专利名称：透镜机构及成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及含有聚合物致动器元件(polymer actuator element)的透镜机构和 成像装置。
背景技术：
近年来包括个人计算机和PDA的便携式电子装置在性能方面进步显著。通常，这 些设备因为有包含透镜单元的透镜机构而具有成像功能。在这些装置中，透镜机构的透镜 单元作为一个可移动的部件，沿光轴移动以实现聚焦和变焦。人们普遍使用音圈电动机和步进电动机作为驱动部来移动透镜单元。但是，近来 出现了利用聚合物致动器元件作为驱动部的透镜机构，使其尺寸更加小巧(参见如日本专 利公开第2006-293007号文件(以下称专利文件1)和日本专利公开第2007-151221号文 件(以下称专利文件2))。聚合物致动器元件包括例如夹在一对电极中间的离子交换树脂。 由于成对的电极间产生电势差，故将这种聚合物致动器元件在与离子交换树脂膜表面垂直 的方向上偏移。
发明内容
然而，在专利文件1和2所公开的透镜机构中，透镜单元与聚合物致动器元件沿光 轴并列设置，从而使聚合物致动器元件沿光轴对透镜单元施加驱动力。这就导致了依赖于 透镜机构的状态由于透镜单元的重量而施加至聚合物致动器元件的负荷(load)的差别。 例如，如果透镜机构处于光轴是垂直的状态(聚合物致动器元件和透镜单元垂直并排的状 态)，透镜单元下移所需的驱动力相对较小。但是，由于透镜单元的重量，上移透镜单元需要 较大的驱动力。相反，如果透镜机构处于光轴是水平的状态(聚合物致动器元件和透镜单 元水平并排的状态)，则不论透镜单元朝两个方向中的哪个方向沿光轴移动，透镜单元的重 量都不会对驱动力产生影响。因此，必须根据透镜机构的状态来控制由聚合物致动器元件施加的驱动力，以在 任何状态下提供在相同的移动量。但是，提供这样的控制机构与减小尺寸相冲突，从而使其 变得不切实际。另一方面，根据透镜机构的状态来控制驱动力的失败导致了根据透镜机构 的状态而给出的驱动力所产生的透镜单元的移动量的偏差。这就使精确聚焦和变焦变得很 困难，从而造成光学性能上的缺陷。因此，期望一种尽管构成简单但无论透镜机构状态如何 都能以高精度移动透镜单元的透镜机构。考虑到上述情况，本发明首先需要提供一种尽管构成简单但无论透镜机构状态如 何都能够以高精度移动其透镜的透镜机构。另外，本发明其次需要提供一种具有上述能够表现出优良成像性能的透镜机构的成像装置。根据本发明实施例的透镜机构包括以下组件(A)基体；(B)固定至基体上的导引部件；(C)透镜保持部件，用于支撑透镜，并且该透镜保持部件被导弓I部件以沿光轴直线 移动的方式支撑；(D)旋转部件，用于在与透镜保持部件的一部分接合的同时转动，使得透镜保持部 件沿光轴直线移动；以及(E)聚合物致动器元件，每个聚合物致动器元件具有固定至基体或导引部件上的 一端，以及与旋转部件的一部分接合以使得旋转部件在与光轴垂直的平面内转动的另一 端。根据本发明实施方式的成像装置包括外壳及上述根据本发明实施例的透镜机构。在根据本发明实施方式的透镜机构和成像装置中，聚合物致动器元件使旋转部件 在垂直于光轴的平面内转动，从而引起透镜保持部件沿光轴直线移动。这使得当旋转部件 转动时，施加至聚合物致动器元件的负荷不会根据透镜机构的状态而改变。根据本发明实施例的透镜机构中，驱动力由聚合物致动器元件以与光轴方向垂直 的方向施加至旋转部件。这就使得不论透镜机构的状态如何，都可以精确地将透镜保持部 件沿光轴移动到给定位置。根据本发明实施例的成像装置包括上述透镜机构，因而允许更加精确的聚焦及变 焦并表现出优良的光学性能。
