DE4414926A1

DE4414926A1 - Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken mit einem piezoelektrischen Resonator

Info

Publication number: DE4414926A1
Application number: DE19944414926
Authority: DE
Inventors: Christian Reichinger
Original assignee: Individual
Current assignee: REICHINGER, CHRISTIAN, DR.-ING., 52477 ALSDORF, DE
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2014-04-29
Also published as: DE4414926C2

Description

Überblick zum Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken mit einem piezoelektrischen Resonator, der durch die zu messende Größe verformt wird und damit auch seine Resonanzfrequenz ändert, wobei die Änderung der Resonanzfrequenz letztendlich ein Maß für die die Verformung hervorrufende Größe ist.

Es gibt viele Anwendungen für Kraft- und Drucksensoren in Wissenschaft und Technik. Einerseits werden diese Sensoren für die direkte Kraftmessung in Waagen oder Beschleunigungsmessern eingesetzt, andererseits sind sie auch bei der Messung von Drücken in Flüssigkeiten und Gasen weitverbreitet.

Frequenzanaloge Sensoren, also Sensoren mit einer sich ändernden Frequenz als Ausgangssignal, sind für diese Zwecke besonders geeignet, da sie eine hohe Auflösung besitzen können und da die Frequenz eine Größe ist, die auf elektronischem Weg ohne Informationsverlust über weite Strecken übertragen werden kann und direkt von digitalen Schaltungen, also auch von Computern und Mikroprozessoren, verarbeitet werden kann. Besonders günstig ist die Verwendung von piezoelektrischen Materialien als Sensorelemente bei frequenzanalogen Sensoren, weil durch den piezoelektrischen Effekt die Anregung der Schwingung und die Auskopplung des Frequenzsignals direkt möglich ist.

Die notwendigen Erklärungen zum Stand der Technik bei frequenzanalogen Sensoren aus piezoelektrischen Materialien werden im folgenden anhand von Quarz gegeben, gelten sinngemäß aber für alle piezoelektrischen Materialien.

Es ist bekannt, daß bestimmte natürliche oder gezüchtete Kristalle als Kraftsensoren mit piezoelektrischer Anregung benutzt werden können. Eine ausnahmslos hohe Steifigkeit und eine praktisch vernachlässigbare Hysterese sowie die chemische Stabilität der Einkristallstruktur machen zum Beispiel Quarz zu einem geeigneten Grundmaterial für solche Sensoren mit einer guten Langzeitstabilität.

In Abhängigkeit von seinem Kristallschnitt und seiner geometrischen Form kann Quarz piezoelektrisch bei seinen Resonanzfrequenzen angeregt werden, die einen sehr hohen Gütewert besitzen können. Die Güte in einem schwingenden System ist das Verhältnis von gespeicherter Energie zu dem Energieverbrauch während einer Schwingungsperiode. Deshalb kann ein Schwingquarz in einer Oszillatorschaltung mit einem geringen Energieverbrauch betrieben werden. Wenn sich die innere Energie des Quarzes durch eine mechanische Verformung ändert, ohne daß dabei auch der Gütewert des Systems verändert wird, dann ergibt sich daraus eine Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes. Die Änderung der Resonanzfrequenz ist ein direktes Maß für die die Verformung des Quarzes verursachende Meßgröße. Die die Information beinhaltende Wechselspannung kann ohne weitere Umformung als digitales Signal weiterverarbeitet werden.

Da der Energieverlust in der Einspannung der Quarze eine Größe darstellt, die die Schwingungsgüte und damit auch die Auflösung derartiger Sensorelemente nachhaltig negativ beeinflußt, muß beim Einsatz von Schwingquarzen als Sensorelemente zur Kraft- und Druckmessung darauf geachtet werden, daß die Halterung die Schwingungsgüte des Quarzes nicht beeinflußt. Deshalb ist auf die mechanische Halterung des Meßquarzes das Hauptaugenmerk zu richten.

Beispielsweise wurde in US 3470400 und US 3479536 versucht, diese Anforderungen durch aufwendige Quarzgeometrien zur Schwingungsentkopplung zu erfüllen. Die zu messende Kraft muß über aufwendige Mechaniken in den Schwingquarz geleitet werden.

Im Gegensatz dazu wirkt in den von den Patenten US 3561832 und US 4550610 geschützten Drucksensoren der Druck direkt auf aufwendig konstruierte Quarzelemente, wobei allerdings der aktive, d. h. der schwingende Bereich des Quarzes nur einen geringen Teil der gesamten Struktur ausmacht, auf den der zu messende Druck übertragen wird.

Im Patent US 4644804 ist eine wesentlich einfachere Anordnung beschrieben, mit welcher Kräfte oder Drücke unter Verwendung von Quarzplatten, die normal zur Plattenfläche mit der Meßgröße beaufschlagt werden, gemessen werden können.

Alle diesen bekannten Vorrichtungen ist zu eigen, daß eine komplizierte Technik sowohl bei der Herstellung der Resonatoren als auch bei der Konstruktion der mechanischen Halterung erforderlich ist.

