专利名称：机电驱动器的整体热补偿的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于机械杠杆作用的智能材料驱动器的温度补偿装置和方法。
背景技术：
机电驱动器是一种用于把电能转变成机械力和机械移动的已知装置。在以前，这是通过诸如电磁线圈的电磁仪器来实现的。近来，一种被越来越广泛采用的方法包括采用各种智能材料，例如采用磁致伸缩的或压电的仪器。在压电仪器中，陶瓷多层驱动器(CMA)是特别受欢迎的，这是由于它们能产生非常大的作用力，能产生几千牛顿的作用力。另一方面，这种CMA可在非常有限的移动范围内产生这种作用力，所述的移动范围具有CMA长度的0.15％的数量级。在长度为40mm的CMA的情况中，如果没有反作用力作用于组件(stack)上，那么CMA的自由偏移、膨胀约为0.06mm。这种大作用力与这种有限移动的组合一直是在通常的工业和商业应用中广泛使用CMA的一大障碍。例如，阀要求总的行程约为1mm，作用力约为10N。为了使这种阀获得所述的作用力和行程及进行多种不同的应用，已设计出各种机构来把过大的作用力转变成增大的移动。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，公开了这些机构的一些例子。
每种机构都把CMA的一部分作用力转变成行程放大机构工作端的附加行程。这种放大的实际的结构大小取决于具体的构造。利用这种方式来放大CMA的行程的一个主要目的是将把作用力传递到行程内的效率最大化。例如，Utchikawa在US 4,570,095中描述的机构教导只转换可获得偏移的60％。要提高转换效率，关键因素是环绕着CMA的支撑结构的刚度或硬度。Bugel等人的US 6,759,790所描述的发明中显示了一种能获得高刚度的设计。因此，重要的是要把这种支撑结构硬度带入到采用其它诸如热膨胀机构之特征的设计中。
通常，行程放大机构由诸如钢的金属材料制成。每种这样的材料具有可辨别的且通常已知的热膨胀系数(CTE)。这种CTE是材料随着温度变化而产生的材料的膨胀方向和速率的度量。用于驱动这种放大机构的CMA也具有CTE。通常，CMA的CTE不同于这种放大机构中所用的材料的CTE。例如，17/4级别的不锈钢通常具有约11×106/℃的CTE，这种不锈钢可被用在如图1所示的本发明的支撑结构和放大机构中。类似地，通常认为，CMA具有在约-1×106至约-3×106/℃的微小的负CTE。钢制机构结构和CMA之间在CTE方面的差别将会在周围温度状况变化期间导致作用在放大机构上的作用力发生变化。这个作用力会被有效地增加到由CMA施加到放大机构上的作用力上，从而促进放大机构的行程和输出力。这种热效应能导致采用这种驱动机构的装置例如上面所提到的阀发生误操作。例如，如果CTE的差别导致作用在行程放大机构上的作用力减小，那么，行程和相应作用力的值将会小于预期值。作用力或行程的这种减小能使相应的阀的流率小于标称值，或者使阀的密封力不够，从而导致泄漏。
已经采用过各种方法来试图补偿或消除CTE的差别。例如，Salim在“Kleinste Objecte im Griff”(F&M 09/1996)中，描述了一种由硅制成的行程放大机构。这种措施的确减小了CMA和行程放大机构在CTE方面的差别。然而，它却对多个特性造成严重的影响，例如，对结构可靠性、生产复杂性和成本方面造成严重影响。这又会使可能的物理尺寸大小和工作能力受到限制。从而也限制了这种措施的可应用性。
Wada等人在US 5,205,147中描述了一种用于减小CMA和相应外壳之间的CTE差别的方法。所描述的发明不包括CMA的自由偏移的放大。相反，这篇参考文献给出这样的教导，即，把CMA“叠置”起来，以便获得足够的行程，从而具有一等同的对置机构，以便有效地使组件的工作行程变成双倍。此外，包围着压电件的外壳的结构是由许多块通过栓接或焊接构成的。
其它一些现有技术例如US 6,400,062还教导利用各种电控制方法来进行热补偿。总的来说，这种方法增加了驱动系统的复杂性和成本。
通常认为，当压电CMA被用于机电驱动时，需要施加一压缩预加荷载。这个预载力通常用于在操作期间确保CMA主要被保持在压缩状态。这通常又会增大压电CMA的动态寿命。
发明内容
本发明具有这样的结构和硬度，它允许向CMA施加比现有技术中显著更高的预荷载。采用本发明，在施加高水平的预荷载的过程中发现，这种水平的压缩预荷载改变了压电CMA和基本上金属的放大机构之间的热膨胀范围或程度的不匹配现象。这种效果的优点在于，可以以所施加预荷载的一个函数的方式，调节所需的热补偿量。此外，这种效果还能被用作设计本发明的所述机构的整个过程的一部分，以便相对于机构性能调节所需的热补偿。
