CH664046A5

CH664046A5 - Piezokristallschwinger.

Info

Publication number: CH664046A5
Application number: CH2674/84A
Authority: CH
Inventors: Errol P Eernisse
Original assignee: Ohaus Scale Corp
Priority date: 1983-05-31
Filing date: 1984-05-30
Publication date: 1988-01-29
Also published as: HK18288A; US4531073A; SG97487G; GB2141286B; DE3420320A1; GB2141286A; GB8413494D0; JPS59231909A; CA1209652A

Description

BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft einen in Luft schwingenden Piezokristallschwinger.

Es sind verschiedene Piezokristallschwinger für verschiedene Messzwecke bekannt. Diese haben einen Körper aus piezoelektrischem Material, der einen oder mehreren Schwingungsabschnitte enthält. Dünne Schichten aus elektrisch leitendem Material werden in verschiedenen Formen auf die Oberfläche des Körpers aufgebracht, diese Schichten bilden ein Elektrodenmuster, das an einem elektrischen Schwingungskreis angeschlossen, welcher den Piezokristall erregt, so dass dieser mit seiner Resonanzfrequenz schwingt.

Es ist auch bekannt, dass die Resonanzfrequenz des Kristalles sich ändert, wenn diese verschiedenen Einflüssen ausgesetzt wird. Wirkt auf den Kristall eine äussere Kraft ein, die dazu neigt, den Kristall zu verformen, so ändert sich seine Resonanzfrequenz und folglich die Ausgangsfrequenz eines elektrischen Schwingkreises der mit diesem Kristall verbunden ist. Diese

Schwingungsfrequenzänderung kann durch herkömmliche Dis-kriminatorschaltungen abgetastet werden, um eine Angabe über die angelegte Kraft zu erhalten.

Aus den US-Patentschriften Nr. 3 470 400 und 3 479 536 sind einachsige Biegeschwingungsquarze und aus den US-Patentschriften Nr. 3 238 789 und 4 215 570 sind zweiachsige Biegeschwinger bekannt. Die in diesen Patentschriften offenbarten Einrichtungen zeigen eine Impedanz bei Resonanz. Die bei den zweiachsigen Einrichtungen angewendeten Elektrodenmuster legen kein wirksames, seitliches, elektrisches Feld über die gesamte Länge des piezoelektrischen Kristallabschnittes an. In der US-PS 4 215 570 ist ein Elektrodenmuster offenbart, das sein elektrisches Feld nur über 44% der Abschnittlänge anlegt. Diese Kraftwandler werden innerhalb einer Vakuumkammer oder einer abgedichteten Kammer mit Helium oder einem anderen Schutzgas angewendet. Bei einigen Anwendungsformen ist es jedoch erwünscht den Schwinger in Luft arbeiten zu lassen, um Kosten zu sparen. Es wurde jedoch festgestellt, das die Resonanzfrequenz dieser bekannten Quarze auf Feuchtigkeit empfindlich sind, was zu Fehlmessungen führen kann.

Deshalb wurde ein neues Elektrodenmuster erdacht, welches die Impedanz des Quarzes bei Resonanz verringert, ein seitliches elektrisches Feld über seine gesamte Länge wirkungsvoll anlegt und die Resonanzfrequenz auf Feuchtigkeitsänderungen unempfindlich macht.

Ziel der Erfindung ist es ein neues Elektrodenmuster für einen Piezokristallschwinger zu schaffen, bei dem die Resonanzfrequenz gegen Feuchtigkeitsänderungen unempfindlich ist.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht. Der Kristall kann die Form einer zweiendigen Stimmgabel haben. Bei einer erfindungsgemässen Ausführungsform ist eine zweite Einrichtung vorgesehen um eine Kraft auf den Kristall auszuüben und seine Resonanzfrequenz und somit die Ausgangsfrequenz eines Schwingkreises zu ändern. Diese Frequenzänderung kann zur Messsung der an den Quarz angreifenden Kraft verwendet werden.

In folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Piezokristallschwingers.

Fig. 2 eine Ansicht der Rückseite des in Fig. 1 dargestellten Schwingers und

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1.

