NO822381L - Fremgangsmaate for fremstilling av en boeyningsanordning for en kraftavfoelende giver - Google Patents

Abstract

Behovet for streng regulering av prosessvariable eller utfrelse av fysikalske målinger elimineres i en fremgangsmåte for fremstilling av en bøyningsanordning for bruk til kobling av et kraftavfølende element til en festeramme i en kraft-transduser, hvor indikatorpartier (90, 92) anordnes i et emne (80) og materiale blir fjernet jevnt fra emnet, inn-befattet indikatorpartiene (100, 102), inntil indikatorpartiene forsvinner (104). Denne fremgangsmåte kan også brukes for å tildanne en byningsanordning fra et enhetlig materialstykke,. såsom smeltet kvarts, hvor emnet (80) blir maskert (94) bortsett fra indikatorpartier (90, 92) på hver overflate (82, 84). av emnet (80) og i det minste ett annet overflateparti (86, 88) materiale blir så fjernet fra de ikke-maskerte partier (86, 88, 90, 92) av emnet (80), og etter fjernelse av masken (94) blir materiale fjernet fra emnet (80) inntil indikatorpartiene forsvinner (104).

Description

Denne oppfinnelse angår fremstilling av bøyningsanord-ninger som brukes i kraftgivere eller -transdusere, og er mer spesielt rettet mot en fremgangsmåte for fremstilling av bøyningsanordninger for kraft-transdusere, utformet av et enhetlig materialstykke, såsom smeltet kvarts.

I en kraft-transduser, for eksempel et elektromagnetisk servobalansert akselerometer, kan kraftføleren omfatte en enhetlig del av smeltet kvarts, glass eller metall, bestående av et bevegelig element som gjennom en bøyelig bøynings-seksjon eller -anordning er sammenføyet med en hoveddel eller ramme.

Et eksempel på en slik transduser er å finne i U.S.-patent 3 702 073, 4 182 187 og 4 250 757. I samtidig patent-søknad nr. 82.2382 er det beskrevet bøyningsanordninger for en kraft-transduser med ledere påført på overflater som ligger i det vesentlige i bøyningsanordningens nøytrale bøye-plan. Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av en slik bøyningsanordning.

Ved fremstilling av en slik transduser er det ønskelig

å ha kontroll over bøyningsanordningens tykkelsesdimensjoner med høy presisjon, da dette i stor utstrekning bestemmer den endelige forspenningsytelse for transduseren, og det er dess-uten ansett ønskelig å oppnå denne nøyaktighet på en enkel, pålitelig måte. Hittil har fremstillingen av slike bøynings-anordninger krevet rigorøs prosessregulering kombinert med periodisk måling av tykkelsen av bøyningsanordningen.

Foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å oppnå denne ønskelige kombinasjon av fremstillings-karakteristikker for bøyningsanordningen, ved anvendelse av et spesielt tilpasset prosess- eller bearbeidingselement, nemlig en indikator-overflate.

Et trekk ved oppfinnelsen består i at fremgangsmåten for tildannelse av kraft-transduserens bøyningsseksjon omfatter tilveiebringelsen av et transduser-plateemne med en seksjon som er egnet for fremstilling av bøyningsanordningen, fortrinnsvis med parallelle flater som danner stort sett rette vinkler med den følsomme akse for det bevegelige element i transduseren, og fjernelse av materiale fra i det minste

et indikatorparti på den ene flate til en ønsket dybde.

En indikatorflate er en overflate som tildannes på

et indikatorparti av det transduser-emne som bøyningsanord-ningene lages av. Formålet med indikatorflaten er å frem-skaffe et indikerende referanseplan som har et kjent forhold til planene for overflater som tildannes på andre partier av emnet.

Et annet trekk ved oppfinnelsen består i at materi-

ale kan fjernes fra i det minste ett annet parti av i det minste én flate på bøyningsseksjorten samtidig med eller på en i det vesentlige identisk måte med fjernelsen av materiale fra indikatorpartiet. Partier fremstilt ut fra den flate på transduser-emnet som brukes til indikatorpartiet, vil ha overflater som ligger i det vesentlige i samme plan som indikatorflaten. Partier utformet fra den motsatte side av plateemnet vil ha overflater som har i det vesentlige respektive samme forhold til den flate som de er tildannet fra, som indikatorflaten har til den flate som denne ble fremstilt fra.

