什么是音圈電機?如何工作的?如何應用于相機鏡頭調焦?
在運動平臺中,對于微小運動,例如1-5毫米,甚至更小的行程,常用音圈電機來驅動。
因為它們具有體積小,運動質量小,高加速度等顯著特征。
無論是在工業領域,還是在醫用內窺鏡,呼吸機,以及攝像頭調焦等方面都有廣泛的應用。
比如小位移吸取頭,常用扁平型音圈電機驅動,配合LVDT絕對式位移傳感器,檢測運動軸位置。
再比如,手機攝像頭中,用圓柱形音圈電機,來帶動鏡頭運動,實現調焦。
音圈電機用于微攝像頭調焦
音圈電機用于微攝像頭調焦
音圈電機用于調焦
那么,何為音圈電機(VCM=Voice Coil Motor)?其運動原理是什么?
1. 什么是音圈?
首先,什么是音圈?音圈一詞,其實來源于揚聲器。它實質上就是一個線圈。
在揚聲器中,用來產生(展示)聲音信號,所以叫音圈,多虧了它,我們才能聽到美妙的音樂。
揚聲器的底層邏輯,其實也是帶電導線在磁場中受洛倫茲力,發生有規律的運動,帶動相關部件振動,進而發出聲音。
我們來具體看一下。
音圈(線圈)纏繞在椎體上,永磁體南北極如上左圖(a)所示,內圈是北極,外圈是南極,在剖視圖(b)中,磁場穿過音圈導線向外輻射,當導線通聲音信號(電流)時,音圈在左右方向受力,發生運動,帶動錐體振動,通過空氣把聲音擴散到外部。
2.音圈電機結構及原理
音圈電機的原理,和上面所說的一模一樣:線圈在永磁場中通電受力,發生運動,只不過音圈電機線圈不連接在擴音部件上,而是連接在其他需要驅動的部件上。
磁體運動式圓柱形音圈電機內部結構示意圖:音圈固定,磁體和軸固連,軸兩端有柔性導向結構,當線圈通電,線圈和磁鐵之間會產生軸向力,帶動軸運動。
線圈運動式音圈電機剖視圖,上方線圈電流垂直于屏幕向外,下方電流垂直于屏幕向里,磁場在縫隙中垂直于電流,使用左手定則(讓磁感線穿過手心,四指指向電流方向,大拇指所指方向就是線圈受力方向),很容易知道線圈沿左右方向受力運動。
這張圖和軸式直線電機何其相似,只需要把磁鐵復制排列好并固定,然后把線圈釋放,不就是軸式直線電機了嗎。
線圈受到的力稱為洛倫茲力,由電流和磁通量的乘積確定:
F = k * B * L * I * N
其中,
F =力(N)
k =力常數
B =磁通密度(特斯拉)
L =線長(m)
I =電流(安培)
N =導體數量
對于給定的音圈,除電流外,所有參數都是固定的。因此,產生的力與輸入電流成正比。力的方向既垂直于磁通量方向,又垂直于電流方向,改變電流方向會改變力的方向。
這就是音圈電機的原理。
其核心,還是通電線圈在磁場中受洛倫茲力。
在實際應用中,音圈產生的力推動負載,活動部件可以是線圈,也可以是磁體(力是相互的)。
線圈運動比磁體運動質量低得多,可以驅動更高負載。
但是,線圈會產生熱量,如果負載對溫度波動敏感,那么使用磁體移動更好。
當然,作為一個完整的執行機構,音圈電機和直線電機一樣,需要導向機構和位置反饋裝置。
導向機構可以用柔性結構(一般用于微小運動),滑塊式導軌,空氣軸承,或者交叉滾子導軌等。
反饋設備,可以用光柵尺和讀數頭,也可以用LVDT位移傳感器,霍爾傳感器等。它們和伺服控制器,提供了一種閉環系統,可實現極其精確的位置和速度控制。
即使沒有反饋裝置,音圈電機也具有良好的力控制,這是因為其產生的力與施加的電流成正比。
單軸及雙軸音圈電機驅動平臺,其中底部圖片是雙軸運動平臺,且其最底層運動軸是雙電機驅動。
2軸音圈電機驅動平臺
3軸音圈電機驅動平臺
3. 音圈電機如何應用于鏡頭調焦?
我們再來仔細看看,音圈電機是如何用于鏡頭調焦的。
扁平形和圓柱形都看一下。
扁平式音圈電機,用于驅動微鏡頭調焦:如圖(b)所示,鏡頭和永磁鐵固定在鏡架上,然后穿在圖(c)對角線上兩根導向桿中。如圖(c),導向桿及線圈還有霍爾傳感器固定在基座上,當線圈通電,便可驅動鏡頭上下運動,實現調焦。圖片來源:《Design and Characterization of Miniature Auto-Focusing Voice Coil Motor Actuator for Cell Phone Camera Applications》
圓柱式音圈電機,驅動鏡頭上下運動,實現調焦:鏡頭和線圈固定在藍色鏡座上,頂部和底部有黃色的柔性導向結構,它們和鏡座固連。柱形磁鐵在外側提供磁場,磁場輻射方向垂直于線圈,容易判斷出線圈在上下方向受力,帶動鏡頭運動,從而實現調焦。
到此,我們明白了音圈電機的工作原理。
正因為這個原理,音圈電機有如下的一些優點:無需換相,低至無遲滯,零齒槽,與“螺桿式”動力器相比,機械部件更少,線性控制特性,高功率質量比,高功率體積比,無限位置(僅受編碼器限制),高加速度等。所以音圈電機很適合于小位移直線運動,如果你的設計中有這個要求,不妨可以考慮一下使用音圈電機。
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