CN101416090B - 照相机镜头驱动设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种照相机镜头驱动设备，其用于驱动通过悬挂系统支撑在支承结构上的照相机镜头的运动。所述设备包括包含SMA丝的部件，所述SMA丝与安装在支承结构上的至少一个装配件连接。至少一对SMA丝段在照相机镜头元件和支撑系统之间相对于光学轴分别成锐角地保持拉紧，产生具有沿着光学轴分量的张力。沿光学轴方向的视角观察，成对的SMA丝段成一定角度地拉紧。可具有多对平衡排列的SMA丝段，产生的张力没有垂直于光学镜头方向的净分量，并且不产生垂直于光学轴的任意轴的净扭矩。控制电路响应于SMA丝段的阻抗测量值控制对SMA丝段的加热。

Description

照相机镜头驱动设备

本发明涉及使用SMA(形状记忆合金)材料作为驱动器以驱动小型照相机中的照相机镜头元件进行运动的照相机镜头驱动设备，所述小型照相机可以在例如移动电话或者移动数字数据处理和/或传输设备的便携式电子设备上使用。

近年来，随着有时被称为PDA(便携式数字助理)和移动电话的便携式信息终端的爆炸式普及，越来越多的设备集成了采用图像传感器的紧凑式数字照相机设备。当此类数字照相机设备采用具有相对较小图像采集区域的图像传感器实现小型化时，其光学系统(包括一个或者多个镜头)也相应地需要小型化。

为了能够聚焦和变焦，某些类型的驱动装置必须被包含在这种小型照相机的狭小空间内，以驱动照相机镜头元件沿光学轴运动。由于照相机镜头元件比较小，因此该驱动装置必须能够在相对小范围的运动中提供精确的驱动。同时，期望该驱动装置本身是紧凑的以使照相机装置整体小型化。在实际应用中，这些方面限制了能够被采用的驱动装置类型。对于其它更多的小型设备中的驱动装置，也具有同样的限制。

尽管大多数现有的照相机依赖于各种众所周知的电子线圈电机，但是，人们已经提出了大量的其它驱动装置作为镜头系统的小型驱动单元。所述其它驱动装置包括基于压电材料、电致伸缩材料或者磁致伸缩材料的传感器，通常称为电活性设备，一个例证是如WO-02/103451中所公开的包含挠曲结构的螺旋缠绕压电挠曲带的驱动器，如WO-01/47041所述，其可以用作照相机镜头的驱动器。

提出的另一类驱动装置采用形状记忆合金(SMA)材料作为驱动器。SMA材料通过热量来驱动照相机镜头元件运动。在活性温度范围内控制SMA材料的温度可以获得驱动能力，在所述活性温度范围内，SMA材料在马氏体相和奥氏体相之间变化，其应力应变也发生改变。低温状态下，SMA材料处于马氏体相状态，而在高温状态下，SMA材料转变到奥氏体相状态，引起SMA材料变形而收缩。通过有选择地使电流通过SMA材料而将其加热并引起相变，可以改变SMA材料的温度，结果SMA材料产生变形而驱动物体运动。对于小型物体如小型照相机的镜头元件，采用SMA材料作为驱动器具有内在线性、每单位质量高能量、低费用以及体型相对较小的优势。

不管使用SMA材料作为驱动器的理论性优势如何，在实际中，SMA材料本质所具有的限制使得SMA驱动器的设计和制造比较困难，特别是在小型设备中。通常，SMA材料用于做成丝状。

对于照相机镜头元件，还必须考虑悬挂照相机镜头元件并引导其沿光学轴方向运动的悬挂系统。当沿着照相机轴方向运动或者当照相机和电话朝向不同的方向时，镜头元件的轴必需最小地偏离照相机的公称轴。该偏离可能是轴的相对角度倾斜与/或线性平移。该偏离可能导致图像质量的降低。因此，理想的悬挂系统在期望运动的方向具有低的刚度或者抵抗力，而在所有其它方向具有高的刚度。

适合的悬挂系统的例证如下所述：WO2005/003834描述一种悬挂系统，其最简单地包含了四边连杆悬挂或平行四边形悬挂；WO-03/048831和WO2006/059098二者都描述一种悬挂系统，其包含两个处于挠曲状态且中点两侧的部分具有相反曲率、因而其形状近似于正弦曲线的弹性构件；WO-2006/061623描述一种悬挂系统，其包含至少两个互相垂直排列的宽铰链连杆；共同未决的第0600911.2号英国申请描述一种悬挂系统，其包含至少一个主要通过改变方向和伸缩性来适应运动的弹性构件。

当使用SMA丝作为驱动器时，有利地，SMA丝在照相机镜头元件和支承结构之间保持拉紧，并且SMA丝的各段分别与光学轴成锐角。SMA丝的各段产生具有沿光学轴方向分量的张力。由于SMA丝各段的局部变化受到SMA材料本身物理特性的限制，因此，如果SMA丝与运动方向平行，照相机镜头元件则将很难获得足够程度的运动，例如，以提供聚焦和变焦。然而，通过将SMA丝的各段设置为与光学轴成锐角，对于一段SMA丝的一定变化而言，沿光学轴方向的运动程度将得到增强。这是因为，由于一段SMA丝的变化导致其方向的变化，而使沿光学轴方向的运动程度大于这段SMA丝沿光学轴方向分解的实际尺寸的变化，从而使SMA丝的角度朝向有效地提供了传动。

本发明的第一方面在于使沿光学轴的运动程度最大化。这必须在驱动器装置受限尺寸的实际约束内获得。通常，通过使用足够长的丝能够获得任意程度的运动，但是这将增加驱动器装置的尺寸并且与最小化的设计相违背。

依照本发明的第一方面，提供了一种照相机镜头驱动设备，包含：

支承结构；

照相机镜头元件，其由悬挂系统支撑于所述支承结构上，所述悬挂系统引导所述照相机镜头元件相对于所述支承结构沿所述照相机镜头元件的光学轴方向运动；以及

至少一对SMA丝段，其在所述照相机镜头元件和所述支承结构之间保持拉紧，成对的所述SMA丝段在其公共点处连接于所述照相机镜头元件和所述支承结构中之一，并且，以所述光学轴的径向视角观察，成对的所述SMA丝段相对于所述光学轴从所述公共点处以相反符号的锐角延伸，以沿所述光学轴方向的视角观察，成对的所述SMA丝段以相互之间小于180度的角度延伸。

因此，驱动能力可以通过两个成对的SMA丝段提供，成对的SMA丝段在其公共点处连接于所述照相机镜头元件和所述支承结构中之一，并且，以所述光学轴的径向视角观察，成对的所述SMA丝段相对于所述光学轴从所述公共点处以相反符号的锐角延伸。SMA丝的锐角提供了所述的传动效果，与沿光学轴延伸的SMA丝相比，增加了运动的程度。

与单根SMA丝相比较，使用两根丝提供了更大的力。两个SMA丝段连接于公共点并且以相反符号的锐角延伸的成角度设置为SMA丝段在垂直于光学轴方向所产生的力提供了一定程度的平衡。当SMA丝段成锐角布置而且易于侧向移动或者倾斜镜头元件时，离轴力是不可避免的。尽管这种离轴力可以通过悬挂系统的设计而得到抑制，但是，这种设计又限制了悬挂系统的选择范围而倾向于选择具有高摩擦力且不紧凑的悬挂系统。因此，成角度设置所提供的平衡是具有优势的，并且增加了悬挂系统的选择范围，例如可以方便地使用挠曲部。

另外，沿光学轴方向视角观察，SMA丝段互相构成小于180度、最好为90度的角度。因此，由成对的SMA丝段所形成的V形平面相对于光学轴形成角度或者是倾斜。这允许在上文所述的限制设备整体尺寸的实际约束条件内进一步增加移动程度。如果以光学轴视角观察，SMA丝段相互之间没有构成角度，则SMA丝从光学轴向外突出。因此，由于在实际中需要考虑的垂直于光学轴方向的设备面积的限制，SMA丝的长度及其与光学轴形成的角度相应地受到限制。然而，通过将SMA丝段布置为以光学轴视角观察时成一定角度，可增加丝的长度，并可将其与光学轴之间以更大的角度布置。例如，对于优选的90度角，每个丝段可沿着具有垂直于光学轴的正方形截面的设备的每个边延伸。这提供了一种紧凑的照相机设备，其具有仅比镜头元件本身直径略大的正方形截面，但是在其中丝段的长度为照相机设备的最大宽度。通过增大丝段的长度以及其与光学轴之间的角度，驱动器提供的运动程度相应地得到了增加。

当SMA丝作为驱动器时，SMA丝段有利地在照相机镜头元件和支承结构之间与光学轴成锐角地保持拉紧。原因如上所述。

然而，SMA丝段与光学轴成锐角的结构也提供了离轴力，也就是具有垂直于光学轴的分量的力。这种离轴力易于使镜头元件侧向移动或者倾斜，但可以通过悬挂系统的设计而得到抑制。然而，这种设计又限制了悬挂系统的选择范围，而倾向于具有高摩擦力且不紧凑的悬挂系统。

例如一种对离轴力具有高阻作用的悬挂系统是轴承，其中可移动的轴承元件与杆或者轨道接触并沿着其运动。在这种情况下，离轴的阻力由轴承元件与杆或轨道之间的反作用力提供。然而，轴承是一类具有相对较大摩擦力和相对较大尺寸的悬挂系统。对于照相机镜头元件(尤其是小型照相机中的照相机镜头元件)而言，像这样的轴承没有优势。

相反地，一种对于照相机镜头元件而言具有优势的悬挂系统包含连接于照相机镜头元件和支承结构之间多个弹性挠曲部。然而，尽管这种弹性挠曲部提供足够大小的离轴阻力而引导照相机镜头元件沿光学轴方向运动，但是，使用足够大尺寸的挠曲部来抑制与光学轴成锐角的SMA丝所产生的离轴力是不易达到的。

依照本发明的第二方面，提供一种照相机驱动设备，其包含：

支承结构；

照相机镜头元件，其由悬挂系统支撑于所述支承结构上，所述悬挂系统引导所述照相机镜头元件相对于所述支承结构沿所述照相机镜头元件的光学轴方向运动；以及

多个SMA丝段，其在所述照相机镜头元件和所述支承结构之间分别与所述光学轴成锐角地保持拉紧，并施加具有沿所述光学轴方向的分量的张力，所述SMA丝段绕所述光学轴保持适当的位置和方向，以使当对所述多个SMA丝段中的每个SMA丝段用相同大小的电流进行加热时，所述每个SMA丝段在所述照相机镜头元件和所述支承结构之间产生的力具有沿所述光学轴方向的净分量，而基本没有沿垂直于所述光学轴方向的净分量，并且基本没有绕垂直于所述光学轴方向的任何轴线的净扭矩。

因此，所述SMA丝段绕所述光学轴保持适当的位置和方向，以提供一种平衡结构，使照相机镜头元件几乎没有离轴运动或者倾斜。这也相应地允许采用具有相对较弱的离轴阻力的镜头悬挂系统，因为这种悬挂系统仅需提供足以引导照相机镜头元件沿着光学轴运动的离轴阻力。这增加了可用的镜头悬挂系统的选择范围。

例如，特别有利地，本发明的第二方面采用包含连接于悬挂对象和支承结构之间的多个弹性挠曲部的镜头悬挂系统，所述挠曲部弯曲以提供偏压来抵消SMA丝所施加的力。这样的悬挂系统对于悬挂照相机镜头元件是有利的，因为它是紧凑的并且可以直接制造。而且，当该挠曲部应用在SMA丝作为驱动器的照相机镜头驱动设备中时，挠曲部的挠曲提供了悬挂对象对支承结构沿所述光学轴与SMA丝所施加的张力方向相反的偏压。

具有优势的是，当每个SMA丝段通过相等大小的电流加热时，SMA丝在照相机镜头元件和支持结构之间产生的力基本没有绕光学轴的净扭矩。在这种情况下，SMA丝段不趋向于使照相机镜头元件绕光学轴旋转。因为这还减少了SMA丝段对于悬挂系统特性所施加的约束，因此是有益的。相反地，一些围绕光学轴的扭矩是允许的，这是因为悬挂系统可适应一些旋转运动，并且/或者因为如果照相机镜头元件中的镜头(组)是球面体或者是稍微的非球面体，这种旋转运动在光学上是可以接受的。

