一种基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜制造技术

本发明专利技术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。

A thin film type variable focus lens based on linear ultrasonic motor

【技术实现步骤摘要】
一种基于螺纹直线超声电机的薄膜型可变焦透镜
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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；作为本专利技术的进一步优选，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；作为本专利技术的进一步优选，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；作为本专利技术的进一步优选，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；作为本专利技术的进一步优选，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；作为本专利技术的进一步优选，定子基体选用金属材质制成；作为本专利技术的进一步优选，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，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术电机本体的设置，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、本专利技术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、本专利技术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专利技术进一步说明。图1是本专利技术的优选实施例的可变焦透镜整体结构示意图；图2是本专利技术的优选实施例可变焦透镜的原理示意图；图3是本专利技术的优选实施例的电机本体的整体结构示意图；图4是本专利技术的优选实施例的定子结构示意图；图5是本专利技术的优选实施例的转子结构示意图；图6是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术两种振动模态，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是本专利技术电机本体的振幅直接影响透明玻璃板振动的曲线图；图10是本专利技术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为本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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；/n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；/n刚性圆柱薄片粘连在光学后膜底面；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨淋，李涵璐，陈亮，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32