本發(fā)明涉及利用壓電效應(yīng)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用逆壓電效應(yīng)的壓電裝置。

背景技術(shù)：

壓電效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)以來已得到廣泛的利用。其中，利用正壓電效應(yīng)（即通過壓電材料的形變產(chǎn)生電勢差）的例子包括能量收集器、震動測量裝置等；利用逆壓電效應(yīng)（即通過向壓電材料加電壓以產(chǎn)生形變）的例子包括超聲電機(jī)、壓電風(fēng)扇等。

對于利用逆壓電效應(yīng)的壓電裝置而言，為提高性能，一般都令其工作在其機(jī)械共振頻率附近，即，驅(qū)動壓電裝置所使用的源信號的頻率與壓電裝置的機(jī)械共振頻率相匹配。本文中，所稱“匹配”是指相同或接近，使得能夠通過電信號的變化令壓電裝置產(chǎn)生共振。此外，簡明起見，本文中所稱“頻率”均指圓頻率ω，對于通常采用“次/秒”來表示的機(jī)械運動頻率f，可按照周知的公式ω=2πf進(jìn)行換算，不再贅述。

一種常見的壓電風(fēng)扇的電路結(jié)構(gòu)示意圖可參考圖1。其包括兩個壓電元件PE1和PE2，兩路源信號VS1和VS2分別通過各自的電壓/電流調(diào)節(jié)器M1和M2后輸出為驅(qū)動信號VD1和VD2，以驅(qū)動兩個壓電元件。源信號例如可采用脈沖寬度調(diào)制PWM電路來產(chǎn)生。

圖1中，壓電元件采用單片式的壓電陶瓷片，提供驅(qū)動信號的一組輸出端V+和V-分別連接在壓電元件的正面和反面。這種情況下，風(fēng)扇葉片（未圖示）可粘貼于陶瓷片的正面或反面。

由于壓電元件通常表現(xiàn)為容性元件，圖1中的壓電元件可等效為圖2所示的電路結(jié)構(gòu)。其中，Cp1和Cp2分別表示PE1和PE2的電容，Rp1和Rp2分別表示PE1和PE2的漏電阻，虛線表示兩個電路回路可以共地連接。

由于壓電元件需要在較高的電壓下才能產(chǎn)生符合應(yīng)用需要的振幅，因此通常而言，壓電裝置中的電壓/電流調(diào)節(jié)器都是必須的，以產(chǎn)生足夠高的電壓。這使得壓電裝置的驅(qū)動要求較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

依據(jù)本發(fā)明提供一種壓電裝置，包括至少一組輸入端，每組輸入端用于接入一路源信號；至少一個壓電元件；至少一組輸出端，每組輸出端用于驅(qū)動一個壓電元件；至少一個電感元件，串聯(lián)在經(jīng)過至少一組輸入端和至少一組輸出端的電路回路中，該電路回路的參數(shù)被配置為，使得電路回路的電路共振頻率與該電路回路所驅(qū)動的壓電元件的機(jī)械共振頻率相匹配，或者與該電路回路的源信號的頻率相匹配。

依據(jù)本發(fā)明的壓電裝置通過在壓電元件的驅(qū)動電路中引入電感元件，使得驅(qū)動電路形成為振蕩回路，并因此可以具有電路共振頻率。通過配置電路參數(shù)，例如電感值，使得電路共振頻率與機(jī)械共振頻率或源信號的頻率相匹配，使得驅(qū)動電路也能工作于共振狀態(tài)，從而能夠容易地產(chǎn)生足夠高的驅(qū)動電壓，使得功耗降低并提升壓電裝置的性能。

以下結(jié)合附圖，對依據(jù)本發(fā)明的具體示例進(jìn)行詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有一種壓電風(fēng)扇的電路示意圖；

圖2是圖1中壓電元件的等效電路示意圖；

圖3是依據(jù)本發(fā)明的壓電裝置的一種等效電路示意圖；

圖4是實施例1的壓電裝置的電路示意圖；

圖5是圖4的等效電路示意圖；

圖6是實施例2的壓電裝置的電路示意圖；

圖7是實施例3的壓電裝置的電路示意圖；

圖8是實施例4的壓電裝置的電路示意圖；

圖9是實施例5的壓電裝置的電路示意圖。

具體實施方式

依據(jù)本發(fā)明的壓電裝置的一種等效電路示意圖可參考圖3，該壓電裝置包括：一組輸入端，用于接入一路源信號VS；一個壓電元件，其在電路中等效為并聯(lián)的電容Cp和漏電阻Rp；一組輸出端，用于輸出驅(qū)動壓電元件的驅(qū)動信號VD；一個電感元件，與壓電元件串聯(lián)，其在電路中等效為串聯(lián)的電感Li和電阻Ri。

