DE2253403A1

DE2253403A1 - Kraftwandler und diesen verwendendes kraftwandlersystem

Info

Publication number: DE2253403A1
Application number: DE19722253403
Authority: DE
Inventors: James Patrick Corbett
Original assignee: CORBETT PATRICK JAMES
Current assignee: CORBETT PATRICK JAMES
Priority date: 1971-11-23
Filing date: 1972-10-31
Publication date: 1973-05-30
Also published as: GB1408890A; JPS4860890A; JPS5331634B2; CH558523A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

' 8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

Dr. James Patrick Corbett

Old Manor House, 27 Station Road,

Thames Ditton, Surrex, England

Kraftwandler und diesen verwendendes Kraftwandlersystem

Die Erfindung bezieht sich auf Schwingkristall-Kraftwandler.

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zu Grunde, einen Weg zu zeigen, wie besonders wirksame Schwingkristall-Kraftwandler aufzubauen sind.

Gemäß der Erfindung ist ein Kraftwandler geschaffen, der einen Rahmen mit einem Grundteil und einem plattenartigen piezoelektrischen Kristall aufweist, welcher in bezug auf das Grundteil aufrechtstehend angeordnet ist, und zwar dadurch, daß er mit gegenüberliegenden Kantenbereichen an dem Grundteil und an einem Ende eines Drucklagers oder ähnlichen schmalen Teiles anliegt, wobei das Drucklager oder ähnliche schmale Teil so angeordnet ist, daß es eine

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umzusetzende Kraft zu dem Kristall hin überträgt. Ferner ist zwischen dem Rahmen und dem Drucklager oder entsprechenden schmalen Teil eine federnde Halterung vorgesehen, die dazu dient, das Drucklager oder entsprechende Teil zu dem Kristall ausgerichtet zu halten und mit Hilfe des Drucklagers oder entsprechenden Teiles den Kristall in entsprechender Stellung zu halten. Außerdem sind elektrische Verbindungen zu dem Kristall hin vorhanden.

Der Hauptzweck der Bereitstellung bzw. Verwendung des Drucklagers und der Art und Weise, in der dieses Drucklager angeordnet ist, besteht darin, eine lineare Beziehung zwischen der ausgeübten Kraft und der Resonanzfrequenz des Kristalls zu erzielen. Wie weiter unten noch näher erläutert werden wird, umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mehrere subsidiäre Merkmale, die alle auf die Erzielung dieses Zwecks ausgerichtet sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Kraftwandlersystem geschaffen, welches einen Kraftwandler, eine elektrische Schwingschaltung, deren Resonanzfrequenz durch den Kristall bestimmt wird, und Kraftmeßeinrichtungen enthält, die eine Kraft entsprechend der Differenz zwischen der Resonanzfrequenz in dem Fall, daß der Kristall durch die Kraft belastet ist, und der Resonanzfrequenz in dem Fall, daß die Belastung des Kristalls durch die Kraft aufgehoben ist, zu messen gestatten.

An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt einen Quarzkristall für einen Wandler. Fig. 2 zeigt in einer vergrößerten Seitenansicht den Kristall, auf den die Kraft ausgeübt wird, Fig. 3 und 4 veranschaulichen verschiedene Verfahren zur Anbringung von Elektroden an dem in Fig. 1 dargestellten Kristall.

Fig. 5 zeigt eine Kombination eines Kristallmoduls und einer Schwingschaltung·

Fig. 6 zeigt einen vollständigen Wandler mit einem Oszillator und einer Zylinderspule·

Fig. 7 zeigt schematisch eine zur Vervielfachung einer Ausgangssignalfrequenz dienende Schaltung, die an einer Schaltung angeschlossen ist, welche sich für eine gelegentlich auftretende erneute Nulleinstellung eignet. Fig. 8 zeigt eine Anordnung zur Einstellung der Winkelposition des Kristalls in "bezug auf die Kraftlinie. Fig. 9 zeigt einen Federbügel für«die Verwendung bei der Anordnung gemäß Fig. 8.

Fig. 10 zeigt eine andere Methode der Halterung des Kristalls in dem Modul.

