CH651667A5 - Quarzresonatorkraftwandler. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Quarzresonatorkraftwandler. Die Messung einer Kraft mit hoher Genauigkeit und digitaler Ausgangsgrösse kann auf zahlreichen Gebieten verwendet werden, wie beispielsweise bei der Druckmessung, der Bohrlochuntersuchung, der elektronischen Motorsteuerung, der Ozeanographie, der Meteorologie, bei Kippfühlvorrichtungen, bei Eindringdetektoren, auf dem Gebiet der Seismologie, beim Wiegen, bei Beschleunigungsmessern und bei der industriellen Prozesssteuerung.

Ein weithin gebrauchtes Verfahren zur Kraftmessung verwendet einen schwingenden Quarzresonator mit einer Schwingfrequenz proportional zur angelegten Kraft. Diese Resonatoren sind in der Lage, eine hohe Auflösung sowie eine digitale Ausgangsgrösse zu liefern, was sie zur Verwendung mit digitalen Mikroprozessoren besonders geeignet macht. Die bereits bekannten Quarzresonatoren machen jedoch eine Präzisionsbearbeitung von komplizierten Formen erforderlich, was die Herstellung zu teuer macht oder aber zu kostspieligen, unzuverlässigen Einheiten führt.

Eine erwünschte Eigenschaft eines Kraftwandlers der schwingenden Quarzresonator-Bauart ist eine hohe mechanische Güte Q. Q ist proportional im Verhältnis aus der pro Zyklus im Schwingungssystem gespeicherten Energie zur verlorengegangenen Energie. Ein niedriges Q bedeutet, dass eine grössere externe Energiequelle zur Aufrechterhaltung der Schwingungen vorgesehen sein muss, und der Oszillator besitzt eine weniger stabile Resonanzfrequenz. Die Erfindung sieht daher ganz allgemein ein höheres mechanisches Q vor, als dies mit bereits bekannten Quarzresonatorkraftwandlern erreichbar ist.

s Hinsichtlich bekannter Quarzresonatorkraftwandler sei auf die folgenden US-Patente verwiesen: 3 399 572;

3 470 400; 3 479 536; 3 505 866; 4 020 448,4 067 241;

4 091 679; 4 104 920 und 4 126 801. Man erkennt, dass die Resonatoren entweder komplizierte und daher teure Kristall-

io formen oder komplizierte und daher teure Metallteile erforderlich machen.

Im Hinblick auf die oben erwähnten Schwierigkeiten und Nachteile bei bekannten Wandlern hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, einen relativ einfachen und preiswerten i5 Quarzresonatorkraftwandler mit hoher Auflösung und Genauigkeit mit hohem Q zu schaffen.

Erfindungegemäss ist ein Quarzresonatorkraftwandler mit zwei nicht schwingenden Endteilen zur Übertragung von Kräften in gleichmässiger Weise auf zwei dazwischen ange-20 ordnete kontinuierliche Schwingungsstangenteile vorgesehen, die einstückig mit den Endteilen ausgebildet und durch einen Schütz voneinander getrennt sind, wobei der Schlitz mit gleichem Abstand von jedem Endteil des Quarzkristalls endet und sich längs des Mittelteils desselben erstreckt, dadurch ge-25 kennzeichnet, dass der Quarzkristall ein rechteckiger piezoelektrischer Quarzkristall mit einer Dicke T, einer Länge L von fünfzig- bis hundertmal seine Dicke T, einer Breite W von fünf- bis zehnmal seiner Dicke T ist, wobei der Schlitz eine Länge Ls von ungefähr 0,6 Teilen der Gesamtlänge L und eine 30 Breite Ws von nicht mehr als T aufweist, und schliesslich die erwähnten Endteilen etwa die doppelte Länge Le als die Breite W besitzen und jeder der Schwingungsstangenteile eine Länge Lb, die etwa der Länge Ls entspricht, und eine Breite Wb besitzt, die grösser als das 2,5-fache der Dicke T ist, wobei jeder 35 der Schwingungsstangenteile sich über dessen länge erstrek-kende Mittel trägt, um die Schwingungsstangenteile mit Frequenzen proportional zu den an die Endteile angelegten Kräften in Resonanzschwingungen zu bringen, und die Endteile die Schwingungen jedes Stangenteils miteinander koppeln, 40 um so eine mechanische Güte Q von ungefähr 100 000 zu schaffen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeich-45 nung; in der Zeichnung zeigt:

Fig.l den erfmdungsgemässen Quarzresonatorkraftwandler in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2a und 2b annähernd massstabsgetreu einen bekannten Quarzresonanzkraftwandler und den erfmdungsgemässen so Quarzkraftwandler.

