CH654114A5

CH654114A5 - Dispositivo di supporto flessibile per trasduttori sensibili ad una forza.

Info

Publication number: CH654114A5
Application number: CH4236/82A
Authority: CH
Inventors: Richard A Hanson; Kim W Atherton
Original assignee: Sundstrand Data Control
Priority date: 1981-07-14
Filing date: 1982-07-12
Publication date: 1986-01-31
Also published as: DE3225236C2; IL66179A0; US4400979A; FR2509864A1; AU8491582A; SE8204220D0; IT8248779A0; IT1149014B; SE8204220L; AU554447B2; CA1178454A; FR2509864B1; SE451899B; DE3225236A1; NO822380L; JPH049268B2; IL66179A; JPS5818130A

Description

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di supporto flessibile per trasduttori onde collegare ad una base di montaggio un organo sensibile ad una forza, avente un elemento elettrico di ripristino di forza.

Nel tipo di trasduttori di forza, come ad esempio gli accelerometri illustrati nel brevetto U.S.A. 3 702 073 di Jacobs e nei brevetti U.S.A. 4 182 187 e 4 250 757 di Hanson, un elemento sensibile alla forza è assicurato ad una base od anello di montaggio per mezzo di un supporto flessibile che consente all'elemento di muoversi rispetto alla base in risposta a piccole forze. In un tale accelerometro, il supporto flessibile può avere una struttura bifilare costituita da una coppia di organi piani sottili.

Per fornire connessioni elettriche a componenti collocati sull'elemento sensibile, possono venire usati conduttori flessibili fra la base e l'elemento sensibile, oppure una sottile pellicola di materiale conduttivo può venire depositata direttamente sul supporto flessibile o su un rivestimento non conduttivo sul supporto flessibile, se il supporto flessibile stesso è elettricamente conduttivo. Quando tali materiali sono depositati sul supporto flessibile, sollecitazioni vengono generate nel supporto flessibile a causa dei differenti coefficienti di temperatura del supporto flessibile e dei materiali conduttivi, oppure tramite il processo stesso di deposizione. Tali sollecitazioni a loro volta danno luogo a forze che tentano di deflettere da una posizione neutra l'elemento sensibile. In trasduttori a servoanello che applicano una forza di ripristino per mantenere nella posizione neutra l'elemento sensibile, un errore sistematico si sviluppa come risultato di queste sollecitazioni. In trasduttori ad anello aperto, dove viene misurata l'entità di deflessione dell'elemento sensibile, si produce anche un errore sistematico.

In quei trasduttori che utilizzano rivestimenti conduttivi si tenta di cancellare le sollecitazioni di pellicola depositando le pellicole in modo uguale sulla faccia superiore e su quella inferiore delle parti del supporto flessibile. Mentre questa costruzione riduce in certo grado gli errori, essa richiede un bilanciamento preciso durante il processo di deposizione così che lo spessore della pellicola sia eguale su entrambi i lati della porzione di supporto flessibile. Inoltre, questo bilanciamento dipende dalla stabilità delle sollecitazioni di pellicola nei riguardi del tempo, e dipende anche da altri fattori, come temperatura ambiente, purezza del materiale e contaminazione superficiale.

In generale, in trasduttori antecedenti è stato trovato desiderabile utilizzare il supporto flessibile più sottile possibile, conforme a requisiti di robustezza e di elasticità per un funziona- ' mento appropriato, così che vengano resi minimi gli effetti di sollecitazioni che portano ad errori sistematici. Tuttavia è stato trovato che la costante elastica, angolare oppure lineare, fornita da un supporto flessibile è proporzionale al cubo del suo spessore «t», mentre il momento flettente del supporto flessibile, dovuto a sollecitazione provocata da deposizione delle strisce conduttive, è solo proporzionale a «t». Ad esempio, se lo spessore del supporto flessibile viene ridotto di 30% in modo che la costante elastica angolare con ciò fornita venga cambiata da 0.02N radiante a 0.007N radiante, il momento di errore dovuto ad effetti di sollecitazione nella placcatura conduttiva viene ridotto soltanto di un fattore 1,42. Quindi, si può vedere che il limite inferiore del campo di accettabili costanti elastiche, fornito da un convenzionale supporto flessibile, verrà raggiunto molto prima che il momento di errore sia ridotto ad un valore insignificante. Di conseguenza, per questi tipi di supporti flessibili, debbono venire previsti compromessi fra l'ottenimento della costante elastica e della robustezza desiderate del supporto flessibile e la minimizzazione degli effetti di sollecitazione che conducono ad errori.

