包含超声波导螺杆马达的机构的制作方法

文档序号:7430066来源:国知局
专利名称:包含超声波导螺杆马达的机构的制作方法
技术领域
本发明涉及一种成像装置,其包含一个包含螺纹转轴及与之啮合的螺母构成的小 型超声波线性马达总成。
背景技术
采用压电电致伸縮、静电或电磁技术的变换器(transducer)非常适用于纳米级 的精确定位。在为压电装置的情况下,可将陶瓷形成当充电和放电时会改变形状的电 容器,从而形成一个力变换器或位置致动器。当用作位置致动器时,压电陶瓷的形状 变化近似正比于所施加的电压。压电致动器的行程局限于陶瓷长度约0. 1%的范围, 此相当于数十微米的典型行程长度。虽然压电致动器的高的刚度和纳米精确度非常地 有用,但很多应用都需要更大的行程。
人们已开发出很多用于"矫正"小的陶瓷形状变化及产生较长行程的压电马达 设计。
美国专利3, 902, 084中阐述了一种PZT步进式马达;该美国专利的全部揭示内容 以引用方式并入本文说明书中。该马达使用一个夹紧-扩张-夹紧-收縮的操作序列将 很多短的PZT致动器循环加在一起。该步进式线性致动器是在从DC到数千赫兹的频 率下操作,从而会产生大的噪声和震动。当关掉电源时,便不能保持其位置。在200 毫米的行程中可实现好于1个纳米的解析度。
美国专利5,410,206中阐述了一种PZT惯性粘滞滑动式马达;该美国专利的全部 揭示内容以引用方式并入本文说明书中。该马达使用对开螺母带动精螺纹转轴旋转, 该对开螺母形成有在对置侧部上抓紧该轴的"鄂"。PZT致动器通过非对称的交流驱 动信号迅速地使鄂沿相反方向移动。鄂的快速运动克服了夹持摩擦力并产生滑动。鄂 较慢的运动不会使该轴滑动及旋转。这种粘滞滑动式马达会产生类似于上述步进式马达的噪声和震动,但移动速度慢了 IOO倍且当关掉电源时可保持位置。在25毫米的 行程中可实现好于50纳米的解析度。
超声波马达使用以压电方式产生的震动形成了具有高速、高扭矩、小尺寸且安静 的操作的连续运动。
其中一种最早的超声波压电马达阐述于美国专利3, 176, 167中;该美国专利的全 部揭示内容以引用方式并入本文说明书中。这种单向转动式马达使用石英晶体振荡器 来移动细杆并驱动棘轮,目的是驱动一个时钟机构。
驻波超声波马达的实例阐述于美国专利5, 453,653中;该美国专利的全部揭示内 容都以引用方式并入本文说明书中。该马达使用矩形PZT板来产生预先加载到移动表 面上的接触点的超声波震荡。该PZT板上的电极图案连接至交流信号,并以所需的振 幅和相位产生接触末端的二维震荡以产生对该咬合表面的净力。该超声波马达噪声 小,且在产生该力的三分之一时速度比步进式马达要快IOO倍。通常,超声波马达的 停止和起动是困难的,这就限制了精确度。通常,需要带有闭路控制的编码器来实现 亚微米解析度。
使用超声波震动来驱动螺杆的装置阐述于(例如)Katsuyuki Fujimura的美国 专利6, 147,435中;该专利的全部揭示内容以引用方式并入本文说明书中。该专利揭
示并主张"一种用于通过超音波震动来驱动螺杆的机构,其包括螺杆,具有沿其 轴向方向以螺旋方式形成的凹槽部分; 一对支架,可旋转地固持所述螺杆的对置端; 工作架,部分地环绕所述螺杆且可沿所述螺杆的轴向方向滑动;至少一个第一螺杆旋 转装置,其固定在所述工作架的的一侧上且从所述工作架延伸至所述螺杆,所述至少 一个第一螺杆旋转装置包括第一震动器,以第一特定角度与所述螺杆的凹槽部分接
触、第一弹簧,以特定的压力向所述螺杆的凹槽部分推动所述第一震动器、及第一压 电致动器,用于在电启动时震动所述第一震动器以使所述螺杆沿第一旋转方向旋转; 及至少一个第二螺杆旋转装置,其固定在所述工作架的另一侧上且从所述工作架延伸 至所述螺杆,所述至少一个第二螺杆旋转装置包括第二震动器,以与所述第一特定 角度相反的第二特定角度与所述螺杆的凹槽部分接触、第二弹簧,以特定压力向所述 螺杆的凹槽部分推动所述第二震动器、及第二压电震动器,用于在电启动时震动所述 第二震动器以使所述螺杆沿第二方向旋转。"
美国专利6,147,435中的装置需要"第一螺杆旋转装置"及"第二螺杆旋转装 置"两者;例如图3中将其示为元件16a'和16d'(其包含该第一螺杆旋转装置)及元件16b'和16c'(其包含该第二螺杆旋转装置)。再次参照美国专利6, 147,435, 当元件16a'和16d'由超声波震荡启动时,会致使螺杆2沿一个方向旋转;而当元件 16b'和16c'由超声波震动启动时,会致使螺杆2沿相反方向旋转。
元件16b'/16c'及16b'/16c'绝不会同时被启动;这样会浪费能量而且会使螺杆 2保持静止。
然而,即使当这些元件16a'/16d'及16b'/16c'未被同时启动时,也存在能量的 浪费。那对未动启的元件仍与螺杆2上的螺纹邻接,且因此造成拖滞摩擦力。
美国专利6, 147,435中的装置会出现该制动摩擦力的问题。如该专利中权利要求 2所述,且为一定程度上地解决该问题,对于该专利中的装置来说,"...当电启动 所述第一及第二压电致动器中的一个时,会有非常小部分的电流供应至所述第一及第 二压电致动器中的另一个。"美国专利6,147,435中装置的效率不是非常高。
本发明的一目的是提供一种通过超声波震动来驱动螺纹转轴的机构,其效率高于 美国专利6, 147,435的效率,而同时提供相比于其他小尺寸的超声波马达更高的精确 度、更大的力及更快的速度。
本发明的另一目的是提供一种包含上述用于驱动螺纹转轴的机构的成像装置。

发明内容
根据本发明,提供一种包含用于聚焦和变焦的光学元件构成的光学总成,这些光 学元件连接至至少一个用于驱动螺纹转轴总成的设备,其中所述至少一个用于驱动螺 纹转轴总成的设备包含螺纹转轴及与之啮合的螺母。该总成包含有使所述螺母受到超 声波震动且由此致使所述转轴旋转并致使所述螺母沿轴向方向平移的构件。该总成还 包含用于对所述转轴施加轴向力的构件。


下文将参照说明书、随附权利要求书及图式来阐述本发明,其中相同数字指代相 同元件,且其中-
图1至6显示含有四个矩形压电板的马达,其中图l是该马达的立体图,图2是该马 达的分解视图,图3是该马达的端视图,图4显示通到该马达的电连接件,图5显示沿 图3中线A-A (30)截取马达的剖视图,图5A显示螺纹啮合在外部预加负载和马达关断
9情况下的放大比例视图(图5上的47),图5B显示图5A中的同一放大比例视图(其中 马达处于操作状态),且图6是沿图3中线B-B (32)截取的剖视图7至12例示含有四个压电堆叠的马达,其中
图7是该马达的立体图,图8是该马达的分解视图,图9是该马达的端视图,图10
显示通到该马达的电连接件,图11是沿图9中的线A-A (48)截取的剖视图,且图12 是沿图9中线B-B (46)截取的剖视图13至17例示包含带有四个外部电极的压电管的马达,其中图13是该马达的立 体图,图14是该马达的分解视图,图15是该马达的端视图,图16显示通到该马达的电 连接件,图17是沿图15中线A-A (56)截取的剖视图18示意性地例示马达的螺母的环轨运动,从而显示图l中螺纹转轴的旋转和平
移;
图19示意性地例示形成图18中所示运动所需的电驱动信号,图19显示用于致动马 达10、 30、 50、 142、 154、 230和300的压电元件的两相驱动信号86 88;
图20至25显示图1中马达的应用,该马达与线性平台封装并整合在一起,其中 图20是该马达总成的立体图,图21是该马达总成的分解视图,图22是该马达总成的剖 视图,图23A是反向于图20视角的马达总成的立体图,图23B是例示马达总成如何沿向 前方向旋转及平移的立体图,图23C是例示马达总成如何沿向后方向旋转及平移的立 体图,图24A显示整合在线性平台中的马达总成沿向前方向操作,图24B显示整合在线 性平台中的马达总成沿向后方向操作,且图25显示整合在三轴线平台系统中的马达总 成;
图26至29例示类似于图13至17的包含带有四个外部电极的压电管的马达,其中 图26是该马达的立体图,图27是该马达的分解视图,图28是该马达的剖视图,图29 是沿图28中线A-A (130)截取的剖视图。
图30至36例示包含四个呈平面布置的压电堆叠的马达,其中图30是该马达的立 体图,图31是该马达的分解视图,图32是该马达的端视图,图33是沿图32中线A-A(132) 截取的剖视图,图34显示通到该马达中单个压电堆叠的电连接件,图35显示通到该马 达中四个堆叠的电连接件,且图36A至36E示意性地例示螺母的环轨运动,从而显示图 30中马达的螺纹转轴的旋转,这类似于图18中所示的动态运作。
图37至42例示整合有马达和透镜的光学对准机构,其中图37是图26中马达的立
10体图,该马达具有中空轴,且所述轴内侧安装有透镜;图38是该马达的端视图;图39 是沿图38中线A-A (134)截取的剖视图;图40是图30中马达的立体图,该马达具有中 空轴,且所述轴内侧安装有透镜;图41是该马达的端视图,且图42是沿图41中线A-A (136)截取的剖视图43至45例示照相机自动聚焦和自动变焦总成,其整合有两个图40中所示的光学 对准机构以及一个焦面成像装置,其中图43是该照相机总成的立体图;图44是该总 成的端视图;且图45是沿图44中线A-A (138)截取的剖视图46至48例示图43中所示的照相机总成,其中光学透镜安装在带有防旋转销钉的 轴承上,以使该透镜平移但不旋转,其中图46是该照相机总成的立体图,图47是该 总成的端视图,且图48是沿图47中A-A (140)截取的剖视图49至52例示包含四个矩形压电板的马达(类似于图1至5),这四个矩形压电板 固定附装至其整个内部长度包含啮合螺纹的中心部件,其中图49是该马达的立体图, 图50是该马达的分解视图,图51是该马达的端视图,图52是沿图51中的线A-A (246) 截取马达的剖视图53至59B显示图49中马达的应用,该马达封装并整合在光学总成中,提供如在 数字照相机和移动电话中使用的自动聚焦,其中图53是封装在自动聚焦透镜总成内 的马达总成的立体图,图54是马达总成封装的局部剖视图,图55是马达总成封装的分 解视图,图56是绘示马达总成及附带透镜机构完全縮回的局部剖视图,图57是例示马 达总成如何沿向前方向平移因而相应地移动透镜机构的局部剖视图,图58是表明马达 总成如何能够完全地平移并操纵透镜机构的局部剖视图,图59A是显示整合在移动电 话中的图53的马达总成的立体图,图59B是马达总成封装(图59A上的247)放大比例 的局部剖视图60至66展示图26中马达的应用,该马达封装并整合在分配注射器中,提供如在 医疗流体泵中使用的用于受控流体分配的构件,其中图60是封装在注射器流体分配 系统中的马达总成的立体图,图61是该马达总成封装的局部剖视图,图62是该马达总 成封装的分解视图,图63是详细描绘马达总成与注射器推杆一同完全縮回从而让流体 体积保持在注射器本体内部的立体图,图64是马达总成与其附带推杆一同完全平移从 而从注射器本体推出全部流体体积的立体图,图65是封装在医疗流体泵中的马达总成 的立体图,图66是图65的局部剖视图,其显示位于医疗流体泵外壳内的马达总成;且图67A至71D例示可在本文包含的全部马达上使用的切线运动限制特征件,图67A 显示其中所整合的切线运动限制特征件处在非啮合状态的典型马达总成的立体图,图 67B是切线运动限制特征件(图67A上的259)的放大比例视图,图68A显示其中所整合 的切线运动限制特征件处在啮合状态的典型马达总成的立体图,图68B是切线运动限 制特征件(图68A上的266)的放大比例视图,图69A是切线运动限制特征件中的静止 方面的立体图,图69B是详细描绘切线运动限制特征件的静止特性的侧视图,图70A 是切线运动限制特征件中的转动方面的立体图,图70B是详细描绘切线运动限制特征 件的转动能力的侧视图,图71A至71D绘示切线运动限制特征件在马达旋转和平移时的 各操作阶段。
