單體壓電電動機(jī)的制作方法

專利名稱：單體壓電電動機(jī)的制作方法
相關(guān)申請的交叉參考本申請是下列臨時專利申請的繼續(xù)Provisional PatentApplication Serial No.60/390,620 filed June 21，2002，將它列于此處供參考。
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及一個電動機(jī)，一個泵或一個壓縮機(jī)，帶有一個單獨(dú)的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)，一個控制順序以及電機(jī)械致動器用于控制運(yùn)動以及輔助的機(jī)械器件，處于運(yùn)動的多軸內(nèi)一種精密的方式，從而使用輔助機(jī)構(gòu)的慎重的控制以及使用這些機(jī)構(gòu)之間一個精密的步進(jìn)運(yùn)動，人們能夠獲得各種基本類型的機(jī)械工作，并且結(jié)構(gòu)簡化和在一個功率水平，是這種類型的尺寸的器件以前決不能達(dá)到的。
本發(fā)明的背景使用壓電陶瓷以提供連續(xù)的運(yùn)動已是眾所周知的。在其它的設(shè)備中，比如“英寸暖電動機(jī)”(Inch Worm motor)，例如見下列專利所述United States Patent 4,847,979 issued Oct.17，1989，公開一種機(jī)構(gòu)能夠做出一些類似的貢獻(xiàn)，最顯著的是能夠?qū)碜砸粋€壓電致動器的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為一個物體的運(yùn)動。同樣人們可以發(fā)現(xiàn)，這里需要一組電步驟以達(dá)到此運(yùn)動。轉(zhuǎn)移至物體的運(yùn)動與壓電致動器的運(yùn)動成正比。因?yàn)橐粋€壓電疊層致動器通常移動0.004″至0.012″(in)，它需要許多電循環(huán)以獲得任何適當(dāng)量的運(yùn)動。除以上所述的發(fā)明外，某些用途要求速度，精度和力的各種不同的關(guān)系。
在另一個設(shè)計(jì)中，比如“陶瓷電動機(jī)”例如見下列專利所述UnitedStates Patent 6,064,140 issued May 16，2000，公開一種機(jī)構(gòu)，帶有四個致動器，以接近諧振或處于諧振模式工作。上述的系統(tǒng)同樣沒有能力滿足速度，精度和力的不同的關(guān)系，以及具有一個有限的使用范圍。
在另一個設(shè)計(jì)中，比如“機(jī)器工具用的三軸控制”例如見下列專利所述United States Patent 5,558 557 issued September 24，1996，公開一種機(jī)構(gòu)，帶有多個致動器，與一個復(fù)雜的機(jī)械組件在三個軸上工作，以控制機(jī)器工具臺，以獲得一個精密的機(jī)械運(yùn)動。此裝置要求許多部件、傳感器和復(fù)雜的控制件以獲得這種功能。
在另一個設(shè)計(jì)中，比如E-塊頭疊層微致動器組件“(E-Block Headstack Microactuator Assembly)例如見下列專利所述United StatesPatent 6,025,975 issued February，15，2000，公開一個機(jī)構(gòu)，帶有一個單獨(dú)的致動器，與一個簡單的機(jī)械組件在一個單獨(dú)軸上工作以控制一個盤驅(qū)動的一個傳感頭，以獲得一個精密的機(jī)械運(yùn)動。此系統(tǒng)具有一個簡單的結(jié)構(gòu)；它的運(yùn)動僅在一個軸上。
在另一個設(shè)計(jì)中，比如“致冷系統(tǒng)用的氣密壓縮機(jī)”，例如見下列專利所述，United States Patent 6,004,115 issued December，21，1999，公開一個機(jī)構(gòu)，帶有許多致動器，以達(dá)到壓縮一個流體的目的。這個系統(tǒng)的不同之處在于，壓電致動器是直接地與被壓縮或泵送的介質(zhì)接觸，以及沒有提出措施用于與壓電致動器相關(guān)的公差問題。
在另一個設(shè)計(jì)中，比如“線性電動機(jī)驅(qū)動器件”，例如見下列專利所述United States Patent 4,736,131 issued April，5，1988，公開一個機(jī)構(gòu)帶有多個致動器與支臂組件在兩個軸上工作以產(chǎn)生一個直線運(yùn)動。之后，此系統(tǒng)也不具有一個單獨(dú)的底板結(jié)構(gòu)是同時制造的，以減少公差的重疊，它是多個部件相對于帶有小運(yùn)動的致動器帶來的。
本發(fā)明的概述本發(fā)明提供一個機(jī)構(gòu)，基于一個單獨(dú)的主要結(jié)構(gòu)，電機(jī)械致動器和電控制順序，它使有可能設(shè)計(jì)有效的電動機(jī)，泵和壓縮機(jī)，而沒有復(fù)雜的機(jī)器帶來的能量損失。本發(fā)明提供一個電動機(jī)機(jī)構(gòu)，帶有最低數(shù)目的部件。如在壓電電動機(jī)技術(shù)中已知，在電動機(jī)內(nèi)全部部件的對準(zhǔn)可能是一個挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
按照本發(fā)明的電動機(jī)克服了這些問題，借助具有一個單獨(dú)的主體，包括夾緊表面和一個同時機(jī)加工的推進(jìn)機(jī)構(gòu)，從而減少了公差重疊的問題。
本發(fā)明公開一個裝置，包括一個支承結(jié)構(gòu)，具有一個主要部分，帶有第一和第二支臂成形在它的上面，用于彼此相對地移動，以及一個輔助部分，整體地成形在每個支臂的一個外端上，用于與它一起移動，以及一個主要致動器，工作上可以與支承結(jié)構(gòu)的主要部分相配合，以便在響應(yīng)主要致動器的一個電激勵時驅(qū)動這些支臂彼此相對地運(yùn)動，以及輔助致動器，工作上可以與支承結(jié)構(gòu)的輔助部分相配合，以便在響應(yīng)每個輔助致動器的一個電激勵時，獨(dú)立地驅(qū)動每個輔助部分在一個開啟位置和一個關(guān)閉位置之間移動，每個致動器可以彼此獨(dú)立地工作。一個力傳送元件傳送一個力離開和到達(dá)主要致動器，以彼此相對地移動第一和第二支臂。此裝置能夠使用于操作一個電動機(jī)或一個壓縮機(jī)，使用一個單獨(dú)的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制順序以及電機(jī)械致動器，它使能夠控制運(yùn)動以及輔助的機(jī)械器件處于運(yùn)動的多軸內(nèi)一種精密的方式，從而使用輔助機(jī)構(gòu)的慎重的控制以及使用這些機(jī)構(gòu)之間一個精密的步進(jìn)運(yùn)動，本發(fā)明能夠獲得許多類型的機(jī)械工作用的基本操作，并且結(jié)構(gòu)簡化和在一個功率水平，是這種類型和尺寸的一個器件以前決不能達(dá)到的。
