谈对振动利用工程的认识及应用举例超声马达相机调焦.docx
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谈对振动利用工程的认识及应用举例超声马达相机调焦
分类号密级
UDC
学位论文
谈对振动利用工程的认识及应用举例
作者姓名：
指导教师：
东北大学机械工程与自动化学院
申请学位级别：
硕士
学科类别：
学科专业名称：
机械设计
论文提交日期：
2012年11月
论文答辩日期：
学位授予日期：
答辩委员会主席：
评阅人：
东北大学
2012年11月
ADissertationinMechanicalEngineering
UnderstandingandApplicationofVibrationUsingEngineering
bylyt
Supervisor:
Professorlcf
NortheasternUniversity
November2012
独创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。
论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：
日期：
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：
即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。
作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：
半年□一年□一年半□两年□
学位论文作者签名：
导师签名：
签字日期：
签字日期：
谈对振动利用工程的认识及应用举例
摘要
振动利用工程是研究振动与波利用的理论、技术及设备的一门新兴的学科。
它是机械振动学三个主要分支中与人类生活和生产联系十分密切的一个分支。
振动利用工程是融机械学、力学、电工学与电子学、控制理论等为一体的交叉学科，是一门面向工程实际的技术科学。
利用振动原理工作的机械很多，超声波电机就是其中一种。
超声波电动机是以超声频域的机械振动为驱动源的新型驱动器。
超声电机具有低速大力矩输出、保持力矩大和起停控制性好等特点。
基于以上特点，与超声电机相连接的系统无须齿轮减速机构和制动机构，简化了应用系统的结构。
超声波电机有着诱人的应用前景，已成为研究的一大热点。
本文将主要介绍超声波电机的基本原理以及在数码相机调焦中的应用。
关键词：
振动利用；超声波电机；新型驱动器；相机调焦
UnderstandingandApplicationofVibrationUsingEngineering
Abstract
Vibrationutilizationengineeringisanewdisciplinewhichfocusesonthetheoryofvibrationandwave,technologyandequipment.Itisoneofthethreemainbranchesofmechanicalvibrationwhichassociatedcloselywithhumanlife.Itisapracticeorienteddisciplinewhichcombinesmechanics,electricalengineering,electronicsandcontroltheory.
TheultrasonicmotorisoneofthemachinesonthetheoryofVibrationutilizationengineering.Ultrasonicmotorisadrivingdevicedrivenbyultrasonicwave.Ithaslowspeedbuthightorqueoutputandgreatcharacteristicofcontrol.Basedontheabovecharacteristics,itsimplifiestheapplicationsystemstructurewithoutusinggearsandbrakes.Ultrasonicmotorhasagoodapplicationprospect,manyresearchershavefocusedonit.
Thispapermainlyintroducesthebasicprincipleofultrasonicmotorandtheapplicationofdigitalcamerafocusing.
Keywords:
utilizationofvibration;ultrasonicmotor;modeldrive;camerafocusing
目录
独创性声明i
摘要ii
ABSTRACTiii
第1章引言1
1.1无处不在的振动1
1.2振动学研究现状2
第2章振动利用实例—超声波电机在数码相机调焦中的应用3
2.1超声波电机简介3
2.2超声波电机在数码相机调焦的应用3
2.2.1超声波马达的始祖-环形USM3
2.2.2让镜头更小巧—微型USM6
2.2.3超微型超声波马达8
2.3数码相机调焦的三种方式8
2.3.1全时手动对焦9
2.3.2电子焦点预设9
2.3.3自动对焦中断功能9
第3章结论和感想12
参考文献13
致谢14
第1章引言
1.1无处不在的振动
自然界和人类社会中的某一个量随时间或大或小的变化即称为振动。
振动是物质世界运动的一种基本形式，物质世界中的每一个物体及其中的每一个分子都始终处于振动之中。
毫无例外，人类自身的每一器官也每时每刻都处在振动之中，例如，心脏的搏动、血液的循环、肺部的张缩呼吸、脑细胞的思维以及耳膜的振动和声带的振动等，前面所列举的这些振动都有人体对振动的有效利用；离开这些振动人类就无法生存。
从人类的生活及周围工作环境来说，也到处在利用振动。
例如电视机和收音机中的振荡电路、门铃、电话机、机械表与电子表、挂钟、理发用电推子、各部门使用的各种类型的振动机、光导纤维通信技术、医疗设备中的彩超、医用CT，和核磁共振、机械设备与结构故障的振动诊断技术等等都是对振动与波动原理的实际应用，都属于振动利用的范畴；从广义的角度来看，在社会与经济生活中，例如，人口的增长与衰减、农作物虫灾发生的周期性现象、股市的升跌和振荡、社会经济发展过程中速度的增长与衰减等，都可以归纳为不同形式的振动；在自然界及宇宙中，也到处存在着振动，月亮的圆缺、潮汐的涨落、树木的年轮、一些树木和花草年复一年的发芽、生长与枯萎等等。
对这些振动和波动现象进行研究，找出其内在规律，并进行有效的利用，就会对社会产生重大的社会效益与经济效益，为人类造福。
振动也会给人类和社会带来危害。
例如，运载工具的振动会使乘客感到不舒适；环境噪声使人烦躁不安;共振及次谐波共振会引起机械设备、桥梁结构及飞机的破坏；地震使人民生命财产遭受巨大损失。
对于这些有害振动，人们虽然已付出了很大的努力，并设法采取有效措施加以限制以至完全消除，但直到今天，利用现代的科学水平对于许多有害的振动问题还未能得到很好抑制或彻底根除。
振动能给人类带来福社，创造良好的生活环境和条件。
例如，拨动琴弦能发出美妙动人的乐章，使人心旷神怡；在医疗方面，利用超声波能够诊断、治疗疾病；在土建工程中，振动沉桩、振动拔桩以及混凝土灌注时的振动捣固等；在电子和通讯工程方面，录音机、电视机、收音机、程控电话等诸多电子器件以及电子计时装置和通讯系统使用的谐振器等都是由于振动才有效地工作的；在工程地质方面，利用超声波进行检测和地质勘探；在石油开采上，还可利用振动提高石油产量；在海洋工程方面，海浪波动的能量可以用来发电；在许多工矿企业，可以利用振动技术和设备完成许多工艺过程，或用来提高某些机器的工作效率。
最近30多年来，应用振动原理而工作的机器（振动机械）得到了迅速发展。
振动存在于各个领域，按其类型大致可分为：
线性和非线性系统的振动、波动（声波、光波等）以及电和磁的振荡等等。
因此，我们可将振动利用工程分为线性振动的利用、非线性振的利用、波动和波能的利用以及电、磁和电磁振荡器在工程技术中的应用、社会经济领域和自然界中的振动现象与规律及其利用等[1]。
1.2振动学研究现状
随着现代科学技术的不断进步，机械设备向大型化、高速化、连续化和自动
化发展，工业产品向高、精、尖发展已成为不争的事实。
机械结构的振动问题日益受到关注，研究和解决各种振动问题成为当前工程技术领域的重要课题。
以往结构设计只做简单的静力校核的方法在许多情况下已不能满足要求，而应当根据结构的动态特性进行产品设计。
随着计算机技术和实验测试技术的飞速进步，人类已经拥有解决机械振动问题的方法和手段。
作为现代工程技术人员，应该而且必须具备必要的机械振动知识。
机械振动问题广泛地存在于机械工程的各个领域内，常见的问题有:
如何提高机械系统的抗振能力;如何防止系统产生共振;如何避免系统的自振;不平衡惯性力引起振动的平衡问题;减振与隔振;冲击与冲击隔离;噪声控制和振动利用等。
随着近代振动理论的迅速发展，以及电子计算机和测试仪器的发展和完善，振动分析的方法和手段发生了飞跃性变革，任何复杂的机械和结构几乎都可以进行工程所需精度的分析。
许多振动现象是有益于人类的，例如电磁波的激发、乐器的发声和各种振动机械的运用等。
