Компактный инерциальный датчик
Изобретение относится к инерциальным датчикам, в частности к акселерометрам. Датчик содержит по меньшей мере один вибрирующий элемент (2), один конец (3) которого соединен с опорным элементом (4), а противоположный конец (5) соединен с блоком-вибратором (6), шарнирно соединенным с опорным элементом при помощи по меньшей мере двух соединительных элементов (7) и содержащим полость (8), в которой находятся вибрирующий элемент и часть опорного элемента, смежная с вибрирующим элементом. Соединительные элементы установлены в полости, окружающей часть (9) опорного элемента, с которой соединяются соединительные элементы. Техническим результатом является уменьшение габаритов датчика при сохранении достаточной чувствительности. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение касается инерциальных датчиков, в частности акселерометров.
В частности, настоящее изобретение касается датчиков, содержащих чувствительный элемент, содержащий по меньшей мере один вибрирующий элемент, один конец которого соединен с опорным элементом, а противоположный конец соединен с блоком-вибратором, шарнирно соединенным с опорным элементом при помощи по меньшей мере двух соединительных элементов. Вибрирующий элемент взаимодействует со средствами возбуждения, заставляющими вибрировать вибрирующий элемент и позволяющими улавливать вибрационные частоты последнего.
Когда датчик такого типа оказывается под воздействием ускорения, блок-вибратор действует на вибрирующий элемент усилием. Это усилие изменяет вибрационную частоту таким образом, что изменение вибрационной частоты вибрирующего элемента позволяет определить ускорение, воздействию которого подвергается датчик.
Желательно располагать чувствительными элементами небольших размеров. Это облегчает их установку в устройствах, для оснащения которых они предназначены.
Так, известны, в частности, из документа FR-A-2739190 чувствительные элементы, выполненные в виде пластины, в которой с помощью травления выполнены вибрирующий элемент, опорный элемент, блок-вибратор и соединительные элементы. Таким способом можно получать довольно компактные чувствительные элементы. Кроме того, это позволяет размещать сразу несколько чувствительных элементов на одной подложке и производить их одновременно, добиваясь таким образом относительного снижения их себестоимости.
Тем не менее, возможности уменьшения габаритов ограничены в силу того, что размеры блока-вибратора оказывают влияние на чувствительность датчика, и чем тяжелее блок-вибратор, тем больше сила, действующая на вибрирующий элемент.
Чтобы еще больше уменьшить габариты чувствительных элементов вышеупомянутого типа при сохранении относительно тяжелого блока-вибратора, было решено выполнять чувствительный элемент в пластине большей толщины. Однако в этом случае затрудняется механическая обработка пластины. В этих чувствительных элементах увеличение толщины приводит также к наклону оси чувствительного элемента относительно нормали к пластине, что усложняет монтаж чувствительного элемента в устройстве, для которого он предназначен. Положение оси чувствительного элемента зависит, кроме того, от разброса производственных допусков.
Чувствительные элементы, выполняемые в виде пластины, известны также из документа F-A-2813122.
Задачей настоящего изобретения является реализация датчика небольших габаритов при сохранении достаточной чувствительности.
Для решения этой задачи в соответствии с настоящим изобретением предлагается инерциальный датчик, содержащий по меньшей мере один вибрирующий элемент, один конец которого соединен с опорным элементом, а противоположный конец соединен с блоком-вибратором, шарнирно соединенным с опорным элементом при помощи по меньшей мере двух соединительных элементов и содержащим полость, в которую устанавливают вибрирующий элемент и часть опорного элемента, смежную с вибрирующим элементом. Соединительные элементы установлены в полости, окружающей часть опорного элемента, с которой соединяются соединительные элементы,
Таким образом, становится возможным получить компактную конструкцию при достаточно тяжелом блоке-вибраторе.
Предпочтительно опорный элемент содержит полость, в которой находится часть вибрирующего элемента.
Таким образом можно ощутимо уменьшить габариты датчика.
Согласно частному варианту реализации соединительные элементы и вибрирующий элемент выполнены таким образом, чтобы ось чувствительности датчика была практически перпендикулярна оси возбуждения первого типа колебаний всей конструкции датчика.
Таким образом, становится возможным избежать искажений, вызываемых первым типом колебаний всей конструкции датчика, в измерениях, осуществляемых по оси чувствительности датчика.
Предпочтительно соединительные элементы выполняют практически перпендикулярными по отношению к вибрирующему элементу, и предпочтительно датчик содержит две пары параллельных соединительных элементов, расположенных друг против друга по обе стороны от части опорного элемента, с которой они соединяются.
