专利名称：压电空气阀和多阀式压电空气阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种颗粒材料分选机，其用于分选和去除异物如不希望有地混合在谷物如米粒中的石子以及次品如着色颗粒，更具体地涉及一种空气阀，其用作可影响颗粒材料分选机的分选能力的主要部件。
背景技术：
通常来说，通过分选机来除去次品以下述方式进行，即，使颗粒材料沿给定的下落轨迹连续地释放到空气中，并根据次品检测信号用空气脉冲流在预定位置处将次品吹到给定下落轨迹之外。由空气阀来产生在分选机中将次品直接吹走的空气脉冲流。在这种意义上，可以认为空气阀是决定分选机的分选能力的主要部件。理想上分选机应从沿给定下落轨迹下落的掺杂有次品的颗粒材料中仅选择性地除去次品。然而，分选机实际上不仅会吹走次品，而且有时也会吹走正常的颗粒材料。这是所带来的一个不利的现象，它的一个原因在于，空气阀不具备选择性去除所需的令人满意的高速性能。因此，空气阀需要有很高水平的高速性能，以便有效地只去除次品。
目前，对于用在分选机中的米粒分选机中的空气阀来说，最普遍地是使用利用电磁吸引力的空气阀。这种类型的空气阀构造成采用电磁体来吸引具有空气阀性能的衔铁，空气阀仅在电磁体已吸引了衔铁的时期内打开。然而，利用电磁吸引力的空气阀已经达到了其最大能力，不再有用于高速操作性能的余地，其原因如下所述。也就是说，为了实现空气阀的高速操作，需要增大电磁力。然而，衔铁的磁饱和是限制吸引力的一个因素。由于目前用于衔铁的磁性材料自身不存在减轻磁饱和现象的余地，因此需要增大衔铁的质量以增加吸引力。然而，运动衔铁的质量增加本身就与其更高的高速操作不相容。因此已经发现，利用电磁吸引力的那种空气阀在比目前所达到的速度更快的高速度下进行操作是很难实现的。
对于电磁吸引力以外的物理手段来说，可采用压电效应来产生能打开空气阀的力。在这种情况下，利用了当在压电材料如陶瓷材料上施加电压时会产生位移的原理。作为压电元件的一个具体例子，给出了压敏元件(piezo-element)作为代表。压敏元件以效率很高的方式将电能转换为机械能，并且具有足够高的响应速度。然而，压敏元件所产生的位移量最多在十几微米到几十微米的范围内，这种位移量太小而无法用于在分选机中用来执行控制操作以打开和关闭压缩空气的空气阀。
例如，在日本专利申请No.H8-518436(日本专利出版物No.H10-510040)的说明书中公开了在分选装置的气压喷射器(空气阀)中使用的压电元件的一个例子。图1是该喷射器的示意性图示，下面将介绍该喷射器的大致情况。在这种喷射器中，在已引入压缩空气11的腔13，15和阀座17之间的空间的打开和闭合由包括有隔膜21和压电元件23的重叠组件来执行，隔膜21和压电元件23相对于阀座17横向地设置。隔膜21和压电元件23的重叠组件设置成当压缩空气11未被引入到腔13，15中时其稍稍地离开阀座17。当压缩空气11被引入到腔13，15中且腔13，15进入到加压状态时，在压缩空气的入口25和与外部空气相接触的出口27之间产生了压力差，即差压。该差压使包括有隔膜21和压电元件23的重叠组件产生弹性变形，从而关闭了阀座17并导致重叠组件停留在该位置。在上述状态下，当对压电元件23选择性地施加电流时，包括有隔膜21和压电元件23的重叠组件因压电元件23的变形而从阀座17中回退，即朝向图中的上方运动，从而在重叠组件和阀座17之间腾出了空间，因此阀座17被打开。与此相对应，腔13，15内的压缩空气11作为空气脉冲流29经由阀座17和出口27喷射到外部。这类空气阀的可动部分具有相对较小的质量，因此符合高速性能的要求。然而，由压电元件的位移所产生的力本身很小，并且这类空气阀无法快速地作出响应。因此，这类空气阀无法令人满意地用于对高速响应性能的要求很高的空气阀的打开/关闭控制。结果，这类空气阀的一个问题是，它不能提供足够的空气脉冲流29，对响应性能来说尤其如此。
在文章“利用层合压电元件的冲击力的空气压力全开/全闭阀”，Symposium IV of the 74th National Meeting of the Japanese MachinerySociety，第203-204页中介绍了在空气阀中使用压电元件的另一个例子。在该文章中公开的全开/全闭阀构造成使得已被具有较小弹性的弹簧稳定地支撑在偏压状态下的小型惯性件(喷嘴挡板阀)因压电元件所产生的冲击力而弹起，从而瞬间地产生一个大于压电元件自身的位移量的间隙。然而，这种全开/全闭阀存在这样的缺陷，即挡板阀在冲击后的闭合操作需要耗费一定的时间，这是因为闭合操作是由弹性较小的弹簧来实现的。
