一种用于光学成像系统的压电执行器及驱动装置的制作方法 专利技术说明

摄影电影;光学设备的制造及其处理,应用技术1.本实用新型涉及光学元件驱动技术领域，尤其是涉及一种用于光学成像系统的压电执行器及驱动装置。背景技术：2.随着科技的进步，现在手机中的摄像头内部都会有带动镜头实现快速并稳定对焦的马达。现有技术中，vcm马达是目前最常见的一种马达。其原理就是利用通电的线圈和磁石之间的洛伦兹力，控制线圈中电流的大小，带动镜头运动，实现需要的af或ois功能，实现洛伦兹力和弹片变形的反作用力之间的平衡，让镜头稳定在需要的位置，随着运动距离增加，弹片变形越大反作用力也会越大，直到两个力重新实现平衡，镜头也就稳定在新的位置。3.尽管普及度较高，但vcm马达在实际工作中仍然有以下弊端：4.1、磁场干扰。由于vcm马达设有磁极和绕组，依靠洛伦兹力驱动，工作时受磁场影响产生电磁波，影响拍照效果。5.2、振幅干扰。在vcm马达中，除了使用弹片方式外，也有使用滚珠的方案，需要在镜头到达稳定位置后，使用交流的方式让镜头在稳定位置以一定的振幅在这个位置振动，会对图像的清晰度产生影响。6.3、体积影响。由于电磁马达需要线圈且具有磁饱和特性，其体积较大，不适合在精密零件上的应用。技术实现要素：7.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本实用新型提供一种用于光学成像系统的压电执行器及驱动装置。8.为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：9.一方面，本实用新型提供一种用于光学成像系统的压电执行器，用于驱动镜头组件，包括弹性板、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，所述弹性板设有第一固定面与第二固定面，且沿所述第一固定面向所述第二固定面设有第一通孔；所述第一压电陶瓷片与所述第二压电陶瓷片分别设于所述弹性板的所述第一固定面与所述第二固定面；所述第一压电陶瓷片和所述第二压电陶瓷片上均设有第二通孔；通过向所述第一压电陶瓷片与所述第二压电陶瓷片分别施加同相或具有相位差的电信号，基于逆压电效应，使所述第一压电陶瓷片与所述第二压电陶瓷片沿径向产生高频的扩张或收缩形变，从而驱动镜头组件产生沿光轴方向的运动。10.进一步地，所述第一压电陶瓷片上设有第一极化区，所述第二压电陶瓷片上设有第二极化区，所述第一极化区和所述第二极化区均为单极化区时，使所述压电执行器形成单一模态；所述单一模态包括第一模态，所述第一模态包括：当驱动所述第一压电陶瓷片与所述第二压电陶瓷片的电信号的频率处于第一频率和第三频率区间时，所述第一压电陶瓷片与所述第二压电陶瓷片同时产生沿径向的收缩或扩张，带动所述压电执行器中心处产生沿轴向的凸起或凹陷，从而使连接于所述第一通孔和所述第二通孔的镜头组件产生沿光轴方向的直线运动；其中，第一频率为所述压电执行器被激发出第一模态的最小频率f1，第三频率为所述压电执行器被激发出第一模态的最大频率f3。11.进一步地，所述第一压电陶瓷片上设有第一极化区，所述第二压电陶瓷片上设有第二极化区；所述第一极化区为单极化区或四极化区，所述第二极化区均为四极化区时；或者第一极化区为四极化区，所述第二极化区均为单极化区或四极化区时；使所述压电执行器形成叠加模态，此时所述弹性板的第一通孔外沿的运动轨迹为椭圆，所述叠加模态包括第一模态和第二模态，通过所述第一模态和所述第二模态的叠加从而驱动镜头组件产生沿光轴方向的直线运动。12.进一步地，所述第一模态包括：当驱动所述第一压电陶瓷片与所述第二压电陶瓷片的电信号的频率处于第一频率和第三频率区间时，所述第一压电陶瓷片与所述第二压电陶瓷片同时产生沿径向的收缩或扩张，带动所述压电执行器中心处产生沿轴向凸起或凹陷；其中，第一频率为所述压电执行器被激发出第一模态的最小频率f1，第三频率为所述压电执行器被激发出第一模态的最大频率f3。13.进一步地，所述第二模态包括：当驱动所述第一压电陶瓷片与所述第二压电陶瓷片的电信号的频率处于第二频率和第四频率区间时，所述第一压电陶瓷片和/或所述第二压电陶瓷片上的四极化区同时或分别依次产生沿径向的收缩或扩张，使所述压电执行器沿所述弹性板的对角线对应地凸起或凹陷；其中，第二频率为所述压电执行器被激发出第二模态的最小频率f2，第四频率为所述压电执行器被激发出第二模态的最大频率f4；14.