CN106461906B - 变焦镜头 - Google Patents

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Abstract

一种变焦镜头，包括对焦驱动机构和变焦驱动机构以及相应的镜头组，变焦驱动机构套设于对焦驱动机构外部，其中对焦驱动机构为音圈马达，包括通过弹性连接件(7a3)连接的对焦定子组件(7a1)和对焦动子组件(7a2)，对焦定子组件中的对焦定子套筒(7a11)与对焦动子组件中的对焦动子套筒(7a21)之一为永磁材料套筒，另一为非磁材料套筒，且非磁材料套筒所属的组件还包括预磁力件(7a22)和驱动线圈(7a23)。由于预磁力件与永磁材料套筒之间预先存在的磁力，在不通电的情况下即使得弹性连接件处于受力平衡状态，使得驱动弹性连接件的运动只需要更小的电磁力，相应减小驱动电流，降低功耗；且变焦驱动机构套设于对焦驱动机构外部，能够轻易实现较大的光圈，也更易于安装实现。

Description

变焦镜头
技术领域
本发明涉及镜头技术领域，尤其涉及适用于作为手机镜头使用的紧凑且微型的变焦镜头。
背景技术
随着数码影像技术的推广和普及，光学成像装置被广泛应用到各种类型的设备上，例如种类繁多的便携及小型设备，小型化的光学成像装置，例如小型变焦镜头，具有广泛需求。
现有小型变焦镜头一般包括对焦驱动机构和变焦驱动机构两个部分，分别用于驱动相应的镜头组移动来实现对焦和变焦。
音圈马达(VCM，Voice Coil Motor)是一种比较简单的电机，其中直线型音圈马达在光学领域，例如在手机摄像头自动对焦模组中，得到了广泛的应用。简明起见，以下将音圈马达中运动的部分称为对焦动子组件，相对固定的部分称为对焦定子组件。
音圈马达的基本结构可参考图1，通常包括定子1a1，动子1a2和弹性连接件1a3，弹性连接件连接动子和定子，负载(未图示)固定安装于动子。图1中，定子为永磁体，对焦动子组件中包括缠绕于动子上的驱动线圈1a23。驱动线圈通电后，动子在定子的磁场作用下直线移动，反向的运动可以通过加反向电流或者利用弹性连接件的复原力来实现。在另一种情况下，也可以将动子设置为永磁体，而将驱动线圈包含在对焦定子组件中。
采用上述结构的音圈马达，通过驱动线圈产生的电磁力与弹性连接件的弹力之间的平衡来对负载的位置进行精确定位，例如将对焦镜头移动到所需要的位置。通常，在工作区间内，弹性连接件的弹力与其位移成正比，这使得动子的位移越大，所需要的电磁力也就越大，驱动线圈的电流也越大。如果动子需要长时间保持在某个固定的位置，例如实现对焦的位置，则驱动线圈的电流也需要长时间保持，使得音圈马达具有较大的静态保持功耗。
发明内容
依据本发明提供一种变焦镜头，包括基板，对焦驱动机构，第一对焦镜头组，变焦驱动机构和第一变焦镜头组。第一对焦镜头组由对焦驱动机构驱动进行轴向运动，第一变焦镜头组由变焦驱动机构驱动进行轴向运动。对焦驱动机构和变焦驱动机构均为同轴设置的套筒结构，变焦驱动机构套设于对焦驱动机构外部。对焦驱动机构为音圈马达，包括对焦定子组件，对焦动子组件和弹性连接件，对焦定子组件相对于基板固定，对焦动子组件通过弹性连接件与对焦定子组件连接。对焦定子组件包括对焦定子套筒，对焦动子组件包括与对焦定子套筒套设的对焦动子套筒，对焦定子套筒与对焦动子套筒之一为永磁材料套筒，另一为非磁材料套筒，且非磁材料套筒所属的组件还包括预磁力件和驱动线圈，预磁力件采用永磁或受磁材料制成，相对于非磁材料套筒固定，驱动线圈相对于非磁材料套筒固定，当驱动线圈未通电时，预磁力件与永磁材料套筒之间预先存在的磁力与弹性连接件的弹力达成平衡。
依据本发明的变焦镜头，其对焦驱动机构通过预先存在的磁力，在不通电的情况下即使得弹性连接件处于受力平衡状态，且该预先存在的磁力使得驱动弹性连接件的运动只需要更小的电磁力，相应减小驱动电流，降低功耗。且变焦驱动机构套设于对焦驱动机构外部，能够轻易实现较大的光圈，也更易于安装实现。
以下结合附图，对依据本发明的具体示例进行详细说明。
附图说明
图1是现有音圈马达的一种结构示意图；
图2是本发明所使用的音圈马达的一种等效结构示意图；
图3是本发明所使用的超声电机的一种等效结构示意图；
图4是本发明所使用的盘式电机的一种等效结构示意图；
图5是本发明所使用的一种变焦动子组件的传动结构的示意图；
图6是本发明所使用的另一种变焦动子组件的传动结构的示意图；
图7是本发明所使用的一种4层印刷电路的绕线方式示意图；
图8是本发明所使用的另一种4层印刷电路的绕线方式示意图；
