DE19647834B4

DE19647834B4 - Sensor zum Erfassen von Schwingungen

Info

Publication number: DE19647834B4
Application number: DE19647834A
Authority: DE
Inventors: Tae-ho Suwon Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1996-03-07
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2016-11-20
Also published as: KR970066523A; CN1081791C; DE19647834A1; US5834650A; CN1159573A; KR0165517B1; JPH09243447A

Abstract

Sensor zum Erfassen von Schwingungen, aufweisend
ein Schwingungsgehäuse (11);
ein isolierendes Element (12), das an dem Schwingungsgehäuse (11) befestigt ist;
ein einseitig eingespannt aufgebauter piezoelektrischer Schwinger (13), dessen eines Ende durch das isolierende Element (12) abgestützt ist und der zwei piezoelektrische Elemente (131, 132) aufweist;
eine erste Elektrodenschicht (131a) auf der oberen und eine zweite Elektrodenschicht (132a) auf der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Schwingers (13); und ein Abdeckelement (18), das das Schwingungsgehäuse (11) abdeckt; gekennzeichnet durch
ein Plattenelement (17), das auf dem piezoelektrischen Schwinger angeordnet und mit den Elektrodenschichten (131a, 132a) so verbunden ist, daß es als eine Kurzschlußbrücke wirkt;
einen durch das Abdeckelement (18) hineinführenden Draht (15), der mit dem piezoelektrischen Schwinger (13) verbunden ist; und
einen Verstärker, der mit dem hineinführenden Draht (15) verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Erfassen von Schwingungen unter Verwendung von piezoelektrischen Elementen und insbesondere auf einen Sensor zum Erfassen von Schwingungen, der die Einwirkungen der Temperatur und von Geräuschen beseitigen kann.
Im allgemeinen wird ein Schwingungserfassungs-Sensor in einem elektronischen Sphygmomanometer und auch in Maschinen zum Erfassen von Schwingungen verwendet.
4 bis 6 stellen einen konventionellen Sensor zum Erfassen von Schwingungen dar, der aus einer kreisförmigen Schwingungsplatte 1, einem Abdeckelement 2, das die kreisförmige Schwingungsplatte 1 abdeckt, einem piezoelektrischen Element 3, das an der Mitte der oberen Fläche der Schwingungsplatte 1 befestigt ist, und einem hineinführenden Draht 4 besteht, der mit dem piezoelektrischen Element 3 elektrisch verbunden ist. Ein ähnlich aufgebauter Sensor ist beispielsweise aus der US-A-5,063,782 bekannt.
Bei dem vorstehend beschriebenen konventionellen Sensor zum Erfassen von Schwingungen besteht die Schwingungsplatte 1 aus einem Material, wie beispielsweise einem Kunststoff oder einem Gummi mit darin verteilten metallischen Teilchen. Das piezoelektrische Element 3, das aus einem komplexen plastischen Material, beispielsweise Gummi oder einem synthetischen Harz mit ferromagnetischen Teilchen, beispielsweise PZT oder BaTiO₂, die darin verteilt sind, besteht, ist an der Schwingungsplatte 1 mittels eines Klebstoffs befestigt. Das Abdeckelement 2, das aus einer metallischen Substanz besteht, umfaßt eine zylindrische Wand 2a und eine kreisförmige Abdeckung 2b an der Oberseite der Wand 2a. Am Boden der Wand 2a ist ein kanalförmiger Flansch 2c so ausgebildet, daß die Schwingungsplatte 1 in den kanalförmigen Flansch 2c einschnappt und mit dem Abdeckelement 2 verbunden wird. Durch die Wand 2a ist über dem kanalförmigen Flansch 2c auch ein Schlitz 2d ausgebildet, so daß der hineinführende Draht 4 in dem Abdeckelement 2 eingesetzt werden kann. Das zentral angeordnete Drahtende des eingesetzten, hineinführenden Drahts 4 ist an der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 3 mittel eines Lötmittelteils 5 angelötet und der Abschirmungsdraht 4b des hineinführenden Drahts 4 ist auch mittels Löten mit der Wand 2a verbunden.
Wenn die Schwingungsplatte 1 des vorstehend beschriebenen, konventionellen Sensors zum Erfassen von Schwingungen mit einer Person in der Nähe eines arteriellen Blutgefäßes oder mit einer zu erfassenden Maschine in Berührung gebracht wird, schwingt die Schwingungsplatte 1 entsprechend dem Puls der Person oder der Schwingung der Maschine und verursacht eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der oberen und der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 3. Da die Schwingungsplatte 1 durch die darin verteilten metallischen Teilchen elektrisch leitet und der Abschirmungsdraht 4b, der mit der Wand 2a des Abdeckelements 2 verbunden ist, auch elektrisch mit der Bodenseite des piezoelektrischen Elements 3 verbunden ist, werden die elektrischen Potentialdifferenzen, die an dem piezoelektrischen Element 3 erzeugt werden, als ein elektrisches Signal über den hineinführenden Draht 4 ausgegeben und daher können die Schwingungen erfaßt werden.
Da der vorstehend beschriebene, konventionelle Sensor zum Erfassen von Schwingungen ein piezoelektrisches Element aus einer einzigen Platte verwendet, bestehen jedoch Probleme insofern, als daß Fehlersignale aufgrund von Temperaturänderungen seiner Umgebungen erzeugt werden. Da der hineinführende Draht 4 durch das Loch 2d an der Wand 2a in das Abdeckelement 2 eingesetzt ist, können auch externe Geräusche durch das Loch 2d eindringen.

