Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Druckwandler, bei welchem ein elektrisches Signal an zwei parallelen Planflächen eines piezoelektrischen Elementes als Reaktion auf die Relativbewegung zweier mechanischer Glieder, die durch parallel zu einer auf den Planflächen senkrechten Achse wirkende Kräfte aufeinander zu bewegt werden können, entwickelt wird, wobei das piezoelektrische Element zwischen den beiden mechanischen Gliedern angeordnet ist und Mittel zum Zuleiten eines solchen Signals zu einer auf das Signal ansprechende Nutzeinrichtung vorgesehen sind.
Zweck der Erfindung ist, einen elektrostatischen Druckwandler zu schaffen, der in einem weiten Temperaturbereich mit Temperaturen oberhalb 540 C einen hohen Wirkungsgrad aufweist und der insbesondere als piezoelektrischer Beschleunigungsmesser ausgebildet werden kann.
Ein solcher elektrostatischer Druckwandler ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element aus mindestens einem Lithium-Niobat-Kristall besteht, dessen Z-Achse mit einer auf den parallelen Planflächen senkrechten Achse einen Winkel im Bereich von -51,4 # 10 einschliesst.
Es ist bekannt, dass Lithium-Niobat in monokristalliner Form piezoelektrisch ist und dass seine piezoelektrischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen, wie bei Temperaturgraden oberhalb von 760 OC, sowie bei niedrigen Temperaturen, wie bei Temperaturgraden von -50 C, erhalten bleiben. Die Empfindlichkeit eines ein solches Material enthalten den Beschleunigungsmessers hängt z. T. davon ab, wie der Kristall geschnitten ist und wie er der Beschleunigung unterworfen wird. Bei dem Druckwandler nach der Erfindung kann der Lithium-Niobat-Kristall die Form eines Drehkörpers haben, der einem Kompressionsdruck ausgesetzt wird, wobei die Achse grösster Empfindlichkeit unter einem Winkel von rund -51,4 zur Z-Achse oder optischen Kristallachse geneigt ist und im ersten und dritten Quadranten der Y-Z-Ebene des Kristalls liegt.
Die Elektroden sind auf Kristallflächen angeordnet, die in Normalebenen zur Achse maximaler Empfindlichkeit liegen und die Druckkräfte wirken senkrecht auf diese Kristallflächen. Beschleunigungsmesser mit einem solchen Lithium-Niobat-Kristall besitzen nicht nur eine hohe Empfindlichkeit bei hohen Temperaturen, sondern sind auch im wesentlichen frei von Querachsen-Empfindlichkeit. Mit besonderen Vorsichtsmassnahmen kann für einen Lithium-Niobat enthaltenden Beschleunigungsmesser auch bei solchen hohen Temperaturen eine lange Lebensdauer erreicht werden.
Der Druckwandler nach der Erfindung ist besonders in einem Beschleunigungsmesser nützlich. Ein solcher Beschleunigungsmesser weist eine hohe Resonanzfrequenz auf.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in perspektivischer Darstellung und teilweise im Schnitt einen symmetrischen Beschleunigungsmesser von Ringform in einer beispielsweisen Ausführung nach der Erfindung und
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Erfindung.
Der in Fig. 1 gezeigte Beschleunigungsmesser 8 weist einen Behälter mit einer Grundplatte 10 und einem einen zylindrischen Hohlraum 14 umschliessenden Gehäuse 12 auf und enthält ein Paar beschleunigungsempfindlicher Elemente 16, die auf einem von der Grundplatte 10 abstehenden Zapfen 18 konzentrisch mit Abstand vom Zapfen angeordnet sind. Auf der Grundplatte 10 ist ein Isolator in Form einer isolierenden Scheibe oder Plattform 11 montiert, durch die das anliegende beschleunigungsempfindliche Element 16 von der Grundplatte 10 elektrisch isoliert ist. Der Beschleunigungsmesser ist an einem der Erprobung unterzogenen Objekt 9 befestigt. Der Beschleunigungsmesser ist so konstruiert, dass seine Achse A-A maximaler Empfindlichkeit parallel zur Achse des Zapfens 18 und senkrecht auf der Grundplatte 10 ist.
