CN1647291B - 用于在响应电启动以移动一对对向表面的装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于响应电启动来移动一对相对面的装置，它具有支架，该支架包括刚性的不能变形部分；至少一个从该刚性部分延伸的可绕枢轴转动的托架部分；一对相对的面，有一个相对的面在至少一个可绕枢轴转动的托架部分上，用于相对另一个作移动；以及可操作地设置着的力辅移部件，用于驱动至少一个可绕枢轴转动的托架部分作转动的移动。一激励器被可操作地啮合在刚性部分和力转移部件之间，响应该激励器的电启动以驱动和该刚性部分有关的力转移部件，使至少一个可绕枢轴转动的托架部分绕框轴转动。
Description
技术领域
本发明涉及一种在响应电启动以移动一对对向表面的装置。
背景技术
各种类型的压电器件为本领域中技术人员所熟知。很多这些器件包括复杂的结构，且制造起来非常昂贵。其它的器件虽包括较简单的结构，但在对应的最大移动范围方面即对它的最大施加力的方面受到极大的限制。
在这种已知的器件中，当压电激励器被电启动时，该器件矩形棱镜的几何结构主要沿着预先确定的轴扩展。当该压电器件被终止启动时，该器件的几何结构主要沿着预先确定的轴收缩。压电器件的这个扩展与收缩可被用于操作一种装置例如，打开和关闭夹紧装置或阀门。一种用于夹住或控制阀门的装置通常包括具有相对彼此隔开的两个部件的支架。压电器件横向地被配置在这两个隔开的部件之间。当压电器件在线性方向扩展时，该部件被驱动即沿曲线路径绕枢轴转动。这部件沿沿曲线路径绕枢轴上的转动导致从压电器件到支架的一个效力低的力转移。在最熟知的已知结构中的压电激励器平行于所需移动的位置设置，几乎不提供选择不同的绞接轴位置和/或构架结构的机会来优化性能。
发明内容
本发明提供一种用于响应电启动来移动一对对向表面的装置。该装置包括一支架，它包括刚性的不能变形部分；从该刚性部分延伸的第一和第二可绕枢轴转动的托架部分；一对对向的面在各可绕枢轴转动的托架上有一对向的面，用于相对另一个作移动；以及可操作地配置在第一和第二绕枢轴转动的托架部分之间的力转移部件。激励器被啮合在刚性的不能变形部分和力转移部件之间，响应该激励器的电启动来驱动力转移部件沿一固定路径的移动，从而引起第一和第二可绕枢轴转动的托架中的至少一个绕枢轴转动。该结构的支架和力转移元件被设计为必须是刚性的不能变形元件。任何计划之外的弯转可减少该机制的有效使用期，并减少通过绞接轴转移到绕枢轴转动该托架的力的数量。力的减少限制位移和绕枢轴转动托架的力。绞接轴位置和对应的构架结构的选择能让具体的能力来优化用于特殊应用中的装置性能。
当被安装在支架元件中时，可用力预先负载压电激励器。例如，可把压电激励器夹紧在支架结构之内，用支承端的可调螺钉以提供最佳的预先负载力。可调螺钉的结构是易于使用并能使有大的可调程度。以任何合适的方式来预先负载压力激励器，在传动期间，有利于力转移的最大效率，且在压电元件的启动之前，能对装置的初始位置细调。预先加负载还能保证在整个扩展与收缩的范围内，在对向的末端处保持与装置的接触。用于预先负载的已攻好螺纹的调整螺钉的使用，能使组件不需要粘合剂或其它方法把压电激励器在对向的末端处与装置牢固地连接起来，且避免了在压电激励器上的损伤张力即扭矩的可能性。已攻好螺纹的调整螺钉，在组装到支架期间，能对在压电激励器中的尺寸变化作简单的补偿。
当结合附图阅读为实践本发明设想的最佳模式的下面描述时，本发明的其它应用，对本领域中技术员人员来说，将变得明白、显然。
附图简述
在这里的描述提及附图，其中相同的参考数字涉及遍及于几个视图中的相同部件，其中：
图1是根据本发明用于响应电启动以移动一对对向表面的，具有支架和激励器的一装置的实施例透视图。
图2是图1中装置在激励器被终止启动时的侧视图；
图3是图1中装置在激励器被部分启动时的放大侧视图；
图4是图1中装置在激励器被全启动时的极度放大的侧视图；
图5是带有包括具有另外形状力转移部件的支架的该装置第二实施例；
图6是包括可调支座的支架的该装置第三实施例；
图7是示出本发明优化弯曲线程序的简化流程图；以及
图8是根据本发明用于最优化机械支架的绞链几何结构的程序，示出对机械支架和压电元件的力与位移函数关系的一组个别的相交曲线。
具体实施方式
图1是根据本发明带有支架12和激励器14的装置10的一实施例透视图。支架12包括刚性的不能变形部分16；至少一个可绕枢轴转动的托架部分，诸如从刚性部分16延伸的第一和第二可绕枢轴转动的托架部分18和20；一对对向的表面22和24，在各绕枢轴转动的托架部分18、20上有一对向表面22，24，用来相对另一个作移动；以及可操作地设置在第一和第二绕枢轴转动的托架18和20之间的力转移部件26。较佳的是，支架12是单一完整的单件体。激励器14是可操作地啮合于刚性的非弯曲部分16和力转移部件26之间，以线性地驱动力转移部件26来引起第一和第二可绕枢轴转动的托架18，20绕对应的枢轴转动，而又响应来自控制器28与激励器14联系的电启动以驱动对向的表面22和24远离即彼此离开。
当被启动时，激励器14被设计成主要沿着一预先确定的轴，产生位置上的即空间的位移。激励器14的可能可通过几种不同类型中的一种压电器件来完成，该器件包括专用的压电元件，专用的压电元件堆，在机械上放大的压电元件或堆，或，较佳的是，多层共激发的压电元件堆。