Die US-A-4,307,602 beschreibt einen Schwingungssensor in einem Gehäuse, bei dem ein Schwinger auf einer isolierenden Basis als Stütze gelagert ist. Der Schwinger ist in sandwichbauweise aus zwei piezoelektrischen Schichten zusammengesetzt, die auf der Ober- und Unterseite mit Elektrodenschichten beschichtet sind. Das Gehäuse ist durch eine Abdeckung abgedeckt. Die beiden piezoelektrischen Schichten sind durch die mittlere Metallschicht in Reihe geschaltet. Der elektrische Kontakt zur Außenseite wird durch eine Durchführung eines abgeschirmten Drahts durch das Gehäuse hergestellt. Ein elektrisch isoliertes Metallstück dient als Trägheitsmasse.

Die US-A-3,940,974 offenbart verschiedene Ausführungsbeispiele einer externen Beschaltung eines bimorphen Schwingers mit zwei piezoelektrischen Schichten. Ebenfalls ist eine externe Erfassungsschaltung zur Erfassung von Schwingungs- oder Temperatursignalen vorgesehen, die in Abhängigkeit des Zwecks der Messung (Temperatur/Schwingung) durch eine flexible, externe Beschaltung mit dem Schwinger verbunden wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungssensor vorzusehen, der einen einfachen Aufbau aufweist und der in einem Gehäuse einfach zu installieren ist.

Die vorstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 9 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8.

