形状记忆合金致动装置制造方法
【专利摘要】一种SMA致动装置(1)包括支撑结构(4)，可移动元件(2)支撑在该支撑结构(4)上。四根SMA致动器线(11-14)在其端部处连接到支撑结构(4)和可移动元件(2)中的一个，并且钩在连接到另一个的相应的连接器(7)上。成对的SMA致动器线(11-14)在收缩时通过相应的连接器(7)在所述平面(XY)中的在成对之间正交的相反方向上驱动可移动元件(2)相对于支撑结构(4)的移动。每个连接器(7)相对于其中分别的SMA致动器线(11-14)驱动可移动元件(2)相对于支撑结构(4)的移动的方向是横向地顺从的。
【专利说明】形状记忆合金致动装置
[0001]本发明涉及使用SMA(形状记忆合金)致动器线以提供对支撑在支撑结构上的可移动元件的位置控制。
[0002]存在其中期望提供可移动元件的位置控制的各种类型的装置。SMA致动器线作为在这样的装置中的致动器是有利的，特别是由于其高能量密度，其意味着需要施加给定的力的SMA致动器具有相对小的尺寸。
[0003]其中SMA致动器线已知作为致动器此处使用的一种类型的装置是摄像机，特别是微型摄像机。一些示例如下。W0-2007/113478公开了一种SMA致动装置，其中SMA致动器线用于驱动摄像机镜头元件沿着光轴的移动，例如为了把通过摄像机镜头元件形成的图像聚焦在图像传感器上的目的。W0-2010/029316和W0-2010/089529每个公开了一种SMA致动装置，其中SMA致动器线被用于通过驱动包括摄像机镜头元件和图像传感器的摄像机单元的倾斜提供摄像机中的光学图像稳定(OIS)。倾斜被控制成把由摄像机镜头元件形成的图像稳定在图像传感器上，来抵消通常由用户的手的移动引起的降低被图像传感器捕捉的图像的质量的抖动。W0-2011/104518公开了一种SMA致动装置，其中SMA致动器线用于通过驱动摄像机单元的倾斜提供摄像机中的0IS，但具有额外的自由度。在该机构中，使用了八根SMA致动器线，其布置为平行于摄像机单元的四个面的四对交叉线。虽然提供了通用的抖动校正以及此外的可选的集成AF功能，但是该系统需要做出线中的每根中的两端的物理连接和电连接，也就是16连接。显然，这会带来相当多的制造和可靠性挑战。
[0004]本发明涉及一种用于在平面中的任何方向上相对于支撑结构移动可移动元件的SMA致动装置。在该情况下，例如与W0-2011/104518相比，原则上可以使用减少数量的SMA致动器线。然而，其仍然需要提供带来期望移动的SMA致动器线的布置。
[0005]根据本发明，提供了一种用于相对于支撑结构移动可移动元件的SMA致动装置，该SMA致动装置包括:
[0006]支撑结构；
[0007]可移动元件，该可移动元件以允许可移动元件相对于支撑结构在平面中的任何方向上移动的方式支撑在支撑结构上；和
[0008]四根SMA致动器线，每根SMA致动器线在其端部处被连接到支撑结构和可移动单元中的一个，并且被钩在连接到支撑结构和可移动元件中的另一个的相应的连接器上，SMA致动器线中的第一对SMA致动器线被布置成在收缩时通过相应的连接器在沿着所述平面中的第一轴线的相反方向上驱动可移动元件相对于支撑结构的移动，SMA致动器线中的第二对SMA致动器线被布置成在收缩时通过相应的连接器在沿着所述平面中的与所述第一轴线正交的第二轴线的相反方向上驱动可移动元件相对于支撑结构的移动，
[0009]其中每个连接器相对于其中相应的SMA致动器线驱动可移动元件相对于支撑结构的移动的方向是横向地顺从的(laterally compliant)。
[0010]在该SMA致动装置中，使用四根SMA致动器线实现了在平面中任何方向上的移动。与使用更大数量的SMA致动器线的装置相比，这提高了可制造性和可靠性，同时仍提供期望的移动。
[0011]每根SMA致动器线在其端部处连接到支撑结构和可移动元件中的一个，并且钩在连接到支撑结构和可移动元件中的另一个的相应的连接器上。这允许SMA致动器线通过相应的连接器驱动可移动元件相对于支撑结构的移动。第一对SMA致动器线被布置成在与沿着在所述平面中的第一轴线的相反方向上驱动这样的移动，并且第二对SMA致动器线被布置成在沿着所述平面中的正交于所述第一轴线的第二轴线的相反方向上驱动这样的移动。因此，在平面中的任何方向上的移动可以通过SMA致动器线的选择性操作驱动。这可以实现，同时最小化在垂直于该平面的方向上的SMA致动器装置的高度。这是因为SMA致动器线可以被平行于该平面布置或者另外以与其的小的角度布置，使得SMA致动器线在该方向上具有小的范围。
