专利名称：包括超声波导螺杆电动机的机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包含微型超声波线性电动机组件的成像装置，所述电动机组件包括螺纹轴及与之相接合的螺母。
背景技术：
采用压电体电致伸缩、静电或电磁技术的换能器(transducer)对于在纳米标度下的精密定位是非常有用的。在压电体器件的情况下，陶瓷形成了在带电和放电时可改变形状的电容器，其形成作用力换能器或位置执行机构。当用作位置执行机构时，压电陶瓷的形状变化与外加电压大致成比例。压电执行机构被限制在为陶瓷长度的大约0.1％的范围内，其通常相当于几十个微米的典型行程长度。虽然压电执行机构的高刚性和纳米精度非常有用，但是，对于许多应用而言，需要更多的行程。
已经开发出许多压电体电动机的设计来″矫正″小的陶瓷形状变化，并产生更长的行程。
在美国专利3,902,084中描述了一种PZT步进电动机；该美国专利的公开内容通过引用而整体地结合于本文中。这种电动机使用夹具-延伸-夹具-收缩的操作顺序，以将许多短的PZT执行机构循环加在一起。这种步进式线性执行机构在从直流至几千赫兹的频率下工作，这产生了大的噪声和振动。当关闭电源时，位置不会被保持住。在200毫米的行程上，就获得好于一纳米的分辨率。
在美国专利5,410,206中描述了一种PZT惯性滞滑电动机；该美国专利的公开内容通过引用而整体地结合于本文中。这种电动机利用拼合螺母使细牙螺纹轴旋转，这种拼合螺母形成了两面夹紧轴的″钳口″。PZT执行机构利用非对称的交流电驱动信号而迅速地使钳口在相反方向上移动。快速的钳口运动克服夹紧摩擦，并产生了滑动。较低的钳口运动并不使轴滑动和旋转。这种滞滑电动机产生了与上面步进电动机相似的噪声和振动，但移动慢了100倍，并且当关闭电源时，保持了位置。在25毫米的行程上获得了好于50纳米的分辨率。
超声波电动机使用压电体所产生的振动，来产生在高速、高转矩、小尺寸和安静操作下的连续运动。
在美国专利3,176,167中描述了其中一种最早的超声波压电电动机；该美国专利的公开内容通过引用而整体地结合于本文中。这种单向旋转电动机使用石英晶体振荡器来移动细杆，并驱动棘轮，以达到驱动时钟机构的目的。在美国专利5,453,653中描述了驻波超声电动机的一个示例；该美国专利的公开内容通过引用而整体地结合于本文中。这种电动机使用矩形PZT板来产生运动表面上预加载的接触点的超声振动。PZT板上的电极图形连接在交流信号上，并产生在所需幅值和相位下的接触顶端的二维振动，从而产生相对配合表面的合力。这种超声波电动机是安静的，并且比步进电动机快100倍，同时产生大约三分之一的力。通常超声波电动机难以停止和起动，这限制了精度。通常，需要带闭环控制的编码器来取得超微米级的分辨率。
例如，在Katsuyuki Fujimura的美国专利6,147,435中描述了一种采用超声波振动驱动螺杆的装置；该美国专利的公开内容通过引用而整体地结合于本文中。这个美国专利所公开和要求的权利要求是″一种由超声振动驱动螺杆构成的机构，包括沿着其轴向方向设有形成螺旋形凹槽部分的螺杆；可旋转地保持住所述螺杆的相对末端的一对支架；部分地包围所述螺杆，并可在所述螺杆的轴向方向上滑动的支架；至少一个固定在所述支架的一侧，并从延伸所述支架至所述螺杆的第一螺杆旋转装置，所述至少一个第一螺杆旋转装置包括在第一特定角度上，与所述螺杆的所述凹槽部分相接触的第一振动器，在特定压力下将所述第一振动器朝所述螺杆的所述凹槽部分加压的第一弹簧，以及用于使所述第一振动器在受到电激活时发生振动，从而使所述螺杆第一旋转方向上旋转的第一压电执行机构；和至少一个固定在所述支架的另一侧，并从延伸所述支架至所述螺杆的第二螺杆旋转装置，所述至少一个第二螺杆旋转装置包括在与所述第一特定角度相反的第二特定角度上，与所述螺杆的所述凹槽部分相接触的第二振动器，在特定压力下将所述第二振动器朝所述螺杆的所述凹槽部分加压的第二弹簧，以及用于使所述第二振动器在受到电激活时发生振动，从而使所述螺杆第二旋转方向上旋转的第二压电执行机构″。
美国专利6,147,435的装置同时需要″第一螺杆旋转装置″和″第二螺杆旋转装置″；图3中显示了这些，例如元件16a′和16d′(其包括这种第一螺杆旋转装置)，以及元件16b′和16c′(其包括这种第二螺杆旋转装置)。再次参看美国专利6,147,435，当元件16a′和16d′通过超声波振动激活时，就导致螺杆2在一个方向上旋转；而当元件16b′和16c′通过超声波振动激活时，就导致螺杆2在相反的方向上旋转。
元件16a′/16d′、和16b′/16c′决不会被同时激活；这样做将会浪费能量并且导致螺杆2保持固定。
然而，即使当这种元件16a′/16d′和16b′/16c′不被同时激活时，也存在能量浪费。不活动的元件仍然和螺杆2上的螺纹接触，因而导致摩擦阻力。
这种摩擦阻力是与美国专利6,147,435的装置相关的问题。如该美国专利的权利要求2中所述，为了稍微解决这个问题，对于这种专利装置，″当所述第一和第二压电执行机构的其中一个被电激活时，为所述第一和第二压电执行机构的另一个提供非常小量电流″。美国专利6,147,435的装置的效率不是非常高。
本发明的一个目的是提供一种通过超声波振动来驱动螺纹轴的机构，其具有比美国专利6,147,435所述的装置要高得多的效率，同时提供了比相似尺寸的其它超声波电动机所通常获得的精度、力和速度要更高的精度、力和速度。
本发明的另一目的是提供一种成像装置，其包括用于驱动螺纹轴的前述机构。
