專(zhuān)利名稱(chēng)：形狀記憶合金致動(dòng)裝置的制作方法
形狀記憶合金致動(dòng)裝置本發(fā)明涉及使用形狀記憶合金(SMA)材料作為致動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)的元件的運(yùn) 動(dòng)的形狀記憶合金致動(dòng)裝置。本發(fā)明通常可應(yīng)用于任何類(lèi)型的可移動(dòng)的元件，但特別應(yīng)用于照相機(jī)透鏡元件的 致動(dòng)，例如用在小型照相機(jī)中的類(lèi)型的照相機(jī)透鏡元件，小型照相機(jī)可應(yīng)用于便攜式電子 器件，例如移動(dòng)電話或移動(dòng)式數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理和/或發(fā)射器件。最近，隨著有時(shí)稱(chēng)為PDA(便 攜式數(shù)字助理)的便攜式信息終端和便攜式電話的爆炸性蔓延，越來(lái)越多數(shù)量的器件包括 了使用圖像傳感器的緊湊的數(shù)字照相機(jī)設(shè)備。當(dāng)這樣的數(shù)字照相機(jī)設(shè)備使用具有相對(duì)較小 的圖像檢測(cè)區(qū)域的圖像傳感器而小型化時(shí)，其光學(xué)系統(tǒng)，包括一個(gè)或多個(gè)透鏡，也需要被相 應(yīng)地小型化。為了實(shí)現(xiàn)聚焦或圖像縮放，必須在這樣的小型照相機(jī)的有限容積內(nèi)包括一些類(lèi)型 的致動(dòng)裝置，以沿光軸驅(qū)動(dòng)照相機(jī)透鏡元件的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)檎障鄼C(jī)透鏡元件是小的，所以致動(dòng) 裝置必須能夠提供在相應(yīng)的小的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的精確致動(dòng)。同時(shí)希望致動(dòng)器裝置自身是緊湊 的，以整體上滿足照相機(jī)設(shè)備的小型化要求。實(shí)際上，這些觀點(diǎn)限制了能應(yīng)用的致動(dòng)裝置的 類(lèi)型。盡管現(xiàn)有的大部分照相機(jī)依賴(lài)于眾所周知的電線圈電動(dòng)機(jī)的變化形式，但是已經(jīng) 推薦了許多其他致動(dòng)裝置作為透鏡系統(tǒng)的小型驅(qū)動(dòng)單元。這些其它致動(dòng)裝置可包括基于壓 電的、電致伸縮的或磁致伸縮的材料的換能器，通常稱(chēng)為電驅(qū)動(dòng)裝置，且一個(gè)示例是包括彎 曲結(jié)構(gòu)的螺旋線圈壓電彎曲帶(helically coiled piezoelectric bender tape)的致動(dòng) 器，如W0-01/47041中公開(kāi)的，其可用作W0-02/103451中所描述的照相機(jī)透鏡的致動(dòng)器。推薦的另一種類(lèi)型的致動(dòng)裝置使用SMA材料作為致動(dòng)器。SMA致動(dòng)器設(shè)置成在加 熱時(shí)驅(qū)動(dòng)照相機(jī)透鏡元件的運(yùn)動(dòng)。可通過(guò)控制SMA致動(dòng)器在有效溫度范圍內(nèi)的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn) 致動(dòng)，在有效溫度范圍中，SMA致動(dòng)器在馬氏體和奧氏體相之間改變，其中SMA致動(dòng)器的應(yīng) 力和應(yīng)變改變。在低溫下，SMA致動(dòng)器處于馬氏體相，而在高溫下，SMA致動(dòng)器轉(zhuǎn)變成奧氏體 相，其包括引起SMA致動(dòng)器收縮的變形。SMA致動(dòng)器的溫度可通過(guò)選擇性地使電流通過(guò)SMA 致動(dòng)器以加熱它來(lái)改變，從而引起相變。相變發(fā)生在一溫度范圍內(nèi)，這是由于SMA晶體結(jié)構(gòu) 中轉(zhuǎn)變溫度的統(tǒng)計(jì)學(xué)離散。SMA致動(dòng)器設(shè)置成使得收縮驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)的元件的運(yùn)動(dòng)。常規(guī)上， 偏置工具提供在與SMA致動(dòng)器收縮時(shí)施加的力相反方向上的偏置力。SMA材料作為小型物體，例如小型照相機(jī)的照相機(jī)透鏡元件的致動(dòng)器的使用提供 以下優(yōu)點(diǎn)本質(zhì)上是線性的、提供每單位質(zhì)量的高動(dòng)力、是低成本的商品項(xiàng)目和相對(duì)較小的 部件。還需要考慮懸掛可移動(dòng)的元件并沿運(yùn)動(dòng)軸引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的懸架系統(tǒng)。為了精確的應(yīng) 用，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍且當(dāng)裝置定向在不同位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)必須受到從名義運(yùn)動(dòng)軸最小的偏離。 該偏離可為軸的相對(duì)角度傾斜和/或線性平移的形式。這對(duì)于照相機(jī)透鏡元件來(lái)說(shuō)尤為真 實(shí)，對(duì)于照相機(jī)透鏡元件來(lái)說(shuō)，這些偏離可能引起圖像質(zhì)量的惡化。因此，懸架系統(tǒng)在期望 的運(yùn)動(dòng)方向上理想地具有低的剛性或阻力，且在所有其它方向上具有高的剛性。本發(fā)明涉及包括多個(gè)彈性彎曲部分的懸架系統(tǒng)。這些彈性彎曲部分可耦合在支撐結(jié)構(gòu)和可移動(dòng)的元件之間，以將可移動(dòng)的元件支撐在支撐結(jié)構(gòu)上，并由彎曲部分的偏轉(zhuǎn)來(lái) 沿運(yùn)動(dòng)軸引導(dǎo)可移動(dòng)的元件的運(yùn)動(dòng)。彎曲部分提供作為懸架系統(tǒng)的眾多益處。彎曲部分可 設(shè)置成提供沿運(yùn)動(dòng)軸的低的剛性以及垂直于運(yùn)動(dòng)軸的高的剛性。類(lèi)似地，與例如軸承相比， 彎曲部分經(jīng)歷抵抗運(yùn)動(dòng)的最小程度的摩擦。最后，由彎曲部分形成的懸架系統(tǒng)是緊湊的且 制造簡(jiǎn)單。W0-2007/113478公開(kāi)了 SMA致動(dòng)裝置的示例，其中可移動(dòng)的元件為由包括多個(gè)彎 曲部分的懸架系統(tǒng)支撐的照相機(jī)透鏡元件。本發(fā)明涉及設(shè)計(jì)這樣的裝置來(lái)提供期望的運(yùn)動(dòng)范圍。存在各種變量和限制，包括 SMA材料的布置和性能，以及懸架系統(tǒng)的彎曲部分的布置和性能。在懸架系統(tǒng)包括多個(gè)彎曲部分的情況下，感覺(jué)到的優(yōu)點(diǎn)是彎曲部分也起到偏置工 具的作用，該偏置工具提供與由SMA致動(dòng)器在收縮時(shí)施加的力相反的方向上的偏置力。理 想地，該裝置構(gòu)造成需要在SMA致動(dòng)器中形成相對(duì)較高的應(yīng)力來(lái)移動(dòng)可移動(dòng)的元件遠(yuǎn)離靜 止位置，在靜止位置，SMA致動(dòng)器是不活動(dòng)的。這可通過(guò)提供端部停止件(end-stop)來(lái)實(shí) 現(xiàn)，該端部停止件限制可移動(dòng)的元件在與由收縮驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)的方向相反的方向的運(yùn)動(dòng)。端 部停止件定位成對(duì)偏置工具施加預(yù)應(yīng)力，該應(yīng)力必須由啟動(dòng)的SMA致動(dòng)器來(lái)克服，以產(chǎn)生 運(yùn)動(dòng)。這樣的預(yù)應(yīng)力由于多種原因而是理想的。第一，這升高溫度，在該溫度下，SMA材 料的應(yīng)力足以引起收縮來(lái)抵抗偏置工具。這是期望的以便增加該裝置可用的環(huán)境溫度的范 圍。第二，在靜止?fàn)顟B(tài)，偏置工具的預(yù)應(yīng)力保持可移動(dòng)的元件牢固地貼著端部停止件。這是 期望的以便精確地控制位置并防止由外力引起的可移動(dòng)的元件的運(yùn)動(dòng)。但是，這樣的預(yù)應(yīng)力需要在設(shè)計(jì)限制范圍，明顯地可實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)平衡。