CN101668947B - 形状记忆合金驱动设备 - Google Patents

Abstract

小型照相机镜头驱动装置包括：支承结构；照相机镜头元件，通过悬挂系统支撑在所述支承结构上；以及SMA驱动器，连接至所述支承结构与活动元件之间以驱动所述照相机镜头元件的运动。控制电路可包括驱动电路和传感器电路，所述驱动电路和所述传感器电路分别连接至所述SMA驱动器以降低所述电连接的电阻对感测的影响。所述控制电路可响应于指示周围温度的温度信号而改变驱动信号。止动件限制运动以防止所述SMA驱动器在其未加热状态延伸到最大长度以外，所述最大长度等于或者小于与电阻-长度曲线的局部极大电阻对应的长度。通过使用所述SMA驱动器的电阻作为对位置的测量来实现位置的控制。所述控制采用“棘轮”方法以防止失败情况出现并且采用初始校准步骤以得到目标电阻值的范围。在操作中，相对于托架调整镜头支架的位置，以便当所述SMA驱动器被加热至比周围温度高出预定温度时将从无限远处至超焦距处的物体的像聚焦到图像传感器上。

Description

形状记忆合金驱动设备

本发明涉及使用SMA(形状记忆合金)材料作为驱动器来驱动活动元件(movable element)运动的SMA驱动设备。

本发明尤其用于驱动照相机镜头元件，例如在小型照相机中使用的那类照相机镜头元件，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，也具有同样的考虑。

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-01/47041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-02/103451所述，其可以用作照相机镜头的驱动器。

人们提出了使用SMA材料作为驱动器的另一类驱动装置。SMA驱动器被设置为加热以驱动照相机镜头元件的运动。通过在SMA驱动器在马氏体相与奥氏体相之间变化的活动温度范围内控制SMA驱动器的温度来实现驱动，在该相变范围中SMA驱动器的应力和张力变化。在低温时SMA驱动器处于马氏体相，在高温时SMA驱动器转换至奥氏体相，该转换包括引起使SMA驱动器收缩的变形。可通过选择性地使电流通过SMA驱动器加热SMA驱动器而引起相变，从而改变SMA驱动器的温度。相变发生在SMA晶体结构中的转变温度的统计分布的范围内。SMA驱动器被设置为通过收缩来驱动活动元件的运动。

将SMA用作例如小型照相机的照相机镜头元件的小型物体的驱动器具有以下优点：内在线性、每单位质量高能量、费用低、以及体型相对较小。

尽管使用SMA材料作为驱动器具有这些理论优点，但是实际上由于SMA材料的本性的局限性使其难以设计和制造SMA驱动器，尤其难以在小型设备中设计和制造SMA驱动器。

本发明的几个方面涉及活动元件位置的控制。希望使用SMA驱动器的电阻作为对位置的测量。使用电阻的显著优点是简单地通过提供附加的电子部件补偿需要提供加热SMA驱动器的电流的控制电路，使得实施更加精确、直接和紧凑。反之，对活动元件的位置的直接测量需要位置传感器，这对小型设备来说显得很庞大。而且，难以以充分高的精确度实现SMA驱动器的温度的测量。

如下因素将影响SMA驱动器的电阻。在加热时增加电阻的效果是电阻率随温度升高而增加，此外，奥氏体相比马氏体相具有更高的电阻率。然而，相反的效果是当SMA驱动器受热收缩时几何形状发生改变，包括长度的减小和截面积的增大，从而会使电阻减小。这种相反的效果比其它效果严重得多，并且快速克服了在收缩的大部分时间中SMA驱动器的电阻随着温度的升高而降低从而电阻率增大的结果。因而，SMA具有在收缩过程中其电阻随着其长度沿着电阻从局部极大电阻减少值局部极小电阻的曲线变化的属性。

由于SMA材料具有这种属性，因此基于测量的电阻的控制通常包括加热SMA驱动器直到检测到局部极大电阻，指示收缩已经开始出现。然后可通过测量的局部极大电阻与局部极小电阻之间的电阻差作为对位置的测量，在SMA驱动器的收缩范围内控制活动元件的位置，例如，通过使用测得的SMA驱动器的电阻作为反馈信号以驱动所测量的电阻到达目标值。这提供了对位置的精确测量。

局部极大电阻提供了对单个驱动装置的收缩开始的可靠且可重复的测量。这对于需要对位置进行精确控制的应用是重要的，例如，在活动元件是照相机镜头元件的情况下，位置控制聚焦或变焦。例如，可记录局部极大电阻的电阻值，并且基于该电阻值计算聚焦区域位置。在该情况下，应用了偏移，从而第一聚焦区域的温度高于局部极大电阻发生时的温度，随后，聚焦区域从第一电阻偏移(与温度增量对应的)电阻增量。

然而，活动元件在局部极大电阻处的位置变化引起操作中活动元件的位置发生相应变化。驱动装置的制造和组装中固有的公差导致在不同的驱动装置之间，当SMA驱动器的电阻等于局部极大电阻时活动元件的绝对位置的不确定性。尽管该公差能够通过仔细设计驱动装置来改善，但是该公差不能被完全去除。

本发明的第三方面关注减少活动元件的绝对位置的不确定性这一问题。

根据本发明的第三方面，提出了一种形状记忆合金驱动装置，包括：

支承结构；

活动元件，在所述支承结构上通过引导所述活动元件运动的悬挂系统支撑；

形状记忆合金驱动器，连接在所述支承结构与所述活动元件之间，使得所述形状记忆合金驱动器在加热时的收缩驱动所述活动元件相对于所述支承结构运动，所述形状记忆合金驱动器具有其电阻在收缩过程中随着其长度沿着电阻从局部极大电阻减少至局部极小电阻的曲线改变的属性；以及

止动件，被设置为限制所述活动元件的运动以防止所述形状记忆合金驱动器在其未加热状态下延伸超出最大长度，所述最大长度等于或者小于与所述曲线上的局部极大电阻对应的长度。

止动件限制了SMA驱动器的延伸。由此活动元件在SMA驱动器的未加热状态中的位置通过止动件的位置来固定。该位置对应于SMA驱动器等于或小于所述曲线上与局部极大电阻对应的长度。由此，止动件有效地支撑活动元件以减少SMA驱动器的张力。在加热SMA驱动器的过程中，在不引起活动元件的收缩驱动运动的情况下，相变开始出现，直到SMA驱动器具有足够的应力以移动活动元件离开止动件。然后，尽管止动件不存在，但运动仍被驱动。这个设置的优点是活动元件的运动范围的开始位置由止动件的位置控制。止动件可被定位成使得SMA驱动器的长度等于或小于所述曲线上与局部极大电阻对应并用作活动元件相对于支承结构的位置的最大总公差的长度。因为止动件可被定位为具有相对良好的公差，因此显著改善了活动元件的运动范围的绝对起始位置上的公差。

本发明的各个方面和特征可以以任何方式组合来使用。

为了更好地理解，参照附图，通过非限制性的实施例描述本发明的实施方式，其中：

图1是集成了SMA驱动设备的照相机的示意性截面图；

图2是照相机的详细的立体图；

图3是照相机的部件的分解立体图；

图4是照相机的SMA驱动器的立体图；

图5是照相机的详细的截面图；

图6是照相机的整体控制装置的示意性图表；

图7是控制电路图；

图8是SMA在收缩过程中的电阻-长度属性的图表；

图9和10是控制电路的三种可能电路实现的图表；

图11是在控制电路中实现的控制算法的流程图；

图12是SMA的电阻通过图11的控制算法随时间变化的图表；

图13是可选的控制电路的流程图；

图14是作为控制算法的一部分实现的“棘轮”方法的流程图；

图15是可选的控制算法的流程图；

图16是经修改的可选的控制算法的流程图；

图17是SMA的电阻通过图11的算法随时间变化的图表；

图18是SMA驱动器的安装元件的修改形式的立体图；以及

图19是控制电路的修改形式的图。

首先描述集成了SMA驱动装置的照相机1的结构。照相机1将要集成在例如移动电话、媒体播放器或便携式数字助理的便携式电子设备中。

图1示意性地示出了照相机1。照相机1包括支承结构2，支承结构2具有基座3，在基座3上安装有图像传感器4，图像传感器4可以是CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)器件。支承结构2还包括环形壁5，环形壁5从安装有图像传感器4的基座3的前侧突出。支承结构2可由塑料制成。

