CN111262471B - 圆环形压电驱动器及压电马达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆环形压电驱动器及压电马达。通过采用沿厚度方向极化的圆环形板状结构的压电本体，在压电本体第一端主平面和第二端主平面设置多个电极区域，使得压电驱动器可在预设驱动电压的激发下产生两个正交或者反对称的第一阶面内E01振动模式，从而通过摩擦头的摩擦耦合将压电本体的微小定向振动转化成动子宏观的直线运动。因压电本体独特的圆环对称结构和中空结构设计，提高了压电马达正反直线运动的对称性，减少了陶瓷发热功耗，强化了温度稳定性。同时，该压电驱动器结构简单，制作方便，可实现大规模生产，且可避免传统工作于两种不同模式耦合模态时存在的外界干扰导致的压电驱动器振动模态失耦和驱动失效的问题。

Description

圆环形压电驱动器及压电马达
技术领域
本发明涉及压电马达技术，尤其涉及一种圆环形压电驱动器及压电马达。
背景技术
与传统的电磁式马达不同，压电马达利用压电元件的逆压电效应，产生一个有规则的、定向的、高频率的微小振动，再通过驱动头摩擦耦合作用将压电驱动元件产生的高频微观振动转变为与之摩擦接触的一个动子的宏观直线或旋转运动，从而产生机械功率输出。压电马达体积小、功率密度高，且功率密度对尺寸并不敏感，因而在微特电机领域具有明显的优势。压电马达通常工作在超声频率，也称为超声马达，一般包括高频电源、压电驱动器(也称压电振子或定子)、动子(或转子)和结构组件(包括预压力部件)等；压电驱动器由压电陶瓷元件、摩擦头和预压力部件等组成，而动子则由滑动部件和耐磨板组成。
压电马达广泛应用于精密的直线定位、超微镜头精密驱动等。目前应用比较普遍的一种 L1-B2压电马达驱动定子，是一个电极被划分成四部分的矩形压电陶瓷片，工作模态为第一阶纵振动模式(L1)和第二阶弯振动模式(B2)的耦合模态，其中第一阶纵振动模式(L1)和第二阶弯曲振动模式(B2)被同步激发，两种振动模式耦合(简并)形成一个理想的、方向可控的椭圆运动模态，然后通过摩擦耦合机理作用将压电驱动定子的椭圆运动转换为一个滑块的直线运动。[1]但是，靠两个模态耦合产生驱动效果的压电马达必须按照特定结构和尺寸要求设计，在加工精度控制方面也要求很高，而且两个模态在环境温度变化或者大功率驱动发热时容易产生模态去耦合效应致使驱动失效；另外一种典型的德国PI公司的压电马达也是依靠两种模态耦合简并实现线性运动，[2]也存在环境温度变化导致模态去耦合的问题。
为了简化压电马达的结构，改善驱动方式，发明人在发明名称为《压电驱动器及压电马达》、申请号为201310141382.5中国发明专利中提出了一种基于一阶面内弯曲振动的正方形结构压电马达，有效克服了传统采用两种工作模式耦合所存在的模态去耦合、对外界干扰敏感的问题。但是方形结构面内弯振动模态的激发频率较高，导致压电陶瓷中心发热比较严重，降低了压电马达的工作效率。
[1]M.Guo,S.Dong,B.Ren,and H.Luo,IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control 57, 2260(2010).
[2]O.Vyshnevsky,S.Kovalev,and W.Wischnewskiy,IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq. Control 52,2047(2005).
