WO2021074024A1 - Acceleration sensor - Google Patents

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WO2021074024A1
WO2021074024A1 PCT/EP2020/078387 EP2020078387W WO2021074024A1 WO 2021074024 A1 WO2021074024 A1 WO 2021074024A1 EP 2020078387 W EP2020078387 W EP 2020078387W WO 2021074024 A1 WO2021074024 A1 WO 2021074024A1
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WO
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measuring
acceleration
seismic mass
accelerometer
longitudinal axis
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/078387
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German (de)
French (fr)
Inventor
Flavio ROSA
Original Assignee
Kistler Holding Ag
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 Kistler Holding Ag filed Critical Kistler Holding Ag
Publication of WO2021074024A1 publication Critical patent/WO2021074024A1/en

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/09Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up
    • G01P15/0907Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up of the compression mode type
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric acceleration sensor according to the definition of the preamble of the independent claim.
  • An acceleration is a directed physical quantity.
  • An accelerometer picks up an acceleration component which corresponds to the acceleration component given by the orientation of the accelerometer.
  • An accelerometer is known from the document W017093100A1.
  • the accelerometer has a piezoelectric system, a seismic mass and a pre-tensioning arrangement.
  • the seismic mass exerts a force proportional to its acceleration on the piezoelectric system, which force generates piezoelectric polarization charges in the piezoelectric system's rule.
  • the piezoelectric polarization charges can be tapped electrically as acceleration signals.
  • the seismic mass has two mass elements from which the electrical polarization charges can be tapped.
  • the acceleration sensor is set up to record the acceleration along a predetermined spatial direction. If there is an acceleration along a different spatial direction, the accelerometer only determines the acceleration component along the specified spatial direction.
  • Accelerometers record at least one acceleration component of an acceleration along a spatial axis or around a spatial axis.
  • An acceleration component corresponds to an acceleration along a spatial axis of a Cartesian coordinate system or an angular acceleration about a spatial axis.
  • the acceleration sensor has a piezoelectric measuring system, which ideally has a sensitivity to the acceleration components to be determined, but is not sensitive to other acceleration components.
  • the direction of the spatial axis is given by the properties and the alignment of the piezoelectric measuring system.
  • Piezoelectric crystals are generally cut along an axis of the crystal, so that piezoelectric measuring elements, which have at least one piezoelectric crystal, have a sensitivity to a force acting along a certain direction due to the piezoelectric effect.
  • piezoelectric measuring elements which have at least one piezoelectric crystal
  • sensitivity to a force acting along a certain direction due to the piezoelectric effect.
  • the longitudinal piezoelectric effect in which one perpendicular to a first surface and a second surface the force acting on the piezoelectric Messele element generates an electrical polarization charge, or polarization charges for short, on the first surface and a polarization charge on the second surface;
  • the transverse piezoelectric effect in which a force acting perpendicular to a first surface and a second surface of the piezoelectric measuring element generates polarization charge on surfaces of the piezoelectric measuring element which are perpendicular to the first surface and the second surface;
  • the piezoelectric longitudinal thrust effect in which a thrust force acting parallel to the first upper surface between the first surface and the second upper surface generates polarization charges on the first surface and polarization charges on the second surface;
  • the piezoelectric transverse thrust effect in which a thrust force acting parallel to the first surface between the first surface and the second surface generates polarization charges on surfaces of the piezoelectric measuring element which are perpendicular to the
  • piezoelectric measuring elements in an acceleration sensor are biased against a seismic mass by means of a pretensioning device, a measuring element with a thrust effect is usually used, since a change in the magnitude of the bias does not generate a polarization charge which is incorrectly attributed to an acceleration would.
  • a change in the preload can, for example, be caused by a change in the temperature of the acceleration sensor or the ambient pressure.
  • acceleration sensors with piezoelectric measuring elements because of the advantages of using measuring elements with a piezoelectric thrust effect arranged perpendicular to one another with a thrust effect, each having its own seismic mass.
  • the arrangement with several separate accelerometers requires a lot of space.
  • each accelerometer has to be contacted with its own cable, which is complex. is.
  • a linear acceleration is understood to mean an acceleration which acts along an axis in a Cartesian coordinate system without causing a change in direction.
  • An object of the invention is to provide a space-saving accelerometer which is directed to separately detect at least three acceleration components of an acceleration.
  • the acceleration sensor has at least three piezoelectric measuring elements which each determine one of the at least three acceleration components along the orthogonal spatial axes.
  • the same seismic mass acts on all measuring systems, whereby the accelerometer has a smaller spatial extent than the accelerometer, in which a separate seismic mass is used for each measuring system.
  • the accelerometer is therefore space-saving and can also be used in applications in which little space is available for installing the accelerometer.
  • the measuring systems are prestressed with a prestressing arrangement in the direction of the longitudinal axis of the accelerometer. This has the advantage that the piezoelectric measuring elements are frictionally connected to their respective electrodes so that no gaps can form and the electrical and mechanical contact between the measuring element and the electrode is maintained even when the accelerometer is accelerated.
  • the electrodes are part of the measuring system.
  • a measuring element is sensitive to a force along a spatial axis or to a torque about a spatial axis which the seismic mass exerts on the measuring element due to an acceleration component along a spatial axis of a Cartesian coordinate system or due to an angular acceleration component about a spatial axis .
  • both a pushing force and a tensile force can be determined by a measuring element.
  • a compressive force acts on the measuring element with a force
  • a tensile force relieves the measuring element with a force. If there is acceleration along the longitudinal axis, the measuring elements on one side of the seismic mass are acted upon with a force corresponding to the acceleration, while the measuring elements, which are arranged on the other side of the seismic mass, are relieved with the same force.
  • Measuring elements of a measuring system are electrically connected in such a way that the respective polarization charges generated on a first surface and on the second surface have the same sign, i.e. add up.
  • measuring elements which are sensitive to acceleration along the longitudinal axis or to angular acceleration around the transverse axis or around the vertical axis
  • the measuring elements are thus arranged mirror-symmetrically with respect to the plane of the transverse axis and the longitudinal axis around the seismic mass.
  • This arrangement also has the advantage that a change in the bias voltage, which loads or relieves the measuring elements on both sides of the seismic mass with respect to the longitudinal axis, causes the polarization charges generated thereby to be eliminated.
  • a change in the preload can be caused, for example, by a change in temperature of the acceleration sensor.
  • the acceleration sensor By using a common biasing arrangement for all at least three measuring systems, the acceleration sensor also has a smaller spatial extent than an acceleration sensor in which a separate biasing arrangement is provided for each of the measuring systems.
  • Fig. 1 is a partial view of an embodiment of the acceleration sensor loading
  • FIG. 2 shows a further partial view of the embodiment from FIG.
  • FIG. 1 shows a further partial view of the embodiment from FIG. 1
  • FIG. 4 shows a schematic partial view of the embodiment of the acceleration sensor from FIG. 1,
  • Fig. 5 is a partial view of a first electrode, web and
  • Fig. 6 is a partial view of the second electrode, webs and con tact element for use in the embodiment of Fig. 1,
  • FIG. 7 shows a partial view of a second electrode, web and contact element for use in the embodiment from FIG. 1 on one side of the seismic mass which faces a printed circuit board,
  • Fig. 8 is a partial view of a first electrode, web and
  • Fig. 10 is a schematic view of a further Messele element
  • FIG. 11 is a schematic view of a further measuring element
  • 12 is a schematic view of a further measuring element
  • 13 shows a schematic view of a further measuring element
  • FIG. 16 shows a partial view of the embodiment of the acceleration sensor from FIG. 15.
  • Fig. 1 shows a section along the longitudinal axis X and a vertical axis Z through part of an embodiment of the accelerometer 1.
  • An acceleration component Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz is an acceleration along a spatial axis of a Cartesian coordinate system, or an angular acceleration around a spatial axis.
  • the longitudinal axis X is one of these spatial axes. Further spatial axes are the transverse axis Y and the vertical axis Z.
  • One of the N measuring systems 4 is sensitive to one of the N acceleration components Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz.
  • a transverse axis Y is shown in the exploded view of FIG. Fig. 2 shows part of the embodiment of Fig. 1, wherein the biasing arrangement 3 is not shown for the sake of clarity.
  • the measuring elements 41 are shown at a distance from the seismic mass 2 for a better overview.
  • Longitudinal axis X, transverse axis Y and vertical axis Z form an orthogonal coordinate system.
  • the seismic mass 2 is preferably designed to be cylindrical along the longitudinal axis X and has a number N + 1, four partial masses 21 in the embodiment shown in FIG.
  • the longitudinal axis X runs centrally through the center of the seismic mass 2.
  • the partial masses 21 extend along the longitudinal axis X from one end face 24 of the cylindrical seismic mass 2 to another end face 24 of the seismic mass 2.
  • the partial masses 21 accordingly have two each End faces, which each form part of the end face 24 of the seismic mass 2 and which are largely aligned parallel to one another and along the Longitudinal axis X are spaced.
  • FIG. 3 shows a further partial view of the embodiment of the acceleration sensor 1 from FIG. 1.
  • the partial masses 21 are electrically isolated from one another by an insulator 22.
  • the insulator 22 is arranged between the partial masses 21.
  • an electrically insulating material is angeord net as an insulator 22, for example Kapton, Teflon, PVC, polyethylene, polypropylene, rubber, air, aluminum oxide, silicon oxide, glass, nitrogen, electrically insulating gas mixtures or noble gases or similar materials. Vacuum is also possible as an insulator 22.
  • the partial mass 21 is preferably made of an electrically conductive pure metal or a metal alloy.
  • the insulator 22 is materially or non-positively connected to the partial masses 21. This has the advantage that the by virtue of partial masses 21 arranged rigidly relative to one another, even in the case of extreme accelerations outside the acceleration area defined by the amount of the pretensioning force, they cannot move relative to one another.
  • a measuring system 4 is set up to determine an acceleration Tx, Ty, Tz along a spatial axis X, Y, Z or an angular acceleration Mx, My, Mz about a spatial axis X, Y, Z.
  • the measuring system 4 has two piezoelectric measuring elements 41, which are arranged on both sides of the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X.
  • the measuring system 4 has first electrodes 47 and second electrodes 48, which are set up to absorb the polarization charges of a measuring element 41 that occur during an acceleration or angular acceleration of the accelerometer 1.
  • the measuring elements 41 are plate-shaped and parallel to the end faces 24 of the seismic masses 2.
  • the measuring elements 41 each have a first surface 42 and a second surface 43.
  • the opposite largest areas of the plate-shaped measuring elements 41 are identified as the first surface 42 and the second surface 43.
  • the first surface 42 is largely parallel to the second surface 43.
  • the first surface 42 is largely parallel to the transverse axis Y and largely parallel to the vertical axis Z.
  • the measuring elements 41 have an extension along the transverse axis Y and the vertical axis Z, which is equal to or less than the extent of the end faces 24 of the seismic mass 2 along the transverse axis Y and the vertical axis Z is Ver.
  • the measuring elements 41 preferably have a square or octagonal cross section. This enables a plurality of measuring elements 41 to be stacked with respect to the longitudinal axis X in such a way that all edges of a measuring element 41 lie in one plane with all corresponding edges of the other measuring elements 41. This he allows a uniform force on all Messelemen te 41 of the stack.
  • a measuring element 41 can also have a different cross section in the plane along the transverse axis Y and the vertical axis Z, for example a circular cross section.
  • a force K proportional to the acceleration acts on the measuring elements 41. If a force K proportional to the acceleration acts on a measuring element 41, the first upper surface 42 of the measuring element 41 generates a polarization charge and generates a polarization charge on the second surface 43 of the same measuring element 41.
  • the polarization charge of the first surface 42 and the second surface 43 have opposite electrical polarity, one surface has a positive polarization charge and one surface has a negative polarization charge.
  • the respective first surfaces 42 of the measuring elements 41 of a measuring system 4 are connected in an electrically conductive manner. All polarization charges generated on the first surfaces 42 of a measuring system 4 can be tapped as an acceleration signal.
  • the measuring elements 41 of a measuring system 4 are arranged on both sides of the seismic mass 2, they are electrically connected in such a way that, when a force K is acted by the seismic mass 2 on which the measuring system 4 is sensitive, the measuring element 41 on one side of the seismic mass Ground 2 and the measuring element 41 on the other side of the seismic mass 2, the respective polarization charges generated on the first surface 42 of the measuring elements 41 have the same sign and on the second surface 43 of the measuring elements 41 have the same sign, i.e. add up.
  • the first electrode 47 which is in contact with the first surface 42 of the measuring element 41 on one side of the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X, is electrically conductively connected to the first electrode 47, which is shown in FIG Contact with the first surface 42 of the measuring element 41 on the other side of the seismic mass 2 is.
  • the first electrodes 47 and the second electrodes 48 are part of the measuring system 4.
  • the first electrodes 47 are each connected to a contact element 46 via a web 44.
  • the contact element 46 is in electrically conductive and mechanical contact with one of the N + 1 partial masses 21 of the seismic mass 2.
  • Web 44, contact element 46 and electrode are advantageously made in one piece.
  • the web 44 protrudes laterally with respect to the transverse axis Y beyond the cross section of the measuring elements 41 and is located there in the direction of the seismic mass 2. bent long along the longitudinal axis X, extends to the next end face 24 of the seismic mass 2, and is bent towards the contact element 46, as can be seen from FIG. 2.
  • FIG. 4 schematically shows the electrodes, the webs 44, the contact elements 46 and the partial masses 21.
  • the electrically conductively connected to one of the first electrode 47 contact element 46 contacts exactly one partial mass 21 and is electrically isolated from all other partial masses 21 of the seismic mass 2.
  • the contact element 46 along the transverse axis Y and the vertical axis Z is preferred a cross section which corresponds at least to the intersection between the cross section of the partial mass 21 in this plane and of the measuring element 41 in this plane.
  • An embodiment of a contact element 46, a web 44 and a first electrode 47 is shown in FIG.
  • the first surface 42 of a measuring element 41 on one side of the seismic mass 2 is, as shown schematically in FIG. 4, that is, the web 44 via the electrode 47, 48, which is in electrical contact with the first surface 42 , the contact element 46 is electrically conductively connected to a partial mass 21.
  • the first surface 42 of a measuring element 41 on another side of the seismic mass 2 is electrically connected via the electrode 47, 48, which is in electrical contact with the first surface 42, the web 44, the contact element 46 with the same partial mass 21 , with which the first surface 42 of the Messele element 41 on one side of the seismic mass 2 is connected.
  • the generated polarization charge of the first upper surfaces 42 of the measuring elements 41 in each case one of the N measuring systems 4 can thus be tapped off as an acceleration signal at each one of the N + 1 partial masses 21.
  • the respective second surfaces 43 of the measuring elements 41 of all measuring systems 4 are preferably connected to one another in an electrically conductive manner. All polarization charges generated on the second surfaces 43 of all measuring systems 4 can be tapped off as the sum of the polarization charges.
  • the second electrode 48 of the measuring system 4 is in electrically conductive contact with the second surface 43 of a measuring element 41 of a measuring system 4.
  • the second electrodes 48, which are in contact with the second surface 43 of the measuring element 41 on one side of the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X are connected to the second electrodes 48 of the Messelemen te 41 of all measuring systems 4 on the same side of the seismic mass 2 and to all second electrodes 48 on the other side of the seismic mass 2 in an electrically conductive manner.
  • the electrodes are made of an electrically conductive material and are plate-shaped and essentially have the same or larger cross-section with respect to the transverse axis Y and the vertical axis Z as the measuring element 41.
  • the second electrodes 48 are each electrically conductively connected via a web 44 to the next second electrodes 48 with respect to the longitudinal axis X, which are arranged on the same side of the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X, as shown in FIG .
  • the second electrode 48 closest to the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X is connected to a contact element 46 in an electrically conductive manner via a web 44.
  • the contact element 46 is in electrically conductive and mechanical contact with one of the N + 1 partial masses 21 of the seismic mass 2nd web 44, Contact element 46 and electrodes are advantageously made in one piece.
  • the web 44 protrudes laterally with respect to the transverse axis beyond the cross section of the measuring elements 41 and is bent there along the longitudinal axis X, then extends along the longitudinal axis X to the next electrodes and is then bent towards the next electrode, as shown in FIG.
  • FIG. 4 schematically shows the electrodes, the webs 44, the contact elements 46 and the partial masses 21.
  • the electrically conductive connected to the second electrodes 48 contact element 46 contacts exactly one partial mass 21 and is electrically isolated from all other partial masses 21 of the seismic mass 2.
  • the contact element 46 has a cross section along the transverse axis and the vertical axis Z preferably a cross section which corresponds to the intersection between the cross section of the partial mass 21 in this plane and the measuring element 41 in this plane.
  • An embodiment of a contact element 46, a web 44 and a second electrode 48 is shown in FIG. 6 GE.
  • the second surfaces 43 of all measuring elements 41 on one side of the seismic mass 2 are thus electrically conductively connected via the second electrodes 48, which are in electrical contact with the second surfaces 43, webs 44 and the contact element 46 with a partial mass 21 .
  • the second surfaces 43 of all measuring elements 41 on the other their side of seismic mass 2 are connected in an electrically conductive manner to the same partial mass 21 via the second electrodes 48, which are in electrical contact with the second surfaces 43, webs 44 and the contact element 46.
  • the generated polarization charge of the second surfaces 43 of the measuring elements 41 of all N measuring systems 4 can thus be tapped at one of the N + 1 partial masses 21.
  • a check for consistency now includes a comparison of the sum of the polarization charges tapped as acceleration signals of the first electrodes 47 of the N measuring systems 4 with the tapped polarization charges of the second electrodes 48 of the N measuring systems 4. Are they the same in terms of amount and have the same value has an opposite sign, the acquisition of the acceleration components Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz is consistent. This type of consistency check is advantageous because the polarization charge of the second upper surfaces 43 of the measuring systems 4 is not tapped individually. To check the consistency of the detection of the acceleration component Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz, the summed polarization charge of the second surfaces 43, which can be tapped on a single signal conductor 5, is sufficient.
  • N signal conductors 5 would be required. Equality exists when the sum of the polarization charges of the first electrodes 47 of the N measuring systems 4 deviates by less than 10% from the tapped polarization charges of the second electrodes 48 of the N measuring systems 4.
  • an Isolierele element 49 is arranged, which electrically isolates the contact element 46 from the electrode.
  • the insulating element 49 is largely dimensioned in the same way as a measuring element 41.
  • the insulating element 49 is made of an electrically insulating mate rial, the specific resistance of the insulating rides 49 is at least 10 9 W mm 2 / m.
