CN109312727B - Sma致动组件的居中控制 - Google Patents

Sma致动组件的居中控制 Download PDF

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Abstract

包括在拉紧状态下连接在支撑结构与可移动元件之间的SMA致动器线的SMA致动组件被控制以通过向SMA致动器线提供驱动信号来驱动可移动元件相对于支撑结构的移动。表示可移动元件的期望位置的目标信号被设置，在预定空间包络内变化。SMA致动器线的电阻测量值被获得，并且基于目标信号和从电阻测量值中获得的反馈信号在闭环控制下控制驱动信号的功率。SMA致动器线的电特性被监测并用于检测何时达到移动的运动极限。响应于此，调整空间包络以将移动限制在检测到的运动极限内。

Description

SMA致动组件的居中控制
技术领域
本发明涉及使用至少一根形状记忆合金(SMA)致动器线驱动可移动元件相对于支撑结构的移动来对SMA致动组件进行控制。
背景技术 SMA致动器线可以在拉紧状态下连接在支撑结构与可移动元件之间，以在其收缩时驱动可移动元件相对于支撑结构的移动。SMA致动器线的使用与其他类型的致动器相比具有许多优点，特别是对于微型装置。这些优点包括在紧凑布置中提供强力。
在许多类型的SMA致动组件中，多根SMA致动器线以这样的布置连接，在该布置中SMA致动器线能够以多个自由度驱动可移动元件相对于支撑结构的移动。这种移动可以是平移或旋转移动。这允许驱动复杂的移动，这在许多应用中是有用的。
在一种类型的应用中，SMA致动组件可用于微型相机以实现聚焦、变焦或光学图像稳定(OIS)。举例来说，WO-2011/104518、WO-2012/066285、WO-2014/076463公开了采用八根SMA致动器线的SMA致动组件，其提供具有三个自由度的平移移动以及具有三个自由度的旋转移动。在可移动元件是透镜组件的情况下，这些SMA布置能够改变焦点并提供OIS。在其他示例中，WO-2013/175197和WO-2014/083318公开了采用四根SMA致动器线的SMA致动组件，其提供具有两个自由度的平移移动以及具有两个自由度的旋转移动。在可移动元件是透镜组件的情况下，这些SMA布置能够提供OIS。
提供紧凑设计的在致动器组件中使用的SMA致动器线通常非常细，直径通常为几十微米。与许多材料一样，使用精细的SMA致动器线意味着，如果线承受过高的应变或由于反复循环加载，则存在结构或功能疲劳的风险。在高应变下反复循环加载的组合会因为线断裂或致动器移动范围的显著丧失而导致快速失效。因此，期望的是限制致动器的运动范围，使得装置以良好的可靠性水平运行。
驱动信号的功率可以在闭环控制下基于目标信号和从SMA致动器线的获得的电阻测量值得到的反馈信号而变化。这在一定运动极限内提供了精确的控制。然而，当实际制造这种SMA致动组件时，响应可能会有差异。例如，制造公差导致在名义上相同的不同制造的SMA致动组件之间的差异。另外，例如由于在不同热环境中的操作以及由于其寿命期间的老化，SMA致动器线的响应可能随时间有差异。
这种差异给可靠地和可反复地控制SMA致动器组件带来了困难，尤其是在最小化疲劳风险的时候。例如，如果控制使用参考位置，其中可移动元件围绕该参考位置移动，则参考位置的位置和可用的运动范围可能以未知的方式变化。
发明内容
一种方法是在一次性启动阶段期间例如在制造过程期间确定运动极限。然而，这对于SMA致动器组件寿命周期内的控制是无效的，因为如上所述，SMA致动器线的行为随时间变化，因此运动极限容易漂移。
另一种方法是在SMA致动器组件上电后的初始校准阶段测量可用的运动范围，由此每个SMA元件的驱动信号的功率在开环中变化，并在其运动极限之间驱动线，并记录位置或参数，例如代表该位置极限的线电阻。然而，这需要时间，因此会延迟上电后致动器可以准备好使用的时间。在许多应用——例如用于诸如移动电话的便携式电子装置的相机单元中的致动器组件——中，这种延迟是不可接受的，因为通常相机用户需要立即使用相机单元。
限制运动范围的另一种方法是应用限制性的运动极限，其足够窄以将运动限制在对于针对特定设计制造的SMA致动组件之间的和随时间推移的所有可能变化经历的实际运动极限内。然而，这种方法显著减少了致动器组件可用的运动，因此限制了性能。
根据本发明的方面，提供了一种控制SMA致动组件的方法，其中，至少一根SMA致动器线在拉紧状态下连接在支撑结构和可移动元件之间，处于能够驱动可移动元件相对于支撑结构的移动的布置，该方法包括：在向至少一根SMA致动器线提供驱动信号以驱动所述移动时：设置表示可移动元件相对于支撑结构的期望位置的在预定空间包络内变化的目标信号；获得至少一根SMA致动器线的电阻测量值，并基于目标信号和从获得的电阻测量值得到的反馈信号，在闭环控制下控制驱动信号的功率，监测至少一根SMA致动器线的电特性；以及基于监测的电特性检测何时达到由至少一根SMA致动器线驱动的移动的运动极限，并响应于此调整所述空间包络以将移动限制在检测到的运动极限内。
基于表示期望位置的目标信号和从获得的电阻测量值得到的反馈信号，基于电阻的闭环控制应用于对驱动信号的控制。因此，目标信号被设置成以所涉及的应用所需的任何方式控制可移动元件的位置。目标信号被设置为在预定空间包络内变化。因此，空间包络限制了可移动元件可以移动到的位置范围。
当在这种基于电阻的闭环控制下提供这种驱动信号时，监测至少一根SMA致动器线的电特性，并且基于监测的电特性来检测何时达到至少一根SMA致动器线驱动的移动的运动极限。如下所述，可以从各种电特性检测这样的运动极限。响应于检测到这样的运动极限，调整空间包络，以便将移动限制在检测到的运动极限内。以这种方式，空间包络可以在使用中动态变化。这有效地允许最大化可用的运动范围，而不需要在一次性启动阶段期间的校准或SMA致动器组件上电后的初始校准阶段。初始预定空间包络不需要被过度地限制以适应所有可能的差异，因为它在使用中是动态变化的。
