FI115599B - Elektreettianturi - Google Patents

Description

115599

ELEKTREETTIANTURI

Keksinnön kohteena on elektreettianturi, jossa on johtavasta materiaalista valmistetut pintakerrokset, joiden välissä on elektreettimateriaalia, ja joihin pintakerroksiin kuuluu liitoselimet anturin kytkemiseksi mittauslaitteistoon.

5 Elektreettimateriaali on ainetta, joka saadaan polarisoitumaan pysyvästi, mikä tarkoittaa sitä, että siihen muodostuu pysyvä sähkökenttä. Elektreettimateriaalia olevasta kalvosta muodostetaan elektreettianturi kiinnittämällä elektreettimateriaalia olevan kalvon molemmille pinnoille johtavaa materiaalia olevat kalvot. Elektreet-tianturin toiminta perustuu elektreettimateriaalia olevan ohuen kalvomaisen kappa-10 leen kykyyn tuottaa jännite, joka riippuu kalvon pintaan kohdistuvista painevaihte-luista. Elektreettimateriaalissa tapahtuva muodonmuutos aiheuttaa elektreettimateri-aalin sähkökenttään muutoksen, joka tuottaa johtaviin kalvoihin mitattavan jännitteen. Näin ollen anturiin kohdistuvan staattisen tai dynaamisen kuormituk-sen/muodonmuutoksen suuruus voidaan määrittää mittaamalla johtavien kalvojen 15 välistä jännitettä.

Elektreettimateriaalia voidaan tehdä tavallisista sinänsä tunnetuista muoveista, kuten polypropeenista tavallisilla muoviteollisuuden käyttämillä valmistusmenetelmillä. Elektreettikalvo on tyypillisesti ohut (paksuus yleensä alle 0,1 mm) ja taipuisa, minkä ansiosta siitä valmistettavan anturin koko voidaan valita melko va-. 20 päästi. Elektreettiantureilla pystytään mittaamaan hyvin laaja paineenmuutosten ; . vaihteluväli ja taajuusalue. Tämän vuoksi niitä voidaan käyttää monissa erilaisissa ; · mittaussovelluksissa, kuten erilaisissa värähtelymittauksissa ja kuormitusmittauk- ·'· ·’ sissa. Lisäksi elektreettimateriaalin suhteellisen edullinen hinta tekee niistä erittäin ’. * i kilpailukykyisiä muihin vastaaviin antureihin ja anturimateriaaleihin nähden.

• · .···. 25 Nykyisien elektreettianturien ongelmana on se, että elektreettiantureilla on raken teensa takia muodonmuutoksen johdosta syntyvään pieneen varaukseen nähden suu- . > ri kapasitanssi. Näin ollen suuri osa varauksesta kuluu kapasitanssin lataamiseen, , ’ jolloin johtavien kalvojen välille syntyvä jännite jää suhteellisen pieneksi. Siitä joh- > * tuen nykyinen elektreettianturi on elektreettimateriaaliin syntyvään sähkökentän : 30 muutokseen nähden suhteellisen epäherkkä. Erityisesti, mikäli anturiin aiheutettu : muodonmuutos on paikallinen, jää mitattava jännite muodonmuutoksen suuruuteen ‘.t nähden pieneksi, joten nykyisellä elektreettianturilla pienten paikallisten muodon- ; ’ . muutosten/kuormitusten mittaaminen vaatii erittäin stabiilia, herkkää ja kohinatonta • * mittauslaitteistoa. Lisäksi suhteellisen suuresta kapasitanssista johtuen nykyinen 35 elektreettianturi kerää melko herkästi kapasitiivisesti indusoituvia sähköhäiriöitä, 2 115599 mikä rajoittaa sen käyttöä sellaisissa sovelluksissa, joissa anturi joutuu ulkoisten sähkökenttien vaikutuksen alaiseksi.

ί

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada elektreettianturi, jolla edellä mainitut ongelmat vältetään. Lisäksi keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin elektreettianturi, 5 joka on rakenteeltaan yksinkertainen ja valmistuskustannuksiltaan edullinen.

Keksinnön tarkoitus saavutetaan elektreettianturilla, jolle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksissa.

