CH654920A5

CH654920A5 - Procedimento per produrre un dispositivo di supporto flessibile di un trasduttore di forza.

Info

Publication number: CH654920A5
Application number: CH4237/82A
Authority: CH
Inventors: Kim W Atherton
Original assignee: Sundstrand Data Control
Priority date: 1981-07-14
Filing date: 1982-07-12
Publication date: 1986-03-14
Also published as: FR2509866A1; SE451900B; JPS5818131A; AU8491482A; JPH049269B2; IL66178A; IL66178A0; US4394405A; SE8204221D0; FR2509866B1; SE8204221L; IT8248777A0; DE3225216A1; DE3225216C2; AU554274B2; NO822381L; IT1149012B; CA1191337A

Description

La presente invenzione si riferisce a un procedimento per produrre un dispositivo di supporto flessibile di un trasduttore di forza, collegante una base di montaggio ad un elemento sensibile ad una forza.

In un trasduttore di forza, per esempio un accelerometro elettromagnetico servobilanciato, il sensore di forza può includere una parte unitaria di quarzo fuso, vetro o metallo, costituita da un elemento mobile unito ad una base tramite una porzione pieghevole del supporto flessibile.

Un esempio di un tale trasduttore si trova 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. Altri brevetti chiesti in data odierna dalla stessa Richiedente, con priorità U.S.A. del 14 Luglio 1981, Serie n. 283 340 e 283 129 illustrano supporti flessibili per un trasduttore di forza con conduttori depositati su superfici sostanzialmente nel piano neutro di flessione del supporto flessibile. La presente invenzione riguarda un procedimento per produrre un tale supporto flessibile.

Nella fabbricazione di un tale trasduttore è desiderabile regolare con elevata precisione le dimensioni di spessore del supporto flessibile poiché ciò regola in grado ampio il comportamento sistematico finale del trasduttore, ed inoltre si considera desiderabile raggiungere la detta precisione in maniera semplice, affidabile. Finora la produzione di tali supporti flessibili ha richiesto rigorosi controlli di processo combinati con una misurazione periodica dello spessore del supporto flessibile.

La presente invenzione riguarda la detta desiderabile combinazione di proprietà di lavorazione del detto dispositivo di supporto flessibile con le operazioni di: fornire uno sbozzato con due superfici opposte; asportare materiale da una prima parte e da una prima parte di controllo spessore di una delle dette superfici; asportare metariale da una seconda parte di controllo spessore nell'altra delle dette superfici, almeno una porzione della detta seconda parte di controllo spessore essendo direttamente opposta alla prima parte di controllo spessore; ed interrompere l'asportazione di materiale dalla detta prima parte quando scompare almeno una porzione del materiale dello sbozzato fra la prima e la seconda parte di controllo spessore.

Di preferenza il materiale viene allontanato da almeno un'altra parte della faccia opposta della porzione di supporto flessibile, simultaneamente od in maniera sostanzialmente identica all'asportazione di materiale dalla parte di controllo spessore.

Preferibilmente una parte viene lavorata in una maniera sostanzialmente identica alla lavorazione di un'altra parte sulla medesima faccia dello sbozzato come la parte di controllo spessore, allora la relazione fra i piani delle superfici prodotte rimarrà sostanzialmente costante. In questa maniera può venire mantenuta una relazione prestabilita fra i piani. Un caso speciale è che superfici, complanari prima dell'operazione di trattamento, rimangono sostanzialmente complanari dopo tale operazione.

Un vantaggio del procedimento è che il rilevamento delle desiderate dimensioni di spessore del supporto flessibile e del desiderato adeguamento del supporto flessibile può venire determinato dal pezzo stesso durante la lavorazione mediante appropriata fabbricazione delle parti di controllo spessore e successiva osservazione delle superfici indicatrici, terminando la lavorazione quando parti della superficie di controllo spessore si disintegrano e scompaiono. Un tale procedimento produce le appropriate dimensioni con precisione elevata, in maniera che esso è sostanzialmente insensibile ad inevitabili variazioni di processo e non richiede che l'elemento mobile di una linguetta unitaria di trasduttore sia libero, e con ciò aumenti la vulnerabilità a danno dei supporti flessibili, allo scopo di raggiungere esattamente il desiderato adeguamento del supporto flessibile.

