一种模组化超声波离合与刹车装置.pdf

本发明涉及一种模组化超声波离合与刹车装置，是由控制电源组、驱动元件、从动元件、支撑架组、预力调整装置、固定座以及基座所组成；该驱动元件与该从动元件均为包括有压电元件的装置，且于该装置的结合面相互紧压、接触，故在离合应用时的负载端会伴随马达轴心而同步转动，及在刹车应用时的负载端会有制动效果；当压电元件加入交流电源时，则该装置的结合面会因压电元件受到逆压电效应的作用而产生机械振动而相分离，故在离合应用时的负载端会停止转动，及在刹车应用时的负载端无法产生制动效果。

1、  一种模组化超声波离合装置，其特征在于，该装置包含：
控制电源组，包括有：交流电源供应器，其提供电源至后述的碳刷支撑架；控制开关，其控制连接至后述的压电元件的电源是否导通；滑动环，该滑动环呈圆环状，其心部设有通孔，后述的压电元件穿置于该通孔中，具有借由电源引线将交流电源导引至压电元件的功能；碳刷支撑架，该碳刷支撑架设置有碳刷，该碳刷支撑架具有提供交流电源与滑动环相连接的功能；
驱动元件，为带有压电元件的超声波振动子以产生机械振动，并利用辐射压力场使驱动元件与后述的从动元件处于无接触状态；
从动元件，为超声波振动子以提供与驱动元件产生无接触状态的功效；
支撑架组，包含有：支撑架，提供轴承设置于其本体中心相对应处；轴承，该轴承的内孔提供所述驱动元件、从动元件或后述的固定座的置入；弹性垫圈，为装设于支撑架及轴承之间的一固定预力装置；
固定座，该固定座连结于驱动元件或从动元件与旋转端之间；
基座，具有提供支撑架组固定的功能。

2、  如权利要求1所述的模组化超声波离合装置，其特征在于：该超声波振动子，是由一对相邻的压电元件、设于该一对相邻的压电元件两侧的两个不相邻的圆柱状金属块，以及两个分别贴合于压电元件上的集电环所构成；并采用一螺纹支架与螺帽将上述构件相互固定。

3、  如权利要求1所述的模组化超声波离合装置，其特征在于：该驱动元件或从动元件为压电谐振器。

4、  如权利要求3所述的模组化超声波离合装置，其特征在于：该压电谐振器，是由一压电元件、一金属块以及一集电环所构成，其中，该压电元件和金属块相互贴合，该集电环贴合于压电元件上。

5、  如权利要求1所述的模组化超声波离合装置，其特征在于：该驱动元件或从动元件为压电材质元件。

6、  如权利要求1所述的模组化超声波离合装置，其特征在于：该从动元件为一金属圆盘或一坚硬的非金属平板。

7、  如权利要求1所述的模组化超声波离合装置，其特征在于：该支撑架中心相对应的内孔螺纹螺合设置有一预力调整装置。

8、  如权利要求1所述的模组化超声波离合装置，其特征在于：该驱动元件与从动元件的接合面上再设置一摩擦制动件。

9、  一种模组化超声波刹车装置，其特征在于，该装置包含：
控制电源组，包括有：交流电源供应器，其提供电源至后述的碳刷支撑架；控制开关，其控制连接至后述的压电元件的电源是否导通；滑动环，该滑动环呈圆环状，其心部设有通孔，后述的压电元件穿置于该通孔中，具有借由电源引线将交流电源导引至压电元件的功能；碳刷支撑架，该碳刷支撑架设置有碳刷，该碳刷支撑架具有提供交流电源与滑动环相连接的功能；
驱动元件，为带有压电元件的超声波振动子、压电谐振器或压电材质元件中的任何一种以产生机械振动，并利用辐射压力场使驱动元件与从动元件处于无接触状态；该超声波振动子，是由一对相邻的压电元件、设于该一对相邻的压电元件两侧的两个不相邻的圆柱状金属块，以及两个分别贴合于压电元件上的集电环所构成；并采用一螺纹支架与螺帽将上述构件相互固定；该压电谐振器，是由一压电元件、一金属块以及一集电环所构成，该压电元件和金属块相互贴合，该集电环贴合于压电元件上；
制动件，为一金属块，该制动件连接于马达的轴心上；
支撑架组，包括有：支撑架，其提供轴承设置于支撑架中心相对应处；轴承，该轴承的内孔供该制动件的置入，且该制动件的一端连接至旋转端；弹性垫圈，为装设于支撑架及轴承之间，形成一固定预力装置；
预力调整装置，其设置于支撑架中心相对应处，且该预力调整装置的外径设置有螺纹，借以螺合于支撑架相对应处设置的内孔螺纹上，借由调整预力调整装置控制驱动元件与从动元件的结合面的摩擦力大小；
基座，其提供支撑架组固定的功能。