发明公开根据本发明，提供了一种光学组件，其包括一种连接在用于驱动螺纹轴组件的装置上的光学元件，其中，用于驱动螺纹轴组件的所述装置包括螺纹轴以及与之相接合的螺母。该组件包括用于使所述螺母受到超声波振动作用、并因此而导致所述轴同时旋转并在轴向方向上平移的机构。该组件还包括用于对所述轴施加轴向力的机构。
附图简介以下将参考本说明书、所附权利要求和附图来描述本发明，其中相似的标号表示相似的元件，其中
图1至6显示了包含四个矩形压电板的电动机，其中图1是这种电动机的透视图，图2是这种电动机的分解图，图3是这种电动机的端视图，图4显示了这种电动机的电连接，图5是沿着图3的线A-A(30)剖开的电动机的剖视图，图5A显示了在外部预加载和电动机关闭下螺纹接合的比例放大图(图5)，图5B显示了在电动机操作下的图5A中相同的比例放大图，而图6是沿着图3的线B-B(32)剖开的剖视图；图7至12显示了包含四个压电体叠组(stack)的电动机，其中图7是这种电动机的透视图，图8是这种电动机的分解图，图9是这种电动机的端视图，图10显示了这种电动机的电连接，图11是沿着图9的线A-A(48)剖开的剖视图；并且图12是沿着图9的线B-B(46)剖开的剖视图；图13至17显示了包含带四个外电极的压电管的电动机，其中图13是这种电动机的透视图，图14是这种电动机的分解图，图15是这种电动机的端视图，图16显示了这种电动机的电连接，图17是沿着图15的线A-A(56)剖开的剖视图；图18是用于图1电动机的螺母的轨道运动(orbital movement)的示意图，其显示了螺纹轴的旋转和平移；图19是产生图18中所示的运动所需要的电驱动信号的示意图；图20至25显示了封装并集成有线性台的图1所示电动机的应用，其中图20是这种电动机组件的透视图，图21是这种电动机组件的分解图，图22是这种电动机组件的剖视图，图23A是从与图20相反方向看去的电动机组件的透视图，图23B是显示了电动机组件如何在前进方向上旋转和平移的透视图，图23B是显示了电动机组件如何在相反方向上旋转和平移的透视图，图24A显示了在前进方向上操作的集成在线性台中的电动机组件，图24B显示了在相反方向上操作的集成在线性台中的电动机组件，图25显示了集成在三轴线台系统中的电动机组件；图26至29显示了包含带四个外电极的压电管的电动机，其与图13至17是相似的，其中图26是这种电动机的透视图，图27是这种电动机的分解图，图28是这种电动机的端视图，图29是沿着图28的线A-A(130)剖开的剖视图；图30至36显示了包含四个平面布置的压电体叠组的电动机，其中图30是这种电动机的透视图，图31是这种电动机的分解图，图32是这种电动机的端视图，图33是沿着图32的线A-A(132)剖开的剖视图，图34显示了这种电动机中的单个压电体叠组的电连接，图35显示了这种电动机中的四个叠组的电连接，图36A至36E是用于图30所示电动机的螺母的轨道运动的示意图，显示了螺纹轴的旋转，其与图18中所示的动态操作相似；图37至41显示了集成了电动机和透镜的光学对准机构，其中图37是图26中的带空心轴的电动机的透视图，其中透镜安装在所述空心轴的内部，图38是这种电动机的端视图，图39是沿着图38的线A-A(134)剖开的剖视图，图40是图30中的带空心轴的电动机的透视图，其中透镜安装在所述空心轴的内部，图41是这种电动机的端视图，图42是沿着图41的线A-A(136)剖开的剖视图；图43至45显示了一种将两个图40中所示的光学对准机构与焦平面成像装置集成在一起的摄像机自动聚焦和自动变焦组件，其中图43是摄像机组件的透视图，图44是这种组件的端视图，图45是沿着图44的线A-A(138)剖开的剖视图；和图46至48显示了一种如图43中所示的摄像机组件，其中光学透镜安装在带防旋转销的轴承上，使得透镜平移但不旋转，其中图46是摄像机组件的透视图，图47是这种组件的端视图，而图48是沿着图47的线A-A(140)剖开的剖视图。
用于实现本发明的最佳模式在本说明书的第一部分，本申请人将描述一种微型的超声波线性电动机。在本说明书的第二部分，本申请人将描述一种包括连接到这种电动机上的光学器件的光学组件。
在本发明的一个实施例中，微型超声波线性电动机使导螺杆旋转，以产生线性运动。圆柱体支撑着螺母，其具有在超声波范围内的第一弯曲模式的共振频率。圆柱体和螺母在这个共振频率下由换能器进行激励，其导致螺母在圆柱体的末端沿轨道运动。换能器可以是压电式、电致伸缩式、静电式、电磁式或可激励共振的任何装置。至少需要两个换能器来同时激励圆柱体的具有正90度或负90度相位移的正交弯曲模式，并产生环形轨道。紧密配合的螺纹轴安装在螺母的内部。弹性的轴向负荷通过低摩擦联轴节而施加在轴上。螺母在其共振频率下沿轨道而行，并且轴的惯性使其保持居中。螺母的轨道行进产生了使轴旋转，并产生线性运动的扭矩。对于换能器需要至少两个交流电驱动信号。驱动频率必须激励机械频率，并且控制相位以实现圆形的螺母轨道。对驱动信号的幅值和持续时间的调制就控制了速度。驱动信号之间的相位移可以是正的或负的，其使螺母轨道和轴旋转/平移的方向反转。在本说明书的其余部分将更详细地描述这个实施例以及其它优选的实施例。
