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技術 センサおよび圧力を測定するための方法

出願人 ティーディーケイ・エレクトロニクス・アクチェンゲゼルシャフト
発明者 ガラー,マルティンカストル,ハラルドプフ,マルクス
出願日 2016年10月7日 (4年4ヶ月経過) 出願番号 2018-517751
公開日 2018年10月11日 (2年4ヶ月経過) 公開番号 2018-529971
状態 特許登録済
技術分野 力の測定一般
主要キーワード 直接基体 圧電基体 電束密度 圧電型センサ 圧力感受性 圧力作用 出力電荷 圧力印加
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (6)

課題・解決手段

本発明は、1つの基体を備えるセンサ(1)に関し、この基体は、1つの圧電材料(13)およびこの圧電材料(13)内に配設された少なくとも2つの内部電極(3,4)を備え、これらの内部電極は、圧力印加用に設けられているこの基体(2)の側面(9,10)に圧力が作用した場合に、これらの少なくとも2つの内部電極(3,4)の間に電圧が発生するように配設されている。本発明によるセンサは、1つの機械増幅システム(14)を備えてよい。

概要

背景

たとえばチタン酸ジルコン酸鉛PZT)のセラミックまたは石英のような圧電材料ベースにしたセンサが知られている。図1は、このようなモノリシックな1つの圧電型センサ101を示す。このセンサは、1つのモノリシックな基体102を備え、この基体は圧力感受性のある材料の1つの均質な層から成っている。この基体102の上側の側面109および下側の側面110上には、それぞれ1つの外部電極105,108が配設されており、こうしてこの圧力感受性材料の層は、これらの外部電極105,108の間に存在している。これらの外部電極105,108は、圧力負荷の際に発生する電気信号取出しに用いられる。

上記のセンサ101では、測定される圧力は、これらの外部電極105,108に直接作用する。これには多くの欠点がある。これらの外部電極105,108は、リーク電流の発生を防ぐために、絶縁層(複数)で覆われていなければならない。さらに上記の上側の側面および下側の側面106,107上には、さらにこれらの外部電極105,108の電気的接続部が設けられていなければならず、こうしてこれらの面106,107は、圧力負荷用に全面的に利用することができない。これらの外部電極105,108は、妥当コストでは不十分な平坦性でしか作製することができない金属材料を含んでいる。これらの面106,107上の凹凸は、測定の不正確さをもたらしかねない。さらに定常的に発生する圧力の負荷変動下では、これらの外部電極は、大きな劣化効果を示し、これはこのセンサ101の寿命を短くしかねない。さらに加えて、このモノリシックな実施形態においては、このセンサの位置で作用する小さな圧力を変換する機械増幅システムの構造は困難である。

概要

本発明は、1つの基体を備えるセンサ(1)に関し、この基体は、1つの圧電材料(13)およびこの圧電材料(13)内に配設された少なくとも2つの内部電極(3,4)を備え、これらの内部電極は、圧力印加用に設けられているこの基体(2)の側面(9,10)に圧力が作用した場合に、これらの少なくとも2つの内部電極(3,4)の間に電圧が発生するように配設されている。本発明によるセンサは、1つの機械的増幅システム(14)を備えてよい。

目的

本発明の課題は、上述の欠点の少なくとも1つを克服することを可能とする、改善されたセンサを提示することである

効果

実績

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請求項1

センサ(1)であって、1つの基体(2)を備え、前記基体は、1つの圧電材料(13)および当該圧電材料(13)内に配設された少なくとも2つの内部電極(3,4)を備え、前記内部電極は、圧力印加用に設けられている前記基体(2)の側面(9,10)に圧力が作用した場合に、前記少なくとも2つの内部電極(3,4)の間に電圧が発生するように配設されている、ことを特徴とする圧力センサ

