EA000375B1 - Монолитный датчик ускорения и акселерометр, включающий датчики - Google Patents

Description

Настоящее изобретение относится к монолитному датчику ускорения, состоящему из неподвижной части, подвижной массивной части и резонатора, соединенного одной из концевых частей с подвижной массивной частью.

Этот датчик предназначен, например, для акселерометра с дифференциальным выходом. В частности, изобретение предусматривает недорогой миниатюрный акселерометр, который может применяться, например, в навигационных системах самолетов и вертолетов, в системах управления ракетами и в системах активной подвески наземного транспорта.

Резонатором, составляющим чувствительный элемент датчика согласно изобретению, является предпочтительно вибрирующий язычок из пьезоэлектрического материала, работающий на изгиб или скручивание. Частоты вибрации язычка очень чувствительны к силе растяжения или сжатия, которая прилагается к язычку в продольном направлении, когда подвижная массивная часть, образующая испытательную массу, подвергается ускорению. Расширение или сжатие язычка преобразуется в электрические сигналы, которые улавливаются, например, электродами, прикрепленными к вибрирующему язычку и соединенными с колебательным контуром. На выходе из колебательного контура производится сигнал, изменения частоты которого отражают изменения ускорения.

В сравнении с традиционными датчиками ускорения с аналогичным выходом (например, электрического напряжения), датчики ускорения с выходом частоты имеют техническое преимущество, так как с частотой удобно работать в цифровом режиме.

Другим важным аспектом является монолитность датчиков, которая делает возможным производство химической обработкой недорогих миниатюрных датчиков и позволяет получить высокие технические характеристики, так как именно сборка является основной ограничительной характеристикой немонолитных датчиков.

Наиболее часто используемыми материалами для изготовления монолитных датчиков являются кварц и кремний, обладающие великолепной устойчивостью механических характеристик.

По заявке на изобретение FR-A-2 685 964 на имя заявителя, корпус датчика ускорения СА', показанного на фиг. 1, является монолитным и изготавливается химической обработкой пластины пьезоэлектрического кристалла, такого как кварц. Корпус датчика ускорения СА' имеет общую форму параллелепипеда и состоит из неподвижной массивной части 1 , соединенной с основанием Ьа, из подвижной массивной части 2, из двух вибрирующих язычков 3₁ и 3₂ и из двух гибких сочленений 44₁ и 44₂. Корпус датчика ускорения СА' является симметричным относительно центральной продольной оси z'z.

Вибрирующий язычок 3₁ является балкой с малым прямоугольным сечением, пьезоэлектрически возбудимой по вибрациям изгиба двумя металлическими электродами 34₁ и 34₂, имеющими противоположную полярность. Эти электроды впечатаны методом фотолитографии на внешнюю продольную сторону язычка и заканчиваются на соответствующей стороне F1 неподвижной части 1 двумя пластинками 33₁ и 33₂, обладающими проводимостью и соединенными с двумя первыми клеммами колебательной цепи 5₁ с помощью двух проводящих проводов 39₁ и 39₂. Идентичное расположение электродов и пластин, соединенных с колебательной цепью 52, предусмотрено на язычке 32 и противоположной стороне F2 неподвижной части 1 .

Выходы двух колебательных цепей 5₁ и 5₂ соединены с устройством измерения дифференциальной частоты, включающим схему вычитания частоты 6 и частотомер 7, при этом измеряемая частотомером 7 частота (f1-f2) отражает измеряемое ускорение.

Касаясь механического устройства известного датчика ускорения СА', необходимо напомнить, что два сочленения 44₁ и 44₂ имеют возможность изгиба по чувствительному направлению DS, перпендикулярному срединной плоскости рн1 корпуса. Таким образом, когда акселерометр подвергается воздействию ускорения по этому направлению DS, язычки S₁ и S₂ подвергаются расширению и сжатию, т.е. противоположно направленным осевым силам, пропорциональным ускорению. В результате эти два язычка меняют частоту с противоположными знаками, и, в случае идентичности язычков, одной величины. Напротив, входные величины помех, таких как температура, обычно одинаково воздействуют на оба язычка и вызывают изменения частоты одного знака. Преимущество дифференциального выхода (fl-f2) заключается в том, что это позволяет уменьшить входные величины, отличные от ускорения, по чувствительному направлению DS.

Особая форма в виде лестничных маршей, сочленений 44₁ и 44₂ позволяет химическую обработку корпуса СА' за один этап, с одинаковой глубиной обработки, начиная с двух сторон F1 и F2 корпуса датчика, параллельных плоскости рm.

Механическое устройство известного датчика ускорения СА' имеет недостатки, связанные с вибрациями двух язычков 3₁ и 3₂. Вопервых, механические нагрузки, такие как напряжение сдвига и изгибающий момент, прилагаемые вибрациями двух язычков 3₁ и 3₂ к месту их «жесткого закрепления» на неподвижной массивной части 1 , вызывают утечку колебательной механической энергии к основанию Ьа, с которым она соединена. Результатом является уменьшение коэффициента перенапряжения вибрации каждого из язычков 3j и 3₂. Вовторых, механические нагрузки, прилагаемые вибрациями этих язычков к месту их «жесткого закрепления» на подвижной части 2, вызывают небольшие колебательные перемещения этой подвижной части с теми же частотами, что и вибрации язычков 3₁ и 3₂. В результате, происходит механическое соединение вибраций этих двух язычков, которое выражается в искажении их вибраций. Эти два недостатка влияют на точность измерения дифференциальной частоты (f1-f2) и, соответственно, вытекающей из нее величины ускорения.

Второй монолитный датчик, известный из заявки на изобретение WO-A-89/10568, показан на фиг. 2. Корпус этого датчика изготавливается химической обработкой кварцевой пластины и состоит из неподвижной массивной части 21, испытательной массы 22 и трех резонаторов 23, 24 и 25, вибрирующих по сгибанию, и возбуждаемых, например, термомеханическим воздействием с помощью нагревательных элементов (не показанных на фиг.), получаемых ионной имплантацией на каждый резонатор. Чувствительное направление этого второго известного датчика перпендикулярно сторонам пластины. Выходной сигнал датчика является функцией линейного сочетания частот трех резонаторов 23, 24 и 25, не зависящей от ускорений в чувствительном направлении, перпендикулярном сторонам пластины.

Главным недостатком второго известного датчика является взаимодействие между вибрациями трех резонаторов, что влияет на точность работы датчика.

На фиг. 3 показан корпус третьего монолитного датчика, получаемого химической обработкой кремниевой пластины, описание которой приведено в заявке на изобретение GB-A-2 162 314. Корпус третьего датчика состоит из опорной рамы 11, имеющей тонкие изгибаемые участки 15, и резонатор с двойным диапазоном, образуемый двумя нитями 1 2, вибрирующими в противоположных фазах, и двумя концевыми участками 13 и 14, соединёнными с опорной рамой. Концевой участок 1 4 соединен с неподвижной частью 1 6 опорной рамы, а другой концевой участок 1 3 соединен с подвижной частью 17 U-образной формы опорной рамы, образующей испытательную массу. Неподвижная и подвижная части 1 6 и 1 7 соединены изгибаемыми участками 15, образующими сочленения.

