專利名稱：用于磁流體加速度計(jì)的外殼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于磁流體加速傳感器的外殼。
背景技術(shù)：
在例如提交于2004年5月3日的美國專利申請No.10/836,624、提交于2004年5月3日的美國專利申請No.10/836,186、提交于2003年5月21日的美國專利申請No.10/422,170、提交于2002年8月1日的美國專利申請No.10/209,197(現(xiàn)在為美國專利No.6,731,268)、提交于2000年2月24日的美國專利申請No.09/511,831(現(xiàn)在為美國專利No.6,466,200)、及提交于1999年11月3日的俄羅斯專利申請No.99122838中描述了磁流體加速度計(jì)。這些加速度計(jì)利用磁流體原理和懸浮在一種磁性流體中的慣性體來測量加速度。這樣一種加速度計(jì)常常包括一個傳感器殼體(傳感器外殼、或“容器”)，該傳感器殼體填充有磁性流體。一個慣性體(“慣性物體”)懸浮在磁性流體中。加速度計(jì)通常包括在磁性流體中產(chǎn)生磁場的多個驅(qū)動線圈(動力線圈)、和探測由慣性體的相對運(yùn)動造成的磁場變化的多個測量線圈。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于磁流體加速度傳感器的外殼，其基本上消除相關(guān)技術(shù)的一種或多種缺點(diǎn)。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，一種傳感器包括一個外殼，該外殼封閉一個慣性體并且保持多個磁場源。磁場源可以包括磁鐵、電磁鐵或兩者的組合。傳感器外殼也包含基本上位于磁場源與慣性體之間的磁性流體。磁場源在磁性流體內(nèi)產(chǎn)生一個磁場，以保持在其中懸浮的慣性體。成對的檢測線圈(或其它位置傳感器)繞外殼布置，以便檢測在傳感器外殼內(nèi)由慣性體在磁性流體內(nèi)的運(yùn)動造成的磁通密度變化。
傳感器外殼的各個實(shí)施例容納磁場源，這些磁場源基本上或部分地定位在傳感器外殼的內(nèi)部內(nèi)。在傳感器外殼的一個實(shí)施例中，檢測線圈和磁場源可以安裝在多個組件殼體中，這些殼體分別聯(lián)接到傳感器外殼上。在一個實(shí)施例中，組件殼體和檢測線圈的每一個在一個公共平面中包括一個引導(dǎo)表面。檢測線圈的引導(dǎo)表面由薄膜氣密地密封，以防止磁性流體泄漏到組件殼體中。這樣，磁性流體保持在外殼的內(nèi)部內(nèi)，并且慣性體的位移基本上被約束到由組件殼體的引導(dǎo)表面限定的傳感器外殼的“工作”空間。
本發(fā)明的另外特征和優(yōu)點(diǎn)在隨后的描述中敘述，并且部分由描述是顯然的，或者可以通過本發(fā)明的實(shí)踐了解。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將通過在書寫的描述和其權(quán)利要求書以及附圖中具體指出的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)和得到。要理解，以上一般性描述和如下詳細(xì)描述都是示范和解釋性的，并且打算提供所要求保護(hù)的本發(fā)明的進(jìn)一步解釋。


被包括以提供本發(fā)明的進(jìn)一步理解并且并入和構(gòu)成本說明書的一部分的附圖，表明本發(fā)明的實(shí)施例，并且與描述一起用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中圖1表明根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的一種組裝磁流體加速度傳感器的等軸測圖。
圖2表明使驅(qū)動磁鐵組件被除去的圖1的傳感器的側(cè)視圖。
圖3表明在圖2中表示的傳感器的部分剖視圖。
圖4表明圖1的傳感器的分解側(cè)視圖。
圖5表明圖4的傳感器的等軸測圖。
圖6表明根據(jù)本發(fā)明的一種傳感器的另一個實(shí)施例。
圖7表明根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的一種傳感器外殼。
圖8、9A、9B及10表明根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的用于傳感器的一種蛤殼型外殼。
