CN111295820A - 致动器和相机装置 - Google Patents

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龟山泰明
富田浩稔
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Abstract

提供了一种致动器和一种相机装置，该致动器具有可动单元，该可动单元能够在可动单元的初始转动中平稳地开始移动并且还可以被固定。致动器(2)设置有：可动单元(10)，其用于保持待驱动的对象；以及固定单元(20)，其用于可转动地固定可动单元(10)。用于相对于固定单元(20)支撑可动单元(10)的支撑结构具有：球体(46)；以及用于夹着球体(46)的可动侧保持构件(45)和固定侧保持构件(502)。存在用于球体(46)滚动使得球体的中心位置相对于可动侧保持构件(45)和固定侧保持构件(502)移动的空间(452、504)。

Description

致动器和相机装置
技术领域
本公开总体上涉及致动器和相机装置，更具体地涉及构造成驱动待驱动的对象进行转动的致动器和相机装置。
背景技术
已知用于使相机转动的致动器是用于使待驱动的对象进行转动的致动器。例如，专利文献1公开了一种具有使相机单元沿三个轴方向转动的能力的相机驱动装置(相机装置)。专利文献1中公开的相机驱动装置包括：可动单元，该可动单元在其外表面上包括凸形部分球体；以及固定单元，该固定单元具有凹部，可动单元至少部分地宽松地装配在该凹部中。在该凹部中，凸形部分球体的表面与该凹部彼此进行点接触或线接触，并且该凹部使得可动单元通过电磁驱动而围绕凸形部分球体的中心转动。
在专利文献1的相机驱动装置(致动器、相机装置)中，可动单元的凸形部分球体宽松地装配到固定单元的凹部中，以使可动单元由固定单元支撑。如果该装置被用于不断地静止并重复地移动，则在可动单元相对于固定单元处于静止状态时，可动单元和固定单元的至少宽松地配合的部分通过静摩擦力联接在一起，因此让联接的部分充当刚体。当可动单元和固定单元开始移动时，发生所谓的“粘滑”，这种粘滑是由静摩擦和滑动摩擦的变化引起的自激振动。由这种粘滑引起的转矩脉动具有锯齿状的尖锐波形，它激发(即，产生共振)在静态时段期间联接在一起的刚体所具有的固有振动，从而暂时导致转动控制系统不稳定。另外，这种现象还在运动对象将要静止的过程中出现，因此构成了最终导致转动控制的定位精度下降的因素。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2012/004952号
发明内容
鉴于前述背景，本公开的目的是提供一种致动器和一种相机装置，该致动器和相机装置构造成允许可动单元在其转动的初始阶段平稳地开始和停止移动。
根据本公开的一方面的致动器包括：可动单元，其被构造成保持待驱动的对象；固定单元，其构造成将所述可动单元支撑在所述固定单元上以使所述可动单元能够转动；以及支撑结构，其用于相对于所述固定单元支撑所述可动单元。所述支撑结构包括球体以及一对保持构件。所述一对保持构件构造成将所述球体夹持在所述一对保持构件之间。一空间被保留，以便在使所述球体的中心位置相对于所述一对保持构件中的至少一个保持构件移动时允许所述球体滚动。
根据本公开的另一方面的相机装置包括上述致动器以及用作待驱动的对象的相机模块。
附图说明
图1中的A部分是根据本发明的实施例的包括致动器的相机装置的剖视图。图1中的B部分示出了用于相机装置的支撑结构。
图2中的A部分是相机装置的立体图。图2中的B部分是相机装置的平面图。
图3是相机装置的分解立体图。
图4是致动器所包括的可动单元的分解立体图。
图5中的A部分至图5中的C部分示出了允许可动单元转动的结构。
图6示出了当球体在致动器所包括的固定侧保持构件上滚动时固定侧保持构件的球面的半径与球体的半径之间的关系。
图7示出了当球体在致动器所包括的可动侧保持构件上滚动时可动侧保持构件的球面的半径与球体的半径之间的关系。
图8示出了固定侧保持构件的球面半径、可动侧保持构件的球面的半径、球体的半径和摩擦力之间的关系。
图9示出了当相机装置考虑到摩擦力时固定侧保持构件的球面的半径、可动侧保持构件的球面的半径和球体的半径之间的关系。
图10示出了当相机装置考虑到减少球体的变形时固定侧保持构件的球面的半径、可动侧保持构件的球面的半径和球体的半径之间的关系。
图11示出了当相机装置考虑到球体的移动量时球体的移动量。
图12示出了当相机装置考虑到球体的移动量时固定侧保持构件的球面的半径、可动侧保持构件的球面的半径和球体的半径之间的关系。
图13示出了当相机装置考虑到摩擦力、减少球体的变形以及球体的移动量时固定侧保持构件的球面的半径、可动侧保持构件的球面的半径和球体的半径之间的关系。
具体实施方式
注意，下面待描述的实施例及其变型例仅是本发明的示例，而不应当被解释为限制性的。相反，在不脱离本发明的技术思想和范围的情况下，可以根据设计选择或任何其他因素以各种方式容易地修改这些实施例和变型例。在实施例1的以下描述中，待参考的附图都是示意性表示。也就是说，在附图上示出的各个构成要素的尺寸(包括厚度)比例不一定反映其实际尺寸比例。
【实施例1】
将参考图1中的A部分至图13描述根据该实施例的相机装置。图1中的A部分是沿着图2中的B部分所示的平面X1-X1截取的剖视图。图1中的B部分是图1中的A部分所示的主要部分D1的放大图。
相机装置1可以是例如便携式相机，并且包括如图2中的A部分和图3所示的致动器2和相机模块3。