請求項2

前記圧力印加用に設けられている前記基体(2)の側面(9,10)は、前記圧電材料(13)から成っていることを特徴とする、請求項1に記載のセンサ。

請求項3

請求項1または2に記載のセンサにおいて、前記センサ(1)は、1つの第1の外部電極(5)および1つの第2の外部電極(8)を備え、前記少なくとも2つの内部電極(3,4)の各々は、前記第1の外部電極(5)または前記第2の外部電極(8)と接続されており、前記第1の外部電極(5)は、前記基体(2)の前記第1の側面(6)上に配設されており、前記第2の外部電極(8)は、前記基体(2)の第2の側面(7)上に配設されており、前記第1の側面(6)も、また前記第2の側面(7)も、前記圧力印加用に設けられているものではない、ことを特徴とするセンサ。

請求項4

請求項3に記載のセンサにおいて、前記第1の外部電極(5)は、前記少なくとも2つの内部電極(3,4)に対して垂直に配設されており、前記第2の外部電極(8)は、前記少なくとも2つの内部電極(3,4)に対して垂直に配設されている、ことを特徴とするセンサ。

請求項5

前記圧力印加用に設けられている前記基体(2)の側面(9,10)は、前記少なくとも2つの内部電極(3,4)に対して平行に配設されていることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のセンサ。

請求項6

請求項1乃至5のいずれか1項に記載のセンサにおいて、さらに前記センサ(1)は、前記少なくとも2つの内部電極(3,4)と接続されている分析ユニット(11)を備え、前記分析ユニットは、前記基体(2)に作用する圧力を確定するように構成されていることを特徴とするセンサ。

請求項7

請求項6に記載のセンサにおいて、前記少なくとも2つの内部電極(3,4)は、前記分析ユニット(11)を介して相互に電気的に接続されており、前記分析ユニット(11)は、前記少なくとも2つの内部電極(3,4)の間に流れる電流を測定し、そしてこれから前記基体(2)に作用している圧力を確定するように構成されている、ことを特徴とするセンサ。

請求項8

前記分析ユニット(11)は、前記少なくとも2つの内部電極(3,4)の間に印加される電圧を測定し、そしてこれから前記基体(2)に作用する圧力を確定するように構成されていることを特徴とする、請求項6に記載のセンサ。

請求項9

前記圧電性の基体(2)は、チタン酸ジルコン酸鉛を含むことを特徴とする、請求項1乃至8のいずれか1項に記載のセンサ。

請求項10

前記内部電極(3,4)は、銀,銀−パラジウム,または銅を含むことを特徴とする、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のセンサ。

請求項11

前記第1の外部電極(5)および前記第2の外部電極(6)は、部分的にガラスを含む、銀,銀−パラジウム,または銅、を含むかまたはこれらからなる1つの焼成メタライジング部を備えることを特徴とする、請求項1乃至10のいずれか1項に記載のセンサ。

請求項12

前記第1の外部電極(5)および前記第2の外部電極(8)は、CuAgまたはCrNiAgを含むスパッタ層を備えることを特徴とする、請求項1乃至11のいずれか1項に記載のセンサ。

請求項13

請求項1乃至12のいずれか1項に記載のセンサにおいて、前記センサは、1つの機械増幅システム(14)を備え、前記機械的増幅システムは、前記センサ(1)に作用する圧力の結果生じる前記機械的増幅システム(14)の変形を前記基体(2)の変形に変換するように構成されている、ことを特徴とするセンサ。

請求項14

前記機械的増幅システム(14)は、前記圧力印加用に設けられている前記基体(2)の側面(9)上に配設されていることを特徴とする、請求項13に記載のセンサ。

請求項15

請求項14に記載のセンサにおいて、前記センサは、1つの第2の機械的増幅システム(14)を備え、前記第2の機械的増幅システムは、前記圧力印加用に設けられている側面(9)の反対側にある側面(10)上に配設されている、ことを特徴とするセンサ。

請求項16

前記機械的増幅システム(14)は、前記基体(2)に固定されている1つの第1の領域(17)、および前記基体(2)から離間しかつ前記基体(2)に対して相対的に移動可能な1つの第2の領域(16)を備えることを特徴とする、請求項13乃至15のいずれか1項に記載のセンサ。

