[发明专利]压电震动传感器

说明书

发明的技术领域

本发明一般涉及震动传感器。说得更具体些，本发明涉及能够检测沿多个轴的震动、使用多个压电传感器的震动传感器，其中，压电传感器的数目少于轴的数目。

发明背景

激励材料(active material)是对于机械激励(例如，机械应力和应变)在电气上作出响应(例如，产生电荷)，或者相反地，对于电激励(例如，电压、电流和电场)在机械上作出响应(例如，产生机械形变)的任何材料。激励材料也称之为导出应变激励器(induced strain actuator)，并且例如可以包括压电材料、电致伸缩材料、压阻材料、形状记忆材料或磁致伸缩材料。于是，激励材料(诸如压电材料)很适合于用作传感器，来检测机械扰动(例如震动)、力和压力。震动传感器在许多工业部门中有应用，例如，在汽车工业中用作气囊打开传感器，而在计算机工业中用作检测磁盘驱动器和输入笔的震动的传感器。

按照它们的应用，希望震动传感器检测各种形式的震动。一般，可以将震动分解成平移成分和旋转成分。直线震动定义为只有平移成分的震动。旋转震动定义为只有旋转成分的震动。直线和旋转震动能够相对于三个直角坐标轴分解。大多数震动是直线震动和旋转震动的组合。

常规震动传感器有许多缺点。许多常规震动传感器只检测沿或关于多个轴(其数目等于传感器的数目)的震动。例如，在授权给Lee等人的第5，521，772号美国专利揭示了这样一种常规震动传感器。Lee等人揭示了一种数据磁盘驱动器，它包括用于控制或改进磁盘驱动器运作的加速度传感器50。传感器50包括由不锈钢块51隔开的两个压电换能器52和54。块51、换能器52和54以及地震质量板(seismic mass plate)56和58一起，构成传感器50。传感器50只对于沿两个轴的震动敏感。即，传感器50对沿两个换能器的主敏感轴(即，转态(polling)方向β)的直线震动敏感(第6列，第1—7行)，并且对在传感器平面内的旋转震动敏感(第5列，第59—67行)。由传感器50产生的响应是通过传感器50关于其敏感轴的挠曲而作用在换能器52和54上的机械应变的结果。

授予Smith等人的第5，452，612号美国专利揭示了一种具有梁式换能器结构22的加速度计10。换能器22包括一个极化压电传感器59和两个由输出电极57和58确定的检测区(图7—9)。换能器22对于沿两个直线轴和一个旋转轴的震动敏感(第6列，第9—18行)。为了用两个检测区来得到这种三轴灵敏性，Smith等人制造了换能器22，为了达到沿额外的直线轴的灵敏性，相对于传感器所在的平而，换能器22具有一个向上的斜面。

授权给Smith的第5，235，213号和5，373，213号美国专利揭示了一种震动负荷检测装置24，它具有与Smith等人揭示的换能器很相象的换能器组件(subassembly)25。除了以特定的取向制造换能器组件25之外，Smith以特殊的取向在印刷电路板上安装检测装置24。这种复杂的制造和安装方式使得对于扭力和直线力在三个相互垂直的方向都灵敏(图3和4，第56—63行)。

虽然由Smith等人和Smith揭示的换能器能够沿多个轴检测，但它们与其他压电检测机构相比有各种缺点。具体而言，倾斜的梁式结构难于制造。

发明概述

因此，需要这样的震动传感器，它对于沿多个轴的震动敏感并且制造和使用方便。

按照本发明的一个实施例的震动传感器对于沿两个正交轴的直线震动和在震动传感器所在平面内的旋转震动敏感。震动传感器包括第一压电传感器，它沿第一方向极化，该第一方向偏离震动传感器所在平面一个角度。第一压电传感器产生对于具有沿第一和第二正交轴的分量的震动的第一响应，而第一和第二正交轴确定一个与震动传感器所在平面垂直的平面。第二压电传感器沿第二方向极化，该第二方向偏离震动传感器所在平面一个角度，并且偏离第一方向180°。第二压电传感器产生对于具有沿第一和第二正交轴的分量的震动的第二响应。集成电路对于第一响应和第二响应敏感并且产生至少三个信号。第一信号指出由第一压电传感器检测的至震动传感器的直线震动。第二信号指出由第二压电传感器检测的至震动传感器的直线震动。第三信号指出至震动传感器的旋转震动，并且由组合第一响应和第二响应得出。在较佳实施例中，第一和第二压电传感器工作于剪切模式。