CN102770804A - Sma致动装置 - Google Patents

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Abstract

SMA致动装置使用SMA致动器线以移动在支撑结构上支撑的可移动元件，例如以提供光学图像稳定。八根SMA致动器线被布置成相对于抽象的主轴倾斜，且在环绕主轴的四个侧面的每个上有一对SMA致动器线。SMA致动器被如此连接使得在收缩时两组四根SMA致动器线提供具有在沿主轴的相对方向上的分量的力，使得各组能够提供沿主轴的移动。每组的SMA致动器线具有绕主轴的2倍旋转对称，使得存在能够提供横向移动或俯仰的彼此相对的SMA致动器线。

Description

SMA致动装置
本发明涉及使用SMA（形状记忆合金）致动器线以提供对在支撑结构上支撑的可移动元件的位置控制。
存在被期望提供对可移动元件的位置控制的各种类型的装置。SMA线作为这样的装置中的致动器是有优势的，特别是由于其高能量密度，这意味着被要求施加一定力的SMA致动器具有相对小的尺寸。
SMA线被已知在其中用作致动器的一种类型的装置是摄像机，特别是微型摄像机。例如，WO-2007/113478公开了一种SMA致动装置，其中SMA致动器线被用来驱动摄像机镜头元件沿光轴的移动，例如为了将由摄像机镜头元件形成的图像聚焦在图像传感器上的目的。又例如，WO-2010/029316和WO-2010/089529每个都公开了SMA致动装置，其中SMA致动器线被用来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俯仰来驱动以在摄像机中提供光学图像稳定（OIS）。该俯仰被控制使由摄像机镜头元件形成的图像在图像传感器上稳定防止振动。
根据本发明的第一方面，提供了一种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可移动元件相对于支撑结构移动的方式被支撑在支撑结构上；以及
八根SMA致动器线，所述八根SMA致动器线相对于抽象的主轴倾斜，且在环绕主轴的四个侧面的每个侧面上有一对SMA致动器线，SMA致动器被连接在可移动元件和支撑结构之间使得在收缩时两组四根SMA致动器线在可移动元件上提供具有在沿主轴的相对方向上的分量的力，每组的SMA致动器线被布置为具有绕主轴的2倍旋转对称。
因此，SMA致动装置使用八根SMA致动器线，该八根SMA致动器线以能够对可移动元件提供具有多自由度的位置控制的方式配置。在最一般的情况下，其中SMA致动器线被独立地驱动，然后位置控制可被提供以依照以下所有自由度移动可移动元件：沿主轴的移动；沿主轴的横向上任意方向的移动；以及在任意方向的俯仰。虽然在一些实施方式中，驱动可以可选择地以更严格的方式执行，但是大体上SMA致动装置通过SMA致动器线的不同组合的选择性致动提供多功能的位置控制。
如下所述，位置控制中的自由度由SMA致动器线的配置产生。两组四根SMA致动器线在可移动元件上提供具有在相对方向上的分量的力并因此这些组的共同的致动驱动沿主轴的移动。由于对称布置，每组内的SMA致动器线对的差动致动驱动俯仰移动。此外，由于对称布置，存在有SMA致动器线对，其提供具有在主轴的横向方向上的分量的力。因此各对的共同致动驱动在那些横向方向上的移动。因此SMA致动器线的这些组合的选择性致动可被组合以驱动不同的移动。
一般说来，SMA致动装置可用于提供对在支撑结构上支撑的广范类型的可移动元件的位置控制。现将描述摄像机装置内的一些非限制性例子。
在一个例子中，SMA致动装置可用于通过驱动摄像机单元的移动为摄像机提供OIS，摄像机单元包括图像传感器和被布置成将图像聚焦到图像传感器上的摄像机镜头元件。在这种情况下，主轴是摄像机镜头元件的光轴。SMA致动装置可以被用来以与WO-2010/029316和WO-2010/089529中公开的相同方式驱动摄像机单元的俯仰。此外，SMA致动装置可被用来驱动摄像机单元在光轴的横向上的移动。俯仰提供了稳定防止由正交于光轴的俯仰引起的模糊。已经意识到横向运动可另外用于提供稳定防止由环绕光轴的俯仰引起的模糊。这种额外的OIS在应用于微型摄像机时具有特别的优势，在这种情况下，图像的相对广的角度特别容易受由环绕光轴的这种俯仰引起的模糊的影响。
在另一个例子中，SMA致动装置可用于为摄像机提供OIS并提供摄像机镜头元件沿光轴的移动，例如为了聚焦。在这个例子中，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被布置成将图像聚焦在图像传感器上的摄像机镜头元件。主轴是摄像机镜头元件的光轴。SMA致动装置可通过摄像机元件在光轴的横向上的移动提供OIS以及提供摄像机镜头元件沿光轴的移动。这是有利的，因为相比使用分离的致动布置以提供OIS和摄像机镜头元件沿光轴的移动的摄像机，它减小了整体尺寸。