作为用于阀的压电元件的另外一个例子，在日本公开特许公报No.H8-93944中公开了一种层合压电执行元件类型的压电元件阀。这种压电元件阀是可安装在用于将气体喷射到核聚变设备中的原材料气体喷射装置等的入口侧和出口侧之间并用于遥控气体喷射的阀。该压电元件阀具有利用杠杆原理来放大由压电元件产生的位移的机构。然而，与现有技术的阀一样，这种阀在闭合操作方面也要耗费一定的时间，这是因为阀的闭合操作由与压电元件不同的用于复位的弹性件(弹簧)来实现。另一方面，在压电元件阀的情况下，耗费时间的闭合操作的问题不那么大，这是因为压电元件阀不是用于产生打开和闭合操作都要求有非常好的高速性能的空气脉冲流，而仅仅是用于控制气体通路的阀。
根据本发明的空气阀使用了上述压电元件，这些压电元件将在下文中介绍，其中设置了特殊的附加机构来解决使用现有技术压电元件的阀的这些缺点，即可产生的间隙较小且闭合操作较慢。
虽然既不是电磁空气阀也不是压电空气阀，然而在日本专利申请No.2000-182203(日本公开特许公报No.2002-01232)的说明书中公开了一种用于分选机的去除装置的现有技术的另一例子。在这种装置中，在所谓的螺线管型驱动装置的可动进入轴的远端部分处以一体的状态形成了将与颗粒相接触的斜面，它构造成可选择性地操作驱动装置以直接且机械式地去除有缺陷的颗粒。虽然在形成了滑动型可动进入轴时在响应性能和磨损特性方面会存在问题，然而该去除装置具有特殊的结构，使得其可利用永久磁体的回弹来使可动进入轴浮起，从而无滑动地支撑可动进入轴。由于可动进入轴构造成可被无滑动地支撑，因此就不会产生负载，例如在进入时施加到可动进入轴上的滑动摩擦。结果就可以得到与空气脉冲类型等效的高速响应性能。另外，这种装置的另一优点是不需要压缩空气源作为其部件。然而，由于永久磁体在结构上要求使可动进入轴浮起以支撑该轴，因此，仅去除装置的大小就超过了给定的范围。因此，例如在多通道式系统的分选机中，需要对分选机作出一些改进，例如将相邻的去除装置布置成曲形的形式等。
发明内容
鉴于现有技术的上述问题，本发明的一个目的是提供一种用于分选机的使用了压电元件的空气阀，该空气阀可稳定地产生具有足够喷射量的空气脉冲流。
本发明的另一目的是提供一种用于分选机的空气阀，其利用压电元件在最大程度上产生的高速响应性能来在高速下进行打开和闭合操作。
本发明的另外一个目的是提供一种用于分选机的空气阀，该空气阀包括紧凑的压电元件并能以非常高的转换效率来将电能转换为机械能，通过这种特性，该空气阀适用于在单通道型分选机和多通道型分选机中实现整个装置的小型化和并具有较小的功耗。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于颗粒材料分选机的压电空气阀，其包括空气阀主体，其包括用于接受由空气压力供给装置提供的压缩空气的空气压力腔和从空气压力腔中延伸到外部的空气出口；阀体，其用于控制打开和关闭空气压力腔和空气出口之间的空间的操作；压电元件，其用于产生形式为位移的阀体的打开和闭合操作所需的驱动力；和位移放大机构，其用于放大由压电元件产生的位移然后将该放大的位移施加到阀体上，其中，阀体、位移放大机构和压电元件相互间机械式相连，一方面，打开阀体的打开操作根据被放大的位移来执行，该放大位移是在对压电元件施加电压时由位移放大机构放大压电元件所产生的位移而产生的，另一方面，关闭阀体的闭合操作在切断施加给压电元件的电压时根据压电元件的复位力来执行。
优选在从空气出口侧看去时处于对称的位置处安装两组位移放大机构，这样，压电元件产生的位移通过位移放大机构均匀地传递给阀体。
根据本发明的第二方面，提供了一种由多个单元压电空气阀形成的多阀式压电空气阀，该单元压电空气阀包括空气阀主体，其包括用于接受由空气压力供给装置提供的压缩空气的空气压力腔和从空气压力腔中延伸到外部的空气出口；阀体，其用于控制打开和关闭空气压力腔和空气出口之间的空间的操作；压电元件，其用于产生形式为阀体的打开和闭合操作所需的位移的驱动力；和位移放大机构，其用于放大由压电元件产生的位移然后将该放大的位移施加到阀体上，其中，多个空气压力腔横向地相连以形成一个共有腔，处于最外侧位置处的两个单独的压电空气阀的各侧均由侧板来关闭。
