形状记忆合金致动器控制

领域

本发明涉及一种或更多种减少由机械冲击引起的对形状记忆合金(SMA)致动器的损坏的方法，该机械冲击尤其是由包含SMA致动器的设备跌落到地板上或敲击表面而引起的撞击之后的机械冲击。

背景

用于诸如智能手机和平板电脑的电子设备的形状记忆合金(SMA)致动器需要坚固耐用，并且在不利的机械冲击下不会断裂。通电时，SMA线在机械冲击条件下(诸如翻滚、敲击、重复跌落(micro drop)和振动条件测试)比SMA线处于较低温度时承受更大的应力。

概述

根据本发明的第一方面，提供了一种方法，该方法包括确定包括至少一根形状记忆合金线的形状记忆合金致动器是否在给定时间量内处于指示形状记忆合金致动器将受到机械冲击的运动状态。该方法还包括在肯定的确定后，控制到至少一根形状记忆合金线的电流，以便当机械冲击发生时减少由机械冲击引起的对至少一根形状记忆合金线的损坏。

机械冲击可以包括撞击，例如跌落后撞击地板，或者敲击表面。机械冲击可以包括由跌落、敲击、翻滚和/或重复跌落测试引起的冲击。机械冲击可以包括由振动引起的冲击，例如当SMA致动器附接到移动的载具时。机械冲击可以在至少一根形状记忆合金线上引起机械应力。

该方法还可以包括监测形状记忆合金致动器的运动状态，以及处理运动状态并生成指示该运动状态的信号。

在肯定的确定形状记忆合金致动器在给定时间量内处于指示形状记忆合金致动器将受到机械冲击的运动状态后，可以从至少一根形状记忆合金线去除电流。

确定形状记忆合金致动器处于指示形状记忆合金致动器将受到机械冲击的运动状态可以包括从加速度计接收指示形状记忆合金致动器处于自由落体的信号。

确定形状记忆合金致动器处于指示形状记忆合金致动器将受到机械冲击的运动状态可以包括从不在加速度计的单个平面上的三个轴线中的每一个轴线接收低于预定数字的值。

确定形状记忆合金致动器是否处于指示形状记忆合金致动器将受到机械冲击的运动状态可以包括从陀螺仪接收指示旋转的信号。

确定形状记忆合金致动器是否处于指示形状记忆合金致动器将受到机械冲击的运动状态可以包括从光学传感器接收信号。

至少一根形状记忆合金线可以包括至少一根第一形状记忆合金线和至少一根第二形状记忆合金线。该方法可以进一步包括控制到至少一根第二形状记忆合金线的电流，其中对至少一根第二形状记忆合金线的电流控制发生在对至少一根第一形状记忆合金线的电流控制之后和/或相比于对至少一根第一形状记忆合金线的电流控制具有较小幅度。

形状记忆合金致动器的移动部分可以移动得更靠近形状记忆合金致动器的端部止挡件。

形状记忆合金致动器的移动部分可以定位在预定位置。预定位置可以是保持移动部分的停放位置。

以上内容可以通过在肯定的确定后，控制到至少一根形状记忆合金线的电流来完成。

该方法还可以包括确定形状记忆合金致动器的运动方向，确定形状记忆合金致动器相对于其运动方向的取向，以及根据形状记忆合金致动器相对于其运动方向的取向来控制到至少一根形状记忆合金线的电流，以便在机械冲击发生时减少由机械冲击引起的对至少一根形状记忆合金线的损坏。

该方法还可以包括确定形状记忆合金致动器是否在给定时间量内处于指示形状记忆合金致动器将经受第二机械冲击的运动状态，并且在肯定的确定后，控制到至少一根形状记忆合金线的电流，以便在机械冲击发生时减少由机械冲击引起的损坏。

第二机械冲击可以与第一机械冲击同时发生，例如当撞击机械冲击发生时的振动机械冲击。第二机械冲击可以在第一机械冲击之后，例如，第二机械冲击可以由第一机械冲击的反弹或弹起引起。