照相机1还包括镜头元件6，镜头元件6保持由一个或多个镜头8组成的镜头系统7。举例来说，图1中示出镜头系统7包括两个镜头8，但是为了提供光学性能和低成本的期望的平衡，镜头8通常是单镜头8或多镜头8。照相机1是镜头系统7的镜头8的直径通常至多为10毫米的小型照相机。

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悬挂在支承结构2上，悬挂系统9包含连接在支承结构2的环形壁5与镜头元件6之间的两个悬挂件10。悬挂系统9引导镜头元件6沿光轴O运动。镜头元件6的这种运动将改变在图像传感器4上形成的像的焦距。

现在将参考作为省略了支承结构2的基座3的详细透视图的图2对照相机1的详细结构进行描述。

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。

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。一种可能性是很难压接的能够提供高屈服应力的302度奥氏体钢。悬挂件10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20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与外环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。如果从沿着光轴O的视角来看，挠曲部13相对于光轴O的径向方向倾斜。因此，挠曲部13绕光轴延伸。挠曲部13在不同径向位置上围绕镜头托架20布置，并且关于光轴O旋转对称。而且，挠曲部13沿光轴O的方向的厚度(即，用来制造悬挂件10的材料板的厚度)小于其垂直于光轴方向的宽度。悬挂系统9被设计为具有适当数量的适当宽度、厚度和长度的挠曲部13以沿着光轴O和垂直于光轴O提供期望程度的刚性。挠曲部13的厚度通常在25微米至100微米的范围内。通过改变悬挂件10内的挠曲部13的数量和/或通过提供附加的悬挂件10来改变挠曲部13的数量。

从沿着光轴O的视角来看，挠曲部13沿着其长度弯曲，并具有三个交替曲率的区域。通过为挠曲部13引入曲率，为该结构增加了某种程度的张力消除。减少了挠曲部13的塑料变形的趋势，而使挠曲部13趋向于弹性弯曲。通过将具有相对曲率的外区域引入中心区域，减少了力的不平衡，并且减少了在内环11与外环12的接合处产生的应力。从而，在不经历材料破坏的情况下挠曲部13在平面方向上变得更加顺从。这一点是在不对径向和轴向刚性造成不可接受的折衷情况下获得的。这允许悬挂系统9在不对挠曲部13造成永久性破坏的情况下在径向上适应(accommodate)由机械冲击引起的镜头元件6沿光轴O的移动。为了限制在该方向上的移动，照相机1被设置为在镜头元件6与支承结构2的壁5之间具有例如50微米或更小的窄缝，从而支承结构2的壁5作为止动件以限制最大移动。

为了使该效果最大化，挠曲部13的三个区域优选地具有不同的长度和曲率，特别地，中心区域比外区域具有更大的长度和更小的曲率。有利地，中心区域的长度至少是外区域长度的两倍，例如，三个区域的长度之比为1∶2.5∶1。有利地，中心区域的曲率最多是外区域曲率的二分之一，例如每个区域的长度与曲率之比基本上是相同的，从而每个区域的对角基本上相同。

可选地，每个挠曲部13被修改为包括一组平行的挠曲部，以通过减少每个平行挠曲部的宽度来使悬挂系统9在径向上更适应于光轴。对该技术的实际限制是平行的挠曲部可被制造的最小宽度。

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通过挠曲或弯曲来适应镜头元件6沿光轴O方向的运动。当镜头元件6沿光轴O方向运动时，内环11相对外环12沿光轴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沿光轴O方向分开，因此，对镜头元件6在垂直于光轴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。

这种对于镜头元件6的离轴运动和倾斜的抵抗力是人们想要的，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。

此外，照相机1包括在图4中单独示出的SMA驱动器30。SMA驱动器30包括一条SMA金属丝31，SMA金属丝31的两端机械地且电地连接至安装元件32，每个安装元件32形成为细长金属(例如，黄铜)片。具体地，安装元件32均压接在SMA金属丝31上。为了确保适当的电连接，在SMA驱动器30的制造过程中，在压接之前将天然地形成于SMA金属丝31的氧化物涂层去除。

在制造过程中，SMA驱动器30被制造为与照相机的其余部分分离的子部件。具体地，通过将安装元件32保持在适当的位置，使SMA金属丝31在安装元件32上张紧，然后将安装元件32压接在SMA金属丝31上来制造SMA驱动器30。然后，按照如下的配置将SMA驱动器30组装到照相机1中。

两个安装元件32均安装在支承结构2的环形壁的外侧并且被固定在适当的位置，从而将SMA金属丝31连接于支承结构2。如图2所示，安装元件32通过粘合剂、对壁5进行模锻或某些其它方法安装在环形壁5内的凹部40中。

此外，SMA金属丝31钩在保持元件41上，保持元件41是固定至镜头元件6的金属环14的主要部分并且从镜头元件6向外突出。保持元件41的与SMA金属丝31接触的表面可被弯曲，以减少SMA金属丝的最大曲率。

在照相机1中，安装元件32被定位于围绕光轴O直径上相对的点处。保持元件41被定位在围绕光轴O的两个安装元件32之间的中部。从沿着光轴的视角来看，SMA金属丝31的段42沿着照相机的两侧彼此成90°角延伸。在组装之后并处于平衡时，SMA金属丝31通过少量的粘合剂保持在适当的位置，以在操作或下落测试中确保保持元件41上的保持力。这可在SMA金属丝的循环之后实现以助于消除组装公差。

保持元件41沿着光轴O布置在适当的位置，从而使保持元件41比压接在SMA金属丝31上的安装元件32部分更接近图像传感器4。结果是，SMA金属丝31的由保持元件41的两侧上的SMA金属丝31的一半形成的两长度被保持为与光轴O成锐角。在组装过程中在保持元件41上的滑动有助于获得SMA金属丝31的两段42的相等长度和张力。

SMA金属丝31的段42以张紧的状态保持在照相机1中，从而施加沿着光轴O具有分量的张力，尤其在偏置镜头元件6使其远离图像传感器4的方向上。在不加热SMA金属丝31的段42的情况下，镜头元件6在其运动范围内处于最接近图像传感器4的位置。照相机1被设计为使得该位置对应于远场或超焦聚焦，这是照相机1的最通常设置，尤其是如果照相机1提供了自动聚集功能。

此外，SMA金属丝31的每个段42分别施加具有垂直于光轴O的分量的张力。这些力的某些分量通过金属丝的两个段42的对称布置而被平衡，但是在保持元件41处仍然存在沿光轴O径向的力的净分量，这倾向于使镜头元件6倾斜。然而，该倾斜通过悬挂系统9抵抗之后变得充分小，并且对于许多镜头和图像传感器而言是足够的。下面描述操作照相机1以驱动镜头元件6沿着光轴O运动。

SMA材料具有如下特性：在加热的过程中经历固态相变，该相变使SMA材料收缩。在低温时，SMA进入马氏体相。在高温时，SMA进入奥氏体相，该奥氏体相引入变形使SMA材料收缩。该相变发生在SMA晶体结构的转变温度的统计分布的范围内。对SMA金属丝31的段42进行加热使段42缩短。

在照相机1中，SMA金属丝31的段42被设置为处于张紧状态在以镜头元件6与支承结构2之间，沿着光轴O，在镜头元件6远离图像传感器4的方向上提供净张力。该力作为抵抗由悬挂系统9在沿光轴O的相反方向提供的偏置力。挠曲部13依赖于来自SMA金属丝31的段42的张力而挠曲。从光轴O的径向方向来看，挠曲部13与制造时一样是直的。尽管可能产生某些轻微的弯曲，但是在挠曲的时候，挠曲部13通常保持为直的。挠曲部13的挠曲在与SMA金属丝31的段42所提供的张力相反的方向上提供了对照相机镜头元件6的偏置。换句话说，悬挂系统9提供了作为SMA金属丝31的段42的无源偏置设备的功能以及悬挂和引导照相机镜头元件6运动的功能。

在SMA金属丝31的未加热状态下，SMA金属丝31不会收缩，SMA金属丝31处于张紧状态，从而镜头元件6远离SMA金属丝31不存在时的静止位置。在该状态中，镜头元件6在其运动范围内处于与图像传感器4最接近的位置。照相机1被设计为使得该位置对应于远场或超焦聚焦，这是照相机1的最通常的设置，尤其是如果照相机1提供了自动聚焦功能。

对SMA金属丝31的段42进行加热，从而SMA金属丝中的应力增加，SMA金属丝31的长度收缩，镜头元件6远离图像传感器4。在SMA金属丝的材料从马氏体相转变至奥氏体相的过程中的温度范围，镜头元件6随着SMA金属丝31的温度增加而在运动范围内运动。

