壓電空氣閥和多閥式壓電空氣閥的製作方法
2023-10-18 02:53:24
專利名稱：壓電空氣閥和多閥式壓電空氣閥的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種顆粒材料分選機，其用於分選和去除異物如不希望有地混合在穀物如米粒中的石子以及次品如著色顆粒，更具體地涉及一種空氣閥，其用作可影響顆粒材料分選機的分選能力的主要部件。
背景技術：
通常來說，通過分選機來除去次品以下述方式進行，即，使顆粒材料沿給定的下落軌跡連續地釋放到空氣中，並根據次品檢測信號用空氣脈衝流在預定位置處將次品吹到給定下落軌跡之外。由空氣閥來產生在分選機中將次品直接吹走的空氣脈衝流。在這種意義上，可以認為空氣閥是決定分選機的分選能力的主要部件。理想上分選機應從沿給定下落軌跡下落的摻雜有次品的顆粒材料中僅選擇性地除去次品。然而，分選機實際上不僅會吹走次品，而且有時也會吹走正常的顆粒材料。這是所帶來的一個不利的現象，它的一個原因在於，空氣閥不具備選擇性去除所需的令人滿意的高速性能。因此，空氣閥需要有很高水平的高速性能，以便有效地只去除次品。
目前，對於用在分選機中的米粒分選機中的空氣閥來說，最普遍地是使用利用電磁吸引力的空氣閥。這種類型的空氣閥構造成採用電磁體來吸引具有空氣閥性能的銜鐵，空氣閥僅在電磁體已吸引了銜鐵的時期內打開。然而，利用電磁吸引力的空氣閥已經達到了其最大能力，不再有用於高速操作性能的餘地，其原因如下所述。也就是說，為了實現空氣閥的高速操作，需要增大電磁力。然而，銜鐵的磁飽和是限制吸引力的一個因素。由於目前用於銜鐵的磁性材料自身不存在減輕磁飽和現象的餘地，因此需要增大銜鐵的質量以增加吸引力。然而，運動銜鐵的質量增加本身就與其更高的高速操作不相容。因此已經發現，利用電磁吸引力的那種空氣閥在比目前所達到的速度更快的高速度下進行操作是很難實現的。
對於電磁吸引力以外的物理手段來說，可採用壓電效應來產生能打開空氣閥的力。在這種情況下，利用了當在壓電材料如陶瓷材料上施加電壓時會產生位移的原理。作為壓電元件的一個具體例子，給出了壓敏元件(piezo-element)作為代表。壓敏元件以效率很高的方式將電能轉換為機械能，並且具有足夠高的響應速度。然而，壓敏元件所產生的位移量最多在十幾微米到幾十微米的範圍內，這種位移量太小而無法用於在分選機中用來執行控制操作以打開和關閉壓縮空氣的空氣閥。
例如，在日本專利申請No.H8-518436(日本專利出版物No.H10-510040)的說明書中公開了在分選裝置的氣壓噴射器(空氣閥)中使用的壓電元件的一個例子。圖1是該噴射器的示意性圖示，下面將介紹該噴射器的大致情況。在這種噴射器中，在已引入壓縮空氣11的腔13，15和閥座17之間的空間的打開和閉合由包括有隔膜21和壓電元件23的重疊組件來執行，隔膜21和壓電元件23相對於閥座17橫向地設置。隔膜21和壓電元件23的重疊組件設置成當壓縮空氣11未被引入到腔13，15中時其稍稍地離開閥座17。當壓縮空氣11被引入到腔13，15中且腔13，15進入到加壓狀態時，在壓縮空氣的入口25和與外部空氣相接觸的出口27之間產生了壓力差，即差壓。該差壓使包括有隔膜21和壓電元件23的重疊組件產生彈性變形，從而關閉了閥座17並導致重疊組件停留在該位置。在上述狀態下，當對壓電元件23選擇性地施加電流時，包括有隔膜21和壓電元件23的重疊組件因壓電元件23的變形而從閥座17中回退，即朝向圖中的上方運動，從而在重疊組件和閥座17之間騰出了空間，因此閥座17被打開。與此相對應，腔13，15內的壓縮空氣11作為空氣脈衝流29經由閥座17和出口27噴射到外部。這類空氣閥的可動部分具有相對較小的質量，因此符合高速性能的要求。然而，由壓電元件的位移所產生的力本身很小，並且這類空氣閥無法快速地作出響應。因此，這類空氣閥無法令人滿意地用於對高速響應性能的要求很高的空氣閥的打開/關閉控制。結果，這類空氣閥的一個問題是，它不能提供足夠的空氣脈衝流29，對響應性能來說尤其如此。
在文章「利用層合壓電元件的衝擊力的空氣壓力全開/全閉閥」，Symposium IV of the 74th National Meeting of the Japanese MachinerySociety，第203-204頁中介紹了在空氣閥中使用壓電元件的另一個例子。在該文章中公開的全開/全閉閥構造成使得已被具有較小彈性的彈簧穩定地支撐在偏壓狀態下的小型慣性件(噴嘴擋板閥)因壓電元件所產生的衝擊力而彈起，從而瞬間地產生一個大於壓電元件自身的位移量的間隙。然而，這種全開/全閉閥存在這樣的缺陷，即擋板閥在衝擊後的閉合操作需要耗費一定的時間，這是因為閉合操作是由彈性較小的彈簧來實現的。
作為用於閥的壓電元件的另外一個例子，在日本公開特許公報No.H8-93944中公開了一種層合壓電執行元件類型的壓電元件閥。這種壓電元件閥是可安裝在用於將氣體噴射到核聚變設備中的原材料氣體噴射裝置等的入口側和出口側之間並用於遙控氣體噴射的閥。該壓電元件閥具有利用槓桿原理來放大由壓電元件產生的位移的機構。然而，與現有技術的閥一樣，這種閥在閉合操作方面也要耗費一定的時間，這是因為閥的閉合操作由與壓電元件不同的用於復位的彈性件(彈簧)來實現。另一方面，在壓電元件閥的情況下，耗費時間的閉合操作的問題不那麼大，這是因為壓電元件閥不是用於產生打開和閉合操作都要求有非常好的高速性能的空氣脈衝流，而僅僅是用於控制氣體通路的閥。
根據本發明的空氣閥使用了上述壓電元件，這些壓電元件將在下文中介紹，其中設置了特殊的附加機構來解決使用現有技術壓電元件的閥的這些缺點，即可產生的間隙較小且閉合操作較慢。
雖然既不是電磁空氣閥也不是壓電空氣閥，然而在日本專利申請No.2000-182203(日本公開特許公報No.2002-01232)的說明書中公開了一種用於分選機的去除裝置的現有技術的另一例子。在這種裝置中，在所謂的螺線管型驅動裝置的可動進入軸的遠端部分處以一體的狀態形成了將與顆粒相接觸的斜面，它構造成可選擇性地操作驅動裝置以直接且機械式地去除有缺陷的顆粒。雖然在形成了滑動型可動進入軸時在響應性能和磨損特性方面會存在問題，然而該去除裝置具有特殊的結構，使得其可利用永久磁體的回彈來使可動進入軸浮起，從而無滑動地支撐可動進入軸。由於可動進入軸構造成可被無滑動地支撐，因此就不會產生負載，例如在進入時施加到可動進入軸上的滑動摩擦。結果就可以得到與空氣脈衝類型等效的高速響應性能。另外，這種裝置的另一優點是不需要壓縮空氣源作為其部件。然而，由於永久磁體在結構上要求使可動進入軸浮起以支撐該軸，因此，僅去除裝置的大小就超過了給定的範圍。因此，例如在多通道式系統的分選機中，需要對分選機作出一些改進，例如將相鄰的去除裝置布置成曲形的形式等。
發明內容
鑑於現有技術的上述問題，本發明的一個目的是提供一種用於分選機的使用了壓電元件的空氣閥，該空氣閥可穩定地產生具有足夠噴射量的空氣脈衝流。
本發明的另一目的是提供一種用於分選機的空氣閥，其利用壓電元件在最大程度上產生的高速響應性能來在高速下進行打開和閉合操作。
本發明的另外一個目的是提供一種用於分選機的空氣閥，該空氣閥包括緊湊的壓電元件並能以非常高的轉換效率來將電能轉換為機械能，通過這種特性，該空氣閥適用於在單通道型分選機和多通道型分選機中實現整個裝置的小型化和並具有較小的功耗。
根據本發明的第一方面，提供了一種用於顆粒材料分選機的壓電空氣閥，其包括空氣閥主體，其包括用於接受由空氣壓力供給裝置提供的壓縮空氣的空氣壓力腔和從空氣壓力腔中延伸到外部的空氣出口；閥體，其用於控制打開和關閉空氣壓力腔和空氣出口之間的空間的操作；壓電元件，其用於產生形式為位移的閥體的打開和閉合操作所需的驅動力；和位移放大機構，其用於放大由壓電元件產生的位移然後將該放大的位移施加到閥體上，其中，閥體、位移放大機構和壓電元件相互間機械式相連，一方面，打開閥體的打開操作根據被放大的位移來執行，該放大位移是在對壓電元件施加電壓時由位移放大機構放大壓電元件所產生的位移而產生的，另一方面，關閉閥體的閉合操作在切斷施加給壓電元件的電壓時根據壓電元件的復位力來執行。
優選在從空氣出口側看去時處於對稱的位置處安裝兩組位移放大機構，這樣，壓電元件產生的位移通過位移放大機構均勻地傳遞給閥體。
根據本發明的第二方面，提供了一種由多個單元壓電空氣閥形成的多閥式壓電空氣閥，該單元壓電空氣閥包括空氣閥主體，其包括用於接受由空氣壓力供給裝置提供的壓縮空氣的空氣壓力腔和從空氣壓力腔中延伸到外部的空氣出口；閥體，其用於控制打開和關閉空氣壓力腔和空氣出口之間的空間的操作；壓電元件，其用於產生形式為閥體的打開和閉合操作所需的位移的驅動力；和位移放大機構，其用於放大由壓電元件產生的位移然後將該放大的位移施加到閥體上，其中，多個空氣壓力腔橫向地相連以形成一個共有腔，處於最外側位置處的兩個單獨的壓電空氣閥的各側均由側板來關閉。
從參考附圖來進行說明的本發明優選實施例的下述介紹中，可以清楚本發明的上述和其它的目的、特徵和優點，其中圖1是採用壓電元件的根據現有技術的空氣閥的剖視圖；圖2是使用了根據本發明的壓電空氣閥的顆粒材料分選機的主要部分的橫向剖視圖；圖3A和3B是根據本發明第一示例的壓電空氣閥的示意圖；圖4是顯示了在如圖3A和3B所示的壓電空氣閥的壓電元件上施加電壓時的狀態的視圖；圖5A和5B是根據本發明第二示例的壓電空氣閥的示意圖；圖6A和6B是根據本發明第三示例的壓電空氣閥的示意圖；圖7A和7B是圖6A和6B所示的第三示例的壓電空氣閥的示意圖，但其中一個部分進行了改進；圖8A和8B是根據本發明第四示例的壓電空氣閥的示意圖；和圖9是用於多通道分選機的根據本發明的多閥式壓電空氣閥的示意圖。
具體實施例方式
現在將在下文中參考附圖來詳細地介紹根據本發明的壓電空氣閥和多閥式壓電空氣閥。
首先將參考圖2來說明可使用根據本發明的壓電空氣閥的顆粒材料分選機的大致情況，以便幫助理解本發明。圖2是顆粒材料分選機30的主要部分及其內部結構的示意性側剖視圖。顆粒材料分選機30包括位於其上部的顆粒材料供給部分，其包括料箱31和振動式進料器32。由顆粒材料供給部分所提供的顆粒材料通過斜槽33順序地自然下落，然後從其下端部分處沿給定的下落軌跡釋放到空氣中。
在所述給定下落軌跡的周圍相對於下落軌跡基本上對稱地設置了至少一對光學檢測裝置34a，34b。這對光學檢測裝置均包括光敏器件、燈和背景片。然而在這裡並未介紹這些元件的細節，這是因為這些元件的構造和操作超出了本發明的主題，並且是本領域的技術人員眾所周知的。光學檢測裝置34a，34b檢查已到達下落軌跡的檢測點O處的每一粒顆粒材料。具體地說，光學檢測裝置34a，34b將來自位於檢測點O處的顆粒材料的反射光和/或透射光的量以電信號的形式發送給控制器35。控制器35將來自光學檢測裝置34a，34b的每一粒顆粒材料的信號電平與預定值相比較，並將屬於該值的允許範圍內的顆粒材料確定為正常顆粒材料。另一方面，將超出該值的允許範圍的顆粒材料確定為次品，並將去除信號從控制器35發送到例如包括有根據本發明空氣閥的去除裝置37中。當使用空氣閥時，去除裝置37在給定去除點E處用空氣脈衝流從給定下落軌跡中只吹走次品，以便通過次品去除出口38將次品排到分選機之外。當使用上述螺線管型驅動裝置來代替空氣閥時，可從下落軌跡中機械地且直接地去除次品，並通過次品去除出口38將其排到分選機之外。應當注意的是，去除信號形成為延遲信號，它考慮了顆粒材料在檢測點O和去除點E之間的距離上下落所需的時間周期。已通過下落軌跡且未促動去除裝置37的正常顆粒材料經由合格物聚集出口39來回收。上述顆粒材料的代表性示例可以是穀粒，尤其是米粒。然而，顆粒材料並不限於穀粒，任何顆粒材料都可以是目標物，只要其具有能夠被空氣脈衝流吹走的大小和質量。
下面將詳細地介紹根據本發明的壓電空氣閥和多閥式壓電空氣閥，這些閥可以非常方便地用作包括於分選機中的去除裝置的主要部件。
如下所述，根據本發明的壓電空氣閥可在多個實施例中實施。然而，作為各實施例的共有部件，壓電空氣閥包括空氣閥主體，其包括用於接受由空氣壓力供給裝置提供的壓縮空氣的空氣壓力腔和從空氣壓力腔中延伸到閥主體外部的空氣出口；閥體，其用於控制打開和關閉空氣壓力腔和空氣出口之間的空間的操作；壓電元件，其用於產生打開和閉合閥體的操作所需的驅動力；以及位移放大機構，其用於放大壓電元件的位移量。位移放大機構利用槓桿原理來放大由壓電元件產生的較小位移量。通過位移放大機構就可以解決使用了現有技術壓電元件的空氣閥的缺陷，即由壓電元件本身只能產生較小位移量的特徵所引起的在空氣出口和閥體之間形成的較小間隙。在根據本發明的空氣閥中，非常重要的一點是，在上述部件中，壓電元件、位移放大機構和閥體構造成所有這些元件相互間相連。通過上述結構，在對壓電元件施加電壓的情況下可利用位移放大機構在空氣出口和閥體之間形成具有足夠大小的間隙，另一方面，當切斷施加在壓電元件上的電壓時，壓電元件產生的位移復位到初始零狀態，復位力通過位移放大機構強制性地傳遞給閥體，閥體在空氣出口處與閥座部分接觸，從而完全堵住空氣壓力腔和空氣出口之間的連接。由於與對壓電元件施加電壓及切斷電壓有關的位移的產生和復位非常迅速，如上所述地構造的空氣閥的響應速度也很快。因此，通過這種結構就可實現能夠執行高速操作的空氣閥。
下面將分別參考圖3A，3B到圖9來說明共同具有上述結構的具體示例。
圖3A和3B顯示了根據本發明第一實施例的壓電空氣閥60。圖3A是壓電空氣閥的側視圖，圖3B是從空氣出口側看去的正視圖。在空氣閥主體61中形成了壓縮空氣腔62，其可接受來自外部空氣壓力供應源(未示出)所提供的壓縮空氣。在空氣閥主體61的一個部分中設置了空氣出口63，其從壓縮空氣腔62延伸到主體61的外部。在空氣閥主體61上的設有空氣出口63的部分處包括了閥座64，其沿朝向壓縮空氣腔62的方向稍稍伸出。還設置了在其末端處具有閥體65的杆臂件66，使其與閥座64接觸。在與杆臂件66上的設有閥體65的一側相反的一側上設置了基本上平行的第一鉸鏈67和第二鉸鏈68，各鉸鏈的一端與杆臂件66連接成一體的狀態。第一鉸鏈67的另一端連接到空氣閥主體61上，而第二鉸鏈68的另一端經端蓋件69連接到壓電元件70的一端上。壓電元件70的引線71通過形成於空氣閥主體61的適當部分處的開口而延伸到外部(下述示例均是如此)。第一和第二鉸鏈67，68由可變形如可彎曲且具有適當擴展特性的材料製成，例如不鏽鋼和殷鋼材料。壓電元件70的另一端通過焊接、粘結等固定到空氣閥主體61上。在如圖所示的示例中，閥體65構造成與杆臂件66形成一體。由於這一形成一體的部分反覆地衝擊在閥座64上，因此優選用能夠抵抗因衝擊而引起的磨損的材料來形成這一部分。為此，優選有時用與杆臂件66不同的材料來形成閥體65，或者與杆臂件66分開地來形成閥體。在如圖所示的示例中，當從側面觀看空氣閥時，壓縮空氣腔62顯示為它的這一部分是打開的。這是因為空氣閥基於下述假設來構造，即如上所述的多個單元空氣閥60橫向地堆疊，使得它們可用作多通道的多閥式空氣閥，如圖所示。當多個空氣閥橫向地堆疊並使用時，各個壓縮空氣腔相互連接，形成了作為一個整體的大壓縮空氣腔。實際上，最外側空氣閥60的兩側均被板狀件所關閉。不用說也知道，當空氣閥用作單元空氣閥而非多閥式空氣閥時，如圖所示的兩側均被板狀件(側板)所關閉。下述示例均是如此。
下面將參考圖4來介紹如上所述地構造的第一示例的操作。圖3A顯示了無電壓施加到壓電元件70上的狀態，即閥體65關閉了閥座64的狀態。與圖3A不同，圖4顯示了有電壓施加到壓電元件70上的狀態，即壓電元件70伸展、閥體65響應於壓電元件的伸展而從閥座64上脫開並且在此處產生了間隙的狀態。在對壓電元件70施加電壓的期間，壓縮空氣腔62中的空氣通過該間隙和空氣出口63以空氣脈衝流的形式被排出。由於壓電元件70本身為現有技術，因此知道當對其施加電壓時，壓電元件70的伸長處於最多十幾微米到幾十微米的長度範圍內。如果閥體65和閥座64之間的間隙只由這種程度的伸長來形成的話，這是不夠的。然而，由於在本發明中設置了包括有第一鉸鏈67、第二鉸鏈68和杆臂件66的位移放大機構，因此就可以在閥體65和閥座64之間產生較大或充足的間隙，其能夠通過空氣出口63來排出足夠體積的壓縮空氣。具體地說，當第二鉸鏈68即受力點和第一鉸鏈67即支點之間的距離確定為L1，並且第一鉸鏈67和閥體65的中心即作用點之間的距離確定為L2時，壓電元件70的伸長就通過槓桿原理而在閥體65的中心部分處放大了L2/L1倍，這使得能夠在閥體65和閥座64之間產生具有足夠大小的間隙。當施加給壓電元件70的電壓被切斷時，壓電元件70復位到初始狀態。由於包括了處於整體狀態的壓電元件70、端蓋件69、第二鉸鏈68和閥體65的杆臂件66具有所有部分相互連接的結構，因此壓電元件70的復位力就按原樣強制性地傳遞到閥體65上，並用作迫動力，以推動或促動閥體65壓在閥座64上。一旦閥體65與閥座64接觸，閥體65就通過壓縮空氣腔62內的高壓和空氣出口63中的外部空氣壓力之間的差壓而保持在與閥座64形成緊密貼附的狀態下。
圖5A和5B顯示了根據本發明第二示例的壓電空氣閥。圖5A是壓電空氣閥80的側視圖，而圖5B是其正視圖。對於包括該第二示例在內的下述示例的壓電空氣閥中的與第一示例相同或等同的部件來說，賦予這些部件相同的標號，並且略去對它們的說明。在第二示例中，閥體85由第一片簧或板簧81和第二片簧82來支撐。第一片簧81的一端連接在空氣閥主體61上，其另一端連接在閥體85上。第二片簧82的一端連接在端蓋件69上，其另一端連接在閥體85上。第一片簧81和第二片簧82設置成仿佛它們以空氣出口63為中心而傾斜地對稱，因此在沒有電壓施加到壓電元件70上時，這兩個片簧就會施加用於將相連的閥體85推到閥座64上的力。在這一示例中，閥座64的突出部分的突出程度比第一示例中更大，這也與片簧81，82被設置在傾斜狀態下有關。第三片簧83的一端連接在空氣閥主體61上，其另一端連接在端蓋件69上。第三片簧83設置成可抵抗會將壓電元件70朝向圖中右上方偏壓的力。這個力的產生與壓電元件70被施加了電壓且之後伸長時第二片簧82的傾斜狀態相關。
在上述結構中，圖5A顯示了沒有電壓施加在壓電元件70上的狀態。當有電壓施加在壓電元件70上時，壓電元件70沿縱向向上伸長。伴隨著這一伸長，第一片簧81、第二片簧82和第三片簧83產生彎曲。響應於這些片簧的彎曲，在閥體85和閥座64之間產生了具有足夠大小的間隙，壓縮空氣腔62內的壓縮空氣經由空氣出口63而排出到外部。在該示例中，第一片簧81、第二片簧82和第三片簧83構成了位移放大機構。由於第一片簧81、閥體85、第二片簧82和第三片簧83均與端蓋件69相連，因此在切斷施加給壓電元件70的電壓時同時產生的壓電元件70的復位力將強制性地傳遞給閥體85，並操作成將閥體85推動到閥座64上。在閥體85與閥座64接觸的時間點之後，閥體85通過差壓保持在與閥座64形成緊密貼附的狀態下。這與第一示例中相同。
圖6A和6B顯示了根據本發明的第三示例的壓電空氣閥90。圖6A是壓電空氣閥的側視圖，而圖6B是其正視圖。在該示例中，在相對於連接圖中壓電元件70和空氣出口63的中心線的上、下位置處對稱地設置了兩個位移放大機構。由於所有部件相對於空氣出口對稱地設置，因此任何時刻作用在閥體上的力在上、下方向上始終被抵消。結果，尤其在關閉狀態下，能夠有利地提高閥體和閥座之間的緊密貼附。上方位移放大機構包括第一鉸鏈91、第二鉸鏈92、第一桿臂件93和第一片簧94。第一鉸鏈91的一端連接在空氣閥主體61上。第二鉸鏈92的一端連接在端蓋件69上。第一鉸鏈91和第二鉸鏈92各自的另一端均連接在第一桿臂件93的基體部分上。第一桿臂件93從基體部分中朝向外側方向(圖中的右側)延伸，第一片簧94的一端具有適當的彈性、塑性和韌性，其牢固地連接在第一桿臂件93的末端上，並且可與將在下面介紹的第二彈簧99協同操作以將閥體95穩固地推到閥座64上。第一片簧94的另一端與閥體95的一端相連。下方位移放大機構包括第三鉸鏈96、第四鉸鏈97、第二桿臂件98和第二片簧99。第三鉸鏈96的一端連接在空氣閥主體61上。第四鉸鏈97的一端連接在端蓋件69上。第三鉸鏈96和第四鉸鏈97各自的另一端均連接在第二桿臂件98的基體部分上。第二桿臂件98從基體部分中朝向下側方向(圖中的下側)延伸，第二片簧99的一端牢固地連接在第二桿臂件98的末端上。第二片簧99的另一端連接在閥體95的另一端上。如上所述，該示例中的空氣閥構造成閥體95由對稱地設置在上、下位置處的兩個位移放大機構來支撐。關於製造直接支撐閥體95的第一片簧94和第二片簧99的材料，優選使用Mulage鋼。
在上述結構中，圖中顯示了沒有電壓施加在壓電元件70上時的狀態。當有電壓施加在壓電元件70上時，元件70沿圖中的右上方向伸長。與該伸長相關的是，在上方位移放大機構中第二鉸鏈92用作受力點，第一鉸鏈91用作支點，而第一桿臂件93的末端用作作用點。這樣，已經被槓桿原理放大了的壓電元件70的位移量就表現在第一桿臂件93的末端部分上。類似的，在下方位移放大機構中，第四鉸鏈97用作受力點，第三鉸鏈96用作支點，第二桿臂件98的末端部分用作作用點。這樣，已經被放大了的壓電元件70的位移量就表現在第二桿臂件98的末端部分上。在第一桿臂件93和第二桿臂件98之間的距離分開的方向上放大並表現在第一桿臂件93和第二桿臂件98各自的末端部分上的壓電元件70的位移經由第一片簧94和第二片簧99而使閥體95與閥座64分開足夠的距離，並進行操作以產生具有較大尺寸的間隙。結果，足夠體積的壓縮空氣經由空氣出口63從壓縮空氣腔62排到外部。當施加在壓電元件70上的電壓被切斷時，壓電元件70的復位力通過上、下位移放大機構強制性地傳遞到閥體95上。響應於復位力的傳遞，閥體95便安放在閥座64上。同時，在該示例中，第一片簧94和第二片簧99因其彈性力而產生的復位力有效地作用在閥體95上，以便使閥體95牢固地安放在閥座64上。
圖7A和7B顯示了上述第三示例的一個變型。圖7A是該變型的側視圖，而圖7B是其正視圖。與其中第三鉸鏈96和壓電元件70通過焊接、粘結等直接地連接到空氣閥主體61上的第三示例不同，在該變型的示例中，這些部件連接到與空氣閥61分開的一個基板100上。在空氣閥如上構造的情況下，可以使包括位移放大機構、閥體和壓電元件在內的部分形成一個整體，以便於空氣閥的裝配和維修操作。具體地說，該整體部分結合到單元安裝區域101中，該單元安裝區域101預先形成在空氣閥主體61內，然後通過適當的固定裝置102將該整體部分固定住，之後沿圖中的右上或左上方向來調節該整體部分的位置(具體的是，在沿圖中的右上方向已經施加了適當力的狀態下)，使得在沒有電壓施加到壓電元件70上的狀態下可以得到閥體95和閥座64之間的適當緊密粘附。因此，可以說固定裝置102也用作可調節將閥體95壓到閥座64上的壓力的裝置。由於壓電元件70在有電壓和無電壓施加的狀態下的操作與第三示例中的完全相同，因此在這裡略去這些操作的說明。
圖8A和8B顯示了根據本發明第四示例的壓電空氣閥120。圖8A是壓電空氣閥的側視圖，而圖8B是其正視圖。在該示例中，與第三示例一樣，在圖中的上、下位置處相對於空氣出口63對稱地設置了兩個位移放大機構。在該示例中，壓電元件70設置成使其縱向方向定位成與空氣出口63的軸向方向正交。結果，與第三示例中的深度相比，這種情況能夠縮短空氣閥的深度。上方位移放大機構包括第一鉸鏈121、第二鉸鏈122、第一桿臂件123和第一片簧124。第一鉸鏈121的一端連接在基板131上，第二鉸鏈122的一端連接在第一端蓋件128a上。第一鉸鏈121和第二鉸鏈122各自的另一端連接在第一桿臂件123的基體部分上。第一桿臂件123從基體部分中朝向橫向右側方向延伸，其末端部分與第一片簧124的一端相連。第一片簧124的另一端連接在閥體125的一端上。下方位移放大機構包括第三鉸鏈126、第四鉸鏈127、第二桿臂件129和第二片簧130。第三鉸鏈126的一端連接在基板131上。第四鉸鏈127的一端連接在第二端蓋件128b上。第三鉸鏈126和第四鉸鏈127各自的另一端連接在第二桿臂件129的基體部分上。第二桿臂件129從基體部分中朝向橫向右側方向延伸，第二片簧130的一端連接在第二桿臂件129的末端部分上。第一片簧124的一端和第二片簧130的一端分別連接在第一桿臂件123和第二桿臂件129上，使得它們形成了等腰三角形的兩條等腰，而它們各自的另一端連接在閥體125上。與壓電元件70的一端固定在空氣閥主體或基板上的上述其它示例不同，該示例中的壓電元件70設置成支撐於端蓋件128a，128b之間，端蓋件分別設於壓電元件的兩側。應當注意的是，雖然如圖8A和8B所示的示例構造成使得壓電元件、位移放大機構和閥體與基板131如同第三示例變型的結構一樣形成一體，然而它也可不同地構造成使得第一鉸鏈121和第三鉸鏈126通過焊接、粘結等直接地連接到空氣閥主體61上。在圖中，標號132表示單元安裝區域。
在上述結構中，圖中顯示了沒有電壓施加在壓電元件70上的狀態。當有電壓施加在壓電元件70上時，元件70沿圖中的上、下方向伸長。響應於該伸長，在上方位移放大機構中，第一鉸鏈121用作支點，第二鉸鏈122用作受力點，而第一桿臂件123的末端部分用作作用點。結果，壓電元件70的位移量通過槓桿原理而被放大，然後表現在第一桿臂件123的末端部分上。類似的，在下方位移放大機構中，第三鉸鏈126用作支點，第四鉸鏈127用作受力點，而第二桿臂件129的末端部分用作作用點。結果，壓電元件70的位移量被放大，然後表現在第二桿臂件129的末端部分上。這樣，已在第一桿臂件123和第二桿臂件129之間的距離分開的方向上放大並表現在第一桿臂件123和第二桿臂件129各自的末端部分上的壓電元件70的位移經由第一片簧124和第二片簧130而使閥體125與閥座64分開足夠的距離，並進行操作以產生具有較大尺寸的間隙。結果，足夠體積的壓縮空氣經由空氣出口63從壓縮空氣腔62排到外部。當施加在壓電元件70上的電壓被切斷時，與上述示例一樣，閥體95通過壓電元件70的復位力並經過上方和下方位移放大機構而被迫安放在閥座64上。
圖9是多閥式壓電空氣閥140的局部分解透視圖，其通過橫向地堆積或疊放根據包括其變型在內的上述示例1到4的多個單元空氣閥來構造，使得它能夠滿足在多通道分選機中使用的要求。雖然在圖中其構造成10個單元空氣閥串聯式相接，然而不用說也知道，可以根據所需的應用而自由地改變空氣閥的數量。應當注意的是，在此略去了單元空氣閥的內部圖示。在多個單元空氣閥堆積在一起時，在最外側空氣閥的一側上連接了側板141，142，以便限定其中的共有壓縮空氣腔62。多個單元空氣閥緊固在側板141和142上，所有空氣閥由多個緊固件(如螺栓143和螺母144)固定住，各緊固件穿過所有空氣閥以將它們相連，從而構造出了多閥式壓電空氣閥。空氣壓力供應源(未示出)所提供的壓縮空氣通過管145從左側板141或右側板142中引入到形成在側板141，142之間的共有壓縮空氣腔62中。應當注意到，在單元空氣閥之間以及在最外側空氣閥和側板之間分別安裝了墊圈148，以便防止空氣從堆積在一起的多個單元空氣閥中洩漏出去。不用說也知道，當電壓選擇性地施加在包括各空氣閥在內的壓電元件中時，各個壓電空氣閥可相互間獨立地操作。
如上所述，在根據本發明的壓電空氣閥中，當在壓電元件上施加電壓時，可在閥體和閥座之間產生具有足夠大小的間隙，這是因為由壓電元件所產生的位移被位移放大機構所放大，然後再傳遞給閥體以控制壓縮空氣腔和空氣出口之間的空間的打開/閉合。結果，足量體積的壓縮空氣以空氣脈衝流的形式從壓縮空氣腔中通過空氣出口噴到外部。而且，由於在從壓電元件到閥體的區域內的所有部件相互連接，因此在切斷施加在壓電元件上的電壓時，壓電元件的復位力就會強制性地傳遞給閥體。結果，可以實現快速地操作壓縮空氣腔和空氣出口之間的空間的打開和關閉。
此外，由於壓電元件自身具備非常高的轉換效率，因此就可以提供一種使用了壓電元件的只消耗較少電能的空氣閥。
另外，由於壓電元件自身的物理尺寸較小，因此很容易將單元空氣閥的尺寸製成較緊湊。因此，在多個單元空氣閥相連以形成供多通道分選機使用的多閥式壓電空氣閥時，不必提供特殊的設置，例如將多個單元空氣閥設置成曲折的形式，將所需數量的單元空氣閥簡單地堆疊起來就足夠了。
雖然在上文中已經介紹了本發明的優選實施例，然而應當理解，所使用的用語只是說明性的而非限制性的，在不脫離由所附權利要求限定的本發明的真實範圍的前提下，可以在所附權利要求範圍內進行一定的變化。
權利要求
1.一種用於顆粒材料分選機的壓電空氣閥(60，80，90，120)，其包括空氣閥主體(61)，其包括用於接受由空氣壓力供給裝置提供的壓縮空氣的空氣壓力腔(62)和從所述空氣壓力腔中延伸到外部的空氣出口(63)；閥體(65，95，125)，其用於控制打開和關閉所述空氣壓力腔和空氣出口之間的空間的操作；壓電元件(70)，其用於產生形式為位移的打開和閉合所述閥體的操作所需的驅動力；和至少一個位移放大機構，其用於放大由所述壓電元件產生的位移然後將所述放大的位移施加到所述閥體上，其中，所述閥體、位移放大機構(67，68，66:81，82，83:91，92，93，94；96，97，98，99:121，122，123，124；126，127，129，130)和壓電元件相互間機械式相連，一方面，打開所述閥體的操作根據所述位移來執行，所述位移在對所述壓電元件施加電壓時由所述壓電元件產生並之後被所述位移放大機構放大，另一方面，關閉所述閥體的操作在切斷施加給所述壓電元件的電壓時根據所述壓電元件的復位力來執行。
2.根據權利要求1所述的壓電空氣閥，其特徵在於，所述位移放大機構包括第一鉸接件(67)，其一端連接在所述空氣閥主體(61)上；與所述第一鉸接件基本上平行的第二鉸接件(68)，其一端連接在所述壓電元件(70)上；和杆臂件(66)，所述第一鉸接件(67)和第二鉸接件(68)各自的另一端連接到所述杆臂件(66)上，所述杆臂件(66)延伸過比所述第一鉸接件(67)和第二鉸接件(68)之間的距離更長的距離，所述第一鉸接件、第二鉸接件和杆臂件分別用作支點、受力點和作用點，由所述壓電元件產生的位移在所述作用點處通過槓桿原理被放大L2/L1倍，其中所述支點和受力點之間的距離為L1，所述支點和作用點之間的距離為L2(L1＜L2)。
3.根據權利要求2所述的壓電空氣閥，其特徵在於，所述杆臂件(66)包括位於其末端部分處並形成一體的所述閥體(65)。
4.根據權利要求2所述的壓電空氣閥，其特徵在於，所述第二鉸接件(68)通過端蓋件(69)與所述壓電元件(70)相連。
5.根據權利要求1所述的壓電空氣閥，其特徵在於，在所述空氣出口(63)和閥體(65)之間設置了閥座(64)。
6.根據權利要求1所述的壓電空氣閥，其特徵在於，相對於所述空氣出口對稱地設置了一對所述位移放大機構，它們作為上方位移放大機構和下方位移放大機構。
7.根據權利要求6所述的壓電空氣閥，其特徵在於，所述上方位移放大機構包括第一鉸接件(91，121)，其一端與所述空氣閥主體(61)相連並用作支點；第二鉸接件(92，122)，其一端與所述壓電元件(70)相連並與所述第一鉸接件形成基本上平行的關係，並且用作受力點；第一桿臂件(93，123)，所述第一和第二鉸接件各自的另一端連接到所述第一桿臂件上，所述第一桿臂件延伸過比所述第一鉸接件和第二鉸接件之間的距離更長的距離，所述第一桿臂件的末端部分用作作用點；和第一彈性件(94，124)，其一端與所述第一桿臂件的末端部分相連，而另一端連接到所述閥體(95，125)的第一部分上，另外，所述下方位移放大機構包括第三鉸接件(96，126)，其一端與所述空氣閥主體(61)相連並用作支點；第四鉸接件(97，127)，其一端與所述壓電元件(70)相連並與所述第三鉸接件形成基本上平行的關係，並且用作受力點；第二桿臂件(98，129)，所述第三和第四鉸接件各自的另一端連接到所述第二桿臂件上，所述第二桿臂件延伸過比所述第三鉸接件和第四鉸接件之間的距離更長的距離，所述第二桿臂件的末端部分用作作用點；和第二彈性件(99，130)，其一端與所述第二桿臂件的末端部分相連，而另一端連接到所述閥體(95，125)的第二部分上。
8.根據權利要求7所述的壓電空氣閥，其特徵在於，所述壓電元件(70)連接在所述上方位移放大機構的第二鉸接件(122)和所述下方位移放大機構的第四鉸接件(127)之間。
9.根據權利要求1所述的壓電空氣閥，其特徵在於，所述壓電元件(70)、位移放大機構和閥體(95，125)以整體單元的形式設置在與所述空氣閥主體(61)分開的基板(100，131)上，所述單元安裝在所述空氣閥主體的單元安裝區域(101，132)中。
10.一種多閥式壓電空氣閥(140)，其由將多個單元壓電空氣閥(60)串聯式地橫向相連而構造成，各所述單元壓電空氣閥包括空氣閥主體，其包括用於接受由空氣壓力供給裝置提供的壓縮空氣的空氣壓力腔(62)和從所述空氣壓力腔中延伸到外部的空氣出口(63)；閥體(65)，其用於控制打開和關閉所述空氣壓力腔和空氣出口之間的空間的操作；壓電元件(70)，其用於產生形式為位移的打開和閉合所述閥體的操作所需的驅動力；以及位移放大機構，其用於放大由所述壓電元件產生的位移然後將所述放大的位移施加到所述閥體上，其中，所述多個單元壓電空氣閥(60)串聯式地橫向相連，使得所述空氣壓力腔相互連接而形成了一個共有的空氣壓力腔(62)，最外側的兩個單元壓電空氣閥的各側由側板(141，142)來關閉。
11.根據權利要求10所述的多閥式壓電空氣閥(140)，其特徵在於，在所述單元壓電空氣閥(60)之間以及在所述最外側的單元壓電空氣閥和所述側板(141，142)之間分別設置了用於防止漏氣的墊圈(148)。
12.根據權利要求11所述的多閥式壓電空氣閥(140)，其特徵在於，在任一所述側板(141，142)上形成了入口(145)，其用於將來自所述空氣壓力供應裝置的壓縮空氣引入到所述壓縮空氣腔(62)中。
全文摘要
空氣閥(60)包括閥體(65，95，125)，其用於控制打開和關閉空氣壓力腔(62)和空氣出口(64)之間的連通的操作；壓電元件(70)，其用於產生形式為位移的驅動力；以及位移放大機構(66，67，68)，其用於通過槓桿原理來放大由壓電元件產生的較小位移然後將放大了的位移施加到閥體上。在對壓電元件施加電壓時，放大的位移使得在空氣壓力腔和空氣出口之間形成了較大且足夠的間隙。當切斷施加給壓電元件的電壓時，壓電元件自身的復位力使該間隙迅速關閉。
文檔編號F16K31/00GK1538094SQ20041003504
公開日2004年10月20日 申請日期2004年4月16日 優先權日2003年4月18日
發明者矢野健, 樋口俊郎, 工藤謙一, 徐世傑, 柴田恆彥, 池田憲政, 一, 彥, 政, 郎 申請人:株式會社佐竹製作所, 有限會社電子精機