DE2556298A1

DE2556298A1 - Piezoelektrischer beschleunigungsgeber

Info

Publication number: DE2556298A1
Application number: DE19752556298
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl Phys Nissl
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1975-12-13
Filing date: 1975-12-13
Publication date: 1977-06-16
Also published as: JPS5273076A; US4104921A; FR2334958A1; DE2556298C2; GB1568975A; FR2334958B3

Description

Piezoelektrischer Beschleunigungsgeber

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Beschleunigungsgeber mit einem Piezoelement und mindestens einer auf dieses einwirkenden tragen Masse.

Ein aus der DT-AS 2 132 830 bekannter piezoelektrischer Beschleunigungsgeber soll Beschleunigungen nicht nur in einer bestimmten Richtung sondern in einem weiten Winkel erfassen. Dazu besitzt das Piezoelement eine sphärische Innenausnehmung, in welche die ebenfalls sphärische Gestalt gleichen

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gleichen Radius aufweisende träge Masse eingreift. Aufgrund der sphärischen Formgebung von Piezoelement und träger Masse soll das von dem Piezoelement abgeleitete elektrische Signal innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereiches weitgehend unabhängig von der Richtung der einwirkenden Beschleunigungskraft sein.

In wie weit die Empfindlichkeit eines derartigen Beschleunigungsgebers winkelunabhängig und vorausbestimmbar ist, hängt wesentlich von den mechanischen Fertigungsgenauigkeiten ab, speziell davon, wie genau die sphärischen Flächen des Piezoelementes und der trägen Masse übereinstimmen.

Piezoelemente mit sphärischen Flächen sind jedoch selbst bei geringen Anforderungen an die Genauigkeit schwer herzustellen. Da außerdem eine hundertprozentige Übereinstimmung der sphärischen Flächen des Piezoelementes und der tragen Masse nie zu erreichen ist, wird die sphärische Masse stets nur einen oder mehrere undefinierbare Berührungspunkte mit dem Piezoelement haben, so daß die genaue Winkelabhängigkeit des Beschleunigungsgebers von Gerät zu Gerät verschieden ist und nur durch Messungen bestimmt werden kann.

Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Aufgabe es ist, einen piezoelektrischen Beschleunigungsgeber mit definierter, vorbestimmbarer Winkelabhängigkeit zu schaffen, der einfach und billiger als der bisher bekannte Beschleunigungsgeber herzustellen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die träge Masse mit einer ebenen Fläche des Piezoelementes in Berührung steht und daß zur Umlenkung von auf die träge Masse wirkenden Trägheitskräften in eine zur ebenen Fläche des Piezoelementes senkrechten Richtung mindestens ein, die Masse

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fixierendes Stützelement vorgesehen ist, welches durch die Lage des bzw. der Berührungspunkte mit der tragen Masse die Richtungsabhangigkeit der Empfindlichkeit des Beschleunigungsgebers bestimmt.

Eine auf die träge Masse einwirkende, gerichtete Kraft - z.B. Trägheitskraft - wird durch die erfindungsgemäße Anordnung des Piezoelementes und des Stützelementes stets in zwei Anteile zerlegt. Ein Teil der Kraft ist, vom Schwerpunkt der tragen Masse ausgehend, auf den bzw. die Berührungspunkte der tragen Masse mit dem Piezoelement, der andere Teil auf den bzw. die Berührungspunkte der sphärischen Masse mit dem Stützelement gerichtet. Da die gesamte Anordnung starr ist, wird ihre Geometrie im dynamischen Fall, d.h. beispielsweise bei Einwirken von Beschleunigungskräften, nahezu unverändert bleiben, so daß bei der Berechnung der Aufnahmecharakteristik mit guter Näherung vom quasistatischen Fall ausgegangen werden kann. Dabei kann jeder auf die träge Masse wirkenden Kraft ein Vektor zugeordnet werden, der sich, unabhängig von dessen Größe und Richtung, stets in die vorher genannten Anteile mit den, durch die Berührungspunkte zwischen der trägen Masse und dem Piezoelement bzw. dem Stützelement bestimmten Richtungen zerlegt. Durch einfache Vektoraddition kann der auf das Piezoelement gerichtete Anteil berechnet werden. Das Verhältnis einer auf den Schwerpunkt der tragen Masse einwirkenden Kraft zu dem auf das Piezoelement umgelenkten Anteil liefert dann die Aufnahmecharakteristik des Beschleunigungsgebers in Abhängigkeit von der jeweiligen Richtung der einwirkenden Kraft.