相机模块3包括：图像传感器、用于在图像传感器的图像捕获平面上形成被摄体图像的透镜、以及用于保持透镜的透镜镜筒。相机模块3将在图像传感器的图像捕获平面上产生的视频转换为电信号。另外，用于将由图像传感器生成的电信号传输到外部图像处理器电路(作为示例性外部电路)的多条电缆经由连接器电连接至相机模块3。相机模块3通过低电压差分信号(LVDS)方法将这样生成的电信号经由多条电缆传输到外部图像处理器电路。注意，在该实施例中，多条电缆包括共面波导或微带线。替代性地，多条电缆可以各自包括细线同轴电缆，该细线同轴电缆均具有相同长度。注意，LVDS方法仅是示例，而不应当被解释为限制性的。这些电缆被分组成两个电缆束11，使得每个电缆束11由相同数量的电缆组成。电缆束11可以被实施为例如柔性扁平电缆。电缆束11的一端电连接到相机模块3，并且电缆束11的另一端电连接到图像处理器电路。
如图1中的A部分和图2中的A部分所示，致动器2包括上环4、可动单元10、固定单元20、驱动单元30和印刷电路板90。
上环4由第一环4a和第二环4b组成。上环4固定第一线圈单元52和第二线圈单元53(稍后描述)。
可动单元10包括相机保持器40、第一可动基础部41和第二可动基础部42(参见图4)。可动单元10被装配到固定单元20中。可动单元10相对于固定单元20围绕相机模块3的透镜的光轴1a转动(即，回转)。可动单元10也相对于固定单元20围绕X轴和Y轴转动，X轴和Y轴均垂直于光轴1a。在这种情况下，X轴和Y轴均垂直于在可动单元10不转动时可动单元10被装配到固定单元20中的装配方向。此外，X轴和Y轴彼此成直角相交。稍后将描述可动单元10的详细构造。相机模块3已经被安装在相机保持器40上。稍后将描述第一可动基础部41和第二可动基础部42的构造。使可动单元10转动以允许相机模块3转动。在该实施例中，当光轴1a垂直于X轴和Y轴两者时，可动单元10(即，相机模块3)被限定为处于中立状态。在下面的描述中，当可动单元10处于中立状态时光轴1a延伸的方向在本文中被限定为“Z轴方向”。这里，将可动单元10围绕X轴转动的可动单元10的移动方向限定为“摇摄方向”，将可动单元10围绕Y轴转动的可动单元10的移动方向限定为“倾转方向”。在可动单元10没有被驱动单元30驱动时(即，在图3中的A部分及其他附图所示的状态下)，相机模块3的光轴1a、X轴和Y轴彼此成直角相交。
固定单元20包括联接部50和本体部51(参见图3)。
联接部50包括直线状联接杆501和固定侧保持构件502。固定侧保持构件502被设置用于联接杆501的中心部分。固定侧保持构件502在其中心部分具有凹形球面503。固定侧保持构件502保持树脂成型的球体46(参见图4)。凹形球面503的半径大于球体46的半径。换句话说，凹形球面503和球体46具有互不相同的曲率。也就是说，当固定侧保持构件502保持球体46时(即，当球体46与凹形球面503接触时)，留有空间504(参见图1中的B部分和图5中的A部分)。所留有的空间504使球体46在凹形球面503上滚动，使得球体46的中心460移位(参见图1中的A部分和图1中的B部分)。联接部50由铝制成，并且凹形球面503的表面特别地经过防蚀铝(阳极氧化铝)处理。
本体部51包括一对突出部510。这一对突出部510被设置成在与处于中立状态的可动单元10的光轴1a垂直的方向上彼此面对。这一对突出部510也被设置成位于所布置的第一线圈单元52和第二线圈单元53(稍后描述)之间的间隙中。联接部50通过插入在其自身与本体部51之间的第二可动基础部42而被旋拧到本体部51上。具体地说，联接部50的两端分别被旋拧到本体部51的一对突出部510上。
本体部51设置有用于将两个电缆束11固定到其上(参见图2中的A部分至图3)的两个固定部703。两个固定部703被布置成垂直于一对突出部510被布置的方向上彼此面对。两个固定部703中的每个固定部都包括第一构件704和第二构件705(参见图3)。相关联的电缆束11被部分地夹持在装配到本体部51的切口512中的第一构件704和第二构件705之间。
固定单元20包括一对第一线圈单元52和一对第二线圈单元53，以使可动单元10能够被电磁地驱动并且转动(参见图3)。一对第一线圈单元52允许可动单元10围绕X轴转动。一对第二线圈单元53允许可动单元10围绕Y轴转动。
一对第一线圈单元52各自包括：由磁性材料制成的第一磁轭710、驱动线圈720和730、以及磁轭保持器740(参见图3)。每个第一磁轭710具有圆弧形状，该圆弧形状的中心由转动中心限定。驱动线圈730各自通过围绕其相关联的第一磁轭710卷绕导线使得其卷绕方向围绕X轴(即，第二线圈单元53彼此面对的方向)限定而形成，并且一对第一驱动磁体620(稍后描述)被驱动而在回转方向上转动。如本文中使用的，在该实施例中，线圈的卷绕方向是指匝数增加的方向。各个第一磁轭710被布置在其相关联的磁轭保持器740中。驱动线圈720各自通过围绕其相关联的第一磁轭710卷绕导线而形成，第一磁轭710被布置在其对应的磁轭保持器740中。驱动线圈720使其卷绕方向围绕Z轴限定，使得一对第一驱动磁体620被驱动而在摇摄方向上转动。然后，将一对第一线圈单元52用螺钉固定到本体部51上，以便当从相机模块3观看时彼此面对。具体地说，每个第一线圈单元52使其一端(即，与相机模块3相反的一端)沿着Z轴通过螺钉固定到本体部51上。每个第一线圈单元52使其另一端(即，面对相机模块3的一端)沿着Z轴装配到上环4中。