Et annet trekk ved oppfinnelsen er at indikatorpartier kan fremstilles fra motsatte overflater av transduser-emnet slik at de er i det vesentlige eller delvis i flukt med hverandre.

Hvis indikatorpartiet blir fremstilt på en måte som

er i det vesentlige identisk med bearbeidingen av et annet parti på den samme flate.av emnet som indikatorpartiet, så vil forholdet mellom planene for de frembrakte overflater, forbli i det vesentlige konstant. På denne måte kan det opp-rettholdes et forutbestemt forhold mellom planene. Et spesielt tilfelle består i at overflater som ligger i samme plan forut for et bearbeidingstrinn vil forbli i det vesentlige i flukt etter trinnet.

Hvis indikatorpartiet blir bearbeidet på en måte som er i det vesentlige ulik bearbeidingen av andre partier av emnet, så vil det skje en justering av forholdet mellom planene for overflatene. På denne måte kan et forutbestemt forhold mellom planene etableres eller innreguleres.

En ytterligere fordel med fremgangsmåten består i at deteksjon av de ønskede tykkelsesdimensjoner av bøynings-anordningen og den ønskede fjæring i bøyningsanordningen

kan bestemmes fra delen selv under bearbeiding ved hensikts-messig fremstilling av indikatorpartiene og etterfølgende observasjon av indikatorflåtene, idet bearbeidingen avsluttes når partier av indikatorflaten bryter gjennom og forsvinner. En slik fremgangsmåte fører til de riktige dimen-sjoner med høy nøyaktighet på en måte som er i det vesentlige ufølsom overfor uunngåelige prosessvariasjoner, og kre-ver ikke at det bevegelige element i et enhetlig transduser-blad er fritt, hvilket øker bøyningsanordningenes ømfint-lighet for skader, for med nøyaktighet å oppnå den ønskede fjæringsvirkning i bøyningsanordningen.

Et ytterligere trekk ved oppfinnelsen ligger i at den kan omfatte det trinn å observere eller på annen måte detektere når indikatorområdene brytes gjennom og deretter avslut-ning av fjernelsen av materiale fra bøyningsseksjonen.

Enda et trekk ved oppfinnelsen består i at indikatorpartiene, indikatorflåtene og andre partier med overflater som ligger i flukt med indikatorflåtene, kan bearbeides slik at når indikatorflåtene blir gjennombrutt, faller indikatorflåtene og overflater som ligger i flukt med disse, i det vesentlige sammen med bøyningsseksjonens nøytrale bøyeplan. Dette trekk gjør fremgangsmåten særlig velegnet for fremstilling av de bøyningsanordninger som er beskrevet i den samtidige patentsøknad nr. (tilhørende samme søker).

Det er en spesiell og unik fordel med indikatorflate-prosessering som her beskrevet, at det er lett med stor nøyaktighet å bestemme om overflatene av bøyningsanordnin-gens partier som er blitt fremstilt fra motsatte overflater av emnet, ligger.i samme plan, ganske enkelt ved å observere emnet selv under bearbeidningen. Dette blir oppnådd ved å anvende motsatte innbyrdes innrettede indikatorpartier og å detektere sammenfallende plan for motsatt vendende overflater ved at indikatorflåtene forsvinner når de møtes under materialfjernings-prosessen. Denne egenskap ved fremgangsmåten eliminerer behovet for rigorøse prosessreguleringer eller målinger av delen, hvilket ellers ville være nødvendig for å oppnå lignende dimensjonstoleranser for en slik konfi-

gurasjon av bøyningsanordninger.

