DE10260087A1

DE10260087A1 - Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE10260087A1
Application number: DE2002160087
Authority: DE
Inventors: Sergej Dr. Lopatin
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-01

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungssensor mit mindestens einer trägen Masse (7) und mindestens einer Empfangseinheit. Die träge Masse (7) führt aufgrund einer Beschleunigung eine Bewegung (8) aus. Die Erfindung beinhaltet, dass in der Empfangseinheit mindestens eine Piezoeinheit (1) mit mindestens einer Außenfläche (12) vorgesehen ist, über die die träge Masse (7) mit der Piezoeinheit (1) verbunden ist. Die Außenfläche (12) besteht aus mindestens zwei Segmenten (2, 3) mit unterschiedlichen Polarisationen, wobei die Polarisationsrichtungen (16) einander im Wesentlichen entgegengerichtet sind. Weiterhin ist die träge Masse (7) derartig beschaffen, angeordnet und/oder mit der Piezoeinheit (1) verbunden, dass eine Kraft, die die träge Masse auf die Piezoeinheit (1) ausübt, aus mindestens zwei unterschiedlichen Kraftkomponenten (9, 10) besteht, wobei die Kraftkomponenten (9, 10) im Wesentlichen einander entgegengerichtet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungssensor mit mindestens einer trägen Masse und mindestens einer Empfangseinheit, wobei die träge Masse aufgrund einer Beschleunigung eine Bewegung ausführt.
Das Patent DE 195 09 179 beschreibt einen Beschleunigungssensor, bei dem auf einem Substrat ein piezo-elektrisches Element aufgebracht ist, das von einem Gewicht bedeckt wird. Das piezo-elektrische Element weist mehrere Bereiche mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen auf. Die Polarisationsrichtungen liegen entweder in der Elementenebene oder in der Elementendickenrichtung. Durch eine Beschleunigung übt das Gewicht Kräfte auf das piezo-elektrische Element auf, woraus sich ableitbare elektrische Signale ergeben. Die Bereiche auf der Seite des Gewichts sind jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden. An den Bereichen auf der Substratseite befinden sich die Elektroden für die Ableitung der detektierten Signale. D.h. ersetzt man die einzelnen piezoelektrischen Elemente durch Kondensatoren, so sind sie quasi in Reihe geschaltet und die Spannung zwischen den äußeren Platten wird abgegriffen. Sind die Polarisationsrichtungen der Bereiche des piezo-elektrischen Elements einander entgegengesetzt, so lässt sich eine Beschleunigung messen, die in einer Richtung parallel zur Polarisationsrichtung wirkt. Dabei werden die Scherkräfte ausgenutzt, die sich durch die Wirkung der Beschleunigung auf das Gewicht in den piezo-elektrischen Elementen ergeben. Sind die Polarisationsrichtungen parallel, so wirkt die messbare Beschleunigung in der Rotationsrichtung um eine Achse, die senkrecht auf der Polarisationsrichtung steht. Ziel des Patentes ist es, dass die Ausgestaltung möglichst klein und platzsparend ist, so dass sie sich z.B. für Laufwerke von tragbaren Computern eignet.
Nachteilig an diesem Patent ist, dass besondere Ausgestaltungen der Leiterplatten erforderlich sind. Weiterhin werden die Bereiche auf Seiten des Gewichts direkt leitend miteinander verbunden, wodurch sich nur die halbe elektrische Ladung ergibt, die sich aus der Beschleunigung ergeben könnte, wenn die Bereiche jeweils ein elektrisches Signal mit dem gleichen Vorzeichen erzeugen würden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beschleunigung mit einer einfachen und möglichst robusten Konstruktion zu messen.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung derart gelöst, dass in der Empfangseinheit mindestens eine Piezoeinheit mit mindestens einer Außenfläche vorgesehen ist, über die die träge Masse mit der Piezoeinheit verbunden ist, und die aus mindestens zwei Segmenten mit unterschiedlichen Polarisationen besteht, wobei die Polarisationsrichtungen einander im Wesentlichen entgegengerichtet sind, und dass die träge Masse derartig beschaffen, angeordnet und/oder mit der Piezoeinheit verbunden ist, dass eine Kraft, die die träge Masse auf die Piezoeinheit ausübt, aus mindestens zwei unterschiedlichen Kraftkomponenten besteht, wobei die Kraftkomponenten im Wesentlichen einander entgegengerichtet sind.
