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TWI557061B - Movable vehicle structure for microelectromechanical systems - Google Patents

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TWI557061B
TWI557061B TW102126909A TW102126909A TWI557061B TW I557061 B TWI557061 B TW I557061B TW 102126909 A TW102126909 A TW 102126909A TW 102126909 A TW102126909 A TW 102126909A TW I557061 B TWI557061 B TW I557061B
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conductive coil
frame portion
disposed
coil circuit
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Inventor
Su Jhen Lin
Mingching Wu
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Globalmems Taiwan Corp Ltd
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Description

微機電系統的可動載具結構
本發明係有關一種利用微機電製程技術製作的可動載具結構，特別是一種以電流與磁場產生作用力磁力做為動力來源的可動載具結構，組裝應用上易於整合於現行的生產流程中，在商品化的過程中提高產能、減低生產成本。
目前市面上的手機以及手提電腦等產品，多已廣泛配置微型數位鏡頭。為了提升產品競爭力，對於微型鏡頭的需求已不僅只於定焦鏡頭，自動對焦以及光學變焦功能成為重要的訴求。以自動對焦功能為例，則需要對於鏡片產生約十微米的位移量，雖然數位相機已是十分成熟的產品，但由於產品取向不同，手機、個人數位助理(Personal Digital Assistant,PDA)與手提電腦並不能將一般數位相機所採用的步進馬達以及齒輪機構等體積較大的致動元件整合其中。
在多種可使用於小型微機電系統的可動載具結構的動力來源中，音圈馬達(Voice Coil Motor,VCM)是一種理想的選擇，利用線圈產生的磁力與外部的磁性部件產生相互作用力，此作用力與結構上的彈簧相互作用後達到一個平衡狀態，即可達到定位的功效。由於音圈馬達的技術已使用於硬碟中的循軌動作許久，是一種相當成熟的技術。現行市售用於微型數位鏡頭的外部微機電系統的可動載具結構，係將裝有鏡片的鏡筒固定於該微機電系統的可動載具結構內，並於後方裝置感光元件後整合成一 個具有對焦能力的微型相機模組。
目前已有實際商品化的VCM微機電系統的可動載具結構產品，但由於其相對較大的體積，使得產品不易輕巧化，且組裝過程以及零件數量亦較為繁瑣，使組裝成本高且良率不易提升。此外，傳統機械製程的精密度限制亦影響光學成像品質。
於是，為解決上述之缺點，本發明之目的係在提供一種微機電系統的可動載具結構，透過微機電系統(Microelectromechanical System,MEMS)技術生產的可動載具結構，以電流與磁場產生作用力的原理驅動載具，載具也帶動置於其上的負載，應用可整合於微型相機模組之光學系統內以達到調焦功能，與過去的傳統的可動載具結構相比，本微機電系統的可動載具結構具有體積微小化、系統整合性佳、高光軸精度、批量化製造能力等優點。
本發明另一目的係在提供一種微機電系統的可動載具結構，透過微機電系統技術生產的可動載具結構，以電流與磁場產生作用力的原理驅動載具，使載具在兩軸位移，整合載具結構與影像感測器，使影像感測器做兩軸運動，達到光學影像防震(Optical Image Stabilization,OIS)的功能。