从参考附图来进行说明的本发明优选实施例的下述介绍中，可以清楚本发明的上述和其它的目的、特征和优点，其中图1是采用压电元件的根据现有技术的空气阀的剖视图；图2是使用了根据本发明的压电空气阀的颗粒材料分选机的主要部分的横向剖视图；图3A和3B是根据本发明第一示例的压电空气阀的示意图；图4是显示了在如图3A和3B所示的压电空气阀的压电元件上施加电压时的状态的视图；图5A和5B是根据本发明第二示例的压电空气阀的示意图；图6A和6B是根据本发明第三示例的压电空气阀的示意图；图7A和7B是图6A和6B所示的第三示例的压电空气阀的示意图，但其中一个部分进行了改进；图8A和8B是根据本发明第四示例的压电空气阀的示意图；和图9是用于多通道分选机的根据本发明的多阀式压电空气阀的示意图。
具体实施例方式
现在将在下文中参考附图来详细地介绍根据本发明的压电空气阀和多阀式压电空气阀。
首先将参考图2来说明可使用根据本发明的压电空气阀的颗粒材料分选机的大致情况，以便帮助理解本发明。图2是颗粒材料分选机30的主要部分及其内部结构的示意性侧剖视图。颗粒材料分选机30包括位于其上部的颗粒材料供给部分，其包括料箱31和振动式进料器32。由颗粒材料供给部分所提供的颗粒材料通过斜槽33顺序地自然下落，然后从其下端部分处沿给定的下落轨迹释放到空气中。
在所述给定下落轨迹的周围相对于下落轨迹基本上对称地设置了至少一对光学检测装置34a，34b。这对光学检测装置均包括光敏器件、灯和背景片。然而在这里并未介绍这些元件的细节，这是因为这些元件的构造和操作超出了本发明的主题，并且是本领域的技术人员众所周知的。光学检测装置34a，34b检查已到达下落轨迹的检测点O处的每一粒颗粒材料。具体地说，光学检测装置34a，34b将来自位于检测点O处的颗粒材料的反射光和/或透射光的量以电信号的形式发送给控制器35。控制器35将来自光学检测装置34a，34b的每一粒颗粒材料的信号电平与预定值相比较，并将属于该值的允许范围内的颗粒材料确定为正常颗粒材料。另一方面，将超出该值的允许范围的颗粒材料确定为次品，并将去除信号从控制器35发送到例如包括有根据本发明空气阀的去除装置37中。当使用空气阀时，去除装置37在给定去除点E处用空气脉冲流从给定下落轨迹中只吹走次品，以便通过次品去除出口38将次品排到分选机之外。当使用上述螺线管型驱动装置来代替空气阀时，可从下落轨迹中机械地且直接地去除次品，并通过次品去除出口38将其排到分选机之外。应当注意的是，去除信号形成为延迟信号，它考虑了颗粒材料在检测点O和去除点E之间的距离上下落所需的时间周期。已通过下落轨迹且未促动去除装置37的正常颗粒材料经由合格物聚集出口39来回收。上述颗粒材料的代表性示例可以是谷粒，尤其是米粒。然而，颗粒材料并不限于谷粒，任何颗粒材料都可以是目标物，只要其具有能够被空气脉冲流吹走的大小和质量。
下面将详细地介绍根据本发明的压电空气阀和多阀式压电空气阀，这些阀可以非常方便地用作包括于分选机中的去除装置的主要部件。
如下所述，根据本发明的压电空气阀可在多个实施例中实施。然而，作为各实施例的共有部件，压电空气阀包括空气阀主体，其包括用于接受由空气压力供给装置提供的压缩空气的空气压力腔和从空气压力腔中延伸到阀主体外部的空气出口；阀体，其用于控制打开和关闭空气压力腔和空气出口之间的空间的操作；压电元件，其用于产生打开和闭合阀体的操作所需的驱动力；以及位移放大机构，其用于放大压电元件的位移量。位移放大机构利用杠杆原理来放大由压电元件产生的较小位移量。通过位移放大机构就可以解决使用了现有技术压电元件的空气阀的缺陷，即由压电元件本身只能产生较小位移量的特征所引起的在空气出口和阀体之间形成的较小间隙。在根据本发明的空气阀中，非常重要的一点是，在上述部件中，压电元件、位移放大机构和阀体构造成所有这些元件相互间相连。通过上述结构，在对压电元件施加电压的情况下可利用位移放大机构在空气出口和阀体之间形成具有足够大小的间隙，另一方面，当切断施加在压电元件上的电压时，压电元件产生的位移复位到初始零状态，复位力通过位移放大机构强制性地传递给阀体，阀体在空气出口处与阀座部分接触，从而完全堵住空气压力腔和空气出口之间的连接。由于与对压电元件施加电压及切断电压有关的位移的产生和复位非常迅速，如上所述地构造的空气阀的响应速度也很快。因此，通过这种结构就可实现能够执行高速操作的空气阀。
