專利名稱：用于檢測(cè)力或振動(dòng)的機(jī)械電傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測(cè)力或振動(dòng)，傳送代表所檢測(cè)的力或振動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的電信號(hào)。更特別地，本發(fā)明涉及一種機(jī)械電傳感器，用于檢測(cè)力或振動(dòng)，以及傳送是所檢測(cè)的力或振動(dòng)的函數(shù)的至少一個(gè)電信號(hào)。
力傳感器、加速度傳感器和振動(dòng)傳感器具有許多用途，并存在于許多具體裝置中。通常，例如采用兩個(gè)或三個(gè)獨(dú)立的傳感器通過(guò)使懸掛在彈簧系統(tǒng)上的重物相對(duì)于基準(zhǔn)框架移動(dòng)來(lái)檢測(cè)三個(gè)正交方向的加速度。
本發(fā)明目的在于提供一種傳感器，優(yōu)于在先己知的方案，能夠產(chǎn)生方向效應(yīng)并且僅利用一個(gè)可移動(dòng)物體來(lái)提供良好的有關(guān)平移和轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)量。
因此，根據(jù)本發(fā)明，提供一種如權(quán)利要求1限定的機(jī)械電傳感器。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例體現(xiàn)在所附的從屬權(quán)利要求中。
在下文中，通過(guò)示例性的實(shí)施例并參照附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，其中

圖1示出本發(fā)明的傳感器的二維實(shí)施例；圖2示出與圖1相同的實(shí)施例，但懸掛在外部框架上；圖3示出本發(fā)明的傳感器的另一種二維實(shí)施例；圖4示出與圖3相同的實(shí)施例，但懸掛在外部框架上；圖5以局部剖切圖的形式示出本發(fā)明的傳感器的三維實(shí)施例，具有薄片形支撐結(jié)構(gòu)；以及圖6以局部剖切圖的形式示出另一種三維實(shí)施例，具有細(xì)絲形支撐結(jié)構(gòu)。
圖1中顯示本發(fā)明的傳感器的相對(duì)簡(jiǎn)單的二維實(shí)施例。內(nèi)部主體1利用框架2上的壓電薄片3支撐，連接于例如薄片3的各側(cè)的未示出的信號(hào)線能夠傳輸當(dāng)相對(duì)于松弛的中心位置移動(dòng)內(nèi)部主體1時(shí)而引起薄片變形所產(chǎn)生的電信號(hào)。圖中示出三個(gè)張緊在六邊形開(kāi)口上的薄片，但是可以使用單個(gè)薄片或者許多薄片。內(nèi)部主體的選擇取決于傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。在包括從軟表面記錄信號(hào)的應(yīng)用中，內(nèi)部主體可以由例如具有各種剪切值的塑料或硅橡膠構(gòu)成。在其他應(yīng)用中，例如工業(yè)，可以使用鉆石材料。內(nèi)部主體的材料和幾何形狀的結(jié)合非常重要。內(nèi)部主體也可以具有開(kāi)口以提供經(jīng)由它的空氣通道，例如在麥克風(fēng)應(yīng)用中。薄片還可能連接在兩個(gè)相互隔離并且可能沿外周邊隔離于其他框架部分的金屬框架部分之間，從而可以從金屬框架部分采集信號(hào)。當(dāng)如圖所示使用薄片3時(shí)，薄片的延展方向可以是例如沿每個(gè)薄片帶條的縱向方向，這相比于僅僅使用橫跨開(kāi)口的條帶或者覆蓋整個(gè)開(kāi)口的完整“膜片”的單個(gè)薄片的情況，提供了采集高度綜合的信號(hào)的可能性。
內(nèi)部主體1的定中不是必要的，可以將內(nèi)部主體布置在偏心位置?？蚣?的形狀也不是至關(guān)緊要的，只要框架是剛性的并且適于連接壓電薄片即可。
這種二維傳感器明顯地對(duì)于在垂直于傳感器跨過(guò)的平面的方向上的力或振動(dòng)影響最敏感，但是也可以(當(dāng)使用具有獨(dú)立信號(hào)線的多個(gè)薄片時(shí))檢測(cè)支撐平面內(nèi)的力，即內(nèi)部主體的側(cè)向移動(dòng)。
圖2示出與圖1相同的實(shí)施例，但整個(gè)傳感器懸掛在外部框架5上。利用彈性件4，例如橡膠件進(jìn)行懸掛，本發(fā)明的這種實(shí)施例當(dāng)例如將傳感器用做麥克風(fēng)中的傳感器元件時(shí)尤為有利。外部框架5的主要目的是噪波衰減，即振動(dòng)形式的、可以使得傳感器的壓電元件振動(dòng)的噪波的衰減。當(dāng)傳感器連接于外部框架5時(shí)，將具有兩個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，其中內(nèi)部系統(tǒng)是傳感器本身。這種設(shè)計(jì)必須給予外部系統(tǒng)一個(gè)相對(duì)于由內(nèi)部框架/壓電懸掛結(jié)構(gòu)/內(nèi)部主體構(gòu)成的系統(tǒng)的諧振頻率較低的諧振頻率。然后可以獲得框架作為低通濾波器的效果。這主要和二維方案有關(guān)。
