專利名稱：壓電驅動器及直線壓電馬達的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及壓電馬達技術，尤其涉及一種壓電驅動器及直線壓電馬達。
背景技術：
壓電馬達是一種微型電機，其具有響應速度快、位移分辨率高的優(yōu)點，可適用于微型或超微型機械中微納米定位及驅動，例如微型或超微型數(shù)碼相機鏡頭的聚焦或變焦驅動等，由于壓電馬達結構緊湊、尺寸小，因此，如何提高壓電馬達制作的便利性、壓電馬達的控制性能以及壓電馬達的驅動能力非常重要。壓電馬達主要包括壓電驅動器和運動部件，壓電驅動器是提供驅動力的關鍵部件，壓電馬達就是依靠壓電驅動器的特定運動來帶動運動部件運動，其中，壓電驅動器的運動方式主要是呼啦圈式的行波運動，以及駐波諧振動，從而可利用壓電驅動器的呼啦圈式的行波運動或駐波諧波振動帶動運動部件運動，例如美國專利US6940209公開了一種工作時作呼啦圈式行波運動的壓電驅動器，以及美國專利US7501745B2公開了一種工作在第一階縱振模式和第二階彎曲振動模式，作橢圓軌跡運動的壓電陶瓷驅動器，這些壓電驅動器要么本身制作困難、組裝的馬達結構復雜，要么驅動電壓過高，不易進行驅動控制和微型化。為簡化壓電馬達的結構，減少馬達尺寸，發(fā)明人在發(fā)明名稱為《一種微型壓電單晶直線電機》、申請?zhí)枮?01010199085. 2中國發(fā)明專利申請中提出了一種壓電單晶驅動器，該壓電單晶驅動器由單個方柱狀結構的壓電單晶構成，在壓電單晶上設置4個沿軸向排布的電極，通過在4個電極上施加設定的驅動電壓，可使得壓電單晶驅動器產生駐波諧振動或行波振動，從而通過摩擦球驅動滑動塊沿直線運動，該壓電單晶驅動器可工作在第一階彎曲振動模式，具有較低的諧振頻率。但是，現(xiàn)有采用單個壓電單晶構成的壓電單晶驅動器，結構雖然簡單，但是其要達到所需的振動時，所需要的驅動電壓相對較大，低電壓驅動時驅動力較小。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種壓電驅動器及直線壓電馬達，可有效克服現(xiàn)有壓電陶瓷或壓電單晶驅動器存在的問題，減少驅動電壓，提高驅動力。本發(fā)明提供一種壓電驅動器，包括疊加在一起的至少兩個壓電片，各壓電片分別具有設定的極化分布方向，且各壓電片的表面設置有與壓電片極化分布方向配合設置的第一驅動電極組和第二驅動電極組，以便在施加在所述第一驅動電極組和第二驅動電極組的預設特征頻率驅動電壓作用下，各壓電片產生相同頻率的振動變形，從而在各壓電片的合成振動變形下使所述壓電驅動器整體產生一階彎曲振動模式下的駐波諧振動或行波運動。其中，各壓電片均為矩形壓電片；所述壓電驅動器上各壓電片均沿厚度方向極化，所述的厚度方向為與壓電片的疊加方向相同。上述的壓電驅動器中，所述第一驅動電極組和第二驅動電極組沿所述壓電驅動器的對角線設置，以便所述壓電驅動器在施加在所述第一驅動電極組或第二驅動電極組上的預設特征頻率的第一預設驅動電壓作用下，通過各壓電片的疊加運動產生沿對角線方向的一階彎曲振動模式下的駐波諧振動，或者，在施加在所述第一驅動電極組的預設特征頻率的第一預設驅動電壓，以及施加在所述第二驅動電極組上相同預設特征頻率的第二預設驅動電壓共同作用下，通過各壓電片的合成運動產生一階彎曲振動模式下的呼啦圈式的行波運動。具體地，所述壓電驅動器包括第一壓電片和第二壓電片，且所述第一壓電片和第二壓電片具有相同的極化方向；所述第一壓電片和第二壓電片相互疊加的表面具有公共驅動電極；所述第一壓電片和第二壓電片沿疊加方向的兩個外表面上，分別設置有間隔設置的兩個驅動電極，從而在所述壓電驅動器的兩個對角線方向分別形成第一驅動電極組和第二驅動電極組。