专利名称：用于磁流体加速度计的外壳的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于磁流体加速传感器的外壳。
背景技术：
在例如提交于2004年5月3日的美国专利申请No.10/836,624、提交于2004年5月3日的美国专利申请No.10/836,186、提交于2003年5月21日的美国专利申请No.10/422,170、提交于2002年8月1日的美国专利申请No.10/209,197(现在为美国专利No.6,731,268)、提交于2000年2月24日的美国专利申请No.09/511,831(现在为美国专利No.6,466,200)、及提交于1999年11月3日的俄罗斯专利申请No.99122838中描述了磁流体加速度计。这些加速度计利用磁流体原理和悬浮在一种磁性流体中的惯性体来测量加速度。这样一种加速度计常常包括一个传感器壳体(传感器外壳、或“容器”)，该传感器壳体填充有磁性流体。一个惯性体(“惯性物体”)悬浮在磁性流体中。加速度计通常包括在磁性流体中产生磁场的多个驱动线圈(动力线圈)、和探测由惯性体的相对运动造成的磁场变化的多个测量线圈。
发明内容
本发明涉及用于磁流体加速度传感器的外壳，其基本上消除相关技术的一种或多种缺点。
在本发明的一个实施例中，一种传感器包括一个外壳，该外壳封闭一个惯性体并且保持多个磁场源。磁场源可以包括磁铁、电磁铁或两者的组合。传感器外壳也包含基本上位于磁场源与惯性体之间的磁性流体。磁场源在磁性流体内产生一个磁场，以保持在其中悬浮的惯性体。成对的检测线圈(或其它位置传感器)绕外壳布置，以便检测在传感器外壳内由惯性体在磁性流体内的运动造成的磁通密度变化。
传感器外壳的各个实施例容纳磁场源，这些磁场源基本上或部分地定位在传感器外壳的内部内。在传感器外壳的一个实施例中，检测线圈和磁场源可以安装在多个组件壳体中，这些壳体分别联接到传感器外壳上。在一个实施例中，组件壳体和检测线圈的每一个在一个公共平面中包括一个引导表面。检测线圈的引导表面由薄膜气密地密封，以防止磁性流体泄漏到组件壳体中。这样，磁性流体保持在外壳的内部内，并且惯性体的位移基本上被约束到由组件壳体的引导表面限定的传感器外壳的“工作”空间。
本发明的另外特征和优点在随后的描述中叙述，并且部分由描述是显然的，或者可以通过本发明的实践了解。本发明的优点将通过在书写的描述和其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现和得到。要理解，以上一般性描述和如下详细描述都是示范和解释性的，并且打算提供所要求保护的本发明的进一步解释。
被包括以提供本发明的进一步理解并且并入和构成本说明书的一部分的附图，表明本发明的实施例，并且与描述一起用来解释本发明的原理。在附图中图1表明根据本发明一个实施例的一种组装磁流体加速度传感器的等轴测图。
图2表明使驱动磁铁组件被除去的图1的传感器的侧视图。
图3表明在图2中表示的传感器的部分剖视图。
图4表明图1的传感器的分解侧视图。
图5表明图4的传感器的等轴测图。
图6表明根据本发明的一种传感器的另一个实施例。
图7表明根据本发明另一个实施例的一种传感器外壳。
图8、9A、9B及10表明根据本发明另一个实施例的用于传感器的一种蛤壳型外壳。
图11-12表明根据本发明另一个实施例的用于传感器的一种外壳。
图13表明在本发明中使用的一种公共变压器的一个实施例。
图14-16表明根据本发明另一个实施例的用于传感器的一种外壳。
具体实施例方式
现在将对本发明的实施例详细地进行参考，本发明的例子表明在附图中。
图1表明根据本发明的一种磁流体加速度传感器102的一个实施例。磁流体传感器的一般工作原理在美国专利No.6,466,200中描述，该专利包括在这里以供参考。传感器的动作一般由一组非线性偏微分方程描述，见提交于2004年9月30日、发明人为ROMANOV等、标题为METHOD OF CALCULATING LINEAR AND ANGULARACCELERATION IN A MAGNETOFLUIDIC ACCELEROMETERWITH AN INERTIAL BODY的美国分案专利申请No.60/614,415，本申请要求该申请的优先权。