本发明能提供一种机构，这种机构能放大CMA的行程，同时提供足够的用于各种“现实”应用场合中的输出力；和/或提供一种行程放大机构，它通过利用非常刚硬的支撑结构高效率地把“过大”的作用力转变成可用的行程；和/或为CMA和机电驱动器的支撑结构的不同值的CTE提供机械热补偿，从而使得这种补偿在机械方面简单可靠，并且有效地与机械支撑结构形成一个整体，从而这种结构保持高的机械刚度，于是，能够进行高效率的工作转换；在通常工业应用场合中所遇到的宽温度范围内例如从-20℃至60℃都是有效的；不会通过诸如造成曲线移动而显著影响这种放大机构的输出；能适于从0磅/平方英寸(psi)至10000磅/平方英寸范围的预载力；不会显著影响驱动器的尺寸、重量或其它物理特性；在生产期间，能容易地被结合到驱动器内；根据并考虑施加在CMA CTE上的预荷载的影响，和/或能够被用作提供预荷载的部件的元件，不仅仅是将其保持；和/或提供了一种用于设计热补偿元件的方法，按照驱动器结构、CMA和热补偿所用材料的各个CTE值以及施加给CMA的压缩预荷载量的一个函数的关系来计算热补偿元件的长度。
本发明的基本措施与本领域中的广泛采用的措施和学术观点相反，在本领域中广泛采用的措施和学术观点中，在短回路条件下压电驱动器组件具有一单一的CTE。根据本发明，CMA的CTE是作为施加到组件上的预荷载量的一个函数而变化的。与其它的机械放大驱动器相比，根据本发明的驱动器能在相当高的预荷载下操作。如果本发明采用相当高的预荷载，并结合已知的组件CTE，那么，所提供的热补偿就会不精确。
作为预荷载的函数的方式来改变CTE，这种构思能把本发明的若干个特征相互关联起来。首先，本发明在高预荷载下操作，以便增大工作性能。总体而言，通常所用的预荷载要比现有技术中所用的预荷载高，在某些情况下能比现有技术高许多倍。其次，本发明确保驱动器的“主要部分”是“刚性的”。正如已知的那样，组件本身的实际移动在一英寸的千分之几十这个数量级(取决于各种因素)。由于这种移动如此小，在这个区域内的任何“伸展”都是浪费的移动，它不能被传输到“砧座(anvil)”，从而不能在臂处被放大。于是，本发明保持高水平的结构刚度，同时具有机械热补偿元件，或者如当前所实施的那样，采用不胀钢材料元件形成至少一个驱动器座和/或一部分刚性支撑结构。驱动器的主要支撑结构部分的钢度的任何降低都会导致在臂处的移动减小。
本发明能够对放大器的主要部分的金属材料与陶瓷多层驱动器之间的CTE值的差别进行补偿。随着温度的变化，“主要金属支撑结构部分”和陶瓷多层驱动器组件的长度以不同的速率变化。其它的尺寸也变化，但是相关的尺寸是沿着驱动器组件的纵向长度方向的。CTE的不同变化速率能导致预荷载减小，从而，也使行程减小。通过根据本发明的热补偿，使得金属和所述组件的CTE进入平衡状态。如果这种补偿不是基于“正确”的CTE，那么，所提供的补偿量将不是最理想的。根据本发明的组件的CTE能作为预荷载的一个函数进行变化。向多层陶瓷驱动器组件施加小的预载力，不会产生显著的影响。然而，由于本发明预见到，在本发明，需要向陶瓷多层驱动器组件施加相当高的预载力，并且需要有效地把组件的移动转变成驱动器的移动，因此，在本发明中，热补偿可相当大，以便确保在工业应用场合通常所要求的操作温度范围内，所述机构能正确操作。于是，对于本发明，理想的是，基于在“标称”(未驱动的)预荷载情况下的CTE来确定补偿结构和构成的设计。
本发明公开了一种用于确定具有压电的或陶瓷的多层驱动器组件的机构以及用于对通常由钢制成的组件的工作输出进行转换以便利用该组件放大或转变或转换组件的工作输出的机构所需的CTE进行补偿的方法。根据本发明的方法，基于组件上的预荷载量来提供适当的热补偿。
应注意到，根据本发明的现象/方法在本质上看起来非常一般。它能用于这样的应用中，即，在这种应用中，在一机构内对压电的或陶瓷的多层驱动器组件进行预加载，所述的机构具有一CTE，该CTE不同于各种实施方式中的组件的CTE，所述的各种实施方式包括那些在几何方面或操作方面与本发明的示例性机构的附图中所示出的不同实施方式。在根据本发明的方法中，理想的是，减小或导致根据本发明的组件的结构刚度发生很小的变化，从而确保最大的工作转换效率。在根据本发明的方法中，理想的是，提供一种简单、易组装、可靠、成本低的机构。
本发明提供这样一种装置和方法，用于利用结构组件放大电驱动的陶瓷驱动器的移动而能够提供一致的性能特性，同时在所需的温度条件的范围内进行操作，该装置具有支撑，该支撑具有第一刚性的非挠曲的部分，该第一刚性的非挠曲的部分具有第一热膨胀系数值；第二刚性的非挠曲的部分，该第二刚性的非挠曲的部分具有第二热膨胀系数值，该第二热膨胀系数值不同于所述的第一热膨胀系数值，所述支撑包括至少一个可转动的臂部，该臂部从刚性部分之一延伸；力传递元件，其可操作定位，用于驱动所述的至少一个可转动臂部进行转动；电驱动的驱动器，该驱动器具有第三热膨胀系数值，该第三热膨胀系数值不同于第一和第二热膨胀系数值，驱动器可操作地接合在其中一个刚性部分和力传递元件之间，以便相对于刚性部分驱动力传递元件，使得所述的至少一个可转动的臂部相应于驱动器的电驱动进行转动，其中，这些刚性部分的不同热膨胀系数值结合所述支撑的结构构造，基本上能在所需的操作温度范围内对驱动器的第三热膨胀系数值进行补偿。通常，补偿材料的理想的材料特性是高机械硬度、杨氏模量、高机械屈服应力和不同于第一刚性非挠曲部分的CTE值，该CTE值不同于CMA的CTE值，从而它能在理想的范围对热偏移进行补偿。