為達上述之目的，一種微機電系統的可動載具結構，係應用微機電系統技術於一矽基板形成的可動載具結構，該可動載具結構包括：一框架部；一可動承載部設置於該框架部內，且該可動承載部上設有一導電線圈迴路；及二組彈性結構分別設於該可動承載部在直線移動方向的二側，用以連接該可動承載部於該框架部內，且在該可動承載部直線移動時提供彈性回復 力。
其中，該導電線圈迴路設置或內嵌設置於該可動承載部的一表面。
其中，該導電線圈迴路設置或內嵌設置於該可動承載部的上、下表面。
其中，該導電線圈迴路環繞設置於該可動承載部。
本發明進一步的實施為，該可動載具結構包括：一第一框架部；一第二框架部設置於第一框架部內，且該第二框架部上設有一第一導電線圈迴路；二組第一彈簧結構分別設於該第二框架部在第一直線移動方向的二側，用以連接該第二框架部於該第一框架部內，且在該第二框架部直線移動時提供彈性回復力；一可動承載部，其設置於該第二框架部內，且該可動承載部上設有一第二導電線圈迴路；及二組第二彈簧結構分別設於該可動承載部在第二直線移動方向的二側，用以連接該可動承載部於該第二框架部內，且在該可動承載部直線移動時提供彈性回復力。
其中，該第一直線移動與該第二直線移動的方向互相垂直。
其中，該第一導電線圈迴路設置或內嵌設置於該第二框架部的一表面，該第二導電線圈迴路設置或內嵌設置於該可動承載部的一表面。
其中，該第一導電線圈迴路設置或內嵌設置該第二框架部上、下表面上，該第二導電線圈迴路設置或內嵌設置該可動承載部上、下表面上。
其中，該第一導電線圈迴路環繞設置於該第二框 架部，該第二導電線圈迴路環繞設置於該可動承載部。
本發明的優點在於，透過可動承載部上的導電線圈迴路，及二組彈簧結構分別設於該可動承載部直線移動的二側，因此設計一種藉由線圈加電流後與外界的鐵磁性材料的磁場相互作用而產生的作用力，以電磁原理驅動可動承載部；且進一步可透過二框架部與不同方向連接的組彈簧結構可使該可動承載部進行X與Y軸兩軸方向的直線移動。本微機電系統的可動載具結構可應用整合於微型相機模組之光學系統內以達到調焦功能，與過去的傳統微機電系統的可動載具結構相比，本可動載具結構具有體積微小化、系統整合性佳、批量化製造能力等優點，且本發明應用組裝後產品不因受外力搖晃或製程公差導致光軸發生偏差。
100‧‧‧矽基板
110‧‧‧框架部
120‧‧‧可動承載部
130‧‧‧彈簧結構
200‧‧‧導電線圈迴路
210‧‧‧連接部
310‧‧‧第一框架部
320‧‧‧第二框架部
330‧‧‧第一彈簧結構
340‧‧‧可動承載部
350‧‧‧第二彈簧結構
410‧‧‧第一導電線圈迴路
420‧‧‧第二導電線圈迴路
500、510‧‧‧磁鐵
600‧‧‧影像感測器
I‧‧‧電流
F‧‧‧勞侖茲力
圖1為本發明實施例之示意圖。
圖2為本發明實施應用之示意圖一。
圖3為圖2之平面示意圖。
圖4為本發明實施應用之示意圖二。
圖5為本發明實施應用之示意圖三。
圖6為本發明實施應用之示意圖四。
圖7為本發明另一實施例之示意圖。
圖8為圖7實施應用之示意圖。
圖9為本發明再一實施例之示意圖。
茲有關本發明之詳細內容及技術說明，現以實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
請參閱圖1~圖3，為本發明實施例之示意圖。本案係一種微機電系統的可動載具結構，係應用微機電系統技術於一矽基板100形成的可動載具結構，其包括：一框架部110；一可動承載部120設置於該框架部110內，且該可動承載部120上設有一導電線圈迴路200；及二組彈簧結構130分別設於該可動承載部120在直線移動方向的二側，用以連接該可動承載部120於該框架部110內，且在該可動承載部120直線移動時提供彈性回復刀。
實施上矽基板100可採用應力幾乎為零且結構較厚的SOI(Silicon On Insulator)基板，透過微機電系統技術的面型微加工(Surface Micro-machining)技術與體型微加工(Bulk Micro-machining)技術，即是利用半導體製程的薄膜沉積、微影技術與蝕刻技術來得到薄膜推疊的機械結構，而體型微加工技術則是利用蝕刻技術，再對矽基材本身移除，使微結構達到懸浮或是得到高深寬比(Aspect Ratio)的結構，分別形成前述框架部110、可動承載部120、彈簧結構130及設置該導電線圈迴路200。