图1是示出了根据本发明实施例的成像装置整体结构的示意图；图2是示出了图1所示的透镜机构的总体构成的透视图；图3是以分解图的方式示出了图1所示的透镜机构部件的分解透视图；图4是示出了图1中所示的透镜机构中的聚合物致动器元件的主要元件的详细构 成的放大剖视图；图5A和图5B是用来描述聚合物致动器元件操作的剖面示意图；图6A和图6B是用来描述图1所示的透镜机构操作的透视图。
具体实施例方式以下将参照附图对实施本发明的模式(以下称为实施例)进行详细说明。{成像装置的构成}首先将参照图1描述具有作为本发明实施例透镜机构的成像装置。图1是示出了根据本发明实施例的成像装置总体构成的示意图。该成像装置对应 于诸如小型照相机或具有成像功能的移动电话便等携式电子装置。应该注意的是，在本说 明书中，将从给定的目标(given target)看去的物侧(图1中页面的左侧)称作正面，而 将像侧(图1中页面的右侧)称作背面。这个成像装置包括在外壳1内的透镜机构2和成 像元件3。透镜机构2和成像元件3从物侧顺序排列。
透镜机构2和成像元件3被固定到设置在它们之间的支撑基板4上。另外，成像 元件3还被固定到在支撑基底4相对侧上的电路基板5上。另一方面，防护玻璃CG沿着光 轴Zl被安装到透镜机构2的物体侧上的外壳1中。例如，可以将结合有CCD(电荷耦合器 件)或CMOS (互补金属氧化物半导体)的图像传感器用作为成像元件3。图2是示出了透镜机构2的总体构成的透视图。图3是以分解图的方式示出了 透镜机构2部件的分解透视图。如图2和图3所示，透镜机构2包括透镜保持部件(lens holding member) 11、导引部件(guide member) 12、旋转部件13及聚合物致动器元件14。透 镜保持部件11、导引部件12和旋转部件13以这样的顺序从内侧以彼此重叠的方式排列。透镜保持部件11支撑一个或多个透镜L，并具有例如圆柱形突起部112，该突起部 垂直设置在圆柱本体部111的外表面上。透镜保持部件11在成像操作中沿透镜L的光轴 直线移动。优选地，应该提供多个突起部112，且同样的突起部112应该沿圆柱本体部111 的圆周方向(围绕光轴Zl的方向)均勻设置。这样做的原因在于在透镜保持部件11直 线移动时提供了相对于光轴Zl更小的倾斜度，从而保证了更加稳定的直线运动。需要注意 的是，在图1 图3中，三个突起部112均勻设置，从而各部分具有120度的中心角。导引部件12经由例如支撑基板4固定在外壳1上，并以允许透镜保持部件11沿 透镜的光轴Zl直线移动的这种方式来支撑透镜保持部件11。导引部件12具有圆柱形本体 部121，其以使本体部121的内表面与透镜保持部件11的本体部111外表面相对的这种方 式设置。本体部121中设置有一个或多个凹口 122。口 122沿光轴Zl延伸并与透镜保持部 件11的突起部112对准。以与透镜保持部件11的突起部112相同的数量设置凹口 122，从 而每个凹口 122与突起部112中的一个接合。也就是说，各个突起部112的侧面在保持与 凹口 122的内壁表面接触的同时沿凹口 122的延伸方向滑动，从而允许透镜保持部件11沿 光轴Zl直线移动。旋转部件13具有设置在筒状本体部131中的一个或多个开口 132。每个开口 132 具有凸轮面(cam face) 132S。本体部131绕光轴Zl旋转。每个开口 132的凸轮面132S与 突起部112中的一个的侧面112S相接触。在存在多个开口 132的情况下，这些开口沿本体 部131的圆周方向(围绕光轴Zl的方向)被均勻地配置。开口 132沿本体部131的圆周 方向延伸，并且其位置沿着光轴Zl变化。结果，一方面，旋转部件13的转动使与开口 132 接合的突起部112沿光轴Zl移动。另一方面，由于与导引部件12的凹口 122接合，突起部 112的移动被限制在不同于沿光轴Zl的方向上。