CN104335101B - 形状记忆合金致动装置 - Google Patents

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Abstract

一种SMA致动装置，其使用总共四根SMA致动器导线，沿两个正交方向相对于支撑结构移动可移动元件，其中四根SMA致动器导线中的每根的端部连接在可移动元件与支撑结构之间并垂直于主轴线延伸。SMA致动器导线都不共线，但SMA致动器导线具有这种布置，其中，以该种布置能选择性地驱动这些SMA致动器导线，以将可移动元件相对于支撑结构移动到所述运动范围中的任意位置，而不用围绕主轴线在两个正交方向的平面中对可移动元件施加任何净转矩。因此，有可能驱动运动同时平衡各力以限制围绕主轴线的转矩。

Description

形状记忆合金致动装置
技术领域
本发明涉及使用SMA(形状记忆合金)致动器导线来对支撑在支撑结构上的可移动元件提供位置控制。
背景技术
存在各种类型的装置，其中希望这些装置对可移动元件提供位置控制。SMA致动器导线作为致动器在这些装置中是有利的，特别是由于其高的能量密度，这意味着要求施加给定力的SMA致动器具有相对较小的尺寸。
一种类型的其中已知SMA致动器导线用作致动器的装置为照相机，特别是微型照相机。一些实例如下。WO-2007/113478公开了一种SMA致动装置，其中SMA致动器导线用于驱动照相机透镜元件沿着光轴运动，例如为了将由照相机透镜元件所形成的图像聚焦到图像传感器上。WO-2010/029316和WO-2010/089529每一个均公开了一种SMA致动装置，其中SMA致动器导线用于通过驱动包括照相机透镜元件和图像传感器的照相机单元倾斜而在照相机中提供光学图像稳定(OIS)。控制该倾斜以稳定由照相机透镜元件形成在图像传感器上的图像以对抗典型地由用户手运动导致的振动，所述振动降低了由图像传感器所捕捉的图像的质量。WO-2011/104518公开了一种SMA致动装置，其中SMA致动器导线用于通过驱动照相机单元的倾斜而在照相机中提供OIS，但具有附加的自由度。
发明内容
本发明涉及一种用于沿两个正交方向相对于支撑结构移动可移动元件的SMA致动装置。
根据本发明，本文提供了一种用于沿两个正交方向相对于支撑结构移动可移动元件的SMA致动装置，所述SMA致动装置包括：
支撑结构；
可移动元件，其以这样的方式支撑在所述支撑结构上，该方式允许可移动元件沿两个垂直于延伸穿过所述可移动元件的名义主轴线的正交方向在一定运动范围内相对于所述支撑结构而运动；以及
总共四根SMA致动器导线，其以这样的布置被连接在所述可移动元件与所述支撑结构之间，其中该布置使得所述SMA致动器导线都不共线，并且使得能选择性地驱动这些SMA致动器导线，以将所述可移动元件相对于所述支撑结构移动到所述的运动范围中的任意位置，而不用围绕主轴线在所述两个正交方向的平面中对可移动元件施加任何净转矩。
该SMA致动装置能利用提供许多优点的SMA致动器的布置，沿两个正交方向相对于支撑结构移动该可移动元件。
由于围绕主轴线的布置，该SMA致动器导线能通过SMA致动器导线的选择性驱动，沿垂直于主轴线的两个正交方向驱动可移动元件的运动。上述内容可得以实现，同时最小化了沿垂直于正交方向的主轴线的方向上的SMA致动器装置的高度。这是因为SMA致动器导线可布置成垂直于主轴线，或者相对于它以小角度布置，使得SMA致动器导线在很小程度上垂直于主轴线。
此外，SMA致动器导线具有这样的布置，其中这些SMA致动器导线能通过选择性驱动而将可移动元件相对于支撑结构移动到所述运动范围中的任意位置，而不用围绕主轴线在所述两个正交方向的平面中对可移动元件施加任何净转矩。这可以通过下面进一步讨论的许多不同的布置实现。在一种便利布置中，四根SMA致动器导线围绕主轴线环形地布置在不同的角度位置处，并且邻近的SMA致动器导线围绕所述主轴线沿不同的指向对可移动元件施力。
采用SMA致动器导线的这种布置，有可能以这样的方式驱动SMA致动器导线，以该方式，这些SMA致动器导线相较于其它布置对可移动元件施加减小的转矩。这是因为在各个SMA致动器中生成的围绕主轴线的转矩趋于互相平衡。使转矩平衡的该趋势是以该布置连接这些SMA致动器导线的自然结果。
减小的转矩减小可移动元件围绕主轴线旋转的趋势，并因而减小关于可移动元件如何进行悬挂的要求。从而，减少了对任何悬架***的约束，或可以避免对悬架***的需求，使得可移动元件由SMA致动器导线本身来支撑。
令人惊奇的是，采用提供了非常简单的布置的仅仅单组的四根SMA致动器导线就可实现这种益处。