本發(fā)明的其它用途對于技術(shù)熟練人員變得易于理解，如果將下列最佳模式的說明作為實(shí)踐本發(fā)明考慮并配合附圖來閱讀。
附圖的簡要說明這里的說明參見附圖，其中在各圖中相同的圖號表示相同的部件，以及其中

圖1A和1B是按照本發(fā)明的一個裝置的由相對側(cè)面的透視圖；圖2是圖1A裝置的一個側(cè)視圖；圖3是圖1A裝置的一個頂視圖；圖4A-4E是簡化的示意圖，示出圖1A-3內(nèi)所示按照本發(fā)明的裝置的每個循環(huán)運(yùn)動的五個步驟；圖5A和5B是按照本發(fā)明的裝置的一個代替的實(shí)施例的由相對側(cè)面的透視圖6是圖5A和5B內(nèi)所示本發(fā)明的實(shí)施例的一個代替的形狀；圖7是一個器件的簡化的細(xì)節(jié)圖，用于對按照本發(fā)明的一個致動器預(yù)加載一個壓縮力；以及圖8是一個應(yīng)力曲線圖，示出按照本發(fā)明的裝置的鉸鏈部分內(nèi)的應(yīng)力的局部化。
優(yōu)選的實(shí)施例的說明參見圖1A和1B，描述一個按照本發(fā)明的線性電動機(jī)10，示出電動機(jī)的內(nèi)部特點(diǎn)和部件。所示的線性電動機(jī)10用于描述的目的。單一的單體的單獨(dú)件支承結(jié)構(gòu)12組成電動機(jī)用的基板。支承結(jié)構(gòu)12包括一個主要部分和一個輔助部分。支承結(jié)構(gòu)12包括一個剛性的主要腹板部分14用于支承地接觸主要壓電致動器16的一端。支承結(jié)構(gòu)12的主要部分包括上和下主要側(cè)面部分18，20以及主要腹板部分14，以形成支承結(jié)構(gòu)12的一個剛性的C-形部分22的一部分，用于支承上和下主要可樞動支臂部分24，26。輔助部分能夠包括活門部分，與圖5和6所示的那些類似，或第一和第二夾緊部分30，34。上主要支臂部分24支承一個第一輔助部分28，從而使一個上可樞動夾緊部分30以及下主要支臂部分26支承一個第二輔助部分32，比如一個下可樞動夾緊部分34。主要可樞動支臂部分24，26能夠是任何希望的長度，或者能夠形成與每個可樞動夾緊部分30，34的輔助腹板部分36，38相同的結(jié)構(gòu)部件。一個主要力傳送元件部分40連接至上主要支臂部分24，接近與上主要側(cè)面部分18的接頭，以及還連接至下主要支臂部分26，接近與下主要側(cè)面部分20的接頭，形成器件用于傳送運(yùn)動由力傳送器件40以移動上和下可樞動夾緊部分30，34彼此相對地移動。主要壓電致動器16被捕獲和保持在剛性的主要腹板部分14和主要力傳送元件部分40之間的壓縮下。
上夾緊部分30包括兩個相對的表面48，50。當(dāng)適當(dāng)?shù)碾娦盘柺┘又烈粋€輔助壓電致動器46，輔助致動器46改變尺寸或沿著一個預(yù)定的軸空間地位移?？臻g的改變與電壓成正比。換句話說，最小的電壓等于最小的空間位移，最大的電壓等于最大的空間位移，以及比例的空間位移是借助在最小和最大值之間改變電壓達(dá)到的。因此，當(dāng)一個最大的電壓施加至輔助致動器46時，相對的表面48，50移動至彼此相距最大的距離。當(dāng)一個最小電壓施加至輔助致動器46時，相對的表面48，50移動至彼此相距最小的距離，以響應(yīng)形成單一的單體的單獨(dú)件支承結(jié)構(gòu)材料的“彈性回彈”效應(yīng)。當(dāng)一個改變的電壓施加至輔助致動器46時，兩個相對的表面48，50以一個比例的方式彼此相對地移動。
下夾緊部分34包括兩個相對的表面54，56，以及一個輔助壓電致動器52，可以獨(dú)立于輔助致動器46工作。當(dāng)適當(dāng)?shù)碾娦盘柺┘又凛o助壓電致動器52時，輔助致動器改變尺寸或者沿著一個預(yù)定的軸空間地位移。空間的改變與電壓成正比。換句話說，最小的電壓等于最小的空間位移，最大的電壓等于最大的空間位移，以及比例的空間位移是借助在最小值和最大值之間改變電壓達(dá)到的。因此，當(dāng)一個最大的電壓施加至輔助致動器52時，相對的表面54，56移動至彼此相距最大的距離。當(dāng)一個最小的電壓施加至輔助致動器52時，相對的表面54，56移動至彼此相距最小的距離，以響應(yīng)形成單一的單體的單獨(dú)件支承結(jié)構(gòu)的材料的“彈性回彈”效應(yīng)。當(dāng)一個改變的電壓施加至輔助致動器52時，兩個相對的表面54，56以一個比例的方式彼此相對地移動。
以一個類似的方式，主要壓電致動器16被捕獲在主要腹板部分14和主要力傳送元件部分40之間。整體地連接至支承結(jié)構(gòu)12的主要力傳送元件部分40的是上夾緊部分30，通過一個整體地成形的上主要鉸鏈部分58，更具體地說，通過鉸鏈腹板59(如圖2內(nèi)所示)，以及下夾緊部分34通過一個整體成形的下主要鉸鏈部分70，更具體地，通過鉸鏈腹板71(如圖2內(nèi)所示)，當(dāng)最大的電壓施加至主要壓電致動器16時，主要壓電致動器改變尺寸或者沿著一個預(yù)定的軸空間地位移。主要腹板部分14與上和下主要側(cè)面部分18，20一起限定支承結(jié)構(gòu)12的一個C-形部分22，它具有足夠的尺寸和材料強(qiáng)度，以避免支承結(jié)構(gòu)12在預(yù)期的設(shè)計(jì)載荷和無限期的壽命下結(jié)構(gòu)的任何屈服或塑性變形。因此傳送至主要力傳送元件部分40的力引起上和下可樞動夾緊部分30，34在沿軸“A”的一個弧形內(nèi)移動。當(dāng)最大的電壓施加至主要致動器16時，在上和下夾緊部分30，34的相對的表面42，44之間的距離改變至最大的空間位移。當(dāng)最小的電壓施加至主要致動器16時，在上和下夾緊部分30，34的相對的表面42，44之間的距離改變至彼此相對最小的空間位移。當(dāng)一個改變的電壓施加至主要壓電致動器16時，上和下夾緊部分30，34的相對的表面42，44以一個比例的方式彼此相對地移動。
圖2是線性電動機(jī)10的一個側(cè)視圖。主要腹板部分14與上主要側(cè)面部分18和下主要側(cè)面部分20一起組成支承結(jié)構(gòu)12的基本C-形部分?？蓸袆訆A緊部分30，34與支承結(jié)構(gòu)12的C-形部分，主要力傳送元件部分40以及在它們之間延伸的整體的鉸鏈部分相結(jié)合，限定電動機(jī)10。主要壓電致動器16放置在剛性的主要腹板部分14的一個表面和主要力傳送元件部分40之間。主要壓電致動器16被捕獲在支承結(jié)構(gòu)12的主要腹板部分14和主要力傳送元件部分40之間。當(dāng)最大的電壓施加至主要壓電致動器16時，主要壓電致動器16改變尺寸或沿著一個預(yù)定的軸空間地位移。剛性主要腹板部分14與剛性上和下側(cè)面部分18，20一起限定支承結(jié)構(gòu)12的C-形部分22。整個支承結(jié)構(gòu)12具有足夠的尺寸和材料強(qiáng)度，以避免支承結(jié)構(gòu)12在預(yù)期的設(shè)計(jì)載荷和無限期的壽命下結(jié)構(gòu)的任何屈服或塑性變形。因此傳送至主要力傳送元件部分40的主要力引起兩個可樞動夾緊部分30，34彼此相對地移動。當(dāng)最大的電壓施加至主要壓電致動器16時，在上和下夾緊部分30，34的相對的表面42，44之間的距離改變至彼此相對最大的空間位移。當(dāng)最小的電壓施加至主要壓電致動器16時，在上和下夾緊部分30，34的相對的表面42，44之間的距離改變至彼此相對最小的空間距離。主要致動器16的空間改變與施加的電壓成正比，因此上和下夾緊部分30，34的相對的表面42，44之間的距離是成正比的。
