专利名称：微型压电马达－镜头片的集成驱动机构的制作方法
技术领域：
本发明属于精密驱动元件技术领域，特别涉及一种通过微型压电马达-镜头片的集成驱动机构。
背景技术：
压电微型马达与传统的电磁马达相比，尤其是在小尺寸(毫米～厘米)范围中，压电微型马达及压电驱动器已经显示了许多独特的优点，诸如相对高的功率密度，大的驱动力，和相对高的效率。作为精密驱动元件，压电马达及驱动器正成为一些高技术产品诸如手机，医学成像系统和其它微型医用设备的关键元件。所有这些应用需要小尺寸(从1毫米到1厘米)的微型的驱动器，所需要的驱动力在微牛米(μNm)到毫牛米(mNm)， 以及小的功率消耗(小于0.1W)。许多新的驱动技术，诸如音圈马达、压电驱动器、压电超声微马达等，已被发展并瞄准照相手机中的自动聚焦和变焦。在这些微驱动技术中，压电微马达在分辨率，驱动力，和功率消耗等方面已显示出更好的可行性，并且更容易做到微型化。
因为在几个厘米尺寸范围的压电超声马达已成功的应用于传统的照相机自动聚焦和变焦，目前许多研究者已经致力于发展微型压电超声马达作为精密微致动或微驱动元件和应用于微型照相模块，因为目前的照相手机发展极快，但缺少一个有效的微型精密驱动元件用于镜头的自动聚焦和变焦。主要原因是传统的电磁马达在几个毫米量级尺寸的制造已变得很困难，而且它的效率在几个毫米尺寸只剩下百分之几(＜8％)，因为它缺少足够强的磁场。而压电马达的效率即没有尺寸效应也不存在磁场问题。即使在毫米尺寸，压电马达也能维持低速、和相对大的力矩特性。压电马达的其它优点是快的响应，功率切断后的摩擦锁定，较少的元件和低的成本。这些特征使压电马达具备在微型照相模块和照相手机中应用的必要条件。
两个成功的压电马达应用例子是Canon Kabushiki Kaisha公司发展的环形和棒状压电行波超声马达(US Patent 5307102，US Patent5,387,835)它们目前已普遍地应用于Canon职业照相机。但这两种马达的尺寸均在几个厘米范围，而且也不容易进一步微型化到几个毫米尺寸并应用于照相手机模块。
最近Henderson发明了一种棒状型操作在“呼啦圈”(wobbling)方式的直线压电马达(US Patent 6,940,209)，该马达有一个圆管状压电定子，并利用两对压电元件在其两个端部产生“呼啦圈”运动，然后通过螺纹机理驱动一个插入其内的螺杆产生直线运动。这个螺杆再通过一个附着的小球和一个弹性片实现对镜头的驱动。虽然这种马达可以做成小直径棒状结构，但沿镜头驱动方向有一个较长的长度。这对某些需要有超薄结构的镜头模块，显然是不利的。此外，这种马达还需要较多的机械和压电元件和高的驱动电压，这也是它的不足之处。
另外一种典型的镜头驱动器是一个压电振动棒系统，由Minolta Co.，Ltd，公司发明(US Patent 6,836,057)。该振动系统由一个多层压电致动器，一个细棒和套在细棒上的镜头构成。附在细棒上的压电致动器依靠快-慢交替的振动，使作用在镜头上的惯性力沿长棒某一方向更大，从而实现镜头的驱动。这种压电驱动系统的优点是相对比较简单的结构，和低的工作电压，缺点是该振动系统在沿镜头驱动方向，也需要一个较长的细棒，而且惯性力驱动方式的效率低，振动系统本身也对外界振动敏感。另外，这种长棒结构也不利于超薄镜头模块的应用。
另外一种典型的镜头驱动器是一个矩形压电L1-B2双振动模式系统，工作在第一阶纵振动模式(L1)和第二阶弯曲振动模式(B2)，由Seiko EpsonCorporation发明(US Patent 6,909,223)。这种振动系统含有一个矩形金属板和四个压电薄板并粘接在金属板上，用于激发L1和B2模式。这两种模式的合成在金属板的端部产生一个具有椭圆运动的驻波，并通过摩擦驱动与其接触的转子旋转，再通过一组薄齿轮减速和获得大的驱动力。这个压电驱动系统的优点是低的驱动电压，缺点是复杂的系统。另外，要使一个系统同时工作并保持在L1和B2两种工作模式也是有问题的，因为这两种工作模式的谐振频率可能会因外界因素导致不同步变化，从而进一步导致压电产生的合成椭圆运动紊乱，并使驱动失效。
