CN112540193B - 隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆及加工方法，包括摆环，摆环的两面分别设有安装凸台，两面的安装凸台数量相同且一一对应；在摆环中心腔内设有摆舌，摆舌通过挠性梁与摆环连接。在摆舌上设有两面贯穿的螺旋线，螺旋线以摆舌的圆心为中心向外延伸，螺旋线具有一定宽度以使螺旋线所在的镂空部位形成隔离环。本发明可以减小或消除干扰力矩对加速度计性能的影响。

Description

隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆及加工方法

技术领域

本发明涉及石英挠性加速度检测质量摆，具体涉及一种隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆及加工方法，属于加速度计领域。

背景技术

石英挠性加速度计是一种力平衡摆式加速度计，具有稳定性好、精度高、结构简单、易小型化等特点，是目前在航空、航天、航海及各种战略/战术武器的导航、制导与控制系统中应用得最广泛的一类加速度计。

石英挠性加速度计受到干扰力矩时，会产生偏值误差。干扰力矩的来源主要有两个：一是力矩线圈的粘接应力，二是表头激光封焊的热应力。由于力矩线圈、粘接胶和石英玻璃材料的热膨胀系数差异大，在温变过程中会产生热变形应力，从而产生对挠性梁的干扰力矩，引起偏值误差。表头激光封焊是通过焦耳加热、使得表头定位环熔化再凝固的方式，将加速度检测质量摆夹持固定在两个轭铁组件中间，这种固定连接方式热应力大，应力释放会产生干扰力矩。

干扰力矩对加速度计性能的影响和加速度计检测质量摆结构紧密相关。如何有效阻止或减小干扰力矩对挠性梁的影响，从而避免弹性恢复角产生变化，以减小偏值误差，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆及加工方法，本发明可以减小或消除干扰力矩对加速度计性能的影响。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆，包括摆环，摆环的两面分别设有安装凸台，两面的安装凸台数量相同且一一对应；在摆环中心腔内设有摆舌，摆舌通过挠性梁与摆环连接；其特征在于：在摆舌上设有两面贯穿的螺旋线，螺旋线以摆舌的圆心为中心向外延伸，螺旋线具有一定宽度以使螺旋线所在的镂空部位形成隔离环。

螺旋线两端间的旋绕角度在360°-720°之间。

所述摆环由同心的内环和外环构成，内环和外环之间通过连接臂连接；所述摆舌通过挠性梁与内环连接；所述安装凸台设在外环两面。

所述连接臂为两根，两连接臂位于背向挠性梁的一侧。

所述挠性梁为两根，两挠性梁经过摆舌圆心的对称中心线与两连接臂经过摆舌圆心的对称中心线重合，且垂直该对称中心线的直径将两挠性梁和两连接臂分隔在该直径的两侧。

所述挠性梁为两根，外环每面的安装凸台为三个，三个安装凸台呈等腰三角形布置，顶点处的安装凸台背向两挠性梁且顶点处的安装凸台中心与摆舌圆心的连线构成两挠性梁的对称中心线。

三个安装凸台形成的等腰三角形的底边位于与所述两挠性梁对称中心线相垂直的直径附近。

两根连接臂分别位于中间安装凸台与两侧的两安装凸台之间。

上述隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆的加工方法，步骤如下，

1）将石英玻璃棒横切成圆片；

2）通过机械研抛法将圆片加工成满足要求的加速度检测质量摆基片；

3）通过氢氟酸蚀刻工艺在加速度检测质量摆基片上最终拟形成的镂空位置对应部位蚀刻减薄至设计厚度；蚀刻掩膜采用氟硅橡胶或其他有一定弹性且能长时间浸泡在氢氟酸中不会发胀变形的保护材料；

4）采用皮秒激光，将第3）步蚀刻减薄的部位切割掉以形成需要的镂空结构；

5）采用氢氟酸蚀刻方法蚀刻出挠性梁和安装凸台，从而得到隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆。

其中第5）步蚀刻时，先只让挠性梁初步刻蚀减薄到预先设计厚度，其余部位掩膜，再只将拟形成安装凸台对应的位置掩膜，对其余部位刻蚀，其余部位蚀刻到位形成安装凸台的同时，挠性梁刚好减薄至最终厚度。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明在检测质量摆舌上采用螺线型的隔离环来释放粘接应力形成的干扰力矩，从而避免弹性恢复角产生变化，可以减小偏值误差，还能起到空气薄膜阻尼的作用。

