(57)【要約】  ＳＭＡ作動構造は、加熱によって収縮すると、支持構造に対する可動エレメントの運動を実行するようになされたＳＭＡアクチュエータと、ＳＭＡアクチュエータを加熱するためにＳＭＡアクチュエータを介して駆動電流を供給するように作動する電源と、ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度を検出するように作動する検出器回路とを備えている。ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度を検出し、かつ、ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度に基づいて駆動電流を制御している間に、環境温度を表すＳＭＡアクチュエータの電気的特性の測度が導出される。閉ループ制御を適用している間に、ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度と目標値との間の誤差の定常値を小さくするオフセットが制御信号に加えられる。開ループ制御を適用している間、較正ステージの間に測定されるＳＭＡアクチュエータの電気的特性を考慮した制御信号が生成される。
2011506813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱による収縮時に、支持構造に対する可動エレメントの運動を実行するようになされたＳＭＡアクチュエータを備えたＳＭＡ作動構造の環境温度を決定する方法であって、
前記ＳＭＡアクチュエータを介して駆動電流を供給するステップと、
前記ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度を検出し、ＳＭＡアクチュエータの抵抗の前記測度に基づいて前記駆動電流を制御するステップと、
前記環境温度を表すＳＭＡアクチュエータの電気的特性の測度を導出するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記ＳＭＡアクチュエータが非加熱状態にあるとき、前記ＳＭＡアクチュエータの抵抗を極大抵抗まで大きくする駆動電流が最初に付与され、
前記ＳＭＡアクチュエータの電気的特性が、駆動電流が最初に付与される際の非加熱状態のＳＭＡアクチュエータの抵抗と、ＳＭＡアクチュエータの最大抵抗との差である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＳＭＡアクチュエータの電気的特性の測度が、ＳＭＡアクチュエータの特性抵抗で除された、非加熱状態の前記ＳＭＡアクチュエータに最初に前記駆動電流が付与される際の前記抵抗と、前記ＳＭＡアクチュエータの前記最大抵抗との間の前記差である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ＳＭＡアクチュエータが、収縮時に極大抵抗から極小抵抗まで小さくなる曲線に沿って長さとともに抵抗が変わる特徴を有し、
前記ＳＭＡアクチュエータの特徴的な抵抗が、極大抵抗、極小抵抗、または極大抵抗と極小抵抗との線形結合のうちの１つである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ＳＭＡアクチュエータが、収縮時に極大抵抗から極小抵抗まで小さくなる曲線に沿って長さとともに抵抗が変わる特徴を有し、
前記ＳＭＡアクチュエータの電気的特性が、ＳＭＡアクチュエータの最大抵抗および／または最小抵抗に関係して予め定められたレベルにＳＭＡアクチュエータの抵抗を保持するために必要な駆動電流の電力である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記所定のレベルが前記ＳＭＡアクチュエータの最大抵抗と最小抵抗の線形結合である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記所定のレベルが、前記ＳＭＡアクチュエータの最大抵抗から最小抵抗までの範囲の中央部分の８０％内に存在する、請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
前記駆動電流が前記ＳＭＡアクチュエータの電気的特性の測度を考慮して制御される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
加熱によって収縮すると、支持構造に対する可動エレメントの運動を実行するようになされたＳＭＡアクチュエータを備えたＳＭＡ作動構造のための制御システムであって、
前記ＳＭＡアクチュエータを加熱するために、ＳＭＡアクチュエータを介して駆動電流を供給するように作動する電源と、
前記ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度を検出するように作動する検出器回路と、
検出された前記ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度に基づいて前記電源を制御し、かつ、駆動電流の電力を制御するように作動する制御ユニットと
を備え、  
前記制御ユニットが、環境温度を表すＳＭＡアクチュエータの電気的特性の測度を導出するようになされた制御システム。
【請求項１０】
前記ＳＭＡアクチュエータが非加熱状態にあるとき、ＳＭＡアクチュエータの抵抗を極大抵抗まで大きくする駆動電流を最初に付与するように前記制御ユニットが作動し、
ＳＭＡアクチュエータの電気的特性が、駆動電流が最初に付与される際の非加熱状態のＳＭＡアクチュエータの抵抗と、ＳＭＡアクチュエータの最大抵抗との間の差である、請求項９に記載の制御システム。
【請求項１１】
前記ＳＭＡアクチュエータの電気的特性の測度が、ＳＭＡアクチュエータの特性抵抗で除された、非加熱状態の前記ＳＭＡアクチュエータに最初に駆動電流が付与される際の前記抵抗と、ＳＭＡアクチュエータの最大抵抗との間の前記差である、請求項１０に記載の制御システム。
【請求項１２】
前記ＳＭＡアクチュエータが、収縮時に極大抵抗から極小抵抗まで小さくなる曲線に沿って長さとともに抵抗が変わる特徴を有し、
ＳＭＡアクチュエータの特徴的な抵抗が、極大抵抗、極小抵抗、または極大抵抗と極小抵抗との線形結合のうちの１つである、請求項１１に記載の制御システム。
【請求項１３】
前記ＳＭＡアクチュエータが、収縮時に極大抵抗から極小抵抗まで小さくなる曲線に沿って長さとともに抵抗が変わる特徴を有し、
ＳＭＡアクチュエータの電気的特性が、ＳＭＡアクチュエータの最大抵抗および／または最小抵抗に関係して予め定められたレベルにＳＭＡアクチュエータの抵抗を保持するために必要な駆動電流の電力である、請求項９に記載の制御システム。
【請求項１４】
前記予め定められたレベルが、ＳＭＡアクチュエータの最大抵抗と最小抵抗との線形結合である、請求項１３に記載の制御システム。
【請求項１５】
前記予め定められたレベルが、ＳＭＡアクチュエータの最大抵抗から最小抵抗までの範囲の中央部分の８０％内に存在する、請求項１３または１４に記載の制御システム。
【請求項１６】
前記ＳＭＡアクチュエータの電気的特性の測度を考慮して駆動電流の電力を制御するように制御ユニットが作動する、請求項９から１５のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項１７】
加熱によって収縮すると、支持構造に対する可動エレメントの運動を実行するようになされたＳＭＡアクチュエータを備えたＳＭＡ作動構造を制御する方法であって、
前記ＳＭＡアクチュエータを加熱するために、ＳＭＡアクチュエータを介して駆動電流を供給するステップと、
前記ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度を検出するステップと、
電源によって供給される駆動電流の電力を、検出器回路によって検出されるＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度と、ＳＭＡアクチュエータの抵抗に対する目標値との間の誤差に基づいて制御するための閉ループ制御信号を生成するステップと、
前記誤差の定常値を小さくするオフセットを前記制御信号に加えるステップであって、前記電源によって供給される駆動電流の電力が、前記オフセットが加えられた制御信号に従って制御されるステップと
を含む方法。
【請求項１８】
