一种MEMS镜头驱动器
技术领域
本发明涉及一种MEMS镜头驱动器，属于微机电与光学技术领域。
背景技术
MEMS(Micro Electro－Mechanical System)是指在集成电路工艺基础上发展起来的，集微传感器、微型机构、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件于一体的能完成某种特定功能的机械装置或系统。目前，MEMS技术因其具有微型化、集成化、多样化、智能化等特点，已广泛应用于航空航天、汽车工业、生物医疗、通信等领域，并正逐步向更小型化发展。微驱动器(Micro Actuator)是MEMS的核心部件，是一种可实现输出诸如力、力矩、位移等物理量的微器件，其可根据控制信号，将光、电、热等多种形式的能量转化为机械能输出。现阶段，微驱动器按能量转换形式可分为电热驱动、电磁驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动等形式。
MEMS目前被广泛应用于智能手机、照相机、扫描镜等具有成像功能的设备中，对于成像设备而言，镜头稳定对成像效果具有重要影响，因此，通常采用一定的手段使镜头具有较好的防抖功能。中国专利“CN201920281755.1一种光学防抖MEMS驱动器”中采用传感器移位原理，通过安装在图像传感器下方的MEMS静电驱动器控制图像传感器的运动，并使其发生平移及转动以补偿手机抖动，但是该专利采用静电驱动，驱动电压较大，成本高且功耗大；中国专利“CN201910038259.8一种MEMS扫描镜”中采用压电驱动，通过施加相反电压，使得扭转梁带动反射镜面偏转，但是受限于驱动方式，镜面偏转角度受影响；中国专利“CN201910839155.7一种MEMS扫描镜”中通过对固定梳齿和可动梳齿之间施加电势差，使得可动梳齿倾斜，扭转梁带动镜面偏转，但是该专利采用静电驱动，驱动电压较大。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种成本低廉、驱动电压小、可实现镜头防抖的MEMS镜头驱动器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种MEMS镜头驱动器，包括顶部开口的支撑框架，所述支撑框架的内部底部的中心部位设有永磁体，所述支撑框架的内部上部同轴设有镜头支撑架，所述镜头支撑架和支撑框架之间连接有弹簧，所述镜头支撑架的上部中心部位设有光学镜头，所述镜头支撑架的顶面设有可通入正向电流或反向电流的驱动线圈组件，所述驱动线圈组件包括两个对称分布的横向驱动线圈、两个对称分布的纵向驱动线圈以及位于横向驱动线圈和纵向驱动线圈的中间的环形驱动线圈，所述环形驱动线圈沿圆周方向环设于光学镜头外部。
一种实施方案，所述支撑框架、永磁体、镜头支撑架、光学镜头、环形驱动线圈的中心线相重合。
一种实施方案，所述横向驱动线圈、纵向驱动线圈和环形驱动线圈的绕线方向相同。
一种实施方案，所述驱动线圈组件中的横向驱动线圈、纵向驱动线圈和环形驱动线圈之间为并联连接。
一种实施方案，所述永磁体上正对着光学镜头的部位设有可供入射光通过的通孔。
一种实施方案，所述镜头支撑架和支撑框架之间连接有多个弹簧，且多个弹簧均匀分布于镜头支撑架和支撑框架之间。
相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：
本发明的MEMS镜头驱动器，以电磁驱动作为驱动方式，通过改变驱动线圈组件中电流的大小与方向以及驱动线圈组件中横向驱动线圈、纵向驱动线圈和环形驱动线圈的选择性接通，驱动光学镜头上下运动以及偏转运动，以补偿光学镜头抖动，从而实现光学镜头X、Y、Z三轴方向的防抖，可以更好地调整光学镜头位置，实现光学镜头的对焦和收集图像的功能，具有防抖动、响应时间短、成本低廉、驱动电压低、驱动位移大的特点，防抖防摔防震、结构简单、使用方便，具有很好的实用价值。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的MEMS镜头驱动器的立体图；
