CN113709452B - 使用霍尔传感器对相机系统进行三轴位置感测 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种用于相机系统的霍尔传感器集成电路IC，霍尔传感器IC包括至少三个霍尔传感器，该至少三个霍尔传感器以非对齐配置彼此间隔开，并且被配置成：测量基于布置在相机系统中的透镜模块上的一个磁体的位置而生成的磁场。

Description

使用霍尔传感器对相机系统进行三轴位置感测

技术领域

本发明涉及一种用于相机系统的霍尔传感器IC，该相机系统被配置成使用霍尔传感器来确定透镜模块的三轴位置，涉及一种包括霍尔传感器IC的相机系统，并且涉及一种用于使用霍尔传感器IC确定透镜模块的三轴位置的方法。

背景技术

智能手机已经成为当今社会生活中不可或缺的一部分。在过去的几年里，它们已经演进到它们已经成为我们几乎可以执行任何任务的强大设备的程度。智能手机允许将过去由不同设备执行的功能合并为单个设备。如今智能手机的一个核心特征是相机。智能手机相机变得越来越紧凑，同时质量和分辨率通过最近几代得到改进。紧凑型相机设备也在不断演进，它们的质量和分辨率持续得到改进，而它们的尺寸已经缩小。虽然自动对焦(AF)是大多数智能手机相机的必备特征，但光学图像稳定(OIS)在许多旗舰机型中越来越受欢迎。对于AF，镜筒需要在光学轴线(Z轴)上平移，而对于OIS，它在垂直于光学轴线的平面内的X和Y方向上摇晃。所有维度的移动都应当具有微米级的精度。三轴(X-Y-Z)移动由三个独立的电机驱动。一些用于AF和OIS的流行电机技术是音圈电机(VCM)或形状记忆合金(SMA)。通常，透镜在一个方向上的位置可以通过霍尔传感器来准确测量，以反馈给相机系统的控制回路。这些霍尔传感器由通常安装在移动部件(镜筒)上的磁体和包含安装在固定部件(例如，模块底座或壳体)上的霍尔传感器的集成电路(IC)组成。当磁体和霍尔传感器之间的距离在致动方向上改变时(例如，AF的Z轴)，霍尔传感器测量改变的磁场，改变的磁场可以被转换成透镜的位置。

然而，存在与将电机、位置传感器(包括磁体)和驱动电路装置封装在小型化透镜模块内部相关联的技术挑战。

在一些较旧的和/或低成本的AF设计中，没有位置传感器。相反，控制回路使用图像对比度作为锐度的指示，并且算法尝试扫描焦距直到锐度最大化。这种AF方法不需要相机系统中的附加组件，但通常较慢。

更现代或价格更高的设计包括位置传感器(霍尔传感器)来辅助相机系统的控制回路。每个轴通常有一个霍尔传感器IC(包括一个霍尔传感器)。在一些设计中，只有一个霍尔传感器IC来测量Z轴上的透镜位置，而没有用于X和Y的位置传感器，以降低成本和复杂性。在这种情况下，OIS由前馈机制控制，这可能导致稳定性质量的一些降低。

在一些高端AF/OIS设计中，可以存在两个或三个分离的霍尔传感器和磁体对。霍尔传感器通常位于安装在相机模块(系统)的侧壁或底部上的分离硅芯片中。

图1中示出了智能手机的最先进相机系统的一个示例，其中霍尔传感器用于Z方向上的线性位置感测以进行AF操作。镜筒悬挂在弹簧和两级AF(在Z方向上移动)和OIS(在X-Y方向上移动)的系统上。为简单起见，弹簧、AF和OIS电机在图1中未被示出。在镜筒14的一侧上存在小型磁体18，用于在霍尔传感器上产生磁场。霍尔传感器可以被集成在透镜驱动器IC或相机模块内部的任何IC 16中。透镜驱动器IC垂直安装(在图1的透视图中沿Z方向察看)在壳体附近的侧壁上。磁体的磁化是在Z方向上。它在霍尔传感器的位置周围产生(几乎)线性改变的磁场。当镜筒在Z方向上移动时，霍尔传感器上的垂直磁场(Bx)线性改变，这被用于计算透镜位置。在一些其他相机模块中，X和Y位置传感器可以被附加放置在不同的位置以辅助OIS操作。然而，分离式霍尔传感器芯片的设计使得模块高度复杂并且成本高昂。

发明内容

根据第一方面，本发明提供了用于相机系统的霍尔传感器集成电路IC，该霍尔传感器IC包括至少三个霍尔传感器，该至少三个霍尔传感器以非对齐配置彼此间隔开，并且被配置成：测量基于布置在相机系统中的一个磁体的位置生成的磁场。

本发明有利地提供了一种包括至少三个霍尔传感器的霍尔传感器IC，霍尔传感器可以测量由单个磁体引起的磁场。霍尔传感器IC是单个裸片，裸片是半导体材料的(小)块，在其上制造了某个功能电路。因此，裸片是包含功能电路的一个副本的半导体材料的块。IC或裸片也可以被称为芯片。现有技术中使用的霍尔传感器通常位于分离的IC中，一个霍尔传感器与一个磁体被组合使用以检测在一个方向上的位置。如果要确定在附加方向上的位置，则分离的磁体和霍尔传感器(在分离的IC中)被放置在不同的位置处。这些附加组件的存在需要附加空间。通过在一个单个IC中放置多个霍尔传感器，节省了空间，并且它们对由于单个磁体生成的磁场的测量可以被组合，以获得磁体在多个方向上的位置。更具体地，通过以非对齐配置，即非直线配置或其中至少三个霍尔传感器不形成直线的配置，来放置彼此间隔开的至少三个霍尔传感器，可以确定磁体在三个维度上的位置。通过确定来自外部磁场源(磁体)的三个已知点(三个已知的霍尔传感器)和在这些点处的磁场值，可以确定外部磁场源在三个维度(X-Y-Z)中的位置。稍后将讨论用于执行该确定的不同技术。

