DE602004001977T2

DE602004001977T2 - Schutzgehäuse für einen keramischen aktor

Info

Publication number: DE602004001977T2
Application number: DE602004001977T
Authority: DE
Inventors: Richard Trumpington TOPLISS; James Bury St. Edmonds ALLAN; Mark Richard Royston SHEPHERD
Original assignee: 1 Ltd
Current assignee: 1 Ltd
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: JP2006519579A; TW200507309A; ATE336804T1; US7227296B2; WO2004077497A2; US20060192461A1; EP1597778B1; EP1597778A2; WO2004077497A3; DE602004001977D1; KR20050104410A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Aktoren, insbesondere keramische Aktoren, die elektroaktiv sein können, beispielsweise piezoelektrisch. Diese Erfindung bezieht sich auf ein Gehäuse für solche Aktoren, das an einer Kamera angebracht werden kann, in der der Aktor einen Linsenhalter bewegt. Sie kann auf Mikrokameras in tragbaren Datenverarbeitungs- oder Kommunikationseinrichtungen angewendet werden.
Piezoelektrische und andere elektroaktive Bieger, die aus keramischen Basismaterialien gebildet sind, wie beispielsweise Bleizirkonat Titanat (PZT), werden in vielen Anwendungen verwendet. Sie werden beispielsweise aus einem Multilayer (Roh-) Material hergestellt und bei hohen Temperaturen in ihre endgültige Form gesintert.
Eine Vielzahl von Gestaltungen für solche Aktoren ist bekannt. Verhältnismäßig große Translationsverschiebungen wurden in letzter Zeit unter Verwendung einer Struktur von piezoelektrischem Biegerband erzielt, das sich helixförmig um eine Achse erstreckt, die selbst wiederum gekrümmt ist, wie es beispielsweise in der WO-0147041 oder in D. H. Pearce et al., Sensors and Actuators (Sensoren und Aktoren) A 100 (2002), 281-286 beschrieben ist. Solche Einrichtungen können einen Versatz in der Größenordnung von Millimetern bei einer aktiven Länge in der Größenordnung von Zentimetern bieten.
Während die Herstellung von keramischen Aktoren bekannt ist, ist ihre Anwendbarkeit aufgrund der Sprödheit des Materials, aus dem sie gebildet sind, eingeschränkt. Es wäre daher wünschenswert, ein Gehäuse für keramische Aktoren vorzusehen, das die Empfindlichkeit der keramischen Aktoren gegenüber plötzlichen Stößen verringert, wie sie beispielsweise durch ein Fallen auf eine harte Oberfläche hervorgerufen werden.
Getrennt davon enthalten in den letzten Jahren, einhergehend mit der explosionsartigen Verteilung von tragbaren Informationsterminals, die PDAs genannt werden, und von Mobiltelefonen, eine zunehmende Anzahl von Produkten eine kompakte Digitalkamera oder digitale Videoeinheit, die einen CCD (charge-coupled device) oder einen CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) Sensor als einen Bildsensor enthält. Wenn eine solche digitale Kamera o. ä. unter Verwendung eines Bildsensors mit einer verhältnismäßig kleinen effektiven Bilderfassungsoberfläche miniaturisiert wird, muss ihr optisches System ebenfalls entsprechend miniaturisiert werden.
Zum Erzielen eines Fokussierens oder eines Zoomens müssen zusätzliche Antriebsmotoren in das bereits begrenzte Volumen von solchen Miniaturkameras eingebaut werden. Während die meisten der vorhandenen Kameras auf Variationen des gut bekannten elektrischen Spulenmotors beruhen, wurden eine Anzahl von anderen Aktoren als kleine Antriebseinheiten für das Linsensystem vorgeschlagen. Diese neuen Antriebseinheiten enthalten oftmals Aktoren aus elektroaktivem Material, beispielsweise piezoelektrischem, piezoresistivem, elektrostriktivem oder magnetostriktivem Material, typischerweise keramische Aktoren.