請求項17

センサ(1)を用いて圧力を測定するための方法であって、前記センサ(1)は、1つの基体(2)を備え、前記基体は、1つの圧電材料(13)および当該圧電材料(13)内に配設された少なくとも2つの内部電極(3,4)と、1つの第1の外部電極(5)および1つの第2の外部電極(8)と、を備え、前記少なくとも2つの内部電極(3,4)の各々は、前記第1の外部電極(5)または前記第2の外部電極(8)と接続されており、前記第1の外部電極(5)は、前記基体(2)の第1の側面(6)上に配設されており、前記第2の外部電極(8)は、前記基体(2)の第2の側面(7)上に配設されており、さらに前記基体は、前記第1の外部電極(5)および前記第2の外部電極(8)が存在しない、1つの第3の側面(9)を備え、測定される前記圧力は、前記第3の側面(9)に印加される、ことを特徴とする方法。

請求項18

請求項17に記載の方法において、前記第3の側面(9)に印加される圧力の結果、前記少なくとも2つの内部電極(3,4)の間に電圧が発生し、さらに前記センサ(1)は、前記少なくとも2つの内部電極(3,4)と接続されている1つの分析ユニット(11)を備え、前記方法は、前記基体(2)に作用する圧力を、前記分析ユニット(11)によって測定された電流値に基づいて、または前記分析ユニット(11)によって測定された電圧に基づいて確定するステップを備える、ことを特徴とする方法。

技術分野

0001

本発明はセンサに関する。ここでは、圧力あるいは機械的応力を、圧電効果を用いて測定するセンサに関する。ここでこのセンサに作用する圧力は、電荷の流れに変換される。この特性は、圧力あるいは圧力変動を測定するために利用することができる。さらに、本発明は圧力を測定するための方法に関する。

背景技術

0002

たとえばチタン酸ジルコン酸鉛PZT)のセラミックまたは石英のような圧電材料ベースにしたセンサが知られている。図1は、このようなモノリシックな1つの圧電型センサ101を示す。このセンサは、1つのモノリシックな基体102を備え、この基体は圧力感受性のある材料の1つの均質な層から成っている。この基体102の上側の側面109および下側の側面110上には、それぞれ1つの外部電極105,108が配設されており、こうしてこの圧力感受性材料の層は、これらの外部電極105,108の間に存在している。これらの外部電極105,108は、圧力負荷の際に発生する電気信号取出しに用いられる。

0003

上記のセンサ101では、測定される圧力は、これらの外部電極105,108に直接作用する。これには多くの欠点がある。これらの外部電極105,108は、リーク電流の発生を防ぐために、絶縁層(複数)で覆われていなければならない。さらに上記の上側の側面および下側の側面106,107上には、さらにこれらの外部電極105,108の電気的接続部が設けられていなければならず、こうしてこれらの面106,107は、圧力負荷用に全面的に利用することができない。これらの外部電極105,108は、妥当コストでは不十分な平坦性でしか作製することができない金属材料を含んでいる。これらの面106,107上の凹凸は、測定の不正確さをもたらしかねない。さらに定常的に発生する圧力の負荷変動下では、これらの外部電極は、大きな劣化効果を示し、これはこのセンサ101の寿命を短くしかねない。さらに加えて、このモノリシックな実施形態においては、このセンサの位置で作用する小さな圧力を変換する機械増幅システムの構造は困難である。

発明が解決しようとする課題

0004

したがって本発明の課題は、上述の欠点の少なくとも1つを克服することを可能とする、改善されたセンサを提示することである。もう1つの課題は、圧力を測定するための改善された方法を提示することである。

課題を解決するための手段

0005

これらの課題は請求項1に記載のセンサによって解決される。

0006

本発明は1つのセンサを提示し、このセンサは1つの基体を備え、ここでこの基体は、1つの圧電材料およびこの圧電材料内に配設された少なくとも2つの内部電極を備える。ここでこれらの少なくとも2つの内部電極は、この圧電材料内に配設され、圧力印加用に設けられているこの基体の側面に圧力が作用した場合に、これらの少なくとも2つの内部電極の間に電圧が発生するように配設されている。