Secondo la presente invenzione, detto dispositivo di supporto flessibile comprende almeno una porzione del supporto flessibile la quale ha una coppia di facce ed un bordo estendentisi fra il detto organo e la detta base di montaggio; almeno un ca-

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naie avente una superficie arretrata che si estende nella detta porzione a partire da una delle dette facce, mentre detta superficie arretrata è confinante con il bordo, la superficie arretrata essendo sostanzialmente allineata con l'asse neutro di flessione della porzione di supporto flessibile; ed un materiale elettricamente conduttivo disposto sulla superficie arretrata, che si estende fra l'organo sensibile alla forza e la base di montaggio.

Poiché il materiale conduttivo è collocato su una superficie che giace sostanzialmente nel piano neutro di flessione del supporto flessibile, sollecitazioni nell'interfaccia fra la pellicola conduttiva ed il suppòrto flessibile non conducono ad errori sistematici. Ciò è dovuto al fatto che il momento flettente provocato da tali sollecitazioni è proporzionale alla distanza dell'interfaccia dal piano neutro di flessione. Poiché questa distanza è sostanzialmente nulla, il momento flettente viene reso minimo, ed errori sistematici vengono ridotti significativamente, se non interamente.

Il supporto flessibile può essere costituito da una o più porzioni, ciascuna delle quali contiene uno o più canali aventi ciascuno una superficie arretrata che giace sostanzialmente sul piano neutro di flessione del supporto flessibile.

Poiché il materiale conduttivo è sostanzialmente allineato con l'asse neutro di flessione, l'entità dell'errore introdotto dal materiale conduttivo è essenzialmente indipendente dallo spessore e dalla lunghezza complessiva e larghezza del supporto flessibile. Di conseguenza, il supporto flessibile può venire configurato in modo da fornire una adeguata robustezza e la desiderata costante elastica per l'accelerometro, senza provocare errori sistematici significativi a causa di sollecitazioni di pellicola.

La descrizione che segue spiega una forma d'esecuzione del dispositivo secondo l'invenzione, in cui la fig. 1 è una vista prospettica esplosa, parzialmente in sezione, di un accelerometro incorporante il supporto flessibile della presente invenzione;

la fig. 2 è una vista in pianta frammentaria ingrandita del supporto flessibile della fig. 1; e la fig. 3 è una vista prospettica frammentaria, eseguita genericamente lungo la linea 3-3 della fig. 1.

Riferendosi alle figg. 1 e 2, ivi è illustrato un trasduttore di forza sotto forma di un accelerometro asservito 10 che include un supporto flessibile 12 secondo la presente invenzione. L'accelerometro 10 è del tipo illustrato nel brevetto U.S.A.

3 702 073 di Jacobs, sebbene l'invenzione possa venire usata in altri trasduttori sensibili ad una forza, impieganti un moto angolare o lineare di un elemento sensibile alla forza.

L'accelerometro 10 è costituito da una coppia di organi di corpo cilindrici 14a, 14b e da un complesso 16 di massa di prova assicurato fra essi.

Gli organi 14a, 14b di corpo sono sostanzialmente identici e quindi verrà descritto solo l'organo 14a di corpo. L'organo 14a di corpo include una parete cilindrica 17 di corpo avente una nervatura 18 estendentesi verso l'interno, costituente una espansione polare magnetica, la quale parete si estende intorno al fondo che forma una base 19. L'espansione polare 18 ha una parete interna cilindrica che definisce una cavità 22. Alla base 19 entro la cavità 22 è assicurato un magnete permanente cilindrico 24 che ha una superficie circonferenziale esterna distanziata dalla parete cilindrica interna 20 in modo da definire un interstizio anulare 26 fra esse.

Il complesso 16 di massa di prova include un organo o lastra 30, sensibile ad una forza, il quale è montato a cerniera per mezzo del supporto flessibile 12 ad una base od anello 32 di montaggio.

Nell'accelerometro mostrato nelle figure, il supporto flessibile 12 consente alla lastra 30 di muoversi ad arco rispetto all'anello 32 di montaggio. Tuttavia, occorre intendere che il supporto flessibile 12 potrebbe venire usato in un trasduttore utilizzante un moto lineare dell'organo sensibile, lungo l'asse del trasduttore 10.

Alla faccia superiore 40 ed a quella inferiore 41 della lastra 30 sono assicurate due bobine 42 e rispettivamente 43 di ripristino di forza. .Le bobine 42, 43 di torsione sono avvolte su ro-chetti che si adattano entro l'interstizio anulare 26 formato in s ciascuno degli organi 14a, 14b di corpo quando le varie parti dell'accelerometro 10 sono assemblate.

