CN1750379A - 超声马达 - Google Patents

Abstract

一种超声马达包括定子(20)，其包括可变形的振动器(28)，以及结合到该定子(20)的可激励的压电元件(24)，以及该超声马达包括转子(26)，当激励压电元件(24)时，该转子位于振动器(28)的径向齿(30)上。该转子(26)通过由于压电元件(24)的激励在振动器(28)中产生径向延伸的驻波而角度可移动。还提供了一种镜头单元(10)和摄像机。

Description

超声马达

技术领域

本发明涉及一种超声马达，更具体的，涉及一种驻波类型的超声马达，以及一种用于具有这样的超声马达的摄像机类型的电话的镜头单元。

背景技术

包括摄像机的移动或者无线电话的普及是熟知的。随着朝着部件的连续小型化，从而性能增加的进展，复杂的马达结构和齿轮系统已经抑制用于这样的应用中的更加传统的变焦和自动聚焦机构的尺寸减小。

因此，本发明的目的是提供这样的问题的解决方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，设置有超声马达，其包括：转子；以及定子，其包括弹性可变形的振动器，多个从振动器延伸的用于啮合和驱动转子的齿，以及结合到该振动器的可激励的压电元件，其特征在于，该振动器是环形的环，该转子响应于由于压电元件的激励在振动器中产生径向延伸的驻波通过齿角度可移动，以及这些齿从振动器延伸，且位于偏离驻波的波峰。

本发明的第一方面的优选的和/或可选的特征在权利要求2到12中阐明，包括在内。

根据本发明的第二方面，设置有用于摄像机的镜头单元，该镜头单元包括内部镜头筒、在内部镜头筒可滑动的第一光学模块，以及根据本发明的第一方面的超声马达，该光学模块与超声马达的转子啮合，以便超声马达的激励引起光学模块相对于内部镜头筒的轴向移动。

本发明的第二方面的优选的和/或可选的特征在权利要求14到17中阐明，包括在内。

根据本发明的第三方面，设置有一种摄像机，其包括根据本发明的第二方面的镜头单元，以及一种缩放控制器，用于激励镜头单元的超声马达，以控制第一光学模块的移动，以便实现摄像机的缩放功能。

根据本发明的第四方面，设置有一种摄像机，其包括根据本发明的第二方面的镜头单元，以及自动聚焦控制器，用于激励镜头单元的超声马达，以控制两个光学模块的任一个或者两个的移动，以便实现摄像机的自动聚焦功能。

优选的，该摄像机包括为电话的一部分，尤其是便携式电话的一部分。

附图说明

现在只通过例子，参考附图来更具体地描述本发明，其中：

图1是具有根据本发明的第一方面的超声马达的根据本发明的第二方面的镜头单元的视图；

图2是图1的镜头单元的截面图；

图3是图2的一部分的放大视图；

图4是当在第二条件下时的镜头单元的视图；

图5是超声马达的定子的透视图；

图6是示出了在第一振动模式下的定子的概略平面图；

图7是示出了在第二振动模式下的定子的概略平面图；以及

图8是超声马达的驱动电路的电路图。

具体实施方式

现在参考图1和2，示出了用于便携式电话的摄像机的镜头单元10，其包括固定到摄像机的机壳或者壳体(没有显示)的内部镜头筒12、可伸缩地安装在内部镜头筒12中第一光学模块14、部分地在内部镜头筒12的端部之间安装内部镜头筒12内的第二光学模块16，以及围绕内部镜头筒12设置的超声马达18。光学模块显示为处于完全延伸的位置，它们之间有最大的分离。超声马达18包括定子20和转子26。

超声马达18的转子26采用开放端部的圆柱的形式，其孔具有稍微大于镜头单元10的内部镜头筒12的外径的直径，以便转子26同轴地容纳在内部镜头筒12上，且相对于内部镜头筒可旋转。转子26位于定子的齿30上，如下文中将更详细地描述的。

转子26相对于在一端处的定子20的齿30与在另一端处安装在内部镜头筒12上的销51和滚子52之间的内部镜头筒12的纵向范围保持。滚子52可旋转地安装在销51上，该销固定到内部镜头筒12的上部端。滚子52是弹性材料或者类似物，其可弹性形变，且定位成施加稍微的推进力或者预载荷到转子26，以增加与齿30的摩擦啮合。这样，滚子52起弹簧的作用。

