CN201118469Y - 一种驱动自动调焦镜头模组的超声电机 - Google Patents

Abstract

一种驱动自动调焦镜头模组的超声电机，包括定子和转子，所述定子包括一个多面体定子基体及多个固定在多面体外表面上的压电元件，所述转子为空心圆柱体，其外表面加工有螺纹，转子的空心圆柱体嵌有光学透镜组，所述的定子基体为空心结构，内壁加工有与转子相配合的螺纹。采用上述超声电机驱动的自动调焦镜头模组，包括所述的超声电机、安装在柔性线路板或印制电路板上的感光芯片、包围感光芯片并为电机提供支撑的底座，以及安装在柔性线路板上的驱动电路。本实用新型的优点在于：结构简单结实、部件数目少、工艺简单易行、成本低，采用现有的设备水平便可以进行大批量生产，为手机调焦镜头模组的生产提供了新的结构、工艺与方法。

Description

一种驱动自动调焦镜头模组的超声电机

技术领域

本实用新型涉及一种自动调焦镜头模组，特别涉及一种驱动自动调焦镜头模组的超声电机。

背景技术

超声电机是利用压电材料的逆压电效应，将多个压电元件组合在特定的结构内所得到的驱动机构，它一般由定子、转子等功能部件构成，通常在定子上固定了具有电致伸缩效应的压电元件。现有的超声电机一般设置四(或其整数倍)个压电元件，其驱动采用两相正交正弦电源，即将压电元件以四个为一组先分组，每组相对的两个压电元件先反向串联起来，再分别加上电源信号sinωt与cosωt(图1)，从而在超声电机的定子上产生驻波或行波，并借助于定子和转子之间的摩擦力驱动转子旋转。

在图1中所示的一种已有的超声电机中，定子11由外贴陶瓷压电元件12的空心金属柱组成，压电元件12由压电片121、122、123、124组成，所有的压电片的外表面被金属化后形成电极，其内表面被金属柱短接，形成公共点并接地。当其上的压电片121-124分别被正向极化(以+号表示，指极化方向由外部指向金属内筒)后在压电片121与压电片123间加上2Msinωt，在压电片122与压电片124间加上2Mcosωt(如图1中虚线所示)，其中M为驱动单个压电片所需电压的幅值，转子13就能转动起来。

工程上出于简化电路的目的，常采用电路结构更为简单的桥式逆变电路输出同频同相的方波来代替正弦波输出。如图2，采用两个独立控制的单相H桥，为分别由支路21和支路22组成的H桥，以及分别由支路23和支路24组成的H桥，分别输出相位相差90°电角度的方波，以替代图1中的正弦波电源(参见图1中实线部分)，也可以使电机转动起来。

用图1所示的电机构成调焦镜头模组时，如图3所示，电机15安装在需要调节焦距的镜头14旁，具有螺纹的电机轴在旋转时同时产生轴向位移，此位移经过一个传动机构16传递到镜头上，推动镜头上下移动，产生调焦效果。

用图1所示的电机构成调焦镜头模组(图3)时，尽管电机15可以做得很小，例如小至1.5mm直径，但因为电机必须安装在镜头14旁，考虑到必要的间隙、传动机构16及其它结构辅件及封装，模组的整体尺寸总是大于镜头+电机的尺寸。例如，当采用M6.5mm的镜头及Φ1.5mm的电机时，模组的最小封装尺寸为8.5×8.5mm。分离的镜头14与电机15限制了模组尺寸的进一步小型化。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题之一在于提供一种模组尺寸进一步小型化的驱动自动调焦镜头模组的超声电机。

本实用新型所要解决的技术问题之二在于提供采用上述的超声电机直接驱动的、可以自动调焦镜头模组。

本实用新型采用如下技术方案解决上述技术问题之一：一种驱动自动调焦镜头模组的超声电机，包括定子和转子，所述的定子包括一个金属材料的多面体定子基体及多个固定在多面体外表面上的压电元件，所述转子为空心圆柱体，空心圆柱体的外表面加工有螺纹，转子的空心圆柱体嵌有光学透镜组，所述的定子基体为空心结构，内壁加工有与转子相配合的螺纹。

