CN1240680A

CN1240680A - 振动发生机构

Info

Publication number: CN1240680A
Application number: CN98115506.5A
Authority: CN
Inventors: 藤田悦则; 坂本丰; 三上均; 丸川泰弘
Original assignee: Delta Tooling Co Ltd; Sumitomo Special Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd; Delta Tooling Co Ltd
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2000-01-12
Anticipated expiration: 2018-06-26
Also published as: CN100394683C; EP0967022A1; US6060804A; EP0967022B1; JPH10192785A; JP3725272B2

Abstract

一种振动发生机构,包括:相互间隔并以同性磁极相对的第一和第二永磁铁(14,16);以及一用于驱动第一永磁铁(14)的电动型致动器(12)。电动型致动器(12)使第一永磁铁(14)周期性并往复地相对于第二永磁铁(16)移动,从而改变第一和第二永磁铁(14,16)的相互面对的面积,借以使第二永磁铁(16)相对于第一永磁铁(14)振动。

Description

振动发生机构

本发明总地涉及用于产生振动的机构，具体但不排它的是，涉及一种利用多个永磁铁的斥力沿垂直方向产生振动能量的振动发生机构。

已经有振动激振器或振动发生器被用来人工地产生振动，以便研究一结构的振动特性。已知的有电动型的激振器和采用不平衡块或凸轮的激振器。

然而，采用例如曲拐之类的联接机构的激振器需要一相对较大的驱动电机，因为载荷直接施加于该驱动电机，而电动型的激振器不能应付低频场合。

还有，因为传统的激振器通常是大尺寸的，不但需要相对较大的空间，而且安装工作也耗费大量的时间。另外，传统的激振器会产生大量的热，需要借助风扇之类进行强制的空冷，这又将导致不能实现噪声评估的问题。

此外，由于传统激振器通常具有较为复杂的结构，因而显得笨重并且成本较高。人们希望能获得重量较轻、成本较低的激振器。

本发明是针对上述缺陷研制出来的。

因此，本发明的目的在于，提供一种具有多个内装永磁铁的振动发生机构，它是一种紧凑、低廉的激振器，其发出的噪声也最小。

本发明的另一目的在于，提供一种上述类型的振动发生机构，其结构简单，并且可以低成本地制造。

为实现上述和其它的各个目的，根据本发明的振动发生机构包括：相互间隔并以同性磁极相对的第一和第二永磁铁，以及一用来驱动第一永磁铁的电动型致动器。电动型致动器可使第一永磁铁周期性并往复地相对于第二永磁铁移动，从而改变第一和第二永磁铁的相对面积，借以使第二永磁铁相对于所述第一永磁铁振动。

当第一和第二永磁铁垂向间隔布置时，较佳的是，在第一和第二永磁铁两侧设置第一对永磁铁和第二对永磁铁。在这种情况下，第一和第二对永磁铁中的每一对都以同性磁极相对的方式垂向地间隔布置。这样，垂向施加于第二永磁铁的载荷可借助第一和第二对永磁铁的斥力来支承。

或者，可以在所述第一和第二永磁铁两侧设置至少两个弹性元件，其中，垂向施加于第二永磁铁的载荷可借助所述至少两个弹性元件的弹力来支承。

较有利的是，该电动型致动器包括：一适于可滑动地安装在一安装表面上的支座；一卷绕在支座的至少一端上的线圈；以及与所述线圈间隔一预定距离设置的至少一个永磁铁，其中，第一永磁铁固定于支座。在这种情况下，通过使脉动电流流过线圈，可令支座往复运动。

