CN1663059A - 单体压电电动机 - Google Patents
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Abstract
按照本发明的一个装置，包括一个支承结构(12)，具有一个主要部分(14)，带有第一和第二支臂部分(24，26)成形在它的上面，用于彼此相对地移动，以及一个辅助部分(28，32)，带有一个夹紧部分(30，34)或者活门部分，整体地成形在每个支臂部分的一个外末端上，用于与其一起移动。一个主要致动器(16)，工作上与主要支承结构相配合，在响应主致动器的一个电激励时，驱动支臂部分彼此相对地移动。辅助致动器(46，52)工作上与辅助部分相配合，用于在响应每个辅助致动器的一个电激励时，独立地驱动辅助部分在一个开启位置和一个关闭位置之间移动。每个致动器可以彼此独立地工作。装置可以工作以提供一个两方向的电动机，一个两方向的泵或一个两方向的压缩机，它取决于主要和辅助致动器的触发的选择的形状和顺序模式。
Description
相关申请的交叉参考
本申请是下列临时专利申请的继续：Provisional PatentApplication Serial No.60/390,620 filed June 21，2002，将它列于此处供参考。
本发明的领域
本发明涉及一个电动机，一个泵或一个压缩机，带有一个单独的基本机械结构，一个控制顺序以及电机械致动器用于控制运动以及辅助的机械器件，处于运动的多轴内一种精密的方式，从而使用辅助机构的慎重的控制以及使用这些机构之间一个精密的步进运动，人们能够获得各种基本类型的机械工作，并且结构简化和在一个功率水平，是这种类型的尺寸的器件以前决不能达到的。
本发明的背景
使用压电陶瓷以提供连续的运动已是众所周知的。在其它的设备中，比如“英寸暖电动机”(Inch Worm motor)，例如见下列专利所述：United States Patent 4,847,979 issued Oct.17，1989，公开一种机构能够做出一些类似的贡献，最显著的是能够将来自一个压电致动器的运动转化为一个物体的运动。同样人们可以发现，这里需要一组电步骤以达到此运动。转移至物体的运动与压电致动器的运动成正比。因为一个压电叠层致动器通常移动0.004″至0.012″(in)，它需要许多电循环以获得任何适当量的运动。除以上所述的发明外，某些用途要求速度，精度和力的各种不同的关系。
在另一个设计中，比如“陶瓷电动机”例如见下列专利所述：UnitedStates Patent 6,064,140 issued May 16，2000，公开一种机构，带有四个致动器，以接近谐振或处于谐振模式工作。上述的系统同样没有能力满足速度，精度和力的不同的关系，以及具有一个有限的使用范围。
在另一个设计中，比如“机器工具用的三轴控制”例如见下列专利所述：United States Patent 5,558 557 issued September 24，1996，公开一种机构，带有多个致动器，与一个复杂的机械组件在三个轴上工作，以控制机器工具台，以获得一个精密的机械运动。此装置要求许多部件、传感器和复杂的控制件以获得这种功能。
在另一个设计中，比如E-块头叠层微致动器组件“(E-Block Headstack Microactuator Assembly)例如见下列专利所述：United StatesPatent 6,025,975 issued February，15，2000，公开一个机构，带有一个单独的致动器，与一个简单的机械组件在一个单独轴上工作以控制一个盘驱动的一个传感头，以获得一个精密的机械运动。此系统具有一个简单的结构；它的运动仅在一个轴上。
在另一个设计中，比如“致冷系统用的气密压缩机”，例如见下列专利所述，United States Patent 6,004,115 issued December，21，1999，公开一个机构，带有许多致动器，以达到压缩一个流体的目的。这个系统的不同之处在于，压电致动器是直接地与被压缩或泵送的介质接触，以及没有提出措施用于与压电致动器相关的公差问题。
在另一个设计中，比如“线性电动机驱动器件”，例如见下列专利所述：United States Patent 4,736,131 issued April，5，1988，公开一个机构带有多个致动器与支臂组件在两个轴上工作以产生一个直线运动。之后，此系统也不具有一个单独的底板结构是同时制造的，以减少公差的重叠，它是多个部件相对于带有小运动的致动器带来的。
本发明的概述
本发明提供一个机构，基于一个单独的主要结构，电机械致动器和电控制顺序，它使有可能设计有效的电动机，泵和压缩机，而没有复杂的机器带来的能量损失。本发明提供一个电动机机构，带有最低数目的部件。如在压电电动机技术中已知，在电动机内全部部件的对准可能是一个挑战性的任务。
按照本发明的电动机克服了这些问题，借助具有一个单独的主体，包括夹紧表面和一个同时机加工的推进机构，从而减少了公差重叠的问题。
本发明公开一个装置，包括一个支承结构，具有一个主要部分，带有第一和第二支臂成形在它的上面，用于彼此相对地移动，以及一个辅助部分，整体地成形在每个支臂的一个外端上，用于与它一起移动，以及一个主要致动器，工作上可以与支承结构的主要部分相配合，以便在响应主要致动器的一个电激励时驱动这些支臂彼此相对地运动，以及辅助致动器，工作上可以与支承结构的辅助部分相配合，以便在响应每个辅助致动器的一个电激励时，独立地驱动每个辅助部分在一个开启位置和一个关闭位置之间移动，每个致动器可以彼此独立地工作。一个力传送元件传送一个力离开和到达主要致动器，以彼此相对地移动第一和第二支臂。此装置能够使用于操作一个电动机或一个压缩机，使用一个单独的基本机械结构，控制顺序以及电机械致动器，它使能够控制运动以及辅助的机械器件处于运动的多轴内一种精密的方式，从而使用辅助机构的慎重的控制以及使用这些机构之间一个精密的步进运动，本发明能够获得许多类型的机械工作用的基本操作，并且结构简化和在一个功率水平，是这种类型和尺寸的一个器件以前决不能达到的。
