TWI771020B - 鏡頭驅動裝置及其驅動方法 - Google Patents

Abstract

一種鏡頭驅動裝置及其驅動方法。鏡頭驅動裝置至少包括用以裝設至少一透鏡之至少一鏡框、具有多對磁性元件之一磁性組、至少一驅動元件組與一控制裝置。驅動元件組具有至少二線圈，且驅動元件組設置於鏡框上，且鏡框的數量等於驅動元件組的數量。控制裝置供電給驅動元件組，使驅動元件組帶動鏡框於磁性元件間移動。於一第一驅動狀態下，控制裝置按照一順序供電給驅動元件組，使驅動元件組自一對磁性元件移動至另一對磁性元件。於一第二驅動狀態下，控制裝置供電給驅動元件組，使驅動元件組於另一對磁性元件自一第一位置移動至一預定位置。

Description

鏡頭驅動裝置及其驅動方法

本發明係有關於一種鏡頭驅動裝置及其驅動方法，且特別有關於一種可以在長行程中移動並保持其精準度之馬達及其驅動方法。

音圈電機屬於馬達的一種，其主要原理是在一個永久磁場內，通過改變馬達內線圈的直流電流大小，來控制彈簧片的拉伸位置，從而帶動上下運動。由於其具有高頻響應、高精度的特點，所以其廣泛運用於手機相機中，來透過音圈馬達(Voice Coin Motor，VCM)來實現自動對焦功能，通過音圈馬達可以調整鏡頭的位置，以呈現清晰的圖像。

一般來說，音圈馬達的線圈只能在磁極的範圍內進行定位控制，透過輸入線圈的電壓值來移動動子，如線圈及位置感測器。由於磁極的範圍一般是在1mm以內。如果要進行長行程的定位控制時，則必須放大磁石的尺寸，進而加大磁極的範圍。然而，以現有音圈馬達的閉迴路(Close Loop)的驅動積體電路(Integrated Circuit，IC)來說，位置回授的類比數位(A/D)轉換器的解析度是固定的，如12位元。當磁石的尺寸放大10倍，使得移動行程由1mm放大至10mm時，其解析結果將會變差10倍。

有鑑於此，本發明提供鏡頭驅動裝置及其驅動方法。

本發明實施例之一種鏡頭驅動裝置包括用以裝設至少一光 學元件之至少一鏡框、具有複數對磁性元件之一磁性組、至少一驅動元件組、及一控制裝置。該至少一驅動元件組具有至少二個線圈，該至少一驅動元件組設置於該至少一鏡框上，且該至少一鏡框的數量等於該至少一驅動元件組的數量。控制裝置供電給該至少一驅動元件組，使該至少一驅動元件組帶動該至少一鏡框移動。於一第一驅動狀態下，控制裝置按照一順序供電給該驅動元件組的該等線圈，使該驅動元件組自一對磁性元件移動至另一對磁性元件。於一第二驅動狀態下，控制裝置供電給該驅動元件組，使該驅動元件組於該另一對磁性元件自一第一位置移動至一預定位置。

本發明實施例之一種驅動一鏡頭中一光學元件的方法，適用於一鏡頭驅動裝置，其中該鏡頭驅動裝置包含至少一鏡框、一磁性組、至少一驅動元件組以及一控制裝置。首先，按照一順序以一開迴路方式供電給該至少一驅動元件組，以控制該至少一驅動元件組帶動該鏡框自一對磁性元件移動至另一對磁性元件。接著，判斷該至少一驅動元件組位於該另一對磁性元件的位置是否為一預定位置。若判斷為否，則以一閉迴路方式供電至該驅動元件組，以控制該驅動元件組於該另一對磁性元件自一第一位置移動至該預定位置。

在一些實施例中，該驅動元件組更包括至少一位置感測器。於該閉迴路方式中，利用該位置感應器偵測相應該驅動元件組之位置資訊，並利用該位置資訊調整該驅動元件組的位置。

在一些實施例中，控制裝置於該第一驅動狀態以一開迴路方式供電給該驅動元件組的該等線圈，使該驅動元件組自該對磁性元件移動至該另一對磁性元件。

在一些實施例中，該驅動元件組更包括二位置感測器，且該等位置感測器之每一者對應該等線圈中一者，且該控制裝置更判斷該等位 置感測器中之一特定位置感測器是否位於該另一對磁性元件內，當該特定位置感測器位於該另一對磁性元件內時，將相應該特定位置感測器之該線圈之一迴路封閉，並輸入電壓至該線圈，以移動該驅動元件組，且於一閉迴路方式中，利用該位置感應器偵測相應該驅動元件組之位置資訊，並利用該位置資訊調整該驅動元件組的位置。