Первым недостатком третьего датчика является недостаточное удержание вибрирующей механической энергии в двух нитях 1 2, учитывая небольшую массу подвижной части 1 7.

Вторым недостатком третьего датчика является размещение сочленений 1 5 испытательной массы 1 7, невыгодное для термомеханического состояния датчика в момент воздействия на него быстрых изменений температуры. В этом случае, появляется разность между температурой t₁ неподвижной части 16 и температурой t2 испытательной массы 1 7, так как две части соединены резонатором 1 2 и сочленениями 1 5, которые могут рассматриваться как тепловые фильтры в связи с их малыми сечениями. Таким образом, средняя температура резонатора 1 2 практически равна температуре сочленений 1 5 и составляет приблизительно (t₁ + t₂)/2. Положение сочленений 15, взятое параллельно нитям 1 2, является практически вертикальным относительно концевого участка 1 4 резонатора, и, таким образом, параллельные ветви Uобразной испытательной массы 1 7 простираются практически по всей длине резонатора. В этих условиях тепловые расширения резонатора и опорной рамы 11 не уравновешиваются и индуцируют механические напряжения расширения или сжатия резонатора, изменение частоты которого ложно интерпретируется как ускорение.

На фиг. 4 показан известный резонатор, предназначенный для термостатического генератора с малым потреблением и быстрым нагревом, описание которого дано в заявке на изобретение FR-A-2 688 954. В противоположность известным датчикам ускорения, описанным выше, этот резонатор спроектирован для выдачи сигнала, частота которого должна быть наиболее стабильной и, таким образом, мало чувствительной к ускорению. Таким образом, функции этого резонатора отличны от функций датчика по настоящему изобретению.

С конструктивной точки зрения, резонатор, показанный на фиг. 4, состоит из центральной части R1 и периферической части R2, образующей кольцо, окружающее на небольшом радиальном расстоянии центральную часть, и соединяющуюся с этой частью промежуточной частью R4, в которой проделано окно. Периферическая часть R2 соединена с центральной частью R1 единственным связывающим мостом R3, который образуется не вырезанной частью промежуточной части R4 и простирается на небольшой участок этой промежуточной части R4.

Центральная часть R1 образует активную вибрирующую часть резонатора, тогда как периферическая часть R2 неподвижно закреплена в коробке с помощью фиксирующего устройства R5, такого как скоба, помещаемого на участке периферической части R2, расположенном в противоположном направлении от единственного связующего моста R3 относительно активной центральной части R1 .

Этот способ изготовления с единственным связующим мостом обеспечивает каналирование тепловых потоков проводимости и надежный контроль температуры резонатора с помощью нагревательного элемента R6 и датчика температуры R7, расположенных на уровне связующего моста R3. Центральная активная часть R1 вибрирует по сдвигу толщины с частотой порядка 10 МГц. Вибрирующая механическая энергия удерживается в центральной части благодаря выпуклости, по меньшей мере, одной из двух больших сторон центральной части.

Целью настоящего изобретения является устранение недостатков вышеописанных известных датчиков путем предложения монолитного датчика, определение которого дано во вступительной части, а именно, датчика для дифференциального акселерометра, геометрическая конструкция которого позволяет избегать утечек вибрирующей механической энергии от резонатора к неподвижной части датчика. Коэффициент перенапряжения резонатора не ухудшается и устраняется механическое соединение с другим аналогичным резонатором, что улучшает точность работы акселерометра.

Для решения этой задачи, датчик по изобретению включает вторую подвижную массивную часть, соединенную с другим концом резонатора, гибкую раму, окружающую две подвижные массивные части, первый связующий элемент, соединяющий раму со второй подвижной массивной частью, и второй связующий элемент, соединяющий раму с неподвижной частью.

Таким образом, гибкость рамы и положение двух подвижных массивных частей внутри этой рамы, позволяет создать механический фильтр между резонатором и неподвижной частью датчика, при этом, данная неподвижная часть практически не подвержена влияниям вибраций резонатора. Коэффициент перенапряжения резонатора практически не ухудшается и точность измерений датчика улучшается.

По предпочтительному способу изготовления гибкая рама имеет прямоугольную форму и состоит из двух участков, практически параллельных резонатору, и двух других участков, практически перпендикулярных резонатору, и, соответственно, соединенных со второй подвижной массивной частью и неподвижной частью, первым и вторым связующим элементами. Ширина первого связующего элемента меньше ширины второй подвижной массивной части, а ширина второго связующего элемента меньше длины участков рамы, при этом предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один из связующих элементов имел поперечное сечение, по существу равное сечению участков рамы.

Для получения максимальной эффективности механического фильтра предпочтительно, чтобы две подвижные массивные части, резонатор, гибкая рама и два связующих элемента имели одну и ту же плоскость симметрии, перпендикулярную плоскости рамы, при этом два связующих элемента должны быть расположены соответственно на двух пересечениях рамы и этой плоскости симметрии.

Другими характеристиками изобретения является то, что монолитный корпус датчика состоит из двух соплоскостных пластинок, каждая из которых имеет концевые части, соединенные соответственно с двумя частями, и расположенные с одной и с другой стороны резонатора. Длина этих пластинок может быть заметно меньше длины резонатора, чтобы обеспечить механическую прочность датчика. Пластинки практически расположены в плоскости, перпендикулярной резонатору и в середине длины резонатора, что позволяет избежать индуцирования вредных механических напряжений при быстром изменении температуры.

Для химической обработки за один цикл монолитного корпуса датчика из пластины материала однородной толщины предпочтительно, чтобы пластинки выравнивались по одной стороне этой пластины, т. е., по меньшей мере, по общей стороне подвижных массивных частей, а резонатор выравнивался по другой стороне пластины, т. е., по меньшей мере, по общей стороне подвижных массивных частей, при этом пластинки и резонатор имели бы одинаковую толщину, взятую в соответствии с толщиной пластины, т. е. подвижных массивных частей.

Неподвижная часть может быть расположена внутри рамы, чтобы заранее миниатюризировать датчик.

Изобретение касается также акселерометра типа акселерометра с дифференциальным выходом, состоящего из двух датчиков ускорения по изобретению. Положение первого и второго датчиков симметричны друг другу относительно параллельной оси, проходящей по двум концевым частям резонатора первого датчика, при этом неподвижные части двух датчиков соединены с общим основанием.

По первому из предпочтительных способов реализации изобретения датчики расположены симметрично один другому относительно плоскости, параллельной соплоскостным сторонам подвижных массивных частей каждого из датчиков.

По второму из предпочтительных способов реализации изобретения подвижные массивные части, рамы и неподвижные части имеют соплоскостные стороны, при этом предпочтительно, чтобы датчики располагались симметрично друг другу относительно оси, параллельной соплоскостным сторонам.

