０の方にさらに移動させられるか又は第３の側方表面１５０の方にさらに移動させられる第１の側方表面１３０の第１の被覆されない側方表面１３２、１３２’、１３２’’、１３２’’’、１３２’’’’の相対位置に応じて、第１の導電性を有するコーティング１３１のサイズと別の第１の導電性コーティング１３３のサイズとの比が相応に減少又は増大させられ得る。図７及び８に示される、第１の厚手要素１０、第２の圧電要素１０’、第３の圧電要素１０’’の第１の実施例によると、第１の被覆されない側方表面１３２、１３２’、１３２’’’、１３２’’’’が第２の側方表面１４０の比較的近くに配置される。図９及び１０に示される、第１の厚手要素１０、第２の圧電要素１０’、第３の圧電要素１０’’の第２の実施例によると、第１の被覆されない側方表面エリア１３２、１３２’、１３２’’が第２の側方表面１４０及び第３の側方表面１５０から実質的に等しい距離のところに配置される。
しかし、第１の側方表面１３０の第１の被覆されない側方表面エリア１３２、１３２’、１３２’’’、１３２’’’’のサイズを増大又は減少させることによっても、第１の導電性を有するコーティング１３１のサイズと別の第１の導電性を有するコーティング１３３のサイズとの比が調整され得る。図７及び８に示される、第１の厚手要素１０、第２の圧電要素１０’、第３の圧電要素１０’’の第１の実施例によると、第１の被覆されない側方表面エリア１３２、１３２’、１３２’’、１３２’’’、１３２’’’’が別の第１の導電性を有するコーティング１３３の実質的に２倍のサイズを有し、第１の被覆されない側方表面エリア１３２、１３２’、１３２’’’、１３２’’’、１３２’’’’が、第１の導電性を有するコーティング１３１の実質的に５分の１である。図９及び１０に示される、第１の厚手要素１０、第２の圧電要素１０’、第３の圧電要素１０’’の第２の実施例によると、第１の被覆されない側方表面エリア１３２、１３２’、１３２’’が、第１の導電性を有するコーティング１３１、１３１’及び別の第１の導電性を有するコーティング１３３と実質的に等しいサイズを有する。
好適には、第１の導電性を有するコーティング１０１の導電性を有する側方表面コーティングが法線軸ａに沿う法線力のための圧電干渉電荷を抽出し、この圧電干渉電荷が、副接線方向軸ｎに沿って作用する剪断力のための、第１の導電性を有するコーティング１０１の第１の導電性を有する端面コーティングによって抽出される圧電干渉電荷の極性と逆の極性を有する。加えて、第２の導電性を有するコーティング１０２の導電性を有する側方表面コーティングが法線軸ａに沿う法線力のための圧電干渉電荷を抽出し、この圧電干渉電荷が、副接線方向軸ｎに沿う剪断力のための、第２の導電性を有するコーティング１０２の第２の導電性を有する端面コーティングによって抽出される圧電干渉電荷の極性と逆の極性を有する。
好適には、第１の導電性を有する連続コーティング１０１の導電性を有する側方表面コーティングのサイズが、導電性を有する側方表面コーティングにより抽出される、法線軸ａに沿う剪断力のための圧電干渉電荷の数を、第１の導電性を有する連続コーティング１０１の第１の導電性を有する端面コーティングにより抽出される、副接線方向軸ｎに沿う剪断力のための圧電干渉電荷の数と実質的に等しくするような、サイズである。さらに、第２の導電性を有する連続コーティング１０２の導電性を有する側方表面コーティングが、第２の導電性を有する連続コーティング１０２の第２の導電性を有する端面コーティングにより抽出される、副接線方向軸ｎに沿う剪断力のための圧電干渉電荷と実質的に等しい数の、法線軸ａに沿う法線力のための圧電干渉電荷を抽出する。
ＲＵ１７９２５３７Ｃ１とは対照的に、剪断力が、本発明に従って、軸ごとに１つの圧電要素１０、１０’、１０’’のみによって検出される。したがって、副接線方向軸ｎに沿って作用する剪断力から生じる圧電干渉電荷を排除することが可能ではなく、この圧電干渉電荷は、軸ごとに、逆の極性を有する２つの圧電要素を直列に接続することにより主接線方向軸ｈに沿う剪断力の測定をねじ曲げる。したがって、本発明の加速度変換器１は異なる解決策を利用する。これは、圧電材料が、法線軸ａに沿って側方表面１３０、１４０、１５０、１６０に作用する法線力のための圧電干渉電荷も発生させる、ことに基づく。これらの圧電干渉電荷も、主接線方向軸ｈに沿う剪断力の検出をねじ曲げる。このため、これらの圧電干渉電荷は、通常、側方表面１３０、１４０、１５０、１６０から抽出されない。しかし、副接線方向軸ｎに沿う剪断力の発生に、法線軸ａに沿って作用する法線力が伴うことが分かっている。前者の場合、圧電干渉電荷が端面１１０、１２０に発生するが、後者の場合、圧電干渉電荷が側方表面１３０、１４０、１５０、１６０に発生する。これらの２つの種類の圧電干渉電荷が、主接線方向軸ｈに沿う剪断力の検出に干渉する。適切な第１の導電性を有する連続コーティング１０１及び第２の導電性を有する連続コーティング１０２を使用することにより、端面１１０、１２０及び側方表面１３０、１４０、１５０、１６０を直列に電気的に接続すること、及び主接線方向軸ｈに沿う剪断力の検出に干渉する圧電干渉電荷を排除することが可能となる。
図１１が、変換器ユニット１．１の圧電電荷の伝送の概略図である。第１の側方表面１３０を備える、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の一部分、及び変換器ユニット１．３の一部分、さらには信号出力部１．４の一部分が示される。
変換器ユニット１．３が第１の加速度信号Ｓ１を変換することができる。コンバータ・ユニット１．３が、少なくとも、第１の圧電要素導体１３．１、１３．１’、１３．１’’及び第２の圧電要素導体１３．２、１３．２’、１３．２’’、少なくとも、第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’及び第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’、少なくとも１つのトランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’、並びに少なくとも第１の信号出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’及び第２の信号出力部導体１３．９を備える。さらに、コンバータ・ユニット１．３が、少なくとも１つの第１の電気抵抗器１３．５、１３．５’、１３．５’’、及び／又は少なくとも１つの第２の電気抵抗器１３．６、１３．６’、１３．６’’を備える。
図１及び３に示される、加速度変換器１の第１の実施例では、コンバータ・ユニット１．３がメイン・ボディ１２上のみに直接配置される。好適には、コンバータ・ユニット１．３が、メイン・ボディ１２の第１の垂直方向側面１２．７上のみに直接配置される。図２及び４に示される、加速度変換器１の第２の実施例では、コンバータ・ユニット１．３が支持体１３．７上のみに配置される。支持体１３．７が、Ａｌ２Ｏ３、セラミック、Ａｌ２Ｏ３セラミック、繊維強化プラスチックなどの、電気絶縁材料で作られる。支持体１３．７がメイン・ボディ１２に固定される。好適には、支持体１３．７が、接着、はんだ付けなどの材料接着により、メイン・ボディ１２の第１の垂直方向側面１２．７に取り付けられる。
