CN101283460A - 包含超声波导螺杆电动机的机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学总成，其包含光学器件，该光学器件可移动地附装至用于驱动螺纹轴总成的装置上。该装置包含具有旋转轴线的螺纹轴及与其相啮合的螺母。该总成包含用于使螺母经受超声波振动的器件，由此使所述轴同时旋转及在轴向上平移。

Description

包含超声波导螺杆电动机的机构
相关申请案交叉参考
本申请案是申请人的于2004年9月13日提出申请且同在申请中的美国申请案第10/918,041号的部分接续式申请案，第10/918,041号申请案又是2003年9月8日提出申请的美国申请案第10/657,325号的部分接续式申请案。上述每一专利申请案的内容均以引用方式并入本说明书中。
技术领域
本发明涉及一种包含微型超声波直线电动机总成的成像装置及注射泵装置，其中该微型超声波直线电动机总成是由螺纹轴及与其相啮合的螺母所构成。
背景技术
使用压电式(piezoelectric；PZT)电致伸缩技术、静电技术或电磁技术的变送器非常适用于进行纳米规模的精确定位。在压电式装置的情形中，将陶瓷形成于电容器中，该电容器在充电及放电时会改变形状，从而形成力变送器或位置致动器。当用作位置致动器时，压电性陶瓷的形状改变量近似正比于所施加的电压。压电式致动器的范围被限定为陶瓷长度的0.1％，此对应于数十微米的典型行程长度。尽管压电式致动器具有高的刚度及纳米精确度，然而在许多应用中需要具有更大的行程。
为“矫正”小的陶瓷形状改变量并产生更大的行程，人们已开发出许多种压电式电动机设计。
在美国专利第3,902,084号中即描述一种PZT步进电动机，该美国专利的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。此种电动机使用箝位-伸出-箝位-回缩操作顺序(clamp-extend-clamp-retract operating sequence)将许多短的PZT致动器循环加在一起。此种步进式直线致动器的运行频率从DC到数千赫兹，而此会产生高的噪声及振动。当断电时，位置不能得到保持。在200毫米的行程中能达到好于1纳米的分辨率。
在美国专利第5,410,206号中描述一种PZT惯性滞-滑式电动机(PZT inertialstick-slip motor)，该美国专利的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。此种电动机使用对开螺母旋转精微螺纹轴，该对开螺母会形成“夹钳”而在相对侧上夹住该轴。借助不对称交流驱动信号，PZT致动器会使夹钳在相反方向上迅速移动。快速的夹钳运动能克服夹持摩擦并形成滑动。较慢的夹钳运动则不会形成滑动，而是使轴旋转。此种滞-滑式电动机会发出类似于上述步进电动机的噪声及振动，但运动速度要慢100倍且在断电时会保持其位置。在25毫米的行程中能达到好于50纳米的分辨率。
超声波电动机利用由压电所产生的振动而形成连续的运动，其速度快、转矩高、尺寸小且运行安静。
在美国专利第3,176,167号中描述其中一种最早的超声波压电式电动机，该美国专利的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。此种单向旋转电动机利用石英晶体振荡器移动一细杆并驱动一棘轮，目的是驱动时钟机构。
在美国专利第5,453,653号中描述一种驻波式超声波电动机(standing waveultrasonic motor)，该美国专利的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。此种电动机利用矩形PZT板在接触点处产生超声波振荡，该接触点被贴靠移动面进行预加载。PZT板上的电极图案连接至交流信号，并使该接触尖端产生具有所需幅值及相位的二维振荡，以产生作用于配合面上的净力。此种超声波电动机运行安静，且比步进电动机快100倍，同时形成约为其1/3的力。超声波电动机的停止及起动一般比较困难，此会限制其精度。为获得亞微米的分辨率，通常需要使用带死循环控制的编码器。
在Katsuyuki Fujimura的美国专利第6,147,435号中描述一种利用超声波振动而驱动螺纹杆的装置，该专利的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。该专利揭示并主张：“一种利用超声波振动而驱动螺纹杆的机构，其包括：螺纹杆，其设置有沿其轴向形成螺旋状的凹槽部；一对立柱，其可旋转地固定所述螺纹杆的相对端上；工作架，其局部环绕所述螺纹杆并可在所述螺纹杆的轴向上滑动；至少一第一螺纹杆旋转装置，其紧固于所述工作架的一侧上，并从所述工作架延伸至所述螺纹杆，所述至少一第一螺纹杆旋转装置包括与所述螺纹杆的所述凹槽部以第一特定角度相接触的第一振动器、用于以特定压力将所述第一振动器朝所述螺纹杆的所述凹槽部推动的第一弹簧、以及用于在受到电激励时使所述第一振动器振动以使所述螺纹杆在第一旋转方向上旋转的第一压电致动器；以及至少一第二螺纹杆旋转装置，其紧固于所述工作架的另一侧上，并从所述工作架延伸至所述螺纹杆，所述至少一第二螺纹杆旋转装置包括与所述螺纹杆的所述凹槽部以与所述第一特定角度相反的第二特定角度相接触的第二振动器、用于以特定压力将所述第二振动器朝所述螺纹杆的所述凹槽部推动的第二弹簧、以及用于在受到电激励时使所述第二振动器振动以使所述螺纹杆在第二旋转方向上旋转的第二压电致动器”。
美国专利第6,147,435号中所述的装置同时需要“第一螺纹杆旋转装置”及“第二螺纹杆旋转装置”；此在图3中被显示为例如组件16a′及16d′(其构成该第一螺纹杆旋转装置)、与组件16b′及16c′(其构成该第二螺纹杆旋转装置)。再次参见美国专利第6,147,435号，当组件16a′及16d′受到超声波振动激励时，会使螺纹杆2在一个方向上旋转；而当组件16b′及16c′受到超声波振动激励时，会使螺纹杆2在相反方向上旋转。
组件16a′及16d′与组件16b′及16c′从不同时受到激励；否则此会浪费能量并使螺纹杆2保持静止。
然而，甚至当这些组件16a′及16d′与16b′及16c′未同时受到激励时，也会出现能量浪费。不活动的一对组件仍与螺纹杆2上的螺纹连在一起，并由此造成制动摩擦。
此种制动摩擦即为美国专利第6,147,435号所述装置的一问题所在。如在该专利的权利要求2中所述，为多少解决该问题，该专利的装置为“当所述第一及第二压电致动器其中之一受到电激励时，对所述第一及第二压电致动器其中的另一者提供非常小的电流。”美国专利第6,147,435号所述装置的效率也不是很高。
本发明的一目的是提供一种利用超声波振动驱动螺纹轴的机构，其效率显着高于美国专利第6,147,435号所述的装置，同时所提供的精度、力及速度高于其他类似大小的超声波电动机通常所提供的精度、力及速度。
本发明的另一目的是提供一种由上述用于驱动螺纹轴的机构所构成的成像装置及注射泵装置。
发明内容
根据本发明，提供一种光学总成，其由光学组件连接至用于驱动螺纹轴总成的装置而构成，其中所述用于驱动螺纹轴总成的装置是由螺纹轴及与其相啮合的螺母所构成。该总成包含使所述螺母经受超声波振动并进而使所述轴同时旋转且在轴向上平移的装置。该总成还由用于对所述轴施加轴向力的装置构成。