对到至少一根形状记忆合金线的电流的控制可以足以将形状记忆合金线的温度降低至低于形状记忆合金线的马氏体转变完成温度。这可以发生在机械冲击或随后的机械冲击之前。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括存储器和至少一个处理器的控制器。至少一个处理器被配置成确定包括至少一根形状记忆合金线的形状记忆合金致动器是否在给定时间量内处于指示所述形状记忆合金致动器将经受机械冲击的运动状态，并且在肯定的确定后，控制到至少一根形状记忆合金线的电流，以便当机械冲击发生时减少由机械冲击引起的对至少一根形状记忆合金线的损坏。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括上述控制器的模块。

该模块还可以包括可操作地连接到控制器的至少一个传感器，以及至少一个包括至少一根形状记忆线的形状记忆合金致动器。

根据本发明的第四方面，提供了一种包括上述控制器的设备。

该设备可以是便携式设备，并且可以是例如便携式电子设备。该设备可以是可手持设备，诸如智能手机、平板电脑、膝上型个人电脑或笔记本电脑。

根据本发明的第五方面，提供了一种计算机程序，当由至少一个处理器执行时，计算机程序使至少一个处理器执行本发明第一方面的方法。

根据本发明的第六方面，提供了一种包括存储计算机程序的计算机可读介质的计算机程序产品。

附图简述

现在将参考附图以示例的方式描述本发明的某些实施例，在附图中：

图1是包括相机模块的可手持设备的示意框图；

图2是运动轴线的透视图；

图3是四线形状记忆合金(SMA)致动器的透视图；

图4是八线形状记忆合金致动器的透视图；

图5是八线形状记忆合金致动器的侧视图；

图6是撞击之前的电子设备的示意图；

图7是控制到SMA线的电流的方法的工艺流程图；

图8是SMA线的马氏体相分数相对于温度的示意图；和

图9是SMA致动器的移动部分的示意图。

描述

参考图1，电子设备1包括电子设备控制器2和至少一个相机模块3。

相机模块3包括形状记忆合金(SMA)致动器4(本文也称为“SMA致动器组件”，或简称为“致动器”)。SMA致动器4包括至少一根SMA线5。相机模块3还包括可操作地连接到SMA致动器4的SMA致动器控制器6。SMA致动器控制器6还包括至少一个处理器7和存储器8。相机模块包括传感器单元9，该传感器单元9可以包括加速度计10和/或陀螺仪11。传感器单元9可以是惯性测量单元(IMU)。IMU 9可操作地连接到SMA致动器控制器6。相机模块3还包括图像传感器12。

相机模块3可以包括多于一个的SMA致动器4。如稍后将更详细解释的，每个SMA致动器4可以使图像传感器12或透镜(未示出)相对于彼此以六个自由度移动。每个SMA致动器4可以由单个SMA致动器控制器6控制，或者可替代地，每个SMA致动器4可以由不同的SMA致动器控制器6控制。传感器模块9可以位于电子设备1上的其他地方，而不是相机模块3上。可以在不同定位中有多于一个的传感器模块9，并且来自每个模块9的数据可以被提供给一个或更多个SMA致动器控制器6。如果多于一个的传感器模块9向单个SMA致动器提供数据，则SMA致动器6的处理器7可以执行对信息进行组合的过程，该信息可以来自电子设备1的不同部分。

电子设备控制器2可以向相机模块提供关于电子设备的状态的数据(例如电池电量、使用数据)以及关于诸如温度、海拔高度等其他外部因素的数据。

电子设备1可以是可手持设备，例如智能手机。电子设备1可以是测量或监测设备。电子设备1可以是载具(例如无人驾驶飞行器(UAV))，或者可以是载具的一部分。

还参考图2，示出了电子设备1和相机模块3可能经受的可能类型的移动(或自由度)。

当电子设备1移动时，传感器单元9感测相机模块3的运动。加速度计10测量线性运动，例如给出三个轴线上线性运动的变化率，并且陀螺仪11测量三个轴线上的旋转运动。第一自由度(DOF)Tx对应于平行于(沿着)第一轴x的移动。第二DOF Ty对应于平行于(沿着)第二轴y的移动。第三DOF Tz对应于平行于(沿着)第三轴z的移动。在一些示例中，第三轴z(也称为“主轴”)可以基本平行于透镜(未示出)的光轴O(图4)定向，并且第三DOF Tz可以对应于透镜(未示出)朝向或远离图像传感器6的移动。第三轴z不在由第一轴x和第二轴y形成的同一平面内，并且可以垂直于由第一轴x和第二轴y形成的平面。第一轴x、第二轴y和第三(或主)轴z可以形成右手笛卡尔坐标系。第四DOF Rx对应于围绕平行于第一轴x的轴的旋转。第五DOF Ry对应于围绕平行于第二轴y的轴的旋转。第六DOF Rz对应于围绕平行于主轴z的轴的旋转。在一些示例中，轴线x、y、z中的一个或更多个可以附接到SMA致动器组件4或图像传感器12的第一部分、第二部分或任何其他元件(并且与其一起移动和/或旋转/倾斜)。