前記オフセットが環境温度の測度に依存する値を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ＳＭＡアクチュエータが、収縮時に極大抵抗から極小抵抗まで小さくなる曲線に沿って長さとともに抵抗が変わる特徴を有し、
前記ＳＭＡアクチュエータの最大抵抗および／または最小抵抗に関係して予め定められたレベルに前記ＳＭＡアクチュエータの抵抗を保持するために必要な前記駆動電流の電力の測度を導出するステップを含み、
前記オフセットが、駆動電流の電力の導出測度に依存する値を有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
請求項１から８のいずれか一項に記載の方法によって環境温度の測度を決定するステップをさらに含む、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記オフセットが前記ＳＭＡアクチュエータの収縮の度合いに依存する値を有する、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記オフセットが、前記ＳＭＡアクチュエータが加熱されているか、あるいは冷却されているかどうかに依存する値を有する、請求項１７から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記オフセットが固定値を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
加熱によって収縮すると、支持構造に対する可動エレメントの運動を実行するようになされたＳＭＡアクチュエータを備えたＳＭＡ作動構造のための制御システムであって、
前記ＳＭＡアクチュエータを加熱するために、前記ＳＭＡアクチュエータを介して駆動電流を供給するように作動する電源と、
前記ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度を検出するように作動する検出器回路と、
前記電源によって供給される駆動電流の電力を、前記検出器回路によって検出されるＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度と、ＳＭＡアクチュエータの抵抗に対する目標値との間の誤差に基づいて制御するための閉ループ制御信号を生成するように作動する制御ユニットとを備え、
前記制御ユニットが、前記誤差の定常値を小さくするオフセットを前記制御信号に加えるように作動し、前記オフセットが加えられた制御信号が、前記電源によって供給される駆動電流の電力を制御するために供給される制御システム。
【請求項２５】
前記オフセットが環境温度の測度に依存する値を有する、請求項２４に記載の制御システム。
【請求項２６】
前記ＳＭＡアクチュエータが、収縮時に極大抵抗から極小抵抗まで小さくなる曲線に沿って長さとともに抵抗が変わる特徴を有し、
前記制御ユニットが、ＳＭＡアクチュエータの最大抵抗および／または最小抵抗に関係して予め定められたレベルにＳＭＡアクチュエータの抵抗を保持するために必要な駆動電流の電力の測度を導出するようになされ、
前記オフセットが、駆動電流の電力の導出測度に依存する値を有する、請求項２５に記載の制御システム。
【請求項２７】
前記オフセットが前記ＳＭＡアクチュエータの収縮の度合いに依存する値を有する、請求項２４から２６のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項２８】
前記オフセットが、前記ＳＭＡアクチュエータが加熱されているのか、あるいは冷却されているのかどうかに依存する値を有する、請求項２４から２７のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項２９】
前記オフセットが固定値を有する、請求項２４に記載の制御システム。
【請求項３０】
さらに、請求項１０から１６のいずれか一項に記載の制御システムである、請求項２４から２９のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項３１】
加熱による収縮時に支持構造に対する可動エレメントの運動を行うようになされたＳＭＡアクチュエータと、供給される制御信号に従ってＳＭＡアクチュエータを介して駆動電流を供給するようになされた電源とを備えたＳＭＡ作動構造を制御する方法であって、
前記可動エレメントを所定の位置へ移動させるために選択された駆動電流を提供するために、前記電源に制御信号を供給するステップであって、較正ステージの間に測定されるＳＭＡアクチュエータの電気的特性を考慮した開ループ制御の下で前記制御信号が生成されるステップを含み、
前記較正ステージが、ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度を検出している間、ＳＭＡアクチュエータの温度を変化させるための制御信号を電源に供給し、同時に、前記ＳＭＡアクチュエータの電気的特性を測定するステップとを含む方法。
【請求項３２】
前記制御信号が、前記較正ステージの間、検出器回路によって検出されるＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度と、ＳＭＡアクチュエータの抵抗に対する連続する目標値との間の誤差に基づく閉ループ制御の下で生成される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記ＳＭＡアクチュエータが、収縮時に極大抵抗から極小抵抗まで小さくなる曲線に沿って長さとともに抵抗が変わる特徴を有し、
測定された電気的特性が、極大抵抗および／または極小抵抗に関係した予め定められたレベルの抵抗値を含む、請求項３１または３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記ＳＭＡアクチュエータが、収縮時に極大抵抗から極小抵抗まで小さくなる曲線に沿って長さとともに抵抗が変わる特徴を有し、
測定される電気的特性が、極大抵抗および／または極小抵抗に関係して予め定められたレベルに抵抗を保持するために必要な駆動電流の電力値を含む、請求項３１から３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記ＳＭＡアクチュエータの測定された電気的特性がＳＭＡ作動構造の環境温度を表す、請求項３１から３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
請求項Ａ１からＡ８のいずれか一項に記載の方法によって環境温度の測度を決定するステップをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記制御信号が、
前記ＳＭＡアクチュエータの温度を前記可動エレメントの位置に関連付けるＳＭＡモデルを使用して、所定の位置からＳＭＡアクチュエータの目標温度を導出するステップと、
前記駆動電流の電力を前記ＳＭＡアクチュエータの温度に関連付ける熱モデルを使用して、前記目標温度から制御信号を生成するステップであって、前記熱モデルがＳＭＡアクチュエータの測定された電気的特性を考慮するステップと
によって開ループ制御の下で生成される、請求項３１から３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記目標温度から前記制御信号を生成する前記ステップが、
前記熱モデルを使用して前記ＳＭＡアクチュエータの前記温度の瞬時値の予測値を維持するステップと、
前記目標温度および前記ＳＭＡアクチュエータの温度の瞬時値の予測値に基づいて制御信号を生成するステップと
を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記目標温度および前記ＳＭＡアクチュエータの温度の瞬時値の予測値に基づいて制御信号を生成するステップが、目標温度とＳＭＡアクチュエータの温度の瞬時値の予測値との間の誤差に基づいて制御信号を生成するステップを含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記熱モデルが、前記駆動電流の電力をＳＭＡアクチュエータの温度に関連付ける、ＳＭＡ作動装置の温度を考慮した一次モデル、および駆動電流の電力をＳＭＡ作動装置の温度に関連付ける、環境温度を考慮した二次モデルを備え、
目標温度から制御信号を生成する前記ステップが、
前記二次モデルを使用してＳＭＡ作動装置の温度の瞬時値の予測値を維持するステップと、
