CN1255240A - 由数量较少的元件构成的释放机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电控致动器,该致动器至少包括两个同平面的叶片,所述叶片是由一个金属片U形压制而成的。一个叶片(60)的端部用作所述致动器的一个安装部分,另一个叶片(85)的端部用作一个致动表面。压电陶瓷材料分别固定在所述两个叶片的相对表面上以使所述致动表面相对于固定表面弯曲。本发明还披露一种包括这样一种致动器的电继电器或剩余电流设备。

Description

由数量较少的元件构成的释放机构
压电陶瓷结构常用于产生可靠的并且较小的高精度运动。限制其广泛应用的因素是运动程度通常小于中低成本条件下的加工公差。于是，精密加工的应用使这些设备成本提高，因此其应用被限制到高价值的应用中。
利用多层结构可提高压电陶瓷装置的运动，但是每层之间的效率损失极大，所得到的运动增益是以不成比例的力的消耗来实现的。对于诸如识别和光反射的应用而言，采用非常薄的层可产生较大的移动，但是这种方法对于必须克服摩擦力和其它作用力的机构来说是不可接受的，因为这些较薄的元件在载荷作用下会发生变形并由此失去其作用。能提高刚性的联接装置的使用也是不可接受的，因为转动损失相对于弯曲元件的初始移动而言是较大的。因此，面临的挑战是在不损失能量的条件下增强运动并且在转动和相关的连接装置最少的条件下结合运动和释放功能。另外，为了适应商业上变化机构的要求，总体设备必须是结构紧凑和耐用的。
本发明提供一种双叶片式致动器，所述致动器具有两个陶瓷片以便在一层陶瓷和金属结构中使操作面产生极大倾斜。
为了便于理解本发明，下面将结合附图对本发明的一个实施例进行描述，其中：
图1表示了本发明一个致动器的透视图；
图2A-图2C表示了在不同致动状态下图1中的致动器；
图3A和3B表示了图1的致动器优选应用的基本图；
图4A至4D示意性表示图1的致动器的优选应用；
图5A至5C表示图4的实施例中所用的各个部件；
图6表示了本发明的另一种形式的致动器的透视图；
图7A至7B表示本发明的一种致动器的应用；
图8表示本发明所述多个致动器的一种应用；
图9表示所述多个致动器的结构。
图1示出了一种大体平面式致动元件5，所述致动元件5由两个叶片构成，所述两个叶片呈U字形排列。所述致动器的叶片分别包括一弯曲部分10和一刚性部分15。可以通过改变材料厚度、使边缘弯折(如图所示)或使一加强形状(stiffening profile)凸出来制作所述刚性部分。图中所示的弯曲部分之间是相互平行的，但它们之间也可具有一定的角度以完成其它动作。利用任何适合的方法使所述弯曲部分10分别与压电陶瓷片12，13粘附在一起，所述压电陶瓷片12、13与一种适合的电源相连，所述电源通常能够放出电压短脉冲，所述电压短脉冲只能使材料收缩，但不足以破坏材料的绝缘性。对于目前的陶瓷技术，最大的放电电压在每毫米(材料长度)500V至1000V。
压电陶瓷材料在制造过程中被施加了一种电荷，这个过程被称为极化(poling)。极化过程的结果是，所述材料的卵形分子受到一个电场控制并且按照一个方向排列。因此，在施加电压的条件下，材料的尺寸与未施加电压时相比会发生变化，而在不施加电压时，所述分子的方向是无序的。在这样的条件下，长度远远大于宽度且宽度大于厚度的材料平片将会被拉长。通过将这些材料的平面部分固定到一个稳定的基体(诸如一金属带)上，延伸和收缩以与一种恒温双金属相同的方式转换成为曲率变化，所述恒温双金属的应用是公知的。陶瓷材料粘附于第一弯曲部件12的正面和第二弯曲部件13的背面，利用这样的方式，弯曲是渐增的。
在图示的实施例中，每一个片的极性是这样的，即各片的相同极性与该叶片接触，从而当所述叶片是用导电材料制成时，所述叶片可作为用于充电和放电的电极。因此，这些片的外表面的极性是相同的，并且如果需要的话，还可以电的方式将这些片相互连接在一起。利用这种结构，所述陶瓷片将会以与穿过它们的电压和极性成比例的方式扩展和收缩。
