CN111965919B - 旋转滚珠引导音圈电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于旋转或倾斜光学单元（例如光径折叠单元）的致动器，包括音圈电动机（VCM）以及适于在由VCM致动时产生光学单元围绕旋转轴的旋转或倾斜移动的弯曲滚珠引导机制。在一些实施例中，致动器包括两个（第一和第二）VCM以及适于产生围绕对应的第一和第二旋转轴的旋转或倾斜的两个弯曲滚珠引导机制。

Description

旋转滚珠引导音圈电动机
分案申请
本发明专利申请系在先专利申请号为201780002601.8、申请日为2017年4月25日，发明名称为“旋转滚珠引导音圈电动机”的PCT进中国专利申请的分案申请。该申请对应的国际申请的申请号为PCT/IB2017/052383。
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年5月30日提交的美国临时专利申请号62/343,011和2016年6月22日提交的美国临时专利申请号62/353,278的优先权，二者都通过引用的方式被全文合并在本文中。
技术领域
本文中所公开的实施例总体上涉及致动机制(“致动器”)，并且特别涉及用于数字摄影机的音圈电动机(VCM)致动器。
背景技术
高端数字摄影机模块(并且特别是蜂窝电话(例如智能电话)数字摄影机)包括允许例如对焦或光学图像稳定(OIS)之类的先进光学功能。这样的机制可以致动(例如移位、偏移或倾斜)光学单元(例如透镜、光学传感器、反射镜)以便产生期望的光学功能。通常使用的致动器是基于音圈电动机(VCM)技术。在VCM技术中，固定(或永久)磁体和线圈被用来产生制动力。线圈被定位在固定磁体的磁场附近。当在线圈中驱动电流时，在线圈上产生洛伦兹力，并且作为回应在磁体上施加相等的反作用力。磁体或线圈被刚性地附着到光学单元从而构造被致动套件。所述被致动套件随后通过磁性洛伦兹力被移动。在下文中，术语VCM也可以被用来指代“VCM致动器”。
除了磁力之外，还是使用机械轨道来设定用于光学单元的运动路线。机械轨道把光学单元的运动保持在光学需求所要求的期望的路径中。一种典型的机械轨道是本领域内已知的“弹簧引导轨道”，其中使用一个弹簧或弹簧集合来设定运动方向。包括弹簧引导轨道的VCM被称作“弹簧引导VCM”。举例来说，美国专利申请20110235196公开了一种在线性弹簧轨道中被偏移从而产生对焦的透镜单元。举例来说，国际专利申请PCT/IB2016/052179公开了在折叠式摄影机结构(FCS)中合并和使用弹簧引导VCM。其公开内容教导了偏移透镜单元以产生对焦和OIS，并且通过旋转方式偏移光折叠单元以产生OIS。
另一种典型的机械轨道是本领域内已知的“滚珠引导轨道”，例如参见美国专利8810714。对于滚珠引导轨道，光学单元通过被限制在沟槽(也被称作“狭缝(slit)”)中的滚珠集合而被限定在期望的方向上移动。包括滚珠引导轨道的VCM被称作“滚珠引导VCM”。滚珠引导VCM与弹簧引导VCM相比具有几个优点。这些优点包括：(1)更低的功率消耗，这是因为在弹簧引导VCM中，磁力必须与不存在于滚珠引导VCM中的弹簧机械力相反；以及(2)在包括VCM的摄影机的使用寿命期间可能发生的掉落中的更高可靠性。
虽然在美国专利8810714中给出的致动方法仅允许线性运动，但是在某些情况下还需要产生角度运动从而例如旋转(倾斜)光折叠单元(反射镜或棱镜)，以便像PCT/IB2016/052179中所描述的那样产生OIS。因此需要并且有利的是具有一种旋转滚珠引导VCM，也就是可以导致光学单元的旋转(倾斜)的滚珠引导VCM。
发明内容
本文中所公开的实施例的各个方面涉及具有弯曲滚珠引导机制的VCM致动器并且涉及数字摄影机，特别是具有合并了VCM的折叠光学单元的摄影机。
在一些示例性实施例中，提供一种用于旋转或倾斜光学单元的致动器，包括第一VCM以及适于在由VCM致动时产生光学单元围绕第一旋转轴的旋转或倾斜移动的第一弯曲滚珠引导机制。
在一个实施例中，第一VCM包括机械耦合到静态底座的线圈以及机械耦合到用于夹持光学单元的夹持器的固定磁体，并且通过流经线圈的电流产生旋转或倾斜移动。
在一个实施例中，致动器还包括附着到静态底座并且被用来拉动固定磁体的铁磁性磁轭(ferromagnetic yoke)，以便防止第一弯曲滚珠引导机制发生解体。
在一个实施例中，第一滚珠引导机制包括具有位于其间的多个滚珠的一对沟槽，该对当中的至少一个沟槽具有由半径定义的曲率，所述半径开始于处在旋转轴上的曲率中心处。
在一个实施例中，所述光学单元包括把光从第一光轴折叠到第二光轴的光径折叠单元(OPFE)。作为示例，所述OPFE可以是棱镜或反射镜。
在一个实施例中，第一旋转轴包括垂直于第一光轴和第二光轴全部二者的轴。
在一个实施例中，第一旋转轴包括把第二光轴与垂直于第一光轴和第二光轴全部二者的轴相组合的轴。
