TWI559654B

TWI559654B - 音圈馬達

Info

Publication number: TWI559654B
Application number: TW104142687A
Authority: TW
Inventors: 劉建聖; 張育豪; 彭文陽; 林正軒
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2016-11-21
Also published as: TW201724711A; CN106899192B; CN106899192A

Description

音圈馬達

本揭露是有關於一種音圈馬達，簡而言之，有關於一種具縮減多軸音圈馬達厚度或體積之音圈馬達。

近年來，隨著新世代相機與穿戴式裝置鏡頭模組朝向薄型化發展，3.5mm以下薄型化鏡頭模組的需求亦持續擴大，同時也逐步導入高階的光學防手震(Optical Image Stabilization，OIS)技術，使得在有限空間下光學致動器的數量與體積大幅增加，因而衍生出在多軸致動器設計的技術瓶頸。

前述技術瓶頸的挑戰可分為多軸致動器設計和產品生產要求，其中，多軸致動器設計的問題在於如何提供自動對焦(Auto Focus，AF)及OIS所需之3~5軸(致動器之自由度，DOF)，同時將厚度壓縮在4mm以內，另外，生產的問題在於如何達到結構簡單且容易達成自動化精密製造等，以滿足產業在生產速度及良率方面的要求。手機相機模組(Cell-phone Camera Module，CCM)的厚度一直是被關注的焦點，從數十mm進展到7~8mm，其中，AF致動器為平行光軸1個軸向的移動，使鏡頭可在0至0.5mm之間來回進行影像對焦，而OIS致動器則為垂直於光軸，且至少作動2個軸向，利用致動器補償手持震動所造成的位移(<±0.2mm)或旋轉運動(<±0.4°)，因此，一般具備OIS功能的相機模組也多具備AF功能，機構上乃是在AF致動器底下再加2~4個軸向的致動裝置，可選擇2個方向位移或傾斜，或是高階應用所需之2個位移與2個傾斜的控制，藉由陀螺儀量測抖動導致的位移或傾斜角度，再計算控制補償偏移量。由於所需的光學致動器數量增加至3~5組，使得模組厚度大幅增加，難以滿足對於厚度方面的要求。同時在製程上，元件體積縮小又增加致動器的數量，使得製造難度大幅增加，也成為技術發展的挑戰。

現有技術主要的困難點，為滿足高階AF及OIS所需之5軸光學微致動器(Micro-Optical Actuator，MOA)，以常見的音圈馬達(Voice Coil Motor，VCM)來說，其具有生產良率、成本優勢、結構簡單及可靠的特色，然而當軸數量由3軸增加至5軸，傳統VCM設計將使得整體厚度增加2mm，如此將導致難以整合進現有產品中，或是被迫使鏡頭突出產品表面，且於製造方面，CCM主要由鏡頭、IC電路及VCM等組件構成，由於模組尺寸縮減，使得鏡頭與VCM的體積也跟著縮小，分別造成鏡頭缺陷高、組裝良率低等問題。

因此，如何能以結構簡單，同時不會增加厚度的創新機構設計，特別是可增加控制軸的數量，藉以實現薄型化高品質影像模組，實為本技術領域人員以及CCM產業迫切且急待突破的關鍵點。

本揭露提出一種音圈馬達，包括：磁鐵座、磁鐵組、鏡頭座、鏡頭組、上彈片和下彈片、對焦致動用線圈以及防手震致動用線圈，其中，磁鐵座具有中空部，磁鐵組具有四個分別設置於磁鐵座四邊上的磁鐵，且該磁鐵具有相對配置之N/S磁極與S/N磁極，鏡頭座設置於磁鐵座之中空部內，該鏡頭座具有貫穿部，四個單一迴路的對焦致動用線圈設置於磁鐵組與鏡頭座之間，鏡頭組設置於鏡頭座之貫穿部內，而上彈片位於鏡頭座上方且下彈片位於鏡頭座下方，用以提供鏡頭組限位及回復力，四個獨立迴路的防手震致動用線圈設置於電路板上，並分別相對於磁鐵組。

