JP2011501245A - 形状記憶合金駆動装置 - Google Patents

Abstract

形状記憶合金駆動装置は、複数の弾性湾曲部を備えるサスペンションシステムによって支持構造体に支持される可動エレメントを備える。形状記憶合金アクチュエータは、収縮時に、可動エレメントの動きを促す。エンドストップは、可動エレメントの動きを反対方向に制限する。サスペンションシステムの弾性湾曲部を唯一の付勢手段として使用するのではなく、更なる付勢（Massing）エレメントが可動エレメントをＳＭＡアクチュエータに抗して付勢する。可動エレメントがエンドストップに抗して保持されると、付勢エレメントにより加えられる力は、サスペンションシステムの湾曲部により加えられる力よりも大きい。これは、設計制約を減らし、それにより、例えば大きな動作範囲を可能にする。

Description

本発明は、可動エレメントの動きを促すためにアクチュエータとしてＳＭＡ材料を使用する形状記憶合金（ＳＭＡ）駆動装置に関する。

本発明は、一般に、任意のタイプの可動エレメントに適用できるが、例えば、携帯電話又はモバイルデジタルデータ処理デバイス及び／又は送信デバイスなどの携帯型電子デバイスで用いられてもよい小型カメラで使用されるタイプのカメラレンズエレメントの作動に対して、特定の用途を有する。近年、時としてＰＤＡ（ポータブルデジタルアシスタント）として知られる携帯型情報端末及び携帯電話の爆発的な普及に伴い、イメージセンサを使用するコンパクトなデジタルカメラ装置を組み込むデバイスの数が増大している。そのようなデジタルカメラ装置が比較的小さい像検出領域を有するイメージセンサを使用して小型化されると、それに応じて、１つ又はそれ以上のレンズを含むその光学系も小型化される必要がある。

合焦又はズーミングを達成するため、一部のタイプの駆動装置は、カメラレンズエレメントの光軸に沿う動きを促すために、そのような小型カメラの限られた容積内に含まれなければならない。カメラレンズエレメントは小さいため、駆動装置は、それに対応して小さい動作範囲にわたって正確な作動を行なうことができなければならない。同時に、カメラ装置を全体として小型化したいという要求を考えると、駆動装置自体がコンパクトであることが望ましい。実際の問題として、これらのポイントは、適用され得る駆動装置のタイプを制限する。

既存のカメラの大部分が周知の電気コイルモータのバリエーションに依存する一方で、多くの他の駆動装置がレンズ系のための小型駆動ユニットとして提案されてきた。そのような他の駆動装置は、一般に電気活性デバイスと称される圧電材料、電歪材料、又は磁歪材料に基づくトランスデューサを含む場合があり、また、１つの例は、国際公開第０２／１０３４５１号に記載されるカメラレンズのためのアクチュエータとして使用されてもよい国際公開第０１／４７０４１号に開示されるような螺旋コイル状圧電曲げテープの湾曲構造を備えるアクチュエータである。

提案された他のタイプの駆動装置は、アクチュエータとしてＳＭＡ材料を使用する。ＳＭＡアクチュエータは、加熱時にカメラレンズエレメントの動きを促すように配置されている。作動は、ＳＭＡアクチュエータがマルテンサイト相とＳＭＡアクチュエータの応力及び歪みが変化するオーステナイト相との間で変化する活性温度範囲にわたって、ＳＭＡアクチェータの温度を制御することによって達成されてもよい。低い温度ではＳＭＡアクチュエータがマルテンサイト相であり、一方、高い温度では、ＳＭＡアクチュエータが、ＳＭＡアクチュエータを収縮させる変形をもたらすオーステナイト相へと転換する。ＳＭＡアクチュエータの温度は、電流を選択的にＳＭＡアクチュエータに通して、相変化を引き起こすようにＳＭＡアクチュエータを加熱することにより変えられてもよい。相変化は、ＳＭＡ結晶構造における転移温度の統計的な広がりに起因して所定の温度範囲にわたって起こる。ＳＭＡアクチュエータは、収縮が可動エレメントの動きを促すように配置される。従来においては、付勢手段が、収縮時にＳＭＡアクチュエータによって加えられる力と反対の方向で付勢力を与える。

小型カメラのカメラレンズエレメントなどの小さい物体のためのアクチュエータとしてのＳＭＡ材料の使用は、本質的に線形であり、単位質量当たり高い出力を与え、低コスト品目であり、及び比較的小さい部品であるという利点を与える。

また、可動エレメントを懸架して移動軸に沿う動きをガイドするサスペンションシステムを考慮する必要もある。精密用途において、移動は、装置が異なる位置に向けられるときに動作範囲にわたって公称移動軸からの最低限のずれを被らなければならない。ずれは、軸の相対的な角度の傾き及び／又は直線的な並進の形態を成す場合がある。これは、特に、これらのずれが画質の低下を引き起こす場合があるカメラレンズエレメントに当てはまる。したがって、サスペンションシステムは、望ましい動きの方向で低い剛性又は抵抗力を有し且つ他の全ての方向で高い剛性を有するのが理想的である。

国際公開第０２／１０３４５１号 国際公開第０１／４７０４１号

本発明は、複数の弾性湾曲部を備えるサスペンションシステムに関する。これらは、可動エレメントを支持構造体に支持し且つ湾曲部の撓みにより可動エレメントの移動軸に沿う動きをガイドするために、支持構造体と可動エレメントとの間に結合されてもよい。湾曲部は、サスペンションシステムとしての多数の利点を与える。湾曲部は、移動軸に沿って低い剛性を与えるとともに、移動軸に対して垂直な高い剛性を与えるように配置されてもよい。同様に、湾曲部は、例えばベアリングと比べると、移動に抗する最小度合いの摩擦を受ける。最後に、湾曲部によって形成されるサスペンションシステムは、コンパクトであり、製造が容易である。

国際公開第２００７／１１３４７８号はＳＭＡ駆動装置の一例を開示しており、このＳＭＡ駆動装置では、可動エレメントが、複数の湾曲部を備えるサスペンションシステムによって支持されるカメラレンズエレメントである。

本発明は、所望の動作範囲を与えるようにそのような装置を設計することに関する。ＳＭＡ材料の配置及び特性、並びに、サスペンションシステムの湾曲部の配置及び特性を含む様々な変数及び制約が存在する。

サスペンションシステムが複数の湾曲部を備える場合、認識される利点は、湾曲部が、収縮時にＳＭＡアクチュエータによって加えられる力と反対の方向に付勢力を与える付勢手段としても作用するという点である。装置は、可動エレメントをＳＭＡアクチュエータが作動されない静止位置から離れるように移動させるために、比較的高い応力がＳＭＡアクチュエータで成長されるようにするべく構成されるのが望ましい。これは、可動エレメントの動きを収縮によって促される動きの方向と反対の方向に制限するエンドストップを設けることによって達成されてもよい。エンドストップは付勢手段に初期応力をかけるように位置されており、この応力は、動きを生み出すための作動時にＳＭＡアクチュエータによって克服されなければならない。

そのような初期応力は、多くの理由により望ましい。第１に、この初期応力は、ＳＭＡ材料の応力が付勢手段に抗する収縮を引き起こすのに十分となる温度を上昇させる。これは、装置を使用できる周囲温度の範囲を増大させるために望ましい。第２に、静止状態において、付勢手段の初期応力は、可動エレメントをエンドストップにしっかりと当て付けて保持する。これは、可動エレメントの位置を正確に制御し、且つ外力によって引き起こされる可動エレメントの動きを防止するために望ましい。

しかしながら、そのような初期応力は、設計制約を越えないように、特に達成し得る動作範囲を超えないように、釣り合わせられる必要がある。達成できる最大の動きは、湾曲部の材料限度を超えさせる湾曲部のある程度の撓みを回避する必要性によって制約される。