在一个实施例中，第一弯曲滚珠引导机制被定位在OPFE下方。
在一个实施例中，所述固定磁体和线圈被定位在OPFE下方。
在一个实施例中，所述固定磁体和线圈被定位在OPFE的一侧，并且其所处平面垂直于包括第一轴和第二光轴全部二者的平面。
在一个实施例中，致动器还包括用于测量光学单元相对于静态底座的角度的位置传感器。
在一个实施例中，所述位置传感器是适于测量固定磁体的磁场的霍尔条(Hallbar)位置传感器。
在一些实施例中，致动器还包括第二VCM和第二弯曲滚珠引导机制，所述第二弯曲滚珠引导机制适于在由第二VCM致动时产生光学单元围绕第二旋转轴的旋转或倾斜移动，其中第一旋转轴和第二旋转轴不平行。
在一个实施例中，第一旋转轴和第二旋转轴基本上彼此正交。
在一个实施例中，第一VCM包括机械耦合到静态底座的第一线圈以及机械耦合到用于夹持光学单元的夹持器的第一固定磁体，其中第二VCM包括机械耦合到静态底座的第二线圈以及机械耦合到用于夹持光学单元的夹持器的第二固定磁体，并且其中通过流经第一线圈和第二线圈的电流的组合而产生第一旋转或倾斜移动和第二旋转或倾斜移动。
在一个实施例中，第一和第二磁体被统一成单个磁体。
在一个实施例中，致动器还包括附着到静态底座并且被用来拉动固定磁体的铁磁性磁轭，以便防止第一弯曲滚珠引导机制和第二弯曲滚珠引导机制发生解体。
在一个实施例中，所述光学单元包括把光从第一光轴折叠到第二光轴的光径折叠单元(OPFE)。
在一个实施例中，第一旋转轴包括垂直于第一光轴和第二光轴全部二者的轴，并且第二旋转轴包括平行于第一光轴或第二光轴二者之一的轴。
在一个实施例中，致动器还包括第一位置传感器和第二位置传感器，其中两项位置测量的组合允许关于第一旋转轴和第二旋转轴全部二者确定光学单元夹持器相对于静态底座的位置。
在一个实施例中，所述曲率中心驻留在光学单元内部。
在一个实施例中，所述曲率中心驻留在光学单元外部。
在一些示例性实施例中，提供包括在前面和后面所描述的致动器的摄影机。
在一些摄影机实施例中，所述旋转或倾斜移动是用于允许光学图像稳定。
在一些摄影机实施例中，所述旋转或倾斜移动是用于允许扩展视场扫描。
附图说明
后面将参照在本段之后列出的附图来描述本文中所公开的实施例的非限制性实例。这里的附图和描述意图阐明本文中所公开的实施例，而不应当被视为以任何方式作出限制。
图1A示出了本文中所公开的旋转滚珠引导VCM致动器的一个实施例的等距视图；
图1B示出了图1A的VCM致动器的分解视图；
图1C示出了图1A的VCM致动器中的被致动子套件的底视图；
图1D示出了沿着图1A中标记出的A-A一线的VCM致动器的剖面；
图1E示出了图1A的VCM致动器中的电磁子套件的细节；
图1F示出了沿着图1A中标记出的B-B一线的VCM致动器的剖面；
图1G示出了本文中所公开的旋转滚珠引导VCM致动器的另一个实施例的等距视图；
图1H示出了图1G的VCM致动器的分解视图；
图1I示出了图1G的致动器中的被致动子套件的细节；
图1J示出了沿着图1G中标记出的B-B一线的VCM致动器的剖面；
图1K示意性地示出了沟槽对的替换实施例的侧视图；
图2示出了耦合到折叠式摄影机的图1A-1F的致动器；
图3A示出了本文中所公开的旋转滚珠引导VCM致动器的另一个实施例；
图3B示出了图3A的VCM致动器的分解视图；
图3C示出了图3A和3B的VCM致动器的中间底座的细节；
图3D示出了图3A和3B的VCM致动器中的电磁子套件的细节；
图4示出了耦合到折叠式摄影机的图3A-3C的致动器；
图5A示出了本文中所公开的旋转滚珠引导VCM致动器的另一个实施例的等距视图；
图5B从一侧示出了图2的VCM致动器的分解视图；
图5C从另一侧示出了图2的VCM致动器的分解视图；
图5D示出了沿着图5A中标记出的A-A一线的VCM致动器的剖面；
图5E示出了图5A的VCM致动器中的电磁子套件的细节；
图6示出了耦合到折叠式摄影机的图5A-5E的致动器；
具体实施方式
图1A-F示意性地示出了编号为100的本文中所公开的旋转滚珠引导VCM致动器的一个示例性实施例的各种视图和组件。为了简单起见，在后面的描述中将用术语“VCM致动器”或者仅仅“致动器”来替代术语“旋转滚珠引导VCM致动器”。图1A示出了致动器100的等距视图，并且图1B示出了致动器100的分解视图。致动器100允许围绕单一轴(示例性地示出为轴X)倾斜光径折叠单元(OPFE)150。OPFE 150把光从第一光轴(与Z对准)折叠到第二光轴(与Y对准)。在图1A、1B中，OPFE 150示例性地是棱镜。在其他实施例中，OPFE例如可以是反射镜或透镜。致动器100具有处于5-15mm范围内的示例性长度/宽度/高度规格，也就是说致动器100可以被包含在规格为5x5x5mm3到15x15x15mm3的盒子中。将参照图1A和1B以及若干其他附图中示出的坐标系XYZ继续进行描述。