可 實(shí)現(xiàn)的最大運(yùn)動(dòng)通過(guò)需要避免彎曲部分的偏轉(zhuǎn)程度來(lái)限制，這使得超出彎曲部分的材料限 制。預(yù)應(yīng)力能通過(guò)移動(dòng)端部停止件的位置來(lái)增加。但是，這直接減小了運(yùn)動(dòng)范圍。預(yù)應(yīng)力也能通過(guò)增加彎曲部分的剛性來(lái)增加。這增加了靜止?fàn)顟B(tài)的預(yù)應(yīng)力。然 而，在彎曲部分偏轉(zhuǎn)時(shí)，其也引起更快速地接近彎曲部分的材料限制，且因此能間接地減小 運(yùn)動(dòng)范圍。實(shí)際上，該裝置設(shè)置成平衡這些不同的限制。這樣的設(shè)計(jì)是簡(jiǎn)單的執(zhí)行任務(wù)，但對(duì) 最小化上述限制以便提供具有改進(jìn)性能的裝置來(lái)說(shuō)是理想的，例如懸架系統(tǒng)的彎曲部分的 較大的運(yùn)動(dòng)范圍或較小限制的設(shè)計(jì)。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種形狀記憶合金致動(dòng)裝置，包括支撐結(jié)構(gòu)；可移動(dòng)的元件；懸架系統(tǒng)，其包括多個(gè)彈性彎曲部分，該彈性彎曲部分耦合在支撐結(jié)構(gòu)和可移動(dòng) 的元件之間，以將可移動(dòng)的元件支撐在支撐結(jié)構(gòu)上，并通過(guò)彎曲部分的偏轉(zhuǎn)來(lái)引導(dǎo)可移動(dòng) 的元件沿運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)；形狀記憶合金致動(dòng)器，其設(shè)置成在形狀記憶合金致動(dòng)器收縮時(shí)驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)的元件 相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)在第一方向上沿運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)；端部停止件，其設(shè)置成限制可移動(dòng)的元件在第二方向上沿運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)，第二方向與第一方向相反；偏置元件，其設(shè)置成相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)在第二方向上沿運(yùn)動(dòng)軸偏置可移動(dòng)的元件， 該裝置設(shè)置成使得當(dāng)可移動(dòng)的元件保持靠著端部停止件時(shí)，由偏置元件在所述第二方向上 施加的力大于由懸架系統(tǒng)的彈性彎曲部分施加的力。因此，本發(fā)明涉及提供除包括多個(gè)彈性彎曲部分的懸架系統(tǒng)以外的偏置元件。這 與預(yù)期相反，例如W0-2007/113478中教導(dǎo)的，包括多個(gè)彈性彎曲部分的懸架系統(tǒng)具有其自 身作為偏置工具的益處。但是，應(yīng)理解，實(shí)際上，存在提供具有這樣一種布置的額外偏置元 件的益處，其中當(dāng)可移動(dòng)的元件保持貼著端部停止件時(shí)，由偏置元件施加的力大于由懸架 系統(tǒng)的彈性彎曲部分施加的力。具體地，額外偏置元件提供了提供相對(duì)較高的預(yù)應(yīng)力的益處。也就是說(shuō)，偏置元件 施加相對(duì)較大的力，該力增加在SMA致動(dòng)器中形成的力，以將可移動(dòng)的元件移離SMA致動(dòng)器 未被啟動(dòng)的靜止位置。這樣的預(yù)應(yīng)力具有上述的益處。但是，因?yàn)轭~外偏置元件沒(méi)有將可移動(dòng)的元件懸掛在支撐結(jié)構(gòu)上并沿運(yùn)動(dòng)軸引導(dǎo) 運(yùn)動(dòng)，所以極大地降低了額外偏置元件的設(shè)計(jì)限制。尤其，設(shè)計(jì)額外偏置元件而不超出材料 限制明顯地較容易。例如，如果額外偏置元件為彎曲部分，則其可具有在其耦合到支撐結(jié)構(gòu) 和可移動(dòng)的元件的位置之間測(cè)量的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度大于懸架系統(tǒng)的彎曲部分。這減小了作為整體的裝置的設(shè)計(jì)限制，從而允許改進(jìn)設(shè)計(jì)。例如，與沒(méi)有額外偏置 元件的相等裝置相比，運(yùn)動(dòng)的最大程度可增加和/或彎曲部分的設(shè)計(jì)限制可放寬。為了允許更好的理解，現(xiàn)通過(guò)非限制性例子、參考附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施方式， 其中

圖1是包括SMA致動(dòng)裝置的照相機(jī)的示意性剖視圖；圖2是對(duì)比實(shí)施例中貼著透鏡元件的位置形成的應(yīng)力的圖；圖3是貼著圖1的照相機(jī)的透鏡元件的位置形成的應(yīng)力的圖；圖4-12是照相機(jī)的連續(xù)組裝部件的透視圖；圖13是可選的偏置元件的透視圖；圖14是照相機(jī)的總體控制布置的示意圖；圖15是控制電路的圖示；圖16是在收縮過(guò)程中SMA的電阻_長(zhǎng)度性能的圖；以及圖17和18是控制電路的三種可能電路實(shí)現(xiàn)的圖示。首先描述包括SMA致動(dòng)裝置的照相機(jī)1的結(jié)構(gòu)。照相機(jī)1將被結(jié)合到便攜式電子 器件，諸如移動(dòng)電話、媒體播放機(jī)或便攜式數(shù)字助理中。圖1以剖視圖示意性示出照相機(jī)1，該剖面沿照相機(jī)1的光軸0截取。照相機(jī)1包 括支撐結(jié)構(gòu)2，支撐結(jié)構(gòu)2具有基部部分3，基部部分3上安裝了可為CCD(電荷耦合器件) 或CMOS(互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)器件的圖像傳感器4。支撐結(jié)構(gòu)2還包括從圖像傳感 器4所安裝的基部3的前側(cè)突出的環(huán)形壁5。支撐結(jié)構(gòu)2可由塑料制成。照相機(jī)1還包括透鏡元件6，透鏡元件6保持由一個(gè)或多個(gè)透鏡8組成的透鏡系 統(tǒng)7。例如，透鏡系統(tǒng)7在圖1中示出為由兩個(gè)透鏡8組成，但一般可根據(jù)需要有單個(gè)透鏡 8或多個(gè)透鏡8，以提供期望的光學(xué)性能的平衡以及低成本。照相機(jī)1為具有透鏡系統(tǒng)7的 透鏡8的小型照相機(jī)，透鏡8 —般具有至多10mm的直徑。
透鏡元件6以透鏡系統(tǒng)7的光軸0垂直于圖像傳感器4來(lái)設(shè)置。這樣，透鏡系統(tǒng) 7將光聚焦到圖像傳感器4上。透鏡元件6具有包括透鏡架20和透鏡支架21的兩部分結(jié)構(gòu)，透鏡支架21以形成 在透鏡架20內(nèi)側(cè)的內(nèi)螺紋22安裝在透鏡架20內(nèi)。一般地，透鏡支架21的直徑為6. 5mm。 透鏡架20連接到懸架系統(tǒng)9，以懸掛透鏡元件6。透鏡支架21安裝透鏡系統(tǒng)7的一個(gè)或多 個(gè)透鏡8。透鏡架20和透鏡支架21都可由模制塑料制成。透鏡元件6通過(guò)懸架系統(tǒng)9懸掛在支撐結(jié)構(gòu)2上，懸架系統(tǒng)9由連接在支撐結(jié)構(gòu)2 的環(huán)形壁5和透鏡元件6之間的兩個(gè)懸架元件10組成。如下面進(jìn)一步描述的，每個(gè)懸架元 件10包括耦合在支撐結(jié)構(gòu)2和透鏡元件6之間的多個(gè)彈性彎曲部分13，從而將透鏡元件6 支撐在支撐結(jié)構(gòu)2上。彈性彎曲部分13偏轉(zhuǎn)，以引導(dǎo)透鏡元件6沿光軸0移動(dòng)，同時(shí)阻止 透鏡元件6垂直于光軸0移動(dòng)。透鏡元件6的這種移動(dòng)改變形成在圖像傳感器4上的圖像 的焦點(diǎn)。照相機(jī)1還包括SMA致動(dòng)器30，該SMA致動(dòng)器30包括機(jī)械地連接到支撐結(jié)構(gòu)2的 環(huán)形壁5和透鏡元件6的透鏡架20的一件SMA線31，如下面更詳細(xì)描述的。SMA線31保 持拉緊。在加熱SMA線31時(shí)，SMA致動(dòng)器30收縮，驅(qū)動(dòng)透鏡元件6在第一方向X上沿光軸 0遠(yuǎn)離圖像傳感器4移動(dòng)。