形状记忆合金致动装置的利记博彩app

专利名称：形状记忆合金致动装置的利记博彩app
形状记忆合金致动装置本发明涉及使用形状记忆合金(SMA)材料作为致动器来驱动可移动的元件的运 动的形状记忆合金致动装置。本发明通常可应用于任何类型的可移动的元件，但特别应用于照相机透镜元件的 致动，例如用在小型照相机中的类型的照相机透镜元件，小型照相机可应用于便携式电子 器件，例如移动电话或移动式数字数据处理和/或发射器件。最近，随着有时称为PDA(便 携式数字助理)的便携式信息终端和便携式电话的爆炸性蔓延，越来越多数量的器件包括 了使用图像传感器的紧凑的数字照相机设备。当这样的数字照相机设备使用具有相对较小 的图像检测区域的图像传感器而小型化时，其光学系统，包括一个或多个透镜，也需要被相 应地小型化。为了实现聚焦或图像缩放，必须在这样的小型照相机的有限容积内包括一些类型 的致动装置，以沿光轴驱动照相机透镜元件的运动。因为照相机透镜元件是小的，所以致动 装置必须能够提供在相应的小的运动范围内的精确致动。同时希望致动器装置自身是紧凑 的，以整体上满足照相机设备的小型化要求。实际上，这些观点限制了能应用的致动装置的 类型。尽管现有的大部分照相机依赖于众所周知的电线圈电动机的变化形式，但是已经 推荐了许多其他致动装置作为透镜系统的小型驱动单元。这些其它致动装置可包括基于压 电的、电致伸缩的或磁致伸缩的材料的换能器，通常称为电驱动装置，且一个示例是包括弯 曲结构的螺旋线圈压电弯曲带(helically coiled piezoelectric bender tape)的致动 器，如W0-01/47041中公开的，其可用作W0-02/103451中所描述的照相机透镜的致动器。推荐的另一种类型的致动装置使用SMA材料作为致动器。SMA致动器设置成在加 热时驱动照相机透镜元件的运动。可通过控制SMA致动器在有效温度范围内的温度来实现 致动，在有效温度范围中，SMA致动器在马氏体和奥氏体相之间改变，其中SMA致动器的应 力和应变改变。在低温下，SMA致动器处于马氏体相，而在高温下，SMA致动器转变成奥氏体 相，其包括引起SMA致动器收缩的变形。SMA致动器的温度可通过选择性地使电流通过SMA 致动器以加热它来改变，从而引起相变。相变发生在一温度范围内，这是由于SMA晶体结构 中转变温度的统计学离散。SMA致动器设置成使得收缩驱动可移动的元件的运动。常规上， 偏置工具提供在与SMA致动器收缩时施加的力相反方向上的偏置力。SMA材料作为小型物体，例如小型照相机的照相机透镜元件的致动器的使用提供 以下优点本质上是线性的、提供每单位质量的高动力、是低成本的商品项目和相对较小的 部件。还需要考虑悬挂可移动的元件并沿运动轴引导运动的悬架系统。为了精确的应 用，在整个运动范围且当装置定向在不同位置时，运动必须受到从名义运动轴最小的偏离。 该偏离可为轴的相对角度倾斜和/或线性平移的形式。这对于照相机透镜元件来说尤为真 实，对于照相机透镜元件来说，这些偏离可能引起图像质量的恶化。因此，悬架系统在期望 的运动方向上理想地具有低的刚性或阻力，且在所有其它方向上具有高的刚性。本发明涉及包括多个弹性弯曲部分的悬架系统。这些弹性弯曲部分可耦合在支撑结构和可移动的元件之间，以将可移动的元件支撑在支撑结构上，并由弯曲部分的偏转来 沿运动轴引导可移动的元件的运动。弯曲部分提供作为悬架系统的众多益处。弯曲部分可 设置成提供沿运动轴的低的刚性以及垂直于运动轴的高的刚性。类似地，与例如轴承相比， 弯曲部分经历抵抗运动的最小程度的摩擦。最后，由弯曲部分形成的悬架系统是紧凑的且 制造简单。W0-2007/113478公开了 SMA致动装置的示例，其中可移动的元件为由包括多个弯 曲部分的悬架系统支撑的照相机透镜元件。本发明涉及设计这样的装置来提供期望的运动范围。存在各种变量和限制，包括 SMA材料的布置和性能，以及悬架系统的弯曲部分的布置和性能。在悬架系统包括多个弯曲部分的情况下，感觉到的优点是弯曲部分也起到偏置工 具的作用，该偏置工具提供与由SMA致动器在收缩时施加的力相反的方向上的偏置力。理 想地，该装置构造成需要在SMA致动器中形成相对较高的应力来移动可移动的元件远离静 止位置，在静止位置，SMA致动器是不活动的。这可通过提供端部停止件(end-stop)来实 现，该端部停止件限制可移动的元件在与由收缩驱动的运动的方向相反的方向的运动。端 部停止件定位成对偏置工具施加预应力，该应力必须由启动的SMA致动器来克服，以产生 运动。这样的预应力由于多种原因而是理想的。第一，这升高温度，在该温度下，SMA材 料的应力足以引起收缩来抵抗偏置工具。这是期望的以便增加该装置可用的环境温度的范 围。第二，在静止状态，偏置工具的预应力保持可移动的元件牢固地贴着端部停止件。这是 期望的以便精确地控制位置并防止由外力引起的可移动的元件的运动。但是，这样的预应力需要在设计限制范围，明显地可实现的运动范围内平衡。可 实现的最大运动通过需要避免弯曲部分的偏转程度来限制，这使得超出弯曲部分的材料限 制。预应力能通过移动端部停止件的位置来增加。但是，这直接减小了运动范围。预应力也能通过增加弯曲部分的刚性来增加。这增加了静止状态的预应力。然 而，在弯曲部分偏转时，其也引起更快速地接近弯曲部分的材料限制，且因此能间接地减小 运动范围。实际上，该装置设置成平衡这些不同的限制。这样的设计是简单的执行任务，但对 最小化上述限制以便提供具有改进性能的装置来说是理想的，例如悬架系统的弯曲部分的 较大的运动范围或较小限制的设计。