此外，上述的壓電驅動器還可包括沿壓電片疊加方向設置的第一壓電片組和第二壓電片組，且所述第一驅動電極組和第二驅動電極組沿壓電片疊加方向設置，以便所述第一壓電片組在施加在所述第一驅動電極組上的預設特征頻率的第一預設驅動電壓作用下，產生沿寬度方向的彎曲變形，所述第二壓電片組在施加在所述第二驅動電極組上的預設特征頻率的第二預設驅動電壓作用下，產生沿厚度方向的彎曲變形，從而使所述壓電驅動器整體通過運動疊加產生一階彎曲振動模式下的呼啦圈式的行波運動。或者，上述的壓電驅動器也可包括沿壓電片疊加方向依次設置的第一壓電片組和第二壓電片組，且所述第一驅動電極組和第二驅動電極組沿壓電片疊加方向設置，以便所述第一壓電片組和第二壓電片組在所述第一驅動電極組上的預設特征頻率的第一預設驅動電壓作用下，產生厚度方向的彎曲變形，所述第二壓電片組在施加在所述第二驅動電極組上的預設特征頻率的第二預設驅動電壓作用下，產生寬度方向的彎曲變形，從而使所述壓電驅動器整體通過運動疊加產生一階彎曲振動模式下的呼啦圈式的行波運動。上述的壓電驅動器中，所述壓電片為壓電陶瓷元件或壓電單晶元件；或者，所述壓電片包括有彈性金屬的復合壓電元件。本發(fā)明提供一種直線壓電馬達，包括滑動組件，以及上述本發(fā)明提供的壓電驅動器，其中，所述滑動組件包括導軌和沿所述導軌直線運動的滑動部件；所述壓電驅動器上設置有摩擦球和彈性壓緊部件，所述摩擦球在所述彈性壓緊部件提供的壓緊力作用下與所述滑動部件彈性接觸；所述摩擦球在所述壓電驅動器的駐波諧振動或行波運動作用下驅動所述滑動部件直線運動。上述的直線壓電馬達還包括驅動電源，所述驅動電源用于為所述壓電驅動器提供預設特征頻率的驅動電壓，使所述壓電驅動器整體激發(fā)產生一階彎曲模式的振動變形。具體地，所述驅動電源用于為所述壓電驅動器提供預設特征頻率的第一驅動電壓和第二驅動電壓；且第一和第二驅動電壓之間具有η/2或90°相位差。本發(fā)明提供的壓電驅動器及直線壓電馬達，通過采用多層壓電片疊加的方式，可通過各壓電片的振動變形疊加使壓電驅動器整體產生駐波諧振動或行波運動，進而可帶動直線壓電馬達上的滑動塊做直線運動，由于多層結構可以有效減少各壓電片的厚度尺寸， 因此，可有效減少壓電驅動器的驅動電壓；另外，通過利用各壓電片的厚度極化取代一個單個壓電棒的表面極化，，還可有效提高壓電驅動器的驅動力；同時，本發(fā)明技術方案壓電驅動器結構簡單，制作和控制方便，具有較好的實用效果。


圖1為本發(fā)明直線壓電馬達的結構示意圖；圖2A為本發(fā)明壓電驅動器實施例一的立體結構示意圖；圖2B為本發(fā)明壓電驅動器實施例一的主視圖；圖3A為本發(fā)明壓電驅動器實施例一駐波驅動方式下施加第一預設驅動電壓產生沿A-A方向駐波諧振動的結構示意圖；圖3B為本發(fā)明壓電驅動器實施例一產生沿A-A方向駐波諧振動時的運動結構示意圖；圖4A為本發(fā)明壓電驅動器實施例一駐波驅動方式下施加第一預設驅動電壓產生沿B-B方向駐波諧振動的結構示意圖；圖4B為本發(fā)明壓電驅動器實施例一產生沿B-B方向駐波諧振動時的運動結構示意圖；圖5A為本發(fā)明壓電驅動器實施例一行波驅動方式下施加第二預設驅動電壓產生行波運動的結構示意圖；圖5B為本發(fā)明壓電驅動器實施例一產生行波運動的運動結構示意圖；圖6為本發(fā)明壓電驅動器實施例二的結構示意圖；圖7A為本發(fā)明壓電驅動器實施例三的結構示意圖；圖7B為本發(fā)明壓電驅動器實施例三產生沿寬度方向的彎曲振動的運動結構示意圖；圖7C為本發(fā)明壓電驅動器實施例三產生沿厚度方向的彎曲振動的運動結構示意圖；圖8為本發(fā)明壓電驅動器實施例四的結構示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明實施例提供的壓電驅動器包括疊加在一起的至少兩個壓電片，各壓電片分別具有設定的極化分布方向，且各壓電片的表面設置有與壓電片極化分布方向配合設置的第一驅動電極組和第二驅動電極組，以便在施加在第一驅動電極組和第二驅動電極組的預設特征頻率驅動電壓作用下，各壓電片產生相同頻率的振動變形，從而在各壓電片的合成振動變形下使壓電驅動器整體產生一階彎曲振動模式下的駐波諧振動或行波運動，其中， 所述的特征頻率是指壓電驅動器在產生一個本征振動特定模式的諧振頻率；所述的本征振動特定模式是指壓電驅動器在一階彎曲振動模式下的駐波振動模態(tài)或“呼啦圈”式行波模態(tài)。