压电装置的制作方法

本发明涉及利用压电效应的技术领域，具体涉及一种利用逆压电效应的压电装置。

背景技术：

压电效应自发现以来已得到广泛的利用。其中，利用正压电效应（即通过压电材料的形变产生电势差）的例子包括能量收集器、震动测量装置等；利用逆压电效应（即通过向压电材料加电压以产生形变）的例子包括超声电机、压电风扇等。

对于利用逆压电效应的压电装置而言，为提高性能，一般都令其工作在其机械共振频率附近，即，驱动压电装置所使用的源信号的频率与压电装置的机械共振频率相匹配。本文中，所称“匹配”是指相同或接近，使得能够通过电信号的变化令压电装置产生共振。此外，简明起见，本文中所称“频率”均指圆频率ω，对于通常采用“次/秒”来表示的机械运动频率f，可按照周知的公式ω=2πf进行换算，不再赘述。

一种常见的压电风扇的电路结构示意图可参考图1。其包括两个压电元件PE1和PE2，两路源信号VS1和VS2分别通过各自的电压/电流调节器M1和M2后输出为驱动信号VD1和VD2，以驱动两个压电元件。源信号例如可采用脉冲宽度调制PWM电路来产生。

图1中，压电元件采用单片式的压电陶瓷片，提供驱动信号的一组输出端V+和V-分别连接在压电元件的正面和反面。这种情况下，风扇叶片（未图示）可粘贴于陶瓷片的正面或反面。

由于压电元件通常表现为容性元件，图1中的压电元件可等效为图2所示的电路结构。其中，Cp1和Cp2分别表示PE1和PE2的电容，Rp1和Rp2分别表示PE1和PE2的漏电阻，虚线表示两个电路回路可以共地连接。

由于压电元件需要在较高的电压下才能产生符合应用需要的振幅，因此通常而言，压电装置中的电压/电流调节器都是必须的，以产生足够高的电压。这使得压电装置的驱动要求较高。

技术实现要素：

依据本发明提供一种压电装置，包括至少一组输入端，每组输入端用于接入一路源信号；至少一个压电元件；至少一组输出端，每组输出端用于驱动一个压电元件；至少一个电感元件，串联在经过至少一组输入端和至少一组输出端的电路回路中，该电路回路的参数被配置为，使得电路回路的电路共振频率与该电路回路所驱动的压电元件的机械共振频率相匹配，或者与该电路回路的源信号的频率相匹配。

依据本发明的压电装置通过在压电元件的驱动电路中引入电感元件，使得驱动电路形成为振荡回路，并因此可以具有电路共振频率。通过配置电路参数，例如电感值，使得电路共振频率与机械共振频率或源信号的频率相匹配，使得驱动电路也能工作于共振状态，从而能够容易地产生足够高的驱动电压，使得功耗降低并提升压电装置的性能。

以下结合附图，对依据本发明的具体示例进行详细说明。

附图说明

图1是现有一种压电风扇的电路示意图；

图2是图1中压电元件的等效电路示意图；

图3是依据本发明的压电装置的一种等效电路示意图；

图4是实施例1的压电装置的电路示意图；

图5是图4的等效电路示意图；

图6是实施例2的压电装置的电路示意图；

图7是实施例3的压电装置的电路示意图；

图8是实施例4的压电装置的电路示意图；

图9是实施例5的压电装置的电路示意图。

具体实施方式

依据本发明的压电装置的一种等效电路示意图可参考图3，该压电装置包括：一组输入端，用于接入一路源信号VS；一个压电元件，其在电路中等效为并联的电容Cp和漏电阻Rp；一组输出端，用于输出驱动压电元件的驱动信号VD；一个电感元件，与压电元件串联，其在电路中等效为串联的电感Li和电阻Ri。

假定源信号的频率为ω(s)，通常情况下，也即为驱动信号的频率。本文中使用源信号与驱动信号这两个不同的名称仅为表示从电路的不同位置观察到的信号，通常源信号与所生成的驱动信号频率一致，而可能具有振幅和相位的差异。考虑到压电装置最好工作于共振状态，因此ω(s)一般接近或等于压电元件的机械共振频率ω(m)。需要说明的是，本文中所称“压电元件的机械共振频率”不应被理解为孤立的压电元件的机械共振频率，而是压电元件在当前安装状态下的机械共振频率，这通常与压电元件所固定连接的机械结构有关，可根据实际装置结构采用公知数学手段进行计算，或者通过实验测量来获得。