本揭露另提出一種音圈馬達，包括：磁鐵座、磁鐵組、鏡頭座、鏡頭組、上彈片和下彈片、對焦致動用線圈以及防手震致動用線圈，其中，磁鐵座具有中空部，磁鐵組具有四個分別設置於磁鐵座四邊上的磁鐵，且該磁鐵具有相對配置之N/S磁極與S/N磁極，鏡頭座設置於磁鐵座之中空部內，該鏡頭座具有貫穿部，四個獨立迴路的對焦致動用線圈設置於磁鐵組與鏡頭座之間，鏡頭組是設置於該鏡頭座之該貫穿部內，該上彈片位於該鏡頭座上方且該下彈片位於該鏡頭座下方，用以供該鏡頭組限位及回復力，四個獨立迴路的防手震致動用線圈設置於電路板上，並分別相對於該磁鐵組。

於本揭露之音圈馬達中，透過該四個獨立迴路之其中兩個以提供相反電流至該對焦致動用線圈之其中相對應之兩個，可產生相反之作用力，以使該鏡頭座形成偏轉。

相較於習知技術，本揭露所提出之音圈馬達，其主要利用四個對焦致動用線圈、一個磁鐵組以及四個防手震致動用線圈，藉由讓對焦致動用線圈和防手震致動用線圈共用單一磁鐵組，故結構相對簡單，能有效節省磁鐵用量，降低材料與組裝成本，更具微型化模組之優點；再者，透過提供相反電流至對焦致動用線圈中相對應之兩個線圈，使鏡頭座具有偏轉效果，可使鏡頭組具備五軸自由度，藉此補償使用者手抖動之情況，可有效的提升光學防手震之效能。

1‧‧‧音圈馬達

11‧‧‧磁鐵座

111‧‧‧中空部

12‧‧‧磁鐵組

13‧‧‧鏡頭座

139‧‧‧貫穿部

14‧‧‧鏡頭組

151‧‧‧上彈片

152‧‧‧下彈片

161‧‧‧對焦致動用線圈

162‧‧‧迴路

171‧‧‧防手震致動用線圈

172‧‧‧迴路

18‧‧‧彈線

19‧‧‧電路板

第1圖為本揭露之音圈馬達的整體外觀示意圖；第2圖為本揭露之音圈馬達的分解示意圖；第3圖為本揭露之音圈馬達的橫切剖面圖；第4A和4B圖為本揭露之音圈馬達之磁鐵組與線圈間位置關係的示意圖；第4C和4D圖為本揭露之磁鐵組與線圈之間補償前後位置關係的示意圖；第5圖為本揭露之音圈馬達中對焦致動用線圈不同高度之出力比較圖；第6圖為本揭露之音圈馬達中防手震致動用線圈不同寬度之出力比較圖；第7A和7B圖為本揭露之音圈馬達不同實施例之示意圖；以及第8A、8B和8C圖為本揭露之音圈馬達於不同電流情況下鏡頭座移動的示意圖。

以下藉由特定的具體實施形態說明本揭露之技術內容，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之優點與功效。然本揭露亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。

請參照第1和2圖，第1圖為本揭露之音圈馬達的整體外觀示意圖，第2圖為本揭露之音圈馬達的分解示意圖，第2圖所示之各元件組合後可成為第1圖所示之音圈馬達，故後續請兩者一併參考。如圖所示，音圈馬達1可應用於相機模組內鏡頭組的橫向和縱向移動，其中，音圈馬達1包括磁鐵座11、磁鐵組12、鏡頭座13、鏡頭組14、上彈片151和下彈片152、對焦致動用線圈161、防手震致動用線圈171以及電路板19。

磁鐵座11具有中空部111，如圖所示，磁鐵座11舉例為方型框架，其中間部分為中空部111。

磁鐵組12具有設置於磁鐵座11四邊上的四個磁鐵(未編號)，該磁鐵具有相對配置之N/S磁極與S/N磁極，舉例可透過一次充磁使得磁鐵之四個側面均具備有N/S磁極或S/N磁極，或是由二個N/S磁極相對配置之磁條(未編號)所組成；磁鐵組12被設置在磁鐵座11的四個邊框內，關於相對位置關係，將於後面詳細說明。

