Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor und eine Verwendung eines solchen Beschleunigungssensors nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

[0002] Beschleunigungen eines Messobjektes werden in vie len sehr unterschiedlichen Anwendungen wie Robotik, Energie erzeugung, Transport, usw. gemessen. Dabei werden auf das Messobjekt einwirkende Schocks und Vibrationen als Beschleu nigungen gemessen. Die Beschleunigungen werden als Vielfaches der Fallbeschleunigung g=9.81msec ² angegeben. Typische Grös senordnungen der Beschleunigungen sind +/-500g bei Messfre quenzen von 2Hz bis 25kHz. Zur Messung der Beschleunigungen wird ein Beschleunigungssensor am Messobjekt befestigt.

[0003] Die Schrift DE2817981A1 zeigt einen solchen Be schleunigungssensor. Der Beschleunigungssensor weist ein me tallisches Gehäuse auf, das aus einer Grundplatte und einem Deckel besteht. Grundplatte und Deckel dichten einen Hohlraum im Gehäuse hermetisch nach ausserhalb des Gehäuses ab. An ei ner Oberseite der Grundplatte ist ein Zapfen ausgebildet, um welchen Zapfen im Hohlraum mehrere Messelemente und mehrere seismische Massen angeordnet sind. Die Messelemente sind pie zoelektrische Messelemente. Der Zapfen weist drei Seitenflä- chen auf, die im Winkel von 120° zueinander verdreht liegen. An jeder Seitenfläche ist ein Messelement befestigt. Jedem Messelement ist eine seismische Masse zugeordnet, die seismi sche Masse ist am Messelement befestigt. Die seismischen Mas sen sind an von den Seitenflächen des Zapfens abgewandten Aussenflächen der Messelemente angeordnet. Diese Anordnung wird durch eine Ringfeder zusammengehalten. Die Ringfeder liegt im Hohlraum an von Messelementen abgewandten Aussenflä- chen der seismischen Massen an. Und an einer von der Obersei te abgewandten Unterseite der Grundplatte ist ein Aussenge winde ausgebildet, über welches sich der Beschleunigungs sensor am Messobjekt befestigen lässt. Beschleunigungen des Messobjektes wirken über das Gehäuse und den Zapfen und über die Messelemente auf die seismischen Massen. Die seismischen Massen haben eine Trägheit. Aufgrund ihrer Trägheit üben die seismischen Massen Kräfte auf die Messelemente aus. Für jede Paarung aus Messelement und zugeordneter seismischer Masse wirken die Kräfte entlang einer Messachse von der seismischen Masse auf das Messelement. Das Messelement erzeugt unter der Wirkung der Kräfte Messsignale. Die Messignale sind proporti onal zu den zu messenden Beschleunigungen. Über die Ringfeder werden die Messsignale abgegriffen und zu einem Stecker im Deckel abgeleitet. Vom Stecker werden die Messsignale über ein Signalkabel zu einer Auswerteeinheit abgeleitet. Der Ab griff und die Ableitung der Messsignale erfolgen elektrisch isoliert gegenüber dem Gehäuse.

[ 0004 ] Die Schrift EP059793A1 offenbart einen Beschleuni gungssensor mit einer massiven metallischen Basisplatte, wel che einstückig mit einem ebenfalls massiv gearbeiteten Halte organ für eine piezoelektrische Platte, einen Massekörper und eine Elektrode ist. Eine Blechkappe umgibt das Halteorgan, die piezoelektrische Patte, den Massekörper und die Elektrode zum Schutz vor schädlichen Umwelteinflüssen. Die Blechkappe ist über einen Freirand an der Basisplatte befestigt. Die Be festigung des Beschleunigungssensors am Messobjekt erfolgt über die Basisplatte.

[0005] Auch die Schrift DE2712359A1 zeigt einen Beschleu nigungssensor, wo eine Grundplatte einen Zapfen trägt, an welchem ein piezoelektrisches Element, eine Messmasse und aussenseitig ein Elektrodenring angebracht sind. Über ein kappenförmiges Gehäuseteil werden der Zapfen, das piezoelekt risches Element, die Messmasse und der Elektrodenring fest gegeneinander gesichert und gegen Einwirkungen von aussen ge schützt. Das kappenförmige Gehäuseteil sitzt im Presssitz auf der Grundplatte. Über die Grundplatte ist der Beschleuni gungssensor am Messobjekt angebracht.

[0006] Weiter beschreibt die Schrift US3858065A1 einen Be schleunigungssensor mit einer metallischen Basisplatte, wel che Basisplatte einstückig mit einem Steg ist, welcher Steg wiederum einen piezoelektrischen Kristall, Elektroden und ei ne seismische Masse trägt. Ein hohlzylinderförmiges Gehäuse umschliesst den piezoelektrischen Kristall, die Elektroden und die seismische Masse und ist mit der Basisplatte verbun den. Es ist die Grundplatte, mit der der Beschleunigungs sensor am Messobjekt anliegt.

[0007] Und dann zeigt auch die Schrift EP0762131A2 einen Beschleunigungssensor, bei dem Träger an einer Basisplatte befestigt ist, welcher Träger ein Piezoelement, eine seismi- sehe Masse und einen elektrischen Kontakt trägt. Ein topfför miges Gehäuse ist aussenseitig an der Basisplatte befestigt und schützt das Piezoelement, die seismische Masse und den elektrischen Kontakt. Träger und Basisplatte kontaktieren das Messobjekt .