Eine praktische Ausgestaltung sieht vor, dass die Polarisationsrichtungen und die Richtungen der Kraftkomponenten im Wesentlichen parallel und/oder gleich sind. Liegen also die Polarisationsrichtungen in einer Ebene senkrecht zur Außenfläche, so wirken auch die Kraftkomponenten senkrecht dazu. Es treten also keine Scherkräfte auf.
Die Aufgabe wird ebenfalls erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der Empfangseinheit mindestens eine Piezoeinheit mit mindestens einer Außenfläche vorgesehen ist, über die die träge Masse mit der Piezoeinheit verbunden ist, und dass die träge Masse derartig beschaffen, angeordnet und/oder mit der Piezoeinheit verbunden ist, dass eine Kraft, die die träge Masse auf die Piezoeinheit ausübt, aus mindestens zwei unterschiedlichen Kraftkomponenten besteht, und dass die Außenfläche aus mindestens zwei Segmenten besteht, die aufgrund der Kraftkomponenten, die auf die Segmente wirken, jeweils ein elektrisches Signal erzeugen, wobei die Vorzeichen der elektrischen Signale der einzelnen Segmente auf der Außenfläche gleich sind.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die unterschiedlichen Kraftkomponenten im Wesentlichen einander entgegengerichtet sind. Ein Beispiel dafür ist, dass die träge Masse eine Kippbewegung ausführt, so dass auf ein Segment ein Druck und auf ein anderes Segment ein Zug wirkt. Es kann sich jedoch auch um eine Drehbewegung der trägen Masse handeln.
Eine nützliche Realisierung sieht vor, dass die Segmente symmetrisch zueinander ausgestaltet sind. Es kann sich beispielsweise um zwei Hälften eines Zylinders handeln. Damit wird erreicht, dass Kräfte, die nicht auf die bezeichneten Außenflächen wirken, sich in ihrer Wirkung gerade kompensieren. Die Idee ist, dass die Segmente quasi miteinander kurzgeschlossen sind. Somit ist der Beschleunigungsssnsor relativ unempfindlich gegen z.B. transversale Kräfte. In dem Fall, dass gleiche Kräfte auf die Segmente auf den bezeichneten Außenflächen wirken, gibt es durch die symmetrische Ausgestaltung ebenfalls keine elektrischen Signale. Somit werden auch pyroelektrische Effekte vermieden, wodurch der Sensor auch in explosionsgefährdeten Bereichen einsetzbar ist. Diese Ausgestaltung füht dazu, dass der Sensor nur in eine Beschleunigungsrichtung empfindlich ist. Weiterhin ergibt sich keine pyroelektrische Ladung, wenn der Sensor bei einem Temperaturgradienten eingesetzt wird.
Eine nützliche Ausgestaltung beinhaltet, dass die unterschiedlichen Kraftkomponenten im Wesentlichen jeweils auf unterschiedliche Segmente ausgeübt werden. Wirken unterschiedliche Kraftkomponenten auf das gleiche Segment, so zeigt sich ein Effekt nur, wenn die Beträge der Kraftkomponenten unterschiedlich sind.
Eine sinnvolle Weiterbildung sieht vor, dass mindestens eine Elektrode vorgesehen ist, die mit mindestens zwei unterschiedlichen Segmenten auf der Außenfläche leitend verbunden ist. Dies ermöglicht es, die elektrischen Signale abzuleiten, wobei sich daraus auch eine Parallelschaltung der Kapazitäten der Segmente ergibt, da die elektrischen Signale der einzelnen Segmente jeweils das gleiche Vorzeichen tragen. Der große Unterschied zu Patent DE 19 1 09 179 besteht eben auch darin, dass die einzelnen Segmente nicht in Reihe, sondern parallel geschaltet werden, wodurch sich die Kapazität und somit die elektrische Ladung als Ganzes, die abgreifbar ist, erhöht.
