CN1288471C - 驱动设备 - Google Patents

Abstract

公开了驱动设备，更具体地说，涉及用于经单独驱使镜头本身，运送光学仪器的镜头的镜头驱动设备。在驱动设备中，引导装置垂直与镜头连接，用于引导镜头的往复运动。将驱动装置安置成与镜头共面，并通过第一端固定到镜头的周边，用于给镜头提供大于镜头和引导装置间的相互作用力的运送力。

Description

驱动设备

技术领域

本发明涉及驱动设备，更具体地说涉及用于经单独驱使镜头本身来运送光学仪器的镜头的透镜驱动设备。

背景技术

各种光学仪器，诸如照相机、摄象机-录象机、变焦距摄象机、观察照相机、微型航空器(MAV)中的光学***等等均具有允许上下移动镜头用于变焦的镜头结构。为运送这种变焦镜头，已经开发了几种结构。

基于凸轮结构的传统驱动技术已经通常用于变焦来改变焦距。基于凸轮结构的驱动技术通过沿镜头筒改变镜头的相对间距来执行变焦，该镜头筒由电磁马达来驱动，以及凸轮形的凹槽位于该镜头筒的侧面部分。基于凸轮结构的变焦技术根据凸轮的结构确定每个镜头的相对位置。因此，缺点在于另外需要驱动单元和用于以特定放大率设置焦点的调焦镜以及包括驱动减速齿轮和沿该凸轮运动的镜头保持结构的驱动机构很复杂。

近来，开发了微型光学变焦机构以便克服上述缺陷和向微型光学仪器提供变焦功能。根据当前趋势，微型光学仪器采用智能装置诸如压电元件而不是使用电磁马达的传统的驱动技术。用压电元件代替传统的马达驱动技术的优点在于能简化驱动结构和由于直接驱动机构，能实现高效率。

图1表示使用在US专利No.6,215,605，名为“Driving Device”公开的压电元件的变焦镜头的例子。图1中的镜头驱动设备固定压电激励器111和112以及向驱动杆116和117传送位移以便在来自凸起131a和132a的预载和镜头架131和132的惯性和加速度的作用下运送镜头L2和L4。根据激励输入的波形，压电激励器112通过使镜头架与驱动杆一起移动或滑动并停留在适当的位置来运送镜头。压电激励器112也能通过往复运动来运送镜头。

如图1所示的镜头驱动设备使用中安置成如图2所示，其中压电激励器211a和211b彼此相邻安置。因此，当基座块213接收从一个压电激励器211a和211b传送的任何扩展/压缩时，也可将该扩展/压缩传送到另一个压电激励器以及其相应的镜头。因此，该基座块213具有凹槽213g以便在压电激励器间块传送。然而，凹槽使得驱动设备的结构变得复杂同时使驱动设备的制作困难。此外，该凹槽不能完全防止压电激励器间的扩展/压缩干扰。

另外，根据压电激励器的大小，大大地限制了由压电激励器往复以运送镜头的驱动杆116和117的长度。这种对驱动杆的长度的限制起限制可运送镜头的距离的作用，从而不利地影响包含该镜头驱动设备的产品的质量块。

因为基本上固定驱动杆，传统的镜头驱动设备具有下述问题：不可能改变在其上内部安装镜头的镜头筒的长度。除用于运送镜头的空间外，需要另外的用于安置驱动元件的空间。因此，很难降低驱动设备的总尺寸。此外，由驱动杆部分支撑镜头以便在驱使期间，在镜头中会发生不对称扩展/压缩，从而潜在地使不能使用镜头驱动操作。

发明内容

已经提出了本发明来解决上述问题，因此，本发明的目的是提供能将镜头与驱动机构集成以便简化镜头驱动单元的结构，从而降低变焦镜头单元的大小的驱动设备。

本发明的另一目的是提供驱动设备，其中该驱动设备能直接线性于驱动镜头以获得高驱动效率以及直接控制镜头的位置。

本发明的另一目的是提供驱动设备，该驱动设备包括镜头运送机构(lens transport mechanism)，使得将控制镜头的运送距离而不受其他部件的限制以及将镜头保持在适当的位置而不另外提供能源。

本发明的另一目的是提供驱动设备，该驱动设备能通过超精确的控制镜头位置来执行精确的焦点控制以及精确的放大调整以实现高分辨率。

本发明的另一目的是提供驱动设备，允许与上述驱动设备一起使用多种运送方式。

根据本发明的方面，提供用于运送物体的驱动设备，包括：引导装置，与所述物体连接，用于引导所述物体；以及驱动装置，连接到所述物体上，用于给所述物体提供大于所述物体与所述引导装置间的相互作用力的驱动力。

优选地，所述驱动装置包括通过第一端固定到所述物体以及由电源电压供电的压电元件，以及可将预定质量的砝码连接到与所述第一端相对的所述压电元件的第二端上。

优选地，所述驱动设备可进一步包括弹性装置，用于使所述物体和所述引导装置弹性接触以便给所述物体和所述引导装置提供与弹性力成比例的相互作用力。

更好，每一时间供给所述压电元件的电压的绝对值在峰值前后互不相同。

根据本发明的另一方面，提供一种用于运送光学仪器的镜头的驱动设备，包括：引导装置，与所述镜头垂直连接，用于引导所述镜头往复运动；以及驱动装置，与所述镜头共面安置并通过第一端固定到所述镜头的周边，用于给所述镜头提供大于所述镜头与所述引导装置间的相互作用力的运送力。

优选地，所述驱动装置包括由电源电压供电的压电元件，以及连接到与所述第一端相对的压电元件的第二端上的预定质量的砝码，以及所述压电元件包括安置在所述镜头的周边中，以相等的间隔分开的多个元件部分或形成为环绕所述镜头的整个周边的环。

优选地，驱动设备进一步包括用于环绕所述镜头的周边的镜头架，其中将所述压电元件的第一端连接到所述镜头架上，以及所述引导装置在与所述镜头的周边相邻的位置中延伸贯穿镜头。同时，所述引导装置包括至少一个多边形横截面杆，或至少两个圆形横截面杆。

另外，所述驱动设备进一步包括弹性装置，用于使所述镜头和所述引导装置间弹性接触以便给所述镜头和所述引导装置提供与弹性力成比例的相互作用力，以及每一时间供给所述压电元件的电源电压的绝对值在峰值前后互不相同。