10、  如权利要求9所述的模组化超声波刹车装置，其特征在于：该制动件为压电材质元件。

一种模组化超声波离合与刹车装置
技术领域
本发明涉及一种模组化超声波离合与刹车装置，该装置是利用压电元件产生逆压电效应，借以结合或分离驱动元件与从动元件，以达到启动、停止和变速等离合装置的功能。
背景技术
目前公知的离合装置种类繁多，按其控制方式可分为操纵式和自动式的。其离合装置的功能有起动、停止、换向、变速、或者用于轴与轴接合或分离等场合。其离合装置的种类及其缺点如下所述：
1、嵌入式离合装置：是采用牙、齿或键的嵌合方式来传递扭矩。它的两个接合件的端面都有凸起的牙或齿，若将驱动元件和从动元件上的牙或齿相互嵌合或脱开，则能使主、从动轴接合或分离，但在接合时有冲击的情形，所以两轴间的转速差应不宜过大。
2、摩擦式离合装置：是利用摩擦力传递扭矩的离合装置。在接合时，驱动元件、从动摩擦件会在一定压力下压紧，当主动轴转动时，接合面间会产生足够大的摩擦力，以带动从动轴转动。该摩擦离合装置接合和分离的速度迅速，且操纵方便，振动和冲击也较小，但超载时其摩擦件会发生打滑现象，所以需要经常调整和更换。
3、磁粉式离合器：是用激磁线圈使磁粉磁化，形成磁粉链以传递扭矩。电流增大时，磁场增强，则磁粉链传递扭矩增大。这种离合器离合迅速，运转平稳，能使主、从动轴在同步、有转速差和制动状态下工作；通过磁粉打滑可起过载保护作用，通过控制电流易于实现无级调速，但电磁干扰严重。
4、超越式离合装置：是利用棘轮、棘爪的啮合或滚柱、模块的楔紧作用单向传递运动或扭矩。当主动轴反转或转速低于从动轴时，离合装置就自动分离，是一种定向离合装置。啮合式结构简单，但外形尺寸大，分离状态下有噪声，常用于低速不重要的场合。
综观公知的离合装置中，尚未有一种利用电气方式来控制离合装置的接合或分离状态，甚至微调经由负载轴传送的扭矩大小的离合装置。
本案发明人鉴于上述公知离合装置所存在的各项缺点，乃亟思加以改良创新，并经多年苦心孤诣潜心研究后，终于成功研发完成本件模组化超声波离合与刹车装置。
发明内容
本发明的目的即在于提供一种模组化超声波离合与刹车装置，为一种利用摩擦力传递扭矩的离合与刹车装置，且摩擦力是由驱动元件或从动元件内的压电元件通电与否所控制相互紧压的力量。
本发明的次一目的是在于提供一种利用电气方式控制驱动元件与从动元件间的接合面的摩擦力，借以控制负载轴的扭矩输出的大小。
本发明的另一目的是在于提供一种在可以免除电磁干扰的条件下传送并控制机械扭力的大小。
本发明的再一目的是在于可借由调整设置于支撑体上的预力调整装置调整分别施予驱动元件与从动元件的预力大小，及控制驱动元件与从动元件间的接合面的摩擦力，以控制负载轴的扭矩输出。
可达成上述发明目的的模组化超声波离合与刹车装置，包括有：
一种模组化超声波离合装置，其中，该装置包含：
控制电源组，包括有：交流电源供应器，其提供电源至后述的碳刷支撑架；控制开关，其控制连接至后述的压电元件的电源是否导通；滑动环，该滑动环呈圆环状，其心部设有通孔，后述的压电元件穿置于该通孔中，具有借由电源引线将交流电源导引至压电元件的功能；碳刷支撑架，该碳刷支撑架设置有碳刷，该碳刷支撑架具有提供交流电源与滑动环相连接的功能；
驱动元件，为带有压电元件的超声波振动子以产生机械振动，并利用辐射压力场使驱动元件与后述的从动元件处于无接触状态；
从动元件，为超声波振动子以提供与驱动元件产生无接触状态的功效；
支撑架组，包含有：支撑架，提供轴承设置于其本体中心相对应处；轴承，该轴承的内孔提供所述驱动元件、从动元件或后述的固定座的置入；弹性垫圈，为装设于支撑架及轴承之间的一固定预力装置；
固定座，该固定座连结于驱动元件或从动元件与旋转端之间；
基座，具有提供支撑架组固定的功能。