通过配置电路回路中各元件的参数，例如Cp和/或Li，可使得电路回路的电路共振频率ω(c)与该电路回路所驱动的压电元件的机械共振频率ω(m)相匹配，或者与该电路回路的源信号的频率ω(s)相匹配。由此即可使得驱动电路也工作于共振状态。

通常，压电元件的漏电阻Rp远大于其容抗1/(ω(s)×Cp)，因此简单起见，在计算ω(c)时可以将Rp视为开路。由此，在简单情况下，ω(c)可以表示为ω(c)=1/√(Li×Cp)。显然，对于已经设计好的压电装置，通过调整所引入的电感元件的参数就能够容易地使驱动电路工作于共振状态。在实际应用中，驱动电路还可包含更多的电路元件，压电元件和电感元件也可以等效为更加精确的电路结构，均不影响基于本发明的上述基本思路的应用。

依据本发明的压电装置可以有各种丰富的实现形式。例如，输入端可以有多组，每组输入端用于接入一路源信号。这些源信号的频率可以相同也可以不同。需要说明的是，本文中所称源信号可以有设定的频率，也可以覆盖设定的频率范围，在后一种情况下，源信号的频率ω(s)指该频率范围内的中心频率。为了获得良好的共振效果，源信号的频率覆盖范围可设计为对中心频率的偏离度不超过±B%，其中B%可根据系统对频率的精度要求来确定。在一些特别的应用中，例如需要覆盖宽的音频范围的音响，可以将一个较宽的连续谱段划分为多个子谱段，每一个作为一路源信号，以使得每一路信号都能以共振方式进行驱动。

压电装置的输出端也可以有多组，每组输出端用于驱动一个压电元件。一路源信号可以仅对应一组输出端，驱动一个压电元件；一路源信号也可以同时对应多组并联的输出端，驱动多个并联的压电元件，在这种情况下，多组输出端各自驱动的压电元件通常具有相匹配的机械共振频率。每组输出端输出的电压的相位可以根据应用的需要进行设计，例如相同，或相反，或在一个周期(2π)内间隔均匀地分布。例如，有三组输出端，相位依次延迟2π/3。输出端的相位延迟可来源于不同的源信号，也可以由相同的源信号经过产生相位延迟的元件后得到。当然，也可以将延迟后的源信号视为不同的源信号。

作为压电装置中的能量转换元件，压电元件可按照应用场景的需要被设计为各种结构形式。压电元件可以是例如图1中所示的单片式结构，也可以是双片式的复合结构，例如可以由两片相同的压电陶瓷片重叠构成一个压电元件，驱动信号的两个输出端中的一个连接两片陶瓷片远离的两个面，另一个则连接两个陶瓷片紧邻的两个面。这种情况下，用于放大振动的叶片通常可夹在两片陶瓷片之间，若叶片采用导电材料制作，例如采用金属叶片，则可直接将叶片作为电极，将一个输出端与其连接。

在简单的情况下，压电元件表面覆盖的用于传导驱动信号的电极可以是一个整体，即每一面形成为一个电极。然而在某些应用中，为实现更为复杂的振动模式或者某些额外的功能，也可以对元件表面的电极进行分割，在这种情况下，单个物理元件表面分割出的不同电极区域可以连接两组以上的输出端，从而由不同的驱动信号驱动。因此该单个物理元件可等效地被视为两个具有相同机械共振频率的压电元件，仍视为在本发明范围内的一种变化。简明起见，以下提及的压电元件均指表面为单个电极的压电元件，不再赘述。

每个压电元件与相应的一组输出端、一组输入端和一个电感元件串联形成为一个电路回路。其中，一组输入端可以被多个电路回路共享从而驱动多个压电元件。一个电感元件同样也可以被多个电路回路共享。基于上文所描述的电路分析可知，若两个以上的电路回路所驱动的压电元件基本相同且具有相匹配的机械共振频率，则这些电路回路可共享同一电感元件，无论这些电路回路是否使用同一路源信号（源信号的频率需要基本一致）。若两个电路回路采用不同频率的源信号，为便于电路设计，通常可以为每个电路回路配置各自的电感元件。不过，为了节省空间和成本，这些电路回路也可以共享同一电感元件，只是在这种情况下，还需要对电路回路中的其他参数进行设计，例如压电元件的电容，以使得在不同共振频率的情况下使用相同的电感也能满足共振条件。