在一些實施例中，該控制裝置於該第二驅動狀態以一閉迴路方式供電給該驅動元件組的該等線圈，使該驅動元件組於該另一對磁性元件內自該第一位置移動至該預定位置。

在一些實施例中，每一該等線圈於該驅動元件組上之設置具有一特定間距，且該特定間距等於(1*n)±0.25的一對磁性元件寬>0，其中n=自然數。

在一些實施例中，當該磁性元件的一磁性線係360度時，該等線圈與該磁性組間之配置具有360度±90度之相位差。

本發明上述方法可以透過程式碼方式存在。當程式碼被機器載入且執行時，機器變成用以實行本發明之裝置。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖示，詳細說明如下。

100:馬達系統

110:磁性組

120:驅動元件組

A、B:線圈

H1、H2:位置感測器

130:控制裝置

LP:鏡框

410:電壓輸入端

420:開關

S510、S520:步驟

S710、S720、S730、S740、S750:步驟

X、Y:行程

SA:特定區域

第1圖為一示意圖係顯示依據本發明實施例之馬達系統。

第2圖為一示意圖係顯示依據本發明實施例之鏡頭驅動裝置。

第3圖為一示意圖係顯示依據本發明實施例之線圈設置例子。

第4圖為一示意圖係顯示依據本發明實施例之線圈之控制迴路例子。

第5圖為一流程圖係顯示依據本發明實施例之馬達之驅動方法。

第6A-H圖為示意圖係顯示依據本發明實施例之線圈在磁性元件間的移動。

第7圖為一流程圖係顯示依據本發明另一實施例之馬達之驅動方法。

第8A-B圖為示意圖係顯示依據本發明實施例之馬達之驅動例子。

第1圖顯示依據本發明實施例之馬達系統。依據本發明實施例之馬達系統100至少包括一磁性組110、一驅動元件組120及一控制裝置130。提醒的是，在一些實施例中，磁性組110、及驅動元件組120可以利用一結構包覆於一馬達(第1圖中未顯示)內，而控制裝置130可以係位於馬達之外。磁性組包括複數對磁性元件，每一對磁性元件係一N極與S極之永久磁體組合，且每一對磁性元件可以於馬達內依序排列。驅動元件組120至少包括兩個線圈A、B，及一個或一個以上的位置感測器H1、H2。值得注意的是，在一些實施例中，位置感測器可以係一霍爾效應感測器(Hall-effect Sensor)或磁阻效應感測器(Magnetoresistance MR Sensor)，其可以根據磁場改變其輸出電壓。位置感測器係用以檢測定位、速度與/或電流。控制裝置130可以係一處理單元或一驅動晶片，用以控制馬達系統100內相關硬體與軟體之運作，並執行本案之馬達/鏡頭驅動裝置之驅動方法，其細節將於後進行說明。

第2圖顯示依據本發明實施例之鏡頭驅動裝置，鏡頭驅動裝置包括馬達系統100以及至少一鏡框。如圖所示，位置感測器之每一者可以對應線圈中一者。舉例來說，位置感應器H1可以設置於線圈A的中心，且位置感應器H2可以設置於線圈B的中心。線圈A、B可以緊靠著依序排列之磁性組110。在此例子中，鏡框LP可以用來負載光學元件，例如至少一透鏡或相機之鏡頭等。一鏡框LP會與至少二個線圈連接，本實施例以二線圈為 例進行說明，另外，在實務上線圈的設置可以第3圖所示設置。如第2圖和第3圖所示，每一該等線圈於該驅動元件組上之設置具有一特定間距，該特定間距符合條件式：(1*n)±0.25的一對磁性元件寬>0，且n為自然數0、1、2、3…。例如第2圖中所示二線圈之間距為0.75倍的一對磁性元件寬，在一些實施例中，特定間距可以是1.25倍。在一些實施例中，當一對磁性元件的磁力線係360度時，該等線圈與該磁性組間之配置具有360度±90度之相位差。

第4圖顯示依據本發明實施例之線圈之控制迴路例子。如圖所示，透過電壓輸入端410可以將電壓輸入至線圈，以驅動驅動元件組移動。另外，透過迴路中之開關420，可以將線圈之控制迴路變成開迴路(Open Loop)或閉迴路(Close Loop)，從而對於線圈進行開迴路或閉迴路之驅動控制。在一些實施例中，跨磁性元件間的移動將採用開迴路之驅動控制，而一對磁性元件內的移動將採用閉迴路之驅動控制，其細節將於後進行說明。

