DE2903489A1 - Kraftgeber - Google Patents

Description

Zusammenfassung:

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Einkristall-Kraftgeber geschaffen, bei dem der Kristall gleichzeitig in zwei unterschiedlichen Moden in Schwingung versetzt wird. Diese beiden Schwingungsmoden haben im wesentlichen die gleiche Frequenz/Temperatur-Charakteristik, jedoch unterschiedliche Frequenz/Kraft-Charakteristik. Der Unterschied in der Änderung der beiden Resonanzfrequenzen bei Ausübung einer Kraft auf den Kristall stellt somit ein temperaturkompensiertes Signal dar, welches ein Maß für die ausgeübte Kraft ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Resonanzschwingungsmoden anharmonische Schwingungsmoden, bei denen eine Mehrzahl von Schwingungsbäuchen längs zweier Achsen angeordnet sind, die schräg geneigt zueinander verlaufen.

Die Erfindung betrifft einen Kraftgeber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß ein piezoelektrischer Kristall, der in einer Seherschwingungsmode schwingt, eine Verschiebung seiner Schwingungsfrequenz erleidet, wenn auf ihn eine Kraft ausgeübt wird. Das Ausmaß der Frequenzverschiebung hängt von der Größe der ausgeübten Kraft ab. Auf diesem Prinzip aufbauende Kraftgeber sind in verschiedenster Form schon hergestellt worden und schon für die vielfältigsten Einsätze verwendet worden. Die meisten dieser Kraftgeberjhaben AT-geschnittene Quarzkristalle, welche im Temperaturbereich von Null Grad Celsius bis 50 C die größte Frequenzstabilität haben. Dieser Temperaturbereich ist für die meisten Verwendungen ausreichend. Wird jedoch ein großer dynamischer Bereich benötigt

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oder überschreitet die Umgebungstemperatur des Kraftgebers den oben angegebenen Soll-Bereich für die Arbeitstemperatur, so muß beim Stand der Technik eine zusätzliche Temperaturkompensation vorgesehen werden.

In der US-PS 32 74 828 wird zur Temperaturkompensation die Verwendung zweier identischer Quarzkristalle vorgeschlagen, welche die gleichen Schwingungsfrequenzen haben. Die zu messende Kraft wird dann nur auf einen der beiden Quarzkristalle ausgeübt, während der zweite Quarzkristall als Referenz verwendet wird. Man erhält dann denjenigen Teil der Frequenzänderung, welcher auf die auf den Kristall ausgeübte Kraft zurückzuführen ist, dadurch, daß man die beiden Ausgangssignale der beiden Quarzkristalle mischt und die Differenzfrequenz herausfiltert.

In der US-PS 35 41 849 wird vorgeschlagen, einen einzigen piezoelektrischen Kristall im Zeitmultiplex-Betrieb zu betreiben. Bei diesem Kraftgeber wird ein Zähler dann aktiviert, wenn auf den Kristall die zu messende Kraft ausgeübt wird. Dieser Zähler zählt dann die Anzahl der Schwingungszyklen, die in einem fest vorgegebenen Zeitraum erzeugt werden. Darauf wird dann die auf den Kristall ausgeübte Kraft elektromechanisch entfernt, und das von dem dann kräftefreien Kristall erzeugte Signal wird dazu verwendet, den Zähler für die gleiche Zeitspanne rückwärts zählen zu lassen. Der Restzählerstand des Zählers ist dann ein Maß für die Frequenzänderung des Kristalls, welche auf die auf ihn ausgeübte Kraft zurückzuführen ist.

Eine andere Art der Temperaturkompensation für die Frequenzänderung

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eines Kristalls ist in der US-PS 30 20 423 beschrieben. Bei dem dortigen Kraftgeber sind zwei Paare von Bimetallelementen vorgesehen, welche auf einen AT-geschnittenen Quarzkristall eine Kraft ausüben, wenn die Temperatur über dem Nominalbereich liegt, innerhalb dessen ein lineares Arbeiten erhalten wird. Bei dem höheren Temperaturbereich wird die Kraft auf den Kristall bei einem ersten Winkel zur X-Achse des Kristalls ausgeübt, wodurch eine Verminderung in der Frequenz des Kristalls erhalten wird, und bei den niedereren Temperaturen wird umgekehrt durch das andere Bimetallelement eine Kraft unter einem anderen Winkel zur X-Achse auf den Kristall ausgeübt, was zu einer Erhöhung in der Frequenz des Kristalls führt. Auf diese Weise kann der Temperaturbereich, innerhalb dessen ein stabiles Arbeiten des Kristalls erhalten wird, effektiv verdoppelt werden.

Die oben angegebenen Vorschläge für die Temperaturkompensation bedingen jedoch alle verhältnismäßig hohe Kosten und lassen sich bei Kraftgebern nicht verwenden, die in großen Stückzahlen zu niederen Kosten hergestellt werden sollen. Die Verwendung von zwei identischen Kristallen, wie sie die US-PS 32 74 828 lehrt, erfordert ein vorheriges Ausmessen von Kristallen und das Heraussuchen zweier genau gleicher Kristalle für einen jeden Kraftgeber. Das Betreiben eines Kristalles im Zeitmultiplex-Betrieb, wie es die US-PS 35 41 849 lehrt, erfordert eine zusätzliche elektromechanische Einrichtung, welche die auf den Kristall ausgeübte Kraft periodisch abschaltet. Bei Verwendung von Bimetallelementen, wie dies in der US-PS 30 20 423 angegeben ist, erhält man nur eine unvollständige Temperaturkompensation. Außerdem erhält man bei derartigen Kraftgebern Fehler infolge kurzzeitiger Temperaturänderungen, und die

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- 9 Kraftgeber haben auch einen recht komplizierten mechanischen Aufbau.

Durch die vorliegende Erfindung" soll ein Kraftgeber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 geschaffen werden, bei dem nur ein einziger Kristall verwendet wird und eine Temperaturkompensation ohne eine zusätzliche elektromechanische Einrichtung und ohne die Verwendung von Bimetallelementen erhalten wird.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 berücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsgemäße gelöst mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftgeber ist nur ein Einkristall vorhanden, der mit der zu messenden Kraft beaufschlagt ist und gleichzeitig in zwei unterschiedlichen Schwingungsmoden erregt wird. Anders als bei den Kristalle aufweisenden bekannten Kraftgebern, bei denen ein Erregen des Kristalles in einer anharmonischen Schwingungsmode vermieden wird, wird erfindungsgemäß der Kristall absichtlich in mindestens einer anharmonischen Schwingungsmode erregt, welche eine Frequenz/Kraft-Charakteristik aufweist, die sich von derjenigen einer anderen Schwingungsmode unterscheidet, in welcher der Kristall gleichzeitig in Schwingung versetzt wird. Da die Frequenz/Temperatur-Charakteristiken für die beiden Schwingungsmoden die gleichen sind, ist der Unterschied in der Änderungen der Frequenz, welchen man beim Ausüben einer Kraft auf den Kristall erhält, direkt ein Maß für die ausgeübte Kraft und ist praktisch unabhängig von der Umgebungstemperatur.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein AT-ge-

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schnittener Quarzkristall in einem Kristallhalter gelagert, welcher mit einer Einrichtung zum Ausüben der zu messenden Kraft längs der X-Achse des Kristalls oder unter einem vorgegebenen Winkel zu dieser Achse versehen ist. Der Kristall hat zumindest zwei Sätze unabhängiger Elektroden, welche mit zwei voneinander unabhängigen Oszillatorkreisen verbunden sind. Letztere regen den Kristall gleichzeitig an, so daß dieser in zwei unterschiedlichen Schwingungsmoden schwingt. Eine dieser Resonanzschwingungsmoden ist eine anharmonische Schwingungsmode, z.B. die 1,1,2- oder die 1,1,3-Schwingungsmode, also eine Schwingungsmode, die eine Mehrzahl von Schwingungsbäuchen aufweist und schräg geneigt zu einer der Kristallachsen verläuft. Die andere Schwingungsmode kann eine harmonische Schwingungsmode oder eine anharmonische Schwingungsmode sein, deren Schwingungsbäuche in einer Richtung liegen, die schräg geneigt zu derjenigen Richtung verläuft, auf der die Schwingungsbäuche der ersten ResonanzSchwingungsmode liegen.