圖3是線性電動機(jī)10的一個頂視圖。主要腹板部分14與主要上側(cè)面部分18一起組成整個支承結(jié)構(gòu)12的基本主要C-形部分的一半。通過一個整體地成形的上主要鉸鏈部分58整體地連接到支承結(jié)構(gòu)12的C-形部分22，以及更具體地，鉸鏈腹板60(如圖2所示)是上夾緊部分30。上夾緊部分30包括一個輔助腹板部分36，一個第一輔助支臂部分62，一個第二輔助支臂部分64和相對的表面48，50，以限定上夾緊部分30的整個支承結(jié)構(gòu)12的上輔助C-形部分66。上夾緊部分30具有足夠的尺寸和材料以避免在第一輔助部分28，比如夾緊部分30的設(shè)計(jì)載荷和無限期的壽命下結(jié)構(gòu)的屈服或塑性變形。
當(dāng)輔助壓電致動器46激勵時，相對的夾緊表面48，50彼此相對的地移動。輔助壓電致動器46被捕獲在第一輔助支臂部分62和第二輔助支臂部分64之間。相對的表面48，50提供夾緊表面。當(dāng)輔助壓電致動器46激勵時，輔助致動器46改變尺寸或沿著一個預(yù)定的軸空間地位移，以及傳送至第一輔助支臂部分62和第二輔助支臂部分64的力引起輔助的支臂彼此相對地移動。當(dāng)最大的電壓施加至輔助壓電致動器46時，相對的表面48，50之間的距離改變至彼此相對最大的空間位移。當(dāng)最小的電壓施加至輔助壓電致動器46時，相對的表面48，50移動至彼此相對最小的空間距離。輔助致動器46的空間改變與施加的電壓成正比，因此相對的表面48，50之間的距離彼此相對地成正比。使用相對表面48，50之間距離的空間改變，本發(fā)明能夠提供一個可移動的元件68，比如一個往復(fù)桿或一個轉(zhuǎn)動盤，定尺寸為這樣，使在最小空間位移時可移動元件68被捕獲，以及在最大空間位移時可移動元件68釋放?？梢苿釉?8可以包括螺紋或任何其它適當(dāng)?shù)奈粘衷鰪?qiáng)表面。
現(xiàn)在參見圖1A，1B和2，主要腹板部分14與下主要側(cè)面部分20組成整個支承結(jié)構(gòu)12的基本的主要C-形部分22的一半。通過一個整體成形的下主要鉸鏈部分70整體地連接至支承結(jié)構(gòu)12的C-形部分22，以及更具體地，鉸鏈腹板72是下夾緊部分34。下夾緊部分34包括一個輔助腹板部分38，一個第一輔助支臂部分74，一個第二輔助支臂部分76，以及相對的夾緊表面54，56，以限定整個支承結(jié)構(gòu)12的下輔助C-形部分78。下輔助C-形部分78具有足夠的尺寸和材料，以避免在夾緊部分34的設(shè)計(jì)載荷和無限期的壽命下結(jié)構(gòu)的屈服或塑性變形。當(dāng)輔助壓電致動器52激勵時，相對的表面54，56彼此相對地移動。輔助壓電致動器52被捕獲在第一輔助支臂部分74和第二輔助支臂部分76之間。兩個相對的表面54，56提供夾緊表面。當(dāng)輔助壓電致動器52激勵時，輔助致動器52改變尺寸或沿著一個預(yù)定的軸空間地移動，以及傳送至第一輔助支臂部分74和第二輔助支臂部分76的力引起輔助支臂彼此相對地移動。當(dāng)最大的電壓施加至輔助壓電致動器52時，相對的表面54，56之間的距離改變至彼此相對最大的空間位移。當(dāng)最小的電壓施加至輔助壓電致動器52時，相對的表面54，56移動至彼此相對最小的空間距離。輔助致動器52的空間改變與施加的電壓成正比，因此相對的表面54，56之間的距離彼此相對地成正比。使用相對表面54，56之間距離的空間改變，本發(fā)明提供一個可移動元件68，定尺寸為這樣，在最小空間位移時可移動元件68被捕獲，以及在最大空間位移時可移動元件68釋放?？梢苿釉?8包括一個往復(fù)桿或一個轉(zhuǎn)動盤?？梢苿釉?8也可以包括螺紋或任何其它適當(dāng)?shù)奈粘衷鰪?qiáng)表面。
圖4A-4E是一個簡化示意圖，示出如圖1A-3所示按照本發(fā)明的單體電動機(jī)運(yùn)動要求的步驟的順序。圖4A示出電動機(jī)10處于第一位置。當(dāng)處于第一位置時，夾緊部分30是開啟的，并且使輔助致動器46激勵，而固定的夾緊部分34關(guān)閉，并且使輔助致動器52去激勵，以及主要致動器16去激勵。應(yīng)該指出，夾緊部分34是固定的或使用作為一個基準(zhǔn)點(diǎn)。圖4B示出電動機(jī)10處于一個第二位置。當(dāng)處于第二位置時，夾緊部分30是開啟的，并且使輔助致動器46激勵，而固定的夾緊部分34關(guān)閉，并且使輔助的致動器52去激勵，以及主要致動器16激勵，以空間地位移夾緊部分30由基準(zhǔn)至固定的夾緊部分34。圖4c示出電動機(jī)10處于一個第三位置。當(dāng)處于第三位置時，夾緊部分30是關(guān)閉的，并且使輔助致動器46去激勵，而固定的夾緊部分34是關(guān)閉的，并且使輔助致動器52去激勵，以及主要致動器16激勵，從而使夾緊部分30保持空間地位移，由基準(zhǔn)至固定的夾緊部分34。圖4D示出電動機(jī)10處于一個第四位置。當(dāng)處于第四位置時，夾緊部分30是關(guān)閉的，并且使輔助致動器46去激勵，而固定的夾緊部分34是開啟的，并且使輔助的致動器52激勵，以及主要致動器16激勵，從而使夾緊部分30保持空間地位移由基準(zhǔn)至固定的夾緊部分34。圖4E示出電動機(jī)10處于一個第五位置。當(dāng)在第五位置時，夾緊部分30是關(guān)閉的，并且使輔助致動器46去激勵，而固定的夾緊部分34是開啟的，并且使輔助致動器52激勵，以及主要致動器16去激勵，從而使夾緊部分30不再空間地位移由基準(zhǔn)至固定的夾緊部分34。在此步驟中，由于夾緊部分30是關(guān)閉的，并且使輔助致動器46去激勵，以及主要致動器16去激勵，可移動元件68保持在夾緊部分30內(nèi)移動接近固定的夾緊部分34。
電動機(jī)能夠在一秒內(nèi)進(jìn)行五步驟程序許多次。因此，可移動元件68的大的和迅速的運(yùn)動可以達(dá)到。在本發(fā)明的一個特定的實(shí)施例中，此五步驟的一個單獨(dú)的循環(huán)將提供可移動元件68的最大移動量約0.010in。因此，例如，在一個每秒100循環(huán)的工作速度下，可移動元件能夠達(dá)到一個速度為約1in/sec。在實(shí)踐中最大的運(yùn)動或位移取決于多個因素。這些因素包括1)工作的頻率；2)施加至主要致動器16的最大電壓的百分率；3)本發(fā)明的一個特定的實(shí)施例的部件部分的“尺寸”；4)作用在可移動元件上的載荷。技術(shù)熟練人員可以看出，這里所述的本發(fā)明能夠以各種“尺寸”實(shí)施。在下文中，單獨(dú)的部件的“尺寸”，例如，主要致動器16可以在整個實(shí)施例的一個特定的“尺寸”內(nèi)改變。如同對于任何的機(jī)械系統(tǒng)，比如一個電動機(jī)。如果施加的一個載荷超過系統(tǒng)能夠供給的力，此系統(tǒng)將停止或終斷移動。在本發(fā)明中，如同對于許多其它的機(jī)械系統(tǒng)，當(dāng)載荷接近最大的系統(tǒng)力時，速度可能減小。然而，本發(fā)明沒有一個特定的力限制。同樣，整個實(shí)施例或單獨(dú)的部件的“尺寸”例如主要致動器16能夠改變，以獲得一個廣泛的工作力。
