專利名稱：起機(jī)械杠桿作用的靈巧器件操作機(jī)構(gòu)上的溫度補(bǔ)償嵌入件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及裝在起機(jī)械杠桿作用的靈巧器件操作機(jī)構(gòu)上的溫度補(bǔ)償裝置，以及制造這種裝置的方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于不同行業(yè)中的很多應(yīng)用，已經(jīng)研究了各種靈巧器件操作機(jī)構(gòu)的工藝。用在這種操作機(jī)構(gòu)中的一個(gè)部件是電激勵(lì)的靈巧器件操作機(jī)構(gòu)。這種靈巧器件操作機(jī)構(gòu)在受電激勵(lì)時(shí)將改變形狀。可以設(shè)計(jì)這種形狀變化，使得一個(gè)軸起支配性變化。這種靈巧器件操作機(jī)構(gòu)可以裝在主要支承裝置上。在靈巧器件操作機(jī)構(gòu)的軸發(fā)生尺寸變化時(shí)，與主要支承裝置形成一體的杠桿便可以放這種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。由于主要支承裝置展現(xiàn)這種放大倍數(shù)，所以在靈巧器件和主要支承裝置之間熱膨脹系數(shù)極小的差別，將會(huì)造成主要支承裝置的輸出運(yùn)動(dòng)顯著大于正常操作溫度范圍的輸出。這種運(yùn)動(dòng)輸出可以大出操作機(jī)構(gòu)系統(tǒng)適用輸出的50％。
以前的設(shè)計(jì)將補(bǔ)償部件配置成與靈巧器件形成一條直線。這種方法具有若干問題。一個(gè)問題是，插入到主體部件和靈巧器件之間的補(bǔ)償部件長(zhǎng)度增加了操作機(jī)構(gòu)的總長(zhǎng)度。另外，靈巧器件能夠傳送很大的力，使得補(bǔ)償部件的強(qiáng)度必須要相當(dāng)大，以防止操作機(jī)構(gòu)在起串聯(lián)補(bǔ)償部件作用時(shí)，降低該操作機(jī)構(gòu)的作用力和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。為了達(dá)到廉價(jià)的器件，這是一種很困難的組合方式。
另一種普通設(shè)計(jì)是將具有不同熱膨脹系統(tǒng)的套筒套在靈巧器件上，使得捕獲靈巧器件的空腔可以隨溫度膨脹和收縮。這種系統(tǒng)采用若干部件，所有這些部件都是很復(fù)雜的，制造成本高，并增加了總的尺寸，因而不太受到歡迎。
發(fā)明概要本發(fā)明的裝置包括支承裝置，該支承裝置具有彼此分開的第一和第二臂。靈巧器件操作機(jī)構(gòu)例如壓電操作機(jī)構(gòu)可以響應(yīng)操作機(jī)構(gòu)的膨脹和收縮使第一和第二臂彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)。提供一種補(bǔ)償裝置，用于補(bǔ)償用支承裝置和操作機(jī)構(gòu)中所用材料不同熱膨脹系數(shù)的影響，從而可以降低或者消除由于工作溫度和/或者環(huán)境溫度變化造成的臂運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)的解決方案，對(duì)起機(jī)械杠桿作用的操作機(jī)構(gòu)的溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。本發(fā)明提供一種補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償不同熱膨脹系數(shù)的影響，同時(shí)不增加操作機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的外殼尺寸，而且還能將總的零電壓誤差校正到不大于操作機(jī)構(gòu)系統(tǒng)最大運(yùn)動(dòng)的±7％。由于操作機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的可測(cè)量性，已經(jīng)提出一種設(shè)計(jì)所有參數(shù)的方法，這種方法在設(shè)計(jì)特殊應(yīng)用操作機(jī)構(gòu)/支承裝置組件的特殊物理結(jié)構(gòu)時(shí)，可以降低設(shè)計(jì)時(shí)間。本發(fā)明采用一種設(shè)計(jì)系統(tǒng)；靈巧器件操作機(jī)構(gòu)；支承裝置，具有起機(jī)械杠桿作用的形成一體的臂部分；以及溫度補(bǔ)償嵌入部件。該溫度補(bǔ)償嵌入部件放在支承部件的預(yù)定位置，與操作機(jī)構(gòu)隔開，例如沿臂部分配置。這種嵌入部件可以嵌入到臂部分上的切口中。由于嵌入件和臂部分采用兩種不同的材料，所以可以形成由該臂部分懸臂支承的那種雙材料或者雙金屬運(yùn)動(dòng)。采用這種設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以明顯看出溫度補(bǔ)償嵌入部件的布局和材料，這種系統(tǒng)采用最小數(shù)目的部件，同時(shí)可以保持小于5％的行程誤差。
結(jié)合附圖閱讀實(shí)施本發(fā)明的最好模式以下說明之后，技術(shù)人員可以明顯看出本發(fā)明的其他應(yīng)用。
附圖的簡(jiǎn)要說明下面參考附圖進(jìn)行說明，在整個(gè)附圖中用相同編號(hào)表示相同部件，這些附圖是

圖1是透視圖，示出本發(fā)明機(jī)電操作機(jī)構(gòu)；圖2是圖1切開的放大側(cè)視圖，示出本發(fā)明補(bǔ)償部件的作用；