In Fig. 1 ist ein Kristall 1 gezeigt, der auf einer Unterlage 4 aus Messing oder einem Material entsprechender Härte aufgebracht ist', welches vorzugsweise eine Dicke zwischen 25,4/U und 76,2/U (entsprechend O₉OOI bis Q₉QQJ Zoll) auf» weist. Beim Gebrauch ruft der Kristall in der Unterlage 4 . eine dauerhafte Einkerbung hervor ₀ wodurch er seine eigene Lagerung schafft. Unterhalb der Unterlage 4 befindet sich eine Platte 5 aus rostfreiem Stahl_p die von einer Grundplatte 20 durch ein© zweite Unterlage 7 aus Glasglisaer

isoliert ist. An der diametral gegenüberliegenden Kante des Kristalls ist eine weitere Unterlage 8 aus Messing oder einem Material ähnlicher Härte vorgesehen. Diese Unterlage 8, die ebenfalls vorzugsweise 25,4/U bis 76,2/U (entsprechend 0,001 bis 0,003 Zoll) dick ist, sichert die Oberseite des Kristalls, der beim Gebrauch eine Einkerbung in der Unterlage bzw. Auflage 8 hervorruft und damit in dieser seine eigene Lagerung schafft. Die Unterlage bzw. Beilage ist an einer oberen Kraftplatte 9 angebracht, durch die eine Kraft auf die betreffende Kante des Kristalls ausgeübt wird.

Bei dieser Ausführungsform ist als Kristall ein Quarzkristall mit einer Grundfrequenz im Bereich von 0,1 bis 20 MHz gewählt worden. Der dargestellte Kristall besitzt nahezu Kreisform; er kann dabei genau kreisförmig oder von irgendeiner anderen regelmäßigen Form sein. Der Umfang des Kristalls ist als sich verjüngend dargestellt, obwohl dies nicht notwendig ist. Die Verjüngung der Kante des Kristalls führt jedoch dazu, daß unerwünschte Schwingungsformen in dem Kristall verringert sind.

Die Kraftplatte bzw. -plattform 9 ist so angeordnet, daß die Angriffslinie 2 einer auf den Kristall ausgeübten Kraft durch die Mitte des wirksamen Bereichs des Kristalls hindurchläuft, d.h. durch den Punkt A. Diese Angriffslinie bzw. Wirkungslinie 2 verläuft zu dem Kristall unter einem Winkel in bezug auf die X-Achse, um, den Temperaturkoeffizienten der Kraft/Frequenz-Konstante auf Null herabzusetzen. Dieser Winkel beträgt 40° für einen temperaturabhängigen Quarzkristall von 5,16 MHz mit einer abgeschrägten Kante.

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Dieser Winkel variiert bei anderen Kristallen, und zwar in Abhängigkeit von Faktoren, wie dem Kristalldurchmesser, der Frequenz, dem Durchmesser jeglichen Überzugs auf dem Kristall und der Abschrägung. Dieser Winkel liegt jedoch gewöhnlich im Bereich zwischen 35° und 45°, und zwar auf irgendeiner Seite der X-Achse.

In Fig. 1 und insbesondere in Fig. 2 ist die Oberkante 3 des Kristalls als in der Breite verringert dargestellt. Dies heißt, daß der Umfang des Kristalls längs der Kante 3 einen größeren Kreisradius besitzt als der übrige Teil des Kristalls. So ist z.B. die Kante 3 unter Erzielung einer Kristalllagerkantenbreite 3¹ (Fig. 2) abgeschrägt, die vorzugsweise zwischen 60# und 90% der Dicke des Kristalls ausmacht. Dies dient dazu, den auf diese Kante ausgeübten Druck auf ein Minimum herabzusetzen. Dies steht in Übereinstimmung mit dem Festhalten an der Forderung, daß die Angriffslinie 2 der ausgeübten Kraft durch den Punkt A unter sämtlichen Belastungszuständen' verläuft. Die untere Kante des Kristalls kann, wie dargestellt, in entsprechender Weise abgeschrägt bzw. abgefast sein.

Dieses Abschrägen bzw. Abfasen der oberen und/oder unteren Kanten des Kristalls ist von Vorteil hinsichtlich der Anwendung des Kristalls. Die betreffende Abschrägung bzw. Abfasung kann jedoch auf Grund hoher Herstellkosten oder auf Grund eines Verlustes an Einstellbarkeit der Winkelposition des Kristalls über einen weiten Bereich weggelassen werden.

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In Fig. 1, 3 und 4 sind drei verschiedene Verfahren des Anschlusses von Elektroden an dem Kristall gezeigt. In Fig. 1 ist eine Drahtklemme 10 aus rostfreiem Stahl an einer Kristallelektrode angebracht, die unter einem etwa einem rechten Winkel entsprechenden Winkel zur X-Achse des Kristalls verläuft. Ein feiner Kupferdraht 12 ist an einer Stelle 11 an der Klemme 10 angelötet und mit der Messingunterlage 4 verbunden. Von dieser Messingunterlage 4 ist eine Verbindung zu einer nachstehend noch näher beschriebenen geeigneten Schaltung hin vorhanden. Eine entsprechende Verbindung ist zu der Messingunterlage 8 hin vorhanden, die geerdet ist.

