CN1908674A - 一种六轴加速度传感器的敏感元件的布局结构 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种六轴加速度传感器的敏感元件的布局结构，该结构包括有基座和敏感元件构成，所述基座主体由立方体通过平行削去对角的两个角而获得，其中一个切削平面作为六轴加速度传感器的安装平面；敏感元件为六个特性相同的单轴加速度传感器，安装于基座上，其安装轴线分别平行于基座所对应的立方体的六条棱边，且该六条棱边满足以下特征：依次首尾相连，并任意三条棱边不在同一平面上。基座可以是整体式或分体式。本发明通过采用六个单轴加速度传感器通过一种特殊的基座集成，结构紧凑，体积小，可获取包括三个直线运动加速度和与之相应的角加速度在内的六维加速度信息，由于采用的是六个特性相同(包括灵敏度、分辨率、频率响应范围、重量等)的单轴加速度传感器时，使得获取六维加速度的数据处理简单。

Description

一种六轴加速度传感器的敏感元件的布局结构

                            技术领域

本发明涉及一种加速度传感器，特别是一种可用于获取六自由度加速度的六轴加速度传感器的敏感元件的布局结构。

                            背景技术

随着人们对认识客观世界的要求不断提高和科学技术的不断发展，对物理环境中的多维特征进行探测越来越重要。多维加速度特征探测技术的发展将不仅有助于机器人技术、航空航天技术、武器技术的发展，而且该技术将在工业自动控制、车辆工程、地震预报等领域中也具有广泛的应用前景。加速度传感器作为惯性器件的一种，是一种重要的力学量传感器。在工业自动控制、车辆工程、机器人、地震预报、军事和航空航天等领域中具有广泛的应用。传统加速度传感器的理论与技术已日臻完善，不过基本上以实现单轴(一维)测量为主。近年来，由于微型机电系统(Micro Electronic Mechanical Systems，MEMS)技术的兴起及硅微机械加工技术的出现，催生了硅微机械加速度传感器。由于硅微机械加工技术的独特优点，使得加速度传感从一维过渡到多维(目前仅限于二维和三维)。尽管硅微机械加速度传感器具有许多独特的优点，但在测量的精度和分辨率方面仍然无法与传统的加速度传感器媲美。同时，硅微机械加速度传感器的研究与开发仅限于三维以下的多维加速度传感器。

由于大多数的加速度计只能检测一个或两个轴向的加速度，而在很多应用中需要检测加速度矢量，因此多维加速度传感理论与技术是近年来的一个研究热点，已从一维加速度传感发展到多维加速度传感(仅限于二维和三维)，在很大程度上得益于硅微机械加工技术的发展。实现多维加速度传感的方法主要有三大类：

第一类多轴加速度计是将多个单轴加速度计组装在一起构成(传统方法)，这种方法降低了加速度计的机械精度和微小化程度。

第二类多维加速度传感器是基于电容式、压电式、压阻式和谐振式的原理开发的硅微机械加速度传感器。Tabata和Yamamoto提出并研究了一种基于谐振子刚度变化引起频率变化的二轴谐振加速度计的原理。Kunz等人开发了共用同一惯性质量的三轴压电式加速度计，采用深反应离子刻蚀工艺在SOI硅片上集成高灵敏度的压电薄膜探测器构成。Takao等人基于上述结构开发了压阻式三轴加速度计，目的在于提高使用的温度范围。Matsumoto等人采用硅直接键和SOI硅片开发出三个惯性质量共用同一衬底的三轴电容式加速度计，Qu等人利用UV-LIGA技术开发了三个惯性质量共用同一衬底的三轴电容式差分加速度计，曹新平等人利用硅/玻璃阳极键合工艺同深反应离子刻蚀工艺相结合的方法加工出三个惯性质量共用同一衬底的三轴电容式差分加速度计。上述文献中研究的三种三轴电容式硅微加速度传感器，除了工艺方法不同之外，原理并无区别。由于结构和原理方面的限制，从目前硅微机械加工技术的发展现状来看，要想在近期开发三轴以上的硅微加速度传感器似乎不太现实。

第三类多维加速度传感器采用静电悬浮的原理实现加速度传感。Josselin等人在采用静电悬浮的原理实现加速度传感方面做了较具有开拓性的工作，唐富荣与薛大同也采用静电悬浮原理分别设计了三轴与六轴加速度传感器。但对实现六轴加速度传感问题，目前的文献中只是提到具有可行性，并未给出理论分析结论与实验研究结果。静电悬浮式加速度传感器也是通过测量电容的变化来测量加速度的，尽管有测量精度高的优点，但是容易发生高压击穿，不能承受较大的加速度输入，因此测量的量程小，频带窄，只适用于特殊环境中的加速度测量(如空间微重力环境等)。

综上所述，目前仅限于三维及其以下的多维加速度传感器的原理研究与开发，主要原因可能在于受到多维加速度传感的原理及结构方面的限制。

                               发明内容

本发明的目的在于提供一种基于立方体结构，采用六个单轴加速度传感器作为敏感元件的六轴加速度传感器的布局结构，以获取六自由度加速度传感信息，包括三个直线运动加速度和与之相应的三个角加速度。