反之，对SMA金属丝31的段42进行冷却，从而SMA金属丝中的应力减少，由挠曲部13提供的偏置使SMA金属丝31的段42膨胀，从而使镜头元件6向图像传感器4运动。

为了使镜头元件6相对于支承结构2沿着光轴O的运动最小，悬挂系统9的挠曲部13的总刚性优选地在从经历SMA材料的奥氏体相的SMA金属丝31的段42的总刚性(a)到经历SMA材料的马氏体相的SMA金属丝31的段42的总刚性(b)的范围内，更优选地为值(a)和(b)的几何平均值。

希望由挠曲部13和SMA金属丝31的段42的刚性之和提供的、抵抗镜头元件6相对于支承结构2沿着光轴O运动的总刚性足够大，以便当照相机1改变方向时使镜头元件6相对于支承结构2在重力作用下的运动最小。对于典型的镜头系统，期望该运动被限制于对于小型照相机最大为50微米，这意味着总刚性应该至少为100N/m，优选地至少为120N/m。

基于镜头元件7能够适应离轴运动和倾斜的程度，挠曲部13被设计为具有适当的宽度以提供期望的刚性来抵抗镜头元件6相对于支承结构2在垂直于光轴O的方向上的运动。SMA金属丝31的段42的刚性也被考虑在内，但是该刚性通常提供较少的贡献。

另一设计考虑是确保由挠曲部13和SMA金属丝31的段42经受的最大应力不会使各种材料过度受压。

镜头元件6相对于支承结构2沿着光轴O的移动的程度依赖于在SMA金属丝31的段42内产生的应力，还依赖于SMA金属丝31的段42与光轴O所成的锐角。可以在SMA中产生的张力由相变的物理现象来限制。由于SMA金属丝31的段42与光轴O所成的锐角，因此当段42的长度发生变化时，SMA金属丝的段42改变方向。这样可有效地调整运动，从而使镜头元件6沿着光轴O的移动程度大于SMA的段42的长度沿着光轴O分解的变化。通常，锐角可取任何值，但是在图2的实施例中近似为70°。

可通过控制SMA金属丝31的段42的温度，以控制镜头元件6相对于支承结构2沿着光轴O的位置。在操作中，通过使电流流过SMA金属丝31的段42来提供电阻加热，从而提供对SMA金属丝31的段42的加热。通过停止电流并且允许SMA金属丝31的段42向其周围导热来提供对SMA金属丝31的段42的冷却。该电流由下面描述的控制电路50控制。

SMA金属丝31可由例如尼龙或另一钛合金SMA材料的任何适当SMA材料制成。有利地，材料成分和SMA金属丝31的预处理被选择为使得相变发生在(a)高于正常操作中期望的周围温度(通常高于70℃)且(b)尽可能地宽以使定位控制的程度最大化的温度范围内。

在许多应用中期望高速驱动镜头元件6，例如如果提供了自动聚集功能。通过冷却SMA金属丝31的段42来限制响应该驱动的速度。可通过减少SMA金属丝31的段42的厚度来加速冷却。当考虑照相机和金属丝的尺寸时，冷却时间近似与金属丝的直径成线性变化。为此，期望SMA金属丝31的段42的厚度最大为35微米，以提供照相机1的自动聚焦应用可接受的响应。

为了清楚起见，图5详细地示出了除镜头支架21以外的照相机1。下面描述照相机1的、除图2中所示的那些部件以外的附加部件。

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。沿光轴O的方向，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31的段42的一定程度的运动。因而，屏蔽外壳44和基座3有效地形成用于镜头元件6沿着光轴运动的止动件。

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，以改善图像质量并作为密封件以防止灰尘落在图像传感器4上。

基座3还包括突出壁48，突出壁48设置于壁架46的外部并且向后突出。驱动电路板49安装在突出壁48上，驱动电路50形成于该驱动电路板上。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。作为另一种可供选择的方法，将控制电路50与图像传感器4集成到同一芯片中。可选择地，相同的处理功能可以由照相机1外部出于其它目的而提供的电子设备中的其它处理器来执行。

在共有的第PCT/GB07/001050号国际专利申请中描述了与照相机1具有相同结构的照相机，该申请包含与可应用于照相机1的结构和制造方法相关的附加公开内容。此外，第PCT/GB07/001050号国际专利申请通过引用而并入本文。

下面描述控制电路50的属性和由其带来的控制效果。

图6示出了总体控制结构的示意图。控制电路50连接至SMA金属丝31并给SMA金属丝31提供电流以控制SMA金属丝31的温度，SMA金属丝31使镜头元件6运动并改变在图像传感器4上形成的图像的聚焦。将图像传感器4的输出提供给控制电路50进行处理，以确定聚焦质量的测量。

图7示出了控制电路50。控制电路50连接至每个安装元件32，安装元件32通过压接而为SMA金属丝31提供电连接。通过导电粘合剂(例如填充有银的环氧树脂)形成控制电路50与安装元件32之间的电连接55。由于焊接工艺过程中的加热引起的潜在破坏，或者由于由焊接工艺引起的助焊剂泻出，因此不希望将控制电路50焊接至SMA驱动器30。

控制电路50在两安装元件32之间提供电流。控制电路50通过改变流过SMA金属丝31的电流的功率来控制SMA金属丝31的加热程度。控制电路50响应于SMA金属丝31的电阻而改变电流的功率，该电阻作为对镜头元件6的位置的测量。虽然能够使用其它位置测量方式，例如通过温度传感器测量的温度、通过位置传感器输出的镜头元件6的位置的直接测量，但是电阻传感器是有利的，因为它仅由控制电路50中的附加部件实现从而不会增加照相机的封装尺寸。

下面是使用电阻之后的物理现象。

在加热SMA时，对于大多数材料来说，电阻率随温度的升高而增大。这发生在相变发生的温度范围(相变范围)内和温度范围外，因此在该范围内SMA收缩。然而，在相变范围内，产生了两个进一步的效果。首先，奥氏体相的电阻大于随着温度的升高而增大的马氏体相的电阻。然而，相对的效果是几何形状的改变，包括减小的长度和增大的截面积，随着温度的降低而减小电阻。这种相反的效果比其它效果严重得多。因而，在从低温开始加热的过程中，当到达相变范围并且SMA开始收缩时，在电阻开始上升之后，几何效果快速占支配地位，因而在收缩的主要部分，SMA驱动器的电阻减小。这种情况一直持续到几乎所有的SMA发生相变，从而收缩的程度降低，允许电阻上升。

因而，SMA具有如下属性：在加热和收缩过程中，SMA的电阻随着其长度沿着图8所示形状的曲线而变化，其中图8是SMA的电阻与其长度的关系图，对应于镜头元件6的位置x，随着SMA对应于升高的温度而收缩，SMA的长度相应地增大。因而，在相变范围内，由于SMA收缩，镜头元件6运动经过位置范围Δx。电阻上升经过位置范围Δx的最初的较小部分而到达具有电阻值Rmax的局部极大电阻60。电阻下落经过位置范围Δx的大部分而到达具有电阻值Rmin的局部极小电阻61，然后电阻上升经过位置范围Δx的最后的小部分。

由于SMA材料的这种属性，控制电路50基于测量的电阻实现控制，这部分内容描述如下。从未加热状态，控制电路50加热SMA金属丝31直到检测到局部极大电阻值。这用于指示收缩已经开始。实际上，少量收缩已经发生。然而，局部极大电阻60能够容易地检测到，而位置范围Δx的起始点则不容易检测到。因此，使用局部极大电阻60，而局部极大电阻60非常接近位置范围Δx的起始点，因而运动的损失并不严重。

然后，控制电路50加热SMA金属丝31，从而使用测量的电阻作为对位置的测量。局部极小电阻61用于指示位置范围Δx的末端。实际上，少量的收缩仍然存在。然而，局部极大电阻61能够容易地检测到，而位置范围Δx的末端则不容易检测到。因此，使用局部极小电阻61。局部极小电阻61非常接近位置范围Δx的末端，因而运动的损失并不严重。此外，在局部极小电阻61上使用位置范围Δx能够降低SMA金属丝31的寿命，这一点将在下面进行描述。

控制电路50使用脉冲宽度调制(PWM)。具体地，控制电路50施加脉冲宽度调制的电流脉冲(可以是恒定电流或恒定电压)并且改变占空因数以改变所施加的电流的功率，从而改变加热。使用PWM的优点是所提供的功率的量可由良好的分辨率精确控制。该方法提供了高信噪比，即使在低驱动功率的情况下也提供了高信噪比。PWM可使用已知的PWM技术实现。通常，控制电路50将连续提供电流脉冲，例如，将占空因数从5％改变至95％。当占空因数为该范围内的低值时，即使仍然提供某些电流，SMA金属丝31的平均功率也较小，因而金属丝也可冷却。相反，当占空因数是该范围内的高值时，SMA金属丝31变热。在电流脉冲期间测量电阻，例如在脉冲开始后短暂的预定延迟之后。

