DE3225236C2

DE3225236C2 -

Info

Publication number: DE3225236C2
Application number: DE3225236A
Authority: DE
Inventors: Richard A. Woodinville Wash. Us Hanson; Kim W. Bellevue Wash. Us Atherton
Original assignee: Sundstrand Data Control Inc
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1981-07-14
Filing date: 1982-07-06
Publication date: 1990-10-11
Also published as: SE8204220D0; AU554447B2; SE8204220L; CA1178454A; IT8248779A0; IL66179A; IT1149014B; CH654114A5; SE451899B; FR2509864A1; AU8491582A; US4400979A; JPH049268B2; JPS5818130A; DE3225236A1; FR2509864B1; NO822380L; IL66179A0

Description

Die Erfindung betrifft eine federnde Aufhängung in einem Kraftumformer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange gebenen Gattung.

Bei Kraftumformern, wie sie z. B. aus den US-PS 37 02 073 und 41 82 187 sowie 42 50 757 bekannt sind, ist ein Fühler an einem Befestigungsorgan bzw. einem Haltering mittels einer federnden Aufhängung gesichert, die es dem Fühler erlaubt, sich aufgrund der Einwirkung kleiner Kräfte relativ zu dem Befestigungsorgan zu bewegen. Bei einem solchen Beschleunigungsmesser kann die federnde Aufhängung bifilar aufgebaut sein und aus zwei dünnen ebenen Elementen be stehen.

Zur Herstellung elektrischer Anschlüsse an Schaltungskompo nenten, die an dem Fühler angeordnet sind, können entweder biegsame Zuleitungen zwischen Haltering und Fühler verwendet werden, oder es kann eine Dünnschicht aus elektrisch leit fähigem Werkstoff direkt auf die federnde Aufhängung oder auf eine nichtleitende Beschichtung auf dieser, falls sie selbst elektrisch leitfähig ist, aufgebracht werden. Wenn solche Werkstoffe auf die Aufhängung aufgebracht werden, werden in der federnden Aufhängung Spannungen erzeugt infolge der unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten von Aufhängung und leitfähigen Werkstoffen oder auch durch das Aufbringverfahren selbst. Diese Spannungen resultieren wiederum in Kräften, die danach trachten, den Fühler aus einer Neutrallage auszulenken. Bei Umformern mit Servo system, bei denen eine Rückstellkraft angelegt wird, um den Fühler in der Neutrallage zu halten, wird infolge dieser Spannungen ein Auslenkungsfehler erzeugt. Bei Umformern mit Steuersystem, bei denen der Auslenkungsbetrag des Fühlers erfaßt wird, wird ebenfalls ein Auslenkungsfehler erzeugt.

Bei solchen Umformern, die leitfähige Beschichtungen verwen den, wird versucht, die mechanischen Dünnschichtspannungen dadurch auszugleichen, daß die Dünnschichten gleichmäßig auf die obere und die untere Seite der Aufhängungsabschnitte aufgebracht werden. Bei dieser Ausbildung werden zwar Fehler in gewissem Umfang reduziert, es ist dabei jedoch ein exakter Ausgleichsvorgang während der Schichtaufbringung erforderlich, um die Schichtdicke auf beiden Seiten der Aufhängungsabschnitte gleich zu machen. Ferner hängt dieser Ausgleichsvorgang von der Stabilität der Schichtspannungen über die Zeit sowie auch von weiteren Faktoren wie Umge bungstemperatur, Werkstoffreinheit und Oberflächenver schmutzung ab.