圖11-12表明根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的用于傳感器的一種外殼。
圖13表明在本發(fā)明中使用的一種公共變壓器的一個實(shí)施例。
圖14-16表明根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的用于傳感器的一種外殼。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將對本發(fā)明的實(shí)施例詳細(xì)地進(jìn)行參考，本發(fā)明的例子表明在附圖中。
圖1表明根據(jù)本發(fā)明的一種磁流體加速度傳感器102的一個實(shí)施例。磁流體傳感器的一般工作原理在美國專利No.6,466,200中描述，該專利包括在這里以供參考。傳感器的動作一般由一組非線性偏微分方程描述，見提交于2004年9月30日、發(fā)明人為ROMANOV等、標(biāo)題為METHOD OF CALCULATING LINEAR AND ANGULARACCELERATION IN A MAGNETOFLUIDIC ACCELEROMETERWITH AN INERTIAL BODY的美國分案專利申請No.60/614,415，本申請要求該申請的優(yōu)先權(quán)。
以組裝形式表示在圖1中的傳感器102包括一個外殼104、多個驅(qū)動磁鐵組件106A-106E，驅(qū)動磁鐵組件106A-106E的每一個使用對應(yīng)導(dǎo)線110A-110E連接到一個電源(未表示)上。五個驅(qū)動磁鐵組件106A-106E表示在圖1中，一個第六驅(qū)動磁鐵組件106F在本視圖中被隱藏但表示在圖3中。然而，在另外的實(shí)施例中，依據(jù)傳感器被使用的用途，少于或多于六個驅(qū)動磁鐵組件可以包括在傳感器中。在一個實(shí)施例中，外殼104由一種適當(dāng)?shù)乃芰贤ㄟ^注射模壓過程而形成。這樣，外殼104可以具有單個或多部分構(gòu)造。
圖2表明使驅(qū)動磁鐵組件106C被除去的圖1的傳感器102。由于驅(qū)動磁鐵組件106C被除去，所以一個慣性體202在外殼104的一個工作空間205中是可見的，外殼104的參數(shù)下面更充分地詳述。在操作期間，慣性體202如表示的那樣位于外殼104的近似幾何中心處。一種磁性流體203填充或部分填充外殼104的適用體積的剩余部分。例如，磁性流體203可以在煤油基液中包括金屬顆粒，如鈷、釓、鎳、鏑、及鐵；它們的氧化物，例如Fe3O4、FeO2、Fe2O3；以及像錳鋅鐵氧體(ZnxMn1-xFe2O4)之類的磁性化合物、鈷鐵氧體、或其它鐵磁性合金、氧化物及鐵氧體。作為對于煤油的一個選擇例，水或某些油可以用作基液。
圖3表明圖2的傳感器102的部分剖視圖，表示具有相應(yīng)驅(qū)動磁鐵307A、307B、307D及307E和成對檢測線圈308A、308B、308D及308E的一種布置的驅(qū)動磁鐵組件106A、106B、106D及106E。應(yīng)該理解，在圖3的實(shí)施例中，傳感器102的每個驅(qū)動磁鐵組件106A-106F具有一對檢測線圈和一個驅(qū)動磁鐵，如代表性地由成對檢測線圈308A、308B、308D及308E和驅(qū)動磁鐵組件106A、106B、106D及106E在圖3中表明的那樣。
驅(qū)動磁鐵可以是磁鐵、電磁鐵或其組合，并且可選擇地可以稱作懸浮磁鐵、動力磁鐵、動力線圈、或懸浮線圈(如果使用電磁鐵的話)。檢測線圈也可以稱作“檢測磁鐵”或“測量線圈”。另外或可選擇地對于一對檢測線圈(即感應(yīng)傳感器)，霍爾傳感器、激光或LED傳感器、靜電傳感器、聲學(xué)傳感器、及光學(xué)傳感器也可以用來探測慣性體202的位置。
在一個實(shí)施例中，為了測量線和角加速度，一對檢測線圈定位在外殼104的每一側(cè)。在另一個實(shí)施例中，有可能使用在外殼104的每一側(cè)偏離中心放置的單個檢測線圈，但在這種情況下，確定角加速度需要更復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析。
