CN105793761B - 微型相机中的sma驱动器线的绝缘 - Google Patents

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Abstract

微型相机(1)包括被布置成实现聚焦、变焦或光学图像稳定的至少一个SMA驱动器线(11)。SMA驱动器线(11)被涂有厚度在0.3μm至10μm的范围内的电绝缘层(40)。层(40)提供电绝缘，但是允许提供SMA驱动器线(11)的快速响应时间的冷却。

Description

微型相机中的SMA驱动器线的绝缘
本发明涉及在微型相机中对SMA(形状记忆合金)驱动器线的使用以实现聚焦、变焦或光学图像稳定。
SMA驱动器线已知被用于微型相机来实现聚焦、变焦或光学图像稳定(OIS)，如WO-2013/175197中公开的例子。
对于这样微型应用，理想的是使组件尽可能小。如果SMA驱动器线被放置成非常靠近设备内的其它部件，特别是金属组件，则这就会导致可能的问题。如果SMA驱动器线出现接触到相对于SMA驱动器线在不同电势的金属表面，则可能发生短路。这可能引起在线的表面上的局部发热，这可能导致融化和损坏以致SMA驱动器线变弱，反过来SMA驱动器线变弱会导致性能降低或者最坏的情况下导致破坏的断裂。为了缓解这个问题，一个解决方案是保持相对高间隙，但这样增加了照相机的尺寸。
在被布置为提供加压的工作流体的供应以用于对海底装置的控制和操作的液压系统的完全不同的工程背景下，美国-2012017582公开了一种由多个SMA驱动器线供电的液压蓄能器。在某些实施例中，SMA导线可以利用被选择针对用于SMA导线的SMA材料提供足够的电绝缘和热绝缘的绝缘材料来进行涂覆或包裹。
然而，可以预期的是电绝缘层的配置提供热绝缘将对微型相机的使用是不利的，因为这样将降低了SMA驱动器线的冷却速率且因此降低了SMA导线的扩展速度，SMA导线的扩展速度对于微型相机提供快速响应来说是很重要的。比如，在OIS应用中，导线的快速发热和冷却对补偿信号交换是必要的，信号交换通常以高达几赫兹的频率发生。快速响应在聚焦和变焦应用中也是需要的。出于这个原因，使用的是薄SMA驱动器线，通常具有25μm量级的直径，因为薄导线发热和冷却非常快。可以预期的是给导线添加电绝缘层将不符合该需要，因为热绝缘提供热阻，并且电绝缘层实际上增加导线的直径，降低了表面体积比。
根据本发明，提供了一种微型相机，其包括被布置成实现微型相机的聚焦、变焦或光学图像稳定的至少一个SMA驱动器线，其中SMA驱动器线被涂有厚度在0.3μm至10μm的范围内的电绝缘层。
电绝缘层提供电绝缘SMA驱动器线的优势，并且因此降低能够导致SMA驱动器线损坏的短路的风险。这样反过来可以允许SMA驱动器线以较小的间隙进行布置，可以降低微型相机的整体尺寸。
另外，要理解的是，正如所预期的那样，具有厚度在0.3μm至10μm的范围内的电绝缘层的配置实际上没有降低SMA驱动器线的冷却速率，并且甚至可以增加冷却速率。
另外，相比于预期的电绝缘层的配置将降低SMA驱动器线的冷却速率且因此降低SMA导线的扩展速度，从而有不利于微型相机的使用，已经发现了使用具有厚度在0.3μm至10μm的范围内的电绝缘层并没有显著地减小冷却速率并且甚至增大冷却速率。这是归因于关于厚度在0.3μm至10μm的范围内的令人惊讶的效果，表面区域的增加提供了增加热耗散至周围空气中的效果，这样实现了对由电绝缘层产生的热量的增加和热阻的增加的补偿，达到了电绝缘层实际上并不提供热绝缘的程度，这将防止在微型相机内所需要的高响应时间。
