DE69009332T2 - Magnetisch angetriebene schwingbalkenkraftwandler. - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kraftwandler und insbesondere auf Kraftwandler, in denen eine aufgebrachte Kraft die Vibrationsfrequenz eines Schwingbalkens ändert.
Grundlagen der Erfindung
• Schwingbalkenkraftwandler werden oft als Kraft-zu-Frequenz-Wandler in Beschleunigungsmessern, Drucksensoren und ähnlichen Instrumenten verwendet. In einer bekannten Konstruktion, die in US-Patent 4 372 173 beschrieben ist, hat der Kraftwandler die Form einer doppelarmigen Stimmgabel, die aus kristallinem Quarz hergestellt ist. Der Wandler weist ein Paar von Seite an Seite angeordneten Balken auf, die mit einer gemeinsamen Montagestruktur an ihren Enden verbunden sind. Elektroden sind an den Balken in vorbestimmten Mustern angeordnet, und die Elektroden sind mit einem Treiberkreis verbunden. Der Treiberkreis erzeugt eine periodische Spannung, die die Balken veranlaßt, aufeinander zu und voneinander weg, 180º außer Phase zu schwingen. Im Ergebnis bilden der Treiberkreis und die Balken einen Oszillator, wobei die Balken die Rolle des Frequenzsteuerkristalls spielen, d. h. eine mechanische Resonanz der Balken steuert die Oszillationsfrequenz. Eine längs der Balken aufgebrachte Zugkraft erhöht die Resonanz-Oszillationsfrequenz, während eine Druckkraft längs der Balken die Resonanzfrequenz vermindert. Die Frequenz des Antriebssignals ist dabei ein Maß der axial längs der Balken aufgebrachten Kraft.
• Schwingbalkenkraftwandler erfordern Materialien mit geringerer innerer Dämpfung, um hohe Q-Werte zu erreichen, die in einer niedrigen Antriebskraft, einer geringen Selbsterhitzung und einer Unempfindlichkeit gegen Variationen in elektronischen Komponenten resultieren. Wandlermaterialien für hoch-genaue Instrumente erfordern auch extreme mechanische Stabilität über ausgedehnte Zyklen bei hohen Beanspruchungsniveaus. Eines der Schlüsselprobleme bei der Herstellung solcher Wandler betrifft die Antriebs- und Positionsfeststellungs- Messung. Kristallines Quarz ist das am meisten verwendete Material für mechanische Wandler wegen seiner piezoelektrischen Eigenschaften, die die Fähigkeit liefern, mechanische Bewegung durch die Verwendung eines einfachen Oberflächenelektrodenmusters anzutreiben und zu fühlen.
• Mit dem Fortschritt von feinstbearbeiteten mechanischen Strukturen, die mit geringen Kosten aus kristallinem Silizium hergestellt werden, wurde es wünschenswert, Schwingbalkenwandler aus Silizium zu schaffen. Jedoch besitzt Silizium nicht piezoelektrische Eigenschaften zum Antreiben und Abfühlen einer Balkenvibration. Es ist daher erwünscht, ein Verfahren zum Anregen und Fühlen der Resonanz eines Siliziumbalkens zu schaffen, ohne wesentliche zusätzliche Kosten, mechanische Instabilitäten oder übermäßige Komplexität zu erzeugen. Ein früherer Versuch zur Lösung dieses Problems bestand darin, ein piezoelektrisches Material (z. B. Zinkoxid) auf einen Siliziumbalken aufzubringen. Dieses Vorgehen kann die erforderliche Antriebs/Abnahme-Fähigkeit schaffen, erzeugt aber zusätzlich Komplexität, Instabilität und Störungen durch thermische Expansion und tendiert auch dazu, die Zuverlässigkeit des Sensors zu vermindern. Dotierungs- und thermische Antriebstechniken können auch verwendet werden, aber sie schaffen bedeutende Selbsterhitzungsprobleme, und sie bieten keine Mittel zum Abfühlen der Balkenposition.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung schafft (Anspruch 8) einen Schwingbalkenkraftwandler, der in einer aus Silizium feinsthergestellten Struktur verwirklicht werden kann. Der Schwingbalkenkraftwandler ist von der Art, die einen Balken mit einer Längsachse sowie Antriebsmittel aufweist, die elektrisch mit dem Balken gekoppelt sind, um den Balken zu veranlassen, mit einer Resonanzfrequenz zu oszillieren, die eine Funktion einer längs der Längsachse des Balkens aufgebrachten Kraft ist. Die Antriebsmittel liefern einen elektrischen Strom an den Balken, und physikalisch mit dem Balken gekoppelte Leitermittel nehmen den Strom auf und leiten ihn längs eines Strompfades, der eine axiale Komponente parallel zu der Längsachse aufweist. Magnetische Mittel sind vorgesehen, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das die axiale Komponente schneidet. Der längs des Strompfades fließende elektrische Strom wechselwirkt dabei mit dem magnetischen Feld, um so eine Kraft an dem Balken zu erzeugen, die den Balken veranlaßt, mit der Resonanzfrequenz zu oszillieren.