一对第二线圈单元53各自包括：由磁性材料制成的第二磁轭711、驱动线圈721和731、以及磁轭保持器741(参见图3)。每个第二磁轭711具有圆弧形状，该圆弧形状的中心由转动中心限定。驱动线圈731各自通过围绕其相关联的第二磁轭711卷绕导线使得其卷绕方向围绕Y轴(即，第一线圈单元52彼此面对的方向)限定而形成，并且一对第二驱动磁体621(稍后描述)被驱动而在回转方向上转动。各个第二磁轭711被布置在其相关联的磁轭保持器741中。驱动线圈721各自通过围绕其相关联的第二磁轭711卷绕导线而形成，第二磁轭711被布置在其对应的磁轭保持器741中。驱动线圈721使其卷绕方向围绕Z轴限定，使得一对第二驱动磁体621被驱动而在倾转方向上转动。然后，将一对第二线圈单元53用螺钉固定到本体部51上，以便当从相机模块3观看时彼此面对。具体地说，每个第二线圈单元53使其一端(即，与相机模块3相反的一端)沿着Z轴通过螺钉固定到本体部51上。每个第二线圈单元53使其另一端(即，面对相机模块3的一端)沿着Z轴装配到上环4中。
将其上已经安装有相机模块3的相机保持器40用螺钉固定到第一可动基础部41上。联接部50插入在第一可动基础部41和第二可动基础部42之间。
印刷电路板90包括多个(例如，在该实施例中为四个)磁传感器92，这些磁传感器92用于检测相机模块3在摇摄方向和倾转方向上的转动位置。在该实施例中，磁传感器92可以被实现为例如霍尔元件。在印刷电路板90上，还组装有用于控制被允许流过驱动线圈720、721、730和731的电流量的电路以及其他电路。
接下来，将描述第一可动基础部41和第二可动基础部42的详细构造。
第一可动基础部41包括本体部43、一对保持部44、可动侧保持构件45和球体46(参见图4)。本体部43将刚性部12夹在其自身与相机保持器40之间，以将刚性部12固定(保持)在其上。相应的保持部44被设置用于本体部43的周缘，以便彼此面对(参照图4)。每个保持部44将相关联的电缆束11夹持并保持在其自身与本体部43的侧壁431之间(参见图2中的A部分和图2中的B部分)。可动侧保持构件45具有凹形球面451(参见图1中的B部分)。可动侧保持构件45保持球体46。凹形球面451的半径比球体46的半径大，并且与凹形球面503的半径一样大。换句话说，尽管凹形球面451和球面46具有不同的曲率，但是凹形球面451和凹形球面503具有相同的曲率。如本文中使用的，如果两个曲率相同，则这两个曲率自然可以彼此完全相同，但是也可以彼此基本相同，只要它们的差异处于在准许的误差范围内即可。当可动侧保持构件45保持球体46时(即，当球体46与凹形球面451接触时)，在它们之间留有空间452(参见图1中的B部分和图5中的A部分)。所留有的空间452使球体46在凹形球面451上滚动，使得球体46的中心460(参见图1中的A部分和图1中的B部分)移位。在这种情况下，可动侧保持构件45由铝形成，并且凹形球面451的表面特别地经过防蚀铝(阳极氧化铝)处理。
固定侧保持构件502和可动侧保持构件45将球体46夹在它们之间，从而允许固定单元20枢转地支撑可动单元10以使可动单元10能够转动。
第二可动基础部42支撑第一可动基础部41。第二可动基础部42包括后轭610、一对第一驱动磁体620和一对第二驱动磁体621(参见图4)。第二可动基础部42还包括底板640、位置检测磁体650、第一脱落防止部651和第二脱落防止部652(参见图4)。
后轭610包括圆板部分和从圆板部分的外周朝向相机模块3(即，向上)延伸的四个固定部(臂)。这四个固定部中的两个固定部沿X轴彼此面对，而其他两个固定部沿Y轴彼此面对。沿Y轴彼此面对的两个固定部面对一对第一线圈单元52。沿X轴彼此面对的两个固定部面对一对第二线圈单元53。
一对第一驱动磁体620分别被固定到后轭610的四个固定部中的沿Y轴彼此面对的两个固定部上。一对第二驱动磁体621分别被固定到后轭610的四个固定部中沿X轴彼此面对的两个固定部上。
通过第一驱动磁体620和第一线圈单元52进行的电磁驱动以及通过第二驱动磁体621和第二线圈单元53进行的电磁驱动允许可动单元10(相机模块3)在摇摄方向、倾转方向、和回转方向上转动。具体地说，通过两个驱动线圈720和两个第一驱动磁体620进行的电磁驱动允许可动单元10在摇摄方向上转动。通过两个驱动线圈721和两个第二驱动磁体621进行的电磁驱动允许可动单元10在倾转方向上转动。同时，通过两个驱动线圈730和两个第一驱动磁体620进行的电磁驱动以及通过两个驱动线圈731和两个第二驱动磁体621进行的电磁驱动允许可动单元10在回转方向上转动。
底板640是非磁性构件，并且可以由例如黄铜制成。底板640附接到后轭610以限定可动单元10的底部(即，第二可动基础部42的底部)。底板640通过螺钉被固定到后轭610和第一可动基础部41上。底板640用作配重。将底板640用作配重允许转动中心与可动单元10的重心一致。这就是当外力施加到整个可动单元10时可动单元10围绕X轴的转动力矩和可动单元10围绕Y轴的转动力矩均减小的原因。这允许可动单元10(或相机模块3)被保持在中立状态，或者以较小的驱动力围绕X轴和Y轴转动。
后轭610被固定到底板640的被定位成较靠近相机模块3的表面(即，上表面)上。
底板640的被定位成距相机模块3较远的一个表面(即，下表面)是球面，该球面的中心部分具有凹部。在该凹部中，布置有位置检测磁体650和第一脱落防止部651(参见图1中的A部分)。第一脱落防止部651防止布置在底板640的凹部中的位置检测磁体650脱落。
第二脱落防止部652防止球体46脱落。第二脱落防止部652的被定位成较靠近相机模块3的表面(即，上表面)的中心部分具有弯曲的凹部653(参见图1中的B部分和图4)。突出部654从第二脱落防止部652的被定位成距相机模块3较远的表面(即，下表面)的中心部分突出(参见图1中的B部分和图4)。
