专利名称：发声装置的驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一特别用于发声装置的机械驱动系统。现有的发声装置可作为发射器，亦即作为声信号的换能器和声信号的接收器。可使用本发明而十分有利的发声装置，如所谓的声纳，即可在水下发送声波信号的发射器，该声波经反射后，又可由各种类型的水听器进行监测。
众所周知的事实是低频声波在水中传播的距离比高频声波远。从军事观点和近海石油天然气工业观点出发，长期以来迫切需要强有力的能在水下工作的低频声波发射器。在一段相当长的时期中，市场上可以买到适于这些目的和领域所使用的具有各种不同设计和装置的发射器。有关这类声波发射器的一篇摘要，其题“掺入稀土合金的声纳换能器设计”，刊登于1984年11月《防御系统周刊》(DEFENSESYSTEMREVIEW)，第50-55页上。
大多数目前使用的声发射器或是依据压电效应，或是依据磁致伸缩。如所周知，压电效应指晶体物质分别当端面被加电压时，发生形变;和当物质发生物理形变时，获得电压。磁致伸缩指磁性材料分别在磁通量变化时，发生形变;和在外界因素引起长度变化时，引起磁通量的变化。这表明一个利用这些效应的发射器，原则上也可作为一个接收器。
现在已有种种不同的声发射器装置。在低频应用中，它一般是带有圆形或椭圆形截面的圆筒形状。
此类发射器的最大问题是如何得到足够强的振荡幅度。为此，要求一个有大的振荡幅度的大发射器区域或小发射器区域。
引入所谓巨磁致伸缩材料，改善了条件以获得好的声发射器。以这种材料作为驱动元件，幅度的变化比使用压电材料的相应变化高30倍。使用这种巨磁致伸缩材料的发射器已有数年之久。使用巨磁致伸缩材料的发射器的一个特性是必须对其施加机械预应力。这可通过不同途径，例如在(美国专利申请)US-A-4438509中所示带有预应力线路的设备。
本文将从带有近椭圆形截面的圆筒状发射器开始详细描述在实际驱动中的常用装置。圆筒形封套的表面包括一弹性膜片或外壳。圆筒内有两根梁，与轴平行并与外壳接触，可向外壳加压。梁的截面与椭圆形外壳的短轴之间为对称的镜面-反转关系且每个梁由外壳朝向长轴的端点的那部分所定界，弦平行于短轴。电控驱动部件，以驱动棒的形式装于梁之间，并与其平面-平行侧面相接触。驱动棒的纵轴与椭圆截面的长轴相一致，位于发射器端面的中间。在利用磁致伸缩效应的情况下，驱动棒包括一磁致伸缩材料，其周围的线圈经磁化，以跟上发射器所要求的频率。如利用压电效应，则驱动棒包括一压电材料。当然，在驱动棒的整体中或其某一部分中包括具有所需长度变化能力的材料。
以上所述的声发射器的基本装置，就实际细节而言，可能有所不同。一具有圆筒形状及椭圆形截面，并有巨磁致伸缩材料的驱动棒的声发射器，业已公开发表在US-A4901293，题为“一种稀土弯张换能器”的美国专利申请中。
瑞典专利8901905-3，“声发射器中的装置”，也描述了一种具有椭圆形截面的圆筒形发射器。其驱动部件包括具有两个相对设置的槽的主体部分，驱动棒即插入该槽中。这些驱动棒本身也固定于以上述同样方式影响膜片的压杆中。
瑞典专利申请9003086-7描述了一种用于声发射器的驱动组件，它包括一带有窗口的磁性材料框架，其窗口用以安装驱动部件及预应力装置。两个带有驱动部件的窗口和一个带有机械预应力装置的居中的窗口纵排成列。其通过驱动部件中的压紧螺栓及框架上的洞对位于发射器内的压梁施加预应力，且该列位于发射器壳内。驱动组件可包括数个纵列。
本发明所包含的组装系统，包括用于磁化活性物质的磁路，该磁路系以(美国专利申请)US-A-4914412，“磁路”为依据。依该美国专利，所包括的磁路沿轴向磁化磁致伸缩材料制成的圆筒形柱芯。该磁路包括一个磁化线圈、偏磁磁化的圆盘形永磁体及软磁材料圆盘，其直径相当于线圈外径，以及围绕于磁线圈外周的软磁性圆筒状管。软磁部件包括于磁路中，该磁路包含磁致伸缩柱芯。
根据本发明，用于发声装置的驱动系统，包含若干平行且对称地放置于压梁间的驱动装置，该梁根据工艺情况亦包括于驱动装置中。驱动装置包括一固定框架，框架内有两个带有一中间机械预应力装置的驱动单元。驱动装置有轴向伸出棒，与对侧的发声装置中的压梁相接触。
驱动单元也包括可任选数目叠排成行的驱动部件。每个驱动部件包括一定子元件、驱动元件和导引装置，该装置为导引环和空心导引圆盘形式，连同其它部件依据US-A-4914412实现磁路。
