CN113532476B - 一种圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置及方法。装置的角度辅助支架可横向移动的安装在真空腔体上，底部安装架可竖向移动的安装在角度辅助支架上，电机安装台可竖向移动且可转动的安装在底部安装架上，自转电机固定安装在电机安装台的下端面，谐振子安装座设于电机安装台的上端面且与自转电机的转轴连接，圆柱谐振子安装于谐振子安装座上，支撑架安装在电机安装台的上表面，溅射屏蔽罩可移动的安装在支撑架上，光阑通过光阑压板定位在溅射屏蔽罩上的卡槽内，角度调节杆的下端安装在底部安装架上，角度调节杆的上端与溅射屏蔽罩的侧面连接。本发明能实现谐振子材料的原子级去除，大幅提高对谐振子不平衡质量去除的精度和可控性。
Description
技术领域
本发明涉及振动陀螺技术领域，更具体地说，特别涉及一种圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置及方法。
背景技术
圆柱壳体振动陀螺是一种基于布莱恩效应的固态陀螺仪，主要由圆柱谐振子、电极盘和陀螺控制电路组成，具有寿命长、免维护、体积小、成本低等优点，在中高精度惯性领域具有广阔的应用前景。直径10-40mm的圆柱谐振子通常由精密数控车床加工而成。但即使采用多轴数控加工中心，实际加工出来的谐振子仍会存在数微米的圆度和同轴度误差。谐振子的圆度和同轴度误差会导致谐振子的质心偏离理想位置，导致振动的能量通过支撑柱向外界传递，增加了谐振子的能量损耗，降低了谐振子的有效品质因数。此外，谐振子质心的偏离还会导致能量耗散的各向异性，使得品质因数的不均匀性增大。在谐振子的不同方位进行稳幅控制时，品质因数的不均匀性会导致所需的控制力各不相同。这大大增加了陀螺稳幅控制回路的复杂性，提高了对稳幅控制回路的响应速度的要求。同时，谐振子复杂的三维结构常常会导致谐振子表面存在不同程度的微裂纹和局部损伤等加工缺陷。加工缺陷的存在会导致谐振子原本的单一工作模态分裂成两个互成45度的简并模态。两个简并模态具有不同的谐振频率，其差值为频率裂解。频率裂解直接决定了谐振子驻波的控制精度，会使陀螺输出信号中存在误差，严重影响陀螺整体精度和性能。而要实现中高精度的圆柱谐振陀螺，通常要求谐振子的频率裂解低于0.01Hz。
谐振子的圆度误差、同轴度误差和加工缺陷通常采用等价不平衡质量来描述，即将这些误差和缺陷等价为沿圆周方向的质量分布。目前，对于谐振子的不平衡质量的修调方法有机械修调、化学修调和激光修调三种。传统的机械修调方法采用机械研磨、钻孔等方法在谐振子唇沿的局部位置去除一定质量，机械修调虽然方法简单、成本较低，但是修调精度不高，并且在研磨和钻孔过程中易产生二次损伤，导致谐振子品质因数的下降。化学修调虽然不会对谐振子产生二次损伤，但是由于化学刻蚀溶液的不稳定性导致化学修调的精度和重复性较差，难以实现对谐振子不平衡质量的精密修调。激光修调具有很高的质量去除精度和良好的重复性，但是聚焦的激光光斑直径通常只有1毫米左右，无法实现对谐振子不平衡质量的大范围连续去除。另外激光修调过程中的热效应会使谐振子产生显著的热应力，导致谐振子应力的局部集中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置及方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置，包括光阑压板、圆柱谐振子、角度调节杆、电机安装台、底部安装架、角度辅助支架、自转电机、谐振子安装座、支撑架、溅射屏蔽罩和光阑，所述角度辅助支架可横向移动的安装在一真空腔体上，所述底部安装架可竖向移动的安装在所述角度辅助支架上，所述电机安装台可竖向移动且可转动的安装在所述底部安装架上，所述自转电机固定安装在所述电机安装台的下端面，所述谐振子安装座设于所述电机安装台的上端面且与自转电机的转轴连接，所述圆柱谐振子安装于谐振子安装座上，所述支撑架安装在电机安装台的上表面，所述溅射屏蔽罩可移动的安装在支撑架上，所述光阑通过光阑压板定位在溅射屏蔽罩上的卡槽内，所述角度调节杆的下端安装在底部安装架上，所述角度调节杆的上端与溅射屏蔽罩的侧面连接。
进一步地，所述角度辅助支架上设有横向的第一滑槽。
进一步地，所述底部安装架上设有竖向的长槽，且底部安装架的上端设有多个横向布置的第一安装孔，所述底部安装架的两侧杆内侧均设有多个均匀布置的第二安装孔，所述电机安装台通过侧面的固定轴安装在第二安装孔内。