在不希望受到任何特殊理论的束缚下，本申请人认为本发明的其中一个超声波线性执行机构的操作原理是，激励圆柱形管的第一弯曲共振(bending resonance)，其导致管的一端或两端在不旋转的条件下围绕圆柱形轴线轨道而行进。在这个实施例中，管的一端包含有螺母，其也围绕着相配螺纹轴的轨道而行进，并且通过摩擦而传递切向力，因而使螺纹轴在螺母沿轨道行进时而旋转。螺纹中的摩擦是有用的，因为它直接驱动螺杆。这与传统的导螺杆驱动形成强烈对比，在传统的导螺杆驱动中，螺纹接触摩擦是寄生的，并且产生扭曲、啮合间隙和迟滞响应。这个实施例中所使用的螺旋形螺纹的另一显著优势是旋转至平移的直接转换，具有很大的机械优势，其放大了轴向力，并减小了线性速度，结果提高了精度。
在这个实施例中，优选使用负荷路径中或负荷路径外的换能器来激励第一弯曲模式。可使用的换能器的示例例如为压电元件及叠组、磁致伸缩材料和静电材料等等。这个列举并不包括所有的换能器材料，但是应该理解，在本专利中，包括能够用于激励圆柱形管或相似形状的部件的第一弯曲共振、并实现在管一端或两端的轨道运动的任何这种材料或机构。这里所描述的实施例使用压电材料，但只是易于利用上述一种备选换能器材料来体现。
参见图1至6，在其显示的优选实施例中，显示了一种超声波线性电动机10。在所示的实施例中，使用四个矩形压电板来产生超声波振动。在图1中未显示的另一实施例中，还可使用其它装置来产生超声波振动。
如本说明书中所使用的用语“超声波”指超过20,000赫兹的工作频率。在一个实施例中，工作频率为至少大约25,000赫兹。在另一实施例中，工作频率为至少大约50,000赫兹。在又一实施例中，工作频率为至少大约100,000赫兹。
如本说明书中所使用的用语“线性电动机”指通过产生力和/或位移而产生大致直线运动的执行机构。可参考例如美国专利5,982,075(超声波线性电动机)，5,134,334(超声波线性电动机)，5,036,245(超声波线性电动机)，4,857,791(线性电动机)等等。这些美国专利的各个公开内容通过引用而整体地结合于本文中。
再次参见图1至图6，在其所显示的优选实施例中，可以看到带球形滚球尖顶26的螺纹轴12旋转，并产生轴向力和运动。
螺纹轴12优选活动地设置在外壳14中。螺纹轴12的长度15(见图5)优选超过外壳14的长度13至少大约10毫米。在一个实施例中，长度15超过长度13至少25毫米。在另一实施例中，长度15超过长度13至少50毫米。
在一个实施例中，螺纹轴12具有第一固有频率，其小于外壳14的第一固有频率大约0.2倍。在另一实施例中，螺纹轴12的第一固有频率小于外壳14的第一固有频率大约0.1倍。
如这里所使用的用语“第一固有频率”指第一简正振动模式的频率；参见例如，麦克劳希尔科学和技术词典第四版(纽约麦克劳希儿书籍公司，1989)第1253页。还可参考Eugene A.Avallone等人的″Mark’s Stand Handbook for Mechanical Engineers″(纽约麦克劳希尔图书公司，1978年)的(″简单系统的固有频率″)第5-59，5-70页。还可参考美国专利6,125,701；6,591,608；6,525,456；6,439,282；6,170,202；6,101,840等等；这些美国专利的各公开内容通过引用而整体地结合于本说明书中。
在附图所显示的实施例中，由于两个简正振动模式的存在而产生螺母16的轨道运动，这两种简正振动模式在平行于轴中心线(见图2)的平面上彼此正交地起作用，如最佳地在18中所示。这两个正交的简正振动模式通过被激活的换能器(例如板18，20，22和24)和外壳14的相互作用来提供；并且这种相互作用导致螺母16的轨道运动，这种轨道运动则导致螺纹轴12的旋转和平移。
在一个实施例中，螺母16的第一固有共振频率优选是电动机组件10的工作频率的至少五倍大小。因而螺母16优选为大致刚性的物体。
在一个实施例中，螺纹轴12由基本上为不锈钢的金属制成。在这个实施例中，螺纹轴12与螺母16相接合，螺母16由基本上为黄铜的金属制成。
显然，对于螺纹轴12和螺母16，优选使用材料组合，从而最大程度地减小磨损和磨蚀。在本发明中，还可使用其它也能最大程度地减小这种磨损和磨蚀的材料组合。
再次参见图1，可以看到，螺纹轴12包括优选采用螺旋槽形式的多个螺纹17。在一个实施例中，螺纹17具有小于每英寸大约250个螺纹数的螺距，并且具有优选小于每英寸大约200个螺纹数的螺距。在另一实施例中，螺纹17具有低于每英寸大约100个螺纹数的螺距。在这个实施例的一个方面，螺纹17具有每英寸大约40至80个螺纹数的螺距。
螺纹17优选与螺母16的内螺纹19相接合，如最佳地在18中所示(还可参见图36)。在一个优选的实施例中，内螺纹19的螺距基本上等于外螺纹17的螺距。
虽然出于易于说明的目的，螺纹17和19显示为完全接合(不包括图5A，5B，18和36)，但是，在螺纹17和19之间优选有小于螺纹17和/或螺纹19的螺纹深度33/35大约0.5倍的直径间隙。这个直径间隙优选如图5A中所示。用于确定这个直径间隙的装置是众所周知的。可参考美国专利6,145,805；5,211,101；4,781,053；4,277,948；6,257,845；6,142,749等等；这些美国专利的各公开内容通过引用而整体地结合于本说明书中。还可参考例如前述″Mark’s Stand Handbookfor Mechanical Engineers″的(″机械零件″)第8-9页。
参见图5A，其显示了在螺纹17和19之间一种优选的接合模式。如将从该图中看出，各螺纹17具有尖顶29，并且各螺纹19具有尖顶31。另外，各螺纹17和19分别具有螺纹深度33和35。
再次参见图1，在其所显示的优选实施例中可以看到，连接在振动外壳14上的螺母16的超声波轨道运动使螺纹轴12产生旋转。在所显示的实施例中，螺母16优选连接在外壳14上。这如图2中最佳地所示。
