專利名稱：局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成方法及生成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)行波的生成方法，尤其涉及一種局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成方法。
背景技術(shù)：
固體中的超聲旋轉(zhuǎn)行波在壓電精密驅(qū)動以及微納米物體操縱等方面有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用和良好的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)上，固體中的超聲旋轉(zhuǎn)行波通過對具有正弦相和余弦相的壓電圓環(huán)進(jìn)行勵(lì)振而獲得，即把壓電圓環(huán)按行波的1/4波長分割成數(shù)段；按正弦相和余弦相在空間上相差90°的原則把這些壓電段分成正弦相和余弦相；把時(shí)間上相差90°幅值相同的兩個(gè)交流電壓施加到正弦相和余弦相，在壓電圓環(huán)中得到超聲旋轉(zhuǎn)行波。在該方法中，由于必須進(jìn)行雙相電氣驅(qū)動，相關(guān)器件的壓電勵(lì)振機(jī)構(gòu)和驅(qū)動電源的進(jìn)一步小(微)型化及其成本的進(jìn)一步下降受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有超聲旋轉(zhuǎn)行波生成方法所具有的必須雙相電氣驅(qū)動的不足，提供一種局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成方法及生成裝置，可通過單相勵(lì)振產(chǎn)生局部超聲旋轉(zhuǎn)行波。本發(fā)明的局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成方法，對一條狀薄板靠近其一端的位置進(jìn)行勵(lì)振，在所述條狀薄板中激勵(lì)起相對于條狀薄板的中心軸不對稱的彎曲振動模態(tài)；在條狀薄板的中心軸上靠近另一端的位置，存在振動節(jié)點(diǎn)；條狀薄板中以所述振動節(jié)點(diǎn)為中心的部分扇形區(qū)域上生成局部超聲旋轉(zhuǎn)行波。所述以振動節(jié)點(diǎn)為中心的部分扇形區(qū)域通過測量確定或者利用有限元計(jì)算確定。本發(fā)明的局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成裝置包括一條狀薄板及安裝在該條狀薄板上靠近其一端的勵(lì)振元件，所述勵(lì)振元件可在所述條狀薄板中激勵(lì)起相對于條狀薄板的中心軸不對稱的彎曲振動模態(tài)。本發(fā)明中，所述條狀薄板可以為厚度均勻的條狀薄板；也可為一端厚、另一端薄的條狀楔形薄板。本發(fā)明優(yōu)選條狀楔形薄板，對楔形薄板靠近其較厚一端的位置進(jìn)行勵(lì)振，可以增加超聲旋轉(zhuǎn)行波的幅值。更優(yōu)地，所述條狀楔形薄板一端至另一端的厚度呈線性變化或者呈二次或二次以上曲線規(guī)律變化。利用測量設(shè)備(例如激光振動儀)對由本發(fā)明方法在條狀薄板中產(chǎn)生的彎曲振動的相位和幅值進(jìn)行了測量。測量結(jié)果表明在條狀薄板的中心軸上靠近另一端的位置上，視條形薄板的寬度，會存在著一個(gè)或者多個(gè)振動節(jié)點(diǎn)；在這些振動節(jié)點(diǎn)的附近，存在著兩個(gè)反相的面外彎曲振動區(qū)域。以這些振動節(jié)點(diǎn)為中心作一系列的同心圓，分別測量各同心圓上的面外振動，結(jié)果表明在每一同心圓和反相彎曲振動區(qū)域交界線的兩個(gè)交點(diǎn)附近，面外振動相位隨周向位置呈現(xiàn)線性變化的規(guī)律。因而在這兩個(gè)交點(diǎn)附近，存在著局部周向超聲行波。實(shí)驗(yàn)測量進(jìn)一步表明在這些區(qū)域中，面外振動相位隨周向位置變化的斜率呈現(xiàn)相同的符號。