Bei konstant gehaltener, auf die träge Masse einwirkenden Kraft bestimmt die Lage der Berührungspunkte der trägen

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Masse mit dem Stützelement die Größe des vom Stützelement aufgenommenen Kräfteanteils und damit auch die Größe des verbleibenden, auf das Piezoelement wirkenden Anteils. Durch Veränderungen dieser Berührungspunkte, d.h. durch Veränderungen des Stützelementes, kann somit auch die Aufnahmecharakteristik des Beschleunigungsgebers in definierter Weise verändert werden.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungsgeber soll anhand einiger, schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch erfindungsgemäße Beschleunigungsgeber mit einer sphärischen trägen Masse und mit verschiedenen Stützelementen, deren kreisförmige Öffnungen unterschiedliche Durchmesser und einen

a) zylindrischen Rand

b) kegligen Rand

c) abgerundeten Rand
aufweisen;

Figur 2 a) bis c) die Aufnahmecharakteristik der in den

Figuren la bis c dargestellten Beschleunigungsgeber;

Figur 3 einen Schnitt durch einen Beschleunigungsgeber mit zwei sphärischen Massen;

Figur 4 die Aufnahmecharakteristik des in Figur 3 dargestellten Beschleunigungsgebers;

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Figur 5 eine Aufsicht auf einen Beschleunigungsgeber mit einer teils sphärischen, teils kegligen tragen Masse und mit einem Stützelement, welches drei Auflagepunkte aufweist;

Figur 6 einen Schnitt durch den in Figur 5 dargestellten Beschleunigungsgeber;

Figuren ein detailliertes Ausführungsbeispiel eines er^u findungsgemäßen Beschleunigungsgebers.

Die in den Figuren la bis c dargestellten Beschleunigungsgeber bestehen aus einer elektrisch leitenden sphärischen Masse 1 mit großer Härte, z.B. einer Stahlkugel, aus einem Piezoelement 2 und einem elektrisch leitenden, die sphärische Masse 1 fixierenden Stützelement 3 mit großer Härte. Das druckempfindliche ebenflächige Piezoelement 2 liegt auf einer ebenen elektrisch leitenden Auflage 4. An dieser Auflage 4 ist über einen Isolierkörper 5 das ebenfalls elektrisch leitende Stützelement 3 befestigt. Das Piezoelement 2 besteht aus einem ebenen piezoelektrischen Keramikplättchen oder Kristall 2.1 und einer elektrisch leitenden harten Lagerscheibe 2.2, auf deren ebene Oberseite die sphärische Masse drückt und deren ebene Unterseite auf dem piezoelektrischen Plättchen oder Kristall 2.1 liegt. Der über den piezoelektrischen Kristall oder der piezoelektrische Keramikplättchen 2.1 hinausragende Rand der Lagerscheibe 2.2 ist nur soweit hochgezogen, daß die sphärische Masse bei zentraler Lage nicht auf diesen drückt, sondern nur soweit, daß bei kleinen Horizontalauslenkungen der sphärischen Masse, bedingt durch die Elastizität der einzelnen Bauteile, höchstens ein paralleles Mitverschieben der Lagerscheibe und des piezoelektrischen Kristalls oder Keramikplättchens erfolgt. Das Stütz-

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element 3, welches mit dem Rand 3.1, 3.2, 3.3 der kreisförmigen Öffnung auf der sphärischen Masse aufliegt, drückt diese auf das Piezoelement 2. Die Auflage 4, der Isolierkörper und das Stützelement 3 sind so ausgebildet, daß auf das Piezoelement 2 ein definierter Vordruck zur Voreinstellung ausgeübt wird.