[0012]由于连接器是横向地顺从的，所以连接器适应被另一对SMA致动器线驱动的可移动元件相对于相应的SMA致动器线的移动。即:由第一对SMA致动器线沿着第一轴线驱动的可移动元件的移动被第二对SMA致动器线的连接器适应，并且反之亦然。这防止由两对SMA致动器线驱动的移动互相妨碍。
[0013]为了设计和构造的方便，每根SMA致动器线可以在其端部处连接到支撑结构和可移动元件中的同一个。每根SMA致动器线在其端部处到支撑结构的连接提供了使得在控制电路被安装到支撑结构的正常情况下，做出SMA致动器线到控制电路的电连接更加简单的优点。然而，一般来说，SMA致动器线中的任一根可以在其端部处连接到支撑结构，并且SMA致动器线中的任一根可以在其端部处连接到可移动元件，而不影响整体功能。
[0014]这样的优点可以只使用提供了非常简单和紧凑的布置的一组四根SMA致动器线来实现。
[0015]SMA致动装置可以用于为各种目的而驱动各种不同类型的可移动元件的移动。
[0016]在一个示例中，SMA致动装置可以用于为摄像机提供0IS。在该示例中，SMA致动装置是摄像机装置，其还包括固定到支撑结构的图像传感器，并且可移动元件包括摄像机镜头元件，摄像机镜头元件包括被布置为将图像聚焦在图像传感器上的一个或多个镜头。在这种情况下，平面可以垂直于摄像机镜头元件的光轴。SMA致动装置然后可以通过摄像机镜头元件横向于光轴的移动而提供0IS，这可以被称作“移位”或“0IS移位”。这是有利的，因为与其中由包括摄像机镜头元件和图像传感器的摄像机单元的倾斜提供OIS的摄像机相比，其中需要足够的间隙来适应整个摄像机单元的移动，它减少了整体尺寸。该优点在微型摄像机中是特别有益的，例如在其中一个或多个镜头具有至多1mm的直径的微型摄像机中。
[0017]为了提供0IS，摄像机装置还可以包括:振动传感器，其被布置为产生代表装置的振动的输出信号；和控制电路，其被布置为响应于振动传感器的输出信号而产生用于SMA致动器线的驱动信号以用于稳定由图像传感器感测的图像，并把所产生的驱动信号供应到SMA致动器线。
[0018]为了允许更好的理解，现在将通过非限制性示例的方式参考附图来描述本发明的实施例，在附图中:
[0019]图1是摄像机装置的示意性剖视图；
[0020]图2是沿光轴观察的摄像机装置的俯视图；
[0021]图3是以修改的形式的摄像机装置的透视图；
[0022]图4是图3的摄像机装置的部分的展开图；
[0023]图5是用于SMA致动器线的控制电路的简图；以及
[0024]图6是控制电路的驱动电路的简图。
[0025]在图1中示出了作为根据的本发明的SMA致动装置的示例的摄像机装置1，图1是沿着光轴O获得的剖视图。摄像机装置I可以集成在例如移动电话、媒体播放器、平板电脑或便携式数字助理的便携式电子设备中。因此微型化是重要的设计标准。
[0026]摄像机装置I包括镜头元件2，镜头元件2通过在图1中示意性地示出但是在下文进行详细描述的SMA致动器线11-14的布置以允许镜头元件2相对于支撑结构4在垂直于光轴O的平面XY中的任何方向上移动的方式支撑在支撑结构4上，其由SMA致动器线11-14驱动。因此，镜头元件2是可移动元件。
[0027]在该示例中，镜头元件2唯一被SMA致动器线11-14支撑。可替代地，可以另外由悬架系统(suspens1n system)提供支撑。非限制性示例是包括在镜头元件2和支撑结构4之间连接的横梁并且平行于光轴O延伸的悬架系统。
[0028]支撑结构4是把图像传感器6支撑在支撑结构4的基部3的前侧上的摄像机支架。在基部3的后侧上，安装有IC(集成电路)芯片30以及陀螺仪传感器47。
[0029]镜头元件2包括安装环20和沿着光轴O布置的以支撑镜头22的圆筒体形式的镜头托架21，然而通常可以提供任何数量的镜头22。摄像机装置I是微型摄像机，其中镜头22 (或者多个镜头22，如果提供了复数个镜头的话)具有至多1mm的直径。
