专利名称：用于组合式换能器的电驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电换能器，特别是那种用于驱动组合式换能器的电谐振系统。如果有选择地激励连接在一起的换能器各换能组件，就可以变更或扩展电换能器的输出能力。例如，将若干个换能组件层叠起来可构成作为一种电换能器实例的压电致动器，则该致动器可以给出三维机械输出。若将周期性地交替变换着的两个或多个压电致动器的牵引行程组合在一起，便可以获得“步进”移动。
常规的谐振致动器，比如说超声谐振行波电动机，在其开始牵引接触时，致动器与可移动物体间的相对速度将产生初始滑动，该滑动将一直延续到形成牢固的接触时为止;在该周期的牵引段即将结束时，将再一次产生滑动，以便为进入该周期的离开段和回程段作准备。由于滑动摩擦，特别是在当相对速度最大时的回程段的滑动摩擦，使得这种系统的电机械转换效率大为降低。具有常规谐振驱动器的致动装置，其电机械转换效率一般大会超过40%，而其中的大部分损耗是由滑动摩擦造成的。目前已知，在运行了几分钟之后，谐振行波压电电动机的转子，将因这种接触而过热。这种具有圆形或椭圆形牵引轨道的谐振致动器对定位物体或转子施加的力是随时间变化的法向力和随时间变化的切向(牵引)力。其结果是，所产生的线性移动是不平缓的，电动机的转矩是脉动的。
通过改变电压周期性变化的幅度或机械行程，可以对谐振致动器的作用速度进行调节。但是在全速和满功率的条件下，谐振致动器的运行效率最高。若用降低幅度的方式降低其速度，则因为滑动摩擦在全部可利用的能量中所占的比例增加，亦将导致效率的降低。回程中的摩擦将随着圆形或椭圆形移动尺度的减少而加剧。牵引周期处于完全中止或暂停部分时的谐振幅度确定了速度的下限。因此，这种谐振致动器的运行状态是难以保持受控的稳定位置并施加静态牵引力的。
先有技术中谐振激励的压电致动器使用厚度压电形变模式或长度压电形变模式，其中，铁电体的极化方向平行于所施加的电场方向。如果外加电势产生的电场方向与极化方向反向平行，则将会降低铁电体的极化甚至使之反向。这种压电致动器需要较大的电压摆幅来维持谐振，且该电压摆幅要基本上对称于自动定位的中间电势值。把自动定位的中间电势值提高地电位以上至少半个峰-峰电压摆幅，就可以避免去板化作用。然而，这将使电路在相当高的对地电压下运行，对于大型致动器，这往往会产生危险。
人们已经用变化缓慢的直流电流(比如说可编程直流功率源)来控制压电定位器。这些功率源除了具有受限制的频率响应之外均与A类放大器相仿。所有的无功电容性电流均流经这些放大输出装置。在零激励状态下，一个A类放大器将在其内部消耗掉所有可利用的能量。可变直流电压基本上没有叠加的高频脉动，从而它还可以提供低速下(包括零速度)的平滑控制和高定位精度的压电定位。若工作在适当的频率和电压，则可编程直流功率源可使压电致动器以平缓步进方式运行而没有滑动摩擦所造成的损耗。但是，仿真A类或B类放大器是可编程直流功率源的性能限制着这种装置的高效率。当每秒钟有几个牵引循环或是电压起过200伏时，动作变得更加困难，且其效率更低。而且，当驱动一完全容性负荷时，现有的A类或B类线性放大器中没有一个能保持稳定。因此，除了在放大器频带的最低部分之外，这种放大器对于高效电机械压电步进致动器来说，是不适用的。
Skipper等人的美国专利4628275描述了一种仿真A类放大器的电子驱动器。该放大器可给出压电剪切致动器所需的高双极电压摆幅。然而即使是在保持电压稳定时，该放大器的起声电荷转换周期也加速其磨损速率，并在所有连接该致动器与定位物体间的机械中增大疲劳。而且，该放大器需要有高压直流功率源、大和笨重的变换器，以及非常高速的开关，才能获得适当的电效率。交-直流功率变换器的使用以及存在于输出开关装置中的大的无功电流，使得这种致动器的效率不可能达到80%以上。