根据本发明的其他方面，提供一种用于运送光学仪器中的镜头的驱动设备，包括：引导装置，与所述镜头垂直连接，用于引导所述镜头的往复运动；以及驱动装置，具有垂直固定到所述镜头面的第一端以便给所述镜头提供大于所述镜头和所述引导装置间的相互作用力的运送力。

优选地，驱动装置可包括由电源电压供电的压电元件，以及连接到与所述第一端相对的压电元件的第二端的预定质量的砝码。

优选地，所述压电元件包括在与所述镜头的周边相邻的镜头面中安置的、以相等的间隔分开的多个元件部分，或成形为安置在与其周边相邻的镜头面中的环。

优选地，驱动设备进一步包括用于环绕所述镜头的周边的镜头架，其中所述压电元件的第一端固定到所述镜头架上。

另外，驱动设备进一步包括弹性装置，用于使所述镜头和所述引导装置弹性接触以便给所述镜头和所述引导装置提供与弹性力成比例的相互作用力。

优选地，所述引导装置在与所述镜头的周边相邻的位置中延伸贯穿所述镜头，以及所述引导装置包括至少一个多边形横截面杆，或至少两个圆形横截面杆。

同样，所述引导装置包括与所述镜头的周边面接触的外框架以便引导所述镜头的往复运动，其中所述镜头具有从所述镜头的周边径向突出的至少一段，以及其中所述外框架具有沿所述镜头的路线形成的凹口，用于接收所述突出段，以及其中用所述突出段部分固定所述压电元件。

优选地，每一时间供给所述压电元件的电源电压的绝对值在峰值前后互不相同。

根据本发明的另一方面，提供一种用于通过本发明的驱动设备运送镜头的方法，所述方法包括下述步骤：

(a)沿所述镜头的运送方向，以第一速度移动所述驱动装置的第二端；以及

(b)以快于步骤(a)中的所述驱动装置的第二端的第一速度的第二速度，使所述驱动装置恢复成其原始外形，以便移动用所述驱动装置的第一端固定的所述镜头。

优选地，所述驱动装置包括由电源电压供电的压电元件，以及其中每一时间在步骤(a)中供给所述压电元件的电源电压具有小于步骤(b)中电源电压的绝对值。

根据本发明的另一方面，提供一种通过本发明的驱动设备运送镜头的方法，所述方法包括下述步骤：

(a)以第一速度，沿所述镜头的运送方向移动所述驱动装置的第二端；以及

(b)以快于步骤(a)中的所述驱动装置的第二端的第一速度的第二速度，操作所述驱动装置，以便沿着远离通过将所述驱动装置恢复到其原始位置来实现的位置的所述镜头的运送方向，移动固定到所述驱动装置的第一端的所述镜头；以及

(c)使所述驱动装置的第二端恢复成其原始外形。

优选地，所述驱动装置包括由电源电压供电的压电元件，以及其中每一时间在步骤(a)中供给所述压电元件的电源电压具有小于步骤(b)中电源电压的绝对值。

根据本发明的另一方面，提供一种引导装置，垂直与所述镜头连接，用于引导所述镜头的往复运动；弹性装置，用于使所述镜头和所述引导装置弹性接触以便给所述镜头和所述引导装置提供与弹性力成比例的相互作用力；压电驱动装置，与所述镜头共面，具有固定到所述镜头的周边的第一端，并由电源电压供电以便给所述镜头提供大于所述镜头和所述引导装置间的相互作用力的运送力；预定质量的砝码，连接到与所述第一端相对的所述压电驱动的第二端。

优选地，所述压电驱动装置包括在所述镜头的周边中安置的、以相等的间隔分开的多个部分或形成为环绕所述镜头的整个周边的环。同时，驱动设备可进一步包括用于环绕所述镜头的周边的镜头架，其中所述压电驱动装置的第一端固定到所述镜头架上。

优选地，所述引导装置在与所述镜头相邻的位置中延伸贯穿所述镜头，以及所述引导装置包括至少一个多边形横截面杆或至少两个圆形横截面杆。优选地，每一时间供给所述压电元件的电源电压的绝对值在峰值前后互不相同。

根据本发明的另一方面，提供一种用于运送光学仪器的镜头的驱动设备，包括：引导装置，在与所述镜头相邻的位置中延伸贯穿所述镜头，用于引导所述镜头的往复运动；弹性装置，用于使所述镜头和所述引导装置弹性接触以便给所述镜头和所述引导装置提供与所述弹性力成比例的相互作用力；压电驱动装置，具有垂直固定到所述镜头面的第一端，并由电源电压供电，以便给所述镜头提供给大于所述镜头和所述引导装置间的相互作用力的运送力；以及预定质量的砝码，连接到与所述第一端相对的所述压电驱动装置的第二端。

优选地，所述压电元件包括在所述镜头的周边相邻的镜头面中安置的、以相等间隔分开的多个元件部分或形成为安置在与其周边相邻的镜头面中的环。

优选地，驱动设备进一步包括用于环绕所述镜头的周边的镜头架，其中所述压电元件的第一端固定到所述镜头架上，以及所述引导装置包括至少一个多边形横截面杆或至少两个圆形横截面杆。

优选地，每一时间供给所述压电元件的电源电压的绝对值在峰值前后互不相同。

根据本发明的另一方面，提供一种用于运送光学仪器的镜头的驱动设备，包括：外框架，与所述镜头的周边表面接触，用于引导所述镜头的往复运动；弹性装置，用于使所述镜头和所述外框架弹性接触以便给所述镜头和所述外框架提供与所述弹性力成比例的相互作用力；压电驱动装置，具有垂直固定到所述镜头面的第一端，并由电源电压供电，以便给所述镜头提供大于所述镜头和所述引导装置间的相互作用力的运送力；以及预定质量的砝码，连接到与所述第一端相对的所述压电驱动装置的第二端。