所述的压电元件的个数为四或四的倍数，对称分布在定子的外表面上。

所述的压电元件数目为三或三的倍数。

所述的定子固定在一块印制电路板上，所述定子具有一外框，所述印制电路板与外框共同构成定子的外封装。

所述的转子上部安装一个限位卡环，所述的定子外框上有与所述的转子限位卡环相对应的限位柱。

所述的印制电路板为补强的柔性电路板。

本实用新型采用如下技术方案解决上述技术问题之二：一种自动调焦镜头模组，包括所述的驱动自动调焦镜头模组的超声电机、安装在柔性线路板或印制电路板上的感光芯片、包围感光芯片并为电机提供支撑的底座，以及安装在柔性线路板上的驱动电路。

所述底座上固定了所述的印制线路板或柔性电路板。

所述底座带有延伸柱，所述超声电机的定子直接固定在底座的上部平台上，定子的出线采用柔性电路板，电机的外框直接滑套入底座的延伸柱上。

所述电机外框为一安装在延伸柱的方形顶盖。

本实用新型的优点在于：模组中的镜头与电机的转子实际为同一个部件，从而减少了模组部件的数目，简化了加工、装配过程，能有效缩小模组的最终封装尺寸，成为模组微型化的标杆。例如，同样采用M6.5mm的镜头来封装模组，具有调焦功能的模组的封装尺寸可以轻易做到8.0×8.0mm，小于现有模组的封装尺寸。当采用更薄的结构件时，例如，将定子基体的厚度及压电元件的厚度各由0.25mm降至0.20mm，及将定子与外框间的间隙由0.25mm减至0.15mm时，模组的外封装尺寸可以做到7.6×7.6mm。此外，本实用新型中的电机有着较大尺寸的主动部件，可以提供更好的机械与电气性能，还可以封装成更小的模组，特别是采用普通精度的机床与工艺便可以制造与装配，极其具有先进性及实用性。

