CN102251944A - 机械温度补偿装置与方法、组装该装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于固态材料中补偿热膨胀的装置和方法，以及一种制造该装置的方法。将该装置与将待进行温度补偿的设备结合一起通过机械方式来实现温度补偿。温度补偿元件包括封闭的盘状部(10)，其通过倾斜的连接器件(13)与外壳(11)连接，外壳(11)的热膨胀系数不同于该封闭的盘状部(10)的热膨胀系数。可实施正向的或负向的温度补偿。制造方法包括加热或冷却零部件，在组装零部件时将得到压力装配，并控制零部件的温度为所需的温度补偿范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于固态材料如塑料、金属或陶瓷中补偿热膨胀的装置和处理过程，还涉及用于制造这种装置的方法。
背景技术
设计机械系统时，其构造通常使用不同材料的组件。原因可能是所用零部件的特殊要求，如硬度、损耗性、耐腐蚀性、表面粗糙度、透明度、颜色、电特性、熔点、成本等。
在组合不同的材料时，所用零部件通常具有不同的热膨胀系数。在许多情况下，如果系统的结构允许发生热膨胀且不损坏该结构或其功能时，不会引起任何问题。在温度可能会对系统的功能有影响时，可通过足够的公差得以实现，该公差要考虑到热效应以及具有结构和系统构造，其中，系统构造包括结构以及具有尽可能小影响的选材。
然而，当温度波动，为得到令人满意的功能时，需要温度补偿元件，此时存在温度临界结构。
温度临界结构的实例包括微定位装置、激光光束控制、显微镜聚焦(包括原子、光学和超声波)、半导体制造、微定位传感器、光谱学以及光具座。
在微定位中，通常由以压电晶体形式存在的致动器来控制定位。压电晶体具有大约晶体厚度的0.1％的驱动范围，即，驱动范围相对于晶体厚度而言非常小。为获得较大的运动，温度临界结构以双形态晶振形式产生，双形态晶振具有两层工作于相反方向的压电材料。弯曲度可通过与双金属的相同方式获得，将连接层构造为光柱。另一方面，由于压电光束具有始终相同的热膨胀系数材料，因此压电光束热稳定。
然而，压电光束的缺点在于其效力受限于压电陶瓷的易碎性。
另一种使用压电技术以获得更大运动的方法是将多个压电元件串联以形成堆栈。
将压电元件结合为堆栈的方式类似于制造陶瓷多层冷凝器。可通过这种方式制得具有若干厘米长度的压电致动器。如果固定堆栈的一端，另一端将相对于其自身周围运动。该另一端的周围通常具有与压电堆栈的固定端相同的材料。为获得不受环境温度影响的相对运动，压电堆及其周围的材料必须具有相同的热膨胀系数。然而，这是难以达到的，因为压电材料通常只有几ppm的热膨胀系数，一些材料中甚至为负热膨胀系数。周围的材料必须具有相同的系数，该系数极大地限制了可能的选材。只有一些特殊的合金或陶瓷材料仍可作为可能的选材。由于强度、制造方法、腐蚀性或高成本等因素，这些选材通常不合适。
现在可用的解决方案有如将第二压电堆栈作为第一压电堆栈的参考点。这使得机械设计的成本及空间均增加。另一种方法是使用特殊的材料作为参考点。再一种方法是将具有极大热膨胀系数的元件与压电堆栈串联；从而压电堆栈与补偿元件的串联可得到与周围材料相同的热膨胀。美国专利7,514,847和6,148,842中都描述了这种方法。
美国专利7,514,847使用铝体作为补偿元件。由于铝具有比普通构造材料相对低的热膨胀系数，所以需要更大体积的铝体，从而造成尺寸上明显增加且反应时间增长。
美国专利6,148,842使用充满油的闭合容器作为补偿体。由于油具有高的热膨胀系数，该方案可提供小体积的补偿体。其缺点在于油必须密封以免泄漏，这将导致高的制造成本。
一种实例中，如美国专利5,059,850描述了使用记忆合金的补偿方法。
然而，这种方法的困扰是存在阻尼问题、选材以及高成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温度补偿装置与方法，其补偿体具有比金属或其他常用构造材料还高的热膨胀系数，以及一种易于制造的该补偿装置的组装方法。
上述目的依照各独立权利要求提供的装置及方法来实现，而具体实施方式体现在从属权利要求中。
因此，本发明首先致力于减缓或者消除一个或多个上述现有技术中的单独的或结合的问题或者不足，并且提供如权利要求所述的装置解决至少部分上述问题。
根据本发明的第一个方面，一种机械温度补偿元件，用于作为热膨胀的补偿元件，包括：具有第一热膨胀系数的平面元件；具有第二热膨胀系数的外壳，所述第二热膨胀系数不同于所述第一热膨胀系数；连接器件(相对于所述平面元件倾斜)，与所述平面元件和所述外壳机械连接；在温度改变时，所述平面元件径向膨胀，所述连接器件径向移动，其中，所述平面元件的径向扩展转换为(相对于所述平面元件的)正交运动，该正交运动根据所述温度补偿元件的温度提升或降低所述外壳。
一种实施例中，外壳由两个相对的部分构成。
另一种实施例中，所述平面元件为圆形盘状部，或者，所述平面元件为多边形。
又一种实施例中，所述外壳为圆形，或者所述外壳为多边形。
再一种实施例中，所述连接器件包括长菱形截面的垫片、和/或径向狭缝、和/或具有长菱形截面的独立切片。
在机械温度补偿元件的另一种实施方式中，所述平面元件的热膨胀系数高于所述外壳的热膨胀系数。
一种实施例中，所述平面元件可使用的材料为锌。
机械温度补偿元件的另一种实施方式中，所述平面元件的热膨胀系数低于所述外壳的热膨胀系数。
又一种实施方式中，所述温度补偿元件与压电元件串联连接。
本发明的另一方面提供了一种用于组装机械温度补偿元件的方法，包括在组装前使平面元件冷却。
本发明的第三个方面提供了一种组装机械温度补偿元件的方法，包括在组装前加热平面元件。
本发明的第四个方面提供一种用于温度临界结构进行机械温度补偿的方法，包括：具有热膨胀系数的平面元件，该热膨胀系数不同于所述平面元件的外壳的热膨胀系数，在温度改变时，所述平面元件膨胀，从而压挤所述平面元件和所述外壳之间的机械连接器件，使得所述连接器件在相对于所述平面元件正交方向上提升或降低且与温度临界装置相互作用的外壳。
本发明的另一个方面提供了一种温度补偿方法，其中，采用温度补偿元件作为补偿元件用于热膨胀，在温度改变时，平面元件径向膨胀，相对于平面元件倾斜的连接器件径向移动并将所述平面元件的径向膨胀转换为相对于所述平面元件的正交运动，该正交运动根据所述温度补偿元件的温度提升或降低包围所述平面元件的外壳。
本发明的有益效果在于，通过相对简便且经济的方法在温度临界结构例如压电元件中得到机械温度补偿。
附图说明
本发明的特点和优点将在下面描述的具体实施方式中予以展示和表述，请参照附图，其中：
图1为根据本发明一种实施例的示意图，该实施例中，装置处于其最低工作温度；
图2为图1所示实施例的示意图，此时，装置处于其最高工作温度；
图3为根据本发明一种可获得负温度补偿的实施例，该实施例中，装置处于其最高工作温度；
图4为图2所示连接器件的详细视图；
图5和图6为连接器件变形的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明一种实施方式提供了一种机械温度补偿元件，用于作为热膨胀的补偿元件，包括：具有第一热膨胀系数的平面元件；具有第二热膨胀系数的外壳，所述第二热膨胀系数不同于所述第一热膨胀系数；连接器件(相对于所述平面元件倾斜)，与所述平面元件和所述外壳机械连接；在温度改变时，所述平面元件径向膨胀，所述连接器件径向移动，其中，所述平面元件的径向扩展转换为(相对于所述平面元件的)正交运动，该正交运动根据所述温度补偿元件的温度提升或降低所述外壳。
这种机械装置可用于根据温度变化进行机械补偿，还用于温度临界结构，如用于微定位装置、激光光束控制、显微镜(原子、光学和超声波)聚焦、半导体制造、微定位传感器、光谱学以及光具座，或者用于补偿与温度相关的如压电元件的冲程。
温度补偿可通过具有热膨胀系数的平面元件得到，该热膨胀系数高于或低于外壳的热膨胀系数，外壳位于所述平面元件的上一层或由两个相对的部分构成。当温度发生改变时，平面元件径向膨胀，从而使得机械装置执行如杠杆类的运动，使得外壳相对于平面元件正交地提升或降低。
不同实施方式中，平面元件和外壳可以有不同的形状。实施例中，它们可以是圆形、多边形或椭圆形等。
一种实施方式中，连接器件包括盘状部件如具有长菱形截面的垫片，或径向狭缝，和/或具有长菱形横截面的独立切片。
平面元件和外壳之间的机械连接器件导致了如杠杆般的运动，这是由于平面元件的与温度相关的径向改变引起的。
当所述平面元件的热膨胀系数高于所述外壳的热膨胀系数，这将得到正向的温度补偿，当温度升高时可得到提升效果。
当所述平面元件的热膨胀系数低于所述外壳的热膨胀系数，这将得到负向的温度补偿，温度升高时将使得机械温度补偿元件降低。
一种实施例中，所述平面元件可使用的材料为锌。
如图1和图2所示，本发明的一种实施方式提供的装置包括：具有相对高的热膨胀系数的盘状部(即平面元件)10，由外壳11、12包围。外壳11、12为包围盘状部10的两个部分。本实施方式中，外壳包括两个盘状部，两个盘状部都具有空腔。安装盘状部使得空腔容纳盘状部10于外壳内。盘状部10与连接器件13为拉伸关系(相互受力)，连接器件13可以是如图1所示的长菱形(rhomboidal)界面的垫片。盘状部10具有比外壳11、12高的热膨胀系数。
当温度增加，由于盘状部10的直径比厚度大，因此盘状部10的径向膨胀比轴向膨胀要多。而且，盘状部10的膨胀比外壳11、12要多，于是，连接器件13使外壳11、12处于径向压力作用下，并可径向(或盘状部平面的正交方向)提升或降低外壳11、12。本实施例中，连接器件13为两个具有长棱形截面的环状物，并施加径向压力于外壳11和12。连接器件13的长菱形截面具有倾斜的支撑元件(如支杆)100和101的作用，如图4中连接器件13的截面上的对角线所示。盘状部10的热膨胀引起的径向运动转换为轴向运动，该轴向运动具有由线100、101的倾斜度决定的放大因子，即，可以根据期望规格和应用来设计连接器件13。
图1为装置处于其最低工作温度的示意图，图2为装置处于其最高工作温度的示意图。当处于典型的工作温度时，外壳的盘状部11、12分离一段距离，优选如图2所示的分离一半距离，如图2所示。同时，如图4所示，连接器件13只与盘状部10及外壳11、12在相对的对角线100和101的端点处接触。处于这种位置且工作在最高工作温度时，整个装置受压力装配组合为连续单元，该压力装配由是由于来自盘状部10抵触连接器件13的径向压力而引起的。
为使装置能承受高的轴向反作用力，可以采用由硬材料制得的薄圆环14包围盘状部10的轴向表面。这阻止了盘状部10的形状变形，即使盘状部由比外壳还软的材料构成。当连接器件13和盘状部10之间增加薄圆环14时，连接器件13只与盘状部10及外壳11、12在相对的对角线100和101的端点处接触。一种实施例中，选择锌作为盘状部10的材料，不锈钢为装置其余部分的材料，则可获得每度150ppm的热膨胀系数，其大约高于多数结构材料的10倍。通过改变连接器件13的长菱形角度，可以进行机械放大，从而，根据需要确定轴向热膨胀系数。
当连接器件受到径向力时，它将施施加反作用力给盘状部10。实际上，这将通过减小了的热膨胀的效果来压缩盘状部。为了减小热膨胀效果，连接器件13可设有如图5所示的狭缝，或设有如图6所示的分开的切片。连接器件13的狭缝可以是非穿透的径向凹槽。
外壳21、22使用具有高热膨胀系数的材料，装置的其余部分具有的热膨胀系数比外壳的低，如图3所示，便可得到负热膨胀系数。
然后，将形成包围外壳21、22的硬表面的环状物24置于与图2稍微不同的位置。本实施例中，所用零部件为圆形，但装置不限于这些形状。可将圆形形状改变为多边形、椭圆形或类似形状。
图5和图6示出了连接器件的不同变形结构。如图5所示，大部分的连接器件可以是连续的圆环；或者，如图6所示，多数的独立的连接器件可以设置在盘状部10周围的圆环上。
在机械温度补偿元件的又一种实施方式中，所述温度补偿元件与压电元件串联连接。
这种连接中，机械温度补偿元件用于补偿压电元件的冲程中与温度相关的改变。然而，如前述，本发明还可用于其他的温度临界结构中进行温度补偿。现在描述如上所示装置实施方式的制造方法。
基于上述温度补偿元件，本发明实施方式还提供了一种用于组装机械温度补偿元件的方法，包括在组装前使平面元件冷却。
基于上述温度补偿元件，本发明实施方式还提供了一种用于组装机械温度补偿元件的方法，包括在组装前加热平面元件。
采用上述这两种方法加热或冷却元件以便在安装元件时产生压力装配，便于控制元件的温度为所需的温度补偿范围。
如前述，整个设备受压力装配组合在一起。当温度低于盘状部10的工作温度范围时，可无困难地组装所有零部件。
一种组装方法是在组装前冷却盘状部10，如通过液氮进行冷却。在组装后，向装置施加轴向力，且进行温度均衡直至装置达到其工作温度范围，之后去除轴向力。
如图3所示，当装置为负热膨胀系数时，此时要加热外壳21、22，之后向装置施加轴向力，且进行温度均衡直至装置达到其工作温度范围，之后去除轴向力。
本发明一种实施方式还提供一种用于温度临界结构进行机械温度补偿的方法，包括：具有热膨胀系数的平面元件，该热膨胀系数不同于所述平面元件的外壳的热膨胀系数，在温度改变时，所述平面元件膨胀，从而压挤所述平面元件和所述外壳之间的机械连接器件，使得所述连接器件在相对于所述平面元件正交方向上提升或降低且与温度临界装置相互作用的外壳。
本发明的另一种实施方式还提供一种温度补偿方法，其中，采用温度补偿元件作为补偿元件用于热膨胀，在温度改变时，平面元件径向膨胀，相对于平面元件倾斜的连接器件径向移动并将所述平面元件的径向膨胀转换为相对于所述平面元件的正交运动，该正交运动根据所述温度补偿元件的温度提升或降低包围所述平面元件的外壳。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (16)
1.一种机械温度补偿元件，用于作为热膨胀的补偿元件，其特征在于，包括：
具有第一热膨胀系数的平面元件；
具有第二热膨胀系数的外壳，所述第二热膨胀系数不同于所述第一热膨胀系数；
连接器件，相对于所述平面元件倾斜，与所述平面元件和所述外壳机械连接；
在温度改变时，所述平面元件径向膨胀，所述连接器件径向移动，其中，所述平面元件的径向膨胀转换为相对于所述平面元件的正交运动，该正交运动根据所述温度补偿元件的温度提升或降低所述外壳。
2.如权利要求1所述的温度补偿元件，其特征在于，所述外壳由两个相对的部分组成。
3.如权利要求1或2所述的温度补偿元件，其特征在于，所述平面元件为圆形盘状部，或者，所述平面元件为多边形。
4.如权利要求1-3任一项所述的温度补偿元件，其特征在于，所述外壳为圆形，或者所述外壳为多边形。
5.如权利要求1-4任一项所述的温度补偿元件，其特征在于，所述连接器件包括长菱形截面的垫片。
6.如权利要求1-5任一项所述的温度补偿元件，其特征在于，所述连接器件包括径向狭缝。
7.如权利要求1-6任一项所述的温度补偿元件，其特征在于，所述连接器件包括具有长菱形截面的独立切片。
8.如权利要求1-7任一项所述的温度补偿元件，其特征在于，所述平面元件的热膨胀系数高于所述外壳的热膨胀系数。
9.如权利要求1-7任一项所述的温度补偿元件，其特征在于，所述平面元件的热膨胀系数低于所述外壳的热膨胀系数。
10.如权利要求1-9任一项所述的温度补偿元件，其特征在于，所述平面元件由锌制成。
11.如权利要求1-10任一项所述的温度补偿元件，其特征在于，所述温度补偿元件与压电元件串联连接。
12.一种用于制造如权利要求1-11任一项所述的温度补偿元件的方法，包括：在安装所述平面元件前使之冷却或加热，在安装后向装置施加轴向压力，并使温度均衡直至所述装置达到其工作温度范围，然后移除所述压力。
13.如权利要求12所述的方法，用于组装如权利要求8所述的温度补偿元件，包括在安装前将所述平面元件冷却。
14.如权利要求12所述的方法，用于组装如权利要求9所述的温度补偿元件，包括在安装前将所述外壳加热。
15.一种用于机械温度补偿温度临界装置的方法，包括：具有热膨胀系数的平面元件，该热膨胀系数不同于所述平面元件的外壳的热膨胀系数，在温度改变时，所述平面元件膨胀，从而压挤所述平面元件和所述外壳之间的机械连接器件，使得连接器件在相对于所述平面元件正交方向上提升或降低与所述温度临界装置相互作用的所述外壳。
16.一种用于温度补偿的方法，其特征在于，采用温度补偿元件作为补偿元件用于热膨胀，其中，在温度改变时，平面元件径向膨胀，相对于平面元件倾斜的连接器件径向移动并将所述平面元件的径向膨胀转换为相对于所述平面元件的正交运动，该正交运动根据所述温度补偿元件的温度提升或降低围住所述平面元件的外壳。
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