CN111036532B - 超声波工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波工具，所述超声波工具包括：壳体；壳体上设有操作件，用于激活所述超声波工具；设置在所述壳体内的超声波致动器，用于产生直接驱动或叠加在工作头的运动；设置在所述壳体内的控制单元，用于对所述超声波致动器加载至少控制和/或调节信号及供给电压。该超声波工具可以直接驱动工作头，其仅对操作者产生非常轻微的噪声和振动应变。该超声波工具也可叠加在工作头上，其工作效率显著提高。而且超声波辅助还可以降低所需的接触压力或施加的力，减小了摩擦，导致工作头的磨损更小，延长其使用寿命。

Description

超声波工具

技术领域

本发明涉及一种超声波工具。

背景技术

传统的动力工具或清洁工具，往往噪声或振动较大，影响操作者的操作 体验，而且也影响工作效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种振动、噪声小，工作效率高的 超声波工具。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种超声波工具，所述超声波 工具包括：壳体；壳体上设有操作件，用于激活所述超声波工具；设置在所 述壳体内的超声波致动器，用于产生直接驱动或叠加在工作头的运动；设置 在所述壳体内的控制单元，用于对所述超声波致动器加载至少控制和/或调节 信号及供给电压。

优选的，所述超声波工具包括马达和传动机构，所述马达通过所述传动 机构驱动所述工作头旋转。

优选的，所述超声波工具包括马达和传动机构，所述马达通过所述传动 机构驱动所述工作头旋转和线性往复的冲击运动。

优选的，所述壳体上还设有初级线圈组件，所述初级线圈组件包括电连 接至所述控制单元的初线线圈；所述超声波致动器上连接有次级线圈组件， 次级线圈组件包括电连接至所述超声波致动器的次级线圈，其中流过所述初 级线圈的电流产生的磁场，所述磁场引起电流渡过所述次级线圈并对所述超 声波致动器供电。

优选的，所述超声波工具包括马达和传动机构，所述马达通过所述传动 机构驱动所述工作头摆动。

优选的，所述超声波工具包括马达和传动机构，所述马达通过所述传动 机构驱动所述工作头线性往复的冲击运动。

优选的，所述超声波工具为电镐。

优选的，所述超声波工具为摆动机，所述摆动机包括围绕摆动轴线摆动 的输出轴，所述超声波致动器设置在所述输出轴上，产生沿所述输出轴的轴 线的纵振。

优选的，所述超声波工具为摆动机，所述摆动机包括围绕摆动轴线摆动 的输出轴，所述超声波致动器设置在所述输出轴上，产生垂直于所述输出轴 的轴线的纵振。

优选的，所述超声波致动器包括至少一个激励元件，所述激励元件产生 1阶或多阶激励。

优选的，所述超声波致动器包括至少一个纵振激励元件和至少一个弯振 激励元件，所述纵振激励元件产生纵振激励；所述弯振激励元件产生弯振激 励。

优选的，所述超声波工具包括与所述控制单元电性连接的频率跟踪模块， 所述频率跟踪模块用于改变所述控制单元输入的激励信号，根据电流的变化 来控制所述控制单元的输入的激励信号。

优选的，所述超声波工具包括与所述控制单元电性连接的频率反馈单元， 所述频率反馈单元从所述超声波致动器取得可以反映所述超声波致动器频率 特性的信号，从而反馈给所述控制单元。

优选的，所述工作头设置有信号单元，与所述控制单元电性连接的信号 检测单元，所述控制单元通过所述信号检测单元获取所述信号单元的信息， 识别所述工作头的类型，并输出相应频率的激励信号。

本发明的超声波工具，具有产生超声波振动的超声波致动器，可以减少 噪声和振动。而且如果超声波叠加振动，工作效率显著提高。而且还可以降 低所需的接触压力或施加的力，减小了摩擦，导致工作头的磨损更小，延长 其使用寿命。

附图说明

图1为带有超声波致动器的电镐的示意图。

图2为超声波致动器的示意图。

图3A-图3C为激励信号的示意图。

图4为超声波致动器的示意图，具有两个振动模态。

图5为频率和电流之间的关系图。

图6为频率跟踪模块的流程图。

图7为超声波致动器的示意图，带有频率反馈模块。

图8为本发明超声波工具的示意图，其中工作头具有信号单元。

图9A，图9B为夹紧装置的示意图。

图10为本发明超声波工具为电铲刀的示意图。

图11又一种电镐的示意图，其中超声波致动器旋转。

图12为无线传输的示意图。

图13为又一种电镐的示意图，其中超声波致动器不旋转。

图14为又一种电镐的示意图。

图15为又一种电镐的示意图。

图16为带有超声波致动器的摆动机的示意图。

图17为图16所示摆动机的偏心传动机构的立体图。

图18为又一种摆动机的示意图。

图19为带有超声波致动器的小电磨的示意图。

图20为带有超声波致动器的电木铣的示意图。

图21为带有超声波致动器的擦窗器的示意图。

图22为带有超声波致动器的游泳池清洗机的示意图。

具体实施方式

本实施方式中涉及的超声波工具，可以是带有马达的动力工具，也可以 是清洁工具。其中动力工具可以是旋转类工具，如锤钻、电镐、电磨及砂磨 机等；往复类工具，如电铲刀等；摆动类工具，如摆动机等等；清洁工具可 以包括游泳池清洁、擦窗器等等，但也并不局限于此。

请参见图1，动力工具30包括带有握持部44的壳体32。操作者通过手 握握持部44引导动力工具30工作。握持部44必要时可以采用未示出的缓冲 元件相对于其它壳体区域解耦，减小振动传递给操作者。动力工具30还包括 工作头40，用于能被直线地和/或振动地驱动。工作头40可以是电镐头、钻 头、锤头、铲刀、切刀或者其它类型的其它工作头。本实施方式中，工作头 40以电镐头为例，动力工具也可以称为电镐30。而电镐头40的种类又有很多，如实线所示的开槽钻头或虚线所示的建工钻等等，并不局限于此。