Die Signale, welche die Frequenzen der beiden Schwingungsmoden haben, werden miteinander gemischt, und man filtert aus dem durch Mischen erhaltenen Signal ein Differenzsignal heraus, dessen Frequenz ein Maß für die auf den Kristall ausgeübte Kraft ist. Zusätzlich kann eine Einrichtung vorgesehen werden, welche die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Resonanzschwingungsmoden bei kräftefreiem Kristall entfernt. Diese Einrichtung kann z.B. die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Schwingungsmoden bei kräftefreiem Kristall von der Frequenzdifferenz bei belastetem Kristall abziehen und so ein Signal erzeugen, dessen Frequenz direkt proportional zur auf den Kristall ausgeübten Kraft ist. Diese zusätzliche Einrichtung kann aber auch auf digitalem Weg die bei kräftefreiem Kristall erhaltene

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Frequenzdifferenz abziehen und eine digitale Zahl bereitstellen, deren Wert proportional zur auf den Kristall ausgeübten Kraft ist. Bei einer wiederum anderen Ausführungsform kann die Differenzfrequenz in ein Analogsignal umgewandelt werden, dessen Wert ein Maß für die ausgeübte Kraft ist.

Durch die vorliegende Erfindung wird also ein einen einzigen Kristall aufweisender Kraftgeber geschaffen, bei dem der Kristall gleichzeitig in zwei verschiedenen Schwingungsmoden in Schwingung versetzt wird und so ein Signal erzeugt, das ein Maß für die auf ihn ausgeübte Kraft ist und praktisch von der Temperatur nicht ab-

hängt. Durch die vorliegende Erfindung wird ferner ein einen Kristall aufweisender Kraftgeber geschaffen, der gleichzeitig in zwei Schwingungsmoden angeregt wird, von denen die eine eine andere Frequenz/Kraft-Charakteristik hat als die andere. Durch die vorliegende Erfindung wird ferner ein einen Kristall aufweisender Kraftgeber geschaffen, der gleichzeitig in zwei verschiedenen Schwingungsmoden in Schwingung versetzt wird, wobei eine der Schwingungsmoden eine anharmonische Schwingungsmode ist, bei der die Schwingungsbäuche schräg geneigt zu einer der Kristallachsen angeordnet sind. Schließlich wird durch die vorliegende Erfindung ein einen Kristall aufweisender Kraftgeber geschaffen, welcher gleichzeitig in zwei verschiedenen anharmonischen Schwingungsmoden angeregt wird, wobei die beiden anharmonischen Schwingungsmoden eine Mehrzahl von Schwingungsbäuchen aufweisen, die schräg zueinander geneigt angeordnet .sind.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In

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dieser zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Kristalles, in welcher die Orientierung der Kristallachsen gezeigt ist;
Fig. 2A einen Schnitt durch einen Kristall, welcher in der

harmonischen 1,1,1-Schwingungsmode schwingt;

Fig. 2B einen Schnitt durch einen Kristall, welcher in einer dritten Harmonischen, nämlich der 3,1,1-Schwingungsmode schwingt;
Fig. 2C einen Schnitt durch einen Kristall, welcher in der

anharmonischen 1,3,1-Schwingungsmode schwingt; Fig. 2D einen Schnitt durch einen Kristall, welcher in der

anharmonischen 1,1,3-Schwingungsmode schwingt;

Fig. 3A eine Aufsicht auf einen Kristall, welcher in der anharmonischen 1,3,1-Schwingungsmode schwingt, wobei die Schwingungsbäuche durch schraffierte Gebiete wiedergegeben sind;

Fig. 3B eine Aufsicht auf einen Kristall, welcher in der anharmonischen 1,1,3-Schwingungsmode schwingt, wobei wiederum die Schwingungsbäuche durch schraffierte Gebiete wiedergegeben sind;

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Kraftgeber; Fig. 5 eine seitliche Ansicht des Kraftgebers nach Fig. 4; Fig. 6 ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung, welche ein Signal erzeugt, das ein Maß für die auf den Kristall des Kraftgebers aufgeübte Kraft ist;

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Hilfsschaltung zum Entfernen der bei kräftefreiem Kristall' erhaltenen Frequenzdifferenz ;

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Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Hilfsschaltung, in welcher ein Analogsignal erzeugt wird, das ein Maß für die auf den Kristall ausgeübte Kraft ist;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer digitalen Hilfsschaltung

zum Entfernen der bei kräftefreiem Kristall erhaltenen Frequenzdifferenz;

Fig. 10 eine Aufsicht auf einen Kristall, welcher mit einem abgewandelten Elektrodenmuster versehen ist;

Fig. 11 ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung, welche zusammen mit dem Kristall nach Fig. 10 verwendet wird und in der die Verbindung der Elektroden mit Oszillatorkreisen gezeigt ist;

Fig. 12 eine Aufsicht auf den Kristall nach Fig. 10, in der die Schwingungsbauehe der beiden anharmonischen Resonanzschwingungsmoden durch schraffierte Gebiete wiedergegeben sind;

Fig. 13 eine Aufsicht auf den Kristall von Fig. 10, in welcher die Schwingungsbäuche beim Ausüben einer Kraft in einer zur X-Achse geneigten Richtung gezeigt sind;

Fig. 14 einen Schnitt durch einen Druckfühler, welcher einen einen Kristall aufweisenden Kraftgeber enthält; und

Fig. 15 einen Schnitt durch einen Beschleunigungsgeber, welcher einen einen Kristall aufweisenden Kraftgeber enthält.

Ein piezoelektrischer Kristall, z.B. ein Quarzkristall, hat eine Vielzahl von Resonanzen bei harmonischen und anharmonischen Eigenfrequenzen. Zu den harmonischen Eigenfrequenzen gehören die Grundfrequenz und Harmonische höherer Ordnung (Obertöne), welche ganz-

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zahlige Vielfache der Grundfrequenz sind.

