專利名稱：手持式吸管的制作方法
技術領域：
本發明大致涉及手持式吸管，其使用軸向往復移動的活塞以將流體吸入可替換的吸管端頭中和分配到吸管端頭外，并且尤其涉及用于自動控制這種活塞的行程的一種改進的致動器組件和相關系統。
背景技術：
具有手動驅動的活塞和自動行程控制機構的手持式吸管在近十年中已眾所周知。圖14示出了一個這樣的吸管10，這是在1994年由麻薩諸塞州波士頓的Northeastern大學的工程系學生開發。所述吸管10包括活塞12，活塞12在它的下端被接納在柱體14內，柱體14在它的遠端處構造成接納吸管端頭(未示出)。活塞12被可以手動操作的柱塞軸16作用。柱塞軸上的凸緣18被彈簧22彈性迫使緊靠后部止擋20，彈簧22作用在活塞12上。通過反抗彈簧22的偏壓作用手動壓下柱塞軸16，活塞被推進到柱體14中。前止擋24可與凸緣18接合以限制柱塞軸可以被壓下的長度。活塞行程“S”因此被前后部止擋20、24之間的距離限定。
后部止擋20形成框架26的一部分，框架26可滑動地安裝在導軸28上，導軸28以平行于柱塞軸16的關系由殼體支撐。步進電動機30具有它的輸出螺旋軸32，軸32擰入穿過框架26的上部。電動機可操作以使框架26沿著導軸28自動移動，導致后部止擋20的相應調節，并且對活塞12的行程進行相應的調節。
與這種類型的自動行程調節相關的一個問題在于當使后部止擋20朝著前部止擋24推進以減小活塞行程的長度的時候，電動機30必須反抗由彈簧22施加的并且逐漸增加的偏壓力運行。因此，所述電動機必須具有足夠大的尺寸來克服這種偏壓力，或者在進行任何行程調節之前柱塞軸16必須被壓下以釋放后部止擋的負荷。較大的電動機會不利地影響裝置的尺寸和成本，然而，對于預先釋放后部止擋的負荷的要求會不利地使行程調節順序復雜化。較大的電動機也會消耗更多的能量，因此需要更大的電池，這進一步增加了裝置的尺寸和重量。
另一個問題來源于這樣的事實，即壓下柱塞軸16所需要的初始的或者“開始的”力將根據彈簧22響應于之前的后部止擋20的調節而已經被壓下的長度而改變。啟動力的這種變化會使實驗室人員從準確的吸入和分配流體的任務分散其注意力。
所述柱塞軸16和電動機輸出軸32的平行設置也會不利地影響殼體的總體尺寸，并且因此影響裝置的重量，使它制造更加昂貴，使用更加不方便。
本發明的總體目標是提供一種手持式手動驅動的吸管，其包括改進的行程調節機構，所述調節機構消除了上述缺點或者至少基本使其最小化。
發明內容
根據本發明，一種手持式吸管包括殼體，所述殼體設置有腔室以及內部相互間隔的第一和第二止擋。可置換的吸管端頭設置成與所述腔室流體聯通，并且往復運動的活塞與所述腔室共同作用以將流體吸入吸管端頭中并且分配到吸管端頭外。致動器組件可操作以使活塞往復運動。致動器組件具有被分為第一部分和第二部分的總長度，所述第一部分和第二部分分別具有第一和第二接觸表面。
所述致動器組件被彈性地迫使處于靜止位置，在所述靜止位置處，第一接觸表面與第一止擋接觸，并且第二接觸表面與第二止擋間隔一控制距離。致動器組件設置成在它的靜止位置和推進位置之間往復運動，在所述推進位置處，第二接觸表面與第二止擋接觸，并且第一接觸表面與第一止擋間隔開，其中致動器組件的行程和活塞的行程與控制距離相等。
一個電動機驅動的機構設置成使致動器組件的一個部分相對于另一個部分移動，導致相應地改變致動器組件的總長度以及控制距離。
根據本發明的吸管的優選實施例下面將參考附圖更詳細地描述，附圖中
圖1是根據本發明的手持式吸管的透視圖；圖2是穿過所述吸管的豎直橫截面視圖，其中致動器組件的長度被調節到能夠提供最大吸力和流體分配；圖3是圖2中所示的吸管的上部的放大視圖；圖4是沿著圖3的直線4-4截取的水平剖面圖；圖5是沿著圖3的直線5-5截取的水平剖面圖；圖6是沿著圖3的直線6-6截取的水平剖面圖；圖7和圖8是類似于圖3的視圖，顯示了在吸入和分配循環過程中的它的推進過程中的不同階段的致動器組件；圖9是類似于圖3的另一視圖，顯示了被調節到能夠提供最小吸力和液體分配的致動器組件的長度；圖10是沿著圖2的直線10-10截取的剖面圖；