图2是本发明实施例中提供的MEMS镜头驱动器的侧视图；
图3是本发明实施例中提供的MEMS镜头驱动器的俯视图；
图4是本发明实施例中提供的MEMS镜头驱动器去掉支撑框架底板后的仰视图；
图中标号示意如下：1、支撑框架；11、底板；12、侧板；2、永磁体；21、通孔；3、镜头支撑架；4、弹簧；5、光学镜头；6、驱动线圈；61/62、横向驱动线圈；63/64、纵向驱动线圈；65、环形驱动线圈。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。
实施例
如图1至图4所示，本发明提供的一种MEMS镜头驱动器，包括顶部开口的支撑框架1，所述支撑框架1的内部底部的中心部位设有永磁体2，所述支撑框架1的内部上部同轴设有镜头支撑架3，所述镜头支撑架3和支撑框架1之间连接有弹簧4，所述镜头支撑架3的上部中心部位设有光学镜头5，所述镜头支撑架3的顶面设有可通入正向电流或反向电流(未显示)的驱动线圈组件6，所述驱动线圈组件6包括两个对称分布的横向驱动线圈61/62、两个对称分布的纵向驱动线圈63/64以及位于横向驱动线圈61/62和纵向驱动线圈63/64的中间的环形驱动线圈65，所述环形驱动线圈65沿圆周方向环设于光学镜头5外部。
具体的，所述顶部开口的支撑框架1由底板11和围绕于底板11顶部且与底板11相垂直的侧板12组成，本实施例中，所述支撑框架1包括有个底板11和四个侧板12，底板11和侧板12均为矩形。相应的，镜头支撑架3的截面也为矩形。
本发明所述的MEMS镜头驱动器的工作原理如下：
永磁体2设于支撑框架1的内部底部的中心部位，镜头支撑架3同轴设于支撑框架1的内部上部，即永磁体2设于镜头支撑架3的正下方且与镜头支撑架3之间具有间距，永磁体2自始至终均具有磁性，而设于镜头支撑架3顶面的驱动线圈组件6通电会产生感应磁场，驱动线圈组件6与永磁体2之间则会发生磁相互作用，因此，可以向驱动线圈组件6中通入正向电流或反向电流，使驱动线圈组件6与永磁体2产生相互吸引或者相互排斥的作用力(即洛伦兹力，通入电流的大小决定感应磁场的大小进而决定洛伦兹力的大小)；弹簧4具有弹性，可以对镜头支撑架3及镜头支撑架3上的光学镜头5提供弹性力，在洛伦兹力的作用下发生弹性变形，从而带动与之相连的镜头支撑架3及镜头支撑架3上的光学镜头5上下运动及偏转运动；
参照图1所示，本发明中的驱动线圈组件6是由两个对称分布的横向驱动线圈61/62、两个对称分布的纵向驱动线圈63/64以及位于横向驱动线圈61/62和纵向驱动线圈63/64的中间的环形驱动线圈65组成的，其中61和62所代表的横向驱动线圈分别对应着X轴正方向和X轴负方向，63和64所代表的纵向驱动线圈分别对应着Y轴正方向和Y轴负方向，65代表的环形驱动线圈对应着Z轴方向，因此，当光学镜头5受外界干扰发生抖动时，可以闭合对应方向的驱动线圈并调节电流大小与方向，使镜头支撑架3发生位移，使其与光学镜头5抖动相抵，具体的如下所示：
本实施例中，假设驱动线圈61/62/63/64/65中通入正向电流时，驱动线圈61/62/63/64/65产生的是与永磁体2相互吸引的作用力；
当光学镜头5在Z轴方向抖动即发生垂直向上或者垂直向下的抖动时，则向环形驱动线圈65中通入电流，当光学镜头5向上抖动，则向环形驱动线圈65中通入正向电流，环形驱动线圈65产生与永磁体2相互吸引的作用力，由于永磁体2固定于支撑框架1的内部底部的中心部位，因此，在此作用力下，连接于镜头支撑架3和支撑框架1之间的弹簧4其原有的受力平衡被此作用力破坏而发生弹性变形，会使得与弹簧4相连的镜头支撑架3向下运动直至达到新的力学平衡，进而使得设于镜头支撑架3上的光学镜头5一起垂直向下运动，从而抵消光学镜头5垂直向上的抖动；反之，当光学镜头5向下抖动时，则向环形驱动线圈65中通入反向电流，环形驱动线圈65产生与永磁体2相互排斥的作用力，使得镜头支撑架3带动光学镜头5一起垂直向上运动，从而抵消光学镜头5垂直向下的抖动；
