DE4016690A1

DE4016690A1 - Beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE4016690A1
Application number: DE4016690A
Authority: DE
Inventors: Shunichi Wada; Masayuki Yano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-05-24
Filing date: 1990-05-23
Publication date: 1990-11-29
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: GB2231965A; KR900020797U; US5088326A; GB9011387D0; DE4016690C2; KR930001165Y1; GB2231965B

Description

Die Erfindung betrifft piezoelektrische Beschleunigungs messer, insbesondere zur Messung von Schwingungen bzw. des Fahrkomforts von Kraftfahrzeugen.

Piezoelektrische Beschleunigungsmesser werden konventionell Messung der Schwingungen oder des Fahrkomforts von Kraft fahrzeugen verwendet. Es soll zuerst der Gesamtaufbau eines piezoelektrischen Beschleunigungsmessers unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben werden, die im übrigen den Grundauf hau des Beschleunigungsmessers nach der Erfindung zeigt.

Nach Fig. 1 ist in einem elektrisch leitenden Gehäuse 1 eine Isolierplatte 9 aufgenommen, auf der ein Gewicht 2 und ein piezoelektrisches Element 4 mittels einer Befestigungs schraube 5, die durch das Gewicht 2 und das Element 4 ver läuft, und einer auf die Schraube 5 gedrehten Mutter 15 befestigt sind. Die Isolierplatte 9 ist eine Leiterplatte aus einem Epoxidharz oder aus Keramik. Das zwischen seiner oberen und seiner unteren Elektrode 3 a und 3 b gehaltene piezoelektrische Element 4 ist am Gehäuse 1 über die Iso lierplatte 9 befestigt. Die untere Elektrode 3 b liegt an der Isolierplatte 9 an, und die obere Elektrode 3 a ist zwi schen dem Gewicht 2 und dem piezoelektrischen Element 4 gehalten; die Elektroden 3 a und 3 b sind über die entspre chenden Ausgangsleiter 13 und 14 des piezoelektrischen Ele ments mit den Eingängen eines Ladungsverstärkers 6 elek trisch verbunden.

Der auf der Isolierplatte 9 angeordnete Ladungsverstärker 6 bewirkt eine Vorverstärkung des Ausgangs- oder Meßsignals des piezoelektrischen Elements 4. Der Ladungsverstärker 6 dient dem Zweck der Verminderung nachteiliger Auswirkungen von Geräuschen und Schwingungen auf den Spannungsversor gungspegel. Ein ebenfalls auf der Isolierplatte 9 angeord neter Verstärker 7 verstärkt das Ausgangssignal des La dungsverstärkers 6. Der Ausgang des Verstärkers 7 ist über einen drei Anschlüsse aufweisenden Kondensator 8 b elek trisch mit einem Durchführungskondensator 10 b und über eine Zuleitung 33 mit dem Eingang einer Steuereinrichtung 11 gekoppelt.

Eine Stabilisierungsspannungsquelle 12, die einen Stabi lisierungsspannungskreis (nicht gezeigt) der Steuereinrich tung 11 umfaßt, liefert eine Versorgungsspannung an den piezoelektrischen Beschleunigungsmesser über eine Span nungszuführung 31, einen Durchführungskondensator 10 a und einen drei Anschlüsse aufweisenden Kondensator 8 a. Der ge erdete negative Anschluß der Stabilisierungsspannungsquelle 12 ist mit dem elektrisch leitfähigen Gehäuse 1 über einen Erdleiter 32 gekoppelt. Ferner ist das Gehäuse 1 über den Erdleiter 16 mit der Isolierplatte 9 gekoppelt. Somit er folgt die Erdung der elektronischen Schaltkreise auf der Isolierplatte 9 über elektrische Anschlüsse an das Gehäuse 1 und damit an den Erdungsleiter 32 der Steuereinrichtung 11, und die elektronische Schaltung des Beschleunigungs messers ist in dem elektrisch leitfähigen Gehäuse 1 voll ständig eingeschlossen; dies führt zu einem Abschirmeffekt für die im Gehäuse befindliche elektronische Schaltung des Beschleunigungsmessers und dient somit der Unterdrückung der nachteiligen Auswirkungen externer Störungen.

