NO312792B1

NO312792B1 - Mechanoelectric sensor

Info

Publication number: NO312792B1
Application number: NO20003311A
Authority: NO
Inventors: Birger Orten
Original assignee: Meditron As
Priority date: 2000-06-23
Filing date: 2000-06-23
Publication date: 2002-07-01
Also published as: BR0112277A; NO20003311L; PL360483A1; CN1302267C; EA200300054A1; CN1437701A; JP2004502158A; AU2001274687A1; EP1311811A1; KR20030071618A; CA2413447A1; WO2002001167A1; NO20003311D0

Abstract

En mekanoelektrisk sensor for avføling av kraft eller vibrasjon omfatter et innerlegeme (1) opphengt i en piezoelektrisk opphengsstruktur (3) som igjen er oppspent i en omgivende ramme (2), samt signalledninger fra motsatt polariserbare sider av opphengsstrukturen (3). Alternativt kan den omgivende rammen (2) være utstyrt med piezoelektriske felter ved oppspenningsstedene for opphengsstrukturen på rammen (2). Rammen (2) kan være opphengt igjen i en ytterramme (5) ved hjelp av et elastisk materiale (4).A mechanoelectric sensor for sensing force or vibration comprises an inner body (1) suspended in a piezoelectric suspension structure (3) which in turn is clamped in a surrounding frame (2), as well as signal wires from oppositely polarizable sides of the suspension structure (3). Alternatively, the surrounding frame (2) may be provided with piezoelectric fields at the clamping points of the suspension structure on the frame (2). The frame (2) can be suspended again in an outer frame (5) by means of an elastic material (4).

Description

Foreliggende oppfinnelse angår avføling av kraft eller vibrasjon, med avgivelse avelektriske signaler som representerer den avfølte kraften eller en parameter ved en vibrasjonstilstand. Mer spesielt angår oppfinnelsen en mekanoelektrisk sensor for avføling av kraft eller vibrasjon og avgivelse av minst ett elektrisk signal som er en funksjon av den avfølte kraft eller vibrasjon. The present invention relates to the sensing of force or vibration, with the emission of electrical signals that represent the sensed force or a parameter in a state of vibration. More particularly, the invention relates to a mechanoelectric sensor for sensing force or vibration and emitting at least one electrical signal which is a function of the sensed force or vibration.

Sensorer for kraft, akselerasjon eller vibrasjoner har mange anvendelser, og finnes i mange utførelsesformer. Vanligvis benyttes to eller tre separate sensorer for for eksempel å avføle akselerasjon i tre ortogonale retninger, ved at mas-sive legemer opphengt i fjærende systemer beveger seg i forhold til hvert sitt referanse-rammeverk. Rotasjon avføles vanligvis med en gyroskop-innretning. Sensors for force, acceleration or vibration have many applications and are available in many designs. Usually, two or three separate sensors are used to, for example, sense acceleration in three orthogonal directions, in that massive bodies suspended in springy systems move in relation to each of their reference frameworks. Rotation is usually sensed with a gyroscope device.

Fra GB 2.180.346 A er kjent en anordning for avføling av bevegelse eller støt som omfatter et innerlegeme opphengt i en piezoelektrisk plate som igjen er oppspent i et omgivende rammeverk, samt signalledningerfra motsatt polariserbare sider av platen. Anordningen er imidlertid best egnet for avføling i bare én translatorisk retning. From GB 2,180,346 A, a device for sensing movement or impact is known which comprises an inner body suspended in a piezoelectric plate which is in turn suspended in a surrounding framework, as well as signal lines from oppositely polarizable sides of the plate. However, the device is best suited for sensing in only one translational direction.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilveiebringe en sensor som bedre enn tidligere kjente løsninger kan operere med retningsbestemt virkning og tilveiebringe gode målinger med hensyn på både translasjon og rotasjon, ved hjelp av bare ett bevegelig legeme. The present invention aims to provide a sensor which, better than previously known solutions, can operate with a directional effect and provide good measurements with regard to both translation and rotation, using only one moving body.

Ifølge et første aspekt av oppfinnelsen er det derfor tilveiebrakt en mekanoelektrisk sensor slik som definert nøyaktig i det vedføyde patentkrav 1. Ifølge et - andre aspekt av oppfinnelsen er det tilveiebrakt en mekanoelektrisk sensor slik som definert i det vedføyde patentkrav 9. Fordelaktige utførelsesformer av oppfinnelsen fremgår av de tilknyttede uselvstendige patentkravene. According to a first aspect of the invention, a mechanoelectric sensor as defined precisely in the appended patent claim 1 is therefore provided. According to a - second aspect of the invention, a mechanoelectric sensor as defined in the appended patent claim 9 is provided. Advantageous embodiments of the invention appear of the associated non-independent patent claims.

