DE1208368B

DE1208368B - Piezoelektrischer Kraftmesser

Info

Publication number: DE1208368B
Application number: DEL45639A
Authority: DE
Inventors: Dr Rudolf Hatschek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1962-08-30
Filing date: 1963-08-17
Publication date: 1966-01-05
Also published as: AT237928B; GB1051256A; CH416153A; US3281613A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES Wt^ PATENTAMT Int. Ο.:

H03h

AUSLEGESCHRIFT

GOlI
Deutsche KL: 21 a4 -10

Nummer: 1 208 368

Aktenzeichen: L 45639IX d/21 a4

Anmeldetag: 17. August 1963

Auslegetag: 5. Januar 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Kraftmesser, der aus wenigstens drei zu einem Schichtkörper übereinandergeschichteten Scheiben aus piezoelektrischem Material, insbesondere aus Quarzkristallen besteht, zwischen denen Elektroden zur Ableitung der elektrischen Ladungen vorgesehen sind, wobei die Elektroden gleicher Ladung leitend miteinander verbunden sind.

Bei den bisher bekannten Ausführungen dieser Art sind die gleichpoligen Elektroden durch außerhalb des Schichtkörpers liegende, meist aus Draht oder Folien bestehende Leitungen miteinander verbunden. Diese Leitungen müssen an die Elektroden angelötet oder angeschweißt werden, weshalb verhältnismäßig massive Elektroden erforderlich sind. Dadurch werden aber auch die Masse des Schichtkörpers und dessen Abmessungen vergrößert, was die Erzielung einer hohen Eigenfrequenz des Piezoelementes erschwert. Außerdem ist die Verbändung der Elektroden durch eine seitlich neben dem Schichtkörper liegende Verdrahtung umständlich und erfordert zusätzlichen Raum.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile dadurch, daß um die Randfläche jeder Scheibe zwei elektrisch leitende Verbindungsbrücken herumführen, von denen jede mit einer der Elektroden leitend verbunden, von der jeweils anderen Elektrode auf der anderen Stirnfläche der Scheibe hingegen elektrisch isoliert ist, und daß die Scheiben so zusammengefügt sind, daß die isolierten Teile (Kontaktzonen) der Verbinduiigsbrücken zweier benachbarter Scheiben auf ein anderliegen. Auf diese Weise ergibt sich ein kompakter Schichtkörper, der weitgehend unempfindlich gegen mechanische Einflüsse ist. Bei einem derartigen Schichtkörper wird also jede im Inneren des Schichtkörpers liegende Elektrode unter Überbrückung der an der gegenpoligen Stirnfläche zugehörigen Scheibe anliegenden Elektrode mit der übernächsten Elektrode leitend verbunden, so daß die von den Scheiben gebildeten Einzelelemente elektrisch parallel geschaltet sind.

Um den Zusammenbau des Schichtkörpers zu erleichtern, können in weiterer Ausgestaltung der Erfindung alle den Schichtkörper bildenden Scheiben an wenigstens einer Stelle ihres Umfanges einen Ein- 4g schnitt aufweisen, der zum Eingriff einer Zentriervorrichtung beim Zusammenbau des Schichtkörpers dient. Es wird dadurch sichergestellt, daß auch bei einem raschen Zusammenbau des Schichtkörpers die isolierten Enden der Verbindungsbrücken benachbarter Scheiben genau aufeinanderzuliegen kommen und Kurzschlüsse vermieden werden. Von beson-Piezoelektrischer Kraftmesser

Anmelder:

Dipl.-Ing. Dr. techn. Hans List, Graz (Österreich)

Vertreter:

Dipl.-Phys. H. Schroeter, Patentanwalt,

München 25, Lipowskystr. 10

Als Erfinder benannt:
Dr. Rudolf Hatschek, Wien

Beanspruchte Priorität:

Österreich vom 30. August 1962 (4 A 6952/62)- -

derem Vorteil ist es dabei, die Einschnitte an den die Verbindungsbrücken aufweisenden Stellen der Scheiben anzuordnen, wobei vorzugsweise Stäbe aus Isoliermaterial, ζ. B. aus Polytetrafluoräthylen, zur Zentrierung dienen, die auch nach Zusammenbau des Schichtkörpers in den Einschnitten verbleiben. Die Verbindungsbrücken sind dabei geschützt innerhalb des Umrisses des Schichtkörpers angeordnet. Beim Verbleiben der Zentrierstäbe in den Einschnitten werden die Scheiben des Schichtkörpers auch nach dem Zusammenbau in der richtigen Lage zueinander gehalten und die Verbindungsbrücken nach außen abgedeckt, so daß sie gegen mechanische Einflüsse geschützt sind.

Die beiden Verbindungsbrücken jeder Scheibe können an sich um einen beliebigen Winkel gegeneinander versetzt sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Verbindungsbrücken jedoch symmetrisch zur Y-Achse der Scheibe angeordnet, und ihr Abstand von der Y-Achse ist in Abhängigkeit von der Anzahl der den Schichtkörper bildenden Scheiben derart gewählt, daß sich eine symmetrische Verteilung der Y-Achsen der Scheiben im Schichtkörper ergibt. Beispielsweise beträgt die Versetzung der Verbindungsbrücken bei einem Schichtkörper mit sechs Scheiben 120°, so daß auch die Y-Achse der aufeinanderfolgenden Scheiben um 120° gegeneinander versetzt sind. Bei diesem Beispiel können aber auch die Verbindungsbrücken lediglich um 60° versetzt sein, wobei sich auch eine gleichmäßige Verteilung der Y-Achsen ergibt. Die gleichmäßige Verteilung der Y-Achsen sichert eine

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gleichförmige Querempfindlichkeit des Piezo- Die zwischen den Scheiben 1 liegenden Elek-

elementes. troden 6 sind von auf die Stirnflächen der Scheiben 1

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind beispielsweise in an sich bekannter Weise durch Auf-

die zwischen den Scheiben des Schichtkörpers liegen- dampfen im Vakuum aufgebrachten, festhaftenden

den Elektroden in an sich bekannter Weise von auf 5 Metallüberzügen gebildet, die z. B. aus Silber, Gold

die Stirnflächen der Scheiben z. B. durch Aufdampfen oder Kupfer bestehen können. Dadurch erübrigt sich

im Vakuum aufgebrachten festhaftenden Metall- das Einlegen von besonderen Zwischenelektroden

überzügen, z. B. aus Silber, Gold oder Kupfer, und zwischen die Scheiben 1 beim Zusammenbau des

die Verbindungsbrücken aus um die Randfläche der Schichtkörpers, wodurch dessen Abmessungen sowie

Scheiben herum aufgebrachten stegförmigen, mit den io dessen Masse verringert werden und außerdem eine

Metallüberzügen der Stirnflächen verbundenen Vereinfachung der Herstellung erzielt wird. In der

Metallbelägen gebildet, wobei jede Verbindungs- Zeichnung sind sowohl die Scheiben 1 als auch die

brücke auf einer anderen Stirnfläche unter Bildung Metallüberzüge 6 in ihrer Stärke vergrößert dar-

einer lappenartigen Kontaktzone von der entsprechen- gestellt,

den Elektrode elektrisch isoliert ist. 15 Die Elektroden 6 sind so miteinander verbunden,