图9是实施例1的变焦镜头的结构示意图；
图10是实施例2的变焦镜头的结构示意图；
图11是实施例3的变焦镜头的结构示意图；
图12是实施例4的变焦镜头的结构示意图。
具体实施方式
依据本发明的变焦镜头包括用于驱动第一对焦镜头组轴向移动的对焦驱动机构和用于驱动第一变焦镜头组轴向移动的变焦驱动机构，对焦驱动机构和变焦驱动机构均为同轴设置的套筒结构，变焦驱动机构套设于对焦驱动机构外部。本文中，将驱动机构(电机)中运动的部件称为动子组件，将驱动机构中相对固定的部件称为定子组件，定子组件通常相对于基板固定。以下分别对对焦驱动机构和变焦驱动机构的示例进行介绍。
一、对焦驱动机构
依据本发明的变焦镜头采用一种优秀的音圈马达作为对焦驱动机构，也可称为“超级音圈马达”，其可采用国际申请号为PCT/CN2014/075377，名称为“音圈马达及调焦镜头”的PCT国际申请中所描述的原理和结构。
依据本发明的超级音圈马达的一种等效结构可参照图2，包括对焦定子组件2a1，对焦动子组件2a2和弹性连接件2a3，对焦动子组件通过弹性连接件与对焦定子组件连接。对焦定子组件是相对固定的，包括对焦定子套筒2a11，对焦定子套筒可以固定在基板(未图示)上。对焦动子组件包括对焦动子套筒2a21，与对焦定子套筒同轴套设。为了更好地保持轴向运动过程中光轴的稳定性，对焦定子套筒优选地与对焦动子套筒紧密套设，接触面为光滑面。具体实现时，对焦定子套筒可以套设在对焦动子套筒之外也可以套设在对焦动子套筒之内，可根据设计需要来确定。不失一般性地，弹性连接件可以采用螺旋状弹簧，也可以采用其它形式，例如采用金属蚀刻工艺制作的平面弹簧片等。
对焦定子套筒与对焦动子套筒之一为永磁材料套筒，另一为非磁材料套筒；并且非磁材料套筒所属的组件还包括预磁力件和驱动线圈。例如，在图2中，对焦定子套筒为永磁材料套筒，而对焦动子套筒为非磁材料套筒，因此对焦动子组件还包括预磁力件2a22和驱动线圈2a23。当然，也可以是对焦定子套筒为非磁材料套筒，而对焦动子套筒为永磁材料套筒，这种情况下，对焦定子组件中还包括预磁力件和驱动线圈。
预磁力件采用永磁或受磁材料制成，相对于非磁材料套筒固定。例如，若对焦动子套筒为非磁材料套筒，预磁力件可以是同轴设置的磁环，固定在对焦动子套筒的一端，如图2所示；又如，若对焦定子套筒为非磁材料套筒，预磁力件可以固定在对焦定子套筒上，或者固定在对焦定子组件中的其他部件上，或者固定在基板上。在一些实施例中，预磁力件也可以以离散的形式设置，例如间隔式的嵌入或固定在非磁材料套筒上，只要其能够与永磁材料套筒产生预先存在的磁力即可。
驱动线圈相对于非磁材料套筒固定，例如可以设置于非磁材料套筒的内表面或外表面。例如，图2中，驱动线圈设置于对焦动子套筒的外壁，紧贴对焦定子套筒的内壁。
被驱动的第一对焦镜头组通常固定在对焦动子组件上，例如，参考图2，将第一对焦镜头组2a25固定在磁环上。在其他实施例中，也可以将镜头组安装在镜头支撑件上，再将镜头支撑件连接到对焦动子组件。
当驱动线圈未通电时，预磁力件与永磁材料套筒之间预先存在的磁力(可以为吸引或排斥的磁力)引起连接对焦动子组件与对焦定子组件的弹性连接件发生形变，并与所产生的弹力达成平衡，使得弹性连接件预先处于受力平衡状态。因此，可以将弹性连接件预先保持平衡的位置设置为其工作区间的两个端点之一或之间，即可实现相应工作状态的零功耗保持。并且弹性连接件偏离该受力平衡位置所需的功耗也较未施加“预先存在的磁力”时更小，使得在用于光学调焦时，具有功耗低、行程大的优点。有关预先存在的磁力使得弹性连接件的驱动功耗降低的详细理论分析可参考申请号为CN201310748592.0的中国发明专利申请。
当驱动线圈通电时，线圈与永磁材料套筒及预磁力件之间将产生作用力，进而改变“预先存在的磁力”与弹力之间的平衡，从而驱动对焦动子组件沿轴向运动。以下概念性地说明永磁材料套筒与驱动线圈之间的作用力的情况：
永磁材料套筒的磁化方向可以有两种情况，一种为径向磁化，即套筒的内外表面分别为南极和北极之一，一种为轴向磁化，即套筒的上下两端分别为南极和北极之一；
当永磁材料套筒的磁化方向为径向磁化时，当驱动线圈通电时，线圈与永磁材料套筒之间将产生轴向的电磁力(洛伦兹力)，从而推动对焦动子组件上下移动；
当永磁材料套筒的磁化方向为轴向磁化时，当驱动线圈通电时，线圈与永磁材料套筒之间的磁场力将沿径向方向，但因圆周的对称性而相互抵消。但是，线圈产生的磁场，将与永磁材料套筒的磁场方向相同或相反，因此电流产生的磁场将与永磁材料套筒的磁场相增或相消，从而增大或减小永磁材料套筒与预磁力件之间的作用力，通过破坏“预先存在的磁力”与弹力之间的平衡而实现对焦动子组件的运动。