该方法可以应用于基于电阻的闭环控制类型，其中反馈信号包括每根SMA致动器线的获得的电阻测量值，以及目标信号包括每根SMA致动器线的电阻的目标测量值。
可替代地，在SMA致动器线处于包括能够驱动可移动元件在一个或更多个自由度内沿相反方向的移动的相对的SMA致动器线的布置的情况下，该方法可以应用于基于电阻的闭环控制类型，其中反馈信号包括从驱动该自由度或每个自由度内移动的相对的SMA致动器线所获得的关于该自由度的电阻的差分测量值，以及目标信号包括关于该自由度或每个自由度的目标信号。
认识到，可以从各种电特性检测运动极限，其一些例子如下。
通常，可以基于监测的电特性指示闭环控制进入非线性区域来检测达到运动极限。
在一种可能的方法中，被监测的电特性可以包括获得的电阻测量值。在这种情况下，被监测的电特性也可以包括驱动信号的功率。可以基于驱动信号的功率和获得的电阻测量值之间的误差来检测达到运动极限。在这种情况下，可以基于反馈信号和目标信号之间的误差检测达到运动极限。
该方法通常可应用于任何类型的SMA致动组件。然而，该方法应用于设置在包括图像传感器的相机单元中的SMA致动组件的情况下会产生特别的优点，其中可移动元件包括被布置成将图像聚焦在图像传感器上的相机透镜元件。相机透镜元件可以包括直径不超过10mm的一个或更多个透镜。在这种情况下，目标信号可以被设置为表示期望位置，其基于检测相机单元的振动的振动传感器的输出提供聚焦在图像传感器上的图像的OIS。例如，图像传感器可以安装在支撑结构上，并且至少一根SMA致动器线可以驱动横向于可移动元件的光轴的移动。
在许多应用中，希望目标信号表示可移动元件相对于支撑结构的、围绕参考目标变化的期望位置。例如，在OIS中，希望可移动元件通常处于在没有相机单元的振动的情况下可移动元件返回到的参考位置。当捕获图像时，会发生移动以针对相机的抖动进行稳定。
对于这种应用，目标信号可以表示围绕参考目标变化的期望位置，该参考目标最初在预定空间包络内居中。如上所述，这种方法最大化了参考目标两侧上的移动范围。
在这种情况下，该方法还可以包括响应于检测到运动极限，将参考目标调整为在调整后的空间包络内居中，以及调整空间包络。这提供了均衡参考目标每一侧上可用的可用运动范围的优点。
可以应用用于初始设置参考目标的各种方法。
在第一种方法中，可以将参考目标设置为在SMA致动组件的先前使用期间存储的值。由于在SMA致动组件的两次使用之间可能存在相对较小的差异，因此基于先前的使用，这提供了相当精确的参考目标。然而，该第一种方法要求存储SMA致动组件先前使用期间的值，因此应用了存储器需求，这对低成本设计可能不可用。
在第二种方法中，参考目标可以具有在制造期间测量的预定值。这种方法将不适应SMA致动器组件寿命期间的变化，但是由于空间包络的动态调整，这是可以接受的。
在第三种方法中，该方法还可以包括，最初向至少一根SMA致动器线提供具有预定功率的初始驱动信号，当施加初始驱动信号时，获得至少一根SMA致动器线的电阻的初始测量值，以及将参考目标的初始值设置为对应于电阻的初始测量值。这允许在每次使用时动态设置目标参考，这适应差异。
在目标信号包括每根SMA致动器线的电阻的目标测量值以及反馈信号包括每根SMA致动器线的获得的电阻测量值的情况下，参考目标的初始值对于每根SMA致动器线可以是相同的。
根据本发明的第二方面，提供了一种SMA致动组件，包括：支撑结构；可移动元件；至少一根SMA致动器线，其在拉紧状态下连接在支撑结构和可移动元件之间，处于能够驱动可移动元件相对于支撑结构的移动的布置中；以及控制电路，其被布置为实现类似于本发明的第一方面的方法。这样的SMA致动组件提供了与以上关于本发明的第一方面描述的优点类似的优点。适用于本发明的第一方面的特征可同样适用于本发明的第二方面。
附图说明
为了允许更好地理解，现在将参考附图通过非限制性示例来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是第一SMA致动组件的侧视图；
图2是第二SMA致动组件的侧视图；
图3是第三SMA致动组件的侧视图；
图4是第四SMA致动组件的透视图；
图5是第五SMA致动组件的平面图；
图6是应用于相机单元中的第四或第五SMA致动组件的示意图；
图7和图8是SMA致动组件中任一个的两种不同形式的控制电路的图；
图9是SMA致动器线的驱动信号的功率对电阻的曲线图；以及
图10是调整方法的三个连续阶段的空间包络图。
具体实施方式
图1至图6中示出了本发明可应用的五个SMA致动组件，现在将对其进行描述。这些SMA致动组件共享共同的元件，为了便于参考，这些元件将被赋予共同的参考数字。
图1中示出的第一SMA致动组件1如下布置。
第一SMA致动组件1包括支撑结构10和可移动元件20，可移动元件20通过连接在支撑结构10和可移动元件20之间的弹性构件11悬挂在支撑结构10上。弹性构件11可以是弹簧或任何其它类型的弹性构件，例如挠曲件。
单根SMA致动器线30在拉紧状态下连接在支撑结构10和可移动元件20之间。SMA致动器线30能够驱动可移动元件20相对于支撑结构10的移动，其中弹性构件11充当对抗SMA致动器线30施加的力的弹性偏置装置。因此，当SMA致动器线30中的应力减小时，弹性构件11拉紧SMA致动器线30并产生与SMA致动器线30相反方向上的移动。在图1中所示的示例中，弹性构件11处于拉紧状态，但是弹性构件11能够布置在可移动元件20的与SMA致动器线30相同的一侧上并且处于压缩状态。
弹性偏置装置通常用于向SMA致动器线施加张力，但是作为替代，可以在包括相对的SMA致动器线的布置中使用多根SMA致动器线，这些SMA致动器线驱动可移动元件20在一个或更多个自由度内沿相反方向移动。第二至第五SMA致动组件2-5就是这样的例子。