前記一次モデルを使用して前記ＳＭＡアクチュエータの温度の瞬時値の予測値を維持するステップと、
前記目標温度および前記ＳＭＡアクチュエータの温度の瞬時値の予測値に基づいて制御信号を生成するステップと
を含む、請求項３８または３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記ＳＭＡモデルが、ＳＭＡアクチュエータの温度を可動エレメントの位置に関連付ける曲線を表すパラメータを備え、前記パラメータがＳＭＡアクチュエータの前記測定された電気的特性に基づいてスケール化される、請求項３７から４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記ＳＭＡモデルが、それぞれ加熱中および冷却中、ＳＭＡアクチュエータの温度を可動エレメントの位置に関連付ける２つの曲線を表すパラメータを備え、ＳＭＡアクチュエータの目標温度が、ＳＭＡアクチュエータの温度が上昇中であるか、あるいは低下中であるかどうかに基づいて選択される曲線のうちの１つを表すパラメータを使用して導出される、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記ＳＭＡモデルが、加熱と冷却との間のＳＭＡアクチュエータのヒステリシスを考慮に入れる、請求項３７から４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記熱モデルが可動エレメントの位置のクリープを補正する、請求項３７から４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記ＳＭＡアクチュエータが、収縮時に極大抵抗から極小抵抗まで小さくなる曲線に沿って長さとともに抵抗が変わる特徴を有し、
第１の運動範囲であって、この範囲内で前記ＳＭＡアクチュエータの長さが前記極小抵抗における長さより長い第１の運動範囲の両端間にわたる前記可動エレメントの運動を実行するために閉ループ制御の下で生成される制御信号を供給するステップをさらに含み、
開ループ制御の下で生成される制御信号を供給する前記ステップが、第２の運動範囲であって、この範囲内では前記ＳＭＡアクチュエータの長さが前記第１の運動範囲内における長さより短い第２の運動範囲の両端間にわたる前記可動エレメントの運動を実行するために実行される、請求項３１から４４に記載の方法。
【請求項４６】
開ループ制御の下で生成される制御信号を供給する前記ステップが、可動エレメントの完全な運動範囲の両端間にわたる可動エレメントの運動を実行するために実行される、請求項３７から４４に記載の方法。
【請求項４７】
加熱によって収縮すると、支持構造に対する可動エレメントの運動を実行するようになされたＳＭＡアクチュエータと、
ＳＭＡアクチュエータを加熱するために、供給される制御信号に従って前記ＳＭＡアクチュエータを介して駆動電流を供給するように作動する電源と、
ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度を検出するように作動する検出器回路と、
制御信号を生成し、かつ、生成した制御信号を前記電源に供給するように作動する制御ユニットと
を備えたＳＭＡ作動構造のための制御システムであって、
前記制御ユニットが、較正ステージの間、ＳＭＡアクチュエータの温度を変化させるための制御信号を生成し、かつ、それと同時にＳＭＡアクチュエータの電気的特性を測定するようになされ、
前記制御ユニットが、続けて、可動エレメントを所定の位置へ移動させるように選択された駆動電流を提供するための制御信号を生成するようになされ、制御信号が、前記較正ステージの間に測定されるＳＭＡアクチュエータの電気的特性を考慮した開ループ制御の下で生成される、制御システム。
【請求項４８】
前記制御ユニットが、前記較正ステージの間、前記検出器回路によって検出されるＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度と、ＳＭＡアクチュエータの抵抗に対する連続する目標値との間の誤差に基づく閉ループ制御の下で前記制御信号を生成するようになされた、請求項４７に記載の制御システム。
【請求項４９】
前記ＳＭＡアクチュエータが、収縮時に極大抵抗から極小抵抗まで小さくなる曲線に沿って長さとともに抵抗が変わる特徴を有し、
測定される電気的特性が、極大抵抗および／または極小抵抗に関係して予め定められたレベルの抵抗値を含む、請求項４８または４９に記載の制御システム。
【請求項５０】
前記ＳＭＡアクチュエータが、収縮時に極大抵抗から極小抵抗まで小さくなる曲線に沿って長さとともに抵抗が変わる特徴を有し、
測定される電気的特性が、極大抵抗および／または極小抵抗に関係して予め定められたレベルに抵抗を保持するために必要な駆動電流の電力値を含む、請求項４７から４９のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項５１】
前記ＳＭＡアクチュエータの測定される電気的特性がＳＭＡ作動構造の環境温度を表す、請求項４７から５０のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項５２】
前記制御ユニットが、
前記ＳＭＡアクチュエータの温度を可動エレメントの位置に関連付けるＳＭＡモデルを使用して、所定の位置から前記ＳＭＡアクチュエータの目標温度を導出するステップと、
駆動電流の電力を前記ＳＭＡアクチュエータの温度に関連付ける熱モデルを使用して、目標温度から制御信号を生成するステップであって、前記熱モデルがＳＭＡアクチュエータの測定された電気的特性を考慮するステップと
によって閉ループ制御の下で制御信号を生成するようになされた、請求項４７から５１のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項５３】
前記制御ユニットが、前記熱モデルを使用して前記ＳＭＡアクチュエータの前記温度の瞬時値の予測値を維持するようになされ、
前記目標温度から前記制御信号を生成する前記ステップが、前記目標温度および前記ＳＭＡアクチュエータの前記温度の前記瞬時値の前記予測値に基づいて前記制御信号を生成するステップを含む、請求項５２に記載の制御システム。
【請求項５４】
前記目標温度および前記ＳＭＡアクチュエータの温度の瞬時値の予測値に基づいて制御信号を生成するステップが、目標温度とＳＭＡアクチュエータの温度の瞬時値の予測値との間の誤差に基づいて制御信号を生成するステップを含む、請求項５３に記載の制御システム。
【請求項５５】
前記熱モデルが、
前記駆動電流の電力をＳＭＡアクチュエータの温度に関連付ける、ＳＭＡ作動装置の温度を考慮した一次モデル、および駆動電流の電力をＳＭＡ作動装置の温度に関連付ける、環境温度を考慮した二次モデルを備え、
前記制御ユニットが、二次モデルを使用してＳＭＡ作動装置の温度の瞬時値の予測値を維持するようになされ、
前記制御ユニットが、一次モデルを使用して前記ＳＭＡアクチュエータの温度の瞬時値の予測値を維持するようになされ、
前記目標温度から制御信号を生成するステップが、目標温度およびＳＭＡアクチュエータの温度の瞬時値の予測値に基づいて制御信号を生成するステップを含む、請求項５３または５４に記載の制御システム。
【請求項５６】
前記ＳＭＡモデルが、前記ＳＭＡアクチュエータの温度を可動エレメントの位置に関連付ける曲線を表すパラメータを備え、制御ユニットが、ＳＭＡアクチュエータの測定された電気的特性に基づいてパラメータをスケール化するようになされた、請求項５２から５５のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項５７】
前記ＳＭＡモデルが、それぞれ加熱中および冷却中、前記ＳＭＡアクチュエータの温度を可動エレメントの位置に関連付ける２つの曲線を表すパラメータを備え、制御ユニットが、ＳＭＡアクチュエータの目標温度を、ＳＭＡアクチュエータの温度が上昇中であるか、あるいは低下中であるかどうかに基づいて選択される前記曲線のうちの１つを表すパラメータを使用して導出するようになされた、請求項５６に記載の制御システム。
【請求項５８】