转子26具有两个偏斜的槽54、55，如图1和4所示。内部镜头筒12具有槽53，其在内部镜头筒12的轴向上或者垂直地延伸，如图所示。第一和第二光学模块14、16每个包括固定的径向延伸引导销56、57，其使光学模块14、16与内部镜头筒12和转子26啮合。销56在转子槽54和槽53内行进。销57位于转子槽55和槽53内。

当转子26转动时，由槽53限制到轴向运动的销56沿着槽54滑动，引起光学模块14以可伸缩的方式轴向在内部镜头筒内移动。同时，也由槽53限制到轴向运动的销57沿着槽55滑动，引起光学模块16在内部镜头筒内轴向移动。图1和2示出了在第一完全延伸的位置中的镜头单元10，而图4示出了在第二完全收缩的位置中的具有第一和第二光学模块14、16的镜头单元10。当然，根据马达控制，变焦位置可以根据需要停止在两个所示位置之间的任何位置。在本实施例中，槽54以螺旋通道围绕转子延伸，而槽55以螺旋通道围绕转子在相反的方向上延伸，且成浅很多的倾斜角。这样，转子的旋转引起光学模块14移动得比光学模块16远。在所示的实施例中，光学模块14的移动具有变焦功能，而光学模块16的移动补偿了变焦图像的焦距的稍微变化，这样提供了基本的聚焦功能。然而，对于具有自动聚焦功能的镜头单元，第二光学模块16可以由第二马达或者致动器来驱动，在这样的情况下，转子26将只移动第一光学模块。或者，对于手动变焦或者非变焦的镜头单元，转子可以只移动第二光学模块16，以提供自动聚焦功能。

如在图5中单独地显示的，定子20包括可弹性形变的、通常金属的、环形的环振动器28、结合到振动器28的压电元件24，以及围绕振动器28的面向内的表面34等距离地分开的多个径向延伸的齿30。齿30不轴向突出超过振动器28的平面。如在齿30的内表面之间测量的，定子20的内径稍微大于镜头单元10的内部镜头筒12的外径，且围绕其圆周延伸，如图1和2所示。定子20通过诸如锚定或者螺钉，但是最好是通过振动器28中的孔23的销22之类的合适的紧固件来接附到镜头单元10的内部镜头筒12。

压电元件24也是环形的，且具有匹配或者大致匹配振动器28的直径的直径。压电元件24粘合或者另外结合到振动器28的轴向端面32，该轴向端面在面向内和面向外表面34、36之间，且离开转子26最远。

压电元件24均匀地分为极化区域42的第一和第二组38、40。每个区域42等角度地与相邻的区域42分开。第一和第二组区域42交替地极化，以提供正的和负的极化区域42。压电元件24设置在振动器28上，以便齿位于第一和第二组38、40的正极化的区域42a之间的间隙44中，以及第一和第二组38、40的负极化的区域42b之间的间隙46中，如图5所示。因此，每个齿30相应于两个类似极化的区域42a、42b，一个区域来自区域42的第一组38，一个区域来自第二组40。极化的区域42的两个组38、40的电极(没有显示)的圆周长度相应于每个区域42的圆周长度。每个极化的区域42具有近似等于要在振动器28中产生的驻波的波长的四分之一的圆周长度。这样，驻波的每一个波长设置有两个齿30。

如图6和7中所示的，通过提供极化的区域42的两个组38、40以及定位在共同的区域42之间的齿30，当通过激励极化的区域42的组38、40之一来在振动器28中引起驻波时，由于齿30偏离相关的区域42，从而偏离驻波的波峰，所以每个齿30在振动器28的平面中的轨迹P上移动。认为该轨迹P为沿着跟随相对于径向线稍微偏斜的定子的弦的线。根据区域42的哪个组28、40被激励，该轨迹P的方向从半径偏斜。

参考图6，当极化的区域42的第一组38由正弦信号激励时，径向驻波在振动器环中引起或者产生。当输入信号具有匹配定子的自然径向谐振频率的频率时，马达更加有效地工作。然而，为了给定更好的可控性，使用的输入信号的频率可以稍微不同。