优选地，所述压电元件包括安置在与所述镜头的周边相邻的镜头面中、以相等间隔分开的多个元件部分或形成为安置在与其周边相邻的镜头面中的环。

优选地，驱动设备可进一步包括用于环绕所述镜头的周边的镜头架，其中所述压电元件的第一端固定到所述镜头架。

最好镜头具有从所述镜头的周边径向突出的至少一段，以及其中所述外框架具有沿所述镜头的路线形成的凹口，用于接收所述突出段，其中用所述突出段部分固定所述压电元件。同时，每一时间供给所述压电元件的电源的绝对值在峰值前后互不相同。

附图说明从下述结合附图的详细描述，本发明的上述和其他优点、特征和其它优点将变得更清楚，其中：

图1是传统镜头驱动设备的截面图；

图2是如图1所示的镜头驱动设备的分解图；

图3是根据本发明的第一实施例的驱动设备的部分透视图；

图4A是如图3所示的驱动设备的透视图；

图4B是如图4A所示的驱动设备的截面图；

图5示例说明图3所示的驱动设备的驱动装置的操作状态；

图6示例说明图3所示的驱动设备的引导装置的例子；

图7是图3所示的驱动设备的镜头架的透视图；

图8是示例说明图3所示的驱动设备的引导装置和驱动装置间的连接的截面图；

图9是示例说明图3所示的驱动设备的弹性装置的截面图；

图10是对图3所示的驱动设备的驱动装置的替代的透视图；

图11是示例说明图3所示的驱动设备的操作方式的图；

图12是示例说明图3所示的驱动设备的另一操作方式的图；

图13是示例说明图3所示的驱动设备的另一操作方式的图；

图14是示例说明图3所示的驱动设备的另一操作方式的图；

图15是根据本发明的第二实施例的驱动设备的整体透视图；

图16A是图15所示的驱动设备的透视图；

图16B是图15所示的驱动设备的分解图；

图17是示例说明图15所示的驱动设备的驱动装置的操作状态；

图18是根据本发明的第三实施例的驱动设备的整体透视图；

图19是图18所示的驱动设备的弹性装置的透视图；

图20是示例说明图18所示的驱动装置和驱动设备的镜头间的耦合的截面图；

图21是示例说明图14所示的驱动设备的操作方式的图；

图22是示例说明图14所示的驱动设备的另一操作方式的图；

图23是示例说明图14所示的驱动设备的另一操作方式的图；

图24是示例说明图14所示的驱动设备的另一操作方式的图；

图25是对图14的驱动设备的驱动装置的替代的透视图。

具体实施方式

下述详细描述将参考附图来显示本发明的优选实施例。

根据本发明的方面，本发明的驱动设备直接连接到光学仪器中的将运送的物体或变焦镜头上，以便直接驱动和运送物体或镜头预定距离。

图3是根据本发明的第一实施例的驱动设备的部分透视图。参考图3，根据本发明的第一实施例的驱动设备10包括引导装置12和驱动装置13以便运送镜头11。

引导装置12用来当运送镜头11时，引导镜头11，并垂直地与镜头11连接。优选地，引导装置12通过镜头11延伸到与镜头11的***相邻的位置中。

与镜头11共面地安置驱动装置13，并且该驱动装置13具有连接到镜头11的***的一端或内周。驱动装置13可将其自己的运送力提供给镜头，并且在该实施例中，包括由压力材料制成的压电元件。

参考图4A和4B，引导装置12贯穿镜头11，并且在镜头11四周安置驱动装置13。另外，将质量块或砝码14附加到驱动装置13的外周。该砝码14便于将运送力从驱动装置传送到镜头，并在以后描述。另外，在图4B中，弹性装置15安置在引导装置12和镜头11间。

本发明的驱动设备的特征在于压电元件的驱动装置13直接沿引导装置12驱动镜头11。压电元件可包括复合氧化物材料，诸如PZT。PZT是从Pb、Zr和Ti的首字母提取的并且也称为压电材料。压制压电材料瞬时生成电流，与之相反，当与电流一起使用时，会变形。

本发明采用压电元件的这些属性。即，本发明通过将电流应用于其上使压电元件变形，然后直接基于变形期间的加速力来运送镜头。

图5示例说明压电元件的操作。参考图5，作为驱动装置13的压力元件在0电压(b)时保持平整，以及应用正电压使得该压电元件向前变形(a)。相反，如果应用负电压，使该压电元件向后或反向变形(c)。压电元件显示出根据应用于其上的电压的特性，在外形上变形或变化，以及本发明使用根据压电元件的变形的加速度。

在该实施例中，引导装置12可移动地支撑镜头，并且调整，以便预定量的相互作用力或摩擦力在镜头1和引导装置12间起作用。图11示例说明第一实施例的驱动装置的操作顺序。在步骤a，由引导装置12支撑镜头11并且将驱动装置13或压力元件连接到镜头的周围。将预定质量块的砝码14连接到驱动装置13的外周。

在步骤b，将电压应用到驱动装置13以便沿运送方向，即，在引导装置上运送镜头的方向移动砝码14。基于压电元件的特性，执行步骤b，并且以缓慢的电压斜率将电压应用到压电元件上以便沿运送方向使压电元件弯曲。此时，镜头11基于与引导装置12的摩擦力，保持其位置。

在步骤c，以远大于步骤中的电压斜率的斜率消除施加到驱动装置13或压电元件上的电压。然后，压电元件以非常快的速度恢复到原始外形以克服镜头11和引导装置12间的摩擦力。当快速消除电压时，连接到压电元件的***的砝码14用作基准点。即，沿镜头的运送方向，整个驱动设备的质量中心偏向砝码以便沿其运送方向，将压力元件移向砝码以回复到其原始的平整外形，从而，将镜头及压电元件一起运送到与该砝码相邻的位置。

因为压电元件具有其自身的质量，不需要该砝码的帮助，通过调整压电元件的质量，可执行上述运送操作。然而，应用砝码使得该驱动设备更有效地运送镜头。

为执行上述操作，将本发明的第一实施例设计成将驱动装置13或压电元件连接到镜头11的周围，并且由引导装置12引导镜头11。另外，使镜头11和引导装置12彼此连接以便在镜头11和引导装置12间产生相互作用力或摩擦力。即，通过使引导装置以紧密配合的关系穿过镜头或适当地调整引导装置和镜头的接触面(图8)的表面粗糙度来调节摩擦力。