2、本发明提出一种双环结构，使得挠性梁远离因激光焊接引起的残余热应力集中的部位，焊接热应力引起的干扰力矩对挠性梁的影响显著减小，从而提高加速度计的精度。

附图说明

图1-本发明结构示意图。

其中，1-摆环；2-安装凸台；3-摆舌；4-挠性梁；5-螺旋线；6-隔离环；7-内环；8-外环；9-连接臂。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

本发明隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆，包括摆环1，摆环1的两面分别设有安装凸台2，两面的安装凸台2数量相同且一一对应；在摆环1中心腔内设有摆舌3，摆舌3通过挠性梁4与摆环1连接；在摆舌3上设有两面贯穿的螺旋线5，螺旋线5以摆舌的圆心为中心向外延伸（这里只是表示螺旋线的中心是摆舌的圆心，并不表示螺旋线的起点是从摆舌的圆心开始的，由于力矩线圈粘接部位设置在摆舌的圆心位置处，所以螺旋线的起点要离开摆舌的圆心一定距离以便于力矩线圈与摆舌的圆心粘接），螺旋线5具有一定宽度以使螺旋线所在的镂空部位形成隔离环6。

本发明在检测质量摆舌的圆心周围设计了螺线型隔离环，其主要功能有两个：一是隔离石英挠性加速度传感器力矩线圈的粘接应力变化引起的对挠性梁的干扰力矩，二是构成空气薄膜阻尼缝。

本发明在检测质量摆舌的力矩线圈粘接部位的外围，采用螺线型的隔离环，用于释放粘接应力形成的干扰力矩，从而避免弹性恢复角产生变化，以减小偏值误差。螺线型的隔离环，还能起到空气薄膜阻尼的作用，从而不必再在检测质量摆舌圆心位置处加工空气薄膜阻尼孔，可以增大力矩线圈粘接面积，提高粘接可靠性。

螺旋线两端间的旋绕角度在360°-720°之间。螺旋角度过大，镂空部位会延伸到挠性梁附近，使隔离环与摆舌的连接部位断开，角度过小，不能完全起到对挠性梁的隔离作用，螺旋线两端间的旋绕角度在360°-720°之间能够很好地兼顾上述两点。

所述摆环1由同心的内环7和外环8构成，内环7和外环8之间通过连接臂9连接；所述摆舌3通过挠性梁4与内环7连接；所述安装凸台2设在外环8两面。

本发明这种双环结构，将安装凸台设计在外环上，使得挠性梁远离因激光焊接引起的残余热应力集中的部位，安装固连沿外环产生的焊接热应力干扰力矩，因内环的隔离作用，对挠性梁的影响显著减小。

所述连接臂9为两根，两连接臂9位于背向挠性梁4的一侧。这样可以进一步减小安装固连沿外环产生的干扰力矩对挠性梁的影响。

所述挠性梁4为两根，两挠性梁4经过摆舌圆心的对称中心线与两连接臂9经过摆舌圆心的对称中心线重合，且垂直该对称中心线的直径将两挠性梁和两连接臂分隔在该直径的两侧。这样布置两挠性梁和两连接臂位置关系，可以更好地减小安装固连沿外环产生的干扰力矩对挠性梁的影响。

所述挠性梁4为两根，外环每面的安装凸台2为三个，三个安装凸台呈等腰三角形布置，顶点处的安装凸台背向两挠性梁且顶点处的安装凸台中心与摆舌圆心的连线构成两挠性梁的对称中心线。三个安装凸台跟挠性梁的上述位置关系，可以使其中一个安装凸台能够最大程度的远离挠性梁，而另外两个安装凸台在确保安装定位基本功能的同时，也能够尽量远离挠性梁，从而可以更好地降低安装凸台安装应力产生的干扰力矩对挠性梁的影响。

三个安装凸台形成的等腰三角形的底边位于与所述两挠性梁对称中心线相垂直的直径附近。这样在降低安装凸台安装应力产生的干扰力矩对挠性梁影响的同时，三个安装凸台具有更好的安装结构。

