[发明专利]一种超声波悬浮玩具小车

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波悬浮玩具小车，具体的说，它是一种利用超声波近场悬浮技术而发明的一种玩具小车，对于儿童的智力开发及对自然科学的认识上起到一定的启蒙作用。

背景技术

随着电子技术、传感器技术、计算机技术、自动控制技术、人工智能与机械技术的快速发展与结合，玩具产业发展迅速。传统玩具的市场份额在逐步下降，而具有高科技含量的电子玩具则逐步上升，玩具智能化已成为现代玩具发展的趋势。虽然我国作为玩具生产大国，但在高科技智能玩具的发展方面和国外还存在一定的差距。因此，开展智能玩具技术方面的研究，一方面，对技术创新应用，另一方面，对社会经济发展，都具有一定的实际意义。中国的玩具消费群体庞大，其中包括儿童和成人。这群成人中33％认为自己喜欢并愿意购买玩具。社会调查结果显示，34％的消费者会乐于选购电子型玩具，46％的消费者倾向于选择智慧型玩具，而20％的消费者则更喜爱高档的毛绒、布制装饰类玩具。随着低碳生活时代的到来，节能环保玩具越来越受青睐，环保理念将根植于整个玩具行业。

声波会对声场中的物体产生力的作用，这种力通常很小，表现得不明显。但在具有高频率(大于20KHz)高声强特点的超声波辐射下，这种力大到可以克服物体本身的重力，使物体悬浮起来，这种现象称为超声波悬浮。超声波悬浮，又分为驻波超声悬浮和近场超声悬浮。驻波悬浮可以浮起小的颗粒状物体。在超声波发生器和反射器中间形成驻波声场，物体就可以被悬浮在声压节点上。近场超声悬浮是应用高轻度的超声将平板物体悬浮在超声发生器上方，悬浮高度通常只有几十至几百微米，远小于声波的波长，因此成为近场超声悬浮。与驻波悬浮不同的是，近场悬浮适用于具有较大面积的平板物体，而且随着悬浮距离的降低，悬浮力急剧增大，承载能力也比驻波要大得多。超声波悬浮是声波在高声强条件下产生的一种非线性效应，现有的研究已经证明利用超声波的悬浮作用可以使摩擦阻力减少为原来的1/10到1/30，以频40kHz振幅2μm振动的平板，其表面动压力可0.75Mpa，因此利用超声波悬浮原理构造一种非接触式的悬浮支撑方式是可行的。

与普通的接触式支承相比，超声波悬浮支撑方式在结构上可能会复杂一些，但因其具有非接触式支撑的优点，所以在使用性能上占有优势。超声波悬浮支撑利用振动方式获得承载能力，不需要额外的压力源产生高压流体膜，所以较接触式支承的结构简单；同时在启动和低速阶段也能始终保持相同的承载能力。超声波悬浮对于悬浮物的尺寸、材料类型均无限制，其结构紧凑，负载能力较强，稳定性较好，可利用行波传输和引导。

压电陶瓷片在施加压力或拉力时，它的两端会产生极性相反的电荷，通过回路而形成电流，这种效应称为压电效应。若在压电陶瓷片上施加一个交变电场，陶瓷片就会时而变薄时而变厚，同时产生振动，发射声波，这称之为逆压电效应。在本发明中，将矩形框两端面的四片压电陶瓷片输入一定的交流电信号，压电陶瓷片由于逆压电效应产生振动，带动矩形框振动，使得玩具小车底板与地面之间形成挤压空气薄膜，产生挤压力，从而使玩具小车悬浮。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，易于操作与控制的超声波悬浮玩具小车。它避免了玩具小车与地面的直接接触，减小了玩具小车的磨损，在一定程度上提高了小车的寿命、运动精度以及缓和冲击振动的能力。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种超声波悬浮玩具小车，主要由矩形框、玩具小车壳体和压电陶瓷片组成，所述压电陶瓷片粘贴在矩形框的两端内外侧面，矩形框安装在玩具小车壳体之中，且其两端被固定在玩具小车壳体内，矩形框底端与玩具小车壳体底板平齐。所述压电陶瓷片通过正弦交流电激励产生一定频率的简谐振动，带动矩形框上下平板的振动，矩形框的振动，使得玩具小车底板与地面之间形成挤压空气薄膜，产生挤压力，从而使玩具小车悬浮。

所述压电陶瓷片通过环氧树脂粘贴在矩形框的两端内外侧面，玩具小车壳体的下底板与矩形框通过环氧树脂固定粘在一起，矩形框底端与玩具小车壳体底板平齐。

所述矩形框采用线切割技术制成，并对其下表面进行精加工，获得较小表面粗糙度，矩形框的内侧端面尺寸与压电陶瓷片的尺寸一致。

所述压电陶瓷片的正负电极均在同一侧面，另一侧面粘贴到矩形框上，压电陶瓷片的正负极焊接的导线中通入正弦交流电信号，引起压电陶瓷片的振动，压电陶瓷片的振动方向设计成沿着厚度方向振动，压电陶瓷片的接线端接入遥控器，通过改变压电陶瓷片的电压频率、大小、相位角，实现对玩具小车位置的精确控制。

所述玩具小车壳体由PC工程塑料制成，矩形框采用金属材料铝制成。