除上述技术外，本发明采用如图4B和9所示的弹性装置15以便提供预定量的摩擦力。将弹性装置15安置在镜头11和引导装置12之间，以便将预定量的相互作用力应用到镜头和引导装置上。在这种情况下，弹性装置15采用一端固定到镜头11上，以及其他部分与引导装置12接触的片簧等等。

镜头11和引导装置12间的摩擦力与摩擦系数和垂直负载成比例，其中弹性装置15将垂直负载应用于镜头和引导装置间以便即使在外部冲击下，和/或不管镜头筒的位置如何，镜头能保持固定不变位置。

图7示例说明镜头架16。在该示例性结构中，优选地，将镜头11固定以镜头架16上，并且固定地将压电元件***镜头架周围的凹槽中或连接到此。将压电元件的压电元件的一端或内周固定到镜头架上，以及另一端或内周仍旧为自由端。优选地，镜头架由刚性材料制成。如果镜头架是柔性的，那么将由柔性镜头架吸收来自驱动装置的运送力，因此不传送到镜头。因此，镜头架最好由刚性材料，诸如钢制成。

压电元件或驱动装置13能是环形以便如图3和4B所示环绕镜头11的整个周边。当压电元件为环形时，可在镜头的两端均匀地提供运送力。另外，如图10所示，在镜头的***中，以相等间隔安置多个压电元件部。

参考图10，在镜头11的***中，以相等间隔，与镜头共面地安置压电元件部分23。压电元件部分23具有相同的大小和应变模数，并在镜头四周及以相同角度的间隔安置以便将运送力均匀地传送到镜头11而不会偏离。这种装置能降低压电材料的消耗，应理解到能根据所需量运送力来适当地调节压电材料的数量。

在该实施例中，引导装置12延伸贯穿镜头11进入与镜头11的***相邻的位置。如图13所示，由于引导装置12形成为圆形横截面杆，引导装置12由贯穿镜头的一个放在另一个之上或以任何结构的至少两个杆组成，以便防止由于重力摇晃镜头。

另外，引导装置12由至少一个多边形横截面的杆组成，如图6所示。多边形杆防止镜头11绕杆旋转以便镜头11在该杆四周保持其位置。多边形杆具有各种横截面外形，诸如，三角形、四角形、五角形、六角形等等。当该杆具有这种多边形外形时，至少一个多边形杆能防止镜头摇晃同时允许运送镜头。

根据本发明的第一实施例的驱动设备10的特征在于，根据应用到驱动装置13的电压的波形，生成加速力，以便驱动装置能基于该加速力移动镜头。该实施例的驱动装置13包括压电元件，以及应用到该压电元件的电压波形如图11所示。

如图11的下面部分所示，在步骤b以缓慢斜率升高电压V，其中在其外周，使压电元件弯向运送方向，并由镜头和引导装置间的摩擦力的限制。在升高达峰值点后，在步骤c，电压以急剧斜率下降，以便压电元件从变形位置恢复到原始位置，其中弯曲压电元件并沿运送方向偏离。然后，面向来自引导装置的摩擦力，镜头向前推进。

图12示例说明与图11所示相反的操作方式。在图12中，步骤b具有以急剧斜率上升的电压波形，以及当如步骤b所示的电压V应用到驱动设备的驱动装置时，压电元件突然将加速力应用到镜头上以便镜头能沿与来自引导装置的摩擦力相反的运送方向推进。然后，在步骤c，电压波形以缓慢斜率下降，其中由于与引导装置的摩擦力，镜头保持固定以及沿运送方向恢复压电元件的弯曲***并展开成原始平整外形。

如图11和12所示，为根据本发明的实施例驱使驱动装置，要求峰值前后，每一时间的电压V或电压波形具有不同的绝对值。具体来说，在急剧斜率的区域中，需要由电压相位的升高或下降引起的加速力来克服镜头和引导装置间的相互作用力或摩擦力。

图13和14示例说明根据本发明的第一实施例的驱动设备的另外的操作方式。当将图11和12中的操作方式称为基本方式时，在图13和14中的那些操作方式称为速度方式。

在图13中，驱动设备通过三个步骤实现一个操作。首先，在步骤b，应用到驱动设备的驱动装置13的电压V以缓慢斜率上升。在这种情况下，由于镜头和引导装置间的摩擦力，镜头11保持固定，而压力元件或驱动装置的外周沿镜头的运送方向弯曲。在步骤c，应用到压电元件的电压V以急剧斜率下降以具有负相位。由于这种电压的变化，压电元件展开成原始外形，然后弯曲相反方向。由于快速执行步骤c，惯性力作用在砝码上，该砝码向前偏移，从而抑制相同的稳定，以及电压元件沿引导装置相对于砝码向前传送。在步骤d将弯曲的压电元件恢复成平整外形，其中电压V具有与上述步骤b相同的低斜率。

不同于图13中的操作方式，图14中的操作方式应用加速力来在步骤b和d中传送镜头，以及提供低斜率电压以便在步骤c中使压电元件向前/向后弯曲。

与图11和12的操作方式相比，由于它们在一个循环中实现两个位移，图13和14中的操作方式可称为速度方式。因此，这些速度方式能有利地比图11和12中的基本方式更快速地传送镜头。

同样地，在图11和12中，要求在峰值前后每一时间的电压或电压波形具有不同的绝对值以便根据如图13和14所示的本发明的实施例，驱使驱动装置。具体来说，在急剧斜率的区域中，需要由电压相位的升高或下降引起的加速力来克服镜头和引导装置间的相互作用力或摩擦力。

图15是根据本发明的第二实施例的驱动设备的整体透视图。与第一实施例类似，第二实施例的驱动设备30包括引导装置32和驱动装置33，以便运送镜头31。将第二实施例的驱动装置33安置成不同于第一实施例。

引导装置32用来引导镜头31同时运送镜头31，并垂直地于镜头31连接。驱动装置33能将其自身的运送力施加到镜头并包括由如第一实施例的压电材料制成的压电元件。

在第二实施例的驱动设备中，引导装置32可移动地支撑镜头，并调节，以便在镜头和引导装置32间生成预定量的相互作用力或摩擦力。将作为驱动装置的驱动装置或压电元件33在垂直方向中连接到镜头31的背面部分并与引导装置32平行。

