CN116907464A - 一种频率匹配式微半球谐振器及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种频率匹配式微半球谐振器及制造方法。频率匹配式微半球谐振器包括微壳体结构和刚度放大结构，所述微壳体结构包括壳体及设于所述壳体内的中空支撑柱，所述中空支撑柱的底部为平面，所述刚度放大结构设于所述壳体的外侧，所述刚度放大结构用于使微壳体结构在任意方向上增加相同的等效质量和等效刚度，所述微壳体结构和刚度放大结构采用熔融石英材料一体化制作。本发明在微壳体结构的基础上增加刚度放大结构，可以在任意方向的振型轴上同步增大等效质量和等效刚度，从而即使微壳体结构存在加工制造误差，也可以有刚度放大结构对固有频率进行调控，实现频率匹配。
Description
技术领域
本发明涉及陀螺谐振器技术领域，更具体地说，特别涉及一种频率匹配式微半球谐振器及制造方法。
背景技术
目前，主流的微半球陀螺谐振器加工方案为：首先使用高温喷灯对熔融石英片进行软化加工，然后用激光、腐蚀、化学机械研磨等方法将谐振器从熔融石英片上释放下来。基于这种方法，密歇根大学和国防科技大学先后制造了微壳、钟形、Birdbath形、变厚度PSI形、微半球等不同形状结构的谐振器。密歇根大学通常采用化学机械研磨法进行结构释放，而国防科技大学采用飞秒激光烧蚀，可以在微半球谐振器边缘加工出T形质量块和齿形质量块，增大了陀螺的驱动效率、检测效率。释放微半球谐振器后续再进行镀膜、装配等形成陀螺表头。
根据密歇根大学和国防科技大学现有的设计，微半球谐振器往往具有10hz量级的频率裂解。陀螺使用的微半球谐振器往往要采用激光烧蚀、离子束刻蚀等工艺去除材料，使结构保持平衡，将频率裂解降低。通常，速率模式的陀螺要求0.1hz量级的频率裂解，而全角模式的陀螺则对频率裂解要求更高，因此，对微半球谐振器的机械修调非常重要。
采用激光烧蚀、离子束刻蚀、化学腐蚀等方法进行机械修调的原理是对谐振器的两个固有模态进行调节，通过去除或添加材料，使两个模态的固有频率接近，即降低了频率裂解。这种加工后处理的方法不足之处在于：1、效率低。由于每个谐振器加工误差都不同，需要对每个谐振器逐个进行模态测试，确定工艺参数，修调过程往往需要多次迭代。每个样品都需要单独进行修调流程，这就制约了微半球谐振陀螺的大批量生产制造；2、损伤结构，由于机械修调需要去除一部分材料，使得结构不再完整，从而可能引入新的性能损伤，如表面质量变差、品质因数降低及电极金膜烧伤等。因此，确有必要提供一种频率匹配式微半球谐振器及制造方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种频率匹配式微半球谐振器及制造方法，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：
一种频率匹配式微半球谐振器，包括微壳体结构和刚度放大结构，所述微壳体结构包括壳体及设于所述壳体内的中空支撑柱，所述中空支撑柱的底部为平面，所述刚度放大结相同的等效质量和等效刚度，所述微壳体结构和刚度放大结构采用熔融石英材料一体化制作。
进一步地，所述微壳体结构为旋转对称的曲面壳体结构，所述刚度放大结构为平面圆环，该平面圆环一体式设于所述壳体的外侧。
进一步地，所述曲面壳体结构的曲面为任意形状曲面。
进一步地，所述刚度放大结构为平面圆环或正N边形结构，其中N为8或8的倍数。
本发明还提供一种根据上述的频率匹配式微半球谐振器的制作方法，包括以下步骤：
S1、吹制，将双面抛光的熔融石英片放置在石墨模具的上表面，通过加热使熔融石英片软化并进入石墨模具腔内，形成具有微壳体结构；
