Электродинамический сервопривод и фокусирующий объектив
ELECTRODYNAMIC SERVOUNIT AND FOCUSING LENS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к области электромеханики, в частности к линейному электродинамическому сервоприводу и его применению в фокусирующем объективе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Электродинамический сервопривод (VCM) представляет собой относительно простой привод. В частности, линейный электродинамический сервопривод широко применяется в области оптики, скажем, в качестве модуля автоматической фокусировки съемочной камеры сотового телефона. Для ясности отметим, что в нижеследующем тексте подвижная часть в электродинамическом сервоприводе называется узлом ротора, а относительно неподвижная часть называется узлом статора.
Базовая конструкция электродинамического сервопривода, показанная на фиг.1, в общем случае включает в себя статор 11, ротор 12 и упругую соединительную деталь 13. Упругая соединительная деталь соединяет ротор и статор. В роторе неподвижно установлена нагрузка (не показана). Показанный на фиг.1 статор представляет собой постоянный магнит, а узел ротора включает в себя катушку 123 возбуждения, намотанную на роторе. После подачи электропитания на катушку возбуждения,ротор совершает линейное движение под действием магнитного поля статора. Движение ротора в противоположном направлении может быть достигнуто за счет подачи обратного тока в катушку возбуждения или за счет использования восстанавливающей силы упругой соединительной детали. В других примерах возможна также ситуация, когда ротор представляет собой постоянный магнит, а катушка возбуждения является частью узла статора.
Электродинамический сервопривод с вышеупомянутой конструкцией может точно определять положение места приложения нагрузки, например, перемещая фокусирующий объектив в желаемое положение, за счет баланса между электромагнитной силой, генерируемой катушкой возбуждения и силой упругости упругой соединительной детали. В общем случае, сила упругости упругой соединительной детали пропорциональна смещению последней в рабочем диапазоне, а это приводит к тому, что чем больше смещение ротора, тем больше должна быть электромагнитная сила и тем больше должен быть ток катушки возбуждения. Когда нужно остановить ротор в некотором фиксированном положении, например, в положении фокусировки, причем на длительное время, нужно в течение длительного времени поддерживать ток катушки возбуждения, что приводит к большему энергопотреблению при статических нагрузках электродинамического сервопривода.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с данным изобретением, предложен электродинамический сервопривод. Электродинамический сервопривод может включать в себя узел статора, узел ротора и упругую соединительную деталь. Узел ротора соединен с узлом статора посредством упругой соединительной детали. Узел статора включает в себя втулку статора. Узел ротора включает в себя втулку ротора, соединенную с втулкой статора. Одна из втулки статора и втулки ротора представляет собой втулку из материала со свойствами постоянного магнита, а другая представляет собой втулку из немагнитного материала. Узел, которому принадлежит втулка из немагнитного материала, также может включать в себя предварительно намагничиваемый элемент и катушку возбуждения. Предварительно намагничиваемый элемент выполнен из материала со свойствами постоянного магнита или намагничиваемого материала и неподвижен относительно втулки из немагнитного материала. Катушка возбуждения расположена на внутренней поверхности или внешней поверхности втулки из немагнитного материала. Предварительно существующая сила действия магнитного поля между предварительно намагничиваемым элементом и втулкой из материала со свойствами постоянного магнита достигает баланса с силой упругости упругой соединительной детали в случае, когда на катушку возбуждения не подается электропитание.
При наличии электродинамического сервопривода согласно данному изобретению - за счет предварительно существующей силы действия магнитного поля - упругая соединительная деталь оказывается в состоянии баланса сил в случае отсутствия питания, а для приведения упругой соединительной детали в движение требуется меньшая электромагнитная сила, что снижает ток возбуждения и энергопотребление.