本发明的技术方案如下：

本发明中所述六轴加速度传感器的敏感元件的布局结构由基座和敏感元件构成。所述基座基于立方体结构实现，通过平行削去立方体对角的两个角，并加工出敏感元件的安装平面获得，其中一个切削平面作为六轴加速度传感器的安装平面；敏感元件为六个特性相同的单轴加速度传感器，安装于基座上，其安装轴线分别平行于基座所对应的立方体的六条棱边，且该六条棱边满足以下特征，依次首尾相连，并任意三条棱边不在同一平面上。

本发明具有下述优点：

1.本发明结构采用六个单轴加速度传感器通过一种特殊的基座集成，结构紧凑，体积小，可获取包括三个直线运动加速度和与之相应的角加速度在内的六维加速度信息。

2.当采用六个特性相同(包括灵敏度、分辨率、频率响应范围、重量等)的单轴加速度传感器时，会使得获取六维加速度的数据处理简单。

3.采用了立方体结构，数据结果处理简单。

                              附图说明

图1(a)、图1(b)、图1(c)分别为本发明中基座主体的基本形式的结构示意图、俯视图、截面图。

图2(a)、图2(b)分别为本发明中变形的基座主体的基本形式的结构示意图、透视图。

图3为本发明中整体式基座的六轴加速度传感器上六个单轴加速度传感器的布局结构图。

图4为本发明中整体式基座的外形结构图。

图5(a)、图5(b)分别为本发明中分体式基座的六轴加速度传感器的俯视图和实体图。

图6(a)、图6(b)、图6(c)分别为本发明中分体式基座的六轴加速度传感器的基座沿垂直三个侧支撑侧面的视图。

图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)分别为本发明中分体式基座的中心支撑的三种侧面视图和俯视图。

图8(a)、图8(b)分别为本发明中分体式基座的中心支撑的仰视图和主视图。

图9(a)、图9(b)为本发明中分体式基座的侧支撑的正视图和侧视图。

                             具体实施方式

以下结合实施例和附图具体说明本发明的结构：

由图1可知，六轴加速度传感器的基座是在一个立方体的基础上经过结构改变而获得，图1所示的结构是基座主体的一种最基本的结构形式，即整体式基座的主体部分。如图1(a)所示，沿立方体ABCDEFGH(其棱边长度为L)的三个顶点ACE构成的平面削去锥角H-ACE，沿立方体ABCDEFGH的三个顶点BDF构成的平面削去锥角G-BDF，即可得到整体式基座主体。整体式基座主体为六条首尾相连、任意三条棱边不在同一平面上的棱边L1-L6连接平面三角形ACE与BDF构成的结构，以切削平面BDF为基座的安装平面(即六轴加速度传感器的安装平面)，如图1(b)所示。图1(c)为该结构的一种截面图，基座的高度Z(即面ACE到面BDF的距离)可由下式给出

$Z=\frac{\sqrt{3}}{3}L---\left(1\right)$

以图1所示的基座主体构成六轴加速度传感器时，六个单轴加速度传感器的轴线必须分别与六条棱边L₁-L₆平行，而且最好指向同一个三角形平面ACE或BDF。

基座主体也可以有多种变形，如分别沿与三角形平面ACE或BDF平行的任意平面削去两个对角，获得变形的基座主体结构，如图2(a)和图2(b)所示为一种分体式的基座主体。此时截取的平面为平面六边形IJKLMN和三角形OPQ。截取立方体的两个平行平面的位置由所选用的单轴加速度传感器的结构尺寸确定。

图3所示为整体式基座的六轴加速度传感器上六个单轴加速度传感器的布局结构，图中1、4、6、7、9和12是六个单轴加速度传感器，它们通过连接螺钉(对于具有连接螺孔的单轴加速度传感器)安装在整体式基座5侧面的安装平面上，或者采用专用粘接剂(对于不具有连接螺孔而采用粘接剂连接的单轴加速度传感器)与安装平面连接，如图4所示，13为用于连接单轴加速度传感器的连接螺孔。基座5由图1所述整体式基座主体加工出六个单轴加速度传感器的安装平面得到。六个单轴加速度传感器1、4、6、7、9和12的轴线分别与获得基座5的原立方体的六条棱平行，这六条棱边满足以下特征：依次首尾相连，并任意三条棱边不在一平面上。且六个单轴加速度传感器的安装轴线依次相互垂直，单轴加速度传感器位于其安装轴线与相邻加速度传感器安装轴线的两个交点之间(如图4中点A和B之间)，六个交点(点A、B、C、D、E和F)依次相连而成的环线(如图4中点划线)中各线段长度相同，且环线的几何中心与基座的质心相同，六轴加速度传感器的安装平面与任意互不相邻的三交点(如图4中点A、C和E)所构成平面平行。基座5的安装平面上(即原立方体切削对角后其中一个切削平面)加工有标准的连接螺孔与被测对象连接。8为单轴加速度传感器的安装平面(每一个单轴加速度传感器对应一个安装表面)，而且安装平面与单轴加速度传感器的轴线垂直。基座5的上表面11的中心加工有沉孔10以减轻六轴加速度传感器的重量。