Eine sinnvolle Realisierung beinhaltet, dass die Piezoeinheit mindestens zwei Außenflächen aufweist, die einander im Wesentlichen gegenüberliegen, dass mindestens zwei Elektroden vorgesehen sind, die auf unterschiedlichen Außenflächen jeweils mit mindestens zwei unterschiedlichen Segmenten leitend verbunden sind, und dass das elektrische Signal zwischen den beiden Elektroden als Maß für die Beschleunigung benutzt wird. Die Piezoeinheit hat also oben und unten jeweils eine Außenfläche mit unterschiedlichen Segmenten. Die elektrischen Signale der Segmente tragen auf den Außenflächen jeweils das gleiche Vorzeichen. Die Vorzeichen der elektrischen Signale zweier einander gegenüberliegender Außenflächen einer Piezoeinheit sind jedoch unterschiedlich. Wird z.B. eine Spannung zwischen diesen beiden Elektroden gemessen, so ist dies ein Maß für die Beschleunigung, die auf die träge Masse gewirkt hat. Es besteht auch die Möglichkeit, dass eine Elektrode geerdet wird.
Eine nützliche Umsetzung sieht vor, dass in der Empfangseinheit mindestens ein Stapel vorgesehen ist, der aus mindestens zwei Piezoeinheiten besteht, die elektrisch parallel und mechanisch in Reihe geschaltet sind und/oder die so angeordnet sind, dass sich eine Signal- und/oder Kraftverstärkung ergibt. Die elektrischen Signale der Segmente werden also dadurch verstärkt, dass mehrere Piezoeinheiten miteinander zu einem Stapel verbunden werden. Dies entspricht dem Fall, dass eine Piezoeinheit mit einer höheren Dicke verwendet wird. Mehrere dünnere Piezoeinheiten haben meist den Vorteil, kostengünstiger zu sein als eine einzige Einheit gleicher Dicke.
Eine nützliche Realisierung beinhaltet, dass zwei träge Massen und zwei Piezoeinheiten vorgesehen sind, wobei die trägen Massen jeweils mit einer Außenfläche einer Piezoeinheit verbunden sind, und wobei die Bewegungen, die die trägen Massen aufgrund der Beschleunigung ausführen, im Wesentlichen die gleiche Richtung haben. Dies ermöglicht es, dass durch eine Beschleunigung zwei träge Massen bewegt und dass dadurch die elektrischen Signale verdoppelt werden.
Die vorgestellten Ausführungen des Sensors stellen keine Beschränkung dar, sondern sind nur Beispiele, um das Prinzip zu verdeutlichen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: einen Aufbau einer Piezoeinheit mit zwei Segmenten,
2: einen Aufbau einer Piezoeinheit mit zwei Segmenten und mit einer Bohrung;
3: eine Seitenansicht eines Stapels aus zwei Piezoelementen mit Elektroden;
4: ein Schnitt durch eine Ausführung eines Beschleunigungssensors;
5: ein Schnitt durch eine weitere Ausführung;
6: eine schematische Verdeutlichung der wirkenden Kräfte; und
7: eine Schnitt durch eine weitere Anordnung des Sensors mit zwei trägen Massen.
In den Figuren 1 und 2 ist der Aufbau einer Piezoeinheit 1 dargestellt. Als Beispiel findet sich eine runde Scheibe, deren Außenfläche 12 die zwei Segmente 2, 3 aufweist, deren Polarisation einander entgegengesetzt ist (hier dargestellt durch Plus + und Minus -). Für das Durchführen von Bauteilen oder für das Fixieren der Einheit ist es möglich, eine oder mehrere Bohrungen 4 in der Scheibe anzubringen (2). Die Tatsache, dass hier und im folgenden die Piezoeinheiten rund dargestellt sind, soll keine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die geometrische Ausgestaltung unterliegt keinerlei Beschränkung. Es kann sich also z.B. auch um eckige Scheiben o.ä. handeln. Es sollte nur sichergestellt sein, dass die träge Masse mit mindestens zwei Segmenten mit unterschiedlicher Polarisation, bzw. mit unterschiedlicher Kraftkomponente verbunden ist.