  • the Isolie relement 49 is made of Kapton, Teflon, PVC, Po lyethylene, polypropylene, rubber, aluminum oxide, silicon oxide, glass, etc., for example.
  • the first electrodes 47 and the second electrodes 48 are preferably made of an electrically conductive pure metal or a metal alloy, for example copper, gold, silver, stainless steel, etc.
  • the first electrodes 47 and the second electrodes 48 are plate-shaped made of an electrically conductive material and essentially have the same or larger cross-section with respect to the transverse axis and the vertical axis Z as the measuring element 41.
  • the electrode has a thickness with respect to the longitudinal axis X of at least 0.05 mm and a maximum of 0.50 mm.
  • the prestressing arrangement 3 prestresses the measuring elements 41 of a piezoelectric measuring system 4 against the seismic mass 2. Such a bias prevents the piezoelectric measuring elements 41 from slipping against one another with respect to the vertical axis Z and with respect to the transverse axis.
  • the preload arrangement is also advantageous in order to avoid gaps between the measuring elements 41 with respect to the longitudinal axis X. Gaps are to be avoided, as otherwise the existing during acceleration and from seismic mass 2
  • the force K exerted on the measuring elements 41 is not transmitted uniformly to the measuring element 41. In this case, the exerted force K would not be fully recorded and the measurement of the acceleration would be incorrect.
  • the prestressing arrangement 3 prestresses the measuring elements 41 against the seismic mass 2 with a prestressing force.
  • This pretensioning force is greater than the force K which the seismic mass 2 exerts on the measuring elements 41 along the longitudinal axis X when the acceleration is present.
  • An acceleration along the longitudinal axis X acts on the measuring elements 41 arranged under the prestressing force on one side of the seismic mass 2 with an additional force K corresponding to the acceleration, while the measuring elements 41 arranged under the prestressing force on the other side of the seismic mass 2 be relieved with the corresponding force K.
  • This relieving force K must not exceed the pre-tensioning force.
  • the measuring elements 41 of the piezoelectric measuring systems 4 are electrically insulated from the prestressing arrangement 3 by an insulating element 49.
  • the insulating member 49 is arranged between the electrode which is closest to the bias arrangement 3 and the bias arrangement 3.
  • the electrode is in contact with the measuring element 41 closest to the pretensioning arrangement 3.
  • the insulating element 49 is largely dimensioned to be the same as a measuring element 41.
  • the insulating element 49 is made of an electrically insulating material, the specific resistance of the insulating element 49 being at least 10 9 W mm 2 / m.
  • the Isolierele element 49 is, for example, made of Kapton, Teflon, PVC, polyethylene len, polypropylene, rubber, aluminum oxide, silicon oxide, glass, etc.
  • the prestressing arrangement 3 has a cup-shaped prestressing sleeve 31 and a lid-shaped prestressing element 32.
  • the cup-shaped prestressing sleeve 31 has a bottom which is largely parallel to the surfaces of the measuring elements 41 is arranged, and a cylindrical wall which is largely along the longitudinal axis X is arranged with egg ner cylinder axis.
  • the measuring systems 4, insulating elements 49, electrodes and the seismic mass 2 are arranged with respect to the longitudinal axis X within the prestressing sleeve 31, preferably centrally with respect to the vertical axis Z and the transverse axis Y.
  • the pot-shaped pretensioning sleeve 31 is connected at its open end with respect to the longitudinal axis X to the cover-shaped pretensioning element 32 in a materially, non-positively or positively locking manner.
  • a prestressing force is exerted on the measuring systems 4, insulating elements 49, electrodes and the seismic mass 2.
  • the pretensioning arrangement 3 is made for the most part from an electrically conductive material.
  • the prestressing arrangement 3 largely encloses the N measuring systems 4.
  • the biasing arrangement 3 is connected to a defined potential, for example the ground potential, often also called ground potential. This has the advantage that the prestressing arrangement 3 shields the measuring systems 4 arranged in its interior from external interference.
  • the pretensioning arrangement 3 cannot be charged with electrical charge either, for example through frictional electricity, also called the triboelectric effect. For example there are disturbances in the determination of the force K by electromagnetic waves or electrical charging of the prestressing arrangement 3 prevents ver.
  • connection of prestressing sleeve 31 and prestressing element 32 is hermetically sealed against gases and liquids, for example by a suitable seal or, in the case of a material connection, by an adhesive or a weld.
  • Hermetically tight is understood to mean a seal which has an air leak rate of less than 10 -3 Pa-m 3 / s. This has the advantage that the usually hygroscopic piezoelectric crystals are protected from moisture. Moisture within the Vorspanna arrangement 3 reduces the resistance between the electrodes, which are electrically isolated from one another and from the prestressing arrangement 3, and thereby reduces the determinable polarization charge.
  • a printed circuit board 55 is arranged on one side of the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X between the biasing arrangement 3 and insulating element 49, which insulating element 49 electrically insulates the biasing arrangement 3 from the Messelemen 41.
  • the printed circuit board 55 is made of an electrically insulating material and has N + 1 conductor tracks 56 on the side facing the seismic mass 2.
  • the N + 1 conductor tracks 56 are set up to make contact with N + 1 contact elements 46.
  • the contact element 46 which makes electrically conductive contact with the conductor track 56, is the same as the contact element 46 from FIGS. 5 and 6, which has the partial mesh.
  • the contact element 46 is arranged with respect to the longitudinal axis X between the printed circuit board 55 and the insulating element 49, which insulating element 49 electrically insulates the prestressing arrangement 3 from the measuring elements 41.
  • a contact element 46 in electrical contact with one of the N + 1 conductor tracks 56 is connected in an electrically conductive manner to the closest second electrode 48 via a web 44, as shown in FIG. 7.
  • the generated polarization charge of all second surfaces 43 of all Messelemen te 41 can be tapped electrically at a partial mass 21.
  • the corresponding partial mass 21 is electrically connected via the contact element 46, wel Ches the partial mass 21, via webs 44 between the second electrodes 48 and via the web 44 between the contact element 46, which makes electrically conductive contact with the conductor track 56, and the next second electrode 48 is electrically conductively connected to conductor track 56.
  • Each contact element 46 in electrical contact with one of the N + 1 conductor tracks 56 is connected in an electrically conductive manner via a web 44 to each of the closest first electrodes 47, as shown in FIG. 8.
  • the polarization charge generated on the first surfaces 42 of the measuring elements 41 can be tapped electrically from one measuring system and from one partial mass 21.
  • the corresponding partial mass 21 is via the contact element 46, which makes electrically conductive contact with the partial mass 21, via webs 44 between the first electrode 47, which is arranged on the same side of the seismic mass 2 as the circuit board 55, and via the web 44 between the Contact element 46, which the Conductor 56 electrically conductively contacted, and the next th first electrode 47 connected to the conductor 56 electrically lei tend.
  • the pretensioning arrangement 3 is designed as a closed housing with an opening 33.
  • the partial masses 21 are connected in an electrically conductive manner to a signal cable 9 through the opening 33.
  • the N + 1 conductor tracks 56 are electrically conductively connected to a signal cable 9, which signal cable 9 has N + 1 signal conductors 5 isolated from one another.
  • the signal cable 9 is passed through an opening 33 in the Vorspannanord 3 voltage.
  • the signal conductors 5 of the signal cable 9 are set up to derive acceleration signals from the partial masses 21 electrically.
  • a sealing element 57 is arranged between the signal cable 9 and the prestressing arrangement 3.
  • the housing is hermetically sealed.
  • the opening 33 is hermetically sealed in a gas-tight manner around the signal cable 9.
  • the printed circuit board 55 can also be dispensed with.
  • an electrical signal conductor 5 is electrically conductive frictionally sig, cohesively or positively connected to each partial mass 21.
  • the resulting N + l signal conductors 5 are bundled together to form a signal cable 9, which signal cable 9 is guided through an opening 33 in the biasing arrangement 3.
  • the signal conductors 5 can alternatively also be connected in an electrically conductive manner to a web 44 or an electrode 47, 48.
  • the signal cable 9 advantageously has N + 1 electrical signal conductors 5 and a potential conductor 8 with a defined electrical potential.
  • the electrical signal conductor's 5 are directly or indirectly connected to the masses 21 electrically conductive and mechanically.
  • the potential conductor 8 is directly or indirectly connected to the Vorspanna arrangement 3 in an electrically conductive and mechanical manner.
  • the potential conductor 8 largely encloses the signal conductor 5.
  • the potential conductor 8 has the same electrical potential as the prestressing arrangement 3.
  • the signal conductors 5 of the signal cable 9 are equally protected from electromagnetic interference as are the measuring elements 41 within the prestressing arrangement 3.
  • the measuring systems 4 are arranged in different proximity to the seismic mass 2.
  • a first measuring system 4 has the smallest distance from seismic mass 2.
  • An Nth measuring system 4 has the greatest distance from seismic mass 2.
  • the numbering of the measuring systems 4 increases as the distance from the seismic mass 2 increases.
  • Measurement elements 41 which are arranged closest to seismic mass 2 with respect to longitudinal axis X accordingly belong to first measurement system 4.
  • Measurement elements 41 which are furthest away from seismic mass 2 belong to the Nth measurement system 4 and, as already described, an insulating element 49 is arranged in the first measuring system 4.
  • the first surface 42 of the measuring elements 41 of the first measuring system 4 and of each measuring system 4 with an odd number is oriented towards the seismic mass 2.
  • the first surface 42 of the measuring elements 41 with an even number is oriented away from the seismic mass 2.
  • a second electrode 48 is arranged in contact with the two second surfaces 43.
  • a first electrode 47 is arranged in each case in contact with one of the first surfaces 42 and between the two first electrodes 47 directly next to one another with respect to the longitudinal axis X is arranged measuring elements 41, an insulating element 49 is net angeord.
  • Measuring elements 41 of two measuring systems 4 are arranged directly next to one another if the number of the measuring systems 4 differs by the number 1. Polarization charges on adjoining first surfaces 42 of different measuring systems 4 are thus electrically isolated from one another. The polarization charges on the first surfaces 42 of the measuring systems can be tapped individually at the partial mass 21 which is electrically connected to the first electrode 47.
  • the measuring elements 41 are arranged mirror-symmetrically with respect to the longitudinal axis X on both sides of the seismic mass 2 with respect to a plane perpendicular to the longitudinal axis X.
  • the measuring element 41 has at least one piezoelectric crystal element 45.
  • a piezoelectric crystal element 45 is made of a piezoelectric crystal.
  • a piezoelectric crystal is, for example, quartz, tourmaline, gallium orthophosphate, crystals from the CGG group, lithium niobate, lithium tantalate, etc.
  • a measuring element 41 for determining an acceleration component Tx along the longitudinal axis X is shown in FIG. 9 shown schematically and comprises a crystal, which has the longitudinal piezoelectric effect and is sensitive to forces along the longitudinal axis X is. Polarization charges are generated on the upper surfaces perpendicular to the longitudinal axis X when the acceleration is present.
  • a measuring element 41 for determining an acceleration component Ty along the transverse axis is shown schematically in FIG. 10 and comprises a crystal which has the longitudinal piezoelectric thrust effect and is sensitive to thrust forces which act on the surfaces perpendicular to the longitudinal axis X and along the transverse axis are aligned.
  • polarization charges are generated on the surfaces perpendicular to the longitudinal axis X.
  • a measuring element 41 for determining an acceleration component Tz along the vertical axis Z is shown schematically in FIG. 11 and comprises a crystal which has the longitudinal piezoelectric thrust effect and is sensitive to thrust forces which act on the surfaces perpendicular to the longitudinal axis X and along the vertical axis Z are aligned.
  • polarization charges are generated on the surfaces perpendicular to the longitudinal axis X.
  • a measuring element 41 for determining an acceleration component My about the transverse axis Z is shown schematically in FIG. 12 and comprises two symmetrical crystal elements 45 which each have the longitudinal piezoelectric effect.
  • the crystal elements 45 are aligned opposite sets in their polarization and separated along the transverse axis.
  • An angular acceleration around the transverse axis se generates a loading force K on one of the crystal elements 45 and a relieving force K on the other crystal element 45 of the measuring element 41.
  • Polarization charges are generated on the surfaces perpendicular to the longitudinal axis X when the acceleration is present.
  • the measuring element 41 for determining an acceleration component My about the transverse axis is shown schematically in FIG. 12.
  • a measuring element 41 for determining an acceleration component Mz about the vertical axis Z is shown schematically in FIG. 13 and comprises two symmetrical crystal elements 45 which each have the longitudinal piezoelectric effect.
  • the crystal elements 45 are oppositely aligned in their polarization and separated along the vertical axis Z ent.
  • An angular acceleration about the vertical axis Z generates a loading force K on one of the crystal elements 45 and a relieving force K on the other crystal element 45 of the measuring element 41. Due to the opposite orientation, polarization charges of the same type on the first surface 42 of the measuring element 41 and polarization charges of the opposite type on the second surface 43 of the measuring element 41 can also be tapped when an acceleration is present.
  • a measuring element 41 for determining an acceleration component Mx about the longitudinal axis XZ is shown schematically in FIG. 14 and comprises at least two symmetrical crystal elements 45 which each have the longitudinal piezoelectric thrust effect.
  • the crystal elements 45 are largely tangential to their polarization about the longitudinal axis X, ie along the direction of rotation about the longitudinal axis X, aligned.
  • An angular acceleration about the longitudinal axis X generates a thrust along the direction of rotation about the longitudinal axis X between the first surface 42 and the second surface 43 of the measuring element 41, each crystal element 45 experiencing a thrust largely along its polarization direction.
  • Polarization charges are generated on the surfaces perpendicular to the longitudinal axis X when there is an angular acceleration around the longitudinal axis X. Due to the alignment along the direction of rotation about the longitudinal axis X, polarization charges of the same type on the first surface 42 of the measuring element 41 and polarization charges of the same type on the second surface 43 of the measuring element 41 can also be tapped when acceleration is present.
  • the acceleration sensor 1 advantageously has a compensation device for temperature compensation.
  • the temperature-dependent linear expansion along the longitudinal axis X of the prestressing arrangement 3 and the measuring elements 41 differs because the linear expansion coefficient of the metallic prestressing arrangement 3 is generally greater than the linear expansion coefficient of the measuring elements 41 Vorspannanord voltage 3 exerts on the measuring elements 41.
  • a change in the Clamping force changes the sensitivity of the measuring elements 41.
  • the sensitivity is the relationship between the force K acting and the polarization charge generated. This is disadvantageous because the generated polarization charge is used to deduce the force K acting on the measuring elements 41 due to an acceleration Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz by means of the seismic mass 2.
  • the compensation device consists of the combination of the seismic mass 2 and the prestressing arrangement 3, the material of the seismic mass 2 and the prestressing arrangement 3 being selected so that the material of the seismic mass 2 has a greater coefficient of linear expansion than the material of the prestressing arrangement 3 .
  • the length of the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X is adapted in such a way that the combined length expansion of the measuring elements 41, electrodes 47, 48, insulating elements 49 and seismic mass 2 arranged along the length of the longitudinal axis X is equal to the length expansion of the prestressing arrangement 3 therein From section with respect to the longitudinal axis X is.
  • the pre-tensioning force of the measuring elements 41 remains largely constant.
  • a length compensation element (not shown) can also be arranged at a suitable point, for example between insulating element 49 and biasing arrangement 3.
  • the length compensation element is made of a material with a greater coefficient of linear expansion than the material of the pre-tensioning arrangement 3.
  • the expansion of the length compensation element along the vertical axis Z and the transverse axis Y is equal to the insulating element 49 and the thickness of the length compensation element along the longitudinal axis X is adapted so that the combined length expansion of the lengthwise Axis X arranged measuring elements 41, electrodes 47, 48, Iso lierimplantation 49, seismic mass 2 andCloudnaus somnsele element equal to the length extension of the prestressing arrangement 3 in this section with respect to the longitudinal axis X is.
  • the length and the choice of material of the seismic mass 2 is chosen such that the combined length expansion of the seismic mass 2 and the N piezoelectric measuring systems 4 and existing insulating elements 49 do not exceed 10% of the length expansion of the prestressing arrangement 3 deviates over a temperature range of at least 50 K in the direction of the longitudinal axis X.
  • FIG. 1 A further embodiment of the acceleration sensor 1 is shown in FIG.
  • My, Mz are, for example, an acceleration component each Tx, Ty, Tz along the longitudinal axis X, the transverse axis Y and the vertical axis Z, as well as an acceleration component each Mx, My, Mz around the longitudinal axis X, around the transverse axis Y and around the vertical axis Z.

Abstract

The invention relates to an acceleration sensor (1), wherein the acceleration sensor (1) has a seismic mass (2), a prestressing arrangement (3) and a measurement system (4); which seismic mass (2) exerts a force on the measurement system (4) in the event of an acceleration; wherein a longitudinal axis (X) runs centrally through the centre of the seismic mass (2); which measurement system (4) has two piezoelectric measurement elements (41) which are spatially spaced apart; which measurement elements (41) are arranged on both sides of the seismic mass (2) with respect to the longitudinal axis (X); which measurement elements (41) have surfaces; wherein an acceleration generates electrical polarization charges on the surfaces, wherein the acceleration sensor (1) has a number N of measurement systems (4); wherein the seismic mass (2) has a number N+1 of partial masses (21), which partial masses (21) are electrically insulated from one another; and wherein the number corresponds to N=3, 4, 5 or 6.

Description

Beschleunigungsaufnehmer Accelerometer
Technisches Gebiet Technical area
[0001] Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Be schleunigungsaufnehmer gemäss der Definition des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs. The invention relates to a piezoelectric acceleration sensor according to the definition of the preamble of the independent claim.
Stand der Technik State of the art
[0002] Eine Beschleunigung ist eine gerichtete physikali sche Grösse. Ein Beschleunigungsaufnehmer nimmt eine Be schleunigungskomponente auf, welche der durch die Ausrichtung des Beschleunigungsaufnehmers gegebenen Komponente der Be schleunigung entspricht. An acceleration is a directed physical quantity. An accelerometer picks up an acceleration component which corresponds to the acceleration component given by the orientation of the accelerometer.