Unter anharmonischen Eigenfrequenzen versteht man solche Frequenzen, bei denen der Kristall in einer anderen Schwingungsmode als der Grundschwingungsmode schwingt. Diese anharmonischen Eigenfrequenzen liegen recht nahe bei den zugeordneten harmonischen Eigenfrequenzen. Der Unterschied zwischen einer anharmonischen Eigenfrequenz und der zugeordneten harmonischen Eigenfrequenz kann 2 % oder weniger betragen. Da eine anharmonische Eigenfrequenz so nahe bei der zugeordneten harmonischen Eigenfrequenz liegt, wird normalerweise sehr große Sorgfalt darauf verwandt, die für den Kristall vorgesehenen Oszillatorkreise und Filter so auszulegen, daß ein Schwingen des Kristalles bei einer der anharmonischen Eigenfrequenzen vermieden oder unterdrückt wird. Die bekannten Kristalle aufweisenden Kraftgeber sind so ausgelegt, daß der Kristall mit seiner Grundfrequenz oder mit einer der Harmonischen der Grundfrequenz schwingt, jedoch nicht bei einer anharmonischen Eigenfrequenz s chwingt.

Der hier beschriebene Kraftgeber unterscheidet sich von den bekannten Kraftgebern darin, daß er so ausgelegt ist, daß der Kristall zumindest bei einer anharmonischen Eigenfrequenz in Schwingung versetzt wird.

Die harmonischen Eigenfrequenzen und die anharmonischen Eigenfrequenzen werden üblicherweise durch ein Zahlentripel beschrieben. Die erste Zahl des Tripeis gibt an, wieviele Halbwellen längs einer ersten Achse (Dicke des Kristalls) auftreten, die senkrecht auf der Ebene des Kristalls steht. Die zweite Zahl des Tripeis gibt die An-

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zahl von Schwingungsbäuchen an, welche längs einer zweiten Achse auftreten, und die dritte Zahl des Tripeis gibt diejenige Anzahl von Schwingungsbäuchen an, welche längs einer dritten Achse des Kristalls erhalten werden. Dabei stehen die letztgenannten beiden Achsen senkrecht aufeinander und liegen in der Ebene des Kristalls.

Fig. 1 zeigt einen typischen piezoelektrischen Kristall. Als Beispiel wird hier ein AT-geschnittener Quarzkristall betrachtet, bei dem die Orientierung der X-, Y- und Z'-Achse wie üblich definiert ist. Bei anderen Arten von piezoelektrischen Kristallen oder bei anders geschnittenen Quarzkristallen kann man jedoch auch andere Vereinbarungen für die Achsen vornehmen.

Die Bewegung der verschiedenen Volumenteile des Kristalls in verschiedenen Dickenscherschwingungsmoden sind in den Fig. 2A-2D gezeigt. Dort ist zugleich auch die elektrische Polarisation wiedergegeben, die bei diesen Schwingungsformen erhalten wird.

Fig. 2A zeigt den Kristall beim Schwingen in der Grundfrequenz, also in der 1,1,1-Schwingungsmode. Bei dieser Schwingungsmode hat man in Richtung der Y-Achse nur eine Halbwelle und nur einen gemeinsamen Schwingunsbauch längs der X- und Z'-Achse.

Fig. 2B zeigt einen Kristall, der in der dritten Oberschwingung, also in der 3,1,1-Schwingungsmode schwingt. Bei dieser Schwingungsform hat man drei Halbwellen in Y-Richtung.

Die Fig. 2C und 2D zeigen den Kristall in dieser dritten Anharmonischen der Grundfrequenz, und bei dieser Schwingungsform hat man

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drei Schwingungsbäuche (zwei Knoten) längs der X- und der Z'-Achse. Diese Schwingungsmoden werden durch die Zahlentripel 1,3,1 und 1,1, 3 gekennzeichnet.

In den Fig. 2A-2D geben Pfeile die Bewegungsrichtung der Scherschwingung an. Knoten erhält man überall da, wo die Bewegung, d.h. die Scherung ein Minimum ist. Es ist bekannt, daß der Kristall neben den in den Fig. 2A-2D gezeigten Schwingungsformen auch noch in anderen Harmonischen und Anharmonischen der Grundfrequenz schwingen kann.

In den Fig. 3A und 3B ist das räumliche Schwingungsbild in der- X-Z¹-Ebene des Kr.istalls für die 1,3,1- und die 1 ,1 ,3-Schwinguhgsmode so wiedergegeben wie sie in Wirklichkeit beobachtet werden. Die schraffierten Abschnitte unter den Elektroden zeigen die Gebiete der Schwingungsbäuche, also die Bereiche, in denen man eine maximale Verschiebung der Kristalloberfläche beim Schwingen erhält. Knoten liegen zwischen den Schwingungsbäuchen und entsprechen den Bereichen minimaler Verschiebung der Kristalloberflächen beim Schwingen. Der Unterschied zwischen den beiden in Fig. 3A und 3B gezeigten anharmonisehen Schwingungsmoden liegt in ihrer Orientierung. Die beiden Sätze von Schwingungsbäuchen der beiden Schwingungsmoden folgen längs Geraden aufeinander, die gegeneinander geneigt sind. Fotographien, welche diese Schwingungsbäuche und Schwingungsknoten zeigen, sind in den Fig. 10b und 10c des Buches von Roger E. Bennett mit dem Titel "Quartz Resonator Handbook" enthalten, welches im Jahre 1960 von der Union Thermal-Electric Division Comptometer Corp., Nieles, 111., herausgegeben wurde. In den in Fig. 11 dieses Handbuches wiedergegebenen Bildern liegen die Schwingungsmoden höherer Ordnung auf einer Geraden, die schräg geneigt zur X-Achse des Kri-

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stalls verläuft. Betrachtet man zwei andere Eigenschwingungen, so brauchen bei diesen die Schwingungsbäuche nicht längs zweier Geraden aufeinander zu folgen, die senkrecht aufeinanderstehen, wie dies im Falle der 1,1,3- und der 1,3,1-Schwingungsmode der Fall ist.

Die Frequenz/Temperatur-Charakteristik der Grundschwingung und der anharmonischen Schwingungsmoden sind nominell dieselben. Daher ist die temperaturbedingte Änderung der Eigenfrequenzen zweier unterschiedlicher Anharmonischer, welche der gleichen harmonischen Frequenz zugeordnet sind, z.B. der 1,2,1- und der 1,1,2-Schwingungsmode oder der 1,3,1- und der 1,1,3-Schwingungsmode ebenfalls nominell dieselbe.

Dagegen ist die Frequenz/Kraft-Charakteristik von Anharmonischen, deren Schwingungsbäuche schräg geneigt zur X-Achse des Kristalls angeordnet sind, nicht die gleiche wie die Frequenz/Kraft-Charakteristik der Grundschwingung oder derjenigen Anharmonischen, bei denen die Schwingungsbäuche im wesentlichen parallel zur X-Achse des Kristalls verlaufen. Daher ist auch die Änderung der Resonanzfrequenz derartiger Anharmonischer beim Ausüben einer Kraft auf den Kristall verschieden. Man kann daher die Änderung der Resonanzfrequenzen der beiden Schwingungsmoden dazu verwenden, ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches ein Maß für die auf den Kristall ausgeübte Kraft ist.

