CN110692234B - 具有ois和af功能的镜头致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种镜头致动器。所述镜头致动器包括：压电元件，用于沿光轴方向移动镜头支架；形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)，用于沿垂直于光轴方向的预定方向移动镜头支架；以及音圈电机(Voice Coil Motor，简称VCM)，用于沿垂直于光轴方向且不同于预定方向的方向移动镜头支架。本发明降低或消除了OIS***的磁影响。

Description

具有OIS和AF功能的镜头致动器
技术领域
本发明涉及一种用于成像设备且具有光学防抖(Optical Image Stabilization，简称OIS)和自动对焦(Auto Focus，简称AF)功能的镜头致动器。
背景技术
在相机中，AF功能用于通过沿光轴方向(镜头中心排成一行的方向)移动镜头来将要拍摄的图像聚焦在图像传感器上，OIS用于通过沿垂直于光轴的方向移动镜头来抑制图像在拍摄时由于手抖动而变模糊。
摄像头模块的OIS***在智能手机市场中越来越受欢迎，这是因为通过使用OIS***，即使在黑暗的地方或者存在手抖动时，每个人也都可以拍摄精美的图片。另一方面，双摄像头***在智能手机市场中也越来越受欢迎，这是因为通过使用双摄像头***，可以实现缩放、3D和AF控制等应用。这两种趋势很有可能会合并，因此在不久的将来将需要双OIS***。由于移动磁铁***，传统OIS***具有磁场泄漏的问题。因而，需要一项针对该泄漏问题的突破性发明。同时，需要小型化技术并且还迫切需要减少电流消耗。
传统OIS***存在磁场泄漏的问题。如果使用双摄像头，必须将OIS致动器旁边的致动器更改为轭架式致动器。在这种类型的致动器中，轭架和AF磁铁位于尽可能远离OIS***的位置。如果是双OIS***，则两个OIS***不能并排放置，这是因为OIS***会因磁场泄漏对彼此产生不良影响。
发明内容
本发明提供了一种用于降低或消除OIS***的磁影响的解决方案以及一种集成有压电元件、形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)和音圈电机(Voice Coil Motor，简称VCM)的独特***。本发明是碰击式压电AF致动器、用于一个方向的SMA OIS以及VCMOIS的组合，所述VCM OIS使用碰击式压电AF致动器的驱动轴进行滚动。
本发明提供了一种***，该***具有用于AF的压电元件***、通过使用SMA线用于对角线方向的移动***以及通过使用用于OIS的VCM、用于垂直于对角线方向的方向的移动***。本发明涉及VCM、SMA和压电技术。特别地，致动器模块包括一个底座上的两个OIS致动器和一个AF致动器。本发明包括压电元件AF致动器和CSV(组合SMA和VCM)OIS致动器。因此，本发明的一个目的是提供一种不存在磁场泄漏的双OIS***。本发明的另一个目的是减少正在使用的整个致动器***的电流消耗。作为双摄像头模块***，本发明的重要目的是提供从两个不同传感器合并的高质量图像。
根据第一方面，提供了一种镜头致动器，其中所述镜头致动器包括：压电元件，用于沿光轴方向移动镜头支架；形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)，用于沿垂直于光轴方向的预定方向移动镜头支架；以及音圈电机(Voice Coil Motor，简称VCM)，用于沿垂直于光轴方向且不同于预定方向的方向移动镜头支架。在这种结构中，可以降低磁场的影响。在第一方面的第一种可能的实现方式中，压电元件的一端耦合至驱动轴，镜头支架包括弹性体和支承结构且弹性体将驱动轴推向支承结构。这种结构允许镜头支架沿光轴方向移动且绕驱动轴摆动。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，用于减少驱动轴与支承结构和弹性体之间摩擦的波形叠加在施加到VCM的波形上，用于校正手抖动。在这种结构中，可以平滑光轴方向上的运动。
