CN103256926B - 一种石英音叉止挡结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于石英音叉，具体涉及一种石英音叉止挡结构。它包括一种石英音叉止挡结构，包括底座、支撑框和上盖，石英音叉位于底座、支撑框和上盖组成的腔体内部。本发明的显著效果是：(1)提高石英音叉抗冲击性能；(2)整个止挡为全石英结构，其加工工艺与现有的石英音叉微加工工艺相兼容，易于批量化实现；(3)保证粘接时装配间隙的均匀性；(4)实现对止挡间隙均匀性误差的精确控制(±2μm以内)；(5)引入装配工装，并结合止挡结构的晶向确定定位基准，实现对平面定位误差的精确控制(±20μm以内)。

Description

一种石英音叉止挡结构

技术领域

本发明属于石英音叉，具体涉及一种石英音叉止挡结构。

背景技术

石英音叉陀螺是一种微机械陀螺，具有体积小、成本低、可靠性高、抗环境干扰能力强等特点，其性能可达到中等精度，能够满足大量战术武器的要求。石英音叉陀螺的一个典型应用是作为MEMS惯导系统的组成部分应用于制导炮弹(此类制导炮弹在发射以后热电池被激活，陀螺开始通电工作，在发射过程中陀螺不工作)。

目前，大冲击存活和冲击后的精度成为制约石英音叉陀螺在炮射领域应用的两个最主要因素，而影响石英音叉陀螺抗冲击能力的一个关键因素是其敏感元件石英音叉抵御大冲击输入引起的破坏(断裂)或者显著变形的能力。

石英音叉陀螺的敏感元件石英音叉呈H形，如图1所示，石英音叉10主要包括驱动质量块11、驱动梁12、中间边框13、减薄梁14、中间锚点15、检测梁16、检测质量块17等。石英音叉的基体为Z切的石英晶体，为各向异性材料，音叉的表面和侧面含有电极薄层，材料为铬/金，叉指端部为电镀质量块，材料为金。石英音叉的厚度为200～450μm。

石英音叉在大冲击输入下的破坏机理相对复杂，目前普遍的看法是大冲击引起的应力超过了石英音叉的极限应力，进而引起音叉的断裂破坏。炮射环境大冲击输入作用时间相对较长，相当于一个静态过载输入过程。石英音叉的驱动叉指和检测叉指均为悬臂结构，在炮射环境的大冲击作用下易发生弯曲变形，进而引起石英音叉薄弱部位(一般位于叉指最细处和减薄梁根部等)出现应力集中，当最大应力值超过石英音叉的极限应力时即造成音叉的断裂破坏。通过有限元仿真等技术手段对石英音叉在大冲击作用下的应力分布以及变形情况进行模拟，结果显示石英音叉抗Y向冲击的能力最强，抗X向冲击的能力次之，抗Z向冲击的能力最弱。对石英音叉进行Z向的离心试验，结果显示，当离心加速度增大到6000g时，石英音叉普遍出现断裂现象。因此在未采取抗冲击防护措施的情况下，石英音叉无法在炮射环境中的大冲击输入条件下存活。

通常情况下，可以通过加大减薄梁厚度的方式来提高石英音叉的结构强度，进而提高石英音叉抗冲击能力，但加大减薄梁厚度会增大石英音叉驱动模态和检测模态的频差，使陀螺的灵敏度降低，同时会影响陀螺的稳定性和抗振性能，此外该方法对于提高石英音叉抗冲击能力的作用效果有限。

如果不通过加大减薄梁厚度的方法增加石英音叉的抗冲击能力，就需要在石英音叉外增加保护装置(止挡结构)，但这又存在下述困难：

1)平面定位精度要求

石英音叉总体长约10mm，宽约3mm，高度约0.36mm，其和止挡结构相对应的部位最细处仅有200μm；止挡结构的底座总长约5mm，宽约3.5mm，高度约0.8mm；支撑框的总长约5mm，宽约0.4mm，高度约0.36mm；上盖的总长约5mm，宽约3.5mm，高度约0.6mm；底座和上盖上的止挡限位凸台的典型尺寸为0.5mm*0.1mm。为保证抗冲击性能，整个止挡结构的平面定位误差需要控制在±20μm以内。由于止挡结构均为通过微加工艺实现的微结构，在无辅助结构和工装的条件下对其进行装配制造，难度较大，极易造成较大的平面定位偏差。

2)止挡间隙均匀性误差控制

理想的止挡间隙一般在10μm以内，为了保证抗冲击性能，整个止挡结构的止挡限位间隙均匀性误差需要控制在±2μm以内，用于在底座和上盖之间起过渡支撑作用的支撑框的左右两个部件互不连接、各自独立，粘接时易产生较大的装配制造误差，进而引起较大的止挡间隙均匀性误差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种石英音叉止挡结构。