在致动器100中，OPFE 150可以被夹持在光学单元夹持器102中，所述光学单元夹持器102例如可以通过配合单元OPFE 150的形状的塑料模具制成。永久(固定)磁体从下方(图1A中的负Z方向)104固定地附着(例如胶粘)到光学单元夹持器102。在后文中，参照OPFE(例如棱镜)使用的术语“下方”将是指与沿着第一光轴接收光的该侧相对的OPFE的一侧。OPFE 150、光学单元夹持器102和磁体104形成“被致动子套件”106。在图1C中示出了被致动子套件106的底视图。图1D示出了沿着图1A中标记出的A-A一线的致动器100的剖面。图1E示出了致动器100的电磁(EM)子套件的细节。图1F示出了沿着图1A中标记出的B-B一线的致动器100的剖面。光学单元夹持器102包括(也就是被模塑成具有)位于夹持器102的相对两侧的两个平行的弧形(或“弯曲”)沟槽102a和102b(图1C)，每一个弧形沟槽具有角度α’>α，其中角度α是由光学需求定义的所要求的倾斜行程(tilt stroke)。在图1D中示出了角度α’。弧形沟槽102a和102b具有处于共同的旋转轴108上的曲率中心(图1D)。
轴108与沟槽102a和102b的距离(曲率半径)通常是2-15mm。因此，还参见图1K，轴108可以穿过OPFE 150(处于其内部)或者落在OPFE 150外部(处于其外部)。对于光学图像稳定(OIS)，α可以示例性地处于0.25°<α<2°的范围内。为了在(比如在共同所有的美国临时专利申请号62/272367中描述的)双孔径变焦数字摄影机中获得可调节的扩展长焦视场(FOV)，α可以示例性地处于2°<α<12°的范围内。通常来说，α’比α大0.5°左右。
致动器100还包括通常由塑料制成的底座110。底座110也被模塑成具有位于底座110的相对两侧的两个弧形沟槽110a和110b，每一个弧形沟槽(110a和110b)具有角度α”>α。在图1D中也示出了角度α”。通常来说，α”比α大0.5°左右。弧形沟槽110a和110b也具有处于轴108上的曲率中心(图1D)。被致动子套件106被定位在底座110内部，从而使得沟槽110a和110b分别平行于并且邻近沟槽102a和102b，并且使得每一对沟槽的曲率中心分别与轴108同心。
由于光学单元夹持器102和底座110优选的是塑料模塑的(尽管其也可以由铝或其他金属制成)，因此在部件规格中允许一定的容差，通常对于每一项规格达到几十微米。这一容差可能导致邻近的沟槽102a-110a和/或102b-110b之间的位置失准。在所示出的实施例中，为了更好地对准，沟槽102a、110a和110b具有本领域内已知的(非限制性)“V”形沟槽剖面形状以便与滚珠匹配，沟槽102b则具有更宽的剖面并且具有(非限制性)“梯形”剖面。沟槽102a和110a随后在组装期间被对准，沟槽102b和110b则具有通过梯形剖面所允许的一定对准自由度。在其他实施例中，所有沟槽(102a、102b、110a和110b)都可以具有V形。
在致动器100中，三个滚珠112a、114a和116a被定位在沟槽102a与110a之间的空间中，并且三个滚珠112b、114b和116b被定位在沟槽102b与110b之间的空间中。滚珠的数字(在这里是3个)是示例性的。在其他实施例中，所公开的VCM致动器在邻近沟槽之间的空间中可以具有多于或少于三个滚珠(例如2-7个滚珠)。滚珠通常由氧化铝或另一种陶瓷材料制成，但是也可以由金属、塑料或其他材料制成。滚珠具有处于0.3-1mm的范围内的典型直径。应当提到的是，在致动器100中，沟槽102a、b与沟槽110a、b(及其对应的滚珠集合)之间的距离L大于OPFE 150的宽度，从而使得所述沟槽和滚珠关于X轴处在OPFE 150的“外部”。
在致动器100中，沟槽102a、102b、110a、110b和滚珠112a、112b、114a、114b、116a和116b形成弯曲滚珠引导机制160，其适于在由VCM致动器(参见图1K)致动时对光学单元(例如OPFE 150)施加旋转或倾斜移动。
在一些实施例中，可以使用两种不同的滚珠尺寸以提供更平滑的运动。滚珠可以被划分成大直径(LD)组和小直径(SD)组。每一组中的滚珠具有相同的直径。LD滚珠例如可以具有比SD滚珠大0.1-0.3mm的直径。SD滚珠可以被定位在两个LD滚珠之间，以便保持所述机制的滚动能力。举例来说，在一个实施例中，滚珠112a和116b可以是LD滚珠，并且滚珠114a可以是SD滚珠。
金属铁磁性磁轭118从下方(图1B中的负Z方向)被固定地附着(例如胶粘)到底座110，从而使其面对磁体104。磁轭118通过磁力拉动磁体104(并且从而拉动被致动子套件106)，从而保持弯曲滚珠引导机制免于解体。所述磁力处于在图1A-C中被标记成负Z方向的方向上。滚珠112a、114a和116a以及滚珠112b、114b和116b防止被致动子套件106接触底座。因此，被致动子套件106沿着Z轴被限制，并且不会在正或负Z方向上移动。弯曲滚珠引导机制160还沿着X轴限制被致动子套件，从而使得被致动子套件只能沿着由平行的弧形沟槽102a、102b、110a和110b定义的路径移动。