但是在多数情况下，振动却带来有害的影响。
由于振动，降低了机器的动态精度和使用性能。
由于振动，导致机械使用寿命的降低和灾难性事故的发生。
此外，由于振动而产生的噪声公害日益严重，使人烦躁、厌倦和疲劳，降低t作效率，影响人体健康。
因此，研究振动对机械的使用和设计具有重要的实际意义，随着大型复杂的高速旋转机械的不断增加和工业发展水平的不断提高，这种研究的迫切性也就越来越显现了。
在振动研究中，一般把被研究的对象，小到一个零件，大到一个庞大的T程结构或机器，称为系统;把外界对系统的作用或机器运动所产生的力称为激振或输入;把系统在激振作用下产生的动态变化称为响应或输出。
机械振动这门学科就是分析系统、激振和响应这三者之间的关系。
随着测试仪器的发展和完善，振动的实验研究已发展成一种独立的解决问题的手段。
振动问题的理论分析和实验研究，这两种方法的相互补充，为解决复杂机械振动问题创造了有利的条件。
第2章振动利用实例—超声波电机在数码相机调焦中的应用
振动利用工程是研究振动与波利用的理论、技术及设备的一门新兴的学科。
它是机械振动学三个主要分支（机械振动的理论基础、机械振动的控制和机械振动的利用）中与人类生活和生产联系十分密切的一个分支，振动利用工程是融机械学、力学、电工学与电子学、控制理论等为一体的交叉学科，是一门面向工程实际的技术科学。
在人类生活与生产等各个方面均获得广泛应用，并已扩展到生物工程与社会经济等众多领域，目前它正处在迅速发展过程中，由于该学科所涉及的有关技术与工农业生产及人类生活联系十分密切，已正真成为人类生产活动与生活过程中一种不可缺少的手段与必要的机制。
振动（包括波动）按其类型可分为：
线性与近似于线性的振动、非线性振动、波动以及电磁振荡等，因此，相应地可把振动的利用划分为在这些方面的应用。
振动与波不仅已广泛应用工程技术部门，目前正在向信息技术、生物工程、社会经济领域以及人类日常生活的各个方面，预计它还会得到更进一步的发展。
下面将介绍振动利用的实例—超声波电机的原理及其在数码相机调焦中的应用。
2.1超声波电机简介
超声波电动机（UltrasonicMotor，简称USM）是近年来发展起来的一种全新概念的驱动装置，它利用压电材料的逆压电效应（即电致伸缩效应），把电能转换为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式转换成运动体的回转或直线运动。
这种新型电机一般工作于20kHz以上的频率，故称为超声波电动机。
超声电机的雏形最早由前苏联在60年代初提出。
1973年，美国IBM公司的科学家、前苏联科学家研制出原理性的超声电机。
80年代，日本许多科学工作者致力将美国和苏联的原理性样机开发成使用的超声电机，并于90年代初投入到商业应用。
至今，日本、美国、俄罗斯和德国竞相研制各种类型和用途的超声电机。
在国内，到目前为止，还没有其它的超声电机规模化生产企业。
进行研究的主要是一些学术机构，如南京航空航天大学，清华大学，浙江大学等，而产学研一体的研究所只有南京航空航天大学的精密驱动研究所一家。
2.2超声波电机在数码相机调焦的应用
2.2.1超声波马达的始祖-环形USM
超声波马达的外形各不相同，但是控制方法上将电磁力场转变成扭力的原理都是大同小异的。
然而超声波马达的工作方式基于全新的理论基础，将发射出的超声波振动能量转变成扭力。
从USM尚在研制初始至今，按照超声波转换能量的不同方式把超声波定义成了三类—驻波型、行波型和振簧型。
环形超声波马达的基本结构非常简单，仅有一片弹性定子和一个旋转的转子。
定子底部部分由一个弹性金属环和压电陶瓷元件接合，顶部则是一系列等距间隔的梯形突起。
定子本身用特殊金属材质做成，这种金属具有与压电陶瓷元件相近的热膨胀
性质，因此在温度变化时能够最大程度减小马达环结构的形变，使运行更加稳定。
而马达转子则是一个带弹簧的法兰型铝环，弹簧紧贴着定子并保持压缩状态。
因为铝材质相对来说比较软，由此转子和定子的接触面经过了特殊的表面防磨损加工。
图2.2.1环形USM结构示意
比起使用电磁场力作为扭力来源的传统马达，USM超声波马达在低速情况下可以产生更强的扭力。
而且长力臂的设计也让驱动变焦环的力量不必很大，事实上，变焦环甚至可以被直接驱动而无需任何减力辅助装置。
由于环形USM的操控力相对较大,换句话说也就是当马达停止后，镜头构造会在盘式制动效应下很快地自动锁定位置，因此其操控准确快捷，工作起始结束果断决绝。
同时，这也让它的对焦过程安静、运作性能高效而低耗，并且仅依靠相机本身的电源就足以支持其工作。
环形USM旋转原理是：