本发明的其它用途对于技术熟练人员变得易于理解，如果将下列最佳模式的说明作为实践本发明考虑并配合附图来阅读。
附图的简要说明
这里的说明参见附图，其中在各图中相同的图号表示相同的部件，以及其中：
图1A和1B是按照本发明的一个装置的由相对侧面的透视图；
图2是图1A装置的一个侧视图；
图3是图1A装置的一个顶视图；
图4A-4E是简化的示意图，示出图1A-3内所示按照本发明的装置的每个循环运动的五个步骤；
图5A和5B是按照本发明的装置的一个代替的实施例的由相对侧面的透视图；
图6是图5A和5B内所示本发明的实施例的一个代替的形状；
图7是一个器件的简化的细节图，用于对按照本发明的一个致动器预加载一个压缩力；以及
图8是一个应力曲线图，示出按照本发明的装置的铰链部分内的应力的局部化。
优选的实施例的说明
参见图1A和1B，描述一个按照本发明的线性电动机10，示出电动机的内部特点和部件。所示的线性电动机10用于描述的目的。单一的单体的单独件支承结构12组成电动机用的基板。支承结构12包括一个主要部分和一个辅助部分。支承结构12包括一个刚性的主要腹板部分14用于支承地接触主要压电致动器16的一端。支承结构12的主要部分包括上和下主要侧面部分18，20以及主要腹板部分14，以形成支承结构12的一个刚性的C-形部分22的一部分，用于支承上和下主要可枢动支臂部分24，26。辅助部分能够包括活门部分，与图5和6所示的那些类似，或第一和第二夹紧部分30，34。上主要支臂部分24支承一个第一辅助部分28，从而使一个上可枢动夹紧部分30以及下主要支臂部分26支承一个第二辅助部分32，比如一个下可枢动夹紧部分34。主要可枢动支臂部分24，26能够是任何希望的长度，或者能够形成与每个可枢动夹紧部分30，34的辅助腹板部分36，38相同的结构部件。一个主要力传送元件部分40连接至上主要支臂部分24，接近与上主要侧面部分18的接头，以及还连接至下主要支臂部分26，接近与下主要侧面部分20的接头，形成器件用于传送运动由力传送器件40以移动上和下可枢动夹紧部分30，34彼此相对地移动。主要压电致动器16被捕获和保持在刚性的主要腹板部分14和主要力传送元件部分40之间的压缩下。
上夹紧部分30包括两个相对的表面48，50。当适当的电信号施加至一个辅助压电致动器46，辅助致动器46改变尺寸或沿着一个预定的轴空间地位移。空间的改变与电压成正比。换句话说，最小的电压等于最小的空间位移，最大的电压等于最大的空间位移，以及比例的空间位移是借助在最小和最大值之间改变电压达到的。因此，当一个最大的电压施加至辅助致动器46时，相对的表面48，50移动至彼此相距最大的距离。当一个最小电压施加至辅助致动器46时，相对的表面48，50移动至彼此相距最小的距离，以响应形成单一的单体的单独件支承结构材料的“弹性回弹”效应。当一个改变的电压施加至辅助致动器46时，两个相对的表面48，50以一个比例的方式彼此相对地移动。
下夹紧部分34包括两个相对的表面54，56，以及一个辅助压电致动器52，可以独立于辅助致动器46工作。当适当的电信号施加至辅助压电致动器52时，辅助致动器改变尺寸或者沿着一个预定的轴空间地位移。空间的改变与电压成正比。换句话说，最小的电压等于最小的空间位移，最大的电压等于最大的空间位移，以及比例的空间位移是借助在最小值和最大值之间改变电压达到的。因此，当一个最大的电压施加至辅助致动器52时，相对的表面54，56移动至彼此相距最大的距离。当一个最小的电压施加至辅助致动器52时，相对的表面54，56移动至彼此相距最小的距离，以响应形成单一的单体的单独件支承结构的材料的“弹性回弹”效应。当一个改变的电压施加至辅助致动器52时，两个相对的表面54，56以一个比例的方式彼此相对地移动。
以一个类似的方式，主要压电致动器16被捕获在主要腹板部分14和主要力传送元件部分40之间。整体地连接至支承结构12的主要力传送元件部分40的是上夹紧部分30，通过一个整体地成形的上主要铰链部分58，更具体地说，通过铰链腹板59(如图2内所示)，以及下夹紧部分34通过一个整体成形的下主要铰链部分70，更具体地，通过铰链腹板71(如图2内所示)，当最大的电压施加至主要压电致动器16时，主要压电致动器改变尺寸或者沿着一个预定的轴空间地位移。主要腹板部分14与上和下主要侧面部分18，20一起限定支承结构12的一个C-形部分22，它具有足够的尺寸和材料强度，以避免支承结构12在预期的设计载荷和无限期的寿命下结构的任何屈服或塑性变形。因此传送至主要力传送元件部分40的力引起上和下可枢动夹紧部分30，34在沿轴“A”的一个弧形内移动。当最大的电压施加至主要致动器16时，在上和下夹紧部分30，34的相对的表面42，44之间的距离改变至最大的空间位移。当最小的电压施加至主要致动器16时，在上和下夹紧部分30，34的相对的表面42，44之间的距离改变至彼此相对最小的空间位移。当一个改变的电压施加至主要压电致动器16时，上和下夹紧部分30，34的相对的表面42，44以一个比例的方式彼此相对地移动。