本發(fā)明實施例通過采用多個壓電片疊加，并在各壓電表面設置與壓電片極化分布方向配合的驅動電極，形成第一驅動電極組和第二驅動電極組，從而使得各壓電片可在施加的預設特征頻率驅動電壓作用下產生特定頻率和模態(tài)的振動變形，進而使得壓電驅動器整體通過各壓電片合成振動變形和運動疊加后，產生一階彎曲振動模式下的駐波諧振動或行波運動，從而可通過壓電驅動器的運動，帶動直線壓電馬達上滑動塊做直線運動。圖1為本發(fā)明直線壓電馬達的結構示意圖。如圖1所示，直線馬達包括滑動組件10和壓電驅動器20，其中，滑動組件10包括導軌101和沿導軌101直線運動的滑動部件 102 ；壓電驅動器20上設置有摩擦球30和彈性壓緊部件40，摩擦球30在彈性壓緊部件40 提供的壓緊力作用下與滑動部件102彈性接觸；摩擦球30在壓電驅動器20的駐波諧振動或行波運動作用下驅動滑動部件102沿導軌作直線運動。本發(fā)明實施例提供的壓電驅動器即可作為圖1中所示的壓電驅動器，用于產生駐波諧振動或行波運動，以通過帶動摩擦球 30隨其一起運動，迫使滑動部件102沿導軌101作直線運動，其中這里所說的滑動部件102 即為滑動塊。下面將根據(jù)壓電驅動器的工作模式的不同，對本發(fā)明壓電驅動器進行詳細的說明。工作模式一壓電片產生沿對角線方向的振動變形工作模式該工作模式一中，可使壓電驅動器產生沿對角線方向的振動變形，其中，第一驅動電極組和第二驅動電極組沿壓電驅動器的對角線設置，以便壓電驅動器在施加在第一驅動電極組或第二驅動電極組上的預設特征頻率的第一預設驅動電壓作用下，通過各壓電片的合成運動產生沿對角線方向的一階彎曲振動模式下的駐波諧振動，或者，在施加在第一驅動電極組的預設特征頻率的第一預設驅動電壓，以及施加在第二驅動電極組上的相同預設特征頻率的第二預設驅動電壓共同作用下，通過各壓電片的疊加運動產生一階彎曲振動模式下的呼啦圈式的行波運動。本領域技術人員可以理解的是，本實施例中所述的第一驅動電極組和第二驅動電極組沿壓電驅動器的對角線設置，并非特指幾何形狀上的對角線設置，而是在壓電驅動器的對角線方向上，可將設置在各壓電片上的驅動電極劃分成兩組，以便通過對該兩組驅動電極組施加預設驅動電壓，使壓電驅動器產生沿對角線方向的駐波諧振動或呼啦圈式行波運動。圖2A為本發(fā)明壓電驅動器實施例一的立體結構示意圖；圖2B為本發(fā)明壓電驅動器實施例一的主視圖。如圖2A和圖2B所示，壓電驅動器包括壓電片11和壓電片12，且壓電片11和壓電片12具有相同的極化分布方向，其中壓電片的極化分布方向請參見圖中所示的箭頭方向；壓電片11和壓電片12相互疊加的表面具有公共驅動電極13 ；壓電片11 和壓電片12沿疊加方向的兩個外表面上，分別設置有間隔設置的兩個驅動電極，從而可在壓電驅動器的兩個對角線方向分別形成第一驅動電極組和第二驅動電極組。如圖2A和圖2B所示，上述位于上方的壓電片11的上表面設置有驅動電極111和驅動電極112 ；壓電片12的下表面設置有驅動電極121和驅動電極122 ；在壓電驅動器的對角線A-A方向形成包括驅動電極111、驅動電極121和公共驅動電極13的第一驅動電極組，在壓電驅動器的對角線B-B方向形成包括驅動電極112、驅動電極122和公共驅動電極 13的第二驅動電極組。