Der Beschleunigungsmesser wird in einer Montage zur Bestimmung der Beschleunigungskomponente längs einer vertikalen Achse beschrieben.
Die beiden beschleunigungsempfindlichen Elemente 16 be stehen aus zwei piezoelektrischen Kristallen, die bei Beschleunigung des Beschleunigungsmessers 8 die Werte der Beschleunigungskomponente in Richtung der Achse A-A dar stellen. Die bei einer solchen Beschleunigung von den Kristallen abgegebenen elektrischen Signale werden einer Nutzeinrichtung 24 mit einem Ladungsverstärker 20 und einem Registriergerät 22 zugeleitet.
Der Zapfen 18 kann mit der Grundplatte 10 einstückig oder auf der Grundplatte durch Verschrauben, Verlöten oder sonstwie befestigt sein. Das Gehäuse 12 ist an die Grundplatte 10 angeschweisst oder an dieser auf irgendeine Art befestigt Das Gehäuse 12 ist mit einer kleinen Öffnung 30 versehen, durch die der Hohlraum 14 mit der Aussenatmosphäre für einen an späterer Stelle beschriebenen Zweck in Verbindung steht.
Der zylindrische Zapfen 18 weist eine glatte Aussenfläche auf und seine vertikale Achse verläuft parallel zur Beschleunigungsachse A-A. Das obere Ende des Zapfens 18 ist mit einem Gewinde zum Aufschrauben einer Schraubenmutter 19 versehen. Jedes der beiden beschleunigungsempfindlichen Elemente 16 ist zwischen einer plattenförmigen Aussenelektrode 50 und einer gemeinsamen inneren plattenförmigen Elektrode 51 gehalten.
Die beiden beschleunigungsempfindlichen Elemente 16 sind Kristalle, wie erwähnt, und so angeordnet, dass ihre positiv gepolten Flächen an der gemeinsamen Elektrode 51 anliegen. In jedem Falle sind die beiden Kristalle mit antiparallelen Z-Achsen montiert. Die plattenförmigen Elektroden 50 und 51 sind aus einem weichen elektrisch leitenden Metall, wie aus Gold oder einem ähnlichen Material hergestellt.
Es ist zu bemerken, dass die Anordnung symmetrisch ist.
Die Elektroden und Kristallelemente haben je ein zentrales Loch mit glatter Wandung, so dass der Stapel aus Elektroden und Kristallen auf dem Zapfen 18, der von der Grundplatte 18 mitten durch den Stapel aufwärts ragt, angeordnet werden kann, ohne dass die Elektroden und Kristalle den Zapfen berühren. Zwischen Zapfen 18 und den Elektroden sowie Kristallen kann auch eine elektrisch isolierende Buchse eingesetzt werden.
Oben auf dem Stapel aus Elektroden und Kristallen ist eine ringförmige Inertialmasse 70 mit zentraler Bohrung angeordnet. Zwischen der Inertialmasse 70 und der oberen plattenförmigen Elektrode 50 befindet sich ein elektrischer Isola- tor 74, in der Form einer isolierenden Scheibe. Der gesamte Stapel wird durch die Schraubenmutter 19, die auf das obere Ende des Zapfens 18 aufgeschraubt und in einer oben in der Inertialmasse 70 vorhandenen Ausnehmung 72 versenkt ist.
an die Grundplatte 10 angedrückt.