Le parti di controllo spessore, le superfici di controllo e altre parti con superfici complanari alle superfici di controllo possono venire lavorate in maniera tale che, quando le superfici

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di controllo si disintegrano, le superfici di controllo e le superfici complanari ad esse coincidano sostanzialmente con il piano neutro di flessione della porzione di supporto flessibile. Questo aspetto rende il processo straordinariamente ben adatto alla fabbricazione dei supporti flessibili descritti nei brevetti sopra menzionati, chiesti in data odierna dalla stessa Richiedente.

L'invenzione è spiegata tramite la forma d'esecuzione illustrata nelle figure seguenti:

la fig. 1 è una prospettiva esplosa di un accelerometro asservito, mostrante un trasduttore di forza con supporti flessibili formati secondo la presente invenzione;

la fig. 2 è una vista prospettica frammentaria ingrandita della porzione di supporto flessibile, eseguita lungo la linea 2-2 della fig. 1 ; e le figg. 3, 4 e 5 sono viste frammentarie in sezione, eseguite come indicato dalla linea 3-3 della fig. 2, attraverso una parte di uno sbozzato per trasduttore, in cui viene formato il supporto flessibile, ed illustrano successivi stadi nella fabbricazione del supporto flessibile.

Riferendosi alla fig. 1, ivi è illustrato un trasduttore di forza sotto forma di un accelerometro asservito 10 che include un supporto flessibile 12 di un tipo che può venire fabbricato secondo le presente invenzione. L'accelerometro 10 è del tipo illustrato 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, sebbene l'invenzione si applichi parimenti alla fabbricazione di supporti flessibili od altri elementi analoghi usati in altri trasduttori di forma utilizzanti un moto angolare o lineare di un elemento sensibile ad una 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, e include un elemento di 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 cir-conferenziale 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 combinato con mezzi di montaggio differenti ed 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 o di torsione. Le bobine 42, 43 sono avvolte su rocchetti che si adattano entro l'interstizio anulare 26 formato in 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. 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.

Tre cuscini 34 di mantaggio (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.

5 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 14b di corpo poggiano contro i cuscini di montaggio, e le bobine 42, 43 di torsione sono accolte entro l'interstizio anulare 26 e rispettiva-ìo mente in un corrispondente 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 costitui-15 to da una faccia corrispondente alla faccia 21 dell'espansione polare dell'organo 16 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 20 esterno per mezzo di quattro strisce conduttive 47 le quali 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, 25 14b di corpo.

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 combia-30 mento di capacità viene rivelato da un servocircuito ad anello 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 35 negli organi 14a, 14b di corpo, in modo da opporsi allo spostamento 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 ri-40 ferimento al brevetto U.S.A. 3 702 073 di Jacobs, il cui trovato è qui incorporato.

Riferendosi ora alla fig. 2, viene illustrata una realizzazione del supporto flessibile 12 che potrebbe venire prodotto secondo la presente invenzione.

45 II supporto flessibile ha una configurazione bifilare a mensola, costituita da una coppia di porzioni 60, 62 di supporto flessìbile le quali si estendono fra la lastra 30 e l'anello 32 di montaggio. Le porzioni 60 e 62 sono separate da una apertura interposta 63 che si estende anche fra la lastra 30 e l'anello 32 so di montaggio.

Le porzioni 60 e 62 di supporto flessibile sono identiche e quindi verrà descritta solo la porzione 60. La porzione include una faccia superiore 64 ed una faccia inferiore 66 le quali sono sostanzialmente parallele una all'altra, ed una coppia di bordi 55 68, 70.

