DE3013185A1

DE3013185A1 - Kraftwandler

Info

Publication number: DE3013185A1
Application number: DE19803013185
Authority: DE
Inventors: Errol Peter Eer Nisse
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: QUARTEX Inc SALT LAKE CITY UTAH US
Priority date: 1979-04-20
Filing date: 1980-04-03
Publication date: 1980-10-30
Also published as: CA1137213A; FR2454614A1; US4215570A; CH651667A5; IT1141921B; FR2454614B1; JPS55142222A; GB2050692A; GB2050692B; DE3013185C2; IT8021470A0; JPS6367642B2

Description

-h-

8O-R-4187

UNITED STATES DEPARTMENT OP ENERGY, Washington D. C, USA

Kraftwandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Miniatur-Quarzresonator-Kraftwandler. Die Messung einer Kraft mit hoher Genauigkeit und digitaler Ausgangsgröße kann auf zahlreichen Gebieten verwendet werden, wie beispielsweise bei der Druckmessung, der Bohrlochuntersuchung, der elektronischen Motorsteuerung, der Ozeanographie, der Meteorologie, bei Kippfühlvorrichtungen, bei Eindringdetektoren, auf dem Gebiet der Seismologie, beim Wiegen, bei Beschleunigungsmessern und bei der industriellen Prozeßsteuerung.

Ein weithin gebrauchtes Verfahren zur Kraftmessung verwendet einen schwingenden Quarzresonator mit einer Schwingfrequenz proportional zur angelegten Kraft. Diese Resonatoren sind in der Lage,eine hohe Auflösung sowie eine digitale Ausgangsgröße zu liefern, was sie zur Verwendung mit digitalen Mikroproaessoren besonders geeignet macht. Die bereits bekannten Quarzresonatoren machen jedoch eine Präzisionsbearbeitung von komplizierten Formen erforderlich, was die Herstellung zu teuer macht oder aber zu kostspie-

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ligen, unzuverlässigen Einheiten führt.

Eine erwünschte Eigenschaft eines Kraftwandlers der schwingenden Quarzresonator-Bauart ist eine hohe mechanische Güte Q. Q ist proportional im Verhältnis aus der pro Zyklus im Schwingungssystem gespeicherten Energie zur verlorengegangenen Energie. Ein niedrigers Q bedeutet, daß eine größere externe Energiequelle zur Aufrechterhaltung der Schwingungen vorgesehen sein muß, und der Oszillator besitzt eine weniger stabile Resonanzfrequenz. Die Erfindung sieht daher ganz allgemein ein höheres mechanisches Q vor, als dies mit bereits bekannten Quarzresonatorkraftwandlern erreichbar ist.

Hinsichtlich bekannter Quarzresonatorkraftwandler sei auf die folgenden US-Patente verwiesen: 3 399 572; 3 470 400;

3 479 536; 3 505 866; 4 020 448; 4 067 241; 4 091 679;

4 104 920 und 4 126 801. Man erkennt, daß die Resonatoren entweder komplizierte und daher teure Kristallformen oder komplizierte und daher teure Metallteile erforderlich machen.

Im Hinblick auf die oben erwähnten Schwierigkeiten und Nachteile bei bekannten Wandlern hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, einen neuen Kraftwandler vorzusehen, der in der Form eines relativ einfachen und preiswerten Quarzresonatorkraftwandlers vorliegt.

Ferner bezweckt die Erfindung einen Digitalkraftwandler mit hoher Auflösung und Genauigkeit vorzusehen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen piezo·? elektrischen Quarzresonanzkraftwandler mit hohem Q vorzusehen.

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Erfindungsgemäß ist ein dünner rechteckiger piezoelektrischer Quarzkristall in zwei Endteile und zwei breite Stangenteile durch einen schmalen Schlitz unterteilt. Jede Stange wird in Schwingung durch elektrische, darauf getragene Kontakte wie eine geeignete Oszillatorschaltung gebracht. Die Frequenz der Schwingung hängt von der Größe der von den Endteilen zu den Stangenteilen übertragenen Kräfte ab.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig.1 den erfindungsgemäßen Quarzresona

torkraftwandler in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2a und 2b annähernd maßstabsgetreu einen bekannten Quarzresonanzkraftwandler und den erfindungsgeraäßen Quarzkraftwandler.

Fig. 1 zeigt perspektivisch den erfindungsgemäßen Quarzresonatorkraftwandler 10. Dieser Wandler kann mit zwei Abstimmgabeln verglichen werden, die Ende an Ende aneinander befestigt oder miteinander verklebt sind (wie dies tatsächlich für einige früheren Entwicklungsbeispiele der Erfindung der Fall war).