优选地，弹性连接件可采用受磁材料制成，例如钢或铁磁材料，可以达到传递永磁材料套筒与预磁力件之间的磁力的效果，有助于减小对焦动子组件的重量。
二、变焦驱动机构
依据本发明的变焦镜头可采用各种适合的电机作为变焦驱动机构，例如多面体超声电机和盘式电磁电机。变焦驱动机构一般包括变焦定子组件和变焦动子组件，变焦定子组件相对于基板固定，变焦动子组件驱动第一变焦镜头组。
所使用的超声电机可采用公开号为CN1873455A，名称为“一种一体化光学设备调焦/变焦系统”的中国专利中所描述的原理和结构，其一种等效结构示意图可参考图3，包括定子组件3b1和动子组件3b2，定子组件套设在动子组件之内或之外，定子组件与动子组件相贴合的壁之间通过螺纹配合或圆周面摩擦的方式进行传动，定子组件与动子组件不接触的壁至少一个为多面体，每一面上固定有压电材料3b19，所使用的压电材料例如可以是压电陶瓷，其每一片上都连接有驱动线路(未图示)，例如采用粘接或焊接方式连接金属导线作为驱动线路。这些金属导线传递用于激励压电材料的电信号，这些压电材料能够在电信号的激励下振动所附着的定子或动子产生行波，从而通过定子与动子之间的配合(例如螺纹配合或圆周面摩擦配合)驱动动子旋转。图3中，定子套设在动子之外，定子的内壁与动子的外壁之间通过螺纹进行配合，定子的外壁为多面体；也可以采用相反的设置，即，动子套设在定子之外，动子的内壁与定子的外壁之间通过螺纹进行配合，定子的内壁为多面体。用于附着压电材料的定子一般可采用金属材质，例如铜或铝，而被螺纹驱动的动子可采用任意材质，例如塑胶或金属。上述多面体超声电机的优点是精度高，功耗小，推力大，具有自锁功能，因此很适合用于变焦驱动。
所使用的盘式电磁电机可采用申请号为CN201310677074.4，名称为“电磁电机”的中国专利申请中所描述的原理和结构，其一种等效结构示意图可参考图4。包括定子组件4b1和动子组件4b2，定子组件套设在动子组件之内或之外(图4中，动子组件套设在定子组件之外，能够绕定子组件旋转，在其他实施方式中，动子组件也可以套设在定子组件之内，若变焦驱动机构与对焦驱动机构的定子组件相邻则可共用同一个固定套筒)，至少一对动子磁极4b27(图4中设置了4个，其中一个被遮挡)安装在动子组件底部，至少两个定子线圈4b13(图4中设置了4个，其中一个被遮挡)设置在基板46上。
盘式电磁电机的动子可以是空心铁筒，这种情况下，动子的磁极可以简单地嵌在铁筒的壁上；动子也可以由塑胶等非磁性材料制成，动子的磁极安装在非磁性材料表面或嵌入其中；动子也可以由两部分组成，底部为磁极环(嵌有磁极的由磁性或非磁性材料制成的环)，上部为磁性材料或受磁材料制作的套筒；磁极不必突出端面，可通过增加一个罩壳使得磁极与罩壳的端面齐平甚至略微凹陷。当按一定规律向定子绕组供给交流或直流电时，在定子绕组与动子磁极之间将产生一个旋转磁场，该磁场通过磁极带着动子一起转动。上述盘式电磁电机具有推力大、自锁的优点，因此也很适合用于变焦驱动。本发明所使用的盘式电磁电机优选采用步进控制方式，使得不必测量动子的移动即可实现精确的位移控制。
以下对一些优选的设置进行说明。
一、变焦运动的测量
为精确测量变焦驱动机构的动子组件的位置，可进一步设置霍尔磁环和霍尔感应器件，霍尔磁环与霍尔感应器件之一相对于变焦动子组件固定，另一个相对于变焦定子组件固定或仅沿轴向移动，霍尔感应器件输出测量信号，该测量信号用于表示霍尔磁环相对于霍尔感应器件的旋转角度。由于动子的旋转与所驱动的镜头支撑件的轴向移动具有对应关系，因此通过测量动子的旋转即可确定镜头支撑件的位置，该测量数据可用于提供给主机进行相关的光学计算和/或控制镜头组的移动。当然，由于盘式电磁电机很适合采用步进控制方式来实现精确的移动，因此在使用步进控制方式的盘式电磁电机作为变焦电机时，也可以省去霍尔位置测量系统。优选地，在采用传动磁环作为变焦驱动机构的传动方式时(详细描述于后)，霍尔磁环可以与传动磁环集成为一体。
二、变焦驱动机构的传动方式
本发明所使用的变焦驱动机构的动子组件可采用各种适当的传动结构来驱动变焦镜头组的轴向移动。通常，镜头组固定安装于相应的镜头支撑件，例如镜筒，动子通过传动镜头支撑件来驱动镜头组的运动。镜头支撑件径向固定，例如设置有限制其只能轴向运动的限位滑杆或滑槽，使得镜头组只能轴向移动。限位滑杆可穿过镜头支撑件的侧壁，使得镜头支撑件能够沿滑杆进行轴向滑动，或者也可以在镜头支撑件的侧壁设置轴向延伸的凹槽或突起并使之与相应的固定件配合，以限定镜头支撑件仅在轴向移动。当然，若动子具有螺旋或直线运动轨迹，变焦镜头组也可以直接固定于动子组件。
