DE69505320T2

DE69505320T2 - Kraft-Frequenz-Wandler mit vibrierenden Balken und Mittenkraftangriff

Info

Publication number: DE69505320T2
Application number: DE69505320T
Authority: DE
Inventors: Yvon F-95290 L'isle Adam Amand; Jean-Pierre F-95100 Argenteuil Peghaire
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1994-08-10
Filing date: 1995-08-08
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2015-08-09
Also published as: US5574220A; CA2155702A1; FR2723638A1; JPH095176A; EP0696728B1; DE69505320D1; EP0696728A1; FR2723638B1

Description

Die Erfindung betrifft Kraftfrequenzwandler mit vibrierenden Balken, die die Konstruktion von Apparaturen zur Kraftmessung erlauben, die eine sehr geringe Masse und ein sehr geringes Volumen aufweisen.
Sie betrifft im besonderen Wandler des Typs, die ein längliches, flach ausgebildetes Plättchen umfassen, das dafür vorgesehen ist, zwischen Aufnahmebereiche einer auf das Plättchen wirkenden Längskraft angeordnet zu werden, wobei das Plättchen in seinem mittleren Bereich zwei seitliche Balken umfaßt, die durch einen Zwischenraum voneinander getrennt sind und über die Endbereiche des Plättchens verbunden sind, und das in der Ebene der Flachseite des Plättchens, Einrichtungen zum Versetzen der Balken in Vibration und Einrichtungen zur Messung der Frequenz der Vibration trägt.
Ein derartiger Wandler erlaubt die Messung der Zug- oder Druckkraft, die auf die Balken aufgebracht wird. Er findet eine ganz besonders wichtige Anwendung, obwohl nicht ausschließlich, bei unabhängigen Pendelbeschleunigungemessern, die eine pendelnde seismische Masse umfassen, die über eine Gelenkverbindung mit einem Sockel verbunden ist, wobei die Auslenkung in eine Sensibilisierungsrichtung ermöglicht wird, die senkrecht zu der Gelenkverbindung ist. Die Aufbringungselemente für die Längskraft werden in diesem Falle durch den Sockel und die seismische Masse gebildet.
Es sind bereits eine Vielzahl von Wandlern des oben genannten Typs bekannt. Bei diesen Wandlern sind die Endbereiche dafür vorgesehen, an den Aufbringungselementen für die Kraft befestigt zu werden. Dazu kann man ein Realisierungbeispiel in den Dokumenten US-A-3 238 789 und FR-A-2 454 614 (US Department of Energy) finden. Die Fig. 1 der vorliegenden Anmeldung, wo der Maßstab aus Gründen der Klarheit nicht berücksichtigt ist, zeigt den mechanischen Bereich eines derartigen Wandlers, der zwischen einem Sockel 12 und einer pendelnden seismischen Pendelmasse 14 angebracht ist, die über ein Scharnier 16 mit dem Sockel verbunden ist. Der Wandler wird durch ein längliches Quarzplättchen gebildet, dessen Endbereiche eine mit einer Einspannung vergleichbare Verbindung mit dem Sockel und der seismischen Pendelmasse aufweisen. In dem Mittelbereich des Plättchens trennt ein Schlitz 18 die seitlichen Balken 24a und 24b. Im allgemeinen wird das Plättchen aus einem piezoelektrischen Material, z. B. aus Quarz, gebildet und die Einrichtungen zum Versetzen der Balken in Vibration in ihrer Ebene werden durch nicht gezeigte Elektroden gebildet, die mit einem Speisestromkreis und Meßstromkreis verbunden sind.