来自传感器单元9的运动数据被提供给SMA致动器控制器6。SMA致动器控制器6的处理器7分析从传感器单元9接收的数据，并控制提供给SMA致动器4中的SMA线5的电流。存储器8可以包括软件或固件，其包括用于分析来自传感器单元9的数据的指令。在一些示例中，来自传感器单元9的运动数据用于光学图像稳定(OIS)。在正常操作下，例如当用户握持电子设备1时，相机模块3可能会受到由诸如用户移动、风、振动等外部因素引起的运动的影响。相机模块3在六个自由度上的运动由传感器单元9感测，并被提供给SMA致动器控制器6。在处理器7对运动进行分析之后，SMA致动器控制器6控制到SMA致动器4中的SMA线5的电流，这补偿了由外部因素引起的移动。以这种方式，图像传感器12和/或透镜(未示出)可以相对于彼此移动，并且提供稳定的图像记录条件，而不管相机模块3的移动如何。

参考图3，示出了“四线”SMA致动器3的示例。致动器3等同于WO 2013/175197 A1中描述的致动器，该文献通过引用并入。

在SMA致动器3中，第一和第二结构15中的每一个采取具有矩形外周和圆形内周的平坦环形板的形式。第一结构15支撑在基座(未示出)上。四根SMA线5

第一结构15和第二结构17可以各自采取各自的图案化金属片的形式，例如蚀刻或机械加工的不锈钢，其可以涂覆有电绝缘介电材料。第一结构15和第二结构17各自设有与光轴(未示出)对准的相应中心孔，允许光从安装在第二结构17上的镜头组件3到支撑在基座(未示出)上的图像传感器12的通路。

四根SMA线5

致动器3包括围绕光轴O间隔开的多个轴承(未示出)，以将第二结构17、18支承在第一结构15、16上。优选地，使用至少三个轴承来帮助提供稳定支撑。每个轴承(未示出)可以是可呈圆柱形的滑动轴承，并且可以附接到第一结构15或形成为第一结构15的一部分。轴承(未示出)可以由任何合适的材料制成。

致动器3通常还将包括偏置装置，诸如一个或更多个弹簧或弯曲臂(flexurearm)，其被布置和构造成当SMA线5

与制造类似于致动器3的致动器组件相关的细节可以在WO 2016/189314 A1中找到，该文献通过引用以其整体并入本文。

虽然图3中未示出，但是致动器3可以设置有端部止挡件，以提供对第二结构17相对于第一结构15的横向移动的限制。以这种方式，可以保护SMA线5

在操作中，例如在WO 2013/175197 A1中所述，SMA线5

参考图4和图5，现在将描述包括“八线”形状记忆合金致动器4的示例的相机镜头组件25。

相机镜头组件25包括静止部分26和镜头支架27，镜头支架27保持镜头28(以虚线轮廓示出)或者更一般地任何数量的镜头，镜头具有光轴O。如下文更详细描述的，镜头支架27由八根SMA致动器线5支撑在静止部分上，其中四根在图1中可见。透镜支架27能够由SMA致动器线5驱动，相对于静止部分26以六个自由度移动，即三个正交平移自由度(Tx、Ty、Tz)和三个正交旋转自由度(Rx、Ry、Rz)。在该示例中，镜头支架27仅由SMA致动器线5支撑，但是作为替代方案，镜头支架27可以另外由悬架系统支撑，该悬架系统允许以六个自由度移动，例如由一个或更多个弯曲部形成。静止部分26优选地还包括屏蔽罩29(为清楚起见，未在图4中示出，并且在图5的截面图中以剖视图示出)，屏蔽罩29刚性地附接到基板上，并且以足够的间隙围绕镜头支架27延伸，以允许镜头支架27的完全移动。