本发明是这样实现的：一种石英音叉止挡结构，其中，包括底座、支撑框和上盖，石英音叉位于底座、支撑框和上盖组成的腔体内部。

如上所述的一种石英音叉止挡结构，其中，底座为长方体零件，在底座的正面设有三层不等高结构，其中在底座正面的两侧设置各设置一个支撑框配合面作为最高的一层，该支撑框配合面为底座与支撑框的装配接触位置，在底座正面的中心位置设置长方形的底座中心配合面也作为最高的一层，该底座中心配合面为底座与石英音叉的装配接触位置，支撑框配合面与底座中心配合面等高，底座的底座止挡限位底面上分布有四个底座止挡限位凸台作为第二高的一层，其中两个底座止挡限位凸台设置在底座止挡限位底面的顶端，另两个底座止挡限位凸台设置在底座止挡限位底面的底端。

如上所述的一种石英音叉止挡结构，其中，对应石英音叉驱动叉指端的底座止挡限位凸台距离驱动梁起始位置的长度与驱动梁总长度的比例约为1/5～1/3，对应石英音叉检测叉指的底座止挡限位凸台一般位于检测叉指起始位置附近，止挡间隙在10μm以内。

如上所述的一种石英音叉止挡结构，其中，底座边框配合面上设有底座退胶槽，底座退胶槽相对于底座边框配合面的深度一般在10μm以内。

如上所述的一种石英音叉止挡结构，其中，支撑框为两层不等高结构，与石英音叉的厚度相等，用于在底座和上盖之间起支撑作用，支撑框配合面为支撑框与底座/上盖的装配接触位置。

如上所述的一种石英音叉止挡结构，其中，支撑框的上下配合表面均含有退胶槽，退胶槽相对于配合面的深度在10μm以内。

如上所述的一种石英音叉止挡结构，其中，上盖为三层不等高结构，上盖的两侧各设置一个上盖边框配合面，该上盖边框配合面为上盖与支撑框的装配接触位置，上盖的上盖止挡限位底面上分布有一个上盖空腔和四个上盖止挡限位凸台，其中两个上盖止挡限位凸台设置在上盖止挡限位底面的顶端，另两个上盖止挡限位凸台设置在上盖止挡限位底面的底端。

如上所述的一种石英音叉止挡结构，其中，对应石英音叉驱动叉指端的上盖止挡限位凸台距离驱动梁起始位置的长度与驱动梁总长度的比例约为1/5～1/3，对应石英音叉检测叉指端的上盖止挡限位凸台位于检测叉指起始位置附近，止挡间隙在10μm以内。

如上所述的一种石英音叉止挡结构，其中，上盖配合面上含有上盖退胶槽，退胶槽相对于配合面的深度在10μm以内。

本发明的显著效果是：(1)在不改变音叉本身结构参数，保证音叉原有性能的情况下，通过止挡结构实现限位，提高石英音叉抗冲击性能；(2)整个止挡为全石英结构，其加工工艺与现有的石英音叉微加工工艺相兼容，易于批量化实现；(3)整个止挡的三层结构均设计有退胶槽，可以保证粘接时装配间隙的均匀性；(4)对原有的支撑框添加工艺辅助结构，实现对止挡间隙均匀性误差的精确控制(±2μm以内)；(5)引入装配工装，并结合止挡结构的晶向确定定位基准，实现对平面定位误差的精确控制(±20μm以内)。