Im Unterschied dazu sind, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, die Kristallelektroden längs der Wirkungslinie 2 der ausgeübten Kraft angeordnet. Eine Verbindung zu der Messingunterlage 4 ist dabei z.B. dadurch hergestellt, daß direkt eine geringe Menge von mit Silber durchtränktem Bleiborat oder eines entsprechenden leitenden Klebmittels 14 verwendet wird, welches bei hoher Temperatur verarbeitet worden ist und welches längs der Kristallkante angeordnet ist, bevor der Kristall in seine Lage gebracht ist, wie dies dargestellt ist.

Ein weiteres Verfahren zum Anschluß der Elektroden ist in Fig. 4 gezeigt. Gemäß Fig. 4 ist ein feiner Kupferdraht durch mit Silber imprägniertem Bleiborat oder ein ähnliches leitendes Klebmittel 13 an der Kristallelektrode befestigt. Die Verwendung von mit Silber imprägniertem bzw. durchtränktem Bleiborat führt nicht zu einer merklichen Herabsetzung des Gütefaktors Q des Kristalls, wie dies durch

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andere Materialien, wie ζ_βB,.Lötmittel₉ erfolgte Um auf Grund der Verbindung an der Stelle 13 vorhandene unerwünschte Kraftwirkungen auf einen minimalen Wert herabzusenken? 'sind in diesem Fall die Kristallelektroden längs der Linie des Nullkraft-Koeffizienten' in dem Kristall angeordnete Das andere Ende des Drahtes bzift, der Leitung 15 ist an der Messingunterlage 4 angebrachte

Bezugnahmend auf Figo 5 sei bemerkt, daß der Kristall 1 wie zuvor beschrieben zwischen Unterlagen in einem generell mit 43 bezeichneten Kristallmodul untergebracht ist«, Eine Kraft kann auf den Kristall 1 längs der Wirklinie 2 über ein Drucklager oder ein ähnliches schmales Teil ausgeübt werden, das bei 19 angedeutet ist₀ Die den Kristall 1 in der richtigen Lage haltende Einstellkraft wird durch eine Membran 18 aufrechterhalten₉ die zusammen mit einer zweiten Membran 19 das Drucklager 19 in einer Lage hält_? die recht» winklig zu dem Grundteil 20 des Moduls sich befindete Die Membran 16 ist dabei etwa 76_ff2/U (entsprechend 0_s03 Zoll) dick.

In Abweichung von dem zuvor betrachteten Fall kann die Membran 18 eine Metallfeder von etwa O₉.25 mm (entsprechend 0,010ZoIl) Dicke sein? wobei diese Feder in ihrer Länge in der Kristallebene ausgerichtet ist»

Der Zweck der Membran 16 besteht darin₅ den den Kristall festhaltenden bzw. tragenden Hohlraum hermetisch abzudichten»

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Das Drucklager 19 enthält einen Ring bzw. eine Lagerschale 17 und eine gewölbte Mutter ,21 , welche die Membranen 16 und 18 gegenüber den Enden der Hülse 17 festhält. Die zu messende Kraft wird auf die gewölbte Mutter ausgeübt.

Die· Einstellkraft wird durch Drehen der Ringmutter 22 ausgeübt und eingestellt. Das Grundteil des Moduls 43 wird durch Schrauben 23 und 24 in seiner Lage gehalten. Durch Schrauben 25 und 26 werden die Außenkanten der Membran 16 und 17 durch die Kraft eines Ringes in Richtung zu einem Ring 28 gehalten. Ein Abstandsring 29 ist dabei zwischen den betreffenden Ringen vorgesehen. Die Muttern 30 und 31 und ihre zugehörigen Schrauben sichern die Messingunterlage 4, die Platte bzw. Plattform 3 und die Glasglimmaunterlage 7» wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, an der Grundplatte 20. Dabei werden Federbügel bzw. -klemmen 32 (von denen in Fig. 5 nur eine dargestellt ist) dazu benutzt, den Kristall 1 während des Zusammenbaus des Moduls in seiner Lage zu sichern. Die Klemmen ragen durch Löcher in dem Grundteil 20 hindurch; sie können von einer Stelle unterhalb des Grundteils 20 gedreht werden, bis sie frei von dem Kristall 1 sind. Daraufhin werden sie gegen die Innenwände des Moduls geführt.