因而這些局部周向超聲行波對于圓周具有相同的運(yùn)動方向(都為順時(shí)針方向或都為逆時(shí)針方向)，亦即在條狀薄板中以所述振動節(jié)點(diǎn)為中心的部分扇形區(qū)域上生成了局部超聲旋轉(zhuǎn)行波。本發(fā)明通過對條狀薄板靠近其一端的位置進(jìn)行勵(lì)振，在條狀薄板中激勵(lì)起相對于條狀薄板的中心軸不對稱的彎曲振動模態(tài)，在條狀薄板靠近另一端的部分區(qū)域產(chǎn)生了局部超聲旋轉(zhuǎn)行波。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過單相勵(lì)振即可在局部區(qū)域生成超聲旋轉(zhuǎn)行波，簡化了整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)，降低了實(shí)現(xiàn)成本。


圖1為本發(fā)明的局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成裝置的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖 a為俯視圖，圖b為左視圖；圖中1為條狀薄板，2、5為壓電片(組)，3為振動節(jié)點(diǎn)，4為以振動節(jié)點(diǎn)3為中心的一組同心圓，6為壓電片(組)的表面電極，7為條狀薄板的根部，8為條狀薄板的中心軸，9和10分別為壓電片(組)2、5的極化方向；
圖2為實(shí)施例1的振動節(jié)點(diǎn)附近的振動位移相位在以該振動節(jié)點(diǎn)為中心的圓上的分布情況；
圖3為本發(fā)明的局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成裝置的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖a為俯視圖，圖b為左視圖；圖中11為條狀楔形薄板，13為壓電片(組)，14為振動節(jié)點(diǎn)，15為以振動節(jié)點(diǎn)14為中心的一組同心圓，16為條狀楔形薄板的端部，17為條狀楔形薄板的中心軸，18為壓電片(組)13的電極；
圖4為實(shí)施例2的振動節(jié)點(diǎn)附近的振動位移相位在以該振動節(jié)點(diǎn)為中心的圓上的分布情況。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明
本發(fā)明的局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成裝置包括一條狀薄板及安裝在該條狀薄板上靠近其一端(為方便起見，以下稱為根部)的勵(lì)振元件，所述勵(lì)振元件可在所述條狀薄板中激勵(lì)起相對于條狀薄板的中心軸不對稱的彎曲振動模態(tài)。當(dāng)勵(lì)振元件在條狀薄板中激勵(lì)起相對于條狀薄板的中心軸不對稱的彎曲振動模態(tài)時(shí)，在條狀薄板的中心軸上靠近另一端(為方便起見，以下稱為端部)的位置，存在振動節(jié)點(diǎn)；條狀薄板中以所述振動節(jié)點(diǎn)為中心的部分扇形區(qū)域上生成局部超聲旋轉(zhuǎn)行波。為便于公眾理解，下面以最常用的壓電片(組)作為本發(fā)明的勵(lì)振元件來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。實(shí)施例1、
本實(shí)施例中的裝置結(jié)構(gòu)如附圖1所示，其中a為俯視圖，b為左視圖。本實(shí)施例中采用厚度均勻的長條狀黃銅薄板1，其尺寸為35 mm(長)X6 mm(寬)X0. 36 mm(厚)。在長條狀黃銅薄板1其中一端的同一面粘結(jié)有兩片尺寸性能相同的長條形壓電片2、5，壓電片2、 5以長條狀黃銅薄板1的中心軸8對稱，壓電片2、5的尺寸是5 mm(長)X2. 5mm(寬)X 1 mm(厚)，在厚度方向被極化。壓電片2的極化方向指向長條形黃銅薄板1，壓電片5的極化方向指離黃銅薄板1。當(dāng)頻率為90. 