CN100555696C - 用于微移动的压电致动器元件 - Google Patents

Abstract

一种致动器元件包括至少两个致动器臂。至少两个致动器臂的每一个在该致动器臂的第一端固定于第一底座部分而在该致动器臂的第二端固定于第二底座部分。至少两个致动器臂被配置用以通过向至少两个致动器臂施加电场来引起第一底座部分和第二底座部分相对于彼此的移动。一种透镜元件可以包括致动器元件和安装于第一底座部分上的透镜。一种电子设备可以包括致动器元件或者透镜元件。

Description

用于微移动的压电致动器元件

技术领域

本发明涉及致动器，特别涉及用于光学系统的致动器元件和透镜元件。本发明也涉及包括这类致动器元件和透镜元件的诸如通信设备之类的电子设备。

背景技术

电子设备可以具有相机装置。这样的电子设备可以包括移动通信设备或者终端如用户设备(UE)、移动台(MS)、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)等或者其它电子设备如数字相机、摄像放像机或者膝上型计算机。

相机装置通常具有透镜元件，该透镜元件具有可调聚焦和缩放，可能要求对聚焦和缩放的自动化和电动化驱动。用于诸如便携或者移动设备之类的小型设备相机装置可能需要很小的尺寸。特别地，对于其中相机装置仅仅是多个功能之一的移动通信设备来说可能需要很小的相机装置。

移动分辨率和移动范围可能设置对系统的要求。例如，用于聚焦的移动分辨率可以是已经讨论过的少于100μm的很精细的数字。然而，聚焦的移动范围可能很小，例如在最大为0.5mm的范围中。缩放通常具有大相径庭的要求，比如准确度较低以及移动范围大得多如数毫米。

专利申请US 2003/0227559 A1涉及一种用于移动电子相机的透镜元件的机构。该机构包括支撑管以及保持透镜并且同轴地安装于支撑管内的透镜管。透镜管是可调的。压电元件安装于支撑管外围上的柔性电路板上。压电元件是以束的形式并且具有朝着束的纵轴横向向外延伸的附接杆。激发压电元件以使附接杆接合透镜管并且调节透镜管的轴位置。

专利申请WO 2004/047192涉及一种电活性(electro-active)致动器，该致动器包括电活性材料层和用于激活电活性材料的电极层。电活性致动器是弯带并且具有用于为电极提供接触端子的至少一个平坦部分。

专利申请WO 2004/095596涉及一种包括具有如下布置的多个电活性弯曲物的设备，在该布置中，单独弯曲物在激活时的移位对于在设备的近端与远端之间的总体相对移位起作用。

专利申请WO 03/061276涉及一种具有可调聚焦的相机。该相机包括固定透镜、传感器和定位于传感器之下用于使传感器移位的压电元件。

在上述系统中，特别是对于通常在它们宽度的约百分之三的范围中移动的压电材料而言，移动可能受到限制。因此对于薄的材料块来说，该移动可能不够。另外，解决方案可能为了在诸如便携设备之类的小型设备中实施而需要太多空间。或者解决方案可能需要复杂的手工组装。

因此，可能需要可调透镜元件的替代解决方案。可能希望提供具有小型透镜元件而仍然具有足够移动范围和分辨率的相机装置。这样的透镜元件可以在电子设备中、特别是在便携或者移动电子设备中使用。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种包括至少两个致动器臂的致动器元件。至少两个致动器臂的每一个在该致动器臂的第一端固定于第一底座部分而在该致动器臂的第二端固定于第二底座部分。至少两个致动器臂被配置用以通过向至少两个致动器臂施加电场来引起第一底座部分和第二底座部分相对于彼此的移动。

在一个实施例中，至少两个致动器臂由压电材料制成。

在一个实施例中，至少两个致动器臂的第一部分可以被配置用以形成由向至少两个致动器臂的第一部分施加的第一电场引起的向上弯曲和向下弯曲中的一个弯曲，而至少两个致动器臂的第二部分可以被配置用以形成由向至少两个致动器臂的第二部分施加的第二电场引起的向上弯曲和向下弯曲中的另一弯曲。在一个实施例中，第二电场可以与第一电场相反。在一个实施例中，第二电场可以是零伏特。

在一个实施例中，至少两个致动器臂可以被配置用以形成由向至少两个致动器臂施加的电场引起的向上弯曲和向下弯曲中的一个弯曲。在一个实施例中，至少两个致动器臂可以在第一端和第二端中的至少一端具有皱纹。

在一个实施例中，至少两个致动器臂可以在第一底座部分的外围上延伸并且通过第二底座部分来加宽。在一个实施例中，至少两个致动器臂可以在第一底座部分周围环形地延伸并且被第二底座部分环形地围绕。