第5圖顯示依據本發明實施例之馬達之驅動方法。依據本發明實施例之馬達之驅動方法適用於如第1圖之馬達系統。馬達可以包括複數對磁性元件之一磁性組、及至少包括二線圈之一驅動元件組，其中該等線圈與該磁性組間之配置具有一既定度數之相位差。如步驟S510，在第一驅動狀態下，依據一1-2相步進馬達激磁法，輸入電壓至馬達之複數線圈，以控制馬達之驅動元件組跨越馬達之磁性元件，以將驅動元件組移動至特定一對磁性元件。提醒的是，1-2相步進馬達激磁法係激磁一相線圈和二相線圈交互進行，每加入一數位脈波所轉動之角度為原步進角的一半，因此解析度可提高一倍。第6圖顯示依據本發明實施例之線圈在複數對磁性元件間的移動，左圖表示線圈激磁的時序，依照A→AB→B→BA→A→AB→B→BA→A→AB......相的順序激磁時，使得驅動元件組可以逐步往右移動。其中，A和A’表示同個線圈，B和B’表示同個 線圈，白色磁性件表S極朝上N極朝下，灰色磁性件則相反N極朝上S極朝下，所謂上下是以穿過線圈與磁性元件的軸向為定義，磁性件朝向線圈的方向為上，反之為下。首先，供電給線圈A，由左圖顯示A為高電壓，A’為低電壓，表示線圈A的電流為順時針電流，此時確認線圈中心點位置，如第6A圖所示。之後，供電給線圈A和B，其中A為高電壓，A’為低電壓，B為高電壓，B’為低電壓，表示線圈A和線圈B的電流為順時針電流，使線圈A和B的中心點往右移動，如第6B圖所示。之後，關閉供電給線圈A，繼續供電給B，線圈B的電流為順時針電流，使線圈A和B的中心點往右移動，如第6C圖所示。接著，供電給線圈A和B，其中A為低電壓，A’為高電壓，B為高電壓，B’為低電壓，表示線圈A的電流為逆時針電流，線圈B的電流為順時針電流，使線圈A、B的中心點往右移動，如第6D圖所示。之後，供電給線圈A，關閉供電給線圈B，其中A為低電壓，A’為高電壓，表示線圈A的電流為逆時針電流，使線圈A、B的中心點往右移動，如第6E圖所示。接著，供電給線圈A和B，其中A為低電壓，A’為高電壓，B為低電壓，B’為高電壓，表示線圈A和線圈B的電流為逆時針電流，使線圈A、B的中心點往右移動，如第6F圖所示。之後，關閉供電給線圈A，供電給線圈B，其中B為低電壓，B’為高電壓，線圈B的電流為逆時針電流，使線圈A、B的中心點往右移動，如第6G圖所示。之後，供電給線圈A和B，其中A為高電壓，A’為低電壓，B為低電壓，B’為高電壓，線圈A的電流為順時針電流，線圈B的電流為逆時針電流，使線圈A、B的中心點再往右移動，完成跨越一對磁性元件，如第6H圖所示。注意的是，上述線圈電流方向可依需求調整，例如白色磁性元件表N極朝上，而灰色磁性元件表S極朝上，則上述線圈電流方向便會改變以使力的方向維持向右(可藉由左手定則判斷)，控制裝置可藉由移動的步數對應距離供電驅動元件組以控制鏡框進行長距離的定位移動，例如以第6 圖所示驅動元件組自一對磁性元件移動至另一對磁性元件的移動量需要8步，因此當需要跨越N對磁性元件時，則可輸入8xN步。上述判斷的位置也可依需求調整，不限於線圈的中心點。