0007

このセンサは、具体的には1つの圧力センサであり得る。これに対応して、このセンサは、上記の基体に作用する圧力を測定するように構成することができる。

0008

ここでこれらの内部電極は、これらが上記の圧電材料の2つの層の間に配設されている場合に、「圧電材料内に配設されている」と表現される。これに対応して各々の内部電極の上面および下面は、上記の圧電材料によって覆われていてよい。1つの外部電極に接する側面は、しかしながらこの圧電材料が存在しなくともよい。

0009

上記の圧力印加用に設けられる上記の基体の側面は、具体的には上記の内部電極(複数)と並行に配設されている、この基体の1つの側面であってよい。この基体は、上記の圧力印加用に設けられる複数の側面を備えてよい。

0010

上記のセンサは、任意の数の内部電極を備えてよい。具体的には、このセンサは、3つ以上の内部電極を備えてよい。これらの内部電極は、第1の外部電極と接続されている第1の内部電極と、第2の外部電極と接続されている第2の内部電極と、に分けることができ、ここでこれらの第1の内部電極および第2の内部電極の数は必ずしも同じでなくともよい。

0011

上記の圧電材料内に配設されている内部電極(複数)を有する上記のセンサは、上述の欠点を克服することができる。上記の圧力印加用に設けられている側面は、上記の圧電材料から成っていてよい。この圧電材料は、恒常的な負荷圧力変化に際して、金属材料よりも顕著に高い負荷耐性を備え得るので、これよりこのセンサの寿命を長くすることができる。さらに、上記の圧電材料は、極めて良好な平坦性で製造することができ、これより上記の圧力印加用に設けられる面に凹凸が無く、そしてこれにより測定誤差が全く生じ得ない。

0012

このセンサ上に作用する圧力を増幅する、1つの機械的増幅システムの取り付けも容易である。とりわけ有利なことは、上記の基体の側面への、このシステムの取り付けが上記の内部電極に対して平行になっていることである。

0013

上記のセンサのもう1つの利点は、その改善された設計自由度である。このセンサによって生成される出力信号は、多様な数の内部電極によって、所望に制御することができる。具体的にはこの際、この信号の電流またはこの信号の電圧を増大することができる。

0014

さらにこのセンサは、1つの第1の外部電極および1つの第2の外部電極を備えてよい。上記の少なくとも2つの内部電極の各々は、この第1の外部電極またはこの第2の外部電極と接続されていてよい。この第1の外部電極は、上記の基体の第1の側面に配設されていてよい。この第2の外部電極は、上記の基体の第2の側面に配設されていてよい。この第1の側面も、またこの第2の側面も、上記の圧力印加用に設けられているものではない。これに対応して、これら第1および第2の側面は、上記の圧力印加用に設けられている側面と異なり、具体的にはこの圧力印加用の側面に対して垂直に配設されている。これらの第1および第2の側面は、互いに反対側にあってよい。

0015

上記の第1の外部電極は、上記の少なくとも2つの内部電極に対して垂直に配設されていてよい。上記の第2の外部電極は、上記の少なくとも2つの内部電極に対して垂直に配設されていてよい。

0016

上記の圧力は上記の内部電極(複数)に対して垂直な方向に作用するので、この圧力は、これと同じ方向に延伸する上記の外部電極に極小の力を印加する。

0017

上記の圧力印加用に設けられている上記の基体の側面は、上記の少なくとも2つの内部電極に対して平行に配設されていてよい。これに対応して上記の圧力は、この側面に最大の力を印加する。

0018

さらに上記のセンサは、上記の少なくとも2つの内部電極と接続されている分析ユニットを備え、この分析ユニットは、上記の基体に作用する圧力を確定するように構成されている。この際上記の少なくとも2つの内部電極は、この分析ユニットを介して相互に電気的に接続することができ、ここでこの分析ユニットは、これら少なくとも2つの内部電極の間に流れる電流を測定し、そしてこれからこの基体に作用している圧力を確定するように構成されている。代替としてこの分析ユニットは、これら少なくとも2つの内部電極の間に印加される電圧を測定し、そしてこれからこの基体に作用する圧力を確定するように構成されていてよい。