根据本发明，还提供一种流体泵总成，其由注射器构成，所述注射器的推杆连接至螺纹轴总成，所述螺纹轴总成则由螺纹轴及与其相啮合的螺母所构成。该总成包含使所述螺母经受超声波振动并进而使所述轴旋转及使所述推杆在轴向上平移的装置。
本发明还提供一种机械运动止挡机构，其利用切点使所述螺纹电动机轴在所期望点处停止运动，所述切点用于停止转动而不将电动机轴及螺母的螺纹锁定于一起。
附图说明
下文将参照本说明书、随附权利要求书及附图对本发明进行说明，其中相同的编号指代相同的组件，且其中：
图1至6显示含有四个矩形压电板的电动机，其中图1为该电动机的立体图，图2为该电动机的分解图，图3为该电动机的端视图，图4显示该电动机的电连接，图5为电动机沿图3中的线A-A(30)截取的剖面图，图5A显示在外部预加载及电动机断开时的螺纹啮合的放大图(图5中的47)，图5B显示在电动机运行时图5A的相同放大图，图6则为沿图3中的线B-B(32)截取的剖面图；
图7至12图解说明含有四个压电堆栈的电动机，其中：
图7为该电动机的立体图，图8为该电动机的分解图，图9为该电动机的端视图，图10显示该电动机的电连接，图11为沿图9中的线A-A(48)截取的剖面图，图12则为沿图9中的线B-B(46)截取的剖面图；
图13至17图解说明含有带四个外电极的压电管的电动机，其中：图13为该电动机的立体图，图14为该电动机的分解图，图15为该电动机的端视图，图16显示该电动机的电连接，图17则为沿图15中的线A-A(56)截取的剖面图；
图18为图1所示电动机所用螺母的轨道运动的示意图，其显示螺纹轴的旋转及平移；
图19为在形成图18所示运动时所需的电驱动信号的示意图；
图20至25显示与各直线平台封装并集成于一起的图1所示电动机的应用，其中：图20为该电动机总成的立体图，图21为该电动机总成的分解图，图22为电动机总成的剖面图，图23A为从与图20相反的反向看去的电动机总成的立体图，图23B为图解说明电动机总成如何在正向上旋转及平移的立体图，图23C为图解说明电动机总成如何在反向上旋转及平移的立体图，图24A显示集成于直线平台中的电动机总成在正向上运行，图24B显示集成于直线平台中的电动机总成在反向上运行，图25则显示该电动机总成集成于三轴平台系统中；
图26至29图解说明含有带四个外电极的压电管的电动机，该电动机类似于图13至17所示，其中：图26为该电动机的立体图，图27为该电动机的分解图，图28为该电动机的端视图，图29则为沿图28中的线A-A(130)截取的剖面图；
图30至36图解说明以平面布置形式包含四个压电堆栈的电动机，其中：图30为该电动机的立体图，图31为该电动机的分解图，图32为该电动机的端视图，图33为沿图32中的线A-A(132)截取的剖面图；图34显示该电动机中单个压电堆栈的电连接，图35显示该电动机中四个堆栈的电连接，图36及图36A至36E则为图30所述电动机所用螺母的轨道运动示意图，其显示螺纹轴的旋转，此类似于图18中所示的动态运行；
图37至42图解说明集成有电动机及镜头的光学对准机构，其中：图37为具有中空轴的图26所示电动机的立体图，其中在所述轴内安装有镜头，图38为该电动机的端视图，图39为沿图38中的线A-A(134)截取的剖面图，图40为具有中空轴的图30所示电动机的立体图，其中在所述轴中安装有镜头，图41为该电动机的端视图，图42则为沿图41中的线A-A(136)截取的剖面图；
图43至45图解说明一照相机自动聚焦及自动变焦总成，其将两个图40所示的光学对准机构与焦平面成像装置集成于一起，其中：图43为该照相机总成的立体图，图44为该总成的端视图，图45则为沿图44中的线A-A(138)截取的剖面图；
图46至48图解说明一如图43所示的照相机总成，其中光学镜头安装于带止转销的轴承上，以使镜头平移但不旋转，其中：图46为照相机总成的立体图，图47为该总成的端视图，图48则为沿图47中的线A-A(140)截取的剖面图；
图49至52图解说明一电动机(类似于图1至5所示)，其包含四个固定地附装至中央部件上的矩形压电板，该中央部件的整个内部长度是由啮合的螺纹构成，其中：图49为该电动机的立体图，图50为该电动机的分解图，图51为该电动机的端视图，图52则为该电动机沿图51中的线A-A(246)截取的剖面图；
图53至59B显示被及集成于一光学总成内的图49所示电动机的应用，该光学总成提供如在数字照相机及移动电话中所用的自动聚焦功能，其中：图53为封装于自动聚焦镜头总成中的电动机总成的立体图，图54为电动机总成封装的局部剖面图；图55为电动机总成封装的分解图，图56为局部剖面图，其绘示电动机总成及配套的完全回缩的镜头机构，图57为局部剖面图，其图解说明电动机总成如何在正向上平移、从而使镜头机构相应地移动，图58为展示如何使电动机总成完全平移并操纵镜头机构的局部剖面图，图59A为显示集成于移动电话中的图53所示电动机总成封装的立体图，图59B为电动机总成封装的放大的局部剖面图(图59A中的247)；
图60至66显示被封装及集成于一施配注射器内的图26所示电动机的应用，该施配注射器提供如在医用流体泵中所用的受控流体施配装置，其中：图60为被封装于注射器流体施配系统中的电动机总成的立体图，图61为电动机总成封装的局部剖面图，图62为电动机总成封装的分解图，图63为立体图，其详细显示电动机总成与注射器推杆一同完全回缩、从而使流体量保持处于注射器本体内部，图64为电动机总成随其配套推杆完全平移、将所有流体量从注射器本体中迫出的立体图，图65为被封装于医用流体泵内的电动机总成的立体图，图66为图65的局部剖面图，其显示位于医用流体泵室内的电动机总成；以及
图67A至71D图解说明可用于本文所包含的所有电动机上的切向运动限制特征，图67A显示在所集成的切向运动限制特征处于非啮合状态时典型电动机总成的立体图，图67B为切向运动限制特征的放大图(图67A中的259)，图68A显示在所集成的切向运动限制特征处于啮合状态时典型电动机总成的立体图，图68B为切向运动限制特征的放大图(图68A中的266)，图69A为切向运动限制特征的静止态样的立体图，图69B为侧视图，其详细显示切向运动限制特征的静止特性，图70A为切向运动限制特征的旋转态样的立体图，图70B为侧视图，其详细显示切向运动限制特征的旋转能力，图71A至71D绘示在电动机旋转及平移时切向运动限制特征的操作的各个阶段。
具体实施方式
在本说明书的第一部分中，申请人将说明一种微型超声波直线电动机。在本说明书的第二部分中，则将说明一种由一光学装置连接至此种电动机而构成的光学总成。