在一个实例中，SMA致动装置可以用于给照相机提供OIS。在该实例中，SMA致动装置是照相机装置，所述照相机装置还包括固定到所述支撑结构的图像传感器，且所述可移动元件包括照相机透镜元件，所述照相机透镜元件包括一块或多块布置成将图像聚焦到所述图像传感器上的透镜。在这种情况下，所述主轴线为所述照相机透镜元件的光轴。该SMA致动装置可因此通过可被称为“平移”或“OIS平移”的相交于光轴的照相机元件的移动来提供OIS。这是有益的，由于它相比于其中通过倾斜包括照相机透镜元件和图像传感器的照相机单元来提供OIS的照相机减少了总体尺寸，其中照相机需要足够的间隙以提供整个照相机单元的运动。这些优点在例如其中一块或多块透镜的直径至多为10mm的微型照相机中尤其有益。
为了提供OIS，SMA致动装置还可包括：振动传感器，其布置成产生表示所述装置的振动的输出信号；及控制电路，其布置成响应于所述振动传感器的输出信号产生用于所述SMA致动器导线的驱动信号，并将产生的驱动信号提供至所述SMA致动器导线，所述驱动信号用于稳定由所述图像传感器感测到的图像。
附图说明
为了进行更好地理解，现在将参照附图以非限制性实例的方式描述本发明的实施例，在附图中：
图1是照相机装置的示意性横截面视图；
图2是在照相机装置的悬架***的透视图；
图3是SMA致动器导线在照相机装置中的布置的透视图；
图4是悬架***和SMA致动器导线一起布置的透视图；
图5是SMA致动器导线沿光轴布置的平面图；
图6是用于SMA致动器导线的控制电路的简图；
图7是控制电路的驱动电路的简图；以及
图8-16是SMA致动器导线可能的不同布置的示意图。
具体实施方式
图1中示出了作为根据本发明的SMA致动装置的实例的照相机装置1，图1是沿着为名义主轴线的光轴O所截取的横截面视图。为了清楚地描述照相机装置1的主要零件，SMA致动器导线并未在图1中示出，但随后参照图3-5进行了描述。照相机装置1将被并入到如移动电话、媒体播放器或便携式数字助理的便携式电子器件中。因此微型化是重要的设计准则。
照相机装置1包括透镜元件2，所述透镜元件2以这样的方式通过悬架***7支撑在支撑结构4上，如以下所详细描述的，该方式允许透镜元件2沿每个都垂直于光轴O的两个正交方向相对于支撑结构4进行移动。因此，透镜元件2为可移动元件。
支撑结构4为将图像传感器6支撑在其基座5的前侧上的照相机支架。在基座5的后侧上安装有IC(集成电路)芯片30，其中控制电路40以及还有陀螺仪传感器47在所述IC芯片30中实现。
透镜元件2包括支撑着沿光轴O布置的透镜22的圆柱体形式的透镜架21，但通常可提供任意数目的透镜22。照相机装置1是透镜22(或如果提供了多个透镜的话，则是多个透镜22)的直径至多为10mm的微型照相机。
将透镜元件2布置成将图像聚焦到图像传感器6上。图像传感器6捕捉图像，且可以是任何合适的类型，例如CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)器件。
透镜22(或如果提供了多个透镜的话，则是多个透镜22)可以相对于透镜架21而固定，或者可选地可以这样的方式被支撑在该透镜架上，其中以该方式，透镜22(或至少一块透镜22，如果提供了多个透镜的话)沿光轴O可移动，例如以提供聚焦。当透镜22沿光轴O可移动时，例如使用诸如描述于WO-2007/113478中的音圈马达或SMA致动器导线，可以提供合适的致动***(未示出)。
在操作中，相对于图像传感器6，沿示出为X和Y的两个正交方向正交于光轴O移动透镜元件2，具有这样的效果：移动了图像传感器6上的图像。这可用于提供OIS，补偿例如手抖动引起的照相机装置1的图像运动。
在许多使用SMA致动器导线以提供OIS功能的已知装置中，例如，如WO-2010/029316和WO-2010/089529中公开的，通过倾斜基本上为刚性体的包括透镜元件和图像传感器的整个照相机单元来提供OIS。补偿用户手抖动的方法原理上确实提供了最好的OIS性能，因为将透镜元件对准到图像传感器在微型照相机中是困难的且制造容差是非常严格的。另外，被补偿的用户手抖动基本上是倾斜照相机，且因此给人补偿也应当倾斜照相机的直观感觉。然而，在该实例中，用不同方式执行OIS以便缓解一些其它的问题。
第一个问题是，使用“照相机倾斜”方法，图像传感器相对于固定的照相机结构移动。这在将电连接件从图像传感器连接至照相机的固定结构，并连接至移动电话主板之上时存在极大的困难。对此的解决方案集中于连接连接件的柔性印刷电路(FPC)，但FPC设计由于大量的连接件和高的数据速率仍具有挑战性。因此，非常希望图像传感器保持稳定和固定。