[0030]镜头元件2被布置为把图像聚焦到图像传感器6上。图像传感器6捕捉图像并且可以是任何合适的类型，例如CCD(电荷耦合设备)或CMOS(互补金属氧化物半导体)设备。
[0031]该镜头22 (或多个镜头22，如果提供了复数个镜头的话)可以相对于镜头托架21固定，或可替代地可以以其中该镜头22(或多个镜头22中的至少一个，如果复数个镜头的话)沿着光轴O可移动的方式支撑在镜头托架上，例如以提供聚集和/或变焦。在镜头22沿着光轴O可移动的情况下，可以提供合适的致动系统(未示出)，例如，使用诸如在W0-2007/113478中描述的音圈电机或SMA致动器线。
[0032]在操作中，镜头元件2在垂直于光轴O的平面XY中移动，具有在图像传感器6上的图像被横向地移动的效果。这用于提供0IS，补偿例如被手的抖动引起的摄像机装置I的图像移动。
[0033]在使用SMA致动器线以提供OIS功能的很多已知的装置中，例如如在W0-2010/029316和W0-2010/089529中公开的，通过倾斜包括镜头元件和图像传感器的实质上作为刚性主体的整个摄像机单元来提供0IS。补偿用户手的抖动的该方法确实原则上给予最好的OIS性能，因为把镜头元件与图像传感器对准在微型摄像机中是困难的，并且制造公差是非常紧的。此外，被补偿的用户手的抖动实质上是向摄像机的倾斜，并且因此它产生补偿应该也倾斜摄像机的直观感觉。然而，在该示例中，不同地执行OIS以便减轻一些其它问题。
[0034]第一个问题是，使用“摄像机倾斜”方法，图像传感器相对于固定的摄像机结构移动。这在从图像传感器到摄像机的固定结构和到移动电话的主板上的路由电连接中呈现困难。对于此的解决方案以柔性印刷电路(FPC)为中心以路由连接，但是由于连接的庞大数量和高数据速率，FPC设计仍然具有挑战性。因此，非常需要图像传感器来保持静止和固定。
[0035]第二个问题是，摄像机倾斜方法意味着具有至少包括镜头和图像传感器的摄像机结构以及必须在环绕支撑结构内部倾斜的支撑结构。因为摄像机具有有限的封装(footprint),摄像机的倾斜意味着OIS摄像机的摄像机厚度(高度)必须大于没有OIS的等效摄像机的厚度(高度)。在移动电话中，非常需要使摄像机高度最小化。
[0036]第三个问题是，通过倾斜整个摄像机，包裹倾斜的致动器而不增加摄像机的封装而超过没有OIS的摄像机的封装是困难的。
[0037]相应地，在本示例中，镜头元件2在垂直于光轴O的平面XY中线性移动，其可以被称为“移位”或“0IS移位”。产生的图像补偿确定不会完全反向用户手的抖动的效果，但是考虑到以上描述的限制，性能被认为是足够好的，并且特别是允许摄像机装置I的尺寸与使用倾斜的装置相比是减少的。
[0038]镜头元件2的移动被可以布置成如在图2中所示的四根SMA致动器线11-14驱动，图2是沿着光轴O的视图，使得平面XY在附图的平面中。
[0039]四根SMA致动器线11-14被连接在支撑结构4和镜头元件2之间。SMA致动器线11-14中的每根SMA致动器线被保持在绷紧状态，从而在支撑结构4和镜头元件2之间施加力。SMA致动器线11-14中的每根SMA致动器线具有V形，其中其在其端部处连接到支撑结构4并且在其中点处钩在相应的连接器7上。
[0040]SMA致动器线11-14在其端部处被通过分别的卷曲构件(crimping member) 5连接到支撑结构4的基部3。卷曲构件5将相应的SM致动器线11-14卷曲以将其机械地保持，可选地通过使用粘合剂来强化。卷曲构件5也提供到SMA致动器线11-14的电连接。然而，可以替代地使用连接SMA致动器线11-14的任何其它合适的装置。
[0041]连接器7在其一端具有螺柱8，SMA致动器线11_14围绕螺柱8被钩住。SMA致动器线11-14可以抵着螺柱8自由滑动或可以被固定到其，例如通过卷曲。
[0042]连接器7的与螺柱8相对的端部9被刚性地连接到安装环20(为附图清楚起见，通过在图2中没有示出的机械连接)。因为在该示例中连接器7在SMA致动器线11-14的外侧(即，在每根SMA致动器线11-14的在相应的连接器7的两侧上的部分之间的反射角之内)，连接器7承受从SMA致动器线11-14向镜头元件2施加的力，但是连接器7可以替代地被布置在SMA致动器线11-14的内部，使得连接器是受压的。
