双速聚焦机构的制作方法

1.本专利申请根据35u.s.c.
§
120要求2020年12月14日提交的美国专利申请号17/120,602的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
2.本发明涉及双速聚焦机构。具体地，所述聚焦机构被配置以将旋转运动转换成透镜以两种不同速率的轴向位移。


背景技术：

3.用于照相机和显微镜等仪器的聚焦机构是已知的。在某些情况下，聚焦机构是双速机构。双速机构包括第一速率机构和第二聚焦机构，第一速率机构被配置以产生透镜以第一速率行进的速率，第二聚焦机构被配置以产生透镜以第二速率行进的速率。第二速率慢于第一速率。
4.这种机构是期望的，以允许用户以第一速率快速调节焦点和以第二速率缓慢调节焦点。自然地，用户旋转旋钮，其中透镜以第一速率移动并经过理想焦点定位，并通过第二旋钮调节焦点，从而以第二速率将透镜移回并将图像调节到理想焦点。第一速率通常被称为粗略焦点调节速率，而第二速率通常被称为精细焦点调节速率。
5.目前，这种聚焦机构对每个速率都有两个单独的控制。在常规双速聚焦机构的其它方面中，使用单个旋钮来致动蜗轮，其中蜗轮可以是可操作的，以将正齿轮的旋转转换成精细焦点调节。然而，这种配置需要额外的包装空间，因为正齿轮相对于蜗轮是径向的。
6.因此，仍期望拥有被配置以提供双速聚焦的聚焦机构，其中聚焦机构利用单一旋转运动以两种不同速率使透镜聚焦，并且其中各部件沿线性轴线被包含在内并被配置以保持在透镜外壳的包装空间内。


技术实现要素：

7.提供了双速聚焦机构。双速聚焦机构被配置以将旋转动作转换成透镜以两种不同速率的轴向位移。双速机构包括基座。基座具有内导向件。内导向件是具有内狭槽的管状构件。
8.双速聚焦机构还包括托架(carrier)。托架设置在内导向件内，并且托架的外表面具有内陷窝(dimple)。第一驱动器是与内导向件同心的管状构件。第一驱动器的内表面包括第一凹槽。第一凹槽是螺旋形的并且具有第一节距和第一驱动器的外表面。第一驱动器还包括第一陷窝。
9.双速聚焦机构还包括外导向件。外导向件是与第一驱动器同心的管状构件。外导向件包括外狭槽。作为管状构件的第二驱动器与外导向件同心。第二驱动器具备拥有第二凹槽的内表面。第二凹槽是螺旋形的并且具有小于第一节距的第二节距。
10.双速聚焦机构还包括第一轴承和第二轴承。第一轴承设置在内陷窝、内狭槽和第一凹槽内。第二轴承设置在第一陷窝、外狭槽和第二凹槽内。第二驱动器的旋转使托架以不同的速率轴向地平移。
11.一方面，第一节距是第二节距的两倍大。
12.另一方面，双速聚焦机构包括界定内导向件的外表面的第一垫圈。
13.在双速聚焦机构的另一方面中，托架包括透镜。
14.在双速聚焦机构的另一方面中，内导向件包括一对内狭槽。
15.在双速聚焦机构的另一方面中，外狭槽比内狭槽更短。
16.在双速聚焦机构的另一方面中，第二节距是可变的使得在第一凹槽的中心比在第一凹槽的末端更大。
17.在本公开的另一方面中，提供了照相机用聚焦机构。聚焦机构包括具有内导向件的基座。内导向件是具有内狭槽的管状构件。
18.聚焦机构还包括透镜单元(lens cell)。透镜单元设置在内导向件内。透镜单元的外表面具有内陷窝。聚焦机构还包括第一驱动器，第一驱动器是与内导向件同心的管状构件。第一驱动器的内表面包括第一凹槽。第一凹槽是螺旋形的并且具有第一节距。第一驱动器的外表面包括第一陷窝。