Ist das Kristallmodul in der zuvor beschriebenen Weise zusammengebaut, so wird die Oszillatorschaltung in Form eines Grundteiles 34 angebracht, welches eine gedruckte Schaltungsplatte 33 umgibt, die eine einfache Zwei-Transistor-Oszillatorschaltung enthält. Ein Abstandsring 35 hält die Unterkante der Grundplatte 20 von der Schaltungsplatte 33 entfernt«, Die Grundplatte 34 ist über einen Ring 27 gefügt urxi an der Stelle 36 durch eine Nahtschweißung verbunden, durch die

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eine hermetisch abgedichtete Ummantelung erzielt wird, die mit reaktionsträgem trockenem Stickstoff gefüllt werden kann, um langfristig' chemische Alterungseffekte auf ein Minimum herabzusenken« Um die betreffende Ummantelung zu füllen, ist daher in dem Grundteil 34 ein Rohr 39 vorgesehen.

Die Mutter 30 ist über ihre zugehörige Schraube 40, wie oben beschrieben, mit der unteren Kristallelektrode in elektrischer Verbindung. Die Mutter 30 ist ferner mit einem auf der Schaltungsplatte 33 befindlichen Stift 42 in Kontakt. J Die elektrischen Anschlüsse 37 von der Schaltungsplatte 33 laufen durch eine in dem Grundteil 34 vorgesehene Glasdichtung 38 hindurch. Die obere Kristallelektrode ist über die Membranen 16 und 18 und das Modul geerdet.

Gemäß Fig. 6 sind das Modul 43 und das Grundteil 34 an einer mit 41 bezeichneten Zylinderspuleneinheit angebracht, und zwar mittels einer in den Ring 27 eingeschraubten Hülse 44, die durch Spannringe 44a in ihrer Lage festgehalten wird. Die Speisung der Zylinderspule bzw. Hubmagnetspule 46 bewirkt, daß ein Hubmagnetanker 45 eine Hülse 47 über eine Schraube 48 und ein Drucklager 49 anhebt. Dadurch wird jegliche '% zuvor auf dem Kristall an einer Stelle 50 längs der Wirkungslinie 2 ausgeübte Kraft aufgehoben. Die Aberregung der Hubmagnetspule 46 ermöglicht, daß der Anker 45 unter dem Einfluß einer Rückführfederplatte 45a wieder zurückfällt„ Dies bewirkt eine Wiederausübung einer Kraft auf dem Kristall an der Stelle 50. Das Lager 49, die Schraube 48 und sämtliche zugehörigen Teile sind durch sechs Sektoren aufweisende Ausgleichsgewichte 51 ausgeglichen, die um entsprechende Gelenkpunkte 52 bewegbar sind«,

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Wenn das Lager 49 überlastet ist, wird eine Schraubenfeder zusammengedrückt. Die Feder 53 ist um die Schraube 48 herum vorgesehen; sie liegt mit ihrem oberen Ende an dem Lager und mit ihrem unteren Ende an der Hülse 47 an. Wenn die betreffende Feder zusammengedrückt ist, bewegt sich das Lager nach unten, so daß ein Flansch 54 auf der Oberseite des Körpers der Zylinderspuleneinheit 41 sitzt,, Beim normalen Betrieb der Ausführungsform gemäß Fig, 6 hebt sich das Lager bzw. Auflager 49 um einige Tausendstel eines Zolls auf die ausgeübte Kraft hin an, d.h. lediglich um einen hinreichenden Abstand, bei dem sichergestellt ist, daß die Kraft an der Stelle 50 von dem Kristall vollständig beseitigt ist.

In vielen Anwendungsfällen des Wandlers gemäß Fig. 6 hat es sich als wünschenswert herausgestellt, eine größere Frequenzänderung pro ausgeübter Einheitskraft zu erzielen, als auf Grund der Wirkung der Ausübung einer Belastung auf den Kristall in seinem ersten Oberwellenschwingbetrieb unmittelbar zur Verfügung steht„ Die Anwendung von Kristallen in ihrer dritten oder fünften Oberwellenschwingungsart führt zu einer drei- oder fünffachen Frequenzänderung. Es kann jedoch eine flexiblere Anordnung erwünscht sein, die die Erzielung irgendeines diskreten Vielfachen der Grundfrequenzänderung des Kristalls ermöglicht. Diese Flexibilität kann z.B. durch Verwendung eines phasenstarren Frequenzvervielfachers erzielt werden.