初期応力は、エンドストップの位置を移動させることによって増大させることができる。しかしながら、これは動作範囲を直接に減少させる。

また、初期応力は、湾曲部の剛性を高めることによって増大させることもできる。これは、静止状態において初期応力を増大させる。しかしながら、湾曲部の撓み時には、それにより、湾曲部の材料限度に更に急速に近づき、そのため、動作範囲が間接的に減少し得る。

実際には、装置は、これらの様々な制約を釣り合わせるように設計される。そのような設計は、行なうのが容易な作業であるが、前述した制約を最小限に抑えて、改善された特性を有する装置、例えばサスペンションシステムの湾曲部の更に大きな動作範囲又は制約の少ない設計を有する装置を提供することが望ましい。

本発明によれば、
支持構造体と、
可動エレメントと、
支持構造体と可動エレメントとの間に結合される複数の弾性湾曲部を備え、可動エレメントを支持構造体に支持するとともに、湾曲部の撓みにより可動エレメントの移動軸に沿う動きをガイドするサスペンションシステムと、
その収縮時に、支持構造体に対する可動エレメントの動きを移動軸に沿う第１の方向に促すように配置されている形状記憶合金アクチュエータと、
可動エレメントの動きを移動軸に沿う第１の方向と反対の第２の方向に制限するように配置されているエンドストップと、
移動軸に沿う第２の方向で可動エレメントを支持構造体に対して付勢するように配置されている付勢エレメントと、
を備え、可動エレメントがエンドストップに抗して保持されるときに、前記第２の方向で付勢エレメントにより加えられる力がサスペンションシステムの湾曲部により加えられる力よりも大きくなるように配置されている、形状記憶合金駆動装置が提供される。

したがって、本発明は、複数の弾性湾曲部を備えるサスペンションシステムに加えて付勢エレメントを設けることを伴う。これは、例えば国際公開第２００７／１１３４７８号に教示されるように、複数の弾性湾曲部を備えるサスペンションシステムがそれ自体付勢手段として作用するという利点を有するという予想に反している。しかしながら、実際には、可動エレメントがエンドストップに当て付けられて保持されるときに、付勢エレメントにより加えられる力がサスペンションシステムの湾曲部により加えられる力よりも大きくなるという構成を更なる付勢エレメントに設けると有益であることが理解されている。

特に、更なる付勢エレメントは、比較的高い初期応力を付与するという利点を与える。すなわち、付勢エレメントは、ＳＭＡアクチュエータが作動されない静止位置から離れるように可動エレメントを移動させるために、ＳＭＡアクチュエータで成長されるべき力を増大させる比較的高い力を加える。そのような初期応力は前述した利点を有する。

しかしながら、更なる付勢エレメントは、可動エレメントを支持構造体に懸架せず且つ移動軸に沿って動きをガイドしないため、更なる付勢エレメントの設計に対する制約が大きく減少される。特に、材料限度を超えることなく更なる付勢エレメントを設計するのがかなり容易である。例えば、更なる付勢エレメントが湾曲部である場合、湾曲部は、該湾曲部が支持構造体と可動エレメントとに対して結合される位置間で測定される長さを、サスペンションシステムの湾曲部よりも長くすることができる。

これは、装置全体に対する設計制約を減らし、それにより、設計の改善を可能にする。例えば、更なる付勢エレメントを伴わない等価な装置と比べて、最大の動き度合いを増大させることができ、及び／又は、湾曲部の設計に対する制約を緩和させることができる。

ここで、より良い理解を可能にするため、添付図面を参照して、本発明の一実施形態を非限定的な例として説明する。

ＳＭＡ駆動装置を組み込むカメラの概略断面図である。 比較例におけるレンズエレメントの応力成長対抗位置のグラフである。 図１のカメラにおけるレンズエレメントの応力成長対抗位置のグラフである。 カメラの連続して組み付けられる構成要素の斜視図である。 カメラの連続して組み付けられる構成要素の斜視図である。 カメラの連続して組み付けられる構成要素の斜視図である。 カメラの連続して組み付けられる構成要素の斜視図である。 カメラの連続して組み付けられる構成要素の斜視図である。 カメラの連続して組み付けられる構成要素の斜視図である。 カメラの連続して組み付けられる構成要素の斜視図である。 カメラの連続して組み付けられる構成要素の斜視図である。 カメラの連続して組み付けられる構成要素の斜視図である。 別の付勢エレメントの斜視図である。 カメラの全体の制御構成の概略図である。 制御回路の図である。 収縮中のＳＭＡの抵抗−長さ特性のグラフである。 制御回路のための３つの想定し得る回路実装の図である。 制御回路のための３つの想定し得る回路実装の図である。

最初に、ＳＭＡ駆動装置を組み込むカメラ１の構造について説明する。カメラ１は、携帯電話、メディアプレーヤ、又はポータブルデジタルアシスタントなどの携帯型電子デバイスに組み込まれるようになっている。

カメラ１は断面図である図１に概略的に示されており、該断面はカメラ１の光軸Ｏに沿ったものである。カメラ１はベース部３を有する支持構造体２を備えており、ベース部３上にはＣＣＤ（電荷結合素子）又はＣＭＯＳ（相補型（complimentary）金属酸化膜半導体）デバイスであってもよいイメージセンサ４が装着される。支持構造体２は、イメージセンサ４が装着されるベース３の前側から突出する環状壁５を更に備える。支持構造体２はプラスチックから形成されてもよい。

カメラ１は、１つ又はそれ以上のレンズ８からなるレンズ系７を保持するレンズエレメント６を更に備える。一例として、図１では、レンズ系７が２つのレンズ８からなるように示されているが、一般的には、光学的性能と低コストとの望ましいバランスを与えるために必要に応じて単一のレンズ８又は複数のレンズ８が存在してもよい。カメラ１は、レンズ系７のレンズ８が一般に最大で１０ｍｍの直径を有する小型カメラである。

レンズエレメント６は、レンズ系７の光軸Ｏがイメージセンサ４に対して垂直な状態で配置される。このようにすると、レンズ系７が光をイメージセンサ４上に合焦させる。

レンズエレメント６は、レンズキャリア２０と、レンズキャリア２０の内面に形成されるネジ２２によりレンズキャリア２０内に装着されるレンズホルダ２１とを備える、２部品構成を成す。一般に、レンズホルダ２１は６．５ｍｍの直径を有する。レンズキャリア２０は、レンズエレメント６を懸架するためのサスペンションシステム９に接続される。レンズホルダ２１はレンズ系７の１つ又はそれ以上のレンズ８を装着する。レンズキャリア２０及びレンズホルダ２１はいずれも成形プラスチックから形成されてもよい。

レンズエレメント６は、支持構造体２の環状壁５とレンズエレメント６との間に接続される２つのサスペンションエレメント１０からなるサスペンションシステム９によって、支持構造体２上に懸架される。以下で更に説明するように、各サスペンションエレメント１０は、支持構造体２とレンズエレメント６との間に結合される複数の弾性湾曲部１３を備え、それにより、レンズエレメント６を支持構造体２上に支持する。弾性湾曲部１３は、光軸Ｏに対して垂直なレンズエレメント６の動きに抵抗しつつ、光軸Ｏに沿ったレンズエレメント６の動きをガイドするように撓む。レンズエレメント６のそのような動きは、イメージセンサ４上に形成される像の焦点を変える。

以下で更に詳しく説明されるように、カメラ１は、支持構造体２の環状壁５とレンズエレメント６のレンズキャリア２０とに対して機械的に接続される一片のＳＭＡワイヤ３１を備えるＳＭＡアクチェータ３０を更に備える。ＳＭＡワイヤ３１は引張状態で保持される。ＳＭＡワイヤ３１の加熱時、ＳＭＡアクチュエータ３０が収縮し、それにより、レンズエレメント６が光軸Ｏに沿って第１の方向Ｘに移動してイメージセンサ４から離れる。レンズエレメント６は、図１では、ＳＭＡアクチュエータ３０が作動しないその静止状態で示されている。この状態において、レンズエレメント６は、その動作範囲内でイメージセンサ４に対しその最も近接した位置にあり、この位置は、特にオートフォーカス機能が与えられる場合にカメラ１において最も一般的な設定である遠視野焦点又は過焦点に対応する。