19.聚焦机构包括外导向件。外导向件是与第一驱动器同心的管状构件。外驱动器包括外狭槽。
20.聚焦机构包括第二驱动器。第二驱动器包括与外驱动器同心的管状构件。第二驱动器的内表面包括第二凹槽。第二凹槽是螺旋形的并且具有小于第一节距的节距。
21.第一轴承设置在内陷窝、内狭槽和第一凹槽内。第二轴承设置在第一陷窝、外狭槽和第二凹槽内。第二驱动器的旋转使透镜单元以不同的速率在内导向件和外导向件中轴向地平移。
22.一方面，第一节距是第二节距的至少两倍大。
23.另一方面，第一垫圈界定内导向件的外表面。
24.另一方面，透镜单元包括透镜。
25.另一方面，内导向件包括一对内狭槽。
26.另一方面，外狭槽比内狭槽更短。
27.另一方面，第二节距是可变的使得在第一凹槽的中心与在第一凹槽的末端是不同的。
28.因此，提供了聚焦机构，其允许用户使用单个旋转机构以两种不同的速率调节焦点，并且是紧凑的且被配置以包装在透镜壳体内。
附图说明
29.图1是根据本发明原理的双速聚焦机构的立体图。
30.图2是图1所示双速聚焦机构的分解图；
31.图3是图2沿线3-3截取的横截面图；
32.图4a是图1显示了做出粗略焦点调节的双速聚焦机构的横截面图；
33.图4b是图1显示了双速聚焦机构第一轴承压靠外狭槽的远端的横截面图；
34.图5是对图4a显示了精细焦点调节一端的双速聚焦机构的描绘；
35.图6描绘了在精细焦点调节过程中的双速聚焦机构；
36.图7是双速聚焦机构显示了精细焦点调节的另一端的视图；和
37.图8是图3显示了具有可变节距的第一凹槽的视图。
具体实施方式
38.双速聚焦机构包括具有内导向件的基座、设置在内导向件内的托架、第一驱动器、外导向件和第二驱动器。第一轴承和第二轴承设置在托架的相应的内陷窝和第一驱动器的第一陷窝中。第一轴承和第二轴承也设置在第一驱动器和第二驱动器的相应的第一凹槽和第二凹槽中。第一轴承和第二轴承也设置在内导向件和外导向件的相应的内狭槽和外狭槽中。聚焦机构被配置以将第一驱动器的旋转转换成托架在内狭槽内的轴向移动，其中第二轴承被配置以将第二驱动器的旋转转换成托架以不同速率的轴向位移。
39.首先参考图1和图2，提供了双速聚焦机构10的说明性描绘。图2是图1所示机构10的分解图。机构10包括基座12、内导向件14、托架16、第一驱动器18、外导向件20、第二驱动器22、第一轴承24和第二轴承26。
40.基座12、托架16、第一驱动器18、外导向件20和第二驱动器22可由耐用且刚性的材料制成，这种材料可在注射成型过程或冲压过程中并入(结合，incorporates)。适用于本文的材料说明性地包括聚丙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、铝、钢等。优选地，第一轴承和第二轴承24、26由耐用且刚性的材料(如钢)形成。
41.内导向件14是具有恒定直径的大致管状构件。内导向件14具有开口端14a。内导向件14刚性地安装至基座12，以形成与开口端14a相对的封闭端。可选地，封闭端可以是开口的以允许图像穿过，到达图像传感器或类似传感器。内导向件14还包括沿第一长度l1延伸的内狭槽28。内狭槽28可延伸穿过管状构件壁并且平行于内导向件14的纵向轴线延伸。
42.托架16也是具有恒定直径的管状构件。托架16的直径小于内导向件14的直径并且被配置以可滑动地设置在内导向件14内。托架16在两端都是开口的，以提供光路。托架16的外表面包括内陷窝30。
