專利名稱：壓電空氣閥和多閥式壓電空氣閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顆粒材料分選機(jī)，其用于分選和去除異物如不希望有地混合在谷物如米粒中的石子以及次品如著色顆粒，更具體地涉及一種空氣閥，其用作可影響顆粒材料分選機(jī)的分選能力的主要部件。
背景技術(shù)：
通常來說，通過分選機(jī)來除去次品以下述方式進(jìn)行，即，使顆粒材料沿給定的下落軌跡連續(xù)地釋放到空氣中，并根據(jù)次品檢測信號(hào)用空氣脈沖流在預(yù)定位置處將次品吹到給定下落軌跡之外。由空氣閥來產(chǎn)生在分選機(jī)中將次品直接吹走的空氣脈沖流。在這種意義上，可以認(rèn)為空氣閥是決定分選機(jī)的分選能力的主要部件。理想上分選機(jī)應(yīng)從沿給定下落軌跡下落的摻雜有次品的顆粒材料中僅選擇性地除去次品。然而，分選機(jī)實(shí)際上不僅會(huì)吹走次品，而且有時(shí)也會(huì)吹走正常的顆粒材料。這是所帶來的一個(gè)不利的現(xiàn)象，它的一個(gè)原因在于，空氣閥不具備選擇性去除所需的令人滿意的高速性能。因此，空氣閥需要有很高水平的高速性能，以便有效地只去除次品。
目前，對于用在分選機(jī)中的米粒分選機(jī)中的空氣閥來說，最普遍地是使用利用電磁吸引力的空氣閥。這種類型的空氣閥構(gòu)造成采用電磁體來吸引具有空氣閥性能的銜鐵，空氣閥僅在電磁體已吸引了銜鐵的時(shí)期內(nèi)打開。然而，利用電磁吸引力的空氣閥已經(jīng)達(dá)到了其最大能力，不再有用于高速操作性能的余地，其原因如下所述。也就是說，為了實(shí)現(xiàn)空氣閥的高速操作，需要增大電磁力。然而，銜鐵的磁飽和是限制吸引力的一個(gè)因素。由于目前用于銜鐵的磁性材料自身不存在減輕磁飽和現(xiàn)象的余地，因此需要增大銜鐵的質(zhì)量以增加吸引力。然而，運(yùn)動(dòng)銜鐵的質(zhì)量增加本身就與其更高的高速操作不相容。因此已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用電磁吸引力的那種空氣閥在比目前所達(dá)到的速度更快的高速度下進(jìn)行操作是很難實(shí)現(xiàn)的。
對于電磁吸引力以外的物理手段來說，可采用壓電效應(yīng)來產(chǎn)生能打開空氣閥的力。在這種情況下，利用了當(dāng)在壓電材料如陶瓷材料上施加電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生位移的原理。作為壓電元件的一個(gè)具體例子，給出了壓敏元件(piezo-element)作為代表。壓敏元件以效率很高的方式將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并且具有足夠高的響應(yīng)速度。然而，壓敏元件所產(chǎn)生的位移量最多在十幾微米到幾十微米的范圍內(nèi)，這種位移量太小而無法用于在分選機(jī)中用來執(zhí)行控制操作以打開和關(guān)閉壓縮空氣的空氣閥。
例如，在日本專利申請No.H8-518436(日本專利出版物No.H10-510040)的說明書中公開了在分選裝置的氣壓噴射器(空氣閥)中使用的壓電元件的一個(gè)例子。圖1是該噴射器的示意性圖示，下面將介紹該噴射器的大致情況。在這種噴射器中，在已引入壓縮空氣11的腔13，15和閥座17之間的空間的打開和閉合由包括有隔膜21和壓電元件23的重疊組件來執(zhí)行，隔膜21和壓電元件23相對于閥座17橫向地設(shè)置。隔膜21和壓電元件23的重疊組件設(shè)置成當(dāng)壓縮空氣11未被引入到腔13，15中時(shí)其稍稍地離開閥座17。當(dāng)壓縮空氣11被引入到腔13，15中且腔13，15進(jìn)入到加壓狀態(tài)時(shí)，在壓縮空氣的入口25和與外部空氣相接觸的出口27之間產(chǎn)生了壓力差，即差壓。該差壓使包括有隔膜21和壓電元件23的重疊組件產(chǎn)生彈性變形，從而關(guān)閉了閥座17并導(dǎo)致重疊組件停留在該位置。在上述狀態(tài)下，當(dāng)對壓電元件23選擇性地施加電流時(shí)，包括有隔膜21和壓電元件23的重疊組件因壓電元件23的變形而從閥座17中回退，即朝向圖中的上方運(yùn)動(dòng)，從而在重疊組件和閥座17之間騰出了空間，因此閥座17被打開。與此相對應(yīng)，腔13，15內(nèi)的壓縮空氣11作為空氣脈沖流29經(jīng)由閥座17和出口27噴射到外部。這類空氣閥的可動(dòng)部分具有相對較小的質(zhì)量，因此符合高速性能的要求。然而，由壓電元件的位移所產(chǎn)生的力本身很小，并且這類空氣閥無法快速地作出響應(yīng)。因此，這類空氣閥無法令人滿意地用于對高速響應(yīng)性能的要求很高的空氣閥的打開/關(guān)閉控制。結(jié)果，這類空氣閥的一個(gè)問題是，它不能提供足夠的空氣脈沖流29，對響應(yīng)性能來說尤其如此。
在文章“利用層合壓電元件的沖擊力的空氣壓力全開/全閉閥”，Symposium IV of the 74th National Meeting of the Japanese MachinerySociety，第203-204頁中介紹了在空氣閥中使用壓電元件的另一個(gè)例子。在該文章中公開的全開/全閉閥構(gòu)造成使得已被具有較小彈性的彈簧穩(wěn)定地支撐在偏壓狀態(tài)下的小型慣性件(噴嘴擋板閥)因壓電元件所產(chǎn)生的沖擊力而彈起，從而瞬間地產(chǎn)生一個(gè)大于壓電元件自身的位移量的間隙。然而，這種全開/全閉閥存在這樣的缺陷，即擋板閥在沖擊后的閉合操作需要耗費(fèi)一定的時(shí)間，這是因?yàn)殚]合操作是由彈性較小的彈簧來實(shí)現(xiàn)的。
