DE69930652T2

DE69930652T2 - Monolithischer miniatur-beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE69930652T2
Application number: DE69930652T
Authority: DE
Inventors: Denis Janiaud; Olivier Le Traon; Serge Muller
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1998-10-20
Filing date: 1999-10-13
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: FR2784752A1; US20010015102A1; EP1123511A1; WO2000023808A1; AU753754B2; DE69930652D1; EP1123511B1; AU6097099A; US6386035B2; FR2784752B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell einen Miniatur-Beschleunigungsmesser, der beispielsweise für die Navigation in Flugzeugen, Hubschraubern und Automobilen, zur verbesserten Bremsunterstützung oder für die aktive Aufhängung von Landfahrzeugen verwendet werden kann.
Im spezielleren Sinn bezieht sich die Erfindung auf einen monolithischen Beschleunigungsmesser, bestehend aus einem festen Teil, zwei beweglichen massiven Teilen, den sogenannten Prüfmassen, und zwei Resonatoren, die über jeweils ein Ende fest mit einem der beweglichen massiven Teile verbunden sind.
Die Resonatoren, die die empfindlichen Teile des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers darstellen, sind vorzugsweise Schwinglamellen aus piezoelektrischem Material, die auf Biegung und Torsion beansprucht werden. Die Schwingfrequenzen jeder der Lamellen sind sehr empfindlich für Dehn- oder Stauchkräfte, die in Längsrichtung der Lamelle ausgeübt werden, wenn die mit der Lamelle fest verbundene Prüfmasse eine Beschleunigung erfährt. Die Dehnung einer der Lamellen und die Stauchung der anderen werden in elektrische Signale umgewandelt, die beispielsweise von auf den Schwinglamellen sitzenden Elektroden aufgenommen werden, die mit zwei Schwingkreisen verbunden sind. Am Ausgang der Schwingkreise wird ein Differenzfrequenzsignal erzeugt, dessen Änderungen für die der Beschleunigung repräsentativ sind. Die Nutzung der Differenz zwischen den beiden Frequenzen hat den Vorteil, dass der Einfluss störender Eingangsgrößen, die gemeinsam auf die beiden Lamellen wirken, wie beispielsweise der Temperatur, verringert wird.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der monolithische Charakter, der die kostengünstige Herstellung von Miniatur-Beschleunigungsmessern mittels chemischer Bearbeitung ermöglicht und sich vorteilhaft auf die Leistungscharakteristik auswirkt, da Zusammenbauten aus mehreren Teilen bei nicht monolithischen Beschleunigungsmessern generell eine große Einschränkung bedeuten. Die Werkstoffe, die am häufigsten für die Herstellung von monolithischen Beschleunigungsmessern verwendet werden, sind Quarz und Silizium, die wegen der ausgezeichneten Konstanz ihrer mechanischen Eigenschaften geschätzt werden.
Ein Beschleunigungsmesser dieses Typs, Gegenstand des Patents US-4,945,765, ist in 1 abgebildet. Der Körper dieses Beschleunigungsmessers 14 ist monolithisch und wird durch chemische Bearbeitung einer Siliziumplatte gewonnen. Dieser Körper umfasst einen festen Teil 18, zwei Prüfmassen 20 und 22, zwei Resonatoren 28 und 30 sowie zwei Gelenke 24 und 26. Die Resonatoren 28 und 30 schwingen um die Torsionsachse und werden durch elektrostatischen Effekt mittels einer (nicht abgebildeten) Vorrichtung angeregt, an deren Ausgang ihre Resonanzfrequenzen abgegeben werden. Die Empfindlichkeitsrichtung dieses Beschleunigungsmessers steht nahezu senkrecht zur (Vorder-)Seite und (Rück-)Seite der Platte. Eine in dieser Richtung angelegte Beschleunigung verursacht eine Dehnkraft auf einen Resonator und eine Stauchkraft auf den anderen Resonator, und das Ausgangssignal dieses Beschleunigungsmessers ist die Differenz zwischen den Frequenzen der beiden Resonatoren. Die mechanische Konzeption dieses Beschleunigungsmessers 14 hat allerdings einen Nachteil, der die Schwingungen der beiden Resonatoren 28 und 30 betrifft. Die mechanischen Wechselbelastungen, die durch die Schwingungen der beiden Resonatoren an deren „Einbaustellen" in den festen Teil 18 ausgeübt werden, führen zur Ableitung von mechanischer Schwingungsenergie in diesen festen Teil. Daraus ergibt sich eine Verringerung des Gütefaktors der Schwingung jedes der Resonatoren 28 und 30. Dieser Nachteil beeinträchtigt die Genauigkeit der Messung der Differenzfrequenz und damit den Wert der daraus abgeleiteten Beschleunigung.
Ein anderer Beschleunigungsmesser, der Gegenstand des auf den Namen des Antragstellers unter der Nummer FR 2 739 190 veröffentlichten Patents ist, ist in 2 abgebildet. Der Körper dieses Beschleunigungsmessers AD' ist monolithisch und wird durch chemische Bearbeitung einer Quarzplatte gewonnen. Dieser Körper umfasst einen festen Teil 1', dessen Umrisse – von vorne gesehen – der Form eines I entsprechen, zwei bewegliche massive Teile in U-Form, darunter zwei Prüfmassen 2₁ und 2₂ , sowie zwei Resonatoren 3₁ und 3₂ , vier quaderförmige Gelenklamellen 81₁ , 82₁ , 81₂ , 82₂ und zwei flexible Rahmen 5₁ und 5₂ . Die Resonatoren 3₁ und 3₂ schwingen um die Biegeachse und werden durch piezoelektrischen Effekt mittels einer (nicht abgebildeten) Vorrichtung angeregt, an deren Ausgang ihre Resonanzfrequenzen abgegeben werden. Die Empfindlichkeitsrichtung dieses Beschleunigungsmessers steht nahezu senkrecht zur (Vorder-)Seite und (Rück-)Seite der Platte. Eine in dieser Richtung angelegte Beschleunigung verursacht eine Dehnkraft auf einen Resonator und eine Stauchkraft auf den anderen Resonator, wobei das Ausgangssignal dieses Beschleunigungsmessers die Differenz zwischen den Frequenzen der beiden Resonatoren ist. Dieser Beschleunigungsmesser hat nicht mehr den Nachteil der Ableitung von mechanischer Schwingungsenergie in den festen Teil, denn die Flexibilität der Rahmen 5₁ und 5₂ sorgt für einen mechanischen Filtereffekt zwischen den Resonatoren und dem festen Teil. Zudem vermeidet dieser Beschleunigungsmesser die Kopplung zwischen den beiden Resonatoren ( FR 2 739 190 , Seite 7, Zeile 31–33). Dieser Beschleunigungsmesser ist somit gut geeignet für Industriebereiche, in denen höchste Präzision und moderate Kosten gefordert sind. Dagegen hat er Nachteile in den Bereichen, in denen extrem niedrige Herstellungskosten gefordert sind, insbesondere im Automobilbereich. Die in 2 abgebildete relativ komplexe Struktur beeinträchtigt die Ausbeute bei der Fertigung durch chemische Bearbeitung und schränkt die Möglichkeiten einer Miniaturisierung ein, was wiederum die Zahl der Strukturen, die sich auf einem Quarz-Wafer mit vorgegebenen Abmessungen realisieren lassen, begrenzt. Diese Nachteile verhindern die Herstellung zu sehr niedrigen Kosten.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine geometrische Form vorgeschlagen, die nicht nur Verluste an mechanischer Schwingungsenergie von den Resonatoren zum festen Teil hin vermeidet, sondern sich auch besser zur Miniaturisierung eignet. Die Herstellungskosten werden so gesenkt, und der Bedarf der Industrie an leistungsfähigen und gleichzeitig sehr kostengünstigen Beschleunigungsmessern kann gedeckt werden.