下面将分别参考图3A，3B到图9来说明共同具有上述结构的具体示例。
图3A和3B显示了根据本发明第一实施例的压电空气阀60。图3A是压电空气阀的侧视图，图3B是从空气出口侧看去的正视图。在空气阀主体61中形成了压缩空气腔62，其可接受来自外部空气压力供应源(未示出)所提供的压缩空气。在空气阀主体61的一个部分中设置了空气出口63，其从压缩空气腔62延伸到主体61的外部。在空气阀主体61上的设有空气出口63的部分处包括了阀座64，其沿朝向压缩空气腔62的方向稍稍伸出。还设置了在其末端处具有阀体65的杆臂件66，使其与阀座64接触。在与杆臂件66上的设有阀体65的一侧相反的一侧上设置了基本上平行的第一铰链67和第二铰链68，各铰链的一端与杆臂件66连接成一体的状态。第一铰链67的另一端连接到空气阀主体61上，而第二铰链68的另一端经端盖件69连接到压电元件70的一端上。压电元件70的引线71通过形成于空气阀主体61的适当部分处的开口而延伸到外部(下述示例均是如此)。第一和第二铰链67，68由可变形如可弯曲且具有适当扩展特性的材料制成，例如不锈钢和殷钢材料。压电元件70的另一端通过焊接、粘结等固定到空气阀主体61上。在如图所示的示例中，阀体65构造成与杆臂件66形成一体。由于这一形成一体的部分反复地冲击在阀座64上，因此优选用能够抵抗因冲击而引起的磨损的材料来形成这一部分。为此，优选有时用与杆臂件66不同的材料来形成阀体65，或者与杆臂件66分开地来形成阀体。在如图所示的示例中，当从侧面观看空气阀时，压缩空气腔62显示为它的这一部分是打开的。这是因为空气阀基于下述假设来构造，即如上所述的多个单元空气阀60横向地堆叠，使得它们可用作多通道的多阀式空气阀，如图所示。当多个空气阀横向地堆叠并使用时，各个压缩空气腔相互连接，形成了作为一个整体的大压缩空气腔。实际上，最外侧空气阀60的两侧均被板状件所关闭。不用说也知道，当空气阀用作单元空气阀而非多阀式空气阀时，如图所示的两侧均被板状件(侧板)所关闭。下述示例均是如此。
下面将参考图4来介绍如上所述地构造的第一示例的操作。图3A显示了无电压施加到压电元件70上的状态，即阀体65关闭了阀座64的状态。与图3A不同，图4显示了有电压施加到压电元件70上的状态，即压电元件70伸展、阀体65响应于压电元件的伸展而从阀座64上脱开并且在此处产生了间隙的状态。在对压电元件70施加电压的期间，压缩空气腔62中的空气通过该间隙和空气出口63以空气脉冲流的形式被排出。由于压电元件70本身为现有技术，因此知道当对其施加电压时，压电元件70的伸长处于最多十几微米到几十微米的长度范围内。如果阀体65和阀座64之间的间隙只由这种程度的伸长来形成的话，这是不够的。然而，由于在本发明中设置了包括有第一铰链67、第二铰链68和杆臂件66的位移放大机构，因此就可以在阀体65和阀座64之间产生较大或充足的间隙，其能够通过空气出口63来排出足够体积的压缩空气。具体地说，当第二铰链68即受力点和第一铰链67即支点之间的距离确定为L1，并且第一铰链67和阀体65的中心即作用点之间的距离确定为L2时，压电元件70的伸长就通过杠杆原理而在阀体65的中心部分处放大了L2/L1倍，这使得能够在阀体65和阀座64之间产生具有足够大小的间隙。当施加给压电元件70的电压被切断时，压电元件70复位到初始状态。由于包括了处于整体状态的压电元件70、端盖件69、第二铰链68和阀体65的杆臂件66具有所有部分相互连接的结构，因此压电元件70的复位力就按原样强制性地传递到阀体65上，并用作迫动力，以推动或促动阀体65压在阀座64上。一旦阀体65与阀座64接触，阀体65就通过压缩空气腔62内的高压和空气出口63中的外部空气压力之间的差压而保持在与阀座64形成紧密贴附的状态下。