在本发明的一实施例中，微型超声波直线电动机带动一导螺杆旋转而形成直线运动。圆柱体支撑螺母，此具有处于超声波范围中的第一弯曲模态谐振频率。变送器以该频率激励该圆柱体及螺母，以使螺母在圆柱体的端部回转。变送器可以是压电装置、电致伸缩装置、静电装置、电磁装置或者任何其他可激起谐振振动的装置。为以+90°或-90°的相移同时激励圆柱体的正交的弯曲模态并形成圆形轨道，需要至少两个变送器。紧密配合的螺纹轴安装于该螺母内。通过低摩擦耦合对该轴施加弹性轴向负载。螺母以其谐振频率旋转，且轴的惯性使其保持居中。螺母的回转会产生转矩，从而使轴旋转并形成直线运动。这些变送器需要至少两个交流驱动信号。驱动频率必须激励机械频率并对相位进行控制，以获得圆形的螺母轨道。通过对驱动信号的幅值及持续时间进行调制而控制速度。驱动信号之间的相移既可为正的，也可为负的，负的相移会使螺母回转方向及轴旋转/平移方向反向。在本说明书的其余部分中将更详细地说明本实施例及其他较佳实施例。
尽管并不希望受限于任何特定理论，然而申请人相信其超声波直线致动器其中一种的工作原理是圆柱管的第一弯曲谐振的激励作用，此使管的一端或两端均围绕圆柱轴线回转而不旋转。在本实施例中，管的一端容纳螺母，该螺母也围绕配套螺纹轴回转并通过摩擦而施加切向力，从而在其回转时带动螺纹轴旋转。螺纹的摩擦非常有用，因为其直接驱动螺杆。这与传统导螺杆驱动装置形成显明对比一在传统导螺杆驱动装置中，螺纹接触摩擦是寄生的并形成上紧、回退及缓慢的回应。在本实施例中所用的螺旋螺纹的另一显著优点是将旋转直接转换成平移，此具有大的机械优点，能放大轴向力并降低直线速度，且由此提高精度。
在本实施例中，较佳使用位于负载路径内或负载路径外的变送器来激励第一弯曲模态。可以使用的变送器的实例是例如压电组件及堆栈、磁致伸缩材料、及静电材料，不一而足。此处所列并未包含所有变送器材料，但应理解，任何可用于对圆柱管或具有类似形状的块的第一弯曲谐振进行激励并使管的一端或两端回转的此种材料或机构均可实施于本专利中。本文所述的实施例是使用压电材料，但也可同样容易地使用上述替代变送器材料进行实施。
参见图1至6，在其中所示的较佳实施例中，绘示超声波直线电动机10。在所示实施例中，使用四个矩形压电板产生超声波振动。在图1中所未显示的另一实施例中，则可使用其他装置产生超声波振动。
在本说明书中所用的术语“超声波(ultrasonic)”是指工作频率超过20,000赫兹。在一实施例中，工作频率是至少约25,000赫兹。在另一实施例中，工作频率是至少约50,000赫兹。在又一实施例中，工作频率是至少约100,000赫兹。
在本说明书中所用的术语“直线电动机(linear motor)”是指致动器通过产生力及/或位移而形成实质沿直线的运动。例如，可参见美国专利第5,982,075号(超声波直线电动机)、第5,134,334号(超声波直线电动机)、第5,036,245号(超声波直线电动机)、第4,857,791号(直线电动机)等等。这些美国专利中每一者的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。
再次参见图1至6，在其中所示的较佳实施例中，将会看到，带有圆球形尖端26的螺纹轴12旋转并形成轴向力及运动。
螺纹轴12较佳可活动地设置于外壳14内。螺纹轴12的长度15(参见图5)较佳超过外壳14的长度13至少约10毫米。在一实施例中，长度15超过长度13至少25毫米。在另一实施例中，长度15超过长度13至少50毫米。
在一实施例中，螺纹轴12具有第一固有频率，该第一固有频率为外壳14的第一固有频率的不到约0.2倍。在另一实施例中，螺纹轴12的第一固有频率为外壳14的第一固有频率的不到0.1倍。
本文中所用的术语“第一固有频率(first natural frequency)”是指第一正常振动模态的频率；例如参见McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms第四版(McGraw-Hill Book Company，New York，1989)的第1253页，也可参见Eugene A.Avallone等人所著的“Mark′s Standard Handbook for MechanicalEngineers”(McGraw-Hill Book Company，New York，1978)的第5-59至5-70页(“Natural Frequencies of Simple Systems”)。还可参见美国专利第6,125,701号、第6,591,608号、第6,525,456号、第6,439,282号、第6,170,202号、第6,101,840号等等；这些美国专利中每一者的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。
在图中所示的实施例中，通过在平行于中心轴线的平面中存在相互正交作用的两种正常振动模态而形成螺母16的回转运动(参见图2)，此最清楚地显示于图18中。这两种正交的正常振动模态是通过受激励变送器(例如板18、20、22及24)与外壳14的相互作用而提供；且此种相互作用会促使螺母16进行回转运动，而此由促使螺纹轴12进行旋转及平移。
在一实施例中，螺母16的第一固有谐振频率较佳至少为电动机总成10的工作频率的5倍。因此，较佳使螺母16实质为刚性体。
在一实施例中，螺纹轴12是由实质为不锈钢的金属制成。在该实施例中，螺纹轴12与螺母16相啮合，其中螺母16是由实质为黄铜的金属制成。
显然，较佳使螺纹轴12及螺母16所使用的材料组合能使磨损及卡滞最小化。在本发明中也可使用其他亦能使此种磨损及卡滞最小化的材料组合。
再次参见图1，可以看出，螺纹轴12是由许多较佳呈螺旋槽形式的螺纹17构成。在一实施例中，螺纹17的节距低于每英寸约250条螺纹，且较佳是每英寸少于200条螺纹。在另一实施例中，螺纹17的节距低于每英寸约100条螺纹。在本实施例的一个方面中，螺纹17的节距是从每英寸约40条螺纹到约80条螺纹。
如在图18(亦参见图36)中所最清楚地显示，较佳使螺纹17与螺母16的内螺纹19相啮合。在一较佳实施例中，内螺纹19的节距实质等于外螺纹17的节距。
尽管为使图标简明起见，在图中显示螺纹17与19完全啮合(图5A、5B、18及36除外)，然而较佳在螺纹17与19之间存在径向间隙，该径向间隙小于螺纹17及/或螺纹19的螺纹深度33/35的0.5倍。该径向间隙最清楚地显示于图5A中。用于确定该径向间隙的手段已众所周知。例如，参见美国专利第6,145,805号、第5,211,101号、第4,781,053号、第4,277,948号、第6,257,845号、第6,142,749号等等；这些美国专利中每一者的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。还可参见例如上述“Marks Standard Handbook for Mechanical Engineers”的第8-9页等等(“Machine Elements)。
参见图5A，其图解说明螺纹17与19之间的一种较佳啮合模式。由该图可以看出，每一螺纹17均具有尖端29，且每一螺纹19均具有尖端31。此外，每一螺纹17及19分别具有螺纹深度33及35。
再次参见图1，在其中所示的较佳实施例中，可以看出，通过与振动外壳14相连的螺母16的超声波回转而形成螺纹轴12的旋转。在所示实施例中，螺母16较佳连接至外壳14。此最清楚地显示于图2中。
参见图2，在其中所示的较佳实施例中，可以看出，螺母16设置于孔11内。螺母16通过例如压配合及/或粘合手段等传统手段紧固于孔11内。
