CN1350691A - 双稳定顺应式开关的操作机构 - Google Patents

Abstract

一种顺应的双稳定的操作机构(10)包括多个连接的部分(14),该多个连接部分包括至少两个刚性部分(22、26、30)和至少一个相对柔性和弹性的部分(34)。相邻的刚性部分由柔性接头(52)或销接头(54)连接。柔性的和弹性的部分或固定地或由销接头连到相邻的刚性部分上。至少有四个销接头、柔性接头和/或柔性和弹性部分。该柔性和弹性的部分阻止运动并偏压多个刚性部分。连接后的部分在第一和第二稳定的平衡位置(70、72)之间运动。各部分具有类似四杆联动装置的准刚体模式。各部分和柔性接头可整体成形。第一和第二电触头(90、92)连到该各部分上,以在各部分运动到一个位置时形成电连接。

Description

双稳定顺应式开关的操作机构

发明背景

1.发明领域

本发明关于在两个位置上是顺应和稳定的机构，它特别适用于电子开关。本发明特别适用于具有多个部分的机构，上述多个部分端对端地串联在一起并具有至少两个刚性部分和至少一个柔性和弹性部分。

2.先有技术

开关用于激活或调节电子或机械系统。拨动式开关仅允许调节某些有限数量的位置，而双稳定开关则进一步限制成仅可得到两个位置。这种双稳态开关在电路中是非常有用的，在这些电路中要求断开电路以切断到电器装置的电源，因此关掉电源。双稳定开关同样也可用于机械系统中，其中该开关用于使该系统保持于两种状态的一个状态中。

人们已发明了多种又稳定拨动式开关，它们主要或是如保险丝盒用的跳接式接扭开关，在电炉和烤炉中用的转动式开关或是通常安装在墙上以控制家用电器的摆动式开关。在电器应用中，广泛采用这两种类型的开关。这类开关包括宜将外力传给开关和一些表面或构件。在普通家庭用的灯开关中，它可采用用手或手指推上推下的一根杆的形式。另外如铰接那样的机械连接常常需要双稳定摆动、转动或传动，这可由一个双稳定机构来做到。尽管这些开关价格不贵而且尺寸较小，但它们在日常中的大量使用对降低制造成本具有积极的作用。

很多这类开关采用某种形式的连接，以将输入力转换成所要求的输出移动。一种连接是一种机械系统，它由四个或多个构件或连杆制成，它们由接头相互连接，允许连杆相互相对转动或滑动。传统的连杆是刚性的，它们之间的接头采用销接、套筒或机械滑动件，使它们产生相对运动。可对连杆的长度和接头的特性进行调节，以获得所要求的输出移动，使来自某个输入移动或力的一根连杆作用在另一连杆上。

这种连接系统可通过插入一个将一个线性或扭转力分别加到滑动或铰接接头上的装置来制成双稳定的。这些装置常常是简单的弹簧，稳定连接位置是弹簧的偏转较小的位置。因此，该连接系统的稳定点是连接件在任一方向的移动将增大储存在机械中的总的潜能的点。

这种传统的机械连接系统，伴随有很多缺点。这种传统机构的一个缺点是连接必须分开制造并用接头组装，结果大大增加了制造成本。另外，由于相应表面相互滑动，在使用上也有困难。这些困难包括磨损、摩擦损失和需要润滑。

因此，研制一种能在两个稳定位置之间移动的双稳定机构是有利的，研制一种简单和制造成本较低的双稳定机构也是有利的，研制一种可减少零件数量的双稳定机构也是有利的，研制一种仅具很小或无磨损表面的双稳定机构也是有利的，研制一种能用于电子开关的这种双稳定机构也是有利的。

发明的目的和概述

本发明的一个目的是提供一种双稳定机构。

本发明的另一目的是提供一种能在两个稳定位置之间移动的双稳定机构。

本发明的又一目的是提供一种具有少量零件的双稳定机构。

本发明的又一目的是提供一种具有少量磨损表面的双稳定机构。

本发明的又一目的是提供一种用于电子开关的双稳定机构。

本发明的上述和其它目的由一种顺应式双稳定机构来达到，该机构包括端对端地串联以形成连续的各部分链的多个部分。该多个部分包括至少两个相对刚性的部分和至少一个相对柔性和弹性的部分。

相邻的刚性部分或由柔性接头或由销接头连接。相对柔性和弹性的部分或固定地或由销接头连到相邻的部分上。销接头、柔性接头和/或相对柔性和弹性的部分的和至少是4个。

相对柔性和弹性的部分工作时能阻止各部分之间的相对运动，但允许各部分有选择地运动。多个部分至少受到一个相对柔性和弹性部分的偏压。多个部分相互合作可在(i)第一个稳定静止的平衡位置和(ii)第二个稳定的、静止的平衡位置之间相对运动。

按照本发明的一个方面，第一位置是一低能量位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性构件基本上不偏转，并基本上不储存能量或相对于周围位置仅具有很低的能量。第二位置是加力位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性部分是偏转的并储存能量，从而使机构在第二位置加上一个力。另外，至少一个相对柔性和弹性的部分可在第一和第二位置中的一个或两个上偏转。另外，第一和第二位置的两个位置均可以是低能量位置，其中相对柔性和弹性的部分是不偏转的。

按照本发明的另一个方面，至少两个相对刚性的部分由基本为柔性的接头连接并整体形成。另外，所有的多个部分均可由单块材料整体形成。该单块材料的截面尺寸包括(i)较厚的部分，(ii)较薄的部分和(iii)至少一部分具有中等厚度。相对刚性的部分由较厚的部分形成，因此通常是刚性的。基本为柔性的部分由较薄的部分形成，因此通常是顺应性的。相对柔性和弹性的部分由中等厚度部分形成，因此既具有柔性又具有弹性。

按照本发明的优选实施例，该多个部分包括四个相对刚性的部分，它们由三个基本为柔性的接头或枢轴接头端对端地串联在一起，和一个相对柔性和弹性的部分该相对柔性和弹性的部分牢固地固定到相邻的刚性部分上。

按照本发明的优选实施例，两个连到多个部分上的电触头包括第一和第二电触头。第一电触头可与一个部分一起在(i)第一位置和(ii)第二位置之间运动。在第一位置上，第一电触头与第二电触头接触，确定一个接通位置。在第二位置，第一电触头与第二电触头呈不接触的关系，从而确定了一个断开位置。

按照本发明的一个方面，多个部分具有类似四杆联动装置的准刚体模式。另外，该机构可以是一个杨氏(Young)机构、一个格拉肖夫(Grashof)机构或非格拉肖夫机构。另外该机构可以是一个MEMS(微机电系统)，每个部分的长度小于500μm，另外，每个部分的厚度可以小于3μm。

本专业技术人员在考虑到下面参照附图的详细描述后将会更加清楚本发明的上述和其它目的、特征、优点和其它方面。

附图描述

图1是本发明的双稳定开关机构的优选实施例的透视图；

图2a是本发明的双稳定开关机构的优选实施例的侧视图，它示出第一个断开的位置。

图2b是本发明的双稳定开关机构的优选实施例的侧视图，它示出第二个接通的位置。

图3a和3b是本发明的双稳定开关机构的优选实施例的概略示图，表示它的相应的准刚性体模式。

图3c是在每个接头具有扭簧的通常的四连杆机构的准刚性体模式。

图4a是本发明的双稳定机构的另一实施例的侧视图，它示出位于第一位置。

图4b是本发明的双稳定机构的另一实施例的侧视图，它示出位于第二位置。

图4c是本发明的MEMS(微机电系统)的又一个实施例的销接头的剖面侧视图。

图5a是本发明的双稳定机构的又一实施例的概略示图，它示出该机构的相应的准刚性体模式。

图5b是本发明的双稳定机构的又一实施例的准刚性体模式。

图6a是本发明的双稳定机构的又一实施例的侧视图，它示出处于第一位置。

图6b是本发明的双稳定机构的又一实施例的侧视图，它示出处于第二位置。

图7是本发明的双稳定机构的又一实施例的概略示图，它示出该机构的相应的准刚性体模式。

图8是本发明的双稳定机构的又一实施例的透视图。

发明的详细描述

下面参见附图，其中本发明的各种构件用数字代表，并将本发明描述成使本专业技术人员可以制造和使用本发明的程度。

正如图1所示，按照本发明的一个优选实施例的双稳态开关机构以10示出。该开关机构10具有以14指出的多个部分，它们端对端地串联以形成连续的各部分的链。

下面限定的一些术语用来描述这些机构和它们的元件并限定它们的特片。刚体机构是由如销接头和滑动件之类的活动付连接的刚性连杆构成的。这些元件很易识别和特征化。由于顺应机构至少可从柔性构件的偏转而得到一些移动，这就不易区别如连杆和接头之类的元件。识别这些元件对精确了解设计和分析信息来说是必要的。