为了更好的理解，现在将参考附图以非限定例子来描述本发明的实施例，其中：
图1是微型相机的示意剖视图；
图2是在微型相机内SMA驱动器线布置的透视图；
图3是另一个微型相机的示意剖视图；
图4是SMA驱动器线的剖视图；以及
图5是SMA驱动器线端部的透视图。
图1中示出了微型相机1，图1是沿着光轴O获取的剖视图。在微型相机1中，SMA驱动器线被布置成实现光学图像稳定，但是为了清楚描述微型相机1的主要部分，SMA驱动器线并没有显示在图1中，但是随后参考图2进行了描述。微型相机1被集成到便携式电子设备中，例如移动电话、多媒体播放器或便携式数字助理。因此微型化是重要的设计标准。
除了关于电绝缘层的配置之外，微型相机1具有在WO-2013/175197中所描述的结构，该WO-2013/175197通过参考被并入本文。为简便起见，本文提供了微型相机的简单描述，而关于进一步的细节参考WO-2013/175197。
微型相机1包括通过悬架系统7支撑在支撑结构4上的透镜元件2，悬架系统7包括连接于形成支撑结构4的部分的支撑板72和形成透镜元件2的部分的透镜板73之间的四个横梁71，并且悬架系统7被连接于透镜架21的后端，如图1所示。悬架系统7以允许透镜元件2相对于支撑结构4在每一个垂直于光轴O的两个正交方向上移动的方式支撑透镜元件2。
支撑结构4是支撑在其基座5的前侧上的图像传感器6的相机支撑。在基座5的后侧上，安装有其中实现控制电路的IC(集成电路)芯片30，以及还安装了陀螺仪传感器47。
透镜元件2包括支撑沿着光轴O布置的透镜22的圆柱体形式的透镜架21，但是一般而言，可以配置任意数目的透镜22。微型相机1是其中透镜22(或多个透镜22，如果配置的是多个透镜)具有至多10mm的直径的微型相机。
透镜元件2被布置以将图像聚焦在图像传感器6上。图像传感器6获取图像并且可以是任何适当的类型，比如CCD(电耦合设备)或者CMOS(互补金属氧化物半导体)设备。
透镜22(或多个透镜22，如果配置的是多个透镜)可以相对于透镜架21进行固定，或者可选地，可以以其中透镜22(或多个透镜22，如果配置的是多个透镜)可以沿着光轴O进行移动从而例如提供聚焦的方式而被支撑在透镜架上。其中透镜22沿着光轴O是可移动的，适合的驱动系统(没有显示)可以被配置，例如使用音圈电机或SMA驱动器线，例如在WO-2007/113478中描述的那样。
在操作中，透镜元件2在两个正交方向上正交于光轴O移动，如相对于图像传感器6的X和Y所示，其效果是图像传感器6上的图像被移动。这里是用以提供OIS，补偿由例如手抖动引起的微型相机1的图像移动。
透镜元件2的移动是由图2中所示的驱动器布置10驱动的，现在将进行描述。
致动器布置10包括连接于支撑块16和可移动平台15之间的总计四个SMA驱动器线11，支撑块16形成支撑结构4的部分并且被安装到基座5，可移动平台15形成透镜元件2的部分并且被安装到透镜板73的后部，如图1所示。SMA驱动器线11在其末端通过相应的压接装置(crimp)17被连接于可移动平台15和支撑块16。压接装置17压接SMA驱动器线11以机械地保持SMA驱动器线，可选地通过使用粘合剂来加强。压接装置17也提供与SMA驱动器线11的电气连接。
每一个SMA驱动器线11被保持承受张力，因此在可移动平台15和支撑块16之间在垂直于光轴O的方向上施加力。在操作中，SMA驱动器线11相对于支撑块16在垂直于光轴O的两个正交方向上移动透镜元件2。