En ytterligere fordel består i at transparente eller ugjennomsiktige transduser-plateemner kan brukes om hverandre i forbindelse.med denne prosess.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere

under henvisning til tegningene, hvor:

Fig. 1 er et uttrukket perspektivriss av et servo-akselerometer, hvor det er vist en kraft-transduser med bøyningsanordninger fremstilt i henhold til denne oppfinnelse,' Fig. 2 er et forstørret, delvis perspektivriss av bøyningsseksjonen tatt etter linjen 2-2 på Fig. 1, Figurene 3, 4.og 5 er delvise tverrsnitt tatt som angitt ved linjen 3-3 på Fig. 2, gjennom et parti av et transduser-emne i hvilket bøyningsanordningen tildannes,.for å illustrere suksessive trinn ved fremstillingen av bøynings-anordningen.

På Fig. 1 er det vist en kraftgiver eller -transduser

i form av et servo-akselerometer 10 som omfatter en bøynings-anordning 12 av en type som kan fremstilles i henhold til foreliggende oppfinnelse.Akselerometeret 10 er av den type som er beskrevet i U.S.-patentene nr. 3 702 073, 4 182 187 og 4 250 757, selv om oppfinnelsen også kan anvendes ved fremstilling av bøyningsanordninger og andre fjæringselemen-ter som brukes i andre kraft-transdusere med vinkel- eller lineærbevegelse av et kraftfølsomt element.

Akselerometeret 10 består av to sylindriske hoveddeler 14a og 14b og en følermasse-enhet 16 som er montert mellom disse.

Hoveddelene 14a og 14b er i det vesentlige identiske

og følgelig skal bare den ene hoveddel 14a beskrives i detalj. Hoveddelen 14a omfatter en sylindrisk vegg 17 med en innad-stikkende flens 18 som utgjør et magnetisk polstykke og omfatter et bunnparti 19. Polflensen eller polstykket 18 har en sylindrisk indre vegg 20 som avgrenser et mellomrom 22. Festet til bimnpartiet 19 innenfor mellomrommet 22 er det vist en sylindrisk, permanent magnet 24 som har en ytre om-kretsflate i avstand fra den indre sylindriske vegg 20 slik at det dannes et ringformet gap 26 mellom disse.

Følermasse-enheten 16 omfatter et kraftfølsomt element e-ller et plateelement 30 som er montert hengslet ved hjelp av bøyningsanordningen 12, på en festeramme eller -ring 32.

I det akselerometer som er vist på figurene, tillater bøyningsanordningen 12 at det følsomme element 30 beveger seg i forhold til festeringen 32. Det vil imidlertid inn-ses at bøyningsanordningen 12 kan kombineres med forskjellige festeanordninger og kan brukes i en transduser som utnytter lineær bevegelse av føleelementet langs aksen for transduseren 10.

Til øvre og nedre flater 40 og 41 på føleelementet 30 er det festet to kraft-tilbakeførende spoler eller moment-spoler 42 henholdsvis 43. Momentspolene 42 og 43 er viklet på spoleformer som passer inn i det ringformede gap 26 som er tildannet i hver av hoveddelene 1.4a og 14b, når de forskjellige deler av akselerometeret 10 sammensettes.

På den øvre flate 40 av føleelementet 30 er det avsatt et lag av ledende materiale 45. Et lignende lag av ledende materiale er avsatt på den nedre flate 41 av føleelementet 30. Disse elektrisk ledende lag utgjør to kondensatorplater som samvirker med en flate 21 på polstykket 18 og en tilsvarende flate på polstykket på hoveddelen 14b, slik det skal beskrives i det følgende.

Tre. monteringsputer 34 (hvorav én ikke er vist på figurene) er plassert på en øvre overflate 36 av festeringen 32. Tre ytterligere monteringsputer er plassert aksielt motsatt av monteringsputene 34 på en nedre overflate 38 av ringen 32.

Festeringen 32 er festet.mellom hoveddelen 14a og 14b slik at et parti eller en leppe 23 på den sylindriske vegg 17 og et tilsvarende parti på hoveddelen 14b ligger an mot monteringsputene, og momentspolene 42, 4 3 blir opptatt i det ringformede gap 26, henholdsvis i et tilsvarende ringformet gap i hoveddelen 14b.