[0008] Ein solcher Beschleunigungssensor soll ein geringes Baumass aufweisen, denn für die Befestigung des Beschleuni gungssensors ist am Messobjekt oft wenig Platz vorhanden. Ein geringes Baumass von weniger als 1cm ³ ist daher erwünscht.

[0009] Auch soll ein Beschleunigungssensor ein geringes Gewicht haben. Denn die Trägheit des am Messobjekt befestig ten Beschleunigungssensors verfälscht die zu messenden Be schleunigungen des Messobjektes. Ein geringes Gewicht von we niger als 10g wird deshalb angestrebt.

[0010] Und dann sollen Kräfte, die nicht von der zu mes senden Beschleunigungen stammen und welche als Störkräfte die Messung der Beschleunigungen verfälschen, möglichst gering sein.

- Störkräfte können durch thermisch induzierte Nichtlineari- tät des Beschleunigungssensors hervorgerufen werden. Die thermisch induzierte Nichtlinearität ist die Abweichung der Proportionalität zwischen den Messsignalen und der zu messen den Beschleunigungen bei Temperaturänderung. Die thermisch induzierte Nichtlinearität verfälscht die Messung der Be schleunigungen des Messobjektes. Die thermisch induzierte Nichtlinearität kann verschiedene Ursachen wie unterschiedli che thermische Ausdehnungskoeffizienten von Messobjekt und Gehäuse, usw. haben. Bei unterschiedlichen thermischen Aus- dehnungskoeffizienten von Messobjekt und Gehäuse werden im Gehäuse mechanische Spannungen erzeugt, welche als Störkräfte auf die Messelemente wirken können. Für eine hohe Messgenau igkeit wird eine thermisch induzierte Nichtlinearität von we niger als 3% über den gesamten Betriebstemperaturbereich ge fordert .

- Störkräfte können aber auch von Quersprechen stammen. Quer sprechen stammt von Kraftkomponenten, die quer zur Messachse einer Paarung aus Messelement und zugeordneter seismischer Masse stammen. Die quer zur Messachse wirkenden Kraftkompo nenten sind Störkräfte. Wenn ein Messelement nun auch für solche Störkräfte Störsignale erzeugt, spricht man von Quer sprechen .

- Schliesslich kann sich das Gehäuse unter den Beschleunigun gen elastisch verformen. Und auch Bewegungen des Signalkabels können elastische Verformungen des Gehäuses verursachen. Die elastischen Verformungen des Gehäuses führen zu mechanischen Spannungen, welche über das Gehäuse als Störkräfte auf die Messelemente wirken und Störsignale erzeugen können.

Für eine hohe Messgenauigkeit soll ein Anteil der Störkräfte an den Kräften unter 20% liegen.

[ 0011 ] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Beschleunigungssensor bereitzustellen, der bei geringem Bau mass und geringem Gewicht die zu messenden Beschleunigungen mit hoher Genauigkeit misst. Darstellung der Erfindung

[0012] Diese Aufgabe wird durch den Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Anspruches und mit der Verwendung eines Beschleunigungssensors mit den Merkmalen des zweiten unabhängigen Anspruches gelöst.

[0013] Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor; welcher Beschleunigungssensor zum Messen von Beschleunigungen eines Messobjektes an dem Messobjekt befestigbar ist; welcher Beschleunigungssensor ein Gehäuse, einen Träger, mindestens ein Messelement und mindestens eine seismische Masse auf weist; welches Gehäuse einen Hohlraum aufweist; welcher Trä ger, welches Messelement und welche seismische Masse im Hohl raum angeordnet sind; wobei das Messelement und die seismi sche Masse am Träger angebracht sind; wobei im am Messobjekt befestigten Zustand des Beschleunigungssensors Beschleunigun gen des Messobjektes auf die seismische Masse wirken; welche seismische Masse aufgrund ihrer Trägheit unter der Wirkung der Beschleunigungen des Messobjektes Kräfte auf das Messele ment ausübt; welches Messelement unter der Wirkung der Kräfte Messsignale erzeugt; wobei das Gehäuse eine Aussparung auf weist, welcher Träger eine äussere Aussparung aufweist und mit der äusseren Stirnfläche durch die Aussparung reicht; wo bei im am Messobjekt befestigten Zustand des Beschleunigungs sensors der Träger über die äussere Stirnfläche im Kontakt mit dem Messobjekt ist; wobei der Träger einen Elastizitäts modul von grösser/gleich 350GPa aufweist; und wobei der Trä ger eine Dichte von kleiner/gleich 5g/cm ³ aufweist. [0014] Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung eines Beschleunigungssensor zum Messen von Beschleunigungen eines Messobjektes; welcher Beschleunigungssensor an dem Messobjekt befestigt ist; welcher Beschleunigungssensor ein Gehäuse, ei nen Träger, mindestens ein Messelement und mindestens eine seismische Masse aufweist; welches Gehäuse einen Hohlraum aufweist; welcher Träger, welches Messelement und welche seismische Masse im Hohlraum angeordnet sind; wobei das Mes selement und die seismische Masse am Träger angebracht sind; wobei Beschleunigungen des Messobjektes auf die seismische Masse wirken; welche seismische Masse aufgrund ihrer Trägheit unter der Wirkung der Beschleunigungen des Messobjektes Kräf te auf das Messelement ausübt; welches Messelement unter der Wirkung der Kräfte Messsignale erzeugt; wobei das Gehäuse ei ne Aussparung aufweist, welcher Träger eine äussere Ausspa rung aufweist und mit der äusseren Stirnfläche durch die Aus sparung reicht und über die äussere Stirnfläche im Kontakt mit dem Messobjekt ist; wobei der Träger einen Elastizitäts modul von grösser/gleich 350GPa aufweist; und wobei der Trä ger eine Dichte von kleiner/gleich 5g/cm ³ aufweist.

