Упругий подвес для пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного датчика угловой скорости и способ его монтажа

Упругий подвес для пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного датчика угловой скорости и способ его монтажа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к малогабаритным вибрационным датчикам угловой скорости (ДУС), в частности, к производству и технологии сборки ДУС с балочным биморфным пьезоэлектрическим чувствительным элементом.

Известно применение упругих подвесов для балочного пьезоэлектрического чувствительного элемента вибрационного ДУС (патент US 6720714 ВВ), выполненных из упругого металлического материала в виде плоских Z-образных фигур, закрепленных по середине на балочном чувствительном элементе, а по краям - на элементах корпуса ДУС.

В этом решении упругие подвесы являются также и электрическими токоподводами к электродам балочного элемента.

Недостатки данного решения состоят в сложности прецизионного монтажа четырех упругих подвесов, а также в снижении чувствительности ДУС из-за несовпадения срединной плоскости биморфного пьезоэлемента с плоскостями Z-образных подвесов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является патент US 6694813 ВВ.

В этом изобретении упругие подвесы для пьезоэлектрического балочного чувствительного элемента представляют собой тонкие стержни, концы которых изогнуты в двух взаимно перпендикулярных плоскостях таким образом, что они расположены в срединной плоскости балочного биморфного пьезоэлемента. Благодаря этому чувствительность ДУС существенно повышается.

Недостатки данного прототипа заключаются в сложности прецизионной гибки и монтажа подвесов. Необходимая точность выполнения этих операций составляет порядка 5-10 мкм.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции упругих подвесов, а также в упрощении технологии монтажа подвесов на балочный чувствительный элемент ДУС.

Указанный технический результат достигается тем, что подвес для пьезоэлектрического балочного биморфного чувствительного элемента ДУС выполнен из упругого металлического материала и закреплен в узловой точке балочного чувствительного элемента, причем подвес выполнен из материала с модулем упругости Е≤11·10¹⁰ Н/м² в виде плоской замкнутой прямоугольной рамки, внутри которой сформированы два плоских торсиона, закрепляемых в пазах балочного чувствительного элемента, причем рамка подвеса установлена в узловой плоскости упомянутого балочного чувствительного элемента перпендикулярно его продольной оси, при этом размеры элементов подвеса выбраны из условия равенства резонансных частот колебаний балочного чувствительного элемента с подвесами в плоскостях возбуждения и отклика.

Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что подвес выполнен из материала с модулем упругости Е≤11·10¹⁰ Н/м² в виде плоской замкнутой прямоугольной рамки, внутри которой сформированы два плоских торсиона, закрепляемых в пазах балочного чувствительного элемента, причем рамка подвеса установлена в узловой плоскости упомянутого балочного элемента перпендикулярно его продольной оси, при этом размеры элементов подвеса выбраны из условия равенства резонансных частот колебаний балочного чувствительного элемента с подвесами в плоскостях возбуждения и отклика.

Предлагается также способ монтажа упругого подвеса для балочного биморфного пьезоэлектрического чувствительного элемента ДУС. Наиболее близким к предлагаемому решению является патент US 6694813 ВВ. Недостатком данного решения является сложность и невысокая точность монтажа подвеса.

Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ монтажа упругого подвеса на балочный чувствительный элемент ДУС, является достижение технического результата, заключающегося в упрощении технологии и повышении точности монтажа подвесов на балочный чувствительный элемент ДУС.

Указанный технический результат достигается способом монтажа упругого подвеса для пьезоэлектрического балочного биморфного чувствительного элемента ДУС, заключающемся в том, что упругий подвес, выполненный в виде плоской замкнутой прямоугольной рамки, внутри которой сформированы два плоских торсиона, закрепляют на балочном чувствительном элементе таким образом, что верхний и нижний торсионы упомянутой рамки защелкивают в пазы, выполненные в балочном чувствительном элементе строго в нулевой плоскости его колебаний, по меньшей мере, на одной его стороне, после чего разделяют смонтированный на сновании ДУС наружный элемент рамки, формируют электрические выводы от электродов балочного чувствительного элемента.

Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что подвес закрепляют на балочном чувствительном элементе таким образом, что верхний и нижний торсионы рамки подвеса защелкивают в пазы, выполненные в балочном чувствительном элементе строго в нулевой плоскости его колебаний, по меньшей мере, на одной его стороне, а наружный элемент рамки подвеса, смонтированный на основании ДУС, разделяют и формируют электрические выводы от электродов балочного чувствительного элемента.

Указанная совокупность отличительных признаков конструкции и способа позволяет достичь технического результата, заключающегося в упрощении конструкции упругих подвесов, а также в упрощении технологии и повышении точности монтажа подвесов на балочный чувствительный элемент ДУС.

Изобретение поясняется фиг.1, 2, 3, 4, 5.

На фиг.1 приведен общий вид балочного чувствительного элемента в сборе с упругими подвесами.

На фиг.2 - схема упругого подвеса.

