一种平板电极式半球谐振陀螺的装配方法

技术领域

本发明涉及半球谐振陀螺，特别是一种平板电极式半球谐振陀螺的装配方法。

背景技术

半球谐振陀螺简称谐振子，是一种基于哥式效应的固体波动陀螺，具有高精度、长寿命、高可靠性的优势，是未来陀螺发展的重要方向。半球谐振陀螺的未来应用方向包括航天、航海、武器等诸多领域。

如图1所示，平板电极式半球谐振陀螺主要由半球谐振子9以及平板电极10构成。平板电极式半球谐振陀螺装配过程中，先调整半球谐振子唇沿与平板电极上表面的间隙至设定值，最后将半球谐振子安装柱11的下端与平板电极10固定连接。平板电极式半球谐振陀螺工作原理是：通过检测金属化后的平板电极上表面周向均匀分布的8个电极间电容值的变化，实现对载体运动角速率的测量。半球谐振子9与平板电极10的装配质量对半球谐振陀螺的整体性能起着决定性作用，目前一般要求半球谐振子唇沿与平板电极上表面的间隙误差控制在±5um左右。

半球谐振子材质一般采用加工后Q值较大的石英玻璃，精密易碎，无法与平板电极通过过盈配合连接，故现有半球谐振子安装柱与平板电极安装孔的装配基本均采用大间隙配合（装配间隙为0.1mm及以上）。如此，虽然保证了半球谐振子可以自由装配进入，还预留了较大的焊料放置空间，但是，半球谐振子与平板电极之间预留的较大装配间隙也会导致半球谐振子同心度差，在装配间隙（焊料放置空间）内填充片条状的焊接材料铟，并对铟焊料整形过程中还会导致半球谐振子与平板电极位姿差异性大，进而将直接影响半球谐振子唇沿与平板电极上表面各电极的间距，导致电极间的电容容值差异大，影响半球谐振陀螺的测量精度。因此，在半球谐振子与平板电极装配后，需要对半球谐振子唇沿与平板电极上表面之间的间隙进行测量。

目前半球谐振子唇沿与平板电极上表面之间的间隙采用普通设备无法精确测量，因为半球谐振子和平板电极均为玻璃材质，一般的激光类测量方法会产生折射影响测量精度，使用接触式测量更是很容易导致镀膜区域的划伤从而影响整体功能。

故，目前半球谐振子唇沿与平板电极上表面之间的间隙一般需通过扫描式电镜或其他高精度测量设备配合精密夹持及多方位调节治具来测量及调整半球谐振子唇沿与平板电极上表面的间距，设备昂贵复杂且测量及调整方法误差大。

此外，半球谐振子唇沿与平板电极上表面电极的间隙调整到位后，尚需上述的精密夹持及多方位调节治具继续对二者进行夹持固定，以便对半球谐振子安装柱和平板电极安装孔的装配间隙内的焊接材料进行热熔固化，以使二者固连。然而，部分精密夹持治具无法进入真空环境内，但在非真空环境下热熔固化易出现半球谐振子表面膜层氧化、或者平板电极的膜层氧化问题，从而影响半球谐振陀螺的品质。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对平板电极式半球谐振陀螺因半球谐振子唇沿与平板电极上表面之间的间距测量困难，装配夹持治具及检测设备昂贵、测量及调整方法偏差较大等问题，以及部分治具设备无法进入真空环境内进行热熔固化，易导致半球谐振子表面膜层、平板电极膜层氧化的问题，提供了一种能保证半球谐振子唇沿与平板电极上表面之间的间距，并适应真空环境加热的平板电极式半球谐振陀螺的装配方法。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种平板电极式半球谐振陀螺的装配方法，所述平板电极式半球谐振陀螺包括半球谐振子和平板电极，所述半球谐振子的中部具有半球谐振子安装柱，所述平板电极上设置平板电极安装孔，其包括以下步骤：

S1：在半球谐振子安装柱的圆周壁或平板电极安装孔的侧壁上镀热熔膜层，直至半球谐振子安装柱和平板电极安装孔的装配间隙为1μm至5μm；

S2：制备垫片，所述垫片的上表面和下表面平行，所述垫片的上表面和下表面的平面度及粗糙度与半球谐振子唇沿平面、平板电极上表面的平面度及粗糙度一致，均达到纳米级别水准，且所述垫片的厚度等于所述半球谐振子唇沿平面与平板电极上表面间距的设定值；

