CN110727077A - 一种基于柔性铰链的质心驱动调焦机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于柔性铰链的质心驱动调焦机构，包括底座、两组导轨滑块、镜组支架、光学镜组、柔性铰链、驱动连杆、直线电机和直线电机支架。通过两组导轨滑块，为光学镜组和镜组支架提供高精密度的直线运动支承，利用直线电机，作为光学镜组和镜组支架的运动驱动；基于柔性铰链，降低对直线电机驱动轴线和光学镜组运动方向的角偏误差要求；通过驱动连杆，保证镜组支架的驱动受力点位于两组导轨滑块的中间位置，从而实现质心驱动形式。本调焦机构，通过柔性铰链和驱动连杆，有效改善了直线电机装配角偏误差及驱动力偏心对镜组运动精度的影响，避免了镜组卡顿、迟滞等问题，同时降低了调焦机构的装配复杂度。

Description

一种基于柔性铰链的质心驱动调焦机构
技术领域
本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种基于柔性铰链的调焦驱动机构，主要针对调焦镜组具有较高直线运动精度要求的光学系统，同时降低调焦机构的装配复杂性。
背景技术
为了消除温度变化等因素对光学系统离焦量的影响，光路中通常会设置有调焦镜组，通过镜组的前后移动对离焦量进行补偿，从而获得清晰的图像。而在高性能光学系统中，调焦镜组在移动过程中的运动精度，是影响成像质量和光轴稳定性的重要因素。为了获取较高的运动精度，直线导轨滑块加直线电机的驱动形式得到越来越多的应用。
由于调焦镜组和直线电机的驱动轴，均有自己的运动支承和轴线，两个轴线之间的安装角偏误差，往往会造成镜组运动卡顿，侧倾角误差增大等问题，严重影响调焦运动精度。
同时为了不遮挡光路和受限于系统结构排布，直线电机的驱动位置往往偏于调焦镜组的一侧。而根据质心驱动原理，推动物体移动时，如果施力点不位于中点位置，很容易造成物体转动，出现运动不稳定。因此偏心驱动也成为影响调焦运动精度的一个重要因素。
通常情况下，是修磨配合面或增加垫片等来降低直线电机的安装角偏误差。装调过程需要不断调整反复，且由于直线电机驱动轴自身运动过程中的晃动，难以达到较好的装调效果。
发明内容
要解决的技术问题
为了克服现有直线电机角偏调整困难，驱动偏心等问题，本发明提出了一种基于柔性铰链的质心驱动调焦机构，可以降低对直线电机安装角偏的误差要求，同时可保证驱动位置位于导轨支承中心，提高机构构型的灵活性。
技术方案
一种基于柔性铰链的质心驱动调焦机构，其特征在于包括底座、第一导轨滑块、第二导轨滑块、镜组支架、光学镜组、柔性铰链、驱动连杆、直线电机和直线电机支架，其中底座是整个机构的承载零件，并可通过螺钉将整个机构固定于外部光学系统中，第一导轨滑块和第二导轨滑块的导轨部分固定于底座上，平行安装于镜组支架的两侧，第一导轨滑块和第二导轨滑块的滑块部分与镜组支架固定联接，镜组支架是运动部分的承载零件，可沿导轨做直线运动，光学镜组固定于镜组支架的中心部位，柔性铰链的一端通过螺母与镜组支架联接，另外一端通过螺母与驱动连杆联接，驱动连杆的两端分别与直线电机和柔性铰链联接，直线电机通过直线电机支架固定于底座上。
所述的柔性铰链为金属材料，包括两个圆弧形柔性环节，两个圆弧形柔性环节呈90°沿轴向重叠布置。
有益效果
本发明公开了一种基于柔性铰链的质心驱动调焦机构，主要用于提高光学系统中调焦镜组的直线运动精度，并降低装配的难度。主要结构包括底座、两组导轨滑块、镜组支架、光学镜组、柔性铰链、驱动连杆、直线电机和直线电机支架。通过两组导轨滑块，为光学镜组和镜组支架提供高精密度的直线运动支承，利用直线电机，作为光学镜组和镜组支架的运动驱动；基于柔性铰链，降低对直线电机驱动轴线和光学镜组运动方向的角偏误差要求；通过驱动连杆，保证镜组支架的驱动受力点位于两组导轨滑块的中间位置，从而实现质心驱动形式。本调焦机构，通过柔性铰链和驱动连杆，有效改善了直线电机装配角偏误差及驱动力偏心对镜组运动精度的影响，避免了镜组卡顿、迟滞等问题，同时降低了调焦机构的装配复杂度。由于柔性铰链在两个角度方向的刚度较小，因此对直线电机的安装角偏误差有较大的容许量，同时遵循质心驱动原理，将镜组驱动位置设置在两组导轨中心，从而有效提高了调焦镜组的直线运动精度。本发明的优点为：