一种有益的结构是多个SMA丝段是等长的且分别与光学轴成相等角度拉紧，以光学轴的径向视角来看，一半SMA丝段向上倾斜而另一半SMA丝段向下倾斜，每一半中的SMA丝段均围绕光学轴旋转对称排列。

在这种结构中，相等的长度和对称排列使得驱动设备更易于设计和制造，并且对SMA丝所产生的力进行了适度平衡。因此，同样依照本发明的第二方面，提供一种照相机镜头驱动装置，其包括：

支承结构；

照相机镜头元件，其由悬挂系统支撑于所述支承结构上，所述悬挂系统引导所述照相机镜头元件相对于所述支承结构沿所述照相机镜头元件的光学轴方向运动；

多个SMA丝段，其具有相同长度并分别与所述光学轴成相等大小的锐角地保持拉紧，以所述光学轴的轴向视角观察，一半的SMA丝段向上倾斜，而另一半的SMA丝段向下倾斜，每一半中的SMA丝线均以围绕所述光学轴旋转对称的方式装配。

不管SMA材料作为驱动器的已知的优点，在实际中，SMA材料本性所具有的限制使得SMA驱动器的制造比较困难，特别是在小型设备中。丝状是SMA材料最方便的可用形状。当利用SMA丝制造驱动器时，难以将丝按照期望精度的长度和张力其附着到其它零部件上。特别是在需要多个SMA丝段提供期望的操作特性时，这一点更是问题。在这种情况下，难以控制丝的长度和互相之间的张力。

另外一个问题是，获得与SMA丝的期望的机械连接和电连接而不损坏SMA材料并且不降低它的结构完整性在实际中是比较困难的。

概括而言，不管SMA材料本身固有特性所提供的这些已知优点如何，在制造过程中的这些实际困难都是非常重要的并且限制了SMA材料作为驱动器在大批量生产设备中的应用。

依据本发明的第三方面，提供一种用于驱动照相机镜头元件相对于支承结构运动的照相机镜头驱动器件的制造方法，所述方法包括：

制造包含至少一根SMA丝的部件，所述至少一根SMA丝连接于至少一个装配件，以形成包括所述SMA丝的封闭环；

通过将所述至少一个装配件安装到所述支承结构和所述照相机镜头元件中的至少之一上，并使所述至少一根SMA丝在所述照相机镜头元件和所述支承结构之间保持拉紧，以产生沿所述光学轴方向的张力，而将所述部件装配到驱动结构内，所述驱动结构包含支承结构以及通过悬挂系统支撑于所述支承结构上的照相机镜头元件，所述悬挂系统引导所述照相机镜头元件相对于所述支承结构沿所述照相机镜头元件的光学轴方向运动。

而且，根据本发明的第三方面，提供了一种依据该方法制造的照相机镜头驱动设备。

本发明的第三方面使得采用SMA丝作为驱动器的照相机镜头驱动设备的制造更加便利，因为所述部件是由包含在闭合环内的SMA丝在分开的专门过程中制造的。这使得SMA丝的长度可以直接得到控制。还允许对于包含SMA丝的部件进行独立制造和测试。而且，由于SMA丝包含在在部件中的闭合环内，因此在照相机驱动设备中将SMA丝布置为具有适当的张力是比较容易的，特别是能够在不同的SMA丝具有的相关之间提供适度的平衡。

本发明第三方面的另外一个优点是，通过首先将SMA丝连接到与照相机镜头驱动设备的其余部件分离的装配件上，然后将装配件装配到安装于照相机镜头驱动设备内的支承结构与/或照相机镜头元件上，而便于SMA丝的物理连接。

实际上，即使部件不具有包含在闭合环中的SMA丝的情况下，也可获得这些优点。因此本发明的第三方面还提供一种制造照相机镜头驱动设备的方法，以及由此方法制造的驱动设备，其中所述部件没有形成包括SMA丝在内的闭合环。

制造部件时，通过将SMA丝段拉紧地布置至少一个装配件上并且将SMA丝段连接到至少一个装配件上，可以控制SMA丝的长度。例如，一种可能的技术是将至少一个SMA丝段拉紧地缠绕在至少一个装配件上。在此缠绕过程中，使用绕线的传统技术可在施加的张力下精确控制SMA丝的长度。

所述部件可以仅包含单个装配件，构成环的单根SMA丝的每端都连接到此装配件上。然而，更典型的是，部件包含多个装配件，以增加将部件装配到支撑系统与/或照相机镜头元件上的装配点数目。在这种情况下，部件可以包含围绕装配件形成的环状且末端重叠的单根SMA丝。这种部件便于制造。

另一方面，作为一种选择，此部件可以包含多个独立的连接于装配件之间的SMA丝。在这种情况下，闭合环的一部分可以由装配件而不是丝本身构成。

有利地，可以通过卷曲SMA丝将装配件连接到SMA丝上。采用卷边的方法是有益的，因为它是一种连接SMA丝的方便而且有效的方法。卷曲方法还具有便于电连接SMA丝的优势，而这是必须的。这是因为在装配件上形成的卷边破坏了SMA丝的自然形成的氧化覆盖物。

有利地，在将部件转配到照相机镜头驱动设备的步骤中，将所述SMA丝钩挂到所述支承结构和所述照相机镜头元件中的至少之一的至少一个固定件上，以使所述至少一个固定件使所述SMA丝保持从所述固定件的每一边拉紧地延伸。这能够方便地帮助调整从固定件的每一边延伸的SMA丝的长度和拉力，因为当SMA丝钩挂在固定件上时，其易于滑动趋向平衡结构。这便于制造长度和张力满足期望的设计约束的SMA结构。

照相机镜头驱动设备可以包含悬挂系统，所述悬挂系统被配置以提供所述照相机镜头元件相对于所述支承结构的偏压，所述偏压的方向沿着所述光学轴、并与至少一个SMA丝段所施加的张力方向相反。在这种情况下，悬挂系统不仅能够执行悬挂镜头的功能，而且还具有作为驱动功能一部分的提供对SAM丝的偏压的功能。这增加了照相机镜头驱动设备的紧凑性。

在一种特别具有优势的形式中，悬挂系统包含在照相机镜头元件和支撑机构之间连接的多个弹性挠曲部，所述挠曲部弯曲以提供所述偏压。此类悬挂系统具有固有紧凑的优点，同时也是简单和便宜制造的。

采用形成包括SMA丝在内的闭合环的部件也提供了依照上述本发明的第二方面的、使照相机镜头驱动设备便于制造的优势。

采用SMA驱动器的一个问题是SMA材料的冷却速度限制了其在相应方向的运动速度。典型地，通过简单地将SMA材料的热量自然传导到它的周边环境而产生冷却。对于照相机镜头元件，这具有一个问题，即，驱动设备在与SMA材料冷却相应的方向上的响应速度受到限制。这影响了驱动设备的性能。例如，在驱动设备将被必须包含对SMA材料进行加热和冷却的自动聚焦算法控制的情况下，这减少了响应时间。克服这种问题是期望的。

一种解决办法是使用一些方法来主动冷却SMA材料。然而，这实际是很难获得的。

依照本发明的第四方面，提供了一种照相机镜头驱动设备，其包含：

支承结构；

照相机镜头元件，其由悬挂系统支撑于所述支承结构上，所述悬挂系统引导所述照相机镜头元件相对于所述支承结构沿所述照相机镜头元件的光学轴方向运动；以及

至少一个SMA丝段，其在所述照相机镜头元件和所述支承结构之间保持拉紧并施加至少在沿所述光学轴方向具有分量的张力，其中所述至少一个SMA丝段具有不大于35微米的直径。

本发明的第四方面基于这样的原则：使用细丝降低SMA丝冷却速度。具体地，使用直径最大为35微米的SMA丝为驱动设备提供足够快的响应时间，以允许执行可接受的自动聚焦算法。

本发明的第五方面涉及一种照相机镜头驱动设备，其中通过多个弹性挠曲部将照相机镜头元件支撑在支承结构上，每个挠曲部围绕光学轴延伸，以引导照相机镜头元件沿照相机镜头元件的光学轴方向运动。这种悬挂系统在由照相机镜头元件和支持结构之间拉紧的至少一个SMA丝段来驱动运动的小型照相机中具有特殊的优势。在这种情况下，挠曲部具有双重作用，它不仅支撑镜头元件，而且提供镜头元件对支承结构的沿所述光学轴并与SMA丝产生张力的方向相反的偏压。挠曲部的使用也为悬挂系统提供了结构紧凑并且能够提供期望机械特性的优势，所述期望机械特性指无静态阻力的平滑运动，并且在光学轴方向具有低刚度而在垂直光学轴方向具有高刚度。

对于这种小型照相机，该设备还需要抵抗机械碰撞以免其受到损伤而使照相机性能相应受到损害。照相机在制造中将按照规范说明进行跌落试验，而其在使用中可能遭受意外跌落。对于照相机镜头设备，这种(意外跌落的)机械撞击比照相机被固定的情况下经受的应力要大得多。对于悬挂系统由挠曲部形成的情况，挠曲部必须适应由外部撞击引起的照相机镜头元件的位移，而不能使得此位移对挠曲部造成永久性伤害，例如，超越挠曲部材料的屈服应变。

对于沿光学轴的运动，通常通过直接设计挠曲部就能够适应由于机械撞击而产生的沿光学轴方向的大幅度运动。这是因为挠曲部被设计为允许在此方向进行大幅度运动。然而，为实现挠曲部沿着光学轴方向引导运动的主要目标，其被设计为在垂直于光学轴运动时具有高刚度。这使得该设计中的挠曲部难以在此方向抵抗机械撞击而不受永久性损伤。本发明的第五方面涉及满足这种需求的测量。

依照本发明的第五方面，提供了一种照相机镜头驱动设备，包含：

支承结构；

照相机镜头元件，其由多个弹性的挠曲部支撑于所述支承结构上，每个所述挠曲部均绕光学轴延伸，并且其一端连接于所述照相机镜头原件，其另一端连接于所述支承结构，所述挠曲部的挠曲引导所述照相机镜头元件相对于所述支承结构沿所述照相机镜头元件的所述光学轴方向运动；以及

至少一个SMA丝段，其在所述照相机镜头元件和所述支承结构之间保持拉紧并产生具有沿所述光学轴方向的分量的张力，所述挠曲部的挠曲提供所述照相机镜头元件对所述支承结构的偏压，所述偏压的方向沿着所述光学轴、并与至少一个SMA丝段所施加的张力方向相反。

其中，所述支承结构被布置以限制所述照相机镜头元件沿所述光学轴径向的运动，并且以所述光学轴方向的视角观察，所述挠曲部沿其长度方向挠曲，形成至少三个交替挠曲的区间。

支承结构限制照相机镜头元件沿光学轴径向的运动。这种使用小间隙或阻挡的物理约束通常被应用于其它机械系统中以限制零件的位移达到损害系统的程度。然而，在小型照相机的情况下，挠曲部的特性是需要以非常小的间隙来定位零件，例如50微米或者更小的数量级。然而，这实际上意味着对制造和装配间隙的挑战，事实上可能导致零件的高成本和低产出。

通过挠曲部的设计可以减小这种困难，具体地，通过将挠曲部弯曲为以光学轴的视角观察时沿长度方向形成至少三个具有交替弯曲的区域。这种设计允许挠曲部适应沿光学轴径向的增加位移而没有永久性损伤。这是因为挠曲能够适应一定程度的机械变形所产生的位移同时限制挠曲部的最大变形。

本发明的第六方面涉及采用SMA驱动器驱动照相机镜头元件运动的照相机镜头驱动设备的紧凑性。

依照本发明的第六方面，提供了一种照相机镜头驱动系统，包含：

支承结构；

装配在所述支承结构上的图像传感器；

照相机镜头元件，其由悬挂系统支撑在所述支承结构上，所述悬挂系统引导所述照相机镜头元件相对于所述支承结构沿所述照相机镜头元件的光学轴运动，所述照相机镜头元件聚光到所述图像传感器上；

