(57)【特許請求の範囲】
【請求項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し、
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、
ことを特徴とする方法。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項４】
前記圧電材料は、硬性材料であり、すなわち２００〜２０００の範囲又は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を上回る抗磁界又は２ｋＶ／ｍｍを上回る抗磁界を有する、
請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
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１から４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記静電容量の測定信号は、前記評価ユニットに無線で送信される、
請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記圧力センサを、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、
請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
圧電材料からなる圧力センサによって力を測定するシステムにおいて、
前記圧力センサは、分極済みの圧力センサおよび未分極の圧力センサを有し、
これら２つの圧力センサの静電容量は、評価ユニット内の電子技術的な結合部へと供給され、
前記圧電材料は、２００〜２０００の範囲又は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を上回る抗磁界を有する、
ことを特徴とするシステム。
【請求項９】
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８記載のシステム。
【請求項１０】
前記静電容量の測定信号は、前記評価ユニットに無線で送信される、
請求項８又は９記載のシステム。
【請求項１１】
請求項８から１０のいずれか１項記載の前記圧力センサを、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方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】負荷Ｔと静電容量Ｃとの関係を示すグラフである。
【図２】材料の導電率による損失を示すグラフである。
【図３】ヒステリシス効果による損失を示すグラフである。
【図４】静電容量の変化を示すグラフである。
【図５】静電容量の変化を示すグラフである。
【図６】医療用測定システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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