In den Fig. 4 und 5 ist ein Kraftgeber 10 gezeigt, welcher einen piezoelektrischen Kristall 12 aufweist. Der Kristall 12 ist ein AT-geschnittener Quarzkristall und ist in einem Kristallhalter

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angebracht. Der Kristallhalter 14 hat einen L-förmigen Rahmen 16. Auf der Oberseite des horizontalen Abschnittes des L ist eine untere Auflage 18 befestigt. Eine frei_tragende Federanordnung besteht aus zwei Blattfedern 20 und 22, die durch Distanzstücke 24 und 26 auf Abstand gehalten sind. Ein Ende der Federanordnung ist mit dem vertikalen Abschnitt des L-förmigen Rahmens durch eine Schraube 28 verbunden. Ein Druckstück 30, über das die zu messende Kraft auf den Kristall 12 ausgeübt wird, ist an der gegenüberliegenden Seite der frei_tragenden Federanordnung durch eine Schraube 32 befestigt, die die beiden Blattfedern 22 und 24 sowie das Distanzstück 26 durchsetzt. Der Kristall 12 ist zwischen der unteren Auflage 18 und dem Druckstück 30 so eingespannt, daß seine X-Achse mit der Verbindungslinie vom Druckstück 30 zur unteren Auflage 18 fluchtet. Das Fixieren des Krisalles 12 im Kristallhalter erfolgt unter Vewendung der üblichen Techniken.

Auf den Oberflächen des Kristalls 12 sind zu dessen Mittelpunkt symmetrisch angeordnet vier Elektrodensätze 36,38,40 und 42 vorgesehen. Eine Elektrode jedes Elektrodensatzes befindet sich jeweils auf der einen Oberfläche des Kristalls, während eine entsprechende Elektrode dieses Satzes auf der gegenüberliegenden Kristalloberfläche vorgesehen ist. Die einander diagonal gegenüberliegenden Elektrodensätze 36 und 40 fluchten im wesentlichen mit der X-Achse des Kristalls 12, während die einander diagonal gegenüberliegenden Elektrodensätze 38 und 42 auf der Z'-Achse des Kristalls angeordnet sind.

In Fig. 6 ist ein Blockschaltbild der elektronischen Schalung wiedergegeben, welche zusammen mit dem Kraftgeber verwendet wird. Die

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Elektrodensätze 36-42, die in Wirklichkeit auf dem Kristall 12 so angeordnet sind, wie dies Fig. 4 zeigt, sind in Fig. 6 zur übersichtlicheren Darstellung ihrer externen Beschaltung nebeneinanderliegend wiedergegeben. Die obere Elektrode des Elektrodensatzes ist mit der unteren Elektrode des Elektrodensatzes 40 und mit einem Oszillatorkreis 44 verbunden. Die untere Elektrode des Elektrodensatzes 36 ist dagegen mit der oberen Elektrode des Elektrodensatzes 40 und ebenfalls mit dem Oszillatorkreis 44 verbunden. Der Oszillatorkreis 44 ist ein üblicher Oszillatorkreis, wie er für piezoelektrische Kristalle auch sonst verwendet wird. Der Oszillatorkreis 44 schwingt bei der Resonanzfrequenz des Kristalles, die in erster Linie durch die elektrischen Eigenschaften des Kristalls, den Schnitt des Kristalls, die Dicke des Kristalls und die Geometrie der Elektroden vorgegeben ist. Bei der in Fig. 4 wiedergegebenen Anordnung der Elektrodensätze 36 und 40 und bei der in Fig. 6 angegebenen externen Beschaltung dieser Elektrodensätze schwingt der Kristall 12 vorzugsweise in der anharmonischen 1,2,1-Schwingungsmode.

Auf ähnliche Weise ist die obere Elektrode des Elektrodensatzes mit der unteren Elektrode des Elektrodensatzes 42 und mit einem Oszillatorkreis 46 verbunden. Die obere Elektrode des Elektrodensatzes 42 ist mit der unteren Elektrode des Elektrodensatzes 38 und ebenfalls mit dem Oszillatorkreis 46 verbunden. Der Oszillatorkreis 46 ist identisch aufgebaut wie der Oszillatorkreis 44 und schwingt bei der Resonanzfrequenz des Kristalls, welche durch die Kristallgeometrie und die Anbringung der Elektroden und deren externe elektrische Beschaltung vorgegeben ist. Bei der geometrischen Anordnung der Elektrodensätze 38 und 42, wie sie in Fig. 4

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wiedergegeben ist, und bei der externen Beschaltung der Elektrodensätze 38 und 42, wie sie in Fig. 6 wiedergegeben ist, schwingt der Kristall 12 in der anharmonisehen 1,1,2-Schwingungsmode. Von den Oszillatorkreisen 44 und 46 werden Signale f.. und f„ abgegeben, deren Frequenz mit der Resonanzfrequenz des Kristalls in der 1,2,1- bzw. 1,1,2-Schwingungsmode übereinstimmt. Die Ausgangssignale der Oszillatorkreise 44 und 46 werden in einem Mischer 48 miteinander gemischt, und man erhält am Ausgang des letzteren ein Signal f.,, dessen Frequenz gleich dem Frequenzunterschied der Signale f. und ±2 ist. Es gilt also f., = f.. - f ~ ·

Der oben beschriebene Kraftgeber arbeitet zusammen mit der oben beschriebenen Schaltung wie folgt:

Wird auf den Kristall 12 keine andere Kraft ausgeübt, als die durch die freitragende Federanordnung bereitgestellte Kraft, so schwingen die beiden Kristalloszillatoren, welche durch den Kristall 12, die Elektrodensätze 36 und 40 sowie den mit diesen verbundenen Oszillatorkreis 44 bzw. den Kristall 12, die Elektrodensätze 38 und 42 und den mit diesen verbundenen Oszillatorkreis 46 vorgegeben sind, so daß der Kristall 12 gleichzeitig in der anharmonischen 1,2,1-Schwingungsmode und der anharmonischen 1,1,2-Schwingungsmode und der anharmonischen 1,1,2-Schwingungsmode in Schwingung versetzt wird. Wie oben schon dargelegt wurde, unterscheiden sich die Resonanzfrequenzen dieser beiden anharmonischen Schwingungsmoden, und man erhält somit am Ausgang des Mischers 48 bei kräftefreiem Kristall ein Signal f'₃·

Übt man auf den Kristall 12 über das Druckstück 30 eine Kraft F aus,

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die parallel zu der kraftempfindlichen Achse des Kristalls gerichtet ist, so ändern sich die Frequenzen der beiden anharmonischen Resonanzschwingungsmoden proportional zur Größe der angelegten Kraft. Wie oben schon dargelegt wurde, ist jedoch die Frequenzänderung der beiden zueinander orthogonalen Schwingungsmoden verschieden groß, und daher gilt bei Beaufschlagung des Kristalls mit einer zu messenden externen Kraft

f₂ =

dabei ist Af₁ von Af₉ verschieden und f.. sowie f'₂ sind die Resonanzfrequenzen der beiden zueinander orthogonalen Schwingungsmoden bei Abwesenheit einer äußeren Kraft. Am Ausgang des Mischers 48 erhält man dann ein Signal mit einer Frequenz £-., die gegeben ist durch

f₃ = JP₁ +Af₁ - f₂ -Af₂

f₃ = f'₃'+

wobei £±f = Af₁ -

Die Frequenzänderung Af des Signals f₃ ist somit eine Größe, welche direkt ein Maß für die auf den Kristall 12 zusätzlich ausgeübte externe Kraft ist.

Für gewisse Anwendungsfälle ist es wünschenswert, die am Ausgang

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des Mischers 48 bei Fehlen einer externen Kraft erhaltene Frequenzdifferenz f'₃ zu eliminieren.

