一种基于压电驱动的光学镜头调焦装置及其工作方法与流程

1.本发明属于精密驱动技术领域，具体涉及一种基于压电驱动的光学镜头调焦装置及其工作方法。


背景技术：

2.随着精密驱动技术的不断发展与进步，其在微型机器人、航空航天以及精密定位等技术领域的作用越来越突出，然而作为精密驱动装置的光学镜头自动对焦装置因其存在结构复杂、体积庞大、变焦慢、控制难度大等缺点，已无法满足人们对智能化光学系统的需求。压电电机利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化为电机定子的振动,然后通过电机定子和动子之间的摩擦耦合驱动电机动子作旋转或直线运动，具有低速大力矩、响应速度快、不受电磁干扰、定位精度高等优点。因此，压电电机在光学镜头调焦领域得到了广泛的应用，但是目前基于压电驱动的光学镜头调焦装置仍存在响应速度慢、输出位移小、功耗高的缺点。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种基于压电驱动的光学镜头调焦装置及其工作方法,本发明基于压电驱动的光学镜头调焦装置具有微型化、输出位移大、响应速度快以及功耗低等优点，以便于实现光学镜头的快速自动调焦。
4.为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
5.一种基于压电驱动的光学镜头调焦装置，包括光学镜头基座、光学镜头放置机构、压电直线电机，所述的光学镜头放置机构上下移动式地安装于所述的光学镜头基座；所述的压电直线电机安装于光学镜头基座与光学镜头放置机构之间，压电直线电机包括柔性铰链、叠堆型压电陶瓷片，压电直线电机通过叠堆型压电陶瓷片作为驱动器,在锯齿波电信号的作用下,压电陶瓷片产生轴向位移并通过柔性铰链放大，柔性铰链通过摩擦带动所述的光学镜头放置机构上下移动。
6.优选的，所述的光学镜头基座呈中间开孔的方形结构；所述的光学镜头放置机构外壁的两相对侧中，一侧设有导轨，另一侧设有导槽，与此相对应的；所述光学镜头基座内壁的一侧设有导槽，另一侧设有导轨，所述光学镜头基座与光学镜头放置机构通过相对应的导轨与导槽的配合而上下可移动式配合。
7.优选的，所述光学放置机构的中部形成圆柱形开孔，开孔内壁沿轴向的两相对侧粘贴铁磁性材料导轨。
8.优选的，所述的光学镜头基座与光学镜头放置机构间留有空隙，用于安装所述的压电直线电机。
9.优选的，所述压电直线电机的柔性铰链通过纵向布设的两个螺钉和一个横向的预紧螺钉固定于光学镜头基座。
10.优选的，所述柔性铰链的内部装配数片所述的压电陶瓷片，压电陶瓷片与柔性铰
链的内侧面垫入调整垫片，该内侧面为预紧螺钉所在的侧面。
11.优选的，所述柔性铰链为直梁形柔性铰链，并在铰链顶端设有驱动足，驱动足为三角结构，外侧面呈平面状，内侧面呈斜面状，内侧面与其中一个压电陶瓷片抵触，且驱动足与光学镜头放置机构之间为线接触。
12.优选的，相邻压电陶瓷片之间夹装金属基体层。
13.本发明公开了一种上述基于压电驱动的光学镜头调焦装置的工作方法，包含以下步骤：
14.步骤一，压电直线电机固定于光学镜头放置机构和光学镜头基座1之间，并且压电直线电机的驱动足与光学镜头放置机构呈线接触；
15.步骤二，给压电直线电机上的压电陶瓷片施加锯齿波电信号，利用压电陶瓷片的逆压电效应使得压电陶瓷片产生沿着压电陶瓷片水平方向的形变并且通过柔性铰链将形变产生的位移放大；
16.步骤三，压电陶瓷片产生的形变使得驱动足沿着光学镜头放置机构位移，从而带动光学镜头放置机构上下移动。
17.优选的，步骤四，由于在压电陶瓷片上施加的是锯齿波信号，在工作时，当压电叠层上的电压缓慢增加，压电陶瓷片缓慢伸长推动驱动足上下移动，光学镜头放置机构与驱动足在静摩擦力作用下，光学镜头放置机构向上移动，之后压电陶瓷片快速失电，压电陶瓷片回到初始状态。
18.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
19.1、本发明通过控制压电直线电机上的电压即可推动光学镜头移动，达到变焦效果。
20.2、本发明采用直梁形柔性铰链放大压电叠层产生的位移，扩大了光学镜头的变焦范围。
21.3、本发明仅需要一个压电直线电机和一路锯齿波驱动信号即可使得光学镜头产生较大的位移。
22.4、本发明的压电直线电机整体结构紧凑，且由于电机工作步距可达到10μm，因此，光学镜头放置机构可以实现微米级定位。
附图说明
23.图1是本发明的立体结构示意图；
24.图2是本发明中压电直线电机的结构示意图；
25.图3是本发明中光学镜头放置机构和光学镜头基座的配合图；
26.图4是本发明中驱动信号图。
