基于压电纤维的精密压入驱动单元的制作方法

本实用新型涉及机电一体化的精密科学仪器领域，特别涉及柔性铰链式压电纤维精密压入驱动单元。

背景技术：

纳米压/划痕技术是近年来发展起来的一种国际前沿性技术，该技术受到各国政府和研究机构的高度重视，纳米压痕/划痕技术具有样品制备比较简单，测试样品内容丰富，设备操作比较方便等优点，使用范围较广。

就纳米压/划痕技术来说，其难度主要是需要测试装置的结构小型化、高精度和良好的可控性。现有的纳米压痕仪的驱动装置主要使用压电叠堆，压电叠堆价格较贵，所以就需要有新颖的驱动方式以及巧妙的结构设计来解决此问题。

因此，结合精密检测技术、精密驱动技术进行纳米压痕/划痕装置的探索研究具有非常重要的理论意义和实用价值。设计一种结构小巧紧凑、性能可靠、精度高的驱动方式有十分重要的意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于压电纤维的精密压入驱动单元。本实用新型设计一种结构紧凑的纳米压/划痕精密压入驱动单元，实现材料的精密压入和检测，纳米压/划痕精密压入驱动单元主要由侧臂、柔性铰链、安装座，椭圆运放机构、压电纤维、位移传感器安装架、位移传感器、金刚石压头、紧定螺钉、压头连接架及压力传感器组成。通过压电纤维驱动椭圆运放机构使金刚石压头进给，完成精密压入。本实用新型是一种集驱动、检测于一体的高性能综合精密测试装置，使用压电纤维可以获得更大的位移且位移量可以控制，装置的精度更高。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现:

纳米压痕/划痕装置的精密压入驱动单元，包括侧臂(1)、柔性铰链(2)、安装座(3)，椭圆运放机构(4)、压电纤维(5)、位移传感器安装架(6)、位移传感器(7)、金刚石压头(8)、紧定螺钉(9)、压头连接架(10)及压力传感器(11)。其中侧臂(1)一侧与柔性铰链(2)相连，另一侧与椭圆运放机构(4)相连，柔性铰链(2)的另一侧是安装座(3)，压电纤维(5)粘在椭圆运放机构(4)内侧，压力传感器(11)通过螺纹连接固定在椭圆运放机构(4)上，压头连接架(10)通过螺纹与压力传感器(11)连接在一起，金刚石压头(8)通过紧定螺钉(9)与压头连接架(10)相连。位移传感器安装架(6)固定在安装座(3)上，位移传感器(7)固定在移传感器安装架(6)上。

侧臂(1)通过柔性铰链(2)与安装座(3)相连，柔性铰链(2)采用双曲线型柔性铰链，利于侧臂(1)绕柔性铰链(2)旋转。

椭圆运放机构(4)，包括上弧片、下弧片，其中上弧片程中间薄两边厚，有利于随压电纤维(5)发生形变，下弧片中间厚，两边相对较薄，中间厚有利于防止受剪切力变形，椭圆运放机构(4)的上下两弧片内侧通过黏贴压电纤维(5)作驱动装置，椭圆运放机构(4)两侧与侧臂(1)相连，椭圆运放机构(4)的下弧片与压力传感器(10)相连。

本实用新型的有益效果在于：设计新颖，结构简单、巧妙，体积小。椭圆运放机构(4)的上弧片和下弧片壁厚不同，上弧片中间薄两边厚，有利于随压电纤维(5)发生形变提供动力，下弧片中间厚，两边相对较薄，中间厚有利于防止受剪切力变形，椭圆运放机构(4)使压头Z负向进给和侧臂(1)使椭圆运放机构(4)的Z正向进给方向相反，提高了压痕的精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为椭圆运放机构上下弧片结构、柔性铰链及压电纤维位置示意图；

图3为本实用新型的压电纤维工作前后结构变形示意图；

图4为本实用新型的β角度侧臂的结构示意图；

图5为本实用新型的单次压痕工作信号；

图6为本实用新型的多次冲压压痕工作信号；

图中:1、侧臂；2、柔性铰链；3、安装座；4、椭圆运放机构；5、压电纤维；6、位移传感器安装架；7、位移传感器；8、金刚石压头；9、紧定螺钉；10、压头连接架；11、压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图3,本实用新型的纳米压痕/划痕装置的精密压入驱动单元，包括侧臂(1)、柔性铰链(2)、安装座(3)，椭圆运放机构(4)、压电纤维(5)、位移传感器安装架(6)、位移传感器(7)、金刚石压头(8)、紧定螺钉(9)、压头连接架(10)及压力传感器(11)。

通过控制压电纤维(5)，给其不同的信号可实现不同的压痕操作。当给压电纤维(5)一如图5的单脉动信号时，压电纤维(4)收缩，使椭圆运放机构(4)的曲率变大，椭圆运放机构(4)的长半轴由a1缩短为a2，短半轴由b1伸长为b2，经过计算，压力传感器(11)、压头连接架(10)、金刚石压头(8)等向Z轴负向移动h+h1，同时，侧臂(1)向中心旋转，使椭圆运放机构(4)、压电纤维(5)、压力传感器(11)、压头连接架(10)、紧定螺钉(9)及金刚石压头(8)向Z轴正向移动h1,如图3所示，因为运动方向相反，所以金刚石压头(8)向下移动h，即整个精密压入驱动单元向下的位移量为h。

如图4所示，通过采用β值不同的装置，可以在机械结构上控制金刚石压头(8)的进给量。

当给压电纤维(5)一如图6的脉动信号时，金刚石压头(8)就会对试件进行多次冲击压痕。