作為用于閥的壓電元件的另外一個(gè)例子，在日本公開特許公報(bào)No.H8-93944中公開了一種層合壓電執(zhí)行元件類型的壓電元件閥。這種壓電元件閥是可安裝在用于將氣體噴射到核聚變設(shè)備中的原材料氣體噴射裝置等的入口側(cè)和出口側(cè)之間并用于遙控氣體噴射的閥。該壓電元件閥具有利用杠桿原理來放大由壓電元件產(chǎn)生的位移的機(jī)構(gòu)。然而，與現(xiàn)有技術(shù)的閥一樣，這種閥在閉合操作方面也要耗費(fèi)一定的時(shí)間，這是因?yàn)殚y的閉合操作由與壓電元件不同的用于復(fù)位的彈性件(彈簧)來實(shí)現(xiàn)。另一方面，在壓電元件閥的情況下，耗費(fèi)時(shí)間的閉合操作的問題不那么大，這是因?yàn)閴弘娫y不是用于產(chǎn)生打開和閉合操作都要求有非常好的高速性能的空氣脈沖流，而僅僅是用于控制氣體通路的閥。
根據(jù)本發(fā)明的空氣閥使用了上述壓電元件，這些壓電元件將在下文中介紹，其中設(shè)置了特殊的附加機(jī)構(gòu)來解決使用現(xiàn)有技術(shù)壓電元件的閥的這些缺點(diǎn)，即可產(chǎn)生的間隙較小且閉合操作較慢。
雖然既不是電磁空氣閥也不是壓電空氣閥，然而在日本專利申請No.2000-182203(日本公開特許公報(bào)No.2002-01232)的說明書中公開了一種用于分選機(jī)的去除裝置的現(xiàn)有技術(shù)的另一例子。在這種裝置中，在所謂的螺線管型驅(qū)動(dòng)裝置的可動(dòng)進(jìn)入軸的遠(yuǎn)端部分處以一體的狀態(tài)形成了將與顆粒相接觸的斜面，它構(gòu)造成可選擇性地操作驅(qū)動(dòng)裝置以直接且機(jī)械式地去除有缺陷的顆粒。雖然在形成了滑動(dòng)型可動(dòng)進(jìn)入軸時(shí)在響應(yīng)性能和磨損特性方面會(huì)存在問題，然而該去除裝置具有特殊的結(jié)構(gòu)，使得其可利用永久磁體的回彈來使可動(dòng)進(jìn)入軸浮起，從而無滑動(dòng)地支撐可動(dòng)進(jìn)入軸。由于可動(dòng)進(jìn)入軸構(gòu)造成可被無滑動(dòng)地支撐，因此就不會(huì)產(chǎn)生負(fù)載，例如在進(jìn)入時(shí)施加到可動(dòng)進(jìn)入軸上的滑動(dòng)摩擦。結(jié)果就可以得到與空氣脈沖類型等效的高速響應(yīng)性能。另外，這種裝置的另一優(yōu)點(diǎn)是不需要壓縮空氣源作為其部件。然而，由于永久磁體在結(jié)構(gòu)上要求使可動(dòng)進(jìn)入軸浮起以支撐該軸，因此，僅去除裝置的大小就超過了給定的范圍。因此，例如在多通道式系統(tǒng)的分選機(jī)中，需要對分選機(jī)作出一些改進(jìn)，例如將相鄰的去除裝置布置成曲形的形式等。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于分選機(jī)的使用了壓電元件的空氣閥，該空氣閥可穩(wěn)定地產(chǎn)生具有足夠噴射量的空氣脈沖流。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于分選機(jī)的空氣閥，其利用壓電元件在最大程度上產(chǎn)生的高速響應(yīng)性能來在高速下進(jìn)行打開和閉合操作。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種用于分選機(jī)的空氣閥，該空氣閥包括緊湊的壓電元件并能以非常高的轉(zhuǎn)換效率來將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過這種特性，該空氣閥適用于在單通道型分選機(jī)和多通道型分選機(jī)中實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的小型化和并具有較小的功耗。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于顆粒材料分選機(jī)的壓電空氣閥，其包括空氣閥主體，其包括用于接受由空氣壓力供給裝置提供的壓縮空氣的空氣壓力腔和從空氣壓力腔中延伸到外部的空氣出口；閥體，其用于控制打開和關(guān)閉空氣壓力腔和空氣出口之間的空間的操作；壓電元件，其用于產(chǎn)生形式為位移的閥體的打開和閉合操作所需的驅(qū)動(dòng)力；和位移放大機(jī)構(gòu)，其用于放大由壓電元件產(chǎn)生的位移然后將該放大的位移施加到閥體上，其中，閥體、位移放大機(jī)構(gòu)和壓電元件相互間機(jī)械式相連，一方面，打開閥體的打開操作根據(jù)被放大的位移來執(zhí)行，該放大位移是在對壓電元件施加電壓時(shí)由位移放大機(jī)構(gòu)放大壓電元件所產(chǎn)生的位移而產(chǎn)生的，另一方面，關(guān)閉閥體的閉合操作在切斷施加給壓電元件的電壓時(shí)根據(jù)壓電元件的復(fù)位力來執(zhí)行。
優(yōu)選在從空氣出口側(cè)看去時(shí)處于對稱的位置處安裝兩組位移放大機(jī)構(gòu)，這樣，壓電元件產(chǎn)生的位移通過位移放大機(jī)構(gòu)均勻地傳遞給閥體。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種由多個(gè)單元壓電空氣閥形成的多閥式壓電空氣閥，該單元壓電空氣閥包括空氣閥主體，其包括用于接受由空氣壓力供給裝置提供的壓縮空氣的空氣壓力腔和從空氣壓力腔中延伸到外部的空氣出口；閥體，其用于控制打開和關(guān)閉空氣壓力腔和空氣出口之間的空間的操作；壓電元件，其用于產(chǎn)生形式為閥體的打開和閉合操作所需的位移的驅(qū)動(dòng)力；和位移放大機(jī)構(gòu)，其用于放大由壓電元件產(chǎn)生的位移然后將該放大的位移施加到閥體上，其中，多個(gè)空氣壓力腔橫向地相連以形成一個(gè)共有腔，處于最外側(cè)位置處的兩個(gè)單獨(dú)的壓電空氣閥的各側(cè)均由側(cè)板來關(guān)閉。