Der erfindungsgemäße monolithische Beschleunigungsmesser, bestehend aus einem festen Teil, zwei ersten beweglichen massiven Teilen, den sogenannten Prüfmassen, zwei Gelenklamellen, die jeweils an einem Ende fest mit einem der beiden beweglichen massiven Teile verbunden sind, und zwei Resonatoren, die jeweils an einem Ende fest mit einem der beiden beweglichen massiven Teile verbunden sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen dritten beweglichen massiven Teil, der fest mit dem jeweils anderen Ende jedes der beiden Resonatoren und jeder der beiden Gelenklamellen verbunden ist, und einen flexiblen Stiel umfasst, der zwischen den beiden ersten beweglichen massiven Teilen angeordnet ist und den dritten beweglichen massiven Teil mit dem festen Teil verbindet.
Die Anordnung des Stiels zwischen den beiden Prüfmassen begünstigt die Erzielung einer möglichst großen Gesamtmasse der beweglichen Teile. Die Flexibilität des Stiels in Verbindung mit der Gesamtmasse der drei beweglichen Teile ermöglicht die Herausbildung eines mechanischen Filters zwischen den Resonatoren und dem festen Teil des Beschleunigungsmessers. Auf diese Weise werden die Gütefaktoren der Resonatoren nur geringfügig verändert, und es wird eine ausgezeichnete Messgenauigkeit erzielt. Zudem begünstigt die einfache und kompakte Struktur, die sich aus der Lage des Stiels zwischen den beiden ersten beweglichen massiven Teilen ergibt, die Miniaturisierung und die Erzielung einer guten Fertigungsausbeute. Dagegen lässt sich die mechanische Kopplung zwischen den Resonatoren wegen des Vorhandenseins eines beweglichen massiven Teils, das ihnen gemeinsam ist, nicht mehr aufheben, und für dieses Problem muss eine andere Lösung gefunden werden, um die Messgenauigkeit des Beschleunigungsmessers aufrechtzuhalten.
Nach einer bevorzugten Ausführung ist der flexible Stiel ein im Wesentlichen quaderförmiger Steg, der parallel zu den Resonatoren verläuft und dessen Höhe deutlich größer als seine Querschnittsabmessungen ist.
Um einen mechanischen Filter mit maximaler Effizienz zu erhalten, muss die Symmetrielängsachse des flexiblen Stiels im Wesentlichen eine Symmetrieachse des Körpers des Beschleunigungsmessers sein.
Um das Leistungsvermögen des Beschleunigungsmessers bestmöglich zu nutzen, ist dieser vorzugsweise auf einer Basis befestigt, deren Vorder- und Rückseite nicht parallel zueinander sind, was es ermöglicht, dass die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers genau senkrecht zur Auflageebene steht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der detaillierten Beschreibung sowie aus den zugehörigen Figuren deutlich, von denen:

– die 1 und 2 perspektivische Ansichten der beiden bereits kommentierten monolithischen Beschleunigungsmesser nach der früheren Technik sind;
– die 3 eine perspektivische Ansicht eines Beschleunigungsmessers nach einer ersten Ausführung der Erfindung ist;
– die 4 eine Frontansicht des Beschleunigungsmessers aus 3 ist, mit übertrieben vergrößert darge stellten Verformungen des Stiels und des einen der beiden Resonatoren, die um die Biegeachse schwingen;
– die 5A, 5B und 5C perspektivische Ansichten des Beschleunigungsmessers aus 3 sind, mit Darstellung der mechanischen Kräfte, die jeweils durch jede der drei Raumkomponenten der Beschleunigung erzeugt werden;
– die 6A eine perspektivische Ansicht des Beschleunigungsmessers aus 3 ist, mit Darstellung der Empfindlichkeitsrichtung der Beschleunigungsmessung;
– die 6B ein Querprofil des festen Teils des Beschleunigungsmessers aus 3, gesehen in der zur Achse Z'Z gemäß 6A senkrechten Ebene II, sowie, ein Querprofil einer Basis, gesehen in der gleichen Ebene II, zeigt, um zu veranschaulichen, wie die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers senkrecht zur Auflageebene ausgerichtet werden kann;
– die 7A eine perspektivische Ansicht einer Variante eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers ist;
– die 7B eine perspektivische Ansicht einer anderen Variante eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers ist, mit Mitteln zur Schwingungsanregung von vorzugsweise um die Biegeachse schwingenden Resonatoren und den zugehörigen Mitteln zur Frequenzmessung.

Unter Bezugnahme auf 3 umfasst ein Beschleunigungsmesser CA nach der Erfindung im Wesentlichen einen festen Teil 1, zwei erste bewegliche massive Teile 2₁ bzw. 2₂ , die die Prüfmassen bilden, zwei Resonatoren 3₁ bzw. 3₂ , die die empfindlichen Teile bilden, einen dritten beweglichen massiven Teil 4 und einen flexiblen Stiel 5. Nach der in 3 dargestellten Ausführung bildet der Beschleunigungsmesser CA einen monolithischen Körper, herausgearbeitet aus ein und derselben Werkstoffplatte, wie beispielsweise aus Quarz oder Silizium, mit der einheitlichen Dicke E, der Breite L und der Höhe H1 + H5 + H4. Der Beschleunigungsmesser CA hat die generelle Form eines Quaders, dessen Höhe entlang einer Mittelachse Z'Z verläuft. Diese Achse Z'Z liegt einerseits in einer mittleren Ebene PM der Platte, die parallel zu deren (Vorder-)Seite und (Rück-) Seite ist, und andererseits in einer Ebene PS, die senkrecht zur (Vorder-)Seite und (Rück-)Seite der Platte steht. Die Ebene PS ist die Symmetrieebene der Platte, und die Achse Z'Z ist im Wesentlichen eine Symmetrieachse des Beschleunigungsmessers.
Der feste Teil 1 bildet einen quaderförmigen Block mit der Dicke E, der Breite L und der Höhe H1, angeordnet an einem Ende des Körpers des Beschleunigungsmessers in der Achse Z'Z und über eine Basis BA fest mit dem (nicht abgebildeten) Aufbau eines Fahrzeuges verbunden. Der feste Teil 1 wird auf der Basis BA, beispielsweise durch Kleben, befestigt. Jeder bewegliche Teil, 2₁ und 2₂ , hat im Wesentlichen Quaderform mit der Dicke E und der Höhe H2₁ bzw. H2₂ und ist parallel zur Mittelachse Z'Z des Beschleunigungsmessers angeordnet. Nach der abgebildeten Ausführung haben die beweglichen Teile 2₁ und 2₂ im Wesentlichen die gleiche Geometrie, sind auf der einen und anderen Seite der Ebene PS angeordnet und haben je ein Endsegment, das dem festen Teil 1 gegenüberliegt.
Nach der abgebildeten Ausführung ist jeder Resonator, 3₁ und 3₂ , eine quaderförmige Lamelle, deren Höhe H3₁ bzw. H3_Z parallel zur Achse Z'Z verläuft und deren rechteckiger Querschnitt durch eine Dicke E3, gesehen in Richtung der Dicke E des Beschleunigungsmessers CA, und eine Breite L3₁ bzw. L3₂, gesehen in Richtung der Breite L des Beschleunigungsmessers CA, definiert ist. Gemäß der abgebildeten Ausführung haben die Resonatoren 3₁ und 3₂ im Wesentlichen die gleiche Geometrie. Die Resonatoren 3₁ und 3₂ haben jeweils ein Ende, das fest mit einem der beweglichen Teile 2₁ bzw. 2₂ in der Nähe ihrer dem festen Teil 1 gegenüberliegenden Endsegmente verbunden ist. Nach 3 sind sie entlang der Ränder der beweglichen Teile 2₁ und 2₂ angeordnet, die am weitesten von der Achse Z'Z entfernt sind, d.h. entlang derjenigen, die denen gegenüberliegen, die ihrerseits denen des flexiblen Stiels 5 gegenüberliegen. Eine zur Außenseite der Körpers gerichtete Seite des Resonators 3₁ ist komplanar zu einer der Seiten (Vorder- oder Rückseite) der Werkstoffplatte. Eine zur Außenseite des Körpers hin gewandte Seite des Resonators 3₂ ist komplanar zur anderen Seite der Platte. Nach der abgebildeten Ausführung ist eine andere zur Außenseite des Körpers gerichtete Seite des Resonators 3₁ komplanar zu einer der zur Ebene PS parallelen Seiten (Vorder- oder Rückseite) der Platte, und eine andere zur Außenseite des Körpers gerichtete Seite des Resonators 3₂ ist komplanar zur anderen zur Ebene PS parallelen Seite der Platte. Jeder der Resonatoren 3₁ und 3₂ ist mit (nicht abgebildeten) Elektroden zur Schwingungsanregung bei seiner Resonanzfrequenz versehen, die zum Anschluss an einen Schwingkreis vorgesehen sind. Die Resonatoren 3₁ und 3₂ werden vorzugsweise auf Biegung oder Torsion be ansprucht, denn die Frequenzen dieser Schwingungen sind sehr empfindlich für Dehn- oder Stauchkräfte, die in Längsrichtung der Resonatoren wirken, wenn die beweglichen massiven Teile 2₁ und 2₂ , die die Prüfmassen bilden, einer Beschleunigung ausgesetzt werden. Wie im bereits erwähnten, unter der Nummer FR 2 739 190 veröffentlichten Patent erläutert (Seite 13, Zeile 23 – Seite 14, Zeile 9), können die Resonatoren 3₁ und 3₂ einen anderen Aufbau als den einer quaderförmigen Lamelle haben. In gleicher Weise sind bei den Elektroden zur Schwingungsanregung unterschiedliche Arten des Aufbaus möglich, wie beispielsweise die mit zwei oder drei leitenden Streifen, wie im unter der Nummer FR 2 685 964 auf den Namen des Antragstellers veröffentlichten Patent beschrieben.