在对SMA金属丝31从位于相变范围下的冷却状态开始加热的过程中，电阻以图8所示的方式随位置变化，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，在冷却过程中电阻沿着类似形式的曲线变化，但是电阻的变化在采样之间几乎不可重复并且与加热相比具有可变的滞后效应。虽然这一点并不防止在冷却时使用电阻作为位置的测量方法，但是降低了控制的精确度。按照预定且重复的运动路线，通过控制电路50可以解决这一问题，其中位置控制仅在加热样本的过程中受到影响，如下所述。

控制电路50包括下列部件。

控制电路50包括驱动电路53，驱动电路53被连接以将电流提供给SMA金属丝31。驱动电路53可以是电压恒定的电流源或电流恒定的电流源。例如，在采用电流恒定的电流源的情况下，电流可能是120mA量级。

控制电路50还包括检测电路54，检测电路54被设置为检测SMA驱动器30的电阻。

在驱动电路53是电流恒定的电流源的情况下，检测电路54可以是电压检测电路并可操作以检测SMA驱动器30的电压，作为对SMA金属丝31电阻的测量。

当驱动电路53是电压恒定的电流源时，检测电路54可以是电流检测电路。

为了达到更高的精确度，检测电路54可包括电压检测电路和电流检测电路，该电压检测电路和电流检测电路可操作以检测SMA驱动器的电压和电流并且通过二者的比值得出对电阻的测量结果。

得到电连接件55的电阻是困难的，尤其当它们通过导电的粘合剂形成时，粘合剂与固体相比具有可变的且非常大的电阻抗并且具有非常大的温度系数。检测电路54实际上测量SMA驱动器30和电连接55的总电阻。当尝试提供精确的定位控制时，电连接55的可变的且依赖于温度的电阻对精确度造成了严重的问题。

这个问题通过如图18所示那样修改每个安装元件32和如图19所示那样修改控制电路来克服，这一点将在后面进行描述。

每个安装元件32设置有两个分离的端部33，两端部33被设置为彼此邻近并且从安装元件32的剩余部分突出，两端部33之间具有间隙。分离的电连接件56和57在导电粘合之前形成于每个端部。每个安装元件32的第一电连接件56连接至驱动电路53。每个安装元件32的第二电连接件56连接至检测电路54。此外，检测电路54是电压检测电路，可操作为检测SMA驱动器30的电压。这用于提供对SMA驱动器30的电阻的测量。优选地，驱动电路53是电流恒定的电流源，从而尽管可选地进一步的检测电路可被设置为检测SMA驱动器30的电流，但是SMA驱动器30的电压是对电阻的直接测量。

由于检测电路54是电压检测电路，因而该电路的电流远小于由驱动电路53提供的电流，通常明显小于由驱动电路53提供的电流。例如，在25℃时，检测电路54的输入电阻通常至少是SMA驱动器30的电阻的10倍。这意味着由于电连接件57的电阻而使电连接件57所产生的压降小于电连接件55所产生的压降。通常，电连接件57的电阻具有可忽略的效果。因而，检测电路54精确地且独立于电连接件57的电阻来检测SMA驱动器50的电压。在该方式中，能够从电阻测量中排除电阻的变化，从而获得SMA驱动器30的精确定位控制。

由适当的微处理器实现的控制器52控制驱动电路53以提供脉冲宽度调制的电流。控制器52接收由检测电路54测量的电阻并且响应于所接收的电阻而执行PWM控制。

图9和10示出了用于控制电路50的三个详细的电路实现。

图9的第一电路便宜但是具有有限的性能。具体地，驱动电路53是通过使用双极晶体管120的简单配置实现的电流恒定的电流源。电压检测电路54形成为由一对二极管121和电阻器122构成的简单桥配置。

图10的第二电路实现更精确但是较昂贵。具体地，驱动电路53通过由运算放大器124控制的MOSFET晶体管123实现。检测电路125通过两晶体管125的桥配置实现，该检测电路的输出通过运算放大器126放大。运算放大器126允许控制器52的A/D转换器使用它的全部动态范围。

控制电路50通过使用SMA驱动器的测量的电阻作为反馈信号来改变电流的功率，以将测量的电阻驱动至目标值。具体地，改变脉冲宽度调制的电流的占空因数。控制器52可实现大量控制算法以改变该占空因数。一种可能是比例控制，其中占空因数的改变量与检测的电阻和目标电阻之间的差成比例。当在有源温度区加热SMA金属丝31时，电阻的降低被感测到并且用于反馈控制技术中。通过在加热过程中SMA金属丝31自身固有的比例-积分作用来保持反馈控制的稳定性。通过对SMA金属丝31的加热的整个过程的响应，控制整个反馈响应过程。这种比例控制反馈回路提供位置的精确控制。

SMA金属丝31可在其响应中具有某些非线性。可通过将预补偿合并到控制电路50中对这种非线性进行限制。预补偿的一个选择是包括例如根据指令和指令信号的历史对被提供至驱动电路53的输出信号的增益或偏移修改量。如果反馈不足以控制SMA金属丝31，则这是最有效的。

控制电路50可实现自动聚焦算法。在这种情况下，控制可基于图像的聚焦的测量，例如调制传递函数或空间频率响应，该测量通过控制器52从来自图像传感器4的图像信号得到。宽范围的适当测量是已知的并且可应用任何这种测量。

在这种情况下，局限性在于聚焦测量的获得过程是缓慢的。为了克服该局限性，在扫描许多聚焦位置的过程中，在从聚焦的测量确定的期望扫描位置处，控制电路50可确定电阻值。然后在扫描的最后，镜头元件6被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，来自图像传感器4的图像信号用于得到主要的反馈参数，在重复周期和时间上，作为次要参数的位置测量的绝对值的任何偏移都是不相关的，因为在单个自动聚焦周期中不存在可察觉的变化。在给定的照相机1中，电阻可从高温时的10Ω变化至低温时的12Ω，然后在几百k个周期中，电阻可变化到高温时的15Ω和低温时的20Ω。然而，对于任何给定的周期，最佳的聚焦对应于具有足够精确度的具体电阻。因而仅有必要返回该具体电阻，而不考虑其绝对值。

图11示出了可通过控制器52实现的控制算法的实施例，下面将对此进行描述。作为说明，图12示出了镜头元件6的电阻随时间改变的实施例。该控制算法使用局部极大电阻60作为参考值。

在步骤S1中，给照相机1和控制电路50加电。未加热的SMA金属丝30处于马氏体相。

在步骤S2中，等候捕捉图像的指令。在接收到该指令之后，执行聚焦检测操作O1，然后执行聚焦操作O2。

聚焦检测操作O1包括如下步骤。

在步骤S3中，控制电路50从SMA金属丝31的未加热状态加热SMA金属丝31。最初，通过提供具有最大占空因数的脉冲宽度调制电流的控制电路50实现加热。因而电阻如曲线71所示那样上升。当继续加热时，遇到局部极大电阻72，局部极大电阻72对应于图8中的局部极大电阻60。

在加热过程中，控制器52监控SMA金属丝31的电压，SMA金属丝31的电压由检测电路54检测作为对SMA金属丝31的电阻的测量，以检测局部极大电阻72。

在检测到局部极大电阻72时，在步骤S4，得到一系列的目标值73、74。首先，从检测到的局部极大电阻72的电阻值得到较高目标值73。较高目标值73可以是在步骤S3中检测到的局部极大电阻72的电阻值，但是更优选地，低于图8所示的曲线的较大斜率处电阻预定减量的电阻值允许更精确的定位控制。然后，在低于较高目标电阻值的预定减量处得到预定数量的下一目标值74。在图12中，虽然为了简化说明示出了有限数量的下一目标值74，但是通常可存在任意数量的目标值73、74。实际上，照相机1的特别的优点是它能够获得大量位置的精确定位控制。

目标值73、74可在整个范围内线性分布，但是可选地，目标值73、74也可以不均匀地分布，例如集中在某一特定范围之内。

在步骤S5至S7中，在一系列目标值73、74上进行扫描。通过在步骤S5中为反馈控制回路设置这一系列目标值的连续目标值来实现扫描，从而SMA金属丝31被加热至目标值中的那一个。在图12中，电阻被驱动至连续的平稳段75，每个连续的平稳段75处于目标值73、74之一的级别。当目标值73、74连续降低时，SMA金属丝31的温度单调地上升。