第二个问题是，照相机倾斜方法意味着具有支撑结构的至少包括透镜和图像传感器的照相机结构，其必须在周围支撑结构内部倾斜。因为照相机具有有限的占位面积，故照相机倾斜意味着OIS照相机的照相机厚度(高度)必须大于没有OIS的等效照相机的照相机厚度(高度)。在移动电话中，非常需要减少照相机的高度。
第三个问题是，通过倾斜整个照相机，不在没有OIS的照相机的占位面积基础上增加照相机的占位面积将难以封装倾斜致动器。
因此，在该实例中，沿两个正交方向线性地移动透镜元件2，所述两个正交方向皆垂直于光轴O的线性移动可称为“平移”或“OIS平移”。所产生的图像补偿没有完全彻底改变用户手抖动的影响，但考虑到上述限制认为得到的性能是足够好的，且特别是其允许相对于使用倾斜的装置减小照相机装置1的尺寸。
在图2中示出分离的悬架***7，且所述悬架***7如下布置。
悬架***7包括连接在支撑板72和透镜板73之间的四根梁71，所述支撑板72构成支撑结构4的一部分，所述透镜板73构成透镜元件2的一部分，且该悬架***7被连接到如图1所示的透镜架21的后端。四根梁71平行于彼此且平行于光轴O而延伸，且因此垂直于透镜元件2沿其移动的正交方向而延伸，但它们也能以非垂直角度延伸，只要它们与正交方向相交即可。
梁71以四根梁71不能旋转的方式，例如通过焊接，被固定到支撑板72和透镜板73中的每一个。
梁71定位在支撑结构4的内部和镜片架21的外部，支撑板72和透镜板73具有相同的构造，所述构造包括与光轴O对齐的各自的开孔74和75，以容纳透镜元件2并允许光通过到达图像传感器6。这些梁71围绕光轴O均匀隔开，每根梁71位于照相机装置1的每个转角处。
仅通过使梁71弯曲，特别是呈S形弯曲的方式，梁71借此以所述的允许透镜元件2沿垂直于光轴O的两个正交方向相对于支撑结构4移动的方式，将透镜元件2支撑在支撑结构4上。相反，梁71抵抗沿光轴O的运动。梁71可以具有任何构造，通常是由例如金属导线的导线构成，其提供垂直于光轴O所需的柔性。
通常，悬架***7可以具有任意可选的构造，其允许透镜元件2沿垂直于光轴O的两个正交方向相对于支撑结构4的运动。例如，悬架***7可以采用滚珠轴承或挠曲。
图3-5中示出了致动器布置10驱动透镜元件2的运动，现在将对其进行描述。
如图1和图4所示，驱动器布置10包括连接在支撑块16和可移动平台15之间的总共四根SMA致动器导线11-14，所述支撑块16构成支撑结构4的一部分且被安装到基座5，所述可移动平台15构成透镜元件2的一部分且被安装到透镜板73的后面。
SMA致动器导线11-14中的每根保持处于拉紧状态，从而沿垂直于光轴O的方向在可移动平台15和支撑块16之间施力。在操作中，如下进一步所述，SMA致动器导线11-14沿垂直于光轴O的两个正交方向相对于支撑块16移动透镜元件2。
SMA致动器导线11-14中的每根都垂直于光轴O延伸。在该致动器布置10中，SMA致动器导线11-14在同一个平面中延伸，这对最小化致动器布置10沿光轴O的尺寸是有利的。这种布置还可最小化沿与光轴O平行的方向上作用于悬架***7上的力。
作为替代，可将SMA致动器导线11-14布置成以与垂直于光轴O的正交方向呈非零角度倾斜，该角度优选较小。在这种情况下，操作中的SMA致动器导线11-14沿光轴O产生分力，该分力可倾向于倾斜或沿与光轴O平行的方向移动透镜元件2。通过悬架***7可抵抗这样的分力以提供沿垂直于该光轴O的正交方向上的运动。相反地，在沿着光轴O的方向上提供可接受的较小的倾斜或运动的SMA致动器导线11-14的倾斜度取决于悬架***7沿着光轴O的刚度。因此，在悬架***7沿着光轴O具有较高的刚度的情况下，例如当包括如上所述的梁71或包括滚珠轴承时，允许相对高的倾斜度。
在悬架***7包括滚珠轴承的情况下，甚至可能希望SMA致动器导线11-14沿平行于光轴O的方向倾斜相当大的分量，使得SMA致动器导线11-14中的张力将透镜元件2推动到滚珠轴承之上。
不管SMA导线11-14是否垂直于光轴O或是否以与垂直于光轴O的平面呈小角度倾斜，都可将致动器布置10做得非常紧凑，特别是在沿光轴O的方向上。SMA致动器导线11-14本身是非常薄的，通常其直径为25μm的量级，以确保快速加热和冷却。SMA致动器导线11-14的布置10几乎不增加致动器布置10的占位面积，并且可在沿着光轴O的方向上做得非常薄，这是因为SMA致动器导线11-14基本上放置在它们在其中保持操作状态的垂直于光轴O的平面中。然后，沿着光轴的高度取决于其它部件(诸如下面描述的压接元件17和18)的厚度和允许制造所需要的高度。在实践中，已发现可将图3中所示的SMA致动器导线11-14的致动器布置制造成小于1mm的高度。在移动电话照相机的实例中，SMA致动器导线11-14的尺寸通常将SMA致动器导线11-14与垂直于光轴O的平面之间的角度限制为小于20度，并且更优选地小于10度。
