本发明公开了用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机及其驱动方法，本发明超声波电机包括中空悬置机构、悬臂梁压电定子、铁磁性材料导轨、柔性铰链；所述的悬臂梁压电定子包括四条结构相同的压电双晶片悬臂梁振子，压电双晶片悬臂梁振子由两片沿厚度方向极化且极化方向相反的压电陶瓷片和金属基体构成，两压电陶瓷片对称且平行布设于金属基体的两相对面；中空悬置机构由正方体于中部挖一圆柱形通孔而成，于圆柱形通孔的内壁两相对处沿竖向各粘接一所述的铁磁性材料导轨；柔性铰链有四条，分布并连接于中空悬置机构的四角，每条柔性铰链与一所述的压电双晶片悬臂梁振子相连接，压电双晶片悬臂梁振子与中空悬置机构的相对应面相平行。
1.一种用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机，其特征是包括中空悬置机构、悬臂梁压电定子、铁磁性材料导轨、柔性铰链；
所述的悬臂梁压电定子包括四条结构相同的压电双晶片悬臂梁振子，四条压电悬臂梁振子相互之间夹角都为90°，压电双晶片悬臂梁振子由两片沿厚度方向极化且极化方向相反的压电陶瓷片和金属基体构成，在竖直方向，金属基体处于中间，两压电陶瓷片对称且平行布设于金属基体的上下表面；
所述的中空悬置机构由正方体于中部挖一圆柱形通孔而成，于圆柱形通孔的内壁两相对处沿竖向各粘接一所述的铁磁性材料导轨；
所述的柔性铰链有四条，分布并连接于中空悬置机构的四角，每条柔性铰链与一所述的压电双晶片悬臂梁振子相连接，压电双晶片悬臂梁振子与中空悬置机构的相对应面相平行。
2.如权利要求1所述用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机，其特征是，所述的金属基体和压电陶瓷片都呈矩形状，金属基体和压电陶瓷片的长度、宽度相等，金属基体的高度比压电陶瓷片高。
3.如权利要求1或2所述用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机，其特征是，所述的金属基体和压电陶瓷片通过环氧树脂胶粘接。
4.如权利要求1所述用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机，其特征是，所述的柔性铰链由方形体于两端切去半圆柱而成，高度与中空悬置机构的高度相等。
5.如权利要求1所述用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机，其特征是，所述的柔性铰链为直圆形柔性铰链。
6.如权利要求1或2所述用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机，其特征是，在压电陶瓷上施加交变电压的频率在1～50Hz，并设定施加在压电陶瓷上的交变电压的幅值在10～50V。
7.如权利要求1或2所述用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机，其特征是，所述的金属基体层采用铍青铜材料，所述的压电陶瓷片采用锆钛酸铅材料。
8.如权利要求1或4所述用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机，其特征是，所述的铁磁性材料导轨与中空悬置机构通过环氧树脂胶合。
9.一种如权利要求1‑8任一项所述用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机的驱动方法，其特征是包含如下步骤：步骤一，对分布在相对侧的金属基体上表面压电陶瓷片进行相同方向的极化处理；对该相对侧金属基体下表面的压电陶瓷片进行极化处理，且下表面的压电陶瓷片极化方向与上表面压电陶瓷片的极化方向相反；
步骤二，对分布在另一相对侧的金属基体上表面压电陶瓷片进行与步骤一相反方向的极化处理；对该相对侧金属基体下表面的压电陶瓷片进行极化处理，且下表面的压电陶瓷片极化方向与上表面压电陶瓷片的极化方向相反；
步骤三，当给分布在步骤一的压电陶瓷片施加一交流电压信号时,压电双晶片悬臂梁振子产生收缩弯曲振动,进而推动中空悬置机构产生竖直向下的运动；当给分布在步骤二压电陶瓷片施加一交流电压信号时,压电双晶片悬臂梁振子产生扩张弯曲振动,进而推动中空悬置机构产生竖直向上的运动。
用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机及其驱动方法
技术领域
[0001] 本发明属于超声电机领域，具体涉及一种用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机及其驱动方法。
背景技术
