從專利角度分析音圈馬達(dá)技術(shù)發(fā)展路線

聶利

摘 要 音圈電機(jī)的主要部件包括線圈磁鐵和支撐導(dǎo)引結(jié)構(gòu)，本文從專利角度分析了音圈馬達(dá)的支撐導(dǎo)引結(jié)構(gòu)和防抖裝置兩個方面的技術(shù)發(fā)展路線，深入理解音圈馬達(dá)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 音圈馬達(dá)；支撐導(dǎo)引；防抖；專利分析

中圖分類號 TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）15-0175-01

隨著手機(jī)攝像頭像素的提高，傳統(tǒng)的固定聚焦不能滿足消費(fèi)者的要求。為了滿足市場的需求，手機(jī)廠商已經(jīng)在高端照相手機(jī)已將馬達(dá)集成到手機(jī)里到達(dá)自動聚焦功能（Auto Focus）[1]。音圈馬達(dá)（Voice Coil Motor，VCM）由于體積質(zhì)量小、響應(yīng)速度快（毫秒級）、控制簡單可靠、免維護(hù)、長壽命、位置精度級別高等優(yōu)點成為具有自動聚焦照相手機(jī)中的常用馬達(dá)[2]。

目前手機(jī)鏡頭發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)高解析度方面、輕薄化方面、自動調(diào)焦方面、防震方面[3]。

1 音圈馬達(dá)的工作原理

音圈馬達(dá)主要有線圈、磁鐵組和支撐導(dǎo)引結(jié)構(gòu)構(gòu)成。線圈通過上下兩個彈片固定在磁鐵組內(nèi)。VCM相機(jī)模組是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，并實現(xiàn)直線型及有限擺角的運(yùn)動。在支架內(nèi)有一個小型的強(qiáng)力磁場，通過驅(qū)動芯片來控制內(nèi)部線圈的電流而產(chǎn)生磁力方面作用力，從而帶動中間的鏡頭，而形成自動對焦的效果。

2 音圈馬達(dá)技術(shù)的發(fā)展路線

2.1 支撐導(dǎo)引結(jié)構(gòu)

支撐導(dǎo)引結(jié)構(gòu)是保證音圈馬達(dá)中的動子，即裝載鏡筒的托架，能沿光軸直線位移的部件，其在音圈馬達(dá)中具有重要地位。

早在20世紀(jì)90年代初期至2000年，用戶已經(jīng)不滿足原來的攝像設(shè)備大塊頭的尺寸，同時對于自動調(diào)焦的功能要求越來越高，搭配攝像頭的智能手機(jī)的出現(xiàn)也對攝像設(shè)備的尺寸要求提出了更高的要求。專利CN109482A公開了由鏡頭制造巨頭Sony公司提出在音圈馬達(dá)中沿用原有的鏡頭調(diào)焦機(jī)構(gòu)的導(dǎo)引柱，置于鏡筒托架的一對角線兩端，使得托架可以沿導(dǎo)引柱滑動。這種結(jié)構(gòu)完全依靠馬達(dá)中磁鐵與線圈的相互作用使得托架在光軸上的來回運(yùn)動，其功耗較大。基于上述問題，專利JP特開平8-248293A公開了Sony公司進(jìn)一步提出使用具有回復(fù)力的彈性構(gòu)件來替代導(dǎo)引柱，在調(diào)整焦距的過程中通過線圈與磁鐵相互作用使托架移動，而斷電時，托架在彈性構(gòu)件回復(fù)力作用下恢復(fù)初始狀態(tài)。這樣降低了馬達(dá)功耗，并且舍棄了導(dǎo)引柱使得馬達(dá)軸向尺寸減小。

隨后，彈性構(gòu)件有著變革式的改進(jìn)。提出采用片簧作為彈性構(gòu)件，由于片簧與托架接觸面積大，使得托架受力均勻，在軸向上移動時可以保證其沿光軸直線運(yùn)動。專利JP特開2002-365514A公開了思考馬達(dá)公司采用雙透鏡分離控制方式，將兩個透鏡置于兩個嵌套的托架上，內(nèi)外托架下端都設(shè)置用于與磁鐵作用的線圈，托架與底座支架的上端采用片簧連接，片簧具有內(nèi)外兩部分，其內(nèi)側(cè)部分與托架相連，其外側(cè)部分與底座支架上端相連。這奠定了音圈馬達(dá)的基本結(jié)構(gòu)，為音圈馬達(dá)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

由于片簧很薄且形狀復(fù)雜，這不僅增加了制造難度，也增加了制造成本。并且為了通過片簧提供電流給線圈，需要將線圈的端部連接到片簧以進(jìn)行組裝，這種組裝工藝非常復(fù)雜并且很耗費(fèi)時間。因此，三星馬達(dá)株式會社在專利CN1874571A中公開了采用懸掛線替代片簧來支撐托架，將兩條懸掛線兩端固定在機(jī)殼或者軛上，托架支撐懸掛在懸掛線的中部，起到支撐和提供回復(fù)力的作用。