カメラ１は、支持構造体２とレンズエレメント６との間に結合される付勢エレメント２３を更に備える。以下で更に詳しく説明されるように、付勢エレメント２３は、光軸Ｏに沿ったレンズエレメント６の動きによって撓む弾性湾曲部を備える。付勢エレメント２３は常に第１の方向Ｘに撓ませられ、それにより、付勢エレメントは、第２の反対の方向Ｙの力を付与し、その結果、ＳＭＡアクチュエータ３０によって加えられる力に抗する付勢手段として作用する。

ＳＭＡアクチュエータ３０の加熱時、該アクチュエータにおける応力は、それが付勢エレメント２３及び湾曲部１３に打ち勝つまで増大する。ＳＭＡワイヤ３１が収縮し、それにより、レンズエレメント６がイメージセンサ４から離れるように移動する。ＳＭＡワイヤの材料がマルテンサイト相からオーステナイトへ転移する温度の範囲を超えてＳＭＡワイヤ３１の温度が増大すると、レンズエレメント６が動作範囲にわたって移動する。逆に、ＳＭＡワイヤ３１をその内部応力が減少するように冷却すると、付勢エレメント２３及び湾曲部１３によって与えられる付勢により、ＳＭＡワイヤ３１が拡張し、それにより、レンズエレメント６がイメージセンサ４へ向けて移動する。

支持構造体２は、レンズエレメント６の外側で環状壁５から内側に突出する上壁１５及び下壁１６を更に備える。上壁１５及び下壁１６は環状であり、そのため、レンズ系７を通過する光は遮られることなく壁の開口を通過する。しかしながら、上壁１５及び下壁１６は、レンズエレメント６のレンズキャリア２０と重なり合って光軸Ｏに沿う動きを制限することにより、レンズエレメントのためのエンドストップを構成する。

下壁１６は、図１に示されるようにＳＭＡアクチュエータ３０が作動していない静止状態にレンズエレメント６があるときに、レンズエレメント６の第２の方向Ｙの動きを制限する。下壁１６の位置は、この状態で付勢エレメント２３が第１の方向Ｘに撓ませられて第２の方向Ｙの力を付与するように選択される。ＳＭＡアクチュエータ３０は作動していないため、この力は、レンズエレメント６を下壁１６に強固に当て付けて所定位置に保持する。

カメラ１は、この位置で付勢エレメント２３により加えられる力がサスペンションシステム９の湾曲部１３により加えられる力よりも大きくなるように設けられる。一般に、この位置で、サスペンションシステム９の湾曲部１３は、それらが力を加えないように全く撓ませられない。しかしながら、原理上、サスペンションシステム９の湾曲部１３は、これらの湾曲部がマイナスの力又はプラスの力を加えるようにプラス又はマイナスの大きさだけ撓ませることができる。ただし、この力の値は付勢エレメント２３により加えられる力の値よりも小さい。また、サスペンションシステム９の湾曲部１３がマイナスの力（すなわち、付勢エレメント２３に抗する第１の方向Ｘの力）を加える場合には、その力の大きさは、湾曲部１３がレンズエレメント６を下壁１６から離間させないように、付勢エレメント２３により加えられる力の大きさよりも小さくなければならない。

上壁１５は、ＳＭＡアクチュエータ３０がその完全収縮状態にあるときに上壁１５とレンズエレメント６との間にクリアランスを形成するように位置される。したがって、通常の動作では、上壁１５がレンズエレメント６と接触しない。上壁１５は、安全措置として設けられており、カメラが外力に晒されるとき、例えばカメラ１が落下され或いは強打される場合に湾曲部１３及び付勢エレメント２３の最大撓み、したがって応力を制限するように位置される。したがって、上壁１５の位置は、レンズエレメント６が下壁１６と接触するときに、サスペンションシステム９の湾曲部１３及び付勢エレメント２３の材料限度（例えば、変形限度及び疲労限度）を超えないように選択される。

付勢エレメント２３の付加は、以下のようにカメラ１に関する設計制約を減らす。

比較例として、図２は、例えば国際公開第２００７／１１３４７８号に開示される装置のような付勢エレメント２３が省かれる等価な装置における、レンズエレメント６の異なる位置ｘで（サスペンションシステム９で、したがって、ＳＭＡアクチュエータ３０で）成長される応力Ｓのグラフである。位置ｘは第１の方向Ｘで測定される。位置Ｐ１ａ、Ｐ２ａは、レンズエレメント６の動作範囲Δｘ１の終端である。

下壁１６の位置Ｐ１ａは、レンズエレメント６のその静止状態の位置であり、応力Ｓ１に至るまでサスペンションシステム９に初期応力をかけるように選択される。したがって、応力Ｓ１は、レンズエレメント６の動きを開始するためにＳＭＡアクチュエータ３０において成長される必要がある応力である。この初期応力は、２つの効果を得るために十分高くなるように設定される。第１に、初期応力は、ＳＭＡアクチュエータ３０の応力が付勢エレメント２３に抗する収縮を引き起こすのに十分となる温度を上昇させるため、初期応力は、カメラ１が動作されるべき所望範囲の周囲温度を考慮するように選択される。第２に、初期応力は、レンズエレメント６の位置を正確に制御し且つ外力によって引き起こされるレンズエレメント６の動きを防止するため、レンズエレメント６を下壁１６にしっかりと当て付けて保持するように選択される。

位置Ｐ２ａは、ＳＭＡアクチュエータ３０が完全に収縮されるときのレンズエレメント６の位置であり、したがって、ＳＭＡアクチュエータ３０の形態に依存する。この位置Ｐ２ａで応力Ｓ２が成長される。位置Ｐ２ａは、この位置Ｐ２ａで、実際には上壁１５の位置で、サスペンションシステム９の湾曲部１３の材料限度を超えないように選択される。

図３は、カメラ１のレンズエレメント６の異なる位置ｘで成長される応力Ｓの等価なグラフを示している。特に、ラインＬ１は付勢エレメント２３で成長される応力であり、ラインＬ２はサスペンションシステム９で成長される応力であり、また、ラインＬ３は、付勢エレメント２３及びサスペンションシステム９で共に成長される全応力であり、したがって、ＳＭＡアクチュエータ３０で成長される応力である。位置Ｐ１ｂ、Ｐ２ｂは、レンズエレメント６の動作範囲Δｘ２の終端である。

この例において、下壁１６の位置Ｐ１ｂは、レンズエレメント６の静止位置で、サスペンションシステム９が撓まされず、したがって、応力を成長させないが、付勢エレメント２３が、図２の比較例における静止位置での値と同じ値を有する応力Ｓ１を成長させるように選択される。したがって、この応力Ｓ１は、レンズエレメント６の動きを開始させるためにＳＭＡアクチュエータ３０で成長される必要がある応力でもあり、前述した基準に基づいて選択される。

位置Ｐ２ｂは、ＳＭＡアクチュエータ３０が完全に収縮されるときのレンズエレメント６の位置であり、したがって、ＳＭＡアクチュエータ３０の構成に依存する。ＳＭＡアクチュエータ３０は、この位置Ｐ２ｂで、実際には上壁１５の位置で、付勢エレメント２３で成長される応力Ｓ３及びサスペンションシステム９で成長される応力Ｓ２ｂが、付勢エレメント２３及びサスペンションシステム９の湾曲部１３の材料限度を超えないように構成される。図２の比較例と比べると、湾曲部１０の設計に対する制約が大きく減少される。第１に、サスペンションシステム９がＳＭＡアクチュエータ３０を付勢するために必要な剛性の全てを与える必要がなく、これは主に付勢エレメント２３によって与えられる。第２に、より低い撓み度合いで湾曲部１０を動作させることができる。したがって、図３の特定の例において、カメラ１は、図２の比較例における応力Ｓ２ａよりも低い応力Ｓ２ｂをサスペンションシステム９で与えつつ、図２の比較例の動作範囲Δｘ１よりも大きい動作範囲Δｘ２を与える。