應(yīng)該指出，一個單獨(dú)的步驟產(chǎn)生的運(yùn)動大于壓電致動器的最大的空間位移，以及電動機(jī)結(jié)構(gòu)10的鉸鏈排列同時起到鉸鏈和機(jī)械放大器的作用。五步驟程序可以重復(fù)或兩次或多次循環(huán)，以產(chǎn)生較大的運(yùn)動。同樣地，本發(fā)明當(dāng)作為一個電勸機(jī)，泵或壓縮機(jī)工作時，不必施加完全的激勵電壓至主要致動器16，導(dǎo)致完全的空間位移，本發(fā)明能夠借助減少至主要致動器16的激勵電壓，來控制步驟的尺寸，以便獲得壓電致動器的比例性能的優(yōu)點(diǎn)。以這樣的方式，例如，本發(fā)明能夠或者以一個固定的位移，或者以一個改變的位移模式工作。再者，借助改變控制步驟的速度，本發(fā)明的特定的實(shí)施例的工作速度可以改變。并且，位移量和速度兩者可以動態(tài)地改變。這就是說，在工作中的任何時間位移量和位移速度可以有效地改變。
用于運(yùn)動的工作程序能夠改變，以產(chǎn)生在其它方向上的運(yùn)動，這時借助激勵主要致動器16，而可移動夾緊部分30是關(guān)閉的，以及固定的夾緊部分34是開啟的，以及借助主要致動器16的去激勵，而可移動夾緊部分30是開啟的，以及固定的夾緊部分34是關(guān)閉的。
圖5A和5B描述按照本發(fā)明的一個壓縮機(jī)或泵10a，示出壓縮機(jī)或泵的外部特點(diǎn)和部件。在示意圖中所示的壓縮機(jī)或泵是為了描述的目的。圖5A，5B和圖6所示的特定的實(shí)施例描述泵送或壓縮的一種風(fēng)箱的方法。技術(shù)熟練人員應(yīng)該理解，本發(fā)明適用于廣泛的泵/壓縮機(jī)方法，包括，但不局限于正排量和可變排量泵/壓縮機(jī)的能力。例如，可以使用一個活塞或一個膜片以代替所述的風(fēng)箱。前述的實(shí)例并不意味在有關(guān)泵和壓縮機(jī)方面確定本發(fā)明的限制，而僅是指出，使用本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)泵送技術(shù)的一個廣闊的范圍。
單一的單體的單獨(dú)件支承結(jié)構(gòu)12a組成壓縮機(jī)或泵用的基板。支承結(jié)構(gòu)12a包括一個主要部分和一個輔助部分。支承結(jié)構(gòu)12a包括一個剛性的主要腹板部分14a用于支承地接觸一個主要壓電致動器16a的一個表面。上主要側(cè)面部分18a支承一個第一輔助部分28a，比如一個上可樞動活門部分80，以及下側(cè)面部分20a支承一個輔助部分32a，比如一個下可樞動活門部分82。上和下主要側(cè)面部分18a，20a與主要腹板部分14a相配合組成整個支承結(jié)構(gòu)12a的一個剛性的C-形部分22，用于支承上和下主要可樞動支臂部分24a，26a。主要可樞動支臂部分24a，26a可以是任何希望的長度，或者是相同的結(jié)構(gòu)部件，如同每個上和下活門部分80，82的輔助腹板部分36a，38a(見圖6)。一個主要力傳送元件部分40a通過整體成形的鉸鏈部分58a，以及更具體地，鉸鏈腹板59a連接至輔助支臂部分24a，接近與上側(cè)面部分18a的接頭，以及還通過整體成形的鉸鏈部分70a，更具體地，鉸鏈腹板71a連接至輔助支臂部分26a，接近與下側(cè)面部分20a的接頭。整體成形的鉸鏈部分58a，70a限定器件用于傳送移動由主要力傳送元件部分40a，通過鉸鏈腹板59a，71a至主要可樞動支臂部分24a、26a，支承上和下可樞動活門部分80，82，以便圍繞鉸鏈腹板60a，72a的樞動。
主要壓電致動器16a被捕獲和保持在剛性主要腹板部分14a和主要力傳送元件部分40a之間的壓縮狀態(tài)。當(dāng)適當(dāng)?shù)碾娦盘柺┘又林饕獕弘娭聞悠?6a時，它保持在與主要腹板部分14a和主要力傳送部分40a相關(guān)的表面之間，主要致動器16a改變尺寸或沿著一個預(yù)定的軸空間地位移。空間的改變與電壓成正比。換句話說，最小的電壓等于最小的空間位移，最大的電壓等于最大的空間位移，以及比例的空間位移是借助在最小和最大值之間改變電壓達(dá)到的。因此，當(dāng)一個最大的電壓施加至主要致動器16a時，上和下活門部分80，82的相對的表面42a，44a彼此移動至最大的距離。當(dāng)一個最小的電壓施加至主要致動器16a時，上和下活門部分80，82的相對的表面42a，44a彼此移動至最小的距離。當(dāng)一個可變的電壓施加至主要致動器16a時，上和下活門部分80，82的兩個相對的表面42a，44a以彼此相對一個比例的方式移動。
一個泵機(jī)構(gòu)84放置在相對的表面42a，44a之間，以及能夠借助施加電壓至主要壓電致動器16a進(jìn)行伸展或壓縮。上活門部分80包括兩個相對的表面54a，56a，一個輔助壓電致動器46a，以及一個輔助力傳送元件部分86a，帶有整體的鉸鏈部分88，90，以提供機(jī)械的放大。當(dāng)適當(dāng)?shù)碾妷菏┘又琳麄€支承結(jié)構(gòu)12a的上活門部分80內(nèi)的輔助壓電致動器46a時，輔助壓電致動器46a改變尺寸或沿著一個預(yù)定的軸空間地位移?？臻g的改變與電壓成正比。換句話說，最小的電壓等于最小的空間位移，最大的電壓等于最大的空間位移，以及比例的空間位移是借助在最小和最大值之間改變電壓達(dá)到的。因此，當(dāng)一個最大的電壓施加至輔助致動器46a時，相對的表面54a，56a彼此移動至最大的距離。在內(nèi)部，一個標(biāo)準(zhǔn)的氣動型2-路活門設(shè)置在一個配件92和泵機(jī)構(gòu)84之間上活門部分80內(nèi)。2-路活門能夠借助施加電壓至輔助壓電致動器46a而開啟和關(guān)閉。
下活門部分82包括兩個相對的表面54a，56a，一個輔助壓電致動器52a和一個輔助力傳送元件部分94，帶有整體的鉸鏈部分96，98，以提供機(jī)械的放大。當(dāng)適當(dāng)?shù)碾娦盘柺┘又林С薪Y(jié)構(gòu)12a的下活門部分82內(nèi)的輔助壓電致動器52a時，輔助致動器52a改變尺寸或者沿著一個預(yù)定的軸空間地位移?？臻g的改變與電壓成正比。換句話說，最小的電壓等于最小的空間位移，最大的電壓等于最大的空間位移，以及比例的空間位移是借助在最小和最大值之間改變電壓達(dá)到的。因此，當(dāng)一個最大的電壓施加至輔助致動器52a時，相對的表面54a，56a彼此移動至最大的距離。在內(nèi)部，一個標(biāo)準(zhǔn)的氣動型2-路活門設(shè)置在配件100和泵機(jī)構(gòu)84之間下活門部分82內(nèi)。2-路活門能夠借助施加電壓至輔助壓電致動器52a而開啟和關(guān)閉。