根据本发明的实施例，霍尔传感器IC包括控制单元，该控制单元被配置成基于由至少三个霍尔传感器测量的磁场的组合来确定磁体的三维3D位置。

根据本发明的实施例，至少三个霍尔传感器均被布置在霍尔传感器IC内，形成相对于彼此具有中心对称或轴对称的几何配置。根据实施例，至少三个霍尔传感器彼此等距间隔开。霍尔传感器等距间隔开的特定分布可以提供更准确的测量结果，因为它允许在所有霍尔传感器之间实现最大距离。

根据本发明的实施例，霍尔传感器IC还包括存储器，该存储器被配置成存储基于由至少三个霍尔传感器测量的磁场的组合获得磁体的三维位置所需的信息。

根据本发明的实施例，至少三个霍尔传感器中的每个霍尔传感器被配置成单独启用和禁用。这允许霍尔传感器IC适应不同的系统要求，并且改善其通用性和兼容性。

根据本发明的实施例，霍尔传感器IC包括布置在霍尔传感器IC内的三个霍尔传感器，形成圆形配置或三角形配置。根据本发明的实施例，霍尔传感器IC包括布置在霍尔传感器IC内的四个霍尔传感器，形成圆形配置或方形配置。具有(至少一个)附加霍尔传感器的这种冗余允许改进测量结果的准确性并且因此改进系统的稳健性。当四个霍尔传感器以圆形配置布置时，四个霍尔传感器可以被布置在圆的圆周上。在一些实施例中，四个霍尔传感器围绕圆心对称。四个霍尔传感器可以被布置成任何四边形配置，例如，平行四边形配置、梯形配置或正方形配置。

根据本发明的实施例，霍尔传感器IC被配置成被集成在相机系统中包括的另一个IC中，另一个IC是包括但不限于以下项的列表中的一个：透镜驱动器、电机控制器、图像传感器、图像传感器控制器、图像处理器或相机系统中存在的任何其他IC。

根据第二方面，本发明提供一种相机系统，包括：壳体；布置在壳体内部的透镜模块；布置在壳体内部的如先前段落中所述的霍尔传感器IC；以及布置在壳体内部并且面向霍尔传感器IC的磁体，其中霍尔传感器IC和磁体中的一个被布置在壳体的第一内侧上，并且霍尔传感器IC和磁体中的另一个被布置在透镜模块的面向壳体的第一内侧的第一侧上。优选地，霍尔传感器IC被布置在壳体的第一内侧上，并且磁体被安装在透镜模块的第一侧上。

本发明有利地提供了一种具有减小的尺寸和复杂性的相机系统(相机模块)设计，其允许准确的三维透镜位置确定。这是因为，与本领域已知的相反，本发明仅需要一个磁体和一个霍尔传感器IC，该霍尔传感器IC包括至少三个霍尔传感器，霍尔传感器测量基于该仅一个磁体生成的磁场，并且这种配置允许确定透镜模块在X、Y和Z三个方向上的位置。

根据本发明的实施例，壳体的第一内侧对应于垂直于相机系统的光学轴线并且与壳体中的具有透镜模块通过其移动的开口的一侧相对的一侧。霍尔传感器IC因此可以被放置在相机系统的底部，并且磁体可以因此被放置在最靠近相机系统的底部的透镜模块的边缘上。

根据本发明的实施例，壳体的第一内侧对应于平行于相机系统的光学轴线并且与壳体中的具有透镜模块通过其移动的开口的一侧相邻的一侧。因此，霍尔传感器IC可以在相机系统的侧壁上，并且因此磁体被放置在最靠近相机系统的侧壁的透镜模块的边缘上。

根据本发明的实施例，磁体的最靠近霍尔传感器IC的边缘与霍尔传感器IC之间的距离不大于2毫米(mm)，更优选不大于1mm，并且更优选不大于0.5mm。

根据本发明的实施例，霍尔传感器IC的至少三个霍尔传感器都是具有水平霍尔板的霍尔传感器，并且磁体在垂直于霍尔传感器IC的平面的方向上被磁化。利用该配置，磁体的定向和霍尔传感器IC的至少三个霍尔传感器的定向使得由至少三个霍尔传感器测量的磁场分量的梯度被最大化和/或由至少三个霍尔传感器测量的磁场分量的线性度被最大化。

根据第三方面，本发明提供了一种用于确定布置在相机系统内部的透镜模块的位置的方法，包括：由如先前段落中所述的霍尔传感器IC的至少三个霍尔传感器中的每个霍尔传感器，测量基于布置在相机系统内部的磁体的位置而生成的磁场；以及组合由至少三个霍尔传感器中的每个霍尔传感器测量的磁场来确定磁体的三维3D位置，其中霍尔传感器IC和磁体中的一个被布置在相机系统的壳体的第一内侧上，并且霍尔传感器IC和磁体中的另一个被布置在透镜模块的面向壳体的第一内侧的第一侧上。