Der konventionelle piezoelektrische Beschleunigungsmesser ist jedoch mit dem Problem behaftet, daß die Montage um ständlich ist. Die elektrischen Anschlüsse zwischen dem Ladungsverstärker 6 und den Elektroden 3 a und 3 b des piezo elektrischen Elements 4 erfolgen durch die Zuleitungen 13 und 14; dies ist ein schwieriger und zeitaufwendiger Vor gang. Ferner tragen die Schritte zur elektrischen Abschir mung und zum Wasserdichtmachen des Gehäuses 1 zu dem für die vollständige Montage erforderlichen Zeit- und Arbeits aufwand bei. Ein weiterer Nachteil des piezoelektrischen Beschleunigungsmessers resultiert daraus, daß die elektri schen Eigenschaften des piezoelektrischen Elements 4 und der Schaltungsbauteile des Ladungsverstärkers 6 usw. tem peraturabhängig sind und sich mit der Temperatur ändern. D. h., Änderungen der Umgebungstemperatur führen zu Ände rungen der elektrostatischen Kapazität des piezoelektri schen Elements 4 und der elektrischen Eigenschaften der Schaltungsbauteile des Ladungsverstärkers 6 usw. Somit ändert sich die Ausgangsspannung des Beschleunigungsmes sers, die ein und derselben Beschleunigung entspricht, mit einer Änderung der Umgebungstemperatur; das bedeutet, daß eine Temperaturänderung zur Bildung eines Fehlers in der Ausgangsspannung des Beschleunigungsmessers führt.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines piezoelektrischen Beschleunigungsmessers, der in einfacher Weise mit vermindertem Arbeits- und Zeitaufwand montierbar ist. Dabei soll eine Konstruktion des piezoelektrischen Beschleunigungsmessers angegeben werden, bei der die elek trischen Anschlüsse zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Ladungsverstärker während der Montage einfach her gestellt werden können. Ferner soll es möglich sein, mit diesem Beschleunigungsmesser die Montageleistung zu erhö hen, ohne daß der Abschirmeffekt und die Wasserdichtigkeit des elektrisch leitfähigen Gehäuses beeinträchtigt werden. Im übrigen soll ein piezoelektrischer Beschleunigungsmesser angegeben werden, dessen Meßgenauigkeit durch Änderungen der Umgebungstemperatur nicht merklich beeinträchtigt wird. Da bei einem Beschleunigungsmesser für Kraftfahrzeuge die Umgebungstemperaturänderungen erheblich sind, ist der Aus gleich und die Verminderung des durch Temperaturänderungen hervorgerufenen Meßfehlers sehr wichtig.

Der Beschleunigungsmesser nach der Erfindung umfaßt ein geschlossenes kastenförmiges elektrisch leitfähiges Ge häuse, das geerdet ist; eine in dem elektrisch leitfähigen Gehäuse angeordnete Isolierplatte mit gedruckten Leitern; eine Piezoelementeinrichtung, die auf der Isolierplatte angeordnet ist und ein piezoelektrisches Element, ein Paar von Elektroden, die das piezoelektrische Element zwischen sich halten, und ein Gewicht aufweist zur Erzeugung einer einer Beschleunigung entsprechenden Spannung am piezoelek trischen Element aufgrund einer vom Gewicht nach Maßgabe der Beschleunigung auf das piezoelektrische Element aufge brachten Kraft; und einen Ladungsverstärkerkreis, der auf der Isolierplatte befestigt ist und dessen Eingänge elek trisch mit den Elektroden gekoppelt sind, zur Verstärkung der am piezoelektrischen Element erzeugten Spannung; wobei daß die Elektroden des piezoelektrischen Elements mit Ein gängen des Ladungsverstärkers über das auf der Isolierplat te gebildete Leitermuster elektrisch gekoppelt sind. Be vorzugt ist dabei vorgesehen, daß jede Elektrode des pie zoelektrischen Elements einen Ansatz aufweist, dessen umge bogenes Ende mit einem Anschlußpunkt eines Leiters des Leitermusters auf der Isolierplatte verlötet ist, wobei diese Leiter mit einem Eingang des Ladungsverstärkers elek trisch gekoppelt sind. Dadurch wird die Montageleistung erhöht.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß das elektrisch leitfähige Gehäuse aufweist: ein offenes kastenförmiges Basisteil aus einem elektrisch leitfähigen Material, in dem die Isolier platte aufgenommen ist; einen plattenförmigen Deckel aus elektrisch leitfähigem Material, der eine Öffnung des offenen kastenförmigen Basisteils verschließt; eine elek trisch nichtleitende Dichtung, die zwischen dem Basisteil und dem Deckel angeordnet ist und zwischen beiden eine her metische Abdichtung des elektrisch leitfähigen Gehäuses bewirkt; und Befestigungselemente zum Befestigen des Deckels an dem Basisteil, wobei die Befestigungselemente elektrische Leitermittel zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Deckel und dem Basisteil des elek trisch leitfähigen Gehäuses aufweisen. Ferner ist bevor zugt vorgesehen, daß der Beschleunigungsmesser Durchfüh rungskondensatoren hat, die an dem elektrisch leitfähigen Gehäuse so angeordnet sind, daß hermetisch dichte elek trische Verbindungen durch eine Wand des Gehäuses zwischen einem außerhalb des Gehäuses befindlichen externen Schalt kreis und einer im Gehäuse befindlichen elektronischen Schaltung des Beschleunigungsmessers hergestellt sind, wobei der Deckel des elektrisch leitfähigen Gehäuses eine in einer Außenfläche gebildete Aussparung aufweist und die Durchführungskondensatoren an einer Seitenwand der Ausspa rung so befestigt sind, daß sie in der Aussparung aufge nommen sind. Dadurch wird die Montageleistung erhöht, ohne daß der Abschirmeffekt und die Wasserdichtigkeit des Ge häuses beeinträchtigt werden.