当寻找上(初始)目标值73时，步骤S5可使用下面描述的“棘轮(ratcheting)”法。

此外，在寻找下一目标值74时，步骤S5可使用下面描述的安全程序。

在步骤S5中，在测量的电阻已经到达给定的目标值73、74之后，在步骤S6中，通过图像传感器捕捉图像，获得由图像传感器4输出的图像信号的聚焦质量的测量并将其存储在控制器52的存储器中。

在步骤S7中，确定在这一系列目标值中是否存在剩余的目标值74。如果存在剩余的目标值74，则假设局部极小电阻还没有被检测到，该方法返回步骤S5，从而为每个目标值73、74重复该过程。在该方式中，当在扫描过程中对SMA金属丝31进行加热时，监控图像信号的聚焦质量。

现在考虑构成步骤S5的一部分的安全程序。基于SMA金属丝31的期望的属性，一系列目标值73、74均旨在高于局部极小电阻61的预测电阻值。然而，存在的风险是例如由于照相机1的部件的制造公差或SMA金属丝在其寿命期内的物理变化，因而目标值低于局部极小电阻61的实际电阻值。如果发生这种情况，则一种可能是由于反馈环，控制器52可能使SMA继续被加热，以寻找难以到达的目标值74。这种可能情况会破坏SMA金属丝31。因而，安全程序被实现为步骤S5的一部分，在步骤S5中，监控测量的电阻以测量局部极小电阻76，局部极小电阻76对应于图8中的局部极小电阻61。如果检测到局部极小电阻76，则控制器52立即减少提供给SMA金属丝31的功率。然后，新的目标值78被设置为比检测到的局部电阻极小值74高出预定的增量。

图12图示了最后的下一目标值74低于局部电阻极小值76的实际电阻值的实施例。在该情况下，步骤S5中用于寻找最后的下一目标值74的加热使得到达局部极小电阻76。通过安全程序检测局部极小电阻76，并且降低功率使电阻回到另一局部极小电阻77处。然后，新的目标值78被设置为比检测到的局部极小电阻76高出预定增量。新的目标值78被设置于反馈控制回路，从而SMA金属丝31被加热以使它的电阻到达位于新的目标值78级别处的阶79。

此外，如果检测到局部极小电阻76，之后则不使用这一系列目标值中的剩余目标值。类似地，存储检测到的局部极小电阻76的电阻值，然后在步骤S4中，当得到一系列目标值73、74时，将低于所存储的电阻值的任何目标值73、74从这一系列中去除。

在步骤S8中，所存储的聚焦质量的测量用于得到控制信号的聚焦值，在该聚焦值处聚焦质量处于可接受的级别。最简单的情况是，这一操作通过从多个测试值中选择具有聚焦质量最佳测量的一个来实现。作为可选项，能够通过使用曲线拟合技术从测试值中预测能够提供最佳聚焦的电阻值。因而，聚焦值不需要是测试值中的一个。曲线拟合可以是简单的数学等式，例如M次多项式，其中M＞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。将聚焦值存储在控制器52的存储器中用于后续使用。图12图示了所存储的聚焦值80的实施例。

可选地，可以在执行步骤S5至S7的过程中确定聚焦值，而不是在步骤S5至S7之后确定聚焦值，

聚焦操作O2包括下列步骤。

在步骤S9中发生回扫。具体地，控制电路50允许SMA金属丝31冷却回到马氏体相。尽管可选地可通过不提供电流来实现该操作，但是可通过提供具有最小占空因数的脉冲宽度调制的电流来实现该操作。转变到马氏体相指示能够通过监控由检测电路54测量的电压的控制器52检测回扫阶段的结束。可选地，回扫阶段能够简单地保持预定时间，预定时间被选择为足够长以允许SMA金属丝31在期望的工作条件下冷却。图12通过曲线81示出了该回扫。

接下来，在步骤S10中，控制电路50加热SMA金属丝31以使其返回到与在步骤S8中确定并存储的聚焦值对应的位置处。通过控制电路52将反馈控制技术应用于所存储的被用作目标值的聚焦值80来实现步骤S10，从而测量的SMA金属丝31的用作反馈信号的电压被驱动至所存储的聚焦值80。与聚焦检测操作O1相同，温度再次单调上升。因而，在图12中，在加热过程中，电阻如曲线82所示那样变化，然后被驱动至位于所存储的聚焦值80的级别处的平稳段83。

如上所述，由于采用了通过包含步骤S9而实现的回扫技术，因此在加热周期中接近聚焦值80，从而克服了SMA金属丝31的滞后问题。由此，镜头元件6被认为是位于与所存储的聚焦值80对应的位置处。

当图像被适当地聚焦时，在步骤S11中，通过图像传感器4捕捉图像。所捕捉的图像被存储在存储器中。

图13示出了可通过控制器52执行的可选的控制算法的实施例，这一点将在下面描述。

在步骤S1中，给照相机1和控制电路50供电。未加热的SMA金属丝31处于马氏体相。

在加电之后，控制电路立即执行包括如下步骤的初步的校准操作O3。

在步骤S31中，控制电路50从未加热的马氏体状态加热SMA金属丝31。最初，通过提供具有最大占空因数的脉冲宽度调制的电流的控制电路50实现加热。控制器50监控通过SMA金属丝31的电压，SMA金属丝31的电压由检测电路54检测作为对SMA金属丝31的电阻的测量。所述电阻如上所述那样变化：增大、在SMA金属丝31开始收缩之后经过局部极大电阻60、减小、然后当收缩减慢时到达局部极小电阻61。在步骤S31的加热过程中，通过控制电路50检测局部极大电阻60和局部极小电阻61。

一旦检测到局部极大电阻60，通过在控制循环中设置连续降低电阻的一系列目标值实现加热。初始的(较高)目标值低于检测到的局部极大电阻60预定减量。当寻找初始目标值时，可采用下面描述的“棘轮”方法。

一旦检测到局部极小电阻61，则停止加热并且允许SMA金属丝31冷却。在该状态中，不提供电流或者在提供具有最小占空因数的脉冲宽度调制的电流。

在步骤S32中，得到电阻范围大小。将该电阻范围大小存储在控制器52的存储器中，随后用于得到目标值的范围，在该目标值范围内，SMA金属丝31被加热。电阻范围大小被计算为检测到的局部极大电阻的电阻值与检测到的局部极小电阻的电阻值之间的差值，或者低于该差值预定量的差值。该差值更通常作为较高目标值和较低目标值，该较高目标值和较低目标值通常被设置于局部极大电阻与局部极小电阻之间，图8所示的曲线的较大斜率允许在反馈控制回路内进行更精确的定位控制。

在步骤S2中，等待捕捉图像的指令。然后执行聚焦检测操作O1，接下来执行聚焦操作O2。聚焦检测操作O1包括下列步骤。

在步骤S3中，控制电路50从SMA金属丝31的未加热状态加热SMA金属丝31。该步骤S3与如上所述的图11的控制算法中的步骤S3相同。

在检测到局部极大电阻60时，在步骤S61中，获得一系列目标值用于改变电阻，从而获得局部极大电阻60与局部极小电阻61之间的位置。除了以不同的方式获得目标值以外，步骤S61与如上所述的图11的控制算法的步骤S6相同。获得较高目标值作为在步骤S3检测到的局部极大电阻60的电阻值，或者更优选地，作为低于图8所示的曲线的更大斜率处预定减量的电阻值允许更精确的定位控制。获得较低目标值作为比在步骤S32中存储的电阻范围大小小的较高目标值。获得较高目标值与较低目标值之间的中间目标值。这些目标值可在该范围内线性分布，但是也可不均匀地分布，例如集中在该范围的特定部分。

尽管在聚焦检测操作O1中未检测到局部极小电阻61，但是从局部极大电阻60得到局部极小电阻61的值，从而在校准操作O3中得到检测到的局部极大电阻与检测到的局部极小电阻之间的差值。该差值可能会在照相机1的操作周期上严重漂移，这提供了充分的精确度。因而，较低目标值等于或者仅仅高于局部极小电阻60的电阻值。