Ниже будет приведено подробное описание конкретных вариантов осуществления данного изобретения со ссылками на чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - схематическое изображение конструкции обычного электродинамического сервопривода;
Фиг.2 - схематическое изображение эквивалентной конструкции электродинамического сервопривода в соответствии с данным изобретением;
Фиг.3 - схематическое изображение электродинамического сервопривода в первом варианте осуществления;
Фиг.4 - схематическое изображение электродинамического сервопривода во втором варианте осуществления;
Фиг.5 - схематическое изображение электродинамического сервопривода в третьем варианте осуществления;
Фиг.6 - схематическое изображение электродинамического сервопривода в четвертом варианте осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Обращаясь к фиг.2, отмечаем, что эквивалентная конструкция электродинамического сервопривода в соответствии с данным изобретением может включать в себя узел 21 статора, узел 22 ротора и упругую соединительную деталь 23. Узел ротора может быть соединен с узлом статора посредством упругой соединительной детали.
Узел статора, который является относительно неподвижным, может включать в себя втулку 211 статора. Втулка статора может быть закреплена на некотором компоненте (не показан), таком как подложка или основание, или закреплена на других крепежных элементах, находящихся в положении, где установлен электродинамический сервопривод.
Узел ротора может включать в себя втулку 221 ротора, соединенную с втулкой статора. В некоторых приложениях, например при оптическом масштабировании и фокусировании, втулку ротора предпочтительно соединяют с втулкой статора соосно. Более того, с целью лучшего поддержания стабильности оптической оси во время осевого перемещения, втулку статора предпочтительно соединяют компактно с втулкой ротора, а поверхность контакта между ними является гладкой. В конкретном воплощении, втулку статора можно присоединить снаружи втулки ротора или изнутри втулки ротора, что может определяться в соответствии с потребностями проектирования.
В общем случае, упругая соединительная деталь может быть цилиндрической винтовой пружиной или принимать иные формы, такие, как плоская пластинчатая пружина, изготавливаемая посредством процесса травления металла.
В соответствии с данным изобретением, одна из втулки статора и втулки ротора представляет собой втулку из материала со свойствами постоянного магнита, а другая представляет собой втулку из немагнитного материала. Узел, которому принадлежит втулка из немагнитного материала, также может включать в себя предварительно намагничиваемый элемент и катушку возбуждения. Например, как показано на фиг.2, втулка статора представляет собой втулку из материала со свойствами постоянного магнита, а втулка ротора представляет собой втулку из немагнитного материала. Соответственно узел ротора может включать в себя предварительно намагничиваемый элемент 222 и катушку 223 возбуждения. Конечно, в другом случае втулка статора может представлять собой втулку из немагнитного материала, а втулка ротора может представлять собой втулку из материала со свойствами постоянного магнита, и тогда узел статора также может включать в себя предварительно намагничиваемый элемент и катушку возбуждения.
Предварительно намагничиваемый элемент может быть выполнен из материала со свойствами постоянного магнита или намагничиваемого материала и закреплен относительно втулки из немагнитного материала. Например, если втулка ротора представляет собой втулку из немагнитного материала, то предварительно намагничиваемый элемент может представлять собой магнитное кольцо, расположенное соосно с втулкой ротора и закрепленное на ее конце, как показано на фиг.2; в качестве еще одного примера отметим, что если втулка статора представляет собой втулку из немагнитного материала, то предварительно намагничиваемый элемент может быть закреплен на втулке статора или других компонентах внутри узла статора, таких, как подложка или основание. В некоторых вариантах осуществления, предварительно намагничиваемый элемент может быть выполнен в распределенной форме, такой, как вкладыш сетчатого типа, или может быть закреплен на втулке из немагнитного материала, при условии, что он окажется способным генерировать предварительно существующую силу действия магнитного поля вместе с втулкой из материала со свойствами постоянного магнита.
Катушку возбуждения можно предусмотреть на внутренней поверхности или внешней поверхности втулки из немагнитного материала. Например, как показано на фиг.2, катушка возбуждения распложена на внешней стенке втулки ротора, и плотно прилегает к внутренней стенке втулки статора. Катушку возбуждения можно наматывать с помощью поточных линий для нанесения изолирующих покрытий, таких, как эмалированная проволока. Или катушку возбуждения можно выполнить из одного слоя либо нескольких слоев гибкой печатной платы (FPC), что может позволить избежать затруднений, создаваемых при намотке (особенно потому, что размер электродинамического сервопривода, действующего как средство оптического фокусирования, в общем случае невелик), и облегчить монтаж вследствие замены обмотки печатной схемой.