附图说明

下面根据附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明：

图1为一种已知的超声电机的结构及其极化与驱动方式示意图。

图2为一种已知的采用两相正交方波驱动方式时的双H桥驱动电路示意图。

图3为一种已知的超声电机驱动的镜头模组，图3a、图3b分别示意了模组焦距为远焦及近焦时镜头的位置与运动方向。

图4a及图4b为一种多面体螺纹驱动一体化超声电机及其直接驱动的光学透镜组的结构示意图。

图5为本实用新型中的超声电机各压电元件的极化及驱动接线示意图。

图6a及图6b为一种三相桥式驱动电路输出两相正交电压时的电路示意图。

图7为图6b中三桥臂的控制信号波形示意图及输出电压波形图。

图8为一种多面体螺纹驱动一体化超声电机采用三相驱动时超声电机各压电元件的极化及驱动接线示意图。

图9a及图9b为三相桥式驱动电路输出三相正交电压时的三桥臂的控制信号波形示意图及输出电压波形图。

图10a及图10b为本实用新型中多面体螺纹驱动一体化电机的装配示意图。

图10c及图10d分别为本实用新型中多面体螺纹驱动一体化电机中的印制电路板底面及顶面图。

图11为电机中印制电路板与外框等部件的示意图。

图12a及图12b为电机中转子与卡环等部件的示意图。

图13a为本实用新型中的自动调焦镜头模组的装配示意图。

图13b为本实用新型中的另一种自动调焦镜头模组的装配示意图。

图14为本实用新型中的第三种自动调焦镜头模组的装配示意图。

图15a及图15b为图13a模组中柔性电路板、感光芯片、底座等部件的示意图。

图16a及图16b为本实用新型中的另一种自动调焦镜头模组的底座与装配示意图。

图17为模组中的电机定子采用柔性电路板时的装配图。

图18为本实用新型中的另一种自动调焦镜头模组的底座与顶盖装配示意图。

具体实施方式

图4所示的超声电机包括设有中心圆孔的定子31和转子33。定子31由一空心柱状金属体构成，其上固定有数个(图中为8个)压电元件32，转子33则由内嵌光学透镜组34的回转壳体组成。定子31基体与转子33通过螺纹313相配合，即定子31的中心圆孔内壁设有内螺纹，转子33的外表面设有相应的外螺纹，两者具有相同的螺距。定子31基体的外形为多面体状或圆柱状并具有空心内壁，其金属材质使得其上的压电元件32有了一个公共节点，称之为公共地(见图5中B点)。针对图4所示的多面体螺纹驱动一体化超声电机，采用了极化方式如下，即每四个一组相邻的压电片依次采用++--的极化方式(相邻两片正向极化，再下两片反向极化)。如图5，压电元件32由压电片321、322、323、324、325、326、327、328组成，依次按++--++--的方式极化。而且，驱动压电元件32的驱动电压不再是加在两个压电片之间，而是加在每一个压电片与金属内环(公共地)之间。这样，参考图5，一组中被正向极化的压电片与同组中相对的另一个被负向极化的压电片不再是串联供电，而是变为并联供电。即在压电片321、323、325、327与公共地间输入Msinωt，在压电片322、324、326、328与公共地间输入Mcosωt，其中M为驱动单个压电片所需的电压。这样，超声电机所需的电源电压仅为其它驱动方式的一半，有效降低了驱动电压的幅值。

现在我们用正交的方波电压来代替前述的正弦波电压驱动电机。借用如图2所示的双H桥方案，但由于所述的超声电机中金属内环的短接作用，如图6a中虚线所示，图6a实际上可转化为图6b，只剩下三只有效桥臂，电路变为三相全桥电路。对于三相桥式逆变电路，若要输出两相正交电压，可以采用如下的控制方法：

1.各桥臂均采用180°方波控制信号，如图7a所示，频率为超声电机在共振区域内的频率；桥臂中上下管互补导通(实际控制中，为防止桥臂上下管直通，还需设置一定的死区时间)。

2.桥臂61相位初始角为0(如图7a-A)，桥臂63与桥臂61反相(如图7a-C)，桥臂62相位滞后桥臂61 90°电角度(如图7a-B)。或桥臂62相位超前桥臂61 90°电角度(图中未示出)，此时超声电机反转。

3.输出为两相相差90°电角度的交流方波电压，如图7b，分别取自桥臂61的中点A或桥臂63的中点C与桥臂62的中点B之间，幅值为单个压电片所需电压的幅值，频率为超声电机在共振区域内的频率。

4.桥式逆变电路之前可以前置DC/DC电路，用于将供电电压变换至所需的电压值。例如，在用电池供电的场合下，用升压式DC/DC电路将电压提升至一定数值。

进一步的，可以采用各种PWM，如SPWM，SVPWM等控制方式来代替方波控制，使输出波形更接近正弦波。

采用三相桥式电路输出两相正交电压的优点是仅需六只开关管，采用++--的极化方式可以有效地降低供电电源的电压幅值，进而可以简化驱动电路，提高驱动电路的效率，降低成本，特别有利于超声电机在电池供电的手持类设备中应用。

对于图4中所示的超声电机，如果只安装六只压电元件，便可以转化为如图8所示的超声电机，包括压电片322、323、324、326、327、328，便可以采用三相桥式电路并输出三相对称交变电压来驱动。在采用三相驱动时，电机的极化与接线方式如图8所示，驱动电路图仍如图6b，驱动波形见图9。

针对有金属内环、压电元件数目为三或其倍数且共地的压电超声电机如图8，采用如图8所示的极化方式(全部正向极化)，并采用图6b所示三相桥式逆变电路作为驱动电路，其三桥臂的控制方式如下：

1.各桥臂均采用180°方波控制信号(图9a)，也可以采用120°方波控制信号，频率为超声电机在共振区域内的频率；桥臂中上下管互补导通(实际控制中，为防桥臂上下管直通，还需设置一定的死区时间)。

2.桥臂61相位初始角为0(图9a-A)，桥臂62相位滞后桥臂61120°电角度(图9a-B)，桥臂63相位再滞后桥臂62 120°电角度(图9a-C)。或桥臂62、63相位依次超前桥臂61 120°电角度(图中未画出)，此时超声电机反转。

3.输出为三相相差120°电角度的交流电压(图9b)，分别取自桥臂61、62及桥臂63的中点并作Y连接，幅值为两个压电片串联所需电压的幅值，频率为超声电机在共振区域内的频率。

