從專利角度分析音圈馬達技術發展路線

聶利

摘 要 音圈電機的主要部件包括線圈磁鐵和支撐導引結構，本文從專利角度分析了音圈馬達的支撐導引結構和防抖裝置兩個方面的技術發展路線，深入理解音圈馬達的發展。

關鍵詞 音圈馬達；支撐導引；防抖；專利分析

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

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

目前手機鏡頭發展趨勢主要體現高解析度方面、輕薄化方面、自動調焦方面、防震方面[3]。

1 音圈馬達的工作原理

音圈馬達主要有線圈、磁鐵組和支撐導引結構構成。線圈通過上下兩個彈片固定在磁鐵組內。VCM相機模組是一種將電能轉化為機械能的裝置，并實現直線型及有限擺角的運動。在支架內有一個小型的強力磁場，通過驅動芯片來控制內部線圈的電流而產生磁力方面作用力，從而帶動中間的鏡頭，而形成自動對焦的效果。

2 音圈馬達技術的發展路線

2.1 支撐導引結構

支撐導引結構是保證音圈馬達中的動子，即裝載鏡筒的托架，能沿光軸直線位移的部件，其在音圈馬達中具有重要地位。

早在20世紀90年代初期至2000年，用戶已經不滿足原來的攝像設備大塊頭的尺寸，同時對于自動調焦的功能要求越來越高，搭配攝像頭的智能手機的出現也對攝像設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中沿用原有的鏡頭調焦機構的導引柱，置于鏡筒托架的一對角線兩端，使得托架可以沿導引柱滑動。這種結構完全依靠馬達中磁鐵與線圈的相互作用使得托架在光軸上的來回運動，其功耗較大。基于上述問題，專利JP特開平8-248293A公開了Sony公司進一步提出使用具有回復力的彈性構件來替代導引柱，在調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，托架在彈性構件回復力作用下恢復初始狀態。這樣降低了馬達功耗，并且舍棄了導引柱使得馬達軸向尺寸減小。

隨后，彈性構件有著變革式的改進。提出采用片簧作為彈性構件，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動。專利JP特開2002-365514A公開了思考馬達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，內外托架下端都設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，片簧具有內外兩部分，其內側部分與托架相連，其外側部分與底座支架上端相連。這奠定了音圈馬達的基本結構，為音圈馬達的發展做出了重要貢獻。

由于片簧很薄且形狀復雜，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行組裝，這種組裝工藝非常復雜并且很耗費時間。因此，三星馬達株式會社在專利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極連接，再從上、下片簧引出導電端子，這種方式使得焊接工藝復雜。因此，LG公司在專利CN101107769A中提出了將下片簧設置為有兩個分離的片簧組成的結構，這樣可以將線圈的正負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。進一步地，較多專利致力于改進片簧內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。由高像素的相機模塊拍攝的圖像容易受到外部干擾的影響，因此，如果相機模塊由于某種力而導致抖動，則會使圖像失真。因此，需要進行抖動校正，以在相機模塊的光學系統中清晰地拍攝目標的圖像。

前期（2005—2011）由于音圈馬達中的線圈磁體相互作用可以調節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動的磁體固定在殼體內側四面，線圈固定在托架外側，增加傾斜補償磁體一個，可以安裝在驅動磁體的內側面或者外側面，與線圈作用產生不平衡力使托架傾斜，達到抖動校正的目的。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抖動校正功能。鴻海和LG公司省略了上述的補償磁體，采用相對而不相鄰的線圈實現對稱力，使得托架沿光軸運動，實現自動對焦功能；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，實現單獨控制，這樣可以同時實現兩個目的——在自動對焦的同時實現防抖動。專利CN101908814 A中設立單獨的防抖裝置，該調整裝置采用三面磁體和線圈實現，而其自動對焦功能由一面磁體和線圈實現，利用滾珠支撐托架在外殼內側沿光軸移動實現對焦。CN102811307 A公開了音圈馬達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。為了實現小型化，提高電路穩定性，將用于防抖動的外側線圈固定在供電電路板上，實現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個磁體相對應設置，托架的周向具有8個面，其中4個線圈和磁體設置在托架的4個面上，而另外4個線圈與磁體則設置在托架的4個角落的面上。這樣由于自動對焦裝置與防抖動裝置設置同一徑向面上，節約了徑向體積，使得馬達小型化。

3 結論

本文通過對用于手機中的攝像頭的音圈馬達的專利技術的梳理，側重分析了音圈馬達結構中支撐導引結構、防抖裝置的技術發展路線，對音圈馬達領域的專利布局和發展趨勢有了更深入的理解。

參考文獻

[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.手機用數碼相機芯片：推動可拍照手機市場持續增長[J].中國電子報，2003（12）.endprint