1、调焦镜组基于两组导轨滑块支承，直线运动精度高、支承刚度高；
2、采用直线电机驱动，驱动形式简单可靠，定位精度高；
3、采用柔性铰链环节，降低了对直线电机安装角偏的要求，提高了镜组运动直线度和角偏误差；
4、采用柔性铰链环节和驱动连杆，在直线电机偏置的情况下，实现了质心驱动形式，构型灵活同时有利于提高镜组运动直线度。
附图说明
图1是本发明实例的结构组成图；
图2是本发明实例运动支承部分的装配结构图；
图3是本发明实例运动驱动部分装配结构图；
图4是一种二自由度柔性铰链实例的结构图。
图中，1-底座，2-第一导轨滑块，3-第二导轨滑块，4-镜组支架，5-光学镜组，6-柔性铰链，7-驱动连杆，8-直线电机，9-直线电机支架，21-第一导轨，22-第一滑块，31-第二导轨，32-第二滑块，41-镜筒，61-柔性环节，81-驱动轴，82-定子。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种基于柔性铰链的质心驱动调焦机构，包括底座、两组导轨滑块、镜组支架、光学镜组、柔性铰链、驱动连杆、直线电机和直线电机支架。其中底座是整个机构的主要承载和集成零件，底座可通过螺钉将整个机构固定于外部光学系统中。两组导轨滑块运动方向相同，并保持合适的跨距，其导轨部分通过安装螺钉固定于底座上，其滑块部分分别通过螺钉与镜组支架的两侧固定联接，两组导轨滑块通过组合装调，保证其本身的直线运动精度。镜组支架是运动部分的主要承载零件，需要具有较好的结构刚性，可通过滑块，沿导轨做精密直线运动。光学镜组包含光学镜片和镜座，可通过定心车或者定心装的方式，精确固定于镜组支架的中心部位，并调整其光轴方向与直线运动方向，以满足光学误差要求。柔性铰链是保证机构运动精度的一个核心部分，在两个侧向角偏方向上具有较低的角刚度，柔性铰链一端通过螺母与镜组支架刚性联接，另外一端通过螺母与驱动连杆刚性联接。驱动连杆的另一端联接于直线电机的驱动轴上，驱动连杆可将驱动力从直线电机传递至柔性铰链上。直线电机可通过直线电机支架牢固装配于底座上。
本发明实现降低直线电机安装角偏要求的主要原理为：采用2自由度的柔性铰链作为直线电机和镜组支架之间的联接、过渡环节。柔性铰链作为一种体积小、无机械摩擦、无间隙和运动灵敏度高的传动结构，已经被广泛应用于各种要求微小角位移其高精度定位的场合。但在传统场合中，柔性铰链通常是代替转动轴承或者导轨滑块，作为一种运动支承环节，而本发明将其作为一种低角刚度、高推拉刚度的传动环节。通过将两个单自由度的柔性铰链重叠并旋转90°设置，可以允许柔性铰链两端在两个侧向角偏方向有一定的安装偏差，但并不对镜组支架附加过大的侧向力矩。而在直线运动方向上，柔性铰链仍具有很高的拉伸和压缩刚度，可以实现直线运动的精确传递和定位。柔性铰链的材料可根据刚度要求，具体选择65Mn、铝或者塑料等。
本发明实现质心驱动形式的主要原理为：一般情况下，为了实现质心驱动，需要保证直线电机驱动轴位于两导轨中心位置，而本发明中，由于采用了柔性铰链环节并将柔性铰链与镜组支架的联接位置设置在两导轨中心，因此即使直线电机偏置，仍可依靠驱动连杆传递，保证镜组支架的驱动力位于两导轨中心，而不附加过大的侧向角偏力矩，从而实现质心驱动形式。
如图1所示，一种基于柔性铰链的质心驱动调焦机构，包括底座1、第一导轨滑块2、第二导轨滑块3、镜组支架4、光学镜组5、柔性铰链6、驱动连杆7、直线电机8和直线电机支架9。
底座1是整个调焦机构的主要承载部分，加工有高精度的安装面，用于装配直线导轨和直线电机部分。整个调焦机构也通过底座装配、固定于外部光学系统中。
如图2所示，第一导轨滑块2和第二导轨滑块3选用高精密度的直线运动器件，两组导轨平行放置，保证运动方向相同。第一导轨21和第二导轨31通过螺钉固定于底座1的导轨安装面上。两组导轨一般具有一定的跨度，以提高侧向的支承刚度。第一滑块22和第二滑块32通过螺钉固定于镜组支架4的两端。光学镜组5包括调焦镜和镜座等，可通过定心车或者定心装的方式，精密装配于镜组支架4的镜筒41内。装配时通过光学装调的方式，保证镜组支架4的运动方向和光学镜组5的光轴方向平行，角偏误差在要求范围内。