0019

上記の分析ユニットの構成に応じて、上記のセンサは、上記の基体に作用する圧力の結果生じる電気信号の電流または電圧が特に大きくなるように構成することができる。大きな電圧は、少ない数の内部電極の際に生じる。大きな電流は、大きな数の内部電極の際に生じる。

0020

上記の圧電性の基体は、チタン酸ジルコン酸鉛を含んでよい。代替としてこの圧電基体は、他の圧電材料、たとえば圧電性の石英を含んでよい。上記の内部電極(複数)は、銀,銀−パラジウム,または銅を含んでよく、あるいはこれらの材料の1つから成っていてよい。

0021

上記の第1および第2の外部電極は、部分的にガラスを含む、銀,銀−パラジウム,または銅、を含むかまたはこれらからなる1つの焼成メタライジング部を備えてよい。さらに上記の第1および第2の外部電極は、CuAgまたはCrNiAgを含むスパッタ層を備えてよい。

0022

1つの実施形態例によれば、本発明によるセンサは、1つの機械的増幅システムを備えてよく、この機械的増幅システムは、このセンサに作用する圧力の結果生じるこの機械的増幅システムの変形を上記の基体の変形に変換するように構成されている。

0023

この際この機械的増幅システムは、圧力印加用に設けられている上記の基体の側面上に配設されている。さらにこのセンサは、1つの第2の機械的増幅システムを備えてよく、この第2の機械的増幅システムは、上記の圧力印加用に設けられている側面の反対側にある側面上に配設されている。

0024

上記の機械的増幅システムは、上記の基体に固定されている1つの第1の領域、およびこの基体から離間しかつこの基体に対して相対的に移動可能な1つの第2の領域を備える。

0025

もう1つの態様によれば、本発明は圧力を測定するための方法に関する。

0026

本発明は、1つのセンサを用いて圧力を測定する方法を提示し、ここでこのセンサは、1つの基体を備え、この圧力センサは1つの基体を備え、ここでこの基体は、1つの圧電材料,この圧電材料内に配設された少なくとも2つの内部電極,1つの第1の外部電極,および1つの第2の外部電極を備え、これら少なくとも2つの内部電極の各々は、この第1の外部電極またはこの第2の外部電極と接続されており、この第1の外部電極は、この基体の1つの第1の側面上に配設されており、この第2の外部電極は、この基体の1つの第2の側面上に配設されており、そしてさらにこの基体は、この第1の外部電極およびこの第2の外部電極が存在しない、1つの第3の側面を備える。本方法では、測定される圧力はこの第3の側面に印加される。

0027

具体的には、上述のセンサは、以下に説明する態様の方法に対して使用することができる。これに対応して、上記のセンサに対して開示された構造的および機能的な特徴全ては、この方法にも当てはまるものである。

0028

以下に説明する方法では、測定される圧力は、この基体の電極の存在しない側面上に印加される。これにより様々な利点を達成することができる。上記の圧力印加用に設けられている第3の側面は、上記の圧電材料から成っていてよい。この圧電材料は、恒常的な負荷圧力変化に際して、金属材料よりも顕著に高い負荷耐性を備え得るので、これよりこのセンサの寿命を長くすることができる。さらに、上記の圧電材料は、極めて良好な平坦性で製造することができ、これより上記の圧力印加用に設けられる面に凹凸が無く、そしてこれにより測定誤差が全く生じ得ない。

0029

さらに上記の第3の側面に印加される圧力の結果、上記の少なくとも2つの内部電極の間に電圧が発生し、ここでこのセンサは、さらに上記の少なくとも2つの内部電極と接続されている1つの分析ユニットを備えてよい。本方法は、上記の基体に作用する圧力を、この分析ユニットによって測定された電流に基づいて、またはこの分析ユニットによって測定された電圧に基づいて確定するステップを備えてよい。

