TWI449983B - 壓電式鏡頭驅動模組 - Google Patents

Description

壓電式鏡頭驅動模組

本發明是關於一種壓電式鏡頭驅動模組，尤指一種利用一壓電馬達驅動一鏡頭模組並藉由一摩擦體與該鏡頭模組間產生一預設之摩擦力，達到減少該鏡頭模組本身之重力造成變焦或對焦移動時所產生之速差。

請參閱圖一所示，圖一為習用對焦鏡頭之立體分解示意圖。於習用對焦鏡頭中所使用的機械傳動式對焦機構9，其使用高成本的精密驅動元件91作為驅動設有鏡頭組92的承載座93的動力來源(例如：步進馬達、超音波馬達....等等)以及相當多的傳動元件。不僅使得機械架構複雜，而具有組裝步驟繁瑣不易、體積大還有成本高昂之缺失，同時還有耗電量大的嚴重缺點，造成價格無法下降。

隨著科技的日新月益，傳統專用攝影裝置不僅不斷的提高畫質並朝著輕、薄、短、小的目標邁進，以便於適合多元化的資訊時代之新產品。並且，更利用音圈馬達(VCM)或是壓電馬達(piezoelectric motor)所構成之驅動裝置，來取代傳統技術所使用的步進馬達，而能進一步的減少驅動結構的體積。同時也針對各種不同功能產品進行整合，例如將攝影功能與行動通訊功能之手機結合、將攝影功能與個人數位助理(PDA)結合或是將攝影功能與筆記型電腦結合，令其具有更強大的視訊功能。

壓電馬達(piezoelectric motor)係藉由壓電(piezoelectric)材料所形成，利用對壓電馬達施予一電壓以產生制動力(actuating force)，藉以達到驅動鏡頭模組位移，進而提供對焦或變焦之功能。其中，壓電馬達所產生之壓電效應是可逆的，所以把材料因體積變化而產生電壓的效應稱為「正壓電效應」；反之，材料因加入電壓而造成體積變化的效應稱為「逆壓電效應」；而具有壓電效應的材料則統稱為「壓電材料」。具壓電效應的材料除了天然的晶體，如石英、電氣石、羅德鹽等材料以外，還能以人工的方式製造，如氧化鋅、聚合物、陶瓷材料、複合材料等。其中，壓電陶瓷材料因為具有體積小、響應快速、位移量小、消耗功率低等特色，同時也具有製造容易、可製成任何形狀、且其特性可隨組成做多樣性的變化等優點，所以，目前已經成為壓電元件的主流。

然而，由於壓電馬達在施加電壓後，是以波浪狀扭轉方式並藉由摩擦力來推動鏡頭模組，因此，在驅動的過程中，壓電馬達與鏡頭模組之間的制動力(摩擦力)並非定值，而是呈波浪狀振幅般反覆且快速地改變制動力的大小。所以，當鏡頭模組的位移方向是垂直上下方向時，該鏡頭模組本身之重力將會在壓電馬達之制動力相對較小的期間產生相對較大之影響，進而導致變焦或對焦移動時的速差。也就是說，當壓電馬達欲驅動鏡頭模組垂直向上位移時的速度，因為需克服鏡頭模組本身之重力，所以會比驅動鏡頭模組向下位移時的速度來的慢。而且，經實驗可知，在給予相同電壓等操作條件的前提下，以壓電馬達驅動鏡頭模組向上(向前)與向下(向後)位移的速度比會高達1:1.7；而如此大的速差將會使鏡頭模組之精密定位控制的困難度提高、或是需增加定位模組的電路複雜度與成本。

本發明之主要目的是在於提供一種壓電式鏡頭驅動模組，係藉由在一殼體上設置一壓電元件，並透過該壓電元件來驅動一鏡頭模組該殼體內進行軸向運動，並經由一摩擦體與該鏡頭模組間產生一預設之摩擦力，達到減少該鏡頭模組本身之重力於變焦或對焦移動時所產生之速差之目的。