SMA驱动器，其连接于所述支承结构和所述照相机镜头元件之间，以驱动所述照相机镜头元件相对于所述支承结构进行所述运动；以及

驱动电路，其连接于所述SMA驱动器，并能够产生用于驱动所述SMA驱动器的驱动信号，所述驱动电路通过所述支承结构安装于所述图像传感器的后部。

当使用SMA驱动器时，必须提供驱动电路，其能够产生驱动信号以驱动SMA驱动器。这种驱动电路的尺寸相对于设备的剩余部分的尺寸并不是无关紧要的。因此驱动电路增加了装置的整体尺寸。然而，通过将驱动电路定位于图像传感器的后部，沿着光学轴的视角来看，照相机设备的面积可达到最小。在许多应用中已经得到确认这是具有优势的，因为在设备内部封装不同器件的情况下，设备的面积比设备沿光学轴的深度更重要。因此这种设计有效地改进了设备封装的能力。

本发明的第七方面涉及对使用SMA驱动器的照相机镜头驱动设备的控制，所述SMA驱动器驱动照相机镜头元件沿光学轴方向运动以改变图像传感器的焦距。具体地，本发明的第七方面是关于提供自动控制能力的自动聚焦算法。

对于采用非SMA的其它技术例如电子马达和压电驱动器技术的照相机镜头驱动设备而言，提供自动聚焦的技术是在所周知的。概括而言，确定所需的聚焦度从而控制驱动器。

用于确定所需聚焦度的一种技术是利用物理测距仪产生的信息，例如采用飞行时间计算距离的超声波测距仪，或者以反射光的平方根来得出距离的红外测距仪。然而，概括而言，基于测试仪信息的自动聚焦具有有限的精度。

确定所需聚焦度的一个替代方法是利用图像传感器输出的图像信号来确定成像的聚焦品质测定，并且基于已确定的聚焦品质测定按照一定算法如最大化测定来控制照相机镜头驱动设备。

本发明的第七方面涉及自动聚焦技术，该技术基于图像传感器输出的图像信号确定聚焦质量，并基于确定的聚焦质量通过对SMA材料施加电流来加热而对聚焦进行控制，以驱动照相机镜头元件沿着光学轴运动。

在使用SMA材料驱动照相机镜头元件运动方面，提供精确并可重复的控制是一个值得考虑的问题。这是由于外加电流和照相机镜头元件的实际位置之间的滞后现象所引起的。虽然SMA材料长度的变化依赖于温度，但在执行控制中还存在问题。第一个问题是很难精确确定温度，所述温度不仅依赖于通过SMA材料的外加电流而且依赖于SMA材料依赖周围环境以不同速度发生的冷却。因此，温度不能通过已知的外加电流来精确确定。第二个问题是即使假定能够知道温度的精确值，在不同长度的SMA材料和温度之间也存在滞后现象。具体地，加热时从马氏体相改变到奥氏体相的温度范围比冷却时使SMA材料从奥氏体相变化到马氏体相的活性温度范围更高。作为这种滞后作用的结果，SMA材料经过一个循环的冷却和加热后，很难了解电流状态，因此也很难了解SMA材料本身的长度。

尽管这种SMA材料的控制问题是通常是众所周知的，但是，当SMA材料用于驱动照相机镜头元件运动时，这个问题尤其尖锐，尤其例如其中的照相机镜头元件的镜头最大直径尺寸为10毫米的小型照相机。在这种情况下，位置控制的精度必须非常高，因为照相机镜头元件的全部移动范围是比较小的，而且必须以高准确率控制镜头元件以提供合适的焦距。

本发明的第七方面涉及在假定这些问题的条件下对驱动照相机镜头元件的SMA驱动设备的精确自动聚焦控制。

依照本发明的第七方面，提供了一种控制照相机镜头驱动装置的方法，所述照相机镜头驱动装置包括SMA驱动器，所述SMA驱动器加热后驱动照相机镜头元件沿着光学轴方向运动，以改变所述照相机镜头元件在图像传感器上的聚焦，在所述方法中，所述的加热通过使电流经过所述SMA驱动器来完成，所述方法包含：

初始阶段，将所述SMA驱动器从马氏体相加热到达到其活性温度范围，在所述活性温度范围内，所述SMA驱动器从马氏体相转变为奥氏体相；

扫描阶段，将所述SMA驱动器加热至超过所述活性温度范围，对所述图像传感器输出的图像信号的聚焦质量进行监控，并且存储当所述聚焦质量达到可接受的程度时所述SMA驱动器的阻抗测量；

回扫阶段，将所述SMA驱动器冷却为变为马氏体相；

聚焦阶段，加热所述SMA驱动器，其中，在所述聚焦阶段，获得对所述SMA驱动器的阻抗测量，通过所述SMA驱动器的电流随着反馈控制技术的变化而变化，所述反馈控制技术将所述SMA驱动器的阻抗测量作为反馈信号，以使获得的阻抗的测量值趋近于存储的阻抗测量。

依据本发明的第七方面，还为驱动设备提供了一种执行相同自动聚焦循环的控制系统。

本发明的第七个方面提供了一种自动聚焦技术，其允许通过减少上述问题来自动控制照相机镜头元件的焦距。原因如下所述。

首先，本发明的第七方面利用SMA材料的阻抗测量作为对SMA材料长度的测量，并因此作为对照相机镜头元件位置的测量。具体地，在聚焦阶段，反馈控制技术使用SMA材料的测量阻抗作为反馈信号，以使阻抗值趋近于已确定达到可接受聚焦品质的存储值。

通过提供附加的电子原件作为用于提供加热SMA材料的电流的控制电路的补充，阻抗的使用具有直接执行的优势。

然而，需要被理解的是，由于在阻抗测量和实际位置之间存在滞后现象，因此SMA材料的阻抗本身并不能提供位置的精确测量。通过使用回扫技术，这个滞后的问题已经得到解决。具体地，聚焦品质达到可接受水平时的SMA材料的期望阻抗值在扫描阶段初期就确定下来，而仅在SMA材料被冷却至返回到马氏体相的回扫阶段之后，SMA材料才返回到这个存储值。因此，在扫描和聚焦阶段，SMA材料都从马氏体相被加热。结果，在扫描和聚焦阶段，SMA材料的阻抗以相同的重复方式随着SMA材料的长度的变化而变化。因此，回扫技术使得照相机镜头元件可返回到扫描阶段定义的提供可接受聚焦品质的相同位置。

聚焦阶段的反馈控制技术的应用提供了这样的益处，即，考虑到SMA材料的冷却而进行控制，而这种冷却通常是变化的。

本发明的所有方面均具有对小型照相机镜头元件的特殊应用。所述小型照相机镜头元件包含一个或者多个直径不超过10毫米的镜头。

本发明的不同方面及其特性可以按照任意方式组合使用以获得特定的优势。

为了更好的理解，将参照附图非限制性地对本发明的实施方式进行描述，其中：

图1示出了包含SMA驱动器的第一照相机的截面示意图；

图2示出了第一照相机的详细透视图；

图3示出了第一照相机的分解透视图；

图4示出了第一照相机的部件在松弛状态下的透视图；

图5示出了制造过程中拉紧的部件的透视图；

图6示出了第一照相机的控制电路图；

图7示出了第一照相机中改进的悬挂件的平面图；

图8示出了第一照相机的详细截面图；

图9和图10示出了第一照相机的两个改进形式的透视图；

图11示出了改进形式的第一照相机中的部件的透视图；

图12示出了控制电子器件的示意图；

图13示出了控制电路的示意图；

图14和图15示出了控制电路的两种可能的实现的电路图；

图16示出了可在控制电路中实现的自动聚焦控制算法的流程图；

图17示出了第二照相机的透视图；

图18示出了第三照相机的透视图；

图19示出了图18中所示出的第三照相机透视图，但略去了支承以显示元件的内部；

图20示出了第四照相机的透视图，其带有断面示出的支承结构的环形壁以及SMA丝的第一替换结构；

图21示出了图20所示出的第四照相机的透视图，其带有断面示出的支承结构的环形壁以及SMA丝的第二替换结构；

图22示出了第五照相机的侧视图，支承结构以截面图示出；并且

图23示出了略去支承结构的、图22示出的第五照相机的透视图。

图1示意性地示出了第一照相机1。照相机1包含带有基座部分3的支承结构2，基座部分3上安装了图像传感器4，图像传感器4可为CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补型金属氧化物半导体)设备。支承结构2还包含从装配有图像传感器4的基座3的前侧突出的环形壁5。支承结构2可以用塑料制造。

照相机1还包含容纳镜头系统7的镜头元件6，镜头系统7包含一个或者多个镜头8。以示例的方式，图1中示出的镜头系统7包含两个镜头8，但通常可根据需要具有一个或者多个镜头8，以提供期望的光学性能和低的造价。照相机1是带有镜头系统7的镜头8的小型照相机，典型地，镜头8的直径不超过10毫米。尽管照相机1的设计可以适应较大的照相机，但其更适合这种小型照相机。

镜头元件6按照垂直于图像传感器4的、镜头系统7的光学轴O装配。通过这种方式中，镜头系统7聚光到图像传感器4上。

镜头元件6通过悬挂系统9悬挂在支承系统2上，悬挂系统9包含连接在支承结构2的环形壁5和镜头元件6之间的两个悬挂件10。悬挂系统9引导镜头元件6沿光学轴O运动。镜头元件6的这种运动将改变图像传感器4上的成像的焦距。

现将参考略去了支承结构2的基座3的详细透视图图2对照相机1的详细结构进行描述。照相机1具有对称结构，因此，从与图2相反的视角进行观察，照相机1仍具有相同的外形结构。

镜头元件6为两部分结构，包含镜头托架20和通过镜头托架20内部形成的内螺纹22装配在镜头托架20内部的镜头支架21。镜头支架21的直径通常为6.5毫米。固定在镜头支架20下边缘的是金属环14，下文将对其进一步描述。镜头托架20连接于悬挂系统9，以悬挂镜头元件6。镜头支架21上安装镜头系统7的一个或多个镜头8。镜头托架20和镜头支架21都可以用模压塑料制造。

这种两部分结构的镜头元件6在制造过程中提供了有利条件。通过首先将不带镜头支架21的镜头托架20安装到位，然后在所有与镜头托架20的各连接完成后安装镜头支架21，而装配照相机1。通过螺纹22，可沿光学轴O调整镜头系统7相对于托架6(因此也相对于图像传感器4)的位置。在装配中实施这种调整，以便适应由于制造公差而出现的、镜头系统7中的镜头8的焦距以及相对位置的任何变化。此后，镜头系统7保持固定在相对镜头托架20的相同的位置上。

现在，对用于镜头元件6的悬挂系统9进行详细描述。悬挂系统9包含两个悬挂件10，每个悬挂件由各自的单张材料板(如剪切成型的钢或者玻铜)构成。一种可能性是很难卷曲的能够提供高屈服应力的302度奥氏体钢。悬挂件10被安装在托架20的相对的两端上。尽管在图2中仅有一个悬挂件10是清楚可见的，但是，两个悬挂件10都具有相同的结构，如下所述。

每个悬挂件10包含连接到镜头托架20上的内环11。具体的，内环11连接到镜头托架的不同端面上，以使其绕镜头支架21的外围延伸。

每个悬挂件10还包含连接到支承结构2上的外环12。具体的，外环12连接到支承结构2的环形壁5的端面上并绕其延伸。

最后，每个悬挂件10包含四个挠曲部13，每个挠曲部13在内环11和外环12之间延伸。因此，挠曲部13的相对两端分别连接到镜头元件6和支承结构2上。如果从沿着光学轴O的视角来看，挠曲部13相对于光学轴的径向方向倾斜。因此，挠曲部13绕光学轴延伸。挠曲部13在不同径向位置上围绕镜头托架20布置，并且关于光学轴O旋转对称。而且，挠曲部13沿光学轴O的方向的厚度(即，用来制造悬挂件10的材料板的厚度)小于其垂直于光学轴方向的宽度。从沿着光学轴O的视角来看，挠曲部13在其长度方向也是挠曲的，这一点的更多细节将在下文进行讨论。

