壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器是一種基于壓電陶瓷材料的微位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用了壓電材料的逆壓電效應(yīng)，能夠在電壓作用下產(chǎn)生比例的位移和力輸出，具有體積小、能量密度高、定位精度高、分辨率高、頻響快等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于掃描探針顯微鏡、自適應(yīng)/主動光學(xué)元件、納米定位、振動控制、聲學(xué)、聲納、微流體輸送等諸多領(lǐng)域。
[0003]由于壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器同時具有位移和力特性，為了準(zhǔn)確計(jì)算其輸出隨負(fù)載的變化，必須能夠準(zhǔn)確對壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的剛度進(jìn)行測量。現(xiàn)有剛度測量方法主要通過對被測彈性元件進(jìn)行外力加載，測量引起的變形量，并根據(jù)力和變形量的比值解算彈性元件的剛度。由于壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的剛度高(約為30 N/um-100 N/um)、輸出位移小(一般小于50 um)，采用該方法設(shè)計(jì)的壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的剛度測量系統(tǒng)體積大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其應(yīng)用存在較大的局限性。
[0004]因此，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、易于制造和安裝、能夠準(zhǔn)確測量壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度的測量裝置具有重要的實(shí)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種單軸壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置，使其能測量壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的剛度特性，同時減少整個測試裝置大小，易于加工和裝配，提高其適用廣度，并且能夠保證壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器位移和力的精確測量。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明中所述壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置，包括基座、彈性框架和位移傳感器。彈性框架安裝在基座上；被測壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器固定在彈性框架內(nèi)，位移傳感器設(shè)置于能感知彈性框架位移的位置，位于基座上或彈性框架上，被測壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的力和位移的輸出方向與彈性框架頂部的運(yùn)動方向一致，在驅(qū)動電壓作用下可以推動彈性框架的頂端上下運(yùn)動，彈性框架頂端位移的通過位移傳感器進(jìn)行測量，根據(jù)其剛度和位移量即可計(jì)算出壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的剛度。
[0007]所述彈性框架為一具有預(yù)緊機(jī)構(gòu)并內(nèi)設(shè)空腔的彈性圈，包括與壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器下端緊密貼合的底端、沿垂直方向可彈性伸縮的兩側(cè)臂，以及設(shè)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)的頂端。預(yù)緊機(jī)構(gòu)下端與壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器上端面緊密貼合，其上部與彈性框架頂端沿垂直方向緊密貼合。
[0008]所述預(yù)緊機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)向支撐部和鎖緊部，導(dǎo)向支撐部的下端與壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器上端緊密貼合，導(dǎo)向支撐部的上部位于彈性框架頂端的導(dǎo)向通孔內(nèi)，通過鎖緊部施加的鎖緊力與彈性框架頂端固定。
[0009]所述彈性框架的側(cè)臂上設(shè)計(jì)有柔性鉸，當(dāng)頂端受到垂直方向作用力時，通過柔性鉸的變形使得側(cè)臂能夠產(chǎn)生沿垂直方向的彈性伸縮。
[0010]所述彈性框架的側(cè)臂是由多段柔性梁連接而成，當(dāng)頂端受到垂直方向作用力時，通過柔性梁的變形使得側(cè)臂能夠產(chǎn)生沿垂直方向的彈性伸縮。
[0011]彈性框架的結(jié)構(gòu)形式可以多樣，只需要保證其剛度接近被測壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器，能夠提供沿壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器力和位移輸出方向較好的導(dǎo)向性即可。