Die Isolatoren 11 und 74 bilden zwischen der Grundplatte 10 und der zugekehrten plattenförmigen Elektrode 50 sowie zwischen der Inertialmasse 70 und der dieser zugekehrten Elektrode 50 Gleitflächen. Lithium-Niobat-Kristalle haben die Eigenschaft, sich längs verschiedenen Achsen um unterschiedliche Beträge auszudehnen und zusammenzuziehen und eine solche Gleitfläche verringert Deformationen, die ohne sie infolge der sich ausbildenden Spannungen zwischen den aneinanderliegenden Flächen des Kristalls und der Grundplatte und des Kristalls und der Inertialmasse auftreten würden.
Die Stirnflächen 52a und 52b (Fig. 2) sind bei jedem Kri stallelement 16 mit Elektroden 54a und 54b beschichtet.
Jede der Elektroden besteht aus einer dünnen inneren Schicht LI aus einem leitenden Material, wie aus aufgedampftem oder aufgestäubtem Chrom, und einer dünnen Aussenschicht LO aus einem korrosionsbeständigen, weichen, geschmeidigen Material, wie z. B. Gold. Die eine Stirnfläche 52b jedes Kristall-Elementes 16 ist in metallischem Kontakt mit der plattenförmigen Elektrode 50. Die andere Stirnfläche 52a jedes Kristalls ist in metallischem Kontakt mit der gemeinsamen inneren plattenförmigen Elektrode 51.
Die Kristalle 16 haben die Form zylindrischer Ringe oder Platten und die zylindrischen Mantelflächen sind frei von Metall, so dass die beiden Elektrodenschichten 54a und 54b bei jedem Kristall voneinander elektrisch isoliert sind und einen Kondensator bilden, bei dem die durch die Elektrodenschichten 54a und 54b gebildeten Beläge durch das aus dem piezoelektrischen Element gebildeten dielektrischen Material auf Abstand gehalten sind. Die Stirnflächen der Kristalle sind auf optische Güte polierte Schnittflächen und die Chrom- und Goldschichten sind dünn und von gleichmässiger Dicke. Das Gold ist ausreichend weich und geschmeidig, um einen völlig gleichmässigen Kontakt der Kristallstirnflächen mit den plattenförmigen Elektroden 50 und 51 zu gewährleisten.
Die Inertialmasse 70, die Kristalle 16 und die Elektrodenplatten 50 und 51 sind mittels des Zapfens 18, welcher sich durch die im Durchmesser grösseren Zentralbohrungen der Elektrodenplatten und der Kristalle vertikal hindurch erstreckt und die den gesamten Stapel unter Druck setzende Schraubenmutter 19 zusammengehalten.
Die Aussenelektroden 50 sind elektrisch miteinander durch zwei Paare Befestigungslappen 60 und 62 verbunden.
Bei zusammengesetztem Beschleunigungsmesser haben die Befestigungslappen jedes Paares miteinander Kontakt. Die Paare Befestigungslappen 60 und 62 sind miteinander durch eine leicht flexible elektrische Verbindung 80 verbunden, die von der Grundplatte 10 elektrisch isoliert ist und durch eine Bohrung 65 in der Grundplatte 10 zum Kontakt 66 eines Kabelanschlusses 64 führt. Die Elektrodenplatte 51 ist mit einander gegenüberliegenden Befestigungslappen 63 versehen, die miteinander durch eine andere elektrische Verbindung 82 verbunden sind, welche ebenfalls von der Grundplatte 10 elektrisch isoliert ist und durch die Bohrung 65 zum Kontakt 68 des Kabelanschlusses 64 führt.
Alle mechanischen Teile, d. h. die Grundplatte 10, der Zapfen 18, das Gehäuse 12 und die Schraubenmutter 19 sind aus Inconel gefertigt. Dieses Metall ist für diesen Zweck vorzuziehen, da sein Wärmeausdehnungskoeffizient mit dem des Lithium-Niobat-Kristalls praktisch übereinstimmt und es bei hohen Temperaturen korrosionsbeständig ist. Die Isolatoren 11 und 74 bestehen aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. aus Aluminiumoxyd.