Таким образом, можно выполнять плоский датчик с осью чувствительности, которая находится в плоскости датчика и положение которой зависит весьма незначительно от разброса производственных допусков. Кроме того, в таком датчике легче выполнять соединительные элементы, менее жесткие вдоль оси чувствительности, чем в других направлениях. В данном случае соединительные элементы работают на изгиб при ускорениях, действующих вдоль оси чувствительности, тогда как вибрирующий элемент работает на растяжение-сжатие, что обеспечивает хорошую работу датчика, в частности, на высокой частоте. Монтаж такого датчика является чрезвычайно простым. Кроме того, такая конструкция позволяет выполнять соединительные элементы по всей толщине платины, что облегчает механическую обработку этих элементов. Более того, изготовление датчика облегчается за счет того, что соединительные элементы можно выполнять независимо от вибрирующего элемента, что позволяет сместить во времени изготовление соединительных элементов и разбить этот процесс на несколько операций.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания частных, не ограничительных вариантов реализации настоящего изобретения.
При изложении описания делается ссылка на чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схему датчика ускорения согласно первому варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.2 - схему датчика ускорения, аналогичную фиг.1, согласно другому примеру первого варианта реализации настоящего изобретения;
фиг.3 - схему датчика ускорения, аналогичного фиг.1, согласно варианту реализации настоящего изобретения.
Как показано на фиг.1, датчик ускорения согласно первому варианту реализации содержит пластину, обозначенную общей позицией 1 и выполненную из пьезоэлектрического кварца, в которой известным способом выполнен вибрирующий элемент 2, один конец 3 которого соединен с опорным элементом 4, предназначенным для закрепления в корпусе, а противоположный конец 5 соединен с блоком-вибратором 6.
Блок-вибратор 6 шарнирно соединен с опорным элементом 4 через две пары соединительных элементов 7. Соединительные элементы 7 в данном случае образованы деформирующимися лапками, выполненными в пластине 1 в данном случае по всей толщине пластины 1. Соединительные элементы 7 перпендикулярны вибрирующему элементу 2, и пары соединительных элементов 7 расположены друг против друга по обе стороны опорного элемента 4. Соединительные элементы 7 выполнены с возможностью обеспечения поступательного движения блока-вибратора 6 относительно опорного элемента 4 в плоскости пластины 1. Таким образом, чувствительное направление датчика находится в этой плоскости и параллельно вибрирующему элементу 2. Соединительные элементы 7 предпочтительно имеют гораздо меньшую жесткость в направлении, параллельном оси чувствительности, чем в других направлениях, чтобы ускорения вдоль оси чувствительности передавались без изменений на вибрирующий элемент 2, тогда как ускорения, действующие в других направлениях, не передаются, насколько это возможно, на вибрирующий элемент 2.
Блок-вибратор 6 содержит полость 8, в которую помещают вибрирующий элемент 2, соединительные элементы 7 и часть 9 опорного элемента 4, с которой соединяются вибрирующий элемент 2 и соединительные элементы 7. Такое выполнение обеспечивает компактность конструкции.
Поскольку в данном случае часть 9 опорного элемента 4 имеет форму параллелепипеда, то полость 8 охватывает часть 9 с трех сторон.
Датчик содержит не показанную на фигурах пьезоэлектрическую цепь возбуждения вибрирующего элемента 2, выполненную известным способом и заставляющую, с одной стороны, вибрировать вибрирующий элемент 2 на определенной частоте и, с другой стороны, позволяющую обнаруживать изменения вибрационной частоты вибрирующего элемента 2. Цепь выполнена на одной стороне пластины 1 и содержит контакты соединения с электронным модулем (не показан на фигурах) управления датчиком. Цепь может быть выполнена либо локальным нанесением металла на пластину 1, либо путем покрытия пластины 1 металлическим слоем, который затем протравливают или гравируют, формируя цепь с использованием известных технологий.
Модуль управления датчиком предназначен, с одной стороны, для управления цепью возбуждения и, с другой стороны, для обработки информации, касающейся вибрационной частоты вибрирующего элемента 2.
Согласно варианту, представленному на фиг.2, опорный элемент 4 содержит полость 10 для размещения вибрирующего элемента 2 таким образом, чтобы только конец 5 вибрирующего элемента 2 выступал над полостью 8 с возможностью соединения с блоком-вибратором 6. Такая конфигурация позволяет еще больше уменьшить габариты датчика.
Другие отличительные признаки этого варианта идентичны признакам первого варианта реализации.