Другие характеристики и преимущества изобретения будут отражены в последующем описании различных предпочтительных способов реализации изобретения со ссылкой на соответствующие фигуры в приложении, где на фиг. 1, 2 и 3 приведены изображения в перспективе трех монолитных датчиков ускорения, изготовленных по предшествующим технологиям, которые уже комментировались;

на фиг. 4 - вид сверху резонатора по предшествующим технологиям изготовления, которые уже комментировались;

на фиг. 5 - изображение в перспективе датчика ускорения по первому способу реализации изобретения;

на фиг. 6А и 6В - виды спереди и в перспективе датчика по фиг. 5, где показаны увеличенные деформации датчика при соответствующих вибрациях по сгибанию и скручиванию резонатора датчика;

на фиг. 7А, 7В и 7С - изображения в перспективе подвижных частей и резонатора датчика по фиг. 5, где показаны механические усилия, вызываемые соответственно каждой из трех пространственных составляющих;

на фиг. 8А, 8В и 8С - изображения в перспективе датчиков ускорения по другим способам реализации изобретения, где предпочтение отдается увеличению механической прочности датчика;

на фиг. 8D - изображение в перспективе датчика ускорения по другому способу реализации изобретения, где предпочтение отдается миниатюризации;

на фиг. 8Е - изображение в перспективе датчика ускорения по другому способу реализации изобретения с устройствами вибрации, где предпочтение отдается резонатору, вибрирующему на сгибание;

на фиг. 9 - изображение в перспективе дифференциального акселерометра по изобретению, состоящего из двух датчиков, практически идентичных датчику по фиг. 8Е, с устройствами измерения частоты;

на фиг. 10 - изображение в перспективе дифференциального акселерометра по другому способу реализации изобретения, получаемого обработкой двух датчиков в одной и той же пластине материала.

Со ссылкой на фиг. 5 можно отметить, что датчик ускорения ТА по изобретению состоит, в основном, из неподвижной части 1 , первой подвижной массивной части 2, образующей испытательную массу, резонатора 3, образующего чувствительный элемент, второй подвижной массивной части 4, гибкой рамы 5 и двух соединительных элементов 6 и 7.

По способу изготовления, показанному на фиг. 5, датчик ТА образует монолитный корпус, обрабатываемый в той же пластине материала, такого как кварц или кремний, с однородной толщиной Е, шириной L и высотой Н1+Н7+Н5. Датчик ТА имеет общую форму параллелепипеда, которая простирается вертикально по направлению высоты, материализуемой центральной продольной осью Z'Z. Эта ось Z'Z, с одной стороны, входит в срединную плоскость РМ пластины, параллельную сторонам этой пластины, а, с другой стороны, в плоскость PS, перпендикулярную сторонам пластины. Плоскость PS является плоскостью симметрии датчика.

Неподвижная часть 1 образует параллелепипед, расположенный на концевой продольной части корпуса датчика, и предназначена для соединения с конструкцией устройства (не показанного на фиг.) посредством основания коробки ВА. Крепление неподвижной части 1 к основанию ВА производится, например, путем склеивания.

Каждая из подвижных частей 2 и 4 имеет общую U-образную форму, две параллельные ветви которой расположены параллельно центральной продольной оси Z'Z датчика. Сердцевины U-образных форм подвижных частей 2 и 4 расположены перпендикулярно оси Z'Z и напротив одна другой. Подвижная часть 2 расположена ближе к неподвижной части 1 , чем подвижная часть 4. По показанному способу реализации изобретения подвижные части 2 и 4 имеют, по меньшей мере, равные ширины L2 и L4. По показанному способу реализации изобретения, резонатор 3 является параллелепипедной пластиной, длина которой Н3 пролегает параллельно оси Z'Z, и поперечное прямоугольное сечение которой определяется толщиной Е3 и шириной L3, которые представляют меньшие величины и берутся соответственно по толщине Е и ширине L датчика ТА. Концевые части резонатора 3 соответственно соединены с подвижными частями 2 и 4 и расположены на плоских сторонах напротив сердцевин подвижных частей. Одна сторона резонатора 3, обращенная к наружной части корпуса, является соплоскостной соответствующим большим сторонам частей 1 , 2 и 4 датчика ТА, и, таким образом, соответствующей стороне пластины материала.

Резонатор 3 снабжен электродами введения в вибрацию на своей резонансной частоте (не показанными на фиг.), предназначенными для подсоединения к генератору и цепи измерения частоты. Резонатор 3 предпочтительно работает по вибрации изгибания или кручения, так как частоты этих вибраций очень чувствительны к силе растяжения или сжатия, которая прилагается к резонатору в продольном направлении, когда подвижная массивная часть, образующая испытательную массу, подвергается ускорению.

Резонатор 3 может иметь форму, отличную от параллелепипедной пластины по способу изобретения, представленной на фиг. 5. Например, резонатор 3 может быть типа резонатора двойного диапазона с двумя или тремя пластинами, описанного в предшествующих документах US-A-4 215 570 (EER NISSE) и US-A4 594 898 (KIRMAN et al.).

В отношении электродов введения в вибрацию резонатора 3, возможны различные формы, в зависимости от природы материала, образующего монолитный корпус датчика. Например, в случае использования пьезоэлектрического материала, такого как кварц, предпочтительно использовать конфигурации электродов с двумя или тремя проводимыми полосами, описанными в заявке на изобретение на имя заявителя FR-A-2 685 964. Могут применяться также также другие способы введения в вибрацию, например, основанные на электростатическом эффекте.

Касательно резонатора 3 и его электродов введения в вибрацию, необходимо отметить, что настоящая заявка на изобретение охватывает как приведенные варианты, так и другие равно значные варианты.

По способу реализации изобретения, приведенному на фиг. 5, гибкая рама 5 имеет контур с прямоугольной стороной и состоит из четырех сторон, образующихся параллелепипедными участками 51, 52, 53 и 54. Длина Н5 участков 51 и 52 простирается параллельно оси Z'Z, а их поперечные прямоугольные сечения определяются той же шириной Е, взятых соответственно по ширине L и толщине Е датчика ТА. Участки 53 и 54 имеют ту же длину L, взятую по ширине L датчика ТА. Участок 53 расположен на концевом продольном участке датчика, противоположном участку, где расположена неподвижная часть 1. Участок 54 расположен между неподвижной частью 1 и сердцевиной первой подвижной части 2. Прямоугольные сечения участков 53 и 54 определяются толщинами Н53 и Н54, взятыми параллельно оси Z'Z и той же шириной Е, взятой по толщине Е датчика.

Гибкая рама 5 окружает подвижные части 2 и 4 и, с одной стороны, соединена с подвижной частью 4 связующим элементом 6, а, с другой стороны, с неподвижной частью 1 связующим элементом 7.

По способу реализации изобретения, показанному на фиг. 5, связующий элемент 6 представляет собой параллелепипед, размеры которого Н6, L6 и Е взяты по оси Z'Z, соответственно ширине L и толщине Е датчика ТА. Связующий элемент 6 соединен с участком 53 рамы 5 и со второй подвижной частью 4.

Связующий элемент 7 представляет собой параллелепипед, размеры которого Н7, L7 и Е взяты по оси Z'Z, соответственно ширине L и толщине Е датчика ТА. Связующий элемент 7 соединен с участком 54 рамы 5 и с неподвижной частью 1 .

Для каждого связующего элемента 6 и 7 плоскости РМ и PS являются плоскостями симметрии.