圖11是類似于圖10的視圖，顯示所述柱塞被完全壓下。
圖12和圖13是類似圖2的視圖，顯示用于把電池電連接到行程調節電動機和光學傳感器的可替換的裝置；和圖14是穿過手持式吸管的剖面圖，所述吸管使用具有上述改進的行程調節機構的手動驅動的活塞。
具體實施例方式
首先參考圖1-6和圖10，根據本發明的吸管通常示為40。所述吸管包括具有可拆的蓋子44的外部殼體42。殼體42包圍內部機架(chassis)46，機架46具有中空的導向件48，導向件48從所述殼體的頂面中的開口50向下引導。
固定卡箍(collar)52配合在所述中空導向件48的底端中。浮箍(floating collar)54被彈簧56彈性地迫使緊靠中空導向件48上的內部突出部58。卡箍52上的錐形內部突肩限定第一止擋60，并且浮箍54的上邊緣限定第二止擋62。
腔室64與中空機架導向件48沿軸向對齊。所述腔室從殼體的下端向下伸出到底部遠端，所述底部遠端構造成可釋放地保持可拆的吸管端頭65。
致動器組件包括下列軸向排列的部件步進驅動電動機66，其具有輸出軸，輸出軸具有帶有螺紋的上端68和相對延伸的底端70，底端70承載編碼器輪72；管狀套筒74，穿過浮箍54可滑動地延伸到中空的導向件48中，其中它的上端具有外螺紋以接納基準(reference)卡箍76和柱塞88，并且它的下端具有內螺紋以接納電動機輸出軸的上端68；編碼器殼體78，包括固定到電動機66的下側的上部78a和限定致動器組件的底端的下部78b。活塞80的上端與編碼器殼體的下部78b接合，并且它的下端穿過密封組件82伸入腔室64的上端中。
雖然活塞80示為與致動器組件的底端直接接合，但是本領域的普通技術人員應當認為，其它裝置可以設置用于建立這兩個部件之間的機械聯結。例如，可以使用中間聯結件，這在活塞和致動器組件沒有軸向對齊的情況中是有利的。
電動機66上的逐漸變細的突出部限定了第一接觸表面84，并且基準卡箍76的下邊緣限定第二接觸表面86。致動器組件可以視為被分為第一部分和第二部分，其中第一部分包括電動機66和編碼器殼體78，第二部分包括管狀套筒74、基準卡箍76和柱塞80，其中這兩個部分通過電動機輸出軸的具有螺紋的上端68而相互連接。
如圖10和11清楚所示，至少一個并且優選兩個平行的拉簧90在固定到電動機66的支撐板(anchor plate)92和從中空的機架導向件48的上端橫向伸出的外部臂94之間延伸。例如如圖1-3和圖10所示，彈簧90的作用是彈性地迫使致動器組件處于“靜止(rest)”位置，在靜止位置處，第一接觸表面84與第一止擋60接觸，并且第二接觸表面86與第二止擋62間隔一控制距離“S”。
通過手動壓下柱塞88，致動器組件可以反抗彈簧90的偏壓力從它的靜止位置軸向移動到第一推進位置，如圖7和圖11所示，其中在第一推進位置處，第二接觸表面86與第二止擋62接觸，并且第一接觸表面84與第一止擋60間隔開。第二接觸表面和第二止擋之間的控制距離“S”因此限定致動器組件在它的靜止和第一推進位置之間的行程，其同樣限定活塞80的行程。
流體可以通過下面的方式被抽吸到吸管端頭65中將致動器組件推進到它的第一推進位置，然后將吸管端頭浸沒在流體中，并且然后允許致動器組件返回到它的靜止位置。因此吸入的流體然后通過再次將致動器組件推進到它的第一推進位置而被分配出去。
為了確保所有被吸入的流體已經被分配出去，活塞組件可以反抗彈簧56和彈簧90的偏壓作用被進一步推進到第二推進位置或者”全部噴出(blow out)”位置，如圖8所示。這將導致卡箍54暫時地軸向脫離突出部58，通常，卡箍54被彈簧56偏壓緊靠所述突出部58。