当超声波振动传递作用在弹性体，也就是定子时，定子本身开始振动并逐渐趋近超声波的振动频率。
定子压迫在转子上，转子靠振动传导的能量保持转动。
从另一个角度说，就是定子利用发射弯曲行波带来的摩擦力做为动力并将其转变成扭力。
如果我们将图中的波看成正在从左往右移动，每个投射点P顶端的小点就像是正在向波的反方向运动。
转子正是与波上的“每一个点”摩擦进而得到了旋转的动力。
弯曲行波由压电陶瓷元件产生，元件紧贴在定子底部并由一块电路板控制。
压电陶瓷元件的两端不停地转换电极，并产生出接近定子振动频率的大致为30000赫兹的交流电压。
30000赫兹的频率正好在超声波频率范围内，这也就是USM超声波马达名称的来源。
外加电压在定子内制造出一种振幅仅有0.001毫米的波动，这个波与压电陶瓷元件产生的异相位波结合，新生成的波与旧波有四分之一周期的相差，而这个新波也就是转子最终旋转的能量。
图2.2.1（a）环形USM旋转的原理
图2.2.1（b）压电陶瓷元件工作示意
2.2.2让镜头更小巧—微型USM
环形USM是从搭配圆筒镜头的思路发展而来，相反的，微型USM是一种新的对焦马达系统，研发之初的目的就是为了制造“多功能小型化的对焦控制马达”。
由于不被镜头直径大小所限制，微型USM几乎可以安装在任何镜头上而无需担心不同镜头的光学系统结构差异。
另外微型USM的转子、定子、功率输出工具都紧凑地集成在一个很小的单元中，规模和重量大致只有环形USM的一半。
而且在价格方面，微型超声波马达也比
环形USM低廉，这使得更多大众型摄影镜头也可以使用上先进的科技。
微型USM结构紧密，压电元件、定子、转子和传输结构都被垂直固定在转动轴上。
微型马达的定子由5层压电元件构成，每层元件都被夹在上下两片金属振荡器之间，整个结构看着就像是一根有弹性的短圆棍。
至于转子，其被放置在一个有弹簧的盒子里，弹簧与定子接触并保持压缩状态，转子通过输出设备与机械传动单元驱动而同速旋转。
前端有法兰钳口固定住微型马达里面的各部分使其不至于脱落，所有这些元件紧密地搭建成为一个完整而小巧的超声波马达。
图2.2.2微型超声波马达振动原理
图2.2.2（a）微型超声波马达中的陶瓷压电元件
超声波振动是马达旋转的根本动力。
电路驱动压电元件中具备不同方向电极的四层来发出超声波。
每层压电单元层都分为A相和B相，等均分成四个90度角。
在四个压电层最下端是第五压电单元，用于共振波的检测。
这五个压电单元被集成在定子的底端，当交变电压只出现在压电元件组的A相，则压电元件的自身膨胀和收缩会引起定子末梢轻微地左右摆动。
而当交变电压只出现在B相时，膨胀和收缩会导致定子轻微地前后摆动。
最终结果是每当电压方向改变90度（供电的一部分过程），压电层两侧的振动就会结合并产生一个很小的旋转的振动波（每个周期产生一个振动波，振幅0.002mm），这个波使定子尾端在小范围内做圆形运动。
由于定子转子之间有弹簧连接，
定子转动的能量通过弹力传递给转子，因此转子运动会带动传输结构运作。
环形USM的工作原理简单说就是定子产生弯曲行波，进而导致摩擦振动，其中转子的转动方向与波的传播相反，这点也大体适用于微型USM。
2.2.3超微型超声波马达
由于相机和镜头都在面向小型化方向发展，因此为了迎合在更加狭小的空间内配置自动对焦驱动装置，第二代微型超声波马达的结构也更加小巧。
在上一代微型USM中，定子和转子被设计安装在一条线上，如果一味缩短设计长度而不改变元件排列位置，那么定子的共振频率就会过高，这反而会降低振动波幅。
因此佳能开发出新一代微型超声波马达，它改变了定子的设计构造来缩短USM系统的整体长度，同时定子的振动频率也不会升高。
二代USM的性能与一代基本相同，不过长度和大小规模仅有一代USM的一半。
图2.2.3微型与超微型超声波马达结构示意
2.3数码相机调焦的三种方式
以下，以佳能镜头为例介绍数码相机的三种调焦方式。
2.3.1全时手动对焦
具有全时手动对焦功能的镜头允许用户在单次自动对焦操作完成后继续手动调整焦点，而无需转换镜头的对焦模式。
图2.3.1全时手动对焦结构示意
全时机械手动对焦装置将三个圆环和一个滚轴构建成一个环结构。
1号环在USM控制下沿着光轴学中心转动，2号环只有当手动控制时才会转动，滚轴被固定在这两个环之间，其转动中心与输出环相连。
全时机械手动对焦装置将三个圆环和一个滚轴构建成一个环结构。
1号环在USM控制下沿着光轴学中心转动，2号环只有当手动控制时才会转动，滚轴被固定在这两个环之间，其转动中心与输出环相连。
图2.3.1（a）全时手动对焦结构示意
自动或手动对焦时，旋转1号环或2号环推动滚轴围绕光轴中心旋转。