上述驱动系统所包括的每一部件，均将加以简短描述。定子元件包括上述磁化线圈，该线圈固定于如上所述的外围软磁圆筒管，该管又再固定于一个类似的非磁性材料圆筒管，以下称之为固定管。从对所选实施例的详细描述明显可见，软磁性管的轴向长度略大于线圈的轴向长度，而固定管的轴向长度又更略大一些。
根据本发明的一个驱动元件同时包括上述圆筒状磁致伸缩柱芯及上述软磁性圆盘，其与柱芯的两个环形端面同心连接，并与每个永磁材料圆盘相接触。所有这些圆盘有一与线圈的外径相当的外径。
为了对定子元件内圆盘的对中和径向导引以及叠排固定管，这些管均伸向位于环状端面的导引环。为了磁致伸缩柱芯的对中和径向导引，在面向柱芯的一个软磁圆盘的一个侧面上，加放了一个开孔的薄导引圆盘，其外径等于圆盘外径，且内径稍大于柱芯直径。
当驱动部件叠排成一驱动单元时，定子元件有一经过导引环的共同的轴向中心线。用此方法，驱动元件也叠排起来形成驱动元件组件，且在每两个驱动元件之间，有一个共同的永磁圆盘和导引环。柱芯与开孔导引圆盘之间的运动如此之大以至于可移动叠层组件变得与定子叠层组件完全平行，尽管事实上可移动叠层组件内的接触面之间并不完全平行。所用的导引环的功能是，特别在安装时，在定子叠层组件与移动叠层组件之间取得平行，并保证这些叠层沿轴方向可自由移动。
通过在每个其它元件上叠排适当数目的驱动部件，即可组成不同长度的驱动单元。
为了使驱动单元按预定方式发生作用，必须施加机械预应力，按上文对已有技术所述亦清楚可见。根据本发明，这是通过在一固定框架内安装两个中间带有机械预应力装置的驱动单元而实现的。带驱动单元和预应力装置的框架构成一个驱动装置，它本身构成一组合元件，该元件除使用在发声装置中，另外也可为其他应用作为通用的力和运动的传递装置。
如上所述，驱动系统包括若干平行的驱动装置，其轴向长度和数量，取决于周围外壳的尺寸以及在每一种不同情况下所需的力和运动。通过提供驱动装置的固定框架，该装置有将框架相互固定在一起的装置，可使驱动装置装配在一起以构成一个完整的驱动系统，它包含所需数量的驱动装置。固定板也可安装于驱动装置上，且在这些固定板上可安置任何辅助设备。
根据本发明的发声装置在共振频率范围之外，通常具有低于50%的效率。这意味着，在连续运转时，所包含的各部分需加以冷却。根据本发明，驱动系统的冷却可通过提供带有冷却管或冷却法兰盘的定子元件外环来适当地做到。一种在定子元件中带有冷却管的冷却系统，在与本申请共同提交的，题为“用于发声装置的冷却系统”的专利申请中作了描述。
图1示出了一带导引环的定子元件。
图2示出了一带开孔导引圆盘的驱动元件。
图3示出了驱动单元的组成。
图4示出了一驱动装置是如何组装的。
图5和图6示出了一个驱动系统的组成和它如何装配在发声装置中。
图1示出了一带导引环的定子元件。定子元件包括磁化线圈1，固定于软磁管2，后者依次也固定于固定管3。在固定管端面中为导引环4和5开了槽。由图清楚可见，导引环的设计有些不同，将于下文对此加以解释。
图2示出了带有组合在一起的导引圆盘的驱动元件的组成。它包含一圆筒形磁柱芯6，其带有软磁材料圆盘7和8，与柱芯的两端面相接触。永磁圆盘9和10直接与圆盘7和8接触。圆盘的直径与磁化线圈的外径基本上一致。为径向导引柱芯，一适当的塑料材料的开孔薄导引圆盘11，安装于面向柱芯的软磁圆盘8的侧面，该导引圆盘的外径与各圆盘的外径相同，内径稍大于柱芯直径。
图3示出一个驱动单元，它由叠在一起的任意数目的定子元件和相应数量的驱动元件组成。如图所示，叠排的驱动元件构成一驱动元件组件，在每两个驱动元件之间，有一个共同的永磁圆盘。靠近驱动单元外表面的定子元件，与边缘环12和13相连接。这些环的朝外表面可为截头锥体形式。如所示出的，为了对中边缘环，导引环5a和5b，形状上与定子元件间的导引环4有些不同，因为导引环5a和5b仅需对中一个软磁圆盘和一个永磁圆盘。铜是一种适合于导引环的材料，它在运转时可起一定的润滑作用，同时其良好的热传导性能使之有可能很好地将热量传送至固定管。驱动单元力和运动的输出作用于两个驱动棒14和15，其在靠近外表面驱动元件的永磁圆盘处，形如圆盘16和17。
依照图3的一个驱动元件可通过多种不同途径施加机械预应力，例如以上述及的(美国专利申请)US-A-4438509说明的。但本发明一首选实施例如图4所示，它构成一个所谓的驱动装置。该驱动装置包括两个实际上与图3的驱动单元相同并带一个中间楔形机械预应力装置的驱动单元。驱动单元之间的区别在于，面向预应力装置的边缘环被平行六面体18和19所替代。面对预应力装置的驱动销20和21也可对其轴向长度稍加调节以适合于平行六面体的尺寸。