S2、释放，包括预释放、模态测试以及批量释放，所述预释放包括：取出设定数量步骤S1中吹制好的样品粘固在圆片夹具上，将圆片夹具放置在飞秒激光加工工作台上进行软件定位，每个样品分别释放出不同尺寸的刚度放大结构；所述模态测试包括对预释放的样品分别进行模态测试，得出批量释放加工参数；所述批量释放包括采用所述批量释放加工参数对步骤S1中吹制好的所有样品进行批量释放；
S3、对批量释放后的频率匹配式微半球谐振器进行清洗、退火处理。
进一步地，所述步骤S1中的石墨模具腔内通过气孔连接真空控制系统，所述真空控制系统用于使石墨模具腔内保持恒定负压。
进一步地，所述步骤S1中采用丙烷和氧气燃烧的火焰经高温喷灯加热熔融石英片表面，并通过控制丙烷和氧气的流量调节熔融石英片表面的温度。
进一步地，所述步骤S1中采用将石墨模具固定在高速旋转平台上，在加热熔融石英片表面的过程中石墨模具和熔融石英片均处于高速旋转状态。
进一步地，所述步骤S2的模态测试中若存在频率匹配则将该样品刚度放大结构尺寸确定为的批量释放加工参数，若不存在频率匹配的样品则重复预释放和模态测试的步骤。
进一步地，在重复预释放的步骤中改变刚度放大结构的尺寸使其与前一次预释放所采用的刚度放大结构尺寸不同，当前一次预释放样品刚度放大结构外径越大，频率裂解越大时，减小本次预释放刚度放大结构尺寸；当前一次预释放样品刚度放大结构外径越大，频率裂解越小时，增大本次预释放刚度放大结构尺寸。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明在微壳体结构的基础上增加刚度放大结构，可以在任意方向的振型轴上同步增大等效质量和等效刚度，从而即使微壳体结构存在加工制造误差，也可以有刚度放大结构对固有频率进行调控，实现频率匹配，本发明通过一次或多次预释放和模态测试，找到频率匹配微半球谐振器的刚度放大结构尺寸，将该刚度放大结构尺寸确定为批量释放加工参数，便可批量化制造频率匹配式微半球谐振器。
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中a是本发明频率匹配式微半球谐振器的结构示意图，b是结构剖视图。
图2是本发明中批量释放工艺示意图。
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和图2所示，本实施例公开了一种频率匹配式微半球谐振器，包括微壳体结构1和刚度放大结构2，微壳体结构包括壳体及设于壳体内的中空支撑柱3，中空支撑柱3的底部为平面，可以用于锚固，刚度放大结构设于壳体的外侧，刚度放大结构用于使微壳体结构在任意方向上增加相同的等效质量和等效刚度，微壳体结构和刚度放大结构采用熔融石英材料一体化制作。
本实施例中，所述微壳体结构1为旋转对称的曲面壳体结构(即曲面薄壁部分)，所述刚度放大结构2为平面圆环，该平面圆环一体式设于壳体的外侧，增大了微壳体结构的等效质量和等效刚度，且在任意的振型轴方向增加相同的等效质量和等效刚度，即使微壳体结构存在加工制造误差，通过增加的这部分等效质量和等效刚度可以调节谐振器的两个固有频率，实现频率匹配。
例如：当熔融石英片厚度250um，吹制后微壳体结构直径为11.7mm，其中微壳体结构曲面薄壁部分壁厚存在四次谐波。如果采用现有释放方式，在微壳体结构边缘释放出齿形质量块，则结构存在频率裂解，且频率裂解的大小与壁厚四次谐波的大小成正比，1um的四次谐波将造成15Hz的频率裂解。如果在微壳体结构边缘释放出13.1mm直径的刚度放大结构，则无论四次谐波大小都几乎不存在频率裂解，即刚度放大结构调控谐振器固有频率，实现了频率匹配。
作为优选，所述曲面壳体结构的曲面为任意形状曲面。
