專利名稱：用于在響應(yīng)電啟動以移動一對相對表面的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在響應(yīng)電啟動以移動一對相對表面的裝置。
背景技術(shù)：
各種類型的壓電器件為本領(lǐng)域中技術(shù)人員所熟知。很多這些器件包括復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且制造起來非常昂貴。其它的器件雖包括較簡單的結(jié)構(gòu)，但在對應(yīng)的最大移動范圍方面即對它的最大施加力的方面受到極大的限制。
在這種已知的器件中，當(dāng)壓電激勵器被電啟動時，該器件矩形棱鏡的幾何結(jié)構(gòu)主要沿著預(yù)先確定的軸擴(kuò)展。當(dāng)該壓電器件被終止啟動時，該器件的幾何結(jié)構(gòu)主要沿著預(yù)先確定的軸收縮。壓電器件的這個擴(kuò)展與收縮可被用于操作一種裝置例如，打開和關(guān)閉夾緊裝置或閥門。一種用于夾住或控制閥門的裝置通常包括具有相對彼此隔開的兩個部件的支架。壓電器件橫向地被配置在這兩個隔開的部件之間。當(dāng)壓電器件在線性方向擴(kuò)展時，該部件被驅(qū)動即沿曲線路徑繞樞軸轉(zhuǎn)動。這部件沿沿曲線路徑繞樞軸上的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致從壓電器件到支架的一個效力低的力轉(zhuǎn)移。在最熟知的已知結(jié)構(gòu)中的壓電激勵器平行于所需移動的位置設(shè)置，幾乎不提供選擇不同的絞接軸位置和/或構(gòu)架結(jié)構(gòu)的機(jī)會來優(yōu)化性能。
發(fā)明概要本發(fā)明提供一種用于響應(yīng)電啟動來移動一對相對表面的裝置。該裝置包括一支架，它包括剛性的不能變形部分；從該剛性部分延伸的第一和第二可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分；一對相對的面在各可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架上有一相對的面，用于相對另一個作移動；以及可操作地配置在第一和第二繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分之間的力轉(zhuǎn)移部件。激勵器被嚙合在剛性的不能變形部分和力轉(zhuǎn)移部件之間，響應(yīng)該激勵器的電啟動來驅(qū)動力轉(zhuǎn)移部件沿一固定路徑的移動，從而引起第一和第二可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架中的至少一個繞樞軸轉(zhuǎn)動。該結(jié)構(gòu)的支架和力轉(zhuǎn)移元件被設(shè)計為必須是剛性的不能變形元件。任何計劃之外的彎轉(zhuǎn)可減少該機(jī)制的有效使用期，并減少通過絞接軸轉(zhuǎn)移到繞樞軸轉(zhuǎn)動該托架的力的數(shù)量。力的減少限制位移和繞樞軸轉(zhuǎn)動托架的力。絞接軸位置和對應(yīng)的構(gòu)架結(jié)構(gòu)的選擇能讓具體的能力來優(yōu)化用于特殊應(yīng)用中的裝置性能。
當(dāng)被安裝在支架元件中時，可用力預(yù)先負(fù)載壓電激勵器。例如，可把壓電激勵器夾緊在支架結(jié)構(gòu)之內(nèi)，用支承端的可調(diào)螺釘以提供最佳的預(yù)先負(fù)載力?？烧{(diào)螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)是易于使用并能使有大的可調(diào)程度。以任何合適的方式來預(yù)先負(fù)載壓力激勵器，在傳動期間，有利于力轉(zhuǎn)移的最大效率，且在壓電元件的啟動之前，能對裝置的初始位置細(xì)調(diào)。預(yù)先加負(fù)載還能保證在整個擴(kuò)展與收縮的范圍內(nèi)，在相對的末端處保持與裝置的接觸。用于預(yù)先負(fù)載的已攻好螺紋的調(diào)整螺釘?shù)氖褂茫苁菇M件不需要粘合劑或其它方法把壓電激勵器在相對的末端處與裝置牢固地連接起來，且避免了在壓電激勵器上的損傷張力即扭矩的可能性。已攻好螺紋的調(diào)整螺釘，在組裝到支架期間，能對在壓電激勵器中的尺寸變化作簡單的補(bǔ)償。
當(dāng)結(jié)合附圖閱讀為實(shí)踐本發(fā)明設(shè)想的最佳模式的下面描述時，本發(fā)明的其它應(yīng)用，對本領(lǐng)域中技術(shù)員人員來說，將變得明白、顯然。
附圖簡述在這里的描述提及附圖，其中相同的參考數(shù)字涉及遍及于幾個視圖中的相同部件，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明用于響應(yīng)電啟動以移動一對相對表面的，具有支架和激勵器的一裝置的實(shí)施例透視圖。
圖2是圖1中裝置在激勵器被終止啟動時的側(cè)視圖；圖3是圖1中裝置在激勵器被部分啟動時的放大側(cè)視圖；圖4是圖1中裝置在激勵器被全啟動時的極度放大的側(cè)視圖；圖5是帶有包括具有另外形狀力轉(zhuǎn)移部件的支架的該裝置第二實(shí)施例；圖6是包括可調(diào)支座的支架的該裝置第三實(shí)施例；圖7是示出本發(fā)明優(yōu)化彎曲線程序的簡化流程圖；以及圖8是根據(jù)本發(fā)明用于最優(yōu)化機(jī)械支架的絞鏈幾何結(jié)構(gòu)的程序，示出對機(jī)械支架和壓電元件的力與位移函數(shù)關(guān)系的一組個別的相交曲線。
具體實(shí)施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明帶有支架12和激勵器14的裝置10的一實(shí)施例透視圖。支架12包括剛性的不能變形部分16；至少一個可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分，諸如從剛性部分16延伸的第一和第二可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18和20；一對相對的表面22和24，在各繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18、20上有一相對表面22，24，用來相對另一個作移動；以及可操作地設(shè)置在第一和第二繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架18和20之間的力轉(zhuǎn)移部件26。較佳的是，支架12是單一完整的單件體。激勵器14是可操作地嚙合于剛性的非彎曲部分16和力轉(zhuǎn)移部件26之間，以線性地驅(qū)動力轉(zhuǎn)移部件26來引起第一和第二可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架18，20繞對應(yīng)的樞軸轉(zhuǎn)動，而又響應(yīng)來自控制器28與激勵器14聯(lián)系的電啟動以驅(qū)動相對的表面22和24遠(yuǎn)離即彼此離開。
當(dāng)被啟動時，激勵器14被設(shè)計成主要沿著一預(yù)先確定的軸，產(chǎn)生位置上的即空間的位移。激勵器14的可能可通過幾種不同類型中的一種壓電器件來完成，該器件包括專用的壓電元件，專用的壓電元件堆，在機(jī)械上放大的壓電元件或堆，或，較佳的是，多層共激發(fā)的壓電元件堆。
當(dāng)把電壓跨接到壓電器件時，該器件接收并儲存電荷。當(dāng)在高電時，該器件主要沿預(yù)先確定的軸擴(kuò)展。壓電器件的這個擴(kuò)展產(chǎn)生了沿該預(yù)先確定的軸的空間位移，從而增加了器件初始時未充電時的厚度。照這樣，一根預(yù)先確定的軸起著位移軸的作用。由壓電器件儲存的電荷數(shù)量通常是正比于跨接到該器件的電壓數(shù)量直至最大電壓極限。沿一預(yù)先確定的軸擴(kuò)展垂的量通常是正比于由該壓電器件儲存的電荷量。因此，可通過改變跨接到壓電器件上的電壓量來控制沿一預(yù)先確定軸的擴(kuò)展量。例如，施加跨接壓電器件的最大電壓量，產(chǎn)生沿這預(yù)先確定軸的最大擴(kuò)展量，而施加跨接壓電器件的最大電壓的一半，則產(chǎn)生沿這預(yù)先確定軸的最大擴(kuò)展量的約一半。
當(dāng)該器件是(1)直接接到地，(2)通過兩端點(diǎn)直接跨接形成電短路，(3)電短路或通過一阻抗接地時，在壓電器件上的電荷被放電即消耗掉。當(dāng)放電時，壓電器件沿該預(yù)先確定的軸變小即收縮到器件最初未充電時的厚度?？煽刂茐弘娖骷姆烹妬懋a(chǎn)生沿該預(yù)先確定軸的減少器件厚度的位移。
控制器28被設(shè)計來操作裝置10。為產(chǎn)生沿該預(yù)先確定軸的空間位移，控制器28提供跨接壓電器件的充電電壓。一般，空間位移量約正比于充電能量。為使壓電器件回到初始時的未充電厚度，控制器28提供上述必要的放電方法(例如，控制器電接地或短路)?？刂破?8被設(shè)計來對壓電器件徹底地充電和徹底地放電。作為結(jié)果，裝置10的相對表面22和24被維持在或是全開，或是全閉的位置。如果需要，控制器28可被設(shè)計來對壓電器件部分充電和部分放電。作為結(jié)果，裝置10的相對表面22和24被維持在全開位置，全閉位置，或在它們之間的任何位置(即任何部分開或部分閉的位置)?？芍苯痈鶕?jù)傳感器反饋或根據(jù)處理這種傳感器反饋的算法，使相對表面22和24部分開和閉。控制器28還可被設(shè)計來通過儲存來自壓電器放電的能量再循環(huán)放電能量，并在壓電器件的下一次充電時再使用這種能量。控制器28也可被設(shè)計來把這種再循環(huán)放電能量供給一個或更多其它壓電或非壓電器件。
圖2是裝置10第一實(shí)施例的側(cè)視圖。較佳的是，裝置10剛性的不能變形部分16是成C形的，它包括在一對剛性的不能變形托架部分32，34之間延伸的剛性不能變形的垂直臂30。至少一個可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18通過起作用的整個鉸鏈36可繞樞軸轉(zhuǎn)動地連接到剛性托架部分32。如果需要兩個相對的繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架時，可通過起作用的整個鉸鏈38可有選擇地把另一可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分20可繞樞軸轉(zhuǎn)動地連接到另一剛性托架部分34。力轉(zhuǎn)移部件26包括支座面40。
激勵器14包括相對的末端42和44，且，如上所述，激勵器14響應(yīng)電啟動在相對的末端42和44之間產(chǎn)生受控的空間位移。激勵器14的一末端42，下文簡體為定位或固定端42，被配置在鄰近剛性垂直臂30處。激勵器14的另一末端44，下文簡稱為驅(qū)動端44，被配置在鄰近力轉(zhuǎn)移部件的支座面40處。因此，為響應(yīng)激勵器14的電啟動而驅(qū)動力轉(zhuǎn)移部件26遠(yuǎn)離即離開剛性垂直臂30，激勵器14被可操作地嚙合在不能變形的垂直臂30和力轉(zhuǎn)移部件26之間。換句話說，壓電器件是這樣被定位，使得最大位移軸垂直于垂直臂30和支座面40被對準(zhǔn)。
在圖2中，激勵器14是終止啟動的。當(dāng)激勵器14重終止啟動時，相對面22和24是彼此靠得最近的。這種類型的結(jié)構(gòu)一般被稱之為正常閉合設(shè)計。當(dāng)激勵器14被電啟動時，激勵器14的定位端42被剛性部分16保持固定，激勵器14的驅(qū)動端44驅(qū)動力轉(zhuǎn)移部件26遠(yuǎn)離即離開剛性垂直臂30(即向著圖2的右方)，而第1和第二可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18和20分別繞起作用的整體鉸鏈36和38轉(zhuǎn)動。照這樣，在相對面22和24之間的空間即距離增加。換句話說，當(dāng)在壓電器件上跨接電壓時，沿預(yù)先確定軸產(chǎn)生的空間位移驅(qū)動力轉(zhuǎn)移部件26遠(yuǎn)離即離開剛性部分16以使第一和第二可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架18和20分別繞起作用的整體鉸鏈36和38繞樞軸轉(zhuǎn)動，從而增加了在相對面22和24之間的空間即距離?？赏ㄟ^改變跨接到壓電器件上的電壓量來調(diào)節(jié)相對面22和24的展開。
支架12是由一種有保持其形狀能力的材料組成的。一般，該支架材料具有高的彈性模量和高的強(qiáng)度。作為結(jié)果，裝置10可由包括但不限于，金屬諸如鋼或其它金屬；合金，諸如鉻鎳鐵合金或其它合金；或諸如Thornel的復(fù)合材料等的許多材料制成。
當(dāng)激勵器14終止啟動時，只要支架12未被塑性形變，則相對面22和24被支架結(jié)構(gòu)材料的保持其形狀能力壓向另一個。換句話說，當(dāng)壓電器件放電時，壓電器件沿擴(kuò)展軸收縮即變小，而支架結(jié)構(gòu)材料的保持其形狀的能力向力轉(zhuǎn)移部件26，第一和第二可繞樞軸轉(zhuǎn)動的支架部分18和20加壓，而使相對面22和24朝向裝置10的原來形狀返回。通過控制壓電器件的放電，可調(diào)節(jié)相對面22和24的閉合。
本發(fā)明通過力轉(zhuǎn)移部件26到一對可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部件18和20的繞樞軸轉(zhuǎn)動和相對面22和24的展開，把來自激勵器14擴(kuò)展的力的轉(zhuǎn)移達(dá)到最大。對最大的力轉(zhuǎn)移，激勵器14的定位端42被剛性部分16固定。換句話說，裝置10是被設(shè)計得當(dāng)激勵器14被啟動時，剛性部分16不可變曲即彎成弓形。照這樣，激勵器的所有擴(kuò)展力通過激勵器14的驅(qū)動端44被傳向力轉(zhuǎn)移部件26。為把最大的力從激勵器14轉(zhuǎn)移到一對可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18和20，力轉(zhuǎn)移部件26被設(shè)計得，當(dāng)激勵器被啟動時，使支座面40不可彎曲即彎成弓形。激勵器14的驅(qū)動端44與力轉(zhuǎn)移部件26的支座面40，在激勵器14的所有空間位移，即在激勵器的最小的已作空間位移，最大的工作空間位移，和在其間的所有空間位移處仍保持可操作的接觸即最佳力轉(zhuǎn)移的接觸。換句話說，當(dāng)激勵器被終止啟動，部分啟動，和全啟動時，激勵器14的驅(qū)動端44與力轉(zhuǎn)移部件26的支座面40保持著可操作的接觸即最佳力轉(zhuǎn)移的接觸。
在裝置10的第一實(shí)施例中，激勵器14的驅(qū)動端44具有平的表面，而力轉(zhuǎn)移部件26的支座面40是平的表面它，具有配置在鄰近力轉(zhuǎn)移部件26的平的支座面40的激勵器14平的端面44。圖2示出，在激勵器被終止啟動時，激勵器14平的驅(qū)動端44，與力轉(zhuǎn)移部件26平的支座面40的可操作接觸，圖3示出，在激勵器14被部件啟動時，在激勵器14平的驅(qū)動端44與力傳動部件26平的支座面40可操作的接觸，并被放大以示出在相對面22和24之間的展開比正常能見到的展開較大。圖4也被放大以示出，當(dāng)激勵器14全啟動時，激勵器14平的驅(qū)動端44與力轉(zhuǎn)移部件26平的支座面40可操作的接觸，并示出在相對面22和24之間的展開比在全啟動位置時所實(shí)際見到的展開較大。
圖5是裝置10a的第二實(shí)施例，它帶有具有另一可供選擇的T形力轉(zhuǎn)移部件26a。裝置10a包括類似于為其它實(shí)施例在前面描述的支架12a和激勵器14a。支架12a包括剛性的不能變形部分16a；至少一個從這剛性的不能變形部分16a延伸的可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18a，20a；一對相對的面22a，24a，在可繞框軸轉(zhuǎn)動的托架18a，20a上各有一相對的面22a，24a，用于相對另一個作移動；以及可操作地設(shè)置在第一和第二可繞樞軸轉(zhuǎn)的托架18a，20a之間的力轉(zhuǎn)移部件26a。較佳的是，正如其它實(shí)施例的情況一樣，整個支架12a是被形成為單一完整的單件體。激勵器14a被可操作地嚙合在剛性部分16a和力轉(zhuǎn)部件26a之間，以驅(qū)動力轉(zhuǎn)移部件26a用線性移動離開剛性垂直臂30。力轉(zhuǎn)移部件26a的移動使第一和第二可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18a，20a分別繞起作用的整體鉸鏈36a，38a繞樞軸轉(zhuǎn)動?？商峁┛刂破?未示出)來操作裝置10a。該控制器可提供跨接壓電器件的充電電壓，以產(chǎn)生沿預(yù)先確定軸的空間位移，正如為其它實(shí)施例正前面描述的那樣。裝置10a的剛性部分16a可包括在一對剛性托架部分32a，34a之間延伸的成C形的垂直臂30a。一可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18a通過起作用的整體鉸鏈36a被可繞樞軸轉(zhuǎn)動地連接到一剛性不能變形的托架部分32a，而另一可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分20a通過起作用的整體鉸鏈38a被可繞樞軸轉(zhuǎn)動地連接到另一剛性的不能變形的托架部分34a。力轉(zhuǎn)移部件26a可包括支座面40a。激勵器14a包括相對端42a和44a。激勵器14a響應(yīng)電啟動沿在相對端42a和44a之間的預(yù)先確定的軸，以產(chǎn)生受控的空間位移。激勵器14a的一端42a，諸如定位即固定端42a，被配置在鄰近于剛性垂直臂30a。激勵器14a的另一端44a，諸如驅(qū)動端44a被配置在鄰近于力轉(zhuǎn)移部件26a的支座面40a。當(dāng)激勵器14a被電啟動時，激勵器14a的定位端42a被剛性部分16a保持固定，激勵器14a的驅(qū)動端44a驅(qū)動力轉(zhuǎn)移部件26a遠(yuǎn)離即離開剛性部分16a(即，朝向圖5中的右方)，而第一和第二可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18a，20a則分別繞起作用的鉸鏈36a，38a繞樞軸轉(zhuǎn)動。在這結(jié)構(gòu)中，從力轉(zhuǎn)移部件26a到可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架18a，20a轉(zhuǎn)移的力通過在力轉(zhuǎn)移部件26a和對應(yīng)的可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架19a，20a之間延伸的力轉(zhuǎn)移垂直臂即鉸鏈48a，50a被傳遞。力轉(zhuǎn)移的直線通常是平行于壓電激勵器14a空間擴(kuò)展的預(yù)先確定的軸，而較佳的是垂直于這轉(zhuǎn)軸即可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18a，20a繞對應(yīng)起作用的整體鉸鏈36a，38a轉(zhuǎn)動的軸。
圖6是裝置10b的第三實(shí)施例，它具有由帶有可調(diào)支架54b的剛性部分16b支承的可調(diào)支座52b，裝置10b包括類似于前面為其它實(shí)施例描述的支架12b和激勵器14b。支架12b包括剛性的不能變形部分16b；至少一個從這剛性的不能變形部分16b延伸的可繞樞軸轉(zhuǎn)的托架部分18b，20b；一對相對的面22b，24b，在可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18b，20b上各有一個相對面22b，24b，用于相對另一個作移動；以及可操作地設(shè)置在第一和第二可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架18b，20b之間的力轉(zhuǎn)移部件26b。較佳的是，正如其它實(shí)施例的情況一樣，整個支架12b是被形成為單一完整的單件體。激勵器14b被可操作地嚙合在剛性部分16b和力轉(zhuǎn)移部件26b之間，以驅(qū)動力轉(zhuǎn)移部件26b用線性移動離開剛性部分16b。剛性部分16b用可調(diào)支架54b支持具有輔助面的可調(diào)支座52b到激勵器14b的端42b?？烧{(diào)支座52b的輔助面可以是平坦的或可做成任何樣式形狀的以支持激勵器14b在一適于響應(yīng)激勵器14b的電啟動來驅(qū)動力轉(zhuǎn)移部件26b的位置上。力轉(zhuǎn)移部件26b的移動使第一和第二可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架18b，20b分別繞起作用的整體鉸鏈36b，38b繞樞軸轉(zhuǎn)動?？商峁┛刂破?未示出)來操作裝置10b。該控制器可提供跨接壓電器件的充電壓，以產(chǎn)生沿預(yù)先確定軸的空間位移，如前面為其它實(shí)施例描述的那樣。裝置10b的剛性部分16b可包括在一對剛性托架部分32b，34b之間延伸的垂直臂30b。一可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18b通過起作用的整體鉸鏈36b被可繞樞軸轉(zhuǎn)動地連接到一剛性托架部分32b，而另一可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架20b通過起作用的整體鉸鏈38b被可繞樞軸轉(zhuǎn)動地連接到另一剛性托架部分34b。力轉(zhuǎn)移部件26b可包括支座面40b。激勵器14b包括相對端42b和44b。激勵器14b響應(yīng)電啟動沿在相對端42b和44b之間的預(yù)先確定的軸，產(chǎn)生受控的空間位移。激勵器14b的一端42b，諸如定位即固定端42b，被配置在鄰近于剛性垂直臂30b，如前面諸實(shí)施例所示，或被可調(diào)支座52b所支持被連接到剛性垂直臂30b。激勵器14b的另一端44b，諸如驅(qū)動端44b，被配置在鄰近于力轉(zhuǎn)移部件26b的支座面40b。當(dāng)激勵器14b被電啟動時，激勵器14b的定位端被可調(diào)支座52b保持固定，被連接到剛性部分16b，而激勵器14b的驅(qū)動端44b驅(qū)動力轉(zhuǎn)移部件26b遠(yuǎn)離即離開剛性部分16b(即，朝向圖6中的右方)，而第一和第二可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18b，20b則分別繞起作用的整體鉸鏈36b，38b線樞軸轉(zhuǎn)動。在這結(jié)構(gòu)中，從力轉(zhuǎn)移部件26b到可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18b，20b被轉(zhuǎn)移的力通過在力轉(zhuǎn)移部件26b和對應(yīng)的可繞樞轉(zhuǎn)動的托架部分18b，20b之間延伸的力轉(zhuǎn)移垂直臂即鉸鏈48b，50b被傳遞。力轉(zhuǎn)移的直線通常是平行于壓電激勵器14b空間擴(kuò)展的預(yù)先確定的軸，而較佳的是垂直于這轉(zhuǎn)軸即可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分18b，20繞對應(yīng)起作用的整體鉸鏈36b，38b繞樞軸轉(zhuǎn)動的軸。應(yīng)該認(rèn)識到示于圖6中的可調(diào)支架54b和輔助支座52b，可順不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，也適用于示于圖1-5的其它實(shí)施例。
現(xiàn)在來總的參考本發(fā)明，根據(jù)本發(fā)明的裝置是根據(jù)通過力轉(zhuǎn)移部件的方法來進(jìn)行激勵器的移動和力的力學(xué)轉(zhuǎn)換。較佳的是，該激勵器是一種固體器件，當(dāng)它受到電或磁的激勵時，在一個或幾個維度上增加它的尺寸。這種器件的一個例子是共同激發(fā)的壓電器件堆。還有，該器件較佳的是具有短形棱鏡的幾何結(jié)構(gòu)，把該激勵器配置在支架的腔體內(nèi)。該腔體的一側(cè)被約束于剛性的不能變形垂直臂的內(nèi)表面，而另一側(cè)則被約束于可移動力轉(zhuǎn)移部件的內(nèi)表面。該腔體還受到由剛性的不能變形托架部分限定的支架的上內(nèi)表面和由剛性的不能變形托架部分限定的支架對面下內(nèi)表面的約束。把激勵器安裝在這腔體內(nèi)，使一個面即激勵器的一端直接與垂直臂的內(nèi)表面接觸，而對面的面即激勵器的一端直接與力轉(zhuǎn)移元件的內(nèi)表面接觸。換名話說，激勵器是處在從垂直直臂的內(nèi)表面和力轉(zhuǎn)移元件的內(nèi)表面的連續(xù)壓縮下。如果需要，可把可調(diào)剛性的不能變形支架下。如果需要，可把可調(diào)剛性的不能變形支架部件連接到垂直臂，用來在對抗力轉(zhuǎn)移元件的相對面的壓縮中可調(diào)地支承激勵器的一個面。
通過施加一合適的電源啟動這激勵器。這電源由類似于在圖示中用28示出的控制器來控制。最簡單形式的控制器可以是開關(guān)器件?？刂破魍ㄟ^電線連接到激勵器。該控制器可有多個實(shí)施例。例如，它可被設(shè)計成全啟動和全終止啟動該激勵器。它可被設(shè)計成把該激勵器啟動到在全展開和全縮回之間的任何增量。它還可被設(shè)計成在該激勵器中再使用即再傳遞該能量以優(yōu)化效率。
當(dāng)該激勵器被去掉能量即未啟動時，它是有具有初始未充電尺寸情況的靜止位置。當(dāng)給以能量即被啟動時，該激勵器沿著按激勵器的材料性質(zhì)所決定的一根或根軸擴(kuò)展垂。這擴(kuò)展垂是由于在本發(fā)明專用實(shí)施例中所實(shí)際采用的激勵器的類型有關(guān)的壓電的，電阻的，或磁阻的現(xiàn)象所致。激勵器被設(shè)計得，使在被啟動時最大擴(kuò)展的空間尺寸是在具有垂直臂和力轉(zhuǎn)移部件的兩約束內(nèi)表面的直線上。當(dāng)激勵器被電啟動而沿主擴(kuò)展軸擴(kuò)展時，由于激勵器是在被垂直臂和力轉(zhuǎn)移部件的兩個約束的內(nèi)表面壓縮下，所以該激勵器將相對這兩個約束的內(nèi)表面施加額外的壓力。
這垂直臂被設(shè)計來為激勵器直接穿過，或非直接穿過可調(diào)支座提供剛性結(jié)構(gòu)。由于該垂直臂緊緊夾住了激勵器，所以被設(shè)計來在這裝置內(nèi)移動的力轉(zhuǎn)移元件、被擴(kuò)展的激勵器移位。力轉(zhuǎn)移元件本身又通過整體鉸鏈或垂直臂被連接到可繞樞軸轉(zhuǎn)動的上托架和可繞樞軸轉(zhuǎn)動的下托架。力轉(zhuǎn)移元件被連接到帶有垂直臂的上、下托架，而整體鉸鏈把繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架與支架的剛性托架部分分開。兩個剛性的不能變形的托架部分都用作與剛性的不能變形垂直臂組成整體的結(jié)構(gòu)部件。鉸鏈被設(shè)計得，使由壓電元件產(chǎn)生的力和位移通過力轉(zhuǎn)移元件傳送，并被集中而施加到極靠近鉸鏈的可轉(zhuǎn)動軸。所以，力轉(zhuǎn)移元件通過垂直臂把擴(kuò)展的激勵器的力和位移的基本部分傳遞到可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架。該裝置被設(shè)計得，使激勵器的擴(kuò)展引起下、下可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分繞整體鉸鏈向外繞樞軸轉(zhuǎn)動，使得一可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架的面與另一可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架的面分開。激勵器的終止啟動把力轉(zhuǎn)移元元件的空間位移沿預(yù)先確定的軸恢復(fù)到初始位置。這本身又引起支架的總結(jié)構(gòu)回復(fù)到初始的即靜止態(tài)。
當(dāng)把壓電激勵器裝在支架內(nèi)時，較佳的是預(yù)先加載力。如果需要，可把壓電激勵器緊緊地夾在支架順，它帶有設(shè)置在剛性的不能變形垂直臂和激勵器一端之間的可調(diào)支座。作為例子但不是限制，為了這個目的可采用可調(diào)螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)，或者可提供任何其它便于在壓電激勵器上預(yù)加載最佳力的合適配置。在啟動期間，預(yù)加載有助于從壓電激勵器把力轉(zhuǎn)移到支架的最大效率。預(yù)加載還能使根據(jù)本發(fā)明裝置初始未充電時的位置作細(xì)調(diào)。正確的預(yù)加載在擴(kuò)展和收縮的全范圍期間，在不需要采用粘合或其它手段來把壓電激勵器固定到支架的情況下，保證壓電激勵器在兩個端處都維持與支架的接觸。預(yù)加載還有助于避免使壓電激勵器遭受不希望有的、可能造成損壞的張力或扭力矩的可能。用于壓電激勵器一端的可調(diào)支座，在裝置的組裝期間，可對壓電激勵器的尺寸變化作簡單補(bǔ)償。
本發(fā)明揭示并詳細(xì)討論了關(guān)于至少一個可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分，而較佳的是兩個相對的可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分。應(yīng)認(rèn)識到本發(fā)明包括可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分的對稱和非對稱的移動。如果需要，可提供整體鉸鏈來提供至少一個可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分的非對稱操作。作為例子但不是限制，這類移動在某些裝閥門或夾住結(jié)構(gòu)中可以是理想的。
現(xiàn)在參照圖7，簡單的流程圖示出了根據(jù)本發(fā)明機(jī)械支架鉸鏈部件定向的最佳參數(shù)選擇。在步驟100開始，限定了施加的技術(shù)規(guī)格。這規(guī)格可以是諸參數(shù)的一種選擇(作為例子但不是限制)，包括力，位移，尺寸，工作頻率，循環(huán)延續(xù)時間，溫度，工作電壓，工作功率，振動，抗沖擊力，線性度，和/或重復(fù)性的參數(shù)。在步驟100中限定了技術(shù)規(guī)格后，程度繼續(xù)到步驟102，在這步驟提高機(jī)械支架的技術(shù)要求和初步的幾可結(jié)構(gòu)。于是程序繼續(xù)到步驟104，在這步驟完成了兩維(2D)靜態(tài)應(yīng)力分析以優(yōu)化機(jī)構(gòu)支架的鉸鏈的幾何結(jié)構(gòu)。于是根據(jù)在步驟104獲得的優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)，在步驟106，設(shè)計三維(3D)的計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)模型。于是在步驟108中進(jìn)行有限元應(yīng)力分析(EFA)以預(yù)測機(jī)械支架和壓電元件的性能。在進(jìn)行該分析中，發(fā)現(xiàn)了為了一系列的分析，把壓電元件最大力的20％加到力托架是有用的。還發(fā)現(xiàn)當(dāng)約束機(jī)械支架的托架并把力加到力轉(zhuǎn)移元件時，操作一系列分析，來確定在沒有位移的情況下從可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架可獲得的力是有用的。作為有限元應(yīng)力分析的結(jié)果，機(jī)械支架和壓電元件的力對位移的函數(shù)關(guān)系各別的曲線被展開。這些曲線在步驟110中被畫在相同的共用軸上，以決定曲線是否有交點(diǎn)發(fā)生。作為例子但不是限制，這些圖中的一組示于圖8，在該圖中壓電元件曲線標(biāo)以122，而機(jī)械支架曲線則標(biāo)以124。圖8示出在標(biāo)以126的點(diǎn)上兩曲線122，124的典型交點(diǎn)。曲線交點(diǎn)的證實(shí)發(fā)生于步驟112。在詢問114中，它確定該交點(diǎn)是否滿足在步驟100中以前設(shè)定的力和位移的技術(shù)規(guī)格。如果技術(shù)規(guī)格未被滿足，程序就從分路回到步驟102，在這步驟可修改并再分析該模型。如果技術(shù)規(guī)格被滿足，程序就從分路到步驟116。在步驟116中，采用對應(yīng)于兩曲線122，124相交點(diǎn)126的值，再一次完成有限元應(yīng)力分析。于是程序進(jìn)到詢問118以決定相對在步驟100中所選施加的技術(shù)規(guī)格的性能是否被核實(shí)。如果該性能未被核實(shí)，程序從分路回到步驟102，在這步驟可修改并再分析該模型。如果該性能被核實(shí)，則程序在步驟120就結(jié)束。
采用有限元分析來設(shè)計該裝置以滿足幾個判據(jù)。支架必須提供重復(fù)操作?？珊侠淼仄谕谐^一百萬個循環(huán)的工作連續(xù)時間。對給定的激勵器，可把可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分長度和整體鉸鏈的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計得提供改變諸面的分隔數(shù)。
本發(fā)明的特征是力轉(zhuǎn)移元件，鉸鏈，可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分，剛性托架部分，以及垂直臂是一完整、單一不分的，即單塊體。就是說，沒有接合物把這些構(gòu)件連起來。消除了連接的方法造成從激勵器到支架的力轉(zhuǎn)移和位移高度有效的結(jié)果。
本發(fā)明支架的另一特征是激勵器是這樣來定位的，它使擴(kuò)展的主軸相對于可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架的繞樞軸轉(zhuǎn)動軸是直角的。這特征在幾個方面都是有利的。最主要的方面是它能使從從力轉(zhuǎn)移元件力的施加點(diǎn)的鉸鏈幾何結(jié)構(gòu)極靠近鉸鏈的支點(diǎn)軸。這能使該性能把力轉(zhuǎn)移效率成為最大。由這個幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的另一好處是能使該裝置成為小型的總設(shè)計。進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是這幾何結(jié)構(gòu)易于支持按比例從約小于1立方英寸變?yōu)榧s20立方英寸的大小。這個在尺寸上的可量測性提供從約1/10,000英寸到約0.25英寸這樣廣闊的位移范圍的設(shè)計限定。同樣，該幾何結(jié)構(gòu)提供從1磅到超過100磅的范圍廣闊的夾住力。此外還有另一好處是壓電元件兩個面的整個表面與支架結(jié)構(gòu)相對的面保持壓縮接觸；即剛性垂直臂30在一端，而力轉(zhuǎn)移元件26則在相對的一端。
在示于圖1-6的諸實(shí)施例中，這些構(gòu)件是用單塊材料來加工制成的(例如不銹鋼)。其它合適的材料可包括粉末金屬，金屬合金，復(fù)合材料，或金屬和復(fù)合材料的組合。雖然作為例子給出的這些材料提供優(yōu)良的性能，但根據(jù)具體應(yīng)用的技術(shù)規(guī)格，采用其它材料用于支架是合適的。
盡管本發(fā)明結(jié)合了目前認(rèn)為是最實(shí)際的和較佳的實(shí)施例作了描述，但應(yīng)理解到本發(fā)明并不限于已揭示的實(shí)施例，而卻相反，本發(fā)明意圖覆蓋包括在所附權(quán)利要求書中的精神和范圍內(nèi)各種修改和等價配置，而這個范圍要給予最廣的解說，以便包括所有這種修改和等價結(jié)構(gòu)，正如在這法律下所允許的。
權(quán)利要求
1.一種用于響應(yīng)電啟動，移動一對相對面中至少一面的裝置，其特征在于，該裝置包括支架，包括剛性的不能變形部分；至少一個從該剛性部分延伸的可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分；一對相對的面，有一相對的面在至少一個可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分上，用作相對于另一個作移動；以及力轉(zhuǎn)移部件，可操作地設(shè)置著，用于以轉(zhuǎn)動的運(yùn)動來驅(qū)動至少一個可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分；以及激勵器，可操作地嚙合在該剛性部分和力轉(zhuǎn)移部件之間，響應(yīng)該激勵器的電啟動，來驅(qū)動關(guān)于剛性部分的力轉(zhuǎn)移部件使至少一個可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分繞樞軸轉(zhuǎn)動。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述支架是單件。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激勵器是壓電器件。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述剛性部分是成C形的，它包括在一對剛性托架部分之間延伸的垂直臂。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分中的一個被可繞樞軸轉(zhuǎn)動地連接到剛性托架部分中的一個，而另一可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分則被可繞樞軸轉(zhuǎn)動地連接到另一剛性托架部分。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激勵器包括相對的端，并響應(yīng)電啟動，在相對端之間產(chǎn)生空間位移。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述剛性部分支承支座面。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述激勵器的相對端中的一端是平的表面，而內(nèi)剛性部分支承的支座面是平的表面，它帶有配置在剛性部分支承的鄰近于平的支座面的激勵器平的端表面。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述激勵器的平的端表面，響應(yīng)該激勵器的空間位移，把力施加到由剛性部分支承的平的支座面。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述激勵器的平的端表面在該激勵器最小工作的空間位移處可操作地與由剛性部分支承的平的支座面接觸。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述激勵器的平的端表面在該激勵器最大工作的空間位移處可操作地與由剛性部分支承的平的支座面接觸。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述激勵器的平的端表面在該激勵器最小工作的空間位移和該激勵器最大工作的空間位移之間的所有空間位移處可操作地與由剛性部分支承的平的支座面接觸。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述力轉(zhuǎn)移部件包括支座面。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述激勵器的相對端中的一端是平的表面，而該力轉(zhuǎn)移部件的支座面是平的表面，它帶有配置在鄰近于該力轉(zhuǎn)移部件平的支座面的該激勵器平的端面。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述激勵器平的端表面，響應(yīng)該激勵器的空間位移，把力施加到該力轉(zhuǎn)移部件的平的支座面。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述該激勵器的平的端表面在該激勵最小工作的空間位置處與該力轉(zhuǎn)移部件的平的支座面接觸。
17.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述激勵器的平的端表面在該激勵器最大工作的空間位移處與該力轉(zhuǎn)移部件的平的支座面接觸。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述激勵器的平的端表面在該激勵器最小工作的空間位移和該激勵器最大工作的空間位移之間的所有空間位移處與該力轉(zhuǎn)移部件的平的支座面接觸。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述剛性部分，該可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分和該力轉(zhuǎn)移部件會在一位置上的形成力轉(zhuǎn)移的機(jī)制。
20.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，還包括至少一個可繞樞轉(zhuǎn)軸的部分限定在其上的整體彈簧附著到該剛體部分。
21.一種用于優(yōu)化鉸鏈幾何結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述方法包括如下的步驟根據(jù)限定的力和位移的技術(shù)規(guī)格提高初步的幾何結(jié)構(gòu)；完成兩維應(yīng)力分析以優(yōu)化鉸鏈幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化定位；設(shè)計鉸鏈幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化定位的三維模型；在三維模型上進(jìn)行有限元應(yīng)力分析以預(yù)測性能；為支持和壓電激勵器分析力對位移的函數(shù)關(guān)系的個別曲線；證明曲線的一個交點(diǎn)；確定該曲線的交點(diǎn)是否滿足預(yù)先限定的力和位移的技術(shù)規(guī)格；如果該兩根曲線的交點(diǎn)不滿足預(yù)先限定的力和位移的技術(shù)規(guī)格，返回到提高的步驟；如果該兩根曲線的交點(diǎn)確是滿足預(yù)先限定的力和位移的技術(shù)規(guī)格，采用對應(yīng)于這兩根曲線交點(diǎn)的值，進(jìn)行三維有限元應(yīng)力分析；確定采用對應(yīng)于這些曲線交點(diǎn)的值，用有限元應(yīng)力分析的該三維模型的性能是否被核實(shí)背離運(yùn)用的技術(shù)規(guī)格；以及如果性能未被核實(shí)，返回到提高步驟。
22.一種根據(jù)權(quán)項(xiàng)21所述的方法，用于響應(yīng)電啟動來移動至少一對相對的面中的一面的裝置，其特征在于，該裝置包括支架，包括剛性的不能變形部分；至少一個從該剛性部分延伸的可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分；一對相對的面，有一個相對的面在至少一個可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分上，用于相對另一個作移動；以及可操作地設(shè)置著的力轉(zhuǎn)移組件，用于驅(qū)動至少一個可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分作轉(zhuǎn)動的移動；以及激勵器，可操作地嚙合在剛性部分的力轉(zhuǎn)移部件之間，響應(yīng)該激勵器的電啟動以驅(qū)動與剛性部分有關(guān)的力轉(zhuǎn)移部件，使至少一個可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分繞樞軸轉(zhuǎn)動。
全文摘要
一種用于響應(yīng)電啟動來移動一對相對面的裝置，它具有支架，該支架包括剛性的不能變形部分；至少一個從該剛性部分延伸的可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分；一對相對的面，有一個相對的面在至少一個可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分上，用于相對另一個作移動；以及可操作地設(shè)置著的力輔移部件，用于驅(qū)動至少一個可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分作轉(zhuǎn)動的移動。一激勵器被可操作地嚙合在剛性部分和力轉(zhuǎn)移部件之間，響應(yīng)該激勵器的電啟動以驅(qū)動和該剛性部分有關(guān)的力轉(zhuǎn)移部件，使至少一個可繞樞軸轉(zhuǎn)動的托架部分繞框軸轉(zhuǎn)動。
文檔編號F16C11/12GK1647291SQ03807906
公開日2005年7月27日 申請日期2003年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月6日
發(fā)明者J·莫勒 申請人:維京技術(shù)有限公司