機電驅動器的整體熱補償的製作方法
2023-05-24 22:02:46
專利名稱：機電驅動器的整體熱補償的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於機械槓桿作用的智能材料驅動器的溫度補償裝置和方法。
背景技術：
機電驅動器是一種用於把電能轉變成機械力和機械移動的已知裝置。在以前，這是通過諸如電磁線圈的電磁儀器來實現的。近來，一種被越來越廣泛採用的方法包括採用各種智能材料，例如採用磁致伸縮的或壓電的儀器。在壓電儀器中，陶瓷多層驅動器(CMA)是特別受歡迎的，這是由於它們能產生非常大的作用力，能產生幾千牛頓的作用力。另一方面，這種CMA可在非常有限的移動範圍內產生這種作用力，所述的移動範圍具有CMA長度的0.15％的數量級。在長度為40mm的CMA的情況中，如果沒有反作用力作用於組件(stack)上，那麼CMA的自由偏移、膨脹約為0.06mm。這種大作用力與這種有限移動的組合一直是在通常的工業和商業應用中廣泛使用CMA的一大障礙。例如，閥要求總的行程約為1mm，作用力約為10N。為了使這種閥獲得所述的作用力和行程及進行多種不同的應用，已設計出各種機構來把過大的作用力轉變成增大的移動。例如，在授予Fujimoto的US 4,736,131、授予Utchikawa的US 4,570,095、以及授予Bugel等人的US 6,759,790中，公開了這些機構的一些例子。
每種機構都把CMA的一部分作用力轉變成行程放大機構工作端的附加行程。這种放大的實際的結構大小取決於具體的構造。利用這種方式來放大CMA的行程的一個主要目的是將把作用力傳遞到行程內的效率最大化。例如，Utchikawa在US 4,570,095中描述的機構教導只轉換可獲得偏移的60％。要提高轉換效率，關鍵因素是環繞著CMA的支撐結構的剛度或硬度。Bugel等人的US 6,759,790所描述的發明中顯示了一種能獲得高剛度的設計。因此，重要的是要把這種支撐結構硬度帶入到採用其它諸如熱膨脹機構之特徵的設計中。
通常，行程放大機構由諸如鋼的金屬材料製成。每種這樣的材料具有可辨別的且通常已知的熱膨脹係數(CTE)。這種CTE是材料隨著溫度變化而產生的材料的膨脹方向和速率的度量。用於驅動這种放大機構的CMA也具有CTE。通常，CMA的CTE不同於這种放大機構中所用的材料的CTE。例如，17/4級別的不鏽鋼通常具有約11×106/℃的CTE，這種不鏽鋼可被用在如圖1所示的本發明的支撐結構和放大機構中。類似地，通常認為，CMA具有在約-1×106至約-3×106/℃的微小的負CTE。鋼製機構結構和CMA之間在CTE方面的差別將會在周圍溫度狀況變化期間導致作用在放大機構上的作用力發生變化。這個作用力會被有效地增加到由CMA施加到放大機構上的作用力上，從而促進放大機構的行程和輸出力。這種熱效應能導致採用這種驅動機構的裝置例如上面所提到的閥發生誤操作。例如，如果CTE的差別導致作用在行程放大機構上的作用力減小，那麼，行程和相應作用力的值將會小於預期值。作用力或行程的這種減小能使相應的閥的流率小於標稱值，或者使閥的密封力不夠，從而導致洩漏。
已經採用過各種方法來試圖補償或消除CTE的差別。例如，Salim在「Kleinste Objecte im Griff」(FM 09/1996)中，描述了一種由矽製成的行程放大機構。這種措施的確減小了CMA和行程放大機構在CTE方面的差別。然而，它卻對多個特性造成嚴重的影響，例如，對結構可靠性、生產複雜性和成本方面造成嚴重影響。這又會使可能的物理尺寸大小和工作能力受到限制。從而也限制了這種措施的可應用性。
Wada等人在US 5,205,147中描述了一種用於減小CMA和相應外殼之間的CTE差別的方法。所描述的發明不包括CMA的自由偏移的放大。相反，這篇參考文獻給出這樣的教導，即，把CMA「疊置」起來，以便獲得足夠的行程，從而具有一等同的對置機構，以便有效地使組件的工作行程變成雙倍。此外，包圍著壓電件的外殼的結構是由許多塊通過栓接或焊接構成的。
其它一些現有技術例如US 6,400,062還教導利用各種電控制方法來進行熱補償。總的來說，這種方法增加了驅動系統的複雜性和成本。
通常認為，當壓電CMA被用於機電驅動時，需要施加一壓縮預加荷載。這個預載力通常用於在操作期間確保CMA主要被保持在壓縮狀態。這通常又會增大壓電CMA的動態壽命。
發明內容
本發明具有這樣的結構和硬度，它允許向CMA施加比現有技術中顯著更高的預荷載。採用本發明，在施加高水平的預荷載的過程中發現，這種水平的壓縮預荷載改變了壓電CMA和基本上金屬的放大機構之間的熱膨脹範圍或程度的不匹配現象。這種效果的優點在於，可以以所施加預荷載的一個函數的方式，調節所需的熱補償量。此外，這種效果還能被用作設計本發明的所述機構的整個過程的一部分，以便相對於機構性能調節所需的熱補償。