通過驅動步進電動機66以使它的輸出軸68沿著適合的方向旋轉，致動器組件的控制距離“S”可以被自動調節。因此，例如如圖9所示，步進電動機可以被操作以通過使套筒74穿過卡箍54縮進從而減小致動器組件的總長度，因此減小第二接觸表面86和第二止擋62之間的距離，導致控制距離縮小。當卡箍保持被偏壓緊靠導向件48上的內部突肩58的時候可以進行這種調節，并且不需要首先使任何部件從彈簧90的偏壓作用釋放。
如圖4中清楚所示，套筒74具有徑向朝外突出的肋96，肋96接合在卡箍54中的內部凹槽中，并且卡箍依次具有外部凹槽，所述外部凹槽接納中空機架導向件48上的徑向向內突出的肋98。這種互鎖關系防止當電動機66被驅動時套筒74和卡箍54發生旋轉，同時防止套筒74與卡箍54之間以及卡箍54以及導向件48之間的相對軸向移動。
如圖6所示，編碼器殼體78具有徑向向外突出的肋100，肋100接納在機架46的下部中的互補的凹槽中。當電動機66被驅動以實現致動器組件的長度的調節時，這個互鎖關系使電動機66穩定并且防止旋轉。
電動機66通過柔性連接器102連接到電池104，電池104可以通過移除蓋子44而方便地接近。電動機通過具有反饋回路的系統控制，所述系統包括由電動機輸出軸的下端70承載的編碼器輪72。光學傳感器106通過連接器102連接到PC板108上的微處理器。如圖5清楚所示，編碼器輪具有由槽112分開的徑向突出的齒110。其中一個齒110’的寬度為其它齒的寬度的兩倍，并且與雙倍寬度的槽112’成180度設置。
所述光學傳感器包括光源114和光電元件116，所述光源和光電元件分別設置在編碼器輪72的相對的側上。編碼器輪的齒和槽110、112排列在兩個傳感器元件114、116之間。
利用這種設置，光電元件116響應于通過編碼器輪72的旋轉產生的明暗圖案而產生位置信號。位置信號被反饋到微處理器。具有雙倍寬度的齒110’和槽112’均提供間隔180度的實際參考位置。優選的是，齒110和槽112的總數等于步進電動機66的每圈旋轉中的步進的數目，因此使得可以識別電動機的每個步進運動。
控制系統將對電動機旋轉的每個步進進行計數，并且將以預期的時間間隔尋找雙倍寬度的齒110’和槽112’的出現。在它的預期的時間間隔沒有出現雙倍寬度的齒或者槽將指示吸管需要重新設置，從而使得控制系統能夠通過使各個雙倍寬度的齒或者槽重新位于它的預期位置處而自身校正。
所述步進電動機66可以響應于外部鍵盤上手動輸入的指令信號而操作，和/或利用通過麥克風118接收的并且由嵌入微處理器中的語音識別系統處理過的可聽到的指令而操作。
圖12和圖13公開了本發明的改進的實施例，其中柔性連接器102的下端在固定的分叉的終端120處終止。接觸板122電連接到光學傳感器106和電動機66。當活塞組件處于如圖12所示的它的回退的靜止位置時，接觸板122的上端處的按鈕124彈性地并且電接合在終端120的分叉的臂之間，從而閉合電路并且允許進行行程調節。
當柱塞88在吸入和分配循環過程中被壓下時，例如如圖13所示，板122和終端120之間的連接被斷開，但是這不重要，因為在吸入和分配循環過程中不進行行程調節。
在上述內容的啟發下，本領域的普通技術人員應當認為，本發明相對于例如圖14所示類型的現有的吸管提供了顯著的優點。
有利于調節致動器組件的長度，背離止擋調節具有特殊意義，因此使得可以實現活塞行程調節，而不必首先釋放由彈簧部件施加的偏壓力。活塞、操作柱塞和步進電動機的軸向排列有利于緊湊性，這依次降低了成本，并且提高了實驗室人員處理和操作吸管的簡易程度。
反饋控制系統能夠精確地控制和監測行程調節，具有識別錯誤和必要時自身復位的功能。
通過將致動器組件的上部相對于下部移動，其中后者彈性地保持在靜止位置，在靜止位置處，它的第一接觸表面84與第一止擋60接觸，實現了另外的優點，即最終的行程的大小可以作為柱塞88從殼體的頂部伸出的長度的函數而被實際估計。因此，最大行程將參照于最大柱塞伸出長度，如圖3中的“Pmax”所示，而最小柱塞伸出長度在圖9中示為“Pmin”。
權利要求