在定子20中导致的振动显示为由在振动期间在运动的任一极端处变形的环的两个虚线描绘来夸大。如可见的，6个齿30的每一个在逆时针方向上向内运动，从而当它们啮合转子时，它们在逆时针方向上推动转子。

图7是类似于图6的视图，示出了通过激励极化区域42的第二组40引起的驻波。如可见的，驻波是类似的，但是圆周地移动，使得齿30现在在波峰的相反侧上。这导致跟随相对于半径在相反方向上偏斜的线的齿轨迹P。这样，齿30在顺时针方向上向内移动，从而在顺时针方向上推动转子，这与图6的方向相反。

尽管图6和7被夸大来说明该功能，可以看出，图6和7的节点没有对准。因此，用于容纳定子安装销22的孔23位于这些节点之间的中间，以在两个方向或者节点上最小振动的区域中，但是实际上不是或者没有必要在任一模式下都没有振动的区域中。尽管有6个这样的区域，但是只使用了3个相等分开的销22和孔23。

如图2所示，销22在最小振动或者运动的这些位置处通过在振动器28中的孔23。在优选的实施例中使用3个销22，且最小振动的区域相应于相邻的相反极化的极化区域42之间的区域。销的功能是约束在轴向和圆周方向上的运动，而允许径向振动运动。然而，由于在圆周偏移的位置处产生两个驻波，因此没有在两种振动模式下都没有振动的相应的节电或者区域，这样，孔23在销22上具有间隙，以允许一些振动或者运动。

通过齿30作用在转子26上来引起转子的运动。如前所述，轴向弹性地推动转子与定子20接触，尤其是与齿30接触。然而，如果转子简单地以平面接触位于齿30的顶部上，那么齿30将简单地振动，且转子不会转动。因此，需要建立转子和齿之间的接口，以允许齿的径向运动来与转子的轴向载荷相互作用，以引起转子转动。

这可以通过设置非轴向平面、非径向平面接口来实现，最简单地通过在转子边缘和齿边缘的任一个上或者两者上的倾斜的边缘来实现。显示的实施例使用在齿和转子两者上的倾斜的表面，以最小化磨损和增加表面接触，以减小驱动期间的滑动。图3是图2的一部分的放大，示出了转子26和齿30之间的接口。转子26的轴向端具有以45度倾斜的外部边缘50。齿30的上表面也具有以45度倾斜的边缘48，以匹配转子上的斜面。实际的角度不是关键性的，且可以依赖于应用的要求变化，但是最好这些斜面匹配，以给定面接触，而不是线或者点接触，尽管这也是有用的。

这样，如图3中所示，齿30邻近转子26的边缘48是倾斜的或者斜切的，且啮合齿30的转子26的外部边缘50是互补地斜的或者斜切的。

为了驱动转子26，超声马达18还包括驱动电路58，其激励压电元件24。如图8所示，驱动电路58包括采用电池形式的电源60；信号发生器62，当由电源60激励时，信号发生器以定子20的谐振频率输出PWM信号；以及开关64，用于选择压电元件24的极化区域42的第一和第二组38、40的哪一组被激励，如由GA和GB表示的。还设置第一和第二电感66、68，当通过开关64选择时，这些电感结合压电元件24的极化区域42的第一或者第二组38、40作用，以形成振荡放大器电路，其提高来自信号发生器62的信号输出的电压幅度。该驱动电路58还包括开关晶体管70，以增强振荡放大器电路的负载能力，以及包括限流电阻72，以保护开关晶体管70防止电压损坏。

LCD驱动芯片可以用作信号发生器62，如那些可以产生具有高频和高幅度的PWM信号，通常在20到30伏的范围。

在使用中，驱动电路58的开关64首先操作为选择压电元件24的极化区域42的哪一组38、40要被激励。通过激励极化区域42的第一组38，在可变形的定子20中引起第一驻波。该第一驻波只在定子20的振动器28的径向上振荡。如图5和6可以很好地看出，由于相关的齿30在逆时针方向上偏离各个极化区域42，所以齿30沿着非径向的轨迹移动。齿30的移动引起齿30往复地移动到与转子26啮合和断开。当齿30重新啮合转子26时，齿30的运动施加逆时针的推动力到转子26。