“连杆”定义为连接一个或多个运动付的匹配表面的连续体。转动(销或转动)接头和棱柱形(滑动)接头是运动体的例子，可以通过拆开机构的接头并数出所得到的连杆来识别连杆。

不具有传统接头的机构没有连杆。这种机构由于它的所有的移动是从顺应构件的偏转而得到的，因此称作为“全顺应式”机构。除顺应构件外还包括一个或多个传统的运动付的、顺应式机构被称作为“部分顺应式”机构。

对刚性连杆来说，接头之间的距离是固定的，不管是否加力，连杆的形状从运动学上讲是不重要的。然而顺应式连杆的移动取决于连杆的几何形状，加力的位置和大小。由于存在这个差别，下面将以顺应式连杆的结构类型和它的功能类型来进行描述。

结构类型是在没有加上升力时确定的，它类似于刚性连杆的定义。具有两个销接头的刚性连杆称作为“双连杆”。具有三或四个销接头的刚性连杆分别是“三连杆”或“四连杆”。具有两个销接头的顺应式连杆具有与“双连杆”相同的结构，因此称作“结构性的双连杆”，其它类型的连杆则依此类推。

连杆的功能类型考虑到结构类型和准接头的数量。在载荷加到顺应部分上时出现准接头。如果一个力加在顺应连杆的某个位置而不在接头上，它的性能可有很大变化。仅在接头上加力或力矩载荷的结构性双连杆称作为“功能性双连杆”，具有三个销接头的顺应连杆是“结构性的三连杆”，如果载荷仅加在接头上，也称为“功能性的三连杆”。同样情况也适用于四连杆。如果一根连杆具有两个销接头连接并具有一个加在顺应部分上的力，由于力的作用，增加了准接头，所以它是“结构性的双连杆”和“功能性的三连杆”。

虽然上面采用的连杆定义与刚体运动学中的定义一致，但不能非常清楚地说明顺应式连杆。对顺应式连杆加上一个力或力矩会使连杆变形，因此，它会使机构移动。影响连杆变形的特性包括剖面性能、材料性能和所加载荷和位移的大小和位置。因此，顺应式连杆进一步特征化为“部分”。

一根连杆可包括一个或多个“部分”，部分之间的区别是判断出来的，它取决于该机构的结构、功能或加载情况。在各部分的端部常出现材料或几何特性的不连续，由于刚性部分的端点之间的距离保持为常数，可以不管它的尺寸或形状而认为它是一个部分。

还可描述单独部分和连杆的特征。一个部分可以是刚性的或顺应性的，这可称作为该部分的“类型”。顺应性部分还可以简单的或复合的种类来划分。简单的部分最初是直的，具有不变的材料性能和恒定的剖面，其它部分是复合的。

一根连杆可以是刚性的或顺应性的(就类型而言)，它可包括一个或多个部分。刚性连杆不需要较多的特征，而顺应性连杆可以是简单的或复合的(就其种类而言)。一根简单的顺应性连杆包括一个简单的顺应性部分，其它均为复合的连杆。复合的连杆可以是单一性的或非单一性的，这就是它的“族”。单一性连杆全部由刚性部分或全部由顺应性部分构成。因此，刚性连杆和简单的顺应性连杆是单一性连杆的特殊情况。非单一性连杆包含刚性和柔性部分。

传统的机构分析采用下列假设：机构部件的偏转与机构的整个运动相比可忽略不计。如果部件是刚性的，机构的运动不是连杆形状或所加上的力的函数。这就允许独立地进行运动分析(运动学)和对运动和产生运动的力(运动学)进行分析，因此这就简化了分析工作。

完全描述一个机构的构形所要求的变量的最小数量被称作为“自由度”。一个不受约束的平面刚性杆具有三个自由度，因为需要用三个位移变量来描述它的位置和方向。因此，在几个未受约束的连杆的平面内可能的总自由度是3n。按照定义，一个机构具有一根固定的连杆，它的自由度为0，在n根连杆的机构的平面中的最大可能的自由度是3(n-1)。

当连杆由接头连在一起时，它被称为“运动链”。如果认为连杆中的一根是固定的连杆，这意味着这根连杆被选作为参照连杆，该链就被认为是一个机构。固定连杆通常是连到地上的支架或基部连杆。基本的运动链在连杆之间均具有相同的相对运动，而与哪根连杆是固定的无关。当一根不同的连杆是固定的时，就可得到运动学反演。这并不改变连杆之间的相对运动，但极大地改变了机构的绝对运动。

格拉肖夫定律指出，如四杆机构中至少有一根连杆具有完全的转动，则必须适用下列不等式：s+l≤p+q，其中s是最短的连杆的长度，l是最长连杆的长度，p和q是其余连杆的长度。格拉肖夫机构的最短连杆允许相对于它邻近连杆作完全的转动。机构的不同类型是以哪根连杆是最短的为基础的，例如，如果侧部连杆是格拉肖夫机构的最短连杆，它就被称为“曲柄摆动”机构，较短的侧部连杆(曲柄)能够转动，其它的侧部连杆(摆动件)在两个限定的位置之间摆动。

多个部分14包括至少两个相对刚性的部分和至少一个相对柔性和弹性的部分。如图所示，该开关机构10最好具有四个刚性部分18、22、26和30，和一个相对柔性和弹性部分34。部分14在连接接头上连接。

在这种开关机构10的优选实施例中，多个部分14包括一个第一相对刚性的基部部分26，一个第二相地刚性连接部分18和第一和第二臂部分22和30。基部部分26可以是固定的并具有第一和第二端部40和42。同样，连接部分18具有第一和第二端部46和48。第一臂部分22连接在基部部分26和连接部分18的第一端部40和46之间。同样，第二臂部分30连接在基部部分26和连接部分18的第二端部42和48之间。

一个啮合件50可从连接部分18伸出，用来使用户啮合该机构10。在电子开关的应用中，如普通的家用开关一样，很多部分14、如部分22、26和30均安置在一块面板(未示出)的后方的壁或板上，而啮合件50从面板突出。

刚性部分18、22、26和30由通常示为52或销接头54(图3a)的任一柔性接头连到相邻的刚性部分上。该柔性接头52基本是柔性的，它可由一个“活动铰链”构成。销接头54(图3a)是典型的销接头，本专业中是公知的。

非常短而薄的短长度的柔性枢轴常称为“活动铰链”。下面将要充分讨论的柔性部分中部上的销接头的准刚体模式对活动铰链来说是非常确切的。在既具有活动铰链又具有其它顺应部分的系统中，活动铰链的刚度与系统中其它的顺应部分相比常常是很低的，它们的扭转弹性可忽略不计。然而，如果一个系统仅具有活动铰链，在分析时应考虑它们的刚度。

销接头允许绕一根轴转动，但不允许在任何其它轴上转动或在任何方向的平移。门铰链是一个销接头的普通的例子。小长度柔性枢轴具有与销接头类似的性能，但它们采用柔性件的偏转来得到运动、而不是部件绕一根销的纯粹的转动。硬皮书的书皮“铰链”就是小长度柔性枢轴的例子。柔性部分的刚度由于材料和几何形状两者的变化、与大部分刚性部件相比是很小的。

有很多种类的小长度柔性枢轴，活动铰链是一种特殊情况的小长度柔性枢轴，它们长度很小，对偏转提供很小的阻力并具有非常接近销接头的性能。它们对弯曲提供很小的阻力，以至于它们常模制成象没有扭转弹性的销接头那样的准刚体模式。

聚丙烯是用作活动铰链的最常用的材料，也可采用其它材料，不过会导致使用寿使较短。在一些应用中，由于铰链仅要求弯曲一次，所以使用寿命不是一个主要关心的问题。例如，很多容器由单块材料做成，然后在活动铰链处折迭以制成一个容器。在这种情况下，设计者在材料和几何尺寸的选择上可有多种可接受的选择。然而在大多数顺应机构的设计中，希望活动铰链能经受多次循环使用而不会损坏。下面的讨论中假设需要具有长寿命，从多个塑料供应商和其它来源的经验中总结出推荐材料，采用这些方法制成的活动铰链已进行数百万个循环的试验而不会损坏。

铰链可用注塑、挤压、热压和吹塑法制成。当用注塑法时，应使模制的塑料垂直于铰链流动。这会产生良好的注入并有助于材料排列在合适的方向。挤压铰链寿命较短，这时因为材料流平行于铰链轴。

