傳感器的製作方法
2023-10-07 05:49:09
專利名稱：傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型是關於一傳感器，特別是關於一種能檢測電子設備的跌落或傾斜的傳感器。
背景技術：
現有的可攜式計算機(例如，膝上型電腦、掌上型電腦及其它具有一個微處理器或微控器的電子設備)與其它電子設備在工作時容易遭受機械震動，如，用戶可能因為不小心而將膝上型電腦跌落。
磁碟驅動器特別容易因為機械震動而遭受損害。因為，磁碟驅動器正常工作時，磁碟驅動器的機械結構使得讀寫頭與記錄信息的磁碟表面間維持一定距離，而磁碟驅動器遭受到機械震動時，磁頭可能會接觸到磁碟表面而損壞磁頭或者移除磁碟記錄的信息。這種情況所造成的磁碟的磁頭或數據的損壞是不可恢復的，且導致磁碟驅動器無法正常工作。所以描繪機械震動情況而定位磁頭位置使其避免接觸數據表面是重要的。例如，在動態載入磁頭驅動器中，可以將磁頭卸載到磁碟的外部環道；在起停式驅動器中，可以將磁頭置於無數據的著陸區內。
其中一種震動源是由於計算機跌落著陸後所產生的劇烈的減速。該計算機中的元件在上述的自由落體後又馬上在短時間內經歷接近0(0-G，G為重力加速度)的加速度。因此一個大約0-G的傳感器即預測計算機跌落後的機械震動情況。大部分情況下，一自由落體的計算機會首先撞擊著陸表面的某個角，因為一般塑料計算機殼的機械順從力，上述的某個角先落地會稍微減輕落地對計算機的震動。如果計算機平著著地則會產生嚴重的震動。
計算機自由落體後可能會平著著地，或者更有可能的是，用戶只提起計算機的一側，而另一側則從手中滑落而平著撞擊地面。檢測這種傾斜和釋放類型的跌落比檢測自由落體更困難，因此，預測使震動終止的脈衝更為困難。
一種預測傾斜和釋放型跌落後產生的震動的方法就是感測計算機的傾斜角度。臨界傾斜角度是指如果傾斜和釋放型跌落後的傾斜角度超過該角度，則該傾斜和釋放型跌落所產生撞擊將超過計算機元件(例如磁碟驅動器)的承受力。當傾斜傳感器檢測到這樣一個預定的臨界角度時，如果傾斜先於跌落，計算機可採取行動保護磁碟驅動器使其免受可能的衝擊。如果該傾斜角度傳感器檢測到一個低於該預定角度的角度，則計算機使磁碟驅動器回到正常工作的情況下。檢測計算機的傾斜角度不能預測一個巨大衝撞，但是能預防這種可能性。根據傾斜角度保護計算機的方法對計算機工作的影響最小。例如，操作員在大鍵盤角度下(例如，角度超過30度)輸入比較困難，且這樣由用戶鍵盤輸入引起的驅動器訪問很少高於傾斜角度。因此當計算機傾斜角度高於和低於臨界點時所採取的警戒性保護行動在大多數計算機工作的情況下不只是輕微地影響磁碟驅動器訪問性能。
迴轉儀傳感器只檢測旋轉加速度，並不檢測靜態傾斜。在計算機跌落的過程中旋轉可能發生也可能不發生，所以單個迴轉儀不能作為一個可靠的跌落預測器。靜態傾斜可通過旋轉加速度的積分推斷。但是這種方法易於產生錯誤的結果，例如，因為小的移動產生的低輸出信號級、零位偏移及噪音。因為迴轉儀具有靈敏的單一軸，需要三個互動的永久性迴轉儀與其輔助電路一起覆蓋三個正交軸。這種方式是昂貴的且其體積超過小型設備能提供的空間。
發明內容本實用新型的目的在於提供一種能檢測電子設備的跌落或傾斜的傳感器。
本實用新型的目的是通過下列技術方案實現的本實用新型傳感器包括一主體、一物塊、一磁鐵和一導電線圈，所述主體中沿一軸設有一圓筒，其中所述圓筒具有一第一終端和一遠離第一終端的第二終端；所述物塊位於所述主體內，所述物塊受到一磁引力；所述磁鐵位於所述圓筒的所述第二終端附近以給予上的物塊所受到的磁引力；所述導電線圈位於所述圓筒的所述第一終端附近，其中，當沿所述軸的重力分量減小時，所述作用於物塊的磁引力將物塊從所述圓筒的所述第一終端移至第二終端。