本發明能提供一種機構，這種機構能放大CMA的行程，同時提供足夠的用於各種「現實」應用場合中的輸出力；和/或提供一種行程放大機構，它通過利用非常剛硬的支撐結構高效率地把「過大」的作用力轉變成可用的行程；和/或為CMA和機電驅動器的支撐結構的不同值的CTE提供機械熱補償，從而使得這種補償在機械方面簡單可靠，並且有效地與機械支撐結構形成一個整體，從而這種結構保持高的機械剛度，於是，能夠進行高效率的工作轉換；在通常工業應用場合中所遇到的寬溫度範圍內例如從-20℃至60℃都是有效的；不會通過諸如造成曲線移動而顯著影響這种放大機構的輸出；能適於從0磅/平方英寸(psi)至10000磅/平方英寸範圍的預載力；不會顯著影響驅動器的尺寸、重量或其它物理特性；在生產期間，能容易地被結合到驅動器內；根據並考慮施加在CMA CTE上的預荷載的影響，和/或能夠被用作提供預荷載的部件的元件，不僅僅是將其保持；和/或提供了一種用於設計熱補償元件的方法，按照驅動器結構、CMA和熱補償所用材料的各個CTE值以及施加給CMA的壓縮預荷載量的一個函數的關係來計算熱補償元件的長度。
本發明的基本措施與本領域中的廣泛採用的措施和學術觀點相反，在本領域中廣泛採用的措施和學術觀點中，在短迴路條件下壓電驅動器組件具有一單一的CTE。根據本發明，CMA的CTE是作為施加到組件上的預荷載量的一個函數而變化的。與其它的機械放大驅動器相比，根據本發明的驅動器能在相當高的預荷載下操作。如果本發明採用相當高的預荷載，並結合已知的組件CTE，那麼，所提供的熱補償就會不精確。
作為預荷載的函數的方式來改變CTE，這種構思能把本發明的若干個特徵相互關聯起來。首先，本發明在高預荷載下操作，以便增大工作性能。總體而言，通常所用的預荷載要比現有技術中所用的預荷載高，在某些情況下能比現有技術高許多倍。其次，本發明確保驅動器的「主要部分」是「剛性的」。正如已知的那樣，組件本身的實際移動在一英寸的千分之幾十這個數量級(取決於各種因素)。由於這種移動如此小，在這個區域內的任何「伸展」都是浪費的移動，它不能被傳輸到「砧座(anvil)」，從而不能在臂處被放大。於是，本發明保持高水平的結構剛度，同時具有機械熱補償元件，或者如當前所實施的那樣，採用不脹鋼材料元件形成至少一個驅動器座和/或一部分剛性支撐結構。驅動器的主要支撐結構部分的鋼度的任何降低都會導致在臂處的移動減小。
本發明能夠對放大器的主要部分的金屬材料與陶瓷多層驅動器之間的CTE值的差別進行補償。隨著溫度的變化，「主要金屬支撐結構部分」和陶瓷多層驅動器組件的長度以不同的速率變化。其它的尺寸也變化，但是相關的尺寸是沿著驅動器組件的縱向長度方向的。CTE的不同變化速率能導致預荷載減小，從而，也使行程減小。通過根據本發明的熱補償，使得金屬和所述組件的CTE進入平衡狀態。如果這種補償不是基於「正確」的CTE，那麼，所提供的補償量將不是最理想的。根據本發明的組件的CTE能作為預荷載的一個函數進行變化。向多層陶瓷驅動器組件施加小的預載力，不會產生顯著的影響。然而，由於本發明預見到，在本發明，需要向陶瓷多層驅動器組件施加相當高的預載力，並且需要有效地把組件的移動轉變成驅動器的移動，因此，在本發明中，熱補償可相當大，以便確保在工業應用場合通常所要求的操作溫度範圍內，所述機構能正確操作。於是，對於本發明，理想的是，基於在「標稱」(未驅動的)預荷載情況下的CTE來確定補償結構和構成的設計。
本發明公開了一種用於確定具有壓電的或陶瓷的多層驅動器組件的機構以及用於對通常由鋼製成的組件的工作輸出進行轉換以便利用該組件放大或轉變或轉換組件的工作輸出的機構所需的CTE進行補償的方法。根據本發明的方法，基於組件上的預荷載量來提供適當的熱補償。
應注意到，根據本發明的現象/方法在本質上看起來非常一般。它能用於這樣的應用中，即，在這種應用中，在一機構內對壓電的或陶瓷的多層驅動器組件進行預加載，所述的機構具有一CTE，該CTE不同於各種實施方式中的組件的CTE，所述的各種實施方式包括那些在幾何方面或操作方面與本發明的示例性機構的附圖中所示出的不同實施方式。在根據本發明的方法中，理想的是，減小或導致根據本發明的組件的結構剛度發生很小的變化，從而確保最大的工作轉換效率。在根據本發明的方法中，理想的是，提供一種簡單、易組裝、可靠、成本低的機構。
本發明提供這樣一種裝置和方法，用於利用結構組件放大電驅動的陶瓷驅動器的移動而能夠提供一致的性能特性，同時在所需的溫度條件的範圍內進行操作，該裝置具有支撐，該支撐具有第一剛性的非撓曲的部分，該第一剛性的非撓曲的部分具有第一熱膨脹係數值；第二剛性的非撓曲的部分，該第二剛性的非撓曲的部分具有第二熱膨脹係數值，該第二熱膨脹係數值不同於所述的第一熱膨脹係數值，所述支撐包括至少一個可轉動的臂部，該臂部從剛性部分之一延伸；力傳遞元件，其可操作定位，用於驅動所述的至少一個可轉動臂部進行轉動；電驅動的驅動器，該驅動器具有第三熱膨脹係數值，該第三熱膨脹係數值不同於第一和第二熱膨脹係數值，驅動器可操作地接合在其中一個剛性部分和力傳遞元件之間，以便相對於剛性部分驅動力傳遞元件，使得所述的至少一個可轉動的臂部相應於驅動器的電驅動進行轉動，其中，這些剛性部分的不同熱膨脹係數值結合所述支撐的結構構造，基本上能在所需的操作溫度範圍內對驅動器的第三熱膨脹係數值進行補償。