第１の圧電要素導体１３．１、１３．１’、１３．１’’及び第２の圧電要素導体１３．２、１３．２’、１３．２’’、第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’及び第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’、第１の電気抵抗器１３．５、１３．５’、１３．５’’、第２の電気抵抗器１３．６、１３．６’、１３．６’’、並びにトランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’が、第１の垂直方向側面１２．７（図１及び３による加速度変換器１の第１の実施例）又は支持体１３．７（図２及び４による加速度変換器１の第２の実施例）に取り付けられる。
第１の圧電要素導体１３．１、１３．１’、１３．１’’及び第２の圧電要素導体１３．２、１３．２’、１３．２’’、第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’及び第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’、並びに第１の信号出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’及び第２の信号出力部導体１３．９が、銅、銅合金、金、金合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの、導電性材料で作られ、０．０２ｍｍから０．１０ｍｍの直径を有し、機械的可撓性を有する。
第１の圧電要素導体１３．１、１３．１’、１３．１’’及び第２の圧電要素導体１３．２、１３．２’、１３．２’’、第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’及び第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’、さらには第１の信号出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’及び第２の信号出力部導体１３．９が、第１及び第２の加速度信号Ｓ１、Ｓ２をアースから絶縁する形で伝導する。本発明の文脈では、「アースから絶縁される」という用語は、加速度変換器１の接地からの電気的な絶縁を意味する。好適には、加速度変換器１のハウジング１．２が接地され、したがって、ハウジング１．２がローカル・アースと等しい電位を有する。したがって、加速度信号Ｓ１、Ｓ２が、加速度変換器１の電位から電気的に絶縁される形で伝導される。こうすることにより、例えばハウジング１．２とコンバータ・ユニット１．３との間における、加速度変換器１の電位の変化により加速度の測定がねじ曲げられない。
好適には、第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’及び第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’が導電性を有するコーティング内でパターン形成される。導電性を有するコーティングが、化学蒸着、物理蒸着などによって形成される。導電性を有するコーティングが、銅、銅合金、金、金合金、白金、白金合金などの、導電性材料で作られる。導電性を有するコーティングが導電性を有する薄膜である。本発明の文脈では、「薄膜」という用語は、その平面的な延在方向（ｐｌａｎａｒ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）に対して垂直である方向における導電性を有するコーティングの厚さが好適には０．１ｍｍ未満であることを意味する。導電性を有するコーティングが第１の垂直方向側面１２．７（図１及び３による加速度変換器１の第１の実施例）又は支持体１３．７（図２及び４による加速度変換器１の第２の実施例）に直接付着される。本発明の文脈では、「直接」という副詞は「直に」を意味する。好適には、導電性を有するコーティング内での第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’及び第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’のパターン形成が、ステンシル印刷、フォトリソグラフィ、及びレーザ切断によって実行される。
好適には、コンバータ・ユニット１．３が、３つの、第１の圧電要素導体１３．１、１３．１’、１３．１’’及び第２の圧電要素導体１３．２、１３．２’、１３．２’’を備える。１つの第１の圧電要素導体１３．１、１３．１’、１３．１’’が、各々、第１の加速度信号Ｓ１を、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、又は第３の圧電要素１０’’の第１の導電性を有するコーティング１０１から、コンバータ・ユニット１．３まで伝送する。１つの第２の圧電要素導体１３．２、１３．２’、１３．２’’が、各々、第２の加速度信号Ｓ２を、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、又は第３の圧電要素１０’’の第２の導電性を有するコーティング１０２から、コンバータ・ユニット１．３まで伝送する。
第１の圧電要素導体１３．１、１３．１’、１３．１’’及び第２の圧電要素導体１３．２、１３．２’、１３．２’’が第１の側方表面１３０に接触している。これは、第１の側方表面１３０が利用可能であり、特定の技術的役割を果たす、ことが理由であり、すなわち、第１の側方表面１３０が、圧電電荷を伝送するための、その上に設けられる圧電要素接点１３．０１、１３．０１’、１３．０１’’を有し、それにより空間を節約する、ことが理由である。第１の圧電要素導体１３．１、１３．１’、１３．１’’の各々が、第１の圧電要素接点１３．０１、１３．０１’、１３．０１’’を介して第１の側方表面電気コーティング１３１に接触する。第２の圧電要素導体１３．２、１３．２’、１３．２’’の各々が、第２の圧電要素接点１３．０２、１３．０２’、１３．０２’’を介して、第２の側方表面電気コーティング１３３に接触する。第１の圧電要素接点１３．０１、１３．０１’、１３．０１’’及び第２の圧電要素導体１３．２、１３．２’、１３．２’’が第１の側方表面１３０に取り付けられる。第１の圧電要素接点１３．０１、１３．０１’、１３．０１’’及び第２の圧電要素導体１３．２、１３．２’、１３．２’’が、ワイヤ・ボンディング、はんだ付けなどによって作られる材料結合部（ｍａｔｅｒｉａｌ ｂｏｎｄ）である。熱圧着、超音波熱によるボールウェッジ・ボンディング（ｔｈｅｒｍｏｓｏｎｉｃ ｂａｌｌ ｗｅｄｇｅ ｂｏｎｄｉｎｇ）、超音波ウェッジ・ボンディングなどの方法がワイヤ・ボンディングに適する。図１１の円形の第１の圧電要素接点１３．０１、１３．０１’、１３．０１’’及び第２の圧電要素接点１３．０２、１３．０２’、１３．０２’’が形成されたワイヤを表す。