從參考附圖來進(jìn)行說明的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的下述介紹中，可以清楚本發(fā)明的上述和其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是采用壓電元件的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的空氣閥的剖視圖；圖2是使用了根據(jù)本發(fā)明的壓電空氣閥的顆粒材料分選機(jī)的主要部分的橫向剖視圖；圖3A和3B是根據(jù)本發(fā)明第一示例的壓電空氣閥的示意圖；圖4是顯示了在如圖3A和3B所示的壓電空氣閥的壓電元件上施加電壓時(shí)的狀態(tài)的視圖；圖5A和5B是根據(jù)本發(fā)明第二示例的壓電空氣閥的示意圖；圖6A和6B是根據(jù)本發(fā)明第三示例的壓電空氣閥的示意圖；圖7A和7B是圖6A和6B所示的第三示例的壓電空氣閥的示意圖，但其中一個(gè)部分進(jìn)行了改進(jìn)；圖8A和8B是根據(jù)本發(fā)明第四示例的壓電空氣閥的示意圖；和圖9是用于多通道分選機(jī)的根據(jù)本發(fā)明的多閥式壓電空氣閥的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將在下文中參考附圖來詳細(xì)地介紹根據(jù)本發(fā)明的壓電空氣閥和多閥式壓電空氣閥。
首先將參考圖2來說明可使用根據(jù)本發(fā)明的壓電空氣閥的顆粒材料分選機(jī)的大致情況，以便幫助理解本發(fā)明。圖2是顆粒材料分選機(jī)30的主要部分及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)剖視圖。顆粒材料分選機(jī)30包括位于其上部的顆粒材料供給部分，其包括料箱31和振動(dòng)式進(jìn)料器32。由顆粒材料供給部分所提供的顆粒材料通過斜槽33順序地自然下落，然后從其下端部分處沿給定的下落軌跡釋放到空氣中。
在所述給定下落軌跡的周圍相對于下落軌跡基本上對稱地設(shè)置了至少一對光學(xué)檢測裝置34a，34b。這對光學(xué)檢測裝置均包括光敏器件、燈和背景片。然而在這里并未介紹這些元件的細(xì)節(jié)，這是因?yàn)檫@些元件的構(gòu)造和操作超出了本發(fā)明的主題，并且是本領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的。光學(xué)檢測裝置34a，34b檢查已到達(dá)下落軌跡的檢測點(diǎn)O處的每一粒顆粒材料。具體地說，光學(xué)檢測裝置34a，34b將來自位于檢測點(diǎn)O處的顆粒材料的反射光和/或透射光的量以電信號(hào)的形式發(fā)送給控制器35。控制器35將來自光學(xué)檢測裝置34a，34b的每一粒顆粒材料的信號(hào)電平與預(yù)定值相比較，并將屬于該值的允許范圍內(nèi)的顆粒材料確定為正常顆粒材料。另一方面，將超出該值的允許范圍的顆粒材料確定為次品，并將去除信號(hào)從控制器35發(fā)送到例如包括有根據(jù)本發(fā)明空氣閥的去除裝置37中。當(dāng)使用空氣閥時(shí)，去除裝置37在給定去除點(diǎn)E處用空氣脈沖流從給定下落軌跡中只吹走次品，以便通過次品去除出口38將次品排到分選機(jī)之外。當(dāng)使用上述螺線管型驅(qū)動(dòng)裝置來代替空氣閥時(shí)，可從下落軌跡中機(jī)械地且直接地去除次品，并通過次品去除出口38將其排到分選機(jī)之外。應(yīng)當(dāng)注意的是，去除信號(hào)形成為延遲信號(hào)，它考慮了顆粒材料在檢測點(diǎn)O和去除點(diǎn)E之間的距離上下落所需的時(shí)間周期。已通過下落軌跡且未促動(dòng)去除裝置37的正常顆粒材料經(jīng)由合格物聚集出口39來回收。上述顆粒材料的代表性示例可以是谷粒，尤其是米粒。然而，顆粒材料并不限于谷粒，任何顆粒材料都可以是目標(biāo)物，只要其具有能夠被空氣脈沖流吹走的大小和質(zhì)量。
下面將詳細(xì)地介紹根據(jù)本發(fā)明的壓電空氣閥和多閥式壓電空氣閥，這些閥可以非常方便地用作包括于分選機(jī)中的去除裝置的主要部件。
如下所述，根據(jù)本發(fā)明的壓電空氣閥可在多個(gè)實(shí)施例中實(shí)施。然而，作為各實(shí)施例的共有部件，壓電空氣閥包括空氣閥主體，其包括用于接受由空氣壓力供給裝置提供的壓縮空氣的空氣壓力腔和從空氣壓力腔中延伸到閥主體外部的空氣出口；閥體，其用于控制打開和關(guān)閉空氣壓力腔和空氣出口之間的空間的操作；壓電元件，其用于產(chǎn)生打開和閉合閥體的操作所需的驅(qū)動(dòng)力；以及位移放大機(jī)構(gòu)，其用于放大壓電元件的位移量。位移放大機(jī)構(gòu)利用杠桿原理來放大由壓電元件產(chǎn)生的較小位移量。通過位移放大機(jī)構(gòu)就可以解決使用了現(xiàn)有技術(shù)壓電元件的空氣閥的缺陷，即由壓電元件本身只能產(chǎn)生較小位移量的特征所引起的在空氣出口和閥體之間形成的較小間隙。在根據(jù)本發(fā)明的空氣閥中，非常重要的一點(diǎn)是，在上述部件中，壓電元件、位移放大機(jī)構(gòu)和閥體構(gòu)造成所有這些元件相互間相連。