鏡頭座13設置於磁鐵座11之中空部111內，鏡頭座13具有貫穿部139，而四個對焦致動用線圈161可設置於磁鐵組12與鏡頭座13之間。

對焦致動用線圈161舉例可為四個獨立供電迴路之線圈所組成，或是四個或二對單一迴路之線圈所組成，不以此為限。此時，依據不同實施型態，可由單一迴路提供電流至四個對焦致動用線圈，或者由四個迴路分別提供電流至四個獨立之線圈，或是由二個迴路分別提供電流至二對獨立之線圈。

透過提供對焦致動用線圈不同電流型態，可使鏡頭座產生平移和偏轉的效果，此可依據提供電流的迴路數以及線圈組成型態來決定。假若僅由單一迴路提供一電流，則表示四個獨立之線圈組成或是四個串聯之線圈可得到同一電流，故鏡頭組可產生縱向平移，例如沿Z軸平移，請先參照第8A圖，反之，若透過四個迴路分別提供電流，則表示四個線圈是獨立組成，故不同電流下鏡頭組將可產生偏轉效果，例如繞X軸偏轉或繞Y軸偏轉，請先參照第8B圖，對於電流提供和移動型態，後面將有進一步說明。

鏡頭組14是位於鏡頭座13之貫穿部139內，也就是說，舉例先將鏡頭座13置入磁鐵座11之中空部111之後，鏡頭組14可再被放置於鏡頭座13之貫穿部139中。

上彈片151位於鏡頭座13上方，下彈片152位於鏡頭座13下方。如圖所示，上彈片151舉例來說，可具有形成圓形狀之彈性金屬線以對應於鏡頭組14，同樣地下彈片 152舉例來說，也具有形成圓形狀之彈性金屬線以對應於鏡頭組14，上彈片151和下彈片152可於鏡頭組14或鏡頭座13移動後，提供限位效果以限制移動範圍，另外，上彈片151和下彈片152還可提供鏡頭組14或鏡頭座13復位之回復力。

電路板19透過四條彈線18與上彈片151連接，電路板19上可設有與磁鐵組12相對應之四個防手震致動用線圈171，亦即防手震致動用線圈171是位在電路板19與磁鐵組12之間。舉例來說，透過同時提供電流至四個防手震致動用線圈中相對應的兩個，可使鏡頭座13或鏡頭組14產生橫向平移，關於兩者位置關係，也於後面第3圖詳細說明。

請參照第3圖，為本揭露之音圈馬達的橫切剖面圖。如圖所示，剖面圖可顯示磁鐵組12於音圈馬達左右兩側上有具有磁鐵，每一邊的磁鐵經充磁或組合後可為具相對配置之N/S磁極與S/N磁極，亦即，每一磁鐵相對於對焦致動用線圈161與防手震致動用線圈171之側面上都具有一對N/S磁極或S/N磁極。磁鐵座11之四邊上的四個磁鐵組成了磁鐵組12。另外，未顯示的前後亦各有相同的磁鐵。

鏡頭組14位在音圈馬達1的中心位置，其下方透過下彈片152產生支撐效果，另外，對焦致動用線圈161位於鏡頭座13四周，亦即位於鏡頭座13與磁鐵組12之間，而防手震致動用線圈171則設於電路板19上，亦即在電路板19與磁鐵組12之間，即是，對焦致動用線圈161和防手震致動用線圈171分別設置在磁鐵組12之相對二側面，即對焦致動用線圈161和防手震致動用線圈171兩者可共用單一磁鐵組12，此與習知技術中，對焦用線圈和防手震用線圈需分別由不同組磁鐵來產生移動效果，明顯減少磁鐵用量，因此，透過共用磁鐵組12可減少音圈馬達1之厚度，故能有效縮減音圈馬達之整體體積，於具體實施時，音圈馬達1的整體體積可在3.5mm以內。

請參照第4A和4B圖，為本揭露之音圈馬達之磁鐵組與線圈之間位置關係的示意圖。如第4A圖所示，是透過立體圖方式描繪對焦致動用線圈161和防手震致動用線圈171與磁鐵組12的位置關係，舉例來說，對焦致動用線圈161是設在磁鐵組12的側邊，而防手震致動用線圈171是設在磁鐵組12的下邊，故可達到共用磁鐵組12的效果。

