CN101384954B - 具有直线运动和倾斜运动的致动器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于光学系统内的致动器装置，其包括一个外壳、一个至少部分安装在外壳内的支架、弹簧或一对弹簧，被放置在镜头支架的一端或一端和另一端，处于镜头支架和外壳的内壁之间，以及多个安置在支架并在外壳内的支架周围的线性运动换能器。每个线性运动换能器，在通电时能够使支架相对于外壳进行线性运动、倾斜运动或两者兼有。

Description

具有直线运动和倾斜运动的致动器装置

技术领域

本发明通常涉及一种用于光学系统的致动器装置，特别涉及一种照相机的镜头致动器装置。

发明背景

常常使用镜头致动器控制镜头的位置和/或移动，使被拍摄物体在照相机或照相设备的摄像传感器或感光胶卷上形成清晰的图像。如果，这个控制镜头的位置或移动是由控制电路自动完成，则称为自动对焦。关键是要能够控制镜头沿着光轴线(或称为镜头轴线)或z-轴方向移动镜头来控制镜头和摄像传感器或感光胶卷之间的距离。在拍照环境灰暗的情况下，比如室内或晚上，自动对焦技术已不足已获得一幅清晰的照片。这是因为人手不停的抖动或振动所致。在这情况下，振动/抖动补偿技术(或称为抗振动/抖动技术)就是一个必要的技术以获得高质量的清晰照片。这种技术通常要求镜头、或镜头模组内多个镜片中的一个或多个，可以相对于摄像传感器或感光胶卷而运动以抵消照人手带来的振动/抖动。

目前典型的振动/抖动补偿技术(或称为抗振动/抖动技术)是由至少两个致动器装置(包括步进马达，伺服马达，音圈马达，或压电马达)来推动一个简单平台或复合平台，使平台上的任意一点可以实现在垂直于光轴的平面里的上下左右移动。通过在这样的平台上安装一个镜片或摄像传感器或感光胶卷，来实现振动/抖动补偿。美国专利申请(公开号：2006/0204233，以Nikon Corporation名义于2006年9月14日公开)描述了其中一个振动/抖动补偿技术的例子。它利用两个致动器装置来推动一个安装了补偿镜片的平台，使平台上的任意一点可以实现在垂直于光轴的平面里的上下左右移动，来实现振动/抖动补偿。美国专利申请(公开号：2007/0058958，以Pentax Corporation名义于2007年3月15日公开)描述了另一个振动/抖动补偿技术的例子。它利用致动器装置来推动一个安装了摄像传感器的平台，使平台上的任意一点可以实现在垂直于光轴的平面里的上下左右移动，来实现振动/抖动补偿。

上述的振动/抖动补偿技术，其优点是其设计思想简单，容易实现。其缺点则是照相机或设备体积庞大，机械结构复杂，价格也比较高。由于其体积庞大，轻巧的照相设备(比如照相手机)就无法使用。特别是上述技术仅可以实现振动/抖动补偿，对于自动对焦功能，则需要另外提供一个致动器装置和机械结构。这就进一步加大了整个照相机或设备的体积，和机械结构的复杂性，从而进一步提高了成本。

发明概述

依照本发明所披露的第一方面，提供一种用于光学系统的致动器装置。该致动器装置包括一个外壳、一个或一对弹簧、一个至少部分地藏于外壳内的镜头支架、多个线性运动换能器被安置到所述镜头支架上，并在其周围基本均匀间隔布置。弹簧被放置在镜头支架的一端或一端和另一端，处于镜头支架和外壳的内壁之间，以在操作期间提供回复力给镜头支架。所述多个线性运动换能器在通电时能够使镜头支架相对于外壳进行线性运动、倾斜运动或两者兼有。当线性运动换能器被选择性地通电时，使得所述镜头支架相对于其中轴而倾斜运动，实现振动补偿控制；当线性运动换能器被同时通电时，各线性运动换能器产生大致相等的线性运动，以实现镜头的自动对焦功能。