Der Wandler kann sehr klein ausgebildet sein; das dargestellte Ausführungsbeispiel ist im allgemeinen rechteckig und nur 0,4" lang und nur 4 mils (1 mil » 0,001") dick. Die Vorrichtung kann durch photolithographische Ätzver-

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fahren aus einem dünnen Quarzflächenelement hergestellt werden. Diese Verfahren sind zur Massenproduktion der Erfindung gut geeignet, wobei die tatsächlichen Endkosten weniger als einen Dollar pro Wandler betragen werden. Das Quarzflächenelement (Quarztafel) kann dadurch hergestellt werden, daß man eine dünne Lage von einem größeren Quarzkristall mit einer gewünschten kristallographischen Orientierung abschneidet, um so die Frquenzabhängigkeit von der Temperatur zu minimieren. Bei der Erfindung hat sich ein Flächenelement, zugeschnitten mit ungefähr 4 mils Dicke und mit einer Orientierung von +1 3/4° aus der XY Kristallebene und verdreht um die X-Achsen als zufriedenstellend herausgestellt.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist relativ breit, verglichen mit seiner Dicke; seine Breite (W) von ungefähr 35 mils beträgt ungefähr das 10-fache seiner Dicke (T). Seine Länge (L) von ungefähr 400 mils ist ungefähr hundertmal seine Dicke (T). Das Ausdruck "ungefähr" soll Werte von +50% gegenüber der angegebenen Zahl umfassen.

Ein schmaler Schlitz 16 ist photolithographisch durch den Wandler 10 geätzt, um so den Wandler in zwei nicht schwingende Endteile 12 und zwei schwingende Stangenteile 14 aufzuteilen. Der Schlitz ist extrem schmal und ungefähr 3 mils breit oder hat eine Breite (W₃) von weniger als der Dicke (T). Der Schlitz und daher auch jeder Stangenteil hat eine Länge (L oder L-,) von ungefähr 240 mils oder 60% der Gesamtlänge (L).

Jeder Stangenteil 14 hat daher eine Breite (W^) von ungefähr 16 mils, was ungefähr das 4-fache der Dicke (T) ist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird diese Breite (WO auf ungefähr 10 mils oder ungefähr das 2,5-fache der Dicke (T) herabgetrimmt.

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Jedes Endteil ist mindestens so lang vom Ende des Schlitzes 16 bis zum äußeren Ende, als es breit ist, und besitzt vorzugsweise eine Länge (L ) von ungefähr 80 mils oder ungeführ der zweifachen Breite (W).

Längs der Oberseite (und/oder Unterseite) jedes Stangenteils 14 ist eine photolithographisch definierte Metallelektrode vorgesehen. Im Betrieb sind diese Elektroden mit einer Oszillatorschaltung verbunden, die die notwendige Energie liefert, um die Stangen des piezoelektrischen Quarzwandlers mit einer charakteristischen Frequenz in Schwingungen zu versetzen.

Weil die Endteile 12 dazu dienen, die Schwingungen der Stangenteile in effizienter Weise zu koppeln, wobei die Trennung oder Isolation gegenüber den Enden des Wandlers erfolgt, besitzt der Wandler eine Güte Q von ungefähr 100 000, gemessen im Vakuum. Wenn an die Enden (Extremitäten) des Wandlers Kräfte angelegt werden, so werden die Schwingungen jeder Stange um eine gleiche Größe geändert, und die Feststellung erfolgt als eine Frequenzänderung der Oszillatorschaltung. Die Schmalheit des Schlitzes wirkt unterstützend bei der Sicherstellung, daß die an jede Stange angelegte Kraft gleich ist, so daß die Schwingungsänderung gleich ist, und so daß die Schwingung jeder Stange nicht außer Phase mit der anderen gerät.

Die Schmalheit des Schlitzes wirkt ferner unterstützend bei der Sicherstellung eines hohen Q-Wertes insofern, als während der Schwingung die Biegung eines Stangenteils eine geringe Biegung des Endteils bewirkt, was wiederum in effektiver Weise auf die zweite Biegestange übertragen wird. Dieser Prozeß koppelt in effektiver Weise die Schwingungen der beiden Stangen und hilft bei der Korrektur jedweder Tendenz, auf unterschiedlichen Frequenzen zu schwingen.

