CN101738349B - 用于测量材料的机械性能的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量材料的机械性能的装置和方法，其中使用具有预定几何结构的压头(14)；用于产生力的装置(28)，所述装置使得压头(14)可刺入测量物体(26)的材料样本表面中；以及用于测量刺入深度的装置(24)，其中，压头(14)具有至少一个微机械运动致动器(31)，所述微机械运动致动器(31)设置在力施加部分(19)与轴(21)之间，用于产生力的装置(28)作用在所述力施加部分上，所述轴具有面向测量物体(26)的材料表面的压尖(22)，借助于所述微机械运动致动器，轴(21)相对于压头(14)的力吸收部分(19)的至少一个径向偏移能够被起动或探测。

Description

用于测量材料的机械性能的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量材料的机械性能的装置和方法，其中使用具有预定几何结构的压头、用于产生可使压头刺入材料样本表面的力的装置以及用于测量刺入深度的装置。

背景技术

用于测量材料的机械性能的这种类型的装置和方法已从DE102006052153A1公知。在该文献中，用于产生力的装置和用于测量刺入深度的装置被设计成以第一和第二梳状驱动致动器的形式提供，所述梳状驱动致动器具有两个梳型电极，所述电极分别设有多个梳齿，所述梳齿以这种方式彼此平行地设置，使得两个梳型电极的梳齿根据施加到其上的电压部分地重叠。这旨在能够增大力产生的分辨率和刺入深度测量的分辨率，此外，这对不同类型的样本材料不敏感。在该装置中，第一梳状驱动致动器和侧面梳状驱动致动器以这种方式设置和对齐，使得可移动的梳齿与其方位平行的运动将使得压头在与材料表面垂直的方向上运动。另一梳状驱动致动器作为横向梳状驱动致动器提供并以这种方式定向，使得压头可横过于材料表面移位。这种类型的装置的组装和结构非常复杂，而且昂贵。同时，侧面梳状驱动致动器和横向梳状驱动致动器可在材料的机械性能的测量过程中相互影响，这不利地影响测量的精度。

由DE10320725A1公知的微机械运动传感器能够探测输入到可振荡地安装的杆式弹簧元件的偏移，所述杆式弹簧元件通过施加了周期性驱动电压的静电振荡驱动器被激励成持久的周期振荡。另外，具有两个量测轴的转速传感器公知于DE102006052522A1，其与DE10320725A1的微机械梳状驱动致动器类似地探测径向偏移。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于测量材料的机械性能的装置和方法，所述装置和方法在布局和结构方面均简单，且可在确定材料的机械性能中提高测量精度。

根据本发明，上述目的通过一种装置实现，其中，压头具有至少一个微机械运动致动器，所述微机械运动致动器设置在压头的力施加部分与压头的轴之间，用于产生力的装置作用于所述力施加部分处，借助于所述微机械运动致动器，轴相对于压头的力吸收部分的至少一个径向偏移能够被起动或探测。该组件具有的优点在于，在轴刺入材料表面的过程中或在轴刺入材料表面之后，轴可借助于微机械运动致动器转动地被驱动，施加转动所需的力是可探测的，或相对于初始位置完成的转动是可探测的，且材料的机械性能随后基于使轴产生刺入材料的表面中的运动所需的确定的力通过相关关系是可确定的。通过使轴的转动运动或径向偏移相对于与材料表面垂直的刺入运动解耦，被探测的值的相互损害可被最小化或消除，从而使得能够改善材料的性能的测量或探测。

根据本发明的一种优选的构造形式，用于测量刺入深度的装置被设计成用于探测压头在与压头的轴上的测量表面垂直的方向上的偏移。因此，可以直接的方式探测轴的刺入距离，其中，优选在轴上的距离探测件与压尖之间具有恒定的距离。这允许准确地探测刺入深度。对压头的力施加部分上的刺入运动的探测由于置入的微机械运动致动器而可能遭受误差。

根据本发明的优选的一种优选的构造形式，微机械运动致动器被实施为可转动驱动的梳状驱动致动器。这使得可保持小尺度的结构，以实现小尺寸的压头。此外，可使得微幅度或纳米范围内的数据获取成为可能。