Bei bekannten Umformern hat es sich als erwünscht erwiesen, die dünnstmögliche federnde Aufhängung zu verwenden, die mit den Festigkeits- und Elastizitäts-Anforderungen an eine ordnungsgemäße Funktionsweise vereinbar ist, so daß Span nungs-Auswirkungen, die zu Auslenkungsfehlern führen, minimiert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Federkonstante unabhängig davon, ob es sich um die Winkel- oder die lineare Federkonstante handelt, die durch eine federnde Aufhängung gegeben ist, der dritten Potenz der Dicke t der Aufhängung proportional ist, wogegen das Biege moment der Aufhängung infolge von durch das Aufbringen leitfähiger Streifen hervorgerufenen mechanischen Spannungen nur der Dicke t proportional ist. Wenn z. B. die Dicke der Aufhängung um 30% verringert wird, so daß die dadurch erhaltene Winkelfederkonstante von 20^g/rad auf 7^g/rad geändert wird, wird das durch Spannungsauswirkungen in der leitfähigen Beschichtung auftretende Fehlermoment nur um einen Faktor 1,42 verringert. Somit ist ersichtlich, daß die Untergrenze des Bereichs tolerierbarer Federkonstanten, die durch eine konventionelle Aufhängung erhalten werden, längst erreicht ist, bevor das Fehlermoment auf einen unerheblichen Wert verringert wird. Infolgedessen muß bei diesen Aufhän gungsarten ein Kompromiß gefunden werden zwischen der Erzielung der erwünschten Federkonstanten und Aufhängungs- Festigkeit und der Minimierung der zu Fehlern führenden Spannungsauswirkungen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer federnden Aufhängung für Kraftumformer, bei der elektrisch leitende Beschichtungen auf Flächen vorgesehen sind, die im wesent lichen auf oder in der neutralen Biegeebene der Aufhängung liegen, wobei mechanische Spannungen in der Grenzfläche zwischen der leitfähigen Schicht und der Aufhängung nicht zu Auslenkungsfehlern führen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen den Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Da die leitfähige Beschichtung auf einer Fläche positioniert ist, die im wesentlichen in der neutralen Biegeebene der Aufhängung liegt, führen mechanische Spannungen in der Grenzfläche zwischen der leitfähigen Schicht und der Auf hängung nicht zu Auslenkungsfehlern, weil das durch solche mechanischen Spannungen bewirkte Biegemoment dem Abstand der Grenzfläche von der neutralen Biegeebene proportional ist. Da dieser Abstand im wesentlichen Null ist, wird das Biegemoment minimiert, und Auslenkungsfehler werden praktisch vollständig, mindestens jedoch ganz erheblich, reduziert.

Die Aufhängung kann aus einem oder mehreren Teilen bestehen, deren jeder einen oder mehrere Kanäle mit einer Bodenfläche enthält, die im wesentlichen in der neutralen Biegeebene der Aufhängung liegt.

Da die leitfähige Beschichtung immer auf oder nahe der neutralen Biegeebene angeordnet ist, ist die Größe eines von der leitenden Beschichtung eingeführten Fehlers im wesentlichen unabhängig von Dicke und Gesamtlänge und -breite der Aufhängung. Infolgedessen kann die federnde Aufhängung so ausgebildet sein, daß sich eine ausreichende Festigkeit und die erwünschte Federkonstante für den Beschleunigungsmesser ergeben, ohne daß merkliche Aus lenkungsfehler infolge von mechanischen Schichtspannungen hervorgerufen werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Explosionsansicht eines Kraftumformers mit federnder Aufhängung;

Fig. 2 eine größere Teildraufsicht auf die Auf hängung von Fig. 1;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer bifilaren federnden Aufhängung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Kraftumformer in Form eines Beschleunigungsmessers 10 mit Servosystem, wobei eine federnde Aufhängung 12 vorgesehen ist. Der Beschleunigungs messer 10 entspricht dem Typ gemäß der US-PS 37 02 073, obwohl die federnde Aufhängung natürlich auch in anderen Kraftumformern einsetzbar ist, die eine Winkel- oder eine geradlinige Bewegung eines Fühlers nutzen.

Der Beschleunigungsmesser 10 besteht aus zwei zylindrischen Gehäusehälften 14 a, 14 b sowie einem zwischen beiden gesi cherten Feder-Masse-System 16.