I det følgende skal oppfinnelsen belyses nærmere ved gjennomgang av eksempelvise utførelsesformer, og det vises i denne sammenheng også til de ved-føyde tegningene, hvor In the following, the invention will be explained in more detail by reviewing exemplary embodiments, and reference is also made in this context to the attached drawings, where

fig. 1 viser en todimensjonal utførelsesform av sensoren ifølge oppfinnelsen, fig. 1 shows a two-dimensional embodiment of the sensor according to the invention,

fig. 2 viser samme utførelsesform som fig. 1, men opphengt i en ytterramme, fig. 2 shows the same embodiment as fig. 1, but suspended in an outer frame,

fig. 3 viser en annen todimensjonal utførelsesform av sensoren ifølge oppfinnelsen, fig. 3 shows another two-dimensional embodiment of the sensor according to the invention,

fig. 4 viser samme utførelsesform som fig. 3, men opphengt i en ytterramme, fig. 4 shows the same embodiment as fig. 3, but suspended in an outer frame,

fig. 5 viser en tredimensjonal utførelsesform av sensoren ifølge oppfinnelsen, med folieformede opphengsstrukturer, delvis gjennomskåret, og fig. 5 shows a three-dimensional embodiment of the sensor according to the invention, with foil-shaped suspension structures, partially cut through, and

fig. 6 viser en annen tredimensjonal utførelsesform med trådformede opphengsstrukturer, også delvis gjennomskåret. fig. 6 shows another three-dimensional embodiment with wire-shaped suspension structures, also partially cut through.

I fig. 1 vises en relativt enkel, todimensjonal utførelsesform av sensoren ifølge oppfinnelsen. Et innerlegeme 1 er opphengt ved hjelp av piezoelektriske folier 3 i et rammeverk 2, og ikke viste signalledninger tilkoplet for eksempel hver side av en folie 3, kan avgi elektriske signaler som genereres når foliene blir utsatt for deformering ved at innerlegemet 1 forskyves i forhold til en relaksert midtposi-sjon. Figuren viser tre folier oppspent i en sekskantet åpning, men det kan dreie seg om bare en eneste folie, eller et større antall folier. Valg av innerlegeme vil av-henge av bruksområdet for sensoren. Innerlegemet kan i anvendelser med regi-strering mot myke overflater for eksempel være plast eller silikongummi med forskjellige shore-verdier. I andre anvendelser kan for eksempel industridiamant-materiale benyttes. Kombinasjoner av materiale og geometrisk utforming av innerlegemet er viktig. Innerlegemet kan også oppvise åpninger for å gi luftgjennomstrøm-ning, eksempelvis i mikrofon-anvendelser. Foliene kan gjeme være innfestet mellom to metalliske rammedeler som er isolert fra hverandre og eventuelt fra andre rammedeler rundt periferien, slik at signaler kan tas utfra de metalliske rammedel-ene. Når det benyttes folier 3 slik som vist i figuren, kan folienes strekkretninger ligge i for eksempel lengderetningen for hver foliestripe, og dette gir mulighet for uthenting av et høyere, summert totalsignal, sammenliknet med et tilfelle med bare en enkelt folie, enten som en stripe tvers over, eller som en komplett "membran" som dekker hele åpningen. In fig. 1 shows a relatively simple, two-dimensional embodiment of the sensor according to the invention. An inner body 1 is suspended by means of piezoelectric foils 3 in a framework 2, and not shown signal lines connected, for example, to each side of a foil 3, can emit electrical signals that are generated when the foils are subjected to deformation by the inner body 1 being displaced in relation to a relaxed middle position. The figure shows three foils stretched in a hexagonal opening, but it could be just one foil, or a larger number of foils. The choice of inner body will depend on the area of use for the sensor. In applications with registration against soft surfaces, the inner body can for example be plastic or silicone rubber with different shore values. In other applications, for example, industrial diamond material can be used. Combinations of material and geometric design of the inner body are important. The inner body can also have openings to provide air flow, for example in microphone applications. The foils can be attached between two metallic frame parts which are isolated from each other and possibly from other frame parts around the periphery, so that signals can be taken from the metallic frame parts. When foils 3 are used as shown in the figure, the directions of stretching of the foils can lie in, for example, the longitudinal direction for each foil strip, and this gives the possibility of obtaining a higher, summed total signal, compared to a case with only a single foil, either as a strip across, or as a complete "membrane" covering the entire opening.

