两刚性元件间的接合关节及其相应的关节接合方法

本发明涉及一种将两个刚性元件之间作关节接合的方法，该二元件相顶住且可绕着至少一点（称“枢点”）枢转而坐落到不同角向位置，并涉及一种实施此方法的装置及各种工业上的应用。要说明的是这种枢点可为无形的，并且当刚性元件绕多个枢点作枢转时，这些枢点可一起定出一个枢转面。

本发明特别可用于眼镜的铰链，车门铰链，家具铰链，假肢关节或工业机器元件，但其用途不限于这些。

更正确地说，本发明的方法是关于利用弹性装置的关节接合，该弹性装置的两对立端分别固定在各刚性元件上并在枢点的两边，其特征在于，该接合关节的刚性元件至少有一稳定角向位置，在该弹性装置的应力曲线（称“张力曲线”）中，依该刚性元件的相对向位置而造成一个最小应力值，在此处该张力曲线的斜率正负倾倒，此最小值就在一最小应力值到最大值不超过90°处。实际上，此角度可明显小于90度，例如60°，或仅仅45°。

以上以及说明书及权利要求中所用的“两边”一词是一种简单的表示方式，表示从各枢点下降到弹性装置的垂线经常与该弹性装置相交于一点，该点位于弹性装 置的两端间并隔开于该两端，我们可了解，当在对应于最小应力值的一角向位置时，这些刚性元件有一种倾向，会自然定位到该处，然后，由于在此角向位置的张力曲线的水平颠倒，这些刚性元件的倾向变为会保持在那里，要沿一方向或另一方向做任何角度的变化都会驱使该弹性装置的张力变大，因此需要一股力量。因此这个角向位置呈稳定的。

依美专利US-A-2117148 Clark，有一种转门用的双动作铰链，该铰链中设有一弹簧，其应力曲线在二个极大值间有一极小值。同时，这种现有装置除了不涉及本发明所属的一般范围之外（因为该接合关节并非二个互相顶住的刚性元件之间，而是以二个其他方式接合的刚性元件之间，其中一个是与另一元件的二条固定转轴的一条相嵌合），并未显示本发明的特征。更准确说，在这种现有装置中，从一个值（此值对应于门“向右开”的位置）开始，当门在枢转时，弹簧的应力渐增加，以经过一个最大值（以下称t1）此最大值对应弹簧固定点以及二转轴的一个之间对准的情形，在此最大值之后，应力减小，达到一最小值（以下称t2），最大值（以下称t3）对应于弹簧固定点与第二转轴对准的情形，然后再减少到一个值，此值对应于门“向左开”的位置。在这种现有装置的状况中，有一个平衡位置，它对应曲线斜率正负颠倒之状况，然而，从t1到t2，或从t2到t3，门绕其轴旋转的角度须大于90°。

对于本发明的不同点还要补充说明，如上述，在本发明中，枢点可为无形的，这点使关节接合作用能在各种不同平面中为之，现有装置只能在垂直于二条转轴的一平面中实施关节接合作用。

在本发明方法的一种较佳实施中，在一稳定角向位置造成一种递增的张力曲线，有一个不稳定角向位置范围对应于此曲线。

此不稳定角向位置范围一般对应于超出接合部的启开程度的情况，由于这种不稳定，当造成这种过度启开的力量一停止，就会趋于回复到一正常开放位置。

如上所述，这种现有装置的张力曲线有二个极大值t1与t3，在该处曲线的斜率正负颠倒，且尖峰是由启开状态的一位置不稳定性所表现出来，这点是“转门”的性质。在极度启开的位置（不论门向左或向右启开）门都是稳定的，这是由于铰链二条轴的一条是由轴部分构成，呈面对面隔一个空间，弹簧可穿过该空间而经过各轴。