圖1所示的透鏡元件6處于其靜止?fàn)顟B(tài)，其中SMA致動(dòng)器30是 不活動(dòng)的。在此狀態(tài)，透鏡元件6處于其移動(dòng)范圍內(nèi)最靠近圖像傳感器4的位置，該位置對(duì) 應(yīng)于遠(yuǎn)場(chǎng)或超焦距焦點(diǎn)，這是照相機(jī)1的最常見(jiàn)的設(shè)置，特別是設(shè)置有自動(dòng)調(diào)焦功能時(shí)。照相機(jī)1還包括耦合在支撐結(jié)構(gòu)2和透鏡元件6之間的偏置元件23。如下面進(jìn)一 步詳細(xì)描述的，偏置元件23包括偏轉(zhuǎn)透鏡元件6沿光軸0的運(yùn)動(dòng)的彈性彎曲部分。偏置元 件23總是在第一方向X上偏轉(zhuǎn)，使得其在第二相反的方向Y施加力，從而起偏置工具的作 用來(lái)抵抗由SMA致動(dòng)器30施加的力。在加熱SMA致動(dòng)器30時(shí)，其中的應(yīng)力增加，直到其克服偏置元件23和彎曲部分 13。SMA線31收縮，移動(dòng)透鏡元件6遠(yuǎn)離圖像傳感器4。隨SMA線31的溫度在溫度范圍內(nèi) 增加，在該溫度范圍內(nèi)，SMA線的材料從馬氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，透鏡元件6在一運(yùn)動(dòng)范圍 內(nèi)移動(dòng)。相反地，在冷卻SMA線31使得其中的應(yīng)力減小時(shí)，由偏置元件23和彎曲部分13 提供的偏置引起SMA線31膨脹，使透鏡元件6朝圖像傳感器4移動(dòng)。支撐結(jié)構(gòu)2還包括從環(huán)形壁5向內(nèi)突出的在透鏡元件6外側(cè)的上部壁15和下部 壁16。上部壁15和下部壁16為環(huán)形的，使得穿過(guò)透鏡系統(tǒng)7的光沒(méi)有阻擋地穿過(guò)其中的 孔。但是，上部壁15和下部壁16通過(guò)重疊透鏡元件6的透鏡架20而構(gòu)成透鏡元件的端部 停止件，以限制沿光軸0的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)透鏡元件6處于其靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，下部壁16限制透鏡元件6在第二方向Y上的運(yùn) 動(dòng)，在靜止?fàn)顟B(tài)，SMA致動(dòng)器30是不活動(dòng)的，如圖1所示。下部壁16的位置被選擇成使得 在該狀態(tài)，偏置元件23在第一方向X上偏轉(zhuǎn)，因此其在第二方向Y施加力。因?yàn)镾MA致動(dòng) 器30是不活動(dòng)的，所以該力牢固地保持透鏡元件6處于靠著下部壁16的位置。照相機(jī)1設(shè)置成使得由偏置元件23在該位置施加的力大于由懸架系統(tǒng)9的彎曲 部分13施加的力。一般地，在該位置，懸架系統(tǒng)9的彎曲部分13根本不偏轉(zhuǎn)，于是它們不 施加力。但是，原則上，懸架系統(tǒng)9的彎曲部分13能偏轉(zhuǎn)正數(shù)或負(fù)數(shù)，使得它們施加負(fù)力或 正力，只要該力的值小于由偏置元件23所施加的力的值。而且，如果懸架系統(tǒng)9的彎曲部分13施加負(fù)力(即，逆著偏置元件23在第一方向X上)，那么力的大小應(yīng)小于偏置元件23 施加的力的大小，以便防止彎曲部分13驅(qū)動(dòng)透鏡元件6離開(kāi)下部壁16。上部壁15定位成當(dāng)SMA致動(dòng)器30處于其完全收縮狀態(tài)時(shí)在上部壁15和透鏡元 件6之間提供間隙。因而，在正常操作下，上部壁15不接觸透鏡元件6。上部壁15作為安 全措施設(shè)置，定位成限制最大偏轉(zhuǎn)，且因此限制當(dāng)照相機(jī)受到外力時(shí)，例如如果照相機(jī)1被 掉落或敲擊，彎曲部分13和偏置元件23的應(yīng)力。所以，上部壁15的位置被選擇成使得當(dāng) 透鏡元件6與下部壁16接觸時(shí)，不超過(guò)懸架系統(tǒng)9的彎曲部分13和偏置元件23的材料限 制(例如，變形限制和疲勞限制)。偏置元件23的添加減小了照相機(jī)1上的設(shè)計(jì)限制，列舉如下。通過(guò)對(duì)比示例，圖2是在省略了偏置元件23的同等裝置，例如W0-2007/113478中 所公開(kāi)的裝置中透鏡元件6的不同位置χ處(在懸架系統(tǒng)9中，且因此也在SMA致動(dòng)器30 中)形成的應(yīng)力S的圖。位置χ在第一方向X測(cè)量。位置Pla和P2a是透鏡元件6的運(yùn)動(dòng) 范圍Δ xl的端點(diǎn)。下部壁16的位置Pla是處于靜止?fàn)顟B(tài)的透鏡元件6的位置，且被選擇成對(duì)懸架系 統(tǒng)9施加預(yù)應(yīng)力至應(yīng)力Si，因而應(yīng)力Sl是需要在SMA致動(dòng)器30中形成來(lái)開(kāi)始透鏡元件6 的運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力。該預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)成是足夠高的，以實(shí)現(xiàn)兩種效果。首先，因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力升高溫度， 在該溫度下，SMA致動(dòng)器30中的應(yīng)力足以引起收縮來(lái)抵抗偏置元件23，所以預(yù)應(yīng)力被選擇 成顧及照相機(jī)1將操作的環(huán)境溫度的期望范圍。其次，預(yù)應(yīng)力被選擇成使透鏡元件6牢固 地保持靠緊下部壁16，以便精確地控制位置并防止由外力引起的透鏡元件6的運(yùn)動(dòng)。位置P2a是當(dāng)SMA致動(dòng)器30完全收縮時(shí)透鏡元件6的位置，且因此依賴(lài)于SMA致 動(dòng)器30的構(gòu)造。在該位置P2a，應(yīng)力S2形成。位置P2a選擇成使得在該位置P2a，且實(shí)際 上在上部壁15的位置，不超過(guò)懸架系統(tǒng)9的彎曲部分13的材料限制。圖3示出在照相機(jī)1的透鏡元件6的不同位置χ處形成的應(yīng)力S的等值圖。具體 地，線Ll是偏置元件23中形成的應(yīng)力，線L2是懸架系統(tǒng)9中形成的應(yīng)力，而線L3是偏置 元件23和懸架系統(tǒng)9 一起形成的總應(yīng)力，因而也是SMA致動(dòng)器30中形成的應(yīng)力。位置Plb 和P2b是透鏡元件6的運(yùn)動(dòng)范圍ΔΧ2的端點(diǎn)。在該示例中，下部壁16的位置Plb選擇成使得在透鏡元件6的靜止位置，懸架系 統(tǒng)9不偏轉(zhuǎn)，且因此不形成應(yīng)力，但偏置元件23形成應(yīng)力Sl，與圖2的對(duì)比示例中的靜止位 置處的值相同。該應(yīng)力Sl因而也為需要在SMA致動(dòng)器30中形成以開(kāi)始透鏡元件6的運(yùn)動(dòng) 的應(yīng)力，并基于以上內(nèi)容選擇。位置P2b是當(dāng)SMA致動(dòng)器30完全收縮時(shí)透鏡元件6的位置，且因此依賴(lài)于SMA致 動(dòng)器30的構(gòu)造。SMA致動(dòng)器30構(gòu)造成使得在該位置P2b，且實(shí)際上在上部壁15的位置，偏 置元件23中形成的應(yīng)力S3以及懸架系統(tǒng)9中形成的應(yīng)力S2b不超過(guò)偏置元件23和懸架 系統(tǒng)9的彎曲部分13的材料限制。與圖2的對(duì)比示例相比，彎曲部分10的設(shè)計(jì)上的限制 被大大減小。首先，不需要懸架系統(tǒng)9提供偏置SMA致動(dòng)器30所需的所有剛性，這主要由 偏置元件23來(lái)提供。其次，在較低的偏轉(zhuǎn)程度下操作彎曲部分10是可能的。因而，在圖3 的具體示例中，照相機(jī)1提供比圖2的對(duì)比示例中的運(yùn)動(dòng)范圍Δχ 大的運(yùn)動(dòng)范圍Δχ2，同 時(shí)在懸架系統(tǒng)9中提供比圖2的對(duì)比示例中的應(yīng)力S2a低的應(yīng)力S2b?，F(xiàn)在參考圖4-12詳細(xì)說(shuō)明照相機(jī)1的結(jié)構(gòu)，圖4-12是照相機(jī)1的連續(xù)組裝的部
