WO2021244815A1 - Acceleration sensor and use of such an acceleration sensor - Google Patents

Acceleration sensor and use of such an acceleration sensor Download PDF

Info

Publication number
WO2021244815A1
WO2021244815A1 PCT/EP2021/061698 EP2021061698W WO2021244815A1 WO 2021244815 A1 WO2021244815 A1 WO 2021244815A1 EP 2021061698 W EP2021061698 W EP 2021061698W WO 2021244815 A1 WO2021244815 A1 WO 2021244815A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
housing
acceleration sensor
carrier
measurement object
seismic mass
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/061698
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marco Laffranchi
David Weber
Tobias FROMMENWILER
Original Assignee
Kistler Holding Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kistler Holding Ag filed Critical Kistler Holding Ag
Publication of WO2021244815A1 publication Critical patent/WO2021244815A1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/09—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P1/00—Details of instruments
    • G01P1/02—Housings
    • G01P1/023—Housings for acceleration measuring devices

Definitions

  • the invention relates to an acceleration sensor and a use of such an acceleration sensor according to the preamble of the independent claims.
  • Accelerations of a measurement object are measured in many very different applications such as robotics, energy generation, transport, etc. Shocks and vibrations acting on the measurement object are measured as accelerations.
  • An acceleration sensor is attached to the measurement object to measure the accelerations.
  • the document DE2817981A1 shows such an acceleration sensor.
  • the acceleration sensor has a me-metallic housing, which consists of a base plate and a cover.
  • the base plate and cover hermetically seal a cavity in the housing from outside the housing.
  • a pin is formed on a top side of the base plate, around which pin several measuring elements and several seismic masses are arranged in the cavity.
  • the measuring elements are piezoelectric measuring elements.
  • the pin has three side faces surfaces that are twisted at an angle of 120 ° to each other.
  • a measuring element is attached to each side surface.
  • a seismic mass is assigned to each measuring element, and the seismic mass is attached to the measuring element.
  • the seismic masses are arranged on outer surfaces of the measuring elements facing away from the side surfaces of the journal. This arrangement is held together by a ring spring.
  • the annular spring rests against outer surfaces of the seismic masses facing away from the measuring elements. And on an underside of the base plate facing away from the top, an external thread is formed, via which the acceleration sensor can be attached to the measurement object.
  • Accelerations of the measuring object act on the seismic masses via the housing and the journal and via the measuring elements.
  • the seismic masses have an inertia. Due to their inertia, the seismic masses exert forces on the measuring elements. For each pairing of measuring element and assigned seismic mass, the forces act on the measuring element along a measuring axis from the seismic mass.
  • the measuring element generates measuring signals under the effect of the forces.
  • the measurement signals are proportional to the accelerations to be measured.
  • the measurement signals are picked up via the ring spring and transferred to a plug in the cover.
  • the measurement signals are derived from the connector via a signal cable to an evaluation unit.
  • the tapping and the derivation of the measurement signals are electrically isolated from the housing.
  • the document EP059793A1 discloses an acceleration sensor with a solid metallic base plate, wel che in one piece with a likewise solidly made holding organ for a piezoelectric plate, a mass body and is an electrode.
  • a sheet metal cap surrounds the holding element, the piezoelectric flap, the mass body and the electrode to protect against harmful environmental influences.
  • the sheet metal cap is attached to the base plate via a free edge.
  • the acceleration sensor is attached to the measurement object via the base plate.
  • the document DE2712359A1 also shows an acceleration sensor where a base plate carries a pin on which a piezoelectric element, a measuring mass and an electrode ring are attached on the outside.
  • the pin, the piezoelectric element, the measuring mass and the electrode ring are firmly secured against each other and protected against external influences via a cap-shaped housing part.
  • the cap-shaped housing part sits in a press fit on the base plate.
  • the acceleration sensor is attached to the measurement object via the base plate.
  • Document US3858065A1 also describes an acceleration sensor with a metallic base plate, which base plate is integral with a web, which web in turn carries a piezoelectric crystal, electrodes and a seismic mass.
  • a hollow cylindrical housing encloses the piezoelectric crystal, the electrodes and the seismic mass and is connected to the base plate. It is the base plate with which the acceleration sensor rests on the measurement object.
  • the document EP0762131A2 also shows an acceleration sensor in which the carrier is attached to a base plate, which carrier is a piezoelectric element, a seismic see ground and carries an electrical contact.
  • a pot-shaped housing is attached to the outside of the base plate and protects the piezo element, the seismic mass and the electrical contact. The carrier and the base plate make contact with the measurement object.
  • Such an acceleration sensor should have a small structural dimension, because there is often little space available on the measurement object for fastening the acceleration sensor. A small structural dimension of less than 1 cm 3 is therefore desirable.
  • An acceleration sensor should also have a low weight. This is because the inertia of the acceleration sensor attached to the measurement object falsifies the acceleration of the measurement object to be measured. A low weight of less than 10g is therefore aimed for.
  • thermally induced non-linearity of the acceleration sensor can be caused by thermally induced non-linearity of the acceleration sensor.
  • the thermally induced non-linearity is the deviation of the proportionality between the measurement signals and the accelerations to be measured when the temperature changes.
  • the thermally induced non-linearity falsifies the measurement of the acceleration of the measurement object.
  • the thermally induced non-linearity can have various causes such as different thermal expansion coefficients of the measurement object and housing, etc. With different thermal output Expansion coefficients of the measuring object and the housing, mechanical stresses are generated in the housing, which can act as disruptive forces on the measuring elements.
  • a thermally induced non-linearity of less than 3% over the entire operating temperature range is required for high measurement accuracy.
  • Interfering forces can, however, also originate from cross-talk.
  • Speaking transversely comes from force components that originate transversely to the measuring axis of a pairing of measuring element and assigned seismic mass.
  • the force components acting across the measuring axis are disruptive forces. If a measuring element now also generates interference signals for such interference forces, one speaks of cross-talk.
  • the housing can deform elastically under the accelerations. Movements of the signal cable can also cause elastic deformations of the housing. The elastic deformations of the housing lead to mechanical stresses, which act as interference forces on the measuring elements via the housing and can generate interference signals.
  • a proportion of the interfering forces in the forces should be below 20%.
  • the object of the present invention is to provide an acceleration sensor which measures the accelerations to be measured with a high degree of accuracy while being small and lightweight. Presentation of the invention
  • acceleration sensor with the features of the first independent claim and with the use of an acceleration sensor with the features of the second independent claim.
  • the invention relates to an acceleration sensor; which acceleration sensor for measuring accelerations of a measurement object can be attached to the measurement object; which acceleration sensor has a housing, a carrier, at least one measuring element and at least one seismic mass; which housing has a cavity; which carrier, which measuring element and which seismic mass are arranged in the cavity; wherein the measuring element and the seismic mass are attached to the carrier; wherein when the acceleration sensor is attached to the measurement object, accelerations of the measurement object act on the seismic mass; which seismic mass exerts forces on the measuring element due to its inertia under the effect of the accelerations of the measuring object; which measuring element generates measuring signals under the effect of the forces; wherein the housing has a recess, which carrier has an outer recess and the outer end face extends through the recess; where, when the acceleration sensor is attached to the measurement object, the carrier is in contact with the measurement object via the outer end face; wherein the carrier has a modulus of elasticity of greater than or equal to 350GPa; and wherein the carrier has a density of less
  • the invention also relates to a use of an acceleration sensor for measuring accelerations of a measurement object; which acceleration sensor is attached to the measurement object; which acceleration sensor has a housing, a carrier, at least one measuring element and at least one seismic mass; which housing has a cavity; which carrier, which measuring element and which seismic mass are arranged in the cavity; wherein the Mes selement and the seismic mass are attached to the carrier; accelerations of the measurement object acting on the seismic mass; which seismic mass exerts forces on the measuring element due to its inertia under the effect of the accelerations of the measuring object; which measuring element generates measuring signals under the effect of the forces; the housing having a recess, which carrier has an outer recess and the outer end face extends through the recess and is in contact with the measurement object via the outer end face; wherein the carrier has a modulus of elasticity of greater than or equal to 350GPa; and wherein the carrier has a density of less than / equal to 5 g / cm 3 .
  • a carrier thus extends through a recess in the housing and is in contact with the measurement object.
  • This has the advantage that the accelerations to be measured act on the measuring element and the seismic mass while avoiding the housing.
  • the housing only has a protective function. It protects the measuring element and the seismic mass from harmful environmental influences. According to the invention, it is therefore not the housing that transmits the accelerations to be measured to the measuring element and the seismic mass. carries, but the carrier is intended for it.
  • the housing and carrier therefore have a minimal interface. Interfering forces which falsify the measurement of the accelerations of the measurement object and which originate from the housing thus have a minimal interface to the measurement element and to the seismic mass. Such disruptive forces are thus effectively reduced.
  • the carrier according to the invention has a high resistance to elastic deformations due to the large modulus of elasticity, which elastic deformations in turn act as interfering forces on the measuring element and can generate spurious signals.
  • the carrier is therefore very stiff and only deforms very slightly when accelerated.
  • the carrier is also extremely light.
  • the carrier according to the invention is lighter than the metallic holding organs, pins, webs and carriers from the prior art, whereby the acceleration sensor has a comparatively higher resonance frequency, which expands the measuring range to high frequencies.
  • FIG. 1 is a view of part of the acceleration sensor
  • FIG. 2 shows a section along a line AA 'through the acceleration sensor from FIG. 1.
  • FIG. 1 and 2 show an exemplary embodiment of an acceleration sensor 10 according to the invention.
  • the acceleration sensor 10 has a housing 1, a carrier 2, at least one measuring element 3, 3 'and at least one seismic mass 4, 4.
  • the housing 1 protects the measuring element 3, 3 'and the seismic mass 4, 4 from harmful environmental influences such as
  • the housing 1 is made of mechanically resistant material such as pure metals, nickel alloys, cobalt alloys, iron alloys, etc. In the gameniessbei the housing 1 is made of titanium.
  • the housing 1 is a three-dimensional hollow body.
  • the housing 1 has along a Transverse axis X has a width of 6mm, along a longitudinal axis Y the housing 1 has a length of 6mm and along a vertical axis Z the housing 1 has a height of 5mm.
  • the housing 1 In an XY plane spanned by the transverse axis X and the longitudinal axis Y, the housing 1 has a rectangular cross section of 36 mm 2 .
  • the housing 1 has a small external dimension of less than / equal to 180 mm 3 .
  • the person skilled in the art can also realize a housing for an acceleration sensor with other cross-sectional shapes, such as a circle, etc.
  • a person skilled in the art can also implement an acceleration sensor with a smaller housing or with a larger housing.
  • the housing 1 has a lower part 1.1, a side wall 1.3 and an upper part 1.4.
  • the upper part 1.4 is arranged along the vertical axis Z above the lower part 1.1.
  • Lower part 1.1, side wall 1.3 and upper part 1.4 can be taken in one piece or as individual parts gefer.
  • the lower part 1.1, the side wall 1.3 and the upper part 1.4 are individual parts that are firmly connected to one another.
  • the housing 1 has a housing surface 1.0.
  • the housing surface 1.0 lies in a contact surface C spanned by the transverse axis X and the longitudinal axis Y.
  • the housing 1 can be fastened in the contact surface C on the measurement object 20 via the housing surface 1.0.
  • the housing surface 1.0 is preferably part of the lower part 1.1.
  • the housing 1 encloses a cavity 0. In the cavity 0, the carrier 2, the measuring element 3, 3 'and the seismic mass 4, 4 'arranged.
  • the cavity 0 has a volume.
  • the wall thickness of the housing 1 does not have to be so strong in order to suppress mechanical stresses that arise when the housing is fastened to the measurement object and act as disruptive forces on the housing.
  • a wall thickness of the housing 1 is therefore weight-optimized, as a result of which the acceleration sensor 10 has a low weight of less than 10 g, which extends the measuring range to high frequencies.
  • the wall thickness of the housing 1 is preferably less than or equal to 0.5mm. In the exemplary embodiment, the wall thickness of the housing is 10.25mm.
  • the housing 1 has a recess 1.2.
  • the recess 1.2 is arranged in the housing surface 1.0 to.
  • the recess 1.2 lies like the housing surface 1.0 in the contact surface C.
  • the recess 1.2 has a width of 3 mm along the transverse axis X and the recess 1.2 has a length of 3 mm along the longitudinal axis Y.
  • the recess 1.2 has an upper surface of 9mm 2 .
  • the housing surface 1.0 in turn has a width of 6 mm along the transverse axis X and a length of 6 mm along the longitudinal axis Y in the exemplary embodiment.
  • the housing area 1.0 thus has a surface area of 27 mm 2 .