附图说明

图1为本发明对应的H形石英音叉敏感结构图；

图2为止挡结构的示意图；

图3为底座结构示意图；

图4为支撑框结构示意图；

图5为上盖结构示意图；

图6为图3中A处的局部放大图；

图7为工艺改进后的支撑框结构示意图；

图8为压块示意图；

图9为底座工装示意图；

图10为上盖工装示意图；

图11为底座定位示意图；

图12为底座和石英音叉粘接示意图；

图13为上盖定位示意图；

图14为上盖和支撑框粘接示意图；

图15为端部裂片后的上盖和支撑框组合示意图；

图16为止挡结构的装配示意图。

图中：10.石英音叉、11.驱动质量块、12.驱动梁、13.中间边框、14.减薄梁、15.中间锚点、16.检测梁、17.检测质量块、20.止挡结构、21.底座、22.支撑框、23.上盖、211.底座边框配合面、212.底座退胶槽、213.底座止挡限位凸台、215.底座中心配合面、216.底座止挡限位底面、221.支撑框配合面、222.支撑框退胶槽、231.上盖边框配合面、232.上盖退胶槽、233.上盖止挡限位凸台、234.上盖空腔、235.上盖止挡限位底面、24.改进后的支撑框结构、243.端部裂片点、244.周向裂片点、245.工艺辅助结构、246.改进后的支撑框周向工艺辅助结构、30.压块、301.压块中心凸台、302.压块基座、31.底座工装、311.底座底部腔体、312底座上部腔体、32.上盖工装、321.上盖底部腔体、322.上盖上部腔体、411.底座定位X向基准面、412.底座定位Y向基准面、421.底座和石英音叉粘接X向基准面、422.底座和石英音叉粘接Y向基准面、431.上盖定位X向基准面、432.上盖定位Y向基准面、441.上盖和改进后的支撑框粘接X向基准面、442.上盖和改进后的支撑框粘接Y向基准面、461.止挡结构装配X向基准面、462.止挡结构装配Y向基准面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种石英音叉止挡结构的装配制造方法作进一步描述。

一种石英音叉止挡结构如图2所示，由底座21(图3)、支撑框22(图4)和上盖23(图5)三部分组成。石英音叉10位于底座21、支撑框22和上盖23组成的腔体内部。

如图3所示，底座21为长方体零件，在底座21的正面设有三层不等高结构，其中在底座21正面的两侧设置各设置一个支撑框配合面211作为最高的一层。该支撑框配合面211为底座21与支撑框22的装配接触位置。在底座21正面的中心位置设置长方形的底座中心配合面215也作为最高的一层，该底座中心配合面215为底座21与石英音叉10的装配接触位置。支撑框配合面211与底座中心配合面215等高。底座21的底座止挡限位底面216(最低一层)上分布有四个底座止挡限位凸台213作为第二高的一层，其中两个底座止挡限位凸台213设置在底座止挡限位底面216的顶端，另两个底座止挡限位凸台213设置在底座止挡限位底面216的底端。对应石英音叉驱动叉指端的底座止挡限位凸台213距离驱动梁12起始位置的长度与驱动梁12总长度的比例约为1/5～1/3，对应石英音叉检测叉指的底座止挡限位凸台213一般位于检测叉指起始位置附近，止挡间隙(止挡限位凸台的上表面距配合面的高度)一般在10μm以内。为了提高装配精度，底座边框配合面211上设有底座退胶槽212，底座退胶槽212相对于配合面的深度一般在10μm以内。

如图4所示，支撑框22为两层不等高结构，与石英音叉10的厚度相等，用于在底座21和上盖23之间起支撑作用，支撑框配合面221为支撑框22与底座21/上盖23的装配接触位置。为了提高装配精度，支撑框22的上下配合表面均含有退胶槽222，退胶槽相对于配合面的深度一般在10μm以内。

如图5所示，上盖23为三层不等高结构，上盖23的两侧各设置一个上盖边框配合面231，该上盖边框配合面231为上盖23与支撑框22的装配接触位置。上盖23的上盖止挡限位底面235上分布有一个上盖空腔234和四个上盖止挡限位凸台233，其中两个上盖止挡限位凸台233设置在上盖止挡限位底面235的顶端，另两个上盖止挡限位凸台233设置在上盖止挡限位底面235的底端。对应石英音叉驱动叉指端的上盖止挡限位凸台233距离驱动梁12起始位置的长度与驱动梁12总长度的比例约为1/5～1/3，对应石英音叉检测叉指端的上盖止挡限位凸台233一般位于检测叉指起始位置附近，止挡间隙(止挡限位凸台的上表面距配合面的高度)一般在10μm以内。为了提高装配精度，上盖配合面上含有上盖退胶槽232，退胶槽相对于配合面的深度一般在10μm以内。

如图7所示，对原有的石英音叉止挡结构的支撑框22进行改进，通过添加工艺辅助结构245，实现左右两部分支撑边框的连接，形成一个一体化的工艺改进后的支撑框24，并借助端部裂片点243和周向裂片点244在装配过程中依次去除工艺辅助结构245，从而在不改变止挡结构特征的条件下实现对止挡间隙均匀性误差的精确控制。

为了实现对装配误差的控制，设计一种装配工装，包括压块30、底座工装31和上盖工装32三部分。如图8所示，压块由压块中心凸台301和压板基座302组成，主要用于控制粘接强度和粘接间隙。如图9所示，底座工装31主要包含两个腔体，底部腔体311主要用于止挡底座的定位，上部腔体312主要用于石英音叉和支撑框的定位。如图10所示，上盖工装32主要包含两个腔体，底部腔体321主要用于上盖的定位，上部腔体322主要用于支撑框的定位。

一种石英音叉止挡结构的制造方法，包括以下步骤：

第一步，如图11，借助底座工装31实现底座21的定位，定位基准分别为底座定位X向基准面411、底座定位Y向基准面412；

第二步，如图12，借助底座工装31进行石英音叉10和底座21的粘接，定位基准分别为底座和石英音叉粘接X向基准面421、底座和石英音叉粘接Y向基准面422，通过压块30保证粘接强度和粘接间隙；