下面将参照图2A至图2C描述所述致动器的弯曲部分的操作，其中图2A至图2C是图1中所示装置的侧视图。
所述致动器在位置60处被安装到一合适的固定表面上。在图2A中，所示的致动部分没有被施加电压激励，而图2B中，将电压施加到第一弯曲部件上以使其因陶瓷片收缩而产生弯曲。所述刚性部分使所述弯曲部分端部的位移增大以产生一初始位移(d1)。由于所述致动器的第二弯曲部分是通过弯曲部分35与第一弯曲部分刚性相连的，它呈现出与第一弯曲部分的梁的端部相同的角度，以致笔直部分处在所述曲率半径的一条切线位置处。在图2c中，现将相同的电压施加到第二陶瓷片上，使其支脚也发生弯曲。由于第二支脚的陶瓷处在所述组件的另一侧，增加了两个变形，因此在U字形的自由端85产生了一个最终位移(d2)，所述最终位移(d2)是一个支脚的位移的两倍。长度比的变化会导致力和位移之间的各种平衡以适应特定的应用。
上述过程不产生一种绝对运动，只产生一种相对运动，在总体梁式组件的刚性方面产生变化。所述自由端85的起点和终点由在倾斜面中的初始载荷控制。改变载荷将会使所述梁弯曲。为了在加工公差方面达到一致，所述致动器必须在与倾斜方向垂直的方向上加载。
图3A和3B示出了最简单的结构，其中具有一转动联接器27，所述转动联接器27的长度是这样的，即：当致动器5处在未激发的状态下，所述致动器5形成一压缩元件以形成一简单的支承梁，如图3A中所示所述致动器具有一载荷29。在受激发的状态下，如图3B中所示，所述顶部向着离开所述梁端部的方向移动，使所述梁绕着枢轴28转动。这种装置由于各个部件是以相互垂直的方式设置的，因此具有体积大的缺点。
为了减少机构的总体积，图4A至4D示出了另一种结构。如这些图中所示，设置了一个扣机(sear)90。所述扣机90具有一个轴71，所述轴71可以任意适合的方式制作，还具有一个棘齿73，所述棘齿73与轴71同轴，所述扣机90还具有一个触发面74，所述触发面74也与轴71同轴。
所述轴71与第一弹簧梁30相连，利用适合的能量源(诸如弹簧78)或材料固有的弯曲性能可使所述第一弹簧梁30偏压到位置A处。我们称位置A为OFF位(关闭位)。
设置一个第二弹簧梁41，所述第二弹簧梁41的弹簧偏压大于所述第一梁30，并且其作用方向与第一弹簧梁相反。如果所述两个梁经过图4B中所示位置以可转动的方式被连接在一起，那么弹簧所产生的合力将会把所述转动梁30带到图4C中所示的位置B处，我们将位置B设为ON位(接通位)。第二臂41具有一个制动齿75，所述制动齿是第二臂41的一部分，所述制动齿75位于所述扣机上的齿73下方，如图4B中所示。
一个如图1中所示的压电陶瓷致动器5固定在所述第二弹簧梁41上，以便所述致动器与第二梁的转轴是呈径向的而与所述轴71的轴线是呈切向的，所述致动器的自由端85指向离开所述梁转动中心的方向。在图4C中所示的结构中，所述制动齿75在所述扣机的轴的前面，而所述致动器顶部在其后面，从而使所述制动齿能够传递转动，这个转动可将一压力施加到所述致动器顶部。这种致动器的结构会导致压力太少而不能使致动器支脚产生倾斜或弯曲。
在图4A中，所述转动梁相对于臂41是自由的并且可被偏压到OFF位置处。利用弹簧可使所述扣机偏压到与所述转动梁大致垂直的方向上。或者，所述扣机可设有辅助凸轮面，所述凸轮面能使所述扣机转动到图4B中所示的位置。
在图4B中，以一些常规的方式(例如用手或其它动力51)将第二臂压下，直到所述制动齿75经过所述扣机的棘齿73。所述触发面与轴71之间的径向距离大于所述扣机轴在该位置处与所述致动器顶部85之间的径向距离。当所述扣机到达了其中所述制动齿完全经过所述棘齿的接合点处时，所述扣机转动并且所述致动器的顶部下落抵靠在所述触发面74上，防止所述扣机在其向上的路径转动到所述制动齿的上方。