前記ＳＭＡモデルが加熱と冷却との間の前記ＳＭＡアクチュエータのヒステリシスを考慮する、請求項５２から５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記熱モデルが前記可動エレメントの位置のクリープを補正する、請求項５２から５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記ＳＭＡアクチュエータが、収縮時に極大抵抗から極小抵抗まで小さくなる曲線に沿って長さとともに抵抗が変わる特徴を有し、
前記制御ユニットが、第１の運動範囲であって、この範囲内では前記ＳＭＡアクチュエータの長さが極小抵抗における長さより長い第１の運動範囲の両端間にわたる可動エレメントの運動を実行するために閉ループ制御の下で制御信号を生成するようになされ、また、前記制御ユニットが、第１の運動範囲であって、この範囲内では前記ＳＭＡアクチュエータの長さが前記第１の運動範囲内における長さより短い第１の運動範囲の両端間にわたる可動エレメントの運動を実行するために開ループ制御の下で制御信号を生成するステップを実行するようになされた、請求項５２から５９に記載の制御システム。
【請求項６１】
制御ユニットが、可動エレメントの完全な運動範囲の両端間にわたる可動エレメントの運動を実行するために開ループ制御の下で制御信号を生成するようになされた、請求項４７から６０に記載の制御システム。
【請求項６２】
さらに、請求項１０から１６のいずれか一項に記載の制御システムである、請求項４７から６１のいずれか一項に記載の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、加熱によって収縮すると、支持構造に対する可動エレメントの運動を実行するようになされたＳＭＡアクチュエータを備えたＳＭＡ（形状記憶合金）作動構造の制御に関する。
【０００２】
本発明は、比較的小さい可動エレメント、たとえばカメラレンズエレメント、とりわけ、移動電話あるいは移動ディジタルデータ処理および／または送信デバイスなどの携帯型電子デバイスに使用することができる小型カメラに使用されるタイプのカメラレンズエレメントを正確に作動させるための特定の用途を有している。
【背景技術】
【０００３】
近年、時によってはＰＤＡ（携帯型ディジタルアシスタント）として知られている携帯型情報端末および携帯型電話の爆発的な普及により、イメージセンサを使用したコンパクトディジタルカメラ装置を組み込んだデバイスの数が増加している。イメージセンシング面積が比較的小さいイメージセンサを使用してこのようなディジタルカメラ装置を小型化する場合、それに伴って、１つまたは複数のレンズを含んだその光学システムも同様に小型化しなければならない。
【０００４】
焦点調節またはズーム調節を達成するためには、あるタイプの作動構造は、光軸に沿ったカメラレンズエレメントの運動を実行するために、このような小型カメラの制限された体積の中に収納しなければならない。カメラレンズエレメントは微小であるため、作動構造は、微小範囲の運動にわたり相応して正確な作動を提供することができなければならない。
【０００５】
広範囲にわたる他の微小対象のための作動構造にも同様の考察が適用される。
【０００６】
既存のカメラのほとんどは、よく知られている電気コイル電動機の変形形態を利用しているが、レンズシステムのための小型駆動ユニットとして他の多くの作動構造が提案されている。このような他の作動構造には、一般に電気活性デバイスと呼ばれている、圧電材料、電気ひずみ材料または磁気ひずみ材料に基づく変換器を含むことができる。
【０００７】
提案されている他のタイプの作動構造には、ＳＭＡ材料がアクチュエータとして使用されている。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運動を実行するようになされている。作動は、ＳＭＡアクチュエータがマルテンサイト相とオーステナイト相の間で変化し、その応力およびひずみが変化する活性温度範囲にわたってＳＭＡアクチュエータの温度を制御することによって達成することができる。ＳＭＡアクチュエータは、低温ではマルテンサイト相にあり、一方、ＳＭＡアクチュエータは、高温では、ＳＭＡアクチュエータを収縮させる変形を誘導するオーステナイト相に変化する。ＳＭＡアクチュエータの温度は、ＳＭＡアクチュエータに選択的に駆動電流を流してＳＭＡアクチュエータを加熱することによって変化させることができ、それにより相を変化させることができる。相変化は、ＳＭＡ結晶構造中における遷移温度の統計的広がりのため、一定の温度範囲にわたって生じる。ＳＭＡアクチュエータは、収縮することによって可動エレメントの運動を実行するようになされている。
【０００８】
小型カメラのカメラレンズエレメントなどの微小エレメントのためのアクチュエータとしてＳＭＡ材料を使用することにより、本質的に線形であり、大きい単位質量当たりの電力を提供し、低コスト商品アイテムであり、また、比較的小さいコンポーネントである、という利点が提供される。
【０００９】
本発明は、このようなＳＭＡ作動構造の制御に関しており、とりわけ、位置の正確な制御を提供する必要性に関している。これは、一般に、ＳＭＡ材料の固有物理特性のため容易ではない。位置は、ＳＭＡ材料の温度を変化させることによって制御され、また、この温度は、ＳＭＡアクチュエータを介して駆動電流を供給することによって制御することができる。しかしながら、位置と駆動電流の間には単純な関係は存在していない。たとえば温度と位置の間の関係は非線形で、かつ、ヒステレシス的(hysteretic)であり、加熱および冷却の間、異なる曲線を追従する。さらに、ＳＭＡアクチュエータの駆動電流と温度の間の関係は複雑であり、この関係は、加熱の履歴および冷却の量に依存しており、この冷却の量自体は、環境温度(ambient temperature)に強く依存している。したがって、実際にはＳＭＡアクチュエータの制御は複雑である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
様々な異なる制御技法を適用することができるが、アクチュエータは熱によって駆動されるため、制御にはアクチュエータモジュールの環境温度の知識が必要であり、あるいは環境温度の恩恵を受けることができることは理解されよう。環境温度は、ＳＭＡアクチュエータからの熱損失の速度に実質的な影響を及ぼし、また、ＳＭＡアクチュエータを収縮させるために必要な電力に実質的な影響を及ぼす。また、熱損失は、膨張の間の冷却時間にも影響を及ぼすことになり、また、長期間にわたって位置を保持する場合、アクチュエータの位置が変化する速度にも影響を及ぼすことになる。本発明の第１の態様は、ＳＭＡ作動構造の環境温度の決定に関している。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様によれば、加熱によって収縮すると、支持構造に対する可動エレメントの運動を実行するようになされたＳＭＡアクチュエータを備えたＳＭＡ作動構造の環境温度を決定する方法が提供され、この方法には、
ＳＭＡアクチュエータを介して駆動電流を供給するステップと、
ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度を検出するステップであってと、ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度に基づいて駆動電流が制御されるステップと、
環境温度を表すＳＭＡアクチュエータの電気的特性(electrical characteristic)の測度を導出するステップと
が含まれている。
【００１２】
さらに、本発明の第１の態様によれば、対応する方法を実施するＳＭＡ作動構造のための制御システムが提供される。
【００１３】
本発明のこの態様は、ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度に基づいて駆動電流が制御されるとき、ＳＭＡアクチュエータの様々な電気的特性が環境温度を代表する、という認識に基づいている。したがってＳＭＡアクチュエータのこのような電気的特性の測度は、環境温度を表す測度として導出される。
【００１４】
