DE3038660A1

DE3038660A1 - Beschleunigungsaufnehmer mit piezoelektrischem wandlerelement

Info

Publication number: DE3038660A1
Application number: DE19803038660
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. 8000 München Kleinschmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-10-13
Filing date: 1980-10-13
Publication date: 1982-05-06

Description

Beschleunigungsaufnehmer mit piezoelektrischem Wand-
lerelement.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungsaufnehmer, wie er-im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
Aus dem Stand der Technik, so z.B. aus "Piezoelektrische Meßtechnik; Physikalische Grundlagen, Kraft, Druck- und Beschleunigungsaufnehmer, Verstärker", 7erlag Springer, 1980, insbesondere Seiten 205 und ff., sind Bauformen piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer bekannt. Es sind dort verschiedene Aufnehmertypen beschrieben und dargestellt, die mit Longitudinaleffekt unter Ausnutzung der piezoelektrischen Eopplung k332 des.Schereffekts und des Biegeeffekts in einem bilaminaren Wandlerelement arbeiten. Es ist dort auch ein hochempfindlicher Beschleunigungsaufnehmer beschrieben, der nach dem voranstehend erwähnten Longitudinaleffekt arbeitet und bei dem das Wandlerelement eine Anzahl im Stapel angeordneter Scheiben aus Piezokeramik ist.
Die Probleme,.die sich bei der Entwicklung und Realisierung eines wie einschlägigen, insbesondere hochempfindlichen Beschleunigungsaufnehmers ergeben, sind die, einerseits ein der zu messenden Beschleunigung entsprechendes hohes elektrisches Signal zu erzeugen, andererseits aber Unmpfindlichkeit gegen Störeinflüsse, wie Verstärkerrauschen, elektrische Störeinstreuungen, und Signalbeeinflussung durch fremde, nicht zu registrierende Vibrationen, auszuschließen ZoBo liefert der Longitudinaleffekt bei Scheiben wegen der unvermeidlich hohen Steifigkeit des Keramikmaterials zwangsläufig nur relativ geringes Signal, wie dies alle bekannten verwendeten Beschleunigungsaufnehmer bestätigen. Wesentlich empfindlichere, auf dem Prin° zip des Biegeschwingers beruhende Beschleunigungsaufnehmer haben dafür derart niedrige Eigenresonanzfrequenz, daß der Bereich der Betriebsfrequensen9 der stets unterhalb dieser Resonanzfrequenz gelegt wirts für viele Anwendungen unzureichend klein ist. Ein weiterer Fehler vieler Aufnehmer liegt in der starken Auswirkung des Resonanzeffekts, wobei Vibrationen dieser Frequenz mit vergleichsweise sehr viel höherer Empfindlichkeit registriert werden und das Meßergebnis verfälschen oder sogar zur Zerstörung des Aufnehmers führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen hochempfindlichen Beschleunigungsaufnehmer anzugeben der weitgehend unabhängig gegenüber wie oben angegebener Störeinflüsse ist, andererseits aber ohne erhöhten technologischen Aufwand herzustellen und zu betreiben ist.
Diese Aufgabe wird mit einem BeschleunigungsauSnehmer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelost, der erfindungsgemäß die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, den piezcelektrischen Kopplungsfaktor k31 des sogenann° ten Quereffekts zu nutzen. Da die Größe des energe- tischen Effekts dieser piezoelektrischen Kopplung aber etwa einen Faktor 5 kleiner ist als die eingangs erwähnte Kopplung k33, sind zur Realisierung der Erfindung weitere Maßnahmen erforderlich, die diesen zunächst vorliegenden Nachteil des zugrunde gelegten Prinzips nicht nur aufheben, sondern weit überkompensieren.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist das piezoelek--tEsche Wandlerelement beim erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmer ein oder mehrere dünne(s), folienartige(s) Plättchen mit einer Dicke von vorzugsweise weniger als 1 mm. Diese vorzugsweise länglichen Plätt chen sind in dem Beschleunigungsaufnehmer an seinen Breitseiten-Enden gehaltert, so daß die (zu messende) Beschleunigungskraft im BeschleunigungsauSnehmer das Plättchen in Richtung seiner größten oder zweitg%ßn Längenabmessung drückt und zieht. Das sich ergebende elektrische Signal wird von den Elektroden der beiden Oberflächen des Plättchens abgenommen. Dies gewährleistet (außerdem) einen relativ geringen Innenwiderstand des Wandlerelementes, wie er für die nachfo1-gende Elektronikschaltung erwünscht ist.