进一步地，所述支撑架的上端设有多个第三安装孔，所述溅射屏蔽罩的外侧设有多个第四安装孔，紧固件通过第四安装孔安装在第三安装孔内。
进一步地，所述角度调节杆的下端设有多个第五安装孔，所述角度调节杆的上端设有第二滑槽，所述第五安装孔通过转轴安装在其中一组第二安装孔内，所述第二滑槽通过紧固件安装在其中一个第四安装孔内。
进一步地，所述角度辅助支架和角度调节杆共同用于调整圆柱谐振子与离子束流的夹角，且夹角为30°-45°。
进一步地，所述谐振子安装座的中轴线与所述光阑的中心共面。
进一步地，所述谐振子安装座与圆柱谐振子的材料相同。
进一步地，所述自转电机采用上位机控制。
本发明还提供一种圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置的方法，包括以下步骤，
S1：将圆柱谐振子安装在所述谐振子安装座上，并使圆柱谐振子的低频轴线与所述溅射屏蔽罩的凹槽面垂直；
S2：调整所述角度调节杆使得圆柱谐振子与离子束的夹角达到设定值；
S3：将所述光阑安装到所述溅射屏蔽罩的卡槽中并用光阑压板固定光阑，使光阑通孔完全对准于圆柱谐振子侧壁上；
S4：采用离子束对圆柱谐振子表面进行清洗和预溅射；
S5：根据圆柱谐振子的不平衡质量值，设置离子源的刻蚀参数和修调参数，启动离子源，通过所述自转电机带动圆柱谐振子旋转，去除特定质量以降低不平衡质量值；
S6：重复步骤S1-S5，直到圆柱谐振子的不平衡质量低于设定值。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明能够实现谐振子材料的原子级去除，比化学修调、激光修调等方法具有更高的修调精度，大幅提高了对谐振子不平衡质量去除的精度和可控性。
2、本发明不会对谐振子产生损伤，实现了谐振子不平衡质量的无损修调，同时能够实现谐振子与离子束夹角的多级调节，可以依据谐振子残余的不平衡质量值来调整离子束刻蚀角度，提高了不平衡质量刻蚀时的可控性。
3、本发明可以实现大范围的不平衡质量修调，能够减小修调的耦合误差。
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，下面描述中的附图仅仅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是本发明中的圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置示意图。
图2是本发明中的圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调模组示意图。
图3是本发明中的圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调模组的构成图。
图4是本发明中的离子束刻蚀区域示意图。
图中：101-离子源；102-栅网；103-离子束修调模组；301-光阑压板；302-圆柱谐振子；303-角度调节杆；304-电机安装台；305-底部安装架；306-角度辅助支架；307-自转电机；308-谐振子安装座；309-支撑架；310-溅射屏蔽罩；311-光阑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1-图3所示，本实施例公开了一种圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置，包括光阑压板301、圆柱谐振子302、角度调节杆303、电机安装台304、底部安装架305、角度辅助支架306、自转电机307、谐振子安装座308、支撑架309、溅射屏蔽罩310和光阑311。
所述的角度辅助支架306可横向移动的安装在一真空腔体上，角度辅助支架306上设有横向的第一滑槽，第一滑槽用于调整角度辅助支架306的横向安装位置，通过选择的第一滑槽中央位置使得角度辅助支架306与离子源101对准。
所述的底部安装架305可竖向移动的安装在所述的角度辅助支架306上，在底部安装架305上设有竖向的长槽，且角度辅助支架306的上端设有多个横向布置的第一安装孔，底部安装架305的两侧杆内侧均设有多个均匀布置的第二安装孔，且通过设置底部安装架305上不同的第二安装孔，可以调整谐振子302与离子源101的距离，设置长槽的安装位置为3厘米，并根据底部安装架305的横向尺寸，设置角度辅助支架306最外侧的第一安装孔。
