一种半球谐振子与平板电极装配方法及治具

技术领域

本发明涉及平板电极式半球谐振陀螺，特别是一种半球谐振子与平板电极装配方法及治具。

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、战略战术武器等诸多领域。

如图1所示，平板电极式半球谐振陀螺主要由半球谐振子1以及平板电极2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距至设定值，最后将半球谐振子安装柱15的下端与平板电极安装孔16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1与平板电极2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距误差控制在±5μm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间距的一致性，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距进行测量及调整。

目前半球谐振子唇沿与平板电极上表面之间的间距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距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（如六轴运动调节平台治具）来测量及调整半球谐振子唇沿与平板电极上表面各电极的间距，设备昂贵复杂，且测量及调整方法误差大。

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普遍的大间隙配合焊接填充方式导致的半球谐振子装配同心度差、唇沿与平板电极上表面之间的间距调整困难，装配夹持治具及检测设备昂贵、以及调整方法偏差较大等问题，提供一种半球谐振子装配同心度好、唇沿与平板电极上表面之间的间距易调整，不需昂贵夹具及检测设备的半球谐振子与平板电极装配方法及治具。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种半球谐振子与平板电极装配方法，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，其装配包括以下步骤：

S1、在所述半球谐振子安装柱上或所述平板电极安装孔内镀热熔膜层，使所述半球谐振子安装柱和所述平板电极安装孔的装配间隙为1μm至5μm；

S2、将半球谐振子安装柱的底部插入平板电极安装孔中，并在自适应重力作用下使半球谐振子唇沿平面与平板电极上表面贴合；

S3、将半球谐振子的位姿锁定；

S4、向下微移平板电极，直至半球谐振子唇沿平面与平板电极上表面的间距被调整至设定值；

S5、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。

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，不仅满足了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，而且能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，从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。

另外，至半球谐振子安装柱和平板电极安装孔二者间隙装配后，本发明基于半球谐振子与平板电极的现有精密加工能力：平面度及粗糙度均可达到纳米级别水准，在装配时先借助半球谐振子自适应重力调节能力使半球谐振子唇沿平面与平板电极两者之间实现零间隙轴向完全贴合，从而保证了半球谐振陀螺装配的轴向位姿准确性；再将半球谐振子的位姿固定，之后将平板电极固定板上的平板电极沿半球谐振子安装柱的轴向微移至所需要（设定）的间距，并采用夹具将半球谐振子和平板电极固定，对半球谐振子安装柱和平板电极安装孔上的低温热熔膜层进行热熔固化，在重力作用下，熔融的低温热熔焊料往下流并填满半球谐振子安装柱和平板电极安装孔之间的安装间隙，待焊料固化后即完成半球谐振子与平板电极两个装配体之间的精密控制与配合固定。

如此，由于半球谐振子安装柱和平板电极安装孔之间采用焊料热融固化实现连接，避免了对焊料的整形，也就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低温热熔焊料膜层，使两者之间的装配间隙仅为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，从而保证了半球谐振子和平面电极的同轴度，即保证了半球谐振陀螺装配的周向位姿准确性；再利用半球谐振子与平板电极的现有精密加工能力，即平面度及粗糙度均可达到纳米级别水准将二者在自适应重力作用下完全贴合再将半球谐振子唇沿平面与平板电极上表面的间距调整至设定值，由此保证了半球谐振陀螺装配的轴向位姿准确性，加热热熔膜使其下流填满半球谐振子和平板电极之间的安装间隙，焊料固化后即可实现半球谐振子与平板电极之间的连接固定；从而本发明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基本一致，进而保证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。

优选地，在所述平板电极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，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；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，以保证在熔接过程中不会对半球谐振子及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。

优选地，在步骤S1之前还包括：S0、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15－20微米。

优选地，步骤S1中采用磁控溅射或电镀工艺形成所述热熔膜层和辅助连接层。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于所述半球谐振子与平板电极装配方法的治具，其包括底座，所述底座上安装转台和万向活动夹具，所述转台上安装微动调节器，所述微动调节器上安装加热平台，所述加热平台用于装夹平板电极且对热熔膜层进行加热使其融化；所述万向活动夹具包括固定端和夹持端，所述固定端与所述夹持端之间通过万向活动杆连接，且所述固定端固定安装在所述底座上，所述夹持端用于装夹半球谐振子，所述万向活动杆上设置第一锁紧装置，所述夹持端上设置第二锁紧装置；所述微动调节器能够带动所述平板电极上下移动，以靠近或远离所述半球谐振子，所述万向活动夹具能够在所述平板电极接近所述半球谐振子时，调整所述半球谐振子的位姿至其唇沿平面在自适应重力作用下与所述平板电极的上表面贴合。

优选地，所述加热平台上安装弹性固定结构和至少两个定位柱，所述弹性固定结构包括固定安装在所述加热平台上的固定板和安装在所述固定板上的弹性柱，所述弹性柱和所述定位柱围设形成平板电极安装空间。