两个悬挂件10通过连接在镜头元件6和支承结构2之间的挠曲部13将镜头元件6悬挂在支承结构2上。由于这些设置，挠曲部13通过挠曲来适应镜头元件6沿光学轴O方向的运动。当镜头元件6沿光学轴O方向运动时，内环11相对外环12沿光学轴O方向运动，随之发生的是挠曲部13的挠曲。

由于挠曲部13在平行于光学轴O的方向上具有小于其宽度的厚度，因此，挠曲部13更容易在其厚度方向上挠曲，而不是在宽度方向上挠曲。因此，挠曲部13使悬挂系统9对镜头元件6相对于支承结构2沿光学轴方向的运动具有较小刚性，而对镜头元件6相对于支承结构2沿光学轴O的垂直方向的运动具有更大的刚性。

更进一步，两个悬挂件10沿光学轴O方向空间分离，因此，对镜头元件6在垂直于光学轴O方向上的运动的抵抗力也提供了对镜头元件6的倾斜的抵抗力。

对于镜头元件6的离轴运动和倾斜的这种抵抗力是可期望的，这是因为，这种离轴运动和倾斜可降低镜头系统7在将图像聚焦于传感器4上时的光学性能。

现在，参考图3对将支承结构2、镜头托架20(包括金属环14)、悬挂件10以及两个加强件15制造为一个部件的过程进行描述。上述组件如图3所示地安装为管组。在支承结构2和镜头托架20上形成的定位销16定位于在悬挂件10内部形成的定位孔17中。当将完整管组压至夹具中后，在管组顶部和底部的每个定位销16的端部都涂抹粘合剂。优选的粘合剂是可用紫外光固化的氰基丙烯酸酯。通过表面张力作用，粘合剂浸入到定位销16的四周，并且将各层粘合到支承结构2和镜头托架20上。一旦粘合剂已经固化，就可以将该部件从夹具上去除。作为粘合剂的替代，也可通过对定位销16进行热铆接以形成机械地保持部件的塑料头，从而形成接合。

每个加强件15均包含两个环18，其分别适应并加强悬挂件的内环11和外环12。这两个环18通过在该部件安装完毕后被去除的注料口19连接在一起。注料口19的使用在用夹具加工加强件15的环18时有助于装配，并且减少器件数目，因此也减少了零件费用。一旦注料口19被去除，镜头托架20则可通过外部负载相对于支承结构2向上运动。

另外，照相机1包含将独立进行说明的部件30，其在图4中处于松弛状态。部件30包含以闭合环形式安装且其末端36和37重叠的SMA丝31。

部件30还包含两个装配件32和33，每个装配件均由细长的金属片(如黄铜片)形成。装配件32和33通过卷边与SMA丝31连接。具体的，装配件32和33的末端均卷在SMA丝31上，从而分别形成卷边34和35。

第一装配件32卷在SMA丝31的重叠末端36和37上，将末端36和37共同保持。第二装配件33卷在SMA丝31的中点上。因此，SMA丝31和两个装配件32和33一起形成了一个闭合环，这在制造时能提供方便条件。

在制造过程中，部件30与照相机1的其它部分分离制造。具体地，通过将装配件32和33保持在如图5所示的适当位置，然后将SMA丝31缠绕在装配件32和33上，来完成部件30的制造。在缠绕过程中，SMA丝31被拉紧，即没有任何松弛。尽管同样可以采取更大的张力，但是，通常采用小的张力以使SMA丝31不过于拉紧。

SMA丝31的绕线保持拉紧后，两个装配件32和33则挠曲到SMA丝31上，以形成卷边34和35。卷边的应用对SMA丝31提供了强力而且方便的机械连接。另外，卷边34和35穿透了SMA丝的氧化性涂料，并因此提供了从装配件32和33到SMA丝31的电连接。

在通过卷边34和35将装配件32和33连接到SMA丝31后，则可将SMA丝释放以使其不再被拉紧。部件30然后则可以下文进一步描述的结构安装在照相机1内。

在部件30的制造过程中，可采用公知的缠绕技术将SMA丝31绕装配件32和33缠绕。这种缠绕技术可能额外导致SMA丝31绕缠绕装置的前部组成零件缠绕。在与照相机1的其它部分分离的专有过程中制造部件30使两个装配件32和33的相对的两端上的SMA丝31的每一半的张力和长度都能得到精确控制。相同地，照相机1的整体装配的复杂性可以降到最小。同样，在单独的专有过程中制造部件30也便于通过卷边34和35形成从装配件32和33到SMA丝31的连接。

部件30如下所述地安置在照相机1的内部。两个装配件32和33的均装配到支承结构2的环形壁5的外侧。装配件32和33被固定在适当位置上，从而SMA丝31连接到支承结构2上。如图2所示出的，装配件32和33被装配进环形壁5的凹座40中，例如利用粘合剂、环形壁5的型锻或者一些其它方法。

此外，两个装配件32和33之间的SMA丝31的每一半分别钩挂在固定件41上，固定件41是固定在镜头元件6上并向外凸出的金属环14的组成部分。因此，两个固定件41通过金属环14电连接在一起(尽管这不是必需的)。对于固定件41而言，金属是合适的材料，因为它经得起SMA丝31中产生的热量。与SMA丝31接触的固定件41的表面可为挠曲的，以减少SMA丝的最大曲率。

在照相机1中，装配件32和33位于绕光学轴O的径向相对点上。相似的，两个固定件41位于装配件32和33中间的、绕光学轴O的径向相对点位置上。而且，沿光学轴O方向，固定件41被安置在比装配件32和33上保持SMA丝的卷边34和35更接近图像传感器4的位置。因此，SMA丝31被夹持为四个SMA丝分段42，每个SMA丝分段42都是SMA丝的一部分，并分别在(a)装配件32和33之一和(b)两个固定件41之一之间延伸，分段42相对光学轴O成锐角。每对相邻的SMA丝的分段42都连接于镜头元件6或者支承结构2的公共点，即，连接于固定件41或装配件32和33之一。SMA丝的分段42在照相机1中被拉紧，以使其产生具有沿光学轴方向的分量的拉力，具体的，在镜头元件6偏离图像传感器4方向上产生拉力。

另外，每个SMA丝分段42均产生具有垂直光学轴O方向的分量的拉力。而且，SMA丝分段42以对称平衡的结构拉紧，其中SMA丝分段42均具有相同的长度，相对光学轴O以相等的锐角倾斜，并且沿光学轴O的径向交替地向上和向下倾斜。换句话说，一对相对的SMA丝分段42都向上倾斜并且关于光学轴O旋转对称，同样，其它两个相对的SMA丝分段42都围绕光学轴O旋转对称地向下倾斜。

因此，假定当每个SMA丝分段42被等值电流加热时产生相同的拉力，那么，由SMA丝分段42所产生的净力被平衡。因此，净力并不提供沿垂直光学轴O的任何方向的分力。相同地，净力基本没有提供绕垂直光学轴O的任何轴的扭矩，并且也没有提供绕光学轴O本身的扭矩。当然，可能有一些由于制造公差而产生的净力或者扭矩，那么在这样的环境下，本文所说的没有净力是指净力比沿光学轴方向的净力至少小一个数量级。

这意味着SMA丝分段42的布置基本上没有产生照相机镜头元件6的离轴运动或者倾斜。这也就意味着，悬挂系统9不需要经受任何此类离轴运动或者倾斜。这减少了对于悬挂系统9的约束，因此，悬挂系统9仅需要设计为通过对沿光学轴O方向的运动提供比对沿垂直方向运动的更低的刚度来引导镜头元件6沿光学轴O运动。

在制造时，由于照相机1的布置结构，可以直接将部件30装配进照相机1中以提供SMA丝分段42的平衡拉力。具体地，通过对装配件32和33的处理，使得部件30容易控制。相似地，通过将SMA丝钩接在固定件41上，容易获得SMA丝分段42的适当长度和拉力，因为固定件41上的滑动能够帮助在每个固定件41的相对的两端上获得SMA丝分段42的相等拉力。因此，SMA丝和镜头元件6之间的连接被简化为简单的不需要好的电学性能的机械连接。此类结构布置去除了对于照相机1的一些装配公差约束。如果用卷边将SMA丝的终端固定在镜头元件6上，那么，由于原始装配改变，SMA丝分段42的长度和拉力也将改变。

装配完成并处于平衡状态后，可以用少量的粘合剂将SMA丝固定在其位置上，以保证其在操作或者跌落试验中保持在固定件41上。这可以在缠绕SMA丝的循环结束后再进行，以帮助去除装配公差。

制造过程的最大挑战是将SMA丝装配并加入到照相机1中。有三个主要问题，即(1)SMA丝长度的控制，(2)实现到SMA丝的机械连接和电连接，(3)在照相机1中控制装配几何构形。这些问题已经导致对包括SMA丝的部件30的研究。部件30可以独立于照相机1的其它部分进行制造和质量测试。将SMA丝与分离地安装于支承结构的装配件32和33机械连接且电连接使得制造的复杂性最小化。

当SMA丝处于高温状态，并从而完全收缩时，其为刚性的，并因此实际上处于其自然长度，挠曲部13的拉力产生可忽略的丝应变。因此，在这种情况下镜头元件的位置很大程度上独立于挠曲部的参数，而高度依赖于SMA丝分段42的长度。该长度是直接测量并因此进行控制的关键控制参数。

当处于低温状态时，SMA丝被挠曲部13拉直，并且SMA丝的应力应变曲线非常平坦，意味着可以丝可具有大的应变，而不会影响产生的应力。因此，在低温状态，镜头的位置很大程度上独立于丝的长度，而高度依赖于挠曲部的刚度。挠曲部13的刚度可以在装配阶段测量。

因此，在移动范围内的驱动器性能可以分解为丝长度和挠曲部刚度这两个制造控制参数。按照设计的优选装配过程，这两个参数的每个都可以被分别测试，并因此得到控制。这有利于制造产出和过程控制，这两方面都影响产品的造价。

下面将介绍照相机1驱动镜头系统6沿光学轴O相对于支承结构2运动的操作。

SMA材料具有刚度随温度变化的特性，这是由于固态相变而引起的。在此范围的低温态时，SMA材料进入具有相对较低刚度的马氏体相。在高温态时，SMA材料进入具有比马氏体相状态的刚度高的奥氏体相。因此，如果对负载产生反作用力，那么，对SMA丝分段42的加热(或者冷却)能够引起其长度的减小(或者增加)。

在照相机1中，SMA丝分段42被拉紧，在镜头元件6和支承结构2之间提供沿光学轴O的净拉力，该净力驱动镜头元件6向离开图像传感器4的方向运动。此净力反作用于支撑系统9所产生的沿光学轴相反方向的偏压力。挠曲部13的挠曲依赖于SMA丝所产生的拉力。以光学轴O的径向视角，制造的挠曲部13是直线的。尽管可能产生一些轻微挠曲，但挠曲部13一般仍然能够保持直线。

因为悬挂系统9的刚性保持不变，因此，在加热或者冷却时，SMA丝分段42的刚性随温度的变化引起镜头元件6沿光学轴O运动而达到一个新的平衡状态位置，在此位置，在悬挂系统9和SMA丝分段42所产生的偏向拉力之间达到平衡。因此，对SMA丝分段42的加热(或者冷却)驱动镜头元件6远离(或者朝向)图像传感器4运动。

因此，照相机1的一个重要方面是包含挠曲部13作为被动偏置元件的悬挂系统9的应用。具体地，挠曲部13的挠曲沿SMA丝分段42施加的拉力的反向提供照相机镜头元件6的偏压。换句话说，悬挂系统9提供两个功能：引导照相机镜头元件6的运动以及作为SMA丝分段42的被动偏压元件。

镜头元件6相对于支承结构2沿光学轴O的位移程度依赖于SMA丝分段42内形成的应力，同时还依赖于SMA丝分段42相对于光学轴O的锐角。可能在SMA丝内产生的拉力受限于相变的物理现象。通过SMA丝分段42与光学轴O成锐角的布置，当SMA丝分段42的长度改变时，其方向也随之改变，即，与光学轴O之间的锐角角度增加。这有效地驱动运动，因此镜头系统6沿光学轴O的位移量比SMA丝分段沿光学轴分解长度的改变要大。通过增加SMA丝分段42和光学轴O之间的锐角角度，可以增加驱动的程度。在图1示出的照相机1中，锐角大概为70度，但是通常来说，可以依赖于镜头元件6运动的期望范围来选择此锐角。