相反地，当开关64操作为激励压电元件24的极化区域42的第二组40时，在定子20中引起与第一驻波角度偏移的第二驻波。该第二驻波只在可变形的定子20的振动器28的径向上振荡。如图5和7可见，相关的齿30在顺时针方向上从各个极化区域42偏移。这导致每个齿30沿着不同的非径向轨迹移动。如上所述，由于定子的运动，因此每个齿30往复地移动与转子26啮合和断开。当每个齿30重新啮合转子26时，齿30的运动施加顺时针的推动力到转子26。这样，转子的运动方向依赖于哪一组极化区域被激励。

通过将开关64移动到OFF的位置或者断开驱动电路58可以随时停止第一和第二光学模块14、16的移动。

这样，通过使用利用与通常所知的轴向弯曲谐振相反的径向弯曲谐振的旋转超声马达，可以提供特别紧凑和节省成本的机构，通过该机构，摄像机镜头可以精确地变焦和聚焦。

上述的实施例描述了适用于摄像机的镜头单元的结构。这种类型的镜头单元特别适于包括到电话单元中，尤其是便携式或者无线摄像机电话。

镜头单元通常电连接到摄像机的变焦控制器，以允许操作驱动电路的开关，这样控制镜头单元。替代地，或者另外，该镜头单元可以电连接到摄像机的自动聚焦控制器，通过该自动聚焦控制器，开关自动地由摄像机控制，以便光学模块移动到自动聚焦图像。

尽管第一和第二光学模块显示为跟随某些偏斜的轨迹，但是可以理解，可以使用任何合适的偏斜轨迹形状，从而允许第一和第二光学模块进行任何类型的相对轴向位移。

可以设置多于两个的光学模块。可以设置多于一个的超声马达来移动光学模块。或者，可以设置只有一个光学模块，或者只有一个光学模块由各个超声马达移动。

尽管上述的超声马达形成用于摄像机的镜头单元的一部分，但是该超声马达本身具有很多除用于透镜单元中以外的很多应用。

还可以理解，可以设置多于一个的压电元件，这样使得第一和第二组极化区域可以复制或者设置在独立的压电元件上。

如果第一组极化区域设置在第一压电元件上，第二组极化区域设置在第二压电元件上，那么转子将通过由于第一压电元件的激励而在定子的振动器中产生的径向延伸的驻波来在逆时针方向上角度移位。这样，转子将通过由于第二压电元件的激励而在定子的振动器中产生的径向延伸的驻波来在顺时针方向上角度移位。

齿可以从振动器的外表面径向延伸，以与具有较大直径的转子啮合。齿还可以从环的轴向面延伸，且仍然通过齿的径向移动来驱动转子，但是这不是优选的结构。

上述的实施例只是通过例子来给出的，在不偏离由后附的权利要求书限定的本发明的范围的情况下，本领域中的普通技术人员会明白本发明的进一步的修改。

Claims (20)

1.一种超声马达，其包括：转子(26)；以及定子(20)，其包括弹性可变形的振动器(28)，多个从振动器延伸的用于啮合和驱动转子(26)的齿(30)，以及结合到该振动器(28)的可激励的压电元件(24)，其特征在于，该振动器(28)是环形的环，该转子(26)响应于由于压电元件(24)的激励在振动器(28)中产生径向延伸的驻波通过齿(30)角度可移动，以及这些齿(30)从振动器(28)延伸，且位于偏离驻波的波峰。

2.如权利要求1所述的超声马达，其特征在于，该转子(26)通过由于压电元件(24)的激励在振动器(28)中产生的第一所述径向延伸的驻波在第一方向上角度可移动，以及通过由于压电元件(24)的激励在振动器(28)中产生的第二径向延伸的驻波在与第一方向相反的第二方向上角度可移动。

3.如权利要求1所述的超声马达，其特征在于，还包括结合到振动器(28)的第二压电元件(24)，该转子(26)通过由于第一压电元件(24)的激励在振动器(28)中产生的第一所述径向延伸的驻波在第一方向上角度可移动，以及通过由于第二压电元件(24)的激励在振动器(28)中产生的第二径向延伸的驻波在与第一方向相反的第二方向上角度可移动。