另外，允許框架2還是內(nèi)部主體1相關(guān)于外界振動(dòng)非常重要。理想地，需要保持框架2相關(guān)于外界不動(dòng)，而內(nèi)部主體相關(guān)于框架振動(dòng)。實(shí)際上，傳感器框架的懸掛通常會(huì)提供外界和傳感器元件之間的良好的聲學(xué)耦合，并且通常這不是所希望的。一般來(lái)說(shuō)，內(nèi)部主體的質(zhì)量會(huì)強(qiáng)烈地影響特性(頻率響應(yīng))，但是設(shè)計(jì)和材料選擇對(duì)于“被檢測(cè)介質(zhì)”和傳感器之間的耦合也非常重要。由于耦合的振動(dòng)系統(tǒng)，必須將特性優(yōu)化為質(zhì)量比、硬度等的函數(shù)。
在對(duì)于高頻表現(xiàn)良好的麥克風(fēng)的應(yīng)用中，空氣振動(dòng)將使得懸掛膜片(見(jiàn)圖4)振動(dòng)，然后框架2將圍繞內(nèi)部主體1振動(dòng)。在這種情況下，傳感器的振動(dòng)部分必須盡可能地輕。
圖3示出本發(fā)明的傳感器的另一種實(shí)施例，仍然是二維形式。這里示出懸掛在多個(gè)扇形壓電薄片3上的內(nèi)部主體1，并且優(yōu)選地每個(gè)薄片扇區(qū)的延伸方向相對(duì)于各自位置的半徑按照相同的方式布置，即基本指向徑向方向。在該例中薄片之間具有很小的開(kāi)口，例如對(duì)于麥克風(fēng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這對(duì)于經(jīng)由開(kāi)口的空氣通道而言較為有利。而且，信號(hào)線的連接類似于參照?qǐng)D1所述的方式，顯然這可以通過(guò)信號(hào)線正確耦接每個(gè)對(duì)應(yīng)薄片扇區(qū)而得到較高的總電壓，如果需要的話?？蛇x地，當(dāng)然可以從每個(gè)對(duì)應(yīng)薄片扇區(qū)采集獨(dú)立的信號(hào)。
圖4示出按照和圖2相同的方式在外部框架5上的懸掛，但是在該例中懸掛結(jié)構(gòu)是由例如橡膠制成的彈性的扇形膜片。
圖5示出三維形式的實(shí)施例。內(nèi)部主體1利用壓電薄片3夾持懸掛在球形框架2的中心，其中壓電薄片3以如下方式布置內(nèi)部主體1的相對(duì)移動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)將可以由產(chǎn)生在薄片3中的電壓檢測(cè)到，并且可以被連接于薄片兩側(cè)的突出穿過(guò)框架的信號(hào)線(未示出)采集。當(dāng)然，框架2不必非得是球形的，而且也不需要封閉，但是重要的是它是剛性的，以便構(gòu)成內(nèi)部主體的位置基準(zhǔn)。
圖6示出一種類似的設(shè)計(jì)，但是壓電薄片由細(xì)絲替換，并且細(xì)絲可以是具有圖5中的薄片相應(yīng)功能的壓電類型，或者細(xì)絲可以是拉緊的基本沒(méi)有彈性，但是連接于框架的壓電區(qū)域(未示出)，從而這些區(qū)域根據(jù)內(nèi)部主體相對(duì)于框架2的平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電壓。
這種如圖5和6所示的三維力/振動(dòng)傳感器基于框架和將被測(cè)量其力或可能的加速度的物體之間的剛性耦接，從而內(nèi)部主體的慣性將在懸掛結(jié)構(gòu)3內(nèi)或者在它們的連接區(qū)域產(chǎn)生可測(cè)量電壓。因此。利用連接于合適的處理裝置的信號(hào)線，這種加速度/振動(dòng)傳感器將可以構(gòu)成例如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)的主要部件。
如圖5和6所示的三維實(shí)施例也可以經(jīng)由二維或三維的彈性材料懸掛在外部框架上。
如圖5所示的薄片可以具有其他形狀，例如大扇形或近似于完整圓形，并且將被跨過(guò)的平面不必如圖所示那樣正交。
此外，在本申請(qǐng)中薄片材料或者細(xì)絲材料不是僅有的可能材料，內(nèi)部主體和框架之間的懸掛結(jié)構(gòu)可以是雙壓電晶片元件或類似元件。
本發(fā)明包容已經(jīng)提到過(guò)的變形，即懸掛結(jié)構(gòu)不是壓電元件而是連接于框架的壓電區(qū)域的變形。
權(quán)利要求
1.機(jī)械電傳感器，用于檢測(cè)力或振動(dòng)，并且傳送是所檢測(cè)的力或振動(dòng)的函數(shù)的至少一個(gè)電信號(hào)，其特征在于，所述傳感器包括由至少一個(gè)壓電支撐結(jié)構(gòu)支撐的至少一個(gè)內(nèi)部主體，其中該壓電支撐結(jié)構(gòu)依次懸掛在外圍框架上，以及從所述至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的相對(duì)極化側(cè)引出的信號(hào)線。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，框架為二維，即基本位于平面內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)由單個(gè)壓電薄片構(gòu)成，該壓電薄片沿其外周邊拉緊地夾持在框架上。