通常，補償材料的理想的材料特性是高機械硬度、楊氏模量、高機械屈服應力和不同於第一剛性非撓曲部分的CTE值，該CTE值不同於CMA的CTE值，從而它能在理想的範圍對熱偏移進行補償。對於所述機構的第二剛性非撓曲補償部分，本發明能利用許多市場上可獲得的材料，例如，不脹鋼(INVAR)、科瓦鐵鎳鈷合金(KOVAR)、尼爾瓦合金(NILVAR)等。此外，也可以利用其它適合的材料，例如具有適當CTE值的金屬基合成材料或類似材料。例如但不限於，通常的電驅動陶瓷的驅動器或陶瓷多層驅動器具有約-1×10-6至約-3×10-6每攝氏度的CTE。當這種級別的不鏽鋼被用於把所述驅動器包圍在剛性支撐結構中時，任何溫度波動都能導致這種支撐結構部分的長度相對於驅動器的有差異的變化。這又能使力傳遞和放大機構產生移動，從而，使活動臂僅由於熱偏移的緣故而能改變位置。根據本發明，為了補償這種變化，可增加第三材料例如36級不脹鋼(INVAR grade 36)，作為剛性支撐結構的一部分，從而使它的CTE不同於已經描述的其它材料。可以利用有限元分析法(FEA)和基本線性計算來確定要被這第三材料代替的不鏽鋼材料的量，從而使支撐結構的移動與基於陶瓷的驅動器的移動相匹配，使得在活動臂處沒有觀察到由於在一溫度範圍內發生熱偏移而產生的位置變化。
根據本發明，為了確定補償剛性部分的尺寸大小，只有第二剛性部分和力傳遞元件被用於這些計算。其餘的結構即鉸鏈、臂無需被用於確定適當的補償。本發明設想，可以具有多於兩個剛性部分，即，剛性區域的「基底」可以是不同於其它兩剛性材料的材料(或與「第一」相同)。例如，如果第一剛性部分被限定成與力傳遞元件、鉸鏈等形成一整體，那麼第二剛性部分可由熱補償材料構成，並且能被連接到平行於驅動器縱軸線的第一剛性部分上。一第三剛性部分可在第二剛性部分的端部被連接到第二剛性部分上且垂直於驅動器的縱向軸線，該端部與第二剛性部分上連接到第一剛性部分的端部相反。根據本發明，其中一個剛性非撓曲部分的熱膨脹係數基本在期望的操作溫度範圍內對第二剛性非撓曲部分的熱膨脹係數值和基於電驅動陶瓷的驅動器的熱膨脹係數值的差值進行補償。
本領域技術人員當閱讀下面的結合附圖對本發明的最佳實施方式所作的描述時，就能更清楚地理解本發明的其它應用。
所述的描述將參照附圖，在若干附圖中，相同的附圖標記表示相同的部分。在這些附圖中，圖1是基於CMA驅動和機械移動放大的機電驅動器的透視圖，其中對材料的CTE的差別進行溫度補償；圖2是基於CMA驅動和機械移動放大的機電驅動器的透視圖，其中對材料的CTE的差別進行溫度補償；圖3是機電驅動器的透視圖，這種驅動器包括熱補償元件，該熱補償元件被結合到放大機構的剛性支撐結構內；圖4是熱補償被結合到剛性支撐結構內的放大機構的透視圖；圖5是熱補償被結合到剛性支撐結構內的放大機構的透視圖；圖6是熱補償被結合到剛性支撐結構內的放大機構的透視圖；以及圖7是施加到放大機構中的壓電CMA上的壓縮預載力與因CMA和放大機構之間的熱膨脹不匹配所產生的偏移量之間的關係曲線。
具體實施例方式
本發明可包括一種具有一個或多個元件的力放大機構。這些元件可基於所選擇的一些材料，以便提供有效的CTE合成值，從而充分減小用於壓電CMA的材料和放大機構之間的CTE的單個值的差異。此外，這些熱補償元件可以與放大機構的操作部成一整體。這些元件提供一非常堅硬的結構，從而可以向壓電CMA施加所需的壓縮預載力，並且不會失去由CMA所提供的任何延伸。正如已經描述過的那樣，在操作過程中，由CMA提供的偏移量非常小，通常是其總長度的0.10％～0.15％。支撐結構中的任何彎曲都會是從CMA的這種輸出的直接減小，並且導致本發明的操作效率顯著降低。在一種多元件結構的情況中，這些元件能被設計成能迅速且容易地相互連接，這種相互連接是整個機構組裝工序的一部分，並且無需其它的組裝部件例如螺栓，所述的多個元件也無需其它的例如焊接的組裝工序，但是這些部件或工序是能被使用的。此外，這種方法保持了相對於電路的機械解決方案的簡單性。此外，本發明避免了雙金屬臂所遇到的圓形彎曲，並且也避免了增加這些額外元件所產生的成本。
在各個圖中，相似和/或相同的基本元件利用相似的基本數字來表示，並且這些基本數字具有不同的字母注釋。在各個圖中，對基本元件的描述也適用於所用的圖、結構和元件組合，除非另有專門說明。
參照圖1，圖1示出了根據本發明的單件式支撐件和驅動器裝置10的透視圖，熱補償被施加在驅動器座22，或者作為在輸送流內或用於形成統一支撐件的模具內的混合材料的組合被均勻或非均勻地施加。舉例來說但並不局限所述例子，可由本領域技術人員知曉的任何適當方法，例如利用燒結或液體金屬注模來製造所述支撐件。壓電CMA 12可以被容納或支撐在剛性的非撓性的支撐結構14內。在本發明中，除了壓電CMA元件12以外，裝置10的支撐結構14可由一種均質或非均質的材料製成，例如由一種類型的鋼來製成，但並不局限於此。通過力傳遞結構18，從壓電CMA 12的輸出能被傳遞到操作臂15和16。利用與支撐部14a和/或力傳遞元件18相連的可調加載器20以及與驅動器12相連的支撐板22，壓縮預載力能被作用至壓電CMA12上。與CMA 12的CTE值相比，支撐板22可具有更高的CTE值，以便與支撐14的CTE值相比，對驅動器12的較低的CTE值進行補償。對於這種具有7.5mm寬度類型的實施例而言，如圖中箭頭A之間所示，在操作臂15和16的端部的標稱自由偏移可為例如2mm數量級。在與裝置10具有相似構造和結構的非溫度補償裝置中的移動，由於熱從約-20℃變化到約60℃，可以在全部標稱偏移的15％數量級，這對於許多應用場合是不合需要的。