為達上述之目的，本發明揭露了一種壓電式鏡頭驅動模組，係定義有一攝像光軸，其包括有：一殼體、一被驅動物件(鏡頭模組)、一壓電元件、以及一摩擦體。該壓電元件與該摩擦體係分別位於該被驅動物件(鏡頭模組)一側邊並設置於殼體內，透過該壓電元件藉由摩擦方式驅動該被驅動物件(鏡頭模組)沿該攝像光軸移動以進行對焦。經由該摩擦體與該鏡頭模組間產生一預設之摩擦力，減少該被驅動物件(鏡頭模組)本身之重力於該攝像光軸前、後移動時所產生之速差，且將前、後移動的速度比控制於1：1.3之內，進一步使該壓電式鏡頭驅動模組透過該壓電元件驅動該被驅動物件(鏡頭模組)於該攝像光軸前、後移動時之速度更為穩定。

為了能更清楚地描述本發明所提出之壓電式鏡頭驅動模組，以下將配合圖式詳細說明之。

本發明之壓電式鏡頭驅動模組的主要原理，乃是藉由在一殼體上設置一壓電元件來驅動一鏡頭模組於該殼體內進行變焦或對焦之位移，更藉由一摩擦體與該鏡頭模組間產生一預設之摩擦力，減少該鏡頭模組本身之重力於光軸前、後移動時所產生之速差，使該壓電元件所驅動該鏡頭模組於變焦或對焦時更為穩定。

所謂壓電元件利用壓電元件內的壓電材料(piezoelectric material)的負壓電效應，也就是在壓電材料上施加一電壓，使壓電材料產生形變而造成位移。壓電元件依照不同壓電材料之應變運動方式可分為：1.直線縱向運動：包含單板型與積層型，其具有高剛性與軸向推力大的優點；2.彎曲橫向運動：包含單壓電晶片型(Unimorph)與雙壓電晶片型(Bimorph)，此種運動方式之元件可產生較大的位移空間。

於本發明壓電式鏡頭驅動模組所使用的壓電元件係為一種稱為壓電馬達(piezoelectric motor)之制動元件，其係藉由壓電(piezoelectric)材料所形成，利用對壓電馬達施予一電壓以產生制動力(actuating force)，藉以達到將該鏡頭模組位移修正至最佳攝像位置。由於在此所述之該壓電馬達可自現有習知技術中選用且非本發明之主要技術特徵，故在此不再詳加贅述其構成。

請參閱圖二、圖三、圖四所示，分別為本發明壓電式鏡頭驅動模組之立體分解示意圖、立體組合示意圖、以及A-A剖面示意圖。其中，於本發明之壓電式鏡頭驅動模組1係定義有一攝像光軸4，其包括有：一殼體11、一被驅動物件(鏡頭模組12)、一被摩擦件13、至少一壓電元件14、一摩擦體15、一預壓元件16、一導向機構17、一位置偵測模組18、以及一上蓋19。該攝像光軸4上定義了一第一軸向41與一第二軸向42。該位置偵測模組18更包括：一位置感應器181、以及一永久磁石182。

該殼體11實質上係為貫穿且內部具有一容置空間110的中空殼體結構，其更包括：一頂面111、一底面112、一外側面113、一固定槽114、一第一卡槽115、以及一第二卡槽116。於本發明實施例中，該被驅動物件可以是一鏡頭模組12，且該鏡頭模組12係為變焦鏡頭模組或對焦鏡頭模組其中之一。該鏡頭模組12更包括有：一鏡頭承載座121、以及一鏡頭122；其中，該鏡頭122可結合於該鏡頭承載座121中央之一結合處1211，並與該鏡頭承載座121呈同步位移，且該鏡頭承載座121外側周緣係設置有一第一結合槽1213以及一第二結合槽1214。

於本實施例中，該至少一壓電元件14，係設置於該殼體之上，並鄰靠於該鏡頭模組12(被驅動物件)之一第一側面；並且，該第一結合槽1213是位於該鏡頭模組12之該鏡頭承載座121的一第二側面上，而該第二結合槽1214是位於該鏡頭模組12之該鏡頭承載座121上與該第二側面相對的另一側面上。於本實施例中，該第一側面與該第二側面是相同側面，但是，其也可以是不同側面；並且，該攝像光軸4係與第一側面及該第二側面平行者。