将突出部654插入后轭610的通孔611中允许第二脱落防止部652被固定到后轭610上。
在第二脱落防止部652与联接部50的固定侧保持构件502之间留有间隙(参见图1中的B部分)。固定侧保持构件502的被定位成距相机模块3较远的表面和凹部653的底表面是彼此面对的弯曲表面。该间隙足够宽以防止球体46脱落，即使可动单元10已经向上移动(即，即使第二脱落防止部652已经朝向固定侧保持构件502移动)也是如此。
为印刷电路板90设置的四个磁传感器92基于位置检测磁体650相对于四个磁传感器92的相对位置来检测可动单元10相对于固定单元20的相对转动(移动)。也就是说，随着可动单元10转动(移动)，位置检测磁体650改变其位置，从而引起施加到四个磁传感器92的磁力的变化。四个磁传感器92检测磁力的这种变化，并计算相对于X轴和Y轴的二维转动角度。这允许四个磁传感器92分别检测可动单元10在倾转方向和摇摄方向上的转动角度。另外，相机装置1还包括与四个磁传感器92分开的另一磁传感器，该另一磁传感器用于检测可动单元10围绕光轴1a的转动(即，相机模块3围绕光轴1a的转动)，即可动单元10在回转方向上的转动。注意，用于检测可动单元10在回转方向上的转动的传感器不一定是磁传感器，而是也可以是例如陀螺仪传感器。
在这种情况下，一对第一驱动磁体620用作吸引磁体，从而在一对第一驱动磁体620与面对第一驱动磁体620的第一磁轭710之间产生第一磁吸引力。同样地，一对第二驱动磁体621也用作吸引磁体，从而在一对第二驱动磁体621与面对第二驱动磁体621的第二磁轭711之间产生第二磁吸引力。每个第一磁吸引力的矢量方向与将转动中心、第一磁轭710中相关联的一个第一磁轭的质量中心和第一驱动磁体620中相关联的一个第一驱动磁体的质量中心连接在一起的中心线平行。每个第二磁吸引力的矢量方向与将转动中心、第二磁轭711中相关联的一个第二磁轭的质量中心和第二驱动磁体621中相关联的一个第二驱动磁体的质量中心连接在一起的中心线平行。
第一磁吸引力和第二磁吸引力成为固定单元20相对于固定侧保持构件502的球体46产生的法向力。而且，当可动单元10处于中立状态时，可动单元10的磁吸引力沿Z轴限定合成矢量。第一磁吸引力、第二磁吸引力和合成矢量之间的这种力平衡类似于平衡玩具的动态构造，并且允许可动单元10以良好的稳定性在三个轴方向上转动。
在该实施例中，一对第一线圈单元52、一对第二线圈单元53、一对第一驱动磁体620和一对第二驱动磁体621一起形成驱动单元30。
该实施例的相机装置1通过同时向一对驱动线圈720和一对驱动线圈721供电，允许可动单元10二维地转动(即，摇摄和倾转)。另外，相机装置1还通过同时向一对驱动线圈730和一对驱动线圈731供电，允许可动单元10围绕光轴1a转动(即，回转)。
接下来，将描述用于相对于固定单元20支撑可动单元10的支撑结构。支撑结构包括球体46和一对保持构件(即，固定侧保持构件502和可动侧保持构件45)，一对保持构件将球体46夹在它们之间。在该实施例中，存在允许球体46滚动使得球体46的中心460(即，质量中心)相对于固定侧保持构件502移位的空间504。另外，存在允许球体46滚动使得球体46的中心460(即，质量中心)相对于可动侧保持构件45移位的空间452。
在该支撑结构中，当可动单元10将要从中立状态(参见图5中的A部分)沿摇摄方向转动时，球体46首先通过空间452和504滚动。结果，可动单元10在摇摄方向上转动(参见图5中的B部分)。向一对驱动线圈720供电使得可动单元10在摇摄方向上进一步转动(参见图5中的C部分)。注意在图5中的A部分至图5中的C部分中，球面451和503的形状不是实际的形状，而是被夸大以使该描述能够被更容易理解。
同样地，当可动单元10将要从中立状态沿倾转方向转动时，球体46也通过空间452和504滚动，以使可动单元10在倾转方向上转动。然后，向一对驱动线圈721供电使得可动单元10在倾转方向上进一步转动。
在下面的描述中，通过使球体46经由空间452和504滚动来使可动单元10在摇摄方向或倾转方向上转动的操作将在下文中被称为“第一模式”，并且通过在可动单元10已经在第一模式中在摇摄方向或倾转方向上转动之后向一对驱动线圈供电而使可动单元10在同一方向上进一步转动的操作称为“第二模式”。在第一模式中，虽然球体46相对于固定侧保持构件502的位置改变(即，球体46与固定侧保持构件502接触的位置改变)，但是球体46与可动侧保持构件45接触的位置没有改变。另一方面，在第二模式中，虽然球体46的位置没有改变，但是可动侧保持构件45的位置相对改变(即，球体46与可动侧保持构件接触的位置45改变)。换句话说，在第二模式中，从可动侧保持构件45的角度考虑(即，考虑在可动侧保持构件45固定的情况下)，可以认为球体46的位置相对于可动侧保持构件45改变。
接下来，将参考图6至图13描述固定侧保持构件502的球面503和可动侧保持构件45的球面451的相应半径R与球体的半径r之间的大小关系。注意，在图6至图8和图11中，球面451和503的形状不是实际的形状，而是被夸大以使该描述能够被更容易理解。在该实施例中，将固定侧保持构件502的球面503的中心指定为A1，并且将可动侧保持构件45的球面451的中心指定为A2。球面503和451各自的中心A1和A2可以是同一位置或两个不同位置。