当把电压跨接到压电器件时，该器件接收并储存电荷。当在高电时，该器件主要沿预先确定的轴扩展。压电器件的这个扩展产生了沿该预先确定的轴的空间位移，从而增加了器件初始时未充电时的厚度。照这样，一根预先确定的轴起着位移轴的作用。由压电器件储存的电荷数量通常是正比于跨接到该器件的电压数量直至最大电压极限。沿一预先确定的轴扩展垂的量通常是正比于由该压电器件储存的电荷量。因此，可通过改变跨接到压电器件上的电压量来控制沿一预先确定轴的扩展量。例如，施加跨接压电器件的最大电压量，产生沿这预先确定轴的最大扩展量，而施加跨接压电器件的最大电压的一半，则产生沿这预先确定轴的最大扩展量的约一半。
当该器件是(1)直接接到地，(2)通过两端点直接跨接形成电短路，(3)电短路或通过一阻抗接地时，在压电器件上的电荷被放电即消耗掉。当放电时，压电器件沿该预先确定的轴变小即收缩到器件最初未充电时的厚度。可控制压电器件的放电来产生沿该预先确定轴的减少器件厚度的位移。
控制器28被设计来操作装置10。为产生沿该预先确定轴的空间位移，控制器28提供跨接压电器件的充电电压。一般，空间位移量约正比于充电能量。为使压电器件回到初始时的未充电厚度，控制器28提供上述必要的放电方法(例如，控制器电接地或短路)。控制器28被设计来对压电器件彻底地充电和彻底地放电。作为结果，装置10的对向表面22和24被维持在或是全开，或是全闭的位置。如果需要，控制器28可被设计来对压电器件部分充电和部分放电。作为结果，装置10的对向表面22和24被维持在全开位置，全闭位置，或在它们之间的任何位置(即任何部分开或部分闭的位置)。可直接根据传感器反馈或根据处理这种传感器反馈的算法，使对向表面22和24部分开和闭。控制器28还可被设计来通过储存来自压电器放电的能量再循环放电能量，并在压电器件的下一次充电时再使用这种能量。控制器28也可被设计来把这种再循环放电能量供给一个或更多其它压电或非压电器件。
图2是装置10第一实施例的侧视图。较佳的是，装置10刚性的不能变形部分16是成C形的，它包括在一对刚性的不能变形托架部分32，34之间延伸的刚性不能变形的垂直臂30。至少一个可绕枢轴转动的托架部分18通过起作用的整个铰链36可绕枢轴转动地连接到刚性托架部分32。如果需要两个对向的绕枢轴转动的托架时，可通过起作用的整个铰链38可有选择地把另一可绕枢轴转动的托架部分20可绕枢轴转动地连接到另一刚性托架部分34。力转移部件26包括支座面40。
激励器14包括对向的末端42和44，且，如上所述，激励器14响应电启动在对向的末端42和44之间产生受控的空间位移。激励器14的一末端42，下文简体为定位或固定端42，被配置在邻近刚性垂直臂30处。激励器14的另一末端44，下文简称为驱动端44，被配置在邻近力转移部件的支座面40处。因此，为响应激励器14的电启动而驱动力转移部件26远离即离开刚性垂直臂30，激励器14被可操作地啮合在不能变形的垂直臂30和力转移部件26之间。换句话说，压电器件是这样被定位，使得最大位移轴垂直于垂直臂30和支座面40被对准。
在图2中，激励器14是终止启动的。当激励器14重终止启动时，对向面22和24是彼此靠得最近的。这种类型的结构一般被称之为正常闭合设计。当激励器14被电启动时，激励器14的定位端42被刚性部分16保持固定，激励器14的驱动端44驱动力转移部件26远离即离开刚性垂直臂30(即向着图2的右方)，而第1和第二可绕枢轴转动的托架部分18和20分别绕起作用的整体铰链36和38转动。照这样，在对向面22和24之间的空间即距离增加。换句话说，当在压电器件上跨接电压时，沿预先确定轴产生的空间位移驱动力转移部件26远离即离开刚性部分16以使第一和第二可绕枢轴转动的托架18和20分别绕起作用的整体铰链36和38绕枢轴转动，从而增加了在对向面22和24之间的空间即距离。可通过改变跨接到压电器件上的电压量来调节对向面22和24的展开。
支架12是由一种有保持其形状能力的材料组成的。一般，该支架材料具有高的弹性模量和高的强度。作为结果，装置10可由包括但不限于，金属诸如钢或其它金属；合金，诸如铬镍铁合金或其它合金；或诸如Thornel的复合材料等的许多材料制成。
当激励器14终止启动时，只要支架12未被塑性形变，则对向面22和24被支架结构材料的保持其形状能力压向另一个。换句话说，当压电器件放电时，压电器件沿扩展轴收缩即变小，而支架结构材料的保持其形状的能力向力转移部件26，第一和第二可绕枢轴转动的支架部分18和20加压，而使对向面22和24朝向装置10的原来形状返回。通过控制压电器件的放电，可调节对向面22和24的闭合。
本发明通过力转移部件26到一对可绕枢轴转动的托架部件18和20的绕枢轴转动和对向面22和24的展开，把来自激励器14扩展的力的转移达到最大。对最大的力转移，激励器14的定位端42被刚性部分16固定。换句话说，装置10是被设计得当激励器14被启动时，刚性部分16不可变曲即弯成弓形。照这样，激励器的所有扩展力通过激励器14的驱动端44被传向力转移部件26。为把最大的力从激励器14转移到一对可绕枢轴转动的托架部分18和20，力转移部件26被设计得，当激励器被启动时，使支座面40不可弯曲即弯成弓形。激励器14的驱动端44与力转移部件26的支座面40，在激励器14的所有空间位移，即在激励器的最小的已作空间位移，最大的工作空间位移，和在其间的所有空间位移处仍保持可操作的接触即最佳力转移的接触。换句话说，当激励器被终止启动，部分启动，和全启动时，激励器14的驱动端44与力转移部件26的支座面40保持着可操作的接触即最佳力转移的接触。