Die Fig. 1 bzw. 2 zeigen die Frontfläche bzw. Rückfläche eines Piezokristallschwingers 1. Der Schwinger enthält längliche Abschnitte 3 und 5 mit rechteckigem Querschnitt, die sich zwischen zwei breiten Endabschnitten 9 und 11 erstrecken. Die Abschnitte 3 und 5 sind im wesentlichen parallel zueinander und bestimmen einen Schlitz 7 über einen Teil des Schwingers. Dieser Aufbau kann aus irgendeinem geeigneten piezoelektrischem Material, z.B. aus einem Quarz bestehen.

Die Endabschnitte 9 und 11 können in an sich bekannter Weise mit Elementen in einer Messeinrichtung verbunden sein, wobei diese Elemente durch einen zu messenden Parameter bewegt werden. Durch Einwirkung einer Druck- oder Zugkraft auf den Schwinger wird dessen Eigenfrequenz geändert. Diese Frequenzänderung kann abgeführt werden, um den Wert des zu messenden Parameters anzugeben.

Durch Anlegen eines elektrischen Feldes über die beabstan-deten Elektroden an den Oberflächen des Schwingers kann der piezoelektrische Schwinger erregt werden, so dass er mit seiner Eigenfrequenz schwingt. Dieses Feld wird durch einen Oszillatorschaltkreis erzeugt, der an die beabstandeten Elektroden angeschlossen ist. Die Oszillatorfrequenz folgt der Eigenfrequenz des Piezokristalls und gibt somit die auf den Kristall einwirkende Kraft an.

Schwingt der Kristall in Luft so wurde festgestellt, dass die Resonanzfrequenz des Kristalles vom Feuchtigkeitsgehalt ab5

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hängig ist. Diese Abhängigkeit kann durch ein geeignetes Elektrodenmuster verringert werden. Aus diesem Grunde wird ein Elektrodenmuster auf dem Kristall angeordnet, um die Einflüsse des Feuchtigkeitsgehaltes auf die Resonanzfrequenz zu verringern.

Das Elektrodenmuster enthält eine Reihe von elektrisch leitenden Streifen, die auf der Frontfläche den Seitenflächen und der Grundfläche des Kristalls durch an sich bekannte Beschich-tungsverfahren, z.B. Vakuumverdampfung oder Zerstäubung aufgebracht werden.

Fig. 1 zeigt ein Paar von elektrisch leitenden Abschnitten 13 und 15, die am Endabschnitt 11 in der gleichen Art und Weise wie der Rest des Elektrodenmusters aufgebracht sind. Die elektrisch leitenden Abschnitte bilden Anschlussabschnitte für Drähte, die den Schwinger mit einem Oszillator 2 verbinden. Diese Drähte können in an sich bekannter Weise, z.B. durch Löten mit den Abschnitten 13 und 15 verbunden werden.

Die Fig. 1 und 2 zeigen, dass jeder Abschnitt 13 und 15 den Endabschnitt einer separaten Elektrode sind, die auf der Frontfläche, den Seitenflächen und der Grundfläche des Piezokri-stalls aufgebracht sind. Der Abschnitt 13 ist mit einem elektrisch leitenden Streifen 17 verbunden, der in Serie mit den Streifen 19 und 20 verbunden ist. Der Streifen 17 ist auch mit den Streifen 23 und 25 in Serie verbunden. Streifen 23 ist an den oberen Abschnitt des Schwingers durch einen Streifen 27 angeschlossen, der mit einem sich quererstreckenden Streifen 27 verbunden ist. Der Streifen 29 ist in Serie mit dem Streifen 31 verbunden. Der Streifen 29 ist auch mit dem Streifen 33 verbunden, der mit einem sich erstreckenden Streifen 35, der in dem Streifen 37 endet, verbunden ist.

Der Streifen 17 ist mit einem Paar von Streifen 17a und 17b verbunden, die an der Seite des Kristalls aufgebracht sind. Streifen 17a und 17b verbinden den Streifen 17 mit dem Streifen 39 an der Grundfläche des Kristalls. Der Streifen 39 ist in Serie mit den Streifen 41, 43, 45, 47, 49, 51 und 53 verbunden, und endet im Streifen 55. Die Streifen 55a und 55b sind auf einer Innenfläche des Schlitzes 7 aufgebracht und verbinden den Streifen 55 mit dem Streifen 67 auf der Frontfläche des Schwingers.