通過上述結(jié)構(gòu)，在對壓電元件施加電壓的情況下可利用位移放大機(jī)構(gòu)在空氣出口和閥體之間形成具有足夠大小的間隙，另一方面，當(dāng)切斷施加在壓電元件上的電壓時(shí)，壓電元件產(chǎn)生的位移復(fù)位到初始零狀態(tài)，復(fù)位力通過位移放大機(jī)構(gòu)強(qiáng)制性地傳遞給閥體，閥體在空氣出口處與閥座部分接觸，從而完全堵住空氣壓力腔和空氣出口之間的連接。由于與對壓電元件施加電壓及切斷電壓有關(guān)的位移的產(chǎn)生和復(fù)位非常迅速，如上所述地構(gòu)造的空氣閥的響應(yīng)速度也很快。因此，通過這種結(jié)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)能夠執(zhí)行高速操作的空氣閥。
下面將分別參考圖3A，3B到圖9來說明共同具有上述結(jié)構(gòu)的具體示例。
圖3A和3B顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的壓電空氣閥60。圖3A是壓電空氣閥的側(cè)視圖，圖3B是從空氣出口側(cè)看去的正視圖。在空氣閥主體61中形成了壓縮空氣腔62，其可接受來自外部空氣壓力供應(yīng)源(未示出)所提供的壓縮空氣。在空氣閥主體61的一個(gè)部分中設(shè)置了空氣出口63，其從壓縮空氣腔62延伸到主體61的外部。在空氣閥主體61上的設(shè)有空氣出口63的部分處包括了閥座64，其沿朝向壓縮空氣腔62的方向稍稍伸出。還設(shè)置了在其末端處具有閥體65的桿臂件66，使其與閥座64接觸。在與桿臂件66上的設(shè)有閥體65的一側(cè)相反的一側(cè)上設(shè)置了基本上平行的第一鉸鏈67和第二鉸鏈68，各鉸鏈的一端與桿臂件66連接成一體的狀態(tài)。第一鉸鏈67的另一端連接到空氣閥主體61上，而第二鉸鏈68的另一端經(jīng)端蓋件69連接到壓電元件70的一端上。壓電元件70的引線71通過形成于空氣閥主體61的適當(dāng)部分處的開口而延伸到外部(下述示例均是如此)。第一和第二鉸鏈67，68由可變形如可彎曲且具有適當(dāng)擴(kuò)展特性的材料制成，例如不銹鋼和殷鋼材料。壓電元件70的另一端通過焊接、粘結(jié)等固定到空氣閥主體61上。在如圖所示的示例中，閥體65構(gòu)造成與桿臂件66形成一體。由于這一形成一體的部分反復(fù)地沖擊在閥座64上，因此優(yōu)選用能夠抵抗因沖擊而引起的磨損的材料來形成這一部分。為此，優(yōu)選有時(shí)用與桿臂件66不同的材料來形成閥體65，或者與桿臂件66分開地來形成閥體。在如圖所示的示例中，當(dāng)從側(cè)面觀看空氣閥時(shí)，壓縮空氣腔62顯示為它的這一部分是打開的。這是因?yàn)榭諝忾y基于下述假設(shè)來構(gòu)造，即如上所述的多個(gè)單元空氣閥60橫向地堆疊，使得它們可用作多通道的多閥式空氣閥，如圖所示。當(dāng)多個(gè)空氣閥橫向地堆疊并使用時(shí)，各個(gè)壓縮空氣腔相互連接，形成了作為一個(gè)整體的大壓縮空氣腔。實(shí)際上，最外側(cè)空氣閥60的兩側(cè)均被板狀件所關(guān)閉。不用說也知道，當(dāng)空氣閥用作單元空氣閥而非多閥式空氣閥時(shí)，如圖所示的兩側(cè)均被板狀件(側(cè)板)所關(guān)閉。下述示例均是如此。
下面將參考圖4來介紹如上所述地構(gòu)造的第一示例的操作。圖3A顯示了無電壓施加到壓電元件70上的狀態(tài)，即閥體65關(guān)閉了閥座64的狀態(tài)。與圖3A不同，圖4顯示了有電壓施加到壓電元件70上的狀態(tài)，即壓電元件70伸展、閥體65響應(yīng)于壓電元件的伸展而從閥座64上脫開并且在此處產(chǎn)生了間隙的狀態(tài)。在對壓電元件70施加電壓的期間，壓縮空氣腔62中的空氣通過該間隙和空氣出口63以空氣脈沖流的形式被排出。由于壓電元件70本身為現(xiàn)有技術(shù)，因此知道當(dāng)對其施加電壓時(shí)，壓電元件70的伸長處于最多十幾微米到幾十微米的長度范圍內(nèi)。如果閥體65和閥座64之間的間隙只由這種程度的伸長來形成的話，這是不夠的。然而，由于在本發(fā)明中設(shè)置了包括有第一鉸鏈67、第二鉸鏈68和桿臂件66的位移放大機(jī)構(gòu)，因此就可以在閥體65和閥座64之間產(chǎn)生較大或充足的間隙，其能夠通過空氣出口63來排出足夠體積的壓縮空氣。具體地說，當(dāng)?shù)诙q鏈68即受力點(diǎn)和第一鉸鏈67即支點(diǎn)之間的距離確定為L1，并且第一鉸鏈67和閥體65的中心即作用點(diǎn)之間的距離確定為L2時(shí)，壓電元件70的伸長就通過杠桿原理而在閥體65的中心部分處放大了L2/L1倍，這使得能夠在閥體65和閥座64之間產(chǎn)生具有足夠大小的間隙。當(dāng)施加給壓電元件70的電壓被切斷時(shí)，壓電元件70復(fù)位到初始狀態(tài)。由于包括了處于整體狀態(tài)的壓電元件70、端蓋件69、第二鉸鏈68和閥體65的桿臂件66具有所有部分相互連接的結(jié)構(gòu)，因此壓電元件70的復(fù)位力就按原樣強(qiáng)制性地傳遞到閥體65上，并用作迫動(dòng)力，以推動(dòng)或促動(dòng)閥體65壓在閥座64上。一旦閥體65與閥座64接觸，閥體65就通過壓縮空氣腔62內(nèi)的高壓和空氣出口63中的外部空氣壓力之間的差壓而保持在與閥座64形成緊密貼附的狀態(tài)下。
