CN105392570A - 机床窗口 - Google Patents

Abstract

一种机床窗口，设有用于利用超声清除窗口的切削液液滴的设备。所述设备包括耦接至所述窗口的一个或多个换能器(200、210)。可操作所述一个或多个换能器的每一个以便以多个不同频率中的任选的一个生成相应波型。可操作频率发生器(925)以针对所述多个不同频率向所述换能器提供超声驱动信号(926)。模式控制器(930)控制所述发生器(925)和换能器(200)，以将具有从所述多个不同频率和波型中任意选择的频率和波型的超声波施加至所述窗口。

Description

机床窗口

本发明涉及一种在机床上使用的窗口，以及包括该窗口的机床。

背景技术

机床在对金属工件进行加工成形的同时，使用切削液来润滑和冷却切削工具。从工件上切削下来的金属(被称为削屑)可危害到机器的操作者，此外还存在切削工具将会断裂的风险，这对于操作者也是一种风险。为了保护操作者，整个机床或至少切削工具周围的区域被封闭在外壳内。外壳具有窗口，因此操作者可看到切削操作的进展如何。然而，切削液会喷溅在外壳内侧以及窗口上，因而遮挡操作者的视线。切削液可包括水和多种添加剂，或油和多种添加剂。

已知提供了圆盘形式的窗口，其由电马达旋转；落在窗口上的切削液因盘的旋转而被甩掉，使得操作者的视线更清晰。在一个实例中，圆形框架支撑固定着圆盘的马达。盘的周边密封至框架，以防止切削液泄漏。这种窗口小而重，且复杂。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种***，其包括机床窗口和用于清除机床窗口的切削液液滴的装置，该装置包括：一个或多个换能器，耦接至窗口，可操作一个或多个环能器中的每一个以在窗口内生成超声波；和发生器，用于向一个或多个换能器提供超声驱动信号；由此，***工作时，利用超声将窗口的切削液液滴清除。

在***的实施方式中，可操作每一个换能器以在窗口内生成多个不同频率和波型中的任选一个超声波；且可操作发生器以针对多个不同频率向换能器提供超声驱动信号；且***进一步包括模式控制器，其用于将发生器和换能器配置成生成从多个不同频率和波型中选择的任意频率和波型的超声波。

***可被配置成能以连续应用于窗口的一种、两种或多种波型运行。

本发明的***允许使用比旋转盘大的窗口，且无需在使用旋转窗口的装置中的机械活动部件。由于窗口是固定的(即，窗口不旋转)，因此本发明的***允许更简单地将窗口密封至机床外壳。

根据本发明的另一个方面，提供了清除机床窗口的切削液的方法，该方法包括使用耦接至窗口的一个或多个超声换能器在窗口内生成超声波。

方法的一个实例是使用***实施方式的装置，该方法包括选择超声波的波型和相应频率，使发生器生成所选频率的驱动信号，以及将一个或多个换能器的每一个配置成以选择的频率运行并生成选择的波型。

附图说明

根据以下结合附图的详细说明，特定实例的各种特征和优点将显而易见，这些附图和描述仅通过实例共同说明了多个特征，在附图中：

图1是机床外壳的一部分的示意图。

图2A是换能器的实例的示意图。

图2B是图2A中的换能器的示意性侧视图。

图3A-C是朝窗户上的切削液液滴发射超声波的换能器的示意图。

图4A是换能器的示意性侧视图，示出了电极构造的实例。

图4B是换能器的示意性侧视图，示出了换能器的电极构造的另一个实例。

图4C是通过实例示出换能器沿窗口表面朝窗口上的液滴发射超声波以进行模式转换的示意图。

图4D是通过实例示出换能器沿窗口表面发射超声波以通过使切削液液滴雾化而清除窗口表面的液滴的示意图。

图4E是通过实例示出将换能器耦接至层叠窗口的示意图。

图5A-B是换能器的示意性侧视图，示出了换能器的电极构造的其它实例。

图5C是通过实例示出换能器发射穿过窗口上的切削液液滴的超声波以进行模式转换的示意图。

图5D是通过实例示出换能器发射穿过窗口上的切削液液滴的超声波以进行模式转换从而使液滴沿窗口表面行进的示意图。

图6A-B是换能器的示意性侧视图，示出了换能器的电极构造的又一实例。

图6C是示出根据实例的换能器朝窗口上的液滴发射超声波以使液滴克服窗口表面的张力并离开窗口表面的示意图。

图6D是通过实例示出换能器朝窗口上的切削液液滴发射超声波以使液滴离开窗口表面的示意图。

图7是清除降水的方法的流程图。

图8为频散曲线图。

图9A-B是换能器和用于控制并操作换能器的关联电路的实例的示意图。

图10A是包含本发明的实例的机床的示意图。

图10B是图10A中的机床的窗口的实例。

具体实施方式

图1示出了用于机床以保护机床操作者的外壳的一部分XX。外壳具有窗口。窗口为片状的透明材料(在以下实例中为玻璃)，在本实例中为钢化玻璃片。窗口允许操作者检查机床进行的切削操作。因此必须清除窗口的切削液。根据本发明的实例，清除窗口的切削液液滴涉及使用超声波使窗口表面上的液滴振动、行进和/或雾化的一个或多个。用于清除窗口切削液液滴的示例性设备包括一个或多个固定至玻璃窗口的压电换能器，和用于操作换能器以向窗口施加超声波的电路。以下说明描述了换能器的各种工作模式。可使用一种或多种模式。在使用清除设备的一些实例中，仅使用了一种模式。