以组装形式表示在图1中的传感器102包括一个外壳104、多个驱动磁铁组件106A-106E，驱动磁铁组件106A-106E的每一个使用对应导线110A-110E连接到一个电源(未表示)上。五个驱动磁铁组件106A-106E表示在图1中，一个第六驱动磁铁组件106F在本视图中被隐藏但表示在图3中。然而，在另外的实施例中，依据传感器被使用的用途，少于或多于六个驱动磁铁组件可以包括在传感器中。在一个实施例中，外壳104由一种适当的塑料通过注射模压过程而形成。这样，外壳104可以具有单个或多部分构造。
图2表明使驱动磁铁组件106C被除去的图1的传感器102。由于驱动磁铁组件106C被除去，所以一个惯性体202在外壳104的一个工作空间205中是可见的，外壳104的参数下面更充分地详述。在操作期间，惯性体202如表示的那样位于外壳104的近似几何中心处。一种磁性流体203填充或部分填充外壳104的适用体积的剩余部分。例如，磁性流体203可以在煤油基液中包括金属颗粒，如钴、钆、镍、镝、及铁；它们的氧化物，例如Fe3O4、FeO2、Fe2O3；以及像锰锌铁氧体(ZnxMn1-xFe2O4)之类的磁性化合物、钴铁氧体、或其它铁磁性合金、氧化物及铁氧体。作为对于煤油的一个选择例，水或某些油可以用作基液。
图3表明图2的传感器102的部分剖视图，表示具有相应驱动磁铁307A、307B、307D及307E和成对检测线圈308A、308B、308D及308E的一种布置的驱动磁铁组件106A、106B、106D及106E。应该理解，在图3的实施例中，传感器102的每个驱动磁铁组件106A-106F具有一对检测线圈和一个驱动磁铁，如代表性地由成对检测线圈308A、308B、308D及308E和驱动磁铁组件106A、106B、106D及106E在图3中表明的那样。
驱动磁铁可以是磁铁、电磁铁或其组合，并且可选择地可以称作悬浮磁铁、动力磁铁、动力线圈、或悬浮线圈(如果使用电磁铁的话)。检测线圈也可以称作“检测磁铁”或“测量线圈”。另外或可选择地对于一对检测线圈(即感应传感器)，霍尔传感器、激光或LED传感器、静电传感器、声学传感器、及光学传感器也可以用来探测惯性体202的位置。
在一个实施例中，为了测量线和角加速度，一对检测线圈定位在外壳104的每一侧。在另一个实施例中，有可能使用在外壳104的每一侧偏离中心放置的单个检测线圈，但在这种情况下，确定角加速度需要更复杂的数学分析。
图4和5从两个不同角度表明图1的传感器102的各种元件。每个图包括驱动磁铁组件106D的分解视图。如图中所示，驱动磁铁组件106D包括一个组件壳体412D、一个后盖414、驱动磁铁307D、一对检测线圈308D及一个驱动磁芯418。每个检测线圈308D绕一个相应检测芯416缠绕。在一个实施例中，通过使每个检测线圈308D绕其相应检测芯416独立地缠绕，简化制造过程。然后检测芯416与检测线圈308D一起被固定(粘结)到驱动磁芯418上，驱动磁铁(即动力线圈)307D以后缠绕到驱动磁芯418上，由此创建一个组件。该组件然后放置在组件壳体412D内，组件壳体412D最后固定到后盖414上，以形成驱动磁铁组件106D。
如在图4中表明的那样，驱动磁铁307D绕驱动磁芯418缠绕，驱动磁芯418牢固地固定到后盖414上或者与其制成整体。组件壳体412D可固定到后盖414上，以在其中封闭驱动磁铁307D和检测线圈308D。驱动磁铁307D可以由芯部418经导线110D可操作地连接到一个电源(未表示)上。类似地，检测线圈308D可以经芯部416可操作地连接到一个用来从传感器接收输出的装置(未表示)上。在图13中所示的一个可选择实施例中，芯416和418可以由单个或公共变压器芯1330替换。在图13的实施例中，每个检测线圈1308绕公共变压器芯1330的一个相应叉式齿1332缠绕，而一个驱动磁铁1307绕公共变压器芯1330的一个基座1334缠绕。
图5是图4的传感器102的等轴测图。在本发明的这个实施例中，组件壳体412D在与组件壳体412D的引导表面220D的公共平面中包括用来容纳定位检测芯416的引导表面509的孔径501。在一个实施例中，检测芯416的引导表面509由薄膜(未表示)气密地密封，从而检测线圈不与磁性流体203相接触。另外，薄膜防止磁性流体泄漏到组件壳体412D中。在一个实施例中，薄膜可以由诸如TEFLON或聚对苯二甲酸乙酯(PET或DACRON)之类的非磁性非传导材料制成。在一个另外的实施例中，一种粘合到组件壳体和检测线圈芯上的密封剂可以用来防止磁性流体流到组件壳体412D中。