根据本发明的实施例，为了确定磁体的3D位置，方法包括：将组合的测量磁场与存储在查找表中的预定义信息进行比较。

根据本发明的实施例，为了确定磁体的3D位置，方法包括：使用以至少一个参数函数的形式存储的预定义信息，将由至少三个霍尔传感器测量的磁场转换成磁体的3D位置。

利用三个已知点从要被确定的源接收信号，可以确定源的三维位置。通过仿真和/或测量，由霍尔传感器测量的可能磁场可以针对磁体在X、Y和Z方向上的不同位置进行表征。一种方法是将查找表存储在霍尔传感器IC或与霍尔传感器IC通信的另一个IC的存储器中，其中由霍尔传感器测量的磁场的值可以与磁体的三维(三轴)位置链接。另一种方法是以参数函数的形式存储信息，这些参数函数先前已经通过表征不同位置的磁场测量结果而被确定。显然，对于本领域技术人员来说，其他方法也是可用的并且是已知的。

附图说明

下面将参考附图更详细地讨论本发明，其中：

图1示意性地示出了根据现有技术的相机系统的设计。

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的相机系统的设计。

图3描绘了根据本发明的第一实施例的用于相机系统的霍尔传感器IC的布局配置。

图4描绘了根据本发明的第一实施例的用于相机系统的霍尔传感器IC的另一布局配置。

图5描绘了根据本发明的第一实施例的用于相机系统的霍尔传感器IC的另一布局配置。

图6示出了根据本发明的第一实施例的一个示例的，针对磁体和霍尔传感器IC之间的特定距离的，磁场在霍尔传感器IC所在的X-Y平面上的Z方向上的表示。

图7示出了根据本发明的第一实施例的一个示例的，磁场在Z方向上针对不同距离的轮廓。

图8A示出了根据本发明的第一实施例的一个示例的在磁体的不同Z位置处和在X-Y位移上的共模信号的示意图。

图8B示出了根据本发明的第一实施例的另一个示例的在磁体的不同Z位置处和在X-Y位移上的共模信号的示意图。

图9A示出了根据本发明的第一实施例的一个示例的磁场的Z分量的值的图，其示出了由四个传感器测量的值。

图9B示出了根据本发明的第一实施例的另一个示例的磁场的Z分量的值的图，其示出了由四个传感器测量的值。

图10描绘了根据本发明的第二实施例的用于相机系统的霍尔传感器IC的布局配置。

图11描绘了根据本发明的第三实施例的用于相机系统的霍尔传感器IC的布局配置。

附图仅用于说明目的，并不作为对权利要求所规定的范围或保护的限制。

附图标记的列表

已经在描述中使用来指示相似元件的相似附图标记已经从以下列表省略，但应当被认为被隐含包括。

10：相机系统；

12：壳体；

13：图像传感器；

14：透镜模块；

16：霍尔传感器IC；

17：霍尔传感器(17-1、17-2…)；

18：磁体；

19：磁体外围在电路板上的投影(19-1、19-2)；以及

20：灵敏度的方向(20-1、20-2)(垂直或平行于平面)。

具体实施方式

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的相机系统的设计。

在本发明的实施例中，提出了一种以AF和OIS两者为特征的相机系统，使用一个单个磁体和包含多个集成霍尔传感器的一个单个霍尔传感器IC进行3D透镜位置感测。以该方式，系统复杂度低、成本低并且紧凑，同时仍能维持精确的透镜位置控制。

根据第一实施例，提出了相机系统10的一种配置，相机系统10包括壳体12、图像传感器13、透镜模块或镜筒14、霍尔传感器IC 16和单个磁体18。利用该相机系统，可以确定在所有X、Y和Z轴(图中描绘了X轴和Z轴，并且Y轴在垂直于X轴和Z轴的方向上延伸)上的透镜位置。霍尔传感器IC 16可以被安装在壳体的第一内侧上，诸如被安装在相机系统的底板上，例如被安装在相机系统的底部，例如被安装在垂直于相机系统的光学轴线并且与具有镜筒通过其移动的开口的壳体的一侧相对的一侧。然而，霍尔传感器IC也可以被安装在相机系统的侧壁上，平行于光学轴线的一侧，或任何其他合适的位置，前提是磁体在霍尔传感器IC附近或紧邻霍尔传感器IC，并且霍尔传感器IC和磁体具有适当的相对定向。

霍尔传感器IC可以被安装在布置在相机系统底部上的印刷电路板(PCB)上。霍尔传感器IC可以被集成到相机系统中包括的另一个IC(较大的IC)中，诸如透镜驱动器IC、存储器、电机驱动器、数字信号处理器(DSP)、用于感测和控制算法的数字块、图像传感器13、图像传感器控制器、图像处理器或相机系统中存在的其他IC。在第一实施例中，磁体18可以被安装在透镜模块14最靠近霍尔传感器IC的边缘处，诸如透镜模块的最低边缘。如果霍尔传感器IC 16被放置在壳体12的一个内壁上，则磁体18应当被放置在透镜模块14的面向放置霍尔传感器IC的壳体内壁的一个壁上。应当注意，磁体18也可以被放置在壳体12的一个内壁上，并且在这种情况下，霍尔传感器IC 16应当被放置在透镜模块14的面向磁体所在的一个壁的一个壁上。.