該鏡頭模組12係位於該容置空間110內，並透過該導向機構17將該鏡頭模組12的中心線保持於該攝像光軸4之上並可沿該攝像光軸4之方向進行有限度的線性位移且無法旋轉。該被摩擦件13係位於該鏡頭承載座121且固定於該第一結合槽1213之上，以分別提供該壓電元件14以及該摩擦體15予以抵靠摩擦。亦即，該摩擦體15實質上是位於該殼體之上並鄰靠於該鏡頭模組12(被驅動物件)之鏡頭承載座121之第二側面上的摩擦件13上。

於本發明實施例中，該壓電元件(Pizeo member) 14係為一壓電馬達且設置於該殼體11之該固定槽114內，並抵靠於該鏡頭模組12之該被摩擦件13上。而該壓電馬達之使用頻率可以是120KHz或是其他頻率，用以帶動該鏡頭模組12於該容置空間110內之該攝像光軸4之第一軸向41與第二軸向42上進行位移。另外，該壓電元件14係可與一電路板141做電性連接，當透過該電路板141對該壓電元件14施加一預設電壓時，利用壓電馬達本身之特性可藉由摩擦的方式驅使鏡頭模組12進行沿該第一軸向41與第二軸向42之線性位移，以達到令該壓電式鏡頭驅動模組1產生變焦或對焦的效果。

由於該鏡頭模組12本身所具有之重力G使得該鏡頭模組12透過該壓電元件14進行第一軸向41或第二軸向42之位移變焦或對焦時，該鏡頭模組12往該第一軸向41或該第二軸向42前、後移動時所產生之速差，也因此造成了影像品質的不穩定。也就是說，當該壓電式鏡頭驅動模組1朝上(仰角)或朝下(俯視)擷取外界影像時，該鏡頭模組12本身之重力G由於受到地心引力之關係造成該鏡頭模組12之該第一軸向41或該第二軸向42於同地心引力方向時之速度較反向移動之速度較快。舉例來說，在暫時假設本發明獨特設計之摩擦體15暫時不存在的前提之下，當該壓電式鏡頭驅動模組1之該殼體11之頂面111朝上(仰角)時(第二軸向大致朝地心引力方向)，該壓電元件14所帶動該鏡頭模組12往該第一軸向41之速度S1與往該第二軸向42之速度S2比(S1：S2)可能高達1：1.7；反之，當該壓電式鏡頭驅動模組1之該殼體11之頂面111朝下(俯視)時(第一軸向大致朝地心引力方向)，該壓電元件14所帶動該鏡頭模組12往該第一軸向41之速度S1與往該第二軸向42之速度S2比(S1：S2)可能高達1.7：1。

因此，本發明藉由將獨特設計之該摩擦體15設置於該殼體11之該第一卡槽115內上，並同時抵靠於該鏡頭模組12之該被摩擦件13上，以針對該鏡頭模組12移動時產生一摩擦力。使得該壓電式鏡頭驅動模組1無論該第一軸向41或該第二軸向42其中之一與地心引力大致同方向時，該壓電元件14所帶動該鏡頭模組12往該第一軸向41之速度S1與該第二軸向42之速度S2之比例(S1：S2)控制於1：1.3或者是1.3：1之內。藉由該摩擦體15本身之一彈性力來保持始終接觸於該被摩擦件13上進而產生摩擦力F，在被壓電元件14對鏡頭模組12所施加之制動力相對較小的期間，來減少該鏡頭模組12因本身重力G之故而產生之速差，進一步使該壓電式鏡頭驅動模組1透過該壓電元件14驅動該鏡頭模組12於該攝像光軸4之第一軸向41與第二軸向42前、後移動時之速度更為穩定。