在图1及2所示的较佳实施例中，螺母16为圆柱形螺母。在未显示的另一实施例中，螺母16为多角形螺母，可具有正方形、六角形、八角形等形状。
再次参见图1及2，在其中所示的较佳实施例中，可以看出，许多个陶瓷板18等附装至外壳14的外表面37上。
较佳使陶瓷板18等在承受电压时且具体而言在电压发生变化时改变其各自的长度。本文中所用且在本说明书中其他地方所述的这些陶瓷板可称作“有源陶瓷板(active ceramic plates)”。在一实施例中，有源陶瓷板18等是选自由压电板、电致伸缩板、及其混合物所组成的群组。为使论述简明起见，将参照压电板来说明至少图1及2所示的实施例。
在图2所示的实施例中，将四个压电板18、20、22及24结合至外壳的外表面37上，并当受到电极21及23上的交流驱动电信号的激励时在每一压电板上产生螺母16的回转振动(参见图4)。
在一实施例中，仅使用两个此种压电板-板18及20。在另一实施例中，则使用八或更多个压电板。无论使用多少个此种压电板，均使用足够数量的此种板激发在正交平面39及41中的运动(参见图2)。
为使显示简明起见，下文将论述四个压电板18、20、22及24。这些板较佳结合至外壳14的对应外表面37上，以使板完全续接这些外表面37。
压电板18等通过电极21及23连接至电压源，此最清楚地显示于图4中。显而易见，且为使显示简明起见，图中仅针对压电板20显示电极21与23的连接，然而应理解，针对其他压电板也进行类似的连接。
参见图4及其中所示的较佳实施例，可以看出，所有四个内部电极23均连接至地25。在该实施例中，压电材料是通常可得到的“硬质”复合材料，具有低的介电损耗及高的脱芯电压。因此，例如，可使用由位于Bedsford，Ohio的MorganMatroc公司以品名“PZT-4”所出售的压电材料。此种较佳材料通常具有几种重要特性。
因此，在大于约20,000赫兹的频率下，优选的材料较佳具有小于约1％、且较佳小于约0.5％的介电损耗因子。在一实施例中，在大于约20,000赫兹的频率下，介电损耗因子约为0.4％。
因此，优选的材料具有至少约为250皮库仑/牛顿、且较佳至少约为270皮库仑/牛顿的d33压电电荷系数。在一实施例中，优选的材料具有约为285皮库仑/牛顿的d33压电电荷系数。
因此，优选的材料具有至少约为--90皮库仑/牛顿、且更佳至少约为-105皮库仑/牛顿的d31压电电荷系数。在一实施例中，d31压电电荷系数约为-115皮库仑/牛顿。
在一实施例中，优选的材料是d33压电电荷系数至少约为2500皮库仑/牛顿、且d31压电电荷系数至少约为900皮库仑/牛顿的单晶体材料。
对于某些适宜材料的论述，且作为举例而非限定，可例如参见美国专利第3,736,532号及第3,582,540号。这些美国专利中每一者的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。
进一步举例而言，且所属领域的技术人员已知，低介电损耗压电材料已为所属领域的技术人员所知。可例如参见美国专利第5,792,379号(低损耗PZT陶瓷复合材料)；该美国专利的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。
在一实施例中，压电材料是单晶体压电材料。这些材料已在所属领域中为人们所熟知。可例如参见美国专利第5,446,330号、第5,739,624号、第5,814,917号、第5,763,983号(单晶体压电变压器)、第5,739,626号、第5,127,982号等等。这些美国专利中每一者的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。
再次参见图4，在其中所示的较佳实施例中，压电板18、20、22及24的轴向长度与所施加的电压(Vx/86及Vy/88)及d31压电电荷系数成正比地变化。
显而易见，压电板18、22与20、24分别成对地一同工作，以使外壳14弯曲(例如，参见图1及2)并激励回转共振。较佳以成极方向43分别对板20、24与板18、22施加交流驱动电信号86及88。如所属领域的技术人员众所周知，成极方向43是在制造过程中使压电材料中的双极对齐的方向。可参见例如美国专利第5,605,659号(使陶瓷压电板成极的方法)、第5,663,606号(使压电致动器成极的装置)、第5,045,747号(使压电陶瓷成极的装置)等等。这些美国专利中每一者的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。
对于每一对板18、22与20、24，电场均相对于一个板上的成极方向43为正、而相对于相对板上的成极方向43为负。较佳对板20、24施加驱动信号Vx 86并同时在一个板上形成膨胀、在相对的板上形成收缩，由此使外壳14在平面39中(参见图2)沿X方向72a/72b(参见图18)弯曲。类似地，对板18、22施加驱动信号Vy 88，并使外壳14在平面41(参见图2)中沿Y方向74a/74b(参见图18)弯曲。
与螺母16相对的外壳端部45较佳支撑导向套28，其中在导向套内径与螺纹轴12的外径之间存在小的间隙(参见图2)。螺纹轴12支撑一弹性轴向力27(参见图5及6)，该弹性轴向力27是使用会产生低摩擦的硬质平面通过圆球形尖端26进行施加。
较佳地，在电动机10运行期间，使通过球26所传递的轴向力27较佳介于约0.1牛顿至约100牛顿之间。显而易见，轴向力27的值较佳类似于输出驱动力。
圆球26(参见图2)是一种以低摩擦力矩将螺纹轴12耦合至其负载27(参见图5)的一种手段。所属领域的技术人员将易知，也可使用其他手段将运动从旋转的螺纹轴耦合至运动负载。因此，例如，可使用滚动轴承、可使用与螺纹轴12上的平面接续的弓形负载等等。可参见例如美国专利第5,769,554号(运动耦合方法)、第6,325,351号(用于精密仪器的得到高度阻尼的运动耦合)等等。这些美国专利中每一者的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。
参见图1及2，外壳14的与螺母16相对的端部45包含凸缘，以作为静止罩58(图21)的连接点。轴12上及螺母16上的螺纹节距将回转的切向力及运动转换成轴向力及运动。可对节距加以选择，以使力的放大、速度的减小、分辨率的增强及断电保持力优化。
