一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器及驱动方法

1.本发明属于微型压电驱动技术领域，具体涉及一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器及驱动方法。


背景技术：

2.微型压电驱动电机是利用压电材料的逆压电效应，对驱动器件施加高频交流电，以激发驱动器件在超声频段内做微幅振动，并通过驱动器件(定子)与动子之间的摩擦作用将振动转换成动子的直线或旋转运动，输出功率，驱动负载，具有结构微型化、响应速度快、电磁兼容性好、控制精确等优点，广泛应用于机器人、精密仪器仪表、电子数码产品等领域。
3.《超声电机技术与应用》(赵淳生，科学出版社，2007)一书中公开了一种基于纵弯复合模态的直线型超声电机，其工作模态为一阶面内纵向伸缩振动模态(l1模态)和二阶面内弯曲振动模态(b2模态)两种振动模态的复合模态。该电机包括定子和动子，定子包括弹性体和三片压电陶瓷片，弹性体结构为一矩形薄板，弹性体顶部有两个驱动足，设置在b2模态振型的波峰或波谷处；在弹性体侧面b2应变振型的最大应变区域粘贴两个相同规格、极化方向相反的压电陶瓷片，在弹性体上表面中心位置亦粘贴一块压电陶瓷片；对弹性体侧面的两块压电陶瓷片均施加cos(ωt)电压信号，对弹性体上表面的压电陶瓷片施加sin(ωt)电压信号，三块压电陶瓷片反面电极接地。施加激励信号后，定子将被激发出同频一阶纵振模态和二阶弯振模态响应。
4.二阶弯振位移响应和一阶纵振位移响应在时间和空间上都存在90
°
的相位差，从运动学可知：若一个质点以同一频率在互相垂直的两个方向振动时，则质点的运动轨迹是一个椭圆，因此在位于二阶弯振波幅处的驱动足上可以形成椭圆运动轨迹。
5.由上述背景技术可知，对于直线型压电超声马达，只要布置在执行器表面的驱动足可以在激励下做椭圆轨迹运动，通过直线动子与驱动足的摩擦作用，就可以驱动动子实现持续的直线驱动。现有的直线型压电执行器尚存在外形尺寸较大、驱动电压高、负载能力不足的技术问题。随着微型执行器件应用场景不断扩展，以及性能要求的不断提升，尺寸微型化，驱动力大、高推重比的执行器件一直是本领域技术人员不断追求的研发目标。合理的执行器结构设计以及激励驱动方式，可以提高执行器的性能。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中所存在的推重比小、驱动电压高等技术问题，本发明提供了一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器结构以及驱动方法，包括一种压电叠层结构，同时激发执行器的一阶纵振位移响应和二阶弯振位移响应，在执行器表面的驱动足上形成椭圆运动，可以实现对微型压电马达动子的直线驱动。
7.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
8.一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器，工作模态为一阶纵向振动和二阶弯曲振动的复合模态，其包括压电叠层结构和驱动足；其中，压电叠层结构由至少2层压电材料
片叠堆并连接而成，每一层压电材料片在顶面和底面上均设有电极；所述驱动足设置在压电叠层结构的朝向弯曲振动的振动方向的面上。所述压电叠层结构的叠堆方向包括沿压电材料片的厚度方向。
9.每一层压电材料片在顶面和底面上分别设有ai电极面或bi电极面；所述ai电极面用于接入交流电压信号，包括电极分区a
il
和电极分区a
ir
，所述电极分区a
il
和电极分区a
ir
分别分布在压电材料片的电极分区界线的两侧；所述bi电极面是用于接地的零电势面；所述压电材料片上的a
il
电极分区和相邻层的压电材料片上的a
(i+1)l
电极分区面对面贴合连接，形成电势分区半面e
kl
，同时所述压电材料片上的a