其中，當該導電線圈迴路200設置於該可動承載部120的一表面(圖中實施以上表面為說明實施例)。實施應用上於該可動承載部120兩側的上下方且沿直線移動方向分別設有不同磁性的磁鐵500，用以分別形成垂直於該可動承載部120，且方向相反的磁場(例如圖3所示的⊙及⊕)。當導電線圈迴路200通以電流I時(圖中以順時針方向的電流為說明實施例)，導電線圈迴路200上的電流I與磁鐵500相互作用而產生勞侖茲力F(如圖3所示)，產生的勞侖茲力F可動力源帶動該可動承載部120於直線方向的位移，且可透過彈簧結構130使該可動承載部120得以輕易的回復原位，同時具備較強的支撐性。
應用上藉由調整該導電線圈迴路200上電流I的方向以及大小可改變該可動承載部120致動的方向以及位移量，如整合於微型相機模組之光學系統內以達到調焦功能。且該導電線圈迴路200的電流I可由框架部110與彈簧結構130上的形成導電層由外界導入。
請再參閱圖4及圖5，本案在實施上該導電線圈迴路200可內嵌設置於該可動承載部120的一表面。或該導電線圈迴路200設置或內嵌設置於該可動承載部120的上、下表面，實施上該可動承載部120上、下表面的導電線圈迴路200可透過一連接部210電性連接。當該導電線圈迴路200通以電流I時，導電線圈迴路200與磁鐵500相互作用而產生勞侖茲力F，產生的勞侖茲力F可帶動該可動承載部120的直線位移。
本案在實施上該導電線圈迴路200也可圈繞於該可動承載部120上(如圖6所示)，此時應用上在該可動承載部120兩側沿直線移動方向分別設有不同磁性的磁鐵500。當導電線圈迴路200通以電流I時，導電線圈迴路200與磁鐵500相互作用而產生交互作用所產生的勞侖茲力F，產生的勞侖茲力F可帶動該可動承載部120於直線方向位移，且透過彈簧結構130可使該可動承載部120得以輕易的回復原位。
請參閱圖7所示，在X、Y兩軸方向的位移方面，本案微機電系統的可動載具結構係如前述結構形成技術，其包括一第一框架部310，一第二框架部320設置於第一框架部310內，且第二框架部320上設有一第一導電線圈迴路410；二組第一彈簧結構330分別設於該第二框架部320第一直線移動方向的二側，用以連接該第二框架部320於該第一框架部310內，且在該第二框架部320直線移動時提供彈性回復力；一可動承載部340 設置於該第二框架部320內，且該可動承載部340上設有一第二導電線圈迴路420；及二組第二彈簧結構350分別設於該可動承載部340第二直線移動方向的二側，用以連接該可動承載部340於該第二框架部320內且在該可動承載部340直線移動時提供彈性回復力。其中，該第一直線移動方向(例如Y軸方向)與該第二直線移動方向(例如X軸方向)互相垂直。
當然，如前述實施結構，該第一導電線圈迴路410設置或內嵌設置於該第二框架部320的一表面，該第二導電線圈迴路420設置或內嵌設置於該可動承載部340的一表面；或該第一導電線圈迴路410設置或內嵌設置於該第二框架部320的上、下表面，該第二導電線圈迴路420設置或內嵌設置於該可動承載部340的上、下表面；或該第一導電線圈迴路410環繞設置於該第二框架部320，該第二導電線圈迴路420環繞設置於該可動承載部340上。
如圖8所示，本發明在X、Y兩軸方向的位移實施應用上，該可動承載部340處的磁場方向(類似如圖3所示)，用以在該可動承載部340二側分別形成垂直且方向相反的磁場，當第二導電線圈迴路420通以電流I時(圖中以順時針方向的電流為說明實施例)，第二導電線圈迴路420與磁場相互作用而產生勞侖茲力F，產生的勞侖茲力F可帶動該可動承載部340在第二直線位移方向的位移(X軸上的直線位移)，且透過第二彈簧結構350可使該可動承載部340得以輕易的回復原位，同時具備支撐性。
相同的也是利用特定路徑的電流I與外加永久磁場交互作用所產生的勞侖茲力F原理，在該第二框架部320兩側也分別由磁鐵510形成垂直於第二框架部320且方向相反的磁場(例如圖8所示的⊙及⊕)，當第一導電線圈迴路410通以電流I 時(圖中以順時針方向的電流為說明實施例)，第一導電線圈迴路410與磁場相互作用而產生勞侖茲力F，產生的勞侖茲力F可帶動該第二框架部320在第一直線位移方向的位移(Y軸上的直線位移)，而該第二框架部320透過第二彈簧結構350連接帶動該可動承載部340在第一直線位移方向的位移(Y軸上的直線位移)。且透過第一彈簧結構330可使該第二框架部320得以輕易的回復原位，同時具備較強的支撐性。