更详细地，静止部分26包括基板30和设置在基板30的相对角上的两个静止柱31。静止柱31可以固定在基板26上或与基板26整体形成为一个整体。两个压接组件32固定到两个静止柱31的每一个上。基板26还刚性地安装有图像传感器12，镜头28将图像聚焦在图像传感器12上。

镜头支架27包括两个移动柱33，它们与静止柱31中间的基板26的角对齐。两个压接组件34固定在每个移动柱33上。SMA致动器线5通过在一端压接到静止部分的压接组件32且在另一端压接到镜头支架27的压接组件34，而连接在静止部分26和镜头支架27之间。压接组件32和34提供机械连接和电连接。镜头支架27上在每个角处的压接组件34电连接在一起。

SMA致动器线5在镜头支架27周围具有与WO2011/104518中描述的相机装置中的SMA致动器线5相同的构造。具体而言，两根SMA致动器线5布置在围绕光轴O的四个侧面中的每一个上，并且从垂直于光轴O的方向看，两根SMA致动器线5相对于光轴O以彼此相反的方向倾斜(即，以大于0度的锐角倾斜)并且彼此交叉。因此，具体而言，SMA致动器线30中每一个相对于镜头元件27的光轴O并且相对于彼此倾斜。关于SMA致动器线5的布置的进一步细节，参考WO2011/104518。SMA致动器线5的选择性收缩驱动镜头支架27在六个自由度中的任何一个的移动。SMA致动器线5的收缩和扩张通过向其施加驱动信号或电流而生成。SMA致动器线5被驱动信号电阻性加热，并且当驱动信号的功率降低时，通过到周围的热传导冷却。

因此，SMA致动器线5可以用于通过镜头支架27沿着光轴O的平移移动来提供AF功能，以及通过镜头支架27垂直于光轴O的平移移动来提供OIS功能。

驱动信号可以在控制电路(例如，SMA致动器控制器6)中生成，并供应给SMA致动器线5。这种控制电路可以接收表示镜头支架27的期望位置的输入信号，并生成具有被选择来将镜头支架27驱动到期望位置的功率的驱动信号。驱动信号的功率可以是线性的，或可以使用脉宽调制来改变。驱动信号可以使用电阻反馈控制技术生成，在这种情况下，控制电路测量SMA致动器线5的电阻，并使用测量的电阻作为反馈信号来控制驱动信号的功率。这种电阻反馈控制技术可以如在WO2013/175197、WO2014/076463、WO2012/066285、WO2012/020212、WO2011/104518、WO2012/038703、WO2010/089529或WO2010029316中的任一项中所公开的那样实现。

如图5所示(但为了清楚起见，从图4中省略了)，静止部分26还包括具有端部止挡表面36的端部止挡件35，端部止挡表面36面向镜头支架27，并被布置成通过接触镜头支架27来限制镜头支架27的移动。存在对应于每根SMA致动器线5的端部止挡件35。图5示出了在相机镜头组件25的一侧上的两根SMA致动器线5和两个相应的端部止挡件35，在相机镜头组件25的其他侧上的其他SMA致动器线5具有相同构造的相应的端部止挡件35。在该示例中，每个端部止挡表面36正交于沿着相应的SMA致动器线5的方向延伸。因此，端部止挡表面36相对于光轴O以与SMA致动器线相对于光轴O倾斜的角度互补的角度倾斜，图5所示的两个端部止挡表面36以彼此相反的方向倾斜。

端部止挡表面36的这种布置为SMA致动器线5提供了更好的保护，使其免受撞击造成的损坏。在对于SMA致动器线5的最坏情况中，在对相机镜头组件25撞击的情况下，例如由相机镜头组件25掉落引起的撞击，在远离静止部分26的方向上沿着SMA致动器线5的线路的方向上施加高冲击力。当相机镜头组件25受到该力时，镜头支架27将被推离静止部分25并接触端部止挡表面36，这限制了该移动，从而使SMA致动器线5免于由于受到太大应力而被损坏。由于端部止挡表面36的位置，SMA致动器线5可以免遭折断，或者避免SMA致动器线5达到由于应变疲劳而缩短寿命的点。由于端部止挡表面36的倾斜正交于沿着相应的SMA致动器线5的方向延伸，这在不限制镜头支架27的移动程度的情况下实现。