根据可转动驱动的梳状驱动致动器的一种优选的构造形式，所述可转动驱动的梳状驱动致动器被设计成通过使用LIGA处理方法制作或被实施为微机电系统(MEMS)。这使得可以高的分辨率和精度制作致动器。而且，这使得能够以简单的方式获取测量值。

根据本发明的装置优选具有以至少两个部件实施的压头，旋转接头设置在轴与力施加部分之间，所述接头被实施成当压缩时在压头的纵向轴线上是刚性的，且能够相对于所述纵向轴线在径向方向上偏移。这使得一方面可传递当轴在测量过程中被推入材料的表面中时所涉及的力，另一方面可叠加轴相对于力施加部分的转动驱动。

压头的旋转接头优选包括用于接收轴的第一连接件和用于安装到力吸收部分上的第二连接件，第一和第二连接件优选能够以这种方式设置：可在借助于一个或多个沿周边设置的弹性联接件在轴向上彼此之间以恒定的距离保持的情况下相对彼此径向转动。在这种情况下，确保以两个部件实施的压头实际上就好像一体式压头，从而能够使得材料的机械性能得到准确的测量。

此外，在旋转接头的两个弹性联接件之间设有至少一个可转动驱动的梳状驱动致动器。分别设置在两个梳型电极之间的梳齿以稍微弓弯的形状实施，使得这些梳齿在相对彼此转动运动时会相对彼此以准平行的方式设置，从而允许在梳型电极之间具有或多或少的大的交错运动。

根据一种优选构造形式，在旋转接头的第一和第二连接件之间设有气隙。从而，可在压头的轴与力施加部分之间提供无摩擦的配置。可选地，至少一个低摩擦滑动元件可设置在第一和第二连接件之间。此外，彼此关联的连接件的两个端面可以可选地设计成具有低摩擦表面，使得在刺入力作用在压头上的过程中以及在压头已完成刺入材料表面中之后，轴能够可转动地被驱动。

根据本发明的另一优选构造形式，压头的力施加部分被设计成由电绝缘材料形成。这使得可将导电体直接加装到力施加部分上，以向微机械运动致动器提供电压，使得没有可对测量结果产生损害影响的自由的供电线。

根据本发明的又一有利的构造形式，压头、特别是力施加部分被设计成由至少一个弹簧件接收且被保持成能够在压头的安装方向上偏移，所述至少一个弹簧件由导电材料制成，从而形成微机械运动致动器的供电线的一部分。从而，可减少构件的数目和活动质量体的量。优选地，使用至少一个板簧件。

本发明的目的还通过一种用于测量材料的机械性能的方法实现，其中，在压头刺入材料的表面的过程中或在压头刺入材料的表面之后，至少一个微机械运动致动器被起动且产生轴相对于压头的力吸收部分的至少一个径向偏移，或探测径向偏移，或产生和探测径向偏移，其中所述微机械运动致动器定位在压头的力吸收部分与轴之间。这使得可获得有关材料性能的另外的信息，优选关于材料的弹性范围内的材料应力。由于转动运动所需的力和/或对起动的转动运动的角度的探测以及为使压头刺入测量物体的表面中所产生的力、和被探测的距离中的一个，因此，能够确定材料的性能。与用于测量材料的机械性能的涉及侧面梳状驱动致动器和横向梳状驱动致动器的方法相比，这种用于测量机械性能的方法具有的优点在于，力的施加发生在确定的表面上，且在与压头的整个表面连续接触，而且设计和技术实现被简化，同时活动质量体和由此产生的干扰被最小化。

根据本发明的另一优选形式，转动振动被设计成传送到微机械运动致动器，所述微机械运动致动器以能够转动地被驱动的梳状驱动致动器的形式实现，以测量所述机械性能。因此，可探测频率可选的信号，特别是在卸载阶段，以及可评价它们以确定材料的性能。

根据本发明的另一优选形式，连续的力被设计成通过用于产生力的装置作用到压头上。这样，通过微机械运动致动器的转动振动的叠加可产生，使得该转动振动优选周期性地产生。可选地，非周期的转动振动也可被起动。

