CN220455346U - 加速度传感器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开关于一种加速度传感器及电子设备，所述加速度传感器，包括：壳体，内部中空形成腔体；压电组件，包括相对固定设置在所述腔体的内壁上的两个压电件；弹性组件，包括相对设置的两个弹性件，一个所述弹性件的一端与一个所述压电件连接；质量块，在所述腔体内与每个所述弹性件远离所述压电件的一端连接。本公开的减震效果较好，结构稳定性较好，降低了结构噪声，提高了加速度传感器的精度。

Description

加速度传感器及电子设备

技术领域

本公开涉及传感器领域，尤其涉及一种加速度传感器及电子设备。

背景技术

随着技术的发展，加速度传感器在电子设备上得以广泛应用。加速度传感器用于测量被测物体的运动状态信息。然而，相关技术中加速度传感器存在较高的共振频率，以及检测结果精度低等问题。

实用新型内容

本公开实施例提供一种加速度传感器及电子设备。

第一方面，本公开实施例提供了一种加速度传感器，包括：

壳体，内部中空形成腔体；

压电组件，包括相对固定设置在所述腔体的内壁上的两个压电件；

弹性组件，包括相对设置的两个弹性件，一个所述弹性件的一端与一个所述压电件连接；

质量块，在所述腔体内与每个所述弹性件远离所述压电件的一端连接。

在一些实施例中，所述加速度传感器包括三组所述压电组件以及三组所述弹性组件，一组所述压电组件对应一组所述弹性组件，每两组所述弹性组件分布在相互垂直的方向上。

在一些实施例中，所述相对设置的两个弹性件位于同一轴线上。

在一些实施例中，所述弹性件通过粘结件分别与所述压电件以及所述质量块连接。

在一些实施例中，所述压电件为压电陶瓷片。

第二方面，本公开实施例提供了一种电子设备，所述电子设备包括电路板以及如第一方面所述的加速度传感器，所述加速度传感器的压电组件与所述电路板连接。

在一些实施例中，所述电路板上设有运放器件，一个所述运放器件连接所述压电组件的一个压电件，所述压电组件对应的两个所述运放器件的运放方向相反，并形成差分放大电路。

在一些实施例中，所述差分放大电路为电压差分放大电路。

在一些实施例中，所述电路板为柔性电路板，各所述压电件的接地端与所述柔性电路板的接地端连接。

在一些实施例中，所述电路板位于所述壳体外，所述壳体上设有开口，所述压电组件通过导线穿过所述开口与所述电路板连接。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开实施例中，加速度传感器包括两个相对的弹性件，一方面，相较于相关技术中单弹簧的结构，两个相对的弹性件的减震效果较好，且由于相对设置的弹性件的形变能吸收所在维度上由被测物体运动带来的振动和冲击，因此能减少被测物体的运动对加速度传感器测量结果的影响，从而提高加速度传感器的精度；一方面，两个相对的弹性组件均与质量块连接，能使得质量块不易晃动，增加结构稳定性；此外，弹性件相对的两端与质量块和腔体连接，弹性件的形变能吸收质量块的振动，能有效降低共振频率，从而降低结构噪声。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种加速度传感器示意图一；

图2是相关技术中一种加速度传感器的正视结构示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种加速度传感器示意图二；

图4是根据一示例性实施例示出的一种加速度传感器的截面示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种加速度传感器中压电件的连接示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的一种差分放大电路的连线示意图。

附图标记说明如下：1000，加速度传感器；11，壳体；111，腔体；112，开口；12，压电组件；121，压电件；121a，连接接地端的导线；121b，连接信号输出端的导线；13，弹性组件；131，弹性件；14，质量块；15，粘结件；2000，电路板；21，差分放大电路；211，运放器件；3000，相关技术中的加速度传感器；31，相关技术中的弹簧；32，相关技术中的质量块；33，相关技术中的基座；34，相关技术中的压电元件；35，相关技术中的支柱。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开实施例提供一种加速度传感器1000，图1是根据一示例性实施例示出的一种加速度传感器1000示意图一，所述加速度传感器1000包括：