[0015] Im Unterschied zum Stand der Technik gemäss der Schrift DE2817981A1 reicht somit ein Träger durch eine Aus sparung im Gehäuse und ist im Kontakt mit dem Messobjekt. Dies hat den Vorteil, dass die zu messenden Beschleunigungen unter Vermeidung des Gehäuses auf das Messelement und die seismische Masse wirken. Das Gehäuse hat lediglich eine Schutzfunktion. Es schützt das Messelement und die seismische Masse vor schädlichen Umwelteinflüssen. Erfindungsgemäss ist es somit nicht das Gehäuse, das die zu messenden Beschleuni gungen auf das Messelement und die seismische Masse über- trägt, sondern der Träger ist dafür vorgesehen. Gehäuse und Träger weisen daher eine minimale Schnittstelle auf. Die Mes sung der Beschleunigungen des Messobjektes verfälschende Störkräfte, welche vom Gehäuse herrühren, haben somit eine minimale Schnittstelle zum Messelement und zur seismischen Masse. Solche Störkräfte werden somit wirksam verringert.

[0016] Im weiteren Unterschied gegenüber dem Stand der Technik gemäss der Schriften EP059793A1, DE2712359A1, US3858065A1 und EP0762131A2 weist der erfindungsgemässe Trä ger aufgrund des grossen Elastizitätsmoduls einen hohen Wi derstand gegen elastische Verformungen auf, welche elastische Verformungen wiederum als Störkräfte auf das Messelement wir ken und Störsignale erzeugen können. Der Träger ist somit sehr steif und verformt sich bei Beschleunigungen nur sehr geringfügig. Und durch die geringe Dichte ist der Träger dar über hinaus ausgesprochen leicht. Insbesondere ist der erfin dungsgemässe Träger leichter als die metallischen Halteorga ne, Zapfen, Stege und Träger aus dem Stand der Technik, wodurch der Beschleunigungssensor eine vergleichsweise höhere Resonanzfrequenz aufweist, was den Messbereich zu hohen Fre quenzen erweitert.

[0017] Vorteilhafte Ausführungsformen des Beschleunigungs sensors sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0018] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Aus führungsbeispieles eines Beschleunigungssensors unter Beizug der Figuren näher erklärt. Es zeigen Fig. 1 eine Ansicht eines Teils des Beschleunigungs sensors; und

Fig. 2 einen Schnitt entlang einer Linie AA' durch den Be schleunigungssensor von Fig. 1.

[0019] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0020] Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Beschleunigungssensors 10. Fig. 1 zeigt den Beschleunigungssensor 10 vor einer Befestigung an einem Messobjekt 20, Fig. 2 zeigt den Beschleunigungssensor 10 nach einer Befestigung an einem Messobjekt 20.

[0021] Der Beschleunigungssensor 10 weist ein Gehäuse 1, einen Träger 2, mindestens ein Messelement 3, 3' und mindes tens eine seismische Masse 4, 4 auf.

[0022] Das Gehäuse 1 schützt das Messelement 3, 3' und die seismische Masse 4, 4 vor schädlichen Umwelteinflüssen wie

Verunreinigungen (Staub, Feuchtigkeit, usw.) und vor elektri schen und elektromagnetischen Störeffekten in Form von elekt romagnetischer Strahlung. Das Gehäuse 1 ist aus mechanisch beständigem Material wie aus Reinmetallen, Nickellegierungen, Kobaltlegierungen, Eisenlegierungen, usw. Im Ausführungsbei spiel ist das Gehäuse 1 aus Titan.

[0023] Das Gehäuse 1 ist ein dreidimensionaler Hohlkörper. Im Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 1 entlang einer Querachse X eine Breite von 6mm auf, entlang einer Längsachse Y weist das Gehäuse 1 eine Länge von 6mm auf und entlang ei ner Vertikalachse Z weist das Gehäuse 1 eine Höhe von 5mm auf. In einer von der Querachse X und der Längsachse Y aufge spannten XY-Ebene weist das Gehäuse 1 einen rechteckigen Querschnitt von 36mm ² . Insgesamt hat das Gehäuse 1 eine klei ne äussere Abmessung von kleiner/gleich 180mm ³ . Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann auch ein Gehäuse für einen Beschleunigungssensor mit anderen Querschnittsfor men wie einem Kreis, usw. realisieren. Auch kann der Fachmann einen Beschleunigungssensor mit einem kleineren Gehäuse oder mit einem grösseren Gehäuse realisieren.

