在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中，對(duì)于微小運(yùn)動(dòng)，例如1-5毫米，甚至更小的行程，常用音圈電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。

 

因?yàn)樗鼈兙哂畜w積小，運(yùn)動(dòng)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(jī)，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(jī)驅(qū)動(dòng)，配合LVDT絕對(duì)式位移傳感器，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)軸位置。

 

再比如，手機(jī)攝像頭中，用圓柱形音圈電機(jī)，來帶動(dòng)鏡頭運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。

線圈運(yùn)動(dòng)式單軸音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，來源：H2W Technologies, Inc.

 音圈電機(jī)用于微攝像頭調(diào)焦

 

音圈電機(jī)用于微攝像頭調(diào)焦

 

 

音圈電機(jī)用于調(diào)焦

不同形式的音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和調(diào)焦模組及其參數(shù)，來源：Equipment Solutions, Inc.

 

 

那么，何為音圈電機(jī)（VCM=Voice Coil Motor）？其運(yùn)動(dòng)原理是什么？

 

 

1. 什么是音圈？

 

首先，什么是音圈？

 

音圈一詞，其實(shí)來源于揚(yáng)聲器。

 

它實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)線圈。

 

在揚(yáng)聲器中，用來產(chǎn)生（展示）聲音信號(hào)，所以叫音圈，多虧了它，我們才能聽到美妙的音樂。

 

揚(yáng)聲器的底層邏輯，其實(shí)也是帶電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受洛倫茲力，發(fā)生有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)相關(guān)部件振動(dòng)，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(chǎng)穿過音圈導(dǎo)線向外輻射，當(dāng)導(dǎo)線通聲音信號(hào)（電流）時(shí)，音圈在左右方向受力，發(fā)生運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)錐體振動(dòng)，通過空氣把聲音擴(kuò)散到外部。

 

 

音圈用于揚(yáng)聲器原理圖

 

 

來幾張動(dòng)圖，就一目了然了。

通電時(shí)，音圈來回運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)相關(guān)部件振動(dòng)，發(fā)出聲音

通電時(shí)，音圈來回運(yùn)動(dòng)示意圖

 

 

音圈用于揚(yáng)聲器，美妙的音樂不要停（點(diǎn)我聽音樂）。

 

 

2．音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

 

音圈電機(jī)的原理，和上面所說的一模一樣：線圈在永磁場(chǎng)中通電受力，發(fā)生運(yùn)動(dòng)，只不過音圈電機(jī)線圈不連接在擴(kuò)音部件上，而是連接在其他需要驅(qū)動(dòng)的部件上。

 

線圈固定，磁體運(yùn)動(dòng)式音圈電機(jī)

 

磁體運(yùn)動(dòng)式圓柱形音圈電機(jī)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(huì)產(chǎn)生軸向力，帶動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)。

 

線圈運(yùn)動(dòng)式音圈電機(jī)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(chǎng)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(yùn)動(dòng)。

這張圖和軸式直線電機(jī)何其相似，只需要把磁鐵復(fù)制排列好并固定，然后把線圈釋放，不就是軸式直線電機(jī)了嗎。

 

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(zhǎng)（m）

I =電流（安培）

N =導(dǎo)體數(shù)量

 

對(duì)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(huì)改變力的方向。

 

這就是音圈電機(jī)的原理。

 

其核心，還是通電線圈在磁場(chǎng)中受洛倫茲力。

 

在實(shí)際應(yīng)用中，音圈產(chǎn)生的力推動(dòng)負(fù)載，活動(dòng)部件可以是線圈，也可以是磁體（力是相互的）。

 

  

線圈運(yùn)動(dòng)比磁體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量低得多，可以驅(qū)動(dòng)更高負(fù)載。

 

但是，線圈會(huì)產(chǎn)生熱量，如果負(fù)載對(duì)溫度波動(dòng)敏感，那么使用磁體移動(dòng)更好。

 

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

 

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可以用柔性結(jié)構(gòu)（一般用于微小運(yùn)動(dòng)），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(shí)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(jī)也具有良好的力控制，這是因?yàn)槠洚a(chǎn)生的力與施加的電流成正比。

 

單軸及雙軸音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，其中底部圖片是雙軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，且其最底層運(yùn)動(dòng)軸是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。來源：H2W Technologies, Inc.

 

2軸音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，來源：H2W Technologies, Inc.

 

3軸音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，來源：H2W Technologies, Inc.

 

 

3. 音圈電機(jī)如何應(yīng)用于鏡頭調(diào)焦？

 

我們?cè)賮碜屑?xì)看看，音圈電機(jī)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(jī)，用于驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)鏡頭上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(jī)，驅(qū)動(dòng)鏡頭上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(chǎng)，磁場(chǎng)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(dòng)鏡頭運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)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(jī)的工作原理。

 

正因?yàn)檫@個(gè)原理，音圈電機(jī)有如下的一些優(yōu)點(diǎn)：無需換相，低至無遲滯，零齒槽，與“螺桿式”動(dòng)力器相比，機(jī)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(jī)很適合于小位移直線運(yùn)動(dòng)，如果你的設(shè)計(jì)中有這個(gè)要求，不妨可以考慮一下使用音圈電機(jī)。