致动器100还包括EM子套件120(图1E)。电磁子套件120包括线圈122、位置传感器(例如霍尔条单元124)和印刷电路板(PCB)126。线圈122和霍尔条单元124优选地(分别独立地)被焊接到PCB 126。线圈122具有体育场(椭圆)形状，并且通常具有几十个绕组(例如而不限于50-250个)以及10-30欧姆的典型电阻。PCB 126允许向线圈122和霍尔条单元124发送输入和输出电流。电流载送对于操作所需要的功率和电子信号全部二者。PCB 126使用连线(未示出)通过电子方式连接到摄影机(例如图2中的摄影机)，其中致动器100是摄影机的一部分。电磁子套件120被定位在磁体104与磁轭118之间。通过在线圈122中驱动电流而产生洛伦兹力：顺时针方向上的电流将产生正Y方向上的力，逆时针方向上的电流则将产生负Y方向上的力。在本领域内已经知道并且例如在共同所有的专利PCT/IB2016/052179中详细描述了完全磁性方案(例如固定磁体104极方向)。
由电磁子套件施加的磁力处于正和负Y方向上，由滚珠和沟槽形成的轨道则使得受到限制的被致动子套件104沿着平行于沟槽102a、102b、110a和110b的弧移动。霍尔条单元124可以感测磁体104的磁场的强度和方向。在被致动时，被致动子套件106与霍尔条单元124的相对位置被改变。由霍尔条单元124感测到的磁场的强度和方向也发生改变，从而可以确定被致动子套件106的位置。
使用控制电路来控制被致动子套件的位置，并且将其设定到光学需求所要求的位置。控制电路输入是来自霍尔条单元124的信号，并且输出是在线圈122中施加的电流的数量。控制电路可以被实施在集成电路(IC)中。在某些情况下，可以把IC与霍尔条单元124相组合。在其他情况下，IC可以是单独的芯片(未示出)，并且可以位于致动器100和包括致动器100的摄影机的外部(例如参见后面的实施例200)。
图1G-1J示意性地示出了编号为100’的本文中所公开的VCM致动器的另一个示例性实施例的各种视图和组件。图1G示出了致动器100的等距视图，图1H示出了致动器100的分解视图，图1I示出了图1G的致动器中的被致动子套件106’的细节，并且图1J示出了沿着图1G中标记出的B-B一线的VCM致动器的剖面。致动器100’的结构和功能类似于致动器100(因此类似的单元/组件不被编号和/或描述)，但是存在几处差异：a)致动器100’包括三个V形沟槽和一个平坦沟槽，也就是说作为示例，在致动器100’中光学单元夹持器102被光学单元夹持器102’取代，其中沟槽102b’是平坦的；b)在致动器100’中，沟槽102a、b与沟槽110a、b(及其对应的滚珠集合)之间的距离L’等于或小于OPFE 150的宽度W’，从而使得所述沟槽和滚珠处于OPFE 150的“下方”。因此，致动器100’的至少一项规格(宽度)并且因此其尺寸小于致动器100；以及c)致动器100’包括一个添加的组件，也就是针对掉落、撞击、尘土和杂散光为其提供保护的护罩140。护罩140的形状和规格使得最小化对致动器的尺寸的影响。所示出的形状和细节是示例性的。可选的是，也可以为致动器100提供护罩，比如护罩140。此外还可选的是，致动器100’还包括(通常由塑料制成的)外壳142，以便针对环境和其他因素为致动器提供保护。PCB 126’与致动器100中的PCB 126具有相同的功能。致动器100’中的弯曲滚珠引导机制包括与致动器100中基本上相同的组件。
致动器100和100’中公开的弯曲滚珠引导机制中的沟槽的形状是示例性的，并且其他形状也是可能的，正如在图1K中所表明的那样。图1K除了形状实施例“a”和“b”(轴108处于OPFE 150外部或内部，一对当中的全部两个沟槽102和110“向下”弯曲，也就是说曲率中心在正Z方向上“高于”沟槽)之外还示出：形状实施例“c”，其中沟槽102向下弯曲并且沟槽110是直的(线性)；形状实施例“d”，其中全部两个沟槽102和110都向上弯曲(曲率中心在负Z方向上低于沟槽)；以及形状实施例“e”，其中沟槽102是直的并且沟槽110向上弯曲。
图2示出了耦合到折叠式摄影机结构(FCS)或者简单地称作“折叠式摄影机”200的致动器100。在折叠式摄影机200中，致动器(比如100或100’)例如用来旋转光折叠单元，例如棱镜150。为了简单起见，将参照致动器100继续进行描述，并且应当理解的是其描述同样适用于致动器100’。折叠式摄影机200中的致动器100的致动例如可以被用来产生如在PCT/IB2016/052179中所描述的光学图像稳定(OIS)，或者产生例如在PCT/IB2016/057366中所描述的扩展视场。在这种情况下，典型的旋转行程α可以分别处于棱镜150的原始位置的±0.5到±2度或者±2到±12度的范围内。摄影机200还包括透镜单元202和图像传感器204。