图2是线性电动机10的一个侧视图。主要腹板部分14与上主要侧面部分18和下主要侧面部分20一起组成支承结构12的基本C-形部分。可枢动夹紧部分30，34与支承结构12的C-形部分，主要力传送元件部分40以及在它们之间延伸的整体的铰链部分相结合，限定电动机10。主要压电致动器16放置在刚性的主要腹板部分14的一个表面和主要力传送元件部分40之间。主要压电致动器16被捕获在支承结构12的主要腹板部分14和主要力传送元件部分40之间。当最大的电压施加至主要压电致动器16时，主要压电致动器16改变尺寸或沿着一个预定的轴空间地位移。刚性主要腹板部分14与刚性上和下侧面部分18，20一起限定支承结构12的C-形部分22。整个支承结构12具有足够的尺寸和材料强度，以避免支承结构12在预期的设计载荷和无限期的寿命下结构的任何屈服或塑性变形。因此传送至主要力传送元件部分40的主要力引起两个可枢动夹紧部分30，34彼此相对地移动。当最大的电压施加至主要压电致动器16时，在上和下夹紧部分30，34的相对的表面42，44之间的距离改变至彼此相对最大的空间位移。当最小的电压施加至主要压电致动器16时，在上和下夹紧部分30，34的相对的表面42，44之间的距离改变至彼此相对最小的空间距离。主要致动器16的空间改变与施加的电压成正比，因此上和下夹紧部分30，34的相对的表面42，44之间的距离是成正比的。
图3是线性电动机10的一个顶视图。主要腹板部分14与主要上侧面部分18一起组成整个支承结构12的基本主要C-形部分的一半。通过一个整体地成形的上主要铰链部分58整体地连接到支承结构12的C-形部分22，以及更具体地，铰链腹板60(如图2所示)是上夹紧部分30。上夹紧部分30包括一个辅助腹板部分36，一个第一辅助支臂部分62，一个第二辅助支臂部分64和相对的表面48，50，以限定上夹紧部分30的整个支承结构12的上辅助C-形部分66。上夹紧部分30具有足够的尺寸和材料以避免在第一辅助部分28，比如夹紧部分30的设计载荷和无限期的寿命下结构的屈服或塑性变形。
当辅助压电致动器46激励时，相对的夹紧表面48，50彼此相对的地移动。辅助压电致动器46被捕获在第一辅助支臂部分62和第二辅助支臂部分64之间。相对的表面48，50提供夹紧表面。当辅助压电致动器46激励时，辅助致动器46改变尺寸或沿着一个预定的轴空间地位移，以及传送至第一辅助支臂部分62和第二辅助支臂部分64的力引起辅助的支臂彼此相对地移动。当最大的电压施加至辅助压电致动器46时，相对的表面48，50之间的距离改变至彼此相对最大的空间位移。当最小的电压施加至辅助压电致动器46时，相对的表面48，50移动至彼此相对最小的空间距离。辅助致动器46的空间改变与施加的电压成正比，因此相对的表面48，50之间的距离彼此相对地成正比。使用相对表面48，50之间距离的空间改变，本发明能够提供一个可移动的元件68，比如一个往复杆或一个转动盘，定尺寸为这样，使在最小空间位移时可移动元件68被捕获，以及在最大空间位移时可移动元件68释放。可移动元件68可以包括螺纹或任何其它适当的握持增强表面。
现在参见图1A，1B和2，主要腹板部分14与下主要侧面部分20组成整个支承结构12的基本的主要C-形部分22的一半。通过一个整体成形的下主要铰链部分70整体地连接至支承结构12的C-形部分22，以及更具体地，铰链腹板72是下夹紧部分34。下夹紧部分34包括一个辅助腹板部分38，一个第一辅助支臂部分74，一个第二辅助支臂部分76，以及相对的夹紧表面54，56，以限定整个支承结构12的下辅助C-形部分78。下辅助C-形部分78具有足够的尺寸和材料，以避免在夹紧部分34的设计载荷和无限期的寿命下结构的屈服或塑性变形。当辅助压电致动器52激励时，相对的表面54，56彼此相对地移动。辅助压电致动器52被捕获在第一辅助支臂部分74和第二辅助支臂部分76之间。两个相对的表面54，56提供夹紧表面。当辅助压电致动器52激励时，辅助致动器52改变尺寸或沿着一个预定的轴空间地移动，以及传送至第一辅助支臂部分74和第二辅助支臂部分76的力引起辅助支臂彼此相对地移动。当最大的电压施加至辅助压电致动器52时，相对的表面54，56之间的距离改变至彼此相对最大的空间位移。当最小的电压施加至辅助压电致动器52时，相对的表面54，56移动至彼此相对最小的空间距离。辅助致动器52的空间改变与施加的电压成正比，因此相对的表面54，56之间的距离彼此相对地成正比。使用相对表面54，56之间距离的空间改变，本发明提供一个可移动元件68，定尺寸为这样，在最小空间位移时可移动元件68被捕获，以及在最大空间位移时可移动元件68释放。可移动元件68包括一个往复杆或一个转动盘。可移动元件68也可以包括螺纹或任何其它适当的握持增强表面。
图4A-4E是一个简化示意图，示出如图1A-3所示按照本发明的单体电动机运动要求的步骤的顺序。图4A示出电动机10处于第一位置。当处于第一位置时，夹紧部分30是开启的，并且使辅助致动器46激励，而固定的夹紧部分34关闭，并且使辅助致动器52去激励，以及主要致动器16去激励。应该指出，夹紧部分34是固定的或使用作为一个基准点。图4B示出电动机10处于一个第二位置。当处于第二位置时，夹紧部分30是开启的，并且使辅助致动器46激励，而固定的夹紧部分34关闭，并且使辅助的致动器52去激励，以及主要致动器16激励，以空间地位移夹紧部分30由基准至固定的夹紧部分34。图4c示出电动机10处于一个第三位置。当处于第三位置时，夹紧部分30是关闭的，并且使辅助致动器46去激励，而固定的夹紧部分34是关闭的，并且使辅助致动器52去激励，以及主要致动器16激励，从而使夹紧部分30保持空间地位移，由基准至固定的夹紧部分34。图4D示出电动机10处于一个第四位置。当处于第四位置时，夹紧部分30是关闭的，并且使辅助致动器46去激励，而固定的夹紧部分34是开启的，并且使辅助的致动器52激励，以及主要致动器16激励，从而使夹紧部分30保持空间地位移由基准至固定的夹紧部分34。图4E示出电动机10处于一个第五位置。当在第五位置时，夹紧部分30是关闭的，并且使辅助致动器46去激励，而固定的夹紧部分34是开启的，并且使辅助致动器52激励，以及主要致动器16去激励，从而使夹紧部分30不再空间地位移由基准至固定的夹紧部分34。在此步骤中，由于夹紧部分30是关闭的，并且使辅助致动器46去激励，以及主要致动器16去激励，可移动元件68保持在夹紧部分30内移动接近固定的夹紧部分34。