在图5所示的示例中，每个端部止挡表面36被定位成与相应的SMA致动器线5成一直线，即与SMA致动器线5的端部处的压接组件32成一直线。在这种布置中，无论镜头支架27的旋转如何，SMA致动器线5的应力都受到限制。在封装限制防止端部止挡表面36定位成与相应的SMA致动器线5成一直线的情况下，通过任何一个或更多个端部止挡表面36定位成不与相应的SMA致动器线5成一直线，可以实现类似的保护效果。在这种情况下，光学组件可以被布置成防止镜头支架27旋转。

在图5所示的示例中，端部止挡表面36形成在屏蔽罩29的内表面上，例如通过端部止挡件安装在屏蔽罩29上，或者形成为屏蔽罩29的组成部分。这对于制造是方便的。更一般地，端部止挡表面36可以形成在静止部分的任何部分的内表面上。例如，任何一个或更多端部止挡件35可以安装到基板30上，或者形成为基板30的组成部分。类似地，一些端部止挡表面36可以形成在屏蔽罩29的内表面上，而其他端部止挡表面可以形成在安装到基板30的端部止挡件的内表面上，或者形成为基板30的组成部分。现在将描述相机镜头组件的一些修改设计。为了简洁起见，将仅描述修改，并且相机镜头组件另外具有上述结构。

机械冲击

参考图6，电子设备1可能遭受有意或无意的机械冲击。

例如，电子设备1可以从表面40上方的高度h跌落到表面40上，例如通过被用户掉落，或者从先前稳定或受控的位置受到干扰(例如一阵风)。表面40可以是例如桌子或地板。然后，电子设备1接触表面40，设备1可能遭受一个或更多个机械冲击，例如撞击。这些撞击也将影响SMA致动器4和SMA致动器线5。例如，诸如这样的撞击可能损坏SMA线5。当SMA致动器4通电时，也就是说，有电流提供给SMA线5以加热它们时，更有可能损坏SMA线5。SMA致动器4可以在例如电子设备1的相机正在使用时被通电。这种情况可能发生在用户试图使用电子设备1拍照并且在操作期间掉落设备1时。

电子设备1可能受到二次无意撞击，例如在首次撞击后从地板40反弹之后。二次撞击对SMA线5的损害可能与首次撞击一样大或更大，尽管所涉及的加速度具有较低幅值。

第二机械冲击可以与第一机械冲击同时发生，例如当撞击机械冲击发生时的振动机械冲击。第二机械冲击可以在第一机械冲击之后，例如，第二机械冲击可以由第一机械冲击的反弹或弹起引起。

电子设备1可能受到进一步的机械冲击，例如在所谓的翻滚期间。电子设备1可能受到由振动引起的机械冲击，例如当设备1附接到移动的载具时。

电子设备1可能会受到有意的机械冲击，例如，智能手机敲击支付设备的表面将导致撞击机械冲击。

对即将来临的机械冲击的检测

对即将来临的机械冲击的检测可以帮助保护SMA致动器4中的SMA线5。如果检测到即将来临的机械冲击，可以采取措施来减少对SMA线5和SMA致动器4造成的损坏。例如，减少或去除来自SMA线5的电流允许线5冷却。通常，SMA线5越凉(因此越不绷紧)，它们越不容易被机械冲击损坏。优选地，SMA线被冷却到低于所使用的特定SMA的马氏体转变完成温度。

电子设备1可以从用户的手中掉落到地板40上的典型时段约为140ms。在一些示例中，检测已经发生掉落的典型时间是大约100到120ms，并且SMA线5的典型冷却时间在100到120ms之间。减少检测时间将允许更快地采取行动，并且当撞击发生时，SMA线5更冷，从而减少对它们造成的损害。SMA线5不需要完全冷却来减少损坏，即使小幅度的冷却也减少了撞击对线5造成的损坏。