ir
电极分区和相邻层的压电材料片上的a
(i+1)r
电极分区面对面贴合连接，形成电势分区半面e
kr
；或以所述bi电极面与相邻层的压电材料片上的b
i+1
电极面面对面贴合连接，形成零电势面e
0j
；最终形成电势分区面e
kl-e
kr
与零电势面e
0j
交错堆叠的叠层结构。
10.所述电极分区a
il
和a
ir
关于压电材料片长边的垂直平分线轴对称，或以压电材料片的表面几何中心为中心对称，所述电极分区a
il
和a
ir
跨过二阶弯振振型的波峰或波谷处。
11.所述压电直线执行器还包括三个端子，分别为端子x、y和w，所述电势分区半面e
kl
与位于所述电势分区面e
kl-e
kr
相邻的电势分区面e
(k+1)l-e
(k+1)r
上的异侧电极分区半面e
(k+1)r
等电势相连，形成一个等电势位；所述电势分区半面e
kr
与位于所述电势分区面e
kl-e
kr
相邻的电势分区面e
(k+1)l-e
(k+1)r
上的异侧电极分区半面e
(k+1)l
等电势相连，形成另一个等电势位；两个所述等电势位分别与端子x和端子y等电势相连，所述端子w与所有的零电势面e
0j
等电势相连。
12.每一层压电材料片均包含两个极化分区，所述极化分区的极化方向轴是沿压电材料片的厚度方向，同一层的压电材料片的两个极化分区p
il
和p
ir
极化方向相同，相邻层上的压电材料片的两个极化分区p
(i+1)l
和p
(i+1)r
与所述极化分区p
il
和p
ir
的极化方向相反。
13.所述压电叠层结构的外形包括长方体。在使用模态优化方法得到的压电叠层结构的长、宽和厚度尺寸多组优化解之中，选取压电叠层结构的厚度尺寸最大的一组优化解。
14.所述驱动足的形状包括圆柱体、棱柱体、半球体或半圆柱体；驱动足有2个或4个，布置在二阶弯振振型的波峰或波谷处。
15.所述压电材料片的材料包括压电晶体、压电陶瓷、压电半导体或有机高分子压电材料。
16.一种采用上述基于纵弯复合模态的压电直线执行器的驱动方法，对端子x和端子y分别施加交变频率相同、相位角相差90
°
的正弦交流电压信号，将端子w与零电势位相连接；所述正弦交流电压信号的交变频率在所述压电直线执行器的一阶纵向谐振频率和二阶弯曲谐振频率之间。
17.本发明的有益效果：本发明可以激发一阶纵振和二阶弯振的复合位移响应，在执行器表面的驱动足上形成椭圆运动，配合直线动子与驱动足的摩擦作用，可以实现对微型压电马达动子的直线驱动。作为直线型执行器，叠层结构的场强密度大，可以产生更大的振幅和驱动力，并可降低驱动电压，使得本发明具备外形尺寸小、驱动电压低、负载能力强、推重比高的技术效果。
附图说明
18.图1是本技术实施例1、2中压电陶瓷片的放置姿态图。
19.图2是本技术实施例1提供的一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器的立体示意图。
20.图3是本技术实施例1压电陶瓷片的电极分布示意图；其中(a)为ai电极面分布示意图，(b)为bi电极面分布示意图。
21.图4是本技术实施例1等电势面及接线示意图。
22.图5是本技术实施例1极化分区的示意图。
23.图6是本技术实施例2提供的一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器的立体示意图。
24.图7是本技术实施例2压电陶瓷片的电极分布示意图；其中(a)为bi电极面分布示意图，(b)为ai电极面分布示意图。
25.图8是本技术实施例2等电势面及接线示意图。
26.图9是本技术实施例2极化分区的示意图。
27.图中：100-压电叠层结构一；101-压电陶瓷片一；102-压电陶瓷片二；103-压电陶瓷片；111-电极分区a
101l
；112-电极分区a
101r
；113-b
101
电极面；121-电极分区a
102l
；122-电极分区a
102r
；123-b
102
电极面；130-零电势面e