Монолитный корпус датчика ТА включает также две параллелепипедные идентичные и соплоскостные пластинки 81 и 82, расположенные с одной стороны резонатора 3. Каждая из пластинок 81 и 82 имеет концевые части, соединенные соответственно с подвижными частями 2 и 4. Длина Н8 пластинок 81 и 82, взятых параллельно оси Z'Z, заметно меньше длины Н3 резонатора, что придает пластинкам значительную жесткость на изгиб, которая способствует механической прочности датчика ТА. Длина Н8 пластинок обычно составляет от Н3/10 до Н3/2.

Предпочтительно, что положение пластинок 81 и 82, взятое параллельно оси Z'Z, было практически посередине длины Н3 резонатора 3, что выражается для подвижных U-образных частей 2 и 4 длинами, практически равными их ветвям, параллельным оси Z'Z. Такое положение пластинок позволяет избегать подверженности резонатора вредным механическим напряжениям, в случае неоднородности температуры датчика ТА, что имеет место в случае, когда основание коробки ВА подвергается быстрым изменениям температуры. Таким образом, появляется, в частности, разность между температурами подвижных частей 2 и 4, при этом, средняя температура резонатора практически равна температуре пластинок 81 и 82 и составляет практически среднюю температуру двух подвижных частей.

В случае, если бы пластины не были расположены практически в вертикальном положении относительно середины длины Н3 резонатора 3, тепловые расширения резонатора, пластинок и подвижных частей по оси Z'Z не уравновешивались. В результате появлялись бы механические напряжения расширения или сжатия резонатора, и соответствующее изменение частоты интерпретировалось как ускорение. По изобретению, практически вертикальное положение пластинок относительно середины длины Н3 резонатора позволяет избежать этого недостатка.

По способу реализации изобретения, показанному на фиг. 5, стороны пластинок 81 и 82, направленные к внешней стороне корпуса датчика, являются соплоскостными общей стороне подвижных массивных частей 2 и 4, и в целом, стороне пластины материала, при этом сторона резонатора, обращенная к наружной стороне корпуса, является соплоскостной другой стороне пластины. Пластинки 81 и 82 имеют толщину Е8, взятую по толщине Е пластины, равную толщине Е3 резонатора. Толщина Е3 = Е8 резонатора и пластинок меньше половины толщины Е пластины. В общем, толщина Е3 = Е8 составляет от Е/20 до Е/4.

Формы и размеры резонатора и пластинок позволяют химическую обработку за один цикл для изготовления монолитного корпуса датчика ТА. С этой целью, до химической обработки, две стороны пластины материала защищаются маской, геометрическая форма которой повторяет форму стороны датчика. Таким образом, неподвижная часть 1 , подвижные части 2 и 4, гибкая рама 5 и соединительные элементы 6 и 7 защищаются с двух сторон, тогда как резонатор 3 и пластинки 81 и 82 защищаются только со сторон, обращенных к внешней стороне корпуса датчика. Химическая обработка производится одновременно, начиная с двух сторон пластины, до достижения необходимой глубины гравировки (Е-Е3). Так как Е3 меньше Е/2, глубина гравировки (Е-Е3) больше Е/2 и, таким образом, удаляется достаточно материала, чтобы осуществить обработку, выходящую к гравированным местам от двух сторон пластины, например, между подвижной частью 2 и участком 54 гибкой рамы 5.

Работа датчика представлена со ссылкой на фиг. 6А и 6В, где показаны преимущества особого расположения подвижной части 4, гибкой рамы 5 и связующих элементов 6 и 7, и со ссылкой на фиг. 7 А, 7В и 7С, где показано механическое устройство подвижной части 2, резонатора 3 и пластинок 81 и 82 датчика по трем пространственным составляющим ускорения.

На фиг. 6А приведен вид спереди датчика ТА по фиг. 5, когда резонатор 3 вибрирует по сгибанию параллельно сторонам пластины материала. Деформации резонатора 3, гибкой рамы 5 и связующих элементов 6 и 7 соответствуют амплитудам вибрации и преднамеренно увеличены для облегчения понимания рисунка.

Эти явления вибрации объясняются следующим образом.

Когда резонатор 3 вибрирует по сгибанию на своей резонансной частоте, он прилагает на уровне своих концевых «заделанных» частей поперечную силу R и изгибающий момент С, чередующиеся на каждой подвижной части 2 и

4, которые поэтому подвергаются чередующимся перемещениям, главная составляющая δ которых является смещением, параллельным сторонам пластины и перпендикулярным центральной продольной оси Z'Z. Для понимания рисунка смещения δ подвижных частей представлено более большим, чем амплитуда Δ, так как масса подвижных частей гораздо больше массы резонатора. Это небольшое чередующееся смещение δ подвижных частей 2 и 4 создает посредством связующего элемента 6 усиленную вибрацию небольшой амплитуды гибкой рамы

5. Так как подвижные части расположены внутри рамы, усиленная вибрация рамы является, в основном, типа деформируемого параллелограмма, т.е. четыре участка 51, 52, 53 и 54, образующие раму, подвергаются, в основном, механическим усилиям изгиба, а не усилиям растяжения или сжатия, как это имело бы место, если бы подвижные части были расположены снаружи рамы. Так как четыре участка являются гибкими, неподвижная часть 1 подвергается лишь незначительным чередующимся усилиям, вызванным чередующейся деформацией рамы 5 посредством связующего элемента 7. Чередующиеся усилия, прилагаемые к неподвижной части, представляют собой, в основном, силу r и момент с, силы которых значительно ниже соответственных сил поперечной силы R и изгибающего момента С, прилагаемых резонатором 3 к каждой из подвижных частей 2 и 4. В качестве примера можно отметить, что силы r и с могут быть в сто раз меньше соответствующих сил R и С.

Таким образом, гибкость рамы 5 и положение двух подвижных частей 2 и 4 внутри рамы характеризуют механический фильтр между резонатором 3 и неподвижной частью 1 датчика, при этом неподвижная часть очень мало подвергается воздействиям вибраций резонатора. Коэффициент перенапряжения резонатора, таким образом, практически не изменяется и точность измерения датчика улучшается.

Также со ссылкой на фиг. 6А необходимо отметить, что связующие элементы 6 и 7 подвергаются чередующимся деформациям, в основном по изгибанию, параллельно сторонам пластины материала. Это связано с тем же порядком величины поперечных сечений (L6.E) и (L7.E) связующих элементов 6 и 7, взятых поперечно оси Z'Z, что и поперечные прямоугольные сечения (L51.E), (Н53.Е) и (Н54.Е) четырех участков 51, 52, 53 и 54, образующих раму. Результатом является то, что связующие элементы 6 и 7 обладают гибкостью, конечно меньшей, чем гибкость рамы, но которая, однако, способствует, в небольшой мере, эффективности механической фильтрации вибраций резонатора.

Необходимо напомнить, что чередующиеся перемещения и деформации, амплитуды которых представлены на фиг. 6А, представляют собой основные явления вибрации в датчике. В действительности, существуют также другие явления вибрации меньшей амплитуды, такие как чередующееся вращение подвижных частей 2 и 4 вокруг центральной продольной оси Z'Z. Это чередующееся вращение подвижных частей вызвано вибрациями по изгибу резонатора 3, так как средняя плоскость, в которой происходят эти вибрации, проходит по оси Z'Z, которая является основной осью инерции подвижных частей 2 и 4. Чередующееся вращение подвижных частей порождает чередующуюся крутку вокруг оси Z'Z гибкой рамы 5, гибкость которой по кручению позволяет передавать неподвижной части 1 очень слабый чередующийся момент вокруг оси Z'Z. Этот слабый момент имеет такое влияние на эффективность механической фильтрации вибраций резонатора, которым можно пренебречь. Аспект крутки будет объяснен более подробно при рассмотрении случая резонатора, вибрирующего по крутке.