另一方面，由于原來的片簧為一整片的，其與線圈的連接方式是上、下片簧分別與線圈的正負(fù)極連接，再從上、下片簧引出導(dǎo)電端子，這種方式使得焊接工藝復(fù)雜。因此，LG公司在專利CN101107769A中提出了將下片簧設(shè)置為有兩個分離的片簧組成的結(jié)構(gòu)，這樣可以將線圈的正負(fù)極都焊接在下片簧的兩個部分上，這就使組裝、焊接的工藝更為簡單。進(jìn)一步地，較多專利致力于改進(jìn)片簧內(nèi)外部分之間的彈性臂的形狀，使得片簧具有更好的彈力和耐受力，增加片簧的性能和壽命。

2.2 防抖裝置

在便攜式電子裝置中使用的相機(jī)模塊被制造成具有高分辨率、小型化并且輕巧。由高像素的相機(jī)模塊拍攝的圖像容易受到外部干擾的影響，因此，如果相機(jī)模塊由于某種力而導(dǎo)致抖動，則會使圖像失真。因此，需要進(jìn)行抖動校正，以在相機(jī)模塊的光學(xué)系統(tǒng)中清晰地拍攝目標(biāo)的圖像。

前期（2005—2011）由于音圈馬達(dá)中的線圈磁體相互作用可以調(diào)節(jié)托架沿光軸上下移動，采用其中某一部分線圈磁體相互作用產(chǎn)生不平衡力可以使托架傾斜，起到抖動校正的作用。將控制托架沿光軸運(yùn)動的磁體固定在殼體內(nèi)側(cè)四面，線圈固定在托架外側(cè)，增加傾斜補(bǔ)償磁體一個，可以安裝在驅(qū)動磁體的內(nèi)側(cè)面或者外側(cè)面，與線圈作用產(chǎn)生不平衡力使托架傾斜，達(dá)到抖動校正的目的。為了減少磁體，利用某一部分的自動聚焦裝置中的某一部分的線圈磁體相互作用實現(xiàn)抖動校正功能。鴻海和LG公司省略了上述的補(bǔ)償磁體，采用相對而不相鄰的線圈實現(xiàn)對稱力，使得托架沿光軸運(yùn)動，實現(xiàn)自動對焦功能；采用相鄰而不相對的線圈實施不對稱的力，使得托架傾斜，實現(xiàn)防抖功能。

同時（2009-2011）另一種方案是將抖動校正裝置與自動對焦裝置分離開來，實現(xiàn)單獨控制，這樣可以同時實現(xiàn)兩個目的——在自動對焦的同時實現(xiàn)防抖動。專利CN101908814 A中設(shè)立單獨的防抖裝置，該調(diào)整裝置采用三面磁體和線圈實現(xiàn)，而其自動對焦功能由一面磁體和線圈實現(xiàn)，利用滾珠支撐托架在外殼內(nèi)側(cè)沿光軸移動實現(xiàn)對焦。CN102811307 A公開了音圈馬達(dá)中使用兩套磁體和線圈，其中一套磁體和線圈起到自動對焦功能，另一套磁體和線圈起到防抖動功能，二者功能分離。為了實現(xiàn)小型化，提高電路穩(wěn)定性，將用于防抖動的外側(cè)線圈固定在供電電路板上，實現(xiàn)供電與固定作用一體化，減少部件并提高電路連接的可靠性。

隨后為了進(jìn)一步縮小體積，并且保證自動對焦功能和防抖動功能分離控制，采用8個線圈與8個磁體相對應(yīng)設(shè)置，托架的周向具有8個面，其中4個線圈和磁體設(shè)置在托架的4個面上，而另外4個線圈與磁體則設(shè)置在托架的4個角落的面上。這樣由于自動對焦裝置與防抖動裝置設(shè)置同一徑向面上，節(jié)約了徑向體積，使得馬達(dá)小型化。

3 結(jié)論

本文通過對用于手機(jī)中的攝像頭的音圈馬達(dá)的專利技術(shù)的梳理，側(cè)重分析了音圈馬達(dá)結(jié)構(gòu)中支撐導(dǎo)引結(jié)構(gòu)、防抖裝置的技術(shù)發(fā)展路線，對音圈馬達(dá)領(lǐng)域的專利布局和發(fā)展趨勢有了更深入的理解。

參考文獻(xiàn)

[1]Gamadia M， Kehtarnavaz N，Roberts-Hoffman K.Low-light auto-focus enhancement for digital and cell-phone camera image pipelines [J].Consumer Electronics， IEEE Transactions on，2007，53（2）：249-257.

[2]Hsiao Y Y，Wu N Y，Cheng S F.Voice coil motor：U.S.Patent 5051669 [P].1991-09-24.

[3]邸允柱.手機(jī)用數(shù)碼相機(jī)芯片：推動可拍照手機(jī)市場持續(xù)增長[J].中國電子報，2003（12）.endprint