Nach der in 3 abgebildeten Ausführung bildet der dritte bewegliche Teil 4 einen im Wesentlichen quaderförmigen Block mit der Dicke E und der Höhe H4, der am anderen Längsende des Beschleunigungsmesserkörpers senkrecht zur Mittelachse Z'Z angeordnet und fest mit dem anderen Ende jedes der beiden Resonatoren 3₁ und 3₂ verbunden ist.
Weiter gemäß der in 3 abgebildeten Ausführung bildet der flexible Stiel 5 einen quaderförmigen Steg, dessen Höhe H5 parallel zur Achse Z'Z verläuft und dessen rechteckiger Querschnitt durch eine Dicke E und eine Breite L5, jeweils in Richtung der Dicke E und der Breite L des Beschleunigungsmessers CA gesehen, definiert ist. Die Breite L5 des flexiblen Stiels liegt in der gleichen Größenordnung wie seine Dicke E; L5 bewegt sich generell in einem Bereich zwischen der Hälfte und dem Doppelten der Dicke E. Dagegen ist die Höhe H5 des flexiblen Stiels deutlich größer als seine Dicke E; H5 bewegt sich generell in einem Bereich zwischen dem Fünf- und Zwanzigfachen der Dicke E. Die Ebenen PM und PS sind Symmetrieebenen des flexiblen Stiels 5, der sich somit zwischen den beiden ersten beweglichen massiven Teilen 2₁ und 2₂ befindet. Der flexible Stiel 5 ist an beiden Enden mit dem festen Teil 1 bzw. dem dritten beweglichen Teil 4 fest verbunden. Somit bilden der feste Teil 1, der flexible Stiel 5 und der dritte bewegliche Teil 4 die drei Striche eines I. Der flexible Stiel 5 kann einen anderen Aufbau als den des quaderförmigen Stegs nach der in 3 abgebildeten Ausführung haben. Beispielweise kann die Breite L5 über die Höhe H5 des flexiblen Stiels übergangslos oder in Stufen variieren. Für den flexiblen Stiel 5 gilt, dass der Umfang des vorliegenden Patentantrages solche Varianten einschließt.
Der monolithische Körper des Beschleunigungsmessers CA umfasst ebenfalls zwei quaderförmige Gelenklamellen 6₁ und 6₂ , deren Höhe H6₁ bzw. H6₂ in Richtung der Achse Z'Z und deren Breite L6₁ bzw. L6₂ in Richtung der Breite L des Beschleunigungsmessers CA zu sehen sind. Die Lamellen 6₁ und 6₂ haben eine Dicke E6, gesehen in Richtung der Dicke E der Platte, die der Dicke E3 der Resonatoren 3₁ und 3₂ entspricht. Nach der abgebildeten Ausführung haben die Lamellen 6₁ und 6₂ im Wesentlichen die gleiche Geometrie. Die Breiten L6₁ und L6₂ der Lamellen sind deutlich größer als ihre Dicke E6, wodurch es möglich ist, die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers auf die zur Ebene PS senkrechte Beschleunigungskomponente zu reduzieren. Das mechanische Verhalten des Beschleunigungsmessers, das den drei Raumkomponenten der Beschleunigung unterliegt, wird im Weiteren noch näher erläutert. Die Breiten L6₁ und L6₂ der Lamellen liegen generell im Bereich zwischen dem 5- und 50-fachen ihrer Dicke E6. Die Lamellen 6₁ und 6₂ haben jeweils ein Ende, das fest mit einem der beiden ersten beweglichen Teile 2₁ bzw. 2₂ im Bereich deren Endsegmente verbunden ist, die dem dritten beweglichen Teil 4 am nächsten sind. Das andere Ende jeder der Lamellen 6₁ und 6₂ ist fest mit dem beweglichen Teil 4 verbunden. Eine zur Außenseite des Beschleunigungsmesserkörpers gerichtete Seite der Lamelle 6₁ ist komplanar mit der Seite der Werkstoffplatte, die komplanar mit einer Seite des Resonators 3₂ ist. In ähnlicher Weise ist eine zur Außenseite des Körpers gerichtete Seite der Lamelle 6₂ komplanar mit der Seite der Platte, die komplanar mit einer Seite des Resonators 3₁ ist. Die Dicke E3 oder E6 der Resonatoren und Lamellen ist geringer als die Hälfte der Dicke E der Platte. Generell bewegt sich diese Dicke E3 oder E6 im Bereich zwischen einem Viertel und einem Zwanzigstel der Dicke E der Platte.
Wie im bereits erwähnten, unter der Nummer FR 2 739 190 veröffentlichten Patent erläutert (Seite 16, Zeile 33 - Seite 17, Zeile 18), erlauben die Form und die Abmessungen der Resonatoren und Lamellen die chemische Bearbeitung zur Herstellung des monolithischen Körpers des Beschleunigungsmessers CA in einem einzigen Schritt. Dabei wird die chemische Bearbeitung gleichzeitig von der (Vorder-)Seite und der (Rück-)Seite der Platte aus durchgeführt, bis eine Gravurtiefe gleich (E-E3) erreicht ist.