因此，有必要发明一种新的压电驱动系统或压电马达与驱动器，和新的镜头(或镜片)驱动方法用于微型镜头的精密驱动，并实现镜头模块的超薄化。
发明内容
本发明的目的在于针对压电马达在实际使用中存在的各种弊端，提供一种新的微型压电马达-镜头片的集成驱动机构。
本发明的目的是这样实现的一种微型压电马达-镜头片的集成驱动机构，包括环状压电定子、转子和驱动电源，其特征在于环状压电定子上设有内螺纹，转子为带有外螺纹的环状或圆筒状，转子与镜片集成一体；其转子的外螺纹与定子上内螺纹吻合；所述的转子通过相互吻合的螺纹旋入定子。
在本发明涉及的技术方案中所述的环状压电定子包括一个或一对压电陶瓷环和一个金属环；所说的压电陶瓷环是沿厚度方向极化，其一面电极是一个整体，为底电极，另一面电极由节点被等间隔划分成≥4的偶数份，为顶电极。
在本发明涉及的技术方案中所述环状压电定子上的金属环含有一个完整的内螺纹，或依附有≥4的偶数个带有螺纹的向心触角，带有外螺纹的转子通过内螺纹旋入定子，或通过向心触角的螺纹旋入定子。
在本发明涉及的技术方案中所说的金属环可以是一个薄环，其向心的触角被分裂成两半，所说的触角沿圆周方向具有不同的高度，并同所说的环状或圆筒状转子的外螺纹吻合。
在本发明涉及的技术方案中所述的压电陶瓷环的压电陶瓷元件可以是一个多薄层结构；其内电极也被划分成≥4的偶数份。
在本发明涉及的技术方案中所述的环状压电定子在一个电压信号驱动下产生一个沿直径方向扩张、垂直该直径方向收缩的驻波振动模式，驻波振动模式通过内、外螺纹机构驱动转子作轴向运动。
在本发明涉及的技术方案中带有外螺纹的环状或圆筒状转子内集成有被驱动的一个或一组镜头片。
本发明的优点在于它提供了一种压电定子的超薄环状构造，以及镜头片作为转子一部分的直接驱动的方法，和传统的基于惯性力方法的压电驱动系统相比，具有相对更高的驱动力和效率，其螺纹传动机理还具有对振动不敏感；压电定子上的压电元件容许被做成薄片状，或多层薄片结构，可容许马达在较低电压下工作；由于压电马达和被驱动镜头为一个集成的超薄结构，马达和镜头驱动机构含有更少的元件，更小的尺寸以及更少的造价。特别适合于手机和微型照相机模块中的光学镜头的自动聚焦和变焦。
图1为本发明实施例之一总体结构示意图。
图2是图1所示压电马达和被驱动镜头片沿线1B-1B的剖面图。
图3显示了本发明压电马达在顺时针方向的工作原理。
图4显示了本发明压电马达在反时针方向的工作原理。
图5为本发明实施例之二的剖面结构。
图6为本发明实施例之三的剖面结构。
图7为本发明实施例之四总体结构示意图。
图8是图7所示压电马达和被驱动镜头片沿线5B-5B的剖面图。
图9为本发明实施例之五总体结构示意图。
图10是图9所示压电马达和被驱动镜头片沿线6B-6B的剖面图。
图11为本发明实施例之六总体结构示意图。
图中10-压电马达；20-环形压电定子；21-压电元件环；21a、21b、21c、21d-顶电极；22-金属环；22a、22b、22c、22d-触角；22a’、22b’、22c’、22d’-内螺纹；23a、23b、23c、23d-节点；30-转子；30a-外螺纹；40-镜头片；50、50a、50b-驱动电压源；1-1、2-2、扩张或收缩轴线。
具体实施例方式
附图非限制性地公开了本发明的部分实施例，下面结合具体实施例对本发明作进一步地说明。