壳体11，内部中空形成腔体111；

压电组件12，包括相对固定设置在所述腔体111的内壁上的两个压电件121；

弹性组件13，包括相对设置的两个弹性件131，一个所述弹性件131的一端与一个所述压电件121连接；

质量块14，在所述腔体111内与每个所述弹性件131远离所述压电件121的一端连接。

在本公开实施例中，加速度传感器1000可应用于电子设备中，本公开实施例中的电子设备可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备(例如，智能手表、智能眼镜等)、电视机、摄像机、游戏机等，也可以是进行振动检测的振动台，还可以是其他种类的存在加速度传感器1000的电子设备。示例性的，电子设备为手机时，加速度传感器1000可用于测量手机马达的整机振动状态测量；电子设备是振动台时，可用于汽车零部件、电子元器件、组件、医药、食品、家具、礼品、陶瓷、包装等行业实验室及生产线上对样品进行相关振动试验的振动状态检测。

在本公开实施例中，加速度传感器1000包括壳体11，内部中空形成腔体111。壳体11的材质可以是塑料、金属、合金等；壳体11和腔体111的形状包括长方体、正方体、正八边柱、圆柱体、球体等。如图1所示，壳体11的形状为正方体，腔体111的形状也为正方体。

在本公开实施例中，加速度传感器1000包括压电组件12，压电组件12包括相对固定设置在腔体111的内壁上的两个压电件121。需要说明的是，本公开实施例中压电组件12的数量至少为一组，对应的压电件121的数量至少为两个。其中，压电件121的材质可以是压电陶瓷、压电晶体，也可以是其他压电材料；其形状包括方形片、圆片、长条片、棒、圆柱等。如图1所示，压电组件12的数量为一组，一组弹性组件12包括两个相对设置的压电件121。

在本公开实施例中，加速度传感器1000包括弹性组件13，弹性组件13包括相对设置的两个弹性件131。其中，每组弹性组件13中相对设置的两个弹性件131可位于同一轴线上，也不位于同一轴线上。需要说明的是，弹性组件13的数量至少为一组，对应的弹性件131的数量至少为两个。如图1所示，弹性组件13的数量为一组，一组弹性组件13包括两个相对设置的弹性件131，其中，弹性件131为弹簧。

在本公开实施例中，一个弹性件131的一端与一个压电件121连接，即弹性件131与压电件121一一对应。其中，弹性件131可以是弹簧、弹性棉、或由其他弹性材料形成的弹性块等。如图1所示，一个弹性件131与一个压电件121连接。

在本公开实施例中，加速度传感器1000包括质量块14，质量块14的材质包括铁、钢材、铜、银、金、铂金金属等；其形状包括长方体、正方体、正八边柱、圆柱体、球体等。在本公开实施例中，质量块14在腔体111内与每个弹性件131远离压电件121的一端连接，结合前述可知，每个弹性件131相对的两端分别与质量块14和压电件121连接。弹性件131可通过焊接的方式与质量块14和/或压电件121连接，还可通过粘结件15与质量块14和/或压电件121连接。如图1所示，质量块14位于腔体111内，质量块14的形状为正方体，每一弹性件131的一端通过粘结件15与压电件121连接，每一弹性件131的远离压电件121的一端与质量块14连接。

当承载有加速度传感器1000的电子设备运动时，质量块14运动带动弹簧形变，从而使压电件121受力后在其表面产生一个与加速度成正比的电荷信号，使得加速传感器能基于上述结构检测加速度。本公开实施例中，一组弹性组件13可实现任一轴上的加速度测量，包括一组弹性组件13以及一组压电组件12的加速度传感器1000可称之为单轴加速度传感器。本公开实施例中，电子设备中也可包括两组或三组弹性组件13，以及弹性组件13对应的压电组件12，此时，加速度传感器1000为双轴或三轴加速度传感器。