发明内容
本发明提出了一种圆环形压电驱动器及直线压电马达，本圆环形压电驱动器工作于最简单的一阶面内E01单振动模态，既可有效克服传统或早期报道的采用两种工作模式耦合的压电驱动器所存在的设计制作复杂、功耗大以及易受环境温度变化影响的问题，也使得压电驱动器的结构设计更简单、制作更方便。
本发明的技术方案如下：
一种压电驱动器，包括压电本体，所述压电本体为圆环形板状结构，所述压电本体沿厚度方向极化，为压电陶瓷材料或压电单晶材料；
所述压电本体在厚度方向的第一端主平面设置有第一电极层，所述压电本体在厚度方向的第二端主平面设置有第二电极层；
所述第一电极层包括多个电极区域，所述第二电极层包括至少一个电极区域，各电极区域在预设驱动电压作用下，使得所述压电本体受激发产生沿特定方向的第一阶面内E01振动：即在圆环面内产生的振动模态含有0个圆周节线和一个直径节线(注：节线指不振动的一条曲线或直线)。
进一步的，各电极区域在预设驱动电压的作用下，使得所述压电本体受激发产生两个正交或者反对称的第一阶面内E01,a、E01,b振动模态，以便压电本体在第一阶面内沿设定方向产生往复的直线振动运动，或者，在第一阶面内合成产生一个椭圆轨迹的运动。
所述压电驱动器的压电本体附有摩擦头，压电本体产生的沿设定方向的往复直线振动可以通过摩擦头的耦合作用驱动一个与之接触的滑块产生两个方向的直线运动；还可以通过摩擦头的耦合作用将所述两个相互正交或反对称的面内E01,a、E01,b振动合成为方向可控的椭圆轨迹运动，用于滑块的连续直线驱动。
所述摩擦头可以是多种形状，如柱状、弧形板状、三角形状等。摩擦头固定设置在压电本体上未设置电极的侧面，优先位于压电本体线性振动位移放大的部位(位移输出端)的端面位置。为了保证与压电本体有良好的粘接强度，摩擦头的粘接部位要求与压电本体的外径吻合、厚度相同。
所述第一电极层可以被划分为形状、大小相同的偶数个等份的电极区域。在本发明的一个实施例中，所述第一电极层被正交划分为四等份的电极区域；在另一个实施例中所述第一电极层被对称划分为两等份的电极区域。所述第二电极层可以为一体形状的电极区域；或者，所述第二电极层与第一电极层具有相同形状和数量且相对应的电极区域。
对于第一电极层被正交划分为四等份的电极区域的压电本体，所述压电本体整体沿厚度方向上具有相同的极化方向，或者，所述压电本体沿厚度方向上，在所述第一电极层的相对的一对电极区域对应部分的极化方向相反，相邻的电极区域对应部分的极化方向相同或相反。
对于第一电极层被对称划分为两等份的电极区域的压电本体，所述压电本体沿厚度方向上，两个电极区域对应部分的极化方向相同或相反。
在各电极区域施加的预设驱动电压的工作频率为压电本体在第一阶面内E01模态振动的谐振频率，且可获得最大的振动幅度。
所述压电本体由压电陶瓷材料制成，可以为典型的含铅系列压电陶瓷材料，如锆钛酸铅 (PZT)基、钪酸铋-钛酸铅(BS-PT)基压电陶瓷，还可以是无铅系列压电陶瓷材料，如钛酸钡(BaTiO3)基、钛酸铋钠(Na1/2Bi1/2)TiO3基、铌酸钾钠(KNN)基压电陶瓷等。
所述压电驱动器可以具有单个压电本体，即由压电陶瓷材料制作而成的单层压电陶瓷板。所述压电驱动器还可以具有多个层叠的压电本体，即多个压电本体与弹性金属片或者其它高品质因子导电弹性片压成多层复合圆环形板状结构。对于多个层叠设置的压电本体，各压电本体上具有相同的电极区域划分，各电极区域对应的压电本体部分分别具有设定的极化方向 (一般的，各层之间采用头对头厚度极化)，各个压电本体之间在电路上并联连接，且各压电本体的表面设置有与压电本体各部分极化方向配合设置的第一驱动电极组和第二驱动电极组，以便在施加于所述第一驱动电极组和第二驱动电极组的预设特征频率驱动电压作用下，各压电本体产生相同的振动变形，从而在各压电本体的合成振动变形下使所述压电驱动器整体产生第一阶面内E01,a、E01,b振动模式下的驻波振动或行波运动。
