Подробно описание на изобретениетоНастоящото изобретение осигурява нов вид къртач, който използва ултразвукови и/или звукови вибрации, за да захранва удрящото сечиво за натрошаване на относително чупливи повърхности като камъни и бетон. Новият къртач, разкрит тук, използва удрящ механизъм, който натрошава чупливите структури, без да причинява щети на вградените гъвкави / ковки материали и структури. Освен това, новият къртач генерира минимални обратни пулсации, които се разпространяват назад към корпуса, и се нуждае от прилагане на ниска аксиална сила или сила за държане. В резултат, той позволява употреба съвместно с олекотени платформи като онези, осигурявани от определени роботи и роувъри в космическите мисии и също така елиминира рисковете от нараняване на оператора. Настоящото изобретение осигурява реализации, при които дръжката или корпуса на къртача остава на практика свободна от вибрации по време на опериране. Освен това, апаратите на изобретението са значително по-тихи от пневматичните системи, което позволява употребата в жилищни квартали дори и в късните часове или уикендите, при минимално обезпокояване на живущите. Най-вече, изобретението осигурява варианти за къртачи, които правят звуците нечуваеми за обикновените човешки уши, тоест, ултразвукови честоти.
Относно ФИГ. 1, описва се базово устройство на изобретението. В една реализация, ултразвуков / звуков апарат
10 се представя като ново поколение къртач. Апаратът
10 включва задвижващо устройство
12 за генериране на импулси, и удрящо устройство
14 на далечния край на апарата за разтрошаване на целта. Задвижващото устройство е ултразвуков трансдюсер, който обичайно включва задна опора (не е показана), пиезоелектрична купчина
16 и рог
18, който усилва разместването, генерирано от купчиата. Пиезоелектричната купчина
16 е способна да генерира вибрации с ултразвукова честота. Според един вариант на изобретението, по избор е осигурена свободно осцилираща маса, за да осцилира между задвижващото устройство
12 и удрящото устройство
14, с цел да намали честотите на ударите от апарата. В тази точно реализация, илюстрирана на ФИГ. 1, евентуалната маса
30 се намира в цилиндричен корпус
20, но не е видима на ФИГ. 1. Удрящото устройство
14 е частта, която доставя удара в целта. То може да е от кой да е материал с достатъчна здравина, като метали и керамики, и може да приема разнообразие от форми, като онези, приличащи на сечива за пробиване. Принципно, удрящото устройство е твърдо. В реализация, която е за предпочитане, по форма то напомня на длето / секач със страни, които се заострят към далечния край. Чифт дръжки
22 се осигуряват по избор. В реализацията, показана на ФИГ. 1, дръжките
22 са монтирани на корпус
62, който затваря пиезоелектричната купчина
16.
ФИГ. 2 илюстрира алтернативна реализация, при която пиезоелектричната купчина
16, която съставлява голяма част от масата на апарата
10, е изместена към средата на апарата
10, така че дръжките
22 отвън на купчината са позиционирани на по-балансирано място. Както е показано на ФИГ. 2, рогът
18 може да включва стесняваща се ос за ефективно усилване на вибрациите.
Относно ФИГ. 3, където се показва разрез на апарат
10 от изобретението,задвижващото устройство действа на резонансната честота на пиезоелектричната купчина
16, и един или повече стресови болтове
24 придържат купчината в компресия, за да предотвратят фрактурата им по време на операция. Захранването не е показано тук, и може да бъде батерия или източник на AC ток. Както е добре известно, пиезоелектричният материал може да преобразува приложено електрическо поле в пространствена механична промяна. При електрически полета, приложени на високи честоти, даден пиезоелектрически материал може да произведе пространствена промяна (или вибрация) в съответно висока честота. За да се оперират големи удрящи устройства, се използва високомощно пиезоелектрично задвижващо устройство. Задната подпора
26 помага да се поддържа разпространяване напред на вибрациите, генерирани от задвижващото устройство. Рогът
18 усилва вибрациите, създадени от купчината
16, стига контактната зона между купчина
16 и рог
18 да е по-голяма от контактната зона между рог
18 и удрящо устройство
14. До този момент е за предпочитане рог
18 да бъде стъпаловиден, но може и да бъде с други геометрични форми, включително стесняващ се (скосен) или експоненциален. Купчина
16, рог
18 и удрящо устройство
14 може да са скачени едно с друго по конвенционален начин. В една реализация, удрящо устройство
14 и рогът
18 са изработени като едно цяло парче. Купчината
16 представлява множество от пиезоелектрични сегменти, всеки от който е разположен между два електрода. Задвижващото поле може да се приложи като електрически потенциал между два електрода, разположени от всяка страна на даден пиезоелектричен сегмент. По този начин може да се получи забележителен ответен отговор, като се използва относително нисък потенциал през кой да е индивидуален пиезоелектричен сегмент.