SMA致动器导线11-14的一端通过各个压接元件17连接到可移动平台15，其另一端通过压接元件18连接到支撑块16。压接元件17和18压接导线以机械地保持该导线，通过使用黏合剂来随意地加强保持。压接元件17和18还给SMA致动器导线11-14提供电连接件。然而，可以可选地使用用于连接SMA致动器导线11-14的任何其它合适的方式。
SMA材料具有这样的特性，即在加热时SMA材料经受导致SMA材料收缩的固体状态相变。在低温下，SMA材料进入马氏体相。在高温下，SMA进入奥氏体相，所述奥氏体相导致变形，变形引起SMA材料收缩。该相变由于转变温度在SMA晶体结构中的统计分布而在一定温度范围内发生。因此，加热SMA致动器导线11-14导致这些导线11-14长度减小。SMA致动器导线11-14可由任何合适的SMA材料制成，例如由镍钛诺或另一钛合金SMA材料制成。有利地，选择SMA致动器导线11-14的材料成分和预处理以在正常操作期间在高于预计环境温度的一定温度范围内提供相变，并且尽可能广泛地最大化位置控制的程度。
在加热SMA致动器导线11-14中的一根时，此SMA致动器导线中的应力增加，且其收缩。这引起透镜元件2的运动。当SMA的温度在所述温度范围内增加时发生一系列的运动，在所述温度范围内，发生SMA材料从马氏体相到奥氏体相的转变。相反地，在冷却SMA致动器导线11-14中的一根时，使得此SMA致动器导线中的应力降低，其在来自相对的那些根SMA致动器导线11-14的力作用下膨胀。这使得透镜元件2沿相反的方向移动。
如图5所示，SMA致动器导线11-14具有如下围绕光轴O的布置。
SMA致动器导线11-14中的每根都沿着透镜元件2的一侧进行布置。因此，围绕光轴O在不同角度位置处环形地布置SMA致动器导线11-14。因此，四根SMA致动器导线11-14包括布置在光轴O的相对侧的第一对SMA致动器导线11和13，以及布置在光轴O的相对侧上的第二对SMA致动器导线12和14。第一对SMA致动器导线11和13能选择性驱动以便沿所述平面中的第一方向相对于支撑结构4移动透镜元件2，并且第二对SMA致动器导线12和14能选择地驱动以便沿与第一方向相交的所述平面中的第二方向相对于支撑结构4移动透镜元件2。通过这些对SMA致动器导线11-14的致动的组合可驱动SMA致动器导线11-14沿非平行的各方向运动，以提供在相交方向上运动的线性组合。观察该运动的另一种方式是，同时收缩环形地彼此相邻的任意一对SMA致动器导线11-14，这将驱动透镜元件2沿平分SMA致动器导线11-14中的两根的方向(图5中对角地，用箭头X和Y标记)的运动。
结果，SMA致动器导线11-14能被选择性地驱动，以将透镜元件2沿垂直于光轴O的两个正交方向相对于支撑结构4移动到运动范围中的任意位置。该运动范围的大小取决于SMA致动器导线11-14在其正常的操作参数内的几何结构和收缩范围。
通过选择性地改变SMA致动器导线11-14的温度来控制透镜元件2垂直于光轴O的相对于支撑结构4的位置。这是通过将提供电阻性加热的选择性驱动电流流过SMA致动器导线11-14来实现的。通过所述驱动电流直接提供加热。通过减少或停止所述驱动电流以允许透镜元件2通过传导、对流和辐射至其周围环境冷却来提供冷却。
SMA致动器导线11-14沿着透镜元件2的各侧的布置，不像例如其中导线径向于光轴O延伸的布置(这将增加照相机装置1的占位面积)，而是辅助提供紧凑的布置，这是由于SMA致动器导线11-14中的每根如从那侧所看到的那样很大程度上或完全地装配在透镜元件2的侧面中。然而由于不是径向的，每根SMA致动器导线11-14围绕光轴O在两个正交方向的平面中分别对透镜元件2施加转矩。这样的转矩可能增加对悬架***7的要求，其需要抵抗任何净转矩，同时允许在该平面中运动。
然而，由于这些导线都不共线，所以可以将这些导线布置成在一起操作它们时施加抵消转矩。连接围绕光轴O的邻近的SMA致动器导线11-14以围绕光轴O沿不同指向对透镜元件2施力。即，如由光轴向外所观察到的，SMA致动器导线11的左端连接到支撑块16，且其右端连接到可移动平台15，但下一根SMA致动器导线12的左端连接到可移动平台15，而其右端连接到支撑块16，等等。结果，围绕光轴O的邻近的SMA致动器导线11-14还围绕光轴O沿不同指向施加转矩。即，当如图5所示进行观察时，SMA致动器导线11沿逆时针指向对透镜元件2施力，但下一根SMA致动器导线12对透镜元件2施加沿顺时针指向的力，等等。
