CN102693865A - 一种微机械万向碰撞开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机械万向碰撞开关。固定在绝缘衬底（1）中心位置的中心弹簧支撑座（2）连接弧形支撑弹簧（4）的一端，弧形支撑弹簧（4）的另一端连接并支撑起悬空的环形质量块（6）；固定在绝缘衬底（1）上的固定电极支撑座（3）均匀分布于环形质量块（6）外侧，并通过蛇形支撑弹簧（5）与悬空的固定电极（7）相连。环形质量块（6）分别与的圆弧侧板（9）和圆弧顶板（10）之间存在径向接触间隙和轴向接触间隙。环形质量块（6）外侧凹口内设置有限位销（8）。本发明对来自绝缘衬底（1）上方任一方向的加速度都有良好响应并具有较好的抗高过载性能。

Description

一种微机械万向碰撞开关

技术领域

本发明涉及一种微机械惯性开关装置，特别是一种带有柔性支撑固定电极和限位销的微机械万向碰撞开关。

背景技术

以微机电技术为基础的惯性开关具有体积小、重量轻、成本低和易集成等优点，在汽车安全气囊、货物运输、碰撞记录以及弹药发射、引信起爆等领域都有着迫切的应用需求和广泛的应用前景，如在弹药发射过程中感应后坐或离心加速度，在战斗部碰击目标时引信的万向触发等。目前，公知的微机械惯性开关是由弹簧支撑质量块为动电极并与固定电极组成的惯性接触系统，分为触发和闭锁两种，对于触发型开关要求闭合后自动断开，而闭锁型开关要求闭合以后不再断开。触发型开关的作用过程为：当开关受到加速度冲击时，质量块发生与加速度方向相反的相对位移，与固定电极接触而后自动分离，迅速完成开关的通断动作。但是，现有触发型开关能感应的加速方向范围有限，往往是单向、双向、一个平面的圆周方向或是以上的组合方向，还不能对一个半球面内所有方向的加速度都有效响应。对于需要对半球面内任意方向加速度都要感应的装置，以上开关无法满足要求，或为了满足要求而在不同方向上安装多个开关，提高了成本。

美国专利US 6765160 B1公布了一种万向微机械冲击开关，由蛇形弹簧支撑方形质量块组成弹簧质量系统。能有效响应水平方向与垂直方向的加速度冲击。但由于质量块采用的方形结构，此发明对不同水平方向的加速度冲击响应效果不同，方向适应能力受到限制。

中国发明专利CN 101789329 A 公开了一种三维多方向敏感的微机械惯性电学开关。对水平和垂直的多个方向的加速度冲击能有效响应。但由于没有设置限位销，应用在高速旋转载体时，无法避免质量块的水平旋转。加之质量块用于碰撞的外侧边沿的曲率半径较小以及固定电极形状较小的原因，当质量块同时发生旋转和水平移动时，不能保证开关可靠闭合。另外此发明专利中发生碰撞的固定电极采用刚性支撑，碰撞接触时间较短，不利于接触信号的采集与处理。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机械万向碰撞开关，对于来自绝缘衬底上方，在开关径向或轴向分量达到阈值大小的所有加速度冲击都能有效闭合；通过将开关的固定电极改为柔性支撑方式，很大程度上延长了碰撞接触时间，保证有效电信号的输出；并设计有限位销，防止质量块产生过大的位移和自身的旋转，对结构在过载情况下起到有效的保护作用。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种微机械万向碰撞开关，包括绝缘衬底、中心弹簧支撑座、多个固定电极支撑座、多个弧形支撑弹簧、多个蛇形支撑弹簧、环形质量块、多个固定电极和多个限位销，中心弹簧支撑座固定设置在绝缘衬底的中心位置，由中心弹簧支撑座作为支撑点固定弧形支撑弹簧的一端，弧形支撑弹簧的另一端共同连接并支撑起环形质量块，使环形质量块悬空设置在绝缘衬底上；固定电极支撑座固定设置在绝缘衬底上，均匀分布于环形质量块外侧，并通过蛇形支撑弹簧连接固定电极，使固定电极7悬空设置在绝缘衬底上；在环形质量块的边缘位置上均匀开有数个凹口，每个凹口均位于相邻的两个固定电极之间，限位销设置在凹口内并固定在绝缘衬底上，限制环形质量块水平和垂直方向的过大位移及自身的旋转。