[0043]如下文进一步描述的，连接器7在螺柱7和端部9之间是横向地顺从的，在本示例中是弹性的。
[0044]SMA致动器线11-14中的每个平行于平面XY延伸并且是成角度的，使得每根SMA致动器线11-14在相应的连接器7的两侧上的部分以在图2中示出的示例中略大于90°的角度延伸。通常而言，该角度可以取小于180°的任何值，使得SMA致动器线11-14在收缩时在平面XY中在支撑结构4和镜头元件2之间施加力。该力通过分别的连接器7施加。使得每根SMA致动器线11-14在相应的连接器7的两侧上的部分之间的角度接近90°，例如在从70°到110°的范围之内，具有使摄像机装置I的垂直于光轴O的尺寸最小化的优点。
[0045]在以下的布置中，当沿着光轴O观察时，SMA致动器线11-14被设置在镜头元件2的外部以避免图像的光学阻塞。SMA致动器线11-14被布置为具有围绕光轴O的旋转对称并且具有围绕第一轴线X和在平面XY中正交于第一轴线X的第二轴线Y的镜面对称。因此，第一对SMA致动器线11和12沿着第一轴线X相对，并且从而被布置成在收缩时沿着第一轴线X在相反方向上驱动镜头元件2相对于支撑结构4的移动。类似地，第二对SMA致动器线13和14是沿着第二轴线Y相对的，并且从而被布置成在收缩时沿着第二轴线Y在相反方向上驱动镜头元件2相对于支撑结构4的移动。
[0046]SMA材料具有当加热时其经历引起SMA材料收缩的固态相变的性质。在低温下，SMA材料进入马氏体相。在高温下，SMA进入引起造成SMA材料收缩的变形的奥氏体相。由于转变温度在SMA晶体结构中的统计学分布，在一系列温度上发生相变。因此，加热SMA致动器线11-14引起它们长度减少。SMA致动器线11-14可以由任何合适的SMA材料制成，例如由镍钛诺(Nitinol)或另外的含钛合金SMA材料制成。有利地，SMA致动器线11-14的材料合成物和预处理选择成提供超过在正常操作期间期望的环境温度的一系列温度上的相变，并且尽可能广泛地使位置控制的程度最大化。
[0047]当加热SMA致动器线11-14中的一根时，其中的应力增加并且它收缩。这引起镜头元件2的移动。当SMA的温度增加超出其中发生SMA材料从马氏体相到奥氏体相的转变的温度的范围时发生一系列移动。相反，当冷却SMA致动器线11-14中的一根使得其中的应力减少时，它在来自于SMA致动器线11-14中的相对的SMA致动器线的力的作用下扩展。这允许镜头元件2在相反的方向上移动。
[0048]因此，SMA致动器线11-14能够被选择性地驱动，以在平面XY中的任何方向上驱动镜头元件2相对于支撑结构4向任何位置的移动。移动范围的大小取决于SMA致动器线11-14在其正常操作参数之内的几何结构和收缩范围。
[0049]镜头元件2相对于支撑结构4垂直于光轴O的位置通过选择性变化SMA致动器线11-14的温度来控制。这通过使提供电阻加热的选择性的驱动电流穿过SMA致动器线11-14来实现。通过驱动电流直接提供加热。通过减少或停止驱动电流来提供冷却，以允许SMA致动器线11-14通过向周围环境的传导、对流和辐射来冷却。
[0050]每个连接器7提供在一方向上的连接，在该方向上通过连接器7从相应的SMA致动器线11-14向镜头元件2施加足够刚性以驱动镜头元件2的移动的力。然而，每个连接器7横向于该方向是顺从的，即，第一对SMA致动器线11和12被钩在其上的连接器7横向于第一轴X是顺从的，并且第二对SMA致动器线13和14被钩在其上的连接器7横向于第二轴Y是顺从的。在该示例中，连接器7的顺从性通过连接器7是有弹性的构件来实现。
[0051]顺从性的程度被选择以足够使连接器7允许由另一对SMA致动器线11-14驱动的镜头元件2相对于相应的SMA致动器线11-14的移动，即关于第一对SMA致动器线11和12的连接器7，允许由第二对SMA致动器线13和14驱动的镜头元件2沿着第二轴线Y的移动，并且反之亦然。在该示例中，其中连接器7是有弹性的，这可以通过选择连接器7的尺寸和材料来实现。因此，防止了由两对SMA致动器线11-14驱动的移动彼此妨碍。另一方面，如果连接器7是横向刚性的，则它们将防止或至少扭曲被另一对SMA致动器线11或14驱动的镜头元件2的移动。