折叠式摄影机200还可以耦合到或者包括用以针对AF和/或OIS致动透镜单元204的致动机制，例如在PCT/IB2016/052179中进行了描述。透镜204的致动机制(和致动)独立于致动器100，并且未在图2中示出。透镜204的致动机制(和致动)可以是基于VCM致动器，其具有基于弹簧的机械轨道(如在PCT/IB2016/052179中)或者具有基于滚珠引导机制的机械轨道。
图3A-D示意性地示出了编号为300的本文中所公开的VCM致动器的另一个示例性实施例的各种视图和组件。图3A示出了致动器300的等距视图，并且图3B示出了致动器300的分解视图。与致动器100中一样，在致动器300中，OPFE 350作为示例是棱镜。OPFE 350被夹持在光学单元夹持器302中。永久磁体304被固定地附着(例如胶粘)到光学单元夹持器302。OPFE 350、光学单元夹持器302和磁体304形成“顶部被致动子套件”306。
光学单元夹持器302包括(例如被模塑成具有)位于夹持器302的相对两侧的两个平行的弧形沟槽302a和302b，每一个弧形沟槽具有角度β’>β，其中角度β是由光学需求定义的所要求的旋转行程。角度β’和β”未被示出，但是其定义类似于图1D中的角度α’和α”的定义。β、β’和β”的示例性数值和范围类似于前面的α、α’和α”。顶部被致动子套件306及其部件在材料、规格方面类似于被致动子套件106。
致动器300还包括通常由塑料制成的中间底座310。中间底座310也被模塑成具有两个沟槽310a和310b。顶部被致动子套件306被定位在中间底座310的内部，从而使得沟槽310a和310b分别平行于沟槽302a和302b。在该实施例中，沟槽302b、310a和310b具有V形沟槽形状，沟槽302a则具有梯形形状；前面在关于致动器100的描述中给出了对于这些形状的考虑。三个滚珠312a、314a和316a被定位在沟槽302a与310a之间，类似地三个滚珠312b、314b和316b被定位在沟槽302b与310b之间。在其他实施例中，致动器300在每一个沟槽中可以具有多于或少于3个滚珠，并且通常处于2-7个滚珠的范围内。对于所有滚珠的尺寸和材料的考虑类似于在致动器100中所描述的情况。如图3C中所见，中间底座310还包括单个圆320上另外两个弧形沟槽310c和310d。顶部被致动子套件306、滚珠312a-314a、312b-314b以及中间底座310形成底部被致动子套件334。圆320的直径可以示例性地处于5-15mm范围内。沟槽302a、302b、310a、310b以及滚珠312a、312b、314a、314b、316a和316b形成致动器300的第一弯曲滚珠引导机制360。
致动器300还包括底部底座308。底部底座308通常由塑料制成，并且被模塑成具有两个弧形沟槽308c和308d。如图3C中可见，弧形沟槽308c和308d处在圆320上，圆320的中心处在轴321上。底部被致动子套件334被定位在底部底座308上方，从而使得沟槽310c和310d分别平行于沟槽308c和308d。在该实施例中，沟槽310c、308c和308d具有V形沟槽形状，沟槽310d则具有梯形形状；前面在关于致动器100的描述中给出了对于这些形状的考虑。三个滚珠312c、314c和316c被定位在沟槽308c与310c之间，类似地三个滚珠312d、314d和316d被定位在沟槽308d与310d之间。在其他实施例中，致动器300在每一个沟槽中可以具有多于或少于3个滚珠，并且通常处于2-7个滚珠的范围内。对于所有滚珠的尺寸和材料的考虑类似于在致动器100中所描述的情况。沟槽308c、308d、310c、310d以及滚珠312c、312d、314c、314d、316c和316d形成致动器300的第二弯曲滚珠引导机制362。
金属磁轭318从下方被固定地附着(例如胶粘)到底部底座308，从而使其面对磁体304。金属磁轭318通过磁力拉动磁体304(并且从而拉动顶部被致动子套件306)，从而保持两个弯曲滚珠引导机制(360和362)免于解体。所述磁力处于在图1中被标记成负Z方向的方向上。滚珠312a、314a和316a以及312b、314b和316b防止顶部被致动子套件306接触中间底座310，并且滚珠312c、314c和316c以及312d、314d和316d防止底部被致动子套件334接触底部底座308。因此，顶部被致动子套件306沿着Z轴被限制，并且不会在正或负Z方向上移动。第一弯曲滚珠引导机制360还沿着X轴限制顶部被致动子套件306，从而使得顶部被致动子套件306只能沿着由平行弧302a、302b、310a和310b定义的路径移动。底部被致动子套件334沿着Z轴被限制，并且不会在正或负Z方向上移动。第二弯曲滚珠引导机制362还限制底部被致动子套件334仅通过旋转方式围绕圆320移动(围绕Z轴旋转)。这一旋转的典型量值/角度(以度数计)类似于前面的α。磁体304作用在全部两个弯曲滚珠引导机制上。
