CN211180273U - 一种基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜，针对于目前应用于光学调焦的变焦系统，创新性地提出使用超声电机来作为光学透镜的驱动设备，此结构大大减少了零件个数以及系统体积，结构更加紧凑；同时整体调焦系统可以获取更高的调焦速度以及规避了传统电磁电机的电磁干扰。

Description

一种基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜

技术领域

本实用新型涉及一种基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜，属于压电制动器技术领域。

背景技术

变焦系统是指焦距能够在一定范围内变化的系统，它是一种保持物体像距不变，改变系统的焦距在一定范围内变化的系统。现代生活中也存在越来越多的领域需要使用变焦系统，并且随着科技的发展，变焦系统也趋向于微型化和集成化方向；然而传统的光学变焦系统需要大量的光学透镜做机械运动，不仅成本高、体积大，难以实现微型化、轻量化，且其调焦精度与使用寿命都会随着使用时间不断降低，而变焦透镜则能够很好地弥补变焦系统的不足，完成其难以实现的功能，推动变焦系统在微型化方向的发展；其中基于可变形材料的液体变焦透镜因其具有结构紧凑、控制灵活、成本低廉、无机械磨损、易于集成等诸多优点，近些年频频出现在我们的视野中，但此类变焦透镜需要附加的驱动机制，对驱动机制的精度要求也比较高，普通的电磁电机往往具有电磁干扰很难满足其驱动要求，选择合适的驱动机制是此类柔性变焦透镜中一大难题。

对于其驱动装置的设计，许多研究人员相继利用电磁力、静电力、超声波等驱动机制都提出了相应的变焦透镜；2011年，Chio等人采用厚度不同的两个弹性薄膜，提出了电磁驱动的变焦透镜，为球差校正提供了有效解决方案；2012年，Pouydesque等然提出了基于静电力的变焦透镜，利用两个圆环电极之间的静电力改变PDMS薄膜的表面形状实现变焦控制；2012年，Koyama等人基于材料的共振原理，利用超声波改变弹性薄膜的表面形状实现变焦控制；然而以目前市面上能够获取的驱动装置缺唯独缺乏将超声电机作为驱动结构的变焦系统，超声电机具有体积小、重量轻、结构紧凑、响应速度快且无电磁干扰等特点，也非常适合用于此类柔性透镜的驱动，其利用压电陶瓷的逆压电效应能够将电能转换为机械能，可以很好地规避传统电磁电机有电磁干扰、效率低等缺点；它可以通过压电材料在超声频段下的振动，使得定子产生微幅振动，并在特定的激励方式下，能够在定子上产生有驱动能力的椭圆运动，从而驱动压紧在定子表面的动子运动，将微观运动转化为宏观运动；这一运动可以是圆周运动，也可以是直线运动。

然而用于变焦系统内的超声电机需保证其尺寸的微型度，但是正是由于尺寸与结构的限制，往往无法获得较大的力矩，使得其效率受到了一定的影响；目前所出现的螺纹电机，由于定、转子的接触点为点接触或者线接触，产生的力矩相对较小；因此，发展能够满足在有限的空间里能实现力矩较大的直线超声电机是我们的期望。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜，使电机结构更加简单紧凑，获取更大的驱动力，提高了变焦的效率。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜，包括镜框、光学前膜、光学后膜、上垫片、下垫片、刚性圆柱薄片以及固定结构；

镜框的表面封装光学前膜，其底面封装光学后膜，镜框、光学前膜以及光学后膜三者之间围成密封腔，密封腔内盛设光学液体，在光学前膜的上方安装上垫片，光学后膜的下方安装下垫片，其中光学前膜的厚度大于光学后膜的厚度；