Der erfindungsgemäße Beschleunigungsaufnehmer ist außerdem so aufgebaut, daßmögliche Störeffekte durch Beschleunigungen quer zum Wandlerelement eliminiert sind. Hierzu ist die seismische Masse des Beschleunigungsaufnehmers so gehaltert, daß in dem erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmer Bewegungsempfindlichkeit fUr die seismische Masse nur in der aus zu wertenden Beschleunigungsrichtung vorliegt und Bewegungen in anderen Koordinaten kein Signal auslösens Die seismische Masse. hat wie vorgesehen eine nahezu linienförmige, biegsame (Biege )Lagerung9 die nur Eipp- oder Schwenkbewegung der seismischen Masse zuläßt. Auswirkungen von Beschleunigungskräften aus anderen Richtungen als der Richtung der zu messenden Beschleunigungskraft werden durch Aufbau und/oder Dimensionierung eliminiert, soweit nicht bereits dies die linienförmige Biegelagerung bewirkt Zu den Maßnahmen eines besonderen Aufbaues gehört auch diep malirere Wandlerelemente entsprechend anzuordnen Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion ist gegenüber einem Beschleunigungsaufnehmer mit einer oder mit wenigen dünnen piezokeramischen Scheiben9 die den Longitudinaleffekt k33 ausnutzen9 prinzipiell eine niedrigere Resonanzfrequenz verbunden Der noch 7erfügbare Frequenzbereich ist aber für den Regelfall der Anwendung völlig ausreichend. Die Resonanz kann beim erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmer außerdem in ihrer nachteiligen Wirkung noch dadurch behoben werden, daß die seismische Masse in diesem eine Dämpfung erfährt. Diese Dämpfung senkt die Resonanzempfindlichkeit bzw. Uberempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmers im Bereich der Resonanzfrequenz bis angenähert auf die Empfindlichkeit außerhalb dieser Resonanzfrequenz9 wobei diese Empfindlichkeit außerhalb der Resonanzfrequenz durch die Dämpm fungsmaßnahme wiederum nicht merkbar nachteilig gegen über dem Fall fehlender Dämpfung verringert wird Für die Wandlerelemente wird außer Quarz und Lithiumniobat oder Lithiumtantalat vorzugsweise Piesokerazik verwendet.
Weitew Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter AusffAhrungsbeisniele hervor.
Fig.1 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung.
und 2 Fig.3 zeigt ein Wandlerelement.
Fig.4 zeigt eine zum Vergleich dargestellte Ausführungsform des Standes der Technik.
Fig.5 zeigt ein Diagramm der Frequenzabhängigkeit.
Fig.6 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
und 7 Fig.8 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
Fig.9 zeigen eine vierte Ausführungsform der Erfindung.
Fig.10 Fig.11 Fig.12 zeigen eine fünfte Ausführungsform der Erfindung.
und 13 Fig.14 zeigt eine sechste Ausführungsform der Erfindung.
In Fig.1 ist ein mit 1 bezeichneter erfindungsgemäßer Beschleunigungsaufnehmer in seinem Prinzipaufbau dargestellt. Mit 2 ist ein Rahmenteil des Aufnehmers 1 bezeichnet, von dem nicht nur entsprechend dem Doppelpfeil 3 die zu messende (positive und/oder negative) Beschleunigungskraft F aufzunehmen ist, sondern an dem außerdem auch die seismische Masse 4 und das piezokeramische Wandlerplättchen 5 befestigt sind. Z.B. wird dieses Rahmenteil 2 mittels eines einstückig mit diesem verbundenen Gewindebolzen an demjenigen mechanischen Teil (z.B. einem Motor) befestigt, dessen von diesem abgegebene Beschleunigungskraft F zu messen ist.
Mit 7 ist ein linienförmiges Biegelager der seismi- schen Masse 4 bezeichnet. In der Fig. ist ein Querschnitt durch die Achse dieser Lagerung zu sehen, d.h.
die Biegelinie verläuft senkrecht zur Darstellungsebene der Fig.1. Um diese Biegelinie herum kann die seismische Masse 4, wie durch den Doppelpfeil 8 angedeutet, hin- und herschwenken9 nämlich abhängig von der ein wirkenden Kraft F. Dieses längliche Biegelager 7 gewährleistet, daß auf das Rahmenteil 2 senkrecht zur Darstellungsebene der Fig.1 einwirkende Kräfte, angedeutet mit F', gleichermaßen auf dieses Rahmenteil 2 und die seismische Masse 4 einwirken. Durch Wahl der Lage des mit 9 bezeichneten Gesamtmassenschwerpunktes der seismischen Masse 4 in der Höhenlage des Biegela gers 7 wird erreicht, daß auf das Rahmenteil 2 entsprechend dem Pfeil 7" einwirkende Kräfte F" ebenfalls gleichermaßen auf Rahmenteil 2 und seismische Masse 4 einwirken. Die gestrichelt eingezeichnete Ebene 10 -durch Biegelager 7 und Massenschwerpunkt 9 ist senk recht zur Richtung der zu messenden Beschleunigungskraft F, d.h. die Richtung des Doppelpfeils 3 ist die Normale der Ebene 10.