根据本发明，提供了一种形状记忆合金致动装置，包括支撑结构；可移动的元件；悬架系统，其包括多个弹性弯曲部分，该弹性弯曲部分耦合在支撑结构和可移动 的元件之间，以将可移动的元件支撑在支撑结构上，并通过弯曲部分的偏转来引导可移动 的元件沿运动轴的运动；形状记忆合金致动器，其设置成在形状记忆合金致动器收缩时驱动可移动的元件 相对于支撑结构在第一方向上沿运动轴的运动；端部停止件，其设置成限制可移动的元件在第二方向上沿运动轴的运动，第二方向与第一方向相反；偏置元件，其设置成相对于支撑结构在第二方向上沿运动轴偏置可移动的元件， 该装置设置成使得当可移动的元件保持靠着端部停止件时，由偏置元件在所述第二方向上 施加的力大于由悬架系统的弹性弯曲部分施加的力。因此，本发明涉及提供除包括多个弹性弯曲部分的悬架系统以外的偏置元件。这 与预期相反，例如W0-2007/113478中教导的，包括多个弹性弯曲部分的悬架系统具有其自 身作为偏置工具的益处。但是，应理解，实际上，存在提供具有这样一种布置的额外偏置元 件的益处，其中当可移动的元件保持贴着端部停止件时，由偏置元件施加的力大于由悬架 系统的弹性弯曲部分施加的力。具体地，额外偏置元件提供了提供相对较高的预应力的益处。也就是说，偏置元件 施加相对较大的力，该力增加在SMA致动器中形成的力，以将可移动的元件移离SMA致动器 未被启动的静止位置。这样的预应力具有上述的益处。但是，因为额外偏置元件没有将可移动的元件悬挂在支撑结构上并沿运动轴引导 运动，所以极大地降低了额外偏置元件的设计限制。尤其，设计额外偏置元件而不超出材料 限制明显地较容易。例如，如果额外偏置元件为弯曲部分，则其可具有在其耦合到支撑结构 和可移动的元件的位置之间测量的长度，该长度大于悬架系统的弯曲部分。这减小了作为整体的装置的设计限制，从而允许改进设计。例如，与没有额外偏置 元件的相等装置相比，运动的最大程度可增加和/或弯曲部分的设计限制可放宽。为了允许更好的理解，现通过非限制性例子、参考附图来描述本发明的实施方式， 其中

图1是包括SMA致动装置的照相机的示意性剖视图；图2是对比实施例中贴着透镜元件的位置形成的应力的图；图3是贴着图1的照相机的透镜元件的位置形成的应力的图；图4-12是照相机的连续组装部件的透视图；图13是可选的偏置元件的透视图；图14是照相机的总体控制布置的示意图；图15是控制电路的图示；图16是在收缩过程中SMA的电阻_长度性能的图；以及图17和18是控制电路的三种可能电路实现的图示。首先描述包括SMA致动装置的照相机1的结构。照相机1将被结合到便携式电子 器件，诸如移动电话、媒体播放机或便携式数字助理中。图1以剖视图示意性示出照相机1，该剖面沿照相机1的光轴0截取。照相机1包 括支撑结构2，支撑结构2具有基部部分3，基部部分3上安装了可为CCD(电荷耦合器件) 或CMOS(互补型金属氧化物半导体)器件的图像传感器4。支撑结构2还包括从图像传感 器4所安装的基部3的前侧突出的环形壁5。支撑结构2可由塑料制成。照相机1还包括透镜元件6，透镜元件6保持由一个或多个透镜8组成的透镜系 统7。例如，透镜系统7在图1中示出为由两个透镜8组成，但一般可根据需要有单个透镜 8或多个透镜8，以提供期望的光学性能的平衡以及低成本。照相机1为具有透镜系统7的 透镜8的小型照相机，透镜8 —般具有至多10mm的直径。
透镜元件6以透镜系统7的光轴0垂直于图像传感器4来设置。这样，透镜系统 7将光聚焦到图像传感器4上。透镜元件6具有包括透镜架20和透镜支架21的两部分结构，透镜支架21以形成 在透镜架20内侧的内螺纹22安装在透镜架20内。一般地，透镜支架21的直径为6. 5mm。 透镜架20连接到悬架系统9，以悬挂透镜元件6。透镜支架21安装透镜系统7的一个或多 个透镜8。透镜架20和透镜支架21都可由模制塑料制成。透镜元件6通过悬架系统9悬挂在支撑结构2上，悬架系统9由连接在支撑结构2 的环形壁5和透镜元件6之间的两个悬架元件10组成。如下面进一步描述的，每个悬架元 件10包括耦合在支撑结构2和透镜元件6之间的多个弹性弯曲部分13，从而将透镜元件6 支撑在支撑结构2上。弹性弯曲部分13偏转，以引导透镜元件6沿光轴0移动，同时阻止 透镜元件6垂直于光轴0移动。透镜元件6的这种移动改变形成在图像传感器4上的图像 的焦点。照相机1还包括SMA致动器30，该SMA致动器30包括机械地连接到支撑结构2的 环形壁5和透镜元件6的透镜架20的一件SMA线31，如下面更详细描述的。SMA线31保 持拉紧。在加热SMA线31时，SMA致动器30收缩，驱动透镜元件6在第一方向X上沿光轴 0远离图像传感器4移动。图1所示的透镜元件6处于其静止状态，其中SMA致动器30是 不活动的。在此状态，透镜元件6处于其移动范围内最靠近图像传感器4的位置，该位置对 应于远场或超焦距焦点，这是照相机1的最常见的设置，特别是设置有自动调焦功能时。照相机1还包括耦合在支撑结构2和透镜元件6之间的偏置元件23。如下面进一 步详细描述的，偏置元件23包括偏转透镜元件6沿光轴0的运动的弹性弯曲部分。偏置元 件23总是在第一方向X上偏转，使得其在第二相反的方向Y施加力，从而起偏置工具的作 用来抵抗由SMA致动器30施加的力。在加热SMA致动器30时，其中的应力增加，直到其克服偏置元件23和弯曲部分 13。SMA线31收缩，移动透镜元件6远离图像传感器4。随SMA线31的温度在温度范围内 增加，在该温度范围内，SMA线的材料从马氏体相转变为奥氏体，透镜元件6在一运动范围 内移动。相反地，在冷却SMA线31使得其中的应力减小时，由偏置元件23和弯曲部分13 提供的偏置引起SMA线31膨胀，使透镜元件6朝图像传感器4移动。支撑结构2还包括从环形壁5向内突出的在透镜元件6外侧的上部壁15和下部 壁16。上部壁15和下部壁16为环形的，使得穿过透镜系统7的光没有阻挡地穿过其中的 孔。