Die beiden Balken können nicht absolut identisch zueinander ausgebildet sein und haben folglich von sich aus Eigenfrequenzen mit leichten Unterschieden zueinander. Bei miniaturisierten Wandlern, die durch Photolithographie hergestellt werden und die eine Eigenfrequenz von ungefähr 35 kHz aufweisen, kann sich die Eigenfrequenz f0a des einen Balkens um einige zehn Hz von der Eigenfrequenz f0b des anderen Balkens unterscheiden. Durch die Kopplung zwischen den Balken vibrieren sie in einer einzigen Frequenz f0, die zwischen den Frequenzen f0a und f0b liegt. Diese Frequenz ist leicht unterschiedlich von der natürlichen Eigenfrequenz eines jeden Balkens, was eine empfindliche Senkung des Überspannungskoeffizienten Q der Balken hervorruft.
Ein weiterer Effekt dieser Asymmetrie ist der, daß empfindliche Störkräfte, die senkrecht zur Meßachse x aufgebracht werden, besonders in der Richtung z parallel zur Ebene des Plättchens, einen unterschiedlichen Einfluß auf die Balken aufweisen.
Wenn eine derartige Störkraft Fz entlang der Achse z auf die Basis der Balken ausgeübt wird, wandelt sich diese Kraft in eine Zugkraft bei einem der Balken und in eine Druckkraft bei dem anderen um, umso wichtiger ist, daß die Entfernung zwischen den Balken gering ist. Unter dem Einfluß derartiger Störbelastungen erhöht sich die intrinsische Frequenz f0b unter dem Effekt der Zugkraft, und die intrinsische Frequenz f0a verringert sich unter dem Effekt des Drucks. Die Kraft F kann gemäß der Richtung ihrer Aufbringung entweder die anfängliche Gleichgewichtsstörung verstärken oder in Richtung einer Aufhebung zielen. Im ersten Fall verringert sich der Faktor Q und im zweiten erhöht er sich und tendiert dahin, sein Maximum zu erreichen. In beiden Fällen gibt es eine Frequenzabweichung und folglich einen direkten Fehler am Ausgang. Die Phänomene sind quadratisch: wenn die Kraft verdoppelt wird, wird die Frequenzabweichung vervierfacht.
Das Auftreten derartiger Störeffekte hinsichtlich der Befestigungsbereiche ist unvermeidbar. In dem Fall der Anbringung, die in Fig. 1 gezeigt ist, hat die ganze Assymmetrie zwischen den Enden des Scharniers 16 beispielsweise eine Assymmetrie in ihrer Steifigkeit zur Folge. Entsprechend Temperaturveränderungen tritt ein variables Moment in den Endbereichen um die Achse y herum auf und hat eine Störveränderung der Frequenz f0 des Wandlers zur Folge.
Man hat schon vorgeschlagen, diese Defekte durch Angleichung der Balken mittels Abscheidung von Gold und partielle Verdampfung über Laserbestrahlung zu reduzieren. Diese Lösung ist nicht vollständig zufriedenstellend. Die Ablagerung von Gold auf den Balken senkt den Überspannungskoeffizienten. Die Schichten des verflüchtigten Golds zerstören die darunterliegenden künstlichen Quarzschichten und haben in gleicher Weise eine Senkung des Überspannungskoeffizienten zur Folge. Die Angleichung der Eigenfrequenzen bei einer vorbestimmten Temperatur beseitigt nicht die Nachteile, die durch die Unterschiede der Balkenlängen entstehen.
Die vorliegende Erfindung zielt auf die Bereitstellung eines Kraftfrequenzwandlers der oben vorgestellten Art, bei welchem die Übertragungen der Störbelastungen gegenüber den Balken von den Kraftaufbringungselementen an reduziert werden.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung insbesondere einen Wandler gemäß dem Patentanspruch 1 vor.
Diese Vorrichtung erlaubt, das unvermeidliche anfängliche Ungleichgewicht zwischen den Balken nicht zu stören und die Veränderungen der globalen Eigenfrequenz zu vermeiden, die besonders durch die Aufbringung von Störkräften entlang der Richtung z hervorgerufen werden.
