数字摄影机致动器中的基于电感的位置感测的制作方法

数字摄影机致动器中的基于电感的位置感测的制作方法
【专利摘要】本发明涉及数字摄影机中的基于电感的感测，其中包括与大气隙相关联的至少一个静止铁磁性构件的至少一个电磁(EM)致动器的致动导致机械耦合到光学元件的移动铁磁性构件通过至少一个更小的气隙绕过或桥接大气隙。所述静止构件包括至少部分地被线圈围绕的至少一个铁磁芯。可以利用被用于致动的相同线圈来测量与光学元件的位置相关的电感数值。在一些实施例中，单个EM致动器包括两个线圈，并且利用全部两个线圈来驱动所述致动器，同时测量常规电感或者互感。在包括两个相反EM致动器的一些摄影机实施例中，一个致动器被用来移动光学元件，另一个致动器则被用来测量电感数值。
【专利说明】
数字摄影机致动器中的基于电感的位置感测
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请涉及2014年1月5日提交的美国临时专利申请号(PPA)61/923,695、2014年4 月26 日提交的标题为 "Inductance-based position sensing in a digital camera actuator(数字摄影机致动器中的基于电感的位置感测)"的US PPA 61/984,749以及2013 年 11 月6 日提交的标题为 "Electromagnetic actuators for digital cameras(用于数字 摄影机的电磁致动器)"的US PPA 61/900,442,所有这些申请被全文合并在此以作参考。
技术领域
[0003] 这里所公开的实施例总体上涉及使用在小型数字摄影机中的电磁(EM)致动器，并 且更具体来说涉及用于感测(或测量)这样的致动器的移动构件的位置的设备和方法。
【背景技术】
[0004] 用于(例如智能电话中的）小型摄影机的致动器被用来偏移和/或倾斜摄影机中的 光学元件，以便实现聚焦、图像稳定或快门移动。有几种方法用来实现对于致动所需要的 力。EM致动器使用这里所讨论的铁磁性材料来提供磁性致动力。例如在2014年7月3日提交 的标题为"Electromagnetic actuators for digital cameras(用于数字摄影机的电磁致 动器)"的共同发明并且共同转让的PCT专利申请PCT/IB2014/062836中公开了致动器结构， 其包括至少一个静止铁磁性构件和至少一个移动铁磁性构件，所述静止和移动构件具有操 作表面，即跨过小气隙彼此相对的操作表面。每一个致动器结构在包括所有静止铁磁性构 件的磁路中具有至少一个大气隙，所述静止铁磁性构件在致动期间不移动。通过移动铁磁 性构件，每一个大气隙通过更小的气隙被绕过或者被桥接。这样的致动器结构被设计成拉 动移动铁磁性构件并且减小致动器的磁阻，从而提供较大的磁力。在大多数实施例中，磁阻 随着第一（"力/致动"）方向上的移动显著改变，而在与第一方向正交的另外两个（"中立"） 方向上，磁阻随着移动几乎不改变或者完全不改变。正如在PCT/IB2014/062836中详细描述 的那样，磁路总是朝向闭合所述大气隙动作，从而在一个方向上(例如+X)拉动移动铁磁性 构件。利用两种方法当中的一种可以实现相反方向上（例如-X)的拉动：反作用力致动 (forced-back-actuation)( "方法Γ )，其使用弹簧把光学元件回位到零位置，或者双重致 动（"方法2"），其使用相反的致动器来产生相反的力。
[0005]如果在致动处理期间知道移动构件相对于静止构件的确切位置，则将会实现控制 方面的显著改进。举例来说，"A miniaturized low-power VCM actuator for auto-focusing applications(用于自动聚焦应用的小型化低功率VCM)"（Optics Express , 16 (4)，p. 2533,2008年）描述了具有静止构件相对于移动永磁体的已知相对位置的致动器如 何减少致动期间的功率消耗。在另一个实例中，美国专利申请2013/0215511A1描述了结合 致动器实施的位置感测(测量），以便改进光学图像稳定(0IS)系统的精度。这两种情况下的 位置感测是利用附加的感测电路来实现的，比如Hall条，其测量空间中的磁场。
[0006]基于线圈中的电感的改变的位置感测是已知的。使用基于电感的位置感测的多种 方案已经被应用于摄影机。但是在已知的设计中，仅出于位置感测的目的向摄影机添加专 用的线圈。这样就向设备添加了至少一个组件，并且使得设计和操作复杂化。举例来说，美 国专利US 8，180，211B2描述了一种利用包括铁磁性部件和线圈的磁路在小型摄影机中进 行位置和运动感测的方法，同时利用永磁体和线圈实现运动。