图2中所示的磁体18的磁化是在Z方向上，并且霍尔传感器IC 16沿着X-Y平面定位并且包括具有水平霍尔板的霍尔传感器。然而这不是限制性的，并且磁体的磁化可以在不同的方向上。然而，磁化方向的定向对于设计霍尔传感器17的操作原理是重要的。它应当被选择成使得当透镜模块(磁体或霍尔传感器IC所在之处)移动时，在霍尔传感器的敏感方向上存在改变的磁场并且相当大。在一些情况下，诸如对于仅需要确定一个方向上的位置的简单实施方式，并且因此信号强度足以确定位置，场梯度优选是线性的，因为它简单。在其他情况下，诸如在本发明的第一实施例中，由于要确定X-Y-Z方向上的位置，因此需要更复杂的算法，并且不需要线性场梯度。在第一实施例中，霍尔传感器IC平面上磁场的Z分量呈现非线性曲线(这可以在图9中看到)；即磁场梯度随着距离改变，并且更具体地，当透镜模块14靠近霍尔传感器IC时，变得更大。在第一实施例中，霍尔传感器的位置可以被选择成使得它们被放置在位于曲线斜坡中的X和Y位置处，诸如提供足够大的磁场和足够大的磁场梯度。

磁体相对于霍尔传感器IC的霍尔传感器的定向应当被选择成使得传感器信号被最大化，并且计算的解产生在所有维度X、Y和Z上的准确位置。第一实施例(至少三个霍尔传感器是具有水平霍尔板的霍尔传感器并且磁体在垂直于霍尔传感器IC的平面的方向上被磁化)的定向，使得由至少三个霍尔传感器测量的磁场分量的梯度在所有X、Y和Z方向上都被最大化。例如，如果以磁化不在Z方向，而是在X方向上放置磁体，而霍尔传感器IC仍处于水平位置(并且包括具有水平霍尔板的霍尔传感器)，则定位的结果可能对Z和Y方向有利，但对X方向不太准确，因为磁场基本上沿X轴延伸。

在优选实施例中，磁体18具有圆柱形状，其中旋转轴线在磁体的磁化方向(在该情况下，Z方向)上。备选地，磁体也可以具有诸如长方体的其他形状。磁体的下边缘与霍尔传感器IC平面(有源硅树脂器件所在之处)之间的距离可以不大于2毫米(mm)，或更优选地，不大于1mm，或更优选地，不大于0.5mm。距离越短，测量结果就越准确，因为检测到的磁场越强，场梯度就越大。最大距离可以由霍尔传感器的灵敏度确定。

磁体18在霍尔传感器IC平面上产生磁场。在第一实施例中，霍尔传感器IC包括具有水平霍尔板的霍尔传感器，并且因此磁场的垂直分量Bz在霍尔传感器的敏感方向上。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，如果使用具有垂直霍尔板的霍尔传感器，则磁场的不同分量将是感兴趣的。霍尔传感器包括霍尔板。霍尔板是基于霍尔效应，霍尔效应包括：当垂直于电流施加磁场时，由于导体内的电荷的偏转，跨电导体生成电压差(霍尔电压)。最流行的霍尔传感器是基于水平霍尔板。在这些水平霍尔板中，电流在面内方向上流动，并且它们对垂直于放置霍尔传感器的硅平面的磁场的分量敏感。另一种类型的霍尔传感器是基于垂直霍尔板。在这些垂直霍尔板中，电流基本在垂直于硅板的方向上流动，并且它们对磁场的面内分量敏感。

对于所谓的“电流旋转技术”，每个霍尔传感器通常由被定向在不同方向的四个以上霍尔板组成。在电流旋转技术中，通过切换霍尔板的端子来交替旋转电流的方向，以抵消偏移电压、平面霍尔效应、应力效应以及降低1/f噪声。

霍尔传感器IC 16被包括在单个硅裸片或包覆成型封装的IC或芯片中。根据本发明的实施例，霍尔传感器IC 16包括至少三个霍尔传感器17，霍尔传感器17被配置成测量基于磁体18的位置生成的磁场。霍尔传感器IC还可以包括控制单元，控制单元被配置成：基于由至少三个霍尔传感器测量的磁场值的组合，确定透镜模块(或透镜，或镜筒)的三维位置。然而，在一些实施例中，控制单元可以不是霍尔传感器IC的一部分，而是与霍尔传感器IC交互以控制它。一个单硅裸片包括至少三个霍尔传感器。这些霍尔传感器中的每个被配置成测量磁场的分量，并且利用至少三个霍尔传感器的测量磁场，可以确定透镜模块的三维位置。

霍尔传感器17中的每个霍尔传感器被放置在霍尔传感器IC 16内的不同位置处，并且它们不应当位于相同直线上，因为在这种情况下，位置的3D确定将是不可能的。每个霍尔传感器获得磁场(更具体地，霍尔传感器对其敏感的磁场分量)的测量结果。该磁场将根据磁体18相对于霍尔传感器IC的相对位置而变化，并且由于磁体18或霍尔传感器IC 16被安装在透镜模块上，因此通过测量不同的磁场，可以确定透镜模块的不同位置。在本领域中，霍尔传感器用于确定磁体(并且因此透镜)在一个单个方向上的位置，因为本领域中的一个霍尔传感器IC仅包括一个霍尔传感器。通过将霍尔传感器IC中的至少三个霍尔传感器以非对齐配置(即彼此不形成直线)定位在不同位置处，可以获得来自三个不同点的信息。也就是说，至少三个霍尔传感器的分布可以被理解为彼此间隔开的至少三个点(从而形成平面而不是直线)。在一些实施例中，至少三个霍尔传感器形成具有中心对称(诸如圆形)或轴对称(诸如三角形、矩形、五边形、六边形等)的几何配置。