SMA驱动器线11在光轴O周围具有如下布置。每一个SMA驱动器线11沿着透镜元件2的一侧进行布置。因此，被布置在光轴O的相对侧的第一对SMA驱动器线11能够选择性驱动以相对于支撑结构4在所述平面中的第一方向上移动透镜元件2，且被布置在光轴O的相对侧的第二对SMA驱动器线11能够选择性驱动以相对于支撑结构4在所述平面中的横向于第一方向的第二方向上移动透镜元件2。在除了平行于SMA驱动器线11的其他方向上的移动可以通过这些对SMA驱动器线11驱动的组合来驱动以提供在横向上的移动的线性组合。
因此，SMA驱动器线11能够被选择性驱动以相对于支撑结构4移动透镜元件2至在垂直于光轴O的两个正交方向上的移动范围内的任何位置。移动范围的大小取决于在其正常操作参数内SMA致动器11的几何结构和收缩范围。
透镜元件2相对于支撑结构4垂直于光轴O的位置是通过选择性改变SMA驱动器线11的温度来进行控制的。这是通过使提供电阻发热的选择性驱动电流穿过SMA驱动器线11来实现的。发热是由驱动电流直接提供的。冷却是通过降低或终止驱动电流以允许透镜元件2以通过对其周围进行传导、对流和辐射来冷却而提供的。SMA驱动器线11的快速发热和冷却对补偿通常以高达几赫兹的频率发生的信号交换是必要的。快速响应在聚焦和变焦应用中也是需要的。由于这个原因，使用了薄SMA驱动器线11，其通常具有25微米的量级的直径，因为这样的薄导线发热和冷却非常快。
SMA驱动器线11的控制是由在IC芯片30中实现的控制电路来实现的，IC芯片30针对每个SMA驱动器线11产生驱动信号以实现OIS。驱动信号是基于陀螺仪传感器47的输出信号产生的，陀螺仪传感器47检测透镜元件2的角速度，因此用作检测微型相机1振动的振动传感器。
在图3中示出了另一个微型相机100，其是沿着光轴O的剖视图。微型相机100包括被布置以实现微型相机100的聚焦或变焦的SMA驱动器线11。微型相机100具有通常与图1所示的微型相机1类似的结构，包含支撑结构4、包括支撑透镜22的透镜架21的透镜元件2、图像传感器6和其中实现了针对SMA驱动器线的控制电路的IC芯片30。然而，透镜元件2是通过挠曲件101而被支撑在支撑结构4上的，挠曲件101形成引导透镜元件2沿着光轴O移动以改变形成于图像传感器6上的图像聚焦或变焦的悬架系统。除了关于在SMA驱动器线11上配置电绝缘层40之外，微型相机100可具有在WO-2007/113478、WO-2008/099156或者WO-2009/056822中的任何一个中详细描述的构造，通过参考上述文件中的每一个都被并入本文，并且关于微型相机100的完整的描述进行了参考。通常，微型相机100可以包括单一SMA驱动器线11或者多个SMA驱动器线11。
在图1和图2的微型相机1和图3的微型相机100中的这个SMA驱动器线11或每一个SMA驱动器线11被涂有电绝缘层40，如图4中所示。
电绝缘层40具有足够高的厚度以防止在导线和任何可能发生接触的金属表面之间的的电击穿。这个取决于电绝缘层40的绝缘能力和正常使用下应用于SMA驱动器线11的最大电压。通常，电绝缘层40的绝缘能力取决于所使用的材料的类型。在空气中，适合的材料的击穿场强通常在3V/μm的范围。因此，比如，如果电绝缘层40沿着SMA驱动器线11的长度的部分延伸，则可能至少需要1μm的厚度来确保在2.8V电位差的情况下没有击穿发生。然而，如果电绝缘层40涂覆SMA驱动器线11整个长度，则较低的厚度可足够防止击穿。
在通常应用中，电绝缘层40具有至少0.3μm的厚度，更好的情况是至少0.9μm的厚度。