  • the recess 1.2 is completely radially surrounded by the housing surface 1.0.
  • the recess 1.2 is preferably enclosed by the housing surface 1.0 by a rectangular, closed circumferential abutment surface 1.6.
  • the abutment surface 1.6 has a width of 3 mm along the transverse axis X, it has a length of 3 mm along the longitudinal axis Y and a wall thickness of 0.25 mm along the vertical axis Z.
  • a surface of the joint area 1.6 is therefore 3.0mm 2 .
  • the housing 1 has a through opening 1.8.
  • the through opening 1.8 is arranged in the upper part 1.4.
  • the through opening can also be arranged in the side wall.
  • the carrier 2 is advantageously made of mechanically stiff material of low density such as Al2O3, ceramic, Al20 3 ceramic, sapphire, etc.
  • the carrier 2 is mechanically stiff in order to inelastically transmit accelerations to be detected to the seismic mass 4, 4 .
  • the mechanically rigid carrier 2 has a high resistance to elastic deformations, which elastic deformations in turn act as interference forces on the measuring element 3, 3 'and can generate interference signals.
  • the material of the carrier 2 has a modulus of elasticity of greater than or equal to 350 GPa.
  • the material of the carrier 2 preferably has a modulus of elasticity in the range from 350 GPa to 470 GPa. Due to the high mechanical rigidity, the carrier 2 can only deform very slightly during accelerations.
  • the material of the carrier gers 2 has a density of less than / equal to 5g / cm 3 .
  • the material of the carrier 2 preferably has a density in the range from 4 g / cm 3 to 5 g / cm 3 . Due to the low density of the carrier 2 is easy.
  • the carrier 2 is lighter than the metallic pin from the prior art according to DE2817981A1, as a result of which the acceleration sensor 10 has a comparatively higher resonance frequency, which extends the measuring range to high frequencies.
  • the carrier 2 is preferably a cube with two end faces and four side faces.
  • the two end faces delimit the support 2 along the vertical axis Z
  • the four side faces delimit the support 2 along the transverse axis X and along the longitudinal axis Y.
  • the two end faces comprise an outer end face 2.0 and an inner end face 2.0 '.
  • the outer face 2.0 lies outside the cavity 0, the inner face 2.0 'lies in the cavity 0.
  • the four side faces include a first side face 2.3, a second side face 2.3', a third side face 2.3 '' and a fourth side face 2.3 ''' .
  • the end faces and side faces are largely the same size.
  • the carrier 2 has a width of 3 mm along the transverse axis X, the carrier 2 has a length of 3 mm along the longitudinal axis Y and the carrier 2 has a height of 3.5 mm along the vertical axis Z.
  • each end face has a surface area of 9mm 2 and each side surface has a surface area of 10.5mm 2 .
  • the person skilled in the art can also realize a differently shaped carrier such as a multi-sided prism, a multi-sided pyramid, etc.
  • the carrier 2 extends through the recess 1.2.
  • the carrier 2 extends with the outer end face 2.0 through the recess 1.2.
  • the outer end face 2.0 lies in the contact area C.
  • the carrier 2 can be fastened in the contact area C on the measurement object 20 via the outer end face 2.0.
  • the housing surface 1.0 and the outer end face 2.0 are thus in the same contact surface C.
  • the contact surface C is a flat surface.
  • the surface of the housing surface 1.0 and the surface of the outer end face 2.0 form a surface of the contact surface C.
  • the surface of the contact surface is 36mm 2 .
  • the acceleration sensor 10 can thus be fastened in the contact area C via the housing area 1.0 and via the outer end face 2.0 on the measurement object 20.
  • the housing surface 1.0 is preferably larger than the outer end surface 2.0.
  • the housing surface 1.0 has a surface area of 27 mm 2 and is three times larger than the outer end face 2.0 with a surface area of 9 mm 2 .
  • the carrier 2 closes the recess 1.2.
  • the four side surfaces 2.3, 2.3 ', 2.3'',2.3''' preferably lie precisely against the abutment surface 1.6 and thus form a precisely fitting closure of the recess 1.2.
  • the closure of the recess 1.2 has a fit with a play of less than 0.1mm.
  • the carrier 2 is attached to the impact surface 1.6.
  • the four side surfaces 2.3, 2.3 ', 2.3 ", 2.3"'' are attached to the abutment surface 1.6 by means of a material bond such as gluing, soldering, thermo-compression bonding, etc.
  • the fastening of the carrier 2 to the abutment surface 1.6 closes the recess 1.2 hermetically tight to the outside of the housing 1.
  • hermetically tight means a gas-tight and pressure-tight closure of the recess 1.2 a leak test with gases such as helium or argon gas cannot be carried out and pressures of up to 2 bar can be permanently applied.
  • the carrier 2 is only in direct mechanical contact with the housing 1 in the area of the abutment surface 1.6.
  • the surface of the abutment surface 1.6 is 3.0mm 2 and is largely an order of magnitude smaller than the surface of the housing surface 1.0 with 27mm 2 .
  • the surface of the abutment surface 1.6 thus forms a minimal interface between the housing 1 and the carrier 2.
  • the disruptive forces act in a main force via the housing surface 1.0 into the measurement object 20 and they act in a largely an order of magnitude smaller shunt force via the impact surface 1.6 into the carrier 2. Therefore, the acceleration sensor 10 has a small proportion of the disruptive forces for high measurement accuracy the forces of less than 20%.
  • the fastening of the acceleration sensor 10 on the measurement object 20 takes place via a fastening means 9.
  • the fastening means 9 is a cohesive fastening means 9 and the acceleration sensor 10 is fastened to the measurement object 20 via material bonding such as gluing, thermocompression bonding, etc.
  • the material fastening means 9 largely completely covers the housing surface 1.0 and the end face 2.0.
  • a thickness of the cohesive fastening means 9 along the vertical axis Z is less than / equal to 0.1 mm.
  • the carrier 2 is in contact with the measurement object 20 due to the type of thin, cohesive fastening means 9. Such fastening of the acceleration sensor 10 to the measurement object 20 can be carried out quickly and inexpensively.
  • the cohesive fastening means 9 is a chemically curing adhesive or a physically settable adhesive or a combination of a chemically curing adhesive and a physically settable adhesive.
  • the cohesive fastening means 9 preferably consists of an adhesive such as epoxy, polyurethane, cyanoacrylate, methyl methacrylate, etc.
  • the acceleration sensor 10 is therefore not attached to the measurement object via a screw connection.
  • Such screw connections lead to mechanical stresses which act as disruptive forces on the housing and falsify the measurement of the accelerations.
  • the fastening of the acceleration sensor 10 via the integral fastening means 9 is free of mechanical stresses.
  • the fastening of the acceleration sensor 10 via the integral fastening means 9 on the measurement object 20 is also largely inelastic.
  • the chemically cured adhesive or the physically set adhesive or a combination of a chemically cured adhesive and a physically set adhesive has a modulus of elasticity greater than or equal to IPA.
  • the modulus of elasticity is preferably in the range from IGPa to IGPa.
  • the acceleration sensor 10 has at least one measuring element 3, 3 '.
  • the acceleration sensor 10 has a first measuring element 3 and a second measuring element 3 '.
  • the person skilled in the art can also implement an acceleration sensor with more than two measuring elements.
  • the measuring element 3, 3 ' is attached to the carrier 2.
  • the first measuring element 3 is preferably attached to the first side surface 2.3 and the second measuring element 3 'is attached to the third side surface 2.3'.
  • the measuring element 3, 3 ' consists of piezoelectric material such as quartz (S1O2 single crystal), calcium gallo-germanate (Ca 3 Ga2Ge40i4 or CGG), langasite (La 3 Ga5SiOi4 or LGS), tourmaline, gallium orthophosphate, piezoceramics, etc.
  • the measuring element 3, 3 ' is rectangular in cross section with an upper surface of preferably less than 1 cm 2 and with a thickness of preferably less than 2 mm.
  • the acceleration sensor 10 has at least one seismic mass 4, 4 '.
  • the Acceleration sensor 10 has a first seismic mass 4 and a second seismic mass 4 '.
  • those skilled in the art can also implement an acceleration sensor with more than two seismic masses.
  • the seismic mass 4, 4 ' is attached to the measuring element 3, 3'.
  • the first seismic mass 4 is attached to the first measuring element 3 and the second seismic mass 4 'is attached to the second measuring element 3'. Accelerations of the measuring object 20 act from the measuring object 20 directly on the carrier 2 and from the carrier 2 indirectly via the measuring element 3, 3 'on the seismic mass 4, 4'.
  • the seismic mass 4, 4 ' is made of material of high density such as iridium, platinum, tungsten, gold, etc.
  • the seismic mass 4, 4' has a high density of greater than 17g / cm 3 .
  • the seismic mass 4, 4 ′ preferably has a high density of greater than 19 g / cm 3 .
  • the seismic mass 4, 4 ' is rectangular in cross section with a surface area of preferably less than 1 cm 2 and with a thickness of preferably less than 5 mm. Due to the high density of the seismic mass 4, 4 ', the acceleration sensor 10 has a small structural dimension. In particular, a structural dimension of the acceleration sensor 10 is smaller than that of the acceleration sensor from the prior art according to DE2817981A1.
  • the fastening of the measuring element 3, 3 'on the carrier 2 and the fastening of the seismic mass 4, 4' on the measuring element 3, 3 ' takes place by means of a material bond such as gluing, thermocompression bonding, etc.
  • the accelerations of the measurement object 20 to be measured act on the seismic mass 4, 4 '.
  • the forces act as shear forces or as normal forces on the measuring element 3, 3 '.
  • the measuring element 3, 3 Under the action of the forces, the measuring element 3, 3 'generates piezoelectric charges. A number of the piezoelectric charges is proportional to a magnitude of the forces, which magnitude of the forces is in turn proportional to a magnitude of the accelerations of the measurement object 20 to be measured.
  • the piezoelectric charges are referred to below as measurement signals.
  • the measurement signals are generated on surfaces of the measuring element 3, 3 'and picked up by at least two electrodes 5 - 5' '' attached to surfaces of the measuring element 3, 3 '.
  • the first measuring element 3 has a first electrode 5 and a second electrode 5 ′ and the second measuring element 3 ′ has a third electrode 5 ′′ and a fourth electrode 5 ′′ ′′.
  • the electrodes 5 - 5 ''' are made of electrically conductive material such as copper, copper alloys, gold, gold alloys, aluminum, aluminum alloys, silver, silver alloys, etc.
  • the electrodes 5 - 5''' can be therm - mock up with a metal foil or by depositing metal on the surfaces of the measuring element 3, 3 '.
  • Each electrode 5 - 5 ''' has a thickness of preferably less than 0.1 mm.
  • the acceleration sensor 10 has signal conductors 6, 6 '.
  • Each signal conductor 6, 6' has a diameter of less than 1mm.
  • First signal conductors 6 derive the measurement signals from electrodes 5 - 5 '' 'to a converter unit 7.
  • the first signal conductors 6 are attached to the ends of the electrodes 5 - 5 '' '.
  • the first signal conductors 6 are attached to the ends of the electrodes 5 - 5 '' 'by material bonding such as wire bonding, soldering, etc.
  • material bonding such as wire bonding, soldering, etc.
  • methods such as thermocompression bonding, thermosonic ball wedge bonding, ultrasonic wedge wedge are suitable -Bond etc.
  • the transducer unit 7 is arranged on the inner end face 2.0 '.
  • the first signal conductors 6 are attached to the converter unit 7.
  • the first signal conductor 6 is attached to the transducer unit 7 by material bonding such as wire bonding, soldering, etc.
  • material bonding such as wire bonding, soldering, etc.
  • wire bonding methods such as thermocompression bonding, thermosonic ball-wedge bonding, ultrasonic wedge-wedge bonding, etc. are suitable.
  • the converter unit 7 converts derived measurement signals.
  • the converter unit 7 has electrical components.
  • the electrical components can be attached directly to the inner end face 2.0 ', and / or the electrical components can be attached to an electrical circuit board, which electrical circuit board is then attached to the inner end face 2.0'.
  • the electrical components are transimpedance converters, electrical resistors, electrical capacitors, etc.
  • the converter unit 7 preferably filters the derived measurement signals with a high-pass filter, a low-pass filter, etc.
  • a high-pass filter can filter interference frequencies of the measurement signals below a lower limit frequency.
  • a low-pass filter can filter interference frequencies in the measurement signals above an upper limit frequency.
  • a material bond such as wire bonding, soldering, etc.
  • wire bonding methods such as thermocompression bonding, thermosonic ball wedge bonding, ultrasonic wedge wedge bonding, etc. are suitable.
  • the electrical bushing 8 has an Isolati onskbody 8.0 made of electrically insulating material such as Al2O3, ceramic, A ⁇ CU ceramic, sapphire, etc. on. Electrical conductors 8.1 are arranged in the insulation body 8.0. The second Sig nalleiter 6 'are taken fastened at the ends of the electrical conductor 8.1. The attachment of the second signal conductor 6 'to the ends of the electrical conductor 8.1 takes place by material connection such as wire bonding, soldering, etc. In wire bonding, methods such as thermocompression bonding, thermosonic ball-wedge bonding, ultrasonic wedge-wedge bonding, etc. are suitable. The electrical conductors 8.1 conduct the measurement signals to the outside of the housing 1.
  • the electrical bushing 8 closes the through opening 1.8 of the housing 1.
  • the electrical bushing 8 is attached to an edge of the through opening 1.8 of the housing 1 by means of a material bond such as gluing, soldering, thermocompression bonding, etc.
  • the closure of the through opening 1.8 through the electrical bushing 8 and the fastening of the electrical bushing 8 on the housing 1 is hermetically sealed to the outside of the housing 1.
  • the housing 1 is preferably electrically conductive.
  • the carrier 2 is preferably coated in an electrically conductive manner.
  • the outer end face 2.0 of the carrier 2 is preferably coated in an electrically conductive manner.
  • the electrically conductive coating can be formed by thermal lamination with a metal foil or by depositing metal.
  • As the metal copper, copper alloys, gold, gold alloys, aluminum, aluminum alloys, silver, silver alloys, etc. can be used.
  • the electrically conductive coating has a thickness of preferably less than 0.01 mm.
  • the integral fastening means 9 is electrically lei tend. In this way, the housing 1 with the carrier 2 or the housing 2 with the outer end face 2.0 or the housing 1 with the integral fastening means 9 form a Faraday cage.
  • the housing is preferably 1 electrically connected to a ground from the environment.
  • the housing 1 is electrically connected to a ground from the environment via an electrical connector that can be connected to the electrical bushing 8.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

