SE534995C2 - Mekaniskt temperaturkompenseringselement, förfarande för montering därav, samt förfarande för att mekaniskt temperaturkompensera - Google Patents

Abstract

SAMANDRAG Uppfinningen avser en anordning och ett förfarandefor att kompensera temperaturutvidgningseffekter i fastamaterial, samt en metod att tillverka namnda anordning. Temperaturkompensering gors genom att anordningenmekaniskt samverkar med den anordning som skalltemperaturkompenseras. Temperaturkompenseringselementet(10) ar sammanbunden till ett holje består av en innesluten skiva som via en snedstalld(13) (11) temperaturutvidgningskoefficient skiljer sig från den lankanordning vars inneslutna skivans. Både positiva och negativatemperaturkompenseringar kan utforas. Tillverkningsmetodenbestår i att ingående delar varms upp eller kyls så att enpresspassning uppnås då delarna sammanfogats och atttemperaturen på ingående delar styrts till avsett temperaturkompenseringsområde. Att publiceras med Fig. 2

Description

25 30 35 534 995 Vid mikropositionering är det vanligt att positioneringen styrs av en aktuator i form av en piezoelektrisk kristall. En piezoelektrisk kristall har ett utstyrningsomràde utgörande ca 0,1 % av kristallens tjocklek, dvs. utstyrningsomràdet är väldigt litet i förhållande till kristallens tjocklek. För att uppnå en större rörelse har konstruktioner tagits fram i form av bimorfa kristaller som har tvà lager av piezomaterial med motriktade arbetsriktningar. Genom att de sammanfogade lagerna utformas som en balk uppnàs en böjning pà samma sätt som bimetall. Piezobalken blir däremot temperaturstabil eftersom den bestár av material med samma temperaturutvidgningskoefficient överallt.

Nackdelen med piezobalkar är dock att kraften är begränsad pà grund av piezokeramikens skörhet.

Ett annat sätt att uppnå större rörelse med piezoteknik är att seriekoppla ett antal piezoelement i form av en stack.

Detta kan göras integrerat pà liknande sätt som vid tillverkning av keramiska flerskiktskondensatorer. En piezoaktuator med en längd av åtskilliga centimeter kan tillverkas pá detta sätt. Om en stack förankras i en ände kommer den andra änden att röra sig relativt omgivningen till den andra änden. Omgivningen till den andra änden utgörs normalt av samma material som är förankrat i piezostackens ände. För att fa en relativ rörelse som inte påverkas av omgivningstemperaturen mäste piezostacken och det omgivande materialet ha samma temperaturutvidgningskoefficient. Detta är dock svårt att uppnä, eftersom piezomaterialet ofta har en utvidgningskoefficient pà endast nagra fä ppm, och i vissa material till och med en negativ koefficient. Omgivande material mäste dä ha samma koefficient, vilket starkt begränsar grvalet av möjliga material. Endast vissa speciallegeringar och keramiska material àterstàr som möjliga alternativ. Dessa alternativen är ofta olämpliga pà 10 15 20 25 30 35 534 995 grund av hàllfasthet, tillverkningsmetoder, korrosionsegenskaper, eller högt pris.

Dagens existerande lösningar är exempelvis att en andra piezostack utgör referenspunkt till den första. Detta ger en merkostnad och begränsning av den mekaniska designen. Ett annat sätt är att som ovan nämnts att använda speciella material utgörande referenspunkt. Ytterligare ett sätt är att i serie med piezostacken lägga in ett element med signifikant temperaturutvidgning. Piezostacken i serie med kompensationselementet kan dà fås att ha samma temperaturutvidgning som omgivande material. Denna princip finns beskriven i patenten US 7,5l4,847 och US 6,148,842.

I US 7,514,847 används en aluminiumkropp som kompenseringsdel. Eftersom aluminium har en relativt làg temperaturutvidgningskoefficient jämfört med vanliga konstruktionsmaterial behövs en stor sådan här kropp, vilket leder till signifikant större dimensioner och en försämrad responstid.

I US 6,l48,842 används en sluten behàllare fylld med olja som kompensationskropp. Denna lösning ger en kompaktare kompensationskropp eftersom det finns oljor med hög temperaturutvidgningskoefficient. Nackdelen är dock att oljan mäste inneslutas hermetiskt för att undvika läckage, vilket leder till höga tillverkningskostnader.

Kompensationsmetoder med minnesmetall finns också beskrivna exempelvis i patent US 5,059,850.

Detta är dock en lösning som är tyngd av hysteresproblem, materialval och höga kostnader.

Syftet med uppfinningen är att tillhandahålla en temperaturkompensering med en kropp som har signifikant större temperaturutvidgningskoefficient än metaller och vanliga konstruktionsmaterial. En anordnign som tillhandahåller denna kompensering ska lätt kunna tillverkas. 10 15 20 25 30 35 534 955 Sammanfattning av uppfinning Dessa syften àstadkommes med hjälp av anordningen enligt de bifogade oberoende kraven, varvid särskilda utföringsformer behandlas i de beroende kraven.

Den föreliggande uppfinningen söker sáledes framför allt motverka, förbättra eller eliminera en eller flera av ovan identifierade tillkortakommanden och nackdelar inom konventionell teknik, individuellt eller i någon kombination, och löser åtminstone delvis de ovan nämnda problem genom att erbjuda en utrustning enligt de vidlagda patentkraven.

Uppfinningen kan i en första aspekt beskrivas som ett mekaniskt temperaturkompenseringselement avsedd att användas som kompensationselement för temperaturutvidgning.

Elementet innefattar ett plant element med en första temperaturutvidgningskoefficient; ett hölje med en andra temperaturutvidgningskoefficient skild fràn den första temperaturutvidgningskoefficienten; en, gentemot det plana elementet, snedställd länkanordning som mekaniskt kopplar samman det plana elementet och höljet; vid temperaturförändring utvidgas det plana elementet radiellt och länkanordningen förflyttas radiellt varvid den fràn det plana elementet radiella utvidgningen omvandlas till en, gentemot det plana elementet, ortogonal rörelse, vilket lyfter eller sänker höljet i beroende av temperaturkompenseringselement temperatur.

Genom denna konstruktion fàs en mekanisk anordning som kan användas till att mekaniskt kompensera för förändringar som bero pà temperaturförändringar och som kan användas till temperaturkritiska konstruktioner sàsom t ex för mikropositionering, styrning av laserstràlar, fokusering av mikroskop; atom, optiska och ultraljud, halvledartillverkning, sensorer för mikropositionering, spektroskopi och optiska bänkar. Eller för att kompensera, den temperaturberoende, slaglängden för ett piezoelement.

Temperaturkompenseringen sker genom att det plana materialet har en temperaturkoefficient som är högre eller 10 15 20 25 30 35 534 995 lägre än ett ovanliggande hölje eller ett hölje bestàende av tvà motsatta halvor. När en temperaturförändring sker så utvidgas det plana elementet radiellt vilket leder till att, en till höljet länkande, mekanisk anordningen utför ett hävstàngsliknande rörelse och lyfter eller sänker höljet ortogonalt relativt det plana elementet.

Det plana elementet samt höljet kan i olika utforingsformer ha varierande former. Till exempel kan de vara antingen cirkelformade, polygonformade eller ellipsformade.

I ett utförande av det mekaniska temperaturkompenseringselementet innefattar länkanordningen en bricka med romboidiskt tvärsnitt, radiella slitsar och eller, separata segment med romboidiskt tvärsnitt.

Det är genom denna konstruktion, av den mellan det plana elementet och höljet mekaniskt länkade anordningen, som den hävstàngsliknande rörelsen bildas av det plana elementets temperaturberoende radiella förändring.

I ytterligare ett utförande av det mekaniska temperaturkompenseringselement har det plana elementet en temperaturutvidgningskoefficient som är högre än höljets.

Detta ger en positiv temperaturkompensering vilket ger en lyftande effekt när temperaturen ökar. Ett exempel pà ett material som kan användas till det plana elementet är här zink.

I ytterligare ett utförande av det mekaniska temperaturkompenseringselement har det plana elementet en temperaturutvidgningskoefficient som är lägre än höljets.

Detta ger en negativ temperaturkompensering vilket gör att det mekaniska temperaturkompenseringselement sänker sig när temperaturen ökar. 10 15 20 25 30 35 534 995 I ett annat utförande av det mekaniska temperaturkompenseringselementet kan det kopplas i serie med ett piezoelement.

Vid en sådan koppling används det mekaniska temperaturkompenseringselementet för att kompensera för temperatur beroende förändringar av piezoelementets slaglängd. Men som tidigare nämnts kan uppfinningen användas till att temperaturkompensera för andra temperaturkritiska konstruktioner.

En andra aspekt av uppfinningen innefattar ett förfarande vid montering av det mekaniska temperaturkompenseringselementet vilket innefattar att det plana elementet kyls ner innan montering.

En tredje aspekt av uppfinningen innefattar ett förfarande vid montering av det mekaniska temperaturkompenseringselementet, vilket innefattar att höljet värms upp innan montering.

Dessa tvà aspekter av uppfinningen bestàr i att ingående delar värms upp eller kyls så att en presspassning uppnås då delarna sammanfogats och att temperaturen pà ingående delar styrts till avsett temperaturkompenseringsomràde.

En fjärde aspekt av uppfinningen innefattar ett förfarande för att mekaniskt temperaturkompensera en temperaturkritisk konstruktion, innefattandes av ett plant element, med en temperaturutvidgningskoefficient som är skild fran dess höljes temperaturutvidgningskoefficient, vid temperaturförändring utvidgas och där därmed trycker pà en, mellan det plana elementet och höljet, mekaniskt länkade konstruktion som lyfter eller sänker höljet ortogonalt relativt det plana elementet som samverkar med den temperaturkritiska konstruktionen. 10 15 20 25 30 35 534 995 Enligt ytterligare en aspekt av uppfinningen tillhandahålls ett förfarande för temperaturkompensering där ett temperaturkompenseringselement användas som kompensationselement för temperaturutvidgning, varvid vid temperaturförändring utvidgas ett plant elementet radiellt och en snedställd länkanordning förflyttas radiellt varvid den från det plana elementet radiella utvidgningen omvandlas till en, gentemot det plana elementet, ortogonal rörelse, vilket lyfter eller sänker ett höljet som omger det plana elementet i beroende av temperaturkompenseringselements temperatur.

Fördelarna med denna metod är som för ovan beskrivna utrustning. Att man pà ett relativt enkelt och billigt sätt kan få en automatisk mekanisk temperaturkompensering av en temperaturkritisk konstruktion t ex ett piezoelement. Översiktlig beskrivning av ritningarnn Dessa och andra aspekter, särdrag och fördelar som uppfinningen åtminstone partiellt innehar blir tydligare och specificerade genom följande beskrivning av utförandeformer av föreliggande uppfinning, där referens görs till de vidlíggande figurerna, i vilka Figur 1 visar i en schematisk vy ett utförandeexempel enligt en princip av uppfinningen, i detta exempel är anordníngen i sin lägsta arbetstemperatur; Figur 2 visar samma utförandeexempel som figur 1, men med anordníngen i sin högsta arbetstemperatur; Figur 3 visar ett utförande där en negativ temperaturkompensering kan uppnås i enlighet med uppfinningen; I detta exempel är anordníngen i sin högsta arbetstemperatur; 10 15 20 25 30 35 534 995 Figur 4 visar en detaljerad vy av figur 2 där principen för länkanordningen visas; och Figur 5 och 6 visar varianter av länkanordningarna.

Beskrivning av utföranden En anordning i enlighet med uppfinningen erhålles genom att ett plant element 10, sàsom en disk med förhållandevis hög temperaturutvidgningskoefficient innesluts i ett hölje 11,12. Höljet 11, 12 har tvà delar som inneslutar disken. Enligt utföringsformen består höljet av tvà skivor som var och en har en fördjupning.

Skivorna är sammansatta så att fördjupningarna tar emot disken inuti höljet. Disken ligger i spänn med en länkanordning 13, som kan var en bricka med romboidisk tvärsnittsform enligt Fig. 1. Disken har en hög temperatur- utvidgningskoefficient i förhållande till höljet 11, 12.

Vid en temperaturhöjning expanderar disken mer i radiell riktning än i axiell riktning då skivan har en större diameter än tjocklek. Vidare expanderar disken mer än höljet 11,12 varpå länkanordningen 13 utsätter höljet 11,12 för ett radiellt tryck. Länkanordningen 13 består i utföringsexemplet av två ringar med romboidiskt tvärsnitt och utsätter höljet 11,12 för ett radiellt tryck.

Länkanordningens 13 romboidiska tvärsnittsform får en funktion av ett snedställt stag 100,101, så som illustreras i Fig. 4 med de diagonala linjerna i länkanordningens 13 tvärsnitt. Den radiella rörelsen orsakad av diskens temperaturutvidgning kommer då att omsättas i en axiell rörelse med en förstärkningsfaktor som bestäms av linjernas 100,10l lutning, dvs. länkanordningens 13 utförande enligt önskade specifikationer och tillämpningar.

I fig 1 visas anordningen vid lägsta arbetstemperatur och i fig 2 vid högsta arbetstemperatur. Vid typisk arbetstemperatur kommer höljets delar 11,12 av att vara åtskilda med en distans företrädesvis hälften av den som illustreras i figur 2. Länkanordningen 13 kommer samtidigt 10 15 20 25 30 35 534 955 att endast ha kontakt med disken och höljet 11,12 i hörnen motställda diagonalerna l00,10l i fig 3. I detta läge liksom vid högsta arbetstemperatur kommer hela anordningen att hållas ihop i en sammanhängande enhet av presspassning orsakad radiellt tryck mot länkanordningen 13 från disken.

För att anordningen skall kunna motstå stora axiella motkrafter är diskens radiella yta omgiven av en tunn ring 14 med av ett hårt material. På detta sätt undviks deformation av diskens form även om den består av ett material som är mjukare än höljet. Genom att välja zink som material i disken och rostfritt stål i resten av anordningen kan exempelvis en axiell temperaturutvidgningskoefficient på 150 ppm/grad nås. Detta är ca tio ggr mer än de flesta konstruktionsmaterial. Genom att variera vinkeln på länkanordningens 13 romboid form kan den mekaniska förstärkningen och därmed den axiella temperaturutvidgningskoefficienten bestämmas efter önskemål.

Då länkanordningen 13 utsätts för radiella krafter kommer den att utsätta disken för en motkraft. Detta kommer att leda till en kompression av densamma med en i praktiken reducerad temperaturutvidgningseffekt. För att minska denna påverkan kan länkanordningen 13 förses med slitsar enligt figur 5, eller att bestå av lösa segment enligt figur 6.

Slitsar i länkanordningen 13 kan även bestå av ej genomgående radiella spår.

Genom att använda ett material med stor temperaturutvidgningskoefficient i höljet 11,12 och att övrigt material i anordningen består av material med därtill relativ låg temperaturutvidgningskoefficient enligt figur 3 kan en axiell negativ temperaturutvidgningskoefficient uppnås.

Ringen 24 som bildar en hård yta mot höljet 21,22 har då en lite annorlunda placering jämfört med figur 2. 10 15 20 25 30 534 995 10 I föreliggande utföringsexempel är ingående delar cirkulära, anordningens geometri är dock inte begränsad till dessa former, utan cirkelformen kan bytas med polygoner, ellipser eller liknande.

Figur 5 och 6 visar olika varianter av länkanordningarna. Såsom visas i Fig. 5 kan ett flertal länkanordningarna vara anordnade i en sammanhängande ring.

Alternativt, såsom visas i Fig. 6 kan ett flertal individuella element vara anordnade i en omkrets kring disken.

Enligt en utföringsform beskrivs nu en metod för tillverkning av en ovan beskriven anordning.

Som tidigare nämnts hålls hela anordningen ihop i form av en presspassning. Vid temperatur lägre än arbetstemperaturområdet på disken kan alla ingående delar sammanfogas utan svårighet.

En fördelaktig monteringsmetod är då att innan montering kyla ner disken till en låg temperatur, t.ex. i flytande kväve. Efter monteringen sätts konstruktionen i axiell press och får temperaturutjämnas till anordningen når sitt temperaturarbetsområde, varefter pressen kan avlägsnas.

Vid montering av anordning med negativ temperaturutvidgningskoefficient enligt figur 3 värms höljet 21,22 istället upp, och därefter sätts konstruktionen i axiell press och får temperaturutjämnas till anordningen når sitt temperaturarbetsområde, varefter pressen kan avlägsnas.

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 534 995 /I PATENTKRAV

1. l.Mekaniskt temperaturkompenseringselement avsedd att användas som kompensationselement för temperaturutvidgning, som innefattar ett plant element (10) med en första temperaturutvidgningskoefficient; ett hölje (11) med en andra temperaturutvidgningskoefficient skild från den första temperaturutvidgningskoefficienten; en, gentemot det plana elementet, snedställd länkanordning (13) som mekaniskt kopplar samman det plana elementet och höljet; vid temperaturförändring utvidgas det plana elementet (10) radiellt och länkanordningen förflyttas radiellt varvid den från det plana elementet radiella utvidgningen omvandlas till en, gentemot det plana elementet, ortogonal rörelse, vilket lyfter eller sänker höljet i beroende av temperaturkompenseringselement temperatur.

2.Temperaturkompenseringselementet enligt krav 1, där höljet består av två motsatta halvor.

3. Temperaturkompenseringselementet enligt krav 1 eller 2, där det plana elementet består av en cirkelformad disk eller där det plana elementet består av en polygon.

4. . Temperaturkompenseringselementet enligt något av kraven 1-3, där höljet är cirkelformat, eller där höljet är polygonformat.

5. .Temperaturkompenseringselementet enligt något av kraven 1-4, där lânkanordningen innefattar, en bricka med romboidiskt tvärsnitt. 10 15 20 25 30 35 534 995

6. Temperaturkompenseringselementet enligt något av kraven 1-5, där lânkanordningen innefattar, radiella slitsar.

7.Temperaturkompenseringselementet enligt något av kraven 1-6, där länkanordningen innefattar, separata segment med romboidiskt tvärsnitt.

8. Temperaturkompenseringselementet enligt något av kraven 1-7, där det plana elementets temperaturutvidgningskoefficient är högre än höljets.

9. Temperaturkompenseringselementet enligt något av kraven 1-7, där det plana elementets temperaturutvidgningskoefficient är lägre än höljets.

10.Temperaturkompenseringselementet enligt något av kraven 1-9, där det plana elementet består av zink.

11.Temperaturkompenseringselementet enligt något av kraven 1-10, där det mekaniska temperaturkompenseringselementet är kopplat i serie med ett piezoelement.

12.Förfarande för tillverkning av ett temperaturkompenseringselement enligt krav 1-11 som innefattar att kyla ner eller värma det plana elementet (10) före montering, samt att sätta konstruktionen i axiell press efter monteringen för att temperaturutjâmnas till anordningen når sitt temperaturarbetsomráde, varefter pressen avlägsnas.

13.Förfarandet enligt krav 12 för montering av det mekaniska temperaturkompenseringselementet enligt krav 8, innefattandes att det plana elementet kyls ner innan montering. 10 15 20 534 995 13

14.Förfarande enligt krav 12 för montering av det mekaniska temperaturkompenseringselementet enligt krav 9, innefattandes att höljet värms upp innan montering.

15. Förfarande för temperaturkompensering där ett temperaturkompenseringselement används som kompensationselement för temperaturutvidgning, varvid vid temperaturförändring utvidgas ett plant element radiellt och en snedställd länkanordning förflyttas radiellt varvid den från det plana elementet radiella utvidgningen omvandlas till en, gentemot det plana elementet, ortogonal rörelse, vilket lyfter eller sänker ett hölj som omger det plana elementet i beroende av temperaturkompenseringselements temperatur.