力を検出する圧力センサ

著者らは特許

G01L1/14 - 電気的素子の容量またはインダクタンスの変化の測定によるもの,例.電気的発振器の周波数の変化を測定するもの
G01L1/16 - 圧電装置の特性を利用するもの

の所有者の特許 JP2016528511:

セラムテック ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングCeramTec GmbH

 

本発明は、圧電材料からなる圧力センサによって力を測定する方法、装置、及び使用に関する。測定のために電荷増幅器を不要にし、これによって測定システム全体を小型化するために、力を測定するために圧力センサの静電容量の変化を使用する。

 

 

本発明は、圧電材料からなる圧力センサによって力を測定する方法、装置、及び使用に関する。
従来技術では、例えば水晶ロードセルや圧電センサの場合に該当するように、誘導された電荷によって力が求められる。このためには、測定技術的な評価のために電荷増幅器が必要となる。
本発明の基礎となる課題は、請求項1の上位概念に記載の方法を改良して、測定のために電荷増幅器が不要となり、これによって測定システム全体が小型化されるような方法を提供することである。
上記の課題は、本発明によれば、請求項1に記載の特徴によって解決される。
力を測定するために圧力センサの静電容量の変化を使用することによって、測定のために電荷増幅器が不要となり、これによって測定システム全体が小型化される。
外乱を排除するために、静電容量の測定を、所定の測定周波数においてロックイン処理後に実施することが好ましい。測定周波数は、好ましくは800Hz〜1.2kHzの間にあり、特に好ましくは1kHzである。
上述した方法を実施するための本発明に係る圧力センサは、好ましくは、圧電材料が硬性材料であること、すなわち200〜2000の範囲、特に好ましくは400〜1200の範囲の高い機械的品質係数を有する材料であって、室温において1.5kV/mmを上回る保磁力、好ましくは2kV/mmを上回る高い保磁力を有する材料であることを特徴としている。
圧力センサは、分極済み又は未分極とすることができる。分極済みの圧力センサは、衝撃によって測定が開始され、これによってエネルギが節約されるという利点を提供する。分極済みの圧力センサは、静電容量の急峻な上昇を有する。未分極の圧力センサは、所定の開始負荷を超えると顕著な線形の推移を有する(図5参照)。従って、分極済みの圧力センサは、力の検出がより簡単であるという利点を有し、未分極の圧力センサは、力の検出がより精確であるという利点を有する。静電容量によって力を測定するために、両方の形式の圧力センサを電子技術的に結合することによって2つの効果を組み合わせることが考えられる。
従って、力の測定を、分極済みの圧力センサと未分極の圧力センサとを同時に用いて実施し、これら2つの圧力センサの静電容量を、電子技術的な結合部へと供給すると有利である。
圧力センサは、面取りされた縁部を備える円形のプレートであることが好ましい。
測定信号は、評価ユニットに無線で送信されることが好ましい。
本発明によれば、圧力センサは、医療用途用の負荷信号を測定するため、又は、産業用途用の負荷信号を測定するため、又は、消費者用途用の負荷信号を測定するため、又は、自動車用途用の負荷信号を測定するために使用される。
負荷Tと静電容量Cとの関係を示すグラフである。 材料の導電率による損失を示すグラフである。 ヒステリシス効果による損失を示すグラフである。 静電容量の変化を示すグラフである。 静電容量の変化を示すグラフである。 医療用測定システムのブロック図である。
測定原理は、圧縮負荷が加えられた、圧電材料からなる圧力センサの静電容量を測定することに基づく。圧縮負荷時には圧電式の圧力センサが収縮し、これによって静電容量が変化する。この関係性から、測定された静電容量に基づいて、負荷時に印加された力又は圧力を求めることができる(図1参照)。静電容量の変化は、強誘電成分と幾何学成分とから構成されており、ここでは強誘電成分、すなわち誘電率の変化が支配的であり、信号強度を決定づけている。
静電容量によって直接的に力を測定すれば、電荷増幅器が不要となり、これによって測定システムを格段に小型化することが可能となる。
圧電効果を利用する場合、材料の導電率による損失(図2参照)と、ヒステリシス効果による損失(図3参照)とが発生する。静電容量の測定は、所定の測定周波数、好ましくは800Hz〜1.2kHzの間、特に好ましくは1kHzの測定周波数においてロックイン処理後に実施され、これによって他の外乱が遮断される。
センサには、軟性の強誘電材料も硬性の強誘電材料も使用することができる。
研究の結果、硬性の圧電材料の場合には、印加された圧力と測定された静電容量との間に良好な線形挙動があることが判明した。
硬性の圧電材料とは、200〜2000の範囲、好ましくは400〜1200の範囲の高い機械的品質係数を有する材料であって、室温において1.5kV/mmを上回る保磁力、好ましくは2kV/mmを上回る保磁力を有する材料であると理解される。
硬性の圧電セラミックスの場合にはさらに、感度が格段に高い(図4参照)。その結果、より簡単な測定技術で負荷が求められるという利点が生じる。
適用のために、分極済みの圧力センサが使用される。なぜなら、分極済みの圧力センサによれば、衝撃によって測定を開始することができると同時に、これによってエネルギを節約することができるからである。それでもなお、純粋に静電容量を測定するために、未分極の圧力センサを使用することも可能である。分極済みの圧力センサが静電容量の急峻な上昇を有する一方で、未分極の圧力センサの場合には、所定の開始負荷を超えると顕著な線形の推移が生じる(図5参照)。従って、分極済みの圧力センサは、力の検出がより簡単であるという利点を有し、未分極の圧力センサは、力の検出がより精確であるという利点を有する。静電容量によって力を測定するために、両方の形式の圧力センサを電子技術的に結合することよって2つの効果を組み合わせることが考えられる。
圧力センサの実施形態は、例えば円形のプレートの形態で実現することができる。面取りされた縁部を備える圧力センサを使用すると、圧縮負荷時の安定性が向上する。硬性の圧電セラミックスを選択することによって、測定された静電容量と負荷との間により良好な線形の関係性を実現することができた。
本発明はとりわけ以下のものに関する:
・力を測定するために誘電率の変化が使用されることを特徴とする、力を測定する圧力センサ。
・使用される材料が、圧電材料/強誘電材料であり、力の変化が分極の変化を引き起こし、これによって誘電率の変化が測定可能となることを特徴とする、力を測定する圧力センサ。
・電荷生成を可能にするために、分極済みの強誘電材料が使用されることを特徴とする、力を測定する圧力センサ。
・負荷が加えられると電荷を生成することによって測定用回路を作動させる(“トリガ信号”)、力を測定する圧力センサ。この回路は、負荷が加えられる前にはエネルギの節約のために休止状態にある。
・負荷信号をより良好に測定するために未分極の圧電セラミックスを含む、力を測定する圧力センサ。
・測定を“トリガ信号”から分離するための、同じ材料又は別の材料からなる分極済みの強誘電体と未分極の強誘電体とからなる組み合わせ。
・温度やその他の環境要因を除去するために、同じ種類又は別の種類の1つ又は複数のさらなる別の強誘電性要素を、負荷を加えないで維持することを特徴とするシステム。負荷が加えられない要素の静電容量を測定することによって、例えば温度要因を除去することができる。
・医療用途用の負荷信号を測定するためのシステム。
・産業用途用の負荷信号を測定するためのシステム。
・消費者用途用の負荷信号を測定するためシステム。
・自動車用途用の負荷信号を測定するためのシステム。
・分極済みの強誘電体によって測定に必要なエネルギが生成されることを特徴とする、システム(“エネルギーハーベスト[環境発電]”)。
・測定信号が評価ユニットに無線で送信されることを特徴とする、システム。
以下では本発明を、1つの実施例に基づいてより詳細に説明する。
実施例:
医療用負荷センサ
この用途は、例えば足などの四肢の負荷を記録するための医療用測定システムである。圧力センサは、足の下に位置しており、足の負荷時に発生する力を検出し、無線接続を介して記憶媒体に送信する。静電容量による静的及び動的な力の測定値を把握し、例えば温度などの外乱を排除することによって、治癒の進行具合を監視することが可能である。治癒過程の測定データに基づいて介入することも可能である(図6参照)。