然后聚焦检测操作O1包括与上文所述的图11的控制算法的步骤S5至S8相同的步骤S5至S8。

聚焦操作O2与上文所述的图11的控制算法的聚焦操作O2相同。

在步骤S11中，通过图像传感器捕捉图像。将所捕捉的图像存储在存储器内。

当然，在图11和13中执行的方法的各个步骤的次序仅仅是示例性的并且可以改变。例如，聚焦检测操作O1可独立于聚焦操作O2和捕捉图像的步骤S11实现。

图14图示了上文所指的“棘轮”方法，在下面对该方法进行描述。该方法可被用作步骤S2的一部分和/或步骤S5的一部分。

“棘轮”方法的目的是避免下面出现的失败情况。SMA金属丝31在它未加热状态中的平衡位置通常被认为是固定位置，是SMA金属丝31产生的力与来自悬挂系统9的偏置力平衡的位置。然而，实际上，该平衡位置能够受到驱动装置的振动或碰撞的影响，驱动装置的振动或碰撞有时将SMA金属丝31拉伸到它的正常平衡范围以外。在此情况下，加热SMA金属丝31时，检测到局部极大电阻，随后在步骤S2和S5中将目标值设置为比检测到的极大电阻的电阻值低预定的减量。

如果SMA金属丝31没有被拉伸到它的正常平衡位置以外，则当目标值大于局部极大电阻60时，失败情况出现。这种情况是如果拉伸程度相对于用于得到目标值的预定减量足够大，则失败情况出现。在该情况下，当寻找目标值时，最初提供具有高占空因数的电流以加热SMA金属丝31，使电阻按期望降低，因为加热使SMA金属丝收缩。当接近目标值或超出目标值时，降低占空因数。通常这使测量的电阻降低而到达目标值。然而，由于SMA金属丝31仍然被拉伸到它的正常平衡位置以外，SMA金属丝31仍然收缩，从而即使功率降低时测量的电阻仍在减小。最后，控制电路50到达SMA金属丝31逼近其极小级别的失败情况。

“棘轮”方法以如下方式避免了这种失败情况。在步骤S101中，与前述方法相同，控制电路加热SMA金属丝31并监控测量的电阻以检测局部极大电阻。

在检测局部极大电阻时，在步骤S102中，控制电路50将目标值设置为比检测到的局部极大电阻低预定的减量。然后，控制电路50设法驱动测量的电阻至目标值。同时，在步骤S103，控制电路50监控所提供的电流的功率和所测量的电阻，以检测所提供的电流的功率伴随着所测量的电阻的降低而降低的条件。这是上述失败情况的指示。响应于检测到该情况，该方法返回步骤S101，从而控制电路50加热SMA金属丝31以寻找新的局部极大电阻。重复该循环直到在步骤S102中设置的目标值低于局部极大电阻60，如果SMA金属丝31没有被拉伸出它的正常平衡位置之外，则上述情况发生，在该情况下，能够到达目标值，从而操作正常进行。

如上文所讨论的那样，局部极大电阻60提供了对单个驱动装置的收缩开始的可靠和可重复的测量。然而，当SMA驱动器位于局部极大电阻60处，即在不同的驱动装置之间时，驱动装置的制造和组装的固有公差导致活动元件的绝对位置的不确定性。尽管通过仔细设计驱动装置能够改善公差，但是公差不能完全被去除。该问题的一个解决方案是改变由基座3形成的止动件的位置。

如上所述，由基座3形成的止动件防止了在正常操作中由于撞击造成的镜头元件6的额外运动，但是不接触镜头元件6。然而，由底座3形成的止动件的位置可被设置为限制活动元件的运动以防止SMA金属丝31在未加热状态拉伸到最大长度以外，该最大长度等于或超出曲线上局部极大电阻60对应的长度。在该情况下，由基座3形成的止动件限制了SMA金属丝31的拉伸并且有效地推高镜头元件6以减少SMA金属丝31的应力。在SMA金属丝31的加热过程中，相变最初发生而并不造成收缩，直到SMA金属丝31有足够的应力以使镜头元件离开止动件。然后，尽管止动件不存在，但运动仍能被驱动。这意味着通过止动件的位置在SMA金属丝31未加热状态中固定镜头元件6的位置。

该设置的优点在于通过由基座3形成的止动件的位置控制镜头元件6的运动范围的开始位置。止动件被定位为使得SMA金属丝31的最大长度等于或小于在图8的曲线上与极大电阻60对应的长度，用于活动元件相对于所有制造的照相机1中支承结构的位置上的最大总公差。由于止动件可被定位为具有相对良好的公差，因此这显著地改善了镜头元件6的运动范围的绝对开始位置上的公差。

这一点在图8中示出，注意SMA金属丝31的长度随着镜头元件6的位置x的减小而增大，因此止动件防止镜头元件在图8左侧方向的运动。图8示出了在曲线上与局部极大电阻60对应的长度L_RM。图8还示出了长度L₅和L₄₀，长度L₅和L₄₀在曲线上对应于比局部极大电阻60的阻值Rmax小局部极大电阻60的阻值Rmax与局部极小电阻61的阻值Rmin之差的5％和40％的阻值。因而止动件被定位为给SMA金属丝31提供等于或小于L_RM的值的最大长度(如图8所示的右侧)。

更优选地，止动件可被定位为给SMA金属丝31提供等于或小于L₅的最大长度(如图8的右侧所示)。从具有图8所示的曲线的较大斜率的位置开始运动的优点是允许更精确的定位控制。

然而，改变由基座3形成的止动件的位置减少了至少某些照相机1的镜头元件6的可得到的运动范围。通常，止动件被定位为给SMA提供等于或小于L₄₀的值的最大长度(如图8所示的左侧)，以保持适当的大范围的运动。然而，可选的方法使用由镜头元件6形成的两部件提供的调整，在下面对此进行描述。

通过首先在不存在镜头支架21的情况下安装镜头托架20，随后在与镜头托架20的所有各种连接已经完成之后安装镜头支架21，从而组装照相机1。通过使用螺纹22，能够沿着相对于托架6，从而相对于图像传感器4的光轴O调整镜头系统7的位置。这种调整是在组装过程中完成的，以适应由制造公差引起的焦距的各种变化和镜头8在镜头系统7上升时的相对位置。然后，镜头系统7保持固定在相对于镜头托架20的相同位置。

具体地，调整镜头支架6的位置以通过镜头系统7在图像传感器4上提供无限远至超焦距离处的物体的图像的聚焦，即远场聚焦。

然而，可以理解，由于驱动器由温度的改变而驱动的事实而存在潜在的问题。这意味着在使用中较高的周围温度能够使SMA金属丝31在其未加热的状态与制造时的状态相比收缩。如果在制造过程中在温度的基础上设置远场聚焦，则这样能够在使用中在更高的周围温度下丢失与远场聚焦邻近的聚焦范围的一部分。为了解决该问题，实现镜头支架6的位置的调整以当SMA金属丝31被加热至高于周围温度的预定温度时提供远场聚焦。这可通过当执行调整或者考虑SMA金属丝31被加热而收缩的事实执行调整时实际加热SMA金属丝31而获得。结果是，可在所有期望的周围温度中，在扩展至远场聚焦的范围内获得聚焦。

尽管局部极大电阻60提供了对各个驱动装置的收缩的开始的可靠且可重复的测量，但是仍然存在一个问题，即在检测到局部极大电阻时活动元件的位置的改变造成随后操作中的活动元件的位置的改变。这可导致可变的位置控制，在高的周围温度下当活动元件的与局部极大电阻对应的位置可改变时尤其如此。

此外，存在的风险是周围温度足够高，电阻已经超出了局部极大值。在该情况下，第一定位区域的位置(在照相机镜头元件的聚焦区域)将改变。这意味着在温度范围内，可控制的位置能够改变绝对的驱动器位置。这不是想要的结果。例如在用于照相机镜头元件的自动聚焦算法中，希望照相机移动到适当远端聚焦(无限远聚焦)位置而不影响图像质量，这需要驱动器在温度范围内给绝对位置设置合理的精确度。

可通过使用控制算法减少这种问题，局部极小电阻61取代局部极大电阻用作参考值。可以看出，局部极小电阻61处的位置比局部极大电阻62处的位置稳定。具体地，该位置不随周围温度的变化而变化。这是因为SMA在局部极小电阻处的温度处于周围温度范围以外，从而与局部极小电阻对应的驱动器位置也不在工作温度范围内改变。这允许精确的定位和精确的聚焦控制。

图15示出了可使用局部极小电阻61作为参考值并由控制器52执行的可选的控制算法的实施例，该实施例将在下面描述。这是简单的控制算法，其中用户能够按需将镜头置于聚焦区域。