通过使用加速度计10监测三个线性轴线Tx、Ty、Tz中的运动，当加速度在所有三个轴线中低于阈值时，SMA致动器控制器6可以检测传感器单元9以及因此包括SMA致动器4和SMA线5的相机模块3何时处于自由落体状态。理想情况下，阈值将接近于零，但在某些情况下，高于零的阈值可能是合适的。来自陀螺仪11的旋转数据可以增加加速度计数据，以提供更精确的自由落体读数和/或关于相机模块3的旋转状态的信息。旋转信息也可以用于确定相机模块是否处于翻滚状态。来自所有六个轴线Tx、Ty、Tz、Rx、Ry和Rz的信息也可以确定相机模块是否受到振动刺激。这种运动信息还可以用于确定电子设备1是否将要被敲击表面，例如在用智能手机敲击支付系统的运动期间。在某些情况下，来自光学传感器(例如图像传感器12)的数据可以与来自传感器单元9的运动数据相结合，以提供对运动状态的更快速确定或更精确的运动状态。

参考图7，SMA致动器控制器6监测由传感器模块9提供的相机模块3的运动状态(步骤S1)。如果SMA致动器控制器6确定相机模块3在给定时间量内处于指示相机模块3和SMA致动器4将受到机械冲击的运动状态(步骤S2)，SMA控制器6可以检查SMA致动器4是否处于“接通”状态)(步骤S3)(例如通电)。如果SMA致动器4处于“接通”状态，则SMA致动器控制器6可以采取缓解动作(步骤S4)。缓解动作可以是控制或减少提供给SMA致动器4中的至少一根SMA线5的电流。缓解动作可以包括在控制或减少到第二SMA线5的电流之前，控制或减少或去除到一根或更多根SMA线5的电流。对于每根SMA线5的电流的控制或减小可以在不同的时间和以不同的幅度进行。步骤S2中的给定时间量可以是0到100ms之间、0到75ms之间、0到50ms之间、0到25ms之间或大约10ms的时间。

然后，SMA致动器控制器6确定SMA致动器4返回到其默认状态(例如在通电状态下执行图像稳定)是否安全(步骤S5)。如果安全，则SMA致动器控制器6返回监测由传感器单元9提供的相机模块3的运动状态(步骤S1)。SMA致动器控制器6可以检测到第二机械冲击即将来临，在这种情况下，SMA致动器控制器继续控制提供给SMA线5的电流。对于第二即将来临的机械冲击，根据相机模块3的运动和预期的冲击类型，对到SMA线的电流的控制可以不同于对到SMA线的电流的第一控制。

SMA致动器控制器6还可以使用来自传感器单元9的数据来确定SMA致动器4的运动方向和SMA致动器4相对于其运动方向的取向。SMA致动器控制器6可以使用方向和取向信息来确定哪些SMA线5最有可能受到即将来临的机械冲击(例如，那些将倾向于被拉伸的SMA线5)，并且相应地控制到至少一根形状记忆合金线5的电流，以便在冲击发生时减少对线5的损坏。

参考图8，当SMA致动器4处于通电状态时，SMA线5处于温度T

参考图9，第一SMA线5

当确定即将来临的机械冲击时，SMA致动器控制器6控制到SMA线5

在一些示例中，一旦移动部分41已经移动到这样的位置，移动部分可以通过物理夹具(未示出)或磁力(例如，如在WO 2021/005351 A1中的图8和伴随的描述中所公开的，其通过引用并入)被“停放”或临时固定在该位置。这进一步降低了SMA线5上的应力和/或应变，因此降低了机械冲击期间损坏的可能性。

修改

应当理解，可以对上文描述的实施例进行各种修改。这种修改可以包括在形状记忆合金致动器、形状记忆合金致动器控制器及其组成部分的设计和使用中已知的等效和其他特征，并且这些特征可以用来替代或补充本文已经描述的特征。一个实施例的特征可以由另一个实施例的特征代替或补充。

尽管权利要求在本申请中被表述为特征的特定组合，但是应该理解的是，本发明的公开范围还包括本文明确或隐含公开的任何新颖特征或特征的任何新颖组合或其任何概括，无论其是否涉及任何权利要求中当前要求保护的相同发明，也无论其是否减轻了与本发明相同的任何或所有技术问题。申请人在此发出通知，在本申请或由其衍生的任何进一步申请的诉求中，可以对这些特征和/或这些特征的组合提出新的权利要求。