图5A和5B显示了根据本发明第二示例的压电空气阀。图5A是压电空气阀80的侧视图，而图5B是其正视图。对于包括该第二示例在内的下述示例的压电空气阀中的与第一示例相同或等同的部件来说，赋予这些部件相同的标号，并且略去对它们的说明。在第二示例中，阀体85由第一片簧或板簧81和第二片簧82来支撑。第一片簧81的一端连接在空气阀主体61上，其另一端连接在阀体85上。第二片簧82的一端连接在端盖件69上，其另一端连接在阀体85上。第一片簧81和第二片簧82设置成仿佛它们以空气出口63为中心而倾斜地对称，因此在没有电压施加到压电元件70上时，这两个片簧就会施加用于将相连的阀体85推到阀座64上的力。在这一示例中，阀座64的突出部分的突出程度比第一示例中更大，这也与片簧81，82被设置在倾斜状态下有关。第三片簧83的一端连接在空气阀主体61上，其另一端连接在端盖件69上。第三片簧83设置成可抵抗会将压电元件70朝向图中右上方偏压的力。这个力的产生与压电元件70被施加了电压且之后伸长时第二片簧82的倾斜状态相关。
在上述结构中，图5A显示了没有电压施加在压电元件70上的状态。当有电压施加在压电元件70上时，压电元件70沿纵向向上伸长。伴随着这一伸长，第一片簧81、第二片簧82和第三片簧83产生弯曲。响应于这些片簧的弯曲，在阀体85和阀座64之间产生了具有足够大小的间隙，压缩空气腔62内的压缩空气经由空气出口63而排出到外部。在该示例中，第一片簧81、第二片簧82和第三片簧83构成了位移放大机构。由于第一片簧81、阀体85、第二片簧82和第三片簧83均与端盖件69相连，因此在切断施加给压电元件70的电压时同时产生的压电元件70的复位力将强制性地传递给阀体85，并操作成将阀体85推动到阀座64上。在阀体85与阀座64接触的时间点之后，阀体85通过差压保持在与阀座64形成紧密贴附的状态下。这与第一示例中相同。
图6A和6B显示了根据本发明的第三示例的压电空气阀90。图6A是压电空气阀的侧视图，而图6B是其正视图。在该示例中，在相对于连接图中压电元件70和空气出口63的中心线的上、下位置处对称地设置了两个位移放大机构。由于所有部件相对于空气出口对称地设置，因此任何时刻作用在阀体上的力在上、下方向上始终被抵消。结果，尤其在关闭状态下，能够有利地提高阀体和阀座之间的紧密贴附。上方位移放大机构包括第一铰链91、第二铰链92、第一杆臂件93和第一片簧94。第一铰链91的一端连接在空气阀主体61上。第二铰链92的一端连接在端盖件69上。第一铰链91和第二铰链92各自的另一端均连接在第一杆臂件93的基体部分上。第一杆臂件93从基体部分中朝向外侧方向(图中的右侧)延伸，第一片簧94的一端具有适当的弹性、塑性和韧性，其牢固地连接在第一杆臂件93的末端上，并且可与将在下面介绍的第二弹簧99协同操作以将阀体95稳固地推到阀座64上。第一片簧94的另一端与阀体95的一端相连。下方位移放大机构包括第三铰链96、第四铰链97、第二杆臂件98和第二片簧99。第三铰链96的一端连接在空气阀主体61上。第四铰链97的一端连接在端盖件69上。第三铰链96和第四铰链97各自的另一端均连接在第二杆臂件98的基体部分上。第二杆臂件98从基体部分中朝向下侧方向(图中的下侧)延伸，第二片簧99的一端牢固地连接在第二杆臂件98的末端上。第二片簧99的另一端连接在阀体95的另一端上。如上所述，该示例中的空气阀构造成阀体95由对称地设置在上、下位置处的两个位移放大机构来支撑。关于制造直接支撑阀体95的第一片簧94和第二片簧99的材料，优选使用Mulage钢。
在上述结构中，图中显示了没有电压施加在压电元件70上时的状态。当有电压施加在压电元件70上时，元件70沿图中的右上方向伸长。与该伸长相关的是，在上方位移放大机构中第二铰链92用作受力点，第一铰链91用作支点，而第一杆臂件93的末端用作作用点。这样，已经被杠杆原理放大了的压电元件70的位移量就表现在第一杆臂件93的末端部分上。类似的，在下方位移放大机构中，第四铰链97用作受力点，第三铰链96用作支点，第二杆臂件98的末端部分用作作用点。这样，已经被放大了的压电元件70的位移量就表现在第二杆臂件98的末端部分上。在第一杆臂件93和第二杆臂件98之间的距离分开的方向上放大并表现在第一杆臂件93和第二杆臂件98各自的末端部分上的压电元件70的位移经由第一片簧94和第二片簧99而使阀体95与阀座64分开足够的距离，并进行操作以产生具有较大尺寸的间隙。结果，足够体积的压缩空气经由空气出口63从压缩空气腔62排到外部。当施加在压电元件70上的电压被切断时，压电元件70的复位力通过上、下位移放大机构强制性地传递到阀体95上。响应于复位力的传递，阀体95便安放在阀座64上。同时，在该示例中，第一片簧94和第二片簧99因其弹性力而产生的复位力有效地作用在阀体95上，以便使阀体95牢固地安放在阀座64上。
