专利名称：一种屈曲式加速度开关的制作方法
技术领域：
本发明属于惯性传感技术领域，涉及一种基于双层倾斜支撑梁结构的屈曲式加速
度开关，特别适用于汽车安全气囊、轮胎压力检测系统、武器系统引信及民用产品装置。
背景技术：
加速度开关(又称为g开关、惯性开关)是能够感知加速度信号，并受控于加速度 阈值，经多力耦合作用，执行开关机械动作的精密惯性传感器件。它将传感与执行融为一 体，其构成方式简单，具有体积小，重量轻等鲜明特征，在国内外军用武器系统、民用机械电 子和消费电子等高科技领域具有广泛的需求。加速度开关接触可靠的一个重要衡量标准是 接触力，当接触力大于一定临界值后，开关触点的接触电阻会显著降低，满足开关通过大电 流的使用要求。稳定接触力的大小由触点材料、接触力及接触方式决定的。
加速度开关在阈值加速度信号作用下实现电路导通，并同时要满足闭合持续时 间、抗外界干扰以及触点接触稳定性的要求。目前所见到的加速度开关工作方式类似，但 在结构形式和物理驱动方式则各有不同。US-A-6153839 "Micromechanical switching devices"即"一种微机械开关装置"，US-A-5927143 "Self-diagnostic accelerometer with symmetric proof—mass and itspr印aration，，艮卩"一禾中具有对禾尔检领lj质量块的自诊 断力口速度计及其制备"，US-A-4855544 "Multiple level miniature electromechanical accelerometer switch"即"多层小型机电加速度开关"以及ZL99123606. 8 "微型机械 式加速度开关"分别采用悬臂梁结构和扭转弹簧结构来感知加速度信号，但由于其线弹性 结构本身的局限性使得此类开关需要外界作用力来保持闭合状态，这不仅增加了开关系 统的能耗，并且还会造成接触力偏小，降低接触可靠性。在专利US-Bl-6388359 "Method of Actuating MEMS Switch"即"一种MEMS开关的驱动方法"中采用了双稳态弧形梁结 构支撑长条状惯性质量元件沿长滑槽移动的方式，这就使得开关在振动干扰下动作时易 发生卡死现象。ZL0510078288. 5 "无触点开关"中，采用永磁体运动引起磁场强度变化 来使霍尔元件导通和断开，但为了避免外界电磁场的干扰需要增加额外的电磁屏蔽措施。 ZL01142036. 7 "水银式微机械惯性开关制造方法"中虽然采用了液体Hg作为导电材料来降 低接触电阻，但却又有需要防止Hg泄漏问题。 综上所述，虽然目前加速度开关的种类繁多，但难以同时满足阈值感应精度、稳定 接触保持、低接触电阻和抗电磁干扰等功能实用要求，从而限制了开关装置在某些特殊场 合下的推广应用，如汽车在颠簸路面对开关引起的振动；雷雨天气产生的强电磁场环境和 引爆装置的大电流等。
发明内容
本发明要解决的问题是解决现有的加速度开关装置在使用环境及功能上所存在 的不足，提供一种具有准确加速度阈值感应能力、大接触力、接触稳定、抗振动干扰、抗电磁 干扰的屈曲式加速度开关。该加速度开关具有结构简单、阈值可调、响应迅速和接触可靠的
3特定，适用于汽车防撞气囊、炮弹及导弹引信上的保险开关等民用和军用场合。