值得注意的是，在一些實施例中，可以將線圈之控制迴路打開，如將第4圖中的開關420打開，並依據1-2相步進馬達激磁法，以開迴路方式輸入電壓至線圈，以控制驅動元件組跨越一對磁性元件，以將驅動元件組移動至特定一對磁性元件。值得注意的是，在一些實施例中，當驅動元件組跨越多對的磁性元件(磁極)後，可以將驅動元件組停止於N、S磁石交界附近的磁場線性區。當驅動元件組移動到特定一對磁性元件後，如步驟S520，在第二驅動狀態下，利用一音圈馬達(voice coil motor，VCM)定位控制法，以一閉迴路方式輸入電壓至線圈中之一特定線圈，以控制驅動元件組於特定一對磁性元件內自第一位置移動至預定位置。在一些實施例中，驅動元件組可以包括至少一位置感測器。於閉迴路方式中，可以利用位置感應器偵測相應驅動元件組之位置資訊，並利用位置資訊來微調驅動元件組的位置。例如，在一些實施例中，於閉迴路時，位置感應器會感應磁場強度，經過運算放大器(Operational Amplifier，OP)，產生電壓。舉例來說，位置感測器在N磁性元件的中心位置，會感應出趨近控制電壓的電壓值，例如控制電壓為3.3V；在S磁性元件的中心位置，會感應出趨近0V。當位置感測器感應電壓與預設目標電壓有一個壓差，控制器會輸出電流給線圈，令線圈產生推力去減少此壓差，直到壓差趨近0V，此時線圈的電流會最小，但大於0mA。在閉迴路控制時，僅供電給一個線圈，另一個線圈仍是開迴路且不供電。控制裝置判斷該等線圈中中心最靠近磁性元件(N、S)相連處的那一個線圈進入閉迴路控制，或由位置感測器感應電壓最接近一預設目標電壓的線圈後，控制裝置控制該線圈進入閉迴路控制，在一些實 施例中預設目標電壓可為1/2的控制電壓，例如控制電壓可為1.65V。

第7圖顯示依據本發明另一實施例之馬達之驅動方法。在本實施例中，驅動元件組可以包括二位置感測器，且每一位置感測器係對應二線圈中一者。本實施例可以判斷是否切換驅動馬達之控制方法。

當依據一1-2相步進馬達激磁法，輸入電壓至馬達之複數線圈，以控制馬達之驅動元件組跨越馬達之複數對磁性元件時，如步驟S710，判斷位置感測器中之一特定位置感測器是否位於特定一對磁性元件內。當特定位置感測器並未位於特定一對磁性元件內時(步驟S710的否)，繼續步驟S710的判斷。當特定位置感測器位於該對特定磁性元件內時(步驟S710的是)，如步驟S720，將相應特定位置感測器之特定線圈之一控制迴路封閉，並如步驟S730，利用音圈馬達定位控制法，控制系統會依據預設目標電壓與位置感測器所感應的感應電壓的差異值，產生合適的驅動電壓給該特定線圈，以將驅動元件組的位置進行精密定位。接著，如步驟S740，於閉迴路方式中，利用特定位置感應器偵測相應驅動元件組之位置資訊，並如步驟S750，利用取得之位置資訊調整驅動元件組的位置。提醒的是，利用位置資訊調整驅動元件組的方法如前所述。

第8A圖及第8B圖顯示依據本發明實施例之馬達之驅動例子。在本案中馬達的移動包括X行程(第一驅動狀態)與Y行程(第二驅動狀態)。一開始的X行程中，依據一1-2相步進馬達激磁法輸入電壓至馬達之線圈A、B，以控制馬達之驅動元件組跨越馬達之多對磁性元件，以移動至相應一對特定磁性元件之一特定區域SA，如第8A圖所示。當偵測到線圈B的位置感應器位於該對特定磁性元件之特定區域SA內時，則開始Y行程，可以將相應線圈B的控制迴路封閉，再利用音圈馬達定位控制法驅動線圈B，以將驅動元件組的位置在該對特定磁性元件內進行精密移動定位，如第8B 圖所示。其中，線圈B的位置感應器所偵測的位置資訊可以用來反饋進行位置調整。

必須說明的是，前述實施例僅揭示一個鏡群，然而本案可以適用於多個鏡群，且以上述實施例之方式進行配置。換言之，透過本案的設置可使鏡頭在變焦、對焦或防手震(OIS)時，能針對各別鏡群、單枚透鏡或單個光學元件的位置進行調整，且調整包含長距離移動與微調。因此，透過本案之鏡頭驅動裝置及其驅動方法可以使得鏡頭驅動裝置在長行程中保持快速移動以及保持其精準度，從而克服傳統音圈馬達驅動行程短的缺點，又可保留音圈馬達精密定位的優點。本案可適用於使用音圈馬達進行長行程，例如>1mm的直線移動的驅動裝置，如位置微調整系統中磁性或光學讀寫頭、探針位移控制、與雷射調焦等系統。

本發明之方法，或特定型態或其部份，可以以程式碼的型態存在。程式碼可以包含於實體媒體，如軟碟、光碟片、硬碟、或是任何其他機器可讀取(如電腦可讀取)儲存媒體，亦或不限於外在形式之電腦程式產品，其中，當程式碼被機器，如電腦載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置。程式碼也可以透過一些傳送媒體，如電線或電纜、光纖、或是任何傳輸型態進行傳送，其中，當程式碼被機器，如電腦接收、載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置。當在一般用途處理單元實作時，程式碼結合處理單元提供一操作類似於應用特定邏輯電路之獨特裝置。

