一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子及制造方法

技术领域

本发明属于谐振陀螺精密制造技术领域，尤其是涉及一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子及制造方法。

背景技术

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心敏感部件，通常由非导电性的熔融石英玻璃SiO

在半球谐振子振动过程中，不平衡质量的存在导致半球壳的振动能量通过内柱向基座传递，从而引起支撑损耗。半球谐振子发生弯曲振动时，在锚点支撑中将产生内应力和内力矩，由于内应力和内力矩做功将导致半球谐振子的能量传递到锚点支撑，然后造成部分能量进一步通过锚点支撑传递给基座造成损耗。支撑损耗主要受质量不平衡中的1～3次谐波质量误差的影响，且随着相对质量误差的增大，支撑损耗增大，品质因数降低，具体表现为支撑杆（包括内柱和外柱）的耦合振动。

为降低陀螺支撑损耗，通常采用离子束或激光修调技术去除1～3次不平衡质量，以实现半球壳等效完美对称，进而获得高精度谐振陀螺。然而当前1～3次谐波修调尚不十分成熟，缺乏相关理论指导，检测精度偏低，修调周期长，相关理论和技术实现仍需探索和研究，导致谐振陀螺支撑损耗较大，谐振陀螺精度提升困难。同时基于激光/离子束的1～3次谐振质量不平衡去除过程效率低下，已经成为谐振陀螺研发、制造和批量化生产的技术瓶颈，现有的激光/离子束调平技术难以支撑谐振陀螺的高精度和未来的批量化生产应用。

我们发现，由于半球谐振子为复杂薄壁球壳结构，因此非完美对称引起的半球壳唇沿附近的质量不平衡对半球谐振子支撑损耗影响较大。振动过程中，唇沿附近不平衡质量引起的振动通过内球面及内圆角传递到内柱上，在内球面上距离唇沿越远端，质量不平衡引起振动传递越小。

针对上述问题，本发明提出从振动传递路径出发，在半球谐振子结构设计与制造阶段，通过切断能量耗散的传递路径，达到修调目的。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子及制造方法，以切断振动能量传递路径为切入点，在半球谐振子唇沿与内柱的连接区域设计开窗结构，并进行开窗结构设计与制造，以减少能量向整个支撑杆的传递，达到降低支撑损耗的目的，进而获得低损耗振动谐振子。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，包括半球壳，所述半球壳中心位置设置有内柱，所述半球壳端部边缘为唇沿，该半球壳内壁为内球面，所述内球面与内柱相交处设置有内圆角；所述唇沿与内柱的连接区域上设置有开窗结构；所述开窗结构的形状为两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域，相邻所述开窗结构之间设置有振动连接条，所述唇沿相邻的环形球壳为质量敏感环，所述质量敏感环沿纬线方向的圆弧长度为质量敏感环的宽度，该质量敏感环的宽度以唇沿与内球面交接处为起始线，沿球面径线往内圆角方向延伸。

进一步地，所述半球壳外壁为外球面，所述外球面与内柱相交处设置有外圆角，所述连接区域包括所述内圆角、外圆角和半球壳。

进一步地，所述开窗结构绕半球壳轴线对称等距分布，该开窗结构数量设置为奇数个。

进一步地，所述开窗结构分为全开窗结构和半开窗结构，所述全开窗结构是将半球壳上两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域内壁厚材料全部去除；所述半开窗结构是将半球壳上两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域内壁厚材料减薄。

进一步地，对于所述半开窗结构，所述振动连接条的厚度与半开窗结构厚度一致时形成连续的环切带。

进一步地，所述连接区域的壁厚形式分为等壁厚结构和变壁厚结构；所述连接区域为变壁厚结构时，所述内球面与内圆角交界处位置壁厚最薄；所述连接区域为等壁厚结构时，所述半球壳壁厚一致，所述内圆角和外圆角处的壁厚大于半球壳壁厚。