所述弧形支撑弹簧的个数大于等于3个；固定电极支撑座、蛇形支撑弹簧和固定电极的个数相等且大于等于4个。

所述固定电极7设置在环形质量块的外侧，固定电极是与环形质量块为同心圆的带翻边的圆弧梁，由圆弧侧板与圆弧顶板相互垂直连接而成；圆弧侧板与环形质量块之间存在径向接触间隙为10~50微米，圆弧顶板覆盖环形质量块外侧的一部分，圆弧顶板与环形质量块之间存在轴向接触间隙为10~50微米。

所述蛇形支撑弹簧与环形质量块在同一水平位置，是一匝或多匝的对称弹簧组；线宽为10~30微米，厚度为20~80微米。

所述限位销由圆柱形销柱和圆盘形销帽连接构成，凹口与销柱径向限位间隙为20~60微米，切向限位间隙为 15~55微米；径向限位间隙大于切向限位间隙，且径向与切向限位间隙都大于径向接触间隙；环形质量块与限位销的销帽间存在轴向限位间隙为30~80微米，轴向限位间隙大于轴向接触间隙。

本发明与现有技术相比，其显著优点：针对以往的微机械惯性开关只能对特殊方向加速度敏感，能感知的加速度方向范围有限的问题，本发明是一种由若干弧形梁共同支撑环形质量块作可动电极，蛇形弹簧支撑带翻边的圆弧梁作固定电极的微机械万向碰撞开关，能同时感应来自绝缘衬底上方所有方向的加速度冲击作用；蛇形弹簧支撑固定电极的设计有效改善了接触效果并延长了接触时间；限位销的设计保证了开关具有较好的抗过载性能。

附图说明

图1是微机械万向碰撞开关的整体结构示意图。

图2是微机械万向碰撞开关的弹簧质量块结构示意图。

图3是微机械万向碰撞开关的弹簧质量块结构与限位销结构示意图。

图4是微机械万向碰撞开关的蛇形支撑弹簧支撑固定电极的结构示意图。

具体实施方式

本发明的设计原理如下，中心弹簧支撑座固定设置在圆形绝缘衬底的中心位置。由中心弹簧支撑座向外延伸出若干的弧形支撑弹簧共同连接并支撑起环形质量块，使环形质量块悬空于绝缘衬底上方。固定电极支撑座固定设置在绝缘衬底上，均匀分布于环形质量块外侧，各固定电极支撑座通过蛇形支撑弹簧连接并支撑起一段与环形质量块为同心圆且带翻边的圆弧梁作为固定电极，固定电极上与绝缘衬底垂直的圆弧板称为圆弧侧板，与绝缘衬底平行的圆弧板称为圆弧顶板。圆弧侧板与环形质量块间存在很小间隙，是开关完成水平方向闭合时环形质量块所要完成的径向位移，称之为径向接触间隙。同样，圆弧顶板与环形质量块间也存在一个很小的间隙，是开关完成垂直方向闭合时环形质量块所要完成的轴向位移，称之为轴向接触间隙，径向接触间隙与轴向接触间隙不必相等。在环形质量块上的边缘位置上均匀开有数个凹口，每个凹口均位于相邻的两个固定电极之间，在每个凹口内固定设置了限位销，限制环形质量块水平和垂直方向的过大位移及自身的旋转。整个微机械万向碰撞开关采用非硅微机电制造工艺制作而成。

本发明中固定电极的圆弧侧板与环形质量块为同心圆，在水平圆周上将环形质量块基本包围，使环形质量块在水平方向上闭合时所需位移基本相同，增强了开关对不同方向加速度冲击响应时的方向适应能力和水平方向接触时的可靠性。

本发明针对开关闭合接触时间短，采用了蛇形弹簧支撑固定电极的解决方案，使得碰撞发生后，环形质量块没有被立即弹回，而是推动固定电极保持紧密接触状态继续向前运动，极大程度延长了开关的闭合时间。