作为优选，所述刚度放大结构为正多边形结构，只要能在各个方向增加相同的等效质量和等效刚度即可，可以为正八边形、正十六边形等。
本发明还提供一种根据上述的频率匹配式微半球谐振器的制作方法，包括以下步骤：
步骤S1、吹制，将双面抛光的熔融石英片放置在石墨模具的上表面，通过加热使熔融石英片软化并进入石墨模具腔内，形成具有微壳体结构。
其中，石墨模具腔内通过气孔连接真空控制系统，真空控制系统用于使石墨模具腔内保持恒定负压。
本实施例采用丙烷和氧气燃烧的火焰经高温喷灯加热熔融石英片表面，并通过控制丙烷和氧气的流量调节熔融石英片表面的温度。随火焰加热，熔融石英片的温度升高至软化温度以上，在上下表面压强差的作用下，软化的熔融石英片向石墨模具腔内变形，形成三维壳体结构
本实施例采用将石墨模具固定在高速旋转平台上，在加热熔融石英片表面的过程中石墨模具和熔融石英片均处于高速旋转状态，可使熔融石英片上温度更加均匀，提升谐振结构的对称性。
本实施例在加工中为了保证谐振结构尺寸的一致性，需要严格控制火焰温度与加热时间。火焰温度的精确控制采用控制丙烷与氧气的压强和流量，气体经气瓶减压阀输出后为恒定压强，采用流量计调整其流量，以恒定的压强以及流量保证加热温度的稳定。加热时间由Z轴移动平台控制，气体流量达到设定值后，通过PLC迅速移动火焰喷灯至指定高度，对熔融石英片进行加热，加热至设定时间后，喷灯上移，降低气体流量，完成加工。
本实施例为了提高熔融石英片上温度分布的均匀性，需要优先保证旋转平台轴向跳动。加工中通过圆度跳表调整石墨模具的安装位置，使模具中心与旋转平台中心重合，以此保证加热过程中熔融石英片上温度分布的对称性。水平位移平台用于火焰中心和转轴中心的位置调整，Z轴位移平台用于火焰高度的控制。由于火焰直径和长度均较大，且火焰内部的温度是连续变化的，位移平台的±0.01mm的定位精度保证均匀一致的温度分布。
步骤S2、释放，包括预释放、模态测试以及批量释放。
其中，所述预释放包括：取出设定数量步骤S1中吹制好的样品粘固在圆片夹具4上，将圆片夹具4放置在飞秒激光加工工作台上进行软件定位，每个样品分别释放出不同尺寸的刚度放大结构，具体表现为不同样品的刚度放大结构外径尺寸呈梯度变化。
所述模态测试包括：对预释放的样品分别进行模态测试，得出批量释放加工参数，具体为：
如果其中存在频率匹配的样品，则将该样品刚度放大结构尺寸确定为的批量释放加工参数。
如果不存在频率匹配的样品，则重复预释放、模态测试。改变其中刚度放大结构的尺寸，使其与前序预释放所采用的刚度放大结构尺寸不同。其中，当前序预释放样品刚度放大结构外径D越大，频率裂解越大时，减小本次预释放刚度放大结构尺寸；当前序预释放样品刚度放大结构外径D越大，频率裂解越小时，增大本次预释放刚度放大结构尺寸。
直至预释放样品中存在频率匹配的样品，则将该样品刚度放大结构尺寸确定为的批量释放加工参数。
所述批量释放包括采用批量释放加工参数对步骤S1中吹制好的所有样品进行批量释放，即：将大量吹制好的样品粘固在圆片夹具4上，圆片夹具4放置在飞秒激光加工工作台上，进行软件定位，以模态测试中确定的批量释放加工参数，将每个样品释放出相同尺寸的刚度放大结构。
其中，释放工艺可以采用飞秒激光烧蚀加工，也可以采用纳秒激光烧蚀加工、皮秒激光烧蚀加工、湿法刻蚀、化学机械研磨、激光辅助湿法刻蚀等，只要能够满足将结构按照设计的尺寸释放下来即可。
步骤S3、对批量释放后的频率匹配式微半球谐振器进行清洗、退火处理等。
本发明的微半球谐振器不同于现有的设计，在微壳体结构的基础上多了一个刚度放大结构，可以在任意方向的振型轴上同步增大等效质量和等效刚度，从而即使微壳体结构存在加工制造误差，也可以有刚度放大结构对固有频率进行调控，实现频率匹配。