該預壓元件16係設置於該殼體11之上，並位於該上蓋19與該壓電元件14之間，也就是大致位於該壓電元件14之後方並針對該壓電元件14施以一預壓力。而該預壓元件16之一固定端161係結合於該殼體11之該第二卡槽116內，且另一壓制端162係為弧形彎折突出狀且針對該壓電元件14後方施以一彈性之預壓力以增加該鏡頭模組12與該壓電元件14間之摩擦力。該導向機構17係包括兩導桿171、171’(以下該導向機構稱之為導桿)，且分別結合於該鏡頭承載座121之兩對邊處之一導孔1212(或是導槽1212’)上。於本發明實施例中，該摩擦體15以及該預壓元件16係分別為金屬片狀之彈片。

於本發明實施例中，該導向機構17係延伸並結合於該殼體11之內，且提供該鏡頭模組12於該容置空間110內進行軸向線性運動。該導向機構17係至少包括以下其中之一：導桿或是導軌。於本發明實施例中，該導向機構17係可以是兩根細長導桿171、171’分別搭配該鏡頭承載座121上所預設並貫穿之導孔1212及導槽1212’所構成。該兩導桿171、171’之上、下兩端係分別固定於該殼體11之該頂面111以及該底面112之一結合端1111、1121之上，於該容置空間110內形成與該攝像光軸4相同之軸向軌道以提供該鏡頭承載座121透過該導孔1212(或是導槽1212’)架置於兩導桿171、171’之上，進而使該鏡頭承載座121可受該壓電元件14通電驅動而在該容置空間110內沿該攝像光軸4之軸向穩固的朝第一與第二軸向41、42前後線性移動且無旋轉之虞。

該位置偵測模組18係可以是磁力感測元件的感磁式位置偵測模組18，藉由磁力感測元件來偵測磁鐵之磁力變化進一步計算出該鏡頭模組12於第一與第二軸向41、42上之位置移動量，並且計算出該鏡頭模組12與該殼體11間之相對位置。該位置感應器181係結合於該殼體11之該外側面113上，並位於一第一凹槽1131之內，且與該鏡頭模組12外緣所設置之一第二結合槽1214內之該永久磁石182相對應，藉以感測該鏡頭模組12於該殼體11的容置空間110內位移量。

於另一實施例中，該位置偵測模組18也可以是包含有發光元件與光接收元件之光學式位置偵測模組18，並在該鏡頭模組12之外緣相對於該位置偵測模組18的位置處設置有光反射面；藉由發光元件發出光經該光反射面之反射後再由光接收元件接收以其變化來計算出該鏡頭模組12於第一與第二軸向41、42上之位置移動量。

該上蓋19係具有一貫孔191之中空蓋體，並覆蓋結合於該殼體11之上。透過該上蓋19將該鏡頭模組12定位於該容置空間110之內，並且將該預壓元件16限制於該殼體11之上。也就是說，該上蓋19與該殼體11相互結合時，藉由該上蓋19進一步限制該預壓元件16於該上蓋19與該殼體11之間；同時，位於容置空間110內之該鏡頭模組12可以透過該貫孔191處擷取外界影像。

以下所述之本發明其他較佳實施例中，因大部份的元件係相同或類似於前述實施例，故相同之元件與結構以下將不再贅述，且相同之元件將直接給予相同之名稱及編號，並對於類似之元件則給予相同名稱但在原編號後另增加一英文字母以資區別且不予贅述，合先敘明。

請參閱圖五、圖六、圖七、圖八所示，係分別為本發明壓電式鏡頭驅動模組第一較佳實施例之立體分解示意圖、側視分解示意圖、立體組合示意圖、以及B-B剖面示意圖。由於圖五、圖六、圖七、圖八之本發明壓電式鏡頭驅動模組第一較佳實施例其大體與上述圖二、圖三、圖四所示之實施例類似，故相同之元件與結構以下將不再贅述。

本發明之第一較佳實施例的壓電式鏡頭驅動模組與前述實施例之不同點在於，該壓電式鏡頭驅動模組1a之該被摩擦件13a係為一圓柱狀之摩擦件，且該被摩擦件13a係結合於該第一結合槽1213a之內，並與該鏡頭承載座121a同步於該攝像光軸4上進行位移。圓柱狀之摩擦件13a可以提供相對較小且近似於線狀之接觸，而能提供更穩定的摩擦效果。於本發明第一較佳實施例中，該被摩擦件13a係以黏合的方式貼附於該第一結合槽1213a之內，且於該殼體11a內緣處所設置半圓弧槽狀之一滑軌117a上做線性移動，並提供該壓電元件14以及該摩擦體15a進行線接觸；此外，該被摩擦件13a之材質係可以是金屬或陶瓷其中之一，以避免與該壓電元件14接觸摩擦時產生損壞。

