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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verlagerung eines ersten
und eines zweiten Körpers unabhängig voneinander
in parallelen Richtungen und spezieller eine Vorrichtung zum Einstellen
eines optischen Systems mit einer ersten Linsenanordnung und einer
zweiten Linsenanordnung, insbesondere zur Verwendung in einer digitalen
Kamera. Die Erfindung ist z. B. als Antrieb für die Realisierung von Fokussier-
und Zoom-Funktionen in einer digitalen Kamera geeignet.
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Digitale
Kameras werden zunehmend miniaturisiert, insbesondere wenn sie mit
anderen tragbaren Geräten,
wie Mobiltelefonen, kombiniert werden. In solchen Anwendungen müssen die
optischen, mechanischen und elektronischen Komponenten der Kamera
nicht nur klein und kostengünstig
herzustellen sein, sondern auch geringes Gewicht und einen geringen
Energiebedarf haben. Gleichwohl wird die Möglichkeit der optischen Einstellbarkeit,
beispielsweise durch Einsatz von Autofokus- und Zoom-Optiken, gewünscht. Diese
Funktionen erfordern die relative Bewegung der Linsensysteme innerhalb
der Kamera. Die Bewegung der Linsen ist linear, die Verfahrstrecke
liegt in der Regel im Bereich weniger Millimeter.
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Im
Stand der Technik ist es bekannt, solche Autofokus- und Zoom-Funktionen
in digitalen Kameras mit piezoelektrischen Linearantrieben oder
mit elektromagnetischen Kleinstmotoren zu realisieren.
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Die
US 7,298,564 B2 beschreibt
eine digitale Kamera mit zwei Linsenanordnungen, die über ein
piezoelektrisches Antriebssystem eingestellt werden. Die Linsen
sind in zwei Rohrstücken
angeordnet, welche ineinander verschachtelt und ihrerseits in einem
Stützrohr
gehalten sind. Die Linsen-Rohrstücke sind
innerhalb des Stützrohres
relativ zu einer Bildebene verschiebbar, um Autofokus- und Zoom-Funktion
zu realisieren. Die Bewegung wird über piezoelektrische Stellglieder
realisiert, die außerhalb
des Stützrohres
montiert sind. Jedes Linsen-Rohrstück weist eine Stellschiene
auf, die sich entlang seiner Länge
erstreckt und außen
auf das Rohrstück
aufgebracht ist. Diese Stellschienen wirken mit piezoelektrischen
Antriebselementen zusammen. In dem Stützrohr sind Schlitze eingearbeitet,
durch welche hindurch die Stellschienen nach außen vorstehen, wo jeweils ein
Paar piezoelektrischer Antriebselemente zu beiden Seiten einer Schiene
angeordnet ist.
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Der
grundsätzliche
Aufbau von elektromechanischen Antriebssystemen, die nach dem Piezo-Wellenprinzip arbeiten,
ist in der
WO 2004/001867
A1 offenbart.
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Der
in der
WO 2004/001867
A1 beschriebene piezoelektrische Motor umfasst ein piezoelektrisches
Antriebselement, dass durch zwei in Reihe geschaltete Biegeabschnitte
gebildet ist, und ein Kraftübertragungselement,
das an dem Antriebselement angebracht und dessen Biegebewegung auf
eine Stellschiene überträgt. Das
Antriebselement ist parallel zu der Stellschiene ausgerichtet und
aus einem piezoelektrischen Material, oder einem anderen elektrostriktiven
oder magnetostriktiven Material hergestellt. Solche Materialien
verändern
ihre Form, wenn sie einer elektrischen Spannung bzw. einem Magnetfeld
ausgesetzt sind. Die Biegeabschnitte des Antriebselements sind symmetrisch
zu den Kraftübertragungselementen
angeordnet, wobei die beiden Biegeabschnitte eine Biegebewegung
ausführen,
die ähnlich
einer sich fortpflanzenden Welle ist. Die wellenartige Bewegung
wird über
die Kraftübertragungselemente
auf die Stellschiene übertragen
und schiebt so die Stellschiene schrittweise vorwärts.
