专利名称：具有压电执行元件的数码相机系统的制作方法
相关申请本申请是基于2002年6月5日提交的美国专利申请No.10/163111的部分继续申请，申请人要求享有该申请的优先权。
背景技术：
1.发明领域本发明涉及用于微型数码相机的光学部件的组件，其包括用于移动该光学部件以提供聚焦、变焦和其它功能的压电执行元件。具体地说，本发明介绍了一种可减小整体尺寸并促进装配的部件配置。
2.相关进展的简述电子相机的部件要求有较低的功耗、较轻的重量以及成本效率合算。这些设计标准正受到针对可提供自动聚焦的光学可调相机、变焦光学器件或这两者的需求的挑战。这些特征要求光学元件能够相对运动以提供调节。所需的运动通常是线性的，然而可使用结合有运动转换机构如丝杠的旋转电机。运动范围通常是毫米级的。本发明的一个目的是提供一种用于在电子相机中调节光学元件的位置的机构。
已在许多场合中使用的一种器件是双晶片压电元件，这种元件由多层压电材料构成，其中各层连接成可被独立地激励。在美国专利No.4291958中，与放大杠杆相结合地使用了双压电悬臂梁来使相机聚焦。然而，这种聚焦装置的必需行程导致了装置的刚性较差。在电子相机的应用中，空间是一项关键的因素。因此，需要一种可在狭窄空间内工作并只有有限机械支撑的简单驱动元件。本发明的一个目的是利用双晶片压电元件来调节数码相机的光学系统中的镜头的位置。
在上述共同拥有的相关专利申请No.10/163111中介绍了使用压电执行元件的相机系统。该申请的公开内容通过引用结合于本文中。在该申请中，镜头元件安装在相机内的管状件上。镜头管又安装在支撑管上以便沿着管状件的纵向轴线运动。借助于在支撑管圆周的周围对称地间隔开的多个双晶片压电元件、例如三个元件来提供调节运动。压电元件与挠性印制电路板相连并安装于其上，该电路板可包含其它与镜头驱动系统有关的电子元器件。挠性印制电路板安装在支撑管上，并且还与电压源如电池相连。印制电路板的挠性允许其变形为支撑管的形状，并且可使压电元件定位成与镜头管相接合。
在上述申请的机构中使用的双晶片压电元件由至少两层压电材料构成，它们可被独立地激励以在这两层之间提供相对变形。该压电元件形成为梁的形式，该梁具有从其中间处垂直于元件平面而延伸出来的接合垫。该梁固定在电路板上并处于端部或结点位置的附近。该梁包括一对延伸到接合垫两侧的双晶片压电元件。各双晶片元件具有两层激活层。通过仅激励这两层中的一层而产生的差动变形将导致压电元件弯曲，使得接合垫的外端运动到与可动镜头管相接触。通过改变压电元件的激励，接合垫便会引发轴向运动，从而调节镜头的位置。激励模式设计成可提供不连续的运动。
在上述申请的系统中，在印制电路板上连接了处理器以提供对数码相机的主控制，处理器构造成可根据镜头的所需运动来产生驱动电压图形。
压电元件所产生的运动提供了高分辨率，然而却没有能够提供基准以得到精确的可重复性的结构特征。压电元件所提供的步长可随操作条件和环境条件而变。为了得到在一些光学设计中所需要的精度，使用位置传感器来监测可动管的位置。采用光学传感器来观察安装在可动管上的反射面。反射面包括结合到可动管的表面处理部分中的灰度级。这种结构提供了可动管的精确的位置监测。
本发明的一个目的是提供一种上述类型的微型数码相机系统，其中部件设置成可促进它们到一个较小整体封装中的装配。本发明的另一目的是提供一种用于与压电执行元件接合的处于镜头支撑管之外的导轨系统。
发明概要数码相机构造成具有多个安装在一对管状件中的镜头，管状件嵌套在一起以实现相对轴向运动，从而提供变焦功能。镜头管组件又安装在支撑管上。镜头管组件可在所述支撑管内相对于图像平面运动，以便提供自动聚焦功能。运动由位于挠性印制电路板元件上并安装在支撑管之外的压电执行元件来提供。各镜头管均设有驱动导轨，其至少部分地沿着镜头管的长度延伸，并且从各管的周边径向向外地伸出。导轨可与压电执行元件的接合垫形成接触，以允许将驱动力传递到各管上。在支撑管中构造出狭缝，以允许驱动导轨穿过支撑管而伸出。压电执行元件安装成可与导轨两侧的一对执行元件相接合。
导轨构造成具有楔形截面，其朝向系统的轴线径向向内地收窄。压电元件安装在U形挠性印制电路板的相对表面上，导轨设于它们之间。这样，压电元件便定位成可与导轨的收窄侧接合。设置了可固定在印制电路板上的安装托架。夹子状的安装托架对印制电路板或压电元件本身施加弹性力，以将压电元件偏压至与导轨接合。该偏压力还具有径向分量，其可向外施加到管状件上，以便使管保持轴向对齐并减少了该功能所带采的影响。在U形印制电路板上安装了位置传感器，其与相应镜头管的反射面形成光通信。
在一个实施例中，导轨同心地定位在管组件上。在第二实施例中，导轨定位在管组件圆周的同一象限内。在后一实施例中，接合力偏心地施加在管元件上。为了帮助保持管的对齐，在镜头管组件和支撑管的接合面上形成了楔形凹槽和配合面。