根据本方法的一种可选的形式，非连续或阶梯式的力被设计成通过用于产生力的装置作用到压头上。在这种刺入动作的情况下，转动振动可同样周期性或非周期性地被起动且叠加在刺入运动上。

而且，转动振动、特别是周期性转动振动可被设计成一旦轴刺入材料的表面的刺入阶段已完成就被起动。这使得可在一定程度上考虑材料的驰豫特性。非周期转动振动同样可能。

根据本方法的另一有利的形式，信号被设计成在轴在材料的表面中的转动运动的卸载阶段由梳状驱动致动器探测并由评价单元评价，这使得可获得高精度和连续确定的压头的转动角度的位置。

附图说明

下面，通过参看附图中所示的示例描述和解释本发明及其他有利实施例和实施例的改进。根据本发明，从说明书和附图中得出的特征可单独地或以任何组合的方式应用。附图包括：

图1是根据本发明的用于测量材料的机械性能的装置的示意性剖视图；

图2是根据图1的装置的压头的示意性放大图；

图3是设置在压头的力施加部分上的微机械运动致动器和旋转接头的示意图；以及

图4是微机械运动致动器及旋转接头的透视图。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于测量材料的机械性能的装置11。装置11包括设置在未详细示出的保持结构、特别是支座上的箱体12。在箱体12内设有压头14，所述压头14从箱体开口15突出到外部，且优选在沿其纵向轴线16移动时通过该箱体开口被轴向引导。压头14被至少一个、优选两个弹簧件18接收，所述弹簧件特别是板簧，且彼此并联地设置，所述弹簧件18优选以这种方式相对彼此设置，使得压头14在开始位置或非偏移位置时以准零力的浮起状态设置。压头14以至少两个部件实现，且具有力施加部分19和轴21。两个弹簧件18作用到力施加部分19上，所述力施加部分可优选被实施为圆柱体或小管，以板簧的形式成形的弹簧件18可相对于压头14的纵向轴线16偏移。

压头14的轴21包括压尖22，所述压尖根据所要采用的硬度测试方法具有特定的几何结构。压尖22特别是在由金刚石制成时可具有锥形，或者特别是在由硬化钢制成时可具有球形。压尖22的其他几何结构同样也是可以的。在轴21上远离压尖22处、优选在箱体12内设有传感器23，所述传感器23是用于测量刺入深度的装置24的一部分。因此，可探测压尖22的实际位移或刺入测量物体26的材料表面中的实际深度。用于测量刺入深度的装置24与硬度测量系统25的电子控制设备相连。用于产生力的装置28同样与用于硬度测量25的所述电子控制设备通信，借助于所述装置28，压头14向着测量物体26的样本表面移动并执行刺入运动。该装置28优选作用在压头14的与压尖22相反的端部上。

在压头14的力施加部分19与轴21之间设有微机械运动致动器31，通过所述微机械运动致动器31，轴21可对于压头14的纵向轴线16径向偏移。微机械运动致动器31的起动经由电连接线32确保，所述电连接线32被设置成延伸穿过力施加部分19到达微机械运动致动器31。力施加部分19优选设计成被电绝缘，使得在箱体中弹簧件18可被电子控制设备33接触。电连接线32从弹簧件18作用在力施加部分19上的点延伸到微机械运动致动器31，所述电连接线加装到力施加部分19上或一体地形成在力施加部分19中，从而可降低活动质量体的比例量和排除任何其他干扰作用。电子控制设备33用于起动微机械运动致动器31，且与硬度测量系统25的、和/或用于产生力的装置28的电子设备通信。装置11经由象征性地表示的电连接器35被供电。此外，可设有用于连接评价单元的其他连接器或接口和/或用于控制装置并取回数据和/或信号的计算机。