本发明的上述和其他目的和特点将通过下面结合附图描述的几个较佳实施例变得更加明显。各附图中，类似的零件用同一标号，其中：

图1是应用于本发明之振动发生机构的一磁力弹簧的示意图，特别示出了在输入侧和输出侧上的两块永磁铁的平衡位置；

图2是说明图1所示磁力弹簧的基本特性的曲线图，特别示出了施加于两块永磁铁之一的载荷和它离开平衡位置的偏移量之间的关系；

图3是示出测得的载荷与偏移量之间的关系的曲线图；

图4A是一示意图，其说明了在一假设磁荷均匀分布在两块永磁铁的端面上的磁荷模型中输入和输出的考虑方式，并且特别示出了吸引的情况；

图4B是类似于图4A的示意图，但特别示出了排斥的情况；

图4C是类似于图4A的示意图，但特别示出了在不同于图4B所示位置上的排斥情况；

图5是一示意图，其示出了带有彼此相对的同性磁极的两块相互间隔布置的永磁铁，并示出了两块永磁铁中的一个相对另一个移动(以改变两者的相对面积)的情况；

图6是一曲线图，其示出了在根据图5进行计算时，X轴和Z轴方向上的载荷与沿X轴方向的移动量之间的关系；

图7是一曲线图，其示出了当图5所示的永磁铁之间的距离保持为恒定时，以及一块磁铁相对于另一块从完全滑离状态运动至完全重叠状态而后再重新运动至完全滑离状态时，载荷与偏移量之间的关系；

图8是一示意图，其示出了具有彼此相对的同性磁极的两个相互间隔布置的永磁铁，并示出了其中一块磁铁相对于另一块旋转(以改变两者的相对面积)的情况；

图9是一曲线图，其示出了当一块磁铁如图8所示那样旋转时，所获得的最大载荷与相对面积之间的关系；

图10是一曲线图，其示出了在采用钕基磁铁时，载荷与两磁铁的间距的关系；

图11是一立体图，其示出了一个滑动型的原理模型，其中，通过改变两块永磁铁之间的相对面积来改变它们之间的几何尺寸；

图12是一曲线图，其示出了由图11所示的滑动型原理模型获得的输入和输出之间的关系；

图13是一应用了图11的滑动型原理模型的振动发生机构的立体示意图；

图14是图13的振动发生机构中采用的作为一驱动源的电动致动器被局部切除后的俯视图；

图15是图14的电动致动器的部分剖开的侧视图；

图16是图14的电动致动器中的线圈的接线图；

图17是安装在图14的电动致动器中的一磁回路的侧视图；

图18是上述电动致动器的一种改进型式的立体图；

图19是另一改进型电动致动器的部分剖开的侧视图；

图20是一曲线图，其示出了当有1A的电流流过图14的电动致动器时的推力分布情况；

图21是根据本发明的振动发生机构的一种机械模型的示意图；

图22是当电动致动器借助正弦波来驱动时的一个闭环控制系统的框图；

图23是用作驱动波的正弦波的曲线图；

图24是类似于图23的曲线图，但是示出了一种用作驱动波的随机波。

本申请是在1996年12月27日在日本申请的No.8-350828号申请的基础上作出的，’828号申请的内容援引在此以供参考。

下面将结合各附图来描述本发明的各较佳实施例。

当一磁力弹簧结构是由具有彼此相对的同性磁极的至少两个相互间隔布置的永磁铁组成时，这两块永磁铁将保持为相互之间不接触的状态。因此，若将该结构本身内部的摩擦损失忽略不计，其静态特性是可逆的，即输出(返回)与输入(前进)是在同一条线上并且是非线性的。而且，通过利用非接触磁铁对所特有的自由度和浮动控制系统的不稳定性以一个小的输入量来改变静态磁场(磁铁的布置)，可以很方便地产生负阻尼。

本发明正是在注意到这一事实的前提下作出的。在输入(前进)时和在输出(返回)时，借助两块永磁铁所在的一动力系统内的一机构或者是借助一外力，就可以改变两块永磁铁之间的几何尺寸。几何尺寸的变化将转变成动力系统内的一种排斥力，借以使处于平衡位置的两块永磁铁在输出时的排斥力大于输入时的排斥力。

下面将解释基本原理。

图1示出了在输入侧和输出侧上的两块永磁铁2和4的平衡位置，而图2说明了这一磁力弹簧结构的基本特性，示出了施加于两块永磁铁之一的载荷与该磁铁从平衡位置的偏移量之间的关系。

