CN101266387A - 小型摄像头模块位移感知传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是小型摄像头模块位移感知传感器，是在小型便携式终端机摄像头装置实现光学变焦功能和自动对焦功能时配备在包含相应镜片组的镜头驱动器内部、用来感知上述驱动器位置变化的位移感知传感器，它具有以下一些特征：上述驱动器由在内部中央位置包含多个镜片构成的镜片组件并在上述镜片组的外侧配备磁性材料的运动部件和从外侧包住上述运动部件并且在下侧中央位置配有镜片的镜筒构成；上述运动部件随着上述镜筒移动；对应上述磁性材料安装在上述镜筒外侧，在外部一侧配有用来接受电源或者输出信息信号的多个端子，内部包含与上述多个端子连在一起、拥有多个磁性部件的探测回路以感知上述磁性材料的磁力变化从而感知出上述运动部件的位移。

Description

小型摄像头模块位移感知传感器

技术领域

本发明是配备在镜头驱动器装置内部，旨在实现小型便携式终端机内部自动对焦(Auto Focusing)和光学变焦(Zooming)功能的一种小型摄像头模块位移感知传感器。

背景技术

近年来，伴随通讯技术和数字信息处理技术的不断发展，集信息处理及演算、通讯、图像信息的输入和输出等功能为一身的便携式终端机技术也逐渐兴起。例如：安装了数码摄像和通讯功能的PDA、添加了数码摄像功能的手机、个人多媒体播放器(PMP：personal multi-media player)等都是此类产品。由于数码摄像技术和信息存储能力在不断发展，高水平数码摄像头模块(digital camera module)的安装正在趋于普遍化，与此同时，各类技术的发展使得安装在便携式终端机等设备上的数码摄像头模块开始使用百万像素(mega pixel)级别的图像传感器(imagesensor)，因此自动对焦及光学变焦等附加功能越来越受到人们重视，而摄像头模块的尺寸(form-factor)则越来越趋于小型化。

为了在此类小型数码摄像头模块中实现自动变焦及光学变焦功能，人们正在研究和开发使用可以进行类似步进马达的旋转运动的驱动器使运动部件呈线状移动的技术和更为简单、更容易实现小型化的音圈马达(VCM，voice coil motor)驱动方式技术并将其商品化。为了实现光学变焦功能和自动对焦功能，与运动部件一起组装在摄像头模块内部的两个以上的镜片组会分别随着运动部件移动到指定位置，这样进来的光线就在图像传感器(image sensor)上形成图像。

步进马达只能记忆初始位置，由于驱动时是依靠接通的驱动脉冲电流对位置进行调节的，所以此类马达其实并不具备能够判断出运动部件(moveable part)位移的位置感测器。但是，随着小型化的发展趋势，使用类似步进马达、音圈马达等的线形电磁驱动器(electromagnetic linear actuator)或者压电驱动器(piezoel electric actuator)等在驱动时必定会出现积累的位移误差的驱动器的时候，为了保障需要精密控制的自动对焦和光学变焦，就需要安装能够检测出运动部件位置的位置传感器。

运动部件的驱动位置传感器一般常用于机器人工学技术并在该领域得到了长足的发展。要求进行位置检测的运动部件的运动大多是直线或者旋转运动，此类现有位置传感器感知对象位置的方法有使用提供同运动部件运动成比例的电阻变化相对应的电压输出的电位器(potentiometer)、红外线(infrared)、电阻(resistive)、电容(capacitive)、磁性(magnetic)，霍尔传感器(hall sensor)等很多种。

其中磁电阻位置感知传感器作为探测附有磁铁的运动部件的位置移动的传感器，是一种当磁场强度处于饱和状态时，磁铁中产生的外部磁场利用随着通过有电流在感应器内部流动的整体呈桥状的磁性材料从外部接入的磁场方向而导出的变化了的电阻值，从而探测出磁铁位置信息的传感器。与其他传感器相比，由于磁电阻位置探测传感器采取的是非接触形式，所以具有可靠度较高，对冲击和震动不太敏感，不仅能够用于直线移动，还能够用于旋转移动，传感器尺寸较小等优点。此外，对传感器和磁铁之间距离的调节和多个传感器的安装还能够实现不同范围的位置检测，因此具有相对较高的输出信号特性。

随着便携式终端机不断趋于小型化，它所安装的摄像头模块体积也越来越小，与此同时还要求准确实现自动对焦和变焦功能，这就需要开发出一种能够在保证较小体积的前提下准确感知摄像头模块位置变动的技术，本发明就是要使用磁电阻传感器来做位移感知传感器。