在装置10的第一实施例中，激励器14的驱动端44具有平的表面，而力转移部件26的支座面40是平的表面它，具有配置在邻近力转移部件26的平的支座面40的激励器14平的端面44。图2示出，在激励器被终止启动时，激励器14平的驱动端44，与力转移部件26平的支座面40的可操作接触，图3示出，在激励器14被部件启动时，在激励器14平的驱动端44与力传动部件26平的支座面40可操作的接触，并被放大以示出在对向面22和24之间的展开比正常能见到的展开较大。图4也被放大以示出，当激励器14全启动时，激励器14平的驱动端44与力转移部件26平的支座面40可操作的接触，并示出在对向面22和24之间的展开比在全启动位置时所实际见到的展开较大。
图5是装置10a的第二实施例，它带有具有另一可供选择的T形力转移部件26a。装置10a包括类似于为其它实施例在前面描述的支架12a和激励器14a。支架12a包括刚性的不能变形部分16a；至少一个从这刚性的不能变形部分16a延伸的可绕枢轴转动的托架部分18a，20a；一对对向的面22a，24a，在可绕框轴转动的托架18a，20a上各有一对向的面22a，24a，用于相对另一个作移动；以及可操作地设置在第一和第二可绕枢轴转的托架18a，20a之间的力转移部件26a。较佳的是，正如其它实施例的情况一样，整个支架12a是被形成为单一完整的单件体。激励器14a被可操作地啮合在刚性部分16a和力转部件26a之间，以驱动力转移部件26a用线性移动离开刚性垂直臂30。力转移部件26a的移动使第一和第二可绕枢轴转动的托架部分18a，20a分别绕起作用的整体铰链36a，38a绕枢轴转动。可提供控制器(未示出)来操作装置10a。该控制器可提供跨接压电器件的充电电压，以产生沿预先确定轴的空间位移，正如为其它实施例正前面描述的那样。装置10a的刚性部分16a可包括在一对刚性托架部分32a，34a之间延伸的成C形的垂直臂30a。一可绕枢轴转动的托架部分18a通过起作用的整体铰链36a被可绕枢轴转动地连接到一刚性不能变形的托架部分32a，而另一可绕枢轴转动的托架部分20a通过起作用的整体铰链38a被可绕枢轴转动地连接到另一刚性的不能变形的托架部分34a。力转移部件26a可包括支座面40a。激励器14a包括对向端42a和44a。激励器14a响应电启动沿在对向端42a和44a之间的预先确定的轴，以产生受控的空间位移。激励器14a的一端42a，诸如定位即固定端42a，被配置在邻近于刚性垂直臂30a。激励器14a的另一端44a，诸如驱动端44a被配置在邻近于力转移部件26a的支座面40a。当激励器14a被电启动时，激励器14a的定位端42a被刚性部分16a保持固定，激励器14a的驱动端44a驱动力转移部件26a远离即离开刚性部分16a(即，朝向图5中的右方)，而第一和第二可绕枢轴转动的托架部分18a，20a则分别绕起作用的铰链36a，38a绕枢轴转动。在这结构中，从力转移部件26a到可绕枢轴转动的托架18a，20a转移的力通过在力转移部件26a和对应的可绕枢轴转动的托架19a，20a之间延伸的力转移垂直臂即铰链48a，50a被传递。力转移的直线通常是平行于压电激励器14a空间扩展的预先确定的轴，而较佳的是垂直于这转轴即可绕枢轴转动的托架部分18a，20a绕对应起作用的整体铰链36a，38a转动的轴。
图6是装置10b的第三实施例，它具有由带有可调支架54b的刚性部分16b支承的可调支座52b，装置10b包括类似于前面为其它实施例描述的支架12b和激励器14b。支架12b包括刚性的不能变形部分16b；至少一个从这刚性的不能变形部分16b延伸的可绕枢轴转的托架部分18b，20b；一对对向的面22b，24b，在可绕枢轴转动的托架部分18b，20b上各有一个对向面22b，24b，用于相对另一个作移动；以及可操作地设置在第一和第二可绕枢轴转动的托架18b，20b之间的力转移部件26b。较佳的是，正如其它实施例的情况一样，整个支架12b是被形成为单一完整的单件体。激励器14b被可操作地啮合在刚性部分16b和力转移部件26b之间，以驱动力转移部件26b用线性移动离开刚性部分16b。刚性部分16b用可调支架54b支持具有辅助面的可调支座52b到激励器14b的端42b。可调支座52b的辅助面可以是平的或可做成任何样式形状的以支持激励器14b在一适于响应激励器14b的电启动来驱动力转移部件26b的位置上。力转移部件26b的移动使第一和第二可绕枢轴转动的托架18b，20b分别绕起作用的整体铰链36b，38b绕枢轴转动。可提供控制器(未示出)来操作装置10b。该控制器可提供跨接压电器件的充电压，以产生沿预先确定轴的空间位移，如前面为其它实施例描述的那样。装置10b的刚性部分16b可包括在一对刚性托架部分32b，34b之间延伸的垂直臂30b。一可绕枢轴转动的托架部分18b通过起作用的整体铰链36b被可绕枢轴转动地连接到一刚性托架部分32b，而另一可绕枢轴转动的托架20b通过起作用的整体铰链38b被可绕枢轴转动地连接到另一刚性托架部分34b。力转移部件26b可包括支座面40b。激励器14b包括对向端42b和44b。激励器14b响应电启动沿在对向端42b和44b之间的预先确定的轴，产生受控的空间位移。激励器14b的一端42b，诸如定位即固定端42b，被配置在邻近于刚性垂直臂30b，如前面诸实施例所示，或被可调支座52b所支持被连接到刚性垂直臂30b。激励器14b的另一端44b，诸如驱动端44b，被配置在邻近于力转移部件26b的支座面40b。