一种基于空间三维柔性放大机构的微型压电式调焦系统

russell放大机构固定端并与底座上的限位凹槽对应；所述scott-russell放大机构末端设置为与运动元件对应的圆弧形结构；所述三角放大机构的后端中部两侧设置有与第三定位圆柱对应的第三限位孔；所述凹形限位件后侧的两端设置有与第二定位圆柱对应的第二限位孔；所述空间三维柔性放大机构的前、中、后侧依次通过限位凸台与限位凹槽的配合、第二限位孔与第二定位圆柱的配合、第三限位孔与第三定位圆柱的配合完成与底座间的定位和固定；所述scott-russell放大机构对称设置在凹形限位件的左右两侧，且一端与平行四边形放大机构连接，另一端与运动元件接触；所述压电陶瓷叠堆设置在三角放大机构内部。
10.所述运动元件包括定位块、直梁型柔性铰链和限位安装槽；所述定位块前后对称的设置有两个；所述直梁型柔性铰链分别连接在两个定位块的左右两端之间；所述限位安装槽分别安装在两侧直梁型柔性铰链上；所述镜头载体外壁的两侧分别设置有与两侧限位安装槽对应的定位安装块；其中位于前侧的定位块的左右两侧分别设置有与第一定位圆柱对应的第一限位孔；所述运动元件通过第一限位孔与第一定位圆柱的配合完成与底座间的定位和固定，通过限位安装槽与定位安装块的配合完成与镜头载体间的定位和固定；两侧限位安装槽的底部分别对应与两侧的scott-russell放大机构前端接触。
11.进一步的，所述保护壳与镜头对应部分开有通光孔；所述保护壳前端底部两侧设置有与第一定位圆柱对应的第四限位孔，后端中部设置有开槽，用于与三角放大机构后端中部配合；所述保护壳通过第四限位孔与第一定位圆柱的配合完成与底座间的定位和固定。
12.进一步的，所述压电陶瓷叠堆与三角放大机构之间呈过盈接触，且底部通过凸台支撑。
13.进一步的，所述底座上的圆形通孔和保护壳上的通光孔的直径均大于镜头载体的直径，方便镜头在光轴方向自由往复直线运动。
14.进一步的，所述底座与保护壳均为绝缘材料，且保护壳后侧设置有一通孔，方便压电陶瓷叠堆所接线与外界相连。
15.进一步的，所述三角放大机构内部用于固定压电陶瓷叠堆的卡槽长度小于压电陶瓷叠堆的长度。
16.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
17.本发明采用柔性放大机构直接将压电陶瓷叠堆的位移进行放大，达到所需要调节的焦距范围，该机构不仅确保了光学成像质量所需的透镜的无倾斜平移位移，而且该设计很好的消除传动过程中的空程以及产生的摩擦，耐久性与可靠性得到了很好的改善。在镜头往复直线运动中，由于柔性放大机构所使用的柔性铰链能够在不使用外力的情况下便可产生回复力，因此只有在调焦过程中消耗能量，其能耗比进一步下降，同时新型的镜头调焦系统也继承了超声电机无电磁干扰、响应快、分辨率高等优点。
附图说明
18.图1为本发明无保护壳状态下的结构示意图；
19.图2为本发明的爆炸结构示意图；
20.图3为本发明底座的三维结构示意图；
21.图4为本发明空间三维柔性放大机构的三维结构示意图；
22.图5为本发明运动元件的三维结构示意图；
23.图6为本发明镜头载体的三维结构示意图；
24.图7为本发明保护壳的三维结构示意图；
25.图8为本发明三维柔性放大机构的输出位移传递路径图。