Die Funktionsweise des Beschleunigungsmessers wird nun unter Bezugnahme auf die 4 vorgestellt, die die Vorteile der besonderen Anordnung des dritten bewegli chen Teils 4 und des flexiblen Stiels 5 zeigt. Die 4 ist eine Frontansicht des Beschleunigungsmessers CA nach 3, wenn der Resonator 3₁ im Grundmodus parallel zur (Vorder-)Seite und (Rück-)Seite der Werkstoffplatte um die Biegeachse schwingt. Die Verformungen des Resonators 3₁ und des flexiblen Stiels 5 entsprechen Schwingungsamplituden und sind übertrieben vergrößert dargestellt, um das Verständnis der Zeichnung zu erleichtern. Wenn der Resonator 3₁ bei seiner Resonanzfrequenz F₁ um die Biegeachse schwingt, überträgt er an jedem seiner Enden, die fest mit den beweglichen Teilen 2₁ und 4 verbunden sind, eine Scherwechselbelastung R und ein Biegewechselmoment C. Dementsprechend erfahren die beweglichen Teile Hin- und Herverschiebungen, deren Hauptkomponente 6 eine Translation parallel zur (Vorder-)Seite und (Rück-)Seite der Platte und senkrecht zur Längsmittelachse Z'Z ist. Diese Hin- und Herverschiebung δ wird hauptsächlich über die Lamelle 6₂ auch an das bewegliche Teil 2₂ übertragen. Somit sind die drei beweglichen massiven Teile 2₁ , 2₂ und 4 eine Art "bewegliche Begleiter", deren Masse viel größer als die des schwingenden Resonators 3₁ ist. Aus diesem Grund ist die Hin-und Herverschiebung δ dieser beweglichen Begleiter viel geringer als die Schwingungsamplitude Δ des Resonators 3₁ . Die geringfügige Hin- und Herverschiebung δ bewirkt eine Biegeschwingung mit geringer
Amplitude des flexiblen Stiels 5. Da dieser biegeelastisch ist, kommen am festen Teil 1 nur sehr geringe Wechselbelastungen, hauptsächlich eine Kraft r und ein Moment c, an, deren Intensitäten viel geringer als die der Scherbelastung R bzw. des Biegemoments C sind, die vom Resonator 3₁ an jedes der beweglichen Teile 2₁ und 4 angelegt werden. Man kann beispielsweise Kräfte r und c erhalten, die hundertmal geringer als die Kraft R bzw. C sind. Somit kennzeichnen die Flexibilität des Stiels 5 und die Gesamtmasse der drei beweglichen Teile 2₁ , 2₂ und 4 einen mechanischen Filter zwischen dem Resonator 3₁ und dem festen Teil 1 des Beschleunigungsmessers, wobei dieses feste Teil in sehr geringem Maße durch die Schwingungen des Resonators beansprucht wird. Der Gütefaktor des Resonators bleiben also praktisch unverändert. Es sei daran erinnert, dass die Hin- und Herverschiebungen und -verformungen, deren Amplituden in 4 abgebildet sind, die Hauptschwingungsphänomene sind, die im Beschleunigungsmesser zum Tragen kommen. In der Realität gibt es daneben weitere Schwingungsphänomene mit kleinerer Amplitude, wie beispielsweise eine Hin- und Herdrehung der beweglichen Begleiter, gebildet von den drei beweglichen Teilen 2₁ , 2₂ und 4, um die Längsmittelachse Z'Z. Diese Hin- und Herdrehung der beweglichen Begleiter wird verursacht durch die Biegeschwingungen des Resonators 3₁ , da die mittlere Ebene, in der diese Schwingungen liegen, nicht durch die Achse Z'Z geht, die im Wesentlichen die Hauptträgheitsachse der beweglichen Begleiter ist. Die Hin- und Herdrehung der beweglichen Begleiter erzeugt um die Achse Z'Z eine Wechseltorsion des flexiblen Stiels 5, dessen Torsionsflexibilität es möglich macht, dass lediglich ein sehr geringes Wechselmament um die Achse Z'Z an das festen Teil 1 weitergegeben wird. Dieses sehr geringe Moment hat lediglich einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Wirksamkeit der mechanischen Filterung der Schwingungen des Resonators. Genereller gesagt, filtert der Stiel 5 aufgrund seiner Flexibilität die meisten der mechani schen Wechselbelastungen, die durch die Schwingungen des Resonators 3₁ hervorgerufen werden, wirksam aus. Damit die mechanische Filterung aber möglichst wirksam ist, sollte es vorzugsweise so sein, dass die Zängsmittelachse Z'Z im Wesentlichen eine Symmetrieachse des Beschleunigungsmessers CA, wie in 3 abgebildet, ist. Bei einer Variante, bei der diese Symmetrie im Wesentlichen nicht eingehalten wird, haben die auf den festen Teil 1 übertragenen mechanischen Wechselbelastungen Intensitäten, die zwar höher als die bei der im Wesentlichen symmetrischen Ausführung, aber generell deutlich geringer als die Intensitäten der Wechselbelastungen R und C sind, die vom Resonator 3₁ an jedes der beweglichen Teile 2₁ und 4 angelegt werden.
Die Schwingungsphänomene sind vorstehend unter Bezugnahme auf die 4 für den Fall, dass der Resonator 3₁ bei seiner Resonanzfrequenz F₁ um der Biegeachse schwingt, ausgelegt worden. Die Auslegung der Schwingungsphänomene ist ähnlich, wenn der Resonator 3₂ bei seiner Resonanzfrequenz F₂ um die Biegeachse schwingt. Somit kennzeichnen die Flexibilität des Stiels 5 und die Gesamtmasse der drei beweglichen Teile 2₁ , 2₂ und 4 ebenfalls einen mechanischen Filter zwischen dem Resonator 3₂ und dem festen Teil 1 des Beschleunigungsmessers.
Die Auslegung der Schwingungsphänomene ist ebenfalls ähnlich, wenn die beiden Resonatoren 3₁ und 3₂ gleichzeitig bei ihrer Resonanzfrequenz F₁ bzw. F₂ schwingen. Die beiden Schwingungen bestehen nebeneinander, wobei sie praktisch unabhängig voneinander sind, und die mechanische Filterung zwischen den Resonatoren und dem festen Teil des Beschleunigungsmessers macht es mög lich, dass der feste Teil sehr wenig durch die Schwingungen der Resonatoren beansprucht wird und dass die Gütefaktoren der Resonatoren dementsprechend praktisch, unverändert bleiben. Die Genauigkeit der aus der Differenzfrequenz (F₁-F₂) abgeleiteten Messung ist somit ausgezeichnet und im Wesentlichen genauso gut wie die des zweiten bekannten Beschleunigungsmessers AD', der in 2 abgebildet ist.
Zudem ist der Aufbau des Beschleunigungsmessers einfacher als der des zweiten bekannten Beschleunigungsmessers, und er umfasst weniger Teile, die durch einen Ausführungsfehler bei der chemischen Bearbeitung beeinträchtigt werden können, denn in der Praxis haben solche Fehler geringe Abmessungen im Vergleich zu denen des Beschleunigungsmessers. Im Falle des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers sind die für einen Ausführungsfehler empfänglichen Teile die Resonatoren 3₁ und 3₂ , während es im Falle des in 2 abgebildeten zweiten bekannten Beschleunigungsmessers AD' im Wesentlichen die Resonatoren 3₁ und 3₂ sowie die elastischen Rahmen 5₁ und 5₂ sind. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers ermöglicht somit eine höhere Fertigungsausbeute als der des zweiten bekannten Beschleunigungsmessers. Zudem ermöglicht die Position des flexiblen Stiels 4 zwischen den beiden ersten beweglichen Teilen 2₁ und 2₂ die kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers und somit – aufgrund seiner Einfachheit – kleinere Abmessungen als bei dem zweiten bekannten Beschleunigungsmesser. Diese Möglichkeit der größeren Miniaturisierung erlaubt es, eine größere Anzahl Beschleunigungsmesser aus einem Wafer mit vorgegebenen Abmessungen herzustellen. Diese beiden Vorteile, die höhere Fertigungsausbeute und die größere Anzahl Beschleunigungsmesser, die aus einem Wafer hergestellt werden können, ermöglichen beim erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesser CA viel geringere Herstellungskosten als im Falle des bekannten zweiten Beschleunigungsmessers AD'.
Wenn der flexible Stiel 5 nicht zwischen den beiden ersten beweglichen Teilen 2₁ und 2₂ angeordnet wäre und wenn zudem die Längsmittelachse Z'Z weiter im Wesentlichen eine Symmetrieachse des Beschleunigungsmessers wäre, um die wirksamste mechanische Filterung, wie vorstehend erläutert, zu erzielen, so könnte der Beschleunigungsmesser nicht kompakt sein, denn der feste Teil 1, der Stiel 5, der dritte bewegliche Teil 4, die beiden Lamellen 6₁ und 6₂ sowie die beiden ersten beweglichen Teile 2₁ und 2₂ würden sich in dieser Reihenfolge in der Höhe des Beschleunigungsmessers aneinander reihen, die somit H1 + H5 + H4 + H6₁ + H2₁ und H1 + H5 + H4 + H6₂ + H2₂ auf der einen bzw. der anderen Seite der Ebene PS entspräche. Gemäß der Erfindung macht es die Anordnung des flexiblen Stiels zwischen den beiden ersten beweglichen Teilen möglich, die Höhe des Beschleunigungsmessers auf H1 + H5 + H4 zu beschränken.