这种铰链应在模制后模制品仍有热量时立即进行弯曲，应该缓慢弯曲一次、然后再快速弯曲数次。弯曲将大大地拉长铰链区(厚度为0.010英寸可以拉薄到小于0.005英寸)，拉长使材料定向并可大大增加拉伸强度。在弯曲后在铰链上将出现一根细的白线，这是正常的，并不意味着铰链已变弱了。

下面是一些模制方面的考虑：液压缸温度为450-550°F；注射速度—快；模具温度120-150°F；浇口开口—如果可能比非铰链部件大50％。如果采用单个浇口，可将它放在能确保顺利流到铰链区的位置，使材料流垂直于铰链轴，将浇口放在离最大腔的中心线稍后的位置，如果材料到铰链的流道大于8英寸，该浇口要对准中心。对于多浇口而言，要确保铰链同侧上的浇口相距不超过从浇口到铰链的距离的两倍。如果铰链相对侧上的材料流道大于8英寸，该部件应在两侧开浇口；定位成在铰链上不形成接缝线。该铰链应该是用硬化的钢材机加工而成的插件，从而能承受流动树脂的压力。

在开关机构10的优选实施例中，基部部分26由第一柔性接头58连到第一臂部分22上；连接部分18由第二柔性接头60连到第一臂部分上；连接部分18由第三柔性接头62连到第二臂部分30上。

在开关机构10的优选实施例中，多个部分14包括一个相对柔性和弹性的部分34。该相对柔性和弹性的部分34是顺应式的、或能弯曲或偏移的。

相对柔性和弹性的部分34固定地或由销接头54(图3a)连到相邻的部分上。在该开关机构10的优选实施例中，相对柔性和弹性的部分34固定地连接到基部部分26和第二臂部分30上并位于它们之间。

销接头54(图3a)、柔性接头52和相对柔性和弹性的部分34加起来至少是4个。在开关机构10的优选实施例中，有三个柔性接头58、60和62，一个相对柔性和弹性的部分34，加起来共4个。

现在参见图3a和3b，该图以10’示出机构的准刚体模式。该准刚体模式10’类似或对应于四杆联动装置。

这种准刚体模式的目的是提供一种对进行大的、非线性偏转的系统作出分析的简单的方法。准刚体模式的概念用于采用具有等效的力-偏转特性的刚体元件来模拟柔性构件的偏转，然后可用刚性连杆机构理论来分析顺应式机构。这样，准刚体模式是连接刚体机构理论和顺应式机构理论的桥梁。该方法特别适用于顺应式机构的设计。不同类型的部分要求不同的模式。

对于每个柔性部分，一个准刚体模式预示出柔性部分的偏转途径和力-偏转关系，运动是由装在销接头54上的刚性连杆14’来模拟的。弹簧98加到模式10’上以精确示出该顺应式机构34(图1)的力-偏转关系。对于每个准刚体模式来说，关键是决定销接头放在何处和弹簧常数选成什么值。

正如上面所指出的，该准刚体模式类似一个四杆机构。参见图3c，一个力矩作用在连杆2即输入连杆上。在四个销接头54的每一个上的扭簧98’在机构10’移动时得以将能储存起来。扭簧98’代表了作为准刚体模式的顺应式机构(图1中的34)的刚度。储存在每个弹簧中的能量可从下式得出： $V_1=\frac{1}{2}{K}_i{\mathrm{\φ}}_i^2---\left(1\right)$

其中V是势能，K是扭簧常数、_是每个扭簧的角偏转，对图3c所示的每个弹簧98’来说，

_₁＝θ₂-θ₂₀

_₂＝(θ₂-θ₂₀)-(θ₃-θ₃₀)

_₃＝(θ₄-θ₄₀)-(θ₃-θ₃₀)

_₄＝θ₄-θ₄₀                                (2)

其中下标“0”表示角度的初始(未偏转时)值。于是该系统的总的势能可由下式给出： $V=\frac{1}{2}(K_1{\mathrm{\φ}}_1^2+K_2{\mathrm{\φ}}_2^2+K_3{\mathrm{\φ}}_3^2+K_4{\mathrm{\φ}}_4^2)---\left(3\right)$

每个_的值可用机构所有位置的运动学分析得出，从而得以画出一条势能曲线图。任何与局部最小值相对应的位置是稳定的位置，任何局部最大值代表不稳定平衡位置。

机构10’的稳定性还可通过分析来确定。可采用虚功原理来找到将一个机构保持于特殊位置所要求的任意的力矩和力的值。然而，为了分析机构的双稳定特性，正如图3c所示，仅仅是M₂的值是必须的。该力矩代表为使该机构保持在某一位置必须加到输入连杆上的力矩。在平衡位置上，它的值将是零。M₂曲线可从能量曲线相对于输入连杆角的一次导数得出，这可通过考虑输入该系统的功的方程来证明： $V=\underset{{\mathrm{\θ}}_2}{\overset{{\mathrm{\θ}}_2}{\∫}}{M}_2\mathrm{d\θ}---\left(4\right)$ 通过对该方程求导，可以看出： $\frac{\mathrm{dv}}{d{\mathrm{\θ}}_2}=M_2---\left(5\right)$ 这里假设初始位置的力矩为0。因此M₂等于能量相对于输入连杆的角度的一次导数，这意味着： $M_2=K_1{\mathrm{\φ}}_1+K_2{\mathrm{\φ}}_2\frac{d{\mathrm{\φ}}_2}{d{\mathrm{\θ}}_2}+K_3{\mathrm{\φ}}_3\frac{d{\mathrm{\φ}}_3}{d{\mathrm{\θ}}_3}+K_4{\mathrm{\φ}}_4\frac{d{\mathrm{\φ}}_4}{d{\mathrm{\θ}}_4}---\left(6\right)$ 上述方程(6)中的导数可用方程(2)和附加的公式求值 $\frac{{\mathrm{d\θ}}_3}{d{\mathrm{\θ}}_2}=h_{32}=\frac{r_2\sin ({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_2)}{r_3\sin ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4)}---\left(7\right)$ $\frac{{\mathrm{d\θ}}_4}{d{\mathrm{\θ}}_2}=h_{42}=\frac{r_2\sin ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_2)}{r_4\sin ({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_3)}---\left(8\right)$

正如前面所述，在所有的平衡位置，M₂的值将为零。该平衡位置的稳定性可通过考虑在该点上能量曲线的二次导数的符号来确定。该二次导数是： $\frac{d^{2}V}{{\mathrm{d\θ}}_2^2}=K_1+K_2(1-{2h}_{32}+h_{32}^2-{\mathrm{\ψ}}_2{h}_{32}^{\′})$ $K_3[h_{42}^2$ $-{2h}_{42}{h}_{32}$ $+h_{32}^2$ ${+\mathrm{\ψ}}_3(h_{42}^{\′}-h_{32}^{\′})$ $+K_4(h_{42}^2+{\mathrm{\ψ}}_4{h}_{42}^{\′})---\left(9\right)$ 其中： $h_{32}^{\′}=\frac{{\mathrm{dh}}_{32}}{{\mathrm{d\θ}}_2}$ $=\frac{r_2}{r_3}[\frac{\cos ({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_2)}{\sin ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4)}(h_{42}-1)-\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_2)\cos ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4)}(h_{32}-h_{42})]---\left(10\right)$ $h_{42}^{\′}=\frac{{\mathrm{dh}}_{42}}{{\mathrm{d\θ}}_2}$ $=\frac{r_2}{r_4}[\frac{\cos ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_2)}{\sin ({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_3)}(h_{32}-1)-\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_2)\cos ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_3)}(h_{32}-h_{42})---\left(11\right)$

当M₂是0时，如果势能的二次导数是正，该平衡位置将是稳定的。如果势能的二次导数是负，该平衡位置是不稳定的，如果是0，该平衡位置是随遇稳定的。

当机构10’从一个稳定位置运动到另一个时，M₂的绝对值在降到0之前将增大到不稳定位置上的某一最大数值，该最大值的力矩代表必须加到输入连杆上的、从而使该机构快速进入其第二位置的最大力矩。这个重要的值可称作为“临界力矩”或如果加上的是力时可称作为“临界力”。

另外，在稳定位置上的二次导数的高值表示该点上能量曲线的变化迅速，这意味着使该机构返回到该位置的恢复力是相当大的。因此，在稳定位置上的二次导数的值可被称作为该稳定位置的“刚度”，其中大的刚度与迅速增大的恢复力相对应。