动子与所驱动的镜头支撑件之间可通过施加预压力来保持接触，预压力的提供可采用各种可行的方式。在一种实施方式中可采用弹簧弹力，例如使用弹簧在镜头支撑件未与动子接触的一端施加压力。在另一种实施方式中可采用磁力，例如，在动子与镜头支撑件接触的一端粘接传动磁环，且镜头支撑件至少部分地采用磁性或受磁材料，通过磁吸引力保持动子与所驱动的镜头支撑件的接触。
以下示例地举出几种动子传动镜头支撑件的方式。
(1)顶针与凹凸边缘配合的传动方式
在这种传动方式中，动子具有螺旋或圆周运动轨迹，例如盘式电磁电机或超声电机的动子。动子与所驱动的镜头支撑件，其中一者的端面固定有轴向延伸的顶针，另一者的端面具有凹凸边缘，顶针的自由端与凹凸边缘保持接触，使得通过动子的螺旋或圆周运动传动镜头支撑件轴向移动。采用这种传动方式，可以通过设计镜头支撑件的凹凸边缘的形状来满足镜头的运动曲线要求和限制顶针的转动范围，例如在转动范围的两个端点设计突起的形状以阻挡顶针的移动。
一个示例可参考图5，用作镜头支撑件的镜筒S21的端面根据光学设计具有由两段曲线组成的凹凸边缘，其中S22为镜筒收缩的终点，S23为变焦的起点，S24为变焦的终点，图中曲线形状仅为示意，具体可根据光学设计来确定。镜筒内壁还设置有限制镜筒只能轴向移动的限位滑杆S29，从而将动子的旋转运动转化为镜筒的轴向直线运动。动子S25上固定有两个对称的顶针S26，相应地，镜筒与之接触的凹凸边缘也采用对称设计，这样可使得整个结构具有更好地稳定性。此外，为测量镜筒的移动，动子表面还粘接有霍尔磁环S27，镜筒上相应地固定有霍尔感应器件S28，其中霍尔磁环同时用于提供镜筒(钢质)与动子之间的磁力连接。为便于加工，镜筒可以分成两部分制作后拼合在一起，例如，具有凹凸边缘的一段采用塑胶材质，圆筒状的一段采用磁性或受磁材料。
(2)连杆与曲线滑槽配合的传动方式
在这种传动方式中，动子具有螺旋或圆周运动轨迹，动子与所驱动的镜头支撑件，其中一者上固定有向外延伸的连杆，另一者的侧壁具有曲线滑槽，连杆的自由端嵌入曲线滑槽中，使得通过动子的螺旋或圆周运动传动镜头支撑件轴向移动。
一个示例可参考图6，用作镜头支撑件的镜筒S31的外壁(或内壁)根据光学设计具有曲线滑槽，其中S32为伸缩段，S33为变焦段，图中曲线形状仅为示意，S33的末尾出现上翘表明该镜头的光学设计具有拐点，具体曲线形状可根据光学设计来确定。镜筒内壁还设置有限制镜筒只能轴向移动的限位滑杆S35。动子(未图示)上固定的连杆S34的自由端嵌入到滑槽中。采用这种传动方式，由于可以方便地设置滑槽的起点和终点来限制连杆的转动范围，因此可不必额外设置动子或镜筒的限位机构。在其他实施方式中，也可对称地设置两个连杆以及滑槽以获得更稳定的结构。
图5和图6示出了变焦驱动机构的动子传动镜头支撑件的两种优选方式，其中，凹凸边缘或曲线滑槽的形状包括两段曲线，分别对应于变焦镜头组的伸缩运动和变焦运动，使得镜头的伸缩过程和变焦过程能够一体化实现。
(3)直接接触传动的方式
在这种传动方式中，动子具有螺旋或直线运动轨迹，例如盘式电磁电机或超声电机的动子可通过与定子之间的螺纹配合来产生螺旋运动轨迹，音圈电机的动子具有直线运动轨迹，动子的端面与所驱动的镜头支撑件的一端保持接触，直接传动镜头支撑件轴向移动。
变焦驱动机构还可额外设置有限位机构，例如设置在变焦定子组件或基板上，用以限制变焦动子组件的活动范围，例如旋转运动的范围。
需要说明的是，若变焦电机的动子同时需要传动两个以上的变焦镜头组，例如由两个以上紧密套设的变焦镜筒(镜头支撑件)支撑的变焦镜头组，该动子可同时使用相同的传动方式或混合使用不同的传动方式。例如，动子可以通过直接接触传动一个镜筒，同时通过连杆传动套置在该镜筒外的另一个镜筒；或者，动子在不同的径向上分别设置顶针(或凹凸边缘)，分别传动口径与顶针位置相应的镜筒；或者，动子通过顶针传动一个镜筒，同时通过连杆传动套置在该镜筒外的另一个镜筒；或者，动子同时通过不同的连杆分别传动嵌套的两个镜筒。
三、线圈及电路的制作方式