如第4B圖所示，是透過側視圖來比較對焦致動用線圈161和防手震致動用線圈171與磁鐵組12的相對大小關係，如圖所示，對焦致動用線圈161之總高度舉例需大於磁鐵組12之總高度，另外，防手震致動用線圈171之總寬度舉例需小於磁鐵組12之總寬度，但並不以此為限。

上述對焦致動用線圈161和防手震致動用線圈171與磁鐵組12間的尺寸設計，還具有避免線圈干涉之優點，也就是，在補償移動時，要注意兩個線圈間的干涉問題。

如第4C圖所示，該圖表示光學防手震補償前的示意圖。如圖所示，左右兩側分別有磁鐵組12，各磁鐵組12內側有對焦致動用線圈161，各磁鐵組12下方有防手震致動用線圈171，本揭露之一設計例為防手震致動用線圈171之總寬度會小於磁鐵組12之總寬度，故防手震致動用線圈171與磁鐵組12的側邊之間有距離X₁。

接著，如第4D圖所示，該圖表示光學防手震補償後的示意圖。在光學防手震作補償動作時，防手震致動用線圈171為固定者，磁鐵組12、對焦致動用線圈161等為移動者，光學防手震移動件(即前述移動者)會往X軸或Y軸方向移動，如圖所示的位移X₂(假設X₂為光學防手震補償所需的最大移動距離)，在X₁>X₂下，經補償動作時，對焦致動用線圈161不會與防手震致動用線圈171發生干涉情況。因此，透過兩個線圈與磁鐵組12之間的大小位置設計，將能避免補償時的可能干涉。

上述對焦致動用線圈161和防手震致動用線圈171與磁鐵組12之間的大小關係，主要是希望磁鐵組12的磁力線可適當地通過對焦致動用線圈161和防手震致動用線圈171，透過給予線圈適當激磁電流，致使鏡頭組產生各方向的移動或轉動。

由上可知，本揭露是利用差異化磁鐵極性排列及磁鐵與線圈配置等技術方案，達成減少磁鐵用量以及免除導磁件需求(習知音圈馬達需要)之功效，藉此解決縮小多軸音圈馬達厚度或體積瓶頸等問題。

請參照第5圖，此圖說明本揭露之音圈馬達中對焦致動用線圈不同高度之出力比較圖。如圖所示，是對對焦致動用線圈161三種不同高度進行測試，在磁鐵組12之磁鐵寬度為1.2mm以及高度為1mm時，透過調整對焦致動用線圈161之高度(0.8mm，1mm，1.28mm)，以得到對焦致動用線圈161大小與磁鐵間產生作用力的關係性，因而可得到當對焦致動用線圈161的高度增加時，線圈可提供作用力也會較高。由上可知，對焦致動用線圈161之總高度將會大於磁鐵組12之總高度，因而兩者高度比例舉例可約為1到1.28倍範圍之間。

請參照第6圖，同樣地說明本揭露之音圈馬達中防手震致動用線圈不同寬度之出力比較圖。如圖所示，是對防手震致動用線圈171三種不同寬度進行測試，在磁鐵組12之磁鐵寬度為1.2mm以及高度為1mm時，透過調整防手震致動用線圈171之寬度(1mm，1.2mm，1.4mm)，以得到防手震致動用線圈171大小與磁鐵間產生作用力的關係性，因而可得到當防手震致動用線圈171的寬度越小時，線圈可提供作用力也會較高。因此，如前所述，防手震致動用線圈171之總寬度將會小於磁鐵組12之總寬度，因而兩者寬度比例舉例可約為0.8到1倍範圍之間。

請參照第7A和7B圖，是說明本揭露之音圈馬達不同實施例之示意圖。如圖所示，音圈馬達1包括磁鐵座11、磁鐵組12、鏡頭座13、鏡頭組14、上彈片151和下彈片152、對焦致動用線圈161、防手震致動用線圈171以及電路板19，此組成於第1和2圖相似，故不再贅述。於本實施例中，更包括在對線圈提供不同電流下，所產生之橫向、縱向、甚至是偏轉移動。