圖3是本發(fā)明另一種結(jié)構(gòu)的視圖；圖4是本發(fā)明另一種結(jié)構(gòu)的視圖；圖5是本發(fā)明另一種結(jié)構(gòu)的視圖；圖6是本發(fā)明一種可能結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析圖；圖7是透視圖，示出本發(fā)明操作機(jī)構(gòu)預(yù)加載機(jī)構(gòu)；圖8是透視圖，示出本發(fā)明另一實(shí)施例的操作機(jī)構(gòu)以及相關(guān)的流體閥門；圖9是透視圖，示出本發(fā)明另一實(shí)施例的操作機(jī)構(gòu)；圖10是簡(jiǎn)化的流程圖，示出設(shè)計(jì)和布置本發(fā)明溫度補(bǔ)償部件方法的步驟；圖11是曲線圖，示出溫度補(bǔ)償臂的臂的位移(英寸)隨溫度(℃)的變化，并與未補(bǔ)償?shù)谋圻M(jìn)行比較。
優(yōu)選實(shí)施例說明現(xiàn)在參考圖1，圖1是透視圖，示出裝置10的一個(gè)實(shí)施例，該裝置具有支承裝置12，該支承裝置包括在上部、下部?jī)蓚€(gè)剛性的不彎曲的側(cè)部分16和18之間延伸的不能彎曲的連接部分14，該支承裝置構(gòu)成C形部分20。至少一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的臂部分，例如第一臂部分22或者24通過相應(yīng)傳動(dòng)的形成一體的活頁(yè)部分26或者28連接于相應(yīng)的側(cè)部分16或者18。如果需要兩個(gè)相對(duì)的臂22和24，則另一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的臂，例如第二臂24，可選擇性地通過相應(yīng)傳動(dòng)的形成一體的活頁(yè)部分28連接于另一個(gè)剛性的側(cè)部分18。傳力部件30包括與靈巧器件操作機(jī)構(gòu)32一端結(jié)合的表面。可調(diào)座34由可調(diào)的支承螺釘36支承，該螺釘穿過支承裝置12。補(bǔ)償嵌入件38嵌入到至少一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的臂部分22和24。該補(bǔ)償嵌入件28其寬度與相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)臂部分22和24的寬度相同，該嵌入件可以嵌入支承裝置12的切口部分40，并完全充滿該切口。
下面參考圖2，該圖是放大側(cè)視圖，示出裝置10補(bǔ)償部件38的作用。作為非限制性的例子，可轉(zhuǎn)動(dòng)臂22可用416號(hào)不銹鋼制造，這種鋼的熱膨脹系數(shù)為5.7×10-6英寸/英寸°F，補(bǔ)償嵌入件38可以用熱膨脹系數(shù)為9.6×10-6英寸/英寸的304號(hào)不銹鋼制造，當(dāng)將兩種具有不同膨脹系數(shù)的金屬條焊接在一起時(shí)，溫度的變化將使這種組合件自由偏轉(zhuǎn)。在這種情況下，嵌入件38的膨脹大于可轉(zhuǎn)動(dòng)臂22的膨脹，從而造成沿示出的方向偏轉(zhuǎn)。應(yīng)當(dāng)看到，可以將嵌入件38放在與所示放置位置形成180°的位置，或者換言之，放在可轉(zhuǎn)動(dòng)臂22的底部，從而向上偏轉(zhuǎn)，該嵌入件38可以用熱膨脹系數(shù)較小的材料，由此可以改變自由偏轉(zhuǎn)的方向。在溫度變化時(shí)，可以用這種偏轉(zhuǎn)來抵消靈巧器件操作機(jī)構(gòu)32和支承裝置12之間熱膨脹系數(shù)的差別?；蛘撸梢圆捎闷渌牧献髦С醒b置12，例如熱膨脹系數(shù)為6×10-6英寸/英寸°F的17-4PH不銹鋼和熱膨脹系數(shù)10.55×10-6英寸/英寸°F的高膨脹合金(鎳-鉻-鐵合金)22-3。一般說來，可以根據(jù)材料的特性，選擇合適的支承裝置材料，來形成剛性很大的裝置。這種剛性大的裝置有助于盡量減小不希望的運(yùn)動(dòng)，由此能盡量增大臂的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，可以用許多材料例如鋼或者其他金屬、合金、陶瓷、復(fù)合材料，或者任何這些材料的混合材料來形成支承裝置。作為非限制性例子，復(fù)合材料包括摻有非金屬材料的金屬材料，或者摻和在一起的兩種不同金屬材料，或者摻和在一起的兩種不同的非金屬材料，或者這些材料的任何混合材料。一般說來，用在支承裝置上的溫度補(bǔ)償部件，與沒有溫度補(bǔ)償?shù)谋巯啾容^，不應(yīng)當(dāng)降低臂的剛性。臂剛性的降低可能降低支承裝置臂的輸出性能。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，可以采用許多材料例如鋼，或者其他金屬、合金、陶瓷、復(fù)合材料或者這些復(fù)合材料的混合材料來形成支承裝置。作為非限制性例子，該復(fù)合材料包括與非金屬材料混合的金屬材料，或者混合在一起的兩種不同金屬材料，或者混合在一起的兩種不同非金屬材料，或者任何這些材料的混合材料。由于溫度補(bǔ)償造成的臂輸出性能的任何降低，必須與各種應(yīng)用要求例如尺寸、重量、可靠性、重復(fù)性等平衡。
下面參考圖3，可轉(zhuǎn)動(dòng)臂22可以用雙材料條42a構(gòu)成，該材料條用緊固件44a固定于支承裝置12a。在此例中，雙材料條42a可以確保溫度變化造成的自由偏轉(zhuǎn)基本上等于支承裝置12a和靈巧器件操作機(jī)構(gòu)(未示出)的熱膨脹凈和，并與該熱膨脹反向作用。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，緊固件44a僅僅是將可轉(zhuǎn)動(dòng)臂22a固定于支承裝置的一種方法。作為非限制性例子，其他方法包括高溫焊接、銅焊接、低溫焊接、化學(xué)粘接或者這些方法的任何聯(lián)合方法。