Der Sensor zum Erfassen von Schwingungen unter Verwendung des temperaturkompensierenden piezoelektrischen Elements beseitigt die Einflüsse von Temperaturänderungen seiner Umgebung, wodurch die Erfassung eines reinen Signals aus Schwingungen ermöglicht wird. Darüber hinaus verhindert der Sensor, daß externe Geräusche durch das Gehäuse eindringen, da die Löcher für hineinführende Drähte mit Hilfe eines Glasmaterials gefüllt sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht, die einen Sensor zum Erfassen von Schwingungen gemäß einem Ausführungsbeispiel schematisch verdeutlicht;
2 den Verbindungszustand von hineinführenden Drähten des Sensors der 1 zum Erfassen von Schwingungen;
3 einen Schwingungserfassungszustand des Sensors der 1 zum Erfassen von Schwingungen;
4 eine perspektivische Ansicht, die einen konventionellen Sensor zum Erfassen von Schwingungen schematisch verdeutlicht;
5 eine Schnittansicht des längs Linie II-II geschnittenen Sensors der 4; und
6 eine Schnittansicht des längs Linie III-III geschnittenen Sensors der 5.
Wie aus 1 ersichtlich, weist ein Sensor zum Erfassen von Schwingungen gemäß eines Ausführungsbeispiels ein zylindrisches Schwingungsgehäuse 11 mit einer Wand 11a mit einer vorbestimmten Höhe, eine isolierende Platte 12 mit einer vorbestimmten Höhe, die auf dem Boden des Schwingungsgehäuses 11 befestigt ist, und einen piezoelektrischen Schwingungskörper bzw. Schwinger 13 auf. Hier besteht die isolierende Platte 12 aus Al₂O₃ und der piezoelektrische Schwinger 13 bildet einen einseitig eingespannten Aufbau aus, wobei ein Ende von diesem an der oberen Oberfläche der isolierenden Platte 12 befestigt ist. Der einseitig eingespannte Aufbau ermöglicht, daß das freie Ende des piezoelektrischen Schwingers 13 sich in der Schwingungsrichtung bewegen kann, wenn eine Schwingung erfaßt wird, wodurch eine genaue Erfassung möglich wird.
Der piezoelektrische Schwinger bzw. Vibrator 13 weist einen zweielementigen bzw. bimorphen Aufbau mit einem ersten piezoelektrischen Element 131 zum Erfassen einer Schwingung und einem zweiten piezoelektrischen Element 132 zum Kompensieren von Temperaturänderungen auf, die mittels eines leitfähigen Klebstoffs aufeinander geschichtet sind. Das erste und das zweite piezoelektrische Element 131 bzw. 132 sind in der gleichen Richtung polarisiert. Eine Metallplatte 14 ist zwischen den piezoelektrischen Elementen 131 und 132 als eine Verbindungs- bzw. Übergangselektrode dienend eingesetzt. Die Metallplatte 14 erstreckt sich durch die festgelegten Enden der piezoelektrischen Elemente 131 und 132, wobei sie ein hervorragendes Teil 14a ausbildet, das mit einem Erdungsdraht 16 verbunden ist. Das erste und das zweite piezoelektrische Element 131 bzw. 132 sind auch mit einer Silber-(Ag)-Paste auf der oberen bzw. unteren Fläche von diesen beschichtet, die die erste und zweite Elektrode 131a bzw. 132a ausbilden. Ein hineinführender Draht 15 ist an der ersten Elektrode 131a durch Löten an einem Lötmittelteil 15a angelötet.
Der hineinführende Draht 15 und der Erdungsdraht 16 stehen mit einem invertierenden Eingangsanschluß bzw. einem nicht-invertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers (op-amp) 30 in Verbindung, wie dies in 2 dargestellt ist. Die erste Elektrode 131a des ersten piezoelektrischen Elements 131 und die zweite Elektrode 132a des zweiten piezoelektrischen Elements 132 sind mit Hilfe einer kanalförmigen Kupfer-(Cu)-Platte 17 miteinander kurzgeschlossen, die an der freien Seite des piezoelektrischen Schwingers 13 angeordnet ist. Ein Abdeckelement 18 mit Löchern 18a und 18b, um den hineinführenden Leitungsdraht 15 und den Erdungsdraht 16 dorthin durchzuführen, deckt das Schwingungsgehäuse 11 ab. Hier sind die Löcher mittels eines Glasmaterials 18c abgedichtet.
Das Schwingungsgehäuse 11 besteht aus einem Material, wie beispielsweise Kunststoff oder Gummi, mit darin verteilten metallischen Teilchen. Die piezoelektrischen Elemente 131 und 132 bestehen, wie beim Stand der Technik, aus einem komplexen Kunststoffmaterial bzw. plastischen Material, wie einem synthetischen Harz oder einem Gummi, wobei sie darin verteilte ferroelektrische Teilchen aufweisen, wie z. B. PZT oder BaTiO₂.
Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Sensor zum Erfassen von Schwingungen schwingt bzw. oszilliert das freie Ende des einseitig eingespannt-aufgebauten piezoelektrischen Schwingers 13 unter dem Einfluß einer Schwingung auf und ab, wenn das Schwingungsgehäuse 11 eine Schwingung erfaßt, wie dies in 3 dargestellt ist. Falls die Schwingungsrichtung z. B. nach unten gerichtet ist, verlängert sich das erste piezoelektrische Element 131, während das zweite piezoelektrische Element 132 gestaucht bzw. eingeengt wird. So wird eine Ladung erzeugt, die dem Deformationsbetrag der piezoelektrischen Elemente entspricht, und dann wird die erzeugte Ladung in ein elektrisches Signal umgewandelt, wobei sie die erste Elektrode 131a und die Metallplatte 14 passiert und dann zum Operationsverstärker 30 übertragen wird. Die erste Elektrode 131a des ersten piezoelektrischen Elements 131 steht mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 30 über einen Widerstand R1 in Verbindung und die Metallplatte 14 ist mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 30 über den Erdungsdraht 16 verbunden. Da der Eingang und der Ausgang des Operationsverstärkers 30 impedanzangepaßt sind, wird daher der maximale Strom verstärkt und der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 30 gibt V₀ Volt aus. Die Spannung V₀ in Form eines analogen Signals wird mittels eines Vergleichers (nicht dargestellt) in ein digitales Rechteckwellensignal umgewandelt und daher kann die Schwingungsmenge bzw. Schwingungsquantität erfaßt werden.
Ein derartiger Sensor zum Erfassen von Schwingungen kann auch zum Erfassen von Schwingungen eines Niederfrequenzbands aus Zentrifugalkräften bei einem Schleudergang einer Waschmaschine wirksam eingesetzt werden.