参见图2，在其所显示的优选实施例中，可以看到螺母16设置在孔11中。螺母16通过传统装置例如压配合和/或粘合剂手段等等而固定在孔11中。
在图1和2所示的优选实施例中，螺母16是圆柱形螺母。在未显示的另一实施例中，螺母16是多角螺母，其可具有方形形状、六角形形状、八边形形状等等。
再次参见图1和图2，在其所显示的优选实施例中，可以看到多个陶瓷片18等等连接在外壳14的外表面37上。
在经受电压，尤其经受电压变化时，陶瓷片18如下所述优选改变其相应的长度。如这里所使用，并如本说明书其它地方所述，这些陶瓷片可描述为″活性陶瓷片″。在一个实施例中，活性陶瓷片18以及下列等等各项选自压电板，电致伸缩板，以及它们的组合。为了便于讨论，将参照压电板来描述至少图1和2的实施例。
在图2所示的实施例中，四个压电板18，20，22和24结合在外壳的外表面37上，并使螺母16在受到各压电板(见图4)上的电极21和23上的交流电驱动信号的激励时产生轨道振动。
在一个实施例中，只使用了两个这样的压电板板18和20。在另一实施例中，使用了八个或更多个压电板。不管使用多少这种压电板，都使用足够数量的这种板来激励正交平面39和41(见图2)中的运动。
为了表达简便起见，以下将论述四个压电板18，20，22和24。这些板优选结合在外壳14的相应的外表面37上，使得所述板与这种外表面37完全邻接。
压电板18以及下列等等各项都通过电极21和23而连接在电压源上，如最佳地在4中所示。显然，为了表达简便起见，只是参照压电板20显示了电极21和23的连接，应该理解，相对于其它压电板，可形成相当的连接。
参见图4，参看其所显示的优选实施例，可以看到所有四个内部电极23都连接在接地25上。在这个实施例中，压电材料是通常在低介电损耗和高去极化电压下可得到的″刚硬″成分。因此，例如人们可使用由俄亥俄州Bedsford的Morgan Matroc公司出售的压电材料″PZT-4″。这种优选材料通常具有几种重要的性质。
因此，这种优选的材料在大于大约20,000赫兹的频率下优选具有小于大约1％、并且优选小于大约0.5％的介电损耗因子。在一个实施例中，在大于大约20,000赫兹的频率下，介电损耗因子为大约0.4％。
因此，优选的材料具有至少大约250微微库仑/牛顿，优选是至少大约270微微库仑/牛顿的d33压电充电系数(piezoelectric chargecoefficient)。在一个实施例中，优选的材料具有大约285微微库仑/牛顿的d33压电充电系数。
因此，优选的材料具有至少大约-90微微库仑/牛顿、优选为至少大约-105微微库仑/牛顿的d31压电充电系数。在一个实施例中，d31压电充电系数为大约-115微微库仑/牛顿。
在一个实施例中，优选的材料是d33压电充电系数为至少大约2500微微库仑/牛顿，并且d31压电充电系数至少大约为900微微库仑/牛顿的单晶材料。
对于某些合适的材料的论述，并且作为举例说明而非限制性的是，可参考例如美国专利3,736,532和3,582,540。这些美国专利的各公开内容通过引用而整体地结合于本说明书中。
作为进一步的说明，并如本领域中技术人员所知，低介电损耗的压电材料对于本领域中的技术人员是已知的。例如可参看美国专利5,792,379(低损耗的PZT陶瓷成分)；该美国专利的公开内容通过引用而整体地结合于本说明书中。
在一个实施例中，压电材料是单晶压电材料。这些材料在本领域中是已知的。例如可参看美国专利5,446,330；5,739,624；5,814,917；5,763,983(单晶压电变压器)；5,739,626；5,127,982等等。这些美国专利的各公开内容通过引用而整体地结合于本说明书中。
再次参见图4，在其所显示的优选实施例中，压电板18，20，22和24的轴长相对于外加电压(Vx/86和Vy/88)和d31压电充电系数成比例地改变。
显然，压电板18，22和20，24分别成对地协同工作，使外壳14弯曲(例如见图1和2)，并激励轨道共振。交流电驱动信号86和88优选分别以极化方向(poling direction)43施加在板20，24和18，22上。如本领域中的技术人员众所周知的那样，极化方向43是压电材料中的偶极子在制造期间排列的方向。例如可参考美国专利5,605,659(用于极化陶瓷压电板的方法)，5,663,606(用于极化压电执行机构的装置)，5,045,747(用于极化压电陶瓷的装置)等等。这些美国专利的各公开内容通过引用而整体地结合于本说明书中。
对于每对板18，22和20，24，电场相对于一块板上的极化方向43是正的，并且相对于相对板上的极化方向43是负的。驱动信号Vx86优选施加在板20，24上，并同时地在一块板上产生膨胀和在相对板上产生收缩，因而使外壳14在平面39(见图2)中，并且在X方向72a/72b(见图18)上弯曲。驱动信号Vy88以相似的方式施加在板18，22上，并使外壳14在平面41(见图2)中，并且在Y方向74a/74b(见图18)上弯曲。
与螺母16相对的外壳末端45优选支撑导衬套28，在衬套内径和螺纹轴12的外径之间形成小的间隙(见图2)。螺纹轴12支撑着利用低摩擦性坚硬平面借助于球形滚球尖顶26所施加的弹性轴向力27(见图5和6)。