[0003] Ein Beschleunigungsaufnehmer ist aus der Schrift W017093100A1 bekannt. Der Beschleunigungsaufnehmer weist ein piezoelektrisches System, eine seismische Masse und eine Vor spannanordnung auf. Bei Beschleunigung übt die seismische Masse eine ihrer Beschleunigung proportionale Kraft auf das piezoelektrische System aus, welche Kraft im piezoelektri schen System piezoelektrische Polarisationsladungen erzeugt. Die piezoelektrischen Polarisationsladungen sind als Be schleunigungssignale elektrisch abgreifbar. Die seismische Masse weist zwei Masseelemente auf, an denen die elektrischen Polarisationsladungen abgreifbar sind. Der Beschleunigungs aufnehmer ist eingerichtet die Beschleunigung entlang einer vorgegebenen Raumrichtung aufzunehmen. Liegt eine Beschleuni gung entlang einer anderen Raumrichtung vor, so ermittelt der Beschleunigungsaufnehmer nur die Beschleunigungskomponente entlang der vorgegebenen Raumrichtung. [0004] Beschleunigungsaufnehmer nehmen mindestens eine Be schleunigungskomponente einer Beschleunigung entlang einer Raumachse oder um eine Raumachse auf. Eine Beschleunigungs komponente entspricht dabei einer Beschleunigung entlang ei ner Raumachse eines kartesischen Koordinatensystems oder ei ner Winkelbeschleunigung um eine Raumachse. Der Beschleuni gungsaufnehmer weist dafür ein piezoelektrisches Messsystem auf, welches idealerweise eine Sensitivität auf die zu ermit telnde Beschleunigungskomponenten aufweist, auf andere Be schleunigungskomponenten jedoch nicht sensitiv ist. Die Aus richtung der Raumachse ist durch die Eigenschaften und die Ausrichtung des piezoelektrischen Messsystems gegeben. An accelerometer is known from the document W017093100A1. The accelerometer has a piezoelectric system, a seismic mass and a pre-tensioning arrangement. When accelerating, the seismic mass exerts a force proportional to its acceleration on the piezoelectric system, which force generates piezoelectric polarization charges in the piezoelectric system's rule. The piezoelectric polarization charges can be tapped electrically as acceleration signals. The seismic mass has two mass elements from which the electrical polarization charges can be tapped. The acceleration sensor is set up to record the acceleration along a predetermined spatial direction. If there is an acceleration along a different spatial direction, the accelerometer only determines the acceleration component along the specified spatial direction. Accelerometers record at least one acceleration component of an acceleration along a spatial axis or around a spatial axis. An acceleration component corresponds to an acceleration along a spatial axis of a Cartesian coordinate system or an angular acceleration about a spatial axis. For this purpose, the acceleration sensor has a piezoelectric measuring system, which ideally has a sensitivity to the acceleration components to be determined, but is not sensitive to other acceleration components. The direction of the spatial axis is given by the properties and the alignment of the piezoelectric measuring system.
[0005] Piezoelektrische Kristalle werden im Allgemeinen entlang einer Achse des Kristalls geschnitten, so dass piezo elektrische Messelemente, welche mindestens einen piezoe lektrischen Kristall aufweisen, durch den piezoelektrischen Effekt eine Sensitivität auf eine entlang einer bestimmten Richtung wirkenden Kraft aufweisen. Es wird hierbei, analog zum Lehrbuch "Piezoelektrische Messtechnik"' von G. Gautschi, Springer-Verlag 1980, zwischen vier Arten des piezoelektri schen Effekts unterschieden: Dem longitudinalen piezoelektri schen Effekt, bei dem eine senkrecht auf eine erste Oberflä che und eine zweite Oberfläche des piezoelektrischen Messele ments wirkende Kraft eine elektrische Polarisationsladung, kurz Polarisationsladungen, auf der ersten Oberfläche und ei ne Polarisationsladung auf der zweiten Oberfläche erzeugt; dem transversalen piezoelektrischen Effekt, bei dem eine senkrecht auf eine erste Oberfläche und eine zweite Oberflä che des piezoelektrischen Messelements wirkende Kraft Polari sationsladung auf Oberflächen des piezoelektrischen Messele ments erzeugt, welche senkrecht zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche sind; dem piezoelektrischen longitudi nalen Schubeffekt, bei welchem eine parallel zur erste Ober fläche zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Ober fläche wirkende Schubkraft Polarisationsladungen auf der ers ten Oberfläche und Polarisationsladungen auf der zweiten Oberfläche erzeugt; und dem piezoelektrischen transversalen Schubeffekt, bei welchem eine parallel zur erste Oberfläche zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche wirkende Schubkraft Polarisationsladungen auf Oberflächen des piezoelektrischen Messelements erzeugt, welche senkrecht zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche sind. Trans versaler und longitudinaler piezoelektrischer Schubeffekt wird oftmals auch als transversaler und longitudinaler piezo elektrischer Schereffekt bezeichnet. Piezoelectric crystals are generally cut along an axis of the crystal, so that piezoelectric measuring elements, which have at least one piezoelectric crystal, have a sensitivity to a force acting along a certain direction due to the piezoelectric effect. A distinction is made between four types of piezoelectric effect, analogous to the textbook "Piezoelectric Messtechnik"'by G. Gautschi, Springer-Verlag 1980: The longitudinal piezoelectric effect, in which one perpendicular to a first surface and a second surface the force acting on the piezoelectric Messele element generates an electrical polarization charge, or polarization charges for short, on the first surface and a polarization charge on the second surface; the transverse piezoelectric effect, in which a force acting perpendicular to a first surface and a second surface of the piezoelectric measuring element generates polarization charge on surfaces of the piezoelectric measuring element which are perpendicular to the first surface and the second surface; the piezoelectric longitudinal thrust effect, in which a thrust force acting parallel to the first upper surface between the first surface and the second upper surface generates polarization charges on the first surface and polarization charges on the second surface; and the piezoelectric transverse thrust effect, in which a thrust force acting parallel to the first surface between the first surface and the second surface generates polarization charges on surfaces of the piezoelectric measuring element which are perpendicular to the first surface and the second surface. The transversal and longitudinal piezoelectric shear effect is often referred to as the transversal and longitudinal piezoelectric shear effect.
[0006] Sind piezoelektrische Messelemente in einem Be schleunigungsaufnehmer gegen eine seismische Masse mittels einer Vorspanneinrichtung vorgespannt, so ist meist ein Mes selement mit einem Schubeffekt verwendet, da so eine Änderung in der Grösse der Vorspannung keine Polarisationsladung gene riert, welche fälschlicherweise einer Beschleunigung zuge schrieben würde. Eine Änderung der Vorspannung kann bei spielsweise durch eine Änderung der Temperatur des Beschleu nigungsaufnehmers oder des Umgebungsdrucks hervorgerufen wer den. If piezoelectric measuring elements in an acceleration sensor are biased against a seismic mass by means of a pretensioning device, a measuring element with a thrust effect is usually used, since a change in the magnitude of the bias does not generate a polarization charge which is incorrectly attributed to an acceleration would. A change in the preload can, for example, be caused by a change in the temperature of the acceleration sensor or the ambient pressure.
[0007] Sollen mehrere Beschleunigungskomponenten aufgenom men werden, beispielsweise alle drei möglichen Beschleuni gungskomponenten einer linearen Beschleunigung, so sind im Allgemeinen wegen der Vorteile bei der Verwendung von Mes selementen mit piezoelektrischem Schubeffekt mehrere Be schleunigungsaufnehmer mit piezoelektrischen Messelementen mit Schubeffekt senkrecht zueinander angeordnet, wobei jedes eine eigene seismische Masse aufweist. Die Anordnung mit meh reren separaten Beschleunigungsaufnehmern erfordert viel Raum. Des Weiteren muss jeder Beschleunigungsaufnehmer mit einem eigenen Kabel kontaktiert werden, was aufwändig ist. ist. Unter einer linearen Beschleunigung wird in diesem Doku ment eine Beschleunigung verstanden, welche entlang einer Achse in einem kartesischen Koordinatensystem wirkt ohne eine Richtungsänderung hervorzurufen. If several acceleration components are to be recorded, for example all three possible acceleration components of a linear acceleration, there are generally several acceleration sensors with piezoelectric measuring elements because of the advantages of using measuring elements with a piezoelectric thrust effect arranged perpendicular to one another with a thrust effect, each having its own seismic mass. The arrangement with several separate accelerometers requires a lot of space. Furthermore, each accelerometer has to be contacted with its own cable, which is complex. is. In this document, a linear acceleration is understood to mean an acceleration which acts along an axis in a Cartesian coordinate system without causing a change in direction.
[0008] Eine Aufgabe der Erfindung ist es einen platzspa renden Beschleunigungsaufnehmer bereitzustellen, welcher ein gerichtet ist mindestens drei Beschleunigungskomponenten ei ner Beschleunigung separat zu erfassen. An object of the invention is to provide a space-saving accelerometer which is directed to separately detect at least three acceleration components of an acceleration.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
[0009] Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängi gen Ansprüche gelöst. The object is achieved by the features of the independent claims.
[0010] Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsaufneh mer wobei der Beschleunigungsaufnehmer eine seismische Masse, eine Vorspannanordnung und ein Messsystem aufweist; welche seismische Masse bei einer Beschleunigung eine Kraft auf das Messsystem ausübt; wobei eine Längsachse zentral durch die Mitte der seismischen Masse verläuft; welches Messsystem zwei räumlich beabstandete piezoelektrische Messelemente aufweist; welche Messelemente bezüglich der Längsachse beidseitig der seismischen Masse angeordnet sind; welche Messelemente Ober flächen aufweisen; wobei eine Beschleunigung auf den Oberflä chen elektrische Polarisationsladungen generiert; wobei der Beschleunigungsaufnehmer eine Anzahl N Messsysteme aufweist; wobei die seismische Masse eine Anzahl N+l Teilmassen auf- weist, welche Teilmassen elektrisch voneinander isoliert sind; und wobei die Anzahl N=3,4,5, oder 6 entspricht. The invention relates to an accelerometer, the accelerometer having a seismic mass, a prestressing arrangement and a measuring system; which seismic mass exerts a force on the measuring system during acceleration; a longitudinal axis running centrally through the center of the seismic mass; which measuring system has two spatially spaced apart piezoelectric measuring elements; which measuring elements are arranged on both sides of the seismic mass with respect to the longitudinal axis; which measuring elements have surfaces; wherein an acceleration on the surfaces generates electrical polarization charges; wherein the accelerometer has a number N measuring systems; where the seismic mass has a number of N + 1 partial masses has which partial masses are electrically isolated from one another; and where the number corresponds to N = 3, 4, 5, or 6.
[0011] Der Beschleunigungsaufnehmer ist vorzugsweise ein gerichtet die Beschleunigung in einer Anzahl N=3,4,5, oder 6 Beschleunigungskomponenten zu bestimmen; wobei eine Beschleu nigungskomponente eine Beschleunigung entlang einer Raumachse eines Kartesischen Koordinatensystems oder eine Winkelbe schleunigung um eine Raumachse ist; wobei Beschleunigungskom ponenten entlang mindestens drei orthogonaler Raumachsen er mittelbar sind; wobei die Längsachse eine der Raumachsen ist; wobei je eines der N Messsysteme auf eine der N Beschleuni gungskomponenten sensitiv ist. The accelerometer is preferably a directed to determine the acceleration in a number N = 3, 4, 5, or 6 acceleration components; wherein an acceleration component is an acceleration along a spatial axis of a Cartesian coordinate system or an angular acceleration about a spatial axis; acceleration components along at least three orthogonal spatial axes are indirect; wherein the longitudinal axis is one of the spatial axes; whereby one of the N measuring systems is sensitive to one of the N acceleration components.
[0012] In vorliegender Erfindung weist der Beschleuni gungsaufnehmer mindestens drei piezoelektrische Messelemente auf, welche je eine der mindestens drei Beschleunigungskompo nenten entlang der orthogonalen Raumachsen ermitteln. In the present invention, the acceleration sensor has at least three piezoelectric measuring elements which each determine one of the at least three acceleration components along the orthogonal spatial axes.
[0013] Die gleiche seismische Masse wirkt auf alle Mess systeme, wodurch der Beschleunigungsaufnehmer eine kleinere räumliche Ausdehnung aufweist als Beschleunigungsaufnehmer, in welchem für jedes Messsystem eine eigene seismische Masse verwendet ist. Der Beschleunigungsaufnehmer ist daher platz sparend und auch in Anwendungen einsetzbar, in denen wenig Raum für eine Installation des Beschleunigungsaufnehmers ver fügbar ist. The same seismic mass acts on all measuring systems, whereby the accelerometer has a smaller spatial extent than the accelerometer, in which a separate seismic mass is used for each measuring system. The accelerometer is therefore space-saving and can also be used in applications in which little space is available for installing the accelerometer.
[0014] Die Messsysteme sind mit einer Vorspannanordnung in Richtung der Längsachse des Beschleunigungsaufnehmers vorge spannt. Dies hat den Vorteil, dass die piezoelektrischen Mes selemente mit ihren jeweiligen Elektroden kraftschlüssig ver bunden sind, sodass sich keine Spalte bilden können und der elektrische und mechanische Kontakt zwischen Messelement und Elektrode auch bei Beschleunigung des Beschleunigungsaufneh mers bestehen bleibt. Die Elektroden sind Teil des Messsys tems. The measuring systems are prestressed with a prestressing arrangement in the direction of the longitudinal axis of the accelerometer. This has the advantage that the piezoelectric measuring elements are frictionally connected to their respective electrodes so that no gaps can form and the electrical and mechanical contact between the measuring element and the electrode is maintained even when the accelerometer is accelerated. The electrodes are part of the measuring system.
[0015] Ein Messelement ist auf eine Kraft entlang einer Raumachse oder um ein Drehmoment um eine Raumachse sensitiv, welche die seismische Masse auf Grund einer Beschleunigungs komponente entlang einer Raumachse eines Kartesischen Koordi natensystems oder auf Grund einer Winkelbeschleunigungskompo nente um eine Raumachse auf das Messelement ausübt. A measuring element is sensitive to a force along a spatial axis or to a torque about a spatial axis which the seismic mass exerts on the measuring element due to an acceleration component along a spatial axis of a Cartesian coordinate system or due to an angular acceleration component about a spatial axis .
[0016] Durch die Vorspannung der Messelemente sind neben der Druckkraft sowohl eine Schubkraft als auch eine Zugkraft durch ein Messelement bestimmbar. Eine Druckkraft beauf schlagt dabei das Messelement mit einer Kraft, eine Zugkraft entlastet das Messelement mit einer Kraft. Liegt eine Be schleunigung entlang der Längsachse vor, so sind Messelemente auf einer Seite der seismischen Masse mit einer Kraft ent sprechend der Beschleunigung beaufschlagt, während die Mes selemente, welche auf der anderen Seite der seismischen Masse angeordnet sind mit derselben Kraft entlastet sind. Messele mente eines Messsystems sind so elektrisch verbunden, dass die jeweiligen erzeugten Polarisationsladungen auf einer ers ten Oberfläche und der zweiten Oberfläche das gleiche Vorzei chen haben, sich also addieren. Im Fall von Messelementen, welche auf eine Beschleunigung entlang der Längsachse oder auf eine Winkelbeschleunigung um die Querachse oder um die Vertikalachse sensitiv sind, bedeutet dies, dass die Messele mente auf einer Seite der seismischen Masse eine Polarisati onsrichtung bezüglich der Längsachse entgegengesetzt zu den Messelementen auf der anderen Seite der seismischen Masse aufweisen. Die Messelemente sind also Spiegelsymmetrisch be züglich der Ebene aus Querachse und Längsachse um die seismi sche Masse angeordnet. As a result of the bias of the measuring elements, in addition to the compressive force, both a pushing force and a tensile force can be determined by a measuring element. A compressive force acts on the measuring element with a force, a tensile force relieves the measuring element with a force. If there is acceleration along the longitudinal axis, the measuring elements on one side of the seismic mass are acted upon with a force corresponding to the acceleration, while the measuring elements, which are arranged on the other side of the seismic mass, are relieved with the same force. Measuring elements of a measuring system are electrically connected in such a way that the respective polarization charges generated on a first surface and on the second surface have the same sign, i.e. add up. In the case of measuring elements which are sensitive to acceleration along the longitudinal axis or to angular acceleration around the transverse axis or around the vertical axis, this means that the measuring elements on one side of the seismic mass have a polarization direction opposite to the measuring elements with respect to the longitudinal axis the other side of the seismic mass exhibit. The measuring elements are thus arranged mirror-symmetrically with respect to the plane of the transverse axis and the longitudinal axis around the seismic mass.
[0017] Diese Anordnung hat auch den Vorteil, dass eine Än derung der Vorspannung, welche Messelemente beidseits der seismischen Masse bezüglich der Längsachse gleichermassen be lastet oder entlastet, eine Aufhebung der dadurch erzeugten Polarisationsladungen bewirkt. Eine Änderung der Vorspannung kann beispielsweise durch eine Temperaturänderung des Be schleunigungsaufnehmers hervorgerufen sein. This arrangement also has the advantage that a change in the bias voltage, which loads or relieves the measuring elements on both sides of the seismic mass with respect to the longitudinal axis, causes the polarization charges generated thereby to be eliminated. A change in the preload can be caused, for example, by a change in temperature of the acceleration sensor.
[0018] Durch die Verwendung einer gemeinsamen Vorspannano rdnung für alle mindestens drei Messsysteme weist der Be schleunigungsaufnehmer zudem eine kleinere räumliche Ausdeh nung auf als ein Beschleunigungsaufnehmer, in welchem für je des Messsystem eine eigene Vorspannanordnung vorgesehen ist. By using a common biasing arrangement for all at least three measuring systems, the acceleration sensor also has a smaller spatial extent than an acceleration sensor in which a separate biasing arrangement is provided for each of the measuring systems.
