[发明专利]一种微壳体振动陀螺谐振结构加工方法及成型模具

说明书

本发明属于微壳体振动陀螺谐振结构加工领域，具体是涉及到一种微壳体振动陀螺谐振结构加工方法，包括如下步骤：S1、将基材置于成型空腔之上，基材上呈圆形阵列排布的n个配合孔与成型空腔上呈环形阵列排布的n个定位销一一配合，其中，n等于8的倍数；S2、将基材加热设定时间，同时对所述成型空腔抽真空；S3、取出未完全成型的基材，将基材旋转360°/n，再次将基材置于成型空腔之上，且n个配合孔和n个定位销一一配合；S4、重复S2和S3共n次，得到微壳体曲面结构，采用本发明所提供的方法制得的微壳体曲面结构，采用分步骤吹制加工，实现低阶谐波误差的倍频转化，可将4次谐波误差转化为幅值更小的高阶谐波分量，有效减小陀螺的频率裂解。

技术领域

本发明属于微壳体振动陀螺谐振结构加工领域，具体是涉及到一种微壳体振动陀螺谐振结构加工方法及成型模具。

背景技术

陀螺仪是检测载体平台相对于惯性空间旋转角速度或角度的传感器，是惯性导航与姿态测量系统的核心器件之一，在无人平台、机器人、工业探测、武器装备等领域具有非常重要的应用价值。随着上述应用平台的微小型化发展，对具有体积小、功耗低、成本低等优点的高性能微机电陀螺提出了迫切需求。微壳体振动陀螺是在传统大半球陀螺的基础上发展形成，采用三维成形工艺制造，可基于高品质的熔融石英材料加工。因而，微壳体振动陀螺品质因数可达百万量级，是导航级微机电陀螺的理想方案之一。

微壳体振动陀螺本质上是一种固体波动式微机械振动陀螺，基于哥氏力效应检测角速度的输入。微壳体振动陀螺工作在模态匹配状态，其驱动模态(如图1所示)与检测模态(如图2所示)均为n＝2“酒杯状”模态，两个模态相同且振型轴正交。陀螺工作时，驱动电极施加固定频率的正弦电压，激励谐振结构工作在驱动模态即主模态；当有外界角速度输入时，在驱动模态相隔45°方向上会激励出检测模态，通过解调检测模态振幅的大小即可计算出输入角速度大小。根据模态匹配振动陀螺的基本理论，微壳体振动陀螺的频率裂解(即驱动模态与检测模态的频率差值)会降低陀螺的灵敏度，从而极大地制约陀螺性能提升，在闭环工作模式下陀螺的灵敏度表达式为式(1)；

其中，ω_x、ω_y分别表示驱动与检测模态谐振频率，Q_x、Q_y分别表示驱动与检测模态品质因数，Ag为角度增益，F_x为陀螺驱动力，M_eff为陀螺等效质量。

由此可见，当驱动模态与检测模态谐振频率完全匹配时，陀螺具有最大机械灵敏度；而当存在频率裂解时，陀螺的灵敏度将显著降低。已有报道资料表明(《固体波动陀螺》等著作、论文)，壳体振动陀螺结构的4次谐波误差是导致陀螺产生频率裂解的主导因素。因此，要减小陀螺的初始频率裂解，关键是要抑制微壳体曲面结构的4次谐波误差。

熔融石英微壳体振动陀螺可采用高温软化成形方法(如图3所示)加工，具有加工时间短、效率高、可操作性强等特点。熔融石英微壳体振动陀螺制造的巨大挑战是，难以加工高对称的微壳体曲面结构，曲面结构的不对称将导致陀螺产生频率裂解对于传统半球谐振陀螺，为了抑制半球曲面壳体结构的频率裂解，主要是在微曲面结构加工完成之后采用精密机械修调的方法，通过质量平衡的手段来实现模态匹配。但由于微壳体振动陀螺结构尺寸显著减小，微壳体振动陀螺频率修调方法较为复杂，修调效率较低。