如图1所示，当输入侧的永磁铁4相对于永磁铁2的平衡位置和磁力弹簧的弹簧常数分别是x₀和k₁，以及其在输出侧上的平衡位置和弹簧常数分别是x₁和k₂时，在x₀和x₁之间进行一种面积转化，在两个平衡位置上符合下面的关系式：

-k₁/x₀+mg＝0

-k₂/x₀+mg＝0

k₂＞k₁

因此，这种静态特性表现为负阻尼特性，如图2所示，而且可以想像，位置x₁和位置x₀之间的势差对应于振荡的势能。

已建立了一个如图1所示的模型，并且通过改变施加载荷的时间测量了载荷与偏移量之间的关系，结果，获得了如图3所示的曲线图，其可以解释为，当两块永磁铁到达相互最接近的位置时，产生一个很大的斥力，而当从平衡位置的偏移量稍有改变时，就由磁力弹簧的阻尼作用而产生一个摩擦损失，因而产生一阻尼项(damping term)。

在图3中，(a)是当施加一恒定载荷时得到的一曲线，而施加载荷的时间是按照(a)、(b)和(c)的次序依次缩短。换言之，静态特性是根据施加载荷的方式而变化的，施加载荷的时间越长，所获的冲量就越大。

对稀土磁铁而言，磁化强度并不是由磁场而定。更具体地说，由于内部的磁矩不易受磁场的影响，所以一条去磁曲线上的磁化强度几乎不会变化，其值保持为几乎等于饱和磁化的强度。

因此，在稀土磁铁的情况下，可以利用一个假设磁载荷均匀分布在其表面上的磁荷模型来计算磁力。

图4示出了一种将一磁铁定义为一组最小的单元磁铁的考虑方式。各单元磁铁之间的作用力的关系可以通过将其分成三类来计算。

(a)吸引力(因为各单元磁铁的r和m是相同的，所以可将这两种类型定义为一种类型

f⁽¹⁾＝(m²/r²)dx₁dy₁dx₂dy₂

f_x ⁽¹⁾＝f⁽¹⁾cosθ

f_z ⁽¹⁾＝f⁽¹⁾sinθ

(b)排斥力

f_x ⁽²⁾＝f⁽²⁾cosθ

f_z ⁽²⁾＝f⁽²⁾sinθ

(c)排斥力

f_x ⁽³⁾＝f⁽³⁾cosθ

f_z ⁽³⁾＝f⁽³⁾sinθ

因此，

-f_x＝2f_x ⁽¹⁾-f_x ⁽²⁾-f_x ⁽³⁾

-f_z＝2f_z ⁽¹⁾-f_z ⁽²⁾-f_z ⁽³⁾

据此，库仑定律可表达为：

F＝k(q₁q₂/r²)r：距离

q＝MS q1、q2：磁荷

M(m)：磁化强度

S：面积

可以通过将上述的(-f_x)和(-f_z)相对于磁铁尺寸的范围作积分而求得磁力。

如图5所示，通过使两个相对的磁铁从完全重叠的状态(移动长度是x＝0mm)彼此相对地移动至完全滑离的状态(移动长度是x＝50mm)，对每一磁间隙下的情况进行了计算。计算结果如图6所示。虽然将内磁矩定义为恒定，但因为当磁间隙很小时各磁铁周围产生无序状态。所以略微作了一些修正。

上述的计算结果与实际测量结果大致吻合。从图2中的点(a)移动至点(b)所需的力是x轴方向的载荷，而输出量则由z轴方向的载荷表达。可以静态地阐明因不稳定性而导致的输入＜输出的关系。

图7是一曲线图，示出了当磁铁的间距保持为3mm并且两磁铁从完全滑离状态变成完全重叠状态随后重新又变成完全滑离状态时x轴向载荷和z轴向载荷之间的关系。该曲线图是一特性曲线，它表示x轴方向的载荷的绝对值是相等的，但输出的方向相反。当一个磁铁相对于另一个移动而接近完全重叠状态时，前者将会受到一阻力，从而产生阻尼。另一方面，当一个磁铁相对于另一个从完全重叠状态移动至完全滑离状态时，前者将被加速。