在第二至第五SMA致动组件2-5中的每一个，多根SMA致动器线30在拉紧状态下连接在支撑结构10和可移动元件20之间。在这些例子中，可移动元件20可以唯一地通过SMA致动器线30悬挂在支撑结构10上。可替代地，可移动元件20可以通过悬架系统(未示出)悬挂在支撑结构10上，该悬架系统可具有任意合适的形式，以允许可移动元件20相对于支撑结构10以希望的自由度移动，该悬架系统例如通过挠曲件形成以允许在三维中移动，或通过滚珠轴承或滑动轴承形成以允许在二维中移动同时限制在第三维度上的移动。
在图2中示出的第二SMA致动组件2如下布置。
第二SMA致动组件2包括支撑结构10和悬挂在支撑结构10上的可移动元件20，以及在拉紧状态下共线连接在支撑结构10和可移动元件20之间的两根SMA致动器线30。SMA致动器线30是相对的，并且驱动可移动元件20在单个自由度内沿相反方向的移动，该移动是沿着单个轴的平移移动。
代替共线布置的两根SMA致动器线30，更多数量的SMA致动器线30可以以其它几何布置连接，其中相对的SMA致动器线30驱动可移动元件20在多于一个自由度内沿相反方向的移动，该移动包括沿正交轴的平移移动和/或绕正交轴的旋转移动。在这些情况下，每根SMA致动器线30都可以有助于具有平移自由度和/或旋转自由度的运动。SMA致动器线30的不同子集针对每个自由度是相对的，并且通过SMA致动器线30的不同子集的不同收缩来实现每个自由度中的运动。通过根据单独SMA致动器线30的几何布置选择性地控制单独SMA致动器线30，可以实现任意自由度内的任何期望运动。
第三至第五SMA致动器组件3-5的布置是非限制性例子，其中多根SMA致动器线30以这样的布置提供，在该布置中SMA致动器线30能够以多个自由度驱动可移动元件20相对于支撑结构10的移动。
在图3中示出的第三SMA致动组件3如下布置。
第三SMA致动组件3包括支撑结构10和悬挂在支撑结构10上的可移动元件20，以及在拉紧状态下连接在支撑结构10和可移动元件20之间的三根SMA致动器线30。三根SMA致动器线30围绕可移动元件成角度地间隔开，因此在两个自由度内在相反的方向上是相对的，即沿着正交轴(例如，如图所示的x轴和y轴)的平移移动。沿着x轴，上面一对SMA致动器线30彼此相对，并通过其间的不同收缩来驱动移动。沿着y轴，上面一对SMA致动器线30一起与下面的SMA致动器线30相对，并通过其间的不同收缩来驱动移动，上面一对SMA致动器线30一起作用，其收缩的分量沿着y轴分解。
图4和图5中所示的第四SMA致动组件4和第五SMA致动组件5具有SMA致动器线30的相应布置，这在下面进一步描述。
第四SMA致动组件4和第五SMA致动组件5中的每一个可以是如图6所示的相机单元，并且布置如下。
第四SMA致动组件4和第五SMA致动组件5包括其上安装有图像传感器12的支撑结构10。可移动元件20包括悬挂在支撑结构10上并且布置成将图像聚焦在图像传感器12上的相机透镜元件。可移动元件20包括透镜承载件21，一个或更多个透镜22安装在该透镜承载件中，为了清楚起见，在图6中示出了单个透镜。第四SMA致动组件4和第五SMA致动组件5是微型相机单元，其中一个或更多个透镜22具有不超过10mm的直径。
如下所述，第四SMA致动组件4和第五SMA致动组件5中的每一个都能够驱动横向于可移动元件的光轴(如图所示的z轴)的移动。如下文进一步描述地实现控制以横向移动可移动元件20，从而基于检测第四SMA致动组件4和第五SMA致动组件5的振动的振动传感器13的输出提供聚焦在图像传感器上的图像的OIS。振动传感器13可以安装在支撑结构上，并且检测第四SMA致动组件4和第五SMA致动组件5的振动。振动传感器13可以是检测第四SMA致动组件4和第五SMA致动组件5的在三维中的角速度的陀螺仪传感器或检测运动的允许推断定向和/或位置的加速度计。
尽管图6示出了第四SMA致动组件4和第五SMA致动组件5是相机单元的示例，但这不是限制性的，并且通常第四SMA致动组件4和第五SMA致动组件5可以应用于任意类型的可移动元件20。
在图4中示出的第四SMA致动组件4如下布置。
第四SMA致动组件4包括支撑结构10和悬挂在支撑结构10上的可移动元件20，以及在拉紧状态下连接在支撑结构10和可移动元件20之间的八根SMA致动器线30。SMA致动器线30是相对的，并且在六个自由度内驱动可移动元件20在相反方向上的移动，即沿着三个正交轴的平移移动和围绕三个正交轴的旋转移动。
第四SMA致动组件4可以具有如在对其进行参考的WO-2011/104518、WO-2012/066285或WO-2014/076463中的任一个中进一步详细描述的构造。然而，SMA致动器线30的布置的概述如下所述。
两根SMA致动器线30以2重(2-fold)旋转对称布置设置在可移动元件20的四个侧面中的每一个侧面上。
每根SMA致动器线30垂直于可移动元件20的光轴的径向线延伸，其基本上垂直于x轴或y轴。然而，SMA致动器线30相对于可移动元件20的z轴倾斜，使得它们各自提供沿着z轴的力分量和主要沿x轴或主要沿着y轴的力分量。
每根SMA致动器线30在一个端部处连接到支撑结构10并且在另一个端部处连接到可移动元件20，如此选择使得与SMA致动器线30的倾斜结合，不同的SMA致动器线30提供沿着z轴的不同方向以及沿着x轴或沿着y轴的不同方向的力分量。特别地，可移动元件20的任意给定侧上的一对SMA致动器线30被连接以提供沿着z轴的相反方向上，但在沿着x轴或沿着y轴的相同方向上的力分量。在可移动元件20的相对侧上的两对SMA致动器线30被连接以提供沿着x轴或沿着y轴的相反方向上的力分量。
因此，SMA致动器线30在选择性收缩时能够驱动可移动元件20相对于支撑结构10的移动——具有三个自由度(即，沿着x、y和z轴)的平移移动以及同样具有三个自由度的旋转移动(即，围绕x、y和z轴的旋转)。由于对称布置，通过SMA致动器线30的不同组合的收缩来驱动在每一个自由度内的移动。随着移动线性地增加，通过SMA致动器线30的收缩的线性组合来驱动在六个自由度内到任何平移和/或旋转位置的移动。因此，通过控制施加到每根SMA致动器线30的驱动信号来控制可移动元件20的平移和旋转位置。