该超声波振动子，是由一对相邻的压电元件、设于该一对相邻的压电元件两侧的两个不相邻的圆柱状金属块，以及两个分别贴合于压电元件上的集电环所构成；并采用一螺纹支架与螺帽将上述构件相互固定。
该驱动元件或从动元件为压电谐振器。该压电谐振器，是由一压电元件、一金属块以及一集电环所构成，其中，该压电元件和金属块相互贴合，该集电环贴合于压电元件上。
该驱动元件或从动元件还可为压电材质元件。
该从动元件可为一金属圆盘或一坚硬的非金属平板。
该支撑架中心相对应的内孔螺纹螺合设置有一预力调整装置。
该驱动元件与从动元件的接合面上再设置一摩擦制动件。
该离合装置还可包含一定位装置，是为从动元件接合面上凸出的定位装置，该定位装置地形状恰可置入从动元件上的凹槽中；与此相对应，在驱动元件的接合面上亦设有一向下凹陷的凹槽。
一种模组化超声波刹车装置，其中，该装置包含：
控制电源组，包括有：交流电源供应器，其提供电源至后述的碳刷支撑架；控制开关，其控制连接至后述的压电元件的电源是否导通；滑动环，该滑动环呈圆环状，其心部设有通孔，后述的压电元件穿置于该通孔中，具有借由电源引线将交流电源导引至压电元件的功能；碳刷支撑架，该碳刷支撑架设置有碳刷，该碳刷支撑架具有提供交流电源与滑动环相连接的功能；
驱动元件，为带有压电元件的超声波振动子、压电谐振器或压电材质元件中的任何一种以产生机械振动，并利用辐射压力场使驱动元件与从动元件处于无接触状态；该超声波振动子，是由一对相邻的压电元件、设于该一对相邻的压电元件两侧的两个不相邻的圆柱状金属块，以及两个分别贴合于压电元件上的集电环所构成；并采用一螺纹支架与螺帽将上述构件相互固定；该压电谐振器，是由一压电元件、一金属块以及一集电环所构成，该压电元件和金属块相互贴合，该集电环贴合于压电元件上；
制动件，为一金属块，该制动件连接于马达的轴心上；
支撑架组，包括有：支撑架，其提供轴承设置于支撑架中心相对应处；轴承，该轴承的内孔供该制动件的置入，且该制动件的一端连接至旋转端；弹性垫圈，为装设于支撑架及轴承之间，形成一固定预力装置；
预力调整装置，其设置于支撑架中心相对应处，且该预力调整装置的外径设置有螺纹，借以螺合于支撑架相对应处设置的内孔螺纹上，借由调整预力调整装置控制驱动元件与从动元件的结合面的摩擦力大小；
基座，其提供支撑架组固定的功能。
本发明所提供的模组化超声波离合与刹车装置，与前述引证案及其他公知技术相互比较时，更具有下列的优点：
1、本发明的模组化超声波离合与刹车装置可制作成模组化结构，搭配预力调整装置的调整，具有易于安装与接合面间的摩擦力可调整的有益效果。
2、本发明的模组化超声波离合与刹车装置，其中该压电元件在加入交流电源后，会在该压电元件与从动元件的接合表面上会产生强力的机械振动，进而使该驱动元件与该从动元件互相分离。
请参阅以下有关本发明一较佳实施例的详细说明及其附图，将可进一步了解本发明的技术内容及其目的功效；有关该实施例的附图为：
图1(a)～(c)为本发明模组化超声波离合装置的驱动元件对应于从动元件的辐射压力场工作原理图；
图2(a)～(d)为模组化超声波离合装置的立体分解视图与组装图；
图3(a)～(c)为模组化超声波离合装置增加预力调整装置后的立体分解视图与组装图；
图4(a)～(c)为从动元件设置一金属圆盘或压电元件的模组化超声波离合装置的立体分解视图与组装图；
图5(a)～(c)为模组化超声波离合装置的驱动元件与从动元件的接触面增加摩擦制动件的立体分解视图与组装图；
图6(a)～(c)为模组化超声波离合装置的驱动元件增加摩擦制动件，其从动元件设置一金属圆盘或压电元件的立体分解视图与组装图；
图7(a)、(b)为模组化超声波离合装置的工作示意图；
图8(a)～(c)为模组化超声波离合装置的驱动元件固定后，其从动元件设置摩擦制动件后的立体分解视图与组装图；