本发明为防止加速度冲击载荷过大时，环形质量块位移过大而出现结构损坏的现象而设计了限位销，限位销由销柱和销帽两部分连接构成，固定设置在环形质量块外侧所开凹口内。销柱与环形质量块凹口间存在的径向间隙和切向间隙分别被称之为径向限位间隙和切向限位间隙；垂直方向上销帽与环形质量块间存在的间隙称之为轴向限位间隙。具体功能实现是：当水平径向受到过大加速度冲击时，环形质量块碰撞固定电极水平运动直至凹口与限位销销柱径向接触，实现限位制动作用；当在平行于绝缘衬底的平面内受到过大的旋转加速度时，环形质量块绕开关中心自转直至凹口与限位销销柱切向接触，实现限位制动作用；当垂直方向受到过大加速度冲击时，环形质量块碰撞固定电极向上运动直至环形质量块与限位销销帽接触，实现限位制动作用。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1是微机械万向碰撞开关的结构示意图。中心弹簧支撑座2和固定电极支撑座3固定设置在绝缘衬底1上。由中心弹簧支撑座2作为支撑点固定起弧形支撑弹簧3的一端，弧形支撑弹簧3的另一端共同连接并支撑环形质量块4，使环形质量块4悬空于绝缘衬底1上。固定电极支撑座3均匀分布于环形质量块4外侧四周，通过蛇形支撑弹簧5与固定电极7连接。固定电极7上的圆弧侧板9与环形质量块6间存在径向接触间隙为10~50微米。固定电极7上的圆弧顶板10与环形质量块6间存在轴向接触间隙为10~50微米。限位销8固定在绝缘衬底1上，位于环形质量块6外侧四周的凹口内，用于限制环形质量块6的过大位移及自身的旋转。

图2是微机械万向碰撞开关的弹簧质量块结构示意图。中心弹簧支撑座2固定在圆形的绝缘1中心位置。弧形支撑弹簧4的一端固定于中心弹簧支撑座2上，另一端共同连接环形质量块6，环形质量块6悬空在绝缘衬底1上方，与绝缘衬底1间存在间隙30~50微米。

所述弧形支撑弹簧4线宽10~20微米，厚40~80微米

所述环形质量块6厚60~120微米，内环半径300~350微米，外环半径550~800微米。

图3是微机械万向碰撞开关的弹簧质量块结构与限位销结构示意图。限位销8均匀分布于环形质量块6外侧的半圆形凹口中，限位销8由圆柱形销柱和圆盘形销帽连接构成。

所述凹口直径80~120微米。

所述销柱直径50~90微米。

凹口与销柱径向限位间隙为20~60微米，切向限位间隙为 15~55微米。径向限位间隙大于切向限位间隙，且径向与切向限位间隙都大于径向接触间隙。环形质量块6与限位销8的销帽间存在轴向限位间隙为30~80微米，轴向限位间隙大于轴向接触间隙。

图4是蛇形支撑弹簧支撑固定电极的结构示意图。圆弧侧板9与圆弧顶板10相互垂直连接构成固定电极7。固定电极支撑座3固定于绝缘衬底1上，蛇形支撑弹簧5一端固定在固定电极支撑座3上，另一端连接并支撑起悬空的固定电极7。

所述蛇形支撑弹簧5与环形质量块在同一水平位置，是一匝或多匝的对称弹簧组，线宽为10~30微米，厚度为20~80微米。

下面结合具体实施例做进一步说明。

如图1所示，本实施例包括：绝缘衬底1，中心弹簧支撑座2，固定电极支撑座3，弧形支撑弹簧4，蛇形支撑弹簧5，环形质量块6，固定电极7和限位销8，其中：中心弹簧支撑座2固定设置在绝缘衬底1的中心位置上，由中心弹簧支撑座2作为支撑点固定弧形支撑弹簧4的一端，弧形支撑弹簧4的另一端共同连接并支撑起环形质量块6，使环形质量块6悬空设置在绝缘衬底1上；固定电极支撑座3固定设置在绝缘衬底1上，均匀分布于环形质量块6外侧，并通过蛇形支撑弹簧5连接固定电极7，使固定电极7悬空设置在绝缘衬底1上，在环形质量块6上的边缘位置上均匀开有数个凹口，每个凹口均位于相邻的两个固定电极7之间，限位销8设置在凹口内并固定在绝缘衬底1上，限制环形质量块6水平和垂直方向的过大位移及自身的旋转。