• Die vorliegende Erfindung sieht auch vor (Anspruch 1), daß der Wandler die Form einer doppelarmigen Schwinggabel hat, wobei ein Wandlerkörper erste und zweite Balken aufweist, die parallele Längsachsen haben. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann der Strompfad sich längs der Längsachse eines Balkens in einer ersten Richtung und dann längs der Längsachse des anderen Balkens in der entgegengesetzten Richtung erstrecken. Wenn das magnetische Feld senkrecht zu der Ebene ist, die beide Balken enthält, veranlaßt ein Stromfluß längs des Strompfades die Balken, aufeinander zu und voneinander weg, 180º außer Phase, zu oszillieren. Einbalkenwandler, die in Torsionsmoden in Resonanz kommen, werden auch beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die den Kraftwandler der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
• Fig. 2 ist ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Wandlerkörpers;
• Fig. 3 ist eine Draufsicht, die schematisch einen bevorzugten Resonanzmodus für den Wandler von Fig. 2 veranschaulicht;
• Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die die Verwendung eines Kraftwandlers in einem feinstbearbeiteten Beschleunigungsmesser veranschaulicht;
• Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels des Wandlerkörpers;
• Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie 6-6 von Fig. 5;
• Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Wandlerkörpers zeigt;
• Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie 8-8 von Fig. 7;
• Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch ein viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Wandlerkörpers veranschaulicht;
• Fig. 10 ist eine Seitenansicht, die schematisch einen Resonanz-Schwingungsmodus für den Wandlerkörper von Fig. 9 veranschaulicht;
• Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines ersten Torsions-Ausführungsbeispiels des Wandlerkörpers;
• Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht eines zweiten Torsions-Ausführungsbeispiels des Wandlerkörpers;
• Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Montagetechnik für einen Magneten zeigt; und
• Fig. 14 ist ein Schaltungsdiagramm des Treiberkreises.
Detailbeschreibung der Erfindung
• Fig. 1 veranschaulicht schematisch einen Kraftwandler gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Wandler weist einen Balken 10, Magnete 20 und 22 und einen Treiberkreis 24 auf. Der Balken 10 ist zwischen Strukturen 12 und 14 längs einer Längsachse 16 verbunden und weist einen elektrisch leitfähigen Bereich 18 auf, der sich allgemein parallel zu der Achse 16 erstreckt. Die Strukturen 12 und 14 üben eine Zug- oder Druckkraft F auf den Balken 10 aus. Die Magnete 20 und 22 erzeugen ein magnetisches Feld B, das durch den Balken 10 hindurchgeht und insbesondere durch den leitfähigen Bereich 18, und zwar in einer Richtung allgemein normal zu der Achse 16.