但是，上部壁15和下部壁16通过重叠透镜元件6的透镜架20而构成透镜元件的端部 停止件，以限制沿光轴0的运动。当透镜元件6处于其静止状态时，下部壁16限制透镜元件6在第二方向Y上的运 动，在静止状态，SMA致动器30是不活动的，如图1所示。下部壁16的位置被选择成使得 在该状态，偏置元件23在第一方向X上偏转，因此其在第二方向Y施加力。因为SMA致动 器30是不活动的，所以该力牢固地保持透镜元件6处于靠着下部壁16的位置。照相机1设置成使得由偏置元件23在该位置施加的力大于由悬架系统9的弯曲 部分13施加的力。一般地，在该位置，悬架系统9的弯曲部分13根本不偏转，于是它们不 施加力。但是，原则上，悬架系统9的弯曲部分13能偏转正数或负数，使得它们施加负力或 正力，只要该力的值小于由偏置元件23所施加的力的值。而且，如果悬架系统9的弯曲部分13施加负力(即，逆着偏置元件23在第一方向X上)，那么力的大小应小于偏置元件23 施加的力的大小，以便防止弯曲部分13驱动透镜元件6离开下部壁16。上部壁15定位成当SMA致动器30处于其完全收缩状态时在上部壁15和透镜元 件6之间提供间隙。因而，在正常操作下，上部壁15不接触透镜元件6。上部壁15作为安 全措施设置，定位成限制最大偏转，且因此限制当照相机受到外力时，例如如果照相机1被 掉落或敲击，弯曲部分13和偏置元件23的应力。所以，上部壁15的位置被选择成使得当 透镜元件6与下部壁16接触时，不超过悬架系统9的弯曲部分13和偏置元件23的材料限 制(例如，变形限制和疲劳限制)。偏置元件23的添加减小了照相机1上的设计限制，列举如下。通过对比示例，图2是在省略了偏置元件23的同等装置，例如W0-2007/113478中 所公开的装置中透镜元件6的不同位置χ处(在悬架系统9中，且因此也在SMA致动器30 中)形成的应力S的图。位置χ在第一方向X测量。位置Pla和P2a是透镜元件6的运动 范围Δ xl的端点。下部壁16的位置Pla是处于静止状态的透镜元件6的位置，且被选择成对悬架系 统9施加预应力至应力Si，因而应力Sl是需要在SMA致动器30中形成来开始透镜元件6 的运动的应力。该预应力设计成是足够高的，以实现两种效果。首先，因为预应力升高温度， 在该温度下，SMA致动器30中的应力足以引起收缩来抵抗偏置元件23，所以预应力被选择 成顾及照相机1将操作的环境温度的期望范围。其次，预应力被选择成使透镜元件6牢固 地保持靠紧下部壁16，以便精确地控制位置并防止由外力引起的透镜元件6的运动。位置P2a是当SMA致动器30完全收缩时透镜元件6的位置，且因此依赖于SMA致 动器30的构造。在该位置P2a，应力S2形成。位置P2a选择成使得在该位置P2a，且实际 上在上部壁15的位置，不超过悬架系统9的弯曲部分13的材料限制。图3示出在照相机1的透镜元件6的不同位置χ处形成的应力S的等值图。具体 地，线Ll是偏置元件23中形成的应力，线L2是悬架系统9中形成的应力，而线L3是偏置 元件23和悬架系统9 一起形成的总应力，因而也是SMA致动器30中形成的应力。位置Plb 和P2b是透镜元件6的运动范围ΔΧ2的端点。在该示例中，下部壁16的位置Plb选择成使得在透镜元件6的静止位置，悬架系 统9不偏转，且因此不形成应力，但偏置元件23形成应力Sl，与图2的对比示例中的静止位 置处的值相同。该应力Sl因而也为需要在SMA致动器30中形成以开始透镜元件6的运动 的应力，并基于以上内容选择。位置P2b是当SMA致动器30完全收缩时透镜元件6的位置，且因此依赖于SMA致 动器30的构造。SMA致动器30构造成使得在该位置P2b，且实际上在上部壁15的位置，偏 置元件23中形成的应力S3以及悬架系统9中形成的应力S2b不超过偏置元件23和悬架 系统9的弯曲部分13的材料限制。与图2的对比示例相比，弯曲部分10的设计上的限制 被大大减小。首先，不需要悬架系统9提供偏置SMA致动器30所需的所有刚性，这主要由 偏置元件23来提供。其次，在较低的偏转程度下操作弯曲部分10是可能的。因而，在图3 的具体示例中，照相机1提供比图2的对比示例中的运动范围Δχ 大的运动范围Δχ2，同 时在悬架系统9中提供比图2的对比示例中的应力S2a低的应力S2b。现在参考图4-12详细说明照相机1的结构，图4-12是照相机1的连续组装的部
8件的透视图，其中为方便将照相机1倒置示出。对照相机1来说最希望的是减小尺寸，同时 提供在可利用的空间内的最大可能的直径的透镜系统7。上部壁15在图4中示出，并由具有中心孔18和三个固定架17的金属板形成，固 定架17通过弯曲到金属板的部分而形成。偏置元件23在图5中示出，且为起“自由固定”悬臂梁的作用的弹性弯曲部分。偏 置元件23由诸如切成形状的钢或铍铜的材料的各个单板形成。在一端，偏置元件23具有 固定架24，其通过固定架24安装到上部壁15，如图6所示，使得其例如通过激光焊接而固 定不动地连接到支撑结构2。偏置元件23具有两个臂25，每一个臂从固定架24延伸并在其相对端部26接合在 一起，在此，偏置元件23接合透镜元件6，如下面描述的。臂24被弯曲成使得偏置元件23总体为环形。因此，在该实施方式中，臂24各自 围绕光轴0延伸180°。如下面进一步示出的，臂24的曲率确保臂24在透镜元件6的视场 外，以避免阻碍图像传感器4上的成像。在其自然位置，偏置元件23形成为弯曲位置，其被 调节以对SMA致动器30提供正确的偏置载荷。偏置元件23的该形式是特别有利的，且同样能应用于其它类型的SMA致动装置， 包括利用悬架系统而没有使用弯曲部分的SMA致动装置。第一悬架元件10被组装，如图7所示。悬架元件10由诸如切成形状的钢或铍铜的 材料的单板形成。一种可能性是具有提供高屈服应力的优点的硬轧制等级302奥氏体钢。