[0024] Das Gehäuse 1 weist ein Unterteil 1.1, eine Seiten wand 1.3 und ein Oberteil 1.4 auf. Gemäss Fig. 2 ist das Oberteil 1.4 entlang der Vertikalachse Z oberhalb des Unter teiles 1.1 angeordnet. Unterteil 1.1, Seitenwand 1.3 und Oberteil 1.4 können einstückig oder als einzelne Teile gefer tigt sein. Im Ausführungsbeispiel sind das Unterteil 1.1, die Seitenwand 1.3 und die Oberteil 1.4 einzelne Teile, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

[0025] Das Gehäuse 1 weist eine Gehäusefläche 1.0 auf. Die Gehäusefläche 1.0 liegt in einer von der Querachse X und der Längsachse Y aufgespannten Kontaktfläche C. Über die Gehäuse fläche 1.0 ist das Gehäuse 1 in der Kontaktfläche C am Mess objekt 20 befestigbar. Vorzugsweise ist die Gehäusefläche 1.0 Teil des Unterteils 1.1.

[0026] Das Gehäuse 1 umschliesst einen Hohlraum 0. Im Hohlraum 0 sind der Träger 2, das Messelement 3, 3' und die seismische Masse 4, 4' angeordnet. Der Hohlraum 0 hat ein Vo lumen.

[ 0027 ] Dadurch, dass das Gehäuse 1 einzig eine Schutzfunk tion für das Messelement 3, 3' und die seismische Masse 4, 4 ausübt, und dass das Gehäuse 1 in Abkehr vom Stand der Tech nik gemäss der Schrift DE2817981A1 die zu messenden Beschleu nigungen des Messobjektes nicht auf das Messelement 3, 3' überträgt, muss die Wandstärke des Gehäuses 1 nicht so stark gearbeitet sein, um mechanische Spannungen, die bei der Be festigung des Gehäuses am Messobjekt entstehen und als Störkräfte auf das Gehäuse wirken, zu unterdrücken. Eine Wandstärke des Gehäuses 1 ist deshalb gewichtsoptimiert, wodurch der Beschleunigungssensor 10 ein geringes Gewicht von weniger als 10g aufweist, was den Messbereich zu hohen Fre quenzen erweitert. Vorzugsweise ist die Wandstärke des Gehäu ses 1 kleiner/gleich 0.5mm. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Wandstärke des Gehäuses 10.25mm.

[ 0028 ] Das Gehäuse 1 weist eine Aussparung 1.2 auf. Vor zugsweise ist die Aussparung 1.2 in der Gehäusefläche 1.0 an geordnet. Die Aussparung 1.2 liegt wie die Gehäusefläche 1.0 in der Kontaktfläche C. Im Ausführungsbeispiel weist die Aus sparung 1.2 entlang der Querachse X eine Breite von 3mm auf und entlang der Längsachse Y weist die Aussparung 1.2 eine Länge von 3mm auf. Somit weist die Aussparung 1.2 eine Ober fläche von 9mm ² auf. Die Gehäusefläche 1.0 wiederum weist im Ausführungsbeispiel entlang der Querachse X eine Breite von 6mm auf und entlang der Längsachse Y weist sie eine Länge von 6mm auf. Somit weist die Gehäusefläche 1.0 eine Oberfläche von 27mm ² auf. [0029] In der Kontaktfläche C ist die Aussparung 1.2 von der Gehäusefläche 1.0 radial vollständig umschlossen. Vor zugsweise ist die Aussparung 1.2 von der Gehäusefläche 1.0 durch eine rechteckige, geschlossen umlaufende Stossfläche 1.6 umschlossen. Im Ausführungsbeispiel weist die Stossfläche 1.6 entlang der Querachse X eine Breite von 3mm auf, entlang der Längsachse Y weist sie eine Länge von 3mm auf und entlang der Vertikalachse Z weist sie eine Wandstärke von 0.25mm auf. Eine Oberfläche der Stossfläche 1.6 beträgt also 3.0mm ² .

[0030] Das Gehäuse 1 weist eine Durchgangsöffnung 1.8 auf. Im Ausführungsbeispiel ist die Durchgangsöffnung 1.8 im Ober teil 1.4 angeordnet. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann die Durchgangsöffnung auch in der Seitenwand angeordnet sein.

[0031] Der Träger 2 ist vorteilhafterweise aus mechanisch steifem Material von geringer Dichte wie AI2O3, Keramik, Al20 ₃ -Keramik, Saphir, usw. Der Träger 2 ist mechanisch steif, um zu erfassende Beschleunigungen inelastisch auf die seismische Masse 4, 4 zu übertragen. Der mechanisch steife Träger 2 weist einen hohen Widerstand gegen elastische Ver formungen auf, welche elastische Verformungen wiederum als Störkräfte auf das Messelement 3, 3' wirken und Störsignale erzeugen können. Für eine hohe mechanische Steifigkeit weist das Material des Träger 2 einen Elastizitätsmodul von grös ser/gleich 350GPa auf. Vorzugsweise weist das Material des Träger 2 einen Elastizitätsmodul im Bereich von 350GPa bis 470GPa auf. Durch die hohe mechanische Steifigkeit kann sich der Träger 2 bei Beschleunigungen nur sehr geringfügig defor mieren. Für eine geringe Dichte weist das Material des Trä- gers 2 eine Dichte von kleiner/gleich 5g/cm ³ auf. Vorzugswei se weist das Material des Trägers 2 eine Dichte im Bereich von 4g/cm ³ bis 5g/cm ³ . Durch die geringe Dichte ist der Trä ger 2 leicht. Insbesondere ist der Träger 2 leichter als der metallische Zapfen aus dem Stand der Technik gemäss der Schrift DE2817981A1, wodurch der Beschleunigungssensor 10 ei ne vergleichsweise höhere Resonanzfrequenz aufweist, was den Messbereich zu hohen Frequenzen erweitert.