当激励器14b被电启动时，激励器14b的定位端被可调支座52b保持固定，被连接到刚性部分16b，而激励器14b的驱动端44b驱动力转移部件26b远离即离开刚性部分16b(即，朝向图6中的右方)，而第一和第二可绕枢轴转动的托架部分18b，20b则分别绕起作用的整体铰链36b，38b线枢轴转动。在这结构中，从力转移部件26b到可绕枢轴转动的托架部分18b，20b被转移的力通过在力转移部件26b和对应的可绕枢转动的托架部分18b，20b之间延伸的力转移垂直臂即铰链48b，50b被传递。力转移的直线通常是平行于压电激励器14b空间扩展的预先确定的轴，而较佳的是垂直于这转轴即可绕枢轴转动的托架部分18b，20绕对应起作用的整体铰链36b，38b绕枢轴转动的轴。应该认识到示于图6中的可调支架54b和辅助支座52b，可顺不背离本发明的精神和范围的情况下，也适用于示于图1-5的其它实施例。
现在来总的参考本发明，根据本发明的装置是根据通过力转移部件的方法来进行激励器的移动和力的力学转换。较佳的是，该激励器是一种固体器件，当它受到电或磁的激励时，在一个或几个维度上增加它的尺寸。这种器件的一个例子是共同激发的压电器件堆。还有，该器件较佳的是具有短形棱镜的几何结构，把该激励器配置在支架的腔体内。该腔体的一侧被约束于刚性的不能变形垂直臂的内表面，而另一侧则被约束于可移动力转移部件的内表面。该腔体还受到由刚性的不能变形托架部分限定的支架的上内表面和由刚性的不能变形托架部分限定的支架对面下内表面的约束。把激励器安装在这腔体内，使一个面即激励器的一端直接与垂直臂的内表面接触，而对面的面即激励器的一端直接与力转移元件的内表面接触。换名话说，激励器是处在从垂直直臂的内表面和力转移元件的内表面的连续压缩下。如果需要，可把可调刚性的不能变形支架下。如果需要，可把可调刚性的不能变形支架部件连接到垂直臂，用来在对抗力转移元件的对向面的压缩中可调地支承激励器的一个面。
通过施加一合适的电源启动这激励器。这电源由类似于在图示中用28示出的控制器来控制。最简单形式的控制器可以是开关器件。控制器通过电线连接到激励器。该控制器可有多个实施例。例如，它可被设计成全启动和全终止启动该激励器。它可被设计成把该激励器启动到在全展开和全缩回之间的任何增量。它还可被设计成在该激励器中再使用即再传递该能量以优化效率。
当该激励器被去掉能量即未启动时，它是有具有初始未充电尺寸情况的静止位置。当给以能量即被启动时，该激励器沿着按激励器的材料性质所决定的一根或根轴扩展垂。这扩展垂是由于在本发明专用实施例中所实际采用的激励器的类型有关的压电的，电阻的，或磁阻的现象所致。激励器被设计得，使在被启动时最大扩展的空间尺寸是在具有垂直臂和力转移部件的两约束内表面的直线上。当激励器被电启动而沿主扩展轴扩展时，由于激励器是在被垂直臂和力转移部件的两个约束的内表面压缩下，所以该激励器将相对这两个约束的内表面施加额外的压力。
这垂直臂被设计来为激励器直接穿过，或非直接穿过可调支座提供刚性结构。由于该垂直臂紧紧夹住了激励器，所以被设计来在这装置内移动的力转移元件、被扩展的激励器移位。力转移元件本身又通过整体铰链或垂直臂被连接到可绕枢轴转动的上托架和可绕枢轴转动的下托架。力转移元件被连接到带有垂直臂的上、下托架，而整体铰链把绕枢轴转动的托架与支架的刚性托架部分分开。两个刚性的不能变形的托架部分都用作与刚性的不能变形垂直臂组成整体的结构部件。铰链被设计得，使由压电元件产生的力和位移通过力转移元件传送，并被集中而施加到极靠近铰链的可转动轴。所以，力转移元件通过垂直臂把扩展的激励器的力和位移的基本部分传递到可绕枢轴转动的托架。该装置被设计得，使激励器的扩展引起下、下可绕枢轴转动的托架部分绕整体铰链向外绕枢轴转动，使得一可绕枢轴转动的托架的面与另一可绕枢轴转动的托架的面分开。激励器的终止启动把力转移元元件的空间位移沿预先确定的轴恢复到初始位置。这本身又引起支架的总结构回复到初始的即静止态。
当把压电激励器装在支架内时，较佳的是预先加载力。如果需要，可把压电激励器紧紧地夹在支架顺，它带有设置在刚性的不能变形垂直臂和激励器一端之间的可调支座。作为例子但不是限制，为了这个目的可采用可调螺钉的结构，或者可提供任何其它便于在压电激励器上预加载最佳力的合适配置。在启动期间，预加载有助于从压电激励器把力转移到支架的最大效率。预加载还能使根据本发明装置初始未充电时的位置作细调。正确的预加载在扩展和收缩的全范围期间，在不需要采用粘合或其它手段来把压电激励器固定到支架的情况下，保证压电激励器在两个端处都维持与支架的接触。预加载还有助于避免使压电激励器遭受不希望有的、可能造成损坏的张力或扭力矩的可能。用于压电激励器一端的可调支座，在装置的组装期间，可对压电激励器的尺寸变化作简单补偿。
本发明揭示并详细讨论了关于至少一个可绕枢轴转动的托架部分，而较佳的是两个对向的可绕枢轴转动的托架部分。应认识到本发明包括可绕枢轴转动的托架部分的对称和非对称的移动。如果需要，可提供整体铰链来提供至少一个可绕枢轴转动的托架部分的非对称操作。作为例子但不是限制，这类移动在某些装阀门或夹住结构中可以是理想的。