所述第一驱动电极组和第二驱动电极组正交或反对称设置于所述压电驱动器，相同预设特征频率的第一驱动电压和第二驱动电压分别加在所述第一驱动电极组和第二驱动电极组上。所述压电驱动器可以通过第一预设驱动电压或者第二预设驱动电压的单一作用，产生第一阶面内E01,a或E01,b振动模态的驻波运动；或者，在第一预设驱动电压和第二预设驱动电压共同作用下，通过各压电本体的运动合成产生E01模态行波运动。
本发明还提供一种压电马达，包括压电驱动器(定子)、动子和预压力组件等，其中，所述压电驱动器包括上述本发明提供的圆环形板状结构的单个或多层复合压电本体及附在其驱动端的一个或一对摩擦头；所述动子包括摩擦片和滑动组件，滑动组件由导轨及沿所述导轨一维滑动设置的滑动部件或平台组成，摩擦片固定设置在滑动部件或平台的一个侧面上；所述摩擦头在预压力组件提供的预紧力作用下与所述摩擦片弹性接触，构成摩擦副和实现摩擦耦合驱动。
如前所述，所述摩擦头有特定的结构，固定设置在压电驱动器的压电本体振动位移输出端的端面。
所述摩擦头由耐磨材料制作，包括各种高硬度耐磨陶瓷材料，如氧化铝、氧化锆、碳化硅陶瓷，或者高耐磨金属材料、碳纤维材料，以及陶瓷、金属颗粒与高分子的复合材料等。
上述压电马达还包括驱动电路，用于为所述压电驱动器上的各个电极层的各电极区域提供预设驱动电压。
本发明提供的压电驱动器及压电马达，通过采用圆环形板状结构的压电本体，并沿厚度方向极化，在压电本体第一端主平面和第二端主平面设置多个电极区域，使得压电驱动器可在预设驱动电压的激发下产生两个正交或者反对称的第一阶面内E01振动模式，从而通过摩擦头的摩擦耦合将压电本体的微小定向振动转化成滑动动子宏观的直线运动。注意这种单一工作模式可以有效避免传统上工作于两种不同模式及其耦合简并时存在的因环境温度变化导致的模态失耦和压电驱动器失效的问题；同时，压电驱动器因其独特的中空圆环结构设计，可以避免陶瓷因中间部分应力集中而产生严重的发热现象，减少了功耗和提高了温度稳定性；同时，单模态设计也可以简化驱动电路的设计和制作成本；中空圆环形结构设计的轴对称性，也容易通过电极划分激发两个正交或者反对称的相同频率E01,a、E01,b模态，压电马达正反直线运动的对称性也变得更好。
附图说明
图1为本发明实施例一中所述压电驱动器及压电马达的结构示意图；其中a与b分别为驻波驱动方式和行波驱动方式的实施结构示意图。
图2为本发明实施例二中所述压电驱动器及压电马达的结构示意图；其中a与b分别为驻波驱动方式和行波驱动方式的实施结构示意图。
图3为本发明实施例一中所述压电驱动器及压电马达的第一阶面内E01振动模态的有限元仿真图和驱动方式原理图；其中：a中的(i)和(ii)分别为E01,a模态驻波驱动方式的有限元仿真图和驱动方式原理图；b中的(i)和(ii)分别为E01,b模态驻波驱动方式的有限元仿真图和驱动方式原理图；c为E01模态行波驱动方式在一个周期内不同时间点的有限元仿真图；d中的(i) 和(ii)分别为E01模态行波驱动方式的有限元仿真示意图和驱动方式原理图。
图4为本发明实施例二中所述压电驱动器及压电马达的第一阶面内E01振动模态的有限元仿真图和驱动方式原理图；其中：a中的(i)和(ii)分别为E01,a模态驻波驱动方式的有限元仿真图和驱动方式原理图；b中的(i)和(ii)分别为E01,b模态驻波驱动方式的有限元仿真图和驱动方式原理图；c为E01模态行波驱动方式在一个周期内不同时间点的有限元仿真图；d中的(i) 和(ii)分别为E01模态行波驱动方式的有限元仿真示意图和驱动方式原理图。
图1至图4中，1为压电本体，2A、2B和2C为摩擦头，3A、3B、3C和3D为不同结构的压电驱动器(定子)，4为动子，4A为摩擦片，4B为滑动组件。
图5为本发明实施例一中所述压电马达的速度、功率与负载关系的数据测试图。
图6为本发明实施例二中所述压电马达的最小分辨率的数据测试图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于第一阶面内E01振动模态的压电马达，工作模式单一，结构简单，有效地简化了压电驱动器的结构设计。