尽管图1中的机床窗口由钢化玻璃制成，但替代地，窗口可包括层叠层，其中层叠层夹在顶层玻璃与底层玻璃之间。例如，层叠层可以是压缩在两层退火玻璃之间的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)层叠。

术语“超声”或“超声地”用于指具有超声频率的波。超声频率被认为是频率范围大约为100千赫(kHz)至50兆赫(MHz)或更高。超声波从耦接至信号发生器的换能器发出。发生器可以是信号发生器，该信号发生器被配置成向换能器提供超声频率的电信号。换能器被设置成受驱动以基于来自发生器的超声信号产生超声波。

在本文描述的某些实例中，换能器被配置成使得其能够发射100kHz至4MHz的频率范围内的频率，或更高的频率。可使用一个或多个换能器来清洁窗口。

本文描述的一个或多个换能器的每一个均包括多个电极。每一个换能器的电极被配置成使得每一个电极可独立于其它电极工作。如此，换能器可被配置成以可能的超声频率范围内的频率工作。选择频率是通过在信号发生器处生成该频率的电信号并将该信号应用于包括一个或多个电极的一“组”电极，电极具有间隔，该间隔选择为大致与该固有频率相对应。由于将发射带宽围绕中央频率的频带，因此整个说明书中使用的术语“一”、“一个”或“单个”频率应解释为与从换能器发射的中央频率或主频率有关。

可选择超声波的波型。频率与波型的组合被称为工作模式。不同波型的实例包括表面声波、瑞利波、兰姆波和板波。某些频率范围可具有优选的波型，反之亦然。例如，可以以高于大约2.5MHz的较高频率生成瑞利波；可以以大约1MHz至2.5MHz的中频生成兰姆波；以及可以低于大约1MHz的较低频率生成板波。本文描述的一个或多个换能器提供了选择从一个或多个换能器发射的超声波的频率和/或波型的能力。可动态地选择每一个换能器的工作模式。工作模式涉及换能器工作的频率和波型的组合。因此，每一个换能器均为“多模式”换能器。

现在将参考附图描述某些实例。一组附图中用于特定特征的相同附图标记涉及相同特征。

换能器的每一个电极可单独地连接至信号发生器，以便独立地操作每一个电极。单独选择待连接和加电的电极，使得能够动态地控制换能器的所选择的频率或工作频率。例如，可单独地或成组地连接电极，而有些电极可根本不连接。例如，沿换能器的每一个其它电极可连接至信号发生器，其中替代电极工作(有源)，而剩余的电极不工作(无源)。因此，可基于选择的换能器工作模式(即，基于选择的用于工作的电极组以及频率发生器的工作频率)实现所需的换能器工作频率。从所选工作模式的换能器(即，利用该工作模式所需的频率和/或波型)发射的超声波对窗口进行清洁。

图2A示出了具有多个电极210的换能器200。每一个电极各自具有连接器，该连接器将频率发生器和开关电路电连接，如稍后将参考图9A和9B描述的那样。屏蔽条230将电极210与接地层(groundplane，接地面)250电隔离。换能器的压电层240可由锆钛酸铅(PZT)材料或任何其它合适的压电材料(例如，石英晶体)制成。电极210可具有沿压电层延伸的电极“指”的物理外观。位于压电层上与电极指相对的一侧的另一电极电连接至接地层250。

图2B示出了参考图2A描述的换能器的侧视图。所示的另一电极260电连接至接地层250。当换能器工作时，信号发生器将具有所需频率的信号施加至针对该频率选择的一组电极，且将电极耦接至会使得换能器发射超声波的压电层。发射的超声波的方向与电极指垂直，例如在由箭头270指示的方向上。

通过将换能器附接至窗口表面，换能器便耦接至窗口。在图1中的用于机床的窗口的实例中，换能器在外壳内部附接至窗口；即在窗口被切削液润湿的一侧。可通过将换能器化学粘合或物理固定至窗口表面，而将换能器附接至窗口表面。合适的粘合剂可在市场上购得，例如可包括环氧树脂。使用时，粘合剂在换能器与窗口表面之间形成粘合层。该粘合层可以很薄，厚度均匀，且无气泡，例如在真空条件下制备。换能器可以以其电极面向窗口表面的方式附接至窗口，或替代地附接成使得其电极背向窗口表面。使电极面向窗口会增大施加于窗口的波能，但也会增大为电极提供电连接的难度。

现在将描述换能器的工作模式的实例。在本文描述的实例中，换能器可配置成以从200kHz至4MHz或更高的频率范围内选择的任何一个频率工作。可基于信号发生器产生的电信号的所选频率和对换能器特定电极组的选择来选择频率。例如，在某些实例中，可针对从大约220kHz、570kHz、1.39MHz、2MHz或3.1MHz中选择的任何一个频率来配置电极组。可使用频率值大约为例如220kHz+/-50kHz、570kHz+/-50kHz、1.39MHz+/-100kHz、2MHz+/-100kHz或3.1MHz+/-100kHz的频率。