最初，SMA金属丝31是未加热的，从而处于马氏体相。

在步骤S51中，控制电路50将SMA金属丝从其未加热状态加热。最初，通过由控制电路50提供具有最大占空因数的脉冲宽度调制的电流来实现该加热。在加热过程中，SMA金属丝31的电阻沿着图8的曲线移动。控制器52监控由检测电路54检测的SMA金属丝31的电压作为对SMA金属丝31的电阻的测量，以检测局部极小电阻61。

一旦检测到局部极小电阻61，在步骤S52中，从检测到的局部极小电阻61的电阻值得到目标值。具体地，得到的目标值比检测到的局部极小电阻61的电阻值高出预定增量。预定增量的大小依赖于用户所要求的聚焦区域。

在步骤S53中，发生回扫。具体地，控制电路50允许SMA金属丝31冷却回到马氏体相。尽管可选地可在不提供电流的情况下获得该结果，但是可提供具有最小占空因数的脉冲宽度调制的电流获得该结果。通过监控从检测电路54测量的电压检测转变到马氏体相，这指示回扫阶段结束。可选地，回扫阶段能够被简单地保持预定时间，预定时间被选择为足够长以允许SMA金属丝31在任何期望的操作条件下冷却。

在步骤S54中，控制电路50加热SMA金属丝31，通过对在步骤S52中得到的目标值进行设置而为反馈控制回路控制功率，从而SMA金属丝31被加热至所述目标值。当局部极小电阻61处的位置稳定并且不随温度变化时，当SMA金属丝31到达目标值时获得的聚焦是可靠且可重复的。

当图像适当地聚焦时，在步骤S55中，通过图像传感器4捕捉图像。所捕捉的图像被存储在存储器中。

图15的控制算法可被修改以提供如图16所示的自动聚焦控制算法，如下所述。作为说明，图17图示了镜头元件6的电阻随时间改变的实施例。

在步骤S50中，给照相机1和控制电路50加电。未加热的SMA金属丝31处于马氏体相。在步骤S51中，控制电路50通过提供具有最大占空因数的脉冲宽度调制的电流来加热SMA金属丝31。控制器52监控由检测电路54检测的SMA金属丝31的电压作为对SMA金属丝31的电阻的测量，以检测局部极小电阻90。

一旦检测到局部极小电阻90，在步骤S52中，从检测到的局部极小电阻90的电阻值得到一系列目标值91。具体地，得到的每个目标值91比检测到的局部极小电阻91的电阻值高出预定增量。通常，可以有任意数量的目标值91。实际上，照相机1的具体优点是能够为大量的位置获得精确定位控制。虽然目标值91可在该范围内线性分布，但是也可不均匀地分布，例如集中在该范围的特定部分。

在步骤S53中，参照图15，如上所述发生回扫。该电阻如图17的曲线92所示那样上升。

在步骤S56中，等待捕捉图像的命令。在接收到命令之后，执行聚焦检测操作O3，然后执行聚焦操作O4。聚焦检测操作O3包括下列步骤。

在步骤S57至S59中，扫描一系列目标值91。这通过在步骤S57中给反馈控制回路设置一系列目标值91而获得，从而SMA金属丝31被加热至目标值91中的一个。因而，在图17中，电阻被驱动至连续的多个平稳段93，每个平稳段93与目标值91之一在一个水平上。当目标值91连续降低时，SMA金属丝31的温度单调上升。

当寻找初始目标值91时，步骤S57可采用如上所述的“棘轮”方法。

在步骤S57中，在所测量的电阻已经到达给定的目标值91之后，然后在步骤S57中，通过图像传感器4捕捉图像，并且得到对由图像传感器4输出的图像信号的聚焦质量的测量并将其存储在控制器52的存储器中。

在步骤S59中，确定在该系列中是否存在任何剩余的目标值91。如果存在剩余的目标值91，则该方法返回步骤S57，从而为每个目标值91重复该过程。在该方式中，随着SMA金属丝31在扫描的过程中被加热，图像信号的聚焦质量得到监控。

在步骤S60中，所存储的对聚焦质量的测量用于得到控制信号的聚焦值，在该聚焦值处聚焦质量处于可接受的级别。最简单地，通过选择多个测试值中具有最佳聚焦质量测试值的一个来得到该聚焦值。作为一个可选项，能够使用曲线拟合技术从测试值提供最佳聚焦。因而聚焦值不需要是测试值之一。曲线拟合可以是简单的数学等式，例如M次多项式，其中M＞1，或者可替代地，可以是从各个场景预测的曲线数据库中选择的曲线的最佳拟合。聚焦值存储在控制器52的存储器中用于后续使用。图17图示了所存储的聚焦值95的实施例。

可选地，可以在执行步骤S57至S59的过程中确定聚焦值，而不是在步骤S57至S59之后确定聚焦值。

聚焦操作O4包括下列步骤。

在步骤S61中，如上文关于步骤S53的描述那样，发生回扫。电阻如图17中的曲线96所示地那样上升。接下来，在步骤S10中，控制电路加热SMA金属丝31，以使其返回到与在步骤S60中被确定和存储的聚焦值95对应的位置。步骤S10的操作通过控制电路52应用反馈控制技术和所存储的用作目标值的聚焦值95来实现，从而用作反馈信号的测得的SMA金属丝31的电压被驱动至所存储的聚焦值95。与聚焦检测操作O3一样，温度再次单调上升。因而，在图17中，在加热过程中，电阻如曲线97所示地变化，然后被驱动至位于所存储的聚焦值95的级别的平稳段98。

如上所述，作为通过包含步骤S61而实现的回扫技术的结果，在加热周期中接近聚焦值95，并且克服了SMA金属丝31中的滞后问题。由此，认为镜头元件6位于与所存储的聚焦值95对应的位置。

当图像被适当地聚焦时，在步骤S63中，通过图像传感器4捕捉图像。所捕捉的图像被存储在存储器中。

另一问题是SMA金属丝31的寿命。在电驱动过程中必须小心对待SMA金属丝以确保其寿命长。正确驱动的SMA金属丝应该能够持续几十万个周期。照相机1通常需要在给定的寿命之后还能使用，通常能使用大约300,000个周期或者可能更多。如果SMA金属丝被不正确地驱动，则SMA金属丝在其寿命结束之前将被损坏，并且打破或者破坏规范。

造成损坏的一个原因将参照示出了SMA材料的电阻-长度曲线的图8进行描述。位置范围Δx的尤其大于局部极小电阻61的高端处，大多数SMA材料已经从马氏体相转变到奥氏体相。因此在给定温度处的不完全转变的不一致结果是由SMA晶体结构的转变温度的统计分布造成的。此外，加热能够提供进一步的收缩，但是相对少的SMA晶体承载负载。SMA材料的这些部分的负载变得相对较重，这对它们的结构造成破坏。通过在该区域内的重复操作，该损坏可加剧至特定点，在该点处，SMA金属丝31可能在SMA驱动器到达它期望的寿命之前打破或破坏规范。

因此，大量技术可用于限制这种损坏的风险。

第一种方法是防止到达或超出局部极小电阻60。这通过降低照相机1的移动性能来实现。然而，减少照相机1的移动性能可能会将性能指标降低不可接受的级别。当将SMA金属丝组装在照相机1上时，这个结果可通过减少SMA金属丝31的段42的静止长度以增加它的应力。缩短SMA金属丝31的长度和在其静止状态中增加应力将导致增加给定温度时更多地减少金属丝的长度。这导致升高给定温度之后镜头元件6的更多的标称运动。因此温度的增加可能被限制于一定级别以防止到达局部极小电阻61。这通过规定从局部极大电阻的最大电阻变化来实现，该最大电阻变化是所有照相机1在制造公差的限制下的安全值。

然而，当使用考虑由屏蔽外壳44提供止动件的方法时必须小心。如果镜头元件6在加热的过程中接触止动件，则极可能对SMA金属丝30造成破坏。这在连续输入最大功率驱动电流的控制电路50失败的条件下可能发生。因此，可能有必要移开由屏蔽外壳44提供的止动件，但是这是不理想的，因为这增加了产品尺寸或者降低了对挠曲部13的保护。

上文描述的控制算法的步骤S5中的安全程序还通过在检测到局部极小电阻时立即降低功率来防止SMA金属丝31短暂暴露于高于局部极小电阻61的状态。

确保允许连续输入最大功率驱动电流的控制电路50不处于失败模式是重要的。没有最佳的方案来简单地将最大功率驱动电流限制于安全(连续)工作级别，因为这能够显著减少加热的最大速度。可选地，如果希望依赖于故障安全电子器件，可在类似于止动件的位置处引入开关以去除功率。然而这可能不能防止对照相机模块内的其它组成部件造成损坏。