在一个实施例中，以至少两个致动器臂将第一底座部分和第二底座部分形成单个构件，其中至少两个致动器臂借助槽与第一底座部分和第二底座部分相分离。

在一个实施例中，至少两个致动器臂可以具有螺旋形状。

在一个实施例中，致动器元件还可以包括安装于第一底座部分上的透镜。

根据本发明的又一方面，提供一种可以包括致动器元件和安装于第一底座部分上的透镜的透镜元件。

根据本发明的又一方面，提供一种可以包括致动器元件或者透镜元件的电子设备。该电子设备可以是用户设备、移动台、蜂窝电话、个人数字助理、数字相机、摄像放像机和膝上型计算机。

附图说明

现在参照如下例子和附图仅通过例子来具体描述本发明，在附图中：

图1示出了可以在其中实施本发明实施例的通信设备的例子；

图2示出了可以在其中实施本发明实施例的光学系统的横截面图；

图3示出了根据本发明实施例的透镜布置的平面图；

图4示出了在图3的实施例中实施的实施例的横截面图；

图5示出了根据本发明又一实施例的透镜布置的平面图；以及

图6示出了在图5的实施例中实施的实施例的横截面图。

具体实施方式

图1示出了具有显示器12和控制按钮13的电子设备10的例子。另外具有处理器实体14、电子存储器装置15和扬声器装置16。另外在通信设备10的一侧上示出了相机装置18。

图1仅仅示出了可以在其中可以实施本发明实施例的一个示例性电子设备。图1的电子设备具有通信设备的形式，更具体地是两个移动部分的移动台的形式。应当认识到电子设备的类型可以完全不同于图1中所示类型。在通信设备的情况下，可以用适当的方式布置诸如天线之类的可见无线电接收和发送装置，或者可以在通信设备的壳体中内置无线电接收和发送装置。任何适当形式的控制按钮可以例如根据设备类型、尺寸和用途来以适当的方式加以定位。另外，显示器和相机装置的形式、类型和位置例如可以根据设备类型、尺寸和用途而变化。

可以在其中实施本发明实施例的电子设备可以包括但不限于诸如用户设备(UE)、移动台(MS)、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)等等之类的移动通信设备或者终端，或者诸如数字相机、摄像放像机、膝上型计算机之类的其它电子设备以及包括相机装置的任何其它电子设备。

现在已经发现可以借助一种透镜元件以改进的方式来满足针对相机装置中的聚焦和缩放而设置的要求如移动分辨率和范围，该透镜元件包括形式优选为透镜环形安装形式的使用压电原理或者其它电活性效应的致动器元件。

根据本发明实施例的致动器元件包括至少两个臂。在优选实施例中，致动器元件可以包括三个臂。当致动器元件包括由致动器臂围绕的第一底座(mount)和在致动器臂周围延伸的第二底座部分时，可以借助致动器元件中的槽来形成臂。

在一个实施例中，致动器臂可以在第一底座部分的外围上延伸并且通过也具有不同于环形的另一形式的第二底座部分来加宽。例如，致动器臂可以延伸为方形或者长方形。透镜底座可以分别是方形或者长方形并且具有圆孔，由此提供用以支撑透镜的拐角。

致动器臂由电活性材料、优选为压电材料制成。致动器臂被配置用以通过向至少两个致动器臂施加电场或者电压来引起第一底座部分和第二底座部分相对于彼此移动。电压可能引起出现扭曲。

以包括由致动器臂将第一底座部分和第二底座部分连接在一起的单个部分形成致动器元件可能是有利的。可以通过穿透压电材料的镀层来形成该单个部分。这可以减少分离部分的手工组装或者机械连接。

在一个实施例中，致动器元件仅包括在致动器臂的第一端固定到分离第一底座部分而在致动器臂的第二端固定到分离第二底座部分的致动器臂。另外在这一实施例中，致动器臂被配置用以通过向至少两个致动器臂施加电场来使第一底座部分和第二底座部分相对于彼此移动。

在一个实施例中，可以更改致动器臂的长度。例如，环形布置的臂可以是螺旋形状。这可以进一步改进就安装于环形布置上的透镜而言所允许的移动并且可以适合于光学缩放。

本发明的实施例可以允许比就简易的压电材料块而言通常出现的移动更多的移动并且可以适合于自动聚焦。本发明的实施例可以提供一种允许透镜组件至少部分的移动以便进行自动聚焦和/或光学缩放的体积高效方式。

可见本发明的实施例可以在光学系统中并且特别是在小型电子设备中提供的小型相机装置中提供优点。因此，这样的光学系统在这里用作说明性的例子。然而，应当认识到根据本发明实施例的致动器元件可以使用于任何致动器实施中。因此，本发明不限于包括透镜的光学系统，而相似的致动器元件也可以用于其它调节目的。另外，相似的致动器元件也可以用于其它目的，比如音频换能器。在示例性音频换能器实施例中，元件的中心可以是实心的，也就是说没有用于透镜等的孔。