[0007] 因此需要并且有利的将是在数字摄影机中具有位置测量，而不需要使用例如附加 的线圈、永磁体或Hall条传感器之类的附加的感测电路。

【发明内容】

[0008] 在一些实施例中，提供了一种用于感测数字摄影机中的光学元件的位置的方法， 其包括以下步骤:提供第一电磁(EM)致动器，其包括具有至少部分地被第一线圈围绕的第 一铁磁芯的第一静止铁磁性构件，所述第一静止构件是包括第一大气隙的第一磁路的一部 分;致动第一 EM致动器以便在第一方向上移动光学元件，其中所述致动导致机械耦合到光 学元件的移动铁磁性构件通过小于第一大气隙的至少一个气隙绕过或桥接第一大气隙；测 量电感数值;以及把所测量的与电感有关的数值与光学元件的位置相关。
[0009] 在一个实施例中，所述致动步骤包括向第一线圈提供强低频信号，并且所述测量 电感数值的步骤包括利用针对弱高频信号的响应或者利用针对提供到第一线圈的电流脉 冲的响应来测量电感。
[0010] 在一个实施例中，第一铁磁芯还至少部分地被第二线圈围绕，并且所述测量电感 数值的步骤包括利用针对弱高频信号的响应或者利用针对提供到全部两个线圈的电流脉 冲的响应来测量电感。
[0011] 在一个实施例中，第一致动器还包括至少部分地被第二线圈围绕的第二铁磁芯， 所述第二铁磁性构件是包括第一大气隙的第一磁路的一部分，并且所述测量电感数值的步 骤包括利用针对弱高频信号的响应或者利用针对提供到全部两个线圈的电流脉冲的响应 来测量电感。
[0012] 在一个实施例中，第一铁磁芯还至少部分地被第二线圈围绕，所述电感数值是互 感数值，所述致动步骤包括向每一个线圈提供对应的强低频信号，并且所述测量电感数值 的步骤包括向一个线圈提供弱高频信号或电流脉冲并且测量另一个线圈中的响应，所述响 应与所述互感数值相关。
[0013] 在一个实施例中，第一致动器还包括至少部分地被第二线圈围绕的第二铁磁芯， 所述电感数值是互感数值，所述致动步骤包括向每一个线圈提供对应的强低频信号，并且 所述测量电感数值的步骤包括向一个线圈提供弱高频信号或电流脉冲并且测量另一个线 圈中的响应，所述响应与所述互感数值相关。
[0014] 在一个实施例中，一种方法还包括提供具有第二静止铁磁性构件的第二EM致动器 的步骤，所述第二静止铁磁性构件具有至少部分地被第二线圈围绕的对应的第二铁磁芯， 所述第二静止构件是包括第二大气隙的第二磁路的一部分，所述第二EM致动器被配置成在 与第一方向相反的第二方向上移动光学元件。每次仅有一个致动器被致动。作为示例，仅有 第一致动器被致动，第二致动器不被致动，并且所述测量电感数值的步骤包括利用第二致 动器来测量电感数值。
[0015] 在一些实施例中，提供一种用于感测数字摄影机中的光学元件的位置的设备，其 包括:第一 EM致动器，其包括具有至少部分地被第一线圈围绕的第一铁磁芯的第一静止铁 磁性构件，所述第一静止构件是包括第一大气隙的第一磁路的一部分，第一 EM致动器被配 置成在被致动时在第一方向上移动光学元件，其中所述致动导致机械耦合到光学元件的第 一移动铁磁性构件通过至少一个更小的气隙绕过或桥接第一大气隙；以及基于电感的位置 感测模块，其被配置成驱动所述致动并且测量与光学元件的给定位置相关的电感数值。
[0016] 在一个实施例中，所述基于电感的位置感测模块包括具有适于提供低频高电流信 号以及高频低电流信号或脉冲电流信号的电流驱动器的驱动电路，以及适于测量电感数值 的基于电感的位置感测电路。在一个实施例中，第一铁磁芯还至少部分地被第二线圈围绕， 并且所述驱动电路和基于电感的位置感测电路电耦合到全部两个线圈。在具有两个线圈的 一个实施例中，所述电感数值是互感数值，所述驱动电路被配置成向全部两个线圈提供低 频高电流信号并且向一个线圈提供高频低电流信号或脉冲电流信号，并且所述基于电感的 位置感测电路被配置成基于在另一个线圈中获得的针对高频低电流信号或脉冲电流信号 的响应来测量互感数值。
[0017] 在一个实施例中，第一致动器还包括至少部分地被第二线圈围绕的第二细长铁磁 芯，所述第二铁磁性构件是包括第一大气隙的第一磁路的一部分，并且所述驱动电路和基 于电感的位置感测电路电耦合到全部两个线圈。在具有两个磁芯和两个线圈的致动器的一 个实施例中，所述驱动电路被配置成向全部两个线圈提供低频高电流信号以及高频低电流 信号或脉冲电流信号。在具有两个磁芯和两个线圈的一个实施例中，所述电感数值是互感 数值，所述驱动电路被配置成向全部两个线圈提供低频高电流信号并且向一个线圈提供高 频低电流信号或脉冲电流信号，并且所述基于电感的位置感测电路被配置成基于在另一个 线圈中获得的针对高频低电流信号或脉冲电流信号的响应来测量互感数值。
[0018] 在一个实施例中，一种设备还包括具有第二静止铁磁性构件的第二EM致动器，所 述第二静止铁磁性构件具有至少部分地被第二线圈围绕的铁磁芯，所述第二静止构件是包 括第二大气隙的第二磁路的一部分，所述第二EM致动器被配置成在与第一方向相反的第二 方向上移动光学元件。