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DE 10 2007 059 082
A1 und
DE
10 2007 007 472 A1 beschreiben Linsenverstellvorrichtungen
für einzelne
Linsen, die im Wesentlichen aus einem Linsentubus mit einem Reibelement
und einem Gehäuse
mit einem Betätigungselement,
das mit dem Reibelement in Kontakt ist, sowie einem Vorspannelement
bestehen. Führungen
des Linsentubus stützen sich
auf Führungen
am Gehäuse
unter Zwischenschaltung von Kugellagern ab.
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EP 1 795 934 A1 beschreibt
eine Linsenverstellvorrichtung, die gleichzeitig zwei Linsen für Fokus
und Zoom verfahren kann. Die Linsen befinden sich je in einem Linsenhalter,
der gegen eine Führungsstange
und eine Antriebsstange verschiebbar gelagert ist. An den Linsenhalter
sind Piezo-Antriebe angebracht, die sich gemeinsam mit den jeweiligen Linsenhaltern
entlang der Antriebsstange bewegen.
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Die
DE 10 2004 040 871
A1 beschreibt eine Linsenverstellvorrichtung mit zwei Antrieben
zum Verfahren von zwei Linsenhaltern. Die Linsenhalter sind auf
Stangen gelagert, welche im Bereich der Linsenhalter mit einem Gewinde
versehen sind. Eine Linearbewegung der Antriebe wird in eine Drehbewegung
der Stange umgewandelt, wodurch die Gewinde der Stangen den jeweiligen
Linsenhalter verstellen.
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Die
Verwendung eines piezoelektrischen, oder allgemeiner elektromechanischen
Antriebssystem zur Realisierung von Autofokus- und Zoom-Funktionen
in einer digitalen Kamera erlaubt es, den für die Stellglieder benötigten Bauraum
zu minimieren, wobei heute Volumeneinheiten in der Größenordnung
von etwa 500 mm3 für ein Autofokussystem bis etwa
2500 mm3 für eine kombinierte Anwendung
mit Zoom-Linseneinheiten gefordert werden. Es ist abzusehen, dass
die Miniaturisierung weiter fortschreitet.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung,
eine Vorrichtung zur Verlagerung eines ersten und eines zweiten
Körpers unabhängig voneinander
in parallelen Richtungen und spezieller eine Vorrichtung zum Einstellen
eines optischen Systems mit zwei Linsenanordnungen, insbesondere
zur Verwendung in einer digitalen Kamera, anzugeben, die noch kompakter
ist als die bekannten Systeme.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch
1 bzw. 2 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
dient zum Einstellen eines optischen Systems mit einer ersten Linsenanordnung
und mit einer zweiten Linsenanordnung. Die beiden Linsenanordnungen
können
zum Beispiel eine Autofokus- und eine Zoom-Funktion in einer digitalen
Kamera realisieren. Die Vorrichtung umfasst eine Haltestruktur zur
Aufnahme der beiden Linsenanordnungen, wobei die Längsachse
der Haltestruktur einer Längsrichtung definiert,
entlang derer die Linsenanordnungen verschiebbar sind.
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Mit
den beiden Halterungen der Linsenanordnungen ist jeweils eine Stellschiene
verbunden, und eine elektromechanische Antriebseinrichtung umfasst
zwei elektromechanische Antriebselemente, die mit den beiden Stellschienen
zusammenwirken, um die erste und die zweite Linsenanordnung in Längsrichtung
zu verschieben.
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Allgemeiner
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verlagerung eines ersten
und eines zweiten Körpers
unabhängig
voneinander in parallelen Richtungen und umfasst eine Haltestruktur
zur Führung
der beiden Körper,
die in der Haltestruktur in Längsrichtung
verschiebbar sind. An beiden Körpern ist
jeweils eine Stellschiene angebracht, die mit einer elektromechanischen
Antriebseinrichtung zusammenwirken, um die Körper in der Längsrichtung
zu verschieben.