电动机能够在一秒内进行五步骤程序许多次。因此，可移动元件68的大的和迅速的运动可以达到。在本发明的一个特定的实施例中，此五步骤的一个单独的循环将提供可移动元件68的最大移动量约0.010in。因此，例如，在一个每秒100循环的工作速度下，可移动元件能够达到一个速度为约1in/sec。在实践中最大的运动或位移取决于多个因素。这些因素包括：1)工作的频率；2)施加至主要致动器16的最大电压的百分率；3)本发明的一个特定的实施例的部件部分的“尺寸”；4)作用在可移动元件上的载荷。技术熟练人员可以看出，这里所述的本发明能够以各种“尺寸”实施。在下文中，单独的部件的“尺寸”，例如，主要致动器16可以在整个实施例的一个特定的“尺寸”内改变。如同对于任何的机械系统，比如一个电动机。如果施加的一个载荷超过系统能够供给的力，此系统将停止或终断移动。在本发明中，如同对于许多其它的机械系统，当载荷接近最大的系统力时，速度可能减小。然而，本发明没有一个特定的力限制。同样，整个实施例或单独的部件的“尺寸”例如主要致动器16能够改变，以获得一个广泛的工作力。
应该指出，一个单独的步骤产生的运动大于压电致动器的最大的空间位移，以及电动机结构10的铰链排列同时起到铰链和机械放大器的作用。五步骤程序可以重复或两次或多次循环，以产生较大的运动。同样地，本发明当作为一个电劝机，泵或压缩机工作时，不必施加完全的激励电压至主要致动器16，导致完全的空间位移，本发明能够借助减少至主要致动器16的激励电压，来控制步骤的尺寸，以便获得压电致动器的比例性能的优点。以这样的方式，例如，本发明能够或者以一个固定的位移，或者以一个改变的位移模式工作。再者，借助改变控制步骤的速度，本发明的特定的实施例的工作速度可以改变。并且，位移量和速度两者可以动态地改变。这就是说，在工作中的任何时间位移量和位移速度可以有效地改变。
用于运动的工作程序能够改变，以产生在其它方向上的运动，这时借助激励主要致动器16，而可移动夹紧部分30是关闭的，以及固定的夹紧部分34是开启的，以及借助主要致动器16的去激励，而可移动夹紧部分30是开启的，以及固定的夹紧部分34是关闭的。
图5A和5B描述按照本发明的一个压缩机或泵10a，示出压缩机或泵的外部特点和部件。在示意图中所示的压缩机或泵是为了描述的目的。图5A，5B和图6所示的特定的实施例描述泵送或压缩的一种风箱的方法。技术熟练人员应该理解，本发明适用于广泛的泵/压缩机方法，包括，但不局限于正排量和可变排量泵/压缩机的能力。例如，可以使用一个活塞或一个膜片以代替所述的风箱。前述的实例并不意味在有关泵和压缩机方面确定本发明的限制，而仅是指出，使用本发明能够实现泵送技术的一个广阔的范围。
单一的单体的单独件支承结构12a组成压缩机或泵用的基板。支承结构12a包括一个主要部分和一个辅助部分。支承结构12a包括一个刚性的主要腹板部分14a用于支承地接触一个主要压电致动器16a的一个表面。上主要侧面部分18a支承一个第一辅助部分28a，比如一个上可枢动活门部分80，以及下侧面部分20a支承一个辅助部分32a，比如一个下可枢动活门部分82。上和下主要侧面部分18a，20a与主要腹板部分14a相配合组成整个支承结构12a的一个刚性的C-形部分22，用于支承上和下主要可枢动支臂部分24a，26a。主要可枢动支臂部分24a，26a可以是任何希望的长度，或者是相同的结构部件，如同每个上和下活门部分80，82的辅助腹板部分36a，38a(见图6)。一个主要力传送元件部分40a通过整体成形的铰链部分58a，以及更具体地，铰链腹板59a连接至辅助支臂部分24a，接近与上侧面部分18a的接头，以及还通过整体成形的铰链部分70a，更具体地，铰链腹板71a连接至辅助支臂部分26a，接近与下侧面部分20a的接头。整体成形的铰链部分58a，70a限定器件用于传送移动由主要力传送元件部分40a，通过铰链腹板59a，71a至主要可枢动支臂部分24a、26a，支承上和下可枢动活门部分80，82，以便围绕铰链腹板60a，72a的枢动。
主要压电致动器16a被捕获和保持在刚性主要腹板部分14a和主要力传送元件部分40a之间的压缩状态。当适当的电信号施加至主要压电致动器16a时，它保持在与主要腹板部分14a和主要力传送部分40a相关的表面之间，主要致动器16a改变尺寸或沿着一个预定的轴空间地位移。空间的改变与电压成正比。换句话说，最小的电压等于最小的空间位移，最大的电压等于最大的空间位移，以及比例的空间位移是借助在最小和最大值之间改变电压达到的。因此，当一个最大的电压施加至主要致动器16a时，上和下活门部分80，82的相对的表面42a，44a彼此移动至最大的距离。当一个最小的电压施加至主要致动器16a时，上和下活门部分80，82的相对的表面42a，44a彼此移动至最小的距离。当一个可变的电压施加至主要致动器16a时，上和下活门部分80，82的两个相对的表面42a，44a以彼此相对一个比例的方式移动。
一个泵机构84放置在相对的表面42a，44a之间，以及能够借助施加电压至主要压电致动器16a进行伸展或压缩。上活门部分80包括两个相对的表面54a，56a，一个辅助压电致动器46a，以及一个辅助力传送元件部分86a，带有整体的铰链部分88，90，以提供机械的放大。当适当的电压施加至整个支承结构12a的上活门部分80内的辅助压电致动器46a时，辅助压电致动器46a改变尺寸或沿着一个预定的轴空间地位移。空间的改变与电压成正比。换句话说，最小的电压等于最小的空间位移，最大的电压等于最大的空间位移，以及比例的空间位移是借助在最小和最大值之间改变电压达到的。因此，当一个最大的电压施加至辅助致动器46a时，相对的表面54a，56a彼此移动至最大的距离。在内部，一个标准的气动型2-路活门设置在一个配件92和泵机构84之间上活门部分80内。2-路活门能够借助施加电压至辅助压电致动器46a而开启和关闭。