圖5A和5B顯示了根據(jù)本發(fā)明第二示例的壓電空氣閥。圖5A是壓電空氣閥80的側(cè)視圖，而圖5B是其正視圖。對于包括該第二示例在內(nèi)的下述示例的壓電空氣閥中的與第一示例相同或等同的部件來說，賦予這些部件相同的標(biāo)號(hào)，并且略去對它們的說明。在第二示例中，閥體85由第一片簧或板簧81和第二片簧82來支撐。第一片簧81的一端連接在空氣閥主體61上，其另一端連接在閥體85上。第二片簧82的一端連接在端蓋件69上，其另一端連接在閥體85上。第一片簧81和第二片簧82設(shè)置成仿佛它們以空氣出口63為中心而傾斜地對稱，因此在沒有電壓施加到壓電元件70上時(shí)，這兩個(gè)片簧就會(huì)施加用于將相連的閥體85推到閥座64上的力。在這一示例中，閥座64的突出部分的突出程度比第一示例中更大，這也與片簧81，82被設(shè)置在傾斜狀態(tài)下有關(guān)。第三片簧83的一端連接在空氣閥主體61上，其另一端連接在端蓋件69上。第三片簧83設(shè)置成可抵抗會(huì)將壓電元件70朝向圖中右上方偏壓的力。這個(gè)力的產(chǎn)生與壓電元件70被施加了電壓且之后伸長時(shí)第二片簧82的傾斜狀態(tài)相關(guān)。
在上述結(jié)構(gòu)中，圖5A顯示了沒有電壓施加在壓電元件70上的狀態(tài)。當(dāng)有電壓施加在壓電元件70上時(shí)，壓電元件70沿縱向向上伸長。伴隨著這一伸長，第一片簧81、第二片簧82和第三片簧83產(chǎn)生彎曲。響應(yīng)于這些片簧的彎曲，在閥體85和閥座64之間產(chǎn)生了具有足夠大小的間隙，壓縮空氣腔62內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)由空氣出口63而排出到外部。在該示例中，第一片簧81、第二片簧82和第三片簧83構(gòu)成了位移放大機(jī)構(gòu)。由于第一片簧81、閥體85、第二片簧82和第三片簧83均與端蓋件69相連，因此在切斷施加給壓電元件70的電壓時(shí)同時(shí)產(chǎn)生的壓電元件70的復(fù)位力將強(qiáng)制性地傳遞給閥體85，并操作成將閥體85推動(dòng)到閥座64上。在閥體85與閥座64接觸的時(shí)間點(diǎn)之后，閥體85通過差壓保持在與閥座64形成緊密貼附的狀態(tài)下。這與第一示例中相同。
圖6A和6B顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三示例的壓電空氣閥90。圖6A是壓電空氣閥的側(cè)視圖，而圖6B是其正視圖。在該示例中，在相對于連接圖中壓電元件70和空氣出口63的中心線的上、下位置處對稱地設(shè)置了兩個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)。由于所有部件相對于空氣出口對稱地設(shè)置，因此任何時(shí)刻作用在閥體上的力在上、下方向上始終被抵消。結(jié)果，尤其在關(guān)閉狀態(tài)下，能夠有利地提高閥體和閥座之間的緊密貼附。上方位移放大機(jī)構(gòu)包括第一鉸鏈91、第二鉸鏈92、第一桿臂件93和第一片簧94。第一鉸鏈91的一端連接在空氣閥主體61上。第二鉸鏈92的一端連接在端蓋件69上。第一鉸鏈91和第二鉸鏈92各自的另一端均連接在第一桿臂件93的基體部分上。第一桿臂件93從基體部分中朝向外側(cè)方向(圖中的右側(cè))延伸，第一片簧94的一端具有適當(dāng)?shù)膹椥浴⑺苄院晚g性，其牢固地連接在第一桿臂件93的末端上，并且可與將在下面介紹的第二彈簧99協(xié)同操作以將閥體95穩(wěn)固地推到閥座64上。第一片簧94的另一端與閥體95的一端相連。下方位移放大機(jī)構(gòu)包括第三鉸鏈96、第四鉸鏈97、第二桿臂件98和第二片簧99。第三鉸鏈96的一端連接在空氣閥主體61上。第四鉸鏈97的一端連接在端蓋件69上。第三鉸鏈96和第四鉸鏈97各自的另一端均連接在第二桿臂件98的基體部分上。第二桿臂件98從基體部分中朝向下側(cè)方向(圖中的下側(cè))延伸，第二片簧99的一端牢固地連接在第二桿臂件98的末端上。第二片簧99的另一端連接在閥體95的另一端上。如上所述，該示例中的空氣閥構(gòu)造成閥體95由對稱地設(shè)置在上、下位置處的兩個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)來支撐。關(guān)于制造直接支撐閥體95的第一片簧94和第二片簧99的材料，優(yōu)選使用Mulage鋼。
在上述結(jié)構(gòu)中，圖中顯示了沒有電壓施加在壓電元件70上時(shí)的狀態(tài)。當(dāng)有電壓施加在壓電元件70上時(shí)，元件70沿圖中的右上方向伸長。與該伸長相關(guān)的是，在上方位移放大機(jī)構(gòu)中第二鉸鏈92用作受力點(diǎn)，第一鉸鏈91用作支點(diǎn)，而第一桿臂件93的末端用作作用點(diǎn)。這樣，已經(jīng)被杠桿原理放大了的壓電元件70的位移量就表現(xiàn)在第一桿臂件93的末端部分上。類似的，在下方位移放大機(jī)構(gòu)中，第四鉸鏈97用作受力點(diǎn)，第三鉸鏈96用作支點(diǎn)，第二桿臂件98的末端部分用作作用點(diǎn)。這樣，已經(jīng)被放大了的壓電元件70的位移量就表現(xiàn)在第二桿臂件98的末端部分上。在第一桿臂件93和第二桿臂件98之間的距離分開的方向上放大并表現(xiàn)在第一桿臂件93和第二桿臂件98各自的末端部分上的壓電元件70的位移經(jīng)由第一片簧94和第二片簧99而使閥體95與閥座64分開足夠的距離，并進(jìn)行操作以產(chǎn)生具有較大尺寸的間隙。結(jié)果，足夠體積的壓縮空氣經(jīng)由空氣出口63從壓縮空氣腔62排到外部。當(dāng)施加在壓電元件70上的電壓被切斷時(shí)，壓電元件70的復(fù)位力通過上、下位移放大機(jī)構(gòu)強(qiáng)制性地傳遞到閥體95上。響應(yīng)于復(fù)位力的傳遞，閥體95便安放在閥座64上。同時(shí)，在該示例中，第一片簧94和第二片簧99因其彈性力而產(chǎn)生的復(fù)位力有效地作用在閥體95上，以便使閥體95牢固地安放在閥座64上。