稍后将参考图4A/B、图5A/B和图6A/B描述选择这些实例频率的每一个。应注意，由于可设想任何可选择的频率，因此本文描述的可基于使用不同电极组选择的频率决不应该认为是限制性的。基于针对预定频率选择制造和配置的换能器，选择频率范围内的任何一个频率应均是可能的。然后，可基于本文描述的方法通过运行不同电极组来选择工作频率。然而，本发明并仅不限于本文描述的可选频率。

图3A-C示出了在一个或多个换能器工作期间可超声地从该一个或多个换能器发射的不同波型的实例。

在图3A的实例中，换能器300通过粘合层320(例如，环氧树脂)粘合窗口310的表面。切削液液滴330可出现在窗口表面上。换能器能够受驱动以发射仅传播通过窗口表面的超声波。在本实例中，超声波为表面声波，例如瑞利波340。从换能器发射的瑞利波可以生成为高于大约2.5MHz的较高频率。瑞利波沿窗口表面朝切削液液滴传播。由于超声波到达切削液液滴时会耦合至窗口表面，因此超声波“见到”切削液液滴，且能量从超声波转移至切削液液滴，以清除窗口表面的切削液液滴。高频超声波具有的能量高于低频超声波。通过将频率较高的超声波的较高能量有效地转移至切削液液滴，实现了窗口表面上的切削液液滴的雾化。在本实例中，可通过雾化或推动过程清除切削液液滴。可使切削液液滴雾化以完全地或部分地将其从窗口表面除去。如果切削液液滴被部分雾化，则可通过进一步的推动或振动过程清除剩余的切削液液滴。例如，可使切削液液滴沿窗口表面推动以使切削液液滴移动远离窗口，从而使得可清楚地透过窗口进行观察。为了便于说明，以上对图3A和图3B的描述假设瑞利波和兰姆波以不同的频率存在。然而，当它们共存时；瑞利波主要以较高的频率存在，而兰姆波主要以较低的频率存在。随着频率从低频增大，波型逐渐地从兰姆波变为瑞利波。

在图3B的实例中，从换能器发射的超声波为兰姆波。兰姆波沿窗口表面传播。在本实例中，从换能器发射的兰姆波的频率可在大约1MHz至2.5MHz之间。沿换能器所耦接的窗口表面传播的兰姆波350的振幅可大于沿窗口的相对表面传播的兰姆波360。在两个窗口表面传播的兰姆波350、360可以同相或异相，例如这些兰姆波可以是对称波或反对称波。传送至换能器表面的兰姆波350的能量要多于传送至相对窗口表面上的兰姆波360的能量。因此，从换能器发射的超声波能量的大部分传播通过出现切削液液滴的窗口表面。在本实例中，可通过使切削液液滴沿窗口表面推动而除去切削液液滴。如果有足够的能量从兰姆波350转移至切削液液滴，则可以通过使液滴雾化而清除切削液液滴。

在图3C的实例中，从换能器发射的超声波为板波。在本实例中，从换能器发射的板波可具有低于大约1MHz的相对较低的频率。板波370主要传播穿过窗口的主体。频率较低的板波具有的能量少于高频超声波，因此板波可仅使窗口表面上的切削液液滴振动。窗口表面上的切削液液滴的振动可使分离的切削液液滴合并，并结合形成相对较大的液滴。

图1中的机床窗口竖直地安装或相对于竖直方向倾斜很小的角度。因此在本发明的实例中，液滴的推动和振动被配置成借助重力向下进行。仅推动或仅振动或推动与振动组合可足以清除窗口的液滴，而无需雾化。

图3A-C的实例示出了仅一个换能器耦接至窗口表面，然而使任何数量的换能器可耦接至窗口表面。一个或多个换能器可耦接在窗口边缘附近或窗口的周边区域内。

应理解，将存在截止频率(cut-offfrequency)，由于高于截止频率的超声波的能量较高，因此高于截止频率将能够实现雾化。低于截止频率的超声波具有的能量可能不足以实现雾化，然而该超声波可具有足以使切削液液滴沿窗口表面推动的能量。进一步地，将存在又一截止频率，低于该进一步的截止频率将无法实现使切削液液滴推动，然而有可能使切削液液滴振动。用于实现雾化、推动或振动的截止频率可取决于切削液液滴的尺寸和/或组分。举例来说，就窗口表面上的切削液液滴而言，较小液滴的表面积容积比将较大(与表面积体积比较小的较大液滴相比)，因此较小的液滴的表面张力较大。因此，在可实现推动或雾化之前，较小的液滴需要较大量的能量(来自较高的超声频率)来克服表面张力，即与可需要较少的能量来实现雾化的较大液滴相比，可能需要较高的超声频率来使较小的液滴雾化并将其除去。

可通过例如施加选择性涂层来对窗口表面进行处理，选择性涂层会改变液体沉积物与窗口表面之间的表面张力。机床窗口优选涂覆倾向于排斥切削液的涂层。例如，涂层会减小表面张力。对于基于水的切削液，可使用疏水涂层。涂层优选抗磨损。这种倾向于排斥切削液并抗磨损的涂层是已知的。

如上所述，每一个换能器的电极被配置成使得每一个电极可独立于其它电极操作。频率和/或波型的选择通过不同电极的“组”的工作来实现。例如，不同电极组合可选择性地工作，而一些电极可选择性地不工作。如果选择一个电极工作，则来自频率发生器的信号被施加至所选择的电极与地面之间；而剩余的电极可电浮置(electricallyfloat)。举例来说，如果仅一半电极工作，则该“组”将仅包括正在工作的总的可用电极的一半。如以下将讨论的那样，否则将浮置的电极可从频率发生器接收相位变换了180度的信号。