參照圖2，圖2示出了根據本發明的一種熱補償驅動器裝置10a的透視圖。壓電CMA 12a可被容納或支撐在剛性的非撓曲的支撐結構14a、28a內。在本發明中，裝置10a的支撐結構可由一個或多個元件製成，例如由一種類型的鋼來製成，但並不局限於此。通過力傳遞結構18a，從壓電CMA 12a的輸出能被傳遞到操作臂15a和16a。利用與剛性的支撐部28a和/或力傳遞元件18a相連的可調加載器20a以及與驅動器12a相連的支撐板22a，壓縮預載力能被作用到壓電CMA12a上。與CMA 12a的CTE值相比，支撐板22a可具有更高的CTE值，以便對比支撐14a的CTE值低的驅動器12a的CTE值進行補償。在圖2中，剛性的非撓曲的支撐結構14(來自圖1所示結構)的部分材料已由元件28a取代，該元件28a由具有熱膨脹係數的材料製成，它能對由支撐結構14a和壓電CMA 12a的材料之間的熱膨脹不匹配所造成的在操作臂15a和16a處的移動進行補償。通過這種方式，例如在通常工業應用中的寬工作溫度範圍內，能非常精確地控制在這些臂處的偏移。此外，就根據本發明的驅動器裝置的總體設計操作要求來說，能對計算元件28a的長度的裝置進行控制，以便確保正確的熱補償量。此外，用於在兩個元件14a和28a之間實現相互連接的裝置的連接結構的輪廓形狀能減小當壓縮預荷載被施加到CMA時以及在本發明的操作期間在相互連接區域中所產生的應力。此外，兩個機械元件、支撐結構14a和補償結構28a之間的相互連接可以是簡單的，並且能保持兩個或更多個元件之間的牢固且剛性的相互關係，這對於本發明的有效操作是根本的，而且無需附加的連接裝置或方法。通過解釋，利用圖2所示的熱補償方法的並且與前面所描述的未補償的驅動器具有相似總體尺寸的驅動器12a現在就具有熱致移動，該熱致移動被控制在一個小於標稱驅動行程的1％的水平。
參照圖3，圖中示出了根據本發明的熱補償驅動器裝置10b的透視圖。在本發明中，裝置10b的支撐結構可由一個或多個元件製成，例如由一種類型的鋼來製成，但並不局限於此。通過力傳遞結構18b，從壓電CMA 12b的輸出能被傳遞到操作臂15b和16b。利用與剛性的支撐部28b和/或力傳遞元件18b相連的可調加載器20b以及與驅動器12b相連的支撐板22b，壓縮預載力能被作用到壓電CMA 12b上。與CMA 12b的CTE值相比，支撐板22b可選擇地具有更高的CTE值，以便對比支撐14b的CTE值低的補償驅動器12b的CTE值進行補償。在圖3中，剛性的非撓曲的支撐結構14(來自圖1所示結構)的部分材料已由元件28b取代，該元件28b由具有一熱膨脹係數的材料製成，它能對由支撐結構14b和壓電CMA 12b的材料之間的熱膨脹不匹配所造成的在操作臂15b和16b處的移動進行補償。通過這種方式，例如在通常工業應用中的寬工作溫度範圍內，能非常精確地控制在這些臂處的偏移。此外，就根據本發明的驅動器裝置的總體設計操作要求來說，能對計算元件28b的長度的裝置進行控制，以便確保正確的熱補償量。此外，用於在兩個元件14b和28b之間實現相互連接的裝置的連接結構的輪廓形狀能減小當壓縮預荷載被施加到CMA時以及在本發明的操作期間在相互連接區域中所產生的應力。此外，兩個機械元件、支撐結構14b和補償結構28b之間的相互連接可以是簡單的，並且能保持兩個或更多個元件之間的牢固和剛性的連接關係，這對於本發明的有效操作是根本的，而且無需附加的連接裝置或方法。通過解釋，利用圖3所示的熱補償方法的並且與前面所描述的未補償的驅動器具有相似總體尺寸的驅動器現在就具有熱致移動，該熱致移動被控制在一個小於標稱驅動行程的1％的水平。
參照圖4，圖中示出了根據本發明的熱補償驅動器裝置10c的透視圖。在圖示結構中，代替元件28c執行參照圖3所描述的熱補償，並且能利用圖3所示結構的一變型與支撐結構14c相連。本發明預想到，支撐結構元件14c和熱補償元件28c的相互連接可通過各種方式來實現。在本發明中，裝置10c的支撐結構可由一個或多個元件製成，例如由一種類型的鋼來製成，但並不局限於此。通過力傳遞結構18c，從壓電CMA 12c的輸出能被傳遞到操作臂15c和16c。利用與剛性的支撐部28c和/或剛性的力傳遞元件18c相連的可調加載器20c以及與驅動器12c相連的支撐板22c，一壓縮預載力能被作用到壓電CMA 12c上。與CMA 12c的CTE值相比，支撐板22c可選擇地具有更高的CTE值，以便對比支撐14c的CTE值低的驅動器12c的CTE值進行補償。