DE19649679B4

DE19649679B4 - Schwingungserfassungssensor

Info

Publication number: DE19649679B4
Application number: DE19649679A
Authority: DE
Inventors: Tae-Ho Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1996-02-26
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2016-11-30
Also published as: KR0165516B1; US5864066A; KR970062664A; MY112854A; CN1158415A; GB9624197D0; JPH09236485A; GB2310563B; JP2872170B2; CN1081790C; GB2310563A; DE19649679A1

Abstract

Schwingungserfassungssensor, der aufweist:
ein schwingungserfassendes, piezoelektrisches Element (13), das an der Oberseite einer Schwingungsplatte (11) befestigt ist;
ein Abdeckelement (12) zum Abdecken der Schwingungsplatte;
eine erste Durchführungsleitung (16a), die mit dem schwingungserfassenden, piezoelektrischen Element (13) elektrisch verbunden ist; und
eine temperaturkompensierende Vorrichtung (11', 12', 13', 16b, 16a) zur Beseitigung des Einflusses der Temperaturänderung der Umgebung;
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwingungsplatte (11) eine Außenfläche des Schwingungserfassungssensors ausbildet und
die temperaturkompensierende Vorrichtung (11', 12', 13', 16b, 16a) ein temperaturkompensierendes, piezoelektrisches Element (13') aufweist, das mit dem schwingungserfassenden, piezoelektrischen Element (13) elektrisch verbunden ist und eine zweite Durchführungsleitung (16b) mit dem temperaturkompensierenden, piezoelektrischen Element (13') elektrisch verbunden ist; wobei
entweder die temperaturkompensierende Vorrichtung (11', 12', 13') ein Gehäuseelement (11', 12') aufweist und das temperaturkompensierende Element (13') an einer Innenfläche des Gehäuseelements (11', 12') befestigt ist,
oder das temperaturkompensierende Element (13') auf der Oberseite der...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingungserfassungssensor, bei dem piezoelektrische Elemente verwendet werden, und insbesondere einen Schwingungserfassungssensor, mit dem es möglich ist, die Effekte von Temperatur und Geräuschen zu beseitigen.
Im allgemeinen wird ein Schwingungserfassungssensor bei einem elektronischen Sphygmomanometer und ebenfalls zum Erfassen von Schwingungen in einer Maschine verwendet.
Wie den 5 bis 7 zu entnehmen ist, weist ein herkömmlicher Schwingungserfassungssensor eine runde Schwingungsplatte 1, ein Abdeckelement 2, das die runde Schwingungsplatte 1 abdeckt, ein piezoelektrisches Element 3, das in der Mitte der Oberseite der Schwingungsplatte 1 befestigt ist, und eine Durchführungsleitung 4 auf, die mit dem piezoelektrischen Element 3 elektrisch verbunden ist.
Beim herkömmlichen Schwingungserfassungssensor besteht die Schwingungsplatte 1 aus einem Material, wie z. B. Kunststoff oder Gummi, die darin verteilte Metallpartikel aufweisen. Das piezoelektrische Element 3 ist mittels eines Klebstoffs mit der Schwingungsplatte 1 verbunden und aus einem komplexen Material hergestellt, das aus Gummi oder einem synthetischen Harz zusammengesetzt ist, wobei der Gummi oder das synthetische Harz darin verteilte ferroelektrische Partikel aufweisen, wie z. B. PZT oder BaTiO₂. Das aus einem metallischen Material zusammengesetzte Abdeckelement 2 schließt eine zylindrische Wand 2a und eine runde Decke 2b am oberen Ende der Wand 2a auf. Der untere Teil der Wand 2a weist einen nutenförmigen Abschnitt 2c auf, so daß die Schwingungsplatte 1 in den nutenförmigen Abschnitt 2c einschnappt und sich mit dem Abdeckelement 2 verbindet. Ebenfalls ist durch die Wand 2a und den nutenförmigen Abschnitt 2c hindurchgehend ein Schlitz 2d ausgebildet, so daß die Durchführungsleitung 4 in das Abdeckelement 2 eingefügt werden kann. Ein Ende einer in der Durchführungsleitung 4 mittig gelegenen Leitung 4a ist durch ein Lötteil 5 auf die Oberseite des piezoelektrischen Elements 3 gelötet und die abschirmende Leitung 4b der Durchführungsleitung 4 ist ebenfalls durch eine Lötung mit der Wand 2a verbunden.
Wenn die Schwingungsplatte 1 des oben beschriebenen, herkömmlichen Schwingungserfassungssensor in der Nähe eines Arterienblutgefäßes einer Person oder mit einer Maschine in Kontakt gebracht wird, schwingt die Schwingungsplatte 1 in Abhängigkeit der Pulsschläge der Person oder der Schwingungen der Maschine und erzeugt dadurch eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der oberen und unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 3. Die Schwingungsplatte 1 leitet aufgrund der darin verteilten metallischen Partikel und die mit der Wand 2a des Abdeckelements 2 verbundene, abschirmende Leitung 4b ist ebenfalls elektrisch mit der Unterseite des piezoelektrischen Elements 3 verbunden. Folglich werden die auf dem piezoelektrischen Element 3 erzeugten, elektrischen Potentialdifferenzen als ein elektrisches Signal über die Durchführungsleitung 4 ausgegeben und folglich können Schwingungen erfaßt werden.
Weil jedoch der oben dargestellte, herkömmliche Schwingungserfassungssensor ein piezoelektrisches Element mit nur einer Piezo-Scheibe verwendet, entstehen dadurch Probleme, daß aufgrund von Temperaturänderungen seiner Umgebung Fehlersignale erzeugt werden. Weil ebenfalls die Durchführungsleitung 4 durch den Schlitz 2d in der zylindrischen Wand 2a in das Abdeckelement 2 eingeführt ist, können Geräusche von Außen durch das Loch 2d eindringen.