01
；131-电势分区半面e
1l
；132-电势分区半面e
1r
；133-电势分区半面e
2l
；134-电势分区半面e
2r
；141-极化分区p
101l
；142-极化分区p
101r
；143-极化分区p
102l
；144-极化分区p
102r
；150-x端子；160-y端子；170-w端子；200-驱动足一；
28.300-压电叠层结构二；301-压电陶瓷片甲；302-压电陶瓷片乙；303-压电陶瓷片丙；304-压电陶瓷片丁；311-电极分区a
301l
；312-电极分区a
301r
；313-b
301
电极面；314-极化分区p
301l
；315-极化分区p
301r
；321-电极分区a
302l
；322-电极分区a
302r
；323-b
302
电极面；324-极化分区p
302l
；325-极化分区p
302r
；331-电极分区a
303l
；332-电极分区a
303r
；333-b
303
电极面；334-极化分区p
303l
；335-极化分区p
303r
；341-电极分区a
304l
；342-电极分区a
304r
；343-b
304
电极面；344-极化分区p
304l
；345-极化分区p
304r
；351-电势分区半面e'
1l
；352-电势分区半面e'
1r
；361-电势分区半面e'
2l
；362-电势分区半面e'
2r
；371-零电势面e'
01
；372-零电势面e'
02
；373-零电势面e'
03
；401-驱动足甲；402-驱动足乙；410-x'端子；420-y'端子；430-w'端子。
具体实施方式
29.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
33.本发明所公开的实施例中所叙述的压电材料片均为压电陶瓷片。如图1所示，压电陶瓷片103为压电陶瓷制成的薄片状物体，在本技术的实施例1和2中都是长方体形状，按照本领域技术人员的惯常摆放姿态和习惯性描述，将片体表面(即面积最大面)放置在xoy平面上，定义长方体最长边(x轴方向)为长度方向，也是直线执行器的行进方向，定义长方体较长边(y轴方向)为宽度方向，定义长方体最短边(z轴方向)为厚度方向，定义面积最大面(xoy面内)朝向z轴负方向的是底面，与底面平行且朝向z轴正方向的是顶面。在以下实施例中，长方体形状的压电材料片和压电叠层结构均按照此摆放姿态和描述方向定义。
34.实施例1单驱动足型双层压电陶瓷执行器
35.如图2所示，本实施例提供了一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器，压电材料片的材料均为压电陶瓷，工作模态为一阶纵向振动和二阶弯曲振动的复合模态，包括压电叠层结构一100和驱动足一200；其中，压电叠层结构一100由压电陶瓷片一101和压电陶瓷片二102叠堆并连接而成；两个压电陶瓷片在顶面和底面上均设有电极。
36.本实施例提供的压电叠层结构一100叠堆的方向是沿压电陶瓷片一101及压电陶瓷片二102的厚度方向，压电陶瓷片一101放置在顶部，压电陶瓷片二102放置在底部。
37.所述驱动足一200设置在所述压电叠层结构一100的朝向弯曲振动的振动方向的面上，本实施例将驱动足一200设置在最顶层压电陶瓷片101的顶面上。驱动足一200也可以放置在最底层压电陶瓷片二102的底面上。
38.本实施例提供的压电叠层结构一100外形是长方体，压电叠层结构一100长、宽和厚度尺寸都可以作为设计变量，以两相工作频率的接近程度为目标函数，使用基于模态置信准则(mac)的模态优化方法进行优化得到，实现两相工作模态频率一致性优化设计。由于安装尺寸需求，本实施例限定压电叠层结构一100的长度为4mm，将宽度和厚度尺寸作为设计变量，使用基于mac的模态优化方法得到多组宽度尺寸和厚度尺寸的优化解，选取其中厚度尺寸最大的一组，为宽度2mm，厚度1mm。这里得到压电叠层结构一100的外形尺寸：长度4mm、宽度2mm、厚度1mm。