另外，旋转部件13的本体部131具有一 个或多个凹口 133。每个凹口 133例如沿直径方向切穿本体部131，并沿光轴Zl从本体部 131的下端(背面边缘)向上端(正面边缘)沿光轴Zl延伸。每个聚合物致动器元件14包括离子导电高分子化合物膜(ionconductive polymer compound film) 141 (以下简称为高分子化合物膜141)及一对电极膜142A和 142B，每个电极膜142A和142B粘结至高分子化合物膜141的一侧。图4示出了聚合物致动 器元件14的主要元件的详细构成。由于高分子化合物膜141的变形(弯曲)，聚合物致动 器元件14起到使旋转部件13在垂直于光轴Zl的平面内转动的作用。例如，聚合物致动器 元件14为条状，并且具有夹在一对电极41A和41B之间并固定在支撑基板4上的纵向端。 电极41A和41B垂直设置在支撑基板4上。另一方面，聚合物致动器元件14具有与形成在 旋转部件13的本体部131中的凹口 133之一接合的另一个纵向端。每个电极41A和41B由例如薄铜板制成，例如，电极41A粘结至电极膜142A，例如，电极41B粘结至电极膜142B。 另外，每个电极41A和41B均通过未示出的布线连接至形成在电路基板5上的的驱动电路 (未示出)，从而将给定的电压施加到一对电极膜142A和142B之间。当在电极膜142A和 142B之间出现给定电势差时，高分子化合物膜141弯曲。可以用具有高弹性的绝缘保护膜 (例如聚亚胺酯)覆盖聚合物致动器元件14及电极41A和41B。高分子化合物膜141浸渍有阳离子物质。这里，术语“阳离子物质”是指含有阳离 子和极性溶剂的物质或含有液态形式的阳离子的物质。含有阳离子和极性溶剂的物质是那 些其中的阳离子被极性溶剂溶解的物质。另一方面，液态形式的阳离子是那些组成离子液 体的阳离子。含有液态形式的阳离子物质是离子液体。组成高分子化合物膜141的材料是具有氟树脂或烃基(hydrocarbon-based)树脂 作为骨架的离子交换树脂。这些离子交换树脂是阴离子交换树脂、阳离子交换树脂以及阴 阳离子交换树脂。在这些类型的交换树脂中，阳离子交换树脂是优选的。阳离子交换树脂是那些其中引入了诸如磺酸基酸性基团或羧基酸性基团的酸性 基团的交换树脂。更具体地，阳离子交换树脂包括具有酸性基团的聚乙烯、具有酸性基团的 聚苯乙烯或具有酸性基团的氟树脂。其中，具有磺酸基酸性基团或羧基酸性基团的氟树脂 是优选的。尤其优选全氟磺酸树脂(Nafion)(杜邦株式会社(DuPontKabushiki Kaisha) 制造)。优选地，浸渍在高分子化合物膜141中的阳离子物质应该是含有金属离子和水的 物质、含有有机阳离子和水的物质或离子液体。金属离子是诸如钠离子(Na+)、钾离子(K+)、 锂离子(Li+)和镁离子(Mg2+)的轻金属离子。另一方面，有机阳离子为烷基铵离子。这些 阳离子作为水合物(hydrate)存在于高分子化合物膜141中。因此，如果离子导电高分子 化合物膜141浸渍有含有阳离子和水的阳离子物质，优选地，应该总体密封聚合物致动器 元件14，以抑制水分蒸发。离子液体也称为室温溶融盐，包含低可燃性和挥发性的阳离子和阴离子。在离 子液体中，组成离子液体的阳离子的离子半径大于阴离子。离子液体为咪唑环基化合 物(imidazolium ring-basedcompounds)、口比口定环基化合物(pyridinium ring-based compounds)以及月旨肪方矣化合物(aliphatic compounds)。首先，优选地，阳离子物质应该是离子液体。这是因为，由于离子液体的低挥发性， 聚合物致动器元件14在高温环境或真空中能够良好地运行。