На фиг.3 - расчетные зависимости амплитуды колебаний балочного чувствительного элемента размером 1×1×10 мм² подвесами из материала с модулями упругости 5·10¹⁰≤E≤15·10¹⁰ Н/м² в плоскостях возбуждения и отклика.

На фиг.4 - зависимость амплитуд колебаний балочного чувствительного элемента с подвесами в плоскостях возбуждения и отклика от ширины сечения рамок.

На фиг.5 - зависимость амплитуд колебаний балочного чувствительного элемента с подвесами в плоскостях возбуждения и отклика от толщины подвеса.

Пример реализации заявляемого подвеса.

Упругие подвесы 1, 2 (фиг.1) насажены на балочный чувствительный элемент 3 в местах узлов его колебаний таким образом, что верхний 4 и нижний 5 торсионы рамки подвеса (фиг.2) защелкнуты в пазы 6 (фиг.1), выполненные в балочном чувствительном элементе строго в нулевой плоскости его колебаний. Благодаря этому точность монтажа подвесов возрастает, что является одним из условий высокой чувствительности и повышения точности ДУС.

В предлагаемом решении рамочные подвесы являются также токоподводами к балочному чувствительному элементу 3 (фиг.1), соединяющимися на основании ДУС с токоведущими дорожками 12 (фиг.1). Для этого согласно способу изготовления устройства основание 7 (фиг.2) рамки подвесов монтируют на основание ДУС 11 (фиг.1), после чего их разрезают на участках 8 (фиг.1). Пазы 9 и 10 (фиг.1) на поверхности балочного чувствительного элемента предназначены для электрической изоляции двух плеч биморфного элемента.

При возбуждающих колебаниях балочного чувствительного элемента упругие подвесы испытывают деформацию изгиба, а при колебаниях отклика - деформацию кручения. Максимальная чувствительность ДУС достигается при выполнении условия равенства частот колебаний балочного чувствительного элемента в плоскостях возбуждения и отклика.

Выполнение этого требования обеспечивается в широких пределах выбором ширины а2, длин торсионов h1 и h2, а также шириной наружных элементов а1 рамки подвеса, фиг.2.

Характерные размеры балочного чувствительного элемента в малогабаритных ДУС порядка 1×1×10 мм. Расчеты показывают, что для такого балочного чувствительного элемента предлагаемый упругий подвес имеет оптимальные размеры: а1=150 мкм, а2=100 мкм, В=100 мкм, С=2100 мкм, Н=3400 мкм.

При этом максимальная чувствительность датчика достигается при значении модуля упругости менее либо равном 11·10¹⁰ Н/м² (фиг.3), и практически не зависит от параметров «а1» и «В» предлагаемых подвесов, если ширина сечения рамки а1≤200÷175 мкм (фиг.4).

При прочих равных условиях амплитуда колебаний балочного чувствительного элемента с подвесами в плоскости возбуждения возрастает с уменьшением толщины подвеса (из фиг.5).

Из фиг.3, 4, и 5 также видно, что при использовании предложенного подвеса амплитуда колебаний балочного чувствительного элемента в плоскости отклика практически не зависит от модуля упругости, ширины сечения рамок и толщины подвеса, что значительно упрощает технологию изготовления подвеса.

Аналогичные расчеты проведены и для прототипа подвеса (патент US 6694813 ВВ), как наиболее близкого к разработанному подвесу. При этом амплитуда колебаний балочного чувствительного элемента в плоскости возбуждения составила 3,4 мкм, а в плоскости отклика - 1,3 мкм. Из полученного результата следует, что предложенный упругий подвес по сравнению с аналогом обеспечивает большую чувствительность ДУС. При этом конструкция и способ монтажа разработанного подвеса на балочный элемент значительно проще.

1. Упругий подвес для пьезоэлектрического балочного биморфного чувствительного элемента датчика угловой скорости, выполненный из упругого металлического материала и закрепленный в узловой точке балочного чувствительного элемента, отличающийся тем, что подвес выполняют из материала с модулем упругости Е≤11·10¹⁰ Н/м² в виде плоской замкнутой прямоугольной рамки, внутри которой сформированы два плоских торсиона, закрепляемых в пазах балочного чувствительного элемента, причем рамку подвеса устанавливают в узловой плоскости упомянутого балочного элемента перпендикулярно его продольной оси, при этом размеры элементов подвеса выбирают из условия равенства резонансных частот колебаний балочного чувствительного элемента с подвесами в плоскостях возбуждения и отклика.

2. Способ монтажа упругого подвеса для пьезоэлектрического балочного биморфного чувствительного элемента датчика угловой скорости, отличающийся тем, что упругий подвес выполняют в виде плоской замкнутой прямоугольной рамки, внутри которой сформированы два плоских торсиона, закрепляют на балочном чувствительном элементе таким образом, что верхний и нижний торсионы упомянутой рамки защелкивают в пазы, выполненные в балочном чувствительном элементе строго в нулевой плоскости его колебаний, по меньшей мере, на одной его стороне, после чего разделяют смонтированный на основании датчика угловой скорости наружный элемент рамки, формируют электрические выводы от электродов балочного чувствительного элемента.