在圖4中，剛性的非撓曲的支撐結構14(來自圖1所示結構)的部分材料已由元件28c取代，該元件28c由具有一熱膨脹係數的材料製成，它能對由支撐結構14c和壓電CMA 12c的材料之間的熱膨脹不匹配所造成的在操作臂15c和16c處的移動進行補償。通過這種方式，例如在通常工業應用中的寬工作溫度範圍內，能非常精確地控制在這些臂處的偏移。此外，就根據本發明的驅動器裝置的總體設計操作要求來說，能對計算元件28c的長度的裝置進行控制，以便確保正確的熱補償量。此外，用於在兩個元件14c和28c之間實現相互連接的裝置的連接結構的輪廓的設計能減小當壓縮預荷載被施加到CMA時以及在本發明的操作期間在相互連接區域中所產生的應力。此外，兩個機械元件、支撐結構14c和補償結構28c之間的相互連接可以是簡單的，並且能保持兩個或更多個元件之間的牢固和剛性的連接關係，這對於本發明的有效操作是根本的，而且無需附加的連接裝置或方法。通過解釋，利用圖4所示的熱補償方法的並且與前面所描述的未補償的驅動器具有相似總體尺寸的驅動器現在就具有熱致移動，該熱致移動被控制在一個小於標稱驅動行程的1％的水平。
現在參照圖5，圖中示出了熱補償驅動器裝置10d的透視圖。支撐結構14d和熱補償元件28d之間的相互連接被表示為包括兩個銷33d和34d，這兩個銷穿過設置在配合的結構表面中的同軸對齊的孔。在本發明中，裝置10d的支撐結構可由一個或多個元件製成，例如由一種類型的鋼來製成，但並不局限於此。通過力傳遞結構18d，從壓電CMA 12d的輸出能被傳遞到操作臂15d和16d。利用與剛性的支撐部28d和/或剛性的力傳遞元件18d相連的可調加載器20d以及與驅動器12d相連的支撐板22d，壓縮預載力能被作用到壓電CMA 12d上。與CMA 12d的CTE值相比，支撐板22d也可選擇地具有更高的CTE值，以便對比支撐14d的CTE值低的驅動器12d的CTE值進行補償。在圖5中，剛性的非撓曲的支撐結構14(來自圖1所示結構)的部分材料已由元件28d取代，該元件28d由具有熱膨脹係數的材料製成，它能對由支撐結構14d和壓電CMA 12d的材料之間的熱膨脹不匹配所造成的在操作臂15d和16d處的移動進行補償。通過這種方式，例如在通常工業應用中的寬工作溫度範圍內，能非常精確地控制在這些臂處的偏移。此外，就根據本發明的驅動器裝置的總體設計操作要求來說，能對計算元件28d的長度的裝置進行控制，以便確保正確的熱補償量。此外，用於在兩個元件14d和28d之間實現相互連接的裝置的連接結構的輪廓形狀能減小當壓縮預荷載被施加到CMA時以及在本發明的操作期間在相互連接區域中所產生的應力。此外，兩個機械元件、支撐結構14d和補償結構28d之間的相互連接可以是簡單的，並且能保持兩個或更多個元件之間的牢固和剛性的連接關係，這對於本發明的有效操作是根本的，而且無需附加的連接裝置或方法。通過解釋，利用圖5所示的熱補償方法的並且與前面所描述的未補償的驅動器具有相似總體尺寸的驅動器現在就具有熱致移動，該熱致移動被控制在一個小於標稱驅動行程的1％的水平。
參照圖6，圖中示出了根據本發明的熱補償驅動器裝置10e的透視圖。在圖示結構中，代替元件28e執行參照圖3所描述的熱補償，並且該代替元件28e能利用圖3所示的結構的變型與支撐結構14e相連。本發明預想到，支撐結構元件14e和熱補償元件28e的相互連接可通過多種方式來實現。在本發明中，裝置10e的支撐結構可由一個或多個元件製成，例如由一種類型的鋼來製成，但並不局限於此。通過力傳遞結構18e，從壓電CMA 12e的輸出能被傳遞到操作臂15e和16e。利用與剛性的支撐部40e和/或剛性力傳遞元件18e相連的可調加載器20e以及與驅動器12e相連的支撐板22e，壓縮預載力能被作用到壓電CMA 12e上。與CMA 12e的CTE值相比，支撐板22e也可選擇地具有更高的CTE值，以便對比支撐14e的CTE值低的驅動器12e的CTE值進行補償。在圖6中，剛性的非撓曲的支撐結構14(來自圖1所示結構)的部分材料已由元件28e取代，該元件28e由具有熱膨脹係數的材料製成，它能對由支撐結構14e、40e和壓電CMA12e的材料之間的熱膨脹不匹配所造成的在操作臂15e和16e處的移動進行補償。剛性支撐部分40e可由與剛性部分14e相似的材料製成，也可由比剛性部分14e具有更高CTE的材料製成，這是由於在剛性支撐部分28e和/或驅動器座板22e中可為這種熱膨脹不匹配進行補償。通過這種方式，例如在通常工業應用中的寬工作溫度範圍內，能非常精確地控制在這些臂處的偏移。此外，就根據本發明的驅動器裝置的總體設計操作要求來說，能對計算元件28e的長度的裝置進行控制，以便確保正確的熱補償量。此外，用於在元件14e、40e和28e之間實現相互連接的裝置的連接結構的輪廓形狀能減小當壓縮預荷載被施加到CMA時以及在本發明的操作期間在相互連接區域中所產生的應力。此外，機械元件、支撐結構14e、40e和補償結構28e之間的相互連接可以是簡單的，並且能保持兩個或更多個元件之間的牢固和剛性的連接關係，這對於本發明的有效操作是根本的，而且無需附加的連接裝置或方法。通過解釋，利用圖6所示的熱補償方法的並且與前面所描述的未補償的驅動器具有相似總體尺寸的驅動器現在就具有熱致移動，該熱致移動被控制在一個小於標稱驅動行程的1％的水平。