コンバータ・ユニット１．３が、好適には、３つの第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’及び第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’を備える。第１の圧電要素導体１３．１、１３．１’、１３．１’’の各々が、第１のメイン・ボディ・アクセス接点１３．０３、１３．０３’、１３．０３’’を介して第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’に接触する。１つの第２の圧電要素導体１３．２、１３．２’、１３．２’’が、各々、第２のメイン・ボディ・アクセス接点１３．０４、１３．０４’、１３．０４’’を介して第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’に接触する。第１のメイン・ボディ・アクセス接点１３．０３、１３．０３’、１３．０３’’、及び第２のメイン・ボディ・アクセス接点１３．０４、１３．０４’、１３．０４’’が、第１の垂直方向側面１２．７（図１及び３による加速度変換器１の第１の実施例）又は支持体１３．７（図２及び４による加速度変換器１の第２の実施例）に取り付けられる。第１のメイン・ボディ・アクセス接点１３．０３、１３．０３，１３．０３’’及び第２のメイン・ボディ・アクセス接点１３．０４、１３．０４’、１３．０４’’が、ワイヤ・ボンディング、はんだ付けなどによって作られる材料結合部である。熱圧着、超音波熱によるボールウェッジ・ボンディング（ｔｈｅｒｍｏｓｏｎｉｃ ｂａｌｌ ｗｅｄｇｅ ｂｏｎｄｉｎｇ）、超音波ウェッジ・ボンディングなどの方法がワイヤ・ボンディングに適する。図１１の円形の第１のメイン・ボディ・アクセス接点１３．０３、１３．０３’、１３．０３’’及び第２のメイン・ボディ・アクセス接点１３．０４、１３．０４’、１３．０４’’が形成されたワイヤを表す。
第１の電気抵抗器１３．５、１３．５’、１３．５’’、第２の電気抵抗器１３．６、１３．６’、１３．６’’、及びトランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’が、第１のメイン・ボディ導体１３．３．１３．３’、１３．３’’により互いに電気的に接続される。第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の第２の加速度信号Ｓ２を有する第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’が電気的に短絡され、コンバータ・ユニット１．３の基準電位となる。基準電位は安定化されたすなわち一時的に一定である直流電圧（ｄｉｒｅｃｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｖｏｌｔａｇｅ）である。
好適には、コンバータ・ユニット１．３が、３つのトランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’を備える。３つのトランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’が同一の構造を有する。図１及び２による実施例では、トランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’が電子部品である。トランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’が、介在物を介する材料結合部により、第１の垂直方向側面１２．７（図１及び３による加速度変換器１の第１の実施例）若しくは支持体１３．７（図２及び４による加速度変換器１の第２の実施例）に固定され、並びに／又は、トランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’が、介在物を介して、第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３、１３．３’’及び第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’に固定される。介在物が、化学的に硬化され得る接着剤、物理的に固まることができる接着剤、はんだ、などである。好適には、介在物が、エポキシ、ポリウレタン、シアノアクリレート、メチルメタクリレートなどの、接着剤である。１つの第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’が、各々、トランスインピーダンス・コンバータ１３、１０、１３．１０’、１３．１０’’に接触する。任意の接触方法が選択され得る。１つの第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’が、各々、第１の加速度信号Ｓ１をトランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’の入力部に伝送する。好適には、トランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’の入力部が１０７Ωを超える高いインピーダンスを有する。トランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’が第１の加速度信号Ｓ１を電圧に変換する。変換された第１の加速度信号Ｓ１がトランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’の出力部に提供される。好適には、トランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’の出力部が１０２Ω未満の低いインピーダンスを有する。しかし、トランスインピーダンス・コンバータを使用することの代わりに、本発明を認識する当業者であれば、電荷増幅器の入力部のところで低い電気抵抗を有する電荷増幅器を使用することもできる。
図１２が、コンバータ・ユニット１．３のハイパス・フィルタ１８、１８’、１８’’の概略図を示す。好適には、コンバータ・ユニット１．３が、３つの第１の電気抵抗器１３．５、１３．５’、１３．５’’を備える。３つの第１の電気抵抗器１３．５、１３．５’、１３．５’’の構造が同一である。
図１及び２による実施例では、第１の電気抵抗器１３．５、１３．５’、１３．５’’が、Ａｌ２Ｏ３、セラミック、Ａｌ２Ｏ３セラミックなどの、抵抗材料で作られる抵抗性コーティングである。抵抗性コーティングが、化学蒸着、物理蒸着などによって製作される。抵抗性コーティングが電気抵抗器の薄膜である。また、抵抗性コーティングは、その平面的な延在方向に対して垂直な方向におけるその厚さが好適には０．１ｍｍ未満であることを理由として、本発明の意味では、「薄膜」である。抵抗性コーティングが、第１の垂直方向側面１２．７（図１及び３による加速度変換器１の第１の実施例）若しくは支持体１３．７（図２及び４による加速度変換器１の第２の実施例）に直接付着され、並びに／又は、抵抗性コーティングが、第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’及び第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’に直接付着される。抵抗性コーティングが、ステンシル印刷、フォトリソグラフィ、レーザ切断などによってパターン形成され得る。