具体地，本发明提供的压电驱动器可包括单个压电本体，或者，是多个压电本体的叠层结构。压电本体为圆环形板状结构，且压电本体沿厚度方向极化，该压电本体在厚度方向上的第一端主平面设置有第一电极层，压电本体在厚度方向的第二端主平面设置有第二电极层；该第一电极层包括多个电极区域，第二电极层包括至少一个电极区域，使得各个电极层的各电极区域在预设驱动电压作用下，该压电驱动器受激发产生第一阶面内E01振动模态，以便圆环形压电驱动器在该第一阶面内沿某一设定方向产生往复的直线振动运动轨迹；或者，使得各电极层的各电极区域在预设驱动电压作用下，该压电驱动器激发产生两个相互正交或者反对称的第一阶面内E01,a、E01,b线性振动，以便压电驱动器在该面内合成产生一个椭圆轨迹的运动。
下面将结合附图，对产生直线轨迹运动和椭圆轨迹运动的压电驱动器及其对应的压电马达进行说明。
实施例一
图1为本发明提供的一种压电马达的结构示意图，图1中a与b分别为驻波驱动方式、行波驱动方式的实施结构示意图。
如图1中a所示的驻波驱动方式压电马达，包括压电驱动器(定子)3A、动子4和预压力组件(图中未显示)；压电驱动器3A包括压电本体1和一对摩擦头2A和2B；动子4包括摩擦片4A和滑动组件4B。压电本体1的第一电极层被正交划分成完全相同的四等份1a、1b、 1c和1d，第二电极层为全电极或者被划分成与第一电极层具有相同划分形状和数量的相对应的电极区域。摩擦头2A和2B可以有多种形状，如柱状、弧形板状、三角形状等。为了保证与压电本体1有良好的粘接强度，摩擦头2A和2B的粘接部位要求与压电本体1的外径吻合、厚度相同。摩擦头2A和2B固定设置在压电本体1线性振动位移放大的部位(位移输出端) 的端面1E和1F位置，且一对摩擦头2A和2B可以在预压力组件的预紧力F的作用下，与动子4上的摩擦片4A弹性接触。压电本体1通过一对摩擦头2A和2B与所述的动子4有两个接触面。滑动组件4B由导轨、沿所述导轨一维滑动的滑动部件或平台组成，摩擦片4A固定设置在滑动组件4B的滑动部件或平台的一个侧面上。
本实施例提供的驻波驱动方式压电马达中的压电驱动器3A可分别产生如图1中a所示的沿(i-i)、(ii-ii)方向的直线轨迹运动。具体地，在如图1中a所示的驻波驱动方式压电马达中，压电本体1在预设驱动电压的激发下可分别产生特定(i-i)或(ii-ii)方向的驻波往复运动，摩擦头2A或2B可随压电本体1做线性往复运动，从而依靠摩擦头2A或者2B与动子4 上的摩擦片4A之间的摩擦接触，将压电驱动器3A的微观面内振动转化为动子4的宏观水平左方向直线运动(对应于(i-i)方向的驻波往复运动)，或者动子4的右方向水平直线运动(对应于(ii-ii)方向的驻波往复运动)。
如图1中b所示的行波驱动方式压电马达，包括压电驱动器(定子)3B、动子4和预压力组件(图中未显示)；压电驱动器3B包括压电本体1和一个摩擦头2C。压电本体1的第一电极层被正交划分成完全相同的四等份1a、1b、1c和1d，第二电极层为全电极或者被划分成与第一电极层具有相同划分形状和数量的相对应的电极区域。摩擦头2C可以有多种形状，如柱状、弧形板状、三角形状等。为了保证与压电本体1有良好的粘接强度，摩擦头2C的粘接部位要求与压电本体1的外径吻合、厚度相同。摩擦头2C固定设置在压电本体1的位移输出端1G部位，且这一摩擦头可以在预压力组件的预紧力F的作用下，与动子4的摩擦片4A弹性接触。压电本体1通过摩擦头2C与所述的动子4有1个接触面。
本实施例提供的行波驱动方式压电马达中的压电驱动器3B在预设驱动电压的激发下可产生如图1中b所示的特定(i-i)、(ii-ii)方向具有90°相位差的往复运动；摩擦头2C将沿 (i-i)、(ii-ii)方向的两个互相正交的面内振动耦合成椭圆轨迹运动，从而依靠摩擦头2C与动子4的摩擦片4A之间的摩擦接触，将压电驱动器3B的微观面内振动转化为动子4的宏观水平直线运动。
以上驻波和行波两种驱动方式中的压电本体1的具体电压激励方式以及直线运动的具体实现将在后面做详细说明。
实施例二
图2为本发明提供的另一种压电马达的结构示意图，图2中a与b分别为驻波驱动方式、行波驱动方式的实施结构示意图。