当20khz《f1《f2《f3《f4时，所述第一模态和所述第二模态的电信号的频率区间存在一叠加区间，选择的驱动频率f0在[f2,f3]区间内，在所述第一压电陶瓷片和/或所述第二压电陶瓷片的四极化区的对角分区上分别施加相位差为π/2的电信号，所述压电执行器被同时激发出第一模态和第二模态，两种模态叠加组成该压电执行器的工作模态。[0015]进一步地，所述弹性板为金属材料制成，所述弹性板的结构为矩形金属板。[0016]进一步地，所述弹性板的结构为四角处做增材或减材处理的矩形金属板。[0017]另一方面，本实用新型还提供一种驱动装置，包括上述的用于光学成像系统的压电执行器、底座、预压件、镜头组件；所述压电执行器的弹性板与所述底座固定连接；所述压电执行器套设在所述镜头组件的外部；所述预压件设置在所述镜头组件与所述压电执行器之间，且所述预压件分别与所述镜头组件和所述压电执行器压力固定。[0018]进一步地，所述预压件为波形弹片或带有缺口的波形弹片，所述波形弹片的部分内壁与所述镜头组件预压，所述波形弹片的部分外壁与所述压电执行器预压。[0019]进一步地，所述预压件为椭圆形弹片或带有缺口的椭圆形弹片，所述椭圆形弹片的部分内壁与所述镜头组件预压，所述椭圆形弹片的部分外壁与所述压电执行器预压。[0020]进一步地，所述驱动装置还包括电连接件，所述电连接件设置于所述底座，且所述电连接件与所述压电执行器电连接。[0021]进一步地，所述驱动装置还包括传感组件，所述传感组件设置于所述底座，所述传感组件与所述压电执行器对应设置。[0022]进一步地，所述驱动装置还包括盖板，所述盖板设置于所述底座上方，所述盖板的四角用于压设于所述压电执行器与所述底座的固定处。[0023]进一步地，所述驱动装置还包括保护壳，所述保护壳的四角为凹陷结构，所述凹陷结构压设于所述压电执行器与所述底座的固定处。[0024]本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种用于光学成像系统的压电执行器及驱动装置，具有以下优点：[0025]1、本实用新型将第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片分别设于弹性板的第一固定面与第二固定面，通过向第一压电陶瓷片与第二压电陶瓷片分别施加同相或具有相位差的电信号，基于逆压电效应，使第一压电陶瓷片与第二压电陶瓷片沿径向产生高频的扩张或收缩形变，使压电执行器形成单一模态或叠加模态，使得压电执行器的驱动方式更加灵活和多样。[0026]2、本实用新型的压电执行器尺寸小、重量轻、内部结构简单、紧凑，不存在任何限制微型化发展的因素，所以采用压电执行器的马达相比于现有电磁马达在结构、质量以及体积上小得多，更具有适用性。[0027]3、本实用新型的压电执行器靠摩擦驱动，镜头组件（动子）和压电执行器（定子）间通过预压件产生较大的预压力压紧，断电后具有较大的自锁力；压电执行器具有重量轻、惯性小、响应时间短的特点，极大地增加了闭环控制系统的稳定性，使得整体马达的速度调节更快、转换更容易，可实现高精度的速度控制和位置控制。附图说明[0028]图1是本实用新型一种用于光学成像系统的压电执行器的主视图；[0029]图2是本实用新型一种用于光学成像系统的压电执行器的侧视图；[0030]图3是本实用新型的具有单极化区的压电陶瓷片的结构示意图；[0031]图4是本实用新型的具有四极化区的压电陶瓷片的结构示意图；[0032]图5是本实用新型的压电执行器的第一模态示意图；[0033]图6是本实用新型的压电执行器的第二模态示意图；[0034]图7是本实用新型的压电执行器驱动信号的频率选择示意图；[0035]图8是本实用新型的压电陶瓷两端施加的电信号示意图；[0036]图9是本实用新型的压电陶瓷两端施加电信号方式示意图；[0037]图10是本实用新型的矩形金属板的圆孔边界的运动轨迹图；[0038]图11是本实用新型的压电执行器驱动信号示意图；[0039]图12是本实用新型的矩形金属板形状减材金属板的结构示意图；[0040]图13是本实用新型的矩形金属板形状增材金属板的结构示意图；[0041]图14是本实用新型驱动装置的第一个实施例的整体结构示意图；[0042]图15是本实用新型驱动装置的第一个实施例部分结构的示意图；[0043]图16是本实用新型驱动装置的第一个实施例的爆炸图；[0044]图17是本实用新型的截面为波形的弹片结构示意图；[0045]图18是本实用新型的带有缺口的波形弹片结构示意图；[0046]图19是本实用新型的截面为椭圆形弹片结构示意图；[0047]图20是本实用新型的带有缺口的椭圆形弹片结构示意图[0048]图21是本实用新型驱动装置的第二个实施例的整体结构示意图；[0049]图22是本实用新型驱动装置的第二个实施例的爆炸图；[0050]图23是本实用新型驱动装置的第三个实施例的整体结构示意图；[0051]图24是本实用新型驱动装置的第三个实施例的爆炸图。