7kHz的交流電壓被加到長條形壓電片2、5的表面電極6和長條形黃銅薄板1之間時(shí)，通過測量或者有限元計(jì)算可知在長條形黃銅薄板1的中心軸8上離其端部7的距離為5mm處存在振動節(jié)點(diǎn)3 ；在以振動節(jié)點(diǎn)3為中心的一系列同心圓4上，存在著對于圓周具有相同方向的局部超聲旋轉(zhuǎn)行波。圖2示出的是由測量或計(jì)算獲得的在半徑分別為0.5mm和0.77mm的圓上薄板面外振動的相位角和振動點(diǎn)位置角θ之間的關(guān)系，振動點(diǎn)位置角度θ的定義如圖2所示。在位置角θ = 90°和270°附近，振動相位角隨位置角線性變化，因而在θ = 90°和270°附近，存在局部超聲旋轉(zhuǎn)行波；在位置角θ = 90° 和270°附近，振動相位角隨位置角線性變化的斜率具有相同的符號(均為負(fù)值)，因而位置角θ =90°和270°附近的兩個(gè)局部行波具有相同的行進(jìn)方向。也就是說，在以振動節(jié)點(diǎn) 3為中心、位置角分別為90°和270°左右，存在兩個(gè)扇形區(qū)域，在該區(qū)域中產(chǎn)生了局部超聲旋轉(zhuǎn)行波。實(shí)施例2、
本實(shí)施例中的裝置結(jié)構(gòu)如附圖3所示，其中a為俯視圖，b為左視圖。本實(shí)施例中條狀薄板采用一端厚、另一端薄的長條狀楔形鋁板11，其尺寸是35 mm(長)X6 mm(寬)，其根部的厚度為3mm。勵(lì)振元件采用一片長條形壓電片13，其尺寸是5 mm(長)X2. 5mm(寬)X 1 mm(厚)，在厚度方向被極化，如圖所示，被粘結(jié)在長條形楔形鋁板11的根部的一側(cè)。當(dāng)頻率為104kHz的交流電壓被加到長條形壓電片13的表面電極18和長條形楔形鋁板11之間時(shí)，實(shí)驗(yàn)測量表明在長條形楔形鋁板的中心軸17距離其端部(16) 4mm處存在振動節(jié)點(diǎn)14 ；在以振動節(jié)點(diǎn)14為中心的一系列圓15上，存在著對于圓周具有相同方向的局部超聲旋轉(zhuǎn)行波。圖4示出的是由實(shí)驗(yàn)測得的在半徑分別為0. 6mm、1. 4mm和2. mm的圓上薄板面外振動的相位角和振動點(diǎn)位置角度θ之間的關(guān)系，其中振動點(diǎn)位置角θ的定義如圖4所示。在位置角θ = 60°和對0°附近，振動相位角隨位置角線性變化，因而在于Θ = 60°和對0°附近，存在局部超聲旋轉(zhuǎn)行波；在位置角θ = 60°和對0°附近，振動相位角隨位置角線性變化的斜率具有相同的符號(均為負(fù)值)，因而位置角θ = 60°和 240°附近的兩個(gè)局部行波具有相同的行進(jìn)方向。即在位置角θ = 60°和對0°附近的兩個(gè)扇形區(qū)域中產(chǎn)生了超聲旋轉(zhuǎn)行波。為了便于理解，上述兩個(gè)實(shí)施例中勵(lì)振元件采用了壓電片。實(shí)際上，也可以將壓電片替換為朗之文(Langevin)超聲換能器，將朗之文超聲換能器的端部振動面固定在所述條狀薄板一端的頂面或底面(例如通過焊接或螺桿固定)，從而實(shí)現(xiàn)對條狀薄板的勵(lì)振。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚不論采用何種具體的勵(lì)振方式，只要能在上述條狀薄板中激勵(lì)起相對于條狀薄板的中心軸不對稱的彎曲振動模態(tài)，即可產(chǎn)生局部超聲旋轉(zhuǎn)行波。對于某一具體結(jié)構(gòu)的本發(fā)明裝置，可通過測量或者有限元計(jì)算來確定局部超聲旋轉(zhuǎn)行波產(chǎn)生的具體部位。相比利用雙相勵(lì)振在壓電圓環(huán)中激勵(lì)出超聲旋轉(zhuǎn)行波的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明只需要單相勵(lì)振即可實(shí)現(xiàn)，從而簡化了勵(lì)振結(jié)構(gòu)；另外，相比壓電圓環(huán)，條狀薄板的結(jié)構(gòu)更為簡單， 制造成本更低。因此，本發(fā)明在壓電精密驅(qū)動以及微納米物體操縱等方面具有良好的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成方法，其特征在于，對一條狀薄板靠近其一端的位置進(jìn)行勵(lì)振，在所述條狀薄板中激勵(lì)起相對于條狀薄板的中心軸不對稱的彎曲振動模態(tài)；在條狀薄板的中心軸上靠近另一端的位置，存在振動節(jié)點(diǎn)；條狀薄板中以所述振動節(jié)點(diǎn)為中心的部分扇形區(qū)域上生成局部超聲旋轉(zhuǎn)行波。