固定结构呈中空圆环状，其安装在镜框的下方，且其圆周侧边与光学后膜接触，为镜框提供支撑；

刚性圆柱薄片粘连在光学后膜底面；

电机本体安装在固定结构形成的中空空腔内，且电机本体与刚性圆柱薄片接触；

作为本实用新型的进一步优选，

电机本体包括定子和嵌设在定子内的转子；

定子包括定子基体，其呈圆环柱状，定子基体的环形内圆周上开设内螺纹；

转子包括转子本体，其同样呈圆环柱型，转子本体的圆周表面上开设外螺纹，内螺纹与外螺纹匹配，转子本体可旋转嵌设在定子基体内；

转子本体的圆环状上端面与刚性圆柱薄片接触；

在定子基体的两个环状端面分别沿着定子基体的径向粘贴若干片压电元件；

在压电元件表面施加电信号，其极化方向沿着定子基体轴向方向辐射，在定子基体的环形圆周方向形成行波，在转子本体表面施加预压力，转子本体在定子基体内产生旋转；

作为本实用新型的进一步优选，在定子基体的两个环状端面分别设置八片压电元件，八片压电元件连续相邻的四片为一组，分为两组；

在每组压电元件上施加不同电信号；

作为本实用新型的进一步优选，前述的压电元件的形状呈圆弧状，若干片压电元件顺次拼接形成与定子基体端面匹配的圆环状；

且压电元件选用压电陶瓷或压电单晶；

作为本实用新型的进一步优选，转子本体的圆周表面开设的外螺纹，其牙型为三角形或者梯形或者矩形或者圆弧形；

作为本实用新型的进一步优选，定子基体选用金属材质制成；

作为本实用新型的进一步优选，前述的镜框为一个刚性密封圈；光学前膜和光学后膜均选用PDMS光学薄膜。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型针对于现有的应用于光学调焦的变焦系统，创新性地提出用超声电机来作为光学透镜的驱动设备，规避了传统变焦透镜中结构复杂、难控制与效率低等缺点；

2、本实用新型针对于光学调焦系统设计的螺纹直线超声电机，在定子内筒以及转子内筒内均可以嵌入透镜片，此种设置大大减少了调焦系统的零件个数以及系统的体积，使得结构更加紧凑；

3、本实用新型通过转子内嵌在定子内，同时定子采用贴片式结构，使得工艺简单，在光学变焦领域更好的实现微型化、集成化，在有限的空间内可获取较大的力矩；

4、本实用新型电机本体的设置，相对于现有电机结构的设置具有更大的振幅，使得整体调焦系统可以获取更高的调焦速度；

5、本实用新型的结构不仅仅可以在数码调焦机构上运用，也可以在自动调节焦距的智能眼镜、相机、数码相机、数码视频和其他可使用调焦的设备，如空间机器人、钟表、磁头精密定位、核磁共振仪MRI的尾部装置和汽车电子等领域上使用，适用度范围广；

6、本实用新型可以更好的发挥直线超声电机无电磁干扰、快速响应等优点，结构也更加简单，对控制变焦精度也可根据直线电机的所走行程而及时作出调整。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的优选实施例的可变焦透镜整体结构示意图；

图2是本实用新型的优选实施例可变焦透镜的原理示意图；

图3是本实用新型的优选实施例的电机本体的整体结构示意图；

图4是本实用新型的优选实施例的定子结构示意图；

图5是本实用新型的优选实施例的转子结构示意图；

图6是本实用新型的优选实施例转子本体嵌设在定子基体内的结构示意图；

图7是本实用新型的优选实施例中位于定子基体其中一个圆环端面的八片压电陶瓷片结构示意图；

图8是本实用新型两种振动模态，其中8a、8b分别为对定子基体施加第一种极化方式的激励信号、第二种极化方式的激励信号出现的两个振动模态；

图9是本实用新型电机本体的振幅直接影响透明玻璃板振动的曲线图；

图10是本实用新型电机本体与现有技术分别产生振幅的曲线图，其中10a为现有技术超声电机结构产生振幅的曲线图，10b是本申请优选实施例的电机本体产生振幅的曲线图。

图中：1为定子基体，2为内螺纹，3为转子本体，4为外螺纹,5为镜框，6为光学前膜，7为光学后膜，8为上垫片，9为下垫片，10为刚性圆柱薄片，11为固定结构，12为电机本体。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