Kleine elektroaktive Aktoren mit verhältnismäßig großen translatorischen Versätzen wurden in letzter Zeit unter Verwendung einer Struktur eines piezoelektrischen Biegerbandes gebaut, das sich helixförmig um eine Achse erstreckt, die selbst gekrümmt ist, wie es beispielsweise in der WO-01/47041 oder in D. H. Pearce et al., Sensors and Actuators (Sensoren und Aktoren) A 100 (2002), 281-286 beschrieben ist. Solche Einrichtungen können einen Versatz in der Größenordnung von Millimetern bei einer aktiven Länge in der Größenordnung von Zentimetern aufweisen. Sie können aus mehrschichtigem keramischem Basismaterial, wie z. B. Bleizirkonat Titanat (PZT), gebildet sein und bei hohen Temperaturen in ihre endgültige Form gesintert sein. Die Verwendung von solchen Aktoren als Antriebsmotoren für Linsensysteme wurde in der WO-02/103451 vorgeschlagen.
Als Antriebseinheiten, die für das reduzierte Volumen der kompakten Kameradesigns angepasst sind, müssen Linsenaufhängungssysteme, die die Bewegung des Linsenhalters begrenzen, sich gleichzeitig entwickeln. Linsenaufhängungssysteme, die für miniaturisierte Kameras passend sind, insbesondere für Kameras, die durch einen elektroaktiven Wandler betrieben werden, haben Idealerweise eine geringe Steifheit, Widerstandskraft oder Reibung in der Richtung der gewünschten Bewegung und eine hohe Steifigkeit in allen anderen Richtungen.
Gemäß der Erfindung wird ein Gehäuse vorgesehen, in dem ein keramischer Aktor montiert ist, der ein Bieger ist, der sich in einer Helix um eine gekrümmte Achse erstreckt, wobei das Gehäuse eine Schutzstruktur hat, die eine kontinuierlich sich neigende Rampe enthält, die einen nachgiebigen Bereich hat, der auf den Aktor gerichtet ist, und angeordnet ist, den Bewegungsbereich des Aktors durch Berührung eines mittleren Abschnitts des Aktors zwischen festen und sich bewegenden Anschlüssen des Aktors zu begrenzen.
Ein Aktor wird typischerweise mit einem festgelegten Anschluss oder Endabschnitt und einem sich bewegenden Anschluss oder Endabschnitt betrieben. Der feste Anschluss ist an dem Gehäuse angebracht oder auf einer Basisstruktur montiert, die er sich mit dem Gehäuse teilt. Der sich bewegende Anschluss des Aktors ist der Abschnitt des Aktors, der den größten Versatz relativ zu dem festgelegten Abschnitt des Aktors darstellt. Es wird als ein wichtiges Merkmal der Erfindung angesehen, dass die Schutzstruktur dazu angepasst ist, den Bereich des Versatzes des Aktors durch Berühren des Aktors in einem mittleren Abschnitt, der sich zwischen den zwei Anschlussabschnitten des Aktors befindet, zu begrenzen. Somit kann sich der Aktor frei bewegen, bei einer Aktivierung, innerhalb des Versatzbereichs, bis er in Berührung mit der Schutzstruktur gelangt, und Bezugnahmen auf eine Berührung sollten entsprechend verstanden werden. Eine solche Schutzstruktur schützt den Aktor gegen einen plötzlichen Stoß, wie er beispielsweise durch ein Fallen auf eine harte Oberfläche hervorgerufen wird, indem ein übermäßiger Versatz des Aktors verhindert wird, der einen Schaden hervorrufen würde.
Die vorliegende Erfindung wird dazu verwendet, Aktoren unterzubringen, die einen verhältnismäßigen großen Versatz haben können wie z. B. die Aktoren der Art, die oben erwähnt ist und in der WO-01/47041 oder in D. H. Pearce et al., Sensors and Actuators (Sensoren und Aktoren) A 100 (2002), 281-286 offenbart ist, wobei solche Aktoren insbesondere empfänglich gegenüber Beschädigung durch einen plötzlichen Aufprall sind.
Der Teil der Schutzstruktur, der dazu angepasst ist, in Berührung mit dem Aktor zu gelangen, ist nachgiebig, beispielsweise indem er aus einer Schicht aus nachgiebigem Material oder durch eine Mehrzahl von einzelnen elastischen Elementen gebildet ist, so dass er die kinetische Energie des Aktors absorbieren kann.
Wenn der nachgiebige Bereich eine Mehrzahl von einzelnen elastischen Elementen hat, die dazu angebracht sind, den Aktor zu berühren, können diese Elemente elastische Elemente, wie z. B. mechanische federartige Strukturen zum Entfernen von Energie aus dem Aktor bei einem Aufprall sein. Geeignete Strukturen enthalten beispielsweise elastische Träger, die entlang der Schutzstruktur angebracht sind.