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Erfindungsgemäß sind die
Stellschienen und die zugeordneten Antriebselemente so angeordnet, dass
eine erste aus der ersten Stellschiene und dem ersten Antriebselement
gebildete Antriebseinheit und eine zweite aus der zweiten Stellschiene
und dem zweiten Antriebselement gebildete Antriebseinheit einander
gegenüber
liegen und auf einem gemeinsamen Führungsbauteil abgestützt sind.
Bei der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung
wird somit für
die Einstellung jeder Linsenanordnung bzw. jedes Körpers nur
ein elektromechanisches Antriebselement benötigt, anstelle eines Paares
von Antriebselementen wie im Stand der Technik. Ferner sind die
Stellschienen und Antriebselemente für die beiden Linsenanordnungen
relativ zueinander so angeordnet, dass sie ein kompaktes Antriebssystem
mit nur zwei gegenüber
liegenden Antriebseinheiten bilden, wobei das Antriebssystem so
ausgelegt ist, dass einzelne Komponenten von beiden Antriebseinheiten
genutzt werden können.
Dadurch wird ein hoher Grad an Integration bei minimalem Bauvolumen
erreicht.
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Ein
besonders einfacher und kompakter Aufbau ergibt sich weiterhin dadurch,
dass ein gemeinsames Federbauteil vorgesehen ist, um die beiden Antriebseinheiten
aus erster Stellschiene und erstem elektromechanischen Antriebselement
bzw. zweiter Stellschiene und zweitem elektromechanischen Antriebselement
gegeneinander vorzuspannen.
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In
der bevorzugten Ausführung
umfasst das Federbauteil eine Klammer, welche eine Kraft auf die von
den Stellschienen abgewandten Seiten der elektromechanischen Antriebselemente
aufbringt, um die elektromechanischen Antriebselemente gegen die Stellschienen
zu drücken.
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Wie
oben erläutert,
stützen
sich die beiden Antriebseinheiten auf einem gemeinsamen Führungsbauteil
ab. Vorzugsweise sind die Antriebseinheiten relativ zu dem Führungsbauteil
so angeordnet, dass die erste und die zweite Stellschiene auf entgegen
gesetzten Seiten des Führungsbauteils
verschiebbar gelagert sind. Die beiden elektromechanischen Antriebselemente
sind dann auf den von dem Führungsbauteil
abgewandten Seiten der ersten und der zweiten Stellschiene angeordnet.
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Das
Führungsbauteil
kann beispielsweise in Form eines Führungsstiftes oder einer Führungsschiene
ausgebildet sein und ist ebenso wie die Haltestruktur in der Kamera
fixiert, beispielsweise an dem Kameragehäuse oder einer Grundplatte
der Kamera. Die beiden Stellschienen sind an dem Führungsstift
vorzugsweise über
Gleitlager, insbesondere über
Rollenlager, abgestützt.
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In
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung sind die erste und die zweite Stellschiene beidseits
des Führungsstiftes
parallel zueinander angeordnet. Die Stellschienen können jeweils
an einem seitlichen Vorsprung des ersten und des zweiten Körpers angebracht
sein. Die beiden an dem ersten und dem zweiten Körper vorstehenden Vorsprünge sind vorzugsweise
parallel zueinander. In der Haltestruktur können Ausnehmungen ausgebildet
sein, durch welche sich der erste und der zweite Vorsprung hindurch
erstrecken.
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In
der bevorzugten Ausführung
weisen die Körper
jeweils ein Rohrstück
zur Aufnahme einer Linse auf, wobei das Rohrstück des ersten Körpers innerhalb
des Rohrstücks
des zweiten Körpers
angeordnet ist und das Rohrstück
des zweiten Körpers eine
Ausnehmung in Form eines Längsschlitzes
aufweist, in oder durch den sich der erste Vorsprung erstreckt.
Vorteilhaft ist das Rohrstück
des ersten Körpers
innerhalb des Rohrstücks
des zweiten Körpers gelagert
und geführt.