在图16A和16B中更具体地示出了这种结构。图16A表示将镜头31与镜头架36连接，并且将压电元件33连接到镜头架36的背面。将砝码34连接到压电元件的远端，以及引导装置35穿过镜头架36。将弹性装置35i安置在引导装置和镜头架之间。

将镜头架36形成为环绕镜头，以及将压电元件的近端固定到镜头架的背面。尽管图16A和16B示例说明镜头架36，另外，镜头本身能与压电元件连接而没有任何镜头架。在这种情况下，引导装置35穿过镜头31进入与镜头的周边相邻的位置。

在第二实施例中的驱动装置包括由PZT制成的压电元件，并在与第一实施例所述的相同基础的变形期间，基于加速力，直接运送镜头。在图17中可以看出第二实施例中的压电元件的操作。

参考图17，作为驱动装置33的压电元件在零电压(b)时保持其预定厚度的原始外形。应用正电极使得压电元件具有更厚或更扩展的结构(a)，即，扩大了一个在另一个之上层叠压电元件层的间隙以使整个压电元件变厚。相反，如果应用负电极，使压电元件变薄或收缩。在该实施例中的压电元件具有形状改变或扩展/收缩以利用由于这种形状改变而产生的加速力。

图21是示例说明第二实施例的驱动装置的操作方式的图。参考图21，在步骤a中，压电元件33通过近端与镜头31连接，并且通过远端与砝码34连接。

在步骤b中，将电压V应用到作为驱动装置33的压电元件，以便沿镜头的运送方向移动砝码34。这是基于作为驱动装置的压电元件的特性执行的，其中将缓慢斜率的电压波形施加到压电元件，以便沿运送方向扩展压电元件。然后，由于与引导装置32的摩擦力，将镜头31保持在原地不动。

在步骤c中，以远比在步骤b中的电压斜率陡的斜率消除施加到压电元件或驱动装置33的电压V。然后，以极其快的速度使压电元件恢复到原始外形以克服镜头31和引导装置32间的摩擦力。当快速消除电压时，连接到压电元件的远端的砝码34充当基准点。即，沿镜头的方向，使整个驱动设备的质量中心偏向砝码34以便朝砝码34恢复压电元件以及将镜头与压电元件一起运送到与砝码34相邻的运送位置。

因为压电元件具有其自身的质量，在不借助于砝码情况下，可通过调节压电元件的质量来执行如上所述的运送操作。然而，应用砝码使得该驱动设备更有效地运送镜头。

在上述第二实施例中，镜头31和引导装置32彼此连接以便在镜头31和引导装置32之间产生相互作用力或摩擦力。即，如在第一实施例中，通过使引导装置以紧密配合的关系穿过镜头或适当调节引导装置和镜头的接触面(图8)的表面粗糙度来调节摩擦力。

除上述技术外，本发明能采用弹性装置35，如图16A所示(也参考图9)，以便提供预定量的摩擦力。将弹性装置35安置在镜头31和引导装置32之间，以便将预定量的相互作用力提供给镜头和引导装置。在这种情况下，弹性装置35采用具有一端固定到镜头31上，并且其他部分与引导装置32接触的片簧等等。

如在第一实施例中，镜头31和引导装置32间的摩擦力与摩擦系数和垂直负载成比例，其中弹性装置35将垂直负载应用于镜头和引导装置间，以便即使在外部冲击下和/或不管镜头筒的位置如何，镜头能保持固定不变位置。

在该实施例中，优选地，将镜头31固定到镜头架36，并且将压电元件固定地***镜头架36的背面或将其连接到此。将压电元件的近端固定到镜头架，并且远端或***保持为自由端。镜头架最好由刚性材料制成。如果镜头架是柔性的，那么将由柔性镜头架吸收来自驱动装置的运送力，从而不传送到镜头。因此，镜头架最好由刚性材料诸如钢制成。

压电元件或驱动装置33能形成为用于连接到与镜头的周边相邻的镜头31的一端的环。当压电元件为环形时，通过镜头可均匀应用运送力。另外，如图25所示，可在镜头的周边，以相同的间隔安置多个压电元件部分。

参考图25，在一端将压电元件部分43安置成垂直于镜头31，即，在其背面，以相等的间隔分开。压电元件部分43具有相同的大小和应变模数，并环绕镜头，并以相同的角度分开安置，以便将运送力均匀地传送给镜头31而不会偏离。这种装置能降低压电材料的消耗，并且应理解到能根据所需量的传送力来适当地调整压电材料的数量。

用这种方式，引导装置32延伸贯穿镜头31进入与镜头31的周边相邻的位置中。如图15所示，由于引导装置形成为圆形截面图的杆，引导装置32由贯穿到该镜头的一个放在另一个之上或以任何结构的至少两个杆组成，以便防止由于重力摇晃镜头。

另外，引导装置31由至少一个如图6所示的多边形横截面的杆组成。多边形杆防止镜头31绕杆转动，以便镜头31保持其在该杆周围的位置。多边形杆可具有各种横截面外形，诸如三角形、四边形、五边形、六边形等等。当该杆具有这种多边形外形时，至少一个多边形杆能防止镜头摇晃，同时允许传送镜头。

根据本发明的第二实施例的驱动设备30的特征在于根据应用到该驱动装置13的电压的波形，生成加速力，以便由于该加速力，该驱动装置能移动镜头。该实施例的驱动装置33包括压电元件，并且施加到压电元件的电压波形如图21所示。

如图21的下部所示，在步骤b中，以缓慢斜率使电压V升高，其中通过其外周，使压电元件弯向运送方向，并由镜头和引导装置间的摩擦力限制。在升高达到峰值点时后，在步骤c，电压以急剧斜率下降以便使压电元件从变形位置恢复到其原始位置，其中弯曲压电元件并沿运送方向偏离。然而，面向来自引导装置的摩擦力，使镜头向前推进。

图22示例说明与图21所示的相反的操作方式。在图22中，步骤b具有以急剧斜率上升的电压波形，以及当将如步骤b中所示的电压V应用于驱动设备的驱动装置时，压电元件33突然将加速力应用到镜头31上，以便镜头能沿与来自引导装置的摩擦力相反的运送方向推进。然后，在步骤c，压电波形以缓慢斜率下降，其中由于与引导装置的摩擦力，镜头保持不动，以及沿运送方向恢复压电元件的弯曲的外周并展开成原始平整外形。