图3c所示的机构还可按照格拉肖夫准则分为格拉肖夫机构或非格拉肖夫机构。在格拉肖夫机构中，最短的连杆可相对于连到其上的任一根连杆转动一整圈。在非格拉肖夫机构中，没有一根连杆可相对于其它任何一根连杆转动一整圈。这里再次提起格拉肖夫准则，它的数学表达式是s+l≤p+q，其中s是最短连杆的长度，l是最长连杆的长度，p和q是中间的连杆的长度。如果该机构的连杆长度满足该不等式，它就是格拉肖夫机构。曲柄摆动件，双曲柄件和双摆动件都是格拉肖夫机构的例子。如果不能满足上述不等式，该机构就是非格拉肖夫机构。这类机构是三元摆动机构。如果最长和最短连杆长度之和等于其它两根连杆长度之和，则该机构是格拉肖夫机构的一种特殊情况，它被称作为变点机构，从数字上说

s+l＞p+q                         非格拉肖夫式

s+l＝p+q                         变点式

对格拉肖夫和非格拉肖夫机构来说，双稳定性能的要求将是不同的。如果在准刚体模式中的扭簧放在与最短连杆相对的任一位置上，格拉肖夫四连杆机构是双稳定的；如果弹簧放在四个接头位置的任何一个上，非格拉肖夫机构的变点将是双稳定的。当多于一个的扭簧出现在准刚体模式中时，则要求对势能进行分析，以确定它的稳定性。

现在再参见图1，多个部分14可有利地整体成型。另外，多个部分14(包括刚性部分22、26和30、以及相对柔性和弹性的部分34)和柔性接头52(包括第一、第二和第三柔性接头58、60和62)可整体成型。因此该多个部分14和柔性接头可由单块材料80制成，该块材料具有的剖面尺寸包括相对厚的部分82，相对薄的部分84和中间厚度的部分86。相对刚性的部分18、22、26和30由相对厚的部分82形成，基本为柔性的接头58、60和62由相对薄的部分84形成。相对柔性和弹性的部分34由中间厚度的部分86形成，因此它既有柔性、也具有弹性。

柔性接头52和销接头54(图3a)允许该多个部分相互相对地运动。相邻的部分14绕着连接它们的接头52(图2a)或54(图3a)相互相对地转动。正如上面指出的，相对柔性和弹性的部分34起到阻止部分14的相对运动、但允许部分14有选择地运动的作用。多个部分14互相配合在如图1和2a所示的第一位置70和图2b所示的第二位置72之间运动。另外，相对柔性和弹性的部分34在两个位置70和72之间偏压该多个部分14。

现在参见图1和2a，第一位置70最好是一个稳定的、静止的平衡位置，或者多个部分处于一个位置，在该位置上它们是稳定的，静止的和平衡的。第一位置70可以是一个低能量位置，在该位置上，相对柔性和弹性的部分34基本上不偏转并基本上不储存能量。或者，第一位置70可以是一个力加载位置，在该位置上，相对柔性和弹性的部分34偏转并储存能量。

现在参见图2b，第二位置72可以是一个稳定的、静止的平衡位置，或者多个部分处于一个位置，在该位置上它们是稳定的、静止的和平衡的。该第二位置也可以是低能量位置，在该位置上相对柔性和弹性的部分34基本不偏转并基本不储存能量。或者，第二位置72可以是一个力加载位置，在该位置上，相对柔性和弹性的部分34偏转并储存能量。因此机构10或部分14在第二位置72加上一个力。第一臂部分22在第二位置72或部分14在第一位置和第二位置70和72之间运动时，朝基部部分26转动。另外，第二臂部分30转动离开基部部分26。

当一个系统没有加速度时，可以说它是处于平衡状态，如果外界小扰动引起围绕平衡状态的振动，则该平衡状态是稳定的。然而，如果小的外部扰动使系统脱离它的平衡状态，则该平衡位置就是不稳定的。另一方面，如果一个系统对扰动起反应并停止在被扰动后的位置，那末该平衡位置是随遇的。

一个系统的稳定性可用“山丘上的球”来说明，该分析方法采用球相对于山丘的位置落在山谷的两侧来进行。位于山谷中的球处于稳定的平衡位置。如果球从该位置移动很小的量，它将倾向于返回到谷底或围绕谷底来回振动。然而，一个位于山丘顶部的球处于不稳定平衡位置，如果精确地设置在山丘顶部，尽管该球停在该位置上，但如果出现任何扰动，它就会运动到不同的位置上。同样，位于山丘另一侧的另一山谷中的球也处于稳定平衡位置。

由于该系统具有两个稳定平衡位置，因此它是双稳定的。由于两个局部的最小值包住两个局部的最大值，所以两个稳定平衡位置之间将具有一个不平衡的位置。因此双稳定机构将具有两个稳定平衡位置和至少一个不稳定平衡位置。

请注意，一个位于山丘侧部上的球不是处于平衡位置。然而通过加上一个外载荷使该球停在山丘的侧部上也产生了一个新的平衡位置。一个方向和大小合适的力也可表示球停止状态，因此，这个新的平衡位置也是稳定的。

人们已研究了多种方法来确定一个系统的稳定性。基于Lagrange-Dirichlet定理的能量方法提出，一个稳定平衡位置出现在势能具有局部最小值的位置上。因此，为了建立一个机构的稳定性，可以给出机构势能随机构运动的曲线图，任何局部的最小值处代表稳定位置。该势能曲线类似于山丘上的小球分析中的山丘地形。

顺应式双稳定机构从储存在柔性部分中的能量来获得它们的双稳定性能，这些柔性部分偏转以允许机构运动。这种方法将所要求的机构运动与能量储存相结合，以得到与传统的具有刚性连杆、接头和弹簧的机构相比大大减少零件数量的双稳定机构。

一个双稳定机构在其运动范围内具有两个稳定平衡位置。它是通过在其部分运动期间储存能量，然后在机构向第二稳定状态运动时释放能量而获得该性能的。通过它们的构件的偏转而得到运动的顺应式机构提供了获得双稳定性能的一种经济的方法。由于柔性部分在它们偏转时储存能量，一个顺应式机构可利用同样的部分来既获得运动，又达到两个稳定的状态，同时大大减少了零部件数量。

双稳定机构提供两个不同的、可重复的稳定位置，这就使采用双稳定机构的装置得以在无能量输入的情况下使它们保持在每个位置。在这些机构中为了得到双稳定性能，专门的能量储存特征是必要的。

现在参见图1、2a和2b，该开关机构10还包括两个电触头，即连到部分14上的第一电触头90和第二电触头92。第一电触头90最好装在第一臂部分22上，而第二电触头92装在基部部分26上。在部分14在第一和第二位置70和72之间运动时，第一电触头90与第一臂部分22一起运动，因此，第一电触头90在如图1和2a所示的第一位置96和如图2b所示的第二位置98之间运动。在第一位置96，第一电触头90与第二电触头92呈不接触关系，并确定一个“断开”的位置。在第二位置98，第一电触头90接触第二电触头92并确定一个“接通”的位置。当然，可以看出，触头90和92可放在任何合适的部分14上。

现在参见图4a和4b，它们示出示为110的双稳定机构的另一实施例。与上述机构10相类似，该替换的机构110具有多个部分，它们通常以114表示，该多个部分端对端地串联，以形成各部分的连续的链。

该多个部分114包括一个第一相对刚性的基部部分126，一个第二相地刚性的连接部分118，和第一和第二臂部分122和130。基部部分126具有第一和第二端部140和142。类似地，连接部分118具有第一和第二端部146和148。第一臂部分122连接在基部分126和连接部分118的第一端部140和146之间，类似地，第二臂部分130连接在基部部分126和连接部分118的第二端部142和148之间。

第一和第二臂部分122和130是相对柔性和弹性的，刚性的连接部分118牢固地连接到相邻的柔性和弹性的臂部分122和130上。刚性基部部分126或由一个柔性接头(未示出)或由销接头154和155连接到相邻的柔性和弹性的臂部分上。销接头154和155可以是如先有技术中公知的典型的销接头。基部部分126由第一销接头154连到第一臂部分122上；连接部分118牢固地连到第一臂部分上；连接部分118牢固地连到第二臂部分130上，基部部分126由第二销接头125连到第二臂部分130上。

销接头154和155、柔性接头(未示出)和相对柔性和弹性的部分122和130的总和至少是4。在该替换的机构110中，具有两个销接头154和155、两个相对柔性和弹性的部分122和130，它们的和是4。

与机构10的优选实施例一样，在机构110的替换实施例中的多个部分114可以整体成型。刚性连接部分118和第一及第二臂部分122和130整体成型。当然，可以看到，刚性的基部部分126也可与臂部分122和130整体成型，销接头154和155可用柔性接头代替。