[0012]位移傳感器可以采用接觸式和非接觸式傳感器，采用接觸式傳感器時，可以將位移傳感器固定在基座上，使其敏感軸向與彈性框架頂部的運(yùn)動方向一致，其測頭與彈性框架的頂部在預(yù)緊力的作用下緊密接觸。
[0013]采用非接觸式傳感器也有多種選擇，例如采用激光測振儀，亦可以通過在側(cè)臂的柔性梁粘貼應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)。
[0014]本發(fā)明具有下述優(yōu)點(diǎn):
1.本裝置能夠在壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的驅(qū)動下產(chǎn)生準(zhǔn)確的單自由度平移運(yùn)動，保證壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器位移和力的精確測量。
[0015]2.本裝置無需外部力加載機(jī)構(gòu)，體積小、結(jié)構(gòu)簡單且易加工和安裝，提高了本發(fā)明的適用廣度。
[0016]3.采用柔性機(jī)構(gòu)構(gòu)成彈性框架，整體性好、易于準(zhǔn)確設(shè)計(jì)其剛度，能夠保證壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器單軸運(yùn)動位移和力的高精度測量。
【附圖說明】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
圖1為本發(fā)明中壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置的一種實(shí)施例的立體示意圖；
圖2為本發(fā)明中彈性框架的一種實(shí)施例的主視圖；
圖3為本發(fā)明中彈性框架的另一種實(shí)施例的主視圖；
圖4為本發(fā)明中壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置的另一種實(shí)施例的立體示意圖；
圖5為本發(fā)明中彈性框架的另一種實(shí)施例的立體示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合實(shí)施例和附圖具體說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu):
如圖1所示，壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置由位移傳感器1、基座2、彈性框架3組成?；?是一個類似矩形的框，位移傳感器I安裝在基座2頂部，彈性框架3安裝在基座2內(nèi)，使得其位移傳感器I的測頭與彈性框架3的頂端緊密貼合，并由鎖緊螺釘通過鎖緊螺孔7固定。彈性框架3底端固定在基座2上，其頂端中心設(shè)計(jì)有具有導(dǎo)向精度的導(dǎo)向通孔，與光軸5配合構(gòu)成導(dǎo)向支撐部。導(dǎo)向通孔的上方設(shè)計(jì)有一直徑略大的同軸螺孔，預(yù)緊螺釘可以軸向頂住導(dǎo)向通孔中的光軸實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，由于壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器4安裝時必須預(yù)緊，也就是把壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器緊緊的壓在彈性框架中，為了保證預(yù)緊力是垂直向下且均勻，所以使用了具有導(dǎo)向性的光軸5。螺釘與鎖緊螺孔6構(gòu)成預(yù)緊機(jī)構(gòu)，即通過鎖緊螺釘徑向頂住光軸，實(shí)現(xiàn)對光軸的鎖緊。
[0019]使用時，壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器4固定在彈性框架3底端，通過預(yù)緊螺釘作用使得光軸5的下端與壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器4的上端緊密貼合，產(chǎn)生向下的預(yù)緊力，并由鎖緊螺釘通過鎖緊螺孔6將光軸5與彈性框架3固定，使得壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器4的上端與彈性框架3的頂端剛性連接。
[0020]彈性框架3可以采用各種形式，如圖2所示，彈性框架3為一具有預(yù)緊機(jī)構(gòu)并內(nèi)設(shè)空腔的彈性圈，包括設(shè)計(jì)有固定孔的底端11，用于固定壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器4，還包括沿垂直方向可彈性伸縮的兩側(cè)臂10，以及設(shè)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)的頂端8。側(cè)臂10上設(shè)計(jì)有8段柔性鉸9，當(dāng)頂端8受到垂直方向作用力時，通過柔性鉸9的變形使得側(cè)臂10能夠產(chǎn)生沿垂直方向的彈性伸縮。
[0021]彈性框架3還可以是如圖3所示的結(jié)構(gòu)，側(cè)臂10包括4段柔性梁12，當(dāng)頂端8受到垂直方向作用力時，通過柔性梁12的變形使得側(cè)臂10能夠產(chǎn)生沿垂直方向的彈性伸縮。
[0022]采用圖3的彈性框架3結(jié)構(gòu)，就可以采用非接觸式位移傳感器，如圖4所示，通過在彈性框架3的側(cè)臂10的柔性梁12上粘貼應(yīng)變片13，就可以間接實(shí)現(xiàn)彈性框架頂端的位移測量，從而無需使用傳統(tǒng)的位移傳感器。這樣，基座2也就無需做成矩形框形式，結(jié)構(gòu)更簡單。
[0023]彈性框架3中的鎖緊部可以采用其他形式，如圖5所示，通過在頂端8沿水平方向切出兩槽，沿垂直方向切出一段，并從側(cè)面挖出鎖緊孔14構(gòu)成鎖緊部。