La porzione 60 di supporto flessibile ha una coppia di canali 71, 73 che si estendono entro la porzione 60 a partire dalle facce rispettivamente 64, 66. I canali 71, 73 hanno superfici arretrate rispettivamente 72, 74 che sono sostanzialmente compla-60 nari l'una all'altra ed alla superficie baricentrica della sezione trasversale del supporto flessibile, e sostanzialmente coincidenti con il piano neutro di flessione della porzione 60 del supporto flessibile.

Il «piano neutro di flessione» è definito come quel piano 65 che non subisce trazione o compressione quando il supporto flessibile viene incurvato in flessione semplice. Per un supporto flessibile avente una configurazione a sezione trasversale rettangolare uniforme formata da due facce parallele e due bordi,

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come quella mostrata nella fig. 2, il piano neutro di flessione è costituito da tutti i punti che sono equidistanti dalle facce del supporto flessibile, cioè il piano collocato a metà fra le facce del supporto flessibile. Per la realizzazione del supporto flessibile mostrata nella fig. 2, il piano principale, e quindi il piano neutro di flessione del supporto flessibile, è leggermente spostato rispetto al piano delle superfici 72 del canale 71, e 74 del canale 73, ma la discrepanza è minima e non pregiudica sostanzialmente l'utilità dell'invenzione qui illustrata.

La lastra 30, la base od anello 32 di montaggio e il supporto flessibile 12 sono preferibilmente un elemento unitario di un materiale omogeneo stabile, come quarzo fuso. Uno sbozzato circolare di spessore uniforme con facce piane parallele viene lavorato tramite asportazione selettiva di materiale per ottenere la configurazione desiderata. La seguente discussione riguarda in particolare il procedimento preferito usato per formare i canali 71, 73 del supporto flessibile con superfici 72, 74 sostan- ' zialmente nel piano neutro di flessione del supporto flessibile.

Di preferenza il materiale viene asportato dallo sbozzato mediante attacco chimico con un adatto solvente per quarzo. Lo sbozzato di quarzo, sulle superfici dove il materiale non deve venire allontanato, riceve una maschera di un materiale che impedisce l'accesso del solvente alla superficie di quarzo. Lo sbozzato mascherato viene poi immerso nel solvente. Entro una durata di minuti, parecchi millesimi di centimetro del materiale di quarzo vengono corrosi via, la velocità esatta dipendendo dalla composizione del quarzo, dalla concentrazione del solvente e dalla temperatura del bagno. In altro modo, il materiale può venire asportato dallo sbozzato mediante corrosione con plasma di gas in una atmosfera che scioglie quarzo oppure mediante asportazione tramite fascio di elettroni o di ioni.

La fig. 3 è una sezione trasversale attraverso la porzione di uno sbozzato 80 di quarzo da cui viene formata una metà 62 del supporto flessibile bifilare 12. Lo sbozzato 80 può avere superfici piane parallele 82, 84 e, per gli scopi del presente esempio, ha uno spessore dell'ordine di 0,762 mm. Le linee tratteggiate 86, 88 identificano materiale da asportare nel primo stadio della lavorazione, nel formare i canali orientati in senso opposto, sfalsati lateralmente, che diventeranno i canali 71', 73' mostrati nella fig. 5. Le linee tratteggiate 90, 92 identificano materiale asportato simultaneamente nel primo stadio della lavorazione, nel formare una coppia di aree opposte che servono attraverso tutto il processo come indicatori dei piani delle superfici arretrate associate, che debbono diventare le superfici 72' e 74' della fig. 5.

Le superfici indicate da graffe 94 non presenteranno materiale asportato nel primo stadio della lavorazione e sono mascherate come sopra descritto.

Lo sbozzato 80 viene immerso nel solvente per un periodo, di tempo sufficiente a formare canali intermedi 96, 98 e superfici di controllo spessore intermedie 100, 102, come indicato nella fig. 4, che hanno una profondità sostanzialmente metà della profondità necessaria ad ottenere lo spessore totale voluto alla fine per il supporto flessibile. Le linee parzialmente tratteggiate nella fig. 4 indicano il contorno finale del supporto flessibile e la sua relazione rispetto alle superfici prodotte tramite il primo stadio di corrosione.