在现有的调焦技术中，用可变形材料制作的微幅振动的振动器来驱动的柔性可变焦系统，此类装置，存在变焦范围有限、难以对变焦精度进行精密控制的困扰；同时采用传统的电磁电机驱动柔性可变焦系统，存在有传动效率低、结构复杂、难加工、有电磁干扰等缺点；基于上述问题，试验者经过多方资料搜集，发现在目前可知的资料里均是利用静电力原理和记忆合金材料所做驱动的结构，此种结构还具有响应速度慢，无法正确调焦，视野不清晰等缺点。

基于上述，本申请提供一种图1所示的实施例1：包括镜框5、光学前膜6、光学后膜7、上垫片8、下垫片9、刚性圆柱薄片10以及固定结构11；镜框5的表面封装光学前膜6，其底面封装光学后膜7，镜框5、光学前膜6以及光学后膜7三者之间围成密封腔，密封腔内盛设光学液体，在光学前膜6的上方安装上垫片8，光学后膜7的下方安装下垫片9，其中光学前膜6的厚度大于光学后膜7的厚度；

固定结构11呈中空圆环状，其安装在镜框5的下方，且其圆周侧边与光学后膜7接触，为镜框5提供支撑；刚性圆柱薄片10粘连在光学后膜7底面；电机本体12安装在固定结构11形成的中空空腔内，且电机本体12与刚性圆柱薄片10接触。

在本申请选用的优选实施例中，光学前膜6和光学后膜7均选用PDMS光学薄膜，在密封腔内盛设的光学液体可以选用甘油、水或者酒精等流体，其中，光学前膜6的厚度大于光学后膜7的厚度，具体的，设定光学前膜6厚度为0.5mm的PDMS光学薄膜，光学后膜7的厚度为0.2mm的PDMS光学薄膜，同时光学前膜6与光学后膜7均为柔性的环形状薄膜，需要注意的是，光学薄膜的选择其厚度要在能够承受所受压力前提下尽量薄一些，以满足最大变形需求。

刚性圆柱薄片10为透明玻璃板。

由图1可知，本优选实施例1的整体结构紧凑，零部件获得最大程度的精减。

图2所示，是实施例1的液体变焦透镜原理图，设定光学前膜6的半径为为r_t,光学后膜7的半径为r_b,紧贴光学后膜7的由有机玻璃制成的透明玻璃板中心活塞半径为r_b；通过对电机本体12的控制，驱动中心活塞上下移动，使得光学后膜7处点A₁、A₂、B₁、B₂点分别移动到A′₁、A′₂、B′₁、B′₂处，此时密封腔内的光学液体受到了挤压；假定密封腔内的光学液体有不可压缩性，因其密封腔的体积一定，当液体受到挤压时，将会导致光学前膜6的曲率发生变化；

图9所示，可以明显的看出电机的振幅直接影响透明玻璃板的振动，进一步影响光学液体的液体压强，从而影响光学前膜6曲率的变化；当本申请中电机本体12的设计使得其在径向的振幅有明显增大时，电机本体12的转速获取明显的变化，其在向透明玻璃板方向移动的过程中推动透明玻璃板的运动，透明玻璃板挤压光学液体促使密封腔内液体压强上升，电机本体12的转速增加，光学前膜6变形的速度得到提升，从而实现了光学变焦快速响应的效果，因此可以获取更高的调焦速度。

基于实施例1，本申请提出一种基于面内模态的螺纹直线超声电机，其电机本体12包括定子和嵌设在定子内的转子；

定子包括定子基体1，其呈圆环柱状，定子基体1的环形内圆周上开设内螺纹2；

转子包括转子本体3，其呈圆柱型，转子本体3的圆周表面上开设外螺纹4，内螺纹2与外螺纹4匹配啮合，使得转子本体3可旋转嵌设在定子基体1内；

若干片压电元件粘贴在定子基体1的端面上，通过激励压电元件使得定子基体1中产生沿定子基体1的圆环圆周方向的面内弯曲行波，该面内弯曲行波通过内螺纹2、外螺纹4的匹配直接驱动转子本体3的旋转并转换成转子的轴向直线运动；