现在参照图7，简单的流程图示出了根据本发明机械支架铰链部件定向的最佳参数选择。在步骤100开始，限定了施加的技术规格。这规格可以是诸参数的一种选择(作为例子但不是限制)，包括力，位移，尺寸，工作频率，循环延续时间，温度，工作电压，工作功率，振动，抗冲击力，线性度，和/或重复性的参数。在步骤100中限定了技术规格后，程度继续到步骤102，在这步骤推导机械支架的技术要求和初步的几何结构。于是程序继续到步骤104，在这步骤完成了两维(2D)静态应力分析以优化机构支架的铰链的几何结构。于是根据在步骤104获得的优化几何结构，在步骤106，设计三维(3D)的计算机辅助设计(CAD)模型。于是在步骤108中进行有限元应力分析(EFA)以预测机械支架和压电元件的性能。在进行该分析中，发现了为了一系列的分析，把压电元件最大力的20％加到力托架是有用的。还发现当约束机械支架的托架并把力加到力转移元件时，操作一系列分析，来确定在没有位移的情况下从可绕枢轴转动的托架可获得的力是有用的。作为有限元应力分析的结果，机械支架和压电元件的力对位移的函数关系分离的曲线被展开。这些曲线在步骤110中被画在相同的共用轴上，以决定曲线是否有交点发生。作为例子但不是限制，这些图中的一组示于图8，在该图中压电元件曲线标以122，而机械支架曲线则标以124。图8示出在标以126的点上两曲线122，124的典型交点。曲线交点的识别发生于步骤112。在询问114中，它确定该交点是否满足在步骤100中以前设定的力和位移的技术规格。如果技术规格未被满足，程序就从分路回到步骤102，在这步骤可修改并再分析该模型。如果技术规格被满足，程序就从分路到步骤116。在步骤116中，采用对应于两曲线122，124相交点126的值，再一次完成有限元应力分析。于是程序进到询问118以决定相对在步骤100中所选施加的技术规格的性能是否被核实。如果该性能未被核实，程序从分路回到步骤102，在这步骤可修改并再分析该模型。如果该性能被核实，则程序在步骤120就结束。
采用有限元分析来设计该装置以满足几个判据。支架必须提供重复操作。可合理地期望有超过一百万个循环的工作连续时间。对给定的激励器，可把可绕枢轴转动的托架部分长度和整体铰链的几何结构设计得提供改变诸面的分隔数。
本发明的特征是力转移元件，铰链，可绕枢轴转动的托架部分，刚性托架部分，以及垂直臂是一完整、单一不分的，即单块体。就是说，没有接合物把这些构件连起来。消除了连接的方法造成从激励器到支架的力转移和位移高度有效的结果。
本发明支架的另一特征是激励器是这样来定位的，它使扩展的主轴相对于可绕枢轴转动的托架的绕枢轴转动轴是直角的。这特征在几个方面都是有利的。最主要的方面是它能使从从力转移元件力的施加点的铰链几何结构极靠近铰链的支点轴。这能使该性能把力转移效率成为最大。由这个几何结构导致的另一好处是能使该装置成为小型的总设计。进一步的优点是这几何结构易于支持按比例从约小于1立方英寸变为约20立方英寸的大小。这个在尺寸上的可量测性提供从约1/10,000英寸到约0.25英寸这样广阔的位移范围的设计限定。同样，该几何结构提供从1磅到超过100磅的范围广阔的夹住力。此外还有另一好处是压电元件两个面的整个表面与支架结构对向的面保持压缩接触；即刚性垂直臂30在一端，而力转移元件26则在对向的一端。
在示于图1-6的诸实施例中，这些构件是用单块材料来加工制成的(例如不锈钢)。其它合适的材料可包括粉末金属，金属合金，复合材料，或金属和复合材料的组合。虽然作为例子给出的这些材料提供优良的性能，但根据具体应用的技术规格，采用其它材料用于支架是合适的。
尽管本发明结合了目前认为是最实际的和较佳的实施例作了描述，但应理解到本发明并不限于已揭示的实施例，而却相反，本发明意图覆盖包括在所附权利要求书中的精神和范围内各种修改和等价配置，而这个范围要给予最广的解说，以便包括所有这种修改和等价结构，正如在这法律下所允许的。
Claims (73)
1.一种用于响应电启动，移动一对对向的面中至少一面的装置，其特征在于，该装置包括：
支架，其包括：刚性的不能变形部分；至少一个通过第一铰链部分自所述刚性部分整体地延伸出的可绕枢轴转动的托架部分，其中第一铰链部分连接可绕枢轴转动的托架部分和刚性部分；至少一个对向的面，其连接在所述至少一个可绕枢轴转动的托架部分上，用于相对于刚性部分运动；一个力转移部件，其通过第二铰链部分自所述可绕轴转动的托架部分整体地延伸出，其中第二铰链部分连接所述可绕枢轴转动的托架部分和所述力转移部件，所述力转移部件还被可操作地定位为用于以旋转运动驱动所述至少一个可绕枢轴转动的托架部分以传递力和位移的基本部分，其中第一和第二铰链部分仅以一道缝彼此分开；以及
激励器，可操作地啮合于刚性部分和力转移部件之间，用于响应于该激励器的电启动，相对于刚性部分驱动力转移部件，从而绕枢轴转动所述至少一个可绕枢轴转动的托架部分。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支架是一单件。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激励器是压电器件。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刚性部分是成C形的，它包括在一对刚性托架部分之间延伸的垂直臂。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，可绕枢轴转动的托架部分中的一个被可绕枢轴转动地连接到刚性托架部分中的一个，而另一可绕枢轴转动的托架部分则被可绕枢轴转动地连接到另一刚性托架部分。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激励器包括对向的末端，并响应电启动，在对向末端之间产生空间位移。