对于所述机构的第二刚性非挠曲补偿部分，本发明能利用许多市场上可获得的材料，例如，不胀钢(INVAR)、科瓦铁镍钴合金(KOVAR)、尼尔瓦合金(NILVAR)等。此外，也可以利用其它适合的材料，例如具有适当CTE值的金属基合成材料或类似材料。例如但不限于，通常的电驱动陶瓷的驱动器或陶瓷多层驱动器具有约-1×10-6至约-3×10-6每摄氏度的CTE。当这种级别的不锈钢被用于把所述驱动器包围在刚性支撑结构中时，任何温度波动都能导致这种支撑结构部分的长度相对于驱动器的有差异的变化。这又能使力传递和放大机构产生移动，从而，使活动臂仅由于热偏移的缘故而能改变位置。根据本发明，为了补偿这种变化，可增加第三材料例如36级不胀钢(INVAR grade 36)，作为刚性支撑结构的一部分，从而使它的CTE不同于已经描述的其它材料。可以利用有限元分析法(FEA)和基本线性计算来确定要被这第三材料代替的不锈钢材料的量，从而使支撑结构的移动与基于陶瓷的驱动器的移动相匹配，使得在活动臂处没有观察到由于在一温度范围内发生热偏移而产生的位置变化。
根据本发明，为了确定补偿刚性部分的尺寸大小，只有第二刚性部分和力传递元件被用于这些计算。其余的结构即铰链、臂无需被用于确定适当的补偿。本发明设想，可以具有多于两个刚性部分，即，刚性区域的“基底”可以是不同于其它两刚性材料的材料(或与“第一”相同)。例如，如果第一刚性部分被限定成与力传递元件、铰链等形成一整体，那么第二刚性部分可由热补偿材料构成，并且能被连接到平行于驱动器纵轴线的第一刚性部分上。一第三刚性部分可在第二刚性部分的端部被连接到第二刚性部分上且垂直于驱动器的纵向轴线，该端部与第二刚性部分上连接到第一刚性部分的端部相反。根据本发明，其中一个刚性非挠曲部分的热膨胀系数基本在期望的操作温度范围内对第二刚性非挠曲部分的热膨胀系数值和基于电驱动陶瓷的驱动器的热膨胀系数值的差值进行补偿。
本领域技术人员当阅读下面的结合附图对本发明的最佳实施方式所作的描述时，就能更清楚地理解本发明的其它应用。
所述的描述将参照附图，在若干附图中，相同的附图标记表示相同的部分。在这些附图中，图1是基于CMA驱动和机械移动放大的机电驱动器的透视图，其中对材料的CTE的差别进行温度补偿；图2是基于CMA驱动和机械移动放大的机电驱动器的透视图，其中对材料的CTE的差别进行温度补偿；图3是机电驱动器的透视图，这种驱动器包括热补偿元件，该热补偿元件被结合到放大机构的刚性支撑结构内；图4是热补偿被结合到刚性支撑结构内的放大机构的透视图；图5是热补偿被结合到刚性支撑结构内的放大机构的透视图；图6是热补偿被结合到刚性支撑结构内的放大机构的透视图；以及图7是施加到放大机构中的压电CMA上的压缩预载力与因CMA和放大机构之间的热膨胀不匹配所产生的偏移量之间的关系曲线。
具体实施例方式
本发明可包括一种具有一个或多个元件的力放大机构。这些元件可基于所选择的一些材料，以便提供有效的CTE合成值，从而充分减小用于压电CMA的材料和放大机构之间的CTE的单个值的差异。此外，这些热补偿元件可以与放大机构的操作部成一整体。这些元件提供一非常坚硬的结构，从而可以向压电CMA施加所需的压缩预载力，并且不会失去由CMA所提供的任何延伸。正如已经描述过的那样，在操作过程中，由CMA提供的偏移量非常小，通常是其总长度的0.10％～0.15％。支撑结构中的任何弯曲都会是从CMA的这种输出的直接减小，并且导致本发明的操作效率显著降低。在一种多元件结构的情况中，这些元件能被设计成能迅速且容易地相互连接，这种相互连接是整个机构组装工序的一部分，并且无需其它的组装部件例如螺栓，所述的多个元件也无需其它的例如焊接的组装工序，但是这些部件或工序是能被使用的。此外，这种方法保持了相对于电路的机械解决方案的简单性。此外，本发明避免了双金属臂所遇到的圆形弯曲，并且也避免了增加这些额外元件所产生的成本。
在各个图中，相似和/或相同的基本元件利用相似的基本数字来表示，并且这些基本数字具有不同的字母注释。在各个图中，对基本元件的描述也适用于所用的图、结构和元件组合，除非另有专门说明。
参照图1，图1示出了根据本发明的单件式支撑件和驱动器装置10的透视图，热补偿被施加在驱动器座22，或者作为在输送流内或用于形成统一支撑件的模具内的混合材料的组合被均匀或非均匀地施加。举例来说但并不局限所述例子，可由本领域技术人员知晓的任何适当方法，例如利用烧结或液体金属注模来制造所述支撑件。压电CMA 12可以被容纳或支撑在刚性的非挠性的支撑结构14内。在本发明中，除了压电CMA元件12以外，装置10的支撑结构14可由一种均质或非均质的材料制成，例如由一种类型的钢来制成，但并不局限于此。通过力传递结构18，从压电CMA 12的输出能被传递到操作臂15和16。利用与支撑部14a和/或力传递元件18相连的可调加载器20以及与驱动器12相连的支撑板22，压缩预载力能被作用至压电CMA12上。与CMA 12的CTE值相比，支撑板22可具有更高的CTE值，以便与支撑14的CTE值相比，对驱动器12的较低的CTE值进行补偿。对于这种具有7.5mm宽度类型的实施例而言，如图中箭头A之间所示，在操作臂15和16的端部的标称自由偏移可为例如2mm数量级。在与装置10具有相似构造和结构的非温度补偿装置中的移动，由于热从约-20℃变化到约60℃，可以在全部标称偏移的15％数量级，这对于许多应用场合是不合需要的。