在图4和5的实施例中，组件壳体412D包括一个边沿411，该边沿411具有一个内径，该内径定尺寸成绕后盖414的一个台肩413配合。以这种方式，在组件壳体412D与盖414之间的固定布置可以是也能包括一种粘合剂或密封装置的咬入、摩擦或过盈配合。在一个可选择实施例中，组件壳体412D和盖414可以具有一种螺纹连接。组件壳体412D也包括一个台肩415，台肩415可接收在传感器外壳104的一个端口419内并且可与其对接。以这种方式，在组件壳体412D与传感器外壳104之间的固定布置可以是在其之间也可以包括粘合剂或密封装置的咬入、摩擦或过盈配合。
在图1-5的实施例中，驱动磁铁组件106A、106B、106D及106E的组件壳体412A、412B、412D及412E的每一个分别包括四个倾斜表面517A、517B、517D及517E。应该理解，没有充分表示的驱动磁铁组件106C和106F也包括四个这样的倾斜表面。在图1-5的实施例中表示的传感器外壳中，组件壳体具有“金字塔”形状，以使与驱动磁铁线圈绕组相邻的组件壳体半径最大。在这样一种布置中，使在传感器操作期间无用的、在组件壳体内的消散磁通最小，因为使在与驱动线圈相邻的组件壳体半径与芯的半径之比最大。
当驱动磁铁组件106A-106F在传感器外壳104的相应端口419内被对接时，一个第一驱动磁铁组件壳体的每个倾斜表面与在外壳104的内部中的四个最接近的驱动磁铁组件壳体的每一个的一个相邻倾斜表面对齐。壳体表面的对齐最好表明在图2中表示的传感器外壳104的内部视图中。如图2中所示，驱动磁铁组件106A、106B、106D及106E的引导表面220A、220B、220D及220E，与驱动磁铁组件106C和106F(未表示)的引导表面一起，形成一个其中基本上包含惯性体202的工作空间205。
由每个驱动磁铁组件106A-106F创建的磁场协同地用来把惯性体202悬浮在磁性流体203中在工作空间205内的一个平衡点处，该平衡点靠近传感器外壳104的几何中心。在惯性体202的运动和磁性流体203的同时移动时，驱动磁铁组件106A-106F的检测线圈测量在外壳104内的磁场变化。起一个弹性体作用的磁性流体203试图在工作空间205内返回到磁场最强的位置。这导致对于惯性体202的排斥力。
惯性体202可以由非磁性的，或者部分(弱)磁性的(例如基本上磁性比磁性流体203小)的材料制成。
尽管以上表示和描述的传感器外壳是立方形的，但将认识到，传感器外壳不必是立方形的，而是能具有任何形式以适应较大或较小体积的磁性流体；磁流体加速度传感器的整体尺寸的减小或增大；各种成形的惯性体；和/或较大或较小数量的磁场源和/或检测机构。例如，一种传感器600的一种共形(conformal)外壳604具有斜切的角部621，如图6中表明的那样，以减小传感器的内部区域、以及外部尺寸。况且，在一个实施例中，至少一个斜切的角部621可以包括一个小孔径，通过该孔径，组装的传感器填充有磁性流体。这种手段的优点在于，需要使用较少的磁性流体，这导致一种更稳定的传感器和较低的成本(由于磁性流体是较昂贵的成分)。在这种情况下，有通过流体的较大阻尼效应，这意味着传感器的带宽减小。也应该注意，较低带宽实际上在许多应用中是希望的。
而且，根据本发明一个实施例的一种传感器外壳可以具有几毫米或更小的边长尺寸。在图7中表示的一个可选择实施例中，表示一种具有最小边长尺寸的传感器700，该传感器700适于直接安装在印刷电路板(PCB)上。传感器700包括并入到一个外壳704的一个侧表面上的垫片722，用来把传感器700安装到包括匹配接触垫片728的PCB 726上。
尽管以上讨论的实施例表明一个有分离驱动磁铁组件固定到其上的外壳，但建造较少元件的一个组合外壳/驱动磁铁组件仍在本发明的范围内，这些元件为了设计变化容易被密封地固定在一起。例如，图8、9A、9B及10表明具有一个组合外壳/驱动磁铁组件804的一种传感器800，该组件804包括当沿对应接合表面823A和824A接合时形成一个立方体或平行六面体的一个第一部分823和一个第二部分825。在这个实施例中，一个惯性体802与代表性磁性流体803被封闭在一个工作空间805内，该工作空间805部分形成每个接合表面823A和824A。表示成离开第一和第二外壳部分823、824的导线810连接到在外壳/驱动磁铁组件804内和/或与其制成整体的各种驱动磁铁和检测元件上。