如图21和22中所示，为驱使根据本发明的实施例的驱动装置，要求在峰值前后，每一时间的电压V或电压波形具有不同绝对值。具体来说，在急剧斜率的区域中，需要由电压相位的升高或下降引起的加速力来克服镜头和引导装置间的相互作用力或摩擦力。

图23和24示例说明根据本发明的第二实施例的驱动设备的另外的操作方式。当将图21和22中所示的操作方式称为基本方式时，则能将图23和24中的那些操作方式称为速度方式。

在图23中，驱动设备通过三个步骤实现一个操作。首先，在步骤b中，以缓慢斜率使应用于驱动设备的驱动装置33的电压V升高。在这种情况下，由于镜头和引导装置间的摩擦力，镜头31仍然不动，同时沿镜头的运送方向扩展压电元件或驱动装置的远端。在步骤c中，以急剧斜率使应用于压电元件的电压V下降以具有负相位。由于这种电压的变化，压电元件恢复成原始外形，然后从原始厚度收缩到预定厚度。由于快速执行步骤c，惯性力作用于向前偏移的砝码上，从而抑制同样的不动，以及压电元件沿引导装置在砝码周围向前传送镜头。在步骤d，使收缩的压电元件恢复成原始平整外形我，其中如上述步骤b相同，以缓慢斜率应用电压V。

在步骤c，由于压电元件的收缩/扩展程度不同，负和正电压的峰值的绝对值互不相同。在第二实施例的收缩/扩展型压电元件中，收缩的程序通常小于扩展程序。压电元件的这种特性改变了供给压电元件的电压的峰值的绝对值。

与图23中的操作方式不同，图24中的操作方式施加加速力来在步骤b和d中传送镜头，并提供缓慢斜率的电压，以便在步骤c中向前/向后移动压电元件。

与图21和22中的操作方式相比，图23和24中的操作方式可称为速度，因为它们在一个周期内实现两个位移。因此，与图21和22中的基本方式相比，这些速度方式能有利地更快速地传送镜头。

与图21和22中相同，要求在峰值前后，每一时间的电压V或电压波形具有不同绝对值，以便驱使根据如图23和24所示的本发明的实施例的驱动装置。具体来说，在急剧斜率的区域中，需要由电压相位的升高或下降而生成的加速力来克服镜头和引导装置间的相互作用力或摩擦力。

本发明的驱动设备能采用外部框架52作为引导装置，如图18所示。下面的描述将公开使用外部框架作为引导装置的第三实施例。

第三实施例的驱动设备包括镜头51和连接到镜头51的一端、与镜头的运送方向平行的驱动装置53。驱动装置53可包括压电元件。本发明的第三实施例的特征在于将外部框架52作为引导装置，其中外部框架52是由光学仪器诸如照相机的镜头单元组成的镜头筒。外部框架52与镜头52的周边相互接触以便引导镜头的往复运动或向前/向后运动。即，外部52框架与镜头的周边相互接触以以便在它们间生成摩擦力。因此，镜头不能在外部框架内自由移动而是在驱动装置的驱动力下移动。

如图18所示，外部框架52最好具有多边形外形的凹口61。另外，凹口可形成为弧形。使外部框架52的凹口61形成为接收从镜头51突出的段62。突出段62可通过镜头51的成形，诸如切割、修整等等与镜头51整体形成。另外，在将如图19所示的镜头架采用为第一和第二实施例的情况下，段62也可从镜头架突出。外部框架52的凹口61沿镜头的运送方向拉长以便镜头能在外部框架内沿凹口移动。

这种结构的外部框架的应用，从镜头驱动装置消除了贯穿镜头引导装置，诸如引导杆的必要性以便进一步简化镜头运送机构和省略了穿孔镜头的过程以便引导装置贯穿镜头。另外，形成凹口61以及突出段62以便具有多边形横截面以致至少一对凹口61和段62能保持镜头的不变位置而不会摇晃。

为提高镜头和外部框架间的力以保持镜头和外部框架的有效接触，能向镜头的至少一个突出段62提供弹性装置55，如图19所示。弹性装置55的可用例子包括两端均固定到相关突出段62以及中央部分与外部框架接触的片簧。

在第三实施例的驱动装置50中，压电元件具有，以与第二实施例的驱动装置相等的间隔安置在镜头面中与镜头周边相邻的位置中的多个压电元件部分。另外，压电元件可形成为在镜头面中安置的、环绕与镜头周边相邻的镜头部分的环。另外，与上述第一和第二实施例类似，作为驱动装置的压电元件可与预定预定质量的砝码相连。

图20表示本发明的第三实施例中的镜头51、从镜头51突出的段62以及压电元件53。在图20中，使镜头中的突出段62的背面成梯状，以便具有小于镜头的平均厚度的厚度，以及将压电元件53连接到突出段62的背面。当使突出段的背面成梯状，并且压电元件连接到该突出段的梯状背面时，实际上好处在于具有压电元件的镜头驱动装置能沿运送方向降低长度。这结果使得降低整个光学仪器的大小。

也可将第二实施例中的基本和速度方式应用到根据第三实施例的驱动装置的操作方式。另外，应用到该驱动装置的每一时间的电压波形在峰值前后具有不同的绝对值。

本发明的驱动装置可用于微镜头组件以及小型薄膜变焦照相机、数字变焦照相机、各种观察照相机以及摄象机-录象机。另外，驱动装置不受磁场影响，因为它采用了基于压电元件的驱使。因此，本发明的驱动装置可应用于探测很少允许磁性接近(例如，MRI照相)的位置以及观察照相机的变焦机构。另外，本发明的驱动装置能延长超出传统镜头驱动结构的运送距离以便实现要求焦点长度变化很大的高放大率的变焦镜头机制。基于这些特性，本发明的驱动设备能代替传统的电磁马达。

根据如上所述的本发明，本发明的目的是提供能集成与驱动装置集成的镜头的驱动设备，以便简化镜头驱动单元的结构从而降低变焦镜头单元的大小。

另外，根据本发明，驱动装置能直接线性地驱动镜头以便获得高驱动效率以及直接控制镜头的位置同时能控制镜头的运送距离而不受其他部件的限制。

本发明还允许将镜头保持在原地而不另外提供能源，同时通过镜头位置的超精确控制，实现能执行精确的焦点控制以及精确的放大调整，以便实现高分辨率的驱动设备。

此外，使用上述驱动设备的本发明的驱动方法允许选择多个运送方式。

尽管结合优选实施例已经示出和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解，在不脱离所附的权利要求书的精神和范围的情况下，能对本发明做出各种改进和改变。