由图1可见所示的压电马达10有一个环形压电定子20，该定子的内环上有≥4的偶数个(本实施例为四个)向心的触角22a、22b、22c和22d，其端部带有内螺纹22a’、22b’、22c’和22d’。马达10还含有一个中空圆筒型转子30，其外部含有外螺纹30a。转子30的外螺纹同定子四个触角的内螺纹吻合，因此转子30可通过螺纹而被旋入定子20的中心。被驱动的镜头片40直接安装在圆筒转子30的内部。图2是图1所示压电马达10和被驱动镜头40沿线1B-1B的剖面图。所说的压电定子20进一步包括压电Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)陶瓷环21或压电Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)or Pb(Zn1/3Nb2/3O)3-PbTiO3(PZN-PT)单晶环，和一个金属环22。所说的压电环21和金属环22通过环氧树脂粘接复合在一起。所说的压电元件环21有一个整体的底电极(没有显示)和一个分成四个部分的顶电极21a，b，c，和d。在原理上，压电环的顶电极21可以被划分成多个偶数部分，如4，6，8，…等。但出于简单化考虑，这里选择4。所说的压电元件环21是沿厚度方向极化，其上的箭头P表示极化方向。当一个适当工作频率的交流信号电压50被施加到压电定子上，压电定子将通过它的一对触角22a和22c(或22b，d用于反方向驱动)驱动转子旋转，再通过螺纹机构22a’，22c’和30a，驱动转子和安装其内的镜头40沿镜头轴方向运动。压电定子20有四个节点位置23a，23b，23c，和23d，可以被用来固定马达定子而不用担心损失驻波振动能量。在美国专利(U.S.Patent 6,940,209，9/2005)，Henderson发明了一个长棒状超声导螺杆马达(ultrasonic lead screw motor)。该马达利用四个压电元件附在一个金属圆筒上，在一对正交电压信号激发下产生一个旋转的一阶弯曲振动，即“呼啦圈”运动，再通过附在金属圆筒两端的螺纹驱动一个旋入圆筒内的螺杆产生直线运动。在这个美国发明专利里，被驱动的镜头片是附在一个金属弹性片上。马达的螺杆通过一个小球驱动这个弹性片，而实现对镜头的驱动。很清楚，本发明的压电马达和被驱动的镜头片是一个集成的超薄机构，镜头的驱动机理就是马达的驱动机理，这是本发明专利显著不同于过去已有的专利的特征和优点。另外，本发明专利有更简单的结构。
图3和图4显示了该发明马达的驱动方法和工作原理。当一个适当工作频率的交流信号电压50被施加到压电元件环21的一对电极21a和21c，压电定子将产生一个沿直径线1-1方向扩张、2-2方向收缩的径向对称的驻波谐振振动，这将导致触角22b和22d产生顺时针方向的驻波椭圆振动，通过摩擦驱动转子沿反时针方向旋转，再通过螺纹机构驱动转子和安装其内的镜头40作镜头轴方向的运动，见图3。当这个交流信号电压50被施加到压电元件环21的另一对电极21b和21d，压电定子将产生一个沿直径线2-2方向扩张、1-1方向收缩振动，导致触角22a和22c产生反时针方向的椭圆振动，因而驱动转子和镜头作反方向的轴向运动，见图4。通过一个脉宽调制电路(没有显示)，可以精密的控制作用到压电定子的电压脉冲数目，因此可以精密的控制镜头的轴向运动。可见，图3和图4所示的本发明工作模式和驱动方法也是不同于已发明的驱动方法。另外，本发明采用驻波方法，其好处是只需要一个驱动电压信号源，这使驱动电路及压电定子的频率跟追得以大为简化。
图5为本发明的另一种实施方式的剖面结构。它与图1和图2所示实施例的唯一不同之处是该实施例使用两个薄的压电元件环21，它们对称的粘接在金属环22的两边，因此可以实现更低的驱动电压，和更好的径向对称振动模式。
图6为本发明的又一种实施方式的剖面结构。它与上述实施例的区别在于使用了一个多层结构压电元件环21和一个同心的金属环22粘接在一起作为马达定子。多层结构压电元件环21的内电极也被划分成4，6，8…部分。它的工作模式和驱动机理和图3和图4所显示机理相同。该实施例的一个显著特点是更低的驱动电压。