ここで、カメラ１の連続して組み付けられる構成要素の斜視図である図４から図１２を参照して、カメラ１の構成について詳しく説明する。なお、これらの図では、便宜上、カメラ１が上下逆さまに示されている。カメラ１にとって重要な要求は、利用できる空間内でレンズ系７に可能な最大の直径を与えつつサイズを最小にすることである。

上壁１５は、図４に示されており、金属プレートから形成される。金属プレートは、中心開口１８を有するとともに、金属プレートの一部にわたって曲げることにより形成される３つのマウント１７を有する。

付勢エレメント２３は、図５に示されており、「固定−自由」片持ち梁として機能する弾性湾曲部である。付勢エレメント２３は、スチール又はベリリウム銅などの材料からなるそれぞれの単一シートを所定形状に切り込むことにより形成される。付勢エレメント２３はマウント２４を一端に有し、このマウント２４により付勢エレメントが図６に示されるように上壁１５に装着され、それにより、付勢エレメントが例えばレーザ溶接により支持構造体２に移動不能に組み合わせられる。

付勢エレメント２３は２つのアーム２５を有し、各アームは、マウント２４から延びるとともに、後述するように付勢エレメント２３がレンズエレメント６と係合するそれらの反対側の端部２６で互いに結合される。

アーム２４は、付勢エレメント２３が全体的に環状となるように湾曲される。したがって、この実施形態では、各アーム２４が光軸Ｏ周りに１８０°にわたって延びる。以下で更に示されるように、アーム２４の曲率は、イメージセンサ４上での結像を妨げないようにアーム２４がレンズエレメント６の視野の外側にあるようにする。付勢エレメント２３は、その自然の位置において、ＳＭＡアクチュエータ３０に対して正確な付勢を与えるべく調整される曲げ位置に形成される。

付勢エレメント２３のこの形状は、特に有益であり、湾曲部を使用しないサスペンションシステムを用いるＳＭＡ駆動装置を含む他のタイプのＳＭＡ駆動装置にも同様に適用することができる。

第１のサスペンションエレメント１０は図７に示されるように組み付けられる。サスペンションエレメント１０は、スチール又はベリリウム銅などの材料からなる単一シートを所定形状に切り込むことにより形成される。１つの可能性は、高い降伏応力を与えるという利点を有する硬質圧延グレード３０２オーステナイト鋼である。

サスペンションエレメント１０は、以下で更に説明するようにレンズキャリア２０に接続される内側リング１１を備える。付勢エレメント２３の端部２６は、内側リング１１と接触するとともに、その接触を介してレンズエレメント６と係合して付勢力を加える。付勢エレメント２３は常に撓まされるため、端部２６を固定する必要がない。これは、それによって付勢エレメント２３が撓むにつれて端部２６の方向が変わることができるため、有益である。これにより、付勢エレメント２３は、端部２６の方向が固定された場合よりも大きな度合いの撓みを受けることができ、それにより、撓み時に付勢エレメント２３にＳ形状湾曲をとらせることができる。しかしながら、別の方法として、端部２６は、好ましくはレンズエレメント６に対する端部２６の何らかの動きを許容するための伸展性を有する手段、例えば一滴の接着剤によって、レンズエレメント６に固定されてもよい。

サスペンションエレメント１０は、４つの角部に位置される４つの装着プレート１２を更に備える。装着プレート１２はそれぞれ、上壁１５のマウント１７又は付勢エレメント２３のマウント２４のうちの１つに接続される。

最後に、サスペンションエレメント１０は、それぞれが内側リング１１と装着プレート１２のうちの１つとの間で延びる４つの湾曲部１３を備える。このように、湾曲部１３は、両端がレンズエレメント６と支持構造体２とに対して結合される。光軸Ｏに沿って見ると、湾曲部１３は、光軸Ｏの径方向に対してほぼ傾けられている。したがって、湾曲部１３は光軸の周囲で延びている。湾曲部１３は、光軸Ｏ周りに回転対称を成してレンズキャリア２０の周囲に異なる径方向位置で配置される。また、湾曲部１３は、光軸Ｏに対して垂直な方向のそれらの幅よりも小さい厚さ（すなわち、サスペンションエレメント１０を形成する材料のシートの厚さ）を光軸Ｏに沿って有する。サスペンションエレメント１０は、光軸Ｏに沿う及び光軸に対して垂直な所望の度合いの剛性を与えるために、適切な幅、厚さ、及び長さの適した数の湾曲部１３を伴って設計される。湾曲部１３は、一般に、２５ｍ〜１００ｍの範囲の厚さを有する。湾曲部１３の数は、サスペンションエレメント１０内の湾曲部１３の数を変えることにより及び／又は更なるサスペンションエレメント１０を設けることにより、変えられてもよい。

また、湾曲部１３は、光軸Ｏに沿って見て、それらの長さに沿って湾曲されており、曲率が交互に入れ替わる３つの領域を伴う。そのような曲率を湾曲部１３にもたらすことにより、ある程度の歪み緩和が構造体に付加される。塑性変形しようとする湾曲部１３の傾向が減少され、代わりに、湾曲部１３は弾性的に曲がろうとする傾向を有する。中央領域と反対の曲率を有する外側領域を導入することより、力の不釣合いが減少され、内側リング１１及び装着プレート１２との結合部で成長される応力が減少される。したがって、湾曲部１３は、材料破壊を受けることなく、平面方向で更に柔軟になる。これは、径方向剛性及び軸方向剛性に対する許容できない妥協を伴うことなく達成される。これにより、サスペンションシステム９は、湾曲部１３に対して永久的な損傷を引き起こすことなく、機械的衝撃により引き起こされる光軸Ｏの径方向でのレンズエレメント６の変位に対応できる。この方向での変位を制限するため、カメラ１には、支持構造体２の壁５が最大変位を制限するためのストッパとして作用するように、レンズエレメント６と支持構造体２の壁５との間に例えば５０ｍ以下程度の小さなクリアランスが設けられる。

この効果を最大にするため、湾曲部１３の３つの領域が等しくない長さ及び曲率を有し、特に中央領域が外側領域よりも大きい長さ及び小さい曲率を有することが好ましい。中央領域が外側領域の長さの少なくとも２倍の長さを有し、例えば３つの領域の長さの比が１：２．５：１となることが有益である。中央領域が外側領域の曲率の最大でも半分の曲率しか有さず、例えば各領域の曲率に対する長さの比率がほぼ同じで、それにより、各領域によって定められる角度範囲がほぼ同じになることが有益である。

随意的には、各湾曲部１３を一群の平行な湾曲部からなるように変更することができ、それにより、それぞれの平行な湾曲部の幅を減らすことで、サスペンションシステム９を光軸の径方向で更に柔軟にすることができる。この技術の実際的制限は、平行な湾曲部が製造され得る最小幅である。

レンズキャリア２０は、図８に示されており、プラスチックなどの材料の成形品によって形成される。レンズキャリア２０は、略正方形の外側断面と、中央開口２７とを有し、中央開口２７の内側にネジ２２が形成される。レンズキャリア２０の端面は、湾曲部１３をレンズエレメント６に結合するためにサスペンションエレメント９の内側リング１１に接続される。内側リング１１及び付勢エレメント２３はそれぞれ、イメージセンサ４上での結像を遮ることなくレンズエレメント６の視野から外れるように、開口２７の外側において光軸Ｏ周りで延びている。

レンズキャリア２０は１つの角部に一体形成される保持エレメント４１を有し、この保持エレメント上には、ＳＭＡアクチュエータ３０を形成する一片のＳＭＡワイヤ３１がその後に引っ掛けられる。保持エレメント４１は切り欠きを形成しており、該切り欠きは、その中にＳＭＡワイヤ３１が入り込むとともに、ＳＭＡワイヤの最大曲率を減らすように湾曲される。