Bei der z. Zt. bekannten besten Ausführung des Erfindungsgegenstandes sind die piezoelektrischen Kristalle 16 ringförmige Lithium-Niobat-Kristalle, die mit ihren parallelen Stirnflächen 52a und 52b senkrecht zu einer Achse in der Y-Z-Kristallebene geschnitten sind, welche Achse unter einem Winkel # von etwa -51,4 + 10 zur Z-Achse eines gedrehten Z-Schnitt-Kristalls geneigt ist. Dies wird im folgenden als die Z-51,4 -Ebene bezeichnet. Die Z-51,4 -Achse ist somit in der Y-Z-Ebene um etwa 51,4 von der Z-Achse des Kristalls gedreht und liegt im ersten und dritten Quadranten.
Die Z-51,4 -Achse ist der A-A-Achse maximaler Empfindlich keit parallel. Die Y-52,4 -Achse ist in der Y-Z-Ebene um etwa 51,4 von der Y-Kristallachse gedreht und liegt im zweiten und vierten Quadranten.
Es ist experimentell festgestellt worden, dass ein Beschleunigungsmesser nach der Erfindung eine Ausgangsspannung liefert, die proportional zur Grösse der Beschleunigungskomponente senkrecht zur Z-51,4 + 10 -Ebene ist und dass der Beschleunigungsmesser unempfindlich auf Beschleunigungskomponenten in anderen Richtungen ist. Erfolgt die Beschleunigung parallel zu einer Achse, die in der Y-Z-Ebene gegen über der Z-Achse um weniger als -41,4 oder mehr als -61,4 gedreht ist, so wird die Quer-Achsen-Empfindlichkeit unannehmbar gross, d. h. es zeigt sich eine Empfindlichkeit auf Beschleunigungen in anderen Richtungen. Bei Beanspruchung durch Scherkräfte liefert der Beschleunigungsmesser im wesentlichen keine Signale.
Lithium-Niobat-Kristalle sind Kristalle der Kristallklasse mit zur Gruppe 3m gehörigen Symmetrieeigenschaften. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besitzt der Kristall drei Spiegelebenen M, die sich in Richtungen parallel zur Z- oder optischen Achse erstrecken. Diese Ebenen schneiden einander paarweise in zur optischen- oder Z-Achse parallelen Schnittlinien und die Dihedralwinkel betragen 120 . In Fig. 2 sind die Spiegelebenen so dargestellt, als ob sie von einer gemeinsamen Achse D-D, die parallel zur optischen Achse Z ist, ausgehen würden. Tatsächlich sind die Ebenen jedoch unbegrenzt, so dass jede Ebene den Flächenwinkel zwischen den jeweils beiden anderen Ebenen schneidet. Wegen der dreifachen Symmetrie kann die zur Z-Achse senkrechte Y-Achse in jeder Spiegelebene M angenommen werden.
Ferner ist für jede Symmetrieebene die X-Achse senkrecht sowohl zur Y-Achse wie auch zur Z-Achse, anders ausgedrückt, eine X-Achse ist senkrecht auf der entsprechenden Spiegelebene M.
Die maximale Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers auf Kompressionskräfte tritt bei Kräften auf, die in einer zur Z-51,4 -Ebene des Kristalls senkrechten Richtung wirken.
Ein Lithium-Niobat-Kristall ist durch acht piezoelektrische Koeffizienten gekennzeichnet, von welchen vier voneinander unabhängig sind, wie dies aus der nachfolgenden Aufstellung hervorgeht:
Beanspruchungs-Mode Ausgangs- 1 2 3 4 5 6 Mode Kompressionsachse Scherachse
X Y Z X Y Z 1. X 0 0 0 0 d15 d16 = -2d22 2 Y d21 = -d22 d22 0 d24 = d15 0 0 3. Z d31 d32 = d31 d33 0 0 0
Die verschiedenen piezoelektrischen Koeffizienten dij haben folgende Werte: d15 = 6,8 X 10-11 C/N d22 = 2,1 x 10-11 C/N d31 = 0,1 X 10-11 C/N d33 = 0,6 x 10-11 C/N wobei C/N eine Abkürzung für Coulomb per Newton bedeutet. Bei dem Glied du bezieht sich die erste Indexzahl auf die elektrodenbeschichtete Kristallfläche und die zweite Indexzahl auf den Typ und die Richtung der Beanspruchung.