相关技术中，加速度传感器3000中质量块32与基座33连接，基座33固定在被测物体上。图2是相关技术中一种加速度传感器3000的正视结构示意图，如图2所示，加速度传感器3000的类型为中央安装压缩型，压电元件34、质量块32、弹簧31按由上到下的顺序依次安装在圆形中心支柱35上，支柱35与基座33连接。当被测物体振动时，上述结构有较高的共振频率，且如果基座33有变形则将直接影响该加速度传感器3000的输出。

而本公开实施例中，加速度传感器1000包括两个相对的弹性件131，一方面，相较于相关技术中单弹簧的结构，两个相对的弹性件131的减震效果较好，且由于相对设置的弹性件131的形变能吸收所在维度上由被测物体运动带来的振动和冲击，因此能减少被测物体的运动对加速度传感器1000测量结果的影响，从而提高加速度传感器1000的精度；另一方面，两个相对的弹性组件13均与质量块14连接，能使得质量块14不易晃动，增加结构稳定性；此外，弹性件131相对的两端与质量块14和腔体111连接，弹性件131的形变能吸收质量块14的振动，能有效降低共振频率，从而降低结构噪声。

图3至图6为加速度传感器1000的示意图；其中，图3是根据一示例性实施例示出的一种加速度传感器1000的示意图二；图4是根据一示例性实施例示出的一种加速度传感器1000的截面示意图；图5是根据一示例性实施例示出的一种加速度传感器1000中压电件121的连接示意图；图6是根据一示例性实施例示出的一种差分放大电路21的连线示意图。为便于后续描述，下面基于图1、图3、图4、图5和图6进行相关描述。需要说明的是，图1、图3、图4、图5和图6中同一标识的结构属于同样功能的结构。

在一些实施例中，所述加速度传感器1000包括三组所述压电组件12以及三组所述弹性组件13，一组所述压电组件12对应一组所述弹性组件13，每两组所述弹性组件13分布在相互垂直的方向上。

在本公开实施例中，加速度传感器1000包括三组弹性组件13，每两组弹性组件13分布在相互垂直的方向上，加速度传感器1000还包括三组压电组件12，一组压电组件12对应一组弹性组件13。由上述分析得到，三组弹性组件13位于三个维度上，对应的，三组压电组件12也位于三个维度上，如图3所示，三组弹性组件13每两组相互垂直，每组压电组件12对应一组弹性组件13。可以理解的是，三组压电组件12可得到各三个维度上的电荷信号，即为前述的三轴加速度传感器。

本公开实施例中，加速度传感器1000包括三组相互垂直的弹性组件13，由于三组相互垂直的弹性组件13对应三个维度，使得本公开的加速度传感器1000支持三轴的加速度测量。

在一些实施例中，所述相对设置的两个弹性件131位于同一轴线上。

在本公开实施例中，相对设置的两个弹性件131位于同一轴线上，即，两个弹性件131的轴线在同一直线上。本公开实施例中对位于同一轴线上的两个弹性件131的属性并不做限定，以弹性件131为弹簧为例，弹簧的属性包括直径、线径、材料、有效圈数等。

可以理解的是，相较于相对设置但并不位于同一轴线上的两个弹性件131，本公开实施例中，同一轴线上的弹性件131位于同一轴线上，能使得质量块14更不易晃动，能进一步增加结构稳定性。

在一些实施例中，所述弹性件131通过粘结件15分别与所述压电件121以及所述质量块14连接。

在本公开实施例中，弹性件131通过粘结件15分别与压电件121以及质量块14连接，即弹性件131的相对的两端均通过粘结件15连接。其中，粘结件15包括：粘结剂(例如，环氧树脂胶)、双面胶等。