在球体46已经在第一模式中在固定侧保持构件502的球面503上滚动的情况下，球体46相对于绘制到球面503的中心A1的竖直线的移动角度被假定为θ01，并且由球体46限定的相对于竖直线的倾转角度被假定为φ1(参见图6)。在这种情况下，在图6中，在第一模式中转动之前的球体46由双点划线圆表示，并且已经转动(即，在第一模式结束之后)的球体46由实线圆表示。倾转角度φ1是相对于竖直线由将在第一模式之前(即，在转动之前)球体46与球面503接触的点P1(即，由双点划线圆表示的球体46的点PI)或转动之后的点P1(即，由实线圆表示的球体46的点P1)连接到已经转动的球体46的中心460的线段限定的角度。此外，球体46的转动角度被假定为θ1(参见图6)。在这种情况下，满足以下等式1和等式2，并且从等式1和等式2得出等式3。在这些等式1、等式2和等式3中，转动角度θ1是在将已经相对于球面503转动的球体46的接触点C1连接到已经转动的球体46的中心460的线段与将已经转动的球体46的点P1连接到已经转动的球体46的中心460的线段之间形成的角度。
[等式1]
rθ1＝Rθ01
[等式2]
φ1＝θ1-θ01
[等式3]
φ1＝θ1×(R-r)/R
接下来，将描述在可动侧保持构件45在第二模式中已经在球体46上滚动的情况(即，球体46已经在可动侧保持构件45的球面451上滚动的情况)。如上所述，在这种情况下，在第二模式中，从可动侧保持构件45的角度考虑(即，考虑在可动侧保持构件45固定的情况下)，可以认为球体46的位置相对于可动侧保持构件45改变。因此，在图7中，在第二模式中转动之前的球体46由双点划线圆表示，并且已经转动(即，在第二模式结束之后)并且已经相对于可动侧保持构件45移动的球体46由实线圆表示。在第二模式开始时在球体46中，由于球体46相对于可动侧保持构件45的相对移动，球体46与可动侧保持构件45接触的点P2(即，双点划线圆表示的球体46的点P2)移位到球体46不与可移动端保持件45接触的区域(参见由实线圆表示的球体46的点P2)。在下面的描述中，在第二模式开始时球体46的点P2在下文中将被称为“点P2a”。而且，假定球体46已经相对于可动侧保持构件45移动，则图7中所示并且稍后描述的各个角度是相对于可动侧保持构件45限定的角度。
在下面的描述中，由球体46相对于将球面503的中心A2连接到点P2a的线段形成的移动角度由θ02指定，并且球体46的倾转角度由φ2指定(参见图7)。倾转角度φ2是相对于竖直线由将刚好在第一模式结束之后球体46与球面451接触的点P2(即，由双点划线圆表示的球体46的点P2)或转动之后的点P2(即，由实线圆表示的球体46的点P2)连接到已经转动的球体46的中心460的线段限定的角度。此外，球体46的转动角度被假定为θ2(参见图7)。在这种情况下，满足以下等式4和等式5，并且从等式4和等式5得出等式6。由于相机模块3的镜筒的倾转角度为φ1+φ2，因此从等式3和等式6得出等式7。在这些等式4、等式5、等式6和等式7中，转动角度θ2是在将已经相对于球面451转动的球体46的接触点B1连接到已经转动的球体46的中心460的线段与将已经转动的球体46的点P2连接到已经转动的球体46的中心460的线段之间形成的角度。
[等式4]
rθ2＝Rθ02
[等式5]
φ2＝θ2-θ02
[等式6]
φ2＝θ2×(R-r)/R
[等式7]
φ1+φ2＝(θ1+θ2)×(R-r)/R
而且，尽管取决于给定光学透镜的视角，但是在长焦端处(即，在最大变焦能力处)引起能感觉到的相机抖动的最小角度为约0.5度。因此，需要进行控制以使残差朝向该角度或以下方向收敛。在这种情况下，在从-0.5度至0.5度的非常小的角度范围内，由于摩擦变化而由粘滑引起的自激振动会导致转动控制的定位性能下降。因此，滚动摩擦被施加到非常小的角度范围。在这种情况下，满足以下不等式8。不等式“(θ1+θ2)×(R-r)/R≥0.5”是基于等式7和不等式8获得的，并且可以被修改为以下不等式9：
[不等式8]
φ1+φ2≥0.5
[不等式9]
θ1+θ2≥0.5×R/(R-r)
在相机模块3中已经产生竖直载荷N的情况下，用于防止球体46在两个接触点B1和C1中的任何一点处滑动的条件可以由以下不等式10和不等式11表示，其中，μ是静摩擦系数。不等式10可以被修改为以下不等式12。此外，通过将等式2代入不等式12，获得以下不等式13。此外，不等式11可以被修改为以下不等式14。以下不等式15由不等式13和不等式14得出。
[不等式10]
Nsin(θ2+φ1)≤μNcos(θ2+φ1)
[不等式11]
Nsinθ01≤μNcosθ01
[不等式12]
θ2+φ1≤tan-1μ
[不等式13]
θ2+θ1-θ01≤tan-1μ
[不等式14]
θ01≤tan-1μ
[不等式15]
θ1+θ2≤2tan-1μ
由于相机模块3的倾转角度的限制，所以需要满足不等式9。需要满足不等式15以防止球体46在两个接触点B1和C1中的任何点处滑动。
如果满足“2tan-1μ＜0.5×R/(R-r)”，则对于θ1+θ2没有最佳条件。因此，半径R、球的半径r和静摩擦系数μ之间的关系由“2tan-1μ≥0.5×R/(R-r)”表示。可以将该不等式修改为以下不等式16，作为表示半径R、球体的半径r和静摩擦系数μ之间的关系的关系表达式。
[不等式16]
R≥r×4tan-1μ/(4tan-1μ-1)
从前面的描述可以看出，当考虑到滚动摩擦时，球面503和451的相应半径R、球体的半径r和静摩擦系数μ之间的关系需要满足不等式16。例如，假定静摩擦系数μ为0.1，则从不等式16获得图9所示的线L1。在这种情况下，半径R根据半径r能够取的值的范围应该落在由图9中的斜线表示的范围R1内。