销接头154和155允许多个部分114相互相对地运动。相对柔性和弹性的部分122和130中至少有一个起到阻止部分114相对运动、但允许部分114有选择地运动的作用。该多个部分114相互合作在如图4a所示的第一位置170和图4b所示的第二位置172之间相互运动。另外，相对柔性和弹性的部分122和130中至少有一个偏压两个位置170和172之间的多个部分114。

现在参见图4a，第一位置170最好是一个稳定的、静止的平衡位置、或者多个部分处于一个位置。在该位置上，它们是稳定的、静止的和平衡的。第一位置170是一个低能量位置，在该位置上，相对柔性和弹性的部分122和130基本不偏转并基本不储存能量。另外，第一位置170可以是一个力加载的位置，在该位置上，相对柔性和弹性的部分122和130偏转并储存能量。

现在参见图4b，第二个位置172是一个力加载的位置，在该位置上，第一相对柔性和弹性的臂部分122偏转并储存能量。因此机构110或部分114可在第二位置上加一个力。另外，第二位置172可以是一个稳定的、静止的平衡位置，或者多个部分处于一个位置，在该位置上它们是稳定的、静止的和平衡的。该第二位置172也可以是低能量位置，在该位置上，相对柔性和弹性的部分122和130基本上不偏转并基本上不储存能量。

机构110可以如图所示是一个微型机构或作为一个MEMS(微机电机构系统)。每个部分114的长度可以小于500μm、厚度小于5μm。MEMS机构可用MCNC上的多用户MEMS法(MUMPS)制造。这种方法采用两个脱开的多晶硅层，第一层厚度为2μm。另外，也可采用如Comtois和Bright(1995)描述的“堆积的多晶硅”法来制造象两层那样厚或3.5μm厚的小长度柔性接头。图4c示出一种销接头190的剖面，该销接头固定一块基板上。该销接头可以做成如图4c所示的那样具有由多晶硅的第一层194形成的盘形体192，和由第二层198形成的柱形件196。

现在参见图5a和5b，它们示出机构的概略的准刚体模式110’。该准刚体模式110’类似或对应于4杆连接装置。

为了设计顺应式双稳定平面的MEMS，确定了被称作为Young机构的特殊级别的机构。Young机构是这样一种机构：它具有两个转动接头154’和155’，因此也就是具有两根连杆，其中，一根连杆作为两个刚体接头之间的连续体；具有两个顺应部分122’和133’，它们都是上述连杆的一部分；还具有类似四杆机构的准刚体模式。

第一和第二种状态一起意味着两个销接头154’和155’与一个完全刚性的连杆126’连接，而其它连杆由两个顺应部分122’和130’及一个或多个刚性部分118’组成。在图5b中示出了Young机构110’的一个通常的准刚体模式。在该模式中，两个转动的接头154’和155’连接到地面(或刚性的基部部分126’)上，而销A和销B代表由准刚体模式模拟的顺应部分。

Young机构件MEMS是有很多道理的，例如连到基板(地面)上的销接头可以很容易地用两层多晶硅制成，不过连接两个运动的连杆的真正的销接头要求较多的层。另外，两个销接头通常通过减小顺应部分上的应力，还有助于机构获得较大的运动。另外，两个顺应部分还使机构得到它需要双稳定性能的能量储存件。

按照顺应部分的类型可以确定三个主要级别的Young机构，它们是；

级别1：两个顺应部分是固定一销接的部分。

级别2：一个顺应部分是固定一销接的部分，另一个是小长度的柔性枢轴。

级别3：两个顺应部分都是小长度的柔性枢轴。

可采用7个参数r₁，r₂，r₄，θ₂₀，θ₄₀，I₂和I₄来描述一种独特的级别I的Young机构，其中每个参数的定义是：

r₁—销接头中心之间的距离，

r₂—准刚体模式中最长的侧连杆的长度，相关的顺应式固定一销接部分的长度l₂可从下列方程得出： $l_2=\frac{r_2}{r}---\left(12\right)$

其中r作为任何材料性能的近似值；约为0.85，不过对大范围载荷条件可以列出一张表。

r₄—准刚体模式中最短侧连杆的长度。相关顺应式固定一销接的部分的长度l₄可用与得出l₂同样的方法得出。

θ₂₀—在未偏转位置上的θ₂(图5b确定)的初始值。

θ₄₀—在未偏转位置上的θ₄(图5b确定)的初始值。确定该机构的一个替换方法是规定r₃的值而不是两个初始角中的一个。然而当r₃描述准刚体模式中的第三连杆的长度时，在实际的顺应机构中它几乎没有什么物理定义。另外，如果仅规定一个角，该机构可能采取了根据连杆长度得到的超前或滞后的形式，这样机构的定义将不准确。

I₂—与连杆2相关的柔性部分的惯性面积矩。对长方形剖面而言， $I=\frac{{\mathrm{ht}}^3}{12}---\left(13\right)$ 其中h梁的高度(运动平面外)t是该部分的厚度(运动平面内)。I₄-与连杆4相关的柔性部分的惯性面积矩。它由方程(13)得出。给出这些值和材料的杨氏模量，可从下列方程算出扭簧常数值： $K_A=r{K}_{\mathrm{\θ}}\frac{{\mathrm{EI}}_2}{l_2}---\left(14\right)$ $K_B=r{K}_{\mathrm{\θ}}\frac{{\mathrm{EI}}_4}{l_4}---\left(15\right)$

其中r和K_θ作为任何材料性能的近似值，约为0.85和2.65，不过对大范围的载荷状态可列出一张表。

为确定级别2的机构，需要类似的参数，为确定小长度柔性枢轴的长度需要附加的变量。

确定级别II的机构的参数是如级别I一样的r₁ r₄，θ₂₀，θ₄₀和I₄。

r₂—准连杆2的长度，它定作为从销接头到小长度柔性枢轴的中心的距离，没有相关的l₂的值可以确定。

I₂—由方程(13)给出的小长度柔性枢轴的惯性面积矩。

I_S—小长度柔性枢轴的长度。弹簧常数K_B与级别1相同，但K_A必须从下列方程得出： $K_A=\frac{{\mathrm{EI}}_2}{1_s}---\left(16\right)$

为了设计双稳定的Young机构，必须采用与机构的运动和势能有关的方程。利用刚体运动学的教科书可以得到图5b所示的模式的运动是θ₂的函数。将两个扭簧中储存的能量相加可得到下列势能方程： $V=\frac{1}{2}(K_A{\mathrm{\φ}}_A^2+K_B{\mathrm{\φ}}_B^2)---\left(17\right)$

基中V是势能，K_A和K_B是扭簧常数，__A和__B是扭簧的相对偏转值，它们可由下式给出：

__A＝(θ₂-θ₂₀)-(θ₃-θ₃₀)

__B＝(θ₄-θ₄₀)-(θ₃-θ₃₀)                      (18)

其中下标“0”指的是每个角度的初始(未偏转时)值。方程(17)的最小值可由将V的一次导数定为0，二次导数为正数来得出。V对θ₂的一次导数是： $\frac{\mathrm{dV}}{{\mathrm{d\θ}}_2}=K_A{\mathrm{\φ}}_A(1-h_{32})+K_B{\mathrm{\φ}}_B(h_{42}-h_{32})---\left(19\right)$

其中h₃₂和h₄₂是动力学系数 $h_{32}=\frac{{\mathrm{d\θ}}_3}{{\mathrm{d\θ}}_2}=\frac{r_2\sin ({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_2)}{r_3\sin ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4)}---\left(20\right)$ $h_{42}=\frac{{\mathrm{d\θ}}_4}{d{\mathrm{\θ}}_2}=\frac{r_2\sin ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_2)}{r_4\sin ({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_3)}---\left(21\right)$ 势能的二次导数是： $\frac{d^{2}V}{{\mathrm{d\θ}}_2^2}=K_A(1-{2h}_{32}+h_{32}^2-{\mathrm{\Ψ}}_A{h}_{32}^{\′})$ $+K_B[h_{42}^2-2h_{42}{h}_{32}+h_{32}^2+{\mathrm{\ψ}}_B(h_{42}^{\′}-h_{32}^{\′})---\left(22\right)$ 其中 $h_{32}^{\′}=\frac{{\mathrm{dh}}_{32}}{{\mathrm{d\θ}}_2}=$ $\frac{r_2}{r_3}[\frac{\cos ({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_2)}{\sin ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4)}{}_{}(h_{42}-1)-\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_2)\cos ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4)}(h_{32}-h_{42})]---\left(23\right)$ $h_{42}^{\′}=\frac{{\mathrm{dh}}_{42}}{{\mathrm{d\θ}}_2}=\frac{r_2}{r_4}[\frac{\cos ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_2)}{\sin ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4)}(h_{32}-1)-\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_2)\cos ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4)}(h_{32}-h_{42})]$