Die Gehäusehälften 14 a, 14 b sind im wesentlichen identisch ausgebildet, und somit wird nur die Gehäusehälfte 14 a erläutert. Diese umfaßt eine zylindrische Gehäusewand 17 mit einer nach innen verlaufenden Rippe 18, die ein magne tisches Polstück bildet und um einen Boden ver läuft, so daß eine Basis 19 gebildet ist. Das Polstück 18 hat eine zylindrische Innenwand 20, die eine Aussparung 22 definiert. Auf der Basis 19 innerhalb der Aussparung 22 ist ein zylindrischer Dauermagnet 24 gesichert, dessen Außenum fangsfläche von der zylindrischen Innenwand 20 beabstandet ist, so daß zwischen beiden ein Ringspalt 26 gebildet ist.

Das Feder-Masse-System 16 umfaßt einen Fühler bzw. Flügel 30, der schwenkbar mittels der federnden Aufhängung 12 an einem Haltering bzw. Befestigungsorgan 32 gesichert ist.

Bei dem gezeigten Beschleunigungsmesser kann der Fühler 30 sich infolge der federnden Aufhängung 12 relativ zu dem Haltering 32 auf einer gekrümmten Bahn bewegen. Es ist jedoch zu beachten, daß die federnde Aufhängung auch bei einem Umformer verwendbar ist, der eine geradlinige Bewegung des Fühlers entlang der Achse des Kraftumformers nutzt.

Auf der Oberseite 40 und der Unterseite 41 des Fühlers 30 sind zwei Rückstell- bzw. Drehmomentspulen 42 bzw. 43 angeordnet. Die Rückstellspulen 42, 43 sind auf Spulenkörper gewickelt, die in den in jeder Gehäusehälfte 14 a, 14 b gebildeten Ringspalt 26 einsetzbar sind, wenn die verschie denen Bauteile des Beschleunigungsmessers 10 zusammengefügt werden.

Auf der Oberseite 40 des Fühlers 30 ist eine elektrisch leitfähige Schicht 45 vorgesehen. Eine gleichartige elek trisch leitfähige Schicht ist auf der Unterseite 41 des Fühlers 30 vorgesehen. Diese Schichten bilden zwei Kondensa torplatten, die mit einer Fläche 21 des Polstücks 18 und einer entsprechenden Fläche des Polstücks der Gehäusehälfte 14 b in noch zu erläuternder Weise in Wechselwirkung treten.

Auf einer Oberfläche 36 des Halterings 32 sind drei Befesti gungs-Druckunterlagen 34 (nur zwei davon sind gezeigt) angeordnet. Drei zusätzliche Druckunterlagen sind axial entgegengesetzt zu den Druckunterlagen 34 auf der Unterseite 38 des Halterings 32 angeordnet.

Der Haltering 32 ist zwischen den Gehäusehälften 14 a, 14 b so gesichert, daß eine Lippe der zylindrischen Gehäusewand 17 und eine entsprechende Lippe der Gehäusehälfte 14 b die Befestigungs-Druckunterlagen beaufschlagen, und die Rück stellspulen 42, 43 sind in dem Ringspalt 26 bzw. einem entsprechenden Ringspalt der Gehäusehälfte 14 b aufgenommen.

Zwei veränderliche Kondensatoren 48, 49 sind in dem Beschleunigungs messer 10 ausgebildet, wobei der eine aus der Fläche 21 und der Beschichtung auf der Unterseite 38 und der andere aus einer der Fläche 21 entsprechenden Fläche des Polstücks der Gehäusehälfte 14 b und der Beschichtung 45 auf der Oberseite 40 des Fühlers 30 besteht.

Die Leiterschichten auf der Oberseite 40 und der Unterseite 41 sowie die Rückstellspulen 42, 43 sind an äußere Schalt kreise über vier Leiterbahnen 47 a-d angeschlossen, die über die federnde Aufhängung 12 zu dem Haltering 32 verlaufen. Die elektrischen Anschlüsse an externe Schaltkreise erfolgen vom Haltering 32 über vier Anschlußstifte (nicht gezeigt), die in den Gehäusewandungen der Gehäusehälften 14 a, 14 b angeordnet sind.