下活门部分82包括两个相对的表面54a，56a，一个辅助压电致动器52a和一个辅助力传送元件部分94，带有整体的铰链部分96，98，以提供机械的放大。当适当的电信号施加至支承结构12a的下活门部分82内的辅助压电致动器52a时，辅助致动器52a改变尺寸或者沿着一个预定的轴空间地位移。空间的改变与电压成正比。换句话说，最小的电压等于最小的空间位移，最大的电压等于最大的空间位移，以及比例的空间位移是借助在最小和最大值之间改变电压达到的。因此，当一个最大的电压施加至辅助致动器52a时，相对的表面54a，56a彼此移动至最大的距离。在内部，一个标准的气动型2-路活门设置在配件100和泵机构84之间下活门部分82内。2-路活门能够借助施加电压至辅助压电致动器52a而开启和关闭。
与图4A-4E相似，步骤的一个程序可以设计为导致一个泵送动作。给出泵使用一个可编程活门结构，流动的方向将取决于在上和下活门部分80，82和泵机构84之间的步骤的程序。因此，按照本发明的泵可考虑为双向的。
图6示出图5A和5B所示基本结构的一个代替的形状。全部的部件和特点与图5A和5B所述的相同，其不同之处在于第一辅助部分28b，比如整个支承结构12a的上活门部分80是沿着一个轴转动以激励，此轴基本上垂直于第二辅助部分32a的激励轴延伸，比如下活门部分82。此形状应与图5A和5B内所示的激励轴比较，它们设置为基本上彼此平行。应该理解，本发明还可包括这样的形状，其中两个辅助辅助部分28b，32a，比如上和下活门部分80，82可以转动由图5A和5B所示的取向至图6内类似于相对于活门部分80的一个取向，从而使两个活门部分80，82设置为沿着一个基本上共同的激励轴激励。
再次参见图1A-3，一个装置10，比如使用作为一个电动机，泵或压缩机示出。此装置包括一个单一的单体的单件支承结构12。支承结构12包括一个主要部分和一个辅助部分。支承结构12的主要部分包括一个刚性的不可挠曲的主要腹板部分14和刚性的不可挠曲的主要侧面部分18，20。刚性的侧面部分18，20通过整体成形的铰链部分58，70，以及更具体地，铰链腹板60，72可枢动地支承主要支臂部分24，26。支承结构包括辅助部分28，32，比如可枢动夹紧部分30，34，与主要腹板部分14整体地连接。第一和第二主要侧面部分18，20在主要腹板部分14和夹紧部分30，34之间延伸以及与它们整体地连接。相对的表面48，50和54，56形成在相关的第一和第二夹紧部分30，34上。一个主要力传送元件部分40传送力由主要致动器16至主要支臂部分24，26，通过主要铰链部分58，70，更具体地，铰链腹板59，71支承第一和第二夹紧部分30，34。主要致动器16能够移动主要支臂部分24，26，支承第一和第二夹紧部分30，34彼此相对在第一和第二位置之间。在所示的实施例中，当主要致动器16在激励中伸展时，相对的表面42，44移动彼此离开至第二位置，以及当没有激励主要致动器16收缩时，相对的表面42，44移动彼此接近至第一位置。主要致动器16能够使用一个适当量的激励工作，以达到在完全伸展和完全收缩位置之间的任何位置。
每个辅助部分28，32，比如第一和第二夹紧部分30，34包括辅助可枢动支臂部分62，64和74，76，分别地由相关的辅助腹板部分36，38延伸。如果希望，辅助支臂部分能够成形为成对的，由基本上L-形支臂对组成。相对的表面48，50和54，56形成在相关的辅助支臂部分62，64和74，76末端上。辅助致动器46，52可以工作上与辅助部分28，32接合，比如分别地在第一和第二夹紧部分30，34的第一和第二支臂部分62，64和74，76之间，如图1A-3所示。辅助致动器46，52能够在激励时移动辅助支臂部分62，64和74，76以及相关的相对的表面48，50和54，56彼此相对地移动。
现在参见图2，支承结构12包括整体成形的主要铰链部分58和70。分别地主要铰链部分58是由相邻的铰链腹板60，59形成的，以及主要铰链部分70是由相邻的铰链腹板72，71形成的。主要铰链部分58和70是工作上连接主要侧面部分18，20，主要可枢动支臂部分24，26以及主要力传送元件部分40。相邻的铰链腹板60，59是位于彼此的附近，以及基本上彼此平行地延伸。相邻的铰链腹板71，72是位于彼此的附近，以及基本上彼此平行地延伸。借助实例的方式而不是限制，如图1A-3所示，整体的铰链部分58和70是借助产生在支承结构12内减少的横截面形成的，并带有狭缝102，104，106，108，110和112(如图2内所示)。这些狭缝102，104，106，108，110和112限定基本上平行的铰链部分58，70，以及更具体地，铰链腹板60，59，72和71，用于允许主要支臂部分24，26相对于支承结构12的刚性的不可挠曲的侧面部分18，20枢动。铰链部分是由足够强度的材料制造，以防止失效或塑性变形，以及提供在预期的设计载荷通过支承结构12传送时支承结构12无限期的寿命。铰链部分58，70定尺寸以最大地传送来自主要致动器16的力，以促进主要支臂部分24，26的枢动。力传送元件部分40是刚性的，以便有效地传送来自致动器16的功率至主要可枢动支臂部分24，26。力传送元件部分40是刚性的，以防止支承结构的刚性部分的任何弯曲，否则将导致功率传送效率的降低。
