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1、(10)申请公布号 CN 103309009 A (43)申请公布日 2013.09.18 CN 103309009 A *CN103309009A* (21)申请号 201310258010.0 (22)申请日 2013.06.25 G02B 7/04(2006.01) H02N 2/02(2006.01) (71)申请人 中国科学院西安光学精密机械研究 所 地址 710119 陕西省西安市高新区新型工业 园信息大道 17 号 (72)发明人 陈卫宁 杨洪涛 范哲源 张建 曹剑中 刘广森 刘伟 雷杨杰 (74)专利代理机构 西安智邦专利商标代理有限 公司 61211 代理人 胡乐 (54) 。
2、发明名称 应用于光学系统的压电陶瓷直线电机调焦装 置 (57) 摘要 本发明提供一种应用于光学系统的压电陶瓷 直线电机调焦装置。该压电陶瓷直线电机调焦装 置， 固定部分包括主框架、 压电陶瓷电机的定子、 以及用于将所述主框架与光学系统的镜筒连接固 定的连接板， 直线运动部分包括调焦镜组、 转接板 和压电陶瓷直线电机的动子， 调焦镜组安装于主 框架内， 调焦镜组的镜框的外壁沿透镜轴向固定 设置有直线轴承， 主框架中固定安装有与所述直 线轴承相适配的导轨轴， 所述导轨轴与透镜光轴 平行 ； 镜框经转接板与压电陶瓷直线电机的动子 固定对接， 使得调焦镜组能够由动子驱动沿导轨 轴移动。该调焦装置具有小。
3、型化、 重量轻特点， 响 应快、 精度高等动态工作特性优良。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103309009 A CN 103309009 A *CN103309009A* 1/1 页 2 1. 应用于光学系统的压电陶瓷直线电机调焦装置， 其特征在于 ： 由固定部分和直线运 动部分构成， 其中， 固定部分包括主框架、 压电陶瓷电机的定子、 以及用于将所述主框架与 光学系统的镜筒连接固定的连接板， 直线运动部分包括调焦镜组、 转。
4、接板和压电陶瓷直线 电机的动子， 其中， 调焦镜组安装于主框架内， 由透镜、 压圈和镜框组成， 镜框的外壁沿透镜 轴向固定设置有直线轴承， 主框架中固定安装有与所述直线轴承相适配的导轨轴， 所述导 轨轴与透镜光轴平行 ； 镜框经转接板与压电陶瓷直线电机的动子固定对接， 使得调焦镜组 能够由动子驱动沿导轨轴移动。 2. 根据权利要求 1 所述的压电陶瓷直线电机调焦装置， 其特征在于 ： 所述直线轴承和 导轨轴共有三副， 整体呈等边三角形分布。 3. 根据权利要求 2 所述的压电陶瓷直线电机调焦装置， 其特征在于 ： 所述压电陶瓷直 线电机的定子与连接板对接固定， 或者固定于主框架上。 4. 根据。
5、权利要求 3 所述的压电陶瓷直线电机调焦装置， 其特征在于 ： 所述压电陶瓷直 线电机采用双定子压电陶瓷直线电机。 5. 根据权利要求 1 至 4 任一所述的压电陶瓷直线电机调焦装置， 其特征在于 ： 所述压 电陶瓷直线电机采用光栅尺实时测量动子位移输出反馈， 构成压电陶瓷直线电机运动的闭 环控制。 权 利 要 求 书 CN 103309009 A 2 1/3 页 3 应用于光学系统的压电陶瓷直线电机调焦装置 技术领域 0001 本发明涉及一种相机光学系统的调焦装置， 具体涉及一种以压电陶瓷直线电机为 驱动的调焦装置。 背景技术 0002 相机的工作环境因素对光学系统成像质量具有重要的影响， 。
6、主要包括环境温度变 化和气压变化两个方面。环境温度变化引起光学元件的曲率半径、 厚度、 外径等发生变化， 导致光学材料折射率变化。气压变化主要影响空气的折射率， 引起透镜材料与空气相对折 射率改变， 这必然会引起光学系统像面的离焦， 降低图像的分辨率。 0003 例如， 对某航空相机光学系统进行分析， 在不同温度、 不同压力的系统的离焦量如 表 1 所示。 0004 表 1 不同温度不同气压下系统离焦量 0005 0006 从以上分析可以看出， 工作环境为 -45、 0.3 个大气压时的系统离焦量达 0.44mm， 为保证系统的成像质量， 必须根据工作环境对光学系统进行实时调焦。 0007 目。
7、前， 普遍采用的调焦方式通常包括凸轮、 丝杠螺母以及滚珠丝杠等。 凸轮调焦方 式存在体积大、 效率低、 精度差等缺点 ； 丝杠螺母虽然可以实现较高精度的调焦， 但是安装 工艺要求较高、 体积较大。随着航空相机对设备轻量化、 小型化的要求不断提高， 相机调焦 机构的设计也必须充分遵循质量轻、 体较小的设计原则。 0008 压电陶瓷直线电机是运动控制领域出现的一种新型电机， 当电机工作时， 它基于 压电现象产生超声驻波的原理， 依靠产生纵向延伸或横向弯曲的激励使电机动子输出直线 运动， 而且不产生内在磁场、 不会发热， 可以在真空环境下工作 ； 电机不工作时， 电机自身的 压力会产生一个保持力距，。