Mit den Ziffern 1, 2 und 3 sind Kompressionsbeanspruchungen in Richtung der X-, Y- und Z-Achse bezeichnet.
Die vorstehend aufgeführte piezoelektrische Matrix ist ein Beispiel für einen mathematischen Tensor. Es sind mathematischen Gesetze für die Berechnung bekannt, wie sich ein in einem gegebenen Koordinatensystem ausgedrückter Tensor beim Übergang in ein gedrehtes anderes Koordinatensystem ändert. Das Ausdrücken des vorstehenden piezoelektri schen Tensors in einem gedrehten Koordinatensystem ist das Äquivalent für die Berechnung der piezoelektrischen Matrix für einen Kristallwürfel, dessen Flächen in einem solchen gedrehten Koordinatensystem orientiert sind. Eine solche Berechnung für Lithium-Niobat kann mittels eines Rechners ausgeführt werden.
Für den ringförmigen piezoelektrischen Kristall, dessen Achse A-A unter einem Winkel von -51,4 zur Z-Achse verläuft, zeigt die nachstehende Matrix die piezoelektrischen Koeffizienten in 10-12 CoulomblNewton:
Beanspruchungs-Mode Ausgangs- 1 2 3 4 5 6 Mode Kompressions-Achse Scherachse
X Y-51,4 Z-51,4 X Y-51,4 Z-51,4 1. X 0 0 0 0 9,59 -79,37 2. Y-51,4 -12,32 -18,15 27,34 8,71 0 -79,37 3. Z-51,4 -17,04 -17,48 37,01 -0,02 0 0
Bei dem vorstehend beschriebenen Kristall mit den Elektroden auf den Z-51,4 Kristallflächen werden auf Scherung um die Y-51,4 -Achse oder Z-51,4 -Achse keine Signale und bei Scherung um die X-Achse wegen des niedrigen Koeffizienten d34 = -0,02 nur sehr schwache Signale erhalten.
Durch Verfeinerung des Drehwinkels kann der d34-Koeffi- zient so klein wie gewünscht gemacht werden. So ist z. B.
bei einer Z-51,383 -Drehung der d34-Koeffizient 0,001 x 1012 C/N. Dass der d34-Koeffizient für gewisse Drehwinkel um die Achse gleich Null ist, beruht auf der 3m-Symmetrie des Kristalls. Die genaue Position des Winkels ist von den Werten für die piezoelektrischen Koeffizienten abhängig. Ein Kristall der im wesentlichen aus Lithium-Niobat besteht, jedoch auch Störstellen enthält, wird für die Koeffizienten von den vorstehend angegebenen etwas abweichende Werte haben und deshalb wird sein d34-Koeffizient bei einem von Z-51,4 etwas abweichenden Winkel gleich Null sein.
Bei dem vorstehend beschriebenen Kristall stehen lediglich die Z-51,4 -Flächen in elektrischer Verbindung mit der Nutzeinrichtung 24. Da alle Scherkoeffizienten vernachlässigbar niedrig sind, spricht der Wandler nur auf Kompressionskräfte an, die parallel zur Y-, Y-51,4 und Z-51,4 -Achse wir ken. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beschleunigungsmesser ist die Inertialmasse so angeordnet, dass auf den Kristall Kompressionskräfte parallel zur Z-51,4 -Achse einwirken, wenn der Beschleunigungsmesser in Richtung parallel zur Z-51,4 -Achse beschleunigt ist.