Der aus der DE 41 04 179 C2 bekannte Sensor zur Messung hochfrequenter Schwingungen bei einem Verbrennungsmotor ist auf dem Gehäuseboden eines Gehäuses angeordnet. Der Innenraum des Gehäuses ist den Sensor umgebend mit einem Dämpfungskörper aufgefüllt.

Die DE 39 30 314 C2 offenbart einen Schwingungssensor mit einem Gehäuse und einer Abdeckung. Zwei piezoelektrische Elemente und sind auf einer Metallplatte aufgebracht, die wiederum an ihrer äußeren Peripherie mittels eines ringförmigen Lagers am Gehäuse befestigt ist. Das Lager ist ein isolierendes, elastisches Kunstharz. Eines der piezoelektrischen Elemente dient der Temperaturkompensation und beide Elemente sind über Drähte mit einer Platine verbunden auf der eine elektronische Schaltung angeordnet ist. Von der Platine verläuft eine gemeinsame Leitung aus dem Gehäuse.

Davon ausgehend ist Aufgabe der Erfindung, einen Schwingungserfassungssensor vorzusehen, bei dem das zu messende Objekt möglichst unmittelbar kontaktiert werden kann und die Temperaturkompensation besonders effektiv ist.

Die vorstehende Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dabei wird ein Schwingungserfassungssensor vorgesehen mit einer Schwingungsplatte, einem schwingungserfassenden, piezoelektrischen Element, das an der Oberseite der Schwingungsplatte befestigt ist, einem temperaturkompensierenden, piezoelektrischen Element, das an der Oberseite der Schwingungsplatte befestigt ist, einem Abdeckelement zum Abdecken der Schwingungsplatte und Durchführungsleitungen, die elektrisch mit dem jeweiligen piezoelektrischen Element verbunden sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Schwingungserfassungssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
2 eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Schwingungserfassungssensor gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
3 eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Schwingungserfassungssensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt; und
4 ein Verbindungsdiagramm der Ausgabeseite der Durchführungsleitungen des Schwingungserfassungssensors gemäß den obigen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
5 eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen herkömmlichen Schwingungserfassungssensor darstellt;
6 eine Querschnittsansicht des Sensors von 5, aufgeschnitten längs der Linie II-II;
7 eine Querschnittsansicht des Sensors längs der Linie III-III in 6;
Wie dies in 1 dargestellt ist, weist ein Schwingungserfassungssensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine runde Schwingungslatte 11, ein Abdeckelement 12, das die Schwingungsplatte 11 abdeckt, ein schwingungserfassendes piezoelektrisches Element 13, das an der Oberseite der Schwingungsplatte 11 befestigt ist, ein temperaturkompensierendes, piezoelektrisches Element 13', das parallel zum schwingungserfassenden, piezoelektrischen Element 13 auf der Oberseite der Schwingungsplatte 11 befestigt ist, und eine Durchführungsleitung 16a bzw. 16b auf, die mit dem piezoelektrischen Element 13 bzw. 13' elektrisch verbunden ist.
Beim obigen Aufbau ist die Schwingungsplatte 11 aus einem Material wie z. B. Kunststoff oder Gummi zusammengesetzt, die darin verteilte, metallische Partikel aufweisen. Die piezoelektrischen Elemente 13 und 13' sind an der Oberseite der Schwingungsplatte 11 mittels eines Klebstoffs befestigt und aus komplexen Substraten hergestellt, von denen jedes aus einem elastischen Material, wie z. B. einem synthetischen Harz oder Gummi zusammengesetzt ist, wobei das synthetische Harz oder der Gummi darin verteilte ferroelektrische Partikel aufweisen, wie z. B. PZT oder BaTiO₂. Das aus einem metallischen Material hergestellte Abdeckelement 12 schließt eine zylindrische Wand 12a und eine runde Decke 12b an der Oberseite der Wand 12a ein. Der untere Teil der Wand 12a weist einen nutenförmigen Abschnitt 12c auf, so daß die Schwingungsplatte 11 in den nutenförmigen Abschnitt 12c einschnappen kann und sich mit dem Abdeckelement 12 verbindet. Durch die Decke 12b hindurchgehend sind ebenfalls Löcher 12d, 12e und 12f ausgebildet, so daß die Durchführungsleitungen 16a, 16b und die abschirmende Leitung 16c durch das Abdeckelement 12 hindurch in ein jeweiliges Loch eingefügt werden können. Weiterhin werden die Löcher 12d und 12e mit einem Glasmaterial 15 abgedichtet. Das Leitungsende (nicht dargestellt) der durch das Loch 12d bzw. 12e durchgeführten Durchführungsleitung 16a bzw. 16b ist auf die Oberseite des piezoelektrischen Elements 13 bzw. 13' gelötet und die abschirmende Leitung 16c für Masse ist mit der Schwingungsplatte 11 verbunden.