Claims (51)

1.一种用于运送物体的驱动设备，包括：

引导装置，与所述物体连接，用于引导所述物体；以及

驱动装置，连接到所述物体上，用于给所述物体提供大于所述物体与所述引导装置间的相互作用力的驱动力；

其中所述物体为光学仪器的镜头，并且所述驱动装置包括通过第一端固定到所述物体以及由电源电压供电的压电元件，并且所述驱动设备进一步包括弹性装置，用于使所述物体和所述引导装置弹性接触，以便给所述物体和所述引导装置提供与弹性力成比例的相互作用力。

2.如权利要求1所述的驱动设备，进一步包括连接到与所述第一端相对的所述压电元件的第二端上的预定质量的砝码。

3.如权利要求1所述的驱动设备，其中，每一时间供给所述压电元件的电压的绝对值在所述供给所述压电元件的电压的绝对值的峰值前后互不相同。

4.一种用于运送光学仪器的镜头的驱动设备，包括：

引导装置，与所述镜头垂直连接，用于引导所述镜头往复运动；以及

驱动装置，与所述镜头共面安置，并通过第一端固定到所述镜头的周边，用于给所述镜头提供大于所述镜头与所述引导装置间的相互作用力的运送力；

其中，所述驱动装置包括由电源电压供电的压电元件，并且所述驱动设备进一步包括弹性装置，用于使所述镜头和所述引导装置间弹性接触，以便给所述镜头和所述引导装置提供与弹性力成比例的相互作用力。

5.如权利要求4所述的驱动设备，进一步包括连接到与所述第一端相对的压电元件的第二端上的预定质量的砝码。

6.如权利要求5所述的驱动设备，其中，所述压电元件包括安置在所述镜头的周边中，以相等的间隔分开的多个元件部分。

7.如权利要求5所述的驱动设备，其中，所述压电元件成形为环绕所述镜头的整个周边的环。

8.如权利要求4所述的驱动设备，进一步包括用于环绕所述镜头的周边的镜头架，其中，将所述压电元件的第一端连接到所述镜头架上。

9.如权利要求4所述的驱动设备，其中，所述引导装置沿着与镜头垂直的方向在与所述镜头的周边相邻的位置中延伸贯穿镜头。

10.如权利要求9所述的驱动设备，其中，所述引导装置包括至少一个多边形横截面杆。

11.如权利要求9所述的驱动设备，其中，所述引导装置包括至少两个圆形横截面杆。

12.如权利要求4所述的驱动设备，其中，每一时间供给所述压电元件的电源电压的绝对值在供给所述压电元件的电源电压的绝对值的峰值前后互不相同。

13.一种用于运送光学仪器中的镜头的驱动设备，包括：

引导装置，与所述镜头垂直连接，用于引导所述镜头的往复运动；以及

驱动装置，具有垂直固定到所述镜头面的第一端，以便给所述镜头提供大于所述镜头和所述引导装置间的相互作用力的运送力；

其中，所述驱动装置包括由电源电压供电的压电元件，并且所述的驱动设备进一步包括弹性装置，用于使所述镜头和所述引导装置弹性接触，以便给所述镜头和所述引导装置提供与弹性力成比例的相互作用力。

14.如权利要求13所述的驱动设备，进一步包括连接到与所述第一端相对的压电元件的第二端的预定质量的砝码。

15.如权利要求14所述的驱动设备，其中，所述压电元件包括在与所述镜头的镜头面中与镜头的周边相邻的位置安置的、以相等的间隔分开的多个元件部分。

16.如权利要求14所述的驱动设备，其中，所述压电元件成形为安置在其镜头面中与周边相邻的镜头面中的环。

17.如权利要求13所述的驱动设备，进一步包括用于环绕所述镜头的周边的镜头架，其中，所述压电元件的第一端固定到所述镜头架上。

18.如权利要求13所述的驱动设备，其中，所述引导装置沿着与镜头垂直的方向在与所述镜头的周边相邻的位置中延伸贯穿所述镜头。

19.如权利要求18所述的驱动设备，其中，所述引导装置包括至少一个多边形横截面杆。

20.如权利要求18所述的驱动设备，其中，所述引导装置包括至少两个圆形横截面杆。

21.如权利要求13所述的驱动设备，其中，所述引导装置包括与所述镜头的镜头面周边接触的外框架，以便引导所述镜头的往复运动。

22.如权利要求21所述的驱动设备，其中，所述镜头具有从所述镜头的周边径向突出的至少一段，以及其中，所述外框架具有沿所述镜头的运动路线形成的凹口，用于接收所述突出段。

23.如权利要求22所述的驱动设备，其中，用所述突出段部分固定所述压电元件。

24.如权利要求14所述的驱动设备，其中，每一时间供给所述压电元件的电源电压的绝对值在供给所述压电元件的电源电压的绝对值的峰值前后互不相同。

25.一种用于通过如权利要求4所述的驱动设备运送镜头的方法，所述方法包括下述步骤；

(a)沿所述镜头的运送方向，以第一速度移动所述驱动装置的第二端；以及

(b)以快于步骤(a)中的所述驱动装置的第二端的第一速度的第二速度，使所述驱动装置恢复成其原始外形，以便移动用所述驱动装置的第一端固定的所述镜头；

其中，所述驱动装置包括由电源电压供电的压电元件，以及其中，每一时间在步骤(a)中供给所述压电元件的电源电压具有小于步骤(b)中的电源电压的绝对值。

26.一种用于通过如权利要求4所述的驱动设备运送镜头的方法，所述方法包括下述步骤；

(a)以第一速度，沿所述镜头的运送方向移动所述驱动装置的第二端；以及

(b)以快于步骤(a)中的所述驱动装置的第二端的第一速度的第二速度，操作所述驱动装置，以便沿着远离(beyond)通过将所述驱动装置恢复到其原始外形来实现的位置的所述镜头的运送方向，移动固定到所述驱动装置的第一端的所述镜头；以及