【附图说明】
[0019] 下面将参照附图仅通过举例的方式来描述非限制性实施例，其中：
[0020] 图1在方块图中示意性地示出了这里所公开的用于致动数字摄影机中的光学元件 并且用于感测其位置的摄影机子系统的一个实施例；
[0021] 图2A在方块图中示意性地示出了这里所公开的用于致动数字摄影机中的光学元 件并且用于感测其位置的摄影机子系统的另一个实施例；
[0022] 图2B在方块图中示意性地示出了这里所公开的用于致动数字摄影机中的光学元 件并且用于感测其位置的摄影机子系统的另一个实施例；
[0023] 图3示出了这里所公开的被用来移动和感测光学元件的侧向运动的两个致动器的 一种设置：（a)是第一位置处的致动器对的等距视图并且(a'）是顶视图，（b)和(c)分别仅是 第二和第三位置处的顶视图；
[0024] 图4示出了这里所公开的被用来移动和感测光学元件的侧向运动的两个致动器的 另一种设置：（a)是第一位置处的致动器对的等距视图并且(a'）是顶视图，（b)和(c)分别仅 是第二和第三位置处的顶视图；
[0025] 图5示出了利用有限元方法(FEM)软件获得的电感相对于位置关系的仿真结果。
[0026] 图6A示出了使用在这里所公开的方法中的具有电感器感测电路的麦克斯韦电桥；
[0027] 图6B示出了使用在这里所公开的方法中的具有电容器感测电路的麦克斯韦电桥； [0028]图7在(a)中示出了针对找到对应于并联(实线)和串联(虚线)RLC电路的电谐振频 率的仿真结果，并且在(b)中示出了针对作为并联(实线)和串联(虚线)RLC电路的电感改变 的函数的电压读数的仿真结果；
[0029] 图8示出了使用在这里所公开的耦合线圈位置感测方法中的互感测量电路；
[0030] 图9在方块图中示意性地示出了这里所公开的处于耦合线圈配置中的用于致动数 字摄影机中的光学元件并且用于感测其位置的摄影机子系统的令一个实施例；
[0031] 图10A示出了可以在其中应用这里所公开的耦合线圈位置感测方法的致动器的一 个实施例；
[0032] 图10B示出了可以在其中应用这里所公开的耦合线圈位置感测方法的致动器的另 一个实施例；
[0033] 图10C示出了可以在其中应用这里所公开的耦合线圈位置感测方法的致动器的另 一个实施例；
[0034] 图11示出了利用图2A的子系统和图6A中描述的电压读取方法的位置相对于电压 关系的实验结果。
【具体实施方式】
[0035] 图1在方块图中示意性地示出了这里所公开的用于致动数字摄影机中的光学元件 102并且用于感测其位置的设备(或"子系统"）的编号为100的一个实施例，其对应于利用方 法1(反作用力致动)实现致动的情况。被致动的光学元件例如可以是透镜、摄影机模块(透 镜和传感器）、摄影机传感器或摄影机快门。子系统100包括基于电感的位置感测电路104和 电流驱动器106,二者都电连接到致动器108的线圈（未示出）。致动器类型例如可以是在PCT 专利申请PCT/IB2014/062836中所公开的类型，其中例如在图12中示出了回位弹簧。正如在 其中所公开的那样，每一个这样的致动器在包括所有静止铁磁性构件(其在致动期间不移 动）的磁路中具有至少一个大气隙。在致动期间，通过移动铁磁性构件，每一个大气隙通过 更小的气隙被绕过或桥接。致动器结构被设计成拉动移动铁磁性构件并且减小致动器的磁 阻，从而提供较大的磁力。在一个实施例中，所述基于电感的位置感测电路和电流驱动器可 以被组合到基于电感的感测模块112中。子系统100还包括微控制器110(其可以被完全或部 分地实施在摄影机的微控制器中），其用于控制致动器的致动以及位置感测电路和相关联 的电流驱动器。
[0036] 在使用中，通过测量致动器线圈的电感改变并且通过把电感改变与移动铁磁性构 件/光学元件的位置相关来获得致动(其导致移动铁磁性构件和与之附着的光学元件的移 动）期间的位置感测。可以利用任何已知的方法来实施电感测量。后面更加详细地描述了示 例性的方法。在一些实施例中，相同的线圈被用于致动和位置感测。可以使用两个致动/感 测方法实施例:在第一实施例中，对于致动使用强(例如10-100mA)DA或低频AC"驱动"信号 (例如直到具有100Hz的典型数值的机械共振频率）。在后文中，DC和低频AC驱动信号都将被 称作"低频"驱动信号。通过利用弱(例如l-l〇mA)高频AC信号(例如是具有100Hz的典型数值 的机械共振频率的10倍或更高）测量致动线圈中的电感来获得位置测量(参见后面的电感 测量方法2a、2b、3和4)。在第二实施例中，向线圈发送驱动信号之上的脉冲信号（参见测量 方法1)。由于脉冲比回位弹簧共振周期(例如10msec)要短得多(例如彡lmsec)，因此信号的 时间多路复用不会与致动器运动发生干扰。