與圖4A-4E相似，步驟的一個程序可以設(shè)計(jì)為導(dǎo)致一個泵送動作。給出泵使用一個可編程活門結(jié)構(gòu)，流動的方向?qū)⑷Q于在上和下活門部分80，82和泵機(jī)構(gòu)84之間的步驟的程序。因此，按照本發(fā)明的泵可考慮為雙向的。
圖6示出圖5A和5B所示基本結(jié)構(gòu)的一個代替的形狀。全部的部件和特點(diǎn)與圖5A和5B所述的相同，其不同之處在于第一輔助部分28b，比如整個支承結(jié)構(gòu)12a的上活門部分80是沿著一個軸轉(zhuǎn)動以激勵，此軸基本上垂直于第二輔助部分32a的激勵軸延伸，比如下活門部分82。此形狀應(yīng)與圖5A和5B內(nèi)所示的激勵軸比較，它們設(shè)置為基本上彼此平行。應(yīng)該理解，本發(fā)明還可包括這樣的形狀，其中兩個輔助輔助部分28b，32a，比如上和下活門部分80，82可以轉(zhuǎn)動由圖5A和5B所示的取向至圖6內(nèi)類似于相對于活門部分80的一個取向，從而使兩個活門部分80，82設(shè)置為沿著一個基本上共同的激勵軸激勵。
再次參見圖1A-3，一個裝置10，比如使用作為一個電動機(jī)，泵或壓縮機(jī)示出。此裝置包括一個單一的單體的單件支承結(jié)構(gòu)12。支承結(jié)構(gòu)12包括一個主要部分和一個輔助部分。支承結(jié)構(gòu)12的主要部分包括一個剛性的不可撓曲的主要腹板部分14和剛性的不可撓曲的主要側(cè)面部分18，20。剛性的側(cè)面部分18，20通過整體成形的鉸鏈部分58，70，以及更具體地，鉸鏈腹板60，72可樞動地支承主要支臂部分24，26。支承結(jié)構(gòu)包括輔助部分28，32，比如可樞動夾緊部分30，34，與主要腹板部分14整體地連接。第一和第二主要側(cè)面部分18，20在主要腹板部分14和夾緊部分30，34之間延伸以及與它們整體地連接。相對的表面48，50和54，56形成在相關(guān)的第一和第二夾緊部分30，34上。一個主要力傳送元件部分40傳送力由主要致動器16至主要支臂部分24，26，通過主要鉸鏈部分58，70，更具體地，鉸鏈腹板59，71支承第一和第二夾緊部分30，34。主要致動器16能夠移動主要支臂部分24，26，支承第一和第二夾緊部分30，34彼此相對在第一和第二位置之間。在所示的實(shí)施例中，當(dāng)主要致動器16在激勵中伸展時，相對的表面42，44移動彼此離開至第二位置，以及當(dāng)沒有激勵主要致動器16收縮時，相對的表面42，44移動彼此接近至第一位置。主要致動器16能夠使用一個適當(dāng)量的激勵工作，以達(dá)到在完全伸展和完全收縮位置之間的任何位置。
每個輔助部分28，32，比如第一和第二夾緊部分30，34包括輔助可樞動支臂部分62，64和74，76，分別地由相關(guān)的輔助腹板部分36，38延伸。如果希望，輔助支臂部分能夠成形為成對的，由基本上L-形支臂對組成。相對的表面48，50和54，56形成在相關(guān)的輔助支臂部分62，64和74，76末端上。輔助致動器46，52可以工作上與輔助部分28，32接合，比如分別地在第一和第二夾緊部分30，34的第一和第二支臂部分62，64和74，76之間，如圖1A-3所示。輔助致動器46，52能夠在激勵時移動輔助支臂部分62，64和74，76以及相關(guān)的相對的表面48，50和54，56彼此相對地移動。
現(xiàn)在參見圖2，支承結(jié)構(gòu)12包括整體成形的主要鉸鏈部分58和70。分別地主要鉸鏈部分58是由相鄰的鉸鏈腹板60，59形成的，以及主要鉸鏈部分70是由相鄰的鉸鏈腹板72，71形成的。主要鉸鏈部分58和70是工作上連接主要側(cè)面部分18，20，主要可樞動支臂部分24，26以及主要力傳送元件部分40。相鄰的鉸鏈腹板60，59是位于彼此的附近，以及基本上彼此平行地延伸。相鄰的鉸鏈腹板71，72是位于彼此的附近，以及基本上彼此平行地延伸。借助實(shí)例的方式而不是限制，如圖1A-3所示，整體的鉸鏈部分58和70是借助產(chǎn)生在支承結(jié)構(gòu)12內(nèi)減少的橫截面形成的，并帶有狹縫102，104，106，108，110和112(如圖2內(nèi)所示)。這些狹縫102，104，106，108，110和112限定基本上平行的鉸鏈部分58，70，以及更具體地，鉸鏈腹板60，59，72和71，用于允許主要支臂部分24，26相對于支承結(jié)構(gòu)12的剛性的不可撓曲的側(cè)面部分18，20樞動。鉸鏈部分是由足夠強(qiáng)度的材料制造，以防止失效或塑性變形，以及提供在預(yù)期的設(shè)計(jì)載荷通過支承結(jié)構(gòu)12傳送時支承結(jié)構(gòu)12無限期的壽命。鉸鏈部分58，70定尺寸以最大地傳送來自主要致動器16的力，以促進(jìn)主要支臂部分24，26的樞動。力傳送元件部分40是剛性的，以便有效地傳送來自致動器16的功率至主要可樞動支臂部分24，26。力傳送元件部分40是剛性的，以防止支承結(jié)構(gòu)的剛性部分的任何彎曲，否則將導(dǎo)致功率傳送效率的降低。
現(xiàn)在參見圖3，示出上輔助部分28，比如第一夾緊部分30的一個頂視圖。第一夾緊部分30的相對的表面48，50以及第二夾緊部分34的相對的表面54，56(示于圖1B內(nèi))，每個具有一個成形凹槽或增強(qiáng)夾持表面122成形在它的上面，用于接合一個可移動元件68(圖1A和1B內(nèi)所示)具有一個輔助的形狀或表面。致動器16，46和52的一系列的預(yù)定的移動能夠?qū)е卵b置10相對于支承結(jié)構(gòu)12移動可移動元件68。致動器16，46和52能夠是技術(shù)熟練人員已知的任何不同的，包括但不局限于壓電致動器和/或磁致伸縮致動器。
主要力傳送元件部分40和主要可樞動支臂部分24，26設(shè)計(jì)為基本上剛性的元件部分。這些元件的任何彎曲，即使是微觀的也會導(dǎo)致由于不希望的移動引起的無效功率傳送。通常，壓電致動器的移動疊加是微觀的，基本上約為疊加長度的0.1％。根據(jù)本發(fā)明預(yù)期的疊加，比如移動，能夠達(dá)到約1500microinches(微英寸)至100microinches最大位移，它取決于真實(shí)的實(shí)施例。因此，支承結(jié)構(gòu)12的全部部件典型地設(shè)計(jì)為減少不希望的移動。在極端情況下，超過4microinches的移動應(yīng)考慮為非剛性的和對于本發(fā)明的支承結(jié)構(gòu)12在預(yù)期的設(shè)計(jì)載荷下和無限期壽命方面是不希望的。在真實(shí)的實(shí)踐中，剛性更有效地確定為兩個位移距離或移動的比率，即側(cè)面部分，例如18，20的彼此接近和離開的位移距離或移動與在力傳送元件40自由彎曲時位移距離的比率(即在此處自由彎曲確定為不抵抗載荷和不傳送功率的工作)。在本文中，側(cè)面部分18，20的一個位移距離或移動超過力傳送元件40的位移距離或自由彎曲的10％應(yīng)考慮為按照本發(fā)明的非剛性。在實(shí)踐中，這個百分率典型地極低，例如，在一個實(shí)施例中，其中壓電疊加為約0.394in長，不希望的側(cè)面部分移動與自由彎曲的比率為約2％。