參照圖7，圖中的曲線可表示出單獨由熱偏移所造成的CMA預荷載對放大機構的偏移的影響。圖7表示出了利用根據本發明的一個特定的CMA產品和一個特定的放大機構，通過調節作用在CMA上的壓縮預載力，在-20℃和+60℃之間溫度偏移範圍內能實現的典型調節。圖7中所公布的數據是通過採用了與圖3中相似的放大機構而獲得的。支撐結構14b、力傳遞機構18b和操作臂15b、16b是由一種17/4級別的不鏽鋼製成的。熱補償元件28b是由不脹鋼36合金製成。熱補償程度被表示為全部偏移量的百分比，它等於放大機構因熱偏移(thermal excursion)所產生的偏移量除以放大機構因壓電CMA的完全操作所造成的偏移量。壓縮預載力被表示為用於實驗的組件的實際阻擋力的百分比。所施加的壓縮預載力的範圍是用於表示把這種手段用作放大機構的熱補償調節方式所帶來的效果，而不應被當作本發明中所用的預載力的整個範圍。此外，圖7的目的並不是要表示出利用CMA上的預載力所能獲得的整個調節範圍。根據本發明，已經為其它的CMA產品和設計結構研究出並表示出了利用預載力進行調節的構思。在圖7中，對於放大機構中因熱偏移所產生的偏移，熱補償元件28b所需的補償量會隨著預載力的增加而減小。根據本發明，通過這種方式，施加至壓電CMA上的壓縮預荷載能被用作設計具有熱補償的放大機構的整個過程的一部分。基於根據本發明的放大機構，能對預荷載的大小進行選擇，這種選擇考慮到了要被施加熱補償的正確量，以便確保在放大機構中因所限定的熱偏移產生的偏移量能被適當地補償。通過這種方式，在期望的熱偏移範圍內，能把這種利用放大機構例如閥的儀器的性能控制在所需的目標性能內。
儘管已經結合在當前被認為最實用最優選的實施例描述了本發明，但是，應當知道，本發明並不局限於所公開的實施例，相反，本發明包括那些被包括在所附權利要求的構思和範圍內的各種變型和等同方案，權利要求的範圍應被最寬地解釋，使其包括法律所允許的所有這些變型和等同結構。
權利要求
1.一種利用結構組件來放大驅動器的移動的裝置，當在期望的溫度條件範圍內操作時能夠提供一致的性能特徵，該裝置包括支撐件，該支撐件具有第一剛性非撓曲部分，該第一剛性非撓曲部分具有第一熱膨脹係數值；第二剛性非撓曲部分，該第二剛性非撓曲部分具有不同於第一熱膨脹係數值的第二熱膨脹係數值，該支撐件包括至少一個可轉動臂部分，所述可轉動臂部分從其中一個剛性部分延伸；力傳遞元件，該力傳遞元件可操作定位，以便驅動所述至少一個可轉動臂部分進行轉動；以及電驅動的驅動器，該驅動器具有第三熱膨脹係數值，該第三熱膨脹係數值不同於所述的第一和第二熱膨脹係數值，該驅動器可操作地接合在其中一個剛性部分和所述的力傳遞元件之間，以便相對於所述剛性部分驅動所述的力傳遞元件，使得所述至少一個可轉動臂部分相應於驅動器的電驅動進行轉動，其中，所述剛性部分的不同的熱膨脹係數值與支撐件的結構構造相結合，基本上可在期望的溫度條件操作範圍內對驅動器的第三熱膨脹係數值進行補償。
2.根據權利要求1所述的裝置，還包括所述的第一剛性部分可與驅動器上相對於所述第二剛性部分而言相反的一端接合；以及在組裝支撐件期間，在第一和第二剛性部分上所形成的互補的對置表面相互接合。
3.根據權利要求2所述的裝置，還包括互補的對置表面允許把這種結構組裝成在不平行於驅動器縱軸線的方向上呈滑動接合。
4.根據權利要求2所述的裝置，還包括互補的對置表面允許把這種結構組裝成在垂直於驅動器縱軸線的方向上呈滑動接合。
5.根據權利要求1所述的裝置，還包括可調節座，用於由其中一個剛性部分支撐的驅動器的一個縱向端，從而施加到驅動器上的預載力把所述的第一和第二剛性部分保持在相互組裝的位置。
6.根據權利要求1所述的裝置，還包括至少一對互補的對置表面，位於第一和第二剛性部分之間的至少一個接合面上，這對對置表面可相互聯鎖，形成剛性非撓曲的接收座，以便在該接收座內可操作地支撐著驅動器。
7.根據權利要求1所述的裝置，還包括至少一對互補的對置表面，位於第一和第二剛性部分之間的至少一個接合面上，這對對置表面限定有孔，該孔用於接收至少一個緊固件，所述緊固件用於可操作地把第一和第二剛性部分相互連接起來，從而限定出用於接收所述驅動器的剛性非撓曲接收座。
8.根據權利要求1所述的裝置，還包括至少一個整體式活鉸接部分，所述活鉸接部分在其中一個剛性部分和所述支撐件的至少一個可轉動臂部分之間延伸。
9.根據權利要求1所述的裝置，還包括至少一個整體式活鉸接部分，所述活鉸接部分在所述力傳遞元件部分和所述支撐件的至少一個可轉動臂部分之間延伸。
10.根據權利要求1所述的裝置，還包括在單一整體式單個元件中，所述支撐件的第一和第二剛性非撓曲部分由非均質材料製成。
11.根據權利要求1所述的裝置，還包括所述的第一剛性部分限定有U形部分，該U形部分基本上環繞著驅動器的周邊；以及所述的第二剛性部分限定有可調節驅動器座，該可調節驅動器座由第一剛性部分支撐著，以便允許向所述驅動器施加預載力，同時在期望的溫度條件範圍內對驅動器和剛性部分之間的熱膨脹係數值的差別進行補償。