Det blir dannet to variable kondensatorer 48, 49 i akselerometeret 10, hvorav den ene kondensator består av flaten 21 og belegget på den nedre overflate 38, og den annen kondensator består av en flate svarende til flaten 21 på polstykket på hoveddelen 14b, og belegget 45 på den øvre overflate 36 av føleelementet 30.

De ledende låg på den øvre flate 40 og den nedre flate 41 samt momentspolene 42, 43 er forbundet med eksterne strøm-kretser ved hjelp av fire ledende striper.47 som strekker seg til ringen 32 over bøyningsanordningen 12. Elektriske tilkoblinger til eksterne strømkretser blir foretatt fra ringen 32 gjennom fire kontaktstifter (ikke vist) som er plassert i veggene på hoveddelene 14a, 14b.

Når akselerometeret 10 utsettes for akselerasjon langs sin akse,beveges: føleelementet 30 i forhold til ringen 32 og hoveddelene 14a, 14b, hvilket i sin tur bevirker en endring i kapasiteten av kondensatorene 48, 49. Endringen i kapasitet blir detektert av en servosløyfekrets (ikke vist), som på sin side avgir et signal proporsjonalt med endringen i kapasitet, til momentspolene 42, 43. Det resulterende magnetfelt som settes opp av momentspolene 42, 4 3, samvirker med det magnetfelt som er etablert av permanentmagnetene i hoveddelene 14a, 14b, til å motvirke forskyvningen av føleelemen-tet 30. Den strøm som kreves av spolene 42, 43 for å holde føleelementet 30 i en nøytral stilling, representerer den akselerasjonskraft som akselerometeret utsettes for.

For ytterligere beskrivelse av akselerometeret 10 skal det henvises til U.S.-patent 3 702 073.

Det henvises nå til Fig. 2, hvor en utførelse av den bøyningsanordning 12 som kan fremstilles ved hjelp av foreliggende oppfinnelse, er illustrert.

Bøyningsanordningen har en bifilar fritt utragende konfigurasjon bestående av to bøyningsseksjoner 60, 62 som strekker seg mellom føleelementet 30 og festeringen 32. Seksjo-nene 60 og 62 er adskilt ved en mellomliggende åpning 63 som også strekker seg mellom føleelementet 30 og festeringen eller -rammen 32.

Bøyningsseksjonene 60 og 62 er identiske, og følgelig skal bare seksjonen 60 beskrives. Seksjonen 60 omfatter øvre og nedre flater 64 og 66 som er i det vesentlige parallelle med hverandre, og to kanter 68, 70.

Bøyningsseksjonen 60 har videre to kanaler 71, 73 som strekker seg inn i seksjonen 60 fra de respektive flater 64, 66. Kanalene 71, 73 har respektive utsparingsflater 72, 74 som ligger i det vesentlige i samme plan og i samme plan som massesenteret etter sentroiden for bøyningsanordningens tverrsnitt, og faller i det vesentlige sammen med det nøy-trale bøyeplan for partiet 60.

Det "nøytrale bøyeplan" er definert som det plan som ikke utsettes for strekk eller trykk når bøyningsanordnin-gen krummes ved enkel bøyning. For en bøyningsanordning

med regelmessig rektangulær tverrsnittsform dannet av to parallelle flater og to kanter slik som vist på Fig. 2, består det nøytrale bøyeplan av alle punkter som befinner seg i samme avstand fra bøyningsanordningens overflater, d.v.s. det plan som ligger midt mellom bøyningsanordningens overflater. For den utførelse av bøyningsanordningen som er

i

vist på Fig. 2 er hovedplanet og følgelig det nøytrale bøye-plan for bøyningsanordningen, svakt dreiet i forhold til planet for flatene 71, 72, 73 og 74, men avviket er mini-malt og har ingen vesentlig innvirkning på brukbarheten av den her beskrevne oppfinnelse.