具体的说，就是在压电元件上分别施加具有一定相位差的同频率、等幅交变电压，通过压电元件的逆压电效应，可以在定子基体1的模态频率上激发出面内的两个幅值相等、在时间和空间上均相差90°的模态响应，这两个模态响应在定子基体1上叠加形成行波；如果此时在转子本体3上施加一点预压力，通过定子基体1与嵌设在其内的转子本体3之间的摩擦作用，定子基体1表面质点的微幅振动就会转换转子本体3的旋转运动，外螺纹4与内螺纹2匹配的结构使得旋转运动可以转换成沿螺纹轴方向的直线运动；现有技术中很多电机虽然使用到的原理同样是将转子本体3的旋转运动转化为直线运动的方式，但是通常它们使用的都是点接触与线接触的方式，而本申请中，通过转子本体3嵌设在定子基体1内部，内螺纹2与外螺纹4的匹配结合，将转子本体3与定子基体1的接触扩大到了面的接触，那么在此种形式上的模态响应叠加形成的行波必然要产生更大振幅。而对于在压电元件上施加的电信号，为了使定子基体1表面质点产生驱动转子本体3运动的椭圆运动，需要若干压电元件进行适当的组合，以便激励出定子基体1上的弯曲行波；本申请中通过向若干片压电元件施加不同的电信号，可以被激励出驻波，定子基体1的总振动就是基于驻波的叠加，再适当的安排压电元件上所加电信号的相位关系，就可以叠加出绕定子基体1圆周向的行波；现有技术中，一般是将压电元件贴合在定子筒壁上，本申请中是将压电元件贴合在定子基体1的环状端面上，压电元件呈圆弧状，若干片压电元件顺次拼接形成与定子基体1端面匹配的圆环状，压电元件的极化方向沿着定子基体1轴向方向辐射，此极化方向被激励出的驻波的叠加在本申请设置的结构的基础上可以获得更大的振幅。基于上述结构特点，给出本申请图3所示的电机本体12的实施例2：

图4所示是实施例中的定子，其包括定子基体1，定子基体1呈圆环柱状，在定子基体1的圆环内圆周开设内螺纹2，图5所示是实施例中的转子，其包括转子本体3，转子本体3呈圆柱状，在转子本体3的圆柱圆周外表面上开设外螺纹4，外螺纹4与内螺纹2匹配，图6所示，转子本体3嵌设在定子基体1圆环内；

在定子基体1的两个圆环端面分别粘贴八片压电元件，这里的压电元件选用压电陶瓷片，八片压电陶瓷片均匀的贴在定子基体1的圆环端面，图3所示，压电陶瓷片的形状呈圆弧状，若干片压电陶瓷片顺次拼接形成与定子基体1端面匹配的圆环状。

实施例中，压电元件选用压电陶瓷或压电单晶；

转子本体3的圆周表面开设的外螺纹4，其牙型为三角形或者梯形或者矩形或者圆弧形；

定子基体1选用铝或者其他金属材质制成。

图7所示，以优选实施例的结构做极化与施加电信号的具体陈述，有以下几种极化方式：

首先将位于定子基体1其中一个圆环端面的八片压电陶瓷片定义为：21、22、23、24、25、26、27、28，位于其另一个圆环端面的八片压电陶瓷片定义为：31、32、33、34、35、36、37、38；

第一种极化方式：当粘贴在定子基体1上的压电陶瓷片沿定子基体1轴向方向做正向极化时，对压电陶瓷片21、22、23、24、25、26、27、28分别依次施加sinωt、cosωt、-sinωt、-cosωt、sinωt、cosωt、-sinωt、-cosωt信号激励，此时在定子基体1的此端面产生面内弯曲行波，驱动转子本体3旋转和轴向运动；同样的，在定子基体1的另一个圆环端面的31、32、33、34、35、36、37、38依次施加同样的信号激励，可以产生振幅更大更理想的情况；