电绝缘层40具有足够低的厚度以提供适合在微型相机内使用的冷却性能。可以预期的是电绝缘层将降低SMA驱动器线的冷却速率且因此降低SMA导线的扩展速度，因为热绝缘提供热阻，并且电绝缘层实际上增加导线的直径，降低表面体积比。然而，要理解的是具有相对低的厚度的电绝缘层40增加了表面区域以便提供增加到周围空气的热耗散的效果，这实现了针对由于电绝缘层产生的热量的增加和热阻的增加的补偿。因此，冷却的速率没有降低到所预期的程度，而根据配置和材料可增加冷却的速率。因此，电绝缘层40具有相对低的厚度以便允许微型相机需要的高响应时间。
在通常应用中，电绝缘层40具有最大10μm的厚度，更好的情况是最大5μm的厚度。
电绝缘层40的最佳厚度通常取决于所使用的材料和到在用作热地和/或提供短路风险的SMA驱动器线11周围的表面的距离。
不同材料适合于电绝缘层40，如下是一些非限制性的例子。
SMA材料通常形成0.1μm量级的氧化物涂层，0.1μm量级的厚度不足以防止在2V-5V的电击穿。该涂层的厚度可以通过热处理和化学处理而增加到适合的水平，从而形成电绝缘层40。
可选地，电绝缘层40可以在制造过程中通过应用于SMA驱动器线11的材料来形成。这样材料可以在氧化层的顶部，或者在移除氧化层之后来应用至SMA驱动器线11，以便直接应用至SMA材料。可以被应用以形成电绝缘层40的适合的材料包括，而不限于：聚酰亚胺、聚酰胺、聚氨酯、聚对二甲苯、聚四氟乙烯(PTFE)或其任意组合。
通常，电绝缘层40可以涂覆SMA驱动器线11的整个长度或SMA驱动器线11的长度的一部分。
然而，需要进一步考虑的是实现在SMA驱动器线11和压接装置17之间的良好的机械接触和电气接触。电绝缘层40可能阻碍该实现，特别是如果电绝缘层是相对厚的(例如，1μm或更高的量级)，此时在制造期间闭合压接装置17的夹紧部件的机械动作不足以击穿电绝缘层40且建立与下方的SMA材料良好的接触。
为了减少这个问题，SMA驱动器线沿其长度的部分被涂有电绝缘层，但是没有涂覆在压接装置17处，如图5所示。如所看到的，在这个例子中，未涂有电绝缘层40的SMA驱动器线11的部分的长度41大于在SMA驱动器线11和压接装置17之间接触的长度，使得当提供压接装置17的简单放置时，在压接装置17内建立了良好的接触。留下压接装置17以外的SMA驱动器线11的一个区域未加涂层并不是问题，因为在压接装置17附近的SMA驱动器线11的该区域不太可能与其他任何组件发生短路接触。压接装置17的长度通常是500μm长的量级，因此未加涂层的区域在长度上通常可以达到1mm。
为了实现部分涂层，在制造期间可以通过选择性涂覆(比如在涂覆之前使用遮罩)，或通过涂覆SMA驱动器线11的整个长度并且之后选择性移除电绝缘层40的部分，来沿着SMA驱动器线11的长度的部分配置电绝缘层40。在后一种情况中，电绝缘层40的移除可以通过机械磨损，或者其他化学或物理方法(例如聚焦的激光或等离子消融术)来进行。
这样涂覆可以在将SMA驱动器线11组装到微型相机内之前执行。作为代替，可以在制造期间通过涂覆包括SMA驱动器线和微型相机的其它部件的部分组合件来沿着SMA驱动器线的长度的部分形成电绝缘层。也就是说，SMA驱动器线11是在被压接之后被涂覆的，即在经由压接装置17已经进行电气连接之后。这种情况下，SMA驱动器线11可以首先与微型相机1或100的其它部件一起被压接和组装，而后含有SMA驱动器线11的部分组合件被涂覆，比如通过喷涂、浸涂或电泳涂覆。这里涂覆SMA驱动器线11的部分，该部分是暴露的但并非是在压接装置17下方的SMA驱动器线11。这里也涂覆在部分组合件内的任何其他暴露的组件，提供了附加短路接触的保护的可能性。