根据本发明的第二方面，提供了一种使用多根独立控制的SMA线的用于微型摄像机的光学图像稳定器，其中施加到每根线的电功率被控制，并且每根线的电阻被监控以允许控制，其中这些线还一致行动以感测由基础激励施加到摄像机模块的俯仰，并且被控制通过以减少悬挂在SMA线系统上的摄像头模块的有效共振频率的方式来控制这些线来提供OIS功能而无需陀螺仪传感器。
为允许更好地理解，现将参考附图通过非限制性例子的方式描述本发明的实施方式，在附图中：
图1至5是SMA致动装置的第一至第五布置的透视图；
图6是用于SMA致动线的控制电路的图示；
图7是控制电路的驱动电路的图示；
图8是SMA致动装置的示意横截面视图，该SMA致动装置是提供OIS的摄像机装置；
图9是被改动用于图8或图10的摄像机装置的控制电路的图示；
图10是SMA致动装置的示意横截面视图，该SMA致动装置是提供OIS和镜头移动的摄像机装置；
图11是SMA致动装置的第一构造的透视图；
图12是图11中支撑结构的透视图；
图13是图11中可移动元件的透视图；
图14是SMA致动装置的第二构造的透视图；
图15是图14中支撑结构的透视图；
图16是图14中可移动元件的透视图；
图17和18是图14中子组件的透视图；以及
图19和20是图17和18的子组件的装配的透视图。
图1至5中示出并且现将描述SMA致动装置10的一些不同的布置。在每种情况下，可移动元件11通过八根SMA致动器线1-8被支撑在支撑结构12上。SMA致动器线1-8的布置各不相同但是共同的元件具有共同的参考数字。
可移动元件11一般可能是任何类型的元件。可移动元件11具有如沿主轴P观看时的正方形形状但更一般地可以具有任何形状。支撑结构12被示意性地示出但一般可以是适合支撑可移动元件11的任何类型的元件。支持结构12以允许可移动元件11相对于支撑结构移动的方式支撑可移动元件。在图1至5的布置中，可移动元件11仅通过SMA致动器线1-8被支撑在支撑结构12上，但原则上SMA致动装置10可另外地包括将可移动元件11支撑在支撑结构12上的悬挂系统。
每根SMA致动器线1-8包括一段SMA线，该段SMA线在每端处可能通过中间部件连接到相应的可移动元件11和支撑结构12中的一个。可使用提供机械连接的任何适当的工具，例如卷曲构件，机械连接通过使用胶粘剂可选地被加强。此外，对SMA致动器线1-8进行电连接，例如在使用时通过卷曲构件电连接。
每根SMA致动器线1-8沿主轴P的一侧延伸，垂直于主轴P的径向抽象线并相对于主轴倾斜。每根SMA致动器线1-8被拉紧固定，从而在沿主轴P的方向上施加力的分量和在垂直于主轴P的横向方向上施加力的分量。
SMA村料具有加热时它经历固态相变的属性，固态相变引起SMA材料收缩。在低温下SMA材料进入马氏体相。在高温下SMA进入奥氏体相，奥氏体相诱导变形引起SMA材料收缩。由于SMA晶体结构中转变温度的统计蔓延，相变发生在温度范围内。因此，加热SMA致动器线1-8引起它们的长度减少。SMA致动器线1-8可由任何合适的SMA材料制作，例如镍钛诺或另一钛合金SMA材料。有利地，SMA致动器线1-8的材料组成和预处理被选择以提供在温度范围内的相变，该温度范围高于正常操作期间所预期的环境温度且尽可能宽以最大化位置控制的程度。
在加热SMA致动器线1-8中的一个时，其中的应力增加并且线收缩。这引起可移动元件11的移动。一系列的移动随SMA的温度在温度范围内提高时而发生，在温度范围中发生SMA材料从马氏体相到奥氏体相的过渡。相反，在冷却SMA致动器线1-8中的一个时使得其中的应力减小，并且它在力的作用下从SMA致动器线1-8的相对的那些膨胀。这允许可移动元件11在相反方向上移动。
可移动元件11相对于支撑结构12沿光轴O的位置通过改变SMA致动器线1-8的温度来控制。这通过穿过SMA致动器线1-8传递提供电阻加热的驱动电流来完成。加热由驱动电流直接提供。冷却通过减少或停止驱动电流以允许可移动元件11通过传导冷却到它的周围环境来提供。
如下是图1所示的SMA致动装置10的第一布置。
SMA致动器线1-8中的两根被布置在环绕主轴P的四个侧面的每个上。每个侧面上的SMA致动器线1-8中的两根，例如SMA致动器线1和2，相对于彼此在相反方向上倾斜，如从主轴P垂直观看，并且相互交叉。SMA致动器线1-8被布置在上面的四个侧面环绕主轴P循环地延伸。在这个例子中，侧面是垂直的并因此形成如沿主轴P观看的正方形，但是可选地，侧面可以采用不同的四边形形状。在这个例子中，SMA致动器线1-8平行于可移动元件11的外表面，这方便封装SMA致动装置10但并非是必要的。
SMA致动器线1-8在每个侧面上的两根被连接到可移动元件11和支撑结构12以在可移动元件11上提供在沿主轴P的同一方向上具有分量的力，这在接连的侧面上交替。因此，在相对侧面上的SMA致动器线1-4形成一组，在一个方向上（图1中向下）提供力以及在另一相对侧面上的SMA致动器线5-8形成一组，在相对方向上（图1中向上）提供力。