在电动机10的操作期间，优选的是，轴向力27优选通过滚球26进行传递，轴向力27为大约0.1至100牛顿。显然，轴向力27优选具有与输出的驱动力相似的大小。球形滚球26(见图2)是一种在低摩擦扭矩的条件下，将螺纹轴12耦合到其负荷27(见图5)上的装置。如本领域中的技术人员将领会的那样，对于将旋转的螺纹轴耦合至活动负荷上的耦合运动，人们可使用其它的手段。因此，例如人们可使用滚动元件支撑，人们可使用与螺纹轴12上的平直表面相接触的弓形负荷等等。例如可参考美国专利5,769,554(运动耦合方法)，6,325,351(用于精密仪器的高度减震的运动耦合)等等；这些美国专利的各公开内容通过引用而整体地结合于本说明书中。
参见图1和2，与螺母16相对的外壳14末端45包括凸缘，其是用于固定外罩58(图21)的连接点。轴12和螺母16上的螺距将轨道切向力和运动转换成轴向力和运动。可选择螺距，以优化力的放大倍率、减速、增强的分辨率和电源关闭时的夹持力。
参见图7至12，在其所显示的优选实施例中，超声波线性电动机30优选使用四个压电体叠组36，38，40和42(也参见图7和8)来产生超声波振动。螺纹轴12和球形滚球尖顶26旋转，并产生轴向力和运动。旋转由连接在振动圆柱体32上的螺母16的超声波轨道运动来产生。四个压电体叠组36，38，40和42结合在与螺母相对的圆柱体末端上，并结合在基环34上。四个叠组36以及下列等等各项都是利用众所周知的组件和电互联方法44构造而成的，并且内部叠组引线优选共同连接在一个共同点35上。叠组36以及下列等等各项的轴长相对于外加电压和d33压电充电系数成比例地变化。压电材料是通常在低介电损耗和高去极化电压下可得到的″刚硬″成分。交流电驱动信号86和88连接在各压电体叠组44的外部引线上，并激励螺母的轨道振动。压电体叠组36和40以及38和42分别成对地协同工作，使管旋转，并激励轨道共振。交流电驱动信号Vx86和Vy88分别以极化方向43而施加在叠组38，42和36，40上。对于每对叠组38，42和46，40，电场相对于一个叠组上的极化方向43是正的，而相对于相对叠组上的极化方向是负的。驱动信号Vx86施加在叠组38，42上，并同时地在一个叠组上产生膨胀和在相对的叠组上产生收缩；并且因此而使管在X方向72a/72b上旋转(见图18)。驱动信号Vy88以相似的方式施加在叠组36，40上，并使管的末端在Y方向74a/74b上移动(见图18)。与螺母16相对的基环34支撑导衬套28，在衬套内径和螺纹轴12的外径之间形成小的间隙。螺纹轴12支撑着利用产生低摩擦的坚硬平面而借助于球形滚球尖顶26所施加的顺应的轴向力27。基环34是用于固定外罩58(图21)的连接点。轴12和螺母16上的螺距将轨道切向力和运动转换成轴向力和运动。可选择螺距，以优化力的放大倍率、减速、增强的分辨率和电源关闭时的夹持力。
参见图13至17，超声波线性电动机50使用带象限电极的压电管54来产生超声波振动。螺纹轴12和球形滚球尖顶26旋转，并产生轴向力和运动。由连接在振动压电管54上的螺母16的超声波轨道运动来产生旋转。管的内径是连续电极61，其接地至63，并且管的外径被分成四个分开的电极60，62，64和66。压电材料是通常在低介电损耗和高去极化电压下可得到的″刚硬″成分。压电管在各电极60，62，64和66以下部分的轴长相对于外加电压和d31压电充电系数成比例地变化。电极部分60，64和62，66分别成对地协同工作，使管54弯曲，并激励轨道共振。交流电驱动信号86和88分别以极化方向43而施加在板60，64和62，66上。对于每对电极60，64和62，66，电场相对于一个电极上的极化方向是正的，而相对于相对电极上的极化方向是负的。驱动信号Vx86施加在叠组60，64上，并同时产生一个电极下的膨胀和相对电极下的收缩；并且因此而使管在X方向72a/72b上弯曲(见图18)。驱动信号Vy88以相似的方式施加在板62，66上，并使管在Y方向74a/74b上弯曲(见图18)。
与螺母16相对的管末端结合在底部凸缘52上，并保持导衬套28，从而在衬套内径和螺纹轴的外径之间形成小的间隙。螺纹轴12支撑着利用产生低摩擦的坚硬平面而通过球形滚球尖顶26所施加的顺应的轴向力27。底部凸缘34是用于固定外罩58(图21)的连接点。轴12和螺母16上的螺距将轨道切向力和运动转换成轴向力和运动。可选择螺距，以优化力的放大倍率、减速、增强的分辨率和电源关闭时的夹持力。
参见图18和19，其显示了电动机10(见图1)的操作和用于实现这种操作的相对应的驱动信号86和88(也参见图36)。压电板成对协同工作，其中一个膨胀70，而另一个同时收缩69，使外壳弯曲。交流驱动信号Vx86和Vy88优选是带相等幅值90/91和九十度相位移92的正弦曲线，以产生环形轨道。正的相位移92产生正的螺母16轨道方向和轴12的正旋转96/平移98，而负的相位移92产生负的轨道方向和负的轴旋转/平移。对于一个旋转方向，图中以九十度增量76，78，80，82和84顺序地显示了电动机的单个轨道循环和相应的驱动信号幅值90和91。图中显示了在X72a/72b和Y74a/74b方向上的圆柱形弯曲和轨道运动。螺母在一个位置73a与螺纹轴的侧面相接触，在相对的侧面上形成间隙73b(见图5B)，该接触因而传递切向力和运动，这种切向力和运动导致轴12在各轨道循环过程中旋转96和平移98少量行程。每个循环的旋转和平移量依赖于许多因素，包括轨道运动幅度，作用在轴上的力27的大小，和螺纹的摩擦系数以及表面光洁度。如果在螺母和轴之间的接触73a达到零滑移条件时，那么每个循环的运动名义上与螺纹之间的直径间隙成比例。总地说来，随着驱动幅值90和91增加，轨道直径增加，轴12和螺母16之间的名义接触力增加，滑移减少，速度增加，并且扭矩/力增加。