The invention relates to an acceleration sensor (10); which acceleration sensor (10), in order to measure accelerations of a measurement object (20), is able to be fastened to the measurement object (20); which acceleration sensor (10) has a housing (1), a carrier (2), at least one measurement element (3, 3') and at least one seismic mass (4, 4'); which housing (1) has a cavity (0); which carrier (2), which measurement element (3, 3') and which seismic mass (4, 4') are arranged in the cavity (0); wherein the measurement element (3, 3') and the seismic mass (4, 4') are attached to the carrier (2); wherein, when the acceleration sensor (10) is in a state fastened to the measurement object (20), accelerations of the measurement object (20) act on the seismic mass (4, 4'); which seismic mass (4, 4'), on account of its inertia, exerts forces on the measurement element (3, 3') under the effect of the accelerations of the measurement object (20); which measurement element (3, 3') generates measurement signals under the effect of the forces; wherein the housing (1) has a cutout (1.2), which carrier (2) has an outer end face (2.0) and extends through the cutout (1.2) with the outer end face (2.0); wherein, when the acceleration sensor (10) is in a state fastened to the measurement object (20), the carrier (2) is in contact with the measurement object (20) by way of the outer end face (2.0); wherein the carrier (2) has a modulus of elasticity greater than or equal to 350 GPa; and wherein the carrier (2) has a density less than or equal to 5 g/cm3.