在使用中，可以使用沿可移动元件20的光轴(即，沿着z轴)的平移移动来改变由可移动元件20形成的图像的焦点，并且可以使用横向于可移动元件20的光轴(即，沿着x和y轴)的平移移动来提供OIS。在那种情况下，希望不围绕x或y轴旋转移动。由于通过SMA致动器线30的收缩得到旋转位置，因此这实际上需要控制驱动信号以提供恒定的旋转位置。
图5中示出的第五SMA致动组件5如下布置。
第五SMA致动组件5包括支撑结构10和悬挂在支撑结构10上的可移动元件20，以及在拉紧状态下连接在支撑结构10和可移动元件20之间的四根SMA致动器线30。SMA致动器线30是相对的，并且在六个自由度内驱动可移动元件20在相反方向上的移动，即沿着三个正交轴的平移移动和围绕三个正交轴的旋转移动。
第五SMA致动组件5可以具有如在对其进行参考的WO-2013/175197或WO-2014/083318中的任一个中进一步详细描述的构造。然而，SMA致动器线30的布置的概述如下所述。
在第五SMA致动组件5中，可移动元件20相对于支撑结构10的沿着z轴的移动机械上被约束，例如通过将可移动元件20支撑在支撑结构10上的悬架系统，其可以包括如在WO-2013/175197中公开的梁、滑动轴承或在WO-2014/083318中公开的滚珠轴承。因此，较少的SMA致动器线30被以更简单的布置设置，因为不需要驱动沿着光轴的移动。
一根SMA致动器线30以2重旋转对称布置设置在可移动元件20的四个侧面中的每一个侧面上。每根SMA致动器线30基本上垂直于可移动元件20的光轴的径向线延伸，其基本上垂直于x轴或y轴，并因此提供主要沿着x轴或主要沿着y轴的力分量。每根SMA致动器线30在一个端部处连接到支撑结构10并且在另一个端部处连接到可移动元件20。SMA致动器线30连接到支撑结构10的端部围绕z轴在连续侧上交替。因此，相对侧上的成对的SMA致动器线30提供在沿着x轴的相反方向上的或在沿着y轴的相反方向上的力分量。然而，由两对SMA致动器线30施加的扭矩围绕光轴(z轴)处于相反方向。
因此，SMA致动器线30在选择性收缩时能够驱动可移动元件20相对于支撑结构10的移动，以两个自由度(即，沿着x轴和y轴)的平移移动并且还以一个自由度(即，围绕z轴)的旋转移动。由于对称布置，每个自由度的移动通过SMA致动器线30的不同组合的收缩来驱动。随着移动线性地增加，在三个自由度内到任何平移和/或旋转位置的移动通过SMA致动器线30的收缩的线性组合来驱动。因此，通过控制施加到每根SMA致动器线30的驱动信号来控制可移动元件20的平移和旋转位置。
在使用中，横向于可移动元件20的光轴(即，沿着x轴和y轴)的平移移动可用于提供OIS。在那种情况下，可希望的是围绕光轴不存在旋转移动，或者可能是围绕光轴的旋转变化，这可取决于悬架系统的性质。由于通过SMA致动器线30的收缩得到旋转位置，因此这实际上需要控制驱动信号以提供恒定的旋转位置。
第一至第五SMA致动器组件1-5中的每一个还包括安装在支撑结构10上的集成电路芯片14，并且在该集成电路芯片14中实现了控制电路50，该控制电路50可以采用图7或图8中任一个所示的形式。在这两种形式中，控制电路50被连接到SMA致动器线30，并被布置为向每一根SMA致动器线30提供相应的驱动信号。为了简单起见，以下描述涉及多根SMA致动器线30的情况，但是也可以同样应用于具有单根SMA致动器线30的第一SMA致动器组件1。
在下面的描述中，N是SMA致动器线30的数量，n用作下标标号来识别关于每根SMA致动器线30的信号，而M是SMA致动器线30的布置能够驱动移动的自由度的数量，以及m用作下标标号来识别关于每个自由度的信号。
图7中所示的控制电路50的第一形式应用如下的基于电阻的闭环控制，使用作为每根SMA致动器线的电阻测量值的反馈信号和作为每根SMA致动器线的电阻的目标测量值的目标信号。
控制电路50包括驱动电路51，驱动电路51被布置成根据向其提供的关于每根SMA致动器线30的控制信号Contn来生成用于每根SMA致动器线30的驱动信号Driven。驱动电路51连接到每根SMA致动器线30并向其提供驱动信号Driven。驱动电路51可以是恒压电流源或恒流电流源。例如，在后一种情况下，恒定电流可能约为120mA。在这个例子中，由驱动电路51生成的驱动信号Driven是脉宽调制(PWM)信号，因此每个驱动信号Driven的PWM占空比由驱动电路51改变，以根据相应的控制信号Contn改变功率。更一般地，驱动信号Driven的功率可以以其他方式改变，例如通过改变驱动信号Driven的电压和/或电流。
当驱动信号Driven被提供给SMA致动器线30时，控制电路50的以下部分工作。
控制电路50包括检测电路52，检测电路52检测关于每根SMA致动器线30的电阻测量值Rn。在控制电路50的第一种形式中，电阻测量值Rn本身被用作闭环控制的反馈信号，如下所述。
检测电路52可以跨每根SMA致动器线30连接。在驱动电路51是恒流电流源的情况下，检测电路52可以是电压检测电路，其可操作以检测在每根SMA致动器线30两端的电压，其是SMA致动器线30的电阻Rn的度量。在驱动电路51是恒压电流源的情况下，检测电路52可以是电流检测电路。为了更高的准确度，检测电路52可以包括电压检测电路和电流检测电路，其可操作用于检测跨每个SMA致动器的电压和电流，并且得出作为其比率的电阻测量值Rn。
可替代地，SMA致动器线30可以一起连接在可移动元件处，在这种情况下，驱动电路51可以生成驱动信号Driven，并且检测电路52可以使用WO-2012/066285中公开的类型的技术来检测电阻测量值Rn。
控制电路50包括运动控制块53，其设置关于每根SMA致动器线30的目标信号Rtargetn。由于反馈信号是SMA致动器线30的电阻测量值Rn，所以目标信号Rtargetn对应于关于每根SMA致动器线30的期望电阻。