可平缓步进的压电致动器特别适于在真空中运行，比如说在轨道空间站中使用，其原因是它不需要润滑。这种压电致动器的电机械效率相当高，若忽略其内部的电损耗，其效率可达98%。这种致动器还可以防止运行中往往会出现的过热，从而不再需要辅助冷却，这种冷却会降低整个系统的效率。而且，这种压电致动器不再需要功率源提供额外的能量来保持其稳定力。
在真空中运行对这种驱动电子仪器提出了类似的热控制要求。随着效率的提高，将大大地减小对热量消除的需要。当压电致动器所施加的力是稳态力，或是在低速下运行时，理想电功率源产生的内部热量可忽略不计。理想的是，由驱动系统所提供的能量应该等于由该致动器转换成有用机械功的能量。因此，为了能够得到压电致动器的非正弦换能器输出，比如说为平缓步进移动，就需要有高效率的电系统为其提供适当的谐振波形。
在常规换能器中，电机械谐振产生的是正弦输出，它可以十分容易地用能产生一椭圆形或圆形机械输出的正弦波和余弦波加以描述。与此相反，本发明给出了一种可驱动一组合式换能器以产生任意输出波形的电学系统。其中，换能器的每一换能组件均通过一分立的电路与一电控制器相连。该电控制器分别为每一回路提供单独的谐振电信号，以激励换能器的各相应的换能组件。每一换能组件均响应各自回路中的谐振电激励。但是，因为换能器是由各换能组件彼此耦合而成，故其总的输出(一般为力的形式或移动形式)应为换能器的各个换能组件的输出响应的矢量和(忽略耦合效应)。因此，通过对各换能组件相应于各谐振电激励所产生的响应进行机械叠加，本发明的系统具有产生非正弦换能器高效输出的能力。
适当地选择各电回路的频率和付里叶系数幅值，本发明系统的输出波形可在较宽的范围内变化。举例而言，但不限于此例，本发明的系统可用于压电致动器、电磁致动器、磁致伸缩致动器以及热膨胀装置。而且，由于在各种类型的机械中和各种精密仪器(比如说光具座)中，所产生的周期性扰动都是典型的非正弦形式，因而应用本发明的原理都可以将其减小，以至将其完全消除。
为了更好地阐明本发明以及本发明的优点，下面将结合附图描述本发明的最佳实施例。
图1是一压电双晶片的透视图;
图2是一由若干个层叠双晶片构成的压电致动器的透视图;
图3是位置安排成用于步进移动的一对邻接的致动器的透视图;
图4是本发明的一个电驱动系统的示意图;
图5示出了一双轴、恒速、平缓步进的压电致动器的切向作用的理想机械波形图;
图6示出由六个致动器换能组件输出的机械和的曲线，它与图5所示的理想波形基本吻合;
图7示出了输出的和如图6曲线所示的六个致动器换能组件的前四个独立波形曲线;
图8示出了一双轴、平缓步进的压电致动器的垂直作用的理想机械波形曲线;
图9示出了与图8的理想波形近似的由六个致动器换能组件输出的机械和;
图10示出了压电换能组件有30%迟滞的曲线;
图11示出了一个压电换能组件的迟滞滞后的四分之一周期的曲线;
图12示出了该压电致动器垂直作用的迟滞滞后的四分之一周期的曲线;
图13示出了图11所示的迟滞时间延迟已被从致动器的每一换能组件的起动时间中减去后的垂直作用的四分之一周期的曲线。
本发明包括一个用于驱动电换能器(如压电致动器)以产生非正弦换能输出的系统。虽然在下面的说明中仅涉及压电致动器这种典型的换能器，但是，本发明适用于驱动各种类型的组合式电换能器。
为了能更好地理解本发明，图1-3对层叠组合式压电致动器作了介绍。图1示出称为“双晶片”的压电元2。双晶片2的构成为压电薄层4a、4b，通过导线12与电子驱动器14相连的中央电极薄片6，以及与地线10相连的电极薄片8a、8b。压电薄层4a、4b的极化方向分别如箭头Pa、Pb所示。由此可见，“双晶片”一词的含义应为具有两层互补的由压电剪切材料制成的薄层的压电元，其外侧具有接地电极。