当释放用于将所述两个臂带到接合点处的动力时，所述第二臂的弹簧力将以平行四边形的动作方式使所述两个臂向上移动，这是因为由于所述致动器抵靠在所述触发面上而致使所述扣机不能转动。第一梁现处于ON状态。这些如图4c中所示。
在图4D中，由于致动器5的变形使所述机构被松开，足以使所述致动器顶部85越过所述触发面74，使所述扣机棘齿73转动离开所述制动齿75并使所述机构折叠。
虽然附图中示出了常规的枢轴和刚性部分，但这仅仅是为了便于描述而示例性的。图5A示出了致动器5、松脱面85、“ON”弹簧42和制动齿75是如何利用一金属片整体压制成形的，而图5B则示出了第一梁30和其弹簧部件78是如何用另一整体部件制成的。
在使用这样一种装置进行电子保护时，所述转动梁可以是两个由一绝缘桥连接在一起的导电梁，所述扣机与绝缘桥相连，如图5c中所示，提供一种常规的可开闭触点的装置，第一梁30上具有可移动触点33，固定触点34形成在一个不能移动的部分上，所述可开闭触点的装置包括一个电路板或模型，所述模型上设置有所述机构自身的刚性部分。
在压电陶瓷致动器5和触发面85之间的交界面引入一切向角，这可能使所述组件不稳定，以致于电能必须被施加到所述压电陶瓷部件上以加强所述梁并使所述装置可重新设置。
图1中所示装置可通过如图6中所示的增加管脚或支脚的数量来加强。
在图1中所示的装置中，所述致动器是由金属片或类似的刚性材料压制而成的。图1和图6中相同或相似的部件用相同的附图标记表示，不再对它们进行详细的描述。需要说明的是，端面85形成为一个矩形结构件的一个端壁，所述矩形结构件的侧壁是由两个舌状物62形成的，利用图1中所披露的方法使所述两个舌状物的相对端壁15得到加强。
中央舌状物63的端部60如以前那样被固定，但是在这种情况下，所述中央舌状物63比形成所述侧壁的舌状物62短。应该注意的是，位于形成所述侧壁的舌状物62之上的压电陶瓷装置处在所述装置的相同表面上，而在所述中央舌状物63之上的压电陶瓷处在另一侧上。
这种结构能够双向操作并且相对于图1中所示的致动器而言具有较高的刚性。
图1、图5和图6中所示的致动器装置可用于任何适合的电子机械设备中，现将描述一些电子机械设备的结构，图1、图5和图6中所示的一种压电致动器用于这些电子机械设备中。
首先参见图7A和7B，这些图中示意性地表示了一种在其它情况下通常被称为接地故障电流指示器(ground fault current inducator)(GFCI)的剩余电流设备(residual current device)(RCD)的基本结构。在这种情况下，所述压电致动器用附图标记70表示。
所述机构包括一支承表面71，一个按钮形式的起动部件72穿过所述支承表面71，所述按钮72具有一插棒73。所述按钮72在一个弹簧74的作用下可向上偏压。
所述插棒73的端部设有一锁定部件74(图7B中详细地示出)，该锁定部件74与位于一可转动安装的梁76端部中的一相应锁定部件75相接合，所述梁76在一弹簧77的作用下沿着与所述按钮72的偏压方向相反的方向被偏压离开所述表面71。
所述压电致动器70固定在所述锁定部件75上，在所述致动器的端部85中设置一个孔80(图7B)以接收位于所述锁定部件74端部上的一个凸起81。
利用表面74A和75A使所述锁定部件74和75相互接合，所述接合面角度a是这样的，即：在弹簧74和77的作用下产生一作用力H。由所述致动器70所承受的力H从所述致动器70作用在销81上，所述致动器的端部85不得不沿图7A中所示的箭头I方向移动，这可通过对压电陶瓷致动器70的激励或去除激励来完成。
对于一个RCD或继电器，通过使可移动的触点直接与插棒73的延伸部分相连或者利用其它适合的机构使二者间接相连可以使所述可移动的触点随插棒73的移动而移动。
所述弹簧77也可采用用于所述梁76材料的固有弹性的形式。
图8中示出了另一种使用图1中所示的致动器的装置。图8表示了如何以机械方式增大致动器5的端部85的移动。