致动器300还包括图3D中示出的电磁子套件330。电磁子套件330包括两个线圈322和324、两个霍尔条单元326和328以及印刷电路板(PCB)329。线圈322、324和霍尔条单元326、328(分别独立地)被焊接到PCB 329。线圈322、324具有体育场形状，并且通常具有几十个绕组(例如在50-250个的非限制范围内)，并且分别具有10-30欧姆的典型电阻。PCB 329允许向线圈322、324和霍尔条单元326、328发送输入和输出电流，其中电流载送对于操作所需要的功率和电子信号全部二者。PCB 329通过连线(图3中未见)通过电子方式连接到外部摄影机。电磁子套件330被定位在磁体304与磁轭318之间。通过在线圈322、324中驱动电流而产生洛伦兹力；顺时针方向上的电流将产生正Y方向上的力，逆时针方向上的电流则将产生负Y方向上的力。完全磁性方案(例如固定磁体304极方向)类似于致动器100中的情况。由于线圈322(324)不与圆320同心，因此所述洛伦兹力在底部被致动子套件334上也被变换到围绕Z轴的顺时针(逆时针)扭矩。
由电磁子套件的全部两个线圈322和324施加的磁力处于正和负Y方向上，顶部被致动子套件306被第一弯曲滚珠引导机制限制成沿着平行于沟槽302a、302b、310a和310b的弧移动(也就是围绕X轴旋转)。类似地，底部被致动子套件334被第二弯曲滚珠引导机制限制成沿着圆320移动(也就是围绕Z轴旋转)，并且其运动由通过围绕轴321的线圈322和324所施加的围绕Z轴的净扭矩(每一个线圈围绕Z轴施加的扭矩之间的差)主导。霍尔条单元326、328可以感测磁体304的磁场的强度和方向。在被致动时，顶部被致动子套件306、底部被致动子套件334以及霍尔条单元326、328的位置被改变，并且随之改变所感测到的磁场的强度和方向。我们用VHB-326和VHB-328来标记全部两个传感器的霍尔输出电压，所述电压与由每一个霍尔传感器感测到的磁场成比例，正如本领域内已知的那样。因此，可以确定顶部被致动子套件306和底部被致动子套件334的旋转数量。在一个实例中，VHB-326+VHB-328之和与围绕第一旋转轴的倾斜数量成比例，并且VHB-326-VHB-328之差与围绕第二旋转轴的倾斜数量成比例。使用控制电路来控制被致动子套件的位置，并且将其设定到光学需求所要求的位置。控制电路输入包括霍尔条单元326、328的信号，并且输出包括在线圈322、324中施加的电流的数量。控制电路可以被实施在集成电路(IC)中。在某些情况下，可以把IC与其中一个霍尔条单元326、328相组合。在其他情况下，IC是单独的芯片，并且可以位于摄影机(未示出)的外部。
图4示出了作为折叠式摄影机400的一部分的致动器300。在折叠式摄影机400中，致动器300例如用来旋转光径折叠单元(OPFE)以便在两个方向上产生光学图像稳定，正如在美国临时专利申请62/215,007中所描述的那样。折叠式摄影机400还包括透镜单元402和图像传感器404。在这种情况下，典型的致动行程对于全部两个旋转方向可以处于光折叠单元(例如棱镜450)的原始位置的围绕X轴的±0.5到±2度以及围绕Z轴的±1到±3度的范围内。折叠式摄影机400还可以包括针对AF和/或OIS的本领域内已知的(例如在PCT/IB2016/052179中进行了描述)用于透镜单元402的致动机制(未示出)。透镜402的致动机制与在致动器300中进行的致动不相关。
图5A-5D示意性地示出了编号为500的本文中所公开的VCM致动器的另一个示例性实施例的各种视图和组件。图5A示出了已组装致动器500的等距视图，图5B、5C则从沿着X轴的两个相反方向示出了致动器500的分解视图。图5D示出了沿着图5A中标记出的A-A一线的致动器500的剖面。致动器500允许OPFE 550围绕单一轴(也就是围绕X轴)旋转，正如后面所描述的那样。在图5A-5D中OPFE 550是棱镜，而在其他实施例中则可以是反射镜或另一种类型的光径弯曲单元。
在致动器500中，OPFE 550可以被夹持在OPFE夹持器502中，所述OPFE夹持器502例如可以通过配合OPFE 550的形状的塑料模具制成。致动磁体504和感测磁体506在与OPFE550的旋转轴相同的方向(图中的负X方向)上从侧面固定地附着(例如胶粘)到光学单元夹持器502。OPFE 550、光学单元夹持器502以及磁体504、506的组装被称作“被致动子套件”510，并且在图5D中从侧面示出。光学单元夹持器502被模塑成具有两个弧形沟槽502a和502b。弧502a和502b彼此同心，并且具有处在轴508上的共同旋转中心。弧形沟槽502a和502b具有对应的角度γ’和γ”并且满足γ’>γ和γ”>γ，其中角度γ是由光学需求定义的所要求的旋转行程。在图5D中看到旋转轴508的中心和角度γ’、γ”。γ、γ’和γ”的典型数值类似于α、α’和α”的典型数值。