若驱动器14在电极6处施加一负电势，则在薄层4b中形成一个方向如箭头Eb所示的电场。如果使电极8b的空间位置保持不变，则由于电场Eb与极化场Pb的组合作用;将会产生剪切力，该剪切力使得电极6沿方向15产生平行于电极8b的位移。由于薄层4a中的压电极化方向Pa与薄层4b中的压电极化方向Pb反向平行，施加在电极6上的负电势将在薄层4a中形成与电场Eb的方向反向平行的电场Ea。该极化场与电场的组合作用将在薄层4a中产生剪切力，从而使得电极8a亦沿方向15产生相对于电极6的位移。
如果这两个薄层具有全等的几何尺寸和等价的压电性能，则这两个压电薄层将产生同样大小和同样方向的位移。这两个薄层在电学上并联，在力学上串联。因此，电极8a相对于电极8b的位移，为这两个薄层位移的矢量和。若在电极6处施加正电势，则其电场方向与图示方向相反，剪切位移的方向亦相反。电极8a、8b保持接地状态。电极6位于这两个地电极的中间，保持电路的对称。使用具有相等正、负峰值电势的双极信号可以对电极6实施最有效的驱动。由于电场方向与极化方向彼此正交，故这种双极驱动不会使这些层去极化。和用于常规压电致动器的单极驱动方式相比，无论是以厚度模式还是以长度模式运行，双极驱动均可以使压电剪切位移增大一倍。而且，在单位电场强度下双晶片2的压电剪切变形一般均大于其它的压电极化模式可能产生的变形。
双晶片2可以用作电机械定位器或力的换能器。各电极和极化方向的预定交替设置可使双晶片沿三个所需正交方向中的任一方向产生位移。可以用一个、两个或三个剪切形变双晶片组合成分别具有单个、两个或三个定位轴的致动器。还可以将若干个具有不等规格、数目以及带有所要求的正交移动方向组合的双晶片耦合起来构成剪切致动器。外接地电极可以用电的或机械的方式将各双晶片彼此连接起来，并将其连接至其它的导电构件而与接点电状态无关。
在将双晶片层叠起来构成致动器时，不再需要辅助的电绝缘体。取消了这类绝缘体，可以消除不必要的弹性体的柔性，并将构件附着到致动器着力点的距离缩短到最小，从而可以改善电机械性能。而且，所有接地电极均可彼此连接，在某一处一起接地。
图2示出了一个压电致动器，它包括一个基体22、若干个类似于双晶片2的层叠设置的双晶片以及一个防护“牵引器”或“脚座”24。其中的每一双晶片均通过连接件如连接双晶片2的导线12与电子驱动器14相连接。为简明起见，省略了与各双晶片间的电极相连接的地线。各双晶片彼此耦合在一起并附着在结构支承基体22上。牵引器24附着在致动器远离基体22的一端，该端部可通过电作用定位。各双晶片的位移如方向箭头16、18、20所示，它们的矢量和确定着牵引器24的位置(略去耦合效应)。
通常使用的铁电体形式的压电材料，由电畴的集合构成，每一个电畴均以不同的速度响应所施加的稳定电势而排列起来。比如说，当向致动器施加一个稳定的电势差时，这些电畴很快地排列起来，在一相当短的时间里完成主要的机械行程。在电势差改变后，无论所施加的电势是否稳定，随着那些排列较慢的电畴沿电场的排列，该机械行程将渐近地达到其满行程值。这种现象被称为漂移。在压电致动器的许多应用场合，希望使给出的机械行程忠实地遵循所施加的电势变化，一种已知的方法是使用一位置检测器来闭合带有致动器和电驱动器的控制(反馈)回路。这种回路控制定位的优点是可以消除漂移所产生的定位误差。
为清楚起见，下面仅对具有两个彼此正交的牵引移动方向，即法向(垂直)和切向的压电致动器进行说明，但这一说明并不是限定性的。本领域的技术人员可很容易地将其外推到具有三个彼此正交方向的移动。通过接触摩擦或称牵引力，牵引器24使一个可移动物体移位。比如说，该可移动物体可以是一个致动器连杆，或是一个电动机转轴。可移动物体最靠近牵引器的至少有一个表面是称为“牵引面”的牵引表面。可沿牵引面切线方向16移动牵引器24的双晶片被称为“切向双晶片”，而可沿牵引面法线方向20移动牵引器24的双晶片被称为“法向双晶片”(lifters)。