[0037]图2A在方块图中示意性地示出了这里所公开的用于致动数字摄影机中的光学元 件202并且用于感测其位置的子系统的编号为200的另一个实施例。子系统200中的致动是 双重致动(涉及两个致动器）。子系统200包括第一位置感测电路204和第一电流驱动器206， 二者都电连接到第一致动器208的线圈（未示出），并且还包括第二位置感测电路210和第二 电流驱动器212,二者都电连接到第二致动器214的线圈（未示出）。与子系统100中一样，所 述基于电感的位置感测电路和电流驱动器可以被组合到基于电感的感测模块(未示出）中。 光学元件机械耦合到移动铁磁性构件。所述两个致动器形成一个致动器对。每一个致动器 对包括例如在PCT专利申请PCT/IB2014/062836中公开的类型的两个完全相同的致动器。在 一个示例性实施例，所述致动器可以是在这里的图3和4中以及在PCT/IB2014/062836的图 10和13中示出的类型。子系统200还包括微控制器(或者简称作"控制器"）216,其用于控制 所述两个致动器的致动以及位置感测电路和相关联的电流驱动器。所述控制器可以被完全 或部分地实施在摄影机的微控制器中。
[0038]在图2B中示出的另一个实施例200'中，所述两个位置感测电路可以被组合到单个 位置感测电路204'中，并且所述两个电流驱动器可以被组合到单个电流驱动器206'中，其 中控制器通过开关220在两个致动器之间切换位置感测电路和电流驱动器的连接。与子系 统100中一样，基于电感的位置感测电路和电流驱动器可以被组合到基于电感的感测模块 (未示出）中。
[0039]图3示出了编号为300a和300b的一对完全相同的致动器的设置300,其被用来感测 例如透镜、摄影机模块、摄影机传感器或摄影机快门之类的光学元件的侧向位置。所示出的 χ-γ-Ζ坐标框架对于后面所讨论的所有致动器附图都适用（也就是对于图3和4)。致动器 300a和300b类似于PCT专利申请PCT/IB2014/062836中的致动器1000。致动器不一定是按比 例绘制的，并且其中的不同部件可以具有不同于图中所示出的比例。图3(a)示出了第一位 置处的致动器对的等距视图，图3(a'）则示出了顶视图。在图3(b)和3(c)中仅示出了第二和 第三位置的顶视图。
[0040]由于两个致动器是完全相同的，因此一些部件可以在致动器300a中被编号，其他 部件可以在致动器300b中被编号。每一个致动器包括第一铁磁性框架302和第二铁磁性框 架304。作为示例，框架302可以是静止的（固定的），并且框架304可以是移动的。固定框架 302包括至少部分地被线圈308围绕的细长铁磁芯306以及两个臂状物310a和310b。臂状物 310a和310b跨过大气隙cU彼此相对。移动框架306具有中空矩形(环形)形状，其具有两个底 座构件312a和312b以及两个臂状物314a和314b。所述环形具有内部开口 316,其在一些实施 例中可以被缩放以在其内部容纳光学元件。在其他实施例中，光学元件可以连接到环形的 平面侧。在这种情况下，所述环形可以是闭合的。臂状物314a和314b在X-Z平面中被嵌套在 框架302内部。两对臂状物314a和310a以及314b和310b基本上平行并且通过小气隙d 2沿着 长度维度分开。每一个臂状物具有与所述小气隙邻接的操作表面。可以在PCT专利申请PCT/ IB2014/062836中找到更多细节。
[0041] 在操作中，经过线圈308的电流感生出经过磁路的磁场。大空隙ch通过移动框架 304并且通过各个小气隙被桥接。线圈在移动框架304上感生出的磁力的动作是"拉动"动 作。所述结构的对称性确保(X-Z平面中的)侧力被固有地抵消。
[0042] 在图3中，致动器被设置成"相反"的一对，并且所述致动是双重致动（"方法2"）。 "相反"标签表明一个致动器的"拉动"动作在与另一个致动器相反的方向上拉动光学元件。 一个致动器(作为示例是致动器300a)利用强（例如Ι-lOmA)低频信号（例如直到具有100Hz 的典型数值的机械共振频率)驱动所述拉动力，以便在一个方向上（如图所示的+X)拉动光 学元件。通过测量相反致动器(在该例中是致动器300b)的线圈中的电感来获得位置测量， 该线圈被称作"感测线圈"。也就是说，利用一个线圈实施致动，同时利用另一个线圈测量电 感。通过使用致动器300b在相反反向上(-X)拉动光学元件实现透镜的相反移动。在这种情 况下，利用致动器300a的线圈作为感测线圈来测量电感。应当注意到，移动铁磁性构件同步 移动，其机械耦合到彼此以及光学元件。所示出的三个位置是+X方向上的相继位置:在(a、 a'）中移动构件处于第一位置，在(b)中其已经沿着+X轴移动到第二位置，并且在(c)中其已 经沿着+X轴进一步移动到第三位置。