如上述，本发明亦是关于实施此方法的一种装置。

更准确地说，这种类型的装置有二个刚性元件，互相顶住，可绕至少一个点（称“枢点”）而坐落到不同的角向位置，并具有弹性装置，其两对立端分别经该二刚性元件固定到该枢点两边，其特征在于，该弹性装置的第一端，该枢点，以及弹性装置的第二端对准时对应于弹性装置的应力曲线的一尖峰，这种对应关系是该刚性元件的相对角向位置的函数，称“张力曲线”，且包 含一些装置可使该尖峰后跟着一个张力曲线内的最小值。枢转动作可从尖峰到该最小值，而所经范围不超过90°角度。

张力可藉施以一种杆作用于该弹性装置上而增大，可用物理方式接触在该弹性装置上。

在本发明一种特别实施例中，此装置可包含二个刚性元件，相互顶住，且可绕着点的一条连线枢转（这些点称“枢点”）到各不同的角向位置，并另有弹性装置，其两对立端分别经各刚元件固定该枢点之连线两侧，且其特征在于，该弹性装置的第一端，一枢点及该弹性手段的第二端每次的对准时对应于该张力曲线中的一个尖峰，这些尖峰中至少有一个是相邻的。

在本发明的装置的一特别实施例中，在各刚性元件中各设有一条通道，且该弹性装置呈一条皮带形式，设在二通道的切口（salgnee）中。

该相邻于枢点的刚性元件的末端分别呈凹、凸的形状相接。

凹式的形状呈该凸式形状的容纳腔形式，最好，该腔经该元件的相对枢转平面内的一个缺口或开槽（echancrure）而开口到凹式型的外部，在同一平面中，该凸式型呈一肘形式而有一切口，该缺口与开槽相当。

最好，该开槽沿一枢转方向在一个第一角度范围影响该凹式型，而在一相反枢转方向在另一第二角度范围影响它，为了弹性装置能放松而造成一个稳定的第二角 向位置，所述切口只在第一角度范围影响凸式型。

沿第二角度范围没有切口，有一部分凸式元件，弹性元件经过此部份凸式元件，为了能使之沿第二方向枢转，同时沿横向与纵向变形，且此凸式元件部分构成一杠杆，它有一倾向，可阻抗从角向位置的不稳定性的位置的枢转模式。

在此凹式端的腔与凸式端的构形亦可不是球形，例如为圆筒形，特别是当想要使用刚性元件分别在单一平面中枢转时。

凹式端的腔与凸式端可具有相配合的凸纹，当它们配合时，形成止动缺口。

弹性装置可为天然或合成橡胶制成，或由一弹簧构成，或由一弹性材料构成的皮带。（例如烯之对苯二酸酯共聚物，具有聚醚乙二醇的链，这种产品有一种商品化，商标名称为Hytrel）。

在一种变更形式中，该弹性装置包含一条皮带，由非弹性软材料制成（例如芳基酰胺纤维（fibre aramide），如用Kevlar商标商品化者），且至少有一弹性部件，其一端固定到该皮带，另一端固定到该刚性元件。

另一种变更形式中，弹性应力可用一千斤顶（varin），一电磁铁，或其他适当手段产生。

该皮带可有利地形成套子，以通过电路或接头，例如，通过电线，光纤，液体循环通道。这种构造将可特别有利地用在某些用途，有软皮带时，则可通过的装置， 其操作可与关节接合部的功能无关（例如：当皮带配合车门的铰链时，用于控制侧后视镜方向的电缆），或者直接与关节接合部的功能有关（例如，在假肢，机器人，航空工程等的接合元件的角向位置控制或锁定在一位置的电线或油路的接合）。

在此接合装置的第一种可能的用途中，该二元件适于分别设在一眼镜的脚架上或之中和在一框架面之上或之内，一个稳定角向位置对应于“脚张开”的位置，而另一稳定的角向位置则为差不多为0度枢转，弹性装置的张力为最小，对应于“脚闭合”，装置可提供一个稳定角度范围，对应于过度张开的位置。

二元件之一可为眼镜脚架的整体之一部分或眼镜框架面的一部分，或者，该二元件中一个为眼镜脚架整体之一部，另一个为眼镜框架面整体的一部。

当然，本发明范围可扩展到结合本发明装置的眼镜框架，该装置可加装到传统的脚架上或框架面上，或结合在特别设计的脚架中（或框架面中）且设在相关的面（或脚）上，或者它还是整合在为此目的特别设计的一脚上或框架面上。