8件的透視圖，其中為方便將照相機(jī)1倒置示出。對(duì)照相機(jī)1來(lái)說(shuō)最希望的是減小尺寸，同時(shí) 提供在可利用的空間內(nèi)的最大可能的直徑的透鏡系統(tǒng)7。上部壁15在圖4中示出，并由具有中心孔18和三個(gè)固定架17的金屬板形成，固 定架17通過(guò)彎曲到金屬板的部分而形成。偏置元件23在圖5中示出，且為起“自由固定”懸臂梁的作用的彈性彎曲部分。偏 置元件23由諸如切成形狀的鋼或鈹銅的材料的各個(gè)單板形成。在一端，偏置元件23具有 固定架24，其通過(guò)固定架24安裝到上部壁15，如圖6所示，使得其例如通過(guò)激光焊接而固 定不動(dòng)地連接到支撐結(jié)構(gòu)2。偏置元件23具有兩個(gè)臂25，每一個(gè)臂從固定架24延伸并在其相對(duì)端部26接合在 一起，在此，偏置元件23接合透鏡元件6，如下面描述的。臂24被彎曲成使得偏置元件23總體為環(huán)形。因此，在該實(shí)施方式中，臂24各自 圍繞光軸0延伸180°。如下面進(jìn)一步示出的，臂24的曲率確保臂24在透鏡元件6的視場(chǎng) 外，以避免阻礙圖像傳感器4上的成像。在其自然位置，偏置元件23形成為彎曲位置，其被 調(diào)節(jié)以對(duì)SMA致動(dòng)器30提供正確的偏置載荷。偏置元件23的該形式是特別有利的，且同樣能應(yīng)用于其它類(lèi)型的SMA致動(dòng)裝置， 包括利用懸架系統(tǒng)而沒(méi)有使用彎曲部分的SMA致動(dòng)裝置。第一懸架元件10被組裝，如圖7所示。懸架元件10由諸如切成形狀的鋼或鈹銅的 材料的單板形成。一種可能性是具有提供高屈服應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)的硬軋制等級(jí)302奧氏體鋼。懸架元件10包括連接到透鏡架20的內(nèi)環(huán)11，如下面進(jìn)一步描述的。偏置元件23 的端部26接觸內(nèi)環(huán)11，且通過(guò)該接觸接合透鏡元件6以施加偏置力。因?yàn)槠迷?3總 是偏轉(zhuǎn)，因此不必固定端部26。這是有利的，因?yàn)槠湓试S端部26的方位隨著偏置元件23的 偏轉(zhuǎn)而改變。這允許偏置元件23比如果端部26的方位被固定時(shí)受到較大程度的偏轉(zhuǎn)，從 而迫使偏置元件23在偏轉(zhuǎn)時(shí)呈現(xiàn)S形彎曲。但是，作為選擇，端部26可固定到透鏡元件6， 優(yōu)選地通過(guò)具有柔順性以允許端部26相對(duì)于透鏡元件6的某些運(yùn)動(dòng)的裝置，例如一滴膠來(lái) 固定。懸架元件10還包括定位在四個(gè)角部的四個(gè)安裝板12。安裝板12各自連接到上部 壁15的固定架17中的一個(gè)或偏置元件23的固定架24。最后，懸架元件10包括四個(gè)彎曲部分13，每個(gè)彎曲部分13在內(nèi)環(huán)11和安裝板12 中的一個(gè)之間延伸。這樣，彎曲部分13在相對(duì)端部連接到透鏡元件6和支撐結(jié)構(gòu)2。如沿 光軸0觀察到的，彎曲部分13 —般相對(duì)于光軸0的徑向方向傾斜。因此，彎曲部分13圍繞 光軸延伸。彎曲部分13在與關(guān)于光軸0旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的不同徑向位置圍繞透鏡架20設(shè)置。而 且，彎曲部分13沿光軸0的厚度(即制成懸架元件10的材料的板的厚度)小于其在垂直 于光軸0的方向上的寬度。懸架元件10設(shè)計(jì)成具有適當(dāng)寬度、厚度和長(zhǎng)度的適當(dāng)數(shù)量的彎 曲部分13，以沿光軸0及垂直于光軸0提供期望程度的剛性。彎曲部分13的厚度一般在 25m至IOOm的范圍內(nèi)。彎曲部分13的數(shù)量可通過(guò)改變懸架元件10內(nèi)的彎曲部分13的數(shù) 量和/或通過(guò)提供額外的懸架元件10而改變。彎曲部分13也沿其長(zhǎng)度彎曲，如沿光軸0觀察到的，具有交替的曲率的三個(gè)區(qū)域。 通過(guò)對(duì)彎曲部分13引入這樣的曲率，將一定程度的應(yīng)變消除添加到了結(jié)構(gòu)。彎曲部分13塑 性變形的趨勢(shì)被減小，且代替地彎曲部分13具有彈性彎曲的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)中心區(qū)域引入具有相反曲率的外部區(qū)域，力不平衡被減小，且與內(nèi)環(huán)11和安裝板12的接合處形成的應(yīng)力被 減小。因而，彎曲部分13在平面方向上變得更柔順而不經(jīng)歷材料失效。這被實(shí)現(xiàn)而沒(méi)有對(duì) 徑向和軸向剛性的不可接受的損害。這允許懸架系統(tǒng)9適應(yīng)由機(jī)械沖擊引起的透鏡元件6 在光軸0的徑向的位移，而不引起彎曲部分13的永久破壞。為了限制該方向的位移，照相 機(jī)1在透鏡元件6和支撐結(jié)構(gòu)2的壁5之間設(shè)置有小的間隙，例如約50m或更小，使得支撐 結(jié)構(gòu)2的壁5作為停止件，以限制最大位移。為了最大化該效果，彎曲部分13的三個(gè)區(qū)域優(yōu)選地具有不相等的長(zhǎng)度和曲率，具 體地，中心區(qū)域具有比外部區(qū)域大的長(zhǎng)度和小的曲率。有利地，中心區(qū)域的長(zhǎng)度為外部區(qū)域 的長(zhǎng)度的至少兩倍，例如三個(gè)區(qū)域的長(zhǎng)度的比率為1 2.5 1。有利地，中心區(qū)域的曲率 為外部區(qū)域的曲率的至多一半，例如每個(gè)區(qū)域的長(zhǎng)度與曲率之比實(shí)質(zhì)上相同，使得每個(gè)區(qū) 域所對(duì)的角度實(shí)質(zhì)上相同?？蛇x地，每個(gè)彎曲部分13能被修改成由一組平行的彎曲部分組成，以通過(guò)減小每 個(gè)平行的彎曲部分的寬度而允許懸架系統(tǒng)9在光軸的徑向有更大的柔順性。該技術(shù)的實(shí)際 限制是平行的彎曲部分可制成的最小寬度。透鏡架20在圖8中示出且由諸如塑料的材料的模制件形成。透鏡架20具有大致 方形的外截面，且具有中心孔27，中心孔27內(nèi)形成有螺紋22。透鏡架20的端表面連接到 懸架元件9的內(nèi)環(huán)11，以便將彎曲部分13耦合到透鏡元件6。內(nèi)環(huán)11和偏置元件23各自 在孔27外側(cè)圍繞光軸0延伸，以處于透鏡元件6的視場(chǎng)外側(cè)，而不阻礙在圖像傳感器4上 的成像。透鏡架20具有保持元件41，保持元件41在一個(gè)角部整體形成，且形成SMA致動(dòng)器 30的一件SMA線31隨后掛到保持元件41上。保持元件41限定槽口，SMA線31位于該槽 口中，且被彎曲以減小SMA線的最大曲率。SMA致動(dòng)器30在圖9中示出，且包括一件SMA線31，該件SMA線31在每一端機(jī)械 地且電連接到相應(yīng)的安裝構(gòu)件32，每一個(gè)安裝構(gòu)件32形成為諸如黃銅的金屬的細(xì)長(zhǎng)件。具 體地，安裝構(gòu)件32各自卷曲在一件SMA線31上(在圖9中只有一個(gè)安裝構(gòu)件32是完全可 見(jiàn)的，但其它安裝構(gòu)件32具有相同的結(jié)構(gòu))。為了確保正確的電連接，在SMA致動(dòng)器30的 制造過(guò)程中，在卷曲之前去除自然地形成在SMA線31上的氧化物涂層。安裝構(gòu)件32各自 還具有從其突出的接觸部分36。在制造過(guò)程中，SMA致動(dòng)器30被制成為與照相機(jī)1的其余部分分離的子組件。具 體地，通過(guò)將安裝構(gòu)件32保持在適當(dāng)位置、將一件SMA線31緊緊作用到安裝構(gòu)件32上且 隨后將安裝構(gòu)件32卷曲到一件SMA線31上來(lái)制成SMA致動(dòng)器30。然后，將SMA致動(dòng)器30 組裝到支撐結(jié)構(gòu)2的環(huán)形壁5上，環(huán)形壁5作為屏蔽外殼且呈現(xiàn)薄壁方形金屬管的形式。環(huán) 形壁5在環(huán)形壁5的內(nèi)側(cè)上具有兩個(gè)絕緣膜34，其中只有一個(gè)在圖9中可見(jiàn)，以使環(huán)形壁5 與安裝構(gòu)件32絕緣。兩個(gè)安裝構(gòu)件32各自安裝到絕緣膜34上，例如通過(guò)粘合劑、壁5的 模鍛或一些其它方式，以將一件SMA線31連接到支撐結(jié)構(gòu)2。安裝構(gòu)件32用從環(huán)形壁5向 外突出的接觸部分36安裝。SMA致動(dòng)器30隨后被組裝，如圖10所示的。具體地，將環(huán)形壁5滑過(guò)透鏡架20， 且將環(huán)形壁5的端部安裝到上部壁15。另外，將一件SMA線31掛到保持元件41上，以將 SMA致動(dòng)器30耦合到透鏡元件6。SMA線31保持拉緊，但施加的應(yīng)力比由偏置元件23和懸架系統(tǒng)9施加的總應(yīng)力低。