14第二章超声波电机的驱动原理本章从压电陶瓷的特性出发，系统地叙述了超声波电机中压电陶瓷的压电效应和逆压电效应，并对其相关的参数进行了系统的讨论。本章还将几何分析法和弹性动力分析法相结合，分析了定子表面质点的椭圆运动的形成，论述了行波型超声波电机的运行机理，为行波型超声波电机的建模、设计制作、实验研究以及驱动电源和控制系统的研究提供必要的理论指导。2.1 压电效应与压电陶瓷[21-25]压电陶瓷作为超声波电机能量转换的媒介，它起着为超声波电机提供驱动力的重要作用，如同人体的心脏一样。因此，研究超声波电机就必须对压电材料特性有深入的认识和了解，才能掌握超声波电机的运行机理并能正确地选择和使用压电材料。在研究超声波电机的驱动机理前，首先从压电陶瓷与普通陶瓷的最重要的区别——压电效应开始。2.1.1 压电效应压电效应(PiezoelectricEffect)早在 1880 年，法国的两位科学家居里(Curie)兄弟，在研究石英晶体的物理性质时，发现了一种特殊的现象，这就是若按某种方位从石英晶体上切割下一片薄晶片，在其表面上敷上电极，当沿着晶片的某些方向施加作用力而使晶片产生变形后，会在两个电极表面上出现等量的正、负电荷。电荷的面密度与施加的作用力的大小成正比；作用力撤销后，电荷也就消失了。这种由于机械力的作用而使晶体表面出现电荷的现象，称为正压电效应，如图 2-1 所示。后来人们又在其它一些晶体上进行了类似的实验，发现有许多晶体都具有这种现象。这些具有压电效应的晶体统称为压电晶体。发现正压电效应的第二年，也就是 1881 年，由李普曼在理论上预言，由居里兄弟在实验上证实了另一种物理现象：将压电晶体置于外电场中，由于电场的作用，会使图 2-1 正压电效应示意图图 2-2 逆压电效应示意图实线代表变形前的情况，虚线代表变形后的情况)第二章超声波电机的驱动原理1516由此可见，压电效应是晶体在机械力的作用下发生形变而引起带电粒子的相对位移(偏离平衡位置)，从而使得晶体的总电矩发生变化而造成的。晶体是否具有压电性，是由晶体的结构性这个内因所制约的。具有对称中心的晶体永远不可能具有压电性。图 2-4 在一个压电陶瓷圆柱体上的压电效应(为清楚起见，只示出一个偶极子)2.1.2 压电方程在机电复合作用的情况下，得到同时有一个力学参量 T 或 S 和一个电学参量 E或 D 为自变量的压电陶瓷机电耦合效应的方程式，称为压电方程。压电材料的压电特性是机械量和电学量相互转...