图7A和7B显示了上述第三示例的一个变型。图7A是该变型的侧视图，而图7B是其正视图。与其中第三铰链96和压电元件70通过焊接、粘结等直接地连接到空气阀主体61上的第三示例不同，在该变型的示例中，这些部件连接到与空气阀61分开的一个基板100上。在空气阀如上构造的情况下，可以使包括位移放大机构、阀体和压电元件在内的部分形成一个整体，以便于空气阀的装配和维修操作。具体地说，该整体部分结合到单元安装区域101中，该单元安装区域101预先形成在空气阀主体61内，然后通过适当的固定装置102将该整体部分固定住，之后沿图中的右上或左上方向来调节该整体部分的位置(具体的是，在沿图中的右上方向已经施加了适当力的状态下)，使得在没有电压施加到压电元件70上的状态下可以得到阀体95和阀座64之间的适当紧密粘附。因此，可以说固定装置102也用作可调节将阀体95压到阀座64上的压力的装置。由于压电元件70在有电压和无电压施加的状态下的操作与第三示例中的完全相同，因此在这里略去这些操作的说明。
图8A和8B显示了根据本发明第四示例的压电空气阀120。图8A是压电空气阀的侧视图，而图8B是其正视图。在该示例中，与第三示例一样，在图中的上、下位置处相对于空气出口63对称地设置了两个位移放大机构。在该示例中，压电元件70设置成使其纵向方向定位成与空气出口63的轴向方向正交。结果，与第三示例中的深度相比，这种情况能够缩短空气阀的深度。上方位移放大机构包括第一铰链121、第二铰链122、第一杆臂件123和第一片簧124。第一铰链121的一端连接在基板131上，第二铰链122的一端连接在第一端盖件128a上。第一铰链121和第二铰链122各自的另一端连接在第一杆臂件123的基体部分上。第一杆臂件123从基体部分中朝向横向右侧方向延伸，其末端部分与第一片簧124的一端相连。第一片簧124的另一端连接在阀体125的一端上。下方位移放大机构包括第三铰链126、第四铰链127、第二杆臂件129和第二片簧130。第三铰链126的一端连接在基板131上。第四铰链127的一端连接在第二端盖件128b上。第三铰链126和第四铰链127各自的另一端连接在第二杆臂件129的基体部分上。第二杆臂件129从基体部分中朝向横向右侧方向延伸，第二片簧130的一端连接在第二杆臂件129的末端部分上。第一片簧124的一端和第二片簧130的一端分别连接在第一杆臂件123和第二杆臂件129上，使得它们形成了等腰三角形的两条等腰，而它们各自的另一端连接在阀体125上。与压电元件70的一端固定在空气阀主体或基板上的上述其它示例不同，该示例中的压电元件70设置成支撑于端盖件128a，128b之间，端盖件分别设于压电元件的两侧。应当注意的是，虽然如图8A和8B所示的示例构造成使得压电元件、位移放大机构和阀体与基板131如同第三示例变型的结构一样形成一体，然而它也可不同地构造成使得第一铰链121和第三铰链126通过焊接、粘结等直接地连接到空气阀主体61上。在图中，标号132表示单元安装区域。
在上述结构中，图中显示了没有电压施加在压电元件70上的状态。当有电压施加在压电元件70上时，元件70沿图中的上、下方向伸长。响应于该伸长，在上方位移放大机构中，第一铰链121用作支点，第二铰链122用作受力点，而第一杆臂件123的末端部分用作作用点。结果，压电元件70的位移量通过杠杆原理而被放大，然后表现在第一杆臂件123的末端部分上。类似的，在下方位移放大机构中，第三铰链126用作支点，第四铰链127用作受力点，而第二杆臂件129的末端部分用作作用点。结果，压电元件70的位移量被放大，然后表现在第二杆臂件129的末端部分上。这样，已在第一杆臂件123和第二杆臂件129之间的距离分开的方向上放大并表现在第一杆臂件123和第二杆臂件129各自的末端部分上的压电元件70的位移经由第一片簧124和第二片簧130而使阀体125与阀座64分开足够的距离，并进行操作以产生具有较大尺寸的间隙。结果，足够体积的压缩空气经由空气出口63从压缩空气腔62排到外部。当施加在压电元件70上的电压被切断时，与上述示例一样，阀体95通过压电元件70的复位力并经过上方和下方位移放大机构而被迫安放在阀座64上。