Det er ikke nødvendig at innerlegemet 1 er sentrert, en kan se for seg utfør-elsesformer med eksentrisk anbrakt innerlegeme. Fasongen på rammeverket 2 er heller ikke avgjørende, så lenge rammen er stiv og egnet for innfesting av de piezoelektriske foliene. It is not necessary for the inner body 1 to be centered, one can envisage embodiments with an eccentrically placed inner body. The shape of the framework 2 is also not decisive, as long as the frame is rigid and suitable for attaching the piezoelectric foils.

En slik todimensjonal sensor vil åpenbart være mest sensitiv i forhold til kraft- eller vibrasjonspåvirkning i en retning perpendikulært på planet som utspennes av sensoren, men det vil også være mulig (når det benyttes flere folier med separate signalledninger) å avføle kraft i opphengsplanet, dvs. sideveis forflytning av innerlegemet. Such a two-dimensional sensor will obviously be most sensitive in relation to force or vibration in a direction perpendicular to the plane spanned by the sensor, but it will also be possible (when several foils with separate signal lines are used) to sense force in the suspension plane, i.e. .lateral displacement of the inner body.

I fig. 2 vises samme utførelsesform som i fig. 1, men hele basis-sensoren er her oppspent igjen i et utenforliggende rammeverk 5. Oppspenningen er foretatt med elastiske elementer 4, for eksempel gummielementer, og en slik utførelses-form av oppfinnelsen vil være spesielt gunstig for eksempel ved anvendelse av sensoren som sensorelement i en mikrofon. Hovedformålet med det utenforliggende rammeverket 5 er å dempe støy, dvs. støy i form av vibrasjoner som kan sette sensorens piezo-elementer i svingninger. Når sensoren festes i en ytre ramme 5, vil man få to svingesystemer, hvorav det indre er selve sensoren. Desig-net må da være slik at det ytre systemet har lav egenfrekvens i forhold til systemet innerramme/piezoelektrisk opphengsstruktur/innerlegeme. Man får da den virkning at rammen vil virke som et lavpassfilter. Dette gjelder primært den todimensjonale løsningen. In fig. 2 shows the same embodiment as in fig. 1, but the entire base sensor is here again suspended in an external framework 5. The suspension is made with elastic elements 4, for example rubber elements, and such an embodiment of the invention will be particularly advantageous, for example when using the sensor as a sensor element in a microphone. The main purpose of the external framework 5 is to dampen noise, i.e. noise in the form of vibrations that can cause the sensor's piezo elements to oscillate. When the sensor is fixed in an outer frame 5, you will get two swing systems, the inner one of which is the sensor itself. The design must then be such that the outer system has a low natural frequency in relation to the system inner frame/piezoelectric suspension structure/inner body. You then get the effect that the frame will act as a low-pass filter. This primarily applies to the two-dimensional solution.

Det vil videre være av stor betydning om det er rammeverket 2 eller innerlegemet 1 som skal svinge i forhold til omgivelsene. Ideelt sett ønsker man at rammeverket 2 holdes i ro i forhold til omgivelsene, mens innerlegemet svinger i forhold til rammeverket. I praksis vil oppspenningen av sensorrammen normalt gi "god" akustisk kopling mellom omgivelsene og sensorelementene, og normalt er dette uønsket. Innerlegemets masse vil i hovedsak influere mest på karakteristikken (frekvensresponsen), men utforming og materialvalg vil også kunne ha stor betydning for koplingen mellom det "avleste mediet" og sensoren. På grunn av de koplede svingesystemene må karakteristikken optimeres som funksjon av masse-forhold, stivheter osv. It will also be of great importance whether it is the framework 2 or the inner body 1 that is to swing in relation to the surroundings. Ideally, one wants the framework 2 to be kept at rest in relation to the surroundings, while the inner body oscillates in relation to the framework. In practice, the tensioning of the sensor frame will normally provide "good" acoustic coupling between the surroundings and the sensor elements, and this is normally undesirable. The mass of the inner body will mainly influence the characteristic (frequency response), but design and choice of material can also have a major impact on the connection between the "read medium" and the sensor. Due to the coupled swing systems, the characteristic must be optimized as a function of mass ratio, stiffness etc.

Ved bruk i en mikrofon som skal være god ved høyere frekvenser, vil oscil-lasjonene i luften sette opphengsmembranene (se fig. 4) i svingninger, og rammeverket 2 vil da svinge om innerlegemet 1. Den vibrerende delen av sensoren må i et slikt tilfelle være så lett som mulig. When used in a microphone which should be good at higher frequencies, the oscillations in the air will set the suspension membranes (see fig. 4) in oscillations, and the framework 2 will then oscillate around the inner body 1. The vibrating part of the sensor must in such a case be as easy as possible.