图3示出了一对附着在基体22上的压电致动器A和B，它们以步进方式使牵引面26(在图中以虚线示出)移动或定位。用于使牵引面26移动或称定位的系统可以包括若干个类似于致动器A和B的致动器。牵引器24a、24b和牵引面26的移动相对于固定的基体22进行测量。为简明起见，省略了电子驱动器和连接部件。牵引器24a、24b可以按电子学方法定位在预定的轨道上，每一轨道均是箭头28、34所示的切向移动和箭头30、32所示的法向移动的组合。电子驱动器和控制器(图3中未示出)通过对致动器各换能组件施加适当的电学波形来控制致动器在预定轨道上的移动。牵引器24a、24b以步进方式交替地与牵引面26相接触。这种平缓步进将产生基本上不变的牵引速度、施加在牵引面上基本不变的净法向力、施加在牵引面上基本不变的净切向力，以及牵引器与牵引面之间在整个步进循环中可忽略不计的滑动接触。滑动接触可忽略不计是平缓步进的一个主要技术特征，它促进了这种致动器具有长期稳定运行的能力、长的工作寿命和高的电机械效率。
图4是本发明电学系统的一个实施例的示意图。该系统包括控制器40、若干个与控制器40相连接的电激励器S1…Sn、若干个相应的阻抗Z1…Zn(由换能器42a的各换能组件构成)、若干个相应的第二阻抗Z1′…Zn′(它们由以虚线示出的第二换能器42b的相应的换能组件构成)，以及若干个连接着相应的激励器和阻抗的回路L1…Ln。阻抗Z一般包含有多个电抗，如电感器和/或电容器。在图4中，传感器42a(和42b)的基体被固定住，以使换能器42a(和42b)顶端的移动相应于机械输出波形。采用换能器对的形式(如42a、42b)，可以改善系统的紧密度，并简化其结构。若取图4的连接方式，传感器42b将产生与传感器42a的输出互补的输出，就如前述步进移位中那样。
外部电功率通过导线44施加至控制器40。所提供的指令通过导线46施加至控制器40，这种指令通常包括对所需的换能输出的模拟。根据所提供的指令，控制器40计算并控制着各激励器的电功率分配，以产生所需要的换能输出。如果需要的话，还可以在系统中设置反馈线48a、48b，它们分别将换能器42a、42b与控制器连接起来。连线48a、48b上的反馈信号可反映出，例如，换能器的输出状态或换能器各换能组件间的相对位置。每一激励器上所加电信号的幅值是时间的周期函数。每一激励器以谐振电信号驱动其所在回路。根据由导线46输入的指令，控制器40确定每一回路所需的响应曲线F1…Fn的频率、振幅、相位和极性。每一回路的阻抗Z′中暂时存储的电能，有助于生成电激励的谐振。阻抗Z′可以是分立元件，也可以包含着激励器的输出阻抗回路。在该最佳实施例中，阻抗Z′包含着第二个换能器42b的各换能组件，这些组件相应于换能器42a的各换能组件(阻抗Z)。
控制器40利用付里叶原理选择出每一换能组件的响应曲线F的频率、振幅、相位和极性。提供给各回路的谐振电信号使该回路中的致动器换能组件产生适当的响应F。各换能组件移动的矢量和为整个致动器的输出。这一过程模拟用若干正弦电信号叠加合成非正弦电波形。但是，本发明与先有技术的区别在于不采用电信号叠加也不采用机械谐振。本发明的系统采用电谐振和机械叠加的方式获得所需的换能输出。
图4中的换能器42a、42b可包括若干个如前所述的组合式压电致动器。在这一实施例中，阻抗Z和Z′包含有起电容作用的压电双晶片(单个的双晶片或是一组以电学方式并联连接的双晶片)。参见图5，当使一定位物体以恒速平缓步进时，其双轴压电致动器的切向分量的理想机械波形如虚线波形50所示。波形50为致动器脚座切向位置作为时间函数的曲线。在波形50的曲线段a，作用有切向力;在曲线段b，没有切向力;在曲线段C，进行回程;在曲线段d，再次施加切向力;自曲线段e起开始新的一轮切向力的循环。在该实施例中，切向位移波形是周期λ的周期函数。使用这种双极压电剪切元件，波形50对称于点O处的静止机械位置，切向移动的极限值由Y和-Y示出。