4.如权利要求1所述的超声马达，其特征在于，该齿(30)具有倾斜的边缘(48)，用于与转子(26)的互补成形的部分啮合。

5.如权利要求4所述的超声马达，其特征在于，该转子(26)位于齿(30)上，且被弹性推动与齿(30)轴向接触。

6.如权利要求5所述的超声马达，其特征在于，变形的弹性体滚子(52)引导该转子，且提供弹性推动。

7.如权利要求1所述的超声马达，其特征在于，该压电元件(24)具有两组(38、40)极化区域(42)，第一组(38)极化区域(42)定位成使得当压电元件(24)被激励时，振动器(28)的径向延伸的齿(30)施加逆时针的旋转到相邻的转子(26)，第二组(40)极化区域(42)定位成使得当压电元件(24)被激励时，振动器(28)的径向延伸的齿(30)施加顺时针的旋转到该转子(26)。

8.如权利要求1所述的超声马达，其特征在于，该齿(30)分开在定子(20)的振动器(28)中产生的驻波或者每个驻波的波长的一半。

9.如权利要求1所述的超声马达，其特征在于，这些齿从振动器(28)的表面(34)径向延伸。

10.如权利要求1所述的超声马达，其特征在于，还包括用于激励该压电元件(24)或者每个压电元件(24)的驱动电路(58)，其中，该驱动电路(58)包括DC电源(60)、驱动开关晶体管(70)的PWM信号发生器(62)、将电源(60)连接到晶体管(70)的第一电感(66)、选择性地通过开关(64)将电源(60)连接该压电元件(24)或者每个压电元件(24)的极化区域(42)的每个组(38、40)的第二电感(68)，该第一和第二电感和极化区域的选择的组形成振荡放大器电路，将从信号发生器(62)输出的信号放大，以激励选择的组。

11.如前面的权利要求中的任何一项所述的超声马达，其特征在于，该压电元件(24)或者每个压电元件(24)由一定频率的交流电信号激励，以在环形振动器(28)中产生N阶径向谐振振动驻波。

12.如权利要求11所述的超声马达，其特征在于，N等于区域(42)的每个组(38)、(40)中的极化区域(42)的数量的一半，以及该交流电信号是正弦波。

13.一种用于摄像机的镜头单元，该镜头单元包括内部镜头筒(12)、在内部镜头筒(12)中可滑动的第一光学模块(14)，以及如在前面的权利要求中的任何一项所述的超声马达(18)，该第一光学模块(14)与超声马达(18)的转子(26)啮合，以便超声马达(18)的激励引起第一光学模块(14)相对于内部镜头筒(12)的轴向移动。

14.如权利要求13所述的镜头单元，其特征在于，该第一光学模块(14)包括销(56)，其在形成在转子(26)中的偏斜槽(54)中以及在内部镜头筒(12)的轴向槽(53)中行进，销(56)沿着偏斜槽(54)的运动引起第一光学模块(14)沿着内部镜头筒(12)的圆柱轴线移动。

15.如权利要求13或者14所述的镜头单元，其特征在于，超声马达(18)的转子(26)位于围绕内部镜头筒(12)。

16.如权利要求13所述的镜头单元，其特征在于，还包括在内部镜头筒(12)可滑动且与超声马达(18)的转子(26)啮合的第二光学模块(16)，以便超声马达(18)的激励引起第二光学模块(16)相对于内部镜头筒(12)轴向移动。

17.如权利要求16所述的镜头单元，其特征在于，该第二光学模块(16)包括销(57)，其在形成在转子(26)中的偏斜槽(55)中以及在内部镜头筒(12)的轴向槽(53)中行进，销(57)沿着偏斜槽(55)的运动引起第二光学模块(16)在内部镜头筒(12)内轴向移动。

18.一种摄像机，其包括如权利要求13到17中的任何一项所述的镜头单元(10)，还包括一种缩放控制器，用于激励镜头单元(10)的超声马达(18)，以控制第一光学模块(14)的移动，以便实现摄像机的缩放功能。

19.一种摄像机，其包括如权利要求13到17中的任何一项所述的镜头单元(10)，还包括一种自动聚焦控制器，用于激励镜头单元(10)的超声马达(18)，以控制第一光学模块(14)的移动，以便实现摄像机的自动聚焦功能。

20.如权利要求18或者19所述的摄像机，其特征在于，该摄像机包括为电话的一部分。

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