43.第一驱动器18是具有恒定直径的大致管状构件并且在两端都是开口的。第一驱动器18被配置以在内导向件14上滑动，以与内导向件14同心。第一驱动器18的内表面18a包括第一凹槽32。第一凹槽32是具有第一节距“p1”的螺旋凹槽。第一驱动器18的外表面18b包括第一陷窝34。
44.外导向件20也是大致管状构件，其长度总体上长于第一驱动器18的长度而短于内导向件14的长度。外导向件20被配置以位于第一驱动器18上，以与第一驱动器18同心。外导向件20包括外狭槽36。外狭槽36具有比内狭槽28的长度短的第二长度l2。外狭槽36可延伸穿过管状构件壁并且平行于外导向件20的纵向轴线延伸。
45.第二驱动器22是具有恒定直径的管状构件。第二驱动器22与外导向件20同心。第二驱动器22包括具有第二凹槽38的内表面22a。第二凹槽38是螺旋形的并具有小于第一节距“p1”的第二节距“p2”。
46.现参考图3和图4-图7，提供了对双速聚焦机构10的组装的描述。托架16被配置以保持诸如透镜单元40的光学装置。在托架16的一个方面中，托架16包括由界定托架16的内表面的内边缘限定的凹穴(pocket)42。透镜单元40位于凹穴42中。应当理解，其它光学装置(如滤光器)可设置在托架16内。托架16可用于移动透镜单元40，以更好地将图像聚焦在设置于基座12中的图像传感器(未示出)上。
47.如图3所示，在优选方面中，内导向件14包括一对内狭槽28，这对内狭槽28彼此在直径上相对并且彼此尺寸相同。托架16设置在内导向件14内。机构10可包括一对第一轴承24和一对内陷窝30。内陷窝30彼此在直径上相对并且设置在托架16的外表面上。内陷窝30大致是半球形的，并且其半径大致与第一轴承24的半径相同。
48.第一轴承24接收在内陷窝30内(或被其捕获)。因此，当组装时，第一轴承24设置或包围(或捕获)在相应的内狭槽28内，并且托架16的轴向移动受到内狭槽28的长度的约束。换句话说，第一轴承24沿内狭槽28的长度行进并用它们携带托架16。第一轴承24也设置在第一驱动器18的第一凹槽32内。如图所示，第一驱动器18与内导向件14同心并覆盖内导向件14。由此，第一驱动器18的旋转使第一轴承24在相应的内陷窝30内旋转，以在内狭槽28内轴向推动第一轴承24。例如，当凹槽是螺旋凹槽时，轴承24沿螺旋凹槽路径被推动。
49.如下文将详细说明的，第二驱动器22的旋转平移第一驱动器18或旋转第一驱动器18。第一驱动器18包括第一陷窝34且第二轴承26设置在第一陷窝34内。优选地，第一驱动器18包括一对第一陷窝34，它们彼此在直径上相对。第一陷窝34大致是半球形的，其半径大致与第二轴承26的半径相同。第二轴承26设置在每个第一凹陷34中，并被约束在形成于外导向件20上的一对外狭槽36的长度内，从而彼此在直径上相对。
50.第二驱动器22与外导向件20同心并且包括第二凹槽38，如图3所示。第二凹槽38的节距小于第一凹槽32的节距。如本文所用，术语“节距”是沿相应的第一和第二驱动器22的长度测量的凹槽32、38的螺纹之间的距离。应当理解，节距可被设计以提供特定的行进速率，并且可被配置以相对于第二驱动器22的预定旋转提供预定的行进长度。如图3所示，第二凹槽38的节距“p2”远远小于第一凹槽32的节距“p1”。
51.图3还描绘了内狭槽28和外狭槽36的长度。内狭槽28的长度长于外狭槽36的长度。第二驱动器22的长度与内狭槽28的长度大致相同。优选地，内陷窝30自托架16的前端定位，以当第一轴承24被平移到内狭槽28的远端时，将托架16的前端放置在内导向件14的前端。