SMA致动器线1-8具有对称布置，其中长度和倾角是相同的，使得SMA致动器线1-4的组和SMA致动器线5-8的组每个都被布置为具有绕主轴P的2倍旋转对称（即垂直于SMA致动器线1-8和可移动元件11的正方形形状的表面）。SMA致动器线1-4的组和SMA致动器线5-8的组被设置在沿主轴P的同一位置处。
由于这种对称布置，SMA致动器线1-8的不同组合在被选择性致动时能够多自由度地驱动可移动元件11的移动，如下。
SMA致动器线1-4的组和SMA致动器线5-8的组在被共同致动时驱动沿主轴P的移动。
在每组内，相对侧面上的SMA致动器线（例如一方面的SMA致动器线1-2和另一方面的SMA致动器线3-4）在被差动致动时，驱动绕垂直于主轴P的横轴的俯仰。由于关于两条横轴的俯仰的线性组合，任意方向上的俯仰可被实现。
在每组内，平行的两根SMA致动器线（例如一方面的SMA致动器线1和4以及另一方面的SMA致动器线2和3）在被共同致动时驱动沿垂直于主轴P的横轴的移动。由于沿两条横轴的移动的线性组合，在垂直于主轴P的任意方向上的移动可被实现。
图2所示的SMA致动装置10的第二布置被布置如下。SMA致动器线1-8具有与第一布置相同的配置。然而，SMA致动装置10另外包括布置在可移动元件的每个侧面上的枢轴构件13。每个侧面上的两根SMA致动器线，例如SMA致动器线1-2，每根被连接到枢轴构件13，使得它们被间接地连接到可移动元件11。枢轴构件13每个在连接到枢轴构件的SMA致动器线1-8的两根之间的中间位置枢轴地连接到可移动元件11。枢轴构件13因此提供在SMA线1-8中的两根和可移动元件11之间的枢轴，从而允许一组SMA致动器线1至4（或5至8）驱动可移动元件11的俯仰而不受另一组SMA致动器线5至8（或1至4）的干扰。
SMA致动装置10的第二布置以与第一布置相同的方式操作。
可能提供SMA致动器线1至8的其他布置，其中驱动沿主轴P移动的两组每个具有环绕主轴P的2倍旋转对称性，举例如下。
图3所示的SMA致动装置10的第三布置与第一布置相同，除了SMA致动器线1-4的组和SMA致动器线5-8的组被设置在沿主轴的分离位置处。SMA致动装置10的第三布置以与第一布置相同的方式操作。
图4所示的SMA致动装置10的第四布置被布置如下。
第四布置包括SMA致动器线1-8，SMA致动器线1-8被布置在主轴P的四个垂直侧面的每个上，在基本上与第一布置相同的位置中，但是不同地连接到可移动元件11和支撑结构。因此，SMA致动器线1-8在每个侧面上的一根在可移动元件11上提供在沿主轴P的同一方向上的力。特别地，SMA致动器线1、3、5、7形成一组，在一个方向上（图4中向上）提供力以及其他的SMA致动器线2、4、6、8形成一组，在相对方向上（图4中向下）提供力。
SMA致动器线1-8具有对称布置，其中长度和倾角是相同的，使得SMA致动器线1、3、5、7的组和SMA致动器线2、4、6、8的组每个都被布置为具有环绕主轴P的2倍旋转对称（即平分相邻侧面上的SMA致动器线1-8之间的角并横跨可移动元件的正方形形状的对角线）。
由于这种对称布置，SMA致动器线1-8的不同组合在被选择性致动时能够多自由度地驱动可移动元件11的移动，如下。
SMA致动器线1、3、5、7的组和SMA致动器线2、4、6、8的组在被共同致动时驱动沿主轴P的移动。
在每组内，SMA致动器线的相邻对（例如一方面的SMA致动器线1、7和另一方面的SMA致动器线3、5）在被差动致动时，驱动绕垂直于主轴P的横轴的俯仰。由于关于两条横轴的俯仰的线性组合，任意方向上的俯仰可被实现。
四根SMA致动器线的集合，包括来自每组的两根SMA致动器线，（例如一方面的SMA致动器线1、2、7、8以及另一方面的SMA致动器线3-6）在被共同致动时驱动沿垂直于主轴P的横轴的移动。由于沿两条横轴的移动的线性组合，在垂直于主轴P的任意方向上的移动可被实现。
图5所示的SMA致动装置10的第五布置被布置如下。
第五布置类似于第四布置，除了SMA致动器线1-8在每个侧面上的一根的倾斜，也就是SMA致动器线2、4、6、8被转向使得它们平行于SMA致动器线1-8在同一侧面上的另一根，也就是SMA致动器线1、3、5、7。
因此，第五布置包括SMA致动器线的相同组，也就是SMA致动器线1、3、5、7的组和SMA致动器线2、4、6、8的组在被共同致动时提供在沿主轴P的方向上的力以及在以第四布置的方式被差动致动时提供俯仰。类似地，四根SMA致动器线的集合，包括来自每组的两根SMA致动器线，（例如一方面的SMA致动器线1、4、6、7以及另一方面的SMA致动器线2、3、5、8）在被共同致动时驱动沿垂直于主轴P的横轴的移动。由于沿两条横轴的移动的线性组合，在垂直于主轴P的任意方向上的移动可被实现。