参见图7至12，在其中所示的较佳实施例中，超声波直线电动机30较佳使用四个压电堆栈36、40及42(亦参见图7及8)产生超声波振动。带有圆球形尖端26的螺纹轴12旋转并形成轴向力及运动。此种旋转是通过与振动圆柱体32相连的螺母16的超声波回转而形成。四个压电堆栈36、38、40及42结合至圆柱体的与螺母相对的端上并结合至基座环34上。这四个堆栈36等是使用众所周知的组装及电互连方法44构造而成，其中内部堆栈引线较佳一同连接至共享接地点35。堆栈36等的轴向长度与所施加电压及d33压电电荷系数成正比地变化。压电材料是通常可得到的“硬质”复合材料，具有低的介电损耗及高的脱芯电压。交流驱动电信号86及88连接至每一压电堆栈44的外引线，并激励螺母进行回转振动。压电堆栈36及40与38及42分别成对地一同工作，以使管旋转并激励回转谐振。以成极方向43分别对堆栈38、42及36、40施加交流驱动电信号Vx 86及Vy 88。对于每一对板38、42与36、40，电场均相对于一个堆栈上的成极方向43为正、而相对于相对堆栈上的成极方向为负。驱动信号Vx 86被施加至堆栈38、42并同时在一个堆栈上形成膨胀、在相对的堆栈上形成收缩；由此使其带动管沿X方向72a/72b(参见图18)旋转。类似地，驱动信号Vy 88被施加至堆栈36、40，并使管的端部沿Y方向74a/74b(参见图18)移动。与螺母16相对的基座环34支撑导向套28，其中在导向套内径与螺纹轴的外径之间存在小的间隙。螺纹轴12支撑一依顺性轴向力27，该依顺性轴向力27是使用会产生低摩擦的硬质平面通过圆球形尖端26进行施加。基座环34是静止罩58(图21)的连接点。轴12上及螺母16上的螺纹节距将回转的切向力及运动转换成轴向力及运动。可对节距加以选择，以使力的放大、速度的减小、分辨率的增强及断电保持力优化。
参见图13至17，超声波直线电动机50使用具有四个电极的压电管54产生超声波振动。带有圆球形尖端26的螺纹轴旋转并形成轴向力及运动。该旋转是通过与振动的压电管54相连的螺母16的超声波回转而形成的。管的内径是接地63的连续电极61，而管的外径被划分成四个单独的电极60、62、64及66。压电材料是通常可得到的“硬质”复合材料，具有低的介电损耗及高的脱芯电压。压电管的位于每一电极60、62、64及66下面的部分的轴向长度与所施加电压及d31压电电荷系数成正比地变化。电极段60、64及62、66分别成对地一同工作，以使管54弯曲并激励回转谐振。以成极方向43分别对板60、64及62、66施加交流驱动电信号86及88。对于每一对电极60、64及62、66，电场均相对于一个电极上的成极方向为正、而相对于相对电极上的成极方向为负。驱动信号Vx 86被施加至电极60、64并同时在一个电极上形成膨胀、在相对的电极上形成收缩；因此，其使管沿X方向72a/72b(参见图18)弯曲。类似地，驱动信号Vy 88被施加至板62、66，并使管沿Y方向74a/74b弯曲(参见图18)。
与螺母16相对的管端被结合至基座凸缘52并容纳导向套28，其中在导向套内径与螺纹轴的外径之间存在小的间隙。螺纹轴12支撑一依顺性轴向力27，该依顺性轴向力27是使用会产生低摩擦的硬质平面通过圆球形尖端26进行施加。基座凸缘是静止罩58(图21)的连接点。轴12上及螺母16上的螺纹节距将回转的切向力及运动转换成轴向力及运动。可对节距加以选择，以使力的放大、速度的减小、分辨率的增强及断电保持力优化。
参见图18及19，图中显示电动机10(参见图1)的运行及用于实现此种运行的对应驱动信号86及88(也参见图36)。各对压电板一同工作：其中一个膨胀70、同时另一个收缩69，以使外壳弯曲。为形成圆形回转，交流驱动信号Vx 86及Vy 88较佳是具有相等幅值90/91且相移92为90度的正弦信号。正的相移92会形成螺母16的正的回转方向及轴12的正的旋转96/平移98，而负的相移92则形成负的回转方向及负的轴旋转/平移。在图中以90度的增量76、78、80、82及84依序显示电动机在一个旋转方向上的单个回转循环、及对应的驱动信号幅值90及91。在X 72a/72b及Y 74a/74b方向上显示圆柱弯曲及回转运动。螺母在一个位置73a上接触螺纹轴的侧面，在相对侧上则具有间隙73b(参见图5B)，从而通过该接触而施加切向力及运动，以使轴12在每一回转循环中均旋转96及平移98较小的量。每一循环中的旋转及平移量取决于诸多因素，包括回转幅值、作用于轴上的力27的大小、以及螺纹的摩擦系数合表面光洁度。如果在螺母与轴的接触点73a之间达到零滑动条件，则每一循环中的运动量在名义上与螺纹之间的径向间隙成正比。一般而言，当驱动幅值90及91增大时，回转直径增大，轴12与螺母16之间的法向接触力增大、滑动减小、速度提高、且转矩/力增大。
超声波频率是周期(参见图19中的周期94a及94b)的倒数；且这两个信号的超声波频率较佳相同并与外壳14的第一弯曲谐振频率相匹配。
参见图20至25，电动机总成100将电动机10与罩58及滚花把手102集成于一起。螺纹轴112设置于电动机10内。如在图21中所最清楚地显示，螺纹轴112类似于螺纹轴12(参见图1)，但与螺纹轴12的不同之处在于其整体地附装有光滑的芯轴113。芯轴113适于附装至滚花把手102上。罩58在凸缘45处附装至电动机10上。滚花把手102随轴112旋转及平移，但不接触罩58。
图21是电动机总成100的分解图。图22是电动机总成100的剖面图。
图23A、23B及23C图解说明电动机总成100。图23A为从与图20相反的方向看去的电动机总成100的立体图。图23B图解说明在把手102及轴112顺时针103旋转并沿箭头105的方向平移时电动机总成100的运行。相反，图23C则图解说明在把手102及轴112逆时针107旋转并沿箭头109的方向平移时电动机总成100的运行。
显然，为使显示简明起见，在图中未显示出电动机总成中各组件的实体电连接途径。
还显然，滚花把手102的存在使人们能够通过手动途径移动电动机总成100，以取代或补充用电动途径移动电动机总成100。因此，例如，总成100可用于取代微米驱动装置，以向用户提供传统的手动调节途径以及附加的电动自动调节途径。
在未显示的一实施例中，滚花把手102机械连接至外部电动机，以使该总成具有第二种机械运动途径。
图24A及24B图解说明可调直线平台106，其由电动机总成100可操作地连接至直线平移平台104a/104b所构成。在该实施例中，电动机总成100的罩58附装至底部平台部104b，球26则与顶部平台部104a相接触。显然，当滚花把手102沿方向103顺时针运动时，会形成沿箭头105方向的直线运动。相反，当滚花把手102沿方向107逆时针运动时，会形成沿箭头109方向的直线运动。
在图24A及24B所示意性显示的一实施例中，包含销115及116的弹簧总成111(图中显示虚线轮廓)沿箭头109的方向对平移平台104a/104b进行偏置。在所示实施例中，销115附装至总成的顶部活动部件104a，销116则附装至总成的底部静止部件104b。显然，弹簧总成111可用于形成轴向力27(参见图5及6)。
图25是微操纵器120的立体图，微操纵器120能够使其平台106a、106b及106c沿X、Y及Z轴运动。
尽管已以某种具体程度对本发明的较佳形式进行了说明，然而应理解，较佳形式的揭示内容可在构造细节上有所变化，且可在不背离本发明精神及范围的条件下采用不同的部件组合及布置。
在本说明书前面的部分中，已说明了一种用于驱动螺纹轴总成的装置，该螺纹轴总成是由具有旋转轴的螺纹轴及与其相啮合的螺母所构成，其中所述总成包括用于使所述螺母经受超声波振动并进而使所述轴同时旋转及在轴向上平移的装置。显然，可制成由用于使所述螺纹轴总成振动、进而使所述螺母同时旋转及平移的装置所构成的类似装置。