[0052]摄像机装置I是非常紧凑的并且允许提供具有在沿着光轴O的方向上在摄像机装置的高度中的最小增加和在正交于光轴O的封装中的最小增加的OIS功能。针对OIS需要的附加部件，特别是连接器7和卷曲构件15，位于其中存在围绕镜头元件2的空间的摄像机装置I的拐角中，并且摄像机装置I的提供OIS的部分在沿着光轴O的方向上是平坦的和非常薄的。此外，摄像机装置I的制造是简单的。包括SMA致动器线11-14和安装环20的组件可以通过将卷曲构件15固定到支撑结构4的基部3而安装在支撑结构上。摄像机装置I的另外的部件可以在随后的制造步骤中堆叠在顶部上。这符合正常的摄像机制造程序。特别注意，这些益处可以在该摄像机装置I中仅仅采用单组的四根SMA致动器线11-14来实现。
[0053]在该摄像机装置I中，SMA致动器线11-14中的每根平行于平面XY延伸。因为当沿着光轴O观察时SMA致动器线11-14彼此交叉，所以第二对SMA致动器线13和14在垂直于所述平面的方向上从第一对SMA致动器线11和12偏移，如通过虚线所表示的。然而，由于SMA致动器线11-14平行于平面XY延伸，并且通过使偏移的大小最小化，沿着光轴O使摄像机装置I的尺寸最小化是可能的。
[0054]对以上描述的摄像机装置I的各种修改是可能的。现在将描述可以以任何组合应用的可能修改的一些示例。
[0055]在以上的示例中，第二轴线Y与第一轴线X正交。然而，不要求严格的正交性，只要该第二轴线Y横向于第一轴线X，使得移动可以在平面XY中通过第一对SMA致动器线11和12以及第二对SMA致动器线13和14的致动的组合来驱动。类似地，在以上示例中，由于对称布置，SMA致动器线11-14每根沿着第一轴线X和第二轴线Y中的相应一个直接施加力。然而，这不是必须的，并且SMA致动器线11-14可以具有较不对称的布置，只要第一对SMA致动器线11和12每根沿着第一轴线X施加至少一个分力以便驱动沿着第一轴线X的移动，并且第二对SMA致动器线13和14每根沿着第二轴线Y施加至少一个分力以便驱动沿着第二轴线Y的移动。实际上，连接器7的益处之一是它们可以适应这种变化。
[0056]SMA致动器线11-14可以以与平面XY的非零角度倾斜地布置，该角度优选是小的角度，例如最大20°。在这种情况下，SMA致动器线11-14在运行中沿着光轴O产生可以趋向于在平行于光轴O的方向上倾斜或移动镜头元件2的分力。这样的分力可以被接受或者可以通过在镜头元件2和支撑结构4之间提供悬架系统进行抵制。
[0057]不论SMA致动器线11-14平行于平面XY还是以与平面XY的小的角度倾斜，SMA致动器线11-14的整体布置可以做得非常紧凑，特别是在沿着光轴O的方向上。SMA致动器线11-14本身非常薄，在直径上通常是25 μ m的量级，以确保快速的加热和冷却。SMA致动器线11-14的布置几乎没有增加致动器布置10的封装并且可以在沿着光轴O的方向上做得非常薄。沿着光轴的高度然后取决于其它部件的厚度和允许制造所必须的高度。
[0058]当沿着光轴O观察时，摄像机装置I具有正方形形状，但是更一般地，可以具有任何形状。支撑结构4被示意性地图示，但是通常可以是适合用于支撑镜头单元2的任何类型的元件。更一般地，相同类型的致动器布置10通常可以应用到包括不同于镜头元件的其它元件的任何类型的可移动元件。
[0059]在以上的示例中，SMA致动器线11-14中的每根在其端部处具有向支撑结构4的连接，但是这不是必须的。SMA致动器线11-14中的任何一根或任何数量的连接可以反向。在该情况下，该布置仍然如图2中所示，但是被反向的SMA致动器线11-14中的任何在其端部处连接到镜头元件2 (即，卷曲构件15安装在镜头元件2上)且相应的连接器7被连接到支撑结构4。通过这样的反向，在镜头元件2和支撑结构4之间施加的力保持相同并且因此功能上等效于以上描述的摄像机装置I。这就是说，SMA致动器线11-14中的每根在其端部处到支撑结构4和镜头元件2中的同一个的连接可以简化构建。此外，SMA致动器线11-14中的每根在其端部处到支撑结构4的连接可以简化从下文描述的IC芯片30中实施的控制电路40到SMA致动器线11-14的电连接的产生。