• Der Treiberkreis 24 ist mit dem leitfähigen Bereich 18 durch Leitungen 30 und 32 verbunden und veranlaßt, daß ein periodischer Strom durch den leitfähigen Bereich fließt. Der Stromfluß längs des Bereichs 18 wechselwirkt mit dem magnetischen Feld B, um eine periodische Kraft auf den Balken 10 auszuüben. In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist diese Kraft in die Zeichenebene hinein und aus dieser heraus gerichtet und veranlaßt dadurch den Balken 10, längs dieser Richtung zu oszillieren. Der Treiberkreis in Kombination mit dem Balken 10 bildet einen elektrischen Oszillator, der mit einer Frequenz oszilliert, die durch die mechanische Resonanz des Balkens bestimmt ist. Die Frequenz dieser Resonanz hängt wiederum von der axialen Kraft F ab, die durch die Strukturen 12 und 14 auf den Balken ausgeübt wird. Der Treiberkreis erzeugt dadurch ein Ausgangssignal auf der Leitung 40 mit einer Frequenz f, die eine Funktion der axialen Kraft F ist. Ein Frequenzmeßkreis 42 mißt die Frequenz dieses Signals, um ein Ausgangssignal auf der Leitung 44 zu erzeugen, das ein Maß der Kraft F darstellt.
• In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung bietet der Treiberkreis 24 zwei Funktionen. Zunächst liefert der Treiberkreis die elektrische Energie, die veranlaßt, daß Strom längs des Pfades 18 fließt. Zweitens wirkt die Frequenz des Treiberkreises mit der mechanischen Resonanz des Balkens 10 zusammen, so daß der Treiberkreis auch ein Abnahmemittel zum Feststellen der Oszillationsfrequenz darstellt. Es ist einzusehen, daß getrennte Treiberkreise und Abnahmekreise verwendet werden könnten, wobei jeder Kreis einen getrennten leitfähigen Pfad 18 längs der Längsachse des Balkens hat. Jedoch ist das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel mit einem einzigen Stromkreis einfacher und wird im allgemeinen bevorzugt. Wenn ein getrennter Fühlkreis verwendet wird, erzeugt die Bewegung des Balkens in dem magnetischen Feld einen Strom, der proportional zu der Balkengeschwindigkeit ist. Dieses Geschwindigkeitssignal kann intergriert werden, um eine Positionsinformation für den Fühlkreis zu liefern, welche Information dann dem Treiberkreis zugeführt werden kann, der die Phase und die Amplitude eines Antriebsstroms steuert, um die Resonanz aufrechtzuerhalten.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Wandlers der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Der veranschaulichte Wandler weist einen Körper 50 auf, der allgemein die Form einer doppelarmigen Stimmgabel hat, wobei der Körper parallele Balken 52 und 54 aufweist, die an ihren Enden durch Montageflächen oder Montageplatten 56 und 58 miteinander verbunden sind. Eine leitfähige (z. B. metallische) Bahn 60 ist auf der oberen Oberfläche des Körpers 50 abgelagert und erstreckt sich von einem ersten Kontakt 62 auf der Montagefläche 56 längs des Balkens 52 zu der Montagefläche 58 und dann zurück längs des Balkens 54 zu einem zweiten Kontakt 64, der ebenfalls auf der Montagefläche 56 angeordnet ist. Die Kontakte 62 und 64 sind ihrerseits mit dem Treiberkreis verbunden. Ein magnetisches Feld B wird in einer Richtung senkrecht zu den Balken 52 und 54 und zu der Ebene, in der der Körper 50 gebildet ist, erzeugt. Als Ergebnis erzeugt ein Strom I, der durch die Bahn 60 von dem Kontakt 62 zu dem Kontakt 64 in der durch die Pfeile in Fig. 2 angezeigten Richtung geht, nach außen gerichtete Kräfte an den beiden Balken. Wenn die Stromflußrichtung umgekehrt wird, werden nach innen gerichtete Kräfte erzeugt. Als Ergebnis können die Balken veranlaßt werden, in dem in Fig. 3 gezeigten symmetrischen Dreiebenen-Modus zu oszillieren. In diesem Modus vibrieren die Balken aufeinander zu und voneinander weg, 180º außer Phase. Dieser Oszillationsmodus ist bevorzugt, weil er dazu tendiert, eine Löschung der Beanspruchungen zu verursachen, die in die Montageflächen 56 und 58 eingekoppelt werden, wodurch der Betrag der mechanischen Energie minimiert wird, die durch die Montageflächen in die Struktur übertragen wird, an der die Montageflächen befestigt sind.
