CN102283617B - 基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器及其方法 - Google Patents

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本发明涉及基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器及其方法，属于超声波利用技术领域。该超声吸尘器包括由顶面（9）、底面（10）、侧面组成的超声吸尘器腔体（1）；还包括至少一组双晶片悬臂梁，每组双晶片悬臂梁由一个固定于顶面（9）的金属薄片（2）和分别贴于金属薄片两面的压电晶片（2）组成；每组双晶片悬臂梁相互平行，且具有相同或非常相近的共振频率；底面（10）上设有吸尘口（4）。本发明利用设置在吸尘口上方的压电双晶片悬臂梁的端部所产生的超声近场，把吸尘口附近的灰尘吸入腔体内。本发明具有结构紧凑、重量轻、体积小和能量利用率高的优点，吸尘口附近的超声波对被除尘面还能起到杀菌的效果。

Description

基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器及其方法
技术领域
本发明中涉及利用近场超声进行吸尘的技术。
背景技术
传统吸尘器需利用旋转电磁马达驱动空气泵，以形成真空或气旋进而吸取灰尘。由于需要采用旋转部件并带动大量的空气流动，传统吸尘器在结构紧凑性、轻量化和能量利用率方面很难得到进一步的改进。为解决这些问题，必须使用结构紧凑、无旋转部件、无需驱动大量空气流动的新颖吸尘技术。
发明内容
本发明提供一种无旋转部件，无需驱动大量空气进行流动，具有结构紧凑、重量轻和能量利用率高优点的基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器及其方法。
一种基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：包括由顶面、底面、侧面组成的超声吸尘器腔体；还包括至少一组双晶片悬臂梁，每组双晶片悬臂梁由一个固定于顶面的金属薄片和分别贴于金属薄片两面的压电晶片组成；每组双晶片悬臂梁相互平行，且具有相同或非常相近的共振频率；上述金属薄片一直伸向底面，底面（10）上位于金属薄片端部附近设有吸尘口；吸尘口的个数与双晶片悬臂梁的组数对应，且相互平行。
上述基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器的吸尘方法，其特征在于：利用设置在吸尘口上方的压电双晶片悬臂梁的端部所产生的超声近场，把吸尘口附近的灰尘吸入腔体内。
本发明中声场中的颗粒由于其周围声能密度的空间不均匀性，受到声辐射力的作用（参考文件1：T. Hasegawa, T. Kido, T. Iizuka, and C. Matsuoka, “A general theory of Rayleigh and Langevin radiation pressures,”J. Acoust. Soc. Jpn. E, vol. 21, no. 3, pp. 145-152, 2000.）。在处于共振状态的压电双晶片悬臂梁的端部附近，声场的势能密度为零，但动能密度为最大值（参考文件2：Philip M. Morse, K. Uno Ingard, Theoretical Acoustics, New York: McGraw-Hill Book Company, 1968, p.251-258.   参考文件3：Yanyan Liu, Junhui Hu, Chunsheng Zhao，“Dependence of acoustic trapping capability on the orientation and shape of particles”, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 57, no. 6, pp.1443-1450,  June 2010.）。因此作用在吸尘口灰尘上的声辐射力指向腔体内，借助于此声辐射力，可将灰尘吸入腔体内。借助于处于共振的压电双晶片在其附近所产生的声学流，把吸入的灰尘吹到腔体内离压电双晶片较远的位置。另外还能利用吸尘口或槽附近的超声波，对被吸尘面进行杀菌和消毒。
所述基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：上述压电晶片位于金属薄片根部。
所述基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：上述超声吸尘器腔体的底面为倾斜形或波浪形，即吸尘口位于底面上的稍高位置以防止所吸入的灰尘漏出。   
所述基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：上述超声吸尘器腔体为长方形，即所述侧面依次由第一端面、第一侧面、第二端面、第二侧面组成。
所述基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：上述第一侧面或/和第二侧面设有可开关的用于倒出灰尘和清洗腔体的门。
所述基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：上述超声吸尘器腔体为圆盘形。
所述基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：吸尘器底面设有多个平行的吸尘口，在每个吸尘口的上方，沿着吸尘口的长度方向设置多组双晶片悬臂梁，吸尘口离圆盘中心越远其长度越短，离圆盘中心越近其长度越长。
附图说明
    图1：实施例1的结构图；
图2：实施例2的结构图；
    图中标号名称：1：超声吸尘器腔体，2：压电晶片，3：金属薄片，4：吸尘口，5：压电双晶片悬臂梁的端部，6：第一端面，7：第二端面，8：压电双晶片悬臂梁的根部，9：顶面，10：底面，11：第一侧面，12：第二侧面。
具体实施方案
        实施例一的结构如图1所示。
       超声吸尘器的六面体腔体的各个壁均由厚度0.5mm的金属薄铜板构成；超声吸尘器长100mm、宽30mm、高30mm的长方形腔体内，设有压电双晶片悬臂梁；压电双晶片中两片k31模态压电片的尺寸为20mm（悬臂梁宽度方向）×15.3mm（悬臂梁长度方向）×2mm（厚），材料为FUJI C203，压电双晶片悬臂梁中金属薄片的尺寸为28mm（悬臂梁宽度方向）×27mm（悬臂梁长度方向）×0.1mm（厚）； 压电双晶片悬臂梁的根部8被固定在吸尘器的顶面9；压电双晶片悬臂梁端部5附近，设有吸尘口4，其尺寸为30mm(腔体的长度方向)×10mm(腔体的宽度方向)；超声吸尘器的一个侧面11或12设有可开关的门，用于倒出灰尘和清洗超声吸尘器的腔体；压电双晶片的驱动电压幅值为75Vrms，频率为100kHz。超声吸尘器工作时，压电双晶片处于共振状态。 
利用薄荷子、咸水虾子和面粉对上述超声吸尘器的吸尘效果进行了实验验证。薄荷子的平均半径、密度和单颗颗粒的质量分别为0.26mm、1.44g/cm3和49×10-6g；咸水虾子的平均半径、密度和单颗颗粒的质量分别为0.12mm、0.55g/cm3和3.7×10-6g；面粉的密度为0.81g/cm3。把0.5g的薄荷子、0.5g的咸水虾子和0.5g的面粉均匀混和后撒在面积为100cm×100cm的木质桌面上，把工作中的超声吸尘器置于桌面上来回移动，4分钟后，几乎所有的颗粒被吸入超声吸尘器内。
        实施例二的结构如图2所示。
       在实施例一中的超声吸尘器腔体中设置3个具有相同尺寸和性能的压电双晶片结构，这些压电双晶片结构的尺寸和性能与实施例一中的压电双晶片结构相同。超声吸尘器的腔体在长度方向上被这3个压电双晶片分为长度相同的4个子腔体。压电双晶片的驱动电压幅值为75Vrms，频率为100kHz。超声吸尘器工作时，压电双晶片处于共振状态。  
         利用薄荷子、咸水虾子和面粉对上述超声吸尘器的吸尘效果进行了实验验证。薄荷子的平均半径、密度和单颗颗粒的质量分别为0.26mm、1.44g/cm3和49×10-6g；咸水虾子的平均半径、密度和单颗颗粒的质量分别为0.12mm、0.55 g/cm3和3.7×10-6g；面粉的密度为0.81 g/cm3。把0.5g的薄荷子、0.5g的咸水虾子和0.5g的面粉均匀混和后撒在面积为100cm×100cm的木质桌面，把工作中的超声吸尘器置于桌面上来回移动，2分钟后，几乎所有的颗粒被吸入超声吸尘器内。