Man kann in gleicher Weise darüber nachdenken, daß dies darauf hinausläuft, eine flexible Verbindung zwischen den Enden der Balken und den Bereichen des Plättchen zwischenzuschalten, die an den Kraftaufbringungselementen befestigt sind.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Verlängerung eines jeden Endbereichs in Form einer Gabel ausgeführt und umschließt die Anordnung der beiden Balken, was ermöglicht, daß die beiden Balken sich nicht über einen schmalen Spalt hinaus trennen und folglich, daß eine enge Kopplung zwischen ihnen garantiert wird. In einer anderen Ausführungsform sind die Verlängerungen der beiden Endbereiche zwischen den Balken angeordnet, was die Reduzierung der Gesamtlänge des Wandlers ermöglicht.
Die obenstehenden sowie die anderen Eigenschaften werden bei der Lektüre der Beschreibung klarer, die die besonderen Ausführungsformen beschreibt, welche als nichteinschränkende Beispiele gegeben sind. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
Fig. 1, bereits erwähnt, eine sehr vereinfachte perspektivische Ansicht ist, die die bekannte Anordnung eines Kraftfrequenzwandlers auf einem Beschleunigungsmesser zeigt;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Wandlers gemäß der ersten Ausführungsform ist, wobei die Elektroden nicht wiedergegeben sind und der Maßstab wegen der besseren Klarheit nicht berücksichtigt wurde;
Fig. 3 schematisch in einer Draufsicht einen Wandler gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, ebenfalls aus piezoelektrischem Material, zeigt, mit einer Angabe des Effekts einer besonderen Störkraft;
Fig. 4a und 4b Prinzipschemata sind, die bestimmt sind, die Parameter zu zeigen, die in einem Wandler des bekannten Typs (Fig. 4a) und bei einem Wandler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (Fig. 4b) beteiligt sind;
Fig. 5 und 6 Ansichten von oben bzw. von unten eines Wandlers gemäß dem Schema der Fig. 2 sind; und
Fig. 7, ähnlich der Fig. 3, eine andere Ausführungsform schematisch zeigt.
Der Wandler, der in Fig. 2 schematisch gezeigt ist, wird durch ein monolithisches Plättchen aus piezoelektrischem Material, üblicherweise aus Quarz, gebildet, das den Resonator bildet. Dieses Plättchen kann so gedacht werden, daß es zwei Endbereiche 26 und 28 aufweist, die durch zwei parallele Balken 24a und 24b verbunden sind und durch einen Zwischenraum getrennt sind. Um einen miniaturisierten Wandler zu bilden, verwendet man ein Plättchen geringer Dicke, üblicherweise in der Größenordnung von Zehntelmillimetern.
Die Endbereiche 26 und 28 weisen Verlängerungen 30 und 32 auf, die gegen den mittleren Bereich des Plättchens gerichtet sind und die im Falle der Fig. 2 zwischen den Balken angeordnet sind.
Die Enden der Verlängerungen sind dafür vorgesehen, daß sie an den Aufbringungselementen der Druck- und Zugkräfte über Einspannungen vergleichbare Verbindungen befestigt werden: diese Endplatten können beispielsweise auf den entsprechenden Oberflächen der Kraftaufbringungselemente mit Hilfe von Bolzen, die die Öffnungen 34 durchdringen, oder aufgeklebt sein. Zwischen diesen Enden und den Endbereichen können die Verlängerungen eine verengte Zone aufweisen, die die transversale Biegsamkeit der Verbindung zwischen den Elementen und den vibrierenden Balken verstärkt. Die Stummel 36 können an einem Teil und am anderen Teil der Endbereiche vorgesehen werden, um eine gewisse Symmetrie an den Fußbereichen der Balken zu sichern. Die Verlängerungen 30 und 32 spielen die Rolle der Scharniere und ihre Biegsamkeit richtet sich auf das Abkoppeln der doppelten Stimmgabel von den äußeren Störbelastungen, die durch die Balken und die Endbereiche gebildet wird.