参照图2，图2示出了根据本发明的一种热补偿驱动器装置10a的透视图。压电CMA 12a可被容纳或支撑在刚性的非挠曲的支撑结构14a、28a内。在本发明中，装置10a的支撑结构可由一个或多个元件制成，例如由一种类型的钢来制成，但并不局限于此。通过力传递结构18a，从压电CMA 12a的输出能被传递到操作臂15a和16a。利用与刚性的支撑部28a和/或力传递元件18a相连的可调加载器20a以及与驱动器12a相连的支撑板22a，压缩预载力能被作用到压电CMA12a上。与CMA 12a的CTE值相比，支撑板22a可具有更高的CTE值，以便对比支撑14a的CTE值低的驱动器12a的CTE值进行补偿。在图2中，刚性的非挠曲的支撑结构14(来自图1所示结构)的部分材料已由元件28a取代，该元件28a由具有热膨胀系数的材料制成，它能对由支撑结构14a和压电CMA 12a的材料之间的热膨胀不匹配所造成的在操作臂15a和16a处的移动进行补偿。通过这种方式，例如在通常工业应用中的宽工作温度范围内，能非常精确地控制在这些臂处的偏移。此外，就根据本发明的驱动器装置的总体设计操作要求来说，能对计算元件28a的长度的装置进行控制，以便确保正确的热补偿量。此外，用于在两个元件14a和28a之间实现相互连接的装置的连接结构的轮廓形状能减小当压缩预荷载被施加到CMA时以及在本发明的操作期间在相互连接区域中所产生的应力。此外，两个机械元件、支撑结构14a和补偿结构28a之间的相互连接可以是简单的，并且能保持两个或更多个元件之间的牢固且刚性的相互关系，这对于本发明的有效操作是根本的，而且无需附加的连接装置或方法。通过解释，利用图2所示的热补偿方法的并且与前面所描述的未补偿的驱动器具有相似总体尺寸的驱动器12a现在就具有热致移动，该热致移动被控制在一个小于标称驱动行程的1％的水平。
参照图3，图中示出了根据本发明的热补偿驱动器装置10b的透视图。在本发明中，装置10b的支撑结构可由一个或多个元件制成，例如由一种类型的钢来制成，但并不局限于此。通过力传递结构18b，从压电CMA 12b的输出能被传递到操作臂15b和16b。利用与刚性的支撑部28b和/或力传递元件18b相连的可调加载器20b以及与驱动器12b相连的支撑板22b，压缩预载力能被作用到压电CMA 12b上。与CMA 12b的CTE值相比，支撑板22b可选择地具有更高的CTE值，以便对比支撑14b的CTE值低的补偿驱动器12b的CTE值进行补偿。在图3中，刚性的非挠曲的支撑结构14(来自图1所示结构)的部分材料已由元件28b取代，该元件28b由具有一热膨胀系数的材料制成，它能对由支撑结构14b和压电CMA 12b的材料之间的热膨胀不匹配所造成的在操作臂15b和16b处的移动进行补偿。通过这种方式，例如在通常工业应用中的宽工作温度范围内，能非常精确地控制在这些臂处的偏移。此外，就根据本发明的驱动器装置的总体设计操作要求来说，能对计算元件28b的长度的装置进行控制，以便确保正确的热补偿量。此外，用于在两个元件14b和28b之间实现相互连接的装置的连接结构的轮廓形状能减小当压缩预荷载被施加到CMA时以及在本发明的操作期间在相互连接区域中所产生的应力。此外，两个机械元件、支撑结构14b和补偿结构28b之间的相互连接可以是简单的，并且能保持两个或更多个元件之间的牢固和刚性的连接关系，这对于本发明的有效操作是根本的，而且无需附加的连接装置或方法。通过解释，利用图3所示的热补偿方法的并且与前面所描述的未补偿的驱动器具有相似总体尺寸的驱动器现在就具有热致移动，该热致移动被控制在一个小于标称驱动行程的1％的水平。
参照图4，图中示出了根据本发明的热补偿驱动器装置10c的透视图。在图示结构中，代替元件28c执行参照图3所描述的热补偿，并且能利用图3所示结构的一变型与支撑结构14c相连。本发明预想到，支撑结构元件14c和热补偿元件28c的相互连接可通过各种方式来实现。在本发明中，装置10c的支撑结构可由一个或多个元件制成，例如由一种类型的钢来制成，但并不局限于此。通过力传递结构18c，从压电CMA 12c的输出能被传递到操作臂15c和16c。利用与刚性的支撑部28c和/或刚性的力传递元件18c相连的可调加载器20c以及与驱动器12c相连的支撑板22c，一压缩预载力能被作用到压电CMA 12c上。与CMA 12c的CTE值相比，支撑板22c可选择地具有更高的CTE值，以便对比支撑14c的CTE值低的驱动器12c的CTE值进行补偿。在图4中，刚性的非挠曲的支撑结构14(来自图1所示结构)的部分材料已由元件28c取代，该元件28c由具有一热膨胀系数的材料制成，它能对由支撑结构14c和压电CMA 12c的材料之间的热膨胀不匹配所造成的在操作臂15c和16c处的移动进行补偿。通过这种方式，例如在通常工业应用中的宽工作温度范围内，能非常精确地控制在这些臂处的偏移。此外，就根据本发明的驱动器装置的总体设计操作要求来说，能对计算元件28c的长度的装置进行控制，以便确保正确的热补偿量。此外，用于在两个元件14c和28c之间实现相互连接的装置的连接结构的轮廓的设计能减小当压缩预荷载被施加到CMA时以及在本发明的操作期间在相互连接区域中所产生的应力。此外，两个机械元件、支撑结构14c和补偿结构28c之间的相互连接可以是简单的，并且能保持两个或更多个元件之间的牢固和刚性的连接关系，这对于本发明的有效操作是根本的，而且无需附加的连接装置或方法。通过解释，利用图4所示的热补偿方法的并且与前面所描述的未补偿的驱动器具有相似总体尺寸的驱动器现在就具有热致移动，该热致移动被控制在一个小于标称驱动行程的1％的水平。