第二种极化方式：当压电陶瓷片21、22、23、24沿定子基体1轴向方向做正向极化，压电陶瓷片25、26、27、28沿定子基体1轴向方向做反向极化，同时在压电陶瓷片21、23、25、27上施加sinωt信号，在22、24、26、28上施加cosωt信号，同样可以驱动转子本体3沿螺纹线做直线运动。

通过上述极化方式，可以在定子基体1上激励处如图8所示的振动模态，其中8a、8b分别为对定子基体1施加第一种极化方式的激励信号、第二种极化方式的激励信号出现的两个振动模态，激发出B02的两相在空间上和时间上都相差90°的模态响应，而定子最终的振动形式是这两个模态叠加形成周向的行波。

图10可知，10a为现有技术中的超声电机结构极化时的振幅示意图，10b为本申请优选实施例中的电机本体12极化时振幅示意图，由图中可以明显看出，本申请优选实施例的电机本体12产生的最高振幅明显高于现有技术的超声电机产生的最高振幅，由此进一步可知，本申请的优选实施例中的电机本体12可以产生更大的振幅效果。

基于上述优选实施例的结构、原理以及实施方式的描述，本实用新型是基于光学仪器实时快速变焦这一背景来具体提出的，结合液体可变焦透镜与螺纹直线超声电机的特点，提出了一种新型的薄膜型可变焦系统，并对这种系统实现光学变焦提出一定的可行性分析，从结构上来讲，结构更加紧凑、原理更加简单，相比于其他驱动柔性可变焦透镜的结构来讲，除了具有变焦范围更大，仅通过控制超声电机的行程就可控制变焦距离，控制电机电压可控制变焦速度等优点，还极好的规避了传统电磁电机的电磁干扰，效率低等缺点。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜，其特征在于：包括镜框、光学前膜、光学后膜、上垫片、下垫片、刚性圆柱薄片以及固定结构；

镜框的表面封装光学前膜，其底面封装光学后膜，镜框、光学前膜以及光学后膜三者之间围成密封腔，密封腔内盛设光学液体，在光学前膜的上方安装上垫片，光学后膜的下方安装下垫片，其中光学前膜的厚度大于光学后膜的厚度；

固定结构呈中空圆环状，其安装在镜框的下方，且其圆周侧边与光学后膜接触，为镜框提供支撑；

刚性圆柱薄片粘连在光学后膜底面；

电机本体安装在固定结构形成的中空空腔内，且电机本体与刚性圆柱薄片接触。

2.根据权利要求1所述的基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜，其特征在于：

电机本体包括定子和嵌设在定子内的转子；

定子包括定子基体，其呈圆环柱状，定子基体的环形内圆周上开设内螺纹；

转子包括转子本体，其同样呈圆环柱型，转子本体的圆周表面上开设外螺纹，内螺纹与外螺纹匹配，转子本体可旋转嵌设在定子基体内；

转子本体的圆环状上端面与刚性圆柱薄片接触；

在定子基体的两个环状端面分别沿着定子基体的径向粘贴若干片压电元件；

在压电元件表面施加电信号，其极化方向沿着定子基体轴向方向辐射，在定子基体的环形圆周方向形成行波，在转子本体表面施加预压力，转子本体在定子基体内产生旋转。

3.根据权利要求2所述的基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜，其特征在于：在定子基体的两个环状端面分别设置八片压电元件，八片压电元件连续相邻的四片为一组，分为两组；

在每组压电元件上施加不同电信号。

4.根据权利要求2所述的基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜，其特征在于：前述的压电元件的形状呈圆弧状，若干片压电元件顺次拼接形成与定子基体端面匹配的圆环状；

且压电元件选用压电陶瓷或压电单晶。

5.根据权利要求2所述的基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜，其特征在于：转子本体的圆周表面开设的外螺纹，其牙型为三角形或者梯形或者矩形或者圆弧形。

6.根据权利要求2所述的基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜，其特征在于：定子基体选用金属材质制成。

7.根据权利要求1所述的基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜，其特征在于：前述的镜框为一个刚性密封圈；光学前膜和光学后膜均选用PDMS光学薄膜。

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