图9是多阀式压电空气阀140的局部分解透视图，其通过横向地堆积或叠放根据包括其变型在内的上述示例1到4的多个单元空气阀来构造，使得它能够满足在多通道分选机中使用的要求。虽然在图中其构造成10个单元空气阀串联式相接，然而不用说也知道，可以根据所需的应用而自由地改变空气阀的数量。应当注意的是，在此略去了单元空气阀的内部图示。在多个单元空气阀堆积在一起时，在最外侧空气阀的一侧上连接了侧板141，142，以便限定其中的共有压缩空气腔62。多个单元空气阀紧固在侧板141和142上，所有空气阀由多个紧固件(如螺栓143和螺母144)固定住，各紧固件穿过所有空气阀以将它们相连，从而构造出了多阀式压电空气阀。空气压力供应源(未示出)所提供的压缩空气通过管145从左侧板141或右侧板142中引入到形成在侧板141，142之间的共有压缩空气腔62中。应当注意到，在单元空气阀之间以及在最外侧空气阀和侧板之间分别安装了垫圈148，以便防止空气从堆积在一起的多个单元空气阀中泄漏出去。不用说也知道，当电压选择性地施加在包括各空气阀在内的压电元件中时，各个压电空气阀可相互间独立地操作。
如上所述，在根据本发明的压电空气阀中，当在压电元件上施加电压时，可在阀体和阀座之间产生具有足够大小的间隙，这是因为由压电元件所产生的位移被位移放大机构所放大，然后再传递给阀体以控制压缩空气腔和空气出口之间的空间的打开/闭合。结果，足量体积的压缩空气以空气脉冲流的形式从压缩空气腔中通过空气出口喷到外部。而且，由于在从压电元件到阀体的区域内的所有部件相互连接，因此在切断施加在压电元件上的电压时，压电元件的复位力就会强制性地传递给阀体。结果，可以实现快速地操作压缩空气腔和空气出口之间的空间的打开和关闭。
此外，由于压电元件自身具备非常高的转换效率，因此就可以提供一种使用了压电元件的只消耗较少电能的空气阀。
另外，由于压电元件自身的物理尺寸较小，因此很容易将单元空气阀的尺寸制成较紧凑。因此，在多个单元空气阀相连以形成供多通道分选机使用的多阀式压电空气阀时，不必提供特殊的设置，例如将多个单元空气阀设置成曲折的形式，将所需数量的单元空气阀简单地堆叠起来就足够了。
虽然在上文中已经介绍了本发明的优选实施例，然而应当理解，所使用的用语只是说明性的而非限制性的，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的真实范围的前提下，可以在所附权利要求范围内进行一定的变化。
权利要求
1.一种用于颗粒材料分选机的压电空气阀(60，80，90，120)，其包括空气阀主体(61)，其包括用于接受由空气压力供给装置提供的压缩空气的空气压力腔(62)和从所述空气压力腔中延伸到外部的空气出口(63)；阀体(65，95，125)，其用于控制打开和关闭所述空气压力腔和空气出口之间的空间的操作；压电元件(70)，其用于产生形式为位移的打开和闭合所述阀体的操作所需的驱动力；和至少一个位移放大机构，其用于放大由所述压电元件产生的位移然后将所述放大的位移施加到所述阀体上，其中，所述阀体、位移放大机构(67，68，66:81，82，83:91，92，93，94；96，97，98，99:121，122，123，124；126，127，129，130)和压电元件相互间机械式相连，一方面，打开所述阀体的操作根据所述位移来执行，所述位移在对所述压电元件施加电压时由所述压电元件产生并之后被所述位移放大机构放大，另一方面，关闭所述阀体的操作在切断施加给所述压电元件的电压时根据所述压电元件的复位力来执行。
2.根据权利要求1所述的压电空气阀，其特征在于，所述位移放大机构包括第一铰接件(67)，其一端连接在所述空气阀主体(61)上；与所述第一铰接件基本上平行的第二铰接件(68)，其一端连接在所述压电元件(70)上；和杆臂件(66)，所述第一铰接件(67)和第二铰接件(68)各自的另一端连接到所述杆臂件(66)上，所述杆臂件(66)延伸过比所述第一铰接件(67)和第二铰接件(68)之间的距离更长的距离，所述第一铰接件、第二铰接件和杆臂件分别用作支点、受力点和作用点，由所述压电元件产生的位移在所述作用点处通过杠杆原理被放大L2/L1倍，其中所述支点和受力点之间的距离为L1，所述支点和作用点之间的距离为L2(L1＜L2)。
3.根据权利要求2所述的压电空气阀，其特征在于，所述杆臂件(66)包括位于其末端部分处并形成一体的所述阀体(65)。