参见图6，波形52示出了一个具有六个换能组件的压电致动器的实际切向移动曲线，该曲线为这六个换能组件各自的切线移动的矢量和。所示的实际波形52与理想波形50大致重合。理论上，理想波形50可以由无限多个分别由各自的回路驱动的致动器换能组件的移位的叠加来获得。但在实际上，相当少数目的换能组件移位的叠加就足以模拟出该理想波形了(如图6所示)。
图7示出了该致动器前四个换能组件各自的输出波形F1…F4的曲线。对于致动器的精确响应而言，这些曲线分别相应于回路L1…L4的电激励器的相位和频率。在此实例中，一半回路以正弦波谐振，另一半以余弦波谐振。对于压电步进，调节其余弦波的振幅可改变切向输出的力，调节其正弦波的振幅可改变切向移位的速度。
可以独立地、同时地调节对致动器的输出力和速度。一般说来，在保证安全运行的前提下，各致动器换能组件(即双晶片)均应由具有相同峰值的电势驱动，以产生最大的效率。可以用调节每一回路中阻抗大小的方式来改变各换能组件输出移位的幅度。对于压电致动器来说，把数量不等的类似的双晶片并联连接，使可以调节每一换能组件的电容量。这可以由控制器来实现，例如，用若干个连接在激励器和换能器之间的回路中的电开关(未示出)来实现。在图7所示的实例中，因为阻抗Z1比阻抗Z2大，故F1的幅度比F2的大。
参见图8，波形54以虚线示出了双轴压电致动器的垂直致动部分(法向)的理想换能输出Y的曲线，该曲线是时间t的函数。在波形54的曲线段a，致动器对牵引面施加法向力;在曲线段b，除去法向力，并使脚座不接触牵引面;在曲线段C，等待切向移位的回程;在曲线段d，再将脚座放到牵引面上;在曲线段e，再次施加法向力以进行下一轮牵引循环。图9示出了重叠在理想波形54上的被截级数的付里叶波形56，该波形为六个分立的法向换能组件的移位的矢量和曲线。该曲线表明，采用数目不多的几个分立受激的致动器换能组件，便可以使其输出波形十分接近于理想波形。
在上面的说明中，均假定致动器对电激励的响应是线性的。而实际上，致动器的响应是非线性的。当对称受激励的幅度低于导致饱和的幅度时，双极驱动的剪切压电致动器具有如图10所示的非线性，或滞后。在图10中，牵引器位置Y的曲线是所加电势e的函数。理想的线性换能器的响应应如虚线60所示。曲线62表明，当电势由最低电势-E向上增加时，致动器换能组件的位移有30%的迟滞;曲线64表明，当电势由最高电势E向下降低时，致动器换能组件亦有同样的迟滞。
图11示出了由正弦波激励的一个换能器换能组件的位置曲线的四分之一周期的波形。实际换能组件的位置66较理想的线性响应68的迟滞为时间α。相位滞后α是一种如图10所示的压电迟滞所产生的时间滞后畸变。实际响应曲线66还受到波形(或谐波)畸变的影响。
图12示出了一压电法向双晶片的四分之一周期的响应波形。虚线56表示由图9所示的六回路线性付里叶合成波形，波形70表示实际的六回路付里叶响应波形，后者包括上述时间滞后和谐波畸变。在一级近似范围内，致动器的时间滞后θ是图11所示的换能组件迟滞α的代数和，而振幅误差β是其谐波畸变的代数和。
参见图13，波形70′是图12所示实际六回路付里叶响应所给出的波形，只是各回路的起动时间中已减去了时间滞后α。这称之为相位(或时间范畴)修正。正如图13所示，对α的时间范畴修正显著减少了与线性合成波形56的偏差。由于时间滞后与一谐波畸变间复杂的耦合关系，幅度误差β也被降低了。这一结果表明，采用容易实施的时间范畴修正给出的换能输出，比起同样的非线性换能器采用常规的整体驱动所能获得的输出的精度更高。在这一最佳实施例中，控制器40将所有回路相位锁定在频率最高的回路，因而可以对适当的回路进行相对相位修正。而且，采用本发明所给出的付里叶合成和时间范畴修正，可以降低乃至消除许多二级畸变，如压电漂移等。