[0019] Es werden alle Polarisationsladungen der Messele mente abgegriffen, wodurch auf Grund der betragsmässig glei chen Grösse mit entgegengesetzten Vorzeichen der Polarisati onsladung auf der ersten Oberfläche und der Polarisationsla dung auf der zweiten Oberfläche eine Prüfung der Konsistenz der erfassten Beschleunigung möglich ist. All polarization charges of the measuring elements are tapped, which makes it possible to check the consistency of the detected acceleration due to the same magnitude with opposite signs of the polarization charge on the first surface and the polarization charge on the second surface.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
[0020] Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Beizug der Figuren näher erklärt. Es zeigen In the following, the invention is explained in more detail by way of example with reference to the figures. Show it
Fig. 1 eine Teilansicht einer Ausführungsform des Be schleunigungsaufnehmers, Fig. 1 is a partial view of an embodiment of the acceleration sensor loading,
Fig. 2 eine weitere Teilansicht der Ausführungsform ausFIG. 2 shows a further partial view of the embodiment from FIG
Fig. 1, Fig. 3 eine weitere Teilansicht der Ausführungsform ausFig. 1, FIG. 3 shows a further partial view of the embodiment from FIG
Fig. 1, Fig. 1,
Fig. 4 eine schematische Teilansicht der Ausführungsform des Beschleunigungsaufnehmers aus Fig. 1, FIG. 4 shows a schematic partial view of the embodiment of the acceleration sensor from FIG. 1,
Fig. 5 eine Teilansicht einer ersten Elektrode, Steg undFig. 5 is a partial view of a first electrode, web and
Kontaktelement zur Verwendung in der Ausführungsform aus Fig. 1, Contact element for use in the embodiment from FIG. 1,
Fig. 6 eine Teilansicht zweiten Elektrode, Stegen und Kon taktelement zur Verwendung in der Ausführungsform aus Fig. 1, Fig. 6 is a partial view of the second electrode, webs and con tact element for use in the embodiment of Fig. 1,
Fig. 7 eine Teilansicht einer zweiten Elektrode, Steg und Kontaktelement zur Verwendung in der Ausführungsform aus Fig. 1 an einer Seite der seismischen Masse welche einer Leiterplatte zugewandt ist, 7 shows a partial view of a second electrode, web and contact element for use in the embodiment from FIG. 1 on one side of the seismic mass which faces a printed circuit board,
Fig. 8 eine Teilansicht einer ersten Elektrode, Steg undFig. 8 is a partial view of a first electrode, web and
Kontaktelement zur Verwendung in der Ausführungsform aus Fig. 1 an einer Seite der seismischen Masse welche einer Leiterplatte zugewandt ist, Contact element for use in the embodiment from FIG. 1 on one side of the seismic mass which faces a printed circuit board,
Fig. 9 eine schematische Ansicht eines Messelements,9 shows a schematic view of a measuring element,
Fig. 10 eine schematische Ansicht eines weiteren Messele ments, Fig. 10 is a schematic view of a further Messele element,
Fig. 11 eine schematische Ansicht eines weiteren Messele ments, 11 is a schematic view of a further measuring element,
Fig. 12 eine schematische Ansicht eines weiteren Messele ments, Fig. 13 eine schematische Ansicht eines weiteren Messele ments, 12 is a schematic view of a further measuring element, 13 shows a schematic view of a further measuring element,
Fig. 14 eine schematische Ansicht eines weiteren Messele ments, 14 shows a schematic view of a further measuring element,
Fig. 15 eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsform des Beschleunigungsaufnehmers , 15 shows a partial view of a further embodiment of the acceleration sensor,
Fig. 16 eine Teilansicht der Ausführungsform des Beschleu nigungsaufnehmers aus Fig. 15. FIG. 16 shows a partial view of the embodiment of the acceleration sensor from FIG. 15.
Wege zur Ausführung der Erfindung Ways of Carrying Out the Invention
[0021] Fig. 1 zeigt einen Schnitt entlang der Längsachse X und einer Vertikalachse Z durch einen Teil einer Ausführungs form des Beschleunigungsaufnehmers 1. Der Beschleunigungsauf nehmer 1 ist eingerichtet die Beschleunigung in einer Anzahl N Beschleunigungskomponenten Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz zu be stimmen, wobei beispielhaft ein Beschleunigungsaufnehmer 1 dargestellt ist, welcher eingerichtet ist drei Beschleuni gungskomponenten Tx, Ty, Tz zu erfassen, bei dem also die An zahl der aufzunehmenden Beschleunigungskomponenten Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz N=3 ist. Andere Ausführungsformen des Be schleunigungsaufnehmers 1 sind eingerichtet N=3,4,5, oder 6 Beschleunigungskomponenten zu erfassen. Eine Beschleunigungs komponente Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz ist eine Beschleunigung entlang einer Raumachse eines kartesischen Koordinatensys tems, oder eine Winkelbeschleunigung um eine Raumachse. Die Längsachse X ist eine dieser Raumachsen. Weitere Raumachsen sind Querachse Y und Vertikalachse Z. [0022] Der Beschleunigungsaufnehmer 1 in Fig. 1 weist eine seismische Masse 2, eine Vorspannanordnung 3 und beispielhaft N=3 Messsysteme 4 auf, welche Messsysteme 4 jeweils zwei räumlich beabstandete piezoelektrische Messelemente 41 auf weisen. Je eines der N Messsysteme 4 ist auf eine der N Be schleunigungskomponenten Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz sensitiv. Fig. 1 shows a section along the longitudinal axis X and a vertical axis Z through part of an embodiment of the accelerometer 1. The accelerometer 1 is set up the acceleration in a number N acceleration components Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz to be determined, an accelerometer 1 being shown as an example, which is set up to detect three acceleration components Tx, Ty, Tz, in which the number of acceleration components Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz N = 3 to be recorded is. Other embodiments of the acceleration sensor 1 are set up to detect N = 3, 4, 5, or 6 acceleration components. An acceleration component Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz is an acceleration along a spatial axis of a Cartesian coordinate system, or an angular acceleration around a spatial axis. The longitudinal axis X is one of these spatial axes. Further spatial axes are the transverse axis Y and the vertical axis Z. The accelerometer 1 in FIG. 1 has a seismic mass 2, a prestressing arrangement 3 and, for example, N = 3 measuring systems 4, which measuring systems 4 each have two spatially spaced piezoelectric measuring elements 41. One of the N measuring systems 4 is sensitive to one of the N acceleration components Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz.
[0023] Im Folgenden ist der Beschleunigungsaufnehmer 1 für N=3 beschrieben. Die Beschreibung ist jedoch auch für Ausfüh rungsformen des Beschleunigungsaufnehmers 1 gültig, welche auf eine Anzahl N=4,5, oder 6 Beschleunigungskomponen ten Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz sensitiv sind. Diese Ausführungs formen sind fallen auch unter die beschriebene Erfindung. The accelerometer 1 for N = 3 is described below. However, the description is also valid for embodiments of the accelerometer 1 which are sensitive to a number N = 4.5 or 6 acceleration components Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz. These forms of execution are also covered by the invention described.
[0024] Eine Querachse Y ist in der Explosionsansicht der Fig. 2 dargestellt. Fig. 2 zeigt einen Teil der Ausführungs form aus Fig. 1, wobei die Vorspannanordnung 3 der besseren Übersicht halber nicht dargestellt ist. Die Messelemente 41 sind zur besseren Übersicht beabstandet von der seismischen Masse 2 dargestellt. Längsachse X, Querachse Y und Verti kalachse Z bilden ein orthogonales Koordinatensystem. A transverse axis Y is shown in the exploded view of FIG. Fig. 2 shows part of the embodiment of Fig. 1, wherein the biasing arrangement 3 is not shown for the sake of clarity. The measuring elements 41 are shown at a distance from the seismic mass 2 for a better overview. Longitudinal axis X, transverse axis Y and vertical axis Z form an orthogonal coordinate system.
[0025] Die seismische Masse 2 ist bevorzugt zylinderförmig entlang der Längsachse X ausgeführt und weist eine Anzahl N+l, in der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform vier, Teilmassen 21 auf. Die Längsachse X verläuft zentral durch die Mitte der seismischen Masse 2. Die Teilmassen 21 erstre cken sich entlang der Längsachse X von einer Stirnfläche 24 der zylinderförmigen seismischen Masse 2 zu einer anderen Stirnfläche 24 der seismischen Masse 2. Die Teilmassen 21 ha ben demnach je zwei Stirnflächen, welche jeweils einen Teil der Stirnfläche 24 der seismischen Masse 2 bilden und welche weitgehend parallel zueinander ausgerichtet und entlang der Längsachse X beabstandet sind. In der dargestellten Ausfüh rungsform aus Fig. 1 und Fig. 2 haben die Teilmassen 21 in einem Schnitt entlang der Querachse Y und der Vertikalachse Z die Form eines Kreissegmentes, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Kreissegmente sind voneinander beabstandet. Fig 3 zeigt eine weitere Teilansicht der Ausführungsform des Beschleunigungs aufnehmers 1 aus Fig. 1. The seismic mass 2 is preferably designed to be cylindrical along the longitudinal axis X and has a number N + 1, four partial masses 21 in the embodiment shown in FIG. The longitudinal axis X runs centrally through the center of the seismic mass 2. The partial masses 21 extend along the longitudinal axis X from one end face 24 of the cylindrical seismic mass 2 to another end face 24 of the seismic mass 2. The partial masses 21 accordingly have two each End faces, which each form part of the end face 24 of the seismic mass 2 and which are largely aligned parallel to one another and along the Longitudinal axis X are spaced. In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the partial masses 21 have the shape of a segment of a circle in a section along the transverse axis Y and the vertical axis Z, as shown in FIG. The circle segments are spaced from one another. FIG. 3 shows a further partial view of the embodiment of the acceleration sensor 1 from FIG. 1.
[0026] Die Teilmassen 21 sind durch einen Isolator 22 elektrisch voneinander isoliert. Der Isolator 22 ist zwischen den Teilmassen 21 angeordnet. Zwischen den Teilmassen 21 ist als Isolator 22 ein elektrisch isolierendes Material angeord net, beispielsweise Kapton, Teflon, PVC, Polyethylen, Polyp ropylen, Gummi, Luft, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Glas, Stickstoff, elektrisch isolierende Gasgemische oder Edelgase oder ähnliche Materialien. Auch Vakuum ist als Isolator 22 möglich. The partial masses 21 are electrically isolated from one another by an insulator 22. The insulator 22 is arranged between the partial masses 21. Between the partial masses 21 an electrically insulating material is angeord net as an insulator 22, for example Kapton, Teflon, PVC, polyethylene, polypropylene, rubber, air, aluminum oxide, silicon oxide, glass, nitrogen, electrically insulating gas mixtures or noble gases or similar materials. Vacuum is also possible as an insulator 22.
[0027] Der spezifische Widerstand des Isolators 22 beträgt mindestens 109 W mm2 / m (Q=Ohm, mm=Millimeter, m=Meter). So ist gewährleistet, dass die einzelnen Teilmassen 21 zur Lei tung von Polarisationsladungen verwendet werden können, ohne dass die Polarisationsladungen auf eine andere Teilmasse 21 abfliessen können. The specific resistance of the insulator 22 is at least 10 9 W mm 2 / m (Q = ohms, mm = millimeters, m = meters). This ensures that the individual partial masses 21 can be used to conduct polarization charges without the polarization charges being able to flow off to another partial mass 21.
[0028] Die Teilmasse 21 ist bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Reinmetall oder einer Metalllegierung ausgeführt. The partial mass 21 is preferably made of an electrically conductive pure metal or a metal alloy.
[0029] Der Isolator 22 weist bevorzugt ein Elastizitätsmo dul von mindestens 100 GPa (GPa=109 Pascal) und ein Schubmo dul von mindestens 50 GPa auf. Der Isolator 22 ist mit den Teilmassen 21 stoffschlüssig oder kraftschlüssig verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die ohnehin durch die Vorspann- kraft relativ gegeneinander starr angeordneten Teilmassen 21 sich auch bei extremen Beschleunigungen ausserhalb des durch die Höhe der Vorspannkraft definierten Beschleunigungsbe reichs nicht relativ zueinander bewegen können. The insulator 22 preferably has a modulus of elasticity of at least 100 GPa (GPa = 10 9 Pascal) and a shear modulus of at least 50 GPa. The insulator 22 is materially or non-positively connected to the partial masses 21. This has the advantage that the by virtue of partial masses 21 arranged rigidly relative to one another, even in the case of extreme accelerations outside the acceleration area defined by the amount of the pretensioning force, they cannot move relative to one another.
[0030] Ein Messsystem 4 ist eingerichtet eine Beschleuni gung Tx, Ty, Tz entlang einer Raumachse X, Y, Z oder eine Winkelbeschleunigung Mx, My, Mz um eine Raumachse X, Y, Z zu ermitteln. Dafür weist das Messsystem 4 zwei piezoelektrische Messelemente 41 auf, welche bezüglich der Längsachse X beid seitig der seismischen Masse 2 angeordnet sind. Zudem weist das Messsystem 4 erste Elektroden 47 und zweite Elektroden 48 auf, welche eingerichtet sind die bei einer Beschleunigung oder Winkelbeschleunigung des Beschleunigungsaufnehmers 1 auftretenden Polarisationsladungen eines Messelement 41 auf zunehmen. A measuring system 4 is set up to determine an acceleration Tx, Ty, Tz along a spatial axis X, Y, Z or an angular acceleration Mx, My, Mz about a spatial axis X, Y, Z. For this purpose, the measuring system 4 has two piezoelectric measuring elements 41, which are arranged on both sides of the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X. In addition, the measuring system 4 has first electrodes 47 and second electrodes 48, which are set up to absorb the polarization charges of a measuring element 41 that occur during an acceleration or angular acceleration of the accelerometer 1.
[0031] Die Messelemente 41 sind plattenförmig und paral lel zu den Stirnflächen 24 der seismischen Massen 2 angeord net. Die Messelemente 41 weisen jeweils eine erste Oberflä che 42 und eine zweite Oberfläche 43 auf. Die gegenüberlie genden grössten Flächen der plattenförmigen Messelemente 41 sind als erste Oberfläche 42 und als zweite Oberfläche 43 be zeichnet. Die erste Oberfläche 42 ist weitgehend parallel zur zweiten Oberfläche 43. Die erste Oberfläche 42 ist weitgehend parallel zur Querachse Y und weitgehend parallel zur Verti kalachse Z. Die Messelemente 41 weisen entlang der Querach se Y und der Vertikalachse Z eine Ausdehnung auf, welche gleich oder geringer als die Ausdehnung der Stirnflächen 24 der seismischen Masse 2 entlang der Querachse Y und der Ver tikalachse Z ist. Dadurch wirkt eine Kraft, welche die seis mische Masse 2 auf die Messelemente 41 ausübt, gleichmässig auf die gesamte erste oder zweite Oberfläche 42, 43 des Mess elements 41, was ein Brechen des Messelements 41 durch un- gleichmässige Krafteinwirkung verhindert. In einer Ebene ent lang der Querachse Y und der Vertikalachse Z weisen die Mess elemente 41 bevorzugt einen quadratischen oder achteckigen Querschnitt auf. Dies ermöglicht ein Stapeln mehrerer Mes selemente 41 bezüglich der Längsachse X derart, dass alle Kanten eines Messelements 41 mit allen entsprechenden Kanten der anderen Messelemente 41 in einer Ebene liegen. Dies er laubt eine gleichmässige Krafteinwirkung auf alle Messelemen te 41 des Stapels. The measuring elements 41 are plate-shaped and parallel to the end faces 24 of the seismic masses 2. The measuring elements 41 each have a first surface 42 and a second surface 43. The opposite largest areas of the plate-shaped measuring elements 41 are identified as the first surface 42 and the second surface 43. The first surface 42 is largely parallel to the second surface 43. The first surface 42 is largely parallel to the transverse axis Y and largely parallel to the vertical axis Z. The measuring elements 41 have an extension along the transverse axis Y and the vertical axis Z, which is equal to or less than the extent of the end faces 24 of the seismic mass 2 along the transverse axis Y and the vertical axis Z is Ver. As a result, a force which the seismic mass 2 exerts on the measuring elements 41 acts evenly on the entire first or second surface 42, 43 of the measuring element 41, which prevents the measuring element 41 from breaking due to the uneven application of force. In a plane along the transverse axis Y and the vertical axis Z, the measuring elements 41 preferably have a square or octagonal cross section. This enables a plurality of measuring elements 41 to be stacked with respect to the longitudinal axis X in such a way that all edges of a measuring element 41 lie in one plane with all corresponding edges of the other measuring elements 41. This he allows a uniform force on all Messelemen te 41 of the stack.
[0032] Selbstverständlich kann ein Messelement 41 in einer Ausführungsform des Beschleunigungsaufnehmers 1 auch einen anderen Querschnitt in der Ebene entlang der Querachse Y und der Vertikalachse Z aufweisen, beispielsweise einen kreisför migen Querschnitt. Of course, in one embodiment of the acceleration sensor 1, a measuring element 41 can also have a different cross section in the plane along the transverse axis Y and the vertical axis Z, for example a circular cross section.
[0033] Erfährt der Beschleunigungsaufnehmer 1 eine Be schleunigung, so wirkt auf Grund der Trägheit der seismischen Masse 2 eine der Beschleunigung proportionale Kraft K auf die Messelemente 41. Wirkt eine der Beschleunigung proportionale Kraft K auf ein Messelement 41, so wird auf der ersten Ober fläche 42 des Messelements 41 eine Polarisationsladung gene riert und auf der zweiten Oberfläche 43 desselben Messele ments 41 eine Polarisationsladung generiert. Die Polarisati onsladung der ersten Oberfläche 42 und der zweiten Oberflä che 43 weisen eine entgegengesetzte elektrische Polarität auf, eine Oberfläche weist eine positive Polarisationsladung auf und eine Oberfläche weist eine negative Polarisationsla dung auf. [0034] Die jeweils ersten Oberflächen 42 der Messelemen te 41 eines Messsystems 4 sind elektrisch leitend verbunden. Alle generierten Polarisationsladungen der ersten Oberflä chen 42 eines Messsystems 4 sind als Beschleunigungssignal abgreifbar. Da die Messelemente 41 eines Messsystems 4 beid seits der seismischen Masse 2 angeordnet sind, sind diese so elektrisch verbunden, dass, bei Wirkung einer Kraft K durch die seismische Masse 2 auf die das Messsystem 4 sensitiv ist, das Messelement 41 auf einer Seite der seismischen Masse 2 und das Messelement 41 auf der anderen Seite der seismischen Masse 2 die jeweiligen erzeugten Polarisationsladungen auf der ersten Oberfläche 42 der Messelemente 41 das gleiche Vor zeichen und auf der zweiten Oberfläche 43 der Messelemente 41 das gleiche Vorzeichen haben, sich also addieren. If the accelerometer 1 experiences an acceleration, then due to the inertia of the seismic mass 2, a force K proportional to the acceleration acts on the measuring elements 41. If a force K proportional to the acceleration acts on a measuring element 41, the first upper surface 42 of the measuring element 41 generates a polarization charge and generates a polarization charge on the second surface 43 of the same measuring element 41. The polarization charge of the first surface 42 and the second surface 43 have opposite electrical polarity, one surface has a positive polarization charge and one surface has a negative polarization charge. The respective first surfaces 42 of the measuring elements 41 of a measuring system 4 are connected in an electrically conductive manner. All polarization charges generated on the first surfaces 42 of a measuring system 4 can be tapped as an acceleration signal. Since the measuring elements 41 of a measuring system 4 are arranged on both sides of the seismic mass 2, they are electrically connected in such a way that, when a force K is acted by the seismic mass 2 on which the measuring system 4 is sensitive, the measuring element 41 on one side of the seismic mass Ground 2 and the measuring element 41 on the other side of the seismic mass 2, the respective polarization charges generated on the first surface 42 of the measuring elements 41 have the same sign and on the second surface 43 of the measuring elements 41 have the same sign, i.e. add up.