4.桥式逆变电路之前可以前置DC/DC电路，用于将供电电压变换至所需的电压值。例如，在用电池供电的场合下，用升压式DC/DC电路将电压提升至一定数值。

进一步的，可以采用各种PWM，如SPWM，SVPWM等控制方式来代替方波控制，使输出波形更接近正弦波。

采用三相桥式电路输出三相对称电压的优点是仅需六只开关管，电路简单，便于IC化，输入电流自动平衡，输出力矩脉动小，应用前景广阔。

为了实现图5中所示的压电元件之间的电气互连，本实用新型采用了双层印制电路板35，如图10a，安放在电机定子31的正下方。该电路板35中心有孔，使得电机的转子可以通过，如图10b。固定有压电元件的电机定子31基体固定在电路板35上，采用焊接、电镀、键合(Bonding)等方式实现压电元件32与电路板35之间的互连。电路板35上还有预置的柔性电路接口，如图10c，用以实现电路板35与驱动电路的互连。

所述的电路板35与安装在其上并包围了电机定子31的外框36配合提供了电机的完整外封装，如图11，用以保护电机。电机除在底部与电路板15之间存在固定连接外，在其它地方与外框36之间都留有一点间隙，从而不影响电机定子31工作时的振动(参见图13)。可以采用金属外框以减小壁厚。

可以采用柔性电路板来替代上述的印制电路板。

在制作电机的定子31时，先采用机械切削的方法加工中空且有螺纹的多面体定子31基体，然后将压电元件32依次放置到覆涂有焊膏的定子31基体外表面上，装入特制的夹具中并完成焊接升温过程(参见图4-5)。

可以采用粘接的方式来固定压电元件。

在将定子31固定到电路板35上并完成互连加工后(参见图10)，放入一体化镜头转子。该转子33为圆柱状，外壁加工有螺纹，可与定子31基体上的内螺纹相配合，内部嵌有一组光学镜头34，如图12。转子33上部的卡环37用来限定转子镜头在无限远焦距和最近焦距时的两个极限运动位置，控制调焦过程中的复位与行程。

再放上外框36，并固定(参见图11)，得到一个完整的超声电机。外框36上有与卡环相对应的限位机构361，控制调焦过程中的复位与行程。该电机内含镜头34，在通电后镜头可以产生旋转及轴向移动，实现调焦过程(参见图13a)。

请参见图13a，图15a及图15b，可以进一步将超声电机扩展制作成具有自动调焦功能的镜头模组：首先，将感光芯片391焊接在预制好的柔性电路板39上，若有必要，同时可以将感光芯片391的附加电路及超声电机的驱动电路焊接好，放上保护感光芯片的底座38，并固定之，其上再放上前述制作好的超声电机，并固定之，就完成了自动调焦镜头模组的制作。

上述镜头模组中，可以采用印制电路板来替代上述的柔性电路板39。

上述镜头模组中，底座38甚至可以省去。如图13b，去掉底座38后，定子外框36仍然形成对感光芯片391及其附加电路的包围，并可以固定在柔性电路板39上，定子外框36内壁上设置定位台阶362，用以给电路板35定位，就完成了另一种结构的自动调焦镜头模组的制作。

上述镜头模组中，可以将转子镜头34上的定位卡环37放置在定子外框36的上部，如图14所示。此种方式可以方便地适应各种高度的镜头，从而不必改动定子外框的高度，加工更为方便。

为进一步减少模组的部件数目，还可以采用如图16a及图16b所示的底座381，方形座381的下部空间用以容纳芯片并遮光，底座381的上部平台提供了电机定子31的支撑，平台上还有四条延伸柱，对放入平台上的电机定子31提供一定的保护。前述电机的外框36可以滑套在延伸柱的外面，此处，延伸柱给外框36提供了良好的定位基准，使得外框的安装变得非常容易。