0030

上記の圧力が印加される側面上には、1つの機械的増幅システムが配設することができる。この機械的増幅システムは、この機械的増幅システムに作用する圧力が、この機械的増幅システムを変形するように構成されていてよく、ここでこの機械的増幅システムの変形は、上記の基体の変形となる。具体的にはここでこの基体は伸びるように引っ張られるか、または縮むように圧縮される。この機械的増幅システムは、この機械的増幅システムに印加された圧力が上記の基体の変形となり、これが、同じ圧力がこの基体に直接印加された場合にこの基体に生じ得る変形よりも約10倍大きな変形となるように構成することができる。
この機械的増幅システムは、1つの円錐台形状の部品、たとえばチタンからなる金属板を備えてよい。

0031

上記の機械的増幅システムは、上記の基体に固定されている1つの第1の領域、およびこの基体から離間して配設されている1つの第2の領域を備える。この第2の領域は、この基体に対して相対的に移動することができる。

0032

以下では、図を参照して、本発明を詳細に説明する。

図面の簡単な説明

0033

従来技術で公知のモノリシックなセンサを示す。
1つのセンサの1つの第1の実施形態例を示す。
圧力作用下での1つの圧電材料の分極の変化を概略的に示す。
1つのセンサの1つの第2の実施形態例を示す。
1つのセンサの1つの第3の実施形態例を示し、この実施形態は1つの機械的増幅システムを備える。

0034

図2は、1つの第1の実施形態例による、1つのセンサ1を示す。このセンサ1は、1つの基体2を備え、この基体は1つの圧電材料13を備える。この基体2内には、第1の内部電極(複数)3および第2の内部電極(複数)4が配設されている。この際これらの内部電極3,4は、それぞれこの圧電材料13の層(複数)の間に配設されている。

0035

これらの第1の内部電極3は、1つの第1の外部電極5と電気的に接続されている。この第1の外部電極5は、基体2の第1の側面6上に配設されている。ここでこの基体2の第1の側面6ならびにこの第1の外部電極5は、内部電極(複数)3,4に対して垂直になっている。さらに第1の内部電極3は、第1の側面6の反対側にある第2の外面7に対して後退している。この第2の側面7上には、1つの第2の外部電極8が配設されている。第1の内部電極3は、この第2の外部電極8とは接続されていない。

0036

第2の内部電極(複数)4は、1つの第2の外部電極8と電気的に接続されている。これらの内部電極4は、第1の側面6に対して後退しており、そしてこれに対応して、第1の外部電極5とは電気的に接続されていない。

0037

内部電極(複数)3,4に対して垂直になっている積層方向Sにおいて、第1の内部電極(複数)3と第2の内部電極(複数)4とは交互になっており、ここでそれぞれ2つの内部電極3,4の間に、圧電材料13から成る1つの層が配設されている。

0038

さらに基体2は、圧力印加用に設けられている、少なくとも1つの側面9,10を備える。圧力がこの基体2に作用する方向は、図1においては2つの対応する矢印によって示されている。これらの圧力印加用に設けられている側面9,10は、内部電極3,4に対して平行に延伸している。図1に示すセンサでは、上側の側面9および下側の側面10がこの圧力印加用に設けられている。

0039

ここで圧力が上記の圧力印加用に設けられている側面9に作用すると、これよりこの圧力は、基体2の圧電材料13に作用する。以上により、圧電効果のために、この圧力の作用下で、この圧電材料13の分極が変化される。これには、この圧電材料13内で発生する電荷の集合が関係しており、この電荷は内部電極3,4を介して放電され得る。このセンサ1に作用する圧力が大きくなるほど、より多くの電荷がこの基体2内に生成され、そしてこれらの内部電極3,4を介してそれぞれの外部電極5,8に放電される。

0040

基体2内に生成される電界と、この基体2に印加される圧力との間の関係は、以下の2つの式(1)および(2)によって記述される。

s = d33E + s33T (1)
D = ε33ε0E + d33T (2)