壳体32呈枪式设计，壳体32具有沿轴向主壳体33，主壳体33的延伸 轴线与握持部44的中心线呈角度设置，角度范围可以是90度至120度之间， 也可以是90度、93度或100度、120度等。主壳体的延伸轴线和工作头40 的中心线X1重合。

握持部44区域上还设有操作件46，用于操作者激活动力工具30。操作 件46可以是扳机、调节钮或者也包括多个操作元件，这些操作元件中的一个 可以设置用于接通动力工具，一个可以设置调节工作头40的速度。

在壳体32中设置有超声波致动器60，超声波致动器60包括具有用于产 生振动的至少一个激励元件62，至少一个激励元件62被设置为作用在工作 头40上的超声波振动，该振动的频率大于或等于20kHz的频率范围内的高 频振动，其中必要时也考虑在较高数量级内的、特别是直到100K赫兹范围 内的频率或者也考虑较小的频率。

该超声波致动器60可以为压电致动器，激励元件62为压电活性材料，

例如压电陶瓷盘，这些压电陶瓷盘压紧在一起并且在被加载电压时执行厚度 改变。压电活性材料的密度至少为7Kg/cm³-8.5Kg/cm³，可以是7.65Kg/cm³。 其中介电常数取值为：

压电常数取值为：

刚度常数取值为：

激励元件62的截面积大于25平方厘米，激励元件62中单片压电陶瓷的 厚度在0.5至4毫米之间。

在加载高频电压时，以已知的方式产生超声波，该超声波经由振动放大 器64传导给工作头40。激励元件62和振动放大器64与工作头40轴向对准， 即激励元件62和振动放大器64的中心线与工作头40的中心线X1重合。

振动放大器64可以为振动变幅杆，与铲刀40螺纹连接。以这种方式，

超声振动的能量可以直接从振动放大器64耦合到工作头40上。不需要用于 振动的重定向装置，这可能导致振动能量损失。

超声波致动器60对工作头40加载并且产生沿轴线方向的振动。超声波 致动器60产生的振动方向F与工作头40的中心线X1平行或重合，工作头 40产生高频往复振动。

振动放大器64与激励元件62的连接方法有多种。具体的，可以通过螺 纹连接。如振动放大器64上设有延伸端61，延伸端61内设有内螺纹，激励 元件62套设在延伸端61上，通过螺栓63将激励元件连接至振动放大器64 上。在螺栓63和激励元件62之间还设有若干垫片65。

激励元件62和振动放大器64的长度、形状以及材料等决定超声波致动 器60的谐振频率和振动节点。工作头40也可以影响谐振频率和振动节点。 而通过螺纹连接的激励元件62和振动放大器64，其螺纹之间的预紧力也可 以影响谐振频率和振动节点。当然，也可以通过设置配重块来影响谐振频率 和振动节点。例如，在激励元件62和垫片65之间设有配重块67，便于决定 谐振频率和振动节点。

选择激励元件62和振动放大器64的各个部分的轴向长度、形状以及材 料等，振动节点则设置在它们之间的连接处的区域内。而为了减小能量的损 失，一般也将振动节点设置在支撑元件的区域内。在这里，区域指的是，支 撑元件或连接处两个端面或横截面之间的区域。

请参见图2，在本实施方式中，超声波致动器60产生一阶沿轴线方向的 振动，其振动节点O设置在两个激励元件62的连接处的区域内。当然，也 可以根据需要设置多个振动节点，形成多阶振动。超声波致动器60还包括支 撑法兰69，该支撑法兰69用于支撑激励元件62和振动放大器64，其相对于 壳体32固定设置。振动节点位于支撑法兰69的两个端面区域内。

在本实施例中，振动放大器64的材料可以为钛合金TC4，配重块67和 垫片65的材料可以为钢40Cr。振动放大器64最远端(在这里，最远端指的 是远离配重块67的一端)至配重块67的端面之间的距离L1的范围在100mm 至220mm之间，可以是180mm、190mm、200mm、210mm，211.5mm或220mm 之间。支撑法兰69最远端至配重块67的端面之间的距离L2范围在80mm 至110mm之间，可以是80mm、90mm、92mm、96mm。较为优选的是L1为 211.5mm，L2为96mm。

再参见图1，设置在壳体32内的控制单元66用于给超声波致动器60输 入至少控制和/或调节激励信号以及给超声波致动器60供给电压。当激励信 号的频率与超声波致动器60的某一个固有频率吻合时，超声波致动器60产 生谐振，输出功率达到最大值。在这里，控制单元66、超声波致动器60和 振动放大器64可以统称为超声波振动源。其中，可以将超声波致动器60和 振动放大器64集成在一起，控制单元66分开；也可以将控制单元66、超声 波致动器60和振动放大器64集成在一起。

如图3A-3C所示，根据超声波致动器60的固有频率选择控制单元66的 激励信号，可以是正弦电压信号、方波电压信号或锯齿电压信号等等。

在本实施方式中，控制单元66特别节省空间地集成在一个印刷电路板 上，与电子开关(未图示)电连接，用于激活动力工具30。当然，也可以分 成两个印刷电路板，其中，一个印刷电路板单独用于给超声波致动器60至少 控制和/或调节信号以及给超声波致动器60供给电压。

控制单元66设置在握持部44内，振动放大器64、激励元件62设置在 主壳体33中，振动放大器64、激励元件62和控制单元66这样分布在壳体 32中，较好布置了动力工具整个质量重心，便于操作。

动力工具30的工作电压单元(未图示)可以用交流电工作，或者也可以 无线地用电池或蓄电池工作。例如采用220V交流电给控制单元66供电时， 设有交流电压整流等。在本实施方式中，采用交流电工作，壳体32上设有电 源线71。控制单元66将工作电压转换成高频的激励信号，利用该激励信号 以所希望的方式将超声波致动器60激励至振动。

超声波致动器60可以产生直接驱动工作头40的超声振动，如此，动力 工具工作能力高、结构紧凑，便于使用。而超声波的产生和超声波产生的动 力工具的冲击效应仅对动力工具的操作者产生非常轻微的噪声和振动应变， 这明显低于在传统动力工具上操作的噪声和振动应变。当然，超声波致动器 60可以产生叠加在工作头40的超声振动，具体可参见下面的描述。