进一步地，所述开窗结构的起始经线为半球壳与内圆角的交界线，该开窗结构的终止经线为质量敏感环的终止经线。

进一步地，所述内球面半径为7～15mm；所述质量敏感环宽度的数值分布在1/4内球面径向圆弧长度与3/4内球面径向圆弧长度之间；所述连接区域壁厚分布在0.5～1mm之间；所述振动连接条两条边界纬线在唇沿平面内的夹角角度为5～30°；所述半球壳的壁厚分布在0.3～1mm之间。

本发明还提供了一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子的制造方法，包括以下步骤：

S1、将半球谐振子放在开窗模具中；

S2、选择可以被去除和固化的材料对半球谐振子的半球壳进行填充；

S3、采用超快激光对开窗结构进行改性处理，在超快激光对开窗区域进行局部改性处理时，激光改性从外球面开始；

S4、对改性区域腐蚀，在超声波作用下，在酸性溶液中进行腐蚀处理；

S5、从酸性溶液中取出开窗模具，快速清洗半球谐振子开窗部位及开窗模具，去除残留腐蚀液；

S6、溶解开窗模具中的填充物；

S7、取出半球谐振子，将半球谐振子进行超声清洗。

进一步地，在步骤S1中，所述开窗模具的材料为耐腐蚀有机材料，该开窗模具包括第一模腔和第二模腔，所述第一模腔位于第二模腔上方，该第一模腔与第二模腔同轴设置，所述开窗模具的高度至少大于谐振子高度5mm，第一模腔的直径至少大于半球谐振子外径10mm，第二模腔的直径小于第一模腔的直径，第一模腔与第二模腔形成截面为T形的腔体，第二模腔的直径和高度的数值取决于开窗结构的大小和位置，将半球谐振子架设在第一模腔和第二模腔相交位置的凸台处。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明以切断振动能量传递路径的方式，在半球谐振子唇沿与内柱的连接区域设计开窗结构，减少能量向整个支撑杆的传递，降低支撑损耗，达到提高半球谐振子Q值（品质因数），提升陀螺精度的目的。

本发明抛开了传统依靠唇沿附近离子束或激光修调的方式，从结构设计角度降低支撑损耗。针对精密磨抛制造过程产生的质量不平衡，首次采用超快激光改性刻蚀技术在半球谐振球壳上制造开窗结构，降低半球谐振陀螺振动损耗，提高陀螺制造效率。本发明不仅减小了不平衡质量对支撑损耗的影响，降低了后续修调的难度，而且易于实现批量化生产。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明等壁厚半球谐振子特性参数示意图。

图2为本发明变壁厚半球谐振子特性参数示意图。

图3为本发明基于质量敏感环宽度变化的半球谐振子开窗结构示意图。

图4为本发明图3的俯视图。

图5为本发明基于振动连接条宽度变化的半球谐振子开窗结构示意图。

图6为本发明图5的俯视图。

图7为本发明基于厚度变化的半球谐振子半开窗结构示意图。

图8为本发明图7的俯视图。

图9为本发明高冲击振动环境下半球谐振子的开窗结构示意图。

图10为本发明图9的俯视图。

图11为本发明开窗模具的结构示意图。

图12为本发明半球谐振子在开窗模具中填充后的结构示意图。

图13为本发明激光改性处理半球谐振子的过程示意图。

图14为本发明腐蚀处理后形成半开窗结构半球谐振子的示意图。

图中：

1、唇沿；2、内柱；3、内球面；4、内圆角；5、半球壳；6、开窗结构；7、外球面；8、外圆角；9、振动连接条；10、开窗模具；11、第一模腔；12、第二模腔；13、质量敏感环。

具体实施方式

如图1至图10所示，本发明一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，包括半球壳5，半球壳5中心位置设置有内柱2，半球壳5端部边缘设置为唇沿1，该半球壳5内壁设置有内球面3（内球面3半径为7～15mm），内球面3与内柱2相交处设置有内圆角4；半球壳5外壁设有外球面7，外球面7与内柱2相交处设置有外圆角8；