超声波频率是周期(见图19的周期94a和94b)的倒数；并且这种超声波频率对于这两个信号优选是相同的，并且与外壳14的第一弯曲共振频率相匹配。
参见图20至25，电动机组件100是将电动机10与外罩58和滚花旋钮102集成在一起的组件。螺纹轴112设置在电动机10中。如最佳地在21中所示，螺纹轴112与螺纹轴12相似(见图1)，但与其不同之处在于具有整体地连接在螺纹轴112上的平滑心轴113。心轴113适于连接在滚花旋钮102上。外罩58连接在电动机10的凸缘45处。滚花旋钮102随轴112旋转和平移，而不与外罩58接触。
图21是电动机组件100的分解图。图22是电动机组件100的截面图。
图23A，23B和23C显示了电动机组件100。图23A是从图20反向看去的电动机组件100的透视图。图23B显示了电动机组件100的操作，其中旋钮102和轴112在顺时针方向103上旋转，并且在箭头方向105上平移。相比而言，图23B显示了电动机组件100的操作，其中旋钮102和轴112在逆时针方向107上旋转，并且在箭头方向109上平移。
显然，为了表达简便起见，图中省略了将电动机组件的各部件电连接起来的物理装置。
显然，滚花旋钮102的存在使得允许人们通过手工手段而非电气手段来移动电动机组件100，或者除了电气手段移动这种电动机组件100以外，还可通过手工手段移动电动机组件100。因此，例如组件100可用作测微计驱动装置的替代，其将为用户提供手动调节的传统手段以及电动自动调节的辅助手段。
在未显示的一个实施例中，滚花旋钮102机械地连接在外部电动机上，以实现组件机械运动的第二装置。
图24A和24B显示了可调整的线性台106，其包括可操作地连接在线性平移台104a/104b上的电动机组件100。在这个实施例中，电动机组件100的外罩58连接在底台部分104b上，并且滚球26与顶台部分104a相接触。显然，当滚花旋钮102在顺时针方向103上移动时，就产生了箭头方向105上的线性运动。相反，当滚花旋钮102在逆时针方向107上移动时，就产生了箭头方向109上的线性运动。
在如图24A和24B示意性所示的一个实施例中，包括销115和116(虚线外形所示)的弹簧组件111在箭头109的方向上偏压平移台104a/104b。在所示的实施例中，销115连接在组件的顶部活动部分104a上，并且销116连接在组件的固定底壁部分104b上。显然，弹簧组件111可用于产生轴向力27(见图5和6)。
图25是微型操纵器120的透视图，其能够在其台106a，106b和106c上沿着X、Y和Z轴线方向而移动。
虽然已经在一定特殊程度下就其优选的形式描述了本发明，但是应该理解，本说明书的优选形式可在构造细节上进行变化，并且在不脱离本发明的精髓和范围内可采取不同的部件组合和设置。在本说明书的前面部分，已经描述了一种用于驱动螺纹轴组件的装置，这种螺纹轴组件包括带旋转轴线的螺纹轴及与之相接合的螺母，其中所述组件包括用于使所述螺母经受超声波振动、并因此而导致所述轴同时旋转和在轴向方向上平移的装置。显然，人们可生产一种可相当的装置，其包括用于导致所述螺纹轴组件振动、并因此而导致所述螺母同时旋转和平移的装置。
图26至29是本发明的另一优选电动机142的示意图。参见图26至29，超声波线性电动机142使用带象限电极的压电管144来产生超声波振动。电动机142和管144与电动机50和管54是相似的。(参见图13至17。)螺纹轴12和球形滚球尖顶26旋转，并产生轴向力和运动。旋转由连接在振动压电管144上的螺母152的超声波轨道运动来产生。管的内径是连续电极61，其被接地63。管54与管144之间的区别是，电极61包绕在管的末端上，并且在各末端的外径上形成电极环146。管的外径被分成四个分开的电极60，62，64和66。压电材料是通常在低介电损耗和高去极化电压下可得到的″刚硬″成分。压电管在各电极60，62，64和66以下部分的轴长相对于外加电压和d31压电充电系数成比例地变化。电极部分60，64和62，66分别成对地协同工作，使管144弯曲，并激励轨道共振。如之前关于电动机50所论述的那样，交流电驱动信号86和88分别以极化方向43而施加在电极60，64和62，66上。对于每对电极60，64和62，66，电场相对于一个电极上的极化方向是正的，而相对于相对电极上的极化方向是负的。驱动信号Vx86施加在叠组60，64上，并同时产生一个电极下的膨胀和相对电极下的收缩；并且因此而使管在X方向72a/72b上弯曲(见图18)。驱动信号Vy88以相似的方式施加在电极62，66上，并使管在Y方向74a/74b上弯曲(见图18)。
再次参见图26，与螺母152相对的管末端结合在导衬套150上，在衬套内径和螺纹轴的外径之间形成小的间隙。安装凸缘148结合在管144的外径的节点上。节点是在管产生共振时具有最小运动的管上的轴向位置。轴12和螺母152上的螺距将轨道切向力和运动转换成轴向力和运动。可选择螺距，以优化力的放大倍率、减速、增强的分辨率和电源关闭时的夹持力。