图26至29为本发明另一较佳电动机142的示意图。参见图26至29，超声波直线电动机142使用具有四个电极的压电管144产生超声波振动。电动机142及管144类似于电动机50及管54。(参见图13至17)。具有圆球形尖端26的螺纹轴12旋转并形成轴向力及运动。此种旋转是通过与振动的压电管144相连的螺母152的超声波回转而形成。管的内径是接地63的连续电极61。管54与管144的差别在于，电极61卷绕于管的端部并在每一端的外径上形成电极环146。管的外径被划分成四个单独的电极60、62、64及66。压电材料是通常可得到的“硬质”复合材料，具有低的介电损耗及高的脱芯电压。压电管的位于每一电极60、62、64及66下面的部分的轴向长度与所施加电压及d31压电电荷系数成正比地变化。电极段60、64及62、66分别成对地一同工作，以使管144弯曲并激励回转谐振。如前面针对电动机50所述，以成极方向43分别对电极60、64及62、66施加交流驱动电信号86及88。对于每一对电极60、64及62、66，电场均相对于一个电极上的成极方向为正、而相对于相对电极上的成极方向为负。驱动信号Vx 86被施加至电极60、64并同时在一个电极下面形成膨胀、在相对的电极下面形成收缩；因此，其使管沿X方向72a/72b(参见图18)弯曲。类似地，驱动信号Vy 88被施加至电极62、66，并使管沿Y方向74a/74b弯曲(参见图18)。
再次参见图26，与螺母152相对的管端被结合至导向套150上，其中在导向套内径与螺纹轴的外径之间存在小的间隙。安装凸缘148在节点处结合至管144的外径上。所述节点是当管发生谐振时管上具有最小移动量的轴向位置。轴12上及螺母152上的螺纹节距将回转的切向力及运动转换成轴向力及运动。可对节距加以选择，以使力的放大、速度的减小、分辨率的增强及断电保持力优化。
图30至36显示本发明电动机154的另一较佳实施例。参见图30至36，在其中所示的较佳实施例中，超声波直线电动机154较佳使用四个以90度间距沿径向位于一平面中的压电堆栈162、164、166及168来产生超声波振动。具有圆球形尖端26的螺纹轴12旋转并形成轴向力及运动。此种旋转是通过经弹性组件160而连接至这四个压电堆栈162、164、166及168的螺母156的超声波回转而形成，其中所述堆栈在弹性组件160处结合至基座凸缘158。这四个堆栈162等是使用众所周知的组装及电互连方法170由压电板172构造而成，其中较佳将各引线一同连接至共享接地点174上。堆栈162等的长度与所施加电压69、70及d33压电电荷系数成正比地变化。压电材料是通常可得到的“硬质”复合材料，具有低的介电损耗及高的脱芯电压。交流驱动电信号86及88连接至每一压电堆栈的引线，并激励螺母进行回转振动。压电堆栈162等分别成对地一同工作，以使螺母156以回转谐振76、78、80、82及84的形式运动。以成极方向176分别对堆栈162、166及164、168施加交流驱动电信号Vx 86及Vy 88。对于每一对堆栈162、166与164、168，电场均相对于一个堆栈上的成极方向176为正、而相对于相对堆栈上的成极方向为负。驱动信号Vx 86被施加至堆栈162、166并同时在一个堆栈上形成膨胀、在相对的堆栈上形成收缩；且其由此使螺母156沿X方向72a/72b平移。类似地，驱动信号Vy 88被施加至堆栈164、168，并使螺母156沿Y方向74a/74b平移。尽管图中未显示，然而所属领域的技术人员应理解，也可使用除压电堆栈162等以外的其他致动器配置使螺母156产生相同的回转谐振。这些致动器包括其长度与所施加电压及d31压电电荷系数成正比的压电板、电磁螺线管或音圈、静电吸引或其他能够形成超声波频率运动的变送器。轴12上及螺母156上的螺纹节距将回转的切向力及运动转换成轴向力及运动。可对节距加以选择，以使力的放大、速度的减小、分辨率的增强及断电保持力优化。
图37至39图解说明由本发明的其中一种电动机142所构成的光学总成180。根据这些图显而易见，在所示实施例中，镜头184是旋转对称的，其中心线204与中空螺纹轴182的旋转轴线204重合。
参见图37至39，在其中所示的较佳实施例中，光学对准机构180将电动机142与轴182集成于一起，轴182的中心是中空的，一光学组件184对准且结合于轴中心线204上。光学组件184可为许多种类型，包括透射性组件、反射性组件、凹光学组件、凸光学组件或者由多个光学组件形成的总成。电动机142使中空轴182及光学组件184旋转及平移202，以达成精确的光学对准，从而实现例如改变焦距或聚焦等功能。
在图37至39所示的实施例中，使用光学组件184。在本实施例中，该光学组件为镜头。光学组件184较佳为活动的光学组件。可使用所属领域的技术人员所知的许多活动光学组件。可参见例如美国专利第3,612,664号(光程补偿装置)、第3,958,117号(距离确定及自动聚焦装置)、第4,184,759号(照相装置)、第4,629,308号(可变放大率复印机的镜头及快门定位机构)、第5,296,943号(多路径电子照相机总成)、第5,894,371号(可变焦距镜头的聚焦机构)、第5,969,886号(镜头筒及光学装置)、第6,236,448号(投影曝光系统)、第6,445,514号(微定位光学组件)、第6,606,426号(光束对准系统)、第6,678,240号等等。这些美国专利中每一者的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。
进一步举例而言，可在利用现有技术电动机的现有技术照相机中使用一或多个本发明的直线电动机。因此，举例而言，可取代如下美国专利中所述的一或多种照相机中的现有技术电动机：美国专利第5,091,781号(照相机移动装置)、第5,157,435号(摄影机的自动聚焦装置)、第5,357,308号(自动变焦照相机及其驱动方法)、第5,434,621号(用于自动变焦的目标跟踪装置)、第5,943,513号(照相机变焦装置)等等。这些美国专利中每一者的全部揭示内容均以引用方式并入本说明书中。
图40至42图解说明另一较佳的光学总成186。参见图40至42，在其中所示的较佳实施例中，光学对准机构186将电动机154与轴182集成于一起，轴182的中心是中空的，一光学组件184对准且结合于轴中心线。光学组件184可为许多种类型，包括透射性组件、反射性组件、凹光学组件、凸光学组件或者由多个光学组件形成的总成。电动机154使中空轴182及光学组件184在中心线204上旋转及平移202，以达成精确的光学对准，从而实现例如改变焦距或聚焦等功能。
图43至45图解说明又一较佳光学总成188。参见图43至45，在其中所示的较佳实施例中，照相机自动聚焦及自动变焦总成188将两个光学对准机构194及196(类似于机构186)与焦平面成像装置192(例如CCD数组)及外壳190集成于一起。机构196最靠近成像装置192并包含传输镜头，通过使镜头198相对于装置192及镜头200平移而改变照相机焦距。在本实施例中，变焦镜头198的直径大于成像装置192及聚焦镜头200，从而使机构196可进行平移而不会产生干扰。机构194靠近机构196并与装置192相对，且包含传输镜头，通过使镜头200相对于镜头198及装置192平移而改变照相机焦距。在本实施例中，聚焦镜头200的直径小于变焦镜头198，以消除在平移机构194时出现的干扰。光学组件198及200的中心线与中心线204重合并垂直于装置192的成像平面。组件198及200同时进行平移及旋转202。在本实施例中，组件198及200以中心线204为中心旋转对称。