悬架元件10包括连接到透镜架20的内环11，如下面进一步描述的。偏置元件23 的端部26接触内环11，且通过该接触接合透镜元件6以施加偏置力。因为偏置元件23总 是偏转，因此不必固定端部26。这是有利的，因为其允许端部26的方位随着偏置元件23的 偏转而改变。这允许偏置元件23比如果端部26的方位被固定时受到较大程度的偏转，从 而迫使偏置元件23在偏转时呈现S形弯曲。但是，作为选择，端部26可固定到透镜元件6， 优选地通过具有柔顺性以允许端部26相对于透镜元件6的某些运动的装置，例如一滴胶来 固定。悬架元件10还包括定位在四个角部的四个安装板12。安装板12各自连接到上部 壁15的固定架17中的一个或偏置元件23的固定架24。最后，悬架元件10包括四个弯曲部分13，每个弯曲部分13在内环11和安装板12 中的一个之间延伸。这样，弯曲部分13在相对端部连接到透镜元件6和支撑结构2。如沿 光轴0观察到的，弯曲部分13 —般相对于光轴0的径向方向倾斜。因此，弯曲部分13围绕 光轴延伸。弯曲部分13在与关于光轴0旋转对称的不同径向位置围绕透镜架20设置。而 且，弯曲部分13沿光轴0的厚度(即制成悬架元件10的材料的板的厚度)小于其在垂直 于光轴0的方向上的宽度。悬架元件10设计成具有适当宽度、厚度和长度的适当数量的弯 曲部分13，以沿光轴0及垂直于光轴0提供期望程度的刚性。弯曲部分13的厚度一般在 25m至IOOm的范围内。弯曲部分13的数量可通过改变悬架元件10内的弯曲部分13的数 量和/或通过提供额外的悬架元件10而改变。弯曲部分13也沿其长度弯曲，如沿光轴0观察到的，具有交替的曲率的三个区域。 通过对弯曲部分13引入这样的曲率，将一定程度的应变消除添加到了结构。弯曲部分13塑 性变形的趋势被减小，且代替地弯曲部分13具有弹性弯曲的趋势。通过对中心区域引入具有相反曲率的外部区域，力不平衡被减小，且与内环11和安装板12的接合处形成的应力被 减小。因而，弯曲部分13在平面方向上变得更柔顺而不经历材料失效。这被实现而没有对 径向和轴向刚性的不可接受的损害。这允许悬架系统9适应由机械冲击引起的透镜元件6 在光轴0的径向的位移，而不引起弯曲部分13的永久破坏。为了限制该方向的位移，照相 机1在透镜元件6和支撑结构2的壁5之间设置有小的间隙，例如约50m或更小，使得支撑 结构2的壁5作为停止件，以限制最大位移。为了最大化该效果，弯曲部分13的三个区域优选地具有不相等的长度和曲率，具 体地，中心区域具有比外部区域大的长度和小的曲率。有利地，中心区域的长度为外部区域 的长度的至少两倍，例如三个区域的长度的比率为1 2.5 1。有利地，中心区域的曲率 为外部区域的曲率的至多一半，例如每个区域的长度与曲率之比实质上相同，使得每个区 域所对的角度实质上相同。可选地，每个弯曲部分13能被修改成由一组平行的弯曲部分组成，以通过减小每 个平行的弯曲部分的宽度而允许悬架系统9在光轴的径向有更大的柔顺性。该技术的实际 限制是平行的弯曲部分可制成的最小宽度。透镜架20在图8中示出且由诸如塑料的材料的模制件形成。透镜架20具有大致 方形的外截面，且具有中心孔27，中心孔27内形成有螺纹22。透镜架20的端表面连接到 悬架元件9的内环11，以便将弯曲部分13耦合到透镜元件6。内环11和偏置元件23各自 在孔27外侧围绕光轴0延伸，以处于透镜元件6的视场外侧，而不阻碍在图像传感器4上 的成像。透镜架20具有保持元件41，保持元件41在一个角部整体形成，且形成SMA致动器 30的一件SMA线31随后挂到保持元件41上。保持元件41限定槽口，SMA线31位于该槽 口中，且被弯曲以减小SMA线的最大曲率。SMA致动器30在图9中示出，且包括一件SMA线31，该件SMA线31在每一端机械 地且电连接到相应的安装构件32，每一个安装构件32形成为诸如黄铜的金属的细长件。具 体地，安装构件32各自卷曲在一件SMA线31上(在图9中只有一个安装构件32是完全可 见的，但其它安装构件32具有相同的结构)。为了确保正确的电连接，在SMA致动器30的 制造过程中，在卷曲之前去除自然地形成在SMA线31上的氧化物涂层。安装构件32各自 还具有从其突出的接触部分36。在制造过程中，SMA致动器30被制成为与照相机1的其余部分分离的子组件。具 体地，通过将安装构件32保持在适当位置、将一件SMA线31紧紧作用到安装构件32上且 随后将安装构件32卷曲到一件SMA线31上来制成SMA致动器30。然后，将SMA致动器30 组装到支撑结构2的环形壁5上，环形壁5作为屏蔽外壳且呈现薄壁方形金属管的形式。环 形壁5在环形壁5的内侧上具有两个绝缘膜34，其中只有一个在图9中可见，以使环形壁5 与安装构件32绝缘。两个安装构件32各自安装到绝缘膜34上，例如通过粘合剂、壁5的 模锻或一些其它方式，以将一件SMA线31连接到支撑结构2。安装构件32用从环形壁5向 外突出的接触部分36安装。SMA致动器30随后被组装，如图10所示的。具体地，将环形壁5滑过透镜架20， 且将环形壁5的端部安装到上部壁15。另外，将一件SMA线31挂到保持元件41上，以将 SMA致动器30耦合到透镜元件6。SMA线31保持拉紧，但施加的应力比由偏置元件23和悬架系统9施加的总应力低。保持元件41和偏置元件23的端部26设置在照相机1的相同的角部，即关于光轴 0相同的角位置。这意味着由(a)偏置元件23和(b)SMA致动器对透镜元件6施加的力的 点处于关于光轴0的相同的角位置。这使透镜元件6上来自这些反作用负荷的力偶最小化。具有与第一悬架元件10相同的结构的第二悬架元件10被组装，如图11所示。第 二悬架元件10的内环11连接到透镜架20的端表面，以便将弯曲部分13耦合到透镜元件 6。