Keksinnön mukaiselle elektreettianturille on tunnusomaista se, että elektreettimate-riaalin ja molempien pintakerrosten väliin on sijoitettu transversaalisesti (pintaa vas-10 taan kohtisuorasti) sähköä johtavat materiaalikerrokset. Näin saadaan aikaan elektreettianturi, joka on oleellisesti aikaisempia elektreettiantureita herkempi ja jo pieni ulkoinen voima saa aikaan huomattavan suuren ulkoisen jännitteen, koska uuden anturirakenteen ansiosta anturin kapasitanssi muodostuu oleellisesti aikaisemmin tunnettuja elektreettiantureita pienemmäksi. Lisäksi tästä johtuen anturiin ei myös-15 kään pääse indusoitumaan kapasitiivisia sähköhäiriöitä, jolloin tällaisella anturilla voidaan mitata aikaisempaa huomattavasti tarkemmin aikaisempaa selvästi pienempiä kuormituksia ja muodonmuutoksia.

| Keksinnön edullisessa sovelluksessa anturin kerrokset ovat toisiaan vasten kiinni tettyjä kalvomaisia kappaleita. Tällä tavoin elektreettianturista saadaan rakenteel-• ·· 20 taan yksinkertainen ja valmistuskustannuksiltaan edullinen. Lisäksi näin elektreet- : : : tianturista tulee ohut, jolloin siitä voidaan tehdä haluttaessa hyvin pieni sekä siitä tu- : : ’; lee hyvin taipuisa, jolloin se voidaan esim. taivuttaa kaarevaksi suhteellisen pienellä : \ j kaarevuussäteellä.

’;;;' Keksinnön toisessa edullisessa sovelluksessa transversaalisesti sähköä johtava mate- 25 riaalikerros on kalvo, jossa on satunnaisessa järjestyksessä toistensa läheisyydessä olevia sähköä kalvon paksuussuunnassa johtavia partikkeleita. Näin suhteellisen yk- < * • sinkertaisesti valmistettava kalvo toimii tarkoituksenmukaisella tavalla transversaa- : lisesti johtavana väliaineena elektreettianturin johtavien pintakerrosten ja elektreet- ; timateriaalin välillä. Lisäksi tällaisessa kalvossa olevat partikkelit ovat välittömässä 30 kontaktissa elektreettikalvoon, jolloin aikaisempia elektreettiantureita vastaavaa kondensaattorirakennetta ei pääse muodostumaan.

: Keksinnön kolmannessa edullisessa sovelluksessa transversaalisesti sähköä johtava kalvo on muovia ja kalvossa olevat sähköä johtavat partikkelit ovat hopealla päällystettyjä nikkelihiukkasia. Tällä tavoin valmistettu transversaalisesti johtava kalvo 3 115599 on sinänsä tunnettu, kaupallisesti saatavilla oleva tuote ja siksi hankintahinnaltaan edullinen sekä helposti ja yksinkertaisesti johtavan pintakerroksen ja elektreettima-teriaalin väliin asennettava. Hopealla päällystetyillä nikkelihiukkasilla on pieni ominaisresistanssi, jolloin ne johtavat sähköä erittäin hyvin, vaikka niiden poikki-5 pinta-ala on erittäin pieni. Lisäksi kalvon materiaalina oleva muovi on erittäin hyvä eriste, jolloin hopealla päällystettyjä nikkelihiukkaset voivat olla edullisesti hyvin lähellä toisiaan ilman pitkittäissuuntaisten sähköisten kontaktien muodostumista. Näin ollen tällaiselle elektreettianturiin saadaan suuri paksuussuunnassa johtavien pisteiden tiheys, jolloin sillä voidaan mitata edullisesti esim. hyvin pienellä pinta-10 alalla vaikuttavaa paikallista kuormitusta.

Keksinnön neljännessä edullisessa sovelluksessa anturin liitoseliminä on pintakerroksiin yhdistetyt johtimet. Tällä tavoin keksinnön mukainen elektreettianturi saadaan kytkettyä halutulla tavalla mihin tahansa sopivaan mittauslaitteistoon yksinkertaisesti.

15 Seuraavassa keksintöä selostetaan tarkemmin viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa on esitetty erään keksinnön mukaisen elektreettianturin periaatekuva sivusuunnasta katsottuna.

Kuvan 1 mukaiseen elektreettianturiin kuuluu elektreettimateriaalista valmistettu kalvomainen kappale 1, sen ylä- ja alapinnalle kiinnitetty elektreettikalvon kanssa 20 samankokoinen transversaalisesti johtava kalvo 2 sekä ylemmän transversaalisesti ; '' johtavan kalvon yläpinnalle ja alemman transversaalisesti johtavan kalvon alapin- • t · j-: : nalle kiinnitetyt johtavaa materiaalia olevat kalvot 3. Lisäksi kuvan 1 mukaiseen : ·: : elektreettianturiin kuuluu johtaviin kalvoihin kiinnitetyt kytkentäelimet 4, johtimien •.' *: kytkemiseksi johtaviin kalvoihin.