Durch Wahl der linienförmigen Biegelagerung 7 und ihrer Ausrichtung sowie durch Wahl der Lage des Massenschwer-und seines wirksamen Hebelarms 9' punktes 9/in bezug auf die Biegelagerung 7 ist der erfindungsgemäße Beschleunigungsaufnehmer also ausschließlich auf Kräfte F empfindlich und gegen Kräfte F' und F" unempfindlich.
Mit 5 ist das bereits erwähnte piezokeramische Wandlerelement in Plättchenform bezeichnet Fig02 zeigt eine Seitenansicht der Fig.1, in der die volle Oberfläche des Plättchens 5 zu sehen ist Die übrigen Teile die- ser Seitenansicht entsprechen denen der bereits erNäuterten Fig.1. Auf der in der Aufsicht der Fig.2 sichtbaren Oberfläche des Plättchens 5 befindet sich eine ganzflächige Elektrodenbelegung aus beispielsweise Einbrennsilber. Die nur in Fig.1 im Längsschnitt sichtbare Gegenelektrode auf der Rückseite ist dort mit 15' bezeichnet. Zwischen den Anschlußleitungen 16 und 16' ist das elektrische Beschleunigungssignal abzunehmen und kann von dort einer elektronischen Auswerte schaltung zugeführt werden.
Das Plättchen 5 ist, wie insbesondere aus der Fig.1 ersichtlich, an seinem oberen und seinem unteren Ende an den Jeweiligen Eanten 5* gehaltert. Das untere Ende ist mit dem Rahmenteil 2 fest verbunden und das obere Ende ist mit der seismischen Masse 4 fest verbunden. Bewegungskräfte der Masse 4 gegenüber dem Rehmenteil 2 (und umgekehrt) wirken sich als Zug- und Druckspannungen in der wie durch den Doppelpfeil 17 angedeuteten Richtung im Material des Plättchens 5 aus Vorzugsweise ist die Verbindung des oberen und des uno teren Endes des Plättchens 5 mit dem Rahmenteil 2 bzw.
mit der seismischen Masse 4 durch Ankleben bewirkt, und zwar durch Ankleben von oberen und unteren Em nP nahen Flächenanteilenlder Seitenfläche, auf der sich auch die Elektrode 15' befindet. Dieses seitliche An kleben des Plättchens hat insbesondere den Vorzug, daß die Verklebung Scherkräfte großflächig überträgt.
AuBerdem5*sind keine besonderen Anforderungen an die Oberkante und an die Unterkant; des Plättchens 5 sowie an die diesen gegenüberliegenden Kanten von Rahmenteil 2 und seismischer tasse 4, nämlich an deren Planheit und Ausrichtung zueinander, zu stellen.
Als Ke-ramik für das Plättchen 5 kommt nicht nur Bariuntitanat, sondern vorzugsweise 3leizirkonat-Titanat mit möglichst hohem Kopplungsfaktor E in Frage Solches piezokeramisches Material ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Wenn dieses Material elektrisch polarisiert ist, und zwar in Richtung P der Dicke des Plättchens 5, d.h. in Normalenrichtung der Darstellungsebene der Fig.2 polarisiert ist, werden zwischen den Elektroden 15 und 15' von der Kraft F abhängige elektrische Signale erzeugt Fig.3 zeigt in perspektivischer Darstellung für sich ein piezoelektrisches IMandlerelement 5 in Plättchens form. Mit h ist die Höhe des Plättchens und mit A ist die Querschnittsfläche desselben, wie in Fig.3 dargestellt, bezeichnet. Wegen des vergleichsweise zum eingangs beschriebenen Longitudinaleffekt geringeren Kopplungsfaktors k31 der erfindungs gemäßen Anordnung ist die Fläche A klein und die Höhe h des Wandlerplättchens 5 dagegen groß zu machen9 und zwar jeweils vergleichsweise zu der Fläche A' bzw. der Dicke h' der Scheibe des bekannten Beschleunigungsaufnehmers9 wie er in Fig.4 aus der eingangs bngegebenen Druckschrift entnommen prinzipiell wiedergegeben ist. Um für einen erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmer nach den Fig.1 und 2 bereits gleich großen Effekt wie beim bekannten Beschleunigungsaufnehmer nach Fig zu haben A genügt es, daß - beim erfindungsgemäßen Beschleuni° gungsaufnehmer 1 wenigstens 5 mal kleiner ist als das Verhältnis A, des bekannten Aufnehmers nach Fig Wie ersichtlich, ist dies ohne weiteres technisch realisier-A' bar. Vielmehr kann das Verhältnis Ah ohne weiteres 50 mal kleiner als A'/h' gemacht werden, womit bereits eine um eine Größenordnung höhere Empfindlichkeit erreicht wird. Beispielsweise wird die Höhe h = 15 mm, die Dicke des Plättchens 5 = 0,3 mm und die Breitedesselben = 10 mm, also A = 150 =2 bemessen.