在这种情况下，两个致动器5固定在一适合的支承件80上并且可沿相反的方向移动它们的自由端85。在所述支承件80上设置一个枢轴86，所述枢轴86上安装两个臂87。这些臂具有凸轮表面88，所述凸轮表面与所述致动器5的自由端85相接合。
所述两个致动器5同时受激使得所述臂相向移动并产生一夹持作用。利用由一弹簧作用力产生的偏压或由致动器5的受激而使它们(臂87)沿相反方向移动并回到其打开状态。
致动器的上述结构可以一种简单和低成本的方式提供一种多输出致动器装置，图9中示出了这种结构的实施例。在该实施例中，多个大体相同的致动器的固定端50沿着一条带90的长度方向连接在一起。每个致动器的自由端85可分别在纸张所处的平面内和/或平面外移动。
带90可以根据致动器结构所应用的具体情况以方便的方式来安装该致动器结构。例如，带90如虚线91所示在致动器两个固定臂上的一个位置处弯曲以使致动器的端部处于自由的空间内。
如果相对设置两个这样的致动器结构，那么可以形成与图8中所示相似的多个夹持装置。
可以看出，致动器的基本结构能够提供大量电控致动器，这些致动器可根据不同的目的设计成各种形式。由于这些致动器是由板材压制而成的，因此可以制成各种形状的致动器或得到致动器的各种结合形式。例如，可形成两个致动器以在两个方向上提供运动。

Claims (15)

1.一种电控致动器，包括一平面基体，所述基体上形成多个叶片，每个叶片在其部分长度上设有一种压电陶瓷材料，一个叶片的陶瓷材料相对于其它叶片的陶瓷材料处在所述基体的相对表面上，其中一个叶片的端部形成所述致动器的一个安装部分(60)，其它叶片的端部形成所述致动器的致动部分(85)。
2.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述叶片在一个弯曲部分(35)处相连接以形成一大致U字形的基体。
3.如权利要求2所述的致动器，其特征在于，所述弯曲部分(35)被固定。
4.如权利要求2或3所述的致动器，其特征在于，所述致动部分(85)被固定。
5.如权利要求3或4所述的致动器，其特征在于，所述固定是由所述平面基体的弯曲部分来实现的。
6.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述平面基体为大体矩形并形成一个框架的形式，所述框架包围一中央细长的舌状物(53)，所述舌状物从所述矩形框架的一端延伸。
7.如权利要求6所述的致动器，其特征在于，所述中央舌状物(63)的自由端形成所述致动器的安装部分。
8.如权利要求7所述的致动器，其特征在于，所述框架的端部被固定。
9.一种致动器装置，其中，多个如权利要求1所述的致动器具有各自的安装部分(60)，所述安装部分(60)与一个共同横板(90)相连，该横板形成了一个用于所有基体的安装件。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，与所述共同横板(90)相连的叶片在一个与所述叶片和横板之间的接合处保持一定距离的位置处弯曲，从而各个致动器元件的致动部分处在自由空间内。
11.一种包括如上述任何一项权利要求所述的一个电控致动器或致动器装置的电控设备。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，在使用所述致动器时，一个锁定机构被保持在一种锁定状态下。
13.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述致动器的致动部分(85)的移动通过一个或多个杆式元件以机械方式被放大。
14.如权利要求18所述的设备，其特征在于，设置两个致动器，这两个致动器在相对的方向上被操纵。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，每个所述致动器分别与一相应的杆式元件相接触以形成一个夹持设备。
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