驱动器、光学智能镜头及电子产品的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种驱动器、光学智能镜头及电子产品，属于驱动器【技术领域】，所述驱动器包括凸台状定子，所述凸台状定子包括基板和位于所述基板上的凸台，所述基板的表面设置有用于使所述凸台轴向连续旋转摆动的激励元件，所述凸台上配合设置有移动体。本实用新型不需要考虑多片压电陶瓷片粘接的一致性，本身的结构更容易产生理想稳定的弯曲行波，从而使得驱动器输出稳定；其次，本实用新型所需部件都可以通过常规途径或方法取得，制作工艺较为简单；另外，实现本技术所需元件较少，且凸台和基板都可以沿径度和厚度方向调整大小，易于小型化。
【专利说明】驱动器、光学智能镜头及电子产品
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及驱动器领域，特别是一种驱动器、包括该驱动器的光学智能镜头、包括该光学智能镜头的电子产品。
【背景技术】
[0002]随着科学的发展，在光学调焦、精密驱动和微系统领域迫切需要微型直线驱动器。原有的电磁驱动器在微小尺度下效率急剧降低，并且制造难度大。而压电驱动器是一种新型的驱动器，利用压电陶瓷的逆压电效应，通过结构设计将小幅度的振动转变为所需的运动，并且具有结构简单，易于微型化，断电自锁等优点，在上述领域内具有广阔的应用前景，尤其在手机光学聚焦、笔记本电脑内置视频镜头、工业特种微型镜头、医用光学聚焦等领域中。
[0003]如图1a)所示，是美国6，940, 209B2专利文献公开的一种螺纹杆超声电机。整个超声电机的外形是沿其输出轴方向呈现细长棒状结构，它包括一带有中心孔的多面管体1，一螺纹杆2，四片矩形压电陶瓷片31?34粘贴在多面管体I的四个侧面。对压电陶瓷片31?34施加特定的电压信号可激发多面管体I产生弯曲行波，从而推动螺纹杆2旋转并沿轴向直线运动。图1b)是该超声电机工作原理的示意图。多面管体I变形前是100状态，变形后是200弯曲状态。电压信号在激发多面管体I产生弯曲变形时，会在多面管体I上的两点11和12处形成节点，即加电后多面管体I振动振幅为O或者接近于O的部分。由于该超声电机是利用多面管体I的微观振动实现螺纹杆2的直线运动，为减小其它结构或外界因素对该振动的约束和限制，一般在产品生产中，为不影响多面管体I的自身振动，会在节点11和12处焊接如图1a)所示的电引出线41?44，或者在节点11或12处固定该超声电机。该专利文献提出了一种有效的实现直线运动的压电驱动方案，有希望用于微机械，光学调焦领域。
[0004]该专利在实际应用中，由于其结构与工作原理的限制，有以下不足之处:多片压电陶瓷31?34粘接后难以保障压电陶瓷片电学性能和机械性能的一致性且超声电机多面管体I的结构是非轴对称结构，不宜于产生理想的和稳定的弯曲行波，从而导致输出不稳?’另外为实现多面管体I产生连续的弯曲振动，需要在多面管体I的外侧面粘接至少四片压电陶瓷31?34，其主体结构加工工艺复杂，粘接工艺复杂，导致驱动器制作工艺复杂，最后，该超声电机整体外形是沿其输出轴方向呈现细长棒状结构，多面管体I的径向尺寸可以收缩，但轴向方向由于工作原理的限制，必须在多面管体I上形成两处节点11和12，压电陶瓷片的长宽比需要在3倍以上，因此多面管体I长度方向的尺寸不能太短，产品不易小型化。
实用新型内容
[0005]本实用新型要解决的技术问题是提供一种输出稳定，制作工艺简单，易于小型化的驱动器、光学智能镜头及电子产品。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型提供技术方案如下:
[0007]—方面，提供一种驱动器，包括凸台状定子，所述凸台状定子包括基板和位于所述基板上的凸台，所述基板的表面设置有用于使所述凸台轴向连续旋转摆动的激励元件，所述凸台上配合设置有移动体。
[0008]进一步的，所述激励元件为压电陶瓷片、磁致伸缩材料、电致伸缩材料、人工肌肉或者形状记忆合金。
[0009]进一步的，所述激励元件是沿厚度方向极化的环形压电陶瓷片，所述压电陶瓷片的表面电极均分为相互绝缘的四个扇形区间。
[0010]进一步的，所述压电陶瓷片的其中两个相邻扇形区间的极化方向一致并与另两个扇形区间的极化方向相反，同时所述压电陶瓷片的其中两个相对扇形区间施加第一电信号，另两个相对扇形区间施加第二电信号，所述第一电信号和第二电信号电压幅值相同、频率相同、相位差为90度；
[0011]或者，所述压电陶瓷片的四个扇形区间的极化方向均一致，同时所述压电陶瓷片的其中两个相对扇形区间分别施加正、负第一电信号，另两个相对扇形区间分别施加正、负第二电信号，所述第一电信号和第二电信号电压幅值相同、频率相同、相位差为90度。
[0012]进一步的，所述压电陶瓷片是采用轧制工艺或流延工艺获得的单层结构，或者是采用叠层流延工艺制成的多层结构，每层厚度为20 μ m-50 μ m,所述压电陶瓷片的厚度小于等于100 μ m。
[0013]进一步的，所述凸台、移动体、激励元件具有共同的中心轴线。
[0014]进一步的，所述凸台具有内螺纹，所述移动体具有相适应的外螺纹；或者，所述凸台具有外螺纹，所述移动体具有相适应的内螺纹；
[0015]其中所述螺纹是梯形、三角形、矩形或是锯齿形。
[0016]进一步的，所述激励元件设置在所述基板的上表面或下表面，或者对称设置在所述基板的上表面和下表面。
[0017]另一方面，提供一种光学智能镜头，包括顶盖和底座，所述顶盖和底座之间设置有上述的驱动器，所述凸台和移动体均为圆环状结构，所述移动体的远端设置有光学镜头，所述基板上还设置有光学薄膜图像传感器，所述光学薄膜图像传感器连接有柔性印刷电路板。
[0018]再一方面，提供一种光学智能镜头，包括顶盖和底座，所述顶盖和底座之间设置有两套上述的驱动器，每套驱动器的凸台和移动体均为圆环状结构，每套驱动器的移动体的远端均设置有光学镜头，每套驱动器的基板上均设置有光学薄膜图像传感器，光学薄膜图像传感器均连接有柔性印刷电路板，并且每套驱动器的光轴同心，两套驱动器之间设置有间隔环。
[0019]又一方面,提供一种电子产品，包括上述的光学智能镜头。
[0020]本实用新型具有以下有益效果:
[0021]本实用新型通过激励元件驱动凸台状定子的基板，使得基板带动凸台沿轴线连续旋转摆动，进而凸台驱动移动体连续的运动，与现有技术相比，首先，本实用新型不需要考虑多片压电陶瓷片粘接的一致性，本身的结构更容易产生理想稳定的弯曲行波，从而使得驱动器输出稳定；其次，本实用新型所需部件都可以通过常规途径或方法取得，制作工艺较为简单?’另外，实现本技术所需元件较少，且凸台和基板都可以沿径度和厚度方向调整大小，易于小型化。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1a为现有技术中一种螺纹杆超声电机结构示意图；
[0023]图1b为图1a所示一种螺纹杆超声电机驱动原理图；
[0024]图2为本实用新型的驱动器的整体结构示意图；
[0025]图3为图2所示驱动器上压电陶瓷片极化和加电示意图；
[0026]图4为本实用新型的驱动器的振动模态示意图；