Es erübrigt sich dabei die Anordnung von getrenn- daß sich eine Parallelschaltung der von den Scheiten Elektroden zwischen den aus piezoelektrischem ben I gebildeten piezoelektrischen Einzelelemente erMaterial bestehenden Scheiben des Schichtkörpers, gibt. Zu diesem Zweck dienen leitende Verbindungswodurch die Herstellung des Piezoelementes wesent- brücken 7, die um die Randflächen der Scheiben 1 lieh vereinfacht und dessen Masse erheblich ver- 20 herumführen. Die Verbindungsbrücken 7 sind jeweils ringert wird. Durch das Wegfallen der Zwischen- mit der Elektrode 6 auf einer Stirnfläche der Scheibe 1 elektroden ist auch die Erzielung einer besonders leitend verbunden, von der Elektrode 6 auf der andehohen Eigenfrequenz des Piezoelementes möglich. ren Stirnfläche der Scheibe 1 hingegen elektrisch iso-Die die Verbindungsbrücken bildenden Metallbeläge lierend getrennt. Die im Inneren des Schichtkörpers werden zweckmäßig zugleich mit den Metall- 25 liegenden Scheiben 1 weisen zwei in Umfangsrichtung überzügen der Stirnflächen auf die Scheiben auf- versetzt angeordnete Verbindungsbrücken 7 auf, von gebracht, wobei die elektrische Isolierung der Ver- denen jede mit einer anderen Elektrode 6 leitend verbindungsbrücken gegenüber dem Metallüberzug auf bunden ist. Beim Zusammenbau des Schichtkörpers einer Stirnfläche der Scheibe in an sich bekannter werden die Scheiben 1 so übereinandergeschichtet, Weise durch einen Läpp- oder Ätzvorgang oder aber 30 daß jeweils die isolierten Enden der Verbindungsdurch Abdeckung eines um das Ende der Ver- brücken zweier benachbarter Scheiben elektrisch bindungsbrücke herum verlaufenden streifenförmigen leitend in Verbindung stehen.

Flächenstückes beim Aufdampfen des Metall- Vorteilhaft bestehen die Verbindungsbrücken 7 aus

Überzuges erfolgen kann. stegförmigen, mit den die Elektroden 6 bildenden

Bei dem erfindungsgemäßen Piezoelement können 35 Metallüberzügen auf den Stirnflächen der Scheiben 1 die den Schichtkörper bildenden Scheiben aus piezo- verbundenen und gemeinsam mit diesen aufgebrachelektrischem Material im Bereich der Verbindungs- ten Metallbelägen. Wie aus F i g. 2 hervorgeht, ist auf brücken abgerundete Ränder aufweisen. Damit wird jeder Stirnfläche der Scheibe 1 der Metallüberzug im einerseits das Aufbringen der Verbindungsbrücken Bereich einer der Verbindungsbrücken 7 elektrisch auf die Mantelfläche der Scheiben erleichtert und 40 isolierend unterbrochen, so daß der die Verbindungsanderseits vermieden, daß das die Verbindungs- brücke 7 bildende Metallbelag eine lappenartige brücken bildende Material an den Kanten bricht oder Kontaktzone 8 bildet. Im zusammengebauten Schichtsich von den Scheiben ablöst, was insbesondere bei körper liegen jeweils die einander zugekehrten Verbindungsbrücken aus dünnen Metallbelägen, die Kontaktzonen 8 benachbarter Scheiben 1 aufeinander, auf die Metallischen der Scheiben aufgedampft oder 45 so daß die Elektroden 6 gleicher Ladung miteinander aufgespritzt werden, wichtig ist. und mit den zugehörigen Außenelektroden leitend

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Aus- verbunden sind. Die elektrische Isolierung der Konführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. taktzonen 8 gegenüber dem verbleibenden, die Elek-

F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungs- trode 6 bildenden Metallüberzug kann in an sich be-

form nach der Linie I-I in F i g. 2 und 50 kannter Weise nachträglich durch einen Läpp- oder

F i g. 2 dazu einen Schnitt nach der Linie H-II in Ätzvorgang vorgenommen werden, wobei der Metall-

F i g. 1; in überzug im Bereich einer Trennzone 9 entfernt wird.

F i g. 3 ist ein Abriß eines Details einer weiteren Die Trennzone 9 kann aber auch schon vor Auf-Ausführungsform in Ansicht und in bringen des Metallüberzuges auf die Stirnfläche der

F i g. 4 ein Schnitt nach der Linie IV-IV in F i g. 3 55 Scheibe 1 abgedeckt werden, so daß an dieser Stelle

dargestellt. kein Metall auf die Scheibe aufgebracht wird.