図２及び４による実施例では、第１の電気抵抗器１３．５、１３．５’、１３．５’’が、セラミック、金属酸化物などのような抵抗材料で作られる電気部品、及び接続ワイヤである。
第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’が、各々、第１の電気抵抗器１３．５、１３．５’、１３．５’’に接触する。任意の接触方法が選択され得る。第１の電気抵抗器１３．５、１３．５’、１３．５’’が、各々、３つの圧電要素１０、１０’、１０’’のうちの１つに並列に電気的に接続される。この並列接続はハイパス・フィルタ１８、１８’、１８’’’である。その理由は、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、又は第３の圧電要素１０’’がコンデンサであるからである。ハイパス・フィルタ１８、１８’、１８’’が遮断振動数未満の振動数を取り除く。遮断振動数は好適には１０Ｈｚである。加速度変換器１による加速度の測定が開始されると、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の放電が遮断振動数未満の低干渉性の振動数（ｌｏｗ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を発生させることができる。この低干渉性の振動数がトランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’の入力部に存在し、不確定の時定数を表す。低干渉性の振動数が加速度の測定をねじ曲げる可能性がある。低干渉性の振動数が取り除かれ、トランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’が確定した時定数を得る。遮断振動数が、第１の電気抵抗器１３．５、１３．５’、１３．５’’の電気抵抗の値に応じて調整され得る。
図１３が、コンバータ・ユニット１．３のローパス・フィルタ１７、１７’、１７’’の概略図を示す。好適には、コンバータ・ユニット１．３が、３つの第２の電気抵抗器１３．６、１３．６’、１３．６’’を備える。３つの第２の電気抵抗器１３．６、１３．６’、１３．６’’が同一の構造を有する。第２の電気抵抗器１３．６、１３．６’、１３．６’’が、セラミック、金属酸化物など抵抗材料で作られる電気部品、及び接続ワイヤである。第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’が、各々、第２の電気抵抗器１３．６、１３．６’、１３．６’’に接触する。任意の接触方法が選択され得る。第２の電気抵抗器１３．６、１３．６’、１３．６’’が、各々、３つの圧電要素１０、１０’、１０’’のうちの１つに直列に電気的に接続される。この直列接続はローパス・フィルタ１７、１７’、１７’’である。その理由は、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、又は第３の圧電要素１０’’がコンデンサであるからである。ローパス・フィルタ１７、１７’、１７’’が、加速度変換器１の固有振動数未満の高干渉性の振動数（ｈｉｇｈ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を取り除く。このような高干渉性の振動数は加速度変換器１の機械的励起によって発生する。高干渉性の振動数がトランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’の入力部のところに存在し、トランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’を飽和状態にする可能性があり、したがって加速度の測定をねじ曲げる可能性がある。ローパス・フィルタ１７、１７’、１７’’が、第２の電気抵抗器１３．６、１３．６、１３．６’’の電気抵抗の値に応じて加速度変換器１の固有振動数に合うように調整され得る。
好適には、コンバータ・ユニット１．３が３つの第１のメイン・ボディ出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’備える。トランスインピーダンス・コンバータ１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’の各出力部が、第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’を介して第１のメイン・ボディ出力部接点１３．０８、１３．０８’、１３．０８’’に接触する。好適には、コンバータ・ユニット１．３が第２のメイン・ボディ出力部導体１３．９を備える。第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’が、第２のメイン・ボディ出力部接点１３．０９を介して第２のメイン・ボディ出力部導体１３．９に接触する。第１のメイン・ボディ出力部接点１３．０８、１３．０８’、１３．０８’’及び第２のメイン・ボディ出力部接点１３．０９が、第１の垂直方向側面１２．７（図１及び３による加速度変換器１の第１の実施例）又は支持体１３．７（図２及び４による加速度変換器１の第２の実施例）に固定される。第１のメイン・ボディ出力部接点１３．０８．１３．０８’、１３．０８’’及び第２のメイン・ボディ出力部接点１３．０９が、ワイヤ・ボンディング、はんだ付けなどにより作られる材料結合部である。熱圧着、超音波熱によるボールウェッジ・ボンディング、超音波ウェッジ・ボンディングなどの方法がワイヤ・ボンディングに適する。図１１の円形の第１のメイン・ボディ出口接点１３．０８、１３．０８’、１３．０８’’及び第２のメイン・ボディ出口接点１３．０９が形成されたワイヤを表す。
第１のメイン・ボディ出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’が、変換された第１の加速度信号Ｓ１を信号出力部１．４に伝送する。第２のメイン・ボディ出力部導体１３．９が第２の加速度信号Ｓ２の合計を信号出力部１．４に伝送する。
信号出力部１．４がその一部のエリアでハウジング１．２に固定される。図１及び２に示される加速度変換器１の実施例によると、信号出力部１．４が好適には電気ケーブルである。信号出力部１．４が、信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２、保護シース１４．３、シース・フランジ１４．４、電気絶縁体１４．５、及び流延材料１４．６を備える。
断面では、信号出力部１．４が多層構造を有する。
