对sma致动装置的控制的制作方法
【专利说明】对SMA致动装置的控制
[0001 ] 本发明涉及对SMA致动装置中SMA (形状记忆合金)致动器线的控制，其中SMA致动器线提供对相对于支撑结构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SMA致动装置。在这种装置中，将SMA致动器线拉紧地连接于可移动元件和支撑结构之间。SMA致动器导线在这种装置中作为致动器是有利的，特别是由于其高能量密度，这意味着要求施加给定力的SMA致动器具有相对较小的尺寸。
[0003]其中SMA致动器线已知作为致动器使用的一种类型的装置是照相机(特别是微型照相机)。一些示例如下。
[0004]W0-2007/113478公开了一种SMA致动装置，其中SMA致动器线用于驱动照相机镜头元件沿着光轴移动(例如为了把通过照相机镜头元件形成的图像聚焦在图像传感器上的目的)。
[0005]W0-2010/029316 和 W0-2010/089529 每个均公开了一种 SMA致动装置，其中 SMA 致动器线用于通过驱动包括照相机镜头元件和图像传感器的照相机单元的倾斜提供照相机中的光学图像稳定(OIS)。控制该倾斜以针对通常由用户手的移动导致的振动来稳定由照相机镜头元件形成在图像传感器上的图像，所述振动降低了由图像传感器所捕获的图像的质量。
[0006]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照相机单元的倾斜提供照相机中的OIS，但具有额外的自由度。
[0007]先前已公开可以根据其电阻的量度来控制SMA致动器线。通常，SMA致动器线的电阻量度可被检测且作为反馈参数使用，通过控制提供给SMA致动器线的驱动信号的功率以减小电阻的量度和目标电阻之间的差值。这适用于其中SMA致动器线相对偏置元件(例如弹簧)操作的装置，并且只要在远离SMA致动器线的最大电阻和最小电阻的区域中沿着其电阻相对温度的曲线操作SMA致动器线。
[0008]还可以将利用电阻量度的反馈控制应用于SMA致动装置，其中SMA致动器线在布置中，其中SMA致动器线在相反方向对可移动元件施加作用力。这种情况下，每根SMA致动器线具有被选择以驱动该线到达预期位置的目标电阻。每个SMA致动器线的电阻量度可被检测且作为反馈参数使用，通过控制提供给SMA致动器线的驱动信号的功率以减小电阻量度和目标电阻之间的差值。
[0009]然而，如果根据其各自的电阻以这种方式各自控制两个SMA致动器线，那么存在提供给单个SMA致动器线的功率和SMA致动器线的产生的温度可达到可能损坏SMA致动器线的值的风险。
[0010]另外，控制要求电阻随着传输到SMA致动器线的功率增加而降低。因此，控制将不适用于靠近最大电阻和最小电阻(沿着其电阻与温度曲线)的SMA致动器线的电阻(其被当SMA致动器线被以恒定张力加热时观察到)。
[0011]根据本发明的一个方面，提供了用于控制在SMA致动装置中的SMA致动器线的方法，其中SMA致动器线以下面布置被拉紧地连接于可移动元件和支撑结构之间:其中SMA致动器线在相反方向上向可移动元件施加作用力，作为控制SMA致动器线以沿着预定的轴相对于支撑结构驱动可移动元件的移动的方法，该方法包括:
[0012]检测SMA致动器线的电阻的量度；
[0013]获得关于预定轴的反馈差值量度，其为SMA致动器线的电阻量度的总和，相对于彼此采用关于SMA致动器线的系数换算，其大小表示SMA致动器线施加到可移动元件的作用力的沿着预定轴的分量，并且其符号表示沿着预定轴的其中SMA致动器线施加作用力的所述分量的方向；
[0014]响应于反馈差值量度、以减少关于预定的轴的反馈差值量度和关于预定轴的目标差值量度之间差值的方式，控制提供给沿着预定轴将作用力的分量施加到可移动元件的SMA致动器线的驱动信号的功率。
[0015]本发明中，利用反馈差值量度对沿着预定轴的移动实施控制，而不是利用作为反馈参数的电阻量度。这是SMA致动器线电阻相对于彼此采用系数进行换算的量度之和。该系数取决于其中SMA致动器线相对于可移动元件施加到可移动元件的作用力的方向。
[0016]该系数的符号表示其中SMA致动器线施加的作用力分量沿着预定轴的方向。因此，反馈差值量度实际上是任何沿着预定轴在一个方向施加作用力的SMA致动器线和任何沿着预定轴在相反方向施加作用力的SMA致动器线之间的差值量度。
[0017]系数的大小表示SMA致动器线施加到可移动元件的作用力的沿着预定轴的分量。这需要考虑其中SMA致动器线向可移动元件施加作用力的角度。
[0018]在一些布置中，SMA致动器线包含沿着预定轴在相反方向给可移动元件施加作用力的对齐的SMA致动器线。在这种情况下，相对于预定轴的反馈差值量度可能是任何在所述相反方向中的第一个方向上施加作用力的对齐的SMA致动器线的总电阻和任何在所述相反方向中的第二个方向上施加作用力的对齐的SMA致动器线的总电阻之间的差值。