考虑到SMA致动器线30的几何布置，目标信号Rtargetn表示可移动元件20相对于支撑结构10的期望位置。在可移动元件20的期望位置相对于M个自由度表示的情况下，可以使用基于SMA致动器线30的几何布置的数学变换从其获得目标信号Rtargetn。目标信号Rtargetn被设置为根据应用提供期望运动。
例如，在应用是OIS的情况下，基于振动传感器13的输出设置目标信号Rtargetn，以移动包括相机透镜元件的可移动元件20，从而提供OIS。
在第四SMA致动组件4的情况下，目标信号Rtargetn可以被设置为提供：
·沿着x轴和y轴(即垂直于光轴)的平移位置，其基于振动传感器13的输出提供OIS；
·沿z轴(即光轴)的平移移动，其以期望的方式例如根据用户输入或根据自动聚焦控制系统的输出改变焦点；
·围绕x轴和y轴(即垂直于光轴)的旋转位置，该旋转位置是恒定的，使得可移动元件的光轴保持垂直于图像传感器12，以在整个图像上提供均匀的焦深；以及
·围绕z轴(即光轴)的旋转位置，其是恒定的，这对于悬架系统来说是必要的，但这可替代地可以改变。
在第五SMA致动组件5的情况下，目标信号Rtargetn可以被设置为提供沿着x轴和y轴(即垂直于光轴)的平移位置，其基于振动传感器13的输出提供OIS。
控制电路50包括误差块54，该误差块54被提供有目标信号Rtargetn和电阻测量值Rn。误差块54获得关于每根SMA致动器线30的误差信号En，表示关于每根SMA致动器线30的目标信号Rtargetn和电阻测量值Rn之间的误差。
控制电路50包括闭环控制块55，其根据相应的误差信号En获得每根SMA致动器线30的控制信号Contn。闭环控制块55执行闭环控制以改变驱动信号Driven的功率，以减小误差信号En，从而驱动SMA致动器线30的电阻测量值Rn匹配目标信号Rtargetn。闭环控制块55可以实现任意合适的闭环控制算法，例如比例积分微分(PID)控制。
可选地，可以应用误差偏移，例如通过在提供给误差块54之前偏移目标信号Rtargetn，通过在提供给误差块54之前偏移用作反馈信号的电阻测量值Rn，或者通过偏移误差块54本身计算的误差信号En。类似地，可以将偏移添加到控制信号Contn。这种偏移可以被应用以用于例如如下的各种目的。误差偏移可以具有值，考虑到制造公差，该值被选择来调节可移动元件20的实际位置以匹配由目标电阻值表示的期望位置，例如在共同未决的国际专利申请号PCT/GB2016/053865中公开的。误差偏移可以被应用以按照WO-2008/129291中公开的方式减小滞后。对控制信号Contn的偏移可以用于以WO-2009/071898中公开的方式减少稳态误差。
图8中所示的控制电路50的第二形式适用于包括SMA致动器线30的任何SMA致动器组件(例如第二至第五SMA致动器组件2-5中的任一个)，该SMA致动器线30处于包括能够驱动可移动元件在一个或更多个自由度内沿相反方向的移动的相对的SMA致动器线的布置。
控制电路50的第二形式如下应用基于电阻的闭环控制，使用包括关于该自由度或每个自由度的电阻的差分测量值和关于该自由度或每个自由度的目标信号。控制电路50的第二种形式可以应用在WO 2014/076463中公开的技术。
除了该差异之外，控制电路50的第二形式通常类似于控制电路50的第一形式，因此除了下面描述的差异之外，公共块将被赋予共同的参考数字并具有相同的操作。
控制电路50包括驱动电路51，该驱动电路51被布置成根据向其提供的关于每根SMA致动器线30的控制信号Contn生成用于每根SMA致动器线30的驱动信号Driven。驱动电路51与如上所述的控制电路50的第一形式中的驱动电路相同。
控制电路50包括检测电路52，当驱动信号Driven被提供给SMA致动器线30时，该检测电路52检测相对于每根SMA致动器线30的电阻测量值Rn。检测电路52与如上所述的控制电路50的第一形式中的检测电路相同。
在第二形式中，控制电路50还包括变换块56，向该变换块56提供来自检测电路52的电阻测量值Rn。变换块56从电阻测量值Rn中获得关于每个自由度的差分信号Rm。差分信号Rm包括与该自由度内的可移动元件20的位置相对应的关于每个自由度的电阻的差分测量值，并且从驱动该自由度内的移动的相对的SMA致动器线30获得。因此，变换块56使用基于SMA致动器线30的几何布置的数学变换从电阻测量值Rn中获得差分信号Rm。在控制电路50的第二形式中，差分信号Rm被用作闭环控制的反馈信号，如下所述。
控制电路50包括运动控制块53，其设置关于每个自由度的目标信号Rtargetm。由于反馈信号是差分信号Rm，其是对应于各个自由度内的位置的SMA致动器线30的电阻的差分测量值，因此目标信号Rtargetm类似地表示这些自由度内的期望位置。
目标信号Rtargetm被设置成以与如上所述的控制电路50的第一形式类似的方式根据应用提供期望的运动。
控制电路50包括误差块54，其被提供有目标信号Rtargetm和差分信号Rm。误差块54获得关于每个自由度的误差信号Em，表示关于每个自由度的在目标信号Rtargetm和差分信号Rm之间的误差。
控制电路50包括闭环控制块55，其根据每个自由度的误差信号Em获得每根SMA致动器线30的控制信号Contn。闭环控制块55执行闭环控制以改变驱动信号Driven的功率，以减小误差信号Em，从而驱动对应于各个自由度内的位置的差分信号Rm匹配目标信号Rtargetm。闭环控制块55可以实现任意合适的闭环控制算法，例如比例积分微分(PID)控制。
因为闭环控制是基于关于每个自由度的差分信号Rm来执行的，所以闭环控制块55考虑了受到相关的SMA致动器线30的收缩影响的关于每个自由度的调整误差。这是使用基于SMA致动器线30的几何布置的数学变换来完成的。这实际上是与变换块56用于获得关于每个自由度的差分信号Rm的关系相反的关系。