下面參考圖4，一部分可轉(zhuǎn)動(dòng)臂22b由雙材料條42b構(gòu)成，該材料條用緊固件44b固定于可轉(zhuǎn)動(dòng)臂22b。在此例中，雙金屬條和/或者雙材料條42b沿可轉(zhuǎn)動(dòng)臂配置，使得雙金屬條和/或者雙材料條可以確保溫度變化引起的自由偏轉(zhuǎn)近似等于裝置12b、可轉(zhuǎn)動(dòng)臂22b和靈巧器件操作機(jī)構(gòu)(未示出)的總的熱膨脹，并與這種膨脹反向偏轉(zhuǎn)。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，緊固件44a不是將可轉(zhuǎn)動(dòng)臂22固定于支承裝置的唯一方法。作為非限制性例子，其他方法包括高溫焊接、銅焊、低溫焊接、化學(xué)粘接等，或者任何這些方法的聯(lián)合方法。
下面參考圖5，可轉(zhuǎn)動(dòng)臂22c的一部分可以由雙材料條和/或者雙金屬條42c構(gòu)成，該條用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合材料層23固定于可轉(zhuǎn)動(dòng)臂22c。該結(jié)合材料層可以任何適合的粘接劑層、低溫焊接層、高溫焊接/銅焊桿的殘留層等或者任何這些層的混合層。條42c牢固連接于臂22c，位于該臂上形成的切口或者槽口中，從而可響應(yīng)溫度變化進(jìn)行自由偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)近擬等于支承裝置12c、可轉(zhuǎn)動(dòng)臂22c和靈巧器件操作機(jī)構(gòu)(未示出)的熱膨脹總和，并與這種膨脹反向偏轉(zhuǎn)。
下面參考圖10的簡(jiǎn)化流程圖，圖中示出本發(fā)明補(bǔ)償嵌入件的材料、取向和尺寸的優(yōu)化方法。從步驟100開始后，確定應(yīng)用要求。這種要求是選擇參數(shù)，作為非限定性例子，該參數(shù)包括作用力、尺寸、位置、振動(dòng)、應(yīng)力、抗沖擊性、周期時(shí)間、操作頻率、溫度、環(huán)境阻力、耐腐蝕性、生產(chǎn)成本、遲滯性、線性性、電反應(yīng)和/或者重復(fù)性。在步驟102中確定這些要求后，程序轉(zhuǎn)到步驟104，在此步驟中初步提出三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型，然后在步驟106中選擇嵌入材料，并將這種材料代入三維計(jì)算機(jī)輔助模型中。然后在步驟108中，進(jìn)行有限元應(yīng)力分析(FEA)，以預(yù)測(cè)補(bǔ)償嵌入件的性能。利用有限元應(yīng)力分析，在步驟110中確定臂的偏轉(zhuǎn)。然后在步驟112中，對(duì)照步驟110確定的計(jì)算的偏轉(zhuǎn)，檢驗(yàn)提出的要求。如果確定不能滿足先前在步驟102中確定的要求，則程序返回到步驟104，在該步驟104中進(jìn)一步優(yōu)化該模型，并繼續(xù)循環(huán)直至滿足要求。如果在步驟112的要求滿足步驟102的要求，則程序進(jìn)入到步驟114，在步驟114中按照各種特征，鑒定這種構(gòu)形，作為非限定性例子，這些特征包括成本、可制造性、部件數(shù)目、材料類型和/或者操作性能的重復(fù)性。如果確定所提出的特殊的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型不滿足要求，則程序回到步驟104，在該步驟中進(jìn)一步優(yōu)化該模型，并繼續(xù)循環(huán)，直至滿足要求。如果在步驟114中的要求滿足步驟102中的要求，則程序進(jìn)入到步驟116，在步驟116中通過形成和檢驗(yàn)原模型來評(píng)價(jià)這種構(gòu)形，由此確認(rèn)步驟102的要求得到滿足。如果確定這些要求沒有得到滿足，則程序回到步驟104，在該步驟中進(jìn)一步優(yōu)化該模型，并繼續(xù)循環(huán)，直至該原型滿足該要求。如果確定這些要求得到滿足，則程序結(jié)束于步驟118，完成設(shè)計(jì)。
在圖1所示的實(shí)施例中，可以用兩種不同類型的材料加工出這些部件。作為非限定性例子，支承裝置12用不銹鋼制作，而補(bǔ)償嵌入件38用黃銅制作。
圖1所示的裝置10具有支承裝置12，該裝置具有彼此隔開的第一可轉(zhuǎn)動(dòng)臂部分22和第二可轉(zhuǎn)動(dòng)的臂部分24。各個(gè)臂部分22和24分別通過形成一體的傳動(dòng)活頁(yè)部分26和28連接于相應(yīng)剛性不彎曲的側(cè)部分16和18。各個(gè)活頁(yè)部分26和28包括連接于相應(yīng)側(cè)部分16、18的相應(yīng)初級(jí)活頁(yè)連接部分46和48，相應(yīng)的次級(jí)活頁(yè)連接部分50和52連接于傳力部件部分30。作為非限定性例子，在各個(gè)臂部分22和24以及側(cè)部分16和18之間形成槽口54和56，從而使得臂部分22和24可以移動(dòng)，而不與支承裝置12的側(cè)部分16和18接觸。在初級(jí)活頁(yè)部分16和18以及傳力部分30之間形成槽口58和60。以便于從傳力部分30到臂部分22和24形成機(jī)械杠桿作用。