1.一種手持式吸管，包括殼體，設置有腔室以及內部相互間隔開的第一和第二止擋；吸管端頭，與所述腔室流體聯通；往復運動的活塞，設置成在將流體吸入所述吸管端頭中和分配到所述吸管端頭外的過程中與所述腔室共同作用；致動器組件，用于使所述活塞往復運動，所述致動器組件具有被分為第一部分和第二部分的總長度，所述第一和第二部分分別具有第一和第二接觸表面；彈性裝置，用于迫使所述致動器組件處于靜止位置，在所述靜止位置處，所述第一接觸表面與所述第一止擋接觸，并且所述第二接觸表面與所述第二止擋間隔一控制距離，所述致動器組件被設置成在所述靜止位置和推進位置之間往復運動，在所述推進位置處，所述第二接觸表面與所述第二止擋接觸，并且所述第一接觸表面與所述第一止擋間隔開，所述致動器組件的行程和所述活塞的行程等于所述控制距離；和調節裝置，用于使所述致動器組件的一個部分相對于它的另一個部分移動，所述移動導致所述致動器組件的總長度和所述控制距離的相對應的改變。
2.如權利要求1所述的手持式吸管，其特征在于，所述致動器組件的第二部分包括從所述殼體向外伸出的柱塞，并且其中所述致動器組件的一個部分相對于它的另一個部分的移動導致所述柱塞從所述殼體伸出的長度的相對應的變化。
3.如權利要求1所述的手持式吸管，其特征在于，所述致動器組件的第一部分機械聯接到所述活塞。
4.如權利要求3所述的手持式吸管，其特征在于，所述致動器組件的第一和第二部分同軸設置。
5.如權利要求1-4中任一項所述的手持式吸管，其特征在于，所述調節裝置包括電能驅動的電動機，所述電動機被包括作為其中一個所述部分的整體部件，并且其中所述電動機機械連接到另一個所述部分的整體部件。
6.如權利要求5所述的手持式吸管，其特征在于，所述電能驅動的電動機具有沿著所述致動器組件的長度延伸的輸出軸，所述輸出軸提供所述第一和第二部分之間的連接。
7.如權利要求1所述的手持式吸管，其特征在于，所述第一止擋被固定在所述殼體內，并且其中所述彈性裝置包括至少一個第一彈簧，所述彈簧用于向所述致動器組件施加偏壓力。
8.如權利要求7所述的手持式吸管，其特征在于，所述第一彈簧處于張緊狀態。
9.如權利要求7或8所述的手持式吸管，其特征在于，兩個所述第一彈簧平行設置。
10.如權利要求7所述的手持式吸管，其特征在于，所述殼體包括內部支座，所述第二止擋被由第二彈簧施加的偏壓力彈性地迫使緊靠所述支座，所述致動器組件可響應于增大的操作力移動超過所述推進位置，所述操作力的大小足以克服由所述第一和第二彈簧施加的偏壓力。
11.如權利要求1、7或者10所述的手持式吸管，其特征在于，所述第一和第二止擋分別由圍繞所述致動器組件的第一和第二卡箍限定。
12.如權利要求6所述的手持式吸管，其特征在于，所述電動機通過柔性連接器連接到同樣容納在所述殼體內的電池。
13.如權利要求1所述的手持式吸管，其特征在于，所述調節裝置包括電能驅動的步進電動機，所述電動機被結合作為所述致動器組件的其中一個部分的整體部件。
14.如權利要求13所述的手持式吸管，其特征在于，還包括控制裝置，所述控制裝置用于響應于指令信號自動地控制所述步進電動機的操作。
15.如權利要求14所述的手持式吸管，其特征在于，所述控制裝置包括反饋回路，所述反饋回路具有用于產生位置信號的裝置，所述位置信號指示所述步進電動機的旋轉的每個步進。
16.如權利要求14所述的手持式吸管，其特征在于，所述控制裝置包括編碼器輪和光學傳感器，所述編碼器輪可旋轉地固定到所述步進電動機的輸出軸，所述光學傳感器具有互相對齊的光源和光電元件，所述光源和光電元件設置在所述編碼器輪的相對側上，所述編碼器輪具有沿圓周被槽間隔的外圍的齒，所述光電元件可操作以響應于通過所述槽到所述光源的暴露以及通過所述齒與所述光源的隔離而產生位置信號。
17.如權利要求16所述的手持式吸管，其特征在于，相比其它的齒和槽，所述編碼器輪的所選擇的齒和槽的構造是唯一的。
18.如權利要求16或17所述的手持式吸管，其特征在于，所述齒和槽的總數等于所述電動機的旋轉步進數目。