По време на функциониране, удрящото устройство
14 вибрира с ултразвукови или звукови честоти. В една реализация, удрящото устройство
14 е твърдо свързано с рог
18. В резултат, то вибрира на практика на същата ултразвукова или звукова честота като задвижващото устройство, например, между около 20 kHz и 40 kHz. В друга реализация, удрящо устройство
14 е свързано с рог
18 по такъв начин, че удрящото устройство може да се премахне и да се замени с друго удрящо устройство. Ударът, доставян от удрящото устройство, обикновено представлява мъничко отместване, но на по-висока честота, и предизвиква разпадане на структурата на крехките цели като лед, тухли и камъни. Ударът не предизвиква значими щети на относително гъвкавите или ковки структури, включително дърво, пластмаса и метал. Нито пък причинява болка, когато ударът попада върху човешките тъкани, когато контактът е моментен.
Сега относно ФИГ. 4, според един вариант на изобретението, ултразвуковият апарат
10 може също така да включва свободно осцилираща маса
30, която се оттласква между върха на рога
18 и сечащото удрящото устройство
14. В резултат, удрящото устройство
14 вибрира счестота, която е по-ниска от резонансната честота на задвижващото устройство, обикновено със звукова честота, въпреки че масата и удрящото устройство може да се подберат да бъдат достатъчно леки структури и пространството между масата и удрящото устройство да е така фиксирано, че удрящото устройство да може все още да вибрира с ултразвукова честота, въпреки че ще е по-ниска от оригиналната, излъчвана от задвижващото устройство. В друга реализация, удрящото устройство вибрира с оперативна честота между около 5 kHz и 10 kHz. Ударът от свободно осцилиращата маса създава стресови пулсации, които се разпространяват до контактната повърхност между удрящото устройство и целевата повърхност, върху която е поставен къртачът. Целта, например камък, се начупва на мястото на удара, когато оптималният срес на струтурата му при контактната зона между камъка и секача се надвиши.
Патент US 6,617,760, издаден на Питърсън и екип, описва детайли относно свободно осцилиращата маса и е включен тук в неговата цялост. Има много начини да се инкорпорира една свободно осцилираща маса между ултразвуковото задвижващо устройство и удрящото устройство. На ФИГ. 4 удрящото устройство
14 има ствол
32, който с плъзгане е вкаран вътре в дупката
34 на върха на рог
18. Свободно осцилиращата маса
30 е кръгов или пръстеновиден елемент, приличащ на поничка, с отвор, който трябва да пасне около ствола на удрящото устройство
32. Свободно осцилиращата маса е ограничена да осцилира около ствола на удрящото устройство
32. Като друг пример, сега относно ФИГ. 5, свободно осцилиращата маса
30 в този случай е твърда и е разположена между върха
35 на рога
18 и удрящото устройство
14. Специфичното е, „е върхът на рога
35 има диаметър, който е по-голям от онази част
36, която води до върха, и стволът на удрящото устройство
14 има цилиндричен корпус
38, който е закрит отгоре с рамо
40, което прави отвора на корпус
38 по-малък от диаметъра на роговия връх
35, така че той да не може да се измъкне. В резултат, свободно осцилиращата маса
30 е хваната в капан между рога и удрящото устройство.
Без значение дали ултразвуковият / звуковият къртач използва свободно осцилираща маса или не, той може да използва множество пиезоелектрични купчини и/или множество рогове. Относно ФИГ. 6, това множество пиезоелектрични купчини, в този отделен пример, три от тях (
40 а,
40 b и
40 с), са разположени една до друга между задната подпора
42 и горната част
44 на рога
46. Два механични елемента, например, стресови болтове
48 а и
48 b, преминават през същата дължина и поддържат купчините в компресия. Както бе описано по-рано, рог
46 усилва мощта - в този случай, поради това, че има много по-широка повърхност горна част
44, отколкото останалото му тяло. Всички от множеството пиезоелектрични купчини
40 а -
40 c са на практика идентични и, по време на функциониране, са карани да вибриат на една и съща резонансна честота. Мощта на всичките пиезоелектрични купчини се комбинира и предава на ударното устройство чрез рога и евентуалната свободно осцилираща маса.