27.图中，1为光学镜头基座，2为光学镜头放置机构，3为铁磁性材料导轨，4为压电直线电机，5为螺钉，401为直梁形柔性铰链，402为压电陶瓷片，403为金属基体层，404为调整垫片，405为预紧螺钉。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
29.如图1
‑
4所示，本实施例一种基于压电驱动的光学镜头调焦装置，包括压电直线电机4、光学镜头放置机构2、铁磁性材料导轨3、光学镜头基座1、螺钉5和预紧螺钉405。
30.光学镜头基座1呈中间开孔的方形结构，其中间开孔用于安装光学镜头放置机构2。光学镜头放置机构2用于放置光学镜头，其两相对角中，一角设有导轨，另一角设有导槽，与此相对应的，光学镜头基座1的一角设有导槽，另一角设有导轨。光学镜头基座1与光学镜头放置机构2通过相对应的导轨与导槽的配合而上下可移动式配合。
31.光学放置机构2的中部形成圆柱形开孔，开孔处用于放置光学镜头，在开孔内壁沿轴向的两相对侧粘贴有铁磁性材料导轨3，铁磁性材料导轨3将光学镜头放置机构2与光学镜头通过磁力贴合。
32.在本实施例中，铁磁性材料导轨3与光学镜头放置机构2通过环氧树脂胶合。
33.光学镜头基座1与光学镜头放置机构2间留有空隙，用于安装压电直线电机4。如图2所示，压电直线电机4包括柔性铰链401、叠堆型压电陶瓷片402、金属基体层403、调整垫片404，柔性铰链401通过两个螺钉5和一个预紧螺钉405固定于光学镜头基座1，柔性铰链401的内部装配数片压电陶瓷片402，数片压电陶瓷片402叠堆排列，相邻压电陶瓷片402之间夹装金属基体层403，通过预紧螺钉将固定在柔性铰链401上，压电陶瓷片402与柔性铰链401(靠近预紧螺钉405)的内侧面垫入调整垫片404。压电陶瓷片和金属基体层构成压电驱动源带动柔性铰链产生形变。
34.本实施例中，柔性铰链401为直梁形柔性铰链，并在铰链顶端设有驱动足b，驱动足为三角结构，其外侧面呈平面状，内侧面呈斜面状，内侧面与其中一个压电陶瓷片402抵触。使驱动足刚度分布不均而产生侧向位移。压电直线电机4的驱动足外侧面与光学镜头放置机构2之间为线接触(图2中，a表示线接触处)。驱动足的端面涂有摩擦陶瓷并且采用线接触的方式带动光学镜头放置机构2移动。压电直线电机4的金属基体层3为铍青铜材料，压电陶瓷片402为锆钛酸铅材料。施加在压电陶瓷片的电信号为锯齿波信号，并设定施加在压电陶瓷片的电压的幅值在10～30v之间。
35.预紧螺钉405不仅把压电直线电机4定位于光学镜头基座1上，同时也避免在压电叠层上产生剪切力。调整垫片404放置于压电叠层的后端面是为了防止预紧螺钉405直接作用到压电叠层端面。
36.如图4所示，工作时向压电陶瓷片输入锯齿波信号。
37.压电直线电机4采用叠堆型压电陶瓷片402作为驱动器,在锯齿波信号的作用下,压电叠层产生轴向位移并通过直梁形柔性铰链401放大，从而使得柔性铰链401端部三角结构驱动足产生侧向位移并通过摩擦带动光学镜头放置机构2上下移动。
38.本发明上述基于压电驱动的光学镜头调焦装置的工作方法，包含以下步骤：
39.步骤一，压电直线电机4通过螺钉5和预紧螺钉405垂直固定于光学镜头放置机构2和光学镜头基座1之间的空隙，并且压电直线电机4的驱动足与光学镜头放置机构2呈线接触；
40.步骤二，通过给压电直线电机4上的压电陶瓷片402施加锯齿波电信号，利用压电陶瓷片402的逆压电效应使得压电陶瓷片产生沿着压电陶瓷片水平方向的形变并且通过直梁形柔性铰链401将形变产生的位移放大；
41.步骤三，由于驱动足为三角形不对称结构，因此通过压电叠层产生的形变会使得
驱动足出现沿着光学镜头放置机构2导轨方向的位移，从而带动光学镜头放置机构2上下移动；
42.步骤四，由于在压电陶瓷片上施加的是锯齿波信号，在工作时，当压电叠层上的电压缓慢增加，压电叠层缓慢伸长推动驱动足上下移动，光学镜头放置机构2于驱动足在静摩擦力作用下，光学镜头放置机构2会向上移动一段距离，之后压电叠层快速失电，压电叠层回到初始状态，但是由于惯性力，光学镜头放置机构2仍停留在移动后的位置。完成上述阶段为一个工作周期，按如此工作周期循环往复实现光学镜头放置机构2的连续直线移动。
43.本发明压电直线电机采用叠堆型压电陶瓷片作为驱动器,在锯齿波信号的作用下,压电叠层产生轴向的位移并通过直梁形柔性铰链放大，从而使得柔性铰链上端部的三角结构驱动足产生侧向位移并通过摩擦带动光学镜头放置机构上下移动。
44.本发明具有结构紧凑、输出位移大以及功耗低等特点，可以实现精密驱动与定位功能。
45.本技术领域技术人员可以理解的是，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)具有与本发明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。
46.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。