[0027]图5为本实用新型的驱动器谐振时凸台的摆动示意图；
[0028]图6为本实用新型的驱动器一种结构的爆炸图；
[0029]图7为本实用新型的驱动器另一种结构的爆炸图；
[0030]图8为本实用新型的一种光学智能镜头的爆炸图；
[0031]图9为图8所示的一种光学智能镜头的整体结构示意图；
[0032]图10为本实用新型的另一种光学智能镜头的爆炸图；
[0033]图11为图10所示的另一种光学智能镜头的整体结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0035]一方面，本实用新型提供一种驱动器，如图2所示，包括凸台状定子21，凸台状定子21包括基板2和位于基板2上的凸台5，基板2的表面设置有用于使凸台5轴向连续旋转摆动的激励元件1，凸台5上配合设置有移动体3。
[0036]本实用新型通过激励元件I驱动凸台状定子21的基板2，使得基板2带动凸台5沿轴线连续旋转摆动，进而凸台5驱动移动体3连续的运动，与现有技术相比，首先，本实用新型不需要考虑多片压电陶瓷片粘接的一致性，本身的结构更容易产生理想稳定的弯曲行波，从而使得驱动器输出稳定；其次，本实用新型所需部件都可以通过常规途径或方法取得，制作工艺较为简单；另外，实现本技术所需元件较少，且凸台和基板都可以沿径度和厚度方向调整大小，易于小型化。
[0037]由于激励元件I在本实用新型中所起的作用是，外加激励时，产生形变致动，因此只要具备受外加激励影响并且能够产生形变特性的材料均可用于制作激励元件I。实际制作时，激励元件I的材料选择范围十分广泛，可以为压电陶瓷片、磁致伸缩材料、电致伸缩材料、人工肌肉或者形状记忆合金。
[0038]作为本实用新型的一种改进，如图3所示，激励元件I是沿厚度方向极化的环形压电陶瓷片7、7’，压电陶瓷片7、7’的表面电极均分为相互绝缘的四个扇形区间4a、4a’，4b、4b’，4c、4c’，4d、4d’。将压电陶瓷片7、7’设置为圆环状，优选的，压电陶瓷片7、7’设置为整体的圆环状或者围成圆环状的扇形，因此与基板2粘贴容易，易于薄型化，且与集成电路工艺兼容，适合批量生产。
[0039]具体的，本实用新型可以有以下两种极化与加电方式:
[0040]极化与加电方式一:
[0041]如图3中方式I所示，压电陶瓷片7的两个相邻扇形区间4a、4b的极化方向一致并与另两个扇形区间4c、4d的极化方向相反，同时压电陶瓷片7的其中两个相对的扇形区间4a、4c施加第一电信号，另两个相对的扇形区间4b、4d施加第二电信号,第一电信号和第二电信号电压幅值相同、频率相同、相位差为90度；
[0042]当7a、7c接入第一电信号Vsin时，如图4所示，凸台状定子21的表面产生B(l，I)模态下的弯曲行波，即形成一条节径501和一条节圆502，振动模态的频率大于20kHz。节径501与节圆502是定子表面上振动为O或者接近于O的点，而节径501和节圆502两侧的定子表面21振动方向相反或称为振动相位相反，用“ + 符号表示。同时，如图5所示，凸台5位于节径501的中心位置0，中心位置O两侧的定子表面21的振动方向相反，即“ + ”和直接导致凸台5绕节径501产生周期性的摆动，但凸台5本身不发生变形。当7b、7d接入第2信号Vcos时，可以直接导致凸台5绕节径503产生周期性的摆动。