Eine auf den Massenschwerpunkt S der sphärischen Masse einwirkende Kraft K wird entsprechend dem Berührungspunkt 7 der sphärischen Masse mit dem Piezoelement bzw. der Berührungspunkte 3.1, 3.2, 3.3 mit dem Stützelement in die Komponenten Kp und Kg zerlegt. Die Kraftkomponente K_p ist dabei für die piezoelektrische Ladung nach Größe und Vorzeichen ausschlaggebend, welche z.B. mit einem, mit der Auflage 4 und dem Stützelement 3 verbundenen Ladungsmeßgerät gemessen werden kann. Für die im folgenden angegebenen Aufnahmecharakteristiken gilt ohne Einschränkung der Allgemeinheit die Annahme, daß nur Ladungen des geeigneten Vorzeichens berücksichtigt werden, denn das Piezoelement liefert ja aufgrund seiner mechanischen Vorspannung elektrische Ladung eines gewissen Vorzeichens nicht nur bei Druckzunahme, sondern auch die entgegengesetzte Ladung bei Druckabnahme.

Das Verhältnis der Durchmesser der Öffnungen 3.1, 3.2, 3.3 und der sphärischen Masse 1 bestimmen dabei wesentlich die Empfindlichkeit des Beschleunigungsgebersι Je größer der aus den Figuren la bis c ersichtliche Winkel β ist, desto geringer wird die Empfindlichkeit des Beschleunigungsgebers auf seitliche Beschleunigung hin sein.

Die Aufnahmecharakteristik, d.h. das Verhältnis der auf das Piezoelement wirkenden Kraft K_p zur einwirkenden Kraft K dej jeweiligen, in den Figuren la bis c gezeigten Beschleuni-

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gungsgeber ist in den Figuren 2a bis c dargestellt. Bei diesen Beschleunigungsgebern ist die Aufnahmecharakteristik rotationssymmetrisch zu der durch den Massenschwerpunkt S und dem Berührungspunkt 7 der sphärischen Masse und des Piezoelements verlaufenden Achse. Wir--d der Winkel zwischen dieser Achse und der auf den Massenschwerpunkt einwirkenden Kraft K mit f bezeichnet, so kann die theoretische Aufnahmecharakteristik für die in den Figuren la bis c dargestellten Ausführungsbeispiele folgendermaßen angegeben werden:

K_p
^ ₌ -— _β £±SJL _ cos ψ für 0<d * 90°; 0 £ f * 180° ⁽¹⁾

Da die einzelnen Teile des Beschleunigungsgebers nicht ideal starr sind, treten im dynamischen Fall kleine Verschiebungen der Berührungspunkte zwischen der sphärischen Masse 1 und dem Stützelement 3 auf. Durch entsprechende Formgebung der Ränder der Öffnungen 3.1, 3.2, 3.3 kann somit die Aufnahmecharakteristik zusätzlich beeinflußt werden. So kann z.B. durch einen trichterförmigen Rand 3.2 bzw. 3.3 eine Änderung der Aufnahmecharakteristik bei zunehmender Krafteinwirkung unterdrückt oder durch einen zylindrischen Rand 3.1 bewußt erzeugt werden.

Eine fast exakte Kugelcharakteristik kann mit der in Figur 3 dargestellten Ausführung eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsgebers erreicht werden. Die Aufnahmecharakteristik dazu ist in Figur 4 dargestellt. Bei dieser Ausführung ist ein Piezoelement 2 zwischen zwei sphärischen Massen 1.1 und 1.2 eingeklemmt, welche jeweils durch zwei gegenüberliegende Stützelemente 3 gehalten werden. Das Piezoelement besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem planen piezoelektrischen Kristall 2.1 und aus zwei, zwischen dem Kristall und den Massen 1.1 und 1.2 angeordneten Lagerscheiben 2.2.

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λΑ

Soll die Aufnahmecharakteristik eines Beschleunigungsgebers nicht wie in den in Fig. 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen rotationssymmetrisch sein, so kann die träge Masse durch entsprechende Formgebung des Stützelementes, z.B. nur in einzelnen, fest vorgegebenen Punkten abgestützt werden. Ein Stützelement 6 mit drei Auflagepunkten 6.1, 6.2, 6.3 ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Die träge Masse ist bei diesem Ausführungsbeispiel im Bereich des Piezoelementes sphärisch und im Bereich des Stützelementes kreiskegelförmig ausgebildet. Die Aufnahmecharakteristik ließe sich bei diesem Ausführungsbeispiel, ähnlich wie in den vorangegangenen, durch Zerlegung der einwirkenden Kraft in Teilkräfte berechnen, deren Richtung durch die Lage der Auflagepunkte bestimmt wird.