当两个相对磁铁的旋转角度如图8所示那样改变时，可以获得图9所示的曲线图。必然的是，最大载荷随相对面积的减小而减小。该曲线图表明输出量可以通过一定的面积变换来改变，这种变换可以通过施加一预定的输入来进行。

图10是一曲线图，其示出了当采用钕基磁铁时载荷与磁铁间距之间的关系。排斥力随质量的增加而增大。排斥力F可用下面的式子表示：

F∝Br²×(几何尺寸)

Br：磁化强度

几何尺寸意味着相对的两个磁铁的间距、相对的面积、磁通密度、磁场强度，等等。如果磁铁材料相同，则磁化强度(Br)是恒定的，因而可通过改变几何尺寸来改变磁铁的排斥力。

图11示出了一个滑动型的原理模型，它通过使两个永磁铁2、4之一相对于另一个移动而改变两者的相互面对的面积来改变几何尺寸。

如图11所示，永磁铁2可滑动地安装在一个底座6上，在该底座上固定了一垂直延伸的直线滑动器8。永磁铁4固定在L形构件10的下表面上，它与永磁铁2以相同的磁极相互面对。

在上述结构的滑动型原理模型中，在采用尺寸为长50mm×宽25mm×厚10mm(商品名为NEOMAX-39SH)的永磁铁作为磁铁2、4并采用总重量约为3.135kg的载荷时，并且当使永磁铁2相对于永磁铁4滑动时，获得了如图12所示的曲线图。

图12的曲线图表示了输入功的试验值和输出功的试验值之间的关系。从该图可以看出，从大约0.5J的输入功可以获得大约4J的输出功。这意味着：借助由两块相对的永磁铁组成的磁力弹簧所具有的负阻尼特性，或者通过改变静态的磁能量，就可以从相对较小的输入获得相对较大的输出。

图13示出了一种振动发生机构，它应用了上述滑动型原理模型。

图13的振动发生机构包括：一电动致动器12；固定于电动致动器12的第一永磁铁14；可沿垂直方向移动的第二永磁铁16，它设置在第一永磁铁14上方，并与之间隔一定距离，且第一、第二永磁铁的同性(相斥)磁极彼此相对。

如图13至15所示，电动致动器12包括：一支座18；设置在支座18两侧的两个磁回路20；一固定于支座下表面的直线运动轴承22；以及一固定于一安装面的直线运动引导件24。直线运动轴承可滑动地安装在直线运动引导件24上。

每个磁回路20包括：一绕在支座18之一端上的线圈26、以及设置在线圈26上、下两侧并与之具有预定间隔的多块永磁铁28。

虽然每个线圈26具有位于支座18之一侧的相互层叠的两个层，但两个线圈26是串联的，如图16所示，就好像它们是由一单根铜线构成。也就是说，在图13和14中，端子A连接于端子B，左上和左下的线圈是按照这一次序形成的。随后，端子C连接于端子D，右下和右上的线圈是按照这一次序形成的。最后，端子E连接于端子F。

如图17所示，在支座18的两侧(左上和左下线圈在一侧，右上和右下线圈在另一侧)有多块磁铁28正对着线圈26。设置在支座18两侧的诸永磁铁28包括：固定于壳体30的上壁的下表面上的两块上永磁铁、以及固定于壳体30的底壁的上表面上的两块下永磁铁，所述下永磁铁具有向上的相反磁极，这些磁极与相关的上永磁铁的磁极彼此相对。

当使激磁电流流过上述结构的磁回路20时，按照弗来明法则，有一个力F作用于线圈26，从而使支座18在力F的方向上沿着直线运动引导件24移动。因此，当使激励脉动电流流过线圈26时，线圈26和支座18一起前后移动。也就是说，在本实施例中采用的电动型致动器12可将电能转变为机械能。