内圆角4和外圆角8与半球壳5为唇沿1与内柱2的连接区域，连接区域上设置有开窗结构6；

开窗结构6的形状为两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域，该开窗结构6绕半球壳5轴线对称等距分布，相邻开窗结构6之间设置有振动连接条9，该开窗结构6数量设置为奇数个；

开窗结构6分为全开窗结构和半开窗结构，其中全开窗结构是将半球壳5上两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域内壁厚材料全部去除；半开窗结构是将半球壳5上两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域内壁厚材料减薄；对于半开窗结构，若将振动连接条9的厚度进行减薄，使其厚度与半开窗结构一致，则形成连续的环切带。

唇沿1与内球面3的交点为a；内球面3与内圆角4交点为b；内柱2与内圆角4的交点为c；内球面3径向圆弧长度为L

在谐振陀螺工作过程中，半球谐振子始终处于四波幅振动状态，唇沿1部位是振幅最大区域，对质量不平衡最敏感；

当质量不均以唇沿1为起点沿球面径线往内圆角4方向的b点延伸过程中，半球谐振子对质量不平衡的敏感性下降，因而1～3次谐波修调通常在唇沿1附近开展，故将半球谐振子唇沿1附近的环形球壳称为质量敏感环13，质量敏感环13沿纬线方向的圆弧长度定义为质量敏感环13的宽度m，质量敏感环13的宽度m以唇沿1与内球面3交接处为起始线，沿球面径线往内圆角方向的b点延伸，设计的质量敏感环13宽度m最小值为1/4L

若无开窗结构6，m的数值为L

通常精密磨抛后的半球谐振子壁厚分布在0.5～1mm之间，壁厚形式分为等壁厚结构和变壁厚结构。

如图2所示，对于变壁厚半球谐振子结构，在内球面L

因此，如图3和图4所示（图4的a为图3的a的俯视图，图4的b为图3的b的俯视图），为减少开窗结构6刻蚀过程对质量敏感环13的过度去除，四边形开窗结构6的起始经线设计为半球壳5与内圆角4的交界线，交界点为b点；四边形开窗结构6的终止经线为质量敏感环13的（1/4~3/4）L

如图5和图6所示，由于开窗结构6的存在，半球谐振子的内圆角4与内柱2通过振动连接条9与质量敏感环13连接，振动连接条9的夹角采用θ表示，θ为振动连接条9两条边界纬线在唇沿1平面内的夹角，相邻两个振动连接条9之间的区域属于开窗结构6，两个相邻振动连接条9上相互靠近的边界纬线属于开窗结构6在半球壳5上两条相隔一定角度的纬线，θ的取值范围在5～30°，优选为10～15°。若值太小，在靠近内圆角4处，振动连接条9宽度太细，易于出现断裂问题，冲击振动可靠性较差；若值太大，会增大振动传递面积导致振动损耗增大。

设定振动连接条9的数量为n，n个振动连接条9沿球面经线将360°的球面沿周向等分为n列。采用奇数个一定宽度θ的振动连接条9（n为奇数），将质量敏感环13与内圆角4连接。n只能取奇数，n的取值可为3、5、7、9、11。

将半球壳5的壁厚设置为d。对于等壁厚半球谐振子，将L

如图7和图8所示（图8的a为图7的a的俯视图，图8的b为图7的b的俯视图），开窗结构的厚度定义为t，依据t的取值不同，可分为全开窗结构和半开窗结构，对于全开窗结构，即半球壳5上两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域内壁厚材料全部去除，开窗结构的厚度t=0；对于半开窗结构，即半球壳5上两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域内壁厚材料减薄，开窗结构的厚度t=（0.1～0.8）d。