Vorteilhafterweise ist die Schutzstruktur außerhalb des Nominalbereichs des Versatzes platziert. Der Nominalbereich des Versatzes des Aktors ist der Versatz, der durch den Aktor während normaler Betriebsbedingungen zur Schau gestellt wird. Die Grenzen des Nominalenbereiches des Versatzes definieren eine Oberfläche oder eine Hülle, außerhalb derer die Schutzstruktur angeordnet ist.
Vorteilhafterweise folgt die Schutzstruktur der Kontur, die durch die Grenzen des Nominalbereichs des Versatzes definiert wird. Beispielsweise kann die Schutzstruktur angeordnet sein, dass sie einen ungefähr konstanten Abstand von den Grenzen des Nominalbereichs des Versatzes an unterschiedlichen Punkten entlang des Aktors hat.
Das Schutzgehäuse der Erfindung kann unmittelbar beispielsweise durch Gießen aus Kunststoffmaterial hergestellt werden. Die Schutzstruktur kann vorteilhafterweise in einem Stück mit dem Gehäuse gegossen werden. Eine nachgiebige Schicht, wenn sie vorgesehen ist, kann beispielsweise durch Kleben an der Schutzstruktur angebracht werden. Alternativ kann die nachgiebige Schicht oder können die nachgiebigen Schichten in dem Gehäuse während der Herstellung durch ein Zweistrahlgussverfahren gebildet werden, bei dem das Gehäuse und die nachgiebigen Schichten aus unterschiedlichen Materialien innerhalb der gleichen Form erzeugt werden. Elastische Strukturen, wie z. B. elastische Träger, können vorteilhaft in einem Stück mit dem Gehäuse gegossen werden, wobei die geeignete Rampenkontur gebildet wird. Alternativ können Federstrukturen aus dünnen Metallblechen geschnitten werden, beispielsweise durch photochemisches Ätzen, nach Bedarf in die geeignete Form gebogen werden und dann in dem Gehäuse festgelegt werden, vorzugsweise durch gegossene Positionierkerne in dem Gehäuse.
Dieser und andere Aspekte der Erfindungen werden deutlich von der folgenden detaillierten Beschreibung des nicht begrenzenden Beispiels unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen.
In den Zeichnungen ist folgendes gezeigt:
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines super-gewendelten Biegers, der ein Linsensystem in einem Gehäuse trägt, entsprechend einem Beispiel der vorliegenden Erfindung; und
2 ist eine schematische Draufsicht auf einen super-gewendelten Bieger, der ein Linsensystem in einem Gehäuse gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung trägt;
3 ist ein schematischer Querschnitt eines super-gewendelten Biegers, der ein Linsensystem in einem Gehäuse entsprechend einem Beispiel der vorliegenden Erfindung trägt;
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Schutzstruktur, die nachgiebige Trägervorsprünge entsprechend einem Beispiel der vorliegenden Erfindung enthält;
5 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Schutzstruktur, die nachgiebige Finger entsprechend einem Beispiel der vorliegenden Erfindung enthält;
6 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Schutzstruktur, die geformte nachgiebige Finger entsprechend einem Beispiel der vorliegenden Erfindung enthält;
7 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Schutzstruktur, die nachgiebige becherförmige Finger entsprechend einem Beispiel der vorliegenden Erfindung enthält;
8 ist eine perspektivische Ansicht auf ein Kameragehäuse;
9 ist eine perspektivische Ansicht auf das Kameragehäuse von 8, wobei ein oberer Deckel entfernt ist; und
10 und 11 sind senkrechte schematische Querschnittsansichten des Kameragehäuses aus 8 und 9.
1 und 2 zeigen eine Kameraanordnung, die ein schützendes Gehäuse 20 aufweist, das sowohl in einem vertikalen Querschnitt (1) als auch in einem horizontalen Querschnitt (2) gezeigt ist.