结合第一方面的第一种或第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，压电元件的另一端耦合至砝码，所述砝码耦合至移动底座，且SMA根据待施加的电压收缩，并使移动底座相对于固定底座移动。在这种结构中，移动底座可以在没有磁铁的情况下移动。结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，镜头致动器还包括位于移动底座与固定底座之间的导轨。在这种结构中，可以稳定移动方向。
结合第一方面或第一方面的第一种至第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，VCM的磁铁固定在镜头支架上，VCM的线圈固定在移动底座上以面向所述磁铁，且所述镜头致动器包括位于线圈后侧且具有高磁导率的磁芯。通过使用具有高磁导率的磁芯，可以抑制磁场泄漏。
结合第一方面的第五种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述磁铁的中性轴朝向所述磁芯的中心。在这种结构中，磁铁的中性轴被拉至面向磁芯中心的位置。结合第一方面或第一方面的第一种至第六种可能的实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，提供了一种电子设备，包括在一个平面中并排设置的两个镜头致动器。在这种结构中，可以在减少磁场泄漏的同时实现各种双摄像头***。
结合第一方面的第七种可能的实现方式，在第一方面的第八种可能的实现方式中，两个镜头致动器放置在不同的方向，使得磁铁之间的距离大于将磁铁放置在相同方向时的距离。在这种结构中，由于磁铁之间的距离变长，因此可以降低磁场的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅示出本发明的一些实施例，并且对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1示出了本发明提供的镜头致动器的俯视图；
图2示出了从图1中所示的(A)点观察的镜头致动器的侧视图；
图3示出了沿图1中右上方到左下方的点划线的凹槽18(18a和18b)和球19的横截面图；
图4示出了沿图1中左上方到右下方的点划线的凹槽22(22a和22b)和球23的横截面图；
图5示出了从图1中所示的(B)点观察的磁芯10和线圈8；
图6示出了从图1中所示的(B)点观察的磁芯10和线圈8后部的磁铁7；
图7示出了AF驱动引擎单元12的推力运动；
图8示出了无/有抖动时速度与入射量(Incidence)之间的关系；
图9示出了两个镜头致动器的一种示例布置；
图10示出了两个镜头致动器的另一种示例布置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅为本发明实施例的一部分，而非全部。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的特征为新颖特征。附图仅用于说明目的，并未按照比例绘制。此外，相同的数字表示附图中的相同特征。有关结构和操作方法的本发明本身可以通过参考结合附图的详细说明得到最好的理解。
图1示出了本发明提供的镜头致动器的俯视图，图2示出了从图1中所示的(A)点观察的镜头致动器的侧视图。在图2中，固定底座4固定在，例如，智能手机的摄像头模块上。拍摄对象位于图2的顶部，图像传感器设置在固定底座4的下方。移动底座2的中心和固定底座4的中心开度足以让镜头的光线传至图像传感器。
在图2中，AF驱动引擎单元12包括驱动轴121、压电元件122和砝码123。图2中未示出向压电元件122提供电流的电线。提供电流时，压电元件122根据电压的方向膨胀或收缩。该AF驱动引擎单元12向上或向下移动镜头支架5。镜头支架5内部有镜筒6，镜筒6内部有多个镜头。
参考图1，支承弹簧11的一端将驱动轴121推到滑块13(13a和13b)的V形区域，驱动轴121被支承弹簧11和滑块13卡住。也就是说，驱动轴121接触支承弹簧11的一个位置，接触滑块13的两个位置。未向压电元件122提供电流时，镜头支架5相对于驱动轴121是静止的。支承弹簧11的另一端定位在镜头支架5上的驱动轴121的相对侧。支承弹簧11可以是任何类型的弹性体，且滑块13可以是任何类型的支承结构。只要弹性体将驱动轴121推到支承结构，弹性体和支承结构的材料、形状和安装位置不受限制。