图72、 73和74A至74C例示含有四个矩形压电板的马达,这四个矩形压电板固定附 装至一个中心部件,该中心部件附装至一个印刷电路板作为电子控制及物理安装的构 件且,其内部长度包含啮合螺纹,其中图72是该马达的立体图,图73是该马达的分 解视图,图74A是该马达的端视图,图74B是沿图74A中线F-F (333)截取马达的剖视 图,其例示带有啮合螺纹的整个长度;图74C是沿图74A中线F-F (333)截取马达的剖 视图,其例示带有啮合螺纹的部分长度;
图75、 76、 76A、 77、 78A至78C、 79A至79C及80A至80B显示图72中马达的应用, 该马达封装并整合至照相机总成中,提供类似于数字照相机和移动电话中所使用的自 动聚焦及光学变焦功能,其中图75是整合有自动聚焦和光学变焦透镜总成的照相机 总成的立体图,图76是该照相机总成封装的局部剖视图,图76a是图76中照相机总成 封装的局部分解立体图,图77是该照相机总成封装的分解视图,图78A其中光学变焦 透镜完全缩回的照相机总成的局部剖视图,图78B是其中光学变焦透镜部分伸出的照 相机总成的局部剖视图,图78C是其中光学变焦透镜完全伸出的照相机总成的局部剖 视图,图79A是其中自动聚焦透镜总成完全縮回的照相机总成的局部剖视图,图79B 是其中自动聚焦透镜部分伸出的局部剖视图,图79C是其中所附带的自动聚焦透镜完 全伸出的照相机总成的局部剖视图,图80A是显示图75的照相机总成整合在移动电话 中的典型应用和封装的立体图,图80B是照相机总成(图80A上的330)放大比例的局 部剖视图81至90例示马达10、 30、 50、 142、 154、 230和300的电子驱动电路的数个实施 例。对于驱动信号的要求例示在图19中,其中显示连接至马达(例如)18、 20、 22 和24的压电元件的两个相位86、 88;图81至90例示使用方波(脉宽调制-P丽)输入信号的串联谐振电路的理论及实施; 图81显示单相串联谐振电路;
图82显示在一个实施例中用作串联谐振电路输入的方波(PWM)信号; 图83显示固定频率下的P丽信号工作循环与峰到峰输出电压(Vout)之间的关系; 图84例示半桥电路与串联谐振电路组合在一起的一个实施例;
图85例示组合两个半桥电路及一个串联谐振电路的全桥电路的一个实施例; 图86例示产生两个驱动信号86、 88的完整谐振马达驱动电路的一个实施例; 图87例示产生相移及方向控制的P丽处理电路531的一个实施例; 图88例示不同速度和方向下PWM信号的实例;
图89A例示处于猝发模式的PB1信号的额外实例,其用于通过迅速地接通和关断马 达来控制马达的速度;
图89B例示P丽信号的额外实例,其用于使用工作循环改变电压幅值来控制马达速 度;以及
图90例示将马达、位置传感器、马达驱动电路及PID控制环路组合在一起的闭路 控制系统的一个实施例。
具体实施例方式
在本说明书的第一部分中,申请人将阐述小型的超声波线性马达。在本说明书的 第二部分中,申请人将阐述一种包含连接至该马达的光学装置的光学总成。
在本发明的一个实施例中,小型超声波线性马达使导螺杆旋转来产生线性运动。 缸体支撑螺母,并具有超声波范围内的第一弯曲模态谐振频率。变换器在该谐振频率 下激发缸体及螺母,从而致使螺母在缸体端部处沿环轨运动。这些变换器可为压电式、 电致伸縮式、静电式、电磁式或任一能激励谐振震动的装置。至少需要两个变换器才 能以正或负90度的相移同时地激发缸体的正交的弯曲模态并形成圆形环轨。紧配合 的螺纹转轴安装在螺母的内侧。弹性轴向负载通过低摩擦联轴节施加至该转轴。螺母 在其谐振频率下沿环轨运动,且转轴的惯性使其始终都是运动的中心。螺母的环轨产 生使转轴旋转并形成线性运动的力矩。这些变换器至少需要两个交流驱动信号。驱动频率必须激发机械频率并控制相位才可实现圆形的螺母环轨。对驱动信号振幅及持续 时间的调制可控制速度。各驱动信号之间的相移可为正或可为负,这使螺母环轨及轴 旋转/平移的方向反转。将在本说明书的其余部分中更加详细地阐述该实施例及其他 较佳实施例。
不希望受限于任一种特定理论,申请人相信这些超声波线性致动器中的一个的操 作原理就是激发圆柱形管的第一弯曲谐振,这致使该管的一端或两端绕圆柱轴线做环 轨运动而不是旋转。在该实施例中,该管的一端装纳一个螺母,该螺母也绕咬合的螺 纹转轴做环轨运动,且当其做环轨运动时通过摩擦力施加切线力因而使螺纹转轴旋 转。这些螺纹中的摩擦是有用的,因为其可直接驱动螺杆。这与常规的导螺杆驱动形 成强烈对比,其中螺纹接触摩擦是寄生的且会造成缠绕、反冲和反应迟钝。该实施例 中所用螺旋螺纹的另一个显著优点是可直接将旋转转换成平移(这在机械上是很大的 优点),从而放大了轴向力并降低了线速度,且因而增大了精确度。
在该实施例中,较佳地使用负载路径内部或外部的变换器来激发第一弯曲模态。 仅举几个例子来说,可使用的变换器实例是(例如)压电的元件和堆叠、磁致伸縮材 料及静电材料。以上列举并不包括所有的变换器材料,但应理解本专利包含能够用来 激发圆柱管或形状类似的块体的第一弯曲谐振并能够实现一个或两个管端部的环绕 的任何此类材料或机构。本文所述的实施例是使用压电材料,但使用上述的替代变换 器材料也可同样容易地实施。
参照图1至6,图1至6所示的较佳实施例绘示了超声波线性马达10。在该所示 的实施例中,使用四个矩形压电板来产生超声波震动。在图1中未显示的另一实施例 中,可使用其他构件来产生超声波震动。
本说明书中所使用的术语"超声波"是指超过20,000赫兹的操作频率。在一个 实施例中,该操作频率至少约为25,000赫兹。在另一实施例中,该操作频率至少约 为50,000赫兹。在另一实施例中,该操作频率至少约为IOO,OOO赫兹。
本说明书中使用的术语"线性马达"是指通过产生力及/或移位来产生大致直线 的运动的致动器。例如,可参考美国专利5,982,075 (超声波线性马达)、5,134,334 (超声波线性马达)、5,036,245 (超声波线性马达)、4,857,791 (线性马达)等。 这些美国专利每一者的整个揭示内容都以引用方式并入本文说明书中。
再次参照图1至6,且在图l至6所示的较佳实施例中,可看出带有球形球端26的螺纹转轴12旋转并产生轴向力和运动。
较佳地,螺纹转轴12可移动地设置在外壳14内。螺纹转轴12的长度15 (见图 5)较佳地超出外壳14的长度13至少约10毫米。在一个实施例中,长度15超出长 度13至少25毫米。在另一实施例中,长度15超出长度13至少50毫米。'
在一个实施例中,螺纹转轴12的第一固有频率约为外壳14的第一固有频率的不 到0. 2倍。在另一实施例中,螺纹转轴12的第一固有频率约为外壳14的第一固有频 率不到O. l倍。
本文使用的术语"第一固有频率"是指第一标准震动模态的频率;例如,可参见 McGraw—Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms, Fourth Edition (McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1989中的第1253页。还可参 考Eugene A. Avallone等人的"Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers" (McGraw-Hi 11 Book Company, New York, New York, 1978)"中的第5-59 至5-70页("Natural Frequencies of Simple Systems)。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;这些 美国专利每一者的全部揭示内容都以引用方式并入本说明书中。
在这些图式所示的实施例中,如图18中最佳所示,两个标准震动模态的存在形 成了螺母16的环轨运动,这两个标准震动模态在平行于轴向中心线(见图2)的平 面内彼此正交地动作。这两个正交标准震动模态是由所启动的变换器(诸如(例如) 板18、 20、 22和24)与外壳14的交互作用来提供的;且这种交互作用可导致螺母 16的环轨运动,这又导致了螺纹转轴12的旋转和平移。
在一个实施例中,螺母16的第一固有谐振频率较佳地至少为马达总成10的操作 频率的5倍。因此,较佳地螺母16为实质的刚体。
在一个实施例中,螺纹转轴12由实质上为不锈钢的金属所制造。在该实施例中, 螺纹转轴12与由实质上为黄铜的金属所制造的螺母16啮合。
显然,将各种材料的组合用于螺纹转轴12和螺母16,以便较佳地将磨损和磨蚀 (galling)降到最低。可在本发明中使用其他同样能将这种磨损和磨蚀降到最低的 材料组合。
再次参照图l,可看出,螺纹转轴12多个螺纹17构成,这些螺纹较佳地采用螺 旋凹槽的形式。在一个实施例中,螺纹17的螺距小于每英寸约250个螺纹,且较佳地小于每英寸约200个螺纹。在另一实施例中,螺纹17的螺距小于每英寸约100个 螺纹。在该实施例的一个方面中,螺纹17的螺距为每英寸约40个螺纹至约80个螺 纹。
最佳如图18中所示(也可参见图36),螺纹17较佳地与螺母]6的内部螺纹19 啮合。在一个较佳实施例中,内部螺纹19的螺距实质上等于外部螺纹17的螺距。
为简明地进行图解说明起见,尽管图中显示螺纹17和19完全啮合(图5A、 5B、 18和36除外),但较佳地螺纹17与19之间存在一个大小为螺纹17及/或螺纹19 的螺纹深度33/35的不到约0. 5倍的直径间隙。图5A中最佳地图解说明了该直径间 隙。确定该直径间隙的方式已为大家熟知。例如,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;这些美国专利每--者的整个揭示内容都以引用方式并入本说明书中。例如,还可参考上述"Marks Standard Handbook for Mechanical Engineers.,,中的第8-9页以及后面几页 ("Machine Elements")。
参照图5A,其例示螺纹17与19之间的一个较佳啮合模式。如该图中所见,每 一螺纹17都具有末端29,且每一螺纹19都具有末端31。另外,螺纹17和19中的 每一个都分别具有螺纹深度33和35。
再次参照图l,且在图l所示的较佳实施例中,可看出螺纹转轴12的旋转是由 连接至震动外壳14的螺母16的超声波环轨产生的。在该所示实施例中,螺母16较 佳地连接至外壳14。这最佳地绘示于图2中。