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Auch
die Haltestruktur kann ein rohrförmiges Gehäuse aufweisen,
das vorzugsweise eine Ausnehmung in Form eines Längsschlitzes hat, durch den der
erste und der zweite Vorsprung hindurch geführt sind.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind das
erste und das zweite elektromechanische Antriebselement auf einer
gemeinsamen flexiblen Leiterplatte zur Ansteuerung der Antriebselemente
angeordnet. Die elektromechanischen Antriebselemente umfassen vorzugsweise
piezoelektrische Antriebskörper.
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Die
Erfindung ist im Folgenden anhand des Beispiels eines kombinierten
Autofokus- und Zoom-Mechanismus für eine digitale Kamera mit
Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Einstellen eines optischen Systems.
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Das
in der Figur gezeigte System umfasst eine Haltestruktur 10,
eine erste Linsenanordnung, die durch ihre zugehörige erste Halterung 12 schematisch
dargestellt ist, und eine zweite Linsenanordnung, die durch ihre
zugehörige
zweite Halterung 14 schematisch dargestellt ist. Die Führung und
Lagerung der zweiten Halterung 14 in der Haltestruktur 10 und
der ersten Halterung 12 in der zweiten Halterung 14 ist
schematisch durch Führungsschienen 10', 14' angedeutet.
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An
die erste Halterung
12 und die zweite Halterung
14 sind
jeweils ein erster bzw. ein zweiter Vorsprung
16,
18 angeformt
oder angebracht, welche sich durch eine schlitzförmige Ausnehmung
20 in
der Haltestruktur
10 hindurch, aus der Haltestruktur
10 hinaus
erstrecken. Auch die zweite Halterung
14 weist einen solchen
Schlitz zur Durchführung
des ersten Vorsprungs
16 auf. Ein Fachmann wird verstehen,
dass sich die schlitzförmigen
Ausnehmungen
20 nicht über
die gesamte Länge
der Haltestruktur
10 bzw. der zweiten Halterung erstrecken.
In einer praktischen Ausführung
sind die Halterungen
12,
14 beispielsweise durch
Rohrstücke
gebildet, die wenigstens einen geschlossenen Ringabschnitt an einem Stirnende
der Rohrstücke
aufweisen. Der Aufbau der Haltestruktur
10 und der ersten
und zweiten Halterung
12,
14 kann grundsätzlich ähnlich wie
in der oben genannten
US
7,298,564 B2 oder in jedem anderen kombinierten Autofokus-
und Zoom-Mechanismus sein, wobei sich die Erfindung von diesen Systemen
durch die Ausbildung und Anordnung des Antriebsmechanismus unterscheidet.
Anstelle der in den Figuren gezeigten Linsenanordnung mit der ersten
und zweiten Halterung können
auch andere Körper
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
in einer Haltestruktur unabhängig
voneinander, in parallelen Richtungen verschoben werden.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
sind die Antriebseinheiten für
die beiden Linsenanordnungen symmetrisch aufgebaut. Sie umfassen
für die erste
Linsenanordnung eine erste Stellschiene 22, ein erstes
piezoelektrisches Antriebselement 24 und ein erstes Kraftübertragungselement 26 zur Übertragung
der von dem ersten piezoelektrischen Antriebselement erzeugten Bewegungswelle
auf die erste Stellschiene 22. Diese Antriebseinheit der
ersten Linsenanordnung ist über
ein erstes Gleitlager 28 an einem gemeinsamen Führungsbauteil 30 abgestützt. In
einer bevorzugten Ausführung
wird dieses gemeinsame Führungsbauteil 30 durch
einen feststehenden Stahlstift gebildet, der sich parallel zu dem Umfang
der Haltestruktur 10 erstreckt und auf dem die Stellschiene
des Antriebselementes in Längsrichtung
gleiten kann.
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Das
Führungsbauteil
ist nicht auf die Form eines Stiftes beschränkt, sondern kann vielmehr
jegliche Form annehmen, die dazu geeignet ist die Funktion des Bauteils
zu erfüllen.