本发明的技术解决方案是在设所计的屈曲式加速度开关的绝缘封装壳体内设置 一组倾斜支撑梁、质量块和高度可调触点组件，所述倾斜支撑梁为双层结构，其两端固支在 壳体的两侧，该双层倾斜支撑梁按照一定角度a支撑质量块，使质量块在绝缘封装壳体内 腔平衡悬空，在质量块的底部带有触点；所述高度可调触点安装在质量块正下方的绝缘封 装壳体上，与质量块之间保持一定距离，使开关在外界振动干扰信号作用下不会发生误操 作。当双层倾斜支撑梁在外界阈值惯性力作用下发生屈曲，所述质量块则沿外界加速度方 向运动，使质量块上的触点与高度可调触点之间形成弹性接触，并依靠屈曲弹性力挤压触 点，形成稳定接触，两个触点各通过导线连入控制电路中。 本发明中，开关的加速度阈值感应能力和开关状态快速转换功能主要利用弹性倾 斜支撑梁在外界压力作用下发生屈曲及后屈曲时所表现的阈值特性和双稳态跳转特性来 实现。触点稳定接触主要依靠惯性力和结构发生跳转后的非线性弹性力的合力来保证。整 个开关结构简单，易于设计，只要给定加速度阈值(闭合阈值、断开阈值)和最低接触力要 求后，便可根据倾斜支撑梁结构的非线性力学特性，确定加速度开关的惯性质量块、双层弹 性支撑梁的结构尺寸、倾角以及开关行程等。 本发明中，开关结构参数与外界加速度之间的制约关系如下
i当ma < FCT，开关保持断开状态； ii当a^a。时，开关闭合，并保证一定的基础压力，即j,^^ D iii当a = 0时，开关仍能保持闭合状态；
iv当a = ad时，开关迅速断开； 式中a外界加速度，F 为屈曲临界力，m惯性质量，a。为闭合加速度阈值，ad为断 开加速度阈值，Fk为非线性弹性力，P为稳定接触压力。 本发明的质量块还可以设计为不带固定触点，同时将高度可调触点设计为为具有 两个触点，该该两个触点之间由绝缘套筒隔开，当开关闭合时，质量块与两个触点以桥联方 式导通。 本发明的开关工作原理当外界加速度信号低于设计闭合阈值时，双层倾斜支撑
梁结构不发生屈曲，开关保持断开状态；当外界加速度大于或等于加速度阈值时，双层倾斜
支撑梁在阈值惯性力作用下屈曲，并迅速跳转到第二稳态位置，在惯性力和非线性弹性力
的共同作用下开关稳定接触，电路导通；当外界加速度低于加速度断开加速度阈值时，开关
依靠后屈曲弹性力使开关断开。 本发明与现有技术相比具有如下的优点 [1]本发明第一次采用双层倾斜支撑梁结构作为开关弹性元件来感应惯性阈值力 并实现开关状态转换，并保证质量块不发生扭动。开关阈值特性显著，重复性好，响应迅速， 接触力大，稳态保持无功耗，能够稳定平衡于两个稳态位置。 [2]本发明为依靠外界惯性力驱动的机械装置，能够有效的抵抗电磁干扰，并且开 关工作行程大，对外界各种频率加速度信号具有机械识别功能，滤去高频干扰，提高开关在 各种恶劣环境(电磁干扰、雷雨及振动干扰等)下的动作准确性，适用于多种民用和军用场
[3]本发明倾斜直梁结构简单、易于加工，并且开关具有体积小、重量轻和成本低 廉的特点，便于批量生产。 [4]开关加速度阈值可调整性强，通过调整惯性质量块、行程、弹性支撑梁及倾角 等结构参数，就可以得到各种不同规格和外形的加速度阈值开关。通过调整开关行程(触 点高度)，就可以改变接触力和气膜阻尼来调整接触电阻和响应时间，以达到不同适用场合 的要求。 由于本发明具有上述优点，因此具有广泛的推广应用价值，可用于汽车防撞气囊 作为碰撞强度检测的辅助控制单元；重要存储单元、精密机器的防跌落、碰撞保护系统的传 感器件；火箭发射过程中整流罩脱落控制单元中的加速度感应辅助器件，以及导弹等武器 系统的引信装置等。
图1是本发明的主视剖面结构示意图，也是本发明的优选实施例一
图2是本发明的俯视剖面结构示意图
图3是倾斜角对加速度阈值的影响图
图4是倾斜梁长度对加速度阈值的影响图 图5是本发明屈曲式加速度开关原理示意图，其中图5a为倾斜支撑梁在第一稳态 位置初始位置示意图，图5b外界力Fv大于结构屈曲临界力时，倾斜支撑梁弹性变形在第二 稳态位置示意图 图6是弹性支撑结构非线性刚度曲线图 图7是所施加加速度信号 图8a是加速度开关响应曲线图 图8b是加速度开关动作过程中接触力变化曲线图 图9a本发明的优选实施例二的主视剖面结构示意 图9b是图9a的触点A向示意图