ＳＭＡアクチュエータの前記電気的特性の測度は、駆動電流を制御する場合に考慮することができる。これは、駆動電流を制御するための、閉ループ制御および開ループ制御を始めとする多くの異なる制御技法に適用することができる。閉ループ制御の場合、流源によって供給される駆動電流の電力が、検出器回路によって検出されるＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度と、ＳＭＡアクチュエータの抵抗に対する目標値との間の誤差に基づいて制御される。この場合、ＳＭＡアクチュエータの前記電気的特性の測度は、以下でさらに説明されているように、制御ループにおけるオフセットのための基本として使用することができる。開ループ制御の場合は、電源によって供給される駆動電流の電力自体が目標値に制御される。この場合、ＳＭＡアクチュエータの前記電気的特性の測度を使用して、環境温度に大いに依存する所与の位置のために必要な目標値を決定することができる。
【００１５】
ＳＭＡアクチュエータの抵抗を極大抵抗(local maximum resistance)まで大きくするために、非加熱状態のＳＭＡアクチュエータに最初に駆動電流が付与される際に適用される、ＳＭＡアクチュエータの前記電気的特性の第１の可能測度は、駆動電流が最初に付与される際の非加熱状態のＳＭＡアクチュエータの抵抗と、ＳＭＡアクチュエータの最大抵抗との間の差である。
【００１６】
ＳＭＡアクチュエータの前記電気的特性の第２の可能測度は、ＳＭＡアクチュエータの抵抗をＳＭＡアクチュエータの最大抵抗および／または最小抵抗に対して所定のレベルに保持するために必要な駆動電流の電力である。
【００１７】
本発明の第２の態様は、ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度がフィードバック信号として使用される、ＳＭＡ作動構造の閉ループ制御に関している。この場合、駆動電流の電力を制御するための閉ループ制御信号は、検出器回路によって検出されるＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度と、ＳＭＡアクチュエータの抵抗に対する目標値との間の誤差に基づいて生成される。抵抗を使用することにより、ＳＭＡアクチュエータを加熱する駆動電流を提供するために必要なエレメントを補足する追加電子コンポーネントを単純に提供することにより、精度が優れていること、実施が容易で、かつ、コンパクトであることを始めとする、センサを使用して可動エレメントの実際の物理位置を検出する場合に優る著しい利点が得られる。
【００１８】
しかしながら、このような閉ループ制御には、定常誤差(steady state error)に遭遇する、という潜在的な問題があることが分かっている。単純な比例制御が制御ループに適用されると、達成される安定抵抗と目標抵抗との間に定常誤差が存在することになる。利得は有限であるため、冷却損失に等しい電力を付与する駆動電流を生成する場合、必ずこのような誤差が存在することになる（あるいは逆に、抵抗誤差が存在しないということは、電力が付与されていないこと、したがって冷却が定常状態ではないことを暗に意味している）。
【００１９】
このような定常誤差は、利得を大きくすることによって小さくすることができるが、利得を大きくすると制御ループが共振し、そのために制御が損失し、レンズが発振し、また、ステップ運動に対する著しいオーバーシュートの原因になる可能性がある、という実際的な限界が存在している。この観点から、実際には比較的小さい利得が選択され、したがって大きな定常誤差が存続している。
【００２０】
定常誤差を小さくするための理論的可能性の１つは、制御ループに積分制御を適用することである。しかしながら、積分器を極めて慎重にシステムに同調させなければならないため、この積分制御を適用することは実際には困難である。積分が速すぎると、システムがオーバーシュートする傾向が強くなり、また、実際に、システムの機械的な共振から離れた自己持続発振の原因になることがある。積分が遅すぎると、整定に要する時間が極めて長くなり、そのために作動中にドリフトすることになる。実際には、積分制御を回避すること、あるいは定常誤差が存続するＤＣまで広がっていない比較的狭い帯域幅にわたる積分制御の適用を望ましくしているのは、場合によってはこのドリフトである。
【００２１】
本発明の第２の態様によれば、加熱によって収縮すると、支持構造に関係する可動エレメントの運動を実行するようになされたＳＭＡアクチュエータを備えたＳＭＡ作動構造を制御する方法が提供され、この方法には、
ＳＭＡアクチュエータを加熱するために、ＳＭＡアクチュエータを介して駆動電流を供給するステップと、
ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度を検出するステップと、
電源によって供給される駆動電流の電力を、検出器回路によって検出されるＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度と、ＳＭＡアクチュエータの抵抗に対する目標値との間の誤差に基づいて制御するための閉ループ制御信号を生成するステップと、
前記誤差の定常値(steady state value)を小さくするオフセットを制御信号に加えるステップであって、電源によって供給される駆動電流の電力が、オフセットが加えられた制御信号に従って制御されるステップと
が含まれている。
【００２２】
さらに、本発明の第２の態様によれば、対応する方法を実施するＳＭＡ作動構造のための制御システムが提供される。
【００２３】
したがって、本発明の第２の態様によれば、電源に供給される制御信号にオフセットを加えることにより、達成される安定抵抗と目標抵抗との間の定常誤差の問題が抑制される。したがってこのようなオフセットによって駆動電流の電力がオフセットされ、それにより定常誤差を小さくすることができ、さらには、このオフセットによって冷却損失に等しい量だけ駆動電流の電力が大きくなる理想的なケースの場合、定常誤差を除去することも可能である。
【００２４】
オフセットは、環境温度の測度に依存する値を有することができる。定常誤差は環境温度によって決まり、この定常誤差によって冷却損失に等しい電力を提供する駆動電流が生成される、つまり定常状態を保持するために必要な電力が環境温度の上昇に伴って小さくなるため、環境温度の測度に依存する値をオフセットが有することは有利である。したがって、環境温度によるオフセットの変化が、作動する環境温度にわたってより良好な定常誤差のオフセットを可能にしている。
【００２５】
一般的には、環境温度の任意の測度を使用することができるが、この測度は、ＳＭＡアクチュエータの抵抗をＳＭＡアクチュエータの最大抵抗および／または最小抵抗に対して所定のレベルに保持するために必要な駆動電流の電力であることが有利である。ＳＭＡアクチュエータは、収縮中に抵抗が極大抵抗から極小抵抗(local minimum resistance)まで小さくなる曲線に沿って長さと共に抵抗が変化する特徴を有している。環境温度のこの測度は、それが定常状態を所定のレベルの抵抗に保持するために必要な電力であるため、必要なオフセットに緊密に関係している。したがって、環境温度のこの測度により、最少の余分な計算を必要とするだけで電力オフセットを正確に計算することができる。
【００２６】
また、オフセットは、ＳＭＡアクチュエータの収縮の度合いに依存する値および／またはＳＭＡアクチュエータが加熱されているのか、あるいは冷却されているのかどうかに依存する値を有することも可能である。必要な処理電力が増加することにはなるが、定常誤差、したがって必要な電力オフセットは、ＳＭＡアクチュエータの温度変化に伴って変位範囲にわたって変化し、また、ヒステリシスのために加熱と冷却の間で変化するため、これにより、精度がさらに改善される。
【００２７】
オフセットのこのような変化によって利点が提供されるが、オフセットは、代替として、たとえば、製造されたＳＭＡ装置に対する典型的な定常誤差に基づく固定値を有することも可能である。この場合も、精度が低下することになる可能性はあるが、依然として定常誤差を小さくすることは可能である。
【００２８】
ＳＭＡアクチュエータ構造の正確な制御を提供するための可能性の１つは、ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度に基づく閉ループ制御下でＳＭＡアクチュエータを介して駆動電流を供給する電源に供給される制御信号を生成することである。ＳＭＡアクチュエータの抵抗は、ＳＭＡアクチュエータの長さに伴って予測可能な方法で変化するため、このような閉ループ制御によって位置を正確に制御することができる。さらに、抵抗を使用することにより、ＳＭＡアクチュエータを加熱する駆動電流を提供するために必要なエレメントを補足する追加電子コンポーネントを単純に提供することにより、精度が優れていること、実施が容易で、かつ、コンパクトであることを始めとする、センサを使用して可動エレメントの実際の物理位置を検出する場合に優る著しい利点が得られる。
