CN100444421C - 陶瓷致动器的保护罩 - Google Patents

Abstract

一种保护陶瓷致动器(21)免于产生过度和破坏性位移的外罩(20)，包括防护结构(25)，可通过与所述作动器(21)的固定末端部分和运动末端部分之间的至少一部分接触来限制致动器(21)的运动。微型摄像机包括用于透镜架(120)的悬挂系统，透镜架由陶瓷作动器(110)驱动。悬挂系统包括四个通过枢轴相连的连杆元件(132-135)，以平行四边形的形状连接在外罩(100)和透镜架(120)之间。

Description

陶瓷致动器的保护罩

技术领域

本发明涉及一种致动器，具体地，涉及一种陶瓷致动器，可以是电致动的如压电的。本发明涉及这类致动器的外罩，所述致动器可应用于摄像机中用来移动透镜架，并适合应用于便携式数据处理或通信装置中的微型摄像机。

背景技术

陶瓷基材料如锆钛酸铅(PZT)制成的压电和其它弯片式电致致动器具有许多用途，可以用多层(未经焙烧的)材料在高温下烧结成最终形状来制造。

已经知道这类致动器有许多构造方式。近来通过采用绕弯曲轴线螺旋延伸的压电弯片带已经实现了较大的平移位移，比如在国际专利申请WO-0147041或D.H.Pearce等人在《传感器和致动器》A 100(2002)，281-286所介绍的。这类装置能够在厘米数量级的有效长度下表现出毫米数量级的位移量。

虽然已经知道陶瓷致动器的制造方法，但其适用范围却因原材料的易碎性而受到限制。因此需要提供陶瓷致动器的护罩以减少陶瓷致动器如因跌落到坚硬表面上而受到的突然碰撞的敏感性。

此外，近年来随着称作个人数字助理(PDA)的便携式信息终端以及移动电话的蓬勃发展，越来越多的产品中装有采用CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器作为图象传感器的微型数字摄像机或数字视频装置。在使用有效图象传感表面积较小的图象传感器使数字摄像机或类似设备微型化的同时，相应地还必须使光学系统微型化。

为了实现对焦或变焦，体积已经限定的这类微型摄像机必须包括额外的驱动马达。虽然大部分现有的摄像机依靠公知的各种线圈马达，但是已经提出了许多种其它的致动器作为透镜系统的小型驱动单元。这些新颖的驱动单元往往包括电致动材料如压电、压阻、电致伸缩或磁致伸缩材料制成的致动器，其一般是陶瓷致动器。

近来已经研制出具有较大平移位移的小型电致致动器，其中使用了绕弯曲轴线螺旋延伸的压电弯片带结构，如国际专利申请WO-01/47041或D.H.Pearce等人在《传感器和致动器》A 100(2002)，281-286所介绍的。这类器件在厘米数量级的有效长度下能够表现出毫米数量级的位移量。其可以用多层陶瓷基体材料如锆钛酸铅(PZT)在高温下烧结成最终形状来制造。在国际专利申请WO-02/103451已经提出将这类致动器用作透镜系统的驱动马达。

随着微型摄像机中小体积驱动装置的应用，限制透镜架运动的透镜悬挂系统必须同时发展。用于微型摄像机、尤其是由电致动换能器驱动的摄像机的透镜悬挂系统最好沿所要求的运动方向具有很低的刚性、阻力或摩擦力，而沿所有其它方向却有很高刚性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于陶瓷致动器的包括防护结构的外罩，所述防护结构可带有可接触致动器的柔性元件，用以限制弯片式致动器的远离其固定端和运动端的部分的运动范围。

根据本发明，提供一种外罩，其中装有陶瓷致动器，所述致动器是绕弯曲轴线螺旋延伸的弯片，其特征在于，所述外罩具有防护结构，所述防护结构包括连续的斜坡，所述斜坡具有面对致动器的一个柔性部分，并设置成可通过与所述致动器的固定端和运动端之间的中间部分接触来限制所述致动器的运动范围。