这意味着，第一对SMA致动器导线11和13围绕光轴O沿第一指向(图5中所示的逆时针方向)在所述平面中产生施加至透镜元件2的净转矩，以及第二对SMA致动器导线12和14围绕光轴O沿相反指向(图5中所示的顺时针方向)在所述平面中产生施加至透镜元件2的净转矩。结果，由于每根SMA致动器导线11-14中的任意程度的加热，这两个转矩趋向于抵消。
此外，用这种配置，原则上可实现到运动范围内的任意位置的运动，而不用围绕光轴O在两个正交方向的平面中对透镜元件2施加任何净转矩。为了理解这一点，人们可以独立于第二对SMA致动器导线12和14来考虑第一对SMA致动器导线11和13。为了运动至二维中的任意给定位置，用第一对SMA致动器导线11和13中的一定范围的应力，并进而用第一指向上的一定范围的转矩，可获得源自第一对SMA致动器导线11和13的运动。类似地，用第二对SMA致动器导线12和14中一定范围的应力，并进而用第二指向上的一定范围的转矩，可获得源自第二对SMA致动器导线12和14的运动。这意味着，基于与SMA致动器导线11-14的期望位置和布置相关的简单的几何计算，通过适当地选择每根SMA致动器导线11-14中的应力，可以平衡各转矩。
相反，如果连接了所有的SMA致动器导线11-14以围绕光轴O在相同的指向上对透镜元件2施力，则它们将总是产生围绕光轴O的净转矩，而不管它们是如何被驱动的。
当沿其他方向(其为沿方向X和Y运动的线性组合)移动透镜元件2时，一定的平衡程度是该布置的自然效果，且实际上通过适当地选择在SMA致动器导线11-14中的每一根中产生的力，有可能使得SMA致动器导线11-14不产生围绕光轴O的净转矩。
围绕光轴O的转矩的减少降低了透镜元件2围绕光轴O旋转的趋势。围绕光轴O的转矩的减少或平衡较小了对悬架***7的约束。实际上，在一些实施方式中，这些约束条件可以被减小到不需要悬架***的程度，并且透镜元件2替换为由SMA致动器导线11-14本身支撑。
特别需要注意的是，在仅采用单组四根SMA致动器导线11-14的这种致动器布置10中可以获得这些有益效果，其中所述单组四根SMA致动器导线11-14提供非常简单且紧凑的布置。
在该致动器布置10中，SMA致动器导线11-14在同一个平面中延伸，这对最小化致动器布置10沿光轴O的尺寸是有利的。另外，SMA致动器导线11-14可以沿着光轴O彼此偏移，且仍获得上述益处，只要这些SMA致动器导线11-14满足下述基本要求，即当从那个方向(垂直于光轴O)进行观察时，四根SMA致动器导线11-14在垂直于光轴O的名义平面上的投影具有图5所示的布置。
对SMA致动器导线11-14的控制受图6中所示的控制电路40的影响，所述控制电路40产生用于每个所述SMA致动器导线11-14的驱动信号，并被布置如下。
控制电路40包括陀螺仪传感器47，该陀螺仪传感器47输出表示透镜元件2的角速度的信号，因而用作检测照相机装置1正在经历的振动的振动传感器。通常陀螺仪传感器47是一对微型陀螺仪，用于检测围绕互相垂直的两个轴线和光轴O的振动，但是通常可以使用更多数量的陀螺仪或其它类型的振动传感器。
将来自陀螺仪传感器47的输出信号提供给可以在处理器中实现的OIS控制器48。OIS控制器48导出总体上补偿照相机装置1的运动所需的透镜元件2的运动的运动信号，并因此稳定图像传感器6感测到的图像。当陀螺仪传感器47被安装在支撑结构4上时，输出信号代表支撑结构4的振动。通过横向且反向地移动透镜元件2可影响OIS。因此，OIS控制器48产生提供希望的运动的运动信号，所述希望的运动与由陀螺仪传感器47所测量的实际倾斜相反。OIS控制器48可处理来自陀螺仪传感器47的输出信号，例如通过在产生运动信号之前对它们进行滤波来处理。
将来自OIS控制器48的运动信号提供给可以在处理器中或在硬件中实现的矩阵控制器42。尽管为了便于理解矩阵控制器42和OIS控制器48示出为分离的部件，但它们可以在相同的处理器中实现。
矩阵控制器42基于运动信号产生用于SMA致动器导线11-14中的每根的控制信号。这使用与SMA致动器导线11-14中的每根的必要收缩或膨胀(即长度)相关的矩阵计算来实现所需的运动。任何所需的运动具有沿第一方向和第二方向中的每个方向的分量，其中由如上确定的各对SMA致动器导线11-14沿第一方向和第二方向驱动运动。因此，对由运动信号所表示的所需的运动的那些分量中的每个，控制信号提供那些对SMA致动器导线11-14的差分收缩。可线性添加表示不同对的SMA致动器导线11-14的差分收缩的差分分量。以这种方式，可将任何所需的运动转换成用于选择性地致动SMA致动器导线11-14的适当组合的控制信号。因此矩阵计算考虑到了照相机装置1中的SMA致动器导线11-14的实际几何布置。