下部壁16如图12所示地被组装。具体地，将下部壁16安装到环形壁5和第二悬 架元件10的四个安装板12，以便将弯曲部分13耦合到支撑结构2。安装构件的接触部分 36通过下部壁16向外突出。因此，在该特定的照相机1中，支撑结构2的环形壁5为薄金属外屏蔽外壳，所有 必要的部件全都安装在其内。这样，照相机1内的移动的透镜元件6能在最大的外部尺寸的 限制内制造得尽可能的大。因此，该特定的照相机1具有6. 5mm的方形外尺寸，能接受M5. 5 带螺纹的透镜支架21。图12所示的组件随后安装到支撑结构2的基部，如图1所示。图13示出了偏置元件23的可选形式。在该可选形式中，偏置元件23的固定架24 构造成围绕臂24的外侧延伸的环。两个悬架元件10设置在透镜元件6的相对端部，且通过耦合在透镜元件6和支撑 结构2之间的弯曲部分13将透镜元件6悬挂在支撑结构2上。由于它们的构造，弯曲部分 13通过挠曲或弯曲而适应透镜元件6沿光轴0的运动。当透镜元件6沿光轴0运动时，内 环11由于弯曲部分13弯曲的结果而相对于外环12沿光轴0运动。因为弯曲部分13平行于光轴0的厚度小于其宽度，所以弯曲部分13在其厚度方 向上的弯曲比在其宽度方向上的弯曲更柔顺。因而，相比于抵抗透镜元件6相对于支撑结 构2垂直于光轴0的运动，弯曲部分13为悬架系统9提供较低程度的刚性来抵抗透镜元件 6相对于支撑结构2沿光轴0的运动。此外，两个悬架元件10沿光轴0间隔开，且因此透镜元件6垂直于光轴0的运动 的阻力也提供透镜元件6倾斜的阻力。对透镜元件6的偏移轴运动(off-axis movement) 和倾斜的这种阻力是期望的，因为这种偏移轴运动和倾斜能使透镜系统7在图像传感器4 上聚焦图像的光学性能降级。在照相机1内，安装构件32设置在关于光轴0的直径上相对的位置。保持元件41 设置在两个安装构件32之间的围绕光轴0的中间。如沿光轴观察到的，SMA线31的长度 35沿照相机1的侧面相互成90延伸。在组装之后且处于平衡时，一件SMA线31能利用少 量粘合剂保持在适当位置，以确保在操作或降落试验中保持在保持元件41上。这可在SMA 线的循环之后进行，以帮助消除组装间隙。保持元件41设置在沿光轴0的位置，该位置比安装构件32的卷曲了一件SMA线 31的部分更靠近图像传感器4。结果，由保持元件41的任一侧上的一件SMA线31的一半 形成的SMA线31的两个长度35与光轴0保持成锐角。在组装过程中，保持元件41上的滑 移有助于为SMA线31的两个长度35实现相等长度和张力。SMA线31的长度35在照相机1中保持张紧，使得它们施加具有沿光轴0的分量的
11张紧力，具体地在远离图像传感器4偏置透镜元件6的方向上。所以，在SMA线31的长度 35没有加热的情况下，透镜元件6处于其运动范围内的最靠近图像传感器4的位置。照相 机1设计成使得该位置对应于远场或超焦距对焦，对照相机1来说，这是最常见的设置，特 别是如果设置有自动对焦功能时。另外，SMA线31的每个单独的长度35施加具有垂直于光轴0的分量的张紧力。这 些力的某些分量通过线的两个长度35的对称布置来平衡，但在保持元件41处保持光轴0 在径向的力的净分量，这往往会使透镜6倾斜。然而，倾斜由充分小而适合用于许多透镜和 图像传感器的悬架系统9抵抗。现在描述照相机1驱动透镜元件6相对于支撑结构2沿光轴0运动的操作。SMA材料具有在加热时遭受引起SMA材料收缩的固态相变的性能。低温下，SMA材 料进入马氏体相。高温下，SMA进入奥氏体相，其包括引起SMA材料收缩的变形。由于SMA 晶体结构中转变温度的统计数离散，相变发生在一温度范围内。因而，SMA线31的长度35 的加热引起它们的长度减小。在照相机1中，SMA线31的长度35设置成拉紧，提供在方向X上沿光轴0在透镜 元件6和支撑结构2之间的净拉紧力，从而移动透镜元件6远离图像传感器4。该力抵抗由偏置元件23和悬架系统9在相反方向Y沿光轴0提供的偏置力。偏 置元件23和弯曲部分13根据来自SMA线31的长度35的拉紧力而偏转。在挠曲时，偏置 元件23和弯曲部分13—般保持直的，但是可能产生一些轻微的弯曲。所以，偏置元件23 和弯曲部分13的偏转提供透镜元件6在方向Y上的偏置。为了使透镜元件6相对于支撑结构2沿光轴0的运动最大化，悬架系统9的弯曲 部分13的总刚性优选地在从(a) SMA线31的长度35在SMA材料的奥氏体相中所经历的总 刚性到(b) SMA线31的长度35在SMA材料的马氏体相中所经历的总刚性的范围内，更优选 地，值(a)和(b)的几何平均。理想的是，由偏置元件23、弯曲部分13和SMA线31的长度35的刚性的和提供的抵 抗透镜元件6相对于支撑结构2沿光轴0的运动的总刚性足够大，以便当照相机1在方位之 间改变时，使透镜元件6相对于支撑结构2在重力下的运动最小化。对于典型的透镜系统， 运动期望被限制到至多50m，其中对于典型的小型照相机，这意味着总刚性应至少100N/m， 优选地至少120N/m。弯曲部分13被设计成具有适当的宽度，以便基于透镜元件7能适应偏轴运动和倾 斜的程度来提供期望的刚性以抵抗透镜元件6相对于支撑结构2在垂直于光轴0的方向上 的运动。SMA线31的长度35的刚性也可被考虑进去，但通常提供明显较小的贡献。另一设计考虑是确保偏置元件23、弯曲部分13和SMA线31的长度35所经历的最 大应力不使相应的材料受到过应力。如上所述，使用偏置元件23是特别有优势的，即悬架系统9可被设计成具有减小 的刚性，从而允许悬架系统9中较大的运动范围ΔΧ和/或减小的最大应力。另一方面，偏置元件23更容易设计而不超过材料限制，即使偏置元件23具有显著 的刚性。这是因为偏置元件23的设计以与悬架系统9相同的方式不受限制，因为偏置元件 23不具有支撑和引导透镜元件6的运动的功能。因而，在照相机1中，偏置元件23具有在 其耦合到支撑结构2和透镜元件6的位置之间测量的长度，该长度大于悬架系统9的弯曲