Dies kann mit der in Fig. 7 gezeigten Schaltung erfolgen. Ein dritter Oszillatorkreis 49 erzeugt ein Signal mit einer Frequenz f^_r welche gleich dem Unterschied der Frequenzen f.. und f' der Oszillatorkreises 44 und 46 bei Fehlen einer auf den Kraftgeber ausgeübten externen Kraft ist. Das Signal f. wird in einem ersten Mischer 50 mit dem am Ausgang des Oszillatorkreises 44 erhaltenen Signal f.. gemischt. Das Aus gangs signal f^ des Mischers 50 hat eine Frequenz, die gleich f.. - f. ist. Das Signal f,- wird in einem zweiten Mischer 51 noch einmal mit dem Signal f.. gemischt, und man erhält so ein Signal f_g, welches gleich f₁ + (f- - f.) ist. In einem dritten Mischer 52 wird das Signal f.. mit dem Signal f₂ gemischt, und man erhält an dessen Ausgang ein Signal f., welches gleich

f„ + f~ ist. Die Signale f_r und f_o werden in einem vierten Mischer 12 ο b

53 gemischt, der ein Signal f_ bereitstellt, das gleich f_g - fg ist. Es gilt jedoch

f₆ = _fi + _fi - f₄ und

^f8 = ^f1 ^{+ f}2

deshalb gilt

f₇ = Cf₁ + f₁ - f₄) - Cf₁ + f₂)

^f1 - ^f2 - ^f4

f₃ -

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wobei gilt

^f3 ~ ^f1 ^f2

^fI3 ⁼

Wird auf den Kraftgeber keine externe Kraft ausgeübt, so gilt f₃ = f'₃ und f₇ = O.

Wird auf den Kraftgeber eine externe Kraft ausgeübt, so gilt:

f₁ = f'-, + Af₁ und

^f2 ⁼

Hieraus folgt

f₇ = Cf₁ - f'.,) + (Af₁ - Af₂) - (f., - f ·₂) f₇ =

Das Ausgangssignal des Mischers 53 ist dann gerade die Differenz Af-, - Afp, und dies ist zugleich die Differenz der Änderung der Frequenzen f· und f„ bei Ausüben einer externen Kraft auf den Kraftgeber .

Für andere Anwendungsfälle kann ein analoges Ausgangssignal der mit dem Kraftgeber verbundenen Schaltung erwünscht sein. Das Ausgangssignal f₃ des Mischers 48 kann mit der in Fig. 8 gezeigten Schaltung in ein Analogsignal umgesetzt werden.

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Der Mischer 48 erhält von den Oszillatorkreisen 44 und 46 die Signale f. und f_ und stellt an seinem Ausgang ein Differenzsignal f. bereit, mit dem ein amplitudenbegrenzender Verstärker 5 4 beaufschlagt ist. Dieser Spitzen abschneidende Verstärker 54 stellt an seinem Ausgang ein Signal mit der Frequenz f„ und mit einer vorgegebenen festen Amplitude bereit. Das verstärkte Signal f_ wird auf den Eingang eines Demodulators 56 gegeben, der an seinem Ausgang ein Analogsignal bereitstellt, dessen Amplitude proportional zur Frequenz des empfangenen Signals f, ist. Dem Fachmanne sind verschiedene derartige Demodulatoren bekannt, z.B. Demodulatoren, wie sie in UKW-Radios verwendet werden. Das analoge Ausgangssignal des Demodulators 56 wird auf den positiven Eingang eines Differenzverstärkers 58 gegeben, dessen negative (invertierende) Eingangsklemme mit einem Referenzsignal beaufschlagt ist. Der Wert des Referenzsignals ist gleich derjenigen Analogspannung gewählt, die dem bei Fehlen einer externen Kraft erhaltenen Signal f'~ entspricht. Damit ist das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 58 proportional zum Signal Δ£/ also ein Maß für die auf den Kraftgeber ausgeübte externe Kraft.

Wird dagegen am Ausgang der mit dem Kraftgeber verbundenen elektronischen Schaltung ein digitales Signal zur Angabe der auf den Kraftgeber ausgeübten Kraft gewünscht, so kann die in Fig. 9 wiedergegebene Schaltung verwendet werden.

Das am Ausgang des Mischers 48 erhaltene Signal f_ wird auf einen Zähler 60 gegeben, welcher die Anzahl von Zyklen des Signals f., zählt, die in einer vorgegebenen Zeitspanne erfolgen. Das Zählintervall wird durch einen Zählzeit-Steuerkreis 62 gesteuert, welcher

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ein Signal bereitstellt, durch welches der Zähler für die vorgegebene Dauer des Zählintervalls aktiviert wird. Diese vorgegebene Dauer des Zählintervalls ist so ausgewählt, daß der Zähler eine vorgegebene Anzahl von Zyklen zählt, wenn der Kristall nicht mit einer Kraft beaufschlagt ist. Wird z.B. ein 10-Bit-Zähler verwendet, so würde man die vorgegebene Anzahl von Zyklen zu 1024 wählen, wodurch der Zähler auf den Zählerstand Null zurückgesetzt wird. Zusätzliche Zählimpulse, welche über dieser Zahl liegen und durch eine Zunahme der Frequenz (Af.. - hf _?) infolge einer externen Krafteinwirkung bedingt sind, werden im Zähler gespeichert, wenn dieser einen neuen Zyklus beginnt und ein zweites Mal zu zählen beginnt.

Es versteht sich, daß man zum Erhalten derselben Ergebnisse auch andere Schaltkreise verwenden kann. So kann man z.B. einen größere Kapazität aufweisenden Zähler verwenden, bei dem die höherrangigen Bits nicht berücksichtigt werden, oder man kann einen Auf/Ab-Zähler verwenden, welcher mit dem Ausgangssignal des Mischers 48 beaufschlagt ist und zunächst bis auf eine vorgegebene Zahl nach unten zählt, dann die Zählrichtung wechselt und für den Rest des Zählintervalls nach oben zählt. Der Schaltkreis ist so ausgelegt, daß eine Anzahl von Zyklen, welche der Frequenz £~ entspricht, zu einem Zählerstand Null des Zählers führt, wenn dieser von der vorgegebenen Zahl für den Rest des Zählintervalls nach oben zählt. Die Anzahl der hernach gezählten Zählimpulse ist ein Maß für die Frequenzänderung Af = Af - At ₂, welche auf die Beaufschlagung des Kraftgebers mit einer externen Kraft zurückzuführen ist.

Die Kapazität der Zähler und die Zählintervalle hängen direkt von den Frequenzen der Anharmonischen, der Größe des Bereiches, innerhalb

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dessen der Kraftgeber arbeiten soll, und der gewünschten Auflösung des Kraftgebers ab. Kennt man diese Faktoren, so kann der Fachmann einen Kristall auswählen, welcher bei geeigneten anharmonischen Frequenzen schwingt, und Zähler auswählen, welche die erforderliche Zählkapazität aufweisen. Der Fachmann kann dann auch die Zählintervall-Steuerkreise so auswählen, daß sie die erforderlichen Zählintervalle vorgeben können. Die Mischer und Zähler sind im Handel in verschiedenster Form erhältlich, und die Oszillatorkreise und die Signalgeneratoren für die Vorgabe der Zählzeit sind dem Fachmanne ebenfalls bekannt und lassen sich aus Lehrbüchern und dem Informationsmaterial der Hersteller für elektronische Bauteile heraussuchen.