致动器通常具有固定端和运动端。固定端连接到外罩或安装在外罩的基部结构。致动器的运动端是相对致动器的固定部分表现出最大位移量的部分。本发明的一个重要特征在于，所述防护结构可通过接触位于致动器两个末端之间的中间部分来限制致动器的位移范围。因此，致动器起动时能够在位移范围内自由运动直至与防护结构接触。因此应了解接触基准。这种防护结构通过限制致动器的可能造成损坏的过度位移，防止致动器，比如当跌落到坚硬表面上时，受到突然碰撞。

本发明用于容纳具有较大位移量的致动器，比如上述类型的致动器，以及在国际专利申请WO-01/47041或D.H.Pearce等人在《传感器和致动器》A 100(2002)，281-286公开的致动器，这类致动器特别容易受到突然碰撞的破坏。

防护结构与致动器接触的部分是柔性的，例如由一层柔性材料或多个分立的弹性元件制成，因而能够吸收致动器的动能。

该柔性部分是分立弹性元件时，该元件可以是比如机械弹簧结构形式的弹性件，用以消除致动器碰撞时产生的能量。适当的结构包括沿防护结构布置的弹性梁。

防护结构最好位于致动器位移量标称范围之外。致动器位移标称范围是致动器在正常工作条件下的位移量。位移量标称范围的边界形成一个表面或包面，防护结构位于该表面之外。

防护结构最好沿着位移量标称范围的边界形成的轮廓设置。比如，防护结构可以设置成致动器的不同位置都与位移量标称范围的边界有大致恒定的距离。

在另一实施例中，防护结构包括连续的表面，可与沿致动器延伸的某部分接触。

本发明的保护罩可以容易地通过塑胶材料模塑来制造。防护结构最好与外罩整体模制。柔性层，如果设置，可以通过粘贴固定到防护结构。或者，柔性层可以在制造过程中通过两次注射模塑叠加在外罩，其中外罩和柔性层在同一塑模内用不同材料制造。弹性结构比如弹性梁最好与外罩整体模制，以形成适当的斜面轮廓。或者，弹簧结构可以通过光化学蚀刻从薄金属片上蚀刻出，如果必要的话可以弯成适当的形状，然后最好通过模制的定位点固定在外罩中。

附图说明

通过下面参考附图对非限定性实例所作的详细说明，将对本发明的这些和其它的特征了解的更清楚。

图1是载有透镜系统的超螺旋弯片式致动器的示意性剖视图，致动器位于根据本发明一个实例的外罩内；

图2是载有透镜系统的超螺旋弯片式致动器的示意性局部顶视图，致动器位于根据本发明一个实例的外罩内；

图3是载有透镜系统的超螺旋弯片式致动器的示意性剖视图，致动器位于根据本发明一个实例的外罩内；

图4是防护结构的示意性透视图，包括根据本发明一个实例的柔性片突出部分；

图5是防护结构的示意性透视图，包括根据本发明一个实例的柔性突指；

图6是防护结构的示意性透视图，包括根据本发明一个实例的成型柔性突指；

图7是防护结构的示意性透视图，包括根据本发明一个实例的柔性凹陷突指；

图8是摄像机外罩的透视图；

图9是图8的摄像机外罩除去顶盖后的透视图；和

图10和11是图8和9的摄像机外罩的示意性正交剖视图。

具体实施方式

图1和2示出了带有保护罩20的摄像机组件，包括垂直截面图(图1)和水平截面图(图2)。

在此实例中，致动器21包括多层压电弯片带，具有绕弯曲轴线螺旋延伸的双压电晶片结构，国际专利申请WO-01/47041或D.H.Pearce等人的《传感器和致动器》A 100(2002)，281-286中对其作了介绍，其内容应用于本发明。具体地，致动器21包括绕第一轴线成螺旋卷绕的弯片带，该第一轴线被称作短轴。螺旋缠绕部分还进一步盘绕成大约为整圈四分之三的次级绕组。次级绕组的轴线被称作长轴。第一绕组被称为初级绕组或初级螺旋。虽然在此实施例中次级绕组大约为整圈的四分之三，但一般次级绕组可以是任意曲线并且可以超过一圈而形成次级螺旋。因此常被称作次级曲线。弯片带设置成在起动时绕短轴弯曲。由于绕短轴的螺旋形曲线，弯曲伴随着致动器21绕短轴的扭转。由于绕长轴的曲线，扭转伴随有致动器21的近端211和远端212的相对位移。