12部分13的长度。因为弯曲部分的刚性与其长度的立方成比例，所以这意味着与弯曲部分13 相比，更容易设计具有高刚性但不超过材料限制的偏置元件23。尽管偏置元件23能可选地设计成具有较短的臂24，理想地以便维持长度，但是臂 24围绕光轴0延伸有效的角度，例如至少135°。透镜元件6相对于支撑结构2沿光轴0的位移程度取决于SMA线31的长度35内 形成的应力以及还取决于SMA线31的长度35相对于光轴0的锐角。SMA线中可能形成的 应变受相变的物理现象限制。由于SMA线31的长度35相对于光轴0的锐角，当SMA线31 的长度35的长度改变时，它们的方位改变。这有效地适合运动，使得透镜元件6沿光轴0 的位移程度大于SMA的长度35沿光轴0分解的长度的改变。通常，锐角可以采取任意值， 但是在图2的示例中为约70。透镜元件6相对于支撑结构2沿光轴0的位置可通过控制SMA线31的长度35的 温度来控制。在操作中，SMA线31的长度35的加热通过使电流通过其中来提供，电流提供 电阻加热。冷却通过停止电流并允许SMA线31的长度35通过传导至其周围环境而冷却来 提供。电流由下面将进行描述的控制电路50来控制。SMA线31可由任意合适的SMA材料，例如镍钛诺或其它钛合金SMA材料制成。有 利地，一段SMA线31的材料组成和预处理被选择成使得相变发生在一温度范围内，该温度 范围(a)超过正常操作过程中预期的环境温度，典型地超过70°C，以及(b)尽可能宽以使位 置控制的程度最大化。在许多应用中，高速致动透镜元件6是理想的，例如如果设置有自动对焦功能。致 动的响应速度受SMA线31的长度35的冷却限制。可以通过减小SMA线31的长度35的厚 度来加速冷却。对于考虑中的照相机和线的尺寸，冷却时间约随线直径大致线性地改变。为 此，SMA线31的长度35的厚度理想地至多为35m，以提供对于照相机1的自动对焦应用是 可接受的响应。现在描述控制电路50和由此实现的控制的性能。图14显示了总的控制布置的示意图。控制电路50连接到一段SMA线31，并将电 流施加到该段SMA线31，以控制该段SMA线31的温度，其移动透镜元件6并改变形成在图 像传感器4上的图像的聚焦。图像传感器4的输出被提供到控制电路50，以进行处理来确 定焦点的质量的测量。图15显示了控制电路50。控制电路50连接到安装构件32中的每一个，安装构 件32通过其卷曲来提供对该段SMA线31的电连接。控制电路50和安装构件32之间的电 连接55通过传导粘合剂(例如填充银的环氧树脂)来形成。不希望将控制电路50焊接到 SMA致动器30，这是因为由焊接工艺过程中的加热引起的可能的破坏，或者由焊接工艺引 起的熔剂排放物(flux emission)。控制电路50在两个安装构件32之间供给电流。控制电路50通过改变流过其中 的电流的功率来控制该段SMA线31的加热程度。控制电路50响应于该段SMA线31的电 阻而改变电流功率，其用作透镜元件6的位置的测量。能使用其它位置测量，例如通过温度 传感器测量的温度或者通过位置传感器输出的透镜元件6的位置的直接测量，但是电阻传 感器是有利的，因为其不会因仅由控制电路50的额外部件执行而增加照相机的包装尺寸。使用电阻后面的物理现象如下。
在加热SMA时，对于大部分材料，电阻系数随温度增加。这在相变发生的温度范围 内和外(相转变范围)以及因此SMA收缩的温度范围内发生。然而，在相转变范围内，两个 另外的影响发生。首先，奥氏体相的电阻系数高于马氏体相，马氏体相往往会随温度而增加 电阻。但是，几何尺寸改变，包括减小的长度和增加的截面面积的相反影响趋向于随温度减 小电阻。该相反影响明显大于其它影响。因而，在从低温加热过程中，当相转变范围达到且 SMA开始收缩时，在电阻开始升高之后，几何影响快速控制了以下结果，即在收缩的大部分 过程中，SMA致动器的电阻减小。这发生直到相转变在几乎所有SMA中发生，使得收缩程度 降低，从而允许电阻升高。所以，SMA具有的性能是，电阻在加热和沿图16所示的形式的曲线收缩的过程中 随长度改变，图16是SMA的电阻与SMA的长度的图形，与透镜元件6的位置χ对应，随着 SMA对应于增加的温度收缩，长度增加。因而，跨过相转变范围，透镜元件6由于SMA的收缩 而移动跨过位置范围ΔΧ。电阻跨过位置范围Δ χ的小开始部分而升高到具有电阻值Rmax 的局部最大60。电阻跨过位置范围Δ χ的大部分降落到具有电阻值Rmin的局部最小61， 此后，电阻跨过位置范围χ的小最终部分升高。由于SMA材料的该性能，控制电路50基于如下进行的测量电阻而执行控制。从未 加热状态，控制电路50加热该段SMA线31，直到检测出了局部最大电阻值。这用来表示收 缩开始发生。实际上，少量的收缩已经发生。但是，局部电阻最大值60能容易被检测到，而 位置范围ΔΧ的开始不能。因此，使用了局部电阻最大60，且其是如此靠近位置范围Δχ的 开始，使得运动损失不明显。此后，控制电路50使用作为位置测量的测量电阻来加热该段SMA线31。使用局部 最小电阻60来表示位置范围χ的端点。实际上，少量收缩仍是可利用的。然而，局部最小 电阻61能容易检测到，而位置范围ΔΧ的端点不能。因此，使用了局部最小电阻61。其如 此靠近位置范围ΔΧ的端点，使得运动损失不明显。而且，使用局部最小电阻61之上的位 置范围Δ χ能减小该段SMA线31的寿命，如下面进一步描述的。控制电路50使用脉冲宽度调制(PWM)。具体地，控制电路50施加脉冲宽度调制电 流脉冲(其可以是恒定电流或恒定电压)，且改变工作循环，以便改变所施加的电流的功率 以及因此的加热。