Una superficie di controllo spessore 100, 102 è una superficie prodotta su una superficie prodotta su una parte indicatrice dello sbozzato a linguetta per trasduttore, da cui vengono formati i supporti flessibili. Lo scopo della superficie di controllo spessore è di fornire un piano indicatore di riferimento ché presenta una relazione nota rispetto ai piani di superfici prodotte su altre parti dello sbozzato.

Il rivestimento di materiale mascherante viene allontanato dalle superfici 94 e lo sbozzato viene nuovamente immerso nel solvente. Allora viene allontanato materiale da tutte le superfici del supporto flessibile, con una velocità uniforme. Man mano che procede con la medesima velocità l'asportazione del materiale da entrambe le superfici, superiore ed inferiore, del supporto flessibile, le superfici di controllo spessore 100, 102 si incontrano e scompaiono in corrispondenza del piano che è equidistante dalle superfici originarie dello sbozzato, cioè sostanzialmente coincidente con il piano neutro di flessione del supporto flessibile. Contemporaneamente, una eguale profondità di materiale è stata asportata a formare i canali 71', 73'

così che le superfici di fondo 72', 74' dei canali sono complanari l'una all'altra e alla superficie baricentrica della sezione trasversale del supporto flessibile, e coincidono sostanzialmente con il piano neutro di flessione del supporto flessibile.

Viene rivelata la scomparsa della costola di materiale di quarzo fra le superfici di controllo spessore 100, 102. Quando ciò avviene, lo sbozzato viene tolto dal bagno di corrosione e l'asportazione del materiale viene arrestata. Questa procedura raggiunge tipicamente una complanarità delle superfici 72' e 74' sostanzialmente nel piano neutro di flessione del supporto flessibile in modo preciso, indipendentemente da variazioni di processo e senza la necessità di rigorose misurazioni fisiche dello spessore del supporto flessibile.

Lo sbozzato viene lavato per allontanare qualsiasi solvente rimanente ed è allora pronto per una ulteriore lavorazione per raggiungere la configurazione desiderata del pezzo di quarzo per il complesso 16 di massa di prova. Successivamente, una adatta striscia conduttrice 47 viene applicata alle superfici 72', 74', per esempio mediante deposizione sotto vuoto o spruzza-mento catodico.

Se il processo di corrosione non viene terminato esattamente al dissolversi delle superfici di controllo spessore 100, 102, i canali 71', 73' saranno più profondi o meno profondi, e le superfici 72', 74' saranno distanziate su lati opposti del piano neutro, e lo spessore del supporto flessibile varierà leggermente dalla sua dimensione voluta. Tuttavia, la distanza delle dette superfici dal piano neutro e la discrepanza di spessore del supporto flessibile saranno piccole in confronto allo spessore del supporto flessibile che nel presente esempio può essere dell'ordine di 0,025 mm, e tali errori non ridurranno significativamente l'utilità od efficacia del metodo. .

Il presente metodo può anche venire usato per produrre supporti flessibili di un predeterminato spessore allontanando dapprima il materiale da una superficie di controllo spessore in maniera da formare una rientranza di profondità prestabilita, e poi allontanando materiale da una regione del supporto flessibile, nel medesimo tempo in cui materiale viene allontanato dalla superficie di controllo spessore arretrata. Quando la singola superficie di controllo spessore sparisce, risulterà un supporto flessibile di spessore prestabilito.