Um einen im Einzelfall möglicherweise störenden Re sonanzeffekt zu vermeiden, der bei einem wie erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmer bei vergie niedrigerer Frequenz als bei einem solchen nach Fig.4 auftritt, empfiehlt es sich, den Raum zwischen den Flächen 41 und 21 der seismischen Masse 4 und des Rahm menteils 2 mit einer schwingungsdämpfenden Fettpaste 22 auszufüllen. Dabei ist hervorzuheben, daß er findungsgemäße Anordnungen es konstruktiv zulassen7 daß ein in der Breite frei wählbarer Spalt auftritt, der sich entsprechend der Bewegungsamplitude der seismischen Masse verbreitert und verengt. Durch Wahl der Spaltbreite läßt sich das Maß der Dämpfung festlegen. Der Abstand zwischen den Flächen 21 und 41 beträgt z.B. 0,1 bis .2 mm. Für derartige schwingungsdämpfende Fettpasten eignen sich insbesondere hoehviskose Siliconfette. 1 Die Dämpfungswirkung geht aus Fig.5 hervor, in der die mit 51 bezeichnete Resonanzkurve der -frequenzabhängigen Empfindlichkeit eines gedämpften erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmers entspricht. Die Kurve 52 zeigt den ungedämpften Verlauf. Die Frequenz f ist auf der Abszisse und die Empfindlichkeit ist auf der Ordinate aufgetragen.
Die Fig.1 zeigt ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmers, das darin besteht, die Form des Kör pers, der die seismische Masse 4 bildet, so zu wählen, daß bei möglichst geringem Massenträgheitsmoment eine möglichst große Beschleunigungskraft auf das Wandler plättchen 5 einwirkt.
Wie aus der Figur zu ersehen ist, sind mit ms bezeichnete Massenanteile bei der seismischen Masse 4 des erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmers weggelassen womit als weiterer Vorteil der wirksame Hebelarm 9 ' des Abstands zwischen der Biegelagerung 7 und dem Schwer punkt 9 vergrößert wird, und zwar bei z.B. gleichbleibendem wirksamen Hebelarm 7' des Abstands zwischen der Biegelagerung 7 und dem Angriffspunkt der Gegenkraft an der Kante 5* des Wandlerplättchens 5. Der wirksame Hebelarm 9', 7.? ist der jeweils auf die zur zur Beschleunigungskraft F senkrechte Ebene projizierte tatsächliche Abstand zwischen Biegelager 7 und Massenschwerpunkt 9 bzw. Angriffs punkt der Kante 5*. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, wie ausgeführt, das Schwenk oder Biegelager 7. Alle Massenschwerpunkte der seismischen Masse führen eine Drehbewegung um dieses Lager aus. Massenschwerpunkte, die einen großen Abstand vom Lager haben, haben ein mit dem Quadrat des Abstands wachsendes Trägheitsmoment, das einer von der bestimmungsgemäßen Beschleunigung hervorgerufenen Drehbewegung 8 der seismischen Masse Trägheitskräfte entgegensetzt. Ein die Empfindlichkeit des Aufnehmers verringernder Effekt wird vermieden durch Weglassen von Massenanteilen m?, deren Beschleunigung keinen wesentlichen Beitrag zur Betätigxngskraft des Wandlerplättchens liefert; das sind Massenanteile, die in Ebenen parallel zur bestimmungsgemåßen Beschleunigung F und nahe am Lager 7 liegen, und unter diesen insbesondere diejenigen, die in Richtung F einen großen Abstand vom Lager 7 besitzen. Gleichzeitig wird die Resonenzfrequenz des Wandlers damit entsprechend heraufgesetzt.
Durch entsprechenden Aufbau kann sogar der wirksame Hebelarm 9' der Masse 4 größer als der wirksame Hebelarm 7'für den Angiffspunkt des Wandlerplättchens 5 an der seismischen Masse 4, jeweils bezogen auf die Biegelagerung 7, gemacht werden. Dann ist jedoch besonders der Umstand zu berücksichtigen, daß die Resonanzfrequenz eines solchen Systems auf erheblich niedrige Werte heruntergeht.
Die Fig.7 zeigt zusammen mit den Fig.2 bis 4 bereits das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmers und dazu auch bereits einzelne besona dere Ausgestaltungen, die generelle Vorteile und/oder auf den Einzelfall der Anwendung abgestellte zusätzli che Vorteile ergeben.
Nachfolgend werden anhand der weiteren schematische Darstellungen gebenden Figuren noch weitere, besondere Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmers erläutert.
Fig.6 und 7 zeigen in zwei verschiedenen Seitenansichten das Prinzip einer variierten - und zwar in bezug auf die Lage des Biegelagers 7 variierten - Anordnung des piezokeramischen Wandlerplättchens 5. Das Wandlerplättchen 5 ist vergleichsweise zur Fig.1 seitlich am Rahmenteil 2t und seismischer Masse 4' angebracht.