参照图2,且在图2所示较佳实施例中,可看出螺母16设置在孔口 11内。螺母 16通过常规方式,例如压配合及/或粘结方式等固定在孔口 11内。
在图1和2所示的较佳实施例中,螺母16是圆柱形螺母。在未显示的另一实施 例中,螺母16是多边形螺母,其可具有正方形形状、六边形形状、八边形形状等。
再次参照图1和2,且在图1和2所示的较佳实施例中,可看出多个陶瓷板18 以及下列等等附装至外壳14的外表面37。
较佳使陶瓷板18以及下列等等在经受电压及尤其经受电压变化时会立即改变其 各自的长度。如本文中使用且如本说明书中其他地方所述,可将这些陶瓷板描述为 "主动陶瓷板"。在一个实施例中,主动陶瓷板18以及下列等等是选自由压电板、 电致伸縮板、及其混合物组成的群组。为使说明简明起见,将参照压电板来阐述至少图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接合至外壳的外表面37, 且在每一压电板(见图4)被其上的电极21和23上的交变电驱动信号所激发时会产 生螺母16的环轨震动。
在一个实施例中,只使用两个这种压电板一板18和20。在另一实施例中,使用 八个或更多个压电板。无论使用多少个这种压电板,这些板的数量必须足以用来在正 交平面39和41 (见图2)中激发运动。
为使表示形式简明起见,下文将讨论四个压电板18、 20、 22和24。这些板较佳 地接合至外壳14的对应外表面37,以使这些板完全与这些外表面37邻接。
如图4中最佳所示,压电板18以及下列等等通过电极21和23连接至电压源。 为明显,且为表示简单起见,只有压电板20参照显示了电极21和23的连接,但应 理解其他的压电板也形成类似的连接。
参照图4,且在图4所示的较佳实施例中,可看出全部四个内侧电极23都连接 至接地端25。在该实施例中,压电材料是低介电损耗且高去极化电压的普遍的可行 "硬质"组合物。因此,可使用(例如)Morgan Matroc company of Bedsford, Ohio 公司以"PZT-4"出售的压电材料。该较佳材料通常具有数种重要的性质。
因此,该较佳材料较佳地在约20, 000赫兹以上频率下的介电损耗因子小于约1%, 且较佳地小于约O. 5%。在一个实施例中,约20,000赫兹以上频率下的介电损耗因子 约为O. 4%。
因此,该较佳材料的d33压电电荷系数(piezoelectric charge coefficient)至 少约为250微微库伦/牛顿,且较佳地至少约为270微微库伦/牛顿。在一个实施例中, 该较佳材料的d33压电电荷系数约为285微微库伦/牛顿。
因此,该较佳材料的(131压电电荷系数至少约为一90微微库伦/牛顿,且更为较佳 地,至少约为-105微微库伦/牛顿。在一个实施例中,(131压电电荷系数至少约为-115 微微库伦/牛顿。
在一个实施例中,该较佳材料是具有d33压电电荷系数至少约为2500微微库伦/ 牛顿且d3,压电电荷系数至少约为900微微库伦/牛顿的单晶体材料。
为讨论某些适合的材料且以举例而非限定的方式说明,可参考美国专利 3, 736, 532和3, 582, 540。这些美国专利每一者的整个揭示内容都以引用方式并入本说明书中。
进一步举例而言,且如所属技术领域的技术人员熟知,低介电损耗的压电材料为 所属技术领域的技术人员熟知。例如,可参考美国专利5,792,379 (低损耗PZT陶瓷 组合物);该美国专利的整个揭示内容都以引用方式并入本说明书中。
在一个实施例中,该压电材料是单晶体压电材料。这些材料在此项技术中为人们 所熟知。例如,可参考美国专利5, 446, 330、 5,739,624、 5, 814, 917、 5,763,983 (单 晶体压电变形器)、5,739,626、 5, 127, 982等。这些美国专利每一者的整个揭示内 容都以引用方式并入本说明书中。
再次参照图4,且在图4所示的较佳实施例中,压电板18、 20、 22和24的轴向 长度随施加的电压(Vx/86和Vy/88)及c^压电电荷系数成比例地变化。
显然,压电板18、 22及20、 24分别成对地一同工作以使外壳14 (例如,参见 图1和2)弯曲并激发环轨谐振。较佳地,交变电驱动信号86和88以极化方向43 施加至板20、 24及18、 22。如所属技术领域的技术人员熟知,极化方向43是制造 期间压电材料中的偶极子所对准的方向。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 (用于极化压电致动器的设备)、5,045,747 (用 于极化压电陶瓷的设备)等。这些美国专利每一者的揭示内容都以引用方式并入本文 说明书中。
对于每对板18、 22及20、 24来说,电场相对于一个板上的极化方向43为正, 而相对于对置板上的极化方向43为负。较佳地,驱动信号Vx 86施加至板20、 24并 同时在一个板上产生扩张而在对置板上产生收縮,且因此使外壳14在平面39中(参 见图2)及沿X方向72a/72b (参见图18)发生弯曲。以类似的方式,驱动信号Vy 88 施加至板18、 22且使外壳14在平面41中(参见图2)及沿Y方向74a/74b (参见图 18)发生弯曲。
与螺母16对置的外壳端45较佳地支撑一个导向衬套28,衬套内径与螺纹转轴 12的外径(参见图2)之间存在小的间隙。螺纹转轴12支撑一个藉由球形球端26并 经由会产生低摩擦的硬质平坦表面来施加的弹性轴向力27 (参见图5和6)。
在马达10的操作期间,较佳地通过球26所传递的轴向力27较佳地从约0. 1至 约100牛顿。显然,轴向力27的量值较佳地与输出的驱动力相差不大。
球形球26 (参见图2)是一种以低摩擦力矩将螺纹转轴12耦合至其负载27 (参见图5)的方式。所属技术领域的技术人员将明了,可使用其他的方式将旋转螺纹转 轴所产生的运动耦合至移动负载。因此,例如,可使用滚动元件轴承,可使用与螺纹 转轴12上的平坦表面邻接的弧形负载等。例如,可参考美国专利5,769,554 (机动 耦合方法)、6,325,351 (用于精确仪器的高阻尼机动耦合)等;这些美国专利每一 者的整个揭示内容都以引用方式并入本说明书中。
参照图1和2,外壳14中与螺母16对置的端部45装有若干凸缘,这些凸缘是 静止罩盖58 (图21)的连接点。轴12和螺母16上的螺纹螺距将环轨切线力和运动 转换成轴向力和运动。可对螺距进行选择以便使力的放大、速度的降低、解析度的增 高及断电的固持力达到最优。
参照图7至12,且在图7至12所示的较佳实施例中,超声波线性马达30较佳 地使用四个压电堆叠36、 40和42 (也可参见图7和8)来产生超声波震动。带有球 形球端26的螺纹转轴12旋转并产生轴向力和运动。该旋转是由连接至震动缸体32 的螺母16的超声波环轨产生的。四个压电堆叠36、 38、 40和42接合至缸体的与螺 母对置的端部,且接合至底环34。四个堆叠36以及下列等等是使用众所周知的组装 及电互连方法44构造而成的,其中内侧堆叠引线较佳地一同连接至共用接地端35。 堆叠36以及下列等等的轴向长度随施加的电压及d33压电电荷系数成比例地变化。该 压电材料是普遍可用的低介电损耗且高去极化电压的"硬质"组合物。交变电驱动信 号86和88连接至每一压电堆叠44的外部引线并激发螺母的环轨震动。压电堆叠36 和40及38和42分别成对地一同工作以使该管旋转并激发环轨谐振。交变电驱动信 号Vx 86和Vy 88分别施加至具有极化方向43的堆叠38、 42及36、 40。对于每对堆 叠38、 42及36、 40来说,电场相对于一个堆叠上的极化方向43为正,而相对于对 置堆叠上的极化方向为负。驱动信号Vx 86施加至堆叠38、 42并同时在一个堆叠上 产生扩张而在对置堆叠上产生收縮,且因此其使该管沿X方向72a/72b (参见图18) 旋转。以类似的方式,驱动信号Vy 88施加至堆叠36、 40且使该管的端部沿Y方向 74a/74b (参见图18)移动。与螺母16对置的底环34支撑一个导向衬套28,衬套内 径与螺纹转轴外径之间存在小的间隙。螺纹转轴12支撑一个经由使用产生低摩擦的 硬质平坦表面的球形球端26来施加的顺应轴向力27。底环34是静止罩盖58 (图21) 的连接点。转轴12和螺母16上的螺纹螺距将环轨切线力和运动转换成轴向力和运动。 可对螺距进行选择以便使力的放大、速度的降低、解析度的增高及断电的固持力达到 最优。参照图13至17,超声波线性马达50使用一个具有四分电极的压电管54来产生 超声波震动。带有球形球端26的螺纹转轴12旋转并产生轴向力和运动。该旋转是由 连接至震动压电管54的螺母16的超声波环轨产生的。该管的内径是一个为接地端 63的连续电极61,且该管的外径被划分成四个单独的电极60、 62、 64和66。该压
电材料是普遍可用的低介电损耗且高去极化电压的"硬质"组合物。该压电管的位于 每一电极60、 62、 64和66下方的部分的轴向长度随施加的电压及(131压电电荷系数成 比例地变化。电极区段60、 64及62、 66分别成对地一同工作以使管54弯曲并激发 环轨谐振。交变电驱动信号86和88分别施加至具有极化方向43的板60、 64及62、 66。对于每对电极60、 64及62、 66来说,电场相对于一个电极上的极化方向为正, 而相对于对置电极上的极化方向为负。驱动信号Vx 86施加至电极60、 64并同时在 一个电极下方产生扩张而在对置电极下方产生收缩,且因此其使该管沿X方向72a/72b
(参见图18)弯曲。以类似的方式,驱动信号Vy 88施加至板62、 66且使该管沿Y 方向74a/74b (参见图18)弯曲。
与螺母16对置的管端部接合至底部凸缘52并固持导向衬套28,衬套内径与螺 纹转轴外径之间存在小的间隙。螺纹转轴12支撑一个经由使用产生低摩擦的硬质平 坦表面的球形球端26来施加的顺应轴向力27。底部凸缘是静止罩盖58 (图21)的 连接点。轴12和螺母16上的螺纹螺距将环轨切线力和运动转换成轴向力和运动。可 对螺距进行选择以便使力的放大、速度的降低、解析度的增高及断电的固持力达到最 优。
参照图18和19,其中显示马达IO (见图1)的操作及为实现该操作所使用的对 应驱动信号86和88 (亦参见图36)。这些压电板对一同地工作,其中一个压电板扩 张70,而同时另一个压电板收縮68,从而使外壳弯曲。较佳地,交变驱动信号Vx86 和Vy88为正弦波,具有相等振幅90/91并带有90度的相移92,从而产生圆形环轨。 正的相移92产生正的螺母16的环轨方向以及正的转轴12的旋转96/平移98,而负 的相移92产生负的环轨方向以及负的转轴旋转/平移。图中以90度的递增76、 78、 80、 82和84依序地显示马达在一个旋转方向下的单个环轨循环以及对应的驱动信号 振幅90和91。图中显示沿X 72a/72b和Y 74a/74b方向的圆柱形弯曲及环轨运动。 螺母在一个位置73a处接触螺纹转轴的一侧,而对置侧上存在间隙73b(参见图5B), 由此该接触产生的切线力和运动,使每一环轨循环中转轴12小量旋转96及平移98。 每一循环的旋转和平移量取决于很多因素,其中包括环轨振幅、作用于轴上的力27的量值及螺纹的摩擦系数和表面加工。如果螺母与转轴的接触73a之间实现零滑动状 态,则在名义上,每循环的运动与各螺纹间的直径间隙成比例。通常,随着驱动振幅 90和91增大,环轨直径增大,转轴12与螺母16之间的标准接触力增大,则滑动量 减少,速度增大,且力矩/力增大。