信号線１４．１、１４．１、１４．１’’、１４．２が内側層を形成する。好適には、信号出力部１．４が、３つの第１の信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’及び１つの第２の信号線１４．２を備える。信号線１４．１、１４．１、１４．１’’、１４．２が、銅、銅合金、金、金合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの、導電性材料で作られる。好適には、各信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２が電気絶縁シースを備える。第１のメイン・ボディ出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’及び第２のメイン・ボディ出力部導体１３．９が第１の信号線１４，１、１４．１’１４．１’’及び第２の信号線１４．２に接触する。第１のメイン・ボディ出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’の各々がそれぞれの第１の信号線１４．１、１４．１、１４．１’’に接触する。第２のメイン・ボディ出力部導体１３．９が第２の信号線１４．２に接触する。
電気絶縁体１４．５が中間層を形成し、信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２の周りに配置される。電気絶縁体１４．５が信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２を保護シース１４．３から電気的に絶縁する。電気絶縁体１４．５が、Ａｌ２Ｏ３、セラミック、Ａｌ２Ｏ３セラミック、繊維強化プラスチックなどの、電気絶縁材料で作られる。
保護シース１４．３が外側層を形成する。保護シース１４．３が、汚染（ダスト、湿気など）などの有害な環境影響から、さらには、第１の加速度信号Ｓ１及び第２の加速度信号Ｓ２に望ましくない干渉の影響を生み出し得るような電磁波から、電気絶縁体１４．５さらには信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２を保護する。保護シース１４．３が、金属、プラスチックなどの、機械的耐性を有する材料で作られる。
図１４から１８が、図２による加速度変換器１の実施例の組み立てのステップを示す。
図１４が組み立ての第１のステップを示しており、ここでは、信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２がハウジング１．２の中に導入される。ハウジング１．２が信号出力部開口部１．２２を備える。好適には、信号出力部開口部１．２２が、保護シース１４．３の形状、及び保護シース１４．３の外径の寸法を有する。信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２の端部が剥き出しであり、対してここでは電気絶縁シースが一部のエリアで取り外されている。信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２の端部が、信号出力部開口部１．２２を通ってハウジング１．２の内側空間の中まで突出する。ハウジング１．２の内側空間がハウジング底部１．２３の周りの空間である。
信号出力部開口部１．２２が、保護シース１４．３及びシース・フランジ１４．３により外側から密閉される。好適には、保護シース１４．３の一方の端部がシース・フランジ１４．４に取り付けられる。シース・フランジ１４．４が、金属、プラスチックなどの、機械的耐性を有する材料で作られる。保護シース１４．３及びシース・フランジ１４．４の接続が、圧着などの力伝達部（ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）によって達成される。
金属フランジ１４．４自体が材料結合部によりハウジング１．２に留められる。好適には、金属フランジ１４．４が、ハウジング１．２の内部から離れる方を向くハウジング開口部１．２２の外側縁部に留められる。材料結合部が、溶接、はんだ付け、接着などによって作られる。シース・フランジ１４．４とハウジング１．２との間の接続により、保護シース１４．３のひずみが緩和される。保護シース１４．３のこのようなひずみの緩和により、機械的荷重が保護シース１４．３からハウジング１．２の内部に伝達されない。機械的荷重はコンバータ・ユニット１．３に到達するとメイン・ボディ出力部導体１３．８、１３．８、’、１３．８’’、１３．９の引き裂け又は破裂などの破損を引き起こす可能性がある。このような機械的応力は、保護シース１４．３の長手方向軸に沿うその延在方向を中心とした捻回、ねじれなどにより発生する。
図１５が組み立ての第２のステップを示しており、ここでは、信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２がハウジング１．２内で流延材料１４．６を用いて形状を固定される。流延材料１４．６がハウジング開口部１．２０を通して信号出力部開口部１．２１内の信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’に適用される。流延材料１４．６は、化学的に硬化され得る接着剤若しくは物理的に固まることができる接着剤であるか、又は化学的に硬化される接着剤と物理的に固まる接着剤との組み合わせである。好適には、流延材料１４．６が、エポキシ、ポリウレタン、シアノアクリレート、メチルメタクリレートなどの、接着剤から構成される。流延材料１４．６が、１０１２Ωｍｍ２／ｍを超える電気抵抗を有する電気絶縁体である。好適には、信号出力部開口部１．２１を完全に密閉するのに十分な流延材料１４．６が信号出力部開口部１．２１内の信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２に適用される。
図１６が組み立ての第３のステップを示しており、ここでは、流延材料１４．６の中で形状を固定される信号線１４、１、１４．１’、１４．１’’、１４．２がハウジング１．２内の一部のエリアで露出している。信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２の露出部１４．７が、カッティング・ウェッジ（ｃｕｔｔｉｎｇ ｗｅｄｇｅ）、ミリング・カッターなどの適切な切断ツールによって得られる。切断ツールはハウジング開口部１．２０を通してハウジング１．２の内部に導入され、信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２の端部さらには硬化した流延材料１４．６の一部分を切り取る。露出部１４．７は横軸ｘ及び長手方向軸ｙによって画定される平面内に存在する。露出部１４．７のこのエリアでは、信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２の切断端部の端面が１つの平面内で露出している。好適には、この平面がハウジング開口部１．２０に平行である。露出部１４．７のこのエリアでは、信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２の側方表面が流延材料１４．６によって完全に覆われる。流延材料１４．