(c)使所述驱动装置的第二端恢复成其原始外形。

27.如权利要求26所述的运送镜头的方法，其中，所述驱动装置包括由电源电压供电的压电元件，以及其中每一时间在步骤(a)中供给所述压电元件的电源电压具有小于步骤(b)中电源电压的绝对值。

28.一种用于运送光学仪器的镜头的驱动设备，包括：

引导装置，垂直与所述镜头连接，用于引导所述镜头的往复运动；

弹性装置，用于使所述镜头和所述引导装置弹性接触，以便给所述镜头和所述引导装置提供与弹性力成比例的相互作用力；

压电驱动装置，与所述镜头共面，具有固定到所述镜头的周边的第一端，并由电源电压供电，以便给所述镜头提供大于所述镜头和所述引导装置间的相互作用力的运送力；

预定质量的砝码，连接到与所述第一端相对的所述压电驱动的第二端。

29.如权利要求28所述的驱动设备，其中，所述压电驱动装置包括在所述镜头的周边中安置的、以相等的间隔分开的多个部分。

30.如权利要求28所述的驱动设备，其中，所述压电驱动装置形成为环绕所述镜头的整个周边的环。

31.如权利要求28所述的驱动设备，进一步包括用于环绕所述镜头的周边的镜头架，其中，所述压电驱动装置的第一端固定到所述镜头架上。

32.如权利要求28所述的驱动设备，其中，所述引导装置沿着与镜头垂直的方向在与所述镜头相邻的位置中延伸贯穿所述镜头。

33.如权利要求32所述的驱动设备，其中，所述引导装置包括至少一个多边形横截面杆。

34.如权利要求32所述的驱动设备，其中，所述引导装置包括至少两个圆形横截面杆。

35.如权利要求28所述的驱动设备，其中，每一时间供给所述压电元件的电源电压的绝对值在供给所述压电元件的电源电压的绝对值的峰值前后互不相同。

36.一种用于运送光学仪器的镜头的驱动设备，包括：

引导装置，沿着与镜头垂直的方向在与所述镜头相邻的位置中延伸贯穿所述镜头，用于引导所述镜头的往复运动；

弹性装置，用于使所述镜头和所述引导装置弹性接触，以便给所述镜头和所述引导装置提供与所述弹性力成比例的相互作用力；

压电驱动装置，具有垂直固定到所述镜头面的第一端，并由电源电压供电，以便给所述镜头提供给大于所述镜头和所述引导装置间的相互作用力的运送力；以及

预定质量的砝码，连接到与所述第一端相对的所述压电驱动装置的第二端。

37.如权利要求36所述的驱动设备，其中，所述压电元件包括在所述镜头的镜头面中与周边相邻的位置安置的、以相等间隔分开的多个元件部分。

38.如权利要求36所述的驱动设备，其中，所述压电元件形成为安置在其镜头面中与周边相邻的环。

39.如权利要求36所述的驱动设备，进一步包括用于环绕所述镜头的周边的镜头架，其中，所述压电元件的第一端固定到所述镜头架上。

40.如权利要求36所述的驱动设备，其中，所述引导装置包括至少一个多边形横截面杆。

41.如权利要求36所述的驱动设备，其中，所述引导装置包括至少两个圆形横截面杆。

42.如权利要求36所述的驱动设备，其中，每一时间供给所述压电元件的电源电压的绝对值在供给所述压电元件的电源电压的绝对值的峰值前后互不相同。

43.一种用于运送光学仪器的镜头的驱动设备，包括：

外框架，与所述镜头的镜头面周边接触，用于引导所述镜头的往复运动；

弹性装置，用于使所述镜头和所述外框架弹性接触，以便给所述镜头和所述外框架提供与所述弹性力成比例的相互作用力；

压电驱动装置，具有垂直固定到所述镜头面的第一端，并由电源电压供电，以便给所述镜头提供大于所述镜头和引导装置间的相互作用力的运送力；以及

预定质量的砝码，连接到与所述第一端相对的所述压电驱动装置的第二端。

44.如权利要求43所述的驱动设备，其中，所述压电元件包括在所述镜头的镜头面中与所述镜头的周边相邻的位置安置、以相等间隔分开的多个元件部分。

45.如权利要求43所述的驱动设备，其中，所述压电元件形成为安置在其镜头面中与周边相邻的环。

46.如权利要求43所述的驱动设备，进一步包括用于环绕所述镜头的周边的镜头架，其中，所述压电元件的第一端固定到所述镜头架。

47.如权利要求43所述的驱动设备，其中，镜头具有从所述镜头的周边径向突出的至少一段，以及其中所述外框架具有沿所述镜头的运动路线形成的凹口，用于接收所述突出段。

48.如权利要求46所述的驱动设备，其中，用所述突出段部分固定所述压电元件。

49.如权利要求43所述的驱动设备，其中，每一时间供给所述压电元件的电源的绝对值在供给所述压电元件的电源的绝对值的峰值前后互不相同。

50.一种用于通过如权利要求13所述的驱动设备运送镜头的方法，所述方法包括下述步骤：

(a)以第一速度，沿所述镜头的运送方向移动所述驱动装置的第二端；以及

(b)以快于步骤(a)中的所述驱动装置的第二端的第一速度的第二速度，使所述驱动装置恢复到其原始外形，以便移动用所述驱动装置的第一端固定的所述镜头；

其中，所述驱动装置包括由电源电压供电的压电元件，以及其中每一时间在步骤(a)中供给所述压电元件的电源电压具有小于步骤(b)中电源电压的绝对值。

51.一种通过如权利要求13所述的驱动设备运送镜头的方法，所述方法包括下述步骤：

(a)以第一速度，沿所述镜头的运送方向移动所述驱动装置的第二端；以及

(b)以快于步骤(a)中的所述驱动装置的第二端的第一速度的第二速度操作所述驱动装置，以便沿着远离通过将所述驱动装置恢复到其原始位置来实现的位置的所述镜头的运送方向，移动固定到所述驱动装置的第一端的所述镜头；以及

(c)使所述驱动装置的第二端恢复成其原始外形；

其中，所述驱动装置包括由电源电压供电的压电元件，以及其中，每一时间在步骤(a)中供给所述压电元件的电源电压具有小于步骤(b)中电源电压的绝对值。

Images