Wie aus Fig.7 ersichtlich, sind aus Gründen der Symmetrie und insbesondere auch zur Verbesserung des Signals zwei Wandlerplättchen 5, 5' einander gogenüberliegend - bezogen auf Rahmenteil 2' und seismische Masse 4'-angebracht. Diese beiden Wandlerplättchen 5, 5? werden beispielsweise elektrisch parallelgeschaltet oder elektrisch in Reihe hintereinandergeschaltet, wie dies in Fig.7 zu erkennen ist. Die beiden jeweils innenlegenden Elektroden 15? der beiden Wandlerplättchen 5, 5' sind über den metallisch leitfähigen Körper des Rahmenteils 2' und/oder der seismischen Masse 4' elektrisch miteinander verbunden. Wichtig bei Parallelschaltung ist die Flächengleichheit der wirksamen Elektrodenflächen. Bei Hintereinanderschaltung sind die Wandlerplättchen 5, 5'gleich dick zu wählen.
Eine Anordnung der Wandlerplättchen 5, 5' nach den Fig.6 und 7 hat den Vorteil, daß keine oder keine so dringende Notwendigkeit besteht, daß der Massenschwerpunkt 9 der seismischen Masse 4' möglichst genau auf des Höhe der Biegelagers 7 liegt, um den ganzen Beschleunigungsaufnehmer 1' der Fig.6 und 7 . gegen mit F" angedeutete Seitenkräfte unempfindlich zu machen. Die übrigen Einzelheiten eines Beschleunigungsaufnehmers 1 sind sinngemäß übereinstimmend mit den dargestellten und beschriebenen Einzelheiten des BeschleunigungsauS-nehmers 1 der Fig.1.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß der Umstand unterschiedlich großen Hebelarms für die einzelnen Massenanteile der Wandlerplättchen 5, )?z0L des Biege lagers 7)einen nur untergeordneten Einfluß hat9 da die Schwenkbewegungen entsprechend dem Doppelpfeil 8 nach Fig.1 der Masse 4' um das Biegelager 7 herum stichhier nur geringe Amplituden ausführt. Im Bedarfsfall kann diesem Umstand aber auch durch d.i.e in Fig 8 nur dem Prinzip nach dargestellta Ausführungsform Rechnung getragen werden. Diese Ausführungsform hat eine homogene Belastung des Wandlerplättchens 5" bei Beschleunio gung der seismischen Masse 4" gegenüber dem Rahmenteil 2". Die Fig.8zeigt im übrigen auch eine solche Ausführungsform, für die sich Rahmenteil 2" und seismische Masse 4" besonders einfach aus einem Körper herstellen lassen und weiterhin einstückig verbunden sind. Mit 7 ist wieder auf das Biegelager hingewiesen, das als Rest eines wie dargestellten Einschnitts 22" zurückbehalten wird.
Die Fig.9 bis 11 zeigen in drei zusammenhängenden Ansichten eine weitere Ausführungsform, deren dargestellte Einzelheiten an sich bereits aus den vorangehenden Figurenbeschreibungen hervorgehen oder aus den Darstellungen offensichtlich sind. Die seismische Masse 4'?? und das Biegelager 7 sind durch den schrägen Einschnitt 22' in einen zylinderförmigen Körper entstanden. Wie schon zur Fig.1 erläutert, liegt auch hier ein günstiges Verhältnis von Hebelarm 9' der seismischen Masse 4"'zu dem jeweiligen wirksamen integralen Hebelarm 7'aller Wandlerplättchen 5, 5' vor. Der jeweils integrale Hebelarm 7' ergibt sich aus der Mittelwertbildung für die zur Kraft F. parallelen Teilbereiche der Wandlerelemente, die entspre chend unterschiedliches Moment haben. Wie aus Fig.11 ersichtlich ist, ist der die seismische Masse 4" bildende, ursprüngliche zylinderförmige Körper auf zwei gegenüberliegenden Seiten abgeflacht, an denen die Wandlerplättchen 5, 5' angebracht sind. Entsprechend dem schrägen Einschnitt 22" ist die Darstellung dieses Einschnittes 22" in Fig.10 eine gekrümmte Doppellinie.