对于半开窗结构，若将振动连接条9的厚度进行减薄，使其厚度与开窗结构一致，则形成一种连续的环切带，形成环切带的半开窗结构的厚度t=（0.1～0.5）d。

如图9和图10所示，对于高冲击振动环境，半球谐振子结构强度尤为重要，四边形开窗结构6的起始经线设计可远离半球壳5与内圆角4的交界线，远离交界点b，向半球壳5唇沿1的a点方向移动，四边形开窗结构6的终止经线为质量敏感环13的（1/4~3/4）L

在开窗结构6制造方面，采用超快激光对开窗区域进行局部改性处理，由于改性区域损伤较大，化学腐蚀速率较快，随后利用化学腐蚀方法实现改性区域材料的快速去除。

在超快激光对开窗区域进行局部改性处理时，超快激光为皮秒或飞秒激光，调节激光焦距，实现石英玻璃由表及里的改性处理。对于全开窗结构，采用激光沿着开窗结构图案的边界线进行改性，随后采用化学腐蚀处理，将材料全部去除，形成全开窗结构；对于半开窗结构，采用激光沿着开窗结构图案进行面扫描式改性，整个壁厚方向进行部分改性处理，随后采用化学腐蚀处理，将图案区域的壁厚减薄，形成半开窗结构。

如图11至图14所示，本发明还提供了一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子的制造方法，包括以下步骤：

S1、如图11所示，将半球谐振子放在开窗模具10中，开窗模具10的材料选择聚四氟乙烯等耐腐蚀有机材料，该开窗模具10包括第一模腔11和第二模腔12，第一模腔11位于第二模腔12上方，该第一模腔11与第二模腔12同轴设置，开窗模具10的参数为：开窗模具10的高度h

S2、如图12所示，选择可以被去除和固化的有机胶、石蜡或环氧树脂对半球谐振子的半球壳5进行填充，防止氢氟酸腐蚀球壳上未图案化区域，填充方式为半球壳5球内部分完全填充，球外部分部分填充，球外部分的填充区域取决于开窗位置，即将第一模腔11和半球谐振子内部完全填充，填充材料优先推荐晶体胶509。

S3、如图13所示，采用超快激光对开窗结构（全开窗结构或半开窗结构）进行改性处理，在超快激光对开窗区域进行局部改性处理时，超快激光为皮秒或飞秒激光，优先推荐飞秒激光器。激光改性从外球面7开始，而不是内球面3，

对于全开窗结构，开窗结构6的厚度t=0，采用超快激光沿着开窗结构6图案的边界线进行改性，控制激光在半球谐振子壁厚方向的焦点，从半球谐振子表层往玻璃内部逐层扫描聚焦，步距为0.05～0.1mm；

对于半开窗结构，采用超快激光沿着开窗结构6图案进行区域面扫描式改性，整个壁厚方向进行部分改性处理，未被改性的厚度t=（0.1～0.8）d。

S4、如图14所示，对改性区域腐蚀，在30～60℃温度，超声波作用下，在1%～10%的氢氟酸中进行腐蚀处理，激光诱导后的区域化学腐蚀速率较快，可快速形成开窗或半开窗结构，其中，超声波频率选用80KHz；

对于全开窗结构，在氢氟酸作用下，经超快激光改性的开窗结构图案的边界线快速腐蚀，形成开窗结构。

对于半开窗结构，在氢氟酸作用下，经超快激光改性的开窗结构图案区域快速腐蚀，将开窗结构图案区域的壁厚减薄，形成半开窗结构。

S5、从氢氟酸溶液中取出开窗模具10，快速清洗。

用流动去离子水快速冲洗半球谐振子开窗部位及开窗模具10，去除残留腐蚀液，防止过腐蚀。

S6、溶解开窗模具10中的填充物。

若填充物为晶体胶509，采用丙酮溶解。

S7、取出半球谐振子，将半球谐振子在丙酮、乙醇和去离子水中各超声清洗15min。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。