Fig. 7 und Fig. 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel bei dem die dem Piezoelement 2 erteilte definierte mechanische Vorspannung dadurch ausgeübt wird, daß das hier wiederum mit zylindrischem Rand ausgebildete Stützelement 3 mittels einer Tellerfeder 9 mit einer gegenüber den auf die sphärische Masse 1 erwartungsgemäß auftretenden Trägheitskräften großen Kraft an den Berührungspunkten 3.1 gegen die sphärische Masse gedrückt wird. Der Isolierkörper 5 übernimmt hier also keine Federaufgaben und ist in zwei Teilen 5.1 und 5.2 ausgebildet. Der Teil 5.1 wird duah einen Schraubdeckel 11 in das hier als Auflage 4 ausgebildete Gehäuse gepreßt, während der Teil 5.2 zur Durchführung des elektrischen Anschlußstiftes 10 dient, dessen Spannung gegen das Gehäuse 4 abgenommen werden kann, in welchem Befestigungslöcher 12.1, 12.2 und 12.3 eingebohrt sind. Der Deckel 11 wird mittels zweier Sacklöcher 13.1 und 13.2 aufgeschraubt.

Patentansprüche:

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Leerseife

Claims

Patentansprüche

Piezoelektrischer Beschleunigungsgeber mit einem Piezoelement und mindestens einer auf dieses einwirkenden tragen Masse, dadurch gekennzeichnet , daß die träge Masse (1) mit einer ebenen Fläche des Piezoelementes (2) in Berührung steht und daß zur Umlenkung von auf die träge Masse (1) wirkenden Trägheitskräften in eine zur ebenen Fläche des Piezoelementes (2) senkrechten Richtung mindestens ein, die Masse fixierendes Stützelement (3,6) vorgesehen ist, welches durch die Lage des bzw. der Berührungspunkte (3.1,3.2,3.3j 6.1,6.2, 6.3) mit der trägen Masse (1) die Richtungsabhängigkeit der Empfindlichkeit des Beschleunigungsgebers bestimmt.

Beschleunigungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die träge Masse mindestens teilweise sphärisch und/oder kreiskegelförmig ausgebildet ist.

Beschleunigungsgeber nach Anspruch 1 oder 2, g e kennzeichnet durch zwei sphärische und/oder kreiskegelförmige Massen (1.1,1.2) zwischen denen das Piezoelement (2) angeordnet ist.

Beschleunigungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Piezoeleraent (2) einen piezoelektrischen Kristall oder ein piezoelektrisches Keramikplättchen (2.1) mit einer der

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2 b b 6 2 b b

trägen Masse (1) zugewandten ebenen Fläche und eine zwischen dem Kristall oder Keramikplättchen (2.2) und der Masse (1) angeordnete Lagerscheibe (2.2) mit einem über den Kristall oder dns Keramikplättchen hinausragenden, überhöhten Rand aufweist.

5. Beschleunigungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Stützelement (3,6) eine kreisförmige Öffnung aufweist, deren Durchmesser kleiner als der der trägen Masse (1) ist und daß das Stützelement mit dem Rand (3.1,3.2,3.3) dieser Öffnung auf der trägen Masse aufliegt.

6. Beschleunigungsgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die kreisförmige Öffnung des Stützelementes (3) einen zylindrischen (3.1), kegligen (3.2) oder abgerundeten Rand (3.3) aufweist.

7. Beschleunigungsgeber nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die kreisförmige Öffnung des Stützelementes (3) konzentrisch zu der durch den Schwerpunkt (S) der trägen Masse (1) und senkrecht zur ebenen Fläche des Piezoelementes (2) verlaufenden Achse angeordnet ist.

8. Beschleunigungsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die kreisförmige Öffnung des Stützelementes exzentrisch zu der durch den Schwerpunkt (S) der trägen Masse (1) und senkrecht zur ebenen Fläche des Piezoelementes (2) verlaufenden Achse angeordnet ist.

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2 b 5 6 2 y Ö

9. Beschleunigungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Stützelement (6) mindestens drei definierte Auflagepunkte (6.1, 6.2, 6.3) aufweist.

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