26.其中，附图标记：1-底座；2-空间三维柔性放大机构；3-运动元件；4-镜头载体；5-保护壳；6-镜头；7-压电陶瓷叠堆；11-圆形通孔；12-第一定位圆柱；13-第二定位圆柱；14-第三定位圆柱；15-凸台；16-限位凹槽；21-三角放大机构；211-第三限位孔；22-平行四边形放大机构；23-scott-russell放大机构；24-限位凸台；25-凹形限位件；251-第二限位孔；31-定位块；311-第一限位孔；32-直梁型柔性铰链；33-限位安装槽；41-定位安装块；51-通光孔；52-第四限位孔；53-开槽；54-通孔。
具体实施方式
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
29.参见附图1至8，给出了本发明所提出的一种基于空间三维柔性放大机构的微型压电式调焦系统一个实施例的具体结构。所述调焦系统包括底座1、空间三维柔性放大机构2、运动元件3、镜头载体4、保护壳5、镜头6和压电陶瓷叠堆7。
30.其中，所述镜头6通过镜头载体4对应设置在底座1的中部区域；所述空间三维柔性放大机构2设置在底座1上端面中后部区域，且其前侧与镜头载体4对应；所述压电陶瓷叠堆7对应设置在空间三维柔性放大机构2的后侧内部，作为其动力来源；所述运动元件3设置在镜头载体4的上部圆周外侧并分别与底座1和空间三维柔性放大机构2的动力输出端连接；所述保护壳5对应安装在底座1的上方，用于对系统内的其他组成部分进行防护。
31.如图3所示，所述底座1的中部区域设置有圆形通孔11，用于放置镜头载体4；所述底座1上表面前端左右两侧分别设置有第一定位圆柱12，中部左右两侧分别设置有第二定位圆柱13，后端中部两侧设置有第三定位圆柱14，且底座1上表面后侧底面还设置有凸台15，所述凸台15与电陶瓷叠堆7底部对应；所述底座1前侧与空间三维柔性放大机构2相对的两端分别设置有限位凹槽16。
32.如图4所示，所述空间三维柔性放大机构2包括三角放大机构21、平行四边形放大机构22、scott-russell放大机构23、限位凸台24和凹形限位件25；其中，所述凹形限位件25的开口端设置为与镜头载体4外圆周对应的圆弧形结构槽；所述平行四边形放大机构22对应连接在三角放大机构21前侧中部和凹形限位件25封闭端中部的左右两侧之间；所述限位凸台24分别对应设置在凹形限位件25开口侧的两端，且一端与scott-russell放大机构23前端连接，另一端与底座1上的限位凹槽16进行配合；所述空间三维柔性放大机构2整体呈
对称结构；所述三角放大机构21的后端中部两侧设置有与第三定位圆柱14对应的第三限位孔211；所述凹形限位件25表面后侧的左右两端设置有与第二定位圆柱13对应的第二限位孔251；所述空间三维柔性放大机构2的前、中、后侧分别通过限位凸台24与限位凹槽16的过盈配合、第二限位孔251与第二定位圆柱13的过盈配合、第三限位孔211与第三定位圆柱14的过盈配合完成与底座1间的定位和固定；所述scott-russell放大机构23对称设置在凹形限位件25的左右两侧，且其一端与平行四边形放大机构22连接，另一端与运动元件3的动力输入端接触连接。本实施例中，为满足输出位移大，所述空间三维柔性放大机构2采用混合铰链形式，进行三级放大，呈三维空间结构，放大率可以达到80倍以上，所用三种柔性铰链满足运动向刚度。
33.所述柔性放大机构2除限位安装部位与底座1接触外，其他部分均与底座1均呈非接触状态。所述压电陶瓷叠堆7设置在三角放大机构21内部的卡槽中，其与三角放大机构21之间的预紧采用过盈配合方式，预紧力由负载和机构共同提供；所述三角放大机构21内部用于固定压电陶瓷叠堆7的卡槽长度小于压电陶瓷叠堆7的长度；所述压电陶瓷叠堆7由凸台15支撑，且凸台15的高度与三角放大机构21固定端凸起高度一致。