致动器21的近端211固定在外罩20上。其远端212安装有透镜筒22，大致上位于外罩中心。因此，致动器21的起动将驱使透镜筒22相对外罩20产生运动。这种类型的透镜悬挂和致动系统在国际专利申请WO-02/103451和WO-03/048831作了更详细的介绍，在此引用参考其内容并应用于本发明中。

本实例中的外罩包括防护结构25，由分别布置在致动器21上面和下面的两个斜面或斜坡构成，大致上沿着致动器21的标称位移范围的上下限轮廓延伸，标称位移范围是致动器21在正常工作条件下的位移量，因而限制了致动器21的运动。防护结构25覆盖了相对致动器21的泡沫层251，因而能与运动的致动器21接触。

外罩20具有限制透镜筒22运动的端部挡块201。因此，在碰撞的情况下，透镜筒22碰到端部挡块201时，致动器21的两端可以认为瞬时固定在外罩20上。然而，此时两个固定的近端211和远端212之间的致动器21的其余部分继续运动，因此在没有防护结构25的情况下可能导致陶瓷材料的破坏。不过当致动器21的中间部分接触防护结构25时，致动器21的运动受到限制且其动能被泡沫层251吸收，因此可以降低损坏的危险性。

防护结构25的形状设计成，发生碰撞时致动器21沿其长度大致均匀接触防护结构。在此实例中，防护结构在致动器21的次绕组的上面和下面弯成半圈。防护结构25的泡沫层251的形状可以是凸出的，使得与致动器的外周缘形成更大的接触面积。参考下表可以看出连续或准连续支承的优点，对于由分立元件构成的防护结构，表中列出了分立元件之间的致动器部分的长度(或者说是相邻分立元件之间的相对间距)以及在致动器部分破坏之前所施加的最大阻挡力。

两个支承之间的        最大力        距离

未支承部分的长度

(相对单位)            (牛顿)        (毫米)

4                     0.35          7.3

3                     0.46          4.1

2                     0.7           1.8

1                     1.4           0.45

从该表中可以计算出止动距离。显然在有限连续接触的情况下，接触点越近越有利于使致动器在到达其断裂点之前停下来。

图3示出了保护罩中的另一个摄像机组件的垂直截面图。该摄像机组件与图1和2中的摄像机组件类似，因此共有的元件用相同的标号表示，不再重复介绍。摄像机组件的致动器21的类型与图1的相同。致动器21固定在透镜筒22和外罩上(固定部件未示出)，在本例中，外罩包括两个部分，即下外罩26和上外罩27。在透镜筒的上面和下面示出了透明盖板221和图象传感器222，分别位于上下护罩27、26。下外罩26和上外罩27的防护结构25具有斜面或斜坡的形式，在致动器21的上面和下面沿致动器延伸并覆盖有柔软垫251。下外罩的内侧28设有柔软垫281形式的额外保护件，以提供对侧向运动的保护。

下外罩26和上外罩27的每一个可以通过两次注射模塑制造，其中上外罩26和下外罩27与柔软垫251以及柔软垫281在同一模塑加工过程中形成。比如，上外罩27可以首先通过将树脂第一次注射到适当的塑模中形成柔软垫251，然后通过(不同)树脂的第二次注射在柔软垫251的上面形成上外罩27。类似地，下外罩26可以通过两次注射进行模制，其中一次用于形成柔软垫251、281，另一次用于形成比较坚硬的下外罩26。

图3还示出了透镜和致动器系统的其它保护措施，用于透镜筒的端部挡块201、用于整个组件的端部挡块202、以及在透镜筒周围的保护垫203。这些额外保护可以如上面介绍的与外罩或透镜筒部件整体模制形成。图3中的组件对其功能部件(致动器21和透镜筒22)提供了全面的震动保护，而且能够方便和经济地进行大规模生产。

图4至7示出了一些可供选择的防护结构的透视图，可以用来代替图1至3所示的防护结构25。具体地，图1至3的柔软泡沫层251被机械弹簧结构形式的若干分立的弹性元件代替，用来消除致动器碰撞时产生的动能。图4至7示出了下部防护结构，上部防护结构是其镜象。