[0002] 随着技术的不断发展与进步，传统光学变焦成像因其存在结构复杂、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。超声波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，超声波电机具有低速大力矩、响应速度快、不受电磁干扰、定位精度高等优点。典型的压电超声波电机结构主要是环行行波型、纵扭复合型等机构,这些压电振子结构复杂,加工工艺烦琐，定子与动子间预压力难以调节，难以实现微型化，不利于应用在微驱动技术领域。
[0003] 基于上述现状，研究微型化、输出力矩大的超声波电机成为当前的研究热点。
发明内容
[0004] 针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机及其工作方法,其具有微型化、输出力矩大以及功耗低等优点，适用于微驱动技术领域例如光学成像领域。
[0005] 为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案：
[0006] 一种用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机，其包括中空悬置机构、悬臂梁压电定子、铁磁性材料导轨、柔性铰链；所述的悬臂梁压电定子包括四条结构相同的压电双晶片悬臂梁振子，压电双晶片悬臂梁振子由两片沿厚度方向极化且极化方向相反的压电陶瓷片和金属基体构成，两压电陶瓷片对称且平行布设于金属基体的两相对面；所述的中空悬置机构由正方体于中部挖一圆柱形通孔而成，于圆柱形通孔的内壁两相对处沿竖向各粘接一所述的铁磁性材料导轨；所述的柔性铰链有四条，分布并连接于中空悬置机构的四角，每条柔性铰链与一所述的压电双晶片悬臂梁振子相连接，压电双晶片悬臂梁振子与中空悬置机构的相对应面相平行。
[0007] 优选的，金属基体和压电陶瓷片都呈矩形状，金属基体和压电陶瓷片的长度、宽度相等，金属基体的高度比压电陶瓷片高。
[0008] 优选的，金属基体和压电陶瓷片通过环氧树脂胶粘接。
[0009] 优选的，柔性铰链由方形体于两端切去半圆柱而成，高度与中空悬置机构的高度相等。
[0010] 优选的，柔性铰链为直圆形柔性铰链。
[0011] 优选的，在压电陶瓷上施加交变电压的频率在1～50Hz，并设定施加在压电陶瓷上的交变电压的幅值在10～50V。
[0012] 优选的，金属基体层采用铍青铜材料，所述的压电陶瓷片采用锆钛酸铅材料。
[0013] 优选的，铁磁性材料导轨与中空悬置机构通过环氧树脂胶合。
[0014] 本发明还公开了一种上述用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机的驱动方法，其包含如下步骤：
[0015] 步骤一，对分布在相对侧的金属基体上表面压电陶瓷片进行相同方向的极化处理；对该相对侧金属基体下表面的压电陶瓷片进行极化处理，且下表面的压电陶瓷片极化方向与上表面压电陶瓷片的极化方向相反；
[0016] 步骤二，对分布在另一相对侧的金属基体上表面压电陶瓷片进行与步骤一相反方向的极化处理；对该相对侧金属基体下表面的压电陶瓷片进行极化处理，且下表面的压电陶瓷片极化方向与上表面压电陶瓷片的极化方向相反；
[0017] 步骤三，当给分布在步骤一的压电陶瓷片施加一交流电压信号时,压电双晶片悬臂梁振子产生收缩弯曲振动,进而推动中空悬置机构产生竖直向下的运动；当给分布在步骤二压电陶瓷片施加一交流电压信号时,压电双晶片悬臂梁振子产生扩张弯曲振动,进而推动中空悬置机构产生竖直向上的运动。
[0018] 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：本发明具有结构紧凑、预压力可控以及功耗低等特点，可以实现精密驱动与定位功能。
附图说明
[0019] 图1是本发明一种优选实施例的立体结构示意图；
[0020] 图2是本发明的悬臂梁压电定子的结构示意图，图中“+”符号表示压电陶瓷的正向极化，“‑”符号表示压电陶瓷的负向极化；
[0021] 图3是本发明的直圆型柔性铰链的结构示意图；
[0022] 图4是本发明的中空悬置机构与铁磁性材料导轨相配合的剖视示意图；
[0023] 图5是本发明的驱动工作原理图。
[0024] 图中，1为悬臂梁压电定子，2为直圆型柔性铰链，3为中空悬置机构，4为铁磁性材料导轨，101为右侧悬臂梁压电定子，102为左侧悬臂梁压电定子，103为后侧悬臂梁压电定子，104为前侧悬臂梁压电定子，1011为压电陶瓷片a，1012为金属基体层，1013为压电陶瓷片b。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图对本发明优选实施例做详细说明。