如图2中a所示的驻波驱动方式压电马达，包括压电驱动器(定子)3C、动子4和预压力组件(图中未显示)；压电驱动器3C包括压电本体1和一对摩擦头2A和2B；动子4包括摩擦片4A和滑动组件4B。压电本体1的第一电极层被对称划分成完全相同的二等份1a和1b，第二电极层为全电极或者被划分成与第一电极层具有相同划分形状和数量的、与第一电极层相对应的电极区域。摩擦头2A和2B可以有多种形状，如柱状、弧形板状、三角形状等。为了保证与压电本体1有良好的粘接强度，摩擦头2A和2B的粘接部位要求与压电本体1的外径吻合、厚度相同。摩擦头2A和2B固定设置在压电本体1线性振动位移放大的部位(位移输出端)的端面1E和1F位置，且一对摩擦头可以在预压力组件的预紧力F的作用下，与动子4上的摩擦片4A弹性接触。压电本体1通过一对摩擦头2A和2B与所述的动子4有两个接触面。滑动组件4B由导轨、沿所述导轨一维滑动的滑动部件或平台组成，摩擦片4A固定设置在滑动组件4B的滑动部件或平台的一个侧面上。
本实施例提供的驻波驱动方式压电马达中的压电驱动器3C可产生如图2中a所示的沿 (i-i)、(ii-ii)方向的直线轨迹运动。具体地，在如图2中a所示的驻波驱动方式压电马达中，压电本体1在预设驱动电压的激发下可产生特定(i-i)、(ii-ii)方向的往复运动，从而依靠摩擦头2A或者2B与动子4上的摩擦片4A之间的摩擦接触，将压电驱动器3C的微观面内振动转化为动子4的宏观水平左方向直线运动(对应于(i-i)方向的驻波往复运动)，或者动子 4的右方向水平直线运动(对应于(ii-ii)方向的驻波往复运动)。
如图2中b所示的行波驱动方式压电马达包括压电驱动器(定子)3D、动子4和预压力组件(图中未显示)；压电驱动器3D包括压电本体1和一个摩擦头2C。压电本体1的第一电极层被正交划分成完全相同的二等份1a和1b，第二电极层为全电极或者被划分成与第一电极层具有相同划分形状和数量的相对应的电极区域。摩擦头2C可以有多种形状，如柱状、弧形板状、三角形状等。为了保证与压电本体1有良好的粘接强度，摩擦头2C的粘接部位要求与压电本体1的外径吻合、厚度相同。摩擦头2C固定设置在压电本体1的位移输出端 1G部位，且这一摩擦头可以在预压力组件的预紧力F的作用下，与动子4的摩擦片4A弹性接触。压电本体1通过摩擦头2C与所述的动子4有1个接触面。
本实施例提供的行波驱动方式压电马达中的压电驱动器3D，在预设驱动电压的激发下可产生特定(i-i)、(ii-ii)方向具有90°相位差的往复运动；摩擦头2C将沿(i-i)、(ii-ii)方向的两个互相正交的面内振动耦合成椭圆轨迹运动，从而依靠摩擦头2C与动子4的摩擦片4A 之间的摩擦接触，将压电驱动器3D的微观面内振动转化为动子4的宏观水平直线运动。
以上两种驱动方式中的压电本体1的具体电压激励方式以及直线运动的具体实现也将在后面做详细说明。
上述两个压电马达实施例中，所述的摩擦头具有如图1、2所示特定结构，图1和图2所示的驻波驱动方式的压电马达所用的摩擦头上端具有和压电本体完全贴合的弧形表面，下端具有和滑动组件4B上的摩擦片4A垂直接触的两个接触面；行波驱动方式的压电马达所用的柱状摩擦头上端粘接在压电本体的位移输出端面，下端具有和滑动组件4B上的摩擦片4A垂直接触的单个接触面。摩擦头和摩擦片4A由耐磨材料制作得到，包括各种高硬度耐磨陶瓷材料，如氧化铝、氧化锆、碳化硅陶瓷，或者高耐磨金属材料、碳纤维材料，以及陶瓷、金属颗粒与高分子的复合材料等。摩擦头和摩擦片4A可以通过环氧树脂分别与压电本体1和滑动组件4B粘接固定在一起。
图1和图2所示的预紧力F可通过设计不同的预压力组件，如弹性片、弹簧等施加，以保证压电驱动器上的摩擦头可以与滑动组件4B上的摩擦片4A弹性接触，从而通过摩擦耦合作用把压电本体1的微观振动转化成动子4的宏观直线运动。
图3和图4将结合所述压电马达的有限元仿真图和驱动方式原理图，对压电驱动器的工作模态和电压激励方式提供详细说明。