[0043]接着，当7b、7d接入第二电信号Vcos时，如图4所示，台状定子21的表面产生B(I1I)模态下的弯曲行波，即形成一条节径503和一条节圆504，振动模态的频率大于20kHzο节径503与节圆504也是定子表面上振动为O或者接近于O的点，而节径503和节圆504两侧的定子表面21振动方向相反或称为振动相位相反，用“ + 符号表示。同时，如图5所示，凸台5位于节径503的中心位置0，中心位置O两侧的定子表面21的振动方向相反，直接导致凸台5绕节径503产生周期性的摆动，但凸台5本身不发生变形。
[0044]因为节圆502与504在凸台状定子2的表面21上的同一位置,而由于表面电极区4a-4c、4b-4d在空间上正交，所以节径501和503在空间上正交。当引线7a、7b、7c、7d同时加电，则凸台5会以中心位置O为定点，以一定的摆角绕凸台5的轴线周向连续旋转摆动，其效果如图5所示。
[0045]工作时，凸台5除了整体的刚性摆动，自身不发生任何变形，凸台5的端部53运动轨迹类似于摇头运动，上述运动直接导致内螺纹6a和外螺纹6b之间产生摩擦推动力，推动移动体3旋转实现沿中心轴线的直线运动。将电压信号Vsin和Vcos对调，则可实现移动体3的反向旋转。
[0046]与现有技术相比，由于凸台状定子21本身具有一定的几何尺寸，而驱动器的性能是与凸台5端部的振动幅度直接相关的，因此设置凸台状定子21提高了驱动器的位移、速度等输出性能，其光学聚焦响应时间在亚毫秒范围。
[0047]极化与加电方式二:
[0048]如图3中方式2所示，压电陶瓷片7’的四个扇形4a’、4b’、4c’、4d’区间的极化方向均一致，同时压电陶瓷片7’的其中两个相对扇形区间4a’、4c’分别施加正、负第一电信号，另两个相对扇形区间4b’、4d’分别施加正、负第二电信号,第一电信号和第二电信号电压幅值相同、频率相同、相位差为90度。
[0049]同样的，按方式2所示进行极化和加电，其驱动原理与工作过程和方式I相似，可以由方式I得出，此处不再赘述。
[0050]需要说明的是，上述两种方式仅仅示出了两种优选的极化与加电方式，本领域的普通技术人员可以根据需要采取其他可行的极化与加电方式，此处不再赘述。
[0051]本实用新型中，压电陶瓷片7、7’是优选采用轧制工艺或流延工艺获得的单层结构，或者是采用叠层流延工艺制成的多层结构，每层厚度优选为为20 μ m-50 μ m，压电陶瓷片的厚度小于等于100 μ m。
[0052]作为本实用新型的一种改进，凸台5、移动体3、压电陶瓷片7、7’优选设计为具有共同的中心轴线的结构，压电陶瓷片7、7’在加电作用下，会产生周期性摆动，进而带动凸台状定子21产生绕中轴线的连续旋转摆动，从而所述凸台状定子21产生连续的推动力，推动移动体3相对于凸台状定子21进行螺旋转动，实现轴向直线运动，可以实现快速驱动。
[0053]作为本实用新型的另一种改进，如图6所示，凸台5具有内螺纹6a，对应的移动体3具有相适应的外螺纹6b ;或者，如图7所示，凸台5具有外螺纹6a，移动体3具有相适应的内螺纹6b。当凸台5在激励元件I作用下产生绕中轴线的旋转摆动，从而在凸台5的内螺纹上6a上形成连续的驱动力，推动移动体3相对于凸台5进行螺旋转动,这种多螺纹扣啮合驱动，承载力均匀分布，稳定性和可靠性比较好。另外，螺纹结构6a、6b可以采用多种结构形式，优选的，螺纹6a、6b是梯形、三角形、矩形或是锯齿形，并且优选其螺纹升角和螺距相等，在不加电情况下螺纹结构有一定锁紧力，且螺纹初始位置可手调也可电子调整，方便便捷；作为精密微动控制技术的核心部件，本实用新型不存在不加电结构震颤等问题。
[0054]生产加工时，激励元件I的布局较为灵活，可以根据需要自由调整，优选的，激励元件I设置在基板2的上表面或下表面，或者对称设置在基板2的上表面和下表面。
[0055]另一方面，本实用新型提供一种光学智能镜头，如图8所示，包括顶盖al和底座a2，顶盖al和底座a2之间设置有上述的驱动器，移动体3的远端设置有光学镜头8，基板2上还设置有光学薄膜图像传感器，光学薄膜图像传感器连接有柔性印刷电路板b，图9是其装配好的整体图。在图8中，移动体3优选设置为中空结构，光学镜头8设置在移动体3内部，工作时两者之间固定不动。使用时，光学薄膜图像传感器设置在软电连接片FPCB b与底座a2之间的位置，正好处于凸台状定子2的内螺纹6a下方，接收光学镜头8透射过来的图像信息。以上整体结构内嵌在顶盖al和顶盖a2之中。
[0056]与现有技术相比，不同规格商用镜头对本实用新型结构设计影响有限。本结构设计灵活，一款结构可驱动不同规格镜头，也可以根据用户需要驱动非标超小型镜头，这是其它产品达不到的。并且，此结构元件数量少，抗跌落能力极强，聚焦速度快，优于国内外已有压电类型的聚焦镜头设计方案。
[0057]再一方面，本实用新型提供一种光学智能镜头，如图10所示，包括顶盖al和底座a2，顶盖和底座之间设置有上述的驱动器，每套驱动器的移动体3的远端均设置有光学镜头8，每套驱动器的基板2上均设置有光学薄膜图像传感器，光学薄膜图像传感器均连接有柔性印刷电路板，并且每套驱动器的光轴同心，两套驱动器之间设置有间隔环400。图11是其装配好的整体图。优选的，如图10所示，软电连接片bl、压电陶瓷片101、凸台状定子
201、移动体301和光学镜头801，构成结构A。软电连接片b2、压电陶瓷片102、凸台状定子
202、移动体302和光学镜头802，构成结构B。结构B中的移动体302和光学镜头802，内置于结构A中的凸台状定子201和移动体301的内部。即结构B的部分结构内嵌在结构A的内部，使光学系统整体结构紧凑，尺寸小。此光学系统具有聚焦和变焦两种功能，是目前国内外结构最简单的聚焦和变焦功能可同时实现的光学系统，且抗跌落能力强，聚焦和变焦速度快，优于国内外已有压电类型的聚焦和变焦镜头设计方案。
[0058]与现有技术相比，本实用新型包括镜头、光传感器等在内最多7?8个部件，驱动器本身3?4个部件，结构紧凑，成本低于同类采用压电陶瓷的光学模组产品。
[0059]又一方面，本实用新型还提供一种电子产品，包括上述任一种光学智能镜头。由于结构在前面已经描述，此处不再赘述。
[0060]综上所述，本实用新型制造工艺简单，适合工业化生产，与已有技术相比，易于微型化，在光学调焦、精密驱动和微系统领域具广阔有应用前景。
[0061]本实用新型的有益效果如下:
[0062]1、与现有技术相比，首先，本实用新型不需要考虑多片压电陶瓷片粘接的一致性，本身的结构更容易产生理想稳定的弯曲行波，从而使得驱动器输出稳定；其次，本实用新型所需部件都可以通过常规途径或方法取得，制作工艺较为简单；另外，实现本技术所需元件较少，且凸台和基板都可以沿径度和厚度方向调整大小，易于小型化。
[0063]2、本实用新型抗跌落能力极强，样品达到了 TINY RA POT ASSY产品跌落标准实验的最高等级；这是其它同类压电产品无法比拟的型，另外，经测试，本实用新型特性参数优异:响应时间小于Ims,分辨率I μ m,最大行程超过螺纹长度的一半,例如:5mm螺纹则运动行程接近3mm。。
[0064]3、本实用新型的环状压电陶瓷片的厚度可控制在100微米以内，所述凸台状定子的厚度可控制在5mm以内，利用该技术所制备的聚焦用镜头的整体外形尺寸可控制在5 X 5 X 2_以内，所制备的聚焦和变焦用镜头的整体外形尺寸可控制在5 X 5 X 5_以内；利用该实用新型制备的聚焦或变焦镜头厚度方向可薄形化，光学聚焦镜头的厚度很容易控制在3_以下，如果螺纹距0.1_、非标镜头尺寸进一步微型化，则光学聚焦镜头的厚度可达到1_以下，这是采用已公开的压电陶瓷光学聚焦方案中厚度最小的。
[0065]以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种驱动器，其特征在于，包括凸台状定子，所述凸台状定子包括基板和位于所述基板上的凸台，所述基板的表面设置有用于使所述凸台轴向连续旋转摆动的激励元件，所述凸台上配合设置有移动体。
2.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述激励元件为压电陶瓷片、磁致伸缩材料、电致伸缩材料、人工肌肉或者形状记忆合金。
3.根据权利要求2所述的驱动器，其特征在于，所述激励元件是沿厚度方向极化的环形压电陶瓷片，所述压电陶瓷片的表面电极均分为相互绝缘的四个扇形区间。
4.根据权利要求3所述的驱动器，其特征在于，所述压电陶瓷片的其中两个相邻扇形区间的极化方向一致并与另两个扇形区间的极化方向相反，同时所述压电陶瓷片的其中两个相对扇形区间施加第一电信号，另两个相对扇形区间施加第二电信号，所述第一电信号和第二电信号电压幅值相同、频率相同、相位差为90度； 或者，所述压电陶瓷片的四个扇形区间的极化方向均一致，同时所述压电陶瓷片的其中两个相对扇形区间分别施加正、负第一电信号，另两个相对扇形区间分别施加正、负第二电信号，所述第一电信号和第二电信号电压幅值相同、频率相同、相位差为90度。
5.根据权利要求3所述的驱动器，其特征在于，所述压电陶瓷片是采用轧制工艺或流延工艺获得的单层结构，或者是采用叠层流延工艺制成的多层结构，每层厚度为20 μ m-50 μ m，所述压电陶瓷片的厚度小于等于100 μ m。
6.根据权利要求3所述的驱动器，其特征在于，所述凸台、移动体、激励元件具有共同的中心轴线。
7.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述凸台具有内螺纹，所述移动体具有相适应的外螺纹；或者，所述凸台具有外螺纹，所述移动体具有相适应的内螺纹； 其中所述螺纹是梯形、三角形、矩形或是锯齿形。
8.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述激励元件设置在所述基板的上表面或下表面，或者对称设置在所述基板的上表面和下表面。
9.一种光学智能镜头，包括顶盖和底座，其特征在于，所述顶盖和底座之间设置有权利要求I至8中任一权利要求所述的驱动器，所述凸台和移动体均为圆环状结构，所述移动体的远端设置有光学镜头，所述基板上还设置有光学薄膜图像传感器，所述光学薄膜图像传感器连接有柔性印刷电路板。
10.一种光学智能镜头，包括顶盖和底座，其特征在于，所述顶盖和底座之间设置有两套权利要求1至8中任一权利要求所述的驱动器，每套驱动器的凸台和移动体均为圆环状结构，每套驱动器的移动体的远端均设置有光学镜头，每套驱动器的基板上均设置有光学薄膜图像传感器，光学薄膜图像传感器均连接有柔性印刷电路板，并且每套驱动器的光轴同心，两套驱动器之间设置有间隔环。
11.一种电子产品，其特征在于，包括权利要求9或10所述的光学智能镜头。
【文档编号】H02N2/02GK204013281SQ201420425075
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】季叶, 崔宏超, 褚祥诚 申请人:北京派和科技股份有限公司