本公开实施例中，通过粘结件15连接的方式，简单可实现，造价便宜。

在一些实施例中，所述压电件121为压电陶瓷片。

压电件121的压电材料的特性决定了压电件121上的作用力可以是受正应力也可以是剪应力，压电材料产生的电荷大小随作用力的方向以及电荷引出表面的位置而变。根据压电材料不同的受力方法，常用传感器敏感芯体的结构一般有压缩、剪切、弯曲变形梁三种形式。

由于压电陶瓷片具有较高的压电系数和居里点，各项机电参数随温度时间等外界条件的变化相对较小，造价便宜等优点，因此本公开实施例中，压电件121为压电陶瓷片。在压电片的数量、位置能满足三维测量加速度的需求时，相较于压电晶体会在三个坐标轴方向上产生电荷，压电陶瓷片只在一个坐标轴方向上产生电荷，基于前述分析可知，压电陶瓷片的电荷信号和加速度相关，那么可以理解的是，相较于压电晶体，加速度传感器1000基于压电陶瓷片的电荷信号，计算各维度上的加速度较为简单。

本公开实施例提供一种电子设备，所述电子设备包括电路板2000以及前述任意实施例中的加速度传感器1000，所述加速度传感器1000的压电组件12与所述电路板2000连接。

如前所述的，电子设备可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备(例如，智能手表、智能眼镜等)、电视机、摄像机、游戏机等，也可以是进行振动检测的振动台，还可以是其他种类的存在加速度传感器1000和电路板2000的电子设备；电路板2000可位于加速度传感器1000的腔体111内，也可位于腔体111外。其中，电路板2000可以是印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)，也可以是柔性电路板(Flexible Printed Circuit，FPC)，还可以是软硬结合板。需要说明的是，电路板2000可以是专供加速传感器的，也可以是还供电子设备里面其他元器件使用的，示例性的，电子设备为手机时，电路板2000为主控电路板，加速度传感器1000和摄像头、扬声器等共用该主控电路板。

在本公开实施例中，压电组件12与电路板2000连接，压电组件12的输出信号可由电路板2000进行处理，压电组件12也通过电路板2000接地，从而防止静电损害，保障加速度传感器1000的正常运行。

在本公开实施例中，加速度传感器1000固定在电子设备内，电子设备作为被测物体，当电子设备运动时，带动加速度传感器1000中的质量块14振动，使得弹簧形变并产生形变压力作用于各压电件121，从而各压电件121产生电荷信号，电子设备可基于上述电荷信号得到对应的加速度。电子设备可基于该加速度信号，确定自身的运动状态，以电子设备是手机为例，加速度传感器1000可用于使手机自动旋转屏幕，还可用于检测手机的晃动和震动，以智能计步。

本公开实施例中，电子设备通过内置前述结构的加速度传感器1000，能得到较准确的加速度信息，从而能较准确的判断自身的运动状态。

在一些实施例中，所述电路板2000上设有运放器件211，一个所述运放器件211连接所述压电组件12的一个压电件121，所述压电组件12对应的两个所述运放器件211的运放方向相反，并形成差分放大电路21。

在本公开实施例中，电路板2000上设有运放器件211，一个运放器件211连接压电组件12的一个压电件121，压电组件12对应的两个运放器件211的运放方向相反，并形成差分放大电路21。其中，运放器件211可包括电压放大器、电流放大器等。以电压放大器为例，压电组件12对应的两个电压放大器的运放方向相反，对两个电压做差值运算，得能到压电组件12对应的差分放大后的电势。如图6所示，一个运放器件211连接一个压电件121，运放器件211为电压放大器，u_1-、u₁₊、u_2-、u₂₊、u_3-、u₃₊分别对应于图3、图4所示的六个压电件121；其中u_1-和u₁₊、u_2-和u₂₊、u_3-和u₃₊分别为三组压电组件12对应的三个差分放大电路21的电压输出。

示例性的，在u_1-和u₁₊的差分电路中，将u_1-和u₁₊做差分，如下式(1)所示：

u₁＝u₁₊-u_1- (1)