彼此相对且具有设置在其间的高分子化合物膜141的电极膜142A和142B各自含 有一种或两种或多种不同的导电材料。优选地，电极膜142A和142B应该由通过导电聚合 物结合在一起的导电金属粉末构成，因为这使得电极膜142A和142B具有改善的柔韧性。 优选地，导电材料粉末应该是碳粉，这是因为碳粉的高导电性和大的比表面积(specific surface area)使得碳粉能够产生大的形变。优选地，应该使用科琴炭黑(Ketjen Black) 作为碳粉。另一方面，优选地，与构成高分子化合物膜141同样的材料应该用作导电聚合 物。例如，电极膜142A和142B的形成如下所述。也就是说，将通过将导电材料粉末和 导电聚合物分散在分散介质中制备的涂料涂覆在高分子化合物膜141的两侧，然后使其干 燥。可选地，将含有导电材料粉末和导电聚合物的膜压接在高分子化合物膜141的每一侧。
电极膜142A和142B可以是多层的。在这种情况下，优选地，应该从面向高分子化 合物膜141侧以由导电聚合物结合在一起的导电材料粉末形成的一层和是金属层的另一 层这样的顺序来层叠这些层。原因在于，这在电极膜142A和142B的面内方向上提供了更 加均一的电位，因而导致了更好的变形性能。在构成金属层的材料中有金和钼。尽管金属 层的厚度是任意的，但优选地，金属层应该是连续的，以在电极膜142A和142B中提供均一 的电位。在用来形成金属层的方法中有电镀、气相沉积和溅射。需要注意的是，如果在聚合物致动器元件14中使用含有阳离子和极性溶剂的阳 离子物质，则高分子化合物膜141几乎不含阴离子。高分子化合物膜141的大小(长和宽)可以根据需要来设定，例如根据旋转部件 13的大小(外径和内径)和重量或根据高分子化合物膜141所需的位移量。高分子化合物 膜141的位移量根据透镜保持部件11沿光轴Zl所需的移动量，即旋转部件13的可移动范 围(旋转角的幅度)，来设定。[聚合物致动器元件的操作]以下将参照图5A和图5B对聚合物致动器元件14的操作原理进行说明。图5A示 出了电极膜142A和142B之间未施加驱动电压时(未施加电压的状态)聚合物致动器元件 14的剖面结构。另一方面，图5B示出了电极膜142A和142B之间施加了驱动电压时(施加 电压的状态)聚合物致动器元件14的剖面结构。(施加电压的状态)首先，对使用含有阳离子和极性溶剂的阳离子物质的情况进行描述。在这种情况下，当未将电压施加至聚合物致动器元件14时，阳离子物质或多或少 均勻地分布在高分子化合物膜141中。结果，聚合物致动器元件14保持平展而没有弯曲 (图5A)。这里，当由电压施加模块(voltage application block) 6施加电压时，聚合物致 动器元件14有如下表现。即，例如，当将给定驱动电压施加至电极膜142A和142B之间时， 假设电极膜142A为负电位，而电极膜142B为正电位，则阳离子向电极膜142A迁移并被极 性溶剂溶解。此时，高分子化合物膜141几乎不含阴离子。因此，在高分子化合物膜141中， 电极膜142A膨胀而电极膜142B收缩。这就导致了聚合物致动器元件14总体朝向电极膜 142B弯曲，如图5所示。当去除电极膜142A和142B之间的电位差从而没有电压施加在其 间时，高分子化合物膜141中朝向电极膜142A非均勻分布的阳离子物质(阳离子和极性溶 剂)分散开来，使高分子化合物膜141恢复到图5A所示的原始形状。另一方面，例如，在高 分子化合物膜141处于图5A所示的未施加电压的状态，当将给定的驱动电压施加至电极膜 142A和142B之间时，假设电极膜142A为正电位，而电极膜142B为负电位，则阳离子向电极 膜142B迁移并被极性溶剂溶解。