I fig. 3 vises en alternativ utførelsesform av sensoren ifølge oppfinnelsen, fremdeles i todimensjonal utgave. Her er et innerlegeme 1 vist opphengt i et antall sektorformede piezoelektriske folier 3, hvor fortrinnsvis strekkretning for hver foliesektor er anbrakt på samme måte i forhold til radius på stedet, for eksempel pek-ende hovedsakelig radielt. Det foreligger her små åpninger mellom foliene, som for eksempel i forbindelse med bruk i en mikrofon, kan være gunstig med tanke på passering av luft i mellomrommene. For øvrig foregår tilkopling av signalledninger på tilsvarende måte som nevnt vedrørende fig. 1, og en ser at det kan være mulig å oppnå høye totalspenninger ved hensiktsmessig kopling av signalledninger ut fra hver enkelt foliesektor, dersom dette er ønskelig. Eventuelt kan selvfølgelig separate signaler uthentes fra hver sektor. In fig. 3 shows an alternative embodiment of the sensor according to the invention, still in a two-dimensional version. Here, an inner body 1 is shown suspended in a number of sector-shaped piezoelectric foils 3, where preferably the stretching direction for each foil sector is placed in the same way in relation to the radius of the place, for example pointing mainly radially. There are small openings between the foils, which, for example, in connection with use in a microphone, can be beneficial in terms of the passage of air in the spaces. Otherwise, connection of signal lines takes place in a similar way as mentioned in relation to fig. 1, and one sees that it may be possible to achieve high total voltages by appropriately connecting signal lines from each individual foil sector, if this is desired. Optionally, of course, separate signals can be obtained from each sector.

Fig. 4 viser opphengning i en ytterramme 5 på samme måte som i fig. 2, her benyttes elastiske, sektorformede membraner av for eksempel gummi som opphengsstrukturer. Fig. 4 shows suspension in an outer frame 5 in the same way as in fig. 2, here elastic, sector-shaped membranes of, for example, rubber are used as suspension structures.

I fig. 5 vises en utførelsesform av tredimensjonal type. Innerlegemet 1 holdes oppspent sentralt i en kuleformet ramme 2, ved hjelp av piezoelektriske folie-biter 3 som er anordnet slik at en relativ forskyvning av innerlegemet 1, eller for den saks skyld en rotasjon, vil kunne detekteres gjennom de spenninger som opp-står i foliene 3, og som kan uthentes ved hjelp av ikke viste signalledninger tilkoplet de to sidene av de utstikkende foliebitene. Rammeverket 2 behøver selvfølgelig ikke å være kuleformet, det behøver for så vidt heller ikke å være lukket, men det er et poeng at det skal være stivt for å utgjøre en referanse for innerlegemets In fig. 5 shows an embodiment of three-dimensional type. The inner body 1 is held tensioned centrally in a spherical frame 2, by means of piezoelectric foil pieces 3 which are arranged so that a relative displacement of the inner body 1, or for that matter a rotation, can be detected through the stresses that arise in the foils 3, and which can be extracted by means of not shown signal lines connected to the two sides of the protruding foil pieces. The framework 2 does not of course need to be spherical, it does not need to be closed either, but it is a point that it should be rigid in order to constitute a reference for the inner body's

stilling. score.

Fig. 6 viser en tilsvarende utforming, men hvor de piezoelektriske foliene er skiftet ut med tråder, og hvor trådene enten er av piezoelektrisk type med tilsvarende funksjon som foliebitene i fig. 5, eller hvor trådene er stramme og hoved-- sakelig uelastiske, men er festet til piezoelektriske partier (ikke viste) på rammeverket, slik at disse partiene genererer spenning avhengig av innerlegemets translasjon eller rotasjon i forhold til rammeverket 2. Fig. 6 shows a similar design, but where the piezoelectric foils have been replaced with wires, and where the wires are either of the piezoelectric type with a similar function to the foil pieces in fig. 5, or where the threads are tight and mainly inelastic, but are attached to piezoelectric parts (not shown) on the framework, so that these parts generate tension depending on the inner body's translation or rotation in relation to the framework 2.