图4A-B示出了换能器中的电极组的用于实现使窗口表面上的切削液液滴雾化的实例工作模式或工作配置。在这些实例中，该配置使得换能器发射表面声波或瑞利波。针对这些电极配置从换能器发射的超声波的频率可高于大约2.5MHz。

在图4A中的实例中，换能器400包括多个电极405、410。电极与压电层415(例如PZT材料)相邻。压电层的与电极405、410相对的一侧为电连接至地线425的又一电极420。工作时，一些电极405连接至信号发生器，而其它电极410可不连接至信号发生器。连接的一组电极410可工作，以生成频率高于2.5MHz的超声波。

换能器内的某些物理参数可选择性地生成或制造成具有预定性能。例如，可对电极进行设计以便换能器以预定的频率或选择的频率工作。例如，每一个电极的宽度以及连续电极之间的间隙或间隔是特定频率可依赖的设计参数。换能器电极可设计成使得不同电极组的工作使换能器以预定频率发射超声波。例如，图4A所示的换能器包括二十八个独立电极。图4A所示的二十八个电极405、410的每一个可具有0.4毫米(mm)的宽度，其中电极之间的间隙或间隔为0.1mm。为了生成频率大约为3.1MHz的波，28个电极410中的一组14个交替的电极连接至信号发生器，以接收频率大约为3.1MHz的信号。

图4B示出了换能器400(与图4A中描述的相似)，其中电极410接收具有第一频率和相位的信号，而介于中间的电极405接收频率相同但与电极410相比存在180度相移的信号。该配置允许将电场430设置在相邻电极410与405之间。这允许附加电场使换能器的压电层变得更具活性，从而使得换能器的位移更大，即发射振幅更高的超声波。该配置可提高换能器的工作效率，和/或增大转移至窗口表面上的切削液液滴的能量。

图4C-E中的实例与参考图3A描述的实例对应。换能器400通过粘合层435粘合至窗口440的表面。换能器可以是图4A-B中描述的换能器，且发射频率高于2.5MHz的超声波。在图4C-E所示的实例中，在换能器工作期间从换能器发射的超声波为表面声波或瑞利波。从换能器发射的超声波445耦合至窗口并沿窗口表面传播。沿窗口表面传播的超声波可遇到窗口表面上出现的切削液液滴450。一遇到液滴，超声波的能量便转移至液滴。该能量转移可基于模式转换。较高的频率比较低频率的模式转换更强。模式转换为能量转移过程，其中机械波(例如，超声波)耦合入物质(例如，窗口表面上的切削液液滴)，而纵波455透射入物质中。如此，随着能量的转移，入射到切削液液滴上的超声波的振幅将减小。透射入物质的纵波具有向物质的内表面施加压力460的作用，以便其可使物质沿该物质所处的表面推动，或使该物质雾化。

图4D示出了窗口表面上的切削液液滴被完全雾化465的实例。因此，窗口得以清洁。通过使切削液液滴雾化而使窗口清洁。

机床窗口可以是层叠的，然而这对于本发明来说并非是必要的。图4E示出了换能器耦接至层叠窗口的实例。换能器可耦接至窗口的周边区域或边缘。换能器可隐藏在窗口周围的橡胶密封件下方。层叠窗口可包括夹在顶层玻璃440与底层玻璃475之间的层叠层470。在附接至窗口表面的一个或多个换能器工作期间，该一个或多个换能器可配置成发射仅传播穿过顶层玻璃440的表面480的超声波。在本实例中，由于超声波基本上仅传播穿过顶层玻璃，因此超声波不会传播通过层叠层。由于无超声波能量在层叠层内“损失”，因此这是有益的，否则层叠层可导致超声波被大量吸收。由于避免了在层叠层内衰弱，因此将换能器配置成仅发射表面声波具有提高窗口清洁效率的优点。

以上已就能够发射高于大约2.5MHz的频率的换能器对图4C-E进行了描述。发射的较高频率可生成用于通过使窗口表面上的切削液液滴雾化而对窗口进行清洁的表面声波，例如瑞利波。以下部分将描述换能器的不同电极配置的其它实例工作模式。

图5A-B示出了换能器中的电极组的用于实现使窗口表面上的切削液液滴推动的实例工作模式或配置。在这些实例中，电极配置可使换能器发射频率可在大约1MHz至2.5MHz的范围内的波。从换能器发射的超声波可以是兰姆波。

图5A-B示出了换能器500的不同实例工作模式。图5A-B的每一个涉及不同的电极配置。换能器500包括多个电极505、510。电极处于压电层515上。压电层的与电极505、510相对的一侧为接地电极。工作时，一些电极505可不连接至信号发生器，而其它电极510连接至信号发生器以用于接收所选频率的信号。连接的一组电极510工作，以接收频率在大约1MHz至2.5MHz的范围内的信号，并生成频率在大约1MHz至2.5MHz的范围内的超声波。图5A和图5B中的一组电极510中的电极间隔开，以便其固有频率在该频率范围内。