[0019]在一些布置中，SMA致动器线包含向可移动元件与预定轴成锐角地施加作用力的非对齐的SMA致动器线。在这种情况下，关于这种非对齐SMA致动器线的系数可能具有小于关于对齐SMA致动器线的系数的大小的大小。
[0020]反馈差值量度被用于控制提供给向可移动元件沿着预定轴施加作用力分量的SMA致动器线的驱动信号的功率。考虑到相对于预定轴的目标差值量度，响应于反馈差值量度进行控制。以下列方式进行控制:降低相对于预定轴的反馈差值量度和相对于预定轴的目标差值量度之间的差值。
[0021]这种反馈控制实现对可移动元件的位置的控制，而不用在SMA致动器线中过多使用电能和产生的高温。这是因为利用反馈差值参数的位置控制可独立于所用平均功率被控制。同样，降低了有可能损坏SMA致动器线的过多电能和温度的风险。相似地，这种反馈控制实现沿着其电阻相对于温度的曲线接近于SMA致动器线的最大电阻和最小电阻的闭环控制。这增加致动器的冲程。
[0022]平均功率可在致动操作中保持恒定，但是可以在两次致动之间变化(例如响应于环境温度的量度)。可以控制平均功率使其随着环境温度的升高而降低。可选择地，在相对高的环境温度中，可以控制平均功率使其降低较小的量或随着环境温度进一步升高保持恒定。这些设置提供高运行效率和对线破坏的防护。
[0023]可以扩展控制方法，以控制SMA致动器线从而驱动可移动元件沿除所述预定轴之外的另一个轴相对于支撑结构的移动，所述另一个轴为与预定轴正交。这种情况下，该方法获得和使用等价于关于预定轴的反馈差值量度的关于另一个轴的等价的反馈差值量度，其是相对于彼此按关于相应的SMA致动器线的系数换算的SMA致动器线的电阻的量度的总和((a)沿着另一个轴由SMA致动器线施加到可移动元件的作用力的分量与(b)由SMA致动器线施加到可移动元件的总作用力)，其中针对所述相反的方向的相应的方向，比例具有相反的符号。
[0024]本发明可应用于一系列的SMA致动装置类型。在一个有利的应用中，SMA致动装置是照相机装置，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照相机镜头元件，照相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。那种情况下，预定轴和另一个轴两者均可能与照相机镜头元件的光轴正交，这种情况下，移动可能提供光学图像稳定(OIS)。
[0025]根据本发明的另一方面，为SMA致动装置提供了实施类似方法的控制系统。
[0026]为了进行更好地理解，现在将参照附图以非限制性实例的方式描述本发明的实施例，在附图中:
[0027]图1为第一照相机装置的示意性侧视图；
[0028]图2为用于第一照相机装置的SMA致动器线的控制系统的图形；
[0029]图3是为照相机装置的第二 SMA致动装置的示意性剖面图；
[0030]图4是第二照相机装置的悬架系统的透视图；
[0031]图5是SMA致动器线在照相机装置中的布置的透视图；
[0032]图6是图4中的悬架系统和图5中的SMA致动器线一起布置的透视图；
[0033]图7为用于第二照相机装置的SMA致动器线的控制系统的图解；
[0034]图8是第三照相机装置的透视图；以及
[0035]图9是第四照相机装置的平面图。
[0036]下文要描述的每个实施例为照相机装置，其为其中可移动元件是镜头元件的SMA致动器装置的例子。每个照相机装置将被并入到如移动电话、媒体播放器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准则。尽管如此，同样类型的SMA致动装置通常可被应用于包含除镜头元件之外的其他元件的任何类型的可移动元件。
[0037]图1示出了沿着光轴O获得的第一照相机装置I的剖视图。第一照相机装置I包括被悬架系统4在支撑结构3上支撑的镜头元件2，该悬架系统采取伸展于镜头元件2和支撑结构3之间的挠曲形式。悬架系统4实现镜头元件2沿着光轴O相对于支撑结构3的移动。因此，镜头元件2是可移动元件。
[0038]支撑结构3是支撑在镜头元件2后面沿着光轴O布置的图像传感器5的照相机支架。支撑结构3的背面安装有IC (集成电路)芯片10，控制系统11在其中实现。
[0039]镜头元件2支撑沿着光轴O布置的镜头8，但是通常可提供任何数量的镜头。第一照相机装置I为微型相机，其中镜头8 (或者多个镜头，如果提供了超过一个镜头)具有最多1mm的直径。布置镜头元件2，以将图像聚焦到图像传感器5。图像传感器5捕获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。操作中，沿着光轴O移动镜头元件2，以改变焦距和/或放大倍数。
[0040]第一照相机装置I还包括两个SMA致动器线9a和9b，每根线被拉紧地连接至镜头元件2和支撑结构3之间。SMA致动器线9a和9b具有以下布置:其中每根线与光