如前所述，透過同時提供電流到四個防手震致動用線圈171中相對應的兩個時，可使鏡頭座13產生橫向平移，也就是說，同時通電流下會產生勞倫滋力，可使得鏡頭組14或鏡頭座13將沿著X軸或Y軸平移。因此，如第7A和7B圖所示，可分別透過四個獨立供電迴路172來提供四個防手震致動用線圈的電流(因角度關係，僅繪示其中兩個)，故當其中相對兩者同時通電流時，則會使鏡頭組14或鏡頭座13產生X軸或Y軸之橫向平移的效果。

另外，如前所述，透過提供對焦致動用線圈161不同電流型態，可使鏡頭座13產生平移和偏轉的效果，此可依據提供電流的迴路數以及線圈組成之型態來決定。

如第7A圖所示，四個對焦致動用線圈161僅採用單一迴路162供電，無論對焦致動用線圈161是由四個獨立線圈組成或是由四個線圈串聯，透過單一迴路162僅能提供單一電流至對焦致動用線圈161的四個線圈，故鏡頭組14或鏡頭座13可產生縱向平移，例如沿Z軸平移。

如第7B圖所示，對焦致動用線圈161具有四個獨立迴路162，此時對焦致動用線圈161僅是四個獨立線圈組成，每一個線圈可對應一條迴路162並由該迴路162提供用於該線圈之電流，因此，假若四個迴路162同時提供單一電流至對焦致動用線圈161中四個獨立之線圈，鏡頭組14也可以產生縱向平移，例如沿Z軸平移。

再者，若透過四個迴路162之其中兩者提供相反電流至對焦致動用線圈161中相對應之兩個線圈時，將使兩個線圈產生反向作用力，則鏡頭組14或鏡頭座13可產生偏轉效果，例如繞X軸偏轉或繞Y軸偏轉。另外，當相對應兩個線圈為一對時，亦可兩對線圈同時供給電流，此時將會同時產生對X軸和Y軸的偏轉。透過偏轉效果，將對對焦過程產生補償。

請參照第8A至8C圖，是說明本揭露之音圈馬達於不同電流情況下鏡頭座移動的示意圖。如圖所示，第8A圖表示當四個對焦致動用線圈161同時通電流產生勞倫滋力時，將沿著Z軸平移推動，亦即第3圖中之磁鐵組12、磁鐵座11、防手震致動用線圈171為固定者，而對焦致動用線圈161與鏡頭組14或鏡頭座13屬於移動者，請見虛線部分。

第8B圖表示當對焦致動用線圈161其中兩個線圈通相反電流時，則將沿著X軸或Y軸偏轉，亦即第3圖中之磁鐵組12、磁鐵座11、防手震致動用線圈171為固定者，而對焦致動用線圈161與鏡頭組14或鏡頭座13屬於移動者。

第8C圖表示當防手震致動用線圈171其中兩個線圈同時通電流時，將沿著X軸或Y軸平移，防手震致動用線圈171為固定者，而第3圖中之磁鐵組12、磁鐵座11、對焦致動用線圈161與鏡頭組14或鏡頭座13均屬於移動者。

因此，本揭露除了利用差異化磁鐵極性排列及磁鐵與線圈配置等技術手段，達成減少磁鐵用量與免除導磁件需求之功效外，還進一步透過對焦致動用線圈之配置方式及不同電流的提供，進而達到多種驅動方式，包括橫向、縱向、還有偏轉，故合計總共具有五軸之自由度。

儘管本揭露是以相機模組之音圈馬達提出結構改善，惟此音圈馬達不限制應用於相機模組，換言之，本揭露所述之鏡頭組可為其他被動元件，例如探頭、刀具等，透過本揭露之音圈馬達，同樣可提供五軸自由度之移動控制。

綜上所述，本揭露之音圈馬達，透過四個對焦致動用線圈和四個防手震致動用線圈可共用一磁鐵組，使得音圈馬達結構更簡單，且能有效節省磁鐵用量，進而降低材料與組裝成本，特別是，減少使用磁鐵可使整體體積更小，有利於組件微型化，另外，利用線圈配置及不同電流的提供，使鏡頭座產升橫向、縱向和偏轉效果，故可使鏡頭組具備五軸自由度，藉此可補償手抖情況，以有效的提升光學防手震之效能。

上述實施形態僅例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。