[0024]以上對本發(fā)明的原理及方法進(jìn)行了闡述，結(jié)合具體個例只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)被理解為對本發(fā)明的限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置，包括基座、彈性框架和位移傳感器，其特征在于:彈性框架安裝在基座上；被測壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器固定在彈性框架內(nèi)，位移傳感器設(shè)置于能感知彈性框架位移的位置，位于基座上或彈性框架上，被測壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的力和位移的輸出方向與彈性框架頂部的運(yùn)動方向一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置，其特征在于:所述彈性框架為一具有預(yù)緊機(jī)構(gòu)并內(nèi)設(shè)空腔的彈性圈，包括與壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器下端緊密貼合的底端、沿垂直方向可彈性伸縮的兩側(cè)臂，以及設(shè)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)的頂端；預(yù)緊機(jī)構(gòu)下端與壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器上端面緊密貼合，其上部與彈性框架頂端沿垂直方向緊密貼合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置，其特征在于:預(yù)緊機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)向支撐部和鎖緊部，導(dǎo)向支撐部的下端與壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器上端緊密貼合，導(dǎo)向支撐部的上部通過鎖緊部施加的鎖緊力與彈性框架頂端固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置，其特征在于:所述導(dǎo)向支撐部包括光軸和設(shè)置在彈性框架頂端的導(dǎo)向通孔，光軸的上部位于導(dǎo)向通孔內(nèi)，通過鎖緊部施加的鎖緊力與彈性框架頂端固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之任一項(xiàng)所述的壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置，其特征在于:所述位移傳感器固定在基座上，其敏感軸向與彈性框架頂部的運(yùn)動方向一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置，其特征在于:所述位移傳感器為接觸式傳感器，其測頭與彈性框架的頂部在預(yù)緊力的作用下緊密接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4之任一所述的壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置，其特征在于:所述彈性框架的側(cè)臂上設(shè)計(jì)有柔性鉸9，當(dāng)頂端受到垂直方向作用力時，通過柔性鉸的變形使得側(cè)臂能夠產(chǎn)生沿垂直方向的彈性伸縮。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-4之任一所述的壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置，其特征在于:所述彈性框架的側(cè)臂是由多段柔性梁連接而成，當(dāng)頂端受到垂直方向作用力時，通過柔性梁的變形使得側(cè)臂能夠產(chǎn)生沿垂直方向的彈性伸縮。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置，其特征在于:所述位移傳感器由粘貼在彈性框架側(cè)臂的柔性梁的應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量裝置，可用于壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器剛度測量。裝置包括基座、彈性框架（含預(yù)緊機(jī)構(gòu)）和位移傳感器。位移傳感器固定在基座上，使其測頭獲取彈性框架頂端在被測壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器作用下的位移；或是由直接粘貼在彈性框架柔性鉸上的應(yīng)變片傳感并解算出彈性框架頂端的位移。彈性框架采用柔性鉸鏈構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)，使用時通過預(yù)緊機(jī)構(gòu)將壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器固定在彈性框架中，保證在壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的驅(qū)動下產(chǎn)生準(zhǔn)確的單自由度平移運(yùn)動。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于制造和安裝的優(yōu)點(diǎn)，提高了本發(fā)明的適用廣度。
【IPC分類】G01M99-00
【公開號】CN104614196
【申請?zhí)枴緾N201510071706
【發(fā)明人】袁剛, 王代華
【申請人】重慶大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年2月11日