S510、S520:步驟

Claims (10)

1. 一種鏡頭驅動裝置，包括：至少一鏡框，用以裝設至少一光學元件；一磁性組，具有複數對磁性元件；至少一驅動元件組，具有至少二個線圈，該至少一驅動元件組設置於該至少一鏡框上，且該至少一鏡框的數量等於該至少一驅動元件組的數量；以及一控制裝置，用以供電給該至少一驅動元件組，使該至少一驅動元件組帶動該至少一鏡框移動；該控制裝置於一第一驅動狀態下，按照一順序供電給該驅動元件組的該等線圈，使該驅動元件組自一對磁性元件移動至另一對磁性元件；於一第二驅動狀態下，供電給該驅動元件組，使該驅動元件組於該另一對磁性元件自一第一位置移動至一預定位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鏡頭驅動裝置，其中該驅動元件組更包括至少一位置感測器，且該控制裝置於一閉迴路方式中，利用該位置感應器偵測相應該驅動元件組之位置資訊，且利用該位置資訊調整該驅動元件組的位置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之鏡頭驅動裝置，該控制裝置於該第一驅動狀態以一開迴路方式供電給該驅動元件組的該等線圈，使該驅動元件組自該對磁性元件移動至該另一對磁性元件。
4. 如申請專利範圍第3項所述之鏡頭驅動裝置，其中該驅動元件組更包括二位置感測器，且該等位置感測器之每一者對應該等線圈中一者，且該控制裝置更判斷該等位置感測器中之一特定位置感測器是否位於該另一對磁性元件內，當該特定位置感測器位於該另一對磁性元件內時，將相應該特定位置感測器之該線圈之一迴路封閉，並輸入電壓至該線圈，以移動該驅 動元件組，且於一閉迴路方式中，利用該位置感應器偵測相應該驅動元件組之位置資訊，並利用該位置資訊調整該驅動元件組的位置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之鏡頭驅動裝置，該控制裝置於該第二驅動狀態以一閉迴路方式供電給該驅動元件組的該等線圈，使該驅動元件組於該另一對磁性元件內自該第一位置移動至該預定位置。
6. 如申請專利範圍第1項所述之鏡頭驅動裝置，其中每一該等線圈於該驅動元件組上之設置具有一特定間距，且該特定間距等於(1*n)±0.25倍的一對磁性元件寬，其中n-自然數。
7. 如申請專利範圍第1項所述之鏡頭驅動裝置，其中當該磁性元件的一磁性線係360度時，該等線圈與該磁性組間之配置具有360度±90度之相位差。
8. 一種驅動一鏡頭中一光學元件移動的方法，適用於一鏡頭驅動裝置，該鏡頭驅動裝置包含至少一鏡框、一磁性組、至少一驅動元件組以及一控制裝置，該方法包括下列步驟：按照一順序以一開迴路方式供電給該至少一驅動元件組，以控制該至少一驅動元件組帶動該鏡框自一對磁性元件移動至另一對磁性元件；判斷該至少一驅動元件組位於該另一對磁性元件的位置是否為一預定位置；以及若判斷為否，則以一閉迴路方式供電至該驅動元件組，以控制該驅動元件組於該另一對磁性元件自一第一位置移動至該預定位置。
9. 如申請專利範圍第8項所述之驅動一鏡頭中一光學元件移動的方法，其中該驅動元件組更包括至少一位置感測器，該方法更包括下列步驟：於該閉迴路方式中，利用該位置感應器偵測相應該驅動元件組之位置資訊；以及利用該位置資訊調整該驅動元件組的位置。
10. 如申請專利範圍第8項所述之驅動一鏡頭中一光學元件移動的方法，其中該驅動元件組更包括二線圈以及二位置感測器，且該等位置感測器之每一者對應該等線圈中一者，該方法更包括下列步驟：判斷該等位置感測器中之一特定位置感測器是否位於該另一對磁性元件內；當該特定位置感測器位於該另一對磁性元件內時，將相應該特定位置感測器之該線圈之一迴路封閉；驅動該線圈，以移動該驅動元件組；於該閉迴路方式中，利用該位置感應器偵測相應該驅動元件組之位置資訊；以及利用該位置資訊調整該驅動元件組的位置。

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