其中，u₁是差分放大电路21的输出电压。

以压电件121为压电陶瓷片为例，由静电学的知识可知，如下式(2)：

其中，E₃为压电陶瓷片表面电荷所产生的内电场强度，d为压电陶瓷的厚度(米)，为压电陶瓷片的输出电势(例如，如前所述的u_1-、u₁₊、u_2-、u₂₊、u_3-、u₃₊)。

当温度变化时，u_1-和u₁₊对应的压电件121的输出电荷均会受到影响，那么对应的输出电压也会受到影响。假设，u_1-、u₁₊分别对应的电压增量为△u_1-、△u₁₊，将u_1-和u₁₊做差分，如下式(3)所示：

u′₁＝u₁₊+△u₁₊-u_1--△u_1- (3)

其中，△u_1-为u_1-对应的压电陶瓷片因温度变化引起的电压增量，△u₁₊为u₁₊对应的压电陶瓷片因温度变化引起的电压增量，u′₁是差分放大电路21在温度变化后的输出电压。

基于以上可知，差分放大电路21能有效抑制温度漂移。

以三轴加速度传感器1000为例进行说明，假设加速度传感器1000固定于被测物体中，当被测物体以加速度a运动时，此时质量块14也以加速度a运动，对质量块14进行受力分析，以x，y，z轴的正方向作为矢量的正向。示例性的，加速度a如下式(4)所示：

a＝a_xi+a_yj+a_zk (4)

质量块14在x、y、z轴上的受力和加速度的对应关系，如下式(5)、(6)、(7)所示：

F_1x+-F_1x-＝F_x＝ma_x (5)

F_2y+-F_2y-＝F_y＝ma_y (6)

F_3z+-F_3z--mg＝F_z-mg＝ma_z (7)

其中，F_1x+、F_2y+、F_3z+分别表示质量块14在x、y、z轴正方向上的受力，F_1x-、F_2y-、F_3z-分别表示质量块14在x、y、z轴负方向上的受力，F_x、F_y、F_z分别表示质量块14在x、y、z轴上的受力。

由胡克定律，弹簧在x、y、z轴上的受力，如下式(8)所示：

F_i＝-kx_i (8)

其中，i＝(x，y，z)，F_i是i方向上弹簧所受的力，k是弹性系数，与弹簧属性有关，x_i为i方向上线性弹簧的伸长或压缩形变量。

以压电陶瓷片为例，无施加外部电场时，根据压电方程，压电陶瓷片的z向的应变量，如下式(9)所示，压电陶瓷片的z向的电位移，如下式(10)所示：

S₃＝c₃₃T₃ (9)

D₃＝d₃₃T₃ (10)

其中，S₃为压电陶瓷z向的应变量(相对形变量)，c₃₃为压电陶瓷的z向正应力的劲度系数，T₃为z向正应力，D₃为压电陶瓷在z向上的电位移，d₃₃为压电陶瓷的厚度向的压电系数(其中，第一个3指电场方向/电极面的垂直方向，第二个3指应力或应变方向)。

由静电学的知识可知，如下式(11)：

D₃＝ε₃₃E₃ (11)

其中，ε₃₃为压电陶瓷片的介电常数(法拉/米，F/m)，E₃为压电陶瓷表面电荷所产生的内电场强度。

基于以上公式可以建立出电势与应力T₃之间的相对关系，由弹簧的原理可知，弹簧在z向上的应力如下式(12)所示：

其中，l＝z，s为压电陶瓷片的厚度方向表面的面积。

基于以上，可知应力T₃和加速度a相关，通过转换可得下式(13)：

其中，f(a)为加速度a相关的函数。

通过合理的建模调试则可以在一定误差范围内完美拟合出各压电陶瓷片的电势和加速分量之间的关系。

本公开实施例中，电路板2000上设有两个相对设置的压电件121相对应的差分放大电路21。虽然压电件121会因受到温度、外部电路等干扰的影响而引起参数的变化，即产生温度漂移现象、共模噪声等，但由于压电件121工作在统一环境下，温度上升或下降以及外部干扰源的噪声对压电组件12中的各压电件121是同时存在影响的，基于前述，差分放大电路21能减少温度漂移和串扰的共模噪声，因而本公开实施例中电子设备能基于上述差分电路获得较为准确的加速度。