與現有技術相比，本實用新型體積小、成本低廉且合成了跌落和傾斜檢測功能。
圖1是本實用新型傳感器的一實施例的剖面圖。
圖2A是一環形磁鐵和一物塊的圖。
圖2B顯示了圖2A中的該磁鐵和該物塊間的力和距離關係。
圖3是設於一電路板上的一線圈的平面圖。
圖4是一檢測器電路和一線圈的示意圖。
圖5是一電感傳感器電路的示意圖。
圖6是一物塊受力圖。
圖7是一可攜式計算機的透視圖。
圖8是本實用新型第二實施例的剖面圖。
圖9是液體流動的剖面圖。
圖10是本實用新型第三實施例的剖面圖。
圖11是輸出信號與激勵信號頻率的關係圖。
具體實施方式請參閱圖1，傳感器的主體102放置在印刷電路板(PCB)106的第一表面104上，該電路板106可以是可攜式計算機的硬碟驅動器。主體102具有兩固定柱108，該兩固定柱108插設在電路板板106的孔中。在本實施例中，主體102和固定柱108是一體成型的，且由業界常用的塑料製成。固定柱108頂部具有融化部110，通過融化部110抵靠著電路板106的第二表面112而使得主體102固定在電路板106的第一表面104。其它實施例中可以使用各種其它的常見的方法將主體102固定在電路板106上，例如，小螺絲，螺釘及粘合劑等。在本實施例中，主體120的高約3.0毫米、寬約9.0毫米，可放置在可攜式電子設備中。
圓筒114繞著縱向軸116設置在主體102中。圓筒114的直徑為D1，高度為H。圓筒114中有一物塊120，該物塊120呈球狀，直徑為D2。在一實施例中，物塊120可以是常見的直徑為1/16英寸的400系列的不鏽鋼鋼球，因為400系列的不鏽鋼具有軟磁特性。物塊120在圓筒114中可以自由移動，其移動一端受表面122的限制，另一端受電路板板106的限制。在其它實施例中可採用任何適合的機械配置來限制該移動。
主體102的頂部環繞一磁鐵130。如圖1所示，該磁鐵130為環狀，且為常見的1級陶瓷磁鐵製成。在一實施例中磁鐵130的磁場強度為1900奧斯特(HC)、2200高斯(Br)，磁鐵130給予物塊120一沿y軸的上升加速度，其值大約為重力加速度G的一半。所以，圖1中的物塊120受到的淨加速度約為0.5G。物塊120受力的詳細情況將在下文中討論。也可以用電磁鐵替代永久磁鐵。
請參閱圖2A和2B，圖2A和2B顯示了環形磁鐵200和物塊202間的力和距離的關係。如圖2A所示，環形磁鐵200具有一8.0毫米的外徑X0、一6.0毫米的內徑XI和一1.0毫米的厚度T。物塊202的中心至平面204的距離為Y。物塊202是一常見的1/16分之一英寸的滾珠，重約0.01633克。
圖2B顯示引力怎樣作用於物塊202。引力隨距離Y的變化而變化，其大小以其佔物塊202重量的百分比形式來表示。如圖2B所示，作用於物塊202的引力在A點(約為-0.1mm)與B點(約為0.97mm)之間超過50％，A點至B點的總位移約為1.1mm。請再參考圖1，無論物塊120的位置如何，圓筒114的設置要使得物塊120至少經歷相當於其重力50％的來自磁鐵130的引力。在一實施例中，該1.59mm的球狀物塊的垂直移動約為1.3mm。