Кроме того, когда для оптического масштабирования и фокусирования используют фокусирующий объектив, обычно закрепляют группу линз, которую нужно перемещать на узле ротора. Например, как показано на фиг.2, группа 225 линз закреплена на магнитном кольце. В других вариантах осуществления, группа линз также может быть установлена на опорном элементе для линз, который в таком случае соединен с узлом ротора.
В случае, когда на катушку возбуждения не подается питание, предварительно существующая сила действия магнитного поля (которая может быть притягивающей или отталкивающей силой действия магнитного поля) между предварительно намагничиваемым элементом и втулкой из материала со свойствами постоянного магнита, может приводить к росту деформации упругой соединительной детали, соединяющей узел ротора и узел статора, и достигать баланса с силой упругости, генерируемой упругой соединительной деталью, так что упругую соединительную деталь можно водить в состояние баланса сил заранее. Следовательно, положение, где упругая соединительная деталь заранее поддерживает упомянутый баланс, можно задать как одну из двух концевых точек рабочего диапазона упругой соединительной детали или как точку между ними для поддержания нулевого энергопотребления в соответствующем рабочем состоянии. Более того, энергопотребление, требуемое упругой соединительной деталью, отклонившейся от положения баланса сил, также может быть меньшим, чем тогда, когда «предварительно существующая сила действия магнитного поля» не прикладывается, что может дать преимущества низкого энергопотребления и длинного перемещения применительно к оптическому фокусированию. В связи с подробными теоретическими анализами снижения энергопотребления с целью привода упругой соединительной детали посредством предварительно существующей силы действия магнитного поля, здесь можно сделать ссылку на китайскую патентную заявку на изобретение CN201310748592.0.
В случае когда питание на катушку возбуждения подается, между катушкой и втулкой из материала со свойствами постоянного магнита, а также предварительно намагничиваемым элементом, который дополнительно изменяет баланс между «предварительно существующей силой действия магнитного поля» и силой упругости, возможно генерирование действующей силы, которая заставляет узел ротора перемещаться в осевом направлении. Сила, действующая между втулкой из материала со свойствами постоянного магнита и катушкой возбуждения, будет концептуально проиллюстрирована ниже.
Для втулки из материала со свойствами постоянного магнита возможны два типа направления намагничивания: одно приводит радиальному намагничиванию, т.е., внутренняя и внешняя поверхности втулки представляют собой один из южного и северного магнитных полюсов соответственно; а другое приводит к осевому намагничиванию, т.е., верхний и нижний концы втулки представляют собой один из южного и северного магнитных полюсов соответственно.
В случае, если направление намагничивания втулки из материала со свойствами постоянного магнита приводит к радиальному намагничиванию, между катушкой и втулкой из материала со свойствами постоянного магнита возможно генерирование электромагнитной силы (силы Лоренца), когда на катушку возбуждения подается питание, а это приводит к продвижению узла ротора вверх и вниз.
В случае, если направление намагничивания втулки из материала со свойствами постоянного магнита приводит к осевому намагничиванию, сила действия магнитного поля между катушкой и втулкой из материала со свойствами постоянного магнита может действовать вдоль осевого направления, и такие силы взаимно уничтожаются благодаря окружной симметрии. Вместе с тем, магнитное поле, генерируемое катушкой, может быть - по направлению магнитного поля - таким же, как магнитное поле втулки из материала со свойствами постоянного магнита или противоположным, так что магнитное поле, генерируемое током, может складываться с магнитным полем втулки из материала со свойствами постоянного магнита или может взаимно уничтожаться с этим полем; вследствие этого, происходит увеличение или уменьшение силы, действующей между втулкой из материала со свойствами постоянного магнита и предварительно намагничиваемым элементом, а также достигается перемещение узла ротора посредством нарушения баланса между «предварительно существующей силой действия магнитного поля» и силой упругости.