S3：将平板电极安装到加热装置的加热平台上，并在平板电极上表面放置所述垫片，使所述垫片的下表面与平板电极上表面贴合，再将半球谐振子安装柱的底部插入平板电极安装孔内，直至半球谐振子唇沿平面与所述垫片的上表面贴合，即实现半球谐振子与平板电极的间隙装配，同时所述半球谐振子唇沿平面与平板电极上表面的间距达到设定值；

S4：将加热装置及其上贴合的平板电极、垫片和半球谐振子整体移入真空设备中，抽真空后启动加热装置对热熔膜层进行加热，使其融化后在重力作用下往下流，填满半球谐振子安装柱和平板电极安装孔之间的装配间隙，待热熔膜层冷却后，半球谐振子和平板电极的装配位置即固定。

优选地，在步骤S1之前，对半球谐振子安装柱和平板电极安装孔进行精加工，使半球谐振子安装柱和平板电极安装孔的装配间隙控制在15-20μm。

优选地，在所述电极板安装孔内镀热熔膜层，在所述半球谐振子安装柱上镀辅助连接层。

优选地，所述热熔膜层的厚度为10-18μm，所述辅助连接层的厚度为5-50nm。

优选地，所述热熔膜层为铟层，所述辅助连接层为铟层、金层、银层或铂层。

优选地，所述加热装置内安装加热棒和温度感应器，所述温度感应器连接温度控制器，所述温度控制器接入所述加热棒的控制电路中。

优选地，所述热熔膜层的加热温度为170-220℃，加热时间为20min-60min。

优选地，所述步骤S1中采用磁控溅射或电镀工艺进行精密镀膜。

优选地，所述垫片为多个，且多个所述垫片沿所述平板电极安装孔周向间隔布置。

优选地，所述加热平台上设有固定平板电极的夹具，所述夹具包括安装在加热平台一角的直角支撑板和安装在加热平台另一角的拧紧装置，所述拧紧装置上安装顶紧螺栓，且所述直角支撑板和所述拧紧装置对角安装。

与现有技术相比，本发明的创新在于：

1、本发明在半球谐振子安装柱或平板电极安装孔上镀低温热熔膜层，并使二者的装配间隙仅为1μm至5μm，不仅满足二者的间隙配合要求，且半球谐振子装配同心度好，半球谐振子和平板电极可顺利进行无外力或轻微外力配合下的自由装配，避免损坏半球谐振子。另外，本发明能在装配过程中保证半球谐振子和平板电极之间基本不会产生偏移与晃动等情况，进而保证了半球谐振子和平板电极的同轴度，即保证了半球谐振陀螺装配的周向位姿准确性。

2、本发明巧妙地利用半球谐振子与平板电极的现有通用精密加工能力：平面度及粗糙度均可达到纳米级别水准，在此基础上设计并加工出上、下表面平面度及粗糙度也达到纳米级别水准的精密垫片，并使得精密垫片的厚度与半球谐振子唇沿和平板电极上表面的设定间距一致。具体装配时，先将精密垫片（在其中一个实施例中，精密垫片的厚度为50μm）放置在平板电极上，然后将半球谐振子装配到平板电极安装孔内，直至半球谐振子的唇沿平面和精密垫片的上表面贴合，由于半球谐振子唇沿平面、平板电极上表面和精密垫片的平面度及粗糙度均可达到纳米级别水准，从而平板电极上表面和精密垫片下表面在自适应重力调节作用下会实现二者之间的零间隙贴合，半球谐振子唇沿平面和精密垫片上表面之间也能在自适应重力调节作用下实现二者之间的零间隙贴合，从而保证半球谐振子的轴向位姿准确性，同时能够保证半球谐振子唇沿与平板电极上表面各电极的间距基本一致，继而保证了各个电极的电容值偏差处于极小值内，省去了昂贵的六轴运动调节平台治具的使用。

3、本发明通过精密垫片将半球谐振子和平板电极直接定位在装配位置，从而无需再使用精密夹持及多方位调节治具，避免了因这些治具无法进入真空环境内，在非真空环境下热熔固化出现的半球谐振子表面膜层氧化、或者平板电极的膜层氧化问题，及由此对半球谐振陀螺品质造成的影响。

4、本申请在半球谐振子安装柱和平板电极安装孔之间采用先镀焊接材料铟再热融固化的方式实现连接，避免了对片条状的焊接材料铟的整形，进而可避免在半球谐振子安装柱与平板电极安装孔之间预留较大的装配间隙，同时半球谐振子安装柱的圆周壁和/或平板电极安装孔的侧壁上镀焊接材料层，使两者之间装配间隙仅为1μm至5μm，保证了半球谐振子和平板电极之间基本不会产生偏移与晃动等情况，进一步保证了半球谐振子唇沿与平板电极上表面各电极的间距在半球谐振子与平板电极连接前后基本一致，以及各个电极的电容值偏差处于极小值内，避免了在装配后对半球谐振子唇沿与平板电极上表面的间距的检测，省去了昂贵的六轴运动调节平台治具及扫描式电镜等测量复杂的检测设备的使用。

