DE3013185C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Miniatur-Quarzresona­ tor-Kraftmeßwandler. Die Messung einer Kraft mit hoher Ge­ nauigkeit 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 Beschleunigungs­ messern und bei der industriellen Prozeßsteuerung.

Ein weithin gebrauchtes Verfahren zur Kraftmessung verwen­ det einen schwingenden Quarzresonator mit einer Schwing­ frequenzänderung proportional zur angelegten Kraft. Diese Resona­ toren sind in der Lage, eine hohe Auflösung sowie eine digi­ tale Ausgangsgröße zu liefern, was sie zur Verwendung mit digitalen Mikroprozessoren besonders geeignet macht. Die bereits bekannten Quarzresonatoren machen jedoch eine Prä­ zisionsbearbeitung von komplizierten Formen erforderlich, was die Herstellung zu teuer macht oder aber zu kostspie­ ligen, unzuverlässigen Einheiten führt.

Eine erwünschte Eigenschaft eines Kraftmeßwandlers der Quarzresonator-Bauart ist eine hohe mechanische Gü­ te Q. Q ist proportional dem Verhältnis aus der pro Zyklus im Schwingungssystem gespeicherten Energie zur verlorenge­ gangenen Energie. Ein niedrigeres Q bedeutet, daß eine größe­ re externe Energiequelle zur Aufrechterhaltung der Schwin­ gungen 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.

Hinsichtlich bekannter Quarzresonatorkraftwandler sei auf die folgenden US-Patente verwiesen: 33 99 572; 34 70 400; 34 79 536; 35 05 866; 40 20 448; 40 67 241; 40 91 679; 41 04 920 und 41 26 801. Man erkennt, daß die Resonatoren entweder komplizierte und daher teure Kristallformen oder komplizierte und daher teure Metallteile erforderlich ma­ chen.

Aus der US-PS 32 38 789 ist bereits ein Kraftmeßwandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, daß ohne Verwendung einer komplizierten Kristallform eine hohe Güte erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen vor.

Bevorzugte Ausführungsarten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeich­ nung beschrieben; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 den erfindungsgemäßen Kraftmeßwandler in perspektivi­ scher Darstellung;

Fig. 2a und 2b annähernd maßstabsgetreu einen be­ kannten Quarzresonanzkraftwandler und den erfindungsgemäßen Kraftmeßwandler.

Fig. 1 zeigt perspektivisch den erfindungsgemäßen Kraftmeßwandler 10. Dieser Kraftmeßwandler kann mit zwei Abstimm­ gabeln verglichen werden, die Ende an Ende aneinander be­ festigt oder miteinander verklebt sind (wie dies tatsäch­ lich für einige früheren Entwicklungsbeispiele der Erfin­ dung der Fall war.)

Der Kraftmeßwandler kann sehr klein ausgebildet sein; das darge­ stellte Ausführungsbeispiel ist im allgemeinen rechteckig und nur 10 mm lang und nur 0,1 mm dick. Die Vorrichtung kann durch photolithographische Ätzver­ fahren aus einem dünnen Quarzflächenelement hergestellt werden. Diese Verfahren sind zur Massenproduktion der Er­ findung gut geeignet, wobei die tatsächlichen Endkosten weniger als einen Dollar pro Kraftmeßwandler betragen werden. Das Quarzflächenelement (Quarztafel) kann dadurch hergestellt werden, daß man eine dünne Lage von einem größeren Quarz­ kristall mit einer gewünschten kristallographischen Orien­ tierung abschneidet, um so die Frequenzabhängigkeit von der Temperatur zu minimieren. Bei der Erfindung hat sich ein Flächenelement, zugeschnitten mit ungefähr 0,1 mm Dicke und mit einer Orientierung von +1³/₄° aus der XY Kristallebene und verdreht um die X-Achsen als zufriedenstellend heraus­ gestellt.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist relativ breit, ver­ glichen mit seiner Dicke; seine Breite (W) von ungefähr 1 mm beträgt ungefähr das 10fache seiner Dicke (T). Seine Länge (L) von ungefähr 10 mm ist ungefähr hundert­ mal seine Dicke (T). Der Ausdruck "ungefähr" soll Werte von ±50% gegenüber der angegebenen Zahl umfassen.

Ein schmaler Schlitz 16 ist photolithographisch durch den Kraftmeßwandler 10 geätzt, um so den Kraftmeßwandler in zwei nicht schwin­ gende Endteile 12 und zwei schwingende Stangenteile 14 auf­ zuteilen. Der Schlitz ist extrem schmal und ungefähr 0,07 mm breit oder hat eine Breite (W _s ) von weniger als der Dicke (T). Der Schlitz und daher auch jeder Stangenteil hat eine Länge (L _s oder L _b ) von ungefähr 6 mm oder 60% der Ge­ samtlänge (L).

Jeder Stangenteil 14 hat daher eine Breite (W _b ) von ungefähr 0,4 mm, was ungefähr das 4fache der Dicke (T) ist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird diese Breite (W _b ) auf ungefähr 0,25 mm oder ungefähr das 2,5fache der Dicke (T) herabgetrimmt.

Jedes Endteil ist mindestens solang vom Ende des Schlitzes 16 bis zum äußeren Ende, als es breit ist, und besitzt vor­ zugsweise eine Länge (L _e ) von ungefähr 2 mm oder unge­ fähr der zweifachen Breite (W).

Längs der Oberseite (und/oder Unterseite) jedes Stangenteils 14 ist eine photolithographisch definierte Metallelektrode vorgesehen. Im Betrieb sind diese Elektroden mit einer Oszil­ latorschaltung verbunden, die die notwendige Energie lie­ fert, um die Stangen des piezoelektrischen Quarzwandlers mit einer charakteristischen Frequenz in Schwingungen zu versetzen.

