一种微型防抖云台的制作方法

1.本发明涉及防抖云台领域，特别是涉及一种微型防抖云台。


背景技术：

2.近年来具有拍摄功能的小型移动装置十分普及，应用范围亦不断扩展，包括运动相机、执法记录仪及行车记录仪。在所述装置中，包含至少一颗小型相机模组(compact camera module)。因此，所述模组的市场很庞大，增长亦稳步上扬。
3.在拍照及拍影片时，所述装置拍出来的照片及影片很可能因为外来振动而出现模糊或晃动，影响照片及影片质素。当振动比较激烈，或在低光情况下，这问题会更加严重。
4.为了解决上述问题，市场上已经出现很多不同的防抖技术。现有主流技术通过读取振动传感器(例如陀螺仪及加速传感器)，计算振动波形及所需的补偿角度，通过电子、光学、或机械方法补偿因振动造成的图像模糊及晃动，达致改进图像质素的效果。
5.所述现有技术可以按振动补偿方法分为三类，包括电子影像稳定器(electronic image stabilizer,eis)、光学影像稳定器(optical image stabilizer,ois)及防抖云台(gimbal stabilizer,gs)。eis﹑ois及防抖云台各有不同的优点及缺点。
6.eis是通过电子方法，达致防抖效果。在拍摄时，eis会跟据计算的振动波形，调整每一帧影像的位置，抵消因振动造成的影像晃动。由于eis不需要额外的致动器，所以eis的主要优点是成本低，无需额外增加重量及体积。
7.ois是通过光学及机械方法，利用致动器移动光学部件(可以是镜头中的一片，一组或所有镜片)，达致光学部件和图像传感器之间出现相对运动，改变光路(optical path)及成像圈(image circle)位置，抵消因振动造成的影像晃动。由于ois是在拍摄每一帧影像中不断作出光学防抖补偿，因此能抵消每一帧影像曝光时的抖动，可以达致比eis更佳的影像质素。
8.主流防抖云台(gs)是通过机械方法(参考专利：cn103513492a﹑cn104903790a﹑ep3086451a1及us20090257741a1)，带动整个包含镜头及图像传感器的相机模组，作出和振动方向相反，但振幅接近的运动，抵消因振动造成的晃动。在防抖过程中，由于光学部件和图像传感器之间没有相对运动，所以影像质素及防抖效果在影像边缘不会出现下降，亦不需要因为防抖犠牲镜头的部份光学解像度，及图像传感器部份解像度。因此，主流gs的防抖效果和影像质素比eis及ois好。
9.微型防抖云台(micro gimbal stabilizer，mgs)的防抖原理和主流防抖云台相近(参考专利：cn107340667a)，都是通过带动整个包含镜片及图像传感器的相机模组，达致防抖的效果。mgs采用特别的弹片及软性电路板设计(参考专利：cn107315302a)，提供mgs所需的旋转自由度及达致节省空间的目的。
10.eis的主要缺点昰无法补偿每一个帧中的影像晃动，这是由于eis通过调整每一帧影像的位置，抵消因振动做成的影像晃动。所以，eis开启后拍摄的影像会较容易出现因影像晃动做成的模糊。
11.另一个eis缺点是牺牲了图像传感器的解像度。在eis开启时，图像传感器或图像处理器需要按计算振动波形剪裁合适的影像，作为最终影像。在剪裁过程中，解像度会下降，所述最终影像会比图像传感器最大的解像度低。因此，eis会牺牲图像传感器最大的解像度，降低影像质素。
12.相对gs，ois的主要缺点是牺牲镜头的部份光学解像度。在ois过程中，影像圈在图像传感器上的位置会不断改变。为了避免成像圈超出在ois过程中超出图像传感器，成像圈必须因为ois而扩大，但这会浪费了镜头应有的解像度。另一方面，在ois过程中，当成像圈的位置较偏时，成像圈边缘会更靠近图像传感器。由于大部份镜头的在边缘模糊度及畸变度都比中心严重，因此一般ois的影像解像度及防抖效果都不及gs，这问题在广角相机模组中更明显。