Ferner wird bevorzugt, daß der Ladungsverstärker einen Kon densator mit positivem Kapazitäts-Temperaturkoeffizienten aufweist, der den Elektroden der Piezoelementeinrichtung parallelgeschaltet ist, wobei der Kondensator der Tempera turkompensation im Hinblick auf eine durch eine Änderung der Umgebungstemperatur hervorgerufene Änderung der Aus gangsspannung des Beschleunigungsmessers dient. Allgemein umfaßt der Ladungsverstärker ferner einen dem Kondensator parallelgeschalteten Widerstand und einen Operationsver stärkerkreis, der zwei dem Kondensator und dem Widerstand parallelgeschaltete Eingänge aufweist, umfaßt.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine schematische seitliche Schnittansicht des Beschleunigungsmessers nach der Erfindung, die den Gesamtaufbau zeigt;

Fig. 2 eine teilweise weggeschnittene Perspektivan sicht des Beschleunigungsmessers, wobei die Ausbildung innerhalb des elektrisch leitfähi gen Gehäuses gezeigt ist;

Fig. 3 eine Teilperspektivansicht der Isolierplatte des Beschleunigungsmessers von Fig. 2, wobei die elektrischen Anschlüsse zwischen den Elek troden des piezoelektrischen Elements und dem Ladungsverstärker gezeigt sind;

Fig. 4 ein Schaltbild, das den Schaltungsaufbau des Ladungsverstärkers des Beschleunigungsmessers zeigt; und

Fig. 5a bis 5c Diagramme, die die Änderungsraten verschie dener Faktoren (in bezug auf die auf der Abszisse aufgetragene Temperatur) zeigen, die die Ausgangsspannung des Beschleunigungsmes sers beeinflussen.

Ein Ausführungsbeispiel des Beschleunigungsmessers wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1-5 erläutert.

Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines piezoelektrischen Be schleunigungsmessers für Kraftfahrzeuge. Der Gesamtaufbau entspricht demjenigen von Fig. 1 mit Ausnahme der nachste hend besonders erläuterten Einzelheiten. Hinsichtlich der Beschreibung des Gesamtaufbaus des Beschleunigungsmessers wird somit auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Es ist jedoch in Fig. 1 zu beachten, daß das elektrisch leit fähige Gehäuse 1, das über den Erdungsleiter 32 mit Erde verbunden ist, elektrisch mit den Erdungsleitern der elek tronischen Schaltung auf der Isolierplatte 9 (über den Erdungsleiter 16 in Fig. 1) gekoppelt ist; somit sind die elektronischen Schaltungsteile auf der Isolierplatte 9 durch den Abschirmeffekt des leitfähigen Gehäuses 1 ge schützt, und somit werden die nachteiligen Auswirkungen durch externe Störungen wirksam unterdrückt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 soll der Innenaufbau des Be schleunigungsmessers innerhalb des elektrisch leitfähigen Gehäuses 1 beschrieben werden.

Das elektrisch leitfähige Gehäuse 1 umfaßt ein viereckiges kastenförmiges Basisteil 22 und einen plattenförmigen Deckel 21 (dessen Aufbau nachstehend im einzelnen erläutert wird), der am Basisteil 22 mit Befestigungsschrauben 23 a, 23 b, 23 c und 23 d befestigt ist. Eine ringförmige viereckige Dichtung 28, die z. B. aus synthetischem Gummi oder Harz besteht, ist zwischen dem Basisteil 22 und dem Deckel 21 angeordnet, die beide aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff bestehen; dadurch ist eine wasserdichte Verbin dung zwischen Deckel 21 und Basisteil 22 des elektrisch leitfähigen Gehäuses 1 sichergestellt; die elektrische Verbindung zwischen dem Deckel 21 und dem Basisteil 22 des Gehäuses 1 ist durch die Befestigungsschrauben 23 a-23 d ge währleistet die aus einem elektrischen Leitermaterial be stehen.

Nach Fig. 2 ist die Isolierplatte 9, die z. B. aus einem Epoxidharz oder Keramik besteht, mit Befestigungsschrauben 25 a-25 c an einer Vielzahl von Abstandshaltern 24 a-24 c be festigt, die am Boden des Basisteils 22 des Gehäuses be festigt sind. Somit erfolgen die Erdanschlüsse der elek tronischen Schaltkreise auf der Isolierplatte 9 durch die Schrauben 25 a-25 c und die Abstandshalter 24 a-24 c, die mit dem Gehäuse 1 elektrisch verbunden sind.

Die obere und die untere Elektrode 3 a und 3 b des piezoelek trischen Elements 4 sind, wie Fig. 2 zeigt, über die Zu leitungen 13 bzw. 14 mit den beiden Eingängen des Ladungs verstärkers 6 verbunden. Die genaue Ausbildung der Zulei tungen 13 und 14 ist perspektivisch in Fig. 3 zu sehen. Dabei umfassen die obere und die untere Elektrode 3 a und 3 b des piezoelektrischen Elements 4 jeweils einen integral geformten Ansatz 30 a und 30 b; die abwärts gerichteten je weiligen Enden der Ansätze 30 a und 30 b der Elektroden 3 a und 3 b sind jeweils mit runden Elektroden 29 a und 29 b ver lötet, die an den Enden von gedruckten Leitern 9 a bzw. 9 b auf der Isolierplatte 9 gebildet sind. Die Leiter 9 a und 9 b auf der Isolierplatte 9 sind mit den Eingängen des Ladungs verstärkers 6 verlötet und somit elektrisch damit verbun den. Die Zuleitung 13 nach Fig. 2 besteht aus dem Ansatz 30 a, der runden Elektrode 29 a und dem Leiter 9 a, während die Zuleitung 14 aus dem Ansatz 30 b, der runden Elektrode 29 b und dem Leiter 9 b besteht. Somit kann die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 3 a und 3 b des piezoelek trischen Elements 4 und dem Ladungsverstärker 6 in einfa cher Weise durch Verlöten der Ansätze 30 a und 30 b der Elek troden 3 a und 3 b mit den runden Elektroden 29 a und 29 b der gedruckten Leiter 9 a und 9 b während der Montage des Be schleunigungsmessers hergestellt werden. Dadurch wird die Montageleistung erheblich verbessert. Im übrigen wird der Schaltungsaufbau des Ladungsverstärkers 6 noch unter Be zugnahme auf Fig. 4 erläutert.