[0052]图中：1、压电执行器；10、弹性板；11、第一固定面；12、第二固定面；13、第一通孔；20、第一压电陶瓷片；30、第二压电陶瓷片；40、第二通孔；2、底座；3、预压件；4、镜头组件；5、传感组件；6、电连接件；7、导电端；8、盖板；9、保护壳。具体实施方式[0053]为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。[0054]实施例1：[0055]下面结合附图对本实用新型做进一步详述：[0056]如图1和图2所示，本实用新型实施例提供一种用于光学成像系统的压电执行器1，用于驱动镜头组件4。该用于光学成像系统的压电执行器1包括弹性板10、第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30；弹性板10设有第一固定面11与第二固定面12，且沿第一固定面11向第二固定面12设有第一通孔13；第一压电陶瓷片20与第二压电陶瓷片30分别设于弹性板10的第一固定面11与第二固定面12；第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30上均设有第二通孔40，且第二通孔40的直径不小于第一通孔13的直径，第二通孔40的作用是为了连接镜头组件4，因此第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30可直接与镜头组件4固定连接，带动镜头组件4运动。为使被驱动的镜头组件4产生直线运动，通过向第一压电陶瓷片20与第二压电陶瓷片30分别施加同相或具有相位差的电信号，其中电信号可以为正弦波、三角波或方波；利用压电陶瓷的逆压电效应，使第一压电陶瓷片20与第二压电陶瓷片30沿径向产生高频的扩张或收缩形变；通过调节向第一压电陶瓷片20与第二压电陶瓷片30分别施加的电信号的频率和相位，使压电执行器1形成单一模态或叠加模态，从而驱动镜头组件4产生沿光轴方向的运动。[0057]具体地，参见图1，本实施例中的弹性板10为金属材料制成，弹性板10的结构为矩形金属板，可以起到增大振幅的作用；在一些实施例中，参见图12 和图13，弹性板10的结构还可以为四角处做增材或减材处理的矩形金属板，用于更好地与驱动装置的底座2连接。其中，做增材处理的矩形金属板可以减小振幅，提高频率；做减材处理的矩形金属板可以增加振幅，降低频率；可根据实际需要灵活选择。[0058]本实施例中的第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30均采用锆钛酸铅陶瓷片或氧化锌陶瓷片材料制成；锆钛酸铅和氧化锌作为具有良好压电效应的材料，具有良好的压电变形能力。[0059]下面结合附图介绍压电执行器1形成的单一模态。参见图3，第一压电陶瓷片20上设有第一极化区，第二压电陶瓷片30上设有第二极化区，第一极化区和第二极化区均为单极化区。弹性板10两侧分别粘贴一块具有单极化区的第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30，通过向两个均具有单极化区的第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30施加相位角为0的方波电信号，能够使压电执行器1形成单一模态。具体地，参见图5，单一模态包括第一模态；参见图5和图7，第一模态为：当驱动第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30的电信号的频率处于第一频率与第三频率区间时，第一压电陶瓷片20与第二压电陶瓷片30同时产生沿径向的收缩或扩张，带动压电执行器1中心处产生沿轴向的凸起或凹陷，从而使连接于第一通孔13和第二通孔40的镜头组件4产生沿光轴方向的直线运动。其中，第一频率大于20khz，第三频率大于第一频率，第一频率为压电执行器1被激发出第一模态的最小频率f1，第三频率为压电执行器1被激发出第一模态的最大频率f3；压电执行器1的工作模态如图5所示。