在这种情况下，在高分子化合物膜141中，电极膜142A收 缩而电极膜142B膨胀。这导致了聚合物致动器元件14总体朝向电极膜142A弯曲。接下来将对其中使用含有液态形式的阳离子的离子液体作为阳离子物质的情况 进行描述。在这种情况下，当没有电压施加至高分子化合物膜141时，由于离子液体或多或 少均勻地分布在高分子化合物膜141中，所以，聚合物致动器元件14也如图5A所示保持平 展。这里，当通过电压施加模块6施加电压时，聚合物致动器元件14有如下表现。S卩，例 如，当将给定电压施加至电极膜142A和142B之间时，假设电极膜142A为负电位，而电极 膜142B为正电位，则离子液体中的阳离子向电极膜142A迁移，而阴离子向电极膜142B迁移。这里，组成离子液体的阳离子的离子半径大于阴离子。因此，在高分子化合物膜141中， 电极膜142A膨胀而电极膜142B收缩。这就导致了聚合物致动器元件14总体朝向电极膜 142B弯曲，如图5B所示。然后，当去除电极膜142A和142B之间的电位差从而没有电压施 加在其间时，高分子化合物膜141中朝向电极膜142A非均勻分布的阳离子分散开来，使上 述膜141恢复到图5A所示的原始形状。另一方面，例如，在高分子化合物膜141处于图5A 所示的未施加电压的状态，当将给定驱动电压施加至电极膜142A和142B之间时，假设电极 膜142A为正电位，而电极膜142B为负电位，离子液体中的阳离子向电极膜142B迁移，而阴 离子向电极膜142A迁移。在这种情况下，在高分子化合物膜141中，电极膜142A收缩而电 极膜142B膨胀。这就导致了聚合物致动器元件14总体朝向电极膜142A弯曲。{成像装置的操作}在本成像装置中，聚合物致动器元件14由形成在电路基板5上的驱动电路驱动， 从而在垂直于光轴Zl的方向上对旋转部件13施加驱动力。作为由该驱动力使旋转部件13 相对于光轴Zl转动的结果，透镜L和成像元件3之间的间隔发生改变。例如，当聚合物致动 器元件14如图6A所示向电极41B(向电极膜142B)弯曲，从而从物侧看去旋转部件13逆 时针转动时，突起部112通过开口 132沿光轴Zl向像侧移动。突起部112和用来支撑透镜 L的本体部111整体形成了透镜保持部件11。自然地，透镜保持部件11因此相对于导引部 件12和旋转部件13向像侧移动。导引部件12和旋转部件13沿光轴Zl的位置相对于固 定在支撑基板4上的成像元件3不变。结果，透镜保持部件11相对于成像元件3向像侧移 动。此时，每个突起部112的侧面与凹口 122的内壁表面接触，因而使透镜保持部件11沿 光轴Zl直线移动而无需转动。相反，如图6B所示，当高分子化合物膜141向电极41A弯曲(向电极膜142A)，从 而从物侧看去旋转部件13顺时针转动时，突起部112通过开口 132沿光轴Zl向物侧移动。 结果，透镜保持部件11相对于成像元件3向物侧移动。在这种情况下，透镜保持部件11也 沿光轴Zl直线移动而无需转动。如上所述，根据本发明实施例的成像装置中，透镜机构2的聚合物致动器元件14 以垂直于光轴Zl的方向将驱动力于施加至旋转部件13。这就使得不论透镜机构2的状态 如何，都可以以高精度将透镜保持部件11沿光轴Zl移动都到给定位置，因而允许更加精确 的聚焦和变焦并表现出优良的光学性能。另外，透镜保持部件11由导引部件12支撑，因而 允许其沿光轴Zl直线移动而无需转动。这就防止了由于透镜L的转动而导致的像差变化， 因此允许相对容易的像差校正。更进一步说，导引部件12和旋转部件13分别具有中心位于光轴Zl的筒状本体部 121和131。配置本体部121和131，使得本体部121围绕透镜保持部件11，依次地，本体部 131围绕透镜本体部121。这样的设置防止了透镜机构2在垂直于光轴Zl的平面内的扩张 (占用更大面积)，因而提供透镜机构2的更加小巧的总体设计。虽然以上已经参考优选实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限制于这些实 施例，而是可以通过不同的方式修改。例如，在上述实施例中，突起部设置在透镜保持部件 的外表面，在透镜保持部件的外侧，按以下顺序配置两个部件，即，具有用来与突起部接合 的凹口的导引部件以及具有用来与突起部接触的凸轮表面的旋转部件。但是，本发明可以 有其它实施例。