Eine weitere Ausführungsform zeigen die Fig.12 und 13, wobei die Fig.12 eine auseinandergezogene Darstellung der Einzelteile wiedergibt und die Fig.13 eine Schnittdarstellung zeigt. Mit Ç ist wieder die seismische Masse bezeichnet und alle mit 7 bezeichneten Teile bilden zusammen das Rahmenteil. Mit 5 ist das Wandler- plättchen bezeichnet. Alle übrigen Einzelheiten der Darstellungen der Fig.12 und 13 bedürfen mit Rücksicht auf die vorangehenden Beschreibungen zu Ausführungsbeispielen keiner weiteren Erläuterungfl jedoch mit Ausnahme einer Besonderheit. Diese Besonderheit besteht darin, daß anstelle der ganzflächigen Elektroden 15 und 15' auf den beiden gegenüber liegenden Großflächen des Wandlerplättchens 5, 5' der voranstehenden Ausführungsformen sich hier au! dem Wandlerplättchen 5 übereinander angeordnet zwei Elektroden 115 und 215 befinden. Auf der in Fig.12 nicht sichtbaren Rückseite des Wandlerplättchens 5 sind entweder gleich große Elektroden vorgesehen oder es kann dort auch eine ganzflächige Elektrode 15' verwendet werden, und zwar dann, wenn die (den Pfeilen P entsprechende) Polarisation im Oberteil entgegengesetzt gerichtet zur Polarisation des Unterteils ist. Das Plättchen 5 ist. mit dem in der Ansicht der Fig. 12 zwischen den Elektroden 115 und 215 sichtbaren, von Elektroden freien Zwischenstreifen an dem Vorsprung 222 befestigt, insbesondere angeklebt. Besonders deutlich ist dies aus Fig.13 zu ersehen.
Die Bedeutung dieser Maßnahmen der Ausführungsform nach Fig.12 und 15 ist die, daß die traftn:irkung der seismischen Masse 4 in dem - bezogen auf die Be festigung 222 - oberen Teil des Wandlerplättchens 5 in bezug auf Druck und Zug entgegensetzt der Wirkung im dazu unteren Anteil des Wandlerplättchens 5 ist.
Durch die jeweils entgegengesetzte Polarisation P ergeben sich aber wieder jeweils übereinstimmende Vorzeichen der in diesen Anteilen erzeugten piezoelektrischen Signale, die die in Fig.12 angedeutete Parallelschaltung TS zulassen. Bezüglich des piezom elektrischen Signals liegt somit kein wesentlicher Unterschied gegenüber der Ausführungsform nach Fig.1 vor.
Anders ist dies jedoch für das elektrische Signal des pyroelektrischen Effekts, wie er insbesonderein der deutschen Patentschrift 23 14 420 ausführlich erläutert worden ist. Piezokeramik hat eine an sich nachteilige Eigenschaft, die darin besteht, daß bei bereits geringen Temperaturänderungen infolge von temperaturbedingten Polarisationsänderungen derart hohe elektrische Signale erzeugt werden können, daß sie die maximal möglichen piezoelektrischen-Signale weit übertreffen. Allerdings sind diese pyroelektrischen Signale Langzeitvorgänge vergleichsweise zu den piezoelektri- schen Beschleunigungssignalen. Bei der in den Fig.12 und 13 gezeigten Ausführungsform des Wandlerplättchens 5 mit geteilten Elektroden und/oder geteilten Polarisationsanteilen sind aber pyroelektrische Signale jeweils derart entgegengesetzt wirksam, daß sie sich kompensieren (wohingegen sich die piezoelektrischen Teilsignale addieren).
Bei Ausführungsformen mit zwei Wandlerplättchen 5, 5', wie z.B. in den Fig.6 und 7 und 9 bis 11, kann diese Kompensation des Pyroeffekts ebenfalls erreicht werden, wenn die beiden Wandlerplättchen 5, 5' bezüglich der auftretenden pyroelektrischen Signale entgegengesetzt geschaltet sind und bezüglich der durch Beschleunigungskräfte erzeugten piezoelektrischen Signale so geschaltet sind, daß sich dietTeilsignale addieren.
Fig.14 zeigt eine entsprechende Ausführungsform, bei der das Wandlerplättchen 5 mit seinem unteren Ende und das Wandlerplättchen 5' mit seinem oberen Ende am Rahmenteil 2* befestigt und z.3.. angeklebt ist. Entsprechend ist das obere Ende des einen Wandlerplätt chens 5 und das untere Ende des anderen Wandlerplätt-4* chens 5' an der seismischen Masse befestigt, wie dies aus der Fig.14 deutlich hervorgeht. Mit 7 ist dort wieder das Biegelager 7 bezeichnet. Die mögliche Schwenkbewegung der seismischen Masse 4* erzeugt bei wie mit den Pfeilen P angedeuteten Polarisationsrichje tungen in den Wandlerplättchen 5 und 5 ein piesoelekw trisches Signal, die sich b-e der Hintereinanderschaltung der beiden Wandlerplättchen 5, 5'addierer. Diese bei der Ausführungsform der Fig.14 vorliegende Hintereinanderschaltung führt aber bezüglich des pyroelek- trischen Effekts zu einer Kompensation.