Der in F i g. 1 dargestellte Druckmesser besteht aus Zur Erleichterung des Zusammenbaues des

sechs Scheiben 1 aus piezoelektrischem Material, z. B. Schichtkörpers sind alle den Schichtkörper bildenden

aus Quarz, die zu einem Schichtkörper übereinander- Scheiben 1 an wenigstens einer Stelle ihres Umfanges

geschichtet sind. Der Schichtkörper ist zwischen zwei 60 mit einem aus F i g. 2 ersichtlichen Einschnitt 12 ver-

Metallplatten 2 und 3 eingespannt, die zusammen die sehen, in den während des Zusammenbaues eine aus

äußere Masseelektrode bilden. Die zweite Außen- einem Stab od. dgl. bestehende Zentriervorrichtung

elektrode 4 des Schichtkörpers besteht aus einer eingreift. Das Übereinanderschichten der Scheiben

Metallplatte, die zwischen die beiden untersten kann dadurch rasch erfolgen, wobei gewährleistet ist,

Scheiben des Schichtkörpers eingelegt ist und von der 65 daß die Kontaktzonen 8 benachbarter Scheiben genau

ein stabförmiger Leiter 5 durch je eine Bohrung durch aufeinanderzuliegen kommen und Kurzschlüsse zwi-

die mit 1' bezeichnete unterste Scheibe und die sehen den Kontaktzonen 8 und den Elektroden 6 ver-

Metallplatte 3 hindurch isoliert nach außen führt. mieden werden. Eine genaue Zentrierung der Schei-

ben des Schichtkörpers ist im Hinblick auf die kleinen Abmessungen der Scheiben selbst, der Kontaktzonen 8 und insbesondere der zwischen den Elektroden 6 und den Kontaktzonen 8 liegenden Trennzonen 9 besonders wichtig.

Bei der etwas abgeänderten Ausführungsform der Erfindung gemäß den F i g. 3 und 4 sind die zur Zentrierung dienenden Einschnitte 13 an den die Verbindungsbrücken aufweisenden Stellen der Scheibe 1 angeordnet. Zur Zentrierung dienen dabei Vorzugsweise Stäbe aus Isoliermaterial, z. B. aus Polytetrafluoräthylen, die auch nach Zusammenbau des Schichtkörpers in den Einschnitten 13 verbleiben können. Dadurch werden die Scheiben 1 auch nach erfolgtem Zusammenbau des Schichtkörpers und während der Verwendung sicher in der zentrierten Lage gehalten. Zweckmäßig sind die in die Einschnitte 13 eingelegten Stäbe aus Isoliermaterial an ihrer außenliegenden Fläche der Randfläche der Scheiben entsprechend geformt, so daß sich eine glatte Außenfläche des Schichtkörpers ergibt.

Wie aus F i g. 4 weiterhin hervorgeht, können die Scheiben 1 im Bereich der Verbindungsbrücken 7 abgerundete Ränder 14 aufweisen. Es wird dadurch erreicht, daß der die Elektrode 6 auf jeweils einer Stirnfläche der Scheibe 1, die Verbindungsbrücke 7 und die Koniaktzone 8 bildende zusammenhängende Metallüberzug fest auf der Scheibe haftet und sich an keiner Stelle von der Scheibe 1 ablöst. Wie F i g. 4 zeigt, können auch bei abgerundeten Rändern 14 der Scheibe 1 die Einschnitte 13 für die Zentrierung im Bereich der Verbindungsbrücken 7 vorgesehen sein.