Sulla faccia superiore 40 della lastra 30 è depositato uno strato 45 di materiale conduttivo. Un simile strato di materiale conduttivo è depositato sulla faccia inferiore 41 della lastra 30. io Questi strati elettricamente conduttivi formano una coppia di piastre di condensatore le quali interagiscono con una faccia 21 dell'espansione polare 18 e con una corrispondente faccia dell'espansione polare dell'organo 14b di corpo, in una maniera da descrivere in appresso.

15 Tre cuscini 34 di montaggio (uno dei quali non è mostrato nella fig. 1) sono disposti su una superficie superiore 36 dell'anello 32 di montaggio. Tre addizionali cuscini di montaggio sono collocati assialmente opposti ai cuscini 34 di montaggio, su una superficie inferiore 38 dell'anello 32.

20 L'anello 32 di montaggio è assicurato fra gli organi 14a, 14b di corpo in modo che un labbro 23 della parete cilindrica 17 di corpo ed un corrispondente labbro dell'organo Ì4b di corpo poggiano contro i cuscini di montaggio, e le bobine 42, 43 sono accolte entro l'interstizio anulare 26 e rispettivamente in un cor-25 rispondente interstizio anulare nell'organo 14b di corpo.

Nell'accelerometro 10 sono formati due condensatori variabili 48, 49, uno dei quali è costituito dalla faccia 21 e dal rivestimento sulla superficie inferiore 38, e l'altro di essi è costituito da una faccia corrispondente alla faccia 21 dell'espansione 30 polare dell'organo 14 di corpo e dal rivestimento 45 sulla faccia superiore 36 della lastra 30.

Gli strati conduttivi sulla faccia superiore 40 e sulla faccia inferiore 41 e le bobine 42, 43 sono accoppiati ad un circuito esterno per mezzo di quattro strisce conduttive 47a-47d le quali 35 si estendono fino all'anello 32 attraverso il supporto flessibile 12. Le connessioni elettriche al circuito esterno a partire dall'anello 32 vengono effettuate attraverso quattro piedini connettori (non mostrati), collocati nelle pareti di corpo degli organi 14a, 14b di corpo.

40 Quando l'accelerometro 10 viene sottoposto ad una accelerazione lungo il suo asse, la lastra 30 si muove rispetto all'anello 32 ed agli organi 14a, 14b di corpo, provocando con ciò un cambiamento nella capacità dei condensatori 48, 49. Il cambiamento di capacità viene rivelato da un servocircuito ad anello 45 singolo (non mostrato), il quale a sua volta accoppia alle bobine 42, 43 un segnale proporzionale al cambiamento di capacità. Il campo magnetico risultante creato dalle bobine 42, 43 interagisce con il campo magnetico stabilito dai magneti permanenti negli organi 14a, 14b di corpo, in modo da opporsi allo sposta-50 mento della lastra 30. La corrente richiesta dalle bobine 42, 43 per mantenere in posizione neutra la lastra 30 rappresenta la forza di accelerazione alla quale è sottoposto l'accelerometro.

Per una ulteriore descrizione dell'accelerometro 10, si fa riferimento al brevetto U.S.A. 3 702 073 di Jacobs, il cui trovato 55 è qui incorporato.

Riferendosi ora alla fig. 3, viene illustrata la realizzazione preferita del supporto flessibile 12 della presente invenzione.

Il supporto flessibile ha una configurazione a doppia mensola, è costituito da una coppia di porzioni 80, 88 di supporto 60 flessibile le quali si estendono fra la lastra 30 e l'anello 32 di montaggio. Le porzioni 80 e 88 sono separate da una apertura interposta che si estende anche fra la lastra 30 e la base 32 di montaggio.

Riferendosi ora alla fig. 3, ivi è mostrata una realizzazione 65 per il supporto flessibile 12, la quale può venire usata se la natura della particolare configurazione di trasduttore di forza gli garantisca di aumentare la resistenza al carico. Una superficie arretrata 82 di un canale 83 in una posizione 80 del supporto

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flessibile è adiacente ad un bordo 84. Una porzione 88 è un'immagine speculare della porzione 80, cioè esse sono simmetriche intorno al piano che interseca lo spazio fra le due porzioni 80, 88 e perpendicolare alla faccia superiore 86 e ad una faccia inferiore 90.