[ 0032 ] Der Träger 2 ist vorzugsweise ein Kubus mit zwei Stirnflächen und vier Seitenflächen. Die zwei Stirnflächen begrenzen den Träger 2 entlang der Vertikalachse Z, die vier Seitenflächen begrenzen den Träger 2 entlang der Querachse X und entlang der Längsachse Y. Die zwei Stirnflächen umfassen eine äussere Stirnfläche 2.0 und eine innere Stirnfläche 2.0'. Die äussere Stirnfläche 2.0 liegt ausserhalb des Hohl raumes 0, die innere Stirnfläche 2.0' liegt im Hohlraum 0. Die vier Seitenflächen umfassen eine erste Seitenfläche 2.3, eine zweite Seitenfläche 2.3', eine dritte Seitenfläche 2.3'' und eine vierte Seitenfläche 2.3’’’. Die Stirnflächen und Seitenflächen sind weitgehend gleich gross. Im Ausführungs beispiel weist der Träger 2 entlang der Querachse X eine Breite von 3mm auf, entlang der Längsachse Y weist der Träger 2 eine Länge von 3mm auf und entlang der Vertikalachse Z weist der Träger 2 eine Höhe von 3.5mm auf. Somit hat jede Stirnfläche eine Oberfläche von 9mm ² und jede Seitenfläche hat eine Oberfläche von 10.5mm ² . Bei Kenntnis der vorliegen den Erfindung kann der Fachmann auch einen anders geformten Träger wie ein mehrseitiges Prisma, eine mehrseitige Pyrami de, usw. realisieren. [0033] Der Träger 2 reicht durch die Aussparung 1.2. Vor zugsweise reicht der Träger 2 mit der äusseren Stirnfläche 2.0 durch die Aussparung 1.2. Die äussere Stirnfläche 2.0 liegt in der Kontaktfläche C. Über die äussere Stirnfläche 2.0 ist der Träger 2 in der Kontaktfläche C am Messobjekt 20 befestigbar.

[0034] Die Gehäusefläche 1.0 und die äussere Stirnfläche 2.0 liegen somit in der gleichen Kontaktfläche C. Im Ausfüh rungsbeispiel ist die Kontaktfläche C eine ebene Fläche. Die Oberfläche der Gehäusefläche 1.0 und die Oberfläche der äusseren Stirnfläche 2.0 bilden eine Oberfläche der Kontakt fläche C. Im Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche der Kon taktfläche 36mm ² gross. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfin dung kann der Fachmann auch eine anders geformte Kontaktflä che mit Stufen, usw. realisieren.

[0035] Der Beschleunigungssensor 10 ist somit in der Kon taktfläche C über die Gehäusefläche 1.0 und über die äussere Stirnfläche 2.0 am Messobjekt 20 befestigbar. Vorzugsweise ist die Gehäusefläche 1.0 grösser als die äussere Stirnfläche 2.0. Im Ausführungsbeispiel weist die Gehäusefläche 1.0 eine Oberfläche von 27mm ² auf und ist dreimal grösser als die äussere Stirnfläche 2.0 mit einer Oberfläche von 9mm ² .

[0036] Der Träger 2 verschliesst die Aussparung 1.2. Vor zugsweise liegen die vier Seitenflächen 2.3, 2.3', 2.3’’, 2.3’’’ passgenau an der Stossfläche 1.6 an und bilden so ei nen passgenauen Verschluss der Aussparung 1.2. Im Ausfüh rungsbeispiel weist der Verschluss der Aussparung 1.2 eine Passung mit einem Spiel von kleiner 0.1mm auf. [0037] Der Träger 2 ist an der Stossfläche 1.6 befestigt. Im Ausführungsbeispiel sind die vier Seitenflächen 2.3, 2.3', 2.3'', 2.3''' durch Stoffschluss wie Kleben, Löten, Thermo- kompressionsbonden, usw. an der Stossfläche 1.6 befestigt. Die Befestigung des Trägers 2 an der Stossfläche 1.6 ver- schliesst die Aussparung 1.2 hermetisch dicht nach ausserhalb des Gehäuses 1. Im Sinne der Erfindung bedeutet der Ausdruck „hermetisch dicht" einen gasdichten und druckdichten Ver schluss der Aussparung 1.2. Der hermetisch dichte Verschluss lässt bei einer Dichtigkeitsprüfung mit Gasen wie Helium oder Argon Gas nicht durch und ist dauerhaft mit Drucken von bis zu 2bar beaufschlagbar.