基于关于每个自由度的差分信号Rm执行的闭环控制的另一种作用是，可以独立于位置控制通过改变提供给每根SMA致动器线30的平均功率来执行对SMA致动器线30的张力和温度的设置。因此，每根SMA致动器线30的控制信号Contn可以表示相应的驱动信号Driven的相对功率。然后，驱动电路51可以提供驱动信号Driven，该驱动信号的功率等于提供给每根SMA致动器线30的平均功率乘以由控制信号Contn表示的相对功率。这具有调整驱动信号Driven的功率根据控制信号Contn从平均功率改变的相对量的效果。平均功率可以在致动操作期间保持恒定，但是可以例如响应于环境温度的测量结果而在致动之间变化，例如在WO-2014/076463中更详细公开的。可以使用结合张力和位置/定向的其他方法。
可选地，可以如以上关于控制电路50的第一形式所述地应用偏移。
运动控制块53、误差块54、闭环控制块55和变换块56可以在一个或更多个处理器中实现，该处理器可以是公共处理器，尽管为了便于理解，它们在图7和图8中被示为单独的块。
如上所述，对于控制电路50的任一种形式，目标信号Rtargetn或Rtargetm被设置为根据应用提供可移动元件20相对于支撑结构10的期望位置。
实际上，可移动元件20的移动范围受到运动极限的限制，该运动极限是超过其该元件是不希望移动的限制。运动极限可以是SMA致动器线30不能超过其收缩或延伸的限制，或者是在可用安全功率下的长度变化，或者是足够线性以被控制或给出期望性能的运动停止的限制。通常，运动极限是良好闭环控制的限制。
此外，为了实现可靠性，不应该超过运动极限，因为如果线承受过高的应变或者由于反复循环加载，则存在结构或功能疲劳的风险。在高应变下反复循环加载的组合会因线断裂或致动器移动范围的显著丧失而导致快速失效。
然而，当实际制造这种SMA致动组件时，响应可能会有差异。例如，制造公差导致在名义上相同的不同制造的SMA致动组件之间的差异。另外，例如由于在不同热环境中的操作以及由于其寿命期间的老化，SMA致动器线的响应可能随时间变化。这种差异给可靠地且可重复地控制SMA致动器组件带来了困难，尤其是在最小化疲劳风险的时候，因为运动极限变化。
为了解决这个问题，运动控制块53设置在预定空间包络内变化的表示期望位置的目标信号Rtargetn或Rtargetm。此外，执行预定空间包络的动态调整，以将移动限制在实际运动极限内，而不管这些如何在名义上相同的不同制造的SMA致动组件之间变化和/或随时间变化。
运动控制块53如下执行动态调整。认识到，SMA致动器线30的各种电特性可以提供何时达到可移动元件20的移动的运动极限的指示。因此，运动控制块53监测SMA致动器线30的这种电特性，并基于此检测何时达到运动极限。
可以使用各种不同的电特性，如下所示。
当达到运动极限时，基于电阻的闭环控制的正常响应会发生变化。为了说明这一点，图9示出了SMA致动器线30的电阻如何随着在运动极限之一处提供的功率(在这个例子中是更高功率的运动极限，但是在另一个运动极限也同样适用)而变化的例子。低于运动极限(图9的右手侧)，电阻随功率线性变化。然而，当曲线接近电阻最小的B点时，线性在A点消失。因此，点A或点B可以被认为是基于电阻的闭环控制的运动极限。如果优先级是行进极限的位置精度，则可以选择点A作为运动极限。在期望最大行进量的情况下，点B可以被选择为运动极限，即使牺牲了一定的位置精度。类似于图9的曲线在通过达到SMA致动器线30的材料的相变结束引起的运动极限处或者在由物理障碍物引起的运动极限处经历。
因此，一般来说，可以以基于电阻的闭环控制的响应为基础检测运动极限。例如，可以基于监测的电特性指示闭环控制进入非线性区域来检测到达到运动极限。
被监测的电特性可以包括来自检测电路52的电阻测量值Rn。在控制电路50的第一形式的情况下，这是如短划线所示的反馈信号。在控制电路50的第二形式的情况下，这是提供给变换块56的信号，如短划线所示。
在另一替代方案中，被监测的电特性可包括来自变换块56的差分信号Rm。在控制电路50的第一形式的情况下，这需要额外提供变换块，如长划线所示。在控制电路50的第二形式的情况下，这是如长划线所示的反馈信号。
因此，根据控制电路50的形式，被监测的电特性可以包括电阻测量值Rn和/或反馈信号。
举例来说，一种可能性也是监测驱动信号Driven的功率，如控制信号Contn所表示的，如点划线所示，以将它们与电阻测量值Rn进行比较，从而例如基于图9中所示类型的曲线检测运动极限。
在又一个替代方案中，被监测的电特性可以包括第一形式的控制电路50中的误差信号En或者第二形式的控制电路50中的Em，例如如图7和图8中的虚线所示。
可以通过考虑误差信号En或Em以及误差信号En或Em的变化率或电阻测量值Rn和/或反馈信号的变化率来检测运动极限。后一变化率用于确定移动是否稳定，例如，变化率是否在一定时间段内保持低于固定速度阈值。当移动稳定，误差信号En或Em的绝对值保持在固定误差阈值之上的时候检测运动极限。线电阻被认为是稳定的。
对于控制电路50的任一种形式，运动极限通常可以相对于单独的SMA致动器线30或者相对于自由度来检测。
SMA致动器线30的特性受到噪声量的影响，该噪声量取决于单独SMA致动器线30的配置、SMA致动组件的总体设计和控制电路50的配置。因此，运动控制块53在运动极限的检测中应用标准信号处理技术，例如基于时间的平均和采样。检测参数——例如采样率、稳定时间、阈值等——的选择可以根据经验来确定，从而可以以置信度识别偏离线性区域的检测或者行进的绝对限制，并且可以充分地辨别数据中的杂散噪声尖峰。
响应于检测到这样的运动极限，运动控制块53调整空间包络，以便将移动限制在检测到的运动极限内。在调整空间包络之后，运动控制块53设置在调整后的空间包络内变化的表示期望位置的目标信号Rtargetn或Rtargetm。以这种方式，空间包络在使用中动态变化。
这允许空间包络最初被设置为最大化运动的可用范围，并且不需要被限制为适应所有可能的变化，因为空间包络随后被调整为将移动限制在使用中检测到的运动极限内。这在不需要一次性启动阶段期间的校准或SMA致动器组件上电后的初始校准阶段的情况下实现。