第三步，如图13，借助上盖工装32进行上盖23的定位，定位基准分别为上盖定位X向基准面431、上盖定位Y向基准面432；

第四步，如图14，借助上盖工装32进行上盖23和支撑框24的粘接，定位基准分别为上盖和改进后的支撑框粘接X向基准面441、上盖和改进后的支撑框粘接Y向基准面442，通过压块30保证粘接强度和粘接间隙。粘接完成后在图7所示改进后的支撑框端部裂片点243处进行裂片，去除端部工艺辅助结构245，裂片后的上盖和支撑框如图15所示；

第五步，如图16，借助底座工装31进行底座21、支撑框24和上盖23的装配，定位基准分别为止挡结构装配X向基准面461、止挡结构装配Y向基准面462，通过压块30保证粘接强度和粘接间隙。粘接完成后在图7所示的支撑框周向裂片点244处进行裂片，去除剩余的周向辅助结构246，实现整个止挡结构的装配制造。

以上详细描述了一种石英音叉抗冲击止挡的装配制造方法，在不脱离本发明的实质范围内，可以对本发明做一定的变形或修改，其制造方法也不限于实例中所公开的内容。

Claims (8)

1.一种石英音叉止挡结构，其特征在于：包括底座(21)、支撑框(22)和上盖(23)，石英音叉(10)位于底座(21)、支撑框(22)和上盖(23)组成的腔体内部，

底座(21)为长方体零件，在底座(21)的正面设有三层不等高结构，其中在底座(21)正面的两侧设置各设置一个底座边框配合面(211)作为最高的一层，该底座边框配合面(211)为底座(21)与支撑框(22)的装配接触位置，在底座(21)正面的中心位置设置长方形的底座中心配合面(215)也作为最高的一层，该底座中心配合面(215)为底座(21)与石英音叉(10)的装配接触位置，底座边框配合面(211)与底座中心配合面(215)等高，底座(21)的底座止挡限位底面(216)上分布有四个底座止挡限位凸台(213)作为第二高的一层，其中两个底座止挡限位凸台(213)设置在底座止挡限位底面(216)的顶端，另两个底座止挡限位凸台(213)设置在底座止挡限位底面(216)的底端。

2.如权利要求1所述的一种石英音叉止挡结构，其特征在于：对应石英音叉驱动叉指端的底座止挡限位凸台(213)距离驱动梁(12)起始位置的长度与驱动梁(12)总长度的比例为1/5～1/3，对应石英音叉检测叉指的底座止挡限位凸台(213)一般位于检测叉指起始位置附近，止挡间隙在10μm以内。

3.如权利要求2所述的一种石英音叉止挡结构，其特征在于：底座边框配合面(211)上设有底座退胶槽(212)，底座退胶槽(212)相对于底座边框配合面(211)的深度一般在10μm以内。

4.如权利要求1所述的一种石英音叉止挡结构，其特征在于：支撑框(22)为两层不等高结构，与石英音叉(10)的厚度相等，用于在底座(21)和上盖(23)之间起支撑作用，支撑框配合面(211)为支撑框(22)与底座(21)/上盖(23)的装配接触位置。

5.如权利要求4所述的一种石英音叉止挡结构，其特征在于：支撑框(22)的上下配合表面均含有退胶槽(222)，退胶槽相对于配合面的深度在10μm以内。

6.如权利要求1所述的一种石英音叉止挡结构，其特征在于：上盖(23)为三层不等高结构，上盖(23)的两侧各设置一个上盖边框配合面(231)，该上盖边框配合面(231)为上盖(23)与支撑框(22)的装配接触位置，上盖(23)的上盖止挡限位底面(235)上分布有一个上盖空腔(234)和四个上盖止挡限位凸台(233)，其中两个上盖止挡限位凸台(233)设置在上盖止挡限位底面(235)的顶端，另两个上盖止挡限位凸台(233)设置在上盖止挡限位底面(235)的底端。

7.如权利要求6所述的一种石英音叉止挡结构，其特征在于：对应石英音叉驱动叉指端的上盖止挡限位凸台(233)距离驱动梁(12)起始位置的长度与驱动梁(12)总长度的比例为1/5～1/3，对应石英音叉检测叉指端的上盖止挡限位凸台(233)位于检测叉指起始位置附近，止挡间隙在10μm以内。

8.如权利要求7所述的一种石英音叉止挡结构，其特征在于：上盖边框配合面上含有上盖退胶槽(232)，退胶槽相对于配合面的深度在10μm以内。