此外，球体46由树脂成型，并且可动侧保持构件45和固定侧保持构件502由铝形成。因此，球体46具有与可动侧保持构件45和固定侧保持构件502不同的硬度(即，具有比可动侧保持构件45和固定侧保持构件502的硬度小的硬度)。另外，在球体46中已经产生了竖直载荷N。因此，球体46被竖直载荷N压缩，因而可能变形。这就是为什么要减小球体46的变形，需要考虑到球面503和451的相应半径R与球体的半径r之间的关系。
根据赫兹接触理论，点接触情况下的最大接触压力由以下等式(17)给出，其中，E1是球体46的杨氏模量，E2是固定侧保持构件502(特别是在球面503处)的杨氏模量υ1是球体46的泊松比，υ2是固定侧保持构件502(特别是在球面503处)的泊松比。
[等式17]
Figure BDA0002473271250000161
为了防止球体46变形，Pmax需要小于抗压强度Pc。也就是说，需要满足不等式“Pmax＜Pc”。在这种情况下，假定N＝3[N]，Pc＝100[MPa]，E1＝3000[MPa]，E2＝68.3[GPa]，υ1＝0.38，并且υ2＝0.34，则基于等式(17)和不等式“Pmax＜Pc”获得以下不等式18。
[不等式18]
2.56r＞(2.56-r)R
如果球体46的半径r大于2.56[mm]，则不等式18可以被修改为以下不等式19(在下文中称为“情况1”)。如果球体46的半径r小于2.56，则不等式18可以被修改为以下不等式20(在下文中称为“情况2”)。如果球体46的半径r等于2.56，则无论半径R取什么值，总是满足不等式18(在下文中称为“情况3”)。
[不等式19]
R＞2.56r/(2.56-r)
[不等式20]
R＜2.56r/(2.56-r)
基于这些不等式18至不等式20获得的球面503和451的相应半径R与球体的半径r之间的关系在图10中示出。曲线L11是从不等式19的右侧获得的。曲线L12是从不等式20的右侧获得的。线L13代表情况3。根据不等式18至不等式20以及这些曲线L11、曲线L12和线L13，半径R根据半径r能够取的值的范围变为由图10中的斜线表示的范围R2。
此外，当考虑球面503和451的相应半径R与球体的半径r之间的关系时，需要考虑到球体46的移动量。这是因为如果球体46的移动量很大，则球体46通过仅在第一模式中滚动而转动，所以不再能够通过电磁驱动来控制或以良好的稳定性进行支撑。
因此，如上所述，在球体46已经在第一模式中在固定侧保持构件502的球面503上滚动的情况下，球体46相对于绘制到球面503的中心的竖直线的移动角度被假定为θ01，球体46的倾转角度被假定为φ1，并且球体46的转动角度被假定为θ1(参照图11)。在图11中，在第一模式中转动之前的球体46由双点划线圆表示，并且已经转动(即，在第一模式结束之后)的球体46由实线圆表示。
从第一模式开始之前(即，在转动之前)的中心460(即，双点划线圆的中心460)移动到转动之后的中心460(即，实线圆的中心)的球体46相对于水平方向的移动量被假定为“cx”，并且相对于竖直方向的移动量被假定为“cy”(参见图11)。在这种情况下，球体46的中心460相对于水平方向的移动量cx由以下等式21给出，并且球体46的中心460相对于竖直方向的移动量cy由以下等式22给出：
[等式21]
cx＝(R-r)×sinθ01
[等式22]
cy＝(R-r)×(1-cosθ01)
在这种情况下，如果静摩擦系数μ的值为0.1，则通过不等式14将θ01的值计算为5.71[度]。另外，如果球体46的中心460的移动量的公差为0.15[mm]，则满足不等式cx＜0.15和cy＜0.15。通过将值5.71代入等式21中的θ01，获得以下不等式23，并且通过将值5.71代入等式22中的θ01，获得以下不等式24。
[不等式23]
R≤1.51+r
[不等式24]
R≤30.2+r
球面503和451的相应半径R与球体46的半径r之间的关系需要满足不等式23和不等式24两者。在这种情况下，当满足不等式23时，也满足不等式24。
基于不等式23的球面503和451的相应半径R与球体46的半径r之间的关系在图12中示出。线L21是从不等式23的右侧获得的。在这种情况下，半径R根据半径r能够取的值的范围应该落入由图12中的斜线表示的范围R3内。
从前面的描述可以看出，需要确定球面503和451的相应半径R与球体46的半径r之间的关系，以便减小滚动摩擦和球体46的变形，并且限制球体46的中心460的移动量。考虑到所有这些因素，球面503和451的相应半径R与球体46的半径r之间的关系需要满足所有不等式16、不等式18和不等式23。如果通过R10指定满足所有不等式16、不等式18和不等式23的区域，则该区域R10由图13中的斜线表示。球面503和451的相应半径R和球体46的半径r适当地选自区域R10。例如，球体46的半径r可以是1.9[mm]，并且球面503和451的相应半径R可以是2.05[mm]。
注意，考虑到减小滚动摩擦和球体46的变形以及限制球体46的中心460的移动量两者来最适当地确定球面503和451的相应半径R与球体46的半径r之间的关系。然而，本公开的范围还涵盖满足这些条件中的至少一者的情况。
如在“背景技术”部分中已经描述的，在已知的致动器(作为比较例的致动器)中，已知的可动单元由已知的固定单元支撑，以便被宽松地装配到固定单元中。因此，在已知的可动单元相对于固定单元静止的状态下，已知的可动单元和已知的固定单元由于它们之间产生的静摩擦而一起充当联接的刚体。当已知的可动单元将要从该状态被转动时，由于从静止状态到运动状态的过渡期间的摩擦变化而发生粘滑。然后，由该粘滑引起的锯齿状的转矩脉动激发了由于静摩擦而暂时联接在一起的刚体的固有振动。