同时，矩阵计算可进一步设置成产生控制信号，该控制信号使得SMA致动器导线11-14不产生围绕光轴O的净转矩分量。即选择第一对SMA致动器导线11和13以及第二对SMA致动器导线12和14中的应力，以平衡由此产生的转矩。然而，即使未完全平衡转矩也仍可实现透镜元件2上的净转矩的减少。
另外，矩阵计算可设置成产生控制信号，该控制信号使得SMA致动器导线11-14围绕光轴O提供预定量的转矩。即，选择第一对SMA致动器导线11和13以及第二对SMA致动器导线12和14中的应力，以提供偏移的转矩。例如，如果悬架***7围绕光轴O在两个正交方向的平面中对透镜元件2施加转矩，这样做可能是有用的。在这种情况下，可选择预定量的转矩来补偿由悬架***7所施加的转矩，优选准确地补偿。
在SMA材料中，可通过各种补偿算法来修改控制信号以补偿诸如滞后的非线性效应。
SMA致动器导线11-14中的每一根连接到各自的驱动电路43，该驱动电路43由矩阵控制器42供给用于对应的一根SMA致动器导线11-14的控制信号。驱动电路43根据控制信号产生驱动信号，并将驱动信号提供至SMA致动器导线11-14。驱动电路43具有图7中示出的关于第一SMA致动器导线11的相同的布置，且所述布置如下所述。
驱动电路43包括提供来自矩阵控制器42的控制信号的驱动控制器44，且驱动电路43使用电阻反馈控制驱动器45。驱动控制器44可以在处理器中实现。尽管为了便于理解矩阵控制器42和驱动控制器44示出为分离的部件，但它们可以在共同的处理器中实现。
连接驱动器45以将驱动电流提供至SMA致动器导线11。驱动器45可以为恒定电压的电流源或恒定电流的电流源。例如，在后一种情况(即驱动器45为恒定电流的电流源的情况)下，恒定的电流可以为120mA的量级。
驱动电路43还包括检测电路46，该检测电路46布置成检测SMA致动器导线11的电阻。在驱动器45为恒定电流的电流源的情况下，检测电路46可以为电压检测电路，电压检测电路可操作为检测SMA致动器导线11两端的电压，这是对SMA致动器导线1的电阻的测量。在驱动器45为恒定电压的电流源的情况下，检测电路46可为电流检测电路。为了更高的精确度，检测电路46可以包括电压检测电路和电流检测电路，这两个电路可操作以检测SMA致动器两端的电压和通过SMA致动器的电流，并从而得到作为其比率的电阻的测量值。
驱动控制器44布置成控制驱动器45，以便提供脉宽调制的电流。驱动控制器44接收由检测电路46所测量的电阻并将它用作闭环控制算法中的反馈信号来控制驱动器45的PWM占空比，以根据由总的控制信号代表的需求来致动SMA致动器导线11。闭环控制可以是成比例的。
通过将SMA致动器导线11的电阻用作涉及在功能性运动范围内的位置的反馈参数，SMA材料的收缩和膨胀与其电阻大致呈线性关系。包括滞后和蠕变的非线性在某种程度上发生。可忽略这些非线性，但为了更好的线性度，在闭环控制算法中可考虑这些非线性。
SMA致动器导线11-14可提供足够的响应速度，以提供OIS。通常，成比例地驱动SMA致动器导线11-14中的每根，以便将位置控制在高达10Hz、高达20Hz或高达30Hz的频带宽度上。已视为的SMA作为致动器的缺点是其响应时间慢。由于SMA材料进行热驱动，故响应时间受到可实现的温度变化的限制，所述可实现的温度变化与导热率、具体热容量和热质量相关联。
虽然通过增加驱动电流的能力可以增加对SMA致动器导线11-14的加热，但冷却却取决于SMA致动器导线11-14的厚度。选择该厚度以在冷却期间提供所需的响应时间。例如，如果SMA致动器导线11-14的厚度是25μm，其为当前可商购材料的最薄厚度，则热响应在4Hz处开始滚降。基于对OIS功能的分析，该功能要求是在高达30Hz的带宽内提供运动补偿。然而，所需的响应的幅度在操作带宽内显著下降，通常对于上述的照相机装置1从在约1Hz处的约70μm显著下降至在超过20Hz处的低于约10μm。令人惊奇的是，尽管在SMA致动器导线响应在超过4Hz时发生滚降，但SMA致动器导线11-14仍然能以30Hz传送位移要求，因而能成功地满足微型照相机的OIS致动要求。
SMA致动器导线11-14可以具有除了图3-5中所示的布置之外的布置，在这些布置中，SMA致动器导线11-14能选择性地驱动，以使透镜元件2相对于支撑结构移动到运动范围中的任意位置，而不用围绕光轴O在两个正交方向的平面中对透镜元件2施加任何净转矩。