现在参见图3，示出上辅助部分28，比如第一夹紧部分30的一个顶视图。第一夹紧部分30的相对的表面48，50以及第二夹紧部分34的相对的表面54，56(示于图1B内)，每个具有一个成形凹槽或增强夹持表面122成形在它的上面，用于接合一个可移动元件68(图1A和1B内所示)具有一个辅助的形状或表面。致动器16，46和52的一系列的预定的移动能够导致装置10相对于支承结构12移动可移动元件68。致动器16，46和52能够是技术熟练人员已知的任何不同的，包括但不局限于压电致动器和/或磁致伸缩致动器。
主要力传送元件部分40和主要可枢动支臂部分24，26设计为基本上刚性的元件部分。这些元件的任何弯曲，即使是微观的也会导致由于不希望的移动引起的无效功率传送。通常，压电致动器的移动叠加是微观的，基本上约为叠加长度的0.1％。根据本发明预期的叠加，比如移动，能够达到约1500microinches(微英寸)至100microinches最大位移，它取决于真实的实施例。因此，支承结构12的全部部件典型地设计为减少不希望的移动。在极端情况下，超过4microinches的移动应考虑为非刚性的和对于本发明的支承结构12在预期的设计载荷下和无限期寿命方面是不希望的。在真实的实践中，刚性更有效地确定为两个位移距离或移动的比率，即侧面部分，例如18，20的彼此接近和离开的位移距离或移动与在力传送元件40自由弯曲时位移距离的比率(即在此处自由弯曲确定为不抵抗载荷和不传送功率的工作)。在本文中，侧面部分18，20的一个位移距离或移动超过力传送元件40的位移距离或自由弯曲的10％应考虑为按照本发明的非刚性。在实践中，这个百分率典型地极低，例如，在一个实施例中，其中压电叠加为约0.394in长，不希望的侧面部分移动与自由弯曲的比率为约2％。结构刚性和最终性能效率的另一个指标是测量的支臂部分，例如24，26的自由弯曲与此移动的理论值或计算值的比率(即假设通过理论的刚性结构移动的零损失)。最小的效率是借助本发明使用此定义为约80％达到的。此外，高达约90％的效率可以按照本发明达到。可以预期，超过90％的效率可以借助按照本发明的形状达到。按照本发明，支承结构12的所有部分考虑为“刚性的”，但铰链部分除外。铰链部分是支承结构仅有的部件或部分，在此处挠曲，弯曲和移动是希望的。铰链部分是支承结构内最大应力的位置。铰链部分几何形状的弯曲点精密地选择以便于优化一个特定用途的性能。设计过程可以由下列方法支持，借助铰链部分的放大作用以满足特定的用途。例如，铰链部分几何形状专门地设计为最大的性能，而没有应力疲劳断裂。借助实例而不是限制，有限元分析表明铰链的寿命在工业用途文件的范围内应是“无限期”的。器件的实验室试验使用一个压电叠加作为主要致动方法，并与本发明教导的移动放大器相配合已超过五亿次工作。装置10能够由一种均匀的材料制造，比如钢，或任何适当的材料或技术熟练人员已知的复合材料，只要所选择的材料能满足对于特定用途以上讨论的设计判据。
现在参见图5A，5B和6，示出本发明的一个代替的实施例，用于移动一个可移动的元件，比如一个流体。此流体或者是一个液体，或者是一个气体相。装置10a能够使用作为一个泵，用于泵送流体由一个位置至另一个位置，或者能够使用作为一个压缩机，用于压缩流体，使用于借助实例而不是限制，空调系统，热泵系统，致冷系统等。按照本发明的装置10a包括一个支承结构12a。支承结构12a包括一个主要部分和一个辅助部分。主要部分能够包括一个刚性的不可挠曲的主要腹板部分14a，上和下主要侧面部分18a，20a，一个主要力传送元件部分40a以及上和下主要可枢动支臂部分24a，26a。支承结构的辅助部分能够包括第一和第二夹紧部分与图1A-3所示的那些相类似，或第一和第二活门部分80，82。每个第一和第二活门部分80，82能够包括一个刚性的不可挠曲的辅助腹板部分，第一和第二侧面部分，一个辅助力传送元件，以及第一和第二辅助可枢动支臂部分。
第一和第二主要侧面18a，20a由主要腹板部分14a延伸向外和与它整体地连接。主要力传送元件部分40a传送力由一个主要致动器16a通过第一和第二主要可枢动支臂部分24a，26a以移动支承的第一和第二活门部分80，82彼此相对地移动。主要致动器16a移动第一和第二活门部分80，82在第一和第二位置之间彼此相对地移动。当主要致动器16a去激励时，相对的表面42a，44a移动彼此接近至第一位置，以及当主要致动器16a完全激励时，相对的表面42a，44a移动彼此分离至第二位置。一个泵机构84比如一个风箱位于可枢动支臂部分24a，26a的相对的表面42a，44a之间，用于在两个泵送室位置之间移动：当主要致动器16a激励时在一个伸展的正排量泵送室位置，以及当主要致动器16a去激励时在一个收缩的正排量室泵送位置。正排量泵送室的伸展和收缩限定本发明的泵送作用。
每个活门部分80，82能够包括第一和第二辅助侧面部分124，126，128，130，分别地由相关的辅助腹板部分36a，38a延伸向外，用于支承辅助可枢劝支臂部分62a，64a；74a，76a。分别地，相对的表面42a，44a形成在相关的支臂部分62a，64a上，以及相对的表面48a，50a形成在相关的支臂部分74a，76a上。辅助致动器46a，52a工作上接合在相关的辅助力传送元件部分86，94以及相关的辅助腹板部分36a，38a之间。在内部，一个标准的气动型2-路活门设置在配件92，100和泵机构84之间每个活门部分80，82内。2-路活门能够借助施加电压至辅助压电致动器46a，52a而开启和关闭。致动器46a，52a在两个位置之间移动第一和第二活门部分80，82，当去激励时在一个正常关闭位置，以及当激励时在一个开启位置。