附图简介下面将参考附图来详细地说明本发明的数码相机系统，在图中
图1是根据本发明的相机系统的一个实施例的轴向分解透视图；图2是图1所示镜头元件的放大分解透视图；图3是图1所示压电驱动系统的放大分解透视图；图4a是图1所示本发明实施例的沿图4b中的剖面线A-A的剖视图；图4b是图1所示装配好的光学组件的侧视图；图5是根据本发明备选实施例的相机系统的一个实施例的轴向分解透视图；和图6是图5所示本发明备选实施例的剖视图。
优选实施例的描述参见图1，数码相机1构造成具有安装在一对管状件4和5中的一对镜头系统2和3。镜头管4和5嵌套在一起以实现沿轴线x-x的相对运动，从而提供多种光学功能，例如自动聚焦和变焦。装配好的镜头管4和5即组件6又安装在支撑管7上，以便在所述支撑管7内相对于图像平面8轴向运动。在图像平面8之前设有滤光器9。在主电路板11上安装了图像传感器10，还安装了数码相机的控制和处理部件。镜头管2和3具有安装在其内的多个协同操作的镜头。
支撑管7构造成可将镜头管4和5容纳在内部通道12内。运动由位于挠性印制电路板元件17和18上并安装在支撑管之外的压电执行元件13-16来提供。弹簧夹安装托架19和20将压电模块固定在覆盖管21上。
参见图2，镜头管4和5嵌套在一起以实现滑动。如图所示，镜头管5构造成具有圆形面22，其位于三个一组的突起23-25的外周上。突起23-25延伸穿过镜头管4中的配合狭槽26-28。狭槽26-28构造成具有锥面29，其可与突起23-25上的相对锥面30相接合。
各镜头管4和5分别设有驱动导轨31和32，它们至少部分地在镜头管4和5的长度上延伸，并且从各管的周边径向向外地伸出。如图3所示，导轨31和32可与压电执行元件13-16的接合垫33-36形成接触，以允许将驱动力传递到各管4和5上。在支撑管7中构造出狭缝37，以允许驱动导轨31和32穿过支撑管7而伸出。
如图3所示，压电执行元件13-16独立地安装在挠性印制电路板38和39上。印制电路板38和39形成为具有相对臂40和41的U形。印制电路板构造成具有电路通道(未示出)，其用于为压电执行元件13-16供电。在印制电路板38和39上还固定了光学传感器42和43。如图所示，执行元件13-16成对地安装在相对的臂40和41上。该组件固定在支撑管7上的某一位置处，以便可与导轨31和32两侧上的一对执行元件例如15和16接合。
镜头管4和5必须以最小的摩擦力而与支撑管7对齐。摩擦力将导致会使镜头管脱离轴向对齐而转动的扭矩。如果镜头管4和5与支撑管7之间的支撑面非常接近驱动件的接合垫，或者是以该接合垫为中心，那么扭矩会因力臂缩短而下降。为了保持这些有利的条件，镜头管4和5必须以受控的作用力而被压在支撑管7上。可通过若干方式来形成作用在径向上的该理想偏压力，它们各自具有优点和缺点。该偏压力可由例如钢的或橡胶的柔性弹簧(未示出)来实现，该弹簧可用最小的轴向力将镜头管压在支撑管上。柔性弹簧可与镜头管形成摩擦接触，例如镜头管可在支撑管的狭缝内运动，或者直接固定在镜头管上，例如为易于在轴向上弯曲的金属细线。可在特定情况下使用的另一解决方案是由永磁体所产生的偏压力。
在一个实施例中，如图4a所示，导轨31和32构造成具有楔形截面，其朝向系统的轴线径向向内地收窄。压电元件13-16安装在U形挠性印制电路板18和19的相对表面上，导轨31或32设于它们之间。这样，压电元件便定位成可与导轨的收窄侧接合。设置了可固定在印制电路板18和19上的弹簧夹20和21。弹簧夹20和21对印制电路板施加了弹性力，以将压电元件偏压至与其相应的导轨接合。该偏压力还具有径向分量，其可向外施加到管状件上，以便使管保持轴向对齐并减小弯曲。在U形印制电路板上安装了光学传感器42和43，其可与相应镜头管4和5的反射面44和45形成光通信。如图3所示，在支撑管7中设有传感器端口46(未示出)和47，其用于为光学传感器42和43提供入口。当镜头管因执行元件13-16而移动时，光学传感器可作出响应，以提供镜头管的位置指示。光学传感器以示例的方式示出，但也可使用其它类型的位置传感器来实现同一目的，例如电阻式位置传感器。
为了说明本发明的基本结构，显示了两个镜头管，然而可以理解，可以构造出更复杂的镜头结构，其需要大量的镜头管。可以如本申请中所示和介绍的那样来将多个镜头管嵌套起来以实现相对运动，以及进行驱动。各镜头管可包含有由多个镜头元件构成的镜头系统。
在一个实施例中，导轨同心地定位在管组件上，如图1所示。在第二实施例中，导轨定位在管组件圆周的同一象限内，如图5和6所示。在后一实施例中，接合力偏心地施加在管元件上。为了帮助保持管的对齐，在镜头管组件和支撑管的接合面上形成了楔形凹槽150和151以及配合面152和153，如图6所示。