3 demonstriert die Anordnung zweier Piezoeinheiten 1 zu einem Stapel 13. Ein Vorteil des Stapels 13 liegt darin, dass sich bei gleicher wirkender Kraft eine höhere elektrische Ladung ergibt. Die beiden Piezoeinheiten 1 sind derart angeordnet, dass sich jeweils die Segmente 2, 3 mit gleicher Polarisation, bzw. mit gleicher Kraftkomponente gegenüberliegen. Dies kann dadurch verdeutlicht werden, dass quasi zwei Hände Applaus klatschen. Die Polarisationsrichtungen 16 der Segmente sind hier mit Pfeilen bezeichnet. Zwischen den beiden Elementen 1 befindet sich eine Elektrode 14, die die Elemente 2, 3 und die Piezoeinheiten 1 innerhalb des Stapels 13 miteinander kurzschließt. Eine Möglichkeit anstelle der Elektrode 14 ist z.B. eine Lötfahne. An den Außenflächen 12 des Stapels 13 sind ebenfalls Elektroden 14 befestigt, wobei die Vorzeichen der ableitbaren Spannungen jeweils alternieren. Deshalb sind auch in diesem Fall die beiden äußeren Elektroden 14 miteinander verbunden. Somit sind also die Piezoeinheiten 1 elektrisch parallel und mechanisch in Reihe geschaltet. Aus Schutz-Gründen sich noch zwei Isolierscheiben 15 auf den Außenflächen 12 des Stapels 13 angebracht. Im Falle einer einzigen Piezoeinheit 1 liegen die Elektroden 14 an den beiden Außenflächen 12. Die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Elektroden 14 ist dann ein Maß für die Beschleunigung, wobei eine Elektrode 14 auch geerdet sein kann.
In 4 ist dargestellt, wie beispielsweise ein rechteckiger Körper als träge Masse 7 über der Piezoeinheit 1 befestigt ist. Diese Piezoeinheit 1 ist wiederum über eine Verschraubung 5 mit einem Gehäuse 6 verbunden. Wirkt eine Beschleunigung auf die träge Masse 7, so führt die träge Masse 7 eine Kippbewegung oder eine Drehbewegung aus. Bei der Kippbewegung ergibt sich auf ein Segment der Piezoeinheit ein Zug- 9 und auf das andere eine Druckkraft 10. Die Elektroden – wegen der Übersichtlichkeit hier nicht eingezeichnet – zur Ableitung des elektrischen Signals können durch die Bohrung 4 geführt werden, in der die Verschraubung 5 sitzt. Dies ermöglicht eine sehr gute elektrische Abschirmung der Leitungen gegenüber Streufeldern von außen.
5 zeigt einen ähnlichen Aufbau, wobei hier sehr gut der Stapel 13 aus 3 mit den zwei Piezoeinheiten 1 und den zwei Isolierscheiben 15 zu erkennen ist. In diesem Fall ist die Verschraubung 5 durch die träge Masse 7 hindurchgeführt.
6 verdeutlicht die beim Sensor wirkenden Kräfte, wie er in 4 und 5 dargestellt ist. Die Plus- und Minus-Zeichen geben die Polarisation der Segmente 2, 3 der Piezoeinheit 1 an. Die Pfeile bezeigen die Kippbewegung 8, die Zug- 9 und die Druckkraft 10. Dadurch, dass die Polarisationen der Segmente 2, 3 unterschiedlich sind und dass gleichzeitig die Richtungen der Kraftkomponenten 9, 10 unterschiedlich sind, haben die Spannungen auf den Außenflächen der Segmente 2, 3 jeweils das gleiche Vorzeichen. Somit ergibt sich also eine elektrische Parallelschaltung der Kondensatoren, die die piezoelektrische Segmente 2, 3 darstellen.
In 7 findet sich eine Ausgestaltung, die quasi eine Verdoppelung der Ausgestaltung in 3 darstellt. Es sind zwei träge Massen 7 und zwei Piezoeinheiten 1 vorgesehen, wobei die trägen Massen 7 jeweils mit einer Außenfläche 12 der Piezoeinheiten 1 verbunden sind. Die beiden freien Außenflächen 12 der Piezoeinheiten 1 sind miteinander über eine Membran 11 verbunden. Somit führt eine Beschleunigung 8 dazu, dass die beiden trägen Massen 7 ausgelenkt werden und dass sich somit das doppelte Signal ergibt. Dies ermöglicht eine feinere Messung der Beschleunigung, da die elektrische Ladung deutlich größer als im einfachen Fall ist.