本實施例中，各壓電片均為矩形壓電片，且各壓電片均沿厚度方向極化，其中的厚度方向即壓電片的疊加方向。具體地，如圖2A和圖2B所示，上述的壓電片11和壓電片12 均為矩形壓電片，壓電片11和壓電片12之間可通過環(huán)氧樹脂粘結或銀電極共燒方法構成雙層復合矩形柱狀結構，其中，所述的壓電片具體可以是壓電陶瓷片或壓電單晶片，或者，壓電片也可以是其它具有彈性金屬的復合壓電元件，本發(fā)明實施例對此并不做特別限制。本實施例壓電驅動器可在駐波驅動方式下產生沿對角線方向的駐波諧振動，或者在行波驅動方式下產生呼啦圈式的行波運動。下面將以不同的驅動方式對本實施例壓電驅動器的工作情況進行說明。1、駐波驅動方式這里所述的駐波驅動方式是指通過在壓電驅動器的第一驅動電極組或第二驅動電極組施加預設特征頻率的第一預設驅動電壓，以使得壓電驅動器可產生沿對角線A-A方向的一階彎曲振動模式下的駐波諧振動，或沿對角線B-B方向的一階彎曲振動模式下的駐波諧振動。圖3A為本發(fā)明壓電驅動器實施例一駐波驅動方式下施加第一預設驅動電壓產生沿A-A方向駐波諧振動的結構示意圖；圖3B為本發(fā)明壓電驅動器實施例一產生沿A-A方向駐波諧振動時的運動結構示意圖。如圖3A和圖3B所示，第一驅動電極組，即驅動電極111 和驅動電極121接第一預設驅動電壓Vsin on，公共驅動電極13接地時，可在對角線A-A 方向產生諧波振動，該A-A方向的諧波振動可通過直線壓電馬達上的摩擦球撥動滑動塊做向右方向的直線運動。具體地，當一個適當工作頻率的交流信號電壓Vsincot施加到壓電片11和壓電片12上一對交叉的驅動電極111和驅動電極121時，由于逆壓電效應，壓電片 11部分沿軸向伸長，同時壓電片12部分沿軸向縮短，從而導致壓電驅動器整體產生一個沿 A-A方向的彎曲，當交流信號電壓的頻率為一階彎曲振動頻率時，壓電片的本征振動被激發(fā)，迫使壓電驅動器產生沿對角線A-A方向的B1, dl模式一階彎曲諧振動，一旦B1, dl模式被激發(fā)，壓電驅動器就會通過直線壓電馬達上的摩擦球撥動滑動塊做向右方向的直線運動。圖4A為本發(fā)明壓電驅動器實施例一駐波驅動方式下施加第一預設驅動電壓產生沿B-B方向駐波諧振動的結構示意圖；圖4B為本發(fā)明壓電驅動器實施例一產生沿B-B方向駐波諧振動時的運動結構示意圖。如圖4A和圖4B所示，當?shù)诙寗与姌O組，即驅動電極112 和驅動電極122接第一預設驅動電壓Vsin ω t，公共驅動電極13接地時，可在對角線B-B方向產生諧波振動，該B-B方向的諧波振動可通過直線壓電馬達上的摩擦球撥動滑動塊做向左方向的直線運動，具體地，當交流信號電壓Vsincot施加到壓電片11和壓電片12上另一對交叉的驅動電極112和驅動電極122時，導致壓電驅動器產生一個沿B-B方向的Blid2模式一階彎曲諧振動，壓電驅動器可在該振動下通過直線壓電馬達上的摩擦球撥動滑動塊做向左方向的直線運動。以上可以看出，通過在壓電驅動器的第一驅動電極組或第二驅動電極組施加預設的驅動電壓，即可使得各電壓片產生振動變形，進而使得壓電驅動器整體可通過各壓電片的運動合成，產生沿對角線方向的駐波諧振動，該產生的沿對角線方向的駐波諧振動可帶動直線壓電馬達上的滑動塊做直線運動。2、行波驅動方式圖5A為本發(fā)明壓電驅動器實施例一行波驅動方式下施加第二預設驅動電壓產生行波運動的結構示意圖；圖5B為本發(fā)明壓電驅動器實施例一產生行波運動的運動結構示意圖。如圖5A和圖5B所示，第一驅動電極組和第二驅動電極組分別接預設特征頻率的第一預設驅動電壓和第二預設驅動電壓，即驅動電極111和驅動電極121接電壓Vsincotdga 電極112和驅動電極122接電壓Vcos ω t，公共驅動電極13接地時，壓電驅動器整體可產生呼啦圈式的行波運動。