5、本发明采用磁控溅射或电镀工艺进行精密镀膜控制膜层厚度，从而精密控制了半球谐振子安装柱和平板电极安装孔之间的安装间隙。

6、本发明采用与焊接底材铟亲和力较大的金属（金、银或铂）来进行镀膜，加大了半球谐振子安装柱上镀膜和平板电极安装孔上镀膜的融合效果。

7、本发明采用低温热熔焊接材料铟来保证在熔接过程中不会对半球谐振子及产品上面其他高温功能性膜层产生影响，也不会对半球谐振子的Q值产生影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明平板电极式半球谐振陀螺的半球谐振子与平板电极的装配原理示意图。

图2为本发明加热装置的结构示意图。

图3为本发明加热装置的爆炸结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“垂直”“水平”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”“第二”“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，平板电极式半球谐振陀螺包括半球谐振子9和平板电极10，半球谐振子9的中部具有半球谐振子安装柱11，平板电极10的上部设置平板电极安装孔12，半球谐振子安装柱11的圆周壁上镀有辅助连接层13，平板电极安装孔12的侧壁上镀有热熔膜层14，且半球谐振子安装柱11的底部插入平板电极安装孔12中，通过将热熔膜层14加热融化，使焊接材料填满半球谐振子安装柱11与平板电极安装孔12之间的安装间隙，并在焊接材料冷却后实现半球谐振子9与平板电极10的固定连接。所述热熔膜层14为铟层，所述辅助连接层13为铟层、金层、银层或铂层。

本发明平板电极式半球谐振陀螺的装配方法第一实施例的操作步骤如下：

S0．精密加工：对半球谐振子9和平板电极10进行精密加工，其中，半球谐振子安装柱11的直径加工为6mm，平板电极安装孔12的直径加工为6.04mm，使半球谐振子安装柱11和平板电极安装孔12的装配间隙控制在20微米。

S1．产品镀膜：在精密加工后的半球谐振子安装柱11的圆周壁面上通过磁控溅射镀20nm厚的金膜，平板电极安装孔12的侧壁上通过磁控溅射镀15微米厚的铟膜。为保证均匀性，半球谐振子安装柱11放在10

S2．制备上、下表面平行的垫片4，并使所述垫片4的上、下表面平面度及粗糙度与半球谐振子唇沿平面、平板电极上表面的平面度及粗糙度一致，均达到纳米级别水准，且所述垫片4的厚度等于所述半球谐振子唇沿平面与平板电极上表面间距的设定值。

S3．间隙配合：如图2、图3所示，利用夹具将平板电极10固定在加热装置7的加热平台上，并在平板电极上表面放置所述垫片4，使所述垫片4的下表面与平板电极上表面贴合，再将半球谐振子安装柱11的底部插入平板电极安装孔12内，直至半球谐振子唇沿平面在自重作用与所述垫片4的上表面平稳贴合，即实现半球谐振子9与平板电极10的间隙装配，同时所述半球谐振子唇沿平面与平板电极上表面的间距达到设定值。

S4．热熔固化：将加热装置7及其上贴合的平板电极10、垫片4和半球谐振子9整体移入真空设备中，抽真空后启动加热装置7对热熔膜层（铟膜）进行170℃加热，时间50min，使热熔膜层14融化后在重力作用下往下流，填满半球谐振子安装柱11和平板电极安装孔12之间的装配间隙，待热熔膜层14冷却后，半球谐振子9和平板电极10的装配位置即固定。

所述垫片4为多个，且多个所述垫片4沿所述平板电极安装孔12的周向间隔布置。

所述加热装置7内安装加热棒5和温度感应器6，所述温度感应器6连接温度控制器8，所述温度控制器8接入所述加热棒5的控制电路中。

所述夹具包括安装在加热平台一角的直角支撑板1和安装在加热平台另一角的拧紧装置2，所述拧紧装置2上安装顶紧螺栓3，且所述支撑板1与所述拧紧装置2对角安装。加热装置7的加热平台四周设有螺丝孔位，支撑板1、拧紧装置2分别经螺丝对角安装在加热平台上，顶紧螺栓3经螺纹安装在拧紧装置2上，且顶紧螺栓3能伸出拧紧装置2并抵顶平板电极10的侧面，加热棒5及温度感应器6安装在加热平台内部。平板电极10安装时，先将顶紧螺栓3拧松（后退），并将平板电极10放置在加热平台上，然后通过拧紧顶紧螺栓3固定好平板电极10，再在上面放置精密垫片4（本实施例为50μm厚度），以控制好半球谐振子唇沿平面与平板电极上表面的间距。