Nach Fig. 2 ist der Ausgang des Ladungsverstärkers 6 mit dem Eingang eines auf der Isolierplatte 9 befestigten Ver stärkers 7 verbunden. Die Speisespannungszuleitung 31 und die Ausgangsleitung 33 des Verstärkers 7 sind über die drei Anschlüsse aufweisenden Kondensatoren 8 a und 8 b jeweils elektrisch mit den runden Anschlüssen 27 a und 27 b verbun den, die auf der Isolierplatte 9 gebildet sind. Diese drei Anschlüsse aufweisenden Kondensatoren 8 a und 8 b dienen als Störsignalfilter. Die Rundanschlüsse 27 a und 27 b sind über die Zuleitungen 31 a und 33 a jeweils mit den Innenanschlüs sen der entsprechenden Durchführungskondensatoren 10 a und 10 b verbunden, deren andere (d. h. äußeren) Anschlüsse über die Zuleitungen 31 b und 33 b mit einem elektrischen Verbin der 26 und weiter über die Zuleitungen 31 c und 33 c mit der Steuereinrichtung 11 verbunden sind. Der elektrische An schluß der Zuleitungen 31, 33, 31 a und 33 a an die Rundan schlüsse 27 a und 27 b oder der Zuleitungen 31 a, 33 a, 31 b und 33 b an die jeweiligen Anschlüsse der Durchführungskonden satoren 10 a und 10 b wird durch Löten hergestellt. Der Erdungsleiter 32 der Steuereinrichtung 11 ist über den Ver binder 26 mit dem Deckel 21 des Gehäuses 1 gekoppelt, wobei das Ende des Erdungsleiters 32 am elektrisch leitfähigen Gehäuse 1 auf der Oberfläche des Deckels 21 mit dem Kopf der Befestigungsschraube 23 c befestigt ist. Damit ist das Gehäuse 1 über den Erdungsleiter 32 geerdet, so daß die darin befindlichen elektronischen Schaltkreise des Be schleunigungsmessers abgeschirmt sind.

Wie Fig. 2 deutlich zeigt, hat der Deckel 21 des Gehäuses 1 eine in seiner Oberfläche geformte viereckige Aussparung 21 a zur Aufnahme der Durchführungskondensatoren 10 a und 10 b. Die Durchführungskondensatoren 10 a und 10 b sind durch Löten an einer Seitenwand der Aussparung 21 a befestigt;, daher sind die Kondensatoren 10 a und 10 b in der Aussparung 21 a des Deckels 21 vollständig aufgenommen, so daß nichts von der Oberfläche des Deckels 21 des Gehäuses 1 vorsteht. Diese Anbringung der Durchführungskondensatoren 10 a und 10 b in der Aussparung 21 a des Deckels 21 des Gehäuses 1 bietet zusätzlich zu dem offensichtlichen Vorteil der Vermeidung von Vorsprüngen außerhalb des Gehäuses 1 den folgenden Vor teil: Da die Durchführungskondensatoren 10 a und 10 b an dem Deckel 21 befestigt sind, der vor der Montage des Beschleu nigungsmessers vom Basisteil 22 getrennt ist, kann der Wir kungsgrad des Lötvorgangs der Durchführungskondensatoren 10 a und 10 b verbessert werden. Da ferner die Kondensatoren 10 a und 10 b an dem Deckel 21 befestigt sind, kann das Ver löten der Zuleitungen 31 a und 33 a (die bereits mit den ent sprechenden Anschlüssen der Kondensatoren 10 a und 10 b ver lötet sind) mit den Rundelektroden 27 a und 27 b der Isolier platte 9 durchgeführt werden, bevor die Isolierplatte 9 am Basisteil 22 des Gehäuses 1 befestigt wird. Auch dies trägt zur Verbesserung der Montageleistung bei. Ferner ist zu beachten, daß die Luft- und Wasserdichtigkeit des elek trisch leitfähigen Gehäuses 1 verbessert wird, da der Deckel 21 des Gehäuses 1 auf dem Basisteil 22 unter Zwi schenfügung der Dichtung 28 montiert ist und die Durch führungskondensatoren 10 a und 10 b mit dem Deckel ohne jeden Spielraum zwischen dem Deckel 21 und den Kondensatoren 10 a und 10 b verlötet sind.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird der Schaltungsaufbau des Beschleunigungsmessers erläutert.