圖2B顯示了來自磁鐵的引力從物塊120重力的50％到70％的變化。在其它實施例中可以有不同範圍。該磁鐵引力應該小於物塊120的重力以防止物塊120浮起，且應該大於零使得跌落或傾斜時升起。在引力接近重力的100％時，輕微的傳感器移動便造成偽觸發，且靈敏度降至幾乎為零的程度。所以，選擇引力為重力50％的位置作為物塊120的停靠位置，但可以根據所需的靈敏度選擇其它的範圍。可以想像，如果傳感器加速不只是發生在感測傾斜和跌落的狀況下，也可選擇0至100範圍之外的百分比。
當傳感器跌落且自由落體時，物塊120在圓筒114中沿軸116向上移動。這樣的向上運動引起導電電感器中的線圈140中的電感變化。該線圈140位於靠近圓筒114的一端接近物塊120的正常停靠位置處。圖1中顯示了電路板板106上四個圍繞軸116的螺旋狀導電線圈140。在本實施例中，電路板板106是一四層電路板，且一螺旋線設為該電路板四層中每層的導電層中的導電路徑。
請參閱圖3，圖3是螺旋線圈302的俯視圖。終端304和306位線圈302的每個終端。在圖1中，該四個螺旋線圈是堆疊顯示的。該等線圈的終端在每個相鄰層互相連接以形成一個連接著傳感器的單個的傳導線圈142。傳導線圈142以軸116為中心。本實施例中每層顯示了8個繞線，共32個繞線。繞數N決定著線圈的電感，在一實施例中，可通過調節N將LC電路調節激勵信號的頻率。
傳感器工作期間，通常用一來自常用電源的高頻或特高頻交流電信號激勵線圈142。當物塊120在圓筒114中移動時，引起線圈142的電感變化。該電感的變化被以下所述的檢測電路檢測到。
請參閱圖4，圖4是用來感測物塊移動的連接著線圈的檢測電路的示意圖。線圈402(如圖1中的線圈140)的兩端連接著檢測電路404，用來感測物塊406移動時該線圈402阻抗的變化。當電路404檢測到一阻抗變化時，輸出一信號408。
請參閱圖5，圖5是電感電路示意圖。信號發生器504的終端502連接著電阻器R1的一終端。電阻器R1的另一終端在節點506連接著電感器L1、電容器C1和運算放大器U1的正相端。電感器L1和電容器C1的另一端在節點508連接著運算放大器U2的正相端。節點508通過電阻器R2接地。
根據本實用新型，一個速度制動器控制系統650包括一個模擬跟蹤系統660。該模擬跟蹤系統660允許制動器控制系統650在遇到高載入幹擾的非正常工作期間和正常的工作期間都能利用精確的速度反饋控制。該運算放大器U1的輸出端、運算放大器U1的反相端和電阻器R3的一端連接在節點510。同樣，運算放大器U2的輸出端、運算放大器U2的反相端和電阻器R4的一端連接在節點512。電阻器R3和R4的另一端分別連接著運算放大器U3的正相端和反相端。電阻器R5連接在運算放大器U3的輸出端和反相端之間。運算放大器U3的輸出端513也連接著高「Q」帶通濾波器516的輸入端514。高「Q」帶通濾波器516在輸出端518提供一輸出信號。終端518也可以連接著峰值檢測器522的輸入端520，用來檢測例如來自帶通濾波器的正弦信號的振幅。在本實施例中，當物塊120位於其正常停靠位置時，峰值檢測器522輸出一信號至輸出端524，當物塊120移動時，輸出另一信號至輸出端526。在其它實施例中，一信號級在峰值檢測器的單個輸出端的兩個幅度間變化。
電感器L1模擬圖1中的線圈142。物塊120位於靠近電感L1的位置處且可朝圖中箭頭所示的方向移動。信號發生器504在終端502提供一頻率為fe的電子激勵信號。在一實施例中，該信號取自可攜式計算機中的磁碟驅動器中的磁碟驅動電路。當物塊120接近電感器L1時，電感器L1激勵最高值和L-C電路530將具有最低固有頻率。L-C電路530的固有諧振頻率fn在物塊120位於最近的位置時，通過調節電容器C1被調節與頻率f3相耦合。fn=12LC]]>高「Q」帶通濾波器516的頻率也調節到頻率f3。運算放大器U1、U2和U3作為緩衝器。