В целом, благодаря гибкости рамы 5, происходит эффективная фильтрация большинства чередующихся механических возбуждений, оказываемых подвижными частями 2 и 4 на связующий элемент 6. Во всяком случае, для достижения наиболее эффективной механической фильтрации, предпочтительно, чтобы подвижные части 2 и 4, резонатор 3, гибкая рама 5 и связующие элементы 6 и 7 имели ту же плоскость симметрии PS, перпендикулярную сторонам пластины материала и проходящую по оси Z'Z, как это показано на фиг. 5. В случае, когда эта симметрия не соблюдается, умышленно или ввиду недостатков изготовления, чередующиеся механические усилия, передаваемые на неподвижную часть 1, имеют силы выше сил, соответствующих симметричному изготовлению, но заметно меньше сил чередующихся усилий R и С, прилагаемых резонатором 3 к каждой подвижной части 2 и 4. Сделанные замечания показывают, что эффективность механической фильтрации относительно высока в сравнении с недостатками изготовления и датчик по изобретению адаптирован к изготовлению с низкой себестоимостью.

Датчик по изобретению, показанный на фиг. 5, подходит также к резонатору 3, с вибрациями по изгибу в плоскости PS, т.е. поперечно сторонам пластины материала.

В этом случае, чередующиеся механические усилия, прилагаемые резонатором к подвижным частям 2 и 4, параллельны плоскости PS, и эти подвижные части подвергаются небольшим смещениям. Эти небольшие чередующиеся смещения подвижных частей вызывают через связующий элемент 6 чередующуюся деформацию слабой амплитуды гибкой рамы 5, участки 51 и 52 которой деформируются, в основном, по изгибу параллельно плоскости PS, а участки 53 и 54 деформируются, в основном, по крутке вокруг их соответствующих центральных продольных осей. Поскольку четыре участка 51, 52, 53 и 54 являются гибкими по изгибу и по крутке, неподвижной части 1 передаются лишь слабые чередующиеся усилия при чередующейся деформации рамы 5 через связующий элемент 7. Силы чередующихся усилий, получаемые неподвижной частью, гораздо меньше сил усилий, прилагаемых резонатором 3 к подвижным частям 2 и 4. Таким образом, аналогично случаю резонатора, вибрирующему по изгибу параллельно сторонам пластины материала, неподвижная часть 1 слабо нагружается вибрациями резонатора, коэффициент перенапряжения которого практически не ухудшается.

На фиг. 6В приведен вид в перспективе датчика ТА по фиг. 5, когда резонатор 3 вибрирует по крутке вокруг своей центральной продольной оси, параллельной оси Z'Z. Как и на фиг. 6А, деформации резонатора 3, гибкой рамы 5 и связующих элементов 6 и 7 соответствуют амплитудам вибрации и преднамеренно увеличены для облегчения понимания рисунка.

Когда резонатор 3 вибрирует по крутке с резонансной частотой, он прилагает на уровне своих заделанных концевых частей чередующийся момент Т к каждой из подвижных частей 2 и 4, которые испытывают в этой связи чередующиеся перемещения, основная составляющая которых является вращением вокруг оси Z'Z, которая является основной осью инерции этих подвижных частей. Для понимания рисунка вращение подвижных частей показано практически таким же большим как амплитуда Ω вибрации по крутке резонатора. В действительности, величина вращения гораздо меньше Ω, так как инерция по вращению подвижных частей гораздо больше инерции резонатора по крутке. Это небольшое вращение подвижных частей вокруг оси Z'Z создает через связующий элемент 6 усиленную вибрацию слабой амплитуды гибкой рамы 5, деформация которой происходит по кручению вокруг оси Z'Z. Эта деформация рамы по кручению включает в себя, в основном, для каждого участка рамы 51, 52, 53 и 54, деформацию кручения вокруг своей центральной продольной оси и деформацию изгиба, в направлении, перпендикулярном сторонам пластины материала. Поскольку четыре участка являются гибкими по изгибу и по крутке, неподвижной части 1 передаются лишь слабые чередующиеся усилия при чередующейся деформации рамы 5 через связующий элемент 7. Силы чередующихся усилий, получаемые неподвижной частью, являются, в основном, гораздо меньше сил усилий, прилагаемых резонатором 3 к подвижным частям 2 и 4. Таким образом, аналогично случаю резонатора, вибрирующему по изгибу параллельно сторонам пластины материала, неподвижная часть 1 слабо нагружается вибрациями резонатора, коэффициент перенапряжения которого практически не ухудшается.

Со ссылкой на фиг. 6В, необходимо отметить, что связующие элементы 6 и 7 испытывают чередующиеся деформации, в основном, по кручению вокруг оси Z'Z. Гибкость по кручению связующих элементов, меньшая, чем у гибкой рамы, в небольшой мере способствует эффективности механической фильтрации вибраций резонатора.

Аналогично резонатору, вибрирующему по изгибанию, предпочтительно, чтобы подвижные части 2 и 4, резонатор 3, гибкая рама 5 и связующие элементы 6 и 7 имели ту же плоскость симметрии PS, как это показано на фиг. 5, чтобы механическая фильтрация вибраций по кручению была более эффективной.

Благодаря гибкой раме 5, утечки энергии к неподвижной части 1 с резонансной частотой резонатора 3 (несколько десятков КГц) уменьшаются как для вибраций по изгибанию, так и для вибраций по кручению. Однако, механическое состояние датчика не ухудшается в проходящей полосе применения (от постоянной до нескольких сотен Гц).

На фиг. 7А, 7В и 7С представлены частичные виды в перспективе датчика ТА по фиг. 5, ограниченные резонатором 3, пластинками 81 и 82 и подвижными массивными частями 2 и 4, и предназначенные для показа основных усилий, прилагаемых подвижной частью 2 к резонатору и к пластинкам, когда датчик подвергается каждому из трех пространственных составляющих ускорения. По сравнению с этими механическими силами подвижной части 2, непоказанные части, такие как неподвижная часть 1 , гибкая рама 5 и два связующих элемента 6 и 7 имеют практически игнорируемое влияние и, таким образом, подвижная часть 4 может рассматриваться как прямо закрепленная, например, на основании.

Со ссылкой на фиг. 7А, ускорение Г_ь прилагаемое перпендикулярно сторонам пластины материала, вызывает на резонаторе 3 продольную силу растяжения P₁, а на каждой из пластинок 81 и 82 продольную силу сжатия Q_b поперечную силу изгибания N₁ и момент поперечного изгибания V₁. Существуют также другие механические силы (не представленные), прилагаемые подвижной частью 2 на резонатор и пластинки, но их роль не является главной в работе датчика. Эти другие силы здесь игнорируются для упрощения представления явлений.