In diesem Beispiel enthält der Aktor 21 ein piezoelektrisches, mehrschichtiges Biegerband, beispielsweise eine bimorphe Konstruktion, das sich helixförmig um eine Achse erstreckt, die selbst gekrümmt ist, wie es beispielsweise in der WO-01/47041 oder in D. H. Pearce et al., Sensors and Actuators (Sensoren und Aktoren) A 100 (2002), 281-286 beschrieben ist, deren Lehren auf die vorliegende Erfindung angewendet werden können. Insbesondere enthält der Aktor 21 ein Band, das helixförmig um eine erste Achse gewunden ist, die als die Nebenachse bezeichnet wird. Der helixförmig gewundene Bereich ist weiter in eine sekundäre Windung von etwa drei Viertel einer vollständigen Windung gewendelt. Die Achse dieser sekundären Windung wird als die Hauptachse bezeichnet. Die erste Windung ist als die Primärwindung oder Primärhelix bekannt. Wenngleich bei dieser Ausführungsform die sekundäre Windung etwa drei Viertel einer vollständigen Umdrehung ist, könnte im Allgemeinen die Sekundärwindung jede Kurve sein und sich eine vollständige Umdrehung drehen und eine Spirale oder sekundäre Helix bilden. Sie wird daher gewöhnlich als eine Sekundärkurve bezeichnet. Das Band ist angeordnet, dass es sich bei einer Aktivierung um die Nebenachse biegt. Aufgrund der helixförmigen Krümmung um die Nebenachse ist eine solche Biegung begleitet von der Verwindung des Aktors 21 um die Nebenachse. Aufgrund der Krümmung um die Hauptachse ist eine solche Verwindung begleitet durch einen relativen Versatz der Enden 211, 212 des Aktors 21.
Das proximale Ende 211 des Aktors 21 ist an dem Gehäuse 20 befestigt. Auf seinem distalen Ende 212 ist ein Objektivtubus 22 am ungefähren Zentrum des Gehäuses montiert. Folglich betreibt eine Aktivierung des Aktors 21 die Bewegung des Objektivtubus 22 relativ zu dem Gehäuse 21. Diese Art von Linsenaufhängung und Aktivierungssystemen sind genauer in der WO-02/103451 und der WO-03/048831 beschrieben.
Das Gehäuse des vorliegenden Beispiels enthält eine Schutzstruktur 25 in der Gestalt von zwei sich neigenden Oberflächen oder Rampen, die über und unter dem Aktor 21 näherungsweise den Konturen der jeweils oberen bzw. unteren Grenze des nominalen Versatzes des Aktors 21 folgend angeordnet sind, d. h. des Versatzes, der durch den Aktor 21 während normaler Betriebsbedingungen dargestellt wird, wodurch die Bewegung des Aktors 21 begrenzt wird. Diese Schutzstruktur 25 ist mit Schaumschichten 251 bedeckt, die auf den Aktor 21 gerichtet sind, so dass sie in Berührung mit dem sich bewegenden Aktor 21 gelangen.
Das Gehäuse 20 hat Endanschläge 201, die angeordnet sind, dass sie die Bewegung des Objektivtubus 22 begrenzen. Mit dem Auftreten eines Stoßes kann somit, wenn der Objektivtubus 22 die Endanschläge 201 trifft, der Aktor 21 als momentan an dem Gehäuse 20 an beiden Enden festgelegt angesehen werden. Zwischen beiden nun festgelegten Enden 211, 212, bewegen sich jedoch die verbleibenden Abschnitte des Aktors 21 weiter, wodurch möglicherweise, wenn keine Schutzstruktur 25 vorhanden ist, ein Schaden an seinem keramischen Material hervorgerufen wird. Da jedoch der Aktor 21 mit seinem mittleren Abschnitt die Schutzstruktur 25 berührt, ist die Bewegung des Aktors 21 eingeschränkt und die kinetische Energie des Aktors 21 wird durch die Schaumschicht 251 absorbiert, so dass das Risiko einer Beschädigung folglich reduziert ist.
Die Schutzstruktur 25, 251 ist so gestaltet, dass im Falle eines Aufpralls der Aktor 21 sie ungefähr gleichmäßig entlang seiner Länge berührt. In dem Beispiel biegt sie sich eine Hälfte einer Umwicklung über und unter die Sekundärdrehung des Aktors 21. Die Berührungsoberfläche 251 der Schutzstruktur kann konvex gestaltet sein, um ein breiteres Gebiet der Berührung mit dem äußeren Umfang des Aktors vorzusehen. Der Vorteil eines kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Abstützens ist unter Bezugnahme auf die folgende Tabelle dargestellt, die für den Fall einer Schutzstruktur von diskreten Elementen die Länge von Aktorabschnitten zwischen den diskreten Elementen listet (oder mit anderen Worten die relative Trennung zwischen benachbarten diskreten Elementen), und die maximale Anschlagkraft, die auf den Aktorabschnitt aufgebracht werden kann, ehe ein Schaden an ihm hervorgerufen wird.