主要铰链部分58a和70a基本上与图1A和1B所示第一实施例的主要铰链部分58、70相同。主要铰链部分58a和70a基本上定位为彼此平行。主要铰链部分58a，70a以及更具体地，铰链腹板254a，258a在主要力传送元件部分40a和主要可枢动支臂部分24a，26a之间延伸，而铰链腹板60a，72a在支承结构12a的主要侧面部分18a，20a和主要可枢动支臂部分24a，26a之间延伸。每个辅助部分28a，32a能够包括辅助铰链部分。为了描述的目的，第一辅助部分28a将详细地说明，而第二辅助部分32a是相同的。辅助铰链部分88a，90a基本上定位为彼此平行。辅助铰链部分88a，90a，以及更具体地铰链腹板116a，120a在辅助力传送元件部分86和辅助可枢动支臂部分62a，64a之间延伸，而铰链腹板114a，118a在支承结构12a的辅助侧面部分24a，26a和辅助可枢动支臂部分62a，64a之间延伸。辅助铰链腹板114，116和118，120分别地成形在辅助部分28a和32a内，以允许在相对的表面42a，44a和48a，50a之间移动。辅助铰链腹板114，116和118，120成形为基本上与主要铰链腹板60a，254a，72a，258a相同。
主要致动器16a和辅助致动器46a，52a可以是压电的，磁致伸缩的，电致伸缩的，或者技术熟练人员已知的其它任何类型的。流体口92，100能够定位为这样，使活门部分80，82基本上彼此平行，如图5A、5B内所示，或者能够基本上定位为彼此正交，如图6内所示，或者能够为活门部分80，82的两个角度取向的任何组合。
按照本发明的一个泵送流体的方法能够包括步骤是关闭第二活门82，而第一活门80保持开启。借助激励主要致动器16a启动泵机构84，移动第一活门部分80离开第二活门部分82，以及通过第一活门部分80抽取流体进入被泵机构84限定的一个腔室。在泵机构84充填之后，借助辅助致动器46a的去激化第一活门部分80关闭，以及第二活门部分82借助辅助致动器52a的激励而开启。流体借助主要致动器16a的去激化由泵机构84排出，以接触被泵机构84限定的腔室，这时第一和第二主要支臂部分24a，26a彼此相对移动接近，压迫流体由泵机构84通过第二活门部分82和由流体口100排出。流体的流动方向借助以上所述步骤的倒转而倒转。泵机构84可以包括风箱，膜片，活塞，正排量室和可变排量室等。
现在参见图7，示出装置10带有一个螺纹122用于供给一个预载荷压力至致动器16。螺纹122与支承结构12的腹板部分14螺纹接合。一个自调节座或刚性的力调焦垫片(force focusing shim)124工作上连接至螺纹122，用于自对准致动器16的相邻末端的支承。自调节座124基本上包括一个拱形或半球形弧面，用于致动器的最佳对准，以避免有害的剪切力在预加载和激励时施加至致动器。在本发明的实验时发现，以一个压缩力预加载致动器，可以有效地增加由致动器16有用的功率输出。此功率放大器能够超过在激励前不使用压缩力预加载的一个相同的致动器高达数倍。由压电叠层组成的致动器不是很适合于放置在剪切力或侧面加载下。借助对在去激化状态的致动器施加一个预加载力此预加载力保证叠层经常处于压缩下，即使在压电叠层放电后返回至原始位置时也是如此。应该理解，预加载用的器件可以是本发明内公开的任何形状的，比如预加载致动器16，16a，46，46a，52和/或52a。换句话说，用于致动器预加载的器件可以提供为或者一个活门/泵形状和/或一个夹紧部分形状，如本发明所述。
现在参见图8，示出按照本发明的一个装置上由试样有限元分析的结果。一个致动器(未示出)传送力通过支承结构112的力传送元件部分146，引起铰链部分258的区域内峰值应力的局部化，更具体地，在铰链腹板252，254内。可枢动支臂部分123由无载荷的一个原始垂直或90°位置弯曲至一个弯曲位置，作为力传送元件部分146施加力通过铰链部分258的结果。
参见图1A-8，一个智能化材料致动器16，16a，46，46a，52，52a，比如一个压电致动器是这样工作，当电功率引入致动器，致动器将在响应电功率时成比例地改变形状。压电致动器设置在支承结构12的相对的表面之间，将引起相关的结构部分的移动，以响应智能化材料致动器的伸展和收缩。应该理解，压电致动器是一种可能的智能化材料致动器，以及其它的器件，比如磁致伸缩材料致动器也考虑在本发明的范围内。
力传送元件部分40，40a，86，94，146，侧面部分18，18a，20，20a，可枢动支臂部分24，26，24a，26a，74a，76a，123以及腹板部分14，36，38设计为按照本发明基本上刚性的。支承结构的这些部分的任何非有意的弯曲，即使是微观的也会由于不希望的移动而导致无效的功率传送。致动器的移动是微观的，典型地为约0.0015in至0.0001in最大位移。不希望的弯曲移动应不超过侧面部分，例如18，20的位移与力传送元件40的自由弯曲时的位移的比率的约10％，以及不希望的移动应更典型地不超过按照本发明使用术语考虑的基本上刚性的约5％。
弯曲点和铰链几何形状精密地选择以优化一个特定的用途的性能。设计过程可以由下列方法支持，采用铰链58，70，88，90，96，98的“放大器”作用以满足要求的规范，以借助性能的最大化使用于一个特定的用途，而没有引起材料疲劳。有限元分析已显示铰链的寿命在工业用途文件的范围内应是“无限期的”。器件的实验室试验使用一个压电叠层作为主要致动方法，并与本发明教导的移动放大器相配合已超过五亿次工作。
应该理解，本发明能够包括支承结构的主要和辅助部分，支承结构构造为带有一个腹板部分和向外延伸的支臂部分，如图1A-3所示，它能够使用于支承夹紧部分或活门部分和/或能够包括支承结构的主要部分和辅助部分，构造为带有一个腹板部分，向外延伸的侧面部分，一个力传送元件部分和可枢动支臂部分，如图5A-6所示，它能够使用于支承夹紧部分或活门部分。换句话说，公开的支承结构能够使用于任何希望的组合，用于特定的用途，泵送或夹紧，以及以上公开的描述是借助实例的方式，而不是限制。
虽然本发明已配合现在认为最实际之点和优选的实施例描述，应该理解，本发明不应该局限于公开的实施例，然而相反，它有意地覆盖各种改变和等值的排列包括在所附权利要求书的精神和范围内，此范围是根据最广义的解释，从而使在法律允许的条件下包容所有这些改变和等值的结构。