超声波频率是周期的倒数(参见图19的周期94a和94b);且该超声波频率较 佳地对于两个信号都相同,并匹配外壳14的第一弯曲谐振频率。
参照图20至25,马达总成100整合有马达10以及罩盖58和滚花旋钮102。螺 纹转轴112设置在马达10内。如图21中最佳所示,螺纹转轴112类似于螺纹转轴 12 (参见图l),但不同的是其整体附装有平滑的心轴113。心轴113适于附装至滚 花旋钮102。罩盖58在凸缘45处附装至马达10。滚花旋钮102与转轴112 —同旋转 及平移而不会接触罩盖58。
图21是马达总成100的分解视图。图22是马达总成100的剖视图。
图23A、 23B和23C例示马达总成100。图23A是反向于图20的马达总成100的 立体图。图23B是例示马达总成IOO操作的立体图,其中旋钮102和转轴112—同顺 时针103旋转并沿箭头105的方向平移。作为比较,图23C例示马达总成100的操作, 其中旋钮102和转轴112 —同逆时针107旋转并沿箭头109的方向平移。
显然,为使表示形式简明起见,图式中略去了电连接至马达总成各个组件的实体 构件。
还显然,滚花旋钮102的存在可使得能够通过手动方式来移动马达总成100,替 代或附加至以通过电来移动马达总成100的方式。因此,例如,可将总成100替代微 米驱动装置,从而为使用者提供常规手动调节方式以及额外的电自动调节方式。
在一个未显示的实施例中,滚花旋钮102机械连接至外部马达以实现该总成的第 二种机械运动方式。
图24A和24B例示可调节式线性平台106,其包含在操作上连接至线性平移平台 104a/104b的马达总成100。在该实施例中,马达总成100的罩盖58附装至底部平台 部分104b,且球26与顶部平台部分104a接触。显然,当滚花旋钮102沿方向103 顺时针移动时,会产生沿箭头105方向的线性运动。相反地,当滚花旋钮102沿方向 107逆时针移动时,会产生沿箭头109方向的线性运动。
在一个实施例中,如图24A和24B中所示意性地例示,包含销钉115和116 (以点线轮廓显示)的弹簧总成111使平移平台104a/104b沿箭头109方向偏置。在该所 示实施例中,销钉115附装至该总成顶部的可移动式零件104a,且销钉116附装至 该总成的静止底部零件104b。显然,弹簧总成111可使用来产生轴向力27 (参见图 5和6)。
图25是能够使其平台106a、 106b和106c沿X、 Y和Z轴线移动的微操纵器120 的立体图。
虽然已经以本发明较佳的形式在某种具体程度上阐述了本发明,但应理解可在构 造的细节方面改变该较佳形式的揭示内容,且可采用各零件的不同组合和布置,此并 不违背本发明的主旨和范围。
在本说明书的先前部分中,己经阐述了一种用于驱动螺纹转轴总成的设备,该螺 纹转轴总成包含具有旋转轴线的螺纹转轴以及与之啮合的螺母,其中所述总成包括使 所述螺母经受超声波震动且由此致使所述转轴沿轴向方向同时旋转和平移的构件。显 然,还可制造出包含致使所述螺纹转轴总成震动由此致使所述螺母同时旋转和平移的 构件的类似装置。
图26至29是本发明另一较佳马达142的示意图。参照图26至29,超声波线性 马达142使用带有四分电极的压电管144来产生超声波震动。马达142和管144类似 于马达50和管54。(参照图13至17。)带有球形球端26的螺纹转轴12旋转并产 生轴向力和运动。该旋转是由连接至震动压电管144的螺母152的超声波环轨产生的。 该管的内径为接至接地端63的连续电极61。管54与管144之间的差别在于电极 61包裹该管的端部并在端部的外径上形成电极环146。该管的外径被划分成四个单独 的电极60、 62、 64和66。该压电材料是普遍可用的低介电损耗且高去极化电压的"硬 质"组合物。该压电管的位于每一电极60、 62、 64和66下方的部分的轴向长度随施 加的电压及d3i压电电荷系数成比例地变化。电极区段60、 64及62、 66分别成对地一 同工作以使管H4弯曲并激发环轨谐振。如先前关于马达50所述,交变电驱动信号 86和88分别施加至具有极化方向43的电极60、 64及62、 66。对于每对电极60、 64及62、 66来说,电场相对于一个电极上的极化方向为正,而相对于对置电极上的 极化方向为负。驱动信号Vx 86施加至电极60、 64并同时在一个电极下方产生扩张 而在对置电极下方产生收縮,且因此其使该管沿X方向72a/72b (参见图18)发生弯 曲。以类似的方式,驱动信号Vy88施加至电极62、 66且使该管沿Y方向74a/74b (参 见图18)弯曲。再次参照图26,与螺母152对置的管端部接合至导向衬套150,其中衬套内径与 螺纹转轴外径之间存在小的间隙。安装凸缘148在节点处接合至管144的外径。该节 点是当该管谐振时该管上运动最小的轴向位置。转轴12和螺母152上的螺纹螺距将 环轨切线力和运动转换成轴向力和运动。可对螺距进行选择以便使力的放大、速度的 降低、解析度的增高及断电的固持力达到最优。
图30至36绘示本发明马达154的另一较佳实施例。参照图30至36,且在图30 至36所示的较佳实施例中,超声波线性马达154较佳地使用在一个平面内以90度隔 开、沿径向定向的四个压电堆叠162、 164、 166和168来产生超声波震动。带有球形 球端26的螺纹转轴12旋转并产生轴向力和运动。该旋转是由螺母156的超声波环轨 产生的,螺母156经由弹性元件160连接至四个压电堆叠162、 164、 166和168。在 弹性元件160处,所述堆叠接合至底部凸缘158。这四个堆叠162以及下列等等是采 用沿用已久的组装和电互连方法170用压电板172构造而成,其中引线较佳地一同连 接至共用接地端174。堆叠162以及下列等等的长度随施加的电压69、 70及d33压电 电荷系数成比例地变化。该压电材料是普遍可用的低介电损耗且高去极化电压的"硬 质"组合物。交变电驱动信号86和88连接至每一压电堆叠的引线并激发螺母的环轨 震动。压电堆叠162以及下列等等分别成对地一同工作以使螺母156以环轨谐振76、 78、 80、 82、 84的形式移动。交变电驱动信号Vx 86和Vy 88分别施加至具有极化方 向176的堆叠162、 166及164、 168。对于每对堆叠162、 166及164、 168来说,电 场相对于一个堆叠上的极化方向176为正,而相对于对置堆叠上的极化方向为负。驱 动信号Vx 86施加至堆叠162、 166并同时在一个堆叠上产生扩张而在对置堆叠上产 生收縮,且因此其使螺母156沿X方向72a/72b (参见图18)平移。以类似的方式, 驱动信号Vy 88施加至堆叠164、 168并使螺母156沿Y方向74a/74b (参见图18)平 移。尽管未显示,但所属技术领域的技术人员应理解还可使用压电堆叠162以及下列 等等以外的致动器配置来产生螺母156的相同环轨谐振。这些致动器包括随施加的电 压及c^压电电荷系数成比例地改变长度的压电板、电磁螺线管或音圈、静电吸引或其 他能够产生超声波频率运动的变换器。转轴12和螺母156上螺纹螺距将环轨切线力 和运动转换成轴向力和运动。可对螺距进行选择以便使力的放大、速度的降低、解析 度的增高及断电的固持力达到最优。
图37至39例示包含本发明其中一个马达142的光学总成180。从这些图式中可 明显看出,在该所示实施例中,透镜184关于其中心线204旋转对称,中心线204与螺纹中空轴182的旋转轴线204重合。
参照图37至39,且在图37至39所示的较佳实施例中,光学对准机构180整合 有带有空心轴182的马达142,其中光学元件184对准并接合在转轴中心线204上。 光学元件184可为很多类型,包括透射型、反射型、凹面型、凸面型或者为包含多个 光学元件的总成。马达142致使中空轴182和光学元件184旋转和平移202,从而为 诸如改变焦距或聚焦等功能实现精确的光学对准。
在图37至39所示的实施例中,使用光学元件184。在该实施例中,光学元件为 透镜。较佳地,光学元件184为可移动式光学元件。可使用所属技术领域的技术人员 所熟知的很多可移动式光学元件。例如,可参考美国专利3,612,664 (光学路径补偿 装置);3,958, 117 (距离确定及自动聚焦设备);4, 184,759 (摄影设备);4,629,308 (用于可变放大复印机的透镜及快门定位机构);5,296,943 (多路径电子照相机总 成);5,894,371 (用于变焦透镜的聚焦机构);5,969,886 (透镜镜筒及光学设备); 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。这些美国专利申请案每一者的揭示内容都以引用方式并入 本文中。
进一步举例而言,可将本发明其中的一个或多个线性马达可用于利用现有技术马 达的现有技术照相机中。因此,以举例说明的方式,可替代下述一个或多个美国专利 中的照相机的现有技术马达美国专利5,091,781 (照相机移动设备);5, 157, 435 (摄像机的自动聚焦设备);5, 357,308 (自动变焦照相机及其驱动方法);5, 434, 621 (用于自动变焦的目标追踪装置);5, 943, 513 (照相机变焦设备)等。这些美国专 利每一者的整个揭示内容都以引用方式并入本说明书中。
图40至42例示另一较佳光学总成186。参照图40至42,且在图40至42所示 的较佳实施例中,光学对准机构186整合有带有空心的转轴182的马达154,其中光 学元件184对准并接合在轴中心线上。光学元件184可为很多类型,其中包括透射型、 反射型、凹面型、凸面型或者为有多个光学元件的总成。马达154致使中空轴182和 光学元件184在中心线204上旋转和平移202,从而为诸如改变焦长或聚焦等功能实 现精确的光学对准。
图43至45例示另一较佳光学总成188。参照图43至45,且在图43至45所示 的较佳实施例中,照相机自动聚焦和自动变焦总成188整合有两个类似于机构186的 光学对准机构194和196以及一个焦平面成像装置192(例如,CCD阵列)和外壳190。机构196最靠近成像装置192且装有一个通过相对于装置192和透镜200平移透镜 198来改变照相机变焦的透射透镜。在该实施例中,变焦透镜198的直径大于成像装 置192和聚焦透镜200,因而机构196的平移不会受到干扰。机构194毗邻于机构196 并与装置192对置,且装有一个通过相对于透镜198和装置192平移透镜200来改变 照相机聚焦的透射透镜。在该实施例中,聚焦透镜200的直径小于变焦透镜198,从 而可消除使机构194平移时的干扰。光学元件198和200的中心线与中心线204重合 并垂直于装置192的成像平面。元件198和200同时平移和旋转202。在该实施例中, 元件198和200围绕中心线204旋转对称。