  1. 圧電材料からなる圧力センサによって力を測定する方法において、
    力を測定するために、前記圧力センサの静電容量の変化を使用する、
    ことを特徴とする方法。

  2. 前記静電容量の測定を、所定の測定周波数においてロックイン処理後に実施する、
    請求項1記載の方法。

  3. 前記測定周波数は、800Hz〜1.2kHzの間にある、
    請求項2記載の方法。

  4. 前記力の測定を、分極済みの圧力センサと未分極の圧力センサとを同時に用いて実施し、これら2つの圧力センサの静電容量を、評価ユニット内の電子技術的な結合部へと供給する、
    請求項1から3のいずれか1項記載の方法。

  5. 請求項1から4のいずれか1項記載の方法を実施するための、力を測定する圧力センサであって、
    前記圧電材料は、硬性材料であり、すなわち200〜2000の範囲、好ましくは400〜1200の範囲の高い機械的品質係数を有し、室温において1.5kV/mmを上回る保磁力、好ましくは2kV/mmを上回る保磁力を有する、
    ことを特徴とする圧力センサ。

  6. 前記圧力センサは、分極済み又は未分極である、
    請求項5記載の圧力センサ。

  7. 前記圧力センサは、面取りされた縁部を備える円形のプレートである、
    請求項5又は6記載の圧力センサ。

  8. 測定信号は、評価ユニットに無線で送信される、
    請求項5から7のいずれか1項記載の圧力センサ。

  9. 請求項5から8のいずれか1項記載の圧力センサを、医療用途用の負荷信号を測定するため、又は、産業用途用の負荷信号を測定するため、又は、消費者用途用の負荷信号を測定するため、又は、自動車用途用の負荷信号を測定するために使用する、
    圧力センサの使用。

 

 

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