本发明所使用的对焦驱动机构和/或变焦驱动机构中的线圈或者线圈的部分的一种优选实现方式为由印刷电路制成。例如音圈马达的驱动线圈，盘式电机的定子线圈以及超声电机的驱动线路等。当然采用传统的绝缘包覆线绕制也是可以的，以印刷线路代替绕线，省去了绕线的困难(尤其是用作光学对焦的音圈马达的尺寸通常不会很大)，安装更为简便。印刷电路可制作于硬板，例如印刷电路板(PCB，Print Circuit Board)，也可制作于软板，例如柔性印刷电路板(FPC，Flexi ble Printed Circuit)。每一块PCB或FPC可以具有单层电路，也可以由两层以上电路组成，例如两层、四层、六层、八层、十层、十二层电路等。采用印刷电路来制作线圈，一方面彻底解除了困难、精细的微型电机的绕线工作，另一方面还可以将印制有绕组的PCB或FPC作为变焦镜头的基板，将感光芯片、控制电路等设置于其上，使得镜头的结构更加紧凑。
基于成熟的印刷电路制作技术，可以按照预定的线圈构造对印刷电路的结构进行排布，以整体(一块PCB或FPC)或多块拼装(端部需要连接的线路进行焊接)的方式来实现所需要的绕组。参见图7和图8，示出了两种典型的印刷电路排布方式，图中箭头为示例的电流方向，本领域技术人员容易理解，可以根据线圈需要的构造相应设计印刷电路的排布和/或拼装方式。其中，图7中示出了轴向多层重叠的平面螺旋绕线方式，先在单层进行螺旋绕线然后通过穿孔进入另一层继续进行螺旋绕线，每一层螺旋电路可以是一块单层的PCB或FPC，也可以是多层PCB或FPC中的一层，层间通过导电通孔进行连接(下同)。图8中示出了径向多层嵌套的立体螺旋绕线方式，先在不同的层间螺旋绕线，再从内到外(或从外到内)进行立体螺旋绕线，可视为多个不同直径的立式线圈的嵌套。这些印刷线路优选采用超导材料制作，从而大幅降低电机的铜损和发热，提高电机的性能和可靠性。
如上所述，依据本发明的变焦镜头可以有各种具体的结构变化，例如对焦定子套筒与对焦动子套筒的相对位置可以互换，又如永磁材料套筒的磁化方向可以是径向或轴向，再如预磁力件可以设置于对焦定子组件也可以设置于对焦动子组件，这些不同的变化可以彼此结合，获得各种不同的具体实现方式。以下通过具体实施例来对依据本发明的变焦镜头进行举例说明。
实施例1
依据本发明的变焦镜头的一种实施方式可参考图9，包括基板56，对焦驱动机构，第一对焦镜头组5a25，变焦驱动机构和第一变焦镜头组5b25。基于光学设计，本实施例中还包括一个静止的第二对焦镜头组5a15，安装于第一对焦镜头组与基板之间，相对于基板固定，例如固定在对焦定子套筒5a11上，在其他实施例中，也可以固定在一个额外设置的固定套筒上。本实施例中，为获得更紧凑的结构，简化电气连接，基板优选为PCB，其上还可进一步安装感光芯片54。
对焦驱动机构采用音圈马达，包括对焦定子组件5a1，对焦动子组件5a2和弹性连接件5a3。其中，对焦定子组件包括对焦定子套筒5a11，对焦定子套筒为永磁材料套筒，固定在基板上；对焦动子组件包括对焦动子套筒5a21、预磁力磁环5a22和驱动线圈5a23，对焦动子套筒为非磁材料套筒。对焦动子套筒为内外表面光滑的圆柱型套筒，同轴紧密套设在对焦定子套筒内。对焦动子套筒中部设置有凹槽，用来放置驱动线圈，驱动线圈的电连接头可以穿过槽底设置的通孔与作为镜头底座的PCB基板连接。弹性连接件连接于对焦动子套筒与基板之间，预磁力磁环则固定在对焦动子套筒远离基板的一端，本实施例中，预磁力磁环同时还用作第一对焦镜头组的镜头支撑件，在其他实施例中，也可以分别设置非磁性镜头支撑与预磁力磁环。
预磁力磁环与永磁材料套筒(本例中为对焦定子套筒)相吸引，将预磁力(压力)施加在弹性连接件上，在驱动线圈通电之前与弹性连接件的弹力保持平衡，当音圈马达工作在该平衡点附近时，较小的驱动电流即可实现较大的驱动行程。
优选地，为便于在安装时调整驱动线圈不通电时弹性连接件的受力平衡位置的镜头焦距，镜头支撑件(本例中为预磁力磁环)与对焦动子套筒可采用螺纹配合，使得安装第一对焦镜头组时能够对焦距进行调整。
本例中，变焦驱动机构采用多面体超声电机，其定子组件包括变焦定子套筒5b11，动子组件5b2包括变焦动子套筒5b21，第一变焦镜头组的镜头支撑件5b24，使得变焦动子套筒与所驱动的镜头支撑件保持接触的传动磁环5b26。变焦定子套筒内表面为螺纹，外表面为多面体，每一面上固定有压电材料(未图示)，例如压电陶瓷片。变焦动子套筒采用铁磁材料(如钢)，其内表面是光滑圆筒面，外表面为与定子套筒相配合的螺纹面，因此具有螺旋运动轨迹。传动磁环固定在镜头支撑件(镜筒)的一端，使得该镜筒与动子套筒之间能够相对滑动但又保持轴向紧密连接(磁力连接)。镜筒5b24的内表面或外表面设有限位滑杆5bs1，使得第一变焦镜头组只能做轴向直线运动。此外，还设置有限制变焦动子套筒活动范围的限位机构，例如轴向限位机构5bs2和旋转限位机构5bs3。