发明内容

本发明正是为解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够简便安装在利用电磁方式或压电方式的微型驱动器装置内部，符合要求小型化的便携式相机及相机终端机自动对焦和变焦功能的小型摄像头模块位移感知传感器。

本发明的另一个目的在于提供在便携式终端机内部实现自动对焦和变焦功能时所需的镜片组位置信息，以保证获得较高分辨率的拍摄画质的一种小型摄像头模块位移感知传感器。

为了实现上述目的，本发明作为在小型便携式终端机摄像头装置实现光学变焦功能和自动对焦功能中配备在包含相应镜片组的镜头驱动器内部、用来感知上述驱动器位置变化的小型摄像头模块位移感知传感器，具有以下一些特征：上述驱动器由在内部中央位置包含多个镜片构成的镜片组件并在上述镜片组的外侧配备磁性材料的运动部件和从外侧包住上述运动部件并且在下侧中央位置配有镜片的镜筒构成；上述运动部件随着上述镜筒移动；对应上述磁性材料安装在上述镜筒外侧，在外部一侧配有用来接受电源或者输出信息信号的多个端子，内部包含与上述多个端子连在一起、拥有多个磁性部件的探测回路以感知上述磁性材料的磁力变化从而感知出上述运动部件的位移。

本发明的效果：

如上所述，本发明的小型摄像头模块位移感知传感器涉及的是磁电阻位移感知传感器，由于它采取的是非接触检测方式，所以与其他传感器形态相比，具有可信度高、较能抵抗冲击和震动、传感器体积较小等优点。

摄像头内部的位移感知传感器作为一种调节光学自动对焦和放大被摄体等的镜片位移检测装置，当制动器发生线形运动时，能够通过输出并精确感知相当于相应位置的电力信号实现理想的自动对焦和光学变焦功能。

作为一种耗电少、易于实现小型化、能够用于要求精确判断和控制运动部件位置的各种机器的位移感知传感器，尤其能够用来感知旨在实现安装在便携式终端机等之上的微型摄像头模块的变焦和自动对焦功能的镜片组位移情况。

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。

附图说明

图1是安装了本发明位移感知传感器的线形驱动器的截面图；

图2a是旨在说明本发明位移感知传感器工作原理的图1中的A截面的放大截面图；

图2b是旨在说明本发明位移感知传感器工作原理的示例图；

图3a至图3c是旨在说明本发明位移感知传感器构成情况的示例图；

图4是旨在说明本发明位移感知传感器工作过程的示例图。

附图中主要部分的符号说明：

10：驱动器      11：镜筒

12：运动部件    13：磁铁

14：贯通孔        15：磁电阻位移感知传感器

16：磁性部件      17：突针

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的小型摄像头模块位移感知传感器实施例进行详细说明。

说明时将把本发明的磁电阻位移感知传感器应用到任意一个线形驱动器，如：采取音圈马达驱动方式的驱动器上。这只是其中一个实施例，本发明也能够适当应用于其他镜头驱动器上。

图1是安装了本发明位移感知传感器15的线形驱动器的截面图。

首先，如图1所示，作为用于安装本发明位移感知传感器微型摄像头模块的线形驱动器10的一个实施例，线形驱动器10运用的是音圈马达或压电等方式，由在内部装有多个镜片构成的镜片组件(未图示)并安装了一个以上磁铁13的运动部件12、旨在实现运动部件12线形运动的镜筒11、安装了不同镜片的贯通孔14、配备在镜筒11外侧对应各个磁铁13的磁电阻位移感知传感器15等构成。

当往镜筒11和围在位移感知传感器15外部的线圈绕组(未图示)上接通电源时，运动部件12在线圈绕组产生的电磁场和磁铁13的相互作用下沿着镜筒11做上下方向的移动。

镜片组件固定在在镜筒21内部上下移动的运动部件12的中央位置，在运动部件12外侧方向一侧配有磁铁13，生成利用磁电阻方式感知位移所需的磁场。

位移感知传感器15在内部，比如说，具有四个磁性部件16，沿特定方向对应磁铁安装在镜筒11外侧，在一侧配备多个突针17，通过连接在突针17上的导线(未图示)接进外部电源或者向外部输出导出运动部件位移的信息信号。