保持元件41和偏置元件23的端部26設(shè)置在照相機(jī)1的相同的角部，即關(guān)于光軸 0相同的角位置。這意味著由(a)偏置元件23和(b)SMA致動(dòng)器對(duì)透鏡元件6施加的力的 點(diǎn)處于關(guān)于光軸0的相同的角位置。這使透鏡元件6上來(lái)自這些反作用負(fù)荷的力偶最小化。具有與第一懸架元件10相同的結(jié)構(gòu)的第二懸架元件10被組裝，如圖11所示。第 二懸架元件10的內(nèi)環(huán)11連接到透鏡架20的端表面，以便將彎曲部分13耦合到透鏡元件 6。下部壁16如圖12所示地被組裝。具體地，將下部壁16安裝到環(huán)形壁5和第二懸 架元件10的四個(gè)安裝板12，以便將彎曲部分13耦合到支撐結(jié)構(gòu)2。安裝構(gòu)件的接觸部分 36通過(guò)下部壁16向外突出。因此，在該特定的照相機(jī)1中，支撐結(jié)構(gòu)2的環(huán)形壁5為薄金屬外屏蔽外殼，所有 必要的部件全都安裝在其內(nèi)。這樣，照相機(jī)1內(nèi)的移動(dòng)的透鏡元件6能在最大的外部尺寸的 限制內(nèi)制造得盡可能的大。因此，該特定的照相機(jī)1具有6. 5mm的方形外尺寸，能接受M5. 5 帶螺紋的透鏡支架21。圖12所示的組件隨后安裝到支撐結(jié)構(gòu)2的基部，如圖1所示。圖13示出了偏置元件23的可選形式。在該可選形式中，偏置元件23的固定架24 構(gòu)造成圍繞臂24的外側(cè)延伸的環(huán)。兩個(gè)懸架元件10設(shè)置在透鏡元件6的相對(duì)端部，且通過(guò)耦合在透鏡元件6和支撐 結(jié)構(gòu)2之間的彎曲部分13將透鏡元件6懸掛在支撐結(jié)構(gòu)2上。由于它們的構(gòu)造，彎曲部分 13通過(guò)撓曲或彎曲而適應(yīng)透鏡元件6沿光軸0的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)透鏡元件6沿光軸0運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi) 環(huán)11由于彎曲部分13彎曲的結(jié)果而相對(duì)于外環(huán)12沿光軸0運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閺澢糠?3平行于光軸0的厚度小于其寬度，所以彎曲部分13在其厚度方 向上的彎曲比在其寬度方向上的彎曲更柔順。因而，相比于抵抗透鏡元件6相對(duì)于支撐結(jié) 構(gòu)2垂直于光軸0的運(yùn)動(dòng)，彎曲部分13為懸架系統(tǒng)9提供較低程度的剛性來(lái)抵抗透鏡元件 6相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)2沿光軸0的運(yùn)動(dòng)。此外，兩個(gè)懸架元件10沿光軸0間隔開(kāi)，且因此透鏡元件6垂直于光軸0的運(yùn)動(dòng) 的阻力也提供透鏡元件6傾斜的阻力。對(duì)透鏡元件6的偏移軸運(yùn)動(dòng)(off-axis movement) 和傾斜的這種阻力是期望的，因?yàn)檫@種偏移軸運(yùn)動(dòng)和傾斜能使透鏡系統(tǒng)7在圖像傳感器4 上聚焦圖像的光學(xué)性能降級(jí)。在照相機(jī)1內(nèi)，安裝構(gòu)件32設(shè)置在關(guān)于光軸0的直徑上相對(duì)的位置。保持元件41 設(shè)置在兩個(gè)安裝構(gòu)件32之間的圍繞光軸0的中間。如沿光軸觀察到的，SMA線31的長(zhǎng)度 35沿照相機(jī)1的側(cè)面相互成90延伸。在組裝之后且處于平衡時(shí)，一件SMA線31能利用少 量粘合劑保持在適當(dāng)位置，以確保在操作或降落試驗(yàn)中保持在保持元件41上。這可在SMA 線的循環(huán)之后進(jìn)行，以幫助消除組裝間隙。保持元件41設(shè)置在沿光軸0的位置，該位置比安裝構(gòu)件32的卷曲了一件SMA線 31的部分更靠近圖像傳感器4。結(jié)果，由保持元件41的任一側(cè)上的一件SMA線31的一半 形成的SMA線31的兩個(gè)長(zhǎng)度35與光軸0保持成銳角。在組裝過(guò)程中，保持元件41上的滑 移有助于為SMA線31的兩個(gè)長(zhǎng)度35實(shí)現(xiàn)相等長(zhǎng)度和張力。SMA線31的長(zhǎng)度35在照相機(jī)1中保持張緊，使得它們施加具有沿光軸0的分量的
11張緊力，具體地在遠(yuǎn)離圖像傳感器4偏置透鏡元件6的方向上。所以，在SMA線31的長(zhǎng)度 35沒(méi)有加熱的情況下，透鏡元件6處于其運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的最靠近圖像傳感器4的位置。照相 機(jī)1設(shè)計(jì)成使得該位置對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)場(chǎng)或超焦距對(duì)焦，對(duì)照相機(jī)1來(lái)說(shuō)，這是最常見(jiàn)的設(shè)置，特 別是如果設(shè)置有自動(dòng)對(duì)焦功能時(shí)。另外，SMA線31的每個(gè)單獨(dú)的長(zhǎng)度35施加具有垂直于光軸0的分量的張緊力。這 些力的某些分量通過(guò)線的兩個(gè)長(zhǎng)度35的對(duì)稱(chēng)布置來(lái)平衡，但在保持元件41處保持光軸0 在徑向的力的凈分量，這往往會(huì)使透鏡6傾斜。然而，傾斜由充分小而適合用于許多透鏡和 圖像傳感器的懸架系統(tǒng)9抵抗。現(xiàn)在描述照相機(jī)1驅(qū)動(dòng)透鏡元件6相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)2沿光軸0運(yùn)動(dòng)的操作。SMA材料具有在加熱時(shí)遭受引起SMA材料收縮的固態(tài)相變的性能。低溫下，SMA材 料進(jìn)入馬氏體相。高溫下，SMA進(jìn)入奧氏體相，其包括引起SMA材料收縮的變形。由于SMA 晶體結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)變溫度的統(tǒng)計(jì)數(shù)離散，相變發(fā)生在一溫度范圍內(nèi)。因而，SMA線31的長(zhǎng)度35 的加熱引起它們的長(zhǎng)度減小。在照相機(jī)1中，SMA線31的長(zhǎng)度35設(shè)置成拉緊，提供在方向X上沿光軸0在透鏡 元件6和支撐結(jié)構(gòu)2之間的凈拉緊力，從而移動(dòng)透鏡元件6遠(yuǎn)離圖像傳感器4。該力抵抗由偏置元件23和懸架系統(tǒng)9在相反方向Y沿光軸0提供的偏置力。偏 置元件23和彎曲部分13根據(jù)來(lái)自SMA線31的長(zhǎng)度35的拉緊力而偏轉(zhuǎn)。在撓曲時(shí)，偏置 元件23和彎曲部分13—般保持直的，但是可能產(chǎn)生一些輕微的彎曲。所以，偏置元件23 和彎曲部分13的偏轉(zhuǎn)提供透鏡元件6在方向Y上的偏置。為了使透鏡元件6相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)2沿光軸0的運(yùn)動(dòng)最大化，懸架系統(tǒng)9的彎曲 部分13的總剛性?xún)?yōu)選地在從(a) SMA線31的長(zhǎng)度35在SMA材料的奧氏體相中所經(jīng)歷的總 剛性到(b) SMA線31的長(zhǎng)度35在SMA材料的馬氏體相中所經(jīng)歷的總剛性的范圍內(nèi)，更優(yōu)選 地，值(a)和(b)的幾何平均。理想的是，由偏置元件23、彎曲部分13和SMA線31的長(zhǎng)度35的剛性的和提供的抵 抗透鏡元件6相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)2沿光軸0的運(yùn)動(dòng)的總剛性足夠大，以便當(dāng)照相機(jī)1在方位之 間改變時(shí)，使透鏡元件6相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)2在重力下的運(yùn)動(dòng)最小化。對(duì)于典型的透鏡系統(tǒng)， 運(yùn)動(dòng)期望被限制到至多50m，其中對(duì)于典型的小型照相機(jī)，這意味著總剛性應(yīng)至少100N/m， 優(yōu)選地至少120N/m。彎曲部分13被設(shè)計(jì)成具有適當(dāng)?shù)膶挾?