致动器500还包括侧壁514。侧壁514是静止部件，并且刚性地固定到致动器框架(未示出)和摄影机图像传感器。侧壁514通常由塑料制成。在一些实施例中，侧壁514可以是整个致动器的框架(作为“底座”在本领域内已知的)的一部分。侧壁514可以被模塑成用于后面所描述的目的以及对于摄影机所需要的其他目的(例如夹持透镜或夹持图像传感器)的单个塑料件，其中致动器500是摄影机的一部分。侧壁514也被模塑成具有两个弧形沟槽514a和514b。被致动子套件510被定位成沿着侧壁514，从而使得沟槽514a和514b分别平行于沟槽502a和502b。在该实施例中，沟槽502b、514a和514b具有V形沟槽形状，沟槽502a则具有梯形形状；前面在关于致动器100的描述中给出了对于这些形状的考虑。
三个滚珠512a、514a和516a被定位在沟槽502a与514a之间，类似地三个滚珠512b、514b和516b被定位在沟槽502b与514b之间。在其他实施例中，致动器500在每一个沟槽中可以具有多于或少于3个滚珠，并且通常处于2-7个滚珠的范围内。对于所有滚珠的尺寸和材料的考虑类似于在致动器100中所描述的情况。所述两对沟槽及其相关联的滚珠形成致动器500的弯曲滚珠引导机制560。
金属铁磁性磁轭518从与磁体504、506相对的侧面被固定地附着(例如胶粘)到侧壁514，从而使其面对磁体504。磁轭518通过磁力拉动磁体504(并且从而拉动被致动子套件510)，从而保持弯曲滚珠引导机制免于解体。所述磁力处于在图5A中被标记成负X方向的方向上。滚珠512a、514a和516a以及512b、514b和516b防止被致动子套件510接触侧壁514。因此，被致动子套件510沿着X轴被限制，并且不会在正或负X方向上移动。弯曲滚珠引导机制560还沿着其他方向限制被致动子套件510，从而使得被致动子套件只能沿着由平行的弧502a、502b、514a和514b定义的路径移动。
致动器500还包括在图5E中示出的电磁子套件530。电磁子套件530包括线圈522、霍尔条单元524和PCB 526。线圈522和霍尔条单元524(分别独立地)被焊接到PCB。线圈522具有体育场形状，并且通常具有几十个绕组(50-250个的非限制性范围)以及10-30欧姆的典型电阻。PCB 526允许向线圈522和霍尔条单元524发送输入和输出电流，其中电流载送对于操作所需要的功率和电子信号全部二者。PCB 526利用连线(未示出)通过电子方式连接到外部摄影机。电磁子套件530被定位在磁体504、506与磁轭518之间，从而使得在磁体与电磁子套件之间存在通常大约是100-200μm的气隙(霍尔条单元、线圈和磁体彼此不接触)。通过在线圈522中驱动电流而产生洛伦兹力：顺时针方向上的电流将产生正Y方向上的力，逆时针方向上的电流则将产生负Y方向上的力。在本领域内已经知道并且例如在共同所有的专利PCT/IB2016/052179中详细描述了完全磁性方案(例如固定磁体504极方向)。
对于前面的被致动子套件，由电磁子套件施加的磁力处于正和负Y方向上，由滚珠和沟槽形成的轨道则产生限制从而使得被致动子套件510沿着平行于沟槽502a、502b、514a和110b的弧移动。霍尔条单元524可以对感测磁体506的磁场的强度和方向进行感测。在被致动时，被致动子套件510与霍尔条单元524的相对位置被改变。由霍尔条单元524感测到的磁场的强度和方向也发生改变，从而可以确定被致动子套件510的位置。
使用控制电路来控制被致动子套件的位置，并且设定到光学需求所要求的位置。控制电路输入是来自霍尔条单元524的信号，并且输出是在线圈522中施加的电流的数量。控制电路可以被实施在IC中。在某些情况下，可以把IC与霍尔单元524相组合。在其他情况下，所述IC是单独的芯片，并且可以位于摄影机(未示出)的外部。
在一些实施例中，可以移除感测磁体506并且把霍尔条单元524放置在线圈的中心处，从而使得致动磁体504可以被用于致动和感测全部二者(正如前面参照图1E所描述的那样)。
在一些实施例中，感测磁体506和致动磁体504可以被组合到具有适当的磁化的一个磁体中，以便允许前面描述的感测和致动功能。
图6示出了作为折叠式摄影机600的一部分的致动器500。在摄影机600中，作为一个使用实例，致动器500用来旋转光折叠单元，例如棱镜550。摄影机600中的致动器500的致动例如可以被用来产生OIS，正如在PCT/IB2016/052179中所描述的那样。摄影机600还包括透镜单元602和图像传感器604。在这种情况下，典型的致动行程γ应当处于棱镜550的原始位置的±0.5到±2度的范围内。正如前面参照摄影机200所描述的那样，摄影机600还可以包括针对AF和/或OIS致动透镜单元602的致动机制(未示出)。
前面所公开的任何致动器可以被包括在折叠式摄影机中，折叠式摄影机又可以与直立式(非折叠)摄影机一起被包括在具有折叠透镜的双孔径摄影机中，正如在共同所有的美国专利9392188中所描述的那样。