圖4和5從兩個不同角度表明圖1的傳感器102的各種元件。每個圖包括驅(qū)動磁鐵組件106D的分解視圖。如圖中所示，驅(qū)動磁鐵組件106D包括一個組件殼體412D、一個后蓋414、驅(qū)動磁鐵307D、一對檢測線圈308D及一個驅(qū)動磁芯418。每個檢測線圈308D繞一個相應(yīng)檢測芯416纏繞。在一個實(shí)施例中，通過使每個檢測線圈308D繞其相應(yīng)檢測芯416獨(dú)立地纏繞，簡化制造過程。然后檢測芯416與檢測線圈308D一起被固定(粘結(jié))到驅(qū)動磁芯418上，驅(qū)動磁鐵(即動力線圈)307D以后纏繞到驅(qū)動磁芯418上，由此創(chuàng)建一個組件。該組件然后放置在組件殼體412D內(nèi)，組件殼體412D最后固定到后蓋414上，以形成驅(qū)動磁鐵組件106D。
如在圖4中表明的那樣，驅(qū)動磁鐵307D繞驅(qū)動磁芯418纏繞，驅(qū)動磁芯418牢固地固定到后蓋414上或者與其制成整體。組件殼體412D可固定到后蓋414上，以在其中封閉驅(qū)動磁鐵307D和檢測線圈308D。驅(qū)動磁鐵307D可以由芯部418經(jīng)導(dǎo)線110D可操作地連接到一個電源(未表示)上。類似地，檢測線圈308D可以經(jīng)芯部416可操作地連接到一個用來從傳感器接收輸出的裝置(未表示)上。在圖13中所示的一個可選擇實(shí)施例中，芯416和418可以由單個或公共變壓器芯1330替換。在圖13的實(shí)施例中，每個檢測線圈1308繞公共變壓器芯1330的一個相應(yīng)叉式齒1332纏繞，而一個驅(qū)動磁鐵1307繞公共變壓器芯1330的一個基座1334纏繞。
圖5是圖4的傳感器102的等軸測圖。在本發(fā)明的這個實(shí)施例中，組件殼體412D在與組件殼體412D的引導(dǎo)表面220D的公共平面中包括用來容納定位檢測芯416的引導(dǎo)表面509的孔徑501。在一個實(shí)施例中，檢測芯416的引導(dǎo)表面509由薄膜(未表示)氣密地密封，從而檢測線圈不與磁性流體203相接觸。另外，薄膜防止磁性流體泄漏到組件殼體412D中。在一個實(shí)施例中，薄膜可以由諸如TEFLON或聚對苯二甲酸乙酯(PET或DACRON)之類的非磁性非傳導(dǎo)材料制成。在一個另外的實(shí)施例中，一種粘合到組件殼體和檢測線圈芯上的密封劑可以用來防止磁性流體流到組件殼體412D中。
在圖4和5的實(shí)施例中，組件殼體412D包括一個邊沿411，該邊沿411具有一個內(nèi)徑，該內(nèi)徑定尺寸成繞后蓋414的一個臺肩413配合。以這種方式，在組件殼體412D與蓋414之間的固定布置可以是也能包括一種粘合劑或密封裝置的咬入、摩擦或過盈配合。在一個可選擇實(shí)施例中，組件殼體412D和蓋414可以具有一種螺紋連接。組件殼體412D也包括一個臺肩415，臺肩415可接收在傳感器外殼104的一個端口419內(nèi)并且可與其對接。以這種方式，在組件殼體412D與傳感器外殼104之間的固定布置可以是在其之間也可以包括粘合劑或密封裝置的咬入、摩擦或過盈配合。
在圖1-5的實(shí)施例中，驅(qū)動磁鐵組件106A、106B、106D及106E的組件殼體412A、412B、412D及412E的每一個分別包括四個傾斜表面517A、517B、517D及517E。應(yīng)該理解，沒有充分表示的驅(qū)動磁鐵組件106C和106F也包括四個這樣的傾斜表面。在圖1-5的實(shí)施例中表示的傳感器外殼中，組件殼體具有“金字塔”形狀，以使與驅(qū)動磁鐵線圈繞組相鄰的組件殼體半徑最大。在這樣一種布置中，使在傳感器操作期間無用的、在組件殼體內(nèi)的消散磁通最小，因?yàn)槭乖谂c驅(qū)動線圈相鄰的組件殼體半徑與芯的半徑之比最大。
當(dāng)驅(qū)動磁鐵組件106A-106F在傳感器外殼104的相應(yīng)端口419內(nèi)被對接時，一個第一驅(qū)動磁鐵組件殼體的每個傾斜表面與在外殼104的內(nèi)部中的四個最接近的驅(qū)動磁鐵組件殼體的每一個的一個相鄰傾斜表面對齊。殼體表面的對齊最好表明在圖2中表示的傳感器外殼104的內(nèi)部視圖中。如圖2中所示，驅(qū)動磁鐵組件106A、106B、106D及106E的引導(dǎo)表面220A、220B、220D及220E，與驅(qū)動磁鐵組件106C和106F(未表示)的引導(dǎo)表面一起，形成一個其中基本上包含慣性體202的工作空間205。