I canali sono mostrati nella fig. 3 con pareti laterali smussate 83a e 85a, 85b. Tuttavia queste pareti potrebbero essere superfici piane piatte o superfici incurvate.

La superficie arretrata 82 ed una superficie arretrata 87 sono collocate sostanzialmente sul piano od asse neutro di flessione delle porzioni 80, 88. Inoltre, le s'trisce conduttive 47 sono depositate sulle superfici arretrate 82, 87 e quindi sollecitazioni qualsiasi, che hanno origine nell'interfaccia fra il supporto flessibile ed il materiale conduttivo, non provocano un corrispondente momento flettente nel supporto flessibile.

II «piano neutro di flessione» è definito come quel piano che non è soggetto a trazione o compressione quando il supporto flessibile viene incurvato. Per un supporto flessibile avente una configurazione rettangolare uniforme in sezione trasversale, formata da due facce parallele e da due bordi come quella mostrata nella fig. 3, il piano neutro di flessione è costituito da punti che sono sostanzialmente equidistanti dalle facce del supporto flessibile, cioè il piano collocato a metà fra le facce del supporto flessibile.

Occorre notare che il reale asse neutro di flessione è leggermente non parallelo al piano del supporto flessibile a causa dell'asimmetria intorno all'asse del singolo supporto flessibile e, mentre questo effetto è normalmente piccolo, ciascun canale potrebbe essere collocato in modo che l'asse neutro di flessione passi attraverso il centro del canale se la rotazione angolare divenisse significativa.

I canali 83, 85 hanno anche pareti laterali 83a, e rispettivamente 85a, 85b. Sebbene i canali siano illustrati nelle figg. 1-3 nel senso di avere pareti piane che sono perpendicolari alle facce 86, 90, queste superfici possono in altro modo essere smussate od essere di configurazione incurvata con un piccolo raggio. Inoltre, le porzioni del supporto flessibile possono essere smussate od incurvate nella regione della loro giunzione con la lastra 30 e con l'anello 32 di montaggio in modo da fornire fra essi una transizione dolce, in opposizione alla transizione brusca mostrata nelle figg. 1 e 2.

Nella realizzazione preferita, la lastra 30, l'anello 32 di montaggio ed il supporto flessibile 12 sono formati da un sol pezzo di quarzo fuso che viene corroso od altrimenti lavorato fino alla sagoma desiderata. Per una descrizione dettagliata di un metodo di fabbricazione del supporto flessibile 12 si può fare riferimento al brevetto chiesto dalla stessa Richiedente, con priorità U.S.A. del 14. 8. 1981, serie n. 283 130.

Una volta che sono state formate le superfici arretrate 82, s 87, un sottile strato o striscia 47 di materiale conduttivo, come ad esempio oro, viene depositato lungo le superfici arretrare di entrambe le porzioni del supporto flessibile così da estendersi fra la lastra 30 e l'anello 32 di montaggio.

Il supporto flessibile 12 potrebbe in altro modo essere for-ìo mato da materiale elettricamente conduttivo, nel quai caso un rivestimento elettricamente non conduttivo viene depositato sul supporto flessibile 12 prima che vengano depositate le strisce conduttive 47.

Poiché il momento flettente di sollecitazione di pellicola è i5 proporzionale alla distanza alla quale le strisce conduttive 47 sono collocate del piano od asse neutro di flessione, allora qualsiasi forza che agisca in corrispondenza del piano neutro di flessione parallelo alla sua superficie, non produrrà alcun momento flettente poiché la distanza sarà nulla. Di conseguenza, 20 una striscia conduttiva depositata direttamente sull'asse neutro di flessione del supporto flessibile non produrrà un errore alla uscita del trasduttore a causa di sollecitazioni sull'interfaccia fra la striscia conduttiva ed il supporto flessibile. Poiché la striscia conduttiva ha uno spessore finito, idealmente, ma non ne-25 cessariamente, le superfici 82, 87 di canale saranno collocate al di là dell'asse neutro per metà dello spessore della striscia così che la striscia stessa sarà centrata sull'asse neutro.

Lo spessore, la lunghezza e la larghezza delle porzioni di supporto flessibile possono venire scelti in modo da fornire una 30 adeguata robustezza e la desiderata costante elastica per un funzionamento appropriato dell'accelerometro 10 senza aumentare significativamente errori sistematici. Di conseguenza, in contrapposto a trasduttori antecedenti, l'entità dell'errore introdotto dalle strisce conduttive 47 è essenzialmente indipendente dal-35 le dimensioni delle dette porzioni. Occorre notare che qualsiasi canale potrebbe venire progettato in modo da portare più di un conduttore isolato.