具體地，壓電驅動器上的第一驅動電極組，即驅動電極111和驅動電極121施加交流電壓Vsincot，第二驅動電極組，即驅動電極112和驅動電極122施加電壓 Vcoscot時，由于施加在第一驅動電極組和第二驅動電極組上的電壓具有π/2的相位差， 因此壓電驅動器在對角線方向A-A和B-B方向就會產生π/2的相位差的一階彎曲振動，該兩個對角線方向的一階彎曲振動經過運動疊加后，就會形成一個做旋轉運動的呼啦圈式的行波運動，壓電驅動器在行波運動下，就可以帶動直線壓電馬達上的摩擦球做橢圓軌跡運動，進而驅動直線壓電馬達上的滑動塊做直線運動。本領域技術人員容易理解，通過控制施加在第一驅動電極組和第二驅動電極組上的電壓，就可以控制壓電驅動器整體做沿順時針方向或逆時針方向的呼啦圈式的行波運動，進而驅動直線壓電馬達上的滑動塊做向左或向右方向的直線運動。綜上可以看出，本發(fā)明實施例壓電驅動器通過采用雙層壓電片疊加的方式，可通過各壓電片的合成振動變形使壓電驅動器整體產生駐波諧振動或行波運動，進而可帶動直線壓電馬達上的滑動塊做直線運動。相對單個棒狀結構，本發(fā)明雙層或多層結構因各壓電片厚度顯著減少，所需驅動電壓也相應大幅減少。另外，雙層或多層結構各壓電片是厚度體極化，相對單個壓電棒驅動器的表面極化，其逆壓電效應明顯改善，因此驅動力可以明顯提高。本發(fā)明實施例壓電驅動器結構簡單，制作和控制方便，具有較好的實用效果。圖6為本發(fā)明壓電驅動器實施例二的結構示意圖。本實施例壓電驅動器是一個四層結構，其可具有與上述圖2Α和圖2Β雙層結構的壓電驅動器具有相同的工作模式，即分別通過對角線部分的壓電片的伸縮運動，形成沿對角線方向A-A的駐波諧振動或沿對角線方向B-B的駐波諧振動，或者，由兩個分別沿對角線方向A-A和B-B的振動疊加而使壓電驅動器整體產生的呼啦圈式行波運動。具體地，如圖6所示，該壓電驅動器包括四個壓電片， 分為上下兩組，其中，上組壓電片21和下組壓電片22相互疊加的表面設置有公共驅動電極23，上組壓電片21的兩個壓電片211和壓電片212相互疊加的表面間隔設置有驅動電極241和驅動電極242，且位于最上方的壓電片211的上表面也設置有公共驅動電極23 ’類似地，下組壓電片22的兩個壓電片221和壓電片222相互疊加的表面也間隔設置有驅動電極251和驅動電極252，且位于最下方的壓電片222的下表面也設置有公共驅動電極23，從而可在壓電驅動器的對角線A-A方向形成包括公共驅動電極23、驅動電極241和驅動電極 251的第一驅動電極組，以及在對角線B-B方向形成包括公共驅動電極23、驅動電極242和驅動電極252的第二驅動電極組，且各電壓片具有與各驅動電極配合的極化分布方向，具體可參見圖中所示箭頭方向。本實施例壓電驅動器可采用與圖2Α 圖5Β所示實施例技術方案相同的駐波驅動方式，使壓電驅動器產生沿對角線A-A方向或B-B方向的駐波諧振動，或者，采用行波驅動方式，使壓電驅動器在對角線A-A方向和B-B方向的振動的疊加運動而產生的呼啦圈式行波運動。其中，駐波諧振動或行波運動的具體形成過程與圖2Α 圖5Β所示技術方案相同或類似，在此不再贅述。本領域技術人員可以理解的是，在壓電元件的對角線工作模式下還可具有其它結構形式的壓電驅動器，例如可以有5個或5個以上的壓電片組合而成的壓電驅動器，且根據(jù)疊加的壓電片數(shù)量的不同，壓電片的極化方向以及驅動電極的設置可根據(jù)實際需要而設置，只要可在施加的驅動電壓下，沿壓電驅動器的對角線方向可分別產生駐波諧振動，或者在兩個對角線方向的振動疊加而形成的呼啦圈式行波振動。本領域技術人員可以理解的是，壓電片的數(shù)量越多，相應的壓電驅動器的驅動電壓就會越小，實際應用中可根據(jù)需要設置合適數(shù)量的壓電片，以獲得最好的壓電驅動器驅動效果。