相机光学（三十八）——VCM（Voice Coil Motor）音圈马达

VCM（Voice Coil Motor）音圈马达

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1.什么是音圈马达
2.对焦（变焦）原理
3.音圈马达结构
4.音圈马达工作原理
[5.VCM 主要性能指标](#5.VCM 主要性能指标)

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1.什么是音圈马达

VCM（Voice Coil Motor）音圈马达全称Voice Coil Montor，电子学里面的音圈电机，是马达的一种。因为原理和扬声器类似，所以叫音圈电机，具有高频响、高精度的特点。其主要原理是在一个永久磁场内，通过改变马达内线圈的直流电流大小，来控制弹簧片的拉伸位置，从而带动上下运动。手机摄像头广泛的使用VCM实现自动对焦功能，通过VCM可以调节镜头的位置，呈现清晰的图像。

从结构上大致可分三类：

弹片式结构

滚珠式结构

摩擦式结构
功能上大致分为五类：

Open loop开马达

Close loop闭环马达

Alternate中置马达

OIS光学防抖马达（分平移式、移轴式、记忆金属式等）

OIS+Close loop六轴马达

close-loop和open-loop是控制方式的不同，close-loop带有位置传感器闭环控制马达行为，open-loop没有反馈；中置马达描述的是AF行程是双向的，而不是常规马达是单向的，对焦速度更快。按功能分camera中的VCM功能主要是AF和OIS

2.对焦（变焦）原理

光学对焦和光学变焦是不同的概念 ：

光学变焦是通过移动镜头内部镜片的相对位置来改变焦点的位置，改变镜头焦距的长短，并改变镜头的视角大小，从而实现影像的放大与缩小；

光学对焦是实际上是调整整个镜头的位置(而不是镜头内的镜片)的位置，来控制像距，从而使成像最清晰。

实现摄像头对焦有很多，方法如下，其中音圈马达使用最广泛：

音圈马达
超声波马达
步进马达
记忆合金马达
液体镜头对焦
液晶镜头对焦
MEMS镜头对焦
软件对焦（阵列式摄像头）

进入自动调焦模式后，Driver从0到最大值，使得镜头从原地移动到最大位移处，此时sensor成像面自动拍摄图片并保存到DSP内，DSP通过这些图片，计算每一副图片的MTF（Modulation transfer function）值，从而在这条MTF曲线中找到最大值，并通过算法，得到这个点对应的电流大小，再一次指示Driver提供给音圈这个电流，而使镜头稳定在这个成像面，使得达到自动变焦。

3.音圈马达结构

不同厂商的VCM结构略有差异，大致分几大部件如下： Shield Case：外壳；Frame：支架；F.Spacer：前垫片，用于绝缘； F.Spring：前簧片，用于承载载体，平衡力矩；Yoke：用于固定其他组件，导磁； Magnet：磁石，产生永久磁场；Coil：线圈，通电产生驱动力矩； Carrier：载体，用于承载镜头； B.Spacer：后垫片，用于绝缘； B.Spring：后弹簧，用于承载载体，平衡力矩；Base：底座，用于固定部件。

4.音圈马达工作原理

弗莱明左手法则。空中有一个磁场B，对横穿磁场的电线上通电，则电线上会产生力F。该力的强度公式为，F ＝BLI. 其中F：力[N];B:磁束密度[T];L：磁场中的电线长度[m];I：电流[A]。电线制成线圈，按图示方向通入电流I，则线圈的左侧、右侧会分别产生朝上、朝下的力，线圈开始旋转。这就是直流马达的旋转原理。

T ＝2RF ＝ 2RNBLI; 其中T：扭矩[Nm]；R：旋转半径[m]；N：线圈圈数；L：磁通宽[m]

直线型或是摆动型，他门基本原理相同。通点的导体穿过磁场的时候，会产生一个垂直于磁场线的力，这个力的大小取决于通过场的导体的长度，磁场及电流的强度。音圈马达产生的推力的大小取决于设计结构以及电流强度：F = BL I，电流与产生的力的关系，在直线型音圈电机中体现为力敏感度Kf，在旋转型音圈马达中体现为扭力敏感度Kt。我們的设计中把Kf的单位定义为N/A，Kt的单位为N·M/A。音圈马达是一个简单的装置，将电流转化为机械力。所以其定位以及力的控制通过位置反馈装置以及控制器达成，其精度由控制器决定，与音圈马达本身毫无关系。通过改变马达内线圈的直流电流大小，来控制弹簧片的拉伸位置，从而带动上下运动。

通过电感线圈产生不同方向和强度的磁场(弗莱明左手定则)，利用引力或斥力来推动镜头移动它靠簧片方式支持镜头伸缩，给Coil不同的电流，使Lens停在不同的点上面！手机摄像头的VCM需要Driver IC配合完成对焦，通过Driver IC控制VCM供电电流的大小，来确定VCM搭载的镜头移动的距离，从而调节到适当的位置拍摄清晰图像。镜头移动动作如下：

5.VCM 主要性能指标

Rated Current：额定电流镜头达到额定的行程时的电流，一般定为80mA，也有定义90mA 或100mA 的。
Voltage Range：电压范围驱动马达所供给的电压范围，一般定义为3.0V 以下。
Terminal Resistance：(25℃)电阻值马达的电阻值，这是设计值，各不相同。
Rated Stroke(Horizontal)：额定行程马达在额定电流时的行程，这是根据镜头的对焦移动量来要求的。
Max Stroke：最大行程马达可达到的最大行程。
Starting Current (Horizontal)：启动电流（一般要明示测试方向）VCM镜头由于重力的原因需要的磁力是不同的，为了保持镜头的初始状态，需要预加一个初始力，那么使镜头开始移动的电流就是启动电流 Linear
Fit Slope 线性斜率：在行程中的曲线斜率。计算方法：[Displacement A1-DisplacementA2]/[Current B2-Current B1]
Hysteresis：回滞误差镜头在前进和后退的过程中，在同一电流下行程会有些偏差，这个偏差就是回滞误差。
Posture Difference：方向偏差在不同方向，由于重力的不同，在同样的电流时，行程是不同的。要求测试三个方向，分别是镜头水平，镜头向上，镜头向下，行程的不同就是方向偏差。水平方向为基准值。
Settling time：稳定时间马达在做AF移动时，控制其停止时，马达不是即刻停下来的，有一定的震荡，所以需要一定的时间使其稳定下来。稳定时间指的是从控制开始到数值保持在对称误差区域内所占用的时间。
Static Tilt 静态偏斜在静态时镜头光轴和Sesnor 垂直轴线的偏差角度。 Dynamic Tilt
动态偏摆镜头在移动时光轴和Sensor 垂直轴线的偏差角度。
Torque for Lens Assy：镜头扭力镜头旋入时的扭力，这是一个控制要求。主要作用是针对镜头在装配到VCM 时对焦的准确和稳定性，另外是保护VCM 的弹簧不会被损害。