图46至48图解说明再一较佳光学总成206。参见图46至48，在其中所示的较佳实施例中，针对需要使用非旋转光学器件的情形对具有平移208而非旋转光学镜头198及200的照相机自动聚焦及自动变焦总成206。所述总成206类似于具有平移及旋转202光学镜头198及200的总成188，但包含通过低摩擦旋转轴承212(例如球轴承)与电动机螺纹轴182相连的镜头安装轴210。销214连接至每一安装轴210的端部且其取向垂直于中心线204。所述销214啮合外壳190中的静止狭槽216，由此防止销214、安装轴210及镜头198和200旋转，但允许销214、安装轴210及镜头198和200沿平行于中心线204的轴向方向208平移。
所属领域的技术人员将易知，图26至48中所示的光学总成只是例示可利用本发明直线电动机的诸多活动光学组件。
参见图49至52及其中所示的实施例，电动机230类似于图1至5及18中所示的电动机10，且由上面具有安装凸缘231的电动机本体235构成。较佳使凸缘231较薄—较佳为0.25毫米-0.50毫米厚，且尽可能靠近电动机230的第一弯曲谐振的节点处，此处的振动幅值最小。电动机本体235包含跨越整个长度的纵向螺纹孔235a，具有对应螺纹的螺纹轴232即穿过螺纹孔235a，使轴232上的圆形旋转面233从螺纹孔235a中凸出。在本实施例中，本体235的整个长度均带有螺纹235a。然而，应理解，其他实施例可仅在本体长度的一部分上带有螺纹，并使其余长度与螺纹轴232进行平滑的间隙配合。在电动机本体235上，通过粘合工艺而固定地附装有矩形压电板10、20、22及24。
参见图50，可以看出，矩阵压电板18、20、22及24被粘固至电动机本体235的平整安装面235b上。
在图49至52所示的实施例中，安装凸缘231具有外部径向轮廓231a及凹槽231b，外部径向轮廓231a及凹槽231b的尺寸不会妨碍矩形压电板18、20、22及24，但可为任何轮廓，以提供各种各样的安装选项及容纳各种压电板几何形状，此最清楚地显示于图54中。电动机230以与电动机10相同的方式进行电动及机械操作(参见图1至5、18及19)。通过激励矩形压电板18、20、22及24而引起的运动与针对电动机10所述的运动相同，且由此引起的电动机本体235的弯曲使螺纹轴233旋转260a并有效地沿直线平移260b。
参见图53至59B，电动机230与光学总成236集成于一起。光学总成236可为自动聚焦模块性质，例如在照相机及移动电话等市售数字成像产品中所见的自动聚焦模块。参见图53，电动机230由外壳237及罩238进行包装，并操作用以通过光圈240接收光的镜头总成239。外壳237及罩238可由射模成型的塑料制成。
图54显示光学总成236中各组件的局部剖面图。进入光圈240并穿过镜头239的光被成像至传感器241上。这些传感器241可包括使用CCD或CMOS技术的数字成像传感器。电动机230通过安装凸缘231而固定地附装至外壳237上。安装凸缘231可由外壳237中的模制形体进行定位并通过例如热冲压等传统商业工艺加以紧固。螺纹轴232能够旋转260a并随后穿过光孔237a进行平移260b。螺纹杆232的圆形尖端233(因被遮挡而看不到)倚靠于上部镜头挠曲片242上，从而提供一种用于改变镜头239相对于传感器241的位置的途径。镜头239的一个面固定地附装至上部镜头挠曲片242上，且相对的面附装至下部镜头挠曲片243上，以形成四杆机构，用于以圆弧-直线运动260c的形式引导镜头239的运动，在幅值较小时，圆弧-直线运动260c实质为直线运动。上部镜头挠曲片242与下部镜头挠曲片243是由通过例如光化学蚀刻或电火花线切割加工等商业工艺所制成的弹性材料(例如弹簧钢)构造而成。所述部件经过预弯曲，以便一直在轴尖端233上施加预载入力260d。上部镜头挠曲片242与下部镜头挠曲片243通过隔板244分开，且与镜头239的安装相结合，其操作使螺纹轴232的平移会形成运动260c，此最清楚地显示于图56、57及58中。
参见图55，光学总成236的组装方式使所有组件均可从一个方向按顺序安装。传感器241安装于外壳237的传感器容座237b中。电动机230固定地附装至外壳237中的电动机支柱237d上。带有隔板244的上部镜头挠曲片242与下部镜头挠曲片243通过粘合剂或例如压配合等机械手段而附装至镜头239上。隔板244沿圆周装套于外壳237中的隔板轴237c上。通过上部镜头挠曲片242上的定位平面245及隔板轴237c上的对应特征，可保持镜头239的取向。罩238安装至外壳237中的罩凸架237e上。
参见图56至58，下面对该实施例的操作进行详细说明。图56为局部剖面图，其图解说明完全回缩至光孔237a内的螺纹轴232及预弯曲的挠曲片242及243正对圆形旋转面233(未显示)施加预加载力260d。镜头239出现运动260c并运动至最接近传感器241的位置。图57为局部剖面图，其图解说明螺纹轴232已引起一定的旋转运动260a及由此引起平移260b，从而有效地抬起挠曲片242及243并形成运动260c，由此使镜头239移动至更远离传感器241的位置。图58为局部剖面图，其图解说明螺纹轴232已引起进一步的旋转运动260a及由此引起平移260b，从而形成运动260c并使镜头239移动至距传感器241最大距离处。
参见图59A及59B，显而易见，光学总成236将装入移动电话248中。为使显示简明起见，在图中未显示出光学总成236及移动电话248中各组件的实体电连接途径。
参见图60至66，电动机142与注射器总成249集成于一起。注射器总成249可以是其中一种商业医用注射器总成，并用于例如可佩带式流体泵等类似产品中。图60绘示注射器总成249及所配备的电动机142(其最清楚地显示于图61中)的立体图。电动机142装纳于与注射器本体250相啮合的注射器推杆251中。螺纹轴12由旋转轴承254沿圆周装纳并固定地容纳于基座252中。图61为所述实施例的局部剖面图，其中电动机142与注射器推杆251相啮合，以便运行的电动机142将使螺纹轴12在低摩擦轴承254内旋转260a。轴承254允许轴旋转、但阻止轴12平移260b，此会使电动机外壳142平移260b。外壳142附装至注射器推杆251上，因此电动机142与外壳251一同平移260b但不旋转。
霍尔效应旋转位置传感器(Hall Effect rotational position sensor)256集成于外壳252中，并对轴12的旋转进行测量。在本实施例中，显示由奥地利Microsystems公司生产的商用传感器-AS5040型磁性旋转编码器(Model AS4050MagneticRotary Encoder)。应理解，也可包含许多使用其他传感方法的其他类型的位置传感器，这些传感方法包括电容方法、电感方法、光学方法及干涉测量方法。永久磁铁255结合至轴12的端部上，其北极与南极位于相对的半圆上。当轴12旋转时，由传感器256测量变化的磁场，且旋转量被转换成数字电子信号后通过编码器电路板253进行传输。