使用PWM提供了优势，即所提供的功率的量可以高分辨能力精确地控制。 该方法提供大的信噪比，即使在低的驱动功率下。PWM可以使用已知的PWM技术来执行。一 般地，控制电路50连续提供电流脉冲，例如工作循环在5%至95%的范围内变化。当工作 循环在该范围内的低值时，该段SMA线31的平均功率是低的，且因此即使一些电流被提供， 线仍冷却。相反地，当工作循环在该范围内的高值时，该段SMA线31加热。在电流脉冲过 程中测量电阻，例如在从脉冲开始的短的预定延迟之后。在从低于相转变范围的冷却状态加热该段SMA线31的过程中，电阻以图16所示 的方式随位置改变，其从样品到样品都是一致的，且在连续加热循环中。但是，在冷却过程 中，电阻沿类似形式的曲线改变，但是电阻变化从样品到样品有较少重复，且与加热相比有 可变的滞后现象。总的来说，这不能防止在冷却过程中使用电阻作为位置测量，但是降低了 控制的精确性。在预定的和重复的运动之后，该问题由控制电路50避免，其中位置控制仅 在样品的加热过程中实现，如下所述。控制电路50包括以下部件。
控制电路50包括驱动电路53，驱动电路53被连接成将电流供应到该段SMA线31。 驱动电路53可以是恒定电压电流源或恒定电流电流源。例如在恒定电流电流源的情形，恒 定电流可能是约120mA。控制电路50还包括检测电路54，检测电路54设置成检测SMA致动器30的电阻。在驱动电路53为恒定电流电流源的情形，检测电路54可以是电压检测电路，其可 操作地检测跨过SMA致动器30的电压，其为该段SMA线31的电阻的测量。在驱动电路53为恒定电压电流源的情形，检测电路54可以是电流检测电路。对于较大程度的精确性，检测电路54可包括电压检测电路和电流检测电路，它们 可操作地检测跨过SMA致动器的电压和电流，并且得到作为其比率的电阻的测量。由合适的微处理器实现的控制器52控制驱动电路53以供应脉冲宽度调制电流。 控制器52接收由检测电路54测量的电阻，并且响应于该电阻来执行PWM控制。图17和18显示了控制电路50的两个详细的电路实现。图17的第一电路实现是便宜的，但性能有限。具体地，驱动电路53为使用双级晶 体管120的简单布置实现的恒定电流电流源。电压检测电路54形成为一对二极管121和 电阻器122的简单桥布置。图18的第二电路实现更精确，但是更昂贵。具体地，驱动电路53为由MOSFET晶 体管123实现的恒定电流电流源，MOSFET晶体管123由可操作的放大器124控制。检测电 路125由两个电阻器125的桥布置实现，其输出被可操作的放大器126放大。可操作的放 大器126允许控制器52的A/D转换器利用其全部动态范围。控制电路50使用SMA致动器的测量电阻作为反馈信号来改变电流功率，以将测量 电阻驱动到目标值。具体地，脉冲宽度调制电流的工作循环被改变。控制器52可以执行许 多控制运算来改变工作循环。一种可能性是比例控制法，其中工作循环通过与检测电阻和 目标电阻之间的差成比例的量而改变。随着该段SMA线31跨过有效温度区域加热，电阻减 小被感测到并用于反馈控制技术。反馈控制的稳定性由该段SMA线31自身在加热的过程 中的固有比例-积分作用来维持。总的反馈响应由该段SMA线31的加热的整体响应控制。 这样的比例控制反馈环提供了位置的精确控制。该段SMA线31可具有某些非线性响应。这样的非线性可能受控制电路50中包括 预补偿的限制。一种选择是预补偿由提供到驱动电路53的输出信号上的增益或偏移调节 组成，例如基于指令和指令信号的历史。这在提供了不充分的反馈来控制该段SMA线31时 是最有益的。控制电路50可实现自动对焦算法。在此情形，控制可基于图像的焦点的测量，例 如由控制器52从来自图像传感器4的图像信号得到的调制传递功能或空间频率响应。宽 范围的合适的测量是已知的，且任何这样的测量可被应用。在此情形，存在限制，即焦点的测量的得到是缓慢的。为了防止这点，在跨过许多 焦点位置扫描的过程中，在由焦点的测量确定的期望的焦点位置，控制电路50可确定电阻 值。随后，在扫描结束时，透镜元件6被驱回基于电阻值而不是焦点测量的相同的位置。在此情形，来自图像传感器4的图像信号用于得到主要的反馈参数，作为重复循 环和进行内的次要参数的位置测量的绝对值的任何偏差是不相关的，因为在单次自动对焦 循环的过程中没有可察觉的改变。在给定的照相机1中，电阻可能从高温下的10改变到低温下的12，且随后在几个IOOk循环的过程中，其可改变到高温下的15和低温下的20。然 而，对于任何给定的循环，最好的焦点将对应于足够的精确程度的具体电阻。因而，仅需要 返回该具体电阻，而与其绝对值无关。可由控制器52执行的控制算法的示例在由相同申请人提交的以下申请中描 述英国专利申请No. 0709338. 8 ；英国专利申请No. 0718828. 7 ；国际专利申请No. PCT/ GB08/000478 (W0-2008/099156)；英国专利申请 No. 0714718. 4 以及国际专利申请 No. PCT/ GB08/000477 (W0-2008/099155)，这些专利全部在此通过引用并入。尽管上面描述的实施方式涉及包括驱动照相机透镜元件的运动的SMA致动装置 的照相机，但是所描述的SMA致动装置能同等地适合于驱动除了照相机透镜元件以外的物 体的运动。
权利要求
一种形状记忆合金致动装置，包括支撑结构；可移动的元件；悬架系统，其包括多个弹性弯曲部分，所述弹性弯曲部分耦合在所述支撑结构和所述可移动的元件之间，以将所述可移动的元件支撑到所述支撑结构上，并通过所述弯曲部分的偏转来引导所述可移动的元件沿运动轴的运动；形状记忆合金致动器，其设置成在所述形状记忆合金致动器收缩时驱动所述可移动的元件相对于所述支撑结构在第一方向上沿运动轴的运动；端部停止件，其设置成限制所述可移动的元件在第二方向上沿运动轴的运动，所述第二方向与所述第一方向相反；偏置元件，其设置成相对于所述支撑结构在所述第二方向上沿运动轴偏置所述可移动的元件，所述装置设置成使得当所述可移动的元件保持贴着所述端部停止件时，由所述偏置元件在所述第二方向施加的力大于由所述悬架系统的所述弯曲部分施加的力。