Description

Beschleunigungssensor und Verwendung eines solchen Beschleu nigungssensors Accelerometer and use of such an accelerometer
Technisches Gebiet Technical area
[0001] Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor und eine Verwendung eines solchen Beschleunigungssensors nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche. The invention relates to an acceleration sensor and a use of such an acceleration sensor according to the preamble of the independent claims.
Stand der Technik State of the art
[0002] Beschleunigungen eines Messobjektes werden in vie len sehr unterschiedlichen Anwendungen wie Robotik, Energie erzeugung, Transport, usw. gemessen. Dabei werden auf das Messobjekt einwirkende Schocks und Vibrationen als Beschleu nigungen gemessen. Die Beschleunigungen werden als Vielfaches der Fallbeschleunigung g=9.81msec2 angegeben. Typische Grös senordnungen der Beschleunigungen sind +/-500g bei Messfre quenzen von 2Hz bis 25kHz. Zur Messung der Beschleunigungen wird ein Beschleunigungssensor am Messobjekt befestigt. Accelerations of a measurement object are measured in many very different applications such as robotics, energy generation, transport, etc. Shocks and vibrations acting on the measurement object are measured as accelerations. The accelerations are given as a multiple of the acceleration due to gravity g = 9.81msec 2 . Typical orders of magnitude of the accelerations are +/- 500g at measuring frequencies of 2Hz to 25kHz. An acceleration sensor is attached to the measurement object to measure the accelerations.
[0003] Die Schrift DE2817981A1 zeigt einen solchen Be schleunigungssensor. Der Beschleunigungssensor weist ein me tallisches Gehäuse auf, das aus einer Grundplatte und einem Deckel besteht. Grundplatte und Deckel dichten einen Hohlraum im Gehäuse hermetisch nach ausserhalb des Gehäuses ab. An ei ner Oberseite der Grundplatte ist ein Zapfen ausgebildet, um welchen Zapfen im Hohlraum mehrere Messelemente und mehrere seismische Massen angeordnet sind. Die Messelemente sind pie zoelektrische Messelemente. Der Zapfen weist drei Seitenflä- chen auf, die im Winkel von 120° zueinander verdreht liegen. An jeder Seitenfläche ist ein Messelement befestigt. Jedem Messelement ist eine seismische Masse zugeordnet, die seismi sche Masse ist am Messelement befestigt. Die seismischen Mas sen sind an von den Seitenflächen des Zapfens abgewandten Aussenflächen der Messelemente angeordnet. Diese Anordnung wird durch eine Ringfeder zusammengehalten. Die Ringfeder liegt im Hohlraum an von Messelementen abgewandten Aussenflä- chen der seismischen Massen an. Und an einer von der Obersei te abgewandten Unterseite der Grundplatte ist ein Aussenge winde ausgebildet, über welches sich der Beschleunigungs sensor am Messobjekt befestigen lässt. Beschleunigungen des Messobjektes wirken über das Gehäuse und den Zapfen und über die Messelemente auf die seismischen Massen. Die seismischen Massen haben eine Trägheit. Aufgrund ihrer Trägheit üben die seismischen Massen Kräfte auf die Messelemente aus. Für jede Paarung aus Messelement und zugeordneter seismischer Masse wirken die Kräfte entlang einer Messachse von der seismischen Masse auf das Messelement. Das Messelement erzeugt unter der Wirkung der Kräfte Messsignale. Die Messignale sind proporti onal zu den zu messenden Beschleunigungen. Über die Ringfeder werden die Messsignale abgegriffen und zu einem Stecker im Deckel abgeleitet. Vom Stecker werden die Messsignale über ein Signalkabel zu einer Auswerteeinheit abgeleitet. Der Ab griff und die Ableitung der Messsignale erfolgen elektrisch isoliert gegenüber dem Gehäuse. The document DE2817981A1 shows such an acceleration sensor. The acceleration sensor has a me-metallic housing, which consists of a base plate and a cover. The base plate and cover hermetically seal a cavity in the housing from outside the housing. A pin is formed on a top side of the base plate, around which pin several measuring elements and several seismic masses are arranged in the cavity. The measuring elements are piezoelectric measuring elements. The pin has three side faces surfaces that are twisted at an angle of 120 ° to each other. A measuring element is attached to each side surface. A seismic mass is assigned to each measuring element, and the seismic mass is attached to the measuring element. The seismic masses are arranged on outer surfaces of the measuring elements facing away from the side surfaces of the journal. This arrangement is held together by a ring spring. In the cavity, the annular spring rests against outer surfaces of the seismic masses facing away from the measuring elements. And on an underside of the base plate facing away from the top, an external thread is formed, via which the acceleration sensor can be attached to the measurement object. Accelerations of the measuring object act on the seismic masses via the housing and the journal and via the measuring elements. The seismic masses have an inertia. Due to their inertia, the seismic masses exert forces on the measuring elements. For each pairing of measuring element and assigned seismic mass, the forces act on the measuring element along a measuring axis from the seismic mass. The measuring element generates measuring signals under the effect of the forces. The measurement signals are proportional to the accelerations to be measured. The measurement signals are picked up via the ring spring and transferred to a plug in the cover. The measurement signals are derived from the connector via a signal cable to an evaluation unit. The tapping and the derivation of the measurement signals are electrically isolated from the housing.
[ 0004 ] Die Schrift EP059793A1 offenbart einen Beschleuni gungssensor mit einer massiven metallischen Basisplatte, wel che einstückig mit einem ebenfalls massiv gearbeiteten Halte organ für eine piezoelektrische Platte, einen Massekörper und eine Elektrode ist. Eine Blechkappe umgibt das Halteorgan, die piezoelektrische Patte, den Massekörper und die Elektrode zum Schutz vor schädlichen Umwelteinflüssen. Die Blechkappe ist über einen Freirand an der Basisplatte befestigt. Die Be festigung des Beschleunigungssensors am Messobjekt erfolgt über die Basisplatte. The document EP059793A1 discloses an acceleration sensor with a solid metallic base plate, wel che in one piece with a likewise solidly made holding organ for a piezoelectric plate, a mass body and is an electrode. A sheet metal cap surrounds the holding element, the piezoelectric flap, the mass body and the electrode to protect against harmful environmental influences. The sheet metal cap is attached to the base plate via a free edge. The acceleration sensor is attached to the measurement object via the base plate.
[0005] Auch die Schrift DE2712359A1 zeigt einen Beschleu nigungssensor, wo eine Grundplatte einen Zapfen trägt, an welchem ein piezoelektrisches Element, eine Messmasse und aussenseitig ein Elektrodenring angebracht sind. Über ein kappenförmiges Gehäuseteil werden der Zapfen, das piezoelekt risches Element, die Messmasse und der Elektrodenring fest gegeneinander gesichert und gegen Einwirkungen von aussen ge schützt. Das kappenförmige Gehäuseteil sitzt im Presssitz auf der Grundplatte. Über die Grundplatte ist der Beschleuni gungssensor am Messobjekt angebracht. The document DE2712359A1 also shows an acceleration sensor where a base plate carries a pin on which a piezoelectric element, a measuring mass and an electrode ring are attached on the outside. The pin, the piezoelectric element, the measuring mass and the electrode ring are firmly secured against each other and protected against external influences via a cap-shaped housing part. The cap-shaped housing part sits in a press fit on the base plate. The acceleration sensor is attached to the measurement object via the base plate.
[0006] Weiter beschreibt die Schrift US3858065A1 einen Be schleunigungssensor mit einer metallischen Basisplatte, wel che Basisplatte einstückig mit einem Steg ist, welcher Steg wiederum einen piezoelektrischen Kristall, Elektroden und ei ne seismische Masse trägt. Ein hohlzylinderförmiges Gehäuse umschliesst den piezoelektrischen Kristall, die Elektroden und die seismische Masse und ist mit der Basisplatte verbun den. Es ist die Grundplatte, mit der der Beschleunigungs sensor am Messobjekt anliegt. [0006] Document US3858065A1 also describes an acceleration sensor with a metallic base plate, which base plate is integral with a web, which web in turn carries a piezoelectric crystal, electrodes and a seismic mass. A hollow cylindrical housing encloses the piezoelectric crystal, the electrodes and the seismic mass and is connected to the base plate. It is the base plate with which the acceleration sensor rests on the measurement object.
[0007] Und dann zeigt auch die Schrift EP0762131A2 einen Beschleunigungssensor, bei dem Träger an einer Basisplatte befestigt ist, welcher Träger ein Piezoelement, eine seismi- sehe Masse und einen elektrischen Kontakt trägt. Ein topfför miges Gehäuse ist aussenseitig an der Basisplatte befestigt und schützt das Piezoelement, die seismische Masse und den elektrischen Kontakt. Träger und Basisplatte kontaktieren das Messobjekt . And then the document EP0762131A2 also shows an acceleration sensor in which the carrier is attached to a base plate, which carrier is a piezoelectric element, a seismic see ground and carries an electrical contact. A pot-shaped housing is attached to the outside of the base plate and protects the piezo element, the seismic mass and the electrical contact. The carrier and the base plate make contact with the measurement object.
[0008] Ein solcher Beschleunigungssensor soll ein geringes Baumass aufweisen, denn für die Befestigung des Beschleuni gungssensors ist am Messobjekt oft wenig Platz vorhanden. Ein geringes Baumass von weniger als 1cm3 ist daher erwünscht. Such an acceleration sensor should have a small structural dimension, because there is often little space available on the measurement object for fastening the acceleration sensor. A small structural dimension of less than 1 cm 3 is therefore desirable.
[0009] Auch soll ein Beschleunigungssensor ein geringes Gewicht haben. Denn die Trägheit des am Messobjekt befestig ten Beschleunigungssensors verfälscht die zu messenden Be schleunigungen des Messobjektes. Ein geringes Gewicht von we niger als 10g wird deshalb angestrebt. An acceleration sensor should also have a low weight. This is because the inertia of the acceleration sensor attached to the measurement object falsifies the acceleration of the measurement object to be measured. A low weight of less than 10g is therefore aimed for.
[0010] Und dann sollen Kräfte, die nicht von der zu mes senden Beschleunigungen stammen und welche als Störkräfte die Messung der Beschleunigungen verfälschen, möglichst gering sein. And then forces which do not originate from the accelerations to be measured and which, as interference forces, falsify the measurement of the accelerations, should be as small as possible.
- Störkräfte können durch thermisch induzierte Nichtlineari- tät des Beschleunigungssensors hervorgerufen werden. Die thermisch induzierte Nichtlinearität ist die Abweichung der Proportionalität zwischen den Messsignalen und der zu messen den Beschleunigungen bei Temperaturänderung. Die thermisch induzierte Nichtlinearität verfälscht die Messung der Be schleunigungen des Messobjektes. Die thermisch induzierte Nichtlinearität kann verschiedene Ursachen wie unterschiedli che thermische Ausdehnungskoeffizienten von Messobjekt und Gehäuse, usw. haben. Bei unterschiedlichen thermischen Aus- dehnungskoeffizienten von Messobjekt und Gehäuse werden im Gehäuse mechanische Spannungen erzeugt, welche als Störkräfte auf die Messelemente wirken können. Für eine hohe Messgenau igkeit wird eine thermisch induzierte Nichtlinearität von we niger als 3% über den gesamten Betriebstemperaturbereich ge fordert . - Interfering forces can be caused by thermally induced non-linearity of the acceleration sensor. The thermally induced non-linearity is the deviation of the proportionality between the measurement signals and the accelerations to be measured when the temperature changes. The thermally induced non-linearity falsifies the measurement of the acceleration of the measurement object. The thermally induced non-linearity can have various causes such as different thermal expansion coefficients of the measurement object and housing, etc. With different thermal output Expansion coefficients of the measuring object and the housing, mechanical stresses are generated in the housing, which can act as disruptive forces on the measuring elements. A thermally induced non-linearity of less than 3% over the entire operating temperature range is required for high measurement accuracy.
- Störkräfte können aber auch von Quersprechen stammen. Quer sprechen stammt von Kraftkomponenten, die quer zur Messachse einer Paarung aus Messelement und zugeordneter seismischer Masse stammen. Die quer zur Messachse wirkenden Kraftkompo nenten sind Störkräfte. Wenn ein Messelement nun auch für solche Störkräfte Störsignale erzeugt, spricht man von Quer sprechen . - Interfering forces can, however, also originate from cross-talk. Speaking transversely comes from force components that originate transversely to the measuring axis of a pairing of measuring element and assigned seismic mass. The force components acting across the measuring axis are disruptive forces. If a measuring element now also generates interference signals for such interference forces, one speaks of cross-talk.
- Schliesslich kann sich das Gehäuse unter den Beschleunigun gen elastisch verformen. Und auch Bewegungen des Signalkabels können elastische Verformungen des Gehäuses verursachen. Die elastischen Verformungen des Gehäuses führen zu mechanischen Spannungen, welche über das Gehäuse als Störkräfte auf die Messelemente wirken und Störsignale erzeugen können. - Finally, the housing can deform elastically under the accelerations. Movements of the signal cable can also cause elastic deformations of the housing. The elastic deformations of the housing lead to mechanical stresses, which act as interference forces on the measuring elements via the housing and can generate interference signals.
Für eine hohe Messgenauigkeit soll ein Anteil der Störkräfte an den Kräften unter 20% liegen. For a high measurement accuracy, a proportion of the interfering forces in the forces should be below 20%.
[ 0011 ] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Beschleunigungssensor bereitzustellen, der bei geringem Bau mass und geringem Gewicht die zu messenden Beschleunigungen mit hoher Genauigkeit misst. Darstellung der Erfindung The object of the present invention is to provide an acceleration sensor which measures the accelerations to be measured with a high degree of accuracy while being small and lightweight. Presentation of the invention
[0012] Diese Aufgabe wird durch den Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Anspruches und mit der Verwendung eines Beschleunigungssensors mit den Merkmalen des zweiten unabhängigen Anspruches gelöst. This object is achieved by the acceleration sensor with the features of the first independent claim and with the use of an acceleration sensor with the features of the second independent claim.