该调整可以防止移动随后到达检测到的运动极限，例如在图9的情况下，该运动极限可以是点A或点B。可替代地，调整可以限制空间包络，以在随后的运动极限和检测到的运动极限之间引入余量，例如在图9的情况下防止运动经过点C。
可选地，运动控制块53可以设置表示围绕参考目标Rrefn或Rrefm变化的期望位置的目标信号Rtargetn或Rtargetm。这在许多应用中很有用。例如，这在OIS的情况下是合乎需要的，例如可以通过第四和第五SMA致动器组件4、5实现的。在这种情况下，参考位置是在相机单元没有振动的情况下包括相机透镜元件的可移动元件20的位置，并且从该参考位置的移动实现OIS。
在控制电路的第一形式的情况下，关于每根SMA致动器线30的参考目标Rrefn的初始值可以是相同的。
在下文中，关于每根SMA致动器线30的参考目标Rrefn和每个自由度的Rrefm为了简明起见将仅被称为参考目标Rref，但是描述涉及每个参考目标Rrefn或Rrefm。可以以各种不同的方式设置参考目标Rref。
在第一种方法中，参考目标Rref可以被设置为存储值。该值可以在制造期间存储，但是这不适应SMA致动组件寿命期间的变化。因此，可以通过使用在先前使用SMA致动组件期间存储的值来提高性能。由于在SMA致动组件的两次使用之间可能存在相对较小的差异，这提供了相当精确的参考目标Rref。
在存储器不可用于存储的情况下，参考目标Rref可以在上电之后被设置，例如通过运动控制块53执行以下设置方法。
最初，控制驱动电路51以向每根SMA致动器线30提供具有预定功率的初始驱动信号，优选为相等功率。
在提供初始驱动信号期间，检测电路52获得每根SMA致动器线30的电阻的初始测量值。
然后运动控制块53将参考目标Rref的初始值设置为对应于电阻的初始测量值。这允许在每次使用时动态设置参考目标Rref，这适应了SMA致动组件寿命期间的变化。
在运动控制块53设置表示围绕参考目标Rrefn或Rrefm变化的期望位置的目标信号Rtargetn或Rtargetm的情况下，参考目标Rrefn或Rrefm相对于由SMA致动器线30驱动的移动的每个自由度最初在预定空间包络内居中。这均衡了参考目标Rrefn或Rrefm每一侧的可用运动范围。
在这种情况下，当检测到运动极限并且空间包络被调整以将移动限制在检测到的运动极限内时，根据应用，(1)参考目标Rrefn或Rrefm也可被调整为在调整后的空间包络内居中，这在期望在参考目标Rrefn或Rrefm的每一侧上具有相等的移动范围的情况下是有利的，例如当应用是OIS并且运动的绝对中心与运动范围相比不那么重要时，因为用户可以在将相机单元指向待成像的对象的时候调整绝对定向，或者(2)参考目标Rrefn或Rrefm可以保持相同的值，这在对应于参考目标Rrefn或Rrefm的绝对位置重要的情况下是有利的，尽管参考目标Rrefn或Rrefm的每一侧上的所得的移动范围会不相等。
举例来说，图10示出了用于调整空间包络并针对自由度之一调整参考目标Rrefm以将其保持在调整后的空间包络内的中心的方法的具体示例。
在图10中，水平绘制了目标信号Rtargetm，显示了参考目标Rrefm以及空间包络的下限Ru和上限Rl的值。
图10的上部图示出了最初设置的预定空间包络。在这种情况下，参考目标Rref、下限Ru和上限Rl取初始值，其中参考目标Rref在下限Ru和上限Rl之间居中，每侧上具有大小为s的相等可用的行程(stroke)。
图10的中间图示出了响应于检测到相对于自由度的第一方向上的第一运动极限而执行的第一调整。在该示例中，第一运动极限是下运动极限Ml，但是如果首先检测到上运动极限Mu，则应用相反的情况。通过将空间包络的下限Rl调整增加量a来调整空间包络以将移动限制在下运动极限Ml内。同时，参考目标Rref和上限Ru也调整了相同的增加量a。这将参考目标Rrefm保持在空间包络的中心，并且在调整后的参考目标Rrefm的每一侧上也保持大小为s的相等的可用行程。
图10的下部图示出了响应于检测到相对于自由度的第二方向上的第二运动极限而执行的第二调整。在该示例中，第二运动极限是上运动极限Mu，但是如果首先检测到上运动极限Mu并且其次检测到下运动极限Ml，则应用相反的情况。通过将空间包络的上运动极限Ru调整减小量b来调整空间包络以将移动限制在上运动极限Mu内。同时，鉴于先前检测到的下运动极限Ml，参考目标Rref调整了减小量(b/2)并保持下限Rl。这将参考目标Rrefm保持在空间包络内的中心，并且在调整后的参考目标Rrefm的每一侧上也保持尺寸减小的相等可用行程(s-(b/2))，其在参考目标Rref处于这些行程的中心的情况下将最大可用行程相等地保持在两个检测到的运动极限Ml和Mu之间。
参考图6示出的具体方法不是限制性的，并且可以应用其它方法来使参考目标电阻值Rref居中。

Claims (23)

1.一种控制SMA致动组件的方法，其中，至少一根SMA致动器线在拉紧状态下连接在支撑结构和可移动元件之间，处于能够驱动所述可移动元件相对于所述支撑结构的移动的布置中，所述方法包括：
在向所述至少一根SMA致动器线提供驱动信号以驱动所述移动时：
设置表示所述可移动元件相对于所述支撑结构的期望位置的在预定空间包络内变化的目标信号；
获得所述至少一根SMA致动器线的电阻测量值；以及
基于所述目标信号和从所获得的电阻测量值得到的反馈信号，在闭环控制下控制所述驱动信号的功率，
监测所述至少一根SMA致动器线的电特性；以及