电换能器可暂时地存储电能和弹性能。在一理想谐振系统中，激励器仅仅输出有待转换为机械功的电能，而存储在回路中的能量，如无功功率和弹性应变等，将循环返回而不会损失。减少半导体元件，可使组合式换能器的回路具有低电阻。例如，可将半导体元件归入激励器的控制器一侧。
本发明的压电实施装置的许多应用场合也允许明显地偏离理想平缓步进的波形。例如，用于液压致动器的压电替换件所允许的近似运行状态比光学元件所用的定位器所能允许的范围要大得多。在应用于不精确的运行时，可以接受更低精度的付里叶和的近似值。故可以将双晶片连接成级数更少的回路，简化了控制。较大的双晶片组具有更大的电容，可以使每一回路在更低的频率下运行，从而可以具有更大的电荷转换摆幅(即无功电流)，以给出更长的行程。当每一级回路均由尽可能低的电阻构成时，可以处理非常大的无功电流。当较大的无功电流流动时具有相对降低的电阻损耗，从而提高了效率。大的无功电流还可以提高致动速度，使得致动器能输出更大的功率。
作为本发明实施例的一个变型，压电致动器中的电容可以由电感替代。每一致动器电感是一个分立的螺线管。在这一实施例中，第一组螺线管全部共线绕在一磁致伸缩的棒上。在该磁致伸缩棒一端部输出的机械行程为非正弦波形，它是由每一螺线管所产生的行程的被截付里叶和。在另一个不具有第二组彼此电连接螺线管的实施例中，可以用电容器或电感器作为辅助电存储部件。也可以配置致动第二磁致伸缩棒的第二组螺线管，第二组中的每一个螺线管均与回路中第一组中相应的螺线管相连接，所述回路类似于前述的用于连接压电双晶片的回路。在另一实施例中，上述双晶片和螺线管可被热膨胀材料制成的电热部件的致动器替代。从上述实例可看出，虽然组合式换能器的类型的变化可以相当大，但本发明的电驱动系统的原理始终保持不变。
通过选择适当的回路频率和付里叶系数幅值，本发明可以给出各种各样的行程波形。本发明的各种实施例的使用范围包括平缓步进致动器、电磁发动机以及热膨胀致动器。在许多应用中，非正弦周期输出是一个优点，因为每个致动器行程的预定部分可以输出不同大小的力、速度和加速度。
尽管本发明是用特定的实施例来描述的，但本领域的技术人员可以对其作出各种改进和变型，因此，本发明包括所附权利要求范围内的所有改进和变型。
权利要求
1.一种用于驱动换能器的电系统，包括若干个彼此耦合以构成换能器的换能组件，每一所述组件均包含有阻抗；若干个第二阻抗；若干个回路，每一所述回路均以电学串联的方式将换能器换能组件之一和相应的一个第二阻抗连接起来；用于谐振激励各回路以使其产生一个预定非正弦换能输出的装置；以及用于将所述激励装置与各回路耦合的装置。
2.如权利要求1所述的电系统，其中所述激励装置包含电控制器，用于在所述回路中产生谐振电信号，以产生各换能器换能组件的输出，所述非正弦换能输出是各换能器换能组件输出的矢量和。
3.如权利要求2所述的电系统，其中所述电控制器产生若干个具有各自频率、相位、幅度和极性的谐振电信号，每一所述电信号用于激励换能器的一个换能组件。
4.如权利要求3所述的电系统，其中在相应的各回路中，每一所述谐振电信号在该换能器换能组件和相应的第二阻抗之间呈振荡状态。
5.如权利要求4所述的电系统，其中各换能器换能组件均由磁致动换能组件构成。
6.如权利要求5所述的电系统，其中每一磁致动换能组件均包含由电磁线圈构成的电感器。
7.如权利要求4所述的电系统，其中每一换能器换能组件由热膨胀致动换能组件构成。
8.如权利要求4所述的电系统，其中换能器由第一压电致动器构成，每一换能器换能组件由压电双晶片构成，所述每一、第二阻抗包含有电容。
9.如权利要求8所述的电系统，其中每一所述电容包含有相应的第二压电致动器的一个换能组件。
10.如权利要求9所述的电系统，其中所述电信号在相应的第一致动器换能组件和第二致动器换能组件之间呈振荡状态，由此使第一致动器和第二致动器产生彼此互补的非正弦输出。