[0013] Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor; welcher Beschleunigungssensor zum Messen von Beschleunigungen eines Messobjektes an dem Messobjekt befestigbar ist; welcher Beschleunigungssensor ein Gehäuse, einen Träger, mindestens ein Messelement und mindestens eine seismische Masse auf weist; welches Gehäuse einen Hohlraum aufweist; welcher Trä ger, welches Messelement und welche seismische Masse im Hohl raum angeordnet sind; wobei das Messelement und die seismi sche Masse am Träger angebracht sind; wobei im am Messobjekt befestigten Zustand des Beschleunigungssensors Beschleunigun gen des Messobjektes auf die seismische Masse wirken; welche seismische Masse aufgrund ihrer Trägheit unter der Wirkung der Beschleunigungen des Messobjektes Kräfte auf das Messele ment ausübt; welches Messelement unter der Wirkung der Kräfte Messsignale erzeugt; wobei das Gehäuse eine Aussparung auf weist, welcher Träger eine äussere Aussparung aufweist und mit der äusseren Stirnfläche durch die Aussparung reicht; wo bei im am Messobjekt befestigten Zustand des Beschleunigungs sensors der Träger über die äussere Stirnfläche im Kontakt mit dem Messobjekt ist; wobei der Träger einen Elastizitäts modul von grösser/gleich 350GPa aufweist; und wobei der Trä ger eine Dichte von kleiner/gleich 5g/cm3 aufweist. [0014] Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung eines Beschleunigungssensor zum Messen von Beschleunigungen eines Messobjektes; welcher Beschleunigungssensor an dem Messobjekt befestigt ist; welcher Beschleunigungssensor ein Gehäuse, ei nen Träger, mindestens ein Messelement und mindestens eine seismische Masse aufweist; welches Gehäuse einen Hohlraum aufweist; welcher Träger, welches Messelement und welche seismische Masse im Hohlraum angeordnet sind; wobei das Mes selement und die seismische Masse am Träger angebracht sind; wobei Beschleunigungen des Messobjektes auf die seismische Masse wirken; welche seismische Masse aufgrund ihrer Trägheit unter der Wirkung der Beschleunigungen des Messobjektes Kräf te auf das Messelement ausübt; welches Messelement unter der Wirkung der Kräfte Messsignale erzeugt; wobei das Gehäuse ei ne Aussparung aufweist, welcher Träger eine äussere Ausspa rung aufweist und mit der äusseren Stirnfläche durch die Aus sparung reicht und über die äussere Stirnfläche im Kontakt mit dem Messobjekt ist; wobei der Träger einen Elastizitäts modul von grösser/gleich 350GPa aufweist; und wobei der Trä ger eine Dichte von kleiner/gleich 5g/cm3 aufweist. The invention relates to an acceleration sensor; which acceleration sensor for measuring accelerations of a measurement object can be attached to the measurement object; which acceleration sensor has a housing, a carrier, at least one measuring element and at least one seismic mass; which housing has a cavity; which carrier, which measuring element and which seismic mass are arranged in the cavity; wherein the measuring element and the seismic mass are attached to the carrier; wherein when the acceleration sensor is attached to the measurement object, accelerations of the measurement object act on the seismic mass; which seismic mass exerts forces on the measuring element due to its inertia under the effect of the accelerations of the measuring object; which measuring element generates measuring signals under the effect of the forces; wherein the housing has a recess, which carrier has an outer recess and the outer end face extends through the recess; where, when the acceleration sensor is attached to the measurement object, the carrier is in contact with the measurement object via the outer end face; wherein the carrier has a modulus of elasticity of greater than or equal to 350GPa; and wherein the carrier has a density of less than / equal to 5 g / cm 3 . The invention also relates to a use of an acceleration sensor for measuring accelerations of a measurement object; which acceleration sensor is attached to the measurement object; which acceleration sensor has a housing, a carrier, at least one measuring element and at least one seismic mass; which housing has a cavity; which carrier, which measuring element and which seismic mass are arranged in the cavity; wherein the Mes selement and the seismic mass are attached to the carrier; accelerations of the measurement object acting on the seismic mass; which seismic mass exerts forces on the measuring element due to its inertia under the effect of the accelerations of the measuring object; which measuring element generates measuring signals under the effect of the forces; the housing having a recess, which carrier has an outer recess and the outer end face extends through the recess and is in contact with the measurement object via the outer end face; wherein the carrier has a modulus of elasticity of greater than or equal to 350GPa; and wherein the carrier has a density of less than / equal to 5 g / cm 3 .
[0015] Im Unterschied zum Stand der Technik gemäss der Schrift DE2817981A1 reicht somit ein Träger durch eine Aus sparung im Gehäuse und ist im Kontakt mit dem Messobjekt. Dies hat den Vorteil, dass die zu messenden Beschleunigungen unter Vermeidung des Gehäuses auf das Messelement und die seismische Masse wirken. Das Gehäuse hat lediglich eine Schutzfunktion. Es schützt das Messelement und die seismische Masse vor schädlichen Umwelteinflüssen. Erfindungsgemäss ist es somit nicht das Gehäuse, das die zu messenden Beschleuni gungen auf das Messelement und die seismische Masse über- trägt, sondern der Träger ist dafür vorgesehen. Gehäuse und Träger weisen daher eine minimale Schnittstelle auf. Die Mes sung der Beschleunigungen des Messobjektes verfälschende Störkräfte, welche vom Gehäuse herrühren, haben somit eine minimale Schnittstelle zum Messelement und zur seismischen Masse. Solche Störkräfte werden somit wirksam verringert. In contrast to the prior art according to DE2817981A1, a carrier thus extends through a recess in the housing and is in contact with the measurement object. This has the advantage that the accelerations to be measured act on the measuring element and the seismic mass while avoiding the housing. The housing only has a protective function. It protects the measuring element and the seismic mass from harmful environmental influences. According to the invention, it is therefore not the housing that transmits the accelerations to be measured to the measuring element and the seismic mass. carries, but the carrier is intended for it. The housing and carrier therefore have a minimal interface. Interfering forces which falsify the measurement of the accelerations of the measurement object and which originate from the housing thus have a minimal interface to the measurement element and to the seismic mass. Such disruptive forces are thus effectively reduced.
[0016] Im weiteren Unterschied gegenüber dem Stand der Technik gemäss der Schriften EP059793A1, DE2712359A1, US3858065A1 und EP0762131A2 weist der erfindungsgemässe Trä ger aufgrund des grossen Elastizitätsmoduls einen hohen Wi derstand gegen elastische Verformungen auf, welche elastische Verformungen wiederum als Störkräfte auf das Messelement wir ken und Störsignale erzeugen können. Der Träger ist somit sehr steif und verformt sich bei Beschleunigungen nur sehr geringfügig. Und durch die geringe Dichte ist der Träger dar über hinaus ausgesprochen leicht. Insbesondere ist der erfin dungsgemässe Träger leichter als die metallischen Halteorga ne, Zapfen, Stege und Träger aus dem Stand der Technik, wodurch der Beschleunigungssensor eine vergleichsweise höhere Resonanzfrequenz aufweist, was den Messbereich zu hohen Fre quenzen erweitert. In a further difference compared to the prior art according to the documents EP059793A1, DE2712359A1, US3858065A1 and EP0762131A2, the carrier according to the invention has a high resistance to elastic deformations due to the large modulus of elasticity, which elastic deformations in turn act as interfering forces on the measuring element and can generate spurious signals. The carrier is therefore very stiff and only deforms very slightly when accelerated. And thanks to its low density, the carrier is also extremely light. In particular, the carrier according to the invention is lighter than the metallic holding organs, pins, webs and carriers from the prior art, whereby the acceleration sensor has a comparatively higher resonance frequency, which expands the measuring range to high frequencies.
[0017] Vorteilhafte Ausführungsformen des Beschleunigungs sensors sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Advantageous embodiments of the acceleration sensor are defined in the dependent claims.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
[0018] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Aus führungsbeispieles eines Beschleunigungssensors unter Beizug der Figuren näher erklärt. Es zeigen Fig. 1 eine Ansicht eines Teils des Beschleunigungs sensors; und In the following, the invention is explained in more detail using an exemplary embodiment of an acceleration sensor with reference to the figures. Show it Fig. 1 is a view of part of the acceleration sensor; and
Fig. 2 einen Schnitt entlang einer Linie AA' durch den Be schleunigungssensor von Fig. 1. FIG. 2 shows a section along a line AA 'through the acceleration sensor from FIG. 1.
[0019] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In principle, the same parts are provided with the same reference symbols in the figures.
Wege zur Ausführung der Erfindung Ways of Carrying Out the Invention
[0020] Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Beschleunigungssensors 10. Fig. 1 zeigt den Beschleunigungssensor 10 vor einer Befestigung an einem Messobjekt 20, Fig. 2 zeigt den Beschleunigungssensor 10 nach einer Befestigung an einem Messobjekt 20. 1 and 2 show an exemplary embodiment of an acceleration sensor 10 according to the invention.
[0021] Der Beschleunigungssensor 10 weist ein Gehäuse 1, einen Träger 2, mindestens ein Messelement 3, 3' und mindes tens eine seismische Masse 4, 4 auf. The acceleration sensor 10 has a housing 1, a carrier 2, at least one measuring element 3, 3 'and at least one seismic mass 4, 4.
[0022] Das Gehäuse 1 schützt das Messelement 3, 3' und die seismische Masse 4, 4 vor schädlichen Umwelteinflüssen wieThe housing 1 protects the measuring element 3, 3 'and the seismic mass 4, 4 from harmful environmental influences such as
Verunreinigungen (Staub, Feuchtigkeit, usw.) und vor elektri schen und elektromagnetischen Störeffekten in Form von elekt romagnetischer Strahlung. Das Gehäuse 1 ist aus mechanisch beständigem Material wie aus Reinmetallen, Nickellegierungen, Kobaltlegierungen, Eisenlegierungen, usw. Im Ausführungsbei spiel ist das Gehäuse 1 aus Titan. Impurities (dust, moisture, etc.) and from electrical and electromagnetic interference in the form of electromagnetic radiation. The housing 1 is made of mechanically resistant material such as pure metals, nickel alloys, cobalt alloys, iron alloys, etc. In the game Ausführungsbei the housing 1 is made of titanium.
[0023] Das Gehäuse 1 ist ein dreidimensionaler Hohlkörper. Im Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 1 entlang einer Querachse X eine Breite von 6mm auf, entlang einer Längsachse Y weist das Gehäuse 1 eine Länge von 6mm auf und entlang ei ner Vertikalachse Z weist das Gehäuse 1 eine Höhe von 5mm auf. In einer von der Querachse X und der Längsachse Y aufge spannten XY-Ebene weist das Gehäuse 1 einen rechteckigen Querschnitt von 36mm2. Insgesamt hat das Gehäuse 1 eine klei ne äussere Abmessung von kleiner/gleich 180mm3. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann auch ein Gehäuse für einen Beschleunigungssensor mit anderen Querschnittsfor men wie einem Kreis, usw. realisieren. Auch kann der Fachmann einen Beschleunigungssensor mit einem kleineren Gehäuse oder mit einem grösseren Gehäuse realisieren. The housing 1 is a three-dimensional hollow body. In the exemplary embodiment, the housing 1 has along a Transverse axis X has a width of 6mm, along a longitudinal axis Y the housing 1 has a length of 6mm and along a vertical axis Z the housing 1 has a height of 5mm. In an XY plane spanned by the transverse axis X and the longitudinal axis Y, the housing 1 has a rectangular cross section of 36 mm 2 . Overall, the housing 1 has a small external dimension of less than / equal to 180 mm 3 . With knowledge of the present invention, the person skilled in the art can also realize a housing for an acceleration sensor with other cross-sectional shapes, such as a circle, etc. A person skilled in the art can also implement an acceleration sensor with a smaller housing or with a larger housing.
[0024] Das Gehäuse 1 weist ein Unterteil 1.1, eine Seiten wand 1.3 und ein Oberteil 1.4 auf. Gemäss Fig. 2 ist das Oberteil 1.4 entlang der Vertikalachse Z oberhalb des Unter teiles 1.1 angeordnet. Unterteil 1.1, Seitenwand 1.3 und Oberteil 1.4 können einstückig oder als einzelne Teile gefer tigt sein. Im Ausführungsbeispiel sind das Unterteil 1.1, die Seitenwand 1.3 und die Oberteil 1.4 einzelne Teile, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind. The housing 1 has a lower part 1.1, a side wall 1.3 and an upper part 1.4. According to Fig. 2, the upper part 1.4 is arranged along the vertical axis Z above the lower part 1.1. Lower part 1.1, side wall 1.3 and upper part 1.4 can be taken in one piece or as individual parts gefer. In the exemplary embodiment, the lower part 1.1, the side wall 1.3 and the upper part 1.4 are individual parts that are firmly connected to one another.
[0025] Das Gehäuse 1 weist eine Gehäusefläche 1.0 auf. Die Gehäusefläche 1.0 liegt in einer von der Querachse X und der Längsachse Y aufgespannten Kontaktfläche C. Über die Gehäuse fläche 1.0 ist das Gehäuse 1 in der Kontaktfläche C am Mess objekt 20 befestigbar. Vorzugsweise ist die Gehäusefläche 1.0 Teil des Unterteils 1.1. The housing 1 has a housing surface 1.0. The housing surface 1.0 lies in a contact surface C spanned by the transverse axis X and the longitudinal axis Y. The housing 1 can be fastened in the contact surface C on the measurement object 20 via the housing surface 1.0. The housing surface 1.0 is preferably part of the lower part 1.1.
[0026] Das Gehäuse 1 umschliesst einen Hohlraum 0. Im Hohlraum 0 sind der Träger 2, das Messelement 3, 3' und die seismische Masse 4, 4' angeordnet. Der Hohlraum 0 hat ein Vo lumen. The housing 1 encloses a cavity 0. In the cavity 0, the carrier 2, the measuring element 3, 3 'and the seismic mass 4, 4 'arranged. The cavity 0 has a volume.
[ 0027 ] Dadurch, dass das Gehäuse 1 einzig eine Schutzfunk tion für das Messelement 3, 3' und die seismische Masse 4, 4 ausübt, und dass das Gehäuse 1 in Abkehr vom Stand der Tech nik gemäss der Schrift DE2817981A1 die zu messenden Beschleu nigungen des Messobjektes nicht auf das Messelement 3, 3' überträgt, muss die Wandstärke des Gehäuses 1 nicht so stark gearbeitet sein, um mechanische Spannungen, die bei der Be festigung des Gehäuses am Messobjekt entstehen und als Störkräfte auf das Gehäuse wirken, zu unterdrücken. Eine Wandstärke des Gehäuses 1 ist deshalb gewichtsoptimiert, wodurch der Beschleunigungssensor 10 ein geringes Gewicht von weniger als 10g aufweist, was den Messbereich zu hohen Fre quenzen erweitert. Vorzugsweise ist die Wandstärke des Gehäu ses 1 kleiner/gleich 0.5mm. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Wandstärke des Gehäuses 10.25mm. Because the housing 1 only has a protective function for the measuring element 3, 3 'and the seismic mass 4, 4, and that the housing 1, in a departure from the prior art according to DE2817981A1, the accelerations to be measured of the measurement object does not transfer to the measurement element 3, 3 ', the wall thickness of the housing 1 does not have to be so strong in order to suppress mechanical stresses that arise when the housing is fastened to the measurement object and act as disruptive forces on the housing. A wall thickness of the housing 1 is therefore weight-optimized, as a result of which the acceleration sensor 10 has a low weight of less than 10 g, which extends the measuring range to high frequencies. The wall thickness of the housing 1 is preferably less than or equal to 0.5mm. In the exemplary embodiment, the wall thickness of the housing is 10.25mm.
[ 0028 ] Das Gehäuse 1 weist eine Aussparung 1.2 auf. Vor zugsweise ist die Aussparung 1.2 in der Gehäusefläche 1.0 an geordnet. Die Aussparung 1.2 liegt wie die Gehäusefläche 1.0 in der Kontaktfläche C. Im Ausführungsbeispiel weist die Aus sparung 1.2 entlang der Querachse X eine Breite von 3mm auf und entlang der Längsachse Y weist die Aussparung 1.2 eine Länge von 3mm auf. Somit weist die Aussparung 1.2 eine Ober fläche von 9mm2 auf. Die Gehäusefläche 1.0 wiederum weist im Ausführungsbeispiel entlang der Querachse X eine Breite von 6mm auf und entlang der Längsachse Y weist sie eine Länge von 6mm auf. Somit weist die Gehäusefläche 1.0 eine Oberfläche von 27mm2 auf. [0029] In der Kontaktfläche C ist die Aussparung 1.2 von der Gehäusefläche 1.0 radial vollständig umschlossen. Vor zugsweise ist die Aussparung 1.2 von der Gehäusefläche 1.0 durch eine rechteckige, geschlossen umlaufende Stossfläche 1.6 umschlossen. Im Ausführungsbeispiel weist die Stossfläche 1.6 entlang der Querachse X eine Breite von 3mm auf, entlang der Längsachse Y weist sie eine Länge von 3mm auf und entlang der Vertikalachse Z weist sie eine Wandstärke von 0.25mm auf. Eine Oberfläche der Stossfläche 1.6 beträgt also 3.0mm2. The housing 1 has a recess 1.2. Preferably, the recess 1.2 is arranged in the housing surface 1.0 to. The recess 1.2 lies like the housing surface 1.0 in the contact surface C. In the exemplary embodiment, the recess 1.2 has a width of 3 mm along the transverse axis X and the recess 1.2 has a length of 3 mm along the longitudinal axis Y. Thus, the recess 1.2 has an upper surface of 9mm 2 . The housing surface 1.0 in turn has a width of 6 mm along the transverse axis X and a length of 6 mm along the longitudinal axis Y in the exemplary embodiment. The housing area 1.0 thus has a surface area of 27 mm 2 . In the contact surface C, the recess 1.2 is completely radially surrounded by the housing surface 1.0. The recess 1.2 is preferably enclosed by the housing surface 1.0 by a rectangular, closed circumferential abutment surface 1.6. In the exemplary embodiment, the abutment surface 1.6 has a width of 3 mm along the transverse axis X, it has a length of 3 mm along the longitudinal axis Y and a wall thickness of 0.25 mm along the vertical axis Z. A surface of the joint area 1.6 is therefore 3.0mm 2 .
[0030] Das Gehäuse 1 weist eine Durchgangsöffnung 1.8 auf. Im Ausführungsbeispiel ist die Durchgangsöffnung 1.8 im Ober teil 1.4 angeordnet. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann die Durchgangsöffnung auch in der Seitenwand angeordnet sein. The housing 1 has a through opening 1.8. In the exemplary embodiment, the through opening 1.8 is arranged in the upper part 1.4. With knowledge of the present invention, the through opening can also be arranged in the side wall.