在图11-12中的另一个实施例中，一种传感器1100包括一个长方体形多面体形状的外壳1104，该外壳1104容纳一个也成形为长方体形多面体的惯性体1102。
图14-16表明根据本发明另一个实施例的一种传感器1400，该传感器1400包括一个金字塔形外壳1404，外壳1404容纳一个金字塔形惯性体1402。传感器1400包括四个侧面，每个侧面具有与上述驱动磁铁组件106A-106F类似的一个驱动磁铁组件1406。这样，每个驱动磁铁组件1406经一个外壳端口1419与外壳1404啮合和联接。
因而，上述磁流体加速度传感器基于排斥磁性力的原理而工作。包含在其中的磁性流体是高磁性的，并且被吸向其驱动磁铁。因此，被拉向驱动磁铁的磁性流体的作用在磁性流体内创建一种在远离驱动磁铁的方向上对于惯性体的推回或排斥效应。在所有驱动磁铁都相同、或者所有驱动磁铁都施加相同的力、并且驱动磁铁绕惯性体对称布置的情况下，惯性体往往会悬浮在外壳的几何中心中。这种效应可以描述成排斥磁性效应，尽管惯性体不受驱动磁铁的直接影响，而是间接地通过磁性流体而影响。
已经如此描述了本发明的实施例，对于本领域的技术人员显然，已经实现了描述的方法和设备的某些优点。也应该认识到，在本发明的范围和精神内能形成本发明的各种修改、修正、及可选择实施例。本发明进一步由如下权利要求书限定。
权利要求
1.一种磁流体加速度传感器，包括一个外壳，具有提供从外壳的外部到内部的开口的多个端口；多个驱动磁铁组件，每个驱动磁铁组件可与外壳的一个相应端口啮合，其中每个驱动磁铁组件包括一个磁场源；一种在外壳内的磁性流体；及一个在磁性流体内的惯性体。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，每个驱动磁铁组件还包括一个检测元件。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，每个驱动磁铁组件还包括一个组件壳体和一个后盖，组件壳体和后盖配合在一起，以基本上封闭磁场源和检测元件。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中，磁场源包括一个驱动磁铁线圈，并且检测元件包括一对检测线圈。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中，驱动磁铁线圈和该对检测线圈绕一个公共变压器芯缠绕。
6.根据权利要求3所述的传感器，其中，每个组件壳体具有在外壳的内部延伸的多个倾斜表面。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中，一个驱动磁铁组件的倾斜表面与最近的驱动磁铁组件的倾斜表面对齐。
8.根据权利要求3所述的传感器，其中，每个组件壳体包括一个引导表面，并且检测元件包括绕相应芯部缠绕的一对检测线圈，从而芯部的一个引导表面和组件壳体的一个引导表面处于一个公共平面中。
9.根据权利要求1所述的传感器，其中，外壳具有六个侧面，每个侧面具有固定到其上的多个驱动磁铁组件中的一个。
10.根据权利要求1所述的传感器，其中，磁场源是从基本上包括磁铁、电磁铁及磁铁和电磁铁的组合的组中选择的一种驱动磁铁。
11.根据权利要求1所述的传感器，其中，惯性体是非磁性的。
12.一种传感器，包括一个外壳；多个驱动磁铁组件，定位在外壳内，其中每个驱动磁铁组件包括一个磁铁；一种在外壳内靠近驱动磁铁的磁性流体；及一个在磁性流体内的惯性体。
全文摘要
一种用于磁流体传感器的外壳，其中该传感器具有多个驱动磁铁组件、磁性流体及一个惯性体。外壳具有用来固定相应驱动磁铁组件的多个端口，从而每个驱动磁铁组件的一部分定位在靠近磁性流体的外壳内。每个驱动磁铁组件包括一个磁场源，用来在作用在惯性体上的磁性流体内创建一个磁场。每个驱动磁铁组件也包括一个检测元件，用来检测惯性体在磁性流体内的运动。
文档编号G01P1/00GK1776433SQ20051010750
公开日2006年5月24日 申请日期2005年9月23日 优先权日2004年9月23日
发明者D·V·西蒙年科, A·E.·苏普伦, Y·I·罗曼诺夫 申请人:伊纳拉伯斯技术公司