现在将进一步讨论SMA致动器线1-8的控制。
图6所示的控制电路20生成用于SMA致动器线1-8的每根的驱动信号。控制电路20从由移动信号21表示的期望的移动获取驱动信号。一个移动信号表示沿主轴P的期望的移动x。另一移动信号表示沿垂直于主轴P的横轴的期望的移动y、z。另一移动信号表示期望的俯仰θ1、θ2。
移动信号21被提供给可在处理器中或硬件中实现的矩阵控制器22。矩阵控制器22基于移动信号22生成用于SMA致动器线1-8的每根的控制信号。这使用矩阵计算，其关联每根SMA致动器线1-8的必要收缩以实现每个自由度的移动。因此，矩阵计算表示SMA致动装置10中SMA致动器线1-8的实际配置并且对于上面描述的第一到第五布置的每个是不同的。
对于每个自由度的移动，存在收缩时在相对方向上驱动移动的SMA致动器线1-8的集合，如上面关于第一至第五布置的每个所详细说明的。对于每个移动信号21，控制信号提供那些集合的差动收缩。因此，生成用于由移动信号21中的一个表示的任何自由度上的两个集合的相对SMA致动器线的控制信号以提供在该自由度的差动位移。有效地，这意味着用于那些集合的控制信号具有表示依照该自由度的所要求的移动的差动分量。
表示SMA致动器线1-8的不同集合的差动收缩的差动分量可以线性相加，SMA致动器线1-8的不同集合的差动收缩由不同移动信号21表示的具有不同自由度的移动产生。以这种方式，包括任何自由度的任何移动可以被转化成控制信号用于选择性地致动SMA致动器线1-8的适当组合。
这些差动分量可通过各种补偿算法来修改以补偿SMA材料中的非线性效应，如滞后现象。
此外，控制信号包括表示SMA致动器1-8中期望应力的共同分量。由于各自的SMA致动器线1-8彼此施加应力，这种应力可通过改变对SMA致动器线1-8的加热来控制。这提供SMA致动器线1-8的应力循环的有效控制。SMA致动装置10被配置成开发SMA致动器线1-8中相对高的应力，同时最小化应力范围。高应力提高SMA材料中的应力足以引起收缩所处的温度。共同分量可能因此响应于环境温度而变化，其本身可由温度传感器（未显示）确定或来自SMA致动器1-8的所测量的电气参数，随环境温度增加而增加。相反，在张力变化大期间保持小的应力范围具有最小化疲劳效应的优势。最小化应力范围还具有最小化改变SMA材料的相并允许它收缩所需要的驱动功率的效应。
每根SMA致动器线1-8连接到各自的驱动电路23，驱动电路23由矩阵控制器22供应用于相应SMA致动器线1-8的控制信号。驱动电路23根据控制信号生成驱动信号并向SMA致动器线1-8供应驱动信号。驱动电路23具有单一SMA致动器线1的如图7所示的相同布置。
驱动电路23包括驱动控制器24，驱动控制器24被供应来自矩阵控制器22的控制信号并且使用反馈电阻控制驱动器25。驱动控制器24可以在处理器中实现。虽然为易于理解，矩阵控制器22和驱动控制器24被示出为分离部件，但是它们可以在共同的处理器中实现。
驱动器25被连接以向SMA致动器线1提供驱动电流。驱动器25可能是恒定电压电流源或恒定电流电流源。例如，在后一种情况下恒定电流可能是120mA的级别。
驱动电路23还包括被布置成检测SMA致动器线1的电阻的检测电路26。在驱动器25是恒定电流电流源的情况中，检测电路26可能是可操作来检测SMA致动器线1上的电压的电压检测电路，其测量SMA致动器线1的电阻。在驱动器25是恒定电压电流源的情况中，检测电路26可能是电流检测电路。为了更高的精确度，检测电路26可包括电压检测电路和电流检测电路，可操作来同时检测SMA致动器上的电压和电流并根据其比率得到电阻的测量。
驱动控制器24被布置成控制驱动器25以提供脉宽调制电流。驱动控制器24接收由检测电路26测量的电阻并使用它作为闭环控制算法中的反馈信号来控制驱动器26的PWM占空比，以根据由整体的控制信号表示的要求致动SMA致动器31。闭环控制可能是成比例的。
通过使用SMA致动器线1的电阻作为涉及位置的反馈参数，在功能移动范围内，SMA材料的收缩和膨胀与其电阻大约是线性的。包括滞后现象和蠕变的非线性在一定程度上发生。这些可被忽略，但为了更好的线性度，这些可能在闭环控制算法中考虑。
虽然SMA致动装置10可被用于提供对广泛类型的可移动元件11的位置控制，但是现将描述SMA致动装置是摄像机装置的一些非限制性例子。
在第一个例子中，SMA致动装置10是被布置成执行OIS的摄像机装置，如图8示意性地所示的，这是横截面视图，横截面沿主轴P截取，主轴P是摄像机装置的光轴。摄像机装置被并入便携式电子设备如移动电话、媒体播放器或便携式数字助理。因此，小型化是重要的设计准则。
可移动元件11是摄像机单元，其是功能摄像机并包括图像传感器30和摄像机镜头元件31，以及支撑结构12是摄像机支撑，在该支撑上有IC（集成电路）芯片34，控制电路20在IC芯片34中实现。