图5A-B中的实例所示的换能器包括二十八个独立电极。二十八个电极505、510的每一个可具有0.4毫米(mm)的宽度，其中电极之间的间隙或间隔为0.1mm。在图5A的实例中，连接至信号发生器的一组电极510包括十个电极，以便剩余的电极对在每一个已连接的电极之间保持未连接。该电极配置或工作模式可用于生成频率大约为2MHz的超声波。类似地，图5B中的实例所示的换能器包括二十八个独立电极。所示的电极通常以连续对的形式沿压电层(除了压电层任一端的电极)连接至信号发生器。该电极配置或工作模式可用于生成频率大约为1.39MHz的超声波。图5A和图5B中的浮置的电极可交替地接收频率为所选频率但相位相对于电极510变换了180度的信号。

图5C-D中的实例与参考图3B描述的实例对应。换能器500通过粘合层530粘合至窗口535的表面。换能器可以是图5A-B在描述的换能器，并发射频率在大约1MHz至2.5MHz的范围内的超声波。在图5C-D所示的实例中，在换能器工作期间从换能器发射的超声波主要为兰姆波。从换能器发射的超声波540、545沿窗口表面传播。超声波耦合至窗口表面。沿换能器所附接的窗口表面传播的超声波可遇到窗口表面上出现的切削液液滴550。图5C示出了超声波传播通过切削液液滴，其中能量通过例如模式转换从超声波转移至切削液液滴。纵波555透射入切削液液滴中。透射入物质的纵波具有向物质的内表面施加压力560的作用。

图5D示出了入射到切削液液滴上的超声波的作用。入射到切削液液滴上的超声波使得物质沿窗口表面被推动。推动565的方向可与超声波的传播方向相同。当切削液液滴沿窗口表面被推动时，切削液液滴的形状可变化。例如，切削液液滴可具有与窗口表面有不同接触角的后端570和前边缘575。例如，后端570与窗口表面的接触角大于前边缘575与窗口表面的接触角。使切削液液滴沿窗口表面被推动的能力使得窗口得以清洁580。

一旦使切削液液滴沿表面被推动，后端与窗口表面的接触角的变化可改变超声波耦合入切削液液滴的效率。因此，一旦开始推动，有必要改变换能器的工作模式，以修改发射的超声波的频率从而保持对切削液液滴的推动。

以下部分将描述换能器的不同电极配置的其它实例工作模式。

图6A-B示出了换能器中的电极组的用于实现使窗口表面上的切削液液滴振动的实例工作模式或配置。在这些实例中，电极配置可使换能器发射频率低于大约1MHz或在200kHz与1MHz之间的波。对于这些电极配置，从换能器发射的超声波可主要为板波或振动波。

图6A-B示出了换能器600的不同实例工作模式。图6A-B的每一个涉及不同的电极配置。换能器600包括多个电极605、610。电极与压电层615相邻。压电层的与电极605、610相对的一侧为与地线625电连接的接地电极620。工作时，一些电极605可不连接至信号发生器，而其它电极610可连接至信号发生器。连接一组电极610以接收频率在200kHz至大约1MHz范围内的信号，并生成频率在200kHz至大约1MHz范围内的超声波。图5A和图5B中的一组电极510中的电极间隔开，以便其固有频率在该频率范围内。

图6A-B中的实例所示的换能器包括二十八个独立电极。二十八个电极605、610的每一个可具有0.4毫米(mm)的宽度，其中电极之间的间隙或间隔为0.1mm。在图6A的实例中，连接至信号发生器的一组电极610包括十八个电极，这些电极以“连4个/缺4个/连5个/缺2个/连5个/缺4个/连4个”电极的电极群的形式连接，如分别以630、635、640、645、650、655、660表示。该电极配置或工作模式可用于生成频率大约为570kHz的超声波。类似地，图5B中的实例所示的换能器包括二十八个独立电极，其中连接至信号发生器的一组电极610包括十八个电极。示出的电极以“连8个/缺12个/连8个”电极的电极群的形式沿压电层连接，如分别以665、670、675所示。该电极配置或工作模式可用于生成频率大约为220kHz的超声波。

图6C-D中的实例与参考图3C描述的实例对应。换能器600通过粘合层粘合至窗口的表面。换能器可以是图6A-B中描述的换能器，其受驱动以发射频率低于大约1MHz的超声波。在图6C-D所示的实例中，在换能器工作期间从换能器发射的超声波主要为板波。从换能器发射的超声波680传播穿过窗口的主体。这可与窗口的共振情况有关。这会使窗口振动。

在图6C的实例中，所示的切削液液滴685出现在窗口表面上。窗口振动允许克服切削液液滴与窗口表面之间的表面张力。因此，振动的窗口表面上的切削液液滴可被“踢离”或“弹离”690窗口表面。因此，切削液液滴离开窗口表面，超声波对窗口进行了清洁。进一步地，窗口表面上方的气流695可帮助清洁窗口。这可通过使切削液液滴进一步移动远离窗口表面而实现，因此减小了切削液液滴可能回落到振动表面上的机会。

图4-6中描述的实例工作模式可用于基于电连接至信号发生器的电极的不同配置以及发生器产生的信号的不同频率来控制从换能器发射的超声波的频率和波型。现在将描述利用换能器的一种或多种工作模式来清洁窗口的实例方法。

图7是概述利用一种或多种选择的换能器工作模式来清洁窗口的方法750的实例流程图。在方框710，选择工作模式的模式或序列。可以选择一种工作模式或一系列一种以上的工作模式来清洁窗口。由于换能器的工作模式是基于换能器中有效地连接至信号发生器的电极的配置，因此在***的实例中，对于单个换能器而言，在任何时间可以仅以一种工作模式工作。因此，如果需要一个以上工作模式来清洁(780)窗口，则必须按顺序选择工作模式。