13.虽然gs的影像质素及防抖效果比ois及eis有明显优势，但是gs需要能驱动整个相机模组的致动器。由于相机模组的重量及大小远比镜头多，因此gs致动器的成本、装置，或者会减少移动装置电池的续航时间。
14.另一方面，主流的gs技术(参考专利：cn103513492a、cn104903790a、ep3086451a1、以及us20090257741a1)采用了滚珠轴承或其他带有摩擦力的接触点，作为固定及可动部件之间的机械支撑结构。由于所述支撑结构的摩擦力和可动部件的速度之间是非线性的关系，因此所述支撑结构增加了非线性的摩擦力，所述摩擦力可以影响防抖效果。尤其是当振动比较微细及频率较高时，影响会更加明显，防抖效果可能欠佳。另外，大部份的gs技术采用闭环控制，gs的控制电路需要额外的功耗稳定防抖系统。当振动幅度及频率过高时，所述控制电路所需的输出电压或电流可能会超出控制电路的极限，造成电路过热或防抖效果欠佳。
15.因为mgs没有采用带有摩擦力的接触点，所以不会出现所述摩擦力带来的缺点。但是，由于以往mgs中的软性电路板弹性变形部份远离旋转中心，所以在防抖运动过程中所述弹性变形部份需要多轴位移及旋转自由度运动(参考专利：cn107340667a、cn107315302a)。为了提供所述自由度，软性电路板中的弹性变形部份必须是很窄及较厚，增加软性电路板的成本及制作时间。另外，所述弹性变形部份及旋转中心距离亦比较远，所以mgs在防抖过程中需要很大功耗推动软性电路板。这亦导致mgs的体积较大，及同时增加镜头和旋转中心的距离，提高mgs可动结构的转动惯量(moment of inertia)，不利mgs功耗及防抖表现。最后，大部份mgs模组采用mgs和相机模组一体式设计，但这种设计减少配搭mgs的弹性，增加成本。例如：当mgs需要配搭不同的镜头或图像传感器时，mgs的设计很可能需要较大改动，导致成本增加。


技术实现要素：

16.为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种微型防抖云台，以解决现有的微型防抖云台的功耗高且防抖表现不佳的问题。
17.基于此，本发明提供了一种微型防抖云台，包括弹性支架、相机模组、至少一个定位座、至少一组弹簧、至少一个磁性组件以及至少一个线圈；
18.所述弹性支架包括固定部件、活动部件和弹性部件，所述弹性部件的两端分别连接于所述固定部件和活动部件；
19.所述相机模组和线圈均设于所述活动部件；
20.所述固定部件固定连接于所述定位座，所述磁性组件包括至少两个固定地设于所述定位座且并列设置的磁石，所述线圈与所述磁石相对设置，且所述弹性部件位于所述磁性组件的两个所述磁石之间；
21.所述弹簧的两端分别连接于所述定位座和活动部件。
22.作为优选的，所述弹性部件呈l形，且所述弹性部件的数量设有两个，所述活动部件位于两个所述弹性部件之间。
23.作为优选的，所述磁石设有与竖直面倾斜设置的斜面，所述斜面与所述线圈相对设置。
24.作为优选的，所述线圈具有两个相互平行的作用段，所述作用段平行于所述相机模组的图像传感器；
25.其中一个磁石与其中一个作用段相对设置，另一个磁石与另一个作用段相对设置。
26.作为优选的，所述相机模组的镜头穿过所述弹性部件所在的平面。
27.作为优选的，所述弹簧的延伸方向和所述弹性部件倾斜设置。
28.作为优选的，所述弹性部件在其延伸方向上的厚度小于其延伸方向上的宽度的20％。
29.作为优选的，所述弹性部件所在平面与所述相机模组的旋转中心之间的距离小于所述微型防抖云台在所述相机模组的光轴方向上的高度的30％。
30.作为优选的，所述弹性部件所在平面与所述相机模组的图像传感器之间的距离大于所述微型防抖云台在所述相机模组的光轴方向上的高度的20％。
31.作为优选的，所述相机模组的镜头和图像传感器相对固定，且所述相机模组可拆卸地连接于所述活动部件。