Un vantaggio particolare ed unico della lavorazione qui descritta con superficie di controllo spessore è che la complanarità di superfici di parti di un supporto flessibile che sono state ricavate da superfici opposte dello sbozzato può venire facilmente determinata con precisione elevata mediante semplice osservazione dello sbozzato stesso durante la lavorazione. Ciò viene ottenuto impiegando parti di controllo opposte, allineate, e rilevando la complanarità di superfici rivolte in senso opposto tramite la scomparsa delle superfici di controllo spessore quando esse si incontrano durante il processo di asportazione di materiale. Questa capacità del processo elimina la necessità di rigorosi controlli di processo o misurazioni del pezzo, che altrimenti sarebbero richiesti per ottenere simili tolleranze dimensionali per una tale configurazione di supporto flessibile.

Un ulteriore vantaggio è che sbozzati trasparenti od opachi di linguetta per trasduttore possono venire usati in modo intercambiabile nel processo.

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Claims

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1. Procedimento per produrre un dispositivo di supporto flessibile (12) di un trasduttore di forza (10) collegante una base di montaggio (32) ad un elemento sensibile ad una forza (30), il quale procedimento è caratterizzato dalle operazioni di: fornire uno sbozzato (80) con due superfici opposte (82,84); asportare materiale da una prima parte (86) e da una prima parte di controllo spessore (100) di una delle dette superfici (82); asportare materiale da una seconda parte di controllo spessore (102) nell'altra delle dette superfici (84), almeno una porzione della detta seconda parte di controllo spessore (102) essendo direttamente opposta alla prima parte di controllo spessore (100); ed interrompere l'asportazione di materiale dalla detta prima parte (86) quando scompare almeno una porzione del materiale dello sbozzato (80) fra la prima e la seconda parte di controllo spessore.

2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che il materiale asportato dalla detta prima parte (86) nonché dalla detta prima parte di controllo spessore (100) e dalla detta seconda parte di controllo spessore (102) viene asportato in maniera sostanzialmente identica.

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RIVENDICAZIONI

3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che la detta altra superficie (84) include una seconda parte (88), dalla quale il materiale viene asportato in maniera sostanzialmente identica come per la prima parte (86).

4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, caratterizzato da ciò che la detta seconda parte (88) non è direttamente opposta alla prima parte (86).

5. Procedimento secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato da ciò che la superficie della detta prima parte (86) è in coincidenza con il piano neutro di flessione del supporto flessibile (12) quando viene interrotta la asportazione di materiale.

6. Procedimento secondo le rivendicazioni 2 e 3 oppure 2 e 4, caratterizzato da ciò che il detto materiale viene asportato mediante attacco chimico.

7. Procedimento secondo le rivendicazione 1, caratterizzato dalle operazioni di: mascherare il detto sbozzato (80) ad eccezione delle dette parti di controllo spessore (100, 102) su ciascuna delle dette superfici (82, 84) e della detta prima parte di superficie (86); asportare una quantità prestabilita di materiale delle parti non mascherate (86,100, 102) dello sbozzato (80); togliere la detta maschera dallo sbozzato (80); continuare l'asportazione del materiale da una porzione di supporto flessibile dello sbozzato (80); e terminare la asportazione di materiale dalla detta porzione di supporto flessibile dello sbozzato (80) quando almeno una parte del materiale fra la prima e la seconda parte di controllo spessore scompare.

8. Procedimento secondo la rivendicazione 7, caratterizzato da ciò che la detta operazione di mascheramento include addizionalmente il mascherare una seconda parte di superficie (88) nella superficie (84) dello sbozzato, opposta alla superficie che include la prima parte di superficie (86), e la detta prima e seconda parte di superficie non sono direttamente opposte.

9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, caratterizzato da ciò che il detto materiale viene asportato in modo che le superfici (72', 74') della detta prima e seconda parte di superficie (86, 88) sono nel medesimo piano quando la detta asportazione di materiale è terminata.

10. Procedimento secondo le rivendicazioni 4 oppure 8, caratterizzato da ciò che le dette superfici (72', 74') della detta prima e seconda parte di superficie (86, 88) sono in coincidenza con il piano neutro di flessione del supporto flessibile (12) quando è terminata la detta asportazione di materiale.