依本发明另一用途是二元件是（或适于）分别装在二个假肢接合的二件内，一个稳定角向位置对应于“右关节接合”位置，而另一个稳定位置为近乎为零的枢转角度的弹性装置最小张力处，它对应于“弯曲关节接合”的位置，该装置可提供一个不稳定角度位置范围，对应于“强迫”接合位置。

与上述用途很类似的一种用途是用于家具的关节接合。

本发明另一种用途是在二个元件适于分别装在一个门上或门内（特别是车门）以及在门框上或门框中（特别是车门的门框），一个第一及一个第二稳定角向位置分别对应于“停车位置时开门”及“门户大开”，而另一稳定角向位置，枢转角度近乎零的弹性装置最小张力位置是对应于“门关闭”，该装置可提供一个不稳定角度位置范围，对应于适度开启的缓冲位置。

以下配合附图详述本发明：

图1是一座标图，显示在本发明第一实施例中弹性装置应力对应刚性元件角向位置的函数关系，举例而言，它适用于做眼镜框架的关节接合;

图2是一座标图，显示在本发明第二实施例中，弹性装置应力对刚性元件角向位置的函数关系，举例而言，它适用于做车门铰链;

图3a到3d示意地显示一接合关节的第一实施例，其弹性装置有图1所示的张力曲线;

图4a到4e的是一种接合关节的第二实施例的示意图，其弹性装置具有图2所示的张力曲线图;

图5到图7显示本发明接合关节的一实施例的纵剖面详图，用于眼镜框架，分别显示该接合关节在第一稳定角向位置，第二稳定角向位置及一不稳定的极大角向位置;

图8是图5到图7的接合关节的实施变更例的纵剖 面图。

请见图1，从该图可见到依本发明的弹性装置的张力T与所接合刚性元件的相对角位置A的函数关系曲线最初在角度A的应力为T随角度增加，直到角度A1时达到一极大值T1，此处曲线斜再颠倒，直到达一最小值T2（角度A2），此处斜率再颠倒，应力一直随角度增加而增加。

如果把这种曲线当作接合关节（例如依本发明的眼镜铰链）的动作走向，则点A0/T0对应于臂闭合位置，点A1/T1为弹性装置两端的第一端，枢点与弹性装置第二端对准的情形（不稳定平衡位置），点A2/T2为脚架稳定张开位置，A2/T2点以后的所有点（曲线的区域Z）对应于不稳定的过度张开位置。

如上述，本发明可用于做假肢接合关节。我们将注意到，在此方面，在实际的时刻，该关节结合的假肢并不容许过度张开或强迫张开的各种枢转动作（这种事情常常会导致这种假肢损坏，这是本发明所要解决的问题）。

我们了解，一般地该接合关节的弹性装置所趋向或返回的位置是张力最小之处。因此，当二元件间的相对角度大于A1时，它们就倾向于会合于曲线在A2/T2位置形成的“谷底”处，该处呈稳定位置。同样，当二元件间相对角度小于A1时，弹性装置倾向于使这些元件回到A0/T0位置。

图2显示与上述相同的原理，但在弹性装置的张力 曲线中形成二个谷底A2/T2及A3/T3。

举例而言，如果此曲线当作为本发明的单门铰链的走向，则点A0/T0对应于门关闭的位置，点A2/T2为车门稍开的位置，称为“停车”（稳定位置），点A3/T3为车门大开的位置（稳定位置），曲线之点A4/T4与A3/T3间的区域Z对应于车门打开的一辅助区，A3/T3以后的所有点（曲线的区域Z′）对应于不稳定的过度打开的位置，举例而言，它会受到一阵吹到打开的车门的风的作用而造成。因此A3/T3后，会有缓冲掉这种类型的不想要的作用力的缓冲效果。