６がひずみを緩和する形で信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２を固定する。このように信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２のひずみが緩和されることにより、機械的荷重が信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２からハウジング１．２の内部に伝達されない。機械的荷重はコンバータ・ユニット１．３に到達するとメイン・ボディ出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’、１３．９の引き裂け又は破裂などの破損を引き起こす可能性がある。このような機械的応力は、信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２の長手方向軸に沿うその延在方向を中心とした捻回又はねじれなどにより発生する。さらに、流延材料１４．６が信号出力部開口部１．２１を気密的に密閉する。信号出力部開口部１．２１の気密シールが、信号線１４、１、１４．１’、１４．１’’、１４．２を介してハウジング１．２の内部に湿気が入って変換器ユニット１．１に到達するのを防止する。石英などの圧電材料は非常に高い吸湿性を有することから、湿気が圧電要素１０、１０’、１０’’の機能性を損なう可能性がある。
図１７が組み立ての第４のステップを示しており、ここでは、変換器ユニット１．１がハウジング１．２の中に導入されている。変換器ユニット１．１が、コンバータ・ユニット１．３と共に、ハウジング開口部１．２０を通してハウジング１．２の内部に導入される。第２の垂直方向側面１２．６が、接着、はんだ付けなどの、材料結合部により、ハウジング底部１．２３に固定される。好適には、変換器ユニット１．１が４つの接線方向側面１２．４を露出部１４．７に近接させるように配置される。
図１８が組み立ての第５のステップを示しており、ここでは、変換器ユニット１．１のコンバータ・ユニット１．３が接触している。コンバータ・ユニット１．３の接触がワイヤ・ボンダなどの適切な接触ツールによって行われる。接触ツールがハウジング開口部１．２０を通してハウジング１．２の内部に導入される。接触ツールが、第１の圧電要素導体１３．１、１３．１’、１３．１’’及び第２の圧電要素導体１３．２、１３．２’、１３．２’’を介して、コンバータ・ユニット１．３の第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’及び第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’を、第１の圧電要素１０、第２の圧電要素１０’、及び第３の圧電要素１０’’の第１の側方表面１３０に接続する。加えて、接触ツールが、第１のメイン・ボディ出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’及び第２のメイン・ボディ出力部導体１３．９を介して、コンバータ・ユニット１．３の第１のメイン・ボディ導体１３．３、１３．３’、１３．３’’及び第２のメイン・ボディ導体１３．４、１３．４’、１３．４’’を、信号出力部１．４の信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２に接続する。
好適には、第１のメイン・ボディ出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’及び第２のメイン・ボディ出力部導体１３．９が、信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２の切断端部の端面に直接接続される。このように、第１のメイン・ボディ出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’及び第２のメイン・ボディ出力部導体１３．９が信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２に直接接触することには、印刷回路基板などの別の支持手段が必要なく、それにより加速度変換器の寸法及び重量が低く抑えられ、加速度変換器の組み立てが単純且つ安価となる、という利点がある。このように、第１のメイン・ボディ出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’及び第２のメイン・ボディ出力部導体１３．９が信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２に直接接触することには、機械的可撓性を有するメイン・ボディ出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’、１３．９により、コンバータ・ユニット１．３がひずみを緩和する形で信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２に接続され、すなわち、機械的可撓性を有するメイン・ボディ出力部導体１３．８、１３．８’、１３．８’’、１３．９が、信号線１４．１、１４．１’、１４．１’’、１４．２にまで伝わる機械的応力を減衰させる、という別の利点がある。
コンバータ・ユニット１．３の電気的接触が完了すると、ハウジング・カバー１．２１によりハウジング開口部１．２０が気密的に密閉される。このシールが、溶接、はんだ付け、接着などの、材料接着によって作られる。
１ 加速度変換器
１．１ 変換器ユニット
１．２ ハウジング
１．２０ ハウジング開口部
１．２１ ハウジング・カバー
１．２２ 信号出力部開口部
１．２３ ハウジング底部
１．２４ アセンブリ・ギャップ
１．３ コンバータ・ユニット
１．４ 信号出力部
１０、１０’、１０’’ 圧電要素
１１、１１’、１１’’ 振動質量
１２ メイン・ボディ
１２．１、１２．２、１２．３、１２．４ 接線方向側面
１２．６、１２．７ 垂直方向側面
１３．０１、１３．０１’、１３．０１’’ 第１の圧電要素接点
１３．０２、１３．０２’、１３．０２’’ 第２の圧電要素接点
１３．０３、１３．０３’、１３．０３’’ 第１のメイン・ボディ・アクセス接点
１３．０４、１３．０４’、１３．０４’’ 第２のメイン・ボディ・アクセス接点
１３．０８、１３．０８’、１３．０８’’ 第１のメイン・ボディ出力部接点
１３．０９ 第２のメイン・ボディ出力部接点
１３．１、１３．１’、１３．１’’ 第１の圧電要素導体
１３．２、１３．２’、１３．２’’ 第２の圧電要素導体
１３．３、１３．３’、１３．３’’ 第１のメイン・ボディ導体
１３．４、１３、４’、１３．４’’ 第２のメイン・ボディ導体
１３．５、１３．５’、１３．５’’ 第１の電気抵抗器
１３．６、１３．６’、１３．６’’ 第２の電気抵抗器
１３．７ 支持体
１３．８、１３．８’、１３．８’’ 第１のメイン・ボディ出力部導体
１３．９ 第２のメイン・ボディ出力部導体
１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’ トランスインピーダンス・コンバータ
１４．１、１４．１’、１４．１’’ 第１の信号線