以下对依据本发明的压电装置进行举例说明。

实施例1

依据本发明的压电装置的一种实施方式可参考图4和图5，是一种压电风扇。其电路结构可参考图4，与图1相比区别在于在电路回路中增加了电感元件并省去了电压/电流调节器。该装置具体包括两个压电元件PE1和PE2，增加的电感元件L10由分别驱动PE1和PE2的两个电路回路所共享。

本实施例中，通过PWM电路产生两路频率一致的源信号。PWM与PE1连接的一端以及PWM与L10连接的一端可视为第一组输入端，提供源信号VS1；PWM与PE2连接的一端以及PWM与L10连接的一端可视为第二组输入端，提供源信号VS2。

图4的等效电路可参考图5，其中，假设PE1和PE2具有基本相同的性能参数，均被等效地表示为并联的电容Cp和电阻Rp，L10等效地表示为串联的电感Li和电阻Ri。PE1和PE2具有相匹配的机械共振频率，因此它们的驱动电路可共享同一个电感元件。由前文的分析可知，图5中两个电路回路的共振频率均为ω(c)=1/√(Li×Cp)，可以容易地通过配置Li使得ω(c)与VS1和VS2的频率ω(s)相匹配。当然也可以对图5或者实际所采用的电路结构进行更精确地计算，以更准确地配置电路参数，在此不予赘述，具体计算方式不构成对本发明的限定。

当图5中的电路工作于共振模式时：

一方面，由于Rp的值一般很大，因此整个电路回路的电阻基本等于Ri。而通常电感元件的阻抗是较小的，因此这将使得电路的整体阻抗降低，从而节省能耗。

另一方面，由于PE1上的驱动信号VD1=VS1*((1/(ω(c)×Cp))/Ri)，从而有VD1/VS1=1/(ω(c)×Cp×Ri)，而压电元件的容抗1/(ω(c)×Cp)可以容易地被配置为远大于Ri，因此，驱动信号VD1可以比源信号大得多，从而使得压电元件产生足够大的振幅。对于PE2，情况也与此类似，这也是本实施例中可以省去升压装置（例如图1中的电压/电流调节器）的原因。

再一方面，对于共振状态下的电路回路，感抗与容抗互相抵消，使得电路回路整体呈电阻性质，从而功率因数接近为1，能够有效改善装置整体的功率因数，提高能量利用效率。

此外，虽然驱动信号VD1与VD2频率相同，但其相位可以不同，例如可以将源信号VS1与VS2的相位配置为相反，使得相应的VD1与VD2相位相反。这使得在远离机械振动源PE1和PE2的地方，由于其振动的相位相反而使得感受到的振动互相抵消，能够减少压电风扇产生的噪音。

在其他实施方式中，压电风扇可以具有更多数量的扇叶，例如N片。可通过将N路驱动信号的相位均匀分布在一个2π周期内，来达到在远距离处减小噪音的效果。更广义而言，只要使得N片压电元件的振动矢量（在对称的情况下可等同于驱动信号的电压矢量）的和为0，均可达到在远处彼此振动抵消的效果。

实施例2

依据本发明的压电装置的另一种实施方式可参考图6，是一种压电风扇。与实施例1相比，其结构更为精简。该装置具体包括两个压电元件PE1和PE2，电感元件L20由变压器的部分线圈来充当，且由分别驱动PE1和PE2的两个电路回路所共享。

本实施例中，采用自耦变压器（初级线圈与次级线圈位于同一绕组的变压器）的低压输出作为源信号VS，且变压器提供低压输出的部分线圈L20即作为电感元件。L20的两端可视为提供源信号的一组输入端，该组输入端由分别驱动PE1和PE2的两个电路回路所共享。电路回路的共振条件分析可参照实施例1，不再赘述。

提供驱动信号VD1和VD2的两组输出端并联，且以相反的方式连接到压电元件，使得VD1和VD2的相位相反，因此有降低远距离噪声的优点。

本实施例中的压电元件的数量可以很自然地进行扩展。例如将2N个压电元件分为两组，每组N个，一组以PE1的连接方式进行驱动，另一组以PE2的连接方式进行驱动，由此获得多片式的压电风扇。

本实施例中，利用变压器的电感效应，使得压电装置的结构更加精简，进一步降低成本和功耗。在其他实施方式中，还可以采用单相或三相变压器，以变压器的初级或次级线圈来充当电感元件。