具体实施方式
实施例一 根据图1和图2所表示的本发明开关包括一个绝缘封装外壳3，通过双层倾斜支撑 梁1连接到带有触点质量块2，在质量块2正下方的绝缘封装壳底部安装高度可调触点6， 调触点6的高度用螺纹调节，质量块2上的固定触点与高度可调触点6用导线5引出连入 控制电路中，整个装置用螺栓7安装。 当开关受到来自触点轴线方向的加速度时，当加速度信号低于设定的阈值，开关 不动作；当加速度信号大于等于阈值时，带有触点的质量块2沿加速度方向运动，并迅速与 可调触点6接触，导通电路。图1中的质量块2的质量可以调整若增大质量块质量，则相应
的外界惯性力增大，使开关的加速度阈值降低；如果保持惯性质量块不变，通过调整倾斜支 撑梁1的结构尺寸和倾角，进而可能得到不同加速度阈值的开关；如图3和图4所示为倾斜 支撑梁尺寸和倾角调整对加速度开关阈值的影响程度。图3表示，当结构其他参数确定的 情况下，倾斜角度在4。 6°之间调整时所引起的阈值加速度变化范围为0.96g 1.41g。图4表示，其它参数不变，双层倾斜支撑梁长度在9mm 11mm之间调整时所引起的阈值加 速度变化范围为3. 6g 5. 3g。 本发明开关的原理主要基于图5和图6所表示的弹性支撑结构动作过程和力与位 移变化示意图。如图5a所示，倾斜支撑梁结构的倾角为a，长度为L，具有良好的开关阈 值特性，结构的第一稳态位置为初始位置，第二稳态位置为开关闭合状态。当外界力Fv大 于结构屈曲临界力时，结构快速跳转到第二稳态，如图5b所示；反之，外界力Fv小于临界力 时，结构保持原状态不变。结构在状态转换过程中消耗能量，而在状态保持过程中不需要输 入能量便能使触点保持一定接触压力。图6表示弹性元件在跳转过程中的力与位移变化曲 线。倾斜支撑梁结构在外界临界力Fv作用下发生后屈曲变形，结构出现负刚度现象，结构 迅速移动到不稳定平衡位置与第二稳态位置之间，弹性力出现负值，此时可以通过高度可 调触点6的支撑作用使结构稳定平衡于接触位置，如图5b所示。此时高度可调触点6受到 倾斜支撑梁l的挤压作用，本发明利用该挤压作用提高触点接触力，降低接触电阻。同时根 据不同应用场合的需要，通过旋动可调触点6的螺纹来改变触点的高度，使其在不稳定平 衡位置和第二稳态位置之间变化，进而改变开关的行程和接触压力大小。
图7和图8所表示的加速度信号曲线和开关的响应曲线。图7中，加速度信号首 先达到阈值，保持一段时间后降为零，而后变为反向。图8a和图8b为本发明加速度开关在 图7中的加速度信号作用下的响应曲线和接触力变化曲线。图8a中，当加速度低于闭合阈 值时，即惯性力小于开关结构屈曲临界力，开关保持断开状态。当加速度达到闭合阈值时， 惯性力使开关结构发生屈曲变形，开关迅速跳转到闭合状态，响应迅速，并且在闭合后由惯 性力和结构弹性力的合力作为接触力使开关保持稳定接触。当加速度消失时(即a = 0)， 开关依靠结构的弹性负力仍能保持闭合状态，仍能保持一定的接触力使开关稳定接触。当 反向加速度达到断开阈值时，触点接触力变为零，开关迅速断开，开关阈值特性显著。本发 明中有效的利用了两端固支倾斜支撑梁结构的跳转特性来提升开关响应速度。
实施例二 图9a和图9b为本发明的实施例技术方案二示意图，本实施例在实施例一的基础 采用一种新触点结构形式，将质量块2上的触点省掉，将高度可调触点6上设置两个触点 6-1和6-2，触点6-1和6-2之间由绝缘套筒6-3隔开，当开关闭合时，质量块2与两个触点 以桥联方式导通，实现电路导通。