电活性材料包括所谓的压电材料、电致伸缩材料和压阻材料。在本说明书中主要参照压电材料。然而应当认识到其它电活性材料可以用于本发明的实施例。

诸如石英(SiO₂)或者钛酸钡(BaTiO₃)之类的压电材料是永久极化的材料，这些材料在有电场施加到该材料时改变尺度。电压的施加造成压电材料的机械应力和变形。

诸如相机装置之类的光学系统可以包括一个或者多个透镜。光学系统将图像作为光学信号从对象发送到传感器阵列。传感器阵列将光学信号转换成可以进一步处理的数字信号。为了聚焦，透镜和传感器可相对于彼此移动。在具有多个透镜的光学系统中，透镜可以相对于彼此移动以提供聚焦能力和缩放能力。

图2示出了例如适合于相机装置的典型光学系统的简化示意图。光学系统30包括支撑管32、安装于透镜底座装置34上的透镜22。透镜22在定位于图像平面处的图像传感器38上投影对象36的聚焦图像。透镜22应当可在轴方向上移动以便为光学系统提供调节能力。

图3示出了根据本发明实施例的透镜元件20。环形布置可以包括安装于透镜底座23上的透镜22、致动器部分24和组件底座25。

透镜22可以安装于作为环形布置的内圆而示出的透镜底座23上。包括致动器臂的致动器部分24表示为中间圆而组件底座25表示为环形布置的外圆。透镜底座23在致动器臂的第一端经由第一连接接合到各致动器臂。组件底座25在致动器臂的第二端经由第二连接接合到各致动器臂。致动器部分24如图3中所示在第一连接与第二连接之间的区域中通过槽26与透镜底座23和组件底座25相分离。透镜底座23和组件底座25可以统称为安装区域。透镜元件20具有在下方的金属基板，将参照图4和图6来说明这一点(在图3中不可见的金属基板)。

在致动器的第一部分27与第二部分28之间可能引起电压差。在一个实施例中，将第一电压施加到透镜元件20的一个部分，例如图3中充满条纹的第一部分27，而将第二电压如相反电压施加到透镜元件20的其余部分，例如图3中所示未填充的第二部分28。在一个实施例中，第一部分27包括各臂的约一半，即在将致动器臂接合到透镜底座23的第一连接近旁的一半。第二部分28包括各致动器臂24的约另一半，即在将致动器臂接合到组件底座25的第二连接近旁的一半。向第一部分27施加的第一电压也可以施加到透镜底座23。向第二部分28施加的第二电压也可以施加到组件底座25。

在一个实施例中，第一电压和第二电压可以是除了相反电压之外的电压。在一个实施例中，第一电压和第二电压中的一个电压可以是零伏特，而第一电压和第二电压中的另一电压可以是正电压或者负电压。

由于不同的(比如相反的)电压施加到致动器部分24的致动器臂的两半，所以各致动器臂弯曲并且根据极性而使透镜底座23并且由此使透镜22向前或者向后移动。参照图4进一步说明该效应，其中图4a示出了在没有施加电压时致动器臂之一的横截面，而图4b示出了如下致动器臂，其中相对于其上安装有透镜元件20的金属基板29，相反电压被施加到第一部分27和第二部分28。如图4b中可见，当相反电压被施加到第一部分27和第二部分28时，金属基板29的弯曲在第二部分28之下是向下的而在第一部分27之下是向上的。这可能造成在致动器部分24与安装区域连接之处的第一端或者第二端处的应力减少。各致动器臂的第一端和第二端是水平的并且关于安装区域的预期位置来排列。

在图5所示的一个实施例中，第一电压可以施加到整个致动器部分而第二电压可以省略。在这一实施例中，通过透镜弯曲力和安装区域的硬度来造成端部中的应力。该应力对致动器部分接合到安装区域之一的端处的方向进行改变。这与向致动器部分24的不同部分27、28施加不同(例如相反)电压的上述实施例相比可能造成移动范围减少。

在图6中所示的又一实施例中，仅将第一电压施加到整个致动器部分24。图6a示出了在没有施加电压时的致动器臂之一的横截面，而图6b示出了如下致动器臂，其中相对于其上安装有透镜元件20的金属基板29，第一电压被施加到致动器臂。致动器臂在第一端和第二端之一处包括皱纹40。该皱纹可以允许单偏透镜(single biasedlens)元件的延伸的长度并且赋予更大的移位。仅将第一电压施加到致动器部分24造成致动器臂的单个弯曲。在这一实施例中，单个弯曲所造成的应力被皱纹40吸收。