基于监测到的电特性，检测何时达到由所述至少一根SMA致动器线驱动的所述移动的运动极限，并响应于此调整所述空间包络以将所述移动限制在检测到的运动极限内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述监测到的电特性指示所述闭环控制进入非线性区域，执行对何时达到运动极限的所述检测。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，被监测的所述电特性包括所述获得的电阻测量值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，被监测的所述电特性还包括所述驱动信号的功率。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，基于所述驱动信号的功率和所述获得的电阻测量值之间的误差来执行对何时达到运动极限的所述检测。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，被监测的所述电特性包括所述反馈信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，基于所述反馈信号和所述目标信号之间的误差执行对何时达到运动极限的所述检测。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标信号表示所述可移动元件相对于所述支撑结构的、围绕参考目标变化的期望位置，所述参考目标最初在所述预定空间包络内居中。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括：最初向所述至少一根SMA致动器线提供具有预定功率的初始驱动信号，当施加所述初始驱动信号时，获得所述至少一根SMA致动器线的电阻的初始测量值，以及将所述参考目标的初始值设置为对应于所述电阻的初始测量值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一根SMA致动器线包括多根SMA致动器线，并且所述初始驱动信号具有相等的预定功率。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括将所述参考目标的初始值设置为在先前使用所述SMA致动组件期间存储的值。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中
所述至少一根SMA致动器线包括多根SMA致动器线，
所述电阻测量值是关于每根SMA致动器线获得的，
所述反馈信号包括每根所述SMA致动器线的所获得的电阻测量值，
所述目标信号包括每根所述SMA致动器线的电阻的目标测量值，以及
所述参考目标的初始值对于每根所述SMA致动器线是相同的。
13.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括响应于检测到运动极限，将所述参考目标调整为在调整后的空间包络内居中。
14.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，所述方法包括，响应于检测到相对于任一自由度的第一方向上的第一运动极限，通过移动所述预定空间包络来调整所述预定空间包络，以将所述移动限制在所述第一运动极限内。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法包括，响应于检测到相对于与所述第一运动极限相同的自由度的第二方向上的第二运动极限，通过减小所述预定空间包络的尺寸来调整所述空间包络，以将所述移动限制在所述第一运动极限和所述第二运动极限内。
16.根据权利要求1至2、4至5、7至11和15中任一项所述的方法，其中，所述至少一根SMA致动器线包括多根SMA致动器线，并且所述电阻测量值是关于每根SMA致动器线获得的。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述反馈信号包括每根所述SMA致动器线的所获得的电阻测量值，并且所述目标信号包括每根所述SMA致动器线的电阻的目标测量值。
18.根据权利要求16所述的方法，其中
所述SMA致动器线处于包括相对的SMA致动器线的布置中，所述相对的SMA致动器线能够驱动所述可移动元件在一个或更多个自由度内沿相反方向的移动，
所述反馈信号包括关于所述自由度或每个自由度的从驱动该自由度内的移动的相对的SMA致动器线获得的电阻的差分测量值，以及
所述目标信号包括关于所述自由度或每个自由度的目标信号。
19.根据权利要求1至2、4至5、7至11、15和17-18中任一项所述的方法，其中，所述SMA致动组件设置在包括图像传感器的相机单元中，并且所述可移动元件包括被布置成将图像聚焦在所述图像传感器上的相机透镜元件。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述图像传感器安装在所述支撑结构上，并且所述至少一根SMA致动器线处于能够驱动横向于所述可移动元件的光轴的移动的布置中。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述目标信号表示基于检测所述相机单元的振动的振动传感器的输出来提供聚焦在所述图像传感器上的图像的光学图像稳定性的期望位置。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述可移动元件包括具有不超过10mm的直径的一个或更多个透镜。
23.一种SMA致动组件，包括：
支撑结构；
可移动元件；
至少一根SMA致动器线，所述至少一根SMA致动器线在拉紧状态下连接在所述支撑结构与所述可移动元件之间，处于能够驱动所述可移动元件相对于所述支撑结构的移动的布置中；以及
控制电路，所述控制电路布置成将驱动信号提供给所述至少一根SMA致动器线，所述控制电路布置成：
设置表示所述可移动元件相对于所述支撑结构的期望位置的在预定空间包络内变化的目标信号；
获得所述至少一根SMA致动器线的电阻测量值，以及
基于所述目标信号和从所获得的电阻测量值得到的反馈信号，在闭环控制下控制所述驱动信号的功率，
监测所述至少一根SMA致动器线的电特性；以及
基于监测到的电特性，检测何时达到由所述至少一根SMA致动器线驱动的所述移动的运动极限，并响应于此调整所述空间包络以将所述移动限制在检测到的运动极限内。
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