Wenn der Beschleunigungsmesser 10 mit einer Beschleunigung entlang seiner Achse beaufschlagt wird, verschiebt sich der Fühler 30 relativ zu dem Haltering 32 und den Gehäusehälften 14 a, 14 b, wodurch sich eine Kapazitätsänderung der Konden satoren 48, 49 ergibt. Die Kapazitätsänderung wird von einem Servosystem (nicht gezeigt) erfaßt, das wiederum ein der Kapazitätsänderung proportionales Signal an die Rückstell spulen 42, 43 anlegt. Das von den Rückstellspulen 42, 43 erzeugte resultierende Magnetfeld gelangt mit dem von den Dauermagneten in den Gehäusehälften 14 a, 14 b erzeugten Magnetfeld in Wechselwirkung und wirkt der Verschiebung des Fühlers entgegen. Der Strom, den die Rückstellspulen 42, 43 benötigen, um den Fühler 30 in einer Nullage zu halten, bezeichnet die Beschleunigungskraft, mit der der Beschleu nigungsmesser beaufschlagt wird.

Eine nähere Erläuterung des Beschleunigungsmessers 10 findet sich in der US-PS 37 02 073.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der federnden Auf hängung 12, das eingesetzt werden kann, wenn die Art der jeweiligen Kraftumformer-Konfiguration eine Erhöhung des Lastwiderstands erlaubt.

Die Aufhängung ist als bifilare Schwenkeinheit ausgebildet mit zwei Aufhängungsabschnitten 80, 88, die zwischen dem Fühler 30 und dem Haltering 32 angeordnet sind. Die Auf hängungsabschnitte 80 und 88 sind durch einen Spalt von einander beabstandet, der ebenfalls zwischen dem Haltering 32 und dem Fühler 30 verläuft.

Die Aufhängungsabschnitte 80 und 88 haben im wesentlichen den gleichen Querschnitt, und so wird nur der Aufhängungs abschnitt 80 erläutert.

Der Aufhängungsabschnitt 80 umfaßt eine Oberfläche 86 und eine Unterfläche 90, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, sowie zwei Seitenflächen 84, die im wesentlichen senkrecht zu den Flächen 86 und 90 ver laufen. Die Ober- und die Unterfläche 86 und 90 können auch nichtparallel zueinander verlaufen, wobei die Null achse-Kanäle immer noch verwendet werden können.

Der Aufhängungsabschnitt 80 weist in der Oberfläche 86 und der Unterfläche 90 angeordnete Kanäle 83, 85 auf. Die Kanäle 83, 85 haben Bodenflächen 82, 87, die im we sentlichen koplanar sind und mit der neutralen Biegeebene des Aufhängungsabschnitts 80 zusammenfallen.

Die neutrale Biegeebene ist diejenige Ebene, die bei einer Wölbung der Aufhängung keinem mechanischen Zug bzw. keiner Kompression ausgesetzt ist. Die Boden fläche 82 des Kanals 83 im Aufhängungsabschnitt 80 grenzt an eine Randfläche 84 ohne Zwischenabschnitt einer Ober fläche 86 an. Der zweite Aufhängungsabschnitt 88 ist ein Spiegelbild des Aufhängungsabschnitts 80, d. h., sie sind symmetrisch um die Ebene, die den Raum zwischen den beiden Aufhängungsabschnitten 80, 88 schneidet und senkrecht zur Oberfläche 86 und der Unterfläche 90 verläuft.

Die Kanäle 83, 85 haben ferner abgeschrägte Seitenwände 83 a und 85 a, 85 b. Diese Wände können jedoch auch senkrecht zu den Flächen 86, 90 oder gekrümmt mit einem kleinen Radius verlaufen. Ferner können die Aufhängungsabschnitte im Bereich ihrer Verbindung mit dem Fühler 30 und dem Haltering 32 abgeschrägt oder gekrümmt sein, um einen gleichmäßigen Übergang zwischen diesen vorzusehen.