[0035] Es ist für jedes Messsystem 4 jeweils die erste Elektrode 47, welche in Kontakt mit der ersten Oberfläche 42 des Messelements 41 auf einer Seite der seismischen Masse 2 bezüglich der Längsachse X ist, mit der ersten Elektrode 47 elektrisch leitend verbunden, welche in Kontakt mit der ers ten Oberfläche 42 des Messelements 41 auf anderen Seite der seismischen Masse 2 ist. Die ersten Elektroden 47 und die zweiten Elektroden 48 sind Teil des Messsystems 4. For each measuring system 4, the first electrode 47, which is in contact with the first surface 42 of the measuring element 41 on one side of the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X, is electrically conductively connected to the first electrode 47, which is shown in FIG Contact with the first surface 42 of the measuring element 41 on the other side of the seismic mass 2 is. The first electrodes 47 and the second electrodes 48 are part of the measuring system 4.
[0036] Die ersten Elektroden 47 sind jeweils über einen Steg 44 mit einem Kontaktelement 46 verbunden. Das Kontakte lement 46 ist in elektrisch leitenden und mechanischen Kon takt mit einer der N+l Teilmassen 21 der seismischen Masse 2. Steg 44, Kontaktelement 46 und Elektrode sind vorteilhafter weise einstückig ausgeführt. Der Steg 44 ragt seitlich bezüg lich der Querachse Y über den Querschnitt der Messelemente 41 hinaus und ist dort in Richtung der seismischen Masse 2 ent- lang der Längsachse X umgebogen, erstreckt sich bis zur nächsten Stirnfläche 24 der seismischen Masse 2, und ist zum Kontaktelement 46 hingebogen, wie aus Fig. 2 ersichtlich.The first electrodes 47 are each connected to a contact element 46 via a web 44. The contact element 46 is in electrically conductive and mechanical contact with one of the N + 1 partial masses 21 of the seismic mass 2. Web 44, contact element 46 and electrode are advantageously made in one piece. The web 44 protrudes laterally with respect to the transverse axis Y beyond the cross section of the measuring elements 41 and is located there in the direction of the seismic mass 2. bent long along the longitudinal axis X, extends to the next end face 24 of the seismic mass 2, and is bent towards the contact element 46, as can be seen from FIG. 2.
Fig. 4 zeigt schematisch die Elektroden, die Stege 44, die Kontaktelemente 46 und die Teilmassen 21. 4 schematically shows the electrodes, the webs 44, the contact elements 46 and the partial masses 21.
[0037] Das mit einer der ersten Elektrode 47 elektrisch leitend verbundene Kontaktelement 46 kontaktiert genau eine Teilmasse 21 und ist elektrisch isoliert zu allen anderen Teilmassen 21 der seismischen Masse 2. Dafür weist das Kon taktelement 46 entlang der Querachse Y und der Vertikalach se Z bevorzugt einen Querschnitt auf, welcher mindestens der Schnittfläche zwischen Querschnitt der Teilmasse 21 in dieser Ebene und des Messelements 41 in dieser Ebene entspricht. Ei ne Ausführungsform eines Kontaktelements 46, eines Steges 44 und einer ersten Elektrode 47 ist in Fig. 5 gezeigt. The electrically conductively connected to one of the first electrode 47 contact element 46 contacts exactly one partial mass 21 and is electrically isolated from all other partial masses 21 of the seismic mass 2. For this, the contact element 46 along the transverse axis Y and the vertical axis Z is preferred a cross section which corresponds at least to the intersection between the cross section of the partial mass 21 in this plane and of the measuring element 41 in this plane. An embodiment of a contact element 46, a web 44 and a first electrode 47 is shown in FIG.
[0038] Die erste Oberfläche 42 eines Messelements 41 auf einer Seite der seismischen Masse 2 ist, wie in Fig. 4 sche matisch gezeigt, also über die Elektrode 47, 48 , welche im elektrischen Kontakt mit der ersten Oberfläche 42 ist, den Steg 44, das Kontaktelement 46 mit einer Teilmasse 21 elektrisch leitend verbunden. Die erste Oberfläche 42 eines Messelements 41 auf einer anderen Seite der seismischen Mas se 2 ist über die Elektrode 47, 48, welche im elektrischen Kontakt mit der ersten Oberfläche 42 ist, den Steg 44, das Kontaktelement 46 mit derselben Teilmasse 21 elektrisch lei tend verbunden, mit der die erste Oberfläche 42 des Messele ments 41 auf der einen Seite der seismischen Masse 2 verbun den ist. Die generierte Polarisationsladung der ersten Ober flächen 42 der Messelemente 41 jeweils eines der N Messsysteme 4 ist so an jeweils einer der N+l Teilmassen 21 als Beschleunigungssignal abgreifbar. The first surface 42 of a measuring element 41 on one side of the seismic mass 2 is, as shown schematically in FIG. 4, that is, the web 44 via the electrode 47, 48, which is in electrical contact with the first surface 42 , the contact element 46 is electrically conductively connected to a partial mass 21. The first surface 42 of a measuring element 41 on another side of the seismic mass 2 is electrically connected via the electrode 47, 48, which is in electrical contact with the first surface 42, the web 44, the contact element 46 with the same partial mass 21 , with which the first surface 42 of the Messele element 41 on one side of the seismic mass 2 is connected. The generated polarization charge of the first upper surfaces 42 of the measuring elements 41 in each case one of the N measuring systems 4 can thus be tapped off as an acceleration signal at each one of the N + 1 partial masses 21.
[0039] Bevorzugt sind die jeweils zweiten Oberflächen 43 der Messelemente 41 aller Messsysteme 4 untereinander elektrisch leitend verbunden. Alle generierten Polarisations ladungen der zweiten Oberflächen 43 aller Messsysteme 4 sind als Summe der Polarisationsladungen abgreifbar. Die zweite Elektrode 48 des Messsystems 4 ist in elektrisch leitenden Kontakt mit der zweiten Oberfläche 43 eines Messelements 41 eines Messsystems 4. Die zweiten Elektroden 48, welche in Kontakt mit der zweiten Oberfläche 43 des Messelements 41 auf einer Seite der seismischen Masse 2 bezüglich der Längsachse X sind, sind mit den zweiten Elektroden 48 der Messelemen te 41 aller Messsysteme 4 auf derselben Seite der seismischen Masse 2 und mit allen zweiten Elektroden 48 auf der anderen Seite der seismischen Masse 2 elektrisch leitend verbunden. Die Elektroden sind aus einem elektrisch leitenden Material plattenförmig und im Wesentlichen mit dem gleichen oder grös seren Querschnitt bezüglich der Querachse Y und der Verti kalachse Z wie das Messelement 41 ausgestaltet. The respective second surfaces 43 of the measuring elements 41 of all measuring systems 4 are preferably connected to one another in an electrically conductive manner. All polarization charges generated on the second surfaces 43 of all measuring systems 4 can be tapped off as the sum of the polarization charges. The second electrode 48 of the measuring system 4 is in electrically conductive contact with the second surface 43 of a measuring element 41 of a measuring system 4. The second electrodes 48, which are in contact with the second surface 43 of the measuring element 41 on one side of the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X are connected to the second electrodes 48 of the Messelemen te 41 of all measuring systems 4 on the same side of the seismic mass 2 and to all second electrodes 48 on the other side of the seismic mass 2 in an electrically conductive manner. The electrodes are made of an electrically conductive material and are plate-shaped and essentially have the same or larger cross-section with respect to the transverse axis Y and the vertical axis Z as the measuring element 41.
[0040] Die zweiten Elektroden 48 sind jeweils über einen Steg 44 mit den bezüglich der Längsachse X nächsten zweiten Elektroden 48 elektrisch leitend verbunden, welche auf der selben Seite der seismischen Masse 2 bezüglich der Längsach se X angeordnet sind, wie in Fig. 6 gezeigt. Die der seismi schen Masse 2 bezüglich der Längsachse X nächstliegende zwei te Elektrode 48 ist über einen Steg 44 mit einem Kontaktele ment 46 elektrisch leitend verbunden. Das Kontaktelement 46 ist in elektrisch leitenden und mechanischen Kontakt mit ei ner der N+l Teilmassen 21 der seismischen Masse 2. Steg 44, Kontaktelement 46 und Elektroden sind vorteilhafterweise ein stückig ausgeführt. Der Steg 44 ragt seitlich bezüglich der Querachse über den Querschnitt der Messelemente 41 hinaus und ist dort entlang der Längsachse X umgebogen, erstreckt sich dann entlang der Längsachse X bis zu den nächsten Elektroden und ist dann zur nächsten Elektrode hingebogen, wie aus Fig. The second electrodes 48 are each electrically conductively connected via a web 44 to the next second electrodes 48 with respect to the longitudinal axis X, which are arranged on the same side of the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X, as shown in FIG . The second electrode 48 closest to the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X is connected to a contact element 46 in an electrically conductive manner via a web 44. The contact element 46 is in electrically conductive and mechanical contact with one of the N + 1 partial masses 21 of the seismic mass 2nd web 44, Contact element 46 and electrodes are advantageously made in one piece. The web 44 protrudes laterally with respect to the transverse axis beyond the cross section of the measuring elements 41 and is bent there along the longitudinal axis X, then extends along the longitudinal axis X to the next electrodes and is then bent towards the next electrode, as shown in FIG.
2 und Fig. 6 ersichtlich. Ist eine zweite Elektrode 48 nächstliegend zu einem Kontaktelement 46 bezüglich der Längs achse X angeordnet, so erstreckt sich der Steg 44 entlang der Längsachse X bis zum Kontaktelement 46 und ist dann zum Kon taktelement 46 hingebogen Fig. 4 zeigt schematisch die Elekt roden, die Stege 44, die Kontaktelemente 46 und die Teilmas sen 21. 2 and 6 can be seen. If a second electrode 48 is arranged closest to a contact element 46 with respect to the longitudinal axis X, the web 44 extends along the longitudinal axis X to the contact element 46 and is then bent towards the contact element 46. FIG. 4 schematically shows the electrodes, the webs 44, the contact elements 46 and the partial masses 21.
[0041] Das mit den zweiten Elektroden 48 elektrisch lei tend verbundene Kontaktelement 46 kontaktiert genau eine Teilmasse 21 und ist elektrisch isoliert zu allen anderen Teilmassen 21 der seismischen Masse 2. Dafür weist das Kon taktelement 46 einen Querschnitt entlang der Querachse und der Vertikalachse Z bevorzugt einen Querschnitt auf, welcher der Schnittfläche zwischen Querschnitt der Teilmasse 21 in dieser Ebene und des Messelements 41 in dieser Ebene ent spricht. Eine Ausführungsform eines Kontaktelements 46, eines Steges 44 und einer zweiten Elektrode 48 ist in Fig. 6 ge zeigt. The electrically conductive connected to the second electrodes 48 contact element 46 contacts exactly one partial mass 21 and is electrically isolated from all other partial masses 21 of the seismic mass 2. For this, the contact element 46 has a cross section along the transverse axis and the vertical axis Z preferably a cross section which corresponds to the intersection between the cross section of the partial mass 21 in this plane and the measuring element 41 in this plane. An embodiment of a contact element 46, a web 44 and a second electrode 48 is shown in FIG. 6 GE.
[0042] Die zweiten Oberflächen 43 aller Messelemente 41 auf einer Seite der seismischen Masse 2 sind also über die zweiten Elektroden 48, welche im elektrischen Kontakt mit den zweiten Oberflächen 43 ist, Stege 44 und das Kontaktele ment 46 mit einer Teilmasse 21 elektrisch leitend verbunden. Die zweiten Oberflächen 43 aller Messelemente 41 auf der an- deren Seite der seismischen Masse 2 sind über die zweiten Elektroden 48, welche im elektrischen Kontakt mit den zweiten Oberflächen 43 ist, Stege 44 und das Kontaktelement 46 mit derselben Teilmasse 21 elektrisch leitend verbunden. Die ge nerierte Polarisationsladung der zweiten Oberflächen 43 der Messelemente 41 aller N Messsysteme 4 ist so an einer der N+l Teilmassen 21 abgreifbar. The second surfaces 43 of all measuring elements 41 on one side of the seismic mass 2 are thus electrically conductively connected via the second electrodes 48, which are in electrical contact with the second surfaces 43, webs 44 and the contact element 46 with a partial mass 21 . The second surfaces 43 of all measuring elements 41 on the other their side of seismic mass 2 are connected in an electrically conductive manner to the same partial mass 21 via the second electrodes 48, which are in electrical contact with the second surfaces 43, webs 44 and the contact element 46. The generated polarization charge of the second surfaces 43 of the measuring elements 41 of all N measuring systems 4 can thus be tapped at one of the N + 1 partial masses 21.
[0043] Eine Prüfung auf Konsistenz umfasst nun einen Ver gleich der Summe der als Beschleunigungssignale abgegriffenen Polarisationsladungen der ersten Elektroden 47 der N Messsys teme 4 mit der abgegriffenen Polarisationsladungen der zwei ten Elektroden 48 der N Messsysteme 4. Sind diese betragsmäs- sig gleich und weisen ein entgegengesetztes Vorzeichen auf, so ist die Erfassung der Beschleunigungskomponenten Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz konsistent. Diese Art der Konsistenzprüfung ist vorteilhaft, da die Polarisationsladung der zweiten Ober flächen 43 der Messsysteme 4 nicht einzeln abgegriffen wer den. Zur Prüfung der Konsistenz der Erfassung der Beschleuni gungskomponente Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz reicht die summierte Polarisationsladung der zweiten Oberflächen 43 aus, welche auf einem einzelnen Signalleiter 5 abgreifbar ist. Würden die Polarisationsladungen der zweiten Oberflächen 43 der Messsys teme 4 einzeln abgegriffen, so wären N Signalleiter 5 nötig. Gleichheit besteht, wenn die Summe der Polarisationsladungen der ersten Elektroden 47 der N Messsysteme 4 weniger als 10% von der abgegriffenen Polarisationsladungen der zweiten Elektroden 48 der N Messsysteme 4 abweicht. A check for consistency now includes a comparison of the sum of the polarization charges tapped as acceleration signals of the first electrodes 47 of the N measuring systems 4 with the tapped polarization charges of the second electrodes 48 of the N measuring systems 4. Are they the same in terms of amount and have the same value has an opposite sign, the acquisition of the acceleration components Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz is consistent. This type of consistency check is advantageous because the polarization charge of the second upper surfaces 43 of the measuring systems 4 is not tapped individually. To check the consistency of the detection of the acceleration component Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz, the summed polarization charge of the second surfaces 43, which can be tapped on a single signal conductor 5, is sufficient. If the polarization charges on the second surfaces 43 of the measuring systems 4 were tapped individually, then N signal conductors 5 would be required. Equality exists when the sum of the polarization charges of the first electrodes 47 of the N measuring systems 4 deviates by less than 10% from the tapped polarization charges of the second electrodes 48 of the N measuring systems 4.
[0044] Zwischen Kontaktelement 46 und der Elektro de 47, 48, welche von der seismischen Masse 2 aus bezüglich der Längsachse X nächstliegend angeordneten ist, ist im me- chanischen Kontakt mit dem Kontaktelement 46 ein Isolierele ment 49 angeordnet, welches das Kontaktelement 46 von der Elektrode elektrisch isoliert. Das Isolierelement 49 ist weitgehend gleich einem Messelement 41 dimensioniert. Das Isolierelement 49 ist aus einem elektrisch isolierenden Mate rial ausgeführt, wobei der spezifische Widerstand des Isolie relementes 49 mindestens 109 W mm2 / m beträgt. Das Isolie relement 49 ist beispielsweise aus Kapton, Teflon, PVC, Po lyethylen, Polypropylen, Gummi, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Glas, etc. ausgeführt. Between the contact element 46 and the electrode 47, 48, which is arranged closest from the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X, there is generally a Mechanical contact with the contact element 46, an Isolierele element 49 is arranged, which electrically isolates the contact element 46 from the electrode. The insulating element 49 is largely dimensioned in the same way as a measuring element 41. The insulating element 49 is made of an electrically insulating mate rial, the specific resistance of the insulating relementes 49 is at least 10 9 W mm 2 / m. The Isolie relement 49 is made of Kapton, Teflon, PVC, Po lyethylene, polypropylene, rubber, aluminum oxide, silicon oxide, glass, etc., for example.
[0045] Vorzugsweise sind die ersten Elektroden 47 und die zweiten Elektroden 48 aus einem elektrisch leitfähigen Rein metall oder einer Metalllegierung, beispielsweise Kupfer, Gold, Silber, Edelstahl, etc. ausgeführt. The first electrodes 47 and the second electrodes 48 are preferably made of an electrically conductive pure metal or a metal alloy, for example copper, gold, silver, stainless steel, etc.
[0046] Die ersten Elektroden 47 und die zweiten Elektro den 48 sind aus einem elektrisch leitenden Material platten förmig und im Wesentlichen mit dem gleichen oder grösseren Querschnitt bezüglich der Querachse und der Vertikalachse Z wie das Messelement 41 ausgestaltet. Die Elektrode hat eine Dicke bezüglich der Längsachse X von mindestens 0.05 mm und maximal 0.50 mm. The first electrodes 47 and the second electrodes 48 are plate-shaped made of an electrically conductive material and essentially have the same or larger cross-section with respect to the transverse axis and the vertical axis Z as the measuring element 41. The electrode has a thickness with respect to the longitudinal axis X of at least 0.05 mm and a maximum of 0.50 mm.
[0047] Die Vorspannanordnung 3 spannt die Messelemente 41 eines piezoelektrischen Messsystems 4 gegen die seismische Masse 2 vor. Eine solche Vorspannung verhindert ein verrut schen der piezoelektrischen Messelemente 41 gegeneinander be züglich der Vertikalachse Z und bezüglich der Querachse. Wei ter ist die Vorspannungsanordnung vorteilhaft um Spalte zwi schen den Messelementen 41 bezüglich der Längsachse X zu ver meiden. Spalte sind zu vermeiden, da ansonsten die bei einer Beschleunigung vorliegende und von der seismischen Masse 2 auf die Messelemente 41 ausgeübte Kraft K nicht gleichmässig auf das Messelement 41 übertragen wird. In diesem Fall würde die ausgeübte Kraft K nicht vollständig erfasst werden und die Messung der Beschleunigung wäre fehlerhaft. The prestressing arrangement 3 prestresses the measuring elements 41 of a piezoelectric measuring system 4 against the seismic mass 2. Such a bias prevents the piezoelectric measuring elements 41 from slipping against one another with respect to the vertical axis Z and with respect to the transverse axis. The preload arrangement is also advantageous in order to avoid gaps between the measuring elements 41 with respect to the longitudinal axis X. Gaps are to be avoided, as otherwise the existing during acceleration and from seismic mass 2 The force K exerted on the measuring elements 41 is not transmitted uniformly to the measuring element 41. In this case, the exerted force K would not be fully recorded and the measurement of the acceleration would be incorrect.
