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[信息] 微型马达新应用:让手机拍出专业照片

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发表于 2008-12-5 04:35:16 | 显示全部楼层

微型马达新应用:让手机拍出专业照片

越来越多的手机中内置拍照功能,但这些产品存在一个问题:由于采用的是固定式光学系统,拍出来的照片质量很一般。面对终端用户对完美品质的不懈追求,手机厂商们纷纷寻求更好的解决方案。在上游厂商提供的选择中,微型压电马达在便携产品上的应用方案显得引人注目。

  事实上,压电马达和压电激励器并非新发明,这类产品长期以来一直用于产生声纳信号和精确定位显微镜载物片等应用。随着技术和工艺发展,其成本不断下降,消费电子产品生产商也开始考虑使用压电马达。未来,该类产品将在便携产品和医学设备等更多领域找到用武之地。

  市场前景看好

  

  图1:Squiggle微型压电线性马达面向手机拍照和医疗设备等应用。

  New Scale Technologies公司推出的Squiggle微型压电线性马达,即专门针对手机拍照模块和医疗设备应用。该产品可提供20g的推力,尺寸仅1.5×1.5×6mm。这家公司声称,Squiggle马达目前是“世界上最小的马达”。其总裁David Henderson对产品的应用前景非常乐观,“即使是最保守的手持产品市场预测,手机拍照模块的市场需求量一年也有十亿。”他说,“目前使用的产品不能满足用户需求,我们相信更多厂商会很快了解到微型马达的优势。”

  “使手机中的镜头动起来并不容易。”Henderson强调。他解释道,对于手机来说,普通的电磁马达尺寸太大,消耗的功率过多。而使用压电马达“将使手机的镜头系统性能与单独的数码相机媲美。” 据介绍,Squiggle马达的精度比功能相同的电磁马达高10倍,而且功耗更低。象所有的压电器件一样,该马达利用人耳听不到的超声波振动来形成运动,工作时非常安静。

  图2 显示了微型压电马达在手机中工作的场景。Squiggle马达与一个镜头移动机构集成在一起,通常是滑动或弯曲部件。Squiggle螺杆的末端以精确的速度和微米级分辨率移动镜头机构,该机构带有位置感觉功能,以产生受控制的步进。相机的CMOS图像传感器、霍尔效应、光学或电位计可以完成位置感应功能。

  除了在便携产品上开发新应用之外,Squiggle马达还可以取代商业和军事应用中“智能服装”上的微型马达。例如,用于根据地形和使用者步幅自动调节鞋垫硬度的智能跑鞋。据Henderson透露,其它应用也正在测试之中,包括自动化的家用阀门和用于国防及天文学的适应性光学器件。

  

  图2:Squiggle马达能驱动手机的微型活动镜头组,实现自动对焦和光学变焦。

  压电马达优势详解

  “马达驱动电路可以嵌入到ASIC器件之中。”Henderson补充说,他们目前正在与一些IC厂商合作生产定制的ASIC芯片,主要目标也是手机和相机应用。

  相形之下,当传统的电磁马达置身于极小的封装之中时,就会一蹶不振,其问题在于它将相当的电气驱动功率转化成了热量,而非机械运动,这对于功耗的影响非常明显。较低的效率也意味着较低的可靠性,因为可用于克服微齿轮机构中的摩擦力的力矩变小。

  较小的电磁马达的转速必须达到较高的水平,才能产生足够的机械功率来完成任务,这使得状况更加恶化。它所导致的齿轮齿数比的下降有可能非常严重,而相应的传动机构往往比较复杂,导致效率进一步降低,并使精确度下降。

  压电马达一般不需要齿轮减速,因为它们直接驱动负载。Squiggle马达的精度可以达到电磁马达的1,000倍,分辨率可达纳米级,而电磁马达的分辨率只能勉强达到微米级。

  具体来看,压电马达是压电激励器的优势再运用。典型的压电激励器由压电陶瓷堆叠或压电陶瓷板构成,直接支持负载。激励器直接利用PZT陶瓷的形状变化来移动负载,冲程长度有限,甚至最大的激励器所产生的一个冲程也远小于1mm。冲程的数量直接与PZT堆叠的高度成正比,而堆叠的尺寸存在实际限制。较大的堆叠往往具有较大的电容,更容易发生侧向运动,比较难以控制。

  直接将压电激励器用于消费产品中会出现一些问题:加上电场之后,PZT陶瓷会改变形状,该材料的易碎性能使它对下落等冲击很敏感,这使其难以用于手机等容易掉在地上的产品之中;另外,压电激励器只有在加电状态下才能保持其位置。从电气特点角度来看,它们相当于电容器,工作电压通常高于1kV。总之,驱动压电激励器所需的电子设备可能体积较大,而且非常耗电。这对于用电池驱动的便携产品来说是个难题。

  压电马达则摆脱了易碎、冲程长度有限和功耗较大等缺点。它把PZT材料与负载分开了,变得更加强壮耐用。压电马达把微小的 PZT谐振转化成较大的、连续的机械动作,这些动作可能是无限的,而且动作的精度仍然处于纳米级。此外,压电马达使用高效和微型的驱动电子器件,并利用零电压和功率来保持位置。

  以Squiggle马达为例,该产品由沿着一个管子纵向排列的压电激励器、一个螺纹螺母和一个与之配套的螺杆构成。一般情况下采用四个盘形压电激励器,在管子的表面均相隔90°。交替的电驱动信号施加到这些盘上面,一边是主动传动,另一边是被动传动。

  这些盘成对工作,以快速弯曲外壳。管子以其共振频率振动,因此它的末端作轨道运动。这种轨道运动带动固定在管子末端的螺母,使之以固定的共振频率(高于20kHz)作“呼拉圈”运动。该螺母安装在一个螺杆上面,从而把管子的轨道运动转化成螺杆的线性运动。

  驱动频率是固定的,并根据管子的共振频率设定。螺杆的速度取决于几个因素,包括轨道的大小、螺杆所受的力、摩擦系数和螺纹的表面光洁度。如果螺母与螺杆之间没有滑动,则每周期的运动与振动的振幅成正比。一般来说,驱动信号的振幅表示控制螺杆的速度。

  类似地,驱动信号的相位确定螺杆的旋转方向。反转相位可以使管子作反向轨道运动,从而逆转螺杆的运动方向。在共振时,轨道的振幅只有几个微米,但每个周期加起来可以形成连续的双向螺杆运动。这种螺杆运动具有较高的精度、可靠性和稳定性。

  需要指出的一点是,螺纹摩擦是驱动过程的重要部分。向Squiggle马达发出的一个步进命令立即使螺纹杆产生动作。这与电磁马达不同,电磁马达通过联接器和齿轮与螺杆连接,接到步进命令之后,首先必须转动齿轮,然后带动联接器,接着带动螺杆。齿轮和螺纹摩擦妨碍这种运动,导致后冲和位置误差等出现。

  还有一点值得关注,当Squiggle断电之后,螺杆保持在它的最后位置上。因此该马达运动时冲击较小,并长期保持它的位置,这对于电池驱动的设备有好处。

  最后,因为只有螺杆顶端与负载接触,而且是通过一个摩擦端来实现这种接触,Squiggle马达设计避开了接触负载的压电材料易碎的问题。这种设计使压电陶瓷免受冲击,进一步推动压电马达适用于便携产品。

  作者:蔡景艳、戴伟

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