用於在響應電啟動以移動一對相對表面的裝置的製作方法
2023-09-17 19:36:25
專利名稱：用於在響應電啟動以移動一對相對表面的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在響應電啟動以移動一對相對表面的裝置。
背景技術：
各種類型的壓電器件為本領域中技術人員所熟知。很多這些器件包括複雜的結構，且製造起來非常昂貴。其它的器件雖包括較簡單的結構，但在對應的最大移動範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，當壓電激勵器被電啟動時，該器件矩形稜鏡的幾何結構主要沿著預先確定的軸擴展。當該壓電器件被終止啟動時，該器件的幾何結構主要沿著預先確定的軸收縮。壓電器件的這個擴展與收縮可被用於操作一種裝置例如，打開和關閉夾緊裝置或閥門。一種用於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。當壓電器件在線性方向擴展時，該部件被驅動即沿曲線路徑繞樞軸轉動。這部件沿沿曲線路徑繞樞軸上的轉動導致從壓電器件到支架的一個效力低的力轉移。在最熟知的已知結構中的壓電激勵器平行於所需移動的位置設置，幾乎不提供選擇不同的絞接軸位置和/或構架結構的機會來優化性能。
發明概要本發明提供一種用於響應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動的託架部分；一對相對的面在各可繞樞軸轉動的託架上有一相對的面，用於相對另一個作移動；以及可操作地配置在第一和第二繞樞軸轉動的託架部分之間的力轉移部件。激勵器被嚙合在剛性的不能變形部分和力轉移部件之間，響應該激勵器的電啟動來驅動力轉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動的託架中的至少一個繞樞軸轉動。該結構的支架和力轉移元件被設計為必須是剛性的不能變形元件。任何計劃之外的彎轉可減少該機制的有效使用期，並減少通過絞接軸轉移到繞樞軸轉動該託架的力的數量。力的減少限制位移和繞樞軸轉動託架的力。絞接軸位置和對應的構架結構的選擇能讓具體的能力來優化用於特殊應用中的裝置性能。
當被安裝在支架元件中時，可用力預先負載壓電激勵器。例如，可把壓電激勵器夾緊在支架結構之內，用支承端的可調螺釘以提供最佳的預先負載力。可調螺釘的結構是易於使用並能使有大的可調程度。以任何合適的方式來預先負載壓力激勵器，在傳動期間，有利於力轉移的最大效率，且在壓電元件的啟動之前，能對裝置的初始位置細調。預先加負載還能保證在整個擴展與收縮的範圍內，在相對的末端處保持與裝置的接觸。用於預先負載的已攻好螺紋的調整螺釘的使用，能使組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償。
當結合附圖閱讀為實踐本發明設想的最佳模式的下面描述時，本發明的其它應用，對本領域中技術員人員來說，將變得明白、顯然。
附圖簡述在這裡的描述提及附圖，其中相同的參考數字涉及遍及於幾個視圖中的相同部件，其中
圖1是根據本發明用於響應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視圖；圖3是圖1中裝置在激勵器被部分啟動時的放大側視圖；圖4是圖1中裝置在激勵器被全啟動時的極度放大的側視圖；圖5是帶有包括具有另外形狀力轉移部件的支架的該裝置第二實施例；圖6是包括可調支座的支架的該裝置第三實施例；圖7是示出本發明優化彎曲線程序的簡化流程圖；以及圖8是根據本發明用於最優化機械支架的絞鏈幾何結構的程序，示出對機械支架和壓電元件的力與位移函數關係的一組個別的相交曲線。
具體實施例方式
圖1是根據本發明帶有支架12和激勵器14的裝置10的一實施例透視圖。支架12包括剛性的不能變形部分16；至少一個可繞樞軸轉動的託架部分，諸如從剛性部分16延伸的第一和第二可繞樞軸轉動的託架部分18和20；一對相對的表面22和24，在各繞樞軸轉動的託架部分18、20上有一相對表面22，24，用來相對另一個作移動；以及可操作地設置在第一和第二繞樞軸轉動的託架18和20之間的力轉移部件26。較佳的是，支架12是單一完整的單件體。激勵器14是可操作地嚙合於剛性的非彎曲部分16和力轉移部件26之間，以線性地驅動力轉移部件26來引起第一和第二可繞樞軸轉動的託架18，20繞對應的樞軸轉動，而又響應來自控制器28與激勵器14聯繫的電啟動以驅動相對的表面22和24遠離即彼此離開。
當被啟動時，激勵器14被設計成主要沿著一預先確定的軸，產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，在機械上放大的壓電元件或堆，或，較佳的是，多層共激發的壓電元件堆。
當把電壓跨接到壓電器件時，該器件接收並儲存電荷。當在高電時，該器件主要沿預先確定的軸擴展。壓電器件的這個擴展產生了沿該預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，一根預先確定的軸起著位移軸的作用。由壓電器件儲存的電荷數量通常是正比於跨接到該器件的電壓數量直至最大電壓極限。沿一預先確定的軸擴展垂的量通常是正比於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先確定軸的擴展量。例如，施加跨接壓電器件的最大電壓量，產生沿這預先確定軸的最大擴展量，而施加跨接壓電器件的最大電壓的一半，則產生沿這預先確定軸的最大擴展量的約一半。
當該器件是(1)直接接到地，(2)通過兩端點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。當放電時，壓電器件沿該預先確定的軸變小即收縮到器件最初未充電時的厚度。可控制壓電器件的放電來產生沿該預先確定軸的減少器件厚度的位移。
控制器28被設計來操作裝置10。為產生沿該預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，空間位移量約正比於充電能量。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)。控制器28被設計來對壓電器件徹底地充電和徹底地放電。作為結果，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可被設計來對壓電器件部分充電和部分放電。作為結果，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)。可直接根據傳感器反饋或根據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還可被設計來通過儲存來自壓電器放電的能量再循環放電能量，並在壓電器件的下一次充電時再使用這種能量。控制器28也可被設計來把這種再循環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第一實施例的側視圖。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託架部分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動的託架部分18通過起作用的整個鉸鏈36可繞樞軸轉動地連接到剛性託架部分32。如果需要兩個相對的繞樞軸轉動的託架時，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動的託架部分20可繞樞軸轉動地連接到另一剛性託架部分34。力轉移部件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響應電啟動在相對的末端42和44之間產生受控的空間位移。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，下文簡稱為驅動端44，被配置在鄰近力轉移部件的支座面40處。因此，為響應激勵器14的電啟動而驅動力轉移部件26遠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於垂直臂30和支座面40被對準。
在圖2中，激勵器14是終止啟動的。當激勵器14重終止啟動時，相對面22和24是彼此靠得最近的。這種類型的結構一般被稱之為正常閉合設計。當激勵器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的驅動端44驅動力轉移部件26遠離即離開剛性垂直臂30(即向著圖2的右方)，而第1和第二可繞樞軸轉動的託架部分18和20分別繞起作用的整體鉸鏈36和38轉動。照這樣，在相對面22和24之間的空間即距離增加。換句話說，當在壓電器件上跨接電壓時，沿預先確定軸產生的空間位移驅動力轉移部件26遠離即離開剛性部分16以使第一和第二可繞樞軸轉動的託架18和20分別繞起作用的整體鉸鏈36和38繞樞軸轉動，從而增加了在相對面22和24之間的空間即距離。可通過改變跨接到壓電器件上的電壓量來調節相對面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度。作為結果，裝置10可由包括但不限於，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的複合材料等的許多材料製成。
當激勵器14終止啟動時，只要支架12未被塑性形變，則相對面22和24被支架結構材料的保持其形狀能力壓向另一個。換句話說，當壓電器件放電時，壓電器件沿擴展軸收縮即變小，而支架結構材料的保持其形狀的能力向力轉移部件26，第一和第二可繞樞軸轉動的支架部分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，可調節相對面22和24的閉合。
本發明通過力轉移部件26到一對可繞樞軸轉動的託架部件18和20的繞樞軸轉動和相對面22和24的展開，把來自激勵器14擴展的力的轉移達到最大。對最大的力轉移，激勵器14的定位端42被剛性部分16固定。換句話說，裝置10是被設計得當激勵器14被啟動時，剛性部分16不可變曲即彎成弓形。照這樣，激勵器的所有擴展力通過激勵器14的驅動端44被傳向力轉移部件26。為把最大的力從激勵器14轉移到一對可繞樞軸轉動的託架部分18和20，力轉移部件26被設計得，當激勵器被啟動時，使支座面40不可彎曲即彎成弓形。激勵器14的驅動端44與力轉移部件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移的接觸。換句話說，當激勵器被終止啟動，部分啟動，和全啟動時，激勵器14的驅動端44與力轉移部件26的支座面40保持著可操作的接觸即最佳力轉移的接觸。
在裝置10的第一實施例中，激勵器14的驅動端44具有平的表面，而力轉移部件26的支座面40是平的表面它，具有配置在鄰近力轉移部件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平的驅動端44，與力轉移部件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平的驅動端44與力傳動部件26平的支座面40可操作的接觸，並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，當激勵器14全啟動時，激勵器14平的驅動端44與力轉移部件26平的支座面40可操作的接觸，並示出在相對面22和24之間的展開比在全啟動位置時所實際見到的展開較大。
圖5是裝置10a的第二實施例，它帶有具有另一可供選擇的T形力轉移部件26a。裝置10a包括類似於為其它實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延伸的可繞樞軸轉動的託架部分18a，20a；一對相對的面22a，24a，在可繞框軸轉動的託架18a，20a上各有一相對的面22a，24a，用於相對另一個作移動；以及可操作地設置在第一和第二可繞樞軸轉的託架18a，20a之間的力轉移部件26a。較佳的是，正如其它實施例的情況一樣，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和力轉部件26a之間，以驅動力轉移部件26a用線性移動離開剛性垂直臂30。力轉移部件26a的移動使第一和第二可繞樞軸轉動的託架部分18a，20a分別繞起作用的整體鉸鏈36a，38a繞樞軸轉動。可提供控制器(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，以產生沿預先確定軸的空間位移，正如為其它實施例正前面描述的那樣。裝置10a的剛性部分16a可包括在一對剛性託架部分32a，34a之間延伸的成C形的垂直臂30a。一可繞樞軸轉動的託架部分18a通過起作用的整體鉸鏈36a被可繞樞軸轉動地連接到一剛性不能變形的託架部分32a，而另一可繞樞軸轉動的託架部分20a通過起作用的整體鉸鏈38a被可繞樞軸轉動地連接到另一剛性的不能變形的託架部分34a。力轉移部件26a可包括支座面40a。激勵器14a包括相對端42a和44a。激勵器14a響應電啟動沿在相對端42a和44a之間的預先確定的軸，以產生受控的空間位移。激勵器14a的一端42a，諸如定位即固定端42a，被配置在鄰近於剛性垂直臂30a。激勵器14a的另一端44a，諸如驅動端44a被配置在鄰近於力轉移部件26a的支座面40a。當激勵器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的驅動端44a驅動力轉移部件26a遠離即離開剛性部分16a(即，朝向圖5中的右方)，而第一和第二可繞樞軸轉動的託架部分18a，20a則分別繞起作用的鉸鏈36a，38a繞樞軸轉動。在這結構中，從力轉移部件26a到可繞樞軸轉動的託架18a，20a轉移的力通過在力轉移部件26a和對應的可繞樞軸轉動的託架19a，20a之間延伸的力轉移垂直臂即鉸鏈48a，50a被傳遞。力轉移的直線通常是平行於壓電激勵器14a空間擴展的預先確定的軸，而較佳的是垂直於這轉軸即可繞樞軸轉動的託架部分18a，20a繞對應起作用的整體鉸鏈36a，38a轉動的軸。
圖6是裝置10b的第三實施例，它具有由帶有可調支架54b的剛性部分16b支承的可調支座52b，裝置10b包括類似於前面為其它實施例描述的支架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延伸的可繞樞軸轉的託架部分18b，20b；一對相對的面22b，24b，在可繞樞軸轉動的託架部分18b，20b上各有一個相對面22b，24b，用於相對另一個作移動；以及可操作地設置在第一和第二可繞樞軸轉動的託架18b，20b之間的力轉移部件26b。較佳的是，正如其它實施例的情況一樣，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和力轉移部件26b之間，以驅動力轉移部件26b用線性移動離開剛性部分16b。剛性部分16b用可調支架54b支持具有輔助面的可調支座52b到激勵器14b的端42b。可調支座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在一適於響應激勵器14b的電啟動來驅動力轉移部件26b的位置上。力轉移部件26b的移動使第一和第二可繞樞軸轉動的託架18b，20b分別繞起作用的整體鉸鏈36b，38b繞樞軸轉動。可提供控制器(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，以產生沿預先確定軸的空間位移，如前面為其它實施例描述的那樣。裝置10b的剛性部分16b可包括在一對剛性託架部分32b，34b之間延伸的垂直臂30b。一可繞樞軸轉動的託架部分18b通過起作用的整體鉸鏈36b被可繞樞軸轉動地連接到一剛性託架部分32b，而另一可繞樞軸轉動的託架20b通過起作用的整體鉸鏈38b被可繞樞軸轉動地連接到另一剛性託架部分34b。力轉移部件26b可包括支座面40b。激勵器14b包括相對端42b和44b。激勵器14b響應電啟動沿在相對端42b和44b之間的預先確定的軸，產生受控的空間位移。激勵器14b的一端42b，諸如定位即固定端42b，被配置在鄰近於剛性垂直臂30b，如前面諸實施例所示，或被可調支座52b所支持被連接到剛性垂直臂30b。激勵器14b的另一端44b，諸如驅動端44b，被配置在鄰近於力轉移部件26b的支座面40b。當激勵器14b被電啟動時，激勵器14b的定位端被可調支座52b保持固定，被連接到剛性部分16b，而激勵器14b的驅動端44b驅動力轉移部件26b遠離即離開剛性部分16b(即，朝向圖6中的右方)，而第一和第二可繞樞軸轉動的託架部分18b，20b則分別繞起作用的整體鉸鏈36b，38b線樞軸轉動。在這結構中，從力轉移部件26b到可繞樞軸轉動的託架部分18b，20b被轉移的力通過在力轉移部件26b和對應的可繞樞轉動的託架部分18b，20b之間延伸的力轉移垂直臂即鉸鏈48b，50b被傳遞。力轉移的直線通常是平行於壓電激勵器14b空間擴展的預先確定的軸，而較佳的是垂直於這轉軸即可繞樞軸轉動的託架部分18b，20繞對應起作用的整體鉸鏈36b，38b繞樞軸轉動的軸。應該認識到示於圖6中的可調支架54b和輔助支座52b，可順不背離本發明的精神和範圍的情況下，也適用於示於圖1-5的其它實施例。
現在來總的參考本發明，根據本發明的裝置是根據通過力轉移部件的方法來進行激勵器的移動和力的力學轉換。較佳的是，該激勵器是一種固體器件，當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的壓電器件堆。還有，該器件較佳的是具有短形稜鏡的幾何結構，把該激勵器配置在支架的腔體內。該腔體的一側被約束於剛性的不能變形垂直臂的內表面，而另一側則被約束於可移動力轉移部件的內表面。該腔體還受到由剛性的不能變形託架部分限定的支架的上內表面和由剛性的不能變形託架部分限定的支架對面下內表面的約束。把激勵器安裝在這腔體內，使一個面即激勵器的一端直接與垂直臂的內表面接觸，而對面的面即激勵器的一端直接與力轉移元件的內表面接觸。換名話說，激勵器是處在從垂直直臂的內表面和力轉移元件的內表面的連續壓縮下。如果需要，可把可調剛性的不能變形支架下。如果需要，可把可調剛性的不能變形支架部件連接到垂直臂，用來在對抗力轉移元件的相對面的壓縮中可調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。這電源由類似於在圖示中用28示出的控制器來控制。最簡單形式的控制器可以是開關器件。控制器通過電線連接到激勵器。該控制器可有多個實施例。例如，它可被設計成全啟動和全終止啟動該激勵器。它可被設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。它還可被設計成在該激勵器中再使用即再傳遞該能量以優化效率。
當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。當給以能量即被啟動時，該激勵器沿著按激勵器的材料性質所決定的一根或根軸擴展垂。這擴展垂是由於在本發明專用實施例中所實際採用的激勵器的類型有關的壓電的，電阻的，或磁阻的現象所致。激勵器被設計得，使在被啟動時最大擴展的空間尺寸是在具有垂直臂和力轉移部件的兩約束內表面的直線上。當激勵器被電啟動而沿主擴展軸擴展時，由於激勵器是在被垂直臂和力轉移部件的兩個約束的內表面壓縮下，所以該激勵器將相對這兩個約束的內表面施加額外的壓力。
這垂直臂被設計來為激勵器直接穿過，或非直接穿過可調支座提供剛性結構。由於該垂直臂緊緊夾住了激勵器，所以被設計來在這裝置內移動的力轉移元件、被擴展的激勵器移位。力轉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動的上託架和可繞樞軸轉動的下託架。力轉移元件被連接到帶有垂直臂的上、下託架，而整體鉸鏈把繞樞軸轉動的託架與支架的剛性託架部分分開。兩個剛性的不能變形的託架部分都用作與剛性的不能變形垂直臂組成整體的結構部件。鉸鏈被設計得，使由壓電元件產生的力和位移通過力轉移元件傳送，並被集中而施加到極靠近鉸鏈的可轉動軸。所以，力轉移元件通過垂直臂把擴展的激勵器的力和位移的基本部分傳遞到可繞樞軸轉動的託架。該裝置被設計得，使激勵器的擴展引起下、下可繞樞軸轉動的託架部分繞整體鉸鏈向外繞樞軸轉動，使得一可繞樞軸轉動的託架的面與另一可繞樞軸轉動的託架的面分開。激勵器的終止啟動把力轉移元元件的空間位移沿預先確定的軸恢復到初始位置。這本身又引起支架的總結構回復到初始的即靜止態。
當把壓電激勵器裝在支架內時，較佳的是預先加載力。如果需要，可把壓電激勵器緊緊地夾在支架順，它帶有設置在剛性的不能變形垂直臂和激勵器一端之間的可調支座。作為例子但不是限制，為了這個目的可採用可調螺釘的結構，或者可提供任何其它便於在壓電激勵器上預加載最佳力的合適配置。在啟動期間，預加載有助於從壓電激勵器把力轉移到支架的最大效率。預加載還能使根據本發明裝置初始未充電時的位置作細調。正確的預加載在擴展和收縮的全範圍期間，在不需要採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。預加載還有助於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。用於壓電激勵器一端的可調支座，在裝置的組裝期間，可對壓電激勵器的尺寸變化作簡單補償。
本發明揭示並詳細討論了關於至少一個可繞樞軸轉動的託架部分，而較佳的是兩個相對的可繞樞軸轉動的託架部分。應認識到本發明包括可繞樞軸轉動的託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動的託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構中可以是理想的。
現在參照圖7，簡單的流程圖示出了根據本發明機械支架鉸鏈部件定向的最佳參數選擇。在步驟100開始，限定了施加的技術規格。這規格可以是諸參數的一種選擇(作為例子但不是限制)，包括力，位移，尺寸，工作頻率，循環延續時間，溫度，工作電壓，工作功率，振動，抗衝擊力，線性度，和/或重複性的參數。在步驟100中限定了技術規格後，程度繼續到步驟102，在這步驟提高機械支架的技術要求和初步的幾可結構。於是程序繼續到步驟104，在這步驟完成了兩維(2D)靜態應力分析以優化機構支架的鉸鏈的幾何結構。於是根據在步驟104獲得的優化幾何結構，在步驟106，設計三維(3D)的計算機輔助設計(CAD)模型。於是在步驟108中進行有限元應力分析(EFA)以預測機械支架和壓電元件的性能。在進行該分析中，發現了為了一系列的分析，把壓電元件最大力的20％加到力託架是有用的。還發現當約束機械支架的託架並把力加到力轉移元件時，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動的託架可獲得的力是有用的。作為有限元應力分析的結果，機械支架和壓電元件的力對位移的函數關係各別的曲線被展開。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發生。作為例子但不是限制，這些圖中的一組示於圖8，在該圖中壓電元件曲線標以122，而機械支架曲線則標以124。圖8示出在標以126的點上兩曲線122，124的典型交點。曲線交點的證實發生於步驟112。在詢問114中，它確定該交點是否滿足在步驟100中以前設定的力和位移的技術規格。如果技術規格未被滿足，程序就從分路回到步驟102，在這步驟可修改並再分析該模型。如果技術規格被滿足，程序就從分路到步驟116。在步驟116中，採用對應於兩曲線122，124相交點126的值，再一次完成有限元應力分析。於是程序進到詢問118以決定相對在步驟100中所選施加的技術規格的性能是否被核實。如果該性能未被核實，程序從分路回到步驟102，在這步驟可修改並再分析該模型。如果該性能被核實，則程序在步驟120就結束。
採用有限元分析來設計該裝置以滿足幾個判據。支架必須提供重複操作。可合理地期望有超過一百萬個循環的工作連續時間。對給定的激勵器，可把可繞樞軸轉動的託架部分長度和整體鉸鏈的幾何結構設計得提供改變諸面的分隔數。
本發明的特徵是力轉移元件，鉸鏈，可繞樞軸轉動的託架部分，剛性託架部分，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件連起來。消除了連接的方法造成從激勵器到支架的力轉移和位移高度有效的結果。
本發明支架的另一特徵是激勵器是這樣來定位的，它使擴展的主軸相對於可繞樞軸轉動的託架的繞樞軸轉動軸是直角的。這特徵在幾個方面都是有利的。最主要的方面是它能使從從力轉移元件力的施加點的鉸鏈幾何結構極靠近鉸鏈的支點軸。這能使該性能把力轉移效率成為最大。由這個幾何結構導致的另一好處是能使該裝置成為小型的總設計。進一步的優點是這幾何結構易於支持按比例從約小於1立方英寸變為約20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範圍的設計限定。同樣，該幾何結構提供從1磅到超過100磅的範圍廣闊的夾住力。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構相對的面保持壓縮接觸；即剛性垂直臂30在一端，而力轉移元件26則在相對的一端。
在示於圖1-6的諸實施例中，這些構件是用單塊材料來加工製成的(例如不鏽鋼)。其它合適的材料可包括粉末金屬，金屬合金，複合材料，或金屬和複合材料的組合。雖然作為例子給出的這些材料提供優良的性能，但根據具體應用的技術規格，採用其它材料用於支架是合適的。
儘管本發明結合了目前認為是最實際的和較佳的實施例作了描述，但應理解到本發明並不限於已揭示的實施例，而卻相反，本發明意圖覆蓋包括在所附權利要求書中的精神和範圍內各種修改和等價配置，而這個範圍要給予最廣的解說，以便包括所有這種修改和等價結構，正如在這法律下所允許的。
權利要求
1.一種用於響應電啟動，移動一對相對面中至少一面的裝置，其特徵在於，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動的託架部分；一對相對的面，有一相對的面在至少一個可繞樞軸轉動的託架部分上，用作相對於另一個作移動；以及力轉移部件，可操作地設置著，用於以轉動的運動來驅動至少一個可繞樞軸轉動的託架部分；以及激勵器，可操作地嚙合在該剛性部分和力轉移部件之間，響應該激勵器的電啟動，來驅動關於剛性部分的力轉移部件使至少一個可繞樞軸轉動的託架部分繞樞軸轉動。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述支架是單件。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述激勵器是壓電器件。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述剛性部分是成C形的，它包括在一對剛性託架部分之間延伸的垂直臂。
5.如權利要求4所述的裝置，其特徵在於，可繞樞軸轉動的託架部分中的一個被可繞樞軸轉動地連接到剛性託架部分中的一個，而另一可繞樞軸轉動的託架部分則被可繞樞軸轉動地連接到另一剛性託架部分。
6.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述激勵器包括相對的端，並響應電啟動，在相對端之間產生空間位移。
7.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述剛性部分支承支座面。
8.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述激勵器的相對端中的一端是平的表面，而內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於平的支座面的激勵器平的端表面。
9.如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述激勵器的平的端表面，響應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.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於，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.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於，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.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於，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.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述力轉移部件包括支座面。
14.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，所述激勵器的相對端中的一端是平的表面，而該力轉移部件的支座面是平的表面，它帶有配置在鄰近於該力轉移部件平的支座面的該激勵器平的端面。
15.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於，所述激勵器平的端表面，響應該激勵器的空間位移，把力施加到該力轉移部件的平的支座面。
16.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，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移部件的平的支座面接觸。
17.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，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移部件的平的支座面接觸。
18.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，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移部件的平的支座面接觸。
19.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述剛性部分，該可繞樞軸轉動的託架部分和該力轉移部件會在一位置上的形成力轉移的機制。
20.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，還包括至少一個可繞樞轉軸的部分限定在其上的整體彈簧附著到該剛體部分。
21.一種用於優化鉸鏈幾何結構的方法，其特徵在於，所述方法包括如下的步驟根據限定的力和位移的技術規格提高初步的幾何結構；完成兩維應力分析以優化鉸鏈幾何結構的優化定位；設計鉸鏈幾何結構優化定位的三維模型；在三維模型上進行有限元應力分析以預測性能；為支持和壓電激勵器分析力對位移的函數關係的個別曲線；證明曲線的一個交點；確定該曲線的交點是否滿足預先限定的力和位移的技術規格；如果該兩根曲線的交點不滿足預先限定的力和位移的技術規格，返回到提高的步驟；如果該兩根曲線的交點確是滿足預先限定的力和位移的技術規格，採用對應於這兩根曲線交點的值，進行三維有限元應力分析；確定採用對應於這些曲線交點的值，用有限元應力分析的該三維模型的性能是否被核實背離運用的技術規格；以及如果性能未被核實，返回到提高步驟。
22.一種根據權項21所述的方法，用於響應電啟動來移動至少一對相對的面中的一面的裝置，其特徵在於，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動的託架部分；一對相對的面，有一個相對的面在至少一個可繞樞軸轉動的託架部分上，用於相對另一個作移動；以及可操作地設置著的力轉移組件，用於驅動至少一個可繞樞軸轉動的託架部分作轉動的移動；以及激勵器，可操作地嚙合在剛性部分的力轉移部件之間，響應該激勵器的電啟動以驅動與剛性部分有關的力轉移部件，使至少一個可繞樞軸轉動的託架部分繞樞軸轉動。
全文摘要
一種用於響應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動的託架部分；一對相對的面，有一個相對的面在至少一個可繞樞軸轉動的託架部分上，用於相對另一個作移動；以及可操作地設置著的力輔移部件，用於驅動至少一個可繞樞軸轉動的託架部分作轉動的移動。一激勵器被可操作地嚙合在剛性部分和力轉移部件之間，響應該激勵器的電啟動以驅動和該剛性部分有關的力轉移部件，使至少一個可繞樞軸轉動的託架部分繞框軸轉動。
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 優先權日2002年2月6日
發明者J·莫勒 申請人:維京技術有限公司