(24)

对于方程(19)为0，方程(22)为正数的任一θ₂值都标志着势能为相对最小值，因此该机构处于稳定的平衡位置。

运动时在顺应部分中的最大的名义应力是一个应考虑的另一个重要的量。可利用顺应机构理论从每个部分的最大的角偏转__A.max和__B.max来得出这个应力。对于任何一个顺应部分来说，最大的名义应力可由经典的应力方程估算出： ${\mathrm{\σ}}_{0,\max }=\frac{M_{\max }C}{I}---\left(25\right)$

其中M_max可用准刚体模式按K和__max的乘积估算出。假定为一个长方形剖面， ${\mathrm{\σ}}_{0,\max }=\frac{61K{\mathrm{\φ}}_{\max }}{{\mathrm{ht}}^2}---\left(26\right)$

其中，h是顺应梁(运动平面外的尺寸)的高度，t是它的厚度(运动平面内的尺寸)。该名义应力是在不考虑具有类似应力集中的过去试验的装置的断裂时的应力的情况下算出的应力。

为了设计这里提到的机构，改变上述7个(级别I)或8个(级别II)的参数，以得出如由势能方程确定的那样的具有两个稳定位置，在运动期间不超出多晶体强度的机构构形。为了避免断裂，规定等于极限强度对场氏模量的比，S_UT/E的最大应变为1.05×10^-2。这个值是从设计顺应式微型机构的早期实践中确定的。

现在参见图6a和6b，它们示出示为210的双稳定机构的替换实施例，该机构的特征象级别II的Young机构一样。与上述机构10和110相似，该替换机构210具有多个部分214，它们端对端地串联以形成各部分的连续的链。

多个部分214包括第一相对刚性基部部分226和第二及第三相对刚性部分218和222。该多个部分214包括第一和第二柔性和弹性的部分228和230。

第一刚性部分222由销接头254可转动地连到基部部分226上。第一柔性和弹性部分228固定地连接在第一和第二刚性部分222和214之间。第二柔性和弹性部分230由销接头255可转动地连到刚性基部部分226上，并固定地连接到第二刚性部分218上。第二柔性和弹性部分230连接在刚性基部部分226和第二刚性部分218之间。

销接头254和255、柔性接头(未示出)和相对柔性和弹性部分228和230的和至少是4。在该替换的机构210中，有两个销接头254和255，以及两个相对柔性和弹性的部分228和230，它们加起来是4。

与机构10的优选实施例一样，在该机构的替换实施例中的多个部分214可以整体成型。刚性的第一和第二部分222和218以及第一和第二柔性和弹性部分228和230可整体成型。当然，可以看出，刚性的基部部分226也可与第一刚性部分222和第二柔性和弹性部分230整体成型，销接头254和255可由柔性接头代替。

多个部分214相互合作在如图6a所示的第一位置270和如图6b所示的第二位置272之间相对运动。另外，相对柔性和弹性的部分228和230中至少有一个偏压在两个位置270和272之间的多个部分214。

现在参见图6a，第一位置270最好是一个稳定的、静止的平衡位置，或者多个部分处于一个位置，在该位置上，它们是稳定的、静止的和处于平衡的。第一位置270是低能量位置，在此位置上，相对柔性和弹性的部分228和230基本上不偏转并基本上不储存能量。

现在参见图6b，第二个位置272是一个力加载位置，在该位置上，第二相对柔性和弹性的臂部分230偏转并储存能量。因此机构210或部分214可在第二位置上施加力。

与上面描述的机构110的替换实施例相同，该机构210的替换实施例可以是一个微型机构。或形成为一个MEMS(微机电机构系统)。每个部分214的长度可小于500μm，厚度小于3μm。

现在参见图7，它示出机构210’的准刚体模式，该准刚体模式210’类似或对应于四杆联动装置。

现在参见图8，它示出一个用作铰链的双稳定机构10的优选实施例，该机构与电开关相反，因此它的一个部分、如基部部分26连到一个小框或盒子400上，而另一部分、如部分18则连到门或盖410上。

可以看出，上述本发明的实施例仅是说明性的，对本专业技术人员来说可对它们进行修改。因此，本发明不能被认为仅限于公开的实施例，它应限于由所附权利要求限定的范围。

Claims (106)

1.一种双稳定机构包括：

端对端地串联以形成各部分的连续的链的多个部分，该多个部分包括至少两个相对刚性的部分和至少一个相对柔性和弹性部分，其中任何相邻的刚性部分或由柔性接头或由销接头连接，该至少一个相对柔性和弹性的部分或固定地或由销接头连到相邻的部分上，销接头、柔性接头和相对柔性和弹性的部分的和至少是4，至少一个相对柔性和弹性的部分可起到阻止部分的相对运动、但允许这些部分有选择地运动的作用，多个部分互相合作作相互相对的运动，并在(i)第一稳定的、静止的平衡位置和(ii)第二稳定的、静止的平衡位置之间受到至少一个相对柔性和弹性的部分的偏压。

2.如权利要求1的双稳定机构，其中基本为柔性的接头连接至少两个相对刚性的部分，其中至少两个相对刚性的部分和基本柔性的接头整体成形。

3.如权利要求1的双稳定机构，其中多个部分整体成形。

4.如权利要求1的双稳定机构，其中多个部分由单块材料整体成形，该单块材料具有的剖面尺寸具有：(i)相对较厚的部分，(ii)相对较薄的部分，和(iii)至少一部分具有一个中间厚度，相对刚性的部分由相对较厚的部分形成，因此通常是刚性的；基本柔性的部分由相对较薄的部分形成，因此通常是顺应的，相对柔性和弹性的部分由中间厚度的部分形成，因此既具有柔性又具有弹性。

5.如权利要求1的双稳定机构，其中多个部分包括四个由三个基本柔性的接头或枢轴接头端对端地串联的相对刚性的部分，和一个相对柔性和弹性的部分，该相对柔性和弹性的部分固定地连接到相邻的刚性部分上。

6.如权利要求1的双稳定机构，其中第一位置是低能量位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性的部分是基本不偏转和基本不储存能量的；其中第二位置是一个力加载位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性部分偏转并储存能量，从而该机构在第二位置加上一个力。

7.如权利要求1的双稳定机构，其中至少一个相对柔性和弹性的部分在第一和第二位置上的一个或两个上偏转。

8.如权利要求1的双稳定机构，其中至少一个相对柔性和弹性的部分在一个或两个第一和第二位置上基本不偏转。

9.如权利要求1的双稳定机构，还包括：

连接到多个部分上的两个电触头包括第一和第二电触头，第一电触头与一个部分一起可在(i)第一电触头接触第二电触头以确定接通位置的第一位置和(ii)第一电触头处于与第二电触头呈不接触关系以确定断开位置的第二位置之间运动。

10.如权利要求1的双稳定机构，其中多个部分包括：

一个具有第一和第二端部的第一相对刚性的基部部分，

一个具有第一和第二端部的可相对于基部部分运动的第二相对刚性的连接部分，

一个在第一端部连接在基部和连接部分之间的第一臂部分；

一个在第二端部连接在基部和连接部分之间的第二臂部分，和

其中第一臂部分转向基部部分和第二臂部分在第一方向转离基部部分。

11.如权利要求10的双稳定机构，其中各部分由三个基本柔性的接头和一个相对柔性和弹性部分连接在连接点上。

12.如权利要求10的双稳定机构，其中至少一个臂部分是相对柔性和弹性的部分。

13.如权利要求1的双稳定机构，其中多个部分具有类似四杆联动装置的准刚体模式。

14.如权利要求1的双稳定机构，其中该机构是Young机构。

15.如权利要求1的双稳定机构，其中该机构是格拉肖夫机构。

16.如权利要求1的双稳定机构，其中该机构是非格拉肖夫机构。

17.如权利要求1的双稳定机构，其中每个部分的长度小于500μm。

18.如权利要求1的双稳定机构，其中每个部分具有的厚度小于3μm。

19.一种双稳定机构包括：

多个端对端地串联以形成各部分的连续的链、并具有类似四杆联动装置的准刚体模式的部分，该多个部分包括至少两个相对刚性的部分和至少一个相对柔性和弹性的部分，该至少一个相对柔性和弹性的部分起到阻止各部分的相对运动并能弯曲以允许各部分有选择地运动的作用，该多个部分可互相合作地相互相对运动并在(i)第一稳定的、静止的平衡位置和(ii)第二稳定的、静止的平衡位置之间受到至少一个相对柔性和弹性的部分的偏压。