Claims (8)

1.一种基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：
包括由顶面（9）、底面（10）、侧面组成的超声吸尘器腔体（1）；
还包括至少一组双晶片悬臂梁，每组双晶片悬臂梁由一个固定于顶面（9）的金属薄片（3）和分别贴于金属薄片两面的压电晶片（2）组成；每组双晶片悬臂梁相互平行，且具有相同或非常相近的共振频率；
上述金属薄片（3）一直伸向底面（10），底面（10）上位于金属薄片端部附近设有吸尘口（4）；
吸尘口的个数与双晶片悬臂梁的组数对应，且相互平行。
2.根据权利要求1所述的基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：上述压电晶片（2）位于金属薄片根部。
3.根据权利要求1所述的基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：上述超声吸尘器腔体的底面（10）为倾斜形或波浪形，即吸尘口（4）位于底面上的稍高位置以防止所吸入的灰尘漏出。   
4.根据权利要求1至3所述任一基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：上述超声吸尘器腔体（1）为长方体，即所述侧面依次由第一端面（6）、第一侧面（11）、第二端面（7）、第二侧面（12）组成。
5.根据权利要求4所述的基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：上述第一侧面（11）或/和第二侧面（12）设有可开关的用于倒出灰尘和清洗腔体的门。
6.根据权利要求1至3所述任一所述的基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：上述超声吸尘器腔体（1）为圆盘状。
7.根据权利要求6所述的基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器，其特征在于：上述双晶片悬臂梁超过一组时，吸尘口离圆盘中心越远对应的双晶片悬臂梁长度越短，离圆盘中心越近对应的双晶片悬臂梁长度越长。
8.根据权利要求1所述的基于压电双晶片悬臂梁结构的超声吸尘器的吸尘方法，其特征在于：利用设置在吸尘口上方的压电双晶片悬臂梁的端部所产生的超声近场，把吸尘口附近的灰尘吸入腔体内。
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