本发明涉及超声技术及其在精密微动装置上的应用，特别是涉及压电超声马达技术领域。 压电超声振子是利用压电或电致伸缩效应把电能变换成机械能，即在压电超声振子上施加一定的高频电压信号而使其产生超声波振动，这种振动通过摩擦力可以变换成旋转或线性运动，利用压电超声振子的这一特性制造的压电超声马达是近十年发展起来的一门全新技术。由于超声马达具有许多独特的优点，现已开始广泛应用到照像机、扫描电子显微镜、机器人、精密机械等各领域。
目前美国、日本、苏联等国相继报导了多种利用压电元件的压电超声马达。例如，1978年美国Burleigh公司研制出一种名为微蠕动马达。这种马达如图1a所示，它由三个环状的PZT元件和一导向轴组成，其中压电钳位元件（1）、（3）施加电压后可径向伸缩，起钳位作用，压电驱动元件（2）施加电压后可轴向伸缩，该驱动元件分别与钳位元件1、3相连接，形成一管筒，导向轴（4）插入管筒中。其工作原理为交替钳位原理，即：当无电压施加在三个元件上时，三个元件与导向轴吻合，无相对运动。当给元件（1）施加一电压，使其钳紧导向轴（4），再给元件（2）施加一电压，使其伸长，再给元件（3）施加一电压，使其与导向轴（4）钳紧，之后，去掉元件（1）上的电压使其松开导向轴（4），紧接着给元件（2）施加一负信号电压，使其缩短，这时整个压电管筒相对导向轴移动了一个距离，如此重复下去，压电管便连续沿滑杆轴向运动下去。该马达的钳位原理是靠压电环对方波电压的响应，使其收缩来钳位。该马达运动速度及方向可通过施加在驱动元件（2）上电压的幅值及改变钳位元件（1）、（3）的电压次序来改变。图1b表示出该马达的时序波形图。其中A为施加在钳位元件1上的电压波形，B为施加在驱动元件2上的电压波形，C为施加在钳位元件3上的电压波形。该马达具有效率高、响应快、不受磁场干扰等优点。直线运动速度为2mm/s，机械分辨率为4nm。是一种较理想的精密位移装置。但这种结构的压电超声马达需要施加高达500V的电压才能使元件（1）、（3）实现钳位作用，且对导向轴及压电元件地加工与装配精度要求非常高，它们之间的吻合精度要求小于1μm，一般加工手段难以实现，而且行程不易过长，因此该马达成本昂贵。另外，马达运行摩损后无法补偿，因此其寿命较短。
本发明的目的在于设计出一种性能优良、结构简单的压电超声振子，并用其构造出一种新型压电超声微动马达，以克服上述马达的不足之处，实现降低制造工艺的高精度要求，降低高的钳位工作电压，同时提高位移的可靠性，平稳性及响应灵敏度。
本发明提出一种环形三迭片结构的压电超声振子（5），如图2所示。它由内外表面镀有电极的压电环（7）构成，其特征在于在该压电环的内电极面上套有用耐磨材料制成的内环（6），在该电压环的外电极面上套有外环（8）。该内外环也可用导电材料制成，则二者可同时充当压电环的两个电极。该结构的压电超声振子机械性能、电性能稳定，谐振频带宽，且驱动电压低。本发明提供另一改进型环形三迭片超声振子。如图3a所示，其特征在于在上述三迭片振子环（5）上开有一切口，以提高振子振动幅度，外环切口的两端有两个凸臂（9），紧固元件与凸臂相连夹紧凸臂使整个振子与导轴保持恒定的予紧力，从而降低了与其相配合的导轴的加工精度，延长使用寿命。图3b为该结构的立体轴侧图，图3c为该改进型环形三迭片超声振子的一种实施例的装置图。其中压电环（7）宽约为3mm，内环（6）选用壁厚约为0.5mm的不锈钢环或黄铜圆环，外环（8）选用带有一凸台的黄铜环，内环与外环与压电环紧密配合并通过环氧粘接成一体。沿该环的径向从凸台中心切开一口，凸台分为两凸臂（9），在其上钻有螺纹通孔（10），套有弹簧（12）的予紧螺杆（11）插入两凸臂的螺纹孔中并用防松螺帽（13）锁紧，使整个振子对与之相配的导向轴（4）产生一个恒定的予紧力。