32.本发明的微型防抖云台，包括弹性支架、相机模组、至少一个定位座、至少一组弹簧、至少一个磁性组件以及至少一个线圈；弹性支架包括固定部件、活动部件和弹性部件，弹性部件的两端分别连接于固定部件和活动部件，使活动部件能够相对固定部件运动；相机模组和线圈均设于活动部件；固定部件固定连接于定位座，磁性组件包括两个固定地设于定位座且并列设置的磁石，线圈与所述磁石相对设置，且弹性部件位于两个磁石之间；弹簧的两端分别连接于定位座和活动部件，实现相机模组围绕由活动部件、弹性部件和弹簧等部件构成的弹簧振子系统的旋转中心旋转，且弹性部件所在平面更加接近旋转中心，有效降低了功耗且改善了防抖表现。
附图说明
33.图1是本发明实施例的微型防抖云台的壳体结构示意图；
34.图2是本发明实施例的微型防抖云台的定位座、弹簧、线圈、弹性支架和磁性组件的排布结构示意图；
35.图3是本发明实施例的微型防抖云台的相机模组和弹性支架的装配状态示意图；
36.图4是本发明实施例的微型防抖云台的相机模组的爆炸示意图；
37.图5是本发明实施例的微型防抖云台的a-a处截面示意图；
38.图6是本发明实施例的微型防抖云台的b-b处截面示意图；
39.图7是本发明实施例的微型防抖云台的定位座的侧视示意图；
40.图8是本发明实施例的微型防抖云台的定位座、弹簧、相机模组、弹性支架和磁性组件的装配状态示意图；
41.图9是本发明实施例的微型防抖云台的弹性支架的c-c处截面示意图；
42.图10是本发明实施例的微型防抖云台的外形结构示意图；
43.图11是本发明实施例的微型防抖云台的整体爆炸示意图；
44.图12是本发明实施例的微型防抖云台的俯视示意图；
45.图13是本发明实施例的微型防抖云台的d-d处截面示意图。
46.其中，1、弹性支架；11、固定部件；12、活动部件；13、弹性部件；14、防抖驱动芯片；15、振动传感器；2、相机模组；21、图像传感器；22、镜头；3、定位座；4、弹簧；5、磁性组件；51、磁石；511、斜面；6、线圈；61、作用段；62、线圈座；7、第一外壳；8、第二外壳。
具体实施方式
47.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
48.结合图1至图13所示，示意性地显示了本发明的微型防抖云台，包括弹性支架1、相机模组2、至少一个定位座3、至少一组弹簧4、至少一个磁性组件5、至少一个线圈座62以及至少一个线圈6，当然，为了对上述部件进行保护，该微型防抖云台还包括第一外壳7和第二外壳8，第一外壳7和第二外壳8构成一中空的壳体结构，弹性支架1、相机模组2、定位座3、弹簧4、磁性组件5、线圈6座和线圈6均设于上述壳体结构内。第一外壳7、第二外壳8、定位座3和磁性组件5在云台外部组成不动结构，而上述线圈6、线圈6座设置于可动结构。
49.结合图3和图4所示，弹性支架1包括固定部件11、活动部件12和弹性部件13，弹性部件13的两端分别连接于固定部件11和活动部件12，弹性部件13本身具有弹性，这使得活动部件12能够相对固定部件11运动；当然，弹性支架1本身也可以是相机模组2的传感器电路板，即固定部件11、活动部件12和弹性部件13上设置有排线或其他电路，传感器电路板由软性电路板，或是软硬复合电路板组成，实现上述可动结构上的相机模组2和上述不动结构的其他电路电连接；
50.相机模组2、线圈6座均设于活动部件12，因此，相机模组2和线圈6可相对上述的不动结构运动，进一步的，线圈6安装在线圈6座的外壁上；
51.固定部件11固定连接于定位座3，定位座3固定连接于壳体结构内，磁性组件5包括两个固定地设于定位座3且并列设置的磁石51，如图5，两个磁石51分别固定在第一外壳7和第二外壳8的内壁上，且磁性组件5中的两个磁石51的磁场方向相反，线圈6与磁石51相对设置，磁石51的南极或北极面向线圈6，线圈6和上述的传感器电路板电连接；