[0060]在以上的示例中，SMA致动器线11-14具有在其固定的端部处的连接，并且在其中点处设置了横向地顺从的连接器7。然而，可替代的是，SMA致动器线11-14在其中点处被固定并且通过是横向地顺从的连接器在其端部连接。这提供了类似的功能效果。然而，该布置可能难以制造，因为它需要更多的连接器。
[0061]在以上的示例中，连接器7借助于是弹性的而是横向地顺从的。然而，顺从性可以通过其它的机械装置来提供。一个可能性是可以通过连接器7是摇杆来提供顺从性。
[0062]图3和4示出了摄像机装置I的示例，其具有如上所述的相同结构，但是具有使得连接器7是摇杆的修改。为简洁起见，共同的元件具有相同的附图标记并且不再重复其描述。
[0063]安装环20在其外侧形成有围绕安装环20相等地间隔开的四个凹处15。在该示例中为摇杆的连接器7安装在每个凹处15中，该摇杆能够在凹处15中摇动以提供横向顺从性。这可以通过连接器7的内端16具有与凹处15的内表面的滚动转触并且以足以允许摇动的间隙配合在凹处15中来实现。四根SMA致动器线11-14中的每根钩在连接器7的外端17上，在该示例中位于连接器7的外端17中的槽18中。因此，SMA致动器线11-14通过处于压缩中的连接器施加力到镜头元件2。
[0064]除了连接器7允许通过在其凹处15中摇动而由另一对SMA致动器线11_14驱动的镜头元件2相对于相应的SMA致动器线11-14的移动之外，摄像机装置I以本质上与如上关于连接器是有弹性的情况所述的方式相同的方式而起作用。
[0065]连接器7的长度被选择为在外端18处提供期望的移动程度。例如，在具有8.5平方毫米的封装的典型的微型摄像机中，连接器的长度可以是1.5mm的量级。已经发现，对于合适的图像抖动纠正，需要大约10ym的移动。因此，为了使连接器7的外端18移动100 μ m，倾斜角是大约4°。这样的小的倾斜可以通过连接器7的内端16在凹处12内的滚动接触而容易地适应。凹处12的宽度被选择为刚好允许这种摇动。
[0066]在某些情况下，外力可以使连接器7在凹处12内移动，例如如果摄像机装置I掉在坚硬的表面上或以其它方式振动。在振动事件结束之后，由SMA致动器线11-14施加的力将将触点重新设置在连接器7的内端16处，但是连接器7可以已经在其凹处12中已经向侧面移位并且可以例如抵着凹处12的一个侧壁或其它侧壁结束。在随后的激活时，将不会立即得到完全的抖动校正。在激活时，SMA致动器线11-14将克服接触点处的摩擦力朝向中心拉动连接器7。在完全的激活冲程(excurs1n)之后，连接器7将重新居中并且可以恢复充分的抖动校正。为了防止抖动校正的这样的可能的短期损失，可以进行定心周期，例如在振动事件被感测之后或每次摄像机被通电之后。该定心周期包括在所有的方向上激活SMA致动器线11-14到其全部冲程以确保对所有的连接器7重新定心。
[0067]在本示例中，SMA致动器线11-14轻微向平面XY倾斜。该轻微倾斜是节省空间的，因为它允许卷曲构件15的空间并且允许SMA致动器线11-14交叉而不接触。因为SMA致动器线11-14的倾斜性质，施加的力从而轻微偏离正交于光轴O的理想状态。已经发现这种偏离不足以不利地影响OIS操作。
[0068]SMA致动器线11-14的控制通过在图5中示出的在IC芯片30中实施的控制电路40实现。控制电路40产生和提供驱动信号到SMA致动器线11-14中的每根并且被布置如下。
[0069]控制电路40包括陀螺仪传感器47，陀螺仪传感器47输出表示镜头元件2的角速度的信号，从而充当检测摄像机装置I经受的振动的振动传感器。陀螺仪传感器47通常为一对微型陀螺仪，用于检测围绕互相垂直的两个轴线和光轴的振动，然而通常可以使用更大数量的陀螺仪或其它类型的振动传感器。
[0070]来自陀螺仪传感器47的输出信号被提供到可以在处理器中实施的OIS控制器48。OIS控制器48获得表示需要总体上补偿摄像机装置I的移动的镜头元件2的移动的移动信号，并且因此稳定被图像传感器6感测的图像。当陀螺仪传感器47安装在支撑结构4上时，输出信号代表支撑结构4的振动。OIS通过相反地横向移动镜头兀件2实现。相应地，OIS控制器48产生提供与如被陀螺仪传感器47测量的实际倾斜相反的期望移动的移动信号。在产生移动信号之前，OIS控制器48可以处理来自陀螺仪传感器47的输出信号，例如通过对它们进行滤波。