Выражение силы P₁ получается из системы уравнений, которая выражает равновесие подвижной части 2, а также механическое состояние пластинок 81 и 82. Получаем интенсивность силы, пропорциональную ускорению Г₁ и практически равную:

P₁ = [HG/(E - E3)] МГ₁, где HG - расстояние между двумя плоскостями, перпендикулярными оси Z'Z, первая плоскость проходит по половине длины пластинок 81 и 82, а вторая плоскость по центру гравитации G подвижной части 2;

М - масса подвижной части 2.

Соотношение [HG/(E - E3)], умножите льный коэффициент Mr₁ в выражении силы P₁ может достигать нескольких единиц, например, пяти.

Необходимо отметить, что выражение силы P₁ является алгебраическим, что объясняет тот факт, что сила P₁ меняет направление, становясь, таким образом, силой продольного сжатия резонатора 3, при изменении направления ускорением Г1 .

Действие силы P₁ растяжения или сжатия, которое испытывает резонатор, является причиной изменения (AF)₁ его резонансной частоты F, соответственно уменьшение или увеличение:

(AF)₁=kP₁=k[HG/(E - E3)] Mr₁, где k является коэффициентом, зависящим от природы вибраций резонатора, например, сгибания или кручения, от геометрии резонатора и от характеристик материала, например, кварца или кремния.

Таким образом, изменения частоты F пропорциональны ускорению Г₁, прилагаемому перпендикулярно сторонам пластины материала. В качестве примера можно указать, что можно получить изменение частоты в 20 Гц/г для резонатора, вибрирующего по сгибанию при 50000 Гц, и датчика, спроектированного для измерения до 100 г. Размеры корпуса монолитного датчика, со ссылкой на фиг. 5, составляют Н1+Н7+Н5 = 6 мм, L = 4 мм и Е = 0,4 мм.

Со ссылкой на фиг. 7В, ускорение Г2, прилагаемое параллельно оси Z'Z, вызывает на резонаторе 3 продольную силу растяжения Р2, практически равную (1/2) МГ₂, а на каждой из пластинок 81 и 82 продольную силу сжатия Q₂, практически равную (1/4) МГ₂. Эти силы меняют направление при изменении направления ускорения Г₂.

Аналогично приведенному выше случаю ускорения Г₁ , сила Р₂ растяжения или сжатия, воздействию которой подвергается резонатор, является причиной изменений (AF)₂ его резонансной частоты F, соответственно уменьшение или увеличение:

(AF)₂=kP₂=k(1/2) МГ₂.

Изменение частоты (AF)₂ обычно меньше изменения частоты (AF)₁, для одинаковой силы ускорений Г₁ и Г₂. Таким образом, возвращаясь к предыдущему примеру, где (AF)₁=20 Гц/г, возможно получить (AF)₂=2 Гц/г.

Со ссылкой на фиг. 7С, необходимо отметить, что ускорение Г₃, прилагаемое перпендикулярно плоскости PS датчика вызывает, в основном, силы N₃ и V₃, перпендикулярные оси Z'Z на каждую из пластинок, но практически не вызывает силы растяжения или сжатия на резонатор. В результате, изменение (AF)₃ его частоты F является практически нулевым.

Зная изменение частоты F резонатора для трех составляющих Г1 , Г2 и Г3 ускорения, предпочтительно сочетать два датчика по изобретению. Положение второго датчика выводится из положения первого датчика поворотом 180° вокруг оси, параллельной оси Z'Z, а неподвижные части двух датчиков соединены с общим основанием. Таким образом, это сочетание двух датчиков по изобретению составляет акселерометр с дифферециальным выходом, чувствительное направление которого перпендикулярно сторонам двух пластин материала, и который имеет преимущество в сравнении с известными дифференциальными акселерометрами, так как устраняет механическое сочетание вибраций резонаторов двух датчиков. Эти вибрации, таким образом, больше не влияют друг на друга, что улучшает точность измерения дифференциальной частоты и, таким образом, точность измерения ускорения. Эти аспекты применения сочетания двух датчиков по изобретению далее будут пояснены более подробно.

На фиг. 8А, 8В, 8С, 8D и 8Е показаны другие способы реализации датчика по изобретению.

Со ссылкой на фиг. 8А, можно отметить, что датчик ТАа отличается от датчика ТА по фиг. 5 тем, что связующий элемент 6а, размер L6a которого взят по ширине La датчика ТАа, заметно больше размера L6. Размер L6a значительно меньше размера L4a подвижной части 4а датчика ТАа, взятого по La. Выгодность подобной реализации изобретения заключается в по17 вышенной механической прочности монолитного корпуса датчика, придаваемой большой жесткостью связующего элемента 6а датчика ТАа, и, таким образом, в повышенной собственной частоте корпуса датчика. В противоположность этому преимуществу, механическая фильтрация вибраций резонатора 3 а датчика ТАа менее эффективна, чем фильтрация резонатора 3 датчика ТА, но остается заметно более эффективной в сравнении с известными акселерометрами.

На фиг. 8В показан датчик ТАЬ, который отличается от датчика ТА по фиг. 5 тем, что связующий элемент 7Ь, размер L7b которого взят по ширине датчика ТАЬ, заметно меньше ширины Lb датчика. По сравнению с датчиком ТА, преимущества и недостатки этого третьего способа реализации изобретения являются практически такими же, что и у датчика ТАа по фиг. 8А.

В областях применения, где критерий механической прочности является доминирующим, представляет интерес изготовление датчика ТАс, как это показано на фиг. 8С, в котором два связующих элемента 6с и 7с имеют то же строение, что и связующий элемент 6а датчика ТАс по фиг. 8А и связующий элемент 7Ь датчика ТАЬ по фиг. 8В. Механическая фильтрация вибраций резонатора 3 с датчика ТАс обеспечивается, таким образом, практически только гибкостью участков 51с и 52с рамы 5с датчика ТАс, но остается более эффективной, чем у известных акселерометров.

На фиг. 8D показан датчик TAd, спроектированный больше для применения в областях, где важным критерием является миниатюризация. Датчик TAd отличается от датчика ТА по фиг. 5, в основном, расположением неподвижной части 1d внутри гибкой рамы 5d и между участком рамы 54d и подвижной частью 2d датчика TAd. Таким образом, эта рама 5d образует контур TAd. Такое расположение уменьшает размер датчика, сохраняя длину Н5 участков рамы 51d и 52d достаточной для сохранения гибкости, необходимой для получения очень хорошей механической фильтрации вибраций резонатора 3d датчика TAd.

Эффективность механической фильтрации вибраций резонатора заключается, в большей части, в гибкости двух участков гибкой рамы, параллельных центральной продольной оси Z'Z датчика, т. е. параллельных оси, проходящей через концевые части резонатора. Действительно, эти два участка представляют, в сравнении с двумя другими участками гибкой рамы и двумя связующими элементами, наибольшую гибкость в отношении механических нагрузок, производимых вибрациями резонатора. В более общем плане надежная работа датчика по изобретению требует, по меньшей мере, двух гибких участков, практически параллелепипедной формы, продольные оси которых проходят по двум концевым частям резонатора. Рама в форме кольца, аналогичная периферической части R2 известного резонатора, показанного на фиг. 4, не может подойти для надежной работы датчика по изобретению.

