2 短柱超声波电动机理论基础及运行机理

本章从压电效应与压电振子出发，对短柱超声波电动机结构进行了介绍，就其运行机理进行分析，导出了定子表面质点的运动方程。

2.1  压电效应与逆压电效应

1880 年居里（Curie）夫妇首先在α石英晶体（水晶）中发现了压电效应（Piezoelectric Effect）。科学家们对此现象进行了广泛的研究与探索，几个国家的科学家几乎同时独立地发现单元系压电陶瓷（代表是BaTiO3）具有很强的压电效应。后来人们陆续发现了具有更优良性能的二元系压电陶瓷（代表是PZT）、三元系陶瓷（PCM）等新型压电材料。新型压电材料的不断出现大大促进了超声波电机的发展。文献综述

晶体的压电效应可以用图2-1 示意图来加以解释。图2-1a 表示压电晶体中质点在某个方向上的投影，晶体不受外力作用，正电荷的重心与负电荷的重心重合，整个晶体表面不带荷电。但是，当沿某个方向对晶体施加机械力时，晶体就会由于发生形变而导致了正负电荷重心不重合，也就是荷电发生了变化，从而引起了晶体表面产生电荷，形成电场，这就是所谓的压电效应。图2-1b 为晶体受压缩时荷电的情况，图2-1c 则是拉伸时荷电的情况。在上面两种情况下，晶体表面带电的符号相反。反之，如图2-2 所示，如果将一块压电晶体置于外电场中，由于电场作用，会引起晶体正负电荷重心的位移。这一极化位移又导致了晶体发生形变，这时就形成了逆压电效应。超声波电机正是利用这种逆压电效应原理工作的。