本发明属于微型压电驱动，具体涉及一种多阶弯曲模态耦合的平面万向压电执行器及驱动方法。
背景技术：
1、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。压电执行器的设计方案一旦确定，其极化分区的方向也就确定下来了，一般来讲，由于极化和驱动方案的复杂性，以两种模态复合的压电执行器，只能实现单自由度驱动，兼顾两个方向的驱动通常会产生极化方向设计的矛盾。实现多自由度的驱动，通常也需要设计多组互相独立的压电元件，也就是需要更多的压电材料，会带来材料成本的提升，也增加了执行器的重量，不利于提高执行器的负载能力。
2、z chen等人于2014年在学术期刊journal of applied physic发表的论文a twodegrees-of-freedom piezoelectric single-crystal micromotor中公开了一种双自由度的压电单晶体微电机。它由一块长方体形状的压电单晶体材料制成，驱动足布置在顶部，还包括对角布置的8个电极，通过对不同组合的电极施加信号，激发两个正交方向的l1b2(一阶纵振和二阶弯振的复合模态)，可以执行x向和y向的双自由度驱动。但是该技术方案应用的材料是pin-pmn-pt单晶体材料，虽然压电常数很高，但是成本高昂；而且该执行器需要的驱动电压值比较高，达到了80v，在一些小型的电子设备中已经很难被应用。因此，开发出驱动电压低，又可以保证较高驱动负载能力的多自由度压电执行器件，对于拓宽其应用场景意义重大。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中所存在的驱动电压过高、负载能力低的技术问题，本发明提供了一种多阶弯曲模态耦合的平面万向压电执行器及驱动方法，包括一种具有压电叠层结构的执行器，以同一组压电元件可以激发执行器的一阶弯振和二阶弯振的复合工作模态，或者双相一阶弯曲振动复合工作模态，实现对微型压电马达动子在平面内的万向驱动。
2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
3、一种多阶弯曲模态耦合的平面万向压电执行器，包括压电叠层结构和驱动足。所述压电叠层结构由至少2层压电片叠堆并连接而成，叠堆方向包括沿压电片的厚度方向，每一层压电片在其相对的两个表面上均设有电极；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。该执行器包含两个方向互为正交的振动工作模态，分别是一阶弯曲振动和二阶弯曲振动的复合模态，以及双相一阶弯曲振动复合模态，两种工作模态分别用于驱动动子实现两个互为正交方向的直线运动。
4、每一层压电片在其一表面上设有ai电极面，对侧表面上设有bi电极面；所述ai电极面用于接入交流电压信号，包括4个电极分区aifl、aifr、airl和airr，分别分布在压电片的横向电极分区界线和纵向电极分区界线所限定的四分区域内；所述电极分区aifl与电极分区aifr、以及电极分区airl分别沿横向和纵向相邻布置，所述电极分区aifl与电极分区airr呈对角布置；所述bi电极面是用于接地的零电势面。所述压电片上的电极分区aifl、aifr、airl和airr依次序分别与相邻层的压电片上的电极分区a(i+1)fl、a(i+1)fr、a(i+1)rl和a(i+1)rr面对面贴合连接，分别形成电势分区四分面ekfl、ekfr、ekrl和ekrr，或以所述bi电极面与其相邻层的压电片上的bi+1电极面面对面贴合连接，形成零电势面e0j；最终形成电势分区面ekfl-ekfr-ekrl-ekrr与零电势面e0j交错堆叠的叠层结构。
5、所述横向电极分区界线和所述纵向电极分区界线分别是压电片表面长边和宽边的垂直平分线，电极分区aifl、aifr的分布以及电极分区airl、airr的分布均关于所述横向电极分区界线呈轴对称，电极分区aifl、airl的分布以及电极分区aifr、airr的分布均关于所述纵向电极分区界线呈轴对称。
6、每一层压电片均包含4个极化分区pifl、pifr、pirl和pirr，各极化分区的分布位置与各电极分区一一对应，极化方向轴是沿压电片的厚度方向；同一层的压电片的4个极化分区pifl、pifr、pirl和pirr的极化方向相同，位于所述压电叠层结构的极性分界面相邻的两层压电片的极化方向相同，位于与极性分界面非相邻的压电片均与其相邻层压电片的极化方向相反。所述极性分界面是距离压电叠层结构厚度中心层最近的电势分区面或零电势面。
7、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。
8、所述驱动足有1个或2个，布置在所述压电叠层结构上表面和/或下表面的几何中心处。
9、一种上述平面万向压电执行器的驱动方法，包括以下步骤：