圖7A和7B顯示了上述第三示例的一個(gè)變型。圖7A是該變型的側(cè)視圖，而圖7B是其正視圖。與其中第三鉸鏈96和壓電元件70通過焊接、粘結(jié)等直接地連接到空氣閥主體61上的第三示例不同，在該變型的示例中，這些部件連接到與空氣閥61分開的一個(gè)基板100上。在空氣閥如上構(gòu)造的情況下，可以使包括位移放大機(jī)構(gòu)、閥體和壓電元件在內(nèi)的部分形成一個(gè)整體，以便于空氣閥的裝配和維修操作。具體地說，該整體部分結(jié)合到單元安裝區(qū)域101中，該單元安裝區(qū)域101預(yù)先形成在空氣閥主體61內(nèi)，然后通過適當(dāng)?shù)墓潭ㄑb置102將該整體部分固定住，之后沿圖中的右上或左上方向來調(diào)節(jié)該整體部分的位置(具體的是，在沿圖中的右上方向已經(jīng)施加了適當(dāng)力的狀態(tài)下)，使得在沒有電壓施加到壓電元件70上的狀態(tài)下可以得到閥體95和閥座64之間的適當(dāng)緊密粘附。因此，可以說固定裝置102也用作可調(diào)節(jié)將閥體95壓到閥座64上的壓力的裝置。由于壓電元件70在有電壓和無電壓施加的狀態(tài)下的操作與第三示例中的完全相同，因此在這里略去這些操作的說明。
圖8A和8B顯示了根據(jù)本發(fā)明第四示例的壓電空氣閥120。圖8A是壓電空氣閥的側(cè)視圖，而圖8B是其正視圖。在該示例中，與第三示例一樣，在圖中的上、下位置處相對于空氣出口63對稱地設(shè)置了兩個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)。在該示例中，壓電元件70設(shè)置成使其縱向方向定位成與空氣出口63的軸向方向正交。結(jié)果，與第三示例中的深度相比，這種情況能夠縮短空氣閥的深度。上方位移放大機(jī)構(gòu)包括第一鉸鏈121、第二鉸鏈122、第一桿臂件123和第一片簧124。第一鉸鏈121的一端連接在基板131上，第二鉸鏈122的一端連接在第一端蓋件128a上。第一鉸鏈121和第二鉸鏈122各自的另一端連接在第一桿臂件123的基體部分上。第一桿臂件123從基體部分中朝向橫向右側(cè)方向延伸，其末端部分與第一片簧124的一端相連。第一片簧124的另一端連接在閥體125的一端上。下方位移放大機(jī)構(gòu)包括第三鉸鏈126、第四鉸鏈127、第二桿臂件129和第二片簧130。第三鉸鏈126的一端連接在基板131上。第四鉸鏈127的一端連接在第二端蓋件128b上。第三鉸鏈126和第四鉸鏈127各自的另一端連接在第二桿臂件129的基體部分上。第二桿臂件129從基體部分中朝向橫向右側(cè)方向延伸，第二片簧130的一端連接在第二桿臂件129的末端部分上。第一片簧124的一端和第二片簧130的一端分別連接在第一桿臂件123和第二桿臂件129上，使得它們形成了等腰三角形的兩條等腰，而它們各自的另一端連接在閥體125上。與壓電元件70的一端固定在空氣閥主體或基板上的上述其它示例不同，該示例中的壓電元件70設(shè)置成支撐于端蓋件128a，128b之間，端蓋件分別設(shè)于壓電元件的兩側(cè)。應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然如圖8A和8B所示的示例構(gòu)造成使得壓電元件、位移放大機(jī)構(gòu)和閥體與基板131如同第三示例變型的結(jié)構(gòu)一樣形成一體，然而它也可不同地構(gòu)造成使得第一鉸鏈121和第三鉸鏈126通過焊接、粘結(jié)等直接地連接到空氣閥主體61上。在圖中，標(biāo)號(hào)132表示單元安裝區(qū)域。
在上述結(jié)構(gòu)中，圖中顯示了沒有電壓施加在壓電元件70上的狀態(tài)。當(dāng)有電壓施加在壓電元件70上時(shí)，元件70沿圖中的上、下方向伸長。響應(yīng)于該伸長，在上方位移放大機(jī)構(gòu)中，第一鉸鏈121用作支點(diǎn)，第二鉸鏈122用作受力點(diǎn)，而第一桿臂件123的末端部分用作作用點(diǎn)。結(jié)果，壓電元件70的位移量通過杠桿原理而被放大，然后表現(xiàn)在第一桿臂件123的末端部分上。類似的，在下方位移放大機(jī)構(gòu)中，第三鉸鏈126用作支點(diǎn)，第四鉸鏈127用作受力點(diǎn)，而第二桿臂件129的末端部分用作作用點(diǎn)。結(jié)果，壓電元件70的位移量被放大，然后表現(xiàn)在第二桿臂件129的末端部分上。這樣，已在第一桿臂件123和第二桿臂件129之間的距離分開的方向上放大并表現(xiàn)在第一桿臂件123和第二桿臂件129各自的末端部分上的壓電元件70的位移經(jīng)由第一片簧124和第二片簧130而使閥體125與閥座64分開足夠的距離，并進(jìn)行操作以產(chǎn)生具有較大尺寸的間隙。結(jié)果，足夠體積的壓縮空氣經(jīng)由空氣出口63從壓縮空氣腔62排到外部。當(dāng)施加在壓電元件70上的電壓被切斷時(shí)，與上述示例一樣，閥體95通過壓電元件70的復(fù)位力并經(jīng)過上方和下方位移放大機(jī)構(gòu)而被迫安放在閥座64上。