参见图5，第二实施例的光学系统101构造成具有两个镜头管104和105。镜头管104包含有安装在支撑管7内的光学系统101的镜头。覆盖管121包围了该光学组件。如果需要更复杂的光学系统即更多镜头的话，那么可使用更多的镜头管。
与第一实施例相似，光学系统101安装在印制电路板108上，以便将光从图像(未示出)传输到图像平面111处的图像传感器110中。印制电路板还可包含用于数码相机的控制电路162，并提供了用于将光学系统与电源如电池相连的装置。
镜头管104和105嵌套起来以便在支撑管7内实现沿着轴线y-y的运动。该运动包括镜头管105相对于镜头管104的滑动，以及镜头管104在支撑管7内的运动。在图5和6所示的实施例中，镜头管以不同的方式嵌套在一起。镜头管104仅具有部分管状面152，其具有可与支撑管7内的通道112的内表面中的凹槽151相接合的外表面150。接合面提供了镜头管104因压电元件115和116的动作而运动的轨迹。在表面152上形成有导轨131，其如图6所示地那样径向向上地延伸。导轨131延伸穿过为此目的而形成于支撑管7内的狭缝137。导轨131成形为楔形截面，其提供了用于压电执行元件115和116接合的表面。这些斜面155和156导致压电执行元件115和116的接合力可施加具有径向向外分量的力，其趋向于使镜头管104在凹槽151中保持对齐。
镜头管105可通过以垂直于轴线y-y的运动而经由开口157插入到支撑管107内来装配。镜头管105也构造成具有从其外周上轴向伸出的接合面154。在通道112的内表面中形成有凹槽153，其与凹槽152偏开约90度以容纳接合面154。导轨132从表面154上径向向外地伸出，并穿过形成于支撑管107内的狭缝158。
通过与第一实施例相似的方式，压电执行元件113-116便可安装在U形印制电路板117和118的相对表面上。电路板117和118通过弹簧夹119和120固定在支撑管107上。在支撑管107上可形成一对向外延伸的凸缘160和161，以便接受电路板117和118。弹簧夹119和120与凸缘接合，从而将电路板固定住。如图6所示，压电执行元件115和116与导轨131的斜面155和156接合，并被弹簧夹119所施加的偏压力而推动至形成接合。该力的径向分量将光学管104向外推动到与凹槽152相接合。一个相同的组件将压电执行元件113和114固定在支撑管107上，并将执行元件推动到与导轨132接合。
压电元件的构造和操作已经在上面引用的专利申请中进行了详细的描述，这些描述结合于本文中。
权利要求
1.一种用于数码相机的光学系统的可调支撑，包括具有纵向轴线的支撑管，所述支撑管固定在所述相机内；其中固定了至少一个镜头元件的第一镜头管，所述第一镜头管安装成可在所述支撑管上同轴地相对运动；固定在所述第一镜头管上的驱动导轨，其从中径向向外地延伸出来并穿过形成于所述支撑管中的狭缝；和至少一个安装在所述支撑管上以与所述驱动导轨形成操作关联的压电执行元件，其中所述至少一个压电执行元件与所述驱动导轨接合，以使所述第一镜头管沿着所述轴线运动。
2.根据权利要求1所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述至少一个压电执行元件安装在挠性印制电路板上。
3.根据权利要求2所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述印制电路板为大致U形的，并还包括安装在所述U形印制电路板的相对表面上的一对压电执行元件，其中所述U形印制电路板安装在所述支撑管上，并且所述驱动导轨在所述执行元件之间延伸。
4.根据权利要求1所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述镜头管和支撑管之间的支撑面非常接近于所述驱动元件的接合垫，或者以所述接合垫为中心。
5.根据权利要求1所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述镜头管通过径向上的弹性力而被压在所述支撑管上。
6.根据权利要求1所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述镜头管通过径向上的磁力而被压在所述支撑上。
7.根据权利要求1所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述驱动导轨构造成具有带倾斜接合面的楔形截面，其中所述至少一个压电执行元件的接合施加了径向向外的力。
8.根据权利要求1所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述支撑还包括位置传感器，其安装在所述支撑管上并与所述第一镜头管形成操作关联，以便监测所述第一镜头管的轴向位置。