可移动元件11具有在其底部表面上的印刷电路板（PCB）32，图像传感器30安装和连接到PCB 32。摄像机镜头元件31由PCB 32上的容器33支撑并被布置成将图像聚焦到图像传感器30上。图像传感器30捕获该图像并可能是任何合适类型的设备例如CCD（电荷耦合设备）或CMOS（互补金属氧化物半导体）设备。摄像机单元是微型摄像机，其中摄像机镜头元件31具有直径至多10mm的一个或多个镜头。
如以下进一步所描述的，OIS通过移动整个可移动元件11提供摄像机单元的内部构造不必为此目的而改动的优势。因此，摄像机单元可以是功能上的标准摄像机并可具有任何期望的构造以提供所期望的光学性能，不论OIS功能，例如包括单一镜头或多个镜头以及提供固定焦点或可变焦点。
在这个例子中，OIS通过俯仰可移动元件11来提供，但也通过沿垂直于主轴P的横轴移动可移动元件11来提供，主轴P是光轴。因此，SMA致动装置对仅通过俯仰来提供OIS的摄像机提供优势。这基于一种认识：用于微型摄像机的OIS系统将以不同于用于大型数码静物摄像机的方式使用。这一观察目前被认为未被市场认识到。大体上，当拍摄远离摄像机的目标的长焦图像时，用于数字静物摄像机的OIS系统被用于解决图像抖动。在这种情形下，摄像机绕与光轴正交的轴的俯仰是图像抖动的主要来源。
然而，对于微型摄像机，目前没有使用光学变焦，并且图像是广角的（例如，通常具有60度视野）。在这种情形下，更广角度的图像更易于模糊，该模糊由环绕光轴的俯仰引起，除了与光轴正交的那些。用于微型摄像机的OIS具有允许更长的曝光时间以允许更好的室内、低亮度图像的优势。这对于微型摄像机特别重要，因为像素和镜头是如此小使得相当少的光子进入摄像机并由像素感测。因此，OIS系统具有改善低亮度条件下的图像质量的效果，并允许微型摄像机看起来“更大”。OIS系统还有用于减少摄像机的视频模式中的抖动的用处。
因此，非常有利于补偿三个正交轴（包括光轴）而不是正常的两个中的俯仰。这一发现目前尚未反映在客户说明书中。然而，SMA致动装置10利用这一发现提供能够有效地补偿摄像机在三个正交轴中的动态俯仰的致动器布置。
还应当注意，对于宏观图像，由摄像机的横向偏移（相对于俯仰）所引起的图像模糊也可能是显著的。存在若干方法来解决这个问题，其中之一是用加速度计感测这个横向位移，然后用感应的俯仰补偿它，这取决于摄像机的自动对焦状态，其提供有关目标距摄像机的距离的信息。这是因为补偿横向偏移所需求的俯仰取决于目标距摄像机的距离。
一种可选方案是尝试和提供致动机制，致动机制也能够提供额外的自由度以使摄像机横向移位来补偿这些感应的线性移动。SMA致动装置10能够具有这些额外的自由度。
SMA致动装置10的控制电路20被改为如图9所示以提供OIS功能。
控制电路20另外包括陀螺仪传感器27，陀螺仪传感器27输出表示可移动元件11的角速度的信号，从而充当检测SMA致动装置10正在经历的振动的振动传感器。陀螺仪传感器27通常是一对微型陀螺仪，用于检测环绕相互垂直且垂直于光轴的两个轴的振动以及环绕光轴的振动，然而一般可使用更大数量的陀螺仪或其他类型的振动传感器。
来自陀螺仪传感器27的输出信号被供应给可在处理器中实现的OIS控制器28。虽然为易于理解，矩阵控制器22和OIS控制器28被示出为分离的部件，但是它们可以在共同的处理器中实现。OIS控制器28衍生表示整体上补偿SMA致动装置10的移动所需的可移动元件11的移动的移动信号21。这包括表示期望的俯仰θ1、θ2和表示沿垂直于主轴P的横轴的期望的移动y、z的移动信号21。在这个例子中，不需要沿主轴P的移动，因此表示沿主轴P的期望的移动x的移动信号21被有效地固定或可以不使用。
在陀螺仪传感器27被安装在支撑结构12上时，输出信号表示支撑结构12的振动。这种振动将始终存在并且OIS受到在相对方向上俯仰可移动元件11的影响。因此，OIS控制器28生成移动信号21，移动信号21提供与由陀螺仪传感器27测量的实际俯仰相对的期望的移动。
在第二个例子中，SMA致动装置10是被布置执行OIS和镜头元件沿光轴的移动的摄像机装置，如图10示意性地示出的，这是横截面视图，横截面沿主轴P也就是光轴截取。摄像机装置被并入便携式电子设备如移动电话、媒体播放器或便携式数字助理。因此，小型化是重要的设计准则。
支撑结构12是支撑图像传感器40的摄像机支撑，在该支撑上有IC（集成电路）芯片42，控制电路20在IC芯片42中实现。可移动元件11包括被布置成将图像聚焦到图像传感器40上的摄像机镜头元件41。图像传感器40捕获图像并且可以是任何合适类型的设备，例如CCD（电荷耦合设备）或CMOS（互补金属氧化物半导体）设备。摄像机装置是微型摄像机，其中摄像机镜头元件41具有直径至多10mm的一个或多个镜头。
在这个例子中，OIS通过在光轴的横向上移动摄像机镜头元件41来提供。此外，摄像机镜头元件41可沿光轴移动，例如以提供聚焦。因此OIS功能和移动功能在SMA致动装置10中相结合。