移动量可以通过SMA丝分段与光学轴之间的锐角以及SMA丝分段42的长度二者来决定。最大化这些参数是理想的。然而，这增加了照相机的整体尺寸，因此必须与最小化照相机1尺寸的实际需要之间进行平衡。这种平衡可以通过照相机1中的SMA丝分段42的特定布置来实现，具体的，通过将SMA丝分段42布置为沿光学轴O的视角观察互相成90度角度来实现。因此，两个SMA丝分段形成的平面可以被认为相对光学轴O成角度或者倾斜。沿着光学轴O视角看，每个SMA丝分段42沿围绕照相机1的正方形的一边延伸，而没有向外突出并因此增加照相机1垂直于光学轴O的尺寸。从光学轴O的径向来看，这允许每个SMA丝分段42的长度和锐角在照相机1的各面的范围内增加到最大尺寸。因此，在相对紧凑的照相机1内实现镜头元件6的相对大的位移。

镜头元件6相对于支承结构2沿着光学轴2方向上的位置可通过对SMA丝分段42的温度控制来控制。在操作中，SMA丝分段42的加热是通过对其通过电流产生电阻热量来获得的。冷却是通过停止电流并允许SMA丝分段把热量传导到周围环境来获得的。电流通过图6所示的控制电路板50控制。

控制电路50连接到每个装配件32和33上，装配件32和33通过卷边34和35提供到SMA丝31的电连接。控制电路50在两个装配件32和33之间提供电流。因此，电流通过平行连接装配件32和33的SMA丝31的每一半。

在下文进一步描述控制电路50用于下文描述的其它照相机时控制电路50的特性以及控制效果

第一照相机1具有结构紧凑的特别优势。这是由于组成悬挂系统9的悬挂件10的紧凑性以及SMA丝分段42的紧凑性产生的。这意味着照相机1可以被非常有效的封装。相反地，照相机1可以被设计为具有包含镜头系统7镜头元件6，在镜头系统7中，一个或者多个镜头8具有与照相机1的占用面积相比相对较大的直径。例如，在第一照相机1的占用面积为边长为8.5毫米的正方形的情况下，其可以采用最大直径6.0毫米的镜头8。典型地，第一照相机1的设计允许镜头支架21的外直径至少占照相机1的占用宽度的70％到80％。

选择SMA丝片断31的材料组成以及预处理方式，以使得常规操作中在高于所期望的环境温度时能够发生相变。典型地，温度范围是大于70度。进一步选择SMA丝片断31的材料组成以及预处理方式，以使得马氏体相和奥氏体相之间的变化能够在尽可能大的温度范围内发生。这就最大化了位置控制的程度。

应该注意的是，SMA丝分段42被安置以使镜头元件6偏向远离图像传感器4。这是具有优势的，因为在不对SMA丝分段42加热时，镜头元件6在其活动范围内处于相对图像传感器4的最近点处。将照相机1设计为使得此位置对应于远场焦点或者超焦距焦点，这是照相机1的最普通的设置，特别是在提供自动聚焦功能的情况下。以这种方式，SMA丝分段42能在可能的最长时间内保持不被加热，从而减少能量消耗。此外，如果控制电路50由于任何原因而停止供电，照相机1则仍可在固定焦距的模式下操作，从而提供可能的最宽的焦距位置。

下面介绍悬挂件10和SMA丝分段42的具体设计中的某些考虑。

镜头元件6的高速驱动在许多应用中(例如如果要提供自动聚焦功能)是渴望实现的。驱动响应速度受到SMA丝分段43冷却的限制。尽管通过使用高能电流容易使SMA快速加热丝分段42，但是，，SMA丝分段42的冷却是被动发生的，即，简单地通过将热量散发到周围环境的空气中。这种冷却不能够通过简单的方法加速。尽管能够在理论上提供主动冷却装置，但在现实中很难实施。

然而，可以通过减小SMA丝分段42的厚度加快冷却速度。SMA丝分段42的厚度限于一定程度，使热量能够足够快速地转移到周围环境的空气中以提供对于特定用途的照相机1来说足够快的响应速度。考虑到照相机和丝的尺寸，冷却时间相对于丝的直径近似线性变化。由于此原因，SMA丝分段42的理想厚度是35微米，以提供照相机的自动聚焦应用可接受的响应。例如，在以上设备中，如果SMA丝分段42具有25微米的直径，那么，从近焦到远焦(即被动冷却周期)的移动时间大概为200毫秒。

悬挂系统9设计为具有合适的宽度、厚度和长度的、合适数目的挠曲部13，以提供沿光学轴O以及其垂直方向上的期望刚度。挠曲部具有25微米到100微米范围的典型厚度。挠曲部13的数目可以通过改变悬挂件10内的挠曲部的数目和/或通过提供额外的悬挂件10而改变。通常，每个悬挂件10都具有四的倍数个四面旋转对称的挠曲部13，因为这允许用沿光学轴O的视角来看具有正方形结构的、支承结构2的环形壁5方便地封装。

另外，SMA丝分段42还提供沿光学轴O方向以及垂直光学轴O方向的刚度。尽管SMA丝分段42的厚度受上文所述的冷却目的的限制，并且SMA丝分段42垂直于光学轴O的刚度一般远远小于挠曲部的刚度，但是，且SMA丝分段42仍可以被认为是悬挂系统9的一部分并在设计照相机1时考虑其刚度。

考虑镜头元件6相对支承结构2沿光学轴O的运动，SMA丝分段42理想的总刚度与悬挂系统9的挠曲部的总刚度应该是相同数量级的。理想地，悬挂系统9的挠曲部13的总刚度值在从(a)在SMA材料奥氏体相过程中的SMA丝分段42的总刚度到(b)在SMA材料马氏体相过程中的SMA丝分段42的总刚度的范围内。为了获得镜头的最大位移，悬挂系统9的挠曲部13的总刚度值等于(a)在SMA材料奥氏体相过程中的SMA丝分段42的总刚度和(b)在SMA材料马氏体相过程中的SMA丝分段42的总刚度的几何平均值。

再考虑阻碍镜头元件6相对支承结构沿光学轴O运动的刚度，所期望的是，当照相机1在光学轴O平行于和反平行于地球重力场的方向间变化时，由挠曲部13和SMA丝分段42的刚度之和所决定的悬挂系统9的总刚度足以使得镜头元件6相对于支承结构2在重力作用下的运动达到最小。这就使得，当在正常使用时照相机1指向不同的方向时，镜头元件6的运动最小化。对于典型的镜头系统，镜头元件6相对支承结构2的运动理想地限制于最大50微米。对于典型的小型摄像头，这意味着由挠曲部13和SMA丝分段42组合提供的悬挂系统的总刚度应该为至少100N/m，最好为至少120N/m。

而且，挠曲部13被设计为具有合适的宽度，以提供阻碍镜头元件6相对支承结构2在垂直光学轴O的方向上运动的期望刚度。对SMA丝分段42的刚度也加以考虑，但由于挠曲部13的宽度较大，因此SMA丝分段42通常只能提供相比挠曲部13而言较小的作用。理想的刚度依赖于镜头元件7的特性，具体地，依赖于镜头元件7能够适应离轴运动和倾斜的程度。

其它的设计考虑是保证由挠曲部13和SMA丝分段42产生的最大应力不会使得各自的材料出现过应力。

例如，一种设计案例如下所示。每个悬挂件10包括三个挠曲部13(而不是图2所示出的四个挠曲部13)，每个挠曲部10具有长度4.85毫米，宽度0.2毫米，厚度50微米。SMA丝31直径25.4微米，允许在室温环境下的SMA材料以大概0.2秒的时间从完全奥氏在空气中体冷却到完全马氏体。SMA丝分段42相对光学轴以60度倾斜，即每个SMA丝分段42具有5毫米的水平长度(垂直于光学轴O)和3毫米的垂直厚度(平行于光学轴O)。当SMA材料处于奥氏体相时，悬挂件10偏斜0.5毫米。在这种状态下，六个挠曲部13在光学轴O的方向上提供与SMA丝分段42相平衡的138mN大小的净力(将镜头元件6拉向图像传感器4)。在此偏斜时，挠曲部13具有最大应力1GPa。在这种状态时，SMA材料具有132MPa大小的张力，接近于与长疲劳寿命相关(几百万次循环)的最高允许应力。当SMA材料处于马氏体相时，SMA分段42被拉伸大约3％，而挠曲部13被偏斜仅仅0.2毫米，意味着镜头元件6移动0.3毫米。现在挠曲部13的应力为380MPa，而SMA材料的应力为47MPa。

现将描述图2中示出的挠曲部13的挠曲形状。挠曲部13的挠曲形状的目的是为了允许照相机1抵抗机械冲击、而不会受到损伤从而使照相机性能随之受到损害。具体地，必须使得悬挂系统9适应由冲击引起的镜头元件6的位移，而不对挠曲部13造成永久性损害(例如，通过超过挠曲部13的材料屈服应变)。在机械冲击引起镜头元件6沿光学轴O运动的情况下，因为悬挂系统9具有低刚度并且被设计以适应大范围的位移，因此，此运动是直线的。然而，在机械冲击引起镜头元件6沿光学轴O的径向运动的情况下，悬挂系统9被设计为具有相对高的刚度以抵抗离轴位移和倾斜。这使得挠曲部13更有可能被此方向的位移损害。尽管减小挠曲部13的长度会增加轴向刚度，但是，为了获得较高的平面刚度，挠曲部13在最小曲率的情况下应该尽可能短，从而获得平衡。然而，通过使挠曲部13的曲率最小化从而使其为直线的或绕光学轴O略微挠曲，挠曲部13易于在与内环11和外环12连接的应力集中的区域挠曲、拉伸和塑性变形。由于系统应力的不平衡，在这些连接处存在应力集中的区域。

为了限制在此方向上的位移，照相机1在镜头元件6和支承结构2的环形壁5之间具有小的裕度。这样，支承结构2的壁5担当阻挡的作用，以限制光学轴O径向的最大位移。然而，小的裕度(例如50微米或者更小的量级)对制造和装配提出了挑战性的公差，事实上可能达到导致高费用零件和低制造产出的程度。

挠曲部13具有挠曲形状以对付这些问题。具体地，如果沿光学轴方向观察，挠曲部13沿其长度方向是挠曲的。挠曲部13具有交替挠曲的三个部分。通过将这种挠曲引入挠曲部13，为结构增加了一定程度的应变消除能力。挠曲部13塑性变形的趋势被减小，并且其转而具有弹性挠曲的趋势。通过引入相对于中央部分具有相反曲率的外围部分，应力不平衡被减少，并且与内环11和外环12的连接处产生的应力被减小。因此，挠曲部13在平面方向内变得更加适应，而没有产生材料失效。这是在对于轴向和径向刚度没有不可接受的妥协的情况下获得的。

为了最大化这种效果，挠曲部13的三个挠曲部分优选地具有不等的长度和曲率，特别是中间部分应该比外面部分具有更长的长度和更小的曲率。具有优势的做法是，中间部分的长度至少是外面部分的长度的两倍，例如，三部分长度的比例A:B:C是1：2.5：1。具有优势的做法是，中间部分的曲率至多是外面部分的曲率的一半，例如，每个部分的长度对曲率的比例基本相等，以使每个部分所对的角度α，β和γ基本相等。然而，挠曲的这种几何形状并不是必须的，并且采用其它几何形状(如其它的长度和曲率或者更多个交替的挠曲部分)也可以获得相同的好处。

图2所示出的悬挂系统的设计中，每个挠曲部13在光学轴O的径向的宽度比在光学轴O方向的厚度更大。然而，图7示出了悬挂件10的代替设计，其中每个挠曲部13被改进为由一组平行的挠曲部43组成。这样通过减小每个平行的挠曲部43的宽度，允许悬挂系统9更适于光学轴的径向。通过减小从结构的中轴到材料末端的距离，减少了平行挠曲部43的应力。