现在参照图5，图中示出了热补偿驱动器装置10d的透视图。支撑结构14d和热补偿元件28d之间的相互连接被表示为包括两个销33d和34d，这两个销穿过设置在配合的结构表面中的同轴对齐的孔。在本发明中，装置10d的支撑结构可由一个或多个元件制成，例如由一种类型的钢来制成，但并不局限于此。通过力传递结构18d，从压电CMA 12d的输出能被传递到操作臂15d和16d。利用与刚性的支撑部28d和/或刚性的力传递元件18d相连的可调加载器20d以及与驱动器12d相连的支撑板22d，压缩预载力能被作用到压电CMA 12d上。与CMA 12d的CTE值相比，支撑板22d也可选择地具有更高的CTE值，以便对比支撑14d的CTE值低的驱动器12d的CTE值进行补偿。在图5中，刚性的非挠曲的支撑结构14(来自图1所示结构)的部分材料已由元件28d取代，该元件28d由具有热膨胀系数的材料制成，它能对由支撑结构14d和压电CMA 12d的材料之间的热膨胀不匹配所造成的在操作臂15d和16d处的移动进行补偿。通过这种方式，例如在通常工业应用中的宽工作温度范围内，能非常精确地控制在这些臂处的偏移。此外，就根据本发明的驱动器装置的总体设计操作要求来说，能对计算元件28d的长度的装置进行控制，以便确保正确的热补偿量。此外，用于在两个元件14d和28d之间实现相互连接的装置的连接结构的轮廓形状能减小当压缩预荷载被施加到CMA时以及在本发明的操作期间在相互连接区域中所产生的应力。此外，两个机械元件、支撑结构14d和补偿结构28d之间的相互连接可以是简单的，并且能保持两个或更多个元件之间的牢固和刚性的连接关系，这对于本发明的有效操作是根本的，而且无需附加的连接装置或方法。通过解释，利用图5所示的热补偿方法的并且与前面所描述的未补偿的驱动器具有相似总体尺寸的驱动器现在就具有热致移动，该热致移动被控制在一个小于标称驱动行程的1％的水平。
参照图6，图中示出了根据本发明的热补偿驱动器装置10e的透视图。在图示结构中，代替元件28e执行参照图3所描述的热补偿，并且该代替元件28e能利用图3所示的结构的变型与支撑结构14e相连。本发明预想到，支撑结构元件14e和热补偿元件28e的相互连接可通过多种方式来实现。在本发明中，装置10e的支撑结构可由一个或多个元件制成，例如由一种类型的钢来制成，但并不局限于此。通过力传递结构18e，从压电CMA 12e的输出能被传递到操作臂15e和16e。利用与刚性的支撑部40e和/或刚性力传递元件18e相连的可调加载器20e以及与驱动器12e相连的支撑板22e，压缩预载力能被作用到压电CMA 12e上。与CMA 12e的CTE值相比，支撑板22e也可选择地具有更高的CTE值，以便对比支撑14e的CTE值低的驱动器12e的CTE值进行补偿。在图6中，刚性的非挠曲的支撑结构14(来自图1所示结构)的部分材料已由元件28e取代，该元件28e由具有热膨胀系数的材料制成，它能对由支撑结构14e、40e和压电CMA12e的材料之间的热膨胀不匹配所造成的在操作臂15e和16e处的移动进行补偿。刚性支撑部分40e可由与刚性部分14e相似的材料制成，也可由比刚性部分14e具有更高CTE的材料制成，这是由于在刚性支撑部分28e和/或驱动器座板22e中可为这种热膨胀不匹配进行补偿。通过这种方式，例如在通常工业应用中的宽工作温度范围内，能非常精确地控制在这些臂处的偏移。此外，就根据本发明的驱动器装置的总体设计操作要求来说，能对计算元件28e的长度的装置进行控制，以便确保正确的热补偿量。此外，用于在元件14e、40e和28e之间实现相互连接的装置的连接结构的轮廓形状能减小当压缩预荷载被施加到CMA时以及在本发明的操作期间在相互连接区域中所产生的应力。此外，机械元件、支撑结构14e、40e和补偿结构28e之间的相互连接可以是简单的，并且能保持两个或更多个元件之间的牢固和刚性的连接关系，这对于本发明的有效操作是根本的，而且无需附加的连接装置或方法。通过解释，利用图6所示的热补偿方法的并且与前面所描述的未补偿的驱动器具有相似总体尺寸的驱动器现在就具有热致移动，该热致移动被控制在一个小于标称驱动行程的1％的水平。