結(jié)構(gòu)剛性和最終性能效率的另一個指標(biāo)是測量的支臂部分，例如24，26的自由彎曲與此移動的理論值或計(jì)算值的比率(即假設(shè)通過理論的剛性結(jié)構(gòu)移動的零損失)。最小的效率是借助本發(fā)明使用此定義為約80％達(dá)到的。此外，高達(dá)約90％的效率可以按照本發(fā)明達(dá)到。可以預(yù)期，超過90％的效率可以借助按照本發(fā)明的形狀達(dá)到。按照本發(fā)明，支承結(jié)構(gòu)12的所有部分考慮為“剛性的”，但鉸鏈部分除外。鉸鏈部分是支承結(jié)構(gòu)僅有的部件或部分，在此處撓曲，彎曲和移動是希望的。鉸鏈部分是支承結(jié)構(gòu)內(nèi)最大應(yīng)力的位置。鉸鏈部分幾何形狀的彎曲點(diǎn)精密地選擇以便于優(yōu)化一個特定用途的性能。設(shè)計(jì)過程可以由下列方法支持，借助鉸鏈部分的放大作用以滿足特定的用途。例如，鉸鏈部分幾何形狀專門地設(shè)計(jì)為最大的性能，而沒有應(yīng)力疲勞斷裂。借助實(shí)例而不是限制，有限元分析表明鉸鏈的壽命在工業(yè)用途文件的范圍內(nèi)應(yīng)是“無限期”的。器件的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)使用一個壓電疊加作為主要致動方法，并與本發(fā)明教導(dǎo)的移動放大器相配合已超過五億次工作。裝置10能夠由一種均勻的材料制造，比如鋼，或任何適當(dāng)?shù)牟牧匣蚣夹g(shù)熟練人員已知的復(fù)合材料，只要所選擇的材料能滿足對于特定用途以上討論的設(shè)計(jì)判據(jù)。
現(xiàn)在參見圖5A，5B和6，示出本發(fā)明的一個代替的實(shí)施例，用于移動一個可移動的元件，比如一個流體。此流體或者是一個液體，或者是一個氣體相。裝置10a能夠使用作為一個泵，用于泵送流體由一個位置至另一個位置，或者能夠使用作為一個壓縮機(jī)，用于壓縮流體，使用于借助實(shí)例而不是限制，空調(diào)系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)，致冷系統(tǒng)等。按照本發(fā)明的裝置10a包括一個支承結(jié)構(gòu)12a。支承結(jié)構(gòu)12a包括一個主要部分和一個輔助部分。主要部分能夠包括一個剛性的不可撓曲的主要腹板部分14a，上和下主要側(cè)面部分18a，20a，一個主要力傳送元件部分40a以及上和下主要可樞動支臂部分24a，26a。支承結(jié)構(gòu)的輔助部分能夠包括第一和第二夾緊部分與圖1A-3所示的那些相類似，或第一和第二活門部分80，82。每個第一和第二活門部分80，82能夠包括一個剛性的不可撓曲的輔助腹板部分，第一和第二側(cè)面部分，一個輔助力傳送元件，以及第一和第二輔助可樞動支臂部分。
第一和第二主要側(cè)面18a，20a由主要腹板部分14a延伸向外和與它整體地連接。主要力傳送元件部分40a傳送力由一個主要致動器16a通過第一和第二主要可樞動支臂部分24a，26a以移動支承的第一和第二活門部分80，82彼此相對地移動。主要致動器16a移動第一和第二活門部分80，82在第一和第二位置之間彼此相對地移動。當(dāng)主要致動器16a去激勵時，相對的表面42a，44a移動彼此接近至第一位置，以及當(dāng)主要致動器16a完全激勵時，相對的表面42a，44a移動彼此分離至第二位置。一個泵機(jī)構(gòu)84比如一個風(fēng)箱位于可樞動支臂部分24a，26a的相對的表面42a，44a之間，用于在兩個泵送室位置之間移動當(dāng)主要致動器16a激勵時在一個伸展的正排量泵送室位置，以及當(dāng)主要致動器16a去激勵時在一個收縮的正排量室泵送位置。正排量泵送室的伸展和收縮限定本發(fā)明的泵送作用。
每個活門部分80，82能夠包括第一和第二輔助側(cè)面部分124，126，128，130，分別地由相關(guān)的輔助腹板部分36a，38a延伸向外，用于支承輔助可樞勸支臂部分62a，64a；74a，76a。分別地，相對的表面42a，44a形成在相關(guān)的支臂部分62a，64a上，以及相對的表面48a，50a形成在相關(guān)的支臂部分74a，76a上。輔助致動器46a，52a工作上接合在相關(guān)的輔助力傳送元件部分86，94以及相關(guān)的輔助腹板部分36a，38a之間。在內(nèi)部，一個標(biāo)準(zhǔn)的氣動型2-路活門設(shè)置在配件92，100和泵機(jī)構(gòu)84之間每個活門部分80，82內(nèi)。2-路活門能夠借助施加電壓至輔助壓電致動器46a，52a而開啟和關(guān)閉。致動器46a，52a在兩個位置之間移動第一和第二活門部分80，82，當(dāng)去激勵時在一個正常關(guān)閉位置，以及當(dāng)激勵時在一個開啟位置。
主要鉸鏈部分58a和70a基本上與圖1A和1B所示第一實(shí)施例的主要鉸鏈部分58、70相同。主要鉸鏈部分58a和70a基本上定位為彼此平行。主要鉸鏈部分58a，70a以及更具體地，鉸鏈腹板254a，258a在主要力傳送元件部分40a和主要可樞動支臂部分24a，26a之間延伸，而鉸鏈腹板60a，72a在支承結(jié)構(gòu)12a的主要側(cè)面部分18a，20a和主要可樞動支臂部分24a，26a之間延伸。每個輔助部分28a，32a能夠包括輔助鉸鏈部分。為了描述的目的，第一輔助部分28a將詳細(xì)地說明，而第二輔助部分32a是相同的。輔助鉸鏈部分88a，90a基本上定位為彼此平行。輔助鉸鏈部分88a，90a，以及更具體地鉸鏈腹板116a，120a在輔助力傳送元件部分86和輔助可樞動支臂部分62a，64a之間延伸，而鉸鏈腹板114a，118a在支承結(jié)構(gòu)12a的輔助側(cè)面部分24a，26a和輔助可樞動支臂部分62a，64a之間延伸。輔助鉸鏈腹板114，116和118，120分別地成形在輔助部分28a和32a內(nèi)，以允許在相對的表面42a，44a和48a，50a之間移動。輔助鉸鏈腹板114，116和118，120成形為基本上與主要鉸鏈腹板60a，254a，72a，258a相同。
主要致動器16a和輔助致動器46a，52a可以是壓電的，磁致伸縮的，電致伸縮的，或者技術(shù)熟練人員已知的其它任何類型的。流體口92，100能夠定位為這樣，使活門部分80，82基本上彼此平行，如圖5A、5B內(nèi)所示，或者能夠基本上定位為彼此正交，如圖6內(nèi)所示，或者能夠?yàn)榛铋T部分80，82的兩個角度取向的任何組合。
按照本發(fā)明的一個泵送流體的方法能夠包括步驟是關(guān)閉第二活門82，而第一活門80保持開啟。借助激勵主要致動器16a啟動泵機(jī)構(gòu)84，移動第一活門部分80離開第二活門部分82，以及通過第一活門部分80抽取流體進(jìn)入被泵機(jī)構(gòu)84限定的一個腔室。在泵機(jī)構(gòu)84充填之后，借助輔助致動器46a的去激化第一活門部分80關(guān)閉，以及第二活門部分82借助輔助致動器52a的激勵而開啟。流體借助主要致動器16a的去激化由泵機(jī)構(gòu)84排出，以接觸被泵機(jī)構(gòu)84限定的腔室，這時第一和第二主要支臂部分24a，26a彼此相對移動接近，壓迫流體由泵機(jī)構(gòu)84通過第二活門部分82和由流體口100排出。流體的流動方向借助以上所述步驟的倒轉(zhuǎn)而倒轉(zhuǎn)。泵機(jī)構(gòu)84可以包括風(fēng)箱，膜片，活塞，正排量室和可變排量室等。