其中超声波致动器60在工作头40的尖端振幅在5-100微米。支撑法兰 处的振幅在0-5微米。

动力工具也可设有多个超声波致动器，例如具有相同谐振频率或者也具 有不同谐振频率的超声波致动器作为驱动部件；或者也可设有多个产生不同 方向的激励元件和同一个振动放大器作为驱动部件；或者也可设有一个或多 个另外的驱动部件，如电动机。不同的驱动部件可以交替地或组合地工作。

另一个实施方式中，动力工具30的超声波致动器60具有两个振动模态。 如图4所示，一个同上面描述的是轴线方向的纵振V1，可以是1阶或多阶， 本实施方式中，为1阶；另一个是弯振V2可以是1阶或者多阶，本实施方 式中，弯振为2阶。超声波致动器60包括至少一个纵振激励元件62a和至少 一个弯振激励元件62b，例如两个纵振激励元件62a和两个弯振激励元件62b； 其中纵振激励元件62a产生纵振激励，让工作头40产生轴线方向的往复运动 (参见箭头F)；弯振激励元件62b产生弯振激励，让工作头40产生垂直轴 向方向的往复运动(参见箭头F1)。

动力工具30的两个振动模态的叠加，可使工作头40产生椭圆形运动， 从而增加工作效率。

其中纵振的振动节点设置在两个纵振激励元件62a的连接处；弯振的两 个振动节点之一设置在两个弯振激励元件62b的连接处。

纵振激励元件62a和弯振激励元件62b均具有独立的激励信号激励，也 就是说，在本实施方式中，控制单元(未图示)会将工作电压转换成两个独 立高频的激励信号，分别激励纵振激励元件62a和弯振激励元件62b。

另一个实施方式中，超声波致动器的两个振动模态(纵振和弯振)频率 相同(频率差小于1KHz)，远离最近的干扰模态(频率差值大于5KHz)，两 个激励信号频率相同。如此，动力工具30的两个振动模态的叠加，可使工作 头40产生圆形运动，工作效率大大提高。同时，弯振不但可以提高工作效率， 还可以防止工作头卡死，同时也可以利于排屑。

请参见图5，激励信号的频率(f0)与超声波致动器的某一个固有频率 (f0’)吻合时，超声波致动器产生谐振，输出功率达到最大值，此时电流(I0) 为最大。当激励信号远离超声波致动器的固有频率时，电流减小。如激励信 号(f1)小于超声波致动器的固有频率(f0’)，此时电流(I1)小于电流(I0)； 激励信号(f2)大于超声波致动器的固有频率(f0’)，此时电流(I2)同样小 于电流(I0)。因此，在设计时，激励信号的频率与超声波致动器的固有频率 吻合，从而使动力工具工作时输出功率达到最大值。

但由于温度变化、工作头的更换或负载的变化都会使超声波致动器的固 有频率改变，导致激励信号的频率与超声波致动器的固有频率不吻合，影响 动力工具工作时的输出功率。为了在动力工具工作时输出功率达到最大值， 另一个实施方式中，控制单元66还包括频率跟踪模块。

请参见图6，频率跟踪模块包括：改变控制单元66输入的激励信号，判 断电流的变化，来控制控制单元66输入的激励信号与超声波致动器的固有频 率吻合。

具体描述为：激励信号增加预设频率，如100Hz，判断电流是否增加， 如果增加，激励信号则继续增加预设频率(如100Hz)，直至电流不再增加； 电流不再增加则将激励信号减小预设频率，如100Hz，判断电流是否增加， 如果增加，激励信号则继续减小预设频率(如100Hz)，直至电流不再增加， 如此，则表示控制单元66输入的激励信号与超声波致动器的固有频率吻合。

当然，也可以是：激励信号先减小预设频率，判断电流是否增加，如果 增加，激励信号则继续减小预设频率(如100Hz)，直至电流不再增加；电流 不再增加则将激励信号增加预设频率，如100Hz，判断电流是否增加，如果 增加，激励信号则继续增加预设频率(如100Hz)，直至电流不再增加，如此， 也表示控制单元66输入的激励信号与超声波致动器的固有频率吻合。

通过频率跟踪模块的作用，保证超声波致动器60始终工作在谐振状态， 使工作时输出功率达到最大值。

如上面的描述，激励信号的输入频率与超声波致动器的某一个固有频率 吻合时，超声波致动器产生谐振，输出功率达到最大值。因此，在设计时， 激励信号的频率与超声波致动器的固有频率吻合，从而使动力工具工作时输 出功率达到最大值。但由于负载的变化、或超声波致动器的参数因发热、老 化、磨损等原因而发生了变化，导致超声波致动器的谐振频率改变。因此， 另一个实施方式中，请参见图7，超声波致动器60上还连接有频率反馈单元 74。频率反馈单元74从超声波致动器60的电端或声端取得可以反映超声波 致动器频率特性的信号，从而反馈给控制单元66。控制单元66可以用这个 信号控制超声波致动器的频率或者直接用此信号激振。如此，就可以使控制 单元66的激励信号的频率与超声波致动器的谐振频率始终保持一致。

在一个实施方式中，频率反馈单元74包括取样电阻。取样电阻对流经超 声波致动器的电流采样，此采样信号被反馈给控制单元66。在正常工作条件 下，控制单元66的激励信号的频率等于超声波致动器60的谐振频率时，取 样电阻的电压与控制单元66的输出电压同相，正常激振。一旦超声波致动器 60的谐振频率改变，取样电阻的电压与控制单元66的输出电压不同相，原 有激振条件被破坏。控制单元66则重新匹配取样电阻的电压，使得取样电阻 的电压与控制单元66的输出电压同相，如此，使控制单元66的激励信号的 频率与超声波致动器的谐振频率始终保持一致。

在另一个实施方式中，由于超声波致动器的谐振频率改变，此电压与电 流之间就会有一个相位差，频率反馈单元74则用于检测是出这个相位差的大 小和符号，和此偏差信号去反馈给控制单元66，相应的调节控制单元66的 激励信号的频率，使相位差减小，直至被锁定在零上。如此，使控制单元66 的激励信号的频率与超声波致动器的谐振频率始终保持一致。