依照本发明所披露的第二方面，提供一种光学系统，其包括以上的致动器装置和一个布置在致动器装置镜头支架内的镜头。

依照本发明所披露的第三方面，提供一种照相机，其包括以上的致动器装置、一个布置在致动器装置镜头支架内的镜头、一个图像捕捉装置、一个布置在致动器和摄像传感器之间的隔垫(spacer)、以及一个驱动致动器的线性运动换能器的控制器。

通过这样的方案，可以获得这样一种致动器装置，使用同一结构既能够进行直线运动以实现自动对焦控制，又能进行倾斜运动以实现振动/抖动补偿功能。

本发明的其它方面也将在以下披露。

附图说明

以下参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1显示依照本发明一个实施例的致动器的部分透视图；

图2显示依照本发明一个实施例的镜头致动器的分解透视图；

图3是描述镜头致动器自动对焦控制操作的示意图；和

图4是描述镜头致动器通过倾斜镜头而实现振动补偿功能操作的示意图。

发明详述

依照本发明一个实施例，图1显示一种在光系统内使用的致动器100。支架103至少部分被布置在致动器100的外壳框架101、107内。支架103的移动是相对外壳框架101、107而定义的。外壳框架可以形成为一个整体部件，或可以包括不止一个组件。线性运动换能器105、106与支架联结，并位于支架103周围且平行于支架的纵轴线。优选地，线性运动换能器105、106实质上间隔均匀地分布在支架103周围。当线性运动换能器105、106被通电时，可以移动支架103以进行线性运动、倾斜运动和两者结合。

致动器100可以实现支架103的线性运动和倾斜运动是取决于对线性运动换能器105、106的控制。优选地，致动器100至少包括三个线性运动换能器105、106。

优选地，致动器100是一个照相机的镜头致动器。在这种应用里，支架103是一个镜头支架，可用于安置镜头，与外壳101、107的孔径和照相机的图像捕捉装置(如CCD阵列或胶片)对齐校准。箭头z代表镜头致动器和照相机(未显示)的光轴。支架(镜头支架)103的线性运动使自动对焦成为可能，而支架(镜头支架)103的倾斜运动使振动补偿成为可能。

优选地，线性运动换能器105、106包括一个或多个音圈105在外壳101、107内，还包括磁性元件106，每个磁性元件是相对音圈105放置的，使得磁性元件106相对于各个音圈105的中轴是垂直导向的。每个磁性元件106可以有对应的音圈105。当音圈105被通电时，磁性元件106移动而产生线性运动。磁性元件106被布置定位成，使得每个磁性元件106的一端被联结到支架103，而另一端靠近音圈105。

线性运动换能器105、106可以有选择性地被通电。当线性运动换能器105、106被选择性地通电时，每个线性运动换能器105、106产生的线性运动与其它线性运动换能器无关。因为支架103相对于其中轴而倾斜运动，所以可以使用线性运动来实现振动补偿控制。

线性运动换能器105、106也可以同时通电，使线性运动换能器105、106产生大致相等的线性运动，以实现镜头的自动对焦功能。

每个线性运动换能器105、106可以是一个压电器件(piezoelectricdevice)，当提供电力给压电器件时，它沿着支架103纵轴线上的长度会发生变化。

每个线性运动换能器105、106可以是一个电致伸缩高分子器件(electro-active polymer device)，当提供电压给电致伸缩高分子器件时，它沿着支架103纵轴线上的长度上会发生变化。

每个线性运动换能器105、106可以是一个超声波电机(ultra sonicmotor)。

优选地，致动器100还包括一个弹簧102，其被放置在支架103和外壳101、107的内表面之间，以控制支架相对外壳101、107的移动。例如，弹簧102可以是一个直径大于支架103内径的螺旋弹簧(coil spring)，并与支架103的轴线对齐。可选地，弹簧102可以是一组片弹簧(leaf spring)，排列在支架周界线的周围。致动器100可以有一对弹簧102-1、102-2，提供在支架103的相反两端(顶端和底部)，以改善支架103的移动控制。