AF驱动引擎单元12(图2)是使用压电元件122的冲击驱动机构。操作原理如下：压电元件122根据待施加的电压的方向收缩或膨胀，并且收缩或膨胀的幅度和速度取决于波形。当压电元件122在预定方向上由具有缓慢上升曲线的波形驱动时，压电元件122缓慢膨胀，驱动轴121与镜头支架5一起缓慢向上移动。当压电元件122在另一个方向上由具有快速上升曲线的波形(考虑到上述预定方向的快速下降曲线)驱动时，压电元件122快速收缩，驱动轴121快速向下移动，镜头支架5不移动。在这种膨胀和收缩操作中，镜头支架5由于惯性被提起并保持不动。通过重复这种操作，镜头支架5逐渐向上移动。
如果在相反方向上进行上述膨胀和收缩操作，即，压电元件122由具有缓慢下降曲线的波形和具有快速上升曲线的波形(考虑到上述预定方向)驱动，镜头支架5由于惯性下降并保持不动。通过重复这种相反的操作，镜头支架5逐渐向下移动。综上所述，镜头支架5可以根据需要向上和向下移动。
从图2中可以看出，由于磁铁7的磁力通过柔性印制电路(flexible printedcircuit，简称FPC)9拉动固定在移动底座2上的磁芯10(下文中，也称为“芯轭”)，可以抑制镜头支架5围绕驱动轴121的不必要旋转。磁通量通过磁芯10并防止磁漏。磁芯10由铁或具有高磁导率的材料制成，例如坡莫合金。
如图1所示，通过使用“d”方向的SMA和“r”方向的VCM来实现OIS***。
两条SMA线1-R和1-L用作“d”方向的OIS。SMA线1-R的一端固定在固定底座4上的固定点17a上，另一端固定在固定底座4上的固定点17b上。SMA线1-R的中部钩在移动底座2上的作用点17周围。同样地，SMA线1-L的一端固定在固定底座4上的固定点16a上，另一端固定在固定底座4上的固定点16b上。SMA线1-L的中间钩在移动底座2上的作用点16周围。在另一实施例中，固定点16a、16b、17a和17b可以设置在移动底座2上，作用点16和17可以设置在固定底座4上。
向SMA线1-L施加电流时，SMA线1-L收缩。另一方面，由于未向SMA线1-R施加电流，因此可以延长该线。相应地，移动底座2相对于固定底座4在图1中的右下方向上移动。向SMA线1-R施加电流时，SMA线1-R收缩。另一方面，由于未向SMA线1-L施加电流，因此可以延长该线。相应地，移动底座2相对于固定底座4在图1中的左上方向上移动。通过交替向这两条线1-L和1-R施加电流，移动底座2可以往返运动的形式在“d”方向上移动。为了沿“d”方向引导移动底座2，移动底座2的后侧和固定底座4上设置有凹槽18、20、22和24，移动底座2后侧和固定底座4上的相应凹槽之间设置有球19、21、23和25。图3示出了沿着图1中从右上到左下的点划线的凹槽18(18a和18b)和球19的横截面图。凹槽20(20a和20b)和球21的形状与图3中的形状相同。图4示出了沿图1中从左上到右下的点划线的凹槽22(22a和22b)和球23的横截面图。凹槽22a和22b在俯视图中为圆形。凹槽22a的直径可以根据“d”方向的移动范围确定。图1中未示出图2中所示的球25和相应的凹槽24(24a和24b)。凹槽24(24a和24b)的形状与图4中所示的凹槽22(22a和22b)的形状相同。该导轨不限于上述结构。可以采用导轨的各种结构。在另一实施例中，可以不提供导轨。
VCM用作图1中所示的“r”方向的OIS。VCM摆动镜头支架5。磁铁7安装在镜头支架5上。在图2中，磁铁7面向设置在FPC 9上的线圈8。由于镜头支架5向上和向下移动，因此磁铁7也向上和向下移动。考虑到磁铁7的移动，确定线圈8的尺寸时留有一定余量。线圈8的端子电连接到FPC 9。可以使用具有FPC 9的组合型线圈8(称为柔性模式(flexiblepatterning，简称FP)线圈)。磁芯10设置在FPC 9的后侧。磁芯10由铁或具有高磁导率的材料制成。在另一实施例中，可以调换磁铁7和线圈8的位置。