当然，频率反馈单元并不局限于上述方法，还可以采用差动变量器电桥 法。而上述方法均采用的是电反馈方法。也可以在声端取得可以反映超声波 致动器频率特性的信号，用这个信号控制超声波致动器的频率或者直接用此 信号激振，同样可以使控制单元66的激励信号的频率与超声波致动器的谐振 频率始终保持一致。

由于超声波致动器固有频率受质量和形状等因素影响，为避免更换不同 工作头(工作头的形状，大小，功能存在差异)导致固有频率产生变化。现 有解决方案是要求每个工作头装在超声波致动器上后固定频率保持不变，这 将大大限制工作头的设计。而本实施方式提供的解决方案是通过识别工作头 的类型，然后控制单元自动改变激励信号的频率。

具体的，请参见图8，工作头40设置有信号单元52，信号单元52存储 有代表工作头类型的编码；设置在壳体32内的信号检测单元54，与控制单 元66电性连接，用于获取信号单元52的信息。控制单元66内存储有工作头 的编码和与之相对应的频率。当控制单元66识别出哪种工作头，则控制单元 66则会输出相应频率的激励信号。

当某一类型的工作头安装到位，信号检测单元54获取工作头的信号单元 52的信息，从而识别工作头40的编码；控制单元66根据编码输出相应频率 的激励信号。如此，无论是哪种类型的工作头，控制单元66则会自动地输出 与之相应匹配的激励信号，使其与超声波致动器的固有频率吻合时，超声波 致动器产生谐振，输出功率达到最大值。

上述的两个振动模态的叠加、频率跟踪模块、频率反馈单元以及工作头 自动识别匹配相应频率，同样适用于下面的其它实施方式。

工作头40连接至超声波致动器60上并不局限于螺纹连接、焊接等等。 还可以通过快速夹紧装置将工作头连接至超声波致动器60上。请参见图9A 和图9B，另一个实施方式中，动力工具30还包括快速夹紧装置90，可以快 速更换工作头40，将夹紧可靠。

快速夹紧装置90包括操作件92、用于锁紧工作头40的夹紧件94，操作 件92用于推动夹紧件94在锁紧工作头40的锁紧位置和释放工作头40的释 放位置之间移动。具体的操作件92通过螺纹与振动放大器64连接，通过顺 时针或逆时针旋转来实现锁紧和释放工作头40。操作件92内设有与夹紧件 94配合的推动面93。在本实施方式中，夹紧件94为对称设置的球形元件， 其穿过振动放大器64上的孔与工作头40上的夹紧面95配合。其中，夹紧面95为相对于轴线具有一定倾斜角度的斜面。

安装时，请参见图9A，将工作头40放置在振动放大器64的工作头收容 腔96内，然后旋转操作件92，操作件92的推动面93推动夹紧件94，促使 夹紧件94与工作头的夹紧面95配合，带动工作头40朝着激励元件62的方 向移动，直至工作头40的端面97与收容腔96的底面98抵接。如此，就可 以将工作头40固定在振动放大器64上，如图9B所示。放松时，反方向旋 转操作件92，直至推动面93不会挤压到夹紧件94，可以拉动工作头40即可。

另一个实施方式中，请参见图10，动力工具130与动力工具30基本结 构相同，就不赘述。不同的是：工作头140为铲刀，动力工具130也可以称 为电铲刀130。壳体132为纵长延伸，控制单元66、激励元件62和振动放大 器64均设置在纵长延伸的壳体132内。

另一个实施方式中，请参见图11，动力工具230的工作头240以电镐头 为例，动力工具230可称为电镐。在本实施例中，电镐头240包括若干喷针， 喷针均匀设置，可用于工件的除锈、作旧。

电镐230包括壳体232、马达234、用于安装工作头240的输出轴236、 以及连接在马达234和输出轴236之间的传动机构238，马达234通过传动 机构238驱动工作头240绕输出轴236的轴线X2做旋转运动。壳体232为 两个半壳结构，由硬的耐用材料、例如塑料、金属或复合材料例如纤维加强 聚合物形成。壳体232上设有握持部244，操作者通过手握握持部244引导 动力工具230工作。握持部244上设有操作件246，操作者可通过按压该操 作件246来控制开关(未图示)，从而启动电镐230。

在本实施例中，传动机构238为二级齿轮传动，当然，如本领域技术人 员所熟知的，传动机构238可以为其它多级齿轮传动、或增加行星齿轮传动 等等。

当然，传动机构238还可以包括冲击机构(未图示)。马达234通过传动 机构238驱动工作头240绕输出轴236的轴线X2做旋转运动的同时还沿输 出轴236的轴线X2做冲击运动。

壳体232还包括电池包安装部249，用于安装电池包250。电池包250 中的电池包括电化学可以是锂离子电池。需要说明的是，这儿所说的锂离子 电池是负极材料为锂元素的可充电电池的总称，依据正极材料的不同，其可 构成许多体系，如“锂锰”电池，“锂铁”电池等。在本实施方式中，锂离子电 池为一节额定电压为3.6V(伏)的锂离子电池。当然，电池也可以是镍镉、 镍氢等本领域技术人员熟知的电池类型。当然，电镐230也可以不使用电池包，而使用交流电源。

同电镐30，电镐230的壳体232内也设置有超声波致动器60和振动放 大器64，电镐头240固定在振动放大器64。在这里，振动放大器64作为输 出轴236，带动电镐头240工作。振动放大器64通过轴承273、274可旋转 地支撑在壳体232内，使得其围绕输出轴236的轴线X2旋转来实现对电镐 头240的沿F方向叠加振动。

具体的，激励元件62和振动放大器64与电镐头240轴向对准。以这种 方式，超声振动的能量可以直接从振动放大器64耦合到电镐头240上。不需 要用于振动的重定向装置，这可能导致振动能量损失。