20.如权利要求19的双稳定机构，其中至少两个相对刚性的部分由基本柔性的接头连接，其中至少两个相对刚性的部分和基本柔性的接头整体成形。

21.如权利要求19的双稳定机构，其中多个部分是整体成形的。

22.如权利要求19的双稳定机构，其中多个部分由一整块材料整体形成，该材料的剖面尺寸具有：(i)相对较厚的部分，(ii)相对较薄的部分，和(iii)至少一部分具有中间的厚度，相对刚性的部分由相对较厚的部分形成，因此通常是刚性的；基本柔性的部分由相对较薄的部分形成，因此通常是顺应的；相对柔性和弹性的部分由中间厚度的部分形成，因此既具有柔性又具有弹性。

23.如权利要求19的双稳定机构，其中多个部分包括由三个基本柔性的接头或枢轴接头端对端地串联的四个相对刚性的部分和一个相对柔性和弹性的部分，相对柔性和弹性的部分固定地连接到相邻的刚性部分上。

24.如权利要求19的双稳定机构，其中第一位置是低能量位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性的部分基本不偏转和基本不储存能量；其中第二位置是一个力加载位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性的部分偏转并储存能量，从而该机构在第二位置上加上一个力。

25.如权利要求19的双稳定机构，其中至少一个相对柔性和弹性的部分在第一和第二位置中的一个或两个上偏转。

26.如权利要求19的双稳定机构，其中至少一个相对柔性和弹性的部分在第一和第二位置中的一个或两个上基本不偏转。

27.如权利要求19的双稳定机构，还包括：两个连到多个部分上的电触头包括第一和第二电触头，第一电触头与一个部分一起可在(i)第一电触头接触第二电触头以确定一个接通位置的第一位置和(ii)第一电触头处于与第二电触头呈不接触关系以确定一个断开位置的第二位置之间运动。

28.如权利要求19的双稳定机构，其中多个部分包括：

一个具有第一和第二端部的第一相对刚性的基部部分；

一个可相对于基部部分运动并具有第一和第二端部的第二相对刚性的连接部分；

一个在第一端部上连接在基部和连接部分之间的第一臂部分；

一个在第二端部连接在基部和连接部分之间的第二臂部分，和

其中，第一臂部分转向基部部分，和第二臂部分在第一方向上转离基部部分。

29.如权利要求28的双稳定机构，其中各部分由三个基本柔性的接头和一个相对柔性和弹性的部分在连接点连接。

30.如权利要求28的双稳定机构，其中至少一个臂部分是相对柔性和弹性的部分。

31.如权利要求19的双稳定机构，其中任何相邻的刚性部分由一个柔性接头或销接头连接，至少一个相对柔性和弹性的部分固定地或由销接头连到相邻的部分上，销接头、柔性接头和相对柔性和弹性的部分的总和至少是4。

32.如权利要求19的双稳定机构，其中该机构是Young机构。

33.如权利要求19的双稳定机构，其中该机构是格拉肖夫机构。

34.如权利要求19的双稳定机构，其中该机构是非格拉肖夫机构。

35.如权利要求19的双稳定机构，其中每个部分的长度小于500μm。

36.如权利要求19的双稳定机构，其中每个部分的厚度小于3μm。

37.一种双稳定机构包括：

多个端对端地串联以形成各部分连续的链的部分，该多个部分包括至少两个相对刚性的部分和至少一个相对柔性和弹性的部分，多个部分互相合作、可在(i)第一稳定的、静止的平衡位置和(ii)第二稳定的、静止的平衡位置之间相互相对运动，至少一个相对柔性和弹性的部分在两个位置之间的转换期间弯曲并储存能量。

38.如权利要求37的双稳定机构，其中至少两个相对刚性的部分由基本柔性的接头连接，其中至少两个相对刚性的部分和基本柔性的接头整体成形。

39.如权利要求37的双稳定机构，其中该多个部分整体成形。

40.如权利要求37的双稳定机构，其中多个部分由单独一块材料整体成形，该一块材料具有的剖面尺寸为：(i)相对较厚的部分，(ii)相对较薄的部分，(iii)至少一部分具有中间厚度，相对刚性的部分由相对较厚的部分形成，因此通常是刚性的，基本柔性部分由相对较薄的部分形成，因此通常是顺应的；相对柔性和弹性的部分由中间厚度的部分形成，因此既是柔性的、又具有弹性。

41.如权利要求37的双稳定机构，其中多个部分包括由三个基本柔性的接头或枢轴接头端对端串联的四个相对刚性的部分和一个相对柔性和弹性的部分，该相对柔性和弹性的部分固定地连接到相邻的刚性部分上。

42.如权利要求37的双稳定机构，其中第一位置是低能量位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性的构件基本不偏转并基本不储存能量；其中第二位置是一个力加载位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性的部分偏转并储存能量，从而该机构在第二位置上加上一个力。

43.如权利要求37的双稳定机构，其中至少一个相对柔性和弹性的部分在第一和第二位置中的一个或两个上偏转。

44.如权利要求37的双稳定机构，其中至少一个相对柔性和弹性的部分在第一和第二位置中的一个或两个上基本上不偏转。

45.如权利要求37的双稳定机构，还包括：

连到多个部分上的两个电触头包括第一和第二电触头，第一电触头与一个部分一起可在(i)第一电触头接触第二电触头以确定一个接通位置的第一位置、和(ii)第一电触头处于与第二电触头呈不接触关系以确定断开位置的第二位置之间运动。

46.如权利要求37的双稳定机构，其中多个部分包括：

一个具有第一和第二端部的第一相对刚性的基部部分，

一个可相对于基部部分运动并具有第一和第二端部的第二相对刚性的连接部分，

一个在第一端部上连接在基部和连接部分之间的第一臂部分，和

一个在第二端部上连接在基部和连接部分之间的第二臂部分，和

其中第一臂部分转向基部部分和第二臂部分在第一方向转离基部部分。

47.如权利要求46的双稳定机构，其中多个部分由三个基本柔性的触头和一个相对柔性和弹性的部分在连接点连接。

48.如权利要求46的双稳定机构，其中至少一个臂部分是相对柔性和弹性的部分。

49.如权利要求37的双稳定机构，其中多个部分具有类似四杆联动装置的准刚体模式。

50.如权利要求37的双稳定机构，其中该机构是Young机构。

51.如权利要求37的双稳定机构，其中该机构是格拉肖夫机构。

52.如权利要求37的双稳定机构，其中该机构是非格拉肖夫机构。

53.如权利要求37的双稳定机构，其中每个部分的长度小于500μm。

54.如权利要求37的双稳定机构，其中每个部分的厚度小于3μm。

55.一种双稳定开关装置，包括：

多个端对端地串联以形成各部分的连续的链的部分，该多个部分包括至少两个相对刚性的部分和至少一个相对柔性和弹性的部分，其中任何相邻的刚性部分由柔性接头连接；其中至少一个相对柔性和弹性的部分固定地或由柔性接头连到相邻的部分上，多个部分和柔性接头整体成形，多个部分互相合作地在(i)第一稳定的、静止的平衡位置和(ii)第二稳定的、静止的平衡位置之间相互相对运动。

56.如权利要求55的双稳定机构，其中至少两个相对铡性的部分由一个基本柔性的接头连接，其中至少两个相对刚性的部分和基本柔性的接头整体成形。

57.如权利要求55的双稳定机构，其中多个部分由单独一块材料整体成形，该单块材料的剖面尺寸具有(i)相对较厚的部分，(ii)相对较薄的部分，(iii)至少一个部分具有中等厚度，相对刚性的部分由相对较厚的部分形成，因此通常为刚性的，基本柔性的部分由相对较薄的部分形成，因此通常是顺应的，相对柔性和弹性的部分由中间厚度的部分制成，因此既具有柔性又具有弹性。

58.如权利要求55的双稳定机构，其中多个部分包括由三个基本柔性接头或枢轴接头端对端串联的四个相对刚性的部分，和一个相对柔性和弹性的部分，相对柔性和弹性的部分固定地连接到相邻的刚性部分上。

59.如权利要求55的双稳定机构，其中第一位置是低能量位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性的构件基本不偏转并基本不储存能量；其中第二位置是一个力加载位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性的部分偏转并储存能量，从而该机构在第二位置上加上一个力。

60.如权利要求55的双稳定机构，其中至少一个相对柔性和弹性的部分在第一和第二位置中的一个或两个上偏转。

61.如权利要求55的双稳定机构，其中至少一个相对柔性和弹性部分在第一和第二位置中的一个或两个上不偏转。

62.如权利要求55的双稳定机构，还包括：

两个连接到多个部分上的电触头包括第一和第二电触头，第一电触头与一个部分一起可在(i)第一电触头接触第二电触头以确定接通位置的第一位置和(ii)第一电触头处于与第二电触头呈不接触关系以确定断开位置的第二位置之间运动。