現(xiàn)在參見圖7，示出裝置10帶有一個螺紋122用于供給一個預(yù)載荷壓力至致動器16。螺紋122與支承結(jié)構(gòu)12的腹板部分14螺紋接合。一個自調(diào)節(jié)座或剛性的力調(diào)焦墊片(force focusing shim)124工作上連接至螺紋122，用于自對準(zhǔn)致動器16的相鄰末端的支承。自調(diào)節(jié)座124基本上包括一個拱形或半球形弧面，用于致動器的最佳對準(zhǔn)，以避免有害的剪切力在預(yù)加載和激勵時施加至致動器。在本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，以一個壓縮力預(yù)加載致動器，可以有效地增加由致動器16有用的功率輸出。此功率放大器能夠超過在激勵前不使用壓縮力預(yù)加載的一個相同的致動器高達(dá)數(shù)倍。由壓電疊層組成的致動器不是很適合于放置在剪切力或側(cè)面加載下。借助對在去激化狀態(tài)的致動器施加一個預(yù)加載力此預(yù)加載力保證疊層經(jīng)常處于壓縮下，即使在壓電疊層放電后返回至原始位置時也是如此。應(yīng)該理解，預(yù)加載用的器件可以是本發(fā)明內(nèi)公開的任何形狀的，比如預(yù)加載致動器16，16a，46，46a，52和/或52a。換句話說，用于致動器預(yù)加載的器件可以提供為或者一個活門/泵形狀和/或一個夾緊部分形狀，如本發(fā)明所述。
現(xiàn)在參見圖8，示出按照本發(fā)明的一個裝置上由試樣有限元分析的結(jié)果。一個致動器(未示出)傳送力通過支承結(jié)構(gòu)112的力傳送元件部分146，引起鉸鏈部分258的區(qū)域內(nèi)峰值應(yīng)力的局部化，更具體地，在鉸鏈腹板252，254內(nèi)。可樞動支臂部分123由無載荷的一個原始垂直或90°位置彎曲至一個彎曲位置，作為力傳送元件部分146施加力通過鉸鏈部分258的結(jié)果。
參見圖1A-8，一個智能化材料致動器16，16a，46，46a，52，52a，比如一個壓電致動器是這樣工作，當(dāng)電功率引入致動器，致動器將在響應(yīng)電功率時成比例地改變形狀。壓電致動器設(shè)置在支承結(jié)構(gòu)12的相對的表面之間，將引起相關(guān)的結(jié)構(gòu)部分的移動，以響應(yīng)智能化材料致動器的伸展和收縮。應(yīng)該理解，壓電致動器是一種可能的智能化材料致動器，以及其它的器件，比如磁致伸縮材料致動器也考慮在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
力傳送元件部分40，40a，86，94，146，側(cè)面部分18，18a，20，20a，可樞動支臂部分24，26，24a，26a，74a，76a，123以及腹板部分14，36，38設(shè)計(jì)為按照本發(fā)明基本上剛性的。支承結(jié)構(gòu)的這些部分的任何非有意的彎曲，即使是微觀的也會由于不希望的移動而導(dǎo)致無效的功率傳送。致動器的移動是微觀的，典型地為約0.0015in至0.0001in最大位移。不希望的彎曲移動應(yīng)不超過側(cè)面部分，例如18，20的位移與力傳送元件40的自由彎曲時的位移的比率的約10％，以及不希望的移動應(yīng)更典型地不超過按照本發(fā)明使用術(shù)語考慮的基本上剛性的約5％。
彎曲點(diǎn)和鉸鏈幾何形狀精密地選擇以優(yōu)化一個特定的用途的性能。設(shè)計(jì)過程可以由下列方法支持，采用鉸鏈58，70，88，90，96，98的“放大器”作用以滿足要求的規(guī)范，以借助性能的最大化使用于一個特定的用途，而沒有引起材料疲勞。有限元分析已顯示鉸鏈的壽命在工業(yè)用途文件的范圍內(nèi)應(yīng)是“無限期的”。器件的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)使用一個壓電疊層作為主要致動方法，并與本發(fā)明教導(dǎo)的移動放大器相配合已超過五億次工作。
應(yīng)該理解，本發(fā)明能夠包括支承結(jié)構(gòu)的主要和輔助部分，支承結(jié)構(gòu)構(gòu)造為帶有一個腹板部分和向外延伸的支臂部分，如圖1A-3所示，它能夠使用于支承夾緊部分或活門部分和/或能夠包括支承結(jié)構(gòu)的主要部分和輔助部分，構(gòu)造為帶有一個腹板部分，向外延伸的側(cè)面部分，一個力傳送元件部分和可樞動支臂部分，如圖5A-6所示，它能夠使用于支承夾緊部分或活門部分。換句話說，公開的支承結(jié)構(gòu)能夠使用于任何希望的組合，用于特定的用途，泵送或夾緊，以及以上公開的描述是借助實(shí)例的方式，而不是限制。
雖然本發(fā)明已配合現(xiàn)在認(rèn)為最實(shí)際之點(diǎn)和優(yōu)選的實(shí)施例描述，應(yīng)該理解，本發(fā)明不應(yīng)該局限于公開的實(shí)施例，然而相反，它有意地覆蓋各種改變和等值的排列包括在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)，此范圍是根據(jù)最廣義的解釋，從而使在法律允許的條件下包容所有這些改變和等值的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括一個支承結(jié)構(gòu)，具有形成在它的上面的第一和第二支臂部分，用于彼此相對地移動，以及一個輔助部分，整體地形成在每個支臂部分的一個外端，用于與它一起移動；以及一個主要致動器，可操作地與支承結(jié)構(gòu)配合，以便在響應(yīng)主要致動器的一個電激勵時驅(qū)動這些支臂部分彼此相對地移動，以及一個輔助致動器，可操作地與每個輔助部分配合工作，以便在響應(yīng)輔助致動器的一個電激勵時驅(qū)動每個輔助部分在一個開啟位置和一個關(guān)閉位置之間移動，每個致動器可以彼此獨(dú)立地工作。
2.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，還包括一個剛性的不可撓曲的腹板部分與支承結(jié)構(gòu)相配合。
3.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，還包括一個力傳送元件部分，用于傳送來自主要致動器的一個力，以便在一個伸展位置和一個收縮位置之間彼此相對地移動相配合的輔助部分，當(dāng)主要致動器去激勵時，輔助部分彼此移動接近至收縮位置，當(dāng)主要致動器激勵時，輔助部分彼此移動分離至伸展位置。
4.按照權(quán)利要求3的裝置，其特征在于，還包括一個剛性的不可撓曲的腹板部分，與腹板部分的向外延伸的側(cè)面部分在腹板部分的相對的末端相配合，限定支承結(jié)構(gòu)的一個剛性的不可撓曲的C-形部分；以及一對鉸鏈部分，在力傳送元件部分和支承結(jié)構(gòu)的每個支臂部分之間，以及在力傳送元件部分和支承結(jié)構(gòu)的每個側(cè)面部分之間基本上彼此平行地延伸。