参考图1，为了避免镜头支架5进行不必要的摆动，设置了止动器14和止动器支架15。止动器14固定在镜头支架5上，止动器支架15固定在移动底座2上。止动器14在驱动轴121周围移动。止动器支架15的内径可根据“r”方向的移动范围确定。除了从外部施加冲击等情况之外，止动器支架15不接触止动器14的侧面。止动器14的形状不限于圆形，并且止动器支架15的形状不限于圆的一部分。
图5示出了从图1中所示的(B)点观察的磁芯10和线圈8。在图5中，未示出FPC 9。霍尔元件30(图1和图2中未示出)设置在磁芯10上，以感测磁场的方向和强度，从而检测磁铁7的位置。当镜头支架5围绕驱动轴121摆动时，磁芯10产生磁力弹簧效应，将镜头支架5上的磁铁7拉到磁芯10的中心。因此，当镜头支架5不摆动时，镜头支架5在磁铁7的中性轴面向磁芯10的中心的位置处保持静止。换言之，如果磁铁7离开该位置，由于磁力弹簧效应，磁铁7将回到该位置。中性轴位于S极和N极之间，并且磁通密度在中性轴处变为零。图6示出了从图1中所示的(B)点观察的磁芯10和线圈8后部的磁铁7。从图1中可以看出，另一个磁铁的N极和S极连接在图6中所示的S极和N极后面。磁通量来自图6中的磁铁7左侧所示的S极后面的N极，并且进入图6中的磁铁7左侧所示的S极。即，在图6中的磁铁7的左侧前方，磁场的方向为从前向后。另一磁通量来自图6中的磁铁7右侧所示的N极，并且进入图6中的磁铁7右侧所示的N极后面的S极。即，在图6中的磁铁7的右侧前方，磁场的方向为从后向前。在这种结构中，磁通回路变短，磁漏减少。
沿顺时针(clockwise，简称CW)方向向线圈8施加电流(图5)时，在线圈8左侧部分的位置处，电流向上流动，并且磁场的方向为从前到后(如上所述)。根据弗莱明左手定则的电磁相互作用，产生将线圈8从右向左移动的力。在线圈8右侧部分的位置处，电流向下流动，并且磁场方向为从后向前(如上所述)。根据弗莱明左手定则的电磁相互作用，产生将线圈8从右向左移动的力。由于线圈8是固定的，磁铁7在图6中的右侧方向上移动，即镜头支架5在图1中的右上方向上摆动。
沿逆时针(counter-clockwise，简称CCW)方向向线圈8施加电流(图5)时，在线圈8左侧部分的位置处，电流向下流动，并且磁场的方向为从前到后(如上所述)。根据弗莱明左手定则的电磁相互作用，产生将线圈8从左向右移动的力。在线圈8右侧部分的位置处，电流向上流动，并且磁场方向为从后向前(如上所述)。根据弗莱明左手定则的电磁相互作用，产生将线圈8从左向右移动的力。由于线圈8是固定的，磁铁7在图6中的左侧方向上移动，即镜头支架5在图1中的左下方向上摆动。综上所述，镜头支架5可以在两个方向上摆动。
使用由“d”方向的SMA和围绕驱动轴121的“r”方向的VCM实现的该OIS***，可以在极坐标系上的任意位置以二维方式移动镜头的中心位置。
可以利用抖动技术减少AF驱动引擎单元12的摩擦阻力。图7示出了AF驱动引擎单元12的推力运动。为了在驱动轴121与其他物体(支承弹簧11和滑块13)之间实现较低且稳定的μ值(抖动技术中定义了μ值)并且为了避免粘滑现象，除“r”方向的上述OIS的10到15Hz电压等之外，将具有超过200Hz(优选地，200到300Hz)的正弦波形的电压施加到VCM的线圈8上。在图7中，对镜头支架5施加了200Hz的抖动摆动运动，即镜头支架5以200Hz的频率摆动。图8示出了无/有抖动时驱动轴121的速度与入射量(镜头支架5相对于驱动轴121的移动距离)之间的关系。
当驱动轴121快速移动且镜头支架5保持不动时，假设砝码123的重量为M1且驱动轴121的重量为M2，砝码123的速度V1和驱动轴121的速度V2基本上满足M1V1+M2V2＝0，即理论上M1V1＝–M2V2。当驱动轴121快速移动时，摩擦阻力变低，但保持在一定程度，因此入射量受到限制，如图8中的左图所示。通过抖动的影响，摩擦阻力降低，为实现较大入射量的推力运动的平均速度增加，并且速度的分散减小。即，可以增加并稳定AF控制，并且可以减少AF的电流消耗。