Fig. 10 zeigt einen Kristall 12, welcher auf seinen Oberflächen mit einem abgewandelten Elektrodenmuster versehen ist. Anders als bei der in Fig. 4 gezeigten Elektrodenanordnung, sind bei dem Elektrodenmuster nach Fig. 10 die Elektroden voneinander entfernt. Auf den Oberflächen des Kristalls sind wieder vier Elektrodensätze 64,66, 68 und 70 angeordnet. Bei jedem Elektrodensatz liegt jeweils eine Elektrode direkt unter der zugeordneten Elektrode, und die Elektroden eines Paares sind auf den einander gegenüberliegenden Kristalloberflächen vorgesehen. Sollen orthogonale anharmonische Schwingungsmoden wie die 1,1,3- und die 1,3,1-Schwingungsmode im Kristall angeregt werden, so werden die Elektrodensätze wieder symmetrisch verteilt vorgesehen, wie in Fig. 10 gezeigt. Sollen jedoch Anharmonische höherer Ordnung angeregt werden, welche nicht senkrecht aufeinanderstehen, so können die Elektrodensätze auch unter verschiedenen Winkeln angeordnet sein.

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Die einander diametral gegenüberliegenden Elektrodensätze, z.B. die Elektrodensätze 64 und 68 sowie die Elektrodensätze 66 und 70 sind extern so miteinander verbunden, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Die beiden einander diametral gegenüberliegenden Elektroden der Elektrodensätze 64 und 68, welche auf der gleichen Kristalloberfläche liegen, sind miteinander verbunden; in ähnlicher Weise sind die beiden zugeordneten Elektroden auf der gegenüberliegenden Kristalloberfläche miteinander verbunden. Die zusammengeschalteten Elektroden sind ferner mit einem Oszillatorkreis 72 verbunden. Durch die Anordnungsgeometrie der Elektrodensätze 6 4 und 6 8 und durch die soeben beschriebene externe Beschaltung dieser Elektrodensätze wird der Kristall in der anharmonischen 1,3,1-Schwingungsmode angeregt, wobei der erste Schwingungsknoten und der dritte Schwingungsknoten an der gleichen Stelle liegen wie die Elektrodensätze 64 und 68.

Ähnlich sind die beiden einander diametral gegenüberliegenden Elektroden der Elektrodensätze 66 und 70, welche auf derselben Kristalloberfläche liegen, elektrisch miteinander verbunden, ebenso sind die beiden zugeordneten Elektroden auf der gegenüberliegenden Kristalloberfläche miteinander verbunden. Die so zusammengeschalteten Elektroden sind ferner mit einem Oszillatorkreis 74 verbunden.

Durch diese Anordungsgeometrie der Elektrodensätze 66 und 70 und durch ihre soeben beschriebene externe Beschaltung wird erreicht, daß der Kristall in der anharmonischen 1,1,3-Schwingungsmode schwingt. Der erste Schwingungsbauch und der dritte Schwingungsbauch der anharmonischen 1,1,3-Eigenschwingung fallen mit dem Ort der Elektrodensätze 66 und 70 zusammen.

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Der zweite Schwingungsbauch beider anharmonischer Schwingungsmoden liegt im mittigen Bereich des Kristalls zwischen den vier Elektrodensätzen, wie aus Fig. 12 gut ersichtlich ist.

Die beiden anharmonischen Frequenzen f₁ und f_? werden an den Ausgängen der Oszillatorkreise 72 und 74 erhalten. Diese Ausgangssignale werden in einem Mischer 9 6 genau so gemischt wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 6 obenstehend schon im einzelnen beschrieben wurde. Man erhält so am Ausgang des Mischers 76 ein Signal f_, dessen Frequenz gleich dem Unterschied zwischen den beiden anharmonischen Frequenzen ist. Es können zusätzlich weitere Schaltungen verwendet werden, wie sie in den Fig. 7-9 gezeigt sind, um dem Ausgangssignal f die gewünschte Form zu geben.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Kraftgeber wird der Kristall 12 mit einer Kraft beaufschlagt, welche parallel zur X-Achse des Kristalls verläuft. Um jedoch die infolge Einwirkung einer Kraft erhaltene Frequenzänderung, also die Größe Äf = Af₁ - £f„ möglichst groß zu machen und auch aus anderen Gründen kann es wünschenswert sein, die Kraft unter einem Winkel θ zur X-Achse des Kristalls auszuüben, wie in Fig. 13 schematisch gezeigt ist. Wegen des komplizierten Gesamtverhaltens des Kristalls läßt sich der Winkel θ leichter experimentell bestimmen als durch streng gültige mathematische Ableitung.

Der oben beschriebene Kraftgeber kann in einer Vielzahl von Fühlern verwendet werden, z.B. einem Druckfühler, wie er in Fig. 14 gezeigt ist, oder einem Beschleunigungsfühler, wie er in Fig. 15 wiedergegeben ist.

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Bei dem in Fig. 14 gezeigten Druckfühler findet ein Kristall 12 Verwendung, welcher ein Elektrodenmuster gemäß Fig. 4 oder ein Elektrodenmuster gemäß Fig. 10 aufweist. Der Kristall 12 ist im Inneren einer geschlossenen Vakuumkammer angeordnet. Die Vakuumkammer weist ein becherförmiges Gehäuse 78 auf, das an seinem offenen Ende durch eine flexible Membran 90 verschlossen ist. Der Kristall 12 ist zwischen der unteren Auflage 18 und dem die kraftübertragenden Druckstück 30 angeordnet, wie obenstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 schon im einzelnen dargelegt wurde. Das Druckstück 30 ist mit einer Platte 80 verbunden, die einen Stab 82 trägt, Letzterer hat an seinem von der Platte 80 abliegenden Ende einen Flansch 84. Das Druckstück 30 wird durch die Kraft einer Schraubendruckfeder 86 in Anlage am Kristall 12 gehalten. Die Schraubendruckfeder 86 liegt mit dem einen Ende an der Platte 80 an und ist am anderen Ende an einem Sprengring 88 abgestützt. Der Sprengring 88 liegt in einer in Umfangsrichtung verlaufenden Nut, die in der Innenwand des Gehäuses 78 ausgebildet ist.

Die das offene Ende des Gehäuses 78 überdeckende flexible Membran 90 schließt die Vakuumkammer dicht ab. Die dichte Verbindung zwischen Membran 90 und Gehäuse 78 kann durch Schweißen oder auf eine andere dem Fachmanne bekannte Art erfolgen. Wird die Dichtstelle durch Schweißen hergestellt, z.B. durch T.I.G.-Schweißen, so kann das obere Ende des Gehäuses 78 auf seiner Außenseite mit einem Rücksprung 92 versehen werden, so daß man eine das Anschweißen erleichternde Lippe 9 4 erhält. Die Länge des Stabes 82 ist so gewählt, daß die flexible Membran 90 an dem Flansch 84 anliegt, wenn an der Membran kein Druckunterschied herrscht.

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Durch die Bodenfläche des Gehäuses 78 sind vier elektrisch isolierte Durchführungen hindurchgeführt, z.B. die Durchführungen 96 und 98. Auf diese Weise wird die elektrische Verbindung zu den auf dem Kristall 12 befindlichen Elektroden hergestellt.