在使用SMA致动器线以提供OIS功能的许多已知的布置中，例如正如在WO-2010/029316和WO-2010/089529中公开的，OIS通过俯仰包括镜头元件和图像传感器的整个摄像机单元来提供，实质上像刚体一样。补偿用户手抖动的这种方法原则上给予最好的OIS性能，因为在微型摄像机中难以使镜头元件对准图像传感器并且制造公差非常小。此外，被补偿的用户手抖动本质上是摄像机的俯仰，因此直觉地认为补偿也应该俯仰摄像机。然而，在这个例子中，OIS被不同地执行以缓解若干其他问题。
首先，微型摄像机典型地用在多功能产品如移动电话中。在这样的现代电话中，在电话中封装陀螺仪和加速度计以执行各种功能包括增强现实和游戏变得越来越典型。非常期望在产品中使用一个陀螺仪封装以执行若干功能，包括OIS感测功能。以这种方式降低成本。典型地，在写作时，这种陀螺仪成本在$2左右，而OIS致动机制可能比这低。因此，不将陀螺仪封装在摄像机中而将它安装在装置10的主板上是非常有利的，并因此允许它用于其他功能。这减少摄像机中OIS功能的有效增加的成本。
其次，涉及这第一点的是通过避免将陀螺仪封装在电话中使摄像机更小并允许它具有正方形覆盖区。这使得更容易以没有OIS的摄像机交换在柔性电话架构中具有OIS的摄像机。已经得出结论：商业上可期望将陀螺仪封装在摄像机之外，要点之一是失去摄像机俯仰上的简单闭环反馈。这既恶化OIS性能，又扩大可用于供给OIS功能的致动器架构的可能性。
存在本发明看起来要缓解的伴随摄像机俯仰架构的三个其他问题。
第一个问题是，用‘摄像机俯仰’方法，图像传感器相对于固定的摄像机结构移动。这在从图像传感器路由电气连接到摄像机的固定结构并且到移动电话主板上呈现出极大的困难。围绕柔性印刷电路（FPC）的这个中心的解决方案是路由连接，但是由于大数量的连接以及高数据传输速率，FPC设计依然具有挑战性。因此，非常期望图像传感器保持静止和固定。
第二个问题是，摄像机俯仰方法暗示存在包括最小化的镜头和图像传感器的摄像机结构，且支撑结构必须在周围的支撑结构的内部俯仰。因为摄像机具有有限的覆盖区，所以摄像机的俯仰意味着OIS摄像机的摄像机厚度（高度）必须大于没有OIS的同等摄像机。在移动电话中，非常期望最小化摄像头的高度。
第三个问题是，通过俯仰整个摄像机，很难封装俯仰致动器而不在没有OIS的摄像机的覆盖区上增加摄像机的覆盖区。
因此，在这个例子中，镜头元件在都与光轴正交的两个正交方向上线性移动，被称为“镜头移位”。鉴于上述的限制，所产生的图像补偿不完全扭转用户手抖动的影响，但性能被认为足够好。此外，用相同的SMA致动装置实现允许镜头沿光轴的移动。相比使用用于OIS和用于沿光轴的移动的分离机制，这减小了尺寸。
SMA致动装置10的控制电路20被改为如图9所示以提供用于图10中所示的这个例子以及图8所示的例子的OIS功能。然而，在这种情况下，操作如下。
控制电路20另外包括陀螺仪传感器27，陀螺仪传感器27输出表示可移动元件11的角速度的信号，从而充当检测SMA致动装置10正在经历的振动的振动传感器。陀螺仪传感器27典型地是一对微型陀螺仪，用于检测环绕相互垂直且垂直于光轴的两个轴的振动，然而一般可使用大数量的陀螺仪或其他类型的振动传感器。
来自陀螺仪传感器27的输出信号被供应给可在处理器中实现的OIS控制器28。虽然为易于理解，矩阵控制器22和OIS控制器28被示出为分离的部件，但是它们可以在共同的处理器中实现。OIS控制器28衍生移动信号21，移动信号21表示总体上补偿SMA致动装置10的移动所需的可移动元件11的移动。这包括表示沿垂直于主轴P的横轴的期望的移动y、z的移动信号21。OIS控制器28也产生表示沿光轴即主轴P的期望的移动的移动信号。根据镜头元件41的配置，这可以提供聚焦或可以改变视野。这种期望的移动可通过用户输入来选择。可选地，期望的移动可通过自动对焦算法得出，例如基于图像传感器40的输出。在这个例子中，不需要俯仰移动，因此表示期望的俯仰θ1、θ2的移动信号21被有效地固定或可以不使用。
在陀螺仪传感器27被安装在支撑结构12上时，输出信号表示支撑结构12的振动。这种振动将始终存在并且OIS受到在相对方向上移动摄像机镜头元件41的影响。因此，OIS控制器28生成移动信号21，移动信号21提供与由陀螺仪传感器27测量的实际俯仰相对的期望的移动。
在图8的第一个例子和图10的第二个例子中，SMA致动器线1-8可被提供有足够的响应速度以提供OIS。典型地，每条SMA致动器线1-8被按比例驱动从而控制在高达10Hz、高达20Hz或高达30Hz的频率带宽上的位置。意识到的SMA作为致动器的缺点是它的响应时间慢。因为SMA材料是热驱动的，响应时间受到可获得的温度变化限制，与热传导性、比热容和热质量相关联。