12.根據權利要求1所述的裝置，還包括所述支撐件的第三剛性部分，該第三剛性部分具有第四熱膨脹係數值；以及可調節裝置，該可調節裝置由第三剛性部分支撐著，以便向驅動器施加預載力，同時第三剛性部分在期望的溫度條件範圍內對驅動器和剛性部分之間的熱膨脹係數值的差別進行補償。
13.根據權利要求12所述的裝置，其中，第三剛性部分具有比驅動器大的熱膨脹係數值。
14.根據權利要求1所述的裝置，其中，第二熱膨脹係數值小於第一熱膨脹係數值。
15.根據權利要求1所述的裝置，其中，驅動器的熱膨脹係數值作為施加到驅動器上的預載力的函數而變化。
16.根據權利要求1所述的裝置，還包括可調節裝置，該可調節裝置由其中一個剛性部分支撐著，以便向驅動器施加預載力，同時這些剛性部分在期望的溫度條件範圍內對驅動器和這些剛性部分之間的熱膨脹係數值的差別進行補償。
17.一種用於相應於電驅動來放大驅動器的移動的裝置，包括支撐件，該支撐件具有第一剛性非撓曲部分，該第一剛性非撓曲部分具有第一熱膨脹係數值；第二剛性非撓曲部分，該第二剛性非撓曲部分具有不同於第一熱膨脹係數值的第二熱膨脹係數值，該支撐件包括至少一個可轉動臂部分，該可轉動臂部分從其中一個剛性部分延伸；力傳遞元件，該力傳遞元件可操作定位，以便驅動所述至少一個可轉動臂部分進行轉動；以及電驅動的驅動器，該驅動器具有第三熱膨脹係數值，該第三熱膨脹係數值不同於所述的第一和第二熱膨脹係數值，該驅動器可操作地接合在其中一個剛性部分和所述的力傳遞元件之間，以便相對於所述剛性部分驅動所述的力傳遞元件，使得所述至少一個可轉動臂部分相應於驅動器的電驅動進行轉動，其中，第一和第二剛性非撓曲部分的第一和第二熱膨脹係數值與支撐件的結構構造相結合，基本上可在期望的溫度條件操作範圍內減小由溫度導致的所述至少一個臂的移動變化。
18.根據權利要求17所述的裝置，還包括所述的第一剛性部分可與驅動器上相對於所述第二剛性部分而言相反的一端接合；在組裝支撐件期間，在第一和第二剛性部分上所形成的互補的對置表面相互接合。
19.根據權利要求18所述的裝置，還包括互補的對置表面允許把這種結構組裝成在不平行於驅動器縱軸線的方向上呈滑動接合。
20.根據權利要求18所述的裝置，還包括互補的對置表面允許把這種結構組裝成在垂直於驅動器縱軸線的方向上呈滑動接合。
21.根據權利要求17所述的裝置，還包括可調節座，用於由其中一個剛性部分支撐的驅動器的一個縱向端，從而施加到驅動器上的預載力把所述的第一和第二剛性部分保持在相互組裝的位置。
22.根據權利要求17所述的裝置，還包括至少一對互補的對置表面，位於第一和第二剛性部分之間的至少一個接合面上，這對對置表面可相互聯鎖，形成剛性非撓曲的接收座，以便在該接收座內可操作地支撐著驅動器。
23.根據權利要求17所述的裝置，還包括至少一對互補的對置表面，位於第一和第二剛性部分之間的至少一個接合面上，這對對置表面限定有孔，該孔用於接收至少一個緊固件，所述緊固件用於可操作地把第一和第二剛性部分相互連接起來，從而限定出用於接收所述驅動器的剛性非撓曲的接收座。
24.根據權利要求17所述的裝置，還包括至少一個整體的活鉸接部分，所述活鉸接部分在其中一個剛性部分和所述支撐件的至少一個可轉動臂部分之間延伸。
25.根據權利要求17所述的裝置，還包括至少一個整體的活鉸接部分，所述活鉸接部分在所述力傳遞元件和所述支撐件的至少一個可轉動臂部分之間延伸。
26.根據權利要求17所述的裝置，還包括在單一整體的單個元件中，所述支撐件的第一和第二剛性非撓曲部分由非均質材料製成。
27.根據權利要求17所述的裝置，還包括所述的第一剛性部分限定有U形部分，該U形部分基本上環繞著驅動器的周邊；所述的第二剛性部分限定可調節驅動器座，該可調節驅動器座由第一剛性部分支撐著，以便允許向所述驅動器施加一預載力，同時在期望的溫度條件範圍內對驅動器和剛性部分之間的熱膨脹係數值的差別進行補償。
28.根據權利要求17所述的裝置，還包括所述支撐件的第三剛性部分，該第三剛性部分具有第四熱膨脹係數值；以及可調節裝置，該可調節裝置由第三剛性部分支撐著，以便向驅動器施加預載力，同時第三剛性部分在期望的溫度條件範圍內對驅動器和剛性部分之間的熱膨脹係數值的差別進行補償。
29.根據權利要求28所述的裝置，其中，第三剛性部分具有比驅動器大的熱膨脹係數值。
30.根據權利要求17所述的裝置，其中，第二熱膨脹係數值小於第一熱膨脹係數值。
31.根據權利要求17所述的裝置，其中，驅動器的熱膨脹係數值作為施加到驅動器上的預載力的函數而變化。
32.根據權利要求17所述的裝置，還包括可調節裝置，該可調節裝置由其中一個剛性部分支撐著，以便向驅動器施加一預載力，同時這些剛性部分在期望的範溫度條件範圍內對驅動器和這些剛性部分之間的熱膨脹係數值的差別進行補償。