致动器100可以用于一个镜头安置在支架103内的光学系统(未显示)。

致动器100也可以用于一个镜头安置在支架103内的照相机(未显示)上。照相机包括一个图像捕捉装置用来捕捉由镜头传递的图像、一个位于致动器和图像捕捉装置之间的隔垫、以及一个控制器用来驱动致动器100的线性运动换能器105、106。照相机可以选用各种类型的光图像捕捉装置，如相机和摄像机。

如图2所示的例子，使用镜头致动器来详细描述致动器100的结构。

依照本发明一个实施例，图2是镜头致动器100的分解透视图。镜头支架103被放置在外壳框架101、107内。图2显示外壳框架101、107包括顶端部分101和底端部分107，在此实施例里它们配合在一起正好形成镜头支架103的外壳。但是，外壳101、107可以有其它形式，如一个整体部件，或以不同方式将两个或多个组件配合安装在一起。在以下描述里，为了便于解释，镜头指向图像捕捉的物体而通过外壳的那一端，被称为方向“顶”，图像经由镜头落在图像捕捉装置上而通过外壳的那一端被称为方向“底”。

图2显示具有孔口的外壳顶端和底端，由此光线穿过孔口到达图像捕捉装置(未显示)。通常镜头致动器100的顶端朝着光源(图像捕捉的物体对象)，而底端朝着图像捕捉装置。图像捕捉装置在数码相机(如CCD阵列)里是一个电子摄像传感器，在光学相机里就是胶卷。

在图2，线性运动换能器105、106包括磁性元件106和音圈105。音圈105位于外壳101、107内的磁性元件106下面，使得磁性元件106的平面表面垂直于各个音圈105的纵轴线。磁性元件106可以包括多个磁体，每个磁体分别对应一个或多个音圈105放置，如图2所示。可选地，磁性元件106也可以是一个或多个连续磁体，每个对应两个或多个音圈105。磁性元件106被安装在音圈105上方，从而电流经过每个音圈105而引起的磁场与磁性元件106的磁场相互作用。磁性元件106完全垂直于音圈105正面而放置，以便将磁性元件106的运动最大转移到镜头支架103。

磁性元件106的磁场和电流经过每个音圈105而引起的磁场之间的相互作用产生一个垂直力以排斥对方，结果磁性元件106被垂直纵向移动。磁性元件106的垂直纵向移动被转换成与磁性元件106联结的部分镜头支架103的垂直纵向移动。磁性元件106的底端朝着音圈105，而磁性元件106的顶端朝着部分镜头支架103，其被设计成接受由磁性元件106施加的力。

镜头支架103实质上是一个圆筒的形状，正好适合安置镜头在圆筒内。镜头可以被放置在镜头致动器100的镜头支架103内。镜头支架103有突出部分(臂)从圆筒体中向外伸出，优选地，在圆筒体的顶端。每个突出部分被设计成接受由磁体移动施加的力，并将磁铁元件106的移动转移到镜头支架103的相应部分。

音圈105是由导电材料制成。除了音圈105和磁体元件106，其他元件，如外壳101，镜头支架103，都是由非磁性材料制成，如塑料，从而不会干扰音圈105和磁性元件106的磁场。

优选地，弹簧102，或一对弹簧102-1和102-2被放置在镜头支架103的一端和另一端，处于镜头支架103和外壳101、107的内壁之间，以便更好地控制镜头支架103的移动。当通电时，在音圈105移动的相反方向上，弹簧102提供一个恢复力给镜头支架103。弹簧102也相对于外壳缓冲镜头支架103的移动。每个弹簧102可以是一个螺旋弹簧，如图2所示，或一组片弹簧。弹簧102也可以是其它形状，只要确保镜头支架103相对于外壳101、107有平滑而精确的移动。优选地，弹簧102的内径大体上等于或大于镜头支架103的内径，从而弹簧102不会干扰镜头的光学功能。弹簧102的弹簧或弹簧组最好对称放置在镜头支架周界周围，与孔径对齐校准以便精确控制镜头支架103的移动。