[0038] Der Träger 2 ist einzig im Bereich der Stossfläche 1.6 im direkten mechanischen Kontakt mit dem Gehäuse 1. Die Oberfläche der Stossfläche 1.6 beträgt 3.0mm ² und ist weitge hend eine Grössenordnung kleiner als die Oberfläche der Ge häusefläche 1.0 mit 27mm ² . Die Oberfläche der Stossfläche 1.6 bildet somit eine minimale Schnittstelle zwischen dem Gehäuse 1 und dem Träger 2. Das bedeutet, dass Störkräfte, welche vom Gehäuse 1 herrühren, weniger über die Stossfläche 1.6 als vielmehr über die Gehäusefläche 1.0 wirken. Die Störkräfte wirken in einem KrafthauptSchluss über die Gehäusefläche 1.0 in das Messobjekt 20 und sie wirken in einem um weitgehend eine Grössenordnung kleineren Kraftnebenschluss über die Stossfläche 1.6 in den Träger 2. Daher hat der Beschleuni gungssensor 10 für eine hohe Messgenauigkeit einen geringen Anteil der Störkräfte an den Kräften von unter 20%.

[0039] Die Befestigung des Beschleunigungssensors 10 am Messobjekt 20 erfolgt über ein Befestigungsmittel 9. Vor- zugsweise ist das Befestigungsmittel 9 ein stoffschlüssiges Befestigungsmittel 9 und die Befestigung des Beschleunigungs sensors 10 am Messobjekt 20 erfolgt über Stoffschluss wie Kleben, Thermokompressionsbonden, usw. Im Ausführungsbeispiel bedeckt das stoffschlüssige Befestigungsmittel 9 die Gehäu sefläche 1.0 und die Stirnfläche 2.0 weitgehend vollständig. Eine Dicke des stoffschlüssigen Befestigungsmittels 9 entlang der Vertikalachse Z ist kleiner/gleich 0.1mm. Durch das der art dünne stoffschlüssige Befestigungsmittel 9 ist der Träger 2 im Kontakt mit dem Messobjekt 20. Eine solche Befestigung des Beschleunigungssensors 10 am Messobjekt 20 ist rasch und kostengünstig durchführbar.

[0040] Das stoffschlüssige Befestigungsmittel 9 ist ein chemisch härtender Klebstoff oder ein physikalisch abbind- barer Klebstoff oder eine Kombination aus einem chemisch härtenden Klebstoff und einem physikalisch abbindbaren Klebstoff. Vorzugsweise besteht das stoffschlüssige Befesti gungsmittel 9 aus Klebstoff wie Epoxid, Polyurethan, Cyanac- rylat, Methylmethacrylat, usw.

[0041] Im Unterschied zum Stand der Technik gemäss der Schrift DE2817981A1 ist der Beschleunigungssensor 10 somit nicht über eine Schraubenverbindung am Messobjekt befestigt. Solche Schraubenverbindungen führen zu mechanischen Spannun gen, welche als Störkräfte auf das Gehäuse wirken und die Messung der Beschleunigungen verfälschen. Die Befestigung des Beschleunigungssensors 10 über das stoffschlüssige Befesti gungsmittel 9 hingegen ist frei von mechanischen Spannungen. [0042] Die Befestigung des Beschleunigungssensors 10 über das stoffschlüssige Befestigungsmittel 9 am Messobjekt 20 ist auch weitgehend inelastisch. Für eine hohe mechanische Steifigkeit weist der chemisch ausgehärtete Klebstoff oder der physikalisch abgebundene Klebstoff oder eine Kombina tion aus einem chemisch abgehärteten Klebstoff und einem physikalisch abgebundenen Klebstoff einen Elastizitätsmodul von grösser/gleich lGPa auf. Vorzugsweise liegt der Elastizi tätsmodul im Bereich von lGPa bis lOGPa.

[0043] Der Beschleunigungssensor 10 weist mindestens ein Messelement 3, 3' auf. Im Ausführungsbeispiel weist der Be schleunigungssensor 10 ein erstes Messelement 3 und ein zwei tes Messelement 3' auf. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfin dung kann der Fachmann auch einen Beschleunigungssensor mit mehr als zwei Messelementen realisieren.

[0044] Das Messelement 3, 3' ist am Träger 2 befestigt. Vorzugsweise ist das erste Messelement 3 an der ersten Sei tenfläche 2.3 befestigt und das zweite Messelement 3' ist an der dritten Seitenfläche 2.3’’ befestigt.

[0045] Das Messelement 3, 3' besteht aus piezoelektrischem Material wie Quarz (S1O2 Einkristall), Calcium-Gallo- Germa- nat (Ca ₃ Ga2Ge40i4 oder CGG), Langasit (La ₃ Ga5SiOi4 oder LGS), Turmalin, Galliumorthophosphat, Piezokeramik, usw. Das Mes selement 3, 3' ist im Querschnitt rechteckig mit einer Ober fläche von vorzugsweise kleiner 1cm ² und mit einer Dicke von vorzugsweise kleiner 2mm.

[0046] Der Beschleunigungssensor 10 weist mindestens eine seismische Masse 4, 4' auf. Im Ausführungsbeispiel weist der Beschleunigungssensor 10 eine erste seismische Masse 4 und eine zweite seismische Masse 4' auf. Bei Kenntnis der vorlie genden Erfindung kann der Fachmann auch einen Beschleuni gungssensor mit mehr als zwei seismischen Massen realisieren.

[0047] Die seismische Masse 4, 4' ist am Messelement 3, 3' befestigt. Im Ausführungsbeispiel ist die erste seismische Masse 4 am ersten Messelement 3 befestigt und die zweite seismische Masse 4' ist am zweiten Messelement 3' befestigt. Beschleunigungen des Messobjektes 20 wirken vom Messobjekt 20 direkt auf den Träger 2 und vom Träger 2 indirekt über das Messelement 3, 3' auf die seismische Masse 4, 4'.