19.如權利要求2所述的手持式吸管，其特征在于，所述第二部分的柱塞從所述殼體的上端伸出，并且所述腔室從所述殼體的下端伸出。
20.如權利要求1所述的手持式吸管，其特征在于，所述腔室、活塞以及第一和第二止擋同軸設置。
21.如權利要求1所述的手持式吸管，其特征在于，所述致動器組件可響應于施加到所述第二部分的柱塞的操作力移動。
22.如權利要求1所述的手持式吸管，其特征在于，所述調節裝置還包括用于接收手動輸入指令的鍵盤。
23.如權利要求1所述的手持式吸管，其特征在于，所述調節裝置還包括用于接收可聽到的輸入指令的語音識別裝置。
24.一種手持式吸管，包括吸管端頭，與腔室流體聯通；往復運動的活塞，設置成在將流體吸入所述吸管端頭中和分配到所述吸管端頭外的過程中與所述腔室共同作用；致動器組件，用于使所述活塞往復運動，所述致動器組件包括第一接觸表面，所述第一接觸表面與第二接觸表面間隔一致動器長度，所述致動器長度限定所述手持式吸管的相關行程距離；和調節裝置，包括電動機，所述電動機用于把所述致動器組件的所述第一和第二接觸表面中的一個相對于所述致動器組件的所述第一和第二接觸表面中的另一個移動，以改變致動器長度，并且從而改變所述手持式吸管的行程距離。
25.如權利要求24所述的手持式吸管，其特征在于，所述電動機與所述致動器組件整體形成。
26.如權利要求24所述的手持式吸管，其特征在于，在活塞的靜止位置，所述第一接觸表面被迫使緊靠所述手持式吸管的殼體內的第一止擋，并且在活塞的被致動的位置，所述第二接觸表面接觸手持式吸管的殼體內的第二止擋。
27.如權利要求26所述的手持式吸管，其特征在于，所述第一接觸表面與所述電動機整體形成。
28.如權利要求24所述的手持式吸管，其特征在于，所述調節裝置還包括用于接收手動輸入指令的鍵盤。
29.如權利要求24所述的手持式吸管，其特征在于，所述調節裝置還包括用于接收可聽到的輸入指令的語音識別裝置。
30.一種使用手持式吸管的方法，所述方法包括下列步驟設置吸管端頭與腔室流體聯通；使活塞往復運動，所述活塞設置成在將流體吸入所述吸管端頭中和分配到吸管端頭外的過程中與所述腔室共同作用；設置用于使所述活塞往復運動的致動器組件，所述致動器組件包括第一接觸表面，所述第一接觸表面與第二接觸表面間隔一致動器長度，所述致動器長度限定所述手持式吸管的相關行程距離；和啟動電動機以使所述致動器組件的所述第一和第二接觸表面的其中一個相對于所述致動器組件的所述第一和第二接觸表面中的另一個移動，以使致動器長度從第一致動器長度改變到第二致動器長度，并且從而使所述手持式吸管的行程距離從第一行程距離改變到第二行程距離。
31.如權利要求5所述的手持式吸管，其特征在于，所述電能驅動的電動機可響應于位于所述殼體外部的鍵盤上的手動輸入的指令信號進行操作。
32.如權利要求31所述的手持式吸管，其特征在于，所述電能驅動的電動機還可以響應于可聽到的指令進行操作，所述指令通過麥克風接收并且由嵌入微處理器中的語音識別系統處理。
全文摘要
一種手持式吸管包括活塞，所述活塞由容納在殼體中的致動器組件驅動，其具有相互隔開的不可調節的第一和第二止擋。所述致動器組件被分為第一和第二部分，所述第一和第二部分分別具有第一和第二接觸表面。所述致動器組件被設置成在靜止位置和推進位置之間往復運動，在所述靜止位置中，第一接觸表面與第一止擋接觸，并且第二接觸表面與第二止擋間隔一控制距離，在所述推進位置中，第二表面與第二止擋接觸，并且第一接觸表面與第一止擋隔開，所述致動器組件的行程和所述活塞的行程等于控制距離。電動機驅動的機構被設置成使致動器組件的一個部分相對于另一個部分移動，導致致動器組件的總長度和控制距離的相對應的改變。
文檔編號B01L3/02GK101022889SQ200580024287
公開日2007年8月22日 申請日期2005年4月28日 優先權日2004年5月27日
發明者理查德·科特 申請人:馬特里克斯技術公司