什么是音圈電機？如何工作的？如何應(yīng)用于相機鏡頭調(diào)焦？

羅羅日記

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(qū)動。

因為它們具有體積小，運動質(zhì)量小，高加速度等顯著特征。

無論是在工業(yè)領(lǐng)域，還是在醫(yī)用內(nèi)窺鏡，呼吸機，以及攝像頭調(diào)焦等方面都有廣泛的應(yīng)用。

比如小位移吸取頭，常用扁平型音圈電機驅(qū)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(xiàn)調(diào)焦。

線圈運動式單軸音圈電機驅(qū)動平臺，來源：H2W Technologies, Inc.

音圈電機用于微攝像頭調(diào)焦

音圈電機用于微攝像頭調(diào)焦

不同形式的音圈電機驅(qū)動平臺和調(diào)焦平臺及其參數(shù)，來源：Equipment Solutions, Inc.

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(zhì)上就是一個線圈。

在揚聲器中，用來產(chǎn)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(dǎo)線在磁場中受洛倫茲力，發(fā)生有規(guī)律的運動，帶動相關(guān)部件振動，進(jìn)而發(fā)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(nèi)圈是北極，外圈是南極，在剖視圖（b）中，磁場穿過音圈導(dǎo)線向外輻射，當(dāng)導(dǎo)線通聲音信號（電流）時，音圈在左右方向受力，發(fā)生運動，帶動錐體振動，通過空氣把聲音擴散到外部。

來幾張動圖，就一目了然了。

通電時，音圈來回運動

通電時，音圈來回運動，帶動相關(guān)部件振動，發(fā)出聲音

2．音圈電機結(jié)構(gòu)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(fā)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(qū)動的部件上。

磁體運動式圓柱形音圈電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖：音圈固定，磁體和軸固連，軸兩端有柔性導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，當(dāng)線圈通電，線圈和磁鐵之間會產(chǎn)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。

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(shù)

B =磁通密度（特斯拉）

L =線長（m）

I =電流（安培）

N =導(dǎo)體數(shù)量

對于給定的音圈，除電流外，所有參數(shù)都是固定的。因此，產(chǎn)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(yīng)用中，音圈產(chǎn)生的力推動負(fù)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(zhì)量低得多，可以驅(qū)動更高負(fù)載。

但是，線圈會產(chǎn)生熱量，如果負(fù)載對溫度波動敏感，那么使用磁體移動更好。

當(dāng)然，作為一個完整的執(zhí)行機構(gòu)，音圈電機和直線電機一樣，需要導(dǎo)向機構(gòu)和位置反饋裝置。

導(dǎo)向機構(gòu)可以用柔性結(jié)構(gòu)（一般用于微小運動），滑塊式導(dǎo)軌，空氣軸承，或者交叉滾子導(dǎo)軌等。

反饋設(shè)備，可以用光柵尺和讀數(shù)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(huán)系統(tǒng)，可實現(xiàn)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(chǎn)生的力與施加的電流成正比。

3軸音圈電機驅(qū)動平臺，來源：H2W Technologies, Inc.

3. 音圈電機如何應(yīng)用于鏡頭調(diào)焦？

我們再來仔細(xì)看看，音圈電機是如何用于鏡頭調(diào)焦的。

扁平形和圓柱形都看一下。

扁平式音圈電機，用于驅(qū)動微鏡頭調(diào)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(dǎo)向桿中。如圖（c），導(dǎo)向桿及線圈還有霍爾傳感器固定在基座上，當(dāng)線圈通電，便可驅(qū)動鏡頭上下運動，實現(xiàn)調(diào)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(qū)動鏡頭上下運動，實現(xiàn)調(diào)焦：鏡頭和線圈固定在藍(lán)色鏡座上，頂部和底部有黃色的柔性導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，它們和鏡座固連。柱形磁鐵在外側(cè)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(xiàn)調(diào)焦。圖片來源：《Design and Characterization of Miniature Auto-Focusing Voice Coil Motor Actuator for Cell Phone Camera Applications》

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(yōu)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(zhì)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(shè)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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羅羅日記

|磁鋼專家發(fā)表于 03-02 13:17我做過這個磁鋼

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大白小白

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音圈電機和電致伸縮，磁致伸縮相比，有何優(yōu)劣勢？謝謝！

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