該摩擦體15a係貼附於該外殼11a之內緣處，並位於該壓電元件14之一側邊，且與該被摩擦件13a進行接觸以產生一預設之摩擦力。該預壓元件16a係為一金屬狀片體並位於該壓電元件14後方處，且分別於該預壓元件16a兩端部163a、163a’設有一彈性體164a，而該兩彈性體164a則分別彈性結合於該外側面113a之兩第二凹槽1132a之內，利用該預壓元件16a針對該壓電元件14背面施以一預設壓制力，以確保該壓電元件14與該被摩擦件13a保持接觸狀態。

此外，於該殼體11a之該頂面111a貫穿處設有一嵌階部1112a以提供另一鏡片組123a予以結合，該鏡片組123a係位於該攝像光軸4之上，並與該殼體11a內之該鏡頭模組12a相對應，透過該壓電元件14驅動該鏡頭模組12a以調整該鏡頭122a與該鏡片組123a間之距離，進一步達到令該壓電式鏡頭驅動模組1a產生變焦或對焦的效果。

唯以上所述之實施例不應用於限制本發明之可應用範圍，本發明之保護範圍應以本發明之申請專利範圍內容所界定技術精神及其均等變化所含括之範圍為主者。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。

9．．．機械傳動式對焦機構

91．．．驅動元件

92．．．鏡頭組

93．．．承載座

1、1a．．．壓電式鏡頭驅動模組

11、11a．．．殼體

110．．．容置空間

111、111a．．．頂面

1111．．．結合端

1112a．．．嵌階部

112．．．底面

1121．．．結合端

113．．．外側面

1131．．．第一凹槽

1132a．．．第二凹槽

114．．．固定槽

115．．．第一卡槽

116．．．第二卡槽

117a．．．滑軌

12、12a‧‧‧被驅動物件(鏡頭模組)

121、121a‧‧‧鏡頭承載座

1211‧‧‧結合處

1212‧‧‧導孔

1212’‧‧‧導槽

1213、1213a‧‧‧第一結合槽

1214‧‧‧第二結合槽

122、122a‧‧‧鏡頭

123a‧‧‧鏡片組

13、13a‧‧‧被摩擦件

14‧‧‧壓電元件

141‧‧‧電路板

15、15a‧‧‧摩擦體

16、16a‧‧‧預壓元件

161‧‧‧固定端

162‧‧‧壓制端

163a、163a’‧‧‧端部

164a‧‧‧彈性體

17‧‧‧導向機構

171、171’‧‧‧導桿

18‧‧‧位置偵測模組

181‧‧‧位置感應器

182‧‧‧永久磁石

19‧‧‧上蓋

191‧‧‧貫孔

4‧‧‧攝像光軸

41‧‧‧第一軸向

42‧‧‧第二軸向

圖一係習用對焦鏡頭之立體分解示意圖。

圖二係本發明壓電式鏡頭驅動模組之立體分解示意圖。

圖三係本發明壓電式鏡頭驅動模組之立體組合示意圖。

圖四係本發明壓電式鏡頭驅動模組之A-A剖面示意圖。

圖五係本發明壓電式鏡頭驅動模組第一較佳實施例之立體分解示意圖。

圖六係本發明壓電式鏡頭驅動模組第一較佳實施例之側視分解示意圖。

圖七係本發明壓電式鏡頭驅動模組第一較佳實施例之立體組合示意圖。

圖八係本發明壓電式鏡頭驅動模組第一較佳實施例之B-B剖面示意圖。

1．．．壓電式鏡頭驅動模組

11．．．殼體

110．．．容置空間

111．．．頂面

1111．．．結合端

112．．．底面

1121．．．結合端

113．．．外側面

1131．．．第一凹槽

114．．．固定槽

115．．．第一卡槽

116．．．第二卡槽

12．．．被驅動物件(鏡頭模組)