• Fig. 4 veranschaulicht schematisch die Verwendung eines Wandlers der in Fig. 2 gezeigten Art in einem Beschleunigungsmesser. Der Beschleunigungsmesser weist eine Prüfmasse 70 auf, die über eine Biegestelle 74 mit einer Abstützung 72 verbunden ist, wobei sich ein Wandlerkörper 50 zwischen der Prüfmasse und der Abstützung in einer Richtung erstreckt, die allgemein parallel zu der Biegestelle ist. Magnete 80 und 82 erzeugen ein magnetisches Feld normal zu der Achse des Körpers 50, und der Körper ist mit einem Treiberkreis 84 verbunden, der einen periodischen Stromfluß durch die Wandlerbalken liefert. In dieser Anwendung hat der in Fig. 2 gezeigte Wandler den Vorteil, daß beide elektrische Kontakte des Wandlers auf derselben Montagefläche angeordnet sind, so daß eine elektrische Verbindung mit der Prüfmasse 70 unnötig ist.
• Ein Beschleunigungsmesser der in Fig. 4 gezeigten Art kann leicht mittels bekannter Silizium-Feinstbearbeitungstechniken hergestellt werden. Z. B. könnte man mit einem Plättchen aus Silizium vom P-Typ beginnen, das N-dotierte Epitaxialschichten auf beiden Oberflächen hat. Die Epitaxialschicht auf der oberen Oberfläche könnte geätzt werden, um den Wandlerkörper 50 zu bilden, während die Epitaxialschicht an der unteren Oberfläche geätzt würde, um die Biegestelle 74 zu bilden, wobei in beiden Fällen ein elektrochemischer Ätzstop verwendet wird. Alternativ könnte der Wandlerkörper 50 in der Ebene der oberen Oberflächen der Prüfmasse 70 und der Abstützung 72 liegen, wobei der Wandlerkörper wieder aus einer N-dotierten Epitaxialschicht gebildet würde.
• Alle oben beschriebenen Wandler weisen leitfähige Bereiche oder Bahnen innerhalb des Wandlerbalkens oder der Wandlerbalken auf. Fig. 5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, in dem die ganzen Balken den durch den Treiberkreis gelieferten Strom leiten. Dieses Ausführungsbeispiel weist einen Körper 90 auf, der Balken 92 und 94 hat, die an einem Ende mit einer gemeinsamen Montagefläche 96 verbunden sind und die ein Paar getrennter Montageflächen 100 und 102 an ihren entgegengesetzten Enden bilden. Der Körper 90 ist aus einem leitfähigen Material konstruiert, beispielsweise leitfähiges Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Silizium-Epitaxie, usw. Die Strukturen 110 und 112 weisen ein nicht- leitfähiges Material auf, wie beispielsweise nicht-leitfähige Siliziummasse. Die Montageflächen 100 und 102 sind mit der Struktur 110 verbunden, die z. B. eine Abstützung in einem Beschleunigungsmesser aufweisen könnte, und die Montagefläche 96 ist mit der Struktur 112 verbunden, die z. B. eine Prüfmasse in einem Beschleunigungsmesser aufweisen könnte. Die Montageflächen 100 und 102 weisen die elektrischen Kontakte zur Verbindung mit dem Treiberkreis auf.
• Ein nicht-leitfähiges Füllmaterial 106 ist zwischen einem Abschnitt der Montageflächen 100 und 102 angeordnet, um eine mechanische Balken-zu-Balken-Kopplung zu bieten, ohne zu gestatten, daß ein elektrischer Strom dazwischen fließt. Das Füllmaterial 106 könnte ein entgegengesetzt dotiertes Material aufweisen, das einen Diodenübergang mit dem Wandlerkörper 90 bildet. Die Gestalt des Füllmaterials 106, gezeigt in Fig. 6, stellt eine Geometrie dar, die innerhalb der Verfahrensbeschränkungen von feinstbearbeitetem Silizium erreichbar ist. Wahlweise kann ein zweites, nicht-leitfähiges Füllmaterial 114 zwischen den Balken 92 und 94 an der Montagefläche 96 angeordnet sein, um mechanische Symmetrie zu schaffen. Die zusätzliche mechanische Kopplung zwischen den Balken, die durch die Füllmaterialien erreicht wird, trägt dazu bei, sicherzustellen, daß beide Balken bei der gleichen Frequenz zur Resonanz kommen. Die durch das Füllmaterial 114 erreichte Symmetrie ist wichtig für die dynamische Ausbalancierung, um einen Energieverlust an die umgebende Struktur zu minimieren. Die Füllmaterialien 106 und 114 überlagern die entsprechenden Strukturen 110 und 112 in einem ausreichenden Maße, um beide Enden elastisch oder identisch in bezug auf die Balkenkopplung erscheinen zu lassen, trotz ihrer funktionellen Unähnlichkeit.