图3是本发明实施例一提供的压电驱动器的有限元仿真图和驱动方式原理图。该压电驱动器可工作于驻波模式，也可工作于行波模式。具体地，该压电驱动器包括如图3所示的压电本体1，压电本体1的前端面设置有被正交划分成四等份的1a、1b、1c和1d四个区域；压电本体1的第二端主平面，如图3所示的压电本体1的后端面，为一全电极区域，或者，也可以设置成与前端面完全相同的被正交划分的相应四等份电极区域，但是要注意，前后端面的划分线要完全重合。该压电本体1沿厚度方向极化，且两个相对的区域的极化方向相反，如图3中a(ii)所示的1a和1c极化方向垂直纸面向里，1b和1d极化方向为垂直纸面向外。
在本发明提出的实施例一中，压电马达上的驱动电路提供的驱动电压中，输入电压分别施加在第一电极层(前端面)的各电极区域，第二电极层(后端面)接地。具体地，如图3 中a(ii)所示，CH1驱动时，第一电极层上的1b、1c电极区域同时连接输入驱动电压Vcosωt；第二电极层接地。这样在施加在第一电极层上1b和1c电极区域的驱动电压作用下，压电本体1可产生如图3中a(i)所示有限元仿真的E01,a振动模态，即第一阶面内i-i方向的线性振动，因此摩擦头2A处可产生如图3中a(i)所示的直线位移轨迹；同理，当CH2驱动时(见图3中b(ii))，压电本体1第一电极层上的1a、1d电极区域同时连接输入驱动电压Vsinωt，第二电极层接地。这样在施加在第一电极层上1a和1d电极区域的驱动电压作用下，压电本体1可产生如图3中b(i)所示的E01,b振动模态，即第一阶面内ii-ii方向的线性振动，与CH1 的线性振动方向正交，因此摩擦头2B处可产生如图3中b(i)所示的直线位移轨迹，以上是所述压电马达的驻波驱动方式。下面介绍该压电马达的另一种行波驱动方式，行波驱动是要同时激发CH1与CH2的振动，但是这两个振动要有π/2的时间相位差。具体地，CH1驱动要在压电本体1上的第一电极层1b和1c电极区域连接输入驱动电压Vcosωt，CH2驱动是要在压电本体1上的第一电极层1a和1d电极区域连接输入驱动电压Vsinωt，第二电极层接地，见图3中d(ii)，这样同时激发了两个正交、具有90°相位差的第一阶面内振动，这样压电本体1的输出端1C处就会在面内合成产生一个椭圆轨迹运动；图3中c给出了行波驱动方式中压电本体1在一个周期T内的有限元仿真的E01振动模态，因此摩擦头2C可产生如图3中d (i)所示的椭圆运动轨迹。需要注意，通过改变电压激励相位差(±90°)或时间相位差，可以改变压电本体1的运动方向，即可以控制摩擦头2C的椭圆运动轨迹的方向，相应地，可以改变动子4的直线运动方向。
本实施例中，由于压电本体1相对的两个电极区域极化方向相反，为使得压电本体1上相对的两个电极区域对应的部分产生一侧扩张、一侧收缩的第一阶面内E01振动，只需要在相对的电极区域施加相同的两个交流电压即可；同时，为使得压电本体1整体可产生两个相互正交的第一阶面内沿特定方向线性振动，相邻的两个电极区域施加的交流电压应为时间上有90°相位差的驱动电压，这两个相互正交的线性振动的合成即为一个椭圆运动。
图4是本发明实施例二提供的压电驱动器的有限元仿真图和驱动方式原理图。该压电驱动器可也有两种驱动方式。具体地，该压电驱动器包括如图2所示的压电本体1，压电本体1 的前端面设置有被划分成左右两等份的1a、1b两个区域；压电本体1的第二端主平面，如图 4所示的压电本体1的后端面，为一体形状的全电极区域，或者，也可以设置成与前端面完全相同的被划分的左右两等份电极区域，但是要注意，前后端面的划分线要完全重合。该压电本体1沿厚度方向极化，且左右两个区域极化方向相反，为如图4所示的1a极化方向垂直纸面向里，1b的极化方向为垂直纸面向外。注意左右两个区域极化方向相同的设计也是可行的。
在本发明提出的实施例二中，压电马达上的驱动电路提供的驱动电压中，输入电压分别施加在第一电极层的两个电极区域。具体地，CH1驱动时，第一电极层上的1a电极区域连接有输入驱动电压Vsinωt或者Vcosωt；第二电极层接地。这样在施加在第一电极层上1a电极区域的驱动电压作用下，压电本体1可产生如图4中a(i)所示的E01,a振动模态。因此在压电本体1的位移输出端1E处，摩擦头2A处可产生如图4中a(ii)所示的直线位移轨迹。同理，当CH2驱动时，见图4中b(ii)，第一电极层上的1b电极区域连接有输入驱动电压Vcosωt 或者Vsinωt；第二电极层接地。这样在施加在第一电极层上1b电极区域的驱动电压作用下，压电本体1可产生如图4中b(i)所示的E01,b振动模态，与E01,a振动模态反向，因此在压电本体1的位移输出端1F处，摩擦头2B处可产生如图4中b(ii)所示的直线位移轨迹。