假定源信號的頻率為ω(s)，通常情況下，也即為驅(qū)動信號的頻率。本文中使用源信號與驅(qū)動信號這兩個不同的名稱僅為表示從電路的不同位置觀察到的信號，通常源信號與所生成的驅(qū)動信號頻率一致，而可能具有振幅和相位的差異?？紤]到壓電裝置最好工作于共振狀態(tài)，因此ω(s)一般接近或等于壓電元件的機(jī)械共振頻率ω(m)。需要說明的是，本文中所稱“壓電元件的機(jī)械共振頻率”不應(yīng)被理解為孤立的壓電元件的機(jī)械共振頻率，而是壓電元件在當(dāng)前安裝狀態(tài)下的機(jī)械共振頻率，這通常與壓電元件所固定連接的機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)，可根據(jù)實際裝置結(jié)構(gòu)采用公知數(shù)學(xué)手段進(jìn)行計算，或者通過實驗測量來獲得。

通過配置電路回路中各元件的參數(shù)，例如Cp和/或Li，可使得電路回路的電路共振頻率ω(c)與該電路回路所驅(qū)動的壓電元件的機(jī)械共振頻率ω(m)相匹配，或者與該電路回路的源信號的頻率ω(s)相匹配。由此即可使得驅(qū)動電路也工作于共振狀態(tài)。

通常，壓電元件的漏電阻Rp遠(yuǎn)大于其容抗1/(ω(s)×Cp)，因此簡單起見，在計算ω(c)時可以將Rp視為開路。由此，在簡單情況下，ω(c)可以表示為ω(c)=1/√(Li×Cp)。顯然，對于已經(jīng)設(shè)計好的壓電裝置，通過調(diào)整所引入的電感元件的參數(shù)就能夠容易地使驅(qū)動電路工作于共振狀態(tài)。在實際應(yīng)用中，驅(qū)動電路還可包含更多的電路元件，壓電元件和電感元件也可以等效為更加精確的電路結(jié)構(gòu)，均不影響基于本發(fā)明的上述基本思路的應(yīng)用。

依據(jù)本發(fā)明的壓電裝置可以有各種豐富的實現(xiàn)形式。例如，輸入端可以有多組，每組輸入端用于接入一路源信號。這些源信號的頻率可以相同也可以不同。需要說明的是，本文中所稱源信號可以有設(shè)定的頻率，也可以覆蓋設(shè)定的頻率范圍，在后一種情況下，源信號的頻率ω(s)指該頻率范圍內(nèi)的中心頻率。為了獲得良好的共振效果，源信號的頻率覆蓋范圍可設(shè)計為對中心頻率的偏離度不超過±B%，其中B%可根據(jù)系統(tǒng)對頻率的精度要求來確定。在一些特別的應(yīng)用中，例如需要覆蓋寬的音頻范圍的音響，可以將一個較寬的連續(xù)譜段劃分為多個子譜段，每一個作為一路源信號，以使得每一路信號都能以共振方式進(jìn)行驅(qū)動。

壓電裝置的輸出端也可以有多組，每組輸出端用于驅(qū)動一個壓電元件。一路源信號可以僅對應(yīng)一組輸出端，驅(qū)動一個壓電元件；一路源信號也可以同時對應(yīng)多組并聯(lián)的輸出端，驅(qū)動多個并聯(lián)的壓電元件，在這種情況下，多組輸出端各自驅(qū)動的壓電元件通常具有相匹配的機(jī)械共振頻率。每組輸出端輸出的電壓的相位可以根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行設(shè)計，例如相同，或相反，或在一個周期(2π)內(nèi)間隔均勻地分布。例如，有三組輸出端，相位依次延遲2π/3。輸出端的相位延遲可來源于不同的源信號，也可以由相同的源信號經(jīng)過產(chǎn)生相位延遲的元件后得到。當(dāng)然，也可以將延遲后的源信號視為不同的源信號。