图3描绘了根据本发明的第一实施例的用于相机系统的霍尔传感器IC的示意性配置。在第一实施例的一个实施方式中，霍尔传感器IC 16包括彼此间隔开并且不形成任何特定对称几何配置的三个霍尔传感器(17-1、17-2、17-3)。

图4描绘了根据本发明的第一实施例的用于相机系统的霍尔传感器IC的另一示意性配置。在第一实施例的另一个实施方式中，霍尔传感器IC 16包括三个霍尔传感器(17-1、17-2、17-3)，三个霍尔传感器在该配置中彼此等距间隔开并且形成圆形配置或三角形配置。霍尔传感器应当尽可能远离彼此地被放置在霍尔传感器IC中，以改进准确性，但是应当被放置在具有足够大的磁场绝对值，并且具有足够大的磁场梯度的区域内。在所有霍尔传感器中间实现最大间隔的合适方法是使它们彼此等距。

图5描绘了根据本发明的第一实施例的用于相机系统的霍尔传感器IC的另一示意性配置。在第一实施例的另一个实施方式中，霍尔传感器IC 16包括四个霍尔传感器(17-1、17-2、17-3、17-4)，四个霍尔传感器在该配置中彼此等距间隔开并且形成圆形配置或方形配置。尽管测量基于一个磁体的磁场的三个霍尔传感器17足以确定磁体18(并且因此透镜模块14)的位置，但使用的霍尔传感器越多，生成的冗余信息就越多，这又可以用来改进位置确定的准确性。然而，使用的霍尔传感器越多，需要的空间就越大，需要执行的操作就越多，导致系统不那么紧凑和复杂。因此，应当实现折中。

当透镜在中心位置19-1(静止位置)时，由霍尔传感器形成的几何配置的中心可以与磁体外围投影到IC平面上的中心重合或基本重合(这也适用于图3和图4的实施方式)。霍尔传感器在圆上的位置角度等距间隔，即0°、45°、90°和270°。

为了确定透镜14在特定时刻的位置，Bz由霍尔传感器IC 16中的霍尔传感器测量。由每个霍尔传感器测量的Bz的值然后以特定方式被处理和组合，这允许确定透镜的3D位置。通过使用所有(至少三个)霍尔传感器检测到的信号(磁场分量)和专用算法的组合，可以定义透镜的三维(3D)位置。利用三个已知点(三个霍尔传感器)接收来自要被确定位置的磁场源(磁体)的信号(磁场)，可以确定磁场源的三维位置。通过仿真，由霍尔传感器在磁体的不同X-Y-Z位置处测量的可能磁场可以被表征。

通常，用于确定透镜模块14的位置的方法包括：(i)由霍尔传感器IC16的至少三个霍尔传感器17中的每个霍尔传感器测量基于磁体18的位置生成的磁场，以及(ii)将由至少三个霍尔传感器17中的每个霍尔传感器测量的磁场组合，以确定磁体18的三维3D位置，其中霍尔传感器IC和磁体中的一个被布置在相机系统的壳体的第一内侧上，并且霍尔传感器IC和磁体中的另一个被布置在透镜模块的面向壳体的第一内侧的第一侧上。

基于测量的磁场(分量)来确定磁体18的位置的一种简单方法是针对霍尔传感器的所有可能的磁场(分量)测量结果，预先计算透镜的所有可能位置，并且将查找表存储在霍尔传感器IC 16的存储器中，在查找表中，由霍尔传感器测量的磁场的值可以与磁体的三维(三轴)位置链接。这种方法快速，但需要大量的存储器。

需要执行一些优化操作但需要显著更少存储器空间的另一种方法是以参数函数的形式将信息存储在存储器中，该参数函数先前已经通过表征至少三个传感器针对不同位置的磁场测量结果而被确定。利用这些参数，可以基于测量的磁场分量来计算透镜的位置。

将测量的磁场与磁体的位置相链接的参数函数的生成的一个示例(适用于如针对第一实施例描述的配置)在图6至图9中被示出。

图6示出了针对磁体18和霍尔传感器IC之间的特定距离，使用有限元仿真计算的磁场Bz在霍尔传感器IC 16所在的X-Y平面上的Z分量的表示。在该仿真中，假定铸造的AlNiCo圆柱磁体高度为0.4mm，直径为0.4mm，矫顽性为44.2kA/m。假设霍尔传感器IC平面与磁体中心Zd之间的距离为0.5mm。

对于特定Z位置Zd，通过仿真针对所有可能X和Y位置测量的Bz值，可以获得表示针对不同X和Y位置的Bz可能值的3D函数Bz＝f(X,Y)。如果对足够多的不同Z位置进行了仿真(如在图7中所见)，将针对每个Z位置生成3D函数。因此，在执行透镜的位置确定时，一旦确定了Z位置，则使用与所确定的Z位置相对应的3D函数来进一步确定X和Y位置。