4.根据权利要求2所述的压电空气阀，其特征在于，所述第二铰接件(68)通过端盖件(69)与所述压电元件(70)相连。
5.根据权利要求1所述的压电空气阀，其特征在于，在所述空气出口(63)和阀体(65)之间设置了阀座(64)。
6.根据权利要求1所述的压电空气阀，其特征在于，相对于所述空气出口对称地设置了一对所述位移放大机构，它们作为上方位移放大机构和下方位移放大机构。
7.根据权利要求6所述的压电空气阀，其特征在于，所述上方位移放大机构包括第一铰接件(91，121)，其一端与所述空气阀主体(61)相连并用作支点；第二铰接件(92，122)，其一端与所述压电元件(70)相连并与所述第一铰接件形成基本上平行的关系，并且用作受力点；第一杆臂件(93，123)，所述第一和第二铰接件各自的另一端连接到所述第一杆臂件上，所述第一杆臂件延伸过比所述第一铰接件和第二铰接件之间的距离更长的距离，所述第一杆臂件的末端部分用作作用点；和第一弹性件(94，124)，其一端与所述第一杆臂件的末端部分相连，而另一端连接到所述阀体(95，125)的第一部分上，另外，所述下方位移放大机构包括第三铰接件(96，126)，其一端与所述空气阀主体(61)相连并用作支点；第四铰接件(97，127)，其一端与所述压电元件(70)相连并与所述第三铰接件形成基本上平行的关系，并且用作受力点；第二杆臂件(98，129)，所述第三和第四铰接件各自的另一端连接到所述第二杆臂件上，所述第二杆臂件延伸过比所述第三铰接件和第四铰接件之间的距离更长的距离，所述第二杆臂件的末端部分用作作用点；和第二弹性件(99，130)，其一端与所述第二杆臂件的末端部分相连，而另一端连接到所述阀体(95，125)的第二部分上。
8.根据权利要求7所述的压电空气阀，其特征在于，所述压电元件(70)连接在所述上方位移放大机构的第二铰接件(122)和所述下方位移放大机构的第四铰接件(127)之间。
9.根据权利要求1所述的压电空气阀，其特征在于，所述压电元件(70)、位移放大机构和阀体(95，125)以整体单元的形式设置在与所述空气阀主体(61)分开的基板(100，131)上，所述单元安装在所述空气阀主体的单元安装区域(101，132)中。
10.一种多阀式压电空气阀(140)，其由将多个单元压电空气阀(60)串联式地横向相连而构造成，各所述单元压电空气阀包括空气阀主体，其包括用于接受由空气压力供给装置提供的压缩空气的空气压力腔(62)和从所述空气压力腔中延伸到外部的空气出口(63)；阀体(65)，其用于控制打开和关闭所述空气压力腔和空气出口之间的空间的操作；压电元件(70)，其用于产生形式为位移的打开和闭合所述阀体的操作所需的驱动力；以及位移放大机构，其用于放大由所述压电元件产生的位移然后将所述放大的位移施加到所述阀体上，其中，所述多个单元压电空气阀(60)串联式地横向相连，使得所述空气压力腔相互连接而形成了一个共有的空气压力腔(62)，最外侧的两个单元压电空气阀的各侧由侧板(141，142)来关闭。
11.根据权利要求10所述的多阀式压电空气阀(140)，其特征在于，在所述单元压电空气阀(60)之间以及在所述最外侧的单元压电空气阀和所述侧板(141，142)之间分别设置了用于防止漏气的垫圈(148)。
12.根据权利要求11所述的多阀式压电空气阀(140)，其特征在于，在任一所述侧板(141，142)上形成了入口(145)，其用于将来自所述空气压力供应装置的压缩空气引入到所述压缩空气腔(62)中。
全文摘要
空气阀(60)包括阀体(65，95，125)，其用于控制打开和关闭空气压力腔(62)和空气出口(64)之间的连通的操作；压电元件(70)，其用于产生形式为位移的驱动力；以及位移放大机构(66，67，68)，其用于通过杠杆原理来放大由压电元件产生的较小位移然后将放大了的位移施加到阀体上。在对压电元件施加电压时，放大的位移使得在空气压力腔和空气出口之间形成了较大且足够的间隙。当切断施加给压电元件的电压时，压电元件自身的复位力使该间隙迅速关闭。
文档编号F16K31/00GK1538094SQ20041003504
公开日2004年10月20日 申请日期2004年4月16日 优先权日2003年4月18日
发明者矢野健, 樋口俊郎, 工藤谦一, 徐世杰, 柴田恒彦, 池田宪政, 一, 彦, 政, 郎 申请人:株式会社佐竹制作所, 有限会社电子精机