[0048] Die seismische Masse 4, 4' ist aus Material von ho her Dichte wie Iridium, Platin, Wolfram, Gold, usw. Für klei ne äussere Abmessungen des Beschleunigungssensors 10 weist die seismische Masse 4, 4' eine hohe Dichte von grösser 17g/cm ³ auf. Vorzugsweise weist die seismische Masse 4, 4' eine hohe Dichte von grösser 19g/cm ³ . Die seismische Masse 4, 4' ist im Querschnitt rechteckig mit einer Oberfläche von vorzugsweise kleiner 1cm ² und mit einer Dicke von vorzugswei se kleiner 5mm. Durch die hohe Dichte der seismischen Masse 4, 4' hat der Beschleunigungssensor 10 ein geringes Baumass. Insbesondere ist dadurch ein Baumass des Beschleunigungs sensors 10 geringer als dasjenige des Beschleunigungssensors aus dem Stand der Technik gemäss der Schrift DE2817981A1.

[0049] Die Befestigung des Messelements 3, 3' am Träger 2 und die Befestigung der seismischen Masse 4, 4' am Messele ment 3, 3' erfolgt über Stoffschluss wie Kleben, Thermokom- pressionsbonden, usw. [0050] Die zu messenden Beschleunigungen des Messobjektes 20 wirken auf die seismische Masse 4, 4'. Unter der Wirkung der Beschleunigungen des Messobjektes 20 übt die seismische Masse 4, 4' aufgrund ihrer Trägheit Kräfte auf das Messele ment 3, 3' aus. Die Kräfte wirken als Scherkräfte oder als Normalkräfte auf das Messelement 3, 3'.

[0051] Unter der Wirkung der Kräfte erzeugt das Messele ment 3, 3' piezoelektrischen Ladungen. Eine Anzahl der piezo elektrischen Ladungen ist proportional zu einer Grösse der Kräfte, welche Grösse der Kräfte wiederum proportional zu ei ner Grösse der zu messenden Beschleunigungen des Messobjektes 20 ist. Die piezoelektrischen Ladungen werden nachfolgend Messsignale genannt.

[0052] Die Messsignale werden auf Oberflächen des Messele mentes 3, 3' erzeugt und von mindestens zwei auf Oberflächen des Messelementes 3, 3' angebrachten Elektroden 5 - 5''' ab gegriffen. Im Ausführungsbeispiel weist das erste Messelement 3 eine erste Elektrode 5 und eine zweite Elektrode 5' auf und das zweite Messelement 3' weist eine dritte Elektrode 5'' und eine vierte Elektrode 5''' auf.

[0053] Die Elektroden 5 - 5''' sind aus elektrisch leiten dem Material wie Kupfer, Kupferlegierungen, Gold, Goldlegie rungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Silber, Silberlegie rungen, usw. Die Elektroden 5 - 5''' lassen sich durch Ther- mokaschieren mit einer Metallfolie oder durch Abscheiden von Metall auf Oberflächen des Messelementes 3, 3' anbringen. Je de Elektrode 5 - 5''' weist eine Dicke von vorzugsweise klei ner 0.1mm auf. [0054] Der Beschleunigungssensor 10 weist Signalleiter 6, 6' auf. Die Signalleiter 6, 6' sind aus elektrisch leitfähi gem Material wie Kupfer, Kupferlegierungen, Gold, Goldlegie rungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, usw. Jeder Signal leiter 6, 6' hat einen Durchmesser von kleiner 1mm.

[0055] Erste Signalleiter 6 leiten die Messsignale von den Elektroden 5 - 5''' zu einer Wandlereinheit 7 ab. Die ersten Signalleiter 6 sind an Enden der Elektroden 5 - 5''' befes tigt. Die Befestigung der ersten Signalleiter 6 an Enden der Elektroden 5 - 5''' erfolgt durch Stoffschluss wie Drahtbon den, Löten, usw. Beim Drahtbonden eignen sich Verfahren wie Thermokompressionsbonden, Thermosonic-Ball-Wedge-Bonden, Ult- raschall-Wedge-Wedge-Bonden usw.

[0056] Die Wandlereinheit 7 ist auf der inneren Stirnflä che 2.0' angeordnet. Die ersten Signalleiter 6 sind an der Wandlereinheit 7 befestigt. Die Befestigung der ersten Sig nalleiter 6 an der Wandlereinheit 7 erfolgt durch Stoff schluss wie Drahtbonden, Löten, usw. Beim Drahtbonden eignen sich Verfahren wie Thermokompressionsbonden, Thermosonic- Ball-Wedge-Bonden, Ultraschall-Wedge-Wedge-Bonden usw.

