NO312792B1 - Mekanoelektrisk sensor - Google Patents

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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

fig. 1 viser en todimensjonal utførelsesform av sensoren ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser samme utførelsesform som fig. 1, men opphengt i en ytterramme,

fig. 3 viser en annen todimensjonal utførelsesform av sensoren ifølge oppfinnelsen,

fig. 4 viser samme utførelsesform som fig. 3, men opphengt i en ytterramme,

fig. 5 viser en tredimensjonal utførelsesform av sensoren ifølge oppfinnelsen, med folieformede opphengsstrukturer, delvis gjennomskåret, og

fig. 6 viser en annen tredimensjonal utførelsesform med trådformede opphengsstrukturer, også delvis gjennomskåret.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

stilling.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (15)

1. Mekanoelektrisk sensor for avføling av kraft eller vibrasjon og avgivelse av minst ett elektrisk signal som er en funksjon av avfølt kraft eller vibrasjon, hvor sensoren omfatter et innerlegeme opphengt i piezoelektriske opphengsstrukturer som igjen er oppspent i et omgivende rammeverk, samt signalledninger fra motsatt polariserbare sider på opphengsstrukturene, karakterisert ved at opphengsstrukturene utgjøres av et antall adskilte piezoelektriske folier i sektorform eller et antall piezoelektriske tråder, hver folie eller tråd festet perifert til rammeverket og sentralt til innerlegemet.

2. Sensor ifølge krav 1, karakterisert ved at rammeverket er todimensjonalt, dvs. ligger hovedsakelig i et plan.

3. Sensor ifølge krav 1, med piezoelektriske folier, karakterisert ved at hver adskilt folie er anbrakt med strekkretning i ett og samme forhold til en respektiv radiell retning, og at signalledningene er koplet for å summere de respektive utsignalene fra hver adskilt folie.

4. Sensor ifølge krav 1, karakterisert ved at innerlegemet er anbrakt eksentrisk.

5. Sensor ifølge krav 1, karakterisert ved at rammeverket er tredimensjonalt.

6. Sensor ifølge krav 5, med piezoelektriske folier, karakterisert ved at folienes plan utspenner et tredimensjonalt rom.

7. Sensor ifølge krav 6, karakterisert ved at antallet folieplan er tre, hvilke plan er ortogonale.

8. Sensor ifølge krav 7, karakterisert ved at hvert folieplan omfatter et antall folier med mellom-rom utenfor innerlegemet.

9. Mekanoelektrisk sensor for avføling av kraft eller vibrasjon og avgivelse av minst ett elektrisk signal som er en funksjon av avfølt kraft eller vibrasjon, hvor sensoren omfatter et innerlegeme opphengt i minst en opphengsstruktur som igjen er oppspent i et omgivende rammeverk, karakterisert ved at rammeverket har respektive piezoelektriske felter i det minste nært omkring eller ved den minst ene opphengsstrukturens respektive oppspenningssteder på rammeverket, samt signalledninger fra motsatt polariserbare sider på hvert felt.

10. Sensor ifølge krav 9, karakterisert ved at den minst ene opphengsstrukturen utgjøres av et antall stramme og hovedsakelig uelastiske tråder som hver er festet til innerlegemet og til festepunkter på rammeverket, og at de piezoelektriske felter er anbrakt som adskilte felter sentrert om hvert festepunkt.

11. Sensor ifølge krav 10, karakterisert ved at rammeverket er todimensjonalt, hvorved trådene går hovedsakelig som eiker i et hjul mellom innerlegemet og rammeverket, eventuelt med forskjellige trådlengder ved en eksentrisk plassering av innerlegemet.

12. Sensor ifølge krav 10, karakterisert ved at rammeverket er tredimensjonalt.

13. Sensor ifølge krav 1 eller 9, karakterisert ved at rammeverket er opphengt igjen med et elastisk materiale i en ytterramme.

14. Sensor ifølge krav 13, karakterisert ved at det elastiske materialet er en elastisk membran.

15. Sensor ifølge krav 13, karakterisert ved at det elastiske materialet er et tredimensjonalt gum-mimateriale eller lignende.