9.根据权利要求8所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述位置传感器包括光学传感器，其通过所述支撑管而与所述第一镜头管形成光通信。
10.根据权利要求8所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述位置传感器安装在所述挠性印制电路板上。
11.根据权利要求3所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述驱动导轨构造成具有带倾斜接合面的楔形截面；和所述支撑还包括弹簧夹，其用于将所述U形印制电路板固定在所述支撑管上，使得可对所述U形印制电路板施加偏压力，所述偏压力可趋向于推动所述压电执行元件与所述驱动导轨相接合，从而在所述驱动导轨上施加径向向外的力。
12.根据权利要求1所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述支撑还包括其中固定了至少一个镜头元件的第二镜头管，所述第二镜头管安装在所述支撑管上，以便相对于所述第一镜头管轴向运动；固定在所述第二镜头管上的第二驱动导轨，其从中径向向外地延伸出来并穿过形成于所述支撑管中的狭缝；和至少一个安装在所述支撑管上以与所述第二驱动导轨形成操作关联的压电执行元件，其中所述至少一个压电执行元件与所述第二驱动导轨接合，以使所述第二镜头管沿着所述轴线相对于所述第一镜头管运动。
13.根据权利要求12所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述支撑还包括从所述第二镜头管中径向向外地延伸出来的多个突起；形成于所述第一镜头管中的行程凹槽，其用于容纳所述第二镜头管中的突起，以便在所述凹槽中轴向运动。
14.根据权利要求13所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述突起和所述行程凹槽构造在倾斜的配合面中，以便使所述第二镜头管在所述第一镜头管中保持一致的径向位置。
15.根据权利要求1所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，与所述第二镜头管操作关联的所述至少一个压电执行元件安装在第二挠性印制电路板上。
16.根据权利要求15所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述第二挠性印制电路板为大致U形的，并还包括安装在所述U形印制电路板的相对表面上的一对压电执行元件，其中所述U形印制电路板安装在所述支撑管上，并且所述第二驱动导轨在所述执行元件之间延伸。
17.根据权利要求12所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述第二驱动导轨构造成具有带倾斜接合面的楔形截面，其中所述至少一个压电执行元件的接合在所述第二驱动导轨上施加了径向向外的力。
18.根据权利要求12所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述支撑还包括第二位置传感器，其安装在所述支撑管上并与所述第二镜头管形成操作关联，以便监测所述第二镜头管的轴向位置。
19.根据权利要求18所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述第二位置传感器包括光学传感器，其通过所述支撑管而与所述第二镜头管形成光通信。
20.根据权利要求18所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述第二位置传感器安装在所述第二挠性印制电路板上。
21.根据权利要求16所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述第二驱动导轨构造成具有带倾斜接合面的楔形截面；和所述支撑还包括弹簧夹，其用于将所述第二U形印制电路板固定在所述支撑管上，使得可对所述第二U形印制电路板施加偏压力，所述偏压力趋向于推动所述压电执行元件与所述第二驱动导轨相接合，从而在所述第二驱动导轨上施加径向向外的力。
22.根据权利要求12所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述第一和第二驱动导轨在所述支撑管外周的周围对称地间隔开。