Der Beschleunigungsmesser nach der in 3 abgebildeten Ausführung begnügt sich ebenfalls mit Resonatoren 3₁ und 3₂ , die um die Biegeachse parallel zur Ebene PS, d.h. quer zur (Vorder-)Seite und (Rück-)Seite der Werkstoffplatte, schwingen. In diesem Falle sind die mechanischen Wechselbelastungen, die von den Resonatoren an die beweglichen Teile 2₁ , 2₂ und 4 angelegt werden, parallel zur Ebene PS, und die beweglichen Begleiter, gebildet von diesen beweglichen Teilen, erfahren daher kleine Hin- und Herverschiebungen, deren Hauptkomponen ten Translationsbewegungen senkrecht zur (Vorder-)Seite und (Rück-)Seite der Werkstoffplatte und Drehbewegungen um die Längsmittenachse Z'Z sind. Diese kleinen Hin- und Herverschiebungen der beweglichen Begleiter durch Translation und Drehung führen zu Schwingungen in der Biege- bzw. Torsionsachse des flexiblen Stiels 5. In ähnlicher Weise wie im vorangehenden Fall ermöglichen es Resonatoren, die um die Biegeachse parallel zur (Vorder-)Seite und (Rück-)Seite der Werkstoffplatte schwingen, zusammen mit den niedrigen Amplituden der entsprechenden Schwingungen des Stiels und dessen Biege- und Torsionflexibiltät, dass nur sehr geringe Wechselbelastungen am festen Teil 1 ankommen. Die Gütefaktoren der Resonatoren bleiben also praktisch unverändert.
Der Beschleunigungsmesser nach der in 3 abgebildeten Ausführung begnügt sich ebenfalls mit Resonatoren 3₁ und 3₂ , die um die Torsionsachse entlang ihren jeweiligen zur Achse Z'Z parallelen Längsachsen schwingen. In diesem Falle legt jeder der Resonatoren 3₁ und 3₂ ein Wechselmoment an jedes der beiden fest mit ihnen verbundenen beweglichen Teile an, und die beweglichen Begleiter, gebildet von den drei beweglichen Teile 2₁ , 2₂ und 4, erfahren daher kleine Hin- und Herverschiebungen durch Drehung um die Achse Z'Z. Daraus ergeben sich Torsionsschwingungen mit sehr niedriger Amplitude des flexiblen Stiels 5, dessen Flexibilität es möglich macht, dass nur sehr geringe Wechselbelastungen am festen Teil 1 ankommen. Die Gütefaktoren der Resonatoren bleiben also praktisch unverändert. In ähnlicher Weise wie bei den Resonatoren, die in der Biegeachse schwingen, sollte es auch hier vorzugsweise so sein, dass die Längsmittelachse Z'Z im Wesentlichen eine Symmetrieach se des Beschleunigungsmessers, wie in 3 abgebildet, ist, damit die mechanische Filterung der Torsionsschwingungen möglichst wirksam ist.
Der flexible Stiel 5 mindert die Verluste an mechanischer Energie zum festen Teil 1 hin, die bei den Resonanzfrequenzen der Resonatoren 3₁ und 3₂ auftreten (mehrere zig kHz), und dies sowohl im Falle der Biegeschwingungen als auch im Falle der Torsionsschwingungen. Dennoch kommt es nicht zu einer Verschlechterung der mechanischen Beständigkeit des Wandlers im Einsatzdurchlassband (vom Dauersignal bis zu einigen Hundert Hz).
Die Funktionsweise des Beschleunigungsmessers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5A, 5B und 5C erläutert, die das mechanische Verhalten der Resonatoren 3₁ und 3₂ des Beschleunigungsmessers, wenn den drei Raumkomponenten der Beschleunigung ausgesetzt, veranschaulichen. Die 5A, 5B und 5C sind perspektivische Ansichten des Beschleunigungsmessers CA gemäß 3 zur Veranschaulichung der mechanischen Dehn- und Stauchkräfte, die die beweglichen Teilen 2₁ und 2₂ auf die Resonatoren 3₁ bzw. 3₂ ausüben, wenn der Beschleunigungsmesser jeder der drei Raumkomponenten der Beschleunigung ausgesetzt wird.
Unter Bezugnahme auf die 5A übt die in Achse I senkrecht zur (Vorder-)Seite und (Rück-)Seite der Werkstoffplatte angelegte Beschleunigung T₁ auf den Resonator 3₁ eine Längsdehnkraft P₁ und auf den Resonator 3₂ eine Längsstauchkraft Q₁ aus.
Die Dehnkraft P₁, die der Resonator 3₁ erfährt, führt zu einer Erhöhung (ΔF₁) seiner Resonanzfrequenz F₁: (ΔF1)1 = +k1Γ1
Die Stauchkraft Q₁, die der Resonator 3₂ erfährt, führt zu einer Verringerung (ΔF₂)₁ seiner Resonanzfrequenz F₂: (ΔF2)1 = –k'1Γ1 wobei k₁ und k'₁ Koeffizienten mit positivem Vorzeichen sind, die ausschließlich von den mechanischen und geometrischen Merkmalen des Beschleunigungsmessers CA abhängig sind, d.h. im Wesentlichen von seinen Abmessungen, den Elastizitätsmodulen und der Volumenmasse des Materials sowie der Art der Schwingungen der Resonatoren 3₁ und 3₂ , wie zum Beispiel der Biegeschwingung im Grundmodus.
Die Differenzfrequenz (F₁ – F₂) erfährt so eine Änderung [Δ(F₁ – F₂)]₁: [Δ(F1 – F2)]1 = (ΔF1)1 – (ΔF2)1 = k1Γ1 – (–k'1Γ1) = (k1 + k'1)Γ1
Somit ist die Änderung der Differenzfrequenz (F₁ – F₂) proportional zur Beschleunigung Γ₁, und der entsprechende Proportionalitätsfaktor ist die Summe der Koeffizienten k₁ und k'₁. Es sei darauf hingewiesen, dass die Änderung [Δ(F₁ – F₂)]₁ der Differenzfrequenz algebraisch ausgedrückt ist, womit der Tatsache Rechnung getragen wird, dass die Änderung das Vorzeichen wechselt, wenn die Beschleunigung Γ₁ ihre Richtung ändert.
Unter Bezugnahme auf die 5B bewirkt die Beschleunigung Γ₂, wenn in einer Achse II parallel zur Achse Z'Z angelegt, Längsdehnkräfte P₂ und Q₂ auf die Resonatoren 3₁ bzw. 3₂ .
Diese Dehnkräfte führen zu einer Erhöhung (ΔF₁)₂ bzw. (ΔFz)z der Resonanzfrequenzen der Resonatoren 3₁ und 3₂ (Δ F1)2 = +k2Γ2 (Δ F2)2 = +k'2Γ2 wobei k₂ und k'₂ Koeffizienten mit positivem Vorzeichen sind, die ausschließlich von den mechanischen und geometrischen Merkmalen des Beschleunigungsmessers CA abhängig sind.
Die Differenzfrequenz (F₁ – F₂) erfährt so eine Änderung [(Δ(F₁ – F₂)]₂: [Δ(F1 – F2)]2 = (k2 – k'2)Γ2
Somit ist die Änderung der Differenzfrequenz (F₁ – F₂) proportional zur Beschleunigung Γ₂, und der entsprechende Proportionalitätsfaktor ist die Summe der Koeffizienten k₂ und k'_z. Es sei darauf hingewiesen, dass die Frequenzänderung algebraisch ausgedrückt ist.
Unter Bezugnahme auf die 5C bewirkt die Beschleunigung Γ₃, wenn in einer Achse III senkrecht zur Ebene PS des Beschleunigungsmessers CA angelegt, auf den Resonator 3₁ eine Längsdehnkraft P₃ und auf den Resonator 3₂ eine Längsdehnkraft Q₃.
Die Dehnkraft P₃, die der Resonator 3₁ erfährt, führt zu einer Erhöhung (ΔF₁)₃ seiner Resonanzfrequenz F₁: (ΔF1)3 = +k3Γ3
Die Stauchkraft Q₃, die der Resonator 3₂ erfährt, führt zu einer Verringerung (DF₂) seiner Resonanzfrequenz F₂: (DF2)3 = –k'3G3,wobei k₃ und k'₃ Koeffizienten mit positivem Vorzeichen sind, die ausschließlich von den mechanischen und geo metrischen Merkmalen des Beschleunigungsmessers CA abhängig sind.