这里应注意的是，虽然在上述实施例中支座18具有两个分别绕在其两端的线圈26，但它也可以只有一个绕在其一端上的由一单根铜线构成的线圈。

还应注意的是，虽然在上述实施例中分别有两块永磁铁28固定于壳体30的上下壁，但也可以分别只有一块永磁铁固定于上、下壁，以相异的磁极相互面对。

还应注意的是，致动器可以是如图19所示的电动型致动器12B，它只包括一个永磁铁28，该磁铁固定于设置在支座18两侧的两壳体30的底壁的上表面。

在图13至15所示的实施例中，采用了四块钕基磁铁(商品名NEOMAX-42)(高11mm×宽35mm×长42mm)作为支座18两侧的永磁铁28，同时，有两个大致扁平的空气芯线圈粘结于支座18两侧的树脂制卷筒，所述线圈是由φ0.72-EIW铜线绕160圈而成的。该磁回路的重量是1850g×2＝3700g，全部线圈重890g。

对上述规格的电动型致动器12在1A电流下的推力分布进行了测量，结果如图20所示。从图20的结果可以看出，在30mm行程的中央部分可获得2.64kgf/A(26 N/A)的推力。

在上述的结构中，当第一永磁铁14由作为驱动源的电动型致动器12驱动而沿直线移动引导件24往复运动同时对第二永磁铁16施加一载荷W时，与第一永磁铁以同性磁极相互面对的第二永磁铁16将进行垂直运动。也就是说，图13至15的振动发生机构可通过周期性地改变两个永磁铁14和16的相对的面积来产生激励，从而产生垂直方向的周期振动。

然而，应注意的是，根据施加于第二永磁铁16的载荷W的大小，可在第一和第二永磁铁的两侧设置两块永磁铁32和34以及两块永磁铁36和38，且以同性磁极相互面对，如图13所示。在这一结构中，当电动型致动器12和设置在其两侧的永磁铁32和36固定于例如一基板40，而第二永磁铁16和设置在其两侧的永磁铁34和38固定于例如一顶板42时，并且当顶板42借助多个垂向轴或类似物垂向可运动地安装在基板40上时，就能使载荷W周期性地振动。

更具体地说，固定的磁铁32、34、36和38用来支承载荷W，而激励磁铁(第一永磁铁14)的滑动将引发垂直方向的振动。此刻，第二永磁铁16相对第一永磁铁14的平衡点和第二永磁铁16的振幅暂时是按照第一和第二永磁铁14和16的体积来确定。激励磁铁14的行程是按照一载荷-偏移曲线、振幅和载荷质量来设定的。激励磁铁14的行程中心是用来确定作为驱动源的电动型致动器12的中间位置的一个基准点。

第二永磁铁16的上止点和下止点是按照激励磁铁14在水平方向上的行程来确定的，而上、下止点处的垂直和水平载荷是按照激励磁铁14相对于第二永磁铁16的重叠程度和两者的间隙大小来确定的。

这里应注意的是，在上述结构中，虽然施加于第二永磁铁16的载荷W是由设置在电动型致动器12两侧的两对永磁铁32、34、36和38来支承，但也可以用多个(例如两个)例如盘簧之类的弹性元件来代替永磁铁32、34、36和38，这样就可以利用弹性元件的弹力来支承施加于第二永磁铁16的载荷W。

上述结构的振动发生机构的运行控制问题如下：

通常用于驱动致动器12的是正弦波、随机波等。如图21的机械模型所示，需要一个用于检测致动器12的运动的传感器例如电位计对致动器12的位置或加速度进行反馈控制，以使其达到目标值。

在采用正弦波作为驱动波时，需要用例如旋转编码器或电位计之类的位置传感器来检测激励平台(图13中的顶板42)的运动，进而控制其振幅，同时需要一个加速传感器来检测激励平台的加速度，进而控制其加速度。另一方面，在采用随机波作为驱动波时，需要例如旋转编码器之类的位置传感器来检测激励平台的运动。