参照图7，图中的曲线可表示出单独由热偏移所造成的CMA预荷载对放大机构的偏移的影响。图7表示出了利用根据本发明的一个特定的CMA产品和一个特定的放大机构，通过调节作用在CMA上的压缩预载力，在-20℃和+60℃之间温度偏移范围内能实现的典型调节。图7中所公布的数据是通过采用了与图3中相似的放大机构而获得的。支撑结构14b、力传递机构18b和操作臂15b、16b是由一种17/4级别的不锈钢制成的。热补偿元件28b是由不胀钢36合金制成。热补偿程度被表示为全部偏移量的百分比，它等于放大机构因热偏移(thermal excursion)所产生的偏移量除以放大机构因压电CMA的完全操作所造成的偏移量。压缩预载力被表示为用于实验的组件的实际阻挡力的百分比。所施加的压缩预载力的范围是用于表示把这种手段用作放大机构的热补偿调节方式所带来的效果，而不应被当作本发明中所用的预载力的整个范围。此外，图7的目的并不是要表示出利用CMA上的预载力所能获得的整个调节范围。根据本发明，已经为其它的CMA产品和设计结构研究出并表示出了利用预载力进行调节的构思。在图7中，对于放大机构中因热偏移所产生的偏移，热补偿元件28b所需的补偿量会随着预载力的增加而减小。根据本发明，通过这种方式，施加至压电CMA上的压缩预荷载能被用作设计具有热补偿的放大机构的整个过程的一部分。基于根据本发明的放大机构，能对预荷载的大小进行选择，这种选择考虑到了要被施加热补偿的正确量，以便确保在放大机构中因所限定的热偏移产生的偏移量能被适当地补偿。通过这种方式，在期望的热偏移范围内，能把这种利用放大机构例如阀的仪器的性能控制在所需的目标性能内。
尽管已经结合在当前被认为最实用最优选的实施例描述了本发明，但是，应当知道，本发明并不局限于所公开的实施例，相反，本发明包括那些被包括在所附权利要求的构思和范围内的各种变型和等同方案，权利要求的范围应被最宽地解释，使其包括法律所允许的所有这些变型和等同结构。
权利要求
1.一种利用结构组件来放大驱动器的移动的装置，当在期望的温度条件范围内操作时能够提供一致的性能特征，该装置包括支撑件，该支撑件具有第一刚性非挠曲部分，该第一刚性非挠曲部分具有第一热膨胀系数值；第二刚性非挠曲部分，该第二刚性非挠曲部分具有不同于第一热膨胀系数值的第二热膨胀系数值，该支撑件包括至少一个可转动臂部分，所述可转动臂部分从其中一个刚性部分延伸；力传递元件，该力传递元件可操作定位，以便驱动所述至少一个可转动臂部分进行转动；以及电驱动的驱动器，该驱动器具有第三热膨胀系数值，该第三热膨胀系数值不同于所述的第一和第二热膨胀系数值，该驱动器可操作地接合在其中一个刚性部分和所述的力传递元件之间，以便相对于所述刚性部分驱动所述的力传递元件，使得所述至少一个可转动臂部分相应于驱动器的电驱动进行转动，其中，所述刚性部分的不同的热膨胀系数值与支撑件的结构构造相结合，基本上可在期望的温度条件操作范围内对驱动器的第三热膨胀系数值进行补偿。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括所述的第一刚性部分可与驱动器上相对于所述第二刚性部分而言相反的一端接合；以及在组装支撑件期间，在第一和第二刚性部分上所形成的互补的对置表面相互接合。
3.根据权利要求2所述的装置，还包括互补的对置表面允许把这种结构组装成在不平行于驱动器纵轴线的方向上呈滑动接合。
4.根据权利要求2所述的装置，还包括互补的对置表面允许把这种结构组装成在垂直于驱动器纵轴线的方向上呈滑动接合。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括可调节座，用于由其中一个刚性部分支撑的驱动器的一个纵向端，从而施加到驱动器上的预载力把所述的第一和第二刚性部分保持在相互组装的位置。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括至少一对互补的对置表面，位于第一和第二刚性部分之间的至少一个接合面上，这对对置表面可相互联锁，形成刚性非挠曲的接收座，以便在该接收座内可操作地支撑着驱动器。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括至少一对互补的对置表面，位于第一和第二刚性部分之间的至少一个接合面上，这对对置表面限定有孔，该孔用于接收至少一个紧固件，所述紧固件用于可操作地把第一和第二刚性部分相互连接起来，从而限定出用于接收所述驱动器的刚性非挠曲接收座。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括至少一个整体式活铰接部分，所述活铰接部分在其中一个刚性部分和所述支撑件的至少一个可转动臂部分之间延伸。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括至少一个整体式活铰接部分，所述活铰接部分在所述力传递元件部分和所述支撑件的至少一个可转动臂部分之间延伸。
10.根据权利要求1所述的装置，还包括在单一整体式单个元件中，所述支撑件的第一和第二刚性非挠曲部分由非均质材料制成。
11.根据权利要求1所述的装置，还包括所述的第一刚性部分限定有U形部分，该U形部分基本上环绕着驱动器的周边；以及所述的第二刚性部分限定有可调节驱动器座，该可调节驱动器座由第一刚性部分支撑着，以便允许向所述驱动器施加预载力，同时在期望的温度条件范围内对驱动器和刚性部分之间的热膨胀系数值的差别进行补偿。