1: Piezoeinheit
2: Segment
3: Segment
4: Bohrung
5: Verschraubung
6: Gehäuse
7: Träge Masse
8: Bewegung
9: Zug
10: Druck
11: Membran
12: Außenfläche
13: Stapel von Piezoeinheiten
14: Elektrode
15: Isolierscheibe
16: Polarisationsrichtung

Claims

Beschleunigungssensor mit mindestens einer trägen Masse (7) und mindestens einer Empfangseinheit, wobei die träge Masse (7) aufgrund einer Beschleunigung eine Bewegung (8) ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Empfangseinheit mindestens eine Piezoeinheit (1) mit mindestens einer Außenfläche (12) vorgesehen ist, über die die träge Masse (7) mit der Piezoeinheit (1) verbunden ist, und die aus mindestens zwei Segmenten (2, 3) mit unterschiedlichen Polarisationen besteht, wobei die Polarisationsrichtungen (16) einander im Wesentlichen entgegengerichtet sind, und dass die träge Masse (7) derartig beschaffen, angeordnet und/oder mit der Piezoeinheit (1) verbunden ist, dass eine Kraft, die die träge Masse auf die Piezoeinheit (1) ausübt, aus mindestens zwei unterschiedlichen Kraftkomponenten (9, 10) besteht, wobei die Kraftkomponenten (9, 10) im Wesentlichen einander entgegengerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtungen (16) und die Richtungen der Kraftkomponenten (9, 10) im Wesentlichen parallel und/oder gleich sind.
Beschleunigungssensor mit mindestens einer trägen Masse (7) und mindestens einer Empfangseinheit, wobei die träge Masse (7) aufgrund einer Beschleunigung eine Bewegung (8) ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Empfangseinheit mindestens eine Piezoeinheit (1) mit mindestens einer Außenfläche (12) vorgesehen ist, über die die träge Masse (7) mit der Piezoeinheit (1) verbunden ist, und dass die träge Masse (7) derartig beschaffen, angeordnet und/oder mit der Piezoeinheit (1) verbunden ist, dass eine Kraft, die die träge Masse auf die Piezoeinheit (1) ausübt, aus mindestens zwei unterschiedlichen Kraftkomponenten (9, 10) besteht, und dass die Außenfläche aus mindestens zwei Segmenten (2, 3) besteht, die aufgrund der Kraftkomponenten, die auf die Segmente wirken, jeweils ein elektrisches Signal erzeugen, wobei die Vorzeichen der elektrischen Signale der einzelnen Segmente auf der Außenfläche gleich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Kraftkomponenten (9, 10) im Wesentlichen einander entgegengerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (2, 3) symmetrisch zueinander ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Kraftkomponenten (9, 10) im Wesentlichen jeweils auf unterschiedliche Segmente (2, 3) ausgeübt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (14) vorgesehen ist, die mit mindestens zwei unterschiedlichen Segmenten (2, 3) auf der Außenfläche (12) leitend verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoeinheit (1) mindestens zwei Außenflächen (12) aufweist, die einander im Wesentlichen gegenüberliegen, dass mindestens zwei Elektroden (14) vorgesehen sind, die auf unterschiedlichen Außenflächen (12) jeweils mit mindestens zwei unterschiedlichen Segmenten (2, 3) leitend verbunden sind, und dass das elektrische Signal zwischen den beiden Elektroden (14) als Maß für die Beschleunigung benutzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Empfangseinheit mindestens ein Stapel (13) vorgesehen ist, der aus mindestens zwei Piezoeinheiten (1) besteht, die elektrisch parallel und mechanisch in Reihe geschaltet sind und/oder die so angeordnet sind, dass sich eine Signal- und/oder Kraftverstärkung ergibt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei träge Massen (7) und zwei Piezoeinheiten (1) vorgesehen sind, wobei die trägen Massen (7) jeweils mit einer Außenfläche (12) einer Piezoeinheit (1) verbunden sind, und wobei die Bewegungen, die die trägen Massen (7) aufgrund der Beschleunigung ausführen, im Wesentlichen die gleiche Richtung haben.