CN108692723A - 一种抗高过载的微惯性测量组件结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗高过载的微惯性测量组件结构，包括一支撑结构，支撑结构为由支撑棱形成的中部镂空的六面体结构，六面体形成的三个正交的轴向侧面形成贯通；其中一个镂空平面的至少一个边框向外延伸形成凸台，使支撑结构具有7个可供安装电路板的镂空平面；经三个正交的轴向侧面向六面体结构的内部空间填充灌封材料。本发明的结构降低了传感器电路板以及整体组件的装配复杂程度；为灌封过程中材料的流淌预留空间或者通道，保证灌封的密实性；结构设计新颖，易于装配操作，在实现小型化设计的同时满足抗高过载需求。

Description

一种抗高过载的微惯性测量组件结构

技术领域

本发明属于机械设计领域，主要涉及到微惯性测量组件的抗过载结构设计以及机械装配方案。

背景技术

微惯性测量组件是一种基于MEMS陀螺仪与MEMS加速度计的惯性测量组件，常用于惯性导航或者组合导航系统当中。其工作原理是利用微惯性传感器（MEMS陀螺仪与MEMS加速度计）建立空间惯性测量坐标系，即通过MEMS陀螺仪测量角速度，MEMS加速度计测量加速度，得到运动载体的动态参数，进而通过积分与导航算法计算得到运动载体的姿态信息。目前单片式的三轴MEMS陀螺仪与三轴MEMS加速度计普遍存在抗高过载能力差、量程小、精度低等不足，无法满足惯性测量组件高动态、高精度等测量需求。而且通常情况下微惯性测量组件多应用在较为复杂与恶劣的工作环境中，特别是在一些特殊的应用环境中MEMS惯性传感器要适应高过载冲击与振动等。

因此高过载应用下的微惯性测量组件通常选用在滚转轴选用大量程单轴MEMS惯性传感器，在偏航与俯仰轴多选用高精度单轴MEMS惯性传感器，并利用特殊设计的装配支撑结构实现传感器敏感轴之间的三轴正交关系，满足惯性测量的自由度需求。而且在微惯性测量组件的装配支撑结构设计上不仅要考虑到微惯性传感器的轴向装配问题，更要考虑到支撑结构的抗高过载能力。而且为了保证微惯性测量组件中微惯性传感器、电子器件在经历高过载冲击后依然正常工作，通常会采用灌封缓冲材料进行填充与保护，提高组件在恶劣环境中的适应性、可靠性，从而满足微惯性测量组件总体的抗高过载设计要求。

现有的微惯性测量组件的装配支撑结构基本上为简单的六面体结构，利用相邻侧面之间的正交关系，建立满足空间测量自由度的惯性敏感轴坐标系。但是通常此类设计会存在传感器电路板之间的电气连接可靠性低、装配困难及装配精度不高等问题。因为此类设计的电气连接均采用焊接连线的形式，所以容易造成连线暴露在支撑结构之外或者在支撑结构内部冗余缠绕。走线暴露在结构外部在过载冲击的过程中容易造成走线脱离焊盘，在灌封处理中，由于灌封材料固化时会释放很大的应力，导致走线受应力作用导致断裂或者脱离焊盘。而如果走线放置在装配支撑结构内部，由于微惯性测量组件电气连线较多，可能会对灌封材料的流淌通路造成阻碍，导致灌封填充不均匀，应力较大，高过载时容易产生刚性位移。而且微惯性测量组件通常内部空间狭小，传统的装配方式与焊接连线组件整体装配带来了极大的不便，可维修性差，极大降低了组件的研制效率。

发明内容

发明目的：

为了解决现有微惯性测量组件的抗过载装配支撑结构存在的各种不足之处，本专利设计了一种新型抗高过载机械结构与电气互连方式。首先通过设计独特的支撑结构与装配方式，降低了传感器电路板以及整体组件的装配复杂程度；并在结构中为灌封过程中材料的流淌预留空间或者通道，保证灌封的密实性。将传统的可靠性低的焊接连线的电气互连方式改为牢固的插针插座形式，提高了组件整体的固连可靠性。本专利结构设计新颖，易于装配操作，在实现小型化设计的同时满足抗高过载需求。

设计方案：

一种抗高过载的微惯性测量组件结构，其特征是，包括一支撑结构，所述支撑结构为由支撑棱形成的中部镂空的六面体结构，六面体形成的三个正交的轴向侧面形成贯通；其中一个镂空平面的至少一个边框向外延伸形成凸台，使支撑结构具有7个可供安装电路板的镂空平面；