图7为本发明的又一种实施方式的总体结构示意图。它与上述实施例的区别在于该发明压电马达有一个短而薄圆筒状压电定子20，由一个薄的外压电元件环21和一个薄的内金属环22粘接复合构成。薄压电环也是沿厚度方向极化，箭头P指示了它的极化方向。薄压电环内电极是一个整体，用于地电极，压电环的外电极被划分成4，6，8…，若干段，用于施加电压信号。在该发明例子里，外电极被划分成4段。金属环22也含有≥4的偶数个带有内螺纹的向心触角22a、22b、22c和22d。压电马达的转子30内置有镜头片40，外带有螺纹30a，并通过金属环触角的内螺纹而被旋入压电定子20的中心。图8是图7所示压电马达和被驱动镜头片沿线5B-5B的剖面图。本实施例的工作原理和图1和图2所示实施例的工作原理相同，但结构上更紧凑，马达定子的外直径更小。
图9为本发明的又一种实施方式的总体结构示意图。和以上发明实施例不同的地方是，压电定子金属环上的向心触角22a、22b、22c和22d被分裂成两半，并且沿圆周方向具有不同的高度，以便同转子的外螺纹吻合。该发明实施例的工作原理和发明实施例之一的工作原理相同，但金属环可以用更简单的模具冲压方法制作。图10是图9所示压电马达和被驱动镜头片沿线6B-6B的剖面图。
图11为本发明实施例之六总体结构示意图。和以上发明实施例不同的地方是，马达定子的金属环没有触角，金属环的内圆含有全螺纹；压电定子需要一对正交电压信号50a和50b驱动，并依靠行波方法驱动转子旋转，然后利用螺纹机理使转子和其内的镜头产生轴向位移。该发明实施例的特点是金属定子制作简单，但需要一对正交驱动电压信号，驱动电路比驻波方法复杂。
权利要求
1.一种微型压电马达-镜头片的集成驱动机构，包括环状压电定子、转子和驱动电源，其特征在于环状压电定子上设有内螺纹，转子为带有外螺纹的环状或圆筒状，转子与镜片集成一体；其转子的外螺纹与定子上内螺纹吻合；所述的转子通过相互吻合的螺纹旋入定子。
2.根据权利要求1所述的微型压电马达-镜片的集成驱动机构，其特征在于所述的环状压电定子包括一个或一对压电陶瓷环和一个金属环；所说的压电陶瓷环是沿厚度方向极化，其一面电极是一个整体，为底电极，另一面电极由节点被等间隔划分成≥4的偶数份，为顶电极。
3.根据权利要求2所述的微型压电马达-镜头片的集成驱动机构，其特征在于所述环状压电定子上的金属环含有一个完整的内螺纹，或依附有≥4的偶数个带有螺纹的向心触角，带有外螺纹的转子通过内螺纹旋入定子，或通过向心触角的螺纹旋入定子。
4.根据权利要求3所述的微型压电马达-镜头片的集成驱动机构，其特征在于所说的金属环可以是一个薄环，其向心的触角被分裂成两半，所说的触角沿圆周方向具有不同的高度，并同所说的环状或圆筒状转子的外螺纹吻合。
5.根据权利要求2所述的微型压电马达-镜头片的集成驱动机构，其特征在于所述的压电陶瓷环的压电陶瓷元件可以是一个多薄层结构；其内电极也被划分成≥4的偶数份。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的微型压电马达-镜头片的集成驱动机构，其特征在于所述的环状压电定子在一个电压信号驱动下产生一个沿直径方向扩张、垂直该直径方向收缩的驻波振动模式，驻波振动模式通过内、外螺纹机构驱动转子作轴向运动。
7.根据权利要求1所述的微型压电马达-镜片的集成驱动机构，其特征在于带有外螺纹的环状或圆筒状转子内集成有被驱动的一个或一组镜片。
全文摘要
本发明涉及一种微型压电马达－镜头片的集成驱动机构。包括环状压电定子、转子和驱动电源，其中环状压电定子上设有内螺纹，转子为带有外螺纹的环状或圆筒状，转子与镜头片集成一体；转子的外螺纹与定子上内螺纹吻合；转子通过相互吻合的螺纹旋入定子。其优点是它提供了一种压电定子的超薄环状构造，镜头片作为转子一部分被直接驱动，具有相对更高的驱动力和效率，螺纹传动还具有对振动不敏感的特点；由于压电定子上的压电元件为薄片状或多层薄片结构，可容许马达在较低电压下工作；由于马达和镜头驱动机构含有元件少，相对尺寸小和造价低，特别适合于手机和微型照相机模块中的光学镜头的自动聚焦和变焦。
文档编号G02B7/08GK101056073SQ20071002241
公开日2007年10月17日 申请日期2007年5月18日 优先权日2007年5月18日
发明者董蜀湘 申请人:董蜀湘