Gemäß Fig. 7 ist ein in der zuvor beschriebenen Weise zusammengebauter Wandler 55 mit einem Hohlraum 83 verbunden, wodurch die Frequenz des Ausgangssignals 62 in einer Frequenzdifferenzbildungsschaltung oder Schwebungsfrequenzschaltung

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von einem Signal 63 etwas niedrigerer. Frequenz subtrahiert wird. Das Signal 63 stellt das Ausgangssignal eines von keiner Kraft abhängigen Hilfs-Kristalloszillators 64 dar» Das Differenzfrequenzsignal 66 ist im Vergleich zu den Hochfrequenzsignalen von dem Wandler 55 her relativ klein,, Das Differenzfrequenzsignal 66 wird einer phasenstarren Schaltung bzw* Schleife 67 zugeführt_s in der es vervielfacht wird. Der Hohlraum bzw» die diesen umfassende Schaltungsanordnung 83 ist deshalb vorgesehen^ weil in dem Fall, daß das ¥andlerausgangssignal 62 direkt vervielfacht würde, Frequenz= signale mit Größen auftreten würden₉ die für die Verarbeitung in einem reversiblen digitalen Umwandler zu groß xfären_o

In der vorstehend als phasenstarre Schleife bezeichneten Analyseschaltung 67 nimmt ein Phasendetektor 68 das Differenzfrequenzsignal 66 auf₀ Das Ausgangssignal des Phasendetektors 68 wird über ein Tiefpaßfilter 69 geleitet und als Gleichspannung zur Steuerung der Frequenz eines Multivibrators 70 abgegeben.., Das Ausgangssignal des Multivibrators 70 wird einem Teilerzähler 71 zugeführt. Das Ausgangssignal des Teilerzählers bzw«, Zählers 71 wird schließ= lieh in dem Phasendetektor 68 mit dem Differenzfrequenzsignal 66 verglichen«,

Das Ausgangssignal 72 der Analyseschaltung bzw«, phasenstarren Schleife 67 wird einem reversiblen Zähler züge= führt, wie er nachstehend noch beschrieben werden wird« Dieses Ausgangssignal 72 stellt ein unmittelbares Viel-» faches des Differenzfrequenzsignals 66 dar_o Auf diese Weise werden Frequenzänderungen auf Grund der auf den Wandler ausgeübten Belastungen vervielfacht.

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Die dem Differenzfrequenzverfahren anhaftende, nachstehend beschriebene Eigenschaft des Wieder-Auf-Null-Stellens verhindert, daß ein Abwandern des Ausgangssignals 63 des Hilfsoszillators die Genauigkeit der Anordnung beeinflußt.

In Fällen, in denen der Wandler benutzt wird, wie z.B. bei bzw. in Geschäfts-Waagen, kann eine weitere Vervielfachung oder, sofern erwünscht, Untersetzung des aus der Wandlerausgangssignalfrequenz resultierenden Periodenzählergebnisses hervorgerufen werden, indem die Länge der Zählperiode geändert wird. Ein derartiges Verfahren würde Preise zu be·· rechnen gestatten.

Da es verschiedentlich umständlich ist, periodisch eine Kraft auf den Kristall auszuüben und abwechselnd die Kraft abzuführen, um die Differenzfrequenz zu bestimmen, kann ein System, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, verwendet werden, dem das Ausgangssignal 72 der phasenstarren Schleife 67 zugeführt wird.

In diesem System wird die Kraft von dem Kristall in selten auftretenden Intervallen abgeführt; die Frequenz- oder Periodenzählung wird unter Verwendung eines Abwärtszählers 84 bestimmt. Diese "belastungsfreie" Perioden-Abwärtszählinformation wird zu einem Aufwärtszähler 86 übertragen, wobei die ausgeübte Kraft den Aufwärtszähler 86 veranlaßt, eine Zählung während einer entsprechenden Zeitspanne durchzuführen. Auf diese Weise wird ein Ergebnis erzielt, welches kennzeichnend ist für die Differenzfrequenzzählung. Dieses Ergebnis ist der ausgeübten Kraft proportional und stellt damit eine Anzeige der ausgeübten Kraft dar. Das betreffende Ergebnis kann mit einer Nixie-Röhre 88 oder mit Hilfe einer ähnlichen Anzeigeeinrichtung angezeigt werden.

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Da die "belastungsfreie" Perioden-Abwärtszählung ebenfalls in dem Abwärtszähler 84 digital gespeichert ist, können diese Information darstellende Signale jeweils dann zu dem Aufwärtszähler geleitet werden, wenn dieser gelöscht worden ist und wenn eine Änderung in der ausgeübten Kraft vorgenommen worden ist. Auf diese Weise wird von dem Aufwärtszähler 86 ein neues Differenzfrequenzausgangssignal geliefert.