图30至36显示了本发明的电动机154的另一优选实施例。参见图30至36，在其所显示的优选实施例中，超声波线性电动机154优选使用四个以90度角度间隔而径向地定向在一个平面上的压电体叠组162，164，166和168来产生超声波振动。带球形滚球尖顶26的螺纹轴12旋转，并产生轴向力和运动。旋转是借助于弹性元件160通过连接在四个压电体叠组162，164，166和168上的螺母156的超声波轨道运动而产生的，其中所述叠组结合在底部凸缘158上。四个叠组162以及下列等等各项都是利用沿用已久的装配和电互连方法170构成的，并且引线优选共同连接在一个公用接地174上。叠组162以及下列等等各项的轴长相对于外加电压69，70以及d33压电充电系数成比例地变化。压电材料是通常在低介电损耗和高去极化电压下可得到的″刚硬″成分。交流电驱动信号86和88连接在各压电体叠组的引线上，并激励螺母的轨道振动。压电体叠组162以及下列等等各项分别成对地协同工作，使螺母156在共振轨道76，78，80，82，84上移动。交流电驱动信号Vx86和Vy88分别以极化方向176而施加在叠组162，166和164，168上。对于每对叠组162，166和164，168，电场相对于一个叠组上的极化方向176是正的，而相对于相对叠组上的极化方向是负的。驱动信号Vx86施加在叠组162，166上，并同时地在一个叠组上产生膨胀和在相对的叠组上产生收缩；并且因而其使螺母156在X方向72a/72b上旋转。驱动信号Vy88以相似的方式而施加在叠组164，168上，并使螺母156在Y方向74a/74b上平移。虽然未显示，但是本领域中的技术人员应该理解，除了压电体叠组162以及下列等等各项以外，还可使用执行机构结构来产生螺母156的相同的轨道共振。这种执行机构包括相对于外加电压和d31压电充电系数成比例地改变长度的压电板，电磁螺旋管或音圈，静电引力，或者能够产生超声波频率运动的其它换能器。轴12和螺母156上的螺距将轨道切向力和运动转换成轴向力和运动。可选择螺距，以优化力的放大倍率、减速、增强的分辨率和电源关闭时的夹持力。
图37至39显示了一种光学组件180，其包括其中一种本发明的电动机142。如将从这些附图中领会的那样，在所示的实施例中，透镜184相对于其中心线204是旋转对称的，中心线204与带螺纹的空心轴182的旋转轴线204是重合的。
参见图37至39，在其所显示的优选实施例中，光学对准机构180将轴182与电动机142集成在一起，所述轴182具有中空的中心，光学元件184对准并联在轴的中心线204上。光学元件184可具有许多类型，包括透射的、反射的、凹入的、凸出的类型，或者是多个光学元件的组件。电动机142导致空心轴182和光学元件184旋转和平移202，实现精密的光学对准，例如用于改变焦距或聚焦。
在图37至39所示的实施例中，使用了光学元件184。在这个实施例中，光学元件是透镜。这种光学元件184优选是可移动的光学元件。人们可以使用本领域中技术人员已知的活动的光学元件。例如可参考美国专利3,612,664(光学路径补偿装置)、3,958,117(距离测定和自动聚焦装置)、4,184,759(摄影装置)、4,629,308(用于可变放大倍率复印机的透镜和快门定位机构)、5,296,943(多路径电子摄像机组件)、5,894,371(用于变焦透镜的聚焦机构)、5,969,886(透镜镜筒和光学器件)、6,236,448(投影曝光系统)、6,445,514(微定位光学元件)、6,606,426(光束对准系统)、6,678,240等等。这些美国专利申请的各公开内容通过引用而整体地结合于本说明书中。
作为进一步举例说明，人们可在当前技术的摄像机中使用本发明的一个或多个线性电动机，这些摄像机利用当前技术的电动机。因此，作为举例说明，人们可在美国专利5,091,781(摄像机移动装置)、5,157,435(用于影像摄像机的自动聚焦装置)、5,357,308(自动变焦的摄像机和其驱动方法)、5,434,621(用于自动变焦的目镜跟踪装置)，5,943,513(摄像机变焦装置)等等所述的一个或多个摄像机中替换现有技术的电动机。这些美国专利的各公开内容通过引用而整体地结合于本说明书中。
图40至42显示了另一优选的光学组件186。参见图40至42，在其所显示的优选实施例中，光学对准机构186将轴182与电动机154集成在一起，轴182具有中空的中心，光学元件184对准并联在轴的中心线上。光学元件184可具有许多类型，包括透射的、反射的、凹入的、凸出的类型，或者是多个光学元件的组件。电动机154导致空心轴182和光学元件184旋转和在中心线204上平移202，从而实现精密的光学对准，例如用于改变焦距或聚焦。
图43至45显示了又一优选的光学组件188。参见图43至45，在其所显示的优选实施例中，摄像机自动聚焦和自动变焦组件188集成了两个与机构186相似的带有焦平面成像装置192例如CCD阵列的光学对准机构194和196，以及外壳190。机构196最靠近成像装置192，并且包含透射透镜，其通过相对于装置192和透镜200移动透镜198来改变摄像机焦距。在这个实施例中，可变焦距透镜198的直径大于成像装置192和聚焦透镜200的直径，使得机构196可在没有干扰的条件下平移。机构194与机构196相邻，与装置192相对，并包括透射透镜，其通过相对于透镜198和装置192移动透镜200而改变摄像机焦距。在这个实施例中，焦点透镜200的直径小于可变焦距透镜198的直径，从而消除了平移机构194时的干扰。光学元件198和200的中心线与中心线204重合，并且垂直于装置192的像平面。元件198和200同时平移和旋转202。在这个实施例中，元件198和200相对于中心线204是旋转对称的。