12.根据权利要求1所述的装置，还包括所述支撑件的第三刚性部分，该第三刚性部分具有第四热膨胀系数值；以及可调节装置，该可调节装置由第三刚性部分支撑着，以便向驱动器施加预载力，同时第三刚性部分在期望的温度条件范围内对驱动器和刚性部分之间的热膨胀系数值的差别进行补偿。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，第三刚性部分具有比驱动器大的热膨胀系数值。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，第二热膨胀系数值小于第一热膨胀系数值。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，驱动器的热膨胀系数值作为施加到驱动器上的预载力的函数而变化。
16.根据权利要求1所述的装置，还包括可调节装置，该可调节装置由其中一个刚性部分支撑着，以便向驱动器施加预载力，同时这些刚性部分在期望的温度条件范围内对驱动器和这些刚性部分之间的热膨胀系数值的差别进行补偿。
17.一种用于相应于电驱动来放大驱动器的移动的装置，包括支撑件，该支撑件具有第一刚性非挠曲部分，该第一刚性非挠曲部分具有第一热膨胀系数值；第二刚性非挠曲部分，该第二刚性非挠曲部分具有不同于第一热膨胀系数值的第二热膨胀系数值，该支撑件包括至少一个可转动臂部分，该可转动臂部分从其中一个刚性部分延伸；力传递元件，该力传递元件可操作定位，以便驱动所述至少一个可转动臂部分进行转动；以及电驱动的驱动器，该驱动器具有第三热膨胀系数值，该第三热膨胀系数值不同于所述的第一和第二热膨胀系数值，该驱动器可操作地接合在其中一个刚性部分和所述的力传递元件之间，以便相对于所述刚性部分驱动所述的力传递元件，使得所述至少一个可转动臂部分相应于驱动器的电驱动进行转动，其中，第一和第二刚性非挠曲部分的第一和第二热膨胀系数值与支撑件的结构构造相结合，基本上可在期望的温度条件操作范围内减小由温度导致的所述至少一个臂的移动变化。
18.根据权利要求17所述的装置，还包括所述的第一刚性部分可与驱动器上相对于所述第二刚性部分而言相反的一端接合；在组装支撑件期间，在第一和第二刚性部分上所形成的互补的对置表面相互接合。
19.根据权利要求18所述的装置，还包括互补的对置表面允许把这种结构组装成在不平行于驱动器纵轴线的方向上呈滑动接合。
20.根据权利要求18所述的装置，还包括互补的对置表面允许把这种结构组装成在垂直于驱动器纵轴线的方向上呈滑动接合。
21.根据权利要求17所述的装置，还包括可调节座，用于由其中一个刚性部分支撑的驱动器的一个纵向端，从而施加到驱动器上的预载力把所述的第一和第二刚性部分保持在相互组装的位置。
22.根据权利要求17所述的装置，还包括至少一对互补的对置表面，位于第一和第二刚性部分之间的至少一个接合面上，这对对置表面可相互联锁，形成刚性非挠曲的接收座，以便在该接收座内可操作地支撑着驱动器。
23.根据权利要求17所述的装置，还包括至少一对互补的对置表面，位于第一和第二刚性部分之间的至少一个接合面上，这对对置表面限定有孔，该孔用于接收至少一个紧固件，所述紧固件用于可操作地把第一和第二刚性部分相互连接起来，从而限定出用于接收所述驱动器的刚性非挠曲的接收座。
24.根据权利要求17所述的装置，还包括至少一个整体的活铰接部分，所述活铰接部分在其中一个刚性部分和所述支撑件的至少一个可转动臂部分之间延伸。
25.根据权利要求17所述的装置，还包括至少一个整体的活铰接部分，所述活铰接部分在所述力传递元件和所述支撑件的至少一个可转动臂部分之间延伸。
26.根据权利要求17所述的装置，还包括在单一整体的单个元件中，所述支撑件的第一和第二刚性非挠曲部分由非均质材料制成。
27.根据权利要求17所述的装置，还包括所述的第一刚性部分限定有U形部分，该U形部分基本上环绕着驱动器的周边；所述的第二刚性部分限定可调节驱动器座，该可调节驱动器座由第一刚性部分支撑着，以便允许向所述驱动器施加一预载力，同时在期望的温度条件范围内对驱动器和刚性部分之间的热膨胀系数值的差别进行补偿。
28.根据权利要求17所述的装置，还包括所述支撑件的第三刚性部分，该第三刚性部分具有第四热膨胀系数值；以及可调节装置，该可调节装置由第三刚性部分支撑着，以便向驱动器施加预载力，同时第三刚性部分在期望的温度条件范围内对驱动器和刚性部分之间的热膨胀系数值的差别进行补偿。
29.根据权利要求28所述的装置，其中，第三刚性部分具有比驱动器大的热膨胀系数值。
30.根据权利要求17所述的装置，其中，第二热膨胀系数值小于第一热膨胀系数值。
31.根据权利要求17所述的装置，其中，驱动器的热膨胀系数值作为施加到驱动器上的预载力的函数而变化。
32.根据权利要求17所述的装置，还包括可调节装置，该可调节装置由其中一个刚性部分支撑着，以便向驱动器施加一预载力，同时这些刚性部分在期望的范温度条件范围内对驱动器和这些刚性部分之间的热膨胀系数值的差别进行补偿。