[0043]图4不出了被用来感测光学兀件的侧向运动的编号为400a和400b的一对致动器的 另一种设置400。图4(a)示出了第一位置处的致动器对的等距视图，图4(a'）则示出了顶视 图。在图4(b)和4(c)中仅示出了第二和第三位置的顶视图。与图3中的设置不同，在这里两 个致动器共享单个移动铁磁性构件404。相反的致动器400a和400b具有至少部分地被线圈 408a和408b围绕的对应的磁芯406a和406b。在操作中，一个致动器拉动移动构件404,同时 在相反致动器的线圈中测量电感，并且使用相同的移动构件来导致电感的改变。与图3中一 样，移动铁磁性构件404的三个位置是递增的+X位置。移动构件404机械耦合到光学元件，因 此其移动直接转换成光学元件的移动。
[0044]电感测量方法 [0045] 1、电流充电时间
[0046] 有几种已知的方法用于测量磁阻致动器中的电感。一种此类方法测量感测线圈中 的电流充电时间。假设如图3或4中的致动器的线圈具有L = 2mH和R = 20 Ω的电感和电阻的 典型数值。作为示例，可以利用具有外部电压Vin的作为例如104或110的感测电路的一部分 的电压源来对感测线圈进行充电，从而获得一阶响应：
[0047]
[0048] 共个，U定?测￡戈圆个tf〕电流，并且It、是电流关于时间的导数。对于输入V i n = V〇u (t)，其中u(t)是Heaviside (单位)阶跃函数，Vo是以电压计的阶跃高度，并且具有零初始条 件Il(0)=0,对应于t>0的解为如下：
[0049]
[0050] 通过测量电流来测量电路的上升时间。上升时间与电感f · |成比例。一旦电感是 已知的，就可以利用电感-位置曲线图将其转换成位置，比如图5或8中所示出的曲线图。图5 示出了利用有限元方法(FEM)软件获得的电感相对于位置(X)关系的仿真结果。内插出仿真 点之间的线。
[0051 ] 2a、具有电感器的麦克斯韦电桥
[0052] 另一种方法使用如图6A中所示的电路。插入AC电流，并且电压降被测量为ν_ = Vbd。分流器提供：
[0053]
[0054]
[0055]其中，"Z"代表阻抗Z = R+j c〇L。基尔霍夫电压定律(KVL)提供：
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[0057] 对于尺=尺1 =尺2 =尺3 =尺4,41您:"+巍1，1?>>〇^儿>厶1^
[0058] J ^ ^ ' ·/、· '
[0059] 因此，在电路中所读取的电压与电感线性成比例。
[0060] 2b、具有电容器的麦克斯韦电桥
[0061]另一种方法使用如图6B中所示的电路。插入AC电流，并且电压降被测量为VQUt = Vdb。定义下式：
[0063]分流器提供：
[0066] KVL 提供：[0067]
[0064]
[0065]
[L ~u」 /V.J J m - IVz；-IV3-IV4-IV:
[0069]
[0070] 现在假SU = L+AL和L> AL，其中L = C3R2:
[0071]
[0072] 并且同样地，输出中的电压与电感线性成比例。典型数值:对于L = 2mH、R = 20Q， 所需要的电容渴
[0073] 3、线圈阻抗的测量
[0074]另一种方法用于直接测量感测线圈的阻抗Z = R+c〇L。对于给定的正弦电流驱动， 可以测量输出电压的相位和幅度。驱动频率应当通常大于R/2JIL，以使得阻抗的电感部分居 于主导地位。对于已知的I和V(作为复数），可以从Z = V/I提取出Z。
[0075] 4、RLC 电路
[0076]在另一种测量方法中，感测线圈连接到电容器以产生RLC电路。在谐振频率附近实 施测量，其应当由于电感改变而发生偏移。由于电感器与电阻器串联，因此电容器可以被并 联或串联连接。每一种配置中的对应于正弦驱动信号的集总输入阻抗为如下：
[0077]
[0078] 其中在全部两种情况下都有<4 = 假设RLC电路具有电流源，并且测量电路上 的电压降。图7在(a)中示出了对于并联(实线)和串联(虚线)RLC电路寻找电谐振频率的仿 真结果，并且在(b)中示出了针对作为并联(实线)和串联(虚线)RLC电路的电感改变的函数 的电压读数的仿真结果。附图中的电压水平是对应于10mA正弦驱动电流的预期水平。电压 响应与电流成线性。可以看到，对于低电容数值(例如在图C中是luF量级和更小），全部两幅 曲线图都表现出局部极值点：对应于并联RLC电路的最大值和对应于串联RLC电路的最小 值。这些极值出现在谐振频率ω〇附近。在极值点附近，作为电感改变的函数的输出信号中 的改变是最大的，因此是所期望的工作点。
[0079] 5、耦合线圈位置测量方法