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述刚性部分支承支座面。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述激励器的对向末端中的一端是平的表面，而内刚性部分支承的支座面是平的表面，它带有配置在刚性部分支承的邻近于平的支座面的激励器平的末端表面。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面，响应该激励器的空间位移，把力施加到由刚性部分所支承的平的支座面。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的端表面在该激励器最小工作的空间位移处可操作地与由刚性部分支承的平的支座面接触。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的端表面在该激励器最大工作的空间位移处可操作地与由刚性部分支承的平的支座面接触。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的端表面在该激励器最小工作的空间位移和该激励器最大工作的空间位移之间的所有空间位移处可操作地与由刚性部分支承的平的支座面接触。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述力转移部件包括支座面。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述激励器的对向端中的一端是平的表面，而该力转移部件的支座面是平的表面，它带有设置在靠近该力转移部件平的支座面的该激励器平的端面。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述激励器平的端表面，响应该激励器的空间位移，施加力到该力转移部件的平的支座面。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述该激励器的平的端表面在该激励最小工作空间位置处可操作地与该力转移部件的平的支座面接触。
17.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的端表面在该激励器最大工作空间位移处可操作地与该力转移部件的平的支座面接触。
18.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的端表面在该激励器最小工作空间位移和该激励器最大工作空间位移之间的所有空间位移处可操作地与该力转移部件的平的支座面接触。
19.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刚性部分，所述可绕枢轴转动的托架部分和所述力转移部件会在一位置上相接以形成力转移结构。
20.如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括至少一个可绕枢转轴的部分限定在其上的整体弹簧附着到该刚体部分。
21.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
一个可调螺钉，其连接到所述刚性部分，并且与激励器相啮合以利用力转移部件的压力预先负载激励器。
22.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
第一和第二铰链部分中的至少一个整体地以某一角度从力转移部件延伸到至少一个可绕枢轴旋转的托架以使得托架绕枢轴旋转。
23.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括：
力转移部件的支座面(40)，和
激励器，可操作地啮合在支架的刚性部分和力转移部件的支座面之间，用于响应该激励器的电启动，相对于支架的刚性部分驱动力转移部件的支座面，从而绕枢轴转动使所述至少一个可绕枢轴转动的托架部分。
24.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
用于预先负载置于刚性部分和力转移部件之间的激励器的可调支座，所述可调支座可以将预先设定的压力传递给激励器。
25.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
第一和第二铰链部分是彼此靠近的。
26.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
所述支架包括至少一个刚性的不能变形的托架部分。
27.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
力传递部分是刚性且不能变形的。
28.一种用于响应电启动，移动一对对向表面中的至少一个的装置，包括：
支架，其包括：一个刚性的不能变形的C形垂直臂；至少一个刚性的不能变形的托架部分；至少一个可绕枢轴旋转的托架部分，其通过第一铰链部分自刚性C形垂直臂整体地延伸出，其中第一铰链部分连接刚性的不能变形的托架部分和可绕枢轴旋转的托架部分；至少一个对向的表面，其连接到至少一个可绕枢轴旋转的托架部分以进行相对刚性的C形垂直臂的运动；一个刚性的，不能变形的力转移部件，其通过第二铰链部分自刚性的C形垂直臂整体地延伸出，其中第二铰链部分连接可绕枢轴旋转的托架部分和力转移部件，并且所述力转移部件被可操纵地定位为驱动所述至少一个可绕枢轴旋转的托架部分以用旋转运动来传递力和位移的基本部分，其中第一和第二铰链部分彼此靠近，仅被一个缝彼此分开；和