Der Druckfühler kann zusätzlich ein unteres Gehäuse 100 aufweisen, das am Boden des Gehäuses 78 befestigt ist und in dem eine Leiterplatte 102 angeordnet ist. Die Oszillatorkrexse 44 und 46 und der Mischer 48, welche in Fig. 4 gezeigt sind, sind dann auf der Leiterplatte 102 angeordnet. Ein mehradriges Kabel 104 ist durch das untere Gehäuse 102 nach außen geführt und verbindet die drei auf der Leiterplatte 102 angeordneten Schaltkreise mit dem Netz und enthält zusätzlich einen Leiter, über den das vom Mischer 48 erzeugte Signal f.. zur weiteren Verarbeitung oder Verwendung bereitgestellt wird.

In betriebsbereitem Zustand ist die durch das Gehäuse 78 und die flexible Membran 90 begrenzte Kammer evakuiert, steht also unter Unterdruck.

Durch den von außen auf die Membran 90 einwirkenden Druck wird die Membran also mit einer Kraft F in Richtung auf den Kristall 12 zu bewegt, welche gleich dem Produkt aus dem Außendruck und der druckbeaufschlagten Fläche der Membran ist. Diese Kraft wird über den Stab 82 und das Druckstück 30 auf den Kristall 12 übertragen und kommt zu der Kraft hinzu, welche durch die auf die Feder 80' einwirkende Schraubendruckfeder 86 bereitgestellt wird. Ändert sich der außerhalb der flexiblen Membran 90 herrschende Druck, so ändert sich die auf den Kristall ausgeübte Kraft entsprechend. Die Ände-

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rung der auf den Kristall ausgeübten Kraft führt dann ihrerseits zu einer entsprechenden Änderung des Ausgangssignals f^,, wie obenstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 im einzelnen dargelegt ist. Die auf den Kristall durch die Schraubendruckfeder 86 ausgeübte Kraft entspricht der Kraft, welche bei dem Kraftgeber nach Fig. 4 durch die freitragende Federanordnung aus den Blattfedern 20 und 22 auf den Kristall ausgeübt wird.

Da der Kristall 12 nur eine geringe Elastizität aufweist, kann sich die Membran 90 bei Änderungen des Außendruckes nur geringfügig bewegen. Auf diese Weise wird die Verfälschung des Meßergebnisses durch eine Verformung der Membran am eingespannten Rand sehr klein gehalten, die sonst bei Druckfühlern mit einer flexiblen Membran in Kauf genommen werden müssen, bei denen sich die Membran in Abhängigkeit vom gemessenen Druck unbehindert aus ihrer Ruhestellung herausbewegt. Ein Druckfühler gemäß Fig. 14, bei dem die Membran in der Mitte durch den Flansch 84 abgestützt ist, arbeitet also besser linear als ein Druckfühler mit nur am Rande eingespannter Membran.

Bei dem in Fig. 15 gezeigten Beschleunigungsfühler ist ein Kristall 12 vorgesehen, welcher auf seinen Oberflächen Elektrodenmuster trägt, wie sie obenstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben wurden. Der Kristall 12 ist in einem Gehäuse 106 angeordnet und befindet sich zwischen der unteren Auflage 18 und dem die kraftübertragenden Druckstück 3O. Das Druckstück 30 ist an einer sternförmigen Scheibenfeder 108 mit radialen Federarmen befestigt, welche das Druckstück unter einer vorgegebenen Kraft F in Anlage an dem Kristall

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12 hält. Ein als träge Masse dienender Gewichtskörper 110 ist durch

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eine Schraube 112 ebenfalls an der Scheibenfeder 108 befestigt. Die Schraube 112 ist in das Druckstück 30 eingeschraubt. Die von der sternförmigen Scheibenfeder 108 ausgeübte Kraft F ist so gewählt, daß sie größer ist als die Kraft F , welche von dem Gewichtskörper

110 ausgeübt werden kann, wenn dieser entweder in Richtung auf den Kristall zu oder von diesem weg mit der maximal zu messenden Beschleunigung beschleunigt wird. Es gilt also

F = KF = Masse des Gewichtskörpers χ Be-P ^a

schleunigung,

wobei K eine Konstante größer Eins ist.

Um das Arbeiten des Beschleunigungsfühlers bei Überlast und bei Stoßbelastung zu verbessern, kann eine gesonderte, geringe Masse aufweisende Federeinrichtung vorgesehen werden, durch welche auf den Kristall 12 eine feste Vorspannung ausgeübt wird, so daß dieser bei Überbelastung und Stoßbelastung des Beschleunigungsfühlers an seinem Platz gehalten wird, während er sonst unter derartigen Arbeitsbedingungen aus seinem Sitz herausbewegt würde.

Durch das Gehäuse 106 sind wieder vier Durchführungen 114,116,118 und 120 durch geführt, über welche die auf den Oberflächen des Kristalles vorgesehenen Elektroden elektrisch mit einer externen Schaltung verbunden sind. Der Beschleunigungsfühler kann auch ein in der Zeichnung nicht wiedergegebenes unteres Gehäuse aufweisen, in welchem die Oszillatorkreise und die zugeordneten Elektronik-Bauteile eingeschlossen sind, ähnlich wie beim in Fig.14 gezeigten Druckfühler ein unteres Gehäuse 100 vorgesehen war. Durch einen

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Deckel 122 ist das offene Ende des Gehäuses 106 verschlossen, und auf diese Weise ist der Beschleunigungsfühler und der Kristall gegen Verunreinigungen aus der Atmosphäre geschützt.

Der oben beschriebene Beschleunigungsfühler arbeitet wie folgt:

Befindet sich der Beschleunigungsfühler in Ruhe oder wird er mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegt, so sind die einzigen auf den Kristall 12 einwirkenden Kräfte die von der sternförmigen Scheibenfeder 108 ausgeübte Kraft F und die vom Gewichtskörper 110 ausgeübte Schwerkraft. Der Kristall 12 wird gleichzeitig in zwei verschiedenen Resonanzschwingungsmoden in Schwingung versetzt, und man erhält die Signale f₁ und f„, welche den Frequenzen der beiden Resonanzschwingungen zugeordnet sind. Das Ausgangssignal des Mischers 48 ist ein Signal f' , dessen Frequenz gleich dem Frequenzunterschied zwischen den beiden Frequenzen f₁ und f„ ist. Das Signal f' ist dem Ruhezustand des Beschleunigungsfühlers zugeordnet.

Wird der Beschleunigungsfühler in Richtung des Pfeiles 122' von Fig. 15 beschleunigt, so übt der Gewichtskörper 110 eine zusätzliche Kraft F aus, welche gleich der Masse des Gewichtskörpers a

multipliziert mit der Beschleunigung ist. Die Kraft F kommt zur Kraft F hinzu, und die beiden Resonanzfrequenzen des Kristalls ändern sich entsprechend. Man erhält infolgedessen eine Änderung der Frequenz f.,, welche ein Maß für die auf den Kristall ausgeübte Kraft ist. Da die Masse des Gewichtskörpers 110 konstant ist, ist somit die Änderung der Frequenz f_ direkt ein Maß für die Größe der Beschleunigung, der der Beschleunigungsfühler ausgesetzt ist.

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Erfolgt die Beschleunigung entgegengesetzt zur Richtung des Pfeils 122', so ist die auf den Kristall 12 einwirkende Kraft gleich F F , und man erhält dann eine solche Änderung der beiden Resonanzfrequenzen f.. und f ₂, daß ihr Unterschied kleiner ist als f'₃· Die erhaltene Änderung im Signal f ist dann ein Maß für die Größe der Beschleunigung in dem Pfeil 122' entgegengesetzter Richtung.