Vorzugsweise ist beim Schwingungserfassungssensor, der wie oben beschrieben aufgebaut ist, die Dicke der Schwingungsplatte 11 geringer als die der piezoelektrischen Elemente 13 und 13', um die Schwingungsdämpfung zu minimieren.
Das piezoelektrische Element 13 bzw. 13' weist an seiner Oberseite eine Elektrodenschicht 14 bzw. 14' aus Silber auf. Während die Polarisationsrichtungen der Elektrodenschichten 14 und 14' identisch sind, sind die Durchführungsleitungen 16a und 16b mit den Eingangsanschlüssen eines Differenzverstärkers 100 (siehe 4) verbunden. Mittels einer solchen Verbindung verstärkt der Differenzverstärker 100 die Differenz (V1-V2) zwischen zwei Eingangssignalen V1 und V2, von dem ein reines Schwingungssignal als Ausgangssignal erhalten werden kann.
Weil der Schwingungserfassungssensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Verwendung des temperaturkompensierenden, piezoelektrischen Elements 13' Fehlersignale durch eine Temperaturänderung der Umgebung beseitigt, wird daher nur eine reine Schwingungskomponente erfaßt und daher wird die Zuverlässigkeit der Erfassung des Schwingungsdetektors verbessert. Weil weiterhin die Löcher 12d und 12e, durch die die Durchführungsleitungen 16a und 16b eingeführt sind, mit dem Glasmaterial 15 abgedichtet sind, ist es im Gegensatz zum herkömmlichen Schwingungserfassungssensor möglich, zu verhindern, daß Geräusche von Außen in das Abdeckelement 12 eindringen.
Das in 4 dargestellte Verbindungsdiagramm, das die Ausgänge der Durchführungsleitungen bei einem Schwingungserfassungssensor darstellt, kann nicht nur beim ersten Ausführungsbeispiel verwendet werden, sondern auf die gleiche Weise ebenfalls bei den anderen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung.
Ein in 2 dargestellter Schwingungserfassungssensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in den Raum innerhalb des Abdeckelements 12 ein elastisches Harz 30 eingefüllt ist. Ein solcher Aufbau ist noch effektiver zum Abschirmen der piezoelektrischen Elemente gegen Geräusche.
Ein in 3 dargestellter Schwingungserfassungssensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist durch getrennte Abdeckelemente 12 und 12' sowie Schwingungsplatten 11 und 11' für das schwingungserfassende, piezoelektrische Element 13 und das temperaturkompensierende, piezoelektrische Element 13' gekennzeichnet. Ein solcher Aufbau ermöglicht es beim temperaturkompensierenden, piezoelektrischen Element 13' die Schwingungseinflüsse vollständig auszuschließen und daher kann die Schwingungskomponente aufgrund von Temperaturänderungen der Umgebung effektiver beseitigt werden.
Wie oben beschrieben, kann ein Schwingungserfassungssensor gemäß der Ausführungsbeispiele der Erfindung den Einfluß von Temperaturänderungen der Umgebung und von äußeren Geräuschen durch Verwendung eines temperaturkompensierenden, piezoelektrischen Elements beseitigen und kann durch Auffüllen der Löcher, durch die die Durchführungsleitungen eingeführt werden, mit einem Glasmaterial und Auffüllen des Innenraums des schwingungserfassenden Sensors mit einem elastischen Harz ebenfalls die Schwingungserfassungseffizienz verbessern.
Ein Schwingungserfassungssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann z. B. beim Erfassen von Schwingungen im niedrigen Frequenzband wirkungsvoll sein, wobei diese Schwingungen z. B. durch Zentrifugalkräfte während eines Schleuderzyklus einer Waschmaschine auftreten.