• Fig. 7 und 8 veranschaulichen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Wandler einen leitfähigen Körper 120 auf, der Balken 122 und 124, einen U-förmigen Abschnitt 126 und elektrische Kontakte 130 und 132 hat. Der Abschnitt 126 verbindet ein Ende des Körpers 120 mit einer ersten Montagestruktur 136, während die Kontakte 130 und 132 das andere Ende des Körpers mit einer zweiten Montagestruktur 138 verbinden. Die Kontakte 130 und 132 können ihrerseits mit einem geeigneten Treiberkreis über Bahnen 140 und 142 an der Montagestruktur 138 verbunden sein.
• Für das in den Fig. 7 und 8 gezeigte Ausführungsbeispiel wird eine Balken-zu-Balken- Kopplung durch die darunter liegenden Strukturen an jedem Ende des Körpers erreicht. Zum Beispiel bei der Struktur 136 liefert der durch die Bezugsziffer 144 identifizierte Bereich der Struktur die notwendige mechanische Kopplung zwischen den Balken. Dieses Vorgehen ist nicht perfekt, weil die elastische Unterlage mit der Balkenbewegung fehlausgerichtet ist, was einen Drall in den Balken einschließt. Dies schafft eine Balkenbewegung, die nicht rein linear ist, eine geringe überlagerte Drehung, die eine gewisse Bewegung außerhalb der Ebene verursacht. Nichtsdestoweniger ist diese Anordnung für viele Zwecke geeignet. Darüber hinaus kann die Drehung mittels eines Füllmaterials zwischen den Balken an den Montagestrukturen eliminiert werden. Die Füllmaterialien könnten entgegengesetzt zu den Balken dotiert werden, um die elektrische Isolierung aufrechtzuerhalten.
• Fig. 9 und 10 veranschaulichen einen Wandler, der in einem Resonanzmodus außerhalb der Ebene angetrieben wird. Dieser Wandler weist einen Körper 150 auf, der die gleiche allgemeine Gestalt hat wie der in Fig. 2 gezeigte Körper 50. Jedoch liegt bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 9 und 10 das magnetische Feld B in der Ebene des Wandlerkörpers, normal zu den Balken 152 und 154. Infolgedessen erzeugt ein gegebener Stromfluß durch die Bahn 156 eine aufwärtsgerichtete Kraft F&sub1; an einem Balken und eine nach unten gerichtete Kraft F&sub2; an dem anderen Balken, wodurch eine Vibration in dem in Fig. 10 veranschaulichten Resonanzmodus erzeugt wird. Die Art der in Fig. 10 gezeigten Resonanz hat nicht die vollständige Löschung dynamischer Beanspruchungen, die in dem in Fig. 3 gezeigten symmetrischen Dreiebenen-Modus vorliegen, aber sie ist trotzdem nützlich, wenn dünne, flache Wandler und/oder Wandler mit geringer Frequenzkraft benötigt werden.