4.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)由多個(gè)獨(dú)立的扇形薄片構(gòu)成，利用中心薄片支撐件沿周邊連接于框架上并且位于單個(gè)內(nèi)部主體中心。
5.如權(quán)利要求4所述的傳感器，其特征在于，每個(gè)獨(dú)立薄片布置為其延伸方向相對(duì)于各自的徑向方向同一，并且連接信號(hào)線以增加來(lái)自每個(gè)獨(dú)立薄片的對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)。
6.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，內(nèi)部主體偏心布置。
7.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，支撐結(jié)構(gòu)由多個(gè)壓電細(xì)絲構(gòu)成，每個(gè)細(xì)絲連接于內(nèi)部主體和框架。
8.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，框架為三維的。
9.如權(quán)利要求8所述的傳感器，其特征在于，支撐結(jié)構(gòu)由平面壓電薄片構(gòu)成，薄片跨過(guò)三維空間。
10.如權(quán)利要求9所述的傳感器，其特征在于，薄片平面數(shù)量為三，所述平面正交。
11.如權(quán)利要求9所述的傳感器，其特征在于，每個(gè)薄片平面包括多個(gè)薄片，在內(nèi)部主體外其間具有間隙。
12.如權(quán)利要求8所述的傳感器，其特征在于，支撐結(jié)構(gòu)由多個(gè)壓電細(xì)絲構(gòu)成，每個(gè)細(xì)絲連接于內(nèi)部主體和框架。
13.機(jī)械電傳感器，用于檢測(cè)力或振動(dòng)，并且傳送是所檢測(cè)的力或振動(dòng)的函數(shù)的至少一個(gè)電信號(hào)，其特征在于，所述傳感器包括支撐在至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)上的至少一個(gè)內(nèi)部主體，其中該支撐結(jié)構(gòu)依次懸掛在外圍框架上，外圍框架具有對(duì)應(yīng)的壓電區(qū)域，至少靠近地圍繞或位于至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)在框架上的對(duì)應(yīng)懸掛位置附近，以及從每個(gè)區(qū)域的相對(duì)極化側(cè)引出的信號(hào)線。
14.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其特征在于，所述至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)由多個(gè)拉緊的并基本上偏心的細(xì)絲構(gòu)成，每個(gè)細(xì)絲連接于所述至少一個(gè)內(nèi)部主體以及框架上的連接點(diǎn)，并且壓電區(qū)域布置為以每個(gè)連接點(diǎn)為中心的獨(dú)立區(qū)域。
15.如權(quán)利要求14所述的傳感器，其特征在于，框架是二維的，從而細(xì)絲如同車輪輻條一樣分布在內(nèi)部主體和框架之間，對(duì)于偏心的內(nèi)部主體位置可以具有不同的細(xì)絲長(zhǎng)度。
16.如權(quán)利要求14所述的傳感器，其特征在于，框架是三維的。
17.如權(quán)利要求1或13所述的傳感器，其特征在于，框架進(jìn)一步利用彈性材料懸掛在外部框架上。
18.如權(quán)利要求17所述的傳感器，其特征在于，彈性材料是彈性膜。
19.如權(quán)利要求17所述的傳感器，其特征在于，彈性材料是三維橡膠材料等。
全文摘要
一種機(jī)械電傳感器，用于檢測(cè)力或振動(dòng)，包括由壓電支撐結(jié)構(gòu)(3)支撐的內(nèi)部主體(1)，其中該壓電支撐結(jié)構(gòu)(3)依次懸掛在外圍框架(2)上，以及從支撐結(jié)構(gòu)(3)的相對(duì)極化側(cè)引出的信號(hào)線?？蛇x地，外圍框架(2)可以設(shè)置有壓電區(qū)域，位于支撐結(jié)構(gòu)在框架(2)上的懸掛位置?？蚣?2)可以進(jìn)一步利用彈性材料(4)懸掛在外部框架(5)上。
文檔編號(hào)G01P15/18GK1437701SQ01811623
公開(kāi)日2003年8月20日 申請(qǐng)日期2001年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月23日
發(fā)明者比格爾·奧騰 申請(qǐng)人:梅迪特龍股份有限公司