图22是一框图，其说明了在用如图23所示的正弦波来控制致动器12时的一个闭环控制系统。

在图22中，数据首先是从一正弦波工作台76以一预定的定时(例如每隔1毫秒)输出至一数字-模拟转换器(D/A)78，D/A78的电压值被输入到一放大器80，例如一脉冲宽度调制(PWM)控制放大器，借以驱动致动器12。一比较器84将来自正弦波工作台76的输出值与由连接于致动器12的电位计82表示的一个值作比较，并将两者的差值输出至D/A78，以便把致动器12驱动至一目标位置。

正弦波工作台76可电气地连接于例如一个人计算机。在这种情况下，个人计算机发出的一个“起动”命令使正弦波工作台76输出预定的正弦波，并且持续输出，直至收到一个“停止”或“归零”命令。

如图24所示的随机波也可以用作驱动波。在这种情况下，根据个人计算机发出的“起动”命令，放大器80以一预定的定时向致动器12输出一振幅值，进而进行闭环控制，将致动器12设定到目标位置。维持这样的输出，直到从放大器80传来下一个数据。

如上所述，根据本发明，借助一电动型致动器的驱动力，使两块相互面对的永磁铁中的一块相对于另一块周期性地往复运动，以改变两块永磁铁的相互面对的面积，就能借以使另一永磁铁振动。因此，利用两永磁铁之间的排斥力，可以使施加在所述另一块永磁铁上的载荷振动起来，因而便于制造出一种相对较为紧凑、低廉、并且工作噪声较小的振动发生机构。

此外，两块永磁铁是垂向间隔布置的，垂向施加的载荷是由设置在永磁铁两侧的两对永磁铁的排斥力或至少两个弹性元件的弹力来支承。这种结构可以应付相对较大的载荷，从而产生所需的振动。

由于电动型致动器包括固定有两块永磁铁之一的一个滑动布置的支座、一卷绕在支座的至少一端上的线圈、至少一个与所述线圈以预定间隔设置的永磁铁，所以，所述支座可以在一个基本上非接触的状态下在不是其滑动部分的部分上滑动。因此，该电动型致动器产生的噪声比传统致动器的小，并且可用于制造一个紧凑而低廉的振动发生机构。

虽然上面已结合附图以举例的方式详细描述了本发明，但应该理解，在此基础上的各种变化和变型对本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，只要这些变化和变型不偏离本发明的精神和范围，它们都应该落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种振动发生机构，包括：

相互间隔布置并以同性磁极相对的第一和第二永磁铁(14，16)；以及

一用于驱动所述第一永磁铁(14)的电动型致动器(12)，

其中，所述电动型致动器(12)使所述第一永磁铁(14)周期性并往复地相对于所述第二永磁铁(16)移动，从而改变第一和第二永磁铁(14，16)的相互面对的面积，借以使所述第二永磁铁(16)相对于所述第一永磁铁(14)振动。

2.如权利要求1所述的振动发生机构，其特征在于，所述第一和第二永磁铁(14，16)是垂向间隔布置的，并且还包括设置在所述第一和第二永磁铁(14，16)两侧的第一对永磁铁(32，34)和第二对永磁铁(36，38)，所述第一和第二对永磁铁(32，34，36，38)中的每一对都以同性磁极相对的方式垂向地间隔布置，其中，垂向施加于所述第二永磁铁(16)的载荷是借助所述第一和第二对永磁铁(32，34，36，38)的排斥力来支承。

3.如权利要求1所述的振动发生机构，其特征在于，所述第一和第二永磁铁(14，16)是垂向相互间隔布置的，并且还包括设置在所述第一和第二永磁铁(14，16)两侧的至少两个弹性元件，其中，垂向施加于所述第二永磁铁(16)的载荷是借助所述至少两个弹性元件的弹力来支承。

4.如权利要求1所述的振动发生机构，其特征在于，所述电动型致动器(12)包括：一适于可滑动地安装在一安装表面上的支座(18)；一卷绕在所述支座(18)的至少一端上的线圈(26)；以及与所述线圈(26)间隔一预定距离设置的至少一个永磁铁(28)，所述第一永磁铁(14)固定于所述支座(18)，其中，通过使脉动电流流过所述线圈(26)，可令所述支座(18)往复运动。