Der Streifen 39 ist auch in Serie mit den Streifen 57, 59, 61 und 63 auf der Grundfläche des Kristalls verbunden. Die Streifen 63a und 63b sind auf einer Seitenfläche des Kristalls aufgebracht und verbinden den Streifen 63 mit dem Streifen 69 auf der Frontfläche des Kristalls. Der Streifen 25a verbindet in gleicher Weise die Streifen 25 und 71.

Der Abschnitt 15 ist mit dem Streifen 16 verbunden, der in Serie mit den Streifen 18, 20, 22 und 24 in Verbindung steht. Der Streifen 18 ist mit dem Oberteil des Kristalles durch den Streifen 26 verbunden. Der Streifen 26 in an den Streifen 28 angeschlossen, der in Serie mit den Streifen 30, 32 und 34 verbunden ist. Der Streifen 28 ist auch in Serie mit dem Streifen 36 verbunden.

Die Streifen 16a und 16b sind auf der Seitenfläche des Kristalls aufgebracht und verbinden den Streifen 16 mit dem Streifen 70 auf der Frontfläche des Kristalles. Der Streifen 20a ist auf einer Innenfläche des Schlitzes 7 aufgebracht und verbindet den Streifen 20 mit dem Streifen 38. Der Streifen 38 ist in Serie mit den Streifen 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52 und 54 verbunden. Die Streifen 54a und 54b sind auf einer Seitenfläche des Kristalles aufgebracht und verbinden den Streifen 54 mit dem Streifen 56 auf der Frontfläche des Kristalles. Der Streifen 38 ist in Serie mit den Streifen 58, 60, 62 und 64 verbunden. Die Streifen 64a und 64b sind auf einer Innenfläche des Schlitzes 7 aufgebracht und verbinden den Streifen 64 mit dem Streifen 66 auf der Frontfläche des Kristalles. Die Streifen 30a und 30b sind auf einer Seitenfläche des Kristalles aufgebracht und verbinden den Streifen 30 auf der Frontfläche des Kristalles mit dem Streifen 46 auf der Grundfläche des Kristalles. Der Streifen 36a verbindet in gleicher Weise die Streifen 36 und 72, welche das auf dem Schwinger ausgebildete Elektrodenmuster vervollständigen.

Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Kristallisator, aus welcher klarer ersichtlich, wie die elektrisch leitenden Streifen (zum Beispiel die Streifen 54a, 64a, 55a und 63a) um die Seitenflächen des Kristalles und des Schlitzes herumgeführt sind, um die Abschnitte des Elektrodenmusters auf der Front und Grundfläche des Kristalles zu verbinden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Fig. 1 und 2 die Elektrodenabschnitte auf den Seitenflächen des Kristalles als dünne Streifen zeigen. Da dünne Streifen als ausreichend angesehen wurden, ist es von Vorteil, diese beim Schwingen in Luft so zu verbreitern, dass ein Hauptteil eines Streifens auf der Frontfläche direkt mit einem entsprechenden Teil eines Streifens auf der Grundfläche verbunden ist. Zum Beispiel kann der Streifen 16 durch einen einzelnen herumgewundenen Streifen, der sich über die Seitenflächen des Kristalles vom Punkt 16a zum Punkt 16b erstreckt, mit dem Streifen 70 verbunden werden. Es wurde festgestellt, dass die Resonanzfrequenz des Kristalles unempfindlicher auf Feuchtigkeit ist, je mehr die Seitenflächen durch herumgewickelte Streifen bedeckt sind.