电机定子31的出线采用柔性电路板351，如图17，出线后与模组芯片的柔性电路板39互连。

若需要进一步减小模组尺寸，可以将上述的外框36改为顶盖361，如图18，这样，模组在长、宽两个方向上各减少了两个外框的壁厚。将模组放入手机预留的方形型腔时，由于底座381的延伸柱的外部尺寸略大于电机定子31的最大外部尺寸，四个延伸柱保证了电机定子31外壁不与型腔相接触，从而保证了电机工作时的振动不受影响。

实施例1：

根据图4，本实施例的超声电机包括设有中心圆孔并固定了压电元件的定子31和内嵌光学透镜组34的转子33。定子31由一空心柱状金属体构成，其上固定有数个压电元件32(参见图5)，转子33则由内嵌光学透镜组34的回转壳体组成。定子31基体与转子33通过螺纹313相配合，即定子31的中心圆孔内壁设有内螺纹，转子33的外表面设有相应的外螺纹，两者具有相同的螺距与公称直径。定子31基体的外形为多面体状或圆柱状并具有空心内壁，其金属材质使得其上的压电元件有了一个公共节点。

压电元件32的极化及其驱动电源的连线如图5所示。压电片321-328采用++--++--的方式极化，在依次接入图6b所示电路的桥臂61与63的中点A与C，同时将桥臂62的中点B与定子31的公共地相连后，压电片受激励并在定子上形成一按顺时针方向旋转的振动行波，该行波再通过摩擦作用带动转子33转动。在定、转子之间存在螺纹配合的情况下，转子33在转动的同时还可以作轴向移动。相应的，转子33上的光学透镜组34被直接带动而改变了位置，从而产生了焦距调节的效果。

在此实施例中，桥臂61、62、63的控制方式如图7a所示，而图7b则示出了加载于各压电元件32与公共地B之间的实际电压波形U_AB、U_CB。

可以在图6b所示的桥式逆变电路之前可以增加一个DC/DC电路，目的是提升供电电压。例如，在用电池供电的场合下，用升压式DC/DC电路将电压提升至一定数值。

当然，如果供电电压高于压电元件所需的驱动电压，也可以同理采用降压DC/DC来实现。

实施例2

实施例2的超声电机之基本构造形式与图4相同，不同之处仅在于压电元件32的数目不同，为6个，如图8所示，使得该电机必须用三相电源来驱动，方式如下：

压电元件32的极化及其驱动电源的连线如图8所示。压电片322-324、326-328全部采用正向极化，在依次接入图5b所示电路的桥臂51、52、53的中点A至C后，压电片受三相电源的激励并在定子31上形成一按顺时针方向旋转的振动行波，该行波再通过摩擦作用带动转子转动。在定、转子之间存在螺纹配合的情况下，转子33在转动的同时还可以作轴向移动。

在此实施例中，桥臂61、62、63的控制方式如图9a所示，而图9b则示出了加载于各压电元件32之间的实际电压波形U_AB、U_BC U_CA。

实施例3

实施例3将上述的超声电机装配成一个完整的、可以调节焦距的自动调焦镜头。电机的定子31与转子33原理图仍如图4。其中转子33部分又见图12，为一只具有外螺纹接口的光学镜头，转子33为空心圆柱体、外表面加工有螺纹，空心圆柱体内嵌有一组光学透镜组34，转子33上部还安装了一个用于提供转子旋转时达到极限位置时的限位卡环37。所述的定子31包括一个金属材料的多面体定子基体及多个固定在多面体外表面上的压电元件32。该定子31固定在一块印制电路板35上(图10a、图10b)，该印制电路板35同时提供必要的电连接，其上还安装了一个包围整个定子的外框36(图11)。印制电路板35与外框36一起构成了电机的外封装，用以保护电机。

外框36采用金属材料，目的是减小框的厚度及电机的总体外形尺寸。

印制电路板35采用薄板，目的是减小厚度及电机的总体高度，其电路板图见图10c及图10d。

实施例4

实施例4将实施例3中的、可以调节焦距的自动调焦镜头进一步组装成镜头模组，如图13a所示。将感光芯片391安装在柔性线路板39上，其外有包围感光芯片并为电机提供支撑的底座38，柔性线路板39上还可以安装其它电路器件及驱动电路392。所述的电机安装在底座38上，形成一个完整的自动调焦镜头模组。