23.一种用于数码相机的光学系统的可调支撑，包括具有纵向轴线的支撑管，所述支撑管固定在所述相机内；其中均固定有镜头系统的第一和第二镜头管，所述第一和第二镜头管安装成可在所述支撑管上同轴地相对运动；分别固定在所述第一和第二镜头管上的第一和第二驱动导轨，各所述驱动导轨从相应镜头管中径向向外地延伸出来，并穿过形成于所述支撑管中的狭缝；和至少两个安装在所述支撑管上以与所述第一和第二驱动导轨形成操作关联的压电执行元件，其中所述至少两个压电执行元件与所述第一和第二驱动导轨接合，以使所述第一和第二镜头管相对于所述支撑管轴向运动。
24.根据权利要求23所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述第一和第二驱动导轨在所述支撑管外周的周围对称地间隔开。
25.根据权利要求23所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述第一和第二驱动导轨在所述支撑管外周的周围不对称地间隔开。
26.根据权利要求23所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述支撑管和所述第一镜头管构造成具有对齐的空间，以允许所述第二镜头管装配成能垂直于所述支撑管的轴线而运动。
27.根据权利要求23所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述支撑还包括从各所述第一和第二镜头管中径向向外延伸的突起；形成于所述支撑管中的一对行程凹槽，其用于容纳所述第一和第二镜头管中的突起，以便在所述凹槽中轴向运动；和所述突起和所述行程凹槽构造在倾斜的配合面中，以便使所述第一和第二镜头管在所述支撑管中保持一致的径向位置。
28.根据权利要求27所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述第一和第二驱动导轨构造成具有带倾斜接合面的楔形截面，其中所述压电执行元件的接合在所述第一和第二驱动导轨上施加了径向向外的力，以便在所述第一和第二镜头管的所述突起与所述行程凹槽之间保持接合。
29.根据权利要求23所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，与所述第一和第二镜头管操作关联的所述压电执行元件安装在单独的挠性印制电路板上，所述挠性印制电路板安装在所述支撑管上。
30.根据权利要求29所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述挠性印制电路板为大致U形的，并还包括安装在各所述U形印制电路板的相对表面上的一对压电执行元件，其中所述U形印制电路板安装在所述支撑管上，并且所述第一和第二驱动导轨在所述执行元件之间延伸。
31.根据权利要求23所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述驱动导轨构造成具有带倾斜接合面的楔形截面，其中所述压电执行元件与所述驱动导轨的接合在所述驱动导轨上施加了径向向外的力。
32.根据权利要求23所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述支撑还包括一对位置传感器，其安装在所述支撑管上并与所述第一和第二镜头管形成操作关联，以便监测所述第一和第二镜头管的轴向位置。
33.根据权利要求32所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述位置传感器包括光学传感器，其通过所述支撑管而与所述第一和第二镜头管形成光通信。
34.根据权利要求32所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述位置传感器安装在所述第一和第二挠性印制电路板上。
35.根据权利要求30所述的用于数码相机的光学系统的可调支撑，其特征在于，所述第一和第二驱动导轨构造成具有带倾斜接合面的楔形截面；和所述支撑还包括弹簧夹，其用于将所述第二U形印制电路板固定在所述支撑管上，使得可对所述第二U形印制电路板施加偏压力，所述偏压力趋向于推动所述压电执行元件与所述第二驱动导轨相接合，从而在所述第二驱动导轨上施加径向向外的力。
全文摘要
一种数码相机，其构造成具有多个安装在一对管状件中的镜头，管状件嵌套在一起以便实现相对轴向运动。运动由位于挠性印制电路板元件上并安装在支撑管之外的压电执行元件来提供。各镜头管均设有驱动导轨，其至少部分地沿着镜头管的长度延伸，并且从各管的周边径向向外地伸出。导轨可与压电执行元件的接合垫形成接触，以允许将驱动力传递到各管上。
文档编号H04N5/225GK1659465SQ03812818
公开日2005年8月24日 申请日期2003年6月4日 优先权日2002年6月5日
发明者C·马特松, S·约翰松, A·杨松 申请人:诺基亚有限公司