CN114754755B - 石英半球谐振陀螺真空排气封装用装置及排气封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石英半球谐振陀螺真空排气封装用装置及排气封装方法，装置整体至于真空腔内，其中，上加热板、下加热板及散热铜块上下依次设置；上下加热板滑动安装在多根竖向导轨上，竖向导轨下端与底座固连，散热铜块通过支架固定在固定底座上方；两加热板分别连接于两套独立的加热系统中，上加热板通过隔热垫块与真空升降台上端连接，真空升降台下端连接固定底座；上加热板上均布设有供陀螺外壳伸入的多个加热孔，上加热板上对应于加热孔的下端通过活动连接件安装有用于固定陀螺外壳的加热套筒；下加热板上设有陶瓷底盖安装孔；在散热铜块上安装有磁铁，在散热铜块上端安装有能顶起活动连接件的施力作用件。本发明实现了真空排气和封装。

Description

石英半球谐振陀螺真空排气封装用装置及排气封装方法

技术领域

本发明属于石英半球谐振陀螺生产制造技术领域，涉及石英半球谐振陀螺真空排气封装技术，特别涉及一种石英半球谐振陀螺真空排气封装用装置及排气封装方法。

背景技术

石英半球谐振陀螺是新一代的长寿命、高可靠、低功耗、轻重量的惯性敏感元件，它是一种新型惯导级固体陀螺。它具有启动准备时间短，测量精度高，输出信号噪声小，零偏及标度因数长期稳定性强等诸多优点。

在石英半球谐振陀螺的长期使用过程中，会因为腔体内器件材料的表面放气、气体渗透以及密封泄漏等原因导致真空度下降，而该型陀螺对真空环境的要求很高，在陀螺全寿命周期中内部腔体真空度要保持在

以下，真空度升高后会造成阻尼增加，从而降低陀螺性能。故陀螺密封结构、材料排气、真空设备、除气方法等相关因素是陀螺研制的要点难点。

目前传统技术方案为：壳体与底盖结构用激光焊接密封，卡口使用无氧铜气嘴，对陀螺整体进行加温实现高温排气，排气路径为无氧铜气嘴内腔，该方案缺点如下：

1.由于气嘴结构露在陀螺外侧，造成陀螺体积偏大，陀螺安装不便；

2.气嘴的特殊结构使得真空排气路径太长且截面积小，造成排气效率低下，每个陀螺需要至少14天才能满足排气要求；

3.目前谐振陀螺装配技术飞速发展，新材料应用成为主流，陶瓷材料底盖和薄膜吸气剂等技术的应用与传统排气方案有较大冲突；

4、由于陀螺内部有焊点，故陀螺整体允许的温度上限较低，严重影响排气效率。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种能实现快速排气、减小陀螺体积、可提高陀螺密封的可靠性和后期使用过程中真空保持性的石英半球谐振陀螺真空排气封装用装置及排气封装方法。

本发明的上述目的之一通过如下技术方案来实现：

一种石英半球谐振陀螺真空排气封装用装置，其特征在于：该装置适用的石英半球谐振陀螺包括陀螺外壳、电极组件和陶瓷底盖，在陀螺外壳的内壁涂覆有薄膜吸气剂，在陶瓷底盖上端与陀螺外壳下端的对应封装配合部位镀一圈金层，并在金层上表面涂覆有铟焊料；该装置整体至于一套真空系统的真空腔内，包括固定底座、多组弹性支架、散热铜块、下加热板、上加热板、多根竖向导轨、真空升降台、隔热垫块、加热套筒；

所述上加热板、下加热板及散热铜块上下依次设置；所述上加热板和下加热板均通过多个耐高温直线轴承滑动安装在多根竖向导轨上，竖向导轨的下端与底座固定连接，所述散热铜块通过支架固定在固定底座的上方；所述上加热板和下加热板分别连接于两套独立的加热系统中，在上加热板和下加热板上分别安装有测温元件；所述上加热板通过隔热垫块与真空升降台的上端连接，所述真空升降台的下端与固定底座连接；在上加热板上沿圆周方向均布设置有供陀螺外壳伸入的多个加热孔，在上加热板上对应于加热孔的下端通过活动连接件安装有用于固定陀螺外壳的加热套筒；在下加热板上对应于上加热板上每个加热孔的位置对正设置有一陶瓷底盖安装孔，四个弹性支架的下端安装到固定底座上，四个弹性支架的上端支承下加热板；在散热铜块上安装有用于吸附固定下加热板的磁铁，并在散热铜块的上端安装有能顶起所述活动连接件的施力作用件。