以上是所述压电马达的驻波驱动方式，下面介绍该压电马达的另一种驱动方式，该驱动方式是要同时激发CH1与CH2的振动。具体地，如图4中d(ii)所示，CH1和CH2驱动是要在第一电极层1a和1b电极区域同时连接有输入驱动电压Vcosωt，或者同时连接有输入电压Vsinωt，第二电极层接地，这样同时激发了第一阶面内的E01,a和E01,b两个振动模态，再通过模态耦合，产生椭圆轨迹运动。图4中c给出了行波驱动方式中压电本体1在一个周期T 内的有限元仿真的E01,a和E01,b两个振动模态。因此摩擦头2C处可产生如图4中d(i)所示椭圆运动轨迹。需要注意，通过改变电压激励相位差(±90°)或时间相位差，可以改变摩擦头 2C的椭圆运动方向，即可以改变动子4的直线运动方向。
本实施例二中，由于压电本体1对应的两个电极区域极化方向相反，为使得压电本体1 上相对应的两个电极区域分别产生一侧扩展和一侧收缩的面内E01振动，只需要在两个电极区域施加相同的两个交流电压即可。需要说明的是，压电本体1对应的两个电极区域极化方向可以相同，为使压电本体1上相对应的两个电极区域分别产生一侧扩展和一侧收缩的面内 E01振动，则需要在两个电极区域施加具有±90°电压相位差的两个交流电压。
本领域技术人员可以理解，上述输入电压的幅值，即电压V的大小，可根据需要而设定合适的值，以确保压电驱动器工作时，可驱动压电马达的滑动组件运动：同时，为使得压电驱动器可同时激发两个相互正交的第一阶面内E01,a和E01,b振动，压电马达中的驱动电路应为压电驱动器提供两路或者一对特定频率下的正交的驱动电压，在每路或者每对驱动电压作用下，压电驱动器均可产生第一阶面内沿设定方向的谐振振动，且这两个第一阶面内E01,a和E01,b振动相互正交或者反对称。
图5是本发明提出的实施例一的压电马达的速度、功率与负载关系的数据测试图。从图中可以看出随着电压V的增加，压电马达的驱动速度增大；随着负载的增加，压电马达的驱动速度减小，输出功率呈现出先增加再减小的趋势。该实施例可以达到的最大驱动速度是248 mm/s，最大负载是2.6N，最大输出功率是168.07mW，值得强调的是该实施例提出的压电马达产生力密度达到3.7×10-3N/mm3，超过了目前已经商业化的L1-B2压电马达。
图6为本发明提出的实施例二的压电马达最小分辨率的数据测试图。通过电路控制可以得到该实施例的压电马达台阶状往返运动的位移-时间曲线。从图中我们可以看出，该马达表现出了较好的对称性和步进台阶运动。在开环控制下，该实施例压电马达可以获得的最小位移分辨率是0.1μm。
在实施例一和二中，压电本体1的形状为圆环形板状结构，它可以是单层压电片，也可以是多个压电片层叠而成；其中，压电本体1的材料可以为典型的含铅系列压电陶瓷材料，如锆钛酸铅(PZT)基、钪酸铋-钛酸铅(BS-PT)，以及无铅压电陶瓷系列，如钛酸钡基(BaTiO3)、钛酸铋钠基(Na1/2Bi1/2)TiO3、铌酸钾钠基(KNN)等。压电本体1的结构也可以是压电陶瓷本体与弹性金属片或者其它高品质因子弹性体压成的复合环板结构。在本实施例中，压电本体1为压电陶瓷材料制作而成的单层压电陶瓷板。
综上可以看出，本发明实施例中提供的压电驱动器和压电马达，采用沿厚度方向极化的圆环形板状结构的压电本体，通过驱动电路施加有效的驱动电压，再通过摩擦头将压电本体的微观定向振动转化成摩擦组件的宏观直线运动。
本发明实施例中提供的压电驱动器的结构简单，制作方便，可实现大规模生产，通过在压电本体端部设置多个电极区域，使得压电驱动器在预设特定频率驱动电压的作用下受激发产生两个相互正交谐振的第一阶面内沿特定方向的振动模式，该工作模式无须受制于压电本体特殊尺寸的限制，可更灵活、更有效提供驱动器的设计，以及降低制作成本和驱动电路的设计难度，且压电驱动器仅工作在第一阶面内的单一E01模态、或者两个具有相同谐振频率的正交或反向的振动模式E01,a和E01,b，可避免传统工作于两种不同模式耦合模态时存在的外界干扰而导致的压电驱动器振动模态失耦和驱动失效的问题。