當物塊靠近電感器L1時，L-C電路530的諧振放大了該激勵信號且輸出一非常大的信號(例如，在調諧頻率上20-30dB)。帶通濾波器516將該輸出信號傳送到峰值檢測器522。當物塊120朝遠離電感器L1的方向移動時，電感下降，L-C電路530的固有頻率增加，且該激勵頻率的放大係數嚴重下降，濾波器516繼續在調節頻率上傳輸信號，所以該輸出信號的振幅更加低。該輸出信號振幅的下降就表示傳感器的跌落或傾斜。
當L-C電路固有頻率和激勵信號頻率相同時，激勵信號的諧振頻率增益足以不需要帶通濾波器而感測到。增加一帶通濾波器可預防噪音。濾波器516也可省略，該指示信號直接從運算放大器U3的輸出端513取得。
請參閱圖11，圖11顯示了運算放大器U3輸出端513輸出的信號幅度與激勵信號頻率的關係(傳輸或增益函數)。線路1102表示物塊120靠進線圈L1時的輸出，峰值位於頻率f3處；虛線1104表示物塊120離開線圈L1時的輸出，峰值位於頻率fe+I處。因此該差值Δ表示當物塊從電感線圈位移到使L-C電路的諧振頻率為fe+I的位置時輸出信號的幅度之差。
請參閱圖6，圖6是作為一傾斜角傳感器的一實施例。當停靠在圓筒604中時物塊602高為W。一磁鐵(圖未示)對物塊602施加一沿著縱向軸606的磁吸引力。當軸606垂直方向傾斜角度θ，平行於M的分力P(Wcosθ)逐漸減小。
最終，在一臨界角度θC，力M超過分力P，磁鐵使得物塊602在圓筒604內向上移動到位置608。如上所述，物塊602的變化引起圍繞軸606的線圈的電感的變化。當角度θ較小到小θC時，物塊602回到最初位置，且傳感器又感測到電感的變化。該臨界角度θC通過調節來自磁鐵的力M與物塊602的重量的百分比關係來確定。例如，如果力M為物塊602重量的50％，該臨界角度θC為60度(cos-1(0.5)＝60°)。因此，當因為物塊602移動超過臨界角度θC而線圈電阻變化時，磁碟驅動器磁頭或其它震動敏感元件可以移到一個安全位置。
請參閱圖7，圖7是位於可攜式計算機機殼702中的本實用新型裝置的透視圖。一本實用新型裝置實施力704位於硬碟驅動器裝置的封裝706中。該驅動器裝置包括至少一磁碟來存儲信息、一讀寫頭及與其相伴的控制電路。另一本實用新型裝置708位於計算機主板710上。這些位置只是舉例說明。該實用新型裝置可以是在各種位置，也可以是其它電子設備中。
圖8是本實用新型的第二實施例的剖面圖。該實施例與圖1所示的實施例類似。區別在於電感線圈位於不同的位置。上述實施例中的蝕刻線圈雖然成本低廉，但是距離物塊較遠。將線圈靠近物塊便可利用更低的激勵頻率及電流。此外，盤繞線圈相對於電路板蝕刻線圈可產生更高的線圈密度。如圖8所示，線圈802具有五十(5*10)繞數，且位於電感主體804中，以軸116為中心。本實施例中使用的一激勵信號為10MHz的方波信號。該線圈的位置和配置只是舉例說明，也可以使用任何可替代的位置和線圈的配置。例如，本實施例中，線圈802是環形的，但是也可以是其它形狀，例如磁碟形狀或矩形。
物塊在圓筒中的運動可以是潮溼的。圖9列舉了一實施例，其中圓筒904中有液體902和物塊906。當物塊906移動時，該液體必定在物塊906表面與圓筒904的內壁間流動(如彎曲箭頭所示)。因此減慢了該物塊906的加速度。
請參閱圖10，圖10是第三實施例的剖面圖。如圖10所示，傳感器被封閉在一導電屏蔽殼內以防止電磁幹擾及消除高頻噪音源和高阻抗設備的影響。該屏蔽殼可採用銅或鋁材料覆蓋在表面(鍍或包層)。該屏蔽殼包括兩部分即頂部1002和底部1004上，頂部1002安裝在底部1004上，1004再安裝於電路板1006上。這樣既固定了傳感器也使其通過屏蔽殼連接到接地塊1010。線圈也可以通過普通穿孔連接方式接到電路板的導電路徑，或者，也可通過超聲波焊接技術將一表面焊接到附件的焊接塊上。
權利要求1.一種傳感器，其特徵在於包括一主體、一物塊、一磁鐵和一導電線圈，所述主體中沿一軸設有一圓筒，其中所述圓筒具有一第一終端和一遠離第一終端的第二終端；所述物塊位於所述主體內，所述物塊受到一磁引力；所述磁鐵位於所述圓筒的所述第二終端附近以給予上的物塊所受到的磁引力；所述導電線圈位於所述圓筒的所述第一終端附近，其中，當沿所述軸的重力分量減小時，所述作用於物塊的磁引力將物塊從所述圓筒的所述第一終端移至第二終端。
2.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於其進一步包括一連接著線圈的電路。
3.如權利要求2所述的傳感器，其特徵在於其中所述電路包括一輸出端，所述輸出端具有一信號表示所述物塊已在所述圓筒內移動。
4.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於其中所述磁鐵為環狀且環繞所述軸。
5.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於其中所述磁鐵安裝在所述主體上。
6.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於其中所述磁鐵為電磁鐵。
7.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於其中所述物塊位於所述圓筒的所述第一終端附近時所受的一第一磁力大於零，所述物塊位於所述圓筒的所述第二終端附近時所受的一第二磁力小於所述物塊的重量。
8.如權利要求7所述的傳感器，其特徵在於其中所述第一磁力至少為物塊重量的百分之五十。
9.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於其中所述主體安裝於一電路板上，且所述線圈包括一設於電路板中的導電路徑。
10.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於其進一步包括一導電屏蔽，所述導電屏蔽至少將線圈的一部分環繞。
專利摘要一種傳感器，包括一主體、一物塊、一磁鐵和一導電線圈，所述主體中沿一軸設有一圓筒，其中所述圓筒具有一第一終端和一遠離第一終端的第二終端；所述物塊位於所述主體內，所述物塊受到一磁引力；所述磁鐵位於所述圓筒的所述第二終端附近以給予上的物塊所受到的磁引力；所述導電線圈位於所述圓筒的所述第一終端附近，其中，當沿所述軸的重力分量減小時，所述作用於物塊的磁引力將物塊從所述圓筒的所述第一終端移至第二終端。
文檔編號G01N3/30GK2594785SQ0225062
公開日2003年12月24日 申請日期2002年12月21日 優先權日2002年12月21日
發明者布魯斯·伊莫, 詹姆士·瓊斯, 保羅·泊松 申請人:深圳易拓科技有限公司