减少单根挠曲部13的宽度将不期望地减少平面刚度，但是，通过引入多根互相平行的挠曲部43(例如，与宽度的减少成比例地)，整体的平面刚度仍可得到保证。

图8详细示出了整个照相机1，除了为了清楚起见而略去了镜头支架21。在此结构中(镜头支架21装配完成后)，照相机1是完整的，并且能够通过所有的客户可靠性和强度测试。下面将对除图2示出的结构之外的、照相机1的其它附件进行描述。

照相机1具有夹紧并粘接到支承结构2的壁5上的屏幕外壳44。壁5也粘接到支承结构2的底座3上。沿光学轴O的方向上，在镜头元件6和屏蔽外壳44之间以及镜头元件6和底座3之间存在间隙，该间隙允许镜头元件6沿光学轴O充分运动，以提供图像传感器4上的图像聚焦，而同时防止可能损害悬挂系统9或者SMA丝分段42的一定程度的运动。

事实上，底座3比图1示意性示出的具有更复杂的结构。具体地，底座3具有中央孔45，图像传感器4装配于中央孔45的后方。为了装配图像传感器4，底座3具有在孔45后部形成并超出孔45面积的壁架46。在壁架46上装配有图像电路板47，在图像电路板47上，具有面向孔45并与之对齐的图像传感器4以接收沿光学轴O方向的光线。

可选择地，孔45可以具有装配于其中的红外滤波器。此滤波器不仅保证多余的光线不会降低图像质量，而且也担当了密封的功能以防止灰尘落到图像传感器4上而降低图像质量。因此，底座3可以在密将图像传感器4密封在封罩内，这种操作应该在高度清洁的环境内进行。

底座3还包含突出壁48，壁48位于壁架46的外部并且向后突出。驱动电路板49被装配在突出壁48上，并且驱动电路50在此驱动电路板上形成。因此，驱动电路50位于图像传感器4的后方。这使得沿光学轴O所观察时的照相机1区域最小。在许多应用中，这是具有优势的，因为就将各种器件封装进仪器内部来说，照相机1的面积比其沿光学轴O方向的深度更重要。例如，这种结构允许照相机1被装配到电子设备内部为特定目的设计的插座之上，所述插座通常装配到电子设备的母板上。

作为一种可供选择的方法，可以采用下部装配驱动电路50的双面的图像电路板47。此结构具有价格和装配优势，并且确实具有连接优势。

另外一种使得电子设备尺寸最小的可供选择的方法是将控制电路50集成到图像传感器4的同一个芯片上来。由于自动聚焦算法需要的计算与那些已经在图像传感器上为其它任务执行的算法类似，因此这是便利的。这明显依赖于所使用的具体的图像传感器4。可选择地，相同的处理功能可以由照相机1外部由于其它目的而提供的电子设备中的其它处理器来执行。

图2所示出的结构中，在部件30内的所有SMA丝分段42由单一的SMA丝31构成，其中存在的一个问题是两个半环长度的任何差别将导致两个半环的微分电阻。当它们被施加相同的电压时，将导致差温加热。这可以导致镜头的不平衡应力，并且因此超过镜头元件6的最佳倾斜。

图9和10示出了解决此问题的两种改进形式第一照相机1。

在图9示出的第一改进形式中，单个部件30由两个如图11示出的独立部件25替代。每个部件25包含一段SMA丝26，其每端均通过卷边28附接于装配件27。部件25可独立于照相机1的其它部分制造，这提供了与部件30如上所述的的相同优势。采用这种几何形状，部件25可以不用绕丝而成型。通过用卷边设备设定卷边28的之间的距离，并因此设定SMA丝26的长度，可将两个装配件27装配到长条形构件中。SMA丝穿过两个装配件27设置，且使两个卷边28成型。卷边28可以用标准W形卷边工具使其成型。

两个部件25如下描述地装配在照相机1内，以提供与图2示出的SMA丝分段42基本相同的结构。具体地，通过将装配件27装配到支承结构2的环形壁5的外侧，将两个部件25装配在照相机1的相对两侧上。而且，两个装配件27之间的每个SMA丝26均钩挂在各自的固定件41上。因此，SMA丝26的每一半均形成与图2示出的配置基本相同的SMA丝分段42。因此，第一改进形式的照相机1的操作方式与以上所述相同。然而，通过由两个不同的部件25形成SMA丝分段42，上文讨论的差温加热的问题得以避免。

现在需要选择两个SMA丝分段42的电驱动是串联还是并联的。如果两个SMA丝分段42被串联地电驱动，那么，这就保证了每个SMA丝分段42通过相同的加热电流，并因此经历相同的相变。

除了仅提供一个部件25之外，如图10示出的第二改进形式与图9示出的第一改进形式是相同的。因此，照相机1仅具有一对SMA丝分段42。这种结构从性能方面来说不是最优的，因为两根SMA丝所产生的应力仅与在固定件41处产生沿光学轴O径向的净应力部分平衡，从而使得镜头元件6具有倾斜的趋势。然而，与具有合适挠曲部13的悬挂系统结合，镜头元件6的倾斜将足够小以适合许多镜头以及图像传感器。相反，包括单个部件25的这种设计的优势在于减少了费用和部件复杂性。

所有已描述的选择的优势在于，SMA丝不是终止于作为照相机1运动部分的镜头元件6上。而是仅仅固定在照相机1上固定的、非运动的支承结构2上。这简化了镜头元件6的几何形状和属性，并且改进了工艺性并减小了照相机的尺寸。

照相机1中的部件30的制造和设计以及驱动器结构的各种变化都是可能的。一些非限制性的可以以任意组合实施的示例如下所述。

第一个选择是改变围绕镜头元件6的SMA丝分段42的数目和/或结构。在这种情况下，SMA丝分段仍然可期望地提供如上所诉的应力平衡效果。

第二个选择是改变部件30中装配件32和33的数目。可仅包含连接到SMA丝31的两端36和37以形成环的第一装配件32。然而，在装配件31和32促进装配件30的操作和安装并有利于与SMA丝31电连接时，这是较不期望的。相反地，可以提供额外的装配件。装配件32和33可连接到镜头元件6或者支承结构2上。可将额外的装配件装配到镜头系统6上，而不是将SMA丝环绕在固定件41上。

第三个选择是将SMA丝连接到装配件32的不同位置，而不是将其在装配件上重叠(例如，以将SMA丝31的末端36和37在第一装配件32上重叠的方式)。在这种情况下，在部件30中通过SMA丝和装配件本身形成了闭合环。

第四个选择是采用不同于卷边的技术将SMA丝连接到装配件32和35。一种可能性是焊接。

第五个选择是取消装配件32和33，而改为将SMA丝31的末端36和37焊接到一起以形成SMA丝的闭合环。在这种情况下，可通过简单地将SMA丝的净环钩挂到镜头元件6和支承结构2上的固定件上，来实现与照相机1其余部分的连接，以使SMA丝没有任何机械固定地被拉紧。下文描述的第三照相机是此类型结构的实施例。

悬挂系统9也可以被改变。其它不同形式的采用挠曲部的悬挂系统都是可能的。仅作为例证性的，一种可能性是使用挠曲超出垂直于光学轴的平面的挠曲部。在这种情况下，被动偏置弹簧式挠曲部在片状材料平面内是直的，且在制造过程中可能经过直线和扁平的阶段，但是在之后的制造阶段被弹性或者是塑性成形，以在照相机中具有不再扁平的自然几何形状。这种挠曲部的一个实施例如GB-2,398,854中所述。增加的曲率或者形状在挠曲部中提供用于抵抗冲击过程中塑性变形所需的松弛。

现将描述一些另外的照相机。所述另外的照相机采用与第一照相机相同的许多组件。为了简洁的目的，相同组件使用相同的标号且不对其进行重复描述。

图17示出了第二照相机60。第二照相机60具有与第一照相机基本相同的结构，包括通过包含一对悬挂件10的悬挂系统9悬挂在支承结构2上的镜头元件6。

第二照相机60包含四个SMA丝分段42，其以与第一照相机中的相似结构布置。然而，SMA丝分段42采用与第一照相机不同的方式安装在镜头元件6和支承结构2上，并且特别是其没有提供在如上所述的部件30上。

具体地，镜头元件6具有在绕光学轴O的相对两个位置向外突出的两个支座71。相似地，支承结构2具有布置在绕光学轴、处于镜头元件6的两个支座71之间的两个相对的位置的两个支座72，所述两个支座从支承结构2的环形壁5的外围向外突出。每个支座71和72上的径向最远端均形成有角部74。

每个SMA丝分段42均安装在一个支架71和一个支架71之间，延伸穿过支承结构2的环形壁5中的孔76。每个SMA丝分段42利用各自的卷边75连接到支架71和72的角部74上。

每个SMA丝分段42都是SMA丝的闭合环78的一部分，闭合环78例如通过将SMA丝31的末端连接在一起而形成，优选地，通过焊接。该焊接可为能够使材料损伤最小化的YAG激光焊接。SMA丝环78的长度在其制造过程中确定，并且因此在第二照相机的装配阶段不需要对其进行控制。这就减少了制造的复杂性。将SMA丝形成为闭合环减少了需要使用卷边75进行固定的需要，也相应地减少了SMA丝的材料受到损坏的危险。

作为一种选择，由于卷边75可将每个SMA丝分段42的每一端固定，因此各个SMA丝分段42可为分离的。

与SMA丝分段42的电连接可以通过任意的卷边75实现，但优选地，通过支承结构2的支座72上的卷边75实现。SMA丝分段42以如上参照第一照相机1所述的相同方式进行安装和操作。

图18和19示出了第三照相机80。第三照相机80具有和照相机1相同的结构，镜头元件6通过包含一对悬挂件10的悬挂系统9悬挂在支承结构2上。在这种情况下，如图18示出的，支承结构2的环形壁5形成为围绕镜头元件的四个平面壁81。图19中略去了支承结构2以显示内部元件。

第三照相机80还包含与第一照相机配置相同的SMA丝分段42。然而，在第三照相机80中，SMA丝分段42是SMA丝闭合环88的一部分，所述闭合环可以通过将SMA丝的末端相连而成，优选地，通过焊接相连。如第二照相机60，可以采用YAG激光焊接，其使材料受破坏程度最小化，通常保持未焊接材料的80％的SMA属性。环88中的SMA丝的长度在环的生产过程中决定，因此就不需要在组装第三照相机的时候对它进行控制，这减少了生产复杂性。

为连接SMA丝分段42，镜头元件6具有围绕光学轴O、在相对的两个位置向外突出的两个装配件86，并且支承结构2具有围绕光学轴O位于两个相对位置并从支承结构2的环形壁5内侧向内突出的两个装配件82。图19中阴影部分的、装配件82的表面连接到撑结构2的环形壁5上。镜头元件6的装配件86比支承结构2的装配件82更靠近图像传感器4。镜头元件6的每个装配件86都包含平行于光学轴O向图像传感器4的方向突出的柱头84，并且支承结构2的每个装配件82都包含平行于光学轴O背向传感器4的方向突出的柱头85，因此柱头84和85从装配件86和82处向外突出。

SMA丝的闭合环88环绕装配件81和82，即，经过装配件81的下方并经过装配件82的上方。柱头84与85分别将丝80固定在装配件81和装配件82上，以使每个SMA丝分段通过在装配件81之一和装配件82之一之间延伸的丝环88的一部分而形成。

由于丝构成的闭合环88环绕装配件81和装配件82，因此，无需在SMA丝和装配件81和82之间使用任何其它的连接形式(例如通过有可能破坏丝的SMA材料而导致裂开和材料失效的卷边)，而只需在装配件81和82之间保持拉紧，就可以将SMA丝分段42与镜头元件6和支承结构2相连。

柱头84和85是由电导材料制成，通常为金属。通过柱头84或85的任意之一都可以电连接到SMA丝分段42上，但优选地，通过支承结构2上的柱头85电连接。由于丝是环绕配件81和82的闭合环88，因此，理论上来讲，可在丝80与柱头84或85之间构成充分的电接触，而没有必要对丝80进行焊接。但在实际中，SMA丝分段42中的张力相对较小，并因此不利于突破SMA丝分段42表面上形成的氧化层。为改善电接触，可以考虑将SMA丝分段42焊接于柱头84和85，虽然这需要使用很强的焊接剂以穿透氧化层。这种焊接有可能产生减少SMA丝分段42的完整性的不希望影响，虽然这种影响可以通过消除焊点周围的热影响区域的应力来减小，例如，利用将丝铸封的技术。

