CN109029431B - 一种用于mems惯性测量系统的三轴多级pcb减振结构 - Google Patents

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    • F16F15/08—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using elastic means with rubber springs ; with springs made of rubber and metal

Abstract

本发明公开了一种用于MEMS惯性测量系统的三轴多级PCB减振结构。本发明包括处于同一平面的矩形板、第一回形板和第二回形板，其中矩形板用于放置MEMS惯性测量系统中的惯性传感器，矩形板位于第一回形板内，通过四个减振连接器与第一回形板连接，所述的第一回形板用于放置系统电路；第一回形板在第二回形板内，也通过四个减振连接器与第二回形板连接，所述的第二回形板通过固定螺孔与外部设备直接相连。本发明在尽量不增加惯性测量系统电路板的体积与质量的同时，降低了MEMS惯性传感器的三轴振动输出误差。

Description

一种用于MEMS惯性测量系统的三轴多级PCB减振结构
技术领域
本发明涉及一种带有三轴多级减振功能的PCB结构，以此来降低板上MEMS惯性传感器的振动输出误差。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)技术的迅速发展，MEMS惯性传感器以及MEMS惯性测量单元被广泛应用于航空、航天、航海、汽车工业、工业监控、机器人及消费类电子产品等领域。惯性传感器多用于如飞机、炸弹、导弹等环境恶劣的场合。MEMS惯性传感器内部的机械结构对外部振动敏感，在振动环境下，MEMS仪表会有很大的振动误差输出，而且这种误差很难用后续的电路来消除。
由于MEMS惯性传感器的体积小、质量轻等优点，包含MEMS传感器与处理电路的惯性测量系统通常被集成在一块印刷电路板(PCB)上，然后大多采用直接刚性连接的方式安装在设备(如无人机)上，没有采取减振措施，设备动力源运转所产生的振动被直接传导到MEMS惯性传感器上，导致误差噪声的产生，继而导致整个设备姿态控制的误差。因此，采用针对于PCB板级别的减振结构，对提高姿态测量与控制的精度显得尤为重要。
发明内容
本发明旨在：在保留单板惯性测量系统简单结构的优点情况下，提供一种低成本，方便装配，并且可以同时吸收三轴振动的多级减振垫PCB结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明是将传统PCB板划分为处于同一平面的多级PCB板，对振动敏感的MEMS惯性传感器放在处于中心的一级PCB板上以达到最好的减振效果，系统电路放置于第二层的回形板上，并且MEMS惯性传感器与系统电路通过柔性导体相连以消除PCB板之间的其他耦合，通过数个由减振连接器所有的PCB板连接起来，每个减振连接器可以通过拆装螺丝安装或取下。减振连接器由开槽减振橡胶垫与塑料上下固定支撑外壳组成，塑料上下固定支撑外壳通过卡口，安装后不会移动，并对三面固定在下固定支撑外壳上的减振橡胶垫提供支撑，在没有振动时确保PCB板的稳定性。橡胶垫的厚度可以根据振动环境振动幅度的大小适度增加或减小。当振动发生时，通过减振橡胶材料逐级减弱每级PCB板的振动幅度最终达到减小MEMS惯性传感器振动输出误差的目的。
当振动由固定螺孔传到最外层PCB板时，由于最外层板与设备刚性连接，最外层板与设备振动完全同步，振动信号传到下一层板上时，振动的能量被每个减振连接器吸收一部分，振动的幅度被逐级减弱最后传到处于最后一级的用来安装MEMS惯性传感器的PCB上，振动的幅度已经被大大削弱。
本发明的有益效果是：在尽量不增加惯性测量系统电路板的体积与质量的同时，提供了一种低成本的PCB板有效减振结构，以此来降低MEMS惯性传感器的三轴振动输出误差，实际中可根据情况考虑增加或减少分板的级数以及是否把系统电路与MEMS惯性传感器分开来达到所需的效果。
附图说明
图1是2级三轴减振PCB结构的俯视图；
图2是2级三轴减振PCB结构的结构侧视图；