作為壓電裝置中的能量轉(zhuǎn)換元件，壓電元件可按照應(yīng)用場景的需要被設(shè)計為各種結(jié)構(gòu)形式。壓電元件可以是例如圖1中所示的單片式結(jié)構(gòu)，也可以是雙片式的復(fù)合結(jié)構(gòu)，例如可以由兩片相同的壓電陶瓷片重疊構(gòu)成一個壓電元件，驅(qū)動信號的兩個輸出端中的一個連接兩片陶瓷片遠(yuǎn)離的兩個面，另一個則連接兩個陶瓷片緊鄰的兩個面。這種情況下，用于放大振動的葉片通?？蓨A在兩片陶瓷片之間，若葉片采用導(dǎo)電材料制作，例如采用金屬葉片，則可直接將葉片作為電極，將一個輸出端與其連接。

在簡單的情況下，壓電元件表面覆蓋的用于傳導(dǎo)驅(qū)動信號的電極可以是一個整體，即每一面形成為一個電極。然而在某些應(yīng)用中，為實現(xiàn)更為復(fù)雜的振動模式或者某些額外的功能，也可以對元件表面的電極進(jìn)行分割，在這種情況下，單個物理元件表面分割出的不同電極區(qū)域可以連接兩組以上的輸出端，從而由不同的驅(qū)動信號驅(qū)動。因此該單個物理元件可等效地被視為兩個具有相同機(jī)械共振頻率的壓電元件，仍視為在本發(fā)明范圍內(nèi)的一種變化。簡明起見，以下提及的壓電元件均指表面為單個電極的壓電元件，不再贅述。

每個壓電元件與相應(yīng)的一組輸出端、一組輸入端和一個電感元件串聯(lián)形成為一個電路回路。其中，一組輸入端可以被多個電路回路共享從而驅(qū)動多個壓電元件。一個電感元件同樣也可以被多個電路回路共享?；谏衔乃枋龅碾娐贩治隹芍魞蓚€以上的電路回路所驅(qū)動的壓電元件基本相同且具有相匹配的機(jī)械共振頻率，則這些電路回路可共享同一電感元件，無論這些電路回路是否使用同一路源信號（源信號的頻率需要基本一致）。若兩個電路回路采用不同頻率的源信號，為便于電路設(shè)計，通?？梢詾槊總€電路回路配置各自的電感元件。不過，為了節(jié)省空間和成本，這些電路回路也可以共享同一電感元件，只是在這種情況下，還需要對電路回路中的其他參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，例如壓電元件的電容，以使得在不同共振頻率的情況下使用相同的電感也能滿足共振條件。

以下對依據(jù)本發(fā)明的壓電裝置進(jìn)行舉例說明。

實施例1

依據(jù)本發(fā)明的壓電裝置的一種實施方式可參考圖4和圖5，是一種壓電風(fēng)扇。其電路結(jié)構(gòu)可參考圖4，與圖1相比區(qū)別在于在電路回路中增加了電感元件并省去了電壓/電流調(diào)節(jié)器。該裝置具體包括兩個壓電元件PE1和PE2，增加的電感元件L10由分別驅(qū)動PE1和PE2的兩個電路回路所共享。

本實施例中，通過PWM電路產(chǎn)生兩路頻率一致的源信號。PWM與PE1連接的一端以及PWM與L10連接的一端可視為第一組輸入端，提供源信號VS1；PWM與PE2連接的一端以及PWM與L10連接的一端可視為第二組輸入端，提供源信號VS2。

圖4的等效電路可參考圖5，其中，假設(shè)PE1和PE2具有基本相同的性能參數(shù)，均被等效地表示為并聯(lián)的電容Cp和電阻Rp，L10等效地表示為串聯(lián)的電感Li和電阻Ri。PE1和PE2具有相匹配的機(jī)械共振頻率，因此它們的驅(qū)動電路可共享同一個電感元件。由前文的分析可知，圖5中兩個電路回路的共振頻率均為ω(c)=1/√(Li×Cp)，可以容易地通過配置Li使得ω(c)與VS1和VS2的頻率ω(s)相匹配。當(dāng)然也可以對圖5或者實際所采用的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行更精確地計算，以更準(zhǔn)確地配置電路參數(shù)，在此不予贅述，具體計算方式不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。

當(dāng)圖5中的電路工作于共振模式時：

一方面，由于Rp的值一般很大，因此整個電路回路的電阻基本等于Ri。而通常電感元件的阻抗是較小的，因此這將使得電路的整體阻抗降低，從而節(jié)省能耗。

另一方面，由于PE1上的驅(qū)動信號VD1=VS1*((1/(ω(c)×Cp))/Ri)，從而有VD1/VS1=1/(ω(c)×Cp×Ri)，而壓電元件的容抗1/(ω(c)×Cp)可以容易地被配置為遠(yuǎn)大于Ri，因此，驅(qū)動信號VD1可以比源信號大得多，從而使得壓電元件產(chǎn)生足夠大的振幅。對于PE2，情況也與此類似，這也是本實施例中可以省去升壓裝置（例如圖1中的電壓/電流調(diào)節(jié)器）的原因。