На фиг. 8Е показан датчик ТАе, монолитный корпус которого сделан из кварца. Устройства приведения в вибрацию резонатора 3е в датчике ТАе являются аналогичными устройствами вибрирующих пластин 3₁ и 3₂ первого из известных акселерометров СА', показанного на фиг. 1 , и, таким образом, частично адаптированы к вибрациям по изгибу параллельно сторонам пластины материала. Датчик ТАе отличается от датчика ТА, показанного на фиг. 5, в основном, своей общей дискообразной формой и формой частей кольца участков 53е и 54е гибкой рамы 5е, а также U-образной формой неподвижной части 1е.

Эта неподвижная часть состоит из основного участка 10е в виде части кольца, проходящей практически вдоль участка 54е гибкой рамы, и соединенной со связующим элементом 7е, и из двух ветвей 11е и 1 2е в виде дискообразных сегментов, простирающихся практически вдоль участков 51е и 52е рамы и от концевых частей основного участка 1 0е. Таким образом, гибкая рама 5е расположена внутри U-образной формы неподвижной части 1е.

Ветви 11е и 1 2е крепятся к основанию коробки ВАе, например, склеиванием.

По сравнению с параллелепипедной формой неподвижной части 1 датчика ТА, показанного на фиг. 5, U-образная форма неподвижной части 1е датчика ТАе имеет три следующих преимущества:

- плоскость расположения датчика ТАе на основании ВАе лучше определена для того же размера коробки;

- в случае необходимости улучшения механической прочности датчика удобно использовать два фланца, которые опираются на стороны дискообразных ветвей 11е и 1 2е, и которые ограничивают биение подвижной массивной части 2е установленной величиной;

- крепление датчика ТАе к основанию ВАе облегчается тем, что центр массы датчика расположен между опорными поверхностями на основании и нет необходимости прибегать к устройству удержания датчика на основании.

Относительно механической фильтрации вибраций по сгибанию резонатора 3е датчика ТАе необходимо отметить, что эффективность датчика ТАе практически равна эффективности датчика ТА в связи с достаточной гибкостью участков 51е и 52е.

Как показано на фиг. 8Е, устройства приведения в вибрацию резонатора 3е изготовлены в виде двух металлических электродов 31е и 32е, имеющих противоположные полярности и возбуждающие вследствие пьезоэлектрического эффекта вибрации по изгибу резонатора 3е. Электроды 31е и 32е расположены на стороне резонатора, обращенной к внешней стороне корпуса датчика и их «трехдорожечная» конфигурация описана в заявке на изобретение FR-A-2 685 964 на имя заявителя. Электрические соединения между электродами 31е и 32е и герметические выводы (не показанные) основания коробки делаются на уровне закрепленных ветвей 11е и 12е сваркой на соответствующих контактных металлических участках 33е и 34е практически прямоугольной формы. Как показано на фиг. 8Е, металлические участки 33е и 34е соединены с соответствующими электродами 31е и 32е двумя соответствующими металлическими проводимыми лентами 35е и 36е, удерживаемыми видимой стороной подвижной части 4е, гибкой рамы 5е, связующих элементов 6е и 7е и основного участка 10е.

Электроды, связующие ленты и контактные участки могут быть получены одновременно гравировкой металлического слоя, прилегающего к видимой стороне кварцевой пластины, с помощью классических фотолитографических процессов. Этим прилегающим металлическим слоем может быть слой, который до этого служил защитной маской для обработки монолитного корпуса датчика.

Герметичные выводы основания коробки, подключенные к электродам 31е и 32е, электрически соединены с двумя клеммами колебательной цепи (не показанной), на выходе из которой выдается чередующийся сигнал, изменения частоты которого отражают изменения ускорения, прилагаемого к датчику.

Как указано выше, изобретение касается также акселерометра с дифференциальным выходом, состоящего из двух датчиков ускорения по изобретению, при этом, положение второго датчика, вытекающее из положения первого датчика поворотом на 180° вокруг оси, параллельной оси, проходящей через две концевые части резонатора, при этом неподвижные части двух датчиков соединены с общим основанием. По способам изготовления, показанным на фиг. 5, 8А, 8В, 8С, 8D и 8Е, ось, проходящая через концевые части резонатора, параллельна оси Z'Z датчика. Таким образом, в сочетании двух датчиков по изобретению, положение второго датчика вытекает из положения первого датчика поворотом на 180° вокруг оси, параллельной оси Z'Z.

Со ссылкой на фиг. 9 необходимо отметить, что дифференциальный акселерометр AD состоит из двух датчиков TAei и ТАе₂, практически идентичных датчику ТАе по фиг. 8Е, при этом дискообразные ветви 11e₁ и 12e₁ датчика TAe₁ и 11е₂ и 12е₂ датчика ТАе₂ соединены с общим основанием ВАе. По способу изготовления, показанному на фиг. 9, датчики TAe₁ и ТАе₂ расположены симметрично один другому относительно плоскости, параллельной сторонам двух пластин материала. Такое расположение является особым случаем расположения по изобретению и не рассматривается как ограничивающее изобретение. Датчик ТАе выбран в качестве примера. Действие настоящей заявки на изобретение распространяется на сочетание двух практически идентичных датчиков, одним из которых является любой из датчиков ТА, ТАа, ТАЬ, ТАc и TAd. по фиг. 5, 8А, 8В, 8С и 8D, и, в целом, на сочетание двух датчиков по изобретению.

Со ссылкой на фиг. 9 необходимо отметить, что металлические участки 33e₁ и 34e₁ датчика TAe₁ соединены с двумя первыми клеммами колебательного контура 91₁ с помощью двух проводов 37₁ и 38₁. Идентично расположенные на невидимой стороне датчика ТАе2 электроды, связывающие ленты и контактные участки, связаны со второй колебательной цепью 91₂.

Выходы двух цепей 91₁ и 91₂ соединены с устройством измерения дифференциальной частоты, включающим цепь вычитания частоты 92 и частотомер 93, при этом частота (F₁ - F₂), измеряемая частотомером 93, является показателем измеряемого ускорения.

Работа дифференциального акселерометра AD показана со ссылкой на предыдущие объяснения, относящиеся к фиг. 7А, 7В и 7С.

Со ссылкой на фиг. 9 необходимо отметить, что ускорение Г₁, прилагаемое перпендикулярно к сторонам двух пластин материала, вызывает на резонаторах 3e₁ и 3е₂ продольные силы (не показанные) растяжения и сжатия одинаковой величины, если датчики TAe₁ и ТАе₂ идентичны. Эти продольные силы являются причиной увеличения (AF)₁ частоты F₁ резонатора 3e₁ и уменьшения на ту же величину частоты F2 резонатора 3е2.

Выражение изменения частоты (AF)₁ было описано ранее зависимости от механических и геометрических характеристик датчика.

Дифференциальная частота (F1 - F2), таким образом, подвергается увеличению:

A(F1 - F₂) = 2(AF)_b

Ускорение Г₂, прилагаемое параллельно осям Z₁'Z₁ и Z₂'Z₂ датчиков TAc₁ и ТА^, вызывает на резонаторах 3c1 и 3с2 продольные силы (не показанные) растяжения и той же интенсивности, которые являются причиной такого же увеличения (AF)₂ и их резонансных частот.

Таким образом, дифференциальная частота (F₁ - F₂) не подвергается изменению, связанному с ускорением Г₂.

Ускорение Г3, прилагаемое перпендикулярно к двум предыдущим направлениям ускорения, не вызывает возникновения продольных сил на резонаторах 3e1 и 3е2. Результатом является то, что частоты F1 и F2, а также дифференциальная частота (F1 - F2) не подвергаются изменению, связанному с ускорением Г₃.

Таким образом, чувствительное направление дифференциального акселерометра AD пер21 пендикулярно сторонам двух пластин материала.

За счет эффективности механической фильтрации вибраций каждым резонатором 3ei и 3е₂ дифференциальный акселерометр AD имеет два преимущества в сравнении с известными акселерометрами. Во-первых, коэффициенты перенапряжения резонаторов не ухудшаются и, во-вторых, устраняется механическое соединение их вибраций. Эти два преимущества придают улучшенную точность измерения акселерометру AD.

На фиг. 10 показан дифференциальный акселерометр AD', состоящий из двух практически идентичных датчиков ТА₁' и ТА₂', изготовленных на одной пластине материала однородной толщины. Строение этих датчиков похоже на строение датчика ТА, показанного на фиг. 5. По способу изготовления, показанному на фиг. 1 0, дифференциальный акселерометр AD' образует монолитный корпус, имеющий форму параллелепипеда. Подвижные части 2₁, 4₁ и 2₂, 4₂ рамы 5₁ и 5₂ и неподвижная часть 1 двух датчиков TA₁' и ТА₂' имеют соплоскостные стороны, совпадающие с двумя сторонами пластины. Резонатор 3₁ одного TA₁' из датчиков и пластинки 81₂ и 82₂ другого датчика ТА₂' выравниваются по одной из двух сторон пластины; резонатор 3₂ другого датчика ТА2' и пластинки 811 и 821 первого датчика TA₁' выравниваются по другой стороне пластины. Центральная ось Y'Y, параллельная сторонам пластины, образует ось симметрии акселерометра AD'. По показанному способу изготовления продольные оси Z₁'Z₁, Z₂'Z₂ датчиков TA₁' и TA₂' параллельны оси Y'Y, и датчики TA₁ ' и ТА₂' симметричны один другому относительно оси Y'Y, что представляет особый случай расположения по изобретению. По показанному способу изготовления неподвижная часть 1' дифференциального акселерометра АD' имеет передний контур в форме I, имеющий продольную ветвь, направленную на ось Y'Y и одну из поперечных ветвей, соединенную со связующими элементами 7₁ и 7₂ датчиков TA1 ' и TA2'. Преимущества этой Iобразной формы неподвижной части 1' являются аналогичными преимуществами U-образной формы неподвижной части 1е датчика ТАе, показанного на фиг. 8Е; хорошо определенная плоскость размещения, удобство использования двух фланцев, представляющих упоры, и удобство крепления этой неподвижной части на основании.

Как и для дифференциального акселерометра AD, показанного на фиг. 9, чувствительное направление дифференциального датчика AD' перпендикулярно сторонам пластины материала и преимуществом датчика AD', по сравнению с известными датчиками, является улучшенная точность измерения.

По сравнению с акселерометром AD, размещение датчика AD' в коробке упрощено, что является преимуществом при определяющих критериях миниатюризации и низкой себестоимости.

Напротив, акселерометр AD представляет преимущество в выборе из двух составляющих его датчиков с целью еще большего улучшения точности измерения.

Claims (13)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Монолитный датчик ускорения, состоящий из неподвижной части, подвижной массивной части и резонатора, одна из двух концевых частей которого соединена с подвижной массивной частью, отличающийся тем, что он включает вторую подвижную массивную часть, соединенную с другой концевой частью резонатора, гибкую раму, окружающую две подвижные массивные части, первый связующий элемент, соединяющий раму со второй подвижной массивной частью, и второй связующий элемент, соединяющий раму с неподвижной частью.
2. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что гибкая рама имеет прямоугольную форму и включает два участка, пролегающих практически параллельно резонатору, и два других участка, пролегающих практически перпендикулярно резонатору и соединенных соответственно со второй подвижной массивной частью и неподвижной частью первым и вторым связующим элементом, при этом первый связующий элемент имеет ширину меньше ширины второй подвижной массивной части, а второй связующий элемент имеет ширину меньше длины указанных других участков, при этом предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один из связующих элементов имел поперечное сечение, по существу, равное сечению участков рамы.
3. 3. Датчик по п. 1 или 2, отличающийся тем, что подвижные массивные части, резонатор, гибкая рама и связующие элементы имеют одну и ту же плоскость симметрии (PS), перпендикулярную плоскости (РМ) рамы, при этом связующие элементы расположены соответственно на пересечениях рамы и этой плоскости симметрии.
4. 4. Датчик по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он включает две соплоскостные пластинки, каждая из которых имеет концевые части, соединенные соответственно с двумя подвижными массивными частями и расположенные с одной и с другой стороны резонатора.
5. 5. Датчик по п.4, отличающийся тем, что пластинки имеют меньшую длину, чем длина резонатора, предпочтительно составляющую от одной десятой части до половины длины резонатора.
6. 6. Датчик по п.4 или 5, отличающийся тем, что пластинки практически расположены в плоскости, перпендикулярной резонатору, и в середине длины резонатора.
7. 7. Датчик по любому из пп.4-6, отличающийся тем, что пластинки тоньше, чем подвижные массивные части, и выравниваются по общей стороне двух подвижных массивных частей, а резонатор выравнивается по другой общей стороне двух подвижных массивных частей, при этом пластинки и резонатор имеют одну и ту же толщину, взятую по толщине подвижных массивных частей.
8. 8. Датчик по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что неподвижная часть расположена внутри рамы.
9. 9. Датчик по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что неподвижная часть имеет Uобразную форму, окружающую раму, за исключением участка рамы, соединенного с первым связующим элементом, и включает основной кольцевой участок, середина которого соединена со вторым связующим элементом, и две ветви, соединенные соответствующими концевыми частями с основным участком для крепления датчика на основании.
10. 10. Датчик по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что он включает два электрода, поддерживаемые резонатором, два контактных уча-

    Фиг. 1 (Предшествующая технология)

    Фиг. 2 (Предшествующая технология) стка, поддерживаемые неподвижной частью, и две ленты, обладающие проводимостью и поддерживаемые второй подвижной массивной частью, первый связующий элемент, раму, второй связующий элемент и неподвижную часть для соединения двух электродов с двумя соответствующими контактными участками.
11. 11. Акселерометр, включающий первый и второй монолитные датчики ускорения по любому из пп.1-10, при этом положение первого и второго датчиков симметричны друг другу относительно оси (Y'Y), параллельной оси, проходящей через концевые части резонатора первого датчика, при этом неподвижные части двух датчиков соединены.
12. 12. Акселерометр по п.11, отличающийся тем, что датчики расположены симметрично один другому относительно плоскости, параллельной соплоскостным сторонам подвижных массивных частей каждого из датчиков.
13. 13. Акселерометр по п.11, отличающийся тем, что подвижные массивные части рамы и неподвижные части датчиков имеют соплоскостные стороны, при этом датчики предпочтительно расположены симметрично друг другу относительно оси (Y'Y), параллельной соплоскостным сторонам.