利用如图11所示的方波电信号驱动该压电执行器1，使第一压电陶瓷片20与第二压电陶瓷片30同时产生沿径向的收缩或扩张，带动弹性板10的中心处产生沿轴向的向上或向下弯曲，弹性板10的四角与中心弯曲方向相反，从而使处于中心孔洞的镜头组件4产生沿光轴方向的直线运动。需要说明的是，上述提到的径向为垂直于光轴的方向，轴向为光轴方向。[0060]下面结合附图介绍压电执行器1形成的叠加模态。参见图3和图4，第一压电陶瓷片20上设有第一极化区，第二压电陶瓷片30上设有第二极化区；第一极化区为单极化区或四极化区，第二极化区为四极化区。本实用新型也可以将第一极化区设置为四极化区，第二极化区设置为单极化区或四极化区。通过向两个具有不同极化区的第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30或者向两个均具有四极化区的第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30施加同相或具有相位差的方波电信号，使压电执行器1形成叠加模态，此时弹性板10的第一通孔13外沿的运动轨迹为椭圆。具体地，参见图5和图6，叠加模态包括第一模态和第二模态，通过第一模态和第二模态的叠加从而驱动镜头组件4产生沿光轴方向的直线运动。[0061]第一模态为：矩形金属板的两侧分别粘贴具有四极化区的第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30，参见图7，当驱动第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30的电信号的频率处于第一频率与第三频率区间时，第一压电陶瓷片20与第二压电陶瓷片30同时产生沿径向的收缩或扩张，带动压电执行器1中心处产生沿轴向凸起或凹陷。其中，第一频率大于20k，第三频率大于第一频率，第一频率为压电执行器1被激发出第一模态的最小频率f1，第三频率为压电执行器1被激发出第一模态的最大频率f3。第一压电陶瓷片20与第二压电陶瓷片30同时产生沿径向的收缩或扩张，带动矩形金属板10的中心处产生沿轴向的向上或向下弯曲，矩形金属板10的四角与中心弯曲方向相同，具体振动模态可参见图5。[0062]第二模态为：矩形金属板10的两侧分别粘贴具有四极化区的第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30，参见图7，当驱动第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30的电信号的频率处于第二频率与第四频率区间时，第一压电陶瓷片20和/或第二压电陶瓷片30上的四极化区同时或分别依次产生沿径向的收缩或扩张，使压电执行器1沿弹性板10的对角线对应地凸起或凹陷。其中，第二频率大于第一频率小于第三频率，第四频率大于第三频率，第二频率为压电执行器1被激发出第二模态的最小频率f2，第四频率为压电执行器1被激发出第二模态的最大频率f4。参见图7，当20khz《f1《f2《f3《f4时，第一模态和第二模态的电信号的频率区间存在一叠加区间，在该叠加区间内选择驱动电信号的频率f0在[f2,f3]区间内，在第一压电陶瓷片20和/或第二压电陶瓷片30的四极化区的对角分区上分别施加相位差为π/2的正弦波、三角波或方波电信号（如图8和图9所示），使弹性板10的中心孔径外沿的运动轨迹为椭圆（如图10所示），压电执行器1被同时激发出第一模态和第二模态，通过第一模态和第二模态的叠加从而驱动镜头组件4产生沿光轴方向的直线运动。需要说明的是，上述提到的径向为垂直于光轴的方向，轴向为光轴方向。[0063]实施例2：[0064]参照图14至图16，本实用新型还提供一种驱动装置。该驱动装置包括上述实施例中的用于光学成像系统的压电执行器1，底座2、预压件3、镜头组件4、传感组件5、电连接件6和保护壳9。其中，压电执行器1的具体结构在上述实施例中已详细描述，此处不再赘述。压电执行器1的弹性板10四角与底座2四角挡墙上端固定连接，且压电执行器1与设置在底座2内的电连接件6电连接。其中，本实用新型中的电连接件6可以为金属加强件；也可以为fpcb电路板；图中示例为金属加强件。具体地，第一压电陶瓷片20、第二压电陶瓷片30分别通过导电端7与底座2侧挡墙上的电连接件6电连接，弹性板10与底座2四角挡墙上的电连接件6电连接，并且弹性板10接地。