图46至48再例示另一较佳光学总成206。参照图46至48,且在图46至48所 示的较佳实施例中,针对其中需要非旋转式光学的情况,阐述带有平移208但非旋转 的光学透镜198和200的照相机自动聚焦和自动变焦总成206。所述总成206类似于 带有平移及旋转202的光学透镜198和200,但其装有经由低摩擦转动式轴承212(例 如,球轴承)连接至螺纹马达转轴182的透镜安装轴210。销钉214连接至每一安装 轴210的端部且定向成垂直于中心线204。所述销钉214啮合外壳190内的静止狭槽 216,从而防止销钉214、安装轴210及透镜198和200的旋转,但可让销钉214、安 装轴210及透镜198和200沿平行于中心线204的轴向方向208平移。
如所属技术领域的技术人员将明了,图26至48中所示的光学总成仅仅是举例说 明了申请人的线性马达可能与之一同使用的很多可移动式光学元件。
参照图49至52以及在其中所示的实施例,马达230类似于图l至5和图18所 示的马达IO,且包含安装凸缘231位于其上的马达本体235。较佳地,凸缘231厚度 薄(较佳地0.25毫米-0.50毫米厚),且其位置尽可能地靠近马达230的第一弯曲 谐振的节点(在此处震动振幅降到最小)。马达本体235包含贯穿整个长度的纵向螺 纹孔235a,带有对应螺纹的螺纹转轴232穿过该纵向螺纹孔235a,以使转轴232上 的圆形旋转面233从螺纹孔235a伸出。在该实施例中,本体235的整个长度都带有 螺纹235a。然而,应理解,在其他实施例中,可能只有一部分本体长度带有螺纹, 而让其余的长度与螺杆232形成平滑的间隙配合。矩形压电板18、 20、 22和24经由 粘结工艺固定地附装在马达本体235上。
参照图50,可看出,矩形压电板18、 20、 22和24粘结至马达本体235的平坦 安装表面235b。
在图49至52所示的实施例中,安装凸缘231具有其尺寸不会阻挡矩形压电板18、 20、 22和24的外部径向轮廓231a和凹陷231b,但其可为能够提供各种安装选 择并容纳各种压电板几何形状的任一轮廓,如图54中最佳所示。马达230以与马达 10相同的方式进行电操作和机械操作(参照图1至5、图18和19)。矩形压电板18、 20、 22和24因受到激发所导致的运动与关于马达10所阐述的一样,且马达本体235 随后的弯曲致使螺纹转轴233旋转260a且有效地线性地平移260b。
参照图53至59B,马达230与光学总成236整合在一起。光学总成236可具备 在例如照相机和移动电话等市售数字成像产品中所见的自动聚焦模块的性质。参照图 53,马达230装在外壳237和罩盖238中,并对通过光圈240接收光的透镜总成239 进行操作。外壳237和罩盖238可包含注塑塑料。
图54表示光学总成236中各个组件的局部剖视图。光进入光圈240,继而穿过 透镜239,并成像到传感器241上。这些传感器241可包括使用CCD或CMOS技术的 数字成像传感器。马达230经由安装凸缘231固定地附装至外壳237。安装凸缘231 可通过外壳237中的模制特征件来定位,且可经由常规的工业工艺(例如,热冲压) 来固定。螺纹转轴232能够旋转260a,并随后平移260b穿过间隙孔237a。螺杆232 的圆形末端233 (图中看不见)安置在上部透镜固定装置上242,从而提供了一种可 相对于传感器241改变透镜239的位置的方式。透镜239固定地附装在上部透镜固定 装置242的一个面上并固定地附装在下部透镜固定装置243的对置面上,从而形成一 个将透镜239的运动导向为弧线-直线运动260c的四联杆机构,该弧线-直线运动260c 在小振幅时实质上为直线运动。上部透镜固定装置242和下部透镜固定装置243包含 弹性材料,例如,经由诸如光化学蚀刻或放电线加工等商业制程制造的弹簧钢。这些 部件经过预弯曲,因而预加载力260d始终施加在转轴末端233上。上部透镜固定装 置242与下部透镜固定装置243由间隔物244分开,且与固定透镜239的操作相结合, 使螺纹转轴232的平移将产生如图56、 57和58最佳显示的运动260c。
参照图55,光学总成236以所有组件都可从一个方向依序安装起来的方式组装。 传感器241安装在外壳237的传感器插座237b中。马达230固定地附装至外壳237 中的马达支柱237d。上部透镜固定装置242及下部透镜固定装置243与间隔物244 一同经由粘结剂或机械方式(例如,压配合)附装至透镜239。间隔物244环绕地配 合在外壳237中的间隔物转轴237c上。可经由上部透镜固定装置242上的定位平面 245及间隔物转轴237c上的对应特征件来保持透镜239的定向。罩盖238安装至外 壳237中的罩盖突出边缘237e上。参照图56至58,其中详细描述该实施例的操作。图56是局部剖视图,其例示 螺纹转轴232完全縮回到间隙孔237a内侧且预弯曲固定装置242和243对圆形旋转 面233 (未显示)施加预加载力260d。透镜239作运动260c并移动到最靠近传感器 241的位置。图57是局部剖视图,其例示螺纹转轴232已发生一定的旋转运动260a 及因而发生平移260b,实际上抬升了固定装置242和243并产生使透镜239移动到 进一步远离传感器241的位置。图58是局部剖视图,其例示螺纹转轴232已发生另 外的旋转运动260a并因而发生平移260b,从而产生运动260c并使透镜239移动到 距传感器的最大距离。
参照图59A和59B,显然,光学总成236将配装到移动电话248中。为表示简单 起见,图中已省略了电连接至光学总成236和移动电话248中各个组件的实体构件。
参照图60至66,马达142与注射器总成249整合在一起。注射器总成249可为 商业医疗用途的其中一个,且其可用于诸如可佩戴式流体泵等类似产品中。图60绘 示注射器总成249及包含在其中的马达142的立体图,最佳的显示是在图61中。马 达142装纳在注射器推杆251中,注射器推杆251与注射器本体250相啮合。螺纹转 轴12被环绕地装纳在旋转式轴承254内,并固定地容纳在底座252中。图61是所述 实施例的局部剖视图,其中马达142与注射器推杆251啮合,以使操作中的马达142 可致使螺纹转轴12在低摩擦轴承254内旋转260a。轴承254可让轴旋转但阻止转轴 12平移260b,从而导致马达外壳142的平移260b。外壳142附装至注射器推杆251, 因此,马达142与外壳251—同平移260b但不旋转。
霍耳效应旋转式位置传感器256整合在外壳252中来测量转轴12的旋转。该实 施例中显示了来自Austria Microsystems Model AS5040 Magnetic Rotary Encoder 的商业传感器。应理解,也可装入使用其他感测方法(其中包括电容法、电感法、光 学法及干涉测量法)的其它类型的位置传感器。永久磁铁255接合至转轴12的端部, 其中南极和北极位于对置的半圆上。当转轴12旋转时,传感器256会测量变化的磁 场并将旋转量转换成数字电子信号,由编码器电路板253传输出。
参照图62,其中例示分解视图。编码器电路板253及其安装的编码器256组装 在基座252内,旋转式轴承254与底座252安装在一起。磁铁255与螺纹转轴12永 久地安装在一起,并距传感器256有固定的间隙。注射器推杆251与注射器本体250 环绕地保持在一起。
参照图63和64,其中详细描述所述实施例的操作。图63例示完全縮回的马达142 (最佳显示于图61中)及注射器推杆251,其使注射器本体250内得以形成大量 流体可占据的空区域257。图64例示完全伸出的马达142 (最佳显示于图61中)及 注射器推杆251,其致使注射器本体250内如图63中的空区域257被占据并随后排 出注射器本体250内的任何流体。
参照图65和66,显然,注射器总成249将可配装到商业医疗产品(例如,流体 泵)中。为表示简单起见,图中省略了电连接至编码器电路板253及马达142中各组 件的实体构件。具体参照图65,注射器推杆装套在流体泵258内,以使防旋转翼片 251a与翼片座258a啮合以防止注射器推杆251在马达142操作期间旋转。
参照图67A至71D,切线运动限制特征件261被阐述为在全部实施例中以机械方 式限制前向及后向行程而不锁定螺纹的较佳方法。图67A是切线运动限制特征件261 的立体图。螺纹转轴12伸出,且端帽264与拇指旋钮265分开。静止翼片262与转 动翼片263不啮合。图67B是切线运动限制特征件261 (图67A上的259)的放大比 例视图。图68A是切线运动限制特征件261的立体图。螺纹转轴12縮回,且端帽264 与拇指旋钮265彼此极靠近。静止翼片262与转动翼片263啮合。图68B是切线运动 限制特征件261 (图67A上的266)的放大比例视图。
参照图69A至70B,其中例示切线运动限制特征件261的组件。图69A是端帽264 及静止翼片262的立体图。图69B是端帽264及静止翼片262的侧视图。图70A是拇 指旋钮265和转动翼片263的立体图。图70B是拇指旋钮265和转动翼片263的侧视 图。
参照图71A至71D,其中详细描述切线运动限制特征件261的操作。图71A是显 示螺纹转轴12伸出的侧视图;端帽264和拇指旋钮265分开。静止翼片262与转动 翼片263不啮合。图71B和71C是侧视图,其中依序地前进,螺纹转轴12开始旋转 260a和平移260b,因而端帽264和拇指旋钮265开始彼此接近。静止翼片262与转 动翼片263不啮合。图71D是侧视图,其中螺纹转轴12已经旋转260a和平移260b, 因而端帽264和拇指旋钮265已经相遇。静止翼片262与转动翼片263啮合且转轴 12的运动停止,而不会形成对这些螺纹的高轴向负载以及防止马达操作的随后锁定。
参照图72至74C以及其中所示的实施例,马达300包含马达本体301,且除了 以下之外与图49中的马达230相同凸缘231被移除且印刷电路板302经由焊料303 附装至矩形压电板18、 20、 22和24以电连接Vx86、 Vy88和接地端25,及以在马达 300的第一弯曲谐振的节点处(此处震动振幅被降到最低)马达本体301机械支撑。较佳地,印刷电路板302厚度薄,较佳地约O. 25毫米至约0. 50毫米厚。
所属技术领域的技术人员熟知各种适合的印刷电路板。例如,可参考美国专利 6,949,836; 6,954,985; 6,927,344; 6,483,713; 5,917,158; 5,398, 163等。这些 专利每一者的内容都以引用方式并入本说明书中。在一个实施例中,该印刷电路板实 质上为刚性的。在另一实施例中,该印刷电路板实质上为挠性的。在另一实施例中, 该印刷电路板为半挠性。在另一实施例中,该印刷电路板为多层式电路板,包含一层 绝缘材料。在一个实施例中,该绝缘材料选自由玻璃环氧树脂、陶瓷、聚四氟乙烯及 其组合的群组。