ここでsは基体2の機械的伸長を与え、Dは電束密度を与え、Eは圧電効果の結果生じる電界の電界強度を与え、Tは基体に作用する機械的応力を与え、dはこの基体2の圧電材料13の圧電定数を与え、ε33およびε0は誘電定数を与え、そしてs33はコンプライアンスを与える。さらにこれらの式(1)および(2)においては、圧力軸分極軸、および検出軸がそれぞれ一致して、積層方向Sにあり、この積層方向はここでは33方向としても示されている。

0041

ここで上記の生成された電界が測定されると、これから基体2に作用している圧力を計算することができる。この電界を測定するために、外部電極5,8に印加される電圧か、またはこれらの外部電極5,8を短絡した際に流れる電流の電流強度が測定されてよい。

0042

図3には、圧電材料13の分極方向12が、圧力作用下で変化することが示されている。部分図iは、圧力の作用無しの場合の分極を示し、部分図iiは圧力作用有りの場合の分極を示す。

0043

図4は、センサ1を用いた圧力測定のための1つの可能な構成を示し、ここでは1つの第2の実施形態例による1つのセンサ1が用いられている。この第2の実施形態例によるセンサ1は、第1および第2の内部電極3,4の数が、上記の第1の実施形態例によるセンサ1と異なっている。

0044

さらにこのセンサ1は1つの電子分析ユニット11と接続されている。図4に示す実施形態例によれば、第1の外部電極5および第2の外部電極8は、この電子分析ユニット11を介して互いに電気的に接続されている。これに対応して、圧力が基体2に作用した場合に、この第1の外部電極5からこの分析ユニット11を介して第2の外部電極8まで電流が流れる。この分析ユニット11は、この電流の電流強度を測定するように構成されている。この測定値から基体2に作用している圧力を計算することができる。

0045

1つの代替の実施形態例によれば、第1の外部電極5および第2の外部電極8は、この分析ユニット11を介して互いに短絡されない。この場合この分析ユニット11は、これら2つの外部電極5,8の間に印加される電圧を確定し、そしてこれから基体2に作用している圧力を計算することができる。

0046

本願に記載する、基体2内に配設された内部電極3,4を有するセンサ1は、図1に示すモノリシックなセンサ101に対して顕著な利点を備える。具体的には、このセンサ1は、圧力負荷が、外部電極5,8が存在する側面6,7に作用しないように構成されている。上記の圧力印加用に設けられている側面9,10は、1つの電気的に絶縁性の圧電材料13から成っている。このため、リーク電流を避けるための追加的な絶縁層は全く必要でない。さらにこれらの圧力印加面上には電気的接続部が全く無く、これによりこれらの面は全面的に圧力負荷を受けることができる。これに対し、外部電極が上記の圧力印加用の側面に設けられていると、これよりこの面の一部は、これらの外部電極の電気的接続のために使用されなければならない。

0047

この圧力印加用に設けられている側面は、圧電材料13から成っているので、この側面は高い平坦性で製造することができ、これからとりわけ高い測定精度がもたらされ得る。圧電材料13からなる面(複数)は、金属で製造可能な面よりも少ないコストで非常に良好な平坦性で製造することができる。さらに圧電材料13は、負荷圧力変化に対して極めて耐久性があり、こうして圧電材料13から成る側面は、センサ1の寿命を長くすることができる。

0048

本願に記載するセンサのもう1つの利点は、その改善された設計自由度である。内部電極の数を所望に変更することができることにより、これらの内部電極を介して放電される出力電荷あるいはこれらの内部電極間に印加される電圧を所望に調整することができる。これらの値の間の関係は、以下の式(3)〜(5)で記述される。

Qn = n・Q0 (3)
Un = U0/n (4)
En = (Qn・Un)/2 = (Q0・U0)/2 = E0 (5)