当光学镜头5向X轴正方向抖动时，则向横向驱动线圈62中通入正向电流，横向驱动线圈62产生与永磁体2相互吸引的作用力，在此作用力和弹簧4的作用下，会使得设于镜头支撑架3上的光学镜头5向X轴负方向偏转以抵消抖动；反之，当光学镜头5向X轴负方向抖动时，则向横向驱动线圈61中通入正向电流，从而使得设于镜头支撑架3上的光学镜头5向X轴正方向偏转以抵消抖动；
同理，当光学镜头5向Y轴正方向抖动时，则向纵向驱动线圈64中通入正向电流，，从而使得设于镜头支撑架3上的光学镜头5向Y轴负方向偏转以抵消抖动；反之，当光学镜头5向Y轴负方向抖动时，则向纵向驱动线圈63中通入正向电流，从而使得设于镜头支撑架3上的光学镜头5向Y轴正方向偏转以抵消抖动；
此外，当光学镜头5瞬时剧烈抖动时，则同时向驱动线圈组件6中的五组驱动线圈61/62/63/64/65中通入正向电流，使驱动线圈组件6瞬间产生较大的与永磁体2相互吸引的作用力，进而瞬间将镜头支撑架3及设于镜头支撑架3上的光学镜头5吸附在永磁体2上，从而起到防摔防震的作用。
上述使用过程中，为了更好的实现光学镜头5的防抖以及防摔防震功能，可以根据具体抖动状况调整通入相关联的驱动线圈中电流的大小、方向，因此，本发明的镜头驱动器通过改变驱动线圈组件6中电流的大小与方向以及驱动线圈组件中驱动线圈61/62/63/64/65的选择性接通，可以驱动光学镜头5上下运动以及偏转运动，以补偿光学镜头5抖动，从而实现光学镜头5在X、Y、Z三轴方向上的防抖，还可以对光学镜头5起到防摔防震的作用。
本发明中，镜头驱动器可通过永磁体2和驱动线圈组件6实现电磁驱动，永磁体2是固定于支撑框架1的内底部的中心部位保持不变，镜头支撑架3及设于镜头支撑架3上的光学镜头5和驱动线圈组件6则是在弹簧4的弹力和回复力与电磁场的洛伦兹力的作用下进行相应方向的运动直至达到平衡的静止状态，镜头支撑架3的载荷为光学镜头5和驱动线圈组件6，驱动线圈组件6本身质量很轻，可忽略不计，这就使得改变施加电流的大小使所述光学镜头5的移动效果被放大，即，仅需施加较小的电流即可实现光学镜头5较大距离的移动，驱动位移大，驱动消耗小，所需施加的电流小，驱动电压低，相应的，驱动线圈组件6的负荷就相应减小，进而也提高了镜头驱动器的灵敏性，使得防抖动响应时间短；此外，本发明通过设置永磁体2，提供电磁驱动的关键源动力，当驱动线圈组件6接通电流产生感应磁场时，即表示驱动器开始工作，而永磁体2稳定的磁场给予了该驱动器平稳、线性运动的条件，进而保证了驱动器中的光学镜头5运动时是线性的，以便于得到良好的防抖效果。本发明中，驱动线圈组件6在光学镜头5将外界光聚焦为一点时所加载的电流即为镜头驱动器防抖聚焦的工作电流。
本实施例中，所述支撑框架1、永磁体2、镜头支撑架3、光学镜头5、环形驱动线圈65的中心线相重合。两个横向驱动线圈61和62对称分布在环形驱动线圈65的两侧，两个纵向驱动线圈63和64也对称分布在环形驱动线圈65的两侧。保证了驱动器整体的稳定性，进而保证了光学镜头5的防抖聚焦效果。
本实施例中，所述横向驱动线圈61/62、纵向驱动线圈63/64和环形驱动线圈65的绕线方向相同，即在通电时产生方向相同的感应磁场(电磁场)，简化了操作。
本实施例中，所述驱动线圈组件6中的横向驱动线圈61/62、纵向驱动线圈63/64和环形驱动线圈65之间为并联连接，便于根据情况接通适宜的驱动线圈。
参见图4所示，所述永磁体2上正对着光学镜头5的部位设有可供入射光通过的通孔21，入射光经安装于镜头支撑架3上的光学镜头5后，从通孔21穿出。本实施例中，永磁体2设置为圆环状，圆环状的永磁体2的中空部分即为通孔21。
所述镜头支撑架3和支撑框架1之间连接有多个弹簧4，多个弹簧4均匀分布于镜头支撑架3和支撑框架1之间。本实施例中，参见图1/3/4可见，设有四个弹簧4，四个弹簧4均匀且对称的设于镜头支撑架3和支撑框架1之间，有效保证了驱动器整体的平衡性，有效保证了弹簧4对镜头支撑架3施加的弹力和回复力的平衡性，进而保证了镜头支撑架3及光学镜头5上下运动或者一定角度偏转的线性。
最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