靈巧器件操作機(jī)構(gòu)32，例如壓電操作機(jī)構(gòu)，可以響應(yīng)加在器件上的電功率而正比改變形狀。該操作機(jī)構(gòu)32可以響應(yīng)器件的膨脹和收縮，使第一和第二臂部分22和24彼此相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。該操作機(jī)構(gòu)32配置在調(diào)節(jié)座34和傳力部件部分30之間。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，壓電操作機(jī)構(gòu)是一種可能的靈巧器件操作機(jī)構(gòu)，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，還可以考慮應(yīng)用其他裝置，例如磁致收縮器件操作裝置或者電致收縮器件操作裝置。
將傳力部件部分30和可轉(zhuǎn)動(dòng)臂部分22和24設(shè)計(jì)成基本上是剛性的部件部分。這些部件的任何彎曲，即使是微量的彎曲，也可能因?yàn)椴恍枰倪\(yùn)動(dòng)而造成不能充分地傳遞功。一般說來，壓電操作機(jī)構(gòu)組件的運(yùn)動(dòng)是微小的，一般約為組件長(zhǎng)度的0.1％。根據(jù)本發(fā)明所用組件的長(zhǎng)度，取決于實(shí)際的實(shí)施例，這種運(yùn)動(dòng)約在1500微英寸到100微英寸的最大位移。因此，通常將支承裝置12的所有部件設(shè)計(jì)成能夠盡量減小不要求的運(yùn)動(dòng)。在極端情況下，在預(yù)定設(shè)計(jì)負(fù)載和支承裝置12具有無限壽命的情況下，大于4微英寸的運(yùn)動(dòng)對(duì)于本發(fā)明便可以看作為非剛性的，而且是不希望的。在實(shí)踐中，剛性可以更有效地定義為，側(cè)部分例如16和18彼此移近和移離的位移距離或者運(yùn)動(dòng)，與傳力部件30自由偏轉(zhuǎn)期間的位移距離之比。按照本發(fā)明，本文中，側(cè)部分16和18的位移距離或者運(yùn)動(dòng)超過傳力部件30位移距離或者自由偏轉(zhuǎn)的10％便可認(rèn)為不是剛性的。實(shí)際上，該百分?jǐn)?shù)通常更小。例如在壓電組件約為0.394英寸長(zhǎng)的實(shí)施例中，不要求的側(cè)部分運(yùn)動(dòng)對(duì)自由偏轉(zhuǎn)的百分?jǐn)?shù)約為2％。另一種結(jié)構(gòu)剛性和總的操作效率的另一種表示法是用測(cè)得的臂部分例如22和24的自由偏轉(zhuǎn)與這種運(yùn)動(dòng)的理論值(即假定通過整個(gè)理論剛性結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)損失為零)或者計(jì)算值的比表示。采用這種定義，本發(fā)明得到的最小效率約為80％。另外，按照本發(fā)明，可以達(dá)到約90％的效率。按照本發(fā)明的構(gòu)形，還有希望達(dá)到大于90％的效率。例如，可以特別設(shè)計(jì)活頁(yè)部分的幾何尺寸，以便達(dá)到最好的操作性能，而不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力疲勞破損。按照本發(fā)明，支承裝置12除活頁(yè)部分外的所有部分應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是“剛性的”。該活頁(yè)部分是支承部件的唯一需要彎曲、偏轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)的部件或者部分。該活頁(yè)部分在支承裝置12中是應(yīng)力最大的部分。準(zhǔn)確選擇活頁(yè)部分幾何結(jié)構(gòu)的彎曲點(diǎn)，可以優(yōu)化特殊應(yīng)用的操作性。為了滿足特別的技術(shù)要求，可以改變活頁(yè)部分的放大作用，本設(shè)計(jì)方法能解決這種問題。作為非限定性例子，有限元分析法已經(jīng)證明，在工業(yè)應(yīng)用的范圍活頁(yè)壽命應(yīng)當(dāng)是“無限的”。用壓電組件作初級(jí)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)與本發(fā)明說明的運(yùn)動(dòng)放大器相組合的這種裝置，試驗(yàn)室測(cè)試已超過5億次開/關(guān)周期操作。該裝置10整個(gè)可以用同一種材料形成，例如鋼，或者技術(shù)人員已知的任何合適材料或者復(fù)合材料，只要選擇的材料滿足上述特殊應(yīng)用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
支承裝置12包括第一剛性不能彎曲的側(cè)部分16、第二剛性不能彎曲的側(cè)部分18以及剛性的不能彎曲的連接部分14，各個(gè)側(cè)部分16和18與剛性不能彎曲的連接部分14形成一體。該側(cè)部分16和18與第一和第二可轉(zhuǎn)動(dòng)的臂部分22和24的活頁(yè)部分26和28形成一體。該第一和第二臂部分22和24是剛性的不能彎曲的構(gòu)件。
為了優(yōu)化特殊應(yīng)用的操作性能，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確選擇彎曲點(diǎn)和活頁(yè)的幾何形狀。本設(shè)計(jì)方法能夠解決這種問題，即使臂部分22和24的放大作用與活頁(yè)部分26和28相結(jié)合，以滿足特定應(yīng)用所需要的技術(shù)要求，從而盡量增加操作性能，而不引起材料疲勞。經(jīng)試驗(yàn)室測(cè)試已證明的計(jì)算工作壽命，顯示出本發(fā)明裝置10的操作性能在經(jīng)過5億次開/關(guān)周期以后，沒有任何可測(cè)量到的變化。
下面參照?qǐng)D1和7，裝置10包括用于在操作機(jī)構(gòu)32上施加壓力的裝置62。該預(yù)加壓裝置62包括螺釘36，該螺釘螺紋嚙合位于支承裝置12連接裝置14中的螺紋孔64。該螺釘36可以通過調(diào)節(jié)座將壓力作用在操作機(jī)構(gòu)32上。該調(diào)節(jié)座34將螺釘36的壓力傳到操作機(jī)構(gòu)32上，該調(diào)節(jié)座34包括大體為曲面的作用力會(huì)聚襯墊，以便將預(yù)加的作用力變?yōu)榧兇獾膲毫鶆蜃饔玫讲僮鳈C(jī)構(gòu)上，而沒有任何剪力作用在操作機(jī)構(gòu)上。
應(yīng)用裝置66來補(bǔ)償支承裝置12和操作機(jī)構(gòu)32所用材料不同熱膨脹系數(shù)的影響，從而可以消除由工作溫度和/或者環(huán)境溫度變化造成的運(yùn)動(dòng)。每一種材料均有熱膨脹系數(shù)。當(dāng)工作溫度和/或者圍繞部件的環(huán)境溫度變化時(shí)，這些部件的尺寸將膨脹或者收縮。膨脹和收縮的量正比于熱膨脹系數(shù)。本發(fā)明的溫度補(bǔ)償作用可以降低或者消除溫度變化對(duì)裝置10的影響，本發(fā)明的溫度補(bǔ)償裝置66包括操作上與支承裝置12相結(jié)合的補(bǔ)償嵌入件38，例如連接于至少一個(gè)臂部分22，例如圖2所示。臂部分22的切口部分40可以切除，使補(bǔ)償嵌入件38嵌入到切口40中。該嵌入件38在操作上可以以任何適合的方式，例如用適當(dāng)?shù)恼辰觿┱澈?、銅焊、高溫焊、機(jī)械緊固方法等，或者任何這些方法的聯(lián)合方法，在操作上連接于臂部分22。補(bǔ)償嵌入件38與臂部分22的熱膨脹系數(shù)不同(即或者較低或者較高)，使得臂部分22的偏轉(zhuǎn)量基本上等于由工作溫度和/或者環(huán)境溫度變化造成的任何偏轉(zhuǎn)，并在其相反方向偏轉(zhuǎn)。該切口部分40可以位于臂部分22的外表面68上，或者位于臂部分22的內(nèi)表面70上。雖然本發(fā)明的溫度補(bǔ)償涉及應(yīng)用嵌入件使臂部分22和24偏轉(zhuǎn)，因?yàn)椴考呐蛎浐?或者收縮正比于環(huán)境溫度的變化，但是該臂部分22和24仍然在下面的意義上是剛性的，即支承裝置基本上限制在設(shè)計(jì)的負(fù)載狀態(tài)下發(fā)生的彎曲運(yùn)動(dòng)。盡管本發(fā)明已經(jīng)示出和詳細(xì)說明“嵌入件”與臂部分22和24在物理上是單獨(dú)的，但是本發(fā)明還公開和包括整體的嵌入件結(jié)構(gòu)。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明可以用整體嵌入到相應(yīng)臂部分22和24中的嵌入件形成，和/或者可以用本身?yè)饺脒m當(dāng)材料的臂部分22和24形成，從而形成要求的特性。作為非限定性例子，支承裝置12可以用復(fù)合燒結(jié)材料模制技術(shù)形成支承裝置12，由此實(shí)施本發(fā)明。因此本文中采用的一般術(shù)語(yǔ)“嵌入件”被確定為包含物理上分開的“嵌入件”，或者整體形成的“嵌入件”，或者分開的和整體形成結(jié)構(gòu)的任何聯(lián)合結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在參考圖3，至少一個(gè)臂部分22a用雙金屬層42a制作，該雙金屬層形成至少一個(gè)臂部分22a的整個(gè)長(zhǎng)度。該臂部分22a可以用緊固件44a固定于支承裝置12a?；蛘撸摫鄄糠?2a可以用其他的適當(dāng)方法例如銅焊法、低溫焊接法、高溫焊接法、化學(xué)粘接法或者這些方法的任何聯(lián)合方法固定于支承裝置12a。
現(xiàn)在參考圖4，雙材料層42b構(gòu)成臂部分22b的部分長(zhǎng)度。應(yīng)用緊固件44b將具有雙材料層42a的臂部分22b固定于支承裝置12b。或者，可以用其他任何合適的方法例如銅焊法、低溫焊接法、高溫焊接法、化學(xué)粘接法或者任何這些方法的聯(lián)合方法將臂部分22b固定于支承裝置12b。
下面參考圖10，圖中示出設(shè)計(jì)本發(fā)明裝置10的方法。方法的步驟包括確定設(shè)計(jì)要求的步驟102；采用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，使裝置10支承裝置12、臂22中的嵌入件38和操作機(jī)構(gòu)32形成模型的步驟104；選擇溫度補(bǔ)償嵌入件材料的步驟106；在有限元模型上進(jìn)行有限元分析的步驟108；將結(jié)果與設(shè)計(jì)要求比較的步驟110；修改這種模型，循環(huán)這種程序，直到計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求的步驟112；確定是否按規(guī)定成本進(jìn)行制造的步驟114；用原型進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)步驟116中的設(shè)計(jì)，直至這種設(shè)計(jì)滿足步驟102的要求；重復(fù)這種設(shè)計(jì)程序，直到該設(shè)計(jì)滿足制造成本要求的步驟118。
下面參考圖6，圖中示出在裝置10上得到的有限元分析結(jié)果的例子。該操作機(jī)構(gòu)通過力傳送部件30傳送作用力，使得裝置的峰值應(yīng)力位于活頁(yè)部分26上。該臂部分22受到力傳送部件30經(jīng)裝置10活頁(yè)部分26施加的力而從初始位置偏轉(zhuǎn)到偏轉(zhuǎn)位置。由于采用有限元方法得到這種示出應(yīng)力分布，所以操作機(jī)構(gòu)可以達(dá)到要求的設(shè)計(jì)壽命。位于活頁(yè)區(qū)域部分26、28上的應(yīng)力隨操作機(jī)構(gòu)32的作用力增加而增加。該操作裝置10基本上是剛性的，由于操作機(jī)構(gòu)的作用力而產(chǎn)生的唯一的彎曲運(yùn)動(dòng)的位置位于活頁(yè)部分26和28上。該活頁(yè)部分26和28在設(shè)計(jì)的負(fù)載條件下，被設(shè)計(jì)為使裝置10的工作壽命無限長(zhǎng)，換言之，因?yàn)樵谏a(chǎn)裝置10時(shí)，采用本設(shè)計(jì)和制造方法，所以活頁(yè)部分26和28具有充分的強(qiáng)度和橫截面，不會(huì)在裝置10的壽命期間產(chǎn)生屈服或者破裂?？梢圆捎昧硪环N有限元分析法來檢驗(yàn)從活頁(yè)部分26延伸到臂部分22端部的臂部分22的運(yùn)動(dòng)。在分析的這一方面中，將未補(bǔ)償臂的運(yùn)動(dòng)與已進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)谋鄣倪\(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較。在一定范圍的正常操作溫度下，使兩種臂的運(yùn)動(dòng)和作用力形成模型，從而確認(rèn)所應(yīng)用的熱補(bǔ)償方法的有效性，并盡量減少由剛性不夠產(chǎn)生不需要彎曲造成的操作性能降低。圖6示出曲率大大放大的臂部分22，從而可以用圖顯示熱補(bǔ)償分析。
下面參考圖7，圖中示出由螺釘36預(yù)加壓力的操作機(jī)構(gòu)32。該螺釘與支承裝置12的連接部分14螺紋嚙合。該螺釘36接觸調(diào)節(jié)座34，例如剛性的作用力會(huì)聚襯墊，該襯墊在操作上連接于操作機(jī)構(gòu)。該調(diào)節(jié)座34包括曲面或者拱形，以便將作用力變成為沒有任何剪力分量的純粹壓力。用壓電組件制作的操作機(jī)構(gòu)不適合于受到張力或者側(cè)向力的作用。通過使預(yù)加的壓力大于壓電組件的總的位移，該組件將總是處于壓力作用下，即使該裝置在壓電組件放電后返回到原來位置。
在操作中，裝置10將補(bǔ)償溫度的變化，從而使臂部分22和24偏轉(zhuǎn)保持正比例操作。當(dāng)工作溫度和/或者環(huán)境溫度改變而不同于設(shè)計(jì)溫度時(shí)，該臂部分將由于操作機(jī)構(gòu)的材料和支承裝置的材料之間熱膨脹系數(shù)的不同而偏轉(zhuǎn)。圖11示出試驗(yàn)例子。圖11示出一種可能的臂結(jié)構(gòu)，并示出溫度補(bǔ)償臂和非補(bǔ)償臂的臂偏轉(zhuǎn)(英寸)隨溫度(℃)變化的曲線。該圖示出，未補(bǔ)償?shù)谋墼?0℃偏轉(zhuǎn)0.006英寸，而溫度補(bǔ)償臂的偏轉(zhuǎn)小于0.001英寸。這種偏轉(zhuǎn)是顯著的，因?yàn)樵谠囼?yàn)的臂結(jié)構(gòu)中，未補(bǔ)償臂由溫度引起的偏轉(zhuǎn)，相當(dāng)于在恒定溫度下響應(yīng)靈巧部件操作機(jī)構(gòu)電激勵(lì)引起的相應(yīng)于支承裝置有效臂位移的約50％。換言之，取決于溫度引起的偏轉(zhuǎn)方向，所示的沒有補(bǔ)償臂的結(jié)構(gòu)僅僅因?yàn)闇囟茸兓淦D(zhuǎn)可能增加約50％，或者減小約50％。
下面參考圖8，該圖是透視圖，示出與流體閥門部分76聯(lián)用的裝置10，該裝置具有支承裝置12，該支承裝置包括在第一和第二剛性不能彎曲的側(cè)部分16和18之間延伸的不能彎曲的連接部分14，該支承裝置12形成C形部分20。至少一個(gè)剛性可轉(zhuǎn)動(dòng)臂部分22可轉(zhuǎn)動(dòng)地整體連接于傳動(dòng)活頁(yè)26。如果需要兩個(gè)相對(duì)的臂部分，則第二剛性可轉(zhuǎn)動(dòng)臂部分24可整體地連接于傳動(dòng)活頁(yè)28。傳力部件30在操作上連接于靈巧器件操作機(jī)構(gòu)32，該機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)座34配合。該調(diào)節(jié)座34由螺釘36支承，該螺釘螺紋嚙合支承裝置12。溫度補(bǔ)償嵌入件38嵌入到至少一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)臂部分22。閥座72固定于可轉(zhuǎn)動(dòng)的臂24。閥桿74固定于可轉(zhuǎn)動(dòng)的臂部分24，閥部件72和74形成一般用途的可正比操作兩通閥。該閥門受到溫度變化的影響，例如在周圍環(huán)境溫度的影響，或者受控流體溫度的影響，因此靈巧器件操作機(jī)構(gòu)的膨脹和收縮不同于支承裝置12的膨脹和收縮。由于溫度變化，可轉(zhuǎn)動(dòng)臂22和24將發(fā)生運(yùn)動(dòng)從而使閥桿74相對(duì)于閥座72移動(dòng)。溫度補(bǔ)償嵌入件38將相對(duì)于可轉(zhuǎn)動(dòng)臂部分22和24發(fā)生膨脹或者收縮，從而對(duì)器件操作機(jī)構(gòu)32和支承裝置12之間熱膨脹系數(shù)的不匹配提供補(bǔ)償。本發(fā)明的補(bǔ)償裝置可以防止閥桿74和閥座72在溫度變化時(shí)彼此相對(duì)進(jìn)行顯著運(yùn)動(dòng)，從而可以在較寬的一段環(huán)境和操作溫度范圍內(nèi)達(dá)到成正比的控制。
下面參照?qǐng)D9，圖中示出的裝置10具有雙動(dòng)作的臂部分22d和24d，該臂部分22d和24d在操作機(jī)構(gòu)32受激發(fā)時(shí)，可以繞活頁(yè)部分26d和28d轉(zhuǎn)動(dòng)，該臂部分22d和24d在操作機(jī)構(gòu)32受激勵(lì)或者去激勵(lì)時(shí)，可以在兩個(gè)相對(duì)端部做功，補(bǔ)償嵌入件38d和38e配置在臂部分22d和28d的相對(duì)兩側(cè)，從而補(bǔ)償由于環(huán)境溫度變化造成的熱膨脹作用。
盡管已結(jié)合在現(xiàn)在認(rèn)為是最好實(shí)施例說明本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明不限于公開的實(shí)施例，相反，還可以在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行各種改型和等效的配置，這種范圍應(yīng)當(dāng)與最廣義的解釋相一致，從而在法律允許的條件下包含所有改型和等效裝置。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括支承裝置；操作機(jī)構(gòu)，在操作上連接于該支承裝置，以便響應(yīng)操作機(jī)構(gòu)的電激勵(lì)，按正比例地驅(qū)動(dòng)支承裝置；與支承裝置相互作用的一種裝置，可響應(yīng)預(yù)定操作溫度范圍外的溫度變化，而補(bǔ)償支承裝置和操作機(jī)構(gòu)中所用材料的不同熱膨脹系數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該溫度補(bǔ)償裝置包括至少一個(gè)補(bǔ)償部件，該部件在操作上連接于支承裝置，并與操作機(jī)構(gòu)隔開，該補(bǔ)償部件所用的材料其熱膨脹系數(shù)不同于支承部件所用材料的熱膨脹系數(shù)，使得補(bǔ)償部件可以向支承裝置施加力，力的方向與由環(huán)境溫度變化造成的支承構(gòu)件上固有的任何偏轉(zhuǎn)力的方向相反。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該溫度補(bǔ)償裝置還包括形成至少一部分支承裝置的雙材料層，并與操作機(jī)構(gòu)隔開一段距離，第一材料層所用的材料其熱膨脹系數(shù)不同于第二材料層，使得雙材料層可以向支承裝置施加力，從而使支承裝置偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)方向與環(huán)境溫度變化引起的任何偏轉(zhuǎn)方向相反。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該溫度補(bǔ)償裝置還包括支承裝置，用第一材料形成，該材料的熱膨脹系數(shù)不同于溫度補(bǔ)償部件的熱膨脹系數(shù)，該溫度補(bǔ)償部件由第二材料形成，使得兩種不同的材料可響應(yīng)環(huán)境溫度的變化彼此施加相反的力。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，兩個(gè)相反的力足以將操作機(jī)構(gòu)材料和支承裝置材料的熱膨脹系數(shù)差別引起的支承裝置溫致運(yùn)動(dòng)，限制到不大于支承裝置總移動(dòng)量的±7％。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該溫度補(bǔ)償裝置還包括溫度補(bǔ)償部件，該部件在操作上連接于支承裝置，并與操作機(jī)構(gòu)隔開，該操作機(jī)構(gòu)的寬度基本上等于支承裝置的整個(gè)寬度。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該溫度補(bǔ)償裝置還包括溫度補(bǔ)償部件，該部件在操作上連接于支承裝置，并位于支承裝置的外表面上。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該溫度補(bǔ)償裝置還包括溫度補(bǔ)償部件，該部件操作上連接于支承裝置，并位于該支承裝置的內(nèi)表面上。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該支承裝置還包括至少一個(gè)臂部分，該臂部分可轉(zhuǎn)動(dòng)地經(jīng)一體形成的活頁(yè)部分從側(cè)部分伸出，該活頁(yè)部分位于側(cè)部分和臂部分之間。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，至少一個(gè)臂部分可向后部彎折到相應(yīng)側(cè)部分的上面。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，該溫度補(bǔ)償裝置包括至少一個(gè)補(bǔ)償部件，該部件在操作上連接于支承裝置的各個(gè)臂，并與操作機(jī)構(gòu)隔開，該補(bǔ)償部件用一種材料制作，該材料的熱膨脹系數(shù)不同于支承部件的熱膨脹系數(shù)，因而補(bǔ)償部件可以向支承裝置施加力，該力的方向與環(huán)境溫度變化引起的支承裝置和操作機(jī)構(gòu)固有的任何偏轉(zhuǎn)力的方向相反。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，該溫度補(bǔ)償裝置還包括雙材料層，形成支承裝置至少一個(gè)臂的至少一部分，與操作機(jī)構(gòu)分開，第一材料層用一種材料形成，該材料的熱膨脹系數(shù)不同于第二材料層，因而雙材料層可以向支承裝置施加力，從而可以抵消由于環(huán)境溫度變化引起的任何偏轉(zhuǎn)。
13.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，該溫度補(bǔ)償裝置還包括支承裝置的至少一個(gè)臂，該臂用第一材料形成，該材料的熱膨脹系數(shù)不同于溫度補(bǔ)償嵌入件的熱膨脹系數(shù)，該嵌入件連接于該至少一個(gè)臂，并由第二材料形成，因而兩種不同的材料將響應(yīng)環(huán)境溫度的變化，彼此作用相反的力。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，該相反的兩個(gè)力足以將操作機(jī)構(gòu)材料和支承裝置材料熱膨脹系數(shù)的差別引起的支承裝置至少一個(gè)臂的溫致運(yùn)動(dòng)限制到不超過支承裝置至少一個(gè)臂的總移動(dòng)量的±7％。
15.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，該溫度補(bǔ)償裝置還包括溫度補(bǔ)償部件，該部件在操作上連接于支承裝置的至少一個(gè)臂，并與操作機(jī)構(gòu)隔開，該補(bǔ)償部件基本上延伸該至少一個(gè)臂的整個(gè)寬度。
16.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，該溫度補(bǔ)償裝置還包括溫度補(bǔ)償部件，該補(bǔ)償部件在操作上連接于該支承裝置的至少一個(gè)臂，并配置在該至少一個(gè)臂的外表面上。
17.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，該溫度補(bǔ)償裝置還包括溫度補(bǔ)償部件，該補(bǔ)償部件在操作上連接于該支承裝置的至少一個(gè)臂，并配置在該至少一個(gè)臂的內(nèi)表面上。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該支承裝置還包括至少一個(gè)臂部分，該臂部分具有相對(duì)于一體形成的活頁(yè)部分向外延伸的第一和第二端部；至少一個(gè)溫度補(bǔ)償部件，該部件沿該至少一個(gè)臂的各個(gè)向外延伸端部配置。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用壓力對(duì)操作機(jī)構(gòu)預(yù)加載的裝置。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，該預(yù)加載裝置包括螺釘，該螺釘與形成在支承裝置剛性的不能彎曲的連接(web)部分中形成的螺紋孔螺紋嚙合，該螺釘可調(diào)地將預(yù)加載的力傳送到操作機(jī)構(gòu)上。
21.如權(quán)利要求19所述的裝置，還包括用于將預(yù)加載的力會(huì)聚在操作機(jī)構(gòu)上的調(diào)節(jié)座，該調(diào)節(jié)座具有曲面，該曲面用于將預(yù)加載的力僅作為壓力作用在操作機(jī)構(gòu)上。
22.一種設(shè)計(jì)壓電操作機(jī)構(gòu)的方法，包括以下步驟確定應(yīng)用的設(shè)計(jì)要求；利用有限元(finite element)分析設(shè)計(jì)方法，形成壓電操作機(jī)構(gòu)的有限元模型；選擇溫度補(bǔ)償嵌入件的材料；在有限元模型上執(zhí)行有限元分析；將有限元分析的結(jié)果與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比較；如果不滿足設(shè)計(jì)要求，則根據(jù)比較步驟改進(jìn)有限元模型，并重復(fù)選擇步驟、執(zhí)行步驟和比較步驟，直至有限元分析的結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟確定是否能以預(yù)定的成本制造有限元模型；重復(fù)選擇步驟，執(zhí)行步驟、比較步驟和確定步驟，直至有限元模型滿足預(yù)定的成本值。
全文摘要
一種裝置，具有靈巧器件操作機(jī)構(gòu)、支承裝置和至少一個(gè)溫度補(bǔ)償嵌入件，該嵌入件或者固定在支承裝置的外側(cè)，或者與支承裝置形成整體，或者以任何方法結(jié)合。該裝置包括起機(jī)械杠桿作用的電激勵(lì)靈巧器件。該支承裝置和操作機(jī)構(gòu)對(duì)于這種結(jié)構(gòu)所用材料熱膨脹系數(shù)的差別產(chǎn)生的影響很敏感。該靈巧器件通常的位移小于0.001英寸，并可以起到杠桿作用，放大50倍，從而得到有用的移動(dòng)。溫度對(duì)靈巧器件的影響因此形成杠桿作用，并被放大，由此在環(huán)境和/或者操作溫度變化時(shí)，在該裝置中產(chǎn)生不需要的運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于支承裝置選擇補(bǔ)償嵌入件尺寸和布置該嵌入件的方法可以提供一種準(zhǔn)確的低成本的補(bǔ)償嵌入件。
文檔編號(hào)H01L41/09GK1666352SQ03815643
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2003年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月3日
發(fā)明者杰夫·莫勒, 約翰·A·布格爾, 馬克·烏德舒恩 申請(qǐng)人:瓦伊金技術(shù)有限公司