ここでnは、圧電層の数を与える。Qnは、n個の圧電層を有するセンサ1の電荷出力を与える。Q0は、組込まれた内部電極(複数)を有せず、かつ同体積のモノリシックなセンサ101の電荷出力を与える。Unは、外部電極5,8の間に印加される、n個の圧電層を有するセンサ1の、これらの外部電極が互いに短絡されていない場合の開放電圧を与える。U0は、これに対応するモノリシックなセンサ101の外部電極105,108の間に印加される開放電圧を与える。Enは、n個の圧電層を有するセンサ1の出力エネルギーを与え、この出力エネルギーは開放電圧と電荷出力との積に比例している。E0は、モノリシックなセンサ101の出力エネルギーを与える。

0049

上記の式(3)〜(5)は、出力エネルギーEnが内部電極3,4の数に依存しないことを示している。これに対して、電荷出力Qnは、内部電極3,4の数に反比例している。この電荷出力Qnは、実質的に2つの外部電極5,8を接続した場合の電気信号の電流値を確定し、内部電極の数に直接比例している。上記の出力電流の電流値に基づいた測定が行われることになる分析ユニット11用には、したがって多数の内部電極3,4を有するセンサが有利である。これはここで大きな出力電流値が達成されるからであり、これによってこのセンサ1の感度を大きくすることができるからである。これに対して、分析ユニット11が上記の出力電圧に基づいて測定するセンサ1用には、少ない数の内部電極3,4を有するセンサ1が有利である。これはこのようにして最大の感度を達成することができるからである。

0050

図5は、センサ1の1つの第3の実施形態例を示す。このセンサ1は、上記の第1および第2の実施形態例によるセンサ1とは対照的に、追加として1つの機械的増幅システム14を備える。この機械的増幅システム14は、このセンサ1に印加された圧力を増幅することを可能とする。

0051

この機械的増幅システム14は、1つの円錐台形状の部品15を備え、この部品は、基体2の上側の側面9上に固定されている。たとえばこの円錐台形状の部品15は、この上側の側面9上に接着固定されている。

0052

この円錐台形状の部品15は、1つの第1の領域17を備え、この第1の領域は上側の側面9に固定されている。この第1の領域17は、この円錐台形状の部品15の縁部領域である。さらにこの円錐台形状の部品15は、上記の上側の側面から離間している1つの第2の領域16を備える。この第2の領域16は、基体2に向かって、あるいはこの基体2から離れるように移動することができる。この第2の領域16上に力が、たとえば圧力によって印加されると、これによってこの第2の領域16は、上側の側面9の方向に移動し、これにより上記の第1の領域17は、径方向で外側に伸張する。以上によりこの基体2を、伸びるように引っ張ることができる。

0053

具体的には、上記の機械的増幅システム14は、この増幅システム14上に作用する圧力が、この機械的増幅システム14の変形をもたらすような構造となっている。この機械的増幅システム14は、上側の側面9に固定されているので、この増幅システム14の変形は、基体2が伸びるように引っ張られるか、または縮むように圧縮されるように作用する。この機械的増幅システム14は、この基体2の変形を、たとえば力が直接基体2に作用した場合にこの基体2に生じ得る変形に対して約10倍とすることができる。

0054

上記で既に説明したように、機械的増幅システム14は、上側の側面9に固定されている、すなわち外部電極5,8が存在しない側面に固定されている。このようにして、これらの外部電極5,8が、この機械的増幅システム14によって損傷され得ないことを確実にすることができる。

0055

さらに下側の側面10上には、1つの第2の機械的増幅システム14が配設されており、この機械的増幅システムは、上述の増幅システム14と同構造になっている。

0056

1 :センサ
2 :基体
3 : 第1の内部電極
4 : 第2の内部電極
5 : 第1の外部電極
6 : 第1の側面
7 : 第2の外面
8 : 第2の外部電極
9 :圧力印加用に設けられている上側の側面
10 : 圧力印加用に設けられている下側の側面
11 :分析ユニット
12 :分極方向
13 :圧電材料
14 :機械的増幅システム
15 :円錐台形状の素子
16 : 第2の領域
17 : 第1の領域

101 :モノリシックなセンサ
102 : 基体
105 : 外部電極
108 : 外部電極
109 : 上側の側面
110 : 下側の側面

S : 積層方向

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