，以便基于透鏡元件7能適應(yīng)偏軸運(yùn)動(dòng)和傾 斜的程度來(lái)提供期望的剛性以抵抗透鏡元件6相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)2在垂直于光軸0的方向上 的運(yùn)動(dòng)。SMA線31的長(zhǎng)度35的剛性也可被考慮進(jìn)去，但通常提供明顯較小的貢獻(xiàn)。另一設(shè)計(jì)考慮是確保偏置元件23、彎曲部分13和SMA線31的長(zhǎng)度35所經(jīng)歷的最 大應(yīng)力不使相應(yīng)的材料受到過(guò)應(yīng)力。如上所述，使用偏置元件23是特別有優(yōu)勢(shì)的，即懸架系統(tǒng)9可被設(shè)計(jì)成具有減小 的剛性，從而允許懸架系統(tǒng)9中較大的運(yùn)動(dòng)范圍ΔΧ和/或減小的最大應(yīng)力。另一方面，偏置元件23更容易設(shè)計(jì)而不超過(guò)材料限制，即使偏置元件23具有顯著 的剛性。這是因?yàn)槠迷?3的設(shè)計(jì)以與懸架系統(tǒng)9相同的方式不受限制，因?yàn)槠迷?23不具有支撐和引導(dǎo)透鏡元件6的運(yùn)動(dòng)的功能。因而，在照相機(jī)1中，偏置元件23具有在 其耦合到支撐結(jié)構(gòu)2和透鏡元件6的位置之間測(cè)量的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度大于懸架系統(tǒng)9的彎曲
12部分13的長(zhǎng)度。因?yàn)閺澢糠值膭傂耘c其長(zhǎng)度的立方成比例，所以這意味著與彎曲部分13 相比，更容易設(shè)計(jì)具有高剛性但不超過(guò)材料限制的偏置元件23。盡管偏置元件23能可選地設(shè)計(jì)成具有較短的臂24，理想地以便維持長(zhǎng)度，但是臂 24圍繞光軸0延伸有效的角度，例如至少135°。透鏡元件6相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)2沿光軸0的位移程度取決于SMA線31的長(zhǎng)度35內(nèi) 形成的應(yīng)力以及還取決于SMA線31的長(zhǎng)度35相對(duì)于光軸0的銳角。SMA線中可能形成的 應(yīng)變受相變的物理現(xiàn)象限制。由于SMA線31的長(zhǎng)度35相對(duì)于光軸0的銳角，當(dāng)SMA線31 的長(zhǎng)度35的長(zhǎng)度改變時(shí)，它們的方位改變。這有效地適合運(yùn)動(dòng)，使得透鏡元件6沿光軸0 的位移程度大于SMA的長(zhǎng)度35沿光軸0分解的長(zhǎng)度的改變。通常，銳角可以采取任意值， 但是在圖2的示例中為約70。透鏡元件6相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)2沿光軸0的位置可通過(guò)控制SMA線31的長(zhǎng)度35的 溫度來(lái)控制。在操作中，SMA線31的長(zhǎng)度35的加熱通過(guò)使電流通過(guò)其中來(lái)提供，電流提供 電阻加熱。冷卻通過(guò)停止電流并允許SMA線31的長(zhǎng)度35通過(guò)傳導(dǎo)至其周?chē)h(huán)境而冷卻來(lái) 提供。電流由下面將進(jìn)行描述的控制電路50來(lái)控制。SMA線31可由任意合適的SMA材料，例如鎳鈦諾或其它鈦合金SMA材料制成。有 利地，一段SMA線31的材料組成和預(yù)處理被選擇成使得相變發(fā)生在一溫度范圍內(nèi)，該溫度 范圍(a)超過(guò)正常操作過(guò)程中預(yù)期的環(huán)境溫度，典型地超過(guò)70°C，以及(b)盡可能寬以使位 置控制的程度最大化。在許多應(yīng)用中，高速致動(dòng)透鏡元件6是理想的，例如如果設(shè)置有自動(dòng)對(duì)焦功能。致 動(dòng)的響應(yīng)速度受SMA線31的長(zhǎng)度35的冷卻限制?？梢酝ㄟ^(guò)減小SMA線31的長(zhǎng)度35的厚 度來(lái)加速冷卻。對(duì)于考慮中的照相機(jī)和線的尺寸，冷卻時(shí)間約隨線直徑大致線性地改變。為 此，SMA線31的長(zhǎng)度35的厚度理想地至多為35m，以提供對(duì)于照相機(jī)1的自動(dòng)對(duì)焦應(yīng)用是 可接受的響應(yīng)?，F(xiàn)在描述控制電路50和由此實(shí)現(xiàn)的控制的性能。圖14顯示了總的控制布置的示意圖?？刂齐娐?0連接到一段SMA線31，并將電 流施加到該段SMA線31，以控制該段SMA線31的溫度，其移動(dòng)透鏡元件6并改變形成在圖 像傳感器4上的圖像的聚焦。圖像傳感器4的輸出被提供到控制電路50，以進(jìn)行處理來(lái)確 定焦點(diǎn)的質(zhì)量的測(cè)量。圖15顯示了控制電路50?？刂齐娐?0連接到安裝構(gòu)件32中的每一個(gè)，安裝構(gòu) 件32通過(guò)其卷曲來(lái)提供對(duì)該段SMA線31的電連接?？刂齐娐?0和安裝構(gòu)件32之間的電 連接55通過(guò)傳導(dǎo)粘合劑(例如填充銀的環(huán)氧樹(shù)脂)來(lái)形成。不希望將控制電路50焊接到 SMA致動(dòng)器30，這是因?yàn)橛珊附庸に囘^(guò)程中的加熱引起的可能的破壞，或者由焊接工藝引 起的熔劑排放物(flux emission)。控制電路50在兩個(gè)安裝構(gòu)件32之間供給電流?？刂齐娐?0通過(guò)改變流過(guò)其中 的電流的功率來(lái)控制該段SMA線31的加熱程度?？刂齐娐?0響應(yīng)于該段SMA線31的電 阻而改變電流功率，其用作透鏡元件6的位置的測(cè)量。能使用其它位置測(cè)量，例如通過(guò)溫度 傳感器測(cè)量的溫度或者通過(guò)位置傳感器輸出的透鏡元件6的位置的直接測(cè)量，但是電阻傳 感器是有利的，因?yàn)槠洳粫?huì)因僅由控制電路50的額外部件執(zhí)行而增加照相機(jī)的包裝尺寸。使用電阻后面的物理現(xiàn)象如下。
在加熱SMA時(shí)，對(duì)于大部分材料，電阻系數(shù)隨溫度增加。這在相變發(fā)生的溫度范圍 內(nèi)和外(相轉(zhuǎn)變范圍)以及因此SMA收縮的溫度范圍內(nèi)發(fā)生。然而，在相轉(zhuǎn)變范圍內(nèi)，兩個(gè) 另外的影響發(fā)生。首先，奧氏體相的電阻系數(shù)高于馬氏體相，馬氏體相往往會(huì)隨溫度而增加 電阻。但是，幾何尺寸改變，包括減小的長(zhǎng)度和增加的截面面積的相反影響趨向于隨溫度減 小電阻。該相反影響明顯大于其它影響。因而，在從低溫加熱過(guò)程中，當(dāng)相轉(zhuǎn)變范圍達(dá)到且 SMA開(kāi)始收縮時(shí)，在電阻開(kāi)始升高之后，幾何影響快速控制了以下結(jié)果，即在收縮的大部分 過(guò)程中，SMA致動(dòng)器的電阻減小。這發(fā)生直到相轉(zhuǎn)變?cè)趲缀跛蠸MA中發(fā)生，使得收縮程度 降低，從而允許電阻升高。所以，SMA具有的性能是，電阻在加熱和沿圖16所示的形式的曲線收縮的過(guò)程中 隨長(zhǎng)度改變，圖16是SMA的電阻與SMA的長(zhǎng)度的圖形，與透鏡元件6的位置χ對(duì)應(yīng)，隨著 SMA對(duì)應(yīng)于增加的溫度收縮，長(zhǎng)度增加。因而，跨過(guò)相轉(zhuǎn)變范圍，透鏡元件6由于SMA的收縮 而移動(dòng)跨過(guò)位置范圍ΔΧ。電阻跨過(guò)位置范圍Δ χ的小開(kāi)始部分而升高到具有電阻值Rmax 的局部最大60。電阻跨過(guò)位置范圍Δ χ的大部分降落到具有電阻值Rmin的局部最小61， 此后，電阻跨過(guò)位置范圍χ的小最終部分升高。由于SMA材料的該性能，控制電路50基于如下進(jìn)行的測(cè)量電阻而執(zhí)行控制。從未 加熱狀態(tài)，控制電路50加熱該段SMA線31，直到檢測(cè)出了局部最大電阻值。這用來(lái)表示收 縮開(kāi)始發(fā)生。實(shí)際上，少量的收縮已經(jīng)發(fā)生。但是，局部電阻最大值60能容易被檢測(cè)到，而 位置范圍ΔΧ的開(kāi)始不能。因此，使用了局部電阻最大60，且其是如此靠近位置范圍Δχ的 開(kāi)始，使得運(yùn)動(dòng)損失不明顯。此后，控制電路50使用作為位置測(cè)量的測(cè)量電阻來(lái)加熱該段SMA線31。使用局部 最小電阻60來(lái)表示位置范圍χ的端點(diǎn)。實(shí)際上，少量收縮仍是可利用的。然而，局部最小 電阻61能容易檢測(cè)到，而位置范圍ΔΧ的端點(diǎn)不能。因此，使用了局部最小電阻61。其如 此靠近位置范圍ΔΧ的端點(diǎn)，使得運(yùn)動(dòng)損失不明顯。