27 May 2025
大推力：SMA在智能手机摄像头中提供的推力是VCM的10倍
作者：Kush Patel，高级控制工程师
图1：可视化显示，如果SMA线的直径与人类二头肌的直径相同，它可以轻松地举起几辆双层伦敦巴士。
形状记忆合金（SMA）马达的主要优点之一是其极大的推力，使其成为需要强大推力且紧凑空间应用的理想选择。SMA马达的大推力为智能手机摄像头中的AF和OIS提供了一个主要优势，可以精确有效地移动更大、更重的镜头和其他摄像头组件。与受到弱磁场和小空间能量损失限制的传统音圈马达（VCM）技术相比，SMA马达在相同体积内可提供至少10倍的推力。这种增加的力可以提供更快、更精确的自动对焦（AF）和光学防抖（OIS），即使在具有挑战性的条件下，也能获得更清晰的图像和更流畅的视频性能。
让我们来研究一下SMA马达的特性，以及它们如何提供比相同尺寸的VCM马达更大的推力和更好的性能。
SMA马达是如何工作的？
SMA马达通过利用固相间的转变来工作，就像钢硬化时发生的情况一样，只是更容易逆转。康郡机电有限公司（CML）的马达使用了SMA线（由高级镍钛合金制成）。从本质上讲，镍钛的形状记忆效应使合金能够“记住”其原始形状。这意味着材料可以变形或拉伸，并且在受到特定的热量和应力条件时可以恢复其初始形状。这一特性是镍钛合金经历的潜在相变的产物，也是CML SMA马达提供大推力的基础。
在低温下，镍钛合金处于马氏体相，这意味着晶体结构（原子在材料中的排列方式）可以采用两种稳定状态：孪晶马氏体和去孪晶马氏体。当镍钛合金处于无应力冷却状态时，马氏体结构自然排列成孪晶结构。当对冷却的镍钛合金施加外力或负载时，孪晶马氏体会重新排列成去孪晶状态。在这个过程中，原子平面相对于彼此移动，使材料在不破坏原子键的情况下发生显著变形。单独冷却材料（不施加外力）不会导致变形——它只是保持在这种孪晶排列中。
在SMA马达中利用大推力的关键在于将材料加热到相变温度以上。这种转变促使奥氏体相发生结构变化，材料恢复到其原始形状（或线材长度）。正是在加热循环（奥氏体相变）过程中产生的大推力用于移动SMA马达。
图2：镍钛合金的相变
SMA线的应力和应变
在我们讨论紧凑型SMA马达中可以应用的力之前，了解SMA线背景下的应力和应变概念非常重要。
应力是材料颗粒相互施加的内力的量。它通常以每单位面积的力表示，例如帕斯卡（Pa）或兆帕（MPa）。在SMA线的情况下，当我们对线施加力时，会产生应力。这种应力改变了金属丝的内部结构。在马氏体到奥氏体的相变过程中（这是SMA功能的关键），应力起着至关重要的作用。它影响相变发生时的温度。施加的应力越大，相变温度的变化就越大。管理这种应力对于精确控制SMA马达的行为至关重要。
SMA线的应变是它们在受到应力时的变形程度。应变是一个无量纲的量，通常用百分比表示。当SMA线受到应力时，它会产生应变（或伸长），直到达到某个点。这种应变在SMA中是可逆的，这意味着材料在应力消除后可以恢复到原始形状，这是我们应用中驱动运动的关键特性。
简而言之，为了确保SMA线的长期可靠寿命，马达必须在特定的应力和应变范围内运行。SMA马达的耐用性由应力-应变平衡决定—较高的应变需要较低的应力来保持最佳的疲劳性能。正确管理这种权衡有助于最大限度地延长马达的使用寿命和效率。
智能手机摄像头和其他紧凑型设备的大推力驱动
目前，大多数智能手机马达都依赖于VCM技术。然而，智能手机的空间限制限制了磁铁的大小和线圈的数量，导致磁场较弱。此外，使用较细的铜线会增加电阻，导致显著的能量损失。因此，VCM马达产生的力刚好可以克服重力和任何挠曲阻力来提起镜头，通常在1mN（100mg）到10mN（能够移动1g重量）的范围内。