• Fig. 11 veranschaulicht ein mit Torsion arbeitendes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der in Fig. 11 gezeigte Kraftwandler weist einen Körper 160 auf, der einen einzigen Balken 162 hat, der eine obere Oberfläche 164 und eine untere Oberfläche 166 aufweist. Eine einzige leitfähige Bahn 170 erstreckt sich längs der Länge des Balkens 162 an der oberen Oberfläche 164, kreuzt dann zu der unteren Oberfläche 166 und erstreckt sich zurück längs der Länge des Balkens. Wenn das magnetische Feld B, wie dargestellt, normal zu der Ebene des Körpers 160 orientiert ist, produziert ein durch die Bahn 170 fließender Strom Kräfte F&sub1; und F&sub2;, die kombiniert ein Drehmoment um die Längsachse des Balkens erzeugen. Der Körper 160 kann Arme 172 aufweisen, um das Trägheitsmoment des Körpers zu erhöhen. Der in Fig. 11 gezeigte Wandler kann mit einem leitfähigen Muster nur auf einer Seite des Balkens hergestellt werden. Für eine solche Anordnung muß jedoch das magnetische Feld eine beträchtliche Vektor-Komponete in der Ebene des Wandlers, senkrecht zu der Längsachse des Balkens haben. Die in Fig. 11 gezeigte Anordnung, bei der Strom in entgegengesetzten Richtungen längs entgegengesetzter Seiten des Balkens geleitet wird, dient dazu, lineare Kräfte aufgrund einer Fehlausrichtung des magnetischen Feldes auszulöschen, was ein Merkmal darstellt, das dazu beiträgt, ein Koppeln mit unerwünschten nicht-drehenden Resonanzmoden zu minimieren.
• Fig. 12 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das im Torsionsbetrieb arbeitet. Der Wandler von Fig. 12 weist einen Balken 182 auf, der sich zwischen Montagestrukturen 184 und 186 längs einer Längsachse 188 erstreckt. Der mittlere Teil des Balkens 182 weist einen erweiterten Abschnitt 190 auf, der Arme 192 und 194 hat, die sich in entgegengesetzten Richtungen von dem Balken längs einer Querachse 198 erstrecken. Eine leitfähige Bahn 196 erstreckt sich von einer ersten Kontaktfläche 200 auf einer Struktur 184, längs des Balkens 182 zu dem zentralen Abschnitt 190, um den zentralen Abschnitt herum, wie gezeigt, und dann zurück längs des Balkens 182 zu einer zweiten Kontaktfläche 202, die ebenfalls auf der Struktur 184 liegt. Wenn das magnetische Feld B parallel zu der Querachse 198 orientiert ist, wie dargestellt, erzeugt der dargestellte Stromfluß in der Bahn 196 und insbesondere in den Abschnitten 204 und 206 der Bahn 196 entgegengesetzt gerichtete Kräfte F&sub1; und F&sub2;, die in einer Torsionskraft um die Längsachse 188 des Balkens herum resultieren, wie in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 11.
• Das zur Durchführung der vorliegenden Erfindung benötigte magnetische Feld kann durch eine Vielzahl von Mitteln erzeugt werden, einschließlich Permanentmagneten, Stromschleifen und das Magnetfeld der Erde. In allen Fällen wird die Kraft an jedem schwingenden Balken proportional zu der Größe des magnetischen Feldes sein. Veränderungen in der Orientierung des magnetischen Feldvektors beeinflussen auch die Größe der Antriebskraft in der gewünschten Richtung. Da der von dem Treiberkreis benötigte Gewinn oder die entsprechende Verstärkung direkt durch die Stärke des magnetischen Feldes beeinflußt wird, ist es erwünscht, einen konstanten magnetischen Feldvektor aufrechtzuerhalten. Somit ist ein hohes magnetisches Flußniveau erwünscht, so daß Veränderungen, die durch das Erdmagnetfeld induziert werden, und magnetische Störungen (Rauschen) eine geringe Auswirkung auf das Antriebsniveau haben. Die Stromniveaus in dem Leiter können auch klein sein, um den Leistungsverbrauch, die Spannungsanforderungen und das Selbsterhitzen zu minimieren. Für gewisse Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, eine Stromschleife zusätzlich zu einem Permanentmagneten zu verwenden, um das Antriebsniveau zu steuern.