虽然本公开内容描述了有限数目的实施例，但是应当认识到，这样的实施例可以有许多变型、修改和其他应用。一般来说，本公开内容应当被理解成不受限于本文中所描述的具体实施例，而是仅由所附权利要求的范围限制。
在本说明书中提到的所有参考文献都通过引用的方式被全文合并到本说明书中，就如同明确地并且单独地表明每一份单独的参考文献都通过引用的方式被合并在本文中。此外，在本申请中对于任何参考文献的引述或标识不应当被理解成承认这样的参考文献可以作为本申请的现有技术。

Claims (19)

1.一种用于旋转光径折叠单元OPFE的致动器，该光径折叠单元被配置为把光从第一光径折叠到第二光径，该致动器包括：
a)刚性地附着到OPFE上的光学单元夹持器；
b)中间底座；和
c)底部底座；
其中，所述光学单元夹持器被配置为采用第一弯曲滚珠引导机制相对于中间底座围绕第一旋转轴以第一旋转运动旋转，其中，中间底座被配置为采用第二弯曲滚珠引导机制相对于底部底座围绕第二旋转轴以第二旋转运动旋转，并且其中第一旋转轴和第二旋转轴彼此正交。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中，所述第一旋转轴垂直于所述第一光径和所述第二光径。
3.根据权利要求1所述的致动器，其中，围绕所述第一旋转轴和所述第二旋转轴的旋转分别垂直于所述第一光径和所述第二光径。
4.根据权利要求1所述的致动器，其中，所述第一弯曲滚珠引导机制包括具有位于其中的滚珠的第一对沟槽，所述第一对沟槽在所述第一旋转轴上具有曲率中心并有利于所述OPFE围绕所述第一旋转轴旋转，并且其中，所述第二弯曲滚珠引导机制包括具有位于其中的滚珠的第二对沟槽，所述第二对沟槽在所述第二旋转轴上具有曲率中心并有利于所述OPFE围绕所述第二旋转轴旋转。
5.根据权利要求1所述的致动器，其中，还包括具有第一线圈和永磁体的第一音圈电动机VCM，以及具有第二线圈的第二VCM，其中通过流经第一线圈和第二线圈的电流的组合而产生所述第一旋转运动和所述第二旋转运动。
6.根据权利要求5所述的致动器，其中，所述第一线圈机械耦合到所述底部底座，并且其中，所述永磁体机械耦合到所述光学单元夹持器。
7.根据权利要求5所述的致动器，其中，所述第二线圈机械耦合到所述底部底座，并且其中，所述永磁体机械耦合到所述光学单元夹持器。
8.根据权利要求5所述的致动器，其中，所述致动器还包括第一位置传感器和第二位置传感器，用于测量所述OPFE相对于底部底座的两个角度。
9.根据权利要求8所述的致动器，其中，所述第一位置传感器和所述第二位置传感器是霍尔条位置传感器。
10.根据权利要求5所述的致动器，其中，还包括：铁磁性磁轭，其附接至所述底部底座；并且其中，所述铁磁性磁轭被用来拉动所述永磁体，以便防止所述第一弯曲滚珠引导机制和第二弯曲滚珠引导机制解体。
11.一种用于旋转光径折叠单元OPFE的致动器，该光径折叠单元被配置为把光从第一光径折叠到第二光径，该致动器包括：
a)刚性地附着到OPFE上的光学单元夹持器，该光学单元夹持器具有第一组两个沟槽；
b)中间底座，其具有第二组两个沟槽和第三组两个沟槽；和
c)底部底座，其具有第四组两个沟槽；
其中，所述光学单元夹持器被配置为采用位于所述第一组两个沟槽和所述第二组两个沟槽之间的一组滚珠相对于中间底座围绕第一旋转轴以第一旋转运动旋转，其中，中间底座被配置为采用位于所述第三组两个沟槽和所述第四组两个沟槽之间的一组滚珠相对于底部底座围绕第二旋转轴以第二旋转运动旋转。
12.根据权利要求11所述的致动器，其中，所述第一旋转轴垂直于所述第一光径和所述第二光径。
13.根据权利要求11所述的致动器，其中，围绕所述第一旋转轴和所述第二旋转轴的旋转分别垂直于所述第一光径和所述第二光径。
14.根据权利要求11所述的致动器，其中，还包括具有第一线圈和永磁体的第一音圈电动机VCM，以及具有第二线圈的第二VCM，其中通过流经第一线圈和第二线圈的电流的组合而产生所述第一旋转运动和所述第二旋转运动。
15.根据权利要求14所述的致动器，其中，所述第一线圈机械耦合到所述底部底座，并且其中，所述永磁体机械耦合到所述光学单元夹持器。
16.根据权利要求14所述的致动器，其中，所述第二线圈机械耦合到所述底部底座，并且其中，所述永磁体机械耦合到所述光学单元夹持器。
17.根据权利要求16所述的致动器，其中，所述致动器还包括第一位置传感器和第二位置传感器，用于测量所述OPFE相对于底部底座的两个角度。
18.根据权利要求17所述的致动器，其中，所述第一位置传感器和所述第二位置传感器是霍尔条位置传感器。
19.根据权利要求14所述的致动器，其中，还包括铁磁性磁轭，其附接至所述底部底座；并且其中，所述铁磁性磁轭被用来拉动所述永磁体，以便防止所述第一弯曲滚珠引导机制和第二弯曲滚珠引导机制解体。
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