Die Differenzfrequenz (F₁ – F₂) erfährt so eine Änderung [D[F₁ – F₂)]₃: [D(F1 – F2)]3 = (k3 + k'3)G3.
Somit ist die Änderung der Differenzfrequenz (F₁ – F₂) proportional zur Beschleunigung G₃, und der entsprechende Proportionalitätsfaktor ist die Summe der Koeffizienten k₃ und k'₃. Es sei darauf hingewiesen, dass die Frequenzänderung algebraisch ausgedrückt ist.
Da wir die Änderung der Differenzfrequenz (F₁ – F₂) für die drei Komponenten G₁, G₂ und G₃ der Beschleunigung kennen, lässt sich die Änderung der Differenzfrequenz, die sich bei Anlegen einer Beschleunigung G mit beliebiger Ausrichtung gegenüber dem Beschleunigungsmesser CA ergibt, wie folgt darstellen, wobei die Beschleunigung G durch ihre drei Komponenten G₁, G₂ und G₃ in den drei Hauptachsen I, II und III des Beschleunigungsmessers CA definiert ist: D(F1 – F2) = [D(F1 – F2)]1 + [D(F1 – F2)]2 + [D(F1 – F2)]3 = (k1 + k'1)G1 + (k2 – k'2)G2 + (k3 + k'3)G3
Die Koeffizienten (k₁ + k'₁), (k₂ – k'₂) und (k₃ + k'₃) können als die drei Komponenten eines Vektors K in den drei Hauptachsen I, II und III ausgelegt werden, so dass die Änderung D(F₁ – F₂) der Differenzfrequenz als das Skalarprodukt: D(F1 – F2) = K.Gdargestellt werden kann.
Da die Koeffizienten k₁, k'₁, k₂, k'₂, k₃ und k'₃ ausschließlich von den mechanischen und geometrischen Merkmalen des Beschleunigungsmessers CA abhängig sind, gilt dies auch für die drei Komponenten (k₁ + k'₁), (k₂ – k'₂) und (k₃ + k'₃) des Vektors K, der somit ein Vektor ist, dessen Ausrichtung und Intensität dem Beschleunigungsmesser CA eigen sind.
Somit zeigt die Darstellung der Änderung D(F₁ – F₂) als das Skalarprodukt K.G, dass die Änderung null ist, wenn die Beschleunigung G senkrecht zum Vektor K verläuft, und dass sie den Höchstwert erreicht, wenn die Beschleunigung G parallel zum Vektor K verläuft. Mit anderen Worten: Die Differenzfrequenz D(F₁ – F₂) ist nur für die zum Vektor K parallele Komponente von G empfänglich, oder auch: Der Beschleunigungsmesser CA ist ein Beschleunigungsmesser, dessen alleinige Empfindlichkeitsachse parallel zum Vektor K verläuft.
Um die Darstellung des nachfolgend Gesagten zu erleichtern, werden wir diesen Vektor K im Folgenden als den Empfindlichkeitsvektor der Beschleunigungsmessung bezeichnen.
Wenn die Geometrie des Beschleunigungsmessers gewisse Bedingungen erfüllt, so darf sich die Ausrichtung des Vektors K nahe derjenigen der Achse I liegen, die senkrecht zur (Vorder-)Seite und (Rück-)Seite der Werkstoffplatte verläuft. Dies ist insbesondere bei der in 3 abgebildeten Ausführung der Fall, wie wir dies im Nachfolgenden aufzeigen werden.
Nach der in 3 abgebildeten Ausführung haben das bewegliche Teil 2₁ , der Resonator 3₁ und die Lamelle 6₁ im Wesentlichen die gleiche Geometrie wie das bewegliche Teil 2₂ , der Resonator 3₂ bzw. die Lamelle 6₂ ; daraus ergibt sich im Falle der in 5B gezeigten Beschleunigung G₂, dass die Längsdehnkräfte P₂ und Q₂ im Wesentlichen gleich sind und dass die Erhöhungen (DF₁)₂ = +k₂G₂ und (DF₂)₂ = +k'₂G₂ der Resonanzfrequenzen der Resonatoren 3₁ bzw. 3₂ ebenfalls im Wesentlichen gleich sind, was sich darin äußert, dass k₂ ≈ k'₂. Somit ist die Komponente (k₂ – k'₂) des Vektors K in der zur Achse Z'Z parallelen Achse II im Wesentlichen gleich null.
Weiter nach der in 3 abgebildeten Ausführung sind die Breiten L6₁ und L6₂ der Lamellen 6₁ bzw. 6₂ deutlich größer als ihre Dicke E6; daraus ergibt sich, dass die Steifigkeit dieser Lamellen in Richtung der Breite des Beschleunigungsmessers deutlich höher ist als in Richtung seiner Dicke E, was es möglich macht, dass die Längskräfte P₃ und Q₃, die, wie in 5C abgebildet, auf die Resonatoren bei einer Beschleunigung G₃ wirken, deutlich geringer sind als die Längskräfte P₁ und Q₁, die, wie in 5A abgebildet, bei einer Beschleunigung G₁ wirken, und dies bei gleicher Intensität der Beschleunigungen G₃ und G₁. Daraus ergibt sich bei nach wie vor gleicher Intensität der Beschleunigungen G₃ und G₁, dass die Frequenzänderungen (DF₁)₃ = +k₃G₃ und (DF₂)₃ = –k'₃G₃ deutlich geringer sind als die Frequenzänderungen (DF₁)₁ = +k₁G₁ bzw. (DF₂)₁ = –k'₁G₁, was sich darin äußert, dass k₃ « k₁ und k'₃ « k'₁. Somit ist die Komponente (k₃ + k'₃) des Vektors K in der zur Ebene PS senkrechten Achse III viel geringer als die Komponente (k₁ + k'₁) des Vektors K in der zur (Vorder)Seite und (Rück-)Seite der Werkstoffplatte senkrechten Achse I. Es ist beispielsweise möglich, (k₃ + k'₃) = (k₁ + k'₁)/100 zu erhalten.
Die 6A zeigt die Ausrichtung des Empfindlichkeitsvektors K der Beschleunigungsmessung gegenüber den drei Hauptachsen des Beschleunigungsmessers CA nach der in 3 abgebildeten Ausführung. Da die Komponente (k₂ – k'₂) in der Achse II im Wesentlichen null und die Komponente (k₃ + k'₃) in der Achse III viel geringer als die Komponente (k₁ + k'₁) in der Achse I ist, liegt die Ausrichtung des Vektors K nahe derjenigen der Achse I.
Mit anderen Worten: Die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers CA verläuft ungefähr senkrecht zur (Vorder-)Seite und (Rück-)Seite der Werkstoffplatte. Wie in 6A abgebildet, liegt der Vektor K in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu den Achsen I und III verläuft, und weist eine Neigung auf, die durch einen kleinen Winkel ε gegenüber der Achse I gekennzeichnet ist. Bei dem angegebenen Beispiel, bei dem (k₃ + k'₃) = (k₁ + k'₁)/100, entspricht ε ca. 0,01 Radian und ist in 6A übertrieben groß dargestellt, um das Verständnis der Zeichnung zu erleichtern.
Für Anwendungen, bei denen die einfache Einsetzbarkeit ein wichtiger Faktor ist, ist es von Vorteil, die Neigung ε ausgleichen zu können. Ein solcher Ausgleich ist beispielsweise in 6B zu sehen, die einen Querschnitt des Beschleunigungsmessers CA nach der 6A in einer Ebene II senkrecht zur Achse Z'Z im Bereich des festen Teils 1 zeigt. Dieses feste Teil ist auf einer Basis, beispielsweise durch Kleben, befestigt. Nach der abgebildeten Ausführung ist die Basis BA eine Platte, deren auf das feste Teil 1 geklebte Fläche FC und die ihr gegenüberliegende Fläche nicht parallel zueinander sind; die Fläche PP wird als "Auflageebene" des Beschleunigungsmessers bezeichnet und ist für die Befestigung auf dem (nicht abgebildeten) Aufbau eines Fahrzeuges vorgesehen. Die Verläufe der Flächen FC und PP in der Querschnittsebene II sind gegeneinander um einen Winkel, der dem Neigungswinkel ε des Vektors K gegenüber der Achse I entspricht, geneigt, so dass der Vektor K senkrecht zur Fläche PP der Basis BA steht. Somit ist der Beschleunigungsmesser nach der Erfindung lediglich für die zur Fläche PP senkrechte Komponente der Beschleunigung empfindlich. Diese Anordnung wird von den Nutzern von Beschleunigungsmessern generell wegen ihrer einfachen Einsetzbarkeit geschätzt.
