CN109100536A - 一种新型石英玻璃摆片 - Google Patents

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杨稳
聂鲁燕
侯文超
王宪东
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Abstract

本发明涉及一种新型石英玻璃摆片，包括一个圆形支撑环、两个挠性支撑梁和一个自由摆动的摆舌，两个挠性支撑梁并列对称于轴线设置，摆舌通过挠性支撑梁和圆形支撑环连接，圆形支撑环上有三个安装定位凸台，该三个安装定位凸台沿垂直轴线对称分布，圆形支撑环的中心同轴制出一个通气孔，在通气孔和挠性支撑梁之间的圆形支撑环上制出一个隔离槽，隔离槽与通气孔同轴设置，隔离槽上制出开口，开口方向远离两个挠性支撑梁并且保持左右对称。本新型结构石英玻璃摆片在国内是首次提出。采用该结构形式后，较原有传统结构，摆组件温度敏感性显著降低，提高装配过程的成活率一倍以上，同时提高了加速度计长期稳定性，在NJS/A型石英加速度计得到应用。

Description

一种新型石英玻璃摆片
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种新型的石英挠性加速度计用石英玻璃摆片，是实现高精度加速度测量的核心元件。
背景技术
石英挠性加速度计是一种测量加速度的高精度传感器，是惯性系统的重要部件，石英玻璃摆片是加速度计的核心零件。石英摆片的挠性梁部位，厚度仅为0.03mm，是敏感检测质量从而产生挠性位移的关键部位。石英挠性加速度计最早由美国森的斯坦公司于二十世纪七十年代研制成功，具体结构在美国专利(专利号4250757)有详细描述，结构如图1所示，图1是石英挠性加速度计的三维爆炸视图。
石英挠性加速度计工作原理为：当产品有沿敏感轴方向的加速度作用时，由于没有合外力作用，摆片保持原有运动状态，因此相对上、下力矩器产生位移，使两侧平板电容形成电容差。差动电容传感器敏感到电容差，产生一个与电容差成比例的电流。电流经伺服电路滤波、积分、放大等处理后加载在力矩线圈上，载流力矩线圈受到力矩器磁场的作用产生一个与输入加速度方向相同的电磁力F，使挠性摆片回复到平衡位置(两侧电容相等)。此时力矩线圈中的力矩电流反映了加速度的大小和方向，检出力矩线圈上的电流即可计算出输入加速度，实现加速度的测量。
由石英玻璃摆片为主构成的摆组件，是石英挠性加速度计的关键组件，对加速度计的性能起着决定性作用。摆组件由一个石英玻璃摆片和两个缠绕线圈的骨架粘接而成，结构如图2所示。图2是石英挠性加速度计摆组件的结构示意图，它包括由熔融石英玻璃制成的石英摆片21、力矩线圈22缠绕在骨架23上，骨架23一般由铝合金材料加工而成，通过环氧树脂胶26粘接于石英摆片21正反两面上。
目前，由于受成本和加工难度所限，线圈骨架的材料一般为铝合金，其膨胀系数和石英玻璃的线胀系数相差较大，这就会导致摆组件在完成粘接后，随着环境温度的变化，骨架产生变形大于石英玻璃摆片的变形，由于变形量的不匹配，不可避免会在摆组件的粘接面处产生应力并向四周扩散。该应力虽然可以被粘接层通过变形消除一部分，但是无法全部消除。未消除的应力通过粘接面向四周传递，最终会对挠性梁产生影响，导致对敏感质量的检测出现误差，最终造成加速度计的测量误差。
基于上述情况，需要对摆片的结构进行重新优化设计，尽量减小由于材料不匹配导致的应力对挠性梁的影响，从而保证加速度计在外部环境变化时，仍然可以保持较高的精度，满足相应系统的使用要求。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种能隔离摆组件粘接层随温度产生的应力，并改善摆组件的温度性能的新型石英玻璃摆片。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的：
一种新型石英玻璃摆片，包括一个圆形支撑环、两个挠性支撑梁和一个自由摆动的摆舌，两个挠性支撑梁并列对称于轴线设置，摆舌通过挠性支撑梁和圆形支撑环连接，圆形支撑环上有三个安装定位凸台，该三个安装定位凸台沿垂直轴线对称分布，圆形支撑环的中心同轴制出一个通气孔，其特征在于：在通气孔和挠性支撑梁之间的圆形支撑环上制出一个隔离槽，该隔离槽与通气孔同轴设置，该隔离槽上制出开口，该开口方向远离两个挠性支撑梁，并且保持左右对称。
而且，所述的石英摆片整体呈圆形片状，直径为φ15mm–φ23mm，厚度为0.6mm–0.8mm。
而且，所述的石英摆片由熔融石英玻璃经过研磨抛光、切割落料、化学刻蚀以及真空镀膜等多道工序加工而成。
而且，所述的挠性支撑梁厚度约为0.03mm。
而且，所述的隔离槽呈半圆状或大半圆状，并且包围通气孔，包围角度一般大于或等于180°。
而且，所述的隔离槽直径应根据实际情况满足力矩线圈和摆片的粘接需求，也就是说，环氧树脂胶的粘接区域位于隔离槽形成的隔离区域内部。
而且，所述的隔离槽为通槽。
本发明的优点和积极效果是：
1、与传统石英摆片相比，本发明在传统石英摆片的结构设计上，增加了隔离槽结构，该隔离槽设计成半圆或大半圆形状，位于摆片中心和挠性梁之间，隔离槽开口方向远离挠性支撑梁，并且左右对称。本发明所设计的隔离槽起到了隔离线圈骨架粘接区域和挠性梁的目的，因此带有隔离槽设计的石英摆片对外界温度变化的敏感度降低，可达到隔离应力的目的。
2、本发明提升了摆组件在装配过程中的检测合格率，从而提高了加速度计的装配合格率，降低了生产成本。
3、通过试验证明带有隔离槽设计的摆片，在提高了加速度计的温度性能的同时，也提升了加速度计的长期稳定性。
4、本发明是通过在现有石英摆片结构基础上，增加隔离槽结构设计，解决了石英挠性加速度计随温度变化性能变化较大的问题，通过保持摆片挠性梁的受力状态随温度的稳定性，最终实现了加速度计随外界温度变化的性能稳定性。
5、本新型结构石英玻璃摆片在国内是首次提出。采用该结构形式后，较原有传统结构，摆组件温度敏感性显著降低，提高装配过程的成活率一倍以上，同时提高了加速度计长期稳定性，在NJS/A型石英加速度计得到应用。
附图说明
图1是目前石英挠性加速度计的三维爆炸视图；
图2是目前石英挠性加速度计摆组件的二维轴剖视图；
图3是传统型石英摆片的应力传导示意图；
图4是本发明提供的石英摆片的结构示意图；
图5是图4的剖面示意图；
图6是本发明提供的石英摆片的应力传导示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图4和图5所示，一种新型石英玻璃摆片，包括一个圆形支撑环211、两个挠性支撑梁212和一个自由摆动的摆舌213，两个挠性支撑梁并列对称于轴线设置(挠性支撑梁厚度约为0.03mm，是摆片的最重要的敏感部位)，摆舌通过挠性支撑梁和圆形支撑环连接，摆舌通过挠性梁支撑可以自由摆动。圆形支撑环上有三个安装定位凸台214，该三个安装定位凸台沿垂直轴线对称分布。圆形支撑环的中心同轴制出一个通气孔216，通气孔大小根据实际需求而定。
石英摆片整体呈圆形片状，直径为φ15mm–φ23mm，厚度为0.6mm–0.8mm。石英摆片由熔融石英玻璃经过研磨抛光、切割落料、化学刻蚀以及真空镀膜等多道工序加工而成。
在通气孔和挠性支撑梁之间的圆形支撑环上制出一个隔离槽215，该隔离槽为通槽。隔离槽与通气孔同轴设置，隔离槽一般来说呈半圆状或大半圆状，并且包围通气孔，包围角度一般大于等于180°。该隔离槽上制出开口，该开口方向远离两个挠性支撑梁，并且保持左右对称。
隔离槽直径应根据实际情况满足力矩线圈和摆片的粘接需求，也就是说，环氧树脂胶的粘接区域位于隔离槽形成的隔离区域内部。这样，粘接区域也就是应力产生的源头和挠性梁相对隔离，随着温度变化，由于材料不匹配产生的干扰力无法直接到达挠性梁区域，由于隔离槽的存在，只能通过隔离槽的连接部分向外传递，由于路径的增加导致应力的逐步衰减，从而达到隔离应力的目的，如图6所示。