52.活动部件12、弹性部件13和弹簧4等部件构成的弹簧4振子系统，弹簧4的延伸方向和弹性部件13倾斜设置；
53.弹性部件13位于两个磁石51之间，弹簧4的两端分别连接于定位座3和活动部件12，在本实施例中，弹簧4的数量设有四个，四个弹簧4分别处于四个不平行的平面上，弹簧4的延伸交点接近于弹簧4振子系统的旋转中心，该旋转中心在该微型防抖云台运动的过程
中几乎不会出现位移，使云台的防抖效果得到改善，且弹性部件13所在平面更加接近旋转中心，有效降低了功耗。
54.优选地，由弹簧4及传感器电路板组成弹簧4振子系统的位移劲度系数(linear spring constant)极高。当出现外来位移振动时，弹簧4振子系统中的旋转中心几乎不会出现位移，所以不会影响微型防抖云台的防抖效果，亦能提高微型防抖云台的抗跌性。
55.如图4，相机模组2包括镜头22、镜头22座和图像传感器21，在本实施例中，镜头22、镜头22座和图像传感器21均相对固定，所以影像质素及防抖效果不会在影像边缘出现下降，亦不需要因为防抖牺牲镜头22的部份光学解像度，以及图像传感器21部份解像度。防抖驱动芯片14和振动传感器15设于弹性支架1的固定部件11上，防抖驱动芯片14通过上述的传感器电路板连接于线圈6，防抖驱动芯片14通过读取至少一个振动传感器15以计算振动信号，防抖驱动芯片14进而输出控制信号以改变线圈6的电流大小及电流方向，线圈6驱动磁石51位移进而驱动活动部件12相对固定部件11运动，达到防抖效果。类似地，图像传感器21通过上述的传感器电路板连接于微型防抖云台之外的控制器、图像处理器等芯片，以提供图像信息。优选的，相机模组2可拆卸地连接于活动部件12，这种设计增加配搭mgs的弹性，减低成本。例如：当mgs需要配搭不同的镜头22或图像传感器21时，发明中的云台设计不需要较大改动，减低开发成本。
56.此外，相机模组2的镜头22穿过弹性部件13所在的平面，如图3和图13所示，镜头22设于弹性部件13的上方，图像传感器21设于弹性部件13的下方，这使得相机模组2的重心更加靠近于弹簧4振子系统的旋转中心，降低了相机模组2的转动惯量，进一步提升防抖效果。弹性部件13所在平面与相机模组2的图像传感器21之间的距离大于微型防抖云台在相机模组2的光轴方向上的高度的20％，即弹簧4振子系统的旋转中心和图像传感器21的距离较远，而弹簧4振子系统的旋转中心和镜头22的距离较近，使镜头22的重心能够更加接近上述的旋转中心。
57.进一步的，固定部件11固定连接于定位座3，弹性部件13主要由软性材料制成，弹性部件13位于磁性组件5的两个磁石51之间，在防抖的过程中，弹性部件13会在上述的两个磁石51之间弹性变形并运动，但弹性部件13不会触碰到上述的两个磁石51。
58.如图3、图4和图9所示，弹性部件13呈l形，且弹性部件13的数量设有两个，活动部件12位于两个弹性部件13之间，两个弹性部件13大致形成一矩形结构。弹性部件13和图像传感器21分别处于两个相互平行的平面上，并与镜头22的光轴垂直设置。弹性部件13所在平面与相机模组2的旋转中心之间的距离小于微型防抖云台在相机模组2的光轴方向上的高度的30％，所以在防抖运动过程中，弹性部件13几乎不会再x轴和y轴方向上平移。且弹性部件13在其延伸方向上的厚度小于其延伸方向上的宽度的20％，即弹性部件13更薄，有利于传感器电路板的生产，能有效降低生产成本和生产周期。
59.优选的，磁石51设有与竖直面倾斜设置的斜面511，斜面511与线圈6相对设置，该斜面511可有效利用空间，降低磁石51和线圈6之间的平均距离，增强磁石51受到的电磁力，降低线圈6功耗。线圈6具有两个相互平行的作用段61，作用段61平行于相机模组2的图像传感器21，其中一个磁石51与其中一个作用段61相对设置，另一个磁石51与另一个作用段61相对设置。