Eine Beschleunigung senkrecht zur Z-51,4 -Achse führt zu keiner Kompression längs der X- oder Y-51,40-Achse.
Das Instrument ist deshalb auf Beschleunigung in Richtung parallel zur Z-51,4 -Achse empfindlich, nicht aber auf Beschleunigung senkrecht zur Z-51,4 -Achse.
Bei dem Beschleunigungsmesser treten jedoch primäre und sekundäre pyroelektrische Effekte in Erscheinung, die Änderungen des Ausgangssignals verursachen. Solche Tempe raturänderungen finden jedoch im allgemeinen nur langsam statt und die durch sie verursachten Signaländerungen haben im Vergleich mit den Beschleunigungssignalen eine extrem niedrige Frequenz, so dass diese niederfrequenten Ände rungen ausgefiltert werden können und nur die Beschleunigungssignale erhalten werden.
Wenn der in Fig. 1 gezeigte Beschleunigungsmesser in
Richtung der A-A-Achse maximaler Empfindlichkeit beschleunigt wird, werden bei jedem Kristall die Elektroden 54a und 54b proportional zur Beschleunigung elektrisch aufgeladen und wenn der Beschleunigungsmesser in irgendeiner anderen Richtung beschleunigt wird, rührt ein abgegebenes Signal von einiger Bedeutung nur von der Beschleunigungskomponente in Richtung der Achse A-A her.
Besondere Vorsichtsmassnahmen sind zur Erzielung einer langen Lebensdauer solcher Beschleunigungsmesser vorzusehen, wenn diese bei hohen Temperaturen und niedrigen Drücken oder in Anwesenheit von leicht reduzierender Atmosphäre betrieben werden. Solche Vorsichtsmassnahmen sind wichtig, weil, wie gut bekannt ist, Lithium-Niobad verhältnismässig leicht reduziert, d. h. seinen Sauerstoff verliert, wenn es einer Atmosphäre ausgesetzt wird. in der der Partialdruck des Sauerstoffs niedrig ist. Die Reduktionsgeschwindigkeit nimmt mit der Temperatur zu. Durch den Verlust an Sauerstoff wird der spezifische Widerstand des Kristalls reduziert. Eine solche Reduktion wird verzögert, wenn nicht gänzlich verhindert, indem der Kristall einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre ausgesetzt wird.
Zu diesem Zweck weist der in Fig. 1 gezeigte Beschleunigungsmesser in der Wand des Gehäuses 12 eine Öffnung 30 auf. die einen Kanal für das Eindringen von Sauerstoff aus der Aussenatmosphäre in den Hohlraum im Gehäuse bildet.
Die Erfindung ist vorstehend anhand eines Beschleunigungsmessers beschrieben worden, weil sie gerade für einen solchen Beschleunigungsmesser von besonderer Nützlichkeit ist. Die Erfindung kann jedoch auch auf andere Wandler-Typen, bei denen kraftempfindliche Elemente verwendet werden, wie z. B. bei Druckwandlern angewendet werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich. dass die Erfindung einen Beschleunigungsmesser ermöglicht. der für längere Zeit bei hohen Temperaturen verwendet werden kann; und wenn ein Lithium-Niobat-Kristall verwendet wird, der, wie vorstehend beschrieben, geschnitten und benutzt ist.
wird ein Beschleunigungsmesser erhalten, der während ausge- dehnter Zeitperioden bei hohen Temperaturen insbesondere auch eine hohe Empfindlichkeit besitzt. Obgleich ein solcher Beschleunigungsmesser wegen der hohen elektromechanischen Güte (Verhältnis der erzeugten elektrischen Leistung zur in dem Kristall durch Beschleunigung erzeugten mechanischen Leistung) besonders für eine Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist, können diese Beschleunigungsmesser mit Vorteil auch bei niedrigen Temperaturen benutzt werden.