Claims (23)
1.一种装置，包括：
一个支承结构，具有形成在它的上面的第一和第二支臂部分，用于彼此相对地移动，以及一个辅助部分，整体地形成在每个支臂部分的一个外端，用于与它一起移动；以及
一个主要致动器，可操作地与支承结构配合，以便在响应主要致动器的一个电激励时驱动这些支臂部分彼此相对地移动，以及一个辅助致动器，可操作地与每个辅助部分配合工作，以便在响应辅助致动器的一个电激励时驱动每个辅助部分在一个开启位置和一个关闭位置之间移动，每个致动器可以彼此独立地工作。
2.按照权利要求1的装置，其特征在于，还包括：
一个刚性的不可挠曲的腹板部分与支承结构相配合。
3.按照权利要求1的装置，其特征在于，还包括：
一个力传送元件部分，用于传送来自主要致动器的一个力，以便在一个伸展位置和一个收缩位置之间彼此相对地移动相配合的辅助部分，当主要致动器去激励时，辅助部分彼此移动接近至收缩位置，当主要致动器激励时，辅助部分彼此移动分离至伸展位置。
4.按照权利要求3的装置，其特征在于，还包括：
一个刚性的不可挠曲的腹板部分，与腹板部分的向外延伸的侧面部分在腹板部分的相对的末端相配合，限定支承结构的一个刚性的不可挠曲的C-形部分；以及
一对铰链部分，在力传送元件部分和支承结构的每个支臂部分之间，以及在力传送元件部分和支承结构的每个侧面部分之间基本上彼此平行地延伸。
5.按照权利要求1的装置，其特征在于，每个辅助部分还包括：
一个辅助腹板部分，与支承结构的相关的支臂部分整体地接合；以及
第一和第二辅助支臂部分，与每个辅助腹板部分的相对末端整体地配合以及由它们延伸。
6.按照权利要求5的装置，其特征在于，每个辅助部分还包括：
一个力传送元件部分，用于传送来自辅助致动器的一个力，以移动相关的辅助支臂部分在一个开启位置和一个关闭位置之间彼此相对地移动，当辅助致动器去激励时，辅助支臂部分彼此移动接近至关闭位置，以及当辅助致动器激励时，辅助支臂部分彼此移动分离至开启位置。
7.按照权利要求1的装置，其特征在于，每个辅助部分还包括一个夹紧部分。
8.按照权利要求7的装置，其特征在于，每个辅助部分还包括相对的表面，成形在每个夹紧部分上，并带有成形的凹槽，可以与具有一个辅助形状的可移动元件接合。
9.按照权利要求1的装置，其特征在于，每个辅助部分还具有一个活门部分。
10.按照权利要求9的装置，其特征在于，还包括：
辅助部分，限定一个第一活门部分和一个第二活门部分；以及
泵机构，用于泵送一个流体，此泵机构定位在支承结构的第一和第二支臂部分之间，以及与第一活门部分和第二活门部分流体贯通。
11.按照权利要求1的装置，其特征在于，主要和辅助致动器能够以不同的程序系列触发用于两方向的工作。
12.按照权利要求11的装置，其特征在于，能够进行双向的工作以便使可移动元件在相对于支承结构的任何方向上移动。
13.按照权利要求11的装置，其特征在于，能够进行双向的工作，以便在相对于支承结构的任何方向上泵送流体。
14.按照权利要求1的装置，其特征在于，致动器是压电的致动器。
15.按照权利要求1的装置，其特征在于，致动器是磁致伸缩的致动器。
16.按照权利要求1的装置，其特征在于，还包括：
一个第一和第二对基本上平行的铰链，用于第一和第二夹紧部分，以便围绕相应形成的至少一个减小的面积枢动，此减小的面积是借助位于支承结构内结构的每个夹紧部分和每个侧面部分之间以及力传送元件和夹紧部分之间的狭缝产生的。
17.按照权利要求1的装置，其特征在于，支承结构是用均匀的材料制造的。
18.按照权利要求1的装置，其特征在于，支承结构是一个单体结构。
19.按照权利要求1的装置，其特征在于，还包括：
用于预加载至少一个主要和辅助致动器的器件。
20.按照权利要求19的装置，其特征在于，预加载器件还包括：
一个力调焦元件，工作上与至少一个主要和辅助致动器的一端相配合，以及，
一个螺纹，可与支承结构的一个刚性端腹板螺纹接合，此螺纹工作上与力调焦元件相配合，从而使一个预加载力能够在致动器激励之间通过螺纹和力调焦元件施加至致动器。
21.一种方法，包括下列的步骤：
激励一个主要致动器，以便移动一个支承结构的第一和第二主要可枢动支臂部分，由它们彼此相邻的一个第一位置至它们彼此分离的一个第二位置；
激励至少一个辅助致动器，以便移动支承结构的第一和第二辅助可枢动支臂部分，由它们彼此相邻的一个第一位置至它们彼此分离的一个第二位置；以及
顺序地激励和去激励主要和辅助致动器，以进行工作。
22.按照权利要求21的装置，其特征在于，还包括下列的步骤：
开启一个固定夹紧部分，以响应一个第一辅助致动器的激励，而一个正常关闭可移动夹紧部分保持关闭在一个可移动元件上的一个开始位置，以响应一个去激励的第二辅助致动器；
移动可移动夹紧部分离开固定夹紧部分，以响应主要致动器的激励，以便携带可移动元件相对于固定夹紧部分移动；
关闭固定夹紧部分，以响应第一辅助致动器的去激励；
开启可移动夹紧部分，以响应第二辅助致动器的激励；以及
移动可移动夹紧部分至固定夹紧部分，以响应主要致动器的去激励，在可移动元件上关闭以前至开始的位置。
23.按照权利要求21的方法，其特征在于，还包括下列的步骤：
开启一个第一活门，以响应一个第一辅助致动器的激励，而一个正常关闭第二活门保持关闭，以响应一个去激励的第二辅助致动器；
起动一个泵机构，以响应主要致动器的激励，以便抽取流体通过第一活门进入舱室；
关闭第一活门，以响应第一辅助致动器的去激励；
开启第二活门，以响应第二辅助致动器的激励；以及
起动泵机构，以响应主致动器的去激励，以迫使流体通过第二活门。
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