本发明平板电极式半球谐振陀螺的半球谐振子与电极装配方法第二实施例的操作步骤如下：

S0．精密加工：对半球谐振子9和平板电极10进行精密加工，其中，半球谐振子安装柱11的直径加工为6mm，平板电极安装孔12的直径加工为6.04mm，使半球谐振子安装柱11和平板电极安装孔12的装配间隙控制在20微米。

S1．产品镀膜：在精密加工后的半球谐振子安装柱11的圆周壁面上电镀30nm厚的金膜，平板电极安装孔12的侧壁上电镀15微米厚的铟膜。为控制好膜层的均匀性，首先需要对产品进行丙酮超声波清洗30min。半球谐振子安装柱11的电镀使用 KAu(CN)

S2．制备上、下表面平行的垫片4，并使所述垫片4的上、下表面平面度及粗糙度与半球谐振子唇沿平面、平板电极上表面的平面度及粗糙度一致，均达到纳米级别水准，且所述垫片4的厚度等于所述半球谐振子唇沿平面与平板电极上表面间距的设定值。

S3．间隙配合：利用夹具将平板电极10固定在加热装置7的加热平台上，并在平板电极上表面放置所述垫片4，使所述垫片4的下表面与平板电极上表面贴合，再将半球谐振子安装柱11的底部插入平板电极安装孔12内，直至半球谐振子唇沿平面在自重作用下与所述垫片4的上表面平稳贴合，即实现半球谐振子9与平板电极10的间隙装配，同时所述半球谐振子唇沿平面与平板电极上表面的间距达到设定值。

S4．热熔固化：将加热装置7及其上贴合的平板电极10、垫片4和半球谐振子9整体移入真空设备中，抽真空后启动加热装置7对热熔膜层（铟膜）进行170℃加热，时间50min，使热熔膜层14融化后在重力作用下往下流，填满半球谐振子安装柱11和平板电极安装孔12之间的装配间隙，待热熔膜层14冷却后，半球谐振子9和平板电极10的装配位置即固定。

如上，本发明巧妙地利用半球谐振子9与平板电极10的现有通用精密加工能力，在对半球谐振子9与平板电极10进行微米级加工工艺加工后，将半球谐振子安装柱11与平板电极安装孔12之间的装配间隙控制在15-20微米，再通过磁控溅射镀膜或电镀工艺，在半球谐振子安装柱11上镀与焊接底材铟亲和力大的5-50nm厚金层或银层或铂层，也可以镀铟层，然后在平板电极安装孔12的侧壁上镀10-18微米厚的低温熔点铟层，保证半球谐振子安装柱11与平板电极安装孔12的装配间隙约为5微米或以下，可顺利进行无外力或轻微外力下的自由装配，且两者之间基本不会产生偏移与晃动等情况，并通过在半球谐振子唇沿与平板电极上表面之间安装精密垫片4后，可直接保证半球谐振子唇沿与平板电极上表面各电极的间距直接调整至与设定值基本一致，从而保证各个电极的电容值偏差处于极小值内，进而省去了昂贵的六轴运动调节平台治具及扫描式电镜等测量复杂的检测设备的使用。之后，将通过简单夹具固定在加热装置7上的平板电极10、垫片4及半球谐振子9整体放入真空设备中，进行热烘烤将铟融化，在重力作用下，铟往下流填满残存的少量安装间隙，冷却后半球谐振子9与平板电极10即按设定的间距固定完全。如此，本发明通过精密垫片4将半球谐振子9和平板电极10直接定位满足设定值的装配位置，从而无需再使用精密夹持及多方位调节治具，避免了因这些治具无法进入真空环境内，在非真空环境下热熔固化出现的半球谐振子表面膜层氧化、或者平板电极的膜层氧化问题，及由此对半球谐振陀螺品质造成的影响。

上述平板电极式半球谐振陀螺的半球谐振子与电极装配方法第一、二实施例都采用夹具将平板电极10固定在加热平台上，显然，用夹具固定只是保险起见，本领域技术人员完全可在不采用夹具固定下，直接将平板电板10安装在加热平台上，再进行相关后续操作。

以上所述，仅为本发明的具体实施方案，但本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，比如可将金膜替换为银膜或铂膜或铟膜，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。