在图2，音圈105固定连接到外壳底部，并相对外壳是固定不动的。这样确保在磁性元件106的磁场和通电音圈105之间的力有效地转换成磁性元件106的移动，磁性元件106是可移动的组件。

图2显示磁性元件106放置在镜头支架103周围，作为一个线性运动换能器的例子，也可以使用其它类型的线性运动换能器。其它类型的线性运动换能器的例子包括特别是沿着光轴(镜头中线)纵轴方向上的形状改变的设备，以响应一些类型能量输入。也可以使用具有响应能量而移动的组件的设备。致动器100的线性运动换能器最好有适合的形状和大小，以允许它们能够被放置在镜头支架103周围。

例如，可以使用一种包括压电材料的压电器件，一旦施加到压电材料的电力发生变化，压电材料的形状就会发生变化。也可以使用一种电致伸缩高分子器件，它根据施加的电压而在形状上发生变化。在这些装置里，线性运动换能器的一端被固定连接到外壳101、107，而另一端因为形状变化而移动，被连接到镜头支架103的臂上，使镜头支架103移动。超声波电机是线性运动换能器105、106的一个例子，其中一部分器件的移动促使连接的镜头支架103移动。

当所有线性运动换能器被同时提供以相同数量的能量时(例如在图2的音圈-磁体组合例子里的电流)，会导致线性运动换能器105、106产生大体相同数量的形状变化或位移。这会促使镜头支架103对应线性运动换能器的所有部分将作相同数量的移动，从而镜头支架103实现一个整体的线性运动。这种控制方法可以用于自动对焦控制。

图3是描述镜头自动对焦控制操作的示意图。如果期望将焦点从焦点位置302-1移动到焦点位置302-2的距离305产生位移量304，那么让所有线性运动换能器105、106产生一个对应位移量304的形状变化或位移，镜头就在整体线性运动上从位置301-1移到位置301-2。然后，图像就聚焦在图像捕捉装置303的焦点上。

如果线性运动换能器105、106各自受到不同数量的能量，将导致线性运动换能器不同数量的位移或形状变化。这会使镜头支架103倾斜运动，取决于各个线性运动换能器的位移或形状变化的差别。对于此操作，仅有一个或一些线性运动换能器105、106被通电。如果倾斜运动镜头支架是根据照相机或镜头模块的移动(其可以由照相机或镜头模块(未显示)的运动检测器检测出来)动态地执行的话，那么通过镜头致动器100倾斜运动镜头支架103可以用于动态振动补偿控制。

图4是描述镜头振动补偿控制操作的示意图。点400-1和402-1以及此两点的连续线分别代表物体相对镜头401的初始位置401-1、在点400-1上物体的图像在图像捕捉装置403的初始焦点、和此两点之间的光路径。当倾斜镜头401的机体时，物体相对镜头的位置转到点400-2，在图像捕捉装置403上物体图像不合意地移位到点402-2。镜头从位置401-1到位置401-2的倾斜动作404可以使在相对位置400-2上的物体图像被转移回位置402-1，以补偿不合意的移位405。通过线性运动换能器105、106的不同数量的位移或形状变化，可以实现这种倾斜动作404。

根据在镜头支架103周围的线性运动换能器105、106的数目和布置，可以实现一个自由度的倾斜运动镜头支架103用于振动补偿控制。如果多于三个线性运动换能器布置在镜头支架103周围，而且线性运动换能器之间距离基本上相等，就可以实现两个自由度的倾斜运动镜头支架103。如图2所示的，线性运动换能器均匀分布在镜头支架103周界周围的这种镜头致动器100的结构有一个优点，即线性运动换能器可以紧凑地布置在镜头致动器100的正方形或矩形外壳101、107内。通过均匀分布线性运动换能器在镜头支架103的周界周围，可以实现更平滑且更精确地控制镜头支架。