Как показано на фиг.3, датчик ускорения согласно второму варианту реализации содержит пластину 1 из пьезоэлектрического кварца, в которой выполнен вибрирующий элемент 2, один конец 3 которого соединен с опорным элементом 4, а противоположный конец 5 соединен с блоком-вибратором 6. Опорный элемент 4 содержит часть, образующую основание 11, предназначенное для закрепления в корпусе, разделительную рамку 12, одна сторона которой жестко соединена с частью, образующей основание 11, а другая сторона соединена с массивной частью 9. Блок-вибратор 6 соединен с массивной частью 9 через вибрирующий элемент 2 и соединительные элементы 7, которые образованы деформирующимися лапками, выполненными в пластине 1 перпендикулярно вибрирующему элементу 2. Соединительные элементы 7 выполнены с возможностью обеспечения поступательного движения блока-вибратора 6 относительно опорного элемента 4 таким образом, чтобы чувствительное направление датчика находилось в плоскости пластины 1.
Блок-вибратор 6 содержит полость 8, в которой установлены вибрирующий элемент 2, соединительные элементы 7 и массивная часть 9, с которой соединены вибрирующий элемент 2 и соединительные элементы 7.
Массивная часть 9 содержит полость 10, в которую заходит вибрирующий элемент 2 таким образом, чтобы только конец вибрирующего элемента, соединенный с блоком-вибратором 6, выступал над полостью 8.
Как и в первом варианте реализации, датчик содержит не показанную на фигурах пьезоэлектрическую цепь возбуждения вибрирующего элемента 2 и модуль управления датчиком, предназначенный, с одной стороны, для управления цепью возбуждения и, с другой стороны, для обработки информации о вибрационной частоте вибрирующего элемента 2.
Во всех случаях датчик выполняют известным способом таким образом, чтобы он имел первый тип колебаний конструкции (относящийся ко всей пластине 1 в отличие от типа колебаний вибрирующего элемента, который характерен практически только для него и используется для измерений) с частотой возбуждения, превышающей частотный диапазон, необходимый для измерений ускорений, таким образом, чтобы этот паразитный тип колебаний конструкции не создавал помех для измерений. Обычно частота возбуждения колебаний конструкции превышает 3000 Гц. Предпочтительно первый тип возбуждения имеет также направление возбуждения, находящееся под прямым углом к оси чувствительности.
Разумеется, что настоящее изобретение не ограничивается описанным вариантом реализации и в него можно вносить любые модификации, не выходя за рамки настоящего изобретения, определенные формулой изобретения.
В частности, настоящее изобретение может применяться для всех датчиков, содержащих вибрирующий элемент. Так, несмотря на то, что описанный датчик выполнен в виде кварцевой пластины и в нем используется пьезоэлектрический эффект, датчик может быть выполнен из кремниевой пластины, в которой возбуждение вибрирующего элемента может быть емкостным, магнитным, термоэлектрическим или другим. Способ изготовления такого датчика аналогичен изготовлению описанного выше датчика.
Точно так же, хотя настоящее изобретение описано в соответствии с вариантом реализации, в котором датчик содержит только один вибрирующий элемент, оно может применяться и для датчиков с несколькими вибрирующими элементами, в частности, вибрирующими элементами, взаимодействующими друг с другом с возможностью образования заданного диапазона колебаний.
Несмотря на то, что в описанных вариантах реализации датчик содержит две пары соединительных элементов, выполненных с возможностью обеспечения поступательного движения блока-вибратора относительно опорного элемента в плоскости датчика, датчик может содержать другое число соединительных элементов и, например, два соединительных элемента, выполненных с возможностью обеспечения поступательного или поворотного движения блока-вибратора относительно опорного элемента.
Опорный элемент и блок-вибратор могут также иметь другие формы, отличающиеся от представленных.
1. Инерциальный датчик, содержащий по меньшей мере один вибрирующий элемент, один конец которого соединен с опорным элементом, а противоположный конец соединен с блоком-вибратором, шарнирно соединенным с опорным элементом при помощи по меньшей мере двух соединительных элементов и содержащим полость, в которой расположены вибрирующий элемент и часть опорного элемента, смежная с вибрирующим элементом, отличающийся тем, что соединительные элементы установлены в полости, окружающей часть опорного элемента, с которой соединяются соединительные элементы.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что опорный элемент содержит полость, в которой находится часть вибрирующего элемента.
3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что соединительные элементы и вибрирующий элемент установлены с возможностью обеспечивать положение оси чувствительности датчика практически перпендикулярно оси возбуждения первого типа колебаний всей конструкции датчика.
4. Датчик по п.3, отличающийся тем, что соединительные элементы, образованные деформирующимися лопатками, выполненными в пластине, перпендикулярны вибрирующему элементу.
5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что содержит две пары параллельных соединительных элементов, расположенных по обе стороны от части опорного элемента, с которой они соединяются.
6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что содержит пластину, в которой выполнены вибрирующий элемент, опорный элемент, блок-вибратор и соединительные элементы.
7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что опорный элемент содержит часть, образующую основание, соединенное через разделительную рамку с частью опорного элемента, с которой соединен вибрирующий элемент.