双摄像头***的实际情况是，双摄像头聚焦于同一个对象。发生手抖动时，根据右侧摄像头的陀螺仪信号和AF位置信息，镜头支架5移动到针对右侧摄像头进行正确计算得到的合适位置。左侧摄像头的OIS距离可能与右侧摄像头的OIS距离有所不同，这是因为光学因素可能有所不同并且AF位置(无穷到宏)可能有所不同。在双OIS***的这种情况下，OIS***分别移动到合适的位置。需要两个不同的OIS***。传统OIS***是移动磁铁***，磁铁在其中移动。当两个传统OIS***并排放置时，两个***彼此施加磁影响，这是因为移动磁铁型OIS***中会发生磁场泄漏。因此，需要没有磁场影响的OIS致动器。需要没有磁场影响且实现较高补偿比(例如超过30dB)的OIS致动器。补偿比表示手抖动的校正程度。在补偿比为30dB的情况下，图像看起来是不动的。为降低或消除磁场影响，仅对“d”方向应用SMA***，并且仅对“r”方向应用很小的VCM***。该磁场很小且影响很小，这是因为磁体具有很小尺寸，被磁化为两个磁极，且面向芯轭(例如，铁或坡莫合金)。尽管该SMA***会占据空间，但SMA线可产生足够的抗摩擦力。因此，即使使用SMA***，OIS性能(尤其是补偿比)也很好。此外，本发明比传统VCM AF和OIS消耗的电流小得多。
通过本发明，可以实现降低或消除磁场影响且实现较高补偿比(例如超过30dB)的OIS致动器。为降低或消除磁场影响，作为OIS***，应用SMA和滚动式小型VCM。同时，通过应用碰击式压电类型，总电流消耗比传统VCM AF和OIS少得多，如下表所示：
表1
电路估算 移动期间 停在1m焦点处 镜头位置控制
传统VCM AF 40mA 15mA
碰击式压电 3.5mA 0mA
传统OIS 80mA 50mA
SMA+VCM 15mA 25mA
使用两个镜头致动器时，可以将它们布置在不同的方向上。图9和图10示出了本发明提供的两个镜头致动器的示例布置。尽管图9中的两个镜头致动器布置在同一方向上，但是在图10中，左侧镜头致动器位于相反的方向，即，左侧镜头致动器从图9中的位置旋转180度。左侧镜头致动器可以从图9中的位置顺时针或逆时针旋转90度，或者右侧镜头致动器可以从图9中的位置逆时针旋转90度。在这些结构中，左侧镜头致动器的磁铁7与右侧镜头致动器的磁铁7之间的距离比图9中的距离长。
上述披露的仅是本发明的示例实施例，当然并非旨在限制本发明的保护范围。本领域普通技术人员可以理解的是，实施前述实施例的全部或部分流程以及根据本发明权利要求进行的等效修改都应属于本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种镜头致动器，其特征在于，包括：
压电元件，用于沿光轴方向移动镜头支架；
形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)，用于沿垂直于所述光轴方向的预定方向移动所述镜头支架；以及
音圈电机(Voice Coil Motor，简称VCM)，用于沿垂直于所述光轴方向且不同于所述预定方向的方向移动所述镜头支架；所述VCM的磁铁固定在所述镜头支架上，所述VCM的线圈固定在移动底座上以面向所述磁铁；
位于线圈后侧且具有高磁导率的磁芯，所述磁铁和所述磁芯用于抑制所述镜头支架旋转。
2.根据权利要求1所述的镜头致动器，其特征在于，压电元件的一端耦合至驱动轴，镜头支架包括弹性体和支承结构且弹性体将驱动轴推向支承结构。
3.根据权利要求2所述的镜头致动器，其特征在于，用于减少驱动轴与支承结构和弹性体之间摩擦的波形叠加在施加到VCM的波形上，用于校正手抖动。
4.根据权利要求2或3所述的镜头致动器，其特征在于，压电元件的另一端耦合至砝码，所述砝码耦合至所述移动底座，且
SMA根据待施加的电压收缩，并使所述移动底座相对于所述固定底座移动。
5.根据权利要求4所述的镜头致动器，其特征在于，还包括位于所述移动底座与所述固定底座之间的导轨。
6.根据权利要求1至3任一项所述的镜头致动器，其特征在于，所述磁铁的中性轴朝向所述磁芯的中心。
7.一种电子设备，包括在一个平面中并排设置的根据权利要求1至6任一项所述的两个镜头致动器。
8.根据权利要求7所述的电子设备，其特征在于，两个镜头致动器放置在不同的方向，使得磁铁之间的距离大于将磁铁放置在相同方向时的距离。
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