Nach Fig. 4 umfaßt der Ladungsverstärker 6 einen Konden sator C 1 und einen Widerstand R 3, die als Parallelkreis der oberen und der unteren Elektrode 3 a und 3 b des piezoelek trischen Elements 4 parallelgeschaltet sind, wobei der mit der Elektrode 3 b verbundene Anschluß des Widerstands R 3 an einen Zwischenpunkt eines Spannungsteilers gekoppelt ist, der aus reihengeschalteten Widerständen R 1 und R 2 besteht und mit der Spannungsquelle und Erde parallel geschaltet ist. Somit wird das Potential der Elektrode 3 b auf einem vorbestimmten Pegel in bezug auf Erde gehalten, der durch den Spannungspegel der Spannungsquelle und das Widerstands verhältnis der Spannungsteilerwiderstände R 1 und R 2 be stimmt ist. Ferner ist der nichtinvertierende (positive) Eingang eines Operationsverstärkers 20, der FET-Eingangs konfiguration hat, mit der oberen Elektrode 3 a des piezo elektrischen Elements 4 verbunden, während der invertie rende (negative) Eingang des Operationsverstärkers 20 mit der unteren Elektrode 3 b des piezoelektrischen Elements 4 über einen Eingangswiderstand R 4 desselben verbunden ist. Ferner ist der Ausgang des Operationsverstärkers 20 über einen Rückkopplungswiderstand R 5 mit seinem invertierenden Eingang verbunden. Es ist zu beachten, daß die Regelver stärkung dieser invertierenden Verstärkerkonfiguration des Operationsverstärkers 20 durch das Verhältnis zwischen Rückkopplungswiderstand R 5 und Eingangswiderstand R 4 be stimmt ist. Ferner ist zu beachten, daß der Ladungsverstär ker 6 den Kondensator C 1, Widerstände R 1- R 5 und den Opera tionsverstärker 20 umfaßt.

Bei dem obigen Schaltungsaufbau des Ladungsverstärkers 6 ist zu beachten, daß der nichtinvertierende und der inver tierende Eingang des Operationsverstärkers 20 mit FET-Ein gangskonfiguration miteinander über den Widerstand R 3 ge koppelt sind, so daß die Potentiale beider Eingänge des Operationsverstärkers 20 sich gleichzeitig verriegelt ändern, wenn sich die Speisespannung ändert; damit wird die nachteilige Auswirkung einer Änderung der Speisespannung vermindert. Andererseits ist der Kondensator C 1 in den Schaltkreis eingefügt, um die Zeitkonstante des Eingangs kreises des Ladungsverstärkers 6 zu erhöhen, wodurch die vom Beschleunigungsmesser aufgenommene niedrigste Beschleu nigungsfrequenz verringert wird. Wie noch im einzelnen erläutert wird, hat der Kondensator C 1 ferner eine positive Temperaturkennlinie, so daß die durch eine Änderung der Umgebungstemperatur bewirkte Meßspannungsänderung minimiert wird.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 20, der die Endstufe des Ladungsverstärkers 6 bildet, wird vom Verstär ker 7 verstärkt und über den drei Anschlüsse aufweisenden Kondensator 8 b und den Durchführungskondensator 10 b auf die Ausgangsleitung 33 gegeben. Ferner ist die Spannungsver sorgung zum Ladungsverstärker 6 und zum Verstärker 7 über den drei Anschlüsse aufweisenden Kondensator 8 a und den Durchführungskondensator 10 a mit dem Speisespannungsleiter 31 verbunden.

Die Ausgangsspannung Vout des Beschleunigungsmessers (Fig. 4), die an den Zuleitungen 33 und 32 erzeugt wird, wenn auf das piezoelektrische Element 4 eine Kraft F aufgebracht wird, ist durch die folgende Gleichung gegeben:

wobei
α = eine Konstante,
fr = die Resonanzfrequenz,
kr = der Kopplungskoeffizient,
C 1 = die elektrostatische Kapazität des Kondensators C 1,
C 2 = die elektrostatische Kapazität des Kondensators C 2,
F = die auf das piezoelektrische Element wirkende Kraft,
K = der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 7 und
R 4 und R 5 = die Widerstandswerte des Eingangs- bzw. des Rückkopplungswiderstands R 4 bzw. R 5 des Ladungsverstärkers 6.

Nachstehend wird der Betrieb des Ladungsverstärkers 6 be schrieben, um die jeweiligen Faktoren der obigen Gleichung (1) zu erläutern.

Wenn die aus der Beschleunigung des Gewichts 2 resultie rende Kraft auf das piezoelektrische Element 4 aufgebracht wird, wird an den Elektroden 3 a und 3 b aufgrund der der Beschleunigung entsprechenden Polarisation des Elements 4 eine der Beschleunigung entsprechende Spannung ausgebildet. Diese an den Elektroden 3 a und 3 b sich ausbildende Spannung wird wie folgt geschrieben:

und erscheint als ein Faktor in der obigen Gleichung (1); diese Spannung wird an die Eingänge des Ladungsverstärkers 6 angelegt. Dabei wird die der Beschleunigung entsprechende obige Spannung (2) an die Eingänge der invertierenden Schaltungskonfiguration des Operationsverstärkers 20 mit den Eingangs- und Rückkopplungswiderständen R 4 und R 5 ange legt und daher mit dem Spannungsverstärkungsfaktor ver stärkt, der durch das Verhältnis von R 5 zu R 4 bestimmt ist: (1 + R 5/R 4).