121．．．鏡頭承載座

1211．．．結合處

1212．．．導孔

1212’．．．導槽

1213．．．第一結合槽

1214．．．第二結合槽

122．．．鏡頭

13．．．被摩擦件

14．．．壓電元件

141．．．電路板

15．．．摩擦體

16．．．預壓元件

161．．．固定端

162．．．壓制端

17．．．導向機構

171、171’．．．導桿

18．．．位置偵測模組

181．．．位置感應器

182．．．永久磁石

19．．．上蓋

191．．．貫孔

4．．．攝像光軸

41．．．第一軸向

42．．．第二軸向

Claims (9)

1. 一種壓電式鏡頭驅動模組，係定義有一攝像光軸，其包括有：一殼體，其內部具有一容置空間；一被驅動物件，係設置於該容置空間內；至少一壓電元件，係設置於該殼體之上，並鄰靠於該被驅動物件之一第一側面；一摩擦體，係位於該殼體之上並鄰靠於該被驅動物件之一第二側面；其中該第一側面與該第二側面可以是相同側面也可以是不同側面，並且，該攝像光軸係與第一側面及該第二側面平行；以及一被摩擦件，該被摩擦件係設置於該被驅動物件之上，以提供該至少一壓電元件以及該摩擦體予以抵靠摩擦；其中，該摩擦體係貼附於該殼體之內緣處，並位於該壓電元件之一側邊，且與該被摩擦件進行接觸以產生一預設之摩擦力；其中，藉由對壓電元件施加一電壓可驅使該被驅動物件於該攝像光軸上進行位移，並透過該摩擦體與該被驅動物件之該被摩擦件之間產生一預設之摩擦力，以減少該被驅動物件於位移時因本身之重力所產生之速差。
2. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式鏡頭驅動模組，其中，該被驅動物件於該攝像光軸前、後移動時所產生之速差比控制於1：1.3之內。
3. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式鏡頭驅動模組，其 中，該至少一壓電元件係為一壓電馬達；該被驅動物件是一鏡頭模組，且該鏡頭模組係為變焦鏡頭模組或對焦鏡頭模組其中之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式鏡頭驅動模組，其中，更包括：至少一位置偵測模組；該位置偵測模組則設置於該殼體之上，並藉由該位置偵測模組偵測出該被驅動物件於該攝像光軸之移動程度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式鏡頭驅動模組，其中，更包括：一預壓元件以及一上蓋；該預壓元件係設置於該殼體之上，針對該壓電元件施加一預壓力以保持該被驅動物件與該壓電元件間之接觸狀態；透過該上蓋將該被驅動物件定位於該容置空間之內，並且將該預壓元件限制於該殼體之上。
6. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式鏡頭驅動模組，其更包括一導向機構，該導向機構係連結於該被驅動物件且位於該容置空間之內，可導引被驅動物件沿該攝像光軸方向移動；該導向機構係至少包括以下其中之一：導桿或是導軌。
7. 如申請專利範圍第5項所述之壓電式鏡頭驅動模組，其中，該預壓元件係為一金屬狀片體並位於該壓電元件後方處，且分別於該預壓元件兩端部設有一彈性體，且分別彈性結合於該殼體之一外側面所設置之兩第二凹槽之內，利用該預壓元件針對該壓電元件背面施以一預設壓制力，以確保該壓電元件與該被摩擦件保持接觸狀態。
8. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式鏡頭驅動模組，其中，該被摩擦件係為一圓柱狀之摩擦件，且該被摩擦件係以黏合的方式貼附於該被驅動物件上之一第一結合槽之內，並於該殼體內緣處所設置半圓弧槽狀之一滑軌上與該鏡頭模組同步於該攝像光軸上做線性移動，並提供該壓電元件以及該摩擦體進行接觸。
9. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式鏡頭驅動模組，其中，該被摩擦件之材質係可以是金屬或陶瓷其中之一。