5.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，每個輔助部分還包括一個輔助腹板部分，與支承結(jié)構(gòu)的相關(guān)的支臂部分整體地接合；以及第一和第二輔助支臂部分，與每個輔助腹板部分的相對末端整體地配合以及由它們延伸。
6.按照權(quán)利要求5的裝置，其特征在于，每個輔助部分還包括一個力傳送元件部分，用于傳送來自輔助致動器的一個力，以移動相關(guān)的輔助支臂部分在一個開啟位置和一個關(guān)閉位置之間彼此相對地移動，當(dāng)輔助致動器去激勵時，輔助支臂部分彼此移動接近至關(guān)閉位置，以及當(dāng)輔助致動器激勵時，輔助支臂部分彼此移動分離至開啟位置。
7.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，每個輔助部分還包括一個夾緊部分。
8.按照權(quán)利要求7的裝置，其特征在于，每個輔助部分還包括相對的表面，成形在每個夾緊部分上，并帶有成形的凹槽，可以與具有一個輔助形狀的可移動元件接合。
9.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，每個輔助部分還具有一個活門部分。
10.按照權(quán)利要求9的裝置，其特征在于，還包括輔助部分，限定一個第一活門部分和一個第二活門部分；以及泵機(jī)構(gòu)，用于泵送一個流體，此泵機(jī)構(gòu)定位在支承結(jié)構(gòu)的第一和第二支臂部分之間，以及與第一活門部分和第二活門部分流體貫通。
11.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，主要和輔助致動器能夠以不同的程序系列觸發(fā)用于兩方向的工作。
12.按照權(quán)利要求11的裝置，其特征在于，能夠進(jìn)行雙向的工作以便使可移動元件在相對于支承結(jié)構(gòu)的任何方向上移動。
13.按照權(quán)利要求11的裝置，其特征在于，能夠進(jìn)行雙向的工作，以便在相對于支承結(jié)構(gòu)的任何方向上泵送流體。
14.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，致動器是壓電的致動器。
15.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，致動器是磁致伸縮的致動器。
16.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，還包括一個第一和第二對基本上平行的鉸鏈，用于第一和第二夾緊部分，以便圍繞相應(yīng)形成的至少一個減小的面積樞動，此減小的面積是借助位于支承結(jié)構(gòu)內(nèi)結(jié)構(gòu)的每個夾緊部分和每個側(cè)面部分之間以及力傳送元件和夾緊部分之間的狹縫產(chǎn)生的。
17.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，支承結(jié)構(gòu)是用均勻的材料制造的。
18.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，支承結(jié)構(gòu)是一個單體結(jié)構(gòu)。
19.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，還包括用于預(yù)加載至少一個主要和輔助致動器的器件。
20.按照權(quán)利要求19的裝置，其特征在于，預(yù)加載器件還包括一個力調(diào)焦元件，工作上與至少一個主要和輔助致動器的一端相配合，以及，一個螺紋，可與支承結(jié)構(gòu)的一個剛性端腹板螺紋接合，此螺紋工作上與力調(diào)焦元件相配合，從而使一個預(yù)加載力能夠在致動器激勵之間通過螺紋和力調(diào)焦元件施加至致動器。
21.一種方法，包括下列的步驟激勵一個主要致動器，以便移動一個支承結(jié)構(gòu)的第一和第二主要可樞動支臂部分，由它們彼此相鄰的一個第一位置至它們彼此分離的一個第二位置；激勵至少一個輔助致動器，以便移動支承結(jié)構(gòu)的第一和第二輔助可樞動支臂部分，由它們彼此相鄰的一個第一位置至它們彼此分離的一個第二位置；以及順序地激勵和去激勵主要和輔助致動器，以進(jìn)行工作。
22.按照權(quán)利要求21的裝置，其特征在于，還包括下列的步驟開啟一個固定夾緊部分，以響應(yīng)一個第一輔助致動器的激勵，而一個正常關(guān)閉可移動夾緊部分保持關(guān)閉在一個可移動元件上的一個開始位置，以響應(yīng)一個去激勵的第二輔助致動器；移動可移動夾緊部分離開固定夾緊部分，以響應(yīng)主要致動器的激勵，以便攜帶可移動元件相對于固定夾緊部分移動；關(guān)閉固定夾緊部分，以響應(yīng)第一輔助致動器的去激勵；開啟可移動夾緊部分，以響應(yīng)第二輔助致動器的激勵；以及移動可移動夾緊部分至固定夾緊部分，以響應(yīng)主要致動器的去激勵，在可移動元件上關(guān)閉以前至開始的位置。
23.按照權(quán)利要求21的方法，其特征在于，還包括下列的步驟開啟一個第一活門，以響應(yīng)一個第一輔助致動器的激勵，而一個正常關(guān)閉第二活門保持關(guān)閉，以響應(yīng)一個去激勵的第二輔助致動器；起動一個泵機(jī)構(gòu)，以響應(yīng)主要致動器的激勵，以便抽取流體通過第一活門進(jìn)入艙室；關(guān)閉第一活門，以響應(yīng)第一輔助致動器的去激勵；開啟第二活門，以響應(yīng)第二輔助致動器的激勵；以及起動泵機(jī)構(gòu)，以響應(yīng)主致動器的去激勵，以迫使流體通過第二活門。
全文摘要
按照本發(fā)明的一個裝置，包括一個支承結(jié)構(gòu)(12)，具有一個主要部分(14)，帶有第一和第二支臂部分(24，26)成形在它的上面，用于彼此相對地移動，以及一個輔助部分(28，32)，帶有一個夾緊部分(30，34)或者活門部分，整體地成形在每個支臂部分的一個外末端上，用于與其一起移動。一個主要致動器(16)，工作上與主要支承結(jié)構(gòu)相配合，在響應(yīng)主致動器的一個電激勵時，驅(qū)動支臂部分彼此相對地移動。輔助致動器(46，52)工作上與輔助部分相配合，用于在響應(yīng)每個輔助致動器的一個電激勵時，獨(dú)立地驅(qū)動輔助部分在一個開啟位置和一個關(guān)閉位置之間移動。每個致動器可以彼此獨(dú)立地工作。裝置可以工作以提供一個兩方向的電動機(jī)，一個兩方向的泵或一個兩方向的壓縮機(jī)，它取決于主要和輔助致動器的觸發(fā)的選擇的形狀和順序模式。
文檔編號H01L41/09GK1663059SQ03814384
公開日2005年8月31日 申請日期2003年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月21日
發(fā)明者杰夫·莫勒 申請人:瓦伊金技術(shù)有限公司