马达本体301使用地线335电连接至印刷电路板302。线335通过点焊或其他方 式附装至马达本体301。马达本体301是矩形压电板18、 20、 22和24的共用接地端 25。通到马达300的电连接一接地端25、 Vx86和Vy88可穿过印刷电路板302,在其 内提供的各自附装点处形成。纵向螺纹孔304从中央贯穿马达本体301 (差别最佳显 示于图74B和74C中),带有对应螺纹的螺纹转轴232通过纵向螺纹孔304 (显示于 图49至52及图76至79C中)。
参照图73,图72中马达300的分解立体图例示该实施例的总成。矩形压电板18、 20、 22和24以相同于图1和2中具有外部平坦表面37的马达10以及马达本体14 所阐述的方式接合至马达本体301的外部平坦表面301b。
图74a是图72中马达300的俯视图。通过以下连接便可明了由印刷电路板302、 电迹线302b、 302c和302d至焊料点302e、 302f和302g的电连接接地端25经由 迹线302d通到焊料点302e,通到地线335,通到马达本体301; Vx86经由迹线302b 通到焊料点302f,通到矩形压电板20和24; Vy88经由迹线302c通到焊料点302g, 通到板18和22。
参照图74b,其中绘示沿图74a中的线F-F (333)截取马达300的剖视图。马达 本体301经由焊料303固定地附装至印刷电路板302。为此实施例所特有,纵向螺纹 孔301a设置成完全穿过马达本体301。
图74c例示马达300的替代实施例,其中的剖视图是沿图74a中线F-F (333) 截取的。马达本体301经由焊料303固定地附装至印刷电路板302。为该揭示的实施 例所特有,纵向螺纹孔301a设置成部分地穿过马达本体301。位于马达本体301内 部的不与螺纹转轴232接触的部分将由过大尺寸孔301c组成,以便不与螺纹转轴232啮合。为清楚起见,图72至74c中未显示螺纹转轴232,但可参照图49-51。 一同参 照图72至74B中所示的马达300,马达300的操作相同于图1-4中所示的马达10及 图18和19中所示的操作图以及图49至52中所示的马达230。
参照图75—图72中马达300的立体图,其被装入到具备自动聚焦和光学变焦能 力的照相机319内。照相机本体306中包含端盖307和光圈308,如图76中最佳所 示,光圈308相对于自动聚焦透镜总成310和光学变焦透镜总成311的光轴309轴向 地定位。在该所示实施例中,聚焦总成310具有聚焦光圈且变焦总成311具有变焦光 圈。每一光圈都配置成光轴309通过两个光圈。这些聚焦透镜为所属技术领域的技术 人员所熟知。例如,可参考美国专利6,3U,020; 5,654,757; 5,408,332; 4,354,203; 4, 236, 794等。这些光学变焦透镜(其又称为望远透镜)同样为人们所熟知。例如, 可参考美国专利6, 430, 369; 5,774,282; 5,528,429; 5, 461, 442; 4, 871, 240等。上 述专利每一者的内容都以引用方式并入本说明书中。
参照图76,其中显示照相机319的局部剖视图。为表示简单起见,图式中省略 了电连接至各个电子组件的实体构件。如图76a最佳地表明,其中包含自动聚焦透镜 总成310和光学变焦透镜总成311 (其各自都包含透镜本体321和光学器件322), 自动聚焦透镜总成310和光学变焦透镜总成311经由粘结剂或经由进入透镜本体321 的容纳狭槽321a的压配合固定地附装至对置的马达300及其各自的印刷电路板302。 如图76a最佳所示,马达300由单个弹簧312沿箭头334所表明的相反方向预加负载, 弹簧312通过绝缘体313与每一马达300绝缘并同心地安装至每一马达300 (参见 76A),每一绝缘体313以对置的方式安置在印刷电路板302上,此外还对每一印刷 电路板302施加一个力。螺纹转轴232设置在该弹簧内。每一马达300都在其各自同 心安装的螺纹转轴232上平移,从而引起自动聚焦透镜总成310和光学变焦透镜总成 311相对于光轴309的如箭头315所示的线性运动。在该实施例中,螺纹转轴232旋 转但不平移。马达300平移并使光学总成移动。螺纹转轴232独立地旋转。在该所示 的实施例中,聚焦透镜总成310的螺纹转轴232与光学变焦透镜总成311的螺纹转轴 232对准(也就是,成直线)。对于所示实施例,可采用从市场上购得的线性位置传 感器316 (例如,Panasonic EVA-W7LR04B34线性电位计等),以能够为自动聚焦透 镜总成310和光学变焦透镜总成311提供闭路反馈并最终提供绝对位置信息的方式装 入。可通过粘结剂、摩擦或其他半永久或永久组装工艺或其他适合的附装位置传感器 316的方式将位置传感器316安装至自动聚焦透镜总成310及光学变焦透镜总成311。图76a是照相机319的部分分解的立体图,其例示将马达300的印刷电路板302 组装到自动聚焦透镜总成310和光学变焦透镜总成311的透镜本体321中。
图77是照相机319的分解立体图,其中为清楚起见以局部剖面的形式来显示照 相机本体306。照相机本体306在凹陷306a内装纳一个固定附装的图像传感器320, 图像传感器320的类型可为市面上有售的彩色CMOS (互补金属氧化物半导体)图像 传感器,例如,OmniVision OV03610-C0OA等。可将位置传感器316安装至内部后表 面306b。位置传感器316的移动部分附装至透镜本体321的臂317,并测量自动聚焦 透镜总成310和光学变焦透镜总成311的位置。臂317内的凹槽318啮合于共用导轨 306e上以形成平行于光轴309的线性导向装置。旋转支承垫323永久地安装在照相 机319的外壳306的槽窝306d中,且螺纹转轴232的圆形转轴端233与一个圆周上 设置的限制挡块324 —同安置在槽窝306d上,其在功能上类似于图61-71D中所示的 旋钮265。马达300的印刷电路板302使用粘结剂或其他类似的永久组装方法附装至 透镜本体321进入狭槽321a。透镜本体321的凹槽318可使得透镜本体321插在并 定位在照相机本体306的对置导轨306e上,从而使透镜本体321能够平行于照相机 319的光轴309线性运动。对于照相机本体306及其内包含的马达300的马达本体301, 螺纹转轴232穿过螺纹孔301a并啮合在其内。绝缘体313组装在马达300上,以使 孔洞313a同心地安置到由马达300啮合的螺纹转轴232,且突肩313b与印刷电路板 302重合。限制挡块324在圆周上组装至与螺纹转轴232的圆形轴端233对置的一端。 弹簧312与绝缘体313轴向重合,并安置在突出边缘313b上。另一绝缘体313以对 置的方式沿轴向重合地安置,以使突出边缘313c安置在弹簧312的暴露端上。 一额 外螺纹转轴232轴向地啮合在马达300的马达本体301的螺纹孔301a内,其中在圆 周上附装的限制挡块324邻近位于与螺纹转轴232的圆形轴端233对置的一端处。通 过将印刷电路板302接合至狭槽321a内或其他类似的永久组装方法,另一马达300 附装至包含自动聚焦变焦透镜310的透镜本体321。透镜本体321的凹槽318可使得 将透镜本体321插在并定位在照相机本体306的对置导轨306e上,从而使透镜本体 321能够平行于光轴309线性运动。对于照相机本体306先前提及的组装,马达300、 螺纹转轴232及透镜本体321 (其构成自动聚焦透镜总成310)经组装以致使马达300 的印刷电路板302牢固地座靠在绝缘体313的突肩313b上。限制挡块324在圆周上 附装至螺纹转轴232的圆形转轴端233。旋转支承垫323永久地安装在端盖307的槽 窝307a(以虚线显示)中,且螺纹转轴232的圆形转轴端233安置在槽窝307a中。 将照相机319的端盖307附装至照相机本体306内便完成了该组装过程。可使用粘结剂、机械力配合等将端盖307永久地附装至照相机本体306。
参照图78a至78c,这几个局部剖面的立体图例示了光学变焦透镜总成311的线 性运动,其由线性箭头325所描述的运动来标记。图78a绘示光学变焦透镜总成311 完全縮回,离照相机319的光圈308最远。作为参考,图中将自动聚焦透镜总成310 显示成静止。当马达300 (其在图中被隐藏)被启动时,螺纹转轴232旋转,在此情 况下是沿旋转箭头326所表明的顺时针方向旋转,从而引起施予至光学变焦透镜总成 311的垂直线性运动(由图78B中所示的线性箭头325指示)。图78C例示因马达300 被启动以及螺纹转轴232随后的顺时针旋转(由旋转箭头326显示),而引起的光学 变焦透镜总成311的继续线性行程(由线性箭头325表示)。
参照图79a至79c,局部剖面的立体图例示了自动聚焦透镜总成310的线性运动, 其由线性箭头327所描述的运动来标记。图79a绘示自动聚焦透镜总成310完全縮回, 并离照相机319的光圈308最远。图中将光学变焦透镜311显示成静止以作为参考。 当马达300 (部分被挡住而看不见)被启动时,螺纹转轴232旋转,在此情况下是沿 旋转箭头328所表明的顺时针方向旋转,从而引起施予至自动聚焦透镜总成310的垂 直线性运动(由图79B中所示的线性箭头327指示)。图79C例示因马达300被启动 以及螺纹转轴232随后的顺时针旋转(由旋转箭头328显示),而引起的自动聚焦透 镜总成310的继续线性行程(由线性箭头327阐释)。
参照图80a和80b,其中显示照相机319在移动电话329中使用的典型应用。为 表示简单起见,图式中省略了电连接至照相机319和移动电话329中各个组件的实体 构件。图80a显示照相机319 (以虚线显示)的所述实施例在移动电话329中的典型 布局的立体图。图80b是图80a (图80a上的330)放大比例的局部剖视图,图80b 显示其中光331经由反射镜322或其他类似的棱镜装置被引导至照相机光圈308内的 特定实施例。
参照图81和82,所属技术领域的技术人员应理解,当输入电压是以谐振频率(w r) 振荡的正弦波时,由电感器501、电容器502和电阻器503组成的串联谐振电路500 会在电容器502两端形成电压增益。根据谐振电路沿用已久的方程并基于输入频率 cor、电感L、电容C及电阻R,可得出该电路的增益(其又称为品质因数或Q)。请注意, Xt是反应电感,而Xc是该电路的反应电容。如下方程式显示了在谐振频率下的关系式
cor = 1/SQRT(LC)<formula>formula see original document page 33</formula><formula>formula see original document page 33</formula>
压电或电致伸缩致动器(例如,板18、 20、 22和24)是会发生损耗的电容器502, 这些损耗会导致实际的功率损耗以及致动器被加热。使用硬质低介电损耗压电材料可 形成一个高Q电路并可在相对较小的输入电压及电流下于压电板502两端产生高的电 压。
当谐振电路500具有一个为方波504 (并非正弦波)的Vin时,可使用傅立叶变 换来评估Vin的频率含量。谐振频率&下的方波504包含基波项及随后的谐波,如以 下方程式显示
振幅二4Ai[sin(cOr t) + 1/3 sin(3 cor t) + 1/5 sin(5 cor t) + 1/7 sin(7 。r t)…,.]