[0080]利用图8中描述的子系统以及后面所描述的任何"耦合线圈"致动器实施例，两个 线圈的互感可以被用来感测移动铁磁性构件以及与之附着的光学元件的位置。下面定义了 术语"耦合线圈"。假设两个线圈A和B缠绕在相同的磁路中并且具有对应的恒定数目的绕组 、咏和电阻11\、1^，其示例性数值为仏=咏=200-1000，1^=1^ = 5-20〇。此外，两个线圈被定 义成具有La、Lb自感以及两个线圈之间的Μ互感。当移动铁磁性构件移动时，电感数值发生改 变，并且被用来感测位置。在示例性模块中，两个电感器的电感数值La、Lb在开始时是相等 的，并且在致动期间在1 -1 OmH的范围内同时改变。互感Μ在Μ = 0.1 -5mH的范围内改变。两个 线圈如图9中所示地连接在电路中。线圈A连接到具有角频率ω(通常是500-10000HZ)的AC 电流驱动器，线圈Β与具有100 Ω或更大的典型数值的负载电阻器RL串联连接。
[0081] 线圈中的电流与其上的电压降之间的关系由下式给出：
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086]
[0087]由于Rl>>Rb，coLb，因此我们可以近似：
[0088] vLB = jc〇MIin
[0089] 输出信号VLB被定义成AC频率中的线圈B上的电压降，并且与两个线圈的互感Μ成比 例，互感Μ又取决于致动器的位置，正如后面所解释的那样。应当提到的是，输出信号还与输 入频率ω成比例，因此电流驱动器904和910的低频驱动贡献(参见图9，其被用于致动)实际 上被抵消。向电路添加任何低频电流对于高频下的电感测量读数的影响都将非常小。
[0090] 耦合线圈致动器实施例
[0091] 图9在方块图中示意性地示出了这里所公开的用于致动数字摄影机中的光学元件 920并且用于感测其位置的子系统的编号为900的另一个实施例。子系统900中的致动和位 置感测实质上类似于子系统100中的致动和位置感测。也就是说，单个磁路(致动器)被用来 致动并且感测光学元件的位置。但是子系统900与子系统100的不同之处在于，其具有分别 连接到相同磁路中的两个线圈的其中之一的两个不同的电路。这在后面被称作"耦合线圈" 配置。全部两个线圈都被用于驱动(致动）。此外，向其中一个线圈发送高频信号，同时利用 "互"感改变在另一个线圈中测量所述高频以用于位置测量(参见前面对于电感测量方法5 的描述）。在PCT专利申请PCT/IB2014/062836的图1六、18、2、3、4、6、7、8和9中示例性地描述 了在单个磁路中具有对应的磁芯和线圈的具有两个铁磁性构件的单个致动器。作为示例， 在其中的图1中，两个线圈被编号为106和112。
[0092] 如图9中所示，子系统900包括第一电路902,其具有第一高电流(例如10-100mA)低 频(例如通常是O-lOOHz)电流驱动器904和低电流（Ι-lOmA)高频(例如具有100Hz的典型数 值的机械共振频率的10倍或更高）电流驱动器906,并且还包括第二电路908,其具有第二高 电流(例如l〇-l〇〇mA)低频(例如通常是O-lOOHz)电流驱动器910和基于电感的位置感测电 路912。第一电路902电连接到第一致动器线圈914(其也被标记成A)。第二电路908电连接到 第二致动器线圈916(其也被标记成B)。全部两个致动器线圈914和916在空间中产生磁场， 其致动一个或两个移动铁磁性构件918。每一个移动铁磁性构件机械耦合到光学元件920。 子系统900还包括微控制器922(其可以被完全或部分地实施在摄影机的微控制器中），其用 于控制致动器的致动、电路以及相关联的电流驱动器的位置测量。
[0093] 在使用中，与子系统100中一样，强(例如10-100mA)低频驱动信号（例如直到具有 100Hz的典型数值的机械共振频率)被用于致动。微控制器922同时向高电流低频电流驱动 器904并且向高电流低频电流驱动器910全部二者发送电流命令，从而使得全部两个DC电流 驱动器的电流输出相等，并且其同时被驱动到线圈914和916。正如前面所提到的那样，除了 强低频驱动信号之外，弱(例如Ι-lOmA)高频位置感测信号(例如是具有100Hz的典型数值的 机械共振频率的10倍或更高)被用于位置感测。高频位置感测信号仅从电流驱动器906被注 入到第一线圈914中，并且与源自电流驱动器910的电流混合。位置感测电路912被用来测量 在第二线圈916中感生出的高频信号（并且因此是两个线圈914和916的互感（"M"））的幅度 (参见后面的电感测量方法5)。