33.一種用於為驅動器組裝放大結構的方法，所述驅動器能夠在期望的溫度條件範圍內操作時提供一致的性能特徵，該方法包括步驟提供支撐件，該支撐件具有第一剛性非撓曲部分，該第一剛性非撓曲部分具有第一熱膨脹係數值；第二剛性非撓曲部分，該第二剛性非撓曲部分具有不同於第一熱膨脹係數值的第二熱膨脹係數值，該支撐件包括至少一個可轉動臂部分，該可轉動臂從其中一個剛性部分延伸；力傳遞元件，該力傳遞元件可操作定位，以便驅動所述至少一個可轉動臂部分進行轉動；以及在其中一個剛性部分和所述的力傳遞元件之間組裝電驅動的驅動器，該驅動器具有第三熱膨脹係數值，該第三熱膨脹係數值不同於所述的第一和第二熱膨脹係數值，以便相對於所述剛性部分驅動所述的力傳遞元件，使得所述至少一個可轉動臂部分相應於驅動器的電驅動進行轉動，其中，第一和第二剛性非撓曲部分的第一和第二熱膨脹係數值與支撐件的結構構造的結合，基本上可在期望的溫度條件操作範圍內對相對於驅動器的第三熱膨脹係數值的差別進行補償。
34.根據權利要求33所述的方法，還包括步驟把所述的第一剛性部分接合在驅動器上相對於所述第二剛性部分而言相反一端上；在組裝支撐件期間，使在第一和第二剛性部分上所形成的互補的對置表面相互接合。
35.根據權利要求34所述的方法，還包括步驟把這種結構的互補對置表面組裝成在不平行於驅動器縱軸線的方向上呈滑動接合。
36.根據權利要求34所述的方法，還包括步驟把這種結構的互補對置表面組裝成在垂直於驅動器縱軸線的方向上呈滑動接合。
37.根據權利要求33所述的方法，還包括步驟用其中一個剛性部分支撐可調節座，該可調節座用於所述驅動器的一個縱向端；利用施加到驅動器上的預載力通過可調節座把所述的第一和第二剛性部分保持在相互組裝的位置。
38.根據權利要求33所述的方法，還包括步驟把至少一對互補的對置表面相互鎖定在第一和第二剛性部分之間的至少一個接合面上，以便形成剛性非撓曲的接收座，用於把驅動器可操作地支撐在該接收座內。
39.根據權利要求33所述的方法，還包括步驟利用至少一個孔來接收至少一個緊固件，用於可操作地把第一和第二剛性部分相互連接起來，從而限定出用於接收所述驅動器的剛性非撓曲的接收座，所述的至少一個孔由位於第一和第二剛性部分之間的至少一個接合面上的至少一對互補對置表面限定而成。
40.根據權利要求33所述的方法，還包括步驟形成至少一個整體的活鉸接部分，所述活鉸接部分在其中一個剛性部分和所述支撐件的至少一個可轉動臂部分之間延伸。
41.根據權利要求33所述的方法，還包括步驟形成至少一個整體的活鉸接部分，所述活鉸接部分在所述力傳遞元件部分和所述支撐件的至少一個可轉動臂部分之間延伸。
42.根據權利要求33所述的方法，還包括步驟在單一整體的單個元件中，由非均質的材料形成所述支撐件的第一和第二剛性非撓曲部分。
43.根據權利要求33所述的方法，還包括步驟把限定U形部分的第一剛性部分基本環繞在驅動器周邊；利用限定可調節驅動器座的第二剛性部分向所述驅動器施加預載力，該可調節驅動器座由第一剛性部分支撐著，同時在期望的溫度條件範圍內對驅動器和剛性部分之間的熱膨脹係數值的差別進行補償。
44.根據權利要求33所述的方法，還包括步驟提供所述支撐件的第三剛性部分，該第三剛性部分具有第四熱膨脹係數值；利用由第三剛性部分支撐著的可調節裝置向驅動器施加預載力，同時第三剛性部分在期望的溫度條件範圍內對驅動器和剛性部分之間的熱膨脹係數值的差別進行補償。
45.根據權利要求44所述的方法，其中，所述第三剛性部分具有比驅動器大的熱膨脹係數值。
46.根據權利要求33所述的方法，其中，第二熱膨脹係數值小於第一熱膨脹係數值。
47.根據權利要求33所述的方法，還包括步驟向驅動器施加預載力；以及以施加到驅動器上的預載力的函數的方式，改變驅動器的熱膨脹係數值。
48.根據權利要求33所述的方法，還包括步驟利用由其中一個剛性部分支撐著的可調節裝置向驅動器施加預載力，同時這些剛性部分在期望的範溫度條件範圍內對驅動器和這些剛性部分之間的熱膨脹係數值的差別進行補償。
全文摘要
本發明包括一種對機電驅動器的一個或多個元件的熱膨脹率的差別進行補償的方法。機電驅動器可包括一個或多個元件，例如一壓電陶瓷多層驅動器(CMA)和用於放大該CMA的移動的機構。CMA和放大機構的材料之間的熱膨脹率或熱膨脹係數(CTE)的差別能造成兩個部件的尺寸大小隨著周圍溫度的變化以不同的速率變化。由於放大機構對CMA的移動進行了顯著的放大，因此，因溫度造成的部件尺寸大小的相對變化能被放大機構轉化成CMA的移動。這就能導致放大機構產生顯著的移動。利用具有不同的CTE值的元件來代替放大機構中的機械元件，就能減小這些材料的CTE的差別從而減小放大機構的熱致移動。此外，所用的材料和相互連接用於熱補償的放大儀器中的代替元件的裝置能保持CMA支撐結構的高度剛性，這是由於支撐結構把CMA的移動和力傳遞給放大機構，並且向CMA施加壓縮預荷載的緣故。此外，高水平的壓縮預載力能被用作總體設計過程的一個附加部分，以便調節所需的熱補償程度。
文檔編號H01L41/08GK1902767SQ200480039301
公開日2007年1月24日 申請日期2004年11月18日 優先權日2003年11月20日
發明者J·B·莫勒, A·迪基, K·桑希爾 申請人:瓦伊金技術有限公司