如图3所示，柔性铰链6的两端分别通过螺母与镜组支架4和驱动连杆7固定联接。任何具有两个角偏自由度，且具有足够直线刚度的柔性铰链形式均可以应用于本调焦机构当中。图4是所述柔性铰链4的一种具体实现方式，采用圆弧形柔性环节61，两个柔性环节呈90°沿轴向重叠布置。所述的柔性铰链6为圆弧形两自由度柔性铰链，带有两个呈90°分布的柔性环节，柔性铰链6为金属材料，具有较高的拉伸和压缩刚度；柔性铰链6与镜组支架4可采用螺母等进行刚性联接，联接部位与导轨滑块2和导轨滑块3的距离相等。通过柔性铰链6的弯曲柔性环节降低直线电机8与镜组支架4之间的装配角偏影响，通过将镜组支架4的驱动位置设置在导轨滑块2和导轨滑块3中心，实现质心驱动形式。
柔性铰链6单个轴向的旋转刚度Kθ确定方法为：根据第一导轨滑块2和第二导轨滑块3的器件手册参数或者采用横向推力计实测方法，确定其所能承受的最大旋转力矩Tm；采用实测法或者三维公差分析技术，得到驱动连杆7和镜组支架4的最大安装角度误差θe，从而得到柔性铰链单个轴向的旋转刚度Kθ≤Tm/θe。柔性铰链6结构参数与旋转刚度Kθ之间的关系，根据具体结构形式，可以通过理论推导和仿真计算等方法得到。柔性铰链6两个轴向的旋转刚度和结构参数均可以通过上述过程分别得到。
如图3所示，驱动连杆7的两端分别通过螺母与柔性铰链6和直线电机8的驱动轴81固定联接，驱动连杆7是实现直线驱动力传递的中间环节，要求具有较高的结构刚度，以保证驱动的精密性。直线电机8是调焦机构运动的驱动装置，将电能直接转换成直线运动的机械能，直线电机8的定子82通过直线电机支架9固定于底座1的安装面上。
镜组支架4和光学镜组5的运动轴线由第一导轨滑块2和第二导轨滑块3决定并限制其侧向移动和角偏，直线电机8的驱动轴81的运动轴线由其定子82的结构决定并限制其侧向移动和角偏。受限于机械加工和装配误差，驱动轴81的运动轴线与镜组支架4的运动总会存在一定的静态角度偏差。同时驱动轴81的轴线在运动过程中还会存在一定的动态角度偏差。在刚性联接条件下，这种角度偏差会对镜组支架4和光学镜组5产生较大的附加侧向力矩，从而导致光学镜组5角偏增大。同时两组导轨受力不均，容易产生卡顿等，影响光学镜组5的直线运动精度。而采用柔性铰链6后，可以大大降低附加侧向力矩的大小，从而降低直线电机8的装配要求，同时提高光学镜组5的直线运动稳定性。
同时，由于柔性铰链6与镜组支架4的连接位置设置在导轨21和导轨31的中心，因此即使直线电机8偏置，仍可依靠驱动连杆7传递，保证镜组支架4的驱动力位于两导轨中心，实现质心驱动。

Claims (2)

1.一种基于柔性铰链的质心驱动调焦机构，其特征在于包括底座(1)、第一导轨滑块(2)、第二导轨滑块(3)、镜组支架(4)、光学镜组(5)、柔性铰链(6)、驱动连杆(7)、直线电机(8)和直线电机支架(9)，其中底座(1)是整个机构的承载零件，并可通过螺钉将整个机构固定于外部光学系统中，第一导轨滑块(2)和第二导轨滑块(3)的导轨部分(21)固定于底座(1)上，平行安装于镜组支架(4)的两侧，第一导轨滑块(2)和第二导轨滑块(3)的滑块部分(22)与镜组支架(4)固定联接，镜组支架(4)是运动部分的承载零件，可沿导轨做直线运动，光学镜组(5)固定于镜组支架(4)的中心部位，柔性铰链(6)的一端通过螺母与镜组支架(4)联接，另外一端通过螺母与驱动连杆(7)联接，驱动连杆(7)的两端分别与直线电机(8)和柔性铰链(6)联接，直线电机(8)通过直线电机支架(9)固定于底座(1)上。
2.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的质心驱动调焦机构，其特征在于所述的柔性铰链(6)为金属材料，包括两个圆弧形柔性环节(61)，两个圆弧形柔性环节(61)呈90°沿轴向重叠布置。
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