Упругую соединительную деталь предпочтительно можно выполнить из намагничиваемого материала, такого как сталь или ферромагнитный материал, вследствие чего оказывается возможным приложение силы действия магнитного поля между втулкой из материала со свойствами постоянного магнита и предварительно намагничиваемым элементом, а это способствует снижению веса узла ротора.
Как упоминалось выше, электродинамический сервопривод в соответствии с данным изобретением может иметь различные конкретные конструкции. Например, можно поменять друг с другом места расположения втулки статора и втулки ротора друг относительно друга. В качестве другого примера отметим, что направление намагничивания втулки из материала со свойствами постоянного магнита может быть радиальным или осевым направлением. В качестве еще одного примера, отметим, что, предварительно намагничиваемый элемент может быть расположен в узле статора или в узле ротора. Такие изменения можно объединять, получая различные конкретные воплощения. В нижеследующем тексте будет приведено возможное описание нескольких конкретных вариантов осуществления электродинамического сервопривода в соответствии с данным изобретением.
Первый вариант осуществления
Обращаясь к фиг.3, отмечаем, что вариант осуществления электродинамического сервопривода в соответствии с данным изобретением может включать в себя узел 31 статора, узел 32 ротора и упругую соединительную деталь 33. Узел статора может включать в себя втулку 311 статора и пластину 316 основания. Втулка статора может представлять собой втулку из материала со свойствами постоянного магнита. Узел ротора может включать в себя втулку 321 ротора, предварительно намагничиваемое кольцо 322 и катушку 323 возбуждения. Втулка ротора может представлять собой втулку из немагнитного материала.
В этом варианте осуществления, пластина основания предпочтительно может быть печатной платой (PCB), чтобы добиться более компактной конструкции и упрощения электрического соединения. Втулка статора может быть закреплена на пластине основания.
Втулка ротора может быть компактно закреплена внутри втулки статора соосно с ней. Катушка возбуждения может быть расположена снаружи втулки ротора и может плотно прилегать к внутренней стенке втулки статора. Предварительно намагничиваемое кольцо может быть закреплено на конце втулки ротора, отдаленном от пластины основания. Упругая соединительная деталь может быть соединена между предварительно намагничиваемым кольцом и концом втулки ротора, отдаленным от пластины основания.
Поскольку на пластине основания в виде PCB может быть размещена некоторая схема, катушку возбуждения можно соединить - жестко или пластично - непосредственно с пластиной основания с помощью направляющего пальца 3231, чтобы обеспечить доступ к схеме возбуждения в этом варианте осуществления.
Электродинамический сервопривод в этом варианте осуществления можно использовать в объективе, выполненном с возможностью фокусирования, например, так, как в модуле автоматически фокусируемого объектива. Соответственно, на пластине основания в виде PCB может быть можно также установить чувствительную микросхему 34, а узел ротора может дополнительно включать в себя опорный элемент 324 для линз для поддержания группы 325 линз. Опорный элемент 324 для линз может быть закреплен относительно втулки ротора. Опорный элемент для линз предпочтительно может быть введен в резьбовое зацепление с втулкой ротора, чтобы обеспечить регулирование фокусного расстояния в положении баланса сил упругой соединительной детали во время монтажа, когда на катушку возбуждения не подается питание.
На фиг.3, N и S могут представлять собой выдерживаемые по выбору направления магнитных полюсов втулки статора, соответственно. Как показано на рассматриваемом чертеже, направление намагничивания втулки статора может быть радиальным направлением (когда внутренняя и внешняя поверхности втулки статора представляют собой южный магнитный полюс или северный магнитный полюс, соответственно) или осевым направлением (когда верхний и нижний концы втулки статора представляют собой южный магнитный полюс или северный магнитный полюс, соответственно). На основе конструкции в этом варианте осуществления, можно сделать вывод, что направление намагничивания втулки статора предпочтительно может быть радиальным направлением.