60.通过调整线圈6的电流方向及大小，便能造成向rx方向围绕旋转中心的旋转，达致
一轴防抖效果。例如，当相机模组2在光学防抖过程中需要往rx方向旋转时，线圈6通电，并产生对应的电磁力，以及向rx方向的力矩，达致相机模组2往rx方向旋转的效果。
61.更进一步的，为了实现多轴防抖，线圈6可设置多组，当然，磁性组件5也可设置多组，结合图11和图13所示，多组线圈6分别设置于相机模组2的四周。当相机模组2在光学防抖过程中需要向rx方向旋转时，相互平行的两个线圈6通电，并产生对应的电磁力，以及向rx方向的力矩，达致往rx方向旋转的效果。类似地，通过改变另外两个平行的线圈6的电流，可以改变ry方向的力矩，达致往ry方向旋转的效果。因此，微型防抖云台能作出两轴防抖补偿。
62.具体地，壳体结构的横截面呈矩形，四个磁性组件5分别位于第一外壳7内的四个内壁上，从而能更有效地利用云台内部中的有限空间。
63.该云台的结构无需滚珠或其他带有摩擦力的接触点作为固定及可动部件之间的机械支撑结构，因此避免在防抖过程中出现非线性的摩擦力，达致更佳的防抖效果。尤其是当振动比较微细及方向常常改变时，本发明中结构的防抖效果优势会更明显。
64.在其它实施例中，弹簧4可以是导电或不导电；相机模组2可以是定焦，自动对焦或变焦式；振动传感器15或防抖驱动芯片14可以不在本发明中的微型防抖云台结构中；可以在本发明中加入位移或偏转传感器，实施闭环防抖控制；采用其他数目的磁石51组、线圈6组及外壳设计，亦在本发明的保护范围之内。
65.本发明的有益效果包括：
66.1.本发明提供一种微型防抖云台及相机模组2，结构简单紧凑，组装方便，有利于大量生产，甚至自动化生产；
67.2.本发明中的弹性支架及传感器电路板采用折叠设计，弹性部件13在上下两个磁石51之间，所以弹性部件13所在的平面及镜头22能更接近旋转中心，有效降低功耗及改善防抖表现；
68.3.本发明中的弹性支架及传感器电路板的弹性部件13较薄，有利于降低生产成本及周期；
69.4.微型防抖云台具备成本、重量、体积及功耗低等优点；
70.5.在防抖过程中，微型防抖云台的影像边缘质素不会出现下降，亦不需要因为防抖牺牲镜头22的部份光学解像度，以及图像传感器21部份解像度，所以微型防抖云台的防抖效果及影像质素比eis及ois有优势，所优势在广角相机模组2中更突出；
71.6.由于在防抖过程中不会出现非线性的摩擦力，所以微型防抖云台能达致比gs更佳的防抖效果，尤其是当振动比较微细及方向常常改变时；
72.7.由弹性材料组成多轴旋转自由度弹簧4振子系统的位移劲度系数(linear spring constant)极高。当出现外来振动或云台的方向改向改变时，所述弹簧4振子系统中的旋转中心接近不会出现位移，所以不会影响微型防抖云台的防抖效果，亦能提高微型防抖云台的抗跌性。
73.综上所述，本发明的微型防抖云台，包括弹性支架1、相机模组2、至少一个定位座3、至少一组弹簧4、至少一个磁性组件5以及至少一个线圈6；弹性支架1包括固定部件11、活动部件12和弹性部件13，弹性部件13的两端分别连接于固定部件11和活动部件12，使活动部件12能够相对固定部件11运动；相机模组2和线圈6均设于活动部件12；固定部件11固定
连接于定位座3，磁性组件5包括两个固定地设于定位座3且并列设置的磁石51，线圈6与所述磁石51相对设置，且弹性部件13位于两个磁石51之间；弹簧4的两端分别连接于定位座3和活动部件12，实现相机模组2围绕由活动部件12、弹性部件13和弹簧4等部件构成的弹簧4振子系统的旋转中心旋转，且弹性部件13所在平面更加接近旋转中心，有效降低了功耗且改善了防抖表现。
74.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。