在图6和图7中所示的示例仿真中，Bz具有旋转对称的钟形。钟形表面的轮廓可以由高斯函数最好地描述：

例如，在Zd＝0.50mm处的轮廓可以被拟合为具有a＝0.0197、c＝0.3344的高斯函数，其中r的单位为mm，Bz的单位为特斯拉。AF行程上变化Zd的一系列参数可以通过表征来被预先确定。如上所述，作为Zd的函数的参数可以作为查找表或参数函数而被存储在霍尔传感器IC 16的存储器中。

应当注意，图6和图7中所示的仿真的钟形结果只是许多可能性中的一种，并且如果使用不同的霍尔传感器配置、对磁体使用不同的材料、使用不同的形状、尺寸、到霍尔传感器IC平面的距离，或者如果任何其他相关参数被改变，则可以获得不同的形状。因此本领域技术人员应当清楚，可以获得其他3D函数或轮廓，其可以通过不同于高斯函数的其他数学函数来近似。

为了检测磁体18(因此，透镜14)的Z位置，需要定义钟形的顶部。一旦知道Z位置，就可以确定对应的钟形Bz表面。此外，为了检测磁体的X-Y位置，需要确定对应钟形表面上的至少三个Bz值。

在第一实施例中，如图3至图5中所示，当应用该示例技术时，霍尔传感器形成的几何形状的半径优选地等于从高斯轮廓的中心到斜坡的中间的距离，因为这种半径覆盖了针对磁体的移动的最准确检测范围，因为它提供了足够大的绝对磁场的值(大于预先确定阈值)并且它提供了足够大的磁场梯度(大于预先确定阈值)。在图7描绘的示例中，半径优选地大约为0.18mm-0.22mm。

按照第一实施例的示例，可以以几个步骤进行透镜位置确定。

步骤1：可以从3D函数(钟形表面)的顶部的高度推导出磁体18的Z位置。由于钟形表面的顶部未知并且无法直接确定，因此作为第一步，可以通过取所有四个霍尔传感器(17-1、17-2、17-3、17-4)的共模信号(信号的总和或平均)来估计Z位置。然后可以将共模信号与存储在存储器中的预定义信息进行比较。图8(A和B)示出了Bz，该Bz在四个传感器上被平均(共模信号)，并且针对不同的Z位置(Zd)进行计算。对于每个位置Zd，计算磁体(或透镜)在X-Y平面之上的所有位置的平均Bz，形成共模Bz表面。可以在设计过程期间进行该计算，并且将结果或获得结果所需的信息存储在存储器中，以便当从由霍尔传感器测量的Bz获得共模信号时，测量的结果可以与存储的信息进行比较，并且可以导出Z位置。图8A和图8B从不同的视图表示相同的信息。通常，不同Zd处的Bz表面相当平坦并且分离，这意味着无论磁体在X-Y平面中的位置如何，都可以使用共模信号来估计Zd。这就是为什么共模信号方法适当。然而，应当注意，也可以使用本领域技术人员已知的其他方法。估计是基于霍尔传感器的校准特性。仿真表明，Bz表面之间的分离可以利用Zd中的最小6μm分离实现。这意味着使用共模信号，可以以6μm的精确度来估计Z位置。

步骤2：一旦Z位置已知，就可以使用存储在霍尔传感器IC的存储器中的查找表或预定义参数函数，来标识描述Bz表面的3D轮廓的对应数学函数。在第一实施例中，数学函数对应于高斯函数，并且3D轮廓对应于钟形表面。对于每个Bz表面，至少三个点(至少三个霍尔传感器的信号)的组合可以确定其X-Y位置。图9(A和B从不同的视图示出相同的信息)示出了当磁体位移0.1mm并且与极坐标系中的中心成30度角时，Bz在钟形表面上的四个传感器(标记为黑点)处的值。

X-Y位置可以通过应用诸如非线性最小二乘求解器的数值方法来被确定。非线性最小二乘求解器有助于以数值方式快速解决这个问题。然而应当注意，可以使用其他方法。它是基于非线性数据拟合算法。它基本上在边界条件(诸如，镜筒的最大X-Y行程)内的整个X-Y空间上(例如从中心点(X＝0；Y＝0)开始)，搜索在该点处计算的Bz与从传感器信号获得的测量Bz之间的所有差的平方和最小的点。该总和是在所有传感器位置(在该情况下，四个位置)上取得的。下面的等式以数学方式描述了求解器：

F_i＝B_Zi-B_Zmi

其中

是解在极坐标系中的坐标(即透镜的位置)；argmin是Fi²之和的最小值的参数，其中求和Σ在从1到N的所有传感器位置i上取得；B_Zi是在传感器编号i的位置处，针对X-Y空间内要被搜索的[r，θ]的对计算的Bz的值；B_Zmi是在传感器编号i处测量的Bz。最后，极坐标系中的解继而可以被转换回笛卡尔坐标系[X，Y]。

在一些实施例中，在找到透镜在X-Y平面中的位置后，可以执行步骤3，在步骤3中，基于图8中所示的已知Bz表面来细化Z方向上的位置。因为此时X和Y位置是已知的，因此通过检查图8的共模信号，可以确定(比步骤1中)更精确的钟形函数Bz＝f(X,Y)。利用确定的X和Y位置，可以确定更精确的Z位置。在该步骤之后，Z位置检测的精确度可以远低于6微米(μm)，例如，可以是3μm或更小。