• Bei der Herstellung einer feinstbearbeiteten Vorrichtung, wie eines feinstbearbeiteten Beschleunigungsmessers, kann es erwünscht sein, einen Permanentmagneten direkt auf dem Silikonplättchen abzulagern. Ein Beispiel einer solchen Struktur ist in Fig. 13 gezeigt. Ein Teil eines Beschleunigungsmessers ist gezeigt, einschließlich einer Prüfmasse 220, die mit einer Abstützung 222 über geeignete (nicht gezeigte) Biegemittel verbunden ist. Die Abstützung 222 weist einen ausgeschnittenen Abschnitt 224 auf, durch den sich Kraftwandlerbalken 226 und 228 zwischen der Prüfmasse 220 und der Abstützung 222 erstrecken. Ein Brückenglied 230 ist an der Abstützung 222 befestigt und erstreckt sich über die Balken 226 und 228. Das Brückenglied trägt einen Magneten 232, so daß der Magnet direkt über den Balken positioniert ist und ein magnetisches Feld normal zu den Balkenlängsachsen erzeugt.
• Fig. 14 veranschaulicht einen geeigneten Treiberkreis für den Wandler der vorliegenden Erfindung. Für Wandler der beschriebenen Art können der Balken oder die Balken, die in dem magnetischen Feld oszillieren, als Drosselspule, Widerstand und Kondensator ausgebildet sein, die parallel geschaltet sind, wie es durch ein mechanisches Resonatorelement 250 veranschaulicht ist. Der Stromkreis zum Antreiben einer solchen Vorrichtung weist einen Verstärker 252 mit Gegenwirkleitwert und einen Verstärkungssteuerkreis 254 auf, die mit dem Element 250 in einer positiven Rückführschleife verbunden sind. Der Verstärker 252 mit Gegenwirkleitwert erzeugt einen Ausgangsstrom auf der Leitung 256, der proportional zu der Spannung eines Eingangssignals ist, das mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers auf der Leitung 258 verbunden ist. Der Verstärkungssteuerkreis 254 weist einen festen Widerstand 260, einen veränderlichen Widerstand 262 (FET) und ein Filter 264 auf. Das Filter 264 filtert das Wechselstrom-Antriebssignal auf der Leitung 256, um ein sich langsam veränderndes Signal auf der Leitung 268 zu erzeugen, das proportional zu der Größe des Antriebssignals ist. Das Signal auf der Leitung 268 wird als Steuersignal verwendet, um den Widerstandswert des FET 262 zu verändern, um dadurch die Größe des auf der Leitung 258 zur Verfügung gestellten Rückführungssignals zu verändern.

Claims (11)

1. Schwingbalkenkraftwandler der Art, die erste und zweite Balken (52, 54; 92, 94; 122, 124; 152, 154) aufweist, die jeweils erste und zweite Längsachsen (16) aufweisen, die parallel zueinander sind, und mit Antriebsmitteln (24, 84), die elektrisch mit den Balken gekoppelt sind, um die Balken zu veranlassen, mit einer Resonanzfrequenz zu oszillieren, die eine Funktion einer längs der Längsachsen aufgebrachten Kraft ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel einen elektrischen Strom (I) an die Balken liefern und daß der Wandler Leitungsmittel (60; 92, 94; 122, 124; 156) aufweist, die physikalisch mit den Balken gekoppelt sind, um den elektrischen Strom (I) längs eines Strompfades zu leiten, der erste und zweite axiale Komponenten aufweist, die parallel zu den ersten und zweiten Längsachsen sind, wobei die erste axiale Komponente in ihrer Richtung entgegengesetzt zu der zweiten axialen Komponente ist, und daß magnetische Mittel (20, 22; 80, 82; 232) zum Erzeugen eines Magnetfelds (B) vorgesehen sind, das die axialen Komponenten des Strompfades schneidet, wodurch der elektrische Strom (I), der längs des Strompfades fließt, mit dem Magnetfeld (B) so wechselwirkt, daß Kräfte (F&sub1;, F&sub2;) an den Balken erzeugt werden, die die Balken veranlassen, mit der Resonanzfrequenz zu oszillieren.

2. Wandler nach Anspruch 1, bei dem das Magnetfeld (B) senkrecht zu einer Ebene ist, die die beiden Balken (52, 54; 92, 94; 122, 124) enthält, wodurch die Balken aufeinander zu und voneinander weg unter 180º außer Phase oszillieren.