图4示出了这样的防护结构35的局部透视图，在外罩30内结合了弹簧结构351，用于保护与图2中类似的陶瓷致动器和透镜筒组件(未示出)。弹簧结构沿前面介绍的斜面轮廓延伸，并包括多个柔性梁突出部分，碰撞时接触致动器并消除能量。

图5示出了另一个实施例的局部透视图，其中弹簧结构是沿外罩40内防护结构45的斜面轮廓设置的多个梳状柔性梁或突指451。突指451沿防护结构45的整个长度重复设置，不过附图中只示出了少量突指451。

图6示出了另一个实施例的局部透视图，其中弹簧结构的柔性梁或突指551(在外罩50内的防护结构55上)是“S”形的。这种形状使得突指比图5实施例中的更长。

图7示出了另一个实施例的局部透视图，其中弹簧结构的柔性梁651是下凹的，因此当接触螺旋形陶瓷致动器(未示出)时，载荷分布到更大的区域。下凹部分设计成符合陶瓷致动器表面的曲率。柔性梁651在外罩60内沿防护结构65的长度方向重复设置，但附图中只示出了其中三个凹陷突指。

图1至7所示的实施例是柔性结构的一些实例，显然其它变型也属于本发明的范围之内。

在图8中，示出了微型摄像机的摄像机外罩100。外罩100包括顶盖101，带有中心开口或孔眼102，使得光线能够从外部进入外罩100内。开口可以用滤光器覆盖。外罩100的下部包括底盖103和底板104。底板上装有可以是CCD或CMOS器件的图象传感器(未示出)以及其它电路，以捕获图像并将其传递给摄像机的其它部件。

外罩100的一侧有锚板105，构成下面所要介绍的悬挂系统的安装点。另一块板106用来安装压电致动器110的固定端111。

为了进一步保护摄像机和致动器，外罩100可以铸成一适当的塑胶材料块。

如下所述，外罩100起到透镜架120的支承结构的作用。图9示出了顶盖101除去后的外罩100，其中透镜架(或透镜筒)120暴露出来，可以看到最上面的一个透镜121。透镜架120名义上是圆筒形的，其一侧122是平直的以构成悬架130的安装面。透镜架120可相对外罩100沿轴向移动能够调焦。

致动器110包括压电多层弯片带，如具有绕弯曲轴线螺形延伸的双压电晶片的构造，国际专利申请WO-01/47041或D.H.Pearce等人的《传感器和致动器》A 100(2002)，281-286中对其作了介绍，在此引用参考其内容并应用于本发明中。更具体地，致动器110包括绕第一轴线螺旋卷绕的弯片带，该第一轴线称作短轴。螺旋形缠绕部分还进一步盘绕成大约为整圈四分之三的次级绕组。次级绕组的轴线称作长轴。第一个绕组称为初级绕组或初级螺旋。虽然在此实施例中次级绕组大约为整圈的四分之三，但一般次级绕组可以是任意曲线并且可以超过一圈而形成次级螺旋。因此常被称作次级曲线。弯片带设置成在起动时绕短轴弯曲。由于绕短轴的螺旋形曲线，这一弯曲伴随着致动器110绕短轴的扭转。由于绕长轴的曲线，这一扭转伴随致动器110的端部111、112的相对位移。

透镜架120位于致动器110的中心。致动器110的运动端112连接到透镜架120，位于透镜架120中间高度，即靠近其中纬线的位置或区域。因此，致动器110的起动将驱使透镜架120相对外罩100产生运动。这种类型的透镜悬挂和致动系统在国际专利申请WO-02/103451作了更加详细的介绍，在此引用参考其内容并应用于本发明中。

致动器110的固定端111延伸成为平直部分，起到将致动器110连接至外罩100的连接片的作用。连接片的底面上具有电接触垫113，钎焊到线路板106的相应触点上。外部控制信号或电压水平通过这些触点施加到致动器110的电极上。