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 20 wird weiter im Verstärker 7 mit einem Spannungsverstärkungsfaktor gleich K verstärkt und auf der Ausgangsleitung 33 des Be schleunigungsmessers über den drei Anschlüsse aufweisenden Kondensator 8 b und den Durchführungskondensator 10 b ausge geben. Damit ist die Ausgangsspannung Vout des Beschleuni gungsmessers durch die obige Gleichung (1) gegeben.

Da der Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts von Wi derständen allgemein klein ist, ist die durch Temperatur änderungen bedingte Änderung des Verstärkungsfaktors, der durch das Verhältnis von R 5 und R 4

(1 + R 5/R 4)

gegeben und durch die invertierende Schaltungsauslegung des Operationsverstärkers 20 mit dem Eingangs- und dem Rück kopplungswiderstand R 4 und R 5 erhalten ist, klein und kann daher bei der Berücksichtigung einer Änderung der durch die Gleichung (1) gegebenen Ausgangsspannung Vout vernachläs sigt werden. Somit ist die Änderung der Ausgangsspannung Vout aufgrund der Temperaturänderung bestimmt durch den Temperaturkoeffizienten des Faktors:

Das heißt, daß die Temperaturänderung der Ausgangsspannung Vout im wesentlichen durch die Temperaturkennlinien des durch (2′) gegebenen Faktors bestimmt ist.

Fig. 5(a) zeigt die Änderungsraten (die auf der Ordinate in Prozent aufgetragen sind) des Kopplungskoeffizienten kr (Vollinie A) und der Quadratwurzel der Kapazität C des piezoelektrischen Elements 4 (Strichlinie B) in bezug auf die (auf der Abszisse aufgetragene) Umgebungstemperatur; daher nimmt die Änderungsrate des Produkts des Kopplungs koeffizienten kr und der Quadratwurzel der Kapazität C des piezoelektrischen Elements 4, wobei das Produkt in der Gleichung (2′) als Zähler erscheint, die durch die Strich punktlinie C wiedergegebene Form an. Andererseits zeigt Fig. 5(b) die Änderungsrate der Resonanzfrequenz fr (Voll linie D) und der Kapazität C 1 (Strichlinie E) in bezug auf die Temperatur; daher nimmt die Änderungsrate des Produkts der Resonanzfrequenz fr und der Kapazität C 1, wobei dieses Produkt als Nenner in der Gleichung (2′) erscheint, die durch die Strichpunktlinie F wiedergegebene Form an. Somit nimmt die Änderungsrate des Quotienten der durch die Kurven C und F bezeichneten Werte, wobei dieser Quotient der ge samten obigen Gleichung (2′) entspricht, die der Vollinie G in Fig. 5(c) entsprechende Form an.

Gemäß der Erfindung wird also die Änderungsrate E der Kapazität C 1 des den Elektroden 3 a und 3 b des piezoelek trischen Elements 4 parallelgeschalteten Kondensators C 1 in bezug auf die Temperatur so gewählt, daß die zusammenge setzte Änderungsrate F des Nenners der Gleichung (2′) nahe zu gleich der zusammengesetzten Änderungsrate C des Zählers in der Gleichung (2′) wird. Gemäß der Erfindung hat die Kapazität des Kondensators C 1 eine positive Temperatur charakteristik (d. h. einen positiven Temperaturkoeffizien ten) vorbestimmter Größe, so daß die zusammengesetzte Än derungsrate C des Kopplungskoeffizienten kr und der Qua dratwurzel der Kapazität C des piezoelektrischen Elements 4 nahezu gleich der zusammengesetzten Änderungsrate F der Resonanzfrequenz fr und der Kapazität C 1 ist. Durch diese Maßnahme kann die schließlich erhaltene zusammengesetzte Änderungsrate G der Gesamtgleichung (2′) in bezug auf die Temperatur eine gemäßigte Charakteristik haben (d. h., der Wert von G kann in einem kleinen Bereich um Null herum gehalten werden); daher kann gemäß der Erfindung ein Be schleunigungsmesser erhalten werden, dessen Meßgenauigkeit durch Temperaturänderungen nicht beeinflußbar ist.

Im übrigen ist zu beachten, daß dann, wenn eine ausreichen de Kompensation der Temperaturcharakteristik nicht aus schließlich durch die positive Temperaturcharakteristik des Kondensators C 1 erreichbar ist, eine weitere Verbesserung der Temperaturcharakteristik des Beschleunigungsmessers dadurch erhalten werden kann, daß in der obigen Gleichung (1) dem Faktor (1 + R 5/R 4) eine kompensierende Temperatur charakteristik gegeben wird. In diesem Fall wird als Wider stand R 4 ein temperaturabhängiger Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandswerts verwendet; alternativ wird als Widerstand R 5 ein temperaturabhängiger Widerstand (ein Thermistor) mit negativem Temperaturkoeffi zienten des Widerstandswerts verwendet. Ferner ist zu be achten, daß in der Schaltung des Verstärkers 7 ein tempe raturabhängiger Widerstand mit dem gleichen Temperaturkom pensationseffekt verwendet werden kann.