所述的电机安装台304可竖向移动且可转动的安装在底部安装架305上，具体的，电机安装台304通过侧面的固定轴安装在底部安装架305的第二安装孔内，调整底部安装架305和角度辅助支架306安装位置，保证底部安装架305的中面与离子源101的中面共面。
通过调整电机安装台304和底部安装架305的安装位置，使得谐振子位于离子束的第一焦点位置，根据本实施例中使用的离子源、栅网参数和常用的离子源控制参数，离子束流的第一焦点位置为18-22cm之间。因此，设置底部安装架305的第八安装孔固定电机安装台304。
所述的自转电机307固定安装在所述电机安装台304的下端面，精密调整自转电机307的安装位置，使得自转电机307的转轴的轴线位于离子束流中面内。
所述谐振子安装座308设于所述电机安装台304的上端面且与自转电机307的转轴连接，并细微调整谐振子安装座308的位置，保证谐振子安装座308不发生倾斜。
所述圆柱谐振子302安装于谐振子安装座308上，适当锁紧谐振子安装座308，使谐振子不发生晃动，并旋转谐振子360度，观察谐振子在旋转过程中是否存在摆动。若圆柱谐振子302存在摆动，则需要增加谐振子的安装深度。
支撑架309固定在电机安装台304的上表面，安装时保证支撑架309的侧面与离子束流中面平行。角度调节杆303的下端安装在底部安装架305上，通过选择底部安装架309上的安装孔来调整刻蚀角度。角度调节杆303的上部与溅射屏蔽罩310的侧面连接，通过设置角度调节杆303上滑槽的不同位置来调整刻蚀角度，本实施例通过调整角度调节杆303和支撑架309，使得刻蚀角度设置为45度。
所述溅射屏蔽罩310可移动的安装在支撑架309上，所述光阑311通过光阑压板301定位在溅射屏蔽罩310上的凹槽内。
具体的，在支撑架309的上端设有多个第三安装孔，所述溅射屏蔽罩310的外侧设有多个第四安装孔，紧固件通过第四安装孔安装在第三安装孔内。
具体的，在角度调节杆303的下端设有多个第五安装孔，所述角度调节杆303的上端设有第二滑槽，所述第五安装孔通过转轴安装在其中一组第二安装孔内，所述第二滑槽通过紧固件安装在其中一个第四安装孔内。
作为优选，所述的角度辅助支架306和角度调节杆303共同用于调整圆柱谐振子302与离子束流的夹角，且夹角为30°-45°。
作为优选，所述的谐振子安装座308的中轴线与所述光阑311的中心共面。
作为优选，所述的谐振子安装座308与圆柱谐振子302的材料相同。
作为优选，所述的自转电机307为精密电机，自转电机307采用上位机控制，用于控制谐振子的角度位置。
上述整套装置安装于真空腔体内，工作时的真空度通常低于0.001Pa。
所述离子源101为射频型离子源，工作气体为氩气，氩离子在栅网102的加速下获得能量，形成离子束流，离子源工作时采用循环冷却水对离子源进行冷却以保证离子发射的稳定性和重复性。
优选地，所述的光阑311由陶瓷材料制成，以减少离子束刻蚀过程中光阑材料的溅射，光阑与谐振子的距离一般为2毫米，光阑311可以更换不同孔径的光阑用于改变谐振子上的离子束刻蚀区域的大小。
本发明还提供一种上述的圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置的方法，包括以下步骤：
S1：安装谐振子，将圆柱谐振子可靠地安装在所述谐振子安装座上，检查谐振子是否存在晃动和摇摆，在上位机中输入一定旋转角度，旋转谐振子使圆柱谐振子的低频轴线与所述溅射屏蔽罩凹槽面垂直，并使两者的偏差角度低于0.1度。
S2：设置离子束刻蚀角度，调整角度调节杆，设置支撑架和底部安装架的安装孔位，使圆柱谐振子中轴线与离子束流中轴线的夹角为45度；
S3：安装光阑，根据谐振子的尺寸，选择合适的光阑孔径，将所述光阑安装到所述溅射屏蔽罩的凹槽中，用所述光阑压板固定所述光阑，并使所述光阑通孔完全对准谐振子侧壁；本实施例中，谐振子的外径为15mm，故使用的光阑孔径为4mm；
S4：表面预溅射，通过上位机设置自转电机以5°/s的速度顺时针自转3600°，设置离子源的束电压为300V，束电流为40mA，溅射时间为12min。再通过上位机设置自转电机以5°/s的速度逆时针自转3600°，设置离子源的束电压为300V，束电流为40mA，溅射时间为12min。
S5：不平衡质量的离子束修调，根据谐振子的不平衡质量值，设置离子源刻蚀参数和修调时间，启动离子源，通过所述自转电机带动谐振子旋转，去除特定质量以降低不平衡质量值。本实施例中，圆柱谐振子初始的不平衡质量为37μg，离子源的束电压为1500V，束电流为80mA，修调时间为5.2min，修调算法为常用的多区分布修调算法。完成修调参数的设定后，启动离子源，启动自转电机开始不平衡质量的修调。完成修调后，重新测量谐振子的不平衡质量值和低频轴的分布方位。在本实施例中，经过修调后的圆柱谐振子的不平衡质量为13μg，低频轴分布方位为26.2度。