ＳＭＡアクチュエータ３０は、図９に示されており、各端部がそれぞれの装着部材３２に対して機械的及び電気的に接続される一片のＳＭＡワイヤ３１を備える。それぞれのＳＭＡワイヤは例えば真鍮などの細長い金属片として形成される。特に、装着部材３２はそれぞれ一片のＳＭＡワイヤ３１上に圧着される（図９には１つの装着部材３２だけしか完全に見えないが、他の装着部材３２は同じ構成を有する）。適切な電気的接続を確保するため、ＳＭＡアクチュエータ３０の製造中に、ＳＭＡワイヤ３１上にわたって自然に形成する酸化物コーティングが圧着前に除去される。装着部材３２はそれぞれ、該装着部材から突出する接触部３６も有する。

製造中、ＳＭＡアクチュエータ３０は、カメラ１の残りの部分とは別個にサブアセンブリとして形成される。特に、ＳＭＡアクチュエータ３０は、装着部材３２を所定位置に保持して、装着部材３２上にわたって一片のＳＭＡワイヤ３１をピンと張って取り付けた後、一片のＳＭＡワイヤ３１上に装着部材３２を圧着することにより製造される。ＳＭＡアクチュエータ３０は、その後、遮蔽缶として作用し且つ薄壁状の正方形金属チューブの形態を成す支持構造体２の環状壁５に組み付けられ、環状壁５は、環状壁５を装着部材３２から絶縁するために環状壁５の内側に２つの絶縁膜３４を有し、絶縁膜の一方だけが図９に見える。２つの装着部材３２はそれぞれ、一片のＳＭＡワイヤ３１を支持構造体２に接続するために、例えば接着剤、壁５のカシメ、又は何らかの他の手段によって絶縁膜３４上に装着される。装着部材３２は、接触部３６が環状壁５の外側に突出する状態で装着される。

ＳＭＡアクチュエータ３０は、その後、図１０に示されるように組み付けられる。特に、環状壁５がレンズキャリア２０上にわたってスライドされ、環状壁５の端部が上壁１５に装着される。更に、ＳＭＡアクチュエータ３０をレンズエレメント６に結合するために、一片のＳＭＡワイヤ３１が保持エレメント４１に引っ掛けられる。ＳＭＡワイヤ３１は、引張状態で保持されるが、付勢エレメント２３及びサスペンションシステム９によって加えられる全応力よりも小さい応力を加える。

保持エレメント４１及び付勢エレメント２３の端部２６は、カメラ１の同じ角部に、すなわち、光軸Ｏ周りの同じ角度位置に配置される。このことは、（ａ）付勢エレメント２３及び（ｂ）ＳＭＡアクチュエータによるレンズエレメント６への力の印加点が光軸Ｏ周りの同じ角度位置にあることを意味する。これは、これらの反応負荷からレンズエレメント６に作用する結合を最小にする。

第１のサスペンションエレメント１０と同じ構成を有する第２のサスペンションエレメント１０が図１１に示されるように組み付けられる。第２のサスペンションエレメント１０の内側リング１１がレンズキャリア２０の端面に接続されて、湾曲部１３がレンズエレメント６に結合される。

下壁１６が図１２に示されるように組み付けられる。特に、下壁１６は、湾曲部１３を支持構造体２に結合するために、環状壁５及び第２のサスペンションエレメント１０の４つの装着プレート１２の両方に装着される。装着部材の接触部３６は下壁１６を貫通して外側に突出する。

したがって、この特定のカメラ１において、支持構造体２の環状壁５は、必要な構成要素の全てが内側に装着される薄い金属外側遮蔽缶である。このように、カメラ１内でのレンズエレメント６の移動は、最大外寸の制約内で可能な限り大きく行なうことができる。したがって、この特定のカメラ１は、Ｍ５．５ネジ付きレンズホルダ２１を許容できる６．５ｍｍ平方外寸を有する。

図１２に示されるアセンブリは、その後、図１に示される支持構造体２のベースに装着される。

付勢エレメント２３の別の形態が図１３に示されている。この別の形態において、付勢エレメント２３のマウント２４は、アーム２４の外側周囲で延びるリングとして形成される。

２つのサスペンションエレメント１０は、レンズエレメント６の両端に配置されており、湾曲部１３がレンズエレメント６と支持構造体２との間に結合されることにより、レンズエレメント６を支持構造体２に対して懸架する。湾曲部１３は、それらの形態に起因して、屈曲又は曲げによって光軸Ｏに沿うレンズエレメント６の動きに順応する。レンズエレメント６が光軸Ｏに沿って移動すると、内側リング１１が外側リング１２に対して光軸Ｏに沿って移動し、結果として、湾曲部１３が曲がる。

湾曲部１３は、それらの幅よりも小さい光軸Ｏと平行な厚さを有するため、湾曲部１３は、それらの幅方向での曲げに対してよりも、それらの厚さ方向での曲げに対して柔軟である。したがって、該湾曲部１３により、サスペンションシステム９は、支持構造体２に対するレンズエレメント６の光軸Ｏに対して垂直な動きに抗する剛性よりも、支持構造体２に対するレンズエレメント６の光軸Ｏに沿う動きに抗する剛性の度合いの方が低くなる。

また、２つのサスペンションエレメント１０は光軸Ｏに沿って離間され、したがって、光軸Ｏに対して垂直なレンズエレメント６の動きに対する抵抗は、レンズエレメント６の傾動に対する抵抗も与える。レンズエレメント６の軸外動作及び傾動に対するそのような抵抗は望ましい。これは、イメージセンサ４に対する像の合焦時にそのような軸外動作及び傾動がレンズ系７の光学的性能を低下させる可能性があるからである。

カメラ１内において、装着部材３２は、光軸Ｏ周りの正反対のポイントに位置される。保持エレメント４１は、光軸Ｏ周りの２つの装着部材３２間の中間に位置される。光軸に沿って見ると、ＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５は、カメラ１の側面に沿って互いに９０°で延びている。組み付け後の平衡時に、一片のＳＭＡワイヤ３１は、動作中又は落下試験中に保持エレメント４１に対する保持を確保するため、少量の接着剤を用いて所定位置に保持させることができる。これは、組み付け公差を排除するのに役立つように、ＳＭＡワイヤのサイクリング後に行なわれてもよい。

保持エレメント４１は、一片のＳＭＡワイヤ３１が圧着される装着部材３２の部分よりもイメージセンサ４に近い光軸Ｏに沿う位置に配置される。結果として、保持エレメント４１の両側のＳＭＡワイヤ３１の半片によって形成されるＳＭＡワイヤ３１の２つの長さ部分３５は、光軸Ｏに対して鋭角に保持される。組み付け中の保持エレメント４１上にわたる滑りは、ＳＭＡワイヤ３１の２つの長さ部分３５に関して等しい長さ及び張力を得るのに役立つ。

ＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５はカメラ１内において引張状態で保持され、それにより、これらの長さ部分は、特にレンズエレメント６をイメージセンサ４から離れるように付勢する方向で、光軸Ｏに沿う成分を有する引張力を加える。したがって、ＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５の加熱がなされない場合、レンズエレメント６は、その動作範囲内でイメージセンサ４に最も近い位置にある。カメラ１は、この位置が特にオートフォーカス機能が与えられる場合にカメラ１における最も一般的な設定である遠視野又は過焦点に対応するように設計される。

また、ＳＭＡワイヤ３１のそれぞれの個々の長さ部分３５は、光軸Ｏに対して垂直な成分を有する引張力を加える。これらの力成分の一部はワイヤの２つの長さ部分３５の対称配置によって釣り合わせられるが、保持エレメント４１には光軸Ｏの径方向に正味の力成分が残存し、これがレンズエレメント６を傾動させる傾向がある。しかしながら、傾動は、多くのレンズ及びイメージセンサに適合するべく十分小さくなるようにサスペンションシステム９によって抵抗される。