33.一种用于为驱动器组装放大结构的方法，所述驱动器能够在期望的温度条件范围内操作时提供一致的性能特征，该方法包括步骤提供支撑件，该支撑件具有第一刚性非挠曲部分，该第一刚性非挠曲部分具有第一热膨胀系数值；第二刚性非挠曲部分，该第二刚性非挠曲部分具有不同于第一热膨胀系数值的第二热膨胀系数值，该支撑件包括至少一个可转动臂部分，该可转动臂从其中一个刚性部分延伸；力传递元件，该力传递元件可操作定位，以便驱动所述至少一个可转动臂部分进行转动；以及在其中一个刚性部分和所述的力传递元件之间组装电驱动的驱动器，该驱动器具有第三热膨胀系数值，该第三热膨胀系数值不同于所述的第一和第二热膨胀系数值，以便相对于所述刚性部分驱动所述的力传递元件，使得所述至少一个可转动臂部分相应于驱动器的电驱动进行转动，其中，第一和第二刚性非挠曲部分的第一和第二热膨胀系数值与支撑件的结构构造的结合，基本上可在期望的温度条件操作范围内对相对于驱动器的第三热膨胀系数值的差别进行补偿。
34.根据权利要求33所述的方法，还包括步骤把所述的第一刚性部分接合在驱动器上相对于所述第二刚性部分而言相反一端上；在组装支撑件期间，使在第一和第二刚性部分上所形成的互补的对置表面相互接合。
35.根据权利要求34所述的方法，还包括步骤把这种结构的互补对置表面组装成在不平行于驱动器纵轴线的方向上呈滑动接合。
36.根据权利要求34所述的方法，还包括步骤把这种结构的互补对置表面组装成在垂直于驱动器纵轴线的方向上呈滑动接合。
37.根据权利要求33所述的方法，还包括步骤用其中一个刚性部分支撑可调节座，该可调节座用于所述驱动器的一个纵向端；利用施加到驱动器上的预载力通过可调节座把所述的第一和第二刚性部分保持在相互组装的位置。
38.根据权利要求33所述的方法，还包括步骤把至少一对互补的对置表面相互锁定在第一和第二刚性部分之间的至少一个接合面上，以便形成刚性非挠曲的接收座，用于把驱动器可操作地支撑在该接收座内。
39.根据权利要求33所述的方法，还包括步骤利用至少一个孔来接收至少一个紧固件，用于可操作地把第一和第二刚性部分相互连接起来，从而限定出用于接收所述驱动器的刚性非挠曲的接收座，所述的至少一个孔由位于第一和第二刚性部分之间的至少一个接合面上的至少一对互补对置表面限定而成。
40.根据权利要求33所述的方法，还包括步骤形成至少一个整体的活铰接部分，所述活铰接部分在其中一个刚性部分和所述支撑件的至少一个可转动臂部分之间延伸。
41.根据权利要求33所述的方法，还包括步骤形成至少一个整体的活铰接部分，所述活铰接部分在所述力传递元件部分和所述支撑件的至少一个可转动臂部分之间延伸。
42.根据权利要求33所述的方法，还包括步骤在单一整体的单个元件中，由非均质的材料形成所述支撑件的第一和第二刚性非挠曲部分。
43.根据权利要求33所述的方法，还包括步骤把限定U形部分的第一刚性部分基本环绕在驱动器周边；利用限定可调节驱动器座的第二刚性部分向所述驱动器施加预载力，该可调节驱动器座由第一刚性部分支撑着，同时在期望的温度条件范围内对驱动器和刚性部分之间的热膨胀系数值的差别进行补偿。
44.根据权利要求33所述的方法，还包括步骤提供所述支撑件的第三刚性部分，该第三刚性部分具有第四热膨胀系数值；利用由第三刚性部分支撑着的可调节装置向驱动器施加预载力，同时第三刚性部分在期望的温度条件范围内对驱动器和刚性部分之间的热膨胀系数值的差别进行补偿。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，所述第三刚性部分具有比驱动器大的热膨胀系数值。
46.根据权利要求33所述的方法，其中，第二热膨胀系数值小于第一热膨胀系数值。
47.根据权利要求33所述的方法，还包括步骤向驱动器施加预载力；以及以施加到驱动器上的预载力的函数的方式，改变驱动器的热膨胀系数值。
48.根据权利要求33所述的方法，还包括步骤利用由其中一个刚性部分支撑着的可调节装置向驱动器施加预载力，同时这些刚性部分在期望的范温度条件范围内对驱动器和这些刚性部分之间的热膨胀系数值的差别进行补偿。
全文摘要
本发明包括一种对机电驱动器的一个或多个元件的热膨胀率的差别进行补偿的方法。机电驱动器可包括一个或多个元件，例如一压电陶瓷多层驱动器(CMA)和用于放大该CMA的移动的机构。CMA和放大机构的材料之间的热膨胀率或热膨胀系数(CTE)的差别能造成两个部件的尺寸大小随着周围温度的变化以不同的速率变化。由于放大机构对CMA的移动进行了显著的放大，因此，因温度造成的部件尺寸大小的相对变化能被放大机构转化成CMA的移动。这就能导致放大机构产生显著的移动。利用具有不同的CTE值的元件来代替放大机构中的机械元件，就能减小这些材料的CTE的差别从而减小放大机构的热致移动。此外，所用的材料和相互连接用于热补偿的放大仪器中的代替元件的装置能保持CMA支撑结构的高度刚性，这是由于支撑结构把CMA的移动和力传递给放大机构，并且向CMA施加压缩预荷载的缘故。此外，高水平的压缩预载力能被用作总体设计过程的一个附加部分，以便调节所需的热补偿程度。
文档编号H01L41/08GK1902767SQ200480039301
公开日2007年1月24日 申请日期2004年11月18日 优先权日2003年11月20日
发明者J·B·莫勒, A·迪基, K·桑希尔 申请人:瓦伊金技术有限公司