两根连接臂分别位于中间安装凸台与两侧的两安装凸台之间。

本具体实施方式中，隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆的加工方法，包括基片加工和加速度检测质量摆结构成型加工。基片加工，采用机械加工方法生成加速度检测质量摆基片，首先将石英玻璃棒切成圆片，然后将圆片通过机械研抛法将圆片加工成满足要求的加速度检测质量摆基片。加速度检测质量摆结构成型加工，采用皮秒激光切割结合氢氟酸蚀刻技术，蚀刻掩膜采用氟硅橡胶或其他有一定弹性且能长时间浸泡在氢氟酸中不会发胀变形的保护材料。首先，通过氢氟酸蚀刻工艺在加速度检测质量摆基片上最终拟形成的镂空位置（外环和内环之间的间隙、内环与检测质量摆舌之间以及螺线型隔离环结构）对应部位蚀刻减薄至设计厚度；然后采用皮秒激光，将蚀刻减薄的部位切割掉以形成需要的镂空结构，完成加速度检测质量摆结构的外形结构加工；镂空成型加工采用先蚀刻后激光切割的好处在于,化学蚀刻无加工残余应力,而激光切割起到修边作用,可以消除化学蚀刻造成的边缘“刃口”。最后，采用氢氟酸蚀刻的方法蚀刻挠性梁和安装凸台，从而完成隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆的加工。皮秒激光加工属于“冷加工”技术，与传统的长激光“热加工”技术相比，具有热影响区小、无挂渣、无微裂纹等明显加工优势，非常适合于小尺寸结构的精细加工，特别是针对本发明的环形槽加工。采用氢氟酸腐蚀溶液湿法刻蚀挠性桥，利用氢氟酸与石英玻璃进行化学反应，达到蚀刻成型的目的。化学蚀刻具有表面质量较好的优点，且无加工残余应力，特别适用于加速度检测质量摆的精细加工。

在最后蚀刻形成挠性梁和安装凸台时，先只让挠性梁初步刻蚀减薄到预先设计厚度，其余部位掩膜，再只将拟形成安装凸台对应的位置掩膜，对其余部位刻蚀，其余部位蚀刻到位形成安装凸台的同时，挠性梁刚好减薄至最终厚度。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆，包括摆环，摆环的两面分别设有安装凸台，两面的安装凸台数量相同且一一对应；在摆环中心腔内设有摆舌，摆舌通过挠性梁与摆环连接；其特征在于：在摆舌上设有两面贯穿的螺旋线，螺旋线以摆舌的圆心为中心向外延伸，螺旋线具有一定宽度以使螺旋线所在的镂空部位形成隔离环；隔离环同时起到空气薄膜阻尼作用，从而摆舌圆心位置处无空气薄膜阻尼孔；

螺旋线两端间的旋绕角度在360°-720°之间；

所述摆环由同心的内环和外环构成，内环和外环之间通过连接臂连接；所述摆舌通过挠性梁与内环连接；所述安装凸台设在外环两面。

2.根据权利要求1所述的一种隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆，其特征在于：所述连接臂为两根，两连接臂位于背向挠性梁的一侧。

3.根据权利要求2所述的一种隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆，其特征在于：所述挠性梁为两根，两挠性梁经过摆舌圆心的对称中心线与两连接臂经过摆舌圆心的对称中心线重合，且垂直该对称中心线的直径将两挠性梁和两连接臂分隔在该直径的两侧。

4.根据权利要求1所述的一种隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆，其特征在于：所述挠性梁为两根，外环每面的安装凸台为三个，三个安装凸台呈等腰三角形布置，顶点处的安装凸台背向两挠性梁且顶点处的安装凸台中心与摆舌圆心的连线构成两挠性梁的对称中心线。

5.根据权利要求4所述的一种隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆，其特征在于：三个安装凸台形成的等腰三角形的底边位于与两根所述挠性梁对称中心线相垂直的直径附近。

6.根据权利要求4所述的一种隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆，其特征在于：两根连接臂分别位于中间安装凸台与两侧的两安装凸台之间。

7.权利要求1-6任一所述的隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆的加工方法，其特征在于，步骤如下，

1）将石英玻璃棒横切成圆片；

2）通过机械研抛法将圆片加工成满足要求的加速度检测质量摆基片；

3）通过氢氟酸蚀刻工艺在加速度检测质量摆基片上最终拟形成的镂空位置对应部位蚀刻减薄至设计厚度；蚀刻掩膜采用氟硅橡胶或其他有一定弹性且能长时间浸泡在氢氟酸中不会发胀变形的保护材料；

4）采用皮秒激光，将第3）步蚀刻减薄的部位切割掉以形成需要的镂空结构；

5）采用氢氟酸蚀刻方法蚀刻出挠性梁和安装凸台，从而得到隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆。

8.根据权利要求7所述的隔离干扰力矩的石英挠性加速度检测质量摆的加工方法，其特征在于，第5）步蚀刻时，先只让挠性梁初步刻蚀减薄到预先设计厚度，其余部位掩膜，再只将拟形成安装凸台对应的位置掩膜，对其余部位刻蚀，其余部位蚀刻到位形成安装凸台的同时，挠性梁刚好减薄至最终厚度。

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