虽然加热SMA致动器线1-8可以通过增加驱动电流的功率来增加，但是冷却取决于SMA致动器线1-8的厚度。此厚度被选中以在冷却期间提供期望的响应时间。例如，如果SMA致动器线1-8的厚度为25μm，是目前最薄的可用商业材料，则热响应开始在4Hz转降。基于对OIS功能的分析，功能需求提供在高达30Hz的带宽上的移动补偿。然而，所需求的响应的振幅在操作带宽上明显下降，从而只需要少许移动（比如在超过20Hz处不到10μm）。令人惊讶的是，尽管SMA线响应超过4Hz转降，SMA致动器线1-8仍然能够在30Hz处提供位移需求，并因此能够成功地满足有关OIS用于微型摄像机的致动需求。
现将描述根据该第二个例子的用于SMA致动装置10的一些具体构造。在这些构造的每个中，SMA线1-8被布置为如图1所示。
第一构造被示出在图11至13中。
图11示出包括支撑结构12和可移动元件11的整个SMA致动装置10，可移动元件11是摄像机镜头元件41可拧进其中的镜头托架，这些元件被单独地示出在图12和13中。
SMA致动线1-8通过卷曲构件50被连接在支撑结构12和可移动元件11之间，卷曲构件50卷曲SMA致动线1-8并固定到支撑结构12和可移动元件11中的一个。SMA致动线1-8是使可移动元件11悬挂在支撑结构12上的唯一部件。在支撑结构12和可移动元件11之间的分离链接路径中没有另外的弯曲部分或其他部件以允许可移动元件11在三个正交线性方向上移动而无需万向支架和嵌套的支撑结构，每个处理一个移动方向。
在第二个例子中，由于不需求俯仰移动，在可移动元件11的相对侧面上相互平行的SMA致动器线1-8对通过在卷曲件50之间延伸的互连件51电气串联。这是可能的，因为在这个例子中不需要俯仰并且因此这些线总是由共同的驱动信号驱动。这具有允许供应来自控制电路20的驱动信号所需的所有电气连接都在支撑结构12上而没有额外的电气连接在可移动元件11上的优势。
由于SMA致动器线1-8对电气串联，并因此通过应用单一电压信号被一起操作，一种可选方案是使用四根线而不是八根，但是这不是当前优选的，因为链接工作线的两个长度的未使用的线的长度出现控制问题以及机械装配和寿命问题。
第二构造被示出在图14至20中。
图14示出包括支撑结构12和可移动元件11的整个SMA致动装置10，可移动元件11是摄像机镜头元件41可拧进其中的镜头托架，这些元件被单独地示出在图15和16中。
第二构造类似于第一构造，除了卷曲构件50的布置被改以简化这种相对复杂的结构的制造。特别地，SMA致动器线1-8和卷曲构件50被布置到两个分离的子组件53和54中，如图17和18所示。每个子组件53和54的卷曲构件50被布置成使得它们相对于彼此适当地定位，以及然后SMA致动器线1-8被卷曲在卷曲构件50的适当的对之间。在卷曲过程期间，卷曲构件50被支撑在它们的适当位置中。这可通过由与卷曲构件50相同的材料形成的一个或多个基质间片（fret）的协助实现，这些基质间片接着随后在装配过程中移除。可选地，这可通过使用装配夹具以定位卷曲构件50来实现。
然而，子组件53和54被支撑，在SMA致动器线1-8被卷曲到每个子组件53和54后，该布置允许每个子组件53和54被操纵和定位在SMA致动器装置上作为单一部件。特别地，图19示出第一子组件53被装配到可移动元件11和支撑结构12上。此后第一子组件53的卷曲构件50被连接到可移动元件11和支撑结构12。图20示出第二子组件54随后被装配，该布置预防与第一子组件53的冲突。此后第二子组件53的卷曲构件50被连接到可移动元件11和支撑结构12。在此装配期间，可移动元件11和支撑结构12例如通过夹具（未示出）支撑。
存在与各种俯仰和振动的感测相关联的本发明的额外的方面。当前系统采用两轴陀螺仪来感测感应的摄像机抖动。此外，可意识到如果环绕光轴的俯仰也被补偿，则需求三轴陀螺仪。这种陀螺仪是相当昂贵的并且占用相当大的空间。因此，非常期望消除对这种陀螺仪的需要。在以前的文档中考虑的一个选项是使用SMA线和摄像机来提供它自身的俯仰传感器，因为通过监控电阻和施加到SMA线的电功率来评估SMA线中的位置和张力是可能的。
作为思想实验，考虑所需求的是摄像机保持静止，而支撑结构经受基础激励。因此，考虑该系统的一个方式是作为振动隔离器。这可以通过将摄像机安装到非常兼容的座架上来实现，使得摄像机在座架上的共振频率在各种自由度中是非常低的。对于频率低于1Hz（比如），系统应相对稳定，使得用户可以四处平移摄像机，然而，对于更高的频率系统应该是兼容的。
典型地，如果SMA致动器线1-8中的一根被需求维持长度，则任何外部力将趋于拉伸它，控制器将通过更多施加电功率以收缩SMA线并因此维持电阻和因此维持长度来回应。
可以看出，如果相反，控制器被配置成使得它反应缓慢，使得对于激励低于1Hz，SMA线看起来仍然“稳定”，但对于更高的频率，它实际上看起来像施加了恒定的电功率，SMA线在更高的频率将呈现较差的稳定。