Føleelementet . 30, festerammen 32 og bøyningsanordningen 12 utgjør fortrinnsvis et enhetlig element av et stabilt ho-mogent materiale, såsom smeltet kvarts. Et sirkulært emne av jevn tykkelse med parallelle plane flater blir bearbeidet ved selektiv fjernelse av materiale for å oppnå den ønskede konfigurasjon. Den følgende omtale vedrører spesielt den foretrukne fremgangsmåte som brukes til å danne bøyningsan-ordningens kanaler 71,.73 med overflater 72, 74 i det vesentlige i bøyningsanordningens nøytrale bøyeplan.

Materialet blir fortrinnsvis fjernet fra emnet ved etsing med et egnet løsningsmiddel for kvarts. På kvartsemnet blir de overflater hvor materiale ikke skal fjernes, maskert med et materiale som hindrer løsningsmidlets adgang til kvartsoverflaten. Det maskerte emne blir så neddykket i løsningsmidlet. I løpet av minutter er flere hundredels millimeter av kvartsmaterialet etset bort, idet den nøyaktige hastighet avhenger av sammensetningen av kvartsen, konsentra-sjonen av løsningsmidlet og temperaturen i badet. Eventuelt kan materiale fjernes fra emnet ved gassplasmaetsing i en atmosfære som oppløser kvarts eller ved hjelp av elektron-eller ionestråle-bearbeidelse.

Fig. 3 er et tverrsnitt gjennom det parti av kvartsemnet 80 hvorfra den ene halvdel 62 av den bifilare bøynings-anordning 12 tildannes. Emnet 80 kan ha parallelle plane overflater 82, 84, og i forbindelse med dette eksempel forut-settes det at tykkelsen er av størrelsesorden 0,75 mm. Strekede linjer 86, 88 angir det materiale som skal fjernes i det første bearbeidingstrinn, for tildannelse av motsatt orienterte sideveis forskjøvne kanaler som blir kanaler 71', 73', som vist på Fig. 5. Strekede linjer 90, 92 angir materiale som fjernes samtidig i det første bearbeidingstrinn, for å tildanne to motsatte områder som gjennom hele prosessen' tjener som indikatorer for de plan som tilsvarer de til-hørende utsparte overflater som skal bli flatene 72' og 74' på Fig. 5.

Den overflate som er angitt ved hjelp av klammer 94, skal ikke utsettes for materialfjernelse i det første bear-beidings trinn, og blir maskert som beskrevet ovenfor.

Emnet 88 blir neddykket i løsningsmidlet under en tids-periode som er tilstrekkelig til å danne foreløpige kanaler 96, 98 og foreløpige indikatorflater 100, 102, som vist på Fig. 4, til en dybde som tilsvarer i det vesentlige halvpar-ten av den endelig tilsiktede totale tykkelse av bøynings-anordningen..De delvis strekede linjer på Fig. 4 angir den endelige profil av bøyningsanordningen og forholdet til de overflater som er tildannet ved hjelp av det første etsetrinn.

Belegget av maskeringsmateriale.blir fjernet fra overflatene 9 4 og emnet blir ført tilbake i oppløsningsmidlet. Materiale blir så fjernet fra alle overflater på bøynings-anordningen med jevn hastighet. Etter hvert som material-fjernelsen skrider frem med samme hastighet fra både de øvre og nedre overflater på bøyningsanordningen, vil indikator-flatene 100 og 102 møtes og forsvinne i det plan som ligger i samme avstand fra de opprinnelige overflater av emnet, d.v.s. i det vesentlige sammenfalle med bøyningsanordningens nøytrale bøyeplan. Samtidig er den samme tykkelse eller dybde' av materiale blitt f jernet slik at det dannes kanaler 71', 73'' hvorved bunnflatene 72', 74', i kanalene er beliggende i samme plan og i samme plan som bøyningsanordningens tverrsnitts-sentroide og i.det vesentlige sammenfallende med bøynings-

anordningens nøytrale bøyeplan.

Det at kvartsmaterialet mellom indikatorflåtene 100 og 102 forsvinner, blir detektert. Når dette skjer, blir emnet fjernet fra etsebadet og materialfjerneisen stoppet. Denne prosedyre fører typisk til at overflatene 72" og 74'

ligger i samme plan og i det vesentlige nøyaktig i bøynings-anordningens nøytrale bøyeplan uansett prosessvariasjoner og uten at det er nødvendig med rigorøse fysiske målinger av bøyningsanordningens tykkelse.