Die Bodenfläche 82 und eine Bodenfläche 87 liegen wiederum im wesentlichen auf der neutralen Biegeachse bzw. -ebene der Aufhängungsabschnitte 80, 88. Ferner sind Leiterstrei fen 47 auf die Bodenflächen 82, 87 aufgebracht, und somit wird durch in der Grenzfläche zwischen der Aufhängung und dem leitfähigen Werkstoff erzeugte mechanische Spannungen kein entsprechendes Biegemoment in der federnden Aufhängung erzeugt.

Bei dem Ausführungsbeispiel sind der Fühler 30, der Halte ring 32 und die Aufhängung 12 aus einem Stück Quarzglas gebildet, das durch Ätzen oder in anderer Weise die er wünschte Form erhält.

Nachdem die Bodenflächen ausgebildet sind, wird eine dünne Schicht aus elektrisch leitfähigem Werkstoff, z. B. Gold, über die Länge der Bodenflächen beider Aufhängungsabschnitte so aufgebracht, daß sie zwischen dem Fühler 30 und dem Haltering 32 verläuft.

Die Aufhängung 12 kann auch aus elektrisch leitfähigem Werkstoff gebildet sein, wobei zuerst eine nichtleitende Beschichtung auf die Aufhängung und anschließend die Lei terstreifen 47 aufgebracht werden.

Da das Biegespannungsmoment der Dünnschicht der Entfernung proportional ist und die Leiterstreifen 47 auf der neu tralen Biegeachse bzw. -ebene angeordnet sind, erzeugt eine an der neutralen Biegeebene parallel zu deren Ober fläche einwirkende Kraft kein Biegemoment, da die Ent fernung dann gleich Null ist. Infolgedessen wird durch einen direkt auf der neutralen Biegeachse der Aufhängung aufgebrachten Leiterstreifen kein Fehler am Ausgang des Umformers infolge von mechanischen Spannungen an der Grenz fläche zwischen Leiterstreifen und federnder Aufhängung erzeugt. Da der Leiterstreifen eine endliche Dicke hat, verlaufen idealerweise - jedoch nicht notwendigerweise - die Bodenflächen 82, 87 eine halbe Streifendicke neben der neutralen Biegeachse, so daß der Leiterstreifen selbst auf der neutralen Biegeachse zentriert ist.

Die folgenden Abmessungen haben sich beispielsweise als günstig für zufriedenstellende Ergebnisse erwiesen:

Gesamtbreite a der Aufhängung 12 25,4 mm
Breite b jedes Aufhängungsabschnitts 3,81 mm
Breite a der Bodenflächen 82, 87 0,89 mm
Dicke e der Aufhängungsabschnitte 80, 88 0,03 mm
Tiefe f der neutralen Biegeachse von Flächen 86, 90 0,01 mm
Länge g der Aufhängung 12 2,54 mm
Abstand h zwischen benachbarten Rändern der Aufhängungsabschnitte 80, 88 1,52 mm
Dicke der Leiterstreifen 47 2600Å

Die Dicke, Länge und Breite der Aufhängungsabschnitte kann so gewählt werden, daß sich eine ausreichende Festig keit und die erwünschte Federkonstante für einen ordnungs gemäßen Betrieb des Beschleunigungsmessers einstellen, ohne daß Auslenkungsfehler merklich erhöht werden. Infolge dessen ist im Gegensatz zu bekannten Kraftumformern die Größe des Fehlers, der von den Leiterstreifen 47 einge führt wird, im wesentlichen unabhängig von den Abmessungen der Aufhängungsabschnitte. Es ist zu beachten, daß jeder Kanal auch mehr als einen isolierten Leiterstreifen tragen kann.

Ferner ist zu beachten, daß die vorstehend erläuterte Möglichkeit zur Verminderung der Auswirkung mechanischer Spannungen einer Beschichtung auf einer Aufhängung auch mit einer Aufhängung anwendbar ist, die nicht unbedingt die Haupthalterung des Fühlers darstellt. Ein solcher Aufbau, der einen Fühler mit einem Befestigungsorgan ver bindet, würde immer noch eine gewisse strukturelle Inte grität erfordern, während gleichzeitig minimale Auslenkungs kräfte oder -momente erzeugt werden.

Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß die verschiedenen Kanäle, die mit der neutralen Biegeachse der Aufhängung fluchten, auf Aufhängungen positioniert sind, die die Hauptstütze des fühlers 30 in bezug auf den Haltering 32 bilden. Das Kon zept der Aufbringung von Leitermaterial wie etwa der Lei terstreifen 47 längs der neutralen Biegeachse einer Auf hängung läßt sich jedoch ebenso auf eine keine Last tra gende Aufhängung oder ein biegbares Element anwenden.

Ferner ist zu beachten, daß zwar bei dem Ausführungsbei spiel die Kanäle von dem Fühler 30 zu dem Haltering 32 verlaufen, daß aber die Leiterstreifen 47 auch nur auf einen Teil der neutralen Biegeachse der Aufhängung auf bringbar ist, und zwar bevorzugt dort, wo die geringste Festigkeit der Aufhängung verlangt wird, um so die durch die Leiterstreifen 47 erzeugten mechanischen Spannungen zu minimieren.

Claims

1. Federnde Aufhängung in einem Kraftumformer, der ein Befestigungsorgan und einen Fühler mit einem elek trischen Schaltungsbauteil aufweist, zur Sicherung des Fühlers an dem Befestigungsorgan, wobei ein Ende der federnden Aufhängung an dem Befestigungsorgan und ihr anderes Ende an dem Fühler befestigt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Aufhängungsabschnitt (80) mit einer Oberfläche (86), einer Unterfläche (90) und zwei Seiten flächen (84) zwischen dem Fühler (30) und dem Befesti gungsorgan (32) angeordnet ist,
daß mindestens ein Kanal (83) angrenzend an eine Seiten fläche (84) im Aufhängungsabschnitt (80) angeordnet ist und wobei die Bodenfläche (82) des Kanals (83) von der Ober- und Unterfläche (86, 90) gleich beabstandet ist, und
daß ein elektrischer Leiterstreifen (47) auf die Boden fläche (82) aufgebracht ist und zwischen dem Fühler (30) und dem Befestigungsorgan (32) verläuft.

2. Aufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zweiter Kanal (85) mit einer Bodenfläche (87) an der Unterfläche (90) im Aufhängungsabschnitt (80) angeordnet ist, wobei die Bodenflächen (82, 87) in derselben Ebene liegen und mit der neutralen Biegeebene des Aufhängungsabschnitts (80) koinzident sind, und
daß ein elektrischer Leiterstreifen (47) auf die Boden fläche (87) aufgebracht ist und zwischen dem Fühler (30) und dem Befestigungsorgan (32) verläuft.

3. Aufhängung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Aufhängungsabschnitte (80, 88) voneinander beabstandet zwischen dem Fühler (30) und dem Befesti gungsorgan (32) angeordnet sind.

4. Aufhängung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Aufhängungsabschnitt (88) mit dem ersten Aufhängungsabschnitt (80) identisch ausgebildet, jedoch in bezug auf diesen antisymmetrisch ist.

5. Aufhängung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Aufhängungsabschnitt (88) ein Spiegelbild des ersten Aufhängungsabschnitts (80) ist, so daß der zweite Aufhängungsabschnitt (88) relativ zu einer die Öffnung halbierenden und zu der Ober- und Unterfläche (86, 90) senkrechten Ebene zum ersten Auf hängungsabschnitt (80) symmetrisch ist.

6. Aufhängung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite jedes Aufhängungsabschnitts ungefähr dem 1,5fachen seiner Länge entspricht.

7. Aufhängung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Kanäle dem halben Abstand zwischen den Oberflächen der Aufhängungsab schnitte entspricht.

8. Aufhängung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Oberflächen jedes Auf hängungsabschnitts in der Größenordnung von ¹/₁₀₀ der Länge jedes Aufhängungsabschnitts liegt.