[0094] 图10A示出了可以在其中应用耦合线圈位置感测方法的具有单个静止铁磁性构件 并且被编号为1000的致动器的另一个实施例，其中所述单个静止铁磁性构件具有两个线 圈。致动器1000被示出在Z方向上的顶(或底)视图中，并且包括单个静止铁磁性构件1002。 构件1002可以具有部分地闭合的矩形或圆形形状，作为示例其具有单个开口，并且分别在 臂状物末端构件1008和1010的两个边缘1004和1006之间具有大气隙cU。两个线圈1012和 1014缠绕在静止铁磁性构件1002上，从而使得每一个线圈例如可以覆盖所述构件的一个节 段（"臂状物"）（如图所示的节段1016和1018)。致动器1000还包括移动铁磁性构件1020,其 与臂状物末端构件1008和1010的节段的一部分重叠并且通过小气隙山与之分开。在致动期 间，通过静止和移动铁磁性构件形成桥接小气隙的磁路。致动导致移动铁磁性构件（以及与 之附着的光学元件)在Z方向上的移动，也就是基本上垂直于X-Y平面。在图10A所示的实施 例中，线圈被设置在静止铁磁性构件的相对臂状物上，所述线圈彼此"平行并且相对"。
[0095] 图10B示出了可以在其中应用这里所公开的耦合线圈位置感测方法的编号为1030 的致动器的另一个实施例。致动器1030与致动器1000的类似之处在于包括单个静止铁磁性 构件1032。静止构件1032可以具有部分地闭合的矩形或圆形形状，作为示例其具有单个开 口，并且分别在臂状物末端构件1038和1040的两个边缘1034和1036之间具有大气隙cU。但 是与致动器1000中不同，两个线圈1042和1044被缠绕在静止铁磁性构件1032上，从而使得 每一个线圈被围绕一个节段(磁芯）1046缠绕并且沿着共同的长对称轴1048对准。因此，取 代致动器1000中的"平行并且相对"，在这里两个线圈"平行并且同轴"。致动器1000还包括 移动铁磁性构件1050,其与臂状物末端构件1038和1040的节段的一部分重叠并且通过小气 隙办与之分开。在致动期间，通过静止和移动铁磁性构件形成桥接小气隙的磁路。致动导致 移动铁磁性构件（以及与之附着的光学元件)在Z方向上的移动，也就是基本上垂直于X-Y平 面。
[0096]图10C示出了可以在其中应用这里所公开的耦合线圈位置感测方法的编号为1060 的致动器的另一个实施例。类似于致动器1000和1030,致动器1060包括单个静止铁磁性构 件1062,但是其具有部分地闭合的矩形形状并且包括两个细长铁磁芯1064和1066,其在每 一个磁芯的一端形成90度角。每一个磁芯在另一端具有L形节段，所述L形节段具有对应的 末端构件(分别是1068和1070)。末端构件1068和1070在对应的边缘1072和1074处通过大气 隙di分开。两个线圈1076和1078被缠绕在对应的磁芯1064和1066上。致动器1060还包括移 动铁磁性构件1080,其与末端构件1068和1070的一部分重叠并且通过小气隙d 2与之分开。 在致动期间，通过静止和移动铁磁性构件形成桥接小气隙的磁路。致动导致移动铁磁性构 件（以及与之附着的光学元件)在Z方向上的移动，也就是基本上垂直于X-Y平面。
[0097]虽然图10A-C所示出的致动器实施例示出了具有总体上是矩形的静止铁磁性构件 和直的移动铁磁性构件，但是其他"耦合线圈"致动器也可以是可能的。举例来说，静止铁磁 性构件可以具有(如前面所提到的）圆形形状，并且移动铁磁性构件可以具有圆形形状，从 而与静止构件的节段保持恒定的小间隙。在具有圆形构件的致动器中，两个线圈将被放置 在静止铁磁性构件的相同曲率半径上。
[0098]电感到位置转换
[0099] 通过查看下面的关系式可以找到电感与位置之间的关系：
[0100]
[0101]兵甲，L是线圈电惣，N是线圈统纽_的数目，哭滅找辦是金属的磁阻，并且是空气 的磁阻。取决于气隙的几何结构。随着气隙减小，磁阻减小并且电感增大。与移动 铁磁性构件位置之间的确切关系取决于几何结构，并且在通常情况下无法被解析计算。图 11示出了利用图2A的子系统和具有电感器测量的麦克斯韦电桥的位置相对于电压读数关 系的实验结果。对于前面所描述的任何其他基于电感的位置测量方法可以获得类似的实验 结果。
[0102]虽然通过特定实施例和总体上相关联的方法描述了本公开内容，但是本领域技术 人员将会想到所述实施例和方法的改动和置换。本公开内容应当被理解成不受限于这里所 描述的具体实施例，而是仅由所附权利要求书的范围限制。
[0103]在本说明书中提到的所有专利、专利申请和出版物被全文合并到本说明书中以作 参考，其程度等同于明确地并且单独地表明每一项单独的专利、专利申请或出版物都被合 并在此以作参考的情况。此外，在本申请中对于任何参考文献的引述或标识不应当被理解 成承认这样的参考文献可以作为本申请的现有技术。
【主权项】