SMA丝分段42的装配和操作与上述参照第一照相机1所述的方法相同。

图20和21示出了第四照相机90。第四照相机90具有与第一照相机1相同的结构，镜头元件6通过由两个悬挂件10组成的悬挂系统9悬挂在支承结构2上。然而，在第四照相机90中，用于驱动镜头元件6运动的SMA材料的形式与第一照相机1中的SMA丝分段42不同。具体地，将第一照相机中的SMA丝分段42替换为绕镜头元件6多圈的SMA丝95。

SMA丝95具有两个可替换的结构。在图20所示的第一可选结构中，SMA丝95围绕镜头元件6线圈状缠绕。在图21所示的第二可选结构中，SMA丝95围绕镜头元件6缠绕一整圈后再向相反方向缠绕一整圈。因此，第二可选结构中的SMA丝95具有围绕镜头元件以相反方向延伸的两半。因为SMA丝95每一半的感应互相抵消，所以这改进了第四照相机90的电磁适应性。

镜头元件6的外表面上具有两个装配件91，分别布置在绕光学轴O的两个相对位置，同样，支承结构2的环形壁5的内表面上具有两个装配件92，分别布置在镜头元件6的两个装配件91的中间、绕光学轴O的两个相对位置。所以，装配件91和92绕光学轴交替布置。SMA丝95的每一圈都与每个装配件91和92相接合。这使得连接于一个装配件91与一个装配件92之间的、SMA丝95的每个部分93具构成挠曲部，通过挠曲适应镜头元件6沿光学轴O的移动。

相对于装配件92来说，装配件91位于沿光学轴朝向图像传感器4的方向上，使得SMA丝95的部分93受力后使镜头元件6沿光学轴O朝背离图像传感器的方向偏离。悬挂系统9的挠曲部13使镜头元件6向相反方向偏离。这样，在沿光学轴O移动中，第四照相机90的丝93所起的作用与第一照相机1中的SMA丝分段42一样，虽然SMA丝95的部分93用作挠曲部而不为拉紧的。在操作中，以与第一照相机1中使用的方式相同的方式，通过将驱动镜头元件6电流通过SMA丝95来控制丝的温度。

第五照相机如图22和23所示。在第五照相机100中，镜头元件6通过悬挂系统9悬挂在支承结构2上。悬挂系统9包含两个悬挂件10和110。一个是钝化的(passive)悬挂件10，其与第一照相机1中的悬挂件10一样。另一个是SMA悬挂件110，其与第一照相机1的悬挂件10的构造一致，但不是由钝化材料、而是由SMA材料构成的。SMA悬挂件110与悬挂件10除了材质不同之外，其它结构形式都相同，这就意味着为SMA悬挂件110的挠曲部113可设计为具有不同尺寸，以获得适当的刚度。钝化悬挂件10和SMA悬挂件110连接到镜头支架6的相对的两端，引导镜头支架6沿光学轴O移动，其方式与第一照相机1的悬挂件10一致。

在第五照相机100中，钝化的悬挂件10在光学轴O的相对位置上分别装配了内环11和外环12，以使挠曲部13通过挠曲而施加压力，从而使镜头支架6沿光学轴O向图像传感器方向移动。SMA悬挂件110也类似地装配，以使挠曲部13通过挠曲而施加压力，从而使镜头元件6沿光学轴O移动，不过其移动方向是远离图像传感器。用这种方式，由钝化悬挂件10挠曲部13和SMA悬挂件110的挠曲部113的相对刚度确定镜头元件6沿光学轴O的位置，并且该位置可通过使电流通过SMA悬挂件110的挠曲部113而实现的温度控制而控制。因此，使用悬挂件110代替SMA丝分段42的第五个照相机100的控制和效果基本上与第一照相机一致。

下面描述控制电路50的机理和控制效果。图12为控制电路50的示意图。其可用于上文所述的任意一个照相机，或者实际上可用于任何SMA控制装置。相应地，下文将简要描述SMA驱动器51的控制器，SMA驱动器51可为第一到第三照相机中的SMA丝分段42、第四照相机的SMA丝环或者第五照相机中SMA悬挂系统9的挠曲部113。这样，在图12中，控制电路50连接于SMA驱动器51，并对其输入电流以控制SMA驱动器51的温度，SMA驱动器51使镜头元件6移动并改变图像传感器4上的聚焦。

控制电路50通过控制流过SMA驱动器51的电流、施加电流引起加热并且停止(或减少)电流以允许冷却，来控制SMA驱动器51的加热程度。

这种控制可基于对由传感器输出的、对镜头元件6的位置进行的测量。

这种测量可为直接检测镜头元件6位置的位置传感器(例如光传感器或者感应传感器)的单一输出。

可选地，这种测量也可为由温度传感器得到的信号指示的、SMA驱动器51的温度。

可选地，这种测量可为由电阻传感器得到的信号指示的、SMA驱动器51的电阻。电阻的变化是因为拉力对SMA驱动器51的长度和面积的改变足以克服SMA驱动器51的马氏体和奥氏体相中的电阻系数的相反变化。因此，电阻可有效地表征SMA驱动器51的长度变化。

光学的或者感应的位置传感器成本低，且通常对输出信号的处理过程不复杂。但是，其需要额外的空间，而且在使用光传感器时需要避免光泄漏到图像传感器4上。然而，电阻传感器不需要增加照相机的封装尺寸，因为其仅通过控制电路50中的附件组件来实现。

光传感器可以通过在镜头元件6(或支承结构2)上安装光发射器和接收器来实现，这样来自光发射器的光通过镜头元件6(或支承结构2)上的目标反射到接收器上。接收器测量接收到的光的强度。比如，接收器可以是光电晶体管，在其中，光产生电流，通过选择适当的外部组件，可以使电压呈线性变化。

对目标和目标的移动方式有很多种选择，各种选择都会使入射到光电晶体管上的光产生不同的变化，比如，将目标前后移动、将目标在传感器上方滑动、滑动一个灰度目标、滑动楔形的黑/白变换目标，将黑白交叉变换目标、改变反光镜的角度等等。

可以使用位于镜头元件6或支承结构2上沿着光学轴O布置的三个感应器来实现感应传感器，这三个感应器的轴都垂直于光学轴O，且中间的感应器相对于外边的感应器偏离。中间的感应器被驱动，外部的感觉器接收到相同的通量。在镜头元件6或者支承结构2中的另一个上的金属物体移动穿过感应器，破坏其对称性，从而导致外部感应器接收的通量不平衡。通过以相反极性将外部感应器串联，对这种不平衡进行检测，且将共模相同信号删去。这就移除感应技术中的大的直流输出。然后对输出像调幅无线电信号一样进行放大和修正。

相反，电阻传感器只需要电子元件连接到SMA驱动器51，虽然它也需要相对复杂的处理以解释信号输出。

使用电阻的原理如下。SMA驱动器51的电阻随温度和变形而变化。在发生变形的活性温度区域之外，电阻随温度而增加，就像通常的导体那样。在活性温度区域内，当温度增加时，SMA驱动器51的长度收缩，且长度的变化导致电阻减小(如SMA材料按泊松率增长)。这样，电阻提供了对SMA驱动器51的长度测量。

可用于控制电路50的许多技术都使用电阻测量，举例如下。

第一种技术是使用线性驱动，其中，控制电路50使用具有期望的加热程度的、被线性控制的电流源。比如，该电流源可为简单的线性B类放大器。在这种情况下，对SMA驱动器51的电流和电压进行测量并将其用于计算电阻。然而，由于需要测量电压、电流和电阻，因此便增加了控制电路50的复杂度，并且所需的除法运算也会增加反馈的等待时间，并可能成为不精确源。通过使用恒流或者恒压电源，可减弱这种问题，但不能将其消除。

第二种技术是使用叠加弱信号的线性驱动。控制电路50使用被线性控制的电源输出线性的驱动信号，以提供期望的加热。

另外，控制电路50将弱信号叠加在线性输出信号上。这个弱信号足够弱，使得它与线性驱动信号相比，基本对丝的加热的不起贡献，如至少小一个数量级。然后，将这个弱信号独立于线性驱动信号单独提取，并用来计算电阻。可以通过将弱信号的频率设置为相对于线性驱动信号的高频来实现这个技术，这样这个弱信号可以通过过滤的方式提取出来

为了能够测量电阻，该弱信号应该可为恒流信号。这时，对从SMA驱动器51提取出来的弱信号的电压进行测量，以测量电阻。

这第二种技术提供了独立于线性驱动信号的、对电阻的精确测量，但它的弊端在于需要复杂的电路来添加和抽取这个弱信号。

第三种技术就是使用PWM(脉冲宽度调制)。使用这种方法时，控制电路50使用PWM电流，并通过改变占空度，以改变施加的电流量，从而进行加热。使用PWM的益处在于，可使用高分辨率对提供的功率量精确控制。这个方法提供了高的信噪比，甚至是在低的动力下。PWM的可以用已知PWM技术来实现。通常，控制电路50会持续提供电流脉冲(如在5％到95％范围内变化的脉冲)。当占空度为该范围内的低值时，显示在SMA驱动器51中的平均功率则低，所以即使提供了一定的电流，丝也会变凉。相反地，当占空度处于这个范围内的较高值时，SMA驱动器51则加热。

使用这第三种技术，对电阻在电流脉冲期间进行测量，比如在脉冲开始后的、短的预定延迟后测得。一种选择是使用恒压电源测量，在这种情况下，对流过SMA驱动器51的电流进行测量，并将其用做对电阻的测量。这种方法的困难之处在于测量电流需要相对复杂的电路，比如将电阻与SMA驱动器51和放大器串联，以放大通过电阻的电压，用于供数字电路进行测量。第二种选择是使用恒流电源。在这种情况下，测量通过SMA驱动器51的电压，以对电阻进行测量。

图13示出了控制电路50使用具有恒流电源的第三种技术的例子。

控制电路50包括恒流电源53，其连接于SMA驱动器51并为其供电。例如，在第一照相机1中，恒流电源可为120mA。

此外，控制电路50还包括了检测电路54，用于检测通过SMA驱动器51的电压。用适当的微处理器实现的控制器52用于控制电源53，以提供脉冲宽度调制电流。控制器52接收检测电路54测量的检测电压，然后响应于该电压进行PWM控制。

图14和15示出了图13示出的控制电路50的两个详细电路实施方式。

图14所示的第一个电路的设计方案造价比较低，但是性能有限。特别是电源53是使用双极晶体管120的简单排列来实现的。电压检测电路54是用一对二级管121和一个电阻122简单桥接而成。

图15所示的第二个电路设计方案精度更高，但造价也更贵。特别是电源52是使用由运算放大器124控制的金属氧化物半导体场效应(MOSFET)晶体管123来实现的。检测电路125是用两个电阻125桥接而成，其输出由运算放大器126放大。运算放大器126允许控制器52的A/D转换器使用其全部的动态范围。

控制器52可以执行很多控制算法来改变电源53输出的脉冲宽度调制电流的占空度。一种方式是比例控制，其中，占空度的变化与测量电阻和目标电阻之差成比例。当SMA驱动器51加热至活性温度区域时，将感应到电阻的降低，然后将其用于反馈控制技术。加热期间，反馈控制的稳定性由SMA驱动器51自身的比例-积分功能保证。整体反馈响应由SMA驱动器51的整个加热的的响应而控制。

SMA驱动器51的响应中有可能具有某些非线性。通过在控制电路中加入预补偿，可对这些非线性进行限制。一种选择是在补偿中包括在电源53的输出信号上加上增益或偏移修正，例如基于需求或需求信号的历史而进行。如果SMA驱动器51上的反馈信号不足，使用这种方案则是有效的。

应该认识到，在SMA驱动器51加热过程中，电阻随SMA驱动器51的长度变化而变化，其变化在不同的采样和连续的加热周期中都保持一致。然而，在冷却时，电阻的变化在采样和采样之间不再重复，并且与加热过程相比具有可变的滞后效应。这一点并不防止在冷却时使用电阻确定位置的测量方法，但是确实降低了控制精度。按照预定且重复的运动路线，可以通过控制电路50来解决这一问题，比如使用下面将介绍的回扫技术。