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Entsprechend
der Antriebseinheit der ersten Linsenanordnung umfasst die Antriebseinheit
der zweiten Linsenanordnung eine zweite Stellschiene 32,
ein zweites piezoelektrisches Antriebselement 34, ein zweites
Kraftübertragungselement 36 und
ein zweites Gleitlager 38.
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Die
beiden piezoelektrischen Antriebselemente 24, 34 sind
in der bevorzugten Ausführung
auf einer gemeinsamen (nicht gezeigten) flexiblen Leiterplatte zur
Ansteuerung der Antriebselemente angeordnet. Diese Leiterplatte
ist um die beiden Antriebseinheiten herum gelegt und wird durch
eine Klammer 40 in Position gehalten. Die Klammer 40 dient
auch dazu, die piezoelektrischen Antriebselemente 24, 34 gegen
die Stellschienen 22, 32 vorzuspannen, so dass
eine definierte Kraftübertragung
sichergestellt ist.
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Die
Verwendung einer flexiblen Leiterplatte für zwei piezoelektrische Antriebselemente
sowie einer Klammer zum Fixieren und Vorspannen der Antriebseinheit
an sich ist aus dem Stand der Technik bekannt. Im Stand der Technik
wurden diese Mittel bisher jedoch nur in Antriebseinheiten eingesetzt,
in denen die einander gegenüber
liegenden und gegeneinander verspannten piezoelektrischen Antriebselemente
eine einzelne, zwischen diesen angeordnete Stellschiene vor und
zurück
bewegten. Durch eine einfache Modifikation, insbesondere durch das
Vorsehen eines gemeinsamen Führungsbauteils,
an dem sich zwei gegenüber
liegenden Stellschienen abstützen,
schafft die Erfindung ein Antriebssystem, das zwei Stellglieder
unabhängig
voneinander ansteuern kann, ohne dass sich der Aufwand für das Antriebssystem
verdoppeln würde.
Anstelle einer zentralen Stellschiene werden zwei getrennte, auf dem
gemeinsamen Führungsbauteil
gelagerte Stellschienen vorgesehen, wobei die beiden Antriebseinheiten
dieses gemeinsame Führungsbauteil 30 sowie die
flexible Ansteuerplatine und die Klammer 40 gemeinsam nutzen.
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Dadurch
ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik eine deutliche Einsparung
an Platzbedarf und Ressourcen und somit auch Kosten für den Aufbau
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann ferner Positionssensoren und eine Ansteuerelektronik umfassen,
um die Lage der Linsenanordnungen präzise zu kontrollieren.
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Das
Prinzip der Erfindung ist nicht nur für die Einstellung optischer
Linsensysteme nutzbar, sondern es kann immer dann zum Einsatz kommen, wenn
zwei Körper
parallel zueinander linear, gleichwohl unabhängig voneinander bewegt werden
sollen. Die oben beschriebenen Grundsätze und Merkmale sowie die
im Folgenden beanspruchten Merkmale und Merkmalskombinationen sind
in gleicher Weise anwendbar auf jede andere Vorrichtung zur Verlagerung
eines ersten und eines zweiten Körpers
unabhängig
voneinander in parallelen Richtungen.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung von Bedeutung sein.
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- 10
- Haltestruktur
- 10'
- Führungsschiene
- 12
- erste
Halterung
- 14
- zweite
Halterung
- 14'
- Führungsschiene
- 16
- erster
Vorsprung
- 18
- zweiter
Vorsprung
- 20
- Ausnehmung
- 22
- erste
Stellschiene
- 24
- erstes
piezoelektrisches Antriebselement
- 26
- erstes
Kraftübertragungselement
- 28
- erstes
Gleitlager
- 30
- gemeinsames
Führungbauteil
- 32
- zweite
Stellschiene
- 34
- zweites
piezoelektrisches Antriebselement
- 36
- zweites
Kraftübertragungselement
- 38
- zweites
Gleitlager
- 40
- Klammer