應用上藉由調整該第一導電線圈迴路410與第二導電線圈迴路410上電流I的方向以及大小可改變該可動承載部340致動的方向以及在兩軸上的位移量，如整合於微型相機模組之光學系統內以達到兩軸方向的調焦功能。
請再參閱圖9，在兩軸(X、Y兩軸方向)的位移應用上，在該可動承載部340的中間區域可用於設置一影像感測器600(例如CMOS影像感測器)，整合本發明微機電系統的可動載具結構與影像感測器600，使該可動承載部340可以乘載該影像感測器600做兩軸運動，達到光學影像防震(Optical Image Stabilization,OIS)的功能；應用上可達到具微小化、無聲、防震性、且低功耗解決方案的快速自動對焦和光學影像穩定的微型相機模塊。
本發明的優點在於，透過可動承載部上的導電線圈迴路，及彈簧結構分別設於該可動承載部直線移動的二側，設計一種藉由電流與外界磁場相互作用而產生產生勞侖茲力F，以電磁場原理驅動置於可動承載部；且進一步可透過二框架部與彈簧結構可使該可動承載部在垂直兩軸方向的直線移動。
微機電所發展出來的各項技術，出其製造精度可小於1微米，遠超過一般機械加工所能製作出來的精度，這些 微機電技術所製作出來的元件具有微小化、輕量化、高精度、動態響應快等等優點。如果將本微機電系統的可動載具結構應用整合於微型相機模組之光學系統內，將可以達到調焦功能，與目前市場的音圈馬達(VCM)的可動載具結構相比，本微機電系統的可動載具結構具有體積微小化、系統整合性佳、高光軸精度、批量化製造能力等優點。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
110‧‧‧框架部
120‧‧‧可動承載部
130‧‧‧彈簧結構
200‧‧‧導電線圈迴路

Claims (7)

  1. 一種微機電系統的可動載具結構，係應用微機電系統技術於一矽基板形成的可動載具結構，該可動載具結構包括：一第一框架部；一第二框架部，其設置於第一框架部內，且該第二框架部上設有一第一導電線圈迴路；二組第一彈簧結構，其分別設於該第二框架部在第一直線移動方向的二側，用以連接該第二框架部於該第一框架部內，且在該第二框架部直線移動時提供彈性回復力；一可動承載部，其設置於該第二框架部內，且該可動承載部上設有一第二導電線圈迴路；及二組第二彈簧結構，其分別設於該可動承載部在第二直線移動方向的二側，用以連接該可動承載部於該第二框架部內，且在該可動承載部直線移動時提供彈性回復力。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統的可動載具結構，其中，該第一直線移動與該第二直線移動的方向互相垂直。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統的可動載具結構，其中，該第一導電線圈迴路設置於該第二框架部的一表面，該第二導電線圈迴路設置於該可動承載部的一表面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統的可動載具結構，其中，該第一導電線圈迴路內嵌設置於該第二框架部的一表面，該第二導電線圈迴路內嵌設置於該可動承載部的一表面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統的可動載具結構，其中，該第一導電線圈迴路設置於該第二框架部的上、下表面，該第二導電線圈迴路設置於該可動承載部的上、下表面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統的可動載具結構，其中，該第一導電線圈迴路內嵌設置於該第二框架部的上、下表 面，該第二導電線圈迴路內嵌設置於該可動承載部的上、下表面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統的可動載具結構，其中，該第一導電線圈迴路環繞設置於該第二框架部，該第二導電線圈迴路環繞設置於該可動承載部。
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