设置在壳体232内的控制单元66用于给超声波致动器60至少控制和/ 或调节激励信号以及给超声波致动器60供给电压。

在这里，控制单元66特别节省空间地集成在一个印刷电路板上，位于握 持部244的上方，与开关7电连接，用于控制马达234是否运转。当然，也 可以分成两个印刷电路板，其中，一个印刷电路板单独用于给超声波致动器 60至少控制和/或调节信号以及给超声波致动器60供给电压。

该电镐230在壳体232内设置了在旋转运动(或旋转运动和冲击运动) 上叠加振动的超声波致动器60。超声波致动器60能够在电镐230的工作期 间将超声波沿着箭头方向F(箭头方向F为平行于输出轴36的轴线X2的方 向)振动叠加在电镐头240的旋转上。以这种方式，与不使用超声波辅助的 传统方法相比，除锈、作旧的效率显著提高，通常提高2-10倍。而且超声波 辅助还可以降低所需的接触压力或施加的力，减小了摩擦，导致电镐头240的磨损更小，电镐头240的使用寿命更长。此外，由于超声波辅助，可以降 低电镐头240的转速，从而提高了工作安全性并减少了噪音排放。

由于超声波致动器60与输出轴236均可旋转地支撑在壳体232内，防止 与超声波致动器60连接的电线缠绕，带来不便。在本实施方式中，在超声波 致动器60上设置了第一导电件70、在壳体232上设置了第二导电件72。第 一导电件70和第二导电件72两者之间始终保持电性连接。当第一导电件70 和第二导电件72两者之间相对活动，也并不会影响两者之间电性连接。如此， 当第一导电件70随着超声波致动器60与输出轴236一起旋转时，第二导电 件72不会转动，也不会影响控制单元66给超声波致动器60至少控制和/或 调节信号以及给超声波致动器60供给电压，而第二导电件72无需转动，就 不会出现电线缠绕。

另一个实施方式中，在控制单元66和超声波致动器60之间以采用无线 供电的方式，来解决第一导电件70和第二导电件72之间的磨损。请参见图 12，在这里，控制单元66分成两个印刷电路板，可称为第一控制器66A和 第二控制器66B其中，第一控制器66A单独用于给超声波致动器60至少控 制和/或调节信号以及给超声波致动器60供给电压；第二控制器66B则可用 于控制马达、调速或其它电子控制。

第二控制器66B中包括无线发射模块88，第一控制器66A包括无线接 收模块89。在这里，无线接收模块89以及第二控制器66B与超声波致动器 60可以一体设置。

无线接收模块89接收到无线发射模块88的信号后产生电压并给第一控 制器66A供电，第二控制器66B输出激励信号给超声波致动器60，超声波 致动器60产生高频振动，激发整个超声波致动器60产生高频振动。

给超声波致动器60无线供电的另一个实施方式中，包括初级线圈组件 (未图示)和次级线圈组件(未图示)，其中初级线圈组件包括与控制单元 66电连接的初级线圈，初级线圈相对壳体232固定设置。设置在超声波致动 器60上的次级线圈组件，与输出轴236同心地安装。次级线圈组件包含电连 接至超声波致动器60的次级线圈。流过初级线圈的电流产生磁场，磁场引起 电流流过次级线圈并对超声波致动器60供电。而当控制单元66输出激励信 号给超声波致动器60，超声波致动器60产生高频振动，激发整个超声波致 动器60产生高频振动。

防止与超声波致动器60连接的电线缠绕，带来不便。另一个实施方式中， 超声波致动器60与输出轴236不能相对旋转。如图13所示，动力工具230A 的工作头(未图示)以钻头为例，动力工具230A可称为电钻。当然，在这里， 动力工具也可以是电镐或电锤等等。

电钻230A包括壳体232A、马达234A、用于安装工作头的输出轴236A、 以及连接在马达234A和输出轴236A之间的传动机构238A，马达234A通 过传动机构238A驱动工作头绕输出轴236A的轴线X2做旋转运动。壳体232A为两个半壳结构，由硬的耐用材料、例如塑料、金属或复合材料例如纤 维加强聚合物形成。壳体232A上设有握持部244A，操作者通过手握握持部 244A引导动力工具230工作。握持部244上设有操作件246A，操作者可通 过按压该操作件246A来控制开关(未图示)，从而启动电钻230A。

输出轴236A通过轴承273A、274A可旋转的设置在壳体232A中，在输 出轴236A上连接有钻夹头241A，用于夹持各类型的钻头。

在超声波致动器60和输出轴236A之间设置了耦合机构80。在本实施方 式中，耦合机构80包括与振动放大器64连接的接触件82、收容在输出轴236A 上的球头84。输出轴236A围绕其自身轴线X2旋转时，球头84与接触件82 的弧形面85接触，接触件82不会随着输出轴236A的转动而转动，进而也 不会带动超声波致动器60转动。当超声波致动器60被控制单元66激励至振 动，通过接触件82传导给球头84，进而给输出轴236A加载沿着箭头方向F (箭头方向F为平行于输出轴236A的轴线X2的方向)的振动。

另一个实施方式中，请参见图14，动力工具330的工作头340以电镐头 为例，动力工具330可称为电镐。

电镐330包括壳体332、马达334、用于安装工作头340的输出轴336、 以及连接在马达334和输出轴336之间的传动机构338，马达334通过传动 机构338驱动工作头340沿轴线X3做线性往复的冲击运动。壳体332上设 有握持部344，操作者通过手握握持部344引导电镐330工作。而由于电镐 330为大功率电镐，功率一般在500W-8000W范围。在壳体332上还设有方 便握持的辅助把手345。

壳体332呈枪式设计，马达334的轴线与轴线X3垂直设置，且马达334 位于传动机构338的下方。为了握持舒适，马达334与握持部344在垂直于 轴线X3的平面内，至少2分之一的部分重叠。

电镐330与电镐230大部分结构相同，其主要区别在于具体的传动机构。 在本实施例中，传动机构338由马达334驱动仅带动工作头340做线性往复 的冲击运动。

具体的，传动机构338包括由马达334驱动地齿轮传动装置351、由齿 轮传动装置351驱动的偏心轴353，偏心轴353带动连杆354沿轴线X3往复 运动，从而使连杆354前端的活塞355沿轴线X3往复运动。进而压缩活塞 355与撞锤356之间的空气，使汽缸357内空气压力呈周期变化，变化的空 气压力带动汽缸357中的撞锤356往复打击电镐头340，从而驱动电镐头340 做线性往复的冲击运动。