Das Ausschneiden des Plättchens aus einem Quarzplättchen und das Schneiden der Spalten, die die Balken von den Verlängerungen trennen, können durch Photolithographie realisiert werden, gemäß einem gut bekannten Prozeß, der die Serienfertigung erlaubt. Die Photolithographie erlaubt die Realisation sehr feiner Spalten 18, die eine innere Dicke von Zehntelmillimetern aufweisen.
In einer Ausführungsform, die schematisiert in Fig. 3 gezeigt ist, und bei der die entsprechenden Elemente wie die aus Fig. 2 durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, sind die vibrierenden Balken 24a und 24b im Inneren eines Rahmens angebracht, der durch die externen Verlängerungen 36a, 36b, 38a, 38b der Endbereiche 26 und 28 gebildet wird. Darüber hinaus weisen in diesem Fall die Verlängerungen oder Laschen ein Ende auf, das bestimmt ist, an einer Platte bei den Kraftaufnahmeelementen zur Messung befestigt zu werden. Die Verlängerungen oder Laschen können einen eingeengten Bereich in der Nähe ihrer Basis aufweisen, um ihre Biegsamkeit zu erhöhen und die Empfindlichkeit der Doppelgabel auf äußere Störeinflüsse zu reduzieren.
Die Fig. 4a zeigt sehr schematisch einen Wandler, der gemäß der herkömmlichen Technik befestigt ist. Die Balken sind, in dem Rahmen, einem Moment M1 gleich F x L, unterworfen, das den Zug auf den oberen Balken und den Druck auf den anderen einleitet.
Die Fig. 4b zeigt in der gleichen Art und Weise einen Wandler gemäß einem der Prinzipien der vorliegenden Erfindung, das in Fig. 2 detaillierter dargestellt ist. In diesem Fall werden zwei gegenläufige Momente auf die Balken aufgebracht. Nämlich M2 = Fl2 und M1 Fl1. Das Resultierende der Zwangsstörungen ist folglich reduziert auf die Differenz M1 - M2 = F(l1 - l2). Man hat folglich eine bemerkenswerte Reduzierung des Effekts der Störkräfte, umso mehr als die Kräfte und Momente, die die Frequenzabweichung auslösen, einem quadratischen Gesetz folgen. Der Vorteil ist folglich sehr wichtig und man erreicht niedrige Niveaus der Frequenzverschiebung, obgleich es in der Theorie so ist, daß die Kraft F keinerlei Einfluß hat, wenn l1 = l2.
Eine ähnliche Studie wird zeigen, daß man eine Empfindlichkeit mit dem gleichen Resultat in dem Fall erreicht, bei dem eine Kraft F auf den Wandler der Fig. 2 angewandt wird.
Ebenso wie im Fall der Fig. 2 besteht in dem der Fig. 3 ein zusätzlicher Vorteil gegenüber dem Ergebnis nach der herkömmlichen Anordnung darin, daß die Befestigungsbereiche nahe zueinander sind: die Differenz der Dilatation zwischen dem Herstellmaterial des Wandlers, z. B. Quarz, und den Kraftaufbringungselementen, im allgemeinen Metall, trägt immer nur auf einer verringerten Länge bei. Der Einfluß der Temperaturveränderungen wird sehr vermindert.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine mögliche Anordnung der Elektroden zum Versetzen der Balken in Schwingungen in der Ebene des Plättchens. Diese Elektroden werden durch eine Metallisierung gebildet und werden in zwei Gruppen aufgeteilt, gemäß einer Anordnung, die auf der Oberseite, ähnlich ist zu einer, die schon in dem Dokument FR-A-2 640 045 beschrieben ist und auf welche verwiesen wird. In dem Fall, der in Fig. 6 dargestellt ist, geben die unteren Elektroden die Anordnung der oberen Elektroden wieder, wobei die notwendigen Verbindungen über einen Abschnitt des Plättchens hergestellt werden. Aber man könnte auch gut auf der unteren Fläche der Balken eine Metallisierung vorsehen, die mit der Masse verbunden ist.