由于滚轴旋转中心被固定在输出环上，所以滚轴也会带动输出环围绕光轴中心转动，这样对焦透镜组就会在输出环的转动下螺旋状移动调整位置。
2.3.2电子焦点预设
焦点预设可以记住任意焦点的距离和位置，摄影师在一瞬间就能够将镜头对焦到预设的位置。
通过镜头上的控制按钮，焦点位置可以即刻被镜头中的微电脑记录。
在内存已经写入信息的情况下，普通的自动对焦功能仍然可以随意使用，到了需要的时候，只要把回放环调整到“回放”位置就能马上得到预设的焦点位置。
图2.3.2佳能EF200-400mmf/4ISUSMExtender1.4X上的电子焦点预设功能
当你在一个固定位置频繁地拍摄照片时——比如进行体育摄影，虽然大部分照片都需要用上自动对焦功能，不过拍摄一些固定位置的照片也是需要的。
一旦这些地方的距离位置被预设，再拍摄这个位置时镜头就不用再进行重复对焦。
2.3.3自动对焦中断功能
当有阻碍物出现在相机和被摄物中间时，摄影师可以停止自动对焦以防止自动伺服对焦系统对中间的阻碍物进行对焦调整。
AF停止按钮安装在镜筒周围四个位置，用户可以轻易地按到按钮，而要想继续进行自动对焦只要松开AF停止按钮即可。
图2.3.2（a）佳能EF200-400mmf/4ISUSMExtender1.4X上的对焦中断按键
2.4本章小结
本章介绍了超声波对焦马达的发展过程，分别介绍了环形USM、微型USM以及超微型USM的原理，特点及应用。
又以佳能数码相机为例分别介绍了全时手动对焦、电子焦点预设、自动对焦中断功能的原理及应用。
第3章结论和感想
本论文从超声波马达的的结构入手，完成了对超声波马达的原理分析。
现对本文研究内容作以下几个方面的总结：
从超声波电机的结构出发，分析了三种不同形式超声波振动电机原理，确定了不同类型超声波电机的应用特点和应用范围。
通过对超声波电机原理的分析，以佳能数码相机为实例，分别分析了在三种不同对焦方式下，超声波马达的工作特点。
超声电机作为一种新型的微电机，在轿车电器、办公自动化设备、精密仪器仪表、计算机、工业控制系统、航空航天、智能机器人等领域有着广泛的应用前景，基于超声电机的研究成果，国外已经成功应用于传送装置、自动升降装置、精密绘图仪、微机械驱动器等领域。
未来，超声波马达与计算机精密控制技术相结合，它的应用范围将更加广阔。
振动利用工程是一门理论性和实践性都很强的专业课，也是一门综合性的技术基础学科，它需要数学、物理学、电子学、力学、机械等知识，同时还要掌握各种物理量的变换原理、各种静态和动态物理量（如力、振动、噪声、压力和温度等）的测定，以及实验装置的设计和数据分析等方面所涉及的基础理论。
许多测试理论和方法只有通过实际验证才能加深理解并真正掌握。
虽然这节课的课时不多，但是老师一丝不苟教书育人的作风给我留下了深刻的印象。
李老师的授课思路也非常好，首先给我们传授与振动相关的理论知识，然后鼓励我们自己寻找周围振动利用的实例。
最后，李老师还鼓励我们上台发表自己对振动利用的看法。
这种授课方式不但减轻了老师的教学负担，还大大地提高了我们自学的意识和能力。
要是以往我们可能不会主动去学习与这门课相关的知识。
通过搜索周围振动应用的实例，我真的发现振动学与我们生活的紧密联系。
通过分享大家的发现，我发现自己的视野更加开阔了，我对这门课知识的理解也更深了。
在结课前老师特意在百忙之中抽出时间，坚持要让我们参观振动实验室，这让我们深受感动。
参观后，我感到振动学科确实是一门有巨大潜力亟待发展的学科。
现代机械中的一些疑难杂症运用振动工程中的方法才能彻底解决。
我们必须坚持理论联系实际的思想，以实践证实理论，从实践中加深对理论知识的理解和掌握。
实验是我们快速认识和掌握理论知识的一条重要途径。
我认为，通过振动利用工程课程，我不但收获了知识，还开阔了眼界。
在此过程中，通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，我不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是，在这门课上，我们学会了不少学习的方法。
而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。
参考文献
1.闻邦椿，刘凤翘.振动机械的理论及运用[M]，北京：
机械工业出版出版，1982.
2.闻邦椿，段志善，张天侠，李以农.“振动利用工程学”的研究现状与发展[A].振动利用技术的若干研究与进展——第二届全国“振动利用工程”学术会议论文集[C].陕西：
科学技术出
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