优选地，所述加热平台上安装加热器和温度感应器，所述底座上安装温度控制器，所述加热器、温度感应器、温度控制器电连接。

优选地，所述底座上设有呈标准矩阵排列的螺丝孔位，以方便精密安装转台。

优选地，所述转台为电动转台。

优选地，所述微动调节器为移动精度达4μm的Z轴微调精密移动滑台。

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圆周壁和/或平板电极安装孔的侧壁上镀低温热熔膜层（焊接材料层），使二者的装配间隙满足间隙配合要求，可顺利进行无外力或轻微外力下的自由装配，且装配时两者之间基本不会产生偏移与晃动等情况，从而保证了半球谐振子和平板电极的同轴度，即保证了半球谐振子周向位姿的准确性。

2、本发明基于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，先将半球谐振子固定在万向活动夹具上，接着通过调节万向活动夹具实现半球谐振子方位的调节，使半球谐振子的唇沿平面和平板电极上表面贴合，由于半球谐振子唇沿平面和平板电极上表面的平面度及粗糙度均可达到纳米级别水准，从而半球谐振子唇沿平面和平板电极上表面在自适应重力调节作用下会实现二者之间的零间隙轴向贴合，从而保证两者轴向位姿准确性，再在锁定半球谐振子的位姿后，将平板电极微移至半球谐振子唇沿与平板电极上表面的间距达到设定值，从而能够保证半球谐振子唇沿与平板电极上表面的间距基本一致，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及扫描式电镜等测量复杂的检测设备。

3、本发明将半球谐振子和平板电极固定后，对半球谐振子安装柱圆周壁和平板电极安装孔侧壁上的低温热熔膜层（焊接材料层）进行热熔固化，在重力作用下，熔融的焊接材料往下流填满半球谐振子和平板电极的间隙（如图1、图2），固化后即可完成两个装配体之间的精密控制与配合固定。

4、本发明采用磁控溅射或电镀工艺进行精密镀膜，保证了半球谐振子与平板电极安装孔之间的精密装配间隙。

5、本发明在半球谐振子安装柱圆周壁和平板电极安装孔侧壁上采用与焊接底材铟亲和力较大的金属来进行镀膜，加大了两者之间的融合效果。

6、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。

7、本发明采用万向活动夹具来装夹半球谐振子，实现了半球谐振子的六轴方位（上、下、左、右、前、后）的任意调节。

8、本发明通过万向活动夹具的锁紧装置实现了半球谐振子与平板电极之间的位姿锁定。

9、本发明采用刻度标尺细化的Z轴微调精密移动滑台，其标尺最小可控精度可达4μm，从而实现半球谐振子与平面电极的间隙微调节。

10、本发明采用自动转台以便于半球谐振子与平板电极之间间隙的后续观察及检测。

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为将平板电极式半球谐振陀螺的平板电极靠近半球谐振子的状态示意图。

图2为将平板电极式半球谐振陀螺的半球谐振子与平板电极贴合的状态示意图。

图3为将平板电极式半球谐振陀螺的半球谐振子与平板电极的间隙调整至设定值的状态示意图。

图4为低温热熔膜层热熔固化后将平板电极式半球谐振陀螺的半球谐振子与平板电极固定的状态示意图。

图5为本发明半球谐振子与平板电极装配治具的总体结构示意图。

图6为本发明半球谐振子与平面电极平板电极装配治具的爆炸示意图。

图中：1.半球谐振子；2.平板电极；3.弹性固定结构；4.加热平台；5.定位柱；6.加热器；7.温度感应器；8.云母隔热片；9.微动调节器；10.转台；11.底座；12.温度控制器；13.万向活动杆；14.第一锁紧装置；15.半球谐振子安装柱；16.平板电极安装孔；17.辅助连接层；18.热熔膜层；19.第二锁紧装置；31.固定板；32.弹性柱。

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5、图6所示，本发明半球谐振子与平板电极装配治具一实施例包括底座11，所述底座11上安装转台10和万向活动夹具，所述转台10上安装微动调节器9，所述微动调节器9上经云母隔热片8安装加热平台4。

所述万向活动夹具包括固定端和夹持端，所述固定端与所述夹持端之间通过万向活动杆13连接，且所述固定端固定安装在所述底座11上，所述夹持端用于装夹半球谐振子1，所述万向活动杆13上设置第一锁紧装置14，所述夹持端上设置第二锁紧装置19。需要说明的是，所述万向活动夹具为现有结构，比如可为千分表底座，其可进行夹持端的上、下、左、右、前、后调节，也就是说，通过万向活动夹具可进行半球谐振子1的位置调节。

所述加热平台4上安装弹性固定结构3和至少两个定位柱5，所述弹性固定结构3包括固定安装在所述加热平台4上的固定板31和安装在所述固定板31上的弹性柱32，所述弹性柱32和所述定位柱5围设形成平板电极安装空间。平板电极2装配时，先将弹性柱32退回，在平板电极2放入平板电极安装空间内后，弹性柱32向平板电极2伸出并抵顶平板电极2，使平板电极2的安装位置锁定。

所述加热平台4上还安装加热器6和温度感应器7，所述底座11上还安装温度控制器12，所述加热器6、温度感应器7、温度控制器12电连接，用于对加热平台4的加热及温度控制。