[0031] Der Träger 2 ist vorteilhafterweise aus mechanisch steifem Material von geringer Dichte wie AI2O3, Keramik, Al203-Keramik, Saphir, usw. Der Träger 2 ist mechanisch steif, um zu erfassende Beschleunigungen inelastisch auf die seismische Masse 4, 4 zu übertragen. Der mechanisch steife Träger 2 weist einen hohen Widerstand gegen elastische Ver formungen auf, welche elastische Verformungen wiederum als Störkräfte auf das Messelement 3, 3' wirken und Störsignale erzeugen können. Für eine hohe mechanische Steifigkeit weist das Material des Träger 2 einen Elastizitätsmodul von grös ser/gleich 350GPa auf. Vorzugsweise weist das Material des Träger 2 einen Elastizitätsmodul im Bereich von 350GPa bis 470GPa auf. Durch die hohe mechanische Steifigkeit kann sich der Träger 2 bei Beschleunigungen nur sehr geringfügig defor mieren. Für eine geringe Dichte weist das Material des Trä- gers 2 eine Dichte von kleiner/gleich 5g/cm3 auf. Vorzugswei se weist das Material des Trägers 2 eine Dichte im Bereich von 4g/cm3 bis 5g/cm3. Durch die geringe Dichte ist der Trä ger 2 leicht. Insbesondere ist der Träger 2 leichter als der metallische Zapfen aus dem Stand der Technik gemäss der Schrift DE2817981A1, wodurch der Beschleunigungssensor 10 ei ne vergleichsweise höhere Resonanzfrequenz aufweist, was den Messbereich zu hohen Frequenzen erweitert. The carrier 2 is advantageously made of mechanically stiff material of low density such as Al2O3, ceramic, Al20 3 ceramic, sapphire, etc. The carrier 2 is mechanically stiff in order to inelastically transmit accelerations to be detected to the seismic mass 4, 4 . The mechanically rigid carrier 2 has a high resistance to elastic deformations, which elastic deformations in turn act as interference forces on the measuring element 3, 3 'and can generate interference signals. For high mechanical rigidity, the material of the carrier 2 has a modulus of elasticity of greater than or equal to 350 GPa. The material of the carrier 2 preferably has a modulus of elasticity in the range from 350 GPa to 470 GPa. Due to the high mechanical rigidity, the carrier 2 can only deform very slightly during accelerations. For a low density, the material of the carrier gers 2 has a density of less than / equal to 5g / cm 3 . The material of the carrier 2 preferably has a density in the range from 4 g / cm 3 to 5 g / cm 3 . Due to the low density of the carrier 2 is easy. In particular, the carrier 2 is lighter than the metallic pin from the prior art according to DE2817981A1, as a result of which the acceleration sensor 10 has a comparatively higher resonance frequency, which extends the measuring range to high frequencies.
[ 0032 ] Der Träger 2 ist vorzugsweise ein Kubus mit zwei Stirnflächen und vier Seitenflächen. Die zwei Stirnflächen begrenzen den Träger 2 entlang der Vertikalachse Z, die vier Seitenflächen begrenzen den Träger 2 entlang der Querachse X und entlang der Längsachse Y. Die zwei Stirnflächen umfassen eine äussere Stirnfläche 2.0 und eine innere Stirnfläche 2.0'. Die äussere Stirnfläche 2.0 liegt ausserhalb des Hohl raumes 0, die innere Stirnfläche 2.0' liegt im Hohlraum 0. Die vier Seitenflächen umfassen eine erste Seitenfläche 2.3, eine zweite Seitenfläche 2.3', eine dritte Seitenfläche 2.3'' und eine vierte Seitenfläche 2.3’’’. Die Stirnflächen und Seitenflächen sind weitgehend gleich gross. Im Ausführungs beispiel weist der Träger 2 entlang der Querachse X eine Breite von 3mm auf, entlang der Längsachse Y weist der Träger 2 eine Länge von 3mm auf und entlang der Vertikalachse Z weist der Träger 2 eine Höhe von 3.5mm auf. Somit hat jede Stirnfläche eine Oberfläche von 9mm2 und jede Seitenfläche hat eine Oberfläche von 10.5mm2. Bei Kenntnis der vorliegen den Erfindung kann der Fachmann auch einen anders geformten Träger wie ein mehrseitiges Prisma, eine mehrseitige Pyrami de, usw. realisieren. [0033] Der Träger 2 reicht durch die Aussparung 1.2. Vor zugsweise reicht der Träger 2 mit der äusseren Stirnfläche 2.0 durch die Aussparung 1.2. Die äussere Stirnfläche 2.0 liegt in der Kontaktfläche C. Über die äussere Stirnfläche 2.0 ist der Träger 2 in der Kontaktfläche C am Messobjekt 20 befestigbar. The carrier 2 is preferably a cube with two end faces and four side faces. The two end faces delimit the support 2 along the vertical axis Z, the four side faces delimit the support 2 along the transverse axis X and along the longitudinal axis Y. The two end faces comprise an outer end face 2.0 and an inner end face 2.0 '. The outer face 2.0 lies outside the cavity 0, the inner face 2.0 'lies in the cavity 0. The four side faces include a first side face 2.3, a second side face 2.3', a third side face 2.3 '' and a fourth side face 2.3 ''' . The end faces and side faces are largely the same size. In the embodiment, the carrier 2 has a width of 3 mm along the transverse axis X, the carrier 2 has a length of 3 mm along the longitudinal axis Y and the carrier 2 has a height of 3.5 mm along the vertical axis Z. Thus, each end face has a surface area of 9mm 2 and each side surface has a surface area of 10.5mm 2 . With knowledge of the present invention, the person skilled in the art can also realize a differently shaped carrier such as a multi-sided prism, a multi-sided pyramid, etc. The carrier 2 extends through the recess 1.2. Preferably, the carrier 2 extends with the outer end face 2.0 through the recess 1.2. The outer end face 2.0 lies in the contact area C. The carrier 2 can be fastened in the contact area C on the measurement object 20 via the outer end face 2.0.
[0034] Die Gehäusefläche 1.0 und die äussere Stirnfläche 2.0 liegen somit in der gleichen Kontaktfläche C. Im Ausfüh rungsbeispiel ist die Kontaktfläche C eine ebene Fläche. Die Oberfläche der Gehäusefläche 1.0 und die Oberfläche der äusseren Stirnfläche 2.0 bilden eine Oberfläche der Kontakt fläche C. Im Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche der Kon taktfläche 36mm2 gross. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfin dung kann der Fachmann auch eine anders geformte Kontaktflä che mit Stufen, usw. realisieren. The housing surface 1.0 and the outer end face 2.0 are thus in the same contact surface C. In the exemplary embodiment, the contact surface C is a flat surface. The surface of the housing surface 1.0 and the surface of the outer end face 2.0 form a surface of the contact surface C. In the exemplary embodiment, the surface of the contact surface is 36mm 2 . With knowledge of the present invention, the person skilled in the art can also realize a differently shaped contact surface with steps, etc.
[0035] Der Beschleunigungssensor 10 ist somit in der Kon taktfläche C über die Gehäusefläche 1.0 und über die äussere Stirnfläche 2.0 am Messobjekt 20 befestigbar. Vorzugsweise ist die Gehäusefläche 1.0 grösser als die äussere Stirnfläche 2.0. Im Ausführungsbeispiel weist die Gehäusefläche 1.0 eine Oberfläche von 27mm2 auf und ist dreimal grösser als die äussere Stirnfläche 2.0 mit einer Oberfläche von 9mm2. The acceleration sensor 10 can thus be fastened in the contact area C via the housing area 1.0 and via the outer end face 2.0 on the measurement object 20. The housing surface 1.0 is preferably larger than the outer end surface 2.0. In the exemplary embodiment, the housing surface 1.0 has a surface area of 27 mm 2 and is three times larger than the outer end face 2.0 with a surface area of 9 mm 2 .
[0036] Der Träger 2 verschliesst die Aussparung 1.2. Vor zugsweise liegen die vier Seitenflächen 2.3, 2.3', 2.3’’, 2.3’’’ passgenau an der Stossfläche 1.6 an und bilden so ei nen passgenauen Verschluss der Aussparung 1.2. Im Ausfüh rungsbeispiel weist der Verschluss der Aussparung 1.2 eine Passung mit einem Spiel von kleiner 0.1mm auf. [0037] Der Träger 2 ist an der Stossfläche 1.6 befestigt. Im Ausführungsbeispiel sind die vier Seitenflächen 2.3, 2.3', 2.3'', 2.3''' durch Stoffschluss wie Kleben, Löten, Thermo- kompressionsbonden, usw. an der Stossfläche 1.6 befestigt. Die Befestigung des Trägers 2 an der Stossfläche 1.6 ver- schliesst die Aussparung 1.2 hermetisch dicht nach ausserhalb des Gehäuses 1. Im Sinne der Erfindung bedeutet der Ausdruck „hermetisch dicht" einen gasdichten und druckdichten Ver schluss der Aussparung 1.2. Der hermetisch dichte Verschluss lässt bei einer Dichtigkeitsprüfung mit Gasen wie Helium oder Argon Gas nicht durch und ist dauerhaft mit Drucken von bis zu 2bar beaufschlagbar. The carrier 2 closes the recess 1.2. The four side surfaces 2.3, 2.3 ', 2.3'',2.3''' preferably lie precisely against the abutment surface 1.6 and thus form a precisely fitting closure of the recess 1.2. In the exemplary embodiment, the closure of the recess 1.2 has a fit with a play of less than 0.1mm. The carrier 2 is attached to the impact surface 1.6. In the exemplary embodiment, the four side surfaces 2.3, 2.3 ', 2.3 ", 2.3"''are attached to the abutment surface 1.6 by means of a material bond such as gluing, soldering, thermo-compression bonding, etc. The fastening of the carrier 2 to the abutment surface 1.6 closes the recess 1.2 hermetically tight to the outside of the housing 1. In the context of the invention, the expression "hermetically tight" means a gas-tight and pressure-tight closure of the recess 1.2 a leak test with gases such as helium or argon gas cannot be carried out and pressures of up to 2 bar can be permanently applied.
[0038] Der Träger 2 ist einzig im Bereich der Stossfläche 1.6 im direkten mechanischen Kontakt mit dem Gehäuse 1. Die Oberfläche der Stossfläche 1.6 beträgt 3.0mm2 und ist weitge hend eine Grössenordnung kleiner als die Oberfläche der Ge häusefläche 1.0 mit 27mm2. Die Oberfläche der Stossfläche 1.6 bildet somit eine minimale Schnittstelle zwischen dem Gehäuse 1 und dem Träger 2. Das bedeutet, dass Störkräfte, welche vom Gehäuse 1 herrühren, weniger über die Stossfläche 1.6 als vielmehr über die Gehäusefläche 1.0 wirken. Die Störkräfte wirken in einem KrafthauptSchluss über die Gehäusefläche 1.0 in das Messobjekt 20 und sie wirken in einem um weitgehend eine Grössenordnung kleineren Kraftnebenschluss über die Stossfläche 1.6 in den Träger 2. Daher hat der Beschleuni gungssensor 10 für eine hohe Messgenauigkeit einen geringen Anteil der Störkräfte an den Kräften von unter 20%. The carrier 2 is only in direct mechanical contact with the housing 1 in the area of the abutment surface 1.6. The surface of the abutment surface 1.6 is 3.0mm 2 and is largely an order of magnitude smaller than the surface of the housing surface 1.0 with 27mm 2 . The surface of the abutment surface 1.6 thus forms a minimal interface between the housing 1 and the carrier 2. This means that disruptive forces which originate from the housing 1 act less via the abutment surface 1.6 than rather via the housing surface 1.0. The disruptive forces act in a main force via the housing surface 1.0 into the measurement object 20 and they act in a largely an order of magnitude smaller shunt force via the impact surface 1.6 into the carrier 2. Therefore, the acceleration sensor 10 has a small proportion of the disruptive forces for high measurement accuracy the forces of less than 20%.
[0039] Die Befestigung des Beschleunigungssensors 10 am Messobjekt 20 erfolgt über ein Befestigungsmittel 9. Vor- zugsweise ist das Befestigungsmittel 9 ein stoffschlüssiges Befestigungsmittel 9 und die Befestigung des Beschleunigungs sensors 10 am Messobjekt 20 erfolgt über Stoffschluss wie Kleben, Thermokompressionsbonden, usw. Im Ausführungsbeispiel bedeckt das stoffschlüssige Befestigungsmittel 9 die Gehäu sefläche 1.0 und die Stirnfläche 2.0 weitgehend vollständig. Eine Dicke des stoffschlüssigen Befestigungsmittels 9 entlang der Vertikalachse Z ist kleiner/gleich 0.1mm. Durch das der art dünne stoffschlüssige Befestigungsmittel 9 ist der Träger 2 im Kontakt mit dem Messobjekt 20. Eine solche Befestigung des Beschleunigungssensors 10 am Messobjekt 20 ist rasch und kostengünstig durchführbar. The fastening of the acceleration sensor 10 on the measurement object 20 takes place via a fastening means 9. Preferably, the fastening means 9 is a cohesive fastening means 9 and the acceleration sensor 10 is fastened to the measurement object 20 via material bonding such as gluing, thermocompression bonding, etc. In the exemplary embodiment, the material fastening means 9 largely completely covers the housing surface 1.0 and the end face 2.0. A thickness of the cohesive fastening means 9 along the vertical axis Z is less than / equal to 0.1 mm. The carrier 2 is in contact with the measurement object 20 due to the type of thin, cohesive fastening means 9. Such fastening of the acceleration sensor 10 to the measurement object 20 can be carried out quickly and inexpensively.
[0040] Das stoffschlüssige Befestigungsmittel 9 ist ein chemisch härtender Klebstoff oder ein physikalisch abbind- barer Klebstoff oder eine Kombination aus einem chemisch härtenden Klebstoff und einem physikalisch abbindbaren Klebstoff. Vorzugsweise besteht das stoffschlüssige Befesti gungsmittel 9 aus Klebstoff wie Epoxid, Polyurethan, Cyanac- rylat, Methylmethacrylat, usw. The cohesive fastening means 9 is a chemically curing adhesive or a physically settable adhesive or a combination of a chemically curing adhesive and a physically settable adhesive. The cohesive fastening means 9 preferably consists of an adhesive such as epoxy, polyurethane, cyanoacrylate, methyl methacrylate, etc.
[0041] Im Unterschied zum Stand der Technik gemäss der Schrift DE2817981A1 ist der Beschleunigungssensor 10 somit nicht über eine Schraubenverbindung am Messobjekt befestigt. Solche Schraubenverbindungen führen zu mechanischen Spannun gen, welche als Störkräfte auf das Gehäuse wirken und die Messung der Beschleunigungen verfälschen. Die Befestigung des Beschleunigungssensors 10 über das stoffschlüssige Befesti gungsmittel 9 hingegen ist frei von mechanischen Spannungen. [0042] Die Befestigung des Beschleunigungssensors 10 über das stoffschlüssige Befestigungsmittel 9 am Messobjekt 20 ist auch weitgehend inelastisch. Für eine hohe mechanische Steifigkeit weist der chemisch ausgehärtete Klebstoff oder der physikalisch abgebundene Klebstoff oder eine Kombina tion aus einem chemisch abgehärteten Klebstoff und einem physikalisch abgebundenen Klebstoff einen Elastizitätsmodul von grösser/gleich lGPa auf. Vorzugsweise liegt der Elastizi tätsmodul im Bereich von lGPa bis lOGPa. In contrast to the prior art according to DE2817981A1, the acceleration sensor 10 is therefore not attached to the measurement object via a screw connection. Such screw connections lead to mechanical stresses which act as disruptive forces on the housing and falsify the measurement of the accelerations. The fastening of the acceleration sensor 10 via the integral fastening means 9, however, is free of mechanical stresses. The fastening of the acceleration sensor 10 via the integral fastening means 9 on the measurement object 20 is also largely inelastic. For high mechanical rigidity, the chemically cured adhesive or the physically set adhesive or a combination of a chemically cured adhesive and a physically set adhesive has a modulus of elasticity greater than or equal to IPA. The modulus of elasticity is preferably in the range from IGPa to IGPa.
[0043] Der Beschleunigungssensor 10 weist mindestens ein Messelement 3, 3' auf. Im Ausführungsbeispiel weist der Be schleunigungssensor 10 ein erstes Messelement 3 und ein zwei tes Messelement 3' auf. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfin dung kann der Fachmann auch einen Beschleunigungssensor mit mehr als zwei Messelementen realisieren. The acceleration sensor 10 has at least one measuring element 3, 3 '. In the exemplary embodiment, the acceleration sensor 10 has a first measuring element 3 and a second measuring element 3 '. With knowledge of the present invention, the person skilled in the art can also implement an acceleration sensor with more than two measuring elements.
[0044] Das Messelement 3, 3' ist am Träger 2 befestigt. Vorzugsweise ist das erste Messelement 3 an der ersten Sei tenfläche 2.3 befestigt und das zweite Messelement 3' ist an der dritten Seitenfläche 2.3’’ befestigt. The measuring element 3, 3 'is attached to the carrier 2. The first measuring element 3 is preferably attached to the first side surface 2.3 and the second measuring element 3 'is attached to the third side surface 2.3'.
[0045] Das Messelement 3, 3' besteht aus piezoelektrischem Material wie Quarz (S1O2 Einkristall), Calcium-Gallo- Germa- nat (Ca3Ga2Ge40i4 oder CGG), Langasit (La3Ga5SiOi4 oder LGS), Turmalin, Galliumorthophosphat, Piezokeramik, usw. Das Mes selement 3, 3' ist im Querschnitt rechteckig mit einer Ober fläche von vorzugsweise kleiner 1cm2 und mit einer Dicke von vorzugsweise kleiner 2mm. The measuring element 3, 3 'consists of piezoelectric material such as quartz (S1O2 single crystal), calcium gallo-germanate (Ca 3 Ga2Ge40i4 or CGG), langasite (La 3 Ga5SiOi4 or LGS), tourmaline, gallium orthophosphate, piezoceramics, etc. The measuring element 3, 3 'is rectangular in cross section with an upper surface of preferably less than 1 cm 2 and with a thickness of preferably less than 2 mm.