要改变张力曲线，可利用不同的手段达成。

第一种可能性见于图3a～3d，其中用示意地显示二个互相顶住的刚性元件1、2，及一条弹性皮带3，该皮带二对立端4、5分别固定在该二元件上，该二元件以其区域两边互相顶住。元件1有一球形部的凹式末端6，元件2有一球形大部的适当的凸式末端7。此外元件1有一突出部8，该突出部终止于一指件9，该指件可在10处顶住皮带3（图3c与3d）。

在图3a中，皮带3张力极小（图1之点A0/T0，稳定角向位置）。在图3b中，皮带3两端4，5与末端6与7共同的转轴11（它们构成前面所称的一个“枢点”）是对准的，在此位置，对应于皮带3的张力最大值（图1之点A1/T1，不稳定平衡）。我们可知道，转轴11可为无形或有形的。图3c中，皮带 3通过点10与转轴或枢点11之间，此时对应于皮带最小张力值（图1中点A2/T2，稳定角向位置）。最后，在图3d中，指件9在10处压在皮带3上，使皮带张力增加（不稳定极端角位置，对应于图1曲线区域Z）。

由图3b及3c可看出，从点A1/T1到点A2/T2，枢转经过角度小于90°（A2-A1<90°）。

根据本发明另一种关节接合构造示意地显示在图4a到图4e。如前所述，它包含二个互相顶住的刚性元件12及12′，以及一条弹性皮带13，该弹性皮带两对立端14、15分别固定在元件12及12′上且由二元件的区域两边顶住。各刚性元件12、12′各有一凹式部16及16′，及一凸式部17及17′，相互成对配合，且可分别互相嵌合。凹式部16、16′与凸式部17、17′是呈球形部份，配对部份16，17′的曲率半径比配对部分16′，17的曲率半径大。当部分16与17′嵌合时，它们有一条无形的共同转轴18。同样，部分16′与17嵌合时有一无形的共同转轴19。转轴18及19相当于我们前面所称的“枢点”。

图4a中，只要凹式部16与凸式部17′嵌合，弹性皮带13的张力最小（图2之点A0/T0，稳定角向位置）。在图4b中，部分16与17′一直嵌合，但皮带13末端14、15与转轴18对准，此位置对 应于皮带13张力的第一最大值（图2的A1/T2;不稳定平衡）。图4c中，凹式部与凸式部16、17′及16、17′同时嵌合，而皮带13通过转轴18与转轴19之间，此位置对应于张力的第一极小值（图2的点A2/T2;稳定平衡）。图4d中只有凹式部16′与凸式部17嵌合。弹性皮带13两端14与15与转轴19对准，此位置对应于张力的第二个极大值（图2之点A4/T4;不稳定平衡），最后，在图4e中，部分16′与17一直嵌合，但弹性皮带13通过轴19下方，张力放松（图2之点A3/T3，稳定角向位置）。如果元件12继续相对于元件12′沿着前头F1方向枢转，则皮带13张力如图2所示在A3/T3以后再增加（不稳定角向位置范围）。

此外，我们可看到从点A1/T1（图4b）到点A2/T2（图4c），或从点A2/T2到点A4/T4（图4d），或从点A4/T4到点A3/T3（图4e）枢转角度都小于90°。

根据本发明的接合关节的构造细节见于图5到图87。此接合关节（特别是用于整合在眼镜的框架中者）包含二个刚性元件101与102，它们可绕一条轴111枢转，该轴可为无形的，以后，关于此轴须加注“近体”（proximal）及“远体”（distal）。

各元件101、102内分别设有一通道120及121，该二通道相连通，且可容纳一条弹性材料的皮 带103。皮带103两端104、105增大直到大于通道120截面为止，使皮带的增大端靠在元件101、102的远体端122、123而保持在此装置内

通道120、121的纵轴分别平行于元件101、102的纵轴，但不与之重合，使得元件101、102对准时（图6），该弹性皮带103（呈直线构形）。不通过转轴111。