2.如权利要求1所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述偏置元件包括弹性弯曲部分。
3.如权利要求2所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述偏置元件的所述弹性弯曲 部分的长度大于所述悬架系统的所述多个弹性弯曲部分的长度，所述偏置元件的所述弹性 弯曲部分的长度在所述弹性弯曲部分耦合到所述支撑结构和所述可移动的元件的位置之 间测量。
4.如权利要求2或3所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述偏置元件的所述弹性弯 曲部分固定不动地耦合到所述支撑结构。
5.如权利要求4所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述偏置元件的所述弹性弯曲 部分通过接触来接合可移动的元件而不固定到可移动的元件。
6.如前述权利要求中任一项所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述可移动的元件 为照相机透镜元件，所述悬架系统引导所述照相机透镜元件相对于所述支撑结构沿所述照 相机透镜元件的光轴的运动。
7.如权利要求6所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述照相机透镜元件包括具有 至多为10mm的直径的一个或多个透镜。
8.如前述权利要求中任一项所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述形状记忆合金 致动器和所述偏置元件的所述弹性弯曲部分在关于光轴的相同的角位置接合所述可移动 的元件。
9.如前述权利要求中任一项所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述偏置元件的所 述弹性弯曲部分具有两个臂，每个臂在所述照相机透镜元件的视场外侧在其相对侧上在所 述支撑结构和所述照相机透镜元件之间延伸。
10.如权利要求9所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述偏置元件的所述弹性弯曲 部分的两个臂在该两个臂接合照相机透镜元件的地方接合在一起。
11.如权利要求9或10所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述偏置元件的所述弹性 弯曲部分的两个臂中的每一个围绕光轴延伸至少大约135°。
12.如前述权利要求中任一项所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述装置设置成使得当所述可移动的元件保持贴着所述端部停止件时，所述多个弯曲部分不施加力。
13.如前述权利要求中任一项所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述多个弹性弯曲 部分设置在所述可移动的元件周围。
14.如权利要求13所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述悬架系统包括两组弹性 弯曲部分，每一组包括设置在所述可移动的元件周围的多个弹性弯曲部分，所述两组弹性 弯曲部分设置在沿运动方向的不同位置。
15.如前述权利要求中任一项所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述形状记忆合金 致动器包括形状记忆合金线，所述形状记忆合金线连接到支撑结构和可移动的元件，且在 收缩时拉紧。
16.如权利要求15所述的形状记忆合金致动装置，其中，所述形状记忆合金线以与所 述可移动的元件的运动方向成锐角延伸。
17.如前述权利要求中任一项所述的形状记忆合金致动装置，还包括另一端部停止件， 所述另一端部停止件设置成限制所述可移动的元件的运动范围的相对端点。
18.如前述权利要求中任一项所述的形状记忆合金致动装置，还包括驱动电路，所述驱 动电路连接到所述形状记忆合金致动器，以将驱动信号提供给所述形状记忆合金致动器。
19.一种照相机，包括图像传感器；以及根据权利要求16或从属于权利要求16的任一权利要求所述的形状记忆合金致动装 置，所述照相机透镜元件设置成在所述图像传感器上聚焦图像。
20.如权利要求19所述的照相机，其中，所述第一方向远离所述图像传感器。
全文摘要
一种形状记忆合金致动装置包括可移动的元件，可移动的元件通过包括多个弹性弯曲部分的悬架系统支撑在支撑结构上。形状记忆合金致动器在收缩时驱动可移动的元件的运动。端部停止件限制可移动的元件在相反方向上的运动。除了使用悬架系统的弹性弯曲部分作为单独的偏置工具以外，额外的质量元件抵抗SMA致动器来偏置可移动的元件。当可移动的元件保持贴着端部停止件时，由偏置元件施加的力大于由悬架系统的弯曲部分施加的力。这降低了设计限制，例如允许较大的运动范围。
文档编号G02B7/08GK101896719SQ200880119900
公开日2010年11月24日 申请日期2008年10月28日 优先权日2007年10月30日
发明者多米尼克·乔治·韦伯, 理查德·托普利斯 申请人:剑桥机电有限公司