Diese zuletzt beschriebenen Maßnahmen zur Kompensation des Pyroeffekts sind bei Extremfällen mit möglichen raschen Temperaturänderungen zu empfehlen. Die erfindungsgemäße Wahl eines Wandlerplättchens 5, 5', 5",5in der Form eines Plättchens mit großer Abmessung h und dazu sehr kleiner Abmessung d ermöglicht bereits stets ein relativ großes piezoelektrisches Signal, vergleichsweise zu dem möglichen Pyrosignal, zu erhalten, wobei hier noch kein Kompensationseffekt vorliegt, sondern dieses günstige Signalverhältnis durch Optimierung erreicht ist. Bei bekannten Beschleunigungsaufnehmern, wie sie beispielsweise der Fig.4 entsprechen, muß mit starken Störungen durch Pyroeffekt gerechnet werden, der - soweit überhaupt möglich - mit elektronischen Schaltungsmitteln wenigstens einigermaßen minimalisiert werden muß.' Bezüglich der Breite b und bezüglich der Absolutgrößen für die Abmessungen h, d und auch für b ist für die Erfindung folgendes zu berücksichtigen: Für den erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmer kommt es bei vorgegebener Größe bzw. vorgegebenem Bereich der Größe der zu messenden Beschleunigungskraft F für das Maß der Größe des Piezosignals auf das Maß der an dem Wandlerplättchen 5 durch die Kraft F auftretenden Arbeit F . Lh an, worin th die durch die Einwirkung der Kraft F eintretende Längenänderung der Höhe h des Wandlerplättchens 5 ist. Diese mechanische Arbeit wird in dem Wandlerplättchen entsprechend der piezoelektrischen onstante X31 in elektrisches Signal umgesetzt. Für das Maß der auftretenden Arbeit F h ist die Fehlerkonstante des Wandlerplättchens 5 in Richtung h bzw. in Richtung 17 maßgebend. Bei großer Abmessung h kann die Dicke d entsprechend groß gewählt werden. Sinnvoll ist es natürlich, möglichst kleines Wandlerplättchen 5 vor zusehen, nämlich h und d bei unveränderter Fehlerkonstante so klein zu machen, wie dies die mechanische Stabilität des Wandlerplättchens, insbesondere unter Berücksichtigung mechanischer Uberbela stbarkeit, zuläßt Mit gleichbleibender Fehlerkonstante bleibt im übrigen auch die Resonanzfrequenz f unverändert, denn für gleich große zu messende Beschleunigungskraft F bleibt auch die seismische Masse unverändert gleich groß Man wird die Breite b so klein machen, wie dies die mechanische Belastbarkeit und die damit einhergehende Verringerung der Resonanzfrequenz zuläßt. Vergrößerung der Breite b über das notwendige Maß hinaus erhöht zwar die Resonanzfrequenz, läßt jedoch entsprechend proportional die erzeugte Piezospannung bei unverändert bleibendem Piezostrom kleiner werden.

Claims

PatentansDrüche: 1. Beschleunigungsaufnehmer mit wenigstens einem, mit Elektroden versehenen piezoelektrischen Wandlerelemente mit einer seismischen Masse und mit einem Rahmenteil zur Halterung von Wandlerelement und seismischer Masse, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß das eine oder die mehreren Wandlerplättchen (5) eine längliche Form mit einer mittleren Höhe h und einer Dicke d = 1 mm besitzt(en), worin h = n-d mit n>10 ist, und ein derartiger Einbau für dieses Wandlerplättchen (5) im Beschleunigungsaufnehmer (1) vorgesehen ist, daß der in Richtung der Höhe h gesehen eine Randbereich (5*) mit dem Rahmenteil (2) und der andere entgegengesetzt liegende Radnabe reich (5*) mit der seismischen Masse (4) verbunden ist 9 daß sich die bestimmungsgemäß zu messende Beschleungungskraft (F) in Längsrichtung (16; h; k31) im Wandlers plättchen (5) auswirkt; daß die seismische Masse (4) durch ein gerad-linienförmiges, eine Achse bildendes Schwenk- bzw. Biegelager(7) mit dem Rahmenteil (2) verbunden ist, daß die Kürzeste Verbindungsstrecke (9?)zwischen einem Punkt der Achse des Schwenk- bzw. Biegelagers (7) und dem Schwerpunkt (9) der seismischen Masse (4) senkrecht auf der Richtung der bestimmungsgemäß zu messenden Beschleunigungskraft (F) steht und die Länge dieser Verbindungsstrecke (9t) wenigstens 1/5 der zur Verbindungsstrecke (9') parallelen maximalen Abmessung der seismischen Masse (4) beträgt; daß das Schwenk- bzw Biegelager (7) mit seiner Achse wenigstens nahezu senkrecht zur bestimmungsgemäß zu messenden Beschleunigungskraft (F) ausgerichtet ist und eine solche in seiner Achsenrichtung gemessene Länge hat, daß dieses Schwenk-bzw. Biegelager (7) für eine zur Biegeachse parallele Kraftkomponente (F') so große Stabilität hatX daß diese Kraftkornponente (F') keine Bewegung der seismischen Masse (4) gegenüber dem Rahmenteil (2) ausführen kann; daß für die bestimmungsgemäß zu messende Beschleunigungskraft (F) ein effektiver wirksamer Hebelarm (7') zwischen dem Schwenk- bzw. Biegelager (7) und dem Wandlerelement (5) vorliegt, der nicht wesentlich kürzer als die Verbindungsstrecke (9t) ist; und daß für eine dritte mögliche Kraftkomponente (F"), die senkrecht zur bestimmungsgemäß zu messenden Beschleunigungskraft (F) und senkrecht zu der zu der Biegeachte (7) parallelen Kraftkomponente (F') ist, im wesentlichen kein wirksamer Hebelarm zwischen Schwenk- bzw. Biegelager (7) und Massenschwerpunkt (9) vorliegt.
2. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, g e -k e n n z e i c h n e t dadurch, daß das linienförmige Schwenk- bzw. Biegelager (7) in einer zur Ebene des Wandlerplättchens (5) wenigstens angenähert parallelen, im Abstand des wirksamen Hebelarms (7') befindlichen Ebene liegt (Fig.1, 2; 12, 13).
3. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 12 g e ^ k e n n z e i c h n e t dadurch2 daß das linienförmige Schwenk- bzw. Biegelager (7) im wesentlichen senkrecht zur Ebene des einen oder der mehreren Wandlerplättchen (5) ausgerichtet ist, wobei die Linie des Schwenk bzw. Biegelagers (7) außerhalb des wenigstens wesentli chen Anteils des einen oder der mehreren Wandlerplättd)i (5) liegt (Fig.6,7; 8; 9 bis 11; 14).
4. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 3, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß das Schwenk bzw. Biegelager (7) eine einstückige Verbindung von Rahmenteil (2) und seismischer Masse (4) miteinander ist.
5. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 4, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß diese einstückige Verbindung durch einen Schrägeinschnitt erzeugt ist (Fig.8; 9 bis 11).
6 Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß solche Massenanteile (m') der seismischen Masse (4) weggelassen sind, die der zu messenden Beschleunigungskraft (F) ein nur geringes Trägheitsmoment entgegensetzen.
7. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 3 bis 6, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß wenigstens zwei Plättchen derart zwischen Rahmenteil (2 und seismischer Masse (4*) angeordnet sind, daß bei Schwenkbewegung (8) der seismischen Masse (4*) infolge der einwirkenden Beschleunigungskraft (F) gleichzeitig jeweils phasenentgegengesetzt in beiden Plättchen (5, 5') Zug- und Druckkraft auftreten und daß beide Plättchen (5, 5') mit zueinander entgegengesetzt gerichteter Polarisation (P) elektrisch parallel geschaltet sind (Fig.14).
8. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß das eine oder die mehreren Wandlerplättchen (5) mit wenigstens auf einer Oberflächenseite des jeweiligen Plättchens (5) geteilter Elektrodenbelegung (115, 215) verseheu rist (sind), daß das eine oder die mehreren Wandler plättchen (5) mit Jeweils beiden in Richtung der Höhe h gesehen entgegengesetzt liegenden Randbereichen (5*) mit der seismischen Masse (4) oder mit dem Rahmenteil (2) verbunden sind, und das Rahmenteil (2) oder die seismische Masse (4) mit einer weiteren Befestigungsstelle (222) des Wandlerplättchens (5) verbunden ist, wobei sich diese weitere Befestigungsstelle (222) zwischen den beiden Elektrodenteilbereichen (115, 215) des Wandlerplätts chens (5) befindet und wobei unter den Elektrodenbelegungen (115, 215) zueinander entgegengesetzte Polarisation (P) vorliegt und beide Elektrodenteilbelegungen (115, 215) elektrisch parallel geschaltet sind (Fig.12, 13).
9. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Anspruche 1 bis 8, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß das Wandlerplättchen (5") eine vom Rechteck abweichenae Form mit einer mittleren Höhe h hat, wobei die Befestigung des Wandlerplättchens /k") ) mit der seismischen Masse (4") einerseits und dem Rahmenteil (2") andererseits an zueinander im Winkel stehenden Randbereichen (5*) des Wandlerplättchens (5") vorgesehen ist (Fig.8).
10. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, g e k e n n æ e i c h n e t dadurch, daß ein spaltfUrmiger Zwischenraum (22) zwischen Rahmenteil (2) und seismischer Masse (4) mit einer die Bewegung zwischen diesen Teilen dämpfenden Masse ausgefüllt ist.
11.Beschleunigungsaufnehmer nacheinem der Ansprüche 1 bis 11, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die Höhe des Zwischenraumes (22) zwischen Rahmenteil (2) und seismischer Masse (4) wenigstens 10 mal kleiner als die Wurzel der an diesem Zwischenraum (22) angrenzenden Fläche des Rahmenteils (2) bzw. der seismischen Masse (4) ist.