[0071]来自OIS控制器48的移动信号被提供到可以在处理器中或硬件中实施的矩阵控制器42。尽管为了容易理解，矩阵控制器42和OIS控制器48被示出为分开的部件，但是它们可以在共同的处理器中实施。
[0072]矩阵控制器42基于移动信号产生针对SMA致动器线11_14中的每根的控制信号。这使用涉及SMA致动器线11-14中的每根的必要的收缩或扩张(即长度)的矩阵计算来实现期望的移动。任何期望的移动具有沿着第一轴线X和第二轴线Y中的每个的分量，其中移动被以上识别的成对的SMA致动器线11-14驱动。因此，对于被移动信号表示的期望移动的那些分量中的每个来说，控制信号提供第一对SMA致动器线11和12和第二对致动器线13和14的差异收缩。以这种方式，任何期望的移动可以转换成用于选择性致动SMA致动器线11-14的合适组合的控制信号。因此，矩阵计算考虑到了 SMA致动器线11-14在摄像机装置I中的实际几何布置。
[0073]控制信号可以通过各种补偿算法进行修改以补偿非线性效应，例如在SMA材料中的迟滞。
[0074]SMA致动器线11-14中的每一根连接到通过矩阵控制器42提供有关于SMA致动器线11-14中的相应的一根的控制信号的相应的驱动电路43。驱动电路43根据控制信号产生驱动信号并且向SMA致动器线11-14提供驱动信号。驱动电路43具有在图6中关于第一 SMA致动器线11示出的相同的布置并且被布置如下。
[0075]驱动电路43包括提供有来自矩阵控制器42的控制信号并使用电阻反馈控制驱动器45的驱动控制器44。驱动控制器44可以在处理器中实施。尽管为了便于理解，矩阵控制器42和驱动控制器44示出为分开的部件，但是它们可以在共同的处理器中实施。
[0076]驱动器45被连接以提供驱动电流到SMA致动器线11。驱动器45可以是恒压电源或恒流电源。例如，在恒流电源的情况下，该恒定的电流可以是120mA的量级。
[0077]驱动电路43还包括布置为检测SMA致动器线11的电阻的检测电路46。在驱动器45是恒流电源的情况下，检测电路46可以是可操作以检测SMA致动器线11两端的电压的电压检测电路，这是对SMA致动器线11的电阻的测量。在驱动器45是恒压电源的情况下，检测电路46可以是电流检测电路。为了更高的准确度，检测电路46可以包括可操作以检测SMA致动器两端的电压和电流并且推导作为其比值的电阻的测量的电压检测电路和电流检测电路。
[0078]驱动控制器44被布置为控制驱动器45以提供脉冲宽度调制电流。驱动控制器44接收由检测电路46测量的电阻并且使用它作为在闭环控制算法中的反馈信号，以控制驱动器45的PWM占空比，以根据由整体控制信号表示的要求来驱动SMA致动器线11。闭环控制可以是成比例的，或可以包括积分分量和/或微分分量。
[0079]通过使用SMA致动器线11的电阻作为关于位置的反馈参数，在功能性移动范围之内，SMA材料的收缩和扩展是与其电阻近似成线性的。包括迟滞和蠕变的非线性在一定程度上发生。这些可以被忽略，但是为了更好的线性度，这些可以在闭环控制算法中进行解释。
[0080]SMA致动器线11-14可以提供有足够的响应速度以提供0IS。通常，SMA致动器线11-14中的每一根被成比例地驱动，以便控制在高达1Hz、高达20Hz或高达30Hz的频宽上的位置。作为致动器的SMA的感知到的缺点是它的慢的响应时间。因为SMA材料是热驱动的，所以响应时间受限于与热传导率、比热容和热质量相关的可实现的温度变化。
[0081]虽然SMA致动器线11-14的加热可以通过增加驱动电流的功率来增加，但是冷却依赖于SMA致动器线11-14的厚度。该厚度被选择以在冷却期间提供期望的响应时间。例如，如果SMA致动器线11-14具有25 μ m的厚度，是目前最薄的市售材料，则热反应在4Hz下开始转降。基于对OIS功能的分析，功能需求是提供在高达30Hz的带宽上的移动补偿。然而，需要的响应的振幅在通常针对以上所述的摄像机装置I从在大约IHz的大约70 μ m到在超出20Hz的小于10 μ m的操作带宽上明显下降。令人惊奇的是，尽管在SMA致动器线中的转降在4Hz以上响应，但是SMA致动器线11-14仍然能够在30Hz传送位移要求，并且因此能够成功地满足关于微型摄像机的OIS的致动要求。