8、 不会产生位移。压电陶瓷直线电机具有结构经凑、 体积小、 重量 轻， 推动力大、 响应快、 控制精度高， 断电自锁、 低功耗等优良的工作特性 ； 对于不同负载以 及运动行程可以选择不同规格的压电陶瓷电机满足要求。 发明内容 0009 本发明提供一种应用于光学系统的压电陶瓷直线电机调焦装置， 具有小型化、 重 量轻的特点， 调焦工作稳定、 响应快、 精度高。 0010 为实现以上发明目的， 本发明给出以下基本技术方案 ： 0011 应用于光学系统的压电陶瓷直线电机调焦装置， 由固定部分和直线运动部分构 说 明 书 CN 103309009 A 3 2/3 页 4 成， 其中， 固定部分包括主框架。
9、、 压电陶瓷电机的定子、 以及用于将所述主框架与光学系统 的镜筒连接固定的连接板， 直线运动部分包括调焦镜组、 转接板和压电陶瓷直线电机的动 子， 其中， 调焦镜组安装于主框架内， 由透镜、 压圈和镜框组成， 镜框的外壁沿透镜轴向固定 设置有直线轴承， 主框架中固定安装有与所述直线轴承相适配的导轨轴， 所述导轨轴与透 镜光轴平行 ； 镜框经转接板与压电陶瓷直线电机的动子固定对接， 使得调焦镜组能够由动 子驱动沿导轨轴移动。 0012 基于上述基本技术方案， 本发明还进一步做出以下优化改进 ： 0013 上述直线轴承和导轨轴共有三副， 整体呈等边三角形分布。 0014 上述压电陶瓷直线电机的定子。
10、可以与连接板对接固定， 也可以固定于主框架上。 0015 上述压电陶瓷直线电机采用双定子压电陶瓷直线电机。 0016 上述压电陶瓷直线电机采用光栅尺实时测量动子位移输出反馈， 构成压电陶瓷直 线电机运动的闭环控制。 0017 本发明具有以下优点 ： 0018 该调焦装置具有小型化、 重量轻特点， 响应快、 精度高等动态工作特性优良。 0019 该调焦装置以简单紧凑的结构形式， 采用压电陶瓷直线电机， 有效改善了小型化 和轻量化航空相机镜头中调焦装置的综合性能， 能够适应复杂的工作环境， 可以广泛应用 于航空相机的调焦， 通过设计不同的安装接口， 也可应用于普通相机的调焦。 附图说明 0020 。
11、图 1 为本发明调焦装置的结构示意图。 0021 图 2 为本发明调焦装置的工程结构简图 （侧面剖视） ； 0022 图 3 为图 2 所示调焦装置的正视图。 0023 附图标号说明 ： 0024 1- 直线轴承 ； 2- 主框架 ； 3- 透镜 ； 4- 透镜压圈 ； 5- 镜框 ； 6- 连接板 ； 7- 电机定子 ； 8- 电机动子 ； 9- 转接板 ； 10- 导轨轴。 具体实施方式 0025 基于压电陶瓷直线电机在运动控制方面的优良特点， 本发明将调焦镜片作为移动 元件安装在导轨上， 采用压电陶瓷直线电机作为驱动输入， 驱动调焦镜沿导轨移动， 可以实 现快速， 平稳、 准确的调焦过程。
12、。 0026 本发明的调焦装置主要由一个压电陶瓷直线电机、 移动镜组、 三组导轨以及安装 架构成， 整个调焦装置结构模型如图 1 所示。 0027 该调焦装置安装于镜筒内部， 通过调节光学系统中某一组透镜 （调焦镜组） 沿轴向 移动实现系统调焦。导轨轴的装配平行度保证了透镜的光轴与系统光轴的偏角误差， 对导 轨轴的安装孔 （位于主框架上） 采用一次性加工方法， 固定装配直线轴承， 以保证他们之间 的位置误差 ； 通过采用光栅尺的反馈对压电陶瓷电机的运动进行闭环控制， 可以实现高精 度定位， 以满足最小调焦步长的要求。 0028 根据调焦镜组的重量， 计算压电陶瓷直线电机的驱动负载 ； 根据光学。
13、分析结果确 定最大调焦量， 设计调焦行程 ； 根据系统成像要求确定所需要调焦精度。 将压电陶瓷电机的 说 明 书 CN 103309009 A 4 3/3 页 5 定子和主框架与镜头的镜筒固定， 调焦镜组安装在导轨轴上， 通过压电陶瓷电机的动子带 动调焦镜组移动实现调焦。 0029 本发明调焦装置工程结构图如图 2、 图 3 所示， 主要由压电陶瓷直线电机和调焦镜 组以及固定基座组成。图 1 中透镜 3、 压圈 4、 镜框 5 组成了调焦镜组， 三副直线轴承 1 安装 在镜框 5 上， ， 三根导轨轴 10 安装在主框架 2 上， 直线轴承 1 与导轨轴 10 进行配合， 导轨轴 10 为调焦。
14、镜组提供辅助支撑和精确导向作用， 压电陶瓷直线电机的定子 7 与连接板 6 固定 连接， 镜框 5 通过转接板 9 与压电陶瓷直线电机的动子 8 连接， 主框架 2 和连接板 6 最终都 与镜头的镜筒连接， 成为固定基座， 电机工作时， 动子相对于定子沿透镜轴向做直线移动， 从而驱动调焦镜组移动， 实现调焦过程。 0030 参照图 1 的示例 ： 调焦透镜直径为 46mm， 重量为 52g， 设计调焦镜组负载为 90g， 整个调焦装置尺寸为 85mm25mm， 重量约为 190g， 相比于凸轮和滚珠丝杠等调焦方式， 该调焦装置均有较小的安装尺寸和较轻的重量。 0031 根据应用要求， 压电陶瓷直线电机使用两个定子作为驱动， 行程为 2.5mm， 调焦 精度 5m， 推力 35gf， 自锁力 130gf， 电机重量 15g， 电机外形为 26.23mm21mm8.85mm。 说 明 书 CN 103309009 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103309009 A 6 2/2 页 7 图 3 说 明 书 附 图 CN 103309009 A 7 。