图9(a)～(c)为模组化超声波刹车装置的驱动元件增加预力调整装置后，采用从动元件的摩擦制动件做为制动器的立体分解视图与组装图；
图10(a)、(b)为模组化超声波刹车装置的制动器工作示意图；
图11(a)、(b)为模组化超声波离合与刹车装置的定位装置设置图。
请参阅图3(a)～(c)所示，为本发明所提供的模组化超声波离合装置较佳的实施例，本发明采用对称性的结构设计，主要包括有一控制电源组、一驱动元件3、一从动元件4、二支撑架51、一预力调整装置6、二固定座11以及一基座12。
请参阅图2(a)～(d)与图3(a)～(c)所示，该模组化超声波离合装置是利用螺丝将二支撑架51固定于基座12上；其次，将设置于左侧支撑架51的轴承的内孔中穿置一驱动元件3，另一固定于基座12右侧支撑架51的轴承的内孔中穿置一从动元件4；接着，驱动元件3与从动元件4的螺纹支架端点可置入固定座11，其中固定座11是用以连结驱动元件3或从动元件4至旋转端(如马达轴心或负载轴心)的功能；其次，请参阅图7(a)、(b)，本发明的模组化超声波离合装置的驱动元件3是由一固定座11、一联结器9与一马达轴心72相联结，而从动元件4则经由一固定座11、一联结器9与一负载轴心82相联结。
请参阅图1(a)～(c)、图4(a)～(c)所示，该本发明的驱动元件3是由一对相邻的压电元件31及两个不相邻的圆柱状金属块32所构成，并采用一螺纹支架33与固定座11将压电元件31与金属块32相互固定，而从动元件4则是采用一金属圆盘或是一压电元件31所构成。
请参阅图5(a)-(c)，本发明的驱动元件3与从动元件4还可以均由一对相邻的压电元件31及两个不相邻的圆柱状金属块32所构成，并采用一螺纹支架33与固定座11将压电元件31与金属块32相互固定后，其接触面各增加一摩擦制动件42。
由图6(a)～(c)中可将本发明模组化超声波离合装置的驱动元件3增加一摩擦制动件42，其从动元件4是由一金属圆盘或压电元件31所构成来实施本发明的驱动元件3与从动元件4分离的功效。
请参阅图3(a)-(c)所示，为本发明的弹性垫圈53、预力调整装置6的配置示意图，该预力调整装置6的外径可设置螺纹，借以螺合于支撑架51上相对应处的内孔螺纹，而该支撑架51的弹性垫圈53装设于支撑架51与轴承52之间，且轴承52的外径面是以间隙配合设置于支撑架51的相对应处；接着，可借由调整预力调整装置6以控制驱动元件3与从动元件4的接合面摩擦力大小。
由图1(b)、(c)与图7(a)、(b)可说明本发明所需的控制电源组，包括有：一交流电源供应器21，是提供电源至后述的碳刷支撑架25；一控制开关22，是控制连接至压电元件31的电源是否导通；二滑动环23，是为一圆环提供压电元件31穿置内侧通孔后，借由电源引线将交流电源导引至压电元件31的功能；四碳刷24；一碳刷支撑架25，是提供一交流电源与滑动环23连结的功能。
为了更详尽说明本发明，请参阅图7(a)、(b)所示，本发明的模组化超声波离合装置可依使用者的需要放置于一马达和一负载机构之间，再分别使用联结器9将马达组与驱动元件3端部的固定座11固定，另一联结器9则将负载机构与从动元件4端的固定座11固定。该马达组是由一马达71、一马达轴心72及二马达支撑架73等所组合而成的；该负载机构由一负载本体81、一负载轴心82及一负载支撑架83等所组合而成的。当马达71通电运转时，马达71的马达轴心72会与驱动元件3同步转动，此时的驱动元件3是与从动元件4紧密接合，因此当马达71运转时负载机构也会连带运转。