所述弧形支撑弹簧4线宽15微米，厚60微米；

所述环形质量块6厚60微米，内环半径350微米，外环半径650微米；环形质量块6与绝缘衬底1间存在垂直间隙40微米；

所述环形质量块6边缘所开凹口直径为90微米；

所述固定电极7由圆弧侧板9与圆弧顶板10相互垂直连接而成；圆弧侧板9与环形质量块6之间存在径向接触间隙为15微米。圆弧顶板10与环形质量块6之间存在轴向接触间隙为20微米；

所述销柱直50微米；凹口与销柱径向限位间隙为30微米，切向限位间隙为20微米；环形质量块6与限位销8的销帽间存在轴向限位间隙为30微米；

所述蛇形支撑弹簧5是两匝对称的弹簧组。线宽20微米，厚60微米；

中心弹簧支撑座2与固定电极支撑座3分别连接外电路的两极。当所受冲击加速度在径向或轴向分量达到或超过阈值时，环形质量6块与固定电极7在径向或轴向发生碰撞接触。碰撞过种中，蛇形支撑弹簧5大大减小了碰撞时的刚度，有效增长了碰撞时的接触时间并增强了接触效果。当受到的加速度冲击较大时，环形质量块6将推动固定电极7运动较大位移直至与限位销接触，实现制动作用。

Claims (5)

1.一种微机械万向碰撞开关，其特征在于：包括绝缘衬底（1）、中心弹簧支撑座（2）、多个固定电极支撑座（3）、多个弧形支撑弹簧（4）、多个蛇形支撑弹簧（5）、环形质量块（6）、多个固定电极（7）和多个限位销（8），中心弹簧支撑座（2）固定设置在绝缘衬底（1）的中心位置，由中心弹簧支撑座（2）作为支撑点固定弧形支撑弹簧（4）的一端，弧形支撑弹簧（4）的另一端共同连接并支撑起环形质量块（6），使环形质量块（6）悬空设置在绝缘衬底（1）上；固定电极支撑座（3）固定设置在绝缘衬底（1）上，均匀分布于环形质量块（6）外侧，并通过蛇形支撑弹簧（5）连接固定电极（7），使固定电极（7）悬空设置在绝缘衬底（1）上；在环形质量块（6）的边缘位置上均匀开有数个凹口，每个凹口均位于相邻的两个固定电极（7）之间，限位销（8）设置在凹口内并固定在绝缘衬底（1）上，限制环形质量块（6）水平和垂直方向的过大位移及自身的旋转。

2.根据权利要求1所述的微机械万向碰撞开关，其特征在于：所述弧形支撑弹簧（4）的个数大于等于3个；固定电极支撑座（3）、蛇形支撑弹簧（5）和固定电极（7）的个数相等且大于等于4个。

3.根据权利要求1所述的微机械万向碰撞开关，其特征在于：所述固定电极（7）设置在环形质量块（6）的外侧，固定电极（7）是与环形质量块（6）为同心圆的带翻边的圆弧梁，由圆弧侧板（9）与圆弧顶板（10）相互垂直连接而成；圆弧侧板（9）与环形质量块（6）之间存在径向接触间隙为10~50微米，圆弧顶板（10）覆盖环形质量块（6）外侧的一部分，圆弧顶板（10）与环形质量块（6）之间存在轴向接触间隙为10~50微米。

4.根据权利要求1所述的微机械万向碰撞开关，其特征在于：所述蛇形支撑弹簧（5）与环形质量块（6）在同一水平位置，是一匝或多匝的对称弹簧组；线宽为10~30微米，厚度为20~80微米。

5.根据权利要求1所述的微机械万向碰撞开关，其特征在于：所述限位销（8）由圆柱形销柱和圆盘形销帽连接构成，凹口与销柱径向限位间隙为20~60微米，切向限位间隙为 15~55微米；径向限位间隙大于切向限位间隙，且径向与切向限位间隙都大于径向接触间隙；环形质量块（6）与限位销（8）的销帽间存在轴向限位间隙为30~80微米，轴向限位间隙大于轴向接触间隙。

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