Beim erfindungsgemäßen Schichtkörper wird der longitudinal Piezoeffekt ausgenutzt, wobei die auf den Kraftmesser wirkende Kraft in Richtung der in Fig. 1 mit 10 bezeichneten X-Achse aufgebracht wird. In der Praxis treten jedoch auch senkrecht zur .Y-Aclisc 10 wirkende Kräfte auf, durch welche zufolge des transversalen Piezoeffektes ebenfalls Ladungen an den Elektroden 6 entstehen. Um eine räumlich gleichförmige Querempfindlichkeit des Schichtkörpers sicherzustellen, werden die Scheiben 1 zweckmäßig so überemandergeschichtet, daß sich eine symmetrische Verteilung der Y-Achsen der Scheiben ergibt. Dies kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß die beiden Verbindungsbrücken 7 jeder Scheibe 1 schon von vornherein symmetrisch zur Y-Achse der Scheibe angeordnet werden und ihr Abstand von der Y-Achse, die in F i g. 2 mit 11 bezeichnet ist, in Abhängigkeit von der Anzahl der den Schichtkörper bildenden Scheiben gewählt wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel mit sechs übereinandergeschichteten Scheiben 1 wird eine symmetrische Verteilung der Y-Achsen im Schichtkörper beispielsweise bei einer Versetzung der Verbindungsbrücken 7 um einen Winkel von 120° erreicht.

Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Kraftmesser, bestehend aus wenigstens drei zu einem Schichtkörper übereinandergeschichteten Scheiben aus piezoelektrischem Material, insbesondere aus Quarzkristallen, zwischen denen Elektroden zur Ableitung der elektrischen Ladungen vorgesehen sind, wobei die Elektroden gleicher Ladung leitend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß um die Randfläche jeder Scheibe (1) zwei elektrisch leitende Verbindungsbrücken (7) herumführen, von denen jede mit einer der Elektroden (6) leitend verbunden, von der jeweils anderen Elektrode (6) auf der anderen Stirnfläche der Scheibe (1) hingegen elektrisch isoliert ist, und daß die Scheiben so zusammengefügt sind, daß die isolierten Teile (Kontaktzonen 8) der Verbindungsbrücken (7) zweier benachbarter Scheiben (1) aufeinanderliegen.

2. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle den Schichtkörper bildenden Scheiben (1) an wenigstens einer Stelle ihres Umfanges einen Einschnitt (12,13) aufweisen, der zum Eingriff einer Zentriervorrichtung beim Zusammenbau des Schichtkörpers dient.

3. Kraftmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnitte (13) an den die Verbindungsbrücken (7) aufweisenden Stellen der Scheiben (1) angeordnet sind, wobei vorzugsweise Stäbe aus Isoliermaterial, z. B. aus Polytetrafluorethylen, zur Zentrierung dienen, die auch nach Zusammenbau des Schichtkörpers in den Einschnitten (13) verbleiben.

4. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verbindungsbrücken (7) jeder Scheibe (1) symmetrisch zur Y-Achse (11) der Scheibe angeordnet sind und ihr Abstand von der Y-Achse in Abhängigkeit von der Anzahl der den Schichtkörper bildenden Scheiben (1) derart gewählt ist, daß sich eine symmetrische Verteilung der Y-Achsen (11) der Scheiben (1) im Schichtkörper ergibt.

5. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Scheiben (1) des Schichtkörpers liegenden Elektroden (6) in an sich bekannter Weise von auf die Stirnflächen der Scheiben (1) z. B. durch Aufdampfen im Vakuum aufgebrachten festhaftenden Metallüberzügen, z. B. aus Silber, Gold oder Kupfer, und die Verbindungsbrücken (7) aus um die Randfläche der Scheiben (1) herum aufgebrachten stegförmigen, mit den Metallüberzügen der Stirnflächen verbundenen Metallbelägen gebildet sind, wobei jede Verbindungsbrücke (7) auf einer anderen Stirnfläche unter Bildung einer lappenartigen Kontaktzone (8) von der entsprechenden Elektrode elektrisch isoliert ist.

6. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Schichtkörper bildenden Scheiben (1) im Bereich der Verbindungsbrücken (7) abgerundete Ränder (14) aufweisen (F i g. 4).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 862 778;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 058 773.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen