CN108713103A - 流体压力式驱动器用弹性体管以及驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题在于,提供通过对弹性体管施以最小限度加工提高其外周表面的耐磨耗性、一方面保持简单结构且轻量的有利特征一方面低成本且耐久性高的流体压力式驱动器用弹性体管以及流体压力式驱动器。作为本发明的解决手段,提出一种弹性体管,作为由空气或液体等的流体的供排而驱动的流体压力式驱动器的驱动力源,在外周整个面上,设有将合成纤维制的短纤维相对外周表面垂直地静电植毛形成的耐磨耗植毛层,进而,上述耐磨耗植毛层是在上述弹性体管的外周表面沿着轴线方向呈许多带状地、或在上述弹性体管的外周整个面呈许多点状地将上述合成纤维制的短纤维静电植毛形成。
Description
技术领域
本发明涉及用于由空气或液体等的流体的供排而驱动的流体压力式驱动器的弹性体管,以及使用该弹性体管的流体压力式驱动器,尤其涉及麦吉本(Mckibben)型流体压力式驱动器。
背景技术
所谓驱动器(驱动装置)之中,麦吉本(Mckibben)型流体压力式驱动器如图1至图3所示,在天然橡胶或聚氨酯橡胶等制的弹性体管G的外周包覆将合成树脂纤维织成螺旋状网眼的筒状的套S,用设有空气或液体等的流体的吸入/排出机构的一对终端部T固定封锁两端,通过从外部施加的空气压力使得弹性体管G膨胀,使得全长收缩。套S如图4所示具有以下构造:通过网眼的角度如手风琴那样变化,若在轴向压入,则半径变粗,与此相反,若拉伸,则半径变细。当对内藏的弹性体管G施加空气压力欲朝轴向及半径方向膨胀时,通过套S取出半径方向的膨胀,使得网眼角度变化,使得弹性体管G产生轴向收缩力,将上述现象作为原理。
流体压力式驱动器具有以下优点:与电磁式或油缸式驱动器相比,轻量但输出密度高(尽管自重轻但输出力大),耐环境性优异(对锈或尘埃强),构造简单,维修容易,柔软性高,具有接近人的肌肉特性,制造成本低。但是,另一方面,作为构造上的必然,因与套的摩擦,弹性体管表面损伤或磨耗,产生孔或龟裂,因此,具有耐久性低的缺点。
为了解决该问题,提出专利文献1-3所示那样的现有技术。在专利文献1记载的发明中,通过使得弹性体管含有在其长度方向配向的碳纤维或玻璃纤维等的短纤维,强化弹性体管的材质本身的耐磨耗性,并且,通过控制其伸缩方向,提高耐久性。在专利文献2记载的发明中,将弹性体管设为双重结构,构成为外侧管的磨耗或龟裂不传播到内侧管,提高耐久性。在专利文献3记载的发明中,构成为通过在弹性体管和套之间夹有具有伸缩性的低摩擦体,使得磨耗降低。
【专利文献1】日本特开2015-180829号公开公报
【专利文献2】日本特开2015-108436号公开公报
【专利文献3】日本特表2004-085856号公开公报
但是,如专利文献1记载的发明,若使得弹性体管材料本身含有短纤维,则必然橡胶等材料的弹性变化,驱动器的输出特性也变化。因此,弹性体管的材料的规格也不得不专用化。如专利文献2及3记载的发明,使得弹性体管为双重结构,或在弹性体管和套之间夹有低摩擦体的结构,都不得不使得结构复杂化。因此,上述现有技术都使得制造成本低的流体压力式驱动器的优点降低。
发明内容
本发明就是为了解决上述那样的以往技术所存在的问题而提出来的,其课题在于,提供通过对以往的弹性体管施以最小限度加工提高其外周表面的耐磨耗性、一方面保持简单结构且轻量的有利特征一方面低成本且耐久性高的流体压力式驱动器用弹性体管以及流体压力式驱动器。
为了解决上述课题,本发明权利要求1记载的发明为一种弹性体管,作为由空气或液体等的流体的供排而驱动的流体压力式驱动器的驱动力源,其特征在于:在上述弹性体管的外周整个面上,设有将合成纤维制的短纤维相对外周表面垂直地静电植毛形成的耐磨耗植毛层。
作为本发明中的合成纤维制的短纤维,使用弹性回复力高的尼龙纤维很合适,但是,本发明并不局限于此,也可以使用耐磨耗性高的合成纤维。静电植毛是预先在工件(植毛对象物)表面上涂布粘结剂,将上述工件设置于静电植毛器内,通过向投入的短纤维施加高电压,通过电场时,短纤维的方向一齐与电场平行,且因静电吸力飞升,垂直且高密度地密集粘结到工件的粘结剂涂布面,进行粘结。以往在从暖炉的金属制热源罩到各种机械器具的部件、日用品等表面加工领域得到广泛普及,是用于改善隔热性、隔音性、耐冲击性以及提高手触摸等手感的以往公知技术。
静电植毛的植毛层为了弹性力高,也可以对橡胶表面改质,汽车的橡胶制部件等的各种内装部件或日用品等也多有应用,其目的在于,通过减少摩擦提高部件动作的平滑化、隔音性、气密性、质感等。例如,向汽车的橡胶制密封件的静电植毛的目的在于,通过减少摩擦效果,防止振动音以及窗玻璃升降平滑化,另外,在橡胶制炊事用手套的内侧施以静电植毛的制品也公知,其目的在于,防止手套向手的皮肤粘附以及戴上/脱下的平滑化。即,至今为止的静电植毛的减少摩擦效果以接触物的动作的平滑化为目的,没有试图提高被植毛体本身的耐磨耗性。
另一方面,本发明人着眼于由上述静电植毛所得到的植毛层具有的提高机械的耐磨耗性的效果,想到如新橡胶那样,本来的摩擦系数比较高,保护要求反复伸缩的弹性体的表面,即,适用于提高耐久性。具体地说,在橡胶表面高密度植毛形成短纤维层,以各短纤维的顶端的无数的“点”与外装的套的内面接触,因此,与橡胶表面与套的内面直接接触场合相比,接触面积大幅度减少。又,因弹性体管的膨胀/收缩,套的内面推压该表面擦蹭时,各短纤维在根部被固定,与此相反,其顶端自由地能朝全方位回复地倾斜,因此,短纤维的侧面与套的内面线接触,可以说常时在全方向以“躲避”套的内面形式,减少接触面积。因上述作用,弹性体管表面和套的内面的摩擦降低,抑制弹性体管表面的损伤或磨耗。
在以往的机械领域中,为了与被植毛部件接触的物体动作的平滑化,保护人体,减少接触时的冲击性,或者相反,使得接触后的物体运动合适地停止,以使得摩擦力增加为目的,使用静电植毛。另一方面,本发明通过静电植毛层使得伸缩的弹性体管的表面的耐磨耗性提高,保护与擦蹭的套的内面的摩擦,本发明是基于与以往技术相反的考虑。如下所述,本发明人实施的往复摩擦试验结果,可以确认设有将短纤维静电植毛的植毛层的橡胶表面的摩擦系数以及摩擦物质量与无植毛层的橡胶表面相比大幅度减少,通过植毛层提高了耐磨耗性。
接着,本发明权利要求2记载的发明为一种弹性体管,作为由空气或液体等的流体的供排而驱动的流体压力式驱动器的驱动力源,其特征在于:在上述弹性体管的外周表面上,沿着轴线方向呈许多带状地设有将合成纤维制的短纤维相对外周表面垂直地静电植毛形成的耐磨耗植毛层。
用于静电植毛的粘结剂有丙烯酸系,聚氨酯系,环氧树脂系,乙酸乙烯酯系等,剂型有乳胶型,溶剂型。粘结剂只要与橡胶表面的粘结力强,且具备与橡胶本身的变形伸缩相应的弹力性/柔软性,并不作特别限定,在尼龙制短纤维向橡胶制的弹性体管植毛场合,例如,丙烯酸系乳胶型或聚氨酯系的溶剂型很合适。上述粘结剂不仅与橡胶的粘结力强,而且,形成的粘结层的弹力性也高,追随弹性体管的伸缩发挥高的伸缩性,即使这样,当橡胶本身的弹性和粘结层的弹性不同场合,在反复伸缩期间,在薄的粘结层产生裂纹,担心最终植毛层发生剥离。
为了防止上述植毛层发生剥离,在橡胶表面的植毛层设有间隙很有效。若粘结层不连续,则因橡胶表面的伸缩引起的粘结层自身延伸的影响减少,因此,难以产生裂纹。如上所述,当空气压力施加到弹性体管使其膨胀时,套取出径向膨胀,使得网眼的角度变化,使得弹性体管在轴向收缩。因此,弹性体管的表面在周向当膨胀时,其截面外周扩大,拉伸力作用到粘结层,使其延伸,易产生裂纹。另一方面,在轴线方向,膨胀时,对粘结层作用的拉伸力比周向小,因此,难以产生裂纹。如图4所示,当弹性体管膨胀时,套的网眼在轴线方向被压缩,而在缩小时被伸展,因此,弹性体管的表面和套的内面的摩擦与周向相比,轴线方向更大。因此,若在弹性体管的外周表面上,沿着轴线方向呈许多带状地配列形成植毛层,则能维持对于轴线方向的摩擦的耐磨耗性,而且,带状的植毛层之间由间隙分断,因此,能防止因周向的拉伸力在粘结层产生裂纹。
接着,本发明权利要求3记载的发明为一种弹性体管,作为由空气或液体等的流体的供排而驱动的流体压力式驱动器的驱动力源,其特征在于:在上述弹性体管的外周整个面上,呈许多点状地设有将合成纤维制的短纤维相对外周表面垂直地静电植毛形成的耐磨耗植毛层。
驱动中的麦吉本型流体压力式驱动器的弹性体管在收缩时在轴线方向收缩,同时在周向扩张,另一方面,在伸展时朝其逆方向动作,并且,在管的中央部和两端的终端附近,对于施加的空气压力,伸缩率非线性地应答。其结果,弹性体管表面的伸缩方向以及与套内面的摩擦方向也因部位不同,因此,更优选植毛层具备朝全方向的伸缩以及对摩擦的耐久性。
对此,若将植毛层分散设为高密度且等间隔的点状,不仅对于弹性体管朝周向的膨胀收缩,而且对于朝全方向的膨胀收缩,也能防止粘结层的裂纹,进一步提高弹性体管的耐磨耗性。因此,合适的是,点配置为各点中心与邻接的全部点的中心成为等距离。点的大小以及邻接的点的中心之间的间隔可以根据弹性体管的直径或伸缩率适当设定,不作特别限定。为了将植毛层设为高密度且均等地设置间隙,点的形状不局限于圆形,也可以是使得四方形或其它回转对称形网状地反复者。
本发明人为了验证通过静电植毛提高弹性体管表面的耐磨耗性效果,使用在橡胶板上施以静电植毛的试料片,进行往复摩擦试验。使用的试料片是在天然橡胶片材(64mm×64mm,厚度3mm)的单面,通过简易静电植毛装置将尼龙制短纤维(长度0.5mm,粗细19μm)进行静电植毛得到,
作为植毛用粘结剂,是将丙烯酸系乳胶型的橡胶片材植毛用粘结剂,涂布为厚度约0.1mm使用。又,往复摩擦试验的摩擦对象是一般用于麦吉本型流体压力式驱动器的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)制套,将粗细约0.3mm的PET制纤维线三根在平面上排列形成纬线与经线以锐角(约35度)织成斜纹,形成开口率约25%的网眼,使用从上述材料切出的套片。往复摩擦试验由表面性测定机(摩擦磨耗试验机),以重物200g、速度150mm/分、单程长度100mm,相对套片朝与套的轴线方向平行/垂直方向,实行各往复次数50次的摩擦,检测静摩擦系数、动摩擦系数、以及试验片的重量变化引起的磨耗量,如表1所示,得到平均值和标准偏差的数值。所谓“植毛形态”的“点状”是指在试料片的表面以各中心的间隔为6mm的配置,在试料片的单面整个面上植毛直径3mm的圆形点状的植毛层。所谓“摩擦对象”的“玻璃片(参考)”是指作为参考试验,不是将套作为摩擦对象,而是使用表面平滑的玻璃片。
表1
在试验结果中,对于无植毛层的试料片,在整个面上设置植毛层,在上述设置有植毛层的试料片中,静摩擦系数/动摩擦系数在平行方向分别减少约80%/约49%,在垂直方向分别减少约78%/约39%。关于磨耗量,无植毛层场合,为4mg前后,有植毛层场合,减少到0.1mg以下(检测误差程度)。这表示相当于在试验条件下没有植毛的短纤维脱落,防止试料片的橡胶磨耗。另一方面,设置点状植毛层场合,摩擦系数在平行方向场合分别减少约68%/约43%,在垂直方向场合分别减少约66%/约31%。摩擦系数减少幅度虽然变小,但磨耗量都为0.1mg以下。从以上结果可以确认,不仅由于设置在橡胶表面的植毛层,减少与套的摩擦,能期待麦吉本型流体压力式驱动器的更平滑的动作,而且,能大幅度提高弹性体管的耐磨耗性。将玻璃片作为摩擦对象场合,对于无植毛层的试料片,在整个面上设置植毛层,在上述设置有植毛层的试料片中,静摩擦系数/动摩擦系数分别减少约89%/约86%,在设置点状植毛层的试料片场合,摩擦系数分别减少约79%/约71%。无植毛层的试料片场合的摩擦系数的标准偏差大,可以认为由于制造工序中具有凹凸的橡胶板的表面直接与玻璃片接触而摩擦,反映各试料片的表面状态的参差不齐。
接着,本发明权利要求4记载的发明为一种流体压力式驱动器,设有权利要求1~3中任一个记载的弹性体管,作为驱动力源。
下面说明本发明的效果:
以往,在流体压力式驱动器、尤其麦吉本型流体压力式驱动器中,弹性体管外周面和套内面的摩擦引起的弹性体管的损伤或磨耗成为其耐久性的制约,根据本发明,不用对弹性体管自身进行特别的设计变更,而能有效地减少因弹性体管外周面和套内面的摩擦引起的弹性体管的损伤或磨耗。其结果,以低成本提高作为消耗部件的弹性体管的耐久性,减轻驱动器的维修负担,促进上述设备普及。
附图说明
图1是一般麦吉本型流体压力式驱动器的构造斜视图。
图2是一般麦吉本型流体压力式驱动器的截面图。
图3是表示一般麦吉本型流体压力式驱动器的动作的图。
图4是一般麦吉本型流体压力式驱动器的套的放大图。
图5是适用第一实施形态涉及的橡胶管的流体压力式驱动器的构造斜视图。
图6是适用第一实施形态涉及的橡胶管的流体压力式驱动器的截面图。
图7是橡胶管和套的接触状态的放大模式图。
图8是适用第二实施形态涉及的橡胶管的流体压力式驱动器的构造斜视图。
图9是适用第二实施形态涉及的橡胶管的流体压力式驱动器的截面图。
图10是第二实施形态涉及的橡胶管表面的放大模式图。
图11是表示橡胶管表面生成裂纹的模式图。
图12是第二实施形态涉及的橡胶管表面的模式图。
图13是第三实施形态涉及的橡胶管表面的放大模式图。
图14是用于耐久试验的流体压力式驱动器的构成部件照片。
图15是耐久试验后的橡胶管G的照片。
图16是用于静电植毛的简易静电植毛装置的照片。
图17是表示耐久试验的实施状况的照片。
图中符号意义如下:
a—粘结层
D—流体压力式驱动器的直径
F—植毛层
f—短纤维
G—弹性体管(橡胶管)
g—植毛层F的间隔
L—流体压力式驱动器的长度
S—套
s—纤维
T—终端
具体实施方式
(第一实施形态)
下面,基于附图说明本发明的实施形态。图5是适用第一实施形态涉及的弹性体管(在实施形态中,为聚氨酯橡胶制的橡胶管G)的流体压力式驱动器的内部构造的斜视图,图6是其截面图。橡胶管G在其外周面具有将尼龙制的短纤维f静电植毛形成的植毛层F,内装于套S。如图7的模式图(a)所示,套S是将PET制纤维线s三根在平面上排列形成纬线与经线以锐角织成斜纹,形成网眼,其内面具有凹凸,因此,当不具有植毛层F的橡胶管G因施加的压力膨胀时,套S的内面一边直接推压橡胶管G的表面一边擦过,因此,橡胶管G因摩擦而磨耗,担心其损伤。
另一方面,在本第一实施形态中,如图7的模式图(b)所示,在套S的内面,成为短纤维f的顶端作为无数的“点”接触的形式,摩擦降低。如图7的模式图(c)所示,各短纤维f在根部被固定,与此相反,其顶端自由地能朝全方位回复地倾斜,因此,短纤维f的侧面与套S的内面线接触,比如常时在全方向以“躲避”形式,摩擦降低,抑制橡胶管G表面的损伤或磨耗。进而,若短纤维f以充分高密度植毛,则短纤维f之间成为互相支持形式,即使朝套S的内面被推压也不容易倾斜,因此,植毛层F在橡胶管G和套S之间起着作为缓冲层的作用。
关于形成植毛层F的短纤维f的长度或粗细,只要能确保充分的植毛密度,不作特别限定,相对用于一般麦吉本型流体压力式驱动器的套(纤维s的直径为0.3mm左右,伸展时的开口率约25%左右),将长度0.5mm左右,直径20μm左右的短纤维f以至少5000根/cm2以上的密度植毛很合适。套S的网眼因驱动器的动作反复扩大/缩小,因此,担心短纤维f若过长,则扩大时进入网眼内,缩小时受网眼夹住而被拔取,又,若植毛密度低,则纤维s咬入植毛层F,摩擦系数高,损害耐磨耗性。
技术上也可能使得不同长度的短纤维f混杂,以均一的混合率形成植毛层F,现在正实施中。该场合,长的短纤维因向植毛层F的表面的外压而倒入,成为短的短纤维支持上述长的短纤维的形式,植毛层F全体的回复力得到提高,这为人们所知,通过采用上述构成,能进一步提高植毛层F的耐磨耗性。
(第二实施形态)
图8是适用本发明第二实施形态涉及的橡胶管G的流体压力式驱动器的内部构造的斜视图,图9是其截面图。在本实施形态中,使得橡胶管G表面的植毛层F沿着轴线方向,如图10所示放大图那样形成为带状。
如图11的模式图所示,植毛层F通过粘结剂将短纤维f粘结植毛在橡胶管G的表面,因此,构成粘结层a,即使使用追随橡胶管G的伸缩发挥高的伸缩性的丙烯酸系乳胶型或聚氨酯系的溶剂型的粘结剂,橡胶和粘结层的弹性不同场合,驱动器动作时,橡胶管G反复伸缩期间,担心在薄粘结层a产生裂纹c,最终由此引起植毛层F剥离。
在本实施形态中,如图12所示放大图那样,使得带状植毛层F隔开间隔g0形成,不连续,因此,因橡胶管G表面伸缩引起的粘结层a本身的拉伸的影响降低,难以产生裂缝。又,植毛层F和套S的内面的摩擦主要在沿着轴线的往复方向产生,在周向的摩擦比较小,因此,使得植毛层F在橡胶管G的外周表面沿着轴线方向形成为带状,由此,能一边维持对于轴线方向的摩擦的耐磨耗性,一边防止在粘结层a因周向的拉伸力引起的裂纹,因此,提高植毛层F的耐久性。植毛层F的带的宽度以及间隔不作特别限定,上述一般的麦吉本型流体压力式驱动器使用的套S场合,将3mm左右宽度的带以1mm左右间隔设置很合适。
(第三实施形态)
本发明第三实施形态将设在橡胶管G表面的植毛层F如图13放大图所示那样形成为圆形点状,点配置为各点中心与邻接的全部点的中心设为等距离,其它构成与第二实施形态相同。在上述构成中,植毛层F在全方位具有粘结层a的间隙,因此,驱动器动作时,即使橡胶管G因部位不同,其表面以不同的伸缩率非线性收缩,也能减少在粘结层a产生裂纹c的可能性,与第二实施形态相比,能进一步提高植毛层F的耐久性。
(适用第一实施形态的流体压力式驱动器的耐久试验结果)
本发明人为了验证本发明的效果,通过实际适用本发明第一实施形态涉及的静电植毛橡胶管的麦吉本型流体压力式驱动器装置,实施耐久试验。试验使用的橡胶管G的规格,静电植毛条件,流体压力式驱动器的规格,以及耐久试验条件如表2所示:
表2
1)橡胶管规格
2)静电植毛条件
3)流体压力式驱动器规格
4)耐久试验条件
*1三根非静电植毛的流体压力式驱动器的长度变化量为40±2mm,已静电植毛的流体压力式驱动器的长度变化量也在该范围内。