实施例3

依据本发明的压电装置的另一种实施方式可参考图7，是一种压电马达，具体是一种多面体超声电机。该装置具体包括三组输入端和3×2个压电元件PE。三路源信号VS1、VS2和VS3具有相同的频率，只是相位依次错开2π/3。各个压电元件具有相同的性能参数，分别固定于一六面体的每一面，因此也具有相同的机械共振频率。压电元件分为三组，每组两个，同一组中的两个压电元件共享一路源信号。电感元件L30由分别驱动六个压电元件的六个电路回路所共享。由于通常固定压电元件的多面体由金属制成，因此本实施例中将其作为共用的接地电路，并在多面体与共地端之间串联L30。

由于各路源信号频率相同，各个压电元件的机械共振频率也相同，因此本实施例同样采用共用电感元件的方式来使得各个电路回路工作于共振状态。本实施例中固定有压电元件的六面体既可以作为压电马达的定子，也可以作为动子。

本实施例中，采用三相电压作为源信号来驱动该压电马达，在其他实施方式中，也可以采用M相电压来驱动。一般而言，可采用M路源信号和M×N个压电元件，M和N为正整数，每路源信号分别通过N组输出端驱动N个压电元件，相应地，压电片需要固定于一M×N面体的每一面。

压电马达通常需要施加较高的电压才能获得较大的输出功率，基于本实施例，由于电路共振的原因，只需要较小的源信号，即可在压电元件上产生较高的驱动电压，从而产生较高的机械振幅和输出功率。并且，压电马达通常呈明显的容性阻抗，其功率因数一般较差（例如，小于0.5）。基于本实施例，可使压电马达呈电阻性质，可大幅度提高压电马达的功率因数。

本实施例电路结构也可应用于其他形式的压电马达，例如盘式超声电机。

实施例4

依据本发明的压电装置的另一种实施方式可参考图8，是一种压电扬声器。与之前的实施例相比，区别在于装置中具有多个共振频率。

通常，一个优秀的音响的扬声器需要能够覆盖20赫兹到2万赫兹的音频范围。即便是用于语音的扬声器，也需要覆盖200赫兹到8000赫兹的音频范围。在这类应用中，为了仍然能够利用共振的优势，可以将较宽的频率范围划分为多个子谱段，分别作为不同频率（中心频率）的源信号，相应地，使用具有不同机械共振频率的压电元件来充当振动器。

本实施例中示例性地使用了五个频谱段，中心频率分别为ω1、ω2、ω3、ω4、ω5。音频放大器ADA将音源信号按照这五个频谱段划分为五路源信号V1(ω1)、V2(ω2)、V3(ω3)、V4(ω4)、V5(ω5)，分别驱动不同的压电元件来发声。本实施例中，每一个压电元件均串联有使其驱动电路工作于共振状态的电感元件。如图8所示，电感元件L41、L42、L43、L44、L45分别与PE1、PE2、PE3、PE4、PE5串联并形成电路回路。

本实施例中，由于不同频率的电路回路均具有独立的电感元件，因此可以容易地配置电路参数来满足共振条件，使得扬声器能够达到优秀的效果。并且，由于驱动电路工作于共振状态，能够以较小的源信号产生较大的音量，从而可以省去传统音响中使用的模拟放大器。这不仅使得采用全数字信号来驱动扬声器成为可能，也进一步节省了空间和成本，对于尤其是手机等应用而言，具有巨大的价值。

实施例5

依据本发明的压电装置的另一种实施方式可参考图9，是一种压电扬声器。与实施例4相比，多个共振频率不同的电路回路仍然共用同一电感元件。

本实施例与实施例4类似，音频放大器ADA将音源信号按照五个中心频率划分为五个频谱段作为五路源信号，各自驱动一个压电元件。不过本实施例中，五个不同共振频率的电路回路使用同一电感元件L50。这可以通过配置各个压电元件的电容值来实现，即，令Cp(j)=ωj×ωj/Li，其中，Cp(j)为压电元件PEj的电容值，ωj为PEj的驱动信号的中心频率（也是PEj的机械共振频率），j=1,2,…,5，Li为L50的电感值。

虽然，限制压电元件的电容值会为压电元件的结构设计带来一定的困难，可能会限制扬声器的效果。但是，本实施例能够带来成本以及空间需求的进一步明显减低，这对于扬声器在便携式产品（例如手机、MP3播放器等）中的应用而言是非常重要的，因此，本实施例的优化设计同样颇具吸引力。

以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，应该理解，以上实施方式只是用于帮助理解本发明，而不应理解为对本发明的限制。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，可以对上述具体实施方式进行变化。