本例中，超声电机采用螺纹耦合的驱动方式，在其他实施方式中，也可以采用圆周面摩擦耦合等驱动方式。
实施例2
依据本发明的变焦镜头的另一种实施方式可参考图10，包括PCB基板66，对焦驱动机构，第一对焦镜头组6a25，变焦驱动机构和第一变焦镜头组6b25，感光芯片64安装在PCB基板上。基于光学设计，本实施例中还包括静止的第二对焦镜头组6a15和静止的第二变焦镜头组6b15，以实现更好的调焦性能。第二对焦镜头组安装于第一对焦镜头组与基板之间，其镜头支撑件为一个固定在基板上的套筒6a14，该套筒同时可用于对焦动子套筒的限位。第二变焦镜头组安装于第一变焦镜头组与第一对焦镜头组之间，相对于基板固定，例如固定在对焦定子套筒6a11(变焦定子套筒6b11)上，本例中，可以将对焦定子套筒和变焦定子套筒视为一体，对焦动子套筒6a21和变焦动子套筒6b21分别位于该定子套筒的内表面和外表面，这使得结构十分紧凑。
对焦驱动机构采用音圈马达，对焦动子组件6a2中的对焦动子套筒为内外表面光滑的圆柱形永磁材料套筒，因此对焦定子组件6a1中包括预磁力磁环6a12和驱动线圈6a13。第一对焦镜头组通过镜头支撑件6a24(可以是非磁性材料)以螺纹配合的方式安装于对焦动子套筒。预磁力磁环固定在基板(镜头底座)上，其一部分可以嵌入到基板中。弹性连接件6a3，例如弹簧片，连接于对焦动子套筒与预磁力磁环之间。
变焦驱动机构采用多面体超声电机，变焦定子套筒(与对焦定子套筒集成一体，采用非磁材料)的外表面为螺纹，内表面的上部为光滑套筒与对焦动子套筒紧密套设，下部具有凹槽，凹槽的表面为多面体，每一面上粘接有压电陶瓷片。变焦定子套筒可采用与压电陶瓷的刚性系数匹配的材料，如铝、铜等。对焦驱动机构的驱动线圈或部分驱动线圈也容纳于多面体空腔内，另一部分可设置在PCB基板上。驱动超声电机的线路(未图示)以及驱动线圈6a13可以采用FPC线圈并集成为一体。变焦动子套筒6b21可采用钢环，传动磁环6b26固定在第一变焦镜头组的镜筒6b24的一端，使得该镜筒与动子套筒之间能够相对滑动但又保持轴向紧密连接(磁力连接)，与实施例1类似，镜筒可设置只能作轴向移动的限位机构(未图示)。为测量变焦运动，传动磁环可采用霍尔磁环，此时，霍尔测量器件(未图示)可固定在变焦动子套筒上；反之，若镜筒6b24采用铁磁材料，则传动磁环也可以固定在动子套筒上，此时，霍尔测量器件则可固定在镜筒上。本实施例中，压电陶瓷片也可以设置在变焦动子套筒的外表面。
本实施例与实施例1相比，主要区别在于，采用了四个镜头组，超声电机的动子与定子的位置发生了交换，对焦动子套筒为永磁材料套筒，使得预磁力磁环以及驱动线圈的设置方式发生改变。
图10中，N和S分别代表对焦动子套筒的可选的磁极的方向。如图中所示，对焦定子套筒的磁化方向既可以是径向(对焦动子套筒的内外表面分别为南极或北极)，也可以是轴向(对焦动子套筒的上、下端分别为南极或北极)。
实施例3
依据本发明的变焦镜头的另一种实施方式可参考图11，包括PCB基板76，对焦驱动机构，第一对焦镜头组7a25，变焦驱动机构和第一变焦镜头组7b25，感光芯片74安装在PCB基板上。基于光学设计，本实施例中还包括静止的第二对焦镜头组7a15和静止的第二变焦镜头组7b15，以实现更好的调焦性能。第二对焦镜头组安装于第一对焦镜头组与基板之间，其镜头支撑件为一个固定在基板上的套筒7a14，该套筒同时可用于对焦动子套筒的限位。第二变焦镜头组安装于第一变焦镜头组与第一对焦镜头组之间，其镜头支撑件为一个固定在基板上的套筒7b14。
对焦驱动机构采用音圈马达，其中对焦定子组件7a1中的对焦定子套筒7a11为永磁材料套筒，固定在基板上。对焦动子套筒7a21为顶部带有外螺纹的非磁材料套筒，紧密套设在对焦定子套筒内，因此对焦动子组件7a2中包括预磁力磁环7a22和驱动线圈7a23。本例中，预磁力磁环同时还用作第一对焦镜头组的镜头支撑件，其具有内螺纹，与对焦动子套筒顶部的外螺纹配合。对焦动子套筒外侧设置有凹槽，用来放置驱动线圈，驱动线圈的电连接头可以穿过槽底设置的通孔连接到弹性连接件7a3，再通过其与作为镜头底座的PCB基板连接，或者驱动线圈的电连接头也可以直接连接到PCB基板。弹性连接件7a3连接于对焦动子套筒与基板之间。