10、s1：对各个电势分区四分面ekfl和ekrl均施加g1信号，同时对各个电势分区四分面ekfr和ekrr均施加g2信号，并将所有零电势面e0j与地线相连，激活一阶弯曲振动和二阶弯曲振动的复合模态，实现对所述执行器沿第一方向的驱动；所述g1信号和所述g2信号是交变频率相同、相位角相差90°的正弦交流电压信号，所述交变频率在所述执行器的一阶弯曲谐振频率和二阶弯曲谐振频率之间；
11、s2：对所述极性分界面及以上的各个电势分区四分面ekfl和ekfr，以及极性分界面以下的各个异侧电势分区四分面ekrl和ekrr施加g1'信号，同时对所述极性分界面及以上的各个电势分区四分面ekrl和ekrr，以及极性分界面以下的各个异侧电势分区四分面ekfl和ekfr施加g2'信号，并将所有零电势面e0j与地线相连，激活双相一阶弯曲振动复合模态，实现所述执行器对与所述第一方向正交的第二方向的驱动；所述g1'信号和所述g2'信号是交变频率相同、相位角相差90°的正弦交流电压信号，所述交变频率是在以所述执行器的一阶弯曲谐振频率为中心限定的容差δ范围之内，容差δ＝±10khz。
12、本发明的有益效果：本发明提供的压电叠层结构，驱动电压低，单层压电片的场强密度大，可以产生更大的振幅和驱动力，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。通过合理地布置极化分区和驱动方案，可以在同一组压电元件内激发执行器的一阶弯振和二阶弯振的复合位移响应，或者双相一阶弯曲振动复合位移响应，实现在平面内对动子的万向驱动。此外，本发明使用的材料也不限于压电常数较高的压电单晶体，也可采用比较常见的压电陶瓷材料。
1.一种多阶弯曲模态耦合的平面万向压电执行器，其特征在于：该压电执行器包括压电叠层结构和驱动足；
2.根据权利要求1所述的一种多阶弯曲模态耦合的平面万向压电执行器，其特征在于：每一层压电片在其一表面上设有ai电极面，对侧表面上设有bi电极面；所述ai电极面用于接入交流电压信号，包括4个电极分区aifl、aifr、airl和airr，分别分布在压电片的横向电极分区界线和纵向电极分区界线所限定的四分区域内；所述电极分区aifl与所述电极分区aifr、以及所述电极分区airl分别沿横向和纵向相邻布置，所述电极分区aifl与所述电极分区airr呈对角布置；所述bi电极面是用于接地的零电势面；所述压电片上的电极分区aifl、aifr、airl和airr依次序分别与相邻层的压电片上的电极分区a(i+1)fl、a(i+1)fr、a(i+1)rl和a(i+1)rr面对面贴合连接，分别形成电势分区四分面ekfl、ekfr、ekrl和ekrr，或以所述bi电极面与其相邻层的压电片上的bi+1电极面面对面贴合连接，形成零电势面e0j；最终形成电势分区面ekfl-ekfr-ekrl-ekrr与零电势面e0j交错堆叠的叠层结构。
3.根据权利要求2所述的一种多阶弯曲模态耦合的平面万向压电执行器，其特征在于：所述横向电极分区界线和所述纵向电极分区界线分别是压电片表面长边和宽边的垂直平分线，电极分区aifl、aifr的分布以及电极分区airl、airr的分布均关于所述横向电极分区界线呈轴对称，电极分区aifl、airl的分布以及电极分区aifr、airr的分布均关于所述纵向电极分区界线呈轴对称。
4.根据权利要求1所述的一种多阶弯曲模态耦合的平面万向压电执行器，其特征在于：每一层压电片均包含4个极化分区pifl、pifr、pirl和pirr，各极化分区的分布位置与各电极分区一一对应，极化方向轴是沿压电片的厚度方向；同一层的压电片的4个极化分区pifl、pifr、pirl和pirr的极化方向相同，位于所述压电叠层结构的极性分界面相邻的两层压电片的极化方向相同，位于与所述极性分界面非相邻的压电片均与其相邻层压电片的极化方向相反。
5.根据权利要求4所述的一种多阶弯曲模态耦合的平面万向压电执行器，其特征在于：所述极性分界面是距离所述压电叠层结构厚度中心层最近的电势分区面或零电势面。
6.根据权利要求1～5任一所述的一种多阶弯曲模态耦合的平面万向压电执行器，其特征在于：所述压电叠层结构的外形包括长方体。
7.根据权利要求6所述的一种多阶弯曲模态耦合的平面万向压电执行器，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。
8.根据权利要求1～5任一所述的一种多阶弯曲模态耦合的平面万向压电执行器，其特征在于：所述驱动足有1个或2个，布置在所述压电叠层结构上表面和/或下表面的几何中心处。
9.一种如权利要求2所述的平面万向压电执行器的驱动方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的驱动方法，其特征在于：所述容差δ＝±10khz。