工作模式二 壓電片產生厚度或寬度方向振動變形工作模式該工作模式中，可通過使各壓電片產生沿寬度或厚度方向的振動變形，進而疊加得到壓電驅動器的行波運動，具體地，壓電驅動器可包括沿壓電片疊加方向設置的第一壓電片組和第二壓電片組，且第一驅動電極組和第二驅動電極組22沿壓電片疊加方向設置， 以便第一壓電片組在施加在第一驅動電極組上的預設特征頻率的第一預設驅動電壓作用下，產生沿寬度方向的彎曲變形，第二壓電片組在施加在第二驅動電極組上的相同預設特征頻率的第二預設驅動電壓作用下，產生沿厚度方向的彎曲變形，從而使壓電驅動器整體通過運動疊加產生一階彎曲振動模式下的呼啦圈式的行波運動。圖7A為本發(fā)明壓電驅動器實施例三的結構示意圖；圖7B為本發(fā)明壓電驅動器實施例三產生沿寬度方向的彎曲振動的運動結構示意圖；圖7C為本發(fā)明壓電驅動器實施例三產生沿厚度方向的彎曲振動的運動結構示意圖。如圖7A 圖7C所示，本實施例壓電驅動器包括疊加設置的壓電片31和壓電片32，其中，壓電片31和壓電片32相互疊加的表面設置有公共驅動電極33，位于上方的壓電片31包括極化方向相反的兩部分，且每部分的上表面分別設置有驅動電極311和驅動電極312 ；位于下方的壓電片32為一個整體，具有厚度方向的極化，且下表面設置有驅動電極321，從而在壓電驅動器沿壓電片疊加方向形成包括驅動電極311和驅動電極312的第一驅動電極組，以及包括驅動電極321的第二驅動電極組。本實施例中，通過在第一驅動電極組和第二驅動電極組上分別施加第一預設驅動電壓和第二預設驅動電壓，壓電片31和壓電片32就會分別產生沿寬度和厚度方向的彎曲變形，進而這兩種彎曲變形疊加后即可得到壓電驅動器的呼啦圈式的行波運動。如圖7A和圖7B所示，當一個外加電壓A施加在壓電片31的兩個驅動電極311和驅動電極312時，由于逆壓電效應，壓電片31中的左半部分313就會沿長度方向伸長，同時，右半部分314就會沿長度方向縮短，其結果就是迫使壓電驅動器整體產生一個沿寬度 C-C方向的彎曲振動。如圖7A和圖7C所示，當一個外電壓B施加到壓電片32的驅動電極 321時，由于逆壓電效應，壓電片32就會沿長度方向伸長或縮短，從而迫使壓電驅動器整體產生一個沿厚度D-D方向的彎曲振動。可以看出，施加適當頻率的交流信號電壓A、B，會分別激發(fā)壓電驅動器產生一個厚度或寬度方向的一階彎曲本征模式振動，因此，當將一對正交電壓Vsin ω t.Vcos ω t分別作為外加電壓A、B，施加在壓電驅動器上的電極時，在諧振頻率下，這兩種正交的寬度和厚度本征振動模式都會被激發(fā)，從而可使得壓電驅動器整體產生一個高頻的呼啦圈式順時針或逆時針方向的行波運動，從而可通過直線壓電馬達上的摩擦球撥動滑動塊做向左或向右方向的直線運動?？梢钥闯?，本實施例通過施加合適的驅動電壓，使各壓電片產生振動變形，并最終可通過各壓電片的變形疊加后得到壓電驅動器所需的行波運動。圖8為本發(fā)明壓電驅動器實施例四的結構示意圖。本實施例壓電驅動器為四層結構，且采用與圖7A 圖7C相同的工作模式，以使得壓電驅動器可在預設驅動電壓下產生行波運動。具體地，如圖8所示，該壓電驅動器沿壓電片疊加方向分為設置有第一壓電片組和第二壓電片組，其中第一壓電片組包括壓電片41和壓電片44，第二壓電片組包括壓電片42 和壓電片43 ；位于上方的壓電片41的上表面設置有驅動電極45，位于下方的壓電片44的下表面也設置有驅動電極45，且壓電片41與壓電片42相互疊加的表面設置有公共驅動電極46，壓電片44與壓電片43相互疊加的表面也設置有公共驅動電極46，壓電片42和壓電片43相互疊加的表面間隔設置有驅動電極47和驅動電極48 ；壓電片42和壓電片43對稱設置，分別包括兩個極化方向不同的部分，位于上方的壓電片41和位于下方的壓電片44則具有相同的極化方向。