权利要求
一种屈曲式加速度开关，其特征在于在开关的绝缘封装壳体(3)内设置一组倾斜支撑梁(1)、质量块(2)和高度可调触点(6)组件，所述倾斜支撑梁(1)为双层结构，其两端固支在壳体的两侧，该双层倾斜支撑梁按照一定角度α支撑质量块(2)，使质量块在绝缘封装壳体(3)内腔平衡悬空，在质量块(2)的底部带有触点；所述高度可调触点(6)安装在质量块(2)正下方的绝缘封装壳体(3)上，与质量块(2)之间保持一定距离，当双层倾斜支撑梁(1)在外界阈值惯性力作用下发生屈曲，所述质量块(2)则沿外界加速度方向运动，使质量块(2)上的触点与高度可调触点(6)之间形成弹性接触，并依靠屈曲弹性力挤压触点，形成稳定接触，两个触点各通过导线(5)连入控制电路中。
2. 根据权利要求1所述的屈曲式加速度开关，其特征在于所述倾斜支撑梁(1)具有 高弹性组件，通过调整倾斜支撑梁的结构参数和倾角a来调整屈曲临界力和质量块(2)的 位置，进而实现调整开关的加速度阈值和行程。
3. 根据权利要求1所述的屈曲式加速度开关，其特征在于所述质量块(2)采用可拆 卸结构，通过调整质量块的质量来调整开关的加速度阈值。
4. 根据权利要求1或2或3的屈曲式加速度开关，其特征在于，开关结构参数与外界加 速度之间的制约关系如下i当ma < F ，开关保持断开状态；ii当a > a。时，开关闭合，并保证一定的基础压力，即>iii当a = 0时，开关仍能保持闭合状态； iv当a = ~时，开关迅速断开；式中a外界加速度，F 为屈曲临界力，m惯性质量，a。为闭合加速度阈值，ad为断开加 速度阈值，Fk为非线性弹性力，P为稳定接触压力。
5. 根据权利要求1所述的屈曲式加速度开关，其特征在于所述高度可调触点(6)采 用螺旋式结构安装于绝缘封装壳体(3)底部，在开关整体结构参数确定以后，通过调整螺 旋来调整触点高度，使开关接触良好。
6. 根据权利要求1的所述屈曲式加速度开关，其特征在于所述倾斜支撑梁(D、质量 块(2)和高度可调(6)触点均为导电材料，当开关闭合时构成倾斜支撑梁、质量块和高度可 调触点之间的电流通路。
7. 根据权利要求l所述的屈曲式加速度开关，其特征在于在绝缘封装壳体(3)内填 充粘滞性液体阻尼物质，用来调整系统的响应速度。
8. 根据权利要求1所述的屈曲式加速度开关，其特征在于所述质量块(2)不带触点， 所述高度可调触点(6)设置有两个触点(6-1)和(6-2)，触点(6-1)和(6-2)之间由绝缘套 筒(6-3)隔开，当开关闭合时，质量块(2)与两个触点以桥联方式导通。
全文摘要
本发明涉及一种屈曲式加速度开关，所述的加速度开关在开关的绝缘封装壳体内设置一组倾斜支撑梁、质量块和高度可调触点组件，所述倾斜支撑梁为双层结构，其两端固支在壳体的两侧，该双层倾斜支撑梁按照一定角度α支撑质量块，使质量块在绝缘封装壳体内腔平衡悬空，在质量块的底部带有触点；所述高度可调触点安装在质量块正下方的绝缘封装壳体上，与质量块之间保持一定距离，当双层倾斜支撑梁在外界阈值惯性力作用下发生屈曲，所述质量块则沿外界加速度方向运动，使质量块上的触点与高度可调触点之间形成弹性接触，并依靠屈曲弹性力挤压触点形成稳定接触。本发明加速度开关具有结构简单、阈值可调和抗干扰能力强的特点。
文档编号H01H35/14GK101752141SQ20091025442
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月21日 优先权日2009年12月21日
发明者张大兴, 王洪喜, 贾建援, 赵剑 申请人:西安电子科技大学;大连理工大学;西安工业大学