而且，使用局部最小電阻61之上的位 置范圍Δ χ能減小該段SMA線31的壽命，如下面進(jìn)一步描述的?？刂齐娐?0使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)。具體地，控制電路50施加脈沖寬度調(diào)制電 流脈沖(其可以是恒定電流或恒定電壓)，且改變工作循環(huán)，以便改變所施加的電流的功率 以及因此的加熱。使用PWM提供了優(yōu)勢(shì)，即所提供的功率的量可以高分辨能力精確地控制。 該方法提供大的信噪比，即使在低的驅(qū)動(dòng)功率下。PWM可以使用已知的PWM技術(shù)來(lái)執(zhí)行。一 般地，控制電路50連續(xù)提供電流脈沖，例如工作循環(huán)在5%至95%的范圍內(nèi)變化。當(dāng)工作 循環(huán)在該范圍內(nèi)的低值時(shí)，該段SMA線31的平均功率是低的，且因此即使一些電流被提供， 線仍冷卻。相反地，當(dāng)工作循環(huán)在該范圍內(nèi)的高值時(shí)，該段SMA線31加熱。在電流脈沖過(guò) 程中測(cè)量電阻，例如在從脈沖開(kāi)始的短的預(yù)定延遲之后。在從低于相轉(zhuǎn)變范圍的冷卻狀態(tài)加熱該段SMA線31的過(guò)程中，電阻以圖16所示 的方式隨位置改變，其從樣品到樣品都是一致的，且在連續(xù)加熱循環(huán)中。但是，在冷卻過(guò)程 中，電阻沿類(lèi)似形式的曲線改變，但是電阻變化從樣品到樣品有較少重復(fù)，且與加熱相比有 可變的滯后現(xiàn)象。總的來(lái)說(shuō)，這不能防止在冷卻過(guò)程中使用電阻作為位置測(cè)量，但是降低了 控制的精確性。在預(yù)定的和重復(fù)的運(yùn)動(dòng)之后，該問(wèn)題由控制電路50避免，其中位置控制僅 在樣品的加熱過(guò)程中實(shí)現(xiàn)，如下所述?？刂齐娐?0包括以下部件。
控制電路50包括驅(qū)動(dòng)電路53，驅(qū)動(dòng)電路53被連接成將電流供應(yīng)到該段SMA線31。 驅(qū)動(dòng)電路53可以是恒定電壓電流源或恒定電流電流源。例如在恒定電流電流源的情形，恒 定電流可能是約120mA。控制電路50還包括檢測(cè)電路54，檢測(cè)電路54設(shè)置成檢測(cè)SMA致動(dòng)器30的電阻。在驅(qū)動(dòng)電路53為恒定電流電流源的情形，檢測(cè)電路54可以是電壓檢測(cè)電路，其可 操作地檢測(cè)跨過(guò)SMA致動(dòng)器30的電壓，其為該段SMA線31的電阻的測(cè)量。在驅(qū)動(dòng)電路53為恒定電壓電流源的情形，檢測(cè)電路54可以是電流檢測(cè)電路。對(duì)于較大程度的精確性，檢測(cè)電路54可包括電壓檢測(cè)電路和電流檢測(cè)電路，它們 可操作地檢測(cè)跨過(guò)SMA致動(dòng)器的電壓和電流，并且得到作為其比率的電阻的測(cè)量。由合適的微處理器實(shí)現(xiàn)的控制器52控制驅(qū)動(dòng)電路53以供應(yīng)脈沖寬度調(diào)制電流。 控制器52接收由檢測(cè)電路54測(cè)量的電阻，并且響應(yīng)于該電阻來(lái)執(zhí)行PWM控制。圖17和18顯示了控制電路50的兩個(gè)詳細(xì)的電路實(shí)現(xiàn)。圖17的第一電路實(shí)現(xiàn)是便宜的，但性能有限。具體地，驅(qū)動(dòng)電路53為使用雙級(jí)晶 體管120的簡(jiǎn)單布置實(shí)現(xiàn)的恒定電流電流源。電壓檢測(cè)電路54形成為一對(duì)二極管121和 電阻器122的簡(jiǎn)單橋布置。圖18的第二電路實(shí)現(xiàn)更精確，但是更昂貴。具體地，驅(qū)動(dòng)電路53為由MOSFET晶 體管123實(shí)現(xiàn)的恒定電流電流源，MOSFET晶體管123由可操作的放大器124控制。檢測(cè)電 路125由兩個(gè)電阻器125的橋布置實(shí)現(xiàn)，其輸出被可操作的放大器126放大?？刹僮鞯姆?大器126允許控制器52的A/D轉(zhuǎn)換器利用其全部動(dòng)態(tài)范圍?？刂齐娐?0使用SMA致動(dòng)器的測(cè)量電阻作為反饋信號(hào)來(lái)改變電流功率，以將測(cè)量 電阻驅(qū)動(dòng)到目標(biāo)值。具體地，脈沖寬度調(diào)制電流的工作循環(huán)被改變。控制器52可以執(zhí)行許 多控制運(yùn)算來(lái)改變工作循環(huán)。一種可能性是比例控制法，其中工作循環(huán)通過(guò)與檢測(cè)電阻和 目標(biāo)電阻之間的差成比例的量而改變。隨著該段SMA線31跨過(guò)有效溫度區(qū)域加熱，電阻減 小被感測(cè)到并用于反饋控制技術(shù)。反饋控制的穩(wěn)定性由該段SMA線31自身在加熱的過(guò)程 中的固有比例-積分作用來(lái)維持?？偟姆答?lái)憫?yīng)由該段SMA線31的加熱的整體響應(yīng)控制。 這樣的比例控制反饋環(huán)提供了位置的精確控制。該段SMA線31可具有某些非線性響應(yīng)。這樣的非線性可能受控制電路50中包括 預(yù)補(bǔ)償?shù)南拗?。一種選擇是預(yù)補(bǔ)償由提供到驅(qū)動(dòng)電路53的輸出信號(hào)上的增益或偏移調(diào)節(jié) 組成，例如基于指令和指令信號(hào)的歷史。這在提供了不充分的反饋來(lái)控制該段SMA線31時(shí) 是最有益的?？刂齐娐?0可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦算法。在此情形，控制可基于圖像的焦點(diǎn)的測(cè)量，例 如由控制器52從來(lái)自圖像傳感器4的圖像信號(hào)得到的調(diào)制傳遞功能或空間頻率響應(yīng)。寬 范圍的合適的測(cè)量是已知的，且任何這樣的測(cè)量可被應(yīng)用。在此情形，存在限制，即焦點(diǎn)的測(cè)量的得到是緩慢的。為了防止這點(diǎn)，在跨過(guò)許多 焦點(diǎn)位置掃描的過(guò)程中，在由焦點(diǎn)的測(cè)量確定的期望的焦點(diǎn)位置，控制電路50可確定電阻 值。隨后，在掃描結(jié)束時(shí)，透鏡元件6被驅(qū)回基于電阻值而不是焦點(diǎn)測(cè)量的相同的位置。在此情形，來(lái)自圖像傳感器4的圖像信號(hào)用于得到主要的反饋參數(shù)，作為重復(fù)循 環(huán)和進(jìn)行內(nèi)的次要參數(shù)的位置測(cè)量的絕對(duì)值的任何偏差是不相關(guān)的，因?yàn)樵趩未巫詣?dòng)對(duì)焦 循環(huán)的過(guò)程中沒(méi)有可察覺(jué)的改變。在給定的照相機(jī)1中，電阻可能從高溫下的10改變到低溫下的12，且隨后在幾個(gè)IOOk循環(huán)的過(guò)程中，其可改變到高溫下的15和低溫下的20。然 而，對(duì)于任何給定的循環(huán)，最好的焦點(diǎn)將對(duì)應(yīng)于足夠的精確程度的具體電阻。因而，僅需要 返回該具體電阻，而與其絕對(duì)值無(wú)關(guān)?？捎煽刂破?2執(zhí)行的控制算法的示例在由相同申請(qǐng)人提交的以下申請(qǐng)中描 述英國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 0709338. 8 ；英國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 0718828. 7 ；國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)No. PCT/ GB08/000478 (W0-2008/099156)；英國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) No. 0714718. 4 以及國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng) No. PCT/ GB08/000477 (W0-2008/099155)，這些專(zhuān)利全部在此通過(guò)引用并入。盡管上面描述的實(shí)施方式涉及包括驅(qū)動(dòng)照相機(jī)透鏡元件的運(yùn)動(dòng)的SMA致動(dòng)裝置 的照相機(jī)，但是所描述的SMA致動(dòng)裝置能同等地適合于驅(qū)動(dòng)除了照相機(jī)透鏡元件以外的物 體的運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