倘若交流电源供应器21输出交流电源至驱动元件3与从动元件4的压电元件31时，该交流电源会先经过一控制开关22，使该控制开关22能控制加入压电元件31的交流电源导通与否；若控制开关22关闭，则该交流电源导通设置于驱动元件3与从动元件4的集电环35，以接收交流电源导通压电元件31，使该压电元件31产生逆压电效应，同时压电元件31的金属块32也会产生机械振动36，并利用辐射压力场37使驱动元件3与从动元件4处于无接触状态，也就是驱动元件3与从动元件4相接触的接合面会分离；反之，若控制开关22开启，则交流电源无法加入压电元件31，则压电元件31无法产生逆压电效应，且驱动元件3与从动元件4的接合面会紧密接合，使负载机构转动，故有转矩输出。
请参阅图11(a)，本发明可于从动元件4接合面上装设一凸出的定位装置43，且于驱动元件3的接合面上设有一向下凹陷的凹槽41，且该定位装置43恰可容入该凹槽41内，当驱动元件3与从动元件4在分离后又再接合时，借着该定位装置43的作用，使驱动元件3与从动元件4在接合旋转时不会有轴心偏移的情况产生；而该定位装置43的外径也可设置螺纹，如图11(b)所示，借以螺合于从动元件4中心相对应处的凹槽41的内孔螺纹，且于驱动元件3的接合面上设有一向下凹陷的凹槽41，该凹槽41恰可容入位于定位装置43末瑞的小硬球。
其中，本发明的驱动元件3与从动元件4的构件也可交替互换使用，驱动元件3也可由一金属圆盘或一压电元件31所构成。从前段的叙述，即可得知该驱动元件3或从动元件4，只要其中有一元件设置有压电元件31，而另一对应组件的接合元件只要设置有金属板材质，均可使用控制开关22控制加入压电元件31的交流电源，以控制压电元件31的辐射压力场37于驱动元件3与从动元件4间是否处于无接触状态，已达分离的功效。
请参阅图8(a)-(c)所示，为本发明模组化超声波刹车装置，是将从动元件4设置成为摩擦制动件42用以当成一制动装置使用，该制动装置为一常闭式制动器，该驱动元件3为一超声波振动子、压电谐振器或为一压电材质元件所构成；该超声波振动子，是采用一螺纹支架33将一对相邻的压电元件31及两个不相邻的圆柱状金属块32相互固定构成，其中，两个圆柱状金属块32分别贴合于两贴合在一起的压电元件31的侧面，并采用一螺帽34将压电元件31与圆柱状金属块32相互固定；该压电谐振器，是由一压电元件31以及一金属块32相贴合所构成；当驱动元件3未通电时，则该驱动元件3与摩擦制动件42的接合面处于紧闭状态，而接合面的摩擦力是由该驱动元件3内的压电元件31的通电状态来控制解除制动作用与否；其次，可再增加一预力调整装置6，用以调整驱动元件3与摩擦制动件42接合面摩擦力的大小，如图9(a)-(c)所示。
为了更详尽说明本发明关于旋转运动的制动刹车应用而言，请参阅图10(a)、(b)，驱动元件3固接于支撑架51上，且该支撑架51固定于基座12上；当该驱动元件3未通电时，则该驱动元件3与摩擦制动件42的接合面紧密接合，且该摩擦制动件42固接于马达71的马达轴心72上，使该摩擦制动件42无法转动，故该刹车装置有刹车制动效果；反之，当驱动元件3通电时，则该驱动元件3与摩擦制动件42的接合面会相互脱离，使该摩擦制动件42解除制动并伴随马达71的马达轴心72而同步转动；接着，本发明的驱动元件3与摩擦制动件42的构件也可交替互换使用，而驱动元件3也可由一金属圆盘或一压电元件31所构成，因此可得知该驱动元件3或从动元件4，只要其中有一元件设置有压电元件31，而另一对应组件的接合元件只要设置有金属板材质，即可发挥制动与否的效果；此外，该驱动元件3也可以作为旋转运动及垂直制动面线性移动的一制动装置。
上列详细说明是针对本发明的各种可行的实施例提出具体说明，然而各种实施倒并非用以限制本发明的专利申请范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利申请保护的范围内。