.···. 25 Elektreettikalvo 1 on kuvan 1 mukaisessa sovelluksessa erikoismuovista sinänsä tunnetulla menetelmällä valmistettu sopivan paksuinen ja kokoinen elektreettikalvo. Rakenteensa ansiosta materiaali on saatu sähköisesti pysyvästi polarisoituneeksi, ;jolloin siinä vaikuttaa pysyvä sisäinen sähkökenttä. Sähkökenttä on voimakkuudet-taan elektreettimateriaalin muodonmuutostilasta riippuva, joten siihen kohdistuva 30 muodonmuutos aiheuttaa elektreettimateriaalin pinnoille jännitteen ja virran.

Transversaalisesti johtava kalvo 2 on kuvan 1 mukaisessa sovelluksessa sinänsä tunnettua akryylimuovista valmistettua transversaalisesti johtavaa kaksipuolista _ ' · j teippiä, jonka kumpaankin liimapintaan kuuluu teipin asennusvaiheessa irrotettavat silikonilla käsitellyt suojapaperit. Transversaalisesti johtava kalvo on liimapintojen 4 115599 välissä. Siihen on seostettu kalvon läpi ulottuvia hopealla päällystettyjä nikkeli-hiukkasia johtavuuden aikaansaamiseksi kalvon paksuussuunnassa. Kalvon pinnoilla olevat liimapinnat ovat niin ohuet, että kalvoa liimattaessa hopealla päällystetyt sinkkihiukkaset ulottuvat liimakerroksen läpi, jolloin ne kytkevät elektreetti-5 kalvon 1 transversaalisesti johtavien kalvojen ulkopinnoille kiinnitettyihin johtaviin kalvoihin 3. Näin ollen elektreettikalvon pinnoille muodostuva varaus pääsee siirtymään johtaviin kalvoihin.

Johtavina kalvoina 3 on tässä sovelluksessa yläpuolen transversaalisesti johtavan kalvon yläpinnalle ja alapuolen transversaalisesti johtavan kalvon alapinnalle kiin-10 nitetyt metallikalvot. Ne ovat muilta osin muiden kalvojen kokoiset, mutta kuvan 1 mukaisessa sovelluksessa niihin kuuluu elektreettikalvon ja transversaalisesti johtavan kalvon ulkopuolelle kuvan 1 esittämällä tavalla ulottuvat kytkentäelimet 4. Niihin voidaan kiinnittää anturiin kytkettävät johtimet esim. sähköä johtavalla liimalla, juottamalla tai muulla sopivalla johtimien kytkentämenetelmällä. Metallikal-15 vojen päällä voi anturin käyttösovelluksesta riippuen olla jokin sopiva eristekerros, kuten eristelakka, muovikuori tai muu sopiva pinnoite ulkoisten kontaktien estämiseksi.

Kuvan 1 mukainen elektreettianturi voidaan valmistaa transversaalisesti johtavasta teipistä, elektreettikalvosta ja alumiinikalvosta suhteellisen yksinkertaisesti esim.

20 seuraavalla tavalla: Leikataan valmiista elektrettikalvolevystä halutun kokoisen ; , elektreettianturin kokoinen pala sekä kaksi edellisen kokoista palaa transversaali- ; sesti johtavaa teippiä ja metallikalvoa. Irrotetaan transversaalisesti johtavista tei- ’· V peistä toiselta puolelta suojapaperi. Sen jälkeen liimataan transversaalisesti johtavat • · » ;* ; kalvot elektreettikalvon kummallekin puolelle. Tämän jälkeen irrotetaan transver- » · · *; ’· 25 saalisesti johtavien kalvojen toiset suojapaperit ja liimataan niiden päälle alumiini- '···* kalvot, jolloin ne tulevat kuvan 1 mukaisesti elektreettianturin kummallekin puo- lelle. Liimausvaiheiden jälkeen varmistetaan liitosten kiinnittyminen jättämällä anturi kuivumaan esim. sopivan puristimen väliin teipin liimausohjeiden mukaisesti.

; · Lopuksi kiinnitetään metallikalvojen kytkentäelimiin johtimet esim. sähköä johta- ’: 30 valla epoksiliimalla tai muulla vastaavalla tavalla.