[0048] Die Vorspannanordnung 3 spannt die Messelemente 41 gegen die seismische Masse 2 mit einer Vorspannkraft vor. Diese Vorspannkraft ist grösser als die Kraft K, welche die seismische Masse 2 bei vorliegender Beschleunigung entlang der Längsachse X auf die Messelemente 41 ausübt. Eine Be schleunigung entlang der Längsachse X beaufschlagt die unter der Vorspannkraft angeordneten Messelemente 41 auf einer Sei te der seismische Masse 2 mit einer der Beschleunigung ent sprechenden zusätzlichen Kraft K, während die unter der Vor spannkraft angeordneten Messelemente 41 auf der anderen Seite der seismischen Masse 2 mit der entsprechenden Kraft K ent lastet werden. Diese entlastende Kraft K darf die Vorspann kraft nicht überschreiten. The prestressing arrangement 3 prestresses the measuring elements 41 against the seismic mass 2 with a prestressing force. This pretensioning force is greater than the force K which the seismic mass 2 exerts on the measuring elements 41 along the longitudinal axis X when the acceleration is present. An acceleration along the longitudinal axis X acts on the measuring elements 41 arranged under the prestressing force on one side of the seismic mass 2 with an additional force K corresponding to the acceleration, while the measuring elements 41 arranged under the prestressing force on the other side of the seismic mass 2 be relieved with the corresponding force K. This relieving force K must not exceed the pre-tensioning force.
[0049] Die Messelemente 41 der piezoelektrischen Messsys teme 4 sind gegen die Vorspannanordnung 3 durch ein Isolie relement 49 elektrisch isoliert. Das Isolierelement 49 ist zwischen der Elektrode, welche der Vorspannanordnung 3 am nächsten ist, und der Vorspannanordnung 3 angeordnet. Die Elektrode ist im Kontakt mit dem der Vorspannanordnung 3 nächsten Messelements 41. Das Isolierelement 49 ist weitge hend gleich einem Messelement 41 dimensioniert. Das Isolie relement 49 ist aus einem elektrisch isolierenden Material ausgeführt, wobei der spezifische Widerstand des Isolierele mentes 49 mindestens 109 W mm2 / m beträgt. Das Isolierele ment 49 ist beispielsweise aus Kapton, Teflon, PVC, Polyethy- len, Polypropylen, Gummi, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Glas, etc. ausgeführt. The measuring elements 41 of the piezoelectric measuring systems 4 are electrically insulated from the prestressing arrangement 3 by an insulating element 49. The insulating member 49 is arranged between the electrode which is closest to the bias arrangement 3 and the bias arrangement 3. The electrode is in contact with the measuring element 41 closest to the pretensioning arrangement 3. The insulating element 49 is largely dimensioned to be the same as a measuring element 41. The insulating element 49 is made of an electrically insulating material, the specific resistance of the insulating element 49 being at least 10 9 W mm 2 / m. The Isolierele element 49 is, for example, made of Kapton, Teflon, PVC, polyethylene len, polypropylene, rubber, aluminum oxide, silicon oxide, glass, etc.
[0050] In der dargestellten Ausführungsform der Fig. 1 weist die Vorspannanordnung 3 einen topfförmige Vorspannhül se 31 und ein deckelförmiges Vorspannelement 32 auf. Die topfförmige Vorspannhülse 31 weist einen Boden auf, der weit gehend parallel zu den Oberflächen der Messelemente 41 ange ordnet ist, und eine zylinderförmige Wandung, welche mit ei ner Zylinderachse weitgehend entlang der Längsachse X ange ordnet ist. Die Messsysteme 4, Isolierelemente 49, Elektroden und die seismische Masse 2 sind bezüglich der Längsachse X innerhalb der Vorspannhülse 31 bevorzugt mittig bezüglich der Vertikalachse Z und der Querachse Y angeordnet. Die topfför mige Vorspannhülse 31 ist an ihrem offenen Ende bezüglich der Längsachse X mit dem deckelförmigen Vorspannelement 32 stoff schlüssig, kraftschlüssig oder formschlüssig verbunden. Durch die Verbindung von Vorspannhülse 31 und Vorspannelement 32 wird eine Vorspannkraft auf die Messsysteme 4, Isolierelemen te 49, Elektroden und die seismische Masse 2 ausgeübt. Die Vorspannanordnung 3 ist mehrheitlich aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeführt. Die Vorspannanordnung 3 um- schliesst die N Messsysteme 4 weitgehend. In the embodiment shown in FIG. 1, the prestressing arrangement 3 has a cup-shaped prestressing sleeve 31 and a lid-shaped prestressing element 32. The cup-shaped prestressing sleeve 31 has a bottom which is largely parallel to the surfaces of the measuring elements 41 is arranged, and a cylindrical wall which is largely along the longitudinal axis X is arranged with egg ner cylinder axis. The measuring systems 4, insulating elements 49, electrodes and the seismic mass 2 are arranged with respect to the longitudinal axis X within the prestressing sleeve 31, preferably centrally with respect to the vertical axis Z and the transverse axis Y. The pot-shaped pretensioning sleeve 31 is connected at its open end with respect to the longitudinal axis X to the cover-shaped pretensioning element 32 in a materially, non-positively or positively locking manner. As a result of the connection of the prestressing sleeve 31 and the prestressing element 32, a prestressing force is exerted on the measuring systems 4, insulating elements 49, electrodes and the seismic mass 2. The pretensioning arrangement 3 is made for the most part from an electrically conductive material. The prestressing arrangement 3 largely encloses the N measuring systems 4.
[0051] Die Vorspannanordnung 3 ist mit einem definierten Potential verbunden, beispielsweise dem Erdpotential, oftmals auch Massepotential genannt. Dies hat den Vorteil, dass die Vorspannanordnung 3 die in ihrem Inneren angeordneten Mess systeme 4 gegen äussere Störungen abschirmt. Auch kann sich die Vorspannanordnung 3 nicht mit elektrischer Ladung aufla den, beispielsweise durch Reibungselektrizität, auch tribo- elektrischer Effekt genannt. So sind beispielsweise Störungen bei der Ermittlung der Kraft K durch elektromagnetische Wel len oder elektrische Aufladung der Vorspannanordnung 3 ver hindert. The biasing arrangement 3 is connected to a defined potential, for example the ground potential, often also called ground potential. This has the advantage that the prestressing arrangement 3 shields the measuring systems 4 arranged in its interior from external interference. The pretensioning arrangement 3 cannot be charged with electrical charge either, for example through frictional electricity, also called the triboelectric effect. For example there are disturbances in the determination of the force K by electromagnetic waves or electrical charging of the prestressing arrangement 3 prevents ver.
[0052] Die Verbindung von Vorspannhülse 31 und Vorspann element 32 ist hermetisch dicht gegen Gase und Flüssigkeiten, beispielsweise durch eine geeignete Abdichtung oder, bei ei ner stoffschlüssigen Verbindung, durch einen Klebstoff oder eine Schweissung. Unter hermetisch dicht wird eine Dichtung verstanden, welche eine Luft Leckrate von weniger als IO-3 Pa-m3/s aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die üblicher weise hygroskopischen piezoelektrischen Kristalle vor Feuch tigkeit geschützt sind. Feuchtigkeit innerhalb der Vorspanna nordnung 3 vermindert den Widerstand zwischen den voneinander und von der Vorspannanordnung 3 elektrisch isolierten Elekt roden und vermindert dadurch die ermittelbare Polarisations ladung. The connection of prestressing sleeve 31 and prestressing element 32 is hermetically sealed against gases and liquids, for example by a suitable seal or, in the case of a material connection, by an adhesive or a weld. Hermetically tight is understood to mean a seal which has an air leak rate of less than 10 -3 Pa-m 3 / s. This has the advantage that the usually hygroscopic piezoelectric crystals are protected from moisture. Moisture within the Vorspanna arrangement 3 reduces the resistance between the electrodes, which are electrically isolated from one another and from the prestressing arrangement 3, and thereby reduces the determinable polarization charge.
[0053] In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird die generierte Polarisationsladung der ersten Oberflächen 42 an der jeweiligen Teilmasse 21 abgegriffen. Dafür ist an einer Seite der seismischen Masse 2 bezüglich der Längsachse X zwi schen Vorspannanordnung 3 und Isolierelement 49, welches Iso lierelement 49 die Vorspannanordnung 3 von den Messelemen ten 41 elektrisch isoliert, eine Leiterplatte 55 angeordnet. Die Leiterplatte 55 ist aus einem elektrisch isolierenden Ma terial ausgeführt und weist auf der der seismischen Masse 2 zugewandten Seite N+l Leiterbahnen 56 auf. Die N+l Leiterbah nen 56 sind eingerichtet N+l Kontaktelemente 46 zu kontaktie ren. Das Kontaktelement 46, welches die Leiterbahn 56 elektrisch leitend kontaktiert ist gleich dem Kontaktele ment 46 aus Fig. 5 und Fig. 6 ausgeführt, das die Teilmas- se 21 der seismischen Masse 2 elektrisch leitend kontaktiert. Das Kontaktelement 46 ist bezüglich der Längsachse X zwischen Leiterplatte 55 und Isolierelement 49, welches Isolierele ment 49 die Vorspannanordnung 3 von den Messelementen 41 elektrisch isoliert, angeordnet. In the embodiment shown in FIG. 1, the polarization charge generated on the first surfaces 42 at the respective partial mass 21 is tapped. For this purpose, a printed circuit board 55 is arranged on one side of the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X between the biasing arrangement 3 and insulating element 49, which insulating element 49 electrically insulates the biasing arrangement 3 from the Messelemen 41. The printed circuit board 55 is made of an electrically insulating material and has N + 1 conductor tracks 56 on the side facing the seismic mass 2. The N + 1 conductor tracks 56 are set up to make contact with N + 1 contact elements 46. The contact element 46, which makes electrically conductive contact with the conductor track 56, is the same as the contact element 46 from FIGS. 5 and 6, which has the partial mesh. se 21 of the seismic mass 2 contacted electrically. The contact element 46 is arranged with respect to the longitudinal axis X between the printed circuit board 55 and the insulating element 49, which insulating element 49 electrically insulates the prestressing arrangement 3 from the measuring elements 41.
[0054] Ein Kontaktelement 46 im elektrischen Kontakt zu einer der N+l Leiterbahnen 56 ist über einen Steg 44 mit der nächstliegenden zweiten Elektrode 48 elektrisch leitend ver bunden, wie in Fig. 7 gezeigt. So ist die generierte Polari sationsladung aller zweiten Oberflächen 43 aller Messelemen te 41 an einer Teilmasse 21 elektrisch abgreifbar. Die ent sprechende Teilmasse 21 ist über das Kontaktelement 46, wel ches die Teilmasse 21 elektrisch leitend kontaktiert, über Stege 44 zwischen den zweiten Elektroden 48 und über den Steg 44 zwischen dem Kontaktelement 46, welches die Leiter bahn 56 elektrisch leitend kontaktiert, und der nächsten zweiten Elektrode 48 mit der Leiterbahn 56 elektrisch leitend verbunden. A contact element 46 in electrical contact with one of the N + 1 conductor tracks 56 is connected in an electrically conductive manner to the closest second electrode 48 via a web 44, as shown in FIG. 7. The generated polarization charge of all second surfaces 43 of all Messelemen te 41 can be tapped electrically at a partial mass 21. The corresponding partial mass 21 is electrically connected via the contact element 46, wel Ches the partial mass 21, via webs 44 between the second electrodes 48 and via the web 44 between the contact element 46, which makes electrically conductive contact with the conductor track 56, and the next second electrode 48 is electrically conductively connected to conductor track 56.
[0055] Je ein Kontaktelement 46 im elektrischen Kontakt zu einer der N+l Leiterbahnen 56 ist über einen Steg 44 mit je einer nächstliegenden ersten Elektrode 47 elektrisch leitend verbunden, wie in Fig. 8 gezeigt. Dadurch ist die generierte Polarisationsladung der ersten Oberflächen 42 der Messelemen te 41 je eines Messsystems and an je einer Teilmasse 21 elektrisch abgreifbar. Die entsprechende Teilmasse 21 ist über das Kontaktelement 46, welches die Teilmasse 21 elektrisch leitend kontaktiert, über Stege 44 zwischen der ersten Elektrode 47, welche auf derselben Seite der seismi schen Masse 2 angeordnet ist wie die Leiterplatte 55, und über den Steg 44 zwischen dem Kontaktelement 46, welches die Leiterbahn 56 elektrisch leitend Kontaktiert, und der nächs ten ersten Elektrode 47 mit der Leiterbahn 56 elektrisch lei tend verbunden. Each contact element 46 in electrical contact with one of the N + 1 conductor tracks 56 is connected in an electrically conductive manner via a web 44 to each of the closest first electrodes 47, as shown in FIG. 8. As a result, the polarization charge generated on the first surfaces 42 of the measuring elements 41 can be tapped electrically from one measuring system and from one partial mass 21. The corresponding partial mass 21 is via the contact element 46, which makes electrically conductive contact with the partial mass 21, via webs 44 between the first electrode 47, which is arranged on the same side of the seismic mass 2 as the circuit board 55, and via the web 44 between the Contact element 46, which the Conductor 56 electrically conductively contacted, and the next th first electrode 47 connected to the conductor 56 electrically lei tend.
[0056] Die Vorspannanordnung 3 ist als geschlossenes Ge häuse mit einer Öffnung 33 ausgeführt. Die Teilmassen 21 sind durch die Öffnung 33 elektrisch leitend mit einem Signalka bel 9 verbunden. The pretensioning arrangement 3 is designed as a closed housing with an opening 33. The partial masses 21 are connected in an electrically conductive manner to a signal cable 9 through the opening 33.
[0057] In Fig. 1 sind die N+l Leiterbahnen 56 mit einem Signalkabel 9, welches Signalkabel 9 N+l voneinander isolier te Signalleiter 5 aufweist, elektrisch leitend verbunden. Das Signalkabel 9 ist durch eine Öffnung 33 in der Vorspannanord nung 3 geführt. In FIG. 1, the N + 1 conductor tracks 56 are electrically conductively connected to a signal cable 9, which signal cable 9 has N + 1 signal conductors 5 isolated from one another. The signal cable 9 is passed through an opening 33 in the Vorspannanord 3 voltage.
[0058] Die Signalleiter 5 des Signalkabels 9 sind einge richtet Beschleunigungssignale von den Teilmassen 21 elektrisch abzuleiten. The signal conductors 5 of the signal cable 9 are set up to derive acceleration signals from the partial masses 21 electrically.
[0059] Zwischen Signalkabel 9 und Vorspannanordnung 3 ist ein Dichtungselement 57 angeordnet. Das Gehäuse ist herme tisch abgedichtet. Die Öffnung 33 ist um das Signalkabel 9 so hermetisch gasdicht abgedichtet. A sealing element 57 is arranged between the signal cable 9 and the prestressing arrangement 3. The housing is hermetically sealed. The opening 33 is hermetically sealed in a gas-tight manner around the signal cable 9.
[0060] Es kann auch auf die Leiterplatte 55 verzichtet werden. In diesem Fall ist mit jeder Teilmasse 21 ein elektrischer Signalleiter 5 elektrisch leitend kraftschlüs sig, stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden. Die resul tierenden N+l Signalleiter 5 sind zu einem Signalkabel 9 ge bündelt, welches Signalkabel 9 durch eine Öffnung 33 in der Vorspannanordnung 3 geführt ist. Die Signalleiter 5 können alternativ auch mit einem Steg 44 oder einer Elektro de 47, 48elektrisch leitend verbunden sein. [0061] Vorteilhafterweise weist das Signalkabel 9 N+l elektrische Signalleiter 5 und einen Potentialleiter 8 mit einem definierten elektrischen Potential auf. Die elektri schen Signalleiter 5 sind direkt oder indirekt mit den Teil massen 21 elektrisch leitend und mechanisch verbunden. Der Potentialleiter 8 ist direkt oder indirekt mit der Vorspanna nordnung 3 elektrisch leitend und mechanisch verbunden. Der Potentialleiter 8 umschliesst die Signalleiter 5 weitgehend. Der Potentialleiter 8 hat dasselbe elektrische Potential wie die Vorspannanordnung 3. Dadurch sind die Signalleiter 5 des Signalkabels 9 gleichermassen vor elektromagnetischen Störun gen geschützt wie die Messelemente 41 innerhalb der Vorspan nanordnung 3. The printed circuit board 55 can also be dispensed with. In this case, an electrical signal conductor 5 is electrically conductive frictionally sig, cohesively or positively connected to each partial mass 21. The resulting N + l signal conductors 5 are bundled together to form a signal cable 9, which signal cable 9 is guided through an opening 33 in the biasing arrangement 3. The signal conductors 5 can alternatively also be connected in an electrically conductive manner to a web 44 or an electrode 47, 48. The signal cable 9 advantageously has N + 1 electrical signal conductors 5 and a potential conductor 8 with a defined electrical potential. The electrical signal conductor's 5 are directly or indirectly connected to the masses 21 electrically conductive and mechanically. The potential conductor 8 is directly or indirectly connected to the Vorspanna arrangement 3 in an electrically conductive and mechanical manner. The potential conductor 8 largely encloses the signal conductor 5. The potential conductor 8 has the same electrical potential as the prestressing arrangement 3. As a result, the signal conductors 5 of the signal cable 9 are equally protected from electromagnetic interference as are the measuring elements 41 within the prestressing arrangement 3.