[0046] Der Beschleunigungssensor 10 weist mindestens eine seismische Masse 4, 4' auf. Im Ausführungsbeispiel weist der Beschleunigungssensor 10 eine erste seismische Masse 4 und eine zweite seismische Masse 4' auf. Bei Kenntnis der vorlie genden Erfindung kann der Fachmann auch einen Beschleuni gungssensor mit mehr als zwei seismischen Massen realisieren. The acceleration sensor 10 has at least one seismic mass 4, 4 '. In the exemplary embodiment, the Acceleration sensor 10 has a first seismic mass 4 and a second seismic mass 4 '. With knowledge of the present invention, those skilled in the art can also implement an acceleration sensor with more than two seismic masses.
[0047] Die seismische Masse 4, 4' ist am Messelement 3, 3' befestigt. Im Ausführungsbeispiel ist die erste seismische Masse 4 am ersten Messelement 3 befestigt und die zweite seismische Masse 4' ist am zweiten Messelement 3' befestigt. Beschleunigungen des Messobjektes 20 wirken vom Messobjekt 20 direkt auf den Träger 2 und vom Träger 2 indirekt über das Messelement 3, 3' auf die seismische Masse 4, 4'. The seismic mass 4, 4 'is attached to the measuring element 3, 3'. In the exemplary embodiment, the first seismic mass 4 is attached to the first measuring element 3 and the second seismic mass 4 'is attached to the second measuring element 3'. Accelerations of the measuring object 20 act from the measuring object 20 directly on the carrier 2 and from the carrier 2 indirectly via the measuring element 3, 3 'on the seismic mass 4, 4'.
[0048] Die seismische Masse 4, 4' ist aus Material von ho her Dichte wie Iridium, Platin, Wolfram, Gold, usw. Für klei ne äussere Abmessungen des Beschleunigungssensors 10 weist die seismische Masse 4, 4' eine hohe Dichte von grösser 17g/cm3 auf. Vorzugsweise weist die seismische Masse 4, 4' eine hohe Dichte von grösser 19g/cm3. Die seismische Masse 4, 4' ist im Querschnitt rechteckig mit einer Oberfläche von vorzugsweise kleiner 1cm2 und mit einer Dicke von vorzugswei se kleiner 5mm. Durch die hohe Dichte der seismischen Masse 4, 4' hat der Beschleunigungssensor 10 ein geringes Baumass. Insbesondere ist dadurch ein Baumass des Beschleunigungs sensors 10 geringer als dasjenige des Beschleunigungssensors aus dem Stand der Technik gemäss der Schrift DE2817981A1. The seismic mass 4, 4 'is made of material of high density such as iridium, platinum, tungsten, gold, etc. For small external dimensions of the acceleration sensor 10, the seismic mass 4, 4' has a high density of greater than 17g / cm 3 . The seismic mass 4, 4 ′ preferably has a high density of greater than 19 g / cm 3 . The seismic mass 4, 4 'is rectangular in cross section with a surface area of preferably less than 1 cm 2 and with a thickness of preferably less than 5 mm. Due to the high density of the seismic mass 4, 4 ', the acceleration sensor 10 has a small structural dimension. In particular, a structural dimension of the acceleration sensor 10 is smaller than that of the acceleration sensor from the prior art according to DE2817981A1.
[0049] Die Befestigung des Messelements 3, 3' am Träger 2 und die Befestigung der seismischen Masse 4, 4' am Messele ment 3, 3' erfolgt über Stoffschluss wie Kleben, Thermokom- pressionsbonden, usw. [0050] Die zu messenden Beschleunigungen des Messobjektes 20 wirken auf die seismische Masse 4, 4'. Unter der Wirkung der Beschleunigungen des Messobjektes 20 übt die seismische Masse 4, 4' aufgrund ihrer Trägheit Kräfte auf das Messele ment 3, 3' aus. Die Kräfte wirken als Scherkräfte oder als Normalkräfte auf das Messelement 3, 3'. The fastening of the measuring element 3, 3 'on the carrier 2 and the fastening of the seismic mass 4, 4' on the measuring element 3, 3 'takes place by means of a material bond such as gluing, thermocompression bonding, etc. The accelerations of the measurement object 20 to be measured act on the seismic mass 4, 4 '. Under the effect of the accelerations of the measuring object 20, the seismic mass 4, 4 'exerts forces on the measuring element 3, 3' due to its inertia. The forces act as shear forces or as normal forces on the measuring element 3, 3 '.
[0051] Unter der Wirkung der Kräfte erzeugt das Messele ment 3, 3' piezoelektrischen Ladungen. Eine Anzahl der piezo elektrischen Ladungen ist proportional zu einer Grösse der Kräfte, welche Grösse der Kräfte wiederum proportional zu ei ner Grösse der zu messenden Beschleunigungen des Messobjektes 20 ist. Die piezoelektrischen Ladungen werden nachfolgend Messsignale genannt. Under the action of the forces, the measuring element 3, 3 'generates piezoelectric charges. A number of the piezoelectric charges is proportional to a magnitude of the forces, which magnitude of the forces is in turn proportional to a magnitude of the accelerations of the measurement object 20 to be measured. The piezoelectric charges are referred to below as measurement signals.
[0052] Die Messsignale werden auf Oberflächen des Messele mentes 3, 3' erzeugt und von mindestens zwei auf Oberflächen des Messelementes 3, 3' angebrachten Elektroden 5 - 5''' ab gegriffen. Im Ausführungsbeispiel weist das erste Messelement 3 eine erste Elektrode 5 und eine zweite Elektrode 5' auf und das zweite Messelement 3' weist eine dritte Elektrode 5'' und eine vierte Elektrode 5''' auf. The measurement signals are generated on surfaces of the measuring element 3, 3 'and picked up by at least two electrodes 5 - 5' '' attached to surfaces of the measuring element 3, 3 '. In the exemplary embodiment, the first measuring element 3 has a first electrode 5 and a second electrode 5 ′ and the second measuring element 3 ′ has a third electrode 5 ″ and a fourth electrode 5 ″ ″.
[0053] Die Elektroden 5 - 5''' sind aus elektrisch leiten dem Material wie Kupfer, Kupferlegierungen, Gold, Goldlegie rungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Silber, Silberlegie rungen, usw. Die Elektroden 5 - 5''' lassen sich durch Ther- mokaschieren mit einer Metallfolie oder durch Abscheiden von Metall auf Oberflächen des Messelementes 3, 3' anbringen. Je de Elektrode 5 - 5''' weist eine Dicke von vorzugsweise klei ner 0.1mm auf. [0054] Der Beschleunigungssensor 10 weist Signalleiter 6, 6' auf. Die Signalleiter 6, 6' sind aus elektrisch leitfähi gem Material wie Kupfer, Kupferlegierungen, Gold, Goldlegie rungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, usw. Jeder Signal leiter 6, 6' hat einen Durchmesser von kleiner 1mm. The electrodes 5 - 5 '''are made of electrically conductive material such as copper, copper alloys, gold, gold alloys, aluminum, aluminum alloys, silver, silver alloys, etc. The electrodes 5 - 5''' can be therm - mock up with a metal foil or by depositing metal on the surfaces of the measuring element 3, 3 '. Each electrode 5 - 5 '''has a thickness of preferably less than 0.1 mm. The acceleration sensor 10 has signal conductors 6, 6 '. The signal conductors 6, 6 'are made of electrically conductive material such as copper, copper alloys, gold, gold alloys, aluminum, aluminum alloys, etc. Each signal conductor 6, 6' has a diameter of less than 1mm.
[0055] Erste Signalleiter 6 leiten die Messsignale von den Elektroden 5 - 5''' zu einer Wandlereinheit 7 ab. Die ersten Signalleiter 6 sind an Enden der Elektroden 5 - 5''' befes tigt. Die Befestigung der ersten Signalleiter 6 an Enden der Elektroden 5 - 5''' erfolgt durch Stoffschluss wie Drahtbon den, Löten, usw. Beim Drahtbonden eignen sich Verfahren wie Thermokompressionsbonden, Thermosonic-Ball-Wedge-Bonden, Ult- raschall-Wedge-Wedge-Bonden usw. First signal conductors 6 derive the measurement signals from electrodes 5 - 5 '' 'to a converter unit 7. The first signal conductors 6 are attached to the ends of the electrodes 5 - 5 '' '. The first signal conductors 6 are attached to the ends of the electrodes 5 - 5 '' 'by material bonding such as wire bonding, soldering, etc. For wire bonding, methods such as thermocompression bonding, thermosonic ball wedge bonding, ultrasonic wedge wedge are suitable -Bond etc.
[0056] Die Wandlereinheit 7 ist auf der inneren Stirnflä che 2.0' angeordnet. Die ersten Signalleiter 6 sind an der Wandlereinheit 7 befestigt. Die Befestigung der ersten Sig nalleiter 6 an der Wandlereinheit 7 erfolgt durch Stoff schluss wie Drahtbonden, Löten, usw. Beim Drahtbonden eignen sich Verfahren wie Thermokompressionsbonden, Thermosonic- Ball-Wedge-Bonden, Ultraschall-Wedge-Wedge-Bonden usw. The transducer unit 7 is arranged on the inner end face 2.0 '. The first signal conductors 6 are attached to the converter unit 7. The first signal conductor 6 is attached to the transducer unit 7 by material bonding such as wire bonding, soldering, etc. In wire bonding, methods such as thermocompression bonding, thermosonic ball-wedge bonding, ultrasonic wedge-wedge bonding, etc. are suitable.
[0057] Die Wandlereinheit 7 wandelt abgeleitete Messigna- le. Dazu weist die Wandlereinheit 7 elektrische Komponenten auf. Die elektrischen Komponenten können direkt auf der inne ren Stirnfläche 2.0' befestigt sein, und/oder die elektri schen Komponenten können auf einer elektrischen Leiterplatte befestigt sein, welche elektrische Leiterplatte dann auf der inneren Stirnfläche 2.0' befestigt ist. Die elektrischen Kom ponenten sind Transimpedanzwandler, elektrische Widerstände, elektrische Kondensatoren, usw. Vorzugsweise filtert die Wandlereinheit 7 die abgeleiteten Messsignale mit einem Hoch passfilter, einen Tiefpassfilter, usw. So kann ein Hochpass filter Störfrequenzen der Messsignale unterhalb einer unteren Grenzfrequenz filtern. Und ein Tiefpassfilter kann Störfre quenzen der Messsignale oberhalb einer oberen Grenzfrequenz filtern. The converter unit 7 converts derived measurement signals. For this purpose, the converter unit 7 has electrical components. The electrical components can be attached directly to the inner end face 2.0 ', and / or the electrical components can be attached to an electrical circuit board, which electrical circuit board is then attached to the inner end face 2.0'. The electrical components are transimpedance converters, electrical resistors, electrical capacitors, etc. The converter unit 7 preferably filters the derived measurement signals with a high-pass filter, a low-pass filter, etc. For example, a high-pass filter can filter interference frequencies of the measurement signals below a lower limit frequency. And a low-pass filter can filter interference frequencies in the measurement signals above an upper limit frequency.
[0058] Zweite Signalleiter 6' leiten gewandelte Messignale vom Messwandler 7 zu einer elektrischen Durchführung 8 ab. Die zweiten Signalleiter 6' sind an der Wandlereinheit 7 be festigt. Die Befestigung der zweiten Signalleiter 6' an der Wandlereinheit 7 erfolgt durch Stoffschluss wie Drahtbonden, Löten, usw. Beim Drahtbonden eignen sich Verfahren wie Ther- mokompressionsbonden, Thermosonic-Ball-Wedge-Bonden, Ultra- schall-Wedge-Wedge-Bonden usw. Second signal conductors 6 'derive converted measurement signals from the transducer 7 to an electrical feed-through 8. The second signal conductor 6 'are fastened to the converter unit 7 be. The second signal conductor 6 'is attached to the transducer unit 7 by means of a material bond such as wire bonding, soldering, etc. For wire bonding, methods such as thermocompression bonding, thermosonic ball wedge bonding, ultrasonic wedge wedge bonding, etc. are suitable.
[0059] Die elektrische Durchführung 8 weist einen Isolati onskörper 8.0 aus elektrisch isolierendem Material wie AI2O3, Keramik, A^CU-Keramik, Saphir, usw. auf. Im Isolationskörper 8.0 sind elektrische Leiter 8.1 angeordnet. Die zweiten Sig nalleiter 6' sind an Enden der elektrischen Leiter 8.1 befes tigt. Die Befestigung der zweiten Signalleiter 6' an den En den der elektrischen Leiter 8.1 erfolgt durch Stoffschluss wie Drahtbonden, Löten, usw. Beim Drahtbonden eignen sich Verfahren wie Thermokompressionsbonden, Thermosonic-Ball- Wedge-Bonden, Ultraschall-Wedge-Wedge-Bonden usw. Die elektrischen Leiter 8.1 leiten die Messsignale nach aus serhalb des Gehäuses 1. [0060] Die elektrische Durchführung 8 verschliesst die Durchgangsöffnung 1.8 des Gehäuses 1. Im Ausführungsbeispiel ist die elektrische Durchführung 8 durch Stoffschluss wie Kleben, Löten, Thermokompressionsbonden, usw. an einem Rand der Durchgangsöffnung 1.8 des Gehäuses 1 befestigt. Der Ver schluss der Durchgangsöffnung 1.8 durch die elektrische Durchführung 8 und die Befestigung der elektrischen Durchfüh rung 8 am Gehäuse 1 ist hermetisch dicht nach ausserhalb des Gehäuses 1. The electrical bushing 8 has an Isolati onskbody 8.0 made of electrically insulating material such as Al2O3, ceramic, A ^ CU ceramic, sapphire, etc. on. Electrical conductors 8.1 are arranged in the insulation body 8.0. The second Sig nalleiter 6 'are taken fastened at the ends of the electrical conductor 8.1. The attachment of the second signal conductor 6 'to the ends of the electrical conductor 8.1 takes place by material connection such as wire bonding, soldering, etc. In wire bonding, methods such as thermocompression bonding, thermosonic ball-wedge bonding, ultrasonic wedge-wedge bonding, etc. are suitable. The electrical conductors 8.1 conduct the measurement signals to the outside of the housing 1. The electrical bushing 8 closes the through opening 1.8 of the housing 1. In the exemplary embodiment, the electrical bushing 8 is attached to an edge of the through opening 1.8 of the housing 1 by means of a material bond such as gluing, soldering, thermocompression bonding, etc. The closure of the through opening 1.8 through the electrical bushing 8 and the fastening of the electrical bushing 8 on the housing 1 is hermetically sealed to the outside of the housing 1.
[0061] Vorzugsweise ist das Gehäuse 1 elektrisch leitend. Vorzugsweise ist der Träger 2 elektrisch leitend beschichtet. Vorzugsweise ist die äussere Stirnfläche 2.0 des Trägers 2 elektrisch leitend beschichtet. Die elektrisch leitende Be schichtung kann durch Thermokaschieren mit einer Metallfolie oder durch Abscheiden von Metall gebildet werden. Als Metall lassen sich Kupfer, Kupferlegierungen, Gold, Goldlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Silber, Silberlegierungen, usw. verwenden. Die elektrisch leitende Beschichtung weist eine Dicke von vorzugsweise kleiner 0.01mm auf. Vorzugsweise ist das stoffschlüssige Befestigungsmittel 9 elektrisch lei tend. Auf diese Weise bilden das Gehäuse 1 mit dem Träger 2 oder das Gehäuse 2 mit der äusseren Stirnfläche 2.0 oder das Gehäuse 1 mit dem stoffschlüssigen Befestigungsmittel 9 einen Faradayschen Käfig. Somit sind das Messelement 3, 3', die Elektroden 5, 5', die Signalleiter 6, 6 und die Wandlereinheit 7 gegenüber elektrischen und elektromagneti schen Störeffekten in Form von statischen und quasistatischen Feldern, elektromagnetischen Wellen, usw. wirksam geschützt. Solche elektromagnetische Störeffekte können eine Ableitung der Messignale verfälschen. Vorzugsweise ist das Gehäuse 1 mit einer Masse aus der Umgebung elektrisch verbunden. Vor zugsweise ist das Gehäuse 1 über einen an der elektrischen Durchführung 8 anschliessbaren elektrischen Stecker elektrisch mit einer Masse aus der Umgebung elektrisch ver bunden. The housing 1 is preferably electrically conductive. The carrier 2 is preferably coated in an electrically conductive manner. The outer end face 2.0 of the carrier 2 is preferably coated in an electrically conductive manner. The electrically conductive coating can be formed by thermal lamination with a metal foil or by depositing metal. As the metal, copper, copper alloys, gold, gold alloys, aluminum, aluminum alloys, silver, silver alloys, etc. can be used. The electrically conductive coating has a thickness of preferably less than 0.01 mm. Preferably, the integral fastening means 9 is electrically lei tend. In this way, the housing 1 with the carrier 2 or the housing 2 with the outer end face 2.0 or the housing 1 with the integral fastening means 9 form a Faraday cage. Thus, the measuring element 3, 3 ', the electrodes 5, 5', the signal conductors 6, 6 and the converter unit 7 are effectively protected against electrical and electromagnetic interference effects in the form of static and quasi-static fields, electromagnetic waves, etc. Such electromagnetic interference can falsify a derivation of the measurement signals. The housing is preferably 1 electrically connected to a ground from the environment. Preferably, the housing 1 is electrically connected to a ground from the environment via an electrical connector that can be connected to the electrical bushing 8.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
AA' Linie AA 'line
C Kontaktfläche C contact area
X Querachse X transverse axis
Y Längsachse Y longitudinal axis
XY Ebene XY plane
Z Vertikalachse Z vertical axis
0 Hohlraum 0 cavity
1 Gehäuse 1 housing
1.0 Gehäusefläche 1.1 Unterteil 1.2 Aussparung 1.0 Housing surface 1.1 Lower part 1.2 Recess
1.3 Seitenwand 1.3 side wall
1.4 Oberteil 1.6 Stossfläche 1.8 Durchgangsöffnung 2 Träger 1.4 Upper part 1.6 Joint area 1.8 Through opening 2 beams
2.0, 2.0' Stirnfläche 2.0, 2.0 'face
2.3 - 2.3" ' Seitenfläche 2.3 - 2.3 "'side surface
3, 3' Messelement 3, 3 'measuring element
4, 4' seismische Masse 4, 4 'seismic mass
5 - 5" ' Elektrode 5 - 5 "'electrode
6 6 Signalleiter 6 6 signal conductors
7 Wandlereinheit 7 converter unit
8 elektrische Durchführung8 electrical feedthrough
8.0 Isolationskörper 8.1 elektrische Leiter 9 Befestigungsmittel 8.0 Insulation body 8.1 electrical conductors 9 fasteners
10 Beschleunigungssensor10 accelerometer
20 Messobjekt 20 target