外壳101、107的内壁和镜头支架103最好在大小、形状、材料等上有联系，以允许镜头支架103在外壳101、107内有平滑且精确的移动。镜头支架103的突出部分可以有凹陷或凸出以便与线性运动换能器105、106的顶端配合在一起。镜头支架103可以有不偏离本发明范围和精神的不同的结构。外壳可以是不同于如图2所示的形式，只要能够容纳和定义镜头支架103的移动。例如，通过布置元件在镜头致动器周围，可以实现这种功能，如有镜头致动器和照相机的手机电话内的邻近元件。

根据所要求的控制类型，线性运动换能器可以被串联电连接。对于自动对焦控制，音圈105可以被串联连接以允许等值电力流经音圈105。对于振动补偿控制，连接音圈105的方式可以是，可以独立地控制流经每个音圈105的电流，而与其它音圈无关。

实现控制线性运动换能器105、106的控制模块和电路可以是镜头致动器100的一部分，或可以额外提供，例如，作为照相机主体的一部分。

通过提供给线性运动换能器相同数量的位移加上一个有差别数量的位移，可以结合实现自动对焦控制和振动补偿控制。

使用数字或模拟图像捕捉装置，镜头致动器100可以用于各种光学图像捕捉装置/系统，如相机、摄像机或胶卷相机。

如果镜头致动器100被用于一个相对较小的照相机，如手机电话的照相机模组，可以实行这样一种配置：允许镜头支架103和镜头在z方向上高达0.5-1.0mm的整体直线运动，以及高达大约+/-2度的倾斜运动。在此仅是为了便于描述，实际上可以有其它值。

使用多个线性运动换能器放置在支架周围的这种结构，以上描述的致动器方案既能够提供线性运动，例如用于自动对焦功能，又能提供倾斜运动，例如用于振动补偿控制。这样具有降低复杂性和/或减小致动器大小的优点。缩小尺寸的镜头致动器特别适合小型数码相机或具有相机模组的手机电话。

Claims (7)

1.一种用于光学系统内的致动器裝置，包括：

一个外壳；

一个镜头支架，至少部分地被安置在所述外壳内；

一个弹簧或一对弹簧，所述一个弹簧被放置在镜头支架和外壳的内表面之间，以控制镜头支架相对外壳的移动,所述一对弹簧提供在镜头支架的相反两端，以改善镜头支架的移动控制；

多个线性运动换能器，其被连接到所述镜头支架，并均匀间隔地位于所述外壳内的所述镜头支架周围，每个所述线性运动换能器在通电时产生独立的线性运动从而能够使镜头支架相对于外壳进行线性运动、倾斜运动或两者兼有；

当线性运动换能器被选择性地通电时，使得所述镜头支架相对于其中轴而倾斜运动，实现振动补偿控制；当线性运动换能器被同时通电时，各线性运动换能器产生大致相等的线性运动，以实现镜头的自动对焦功能。

2.根据权利要求1所述的致动器裝置，其中每个所述线性运动换能器包括一个压电器件，一个电活性高分子器件,或一个超声波电机。

3.根据权利要求1所述的致动器裝置，其中所述一个弹簧是一种螺旋弹簧，其直径大于所述镜头支架的内径，并与所述镜头支架的纵轴线对齐。

4.根据权利要求1所述的致动器裝置，其中所述一个弹簧是一组片弹簧，其排列在所述镜头支架的周界周围。

5.根据权利要求1所述的致动器裝置，包括至少三个线性运动换能器。

6.一个光学系统，包括：

一个依照权利要求1的致动器裝置；和

一个布置在所述致动器裝置的所述镜头支架内的镜头。

7.一个相机，包括：

一个依照权利要求1的致动器裝置；

一个布置在所述致动器的所述镜头支架内的镜头；

一个图像捕捉装置；

一个布置在所述致动器裝置和所述图像捕捉装置之间的隔垫（spacer）；和

一个驱动所述致动器裝置的所述线性运动换能器的控制器。

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