[0057] Die Wandlereinheit 7 wandelt abgeleitete Messigna- le. Dazu weist die Wandlereinheit 7 elektrische Komponenten auf. Die elektrischen Komponenten können direkt auf der inne ren Stirnfläche 2.0' befestigt sein, und/oder die elektri schen Komponenten können auf einer elektrischen Leiterplatte befestigt sein, welche elektrische Leiterplatte dann auf der inneren Stirnfläche 2.0' befestigt ist. Die elektrischen Kom ponenten sind Transimpedanzwandler, elektrische Widerstände, elektrische Kondensatoren, usw. Vorzugsweise filtert die Wandlereinheit 7 die abgeleiteten Messsignale mit einem Hoch passfilter, einen Tiefpassfilter, usw. So kann ein Hochpass filter Störfrequenzen der Messsignale unterhalb einer unteren Grenzfrequenz filtern. Und ein Tiefpassfilter kann Störfre quenzen der Messsignale oberhalb einer oberen Grenzfrequenz filtern.

[0058] Zweite Signalleiter 6' leiten gewandelte Messignale vom Messwandler 7 zu einer elektrischen Durchführung 8 ab. Die zweiten Signalleiter 6' sind an der Wandlereinheit 7 be festigt. Die Befestigung der zweiten Signalleiter 6' an der Wandlereinheit 7 erfolgt durch Stoffschluss wie Drahtbonden, Löten, usw. Beim Drahtbonden eignen sich Verfahren wie Ther- mokompressionsbonden, Thermosonic-Ball-Wedge-Bonden, Ultra- schall-Wedge-Wedge-Bonden usw.

[0059] Die elektrische Durchführung 8 weist einen Isolati onskörper 8.0 aus elektrisch isolierendem Material wie AI2O3, Keramik, A^CU-Keramik, Saphir, usw. auf. Im Isolationskörper 8.0 sind elektrische Leiter 8.1 angeordnet. Die zweiten Sig nalleiter 6' sind an Enden der elektrischen Leiter 8.1 befes tigt. Die Befestigung der zweiten Signalleiter 6' an den En den der elektrischen Leiter 8.1 erfolgt durch Stoffschluss wie Drahtbonden, Löten, usw. Beim Drahtbonden eignen sich Verfahren wie Thermokompressionsbonden, Thermosonic-Ball- Wedge-Bonden, Ultraschall-Wedge-Wedge-Bonden usw. Die elektrischen Leiter 8.1 leiten die Messsignale nach aus serhalb des Gehäuses 1. [0060] Die elektrische Durchführung 8 verschliesst die Durchgangsöffnung 1.8 des Gehäuses 1. Im Ausführungsbeispiel ist die elektrische Durchführung 8 durch Stoffschluss wie Kleben, Löten, Thermokompressionsbonden, usw. an einem Rand der Durchgangsöffnung 1.8 des Gehäuses 1 befestigt. Der Ver schluss der Durchgangsöffnung 1.8 durch die elektrische Durchführung 8 und die Befestigung der elektrischen Durchfüh rung 8 am Gehäuse 1 ist hermetisch dicht nach ausserhalb des Gehäuses 1.

[0061] Vorzugsweise ist das Gehäuse 1 elektrisch leitend. Vorzugsweise ist der Träger 2 elektrisch leitend beschichtet. Vorzugsweise ist die äussere Stirnfläche 2.0 des Trägers 2 elektrisch leitend beschichtet. Die elektrisch leitende Be schichtung kann durch Thermokaschieren mit einer Metallfolie oder durch Abscheiden von Metall gebildet werden. Als Metall lassen sich Kupfer, Kupferlegierungen, Gold, Goldlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Silber, Silberlegierungen, usw. verwenden. Die elektrisch leitende Beschichtung weist eine Dicke von vorzugsweise kleiner 0.01mm auf. Vorzugsweise ist das stoffschlüssige Befestigungsmittel 9 elektrisch lei tend. Auf diese Weise bilden das Gehäuse 1 mit dem Träger 2 oder das Gehäuse 2 mit der äusseren Stirnfläche 2.0 oder das Gehäuse 1 mit dem stoffschlüssigen Befestigungsmittel 9 einen Faradayschen Käfig. Somit sind das Messelement 3, 3', die Elektroden 5, 5', die Signalleiter 6, 6 und die Wandlereinheit 7 gegenüber elektrischen und elektromagneti schen Störeffekten in Form von statischen und quasistatischen Feldern, elektromagnetischen Wellen, usw. wirksam geschützt. Solche elektromagnetische Störeffekte können eine Ableitung der Messignale verfälschen. Vorzugsweise ist das Gehäuse 1 mit einer Masse aus der Umgebung elektrisch verbunden. Vor zugsweise ist das Gehäuse 1 über einen an der elektrischen Durchführung 8 anschliessbaren elektrischen Stecker elektrisch mit einer Masse aus der Umgebung elektrisch ver bunden.

Bezugszeichenliste

AA' Linie

C Kontaktfläche

X Querachse

Y Längsachse

XY Ebene

Z Vertikalachse

0 Hohlraum

1 Gehäuse

1.0 Gehäusefläche 1.1 Unterteil 1.2 Aussparung

1.3 Seitenwand

1.4 Oberteil 1.6 Stossfläche 1.8 Durchgangsöffnung 2 Träger

2.0, 2.0' Stirnfläche

2.3 - 2.3" ' Seitenfläche

3, 3' Messelement

4, 4' seismische Masse

5 - 5" ' Elektrode

6 6 Signalleiter

7 Wandlereinheit

8 elektrische Durchführung

8.0 Isolationskörper 8.1 elektrische Leiter 9 Befestigungsmittel

10 Beschleunigungssensor

20 Messobjekt