Der zerstörungsfreie Übertragungsvorgang kann solange fortgesetzt werden, bis eine weitere Operation zur Wiederherstellung der Nullage ausgeführt wird. Die Genauigkeit dieses Systems hängt dabei zum Teil von der Stabilität des Oszillators ab, der die Zeitspanne der jeweiligen Zähloperation festlegt; in diesem Fall handelt es sich dabei um die Zeitgatter-Steuereinrichtung 90.

Die Zeitgatter-Steuereinrichtung 90 löst über die Übertragungssteuerleitungen 85 die Übertragung des der "belastungsfreien" Periode entsprechenden Abwärtszählsignals von dem Abwärtszähler 84 zu dem Aufwärtszähler 86 aus, und ferner steuert die betreffende Steuereinrichtung über Leitungen 87 die Periode der jeweiligen Zähloperation.

Die Bestimmung der Periode zwischen der jeweiligen wieder zu einer Nullstellung führenden Operation kann durch einen Taktmechanismus ausgeführt werden^ und zwar derart^ daß eine wieder zu einer Nulleinstellung führende Operation nach einer diskreten Zeitspanne ausgeführt wird. Im Unterschied dazu könnte eine wieder zu einer Nullstellung führende Operation nach einer vorgewählten Anzahl von Wägeoperationen

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ausgeführt oder durch irgendeine Frequenzabweichung ausgelöst werden, die auf eine z.B. durch eine Änderung der Umgebungstemperatur hervorgerufene Frequenzänderung bei "belastungsfreiem" Wandler oder bei ständig unter Last stehendem Wandler zurückgeht .

Um die Winkelposition des Kristalls genau festzustellen, in der der Temperaturkoeffizient der Kraft/Frequenz-Konstante Null ist, sind zwei Spannvorrichtungen 56 und 61 vorgesehen (siehe Fig. 8), die an dem Modul 43 in der nachstehend beschriebenen Weise angebracht werden können, um eine Drehbewegung des Kristalls um einige wenige Grad um seine Mitte zu ermöglichen. Darüber hinaus ist ferner eine Querbewegung des Kristalls um einige Tausendstel eines Zolls möglich, indem diese Spannvorrichtungen verwendet werden. Dadurch kann der Kristall eine Lage einnehmen, in der die Änderung der Kristallfrequenz von der ausgeübten Kraft linear abhängt. Im allgemeinen erfordert dies, daß die Kraftangriffslinie bzw. Kraftwirkungslinie durch die Mitte des Kristalls verläuft, d.h. den Punkt A in Fig. 1, bei dem es sich um die Mitte des überzogenen Bereichs handelt.

Die Spannvorrichtung 56 enthält eine Klaue 57» die so angeordnet ist, daß sie unterhalb der Mutter 21 an dem einen Ende des Drucklagers 19 gesetzt ist, wenn die betreffende Spannvorrichtung 56 über das Modul 43 gesetzt ist. Eine Schraube 60 ist dabei so eingestellt, daß sie die Enden der Klaue unter die Mutter 21 führt; durch festgezogene Schrauben 59 wird das Drucklager 19 angehoben, und ferner wird die Einstellkraft von dem Kristall entfernt. Normalerweise ist die Kristallage eingestellt, wenn der Kristall sich in Schwingung befindet. Da die Plattform 9 an dem Ende

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des Drucklagers und die zugehörige Unterlage die Irdverbindung für die obere Kristallelektrode herstellen, wird somit die richtige Einstellung der Schraube 60 zwecks Entlastung des Kristalls von der auf ihn ausgeübten Kraft bei Bereitschaft zur Drehung und/oder seitlichen Einstellung dadurch angezeigt, daß die Schwingung des Kristalls aufhört, wenn der über ihn laufende Kreis unterbrochen ist« Das Drucklager 19 wird lediglich um einige Tausendstel eines Zolls angehoben.

Wenn der Kristall somit'frei von jeder ausgeübten Kraft ist, arbeitet die an dem Grundteil des Moduls angebrachte Spannvorrichtung 61 in dem Fall, daß die Spannvorrichtung über die Oberseite des betreffenden Moduls gesetzt ist, wie folgt. Die Seitenkanten des Kristalls 1 i^erden iron Feder·= klemmen 73 festgehalten«, Diese Klemmen 73 sind an Stäben befestigt, welche geradlinige Längsschlitze aufweisen·, die die Kanten des Kristalls führen= In Fig. 9 ist eine der Federklemmen 73 im einzelnen dargestellt_β Die Stäbe 74 sind an einer hin- und herbewegbaren Plattform 75 angebracht< Zur Einstellung der Winkelposition des Kristalls werden Schrauben 81 in geeigneter. Weise festgezogen oder gelöst«. Der Betrag der Einstellung wird durch lineare Skalen 76 angezeigt, die an der Spannvorrichtung 61 angebracht sind₀ Die Einstellung der Schrauben 81 ruft eine Drehbewegung der Plattform 75 in einer Bogenführung 77 hervor_β Dies hat zur Folge, daß der Kristall sich um seine Mitte drehte wie dies in Fig. 8 durch den Doppelpfeil B angedeutet ist«