Claims

Patentansprüche Claims
1.Beschleunigungssensor (10); welcher Beschleunigungssensor (10) zum Messen von Beschleunigungen eines Messobjektes (20) an dem Messobjekt (20) befestigbar ist; welcher Be schleunigungssensor (10) ein Gehäuse (1), einen Träger (2), mindestens ein Messelement (3, 3') und mindestens ei ne seismische Masse (4, 4') aufweist; welches Gehäuse (1) einen Hohlraum (0) aufweist; welcher Träger (2), welches Messelement (3, 3') und welche seismische Masse (4, 4') im Hohlraum (0) angeordnet sind; wobei das Messelement (3, 3') und die seismische Masse (4, 4') am Träger (2) ange bracht sind; wobei im am Messobjekt (20) befestigten Zu stand des Beschleunigungssensors (10) Beschleunigungen des Messobjektes (20) auf die seismische Masse (4, 4') wirken; welche seismische Masse (4, 4') aufgrund ihrer Trägheit unter der Wirkung der Beschleunigungen des Messobjektes (20) Kräfte auf das Messelement (3, 3') ausübt; welches1. acceleration sensor (10); which acceleration sensor (10) can be attached to the measurement object (20) for measuring accelerations of a measurement object (20); which Be acceleration sensor (10) has a housing (1), a carrier (2), at least one measuring element (3, 3 ') and at least egg ne seismic mass (4, 4'); which housing (1) has a cavity (0); which carrier (2), which measuring element (3, 3 ') and which seismic mass (4, 4') are arranged in the cavity (0); wherein the measuring element (3, 3 ') and the seismic mass (4, 4') are attached to the carrier (2); wherein when the acceleration sensor (10) is attached to the measurement object (20), accelerations of the measurement object (20) act on the seismic mass (4, 4 '); which seismic mass (4, 4 ') exerts forces on the measuring element (3, 3') due to its inertia under the effect of the accelerations of the measuring object (20); which
Messelement (3, 3') unter der Wirkung der Kräfte Messsig nale erzeugt; welches Gehäuse (1) eine Aussparung (1.2) aufweist, welcher Träger (2) eine äussere Stirnfläche (2.0) aufweist und mit der äusseren Stirnfläche (2.0) durch die Aussparung (1.2) reicht; und wobei im am Messob jekt (20) befestigten Zustand des Beschleunigungssensors (10) der Träger (2) über die äussere Stirnfläche (2.0) im Kontakt mit dem Messobjekt (20) ist; dadurch gekennzeich net, dass der Träger (2) einen Elastizitätsmodul von grös ser/gleich 350GPa aufweist; und dass der Träger (2) eine Dichte von kleiner/gleich 5g/cm3 aufweist. 2.Beschleunigungssensor (10) nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass das Gehäuse (1) eine Gehäusefläche (1.0) aufweist; dass die Aussparung (1.2) in der Gehäuse fläche (1.0) liegt; und dass die Aussparung (1.Measuring element (3, 3 ') generated under the action of the forces Messsig signals; which housing (1) has a recess (1.2), which carrier (2) has an outer end face (2.0) and extends with the outer end face (2.0) through the recess (1.2); and wherein when the acceleration sensor (10) is attached to the measurement object (20), the carrier (2) is in contact with the measurement object (20) via the outer end face (2.0); characterized in that the carrier (2) has a modulus of elasticity of greater than or equal to 350 GPa; and that the carrier (2) has a density of less than / equal to 5 g / cm 3 . 2. acceleration sensor (10) according to claim 1, characterized in that the housing (1) has a housing surface (1.0); that the recess (1.2) is in the housing surface (1.0); and that the recess (1.
2) in der Gehäusefläche (1.0) durch eine Stossfläche (1.6) des Ge häuses (1) vollständig umschlossen ist. 2) is completely enclosed in the housing surface (1.0) by an abutment surface (1.6) of the housing (1).
3.Beschleunigungssensor (10) nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, dass der Träger (2) die Aussparung (1.2) passgenau verschliesst; dass der Träger (2) an der Stoss fläche (1.6) befestigt ist; und dass die Befestigung des Trägers (2) an der Stossfläche (1.6) die Aussparung (1.2) hermetisch dicht verschliesst. 3. acceleration sensor (10) according to claim 2, characterized in that the carrier (2) closes the recess (1.2) with an accurate fit; that the carrier (2) is attached to the impact surface (1.6); and that the attachment of the carrier (2) to the abutment surface (1.6) hermetically seals the recess (1.2).
4.Beschleunigungssensor (10) nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass der Träger (2) einzig im Bereich der Stossfläche (1.6) im mechanischen Kontakt mit dem Gehäuse (1) ist; und dass eine Oberfläche der Stossfläche (1.6) um weitgehend eine Grössenordnung kleiner als eine Oberfläche der Gehäusefläche (1.0) ist. 4. acceleration sensor (10) according to claim 3, characterized in that the carrier (2) is in mechanical contact with the housing (1) only in the area of the abutment surface (1.6); and that a surface of the impact surface (1.6) is largely an order of magnitude smaller than a surface of the housing surface (1.0).
5.Beschleunigungssensor (10) nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, dass weil die Oberfläche der Stossfläche (1.6) um weitgehend eine Grössenordnung kleiner ist als die Oberfläche der Gehäusefläche (1.0) dann auch Störkräf te, welche im am Messobjekt (20) befestigten Zustand des Beschleunigungssensors (10) vom Gehäuse (1) herrühren, in einem Krafthauptschluss über die Gehäusefläche (1.0) in das Messobjekt (20) wirken und in einem um weitgehend eine Grössenordnung kleineren Kraftnebenschluss über die Stoss fläche (1.6) in den Träger (2) wirken. 5. acceleration sensor (10) according to claim 4, characterized in that because the surface of the impact surface (1.6) is largely an order of magnitude smaller than the surface of the housing surface (1.0) then also interference forces which are attached to the measurement object (20) State of the acceleration sensor (10) originate from the housing (1), act in a main force connection via the housing surface (1.0) in the measurement object (20) and in a largely an order of magnitude smaller force shunt via the impact surface (1.6) in the carrier (2 ) works.
6.Beschleunigungssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis6. acceleration sensor (10) according to any one of claims 1 to
5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) aus A103 oder Keramik oder A^Cp-Keramik oder Saphir ist. 5, characterized in that the carrier (2) is made of A10 3 or ceramic or A ^ Cp ceramic or sapphire.
7.Beschleunigungssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis7. acceleration sensor (10) according to any one of claims 1 to
6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (3, 3') aus piezoelektrischem Material besteht; dass die seismi schen Masse (4, 4') aufgrund ihrer Trägheit unter der Wir kung der Beschleunigungen des Messobjektes (20) Scherkräf te oder Normalkräfte auf das Messelement (3, 3') ausübt. 6, characterized in that the measuring element (3, 3 ') consists of piezoelectric material; that the seismic mass (4, 4 ') exerts shear forces or normal forces on the measuring element (3, 3') due to its inertia under the action of the accelerations of the measuring object (20).
8.Beschleunigungssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis8. acceleration sensor (10) according to any one of claims 1 to
7, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) eine innere Stirnfläche (2.0') aufweist; dass eine Wandlereinheit (7) auf der inneren Stirnfläche (2.0') angeordnet ist; dass erste Signalleiter (6) Messignale des Messelementes (3, 3') zur Wandlereinheit (7) ableiten; und dass die Wand lereinheit (7) die abgeleiteten Messignale wandelt. 7, characterized in that the carrier (2) has an inner end face (2.0 '); that a transducer unit (7) is arranged on the inner end face (2.0 '); that first signal conductors (6) derive measurement signals from the measurement element (3, 3 ') to the converter unit (7); and that the converter unit (7) converts the derived measurement signals.
9.Beschleunigungssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis9. acceleration sensor (10) according to one of claims 1 to
8, dadurch gekennzeichnet, dass das die seismische Masse8, characterized in that it is the seismic mass
(4, 4') eine hohe Dichte von grösser/gleich 17g/cm3 auf weist. (4, 4 ') has a high density of greater than / equal to 17 g / cm 3 .
10. Beschleunigungssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) mit dem Träger (2) oder das Gehäuse (2) mit der äusseren Stirnfläche (2.0) oder das Gehäuse (1) mit einem stoff schlüssigen Befestigungsmittel (9) des Beschleunigungs sensors (10) am Messobjekt (20) einen Faradayschen Käfig bildet . 10. Acceleration sensor (10) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the housing (1) with the carrier (2) or the housing (2) with the outer end face (2.0) or the housing (1) with a Cohesive fastening means (9) of the acceleration sensor (10) on the measurement object (20) forms a Faraday cage.
11. Verwendung eines Beschleunigungssensor (10) zum Messen von Beschleunigungen eines Messobjektes (20); welcher Be schleunigungssensor (10) an dem Messobjekt (20) befestigt ist; welcher Beschleunigungssensor (10) ein Gehäuse (1), einen Träger (2), mindestens ein Messelement (3, 3') und mindestens eine seismische Masse (4, 4') aufweist; welches Gehäuse (1) einen Hohlraum (0) aufweist; welcher Träger (2), welches Messelement (3, 3') und welche seismische11. Use of an acceleration sensor (10) for measuring accelerations of a measurement object (20); which Be acceleration sensor (10) is attached to the measurement object (20); which acceleration sensor (10) has a housing (1), a carrier (2), at least one measuring element (3, 3 ') and at least one seismic mass (4, 4'); which housing (1) has a cavity (0); which carrier (2), which measuring element (3, 3 ') and which seismic
Masse (4, 4') im Hohlraum (0) angeordnet sind; wobei dasMasses (4, 4 ') are arranged in the cavity (0); where the
Messelement (3, 3') und die seismische Masse (4, 4') amMeasuring element (3, 3 ') and the seismic mass (4, 4') on the
Träger (2) angebracht sind; wobei Beschleunigungen des Messobjektes (20) auf die seismische Masse (4, 4') wirken; welche seismische Masse (4, 4') aufgrund ihrer Trägheit unter der Wirkung der Beschleunigungen des Messobjektes (20) Kräfte auf das Messelement (3, 3') ausübt; welchesCarriers (2) are attached; accelerations of the measurement object (20) acting on the seismic mass (4, 4 '); which seismic mass (4, 4 ') exerts forces on the measuring element (3, 3') due to its inertia under the effect of the accelerations of the measuring object (20); which
Messelement (3, 3') unter der Wirkung der Kräfte Messsig nale erzeugt; welches Gehäuse (1) eine Aussparung (1.2) aufweist, welcher Träger (2) eine äussere Aussparung (2.0) aufweist und mit der äusseren Stirnfläche (2.0) durch die Aussparung (1.2) reicht und über die äussere Stirnfläche (2.0) im Kontakt mit dem Messobjekt (20) ist dadurch ge kennzeichnet, dass der Träger (2) einen Elastizitätsmodul von grösser/gleich 350GPa aufweist; und dass der Träger (2) eine Dichte von kleiner/gleich 5g/cm3 aufweist. Measuring element (3, 3 ') generated under the action of the forces Messsig signals; which housing (1) has a recess (1.2), which carrier (2) has an outer recess (2.0) and extends with the outer end face (2.0) through the recess (1.2) and via the outer end face (2.0) in contact with the measurement object (20) is characterized in that the carrier (2) has a modulus of elasticity of greater than / equal to 350 GPa; and that the carrier (2) has a density of less than / equal to 5 g / cm 3 .
12. Verwendung des Beschleunigungssensor (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) eine Ge häusefläche (1.0) aufweist; dass die Aussparung (1.2) in der Gehäusefläche (1.0) liegt, dass die Gehäusefläche (1.0) und die äussere Stirnfläche (2.0) in einer Kontakt fläche (C) liegen; und dass das Gehäuse (1) und der Träger (2) in der Kontaktfläche (C) im flächigen Kontakt mit dem Messobjekt (20) sind. 12. Use of the acceleration sensor (10) according to claim 11, characterized in that the housing (1) has a housing surface (1.0); that the recess (1.2) lies in the housing surface (1.0), that the housing surface (1.0) and the outer end face (2.0) lie in a contact surface (C); and that the housing (1) and the carrier (2) in the contact surface (C) are in flat contact with the measurement object (20).
13. Verwendung des Beschleunigungssensor (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (10) über ein Befestigungsmittel (9) am Messobjekt (20) befestigt ist; dass das Befestigungsmittel (0) ein stoff schlüssiges Befestigungsmittel (9) ist; und dass das Be festigungsmittel (9) die Gehäusefläche (1.0) und die äussere Stirnfläche (2.0) weitgehend vollständig bedeckt. 13. Use of the acceleration sensor (10) according to claim 12, characterized in that the acceleration sensor (10) is fastened to the measurement object (20) via a fastening means (9); that the fastening means (0) is a cohesive fastening means (9); and that the fastening means (9) Be the housing surface (1.0) and the outer end face (2.0) largely completely covered.
PCT/EP2021/061698 2020-06-02 2021-05-04 Acceleration sensor and use of such an acceleration sensor WO2021244815A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20177817.2 2020-06-02
EP20177817 2020-06-02

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021244815A1 true WO2021244815A1 (en) 2021-12-09

Family

ID=70975788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/061698 WO2021244815A1 (en) 2020-06-02 2021-05-04 Acceleration sensor and use of such an acceleration sensor

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2021244815A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114113680A (en) * 2021-12-17 2022-03-01 上海凸申科技有限公司 Piezoelectric film acceleration or vibration sensor

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3858065A (en) 1970-12-31 1974-12-31 Becton Dickinson Co Annular 3m class piezoelectric crystal transducer
DE2712359A1 (en) 1976-03-29 1977-10-20 Brueel & Kjaer As ELECTROMECHANICAL ACCELERATION MEASURING DEVICE
DE2817981A1 (en) 1977-04-26 1978-12-07 Brueel & Kjaer As METHOD FOR PRODUCING A MEASURING TRANSDUCER
EP0059793A1 (en) 1981-03-06 1982-09-15 Siemens Aktiengesellschaft Acceleration sensor
WO1991016636A1 (en) * 1990-04-12 1991-10-31 Prüftechnik Dieter Busch + Partner Gmbh & Co. Device for measuring acceleration via piezoelectric transducers
EP0762131A2 (en) 1995-08-29 1997-03-12 Prüftechnik Dieter Busch Ag Balanced compression accelerometer

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3858065A (en) 1970-12-31 1974-12-31 Becton Dickinson Co Annular 3m class piezoelectric crystal transducer
DE2712359A1 (en) 1976-03-29 1977-10-20 Brueel & Kjaer As ELECTROMECHANICAL ACCELERATION MEASURING DEVICE
DE2817981A1 (en) 1977-04-26 1978-12-07 Brueel & Kjaer As METHOD FOR PRODUCING A MEASURING TRANSDUCER
EP0059793A1 (en) 1981-03-06 1982-09-15 Siemens Aktiengesellschaft Acceleration sensor
WO1991016636A1 (en) * 1990-04-12 1991-10-31 Prüftechnik Dieter Busch + Partner Gmbh & Co. Device for measuring acceleration via piezoelectric transducers
EP0762131A2 (en) 1995-08-29 1997-03-12 Prüftechnik Dieter Busch Ag Balanced compression accelerometer

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114113680A (en) * 2021-12-17 2022-03-01 上海凸申科技有限公司 Piezoelectric film acceleration or vibration sensor
CN114113680B (en) * 2021-12-17 2024-05-14 上海凸申科技有限公司 Piezoelectric film acceleration sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102005053767B4 (en) MEMS microphone, method of manufacture and method of installation
EP3992639B1 (en) Acceleration sensor
DE4027753C2 (en) Capacitive force sensor
DE19727214C2 (en) Semiconductor acceleration sensor, especially for airbags
DE102014105861B4 (en) Sensor device and method for producing a sensor device
EP3992638B1 (en) Acceleration sensor
DE102007024445A1 (en) Piezoelectric sensor
DE10131697A1 (en) Pressure sensor has conductive elevations that are arranged in between opposing surfaces of shaft and sensor chip, thereby connecting sensor chip to guides
EP3992637B1 (en) Acceleration sensor
WO2010089261A2 (en) Sensor module and method for producing sensor modules
EP1440322A1 (en) Micro-sensor
EP1277243B1 (en) Piezo-ceramic multilayer component for measuring instruments and method for the production thereof
DE102008027999A1 (en) Semiconductor sensor
DE102017103121A1 (en) pressure sensor
WO2021244815A1 (en) Acceleration sensor and use of such an acceleration sensor
EP2464955B1 (en) Relative pressure sensor
DE3142308A1 (en) "PRESSURE TRANSFORMER WITH A VIBRABLE ELEMENT"
DE102018109091A1 (en) Pressure measuring device with a trained as a MEMS differential pressure sensor pressure sensor
EP0494143A1 (en) Device for measuring mechanical forces and dynamic effects.
WO1991016636A1 (en) Device for measuring acceleration via piezoelectric transducers
WO2006136182A1 (en) Pressure sensor
EP0179983B1 (en) Shock wave sensor
EP0317664B1 (en) Measurement cell, particularly for measurements of relative and differential pressure
DE102014104506A1 (en) pressure sensor
DE10221219A1 (en) Pressure sensor for static and/or dynamic pressure measurements on media comprises a membrane which on the side facing away from the medium is provided with at least one support element

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21724238

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21724238

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1