Es gibt andere Mittel, mit denen erreicht werden kann, dass der Empfindlichkeitsvektor K der Beschleunigungsmessung nach der Erfindung senkrecht zur Auflageebene der Basis BA steht und dass zusätzlich die Flächen FC und PP dieser Basis zueinander parallel sind. Diese Mittel betreffen den Beschleunigungsmesser alleine und ermöglichen es, dass der Vektor K parallel zur zur (Vorder-)Seite und (Rück-)Seite der Werkstoffplatte senkrechten Achse I verläuft, was man durch Aufhebung der Komponente des Vektors K in der zur Ebene PS senkrechten Achse III erreicht.
Ein (nicht abgebildetes) erstes Mittel zur Aufhebung dieser Komponente besteht darin, einen der beiden Resonatoren zwischen der fest mit ihm verbundenen Prüfmasse und dem flexiblen Stiel anzuordnen, wobei der andere Resonator gemäß der in 3 und 5C abgebildeten Ausführung platziert wird. Diese Anordnung der Resonatoren ermöglicht es, dass eine in der Achse III angelegte Beschleunigung G₃ Längskräfte gleicher Intensität und gleicher Richtung auf die beiden Resonatoren ausübt. So ist es möglich, dass die resultierenden Frequenzänderungen der beiden Resonatoren nach Wert und Vorzeichen gleich sind und die Änderung der Differenzfrequenz somit null ist. Damit ist die Komponente des Vektors K in der Achse III null.
Ein (nicht abgebildetes) zweites Mittel zur Aufhebung dieser Komponente besteht darin, die Prüfmassen in U-Form auszuführen, wie im bereits erwähnten, unter der Nummer FR 2 739 190 veröffentlichten Patent (7C und Seite 26, Zeile 23-30) erläutert. Auf diese Weise übt eine Beschleunigung G₃ keine Längskräfte auf die Resonatoren aus, und die resultierende Frequenzänderung jedes der beiden Resonatoren ist null. Damit sind die entsprechende Änderung der Differenzfrequenz und die Komponente des Vektors K in der Achse III null.
Die 7A zeigt eine andere Ausführung des Beschleunigungsmessers nach der Erfindung. Der Beschleunigungsmesser CA_a unterscheidet sich vom Beschleunigungsmesser CA gemäß 3 hauptsächlich dadurch, dass jeder der Resonatoren 3_1a und 3_2a zwischen der jeweils fest mit ihm verbundenen Prüfmasse und dem flexiblen Stiel 5_a angeordnet ist. Nach der abgebildeten Ausführung ist eine zur Außenseite des Körpers gerichtete Seite der Prüfmasse 2_1a komplanar mit einer der zur Ebene PS parallelen Seiten (Vorder- oder Rückseite) der Platte, und eine zur Außenseite des Körpers gerichtete Seite der Prüfmasse 2_2a ist komplanar zur anderen zur Ebene PS parallelen Seite der Platte. Diese Ausführung ermöglicht es, über die gleichen Vorteile in puncto Messgenauigkeit und Herstellungskosten wie im Falle der in 3 abgebildeten Ausführung zu verfügen.
Die 7B zeigt eine andere Ausführung eines Beschleunigungsmessers nach der Erfindung. Der monolithische Körper des Beschleunigungsmessers Ca_b ist aus Quarz. Die Mittel zur Schwingungserregung der Resonatoren 3_1b und 3_2b im Beschleunigungsmesser CA_b sind analog denen, die im Patent beschrieben sind, das unter der Nummer FR 2 685 964 auf den Namen des Antragstellers (Seite 11, Zeile 13 – Seite 12, Zeile 13) veröffentlich wurde, und sind daher besonders geeignet für die zur (Vorder-)Seite und (Rück-) Seite der Werkstoffplatte parallelen Biegeschwingungen. Der Beschleunigungsmesser CA_b unterscheidet sich von dem in 3 abgebildeten Beschleunigungsmesser CA hauptsächlich durch seine im Großen und Ganzen scheibenförmige Ausbildung mit dem Durchmesser D und der Dicke E_b sowie durch die U-Form des festen Teils 1_b . Dieses feste Teil umfasst einen Basisabschnitt 10_b in Form eines mit dem flexiblen Stiel 5_b fest verbundenen Scheibensegments, zwei Schenkel 11_b und 12_b in Form von Scheibensegmenten, die im Wesentlichen entlang der Resonatoren 3_1b bzw. 3_2b verlaufen, und die beiden Abschnitte 13_b und 14_b in Form von Ringsegmenten, die den Basisabschnitt 10_b mit den beiden Schenkeln 11_b bzw. 12_b verbinden. Somit befinden sich die Prüfmassen 2_1b bzw. 2_2b , die Resonatoren 3_1b und 3_2b , das dritte bewegliche massive Teil 4_b , der flexible Stiel 5_b und die beiden Lamellen 6_1b und 6_2b innerhalb der U-Form des festen Teils 1_b . Die Schenkel 11_b und 12_b sind, beispielsweise durch Kleben, auf der Basis Ba_b eines zylindrischen Gehäuses befestigt. In Bezug auf die vorstehend erläuterte und in 4 veranschaulichte Filterung, die dafür sorgt, dass das feste Teil praktisch nicht durch die Schwingungen der Resonatoren beansprucht wird, entspricht die Effizienz des Beschleunigungsmessers CA_b im Wesentlichen derjenigen des Beschleunigungsmessers CA, da die Flexibilität des flexiblen Stiels 5_b im Wesentlichen derjenigen des flexiblen Stiels 5 und die Gesamtmasse der drei beweglichen Teile 2_1b , 2_2b und 4_b im Wesentlichen derjenigen der drei beweglichen Teile 2₁ , 2₂ und 4 entspricht. In Bezug auf die Miniaturisierung und die Fertigungsausbeute und damit die Herstellungskosten sind die Beschleunigungsmesser CA und CA_b ebenfalls im Wesentlichen gleichwertig. Wie in 7B dargestellt, sind die Mittel zur Schwingungserregung jedes der Resonatoren, wie beispielsweise des Resonators 3_1b , in Form von zwei Metallelektroden 33_1b und 34_1b mit einander entgegensetzten Polaritäten ausgeführt, die den Resonator 3_1b durch piezoelektrischen Effekt in Biegeschwingungen versetzen. Die Elektroden 33_1b und 34_1b sind auf der Seite des Resonators 3_1b , die zur Außenseite des Körpers des Beschleunigungsmessers gerichtet ist, angeordnet, und ihre Ausführung mit „drei Spuren" ist im bereits erwähnten, unter der Nummer FR 2 685 964 veröffentlichten Patent beschrieben. Elektrische Anschlüsse sind auf dem befestigten Schenkel 11_b zwischen den Elektroden 33_1b und 34_1b und (nicht abgebildeten) dichten Durchführungen in der Basis durch Lötung auf den zugehörigen metallischen Kontaktbereichen 35_1b und 36_1b ausgeführt, die im Wesentlichen rechteckige Form haben. Wie in 7B abgebildet, sind die metallischen Bereiche 35_1b und 36_1b mit den zugehörigen Elektroden 33_1b und 34_1b durch zwei leitende Metallstreifen 37_1b und 38_1b verbunden, die auf der sichtbaren Seite des beweglichen Teils 4_b , des flexiblen Stiels 5_b , des Basisabschnitts 10_b und des Abschnitts 13_b in Ringsegmentform aufgebracht sind. Die Elektroden, die leitenden Streifen und die Kontaktbereiche können alle gleichzeitig durch Wegätzen einer auf der sichtbaren Seite der Quarzplatte haftenden Metallschicht mittels der herkömmlichen photolithographischen Verfahren realisiert werden. Diese anhaftende Metallschicht kann vorteilhafterweise diejenige sein, die vorher bei der Bearbeitung des monolithischen Körpers des Beschleunigungsmessers als Schutzbeschichtung gedient hat. Die an die Elektroden 33_1b und 34_1b angeschlossenen dichten Durchführungen der Basis sind elektrisch