经三个正交的轴向侧面向六面体结构的内部空间填充灌封材料。

所述凸台用于安装核心控制器电路板，六个相互正交的镂空平面用于安装MEMS惯性传感器电路板。

各电路板间的电气连通通过设置在电路板上的插针插座实现。

所述支撑结构上设置用于容纳插针/插座的安装空间。

所述支撑结构中的非支撑棱上设置切槽。

安装电路板的支撑结构安装于下外壳内，并由上外壳和下外壳以套筒的形式套装固定包围在其中。

支撑结构与下外壳间通过外部螺钉连接固定。

采用高强度铝合金材料7系列作为支撑结构的材料。

采用轻质的聚氨酯发泡作为灌封材料。

支撑结构由五轴联动数控机床一次性加工完成。

有益效果：

考虑到微惯性测量组件内部填充灌封材料，因此需要外部壳体形成密闭空间并保护内部结构，所以还需要设计满足装配或者外形要求的封闭壳体。本次外部壳体设计的创新主要体现在以下几个方面：1、灌封的相对密闭空间设计：为了减少高过载对于微惯性测量组件的冲击载荷，因此选用较为轻质的聚氨酯发泡作为灌封材料。在外部壳体设计中加入了灌封槽72与灌封透气孔73。2、外部壳体与支撑结构互连设计：微惯性测量组件安装在外部壳体中，并且外部壳体与微惯性测量组件的六面体框架进行固定连接，在考虑到装配合理性以及降低装配复杂程度，将结构设计为微惯性测量组件支撑结构底部与外部壳体的下部进行固连，并且通过壳体外部拧入螺钉的方式进行装配。3、小型化设计：通常设计要求中对于微惯性测量组件整体体积有着明确规定，同时还需要避免MEMS惯性传感器或者电路板与外部壳体接触，并为灌封留有一定的填充间隙。因此在满足上述要求的情况下，对微惯性测量组件进行高装配密度的小型化设计。

综合上述设计原则，最终设计外部壳体为上下外壳的形式。上下外壳通过螺钉进行固连，微惯性测量组件的六面体框架结构与下部壳体同样通过螺钉进行固连。考虑到装配的可行性与难易程度，六面体框架结构与下部壳体的连接螺钉设计为从下部安装，在下部壳体底面设计沉孔，避免螺钉头部对安装平面进行干涉，保证了微惯性测量组件在实际应用中装配的水平要求。由于微惯性测量组件的支撑结构近似于六面体，为了留有灌封材料的流淌间隙并且降低体积占用空间，将上下外壳设计为圆形套筒形式，在满足体积限制的前提下，适当增加的侧壁厚度，提高微惯性测量组件的整体强度与抗高过载能力。

附图说明

图1为微惯性测量组件的抗高过载支撑结构；

图2为电路板电气互连与支撑结构装配示意图；

图3为上外壳结构设计示意图；

图4为下外壳结构设计示意图；

图5为上、下外壳与抗高过载支撑结构的固连装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1、图2所示，本专利将微惯性测量组件的抗过载支撑结构1设计为近似六面体的中部镂空结构、三个正交轴向侧面11做贯通处理，并在顶部平面加入凸台12设计，因此结构共有7个可供安装电路板的平面。其中，六个相互正交的镂空平面用于安装MEMS惯性传感器电路板2，顶部的凸台12可以用来安装核心控制器电路板3，框架内部的空间填充灌封材料用以保护电子器件。由于在设计中采用插针/插座5的电气互连方式，所以在结构设计中需要为插针/插座5预留一定的安装空间，加入了切槽15设计。因此同样需要根据传感器电路板的插针位置在支撑结构的其他相应位置进行特殊设计或者切槽处理，如切槽13、14，防止插针插座与机械结构冲突。因为在进行灌封时，灌封材料具有一定的黏滞性，必须要让结构体整体较为通透，给灌封材料留有足够流淌空间，保证灌封材料流淌的通畅性。所以在结构设计中，对非支撑棱进行切槽处理，如切槽16，避免灌封材料在内部出现阻塞，保证灌封的密实性。本专利以独特的机械结构设计以及合理的装配方式为核心，通过改用插针/插座5的方式提高电气互联的可靠性，选择低成本、高强度的轻质合金材料用来满足抗高过载冲击要求。

由于惯性传感器电路板通过螺钉安装在支撑结构侧面，传感器敏感轴的正交性决定了空间测量坐标系的精确度，所以需要严格控制支撑结构各平面之间的形位误差，包括垂直度、平行度以及平面度等。借助于一次性嵌入式的加工成型技术，在机械加工时明确提出了各个装配平面之间的形位公差要求。在机械加工完成后，对框架结构进行公差尺寸验证，保证设计方案在消除微惯性测量组件结构二次组装误差的同时，还尽量保证了三个轴向的MEMS陀螺仪和MEMS加速度计正交性，提高了微惯性测量组件的测量精度。