Aus der Tabelle kann der Anschlagabstand berechnet werden. Es ist aus der Tabelle offensichtlich, dass engere Berührungspunkte, und im Grenzfall eine kontinuierliche Berührung, besser sind, um den Aktor zu stoppen, ehe er seinen Bruchpunkt erreicht.
3 zeigt einen vertikalen Querschnitt einer weiteren Kameraanordnung in einem schützenden Gehäuse. Diese Kameraanordnung ist ähnlich zu derjenigen von 1 und 2, so dass gleiche Elemente mit den gleichen Referenzziffern bezeichnet sind und eine Beschreibung davon nicht wiederholt wird. Die Kameraanordnung hat einen Aktor 21 der gleichen Art wie in 1. Der Aktor 21 ist an einem Objektivtubus 22 und an einem Gehäuse (Befestigungen sind nicht gezeigt) angebracht, das in diesem Fall zwei Teile enthält, nämlich ein unteres Gehäuse 26 und ein oberes Gehäuse 27. Eine transparente Abdeckung 221 und ein Bildsensor 222 sind über und unter dem Objektivtubus in dem oberen bzw. unteren Gehäuse 27, 26 gezeigt. In den Gehäuseteilen 26, 27 nimmt eine schützende Struktur 25 die Gestalt von sich neigenden Oberflächen oder Rampen an, die dem Aktor 21 von oben und unten folgen und darauf mit nachgiebigem Material 251 gerichtet sind. Ein zusätzlicher Schutz ist im Inneren des unteren Gehäuses 28 in der Gestalt von nachgiebigen Pads 281 vorgesehen, um einen Schutz gegenüber einer seitlichen Bewegung zu bieten.
Jeder Teil 26, 27 dieses Gehäuses kann durch einen Zweistrahlgussvorgang hergestellt werden, bei dem die Gehäuseteile 26,27 und das nachgiebige Material 251 und die nachgiebigen Pads 28 zusammen in dem gleichen Gussvorgang geformt werden. Beispielsweise kann das obere Gehäuse 27 gebildet werden, indem zuerst die nachgiebigen Pads 251 durch einen ersten Schuss von Harz in eine geeignete Form gebildet werden und dann das Gehäuse 27 auf der Oberseite der Pads 251 mit einem zweiten Schuss aus (unterschiedlichem) Harz geformt werden. In ähnlicher Weise kann das untere Gehäuse 26 in zwei Schüssen geformt werden, einen für die nachgiebigen Pads 251, 281 und einen für die steifere Gehäusestruktur 26.
3 zeigt auch einen weiteren Schutz für die Linse und das Aktorsystem in der Gestalt von Anschlägen 201 für den Objektivtubus, Endanschlägen 202 für die vollständige Anordnung und einem schützenden Pad 203 um den Objektivtubus. Diese zusätzlichen schützenden Merkmale können integral mit dem Gehäuse oder den Objektivtubuselementen, wie oben, gegossen werden. Die Anordnung von 3 sieht einen umfassenden Stoßschutz für ihre funktionalen Elemente (Aktor 21 und Objektivtubus 22) vor und kann direkt und kostengünstig massengefertigt werden.
4 bis 7 zeigen perspektivische Ansichten von alternativen schützenden Strukturen, die anstatt der schützenden Struktur 25 verwendet werden können, die in 1 bis 3 gezeigt ist. Insbesondere ist die nachgiebige Schaumschicht 251 von 1 bis 3 durch eine Mehrzahl von diskre ten, elastischen Elementen in der Gestalt von mechanischen Federstrukturen ersetzt, die dazu dienen, Energie aus dem sich bewegenden Aktor bei einem Aufprall zu entfernen. 4 bis 7 zeigen die untere schützende Struktur, wobei die obere schützende Struktur ein Spiegelbild davon ist.
4 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer solchen schützenden Struktur 35, die eine Federstruktur 351 innerhalb eines Gehäuses 30 enthält, zum Schutz eines keramischen Aktors und einer (nicht dargestellten) Objektivtubusanordnung, die ähnlich denjenigen in 1 sind. Die Federstruktur folgt der Rampenkontur, die bereits beschrieben wurde, und enthält eine Mehrzahl von nachgiebigen Trägervorsprüngen zum Berühren des Aktors bei einem Aufprall und zum Entfernen von Energie.