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Eine seitliche Einstellung bzw. Quereinstellung des Kristalls wird durch Betätigen der Schrauben 78 bewirkt. Die Stellung dieser Schrauben wird auf linearen Skalen 82 angezeigt. Die Schrauben 78 liegen an der Bogenführung 77 anj sie bewegen den Kristall in den Richtungen, die durch den Doppelpfeil C in Fig. 8 angedeutet sind.

Eine gedruckte Schaltungsplatte 33» die mit der in der Oszillatorschaltung gemäß Fig. 5 verwendeten Schaltungsplatte übereinstimmt, ist in einem Hohlraum 79 untergebracht, der sich in dem äußeren Gehäuse 80 der Spannvorrichtung 61 befindet. Diese Schaltungsplatte veranlaßt den Kristall Schwingungen während der Einstelloperation auszuführen.

Die Einstelloperation wird in der nachstehend beschriebenen Weise ausgeführt. Nachdem die beiden Spannvorrichtungen 56 und 61 auf dem Modul 43 in der beschriebenen Weise zusammen™ gesetzt worden sind, werden zuerst die Schrauben 81 zurückgeführt. Die Schrauben 78 werden so eingestellt, daß der Kristall in eine Lage bewegt wird, in der sich die Kristallfrequenz mit einer Änderung der Kraft linear ändert. Um dies zu prüfen, wird die Schraube 60 derart gedreht, daß die Wiederausübung der Vorkraft auf den Kristall ermöglicht ist. Dies bedeutet, daß dem Drucklager 19 ermöglicht wird, den Kristall wieder zu berühren. Die Spannvorrichtung 56 wird dann zurückgezogen, und verschiedene Kräfte werden auf das Drucklager 19 ausgeübt, bis die oben erwähnte linearität erzielt ist.

Ist die betreffende Linearität erreicht, so wird die Spannvorrichtung 56 ausgewechselt, und die Schraube 60 wird so eingestellt, daß der Kristall hinsichtlich der auf ihn

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ausgeübten Vorkraft entlastet wird. Nunmehr werden die Schrauben 81 derart betätigt, daß der Kristall in eine Lage gedreht wird, in der der Temperaturkoeffizient der Kraft/Frequenz-Konstante Null ist* Gewöhnlich ist es für einen gegebenen Kristallaufbau nicht, notwendig, den Temperaturkoeffizienten nach Jeder Einstellung zu messen, da eine besondere Frequenzempfindlichkeit im Hinblick auf eine Änderung der ausgeübten Kraft durch den Wandler hervorgerufen wird, wenn der Temperaturkoeffizient Null ist„

Sind sämtliche Einstellungen vorgenommen worden, so wird zunächst die Spannvorrichtung 56 von dem Modul 43 weggenommen. Sodann wird die Spannvorrichtung 61 weggenommen, indem die Stäbe 74 aus den Löchern in der Modulgrundplatte herausgezogen werden. Das Modul ist nunmehr bereit, mit der Oszillatorschaltung zusammengesetzt zu werden, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist. Gemäß Fig. 10 ist der Kristall 1 auf einem Messingelement 4¹ angeordnet, welches in einem rostfreiem Stahllager 5¹ enthalten ist, das in der Grundplatte angeordnet ist. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß das Lager 5¹ in bezug auf die Grundplatte 20 sich zu schwenken imstande ist. Auf diese Weise ist der Kristall bei seinem Gebrauch an einem Verdrehen gehindert. Das Lager bzw. der Sitz 5" ist vorzugsweise so kurz, daß die Kraftlinie durch den Kristall sich nicht verschiebt.

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Claims

P _a _t e_inn _IIILt a_jun s_p rüche

.J Kraftwandler, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ständer mit einem Grundteil (34) und einem plattenartigen
piezoelektrischen Kristall (1) vorgesehen ist, der
in bezug auf das Grundteil (34) aufrechtstehend angeordnet ist, indem er mit gegenüberliegenden Kantenbereichen an dem Grundteil (34) und an einem Ende eines Drucklagers oder entsprechenden schmalen Teiles (19)
anliegt, welches so angeordnet ist, daß es eine umzusetzende Kraft auf den Kristall (1) überträgt, daß
zwischen dem Ständer und dem Drucklager bzw. entsprechendem schmalen Teil (19) eine federnde Halterung (16,17»18) vorgesehen ist, die das Drucklager oder entsprechende Teil (19) zu dem Kristall (1) ausgerichtet hält und die durch das Drucklager oder entsprechende Teil (19) den Kristall (1) in der entsprechenden Lage hält , und daß elektrische Verbindungen (12;15) zu dem Kristall (1) hin vorgesehen sind.

2. Kraftwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die federnde Halterung eine Membran (16;18) enthält.

3. Kraftwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die federnde Halterung eine Blattfeder enthält.

4. Kraftwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder mit ihren Enden in dem Ständer getragen und in ihrer Mitte mit dem Drucklager oder entsprechenden Teil (19) verbunden ist. ;

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5. Kraftwandler nach Anspruch 4₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Feder in der Ebene des Kristalls (1) ausgerichtet ist.

6. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5j> dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellung des Kristalls -(1) in bezug auf die Wirkungslinie der von dem Drucklager (19) auf den Kristall (1) ausgeübten Kraft derart ist, daß der Temperaturkoeffizient der Beziehung zwischen der auf den Kristall (1) ausgeübten Kraft und der Resonanzfrequenz des Kristalls (1) nahezu Null ist»

7. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellung des Kristalls (1) in dessen Ebene einstellbar ist«,

8. Kraftwandler nach Anspruch 6 oder 7_S dadurch gekennzeichnet ,. daß der Kristall eine -Winkelstellung in bezug auf die Kraftlinie von im wesentlichen 40° einnimmt_β

9. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8,_ dadurch gekennzeichnet, daß die Querstellung des Kristalls (1) in dessen Ebene einstellbar ist_o

10. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9₅ dadurch gekennzeichnet, daß das Grundteil (34) aus einer Grundplatte und einem Lager besteht, welches zwischen der Grundplatte und dem Kristall (1) vorgesehen ist und welches eine Schwenkbewegung in bezug auf die Grundplatte auszuführen vermag«,

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11. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse (12;15) an dem Kristall (1) durch Verwendung von Bleiborat hergestellt sind, das mit Silber oder einem entsprechenden leitenden Klebstoff getränkt ist.

12. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse von dem Drucklager oder entsprechenden schmalen Teil (19) und
dem Grundteil (34) zu dem Kristall (1) hin laufen«

13. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungen Elektroden enthalten, deren jede sich über einen Teil einer entsprechend breiten Kristallfläche erstreckt, und daß
die Elektroden einen Bereich umschließen, durch den die Wirkungslinie der Kraft verläuft, die durch das Drucklager oder entsprechende schmale Teil (19) auf den
Kristall (1) übertragen wird.

14. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (1) in einer Verkleidung untergebracht ist, die an der Stelle des
Drucklagers oder entsprechenden schmalen Teiles (19)
durch eine Membran (16) begrenzt ist, welches den
Kristall (1) nicht belastet, und daß die Verkleidung von einem reaktionsträgem Gas gefüllt ist.

15. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß elektromechanische Einrichtungen (45,46) für die Entlastung des Kristalls (1) vorgesehen sind.

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I6i Kraftwandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet j, daß die elektromechanischen Einrichtungen eine Zylinder= spule (46) mit einem Anker (45) enthalten, der mit dem Drucklager oder entsprechenden schmalen Teil (49) verbunden ist.

17. Kraftwandlersystem unter Verwendung eines Kraftwandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Oszillatorschaltung vorgesehen ist, deren Resonanzfrequenz durch den Kristall (1) bestimmt ist, und daß Meßeinrichtungen vorgesehen sind, die eine Kraft nach Maßgabe der Differenz zwischen der Resonanzfrequenz in dem Fall, daß der Kristall (1) durch die Kraft belastet ist, und der Resonanzfrequenz in dem Fall., daß die Belastung des Kristalls (1) durch die Kraft aufgehoben ist, zu messen gestatten.

18. Kraftwandlersystem nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, die die Belastung des Kristalls (1) periodisch aufheben.

19. Kraftwandlersystem nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen zur Messung einer Kraft einen reversiblen Zähler (84,86) enthalten, der zur Zählung von Schwingungsperioden der Schaltung ausgelegt ist.

20. Kraftwandlersystrem nach einem der Ansprüche 17 bis 19? dadurch gekennzeichnet, daß Speichereinrichtungen vorgesehen sind, die eine digitale Anzeige der Resonanzfrequenz des Kristalls (1) in einem unbelasteten Zustand zu speichern gestatten, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, die bei Belastung des Kristalls (1) die gespeicherte Anzeige darstellende Signale in den reversiblen Zähler einzuführen gestatten. ' .

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