同电镐30，电镐330的壳体332内也设置有超声波致动器60和振动放 大器64，电镐头340固定在振动放大器64。在这里，电镐头340与振动放大 器64固定连接，带动电镐头340工作。如此，在电镐头340在沿轴线X3做 线性往复运动的基础上再叠加线性振动(如箭头F)。

具体的，激励元件62和振动放大器64与电镐头340轴向对准。以这种 方式，超声振动的能量可以直接从振动放大器64耦合到电镐头340上。不需 要用于振动的重定向装置，这可能导致振动能量损失。

电镐330包括位于壳体332内并且布置成用于在冲击运动上叠加振动的 超声波致动器60。超声波致动器60能够在电镐330的工作期间将超声波振 动叠加在电镐头340的往复冲击运动上。以这种方式，与不使用超声波辅助 的传统方法相比，更利于破碎待加工工件，工作效率显著提高，通常提高2-10 倍。

请参见图15，为另一种类型的电镐430。电镐430基本结构，如传动机 构同电镐340、电镐头440由传动机构438驱动沿轴线X3做线性往复的冲击 运动，具体结构在此就不一一赘述。不同的是，电镐430中马达434和传动 机构438的位置设置。壳体432大致沿轴线X3大致呈中心设置，在壳体432 上还设有方便握持的倾斜设置的辅助把手445。

具体的，马达434垂直于轴线X3设置，位于汽缸457和握持部444之 间。马达434与握持部444在垂直于轴线X3的平面内，至少6分之5的部 分重叠。

同上面描述，两个振动模态同样适应于该电镐430。继续参见图15，电 镐430包括沿工作头440的中心线的纵振V1和另一个是弯振V2。其中纵振 激励元件62a产生纵振激励，让工作头440产生轴线方向的往复运动(参见 箭头F)；弯振激励元件62b产生弯振激励，让工作头440产生垂直轴向方向 的往复运动(参见箭头F1)。

电镐330包括位于壳体332内并且布置成用于在冲击运动上叠加振动的 超声波致动器60。超声波致动器60能够在电镐330的工作期间将超声波振 动叠加在电镐头340的往复冲击运动上。以这种方式，与不使用超声波辅助 的传统方法相比，更利于破碎待加工工件，工作效率显著提高，通常提高2-10 倍。而且垂直轴向方向的弯振，使电镐头340在工作时，不容易被卡死。

请参见图16，动力工具为摆动机，又称多功能机。摆动机530包括壳体 532、安装在壳体532内的马达534、自壳体532内延伸出的输出轴536、以 及连接在马达534和输出轴536之间的偏心传动机构538，偏心传动机构538 将马达534围绕马达轴线X4的旋转运动转换为输出轴536围绕摆动轴线Y1 的摆动运动。摆动的方向如图16中箭头R-R所示。

参照图17，偏心传动机构538设置在壳体532内，包括拨叉551和连接 在马达534的马达轴(未图示)上的偏心组件552。其中，偏心组件552包 括连接在马达轴上的偏心轴553及安装在偏心轴553上的驱动轮554。拨叉 551的一端连接在输出轴536的顶部，其另一端与偏心组件552的驱动轮554 相配合。拨叉551包括套设在输出轴536上的套管(未标号)及自套管顶端 垂直朝向马达轴水平延伸的叉状部(未标号)。本实施方式中，驱动轮554 为滚珠轴承，其具有与拨叉551的叉状部配合的球形外表面。偏心轴553与 马达轴偏心连接，即偏心轴553的轴线与马达轴线X4不重合，且径向偏移 一定的间距。拨叉的叉状部包覆在驱动轮554的两侧，并且紧密地与驱动轮 554的外表面滑动接触。

当马达534驱动马达轴围绕马达轴线X4转动时，偏心轴553则在马达 轴的带动下相对马达轴线X4偏心旋转，进而带动驱动轮554相对马达轴线 X4偏心旋转。在驱动轮554的带动下，拨叉551围绕摆动轴线Y1摆动，进 一步地带动输出轴536围绕摆动轴线Y1摆动。

本实施方式中，输出轴536的摆动角度为4°。输出轴536的摆动频率为 每分钟18000次。通过将输出轴536的摆动角度设置为4°，大大提高了工作 头540的工作效率，并且当工作头540为锯片时，便于碎屑的排出。

需要指出的是，本发明摆动机，输出轴536的摆动角度并不仅限于4°， 其可以根据需要设置为约0.5至10度之间，如3°或5°等等。输出轴36的摆 动频率也不限于每分钟18000次，优选大于每分钟10000次。

再参见图15，工作头540安装在输出轴536上，工作头540的安装轴线 Y2与输出轴536的摆动轴线Y1重合。工作头540在输出轴536的带动下一 起围绕摆动轴线Y1摆动。工作头540可以是圆锯片、砂盘、刮刀、三角形 磨砂盘等，从而摆动机可以实现多种操作，如锯、切、磨、刮等，以适应不 同的工作需求。

工作头540包括与输出轴配合的安装部591、和与安装部连接的工作部 592。工作头540通过夹紧装置593安装在输出轴536上，夹紧装置593包括 与安装部591一端面接触的压紧件594。而输出轴536也包括与安装部591 的另一端面接触的安装法兰595。当然，夹紧装置593的结构也有很多种， 在此就不一一赘述。

输出轴536通过两轴承573、574设置在壳体532内。在两轴承573、574 之间设有超声波致动器60，超声波致动器60能够在摆动机530的工作期间 将沿着箭头方向F(箭头方向F为平行于输出轴336的摆动轴线Y1的方向) 的超声波振动叠加在压紧件591上。超声波致动器60具体的结构同上，在此 就不赘述。

而超声波致动器60产生的沿摆动轴线Y1方向的轴线纵振V1叠加在压 紧件591上，而由于工作头540的工作部592远离安装部591一端距离，最 终叠加到工作头540的工作部592上则会产生弯振V2。图中未示出振动放大 器，当然，在这里也可以设置振动放大器，来将超声波致动器60产生的纵振 传导给工作头540。