52.现参考图4a和图4b，提供了对机构10的操作的描述。机构10被设计以提供通常所称的粗略焦点调节和精细焦点调节，其中在粗略焦点调节中，在给定第二驱动器22的相同的旋转量的情况下，粗略焦点调节期间透镜的行进速率远远大于精细焦点调节期间透镜的行进速率。
53.一般而言，当第二轴承26被移动至外狭槽36的一端，即36a端或36b端时，做出粗略焦点调节。作为示例，第二驱动器22的顺时针旋转将第二轴承26从36b端移动到36a端，其中第二驱动器22在顺时针旋转中的连续旋转使第二轴承26压靠外狭槽36的36a端并导致第一轴承24以基于第一驱动器18的第一凹槽32的节距p1的行进速率沿内狭槽28滑动。当第二轴承26在内狭槽28内行进时，发生精细焦点调节。因此，粗略焦点调节允许用户将透镜移动得一般是经过焦点，然后采用精细焦点调节使透镜回到焦点。这样的特征节约了用户时间。
54.图4b描绘了双速聚焦机构10的位置，其中第二轴承26处于外狭槽36的末端。具体地，第二轴承26压靠外狭槽36的远端36a。应当理解，双速聚焦机构10被配置以采用由第二驱动器22的第二凹槽38限定的行进速率使托架16沿外狭槽36的长度移动。图4b描绘了第二驱动器22沿由曲线箭头指示的方向旋转的情形。第二驱动器22的旋转使第二轴承26沿直线箭头指示的方向移动。
55.现参考图4a，第二驱动器22的持续旋转使第二轴承26推靠外狭槽36的远端36a，因
此第一轴承24沿箭头指示的顺时针方向沿内狭槽28平移。由于第二轴承26的行进受限，因此第二驱动器22沿曲线箭头指示的方向继续旋转，第一轴承24以由第一凹槽32的节距p1所决定的行进速率沿内狭槽28平移。换句话说，第二驱动器22的旋转将第二轴承26轴向地推进到外狭槽36的远端36a或近端36b。如图4a所示，沿相同方向的持续旋转将致动第一驱动器18，其中行进速率现在由第一凹槽32设定。出于说明目的，我们将假设用户已经以粗略焦点调节速率旋转了第二驱动器，并且路过了理想焦点图像。因此，用户将需要沿相对方向轴向地移动透镜单元40，以使图像来到优选的焦点。机构10被配置以在透镜单元40移动经过焦点之后，利用精细焦点调节使图像聚焦。
56.图5-图7显示了执行精细焦点调节的机构10的一个方面。首先参考图5，第二轴承26设置在外狭槽36的远端36a上。第二驱动器22逆时针旋转，如曲线箭头所示。由于不存在限制第二轴承26推进的结构，因此托架16的行进速率由第二轴承26在第二凹槽38内的接合决定。由此，托架16从外狭槽36的远端36a到近端36b的行进速率小于第一轴承24沿内狭槽28移动时的行进速率。
57.现参考图6，第二轴承26大致位于外狭槽36的中心。第二驱动器22逆时针旋转，并且第二轴承26从内狭槽28的远端36a向近端36b自由移动。在沿内狭槽28行进的过程中，托架16的行进速率显著小于外狭槽36的行进速率。因此，用户能够在外狭槽36的限度内做出精细焦点调节。也就是说，不管第二驱动器22在外狭槽36的远端36a或近端36b内是顺时针还是逆时针旋转，都会做出精细焦点调节。
58.图7描绘了第二轴承24、26已到达外狭槽36的近端36b的情形，在这种情况下，顺时针方向的进一步旋转将迫使托架16沿内狭槽28移动，其中第一轴承24接合在第一凹槽32中并以比第二轴承26在外狭槽36内的行进速率更大的行进速率移动。