１４．２ 第２の信号線
１４．３ 保護シース
１４．４ シース・フランジ
１４．５ 電気絶縁体
１４．６ 流延材料
１４．７ 露出部
１５、１５’、１５’’ 内側接続手段
１６、１６’、１６’’ 外側接続手段
１７、１７’、１７’’ ローパス・フィルタ
１８、１８’、１８’’ ハイパス・フィルタ
１０１ 第１の導電性を有するコーティング
１０２ 第２の導電性を有するコーティング
１１０、１２０ 端面
１１１、１１１’ 第１の導電性を有する端面コーティング
１１２、１１２’、１１２’’ 第１の被覆されない端面エリア
１２１～１２１’’’ 第２の導電性を有する端面コーティング
１２２、１２２’、１２２’’ 第２の被覆されない端面エリア
１３０、１４０、１５０、１６０ 側方表面
１３１、１３１’ 第１の導電性を有する側方表面コーティング
１３２、１３２’～１３２’’’’ 第１の被覆されない側方表面エリア
１３３、１３３’ 別の第１の導電性を有する側方表面コーティング
１４１ 第２の導電性を有する側方表面コーティング
１４２、１４２’、１４２’’ 第２の被覆されない側方表面エリア
１５１、１５１’ 第３の導電性を有する側方表面コーティング
１６１ 第４の導電性を有する側方表面コーティング
ａ 法線軸
Ｆ 力
ｈ 主接線方向軸
ｎ 副接線方向軸
Ｓ１、Ｓ２ 加速度信号
ｘ 横軸
ｙ 長手方向軸
ｚ 垂直軸

Claims (16)

  1. メイン・ボディ（１２）と、少なくとも１つの圧電要素（１０、１０’、１０’’）と、少なくとも１つの振動質量（１１、１１’、１１’’）と、コンバータ・ユニット（１．３）とを備える加速度変換器（１）において、前記圧電要素（１０、１０’、１０’’）は、２つの端面（１１０、１２０）および４つの側方表面（１３０、１４０、１５０、１６０）を備え、前記メイン・ボディ（１２）が接線方向側面（１２．１、１２．２、１２．３、１２．４）及び垂直方向側面（１２．６、１２．７）を備え、前記接線方向側面（１２．１、１２．２、１２．３、１２．４）が垂直軸（ｚ）に対して接線方向に配置され、前記垂直方向側面（１２．６、１２．７）が前記垂直軸（ｚ）に対して垂直に配置され、正確に１つの圧電要素（１０、１０’、１０’’）が少なくとも１つの接線方向側面（１２．１、１２．２、１２．３）に取り付けられ、正確に１つの振動質量（１１、１１’、１１’’）が前記圧電要素（１０、１０’、１０’’）に取り付けられ、加速時に前記振動質量（１１、１１’、１１’’）が、前記振動質量（１１、１１’、１１’’）を取り付けた前記圧電要素（１０、１０’、１０’’）に、加速度に比例する剪断力を作用させ、前記剪断力の影響下で前記圧電要素（１０、１０’、１０’’）が圧電電荷を発生させ、前記圧電電荷が前記コンバータ・ユニット（１．３）に伝送され得る、加速度変換器（１）であって、前記端面（１１０、１２０）は、少なくとも１つの導電性を有する端面コーティング（１１１、１２１）を備え、前記側方表面（１３０、１４０、１５０、１６０）は、少なくとも１つの導電性を有する側方表面コーティング（１３１、１４１、１５１、１６１）を備え、前記コンバータ・ユニット（１．３）が前記メイン・ボディ（１２）の垂直方向側面（１２．７）上のみに直接配置されるか、又は前記コンバータ・ユニット（１．３）が支持体（１３．７）上のみに配置され、前記支持体（１３．７）が前記メイン・ボディ（１２）の垂直方向側面（１２．７）に取り付けられる、ことを特徴とする、加速度変換器（１）。
  2. 前記加速度変換器（１）が正確に３つの圧電要素（１０、１０’、１０’’）及び正確に３つの振動質量（１１、１１’、１１’’）を備え、正確に１つの圧電要素（１０、１０’、１０’’）が３つの接線方向側面（１２．１、１２．２、１２．３）に取り付けられ、正確に１つの振動質量（１１、１１’、１１’’）が前記圧電要素（１０、１０’、１０’’）の各々に取り付けられる、ことを特徴とする、請求項１に記載の加速度変換器（１）。
  3. 第１の圧電要素（１０）が第１の振動質量（１１）により長手方向軸（ｙ）に沿って作用する剪断力のための高い感度を有し、前記長手方向軸（ｙ）に沿う前記剪断力の影響下で圧電電荷を発生させ、第２の圧電要素（１０’）が第２の振動質量（１１’）により横軸（ｘ）に沿って作用する剪断力のための高い感度を有し、前記横軸（ｘ）に沿う前記剪断力の影響下で圧電電荷を発生させ、第３の圧電要素（１０’’）が第３の振動質量（１１’’）により前記垂直軸（ｚ）に沿う剪断力のための高い感度を有し、前記垂直軸（ｚ）に沿う前記剪断力の影響下で圧電電荷を発生させる、ことを特徴とする、請求項２に記載の加速度変換器（１）。
  4. 前記圧電要素（１０、１０’、１０’’）が端面（１１０、１２０）を備え、主接線方向軸（ｈ）に沿う剪断力の影響下で前記３つの圧電要素（１０、１０’、１０’’）の各々が前記端面（１１０、１２０）に圧電電荷を発生させ、少なくとも１つの端面（１１０、１２０）が少なくとも１つの導電性を有する端面コーティング（１１１、１２１）を備え、前記導電性を有する端面コーティング（１１１、１２１）が前記主接線方向軸（ｈ）に沿う前記剪断力により発生する圧電電荷を抽出する、ことを特徴とする、請求項２に記載の加速度変換器（１）。
  5. 前記圧電要素（１０、１０’、１０’’）が側方表面（１３０、１４０、１５０、１６０）を備え、第１の端面（１１０）が第１の導電性を有する端面コーティング（１１１）を備え、第２の端面（１２０）が第２の導電性を有する端面コーティング（１２１）を備え、第１の側方表面（１３０）が第１の導電性を有する側方表面コーティング（１３１）及び別の第１の導電性を有する側方表面コーティング（１３３）を備え、前記第１の導電性を有する端面コーティング（１１１）及び前記第１の導電性を有する側方表面コーティング（１３１）が第１の導電性を有する連続コーティング（１０１）を形成し、前記第２の導電性を有する端面コーティング（１２１）及び前記別の第１の導電性を有する側方表面コーティング（１３３）が第２の導電性を有する連続コーティング（１０２）を形成する、ことを特徴とする、請求項４に記載の加速度変換器（１）。
  6. 前記コンバータ・ユニット（１．３）が第１の圧電要素導体（１３．１、１３．１’、１３．１’’、１３．２’’）及び第２の圧電要素導体（１３．２、１３．２’、１３．２’’）を備え、前記第１の導電性を有する側方表面コーティング（１３１）が第１の圧電要素導体（１３．１、１３．１’、１３．１’’）に物質的に接着され、前記別の第１の導電性を有する側方表面コーティング（１３３）が第２の圧電要素接点（１３．２、１３．２’、１３．２’’）に物質的に接着され、前記第１の圧電要素導体（１３．１、１３．１’、１３．１’’）が、前記第１の導電性を有する連続コーティング（１０１）から第１の加速度信号（Ｓ１）として圧電電荷を伝送し、前記第２の圧電要素導体（１３．２、１３．２’、１３．２’’）が、前記第２の導電性を有する連続コーティング（１０２）から第２の加速度信号（Ｓ２）として圧電電荷を伝送する、ことを特徴とする、請求項５に記載の加速度変換器（１）。