Emnet blir vasket for å fjerne mulig gjenværende løs-ningsmiddel og er så klart for fortsatt bearbeiding for å oppnå den ønskede konfigurasjon av kvartsstykket for føler-masseenheten 16. Deretter blir en passende leder 47 anbrakt på overflatene 72', 74', for eksempel ved vakuumpåføring eller sputring.

Hvis etseprosessen ikke blir avsluttet nøyaktig ved gjennombrudd av indikatorflåtene 100, 102, vil kanalene 71', 73' bli dypere eller grunnere og flatene 72', 74' beliggende på motsatte sider av det nøytrale plan, og bøyningsanordnin-gens tykkelse vil avvike litt fra den tilsiktede dimensjon. Imidlertid vil disse overflaters avstand fra det nøytrale plan og avviket i bøyningsanordningens tykkelse, bli små sammenlignet med bøyningsanordningens tykkelse, som kan være av størrelsesorden 0,025 mm i dette eksempel, og slike feil vil ikke nevneverdig redusere brukbarheten eller effektivite-ten av fremgangsmåten.

Denne fremgangsmåte kan også brukes til å fremstille bøyningsanordninger med en forutbestemt tykkelse ved først å fjerne materiale fra en indikatorflate for å danne en utspa-ring med forutbestemt dybde, og så å fjerne materiale fra et bøyningsområde samtidig som materiale blir fjernet fra den utsparte indikatorflate. Når denne eneste indikatorflate brytes gjennom, vil resultatet være én bøyningsanordning med forutbestemt tykkelse.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en bøyningsanordning for bruk ved kobling av et kraftavfø lende element til en festeramme i en kraft-transduser, karakterisert ved følgende trinn: tilveiebringelse av et emne med to motsatte overflater, fjernelse av materiale fra et første parti og et første indikatorparti på den ene av overflatene, fjernelse av materiale fra et annet indikatorparti på den annen av overflatene hvor det annet indikatorparti er i det minste delvis overensstemmende med det første indikatorparti, og ^vbrytelse av fjernelsen av materiale fra det første parti når i det minste et parti av materialet i emnet mellom første og annet indikatorparti forsvinner, slik at i det minste et parti av indikatorpartiets overflater møtes.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det materiale som fjernes fra det første parti, og det første indikatorparti og det annet indikatorparti blir fjernet på i det vesentlige samme måte.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte annen overflate omfatter et annet parti og inkludert fjernelse av materiale fra det annet parti på i det vesentlige samme måte som det første parti.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at det annet parti ikke overensstemmer med det første parti.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at overflaten av det første parti ligger i flukt med det nøytrale bøyeplan for bøyningsanordningen når fjernelsen av materiale avsluttes.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2, 3 eller 4, karakterisert ved at materialet blir fjernet ved hjelp av etsing.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved maskering av emnet bortsett fra indikatorpartiene på hver av overflatene, som overensstemmer med hverandre, og det første overflateparti, fjernelse av en forutbestemt mengde materiale fra de ikke-maskerte partier av emnet, fjernelse av masken fra emnet, fortsettelse av fjernelsen av materiale fra en bøyningsseksjon av emnet, og avbrytelse av fjernelsen av materiale fra bøyningsseksjonen av emnet når i det minste et parti av materialet mellom første og annet indikatorparti forsvinner slik at i det minste et parti av indikatorpartiene møtes.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert v ed at maskeringstrinnet ytterligere omfatter maskering av et annet overflateparti av emnets overflate motsatt av den overflate som innbefatter det første overflateparti, og hvor nevnte første og annet overflateparti ikke overensstemmer med hverandre.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at materialet blir fjernet slik at overflatene av nevnte første og annet overflateparti ligger i samme plan når fjernelsen av materialet avsluttes.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 3, 4 eller 8, karakterisert ved at overflaten av nevnte første og annet overflateparti ligger i flukt med det nøytrale bøyeplan for bøyningsanordningen når fjernelsen av materialet avsluttes.