另一种情况是在周围温度升高的操作中镜头元件6可能移动过远并且造成SMA金属丝31的破损。在升高的温度(例如，高于大约50℃)下操作时，SMA金属丝31可能在操作之后不再冷却并且充分收缩，以返回到超过局部极大电阻60。在加热SMA金属丝31的最初状态中，例如在图13的步骤S5中，在未检测到局部极大电阻60的情况下可能继续执行加热直到镜头元件接触由屏蔽外壳44形成的止动件，从而造成破坏。

为了防止这种情况发生，控制电路50在第一次使用时检测和存储局部极大电阻60的电阻值。如果该电阻被检测到随着金属丝的加热而减少(即，由于升高的周围温度)，控制电路50将移动限制在局部极大电阻60的电阻值与所选择的用于最大移动的电阻变化值之和。如果在第一次使用时电阻被检测到随着加热而减少，则控制电路50应该中断控制算法，并且取而代之以冷却SMA金属丝31。继续进行该操作直到周围温度条件是检测到局部极大电阻60的温度条件。

第二种方法是允许到达局部极小电阻61，但是在该情况发生时减少了数量和/或频率。

可通过使用高分辨率的模拟数字转换器(ADC)限制加热使其尽可能少量超过局部极小电阻61。这允许测量的电阻变化的增量尽可能小。最低有效位(LSB)确定了测量的电阻增量的大小。因此，LSB应该尽可能小并具有高分辨率的ADC，LSB超过最小电阻点的最大允许数值应该尽可能少并且不产生不可接受的信噪比(SNR)。不可接受的高SNR可使照相机通过错误地检测到超过局部极小电阻61的错误电阻而表现地不可预知。

通过减少照相机1测量和表现最大和最小金属丝电阻的发生概率，限制加热超过局部极小电阻61的频率。在图13的可选择的控制算法中通过使用初步校准操作O3来获得电阻范围大小以实现上述操作。因而，在聚焦检测操作O1中，SMA金属丝31不被加热到超出局部极小电阻61。初步校准操作O3仅在加电的时候执行，从而比每次图像捕捉时执行的聚焦检测操作O1的执行频率少。因而，SMA驱动器被加热到超出局部极小电阻61的频率少于每次聚焦检测操作执行时到达的局部极小电阻60的情形。

可选地，控制电路50可实现自动微拍功能(automacro)，其中镜头元件6被驱动至远焦位置和微焦位置之一。在所述远焦位置，镜头元件6在其运动范围内位于距离图像传感器4最近的位置，镜头元件6提供了在图像传感器4上的远场或超焦聚焦。在所述微焦位置，镜头元件6在其运动范围内位于距离图像传感器4最远的位置，镜头元件6提供了在图像传感器4上的近场聚焦。

为了选择远焦位置，驱动电路50将没有电流的第一驱动信号提供给SMA金属丝31(或者可选地非常小的电流足以使SMA金属丝31收缩，尽管这不理想地增加了功率消耗)。在该情况中，SMA金属丝31施加比悬挂系统9提供的偏置力小的力。SMA金属丝31可以是松弛的。悬挂系统9被设置为使镜头元件6偏置而抵靠由基座3形成的止动件，从而限制镜头元件在远焦位置处的移动并且确定其位置。在远焦位置处不消耗功率，这是照相机1的最常见的设置。

为了选择微焦位置，驱动电路50提供具有足够功率以收缩SMA金属丝31的第二驱动信号和比悬挂系统9提供的偏置力更大的力，从而将镜头元件6驱动至由收缩程度管理的位置。在远焦位置连续消耗功率。

当实现自动微拍功能时，驱动电路50能够被非常简单且便宜地构造，例如，通过将驱动电路53设置为可简单打开和关闭的源以控制移动，例如使用半导体开关(例如FET或BFT)。检测电路54在某些配置中能够被省略。用于实现自动微拍功能的某些选项如下。

最简单的实施方式是将第二驱动信号固定为恒定电流，该恒定电流通常具有依赖于SMA驱动器30的10mA与100mA之间的量级。对于具有25μm直径的细金属丝，电流通常为大约30至50mA，但是电流依赖于平衡电流的周围温度而变化。

在多种类型的便携式电子设备(例如采用了照相机1的电话)中，恒流源(通常由来自处理器的数字值调整)已经可用，这类源常用于驱动VCM镜头定位器，这可在不对设备增加额外电子成本的情况下使用。这个简单的实施方式的实现非常便宜，但是对不同的SMA驱动器30提供了很差的聚焦位置可重复性(但是比固定的电压驱动提供了更好的可重复性)以及周围温度变化上的很差的定位精确度。由于SMA金属丝31加热本身的电阻压效应的指数性质，因而在给定的周围温度下、给定的聚焦位置处的稳定时间将非常长。

在另一实施方式中，控制器52从温度传感器58接收指示周围温度的温度信号。这类温度信号经常在例如移动电话系统的便携式设备内可用，作为以某些任意且非必要的线性标度单位表示的内部周围温度的简单数字。控制器52响应于周围温度，通过控制电流的量级来控制驱动电路53以改变第二驱动信号的功率。具体地，第二驱动信号的功率随周围温度的升高而减少。在该方式中，即使使用具有粗糙分辨率的温度信号，也能够获得对镜头元件6的位置的开环温度补偿，从而显著地改善了周围温度范围内的可重复性。通过周围温度的变化造成SMA驱动器30的收缩的显著变化，这改变了SMA驱动器30的冷却速度，从而改变了作为结果的温度。

在设计照相机1之前，通过实验或理论或两者结合得到温度信号的给定值和第二驱动信号之间的函数关系。在操作过程中例如通过计算或使用查询表，根据该函数关系得到变量。这不需要驱动电路53的额外复杂性，仅需要控制器52的少量处理。

可选地，如上所述，能够使用SMA驱动器30的电阻作为对位置的测量来实现自动微拍功能，以将镜头元件6移动至预定位置。然而，通常这需要为控制电路50增加复杂度，而这与使用自动微拍功能的优点抵触。

上文描述的实施方式涉及并入了驱动照相机镜头元件运动的SMA驱动装置的照相机，所描述的SMA驱动装置能够等效地适用于驱动除了照相机镜头元件以外的物体的运动。

Claims (9)

1.一种形状记忆合金驱动装置，包括：

支承结构；

活动元件，在所述支承结构上通过引导所述活动元件运动的悬挂系统支撑；

形状记忆合金驱动器，连接在所述支承结构与所述活动元件之间，使得所述形状记忆合金驱动器在加热时的收缩驱动所述活动元件相对于所述支承结构运动，所述形状记忆合金驱动器具有其电阻在收缩过程中随着其长度沿着电阻从局部极大电阻减少至局部极小电阻的曲线改变的属性；以及

止动件，被设置为限制所述活动元件的运动以防止所述形状记忆合金驱动器在其未加热状态下延伸超出最大长度，所述最大长度等于或者小于与所述曲线上的局部极大电阻对应的长度。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动装置，其中，所述最大长度等于或者小于所述曲线上与以下电阻对应的长度：该电阻比所述局部极大电阻小的量为所述局部极大电阻的电阻值与所述局部极小电阻的电阻值之差的5％。

3.根据权利要求1或2所述的形状记忆合金驱动装置，其中，所述最大长度等于或者大于所述曲线上与以下电阻对应的长度：该电阻比所述局部极大电阻小的量为所述局部极大电阻的电阻值与所述局部极小电阻的电阻值之差的40％。

4.根据权利要求1或2所述的形状记忆合金驱动装置，其中，所述活动元件是照相机镜头元件，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着所述照相机镜头元件的光轴运动。

5.根据权利要求4所述的形状记忆合金驱动装置，其中，所述照相机镜头元件包括直径至多为10mm的一个或多个镜头。

6.根据权利要求1或2所述的形状记忆合金驱动装置，进一步包括偏置装置，所述偏置装置被设置为提供所述活动元件相对于所述支承结构在通过所述形状记忆合金驱动器的收缩而驱动的运动的相反方向上的偏置。

7.根据权利要求6所述的形状记忆合金驱动装置，其中，所述悬挂系统用作所述偏置装置。

8.根据权利要求7所述的形状记忆合金驱动装置，其中，所述悬挂系统包括多个弹性挠曲部，所述多个弹性挠曲部连接在所述活动元件与所述支承结构之间，所述挠曲部被挠曲以提供所述偏置。

9.根据权利要求1或2所述的形状记忆合金驱动装置，其中，所述形状记忆合金驱动装置包括以张紧的状态连接在所述支承结构与所述活动元件之间的至少一段形状记忆合金金属丝。

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