  7. 前記第１の導電性を有する側方表面コーティング（１３１）が、第１の圧電要素接点（１３．０１、１３．０１’、１３．０１’’）を介して前記第１の圧電要素導体（１３．１、１３．１’、１３．１’’）に物質的に接着され、前記第２の導電性を有する側方表面コーティング（１３３）が、第２の圧電要素接点（１３．０２、１３．０２’、１３．０２’’）を介して前記第２の圧電要素導体（１３．２、１３．２’、１３．２’’）に物質的に接着される、ことを特徴とする、請求項６に記載の加速度変換器（１）。
  8. 前記コンバータ・ユニット（１．３）が第１のメイン・ボディ導体（１３．３、１３．３’、１３．３’’）及び第２のメイン・ボディ導体（１３．４、１３．４’、１３．４’’）並びにトランスインピーダンス・コンバータ（１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’）を備え、前記第１の圧電要素導体（１３．１、１３．１’、１３．１’’）が第１のメイン・ボディ導体（１３．３、１３．３’、１３．３’’）に電気的に及び機械的に接続され、前記第１のメイン・ボディ導体（１３．３、１３．３’、１３．３’’）が前記トランスインピーダンス・コンバータ（１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’）に第１の加速度信号（Ｓ１）を伝送し、前記トランスインピーダンス・コンバータ（１３．１０、１３．１０’、１３．１０’’）が第１の加速度信号（Ｓ１）を変換し、前記第２の圧電要素導体（１３．２、１３．２’、１３．２’’）が第２のメイン・ボディ導体（１３．４、１３．４’、１３．４’’）に電気的に及び機械的に接続され、前記第２のメイン・ボディ導体（１３．４、１３．４’、１３．４’’）が第２の加速度信号（Ｓ２）を伝送する、ことを特徴とする、請求項７に記載の加速度変換器（１）。
  9. 前記第１の圧電要素導体（１３．１、１３．１’、１３．１’’）が第１のメイン・ボディ・アクセス接点（１３．０３、１３．０３’、１３．０３’’）を介して第１のメイン・ボディ導体（１３．３、１３．３’、１３．３’’）に物質的に接着され、前記第２の圧電要素導体（１３．２、１３．２’、１３．２’’）が第２のメイン・ボディ・アクセス接点（１３．０４、１３．０４’、１３．０４’’）を介して第２のメイン・ボディ導体（１３．４、１３．４’、１３．４’’）に物質的に接着される、ことを特徴とする、請求項８に記載の加速度変換器（１）。
  10. 前記コンバータ・ユニット（１．３）が第１の電気抵抗器（１３．５、１３．５’、１３．５’’）を備え、１つの第１のメイン・ボディ導体（１３．３、１３．３’、１３．３’’）の各々が第１の電気抵抗器（１３．５、１３．５’、１３．５’’）に電気的に及び機械的に接続され、１つの第１の電気抵抗器（１３．５、１３．５’、１３．５’’）の各々が前記３つの圧電要素（１０、１０’、１０’’）のうちの１つの圧電要素に並列に電気的に接続され、前記並列接続が、遮断振動数未満の振動数を取り除くハイパス・フィルタ（１８、１８’、１８’’）を形成する、ことを特徴とする、請求項８又は９に記載の加速度変換器（１）。
  11. 前記コンバータ・ユニット（１．３）が第２の電気抵抗器（１３．６、１３．６’、１３．６’’）を備え、１つの第１のメイン・ボディ導体（１３．３、１３．３’、１３．３’’）の各々が第２の電気抵抗器（１３．６、１３．６’、１３．６’’）に電気的に及び機械的に接続され、１つの第２の電気抵抗器（１３．６、１３．６’、１３．６’’）の各々が前記３つの圧電要素（１０、１０’、１０’’）のうちの１つの圧電要素に直列に電気的に接続され、前記直列接続が、前記加速度変換器（１）の固有振動数未満の振動数を取り除くローパス・フィルタ（１７、１７’、１７’’）を形成する、ことを特徴とする、請求項８から１０までのいずれか一項に記載の加速度変換器（１）。
  12. 前記加速度変換器（１）が信号出力部（１．４）を備え、前記コンバータ・ユニット（１．３）が第１のメイン・ボディ出力部導体（１３．８、１３．８’、１３．８’’）及び第２のメイン・ボディ出力部導体（１３．９）を備え、１つの第１のメイン・ボディ導体（１３．３、１３．３’、１３．３’’）の各々が第１のメイン・ボディ出力部導体（１３．８、１３．８’、１３．８’’）に電気的に及び機械的に接続され、各第１のメイン・ボディ出力部導体（１３．８、１３．８’、１３．８’’）が、変換された第１の加速度信号（Ｓ１）を前記信号出力部（１．４）に伝送し、１つの第２のメイン・ボディ導体（１３．４、１３．４’、１３．４’’）の各々が第２のメイン・ボディ出力部導体（１３．９）に電気的に及び機械的に接続され、前記第２のメイン・ボディ出力部導体（１３．９）が第２の加速度信号（Ｓ２）を前記信号出力部（１．４）に伝送する、ことを特徴とする、請求項８に記載の加速度変換器（１）。
  13. 前記第１のメイン・ボディ導体（１３．３、１３．３’、１３．３’’）が第１のメイン・ボディ出力部接点（１３．０８、１３．０８’、１３．０８’’）を介して前記第１のメイン・ボディ出力部導体（１３．８、１３．８’、１３．８’’）に物質的に接着され、前記第２のメイン・ボディ導体（１３．４、１３．４’、１３．４’’）が第２のメイン・ボディ出力部接点（１３．０９）を介して前記第２のメイン・ボディ出力部導体（１３．９）に物質的に接着される、ことを特徴とする、請求項１２に記載の加速度変換器（１）。
  14. 前記メイン・ボディ（１２）が高い機械的スティフネスを有する低密度材料で作られる、ことを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の加速度変換器（１）。
  15. 前記振動質量（１１、１１’、１１’’）が高密度材料で作られる、ことを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の加速度変換器（１）。
  16. 前記加速度変換器（１）が３つの内側接続手段（１５、１５’、１５’’）及び３つの外側接続手段（１６、１６’、１６’’）を備え、前記３つの圧電要素（１０、１０’、１０’’）の各々が、内側接続手段（１５、１５’、１５’’）により、接線方向側面（１２．１、１２．２、１２．３）の方を向く面のところで前記メイン・ボディ（１２）に取り付けられ、内側接続手段（１５、１５’、１５’’）による接線方向側面（１２．１、１２．２、１２．３）のところでの前記圧電要素（１０、１０’、１０’’）の取り付けが材料結合部によって達成され、前記３つの振動質量（１１、１１’、１１’’）の各々が、外側接続手段（１６、１６’、１６’’）により、圧電要素（１０、１０’、１０’’）の接線方向側面（１２．１、１２．２、１２．３）から離れる方を向く面に取り付けられ、接線方向側面（１２．１、１２．２、１２．３）から離れる方を向く前記圧電要素（１０、１０’、１０’’）の面のところでの前記振動質量（１１、１１、’、１１’’）の取り付けが、材料結合部を介して外側接続手段（１６、１６’、１６’’）によって達成される、ことを特徴とする、請求項２から１５までのいずれか一項に記載の加速度変換器（１）。
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