2.如權(quán)利要求1所述部旋轉(zhuǎn)行波的生成方法，其特征在于，所述以振動節(jié)點(diǎn)為中心的部分扇形區(qū)域通過測量確定或者利用有限元計(jì)算確定。
3.如權(quán)利要求1所述局部旋轉(zhuǎn)行波的生成方法，其特征在于，所述條狀薄板為一端厚、 另一端薄的條狀楔形薄板；對該條狀楔形薄板靠近其較厚一端的位置進(jìn)行勵(lì)振。
4.一種局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成裝置，其特征在于，該裝置包括一條狀薄板及安裝在該條狀薄板上靠近其一端的勵(lì)振元件，所述勵(lì)振元件可在所述條狀薄板中激勵(lì)起相對于條狀薄板的中心軸不對稱的彎曲振動模態(tài)。
5.如權(quán)利要求4所述局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成裝置，其特征在于，所述條狀薄板的厚度均勻。
6.如權(quán)利要求4所述局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成裝置，其特征在于，所述條狀薄板為一端厚、另一端薄的楔形板，所述勵(lì)振元件安裝于該楔形板上靠近其較厚一端的位置。
7.如權(quán)利要求4所述局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成裝置，其特征在于，所述勵(lì)振元件為至少一片壓電片。
8.如權(quán)利要求7所述局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成裝置，其特征在于，所述壓電片為兩片， 其尺寸性能相同，均固定于條狀薄板同一端的頂面或底面，并以所述條狀薄板的中心軸對稱；兩片壓電片的極化方向均垂直于固定面，且相互之間方向相反。
9.如權(quán)利要求7所述局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成裝置，其特征在于，所述壓電片為一片，固定在條狀薄板一端的頂面或底面，且位于條狀薄板中心軸的一側(cè)；其極化方向垂直于固定面。
10.如權(quán)利要求4所述局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成裝置，其特征在于，所述勵(lì)振元件為朗之文超聲換能器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成方法。該方法對一條狀薄板靠近其一端的位置進(jìn)行勵(lì)振，在所述條狀薄板中激勵(lì)起相對于條狀薄板的中心軸不對稱的彎曲振動模態(tài)；在條狀薄板的中心軸上靠近另一端的位置，存在振動節(jié)點(diǎn)；條狀薄板中以所述振動節(jié)點(diǎn)為中心的部分扇形區(qū)域上生成局部超聲旋轉(zhuǎn)行波。本發(fā)明還公開了一種局部超聲旋轉(zhuǎn)行波的生成裝置，包括一條狀薄板及安裝在該條狀薄板上靠近其一端的勵(lì)振元件，所述勵(lì)振元件可在所述條狀薄板中激勵(lì)起相對于條狀薄板的中心軸不對稱的彎曲振動模態(tài)。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過單相勵(lì)振即可在局部區(qū)域生成超聲旋轉(zhuǎn)行波，簡化了整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)，降低了實(shí)現(xiàn)成本。
文檔編號B06B1/06GK102319665SQ20111021745
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月1日
發(fā)明者胡俊輝 申請人:南京航空航天大學(xué)