变焦驱动机构采用多面体超声电机，支撑静止的第二变焦镜头组的套筒7b14套设在对焦定子套筒外部，变焦动子套筒7b21紧密套设于该固定的套筒外部。变焦动子套筒内表面为光滑圆筒面，外表面为螺纹面，与变焦定子套筒7b11的内表面紧密螺纹配合。变焦定子套筒的外表面为多面体，每一面上粘接有压电陶瓷片。与实施例2类似，变焦动子套筒通过粘接在第一变焦镜头组的镜筒7b24的一端的传动磁环7b26驱动第一变焦镜头组轴向运动，传动磁环可采用霍尔磁环。
本实施例增加了一个静止的镜头套筒，增加了径向尺寸，能够降低镜头加工的复杂程度。
实施例4
依据本发明的变焦镜头的另一种实施方式可参考图12，包括PCB基板86，对焦驱动机构，第一对焦镜头组8a25，变焦驱动机构和第一变焦镜头组8b25，感光芯片84安装在PCB基板上。基于光学设计，本实施例中还采用了三个额外的镜头组，包括静止的第二对焦镜头组8a15，静止的第二变焦镜头组8b15和由变焦驱动机构驱动的第三变焦镜头组8b25’，使用五个镜头组使得本例能实现高性能的变焦镜头。第二对焦镜头组安装于第一对焦镜头组与基板之间，其镜头支撑件为一个固定在基板上的套筒8a14，该套筒同时可用于对焦动子套筒的限位。第二变焦镜头组安装于第一变焦镜头组与第一对焦镜头组之间，相对于基板固定，例如固定在对焦定子套筒8a11上。
对焦驱动机构采用音圈马达，其中对焦定子套筒由非磁性材料(如塑胶)制成，对焦动子组件8a2中的对焦动子套筒8a21为顶部带有内螺纹的永磁材料套筒，因此对焦定子组件8a1中包括预磁力磁环8a12和驱动线圈8a13。对焦定子套筒固定在基板上，紧密套设于对焦动子套筒外，其内侧下部设置有凹槽，用来放置驱动线圈，驱动线圈的电连接头可以穿过槽底设置的通孔连接到基板。第一对焦镜头组通过带有外螺纹的镜头支撑件8a24(可以是非磁性材料)以螺纹配合的方式安装于对焦动子套筒。预磁力磁环固定在基板(镜头底座)上。弹性连接件8a3，例如弹簧片，连接于对焦动子套筒与预磁力磁环之间。
变焦驱动机构采用盘式电磁电机，其定子线圈(未图示)可设置在PCB基板上，例如采用印刷电路的方式实现。变焦动子套筒8b21紧密套设在对焦定子套筒8a11外，因此也可认为变焦定子套筒与对焦定子套筒集成为一体。变焦动子套筒采用磁性材料，仅作原地旋转运动(没有轴向运动)，传动磁环8b26固定于变焦动子套筒。传动磁环通过端面上设置的顶针S26与第一变焦镜头组的镜筒8b24端面上的凹凸缘配合，驱动第一变焦镜头组轴向运动，凹凸缘可分成两段，第一段为伸缩段，第二段为变焦段。镜筒8b24可设置有仅能做轴向运动的限位机构。此外，传动磁环还通过连杆S34传动第三变焦镜头组的镜筒8b24’，该镜筒紧密套设在第一变焦镜头组的镜筒外。变焦动子套筒也可采用霍尔磁环，相应的霍尔测量器件(未图示)则可固定在基板上。
以上案例中所有的镜头组及套筒(镜筒)都是同心同轴的。镜头的安装次序也可由里至外逐步完成，因此，均具备较好的可加工性。以上这些优选的实施案例，基本能满足大多数变焦倍数不是很大的镜头的结构上的要求。若需要实现小型化的多级伸缩的大倍数变焦镜头，可以在上述案例的基础上，通过在镜头外围继续增加镜筒和传动结构(连杆)即可，或者也可新增一个电机。
以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，应该理解，以上实施方式只是用于帮助理解本发明，而不应理解为对本发明的限制。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，可以对上述具体实施方式进行变化。

Claims (12)

1.一种变焦镜头，包括基板(56,66,76,86)，对焦驱动机构，第一对焦镜头组(5a25,6a25,7a25,8a25)，变焦驱动机构和第一变焦镜头组(5b25,6b25,7b25,8b25)；
第一对焦镜头组由所述对焦驱动机构驱动进行轴向运动，第一变焦镜头组由所述变焦驱动机构驱动进行轴向运动；
其特征在于：
所述对焦驱动机构和所述变焦驱动机构均为同轴设置的套筒结构，所述变焦驱动机构套设于所述对焦驱动机构外部，
所述对焦驱动机构为音圈马达，包括对焦定子组件(2a1,5a1,6a1,7a1,8a1)，对焦动子组件(2a2,5a2,6a2,7a2,8a2)和弹性连接件(5a3,6a3,7a3,8a3)，对焦定子组件相对于所述基板固定，对焦动子组件通过弹性连接件与对焦定子组件连接；
对焦定子组件包括对焦定子套筒(5a11,6a11,7a11,8a11)，
对焦动子组件包括对焦动子套筒(5a21,6a21,7a21,8a21)，与所述对焦定子套筒套设，
所述对焦定子套筒与对焦动子套筒之一为永磁材料套筒(5a11,6a21,7a11,8a21)，另一为非磁材料套筒(5a21,6a11,7a21,8a11)；