3. Wandler nach Anspruch 1, bei dem das Magnetfeld (B) parallel zu einer Ebene ist, die beide Balken (152, 154) enthält, wodurch die Balken aus der Ebene heraus oszillieren.

4. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Balken (52, 54; 152, 154) nicht-leitfähiges Silizium aufweisen und wobei die Leitungsmittel (60; 156) einen in dem Silizium ausgebildeten leitfähigen Bereich aufweisen.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Balken (92, 94; 122, 124) ein leitfähiges Material auf Siliziumbasis aufweisen, wobei die Balken auch die Leitungsmittel bilden.

6. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die ersten und zweiten Balken beide zwischen ersten und zweiten Montageplatten (56, 58; 96, 100, 102; 126, 130, 132) in einer doppelendigen Stimmgabelanordnung erstrecken, wobei sich der Strompfad von der ersten Montageplatte (56, 100, 130) längs des ersten Balkens (52, 92, 122) zu der zweiten Montageplatte (58, 96, 126) und dann längs des zweiten Balkens (54, 94, 124) zurück zu der ersten Montageplatte (56, 102, 132) erstreckt.

7. Wandler nach Anspruch 6, der ferner ein nicht-leitfähiges Füllmaterial (106, 114) aufweist, das zwischen den Balken angeordnet ist, um die Balken mechanisch miteinander zu koppeln.

8. Schwingbalkenkraftwandler der Art, die einen Balken (162, 182) aufweist, der eine Längsachse (188) hat, und mit Antriebsmitteln, die elektrisch mit dem Balken gekoppelt sind, um den Balken zu veranlassen, mit einer Resonanzfrequenz zu oszillieren, die eine Funktion einer längs der Längsachse aufgebrachten Kraft ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel einen elektrischen Strom (I) auf den Balken (162, 182) aufbringen, daß der Wandler Leitungsmittel (170, 196) aufweist, die physikalisch mit dem Balken gekoppelt sind, um den elektrischen Strom (I) längs eines Strompfades zu leiten, der eine erste axiale Komponente (204) aufweist, die in einer ersten Längsrichtung parallel zu der Längsachse (188) verläuft und von der Längsachse in einer ersten Querrichtung normal zu der Längsachse beabstandet ist, und der eine zweite axiale Komponente (206) aufweist, die in einer zweiten Längsrichtung parallel zu der Längsachse (188) verläuft und von der Längsachse in einer zweiten Querrichtung parallel zu der ersten Querrichtung beabstandet ist, wobei die ersten und zweiten Längsrichtungen einander gegenüber liegen und wobei die ersten und zweiten Querrichtungen entgegengesetzt zueinander sind, und daß magnetische Mittel zum Erzeugen eines Magnetfelds (B) vorgesehen sind, das die axialen Komponenten (204, 206) des Strompfades schneidet, wodurch der längs des Strompfades fließende elektrische Strom (I) mit dem Magnetfeld (B) so wechselwirkt, daß ein Drehmoment auf den Balken (162, 182) erzeugt wird, das den Balken veranlaßt, bei der Resonanzfrequenz unter Torsion zu oszillieren.

9. Wandler nach Anspruch 8, bei dem der Balken (162, 182) ein Querglied (172, 190) aufweist, das sich von dem Balken in einer Richtung normal zu der Längsachse (188) erstreckt.

10. Wandler nach Anspruch 9, bei dem der Balken (182) ein erstes Ende (184) aufweist und bei dem das Leitungsmittel eine leitfähige Bahn (196) aufweist, die von dem ersten Ende (184) zu dem Querglied (190) und von dem Querglied zurück zu dem ersten Ende verläuft.

11. Wandler nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Balken (162) erste und zweite Oberflächen (164, 166) aufweist, die an entgegengesetzten Seiten der Längsachse einander gegenüber angeordnet sind, und wobei das Leitungsmittel eine leitfähige Bahn (170) aufweist, die längs der ersten Oberfläche (164) von einem ersten Ende des Balkens bis in die Nähe eines zweiten Endes des Balkens verläuft, dann zu der zweiten Oberfläche (166) quert und dann zurück zu dem ersten Ende des Balkens längs der zweiten Oberfläche verläuft.