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Ein entsprechend der obigen Beschreibung hergestellter Quarzkraftwandler würde dazu in der Lage sein, Kräfte von bis hinab zu 1 Dyn (0,00003 Unzen) und bis hinaus zu 1 000 000 Dyn (2 engl.Pfund) mit einer Auflösung von 1 Teil pro 1 000 000 abzufühlen. Ein derartiger Wandler würde eine Güte Q von 100 000 besitzen und nur 10 Mikrowatt an elektrischer Leistung zur Aufrechterhaltung der Schwingung benötigen. Es wurde festgestellt, daß die Verwendung eines Paars der obigen Wandler in einer Doppelauslegergeometrie die Empfindlichkeit weiter um einen Paktor von 40 erhöht.

Ein bekannter doppeltendender Abstimmgabelquarzresonatorkraftwandler 20 sowie der erfindungsgemäße Wandler 10 sind in Fig. 2 maßstabsgerecht dargestellt. Der Kraftwandler gemäß Fig. 2a ist in US-PS 3 238 789 sowie in der folgenden Literaturstelle: "Technical Report on the Quartz Resonator Digital Accelerometer" Norman R.Srrra, 43rd AGARD Conference Proceedings 1967.

Die tatsächlichen Abmessungen der bekannten Vorrichtung sind der obigen Literaturstelle entnommen, v/erden aber auch durch Fig. 2 und 6 des genannten US-Patents gestützt. Diese Arbeit lehrt nicht die kritische Natur der Abmessungen, was durch die Erfinder bekannt wurde. Obwohl der Wandler 20 grob gesehen eine äquivalente Größe besitzt, so werden doch nicht die kritischen Dimensionen des Wandlers 10 gelehrt. Beispielsweise ist das Mittelloch der bekannten Vorrichtung 60 mils breit im Gegensatz zu dem 3 mils schmalen Schlitz der Erfindung. Auch ist der Querschnitt der Arme der bekannten Vorrichtung 40mils tief mal 10 mils breit, und zwar im Gegensatz zu den erfindungsgemäßen Abmessungen von 4 mils Tiefe mal 16 mils Breite.

Der für die bekannte Vorrichtung angegebene Q- - Wert beträgt annähernd 32 000 im Gegensatz zu den 100 000 der Erfindung.

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Es wird angenommen, daß die kritischen, durch den Erfinder entdeckten Merkmale für diesen überraschenden Unterschied maßgebend sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus dem Studium der Anmeldung, der Ansprüche sowie der Zeichnung.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.J Kraftwandler mit zwei nicht schwingenden Endteilen zur Übertragung von Kräften in gleichmäßiger Weise auf Zwischenverbindungsstangenteile, mit zwei dazwischen angeordneten kontinuierlichen Schwingungsstangenteilen»zwischen und einstückig mit den Endteilen mit Abstand voneinander durch einen Schlitz durch den Kristall angeordnet, wobei der Schlitz mit gleichem Abstand von jedem Endteil des Kristalls endet und sich längs des Mittelteils des Kristalls erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzkristall ein rechteckiger piezoelektrischer Quarzkristall mit einer Dicke T» einer Länge L von ungefähr 1OOT, einer Breite W von ungefähr 1OT ist, und wobei der Schlitz eine Länge L von ungefähr 0,6L und eine Breite von W₀ von nicht mehr als T aufweist, und wobei schließlich die erwähnten Endteile eine Länge L_e von ungefähr 2W besitzen und jeder ^_er Stangenteile eine Länge L₁₃ von ungefähr L₃ und eine Breite W^ von mehr als 2,5T besitzt, wobei schließlich von jedem der Stangenteile Mittel getragen werden, die sich über die Längen jedes der Stangenteile im Hinblick erstrecken, um die Stangenteile in Resonanzschwingungen zu bringen, und zwar bei Frequenzen proportional zu den an die Endteile angelegten Kräften, und wobei ferner die Endteile die Schwingungen jedes Stangenteils miteinander koppeln, um so eine mechanische Güte Q von ungefähr 100 000 vorzusehen.

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2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke T ungefähr 4 mils (40OOtel Zoll) beträgt.

3. Wandler nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Einstellung der Stangenteile auf eine Resonanzschwingung Elektroden aufweisen, die mindestens auf einer der oberen oder unteren Oberflächen des Quarzkristalls angeordnet sind.

4. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall ein Quarz ist, der mit irgendeiner Orientierung von +1-3/4·° aus der XY Kristallebene geschnitten ist, und zwar verdreht um die X-Achse und mit einer Dicke T von ungefähr 4000tel Zoll (4 mils).

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