例如，如果利用两种工作模式来清除窗口表面的切削液液滴，则选择的第一种工作模式，使得换能器被配置成发射频率大约为3.1MHz的超声波，而选择的第二种工作模式用于将换能器配置成发射频率大约为2MHz的超声波。在本实例中，换能器的两种工作模式可交替以将换能器配置成首先发射频率大约为3.1MHz的超声波，然后发射频率大约为2MHz的超声波。其它实例频率可用于以较低的频率使液滴开始振动，然后以较高的频率使液滴被推动或雾化。

图7中描述的用于清洁窗口的方法允许动态地控制或选择从换能器发射的超声波的频率和波型(即，模式)。动态地选择换能器的工作频率允许不同频率的超声波以受控方式从换能器发射，从而横穿窗口表面传播，或可选择地传播穿过窗口主体。基于如上所述的大量不同电极配置组合，单个换能器可利用多种不同的工作模式。

可利用选择每一种工作模式之间的设定延时而按顺序选择工作模式。例如，连续工作模式之间的延时可以是5微秒，即从换能器发射的超声波的频率和电极的组可每5微秒改变一次。5微秒的延时仅仅是一个实例；可使用其它1至10微秒范围内的延时，例如几微秒。延时可选择成确保当下一种模式应用于液滴时，当前一种模式对于液滴仍有效。

可手动或自动对工作模式进行检测760和选择710。例如，机床操作者可基于对窗口表面上的切削液液滴的目测手动选择换能器的工作模式。替代地，检测***可配置成自动检测液滴是否存在。如果自动进行检测，则至少需要两个换能器：充当发送器的第一换能器，和充当接收器的第二换能器。信号发生器和用于清除液滴的换能器的一个或多个可用作发射器，或可将另外的分离的换能器与清除信号发生器或附加信号发生器一起使用。可基于在接收器检测到的发射器发射的超声波来检测液滴，其中该超声波具有与窗口表面上存在零液滴对应的“缺省”振幅或信号强度。如果第二换能器接收的信号的强度与缺省信号强度不同，则这可表示窗口表面上存在液滴。在窗口表面上存在液滴的情况下，能量可从传播的超声波转移至液滴。如此，超声波可经历衰弱，且当超声波到达第二换能器处的接收器时，信号强度将低于缺省值。因此，便检测到窗口表面上存在液滴。衰弱水平可指示窗口表面上的切削液液滴的量，或液滴的类型。检测的液滴的量可用于自动选择清洁窗口的工作模式，如所描述的那样。

图8是针对玻璃基板(即，窗口)上的超声波的作为相速度820的函数的频散810进行建模的曲线图800。该信息可用于确定每一个波型对于位于窗口表面上的切削液液滴的影响。纵轴表示以米每秒(m/s)为单位的相速度，而横轴表示厚度为3mm玻璃的等同频散的以MHz为单位的频率(Hzx10⁶)，即厚度为3mm的玻璃基板的频率。

在图8的实例中，建模的超声波为兰姆波，但该曲线图可大致应用于其它波型，例如板波和瑞利波。建模的玻璃基板的厚度为3mm，该厚度大致为车辆窗口的厚度，或层叠挡风玻璃的顶层玻璃的厚度。就传播通过块状玻璃的超声波的相速度而言，反对称的兰姆波为5654m/s，而对称的兰姆波为3391m/s。对于薄玻璃片或玻璃基板(例如，窗口)而言，波的表现可与块状玻璃时不同，且可表现出表面耦合或板波行为。曲线图表示超声波在传播通过玻璃基板时其相速度或速度如何随频率变化。

图8示出了发射的超声波可以为一阶波(第一模式)830、835，二阶波(第二模式)840、845，三阶波(第三模式)850、855或高阶波。如图8所示，超声波为兰姆波，且可分别为反对称波或对称波，即分别为异相的或同相的。反对称波的相速度以830、840和850示出。对称波的相速度以835、845和855示出。一阶模式反对称波(830)的相速度-频散关系图上以860A、865A、870和875示出了本文描述的不同配置的换能器发射的超声波的频率。570kHz的“板”波的相速度以860A表示；频率大约为1.5MHz的兰姆波以865A表示；而频率较高的“瑞利”波以870和875表示。频散值较低(即，板波)时，换能器的位移较大，这是因为频散值较低时发射的超声波的波长较长。曲线图上与虚线880、885、890、895交叉的发射的超声波的波长(l)分别为：l＝10mm；l＝4.9mm；l＝2.16mm；l＝1.55mm。

例如，对于第一模式反对称波860A，570kHz处的“板”波的波长为10mm，而二阶反对称波860B(频率略微移动至更高的频率处)的波长也为10mm。可看到，相比之下，一阶波860A的相速度较慢，大约为2000m/s，而二阶波相速度较快，大约为8000m/s。