Weil die Endteile 12 dazu dienen, die Schwingungen der Stan­ genteile in effizienter Weise zu koppeln, wobei die Tren­ nung oder Isolation gegenüber den Enden des Wandlers er­ folgt, besitzt der Wandler eine Güte Q von ungefähr 100 000, gemessen im Vakuum. Wenn an die Enden des Wandlers Kräfte angelegt werden, so werden die Schwingun­ gen pro Sekunde jeder Stange um eine gleiche Größe geändert, und die Feststellung erfolgt als eine Frequenzänderung der Oszilla­ torschaltung. Die Schmalheit des Schlitzes wirkt unterstüt­ zend bei der Sicherstellung, daß die an jede Stange ange­ legte Kraft gleich ist, so daß die Schwingungsänderung gleich ist, und so daß die Schwingung jeder Stange nicht außer Phase mit der anderen gerät.

Die Schmalheit des Schlitzes wirkt ferner unterstützend bei der Sicherstellung eines hohen Q-Wertes insofern, als wäh­ rend der Schwingung die Biegung eines Stangenteils eine ge­ ringe Biegung des Endteils bewirkt, was wiederum in effek­ tiver Weise auf das zweite Stangenteil übertragen wird. Dieser Prozeß koppelt in effektiver Weise die Schwingungen der beiden Stangenteile und hilft bei der Korrektur jedweder Ten­ denz, auf unterschiedlichen Frequenzen zu schwingen.

Ein entsprechend der obigen Beschreibung hergestellter Quarzkraftwandler würde dazu in der Lage sein, Kräfte von bis hinab zu 1 Dyn und bis hinaus zu 1 000 000 Dyn mit einer Auflösung von 1 Teil pro 1 000 000 abzufühlen. Ein derartiger Kraftmeßwandler würde eine Güte Q von 100 000 besitzen und nur 10 Mikrowatt an elektri­ scher Leistung zur Aufrechterhaltung der Schwingung benöti­ gen. Es wurde festgestellt, daß die Verwendung eines Paars der obigen Kraftmeßwandler in einer Doppelauslegergeometrie die Empfindlichkeit weiter um einen Faktor von 40 erhöht.

Ein bekannter doppeltendender Abstimmgabelquarzresonator­ kraftwandler 20 sowie der erfindungsgemäße Kraftmeßwandler 10 sind in Fig. 2 maßstabsgerecht dargestellt. Der Kraftwandler gemäß Fig. 2a ist in US-PS 32 38 789 sowie in der folgenden Literaturstelle: "Technical Report on the Quartz Resonator Digital Accelerometer" Norman R. Srrra, 43rd AGARD Conference Proceedings 1967.

Die tatsächlichen Abmessungen der bekannten Vorrichtung sind der obigen Literaturstelle entnommen, werden aber auch durch Fig. 2 und 6 des genannten US-Patents gestützt. Diese Arbeit lehrt nicht die kritische Natur der Abmessungen, was durch die Erfinder bekannt wurde. Obwohl der Wandler 20 grob ge­ sehen eine äquivalente Größe besitzt, so werden doch nicht die kritischen Dimensionen des Kraftmeßwandlers 10 gelehrt. Bei­ spielsweise ist das Mittelloch der bekannten Vorrichtung 1,5 mm breit im Gegensatz zu dem 0,07 mm schmalen Schlitz der Erfindung. Auch ist der Querschnitt der Arme der bekann­ ten Vorrichtung 1 mm tief mal 0,25 mm breit, und zwar im Gegensatz zu den erfindungsgemäßen Abmessungen von 0,1 mm Tiefe mal 0,4 mm Breite.

Der für die bekannte Vorrichtung angegebene Q-Wert beträgt annähernd 32 000 im Gegensatz zu den 100 000 der Erfindung.

Es wird angenommen, daß die kritischen, durch den Erfinder endeckten Merkmale für diesen überraschenden Unterschied maßgebend sind.

Claims (4)

1. Kraftmeßwandler der folgendes aufweist:
einen rechteckigen piezoelektrischen Quarzkristall mit der Dicke T, wobei der Quarzkristall zwei langgestreckte Stangenteile besitzt, die sich im wesentlichen parallel zwischen einem Paar von integral ausgebildeten nicht schwingenden Endteilen erstrecken, um so einen Schlitz zwischen den Stangenteilen und den Endteilen zu bilden, wobei die Endteile Kräfte auf die Stangenteile übertragen, und wobei ferner von jedem der Stangenteile Elektroden getragen werden, um die Stangenteile in Resonanzschwingungen bei Frequenzen zu bringen, die von den an die Endteile angelegten Kräfte abhängen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L des Quarzkristalls auf ungefähr 100T festgelegt ist, die Breite W des Quarzkristalls ist ungefähr 10 beträgt, die Länge R _s des Sclitzes zwischen den Stangenteilen ungefähr 0,6L ist, die Breite W _s des Schlitzes zwischen den Stangenteilen nicht größer als T ist, die Länge L _e der Endteile ungefähr 2W ist, die Länge L _b der Stangenteile ungefähr L _s ist und die Breite W _b der Stangenteile größer als 2,5T ist.

2. Kraftmeßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke T ungefähr 0,1 mm beträgt.

3. Kraftmeßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mindestens auf einer der oberen oder unteren Oberflächen des Quarzkristalls angeordnet sind.

4. Kraftmeßwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall ein Quarz ist, der mit einer Orientierung von +1³/₄° aus der XY Kristallebene um die X-Achse verdreht ist.