贯通孔14位于镜筒11下方，是装有与运动部件12镜片组件上的多个镜片方向相对的、用来执行光学作用的镜片的圆筒部分。

下面对包含镜片组件在内的运动部件12在采取上述构造的先行驱动器10内部做实际上下运动时，感知运动部件12位移情况的位移感知传感器15的工作原理进行说明。

图2a是旨在说明本发明位移感知传感器工作原理的图1中的A截面的放大截面图，图2b是旨在说明本发明位移感知传感器工作原理的示例图。

图2a展示了从安装在运动部件12内部的多个磁铁13接入的磁场方向和磁电阻位移传感器的基准方向。

随着运动部件12沿镜筒11做上下运动，安装在运动部件12的磁铁13中产生的磁场(B)发生变化，根据磁场(B)强度处于一定水平以上的饱和状态下(saturation mode)时磁铁13产生的磁场(B)的方向以及安装在位移感知传感器15内部呈桥状形态的各个磁性部件16中流动的电流方向(I)，即与基准方向形成的夹角(θ)的变化，磁性部件16的电阻值也发生变化。因此，通过图3b所示的电桥电路检测出磁性部件16电阻值变化带来的电压变化，利用检测到的电压就能够得知磁铁的位移。

图2b通过实例展示了在磁电阻位移感知传感器内磁性部件16内部流动的电流方向(基准方向)(I)和接入的磁场方向B之间形成的夹角(θ)。如图2b所示，随着运动部件13移动，夹角(θ)发生变化，磁性部件16的电阻值也发生变动，因此，只要能够感知到这个夹角(θ)的变化并导出变动的幅度，相反就能够得知运动部件12的位移程度。

下面就来介绍一下感知该夹角(θ)变动幅度进而得出运动部件12位移幅度的方法。

图3a至图3c是旨在说明本发明位移感知传感器构成情况的示例图。

图3a通过实例展示了通过磁电阻位移感知传感器15和OP-AMP(运算放大器)等的接口回路获得包括能够得出运动部件12位移信息的信息在内的输出信号的回路。此处，添加设置了包括信号放大器(amplifier)、数模转换器(analog-to-digital converter)等在内的检测回路，能够用来掌握运动部件12的当前位置信息，通过反馈(feedback)控制位置。

分别通过磁电阻位移感知传感器15上的四个突针17对连在Vs和地线(Gnd)上或者由磁性部件16电阻值变化所决定的电压V+和V-进行输出。输出的电压(V+，V-)通过运算放大器被放大，然后输出到外部的控制部件(未图示)，控制部件利用输出电压掌握运动部件12的当前位置信息并控制运动部件12。

图3b是在位移感知传感器15内部包含磁性部件16的电桥回路的一个实例。如图3b所示，如果把磁性部件16看作一个电阻器，四个磁性部件16的表面分别分布在镜筒11表面指定位置，比如说，按照图3b所示的形态分布在镜筒11正面的电桥电路配备在位移感知传感器15内部，输出电压(V+，V-)就会根据磁性部件16电阻值的变化发生变化。

图3c结合实例通过实验展示了根据磁铁13位置变化发生变化的夹角(θ)所决定的包括输出电压值(V+，V-)在内的输出电压(V)。输出电压(V)运算公式如下：

V＝Vs A sin(kθ)......(1)

(Vs为输入电压，A为材料常数值，k为常数，θ为基准方向(I)和磁场方向(B)之间的夹角)

在此处，由夹角(θ)决定的输出电压(V)使用sine函数进行表示，夹角(θ)的测定范围可以通过磁电阻位移感知传感器15的个数或者磁性部件16的分布形态进行各种调节。

按照上述(1)公式计算出来的针对夹角(θ)变动的输出电压(V)意味着运动部件12直线位置变化所带来的输出变化，利用它可以通过输出电压(V)值的差检测出运动部件12的位移。具体而言，如图3c所示，在初始状态，如夹角(θ)为0度的状态下，随着运动部件12位置发生变化，夹角(θ)就会向左侧移动变为负角或者向右侧移动变为正角，输出电压(V)也就会显示出指定范围的电压值。

如此一来，如果检测出了初始状态下的输出电压(V＝0mV)和位置变化产生的输入电压之间的差，比如检测出+12mV的电压差，参照图3c，就意味着夹角(θ)在初始状态下发生了+∏/2的变化，运用三角学进行计算就能够得知运动部件12位移到了指定位置。

位移检测范围和精确度可以通过增加磁电阻位移感知传感器15的个数或者利用磁铁13跟感知传感器15之间的距离、磁铁的尺寸和磁铁的磁力等因素进行调节，夹角(θ)的细微变化，即角度测定的精确度能够达到0.1度以下。