为方便精准安装，所述底座11上设有呈标准矩阵排列的螺丝孔位。所述底座11优选采用精密光学板。

为方便对转台10的控制，所述转台10优选采用电动转台。

为方便间隙的精密微调，所述微动调节器9优选采用移动精度达4μm的Z轴微调精密移动滑台。

本发明半球谐振子与平板电极间隙调节治具装配时，将转台10、万向活动夹具固定在底座11上面，然后将微动调节器9用螺丝固定在转台10上，平板电极2通过弹性固定结构3、定位柱5固定在加热平台4上，加热平台4内部分布有可供均匀加热的加热器6，并安装有温度感应器7及温度控制器12以方便精准控制加热平台4的热熔温度。为防止温度高影响其他器件，在加热平台4下面安装有云母隔热片8。

请参图1－图4所示，本发明半球谐振子与平板电极装配方法一实施例包括以下步骤：

S0、对半球谐振子安装柱15和平板电极安装孔16进行精加工，使半球谐振子安装柱15和平板电极安装孔16的装配间隙控制在20微米；

S1、在半球谐振子安装柱15上镀有厚度为5-50nm的辅助连接层17，在所述平板电极安装孔16内镀有厚度为10-18μm的热熔膜层18，使所述半球谐振子安装柱15和所述平板电极安装孔16的装配间隙为1-5μm；

S2、利用万向活动夹具装夹半球谐振子1，同时将平板电极2装夹到加热平台4上，微动调节器9动作带动平板电极2上移至接近半球谐振子1（如图1），再通过万向活动夹具对半球谐振子1的位置进行调节，直至将半球谐振子安装柱15的底部插入平板电极安装孔16中，同时在自适应重力作用下使半球谐振子唇沿平面与平板电极上表面贴合，如图2所示；

S3、利用万向活动夹具的第一锁紧装置14、第二锁紧装置19将半球谐振子1的位姿锁定；

S4、如图3所示，利用微动调节器9向下微移平板电极2，直至半球谐振子唇沿平面与平板电极上表面的间距被调整至设定值；

S5、对热熔膜层18和辅助连接层17进行加热，使热熔膜层18融化后在重力作用下往下流，填满半球谐振子安装柱15和平板电极安装孔16之间的装配间隙（如图4所示），待热熔焊接底材冷却后，半球谐振子1和平板电极2的装配位置即固定。

所述热熔膜层18为铟层，所述辅助连接层17为金层、银层或铂层。在其他的实施例中，可以在半球谐振子安装柱15上和平板电极安装孔16内均镀铟层。

所述步骤S1中采用磁控溅射或电镀工艺进行精密镀膜。

本实施例中，热熔膜层18的膜厚为15μm，辅助连接层17为金层，膜厚为30nm，电镀铟层和金层的工艺如下：

在精密加工后的半球谐振子安装柱15的圆周壁面上电镀30nm厚的金膜，平板电极安装孔16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15的电镀使用 KAu(CN)

本发明巧妙的利用现有的微米级加工工艺，将半球谐振子1与平板电极2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上镀与焊接底材铟亲和力大的5-50nm厚的金层或银层或铂层，也可以镀铟层，然后在平板电极安装孔上镀10-18微米的低温熔点的铟层，保证半球谐振子与平板电极的安装间隙约为5微米或以下，可顺利进行无外力或轻微外力的自由装配，且两者之间基本不会产生偏移与晃动等情况，从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。

至半球谐振子安装柱与平板电极安装孔二者间隙装配后，再利用半球谐振子1与平板电极2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，然后将半球谐振子1通过万向活动夹具的夹持端上的柔性锁紧头先固定，再通过万向活动夹具调整半球谐振子1位姿，通过半球谐振子唇沿平面与平板电极2之间的自适应重力调节使两者之间完全贴合，从而保证了半球谐振陀螺装配的轴向位姿准确性，接着通过锁紧万向活动夹具的锁紧装置（包括第一锁紧装置14和第二锁紧装置19）实现半球谐振子1的位姿固定，最后通过微动调节器9将平板电极2往下微调整至所需要的间隙。如此，通过两者的精密配合后，可直接保证半球谐振子唇沿与平板电极上表面的间距基本一致从而保证各个电极的电容值偏差处于极小值内，从而省去了昂贵的六轴运动调节平台治具。

然后通过加热平台4、加热器6、温度感应器7、云母隔热片8及温度控制器12的加热及控制功能使半球谐振子安装柱15上的辅助连接层17和平板电极安装孔16内的热熔膜层18融化，因重力作用，热熔膜层往下流并填满残存的少量装配间隙以及热胀冷缩导致的镀层间键合效应间隙，冷却后半球谐振子安装柱15与平板电极2已固定完全，达到精密控制与配合固定的效果。

显然，本发明也可采用其他类型的万向活动夹具来调节半球谐振子的方位，或其他类型的锁紧装置来锁紧万向活动杆及半球谐振子、以及其他种类的微动调节器来调节半球谐振子与平板电极之间的间距等。

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。