CML开发的SMA马达技术越来越多地被智能手机摄像头市场采用。SMA马达在提供AF和OIS方面发挥着关键作用，为VCM马达技术外提供了一种紧凑高效的替代方案。CML马达中使用的SMA线非常细，直径通常在25-30微米之间。
图3:OIS马达中使用的4线SMA马达的特写
对于需要具备持续数百万次全行程、全负荷循环寿命的智能手机摄像头马达，SMA马达必须在规定的应力和应变范围内运行（如前所述）。在日常使用中，延伸至2%应变的SMA马达可以安全地产生相当于200MPa应力的力。对于直径为25微米的SMA线，这相当于约100mN的张力，能够提起或移动约10克的重量。这意味着，在智能手机等紧凑空间中，SMA马达可以提供的力至少是相同体积下传统VCM的10倍。
目前，智能手机摄像头的镜头重量通常不到一克，这意味着VCM和SMA马达都可以处理这些小镜头的移动。然而，随着行业目标转向更大、更重的摄像头组件，如镜头和可变光圈，SMA马达正成为支持这些更重组件的首选。虽然VCM马达可能适用于移动当前的镜头重量，但它们可能无法提供足够的力来快速地推动镜头，进而实现有效的OIS功能。
此外，磁场的低刚度意味着基于VCM的马达更容易受到外在磁场环境的影响。这可能会对图像稳定性产生负面影响，特别是在高速运动环境中。例如，为了比较SMA OIS和VCM OIS在真实场景外部振动下的性能，将智能手机摄像头安装在滑板车的把手上。下面的视频中捕捉到的结果显示，SMA OIS具有明显的优势，配备SMA的摄像头能够始终如一地提供更清晰、更稳定的画面，而VCM驱动的摄像头则在模糊问题上苦苦挣扎。尽管iPhone已经花费了相当大的费用使用VCM传感器位移式OIS而不是VCM镜头位移式OIS来减少移动重量，以解决这个问题。
视频1: SMA OIS vs VCM OIS - 对于中国用户：点击此处观看视频
这种优异的性能是由SMA更大的稳定性和更高的刚度驱动的，这有助于保持镜头稳定，即使在快速运动期间。在涉及强烈振动的场景中，SMA的优势尤其明显，比如在移动的车辆上拍摄，SMA有效地最大限度地减少了由振动引起的失真，从而获得了更顺畅、更清晰的镜头。
除了智能手机摄像头，CML的SMA技术由于其精度、紧凑的尺寸、低功耗和大推力，在各个行业都证明了其价值：
- AR/VR头戴式耳机：SMA马达提供了一种紧凑、低功耗、大推力的解决方案，用于控制光学元件和其他移动部件，而不会增加体积，有助于提升用户体验。
- 医疗设备：在胰岛素贴片泵等应用中，精确的微型驱动至关重要，SMA马达提供了一种可靠且节能的解决方案，符合严格的医疗标准。SMA线的大推力使CML能够设计出比目前市场更小的胰岛素贴片泵。SMA贴片泵的这种小型化优势使其比传统泵更小、更轻，从而提高了患者的舒适度和隐蔽性。
随着小型电子设备对紧凑、高性能驱动的需求不断增长，SMA马达技术将在推进智能手机摄像头、可穿戴技术等领域发挥关键作用。
关于CML：康郡机电有限公司（CML）是一家世界领先的研发公司，利用其形状记忆合金（SMA）平台整合技术，提供从机械、光学、电气、半导体到软件设计方面的系统级解决方案。采用SMA线（大小细如发丝）的马达解决方案，可以控制亚微米精度。这些马达特别适用于生产快速和结构紧凑的轻便设计，并同时提供需要高精度和高强度的应用。
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