Claims

Sensor zum Erfassen von Schwingungen, aufweisend ein Schwingungsgehäuse (11); ein isolierendes Element (12), das an dem Schwingungsgehäuse (11) befestigt ist; ein einseitig eingespannt aufgebauter piezoelektrischer Schwinger (13), dessen eines Ende durch das isolierende Element (12) abgestützt ist und der zwei piezoelektrische Elemente (131, 132) aufweist; eine erste Elektrodenschicht (131a) auf der oberen und eine zweite Elektrodenschicht (132a) auf der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Schwingers (13); und ein Abdeckelement (18), das das Schwingungsgehäuse (11) abdeckt; gekennzeichnet durch ein Plattenelement (17), das auf dem piezoelektrischen Schwinger angeordnet und mit den Elektrodenschichten (131a, 132a) so verbunden ist, daß es als eine Kurzschlußbrücke wirkt; einen durch das Abdeckelement (18) hineinführenden Draht (15), der mit dem piezoelektrischen Schwinger (13) verbunden ist; und einen Verstärker, der mit dem hineinführenden Draht (15) verbunden ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Element (12) aus Al₂O₃ besteht.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Schwinger (13) einen bimorphen Aufbau aufweist, bei dem das erste piezoelektrische Element (131) zum Erfassen einer Schwingung und das zweite piezoelektrische Element (132) zum Kompensieren der Temperatur aufeinander geschichtet sind.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite piezoelektrische Element (131, 132) in der gleichen Richtung polarisiert sind.
Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine metallische Platte (14), die als eine Übergangselektrode dient, zwischen dem ersten und dem zweiten piezoelektrischen Element (131, 132) eingesetzt ist.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (14) ein vorragendes Teil (14a) aufweist, das aus einer Seite des piezoelektrischen Schwingers (13) hervorragt, und daß ein Erdungsdraht (16) mit dem vorragenden Teil (14a) verbunden ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenelement (17) aus Kupfer (Cu) besteht.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement (18) ein Loch (18a) aufweist, durch das der hereinführende Draht (15) eingesetzt ist, und daß das Loch (18a) mit einem Glasmaterial (18c) abgedichtet ist.
Schwingungssensor mit: einem Schwingungsgehäuse (11); einem isolierenden Element (12), das an dem Schwingungsgehäuse (11) befestigt ist; einem einseitig eingespannt aufgebauten, piezoelektrischen Schwinger (13), dessen eines Ende durch das isolierende Element (12) abgestützt ist und der zwei piezoelektrische Elemente (131, 132) aufweist; einer ersten Elektrodenschicht (131a) auf der oberen und einer zweiten Elektrodenschicht (132a) auf der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Schwingers (13); und einem Abdeckelement (18), das das Schwingungsgehäuse (11) abdeckt; gekennzeichnet durch einen durch das Abdeckelement (18) hineinführenden Draht (15), der mit dem piezoelektrischen Schwinger (13) verbunden ist; und einen Verstärker, der mit dem hineinführenden Draht (15) verbunden ist.