En slik tredimensjonal kraft/vibrasjonssensor som vises i fig. 5 og fig. 6, baseres på at rammeverket er fast koplet til det legeme som kraft eller eventuelt akselerasjon skal måles for, og innerlegemets treghet gir så opphav til de målbare spenningene i opphengsstrukturene 3 eller i deres festepunkter. Med signalledninger tilkoplet passende prosessorutstyr vil således en slik akselerasjons/ vibra-sjonssensor kunne utgjøre et hovedelement i for eksempel et treghets-naviga-sjonssystem. Such a three-dimensional force/vibration sensor shown in fig. 5 and fig. 6, is based on the fact that the framework is firmly connected to the body for which force or possibly acceleration is to be measured, and the inertia of the inner body then gives rise to the measurable stresses in the suspension structures 3 or in their attachment points. With signal lines connected to suitable processor equipment, such an acceleration/vibration sensor could thus constitute a main element in, for example, an inertial navigation system.

Også de tredimensjonale utførelsesformene vist i fig. 5 og 6 kan tenkes opphengt i et ytre rammeverk via et elastisk materiale i to eller tre dimensjoner. Also the three-dimensional embodiments shown in fig. 5 and 6 can be thought of as suspended in an outer framework via an elastic material in two or three dimensions.

Foliebitene som vises i utførelsesformen i fig. 5, kan ha andre fasonger, for eksempel mer sektorformede eller eventuelt som tilnærmet hele sirkelflater, og planene som utspennes, må ikke nødvendigvis være ortogonale slik som i figuren. The foil pieces shown in the embodiment in fig. 5, can have other shapes, for example more sector-shaped or possibly as approximately full circular surfaces, and the planes that are expanded do not necessarily have to be orthogonal as in the figure.

Det er for øvrig ikke bare foliemateriale eller trådformet materiale som kan benyttes, opphengsstrukturene mellom innerlegemet og rammeverket kan eventuelt være piezoelektriske bimorf-elementer eller lignende. Incidentally, it is not just foil material or wire-shaped material that can be used, the suspension structures between the inner body and the framework can possibly be piezoelectric bimorph elements or the like.

Oppfinnelsen er også ment å romme den variant som allerede er nevnt, nemlig med opphengsstrukturer som ikke er piezoelektriske, men som er festet i piezoelektriske områder på rammeverket. The invention is also intended to accommodate the variant already mentioned, namely with suspension structures which are not piezoelectric, but which are fixed in piezoelectric areas on the framework.

Claims

1. Mechanoelectric sensor for sensing force or vibration and emitting at least one electrical signal which is a function of sensed force or vibration, where the sensor comprises an inner body suspended in piezoelectric suspension structures which are in turn suspended in a surrounding framework, as well as signal lines from oppositely polarizable sides of the suspension structures, characterized in that the suspension structures consist of a number of separate piezoelectric foils in sector form or a number of piezoelectric wires, each foil or wire attached peripherally to the framework and centrally to the inner body.

2. Sensor according to claim 1, characterized by the fact that the framework is two-dimensional, i.e. lies mainly in a plane.

3. Sensor according to claim 1, with piezoelectric foils, characterized in that each separate foil is placed with the stretching direction in one and the same relationship to a respective radial direction, and that the signal lines are connected to sum the respective output signals from each separate foil.

4. Sensor according to claim 1, characterized by the fact that the inner body is placed eccentrically.

5. Sensor according to claim 1, characterized by the fact that the framework is three-dimensional.

6. Sensor according to claim 5, with piezoelectric foils, characterized in that the plane of the foils spans a three-dimensional space.

7. Sensor according to claim 6, characterized in that the number of foil planes is three, which planes are orthogonal.

8. Sensor according to claim 7, characterized in that each foil plane comprises a number of foils with spaces outside the inner body.

9. Mechanoelectric sensor for sensing force or vibration and emitting at least one electrical signal which is a function of sensed force or vibration, where the sensor comprises an inner body suspended in at least one suspension structure which is in turn suspended in a surrounding framework, characterized in that the framework has respective piezoelectric fields at least close to or at the at least one suspension structure's respective tension points on the framework, as well as signal lines from oppositely polarizable sides of each field.

10. Sensor according to claim 9, characterized in that the at least one suspension structure consists of a number of tight and mainly inelastic threads, each of which is attached to the inner body and to attachment points on the framework, and that the piezoelectric fields are placed as separate fields centered on each attachment point.

11. Sensor according to claim 10, characterized in that the framework is two-dimensional, whereby the threads run mainly as spokes in a wheel between the inner body and the framework, possibly with different thread lengths when the inner body is placed eccentrically.

12. Sensor according to claim 10, characterized by the fact that the framework is three-dimensional.

13. Sensor according to claim 1 or 9, characterized in that the framework is suspended again with an elastic material in an outer frame.

14. Sensor according to claim 13, characterized in that the elastic material is an elastic membrane.

15. Sensor according to claim 13, characterized in that the elastic material is a three-dimensional rubber material or the like.