S6：重复步骤S1-S5，直到谐振子的不平衡质量低于1μg。
如图4所示，示出了本发明实施例提供的圆柱谐振子离子刻蚀作用示意图，本实施例中圆柱谐振子的离子刻蚀位置位于圆柱谐振子侧壁，刻蚀形貌呈近似圆形，刻蚀的纵向深度分布呈近似高斯形，离子刻蚀的深度由刻蚀的参数和刻蚀的时间共同决定，通常为几纳米到几百纳米之间。离子刻蚀的区域完全覆盖圆柱谐振子的侧壁，能够实现对圆柱谐振子不平衡质量的全频带修调，减小修调的耦合误差。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。不同尺寸和材料的圆柱谐振子，都适用本发明中所提出的装置及方法。
Claims (7)
1.一种圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置，其特征在于：包括光阑压板、圆柱谐振子、角度调节杆、电机安装台、底部安装架、角度辅助支架、自转电机、谐振子安装座、支撑架、溅射屏蔽罩和光阑，所述角度辅助支架可横向移动的安装在一真空腔体上，所述底部安装架可竖向移动的安装在所述角度辅助支架上，所述电机安装台可竖向移动且可转动的安装在所述底部安装架上，所述自转电机固定安装在所述电机安装台的下端面，所述谐振子安装座设于所述电机安装台的上端面且与自转电机的转轴连接，所述圆柱谐振子安装于谐振子安装座上，所述支撑架安装在电机安装台的上表面，所述溅射屏蔽罩可移动的安装在支撑架上，所述光阑通过光阑压板定位在溅射屏蔽罩上的卡槽内，所述角度调节杆的下端安装在底部安装架上，所述角度调节杆的上端与溅射屏蔽罩的侧面连接；
所述底部安装架上设有竖向的长槽，且底部安装架的上端设有多个横向布置的第一安装孔，所述底部安装架的两侧杆内侧均设有多个均匀布置的第二安装孔，所述电机安装台通过侧面的固定轴安装在第二安装孔内；
所述角度调节杆的下端设有多个第五安装孔，所述角度调节杆的上端设有第二滑槽，所述第五安装孔通过转轴安装在其中一组第二安装孔内，所述第二滑槽通过紧固件安装在其中一个第四安装孔内；
所述支撑架的上端设有多个第三安装孔，所述溅射屏蔽罩的外侧设有多个第四安装孔，紧固件通过第四安装孔安装在第三安装孔内。
2.根据权利要求1所述的圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置，其特征在于：所述角度辅助支架上设有横向的第一滑槽。
3.根据权利要求1所述的圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置，其特征在于：所述角度辅助支架和角度调节杆共同用于调整圆柱谐振子与离子束流的夹角，且夹角为30°-45°。
4.根据权利要求1所述的圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置，其特征在于：所述谐振子安装座的中轴线与所述光阑的中心共面。
5.根据权利要求1所述的圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置，其特征在于：所述谐振子安装座与圆柱谐振子的材料相同。
6.根据权利要求1所述的圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置，其特征在于：所述自转电机采用上位机控制。
7.一种使用如权利要求1-6任意一项所述的圆柱谐振子不平衡质量的离子束修调装置的方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：将圆柱谐振子安装在所述谐振子安装座上，并使圆柱谐振子的低频轴线与所述溅射屏蔽罩的凹槽面垂直；
S2：调整所述角度调节杆使得圆柱谐振子与离子束的夹角达到设定值；
S3：将所述光阑安装到所述溅射屏蔽罩的卡槽中并用光阑压板固定光阑，使光阑通孔完全对准于圆柱谐振子侧壁上；
S4：采用离子束对圆柱谐振子表面进行清洗和预溅射；
S5：根据圆柱谐振子的不平衡质量值，设置离子源的刻蚀参数和修调参数，启动离子源，通过所述自转电机带动圆柱谐振子旋转，去除特定质量以降低不平衡质量值；
S6：重复步骤S1-S5，直到圆柱谐振子的不平衡质量低于设定值。
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