图5(a)和图5(b)所示为另一种六轴加速度传感器的实施例，其基座为分体结构，由中心支撑和侧支撑构成，其目的是为了结构加工简单和减轻传感器质量。其中中心支撑是图1所示的基座主体结构的另一种变形，如图2(b)所示。由图2(a)可知，分体式基座的中心支撑是分别沿着与平面三角形ACE(BDF)平行且靠近一个顶角的两个平面削角获得，因此所得的上平面27(如图7)为六边形，下平面21(如图6、7)仍然为等边三角形。

图6和图7中，在中心支撑18的互相成直角的三个面23、25、26上均加工有连接螺孔24和销钉孔22，用于安装三个侧支撑15、17、21，中心支撑18与侧支撑15、17、21之间通过内六角螺钉16连接，并通过定位销钉限位。在中心支撑下的三角形平面21的中心加工有安装螺孔19，用于安装六轴加速度传感器于被测对象上，在其上的六角形平面27的中心加工有沉孔28及安装螺孔29，沉孔28用于减轻传感器的整体质量，安装螺孔29用于安装校准传感器。基座18的面23、25、26为侧支撑15、17、21的安装基面，下三角形平面21为六轴加速度传感器于被测对象上的安装基面，加工时具有平面度及表面粗糙度要求，且安装基面23、25、26之间有相互的垂直度要求。上六角形平面27为非工作基面，加工时无特殊要求。

图7和图8(a)和8(b)为中心支撑18的具体结构。在图8(a)和8(b)中未画出连接螺孔与销钉孔。30为削去的锥顶，中心支撑18的的高度可由下式给出：

             H＝h3-(h1-h2)                                 (2)

式中h1为削下的立方体的顶角H-OPQ的投影高度，h2为削下的立方体的顶角的投影高度，h3为沿ACE削下的立方体的顶角H-ACE的投影高度，分别由下式给出

$h1=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ρ}}_{1}L---\left(3\right)$

式中的ρ₁为削去的锥顶30的棱边长度与立方体的棱边长度的比例系数。

$h2=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ρ}}_{2}L---\left(4\right)$

式中ρ₂为削去的锥台的棱边长度与立方体的棱边长度的比例系数。

$h3=\frac{\sqrt{3}}{3}L---\left(5\right)$

立方体棱边L的投影长度由下式给出

$M=\frac{\sqrt{30}}{6}L---\left(6\right)$

削去的立方体的锥顶30的棱边的投影长度由下式给出

$M1=\frac{\sqrt{30}}{6}{\mathrm{\ρ}}_{1}L---\left(7\right)$

图9为分体式基座的侧支撑，其上加工有连接螺孔33和销钉孔34，用于连接侧支撑与基座。35为工艺过孔。在传感器安装面32和36上加工有连接螺孔31，用于连接单轴加速度传感器。值得注意的是连接螺孔31在传感器安装面32和36上不是处于对称位置，主要是为了减轻质量。图9中尺寸Rmax决定了可以安装的单轴加速度传感器的最大半径。即可以安装的单轴加速度传感器的最大半径小于Rmax。单轴加速度传感器的安装面32和36有平面度和表面粗糙度要求，且安装面32和36之间有相互垂直度要求。侧支撑上的面38为非工作面，加工时无特殊要求，侧支撑上的面37为中心支撑18上的安装基面，有平面度和表面粗糙度要求。

Claims (4)

1、一种六轴加速度传感器的敏感元件的布局结构，由基座和敏感元件构成，其特征在于：所述基座主体由立方体通过平行削去对角的两个角而获得，其中一个切削平面作为六轴加速度传感器的安装平面；敏感元件为六个特性相同的单轴加速度传感器，安装于基座上，其安装轴线分别平行于基座所对应的立方体的六条棱边，且该六条棱边满足以下特征：依次首尾相连，并任意三条棱边不在同一平面上。

2、根据权利要求1所述的六轴加速度传感器的敏感元件布局结构，其特征在于：六个敏感元件的安装轴线依次相互垂直，敏感元件位于其安装轴线与相邻敏感元件安装轴线的两个交点之间，六个交点依次相连而成环线中各线段长度相同，且连线的几何中心与基座的质心相同，六轴加速度传感器的安装平面与任意互不相邻的三交点所构成平面平行。

3、根据权利要求1或2所述的六轴加速度传感器的敏感元件布局结构，其特征在于：所述各敏感元件的重心距六轴加速度传感器的安装平面的高度一致。

4、根据权利要求3所述的六轴加速度传感器的敏感元件布局结构，其特征在于：基座为整体式或分体式；整体式基座由立方体通过平行削去对角的两个角而获得，外周加工有六个单轴加速度传感器的支撑安装面，直接安装六个单轴加速度传感器；分体式基座由中心支撑和侧支撑组成，中心支撑为基座主体，由一个立方体通过平行削去对角的两个角而获得，侧支撑为三个多面体，固定在中心支撑的外周，用于安装六个单轴加速度传感器。

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