ФИГ. 7А илюстрира мулти-рогова конфигурация с множество входящи пътища за приемане на ултразвукови вибрации. Специално на илюстрирания вариант, всяка една от трите пиезоелектрични купчини (
50 а,
50 b и
50 с) е компресирана между задна подпора (
52 а,
52 b и
52 с) и рог (
54 a,
54 b и
54 c) чрез стрес-болт (
56 a,
56 b и
56 c). Всички рогове (
54 a,
54 b и
54 c)се сливат в едно единствено удрящо устройство
58, комбинирайки енергията от множеството пиезоелектрични купчини (
50 а,
50 b и
50 с). За предпочитане е всеки рог да бъде стъпаловиден, за да се увеличи удара. ФИГ. 7В илюстрира друга конфигурация, която служи на подобна цел. В този случай е осигурен разклоняващ се рог с множество входящи пътища за енергия (два от четирите са отбелязани като
54 а и
54 b), които се сливат в един единствен път
59, преди да се свържат с удрящото устройство (не е показано). Всяка вилица (
54 а,
54 b и тн.) на рога има геометрия, подобна на съответстващата й във ФИГ. 7А, и е стъпаловидна, за да усилва вибрациите, генерирани от пиезоелектричните купчини (
50 а,
50 b и тн.).
Както е показано на ФИГ. 7А, в един вариант на изобретението всички рога (
54 a -
54 c) са захванати или имат контакт с удрящо устройство
58 върху извитата му горна повърхност. Тази извита повърхност ориентира различни рога (
54 a -
54 c) да спадат под ъгъл един към друг, вместо да са успоредни един на друг. Енергията от тези рогове (
54 a -
54 c), които са под ъгъл един спрямо друг, се комбинира вътре в ударното тяло
58. Както е показано на ФИГ. 7В, в друг вариант на изобретението, всяко разклонение (
54 а,
54 b и тн.) от разклонения рог е под ъгъл спрямо другите разклонения (вместо да е успоредно на друго разклонение). Множеството разклонения се срещат в съсредоточна точка, където силата от всяко разклонение се комбинира със силата от другите, така че да протече по остатъка от рога.
Връщайки се на ФИГ. 4 ултразвуковото задвижващо устройство
12 има нодална равнина
60, където на практика няма вибрация, когато задвижващото устройство вибрира на резонансна честота. Това е разбираемо, като се вземе предвид, че във всеки момент има вибрации, които отиват в една посока от едната страна на равнината и има вибрации, които отиват в другата посока от другата страна на равнината и се погасяват една друга в нодалната равнина. Тази неутрална нодална равнина
60 типично се открива между дъното на пиезоелектричната купчина
16 и върха на рога
18, или някъде в близост. Връщайки се на ФИГ. 1, в един вариант за предпочитане, външният корпус
62 за ултразвуковия / звуковия къртач е монтиран за задвижващото устройство в нодалната му равнина
60, така че корпусът да остане на практика неподвижен, дори по време на работа. Дръжките
22 може да се захванат за корпуса
62 така, че дръжките да останат на практика неподвижни по време на работа, премахвайки потенциалната опасност за оператора и позволявайки интегрирането на апарата в олекотени платформи и роботи. Разбира се, дръжките могат да се захванат директно за задвижващото устройство и докато са някак си твърдо свързани за нодалната равнина на задвижващото устройство, дръжките ще останат на практика неподвижни по време на работа. В допълнение, захващането на дръжките за нодалната равнина, или за корпуса, свързан със задвижващото устройство при нодалната равнина, ще елиминира загубата на енергия, свързана с движение в дръжките. Ако дръжките не мърдат, никаква механична енергия няма да протича през тях към някакъв друг обект или човек, който държи апарата.
Ултразвуковият / звуковият къртач може да се използва за сканиране на мястото за пробиване, като се използва вродената пробираща способност на пиезоелектричното задвижващо устройство да функционира като озвучаващ механизъм и като механичен анализатор на съпротивлението. Разнообразие от сензори
70 (ФИГ. 3) могат да се вградят във или да са разположени върху ударното устройство, тоест, във физически контакт с ударното устройство, за да измерват механичните и електрическите характеристики на обекта, която е в контакт с ударното устройство. Използва се контролна система, която приема сигналите от сензорите и която произвежда ценна информация за почвата или скалата, върху която се работи. Системата на къртача може също да включва и отдалечени сензори, като например един или повече акселометри, позиционирани далеч от точката на контакта с ударното устройство за анализиране на еластичните вълнови промени в средата, върху която се работи. Патент US 6,863,136, издаден на Бар-Кохен и екип описва детайли от употребата на сензори, включително употребата на сензорни керамики в ултразвуковото задвижващо устройство и е включен тук в неговата цялост. Тези пробиращи възможности и способността да носи сензори върху ударното устройство може да се използват за оптимизиране на пробивната дейност или изследователския план и за извършване на събиране на данни и анализиране намясто.