34.如图5所示，所述运动元件3包括定位块31、直梁型柔性铰链32和限位安装槽33；所述定位块31设置有两个，两个定位块31前后间隔一定距离对称设置；所述直梁型柔性铰链32分别成对连接在两个定位块31的左右两端之间，整体组成一个矩形结构，其内径与镜头载体4的外径适配；所述限位安装槽33分别对应安装在两侧的直梁型柔性铰链32上；对应的，如图6所示，所述镜头载体4呈圆筒结构，且其外壁的两侧分别设置有与两侧限位安装槽33对应的定位安装块41；其中，位于前侧的定位块31的左右两侧分别设置有与第一定位圆柱12对应的第一限位孔311；所述运动元件3通过第一限位孔311与第一定位圆柱12的过盈配合完成与底座1间的定位和固定，通过两侧限位安装槽33与定位安装块41的过盈配合完成与镜头载体4间的定位和固定；两侧限位安装槽33的底部分别对应与两侧的scott-russell放大机构23位移输出端接触连接。
35.如图7所示，所述保护壳5与镜头6对应部分开有通光孔51；所述保护壳5前端底部两侧设置有与第一定位圆柱12对应的第四限位孔52，后端中部设置有开槽53，开槽53用于与三角放大机构21的后端中部配合；所述保护壳5通过第四限位孔52与第一定位圆柱12的过盈配合完成与底座1间的定位和固定。
36.本实施例中，所述底座1上的圆形通孔11和保护壳5上的通光孔51的直径均大于镜头载体4的直径，方便镜头6在光轴方向的自由往复直线运动。
37.所述底座1与保护壳5均为绝缘材料，且保护壳5后侧设置有一通孔54，方便压电陶瓷叠堆7所接线与外界相连。
38.由于空间三维柔性放大机构2整体对称，现取二分之一结构以输出位移为例对其作用原理进行阐述。所述空间三维柔性放大机构2的位移传递路线如图8所示，所述压电陶瓷叠堆7输出沿y轴负方向的位移
①
，经三角放大机构21第一级放大以后变成沿x轴负向的位移
②
，经平行四边形放大机构22第二级放大以后变成沿x轴负向的位移
③
，经scott-russell放大机构23第三级放大以后变成沿z轴正向的位移
④
，从而达到最终所需要的输出位移。
39.本发明未详尽事宜皆为公知技术。
40.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于空间三维柔性放大机构的微型压电式调焦系统，其特征在于：所述调焦系统包括底座、空间三维柔性放大机构、运动元件、镜头载体、保护壳、镜头和压电陶瓷叠堆；所述镜头通过镜头载体对应设置在底座的中部区域；所述空间三维柔性放大机构设置在底座上端面中后部区域，且其前侧与运动元件对应；所述压电陶瓷叠堆对应设置在空间三维柔性放大机构的后侧内部，作为其动力来源；所述运动元件设置在镜头载体的上部圆周外侧并分别与底座和空间三维柔性放大机构连接；所述保护壳对应安装在底座的上方，用于对系统进行防护。2.根据权利要求1所述的一种基于空间三维柔性放大机构的微型压电式调焦系统，其特征在于：所述底座中部区域设置有圆形通孔，用于放置镜头载体；所述底座上表面前端两侧设置有第一定位圆柱，中部两侧设置有第二定位圆柱，后端中部两侧设置有第三定位圆柱，且底座上表面后侧还设置有凸台；所述底座前侧与空间三维柔性放大机构相对的两端分别设置有限位凹槽。3.