[0026] 如图1所示，本实施例一种用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机，包含中空悬置机构3、悬臂梁压电定子1、铁磁性材料导轨4、柔性铰链2。悬臂梁压电定子1由四条具有相同结构的压电双晶片悬臂梁振子构成；四条压电悬臂梁振子相互之间夹角都为90°。
[0027] 如图2所示，压电双晶片悬臂梁振子由两片沿厚度方向极化且极化方向相反的压电陶瓷片1011、1013和金属基体1012构成。对分布在相对侧的金属基体1012上表面的压电陶瓷片进行相同方向的极化处理(对该相对侧金属基体下表面的压电陶瓷片进行极化处理，且下表面的压电陶瓷片极化方向与上表面压电陶瓷片的极化方向相反)，对分布在另一相对侧的金属基体1012上表面的压电片进行相反方向的极化处理(对该相对侧金属基体下表面的压电陶瓷片进行极化处理，且下表面的压电陶瓷片极化方向与上表面压电陶瓷片的极化方向相反)。
[0028] 金属基体1012和压电陶瓷片1011、1013都呈矩形状，压电陶瓷片1011与1013的规格相同，金属基体1012和压电陶瓷片1011、1013的长度、宽度相等，金属基体1012的高度比压电陶瓷片1011、1013高，金属基体1012和压电陶瓷片1011、1013通过环氧树脂胶粘接在一起，压电陶瓷片1011与1013对称布设于金属基体1012。压电双晶片悬臂梁金属基体层采用铍青铜材料，压电陶瓷片采用锆钛酸铅材料。施加在压电陶瓷上的交变电压的频率在1～50Hz之间，并设定施加在压电陶瓷上的交变电压的幅值在10～50V之间。
[0029] 如图4所示，中空悬置机构3由正方体状于中部挖一圆柱形通孔而成，于中空悬置机构3的圆柱形通孔内壁两相对处沿竖向各粘贴铁磁型导轨4。铁磁性材料导轨4与中空悬置机构3通过环氧树脂胶合并与光学镜头(即动子)通过磁力贴合。
[0030] 中空悬置机构3用于放置光学镜头以及通过柔性铰链2连接悬臂梁压电定子1。
[0031] 如图3所示，本实施例中，柔性铰链2为直圆形柔性铰链。柔性铰链2由方形体在两端切去半圆柱而成，其高度与中空悬置机构3的高度相等。金属基体1012与压电陶瓷片1011、1013组成的高度与柔性铰链2的高度相等。本实施例中，柔性铰链2有四条，分布于中空悬置机构3的四角，每条柔性铰链2与压电双晶片悬臂梁振子相连接，压电双晶片悬臂梁振子与中空悬置机构3的相对应面相平行。柔性铰链2用于连接中空悬置机构3和悬臂梁压电定子1，在将悬臂梁压电定子1的驱动力传递到中空悬置机构3的同时还起到位移放大的作用。
[0032] 悬臂梁压电定子1采用产生双向力的电压驱动压电双晶片作为驱动器,在电信号的作用下,压电悬臂梁的收缩弯曲振动(往复动作)通过柔性铰链2将压电悬臂梁的收缩弯曲振动(往复动作)的微位移放大，并通过中空悬置机构3与铁磁性导轨4提供输出位移。
[0033] 如图5所示，本发明还公开了一种上述用于光学镜头调焦的悬臂梁式超声波电机的驱动方法，包含如下步骤：
[0034] 步骤一，对分布在左侧的压电双晶片悬臂梁定子102的金属基体1012上表面压电片与分布在右侧的压电双晶片悬臂梁定子101的金属基体1012上表面压电片进行相同方向的极化处理；对下表面的压电片需要进行极化处理并且下表面的压电片极化方向与同一悬臂梁的上表面压电片极化方向相反。
[0035] 步骤二，对分布在前侧的压电双晶片悬臂梁定子104的金属基体1012上表面压电片与分布在后侧压电双晶片悬臂梁定子103的金属基体1012上表面压电片进行相同方向的极化处理；对下表面的压电片需要进行极化处理并且下表面的压电片极化方向与同一悬臂梁的上表面压电片极化方向相反。
[0036] 步骤三，当给分布在中空悬置机构左侧和右侧的压电双晶片悬臂梁定子的压电片施加一个交流电压信号时,压电双晶片悬臂梁压电定子产生收缩弯曲振动,进而推动中空悬置机构产生竖直向下的运动。当给分布在中空悬置机构前侧和后侧的压电双晶片悬臂梁定子的压电片施加一个交流电压信号时,压电双晶片悬臂梁压电定子产生扩张弯曲振动,进而推动中空悬置机构产生竖直向上的运动。
[0037] 本发明通过控制压电悬臂梁上的电压即可推动光学镜头移动，达到变焦效果。
[0038] 本发明采用直圆形柔性铰链将压电悬臂梁与光学镜头悬置机构连接，具有位移放大作用，扩大了光学镜头的变焦范围。
[0039] 本发明采用四条双晶片压电悬臂梁，其中两条控制镜头向下移动，两条控制镜头向上移动，在增大压电致动器推力的基础上减小了压电致动器的体积，降低了结构的复杂程度。
[0040] 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。
[0041] 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。