元件101与102分别位于管形件124、125内，管形件用尖头螺丝129与130固定住（见图b）。

管形件124、125可为独立元件，在这种情形，图示的装置呈铰链形式，它们将分别顶在要互相接合的物体的各部分。在一种变更方式中，管形件124、125的一个或两者可构成该物体整体之一部分，举例而言，这种部分可为眼镜的脚（脚架），及眼镜的框架面。在这些用途中，管形件124与元件101只能为头部相同的一个元件，管形件125与元件102只可为一个。

凹式球形106在枢转面（图纸的平面）中有一缺口126，占其周围一部分，沿一方向经“大”角度（例如85°）并沿反向经一“小”角度（例如30°）。

该凸式球形107本身在同一平面上有一切口127，仅与缺口126在其大角度范围吻合。缺口126的小角度与凸球形的一个实部128吻合。

在图5的构形中（它对应于眼镜架的臂闭合的位置） ，皮带103张力最小，相当于图1的图A0/T0（稳定角向位置），如果我们使装置101、124相对于装置102、125枢转，则使皮带103拉长，结果使张力变大，达到对应于图1点A1/T1的极大值（不稳定平衡），此极大值或尖峰后，张力迅速减少到一最小值（点A2/T2），此时通道120、121将共轴图6，且皮带103放松，此稳定角向位置对应于“脚张开”的构形。

当把脚架张开超过其正常张开位置（图7）时（这种情况，配镜片者在将眼镜框架放在客户脸上时喜欢如此，或者，人们戴着眼镜游戏时会如此），则皮带103的应力增加，经过T2值到更大应力：缺口126可使得它覆盖的小角度范围中能作枢转，但凸式近体端107的部分131则反之。故皮带103须绕过这部分。该部分131压迫皮带103的应力使得在此方向的所有角位置都不稳定。作用在装置101、124上的力一停止，该装置就沿箭头F2方向枢转，且在枢转恢复到最小张力T2时，就达到稳定平衡，使元件101、124在图6的位置固定不动。

图8的实施例与图5到7不同处，主要在所用的弹性装置的组成。

此处，该弹性装置是具有一软但非弹性的皮带构成的装置，并有一个弹簧229。更准确地说，部件225（它取代图5到7的元件125）有一中间隔板230，位于近体面及远体面及弹簧229的远体端229 上，元件202的远体端231顶住此近体面，该元件202相当于图5到7中的元件102，弹簧229的近体端232顶住隔板远体面。隔板230提供一通路223让皮带203通过，皮带末端204、205分别镶接或固定在止挡件234及235内，这些止挡件分别顶住元件201的远体面236，该元件201相当于图5到图7的元件101。

图8中的参考符号与图5到图7相同，兹不赘述。

图8的构造相当于力6者是弹簧倾向于使皮带203之末端205远离隔板230。

在图8的实施例（相当于图5）的构造中是皮带203弯曲而不改变尺寸，因为定义它系非弹性的。它经过的路径较图8的情形中者为短，它多余的长度被弹簧229的拉长而吸收，使皮带203远离端205远离枢轴211（它相当于图5到7的轴11），结果使皮带203的明显缩短。

在图8实施例的构形（它相当于图7者），皮带203沿另一方向弯曲，一直不改变尺寸。此处其路径较图8中的情形为长。这段所需的被补充的长度系由弹簧229压缩而达成，使皮带203的远离端205靠近枢轴211，结果使皮带明显拉长。

虽然上述附图，特别应用于眼镜框架，但如前述，本发明的原理可适于许多其他用途，特别是在假肢，机器人与汽车工业领域。

如上述，依本发明，这种接合关节的稳定位置是藉 接触面互相顶住达成，这种顶住作用是由弹性装置的应力而达成，因此之故，如前述，可将材料（有形）转轴省却，通常，这种有形转轴呈一销;一螺丝，及一件或多件的轴的形式（如Clark铰链的情形），或其他形式，当没有这种有形轴，可使刚性元件互相枢转，不仅在一平面中，而且可在一空间中枢转，这种枢转作用可在该刚性元件或弹性元件上用机械式止挡件而限制。

根据发明在接合关节中省略转轴，使得接合关节部如要的话，能作某种程度的拆卸。另方面，由于弹性装置可除去制造时的余隙及磨损。