ここで、支持構造体２に対する光軸Ｏに沿うレンズエレメント６の動きを促すためのカメラ１の動作について説明する。

ＳＭＡ材料は、その加熱時にＳＭＡ材料を収縮させる固相変化を受ける特性を有する。低温では、ＳＭＡ材料がマルテンサイト相に入る。高温では、ＳＭＡは、ＳＭＡ材料を収縮させる変形をもたらすオーステナイト相に入る。相変化は、ＳＭＡ結晶構造における転移温度の統計的な広がりに起因して所定の温度範囲にわたって起こる。したがって、ＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５の加熱により、それらの長さ部分の長さが減少する。

カメラ１において、レンズエレメント６と支持構造体２との間の光軸Ｏに沿う方向Ｘの正味の引張力がレンズエレメント６をイメージセンサ４から離れるように移動させる場合には、ＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５が引張状態で配置される。

この力は、付勢エレメント２３及びサスペンションシステム９により光軸Ｏに沿って反対方向Ｙで与えられる付勢力に抗して作用する。付勢エレメント２３及び湾曲部１３は、ＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５からの引張力に応じて撓む。屈曲時、付勢エレメント２３及び湾曲部１３はほぼ真っ直ぐのままであるが、何らかの僅かな湾曲が生み出され得る。したがって、付勢エレメント２３及び湾曲部１３の撓みは、レンズエレメント６をＹ方向で付勢する。

光軸Ｏに沿う支持構造体２に対するレンズエレメント６の動きを最大にするため、サスペンションシステム９の湾曲部１３の全体剛性は、好ましくは（ａ）ＳＭＡ材料のオーステナイト相で受けられるＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５の全体剛性から、（ｂ）ＳＭＡ材料のマルテンサイト相で受けられるＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５の全体剛性までの範囲内であり、より好ましくは、値（ａ）と値（ｂ）との幾何平均である。

付勢エレメント２３、湾曲部１３、及びＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５の剛性の和によって与えられる光軸Ｏに沿う支持構造体２に対するレンズエレメント６の動きに抗する全体剛性は、カメラ１が方向間で変化するときの重力下での支持構造体２に対するレンズエレメント６の動きを最小にするのに十分な大きさであることが望ましい。典型的なレンズ系においては、その動きが最大でも５０ｍに制限されるのが望ましく、このことは、典型的な小型カメラにおいて、全体剛性が少なくとも１００Ｎ／ｍ、好ましくは少なくとも１２０Ｎ／ｍでなければならないことを意味する。

湾曲部１３は、レンズエレメント７が軸外動作及び傾動に順応できる範囲に基づき、光軸Ｏに対して垂直な方向での支持構造体２に対するレンズエレメント６の動きに抗する所望の剛性を与えるように適切な幅をもって設計される。ＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５の剛性は、考慮に入れられてもよいが、通常は寄与度がかなり小さい。

他の設計配慮は、付勢エレメント２３、湾曲部１３、及びＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５によって受けられる最大応力がそれぞれの材料に過度の応力をかけないようにすることである。

前述したように、付勢エレメント２３を使用する特有の利点は、低い剛性を有するようにサスペンションシステム９を設計することができ、それにより、動作範囲Δｘを大きくすることができ、及び／又は、サスペンションシステム９の最大応力を減らすことができるという点である。

一方、付勢エレメント２３は、付勢エレメント２３が十分な剛性を有する場合であっても、材料限度を超えることなく設計するのが非常に簡単である。これは、付勢エレメント２３がレンズエレメント６の動きを支持してガイドする機能を有さないことから、付勢エレメント２３の設計がサスペンションシステム９と同じ態様で制約されないからである。したがって、カメラ１において、付勢エレメント２３は、それが支持構造体２及びレンズエレメント６に結合される位置間で測定される長さが、サスペンションシステム９の湾曲部１３の長さよりも長い。湾曲部の剛性がその長さの３乗に対応するため、このことは、湾曲部１３と比べて、高い剛性を有するが材料限度を超えない付勢エレメント２３を設計することが容易であることを意味する。

付勢エレメント２３を随意的に更に短いアーム２４を伴って設計することができるが、長さを維持するため、アーム２４が光軸Ｏ周りでかなりの角度、例えば少なくとも１３５°にわたって延びることが望ましい。

光軸Ｏに沿う支持構造体２に対するレンズエレメント６の変位度合いは、ＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５内で成長される応力に依存するとともに、光軸Ｏに対するＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５の鋭角にも依存する。ＳＭＡワイヤで生み出される場合がある歪みは、相変化の物理的現象によって制限される。光軸Ｏに対するＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５の鋭角に起因して、ＳＭＡワイヤの長さ部分３５は、これらの長さ部分の長さが変化するときに方向が変わる。これが動きと効果的にかみ合い、それにより、光軸Ｏに沿うレンズエレメント６の変位度合いが、光軸Ｏに沿って分解されるＳＭＡの長さ部分３５の長さの変化よりも大きくなる。一般に、鋭角は、任意の値をとってもよいが、図２の例ではほぼ７０である。

光軸Ｏに沿う支持構造体２に対するレンズエレメント６の位置は、ＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５の温度の制御によって制御されてもよい。動作時、ＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５に電流を通して抵抗加熱を行なうことにより、これらの長さ部分３５の加熱が行なわれる。冷却は、電流を止めてＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５がそれらの周囲に熱を伝えることにより冷えることができるようにすることによって行なわれる。電流は、以下で更に説明される制御回路５０によって制御される。

ＳＭＡワイヤ３１は、任意の適切なＳＭＡ材料、例えばニチノール又は他のチタン合金ＳＭＡ材料から形成されてもよい。一片のＳＭＡワイヤ３１の材料組成及び前処理は、（ａ）通常動作中に予期される大気温度を上回り、一般的には７０℃を上回る温度範囲であって、（ｂ）位置制御の度合いを最大にするように可能な限り幅広い温度範囲にわたって、相変化が起こるように選択されるのが有益である。

レンズエレメント６の高速作動は、多くの用途で望まれており、例えばオートフォーカス機能が与えられる場合に望まれる。作動の応答速度は、ＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５の冷却によって制限される。冷却は、ＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５の厚さを減少させることによって促進されてもよい。考慮されるカメラ及びワイヤのサイズに関して、冷却時間は、ワイヤ直径に伴って略直線的に変化する。このため、ＳＭＡワイヤ３１の長さ部分３５の厚さは、カメラ１のオートフォーカス用途において許容できる応答を与えるべく最大でも３５ｍであることが望ましい。

ここで、制御回路５０の性質及び該回路によってなされる制御について説明する。

全体の制御構成の概略図が図１４に示されている。制御回路５０は、一片のＳＭＡワイヤ３１に接続されるとともに、該ＳＭＡワイヤに対して電流を印加することにより、レンズエレメント６を移動させてイメージセンサ４上に形成される像の合焦を変える一片のＳＭＡワイヤ３１の温度を制御する。イメージセンサ４の出力は、合焦の質の測度の決定のために処理されるべく制御回路５０に供給される。

制御回路５０が図１５に示されている。制御回路５０は、一片のＳＭＡワイヤ３１に対してその圧着により電気的接続を行なう装着部材３２のそれぞれに接続される。制御回路５０と装着部材３２との間の電気的接続５５は導電接着剤（例えば、銀充填エポキシ）によって形成される。制御回路５０をＳＭＡアクチュエータ３０に半田付けすることは望ましくない。これは、半田付けプロセス中に加熱によって想定し得る損傷が引き起こされるからであり、あるいは、半田付けプロセスによってフラックス放出が引き起こされるからである。