底座38为框形，目的是减小高度方向上尺寸，降低模组的总体高度。

采用柔性电路板39也可以有效降低模组的总体高度。另外，如图15a及图15b所示，柔性线路板上39还放置了驱动电路392，在感光芯片391的周围还放置了必要的电路元件。

柔性线路板39有一个向上的分支，与电机的印制电路板35相连，将整个镜头模组的输入输出接口全部整合到柔性电路板39的接口中。

实施例5

请参阅图13b，实施例5去掉了实施例4中的底座38，并直接利用定子的外框36形成对感光芯片391及其附加电路的包围，并固定在柔性电路板39上，同时，定子外框36内壁上设置定位台阶362，用以给电路板35定位及固定电路板，形成另一种结构的自动调焦镜头模组。

实施例6

实施例6将实施例4中的限位卡环37放置在定子外框36的上外部，如图14所示。此种方式可以方便地适应各种高度的镜头，从而不必改动定子外框的高度，加工更为方便。

实施例7

实施例7采用上部有延伸柱的底座381，如图16a及图16b，底座381的下部留有空间包围与容纳感光芯片391，并可安装在柔性线路板39上，底座381的上部平台安装电机的定子31，电机定子31的出线采用条形柔性线路板351(图17)来实现，底座381的延伸柱用以接纳模组的外框36，形成一个完整的自动调焦镜头模组。

电机定子31的柔性线路板351出线向下与感光芯片391的柔性电路板39相连。

实施例8

实施例8采用与实施例7类似的结构，只是把外框36替换为顶盖361，如图18，目的是进一步减小模组的外形尺寸。

Claims (11)

1.一种驱动自动调焦镜头模组的超声电机，包括定子和转子，所述的定子包括一个金属材料的多面体定子基体及多个固定在多面体外表面上的压电元件，其特征在于：所述转子为空心圆柱体，空心圆柱体的外表面加工有螺纹，转子的空心圆柱体嵌有光学透镜组，所述的定子基体为空心结构，内壁加工有与转子相配合的螺纹。

2.根据权利要求1所述的一种驱动自动调焦镜头模组的超声电机，其特征在于：所述的压电元件的个数为四或四的倍数，对称分布在定子的外表面上。

3.根据权利要求1所述的一种驱动自动调焦镜头模组的超声电机，其特征在于：所述的压电元件数目为三或三的倍数。

4.根据权利要求1所述的一种驱动自动调焦镜头模组的超声电机，其特征在于：所述的定子固定在一块印制电路板上，所述定子具有一外框，所述印制电路板与外框共同构成定子的外封装。

5.根据权利要求4所述的一种驱动自动调焦镜头模组的超声电机，其特征在于：所述的转子上部安装一个限位卡环，所述的定子外框上有与所述的转子限位卡环相对应的限位柱。

6.根据权利要求4所述的一种驱动自动调焦镜头模组的超声电机，其特征在于：所述的印制电路板为补强的柔性电路板。

7.采用权利要求1所述的超声电机直接驱动的、可以自动调焦镜头模组，其特征在于：包括所述的驱动自动调焦镜头模组的超声电机、安装在柔性线路板或印制电路板上的感光芯片、包围感光芯片并为电机提供支撑的底座，以及安装在柔性线路板上的驱动电路。

8.根据权利要求7所述的自动调焦镜头模组，其特征在于：所述底座上固定了所述的印制线路板或柔性电路板。

9.根据权利要求7中所述的自动调焦镜头模组，其特征在于：所述底座带有延伸柱，所述超声电机的定子直接固定在底座的上部平台上，定子的出线采用柔性电路板，电机的外框直接滑套入底座的延伸柱上。

10.一种采用权利要求9中所述的自动调焦镜头模组，其特征在于：所述电机外框为一安装在延伸柱的方形顶盖。

11.采用权利要求1所述的超声电机直接驱动的、可以自动调焦镜头模组，其特征在于：包括所述的驱动自动调焦镜头模组的超声电机、安装在柔性线路板或印制电路板上的感光芯片、超声电机中的外框向下延伸用以包围感光芯片并固定在柔性线路板或印制电路板上，以及安装在柔性线路板上的驱动电路。

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