起機械杠桿作用的靈巧器件操作機構上的溫度補償嵌入件的制作方法

專利名稱：起機械杠桿作用的靈巧器件操作機構上的溫度補償嵌入件的制作方法
技術領域：
本發明涉及裝在起機械杠桿作用的靈巧器件操作機構上的溫度補償裝置，以及制造這種裝置的方法。
背景技術：
對于不同行業中的很多應用，已經研究了各種靈巧器件操作機構的工藝。用在這種操作機構中的一個部件是電激勵的靈巧器件操作機構。這種靈巧器件操作機構在受電激勵時將改變形狀。可以設計這種形狀變化，使得一個軸起支配性變化。這種靈巧器件操作機構可以裝在主要支承裝置上。在靈巧器件操作機構的軸發生尺寸變化時，與主要支承裝置形成一體的杠桿便可以放這種機構的運動。由于主要支承裝置展現這種放大倍數，所以在靈巧器件和主要支承裝置之間熱膨脹系數極小的差別，將會造成主要支承裝置的輸出運動顯著大于正常操作溫度范圍的輸出。這種運動輸出可以大出操作機構系統適用輸出的50％。
以前的設計將補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。一個問題是，插入到主體部件和靈巧器件之間的補償部件長度增加了操作機構的總長度。另外，靈巧器件能夠傳送很大的力，使得補償部件的強度必須要相當大，以防止操作機構在起串聯補償部件作用時，降低該操作機構的作用力和運動性質。為了達到廉價的器件，這是一種很困難的組合方式。
另一種普通設計是將具有不同熱膨脹系統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。這種系統采用若干部件，所有這些部件都是很復雜的，制造成本高，并增加了總的尺寸，因而不太受到歡迎。
發明概要本發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。靈巧器件操作機構例如壓電操作機構可以響應操作機構的膨脹和收縮使第一和第二臂彼此相對運動。提供一種補償裝置，用于補償用支承裝置和操作機構中所用材料不同熱膨脹系數的影響，從而可以降低或者消除由于工作溫度和/或者環境溫度變化造成的臂運動。
本發明提供一種簡單的經濟的解決方案，對起機械杠桿作用的操作機構的溫度變化進行補償。本發明提供一種補償裝置，補償不同熱膨脹系數的影響，同時不增加操作機構系統的外殼尺寸，而且還能將總的零電壓誤差校正到不大于操作機構系統最大運動的±7％。由于操作機構系統的可測量性，已經提出一種設計所有參數的方法，這種方法在設計特殊應用操作機構/支承裝置組件的特殊物理結構時，可以降低設計時間。本發明采用一種設計系統；靈巧器件操作機構；支承裝置，具有起機械杠桿作用的形成一體的臂部分；以及溫度補償嵌入部件。該溫度補償嵌入部件放在支承部件的預定位置，與操作機構隔開，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動。采用這種設計系統，可以明顯看出溫度補償嵌入部件的布局和材料，這種系統采用最小數目的部件，同時可以保持小于5％的行程誤差。
結合附圖閱讀實施本發明的最好模式以下說明之后，技術人員可以明顯看出本發明的其他應用。
附圖的簡要說明下面參考附圖進行說明，在整個附圖中用相同編號表示相同部件，這些附圖是

圖1是透視圖，示出本發明機電操作機構；圖2是圖1切開的放大側視圖，示出本發明補償部件的作用；
圖3是本發明另一種結構的視圖；圖4是本發明另一種結構的視圖；圖5是本發明另一種結構的視圖；圖6是本發明一種可能結構的應力分析圖；圖7是透視圖，示出本發明操作機構預加載機構；圖8是透視圖，示出本發明另一實施例的操作機構以及相關的流體閥門；圖9是透視圖，示出本發明另一實施例的操作機構；圖10是簡化的流程圖，示出設計和布置本發明溫度補償部件方法的步驟；圖11是曲線圖，示出溫度補償臂的臂的位移(英寸)隨溫度(℃)的變化，并與未補償的臂進行比較。
優選實施例說明現在參考圖1，圖1是透視圖，示出裝置10的一個實施例，該裝置具有支承裝置12，該支承裝置包括在上部、下部兩個剛性的不彎曲的側部分16和18之間延伸的不能彎曲的連接部分14，該支承裝置構成C形部分20。至少一個可轉動的臂部分，例如第一臂部分22或者24通過相應傳動的形成一體的活頁部分26或者28連接于相應的側部分16或者18。如果需要兩個相對的臂22和24，則另一個可轉動的臂，例如第二臂24，可選擇性地通過相應傳動的形成一體的活頁部分28連接于另一個剛性的側部分18。傳力部件30包括與靈巧器件操作機構32一端結合的表面。可調座34由可調的支承螺釘36支承，該螺釘穿過支承裝置12。補償嵌入件38嵌入到至少一個可轉動的臂部分22和24。該補償嵌入件28其寬度與相應轉動臂部分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，該圖是放大側視圖，示出裝置10補償部件38的作用。作為非限制性的例子，可轉動臂22可用416號不銹鋼制造，這種鋼的熱膨脹系數為5.7×10-6英寸/英寸°F，補償嵌入件38可以用熱膨脹系數為9.6×10-6英寸/英寸的304號不銹鋼制造，當將兩種具有不同膨脹系數的金屬條焊接在一起時，溫度的變化將使這種組合件自由偏轉。在這種情況下，嵌入件38的膨脹大于可轉動臂22的膨脹，從而造成沿示出的方向偏轉。應當看到，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，放在可轉動臂22的底部，從而向上偏轉，該嵌入件38可以用熱膨脹系數較小的材料，由此可以改變自由偏轉的方向。在溫度變化時，可以用這種偏轉來抵消靈巧器件操作機構32和支承裝置12之間熱膨脹系數的差別。或者，可以采用其他材料作支承裝置12，例如熱膨脹系數為6×10-6英寸/英寸°F的17-4PH不銹鋼和熱膨脹系數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動，由此能盡量增大臂的運動。根據這一標準，可以用許多材料例如鋼或者其他金屬、合金、陶瓷、復合材料，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償部件，與沒有溫度補償的臂相比較，不應當降低臂的剛性。臂剛性的降低可能降低支承裝置臂的輸出性能。根據這一標準，可以采用許多材料例如鋼，或者其他金屬、合金、陶瓷、復合材料或者這些復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。由于溫度補償造成的臂輸出性能的任何降低，必須與各種應用要求例如尺寸、重量、可靠性、重復性等平衡。
下面參考圖3，可轉動臂22可以用雙材料條42a構成，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基本上等于支承裝置12a和靈巧器件操作機構(未示出)的熱膨脹凈和，并與該熱膨脹反向作用。技術人員應當認識到，緊固件44a僅僅是將可轉動臂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、化學粘接或者這些方法的任何聯合方法。
下面參考圖4，一部分可轉動臂22b由雙材料條42b構成，該材料條用緊固件44b固定于可轉動臂22b。在此例中，雙金屬條和/或者雙材料條42b沿可轉動臂配置，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近似等于裝置12b、可轉動臂22b和靈巧器件操作機構(未示出)的總的熱膨脹，并與這種膨脹反向偏轉。技術人員應當認識到，緊固件44a不是將可轉動臂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、化學粘接等，或者任何這些方法的聯合方法。
下面參考圖5，可轉動臂22c的一部分可以由雙材料條和/或者雙金屬條42c構成，該條用適當的結合材料層23固定于可轉動臂22c。該結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，從而可響應溫度變化進行自由偏轉，這種偏轉近擬等于支承裝置12c、可轉動臂22c和靈巧器件操作機構(未示出)的熱膨脹總和，并與這種膨脹反向偏轉。
下面參考圖10的簡化流程圖，圖中示出本發明補償嵌入件的材料、取向和尺寸的優化方法。從步驟100開始后，確定應用要求。這種要求是選擇參數，作為非限定性例子，該參數包括作用力、尺寸、位置、振動、應力、抗沖擊性、周期時間、操作頻率、溫度、環境阻力、耐腐蝕性、生產成本、遲滯性、線性性、電反應和/或者重復性。在步驟102中確定這些要求后，程序轉到步驟104，在此步驟中初步提出三維計算機輔助設計模型，然后在步驟106中選擇嵌入材料，并將這種材料代入三維計算機輔助模型中。然后在步驟108中，進行有限元應力分析(FEA)，以預測補償嵌入件的性能。利用有限元應力分析，在步驟110中確定臂的偏轉。然后在步驟112中，對照步驟110確定的計算的偏轉，檢驗提出的要求。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中進一步優化該模型，并繼續循環直至滿足要求。如果在步驟112的要求滿足步驟102的要求，則程序進入到步驟114，在步驟114中按照各種特征，鑒定這種構形，作為非限定性例子，這些特征包括成本、可制造性、部件數目、材料類型和/或者操作性能的重復性。如果確定所提出的特殊的三維計算機輔助設計模型不滿足要求，則程序回到步驟104，在該步驟中進一步優化該模型，并繼續循環，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，則程序進入到步驟116，在步驟116中通過形成和檢驗原模型來評價這種構形，由此確認步驟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，在該步驟中進一步優化該模型，并繼續循環，直至該原型滿足該要求。如果確定這些要求得到滿足，則程序結束于步驟118，完成設計。
在圖1所示的實施例中，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動臂部分22和第二可轉動的臂部分24。各個臂部分22和24分別通過形成一體的傳動活頁部分26和28連接于相應剛性不彎曲的側部分16和18。各個活頁部分26和28包括連接于相應側部分16、18的相應初級活頁連接部分46和48，相應的次級活頁連接部分50和52連接于傳力部件部分30。作為非限定性例子，在各個臂部分22和24以及側部分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，而不與支承裝置12的側部分16和18接觸。在初級活頁部分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形成機械杠桿作用。
靈巧器件操作機構32，例如壓電操作機構，可以響應加在器件上的電功率而正比改變形狀。該操作機構32可以響應器件的膨脹和收縮，使第一和第二臂部分22和24彼此相對轉動。該操作機構32配置在調節座34和傳力部件部分30之間。應當認識到，壓電操作機構是一種可能的靈巧器件操作機構，在本發明的范圍內，還可以考慮應用其他裝置，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和可轉動臂部分22和24設計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，也可能因為不需要的運動而造成不能充分地傳遞功。一般說來，壓電操作機構組件的運動是微小的，一般約為組件長度的0.1％。根據本發明所用組件的長度，取決于實際的實施例，這種運動約在1500微英寸到100微英寸的最大位移。因此，通常將支承裝置12的所有部件設計成能夠盡量減小不要求的運動。在極端情況下，在預定設計負載和支承裝置12具有無限壽命的情況下，大于4微英寸的運動對于本發明便可以看作為非剛性的，而且是不希望的。在實踐中，剛性可以更有效地定義為，側部分例如16和18彼此移近和移離的位移距離或者運動，與傳力部件30自由偏轉期間的位移距離之比。按照本發明，本文中，側部分16和18的位移距離或者運動超過傳力部件30位移距離或者自由偏轉的10％便可認為不是剛性的。實際上，該百分數通常更小。例如在壓電組件約為0.394英寸長的實施例中，不要求的側部分運動對自由偏轉的百分數約為2％。另一種結構剛性和總的操作效率的另一種表示法是用測得的臂部分例如22和24的自由偏轉與這種運動的理論值(即假定通過整個理論剛性結構，運動損失為零)或者計算值的比表示。采用這種定義，本發明得到的最小效率約為80％。另外，按照本發明，可以達到約90％的效率。按照本發明的構形，還有希望達到大于90％的效率。例如，可以特別設計活頁部分的幾何尺寸，以便達到最好的操作性能，而不會產生應力疲勞破損。按照本發明，支承裝置12除活頁部分外的所有部分應當認為是“剛性的”。該活頁部分是支承部件的唯一需要彎曲、偏轉和運動的部件或者部分。該活頁部分在支承裝置12中是應力最大的部分。準確選擇活頁部分幾何結構的彎曲點，可以優化特殊應用的操作性。為了滿足特別的技術要求，可以改變活頁部分的放大作用，本設計方法能解決這種問題。作為非限定性例子，有限元分析法已經證明，在工業應用的范圍活頁壽命應當是“無限的”。用壓電組件作初級驅動的系統與本發明說明的運動放大器相組合的這種裝置，試驗室測試已超過5億次開/關周期操作。該裝置10整個可以用同一種材料形成，例如鋼，或者技術人員已知的任何合適材料或者復合材料，只要選擇的材料滿足上述特殊應用的設計標準。
支承裝置12包括第一剛性不能彎曲的側部分16、第二剛性不能彎曲的側部分18以及剛性的不能彎曲的連接部分14，各個側部分16和18與剛性不能彎曲的連接部分14形成一體。該側部分16和18與第一和第二可轉動的臂部分22和24的活頁部分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件。
為了優化特殊應用的操作性能，應當準確選擇彎曲點和活頁的幾何形狀。本設計方法能夠解決這種問題，即使臂部分22和24的放大作用與活頁部分26和28相結合，以滿足特定應用所需要的技術要求，從而盡量增加操作性能，而不引起材料疲勞。經試驗室測試已證明的計算工作壽命，顯示出本發明裝置10的操作性能在經過5億次開/關周期以后，沒有任何可測量到的變化。
下面參照圖1和7，裝置10包括用于在操作機構32上施加壓力的裝置62。該預加壓裝置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可以通過調節座將壓力作用在操作機構32上。該調節座34將螺釘36的壓力傳到操作機構32上，該調節座34包括大體為曲面的作用力會聚襯墊，以便將預加的作用力變為純粹的壓力均勻作用到操作機構上，而沒有任何剪力作用在操作機構上。
應用裝置66來補償支承裝置12和操作機構32所用材料不同熱膨脹系數的影響，從而可以消除由工作溫度和/或者環境溫度變化造成的運動。每一種材料均有熱膨脹系數。當工作溫度和/或者圍繞部件的環境溫度變化時，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。本發明的溫度補償作用可以降低或者消除溫度變化對裝置10的影響，本發明的溫度補償裝置66包括操作上與支承裝置12相結合的補償嵌入件38，例如連接于至少一個臂部分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，例如用適當的粘接劑粘合、銅焊、高溫焊、機械緊固方法等，或者任何這些方法的聯合方法，在操作上連接于臂部分22。補償嵌入件38與臂部分22的熱膨脹系數不同(即或者較低或者較高)，使得臂部分22的偏轉量基本上等于由工作溫度和/或者環境溫度變化造成的任何偏轉，并在其相反方向偏轉。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的內表面70上。雖然本發明的溫度補償涉及應用嵌入件使臂部分22和24偏轉，因為部件的膨脹和/或者收縮正比于環境溫度的變化，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計的負載狀態下發生的彎曲運動。盡管本發明已經示出和詳細說明“嵌入件”與臂部分22和24在物理上是單獨的，但是本發明還公開和包括整體的嵌入件結構。技術人員應當認識到，本發明可以用整體嵌入到相應臂部分22和24中的嵌入件形成，和/或者可以用本身摻入適當材料的臂部分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可以用復合燒結材料模制技術形成支承裝置12，由此實施本發明。因此本文中采用的一般術語“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構的任何聯合結構。
現在參考圖3，至少一個臂部分22a用雙金屬層42a制作，該雙金屬層形成至少一個臂部分22a的整個長度。該臂部分22a可以用緊固件44a固定于支承裝置12a。或者，該臂部分22a可以用其他的適當方法例如銅焊法、低溫焊接法、高溫焊接法、化學粘接法或者這些方法的任何聯合方法固定于支承裝置12a。
現在參考圖4，雙材料層42b構成臂部分22b的部分長度。應用緊固件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、化學粘接法或者任何這些方法的聯合方法將臂部分22b固定于支承裝置12b。
下面參考圖10，圖中示出設計本發明裝置10的方法。方法的步驟包括確定設計要求的步驟102；采用三維計算機輔助設計，使裝置10支承裝置12、臂22中的嵌入件38和操作機構32形成模型的步驟104；選擇溫度補償嵌入件材料的步驟106；在有限元模型上進行有限元分析的步驟108；將結果與設計要求比較的步驟110；修改這種模型，循環這種程序，直到計算結果滿足設計要求的步驟112；確定是否按規定成本進行制造的步驟114；用原型進行測試，確認步驟116中的設計，直至這種設計滿足步驟102的要求；重復這種設計程序，直到該設計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果的例子。該操作機構通過力傳送部件30傳送作用力，使得裝置的峰值應力位于活頁部分26上。該臂部分22受到力傳送部件30經裝置10活頁部分26施加的力而從初始位置偏轉到偏轉位置。由于采用有限元方法得到這種示出應力分布，所以操作機構可以達到要求的設計壽命。位于活頁區域部分26、28上的應力隨操作機構32的作用力增加而增加。該操作裝置10基本上是剛性的，由于操作機構的作用力而產生的唯一的彎曲運動的位置位于活頁部分26和28上。該活頁部分26和28在設計的負載條件下，被設計為使裝置10的工作壽命無限長，換言之，因為在生產裝置10時，采用本設計和制造方法，所以活頁部分26和28具有充分的強度和橫截面，不會在裝置10的壽命期間產生屈服或者破裂。可以采用另一種有限元分析法來檢驗從活頁部分26延伸到臂部分22端部的臂部分22的運動。在分析的這一方面中，將未補償臂的運動與已進行溫度補償的臂的運動進行比較。在一定范圍的正常操作溫度下，使兩種臂的運動和作用力形成模型，從而確認所應用的熱補償方法的有效性，并盡量減少由剛性不夠產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償分析。
下面參考圖7，圖中示出由螺釘36預加壓力的操作機構32。該螺釘與支承裝置12的連接部分14螺紋嚙合。該螺釘36接觸調節座34，例如剛性的作用力會聚襯墊，該襯墊在操作上連接于操作機構。該調節座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構不適合于受到張力或者側向力的作用。通過使預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將補償溫度的變化，從而使臂部分22和24偏轉保持正比例操作。當工作溫度和/或者環境溫度改變而不同于設計溫度時，該臂部分將由于操作機構的材料和支承裝置的材料之間熱膨脹系數的不同而偏轉。圖11示出試驗例子。圖11示出一種可能的臂結構，并示出溫度補償臂和非補償臂的臂偏轉(英寸)隨溫度(℃)變化的曲線。該圖示出，未補償的臂在80℃偏轉0.006英寸，而溫度補償臂的偏轉小于0.001英寸。這種偏轉是顯著的，因為在試驗的臂結構中，未補償臂由溫度引起的偏轉，相當于在恒定溫度下響應靈巧部件操作機構電激勵引起的相應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方向，所示的沒有補償臂的結構僅僅因為溫度變化其偏轉可能增加約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。至少一個剛性可轉動臂部分22可轉動地整體連接于傳動活頁26。如果需要兩個相對的臂部分，則第二剛性可轉動臂部分24可整體地連接于傳動活頁28。傳力部件30在操作上連接于靈巧器件操作機構32，該機構與調節座34配合。該調節座34由螺釘36支承，該螺釘螺紋嚙合支承裝置12。溫度補償嵌入件38嵌入到至少一個可轉動臂部分22。閥座72固定于可轉動的臂24。閥桿74固定于可轉動的臂部分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構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，可轉動臂22和24將發生運動從而使閥桿74相對于閥座72移動。溫度補償嵌入件38將相對于可轉動臂部分22和24發生膨脹或者收縮，從而對器件操作機構32和支承裝置12之間熱膨脹系數的不匹配提供補償。本發明的補償裝置可以防止閥桿74和閥座72在溫度變化時彼此相對進行顯著運動，從而可以在較寬的一段環境和操作溫度范圍內達到成正比的控制。
下面參照圖9，圖中示出的裝置10具有雙動作的臂部分22d和24d，該臂部分22d和24d在操作機構32受激發時，可以繞活頁部分26d和28d轉動，該臂部分22d和24d在操作機構32受激勵或者去激勵時，可以在兩個相對端部做功，補償嵌入件38d和38e配置在臂部分22d和28d的相對兩側，從而補償由于環境溫度變化造成的熱膨脹作用。
盡管已結合在現在認為是最好實施例說明本發明，但是應當明白，本發明不限于公開的實施例，相反，還可以在所附權利要求書的精神和范圍內進行各種改型和等效的配置，這種范圍應當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。
權利要求
1.一種裝置，包括支承裝置；操作機構，在操作上連接于該支承裝置，以便響應操作機構的電激勵，按正比例地驅動支承裝置；與支承裝置相互作用的一種裝置，可響應預定操作溫度范圍外的溫度變化，而補償支承裝置和操作機構中所用材料的不同熱膨脹系數。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該溫度補償裝置包括至少一個補償部件，該部件在操作上連接于支承裝置，并與操作機構隔開，該補償部件所用的材料其熱膨脹系數不同于支承部件所用材料的熱膨脹系數，使得補償部件可以向支承裝置施加力，力的方向與由環境溫度變化造成的支承構件上固有的任何偏轉力的方向相反。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該溫度補償裝置還包括形成至少一部分支承裝置的雙材料層，并與操作機構隔開一段距離，第一材料層所用的材料其熱膨脹系數不同于第二材料層，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，其偏轉方向與環境溫度變化引起的任何偏轉方向相反。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該溫度補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不同于溫度補償部件的熱膨脹系數，該溫度補償部件由第二材料形成，使得兩種不同的材料可響應環境溫度的變化彼此施加相反的力。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，兩個相反的力足以將操作機構材料和支承裝置材料的熱膨脹系數差別引起的支承裝置溫致運動，限制到不大于支承裝置總移動量的±7％。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該溫度補償裝置還包括溫度補償部件，該部件在操作上連接于支承裝置，并與操作機構隔開，該操作機構的寬度基本上等于支承裝置的整個寬度。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該溫度補償裝置還包括溫度補償部件，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.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該溫度補償裝置還包括溫度補償部件，該部件操作上連接于支承裝置，并位于該支承裝置的內表面上。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該支承裝置還包括至少一個臂部分，該臂部分可轉動地經一體形成的活頁部分從側部分伸出，該活頁部分位于側部分和臂部分之間。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，至少一個臂部分可向后部彎折到相應側部分的上面。
11.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，該溫度補償裝置包括至少一個補償部件，該部件在操作上連接于支承裝置的各個臂，并與操作機構隔開，該補償部件用一種材料制作，該材料的熱膨脹系數不同于支承部件的熱膨脹系數，因而補償部件可以向支承裝置施加力，該力的方向與環境溫度變化引起的支承裝置和操作機構固有的任何偏轉力的方向相反。
12.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，該溫度補償裝置還包括雙材料層，形成支承裝置至少一個臂的至少一部分，與操作機構分開，第一材料層用一種材料形成，該材料的熱膨脹系數不同于第二材料層，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境溫度變化引起的任何偏轉。
13.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，該溫度補償裝置還包括支承裝置的至少一個臂，該臂用第一材料形成，該材料的熱膨脹系數不同于溫度補償嵌入件的熱膨脹系數，該嵌入件連接于該至少一個臂，并由第二材料形成，因而兩種不同的材料將響應環境溫度的變化，彼此作用相反的力。
14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，該相反的兩個力足以將操作機構材料和支承裝置材料熱膨脹系數的差別引起的支承裝置至少一個臂的溫致運動限制到不超過支承裝置至少一個臂的總移動量的±7％。
15.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，該溫度補償裝置還包括溫度補償部件，該部件在操作上連接于支承裝置的至少一個臂，并與操作機構隔開，該補償部件基本上延伸該至少一個臂的整個寬度。
16.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，該溫度補償裝置還包括溫度補償部件，該補償部件在操作上連接于該支承裝置的至少一個臂，并配置在該至少一個臂的外表面上。
17.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，該溫度補償裝置還包括溫度補償部件，該補償部件在操作上連接于該支承裝置的至少一個臂，并配置在該至少一個臂的內表面上。
18.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該支承裝置還包括至少一個臂部分，該臂部分具有相對于一體形成的活頁部分向外延伸的第一和第二端部；至少一個溫度補償部件，該部件沿該至少一個臂的各個向外延伸端部配置。
19.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用壓力對操作機構預加載的裝置。
20.如權利要求19所述的裝置，其特征在于，該預加載裝置包括螺釘，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，該螺釘可調地將預加載的力傳送到操作機構上。
21.如權利要求19所述的裝置，還包括用于將預加載的力會聚在操作機構上的調節座，該調節座具有曲面，該曲面用于將預加載的力僅作為壓力作用在操作機構上。
22.一種設計壓電操作機構的方法，包括以下步驟確定應用的設計要求；利用有限元(finite element)分析設計方法，形成壓電操作機構的有限元模型；選擇溫度補償嵌入件的材料；在有限元模型上執行有限元分析；將有限元分析的結果與設計要求進行比較；如果不滿足設計要求，則根據比較步驟改進有限元模型，并重復選擇步驟、執行步驟和比較步驟，直至有限元分析的結果滿足設計要求。
23.如權利要求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定的成本制造有限元模型；重復選擇步驟，執行步驟、比較步驟和確定步驟，直至有限元模型滿足預定的成本值。
全文摘要
一種裝置，具有靈巧器件操作機構、支承裝置和至少一個溫度補償嵌入件，該嵌入件或者固定在支承裝置的外側，或者與支承裝置形成整體，或者以任何方法結合。該裝置包括起機械杠桿作用的電激勵靈巧器件。該支承裝置和操作機構對于這種結構所用材料熱膨脹系數的差別產生的影響很敏感。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。溫度對靈巧器件的影響因此形成杠桿作用，并被放大，由此在環境和/或者操作溫度變化時，在該裝置中產生不需要的運動。相對于支承裝置選擇補償嵌入件尺寸和布置該嵌入件的方法可以提供一種準確的低成本的補償嵌入件。
文檔編號H01L41/09GK1666352SQ03815643
公開日2005年9月7日 申請日期2003年7月3日 優先權日2002年7月3日
發明者杰夫·莫勒, 約翰·A·布格爾, 馬克·烏德舒恩 申請人:瓦伊金技術有限公司