如此，超声波致动器60能够在摆动机530的工作期间将超声波振动叠加 在工作头540的摆动运动上。如此，更有利用于摆动机530工作。

另一个实施方式中，在两轴承573、574之间设有超声波致动器60的基 础上，在输出轴536上还设有另一个超声波致动器60。请参见图19，安装法 兰595处还设有一超声波致动器60A。该超声波致动器60A产生的沿垂直于 输出轴536的摆动轴线Y1方向的纵振F。当然，也可以只设置超声波致动器 60A。

超声波致动器60、60A能够在摆动机530的工作期间将超声波振动叠加 在工作头540的摆动运动上。如此，工作头540在摆动运动上又叠加了沿垂 直于输出轴536的轴线X2方向的纵振F和弯振(未图示)，更有利用于摆动机 530的工作。

由于工作头540的形式的特殊性，并不是中心对称安装在输出轴536上。 因此，在输出轴536上还设有平衡块596。超声波致动器60A则可设置在平 衡块596和安装法兰595之间。

另一个实施方式中，动力工具为小电磨630。如图19所示，小电磨630 包括带有握持部644的壳体632。操作者通过手握握持部644引导小电磨630 工作。握持部644必要时可以采用未示出的缓冲元件相对于其它壳体区域解 耦，减小振动传递给操作者。小电磨630还包括工作头640，用于能被直线 地和/或振动地驱动。工作头640为小磨头。

握持部644区域上还设有操作件646，用于操作者激活小电磨630。操作 件646可以是扳机、调节钮。

壳体632沿纵长方向延伸，壳体632内设有马达634，壳体632的纵长 延伸轴线与马达634的轴线平行或重合。壳体632内还设有内壳体633，由 前、后轴承673和674支撑。内壳体633可由马达634驱动围绕马达634的 轴线旋转。

内壳体633中设置有超声波致动器60和振动放大器64，小磨头640固 定在振动放大器。超声波致动器60通过支撑法兰669相对于内壳体633固定， 因此，在内体633被马达434驱动旋转时，超声波致动器60和振动放大器 64则会带着小磨头640一起转动。

给超声波致动器60供给电压和输入信号的控制单元66设置在壳体532 内，位于马达534的下方。

为了防止电线的缠绕，在超声波致动器60上设置了第一导电件70、在 壳体32上设置了第二导电件72。第一导电件70和第二导电件72两者之间 始终保持电性连接。当第一导电件70和第二导电件72两者之间相对活动， 也并不会影响两者之间电性连接。如此，当第一导电件70随着超声波致动器 60与输出轴36一起旋转时，第二导电件72不会转动，也不会影响控制单元 66给超声波致动器60至少控制和/或调节信号以及给超声波致动器60供给电压，而第二导电件72无需转动，就不会出现电线缠绕。

超声波致动器60能够在小电磨630的工作期间将沿着箭头方向F(箭头 方向F为平行于工作头640的中心线、也平行于马达634的轴线)的超声波 振动叠加在小磨头640的旋转上。以这种方式，与不使用超声波辅助的传统 方法相比，工作效率显著提高，通常提高2-10倍。

另一个实施方式中，动力工具为电木铣730。如图14所示，电木铣730 包括壳体732、马达734、用于安装工作头740的输出轴736，马达734直接 驱动工作头740绕输出轴736的轴线X2做旋转运动。当然，如果需要，在 马达734和输出轴736之间也可以设置传动机构。壳体732上对称设有把手 744，操作者通过手握把手744引导电木铣730工作。工作头740为近似圆柱 形的铣刀740。

电木铣730包括设置在输出轴736上设有超声波致动器560，超声波致 动器560能够在电木铣730的工作期间将沿着箭头方向F(箭头方向F为平 行于输出轴336的轴线X2的方向)的超声波振动叠加在铣刀740的旋转上。 以这种方式，与不使用超声波辅助的传统方法相比，工作效率显著提高，通 常提高2-10倍。而且超声波辅助还可以降低所需的接触压力或施加的力，减 小了摩擦，导致铣刀740的磨损更小，铣刀740的使用寿命更长。此外，由于超声波辅助，可以降低铣刀740的转速，从而提高了工作安全性并减少了 噪音排放。

图中未示出振动放大器，当然，在这里也可以设置振动放大器，来将超 声波致动器60产生的纵振传导给工作头740。

同样，在本实施方式中，在超声波致动器60上设置了第一导电件70、 在壳体32上设置了第二导电件72。第一导电件70和第二导电件72两者之 间始终保持电性连接。当第一导电件70和第二导电件72两者之间相对活动， 也并不会影响两者之间电性连接。如此，当第一导电件70随着超声波致动器 60与输出轴36一起旋转时，第二导电件72不会转动，也不会影响控制单元 66给超声波致动器60至少控制和/或调节信号以及给超声波致动器60供给 电压，而第二导电件72无需转动，就不会出现电线缠绕。

另一个实施方式中，清洁工具为擦窗器830。请参见图21，擦窗器830 包括带有握持部844的壳体832。操作者通过手握握持部844引导擦窗器830 工作。擦窗器830还包括工作头840，用于清理待清洁表面，如窗户、瓷砖、 台面等等。工作头840可以是各种材质的刷子、橡胶头等。

握持部844区域上还设有操作件846，用于操作者激活擦窗器830。操作 件846可以是扳机、调节钮。

擦窗器830还包括驱动水泵943的马达834、用于存储清洁液的水箱845 和用于给工作头840处供水的水管847。启动马达834，水泵843则会将水箱 845中的清洁液通过水管847传输至工作头840，便于工作头840清洁。

壳体932内还设有超声波致动器60、控制单元66。壳体832内设有电池 850，给控制单元66和马达834供电。当然，也可采用交流电。图中未示出 振动放大器，当然，在这里也可以设置振动放大器。

在清洗工作时，超声波致动器60发射超声波，在工作头840和待清洁表 面之间的清洁液中产生空化效应和高速微射流，对待清洁表面的污渍、脏物 破碎，进而大大的提高了工作效率。