在图8-13中示出了一些可能的可选布置，图8-13为示出了SMA致动器导线11-14围绕光轴O的布置的沿着光轴O的示意图，并且还示出了压接元件17和18以便说明至透镜元件2与支撑结构4的连接。为了清楚起见，省略了照相机装置1的其它部件。照相机装置1在所有情况下均具有类似于图3-5中所示的结构，该结构修改了透镜元件2和支撑结构4的元件的形状，以适应压接元件17和18的不同位置，其中压接元件17固定到透镜元件2，且压接元件18固定到支撑结构4。
为了进行比较，图8示出了图5的布置。在这种情况下，以偏菱形布置SMA致动器导线11-14。如果SMA致动器导线11-14是相交的，则不需要它们是垂直的。与此相反，在图9的布置中，SMA致动器导线11-14是垂直的，并因此成正方形形状。
尽管在图5中非常靠近地用邻近的SMA致动器导线11-14的压接元件17和18环形地连接SMA致动器导线11-14，但是作为替换，SMA致动器导线11-14可如图10所示的实例中那样交叉或可如图11所示的实例中那样具有间隙。
SMA致动器导线11-14不需要为相同的长度。例如，在前面的实例中的任一个中，每对内的SMA致动器导线11-14的长度可以相同，但不同对之间的长度是不同的。在图12和图13中所示的另一实例中，第一对SMA致动器导线11和13的长度彼此相同，但是第二对SMA致动器导线12和14具有不同的长度。在图12的实例中，第一对SMA致动器导线11和13不是平行而是相互倾斜，使得邻近的SMA致动器导线11-14的压接元件17和18保持紧密接近，而在图13的实例中，第一对SMA致动器导线11和13是平行的。
一般地，SMA致动器导线11-14不是必须为对称布置或规则布置。图14中示出了这样的实例，其中环形地布置SMA致动器导线11-14，但它们具有不同长度并且彼此成非垂直的角度。
而且，不必将SMA致动器导线11-14环形地布置。图15中示出了这样的实例，其中，在所述这些对中，SMA致动器导线11-14布置在光轴O的相同侧上。即，第一对SMA致动器导线11和13中的每根都在光轴O的第一侧上，且第二对SMA致动器导线12和14中的每根都在光轴O的垂直侧上。在这种情况下，可以以类似的方式来平衡转矩，这是由于第一对SMA致动器导线11和13以及第二对SMA致动器导线12和14中的每对都能围绕光轴在相反的指向上产生转矩。虽然这可能更便于封装照相机装置1，但可能需要在较高应力下操作以获得与图5的实例相似的平衡程度，这是由于每对内的SMA致动器导线11-14的距离较小，因而给定的应力产生的转矩较低。图16中示出了另一实例，在该实例中不按环形布置这些导线。
对上述照相机装置1的各种修改是可能的。透镜元件2沿着主轴线看去具有正方形形状，但更通常地可以具有任何形状。示意性地示出了支撑结构4但通常其可以为适于支撑该透镜元件2的任意类型的元件。更一般地，通常可将相同类型的致动器布置10应用于任意类型的可移动元件，包括除了透镜元件以外的其它元件。

Claims (15)

1.一种用于沿两个正交方向相对于支撑结构移动可移动元件的形状记忆合金致动装置，所述形状记忆合金致动装置包括：
支撑结构；
可移动元件，其以一种方式支撑在所述支撑结构上，该方式允许所述可移动元件沿两个正交方向在一定运动范围内相对于所述支撑结构而运动；以及
总共四根形状记忆合金致动器导线，其以这样的布置连接在所述可移动元件与所述支撑结构之间，其中在所述布置中，所述形状记忆合金致动器导线都不共线，并且其中
所述形状记忆合金致动器导线中的两根形状记忆合金致动器导线连接在所述可移动元件与所述支撑结构之间，以便每根形状记忆合金致动器导线在所述两个正交方向的平面中对所述可移动元件施加围绕垂直于所述平面的轴线沿第一指向的转矩，另两根形状记忆合金致动器导线连接在所述可移动元件与所述支撑结构之间，以便每根形状记忆合金致动器导线在所述平面中对所述可移动元件施加围绕垂直于所述平面的所述轴线沿第二且相反的指向的转矩，并且，能选择性地驱动所述形状记忆合金致动器导线，以将所述可移动元件沿所述两个正交方向相对于所述支撑结构移动到所述运动范围中的任意位置，而不用在所述两个正交方向的所述平面中对所述可移动元件施加任何净转矩。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状记忆合金致动装置为照相机装置，所述照相机装置还包括固定到所述支撑结构的图像传感器，且所述可移动元件包括照相机透镜元件，所述照相机透镜元件包括一块或多块布置成将图像聚焦到所述图像传感器上的透镜，所述两个正交方向垂直于所述照相机透镜元件的光轴。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，至少一块透镜的直径至多为10mm。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述照相机透镜元件包括透镜架，其中所述一块或多块透镜以所述一块或多块透镜中的至少一块透镜沿着所述光轴可移动的方式被支撑在所述透镜架上。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的装置，其还包括：