制御回路５０は２つの装着部材３２間に電流を供給する。制御回路５０は、ＳＭＡワイヤ３１を通じて流れる電流の出力を変えることにより一片のＳＭＡワイヤ３１の加熱の度合いを制御する。制御回路５０は、レンズエレメント６の位置の測度として使用される一片のＳＭＡワイヤ３１の抵抗に応じて電流の出力を変える。温度センサによって測定される温度などの位置の他の測度、又は位置センサによって出力されるレンズエレメント６の位置の直接的な測度を使用できるが、抵抗センサが有益である。抵抗センサは、制御回路５０内の付加的な構成要素のみによって実施されることによりカメラのパッケージサイズを増大させないからである。

抵抗の使用に伴う物理的現象は以下のとおりである。

ＳＭＡの加熱時、殆どの材料に関しては、温度に伴って抵抗率が増大する。これは、相変化が生じる温度範囲（相転移範囲）、そのため、ＳＭＡが収縮する温度範囲の内外で起こる。しかしながら、相転移範囲内では、２つの更なる効果が生じる。第１に、オーステナイト相は、温度に伴って抵抗を増大させる傾向があるマルテンサイト相よりも高い抵抗率を有する。しかしながら、相反する効果は、長さの減少及び断面積の増大を含む幾何学的形状の変化が温度に伴って抵抗を減少させる傾向があるという効果である。この相反する効果は、他の効果よりもかなり大きい。したがって、低温からの加熱中、相転移範囲に達してＳＭＡが収縮し始めると、抵抗の初期の立ち上がり後に、幾何学的効果が急速に支配し、その結果、収縮の大部分にわたって、ＳＭＡアクチュエータの抵抗が減少する。これは、相変化がＳＭＡのほぼ全てで生じるまで起こり、それにより、収縮度合いが低下し、抵抗が増大できるようになる。

したがって、ＳＭＡは、加熱・収縮中に、レンズエレメント６の位置ｘに対応するＳＭＡの長さに対するＳＭＡの抵抗のグラフである図１６に示される形態の湾曲に沿って、抵抗が長さに伴って変化するという特性を有し、ＳＭＡが収縮する際に増大する長さは、増大する温度に対応する。したがって、相転移範囲にわたり、レンズエレメント６は、ＳＭＡの収縮に起因して、位置範囲Δｘにわたって移動する。抵抗は、位置範囲Δｘの僅かな最初の部分を横切って、抵抗値Ｒmaxを有する極大値６０まで増大する。抵抗は、位置範囲Δｘの大部分を横切って、抵抗値Ｒminを有する極小値６１まで低下し、その後、抵抗は、位置範囲ｘの僅かな最後の部分にわたって増大する。

ＳＭＡ材料のこの特性により、制御回路５０は、以下のように測定された抵抗に基づいて制御を実施する。非加熱状態から、制御回路５０は、極大抵抗値が検出されるまで一片のＳＭＡワイヤ３１を加熱する。これは、収縮が起こり始めたという表示として使用される。実際には、僅かな量の収縮が既に起きてしまっている。しかしながら、抵抗極大値６０を容易に検出することができる一方で、位置範囲Δｘの始まりを検出できない。したがって、抵抗極大値６０が使用され、これは位置範囲Δｘの始まりに近いため、移動の損失が大きくない。

その後、制御回路５０は、位置の測度として測定された抵抗を使用して一片のＳＭＡワイヤ３１を加熱する。抵抗極小値６１は、位置範囲ｘの終端を示すために使用される。実際には、僅かな量の収縮を依然として利用できる。しかしながら、抵抗極小値６１を容易に検出できる一方で、位置範囲Δｘの終端を検出できない。したがって、抵抗極小値６１が使用される。これは位置範囲Δｘの終端に近いため、移動の損失が大きくない。抵抗極小値６１を上回る位置範囲Δｘの更なる使用は、以下で更に説明するように、一片のＳＭＡワイヤ３１の寿命を減少させる可能性がある。

制御回路５０はパルス幅変調（ＰＷＭ）を使用する。特に、制御回路５０は、パルス幅変調された電流パルス（定電流であってもよく、又は定電圧であってもよい）を印加するとともに、デューティサイクルを変えて、印加される電流の出力、したがって加熱を変える。ＰＷＭの使用は、供給される電力の量を細かい分解能をもって正確に制御できるという利点を与える。この方法は、低い駆動出力であっても高い信号対雑音比を与える。ＰＷＭは、公知のＰＷＭ技術を使用して実施されてもよい。一般に、制御回路５０は、例えばデューティサイクルが５％〜９５％の範囲で変化する状態で、電流のパルスを連続的に供給する。デューティサイクルがこの範囲内の低い値にあると、一片のＳＭＡワイヤ３１における平均出力は低く、そのため、何らかの電流が供給されているにもかかわらずワイヤが冷える。逆に、デューティサイクルが該範囲内の高い値にあると、一片のＳＭＡワイヤ３１が熱くなる。電流パルス中に、例えばパルスの開始から短い所定の遅延後に、抵抗が測定される。

相転移範囲を下回る冷却状態からの一片のＳＭＡワイヤ３１の加熱中、抵抗は、図１６に示される態様で、サンプル間で一貫性のある態様で、連続的な加熱サイクルにおいて、位置に伴って変化する。しかしながら、冷却中、抵抗が同様の形態の湾曲に沿って変化するが、抵抗の変化はサンプル間であまり再現性がなく、加熱と比べてヒステリシスが変化し得る。これは、冷却中に位置の測度としての抵抗の使用を何ら妨げないが、制御の精度を低下させる。この問題は、以下で説明するように位置制御がサンプルの加熱中にのみ行なわれる所定の繰り返し動作後に制御回路５０によって回避される。

制御回路５０は以下の構成要素を含む。

制御回路５０は、一片のＳＭＡワイヤ３１に対して電流を供給するために接続される駆動回路５３を含む。駆動回路５３は定電圧電流源又は定電流電流源であってもよい。例えば、後者の場合には、定電流が１２０ｍＡ程度であってもよい。

制御回路５０は、ＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗を検出するように配置されている検出回路５４を更に含む。

駆動回路５３が定電流電流源である場合、検出回路５４は、一片のＳＭＡワイヤ３１の抵抗の測度であるＳＭＡアクチュエータ３０両端間の電圧を検出するように動作可能な電圧検出回路であってもよい。

駆動回路５３が定電圧電流源である場合には、検出回路５４が電流検出回路であってもよい。

より高い精度のため、検出回路５４は、ＳＭＡアクチュエータ両端間の電圧及び電流を検出してその比率としての抵抗の測度を得るように動作可能な、電圧検出回路及び電流検出回路を備えてもよい。

適切なマイクロプロセッサによって実施されるコントローラ５２は、パルス幅変調電流を供給するために駆動回路５３を制御する。コントローラ５２は、検出回路５４によって測定された抵抗を受けて、その応答時にＰＷＭ制御を行なう。

制御回路５０のための２つの詳細な回路実装が図１７及び図１８に示されている。

図１７の第１の回路実装は、安価であるが、限られた性能を有する。特に、駆動回路５３は、バイポーラトランジスタ１２０の簡単な配置を使用して実施される定電流電流源である。電圧検出回路５４は、一対のダイオード１２１及びレジスタ１２２の簡単なブリッジ配列として形成される。

図１８の第２の回路実装は、より精密であるが、高価である。特に、駆動回路５３は、オペアンプ１２４によって制御されるＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２３により実施される定電流電流源である。検出回路１２５は２つのレジスタ１２５のブリッジ配列により実施され、その出力はオペアンプ１２６によって増幅される。オペアンプ１２６により、コントローラ５２のＡ／Ｄ変換器はその全ダイナミックレンジを使用できる。