[0062] Die Messsysteme 4 sind in unterschiedlicher Nähe zur seismischen Masse 2 angeordnet. Ein erstes Messsystem 4 weist den kleinsten Abstand zur seismischen Masse 2 auf. Ein N-tes Messsystem 4 weist den grössten Abstand zur seismischen Masse 2 auf. Die Nummerierung der Messsysteme 4 steigt mit steigendem Abstand von der seismischen Masse 2 aus an. Mes selemente 41, welche der seismischen Masse 2 bezüglich der Längsachse X nächstliegend angeordnet sind gehören demnach zum ersten Messsystem 4. Messelemente 41, welche von der seismischen Masse 2 am weitesten entfernt sind gehören dem nach zum N-ten Messsystem 4. Zwischen seismischer Masse 2 und dem ersten Messsystem 4 ist, wie bereits beschrieben, ein Isolierelement 49 angeordnet. Die erste Oberfläche 42 der Messelemente 41 des ersten Messsystems 4 und jedes Messsys tems 4 mit einer ungeraden Nummer ist zur seismischen Masse 2 hin ausgerichtet. Die erste Oberfläche 42 der Messelemente 41 mit einer geraden Nummer ist von der seismischen Masse 2 weg ausgerichtet. Zwischen zwei einander zugewandten zweiten Oberflächen 43 zweier direkt nebeneinander bezüglich der Längsachse X angeordneter Messelemente 41 verschiedener Mess systeme 4 ist eine zweite Elektrode 48 im Kontakt mit den beiden zweiten Oberflächen 43 angeordnet. Zwischen zwei ei nander zugewandten ersten Oberflächen 42 zweier direkt neben einander bezüglich der Längsachse X angeordneter Messelemen te 41 verschiedener Messsysteme 4 ist jeweils eine erste Elektrode 47 im Kontakt mit jeweils einer der ersten Oberflä chen 42 angeordnet und zwischen den beiden ersten Elektro den 47 direkt nebeneinander bezüglich der Längsachse X ange ordneter Messelemente 41 ist ein Isolierelement 49 angeord net. Messelemente 41 zweier Messsysteme 4 sind direkt neben einander angeordnet, wenn sich die Nummer der Messsysteme 4 um die Zahl 1 unterscheidet. So sind Polarisationsladungen angrenzender erster Oberflächen 42 verschiedener Messsyste me 4 voneinander elektrisch isoliert. Die Polarisationsladun gen der ersten Oberflächen 42 der Messsysteme sind einzeln an den jeweils mit der ersten Elektrode 47 elektrisch leitend verbundenen Teilmasse 21 elektrisch abgreifbar. The measuring systems 4 are arranged in different proximity to the seismic mass 2. A first measuring system 4 has the smallest distance from seismic mass 2. An Nth measuring system 4 has the greatest distance from seismic mass 2. The numbering of the measuring systems 4 increases as the distance from the seismic mass 2 increases. Measurement elements 41 which are arranged closest to seismic mass 2 with respect to longitudinal axis X accordingly belong to first measurement system 4. Measurement elements 41 which are furthest away from seismic mass 2 belong to the Nth measurement system 4 and, as already described, an insulating element 49 is arranged in the first measuring system 4. The first surface 42 of the measuring elements 41 of the first measuring system 4 and of each measuring system 4 with an odd number is oriented towards the seismic mass 2. The first surface 42 of the measuring elements 41 with an even number is oriented away from the seismic mass 2. Between two facing second Surfaces 43 of two measuring elements 41, arranged directly next to one another with respect to the longitudinal axis X, of different measuring systems 4, a second electrode 48 is arranged in contact with the two second surfaces 43. Between two facing first surfaces 42 of two measuring elements 41 of different measuring systems 4 arranged directly next to one another with respect to the longitudinal axis X, a first electrode 47 is arranged in each case in contact with one of the first surfaces 42 and between the two first electrodes 47 directly next to one another with respect to the longitudinal axis X is arranged measuring elements 41, an insulating element 49 is net angeord. Measuring elements 41 of two measuring systems 4 are arranged directly next to one another if the number of the measuring systems 4 differs by the number 1. Polarization charges on adjoining first surfaces 42 of different measuring systems 4 are thus electrically isolated from one another. The polarization charges on the first surfaces 42 of the measuring systems can be tapped individually at the partial mass 21 which is electrically connected to the first electrode 47.
[0063] Die Messelemente 41 sind bezüglich der Längsachse X beidseitig der seismischen Masse 2 spiegelsymmetrisch bezüg lich einer Ebene senkrecht zur Längsachse X angeordnet. The measuring elements 41 are arranged mirror-symmetrically with respect to the longitudinal axis X on both sides of the seismic mass 2 with respect to a plane perpendicular to the longitudinal axis X.
[0064] Das Messelement 41 weist mindestens ein piezoelekt risches Kristallelement 45 auf. Ein piezoelektrisches Kris tallelement 45 ist aus einem piezoelektrischen Kristall ge fertigt. Ein piezoelektrischer Kristall ist beispielsweise Quarz, Turmalin, Gallium Orthophosphat, Kristalle der CGG Gruppe, Lithium-Niobat, Lithium-Tantalat, etc. The measuring element 41 has at least one piezoelectric crystal element 45. A piezoelectric crystal element 45 is made of a piezoelectric crystal. A piezoelectric crystal is, for example, quartz, tourmaline, gallium orthophosphate, crystals from the CGG group, lithium niobate, lithium tantalate, etc.
[0065] Ein Messelement 41 zur Ermittlung einer Beschleuni gungskomponente Tx entlang der Längsachse X ist in Fig. 9 schematisch dargestellt und umfasst einen Kristall, welcher den longitudinalen piezoelektrischen Effekt aufweist und sen sitiv auf Kräfte entlang der Längsachse X ist. Polarisations ladungen werden bei vorliegender Beschleunigung auf den Ober flächen senkrecht zur Längsachse X erzeugt. A measuring element 41 for determining an acceleration component Tx along the longitudinal axis X is shown in FIG. 9 shown schematically and comprises a crystal, which has the longitudinal piezoelectric effect and is sensitive to forces along the longitudinal axis X is. Polarization charges are generated on the upper surfaces perpendicular to the longitudinal axis X when the acceleration is present.
[0066] Ein Messelement 41 zur Ermittlung einer Beschleuni gungskomponente Ty entlang der Querachse ist in Fig. 10 sche matisch dargestellt und umfasst einen Kristall, welcher den longitudinalen piezoelektrischen Schubeffekt aufweist und sensitiv auf Schubkräfte, welche an den Oberflächen senkrecht zur Längsachse X angreifen und entlang der Querachse ausge richtet sind. Polarisationsladungen werden bei vorliegender Beschleunigung auf den Oberflächen senkrecht zur Längsachse X erzeugt. A measuring element 41 for determining an acceleration component Ty along the transverse axis is shown schematically in FIG. 10 and comprises a crystal which has the longitudinal piezoelectric thrust effect and is sensitive to thrust forces which act on the surfaces perpendicular to the longitudinal axis X and along the transverse axis are aligned. When the acceleration is present, polarization charges are generated on the surfaces perpendicular to the longitudinal axis X.
[0067] Ein Messelement 41 zur Ermittlung einer Beschleuni gungskomponente Tz entlang der Vertikalachse Z ist in Fig. 11 schematisch dargestellt und umfasst einen Kristall, welcher den longitudinalen piezoelektrischen Schubeffekt aufweist und sensitiv auf Schubkräfte ist, welche an den Oberflächen senk recht zur Längsachse X angreifen und entlang der Vertikalach se Z ausgerichtet sind. Polarisationsladungen werden bei vorliegender Beschleunigung auf den Oberflächen senkrecht zur Längsachse X erzeugt. A measuring element 41 for determining an acceleration component Tz along the vertical axis Z is shown schematically in FIG. 11 and comprises a crystal which has the longitudinal piezoelectric thrust effect and is sensitive to thrust forces which act on the surfaces perpendicular to the longitudinal axis X and along the vertical axis Z are aligned. When the acceleration is present, polarization charges are generated on the surfaces perpendicular to the longitudinal axis X.
[0068] Ein Messelement 41 zur Ermittlung einer Beschleuni gungskomponente My um die Quersachse Z ist in Fig. 12 schema tisch dargestellt und umfasst zwei symmetrische Kristallele mente 45 welcher jeweils den longitudinalen piezoelektrischen Effekt aufweisen. Die Kristallelemente 45 sind entgegenge setzt in ihrer Polarisation ausgerichtet und entlang der Querachse getrennt. Eine Winkelbeschleunigung um die Querach- se erzeugt eine belastende Kraft K auf einem der Kristallele mente 45 und eine entlastende Kraft K auf dem anderen Kris tallelement 45 des Messelements 41. Polarisationsladungen werden bei vorliegender Beschleunigung auf den Oberflächen senkrecht zur Längsachse X erzeugt. Durch die entgegengesetz te Ausrichtung sind weiterhin bei Vorliegen einer Winkelbe schleunigung um die Querachse Beschleunigung gleichartige Po larisationsladungen auf der ersten Oberfläche 42 des Messele ments 41 und entgegengesetzt gleichartige Polarisationsladun gen auf der zweiten Oberfläche 43 des Messelements 41 ab greifbar. Das Messelement 41 zur Ermittlung einer Beschleuni gungskomponente My um die Quersachse ist schematisch in Fig. 12 dargestellt. A measuring element 41 for determining an acceleration component My about the transverse axis Z is shown schematically in FIG. 12 and comprises two symmetrical crystal elements 45 which each have the longitudinal piezoelectric effect. The crystal elements 45 are aligned opposite sets in their polarization and separated along the transverse axis. An angular acceleration around the transverse axis se generates a loading force K on one of the crystal elements 45 and a relieving force K on the other crystal element 45 of the measuring element 41. Polarization charges are generated on the surfaces perpendicular to the longitudinal axis X when the acceleration is present. Due to the opposite alignment, polarization charges of the same type on the first surface 42 of the measuring element 41 and opposite polarization charges of the same type on the second surface 43 of the measuring element 41 can still be tapped when there is an angular acceleration about the transverse axis. The measuring element 41 for determining an acceleration component My about the transverse axis is shown schematically in FIG. 12.
[0069] Ein Messelement 41 zur Ermittlung einer Beschleuni gungskomponente Mz um die Vertikalsachse Z ist in Fig. 13 schematisch dargestellt und umfasst zwei symmetrische Kris tallelemente 45 welcher jeweils den longitudinalen piezoe lektrischen Effekt aufweisen. Die Kristallelemente 45 sind entgegengesetzt in ihrer Polarisation ausgerichtet und ent lang der Vertikalachse Z getrennt. Eine Winkelbeschleunigung um die Vertikalachse Z erzeugt eine belastende Kraft K auf einem der Kristallelemente 45 und eine entlastende Kraft K auf dem anderen Kristallelement 45 des Messelements 41. Pola risationsladungen werden bei vorliegender Beschleunigung auf den Oberflächen senkrecht zur Längsachse X erzeugt. Durch die entgegengesetzte Ausrichtung sind weiterhin bei Vorliegen ei ner Beschleunigung gleichartige Polarisationsladungen auf der ersten Oberfläche 42 des Messelements 41 und entgegengesetzt gleichartige Polarisationsladungen auf der zweiten Oberflä che 43 des Messelements 41 abgreifbar. [0070] Ein Messelement 41 zur Ermittlung einer Beschleuni gungskomponente Mx um die Längsachse X Z ist in Fig. 14 sche matisch dargestellt und umfasst mindestens zwei symmetrische Kristallelemente 45 welcher jeweils den longitudinalen piezo elektrischen Schubeffekt aufweisen. Die Kristallelemente 45 sind ihrer Polarisation weitgehend tangential um die Längs achse X, d.h. entlang der Rotationsrichtung um die Längsach se X, ausgerichtet. Eine Winkelbeschleunigung um die Längs achse X erzeugt eine Schubkraft entlang der Rotationrichtung um die Längsachse X zwischen der ersten Oberfläche 42 und der zweiten Oberfläche 43 des Messelements 41, wobei jedes Kris tallelement 45 eine Schubkraft weitgehend entlang seiner Po larisationsrichtung erfährt. Polarisationsladungen werden bei vorliegender Winkelbeschleunigung um die Längsachse X auf den Oberflächen senkrecht zur Längsachse X erzeugt. Durch die Ausrichtung entlang der Rotationsrichtung um die Längsachse X sind weiterhin bei Vorliegen einer Beschleunigung gleicharti ge Polarisationsladungen auf der ersten Oberfläche 42 des Messelements 41 und entgegengesetzt gleichartige Polarisati onsladungen auf der zweiten Oberfläche 43 des Messelements 41 abgreifbar . A measuring element 41 for determining an acceleration component Mz about the vertical axis Z is shown schematically in FIG. 13 and comprises two symmetrical crystal elements 45 which each have the longitudinal piezoelectric effect. The crystal elements 45 are oppositely aligned in their polarization and separated along the vertical axis Z ent. An angular acceleration about the vertical axis Z generates a loading force K on one of the crystal elements 45 and a relieving force K on the other crystal element 45 of the measuring element 41. Due to the opposite orientation, polarization charges of the same type on the first surface 42 of the measuring element 41 and polarization charges of the opposite type on the second surface 43 of the measuring element 41 can also be tapped when an acceleration is present. A measuring element 41 for determining an acceleration component Mx about the longitudinal axis XZ is shown schematically in FIG. 14 and comprises at least two symmetrical crystal elements 45 which each have the longitudinal piezoelectric thrust effect. The crystal elements 45 are largely tangential to their polarization about the longitudinal axis X, ie along the direction of rotation about the longitudinal axis X, aligned. An angular acceleration about the longitudinal axis X generates a thrust along the direction of rotation about the longitudinal axis X between the first surface 42 and the second surface 43 of the measuring element 41, each crystal element 45 experiencing a thrust largely along its polarization direction. Polarization charges are generated on the surfaces perpendicular to the longitudinal axis X when there is an angular acceleration around the longitudinal axis X. Due to the alignment along the direction of rotation about the longitudinal axis X, polarization charges of the same type on the first surface 42 of the measuring element 41 and polarization charges of the same type on the second surface 43 of the measuring element 41 can also be tapped when acceleration is present.
[0071] Der Beschleunigungsaufnehmer 1 weist vorteilhafter weise eine Kompensationseinrichtung zur Temperaturkompensati on auf. Die temperaturabhängige Längenausdehnung entlang der Längsachse X der Vorspannanordnung 3 und der Messelemente 41 unterscheidet sich, da der Längenausdehnungskoeffizient der metallischen Vorspannanordnung 3 im Allgemeinen grösser ist als der Längenausdehnungskoeffizient der Messelemente 41. Ei ne Änderung der Temperatur des Beschleunigungsaufnehmers 1 ändert daher die Vorspannkraft, welche die Vorspannanord nung 3 auf die Messelemente 41 ausübt. Eine Änderung der Vor- Spannkraft ändert die Sensitivität der Messelemente 41. Die Sensitivität ist der Zusammenhang zwischen wirkender Kraft K und generierter Polarisationsladung. Dies ist unvorteilhaft, da aus der generierten Polarisationsladung auf die durch eine Beschleunigung Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz mittels der seismischen Masse 2 auf die Messelemente 41 wirkende Kraft K geschlossen wird. Die Kompensationseinrichtung besteht aus der Kombinati on der seismischen Masse 2 und der Vorspannanordnung 3, wobei das Material der seismischen Masse 2 und der Vorspannanord nung 3 so gewählt ist, dass das Material der seismischen Mas se 2 einen grösseren Längenausdehnungskoeffizienten als das Material der Vorspannanordnung 3 aufweist. Die Länge der seismischen Masse 2 bezüglich der Längsachse X ist dabei der art angepasst, dass die kombinierte Längenausdehnung der ent lang der Längsachse X angeordneten Messelemente 41, Elektro den 47, 48, Isolierelemente 49 und seismischer Masse 2 gleich der Längenausdehnung der Vorspannanordnung 3 in diesem Ab schnitt bezüglich der Längsachse X ist. Bei einer Tempera turänderung des Beschleunigungsaufnehmers 1 bleibt die Vor spannkraft der Messelemente 41 weitgehend konstant. Selbst verständlich kann statt einer Anpassung der Länge der seismi schen Masse 2 auch an geeigneter Stelle, beispielsweise zwi schen Isolierelement 49 und Vorspannanordnung 3 ein Längen ausgleichselement (nicht gezeigt) angeordnet sein. Das Län genausgleichselement ist aus einem Material mit grösserem Längenausdehnungskoeffizienten als das Material der Vorspan nanordnung 3 ausgeführt. Die Ausdehnung des Längenausgleich selements entlang der Vertikalachse Z und der Querachse Y ist gleich dem Isolierelement 49 und die Dicke des Längenaus gleichselements entlang der Längsachse X ist angepasst, so- dass die kombinierte Längenausdehnung der entlang der Längs- achse X angeordneten Messelemente 41, Elektroden 47, 48, Iso lierelemente 49, seismischer Masse 2 und Längenausgleichsele ment gleich der Längenausdehnung der Vorspannanordnung 3 in diesem Abschnitt bezüglich der Längsachse X ist. The acceleration sensor 1 advantageously has a compensation device for temperature compensation. The temperature-dependent linear expansion along the longitudinal axis X of the prestressing arrangement 3 and the measuring elements 41 differs because the linear expansion coefficient of the metallic prestressing arrangement 3 is generally greater than the linear expansion coefficient of the measuring elements 41 Vorspannanord voltage 3 exerts on the measuring elements 41. A change in the Clamping force changes the sensitivity of the measuring elements 41. The sensitivity is the relationship between the force K acting and the polarization charge generated. This is disadvantageous because the generated polarization charge is used to deduce the force K acting on the measuring elements 41 due to an acceleration Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz by means of the seismic mass 2. The compensation device consists of the combination of the seismic mass 2 and the prestressing arrangement 3, the material of the seismic mass 2 and the prestressing arrangement 3 being selected so that the material of the seismic mass 2 has a greater coefficient of linear expansion than the material of the prestressing arrangement 3 . The length of the seismic mass 2 with respect to the longitudinal axis X is adapted in such a way that the combined length expansion of the measuring elements 41, electrodes 47, 48, insulating elements 49 and seismic mass 2 arranged along the length of the longitudinal axis X is equal to the length expansion of the prestressing arrangement 3 therein From section with respect to the longitudinal axis X is. When the temperature of the accelerometer 1 changes, the pre-tensioning force of the measuring elements 41 remains largely constant. Of course, instead of adjusting the length of the seismic mass 2, a length compensation element (not shown) can also be arranged at a suitable point, for example between insulating element 49 and biasing arrangement 3. The length compensation element is made of a material with a greater coefficient of linear expansion than the material of the pre-tensioning arrangement 3. The expansion of the length compensation element along the vertical axis Z and the transverse axis Y is equal to the insulating element 49 and the thickness of the length compensation element along the longitudinal axis X is adapted so that the combined length expansion of the lengthwise Axis X arranged measuring elements 41, electrodes 47, 48, Iso lierelemente 49, seismic mass 2 and Längenausgleichsele element equal to the length extension of the prestressing arrangement 3 in this section with respect to the longitudinal axis X is.