控制电路50可使用自动聚焦算法。在这种情况下，控制可基于对从传感器4得到的图像信号的图像焦距的测量(例如，调制传递函数或者空间频率响应)而进行。已经有很多合适方法，这些方法都可以采用。

在这种情况下，具有这样的局限性，那就是焦距测量较慢。为解决这个问题，在扫描经过许多聚焦位置时，在由焦距测量确定的期望的聚焦位置，控制电路50可利用上文所述的传感器确定镜头元件6的位置。然后在扫描的最后，将镜头元件6驱动回到对位置进行测量的原位置，而不是位于测得的焦点处。

在这种情况下，由于将来自图像传感器4的图像信号用于获得初始的反馈参数，因此，在单一的自动聚焦周期的过程中没有明显变化的条件下，在重复周期和时间上作为第二参数的、位置测量上的任何偏移都是无关的。利用元件13的电阻作为位置测量时，可满足这一条件。例如，在给定的器械中，电阻变动范围可为高温时的10欧姆到低温时的12欧姆，然后，在几百个周期的过程中，该范围可变为高温时的15欧姆和低温时的20欧姆。然而，对于任何给定的周期，最佳聚焦对应于足够高精度的特定的电阻率。这样就只需要调到这个特定的电阻率，而不用考虑其绝对值。

图15示出了可由控制电路50中使用的控制算法实现的自动聚焦周期，下面将对此进行描述。自动聚焦周期使用了回扫技术。

自动聚焦周期开始时，SMA驱动器51处于马氏体相。在这个初始阶段中，控制电路50可能并未输入电流，或输入具有最小占空度的脉冲宽度调制电流。

在初始阶段S1，控制电路50将SMA材料从马氏体相加热到达到活性温度区域，此时SMA材料的应力开始增加。通过由控制电路50提供具有最大占空度的脉冲宽度调制电流，实现加热。控制器52对由检测器54检测的通过SMA驱动器51的电压进行监控，作为对SMA驱动器51的电阻测量。在活性温度区域外，电阻随温度升高而增大，但在活性温度区域内，电阻随SMA驱动器51的缩短而减少。因此，峰值电阻指出了活性温度区域的开始之处。响应于穿过SMA驱动器51的电压下降，控制器52结束初始阶段S1并开始扫描阶段S2。

在扫描阶段S2，在整个活性温度区域扫描SMA驱动器51。这是通过使用一系列的通过测量用于计算电阻的SMA驱动器51的电压值来实现的。每个值依次用于作为由控制器52执行的反馈控制技术的目标值。使用测得的通过SMA驱动器51的电压值做为反馈信号，从而反馈控制技术使该电压趋近测试值，来控制电源53输出的脉冲宽度调制电流的占空度。一旦测量电压值达到测试值，变会得到对图像传感器4输出的图像信号的聚焦质量的测量值，并将其存储在控制器52的内存里。对于每个测试值，均重复此过程。测试值连续增加，以使SMA驱动器51的温度值单调递增。用这种方式，随着SMA驱动器51在扫描过程中温度不断增加，对图像的聚焦质量进行监控。

测试值可在整个活性温度区域内线性分布，但并不一定如此。测试值也可不平均地分布，如集中在某一特定范围之内。

将存储的聚焦质量数据用于得到控制信号的聚焦值，在该聚焦值时，聚焦质量处于可接受的水平。最简单的做法是选择多个测试值中具有最好的聚焦质量的测试值。也可以用曲线拟合法预测测试值中将提供最好聚焦的电阻值。这样，聚焦值并不需要是测试值之一。曲线拟合可能是简单的数学方程，比如M阶多项式，其中M大于1，或者选择为与根据代表性情况预测量的曲线库中的曲线最佳拟合。

聚焦值可以在扫描阶段S2的最后测得，或者也可以在扫描阶段S2的过程中测得。聚焦值被存储于控制器52中，用于在之后使用。

接下来，在回扫阶段S3，SMA材料冷却至马氏体相。这可以通过施加具有最少占空度的脉冲宽度调制电流或者不施加电流的方法来实现。通过对检测电路54所测得电压进行监控的控制器52，可对转化到马氏体相进行检测，该转化指示反馈阶段的结束。可选地，回扫阶段也可以简单地维持预定的时间，该时间选择为足够使SMA驱动器51在任何希望的操作条件下冷却。

接下来，在聚焦阶段S4，将SMA驱动器51加热至与扫描阶段结束时测量的聚焦值相对应的位置。这可以通过控制电路52使用反馈控制技术将所存储的聚焦值用作目标值来实现，以将用做反馈信号的、测得的通过SMA驱动器51的电压趋近所存储的聚焦值。如扫描阶段S2一样，温度再次单调增大。如上所讨论一样，由于使用了回扫技术，SMA驱动器51滞后的问题得到了解决，以使镜头元件6位于对应于存储的聚焦值的位置。

作为用以获取清晰图像的另一种技术，控制电路50还可使用WO-2005/093510中介绍的技术。

控制电路50的另外一种形式可以简单地驱动镜头元件2到对应于远焦和近焦的两个位置。在这种情况下，控制电路50或者不通电流，或者通电流将镜头元件2移动到远焦位置。这种形式的优点是使控制电路50更简单，并因此更紧凑且成本低。例如，在近聚焦位置，控制电路50可以通入没有任何反馈的固定的电流，但即使使用反馈，也需要较低精度，从而使反馈控制更简单。结合了这两种聚焦位置控制的照相机比固定焦距的照相机提供了更好的图像质量，但比全自动聚焦控制的相机更便宜和小巧。

尽管上述实施方式涉及并入了SMA驱动装置的照相机，该SMA驱动装置驱动照相机镜头元件的移动，但是，描述的SMA驱动装置可等同地适用于驱动照相机镜头元件之外的其它物体的移动。

Claims (23)

1.一种照相机镜头驱动设备，包含：

支承结构；

照相机镜头元件，其由悬挂系统支撑于所述支承结构上，所述悬挂系统引导所述照相机镜头元件相对于所述支承结构沿所述照相机镜头元件的光学轴方向运动；以及

至少一对SMA丝段，其在所述照相机镜头元件和所述支承结构之间保持拉紧，成对的所述SMA丝段在其公共点处连接于所述照相机镜头元件和所述支承结构中之一，并且，以所述光学轴的径向视角观察，成对的所述SMA丝段相对于所述光学轴从所述公共点处以相反符号的锐角延伸，以沿所述光学轴方向的视角观察，成对的所述SMA丝段以相互之间小于180度的角度延伸。

2.如权利要求1所述的照相机镜头驱动设备，其中，沿所述光学轴观察，成对的所述SMA丝段以相互之间基本为90度的角度延伸。

3.如权利要求1所述的照相机镜头驱动设备，其中，成对的所述SMA丝段具有相同的长度。

4.如权利要求1所述的照相机镜头驱动设备，其中，成对的所述SMA丝段是整根SMA丝的部分。

5.如权利要求4所述的照相机镜头驱动设备，其中，所述照相机镜头元件和所述支承结构中的所述之一是所述照相机镜头元件。

6.如权利要求5所述的照相机镜头驱动设备，其中，所述整根SMA丝通过钩挂在所述照相机镜头元件和所述支承结构中的所述之一的固定件上而连接于所述照相机镜头元件和所述支承结构中的所述之一。

7.如权利要求1所述的照相机镜头驱动设备，包含围绕所述光学轴对称排列的多对相同的SMA丝段。

8.如权利要求1所述的照相机镜头驱动设备，其中，所述至少一对SMA丝段构成部件的一部分，所述部件还包含连接于所述SMA丝段的至少一个装配件，并且，装配有所述至少一个装配件的所述部件安装于所述照相机镜头元件和所述支承结构中的至少之一。

9.如上述权利要求的任意之一所述的照相机镜头驱动设备，其中所述照相机镜头元件包括一个或多个直径不超过10毫米的镜头。

10.如权利要求1-8任意之一所述的照相机镜头驱动设备，其中所述悬挂系统被配置以提供所述照相机镜头元件相对于所述支承结构的偏压，所述偏压的方向沿着所述光学轴、并与所述至少一对SMA丝段所施加的张力方向相反。

11.如权利要求10所述的照相机镜头驱动设备，其中所述悬挂系统包含连接在所述照相机镜头元件和所述支承结构之间的多个弹性挠曲部，所述挠曲部挠曲以提供所述偏压。

12.一种照相机镜头驱动设备，包含：

支承结构；

照相机镜头元件，其由悬挂系统支撑于所述支承结构上，所述悬挂系统引导所述照相机镜头元件相对于所述支承结构沿所述照相机镜头元件的光学轴方向运动；以及

多个SMA丝段，其在所述照相机镜头元件和所述支承结构之间分别与所述光学轴成锐角地保持拉紧，并施加具有沿所述光学轴方向的分量的张力，所述SMA丝段绕所述光学轴保持适当的位置和方向，以使当对所述多个SMA丝段中的每个SMA丝段用相同大小的电流进行加热时，所述每个SMA丝段在所述照相机镜头元件和所述支承结构之间产生的力具有沿所述光学轴方向的净分量，而基本没有沿垂直于所述光学轴方向的净分量，并且基本没有绕垂直于所述光学轴方向的任何轴线的净扭矩。

13.如权利要求12所述的照相机镜头驱动设备，其中，对所述多个SMA丝段中的每个SMA丝段用相同大小的电流进行加热时在所述照相机镜头元件和所述支承结构之间产生的所述力基本不提供围绕所述光学轴的净扭矩。

14.如权利要求13所述的照相机镜头驱动设备，其中，所述多个SMA丝段具有相同长度，并且分别与所述光学轴成相等大小的锐角，以所述光学轴的径向视角观察，一半的SMA丝段以第一符号的锐角倾斜，而另一半的SMA丝段以第二符号的锐角倾斜，所述第二符号与所述第一符号相反，每一半中的SMA丝段以围绕所述光学轴旋转对称的方式装配。

15.如权利要求14所述的照相机镜头驱动设备，其中所述多个SMA丝段均垂直于位于其中点和所述光学轴之间的概念线。

16.如权利要求12所述的照相机镜头驱动设备，其中所述多个SMA丝段是整根SMA丝的部分。

17.如权利要求12所述的照相机镜头驱动设备，其中所述SMA丝段通过对其进行卷曲固定的卷边连接于所述照相机镜头元件和所述支承结构中的至少之一。

18.如权利要求12所述的照相机镜头驱动设备，其中至少两根SMA丝段由整根SMA丝形成，所述整根SMA丝钩挂在所述支承结构和所述照相机镜头元件的至少之一的固定件上，使所述SMA丝段保持拉紧。

19.如权利要求12到18的任意之一所述的照相机镜头驱动设备，其中所述照相机镜头元件包括一个或多个直径不超过10毫米的镜头。

20.如权利要求12到18的任意之一所述的照相机镜头驱动设备，其中所述悬挂系统被配置以提供所述照相机镜头元件对所述支承结构的偏压，所述偏压的方向沿着所述光学轴、并与所述多个SMA丝段所施加的张力方向相反。

21.如权利要求20的所述的照相机镜头驱动设备，其中所述悬挂系统包含连接在所述照相机镜头元件和所述支承结构之间的多个弹性挠曲部，所述挠曲部挠曲以提供所述偏压。

22.如权利要求21的所述的照相机镜头驱动设备，其中所述弹性挠曲部以围绕所述光学轴旋转对称的方式装配。

23.一种照相机镜头驱动设备，其包含：

支承结构；

照相机镜头元件，其由悬挂系统支撑于所述支承结构上，所述悬挂系统引导所述照相机镜头元件相对于所述支承结构沿所述照相机镜头元件的光学轴方向运动；

多个SMA丝段，其具有相同长度并分别与所述光学轴成相等大小的锐角地保持拉紧，以所述光学轴的径向视角观察，一半的SMA丝段向上倾斜，而另一半的SMA丝段向下倾斜，每一半中的SMA丝线均以围绕所述光学轴旋转对称的方式装配。

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