图46至48显示了又一优选的光学组件206。参见图46至48，在其所显示的优选实施例中，描述了一种可平移208但不旋转的光学透镜198和200的摄像机自动聚焦和自动变焦组件206，其用于需要不旋转的光学器件的情形。所述组件206与带有平移和旋转202的光学透镜198和200的组件188是相似的，但包括透镜安装轴210，其通过低摩擦旋转轴承212例如滚珠轴承而连接在带螺纹的电动机轴182上。销214连接在各安装轴210的末端上，并且定向成垂直于中心线204。所述销214与外壳190中的固定槽216相接合，这就防止了销214、安装轴210以及透镜198和200的旋转，但允许销214、安装轴210以及透镜198和200在平行于中心线204的轴向方向208上平移。
如本领域中的技术人员将领会的那样，图26至48所示的光学组件仅仅是可供本发明的线性电动机使用的许多种活动光学元件的说明性示例。
虽然已全面描述了本发明，但是本领域技术人员可以领会，在不脱离所附权利要求的精髓和范围内，可对其进行许多变化和修改。
权利要求
1.一种光学组件，包括活动地连接在用于驱动螺纹轴组件的装置上的光学器件，其中，所述装置包括带旋转轴线的螺纹轴以及与之相接合的螺母，其中，所述所述组件包括使所述螺母经受超声波振动、并因此而导致所述螺纹轴同时旋转和在轴向方向上平移的机构。
2.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述光学器件连接在所述螺纹轴上。
3.根据权利要求2所述的光学组件，其特征在于，所述光学器件包括透镜。
4.根据权利要求3所述的光学组件，其特征在于，所述轴是带螺纹的空心轴，并且所述透镜安装在所述带螺纹的空心轴中。
5.根据权利要求4所述的光学组件，其特征在于，所述透镜相对于其中心线是旋转对称的，所述中心线与所述带螺纹的空心轴的所述旋转轴线是重合的。
6.根据权利要求5所述的光学组件，其特征在于，所述装置包括用于使所述螺母在轨道方向上移动的机构。
7.根据权利要求6所述的光学组件，其特征在于，所述螺母是大致刚性的物体。
8.根据权利要求7所述的光学组件，其特征在于，所述光学组件还包括外壳，所述螺纹轴组件设置在所述外壳中。
9.根据权利要求8所述的光学组件，其特征在于，所述组件包括压电管。
10.根据权利要求9所述的光学组件，其特征在于，所述压电管具有每秒超过20,000次循环的第一弯曲共振频率，并且第一弯曲模式处于与所述旋转轴线平行的平面中。
11.根据权利要求8所述的光学组件，其特征在于，所述组件包括四个压电体叠组以及弹性元件，其中，所述弹性元件连接在所述螺母上。
12.根据权利要求11所述的光学组件，其特征在于，所述四个压电体叠组具有每秒超过20,000次循环的第一弯曲共振频率。
13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述外壳具有与所述第一弯曲共振频率相等的第二弯曲共振频率，并且第二弯曲模式处于与所述第一弯曲模式正交的平面中。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于使所述螺母以每秒至少大约20,000个轨道的频率进行轨道运动的机构。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，用于使所述螺母进行轨道运动的所述机构包括至少两个用于将电能转换成力的换能器。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述换能器选自压电换能器、电致伸缩的换能器、磁致伸缩的换能器、静电换能器、电磁换能器以及它们的组合。
17.一种包括第一光学组件、第二光学组件和焦平面成像装置的摄像机，其特征在于(a)所述第一光学组件包括活动地连接在用于驱动第一螺纹轴组件的第一装置上的第一光学器件，其中，所述第一装置包括带第一旋转轴线的第一螺纹轴以及与之相接合的第一螺母，其中，所述第一组件包括用于使所述第一螺母经受超声波振动、并因此而导致所述第一螺纹轴同时旋转和在轴向方向上平移的第一机构；(b)所述第二光学组件包括活动地连接在用于驱动第二螺纹轴组件的第二装置上的第二光学器件，其中，所述第二装置包括带第二旋转轴线的第二螺纹轴以及与之相接合的第二螺母，其中，所述第二组件包括用于使所述第二螺母经受超声波振动、并因此而导致所述第二螺纹轴同时旋转和在轴向方向上平移的第二机构；和(c)所述焦平面成像装置光学上与所述第一光学组件和所述第二光学组件在光学上相连。
18.根据权利要求17所述的摄像机，其特征在于，所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线是重合的，并且所述焦平面成像装置的焦平面大致垂直于所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线。
19.根据权利要求18所述的摄像机，其特征在于，所述第一光学组件是变焦光学组件，所述第二光学组件是聚焦光学组件。
20.根据权利要求4所述的光学组件，其特征在于，所述光学组件还包括用于允许所述透镜平移、同时防止这种透镜旋转的机构。
全文摘要
一种光学组件，包含活动地连接在用于驱动螺纹轴组件的装置上的光学器件。该装置包括带旋转轴线的螺纹轴以及与之相接合的螺母。该组件包含用于使所述螺母经受超声波振动、并因此导致所述轴同时旋转和在轴向方向上平移的机构。
文档编号H01L41/18GK101040395SQ200580034387
公开日2007年9月19日 申请日期2005年8月4日 优先权日2004年8月13日
发明者D·亨德森 申请人:新测量科技公司