1. 一种用于感测数字摄影机中的光学元件的位置的方法，其包括以下步骤： a) 提供第一电磁(EM)致动器，其包括具有至少部分地被第一线圈围绕的第一铁磁芯的 第一静止铁磁性构件，所述第一静止构件是包括第一大气隙的第一磁路的一部分； b) 致动第一 EM致动器以便在第一方向上移动光学元件，其中所述致动导致机械耦合到 光学元件的移动铁磁性构件通过小于第一大气隙的至少一个气隙绕过或桥接第一大气隙； c) 测量电感数值；以及 d) 把所测量的与电感有关的数值与光学元件的位置相关。2. 权利要求1的方法，其中，所述致动步骤包括向第一线圈提供强低频信号，并且所述 测量电感数值的步骤包括利用针对弱高频信号的响应或者利用针对提供到第一线圈的电 流脉冲的响应来测量电感。3. 权利要求1的方法，其中，第一铁磁芯还至少部分地被第二线圈围绕，并且所述测量 电感数值的步骤包括利用针对弱高频信号的响应或者利用针对提供到全部两个线圈的电 流脉冲的响应来测量电感。4. 权利要求1的方法，其中，第一致动器还包括至少部分地被第二线圈围绕的第二铁磁 芯，所述第二铁磁性构件是包括第一大气隙的第一磁路的一部分，并且所述测量电感数值 的步骤包括利用针对弱高频信号的响应或者利用针对提供到全部两个线圈的电流脉冲的 响应来测量电感。5. 权利要求1的方法，其中，第一铁磁芯还至少部分地被第二线圈围绕，所述电感数值 是互感数值，所述致动步骤包括向每一个线圈提供对应的强低频信号，并且所述测量电感 数值的步骤包括向一个线圈提供弱高频信号或电流脉冲并且测量另一个线圈中的针对弱 高频信号或针对电流脉冲的响应。6. 权利要求1的方法，其中，第一致动器还包括至少部分地被第二线圈围绕的第二铁磁 芯，所述电感数值是互感数值，所述致动步骤包括向每一个线圈提供对应的强低频信号，并 且所述测量电感数值的步骤包括向一个线圈提供弱高频信号或电流脉冲并且测量另一个 线圈中的针对弱高频信号或针对电流脉冲的响应。7. 权利要求1的方法，其还包括以下步骤： e) 提供具有第二静止铁磁性构件的第二EM致动器，所述第二静止铁磁性构件具有至少 部分地被第二线圈围绕的对应的第二铁磁芯，所述第二静止构件是包括第二大气隙的第二 磁路的一部分，其中第二EM致动器被配置成在与第一方向相反的第二方向上移动光学元 件，致动第一 EM致动器的步骤包括仅致动两个致动器当中的一个，并且测量电感数值的步 骤包括利用另一个致动器来测量电感数值。8. 用于感测数字摄影机中的光学元件的位置的设备，其包括： a) 第一电磁(EM)致动器，其包括具有至少部分地被第一线圈围绕的第一铁磁芯的第一 静止铁磁性构件，所述第一静止构件是包括第一大气隙的第一磁路的一部分，第一 EM致动 器被配置成在被致动时在第一方向上移动光学元件，所述致动导致机械耦合到光学元件的 第一移动铁磁性构件通过至少一个更小的气隙绕过或桥接第一大气隙；以及 b) 基于电感的位置感测模块，其被配置成驱动所述致动并且测量与光学元件的给定位 置相关的电感数值。9. 权利要求8的设备，其中，所述基于电感的位置感测模块包括： i、 具有适于提供低频高电流信号以及从包括高频低电流信号和脉冲电流信号的一组 当中选择的信号的电流驱动器的驱动电路，以及 ii、 适于测量电感数值的基于电感的位置感测电路。10. 权利要求9的设备，其中，第一铁磁芯还至少部分地被第二线圈围绕，并且所述驱动 电路和基于电感的位置感测电路电耦合到全部两个线圈。11. 权利要求10的设备，其中，所述电感数值是互感数值，所述驱动电路被配置成向全 部两个线圈提供低频高电流信号并且向一个线圈提供高频低电流信号或脉冲电流信号，并 且所述基于电感的位置感测电路被配置成基于在另一个线圈中获得的针对高频低电流信 号或脉冲电流信号的响应来测量互感数值。12. 权利要求9的设备，其中，第一致动器还包括至少部分地被第二线圈围绕的第二细 长铁磁芯，所述第二铁磁性构件是包括第一大气隙的第一磁路的一部分，并且所述驱动电 路和基于电感的位置感测电路电耦合到全部两个线圈。13. 权利要求12的设备，其中，所述驱动电路被配置成向全部两个线圈提供低频高电流 信号以及高频低电流信号或脉冲电流信号。14. 权利要求12的设备，其中，所述电感数值是互感数值，所述驱动电路被配置成向全 部两个线圈提供低频高电流信号并且向一个线圈提供高频低电流信号或脉冲电流信号，并 且所述基于电感的位置感测电路被配置成基于在另一个线圈中获得的针对高频低电流信 号或脉冲电流信号的响应来测量互感数值。15. 权利要求8的设备，其还包括具有第二静止铁磁性构件的第二EM致动器，所述第二 静止铁磁性构件具有至少部分地被第二线圈围绕的铁磁芯，所述第二静止构件是包括第二 大气隙的第二磁路的一部分，其中第二EM致动器被配置成在与第一方向相反的第二方向上 移动光学元件，所述基于电感的位置感测模块还被配置成驱动一个致动器的致动并且在另 一个致动器中测量与光学元件的给定位置相关的电感数值。
【文档编号】G03B7/10GK105980922SQ201480060599
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年7月19日
【发明人】G·巴查尔, E·戈登堡, G·沙布岱
【申请人】核心光电有限公司