5 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform, bei der die Federstruktur 451 eine Vielzahl von nachgiebigen Trägern oder Fingern, wie ein Kamm, entlang der Rampenkontur der schützenden Struktur 45 innerhalb eines Gehäuses 40 ist. Die Finger 451 wiederholen sich entlang der gesamten Länge der schützenden Struktur 45, wenngleich nur eine kleine Anzahl von Fingern 451 in der Zeichnung gezeigt ist.
6 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform, bei der die nachgiebigen Träger oder Finger der Federstruktur 551 (auf der schützenden Struktur 55 in dem Gehäuse 50) in einer "S" Form sind. Diese Form erlaubt es den Fingern, dass sie länger als in der Ausführungsform nach 5 sind.
7 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform, bei der die nachgiebigen Träger der Federstruktur 651 becherförmig sind, so dass, wenn sie in Berührung mit dem gewendelten keramischen Aktor (nicht dargestellt) kommen, die Last über eine größere Fläche verteilt wird. Die Becher sind gestaltet, dass sie der Krümmung der Oberfläche des keramischen Aktors folgen. Die becherförmigen Finger 651 wiederholen sich entlang der Länge der schützenden Struktur 65 innerhalb des Gehäuses 60; in der Zeichnung sind nur drei der becherförmigen Finger gezeigt.
Die in 1 bis 7 gezeigten Ausführungsformen sind Beispiele für nachgiebige Strukturen, und es wird deutlich, dass andere Variationen in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.
In 8 ist ein Kameragehäuse 100 für eine Miniaturkamera gezeigt. Das Gehäuse 100 enthält einen oberen Deckel 101 mit einer zentralen Öffnung oder einem Loch 102 für den Durchlass von Licht von der Umgebung in das Innere des Gehäuses 100. Die Öffnung kann durch einen optischen Filter bedeckt sein. Der untere Abschnitt des Gehäuses 100 enthält einen unteren Deckel 103 und eine Basisplatte 104. Die Basisplatte trägt den Bildsensor (nicht dargestellt), der eine CCD oder eine CMOS Einrichtung sein kann, zusammen mit anderen Kreisen zum Erfassen des Bildes und zum Übertragen von ihm an andere Teile der Kamera.
Auf einer Seite des Gehäuses 100 ist eine Verankerungsplatte 105 gezeigt, die Montagepunkte für ein Aufhängungssystem, das nachfolgend zu beschreiben ist, vorsieht. Eine andere Platte 106 wird dazu verwendet, das festgelegte Ende 111 eines piezoelektrischen Aktors 110 zu montieren.
Um die Kamera und den Aktor weiter zu schützen, kann das Gehäuse 100 in einen Block aus geeignetem Kunststoffmaterial gegossen sein.
Das Gehäuse 100 wirkt als eine Stützstruktur für einen Linsenhalter 120 wie folgt.
9 zeigt das Gehäuse 100, wobei der obere Deckel 101 entfernt ist, und somit der Linsenhalter (oder Tubus) 120 mit einer ersten oberen Linse 121 sichtbar freigelegt ist. Der Linsenhalter 120 hat eine nominale zylindrische Form, die entlang einer Seite 122 abgeflacht ist, um eine Montageoberfläche für die Aufhängung 130 vorzusehen. Der Linsenhalter 120 ist axial relativ zu dem Gehäuse 100 zum Ermöglichen einer Fokussierung bewegbar.
Der Aktor 110 enthält ein piezoelektrisches Mehrschichtbiegerband, beispielsweise eine bimorphe Konstruktion, das sich helixförmig um eine Achse erstreckt, die selbst gekrümmt ist, wie es beispielsweise in der WO-01/47041 oder in D. H. Pearce et al., Sensors and Actuators (Sensoren und Aktoren) A 100 (2002), 281-286 beschrieben ist. Insbesondere enthält der Aktor 110 ein Band, das helixförmig um eine erste Achse gewunden ist, die als eine erste Nebenachse bezeichnet wird. Der helixförmig gewundene Bereich ist weiter in eine Sekundärwindung von etwa drei Viertel einer vollständigen Umwickelung gewendelt. Die Achse dieser Sekundärwindung wird als die Hauptachse bezeichnet. Die erste Windung ist als die Primärwindung oder Primärhelix bekannt. Wenngleich in dieser Ausführungsform die Sekundärwindung etwa drei Viertel einer vollständigen Umdrehung ist, könnte im Allgemeinen die Sekundärwindung jede Kurve sein und sich eine Umwicklung erstrecken und eine Spirale oder Sekundärhelix bilden. Sie wird daher allgemein als eine Sekundärkurve bezeichnet. Das Band ist angeordnet, dass es sich bei einer Aktivierung um die Nebenachse biegt. Aufgrund der Helixkurve um die Nebenachse ist eine solche Biegung begleitet durch die Verwindung des Aktors 110 um die Nebenachse. Aufgrund der Krümmung um die Hauptachse ist eine solche Verwindung begleitet von einem Relativversatz der Enden 111, 112 des Aktors 110.