参见图62，其显示分解图。编码器电路板253及其所安装的编码器256被组装于基座252内，在基座252内安装有旋转轴承254。磁铁255永久性地随螺纹轴12一起安装。并与传感器256具有固定的间隙。注射器推杆251沿圆周固定于注射器本体250内。
参见图63及64，其详细显示所述实施例的操作。图63图解说明完全回缩的电动机142(此最清楚地显示于图61中)及注射器推杆251，由此在注射器本体250内得到空腔区域257，以便可在其中容纳较大容量的流体。图64图解说明完全伸出的电动机142(此最清楚地显示于图61中)及注射器推杆251，从而使图63中的空腔区域257收缩于注射器本体250内并随后排出注射器本体250内的任何流体。
参见图65及66，显然，注射器总成249将装于市售医用产品中，例如流体泵中。为使显示简明起见，在图中未显示编码器电路板253与电动机142的各组件的实体电连接途径。具体参见图65，注射器推杆装套于流体泵258内，使防转动凸耳251a啮合凸台258a，以防止注射器推杆251在电动机142运行期间旋转。
参见图67A至71D，描述一种切向运动限制特征261，以作为用于在所有实施例中对正向及反向运动进行机械限制而不锁定螺纹的较佳方法。图67A为切向运动限制特征261的立体图。其中螺纹轴12伸出，且端帽264与捏手265分离。静止凸耳262与回转凸耳263不相啮合。图67B为切向运动限制特征261的放大图(图67A中的259)。图68A为切向运动限制特征261的立体图。其中螺纹轴12回缩，且端帽264与捏手265相互紧密靠近。静止凸耳262与回转凸耳263相啮合。图68B为切向运动限制特征261的放大图(图67A中的266)。
参见图69A至70B，其图解说明切向运动限制特征261的各组件。图69A为端帽264及静止凸耳262的立体图。图69B为端帽264及静止凸耳262的侧视图。图70A为捏手265及回转凸耳263的立体图。图70B为捏手265及回转凸耳263的侧视图。
参见图71A至71D，其详细显示切向运动限制特征261的操作。图71A为螺纹轴12在伸出时的侧视图，其中端帽264与捏手265分离。静止凸耳262与回转凸耳263不相啮合。图71B及71C为侧视图，其中螺纹轴12开始循序渐进地旋转260a及平移260b，以使端帽264与捏手265相互靠近。静止凸耳262与回转凸耳263不相啮合。图71D为侧视图，其中螺纹轴12已发生旋转260a及平移260b，从而使端帽264与捏手265相互接触。静止凸耳262与回转凸耳263相互啮合，且轴12的运动停止，此不会在螺纹上形成高的轴向负载并随后进行锁定而防止电动机运行。
上文已对本发明进行了全面说明，所属领域的技术人员将易知，可在不背离随附权利要求书的精神及范围的条件下对其作出诸多种改动及修改。

Claims (24)

1.一种用于驱动螺纹轴总成的装置，所述螺纹轴总成包含具有旋转轴线的螺纹轴及与其相啮合的螺母，其中所述总成包含用于使所述螺母经受超声波振动的装置，由此使所述螺纹轴同时旋转及在轴向上穿过所述螺母平移，由此在所述轴向上施加轴向力。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述螺纹轴沿所述轴向可操作地连接至负载。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述负载是可移动的。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述负载包含光学总成，所述光学总成包含镜头、成像传感器、及挠曲片，其中所述挠曲片沿所述轴向相对于所述成像传感器的位置对所述镜头提供实质线性的导向。
5.如权利要求4所述的装置，其进一步包括含所述光学总成的照相机。
6.如权利要求5所述的装置，其中沿所述轴向的所述轴向力使光学装置移动，其中所述光学装置是选自由所述镜头、所述成像传感器、变焦镜头及其组合所组合的群组。
7.如权利要求6所述的装置，其进一步包括电话，其中所述照相机设置于所述电话内。
8.如权利要求1所述的装置，其进一步包括支撑外壳，其中所述螺纹轴可操作地连接至低摩擦轴承，所述低摩擦轴承允许进行旋转并阻止轴向运动，且所述负载连接至所述螺母及所述支撑外壳。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述负载包含位于注射器中的可移动推杆。
10.如权利要求1所述的装置，其进一步包括用于测量所述螺纹轴的移动量的装置。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述用于测量所述螺纹轴的移动量的装置包含霍尔效应磁性传感器。
12.如权利要求10所述的装置，其中使用传感器测量所述螺纹轴的位置，其中所述传感器是选自由电容性传感器、电感性传感器、光学传感器、及其组合所组成的群组。
13.如权利要求9所述的装置，其进一步包括含所述注射器的药物输送装置。
14.如权利要求1所述的装置，其中所述螺纹轴可操作地配置成在正轴向与负轴向两个方向上平移。
15.如权利要求14所述的装置，其进一步包括切向运动限制特征，其中
(a)所述螺母及所述螺纹轴包含螺纹；
(b)所述切向运动限制特征被配置成阻止所述旋转而不会增大所述螺纹上的所述轴向负载。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述切向运动限制特征包含设置于所述螺母上的第一缺口与设置于所述螺纹轴上的第二缺口，各缺口被可操作地配置成使所述第一缺口将啮合所述第二缺口，由此阻止将所述螺母与所述螺纹轴旋紧。
17.如权利要求1所述的装置，其进一步包括用于产生所述超声波振动的装置。
18.一种用于驱动螺纹轴总成的装置，所述螺纹轴总成包含具有旋转轴线的螺纹轴及与其相啮合的螺母，其中所述螺母及所述螺纹轴被可操作地配置成在经受超声波振动时，所述螺纹轴将同时旋转及在轴向上穿过所述螺母平移，由此在所述轴向上施加轴向力。
19.一种用于驱动螺纹轴总成的装置，所述螺纹轴总成包含具有旋转轴线的螺纹轴及与其相啮合的螺母，其中
(a)所述总成包含用于使所述螺母经受超声波振动的装置，由此使所述螺纹轴同时旋转及在轴向上穿过所述螺母平移，由此在所述轴向上施加轴向力；
(b)所述旋转及在所述轴向上穿过所述螺母的所述平移是在一距离内进行，所述距离大于所述超声波振动的任一单个振幅。
20.如权利要求19所述的装置，其中所述螺纹轴沿所述轴向可操作地连接至负载。
21.如权利要求20所述的装置，其中所述负载包含镜头及传感器，其中沿所述轴向的所述轴向力使聚焦组件移动，其中所述聚焦组件是选自由所述镜头、所述传感器、及其组合所组成的群组。
22.如权利要求19所述的装置，其进一步包括用于测量所述螺纹轴的移动量的装置。
23.如权利要求19所述的装置，其中所述负载包括注射器。
24.如权利要求15所述的装置，其中所述螺纹轴具有近端及远程，其中所述近端与所述远程二者均包含所述切向运动限制特征。
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