振动传感器，其布置成产生表示所述照相机装置的振动的输出信号；以及
控制电路，其布置成响应于所述振动传感器的输出信号，产生用于所述形状记忆合金致动器导线的驱动信号，以便用于驱动所述照相机透镜元件的运动，以稳定由所述图像传感器感测到的图像并将所产生的驱动信号提供给所述形状记忆合金致动器导线。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述控制电路设置成产生驱动信号，所述驱动信号用于驱动所述照相机透镜元件的运动，以稳定由所述图像传感器感测到的图像，而不用在所述两个正交方向的平面中对所述可移动元件施加任何转矩。
7.根据权利要求1所述的装置，其还包括控制电路，其布置成产生用于所述形状记忆合金致动器导线的驱动信号并将所生成的驱动信号提供给所述形状记忆合金致动器导线。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，
所述形状记忆合金致动装置为照相机装置，所述照相机装置还包括固定到所述支撑结构的图像传感器，且所述可移动元件包括照相机透镜元件，所述照相机透镜元件包括一块或多块布置成将图像聚焦到所述图像传感器上的透镜，所述两个正交方向垂直于所述照相机透镜元件的光轴，以及
所述控制电路布置成产生驱动信号，所述驱动信号用于驱动所述照相机透镜元件的运动，而不用在所述两个正交方向的平面中对所述可移动元件施加任何转矩。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，
所述形状记忆合金致动装置为照相机装置，所述照相机装置还包括固定到所述支撑结构的图像传感器，且所述可移动元件包括照相机透镜元件，所述照相机透镜元件包括一块或多块布置成将图像聚焦到所述图像传感器上的透镜，所述两个正交方向垂直于所述照相机透镜元件的光轴，以及
所述控制电路被布置成产生驱动信号，所述驱动信号用于驱动所述照相机透镜元件的运动，同时在所述两个正交方向的平面中对所述可移动元件施加预定量的转矩。
10.根据权利要求9所述的装置，其还包括悬架***，所述悬架***以允许所述可移动元件沿所述两个正交方向相对于所述支撑结构而运动的所述方式将所述可移动元件支撑在所述支撑结构上，其中所述悬架***在所述两个正交方向的平面中对所述可移动元件施加转矩，且由所产生的驱动信号所施加的所述预定量的转矩补偿了由所述悬架***所施加的转矩。
11.根据权利要求1到4中任一项或权利要求7到10中任一项所述的装置，其中，四根形状记忆合金致动器导线围绕所述可移动元件环状地布置在不同角度位置处，围绕所述主轴线的邻近的形状记忆合金致动器导线被连接以围绕所述可移动元件沿不同指向对所述可移动元件施力。
12.根据权利要求1到4中任一项或权利要求7到10中任一项所述的装置，其中，连接在所述可移动元件与所述支撑结构之间以便每根形状记忆合金致动器导线在所述两个正交方向的平面中对所述可移动元件施加围绕垂直于所述平面的所述轴线沿第一指向的转矩的所述两根形状记忆合金致动器导线布置成能被选择性地驱动以沿所述平面内的第一方向相对于所述支撑结构驱动所述可移动元件，且连接在所述可移动元件与所述支撑结构之间以便每根形状记忆合金致动器导线在所述平面中对所述可移动元件施加围绕垂直于所述平面的所述轴线沿第二且相反的指向的转矩的所述另两根形状记忆合金致动器导线布置成能被选择性地驱动以沿所述平面内的第二方向相对于所述支撑结构驱动所述可移动元件，其中所述第二方向与所述第一方向相交。
13.根据权利要求1到4中任一项或权利要求7到10中任一项所述的装置，其还包括悬架***，所述悬架***以允许所述可移动元件沿所述两个正交方向相对于所述支撑结构而运动的所述方式将所述可移动元件支撑在所述支撑结构上。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述悬架***包括延伸并与所述两个正交方向相交的多根梁。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述梁由导线形成。
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