图3是减振连接器组件的示意图；
图4是减振连接器4.1与矩形板1和回形板2的连接示意图。
图1，2中，1：MEMS惯性传感器所在矩形板，2：系统电路所在回形板，3：附加回形板，4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8：处于内板与外板之间被固定的减振连接器，5.1、5.2、5.3、5.4：与设备直接相连的固定螺孔。
图3中，6：塑料减振连接器下部支撑外壳，7：塑料减振连接器上部支撑外壳，8：开槽橡胶减振垫，9.1、9.2：橡胶减振垫卡槽，10.1、10.2:上下支撑咬合卡口，11.1、11.2、11.3、11.4：支撑固定螺孔。
图4中，12.1、12.2：回形板2上用于固定减振连接器4.1的螺孔，13.1、13.2：固定减振连接器与回形板2的螺丝。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
在图1中，PCB板被分为三块，且处于同一平面，矩形板1放置MEMS惯性传感器，回形板2放置系统电路，附加回形板3通过固定螺孔与外部设备直接相连，并通过四个减振连接器与回形板2的四个角相连，矩形板1通过四个减振连接器与回形板2相连。所有减振器被设计成完全对称的结构，并被对称放置在内板的外角及外板的内角的两边。
在图2中，组件编号表示同图1，为本发明的结构侧视图，各减振连接器的高度相同通过螺丝固定在外板上，可以看出本减振PCB结构相对普通PCB板并没有过多增大整个系统板所占空间。
在图3中，减振连接器由3个部分组成：塑料减振连接器下部支撑外壳6，塑料减振连接器上部支撑外壳7，开槽橡胶减振垫8。支撑外壳6与支撑外壳7可以通过咬合卡口相互连接，继而卡槽9.1、9.2形成一个完整的卡口用于为减振橡胶垫提供各个方向的支撑。当连接完成时支撑固定螺孔11.1，11.2和11.3，11.4上下完全对正。
图4中给出了减振连接器4.1安装示意图，实际安装中同一级板的减振连接器需要同时连接，安装之前橡胶减振垫8与塑料减振连接器下部支撑外壳6已经完全固定在一起，首先将矩形板1的外角嵌入橡胶减振垫的卡槽中，然后将塑料减振连接器下部支撑外壳6上的螺孔与回形板2上固定螺孔完全对正，再将塑料减振连接器下部支撑外壳6与回形板2贴合，继而将塑料减振连接器上部支撑外壳7上的螺孔与回形板2上固定螺孔完全对正，再将塑料减振连接器上部支撑外壳7与回形板2、塑料减振连接器下部支撑外壳6贴合，最后通过螺丝13.1，13.2将减振连接器完全固定。
本发明的工作过程：如图1所示，设外部设备动力源产生平行PCB板轴线的振动信号，振动会从附加回形板3上的固定螺孔传到附加回形板3并传导到减振连接器4.5,4.6,4.7，4.8的固定支撑外壳上，此时由于全刚性连接，振动信号与源振动完全相同，当振动再从支撑外壳经过减振橡胶垫传到回形板2时，振动能量被4个减振橡胶垫吸收一部分，与源信号相比振动的幅度被减弱了，当被减弱的振动的信号通过减振连接器4.1,4.2,4.3，4.4传到安装振动敏感的MEMS惯性传感器的矩形板1时，振动的幅度再一次被削弱。对于任意方向的振动信号，都可以被分解为3个方向振动的叠加，这些分振动信号会被在3个方向上消减，从而与安装在普通PCB板上相比，大大降低MEMS惯性传感器的振动输出误差。

Claims (1)

1.一种用于MEMS惯性测量系统的三轴多级PCB减振结构，其特征在于：包括处于同一平面的矩形板、第一回形板和第二回形板，其中矩形板用于放置MEMS惯性测量系统中的惯性传感器，矩形板位于第一回形板内，通过四个减振连接器与第一回形板连接，所述的第一回形板用于放置系统电路；第一回形板在第二回形板内，也通过四个减振连接器与第二回形板连接，所述的第二回形板通过固定螺孔与外部设备直接相连；
所述的减振连接器包括塑料减振连接器下部支撑外壳、塑料减振连接器上部支撑外壳和开槽橡胶减振垫，塑料减振连接器下部支撑外壳和塑料减振连接器上部支撑外壳通过咬合卡口相互连接，所述的咬合卡口内置有开槽橡胶减振垫；
所述的减振连接器通过对应的螺孔实现矩形板与第一回形板连接、第一回形板与第二回形板连接。
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