对于高Q谐振电路500来说,基波项已足够。如以下方程式所示,当相比于正弦 波输入时,基波项带有4/:r的峰值振幅升高,其中Vin是输入方波504的峰到峰振幅 且sin(Wr t)等于1。
Vout = VINQ 4/兀
可将该效应看作为在谐振频率为(Or下、具有增益Q的陷波滤波器(notch filter)。 这使得谐振电路500的数字脉宽调制(P丽)控制能够使用。
参照图82和83。方波504的工作循环(duty cycle) 513的持续时间511是方 波504的周期512中信号为高的时间间隔。工作循环513的值为511除以512。通过 改变谐振频率cor下的方波(或PWM)输入的工作循环513,可调节峰到峰振幅Vout86、 88。当工作循环从O变动到全周期时,且如图83中所示,Vout 86、 88与工作循环 513之间的关系515由如下方程近似地表示
<formula>formula see original document page 33</formula> (工作循环n )
参照图84,其中例示半桥驱动电路520的实施例。这些电路520在市面上有售, 例如,IXYS公司的零件编号为IXDN404的电路。低电压P丽输入521由半桥电路520 放大以产生输入电压Vin。电路520用以驱动谐振电路500并在高功率水平下产生高 电压正弦波86、 88。
参照图85,其中显示替代实施例的全桥电路,其使用了两个半桥电路520。第一半桥电路523以图84中显示的相同方式连接至谐振电路500。第二半桥电路524连 接至点526,且不再是共用接地端25。两个半桥电路523、 524使用相同的P丽输入 521,但该输入信号在524中反向以形成180度的相移。在相同的供应电压522下, 全桥驱动电路525使Vout 86、 88增加一倍。
参照图86、 87和88,其中例示马达IO、 30、 50、 142、 154、 230和300的完整 驱动电路。其中需要两个在马达与电路谐振频率w r|(其通常在每秒40, 000到200, 000 循环的范围内)下带有正或负90度相移92 (参见图19)的驱动电压86和88。
组合电路534和531产生两个具有90度相移的P丽输入信号521a和521b。通 过改变使那个信号超前,可控制正向和反向。可通过使两个输入P糊波形521a和521b 的工作循环513从0变动到0. 5来控制速度。在该较佳实施例中,应将两个信号521a 和521b设定到同一工作循环513。
微控制器534 (例如,Microchip制造的dsPIC30F3010等)可形成P丽波形。在 该实例中,微控制器534无法使一个P丽信号产生相对于另一个P丽信号的相移。为 克服该限制,电路531将P丽信号539a和539b组合起来。电路531的细节显示于图 87中。
参照图87和电路531,三个PWM信号538、 539a和539b为同相。使用异或(X0R) 闸535将P丽信号539a和539b组合起来。如果输入539a或539b中任一者为高但并 非两者都为高,则异或闸535的输出561为高。否则,535的输出562为低。
P丽输入539a的工作循环等于所需要的工作循环加上0. 25(其对应于90度的相 移)。P丽输入539b的工作循环固定在0. 25。异或闸535将信号539a和539b组合 起来以形成经相移的P丽信号561。
多路复用器536a和536b视方向信号537而传递两个输入信号的其中一个。在本 揭示内容中,对"前向"和"后向"方向的描述是任意的。
当电路530正沿正向方向操作时,方向逻辑信号537和运行逻辑信号562为高。 P丽输入538通过多路复用器536a从而变为信号521a,且P丽输入561通过多路复 用器536b从而变为信号521b。图88中的图表540a例示最大工作循环513下的正向 方向PWM信号52la和521b。
当电路530正沿后向方向操作时,方向逻辑信号537为低而运行逻辑信号562为 高。P丽输入538通过多路复用器536b从而变为信号521b,且P丽输入561通过多路复用器536a从而变为信号521a。图88中的图表540b例示最大工作循环513下的 反向方向P丽信号521a和521b。
当运行逻辑信号562为低时,信号521a和521b总是为低。
图86中所示进一步的电路实施例是添加与马达压电致动器(参见如图4中所示 的压电板18、 20、 22和24)平行放置的垫整电容器533。垫整电容器533a和533b 可增大谐振电路500a和500b的总电容。这些垫整电容器较佳地为耗散因数小于2% 并可在大的温度和电压范围上维持稳定电容的高品质组件。在该较佳实施例中,垫整 电容器533a和533b与压电电容560的比近似为2:1。垫整电容器533可稳定总电容 502,从而在更大的操作温度和功率水平上稳定谐振频率Wrl及谐振电路500的Q。将 垫整电容器533a和533b与马达总成一同使用的一额外特征是可针对每一马达总成 来选择垫整电容值,以补偿压电电容的小变动并维持恒定的总电容,这使得每一马达 总成都可与具有固定电感值的标准驱动电子器件互换。
参照图89和90,其中例示用于马达IO、 30、 50、 142、 154、 230和300的两种 控制方法。 一种方法是猝发控制模式,另一种是振幅控制模式。
对于"猝发"模式操作,针对信号521a和521b固定工作循环513,从而固定输 出驱动电压86和88。如图89a所示,使用运行逻辑信号562来接通和关断马达。马 达逻辑信号562被接通达间隔547内的接通持续时间546。间隔547包含接通持续时 间546和关断持续时间604,接通持续时间与关断持续时间之和等于间隔547。在图 89a所示的实施例中,方波504的每一接通持续时间546包含多个电压峰608。间隔 547从多个电压峰到接下来的多个电压峰实质上恒定。接通持续时间546与间隔547 的比可从约O变动到约1。在另一实施例中,前述比可从约0. 01变动到约0. 5。也可 命令单独的猝发546产生小的步进。在该实施例中,所使用的典型间隔为IO毫秒, 且典型的持续时间范围为IOO微妙到整个时间间隔547。猝发模式方波504的连续操 作产生马达轴的恒定速度,而改变持续时间504会改变该速度。猝发模式操作可在没 有单独位置传感器或高带宽控制环路的情况下实现高解析度的位置控制。
对于"振幅"模式操作,将工作循环513从0调节到0.5以改变驱动电压的振幅 86和88,从而改变马达的速度。图89b将P丽输入信号521a或521b中的一个显示 为方波504。在振幅模式中,只改变这些P丽信号的工作循环513。如图89b中,电 压峰600具有一个不同于电压峰602的工作循环。对于其中微控制器534正在接收位 置反馈557 (参见图90)的闭路应用,通常希望使用振幅模式,因为该模式可提供更为平滑的运动、更大的精确度及最小的过冲(overshoot)。
参照图90,所属技术领域的技术人员常用的反馈算法是比例/积分/微分 (proportional/integral/derivative, PID)控制环路(例如,可参见美国专利 #6,308,113)。在该用于马达10、 30、 50、 142、 154、 230和300的控制环路的实施 例中,可使用各种位置传感器557,其中包括增量玻璃刻度编码器、电位计、霍尔 效应磁传感器等。
运动命令通过外部控制接口 (例如,I2C、 SPI、 RS-232、 USB、以太网等)馈送 到微控制器534内。运动命令可包括移动到绝对位置、移动距离、在命令停止之前一 直移动以及停止。运动命令还可包括设定加速度和速度。
微控制器534中的软件以规律的间隔(例如,每250微秒)向位置传感器557撷 取马达的当前位置,并计算马达的座落点(或那个时刻需要的位置)。所需位置的确 定是基于起初位置、马达在多久以前接到移动命令、以及所命令的加速度、速度和 目的地位置。位置误差是座落点减去位置传感器所报告的当前位置。然后,基于该位 置误差按照如下的方式计算适合的输出驱动振幅
误差 =座落点_当前位置
误差变化 =误差-上一次误差
误差总和=误差总和+误差
上一次误差=误差
振幅 =KP *误差+ KD *误差变化+ Kl *误差总和
其中 振幅是所需的输出驱动振幅
KP是比例系数
KD是微分系数
Kl是积分系数
KP、 KD和K1系数是根据马达负载以及位置反馈机构557的解析度(计数/单位 距离)进行校准的常数。
上文已对本发明进行了完整的阐述,所属技术领域的技术人员应了解,可对本发 明做出很多变化和修改,此并不违背随附权利要求书的主旨和范围。
权利要求
1.一种用于驱动螺纹转轴总成的设备,其特征在于,包含具有旋转轴线的螺母以及与之啮合且具有轴向方向和长度的螺纹转轴,所述总成包含使所述螺母经受超声波震动且由此致使所述螺纹转轴旋转并使所述螺母在所述螺纹转轴的所述长度的一部分上沿所述轴向平移的构件。
2. 如权利要求l所述的设备,其特征在于,所述螺纹转轴的所述旋转至少进行 360度。
3. 如权利要求l所述的设备,其特征在于,沿所述轴向的所述平移进行的距离 大于所述超声波震动的任一单个振动的振幅。
4. 如权利要求3所述的设备,其特征在于,负载连接至所述螺母。
5.如权利要求4所述的设备,其特征在于,所述螺母具有节点,所述节点具有 第一震动谐振,且所述负载在所述节点处连接至所述螺母。