在一个实施例中，致动器臂可以具有皱纹40，而仍然可以借助第一电压和第二电压在致动器臂的第一部分与第二部分之间施加电压差。

在示例性实施例中，透镜直径可以在约3mm至5mm的范围中，底座23和25可以具有约0.5mm至1mm的宽度，而致动器宽度约为0.5mm至1mm。所用电压对于一些压电材料而言可以在约3V的范围中。透镜直径可以取决于相机模块光学设计，因此致动器尺寸可加以缩放以配套。然而根据上图，尺寸可以是基本特征而元件宽度可以变化很大、特别是可以减少很多。在一些实施例中，可能需要使用安全裕度。电压也可以不同于上图。例如，较高电压可以提供一些益处，例如移动的线性、延伸的移动、较厚的材料获得增加的强度等等。

本发明的实施例可以用简易的组件和低廉的价格提供用于聚焦和缩放的透镜元件。该元件可以既耐用又抗摔。另外，该元件可以快速移动并且具有精细的移动范围。该元件没有摩擦表面，这与其它聚焦类型相比可以延长元件的寿命。透镜元件由于金属基板而具有的金属性质可以用来通过将透镜元件接地从而增强电磁兼容性。

在一个实施例中，可能需要电压的钳位以保证即使摔跌具有根据本发明实施例的透镜元件的设备仍然不会生成电压。在一个实施例中，在上方和下方可能需要端部停止件以便如果设备被摔跌来防止过量移动。在一个实施例中，可能需要通过对透镜和传感器的细心预对准来补偿与压电材料相关联的有限移动范围。即刻(比如数秒)获得固定的移动距离可能需要高电压，比如高于3V。然而，如果可能则可以希望避免使用过高电压。一个例子可以包括拍摄视频，其中可能希望针对持续使用的焦点对准。可能的解决方案可以是将透镜预对准到超焦点，使得最远的焦点对准距离是无限的。然而，对于视频用途或者暗到无法聚焦的情况，可以省略聚焦移动。

虽然已经在特定实施例的背景下描述了本发明，但是在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的范围和精神的前提下，各种各样的更改都是可能的。应当认识到尽管已经主要针对移动通信设备来描述本发明的实施例，然而本发明的实施例可以适用于包括相机装置的其它类型的电子设备或者任何类型的如下光学系统，这些光学系统需要例如具有传感器功能的透镜的移动。另外，本发明不限于包括透镜的光学系统，而是也可以针对其它调节目的来使用相似的环形布置。

Claims (12)

1.一种致动器元件，包括：

至少两个致动器臂；

其中所述至少两个致动器臂的每一个在所述致动器臂的第一端固定于第一底座部分，在所述致动器臂的第二端固定于第二底座部分，其中利用所述至少两个致动器臂将所述第一底座部分和所述第二底座部分形成单个构件，其中所述至少两个致动器臂借助槽与所述第一底座部分以及所述第二底座部分相分离；

其中所述至少两个致动器臂被配置成通过向所述至少两个致动器臂施加电场，使得所述第一底座部分和所述第二底座部分相对于彼此移动；以及

包括安装于所述第一底座部分上的透镜。

2.根据权利要求1所述的致动器元件，其中所述至少两个致动器臂由压电材料制成。

3.根据权利要求1或者2所述的致动器元件，其中所述至少两个致动器臂的第一部分被配置成形成由向所述至少两个致动器臂的所述第一部分施加的第一电场引起的向上弯曲和向下弯曲中的一种弯曲，所述至少两个致动器臂的第二部分被配置成形成由向所述至少两个致动器臂的所述第二部分施加的第二电场引起的所述向上弯曲和所述向下弯曲中的另一种弯曲。

4.根据权利要求3所述的致动器元件，其中所述第二电场与所述第一电场相反。

5.根据权利要求3所述的致动器元件，其中所述第二电场为零伏特。

6.根据权利要求1或者2所述的致动器元件，其中所述至少两个致动器臂被配置成形成由向所述至少两个致动器臂施加的所述电场引起的向上弯曲和向下弯曲中的一种弯曲。

7.根据权利要求1所述的致动器元件，其中所述至少两个致动器臂在所述第一端和所述第二端中的一端具有皱纹。

8.根据权利要求1所述的致动器元件，其中所述至少两个致动器臂在所述第一底座部分的外围上延伸，并且通过所述第二底座部分来加宽。

9.根据权利要求8所述的致动器元件，其中所述至少两个致动器臂在所述第一底座部分周围环形地延伸，并且被所述第二底座部分环形地围绕。

10.根据权利要求1所述的致动器元件，其中所述至少两个致动器臂具有螺旋形状。

11.一种电子设备，包括根据权利要求1所述的致动器元件。

12.根据权利要求11所述的电子设备，包括用户设备、移动台、蜂窝电话、个人数字助理、数字相机、摄像放像机和膝上型计算机之一。

Images