制御回路５０は、ＳＭＡアクチュエータの測定抵抗をフィードバック信号として使用して電流の出力を変え、測定抵抗を目標値へと推し進める。特に、パルス幅変調電流のデューティサイクルが変えられる。コントローラ５２は、多くの制御アルゴリズムを実施してデューティサイクルを変えてもよい。１つの可能性は、検出抵抗と目標抵抗との間の差に比例する大きさだけデューティサイクルが変えられる比例制御である。一片のＳＭＡワイヤ３１が活性温度範囲にわたって熱くなると、抵抗の減少が検出されてフィードバック制御技術で使用される。フィードバック制御の安定性は、加熱中に一片のＳＭＡワイヤ３１自体の固有の比例積分作用によって維持される。全体のフィードバック応答は、一片のＳＭＡワイヤ３１の加熱の全体の応答によって支配される。そのような比例制御フィードバックループは、位置の正確な制御をもたらす。

一片のＳＭＡワイヤ３１は、その応答に何らかの非線形性を有していてもよい。そのような非線形性は、制御回路５０に事前補償を組み入れることにより制限されてもよい。１つの選択肢は、例えばデマンド信号の要求及び履歴に基づき、事前補償が、駆動回路５３に供給される出力信号に関してゲイン変更器又はオフセット変更器からなることである。これは、一片のＳＭＡワイヤ３１を制御するために不十分なフィードバックが存在する場合に最も有益である。

制御回路５０がオートフォーカスアルゴリズムを実施してもよい。この場合、制御は、イメージセンサ４からの画像信号からコントローラ５２によって得られる像の合焦の測度、例えば変調伝達関数又は空間周波数応答に基づいてもよい。様々な適した測度が公知であり、また、任意のそのような測度が適用されてもよい。

この場合、合焦の測度の導出が遅いという限界がある。これに取り組むため、多くの合焦位置にわたる走査中に、合焦の測度から決定される所望の合焦位置で、制御回路５０が抵抗値を決定してもよい。その後、走査の最後に、合焦測度ではなくその抵抗値に基づいて、レンズエレメント６が元の同じ位置へと駆動される。

この場合、イメージセンサ４からの画像信号は、一次フィードバックパラメータを得るために使用され、繰り返しサイクル及び年齢にわたる二次パラメータとしての位置の測度の絶対値の任意のドリフトは無関係である。これは、単一のオートフォーカスサイクルにわたって知覚できる変化が存在しないからである。所定のカメラ１では、抵抗が高温の１０から低温の１２へ変化する場合があり、その後、幾つかの１００ｋサイクルにわたって、これが高温の１５及び低温の２０へと変化する場合がある。しかしながら、任意の所定のサイクルにおいて、最良の合焦は、十分な度合いの精度まで比抵抗に対応する。したがって、その絶対値にかかわりなく、この比抵抗に戻るだけで済む。

コントローラ５２によって行なわれてもよい制御アルゴリズムの例は、同じ出願人によって出願された以下の出願、すなわち、英国特許出願第０７０９３３８．８号；英国特許出願第０７１８８２８．７号；国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ０８／０００４７８（国際公開第２００８／０９９１５６号）；英国特許出願第０７１４７１８．４号、及び国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ０８／０００４７７（国際公開第２００８／０９９１５５号）に記載されており、これらの出願の全ては参照により本明細書に組み込まれる。

前述した実施形態は、カメラレンズエレメントの動きを促進させるＳＭＡ駆動装置を組み込むカメラに関するものであるが、前述したＳＭＡ駆動装置は、カメラレンズエレメント以外の物体の動きを同様に促すように適合されていてもよい。

Claims (20)

1. 支持構造体と、
   可動エレメントと、
   支持構造体と可動エレメントとの間に結合される複数の弾性湾曲部を備え、可動エレメントを支持構造体に支持するとともに、湾曲部の撓みにより可動エレメントの移動軸に沿う動きをガイドする、サスペンションシステムと、
   その収縮時に、支持構造体に対する可動エレメントの動きを移動軸に沿う第１の方向に促すように配置されている形状記憶合金アクチュエータと、
   可動エレメントの動きを移動軸に沿う第１の方向と反対の第２の方向に制限するように配置されているエンドストップと、
   移動軸に沿う第２の方向で可動エレメントを支持構造体に対して付勢するように配置されている付勢エレメントと、
   を備え、
   可動エレメントがエンドストップに抗して保持されるときに、前記第２の方向で付勢エレメントにより加えられる力がサスペンションシステムの湾曲部により加えられる力よりも大きくなるように配置されている、形状記憶合金駆動装置。
2. 付勢エレメントが弾性湾曲部を備える、請求項１に記載の形状記憶合金駆動装置。
3. 付勢エレメントの弾性湾曲部が支持構造体と可動エレメントとに対して結合される位置間で測定される弾性湾曲部の長さは、サスペンションシステムの複数の弾性湾曲部の長さよりも長い、請求項２に記載の形状記憶合金駆動装置。
4. 付勢エレメントの弾性湾曲部が支持構造体に移動不能に組み合わせられる、請求項２又は３に記載の形状記憶合金駆動装置。
5. 付勢エレメントの弾性湾曲部は、可動エレメントに固定されることなく接触により可動エレメントと係合する、請求項４に記載の形状記憶合金駆動装置。
6. 可動エレメントがカメラレンズエレメントであり、サスペンションシステムは、カメラレンズエレメントの光軸に沿うカメラレンズエレメントの支持構造体に対する動きをガイドする、請求項１から５のいずれか一項に記載の形状記憶合金駆動装置。
7. カメラレンズエレメントは、最大で１０ｍｍの直径を有する１つ以上のレンズを含む、請求項６に記載の形状記憶合金駆動装置。
8. 形状記憶合金アクチュエータ及び付勢エレメントの弾性湾曲部は、光軸周りの同じ角度位置で可動エレメントと係合する、請求項１から７のいずれか一項に記載の形状記憶合金駆動装置。
9. 付勢エレメントの弾性湾曲部が２つのアームを有し、各アームは、カメラレンズエレメントの両側において、支持構造体とカメラレンズエレメントとの間をカメラレンズエレメントの視野の外側で延びる、請求項１から８のいずれか一項に記載の形状記憶合金駆動装置。
10. 付勢エレメントの弾性湾曲部の２つのアームは、それらがカメラレンズエレメントと係合する部位で互いに結合される、請求項９に記載の形状記憶合金駆動装置。
11. 付勢エレメントの弾性湾曲部の２つのアームがそれぞれ光軸周りで少なくとも１３５°にわたって延びる、請求項９又は１０に記載の形状記憶合金駆動装置。
12. 可動エレメントがエンドストップに抗して保持されるときに前記複数の湾曲部によって力が加えられないように配置されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の形状記憶合金駆動装置。
13. 複数の弾性湾曲部が可動エレメントの周囲に配置される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の形状記憶合金駆動装置。
14. サスペンションシステムが弾性湾曲部の２つの組を備え、各組が可動エレメントの周囲に配置される複数の弾性湾曲部を備え、弾性湾曲部の２つの組が移動方向に沿う異なる位置に配置される、請求項１３に記載の形状記憶合金駆動装置。
15. 形状記憶合金アクチュエータは、支持構造体及び可動エレメントに接続され且つ収縮時に引張状態となる形状記憶合金ワイヤを備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載の形状記憶合金駆動装置。
16. 形状記憶合金ワイヤは、可動エレメントの移動方向に対して鋭角を成して延びる、請求項１５に記載の形状記憶合金駆動装置。
17. 可動エレメントの動作範囲の反対側の終端を制限するように配置される更なるエンドストップを更に備える、請求項１から１６のいずれか一項に記載の形状記憶合金駆動装置。
18. 形状記憶合金アクチュエータに対して駆動信号を供給するために形状記憶合金アクチュエータに接続される駆動回路を更に備える、請求項１から１７のいずれか一項に記載の形状記憶合金駆動装置。
19. イメージセンサと、
    請求項１６又はそれに付随する任意の請求項に記載される形状記憶合金駆動装置と、
    を備え、カメラレンズエレメントが像をイメージセンサ上に合焦させるように配置されている、カメラ。
20. 第１の方向がイメージセンサから離れる方向である、請求項１９に記載のカメラ。