激励器，可操作地啮合于刚性的C形垂直臂和力转移部件之间，用于响应于激励器的电启动，相对于刚性的C形垂直臂驱动力转移部件，从而绕枢轴旋转所述至少一个可绕枢轴旋转的托架部分。
29.一种用于优化铰链几何结构的方法，其特征在于，所述方法包括如下的步骤：
根据限定的力和位移的技术规格推导机械支架的初步的几何结构；
进行两维应力分析以优化铰链几何结构的优化定位；
设计铰链几何结构的优化定位的三维模型；
在三维模型上进行有限元应力分析以预测机械支架和压电元件的性能；
为支架和压电激励器分析力对位移的函数关系的分离曲线；
识别曲线的一个交点；
确定曲线的交点是否满足预先限定的力和位移的要求；
如果曲线的交点不满足预先限定的力和位移的要求，返回到推导的步骤；
如果曲线的交点确实满足预先限定的力和位移的要求，采用对应于曲线交点的值，进行三维有限元应力分析；
确定采用对应于这些曲线交点的值，用有限元应力分析得到的该三维模型的性能是否被验证背离运用的要求；以及
如果性能未被验证通过，返回到推导步骤。
30.一种根据权利要求29所述的方法而用于响应电启动来移动至少一对对向的面中的一面的装置，其特征在于，该装置包括：
支架，包括刚性的不能变形部分；至少一个从该刚性部分延伸的可绕枢轴转动的托架部分；一对对向的面，在至少一个可绕枢轴转动的托架部分上有一个对向的面，用于相对另一个作移动；以及力转移组件，其被可操作地设置为用于以旋转的运动来驱动至少一个可绕枢轴转动的托架部分；以及
激励器，可操作地啮合在刚性部分和力转移部件之间，响应该激励器的电启动以驱动与刚性部分有关的力转移部件，使至少一个可绕枢轴转动的托架部分绕枢轴转动。
31.如权利要求30所述的装置，其特征在于，所述支架是单片的。
32.如权利要求30所述的装置，其特征在于，所述激励器是压电装置。
33.如权利要求30所述的装置，其特征在于，所述刚性部分是C形的，且包括一个在一对刚性的托架部分之间延伸的垂直臂。
34.如权利要求33所述的装置，其特征在于，所述可绕轴旋转的托架部分中的一个被可绕轴旋转地连接到所述刚性的托架部分中的一个上，而另一个可绕轴旋转的托架部分被可绕轴旋转地连接到另一个所述刚性托架部分上。
35.如权利要求30所述的装置，其特征在于，所述激励器包括对向的末端，并且响应电启动在对向的末端之间产生空间位移。
36.如权利要求35所述的装置，其特征在于，所述刚性的部分支承一个支座面。
37.如权利要求36所述的装置，其特征在于，所述激励器的对向末端中的一个是一平的表面，而由刚性部分所支承的支座表面是一平的表面，且激励器的平的末端表面被设置为靠近由刚性的部分所支承的平的支座表面。
38.如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面响应激励器的空间位移施加力到由刚性部分所支承的平的支座表面上。
39.如权利要求38所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面可操作地在激励器的最小工作空间位移上与由刚性部分所支承的平的支座表面相接触。
40.如权利要求38所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面可操作地在激励器的最大工作空间位移上与由刚性部分所支承的平的支座表面相接触。
41.如权利要求38所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面在所有处在激励器的最小工作空间位移和激励器的最大工作空间位移之间的空间位移上可操作地与由刚性部分所支承的平的支座表面相接触。
42.如权利要求30所述的装置，其特征在于，所述力转移部件包括一个支座表面。
43.如权利要求42所述的装置，其特征在于，所述激励器的对向末端中的一个是一平的表面，所述力转移部件的支座表面是一平的表面，且激励器的平的末端表面被设置为靠近力转移部件的平的支座表面。
44.如权利要求43所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面响应激励器的空间位移而施加力到由刚性部分所支承的平的支座表面上。
45.如权利要求44所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面可操作地在激励器的最小工作空间位移上与由刚性部分所支承的平的支座表面相接触。
46.如权利要求44所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面可操作地在激励器的最大工作空间位移上与由刚性部分所支承的平的支座表面相接触。
47.如权利要求44所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面在所有处在激励器的最小工作空间位移和激励器的最大工作空间位移之间的空间位移上可操作地与由刚性部分所支承的平的支座表面相接触。
48.如权利要求30所述的装置，其特征在于，所述刚性部分，可绕枢轴旋转的托架部分，和力转移部件在一处相接以形成一个力传递机构
49.如权利要求31所述的装置，其特征在于，在至少一个可绕枢轴转动部分附着于刚性部分之处，还包括一个整体弹簧。