图4中的(a)至(c)是旨在说明本发明位移感知传感器工作过程的示例性时序图。通过图表展示了以把电流输入包住镜筒11和位移感知传感器15外部的线圈绕组的时序为基准向磁电阻位移感知传感器提供电压(Vs)的时序。

在类似音圈马达那样使包住镜筒11外部产生驱动磁场的线圈绕组发生电流流动的驱动方式中，想要运用磁电阻位移传感器，就需要进行脉冲(pulse)驱动。如图4中的(a)所示，接入脉冲时(从ta到tb)在线圈绕组周围产成驱动磁场，在不向线圈绕组接入电流的休止(rest)时间里(从tb到tc)，向磁电阻位移感知传感器15内接入电压(Vs)，在使用掌握运动部件12位置信息方法排除驱动磁场干涉的状态下利用磁电阻位移感知传感器15。

图4中的(b)是展示接到位移感知传感器15上、使之15只在休止时间内工作的电压(Vs)的时序图，在接口处持续提供电压(Vs)。在持续接入电压(Vs)的状态下，利用配备在供电(Vs)处的开关，如图4中的(c)所示，也就是开关在指定的电压上打开或者闭合，以保证位移感知传感器15只在休止时间内运转。

或者如图3a所示，不是在供电(Vs)方配备开关，而是在检测回路的输出端配备开关，只在没有产生驱动磁场的休息时间内打开或者闭合，从而输出能够导出运动部件12位移信息的检测电压。

如前所述，磁电阻位移感知传感器15是通过测定随着包含镜片组的运动部件12磁铁的移动发生变化的磁力线的方向，采用非接触方式检测运动部件位置的位移感知传感器，作为可以应对简单构造和低廉价格的一种方式，具有适于小型化的特征。

通过上述的说明，本领域熟练技术人员完全可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。但是，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (7)

1. 一种小型摄像头模块位移感知传感器，是在小型便携式终端机摄像头装置实现光学变焦功能和自动对焦功能时配备在包含相应镜片组的镜头驱动器内部、用来感知上述驱动器位置变化的位移感知传感器，其特征在于包括：

上述驱动器由在内部中央位置包含多个镜片构成的镜片组件并在上述镜片组的外侧配备磁性材料的运动部件和从外侧包住上述运动部件并且在下侧中央位置配有镜片的镜筒构成；

上述运动部件随着上述镜筒移动；

对应上述磁性材料安装在上述镜筒外侧，在外部一侧配有用来接受电源或者输出信息信号的多个端子，内部包含与上述多个端子连在一起、拥有多个磁性部件的探测回路以感知上述磁性材料的磁力变化从而感知出上述运动部件的位移。

2. 如权利要求1所述的小型摄像头模块位移感知传感器，其特征在于：

上述位置传感器是一种磁电阻位移感知传感器，随着位于上述运动部件上的上述磁性材料的移动发生变化的磁力线方向和位于上述传感器内部的上述磁性部件中流动的电流方向之间形成的角度θ产生变化，据此输出上述磁性部件的电阻变化，从而检测出磁性材料的位置信息。

3. 如权利要求1所述的小型摄像头模块位移感知传感器，其特征在于：

上述多个端子包括用来接受电源的端子、用来接地的端子和用来输出包含上述运动部件位移信息在内的电力信号的端子。

4. 如权利要求3所述的小型摄像头模块位移感知传感器，其特征在于：

上述检测回路是一种电桥电路形态，以电压(V)形式输出经过已定个数的上述磁性部件的磁力线方向变化所产生的磁性部件的电阻变化，检测出与上述输出电压V向对应的已设角度θ，运用三角学感知上述磁性材料的位移。

5. 如权利要求4所述的小型摄像头模块位移感知传感器，其特征在于：

上述输出电压V和上述已设角度θ之间存在V＝Vs A sin(kθ)的关系；

其中Vs为供到上述检测回路的输入电压，A为与上述磁性部件相关的材料常数，k为与上述磁性部件的分布情况相关的常数，θ为上述磁性部件的平面方向和磁性材料的磁力线方向之间形成的夹角。

6. 如权利要求5所述的小型摄像头模块位移感知传感器，其特征在于：

上述输入电压Vs只在上述驱动器不工作的休止时间输入。

7. 如权利要求4所述的小型摄像头模块位移感知传感器，其特征在于：

上述检测回路的输出端还包含用来只在上述驱动器不工作的休止时间内获得检测电压的开关手段。

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