Claims

Schwingungserfassungssensor, der aufweist: ein schwingungserfassendes, piezoelektrisches Element (13), das an der Oberseite einer Schwingungsplatte (11) befestigt ist; ein Abdeckelement (12) zum Abdecken der Schwingungsplatte; eine erste Durchführungsleitung (16a), die mit dem schwingungserfassenden, piezoelektrischen Element (13) elektrisch verbunden ist; und eine temperaturkompensierende Vorrichtung (11', 12', 13', 16b, 16a) zur Beseitigung des Einflusses der Temperaturänderung der Umgebung; dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsplatte (11) eine Außenfläche des Schwingungserfassungssensors ausbildet und die temperaturkompensierende Vorrichtung (11', 12', 13', 16b, 16a) ein temperaturkompensierendes, piezoelektrisches Element (13') aufweist, das mit dem schwingungserfassenden, piezoelektrischen Element (13) elektrisch verbunden ist und eine zweite Durchführungsleitung (16b) mit dem temperaturkompensierenden, piezoelektrischen Element (13') elektrisch verbunden ist; wobei entweder die temperaturkompensierende Vorrichtung (11', 12', 13') ein Gehäuseelement (11', 12') aufweist und das temperaturkompensierende Element (13') an einer Innenfläche des Gehäuseelements (11', 12') befestigt ist, oder das temperaturkompensierende Element (13') auf der Oberseite der Schwingungsplatte (11) befestigt ist.
Schwingungserfassungssensor gemäß Anspruch 1, bei der der Raum zwischen dem Abdeckelement (12) und der Schwingungsplatte (11) mit einem elastischen Harz (30) aufgefüllt ist, wobei das schwingungserfassende, piezoelektrische Element (13) durch das elastische Harz umgeben ist mit Ausnahme der Oberfläche des Elements (13), die der Schwingungsplatte (11) gegenüberliegt.
Schwingungserfassungssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Abdeckelement (12) Löcher (12d, 12e, 12f) aufweist und die Durchführungsleitungen (16a, 16b, 16c) durch die Löcher (12d, 12e, 12f) hindurch nach innen eingeführt sind.
Schwingungserfassungssensor gemäß Anspruch 3, bei dem die Löcher (12d, 12e, 12f) mit einem Glasmaterial (15) abgedichtet sind.
Schwingungserfassungssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dicke der Schwingungsplatte (11) geringer als die Dicke der piezoelektrischen Elemente (13, 13') ist.