本发明提出了频率匹配式微半球谐振器的制造方法，其中步骤S1的吹制和步骤S3的后处理和现有文献资料中所采用的方案方法一致。关键点在于步骤S2释放，通过一次或多次预释放和模态测试，找到频率匹配微半球谐振器的刚度放大结构尺寸，主要体现在刚度放大结构的外径，将该刚度放大结构尺寸确定为批量释放加工参数，便可批量化制造频率匹配式微半球谐振器。
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。
Claims (10)
1.一种频率匹配式微半球谐振器，其特征在于，包括微壳体结构和刚度放大结构，所述微壳体结构包括壳体及设于所述壳体内的中空支撑柱，所述中空支撑柱的底部为平面，所述刚度放大结构设于所述壳体的外侧，所述刚度放大结构用于使微壳体结构在任意方向上增加相同的等效质量和等效刚度，所述微壳体结构和刚度放大结构采用熔融石英材料一体化制作。
2.根据权利要求1所述的频率匹配式微半球谐振器，其特征在于，所述微壳体结构为旋转对称的曲面壳体结构，所述刚度放大结构为平面圆环，该平面圆环一体式设于所述壳体的外侧。
3.根据权利要求2所述的频率匹配式微半球谐振器，其特征在于，所述曲面壳体结构的曲面为任意形状曲面。
4.根据权利要求1所述的频率匹配式微半球谐振器，其特征在于，所述刚度放大结构为平面圆环或正N边形结构，其中N为8或8的倍数。
5.一种根据权利要求1-4任意一项所述的频率匹配式微半球谐振器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、吹制，将双面抛光的熔融石英片放置在石墨模具的上表面，通过加热使熔融石英片软化并进入石墨模具腔内，形成具有微壳体结构；
S2、释放，包括预释放、模态测试以及批量释放，所述预释放包括：取出设定数量步骤S1中吹制好的样品粘固在圆片夹具上，将圆片夹具放置在飞秒激光加工工作台上进行软件定位，每个样品分别释放出不同尺寸的刚度放大结构；所述模态测试包括对预释放的样品分别进行模态测试，得出批量释放加工参数；所述批量释放包括采用所述批量释放加工参数对步骤S1中吹制好的所有样品进行批量释放；
S3、对批量释放后的频率匹配式微半球谐振器进行清洗、退火处理。
6.根据权利要求5所述的频率匹配式微半球谐振器的制作方法，其特征在于，所述步骤S1中的石墨模具腔内通过气孔连接真空控制系统，所述真空控制系统用于使石墨模具腔内保持恒定负压。
7.根据权利要求5所述的频率匹配式微半球谐振器的制作方法，其特征在于，所述步骤S1中采用丙烷和氧气燃烧的火焰经高温喷灯加热熔融石英片表面，并通过控制丙烷和氧气的流量调节熔融石英片表面的温度。
8.根据权利要求5所述的频率匹配式微半球谐振器的制作方法，其特征在于，所述步骤S1中采用将石墨模具固定在高速旋转平台上，在加热熔融石英片表面的过程中石墨模具和熔融石英片均处于高速旋转状态。
9.根据权利要求5所述的频率匹配式微半球谐振器的制作方法，其特征在于，所述步骤S2的模态测试中若存在频率匹配则将该样品刚度放大结构尺寸确定为的批量释放加工参数，若不存在频率匹配的样品则重复预释放和模态测试的步骤。
10.根据权利要求9所述的频率匹配式微半球谐振器的制作方法，其特征在于，在重复预释放的步骤中改变刚度放大结构的尺寸使其与前一次预释放所采用的刚度放大结构尺寸不同，当前一次预释放样品刚度放大结构外径越大，频率裂解越大时，减小本次预释放刚度放大结构尺寸；当前一次预释放样品刚度放大结构外径越大，频率裂解越小时，增大本次预释放刚度放大结构尺寸。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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