Относно ФИГ. 8А и 8В, тъй като новият къртач
10 не възпроизвежда големи обратно разпространяващи се вибрации върху захващащите елементи, той може да се монтира върху роботска ръка
80 и да бъде опериран автоматично от роувър
82 в планетарни задания намясто. Това приложение е показано графично на ФИГ. 8А, с приближен изглед на къртача, монтиран на роботската ръка, показана на ФИГ. 8В. Най-вече, ултразвуковият / звуковият къртач е показан в действие, което разрязва пресни повърхности върху камъни. Друго потенциално приложение за новия къртач
10 е строежа и развитието на бъдещи инфраструктури, както е показано графично на ФИГ. 9. Ако хората искат някой ден да обитават планети като Марс, способността да се конструират подземни водни резервоари, жилища, пътища и всичко, с което хората са свикнали на Земята, е от критична важност. С оглед на факта, че атмосферното налягане на Марс е около една стотна от това на Земята, ще бъде трудно да се произведат онзи вид пневматични сили, които се генерират на Земята и разкритият тук ултразвуков / звуков къртач предлага важна алтернатива.
Въпреки че настоящото изобретение е подробно показано и описано с препратки към структурата и методите, разкрити тук, и е илюстрирано с рисунки, то не се ограничава до изложените детайли и това изобретение е изобретено с цел да покрие каквито и да е модификации и промени, които могат да попаднат в обхвата и в духа на следните претенции.
Претенции (36)Претендира се, че:
1. Апарат, който комбинира сила от множество пиезоелектрични трансдюсери в единствено ударно устройство за счупване на твърдата повърхност на дадена цел, състоящ се от: пиезоелектрично задвижващо устройство, конфигурирано да генерира вибрации само в аксиалната си посока и директно от електрическо енергоподаване с резонансна честота, като пиезоелектричното задвижващо устройство се състои от множество отделни групи, всяка група се състои от пиезоелектрична купчина, компресирана между задна опора и рог, където всички групи са от съвсем еднаква дължина и са подредени в латерално измерение, роговете им са подравнени един спрямо друг, така че да се събират, карайки силата им да се комбинира, когато всяка от множеството групи са накарани да вибрират със съвсем еднаква честота; и твърдо, подобно на длето удрящо тяо, с поне две противоположни страни, скосяващи се към и завършващи в далечен линеен ръб, и конфигурирани така, че да бъдат размествани от аксиалните вибрации, генерирани от пиезоелектрическото задвижващо устройство, с цел причиняване на структурно разчупване в целта, като при това удрящото устройство е твърдо свързано със задействащото устройство чрез роговете на пиезоелектричните групи, по такъв начин, че удрящото устройство да вибрира със съвсем същата резонансна честота като задействащото устройство.
2. Апаратът от пренетция 1, където удрящото устройство също така е заменяемо с поне едно друго удрящо устройство.
3. Апаратът от претенция 1, където удрящото устройство вибрира с честота между около 20 kHz и 40 kHz.
4. Апаратът от претенция 1, състоящ се също така и от: маса, конфигурирана така, че да осцилира между задвижващото устройство и удрящото устройство, така че удрящото устройство да вибрира с честота, която е по-ниска от споменатата ултразвукова честота.
5. Апаратът от претенция 4, където удрящото устройство вибрира с операционна честота между около 5 kHz и 10 kHz.
6. Апаратът от претенция 1, където всяка пиезоелектрична купчина се държи в копмпресия чрез механичен елемент.
7. Апаратът от претенция 6, където задвижващото устройство се състои от множество пиезоелектрични купчини, всички от които са конфигурирани да оперират с една и съща честота.
8. Апаратът от претенция 6, където задействащото устройство освен това се състои и от рог за усилване на вибрациите, генерирани от пиезоелектричните купчини.
9. Апаратът от претенция 8, където рогът е стъпаловиден.
10. Апаратът от претенция 1, където задвижващото устройство освен това се състои и от разклонен рог с множество входящи пътища за прилагане на вибрации и един изходен път, който комбинира енергията върху удрящото устройство.
11. Апаратът от претенция 10, където всеки входен път за енергия от даден рог е стъпаловиден.