本實施例中，驅動電極45就形成壓電驅動器上的第一驅動電極組，驅動電極47和驅動電極48形成壓電驅動器上的第二驅動電極組，從而通過施加一定的驅動電壓到這兩個驅動電極組，既可以使得壓電驅動器整體產生呼啦圈式行波運動。具體地，在第一驅動電極組，即驅動電極45施加外加電壓A就會在第一壓電片組，即壓電片41和壓電片44，產生沿厚度D-D方向的彎曲變形；在第二驅動電極組，即驅動電極47和驅動電極48施加外加電壓B，就會在第二壓電片組，即壓電片42和壓電片43產生沿寬度C-C方向的彎曲變形，進而，在產生沿寬度C-C和厚度D-D兩個正交方向的一階彎曲振動模式，就會使得壓電驅動器整體產生方向可控的呼啦圈式行波運動。可以看出，上述圖7A和圖8所示實施例技術方案中，部分壓電片由極化方向相反的兩部分組成，這樣，在預設驅動電壓作用時，就會使得壓電驅動器產生沿厚度或寬度方向的振動變形，進而通過這種振動變形最終得到壓電驅動器驅動滑動塊所需的呼啦圈式行波運動。本領域技術人員可以理解的是，本實施例工作于工作模式二的壓電驅動器也可設置有更多層的結構，例如5層、6層等，實際應用中，可根據(jù)設置的壓電片的數(shù)量，設置壓電片的極化分布方向，以及驅動電極的設置，使得其中的部分壓電片可產生沿寬度方向的變形，部分壓電片可產生沿厚度方向的變形，進而使得整個壓電驅動器可在各壓電片變形運動疊加后，形成呼啦圈式的行波運動。本發(fā)明實施例還提供一種直線壓電驅動馬達，具體結構可參見圖1所示，其中，圖 1中所示的壓電驅動器20為采用上述本發(fā)明各實施例提供的壓電驅動器。此外，如圖1所示，直線驅動馬達還可包括有驅動電源50，以用于為壓電驅動器提供實現(xiàn)駐波諧振動或行波運動所需的第一預設驅動電壓Vsin ω t和第二預設驅動電壓Vcos ω t，具體地，該驅動電源50可提供使壓電驅動器整體產生第一階彎曲模式振動變形的預設特征頻率的驅動電壓；該驅動電源50還可用于為壓電驅動器提供預設特征頻率的第一驅動電壓和第二驅動電壓；且第一和第二驅動電壓之間具有η/2或90°相位差。實際應用中，可根據(jù)壓電驅動器的結構，以及壓電驅動器的驅動方式，提供合適的預設驅動電壓，以使得壓電驅動器產生的駐波諧振動或行波運動可驅動直線壓電馬達上的滑動塊沿導軌做直線運動。最后應說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精神和范圍。
權利要求
1.一種壓電驅動器，其特征在于，包括疊加在一起的至少兩個壓電片，各壓電片分別具有設定的極化分布方向，且各壓電片的表面設置有與壓電片極化分布方向配合設置的第一驅動電極組和第二驅動電極組，以便在施加在所述第一驅動電極組和第二驅動電極組的預設特征頻率驅動電壓作用下，各壓電片產生相同頻率的振動變形，從而在各壓電片的合成振動變形下使所述壓電驅動器整體產生一階彎曲振動模式下的駐波諧振動或行波運動。
2.根據(jù)權利要求1所述的壓電驅動器，其特征在于，各壓電片均為矩形壓電片；所述壓電驅動器上各壓電片均沿厚度方向極化，所述的厚度方向為與壓電片的疊加方向相同。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的壓電驅動器，其特征在于，所述第一驅動電極組和第二驅動電極組沿所述壓電驅動器的對角線設置，以便所述壓電驅動器在施加在所述第一驅動電極組或第二驅動電極組上的預設特征頻率的第一預設驅動電壓作用下，通過各壓電片的疊加運動產生沿對角線方向的一階彎曲振動模式下的駐波諧振動，或者，在施加在所述第一驅動電極組的預設特征頻率的第一預設驅動電壓，以及施加在所述第二驅動電極組上相同預設特征頻率的第二預設驅動電壓共同作用下，通過各壓電片的合成運動產生一階彎曲振動模式下的呼啦圈式的行波運動。
4.根據(jù)權利要求3所述的壓電驅動器，其特征在于，所述壓電驅動器包括第一壓電片和第二壓電片，且所述第一壓電片和第二壓電片具有相同的極化方向；所述第一壓電片和第二壓電片相互疊加的表面具有公共驅動電極；所述第一壓電片和第二壓電片沿疊加方向的兩個外表面上，分別設置有間隔設置的兩個驅動電極，從而在所述壓電驅動器的兩個對角線方向分別形成第一驅動電極組和第二驅動電極組。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的壓電驅動器，其特征在于，所述壓電驅動器包括沿壓電片疊加方向設置的第一壓電片組和第二壓電片組，且所述第一驅動電極組和第二驅動電極組沿壓電片疊加方向設置，以便所述第一壓電片組在施加在所述第一驅動電極組上的預設特征頻率的第一預設驅動電壓作用下，產生沿寬度方向的彎曲變形，所述第二壓電片組在施加在所述第二驅動電極組上的預設特征頻率的第二預設驅動電壓作用下，產生沿厚度方向的彎曲變形，從而使所述壓電驅動器整體通過運動疊加產生一階彎曲振動模式下的呼啦圈式的行波運動。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的壓電驅動器，其特征在于，所述壓電驅動器包括沿壓電片疊加方向依次設置的第一壓電片組和第二壓電片組，且所述第一驅動電極組和第二驅動電極組沿壓電片疊加方向設置，以便所述第一壓電片組和第二壓電片組在所述第一驅動電極組上的預設特征頻率的第一預設驅動電壓作用下，產生厚度方向的彎曲變形，所述第二壓電片組在施加在所述第二驅動電極組上的預設特征頻率的第二預設驅動電壓作用下，產生寬度方向的彎曲變形，從而使所述壓電驅動器整體通過運動疊加產生一階彎曲振動模式下的呼啦圈式的行波運動。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的壓電驅動器，其特征在于，所述壓電片為壓電陶瓷元件或壓電單晶元件；或者，所述壓電片包括具有彈性金屬的復合壓電元件。
8.一種直線壓電馬達，其特征在于，包括滑動組件，以及上述權利要求1 7任一所述的壓電驅動器，其中，所述滑動組件包括導軌和沿所述導軌直線運動的滑動部件；所述壓電驅動器上設置有摩擦球和彈性壓緊部件，所述摩擦球在所述彈性壓緊部件提供的壓緊力作用下與所述滑動部件彈性接觸；所述摩擦球在所述壓電驅動器的駐波諧振動或行波運動作用下驅動所述滑動部件直線運動。
9.根據(jù)權利要求8所述的直線壓電馬達，其特征在于，還包括驅動電源，所述驅動電源用于為所述壓電驅動器提供預設特征頻率的驅動電壓，使所述壓電驅動器整體激發(fā)產生一階彎曲模式的振動變形。
10.根據(jù)權利要求9所述的直線壓電馬達，其特征在于，所述驅動電源用于為所述壓電驅動器提供預設特征頻率的第一驅動電壓和第二驅動電壓；且第一和第二驅動電壓之間具有π/2或90°相位差。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓電驅動器及直線壓電馬達。該壓電驅動器包括疊加在一起的至少兩個壓電片，各壓電片分別具有設定的極化分布方向，且各壓電片的表面設置有與壓電片極化分布方向配合設置的第一驅動電極組和第二驅動電極組，以便在施加在所述第一驅動電極組和第二驅動電極組的預設特征頻率驅動電壓作用下，各壓電片產生相同頻率的振動變形，從而在各壓電片合成振動變形下使所述壓電驅動器整體產生一階彎曲振動模式下的駐波諧振動或行波運動。本發(fā)明提供的壓電驅動器結構簡單，實用方便，可有效降低壓電驅動器的驅動電壓，提高驅動力。
文檔編號H01L41/08GK102185096SQ20111008436
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權日2011年4月2日
發(fā)明者李曉天, 董蜀湘 申請人:北京大學