Der Linsenhalter 120 ist in dem Zentrum des Aktors 110 platziert. Das sich bewegende Ende 112 des Aktors 110 ist an dem Linsenhalter 120 an einem Punkt oder in einem Gebiet in der mittleren Höhe des Linsenhalters 120 angebracht, d. h. nahe an seinem Äquator. Folglich betreibt eine Aktivierung des Aktors 110 die Bewegung des Linsenhalters 120 relativ zu dem Gehäuse 100. Diese Art von Linsenaufhängung und Aktivierungssystem ist genauer in der WO-02/103451 beschrieben.
Das festgelegte Ende 111 des Aktors 110 erstreckt sich in einen flachen Bereich, der als ein Streifen zum Verbinden des Aktors 110 mit dem Gehäuse 100 dient. Dieser Streifen hat elektrische Kontaktpads 113 auf der Bodenfläche, die auf entsprechende Kontaktpunkte auf dem Board 106 gelötet sind. Durch diese Kontakte werden externe Steuerungssignale oder Spannungsniveaus auf die Elektroden des Aktors 110 aufgebracht.
Die Aufhängung 130 wird nun unter Verweis auf die 10 beschrieben, die eine Querschnittsansicht der Aufhängung 130 ist.
Die Aufhängung 130 ist eine spezielle Form einer Vierstabverbindung, die vier Verbindungen enthält, die gelenkig miteinander in der Gestalt eines Parallelogramms wie folgt verbunden sind. Die erste Verbindung ist ein erstes Befestigungselement 132, das steif an dem Gehäuse 101, 103 angebracht ist. Die zweite Verbindung ist ein zweites Befestigungselement 134, das steif an dem Linsenhalter 120 angebracht ist. Die verbleibenden zwei Verbindungen sind zwei Verbindungselemente 133, 135, die sich jeweils parallel zueinander zwischen dem ersten und dem zweiten Befestigungselement 132, 134 erstrecken und gelenkig mit dem ersten und dem zweiten Befestigungselement 132, 134 wie folgt verbunden sind. Die Verbindungen 132 bis 135 sind integral aus einem kontinuierlichen Materialstück geformt. Die Dicke des kontinuierlichen Materialstücks, das jede Verbindung 132 bis 135 bildet, läuft in Richtung auf die Bereiche, die zu jedem angrenzenden Paar von Verbindungen 132 bis 135 sich anschließen, zu, so dass das Material auf eine dünne Brücke, die die zwei benachbarten Verbindungen 132 bis 135 verbindet, reduziert ist, während der mittlere Abschnitt von jeder Verbindung 132 bis 135 verhältnismäßig steif bleibt.
Als eine Folge bieten die Aufhängungen 130 und ihre Verbindungen 132 bis 135 einen kleinen Widerstand gegen eine Bewegung des Linsenhalters 120 in der gewünschten (vertikalen) Richtung, jedoch einen deutlich größeren Widerstand gegenüber einer Bewegung in den anderen Richtungen. Die Verbindungen 132 bis 135 und somit die Bereiche, die sich an jedes angrenzende Paar von Verbindungen 132 bis 135 anschließen, haben eine Breite von etwa 4 mm, und der nominale Durchmesser des Linsenhalters 120 ist 9,5 mm, was somit effektiv eine Rotationsbewegung oder eine Schrägstellbewegung des Tubus verhindert.
Jeder der Bereiche, der sich an jedes benachbarte Paar von Verbindungen 132 bis 135 anschließt, erstreckt sich linear in der Richtung seiner Achse der Relativrotation entlang des Umfangs des Linsenhalters 120, was somit einen Widerstand gegenüber Torsionskräften vorsieht, die anderenfalls zu einer Schrägstellung der aufgehängten Kamera führen könnten. Die Länge der Bereiche, die jedes benachbarte Paar von Verbindungen 132 bis 135 in dem oben stehenden Beispiel verbinden, ist näherungsweise ein Drittel bis zur Hälfte des Durchmessers des Linsenhalters.