在一些实施例中，所述差分放大电路21为电压差分放大电路。

通常压电件121因压电效应产生的电动势输出为毫伏量级的信号，由于该输出信号微弱，不利于采集和传输，因此必须经过放大才有利于压电信号的采集、传输和分析。且，考虑到相较于其他差分放大电路，电压差分放大电路更适用于输入信号较小的场景。因此，本公开实施例中，差分放大电路21为电压差分放大电路。

在一些实施例中，所述电路板2000为柔性电路板，各所述压电件121的接地端与所述柔性电路板2000的接地端连接。

在本公开实施例中，电路板2000为柔性电路板，各压电件121的接地端与柔性电路板的接地端连接。其中，各压电件121的信号输出端可先与柔性电路板的信号输入端连接，通过柔性电路板上的电路将各压电件121的输出信号处理成运放器件211对应的输入信号类型。如图5所示，各压电件121的接地端通过导线121a与电路板2000连接，各压电件121的信号输出端通过导线121b与电路板2000连接。

本公开实施例中，压电件121与柔性电路板连接。由于柔性电路板可弯曲，不易损坏，能提高加速度传感器1000的可靠性；此外各压电件121的接地端与柔性电路板的接地端连接，在满足电子设备安全性的同时能方便电子设备的布线。

在一些实施例中，所述电路板2000位于所述壳体11外，所述壳体11上设有开口112，所述压电组件12通过导线穿过所述开口112与所述电路板2000连接。

在本公开实施例中，电路板2000位于壳体11外，壳体11上设有开口112，压电组件12通过导线穿过开口112与电路板2000连接。如图5所示，壳体11上设有开口112。

一方面，本公开实施例中，电路板2000位于壳体11外，方便给电子设备里面其他模块提供电力支持；另一方面，如前所述的，外部电路会干扰压电件121的输出信号，本公开电路板2000位于壳体11外，能减少对压电件121的输出信号的干扰，从而减少对加速度传感器1000测量的影响。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种加速度传感器，其特征在于，包括：

壳体，内部中空形成腔体；

压电组件，包括相对固定设置在所述腔体的内壁上的两个压电件；

弹性组件，包括相对设置的两个弹性件，一个所述弹性件的一端与一个所述压电件连接；

质量块，在所述腔体内与每个所述弹性件远离所述压电件的一端连接。

2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述加速度传感器包括三组所述压电组件以及三组所述弹性组件，一组所述压电组件对应一组所述弹性组件，每两组所述弹性组件分布在相互垂直的方向上。

3.根据权利要求1或2任一所述的加速度传感器，其特征在于，所述相对设置的两个弹性件位于同一轴线上。

4.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述弹性件通过粘结件分别与所述压电件以及所述质量块连接。

5.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述压电件为压电陶瓷片。

6.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括电路板以及权利要求1至5中任一项所述的加速度传感器，所述加速度传感器的压电组件与所述电路板连接。

7.根据权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述电路板上设有运放器件，一个所述运放器件连接所述压电组件的一个压电件，所述压电组件对应的两个所述运放器件的运放方向相反，并形成差分放大电路。

8.根据权利要求7所述的电子设备，其特征在于，所述差分放大电路为电压差分放大电路。

9.根据权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述电路板为柔性电路板，各所述压电件的接地端与所述柔性电路板的接地端连接。

10.根据权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述电路板位于所述壳体外，所述壳体上设有开口，所述压电组件通过导线穿过所述开口与所述电路板连接。