59.应当理解，精细焦点调节范围可基于所期望的第二驱动器22的匝的数量。在这种配置中，外狭槽36的长度被设定尺寸以允许第二驱动器22的半匝完成第二轴承从外狭槽36的远端36a到近端36b的行进长度。然而，应当理解，外狭槽36和内狭槽28的长度是出于说明目的而提供的，并且可在不缩小所附权利要求的范围的情况下与所示长度有所偏差。同样地，基于所期望的聚焦机构10的性能，针对第一凹槽32和第二凹槽38提供的螺距可与所示基座12d有所偏差。
60.在其它方面，机构10可进一步包括摩擦构件44和止动件46。摩擦构件44被配置以产生旋转拽力，以帮助防止内导向件14相对于第二驱动器22旋转。在一个方面中，摩擦构件44显示为通常被称为o形环的垫圈。这一方面可以是所期望的，以有助于在精细焦点调节期间保持内导向件14相对于第二驱动器22静止不动。在一个方面中，摩擦构件44包括设置在第二驱动器22的相对端上的第一摩擦构件44a和第二摩擦构件44b。第一摩擦构件44a被压缩在第二驱动器22的内表面和止动件46之间。第二摩擦构件44b被压缩在第二驱动器22的内表面和内导向件14之间。止动件46被固定地安装至内导向件14的末端以将第二驱动器22保持在操作位置。在一个方面中，止动件46的内表面被焊接至内导向件14的末端的外表面。第三摩擦构件44c可设置在止动件46、内导向件14和外导向件20之间。应当理解，第一摩擦构件44a和第二摩擦构件44b也可用于衰减由第一驱动器18和第二驱动器22产生的抵靠基座12和止动件46的力。如上所述，当第二轴承26到达外狭槽36的末端36a、36b时，第二驱动器22的持续旋转带动第一驱动器18。由此，当第一轴承24到达内狭槽28的末端时，正是第一
驱动器18和第二驱动器22毗邻抵靠基座12或止动件46。摩擦构件44a、44b和44c可由总体上耐用且弹性的材料如弹性体(如丁腈橡胶、硅橡胶、热塑性弹性体或类似物)形成。
61.应当理解，粗略聚焦的行进速率基于的是第一凹槽32的节距。在一个方面中，可调节粗略聚焦的行进速率，以在到达行进终点之前，沿一个或两个方向减慢第二驱动器22。这种特征可以是所期望的，以有助于衰减因第二驱动器撞击基座12或止动件46而产生的负荷。
62.现参考图8，第一凹槽32被示为具有可变的节距p1。具体地，节距p1在第一凹槽32的末端比在第一凹槽32的中心更小。由此，第二驱动器22的速率在相对于第一驱动器18的中心的行进结束时被减慢。图8描绘了第一凹槽32的中心具有节距“p1”，而第一凹槽32的末端分别具有节距“p1a”和“p1b”。节距p1大于节距p1a和p1b。优选地，节距p1a和p1b大于第二凹槽38的节距p2。第一凹槽32可被配置以从节距p1逐渐过渡到节距p1a和节距p1b，以提供平滑的触觉响应。因此，第一驱动器18和第二驱动器22在撞击基座12或止动件46之前得以减慢。
63.尽管本文已对具体实施方式进行了说明和描述，但应当理解，可在不背离所要求保护的主题的精神和范围的情况下做出各种其它改变和修改。此外，尽管本文已描述了所要求保护的主题的各个方面，但是这样的方面无需组合使用。因此，所附权利要求旨在覆盖在所要求保护的主题范围内的所有这些改变和修改。

技术特征：