【００２９】
しかしながら、このような閉ループ制御は、実際には、ＳＭＡアクチュエータの収縮から利用することができる最大運動範囲の一部に制御を限定している。詳細には、ＳＭＡ材料は、加熱によってＳＭＡ材料が収縮すると、抵抗が最初に極大抵抗まで大きくなり、次にその極大抵抗から極小抵抗まで小さくなり、また、次にその極小抵抗から大きくなる曲線に沿った長さと共にその抵抗が変化する特性を有している。極大抵抗と極小抵抗の間の領域は、高度に線形であり、したがって抵抗フィードバックを使用した閉ループは、通常、この領域に適用される。しかしながら、閉ループ制御は、極大抵抗および極小抵抗に近づくと、位置−抵抗利得が無限大に近づくため、実際的ではなくなる。したがって、実際には、極大抵抗および極小抵抗からオフセットしているリミットが閉ループ領域に設定される。これは、極大抵抗および極小抵抗を超えるＳＭＡアクチュエータの収縮の一部が運動を実行するために使用されない点で、可動エレメントの可能運動範囲を制限している。
【００３０】
運動範囲のこの制限は、ＳＭＡアクチュエータに付与される機械的応力が大きくなるにつれてますます深刻になる。しかしながら、機械的応力によってマルテンサイト相からオーステナイト相への相変化が生じる相転移温度が高くなるため、ＳＭＡアクチュエータを作動させることができる温度範囲の上限を高くするためには、比較的大きい機械的応力がＳＭＡアクチュエータに付与されることが望ましい。言い換えると、閉ループ制御が適用される場合、作動温度範囲を高くするために機械的応力を大きくすることは、利用可能な運動範囲の制限に影響を及ぼすことになる。
【００３１】
本発明の第３の態様によれば、加熱によって収縮すると、支持構造に対する可動エレメントの運動を実行するようになされたＳＭＡアクチュエータと、供給される制御信号に従ってＳＭＡアクチュエータを介して駆動電流を供給するようになされた電源とを備えたＳＭＡ作動構造を制御する方法であって、
可動エレメントを所定の位置へ移動させるために選択された駆動電流を提供するために、電源に制御信号を供給するステップであって、較正ステージの間に測定されるＳＭＡアクチュエータの電気的特性を考慮した開ループ制御の下で制御信号が生成されるステップ
を含み
較正ステージが、ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度を検出している間、ＳＭＡアクチュエータの温度を変化させるための制御信号を電源に供給するステップと、それと同時にＳＭＡアクチュエータの電気的特性を測定するステップとを含む
方法が提供される。さらに、本発明のこの第３の態様によれば、対応する方法を実施するＳＭＡ作動構造のための制御システムが提供される。
【００３２】
本発明のこの第３の態様によれば、開ループ制御が適用される。詳細には、可動エレメントを所定の位置へ移動させるために選択された駆動電流を提供するために、開ループ制御の下で制御信号が生成される。一般に、上で説明したＳＭＡ材料の複雑な固有物理特性のため、これは、先験的に、困難であると見なすことができる。しかしながら、このような開ループ制御は、ＳＭＡアクチュエータの抵抗の測度を検出している間の較正ステージ中に測定されるＳＭＡアクチュエータの電気的特性を考慮することによって実行可能であることが分かっている。これは、事実上、測定された電気的特性に基づく開ループ制御のスケール化を可能にしている。電気的特性は、抵抗を検出している間に測定されるため、これは、任意選択で閉ループ制御の下で、周囲条件および製造公差の変化に対する開ループ制御の適合を可能にしており、それにより開ループ条件における十分な精度での制御を可能にしている。開ループ制御の使用は、延いては極大抵抗および／または極小抵抗までの運動範囲の拡張、およびそれを超える運動範囲の拡張を可能にしている。
【００３３】
より深い理解を可能にするために、以下、本発明の一実施形態について、添付の図面を参照して、非制限の例によって説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ＳＭＡ作動構造を組み込んだカメラの略横断面図である。
【図２】カメラの制御構造全体の略図である。
【図３】収縮中におけるＳＭＡの抵抗−長さ特性のグラフである。
【図４】制御回路の線図である。
【図５】制御回路のための２つの可能回路実施態様の線図である。
【図６】制御回路のための２つの可能回路実施態様の線図である。
【図７】制御回路の制御ユニットによって実施される閉ループ制御の略図である。
【図８】開ループ制御を適用した場合の制御ユニットの作動全体の流れ図である。
【図９】制御ユニットによって実施される開ループ制御の流れ図である。
【図１０】ＳＭＡモデルのパラメータによって表される曲線のグラフである。
【図１１】図９の流れ図に対する修正を示す流れ図である。
【図１２】電力のステップ変化に対するＳＭＡアクチュエータの温度応答のグラフである。
【図１３】混合モードにおける制御ユニットの作動を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
最初に、ＳＭＡ作動装置を組み込んだカメラ１の構造について説明する。このカメラ１は、移動電話、メディアプレーヤあるいは携帯型ディ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カメラである。
【００３６】
図１は、カメラ１を概略的に示したものである。カメラ１は、ベース部分３を有する支持構造２を備えており、ベース部分３の上には、ＣＣＤ（電荷結合デバイス）またはＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）デバイスであってもよいイメージセンサ４が取り付けられている。支持構造２は、さらに、イメージセンサ４が取り付けられているベース３の前面から突出している環状壁５を備えている。支持構造２は、プラスチック製であってもよい。
【００３７】
カメラ１は、さらに、１つまたは複数のレンズ８からなるレンズシステム７を保持しているレンズエレメント６を備えている。一例として、図１に示されているレンズシステム７は、２つのレンズ８からなっているが、一般的には、光学性能と低コストの所望のバランスを提供するために必要な単一のレンズ８または複数のレンズ８を存在させることができる。レンズエレメント６は、レンズキャリア２０およびレンズキャリア２０の内側の、レンズキャリア２０の内側に形成された内部ねじ山２２に取り付けられたレンズホルダ２１を備えた二部構造を有している。カメラ１は、典型的には最大１０ｍｍの直径を有するレンズシステム７のレンズ８を備えた小型カメラである。
【００３８】
レンズエレメント６は、レンズシステム７の光軸Ｏがイメージセンサ４に対して直角になるように配置されている。この方法によれば、レンズシステム７は、イメージセンサ４の上に光を集束させる。
【００３９】
レンズエレメント６は、支持構造２の環状壁５とレンズエレメント６の間に接続された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２の上にサスペンションされている。サスペンションエレメント１０の各々は湾曲部１３を備えており、湾曲部１３の各々は、その両端でレンズエレメント６および支持構造２の環状壁５に結合されている。サスペンションシステム９は、レンズエレメント６の運動を光軸Ｏに沿ってガイドする。レンズエレメント６のこのような運動によって、イメージセンサ４の上に形成されるイメージの焦点が変化する。
【００４０】
カメラ１は、複数の長さのＳＭＡワイヤ３１を備えたＳＭＡアクチュエータ３０を備えている。ＳＭＡアクチュエータ３０は、任意の適切なＳＭＡ材料、たとえばニチノールまたは他のチタン合金ＳＭＡ材料から製造することができる。ＳＭＡ材料は、加熱されると、固体相が変化してＳＭＡ材料を収縮させる特性を有している。ＳＭＡ材料は、低温ではマルテンサイト相に入る。ＳＭＡは、高温では、ＳＭＡ材料を収縮させる変形を誘導するオーステナイト相に入る。相変化は、ＳＭＡ結晶構造中における遷移温度の統計的広がりのため、一定の温度範囲にわたって生じる。したがって、これらの複数の長さのＳＭＡワイヤ３１を加熱することにより、それらの長さが短くなる。これらの複数の長さのＳＭＡワイヤ３１は、収縮すると、それらが、光軸Ｏに沿った成分を有する引張り力を、詳細にはレンズエレメント６をイメージセンサ４から遠ざけるように付勢する方向に付与するよう、張力がかかった状態で、光軸Ｏに対して一定の角度で、支持構造２の環状壁５とレンズエレメント６の間に接続されている。これを使用して、以下で説明するように、光軸Ｏに沿ったレンズエレメント６の運動が実行される。