在这种情况下，频率将是相对较高的频率(例如300Hz)。一旦已知的可动单元开始转动，由于静摩擦而引起的可动单元与固定单元之间的联接解除，此后，可动单元充当固有振动(例如频率为30Hz)作为单摆的对象。也就是说，在已知的可动单元中，如果在转动的初始阶段施加相对较低的电压以使可动单元平稳地开始转动，则由于粘滑现象将暂时激发高频率的固有振动，因而在该时段期间导致转动控制系统不稳定，并最终在最坏的情况下产生振荡。为了避免这种情况，已经考虑了减少转动控制的增益的有效措施。然而，这将阻止可动单元平稳地开始或停止移动。简而言之，在作为比较例的致动器中，已知的可动单元在从静止状态到运动状态的过渡期间引起如此多的摩擦变化，以致仅在转动的初始阶段就会产生其自身的特有的固有振动，从而导致控制稳定性的下降，并且阻碍了转动控制的定位性能的提高。
另一方面，根据该实施例的致动器2将球面503和451的相应半径R设置为比球体46的半径r大的值，以便留有空间452和504，从而允许球体46自由地滚动。因此，根据该实施例的致动器2通过允许球体移动减少了在可动单元10的转动的初始阶段期间由于滚动摩擦引起的粘滑现象，并且仅允许设置作为摆的固有振动(例如频率为30Hz)，而不会激发在例如作为比较例的致动器中观察到的相对较高频率的固有振动。也就是说，在根据该实施例的致动器2中，在从静止状态到运动状态的过渡期间，摩擦变化量比作为比较例的致动器中的摩擦变化量小得多，从而减少了仅在转动的初始阶段期间的特殊固有振动的发生，提高了控制的稳定性，并且最终提高了转动控制的定位性能。
该实施例通过控制相机模块3通过电磁驱动进行的转动来补偿相机模块3的抖动。在这种情况下，根据该实施例的相机装置1确定球面503和451的相应半径R和球体46的半径r，使得球体46滚动相对于相机模块3的Z轴限定-0.5度至0.5度的倾转角度。这就是为什么当球体46在第二模式中通过电磁驱动相对于相机模块3的Z轴限定的倾转角度落在-0.5度至0.5度的范围内时，相机装置1被允许过渡到第一模式，该第一模式作为用于控制相机模块3(可动单元10)的转动的模式。与仅通过电磁驱动进行控制的情况相比，能够容易地以甚至比在视频上能感觉到相机抖动的最小角度(0.5度)更小的角度来控制相机装置1。
【变型例】
注意，上述实施例仅是本发明的各种实施例中的示例性实施例，并且不应当被解释为限制性的。相反，在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以根据设计选择或任何其他因素以各种方式容易地修改上述示例性实施例。
在上述实施例中，可以通过将油脂注入球体46与可动侧保持构件45之间所留有的空间452中以及球体46与固定侧保持构件502之间所留有的空间504中以允许球体46平滑地滚动来设置油脂池。注意，不一定在这些空间452和504中都设置油脂池，而是可以在这些空间452和504中的仅一个空间中设置油脂池。
另外，在上述实施例中，球体46没有被固定到一对保持构件(即，固定侧保持构件502和可动侧保持构件45)。然而，该构造仅是示例，并且不应当被解释为限制性的。替代性地，球体46可以被固定到一对保持构件中的一个保持构件。
此外，在上述实施例中，一对保持构件(即，固定侧保持构件502和可动侧保持构件45)构造成具有凹形球面。然而，该构造仅是示例，并且不应当被解释为限制性的。替代性地，一对保持构件中的一个保持构件不一定具有这样的凹形球面，只要该表面是凹形的即可。例如，凹形表面可以是具有两个不同曲率半径的弯曲表面或锥形表面(例如钵的形状)。在这种情况下，球体46可以被固定到具有凹入的非球面的保持构件上。
此外，在上述实施例中，联接部50和可动侧保持构件45由铝形成。特别地，具有凹部形状的两个球面503和451都经过防蚀铝处理，而球形46由树脂成型。然而，该构造仅是示例，并且不应当被解释为限制性的。替代性地，球体46可以由铝制成，其表面已经经过防蚀铝处理，并且联接部50和可动侧保持构件45可以由树脂成型。在这种情况下，在球体46和一对保持构件(即，可动侧保持构件45和固定侧保持构件502)之间将产生竖直载荷N，并且一对保持构件将在竖直载荷N的作用下被压缩，从而可能使一对保持构件变形。因此，为了减小一对保持构件的变形，需要考虑球面503和451的相应半径R与球体46的半径r之间的关系。在这种情况下，半径R与球体46的半径r之间的关系与不等式18所表达的相同。注意，一对保持构件(即，可动侧保持构件45和固定侧保持构件502)不一定都由树脂成型，而是一对保持构件中的至少一个保持构件可以由树脂成型。
此外，根据上述实施例的致动器2被应用于相机装置1。然而，该构造仅是示例，并且不应当被解释为限制性的。替代性地，致动器2还适用于在激光指示器、触觉装置或任何其他适当的装置中使用。例如，当致动器2被应用于激光指示器时，为可动单元10设置了用于发射激光束的模块。当致动器2被提供用于触觉装置时，为可动单元10设置了控制杆。
【概述】
从前面的描述可以看出，根据第一方面的致动器(2)包括：可动单元(10)，其构造成保持待驱动的对象；固定单元(20)，其构造成将所述可动单元(10)支撑在其上，以使所述可动单元(10)能够转动；以及支撑结构，其用于相对于所述固定单元(20)支撑所述可动单元(10)。所述支撑结构包括：球体(46)；以及一对保持构件(即，固定侧保持构件502和可动侧保持构件45)，其构造成将所述球体(46)夹持在它们之间。一空间被保留，以便在使所述球体(46)的中心位置相对于所述一对保持构件中的至少一个保持构件移动时允许所述球体滚动。