Dem Fachmann ist erkennbar, dass das was beschrieben wurde, ein Piezokristallschwinger in Form einer zweiendigen Stimmgabel ist, der wenn erregt, durch auf der Frontfläche, den Seitenflächen und der Grundfläche des Kristalles aufgebrachte Elektroden als Biegeschwinger mit seiner Resonanzfrequenz schwingt. Es wurde festgestellt, dass das beschriebene Elektrodenmuster die Resonanzfrequenz des Kristalles gegen Feuchtigkeit relativ unempfindlich macht. In der Tat die Feuchtigkeitsempfindlichkeit kann dadurch bis zu einer Grössenord-nung im Vergleich zu bekannten Schwingern herabgesetzt werden. Woraus sich diese Empfindlichkeit ergibt, ist nicht ganz gewiss, aber theoretisch dadurch erklärbar, dass das Elektrodenmuster das elektrische Feld zwischen den Elektroden und dem Innern des Kristalles begrenzt. Demnach durchläuft nur ein kleiner Teil des elektrischen Feldes die Umgebung des Kristalles, so dass die Feuchtigkeiten nur einen geringen Einfluss auf das Feld und folglich einen geringen Einfluss auf die Wechselwirkung zwischen Kristall und Oszillator hat.

Es ist auch ersichtlich, dass das Elektrodenmuster ein quer verlaufendes elektrisches Feld über die gesamte Länge jedes Kristallabschnittes auf der Front- und Grundfläche anlegt. Dies deshalb weil die gesamte Länge jedes Kristallabschnittes anliegende elektrische Streifen hat und jeder anliegende Streifen mit einem anderen elektrisch leitenden Abschnitt verbunden ist, so dass ein quer gerichtetes elektrisches Feld im wesentlichen über die gesamte Länge jedes Kristallabschnittes gerade unterhalb der Front- und Grundfläche vorhanden ist. Dies führt zu einer geringeren Impedanz bei Resonanzfrequenz und durch die herumgeführten Elektroden zu einem enger am Kristall liegenden elektrischen Feld.

Schliesslich ist ersichtlich, dass das Muster aus elektrisch leitenden Streifen auf der Frontfläche jedes Kristallabschnitts axialsymmetrisch bezüglich einer Längsachse auf der Frontfläche des Abschnittes und das Muster aus elektrisch leitenden Streifen auf der Grundfläche jedes Kristallabschnittes punktsymmetrisch bezüglich einer Längsachse auf der Grundfläche des Abschnittes ist.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. In Luft schwingender Piezokristallschwinger, gekennzeichnet durch einen Piezokristall (1) mit einer Eigenfrequenz in Luft;

durch eine Einrichtung (2) zur Erregung des Kristalles, so dass dieser mit der Eigenfrequenz schwingt und durch eine Elektrodenanordnung, die die Erregungseinrichtung und den Kristall zur Aufrechterhaltung der Eigenfrequenz bei Änderung des Feuchtigkeitsgehaltes miteinander verbindet.

2. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall eine zweiendige Stimmgabel bildet.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall ausgebildet ist, in der Biegeschwingungsform zu schwingen, wenn er durch die Erregungseinrichtung erregt wird.

4. Schwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiendige Stimmgabel erste und zweite längliche Abschnitte (3, 5) aufweist, die an ihren Enden verbunden sind, um einen rechteckigen Schlitz (7) auszubilden.

5. Schwinger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiendige Stimmgabel eine Frontfläche, eine Grundfläche und Seitenflächen aufweist und dass die Elektrodenanordnung eine erste elektrisch leitende Schicht, die auf der Frontfläche in Form eines ersten vorbestimmten Musters aufgebracht ist, und eine zweite elektrisch leitende Schicht aufweist, die auf der Grundfläche in Form eines zweiten vorbestimmten Musters aufgebracht ist, wobei die erste und zweite Schicht durch eine dritte elektrisch leitende Schicht, die auf den Seitenflächen in Form eines dritten vorbestimmten Musters aufgebracht ist, elektrisch miteinander verbunden sind.

6. Schwinger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite und dritte Muster unterschiedlich ausgebildet sind.

7. Schwinger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Einrichtung, um eine Kraft auf den Kristall auszuüben und seine Eigenfrequenz zu ändern.

8. Piezokristallschwinger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Abschnitt durch erste und zweite Endabschnitte untereinander verbunden sind und dass ein erster elektrisch leitender Abschnitt auf den ersten Endabschnitt aufgebracht ist und ein zweiter elektrisch leitender Abschnitt auf dem zweiten Endabschnitt aufgebracht ist und vom ersten elektrisch leitenden Abschnitt isoliert ist.

9. Schwinger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste vorbestimmte Muster axialsymmetrisch ist und das zweite vorbestimmte Muster punktsymmetrisch ist.