Второй вариант осуществления
Обращаясь к фиг.4, отмечаем, что еще один вариант осуществления электродинамического сервопривода в соответствии с данным изобретением может включать в себя узел 41 статора, узел 42 ротора и упругую соединительную деталь 43. Узел статора может включать в себя втулку 411 статора, пластину 416 основания в виде PCB, предварительно намагничиваемое кольцо 412 и катушку 413 возбуждения. Втулка статора может представлять собой втулку из немагнитного материала. Узел ротора может включать в себя втулку 421 ротора и опорный элемент 424 для линз. Втулка ротора может представлять собой втулку из материала со свойствами постоянного магнита. По сравнению с первым вариантом осуществления, основное отличие в этом варианте осуществления заключается в том, что втулка ротора представляет собой втулку из материала со свойствами постоянного магнита.
В этом варианте осуществления, втулка статора и предварительно намагничиваемое кольцо могут быть закреплены на пластине основания в виде PCB. Катушка возбуждения может быть расположена внутри втулки статора и может плотно прилегать к внешней стенке втулки ротора. Втулка ротора может быть компактно закреплена внутри втулки статора соосно с ней. Упругая соединительная деталь может быть подсоединена между предварительно намагничиваемым кольцом и концом втулки ротора вблизи пластины основания в виде PCB. Благодаря расположению в узле статора, катушку возбуждения можно вставить непосредственно на пластине основания в виде PCB, чтобы соединить со схемой. Опорный элемент для линз может быть введен в резьбовое зацепление с катушкой возбуждения, чтобы обеспечить регулирование фокусного расстояния во время монтажа.
Электродинамический сервопривод в этом варианте осуществления можно использовать для фокусирования объектива. Соответственно, на пластине основания в виде PCB можно также установить чувствительную микросхему 44, на опорном элементе для линз можно установить группу 425 фокусирующих линз, а на втулке статора можно дополнительно предусмотреть и закрепить группу 415 линз с неизменным фокусным расстоянием.
На фиг.4, N и S могут представлять собой опциональные направления магнитных полюсов втулки статора, соответственно. Как показано на рассматриваемом чертеже, направление намагничивания втулки статора может быть радиальным направлением или осевым направлением. На основе конструкции в этом варианте осуществления, можно сделать вывод, что направление намагничивания втулки статора предпочтительно может быть радиальным направлением.
Третий вариант осуществления
Обращаясь к фиг.5, отмечаем, что еще один вариант осуществления электродинамического сервопривода в соответствии с данным изобретением может включать в себя узел 51 статора, узел 52 ротора и упругую соединительную деталь 53. Узел статора может включать в себя втулку 511 статора, пластину 516 основания в виде PCB, предварительно намагничиваемое кольцо 512 и катушку 513 возбуждения. Втулка статора может представлять собой втулку из немагнитного материала. Узел ротора может включать в себя втулку 521 ротора и опорный элемент 524 для линз. Втулка ротора может представлять собой втулку из материала со свойствами постоянного магнита. По сравнению со вторым вариантом осуществления, основное отличие в этом варианте осуществления заключается в том, что положения втулки статора и втулки ротора поменялись местами.
В этом варианте осуществления, втулка статора и предварительно намагничиваемое кольцо могут быть закреплены на пластине основания в виде PCB. Катушку возбуждения можно расположить снаружи втулки статора и сделать плотно прилегающей к внутренней стенке втулки ротора. Втулка ротора может плотно прилегать снаружи втулки статора компактно и соосно с ней. Упругая соединительная деталь может быть подсоединена между предварительно намагничиваемым кольцом и концом втулки ротора вблизи пластины основания в виде PCB. Катушку возбуждения можно вставить непосредственно на пластине основания в виде PCB, чтобы соединить со схемой. Опорный элемент для линз может быть введен в резьбовое зацепление с втулкой ротора, чтобы обеспечить регулирование фокусного расстояния во время монтажа.
