局部超声旋转行波的生成方法及生成装置

摘要

本发明公开了一种局部超声旋转行波的生成方法。该方法对一条状薄板靠近其一端的位置进行励振，在所述条状薄板中激励起相对于条状薄板的中心轴不对称的弯曲振动模态；在条状薄板的中心轴上靠近另一端的位置，存在振动节点；条状薄板中以所述振动节点为中心的部分扇形区域上生成局部超声旋转行波。本发明还公开了一种局部超声旋转行波的生成装置，包括一条状薄板及安装在该条状薄板上靠近其一端的励振元件，所述励振元件可在所述条状薄板中激励起相对于条状薄板的中心轴不对称的弯曲振动模态。相比现有技术，本发明通过单相励振即可在局部区域生成超声旋转行波，简化了整个装置的结构，降低了实现成本。

权利要求

1.一种局部超声旋转行波的生成方法，其特征在于，对一条状薄板靠近其一端的位置进行励振，在所述条状薄板中激励起相对于条状薄板的中心轴不对称的弯曲振动模态；在条状薄板的中心轴上靠近另一端的位置，存在振动节点；条状薄板中以所述振动节点为中心的部分扇形区域上生成局部超声旋转行波。

2.如权利要求1所述局部超声旋转行波的生成方法，其特征在于，所述以振动节点为中心的部分扇形区域通过测量确定或者利用有限元计算确定。

3.如权利要求1所述局部超声旋转行波的生成方法，其特征在于，所述条状薄板为一端厚、另一端薄的条状楔形薄板；对该条状楔形薄板靠近其较厚一端的位置进行励振。

4.一种局部超声旋转行波的生成装置，其特征在于，该装置包括一条状薄板及安装在该条状薄板上靠近其一端的励振元件，所述励振元件可在所述条状薄板中激励起相对于条状薄板的中心轴不对称的弯曲振动模态。

5.如权利要求4所述局部超声旋转行波的生成装置，其特征在于，所述条状薄板的厚度均匀。

6.如权利要求4所述局部超声旋转行波的生成装置，其特征在于，所述条状薄板为一端厚、另一端薄的楔形板，所述励振元件安装于该楔形板上靠近其较厚一端的位置。

7.如权利要求4所述局部超声旋转行波的生成装置，其特征在于，所述励振元件为至少一片压电片。

8.如权利要求7所述局部超声旋转行波的生成装置，其特征在于，所述压电片为两片，其尺寸性能相同，均固定于条状薄板同一端的顶面或底面，并以所述条状薄板的中心轴对称；两片压电片的极化方向均垂直于固定面，且相互之间方向相反。

9.如权利要求7所述局部超声旋转行波的生成装置，其特征在于，所述压电片为一片，固定在条状薄板一端的顶面或底面，且位于条状薄板中心轴的一侧；其极化方向垂直于固定面。

10.如权利要求4所述局部超声旋转行波的生成装置，其特征在于，所述励振元件为朗之文超声换能器。

说明书

局部超声旋转行波的生成方法及生成装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种旋转行波的生成方法，尤其涉及一种局部超声旋转行波的生成方法。

背景技术

[0002] 固体中的超声旋转行波在压电精密驱动以及微纳米物体操纵等方面有现实的应用和良好的应用前景。传统上，固体中的超声旋转行波通过对具有正弦相和余弦相的压电圆环进行励振而获得，即把压电圆环按行波的1/4波长分割成数段；按正弦相和余弦相在空间上相差90°的原则把这些压电段分成正弦相和余弦相；把时间上相差90°幅值相同的两个交流电压施加到正弦相和余弦相，在压电圆环中得到超声旋转行波。在该方法中，由于必须进行双相电气驱动，相关器件的压电励振机构和驱动电源的进一步小（微）型化及其成本的进一步下降受到限制。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有超声旋转行波生成方法所具有的必须双相电气驱动的不足，提供一种局部超声旋转行波的生成方法及生成装置，可通过单相励振产生局部超声旋转行波。