进一步的：所述加热套筒为法兰套筒，在加热套筒的法兰部及上加热板上对正设置有螺杆孔，且加热套筒的法兰部上的螺杆孔为上大下小的阶梯孔；所述活动连接件采用锥型活动螺钉，所述活动连接件由可实现径向弹性变形的下锥形头段和上螺纹杆段构成，下锥形头段的大端直径大于上螺纹杆段的直径；活动连接件的螺纹杆段由下至上穿过加热套筒和上加热板上的螺杆孔，所述下锥形头段的上端与加热套筒法兰部的螺杆孔的下边沿接触，在螺杆孔的上部连接有锁紧螺母，使加热套筒固定连接于加热板的下端。

更进一步的：所述施力作用件由支撑柱和横臂构成，所述支撑柱的下端与散热铜块的上端部固定连接，所述横臂水平固定安装在支撑柱的上端，在横臂上对应于活动连接件的位置设置有上大下小的锥形孔，所述锥形孔的大端孔径大于活动连接件的下部小端外径，且小于活动连接件的上部大端外径。

本发明的上述目的之二通过如下技术方案来实现：

一种石英半球谐振陀螺真空排气封装方法，其特征在于：采用上述的真空排气封装用装置，包括如下步骤：

步骤1、进行封装件的预处理：包括在陀螺外壳的内壁涂覆薄膜吸气剂，在陶瓷底盖上端封装面镀金后涂覆铟焊料；

步骤2、进行封装件的安装：将上加热板调整至处于远离下加热板的上工作位后，将预处理后的陀螺外壳固定到加热套筒内，将加热套筒安装到上加热板的下端与加热孔对应的位置；同时，将安装到一体的电极组件和陶瓷底盖放置定位于下加热板上的陶瓷底盖安装孔内；

步骤3、进行真空排气：开启真空系统，进行抽真空排气，并对上加热板和下加热板进行加热，通过两加热板上的测温元件监测对应加热板的加热温度，使加热温度均达到设计的温度值，控制加热时间，按照设定的时间完成真空排气；

步骤4、激活陀螺外壳上的薄膜吸气剂：提高上加热板的加热温度到设定温度，使陀螺外壳上的薄膜吸气剂激活；

步骤5、进行真空封装：提高下加热板的加热温度，使陶瓷底盖上的铟焊料熔化，同时使上加热板保持在设定的加热温度下，启动真空升降台，使上加热板带动陀螺外壳下行，陀螺外壳的下端与陶瓷底盖的上端接触，通过铟焊料焊接连接；

步骤6、进行真空冷却：在上加热板的作用下，下加热板进行下行运动，使下加热板下端与散热铜块接触并通过磁力吸固在散热铜块上，并同时关闭两套加热系统；在下加热板与散热铜块吸附接触的同时，在施力作用件的顶力作用下，活动连接件上行脱落与加热套筒的连接，反向启动真空升降台，使上加热板上行复位，实现上加热板与陀螺壳体的分离。

进一步的：步骤3中，上加热板的加热温度达到300℃，下加热板的加热温度达到150℃。

进一步的：步骤4中，上加热板的加热温度达到400℃。

进一步的：步骤5中，下加热板的加热温度达到170℃，上加热板的加热温度保持在300℃。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明采用敞口式排气，陀螺内部器件表面暴漏在高真空环境中，加快了材料的放气速度，排气效率高排气时间缩短为5天。

2、本发明利用铟与金的高可焊性在真空腔体内实现密封封装，实现了无气嘴式密封，减小了陀螺体积，实现了陶瓷底盖在陀螺中的应用，同时也提高了陀螺密封的可靠性。

3、本发明采用两套独立的加热系统，分别控制陀螺外壳与陶瓷底盖组件的加热温度，因陀螺腔体内部放气率最高的材料为外壳的金属材料，由于外壳与陶瓷底盖组件分开加热，外壳加热温度可以到300℃以上，提高了排气效率；