La realizzazione dell'invenzione come sopra descritta contempla che i vari canali allineati con l'asse neutro di flessione 40 del supporto flessibile siano collocati su supporti flessibili che forniscono il supporto principale dell'organo 30 sensibile alla forza, nei riguardi dell'anello o base 32 di montaggio. Tuttavia, il concetto di depositare un materiale elettricamente conduttivo come le strisce conduttive 47 lungo l'asse neutro di flessione di 45 un supporto flessibile si applicherà altrettanto bene ad un supporto flessibile od organo pieghevole non portante carico.

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1 foglio disegni

Claims

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1. Dispositivo di supporto flessibile (12) per trasduttori onde collegare ad una base di montaggio (32) un organo (30) sensibile ad una forza, avente un elemento elettrico di ripristino di forza (42), il quale dispositivo è caratterizzato da ciò che esso comprende almeno una porzione (80) del supporto flessibile la quale ha una coppia di facce (86, 90) ed un bordo (84) esten-dentisi fra il detto organo (30) e la detta base di montaggio (32); almeno un canale (83) avente una superficie arretrata (82) che si estende nella detta porzione (80) a partire da una delle dette facce (86, 90), mentre detta superfìcie arretrata (82) è confinante con il bordo (84), la superfìcie arretrata (82) essendo sostanzialmente allineata con l'asse neutro di flessione della porzione (80) di supporto flessibile; ed un materiale elettricamente conduttivo (47) disposto sulla superficie arretrata (82), che si estende fra l'organo (30) sensibile alla forza e la base di montaggio (32).

2. Dispositivo secondo la rivendicazione I, caratterizzato da ciò che detta superficie arretrata (82) è sostanzialmente equidistante dalle dette facce (86, 90).

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RIVENDICAZIONI

3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che una prima ed una seconda porzione (80, 88) del supporto flessibile sono separate da un'apertura interposta, le dette porzioni estendendosi fra una lastra (30) sensibile ad una forza e la detta base di montaggio (32); le porzioni (80, 88) del supporto flessibile presentano una faccia superiore (86) ed una inferiore (90) che terminano con un primo ed un secondo bordo (84); un canale (83) in ciascuna delle porzioni (80, 88) del supporto flessibile presenta una superficie arretrata (82) che si estende a partire dalla detta faccia superiore (86), la detta superficie arretrata (82) essendo disposta confinante al bordo (84) collocato in corrispondenza della detta apertura interposta; le dette superfici arretrate (82) sono sostanzialmente coincidenti con il piano neutro di flessione delle porzioni (80, 88) di supporto flessibile; ed un rivesti mento elettricamente conduttivo (47) sulle superfici arretrate (82) si estende fra la base di montaggio (32) e la lastra (30).

4. Dispositivo secondo le rivendicazione 3, caratterizzato da ciò che esso presenta un secondo canale (85) avente una seconda superficie arretrata (87) la quale si estende a partire dall'altra delle dette facce (90); la prima e la seconda superficie arretrata (82, 87) essendo sostanzialmente complanari e coincidenti con il piano neutro di flessione delle porzioni (80, 88) di supporto flessibile.

5. Dispositivo secondo la rivendicazione 3 oppure 4, caratterizzato da ciò che la seconda porzione (88) di supporto flessibile è sostanzialmente identica alla prima porzione (80) di supporto flessibile, ma ha rispetto a questa una relazione di antisimmetria.

6. Dispositivo secondo la rivendicazione 3 oppure 4, caratterizzato da ciò che la seconda porzione (88) di supporto flessibile è sostanzialmente un'immagine speculare della prima porzione (80), in modo che la seconda porzione è simmetrica alla prima porzione rispetto ad un piano che biseca la detta apertura ed è perpendicolare alle dette facce (86, 90).

7. Dispositivo secondo la rivendicazione 5 oppure 6, caratterizzato da ciò che la larghezza di ciascuna porzione (80, 88) di supporto flessibile è approssimativamente metà della sua lunghezza.

8. Dispositivo secondo la rivendicazione 5 oppure 6, caratterizzato da ciò che la profondità dei canali (83) è sostanzialmente metà della distanza fra le facce (86, 90) delle dette porzioni di supporto flessibile.

9. Dispositivo secondo la rivendicazione 5 oppure 6, caratterizzato da ciò che la distanza fra le facce (86, 90) di ciascuna porzione (80, 88) è dell'ordine di un centesimo della lunghezza di ciascuna porzione.