举例来说，频率较高的超声波870、875的波长(较短，分别为2.16mm和1.55mm)接近一般水滴的直径(几毫米)。因此，由于强模式转换，这些波更适合使液滴喷雾。相反，频率较低的超声波860A(其波长较长，为10mm)的模式转换非常弱(如果有的话)，因此不适合使液滴喷雾，但可适合仅使液滴振动。当然，使液滴雾化与振动之间将存在“中间”频率组，其将使得较低频率的非常弱的模式转换与较高频率的强烈模式转换之间存在一定水平的模式转换。该曲线图有助于精确地找到最适合清除窗口的水滴或切削液的频率。

参考图9A和图9B描述了多模式换能器以及相关电路的实施例。

参考图9A，换能器(其可以是多个换能器的其中之一)包括位于例如如图2所示的压电基板上的多个电极210。每一个电极210通过连接器960连接至开关电路940的多个二进制开关941中的相应一个。所有开关均连接至频率发生器925的输出926。模式控制器930控制频率发生器和开关电路。模式控制器控制施加至开关941的输出信号的频率。模式控制器还选择那些开关导通以及那些开关非导通，从而选择接收输出信号的一组电极210。模式控制器通过例如将二进制信号施加至它们的控制输入942而控制开关。频率与选择接收输出信号的电极组的组合限定了选择的换能器的工作模式，如上所述。

图9B与图9A的不同之处在于，在图9A中浮置的电极211接收频率发生器的相位变换了180度的输出信号。出于此目的，频率发生器进一步具有输出926+180和附加开关电路940-，该附加开关电路在模式控制器930的控制下选择其它电极211，该模式控制器具有用于控制附加开关电路940-的附加控制端口943。因此，图9B中的***可选择换能器的任何电极来接收信号926或相位变换180度的信号926。

此外，频率发生器可包括脉冲发生器，其以所需的标示间隔(mark-space)比使输出信号926脉冲通断，从而减少对换能器的加热。控制器930可控制使输出信号926的脉冲。可根据传感器T测量的换能器的温度来控制脉冲。

操作者(例如，机床操作者)可手动地选择模式，如以上参考图7描述的那样。

可利用检测窗口上的切削液的量的检测器970来自动选择模式，如以上参考图7描述的那样。

图10A和图10B示意性地图示了本发明的安装在机床上的清除设备。

图10A中的实例示出了机床1000，其具有包含机床窗口1030的保护外壳H。图10B示出了多个换能器1010，其附接至位于外壳内侧的窗口的周边区域。换能器受驱动以发射超声波1020，其耦合至窗口表面并横穿窗口表面传播。在本实例中，传播方向为与换能器电极垂直的方向。根据本文描述的方法，例如通过振动、推动和/或雾化，可清除窗口表面上的液滴1040。换能器可沿窗口的边缘以线性方式布置，以便超声波可横穿整个窗口表面传播。换能器的附接位置允许从窗口表面的任何区域清除液滴。换能器附接至窗口以允许机床操作者清楚地透过窗口进行观察。在所示的实例中，换能器附接在窗口顶部。该换能器也可以处于窗口周边的其它位置。

图10B通过实例示出了附接至窗口的多个换能器的充当发射器的一个或多个换能器1010，和充当接收器的一个或多个其它换能器1070。发射的超声波1020横穿窗口传播并被换能器1070接收。因此，可检测到存在切削液。然后，窗口上的液滴被自动清除，如以上所描述的那样。上文描述的实例提供了一种清除窗口表面的切削液液滴的稳健方法。具有许多电极的换能器与选择不同电极组合和工作频率的组合允许宽泛地选择工作模式。可自动选择模式。在本文描述的实例中，可将单个换能器动态地配置成分别以五种不同的频率发射超声波。然而应理解，此外或替代地，可选择更多频率。

选择工作模式允许选择从换能器发射的超声波的大部分能量传播通过可存在切削液液滴的窗口表面的模式。这允许有效地除去液滴从而清洁窗口表面。

以上描述的本发明的实例允许使用比转盘大得多的窗口。与转盘不同，该实例不具有机械活动部件。

由于窗口是固定的(即，其不会旋转)，因此以上描述的本发明的实例允许更简单地将窗口密封至机床外壳。

窗口可具有任何合适的形状。

可将设备设置成仅以单种工作模式工作，例如振动或推动。替代地，可将设备设置成以两种工作模式工作，例如振动和推动，这两种模式是连续使用的。

上述描述仅用于对描述的原理的实例进行说明和描述。该描述并非意在穷举本公开或将这些原理限制于所公开的任何精确形式。根据以上教导，能够进行许多修改或变化。

Claims (34)

1.一种包括机床的窗口和用于从所述机床的窗口清除切削液液滴的设备的***，所述设备包括：

一个或多个换能器，耦接至所述窗口，能够操作所述一个或多个换能器中的每一个以在所述窗口内生成超声波；以及

发生器，用于向所述一个或多个换能器提供超声驱动信号；

因此，在所述***工作时，利用超声清除所述窗口的所述切削液液滴。

2.根据权利要求1所述的***，其中，

能够操作所述换能器的每一个以在所述窗口内以多个不同频率和波型中任意选择的一个生成超声波；且

能够操作所述发生器以针对所述多个不同频率向所述换能器提供超声驱动信号；且

所述***进一步包括模式控制器，用于将所述发生器和所述换能器配置成生成具有从所述多个不同频率和波型中任意选择的频率和波型的超声波。

3.根据权利要求2所述的***，其中，所述多个不同频率在200kHz至4MHz的频率范围内。

4.根据权利要求2或3所述的***，其中，每一个所述换能器具有多个电极，且能够操作所述模式控制器以选择所述换能器的电极的不同电极组，从而生成具有不同频率和波型的超声波。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述频率发生器被配置成生成频率不同的同相信号和频率相同但相位变换180度的信号，且能够操作所述模式控制器以将所述发生器配置成产生具有所选频率的信号和相位变换180度的相同信号，且能够操作所述模式控制器以将所述换能器的电极配置成使得一组电极接收相位变换180度的信号，而另一组电极接收同相信号。