[0072] Vorteilhafterweise ist die Länge und die Material wahl der seismischen Masse 2 derart gewählt, dass die kombi nierte Längenausdehnung der seismischen Masse 2 und der N piezoelektrischen Messsysteme 4 und vorhandenen Isolierele mente 49 nicht mehr als 10% von der Längenausdehnung der Vor spannanordnung 3 über einen Temperaturbereich von mindestens 50 K in Richtung der Längsachse X abweicht. Advantageously, the length and the choice of material of the seismic mass 2 is chosen such that the combined length expansion of the seismic mass 2 and the N piezoelectric measuring systems 4 and existing insulating elements 49 do not exceed 10% of the length expansion of the prestressing arrangement 3 deviates over a temperature range of at least 50 K in the direction of the longitudinal axis X.
[0073] In Fig. 15 ist eine weitere Ausführungsform des Be schleunigungsaufnehmers 1 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der Beschleunigungsaufnehmer 1 eingerichtet N=6 Beschleu nigungskomponenten Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz aufzunehmen. Die seismische Masse 2 weist entsprechend in N+l=7 Teilmassen 21 auf. Fig. 15 zeigt eine weitere Teilansicht des Beschleuni gungsaufnehmers 1, welcher entsprechend N=7 Messsysteme 4 aufweist. Die Beschleunigungskomponenten Tx, Ty, Tz, Mx,A further embodiment of the acceleration sensor 1 is shown in FIG. In this embodiment, the accelerometer 1 is set up to record N = 6 acceleration components Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz. The seismic mass 2 accordingly has N + 1 = 7 partial masses 21. 15 shows a further partial view of the acceleration sensor 1, which accordingly has N = 7 measuring systems 4. The acceleration components Tx, Ty, Tz, Mx,
My, Mz sind beispielsweise je eine Beschleunigungskomponen te Tx, Ty, Tz entlang der Längsachse X, der Querachse Y und der Vertikalachse Z, sowie je eine Beschleunigungskomponen ten Mx, My, Mz um die Längsachse X, um die Querachse Y und um die Vertikalachse Z. My, Mz are, for example, an acceleration component each Tx, Ty, Tz along the longitudinal axis X, the transverse axis Y and the vertical axis Z, as well as an acceleration component each Mx, My, Mz around the longitudinal axis X, around the transverse axis Y and around the vertical axis Z.
[0074] Es sind weitere Ausführungsformen möglich, die ver schiedene Merkmale der in dieser Schrift offenbarten Ausfüh rungsformen wo möglich miteinander kombinieren. Bezugszeichenliste Further embodiments are possible which combine various features of the embodiments disclosed in this document with one another where possible. List of reference symbols
1 Beschleunigungsaufnehmer 1 accelerometer
2 Seismische Masse 2 Seismic mass
3 Vorspannanordnung 3 bias arrangement
4 Messsystem 4 measuring system
5 Signalleiter 5 signal conductors
8 Potentialleiter 8 potential conductors
9 Signalkabel 9 signal cables
21 Teilmasse 21 partial mass
22 Isolator 22 isolator
24 Stirnfläche 24 face
31 Vorspannhülse 31 preload sleeve
32 Vorspannelement 32 preload element
33 Öffnung 33 opening
41 Messelement 41 measuring element
42 Erste Oberfläche 42 First surface
43 Zweite Oberfläche 43 Second surface
44 Steg 44 bridge
45 Kristallelement 45 crystal element
46 Kontaktelement 46 contact element
47 erste Elektrode 47 first electrode
48 zweite Elektrode 48 second electrode
49 Isolierelement 49 insulating element
55 Leiterplatte 55 PCB
56 Leiterbahnen 56 conductor tracks
57 Dichtungselement 57 Sealing element
K Kraft K force
Mx Beschleunigungskomponente um die LängsachseMx acceleration component around the longitudinal axis
My Beschleunigungskomponente um die QuerachseMy acceleration component around the transverse axis
Mz Beschleunigungskomponente um die VertikalachseMz acceleration component around the vertical axis
Tx Beschleunigungskomponente entlang der Längsachse Ty Beschleunigungskomponente entlang der QuerachseTx acceleration component along the longitudinal axis Ty component of acceleration along the transverse axis
Tz Beschleunigungskomponente entlang der VertikalachseTz acceleration component along the vertical axis
X Längsachse Y Querachse Z Vertikalachse X longitudinal axis Y transverse axis Z vertical axis

Claims

Patentansprüche Claims
1. Beschleunigungsaufnehmer (1) wobei der Beschleunigungsauf nehmer (1) eine seismische Masse (2), eine Vorspannanord nung (3) und ein Messsystem (4) aufweist; welche seismi sche Masse (2) bei einer Beschleunigung eine Kraft auf das Messsystem (4) ausübt; wobei eine Längsachse (X) zentral durch die Mitte der seismischen Masse (2) verläuft; wel ches Messsystem (4) zwei räumlich beabstandete piezoelekt rische Messelemente (41) aufweist; welche Messelemen te (41) bezüglich der Längsachse (X) beidseitig der seis mischen Masse (2) angeordnet sind; welche Messelemen te (41) Oberflächen aufweisen; wobei eine Beschleunigung auf den Oberflächen elektrische Polarisationsladungen ge neriert, dadurch gekennzeichnet dass der Beschleunigungs aufnehmer (1) eine Anzahl N Messsysteme (4) aufweist; dass die seismische Masse (2) eine Anzahl N+l Teilmassen (21) aufweist, welche Teilmassen (21) elektrisch voneinander isoliert sind; und dass die Anzahl N=3,4,5, oder 6 ent spricht. 1. Accelerometer (1) wherein the accelerometer (1) has a seismic mass (2), a Vorspannanord voltage (3) and a measuring system (4); which seismic mass (2) exerts a force on the measuring system (4) during acceleration; a longitudinal axis (X) running centrally through the center of the seismic mass (2); wel Ches measuring system (4) has two spatially spaced piezoelectric measuring elements (41); which Messelemen te (41) with respect to the longitudinal axis (X) on both sides of the seis mix mass (2) are arranged; which Messelemen te (41) have surfaces; an acceleration generating electrical polarization charges on the surfaces, characterized in that the acceleration sensor (1) has a number N measuring systems (4); that the seismic mass (2) has a number N + 1 partial masses (21), which partial masses (21) are electrically isolated from one another; and that the number N = 3, 4, 5, or 6 corresponds.
2. Beschleunigungsaufnehmer (1) nach dem vorgehenden An spruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungs aufnehmer (1) eingerichtet ist die Beschleunigung in einer Anzahl N Beschleunigungskomponenten (Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz) zu bestimmen; wobei eine Beschleunigungskomponente(Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz) eine Beschleunigung entlang einer Rau machse (X, Y, Z) eines Kartesischen Koordinatensystems o- der eine Winkelbeschleunigung um eine Raumachse(X, Y, Z) ist; wobei die Längsachse (X) eine der Raumachsen(X, Y, Z) ist; wobei je eines der N Messsysteme (4) auf eine der N Beschleunigungskomponenten (Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz) sensi tiv ist; dass die Messelemente (41) eine erste Oberflä che (42) und eine zweite Oberfläche (43) aufweisen; und dass die erste Oberfläche (42) parallel zur zweiten Ober fläche (43) ist. 2. Accelerometer (1) according to the preceding claim, characterized in that the acceleration sensor (1) is set up to determine the acceleration in a number N acceleration components (Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz); wherein an acceleration component (Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz) is an acceleration along a rough machine (X, Y, Z) of a Cartesian coordinate system or an angular acceleration about a spatial axis (X, Y, Z); wherein the longitudinal axis (X) is one of the spatial axes (X, Y, Z); whereby one of the N measuring systems (4) is linked to one of the N Acceleration components (Tx, Ty, Tz, Mx, My, Mz) are sensitive; that the measuring elements (41) have a first surface (42) and a second surface (43); and that the first surface (42) is parallel to the second upper surface (43).
3.Beschleunigungsaufnehmer (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Oberflächen (42) der Mes selemente (41) des Messsystems (4) elektrisch leitend ver bunden sind; und dass die generierte Polarisationsladung der ersten Oberflächen (42) der Messelemente (41) jeweils eines der N Messsysteme (4) an jeweils einer der N+l Teil masse (21) als Beschleunigungssignal abgreifbar ist. 3. accelerometer (1) according to claim 2, characterized in that the first surfaces (42) of the measuring elements (41) of the measuring system (4) are electrically connected; and that the polarization charge generated on the first surfaces (42) of the measuring elements (41) of one of the N measuring systems (4) can be tapped as an acceleration signal at one of the N + 1 partial masses (21).
4.Beschleunigungsaufnehmer (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Oberflächen (43) der Mes selemente (41) aller piezoelektrischen Messsysteme (4) un tereinander elektrisch leitend verbunden sind; und dass die generierte Polarisationsladung aller zweiten Oberflä chen (43) aller Messelemente (41) an einer Teilmasse (21) elektrisch abgreifbar ist. 4. accelerometer (1) according to claim 3, characterized in that the second surfaces (43) of the measuring elements (41) of all piezoelectric measuring systems (4) are connected to one another in an electrically conductive manner; and that the generated polarization charge of all second surfaces (43) of all measuring elements (41) can be tapped electrically at a partial mass (21).
5.Beschleunigungsaufnehmer (1) nach dem vorgehenden An spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsysteme (4) in unterschiedlicher Nähe zur seismischen Masse (2) ange ordnet sind; dass ein erstes Messsystem (4) den kleinsten Abstand zur seismischen Masse (2) aufweist; dass ein N-tes Messsystem (4) den grössten Abstand zur seismischen Mas se (2) aufweist; dass die Nummerierung der Messsysteme (4) mit steigendem Abstand von der seismischen Masse (2) aus ansteigt; dass zwischen seismischer Masse (2) und dem ers ten Messsystem (4) ein Isolierelement (49) angeordnet ist; dass die erste Oberfläche (42) der Messelemente (41) des ersten Messsystems (4) und jedes Messsystems (4) mit einer ungeraden Nummer zur seismischen Masse (2) hin ausgerich tet ist; dass die erste Oberfläche (42) der Messelemen te (41) mit einer geraden Nummer von der seismischen Mas se (2) weg ausgerichtet ist; dass zwischen zwei einander zugewandten zweiten Oberflächen (43) zweier direkt neben einander bezüglich der Längsachse (X) angeordneter Mes selemente (41) verschiedener Messsysteme (4) eine zweite Elektrode (48) im Kontakt mit den beiden zweiten Oberflä chen (43) angeordnet ist; dass zwischen zwei einander zu gewandten ersten Oberflächen (42) zweier direkt nebenei nander bezüglich der Längsachse (X) angeordneter Messele mente (41) verschiedener Messsysteme (4) jeweils eine ers te Elektrode (47) im Kontakt mit jeweils einer der ersten Oberflächen (42) angeordnet ist und dass zwischen den bei den ersten Elektroden (47) direkt nebeneinander bezüglich der Längsachse (X) angeordneter Messelemente (41) ein Iso lierelement (49) angeordnet ist; und dass Messelemen te (41) zweier Messsysteme (4) direkt nebeneinander ange ordnet sind, wenn sich die Nummer der Messsysteme (4) um die Zahl 1 unterscheidet. 5. acceleration sensor (1) according to the preceding claim, characterized in that the measuring systems (4) are arranged in different proximity to the seismic mass (2); that a first measuring system (4) has the smallest distance to the seismic mass (2); that an N-th measuring system (4) has the greatest distance from the seismic mass (2); that the numbering of the measuring systems (4) increases with increasing distance from the seismic mass (2); that an insulating element (49) is arranged between the seismic mass (2) and the first measuring system (4); that the first surface (42) of the measuring elements (41) of the first measuring system (4) and each measuring system (4) with an odd number to the seismic mass (2) is orientated towards; that the first surface (42) of the Messelemen te (41) is aligned with an even number away from the seismic mass (2); that between two facing second surfaces (43) of two measuring elements (41) of different measuring systems (4) arranged directly next to one another with respect to the longitudinal axis (X) a second electrode (48) is arranged in contact with the two second surfaces (43) ; that between two facing first surfaces (42) of two measuring elements (41) of different measuring systems (4) arranged directly next to one another with respect to the longitudinal axis (X) each have a first electrode (47) in contact with one of the first surfaces (42 ) is arranged and that between the measuring elements (41) arranged directly next to one another with respect to the longitudinal axis (X) in the case of the first electrodes (47), an insulating element (49) is arranged; and that measuring elements (41) of two measuring systems (4) are arranged directly next to one another when the number of the measuring systems (4) differs by the number 1.
6.Beschleunigungsaufnehmer (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannanord nung (3) die Messelemente (41) eines piezoelektrischen Messsystems (4) gegen die seismische Masse (2) vorspannt. 6. Accelerometer (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the biasing arrangement (3) biases the measuring elements (41) of a piezoelectric measuring system (4) against the seismic mass (2).
7.Beschleunigungsaufnehmer (1) nach dem vorgehenden An spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelemente (41) der piezoelektrischen Messsysteme (4) gegen die Vorspann anordnung (3) durch ein Isolierelement (49) elektrisch isoliert sind. 7. acceleration sensor (1) according to the preceding claim, characterized in that the measuring elements (41) of the piezoelectric measuring systems (4) are electrically isolated from the prestressing arrangement (3) by an insulating element (49).
8.Beschleunigungsaufnehmer (1) nach einem der vorgehenden8. Accelerometer (1) according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messele ment (41) mindestens ein piezoelektrisches Kristallele ment (45) aufweist; dass ein piezoelektrisches Kris tallelement (45) aus einem piezoelektrischen Kristall ge fertigt ist. Claims, characterized in that the measuring element (41) has at least one piezoelectric crystal element (45); that a piezoelectric crystal element (45) is made from a piezoelectric crystal.
9.Beschleunigungsaufnehmer (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannanord nung (3) die N Messsysteme (4) weitgehend umschliesst; und dass die Vorspannanordnung (3) mit einem definierten Po tential verbunden ist. 9. Accelerometer (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the prestressing arrangement (3) largely encloses the N measuring systems (4); and that the biasing arrangement (3) is connected to a defined potential.
10. Beschleunigungsaufnehmer (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleuni gungsaufnehmer (1) eine Kompensationseinrichtung zur Tem peraturkompensation aufweist. 10. Accelerometer (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the acceleration sensor (1) has a compensation device for temperature compensation.
11. Beschleunigungsaufnehmer (1) nach dem vorgehenden An spruch, dadurch gekennzeichnet, dass der kombinierte Län genausdehnung der seismischen Masse (2) und der piezoe lektrischen Messsysteme (4) und vorhandenen Isolierelemen te (49) nicht mehr als 10% von der Längenausdehnung der Vorspannanordnung (3) in Richtung der Längsachse (X) über einen Temperaturbereich von mindestens 50 K abweicht. 11. Accelerometer (1) according to the preceding claim, characterized in that the combined length expansion of the seismic mass (2) and the piezoe lectric measuring systems (4) and existing Isolierelemen te (49) not more than 10% of the linear expansion Prestressing arrangement (3) deviates in the direction of the longitudinal axis (X) over a temperature range of at least 50 K.
12. Beschleunigungsaufnehmer (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmas sen (21) durch einen Isolator (22) elektrisch voneinander isoliert sind; dass der Isolator (22) zwischen den Teil massen (21) angeordnet ist; dass der Isolator (22) ein Elastizitätsmodul von mindestens 100 GPa und ein Schubmo dul von mindestens 50 GPa aufweist; dass der Isolator (22) mit den Teilmassen (21) stoffschlüssig oder kraftschlüssig verbunden ist; und dass der Isolator (22) ein elektrisch isolierendes Material mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 109 W mm2 / m ist. 12. Accelerometer (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the Teilmas sen (21) are electrically isolated from one another by an insulator (22); that the insulator (22) is arranged between the part masses (21); that the insulator (22) has a modulus of elasticity of at least 100 GPa and a shear modulus of at least 50 GPa; that the insulator (22) with the partial masses (21) cohesively or non-positively connected is; and that the insulator (22) is an electrically insulating material with a specific resistance of at least 10 9 W mm 2 / m.
13. Beschleunigungsaufnehmer (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannanordnung (3) als ge schlossenes Gehäuse mit einer Öffnung (33) ausgeführt ist; dass die Teilmassen (21) durch die Öffnung (33) elektrisch leitend mit einem Signalkabel (9) verbunden sind; dass zwischen Signalkabel (9) und Vorspannanordnung (3) ein13. Accelerometer (1) according to claim 9, characterized in that the biasing arrangement (3) is designed as a closed housing GE with an opening (33); that the partial masses (21) are electrically conductively connected to a signal cable (9) through the opening (33); that between the signal cable (9) and pretensioning arrangement (3)
Dichtungselement (57) angeordnet ist; und dass die Vor spannanordnung (3) hermetisch abgedichtet ist. Sealing element (57) is arranged; and that the pre-tensioning arrangement (3) is hermetically sealed.
14. Beschleunigungsaufnehmer (1) nach dem vorgehendem An spruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalkabel (9) N+l elektrische Signalleiter (5) und einen Potentiallei ter (8) mit einem definierten elektrischen Potential auf weist; dass die elektrischen Signalleiter (5) direkt oder indirekt mit den Teilmassen (21) elektrisch und mechanisch verbunden sind; dass der Potentialleiter (8) direkt oder indirekt mit der Vorspannanordnung (3) elektrisch und me chanisch verbunden ist; dass der Potentialleiter (8) die Signalleiter (5) weitgehend umschliesst; und dass die elektrischen Signalleiter (5) eingerichtet sind Beschleu nigungssignale von den Teilmassen (21) elektrisch abzulei ten . 14. Accelerometer (1) according to the preceding claim, characterized in that the signal cable (9) has N + 1 electrical signal conductors (5) and a Potentiallei ter (8) with a defined electrical potential; that the electrical signal conductors (5) are electrically and mechanically connected directly or indirectly to the partial masses (21); that the potential conductor (8) is connected directly or indirectly to the prestressing arrangement (3) electrically and mechanically; that the potential conductor (8) largely encloses the signal conductor (5); and that the electrical signal conductors (5) are set up to electrically derive acceleration signals from the partial masses (21).
15. Verfahren zur Überprüfung von Beschleunigungssignalen eines Beschleunigungsaufnehmers (1) nach einem der Ansprü che 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der als Beschleunigungssignale abgegriffenen Polarisationsla dungen der ersten Elektroden der N Messsysteme mit der ab gegriffenen Polarisationsladungen der zweiten Elektroden der N Messsysteme verglichen wird; und dass bei betrags- massiger Gleichheit und entgegengesetztem Vorzeichen Be schleunigungssignale konsistent ist. 15. A method for checking acceleration signals of an accelerometer (1) according to one of claims 4 to 14, characterized in that the sum of the polarization charges tapped as acceleration signals of the first electrodes of the N measuring systems with the tapped polarization charges of the second electrodes of the N measuring systems is compared; and that for amount moderate equality and opposite sign acceleration signals is consistent.
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