关于在SMA驱动器线11和压接装置17之间的良好的机械接触和电气接触的可选方案，是在通过电绝缘层40涂层之后压接装置17被压接至SMA驱动器线11并且随后焊接压接装置17至SMA驱动器线11，比如在SMA驱动器线11从压接装置11的一侧出现的接合处。即使压接不突破电绝缘导线40，它仍然提供充分的机械接合，并且焊接提供所需的电气连接。焊接引起电绝缘导线40在焊点局部融化，暴露裸露的SMA驱动器线11，并且在此提供电气连接。

Claims (16)

1.一种微型相机，其包括至少一个SMA驱动器线，所述至少一个SMA驱动器线被布置成实现所述微型相机的聚焦、变焦或光学图像稳定，其中所述SMA驱动器线被涂有厚度在0.3μm至10μm的范围内的电绝缘层。
2.根据权利要求1所述的微型相机，其中所述电绝缘层的厚度是在0.9μm至5μm的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的微型相机，其中所述电绝缘层是氧化层。
4.根据权利要求1或2所述的微型相机，其中所述电绝缘层包括聚酰亚胺、聚酰胺、聚氨酯、聚对二甲苯、聚四氟乙烯或其任意组合。
5.根据权利要求1或2所述的微型相机，其中所述SMA驱动器线沿其长度的一部分被涂有所述电绝缘层。
6.根据权利要求5所述的微型相机，还包括压接装置，所述压接装置被布置成在所述SMA驱动器线和所述微型相机的其它部件之间提供电气连接和机械连接，并且所述SMA驱动器线的未被涂有所述电绝缘层的部分是在所述压接装置处。
7.根据权利要求6所述的微型相机，其中所述SMA驱动器线的未被涂有所述电绝缘层的部分的长度大于在所述SMA驱动器线和所述压接装置之间接触的长度。
8.根据权利要求5所述的微型相机，其中沿所述SMA驱动器线的长度的部分的所述电绝缘层通过选择性涂覆来进行制造。
9.根据权利要求6或7所述的微型相机，其中沿所述SMA驱动器线的长度的部分的所述电绝缘层通过选择性涂覆来进行制造。
10.根据权利要求5所述的微型相机，其中，沿所述SMA驱动器线的长度的部分的所述电绝缘层通过对整个SMA驱动器线进行涂覆并且随后选择性去除所述电绝缘层的部分来进行制造。
11.根据权利要求6或7所述的微型相机，其中，沿所述SMA驱动器线的长度的部分的所述电绝缘层通过对整个SMA驱动器线进行涂覆并且随后选择性去除所述电绝缘层的部分来进行制造。
12.根据权利要求5所述的微型相机，其中沿所述SMA驱动器线的长度的部分的所述电绝缘层通过对包括所述SMA驱动器线和所述微型相机的其它部件的部分组合件涂覆来进行制造。
13.根据权利要求6或7所述的微型相机，其中沿所述SMA驱动器线的长度的部分的所述电绝缘层通过对包括所述SMA驱动器线和所述微型相机的其它部件的部分组合件涂覆来进行制造。
14.根据权利要求1或2所述的微型相机，其中所述微型相机包括具有直径至多为10mm的一个或多个透镜。
15.根据权利要求1或2所述的微型相机，其中所述SMA驱动器线被布置成实现光学图像稳定。
16.根据权利要求15所述的微型相机，还包括：
支撑结构；
图像传感器，其被固定到所述支撑结构；
相机透镜元件，其包括被布置成在所述图像传感器上聚焦图像的一个或多个透镜，所述相机透镜元件以允许所述相机透镜元件相对于所述支撑结构在垂直于所述相机透镜元件的光轴的两个正交方向上的移动范围内移动的方式被支撑在所述支撑结构上，
其中所述SMA驱动器线被布置成驱动所述相机透镜元件相对于所述支撑结构的所述移动。
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