最后应说明的是：以上实例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种压电驱动器，包括压电本体，其特征在于：
所述压电本体为沿厚度方向极化的圆环形板状结构的压电陶瓷材料或压电单晶材料；
所述压电本体在厚度方向的第一端主平面设置有第一电极层，所述压电本体在厚度方向的第二端主平面设置有第二电极层；
所述第一电极层包括多个电极区域，所述第二电极层包括至少一个电极区域，各电极区域在预设驱动电压作用下，使得所述压电本体受激发产生沿特定方向的第一阶面内E01振动；各电极区域在预设驱动电压的作用下，使得所述压电本体受激发产生两个正交或者反对称的第一阶面内E01,a、E01,b振动模态，压电本体在第一阶面内沿设定方向产生往复的直线振动运动，或者，在第一阶面内合成产生一个椭圆轨迹的运动。
2.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，所述第一电极层被划分为形状、大小相同的偶数个等份的电极区域；所述第二电极层为一体形状的电极区域，或者，所述第二电极层与第一电极层具有相同形状和数量且相对应的电极区域。
3.如权利要求2所述的压电驱动器，其特征在于，所述第一电极层被正交划分为四等份的电极区域，所述压电本体整体沿厚度方向上具有相同的极化方向，或者，所述压电本体沿厚度方向上，在所述第一电极层的相对的一对电极区域对应部分的极化方向相反。
4.如权利要求2所述的压电驱动器，其特征在于，所述第一电极层被对称划分为两等份的电极区域，所述压电本体沿厚度方向上，两个电极区域对应部分的极化方向相同或相反。
5.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，施加于各电极区域的预设驱动电压的工作频率为压电本体第一阶面内E01模态的谐振频率。
6.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电驱动器具有单个压电本体，或者具有多个层叠的压电本体，这多个层叠的压电本体为单个压电本体与弹性金属片或者其它导电弹性片交替压成的多层复合环形板结构。
7.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，多个层叠的压电本体具有相同的电极层区域划分，各压电本体的各电极区域对应部分分别具有设定的极化方向，各个压电本体之间在电路上并联连接，且各压电本体的表面设置有与压电本体各部分极化方向配合设置的第一驱动电极组和第二驱动电极组，在施加于所述第一驱动电极组和/或第二驱动电极组的预设特征频率驱动电压作用下，各压电本体产生相同的振动变形；通过第一预设驱动电压或者第二预设驱动电压的单一作用，产生第一阶面内E01,a或E01,b振动模态的驻波运动；或者，在第一预设驱动电压和第二预设驱动电压共同作用下，通过各压电本体的运动合成产生E01模态行波运动。
8.一种压电马达，包括权利要求1～7任一所述的压电驱动器、动子和预压力组件，其中，所述压电驱动器包括压电本体和附在其驱动端的一个或一对摩擦头；所述动子包括摩擦片和滑动组件，滑动组件由导轨及沿所述导轨一维滑动设置的滑动部件或平台组成，摩擦片固定设置在滑动部件或平台的一个侧面上；所述摩擦头在预压力组件提供的预紧力作用下与所述摩擦片弹性接触，构成摩擦副和实现摩擦耦合驱动。
9.如权利要求8所述的压电马达，其特征在于，所述摩擦头固定粘接于压电本体线性振动位移放大的部位的端面位置，且所述摩擦头的粘接部位与压电本体的外径吻合、厚度相同。
10.如权利要求8所述的压电马达，其特征在于，所述压电马达还包括驱动电路，为所述压电驱动器提供预设驱动电压。
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