由每個驅(qū)動磁鐵組件106A-106F創(chuàng)建的磁場協(xié)同地用來把慣性體202懸浮在磁性流體203中在工作空間205內(nèi)的一個平衡點(diǎn)處，該平衡點(diǎn)靠近傳感器外殼104的幾何中心。在慣性體202的運(yùn)動和磁性流體203的同時移動時，驅(qū)動磁鐵組件106A-106F的檢測線圈測量在外殼104內(nèi)的磁場變化。起一個彈性體作用的磁性流體203試圖在工作空間205內(nèi)返回到磁場最強(qiáng)的位置。這導(dǎo)致對于慣性體202的排斥力。
慣性體202可以由非磁性的，或者部分(弱)磁性的(例如基本上磁性比磁性流體203小)的材料制成。
盡管以上表示和描述的傳感器外殼是立方形的，但將認(rèn)識到，傳感器外殼不必是立方形的，而是能具有任何形式以適應(yīng)較大或較小體積的磁性流體；磁流體加速度傳感器的整體尺寸的減小或增大；各種成形的慣性體；和/或較大或較小數(shù)量的磁場源和/或檢測機(jī)構(gòu)。例如，一種傳感器600的一種共形(conformal)外殼604具有斜切的角部621，如圖6中表明的那樣，以減小傳感器的內(nèi)部區(qū)域、以及外部尺寸。況且，在一個實(shí)施例中，至少一個斜切的角部621可以包括一個小孔徑，通過該孔徑，組裝的傳感器填充有磁性流體。這種手段的優(yōu)點(diǎn)在于，需要使用較少的磁性流體，這導(dǎo)致一種更穩(wěn)定的傳感器和較低的成本(由于磁性流體是較昂貴的成分)。在這種情況下，有通過流體的較大阻尼效應(yīng)，這意味著傳感器的帶寬減小。也應(yīng)該注意，較低帶寬實(shí)際上在許多應(yīng)用中是希望的。
而且，根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的一種傳感器外殼可以具有幾毫米或更小的邊長尺寸。在圖7中表示的一個可選擇實(shí)施例中，表示一種具有最小邊長尺寸的傳感器700，該傳感器700適于直接安裝在印刷電路板(PCB)上。傳感器700包括并入到一個外殼704的一個側(cè)表面上的墊片722，用來把傳感器700安裝到包括匹配接觸墊片728的PCB 726上。
盡管以上討論的實(shí)施例表明一個有分離驅(qū)動磁鐵組件固定到其上的外殼，但建造較少元件的一個組合外殼/驅(qū)動磁鐵組件仍在本發(fā)明的范圍內(nèi)，這些元件為了設(shè)計(jì)變化容易被密封地固定在一起。例如，圖8、9A、9B及10表明具有一個組合外殼/驅(qū)動磁鐵組件804的一種傳感器800，該組件804包括當(dāng)沿對應(yīng)接合表面823A和824A接合時形成一個立方體或平行六面體的一個第一部分823和一個第二部分825。在這個實(shí)施例中，一個慣性體802與代表性磁性流體803被封閉在一個工作空間805內(nèi)，該工作空間805部分形成每個接合表面823A和824A。表示成離開第一和第二外殼部分823、824的導(dǎo)線810連接到在外殼/驅(qū)動磁鐵組件804內(nèi)和/或與其制成整體的各種驅(qū)動磁鐵和檢測元件上。
在圖11-12中的另一個實(shí)施例中，一種傳感器1100包括一個長方體形多面體形狀的外殼1104，該外殼1104容納一個也成形為長方體形多面體的慣性體1102。
圖14-16表明根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的一種傳感器1400，該傳感器1400包括一個金字塔形外殼1404，外殼1404容納一個金字塔形慣性體1402。傳感器1400包括四個側(cè)面，每個側(cè)面具有與上述驅(qū)動磁鐵組件106A-106F類似的一個驅(qū)動磁鐵組件1406。這樣，每個驅(qū)動磁鐵組件1406經(jīng)一個外殼端口1419與外殼1404嚙合和聯(lián)接。
因而，上述磁流體加速度傳感器基于排斥磁性力的原理而工作。包含在其中的磁性流體是高磁性的，并且被吸向其驅(qū)動磁鐵。因此，被拉向驅(qū)動磁鐵的磁性流體的作用在磁性流體內(nèi)創(chuàng)建一種在遠(yuǎn)離驅(qū)動磁鐵的方向上對于慣性體的推回或排斥效應(yīng)。在所有驅(qū)動磁鐵都相同、或者所有驅(qū)動磁鐵都施加相同的力、并且驅(qū)動磁鐵繞慣性體對稱布置的情況下，慣性體往往會懸浮在外殼的幾何中心中。這種效應(yīng)可以描述成排斥磁性效應(yīng)，盡管慣性體不受驅(qū)動磁鐵的直接影響，而是間接地通過磁性流體而影響。
已經(jīng)如此描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了描述的方法和設(shè)備的某些優(yōu)點(diǎn)。也應(yīng)該認(rèn)識到，在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)能形成本發(fā)明的各種修改、修正、及可選擇實(shí)施例。本發(fā)明進(jìn)一步由如下權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種磁流體加速度傳感器，包括一個外殼，具有提供從外殼的外部到內(nèi)部的開口的多個端口；多個驅(qū)動磁鐵組件，每個驅(qū)動磁鐵組件可與外殼的一個相應(yīng)端口嚙合，其中每個驅(qū)動磁鐵組件包括一個磁場源；一種在外殼內(nèi)的磁性流體；及一個在磁性流體內(nèi)的慣性體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，每個驅(qū)動磁鐵組件還包括一個檢測元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，每個驅(qū)動磁鐵組件還包括一個組件殼體和一個后蓋，組件殼體和后蓋配合在一起，以基本上封閉磁場源和檢測元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，磁場源包括一個驅(qū)動磁鐵線圈，并且檢測元件包括一對檢測線圈。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其中，驅(qū)動磁鐵線圈和該對檢測線圈繞一個公共變壓器芯纏繞。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，每個組件殼體具有在外殼的內(nèi)部延伸的多個傾斜表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其中，一個驅(qū)動磁鐵組件的傾斜表面與最近的驅(qū)動磁鐵組件的傾斜表面對齊。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，每個組件殼體包括一個引導(dǎo)表面，并且檢測元件包括繞相應(yīng)芯部纏繞的一對檢測線圈，從而芯部的一個引導(dǎo)表面和組件殼體的一個引導(dǎo)表面處于一個公共平面中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，外殼具有六個側(cè)面，每個側(cè)面具有固定到其上的多個驅(qū)動磁鐵組件中的一個。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，磁場源是從基本上包括磁鐵、電磁鐵及磁鐵和電磁鐵的組合的組中選擇的一種驅(qū)動磁鐵。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，慣性體是非磁性的。
12.一種傳感器，包括一個外殼；多個驅(qū)動磁鐵組件，定位在外殼內(nèi)，其中每個驅(qū)動磁鐵組件包括一個磁鐵；一種在外殼內(nèi)靠近驅(qū)動磁鐵的磁性流體；及一個在磁性流體內(nèi)的慣性體。
全文摘要
一種用于磁流體傳感器的外殼，其中該傳感器具有多個驅(qū)動磁鐵組件、磁性流體及一個慣性體。外殼具有用來固定相應(yīng)驅(qū)動磁鐵組件的多個端口，從而每個驅(qū)動磁鐵組件的一部分定位在靠近磁性流體的外殼內(nèi)。每個驅(qū)動磁鐵組件包括一個磁場源，用來在作用在慣性體上的磁性流體內(nèi)創(chuàng)建一個磁場。每個驅(qū)動磁鐵組件也包括一個檢測元件，用來檢測慣性體在磁性流體內(nèi)的運(yùn)動。
文檔編號G01P1/00GK1776433SQ20051010750
公開日2006年5月24日 申請日期2005年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月23日
發(fā)明者D·V·西蒙年科, A·E.·蘇普倫, Y·I·羅曼諾夫 申請人:伊納拉伯斯技術(shù)公司