在一些实施例中，在具有更精确的Z位置之后，可以执行步骤4，其中可以重复步骤2以获得更加精确的X-Y位置。此外，步骤3和步骤4可以被重复多次以进一步细化X、Y和Z，直到获得的精确度达到特定阈值为止。在一些实施例中，在步骤3之后可能已经实现足够的精确度。

尽管上面所示的第一实施例的示例使用了特定方法，但是应当注意，可以使用除共模信号和/或非线性最小二乘法求解器之外的其他方法。例如，另一种方法是使用机器学习技术以基于至少三个霍尔传感器读数来确定磁体18的3D位置。在该情况下，可以一次性确定所有X、Y和Z的值。这些读数用作机器学习算法的特征或输入。在被部署在应用中之前，需要利用所有可能的3D位置对算法进行训练。在该情况下，可以用于预测连续值的机器学习算法的示例是决策树、神经网络、K-最近邻等。

图10描绘了根据本发明的第二实施例的用于相机系统的霍尔传感器IC的示意性配置。

第二实施例与第一实施例基本相同，并且对第一实施例提供的描述大部分以类似的方式适用于第二实施例。第二实施例也可以利用至少三个霍尔传感器来实现。唯一的区别是，在第二实施例中，霍尔传感器IC中的所有霍尔传感器(17-1、17-2、17-3、17-4)都是具有垂直霍尔板的霍尔传感器。霍尔传感器的灵敏度的方向是平面内，并且可以如图10中的双头箭头所示的那样被径向布置。与第一实施例类似，每个传感器位置处的B场的平面内分量Br可以被测量。使用传感器的Br的值，可以以与针对第一实施例描述的方式类似的方式获得在X、Y、Z中的透镜位置。本领域技术人员应当清楚，由于所测量的磁场分量与第一实施例不同，因此可以通过仿真得到不同的3D函数形状。

图11描绘了根据本发明的第三实施例的用于相机系统的霍尔传感器IC的示意性配置。在该第三实施例中，可以在单个硅IC或裸片上制成霍尔传感器与水平和垂直霍尔板的组合。图11中的附图标记20-1指代灵敏度的方向垂直于IC平面(对于水平霍尔板)，并且图11中的附图标记20-2指代灵敏度的方向平行于IC平面(对于垂直霍尔板)。在该情况下，可以在水平霍尔传感器的位置处测量Bz，可以在垂直霍尔传感器的位置处测量Br，并且结果可以被处理和组合以获得透镜的X、Y和Z位置。对于每个Z位置(Zd)，如果按照上文所示的第一实施例的示例，对于垂直分量存在钟形函数，针对面内分量存在另一个(不同)的函数。第三实施例的霍尔传感器IC包括两个传感器集合，每个集合包含至少三个霍尔传感器，但优选地包含四个霍尔传感器。集合中的每个集合对应于两个函数中的每个函数。这样，类似的非线性最小二乘求解器可以用于求解X-Y-Z位置。在该情况下，总和将具有8个项(N＝8)而不是四个。这是传感器数目上的冗余，可以改进准确性。备选地，可以使用其中存在至少三个传感器的其他配置。传感器可以是水平霍尔传感器和垂直霍尔传感器的混合，诸如一个水平和两个垂直，或两个水平和一个垂直。

根据本发明的实施例，相机系统可以在霍尔传感器IC中包括至少三个霍尔传感器，如前所述。霍尔传感器可以被配置成根据系统规格由控制单元启用和禁用，即开启/关闭，并且驻留在系统的固件中的算法也可以被相应地切换。

以该方式，例如，可以仅启用或开启一个霍尔传感器，以便仅用于确定透镜在Z方向上的位置，而关闭其他传感器以节省功率。作为另一个示例，可以启用两个霍尔传感器而不是一个，以确定Z方向上的透镜位置。根据启用的霍尔传感器及其启用目的(要确定的位置，X、Y或Z)，可能需要改变磁体的定向以便获得不同的磁化方向。例如，可以启用至少三个霍尔传感器中的两个霍尔传感器，来确定在Z方向上的透镜位置。两个霍尔传感器可以处于差分配置。其余霍尔传感器可以被关闭。为了确定Z位置，优选地将磁体布置成使得其磁化垂直于霍尔传感器IC平面。通过以差分配置使用两个霍尔传感器，不需要的外部磁场不会影响测量的磁信号，并且因此不会影响透镜模块的位置确定。作为霍尔传感器IC的一部分或作为相机系统的与霍尔传感器IC交互的分离元件的控制单元可以控制启用和禁用哪些霍尔传感器。

本发明还可以包括包含多个霍尔传感器IC 16的相机系统，每个霍尔传感器IC 16包括至少三个霍尔传感器17。这允许利用不同的IC在不同方向上执行测量，并且因此将对例如Z和X-Y的检测解耦，从而使检测更加准确和快速。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替代其元素。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，旨在的是，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

特别地，可以进行本发明的各个方面的特定特征的组合。通过添加关于本发明的另一方面描述的特征，可以进一步有利地增强本发明的一个方面。

应当理解，本发明仅受所附权利要求及其技术等效物的限制。在本文件及其权利要求中，动词“包括”及其变体以其非限制性意义被使用，以意指包括该词之后的项目，但不排除未具体提及的项目。此外，不定冠词“一”或“一个”对元素的引用不排除存在一个以上元素的可能性，除非上下文明确要求存在一个且仅一个元素。不定冠词“一”或“一个”因此通常意指“至少一个”。

Claims (17)

1.一种用于相机系统（10）的霍尔传感器集成电路IC（16），所述霍尔传感器IC包括至少三个霍尔传感器（17），所述至少三个霍尔传感器（17）以非对齐配置彼此间隔开，并且被配置成：测量基于布置在所述相机系统中的一个磁体（18）的位置生成的磁场；

如果霍尔传感器IC被放置在所述相机系统的壳体的第一内侧上，则磁体（18）被放置在所述壳体内的透镜模块的第一侧上，所述第一侧面向所述壳体的所述第一内侧；

如果磁体（18）被放置在所述相机系统的壳体的第一内侧上，则霍尔传感器IC被放置在所述壳体内的透镜模块的第一侧上，所述第一侧面向所述壳体的所述第一内侧。

2.根据权利要求1所述的霍尔传感器IC（16），还包括控制单元，被配置成：基于由所述至少三个霍尔传感器测量的所述磁场的组合，来确定所述磁体（18）的三维3D位置。

3.根据权利要求2所述的霍尔传感器IC（16），其中，所述至少三个霍尔传感器（17）被布置在所述霍尔传感器IC内，形成相对于彼此具有中心对称或轴对称的几何配置。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的霍尔传感器IC（16），其中，所述至少三个霍尔传感器（17）彼此等距间隔开。

5.根据权利要求4所述的霍尔传感器IC（16），还包括存储器，被配置成：存储基于由所述至少三个霍尔传感器（17）测量的所述磁场的所述组合获得所述磁体（18）的所述三维位置所需的信息。

6.根据权利要求1所述的霍尔传感器IC（16），其中，所述至少三个霍尔传感器（17）中的每个霍尔传感器被配置成单独启用和禁用。

7.根据权利要求1所述的霍尔传感器IC（16），包括布置在所述霍尔传感器IC内的四个霍尔传感器（17），形成圆形配置或方形配置。

8.根据权利要求7所述的霍尔传感器IC（16），其中，由所述四个霍尔传感器（17）形成的几何形状的半径等于所述磁体（18）的所述磁场的高斯轮廓的中心到斜坡中间的距离。

9.根据权利要求1所述的霍尔传感器IC（16），被配置成集成在所述相机系统（10）中包括的另一IC中，所述另一IC是包括以下项的列表中的一个：透镜驱动器、电机控制器、图像传感器、图像传感器控制器、图像处理器或相机系统中存在的任何其他IC。

10.一种相机系统（10），包括：

壳体（12）；

透镜模块（14），布置在所述壳体内；

根据权利要求1-9中任一项所述的霍尔传感器IC（16），布置在所述壳体内部；以及

磁体（18），布置在所述壳体内部并且面向所述霍尔传感器IC，

其中，所述霍尔传感器IC（16）和所述磁体（18）中的一个被布置在所述壳体（12）的第一内侧上，并且所述霍尔传感器IC（16）和所述磁体（18）中的另一个被布置在所述透镜模块（14）的第一侧上，所述第一侧面向所述壳体的所述第一内侧。

11.根据权利要求10所述的相机系统，其中，最靠近所述霍尔传感器IC（16）的所述磁体（18）的边缘与所述霍尔传感器IC之间的距离不大于2毫米。

12.根据权利要求10所述的相机系统，其中，最靠近所述霍尔传感器IC（16）的所述磁体（18）的边缘与所述霍尔传感器IC之间的距离不大于1毫米。

13.根据权利要求10所述的相机系统，其中，最靠近所述霍尔传感器IC（16）的所述磁体（18）的边缘与所述霍尔传感器IC之间的距离不大于0.5毫米。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的相机系统，其中，所述霍尔传感器IC的所述至少三个霍尔传感器（17）都是具有水平霍尔板的霍尔传感器，并且所述磁体（18）在垂直于所述霍尔传感器IC的平面的方向上被磁化。

15.一种用于确定布置在相机系统（12）内部的透镜模块（14）的位置的方法，包括：

通过根据权利要求1-8中任一项所述的霍尔传感器IC（16）的所述至少三个霍尔传感器（17）中的每个霍尔传感器，测量基于布置在所述相机系统内部的所述磁体（18）的位置生成的磁场，以及

组合由所述至少三个霍尔传感器（17）中的每个霍尔传感器测量的所述磁场来确定所述磁体（18）的三维3D位置，

其中所述霍尔传感器IC（16）和所述磁体（18）中的一个被布置在所述相机系统的壳体（12）的第一内侧上，并且所述霍尔传感器IC（16）和所述磁体（18）中的另一个被布置在所述透镜模块（14）的第一侧上，所述第一侧面向所述壳体的所述第一内侧。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，为了确定所述磁体（18）的所述3D位置，所述方法包括将所述组合的测量磁场与存储在查找表中的预定义信息进行比较。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，为了确定所述磁体（18）的所述3D位置，所述方法包括：使用以至少一个参数函数的形式存储的预定义信息，来将由所述至少三个霍尔传感器测量的所述磁场转换成所述磁体（18）的所述3D位置。

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