In dem Beispiel ist die Aufhängung 100 vorzugsweise aus einem einzigen Stück aus Polypropylen gebildet. Andere geeignete Kunststoffmaterialien beinhalten Polyethylen oder Polyamid (Nylon). Alternativ können die Stäbe der Aufhängung aus Metall oder Metalllegierungen gebildet sein. Die Aufhängung kann druckgegossen oder spritzgegossen sein.
Es ist deutlich, dass der Linsenhalter 120 nur durch die Aufhängung 130 und den Aktor 110 gelagert ist. Das System ist frei von anderen möglichen Reibungsquellen, wie z. B. Führungsschienen oder Säulen, um die mögliche Menge von Kraft zu reduzieren, die der Aktor vorsehen muss. Es wurde herausgefunden, dass die Schrägstellung des Linsenhalters 120 innerhalb der Grenzen gehalten werden kann, die erforderlich sind, um Bilder in VGA oder in SVGA Qualität zu erzeugen, selbst wenn die Aufhängung 130 sich an den Linsenhalter 120 ausschließlich innerhalb eines Sektors von weniger als 90 Grad anschließt und sowohl der Aktor 110 als auch die Aufhängung 130 mit dem Linsenhalter 120 innerhalb eines Sektors von weniger als 120 Grad verbunden sind.
Die Kameraanordnung hat auch Schutzstrukturen der gleichen Art wie diejenigen, die in 1 bis 3 beschrieben sind, wie es in 10 und 11 gezeigt ist, insbesondere in der Form von nachgiebigen Polyurethanschaumschichten 108, die auf innere Oberflächen des Gehäuses 100 um den Aktor 110 geklebt sind. Auf die oben unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschriebene Weise schützen die Schichten 108 den Aktor 110 vor einer plötzlichen Stoßkraft, insbesondere, wenn die Kraft den Aktor 110 in einer Richtung beschleunigt, die durch die Aufhängung 130 nicht begrenzt ist. In 10 und 11 ist diese Richtung die vertikale Richtung in der Zeichenebene. Der Abstand zwischen dem Aktor 110 in seinem inaktiven Zustand und den Schaumschichten 108 nimmt in Richtung auf das sich bewegende Ende des Aktors zu, so dass sie mit dem nominalen Versatz des Aktors während des normalen Betriebs der Kamera nicht in Wechselwirkung gelangen.

Claims

Gehäuse (20), in dem ein keramischer Aktor (21) montiert ist, der ein Bieger ist, der sich in einer Helix um eine Achse erstreckt, die gekrümmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine Schutzstruktur (25) enthält, die eine kontinuierlich sich neigende Rampe enthält, die einen nachgiebigen Bereich hat, der auf den Aktor gerichtet ist, und angeordnet ist, den Bewegungsbereich des Aktors durch Berührung eines mittleren Abschnitts des Aktors zwischen festgelegten und sich bewegenden Anschlüssen (211, 212) des Aktors zu begrenzen.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei die sich neigende Rampe ein steifes Element ist wobei der nachgiebige Bereich und das steife Element zusammen im gleichen Formvorgang geformt sind.
Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schutzstruktur außerhalb eines Nominalbereichs des Versatzes des Aktors angeordnet ist.
Gehäuse nach Anspruch 3, wobei die Schutzstruktur angeordnet ist, dass sie den Aktor an Punkten entlang einer Kontur berührt, die durch die Grenzen des nominalen Bereichs des Versatzes des Aktors definiert sind.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter enthaltend einen Anschlag, der dazu angeordnet ist, den Versatz des sich bewegenden Anschlusses des Aktors zu begrenzen.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter enthaltend ein Linsensystem (22), das durch den Aktor betätigt wird.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der nachgiebige Bereich eine Schicht (251) aus nachgiebigem Material ist.
Gehäuse nach Anspruch 7, wobei die Schicht aus nachgiebigem Material eine Schaumschicht ist.
Gehäuse nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Oberfläche der Schicht des nachgiebigen Materials, die auf den Aktor gerichtet ist, eine konvexe Form hat.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der nachgiebige Bereich eine Mehrzahl von einzelnen elastischen Elementen (351, 451, 551, 651) enthält.
Gehäuse nach Anspruch 10, wobei die einzelnen elastischen Elemente mechanische Federstrukturen sind.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzstruktur zwei kontinuierlich sich neigenden Rampen enthält, die auf gegenüberliegenden Seiten des Aktors angeordnet sind.