所述非磁材料套筒所属的组件还包括：
预磁力件(5a22,6a12,7a22,8a12)，采用永磁或受磁材料制成，相对于所述非磁材料套筒固定，
驱动线圈(5a23,6a13,7a23,8a13)，相对于所述非磁材料套筒固定，
当所述驱动线圈未通电时，所述预磁力件与所述永磁材料套筒之间预先存在的磁力与所述弹性连接件的弹力达成平衡；
其中，第一变焦镜头组的镜头支撑件设置有限制其只能轴向运动的限位滑杆(S29)或滑槽，
所述变焦驱动机构包括变焦定子组件(3b1,4b1)和变焦动子组件(3b2,4b2)，变焦定子组件相对于所述基板固定；
所述变焦动子组件具有螺旋或圆周运动轨迹，变焦动子组件与所驱动的镜头支撑件，其中一者的端面固定有轴向延伸的顶针(S26)，另一者的端面具有凹凸边缘，顶针的自由端与所述凹凸边缘保持接触，使得通过变焦动子组件的螺旋或圆周运动传动镜头支撑件轴向移动；或者
所述变焦动子组件具有螺旋或直线运动轨迹，变焦动子组件的端面与所驱动的镜头支撑件的一端通过磁力保持接触，直接传动镜头支撑件轴向移动；
所述变焦驱动机构还包括霍尔磁环(S27)和霍尔感应器件(S28)，所述霍尔磁环与霍尔感应器件之一相对于变焦动子组件固定，另一个相对于变焦定子组件固定或仅沿轴向移动，所述霍尔感应器件输出测量信号，该测量信号用于表示所述霍尔磁环相对于所述霍尔感应器件的旋转角度；所述霍尔磁环与传动磁环集成为一体，所述传动磁环固定于变焦动子组件的端面或者所驱动的镜头支撑件的一端，用于为变焦动子组件与所驱动的镜头支撑件保持接触提供磁力。
2.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，
所述永磁材料套筒的磁化方向为径向或轴向。
3.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，
所述对焦定子套筒与对焦动子套筒紧密嵌套，接触面为光滑面。
4.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，
还包括第二对焦镜头组(5a15,6a15,7a15,8a15)，安装于第一对焦镜头组与基板之间，相对于所述基板固定；和/或，
还包括第二变焦镜头组(6b15,7b15,8b15)，安装于第一变焦镜头组与第一对焦镜头组之间，相对于所述基板固定。
5.如权利要求4所述的变焦镜头，其特征在于，相对于基板固定的镜头组的镜头支撑件上具有螺纹，用于在安装时调整焦距。
6.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述变焦驱动机构采用所述顶针的传动方式，所述凹凸边缘或曲线滑槽的形状包括两段曲线，分别对应于第一变焦镜头组的伸缩运动和变焦运动。
7.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，还包括第三变焦镜头组(8b25’)，其镜头支撑件(8b24’)设置有限制其只能轴向运动的限位滑杆或滑槽，且紧密套设在第一变焦镜头组的镜头支撑件之外，所述变焦驱动机构还驱动第三变焦镜头组轴向运动。
8.如权利要求1～7任意一项所述的变焦镜头，其特征在于，
所述变焦驱动机构的驱动方式为多面体超声电机驱动，其定子组件套设在动子组件之内或之外，定子组件与动子组件相贴合的壁之间通过螺纹配合或圆周面摩擦的方式进行传动，定子组件与动子组件不接触的壁至少一个为多面体，每一面上固定有压电材料，其每一片上都连接有驱动线路。
9.如权利要求8所述的变焦镜头，其特征在于，所述压电材料为压电陶瓷。
10.如权利要求1～7任意一项所述的变焦镜头，其特征在于，
所述变焦驱动机构的驱动方式为盘式电磁电机驱动，其定子组件套设在动子组件之内或之外，至少一对动子磁极安装在动子组件底部，至少两个定子线圈设置在所述基板上。
11.如权利要求10所述的变焦镜头，其特征在于，所述对焦驱动机构和/或变焦驱动机构中的线圈或者线圈的部分由印刷电路制成；所述印刷电路制作于印刷电路板PCB或柔性印刷电路板FPC；所述PCB或FPC由一层或两层以上电路组成；所述PCB或FPC上的印刷线路采用轴向多层重叠的平面螺旋绕线方式，和/或径向多层嵌套的立体螺旋绕线方式。
12.如权利要求11所述的变焦镜头，其特征在于，所述印刷线路采用超导材料。
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