Электродинамический сервопривод в этом варианте осуществления можно использовать для фокусирования объектива. Соответственно, на пластине основания в виде PCB можно также установить чувствительную микросхему 54, а на опорном элементе для линз можно установить группу 525 фокусирующих линз.
Четвертый вариант осуществления
Обращаясь к фиг.6, отмечаем, что еще один вариант осуществления электродинамического сервопривода в соответствии с данным изобретением может включать в себя узел 61 статора, узел 62 ротора и упругую соединительную деталь 63. Узел статора может включать в себя втулку 611 статора и пластину 616 основания в виде PCB. Втулка статора может представлять собой втулку из материала со свойствами постоянного магнита. Узел ротора может включать в себя втулку 621 ротора, предварительно намагничиваемое кольцо 622 и катушку 623 возбуждения. Втулка ротора может представлять собой втулку из немагнитного материала. По сравнению с первым вариантом осуществления, основное отличие в этом варианте осуществления может заключается в том, что положения втулки статора и втулки ротора поменялись местами, положение установки упругой соединительной детали является другим, а также отличается способ установки предварительно намагничиваемого кольца.
В этом варианте осуществления, втулка статора может быть закреплена на пластине основания в виде PCB. Втулка ротора может плотно прилегать снаружи втулки статора компактно и соосно с ней. Катушку возбуждения можно расположить снаружи втулки статора и соединить - жестко или пластично - непосредственно с направляющим пальцем 6231, чтобы вставить в схему возбуждения. Упругая соединительная деталь может быть подсоединена между пластиной и концом втулки ротора вблизи пластины основания.
В этом варианте осуществления, предварительно намагничиваемое кольцо может быть полым магнитным кольцом и может действовать как опорный элемент для линз, т.е. - поддерживающий группу 625 фокусирующих линз. Предварительно намагничиваемое кольцо может быть введено в резьбовое зацепление с втулкой ротора для регулирования фокусного расстояния во время монтажа. Эта предпочтительная конструкция может не только сэкономить компонент, но и упростить обработку и монтаж.
Электродинамический сервопривод в этом варианте осуществления можно использовать для фокусирования объектива; соответственно, на пластине основания в виде PCB можно также установить чувствительную микросхему 64, а на втулке статора можно дополнительно предусмотреть и закрепить группу 615 линз с неизменным фокусным расстоянием.
В вышеупомянутом варианте осуществления электродинамического сервопривода в соответствии с данным изобретением, автоматического фокусирования или масштабирования для объектива можно достичь с помощью всего шести или семи компонентов (за исключением пластины основания в виде PCB, чувствительной микросхемы и устанавливаемой опционально группы линз с неизменным фокусным расстоянием), что не только упрощает сборку, но и позволяет получить длинное перемещение и низкое энергопотребление при фокусировании. С учетом преимущества баланса между «предварительно существующей силой действия магнитного поля» и силой упругости, предлагаемый электродинамический сервопривод можно назвать превосходным электродинамическим сервоприводом.
Кроме того, поскольку предусматривается одна или две группы системы линз с масштабированием, присоединенные к вышеупомянутому электродинамическому сервоприводу снаружи, возможно достижение функции объектива с масштабированием. Поскольку предусматривается одна или две группы системы линз с масштабированием, присоединенные снаружи в некоторых вариантах осуществления, включающих в себя систему линз с неизменным фокусным расстоянием (такую, как во втором или четвертом варианте осуществления), можно воплотить объектив с масштабированием, имеющий четыре группы линз. Поэтому в соответствии с данным изобретением, электродинамический сервопривод можно использовать не только для реализации модуля автоматически фокусируемого объектива, но и для действия в качестве фокусирующей части в объективе с масштабированием.
Принципы и варианты осуществления данного изобретения описаны выше со ссылками на конкретные примеры. Однако следует понять, что вышеупомянутые варианты осуществления используются просто для облегчения понимания данного изобретения, и их не нужно интерпретировать как ограничения изобретения. Руководствуясь концепциями данного изобретения, обычный специалист в данной области техники сможет внести в вышеописанные варианты осуществления множество модификаций.