: Keksinnön mukainen elektreettianturi soveltuu käytettäväksi moniin erilaisiin so- velluksiin. Esim. kuormitusanturina käytettäessä se kytketään sopivaan, jännitettä . . ·. mittaavaan mittauslaitteeseen ja kiinnitetään sopivalle kohdalle mitattavaa kohdetta . · ’ : siten, että kohteeseen kohdistuva kuormitus aiheuttaa anturiin muodonmuutoksen, 35 jolloin anturi tuottaa siihen kohdistettuun muodonmuutokseen verrannollisen jännitteen. Kuormituksen suuruus voidaan määrittää kuormituksen tapahtumishetkellä 115599 i I 5 tai tallennetusta mittaustiedosta jälkeenpäin anturin ja kohteen mekaanisten ominaisuuksien perusteella. Keksinnön mukaisella elektreettianturilla mitattava kuormitus tai muodonmuutos voi olla luonteeltaan staattista tai dynaamista ja tyypillisesti esim. taivutusta tai puristusta.

5 Keksinnön mukaisen elektreettianturin koko ja siihen kuuluvien kalvojen rakenne voidaan valita melko vapaasti. Yleensä elektreettianturin pinta-ala on suhteellisen suuri verrattuna sen paksuuteen, mutta haluttaessa elektreettianturista voidaan tehdä myös pinta-alaltaan pienikokoinen. Elektreettikalvona voidaan käyttää mitä tahansa nykyisin tunnettua elektreettikalvoa, joka toimii edellä selostetulla tavalla. Kalvon 10 paksuus on edullisesti n. 10-60 pm, mutta se voi olla myös tästä poikkeava. Transversaalisesti johtavana kalvona tulee olla materiaalia, joka johtaa sähköä mahdollisimman hyvin kalvon paksuussuunnassa, mutta jonka resistanssi poikittais-suunnassa on mahdollisimman suuri. Näin ollen kalvona voidaan käyttää myös muuta ja muulla tavoin muihin anturin osiin kiinnitettävää transversaalisesti johta-15 vaa kalvoa kuin edellä selostettua transversaalisesti sähköä johtavaa kaksipuolista teippiä. Pintakerroksen johtavina kalvoina voivat olla mistä tahansa sopivasta johtavasta materiaalista, kuten kuparista, hopeasta tai erilaisista metalliseoksista valmistetut kalvot tai niiden sijasta voidaan käyttää esim. transversaalisen kalvon pinnalle metalloimalla tai tyhjiöhöyrystämällä muodostettua sähköä johtavaa metallipinnoi-20 tetta. Johtimien kiinnittämiseksi anturissa voi olla erilaisia kytkentäelimiä tai johti-met voidaan esim. liimata sähköä johtavalla liimalla suoraan johtavien kalvojen ul-: ' · · kopintoihin. Haluttaessa keksinnön mukainen elektreettianturi voidaan myös esim.

•, j 1 koteloida tai valmistaa muilta osin johonkin tiettyyn erikoissovellukseen sopivaksi.

t I • · · *1’ | Keksintöä ei rajata esitettyihin edullisiin sovelluksiin, vaan se voi vaihdella patent- * · · ;.. ’ 25 tivaatimusten muodostaman keksinnöllisen aj atuksen puitteissa.

» · • · · • · • · • ·« » » • » · • · • ♦ ► »1 1

• I

t »

Claims (5)

115599

1. Elektreettianturi, jossa on johtavasta materiaalista valmistetut pintakerrokset (3), joiden välissä on elektreettimateriaalia (1), ja joihin pintakerroksiin kuuluu liitoselimet (4) anturin kytkemiseksi mittauslaitteistoon, tunnettu siitä, että 5 elektreettimateriaalin (1) ja molempien pintakerrosten (3) väliin on sijoitettu trans-versaalisesti sähköä johtavat materiaalikerrokset (2).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektreettianturi, tunnettu siitä, että anturin kerrokset (1,2, 3) ovat toisiaan vasten kiinnitettyjä kalvomaisia kappaleita. 10

3. Patenttivaatimusten 1 tai 2 mukainen elektreettianturi, tunnettu siitä, että transversaalisesti sähköä johtava materiaalikerros (2) on kalvo, jossa on satunnaisessa järjestyksessä toistensa läheisyydessä olevia sähköä kalvon paksuussuunnassa johtavia partikkeleita. 15

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen elektreettianturi, tunnettu siitä, että transversaalisesti sähköäjohtava kalvo (2) on muovia, ja että kalvossa olevat sähköä johtavat partikkelit ovat hopealla päällystettyjä nikkelihiukkasia.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen elektreettianturi, t u n n e t t u sii tä, että anturin liitoseliminä (4) on pintakerroksiin yhdistetyt johtimet. 1 »14« I » 115599