本发明选用三迭片超声振子构造出一种压电超声微动马达。它由钳位振子、驱动元件、导向轴以及驱动电路所组成。其特征在于所说的钳位振子采用二个开有切口的环形三迭片压电超声振子。所说的驱动元件是一内外表面镀有电极的压电环，该压电环两端分别与所说的二个钳位振子相连接构成一管状整体，所说的导向轴插入其中，所说的驱动电路如图4所示，由高频信号源、方波源、时序与开关电路、放大与匹配电路组成。来自高频信号源的信号，在时序与开关电路的控制下分为两路，再经功放与匹配后便可用来驱动钳位振子1、3。来自时序电路的信号，经调相器、功放，可用来驱动驱动振子2、调相器在这里可用来调整压电驱动振子的电压、应变响应时间滞后。调相器还可用来改变微动马达的运行方向。本发明设计的这种马达工作原理如下所述：钳位振子的钳位作用是靠该振子中的内环与导向轴形成的摩擦付来完成的。首先锁紧钳位振子外环使钳位振子产生一定予紧力，对导向轴钳位。当一频率为钳位振子谐振频率的信号电压加到第一个钳位振子上时，该振子的振动使其内环与导向轴之间原来的静摩擦力转化为动摩擦力，其结果相当于该钳位振子松开导向轴。此时给驱动元件施加一正电压信号，使其沿轴向缩短，并带动第一个钳位振子移动，当驱动元件缩到最短状态时，去掉第一个钳位振子上的信号电压，则该振子恢复钳位作用，与此同时给第二个钳位振子加一高频信号电压，使其松开导向轴，再给驱动元件施加负电压，使其沿轴向伸长，同时推动第二个钳位振子移动。以后重复这一循环，驱动元件带动钳位振子一起相对导向轴移动下去，当施加给二个钳位振子的信号电压顺序交换时，则马达移动的方向相反。
图5给出了本发明所述超声马达工作电压时间的波形图。
图中U1为加在第一个钳位振子上高频信号电压，使其产生超声振动。
U2为加在驱动元件上的波形图。
U3为加在第二个钳位振子上高频信号电压，使其产生超声振动。
本发明提出的这种采用三迭片环形超声振子钳位的压电超声马达结构简单加工容易、驱动电压低、行程长、位移机械分辨率高、运动速度控制灵活平稳，有着广泛用途。
附图简单说明：
图1a为已有蠕动马达原理示意图。图1b为该蠕动马达时序波形图。
图2为本发明设计的一种环形三迭片压电超声振子结构示意图。
图3a为本发明设计的另一种环形三迭片压电超声振子结构示意图，3b为其立体轴侧图。图3c为该环形三迭片电超声振子的一种实施例的装配图。
图4为本发明超声微动马达驱动电路方框图。
图5为本发明超声微动马达工作电压、时间波形图。
图6为本发明环形三迭片超声振子钳位压电超声马达实例之一结构简图。
图7为本发明压电超声马达实例之二结构简图。
其中：
（1）、（3）压电超声钳位元件;（2）压电驱动元件;（4）导向轴;（5）环形三迭片压电超声振子;（6）内环;（7）压电环;（8）外环;（9）凸臂;（10）螺纹通孔;（11）螺杆;（12）弹簧;（13）防松螺帽;（14）压电管;（15）驱动环;（16）轴向切口;（17）径向切口。
本发明设计的用三迭片超声振子构成压电超声马达的一种实施例，该马达结构参照图6a，6b，详细叙述如下：压电超声马达是选用一个PZT-5压电陶瓷管（14）加工切割，装配上内金属衬环与外夹紧金属环而成，导向轴（4）插入该压电陶瓷管（14）之中。即该压电陶瓷管（14）的外电极面被分割开成三部分，其中两个端部为钳位振子（5），中心部分为驱动环（15）。在该压电管两端部沿轴向分别切开一口（16），在所说的两个钳位振子（5）外表面分别粘结上带有凸臂的金属外环（8），锁紧元件（11）可通过凸臂（9）锁紧该钳位振子，使该振子与导向轴达到所需的吻合度。本发明所述的这种结构制造简单而且大大降低了对导向轴的加工精度。该马达在使用期间可方便地通过锁紧元件使钳位振子与导向轴始终保持所需的吻合度要求，从而延长了马达的使用寿命。为进一步提高钳位振子径向振动模式的位移振幅，减小钳位振子与导向轴之间的动摩擦，降低钳位振子工作电压的阈值。本发明设计出第二种实施例，如图7a，7b所示，即在上述实施例中的压电陶瓷管（14）上的两个钳位振子（5）与驱动环（15）的交界处，分别沿径向切开一口。本实施例中开口深度约等于陶瓷管的半径。
压电陶瓷管总长约为20mm，钳位振子宽约3mm，本实施例马达推力达0.5kg，步长50Nm～1μm可调，最大位移速度大于3mm。加在钳位振子上的工作电压为50V。