50.一种用于优化铰链的几何结构的方法，包括以下步骤：
在用于一个可操作地与一个压电激励器相啮合的机械支架的铰链几何结构的三维模型上进行有限元应力分析以预测性能；
为支架和压电激励器分析力对位移的函数关系的分离曲线；
识别力对位移的分离曲线的一个交点以优化铰链几何结构；
51.如权利要求50所述的方法，还包括：
根据限定的力和位移的技术规格推导初步的几何结构；
进行两维应力分析以优化铰链几何结构的优化定位。
52.如权利要求51所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
确定曲线的交点是否满足预先限定的力和位移的要求；
如果曲线的交点不满足预先限定的力和位移的要求，返回到推导初步的几何结构的步骤；
如果曲线的交点确实满足预先限定的力和位移的技术规格，采用对应于曲线交点的值，进行三维有限元应力分析；
确定采用对应于这些曲线交点的值，用有限元应力分析得到的该三维模型的性能是否被验证背离运用的要求；以及
如果性能未被验证通过，返回到推导步骤。
53.如权利要求50所述的方法，还包括以下步骤：
为一个用于可操作地与压电激励器相啮合的支架结构设计一个铰链几何结构的三维模型。
54.一种根据权利要求50所述的方法，用于响应电启动来移动至少一对对向的面中的一面的装置，其特征在于，该装置包括：
支架，包括刚性的不能变形部分；至少一个从该刚性部分延伸的可绕枢轴转动的托架部分；一对对向的面，有一个对向的面在至少一个可绕枢轴转动的托架部分上，用于相对另一个作移动；以及可操作地设置着的力转移组件，用于驱动至少一个可绕枢轴转动的托架部分作转动的移动；以及
激励器，可操作地啮合在刚性部分和力转移部件之间，响应该激励器的电启动以驱动与刚性部分有关的力转移部件，使至少一个可绕枢轴转动的托架部分绕枢轴转动。
55.如权利要求54所述的装置，其特征在于，所述支架是单片的。
56.如权利要求54所述的装置，其特征在于，所述激励器是压电装置。
57.如权利要求54所述的装置，其特征在于，所述刚性部分是C形的，且包括一个在一对刚性的托架部分之间延伸的垂直臂。
58.如权利要求57所述的装置，其特征在于，所述可绕轴旋转的托架部分中的一个被可绕轴旋转地连接到所述刚性的托架部分中的一个上，而另一个可绕轴旋转的托架部分被可绕轴旋转地连接到另一个所述刚性托架部分上。
59.如权利要求54所述的装置，其特征在于，所述激励器包括对向的末端，并且响应电启动在对向的末端之间产生空间位移。
60.如权利要求59所述的装置，其特征在于，所述刚性的部分包括一个支座面。
61.如权利要求60所述的装置，其特征在于，所述激励器的对向末端中的一端是一平的表面，由刚性部分所支承的支座表面是一平的表面，且激励器的平的末端表面被设置为靠近由刚性的部分所支承的平的支座表面。
62.如权利要求61所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面响应激励器的空间位移而施加力到由刚性部分所支承的平的支座表面上。
63.如权利要求62所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面可操作地在激励器的最小工作空间位移上与由刚性部分所支承的平的支座表面相接触。
64.如权利要求62所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面可操作地在激励器的最大工作空间位移上与由刚性部分所支承的平的支座表面相接触。
65.如权利要求62所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面在所有处在激励器的最小工作空间位移和激励器的最大工作空间位移之间的空间位移上可操作地与由刚性部分所支承的平的支座表面相接触。
66.如权利要求54所述的装置，其特征在于，所述力转移部件包括一个支座表面。
67.如权利要求66所述的装置，其特征在于，所述激励器的对向末端中的一端是一平的表面，所述力转移部件的支座表面是一平的表面，且激励器的平的末端表面被设置为靠近力转移部件的平的支座表面。
68.如权利要求67所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面响应激励器的空间位移而施加力到由刚性部分所支承的平的支座表面上。
69.如权利要求68所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面可操作地在激励器的最小工作空间位移上与由刚性部分所支承的平的支座表面相接触。
70.如权利要求68所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面可操作地在激励器的最大工作空间位移上与由刚性部分所支承的平的支座表面相接触。
71.如权利要求61所述的装置，其特征在于，所述激励器的平的末端表面在所有处在激励器的最小工作空间位移和激励器的最大工作空间位移之间的空间位移上可操作地与由刚性部分所支承的平的支座表面相接触。
72.如权利要求54所述的装置，其特征在于，所述刚性部分，所述可绕枢轴旋转的托架部分，和所述力转移部件在一处相接以形成一个力传递机构
73.如权利要求55所述的装置，其特征在于，在一个可绕枢轴转动部分附着于刚性部分之处还包括一个整体弹簧。
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