Claims

1. Beschleunigungsmesser mit
einem geschlossenen kastenförmigen elektrisch leitfähi gen Gehäuse (1), das geerdet ist;
einer in dem elektrisch leitfähigen Gehäuse (1) ange ordneten Isolierplatte (9) mit gedruckten Leitern;
einer Piezoelementeinrichtung, die auf der Isolierplatte (9) angeordnet ist und ein piezoelektrisches Element (4), ein Paar von Elektroden (3 a, 3 b), die das piezoelektrische Element (4) zwischen sich halten, und ein Gewicht (2) auf weist zur Erzeugung einer einer Beschleunigung entsprechen den Spannung am piezoelektrischen Element aufgrund einer vom Gewicht (2) nach Maßgabe der Beschleunigung auf das piezoelektrische Element (4) aufgebrachten Kraft; und
einem Ladungsverstärkerkreis (6), der auf der Isolier platte (9) befestigt ist und dessen Eingänge elektrisch mit den Elektroden (3 a, 3 b) gekoppelt sind, zur Verstärkung der am piezoelektrischen Element (4) erzeugten Spannung;
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3 a, 3 b) des piezoelektrischen Ele ments mit Eingängen des Ladungsverstärkers (6) über das auf der Isolierplatte (9) gebildete Leitermuster (9 a, 9 b) elek trisch gekoppelt sind.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (3 a, 3 b) des piezoelektrischen Ele ments (4) einen Ansatz (30 a, 30 b) aufweist, dessen umge bogenes Ende mit einem Anschlußpunkt (29 a, 29 b) eines Lei ters (9 a, 9 b) des Leitermusters auf der Isolierplatte (9) verlötet ist, wobei diese Leiter mit einem Eingang des Ladungsverstärkers (6) elektrisch gekoppelt sind.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrisch leitfähige Gehäuse (1) aufweist:
ein offenes kastenförmiges Basisteil (22) aus einem elektrisch leitfähigen Material, in dem die Isolierplatte (9) aufgenommen ist;
einen plattenförmigen Deckel (21) aus elektrisch leit fähigem Material, der eine Öffnung des offenen kastenför migen Basisteils (22) verschließt;
eine elektrisch nichtleitende Dichtung (28), die zwi schen dem Basisteil (22) und dem Deckel (21) angeordnet ist und zwischen beiden eine hermetische Abdichtung des elek trisch leitfähigen Gehäuses (1) bewirkt; und
Befestigungselemente (23 a-23 d) zum Befestigen des Deckels (21) an dem Basisteil (22), wobei die Befestigungs elemente elektrische Leitermittel zur Herstellung der elek trischen Verbindung zwischen dem Deckel (21) und dem Basis teil (22) des elektrisch leitfähigen Gehäuses (1) auf weisen.

4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung eine ringförmige Dichtung (28) ist und die Befestigungselemente Befestigungsschrauben (23 a-23 d) aus einem elektrisch leitfähigen Material sind, die durch die Dichtung (28) verlaufen, wobei die Befestigungsschrau ben die elektrische Verbindung zwischen dem Basisteil und dem Deckel des elektrisch leitfähigen Gehäuses herstellen.

5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 3 mit Durchführungs kondensatoren (10 a, 10 b), die an dem elektrisch leitfähigen Gehäuse (1) so angeordnet sind, daß hermetisch dichte elek trische Verbindungen durch eine Wand des Gehäuses zwischen einem außerhalb des Gehäuses befindlichen externen Schalt kreis und einer im Gehäuse befindlichen elektronischen Schaltung des Beschleunigungsmessers hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (21) des elektrisch leitfähigen Gehäuses eine in einer Außenfläche gebildete Aussparung (21 a) auf weist und die Durchführungskondensatoren (10 a, 10 b) an einer Seitenwand der Aussparung (21 a) so befestigt sind, daß sie in der Aussparung aufgenommen sind.

6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführungskondensatoren umfassen:
einen Durchführungskondensator (10 b), der in eine Aus gangsleitung (33) eingefügt ist, die einen Ausgang der im elektrisch leitfähigen Gehäuse (1) befindlichen elektro nischen Schaltung des Beschleunigungsmessers mit einem externen Schaltkreis elektrisch verbindet; und
einen Durchführungskondensator (10 a), der in eine Span nungszuführleitung (31) eingefügt ist, die von einer exter nen Spannungsquelle (12) eine Versorgungsspannung an die im elektrisch leitfähigen Gehäuse (1) befindliche elektroni sche Schaltung des Beschleunigungsmessers liefert.

7. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsverstärker (6) einen Kondensator (C 1) mit positivem Kapazitäts-Temperaturkoeffizienten aufweist, der den Elektroden (3 a, 3 b) der Piezoelementeinrichtung paral lelgeschaltet ist, wobei der Kondensator (C 1) der Tempera turkompensation im Hinblick auf eine durch eine Änderung der Umgebungstemperatur hervorgerufene Änderung der Aus gangsspannung des Beschleunigungsmessers dient.

8. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsverstärker (6) einen dem Kondensator (C 1) parallelgeschalteten Widerstand (R 3) und einen Operations verstärkerkreis (20), der zwei dem Kondensator (C 1) und dem Widerstand (R 3) parallelgeschaltete Eingänge aufweist, umfaßt.

9. Beschleunigungsmesser mit einem geschlossenen kastenförmigen elektrisch leitfähi gen Gehäuse (1), das geerdet ist;
einer in dem elektrisch leitfähigen Gehäuse (1) ange ordneten Isolierplatte (9) mit gedruckten Leitern; einer Piezoelementeinrichtung, die auf der Isolierplatte (9) angeordnet ist und ein piezoelektrisches Element (4), ein Paar von Elektroden (3 a, 3 b), die das piezoelektrische Element (4) zwischen sich halten, und ein Gewicht (2) auf weist zur Erzeugung einer einer Beschleunigung entsprechen den Spannung am piezoelektrischen Element aufgrund einer vom Gewicht (2) nach Maßgabe der Beschleunigung auf das piezoelektrische Element (4) aufgebrachten Kraft; und einem Ladungsverstärkerkreis (6), der auf der Isolier platte (9) befestigt ist und dessen Eingänge elektrisch mit den Elektroden (3 a, 3 b) gekoppelt sind, zur Verstärkung der am piezoelektrischen Element (4) erzeugten Spannung;
dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfähige Gehäuse (1) aufweist:
ein offenes kastenförmiges Basisteil (22) aus einem elektrisch leitfähigen Material, in dem die Isolierplatte (9) aufgenommen ist;
einen plattenförmigen Deckel (21) aus elektrisch leit fähigem Material, der eine Öffnung des offenen kastenför migen Basisteils (22) verschließt;
eine elektrisch nichtleitende Dichtung (28) zwischen dem Basisteil (22) und dem Deckel (21), die eine hermetische Abdichtung zwischen dem Basisteil und dem Deckel des Ge häuses gewährleistet; und
Befestigungselemente (23 a-23 d) zum Festlegen des Deckels (21) an dem Basisteil (22), wobei die Befestigungselemente elektrische Leitermittel aufweisen, um die elektrische Verbindung zwischen dem Deckel und dem Basisteil des elek trisch leitfähigen Gehäuses herzustellen.

10. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung eine ringförmige Dichtung (28) ist und die Befestigungselemente Befestigungsschrauben (23 a-23 d) aus einem elektrisch leitfähigen Material sind und durch die Dichtung (28) verlaufen, wobei die Befestigungsschrau ben die elektrische Verbindung zwischen dem Basisteil und dem Deckel des elektrisch leitfähigen Gehäuses herstellen.

11. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 9 mit Durchfüh rungskondensatoren (10 a, 10 b), die an dem elektrisch leit fähigen Gehäuse (1) so angeordnet sind, daß hermetisch dichte elektrische Verbindungen durch eine Wand des Gehäu ses zwischen einem außerhalb des Gehäuses befindlichen externen Schaltkreis und einer im Gehäuse befindlichen elektronischen Schaltung des Beschleunigungsmessers her gestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (21) des elektrisch leitfähigen Gehäuses eine in einer Außenfläche gebildete Aussparung (21 a) auf weist und die Durchführungskondensatoren (10 a, 10 b) an einer Seitenwand der Aussparung (21 a) so befestigt sind, daß sie in der Aussparung aufgenommen sind.

12. Beschleunigungsmesser mit
einem geschlossenen kastenförmigen elektrisch leitfähi gen Gehäuse (1), das geerdet ist;
einer in dem elektrisch leitfähigen Gehäuse (1) ange ordneten Isolierplatte (9) mit gedruckten Leitern;
einer Piezoelementeinrichtung, die auf der Isolierplatte (9) angeordnet ist und ein piezoelektrisches Element (4), ein Paar von Elektroden (3 a, 3 b), die das piezoelektrische Element (4) zwischen sich halten, und ein Gewicht (2) auf weist zur Erzeugung einer einer Beschleunigung entsprechen den Spannung am piezoelektrischen Element aufgrund einer vom Gewicht (2) nach Maßgabe der Beschleunigung auf das piezoelektrische Element (4) aufgebrachten Kraft; und
einem Ladungsverstärkerkreis (6), der auf der Isolier platte (9) befestigt ist und dessen Eingänge elektrisch mit den Elektroden (3 a, 3 b) gekoppelt sind, zur Verstärkung der am piezoelektrischen Element (4) erzeugten Spannung;
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ladungsverstärkerkreis (6) einen Kondensator (C 1) mit positivem Kapazitäts-Temperaturkoeffizienten auf weist, der den Elektroden (3 a, 3 b) der Piezoelementein richtung parallelgeschaltet ist und der Temperaturkompen sation im Hinblick auf eine durch eine Änderung der Umge bungstemperatur hervorgerufene Änderung der Ausgangsspan nung des Beschleunigungsmessers dient.

13. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsverstärkerkreis (6) einen dem Kondensator (C 1) parallelgeschalteten Widerstand (R 3) und eine Opera tionsverstärkerschaltung (20), deren beide Eingänge dem Kondensator (C 1) und dem Widerstand (R 3) parallelgeschaltet sind, aufweist.