图2示意性地示出了压头14的放大视图。力施加部分19经由旋转接头36直接连接到轴21，所述旋转接头36以这种方式实施，使得：当压缩时在轴向方向上、即沿着压头14的纵向轴线16是刚性的，以及在两个转动方向上允许在径向上优选以相同的程度偏移。旋转接头36具有第一连接件37，所述第一连接件37例如为壶形，且插入或加装到力施加部分19上的凹部中。设有第二连接件38，所述第二连接件38与第一连接件37关联，且具有用于例如接合轴21的颈部40并将该颈部40以居中方式保持在其中的固定部分39。连接件37、38也可采用其他可选的几何结构，以及也可颠倒压头14的相应的构件的布置和适配。微机械运动致动器31一体地形成在旋转接头36中或设置在第一和第二连接件37、38上，以提供第二连接件38相对于第一连接件37的扭转。

图3和4示意性地示出了具有微机械运动致动器31的旋转接头36的放大视图。第一和第二连接件37、38分别通过弹性联接件41被连接。该弹性联接件41具有弯曲形的矩形结构，在用于压头14的刺入运动的力被施加时，该结构允许在使第一连接件37和第二连接件38之间形成在轴向上的间隙以恒定宽度保持的情况下第二连接件38相对于第一连接件37径向扭转。优选地，连接件的单个支撑部分以方形横截面形成。也可想到采用其他几何形状和结构的联接件41来实现旋转接头的功能。

有利地，微机械运动致动器31被实施为梳状驱动致动器42。示例性地，三个梳状驱动致动器42设置在联接件41之间，使得联接件41和梳状驱动致动器42优选设置成绕着圆周彼此之间等角度地分布。梳状驱动致动器42具有梳齿43，所述梳齿43设置在梳型电极44之间。通过起动梳状驱动致动器42，可使梳齿43运动到使它们相对于梳型电极44的交错深度可被涉及到，且根据所述交错深度，感应出用于测量转动运动的电压，所述电压与用于测量刺入深度和产生的力的装置24、28的其他参数一起被相应地评价。

梳状驱动致动器42可通过LIGA处理方法制作。在原文为德文的只取首字母的“LIGA”表示光刻、电镀术、模制成型的处理步骤，且是指基于深X-射线光刻、电镀术、微成型的组合的工序。在材料类型为塑料、金属和陶瓷下，这使得可获得具有最低为0.2μm的非常小的尺寸的微观结构、和在纵横比最大为50时最大为3mm的结构。此外，梳状驱动致动器可被实施为MEMS结构。这两种结构均可将所述压头实施为微尺度或纳米尺度的压头。

这种类型的梳状驱动器42施加轴21相对于力施加部分19的转动运动或径向偏移，利用该梳状驱动器42具有的优点在于，力的产生和/或径向偏移的角度的测量可仅利用一个传感器执行，这使得可实现小尺寸的组件并减少测量误差源。而且，本发明的结构具有这样的压头，所述压头包括至少两个部件且包括微机械运动致动器，具有这种压头的本发明的结构具有的优点在于，它允许进行硬度测量和材料测试。

根据本发明的装置使得可执行用于测量和确定、以及用于测试材料的机械性能的不同工序。

示例性地，微机械运动致动器31可以以这种方式设计，使得它在压头14接触测量物体26的材料表面之前不被起动。一旦压头14刺入测量物体26中或在压头14已完成刺入测量物体26之后，起动微机械运动致动器31，使得特别是相对于力施加部分19的转动振动被传送到轴21，轴21从而经受径向偏移。所施加的用于执行偏移的力可被探测。可选地，转动运动可被起动，执行的转动运动可被测量，或者这两个值可通过测量获得。这些被获得且在评价单元中与用于产生压头的刺入运动的力一起被评价。从如此获得的测量值可确定测量物体的组成材料的相应的机械性能。

在本方法的可选形式中，转动振动被设计成在压头14刺入测量物体26的过程中或在压头14刺入测量物体26之后被传送到微机械运动致动器31。优选地，反作用被测量，且在卸载阶段中的最终的相移被获得和被评价。

可选地，例如由直流产生的连续增大的力可被设计成特别是叠加在周期性转动运动上。可选地，也可产生非周期性转动运动。

在本发明的另一可选实施例中，力的非连续的准阶梯式的增大可被设计成代替连续增大的力发生，使得至少一个径向偏移可与增大的力的每个阶梯相关联。根据要测试的材料，用于测量机械性能的方法可被调整。