另外，虽然以上实施方式中描述了聚合物致动器元件的形状为矩形的情况，但是 上述元件的形状不限于此。例如，上述元件可以是椭圆形、三角形或多边形。更进一步，聚合 物致动器元件相对于旋转部件的位置或方向可以适当改变。在这种情况下，如果设置聚合 物致动器元件使得其纵向垂直于旋转部件的转动方向，则可以扩大旋转部件的转动范围。 更进一步，虽然在上述实施方式中设置了多个聚合物致动器元件，但只需要设置至少一个 聚合物致动器元件。另一方面，设置在旋转部件上的具有凸轮表面的开口的形状、位置和数量也不限 制于上述实施例中的那些，而是可以适当改变的。本领域技术人员应该理解的是，在本发明所附权利要求或其等同物的范围内，根 据设计要求和其它因素，可以进行各种修改、组合、再组合以及变形。
权利要求
一种透镜机构，包括基体；固定在所述基体上的导引部件；透镜保持部件，用来支撑透镜，所述透镜保持部件被所述导引部件以沿光轴直线移动的方式支撑；旋转部件，用于在与所述透镜保持部件的一部分接合的同时转动，以使所述透镜保持部件沿所述光轴直线移动；以及聚合物致动器元件，每个所述聚合物致动器元件具有固定至所述基板或所述导引部件上的一端，以及与所述旋转部件的一部分接合以使得所述旋转部件在与所述光轴垂直的平面内转动的另一端。
2.根据权利要求1所述的透镜机构，其中每个所述聚合物致动器元件包括离子导电高分子化合物膜，所述离子导电高分子化合 物膜包括夹在一对电极之间的阳离子物质。
3.根据权利要求1所述的透镜机构，其中所述透镜保持部件在其外表面上具有突起部，以及所述旋转部件具有凸轮表面，每个所述凸轮表面与所述突起部之一接触。
4.根据权利要求3所述的透镜机构，其中所述导引部件具有凹口，每个所述凹口与所述透镜保持部件的所述突起部之一接合并 沿所述光轴延伸。
5.根据权利要求1所述的透镜机构，其中所述旋转部件是适于绕所述光轴转动的筒状部件。
6.一种成像装置，包括 外壳，以及透镜机构，所述透镜机构包括基体；固定至所述基体上的导引部件；透镜保持部件，用于支撑透镜，并且所述透镜保持部件被所述透镜导引部件以沿光轴 直线移动的方式支撑；旋转部件，用于在与所述透镜保持部件的一部分接合的同时转动，以使所述透镜保持 部件沿所述光轴直线移动；以及聚合物致动器元件，每个所述聚合物致动器元件具有固定至所述基体或所述导引部件 上的一端，以及与所述旋转部件的一部分接合以使得所述旋转部件在与所述光轴垂直的平 面内转动的另一端。
全文摘要
本发明公开了一种透镜机构和成像装置，该透镜机构包括基体；固定至基体上的导引部件；透镜保持部件，用于支撑透镜，并且该透镜保持部件由导引部件以沿光轴直线移动的方式支撑；旋转部件，用于在与透镜保持部件的一部分接合的同时转动，使得透镜保持部件沿光轴直线移动；以及聚合物致动器元件，每个该元件具有固定在基板或导引部件上的一端，以及与旋转部件的一部分接合以使得旋转部件在与光轴垂直的平面内转动的另一端。
文档编号G02B7/04GK101893747SQ20101018049
公开日2010年11月24日 申请日期2010年5月14日 优先权日2009年5月22日
发明者村上一臣, 永井信之, 菅泽昌之 申请人:索尼公司