另一个实施方式中，清洁工具为泳池清洗机900。泳池清洗机900包括 壳体932、设置在壳体932上的轮子933以及驱动轮子933自动行走的单元 (未图示)。

壳体932内还设有超声波致动器60、控制单元66、吸尘过滤装置941。 吸尘过滤装置941包括由马达934驱动水泵943、设置在壳体932上的进水 管945、与水泵943连通的出水管947、以及设置在进水管945和水泵943 之间的过滤模块949和集尘腔951。图中未示出振动放大器，当然，在这里 也可以设置振动放大器。

为了保证使用效果和使用方便，超声波致动器60置于壳体932的下部， 超声波致动器605可为多个，以增强清洗的效果。进水管947还可为多个， 围绕在超声波致动器60四周，以更好地将污垢抽走。

超声波测距仪953、马达934和超声波致动器60均通过控制单元66与 电源相连，电源以提供电力来源，保证正常工作；电源为拖拽的电线与控制 器相连。而自动行走的单元的控制部分也可以与集成在控制单元66上，当然， 也可以独立设置。

在清洗工作时，超声波致动器60发射超声波，产生空化效应和高速微射 流，对泳池壁进行清洗，洗下来的污垢随水流被水泵943抽入进水管945， 并经过过滤模块949过滤，污垢留在过滤器的滤芯或集尘腔951中，干净的 水流从出水管947流出。泳池中的水不断经过过滤器，对泳池中的水起到了 净化作用。

超声波测距仪953固定在壳体932下部，用来测定外壳与泳池底部的距 离。超声波测距仪953测定壳体932与泳池底部的距离，将测定结果发送至 控制单元66，控制单元66控制超声波致动器6060与泳池底部的距离，使泳 池底部始终处在超声波发射端的最佳作用范围内，从而自动完成对泳池不同 深度处的清洗。同时超声波致动器60发出的超声波能引起空穴现象，形成微 小气泡核，这些气泡核在崩溃的瞬间产生高温高压，从而使液体中某些微生 物致死、失活等，起到杀菌作用。

本发明与现有技术相比，具有以下突出的有益技术效果：可在不排空泳 池水的情况下，对泳池底部进行清洗，甚至在泳池正常使用的情况下，也可 用本装置进行清洁。清洗效果好，对一些顽固污垢、机械或人工洗刷不掉的 污垢也有很好的效果。可自动控制超声波致动器60与泳池底部的距离，使泳 池底部始终处在超声波发射端的最佳作用范围内，从而自动完成对泳池不同 深度处的清洗。

虽然已经详细示出和描述了本发明的具体实施方式以说明本发明的原 理，但是应当理解，在不偏离这些原理的情况下，本发明可以以其他方式实 施。

Claims (13)

1.一种超声波工具，其特征在于：所述超声波工具包括：

壳体；

壳体上设有操作件，用于激活所述超声波工具；

设置在所述壳体内的超声波致动器，用于产生直接驱动或叠加在工作头的运动；

设置在所述壳体内的控制单元，用于对所述超声波致动器加载控制和/或调节信号及供给电压，所述工作头设置有信号单元，所述信号单元用于存储代表所述工作头类型的信息，所述壳体内设置有与所述控制单元电性连接的信号检测单元，所述控制单元通过所述信号检测单元获取所述信号单元的信息，识别所述工作头的类型，并输出相应频率的激励信号。

2.根据权利要求1所述的超声波工具，其特征在于：所述超声波工具包括马达和传动机构，所述马达通过所述传动机构驱动所述工作头旋转。

3.根据权利要求1所述的超声波工具，其特征在于：所述超声波工具包括马达和传动机构，所述马达通过所述传动机构驱动所述工作头旋转和线性往复的冲击运动。

4.根据权利要求2或3所述的超声波工具，其特征在于：所述壳体上还设有初级线圈组件，所述初级线圈组件包括电连接至所述控制单元的初级线圈；所述超声波致动器上连接有次级线圈组件，次级线圈组件包括电连接至所述超声波致动器的次级线圈，其中流过所述初级线圈的电流产生的磁场，所述磁场引起电流渡过所述次级线圈并对所述超声波致动器供电。

5.根据权利要求1所述的超声波工具，其特征在于：所述超声波工具包括马达和传动机构，所述马达通过所述传动机构驱动所述工作头摆动。

6.根据权利要求1所述的超声波工具，其特征在于：所述超声波工具包括马达和传动机构，所述马达通过所述传动机构驱动所述工作头线性往复的冲击运动。

7.根据权利要求1所述的超声波工具，其特征在于：所述超声波工具为电镐。

8.根据权利要求1所述的超声波工具，其特征在于：所述超声波工具为摆动机，所述摆动机包括围绕摆动轴线摆动的输出轴，所述超声波致动器设置在所述输出轴上，产生沿所述输出轴的轴线的纵振。

9.根据权利要求1所述的超声波工具，其特征在于：所述超声波工具为摆动机，所述摆动机包括围绕摆动轴线摆动的输出轴，所述超声波致动器设置在所述输出轴上，产生垂直于所述输出轴的轴线的纵振。

10.根据权利要求1所述的超声波工具，其特征在于：所述超声波致动器包括至少一个激励元件，所述激励元件产生1阶或多阶激励。

11.根据权利要求1所述的超声波工具，其特征在于：所述超声波致动器包括至少一个纵振激励元件和至少一个弯振激励元件，所述纵振激励元件产生纵振激励；所述弯振激励元件产生弯振激励。

12.根据权利要求1所述的超声波工具，其特征在于：所述超声波工具包括与所述控制单元电性连接的频率跟踪模块，所述频率跟踪模块用于改变所述控制单元输入的激励信号，根据电流的变化来控制所述控制单元的输入的激励信号。

13.根据权利要求1所述的超声波工具，其特征在于：所述超声波工具包括与所述控制单元电性连接的频率反馈单元，所述频率反馈单元从所述超声波致动器取得可以反映所述超声波致动器频率特性的信号，从而反馈给所述控制单元。

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