mit den beiden Klemmen eines Schwingkreises 7₁ verbunden, an dessen Ausgang ein Wechselspannungssignal mit der Resonanzfrequenz F1 des Resonators 3_1b erzeugt wird. Eine gleiche Anordnung von Elektroden, leitenden Streifen und Kontaktbereichen ist am Resonator 3_2b auf der gegenüberliegenden Seite des beweglichen Teils 4_b , des flexiblen Stiels 5_b , des Basisabschnitts 10_b , des Abschnitts 14_b in Ringsegmentform und des befestigten Schenkels 12_b in Verbindung mit einem zweiten Schwingkreis 7₂ angeordnet, an dessen Ausgang ein Wechselspannungssignal mit der Resonanzfrequenz F2 des Resonators 3_2b erzeugt wird. Die Ausgänge der beiden Schwingkreise 7₁ und 7₂ sind mit einer Vorrichtung zum Messen der Differenzfrequenz verbunden, die eine Frequenzsubtrahierschaltung 8 und einen Frequenzmesser 9 einschließt, wobei die vom Frequenzmesser 9 gemessene Frequenz (F₁ – F₂) für die zu messende Beschleunigung repräsentativ ist. Die Werte der Resonanzfrequenzen F₁ und F₂ der Resonatoren liegen vorzugsweise nahe beieinander, aber weit genug voneinander entfernt, damit die Differenzfrequenz (F₁ – F₂) deutlich größer ist als das obere Limit des Durchlassbandes des Beschleunigungsmessers, unabhängig von der Intensität und der Richtung der Beschleunigung innerhalb des vorgesehenen Messbereichs. Dies macht es möglich, dass die Messung der Differenzfrequenz (F₁ – F₂) durch den Frequenzmesser 9 unter besten Bedingungen erfolgt und somit die Genauigkeit der Messung nicht beeinträchtigt wird. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, einen Beschleunigungs messer nach der Erfindung auszuführen, bei dem die Frequenzen F₁ und F₂ der Resonatoren bei Abwesenheit einer Beschleunigung 55.000 Hz bzw. 50.000 Hz betragen, die Änderung der Differenzfrequenz 25 Hz/g beträgt (wobei g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft ist) und der Messbereich zwischen –100 g und +100 g liegt; damit beträgt die Differenzfrequenz (F₁ – F₂) bei Abwesenheit einer Beschleunigung 5.000 Hz und schwankt zwischen 2.500 Hz und 7.500 Hz, wenn die Beschleunigung zwischen –100 g und +100 g variiert; der Tiefstwert von 2.500 Hz der Differenzfrequenz macht es möglich, dass das Durchlassband dieses Beschleunigungsmessers zwischen 0 und 500 Hz liegt. Die Abmessungen des monolithischen Körpers dieses Beschleunigungsmessers sind, unter Bezugnahme auf die 7B, D = 6 mm und E_b = 0,4 mm. Dadurch, dass sich die Resonanzfrequenzen F1 und F2 um – relativ gesehen – mindestens ca. fünf Prozent voneinander unterscheiden, können die Auswirkungen der mechanischen Koppelung zwischen den beiden Resonatoren ausreichend gemindert werden, und somit kann eine Beeinträchtigung der Messgenauigkeit verhindert werden. Weiter nach der in 7B abgebildeten Ausführung ist ein leitender Metallstreifen 39_1b zwischen den leitenden Streifen 37_1b und 38_1b auf der sichtbaren Seite des beweglichen Teils 4b, des flexiblen Stiels 5_b , des Basisabschnitts 10_b und des Abschnitt 13_b in Ringsegmentform wie auch zwischen den Kontaktbereichen 35_1b und 36_1b auf der sichtbaren Seite des befestigten Schenkels 11_b vorhanden. Ein weiterer leitender Metallstreifen 39_2b (in 7B nicht sichtbar) ist in gleicher Weise auf der gegenüberliegenden Seite des monolithischen Körpers des Beschleunigungsmessers zwischen den leitenden Streifen und den Kontaktbereichen angeordnet, die mit dem zwei ten Schwingkreis 7₂ in Verbindung stehen. Die leitenden Metallstreifen 39_1b und 39_2b sind mit der den Schwingkreisen 7₁ und 7₂ gemeinsamen elektrischen Masse verbunden, wodurch es möglich, die elektrische Kopplung zwischen den am Ausgang der beiden Oszillatoren 7₁ und 7₂ erzeugten Wechselspannungssignalen zu verringern. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass das Wechselspannungssignal der Differenzfrequenz, das am Ausgang der Frequenzsubtrahierschaltung 8 erzeugt wird, ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist.

Claims

Monolithischer Miniatur-Beschleunigungsmesser, hergestellt aus einer Werkstoffplatte mit der Dicke E, bestehend aus einem festen Teil (1), zwei ersten massiven, beweglichen Teilen (2₁ , 2₂ ), den so genannten Prüfmassen, zwei Gelenklamellen (6₁ , 6₂ ), von denen jeweils ein Ende fest mit einem der beiden massiven beweglichen Teile (2₁ , 2₂ ) verbunden ist, und zwei Resonatoren (3₁ , 3₂ ), von denen jeweils ein Ende fest mit einem der beiden massiven beweglichen Teile (2₁ , 2₂ ) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass er ein drittes massives bewegliches Teil (4), das fest mit den jeweils anderen Enden der beiden Resonatoren (3₁ , 3₂ ) und den beiden Gelenklamellen (6₁ , 6₂ ) verbunden ist, und einen elastischen Stiel (5) umfasst, der zwischen den beiden ersten massiven beweglichen Teilen (2₁ , 2₂ ) angeordnet ist und das dritte massive bewegliche Teil (4) mit dem festen Teil (1) verbindet.
Monolithischer Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Resonatoren (3₁ , 3₂ ) an den Kanten der beweglichen Teile (2₁ , 2₂ ), dem elastischen Stiel (5) gegenüber entgegengesetzt angeordnet sind.
Monolithischer Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem elastischen Stiel (5) um einen Träger handelt, der in etwa parallel zu den Resonatoren (3₁ , 3₂ ) verläuft.
Monolithischer Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem elastischen Stiel um einen quaderförmigen Träger handelt, dessen Dicke der Dicke E der verarbeiteten Werkstoffplatte entspricht und dessen Breite (L5) zwischen der Hälfte und dem Doppelten der Dicke E der verarbeiteten Werkstoffplatte beträgt.
Monolithischer Miniatur-Beschleunigungsmesser nach An-spruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Stiel (5) eine Höhe (H5) aufweist, die zwischen dem Fünffachen und dem Zwanzigfachen der Dicke E der verarbeiteten Werkstoffplatte beträgt.
Monolithischer Miniatur-Beschleunigungsmesser nach ei-nem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lamellen (6₁ , 6₂ ) quaderförmig sind und eine Breite (L6₁, L6₂) aufweisen, die zwischen dem Fünffachen und dem Fünfzigfachen ihrer Dicke (E6) beträgt.
Monolithischer Miniatur-Beschleunigungsmesser nach ei-nem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eindeutig eine Symmetrieachse (Z'Z) aufweist.
Monolithischer Miniatur-Beschleunigungsmesser nach ei-nem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass er durch chemische Bearbeitung in einem einzigen Schritt hergestellt wird, der gleichzeitig auf beiden Seiten der Werkstoffplatte erfolgt, bis eine Gravurtiefe gleich E – E3 erreicht wird.
Monolithischer Miniatur-Beschleunigungsmesser nach ei-nem der vogenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er auf einer Unterlage befestigt ist, deren große Seiten zueinander nicht parallel sind.