在平行六面体中为两悬臂22和23设有凹槽，悬臂的相对的平面所形成的夹角，与置于悬臂之间的预应力楔24的楔角相等。在楔中开有一为预应力螺栓25而设的孔洞，驱动销20和21与中间的预应力装置相接触，后者固定于固定框架26。驱动棒14和15从驱动装置中伸出，与发声装置的两个压梁27和28接触。
固定框架是铁磁材料制成并构成磁路的一个主体部分，该磁路包绕由驱动装置两外端永磁材料圆盘所发出的磁通量。
两个相互垂直的视图，图5和图6示出了根据本发明在首选实施例中驱动系统如何组装，并以虚线示出了它是如何组装于一带有近似椭圆截面的圆筒形发声装置中的。发声装置的外壳如图中29所示。在该实施例中驱动系统包括四个驱动装置，经固定框架上的延伸臂30和31，两两直接拧在一起。这些直接旋扭在一起的驱动装置，又通过间隔箍圈拧在一起，形成一个中间空隙，以便为电控设备等使用。这些控制设备被适当地安装于一如图中32所示的固定板上。显然，按照图3和图4的驱动装置中的预应力机械结构，对于图5中的预应力机械结构放置了90°。预应力螺栓25的反撑架，现包括一个固定于平行六面体18和19之间的部件33，在首选的实施例中，预应力螺栓头制成为蜗杆螺钉，它们都可由伸向一个端面板的蜗螺钉杆操作。
外侧的驱动装置用螺钉34、35、36和37固定于相应的发声装置的端面板38和39。外壳的可动性和密封性，由端面板周围的弹性环40和41保证。
一根据本发明的驱动系统并非仅局限于附图中所示的首选实施例。为此，例如，该驱动单元可包括任何一至数个驱动元件。同样，驱动装置也可由任何一至数个驱动单元组成。在仅包括一个驱动单元的驱动装置中，则预应力机械结构中的一个部件将与固定框架接触，一个驱动棒将从预应力机械结构中伸出。当然，驱动系统也可能仅包括一个驱动装置。
权利要求
1.用于发声装置的一驱动系统，系依据一磁路，其中包括一圆筒状磁致伸缩柱芯(6)，一外围的磁化线圈(1)和围绕线圈的软磁材料管(2)以及与柱芯端面相接触的软磁材料圆盘(7，8)，和与上述圆盘接触的永磁材料圆盘(9，10)，该驱动系统，其特征在于，它至少包括一个驱动装置，对称地位于发声装置压梁(27，28)之间，所说的压梁经驱动装置的伸出的驱动棒(14，15)，置发声装置的外壳(29)于运动中；驱动装置至少包括一个驱动单元，连同一机械预应力装置(22、23、24、25)，以叠排形式，安装于固定框架(26)中；驱动单元包括至少一个定子元件，后者包括磁化线圈(1)和软磁管(2)和一个非磁性外固定管(3)以及相应数量的驱动元件，该驱动元件包括圆筒形磁致伸缩材料柱芯(6)和与柱芯的端面接触的软磁材料圆盘(7，8)，以及与上述圆盘接触的永磁材料圆盘(9，10)，连同用于定子和驱动元件对中的导引环(4，5)和导引圆盘(11)，定子和驱动元件一个一个地向上叠排，同时驱动元件间留有空隙。
2.依据权利要求1的一发声装置的驱动系统，其特征在于，它包括四个驱动装置，且每个驱动装置包括两个叠排的带一个中间预应力装置(22，23，24，25)的驱动单元。
3.依据权利要求1的一发声装置的驱动系统，其特征在于，每个驱动单元包括十个叠排的定子元件和驱动元件。
4.依据权利要求1的一发声装置的驱动系统，其特征在于，预应力装置配置为一楔接，它包括两个悬臂(22，23)，其相对的两平面所组成的角等于设于两平面间楔(24)的楔角，楔由一螺栓(25)相连，螺栓通过一个反撑架(33)被施以预应力，以驱动与悬臂相接触的各元件。
全文摘要
一种发声装置的驱动系统，包括驱动装置、伸出的驱动棒(14、15)，其与发声装置的压梁(27，28)相连，驱动装置包括一固定框架(26)，其中安装带有一中间机械预应力装置(22、23、24、25)的驱动单元，驱动单元包括定子和驱动元件，通过导引环(4、5)和导引盘(11)叠排起来，定子元件包括一带有外围的软磁材料管(2)的磁化线圈(1)固定在固定管(3)中，驱动元件包括一圆筒形磁柱芯(6)、软磁材料圆盘(7、8)以及永磁材料圆盘(9、10)，它们与所说的磁柱芯相接触。
文档编号G10K9/12GK1069846SQ9210958
公开日1993年3月10日 申请日期1992年8月26日 优先权日1991年8月29日
发明者G·恩达尔, J·希德曼, G·莫隆, R·滕格汉 申请人:Abb.原子有限公司