Fig. 1 zeigt perspektivisch den erfindungegemässen Quarzresonatorkraftwandler 10. Dieser Wandler kann mit zwei Abstimmgabeln verglichen werden, die Ende an Ende aneinander befestigt oder miteinander verklebt sind (wie dies 55 tatsächlich für einige früheren Entwicklungsbeispiele der Erfindung der Fall war).

Der Wandler kann sehr klein ausgebildet sein; das dargestellte Ausführungsbeispiel ist im allgemeinen rechteckig und nur 1 cm lang und nur 0,01 mm dick. Die Vorrichtung kann fio durch photolithographische Ätzverfahren aus einem dünnen Quarzflächenelement hergestellt werden. Diese Verfahren sind zur Massenproduktion der Erfindung gut geeignet, wobei die tatsächlichen Endkosten weniger als einen Dollar pro Wandler betragen werden. Das Quarzflächenelement (Quarz-65 tafel) kann dadurch hergestellt werden, dass man eine dünne Lage von einem grösseren Quarzkristall mit einer gewünschten kristallographischen Orientierung abschneidet, um so die Frequenzabhängigkeit von der Temperatur zu minimieren.

3 651 667

Bei der Erfindung hat sich ein Flächenelement, zugeschnitten Die Schmalheit des Schlitzes wirkt ferner unterstützend mit ungefähr 0,1 mm Dicke und mit einer Orientierung von bei der Sicherstellung eines hohen Q-Wertes insofern, als

+l3/4° aus der XY-Kristallebene und verdreht um die X- während der Schwingung die Biegung einer Schwingungs-

Achse als zufriedenstellend herausgestellt. Stange eine geringe Biegung des Endteils bewirkt, was wieder-

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist relativ breit, ver- 5 um in wirkungsvoller Weise auf die zweite Schwingungs-

glichen mit seiner Dicke; seine Breite (W) von ungefähr Stange übertragen wird. Dieser Prozess koppelt in wirkungs-

0,875 mm beträgt das 5-10-fache seiner Dicke (T). Seine voller Weise die Schwingungen der beiden Stangen und trägt

Länge (L) von ungefähr 1 cm ist ungefähr fünfzig- bis hun- zur Korrektur jedweder Tendenz bei, auf unterschiedlichen dertmal seine Dicke (T). Frequenzen zu schwingen.

Ein schmaler Schlitz 16 ist photolithographisch durch den 10 Ein entsprechend der obigen Beschreibung hergestellter

Wandler 10 geätzt, um so den Wandler in zwei nicht schwin- Quarzkraftwandler würde dazu in der Lage sein, Kräfte von gende Endteile 12 und zwei schwingende Stangenteile 14 auf- bis hinab zu 1 Dyn und bis hinauf zu 1 000 000 Dyn mit einer zuteilen. Der Schlitz ist extrem schmal und ungefähr Auflösung von 1 Teil pro 1 000 000 abzufühlen. Ein derarti-

0,075 mm breit oder hat eine Breite (Ws) von weniger als der ger Wandler würde eine Güte Q von 100 000 besitzen und nur

Dicke (T). Der Schlitz und daher auch jeder Stangenteil hat 1510 Mikrowatt an elektrischer Leistung zur Aufrechterhaltung eine Länge (Ls oder Lb) von ungefähr 6 mm oder 60% der Ge- der Schwingung benötigen. Es wurde festgestellt, dass die samtlänge (L). Verwendung eines Paars der obigen Wandler in einer Doppel-

Jeder Stangenteil 14 hat daher eine Breite (Wb) von unge- auslegergeometrie die Empfindlichkeit weiter um einen Fak-

fahr 0,4 mm, was das 4-fache der Dicke (T) ist. Bei einem al- tor von 40 erhöht.

ternativen Ausführungsbeispiel ist diese Breite (Wb) auf unge- 20 Ein bekannter doppeltendender Abstimmgabelquarzreso-

fahr 0,25 mm oder das 2,5-fache der Dicke (T) reduziert. natorkraftwandler 20 sowie der erfindungegemässe Wandler

Jedes Endteil ist mindestens so lang vom Ende des Schiit- 10 sind in Fig. 2 massstabsgerecht dargestellt. Der Kraft-

zes 16 bis zum äusseren Ende, als es breit ist, und besitzt vor- wandler gemäss Fig. 2a ist in US-PS 3 238 789 sowie in der zugsweise eine Länge (Le) von ungefähr 2 mm oder ungefähr Literaturstelle «Technical Report on the Quartz Resonator der zweifachen Breite (W). 25 Digital Accelerometer», Norman R. Serra, 43rd AGARD

Längs der Oberseite (und/oder Unterseite) jedes Stangen- Conference Proceedings 1967 beschrieben.