39.如图3所示，本实施例中每一层压电陶瓷片的顶面和底面上分别设有ai电极面或bi电极面(i＝101,102)；其中，ai电极面包括两个电极分区a
il
和a
ir
，以每个压电陶瓷片长边的垂直平分线作为电极分区界线，两个电极分区a
il
和a
ir
分别分布在压电陶瓷片长边的垂直平分线两侧，用于接入交流电压信号；所述的bi电极面是用于接地的零电势面。具体来讲，压电陶瓷片一101在其顶面设有a
101
电极面，底面设有b
101
电极面113；a
101
电极面包括电极分
区a
101l
111和电极分区a
101r
112，电极分区a
101l
111和电极分区a
101r
112都是长方形，关于压电陶瓷片一101长边的垂直平分线轴对称，电极分区a
101l
111和电极分区a
101r
112的一边均与压电陶瓷片一101的同一条长边共线重合，且跨过二阶弯振振型的波峰或波谷处；b
101
电极面113的形状为长方形，其两条宽边与压电陶瓷片一101的两条宽边共线重合。压电陶瓷片二102的电极分区布置位置和面积大小均与压电陶瓷片一101相同。为了提高性能，电极分区面积应尽可能大。将b
101
电极面113与b
102
电极面123面对面贴合连接，形成零电势面e
01
130，并将压电陶瓷片一101与压电陶瓷片二102的长边和宽边分别对齐，形成电势分区面e
1l
131-e
1r
132、零电势面e
01
130和电势分区面e
2l
133-e
2r
134交错堆叠的叠层结构，如图4所示。
40.如图4所示，本实施例中包括三个端子，分别为x端子150，y端子160和w端子170。电势分区半面e
1l
131与位于电势分区面e
1l-e
1r
相邻的电势分区面e
2l-e
2r
上的异侧电极分区半面e
2r
134等电势相连，形成一个等电势位，再与y端子160等电势相连；电势分区半面e
1r
132与位于电势分区面e
1l-e
1r
相邻的电势分区面e
2l-e
2r
上的异侧电极分区半面e
2l
133等电势相连，形成另一个等电势位，再与x端子150等电势相连；w端子170与零电势面e
01
130相连。
41.如图5所示，压电陶瓷片一101和压电陶瓷片二102都有两个极化分区，极化的方向轴是沿压电陶瓷片的厚度方向。压电陶瓷片一101的极化分区p
101l
141和极化分区p
101r
142的极化方向相同，均为“上正下负”，压电陶瓷片二102的极化分区p
102l
143和极化分区p
102r
144的极化方向相同，均为“上负下正”。本实施例提供的极化方向“上”、“下”均以固定坐标系o-xyz为基准。
42.本实施例具有1个驱动足一200，驱动足一200是半圆柱体，侧平面与压电叠层结构一100的顶面贴合固定连接，且对称地布置在压电叠层结构一100长度方向的中心面上，驱动足一200的半径根据安装需求设计为0.4mm，长度与压电叠层结构一100的宽度尺寸一致。驱动足的形状还可以是圆柱体、棱柱体或半球体。
43.本实施例中还提供了前述一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器的驱动方法。如图4所示，对x端子150施加g1＝asin(ωt)的正弦交流电压信号，对y端子160施加g2＝bsin(ωt+π/2)的正弦交流电压信号，将w端子170与零电势位相连接。其中g1与g2信号交变频率相同，相位角相差π/2。正弦交流电压信号g1、g2的交变频率在本实施例所涉及的执行器的一阶纵向谐振频率和二阶弯曲谐振频率之间。
44.工作原理：当本实施例所提供的基于纵弯复合模态的压电直线执行器施加g1和g2交流激励信号后，交流信号频率接近执行器的谐振频率，可以激发执行器同时产生一阶纵向振动和二阶弯曲振动的模态，二阶弯振位移响应和一阶纵振位移响应在时间和空间上都存在90
°
的相位差，在驱动足上可以形成椭圆运动轨迹，通过直线动子与驱动足的摩擦作用传递运动，动子就可以实现持续的直线驱动。
45.实施例2双驱动足型四层压电陶瓷执行器
46.如图6所示，本实施例提供了一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器，压电材料片的材料均为压电陶瓷，工作模态为一阶纵向振动和二阶弯曲振动的复合模态，包括压电叠层结构二300、驱动足甲401和驱动足乙402；其中，压电叠层结构二300由压电陶瓷片甲301、压电陶瓷片乙302、压电陶瓷片丙303及压电陶瓷片丁304依次叠堆并连接而成，叠堆的方向是沿四层压电陶瓷片的厚度方向。四层压电陶瓷片在顶面和底面上均设有电极。
47.所述驱动足甲401、驱动足乙402设置在压电叠层结构二300的朝向弯曲振动的振
动方向的面上，本实施例将驱动足甲401、驱动足乙402设置在最顶层压电陶瓷片甲301的顶面上。驱动足甲401、驱动足乙402也可以放置在最底层压电陶瓷片丁304的底面上。
48.本实施例的压电叠层结构二300外形是长方体，压电叠层结构二300长、宽和厚度尺寸都可以作为设计变量，以两相工作频率的接近程度为目标函数，使用基于模态置信准则(mac)的模态优化方法进行优化得到，实现两相工作模态频率一致性优化设计。由于安装尺寸需求，本实施例限定压电叠层结构二300的长度为4mm，将宽度和厚度尺寸作为设计变量，使用基于mac的模态优化方法得到多组宽度尺寸和厚度尺寸的优化解，选取其中厚度尺寸最大的一组，为宽度1.5mm，厚度1.1mm。这里得到压电叠层结构二300的外形尺寸：长度4mm、宽度1.5mm、厚度1.1mm。
49.如图7所示，本实施例中每一层压电陶瓷片的顶面和底面上分别设有bi电极面或ai电极面(i＝301～304)，ai电极面包括两个电极分区a
il
和a
ir
，以每个压电陶瓷片长边的垂直平分线作为电极分区界线，两个电极分区a
il
和a
ir
分别分布在压电陶瓷片长边的垂直平分线两侧，用于接入交流电压信号；所述的bi电极面是用于接地的零电势面。具体来讲，压电陶瓷片甲301在其底面设有a
301
电极面，顶面设有b
301
电极面313，a
301
电极面包括电极分区a
301l
311和电极分区a
301r
312，电极分区a
301l
311和a
301r
312都是长方形，关于压电陶瓷片甲301的底面几何中心为中心对称，电极分区a
301l
311的一边与压电陶瓷片甲301的一条长边共线重合，电极分区a
301r
312的一边与压电陶瓷片甲301的另一条长边共线重合，且电极分区a
301l
311和a
301r
312都跨过二阶弯振振型的波峰或波谷处；b
301
电极面313的形状为长方形，其两条宽边与压电陶瓷片甲301的两条宽边共线重合。压电陶瓷片乙、丙、丁的电极区布置位置和面积大小均与压电陶瓷片甲301相同。为了提高性能，电极分区面积应尽可能大。将电极分区a
301l
311和电极分区a
302l
321以及电极分区a
301r
312和电极分区a
302r
322分别同时面对面贴合连接，形成电势分区半面e'
1l
351和e'
1r
352；b
302
电极面323与b
303
电极面333面对面贴合连接，形成零电势面e'
02
372；电极分区a
303l
331和电极分区a
304l
341以及电极分区a
303r
332和电极分区a
304r
342分别同时面对面贴合连接，形成电势分区半面e'
2l
361和e'
2r
362；并将压电陶瓷片甲、乙、丙、丁的长边和宽边分别对齐，形成零电势面e'
01
371、电势分区面e'
1l
351-e'
1r
352、零电势面e'
02
372、电势分区面e'
2l
361-e'
2r
362和零电势面e'
03
373依次排列、交错堆叠的叠层结构，如图8所示。
50.如图8所示，本实施例中还包括三个端子，分别为x'端子410，y'端子420和w'端子430。电势分区半面e'
1l
351与位于电势分区面e'
1l-e'
1r
相邻的电势分区面e'
2l-e'
2r
上的异侧电极分区半面e'
2r
362等电势相连，形成一个等电势位，再与y'端子420等电势相连；电势分区半面e'
1r
352与位于电势分区面e'
1l-e'
1r
相邻的电势分区面e'
2l-e'
2r
上的异侧电极分区半面e'
2l 361等电势相连，形成另一个等电势位，再与x'端子410等电势相连；w'端子430与零电势面e'
01
371、e'
02
372和e'
03
373相连。
51.如图9所示，每个压电陶瓷片都有两个极化分区，极化的方向轴是沿压电陶瓷片的厚度方向。压电陶瓷片甲301的极化分区p
301l
314和极化分区p
301r
315的极化方向相同，为“上正下负”；压电陶瓷片乙302的极化分区p
302l
324和极化分区p
302r
325的极化方向相同，为“上负下正”；压电陶瓷片甲301的两个极化分区与相邻层的压电陶瓷片乙302的两个极化分区极化方向均相反；同理，压电陶瓷片丙303与压电陶瓷片丁304在其自身内的两个极化分区的极化方向相同，压电陶瓷片丙303与相邻层的压电陶瓷片乙302的两个极化分区的极化方
向均相反，压电陶瓷片丁304与相邻层的压电陶瓷片丙303的两个极化分区的极化方向均相反。本实施例提供的极化方向“上”、“下”均以固定坐标系o-xyz为基准。
52.本实施例具有2个驱动足，分别是驱动足甲401和驱动足乙402，形状均是圆柱体，其底面贴合在最顶层压电陶瓷片甲301的顶面上，且布置在二阶弯振振型的波峰或波谷处，将驱动足布置在这个位置的驱动效果最佳；驱动足的半径根据安装需求设计为0.5mm，高度为0.5mm。
53.本实施例中还提供了前述一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器的驱动方法。如图8所示，对x'端子410施加g1'＝a'sin(ω't)的正弦交流电压信号，对y'端子420施加g2'＝b'sin(ω't+π/2)的正弦交流电压信号，将w'端子430与零电势位相连接。其中g1'与g2'信号交变频率相同，相位角相差π/2。正弦交流电压信号g1'、g2'的交变频率在本实施例所涉及的执行器的一阶纵向谐振频率和二阶弯曲谐振频率之间。
54.本实施例工作原理与实施例1相同。值得提到的是，在驱动电压峰值及执行器外形尺寸相同的情况下，压电叠层结构的层数越多，单层压电陶瓷片的厚度越薄，受到激励时可以获得更大的场强和变形，从而提高执行器的振幅和负载能力。

技术特征：
1.一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器，工作模态为一阶纵向振动和二阶弯曲振动的复合模态，其特征在于：该压电直线执行器包括压电叠层结构和驱动足；所述压电叠层结构由至少2层压电材料片叠堆并连接而成，每一层压电材料片在顶面和底面上均设有电极；所述驱动足设置在压电叠层结构的朝向弯曲振动的振动方向的面上。2.根据权利要求1所述的一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器，其特征在于：所述压电叠层结构的叠堆方向包括沿压电材料片的厚度方向。3.根据权利要求1所述的一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器，其特征在于：每一层压电材料片在顶面和底面上分别设有a
i
电极面或b
i
电极面；所述a
i
电极面用于接入交流电压信号，包括电极分区a
il
和电极分区a
ir
，所述电极分区a
il
和电极分区a
ir
分别分布在压电材料片的电极分区界线的两侧；所述b
i
电极面是用于接地的零电势面；所述压电材料片上的a
il
电极分区和相邻层的压电材料片上的a
(i+1)l
电极分区面对面贴合连接，形成电势分区半面e
kl
，同时所述压电材料片上的a
ir
电极分区和相邻层的压电材料片上的a
(i+1)r
电极分区面对面贴合连接，形成电势分区半面e
kr
；或以所述b
i
电极面与相邻层的压电材料片上的b
i+1
电极面面对面贴合连接，形成零电势面e
0j
；最终形成电势分区面e
kl-e
kr
与零电势面e
0j
交错堆叠的叠层结构。4.根据权利要求3所述的一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器，其特征在于：所述压电直线执行器还包括三个端子，分别为端子x、y和w，所述电势分区半面e
kl
与位于所述电势分区面e
kl-e
kr
相邻的电势分区面e
(k+1)l-e
(k+1)r
上的异侧电极分区半面e
(k+1)r
等电势相连，形成一个等电势位；所述电势分区半面e
kr
与位于所述电势分区面e
kl-e
kr
相邻的电势分区面e
(k+1)l-e
(k+1)r
上的异侧电极分区半面e
(k+1)l
等电势相连，形成另一个等电势位；两个所述等电势位分别与端子x和端子y等电势相连，所述端子w与所有的零电势面e
0j
等电势相连。5.根据权利要求3所述的一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器，其特征在于：所述电极分区a
il
和a
ir
关于压电材料片长边的垂直平分线轴对称，或以压电材料片的表面几何中心为中心对称，所述电极分区a
il
和a
ir
跨过二阶弯振振型的波峰或波谷处。6.根据权利要求1～5任一所述的一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器，其特征在于：每一层压电材料片均包含两个极化分区，所述极化分区的极化方向轴是沿压电材料片的厚度方向，同一层的压电材料片的两个极化分区p
il
和p
ir
极化方向相同，相邻层上的压电材料片的两个极化分区p
(i+1)l
和p
(i+1)r
与所述极化分区p
il
和p
ir
的极化方向相反。7.根据权利要求1～5任一所述的一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器，其特征在于：所述压电叠层结构的外形包括长方体。8.根据权利要求7所述的一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器，其特征在于：在使用模态优化方法得到的压电叠层结构的长、宽和厚度尺寸多组优化解之中，选取压电叠层结构的厚度尺寸最大的一组优化解。9.根据权利要求1～5任一所述的一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器，其特征在于：所述驱动足有2个或4个，布置在二阶弯振振型的波峰或波谷处。10.一种利用如权利要求4所述的压电直线执行器的驱动方法，其特征在于：对端子x和端子y分别施加交变频率相同、相位角相差90
°
的正弦交流电压信号，将端子w与零电势位相连接；所述正弦交流电压信号的交变频率在所述压电直线执行器的一阶纵向谐振频率和二阶弯曲谐振频率之间。

技术总结
本发明提供了一种基于纵弯复合模态的压电直线执行器及驱动方法，属于微型压电驱动技术领域。本发明所述的压电直线执行器包括压电叠层结构和驱动足；其中压电叠层结构由至少2层压电材料片叠堆并连接而成，每一层压电材料片在顶面和底面上均设有电极，驱动足设置在压电叠层结构的朝向弯曲振动的振动方向的面上，工作模态为一阶纵向振动和二阶弯曲振动的复合模态；本发明具有外形尺寸小、驱动电压低、负载能力强、推重比高等技术效果。推重比高等技术效果。推重比高等技术效果。


技术研发人员：王大志 段宇 杨明洛 孔令杰 李泽飞 梁世文 于成治
受保护的技术使用者：大连理工大学宁波研究院
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/15