6. 如权利要求5所述的设备,其特征在于,所述螺母包含啮合所述螺纹转轴的 螺纹区域以及不啮合所述螺纹转轴的过大尺寸区域。
7. 如权利要求6所述的设备,其特征在于,所述过大尺寸区域位于所述节点处。
8. 如权利要求5所述的设备,其特征在于,所述负载包含印刷电路板。
9. 如权利要求8所述的设备,其特征在于,所述印刷电路板连接至用于产生所 述超声波震动的构件。
10. 如权利要求9所述的设备,其特征在于,所述用于产生所述超声波震动的构 件包含用于沿第一方向产生超声波震动的第一压电板以及用于沿第二方向产生超声 波震动的第二压电板。
11. 如权利要求10所述的设备,其特征在于,所述第一方向与所述第二方向是 正交的。
12. 如权利要求ll所述的设备,其特征在于,所述印刷电路板进一步包含用于 沿所述第一方向产生超声波震动的第三压电板以及用于沿所述第二方向产生超声波 震动的第四压电板。
13. 如权利要求8所述的设备,其特征在于,所述负载进一步包含透镜,所述透 镜选自由光学聚焦透镜及光学变焦透镜所组成的群组。
14. 如权利要求3所述的设备,其特征在于,其进一步包括用于产生所述超声波 震动的超声波产生器。
15. 如权利要求14所述的设备,其特征在于,所述超声波产生器进一步包含用 于产生第一脉宽调制信号和第二脉宽调制信号的微控制器。
16. 如权利要求15所述的设备,其特征在于,进一步包括位置传感器,其用 于感测所述螺母沿所述长度的位置;及位于所述位置传感器与所述微控制器之间的电 连接件,其用于将所述螺母的所述位置通信至所述微控制器。
17. 如权利要求16所述的设备,其特征在于,所述微控制器因应所述通信而改 变所述第一及所述第二脉宽调制信号。
18. 如权利要求15所述的设备,其特征在于,所述第一脉宽调制信号相对于所 述第二脉宽调制信号在相位上相差约90度。
19. 如权利要求15所述的设备,其特征在于,所述超声波产生器进一步包含具 有电路谐振频率的串联谐振电路,其中所述第一及第二脉宽调制信号是方波信号且具 有输入频率,且所述螺母具有机械谐振频率,且所述电路谐振频率实质等于所述输入 频率,且所述输入频率实质等于所述机械谐振频率。
20. 如权利要求19所述的设备,其特征在于,所述谐振电路包括电容器,所述 超声波产生器包含压电板,且所述压电板起所述电容器的作用。
21. 如权利要求20所述的设备,其特征在于,所述超声波产生器进一步包含与 所述压电板平行放置的垫整电容器。
22. 如权利要求21所述的设备,其特征在于,所述垫整电容器具有垫整电容, 且所述压电板具有压电电容,其中所述垫整电容对所述压电电容的比约为2。
23. 如权利要求20所述的设备,其特征在于,所述第一及第二脉宽调制信号由 所述谐振电路从方波信号转变成第一及第二正弦信号。
24. 如权利要求23所述的设备,其进一步包括电压放大器,以使所述第一及第 二脉宽调制信号具有第一电压,且所述第一及第二正弦信号具有第二电压,且所述第 二电压大于所述第一电压。
25. 如权利要求15所述的设备,其特征在于,当所述第一脉宽调制信号前行于 所述第二脉宽调制信号时,所述螺母沿所述轴向朝所述螺纹转轴的第一端平移,且当 所述第二脉宽调制信号前行于所述第一脉宽调制信号时,所述螺母沿所述轴向远离所 述螺纹转轴的所述第一端平移。
26. 如权利要求15所述的设备,其特征在于,所述第一及第二脉宽调制信号包 含第一电压峰及第二电压峰,其中所述第一电压峰具有不同于所述第二电压峰的工作 循环(duty cycle)。
27. 如权利要求15所述的设备,其特征在于,所述第一及第二脉宽调制信号以 恒定的工作循环操作,所述第一及第二脉宽调制信号包含多个电压峰构成,且所述多 个电压峰接通达一接通持续时间并关断达一关断持续时间,且所述接通持续时间与所 述关断持续时间之和等于间隔,其中所述间隔实质上恒定且所述接通持续时间除以所 述间隔的比在0与1之间变动。
28. 如权利要求20所述的设备,其特征在于,所述第一脉宽调制信号具有从约 0到约0. 5的工作循环。
29. 如权利要求23所述的设备,其特征在于,所述第一及第二正弦信号具有振 幅,且所述螺母在所述长度上平移的速度受所述振幅控制。
30. —种用于驱动螺纹转轴总成的设备,其中,包括(a) 光学聚焦总成,其包含具有第一旋转轴线的第一螺母以及与之啮合的具有第 一轴向和长度的第一螺纹转轴,所述聚焦总成包含用于使所述第一螺母经受超声波震 动且由此使所述第一螺纹转轴旋转并使所述第一螺母在所述第一螺纹转轴的所述长 度的一部分上沿所述第一轴向平移的构件,且所述聚焦总成连接至所述第一螺母,(b) 光学变焦总成,其包含具有第二旋转轴线的第二螺母以及与之啮合的具有第 二轴向和长度的第二螺纹转轴,所述变焦总成包含用于使所述第二螺母经受超声波震 动且由此使所述第二螺纹转轴旋转并使所述第二螺母在所述第二螺纹转轴的所述长 度的一部分上沿所述第二轴向平移的构件,且所述变焦总成连接至所述第二螺母。
31. 如权利要求30所述的设备,其特征在于,所述第一螺母通过第一印刷电路 板连接至所述光学聚焦总成,且所述第二螺母通过第二印刷电路板连接至所述光学变 焦总成。
32. 如权利要求31所述的设备,其特征在于,所述第一印刷电路板及所述第二印刷电路板连接至用于产生所述超声波震动的构件。
33. 如权利要求32所述的设备,其特征在于,所述光学聚焦总成包含聚焦透镜, 且所述光学变焦总成包含变焦透镜,所述聚焦透镜及所述变焦透镜被配置成使光轴通 过这两个透镜。
34. 如权利要求33所述的设备,其特征在于,所述光学聚焦总成包含第一线性 导向装置且所述光学变焦总成包含第二线性导向装置,且所述第一及第二线性导向装 置平行于所述光轴。
35. 如权利要求34所述的设备,其特征在于,所述第一线性导向装置、所述第 二线性导向装置、所述第一旋转轴线与所述第二旋转轴线全部共面。
36. 如权利要求33所述的设备,其特征在于,所述第一螺纹转轴与所述第二螺 纹转轴成一直线。
37. 如权利要求36所述的设备,其特征在于,进一步包括弹簧,其中所述第一 螺纹转轴及所述第二螺纹转轴设置在所述弹簧内并与所述弹簧同轴,所述弹簧连接至 所述第一印刷电路板及所述第二印刷电路板,以对每一电路板施加力。
38. 如权利要求37所述的设备,其特征在于,所述第一螺母沿所述第一轴向的 平移使所述光学聚焦总成沿所述第一轴向平移,从而调节所述光学聚焦总成。
39. 如权利要求37所述的设备,其特征在于,所述第二螺母沿所述第二轴向的 平移使所述光学变焦总成沿所述第二轴向平移,从而调节所述光学变焦总成。
40. —种用于驱动螺纹转轴总成的设备,其中,包括(a) 光学聚焦总成,其包含具有第一旋转轴线的第一螺母以及与之啮合的具有第 一轴向和长度的第一螺纹转轴,所述聚焦总成包含用于使所述第一螺母经受超声波震 动且由此使所述第一螺纹转轴围绕所述第一轴线旋转并使所述第一螺母在所述第一 螺纹转轴的所述长度的一部分上沿所述第一轴向平移的构件,所述聚焦总成通过第一 印刷电路板连接至所述第一螺母,其中沿所述轴向的所述平移进行的距离大于所述超 声波震动的任一单个振幅的振幅;(b) 光学变焦总成,其包含具有第二旋转轴线的第二螺母以及与之啮合的具有第 二轴向和长度的第二螺纹转轴构成,所述聚焦总成包含用于使所述第二螺母经受超声 波震动且由此使所述第二螺纹转轴围绕所述第二轴线旋转并使所述第二螺母在所述第二螺纹转轴的所述长度的一部分上沿所述第二轴向平移的构件,所述变焦总成通过 第二印刷电路板连接至所述第二螺母,其中沿所述轴向的所述平移进行的距离大于所 述超声波震动的任一单个振幅的振幅;(c)其中所述第一印刷电路板包含用于沿第一方向产生所述超声波震动的第一 压电板、及用于沿第二方向产生所述超声波震动的第二压电板、用于沿所述第一方向 产生所述超声波震动的第三压电板、以及用于沿所述第二方向产生所述超声波震动的 第四压电板,其中所述第一方向与所述第二方向正交。
41. 如权利要求40所述的设备,其特征在于,所述第一印刷电路板及所述第二 印刷电路板是刚性印刷电路板。
42. 如权利要求40所述的设备,其特征在于,所述第一印刷电路板及所述第二 印刷电路板是挠性印刷电路板。
43. 如权利要求40所述的设备,其特征在于,所述第一印刷电路板及所述第二 印刷电路板包含一层绝缘材料。
44. 如权利要求43所述的设备,其特征在于,所述一层绝缘材料是包含选自由 玻璃环氧树脂、陶瓷、聚四氟乙烯、及其组合所组成的群组的绝缘体。
45. 如权利要求40所述的设备,其特征在于,所述设备设置于照相机中。
46. 如权利要求45所述的设备,其特征在于,所述照相机设置于选自由移动电 话、无线电话、及个人数字助理所组成的群组的装置内。
全文摘要
一包含光学装置的光学总成可移动地附装至用于驱动螺纹转轴总成的设备。该设备包含一具有旋转轴线的螺纹转轴以及一与之啮合的螺母。该总成包含一使该螺母经受超声波震动且由此使所述转轴沿轴向同时旋转和平移的装置。
文档编号H02N1/04GK101300730SQ200680040399
公开日2008年11月5日 申请日期2006年9月22日 优先权日2005年10月28日
发明者C·霍夫曼, D·亨德森, J·居尔措, R·库尔汉 申请人:新阶科技股份有限公司
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