1.双速机构，其被配置以将旋转运动转换成以不同速率的轴向位移，所述双速机构包括：具有内导向件的基座，所述内导向件是具有内狭槽的管状构件；设置在所述内导向件内的托架，所述托架的外表面具有内陷窝；第一驱动器，所述第一驱动器是与所述内导向件同心的管状构件，所述第一驱动器的内表面具有第一凹槽，所述第一凹槽是螺旋形的并具有第一节距，所述第一驱动器的外表面具有第一陷窝；外导向件，所述外导向件是与所述第一驱动器同心的管状构件，所述外导向件具有外狭槽；第二驱动器，所述第二驱动器是与所述外导向件同心的管状构件，所述第二驱动器的内表面具有第二凹槽，所述第二凹槽是螺旋形的并且具有比所述第一节距更小的第二节距；第一轴承，所述第一轴承设置在所述内陷窝、所述内狭槽和所述第一凹槽内；第二轴承，所述第二轴承设置在所述第一陷窝、所述外狭槽和所述第二凹槽内；并且其中所述第二驱动器的旋转使所述托架以不同的速率轴向地平移。2.根据权利要求1所述的双速机构，其中所述第一节距是所述第二节距的至少两倍大。3.根据权利要求1所述的双速机构，还包括界定所述内导向件的外表面的第一垫圈。4.根据权利要求1所述的双速机构，其中所述托架包括透镜。5.根据权利要求1所述的双速机构，其中所述内导向件包括一对内狭槽。6.根据权利要求1所述的双速机构，其中所述外狭槽比所述内狭槽更短。7.根据权利要求1所述的双速机构，其中所述第二节距是可变的使得在所述第一凹槽的中心比在第一凹槽的末端更大。8.照相机用聚焦机构，所述聚焦机构包括：具有内导向件的基座，所述内导向件是具有内狭槽的管状构件，设置在所述内导向件内的托架，所述托架的外表面具有内陷窝，所述托架保持透镜单元；第一驱动器，所述第一驱动器是与所述内导向件同心的管状构件，所述第一驱动器的内表面具有第一凹槽，所述第一凹槽是螺旋形的并具有第一节距，所述第一驱动器的外表面具有第一陷窝；外导向件，所述外导向件是与所述第一驱动器同心的管状构件，所述外导向件具有外狭槽；和第二驱动器，所述第二驱动器是与所述外导向件同心的管状构件，所述第二驱动器的内表面具有第二凹槽，所述第二凹槽是螺旋形的，具有比所述第一节距更小的第二节距；第一轴承，所述第一轴承设置在所述内陷窝、所述内狭槽和所述第一凹槽内，其中所述第一驱动器的旋转转换所述透镜单元在所述内狭槽内的轴向移动；第二轴承，所述第二轴承设置在所述第一陷窝、所述外狭槽和所述第二凹槽内；并且其中所述第二驱动器的旋转使所述透镜单元在所述内导向件和所述外导向件内以不同的速率轴向地平移。9.根据权利要求8所述的聚焦机构，其中所述第二节距是所述第一节距的至少两倍大。10.根据权利要求8所述的聚焦机构，还包括界定所述内导向件的外表面的第一垫圈。
11.根据权利要求8所述的聚焦机构，其中所述托架包括凹穴，所述透镜单元位于所述凹穴内。12.根据权利要求8所述的聚焦机构，其中所述内导向件包括一对内狭槽。13.根据权利要求8所述的聚焦机构，其中所述外狭槽比所述内狭槽更短。14.根据权利要求8所述的双速机构，其中所述第二节距是可变的使得在所述第一凹槽的中心比在所述第一凹槽的末端更大。

技术总结
双速聚焦机构包括具有内导向件的基座、设置在内导向件内的托架、第一驱动器、外导向件和第二驱动器。第一轴承和第二轴承设置在托架的相应的内陷窝中，并且第二轴承设置在第一驱动器的第一陷窝内。第一轴承和第二轴承被保持在相应的内狭槽和外狭槽以及第一导向件和第二导向件内，其中第二驱动器的旋转被转换成托架以不同速率的轴向移动。架以不同速率的轴向移动。架以不同速率的轴向移动。


技术研发人员：T
受保护的技术使用者：卡尔史托斯成像公司
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2023/10/7