压电执行器1套设在镜头组件4的外部，通过压电执行器1驱动镜头组件4沿光轴方向移动。预压件3设置在镜头组件4与压电执行器1之间，且预压件3分别与镜头组件4和压电执行器1压力固定。镜头组件4和压电执行器1间通过预压件3产生较大的预压力压紧，具有较大的自锁力，调节效果更精确。传感组件5设置在底座2上，且传感组件5与电连接件6电连接。通过传感组件5传输镜头组件4的运动轨迹，进而控制镜头组件4的运动。保护壳9罩设在底座2的外部，保护壳9与底座2扣合形成用于承载其他结构的空间。[0065]在一些实施例中，参见图17和图18，预压件3为波形弹片或带有缺口的波形弹片，波形弹片的一部分内壁与镜头组件4预压，波形弹片的一部分外壁与压电执行器1预压。[0066]在一些实施例中，参见图19和图20，预压件3为椭圆形弹片或带有缺口的椭圆形弹片，椭圆形弹片的一部分内壁与镜头组件4预压，椭圆形弹片的一部分外壁与压电执行器1预压。[0067]在一些实施例中，参见图21和图22，为了防止压电执行器1松动，在底座2上方设置盖板8，盖板8的四角用于压住压电执行器1的弹性板10与底座2固定的位置，防止压电执行器1松动甚至脱落。[0068]在一些实施例中，参见图23和图24，为了防止压电执行器1松动，还可以将保护壳9的四角设为凹陷结构，凹陷结构用以压住压电执行器1的弹性板10与底座2固定的位置，防止压电执行器1松动甚至脱落。[0069]驱动装置的工作原理为：[0070]电连接件6用于接收电信号，传递电信号至压电执行器1；具体为：电连接件6为金属加强件时，金属加强件嵌设于底座，金属加强件与第一压电陶瓷片20、第二压电陶瓷片30之间分别设有导电端7，电信号依次由金属加强件、导电端7传递至第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30；同时，弹性板10与底座2四角挡墙上的金属加强件电连接，并且弹性板10接地。[0071]第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30均具有单极化区：当驱动第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30的电信号的频率处于第一频率与第三频率区间时，通过向第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30施加相位角为0的方波电信号，使第一压电陶瓷片20与第二压电陶瓷片30同时产生沿径向的收缩或扩张，带动压电执行器1中心处产生沿轴向的凸起或凹陷，从而使连接于第一通孔13和第二通孔40的镜头组件4产生沿光轴方向的直线运动。[0072]第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30均具有四极化区，或者第一压电陶瓷片20具有四极化区以及第二压电陶瓷片30具有单极化区，或者第一压电陶瓷片20具有单极化区以及第二压电陶瓷片30具有四极化区：[0073]当驱动第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30的电信号的频率处于第一频率与第三频率区间时，第一压电陶瓷片20与第二压电陶瓷片30同时产生沿径向的收缩或扩张，带动压电执行器1中心处产生沿轴向凸起或凹陷。[0074]当驱动第一压电陶瓷片20和第二压电陶瓷片30的电信号的频率处于第二频率与第四频率区间时，第一压电陶瓷片20和/或第二压电陶瓷片30上的四极化区同时或分别依次产生沿径向的收缩或扩张，使压电执行器1沿弹性板10的对角线对应地凸起或凹陷。[0075]当20khz《f1《f2《f3《f4时，第一模态和第二模态的电信号的频率区间存在一叠加区间，在该叠加区间内选择驱动电信号的频率f0在[f2,f3]区间内，在第一压电陶瓷片20和/或第二压电陶瓷片30的四极化区的对角分区上分别施加相位差为π/2的正弦波、三角波或方波电信号（如图8和图9所示），使弹性板10的中心孔径外沿的运动轨迹为椭圆（如图10所示），压电执行器1被同时激发出第一模态和第二模态，通过第一模态和第二模态的叠加从而驱动镜头组件4产生沿光轴方向的直线运动。









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