Bestandteil der vorliegenden Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 zu schaffen, die die günstigen Eigenschaften von piezoelektrischen Materialien auf vielseitige Art und Weise nutzt und zudem einfacher und somit preiswerter herzustellen ist als die bisher bekannten Vorrichtungen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Das Wesen der Erfindung liegt in der Umwandlung der zu messenden Größe in Schubspannungen, also Flächenlasten, durch einen geeigneten Träger. Die Wirkungsrichtung der Schubspannungen weist im wesentlichen in eine Richtung.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Vorrichtung an viele unterschiedliche Meßbereiche durch eine andere Dimensionierung des Kraftnebenschlusses im Träger angepaßt werden kann. Teuere Abänderungen der Resonatorgeometrie sind dazu nicht erforderlich.

Die vorhandene Temperaturabhängigkeit der Vorrichtung, die als Störgröße gesehen werden muß, kann durch den Einsatz von zwei oder mehreren Resonatoren, die auch baugleich sein können, durch unterschiedliche Wirkungsrichtung der Schubspannungen in den einzelnen Resonatoren bezüglich ihrer Orientierung und durch Anwendung des Differenzprinzips reduziert werden. Grundgedanke bei der Anwendung des Differenzprinzipes ist, daß die Störgröße Temperatur auf beide Resonatoren in gleicher Weise wirkt, während die Meßgröße gegensätzlich auf die beiden Resonatoren wirkt. Bei der Differenzbildung der Resonanzfrequenzen fällt dann die gleichgerichtete Temperaturabhängigkeit heraus.

Um das Wesen der Vorrichtung herauszustellen, zeigen die beiden angefügten Zeichnungen eine mögliche Ausführungsform mit einer runden piezoelektrischen Membran, die einseitig geklebt ist. Die Zeichnungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht maßstabsgetreu.

Fig. 1 zeigt in der Draufsicht den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung mit dem Träger (1), der in diesem Fall kreisförmigen Membran mit einem einseitig verstärkten Rand (2) sowie einer von mindestens zwei zur Anregung nötigen Elektroden (3).

Fig. 2 zeigt in dem in Fig. 1 angedeuteten Schnitt die Klebeverbindung (4) zwischen piezoelektrischem Resonator und Träger, die Wirkungsrichtung (5) der Schubspannungen bei dieser Anordnung und den Kraftnebenschluß (6) im Träger. Die zur Anregung benötigten Elektroden sind nicht dargestellt.

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken mit einem piezoelektrischen Resonator, der durch die zu messende Größe verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Resonator eine Membran mit beliebiger Fläche und mit einem einseitig verstärkten Rand ist;
b) die Anregung des Resonators zu Schwingungen bei seiner Resonanzfrequenz durch mindestens zwei Elektroden, die im dünneren Bereich der Membran liegen, und eine elektrische Oszillatorschaltung erfolgt;
c) der Resonator so auf einen Träger geklebt ist, daß die zu messende Größe über den Träger und die Kleberschicht in Schubspannungen am Resonator umgewandelt wird, die um die Höhe der Randverstärkung aus der Membranebene heraus versetzt am verstärkten Rand des Resonators hauptsächlich in eine Richtung wirken und den Resonator verformen;
d) der Resonator als Folge der zu messenden Größe seine Resonanzfrequenz ändert.

2. Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken mit einem piezoelektrischen Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator eine Membran mit beliebiger Fläche ist, deren Rand beidseitig verstärkt ist, wobei die Verstärkungen in ihren Abmessungen gleich oder auch unterschiedlich sein können.

3. Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken mit einem piezoelektrischen Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebung des Resonators so erfolgt, daß die Schubspannungen am Resonator direkt an der Membranoberfläche wirken.

4. Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken mit einem piezoelektrischen Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebung des Resonators beidseitig erfolgt.

5. Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken mit einem piezoelektrischen Resonator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Meßbereiches der Vorrichtung durch die Dimensionierung des Kraftnebenschlusses im Träger erfolgt.

6. Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken mit einem piezoelektrischen Resonator nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator aus Lithiumniobat gefertigt ist.

7. Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken mit einem piezoelektrischen Resonator nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator aus Quarz gefertigt ist.

8. Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken mit einem piezoelektrischen Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzresonator eine Membran im AT-Schnitt ist.

9. Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken mit einem piezoelektrischen Resonator nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz des Resonators von der zu messenden Größe hinsichtlich Betrag und Vorzeichen durch Verändern der Ausrichtung des Resonators zu der Wirkungsrichtung der vom Träger auf den Resonator übertragenen Schubspannungen eingestellt wird.

10. Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere baugleiche oder unterschiedliche Resonatoren verwendet werden.

11. Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken mit mehreren piezoelektrischen Resonatoren, die auch baugleich sein können, nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung der Resonatoren auf dem Träger bezüglich der Wirkungsrichtung der Schubspannungen so erfolgt, daß durch die Wirkung der zu messenden Größe bei mindestens einem Resonator die Frequenz steigt und bei mindestens einem anderen die Frequenz sinkt mit dem Ziel, durch Differenzbildung die Temperaturabhängigkeit der Vorrichtung zu reduzieren.

12. Vorrichtung zur Erfassung von Kräften oder Drücken mit einem oder mehreren piezoelektrischen Resonatoren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Kraft über eine Temperaturänderung aufgebracht wird.