【００４１】
ＳＭＡアクチュエータ３０によって付与される力によってサスペンションシステム１０の湾曲部１３が偏向し、それにより光軸Ｏに沿った逆方向の付勢力(biassing force)が生成される。したがってサスペンションシステム９は、ＳＭＡアクチュエータ３０のための受動付勢構造として作用する機能、ならびにカメラレンズエレメント６をサスペンションさせ、かつ、その運動をガイドする機能を提供している。
【００４２】
ＳＭＡアクチュエータ３０が非加熱状態では、レンズエレメント６は、その運動範囲内において、イメージセンサ４に最も近い位置に位置している。カメラ１は、特に自動焦点機能が提供される場合、この位置がカメラ１に対する最も一般的な設定である遠視野すなわち過焦点に対応するように設計されている。ＳＭＡアクチュエータ３０は、加熱されると、イメージセンサ４から遠ざかる方向のレンズエレメント６の運動を実行する。レンズエレメント６は、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度が、ＳＭＡ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範囲にわたって上昇するにつれて、一定の運動範囲にわたって移動する。支持構造２に対する光軸Ｏに沿ったレンズエレメント６の位置は、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度を制御することによって制御することができる。作動中、ＳＭＡアクチュエータ３０の加熱は、ＳＭＡアクチュエータ３０に電流を流すことによって提供され、それにより抵抗性加熱が提供される。冷却は、電流を停止し、周囲への伝導によるＳＭＡアクチュエータ３０の冷却を許容することによって提供される。電流は、以下でさらに説明する制御回路５０によって供給される。
【００４３】
カメラ１は、参照により本明細書に組み込まれているＷＯ−２００７／１１３４７８、ＷＯ−２００８／０９９１５６またはＷＯ−２００８／０９９１５５に記載され、かつ、示されている任意のカメラの詳細構造を有することができる。他の代替として、カメラ１は、サスペンションシステムに加えて、たとえば、参照により本明細書に組み込まれている共有所有国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ０８／００３６５７号に記載され、かつ、示されている詳細構造を有する個別の付勢エレメント(biassing element)を含むことができる。しかしながら、これらの詳細構造は、いずれも本質的ではなく、一般に、本発明は、カメラを制限することなく、正確な制御を必要とするあらゆる種類の可動対象のためのＳＭＡ作動装置に適用することができる。
【００４４】
次に、制御回路５０の性質および制御回路５０によって実施される制御の性質について説明する。
【００４５】
図２は、制御構造全体の略図を示したものである。制御回路５０はＳＭＡアクチュエータ３０に接続されており、レンズエレメント６を移動させ、イメージセンサ４の上に形成されるイメージの焦点を変化さるＳＭＡアクチュエータ３０の温度を制御するためにＳＭＡアクチュエータ３０に電流を付与している。イメージセンサ４の出力は制御回路５０に供給され、焦点の品質の測度を決定するために処理される。
【００４６】
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ＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗に応答して、ＳＭＡアクチュエータ３０を通って流れる電流の電力を変化させることによってＳＭＡアクチュエータ３０を加熱する度合いを制御している。温度センサによって測定される温度あるいは位置センサによって出力されるレンズエレメント６の位置の直接測度などの位置の他の測度を使用することも可能であるが、抵抗センサは、制御回路５０中の追加コンポーネントによって単に実施され、したがってカメラのパッケージサイズが大きくならないため、有利である。抵抗を使用する根拠をなしている物理的現象は、次の通りである。
【００４７】
ＳＭＡを加熱すると、ほとんどの材料の場合と同様、温度と共に抵抗率が大きくなる。これは、相変化が生じる温度範囲（相転移範囲）、したがってＳＭＡが収縮する温度範囲の内側および外側で生じる。しかしながら、相転移範囲内では、さらに２つの効果が生じる。第１に、オーステナイト相は、マルテンサイト相より大きい抵抗率を有しており、そのため、温度と共に抵抗が大きくなる傾向にある。しかしながら、相反する効果は、幾何構造が変化することであり、この幾何構造の変化には、長さが短くなり、また、断面積が広くなることが含まれており、温度と共に抵抗が小さくなる傾向がある。この相反する効果は、他の効果より著しく大きい。したがって、低い温度から加熱している間に相転移範囲に到達し、ＳＭＡが収縮を開始すると、抵抗が初期上昇した後、幾何学的効果が急速に支配的になり、そのため、収縮の主要部分の間、ＳＭＡアクチュエータの抵抗が小さくなる。これは、相変化がほぼすべてのＳＭＡ中で生じ、したがって収縮の度合いが小さくなって抵抗の上昇を許容するまで生じる。
【００４８】
したがって、ＳＭＡ材料は、図３に示されている形態の曲線に沿った加熱および収縮中、長さと共に抵抗が変化スル特徴を有している。図３は、レンズエレメント６の位置ｘに対応しているＳＭＡアクチュエータの長さに対するＳＭＡアクチュエータの抵抗のグラフであり、この長さは、ＳＭＡ材料が収縮すると長くなり、上昇する温度に対応している。したがって相転移範囲を横切ると、レンズエレメント６は、ＳＭＡの収縮によって位置範囲Δｘの両端間を移動する。抵抗は、位置範囲Δｘの初期微小部分を横切って、抵抗値Ｒｍａｘを有する極大６０まで上昇する。抵抗は、位置範囲Δｘの主要部分を横切って、抵抗値Ｒｍｉｎを有する極小６１まで降下し、その後、抵抗は、位置範囲Δｘの最後の部分を横切って上昇する。抵抗に影響を及ぼし、また、抵抗を大きくしている他の要因が、温度と抵抗の間の総合的な関係を著しく非線形にしているが、収縮およびそれに関連する抵抗の低減過程は、極大６０と極小６１の間の位置範囲Δｘのより広い部分にわたる測定に基づいて、抵抗と位置の間のほぼ線形の従属性をもたらしている。基礎をなしている物理学は完全には理解されていないが、現象は、実験によって観察されており、以下で説明されているように、閉ループ制御を適用する際に補助している。
【００４９】
制御回路５０は、パルス幅変調（ＰＷＭ）を使用している。詳細には、制御回路５０は、パルス幅変調電流パルスを付与しており（これは、定電流パルスであっても、あるいは定電圧パルスであってもよい）、付与される電流の電力、したがって加熱の電力を変化させるためにデューティサイクルを変化させている。ＰＷＭを使用することにより、供給される電力の量を細かい分解能で正確に制御することができる利点が提供される。この方法によれば、小さい駆動電力においても高い信号対雑音比が提供される。ＰＷＭは、知られているＰＷＭ技法を使用して実施することができる。通常、制御回路５０は、たとえばデューティサイクルが５％から９５％までの範囲で変化する電流のパルスを連続的に供給することができる。デューティサイクルがこの範囲内の小さい値である場合、ＳＭＡアクチュエータ３０内の平均電力は小さく、したがってある程度の電流が供給されている場合であっても、ＳＭＡアクチュエータ３０は冷却される。逆に、デューティサイクルがこの範囲内の大きい値である場合、ＳＭＡアクチュエータ３０は加熱される。抵抗は、たとえばパルスの開始から所定の短い遅延の後、電流パルスの間、測定される。
【００５０】
ＳＭＡアクチュエータ３０を相転移範囲未満の冷却状態から加熱している間、抵抗は、サンプル間で、かつ連続する加熱サイクルにおいて一貫した方法である図３に示されている方法で位置と共に変化する。しかしながら、冷却中は、抵抗は、類似した形態ではあるが、異なる曲線に沿って変化する。
【００５１】
図４は制御回路５０を示したもので、以下のコンポーネントが含まれている。