*2为了进行与实际使用现场的使用方法整合的试验,设置台,使得排气时流体压力式驱动器以非载荷时长度停止。
*3三根非静电植毛的流体压力式驱动器的外径变化量为16±1mm,已静电植毛的流体压力式驱动器的外径变化量也在该范围内。
图14是用于耐久试验的流体压力式驱动器的构成部件照片,图15是耐久试验后的橡胶管G的照片,图16是用于静电植毛的简易静电植毛装置的照片,图17是表示耐久试验的实施状况的照片。耐久试验通过以下方法实行:使用已静电植毛的橡胶管G以及没有静电植毛的橡胶管G(对照组)各三根,用20kg重物施加拉伸负荷,在该状态下,通过连接有空气压缩机的加压装置,以0.5MPa的气压,三秒一个周期(加压1.5秒,排气1.5秒),进行加压-排气,反复上述动作,直到从橡胶管G发生空气泄漏。
耐久试验结果如表3所示。在使用对照组的三根橡胶管G的流体压力式驱动器中,不管哪一个都在5万次前,橡胶管G发生小孔,产生空气泄漏,与此相反,在使用已静电植毛的橡胶管G的流体压力式驱动器中,即使经过100万次以上之后,也不产生空气泄漏,能明确验证因植毛层F提高耐久性的效果。从上述图15的照片也能明白,因收缩时(即膨胀时)向套S的压接,套S的内面的花纹转印到没有静电植毛的橡胶管G的表面,高应力施加到表面,但是,在已静电植毛的橡胶管G中,100万次试验后,尽管植毛层F有若干磨耗,但没有发现明显的短纤维f的脱落(脱毛)或植毛层F的卷曲。
表3
耐久试验结果
*4*5小孔在网眼痕迹中出现。
可以认为,因与网眼摩擦而损伤,因橡胶管反复膨胀/收缩使得损伤厉害的结果,小孔出现。
相对施加到橡胶管G的气压变化,流体压力式驱动器的收缩量变化,表4表示检测上述收缩量变化进行有无植毛层F场合的比较结果的曲线。与无植毛层F场合相比,有植毛层F场合收缩量小,尽管如此,但其差很小,在0.5MPa以上的压力下,收缩量大体相同。因此,可以得到确认,即使在橡胶管G设置植毛层F,对于流体压力式驱动器的收缩特性几乎不会给与影响。
表4
上面说明了本发明涉及的弹性体管的具体构成,但本发明并不局限于上述实施形态,在本发明技术思想范围内可以作种种改良或变更,它们都属于本发明的保护范围。
下面说明在产业上的可利用性:
本发明可利用于作为流体压力式驱动器、尤其麦吉本型驱动器的驱动体的弹性体管以及使用该弹性体管的驱动器,适用于利用上述驱动器的机械装置或设备,尤其,适用于要求以比较小的输出常时高频度动作、且要求减轻维修负担的作业用/介护用的动力服(人体装备型机器人)或机器人假手/假脚等的设备,很有效。根据本发明,以低成本提高作为消耗部件的弹性体管的耐久性,减轻驱动器的维修负担,促进上述设备普及。
Claims (4)
1.一种弹性体管,作为由空气或液体等的流体的供排而驱动的流体压力式驱动器的驱动力源,其特征在于:
在上述弹性体管的外周整个面上,设有将合成纤维制的短纤维相对外周表面垂直地静电植毛形成的耐磨耗植毛层。
2.一种弹性体管,作为由空气或液体等的流体的供排而驱动的流体压力式驱动器的驱动力源,其特征在于:
在上述弹性体管的外周表面上,沿着轴线方向呈许多带状地设有将合成纤维制的短纤维相对外周表面垂直地静电植毛形成的耐磨耗植毛层。
3.一种弹性体管,作为由空气或液体等的流体的供排而驱动的流体压力式驱动器的驱动力源,其特征在于:
在上述弹性体管的外周整个面上,呈许多点状地设有将合成纤维制的短纤维相对外周表面垂直地静电植毛形成的耐磨耗植毛层。
4.一种流体压力式驱动器,设有权利要求1~3中任一个记载的弹性体管,作为驱动力源。
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