Alle Elektroden aus der gleichen Gruppe sind mit einem der beiden Ausgänge des Oszillators 42 verbunden, welcher sich auf die Eigenfrequenz der Balken abstimmt, die durch einen Frequenzmesser 44 gemessen wird. Man kann eine differentielle Anordnung verwenden, die aus zwei Wandlern des in den Fig. 5 und 6 gezeigten Typs besteht, wobei der Frequenzmesser 44 dann über die Schwebungen die Differenz zwischen den Frequenzen der beiden identischen Wandler mißt, von denen einer der zu messenden Kraft unterliegt und von denen der andere (dessen Ausgang durch einen gestrichelten Pfeil in Fig. 5 angezeigt ist) keiner Kraft oder einer gleichen Kraft, aber in entgegengerichteter Richtung, unterliegt. Aus Gründen der Klarheit sind die Elektroden, die zu einer der Gruppen gehören, in den Fig. 5 und 6 in einem Grau dargestellt, das unterschiedlich zu dem der Elektroden ist, die zu der anderen Gruppe gehören.
In der Ausführungsform, die in Fig. 7 gezeigt ist, bei der die Befestigungszonen durch die gepunkteten Flächen dargestellt sind, weist der Endbereich 26 äußere Verlängerungen 36a und 36b auf, die in den mittleren Bereich gerichtet sind, und dessen Enden vorgesehen sind, befestigt zu werden. Der Endbereich 28 weist eine einzige zentrale Verlängerung 32 auf, die in gleicher Weise gegen den mittleren Bereich gerichtet ist.
Die Erfindung kann in einer Vielzahl von Ausführungsformen realisiert werden. Im besonderen kann das Plättchen aus einem anderen piezoelektrischen Material als Quarz gebildet werden. Es kann in gleicher Weise ein dotiertes Silizium mit elektrostatischer Anregung oder eine Hilfsschicht aus piezoelektrischem Material sein, das dünn auf dem Plättchen abgeschieden wird. Das Plättchen kann fernermehrere seitliche Balken, die eine Doppelgabel bilden, und Ergänzungselemente umfassen, die ihm einen Aufbau geben, den man als dreibalkig bezeichnen kann, wie z. B. das aus dem Dokument GB-A-2 141 231.

Claims

1. Kraftfrequenzwandler mit vibrierendem Balken, der ein längliches, flach ausgebildetes Plättchen umfaßt, das dafür vorgesehen ist, zwischen die Aufnahmeelemente einer auf das Plättchen wirkenden Längskraft gelegt zu werden, wobei das Plättchen in seinem mittleren Bereich zwei seitliche Balken (24a, 24b) umfaßt, die durch einen Zwischenraum getrennt sind und über die Endbereiche des Plättchens verbunden sind, und das die Einrichtungen zum Versetzen der Balken in Vibration in der Ebene der Flachseite des Plättchens und zur Messung der Frequenz der Vibration trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Endbereiche Verlängerungen (30, 32; 36a, 36b, 38a, 38b) umfassen, die parallel zu den Balken und in Längsrichtung auf die Mitte des Plättchens zugerichtet sind, und die mit Einrichtungen versehen sind, die dazu dienen, diese mit den besagten Aufnahmeelementen in den Bereichen zu verbinden, die sehr nahe zueinander liegen und die nicht die Endbereiche sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung eines jeden Endbereichs in Form einer Gabel ausgeführt ist und von der Anordnung der zwei Balken umschlossen ist.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungen (30, 32) der beiden Endpartien zwischen den Balken (24a, 24b) angeordnet sind.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungen eine über die Entfernung zwischen den besagten Aufnahmebereichen gleichmäßig empfindliche Länge haben.

5. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen aus einem piezoelektrischen Material ist und daß die Balken die zu den Schwingungseinrichtungen gehörenden Elektroden tragen.