[0004] 本发明的局部超声旋转行波的生成方法，对一条状薄板靠近其一端的位置进行励振，在所述条状薄板中激励起相对于条状薄板的中心轴不对称的弯曲振动模态；在条状薄板的中心轴上靠近另一端的位置，存在振动节点；条状薄板中以所述振动节点为中心的部分扇形区域上生成局部超声旋转行波。

[0005] 所述以振动节点为中心的部分扇形区域通过测量确定或者利用有限元计算确定。

[0006] 本发明的局部超声旋转行波的生成装置包括一条状薄板及安装在该条状薄板上靠近其一端的励振元件，所述励振元件可在所述条状薄板中激励起相对于条状薄板的中心轴不对称的弯曲振动模态。

[0007] 本发明中，所述条状薄板可以为厚度均匀的条状薄板；也可为一端厚、另一端薄的条状楔形薄板。本发明优选条状楔形薄板，对楔形薄板靠近其较厚一端的位置进行励振，可以增加超声旋转行波的幅值。更优地，所述条状楔形薄板一端至另一端的厚度呈线性变化或者呈二次或二次以上曲线规律变化。

[0008] 利用测量设备（例如激光振动仪）对由本发明方法在条状薄板中产生的弯曲振动的相位和幅值进行了测量。测量结果表明：在条状薄板的中心轴上靠近另一端的位置上，视条形薄板的宽度，会存在着一个或者多个振动节点；在这些振动节点的附近，存在着两个反相的面外弯曲振动区域。以这些振动节点为中心作一系列的同心圆，分别测量各同心圆上的面外振动，结果表明：在每一同心圆和反相弯曲振动区域交界线的两个交点附近，面外振动相位随周向位置呈现线性变化的规律。因而在这两个交点附近，存在着局部周向超声行波。实验测量进一步表明：在这些区域中，面外振动相位随周向位置变化的斜率呈现相同的符号。因而这些局部周向超声行波对于圆周具有相同的运动方向（都为顺时针方向或都为逆时针方向），亦即在条状薄板中以所述振动节点为中心的部分扇形区域上生成了局部超声旋转行波。

[0009] 本发明通过对条状薄板靠近其一端的位置进行励振，在条状薄板中激励起相对于条状薄板的中心轴不对称的弯曲振动模态，在条状薄板靠近另一端的部分区域产生了局部超声旋转行波。相比现有技术，本发明通过单相励振即可在局部区域生成超声旋转行波，简化了整个装置的结构，降低了实现成本。

附图说明

[0010] 图1为本发明的局部超声旋转行波的生成装置的实施例1的结构示意图；其中图a为俯视图，图b为左视图；图中1为条状薄板，2、5为压电片（组），3为振动节点，4为以振动节点3为中心的一组同心圆，6为压电片（组）的表面电极，7为条状薄板的根部，8为条状薄板的中心轴，9和10分别为压电片（组）2、5的极化方向；

[0011] 图2为实施例1的振动节点附近的振动位移相位在以该振动节点为中心的圆上的分布情况；

[0012] 图3为本发明的局部超声旋转行波的生成装置的实施例2 的结构示意图；其中图a为俯视图，图b为左视图；图中11为条状楔形薄板，13为压电片（组），14为振动节点，15为以振动节点14为中心的一组同心圆，16为条状楔形薄板的端部，17为条状楔形薄板的中心轴，18为压电片（组）13的电极；

[0013] 图4为实施例2的振动节点附近的振动位移相位在以该振动节点为中心的圆上的分布情况。

具体实施方式

[0014] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

[0015] 本发明的局部超声旋转行波的生成装置包括一条状薄板及安装在该条状薄板上靠近其一端（为方便起见，以下称为根部）的励振元件，所述励振元件可在所述条状薄板中激励起相对于条状薄板的中心轴不对称的弯曲振动模态。当励振元件在条状薄板中激励起相对于条状薄板的中心轴不对称的弯曲振动模态时，在条状薄板的中心轴上靠近另一端（为方便起见，以下称为端部）的位置，存在振动节点；条状薄板中以所述振动节点为中心的部分扇形区域上生成局部超声旋转行波。为便于公众理解，下面以最常用的压电片（组）作为本发明的励振元件来进一步说明本发明的技术方案。