【权利要求】
1.一种用于使可移动元件相对于支撑结构移动的SMA致动装置，所述SMA致动装置包括: 支撑结构； 可移动元件，所述可移动元件以允许所述可移动元件相对于所述支撑结构在平面中的任何方向上移动的方式支撑在所述支撑结构上；和 四根SMA致动器线，每根SMA致动器线在其端部处被连接到所述支撑结构和所述可移动元件中的一个，并且被钩在连接到所述支撑结构和所述可移动元件中的另一个的相应的连接器上，所述SMA致动器线中的第一对SMA致动器线被布置成在收缩时通过所述相应的连接器在沿着所述平面中的第一轴线的相反方向上驱动所述可移动元件相对于所述支撑结构的移动，所述SMA致动器线中的第二对SMA致动器线被布置成在收缩时通过所述相应的连接器在沿着所述平面中的横向于所述第一轴线的第二轴线的相反方向上驱动所述可移动元件相对于所述支撑结构的移动， 其中每个连接器相对于其中相应的SMA致动器线驱动所述可移动元件相对于所述支撑结构的移动的方向是横向地顺从的。
2.根据权利要求1所述的SMA致动装置，其中所述SMA致动装置是摄像机装置，所述摄像机装置还包括固定到所述支撑结构的图像传感器，并且所述可移动元件包括摄像机镜头元件，所述摄像机镜头元件包括被布置为将图像聚焦在所述图像传感器上的一个或多个镜头，所述平面垂直于所述摄像机镜头元件的光轴。
3.根据权利要求2所述的SMA致动装置，其中所述至少一个镜头具有至多1mm的直径。
4.根据权利要求2或3所述的SMA致动装置，还包括: 振动传感器，所述振动传感器被布置为产生表示所述SMA致动装置的振动的输出信号；和 控制电路，所述控制电路被布置为响应于所述振动传感器的所述输出信号而产生用于所述SMA致动器线的驱动信号以用于驱动所述摄像机镜头元件的移动以稳定被所述图像传感器感测的图像，并且将所产生的驱动信号提供到所述SMA致动器线。
5.根据权利要求2到4中任一项所述的SMA致动装置，其中当沿着所述光轴观察时，所述SMA致动器线被设置在所述镜头元件的外部。
6.根据权利要求1所述的SMA致动装置，还包括: 控制电路，所述控制电路被布置成为所述SMA致动器产生用于驱动所述可移动元件相对于所述支撑结构在所述平面中的移动的驱动信号和将所产生的驱动信号提供到所述SMA致动器线。
7.根据前述权利要求中任一项所述的SMA致动装置，其中所述顺从的连接器是摇杆。
8.根据权利要求7所述的SMA致动装置，其中所述相应的连接器被连接到所述支撑结构和所述可移动元件中的另一个，在其间具有滚动接触。
9.根据权利要求1到6中任一项所述的SMA致动装置，其中所述连接器是弹性构件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的SMA致动装置，其中所述SMA致动器线平行于所述平面延伸。
11.根据前述权利要求中任一项所述的SMA致动装置，其中所述第二对SMA致动器线在垂直于所述平面的方向上从所述第一对SMA致动器线偏移。
12.根据前述权利要求中任一项所述的SMA致动装置，其中当垂直于所述平面观察时，每根SMA致动器线在所述相应的连接器的任一侧上的部分以小于180°的角度延伸。
13.根据前述权利要求中任一项所述的SMA致动装置，其中每根SMA致动器线在其端部处连接到所述支撑结构和所述可移动结构中的同一个。
14.根据前述权利要求中任一项所述的SMA致动装置，其中每根SMA致动器线在其端部处连接到所述支撑结构。
15.根据前述权利要求中任一项所述的SMA致动装置，其中所述第二轴线正交于所述第一轴线。
16.根据前述权利要求中任一项所述的SMA致动装置，其中所述可移动元件仅仅通过所述SMA致动器线支撑在所述支撑结构上。
【文档编号】G03B3/10GK104204935SQ201380009832
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年2月18日 优先权日:2012年2月16日
【发明者】詹姆斯·豪沃思 申请人:剑桥机电有限公司