圖9是多閥式壓電空氣閥140的局部分解透視圖，其通過橫向地堆積或疊放根據(jù)包括其變型在內(nèi)的上述示例1到4的多個(gè)單元空氣閥來構(gòu)造，使得它能夠滿足在多通道分選機(jī)中使用的要求。雖然在圖中其構(gòu)造成10個(gè)單元空氣閥串聯(lián)式相接，然而不用說也知道，可以根據(jù)所需的應(yīng)用而自由地改變空氣閥的數(shù)量。應(yīng)當(dāng)注意的是，在此略去了單元空氣閥的內(nèi)部圖示。在多個(gè)單元空氣閥堆積在一起時(shí)，在最外側(cè)空氣閥的一側(cè)上連接了側(cè)板141，142，以便限定其中的共有壓縮空氣腔62。多個(gè)單元空氣閥緊固在側(cè)板141和142上，所有空氣閥由多個(gè)緊固件(如螺栓143和螺母144)固定住，各緊固件穿過所有空氣閥以將它們相連，從而構(gòu)造出了多閥式壓電空氣閥?？諝鈮毫?yīng)源(未示出)所提供的壓縮空氣通過管145從左側(cè)板141或右側(cè)板142中引入到形成在側(cè)板141，142之間的共有壓縮空氣腔62中。應(yīng)當(dāng)注意到，在單元空氣閥之間以及在最外側(cè)空氣閥和側(cè)板之間分別安裝了墊圈148，以便防止空氣從堆積在一起的多個(gè)單元空氣閥中泄漏出去。不用說也知道，當(dāng)電壓選擇性地施加在包括各空氣閥在內(nèi)的壓電元件中時(shí)，各個(gè)壓電空氣閥可相互間獨(dú)立地操作。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的壓電空氣閥中，當(dāng)在壓電元件上施加電壓時(shí)，可在閥體和閥座之間產(chǎn)生具有足夠大小的間隙，這是因?yàn)橛蓧弘娫a(chǎn)生的位移被位移放大機(jī)構(gòu)所放大，然后再傳遞給閥體以控制壓縮空氣腔和空氣出口之間的空間的打開/閉合。結(jié)果，足量體積的壓縮空氣以空氣脈沖流的形式從壓縮空氣腔中通過空氣出口噴到外部。而且，由于在從壓電元件到閥體的區(qū)域內(nèi)的所有部件相互連接，因此在切斷施加在壓電元件上的電壓時(shí)，壓電元件的復(fù)位力就會(huì)強(qiáng)制性地傳遞給閥體。結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)快速地操作壓縮空氣腔和空氣出口之間的空間的打開和關(guān)閉。
此外，由于壓電元件自身具備非常高的轉(zhuǎn)換效率，因此就可以提供一種使用了壓電元件的只消耗較少電能的空氣閥。
另外，由于壓電元件自身的物理尺寸較小，因此很容易將單元空氣閥的尺寸制成較緊湊。因此，在多個(gè)單元空氣閥相連以形成供多通道分選機(jī)使用的多閥式壓電空氣閥時(shí)，不必提供特殊的設(shè)置，例如將多個(gè)單元空氣閥設(shè)置成曲折的形式，將所需數(shù)量的單元空氣閥簡單地堆疊起來就足夠了。
雖然在上文中已經(jīng)介紹了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，然而應(yīng)當(dāng)理解，所使用的用語只是說明性的而非限制性的，在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的真實(shí)范圍的前提下，可以在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)進(jìn)行一定的變化。
權(quán)利要求
1.一種用于顆粒材料分選機(jī)的壓電空氣閥(60，80，90，120)，其包括空氣閥主體(61)，其包括用于接受由空氣壓力供給裝置提供的壓縮空氣的空氣壓力腔(62)和從所述空氣壓力腔中延伸到外部的空氣出口(63)；閥體(65，95，125)，其用于控制打開和關(guān)閉所述空氣壓力腔和空氣出口之間的空間的操作；壓電元件(70)，其用于產(chǎn)生形式為位移的打開和閉合所述閥體的操作所需的驅(qū)動(dòng)力；和至少一個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)，其用于放大由所述壓電元件產(chǎn)生的位移然后將所述放大的位移施加到所述閥體上，其中，所述閥體、位移放大機(jī)構(gòu)(67，68，66:81，82，83:91，92，93，94；96，97，98，99:121，122，123，124；126，127，129，130)和壓電元件相互間機(jī)械式相連，一方面，打開所述閥體的操作根據(jù)所述位移來執(zhí)行，所述位移在對所述壓電元件施加電壓時(shí)由所述壓電元件產(chǎn)生并之后被所述位移放大機(jī)構(gòu)放大，另一方面，關(guān)閉所述閥體的操作在切斷施加給所述壓電元件的電壓時(shí)根據(jù)所述壓電元件的復(fù)位力來執(zhí)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電空氣閥，其特征在于，所述位移放大機(jī)構(gòu)包括第一鉸接件(67)，其一端連接在所述空氣閥主體(61)上；與所述第一鉸接件基本上平行的第二鉸接件(68)，其一端連接在所述壓電元件(70)上；和桿臂件(66)，所述第一鉸接件(67)和第二鉸接件(68)各自的另一端連接到所述桿臂件(66)上，所述桿臂件(66)延伸過比所述第一鉸接件(67)和第二鉸接件(68)之間的距離更長的距離，所述第一鉸接件、第二鉸接件和桿臂件分別用作支點(diǎn)、受力點(diǎn)和作用點(diǎn)，由所述壓電元件產(chǎn)生的位移在所述作用點(diǎn)處通過杠桿原理被放大L2/L1倍，其中所述支點(diǎn)和受力點(diǎn)之間的距離為L1，所述支點(diǎn)和作用點(diǎn)之間的距離為L2(L1＜L2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電空氣閥，其特征在于，所述桿臂件(66)包括位于其末端部分處并形成