这样的配置不可能产生具有可接受性能的OIS系统。然而，如果控制器被配置成响应于拉伸该线的激励而积极地减少功率，并且正反馈取决于频率，则可能看到，SMA OIS系统可以实现振动抑制性能而无需分离的陀螺仪传感器。
考虑这样的系统的另一方式是操作SMA线作为提供伪恒力设备。这样的系统或需求在每根线上的分离的高度精确的力传感器，或需求对阻力和施加到每根线的功率的高度精确的测量以便控制实际上恒定的力。

Claims (19)

1.一种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移动的方式被支撑在所述支撑结构上；以及
八根SMA致动器线，所述八根SMA致动器线相对于抽象的主轴倾斜，且在环绕所述主轴的四个侧面的每个侧面上有两根SMA致动器线，所述SMA致动器被连接在所述可移动元件和所述支撑结构之间，使得在收缩时两组四根SMA致动器线在所述可移动元件上提供具有在沿所述主轴的相对方向上的分量的力，每组的所述SMA致动器线被布置为具有绕所述主轴的2倍旋转对称。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述可移动元件是包括图像传感器和摄像机镜头元件的摄像机单元，所述摄像机镜头元件被布置成将图像聚焦到所述图像传感器上，所述主轴是所述摄像机镜头元件的光轴。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述SMA致动装置是还包括固定到所述支撑结构的图像传感器的摄像机装置，并且所述可移动元件包括被布置成将图像聚焦到所述图像传感器上的摄像机镜头元件，所述主轴是所述摄像机镜头元件的光轴。
4.根据前述权利要求的任一项所述的装置，其中，所述八根SMA致动器线具有允许所述SMA致动器线的每根接收独立驱动信号的电气连接。
5.根据前述权利要求的任一项所述的装置，还包括电连接到所述SMA致动器线用于向所述SMA致动器线供应驱动信号的控制电路。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述控制电路被布置成给所述SMA致动器线的每根供应独立驱动信号。
7.根据权利要求5或6所述的装置，还包括被布置成生成表示所述装置的振动的输出信号的振动传感器，所述控制电路被布置成响应于所述振动传感器的输出信号生成所述驱动信号用于使由所述图像传感器感测的所述图像稳定。
8.根据当从属于权利要求2时的权利要求7所述的装置，其中，所述控制电路被布置成生成驱动信号，所述驱动信号引起所述摄像机单元俯仰和相对于所述光轴横向移动，用于使由所述图像传感器感测的所述图像稳定。
9.根据当从属于权利要求3时的权利要求7所述的装置，其中，所述控制电路被布置成产生驱动信号，所述驱动信号引起所述可移动元件相对于所述光轴横向移动用于使由所述图像传感器感测的所述图像稳定以及沿所述光轴移动用于改变所述图像的对焦。
10.根据前述权利要求的任一项所述的装置，其中，每组四根SMA致动器线包括在相对侧面上的两对SMA致动器线。
11.根据权利要求10所述的装置，还包括在所述可移动元件的每个侧面上枢轴地连接到所述可移动元件的枢轴构件，在每个侧面上的所述两根SMA致动器线被连接到所述枢轴构件。
12.根据权利要求1至9的任一项所述的装置，其中，每组四根SMA致动器线包括在每个侧面上的一根SMA致动器线。
13.根据当从属于权利要求5时的权利要求12所述的装置，其中，所述控制电路被布置成给在相对侧面上相互平行的所述SMA致动器线供应共同的驱动信号。
14.根据前述权利要求的任一项所述的装置，其中，每个侧面上的所述两根SMA致动器线彼此平行或者相对于彼此在相对方向上倾斜并且交叉。
15.根据前述权利要求的任一项所述的装置，其中，在每个侧面上的所述两根SMA致动器线每根垂直于相同的抽象的横轴，所述横轴垂直于所述主轴。
16.根据前述权利要求的任一项所述的装置，其中，所述可移动元件仅通过所述SMA致动器线被支撑在所述支撑结构上。
17.根据前述权利要求的任一项所述的装置，其中，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具有至多10mm直径的一个或多个镜头。
18.一种用于微型摄像机的光学图像稳定器，该光学图像稳定器使用多根独立控制的SMA线，其中，施加到每根线的电功率被控制，并且每根线的电阻被监控以允许控制，其中，所述线还采取一致行动以感测由基础激励施加到所述摄像机模块的俯仰，并且通过以减少被悬挂在所述SMA线系统上的所述摄像机模块的有效共振频率的方式来控制所述线，所述线被控制来提供OIS功能而无需陀螺仪传感器。
19.根据权利要求18所述的光学图像稳定器，其中，在所述基础激励被施加时，所述SMA线被控制以便实质上向所述摄像机提供恒定力。
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