选择高强度铝合金材料7系列作为微惯性测量组件抗高过载支撑结构的材料。该系列铝合金结构紧密，密度较低，有着良好的机械性能，是性能强的高应力轻质结构体，可以保证在抗高过载冲击应力下的强度可靠性。

借助五轴联动数控机床一次性加工完成支撑结构，降低反复固定加工材料时带来的随机误差。在进行机械加工处理时，为了保证电路板装配时MEMS惯性传感器的轴向正交性，对平行度与垂直度等形位公差提出明确的指标要求。通常为了避免由机械加工误差带来的装配正交误差，将理想状态下的形位公差控制在经济成本与惯性测量误差等级可接受的范围内，根据机械结构尺寸，将公差确定在0.01～0.02mm，通过三坐标测量仪等检测设备进行公差验证。

在装配过程中，电路板通过螺钉固定在支撑结构的六个侧面及凸台上。由于螺钉固定时的应力会造成电路板发生微形变，并且微形变会传递并影响MEMS惯性传感器性能，导致器件某些指标如零偏稳定性发生变化，因此在固定电路板螺钉时需将紧固工具的转矩调至合理区间内。

电路板之间的电气互连利用6PIN的直针插针以及12PIN的90°弯针插针，配合6PIN、12PIN的直针插座。根据支撑结构的开槽以及螺纹孔位置交互设计电路板，确定插针以及螺钉孔位置尺寸。然后根据惯性测量空间的轴向定义，组装微惯性测量组件内部结构，如图2所示。

结合图3、图4所示，内部电路与机械结构组装完成后，将下外壳7与支撑结构1进行配合固定。下外壳7壳体底部设置有灌封槽72与灌封透气孔73。由于将微惯性测量组件进行了小型化设计，所以壳体内部空间有限，常规的配合固定方式难以操作，所以将螺钉8改为底侧安装，在下外壳7外部底面设计沉孔71，用于容纳安装的螺钉8，避免螺钉头部对安装平面进行干涉，保证了微惯性测量组件在实际应用中装配的水平要求。然后将上外壳6、下外壳7以套筒的形式进行组装，同样采用螺钉将上外壳6、下外壳7进行固连。装配方式如图5所示。上外壳6上设置有灌封透气孔61，在灌封时进行透气。

本专利设计一种新型（改良）的微惯性测量组件的抗过载装配支撑结构，解决了电气连接可靠性低的问题。并且为了灌封材料的流淌畅通，在结构中加入了灌封槽的设计，保证了灌封的密实性，提高了微惯性测量组件的抗高过载冲击特性。并且设计了一种新颖的结构装配方式，降低了装配的复杂程度，提高可维护性，提高了组件的研制测试效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种抗高过载的微惯性测量组件结构，其特征是，包括一支撑结构，所述支撑结构为由支撑棱形成的中部镂空的六面体结构，六面体形成的三个正交的轴向侧面形成贯通；其中一个镂空平面的至少一个边框向外延伸形成凸台，使支撑结构具有7个可供安装电路板的镂空平面；

经三个正交的轴向侧面向六面体结构的内部空间填充灌封材料。

2.根据权利要求1所述的一种抗高过载的微惯性测量组件结构，其特征是，所述凸台用于安装核心控制器电路板，六个相互正交的镂空平面用于安装MEMS惯性传感器电路板。

3.根据权利要求2所述的一种抗高过载的微惯性测量组件结构，其特征是，各电路板间的电气连通通过设置在电路板上的插针/插座实现。

4.根据权利要求1或3所述的一种抗高过载的微惯性测量组件结构，其特征是，所述支撑结构上设置用于容纳插针插座的安装空间。

5.根据权利要求1所述的一种抗高过载的微惯性测量组件结构，其特征是，所述支撑结构中的非支撑棱上设置切槽。

6.根据权利要求1所述的一种抗高过载的微惯性测量组件结构，其特征是，安装电路板的支撑结构安装于下外壳内，并由上外壳和下外壳以套筒的形式套装固定包围在其中。

7.根据权利要求6所述的一种抗高过载的微惯性测量组件结构，其特征是，支撑结构与下外壳间通过外部螺钉连接固定。

8.根据权利要求1所述的一种抗高过载的微惯性测量组件结构，其特征是，采用高强度铝合金材料7系列作为支撑结构的材料。

9.根据权利要求1所述的一种抗高过载的微惯性测量组件结构，其特征是，采用轻质的聚氨酯发泡作为灌封材料。

10.根据权利要求1所述的一种抗高过载的微惯性测量组件结构，其特征是，支撑结构由五轴联动数控机床一次性加工完成。