12. Апаратът от претенция 1, който освен това се състои и от дръжка, конфигурирана така, че да остане на практика неподвижна по време на работата на апарата.
13. Апаратът от претенция 12, където дръжката е твърдо свързана с нодалната равнина на задвижващото устройство.
14. Апаратът от претенция 1, който освен това се състои още и от корпус, който обгражда поне задвижващото устройство, като корпусът е конфигуриран да остава на практика неподвижен по време на работа на апарата.
15. Апаратът от претенция 1, където удрящото устройство се състои от ствол, който е скачен със задвижващото устройство и масата има дефиниран отвор, през който минава стволът на удрящото устройство, така че масата да бъде принудена да осцилира по този ствол.
16. Апаратът от претенция 1, които се състои още и от сензор във физически контакт с удрящото устройство, сензорът е конфигуриран да измерва характеристиките на обект, който е в контакт с удрящото устройство.
17. Апаратът от претенция 16, състоящ се и от контролна система, конфигурирана да приема сигнали от сензора.
18. Апаратът от претнеция 1, където всеки рог е стъпаловиден.
19. Апаратът от претенция 1, където всеки рог е свързан към същото ударно устройство.
20. Апаратът от претенция 1, състоящ се от множество отделни рогове, всеки асоцииран с различно задвижващо устройство.
21. Апаратът от претенция 1, способен да се използва като къртач.
22. Апаратът от претенция 1, чиято трошаща способност е сравнима с тази на пневматичен къртач, но тези значително по-малко от пневматичен къртач.
23. Апаратът от претенция 1, чиято трошаща способност е сравнима с тази на пневматичен къртач, но бидейки значително по-тих от пневматичен къртач.
24. Апаратът от претенция 1, където единната точка, където роговете на множеството пиезоелектрични групи се събират, е част от удрящото устройство.
25. Апаратът от претенция 1, където единната точка, където роговете на множеството пиезоелектрични групи се събират,е на свой ред твърдо скачена с удрящото устройство.
26. Апарат, който комбинира силата от множество пиецоелектрични трансдюсери към единствено удрящо устройство с цел счупване на твърдата повърхност на дадена цел, състоящ се от:
пиезоелектрично задвижващо устройство, конфигурирано да генерира вибрации само в аксиалната посока на устройството и директно от електрическа захранваща енергия с резонансна честота, като задвижващото устройство се състои от множество отделни групи, всяка от които се състои от пиезоелектрични купчини, компресирани между задна опора и рог, където всички групи са с една и съща дължина и са подредени в латерално измерение, и роговете им са ориентирани под ъгъл един спрямо друг, така че да се събират в точка, карайки енергийта им да се комбинира, когато множеството групи завибрират на една и съща честота; и
удрящо устройство, състоящо се от твърдо и демонтиращо се тяло, конфигурирано да се размества от аксиални вибрации, генерирани от пиезоелектрично задвижващо устройство, предизвикващо структурно пропукване у целта, където удрящото устройство е твърод свързано към захранващото устройство чрез роговете на пиезоелектричните групи по такъв начин, че удрящото устройство да вибрира на практика със същата резонансна честота, както задвижващото устройство.
27. Апаратът от претенция 26, където всеки рог е стъпаловиден.
28. Апаратът от претенция 26, където всеки рог е свързан към същото удрящо устройство.
29. Апаратът от претенция 26, където всеки рог е конфигуриран да оперира със същата честота.
30. Апаратът от претенция 26, който се състои още и от дръжка, конфигурирана да остава на практика неподвижна по време на работа на апарата.
31. Апаратът от претенция 30, където дръжката е твърдо свързана за нодалната равнина на задвижващото устройство.
32. Апаратът от претенция 26. който освен това се състои още и от корпус, който обгражда поне задвижващото устройство, като корпусът е конфигуриран да остава на практика неподвижен по време на работа на апарата.
33. Апаратът от претенция 26, който освен това се състои още и от сензор във физически контакт с удрящото устройство, като сензорът е конфигуриран да измерва характеристиките на обекта, който е в контакт с удрящото устройство.
34. Апаратът от претенция 26, способен да се използва като къртач.
35.Апаратът от претенция 26, чиято трошаща способност е сравнима с тази на пневматичен къртач, но тези значително по-малко от пневматичен къртач.
36. Апаратът от претенция 26, чиято трошаща способност е сравнима с тази на пневматичен къртач, но бидейки значително по-тих от пневматичен къртач.
Толкова е лесно, че дори не е нужен инструмента в завършен вид, за да се демонстрира принципа:
