專利名稱：微型壓電馬達－鏡頭片的集成驅(qū)動機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密驅(qū)動元件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種通過微型壓電馬達-鏡頭片的集成驅(qū)動機構(gòu)。
背景技術(shù)：
壓電微型馬達與傳統(tǒng)的電磁馬達相比，尤其是在小尺寸(毫米～厘米)范圍中，壓電微型馬達及壓電驅(qū)動器已經(jīng)顯示了許多獨特的優(yōu)點，諸如相對高的功率密度，大的驅(qū)動力，和相對高的效率。作為精密驅(qū)動元件，壓電馬達及驅(qū)動器正成為一些高技術(shù)產(chǎn)品諸如手機，醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)和其它微型醫(yī)用設(shè)備的關(guān)鍵元件。所有這些應(yīng)用需要小尺寸(從1毫米到1厘米)的微型的驅(qū)動器，所需要的驅(qū)動力在微牛米(μNm)到毫牛米(mNm)， 以及小的功率消耗(小于0.1W)。許多新的驅(qū)動技術(shù)，諸如音圈馬達、壓電驅(qū)動器、壓電超聲微馬達等，已被發(fā)展并瞄準(zhǔn)照相手機中的自動聚焦和變焦。在這些微驅(qū)動技術(shù)中，壓電微馬達在分辨率，驅(qū)動力，和功率消耗等方面已顯示出更好的可行性，并且更容易做到微型化。
因為在幾個厘米尺寸范圍的壓電超聲馬達已成功的應(yīng)用于傳統(tǒng)的照相機自動聚焦和變焦，目前許多研究者已經(jīng)致力于發(fā)展微型壓電超聲馬達作為精密微致動或微驅(qū)動元件和應(yīng)用于微型照相模塊，因為目前的照相手機發(fā)展極快，但缺少一個有效的微型精密驅(qū)動元件用于鏡頭的自動聚焦和變焦。主要原因是傳統(tǒng)的電磁馬達在幾個毫米量級尺寸的制造已變得很困難，而且它的效率在幾個毫米尺寸只剩下百分之幾(＜8％)，因為它缺少足夠強的磁場。而壓電馬達的效率即沒有尺寸效應(yīng)也不存在磁場問題。即使在毫米尺寸，壓電馬達也能維持低速、和相對大的力矩特性。壓電馬達的其它優(yōu)點是快的響應(yīng)，功率切斷后的摩擦鎖定，較少的元件和低的成本。這些特征使壓電馬達具備在微型照相模塊和照相手機中應(yīng)用的必要條件。
兩個成功的壓電馬達應(yīng)用例子是Canon Kabushiki Kaisha公司發(fā)展的環(huán)形和棒狀壓電行波超聲馬達(US Patent 5307102，US Patent5,387,835)它們目前已普遍地應(yīng)用于Canon職業(yè)照相機。但這兩種馬達的尺寸均在幾個厘米范圍，而且也不容易進一步微型化到幾個毫米尺寸并應(yīng)用于照相手機模塊。
最近Henderson發(fā)明了一種棒狀型操作在“呼啦圈”(wobbling)方式的直線壓電馬達(US Patent 6,940,209)，該馬達有一個圓管狀壓電定子，并利用兩對壓電元件在其兩個端部產(chǎn)生“呼啦圈”運動，然后通過螺紋機理驅(qū)動一個插入其內(nèi)的螺桿產(chǎn)生直線運動。這個螺桿再通過一個附著的小球和一個彈性片實現(xiàn)對鏡頭的驅(qū)動。雖然這種馬達可以做成小直徑棒狀結(jié)構(gòu)，但沿鏡頭驅(qū)動方向有一個較長的長度。這對某些需要有超薄結(jié)構(gòu)的鏡頭模塊，顯然是不利的。此外，這種馬達還需要較多的機械和壓電元件和高的驅(qū)動電壓，這也是它的不足之處。
另外一種典型的鏡頭驅(qū)動器是一個壓電振動棒系統(tǒng)，由Minolta Co.，Ltd，公司發(fā)明(US Patent 6,836,057)。該振動系統(tǒng)由一個多層壓電致動器，一個細棒和套在細棒上的鏡頭構(gòu)成。附在細棒上的壓電致動器依靠快-慢交替的振動，使作用在鏡頭上的慣性力沿長棒某一方向更大，從而實現(xiàn)鏡頭的驅(qū)動。這種壓電驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點是相對比較簡單的結(jié)構(gòu)，和低的工作電壓，缺點是該振動系統(tǒng)在沿鏡頭驅(qū)動方向，也需要一個較長的細棒，而且慣性力驅(qū)動方式的效率低，振動系統(tǒng)本身也對外界振動敏感。另外，這種長棒結(jié)構(gòu)也不利于超薄鏡頭模塊的應(yīng)用。
另外一種典型的鏡頭驅(qū)動器是一個矩形壓電L1-B2雙振動模式系統(tǒng)，工作在第一階縱振動模式(L1)和第二階彎曲振動模式(B2)，由Seiko EpsonCorporation發(fā)明(US Patent 6,909,223)。這種振動系統(tǒng)含有一個矩形金屬板和四個壓電薄板并粘接在金屬板上，用于激發(fā)L1和B2模式。這兩種模式的合成在金屬板的端部產(chǎn)生一個具有橢圓運動的駐波，并通過摩擦驅(qū)動與其接觸的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再通過一組薄齒輪減速和獲得大的驅(qū)動力。這個壓電驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點是低的驅(qū)動電壓，缺點是復(fù)雜的系統(tǒng)。另外，要使一個系統(tǒng)同時工作并保持在L1和B2兩種工作模式也是有問題的，因為這兩種工作模式的諧振頻率可能會因外界因素導(dǎo)致不同步變化，從而進一步導(dǎo)致壓電產(chǎn)生的合成橢圓運動紊亂，并使驅(qū)動失效。
因此，有必要發(fā)明一種新的壓電驅(qū)動系統(tǒng)或壓電馬達與驅(qū)動器，和新的鏡頭(或鏡片)驅(qū)動方法用于微型鏡頭的精密驅(qū)動，并實現(xiàn)鏡頭模塊的超薄化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對壓電馬達在實際使用中存在的各種弊端，提供一種新的微型壓電馬達-鏡頭片的集成驅(qū)動機構(gòu)。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種微型壓電馬達-鏡頭片的集成驅(qū)動機構(gòu)，包括環(huán)狀壓電定子、轉(zhuǎn)子和驅(qū)動電源，其特征在于環(huán)狀壓電定子上設(shè)有內(nèi)螺紋，轉(zhuǎn)子為帶有外螺紋的環(huán)狀或圓筒狀，轉(zhuǎn)子與鏡片集成一體；其轉(zhuǎn)子的外螺紋與定子上內(nèi)螺紋吻合；所述的轉(zhuǎn)子通過相互吻合的螺紋旋入定子。
在本發(fā)明涉及的技術(shù)方案中所述的環(huán)狀壓電定子包括一個或一對壓電陶瓷環(huán)和一個金屬環(huán)；所說的壓電陶瓷環(huán)是沿厚度方向極化，其一面電極是一個整體，為底電極，另一面電極由節(jié)點被等間隔劃分成≥4的偶數(shù)份，為頂電極。
在本發(fā)明涉及的技術(shù)方案中所述環(huán)狀壓電定子上的金屬環(huán)含有一個完整的內(nèi)螺紋，或依附有≥4的偶數(shù)個帶有螺紋的向心觸角，帶有外螺紋的轉(zhuǎn)子通過內(nèi)螺紋旋入定子，或通過向心觸角的螺紋旋入定子。
在本發(fā)明涉及的技術(shù)方案中所說的金屬環(huán)可以是一個薄環(huán)，其向心的觸角被分裂成兩半，所說的觸角沿圓周方向具有不同的高度，并同所說的環(huán)狀或圓筒狀轉(zhuǎn)子的外螺紋吻合。
在本發(fā)明涉及的技術(shù)方案中所述的壓電陶瓷環(huán)的壓電陶瓷元件可以是一個多薄層結(jié)構(gòu)；其內(nèi)電極也被劃分成≥4的偶數(shù)份。
在本發(fā)明涉及的技術(shù)方案中所述的環(huán)狀壓電定子在一個電壓信號驅(qū)動下產(chǎn)生一個沿直徑方向擴張、垂直該直徑方向收縮的駐波振動模式，駐波振動模式通過內(nèi)、外螺紋機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)子作軸向運動。
在本發(fā)明涉及的技術(shù)方案中帶有外螺紋的環(huán)狀或圓筒狀轉(zhuǎn)子內(nèi)集成有被驅(qū)動的一個或一組鏡頭片。
本發(fā)明的優(yōu)點在于它提供了一種壓電定子的超薄環(huán)狀構(gòu)造，以及鏡頭片作為轉(zhuǎn)子一部分的直接驅(qū)動的方法，和傳統(tǒng)的基于慣性力方法的壓電驅(qū)動系統(tǒng)相比，具有相對更高的驅(qū)動力和效率，其螺紋傳動機理還具有對振動不敏感；壓電定子上的壓電元件容許被做成薄片狀，或多層薄片結(jié)構(gòu)，可容許馬達在較低電壓下工作；由于壓電馬達和被驅(qū)動鏡頭為一個集成的超薄結(jié)構(gòu)，馬達和鏡頭驅(qū)動機構(gòu)含有更少的元件，更小的尺寸以及更少的造價。特別適合于手機和微型照相機模塊中的光學(xué)鏡頭的自動聚焦和變焦。


圖1為本發(fā)明實施例之一總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1所示壓電馬達和被驅(qū)動鏡頭片沿線1B-1B的剖面圖。
圖3顯示了本發(fā)明壓電馬達在順時針方向的工作原理。
圖4顯示了本發(fā)明壓電馬達在反時針方向的工作原理。
圖5為本發(fā)明實施例之二的剖面結(jié)構(gòu)。
圖6為本發(fā)明實施例之三的剖面結(jié)構(gòu)。
圖7為本發(fā)明實施例之四總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是圖7所示壓電馬達和被驅(qū)動鏡頭片沿線5B-5B的剖面圖。
圖9為本發(fā)明實施例之五總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10是圖9所示壓電馬達和被驅(qū)動鏡頭片沿線6B-6B的剖面圖。
圖11為本發(fā)明實施例之六總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中10-壓電馬達；20-環(huán)形壓電定子；21-壓電元件環(huán)；21a、21b、21c、21d-頂電極；22-金屬環(huán)；22a、22b、22c、22d-觸角；22a’、22b’、22c’、22d’-內(nèi)螺紋；23a、23b、23c、23d-節(jié)點；30-轉(zhuǎn)子；30a-外螺紋；40-鏡頭片；50、50a、50b-驅(qū)動電壓源；1-1、2-2、擴張或收縮軸線。
具體實施例方式
附圖非限制性地公開了本發(fā)明的部分實施例，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步地說明。
由圖1可見所示的壓電馬達10有一個環(huán)形壓電定子20，該定子的內(nèi)環(huán)上有≥4的偶數(shù)個(本實施例為四個)向心的觸角22a、22b、22c和22d，其端部帶有內(nèi)螺紋22a’、22b’、22c’和22d’。馬達10還含有一個中空圓筒型轉(zhuǎn)子30，其外部含有外螺紋30a。轉(zhuǎn)子30的外螺紋同定子四個觸角的內(nèi)螺紋吻合，因此轉(zhuǎn)子30可通過螺紋而被旋入定子20的中心。被驅(qū)動的鏡頭片40直接安裝在圓筒轉(zhuǎn)子30的內(nèi)部。圖2是圖1所示壓電馬達10和被驅(qū)動鏡頭40沿線1B-1B的剖面圖。所說的壓電定子20進一步包括壓電Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)陶瓷環(huán)21或壓電Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)or Pb(Zn1/3Nb2/3O)3-PbTiO3(PZN-PT)單晶環(huán)，和一個金屬環(huán)22。所說的壓電環(huán)21和金屬環(huán)22通過環(huán)氧樹脂粘接復(fù)合在一起。所說的壓電元件環(huán)21有一個整體的底電極(沒有顯示)和一個分成四個部分的頂電極21a，b，c，和d。在原理上，壓電環(huán)的頂電極21可以被劃分成多個偶數(shù)部分，如4，6，8，…等。但出于簡單化考慮，這里選擇4。所說的壓電元件環(huán)21是沿厚度方向極化，其上的箭頭P表示極化方向。當(dāng)一個適當(dāng)工作頻率的交流信號電壓50被施加到壓電定子上，壓電定子將通過它的一對觸角22a和22c(或22b，d用于反方向驅(qū)動)驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再通過螺紋機構(gòu)22a’，22c’和30a，驅(qū)動轉(zhuǎn)子和安裝其內(nèi)的鏡頭40沿鏡頭軸方向運動。壓電定子20有四個節(jié)點位置23a，23b，23c，和23d，可以被用來固定馬達定子而不用擔(dān)心損失駐波振動能量。在美國專利(U.S.Patent 6,940,209，9/2005)，Henderson發(fā)明了一個長棒狀超聲導(dǎo)螺桿馬達(ultrasonic lead screw motor)。該馬達利用四個壓電元件附在一個金屬圓筒上，在一對正交電壓信號激發(fā)下產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的一階彎曲振動，即“呼啦圈”運動，再通過附在金屬圓筒兩端的螺紋驅(qū)動一個旋入圓筒內(nèi)的螺桿產(chǎn)生直線運動。在這個美國發(fā)明專利里，被驅(qū)動的鏡頭片是附在一個金屬彈性片上。馬達的螺桿通過一個小球驅(qū)動這個彈性片，而實現(xiàn)對鏡頭的驅(qū)動。很清楚，本發(fā)明的壓電馬達和被驅(qū)動的鏡頭片是一個集成的超薄機構(gòu)，鏡頭的驅(qū)動機理就是馬達的驅(qū)動機理，這是本發(fā)明專利顯著不同于過去已有的專利的特征和優(yōu)點。另外，本發(fā)明專利有更簡單的結(jié)構(gòu)。
圖3和圖4顯示了該發(fā)明馬達的驅(qū)動方法和工作原理。當(dāng)一個適當(dāng)工作頻率的交流信號電壓50被施加到壓電元件環(huán)21的一對電極21a和21c，壓電定子將產(chǎn)生一個沿直徑線1-1方向擴張、2-2方向收縮的徑向?qū)ΨQ的駐波諧振振動，這將導(dǎo)致觸角22b和22d產(chǎn)生順時針方向的駐波橢圓振動，通過摩擦驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿反時針方向旋轉(zhuǎn)，再通過螺紋機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)子和安裝其內(nèi)的鏡頭40作鏡頭軸方向的運動，見圖3。當(dāng)這個交流信號電壓50被施加到壓電元件環(huán)21的另一對電極21b和21d，壓電定子將產(chǎn)生一個沿直徑線2-2方向擴張、1-1方向收縮振動，導(dǎo)致觸角22a和22c產(chǎn)生反時針方向的橢圓振動，因而驅(qū)動轉(zhuǎn)子和鏡頭作反方向的軸向運動，見圖4。通過一個脈寬調(diào)制電路(沒有顯示)，可以精密的控制作用到壓電定子的電壓脈沖數(shù)目，因此可以精密的控制鏡頭的軸向運動?？梢?，圖3和圖4所示的本發(fā)明工作模式和驅(qū)動方法也是不同于已發(fā)明的驅(qū)動方法。另外，本發(fā)明采用駐波方法，其好處是只需要一個驅(qū)動電壓信號源，這使驅(qū)動電路及壓電定子的頻率跟追得以大為簡化。
圖5為本發(fā)明的另一種實施方式的剖面結(jié)構(gòu)。它與圖1和圖2所示實施例的唯一不同之處是該實施例使用兩個薄的壓電元件環(huán)21，它們對稱的粘接在金屬環(huán)22的兩邊，因此可以實現(xiàn)更低的驅(qū)動電壓，和更好的徑向?qū)ΨQ振動模式。
圖6為本發(fā)明的又一種實施方式的剖面結(jié)構(gòu)。它與上述實施例的區(qū)別在于使用了一個多層結(jié)構(gòu)壓電元件環(huán)21和一個同心的金屬環(huán)22粘接在一起作為馬達定子。多層結(jié)構(gòu)壓電元件環(huán)21的內(nèi)電極也被劃分成4，6，8…部分。它的工作模式和驅(qū)動機理和圖3和圖4所顯示機理相同。該實施例的一個顯著特點是更低的驅(qū)動電壓。
圖7為本發(fā)明的又一種實施方式的總體結(jié)構(gòu)示意圖。它與上述實施例的區(qū)別在于該發(fā)明壓電馬達有一個短而薄圓筒狀壓電定子20，由一個薄的外壓電元件環(huán)21和一個薄的內(nèi)金屬環(huán)22粘接復(fù)合構(gòu)成。薄壓電環(huán)也是沿厚度方向極化，箭頭P指示了它的極化方向。薄壓電環(huán)內(nèi)電極是一個整體，用于地電極，壓電環(huán)的外電極被劃分成4，6，8…，若干段，用于施加電壓信號。在該發(fā)明例子里，外電極被劃分成4段。金屬環(huán)22也含有≥4的偶數(shù)個帶有內(nèi)螺紋的向心觸角22a、22b、22c和22d。壓電馬達的轉(zhuǎn)子30內(nèi)置有鏡頭片40，外帶有螺紋30a，并通過金屬環(huán)觸角的內(nèi)螺紋而被旋入壓電定子20的中心。圖8是圖7所示壓電馬達和被驅(qū)動鏡頭片沿線5B-5B的剖面圖。本實施例的工作原理和圖1和圖2所示實施例的工作原理相同，但結(jié)構(gòu)上更緊湊，馬達定子的外直徑更小。
圖9為本發(fā)明的又一種實施方式的總體結(jié)構(gòu)示意圖。和以上發(fā)明實施例不同的地方是，壓電定子金屬環(huán)上的向心觸角22a、22b、22c和22d被分裂成兩半，并且沿圓周方向具有不同的高度，以便同轉(zhuǎn)子的外螺紋吻合。該發(fā)明實施例的工作原理和發(fā)明實施例之一的工作原理相同，但金屬環(huán)可以用更簡單的模具沖壓方法制作。圖10是圖9所示壓電馬達和被驅(qū)動鏡頭片沿線6B-6B的剖面圖。
圖11為本發(fā)明實施例之六總體結(jié)構(gòu)示意圖。和以上發(fā)明實施例不同的地方是，馬達定子的金屬環(huán)沒有觸角，金屬環(huán)的內(nèi)圓含有全螺紋；壓電定子需要一對正交電壓信號50a和50b驅(qū)動，并依靠行波方法驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，然后利用螺紋機理使轉(zhuǎn)子和其內(nèi)的鏡頭產(chǎn)生軸向位移。該發(fā)明實施例的特點是金屬定子制作簡單，但需要一對正交驅(qū)動電壓信號，驅(qū)動電路比駐波方法復(fù)雜。
權(quán)利要求
1.一種微型壓電馬達-鏡頭片的集成驅(qū)動機構(gòu)，包括環(huán)狀壓電定子、轉(zhuǎn)子和驅(qū)動電源，其特征在于環(huán)狀壓電定子上設(shè)有內(nèi)螺紋，轉(zhuǎn)子為帶有外螺紋的環(huán)狀或圓筒狀，轉(zhuǎn)子與鏡片集成一體；其轉(zhuǎn)子的外螺紋與定子上內(nèi)螺紋吻合；所述的轉(zhuǎn)子通過相互吻合的螺紋旋入定子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型壓電馬達-鏡片的集成驅(qū)動機構(gòu)，其特征在于所述的環(huán)狀壓電定子包括一個或一對壓電陶瓷環(huán)和一個金屬環(huán)；所說的壓電陶瓷環(huán)是沿厚度方向極化，其一面電極是一個整體，為底電極，另一面電極由節(jié)點被等間隔劃分成≥4的偶數(shù)份，為頂電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型壓電馬達-鏡頭片的集成驅(qū)動機構(gòu)，其特征在于所述環(huán)狀壓電定子上的金屬環(huán)含有一個完整的內(nèi)螺紋，或依附有≥4的偶數(shù)個帶有螺紋的向心觸角，帶有外螺紋的轉(zhuǎn)子通過內(nèi)螺紋旋入定子，或通過向心觸角的螺紋旋入定子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型壓電馬達-鏡頭片的集成驅(qū)動機構(gòu)，其特征在于所說的金屬環(huán)可以是一個薄環(huán)，其向心的觸角被分裂成兩半，所說的觸角沿圓周方向具有不同的高度，并同所說的環(huán)狀或圓筒狀轉(zhuǎn)子的外螺紋吻合。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型壓電馬達-鏡頭片的集成驅(qū)動機構(gòu)，其特征在于所述的壓電陶瓷環(huán)的壓電陶瓷元件可以是一個多薄層結(jié)構(gòu)；其內(nèi)電極也被劃分成≥4的偶數(shù)份。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的微型壓電馬達-鏡頭片的集成驅(qū)動機構(gòu)，其特征在于所述的環(huán)狀壓電定子在一個電壓信號驅(qū)動下產(chǎn)生一個沿直徑方向擴張、垂直該直徑方向收縮的駐波振動模式，駐波振動模式通過內(nèi)、外螺紋機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)子作軸向運動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型壓電馬達-鏡片的集成驅(qū)動機構(gòu)，其特征在于帶有外螺紋的環(huán)狀或圓筒狀轉(zhuǎn)子內(nèi)集成有被驅(qū)動的一個或一組鏡片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型壓電馬達－鏡頭片的集成驅(qū)動機構(gòu)。包括環(huán)狀壓電定子、轉(zhuǎn)子和驅(qū)動電源，其中環(huán)狀壓電定子上設(shè)有內(nèi)螺紋，轉(zhuǎn)子為帶有外螺紋的環(huán)狀或圓筒狀，轉(zhuǎn)子與鏡頭片集成一體；轉(zhuǎn)子的外螺紋與定子上內(nèi)螺紋吻合；轉(zhuǎn)子通過相互吻合的螺紋旋入定子。其優(yōu)點是它提供了一種壓電定子的超薄環(huán)狀構(gòu)造，鏡頭片作為轉(zhuǎn)子一部分被直接驅(qū)動，具有相對更高的驅(qū)動力和效率，螺紋傳動還具有對振動不敏感的特點；由于壓電定子上的壓電元件為薄片狀或多層薄片結(jié)構(gòu)，可容許馬達在較低電壓下工作；由于馬達和鏡頭驅(qū)動機構(gòu)含有元件少，相對尺寸小和造價低，特別適合于手機和微型照相機模塊中的光學(xué)鏡頭的自動聚焦和變焦。
文檔編號G02B7/08GK101056073SQ20071002241
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者董蜀湘 申請人:董蜀湘