teils 14 ist eine photolithographisch definierte Metallelek- Die tatsächlichen Abmessungen der bekannten Vorrichtrode vorgesehen. Im Betrieb sind diese Elektroden mit einer tung sind der obigen Literaturstelle entnommen, werden aber Oszillatorschaltung verbunden, die die notwendige Energie auch durch Fig. 2 und 6 des genannten US-Patents gestützt, liefert, um die Stangen des piezoelektrischen Quarzwandlers 30 Diese Arbeit lehrt nicht die kritische Natur der Abmessungen, mit einer charakteristischen Frequenz in Schwingungen zu was durch die Erfinder bekannt wurde. Obwohl der Wandler versetzen. 20, grob gesehen, eine äquivalente Grösse besitzt, so werden Weil die Endteile 12 dazu dienen, die Schwingungen der doch nicht die kritischen Dimensionen des Wandlers 10 ge-Stangenteile in wirksamer Weise zu koppeln, wobei die Tren- lehrt. Beispielsweise ist das Mittelloch der bekannten Vorrich-nung oder Isolation gegenüber den Enden des Wandlers er- 35 tung 1,5 mm breit im Gegensatz zu dem 0,075 mm schmalen folgt, besitzt der Wandler eine Güte Q von ungefähr 100 000, Schlitz der Erfindung. Auch ist der Querschnitt der Arme der gemessen im Vakuum. Wenn an die Enden des Wandlers bekannten Vorrichtung 1 mm tief mal 0,25 mm breit, im GeKräfte angelegt werden, so werden die Schwingungen jeder gensatz zu den erfmdungsgemässen Abmessungen von Stange um eine gleiche Grösse geändert, und die Feststellung 0,1 mm Tiefe mal 0,4 mm Breite.

erfolgt als eine Frequenzänderung der Oszillatorschaltung. 40 Der für die bekannte Vorrichtung angegebene Q-Wert be-

Die Schmalheit des Schlitzes wirkt unterstützend bei der Si- trägt annähernd 32 000 im Gegensatz zu den 100 000 der Er-

cherstellung, dass die an jede Stange angelegte Kraft gleich findung.

ist, so dass die Schwingungsänderung gleich ist, und so dass Es wird angenommen, dass dieser überraschende Unter-

die Schwingung jeder Stange nicht ausser Phase mit der ande- schied den entscheidenden, durch den Erfinder entdeckten ren gerät. 45 Merkmalen zuzuschreiben ist.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

651667 PATENTANSPRÜCHE

1. Quarzresonatorkraftwandler mit zwei nicht schwingenden Endteilen zur Übertragung von Kräften in gleichmässiger Weise auf zwei dazwischen angeordnete kontinuierliche Schwingungsstangenteile, die einstückig mit den Endteilen ausgebildet und durch einen Schlitz voneinander getrennt sind, wobei der Schlitz mit gleichem Abstand von jedem Endteil des Quarzkristalls endet und sich längs des Mittelteils desselben erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzkristall ein rechteckiger piezoelektrischer Quarzkristall mit einer Dicke T, einer Länge L von fünfzig- bis huntertmal seiner Dicke T, einer Breite W von fünf- bis zehnmal seiner Dicke T ist, wobei der Schlitz eine Länge Ls von ungefähr 0,6 Teilen der Gesamtlänge L und eine Breite Ws von nicht mehr als T aufweist, und schliesslich die erwähnten Endteile (12) etwa die doppelte Länge Le als die Breite W besitzen und jeder der Schwingungsstangenteile (14) eine Länge Lb, die etwa der Länge Ls entspricht, und eine Breite Wb besitzt, die grösser als das 2,5-fache der Dicke T ist, wobei jeder der Schwingungsstangenteile (14) sich über dessen Länge erstreckende Mittel trägt, um die Schwingungsstangenteile mit Frequenzen proportional zu den an die Endteile (12) angelegten Kräften in Resonanzschwingungen zu bringen, und die Endteile die Schwingungen jedes Stangenteils (14) miteinander koppeln, um so eine mechanische Güte Q von ungefähr 100 000 zu schaffen.

2. Quarzresonatorkraftwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke T ungefähr 0,1 mm beträgt.

3. Quarzresonatorkraftwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel um die Schwingungsstangenteile (14) in Resonanzschwingungen zu bringen aus Elektroden bestehen, die mindestens auf einer der oberen oder unteren Fläche des Quarzkristalls angeordnet sind.

4. Quarzresonatorkraftwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzkristall mit einer Orientierung von +13/4° aus der XY-Kristallebene um die X-Achse verdreht geschnitten ist und eine Dicke von ungefähr 0,1 mm aufweist.