Es versteht sich, daß man bei abgewandelten Kraftgebern andere anharmonische Resonanzfrequenzen verwenden kann. Man kann auch andere Elektrodenmuster und andere externe elektronische Schaltungen dazu verwenden, ein Signal zu erzeugen, das ein Maß für die auf den Kristall ausgeübte Kraft ist und das aus der Verschiebung der anharmonischen Resonanzfrequenzen abgeleitet ist. Ein Kraftgeber, wie er obenstehend beschrieben ist, kann auch in anderen Fühlern als in einem Druckfühler und einem Beschleunigungsfühler verwendet werden.

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Claims (16)

The Bendix Corporation Executive Offices Bendix Center ° 25. Januar 19 79 Southfield, Mich.48076, USA Anwaltsakte M-4830 Kraftgeber Patentansprüche

1.) Kraftgeber mit einem piezoelektrischen Kristall und mit einer Einrichtung zum Beaufschlagen des Kristalls mit der zu messenden Kraft, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (36,40, 44;64,68,72) zum In-Schwingung-Versetzen des piezoelektrischen Kristalls (12) in einer ersten Resonanzschwingungsmode, bei welcher der Kristall eine erste Frequenz/Kraft-Charakteristik aufweist und somit eine erste Resonanzfrequenz (f₁) erzeugt, die sich in Abhängigkeit von der auf den Kristall (1.2) ausgeübten Kraft ändert; eine zweite. Einrichtung (38,42,46;66,70,74) zum gleichzeitigen In-Schwingung-Versetzen des piezoelektrischen Kristalls (12) in einer zweiten Resonanzschwingungsmode, bei welcher der Kristall eine zweite Frequenz/Kraft-Charakteristik aufweist, die sich von der ersten Frequenz/Kraft-Charakteristik unterscheidet, und somit eine zweite Resonanzfrequenz (f~) er-

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zeugt, die sich in Abhängigkeit von der auf den Kristall (12) ausgeübten Kraft ändert; und eine dritte Einrichtung (48;76), welche mit der ersten Resonanzfrequenz (f.,) und der zweiten Resonanzfrequenz (f„) beaufschlagt ist und ein die auf den Kristall (12) ausgeübte Kraft wiedergebendes Signal (f₃) bereitstellt.

2. Kraftgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Kristall (12) eine erste Achse hat, längs der die auf ihn ausgeübte Kraft eine Änderung der ersten Resonanzfrequenz (f,.) in Abhängigkeit von der ausgeübten Kraft erzeugt, und daß die zweite Resonanzschwingungsmode eine anharmonische Schwingungsmode ist, bei welcher mehr als ein Schwingungsbauch längs einer zweiten Achse angeordnet ist, welche zur ersten Achse schräg geneigt verläuft.

3. Kraftgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Resonanzschwingungsmode eine anharmonische Schwingungsmode mit mehr als einem Schwingungsbauch ist.

4. Kraftgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Kristall (12) ein AT-geschnittener Quarzkristall ist, daß die erste Achse die X-Achse des Quarzkristalls ist und daß die zweite Achse die Z'-Achse des Quarzkristalls ist.

5. Kraftgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30) zum Ausüben der zu messenden Kraft auf den Kristall (12) diese Kraft längs der X-Achse ausübt.

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6. Kraftgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30) zum Ausüben der zu messenden Kraft auf den Kristall (12) die Kraft unter einem vorgegebenen Winkel (Θ) zur X-Achse in einer Ebene ausübt, die parallel zu derjenigen Ebene verläuft, welche durch die X-Achse und die Z'-Achse vorgegeben ist.

7. Kraftgeber nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (36,4O,44;64,68,72) zum In-Schwingung-Versetzen des piezoelektrischen Kristalls (12) ein erstes Paar diametral gegenüberliegender Elektrodensätze (36 ,4O;64,68) aufweist, die mit einem ersten Oszillatorkreis (44;72) verbunden sind, daß die zweite Einrichtung (38,42,46 ,-66,70,74) zum gleichzeitigen In-Schwingung-Versetzen desselben piezoelektrischen Kristalls (12) ein zweites Paar diametral gegenüberliegender Elektrodensätze (38,42;66,70) aufweist, die mit einem zweiten Oszillatorkreis (46;74) verbunden sind, daß die beiden Paare von Elektrodensätzen (36,40,38,42;64,68,66,70) symmetrisch bezüglich des Mittelpunktes des piezoelektrischen Kristalls (12) angeordnet sind und daß das erste Paar von Elektrodensätzen (36, 4O;64,68) längs der X-Achse und das zweite Paar von Elektrodensätzen (38,42;66,7O) längs der Z'-Achse angeordnet ist.

8. Kraftgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Oszillatorkreis (44;72) den piezoelektrischen Kristall (12) bei einer Grundfrequenz in Schwingung versetzt.

9. Kraftgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste Oszillatorkreis (44;72) als auch der zweite Oszilla-

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torkreis (46;74) den piezoelektrischen Kristall (12) in anhar-" monischen Schwingungsmoden anregen.

10.Kraftgeber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Oszillatorkreis (44;72) und der zweite Oszillatorkreis (46, 74) den piezoelektrischen Kristall (12) in der anharmonischen Schwingungsmode 1,1,η bzw. der anharmonischen Schwingungsmode 1,n,1 anregen, wobei η eine ganze Zahl ist.

11.Kraftgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (48;76) zum Erzeugen des der Kraft zugeordneten Signals (f·,) eine Einrichtung aufweist, welche ein Signal bereitstellt, dessen Frequenz ein Maß für die auf den Kristall (12) ausgeübte Kraft ist.

12.Kraftgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (48;76) zum Erzeugen eines der auf den Kristall ausgeübten Kraft zugeordneten Signals (f^) eine Einrichtung (54,56,58) aufweist, welche ein Analogsignal erzeugt, das ein Maß für die ausgeübte Kraft ist.

13.Kraftgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (48;76), welche ein Signal (f ) erzeugt, das ein Maß für die auf den Kristall (12) ausgeübte Kraft ist, eine Einrichtung (60,62) aufweist, welche digitales Signal bereitstellt, das ein Maß für die auf den Kristall (12) ausgeübte Kraft ist.

14.Kraftgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in

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einem dichten Gehäuse (78,90) eingeschlossen ist und daß das dichte Gehäuse (78,90) ein Teil (90) aufweist, welches mit der Einrichtung (30) zum Ausüben der zu messenden Kraft auf den Kristall (12) verbunden ist und eine Kraft erzeugt, die proportional zum Unterschied zwischen dem innerhalb des dichten Gehäuses (78,90) herrschenden Druck und dem außerhalb des Teils (90) herrschenden Druck ist.

15.Kraftgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem dichten Gehäuse (78,90) ein Unterdruck herrscht.

16.Kraftgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einrichtung (30) zum Ausüben der zu messenden Kraft auf den Kristall (12) eine vorgegebene Masse (110) befestigt ist, so daß durch die vorgegebene Masse (110) auf die Einrichtung (30) zum Ausüben der Kraft auf den Kristall (12) eine Kraft ausgeübt wird, die proportional zu einer Beschleunigung ist, welcher der Kraftgeber ausgesetzt ist.

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