现在将参考图10的剖视图介绍悬架130。

悬架130是一种特定形式的四连杆机构，包括四个通过枢轴连接的平行四边形形状的连杆，如下面所要介绍的。第一连杆是刚性连接到外罩101、103的第一连接件132。第二连杆是刚性连接到透镜架120的第二连接件134。其余两个连杆是在第一和第二连接件132、134之间相互平行延伸的两个连杆元件133、135，通过枢轴与第一和第二连接件132、134相连，如下面所要介绍的。第一和第二连接件132、134和连杆元件133、135由连续的材料整体形成。构成每个第一和第二连接件132、134和连杆元件133、135的连续材料块的厚度朝连接相邻第一和第二连接件132、134和连杆元件133、135的部分逐渐减小，于是材料减小到将两个相邻第一和第二连接件132、134和连杆元件133、135连接起来的很薄的桥接部分，而每个第一和第二连接件132、134和连杆元件133、135的中间段较为刚性。因此，悬架130及其第一和第二连接件132、134和连杆元件133、135对透镜架120沿所要求方向(竖直方向)的运动只有很小阻力，但对透镜架120沿其它方向的运动具有很大阻力。第一和第二连接件132、134和连杆元件133、135以及连接相邻一对第一和第二连接件132、134和连杆元件133、135的部分的宽度大约为4毫米，而透镜架120的公称直径是9.5毫米，从而有效地防止透镜筒产生旋转或倾侧运动。

连接相邻一对连杆132-135的部分沿透镜架120的圆周在其相对转动轴线方向上线性延伸，从而抵抗导致悬挂的摄像机产生倾斜的扭力。在上述实例中连接相邻一对连杆132-135的部分的长度大约为透镜架直径的三分之一至一半。

在该实例中，悬架130最好用单块聚丙烯制成。其它适当的塑胶材料包括聚乙烯或聚酰胺(尼龙)。或者，悬架可以用金属或合金制造。悬架可以通过铸造或注射模制形成。

应当认识到透镜架120只是由悬架130和致动器110悬挂。系统中没有别的潜在摩擦源如导轨或支柱，以减小致动器所提供力的大小。已经发现即使悬架130仅在小于90度的扇区内连接透镜架120，而且致动器110和悬架130都在小于120度的扇区内与透镜架120相连，也可以使透镜架120的倾斜不超过产生VGA或SVGA质量图片所要求的范围。

如图10和11所示，这种摄像机组件还具有与图1至3相同类型的防护结构，更具体地，由粘贴在致动器110周围的外罩100内表面上的柔性聚氨酯泡沫层构成。按照上面参考图1和2所述的方式，柔软层108可保护致动器110免受突然的冲击力，尤其是当这种力沿未受悬架130约束的方向使致动器110加速时。在图10和11，这一方向是纸面的竖直方向。致动器110在非活动状态下与泡沫层108之间的距离朝致动器的运动端增大，以免在摄像机正常工作时影响到致动器的标称位移量。

Claims (11)

1.一种外罩，其中装有陶瓷致动器，所述致动器是绕弯曲轴线螺旋延伸的弯片，其特征在于，所述外罩具有防护结构，所述防护结构包括设置在所述致动器相对两侧上的两个连续的斜坡，各所述连续的斜坡具有面对致动器的一个柔性部分，并设置成可通过与所述致动器的固定端和运动端之间的中间部分接触来限制所述致动器的运动范围，从而防止会造成致动器损坏的致动器的位移。

2.根据权利要求1所述的外罩，其特征在于，所述斜坡是一个刚性件，所述柔性部分和所述刚性件在同一模塑加工过程中形成。

3.根据权利要求1所述的外罩，其特征在于，所述防护结构位于所述致动器位移标称范围之外。

4.根据权利要求1所述的外罩，其特征在于，所述防护结构设置成沿着由所述致动器位移标称范围的极限所构成的轮廓上的点接触所述致动器。

5.根据权利要求1所述的外罩，其特征在于，还包括由所述致动器驱动的透镜系统。

6.根据权利要求5所述的外罩，其特征在于，还包括限制所述透镜系统位移的挡块。

7.根据权利要求1所述的外罩，其特征在于，所述柔性部分是一层柔性材料层。

8.根据权利要求7所述的外罩，其特征在于，所述柔性材料层是一泡沫层。

9.根据权利要求7述的外罩，其特征在于，面对所述致动器的所述柔性材料层的表面具有凸出的形状。

10.根据权利要求1所述的外罩，其特征在于，所述柔性部分包括多个分立的弹性元件。

11.根据权利要求10所述的外罩，其特征在于，所述分立的弹性元件是机械弹簧结构。

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