再一方面，對于共振狀態(tài)下的電路回路，感抗與容抗互相抵消，使得電路回路整體呈電阻性質(zhì)，從而功率因數(shù)接近為1，能夠有效改善裝置整體的功率因數(shù)，提高能量利用效率。

此外，雖然驅(qū)動信號VD1與VD2頻率相同，但其相位可以不同，例如可以將源信號VS1與VS2的相位配置為相反，使得相應(yīng)的VD1與VD2相位相反。這使得在遠(yuǎn)離機(jī)械振動源PE1和PE2的地方，由于其振動的相位相反而使得感受到的振動互相抵消，能夠減少壓電風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音。

在其他實施方式中，壓電風(fēng)扇可以具有更多數(shù)量的扇葉，例如N片?？赏ㄟ^將N路驅(qū)動信號的相位均勻分布在一個2π周期內(nèi)，來達(dá)到在遠(yuǎn)距離處減小噪音的效果。更廣義而言，只要使得N片壓電元件的振動矢量（在對稱的情況下可等同于驅(qū)動信號的電壓矢量）的和為0，均可達(dá)到在遠(yuǎn)處彼此振動抵消的效果。

實施例2

依據(jù)本發(fā)明的壓電裝置的另一種實施方式可參考圖6，是一種壓電風(fēng)扇。與實施例1相比，其結(jié)構(gòu)更為精簡。該裝置具體包括兩個壓電元件PE1和PE2，電感元件L20由變壓器的部分線圈來充當(dāng)，且由分別驅(qū)動PE1和PE2的兩個電路回路所共享。

本實施例中，采用自耦變壓器（初級線圈與次級線圈位于同一繞組的變壓器）的低壓輸出作為源信號VS，且變壓器提供低壓輸出的部分線圈L20即作為電感元件。L20的兩端可視為提供源信號的一組輸入端，該組輸入端由分別驅(qū)動PE1和PE2的兩個電路回路所共享。電路回路的共振條件分析可參照實施例1，不再贅述。

提供驅(qū)動信號VD1和VD2的兩組輸出端并聯(lián)，且以相反的方式連接到壓電元件，使得VD1和VD2的相位相反，因此有降低遠(yuǎn)距離噪聲的優(yōu)點。

本實施例中的壓電元件的數(shù)量可以很自然地進(jìn)行擴(kuò)展。例如將2N個壓電元件分為兩組，每組N個，一組以PE1的連接方式進(jìn)行驅(qū)動，另一組以PE2的連接方式進(jìn)行驅(qū)動，由此獲得多片式的壓電風(fēng)扇。

本實施例中，利用變壓器的電感效應(yīng)，使得壓電裝置的結(jié)構(gòu)更加精簡，進(jìn)一步降低成本和功耗。在其他實施方式中，還可以采用單相或三相變壓器，以變壓器的初級或次級線圈來充當(dāng)電感元件。

實施例3

依據(jù)本發(fā)明的壓電裝置的另一種實施方式可參考圖7，是一種壓電馬達(dá)，具體是一種多面體超聲電機(jī)。該裝置具體包括三組輸入端和3×2個壓電元件PE。三路源信號VS1、VS2和VS3具有相同的頻率，只是相位依次錯開2π/3。各個壓電元件具有相同的性能參數(shù)，分別固定于一六面體的每一面，因此也具有相同的機(jī)械共振頻率。壓電元件分為三組，每組兩個，同一組中的兩個壓電元件共享一路源信號。電感元件L30由分別驅(qū)動六個壓電元件的六個電路回路所共享。由于通常固定壓電元件的多面體由金屬制成，因此本實施例中將其作為共用的接地電路，并在多面體與共地端之間串聯(lián)L30。

由于各路源信號頻率相同，各個壓電元件的機(jī)械共振頻率也相同，因此本實施例同樣采用共用電感元件的方式來使得各個電路回路工作于共振狀態(tài)。本實施例中固定有壓電元件的六面體既可以作為壓電馬達(dá)的定子，也可以作為動子。

本實施例中，采用三相電壓作為源信號來驅(qū)動該壓電馬達(dá)，在其他實施方式中，也可以采用M相電壓來驅(qū)動。一般而言，可采用M路源信號和M×N個壓電元件，M和N為正整數(shù)，每路源信號分別通過N組輸出端驅(qū)動N個壓電元件，相應(yīng)地，壓電片需要固定于一M×N面體的每一面。