11.一种用于驱动组合式压电致动器的电系统，包括若干个彼此耦合以构成致动器换能组件的压电双晶片，每一所述换能组件包含有电容;若干个第二电容;若干个电回路，每一所述回路均以电学串联方式将一个致动器换能组件和一个相应的第二电容连接起来;一个用于对致动器换能组件实施电激动以产生双晶片移位的控制器，所述各双晶片移位的矢量和构成预定的非正弦致动器移动输出;以及用于将所述的控制器耦合于各回路的装置。
12.如权利要求11所述的电系统，其中1所述控制器给出若干个具有各自的频率、相位、幅度和极性的电信号，每一所述电信号用于激励一个致动器换能组件。
13.如权利要求12所述的电系统，其中在相应的各回路中，每一所述电信号在致动器换能组件和相应的第二电容之间呈振荡状态。
14.如权利要求13所述的电系统，其中所述的每一、第二电容器包括有相应的第二致动器的换能组件。
15.如权利要求14所述的电系统，其中所述电信号在第一致动器和第二致动器相应的换能组件之间呈振荡状态，由此使第一致动器和第二致动器产生互补性非正弦移位输出。
16.如权利要求15所述的电系统，其中所述的互补性非正弦移位是由各致动器的平缓步进移位构成的。
17.一种由电激励换能器产生非正弦输出的方法，包括下列步骤提供若干个彼此耦合以构成换能器的换能组件，每个所述换能组件包含有阻抗;提供若干个第二阻抗;构成若干个电回路，每一所述回路以电学串联的方式将一个换能器换能组件和一个相应的第二阻抗连接起来;以及用谐振电信号激励每一所述回路以给出非正弦换能输出。
18.如权利要求17所述的方法，其中激励换能器的步骤包括在所述各回路中产生谐振电信号，以产生各换能器换能组件的输出，其非正弦换能输出为各换能器换能组件输出的矢量和。
19.如权利要求18所述的方法，其中产生谐振电信号的步骤包括产生若干个具有各自的频率、相位、幅度和极性的电信号，所述的每一电信号激励一换能器换能组件。
20.如权利要求19所述的方法，其中产生电信号的步骤包括，在相应的各回路中，在换能器换能组件的相应的第二阻抗之间产生振荡电信号。
21.如权利要求20所述的方法，其中提供若干个换能器换能组件的步骤包括，准备若干个彼此耦合以构成压电致动器的压电双晶片。
22.如权利要求21所述的方法，其中提供第二阻抗的步骤包括，提供若干个形成第二压电致动器的第二压电双晶片。
23.如权利要求22所述的方法，其中激励各回路的步骤包括，激励第一和第二组双晶片中相应的双晶片，以便由各致动器产生平缓步进移动。
24.如权利要求20所述的方法，其中提供若干个换能器换能组件的步骤包括，提供若干个彼此耦合以构成电磁致动器的电磁换能组件。
25.如权利要求24所述的方法，其中提供若干个电磁换能组件的步骤包括提供若干个包含有螺线管的电感器。
26.如权利要求25所述的方法，其中提供第二阻抗的步骤包括，提供若干个形成第二电磁致动器的第二螺线管。
27.如权利要求20所述的方法，其中提供若干个换能器换能组件的步骤包括，提供若干个彼此耦合以构成热膨胀致动器的热膨胀换能组件。
全文摘要
一种以谐振电信号激励组合式换能器并使后者产生非正弦换能输出的电系统。换能器可由包含若干换能组件的组合式压电致动器构成。每一换能组件与第二致动器的相应组件串联而形成回路。电控制器用具有各自的频率、相位、幅度和极性的电信号激励各回路。每一致动器的输出均为其中各双晶片机械输出的矢量和。用该电波形驱动一对致动器时，两致动器间产生电荷振荡，回路电流在基本无损耗的无功元件间流动而不流经高损耗的输出装置。
文档编号H01L41/04GK1054689SQ90106979
公开日1991年9月18日 申请日期1990年8月15日 优先权日1990年3月5日
发明者高尔顿·沃尔特·卡尔普 申请人:洛克威尔国际公司