6.根据权利要求4或5所述的***，其中，所述模式控制器包括用于选择频率和波型的模式选择器，以及用于选择不同电极组的开关电路。

7.根据权利要求4、5或6所述的***，其中，能够操作所述模式控制器以选择所述换能器的不同电极组，以便以a)在220kHz+/-50kHz范围内选择的频率、b)在570kHz+/-50kHz范围内选择的频率、c)在1.39MHz+/-100kHz范围内选择的频率、d)在2MHz+/-100kHz范围内选择的频率以及e)在3.1MHz+/-100kHz范围内选择的频率生成超声波。

8.根据权利要求3、4、5、6或7所述的设备，其中，所述模式控制器被设置成通过选择一组电极将所述换能器配置成以特定频率工作，该一组电极根据具有该频率的波的波长以一距离间隔开。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的***，其中，所述波型包括表面声波、瑞利波、兰姆波和板波。

10.根据权利要求9所述的***，其中，能够操作所述模式控制器以将所述发生器和所述换能器配置成产生频率在2.5MHz或更高的范围内的波。

11.根据权利要求9或10所述的***，其中，能够操作所述模式控制器以将所述发生器和所述换能器配置成产生频率在1MHz至2.5MHz的范围内的波。

12.根据权利要求9、10或11所述的***，其中，能够操作所述模式控制器以将所述发生器和所述换能器配置成产生频率在100kHz至1MHz的范围内的波。

13.根据权利要求2至12中任一项所述的***，其中，能够操作所述模式控制器以将所述换能器和所述发生器配置成以多个选择的频率和波型中的不同的频率和波型连续地工作。

14.根据权利要求13所述的***，其中，能够操作所述模式控制器以使所述发生器和所述换能器从一种配置变为另一种配置，其中在配置之间存在延时。

15.根据权利要求14所述的***，其中，所述延时在1至10微秒的范围内。

16.根据前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述发生器被设置成以脉冲形式将超声驱动信号施加至所述换能器。

17.根据权利要求2至16中任一项所述的***，进一步包括：

控制***，具有检测器，所述检测器被设置成感测由所述换能器的一个或多个发出的超声波从而检测所述窗口上的波衰弱量；

其中，所述模式选择器响应于所述检测器，根据所检测的衰弱量而选择所述发生器和所述换能器的配置。

18.根据前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述换能器或换能器中的每个具有二十八个电极，每一个电极的宽度为0.4毫米，且这些电极的每个电极之间的间隙为0.1毫米。

19.根据前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述一个或多个换能器固定至所述窗口的表面，在工作时，所述窗口位于所述机床内侧。

20.根据前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述窗口由钢化玻璃制成。

21.根据前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述一个或多个换能器固定至所述窗口的表面的周边区域。

22.根据权利要求21所述的***，其中，多个所述换能器沿所述窗口的周边区域以条状形式固定至所述窗口。

23.根据权利要求19至22中任一项所述的***，其中，所述窗口在当工作时位于所述机床内侧的表面上涂覆有涂层，该涂层用于排斥切削液。

24.根据权利要求23所述的***，其中，所述涂层是抗磨损的。

25.根据前述权利要求中任一项所述的***，所述***包括多个所述换能器。

26.一种包括根据权利要求1至25中任一项所述的***的机床。

27.一种从机床窗口的窗口清除切削液的方法，所述方法包括利用耦接至所述窗口的一个或多个超声的换能器在所述窗口内生成超声波。

28.根据权利要求27所述的方法，利用权利要求2所述的设备或利用当从属于权利要求2时的权利要求3至21中任一项所述的设备来清除机床的窗口的切削液，所述方法包括：

选择超声波的波型和相应频率，

使所述发生器生成具有所选择的频率的驱动信号，以及

将所述一个或多个换能器中的每一个配置成以所选择的频率工作并产生所选择的波型。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述一个或多个换能器中的每一个包括多个电极，且将所述一个或多个换能器中的每一个配置成利用所选择的波型以所选择的频率工作的步骤包括选择所述换能器的一电极组，并将具有所选择的频率的驱动信号施加至所选择的电极组。

30.根据权利要求28或29所述的方法，包括利用一种选择的频率和波型使所述窗口的表面上的切削液的液滴振动，和/或利用另一种频率和波型推动液滴横穿所述窗口的表面，和/或利用又一种频率和波型使所述窗口的表面上的液滴雾化。

31.根据权利要求28、29或30所述的方法，其中，以脉冲形式将超声驱动信号提供给所述一个或多个换能器中的每一个。

32.根据权利要求28、29、30或31所述的方法，进一步包括在不同频率和波型之间动态地切换。

33.根据权利要求32所述的方法，包括在频率切换之间应用1至10微秒的延时。

34.根据权利要求28至33中任一项所述的方法，其中，所述超声波基本上仅从所述窗口的表面传播穿过所述窗口的表面区域至小于3毫米的深度处。