4、本发明外壳单独加热满足了薄膜吸气剂的应用，将薄膜吸气剂镀在外壳内腔，将外壳单独加热可实现吸气剂的激活，从而实现了陀螺使用过程中能长期稳定的保持真空。

5、本发明根据真空腔体设计大小，可实现批量生产。

附图说明

图1是本发明石英半球谐振陀螺真空排气封装用装置的整体结构示意图；

图2是本发明锥型活动螺钉与施力作用件配合的局部示意图；

图3是本发明上加热板和加热套筒的连接示意图（省略了连接于活动连接件上端的锁紧螺母）；

图4是本发明排气速率温度曲线图；

图5是本发明排气速率时间曲线。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。

一种石英半球谐振陀螺真空排气封装用装置，该装置适用的石英半球谐振陀螺包括陀螺外壳、电极组件和陶瓷底盖，在陀螺外壳的内壁预先涂覆有薄膜吸气剂，薄膜吸气剂可采用TiZrV、ZrCoRE、Ti和Zr等，在陶瓷底盖上端与陀螺外壳下端的对应封装配合部位镀一圈金层，并在金层上表面涂覆铟焊料。

请参见图1-3，本发明装置整体安装在专用的真空系统中，真空系统配有机械泵和分子泵，系统外罩1为玻璃材质，便于观察，腔体内真空度≤1×10^-5Pa。本装置在使用时先后经过加热真空排气及加热真空封装两个阶段，具体为：

第一阶段：加热排气

本装置有两个加热元件，分别为上加热板9和下加热板5，加热板均用紫铜加工。形成两套独立控制的加热系统，每套加热系统的加热功率450W左右，温控精度≤1℃，在上加热板和下加热板上分别安装有温度检测元件铂电阻15，分别实现上加热板加热温度及下加热板加热温度的检测。如图1所示，四个弹性支架16沿圆周方形均布，四个弹性支架的下端安装到固定底座2上，四个弹性支架的上端支承下加热板。通过调整四个弹簧支架，使下加热板保持在水平状态。弹簧支架的具体结构形式不受限制，只要能实现上下方向的弹性变形，上部具有一个与下加热板连接的端面，下部提供一个与固定底座连接的端面的结构形式均适用于本发明。在下加热板上设置安装孔，该安装孔的形状与陶瓷底盖的形状匹配，在安装孔内安装上陶瓷底盖，将电极组件定位放置于陶瓷底盖上端，与陶瓷底盖形成一体结构，通过对下加热板5的加热使得电极组件8的温度达到150℃左右，达到高温排气效果。上加热板9固定在石英玻璃材料制作的隔热垫块11上端，隔热垫块安装在真空升降台的上端，真空升降台的下端与底板固定连接，真空升降台12可以带动上加热板9上下移动。陀螺外壳10固定在加热套筒7上，加热套筒7通过活动连接件17固定在上加热板9下端，陀螺外壳的上部穿过上加热板的孔并与上加热板接触，通过对上加热板9的加热使陀螺外壳10的温度达到300℃左右，达到排气效果，排气结束后，最后将陀螺外壳10加热至400℃激活薄膜吸气剂。

上述陀螺零件的材料排气速率与温度的关系为：

q——出气速率；

q₀——常数；

E——气体出气活化能，1.3×104J/mol；

R——摩尔气体常数，8.314J/(mol·K)；

T——热力学温度，K。

根据公式计算得出273K至573K各温度值的出气速率q，并绘制出气率温度曲线，如图4所示。

材料的出气速率与时间的关系为：

q——出气速率；

q₁——常数；

t——时间，s。

第二阶段：加热封装（也称陀螺密封卡口），并冷却

见图1，陀螺外壳10与电极组件8通过四根光轴13和八个耐高温直线轴承14对齐，具体的，四根光轴为竖直轴并沿圆周方向均布设置，四根光轴的下端与底板固定连接，在上加热板和下加热板上一一对正设置四个轴承孔，每个轴承孔内安装一耐高温直线轴承，四根光轴分别穿过上下对正的四组耐高温直线轴承。四个光轴与直线轴承的配合形成竖向导向配合结构，保证了两加热板在上下移动过程中相对位置保持不变，进而保证了陀螺外壳、电极组件和陶瓷底盖三者封装位置的准确性。

在排气并激活吸气剂后，将下加热板5加热，使陶瓷底盖6上的铟焊料熔化，同时加热上加热板9，使陀螺外壳10温度稳定在300℃，启动真空升降台12，带动陀螺外壳、加热套筒及上加热板同步下行，使陀螺外壳10的下端面与陶瓷底盖6上的熔融铟焊料接触，真空升降台12继续下降，压缩四个弹性支架16，将下加热板5与散热铜块4接触，所述散热铜块通过支架3固定在固定底座的上方，散热铜块4上有永磁铁结构，可使下加热板5与其贴紧固定，同时关闭加热系统，此方案设计可使陀螺组件迅速降温。

另外，由于上加热板9热容量很大，若上加热板9与陀螺外壳10一直保持连接会造成陀螺组件降温缓慢甚至继续升温，造成陀螺内部焊点熔化，见图2，本发明设计一套机械机构使得上加热板9在将陀螺外壳10贴紧电极组件8并将下加热板5压到散热铜块4后，可与陀螺外壳10连同加热套筒7脱离，上加热板9通过真空升降台12升高，避免对陀螺组件进行持续加热。见图2，活动连接件17随着陀螺外壳10下降到设定高度会接触到固定在下加热板上的施力作用件，活动连接件17的锥面接触到施力作用件的锥孔后，会收缩进入上加热板的螺杆孔中，此刻加热套筒7与上加热板9脱离连接，待将下加热板5贴紧散热铜块4后，上加热板9便可以升起，最后完成陀螺密封卡口。

上述活动连接件和施力作用件的具体结构和安装如下：

上述加热套筒为法兰套筒，在加热套筒的法兰部及上加热板上对正设置有螺杆孔（为光孔），且加热套筒的法兰部上的螺杆孔为上大下小的阶梯孔。所述活动连接件采用锥型活动螺钉，所述活动连接件由可实现径向弹性变形的下锥形头段（为在锥形套的侧壁上开槽的结构形式）和上螺纹杆段构成，下锥形头段的大端直径稍大于上螺纹杆段的直径。活动连接件的螺纹杆段由下至上穿过加热套筒和上加热板上的螺杆孔，所述下锥形头段的上端与加热套筒法兰部的螺杆孔的下边沿接触（实现轴向限位），在螺杆孔的上部连接有锁紧螺母，使加热套筒固定连接有上加热板的下端。

所述施力作用件由支撑柱19和横臂18构成，所述支撑柱的下端与散热铜块的上端部固定连接，所述横臂水平固定安装在支撑柱的上端，在横臂上对应于活动连接件的位置设置有上大下小的锥形孔，所述锥形孔的大端孔径大于活动连接件的下部小端外径，且小于活动连接件的上部大端端外径。

活动连接件和施力作用件采用上述结构，在上加热板和下加热板同步下行过程中，活动连接件的下锥形头段插至横臂上的锥形孔内，在产生径向弹性收缩的同时，在施力作用件的顶压作用下，活动连接件上移，脱离与加热套筒的轴向限位约束。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种石英半球谐振陀螺真空排气封装用装置，其特征在于：该装置适用的石英半球谐振陀螺包括陀螺外壳、电极组件和陶瓷底盖，在陀螺外壳的内壁涂覆有薄膜吸气剂，在陶瓷底盖上端与陀螺外壳下端的对应封装配合部位镀一圈金层，并在金层上表面涂覆有铟焊料；该装置整体至于一套真空系统的真空腔内，包括固定底座、多组弹性支架、散热铜块、下加热板、上加热板、多根竖向导轨、真空升降台、隔热垫块、加热套筒；

所述上加热板、下加热板及散热铜块上下依次设置；所述上加热板和下加热板均通过多个耐高温直线轴承滑动安装在多根竖向导轨上，竖向导轨的下端与底座固定连接，所述散热铜块通过支架固定在固定底座的上方；所述上加热板和下加热板分别连接于两套独立的加热系统中，在上加热板和下加热板上分别安装有测温元件；所述上加热板通过隔热垫块与真空升降台的上端连接，所述真空升降台的下端与固定底座连接；在上加热板上沿圆周方向均布设置有供陀螺外壳伸入的多个加热孔，在上加热板上对应于加热孔的下端通过活动连接件安装有用于固定陀螺外壳的加热套筒；在下加热板上对应于上加热板上每个加热孔的位置对正设置有一陶瓷底盖安装孔，四个弹性支架的下端安装到固定底座上，四个弹性支架的上端支承下加热板；在散热铜块上安装有用于吸附固定下加热板的磁铁，并在散热铜块的上端安装有能顶起所述活动连接件的施力作用件；

所述加热套筒为法兰套筒，在加热套筒的法兰部及上加热板上对正设置有螺杆孔，且加热套筒的法兰部上的螺杆孔为上大下小的阶梯孔；所述活动连接件采用锥型活动螺钉，所述活动连接件由可实现径向弹性变形的下锥形头段和上螺纹杆段构成，下锥形头段的大端直径大于上螺纹杆段的直径；活动连接件的螺纹杆段由下至上穿过加热套筒和上加热板上的螺杆孔，所述下锥形头段的上端与加热套筒法兰部的螺杆孔的下边沿接触，在螺杆孔的上部连接有锁紧螺母，使加热套筒固定连接于加热板的下端；

所述施力作用件由支撑柱和横臂构成，所述支撑柱的下端与散热铜块的上端部固定连接，所述横臂水平固定安装在支撑柱的上端，在横臂上对应于活动连接件的位置设置有上大下小的锥形孔，所述锥形孔的大端孔径大于活动连接件的下部小端外径，且小于活动连接件的上部大端外径。

2.一种基于权利要求1所述的石英半球谐振陀螺真空排气封装用装置的真空排气封装方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、进行封装件的预处理：包括在陀螺外壳的内壁涂覆薄膜吸气剂，在陶瓷底盖上端封装面镀金后涂覆铟焊料；

步骤2、进行封装件的安装：将上加热板调整至处于远离下加热板的上工作位后，将预处理后的陀螺外壳固定到加热套筒内，将加热套筒安装到上加热板的下端与加热孔对应的位置；同时，将安装到一体的电极组件和陶瓷底盖放置定位于下加热板上的陶瓷底盖安装孔内；

步骤3、进行真空排气：开启真空系统，进行抽真空排气，并对上加热板和下加热板进行加热，通过两加热板上的测温元件监测对应加热板的加热温度，使加热温度均达到设计的温度值，控制加热时间，按照设定的时间完成真空排气；

步骤4、激活陀螺外壳上的薄膜吸气剂：提高上加热板的加热温度到设定温度，使陀螺外壳上的薄膜吸气剂激活；

步骤5、进行真空封装：提高下加热板的加热温度，使陶瓷底盖上的铟焊料熔化，同时使上加热板保持在设定的加热温度下，启动真空升降台，使上加热板带动陀螺外壳下行，陀螺外壳的下端与陶瓷底盖的上端接触，通过铟焊料焊接连接；

步骤6、进行真空冷却：在上加热板的作用下，下加热板进行下行运动，使下加热板下端与散热铜块接触并通过磁力吸固在散热铜块上，并同时关闭两套加热系统；在下加热板与散热铜块吸附接触的同时，在施力作用件的顶力作用下，活动连接件上行脱落与加热套筒的连接，反向启动真空升降台，使上加热板上行复位，实现上加热板与陀螺壳体的分离。

3.根据权利要求2所述的石英半球谐振陀螺真空排气封装用装置的真空排气封装方法，其特征在于：步骤3中，上加热板的加热温度达到300℃，下加热板的加热温度达到150℃。

4.根据权利要求2所述的石英半球谐振陀螺真空排气封装用装置的真空排气封装方法，其特征在于：步骤4中，上加热板的加热温度达到400℃。

5.根据权利要求2所述的石英半球谐振陀螺真空排气封装用装置的真空排气封装方法，其特征在于：步骤5中，下加热板的加热温度达到170℃，上加热板的加热温度保持在300℃。

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