该构造留有允许球体(46)相对于一对保持构件中的至少一个保持构件滚动的空间，从而允许球体(46)自由地移动。这允许可动单元(10)像平衡玩具一样被支撑。因此，该致动器(2)减少了可动单元(10)开始移动时的摩擦变化，从而减小了粘滑和由粘滑引起的自激振动，并且使转动控制稳定。因此，这允许可动单元(10)平稳地开始和停止移动。
在根据可以结合第一方面实现的第二方面的致动器(2)中，所述球体(46)没有被固定到所述一对保持构件中的任何一个保持构件。
该构造减小了可动单元(10)中的静摩擦力和运动摩擦力之间的差。这允许可动单元(10)在其转动的初始阶段平稳地开始转动。
在根据可以结合第一方面或第二方面实现的第三方面的致动器(2)中，所述一对保持构件与所述球体(46)之间的两个接触面中的至少一个接触面是凹形球面(球面503或球面451)。
根据该构造，使一对保持构件与球体(46)之间的两个接触面中的至少一个接触面是凹形球面允许可动单元(10)平稳地转动。
在根据可以结合第一方面或第二方面实现的第四方面的致动器(2)中，所述一对保持构件与所述球体(46)之间的两个接触面都是凹形球面。
根据该构造，使一对保持构件与球体(46)之间的两个接触面都是凹形球面允许可动单元(10)更平稳地转动。
在根据可以结合第三方面或第四方面实现的第五方面的致动器(2)中，所述一对保持构件中的至少一个保持构件与所述球体(46)之间的接触面是具有比所述球体(46)半径(r)大的半径(R)的凹形球面。
当一对保持构件保持球体(46)时，该构造允许可靠地留有在使球体(46)的中心位置移位时允许该球体滚动的空间。
在根据可以结合第五方面实现的第六方面的致动器(2)中，所述保持构件的凹形球面的半径(R)比所述球体(46)的半径(r)与(4×tan-1(所述球面的静摩擦系数)/(4×tan-1(所述球面的静摩擦系数)-1)的乘积大。
该构造允许考虑到滚动摩擦来确定保持构件的凹形球面的半径(R)和球体(46)的半径。
在根据可以结合第六方面实现的第七方面的致动器(2)中，可动单元(10)构造成通过电磁驱动而转动。所述保持构件的凹形球面的半径(R)被限定为防止通过用于通过电磁驱动来控制所述可动单元的转动的磁力施加到所述球体(46)的推力使所述球体(46)或所述一对保持构件中的至少一个保持构件变形。
该构造允许保持构件的凹形球面的半径和球体(46)的半径被限定为减小球体(46)或一对保持构件中的至少一个保持构件的变形。
在根据可以结合第七方面实现的第八方面的致动器(2)中，所述保持构件的凹形球面的半径(R)被限定为使得所述球体(46)的中心的移动量等于或小于规定值。
该构造允许考虑到球体(46)的移动量来限定保持构件的凹形球面的半径和球体(46)的半径。
在根据可以结合第一方面至第八方面中的任一方面来实现的第九方面的致动器(2)中，为所述空间设置了油脂池。
该构造允许球体(46)更平稳地滚动。
根据第十方面的相机装置包括：根据第一方面至第九方面中的任一方面的致动器(2)；以及用作待驱动的对象的相机模块(3)。
该构造允许相机装置(1)减少可动单元(10)开始移动时的摩擦变化，从而减少了由粘滑引起的自激振动并且使转动控制稳定。因此，这允许可动单元(10)平稳地开始和停止移动。
附图标记说明
1 相机装置
2 致动器
3 相机模块
10 可动单元
20 固定单元
45 可动侧保持构件
46 球体
451、503 球面
452，504 空间
502 固定侧保持构件。

Claims (10)

1.一种致动器，包括：
可动单元，其构造成保持待驱动的对象；
固定单元，其构造成将所述可动单元支撑在该固定单元上，以使所述可动单元能够转动；以及
支撑结构，其用于相对于所述固定单元支撑所述可动单元，所述支撑结构包括：
球体；以及
一对保持构件，其构造成将所述球体夹持在所述一对保持构件之间，
空间，所述空间被保留，以便在使所述球体的中心位置相对于所述一对保持构件中的至少一个保持构件移动时允许所述球体滚动。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中，所述球体没有被固定到所述一对保持构件中的任何一个保持构件。
3.根据权利要求1或2所述的致动器，其中，所述一对保持构件与所述球体之间的两个接触面中的至少一个接触面是凹形球面。
4.根据权利要求1或2所述的致动器，其中，所述一对保持构件与所述球体之间的两个接触面都是凹形球面。
5.根据权利要求3或4所述的致动器，其中，所述一对保持构件中的至少一个保持构件与所述球体之间的接触面是凹形球面，所述凹形球面的半径大于所述球体的半径。
6.根据权利要求5所述的致动器，其中，所述保持构件的凹形球面的半径大于所述球体的半径与(4×tan-1(所述球面的静摩擦系数)/(4×tan-1(所述球面的静摩擦系数)-1)的乘积。
7.根据权利要求6所述的致动器，其中，所述可动单元构造成通过电磁驱动而转动，并且
所述保持构件的凹形球面的半径被限定为防止用于通过电磁驱动来控制所述可动单元的转动的磁力施加到所述球体的推力使所述球体或所述一对保持构件中的至少一个保持构件变形。
8.根据权利要求7所述的致动器，其中，所述保持构件的凹形球面的半径被限定为使得所述球体的中心的移动量等于或小于规定值。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的致动器，其中，为所述空间设置了油脂池。
10.一种相机装置，包括：
根据权利要求1至9中任一项所述的致动器；以及
用作待驱动的对象的相机模块。
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