壓電馬達(dá)通常需要施加較高的電壓才能獲得較大的輸出功率，基于本實施例，由于電路共振的原因，只需要較小的源信號，即可在壓電元件上產(chǎn)生較高的驅(qū)動電壓，從而產(chǎn)生較高的機(jī)械振幅和輸出功率。并且，壓電馬達(dá)通常呈明顯的容性阻抗，其功率因數(shù)一般較差（例如，小于0.5）?；诒緦嵤├?，可使壓電馬達(dá)呈電阻性質(zhì)，可大幅度提高壓電馬達(dá)的功率因數(shù)。

本實施例電路結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于其他形式的壓電馬達(dá)，例如盤式超聲電機(jī)。

實施例4

依據(jù)本發(fā)明的壓電裝置的另一種實施方式可參考圖8，是一種壓電揚(yáng)聲器。與之前的實施例相比，區(qū)別在于裝置中具有多個共振頻率。

通常，一個優(yōu)秀的音響的揚(yáng)聲器需要能夠覆蓋20赫茲到2萬赫茲的音頻范圍。即便是用于語音的揚(yáng)聲器，也需要覆蓋200赫茲到8000赫茲的音頻范圍。在這類應(yīng)用中，為了仍然能夠利用共振的優(yōu)勢，可以將較寬的頻率范圍劃分為多個子譜段，分別作為不同頻率（中心頻率）的源信號，相應(yīng)地，使用具有不同機(jī)械共振頻率的壓電元件來充當(dāng)振動器。

本實施例中示例性地使用了五個頻譜段，中心頻率分別為ω1、ω2、ω3、ω4、ω5。音頻放大器ADA將音源信號按照這五個頻譜段劃分為五路源信號V1(ω1)、V2(ω2)、V3(ω3)、V4(ω4)、V5(ω5)，分別驅(qū)動不同的壓電元件來發(fā)聲。本實施例中，每一個壓電元件均串聯(lián)有使其驅(qū)動電路工作于共振狀態(tài)的電感元件。如圖8所示，電感元件L41、L42、L43、L44、L45分別與PE1、PE2、PE3、PE4、PE5串聯(lián)并形成電路回路。

本實施例中，由于不同頻率的電路回路均具有獨立的電感元件，因此可以容易地配置電路參數(shù)來滿足共振條件，使得揚(yáng)聲器能夠達(dá)到優(yōu)秀的效果。并且，由于驅(qū)動電路工作于共振狀態(tài)，能夠以較小的源信號產(chǎn)生較大的音量，從而可以省去傳統(tǒng)音響中使用的模擬放大器。這不僅使得采用全數(shù)字信號來驅(qū)動揚(yáng)聲器成為可能，也進(jìn)一步節(jié)省了空間和成本，對于尤其是手機(jī)等應(yīng)用而言，具有巨大的價值。

實施例5

依據(jù)本發(fā)明的壓電裝置的另一種實施方式可參考圖9，是一種壓電揚(yáng)聲器。與實施例4相比，多個共振頻率不同的電路回路仍然共用同一電感元件。

本實施例與實施例4類似，音頻放大器ADA將音源信號按照五個中心頻率劃分為五個頻譜段作為五路源信號，各自驅(qū)動一個壓電元件。不過本實施例中，五個不同共振頻率的電路回路使用同一電感元件L50。這可以通過配置各個壓電元件的電容值來實現(xiàn)，即，令Cp(j)=ωj×ωj/Li，其中，Cp(j)為壓電元件PEj的電容值，ωj為PEj的驅(qū)動信號的中心頻率（也是PEj的機(jī)械共振頻率），j=1,2,…,5，Li為L50的電感值。

雖然，限制壓電元件的電容值會為壓電元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來一定的困難，可能會限制揚(yáng)聲器的效果。但是，本實施例能夠帶來成本以及空間需求的進(jìn)一步明顯減低，這對于揚(yáng)聲器在便攜式產(chǎn)品（例如手機(jī)、MP3播放器等）中的應(yīng)用而言是非常重要的，因此，本實施例的優(yōu)化設(shè)計同樣頗具吸引力。

以上應(yīng)用具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進(jìn)行了闡述，應(yīng)該理解，以上實施方式只是用于幫助理解本發(fā)明，而不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，可以對上述具體實施方式進(jìn)行變化。