根据权利要求2所述的一种基于空间三维柔性放大机构的微型压电式调焦系统，其特征在于：所述空间三维柔性放大机构包括三角放大机构、平行四边形放大机构、scott-russell放大机构、限位凸台和凹形限位件；所述平行四边形放大机构对应连接在三角放大机构前侧中部和凹形限位件封闭端中部之间；所述限位凸台分别对应设置在scott-russell放大机构固定端并与底座上的限位凹槽对应；所述scott-russell放大机构末端设置为与运动元件对应的圆弧形结构；所述三角放大机构的后端中部两侧设置有与第三定位圆柱对应的第三限位孔；所述凹形限位件后侧的两端设置有与第二定位圆柱对应的第二限位孔；所述空间三维柔性放大机构的前、中、后侧依次通过限位凸台与限位凹槽的配合、第二限位孔与第二定位圆柱的配合、第三限位孔与第三定位圆柱的配合完成与底座间的定位和固定；所述scott-russell放大机构对称设置在凹形限位件的左右两侧，且一端与平行四边形放大机构连接，另一端与运动元件接触；所述压电陶瓷叠堆设置在三角放大机构内部。4.根据权利要求3所述的一种基于空间三维柔性放大机构的微型压电式调焦系统，其特征在于：所述运动元件包括定位块、直梁型柔性铰链和限位安装槽；所述定位块前后对称的设置有两个；所述直梁型柔性铰链分别连接在两个定位块的左右两端之间；所述限位安装槽分别安装在两侧直梁型柔性铰链上；所述镜头载体外壁的两侧分别设置有与两侧限位安装槽对应的定位安装块；其中位于前侧的定位块的左右两侧分别设置有与第一定位圆柱对应的第一限位孔；所述运动元件通过第一限位孔与第一定位圆柱的配合完成与底座间的定位和固定，通过限位安装槽与定位安装块的配合完成与镜头载体间的定位和固定；两侧限位安装槽的底部分别对应与两侧的scott-russell放大机构前端接触。5.根据权利要求4所述的一种基于空间三维柔性放大机构的微型压电式调焦系统，其特征在于：所述保护壳与镜头对应部分开有通光孔；所述保护壳前端底部两侧设置有与第一定位圆柱对应的第四限位孔，后端中部设置有开槽，用于与三角放大机构后端中部配合；所述保护壳通过第四限位孔与第一定位圆柱的配合完成与底座间的定位和固定。6.根据权利要求3所述的一种基于空间三维柔性放大机构的微型压电式调焦系统，其特征在于：所述压电陶瓷叠堆与三角放大机构之间呈过盈接触，且底部通过凸台支撑。7.根据权利要求5所述的一种基于空间三维柔性放大机构的微型压电式调焦系统，其特征在于：所述底座上的圆形通孔和保护壳上的通光孔的直径均大于镜头载体的直径，方
便镜头在光轴方向自由往复直线运动。8.根据权利要求5所述的一种基于空间三维柔性放大机构的微型压电式调焦系统，其特征在于：所述底座与保护壳均为绝缘材料，且保护壳后侧设置有一通孔，方便压电陶瓷叠堆所接线与外界相连。9.根据权利要求1所述的一种基于空间三维柔性放大机构的微型压电式调焦系统，其特征在于：所述三角放大机构内部用于固定压电陶瓷叠堆的卡槽长度小于压电陶瓷叠堆的长度。

技术总结
本发明涉及一种基于空间三维柔性放大机构的微型压电式调焦系统，包括底座、空间三维柔性放大机构、运动元件、镜头载体、保护壳、镜头和压电陶瓷叠堆；所述镜头通过镜头载体对应设置在底座的中部区域；所述空间三维柔性放大机构设置在底座上端面中后部区域，且其前侧位移输出与镜头载体对应；所述压电陶瓷叠堆对应设置在空间三维柔性放大机构的后侧内部，作为其动力来源；所述运动元件设置在镜头载体的上部圆周外侧并分别与底座和空间三维柔性放大机构连接；所述保护壳对应安装在底座的上方，用于对系统进行防护。本发明能够有效提高现有压电式镜头驱动器的耐久性和可靠性，输出位移大、功耗低，除此之外继承超声电机分辨率高、响应快、负载能力强等优点。负载能力强等优点。负载能力强等优点。


技术研发人员：邢继春 侯俊伟
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/9