一體的所述閥體(65)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電空氣閥，其特征在于，所述第二鉸接件(68)通過端蓋件(69)與所述壓電元件(70)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電空氣閥，其特征在于，在所述空氣出口(63)和閥體(65)之間設(shè)置了閥座(64)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電空氣閥，其特征在于，相對于所述空氣出口對稱地設(shè)置了一對所述位移放大機(jī)構(gòu)，它們作為上方位移放大機(jī)構(gòu)和下方位移放大機(jī)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電空氣閥，其特征在于，所述上方位移放大機(jī)構(gòu)包括第一鉸接件(91，121)，其一端與所述空氣閥主體(61)相連并用作支點(diǎn)；第二鉸接件(92，122)，其一端與所述壓電元件(70)相連并與所述第一鉸接件形成基本上平行的關(guān)系，并且用作受力點(diǎn)；第一桿臂件(93，123)，所述第一和第二鉸接件各自的另一端連接到所述第一桿臂件上，所述第一桿臂件延伸過比所述第一鉸接件和第二鉸接件之間的距離更長的距離，所述第一桿臂件的末端部分用作作用點(diǎn)；和第一彈性件(94，124)，其一端與所述第一桿臂件的末端部分相連，而另一端連接到所述閥體(95，125)的第一部分上，另外，所述下方位移放大機(jī)構(gòu)包括第三鉸接件(96，126)，其一端與所述空氣閥主體(61)相連并用作支點(diǎn)；第四鉸接件(97，127)，其一端與所述壓電元件(70)相連并與所述第三鉸接件形成基本上平行的關(guān)系，并且用作受力點(diǎn)；第二桿臂件(98，129)，所述第三和第四鉸接件各自的另一端連接到所述第二桿臂件上，所述第二桿臂件延伸過比所述第三鉸接件和第四鉸接件之間的距離更長的距離，所述第二桿臂件的末端部分用作作用點(diǎn)；和第二彈性件(99，130)，其一端與所述第二桿臂件的末端部分相連，而另一端連接到所述閥體(95，125)的第二部分上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電空氣閥，其特征在于，所述壓電元件(70)連接在所述上方位移放大機(jī)構(gòu)的第二鉸接件(122)和所述下方位移放大機(jī)構(gòu)的第四鉸接件(127)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電空氣閥，其特征在于，所述壓電元件(70)、位移放大機(jī)構(gòu)和閥體(95，125)以整體單元的形式設(shè)置在與所述空氣閥主體(61)分開的基板(100，131)上，所述單元安裝在所述空氣閥主體的單元安裝區(qū)域(101，132)中。
10.一種多閥式壓電空氣閥(140)，其由將多個(gè)單元壓電空氣閥(60)串聯(lián)式地橫向相連而構(gòu)造成，各所述單元壓電空氣閥包括空氣閥主體，其包括用于接受由空氣壓力供給裝置提供的壓縮空氣的空氣壓力腔(62)和從所述空氣壓力腔中延伸到外部的空氣出口(63)；閥體(65)，其用于控制打開和關(guān)閉所述空氣壓力腔和空氣出口之間的空間的操作；壓電元件(70)，其用于產(chǎn)生形式為位移的打開和閉合所述閥體的操作所需的驅(qū)動(dòng)力；以及位移放大機(jī)構(gòu)，其用于放大由所述壓電元件產(chǎn)生的位移然后將所述放大的位移施加到所述閥體上，其中，所述多個(gè)單元壓電空氣閥(60)串聯(lián)式地橫向相連，使得所述空氣壓力腔相互連接而形成了一個(gè)共有的空氣壓力腔(62)，最外側(cè)的兩個(gè)單元壓電空氣閥的各側(cè)由側(cè)板(141，142)來關(guān)閉。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的多閥式壓電空氣閥(140)，其特征在于，在所述單元壓電空氣閥(60)之間以及在所述最外側(cè)的單元壓電空氣閥和所述側(cè)板(141，142)之間分別設(shè)置了用于防止漏氣的墊圈(148)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的多閥式壓電空氣閥(140)，其特征在于，在任一所述側(cè)板(141，142)上形成了入口(145)，其用于將來自所述空氣壓力供應(yīng)裝置的壓縮空氣引入到所述壓縮空氣腔(62)中。
全文摘要
空氣閥(60)包括閥體(65，95，125)，其用于控制打開和關(guān)閉空氣壓力腔(62)和空氣出口(64)之間的連通的操作；壓電元件(70)，其用于產(chǎn)生形式為位移的驅(qū)動(dòng)力；以及位移放大機(jī)構(gòu)(66，67，68)，其用于通過杠桿原理來放大由壓電元件產(chǎn)生的較小位移然后將放大了的位移施加到閥體上。在對壓電元件施加電壓時(shí)，放大的位移使得在空氣壓力腔和空氣出口之間形成了較大且足夠的間隙。當(dāng)切斷施加給壓電元件的電壓時(shí)，壓電元件自身的復(fù)位力使該間隙迅速關(guān)閉。
文檔編號(hào)F16K31/00GK1538094SQ20041003504
公開日2004年10月20日 申請日期2004年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月18日
發(fā)明者矢野健, 樋口俊郎, 工藤謙一, 徐世杰, 柴田恒彥, 池田憲政, 一, 彥, 政, 郎 申請人:株式會(huì)社佐竹制作所, 有限會(huì)社電子精機(jī)