一種形狀記憶合金致動(dòng)裝置，包括支撐結(jié)構(gòu)；可移動(dòng)的元件；懸架系統(tǒng)，其包括多個(gè)彈性彎曲部分，所述彈性彎曲部分耦合在所述支撐結(jié)構(gòu)和所述可移動(dòng)的元件之間，以將所述可移動(dòng)的元件支撐到所述支撐結(jié)構(gòu)上，并通過(guò)所述彎曲部分的偏轉(zhuǎn)來(lái)引導(dǎo)所述可移動(dòng)的元件沿運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)；形狀記憶合金致動(dòng)器，其設(shè)置成在所述形狀記憶合金致動(dòng)器收縮時(shí)驅(qū)動(dòng)所述可移動(dòng)的元件相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)在第一方向上沿運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)；端部停止件，其設(shè)置成限制所述可移動(dòng)的元件在第二方向上沿運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)，所述第二方向與所述第一方向相反；偏置元件，其設(shè)置成相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)在所述第二方向上沿運(yùn)動(dòng)軸偏置所述可移動(dòng)的元件，所述裝置設(shè)置成使得當(dāng)所述可移動(dòng)的元件保持貼著所述端部停止件時(shí)，由所述偏置元件在所述第二方向施加的力大于由所述懸架系統(tǒng)的所述彎曲部分施加的力。
2.如權(quán)利要求1所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述偏置元件包括彈性彎曲部分。
3.如權(quán)利要求2所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述偏置元件的所述彈性彎曲 部分的長(zhǎng)度大于所述懸架系統(tǒng)的所述多個(gè)彈性彎曲部分的長(zhǎng)度，所述偏置元件的所述彈性 彎曲部分的長(zhǎng)度在所述彈性彎曲部分耦合到所述支撐結(jié)構(gòu)和所述可移動(dòng)的元件的位置之 間測(cè)量。
4.如權(quán)利要求2或3所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述偏置元件的所述彈性彎 曲部分固定不動(dòng)地耦合到所述支撐結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述偏置元件的所述彈性彎曲 部分通過(guò)接觸來(lái)接合可移動(dòng)的元件而不固定到可移動(dòng)的元件。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述可移動(dòng)的元件 為照相機(jī)透鏡元件，所述懸架系統(tǒng)引導(dǎo)所述照相機(jī)透鏡元件相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)沿所述照 相機(jī)透鏡元件的光軸的運(yùn)動(dòng)。
7.如權(quán)利要求6所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述照相機(jī)透鏡元件包括具有 至多為10mm的直徑的一個(gè)或多個(gè)透鏡。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述形狀記憶合金 致動(dòng)器和所述偏置元件的所述彈性彎曲部分在關(guān)于光軸的相同的角位置接合所述可移動(dòng) 的元件。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述偏置元件的所 述彈性彎曲部分具有兩個(gè)臂，每個(gè)臂在所述照相機(jī)透鏡元件的視場(chǎng)外側(cè)在其相對(duì)側(cè)上在所 述支撐結(jié)構(gòu)和所述照相機(jī)透鏡元件之間延伸。
10.如權(quán)利要求9所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述偏置元件的所述彈性彎曲 部分的兩個(gè)臂在該兩個(gè)臂接合照相機(jī)透鏡元件的地方接合在一起。
11.如權(quán)利要求9或10所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述偏置元件的所述彈性 彎曲部分的兩個(gè)臂中的每一個(gè)圍繞光軸延伸至少大約135°。
12.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述裝置設(shè)置成使得當(dāng)所述可移動(dòng)的元件保持貼著所述端部停止件時(shí)，所述多個(gè)彎曲部分不施加力。
13.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述多個(gè)彈性彎曲 部分設(shè)置在所述可移動(dòng)的元件周?chē)?br> 14.如權(quán)利要求13所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述懸架系統(tǒng)包括兩組彈性 彎曲部分，每一組包括設(shè)置在所述可移動(dòng)的元件周?chē)亩鄠€(gè)彈性彎曲部分，所述兩組彈性 彎曲部分設(shè)置在沿運(yùn)動(dòng)方向的不同位置。
15.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述形狀記憶合金 致動(dòng)器包括形狀記憶合金線，所述形狀記憶合金線連接到支撐結(jié)構(gòu)和可移動(dòng)的元件，且在 收縮時(shí)拉緊。
16.如權(quán)利要求15所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，其中，所述形狀記憶合金線以與所 述可移動(dòng)的元件的運(yùn)動(dòng)方向成銳角延伸。
17.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，還包括另一端部停止件， 所述另一端部停止件設(shè)置成限制所述可移動(dòng)的元件的運(yùn)動(dòng)范圍的相對(duì)端點(diǎn)。
18.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝置，還包括驅(qū)動(dòng)電路，所述驅(qū) 動(dòng)電路連接到所述形狀記憶合金致動(dòng)器，以將驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給所述形狀記憶合金致動(dòng)器。
19.一種照相機(jī)，包括圖像傳感器；以及根據(jù)權(quán)利要求16或從屬于權(quán)利要求16的任一權(quán)利要求所述的形狀記憶合金致動(dòng)裝 置，所述照相機(jī)透鏡元件設(shè)置成在所述圖像傳感器上聚焦圖像。
20.如權(quán)利要求19所述的照相機(jī)，其中，所述第一方向遠(yuǎn)離所述圖像傳感器。
全文摘要
一種形狀記憶合金致動(dòng)裝置包括可移動(dòng)的元件，可移動(dòng)的元件通過(guò)包括多個(gè)彈性彎曲部分的懸架系統(tǒng)支撐在支撐結(jié)構(gòu)上。形狀記憶合金致動(dòng)器在收縮時(shí)驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)的元件的運(yùn)動(dòng)。端部停止件限制可移動(dòng)的元件在相反方向上的運(yùn)動(dòng)。除了使用懸架系統(tǒng)的彈性彎曲部分作為單獨(dú)的偏置工具以外，額外的質(zhì)量元件抵抗SMA致動(dòng)器來(lái)偏置可移動(dòng)的元件。當(dāng)可移動(dòng)的元件保持貼著端部停止件時(shí)，由偏置元件施加的力大于由懸架系統(tǒng)的彎曲部分施加的力。這降低了設(shè)計(jì)限制，例如允許較大的運(yùn)動(dòng)范圍。
文檔編號(hào)G02B7/08GK101896719SQ200880119900
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2008年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者多米尼克·喬治·韋伯, 理查德·托普利斯 申請(qǐng)人:劍橋機(jī)電有限公司