[0016] 实施例1、

[0017] 本实施例中的装置结构如附图1所示，其中a为俯视图，b为左视图。本实施例中采用厚度均匀的长条状黄铜薄板1，其尺寸为35 mm(长)×6 mm(宽)×0.36 mm(厚)。在长条状黄铜薄板1其中一端的同一面粘结有两片尺寸性能相同的长条形压电片2、5，压电片2、5以长条状黄铜薄板1的中心轴8对称，压电片2、5的尺寸是5 mm(长)×2.5mm(宽)×1 mm(厚),在厚度方向被极化。压电片2的极化方向指向长条形黄铜薄板1，压电片5的极化方向指离黄铜薄板1。

[0018] 当频率为90.7kHz的交流电压被加到长条形压电片2、5的表面电极6和长条形黄铜薄板1之间时，通过测量或者有限元计算可知：在长条形黄铜薄板1的中心轴8上离其端部7的距离为5mm处存在振动节点3；在以振动节点3为中心的一系列同心圆4上，存在着对于圆周具有相同方向的局部超声旋转行波。图2示出的是由测量或计算获得的在半径分别为0.5mm和 0.77mm的圆上薄板面外振动的相位角和振动点位置角θ之间的关系，振动点位置角度θ的定义如图2所示。在位置角θ = 90°和270°附近，振动相位角随位置角线性变化，因而在θ = 90°和270°附近，存在局部超声旋转行波；在位置角θ = 90°和270°附近，振动相位角随位置角线性变化的斜率具有相同的符号（均为负值），因而位置角θ = 90°和270°附近的两个局部行波具有相同的行进方向。也就是说，在以振动节点3为中心、位置角分别为90°和270°左右，存在两个扇形区域，在该区域中产生了局部超声旋转行波。

[0019] 实施例2、

[0020] 本实施例中的装置结构如附图3所示，其中a为俯视图，b为左视图。本实施例中条状薄板采用一端厚、另一端薄的长条状楔形铝板11，其尺寸是35 mm(长)×6 mm(宽)，其根部的厚度为3mm。励振元件采用一片长条形压电片13，其尺寸是5 mm(长)×2.5mm(宽)×1 mm(厚)，在厚度方向被极化，如图所示，被粘结在长条形楔形铝板11的根部的一侧。

[0021] 当频率为104kHz的交流电压被加到长条形压电片13的表面电极18和长条形楔形铝板11之间时， 实验测量表明：在长条形楔形铝板的中心轴17距离其端部（16）4mm处存在振动节点14；在以振动节点14为中心的一系列圆15上，存在着对于圆周具有相同方向的局部超声旋转行波。图4示出的是由实验测得的在半径分别为0.6mm、1.4mm和2.mm的圆上薄板面外振动的相位角和振动点位置角度θ之间的关系，其中振动点位置角θ的定义如图4所示。在位置角θ = 60°和240°附近， 振动相位角随位置角线性变化，因而在于θ= 60°和240°附近，存在局部超声旋转行波；在位置角θ = 60°和240°附近， 振动相位角随位置角线性变化的斜率具有相同的符号（均为负值），因而位置角θ = 60°和240°附近的两个局部行波具有相同的行进方向。即在位置角θ = 60°和240°附近的两个扇形区域中产生了超声旋转行波。

[0022] 为了便于理解，上述两个实施例中励振元件采用了压电片。实际上，也可以将压电片替换为朗之文（Langevin）超声换能器，将朗之文超声换能器的端部振动面固定在所述条状薄板一端的顶面或底面（例如通过焊接或螺杆固定），从而实现对条状薄板的励振。本领域技术人员应当清楚：不论采用何种具体的励振方式，只要能在上述条状薄板中激励起相对于条状薄板的中心轴不对称的弯曲振动模态，即可产生局部超声旋转行波。对于某一具体结构的本发明装置，可通过测量或者有限元计算来确定局部超声旋转行波产生的具体部位。

[0023] 相比利用双相励振在压电圆环中激励出超声旋转行波的现有技术，本发明只需要单相励振即可实现，从而简化了励振结构；另外，相比压电圆环，条状薄板的结构更为简单，制造成本更低。因此，本发明在压电精密驱动以及微纳米物体操纵等方面具有良好的应用前景。