63.如权利要求55的双稳定机构，其中多个部分包括：

一个具有第一和第二端部的第一相对刚性的基部部分，

一个可相对于基部部分移动并具有第一和第二端部的第二相对刚性的连接部分，

一个在第一端部上连接在基部和连接部分之间的第一臂部分，和一个在第二端部上连接在基部和连接部分之间的第二臂部分，和

其中第一臂部分转向基部部分，第二臂部分在第一方向转离基部部分。

64.如权利要求63的双稳定机构，其中各部分由三个基本柔性的接头和一个相对柔性和弹性的部分在连接点连接起来。

65.如权利要求63的双稳定机构，其中至少一个臂部分是相对柔性和弹性的部分。

66.如权利要求55的双稳定机构，其中多个部分具有类似四杆联动装置的准刚体模式。

67.如权利要求55的双稳定机构，其中该机构是一个Young机构。

68.如权利要求55的双稳定机构，其中该机构是格拉肖夫机构。

69.如权利要求55的双稳定机构，其中该机构是非格拉肖夫机构。

70.如权利要求55的双稳定机构，其中每个部分的长度小于500μm。

71.如权利要求55的双稳定机构，其中每个部分的厚度小于3μm。

72.一种双稳定开关装置包括：

端对端地串联以形成各部分的连续的链的多个部分，该多个部分包括至少两个相对刚性的部分和至少一个相对柔性和弹性的部分，该至少一个相对柔性和弹性的部分起到阻止各部分的相对运动、但允许各部分有选择地运动的作用；多个部分互相合作可作相互相对的运动，并在(i)第一稳定的、静止的平衡位置和(ii)第二稳定的、静止的平衡位置之间受到至少一个相对柔性和弹性的部分的偏压，和

两个连到多个部分上的电触头包括第一和第二电触头，第一电触头与一个部分一起在(i)第一电触头接触第二电触头以确定一个接通位置的第一位置，和(ii)第一电触头与第二电触头呈不接触关系以确定断开位置的第二位置之间运动。

73.如权利要求72的双稳定开关装置，其中至少两个相对刚性的部分由基本柔性的接头连接，其中至少两个相对刚性的部分和该基本柔性的部分整体成形。

74.如权利要求72的双稳定开关装置，其中该多个部分整体成形。

75.如权利要求72的双稳定开关装置，其中多个部分由单块材料整体形成，该单块材料的剖面尺寸具有(i)相对较厚的部分，(ii)相对较薄的部分，(iii)至少一个部分具有中间厚度；相对刚性的部分由相对较厚的部分形成，因此通常是刚性的，基本柔性的部分由相对较薄的部分形成因此通常是顺应的，相对柔性和弹性的部分由中间厚度部分形成，因此既具有柔性又具有弹性。

76.如权利要求72的双稳定开关装置，其中多个部分包括由三个基本柔性的接头或枢轴接头，端对端地串联的四个相对刚性的部分，和一个相对柔性和弹性的部分，该相对柔性和弹性的部分固定地连接到相邻的刚性部分上。

77.如权利要求72的双稳定开关装置，其中第一位置是一个低能量位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性的构件基本上不偏转和基本上不储存能量；其中第二个位置是一个力加载位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性的部分偏转并储存能量，从而该机构在第二位置上加上一个力。

78.如权利要求72的双稳定开关装置，其中至少一个相对柔性和弹性的部分在第一和第二位置中的一个或两个上偏转。

79.如权利要求72的双稳定开关装置，其中至少一个相对柔性和弹性的部分在第一和第二位置中的一个或两个上不偏转。

80.如权利要求72的双稳定开关装置，其中多个部分包括：

一个具有第一和第二端部的第一相对刚性的基部部分，

一个可相对于基部部分运动并具有第一和第二端部的第二相对刚性的连接部分，

一个在第一端部上连接在基部和连接部分之间的第一臂部分，

一个在第二端部上连接在基部和连接部分之间的第二臂部分；和

其中第一臂部分转向基部部分和第二臂部分在第一方向转离基部部分。

81.如权利要求80的双稳定开关装置，其中三个基本柔性的接头和一个相对柔性和弹性的部分在连接点上连接各部分。

82.如权利要求80的双稳定开关装置，其中至少一个臂部分是相对柔性和弹性的部分。

83.如权利要求72的双稳定开关装置，其中多个部分具有类似四杆联动装置的准刚体模式。

84.如权利要求72的双稳定开关装置，其中该机构是一个Young机构。

85.如权利要求72的双稳定开关装置，其中该机构是一个格拉肖夫机构。

86.如权利要求72的双稳定开关装置，其中该机构是一个非格拉肖夫机构。

87.如权利要求72的双稳定开关装置，其中每个部分的长度小于500μm。

88.如权利要求72的双稳定开关装置，其中每个部分的厚度小于3μm。

89.一种双稳定机构包括：

端对端地串联以形成各部分的连续的链的多个部分，该多个部分包括具有第一和第二端部的第一和第二相对刚性的部分，和在第一和第二端部分别连到上述第一和第二刚性部分上的第一和第二相对柔性和弹性的部分，第一刚性部分由销接头连到第一和第二相对柔性和弹性的部分上，第二刚性部分固定地连到相对柔性和弹性的部分上，该多个部分互相合作可在(i)第一稳定的、静止的平衡位置和(ii)第二稳定的、静止的平衡位置之间相互相对地运动。

90.如权利要求89的双稳定机构，其中该至少两个相对刚性的部分由基本柔性的接头连接，其中至少两个相对刚性的部分和基本柔性的接头整体成形。

91.如权利要求89的双稳定机构，其中该多个部分整体成形。

92.如权利要求89的双稳定机构，其中多个部分由单块材料整体成形，该单块材料的剖面尺寸具有：(i)相对较厚的部分，(ii)相对较薄的部分，(iii)至少一部分具有中间厚度，相对刚性的部分由相对较厚的部分形成，因此通常是刚性的；基本柔性的部分由相对较薄的部分形成，因此通常是顺应的，相对柔性和弹性的部分由中间厚度的部分形成，因此既有柔性又具有弹性。

93.如权利要求89的双稳定机构，其中该多个部分包括由三个基本柔性的接头或枢轴接头端对端地串联的四个相对刚性的部分，和一个相对柔性和弹性的部分，该相对柔性和弹性的部分固定地连接到相邻的刚性部分上。

94.如权利要求89的双稳定机构，其中第一位置是低能量位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性的构件基本上不偏转并基本上不储存能量；其中第二个位置是一个力加载位置，在该位置上，至少一个相对柔性和弹性的部分偏转并储存能量，从而使该机构在第二位置上加上一个力。

95.如权利要求89的双稳定机构，其中至少一个相对柔性和弹性的部分在第一和第二位置中的一个或两个上偏转。

96.如权利要求89的双稳定机构，其中至少一个相对柔性和弹性的部分在第一和第二位置的一个或两个上基本上不偏转。

97.如权利要求89的双稳定机构，还包括：

两个连到多个部分上的电触头包括第一和第二电触头，第一电触头与一个部分一起可在(i)第一电触头接触第二电触头以确定一个接通位置的第一位置，和(ii)第一电触头和第二电触头呈不接触关系以确定一个断开位置的第二位置之间运动。

98.如权利要求89的双稳定机构，其中多个部分包括：

一个具有第一和第二端部的第一相对刚性的基部部分，

一个可相对于基部部分运动并具有第一和第二端部的第二相对刚性的连接部分，

一个在第一端部上连接在基部和连接部分之间的第一臂部分，

一个在第二端部上连接在基部和连接部分之间的第二臂部分，和

其中第一臂部分转向基部部分和第二臂部分在第一方向上转离基部部分。

99.如权利要求98的双稳定机构，其中三个基本柔性的接头和一个相对柔性和弹性的部分将各部分连接在连接点上。

100.如权利要求98的双稳定机构，其中至少一个臂部分是一个相对柔性和弹性的部分。

101.如权利要求89的双稳定机构，其中多个部分具有类似四杆联动装置的准刚体模式。

102.如权利要求89的双稳定机构，其中该机构是一个Young机构。

103.如权利要求89的双稳定机构，其中该机构是一个格拉肖夫机构。

104.如权利要求89的双稳定机构，其中该机构是一个非格拉肖夫机构。

105.如权利要求89的双稳定机构，其中每个部分的长度小于500μm。

106.如权利要求89的双稳定机构，其中每个部分的厚度小于3μm。

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