Claims (7)

1.一种新型石英玻璃摆片，包括一个圆形支撑环、两个挠性支撑梁和一个自由摆动的摆舌，两个挠性支撑梁并列对称于轴线设置，摆舌通过挠性支撑梁和圆形支撑环连接，圆形支撑环上有三个安装定位凸台，该三个安装定位凸台沿垂直轴线对称分布，圆形支撑环的中心同轴制出一个通气孔，其特征在于：在通气孔和挠性支撑梁之间的圆形支撑环上制出一个隔离槽，该隔离槽与通气孔同轴设置，该隔离槽上制出开口，该开口方向远离两个挠性支撑梁，并且保持左右对称。
2.根据权利要求1所述的一种新型石英玻璃摆片，其特征在于：所述的石英摆片整体呈圆形片状，直径为φ15mm–φ23mm，厚度为0.6mm–0.8mm。
3.根据权利要求1所述的一种新型石英玻璃摆片，其特征在于：所述的石英摆片由熔融石英玻璃经过研磨抛光、切割落料、化学刻蚀以及真空镀膜等多道工序加工而成。
4.根据权利要求1所述的一种新型石英玻璃摆片，其特征在于：所述的挠性支撑梁厚度约为0.03mm。
5.根据权利要求1所述的一种新型石英玻璃摆片，其特征在于：所述的隔离槽呈半圆状或大半圆状，并且包围通气孔，包围角度一般大于或等于180°。
6.根据权利要求1所述的一种新型石英玻璃摆片，其特征在于：所述的隔离槽直径应根据实际情况满足力矩线圈和摆片的粘接需求，也就是说，环氧树脂胶的粘接区域位于隔离槽形成的隔离区域内部。
7.根据权利要求1所述的一种新型石英玻璃摆片，其特征在于：所述的隔离槽为通槽。
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