Claims (19)

1.一种用于测量材料的机械性能的装置，具有：

-具有预定几何结构的压头（14），

-用于产生力的装置（28），压头（14）借助于所述用于产生力的装置（28）刺入测量物体（26）的材料样本表面中，以及

-用于测量刺入深度的装置（24），

其特征在于，

-压头（14）具有至少一个微机械运动致动器（31），所述微机械运动致动器（31）设置在力施加部分（19）与轴（21）之间，用于产生力的装置（28）作用在所述力施加部分上，所述轴（21）具有面向测量物体（26）的材料表面的压尖（22），借助于所述微机械运动致动器，轴（21）相对于压头（14）的力施加部分（19）的至少一个径向偏移能够被起动或被探测。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，用于测量压头（14）的刺入深度的装置（24）探测轴（21）上的与测量物体（26）的材料表面垂直地产生的偏移。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微机械运动致动器（31）被实施为至少一个可转动驱动的梳状驱动致动器（42）。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，可转动驱动的梳状驱动致动器（41）根据LIGA处理方法制作或被制作为MEMS系统。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，压头（14）以至少两个部件实施，旋转接头（36）设置在轴（21）与力施加部分（19）之间，所述接头被实施为当压缩时在压头（14）的纵向轴线（16）上是刚性的且能够相对于所述纵向轴线（16）径向偏移。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，旋转接头（36）具有用于接收轴（21）的第一连接件（37）和用于接收力施加部分（19）的第二连接件（38）。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，第一和第二连接件（37，38）借助于多个沿周边设置的弹性联接件（41）被设置成可在轴向方向上彼此间以恒定距离或大致恒定的距离保持的情况下沿径向方向转动。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，在两个弹性联接件（14）之间设有至少一个可转动驱动的梳状驱动致动器（42）。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，在第一和第二连接件（37，38）之间形成有气隙，或设有至少一个低摩擦滑动元件，或彼此关联的连接件（37，38）的端面设有低摩擦表面。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，压头（14）的力施加部分（19）由电绝缘材料形成。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，压头（14）由至少一个弹簧件（18）接收且被保持成能够在压头（14）的安装方向上偏移，而且至少一个弹簧件（18）被实施成是导电的，从而形成微机械运动致动器（31）的电能供给线（32）的一部分。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，力施加部分（19）由至少一个弹簧件（18）接收且被保持成能够在压头（14）的安装方向上偏移，而且至少一个弹簧件（18）被实施成是导电的，从而形成微机械运动致动器（31）的电能供给线（32）的一部分。

13.一种用于测量材料的机械性能的方法，其中，

-具有预定几何结构的压头（14）通过用于产生力的装置（28）的预定力刺入测量物体（26）的材料样本表面中，以及

-压头（14）的刺入深度通过使用用于测量进入测量物体（26）的材料表面中的刺入深度的装置（24）被探测，

其特征在于，

-在压头（14）刺入测量物体（26）的材料表面的过程中或在压头（14）刺入测量物体（26）的材料表面之后，至少一个微机械运动致动器（31）被起动，所述微机械运动致动器（31）定位在压头（14）的力施加部分（19）与轴（21）之间，以及

-轴（21）相对于压头（14）的力施加部分（19）的至少一个径向偏移被起动，或转动运动被探测，或转动运动被起动和被探测。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，为了测量机械性能，转动振动被传送到微机械运动致动器（31），所述微机械运动致动器（31）被实施为至少一个可转动驱动的梳状驱动致动器（42）。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，连续的力通过用于产生力的装置（28）作用到压头（14）上。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，非连续的力通过用于产生力的装置（28）作用到压头（14）上。

17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在作用到测量物体（26）的材料表面上的轴（21）的被导入的转动运动的卸载阶段中，源自轴（21）的信号通过微机械运动致动器（31）被探测，且由评价单元评价。

18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述转动振动是周期性转动振动。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述非连续的力是阶梯式的力。

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