【００５２】
制御回路５０には、ＳＭＡアクチュエータ３０に電流を供給するために接続された駆動回路５３が含まれている。駆動回路５３は、定電圧電源であっても、あるいは定電流電源であってもよい。たとえば、後者の場合、１２０ｍＡ程度の定電流にすることができる。
【００５３】
制御回路５０には、さらに、ＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗を検出するようになされた検出回路５４が含まれている。
【００５４】
駆動回路５３が定電流電源である場合、検出回路５４は、ＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗の測度であるＳＭＡアクチュエータ３０の両端間の電圧を検出するように作動させることができる電圧検出回路であってもよい。
【００５５】
駆動回路５３が定電圧電源である場合、検出回路５４は電流検出回路であってもよい。
【００５６】
精度の程度をより高くする場合、検出回路５４は、ＳＭＡアクチュエータの両端間の電圧および電流を検出し、かつ、それらの比として抵抗の測度を導出するように作動可能な電圧検出回路及び電流検出回路を備えることができる。
【００５７】
図５および６は、制御回路５０のための２つの詳細回路実施態様を示したものである。
【００５８】
図５の第１の回路実施態様は、安価ではあるが、性能に限界がある。詳細には、駆動回路５３は、バイポーラトランジスタ１２０の単純な構造を使用して実施された定電流電源である。電圧検出器回路５４は、一対のダイオード１２１および抵抗器１２２の単純なブリッジ構造として形成されている。
【００５９】
図６の第２の回路実施態様は、より正確ではあるが、より高価である。詳細には、駆動回路５３は、演算増幅器１２４によって制御されるＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２３によって実施された定電流電源である。検出回路１２５は、２つの抵抗器１２５のブリッジ構造によって実施されており、その出力は、演算増幅器１２６によって増幅されている。演算増幅器１２６は、制御ユニット５２（以下で説明する）のＡ／Ｄ変換器によるその全ダイナミックレンジの利用を可能にしている。
【００６０】
制御回路５０には、さらに、駆動回路にＰＷＭ駆動電流を供給させるために駆動回路５３に供給される制御信号を生成するように作動する制御ユニット５２が含まれている。制御ユニット５２は、ＰＷＭ駆動電流のデューティサイクルを変化させることによって駆動電流の電力を変化させている。制御ユニット５２は、適切なプログラムを実行するマイクロプロセッサによって実施されている。制御ユニット５２は、これから説明するＳＭＡアクチュエータ５０のＳＭＡ材料の特性に基づいて制御を実施している。
【００６１】
一般に、制御ユニット５２は、閉ループ制御または開ループ制御を提供することができる。
【００６２】
最初に、閉ループ制御について説明する。閉ループ制御では、制御ユニット５２は、検出回路５４によって測定された抵抗を受け取り、受け取った抵抗に応答して、測定されたＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗をフィードバック信号として使用して駆動電流の電力を変化させ、それにより、測定される抵抗をＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗に対する目標値へ促す。詳細には、制御ユニット５２は、測定された抵抗と目標値との間の誤差に基づいて駆動電流の電力を変化させている。制御ユニット５２は、駆動電流の電力を変化させるために多くの制御アルゴリズムを実施することができる。１つの可能性は、検出された抵抗と目標抵抗との間の差に比例する量だけ電力が変化する比例制御である。
【００６３】
図７は制御回路５０を示したもので、制御ユニット５２の中で実施される閉ループ制御ループが概略的に示されている。
【００６４】
閉ループ制御は、検出回路５４によって測定されたＳＭＡアクチュエータ３０の測定抵抗ＲＭを目標値ＲＴへ促している。これらの測定抵抗ＲＭおよび目標値ＲＴが減算器７０に供給され、それらの間の誤差Ｅが導出されてコントローラ７１に供給される。
【００６５】
コントローラ７１は、ＳＭＡアクチュエータ３０に供給すべき電力を表す電力制御信号Ｐを誤差Ｅから導出している。電力制御信号Ｐは、測定抵抗ＲＭが目標値ＲＴへ向けて促されるように選択される。これを達成するために、コントローラ７１は、多くの閉ループ制御アルゴリズムを実施して駆動電流の電力を変化させることができる。１つの可能性は、誤差Ｅに比例する量だけ電力が変化する比例制御である。他の可能性には、同じく誤差Ｅの積分および／または微分を考慮した比例−積分制御および比例−積分−微分制御がある。積分制御を適用する場合、積分器を極めて慎重にシステムに同調させなければならない。積分が速すぎると、システムがオーバーシュートする傾向が強くなり、また、実際に、システムの機械的な共振から離れた自己持続発振の原因になることがある。積分が遅すぎると、整定に要する時間が極めて長くなり、そのために作動中にドリフトすることになる。実際には、積分制御を回避すること、あるいはＤＣまで広がっていない比較的狭い帯域幅にわたる積分制御の適用を望ましくしているのは、場合によってはこのドリフトである。
【００６６】
電力制御信号Ｐは、この電力制御信号ＰにオフセットＡを加える加算器７２に供給されている。このオフセットＡは、以下でさらに説明されているように、誤差Ｅの定常値が小さくなるように選択される。加算器７２の出力は、オフセットＡが加えられた電力制御信号Ｐの値に応じてＰＷＭ変調されるＰＷＭ制御信号Ｃを生成するＰＷＭ発生器７３に供給されている。ＰＷＭ制御信号Ｃは、このＰＷＭ制御信号Ｃに応じてＳＭＡアクチュエータ３０に駆動電流を供給する駆動回路５３に供給されている。
【００６７】
オフセットＡは、さもなければ存在することになる誤差Ｅの定常値を小さくしている。閉ループ制御ループの利得は有限であるため、比例制御を使用することにより、冷却損失に等しい電力を付与する駆動電流を生成するためのこのような誤差が存在する。このような定常誤差は、利得を大きくすることによって小さくすることができるが、利得を大きくすると制御ループが共振し、そのために制御が損失し、発振し、また、ステップ運動に対する著しいオーバーシュートの原因になる可能性がある、という実際的な限界が存在している。この観点から、実際には比較的小さい利得が選択され、したがって大きな定常誤差が存続している。オフセットＡは、駆動電流の電力がオフセットし、それにより定常誤差を小さくすることができ、さらには、このオフセットによって冷却損失に等しい量だけ駆動電流の電力が大きくなる理想的なケースの場合、この定常誤差を除去することができるように選択される。
【００６８】
オフセットＡは、制御ユニット５２によって選択される。
【００６９】
オフセットＡは、たとえば、製造されたＳＭＡ装置に対する典型的な定常誤差に基づく固定値を有することも可能である。より高い精度にする場合、オフセットＡは、以下のパラメータのうちの任意のパラメータに依存して変化する値を有することも可能である。
【００７０】
オフセットＡは、環境温度の測度に依存する値を有することができる。これは、定常誤差は環境温度によって決まり、この定常誤差によって、冷却損失に等しい電力を提供する駆動電流が生成される、つまり定常状態を保持するために必要な電力が、環境温度が高くなるにつれて小さくなるため、有利である。したがって環境温度の変化によるオフセットの変化が、このオフセットによる、一定の範囲の作動環境温度にわたるより良好な定常誤差の整合を可能にしている。環境温度の測度は、温度センサから導出することができ、あるいは、以下でさらに説明されているように、作動中、ＳＭＡアクチュエータ３０の電気的特性から導出することができ、たとえば、ＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗をＳＭＡアクチュエータ３０の極大抵抗および／または極小抵抗に対して所定のレベルに保持するために必要な駆動電流の電力を導出することができる。環境温度のこの測度は、それが定常状態を所定のレベルの抵抗に保持するために必要な電力であるため、必要なオフセットに緊密に関係している。したがって、環境温度のこの測度により、最少の余分な計算を必要とするだけで電力オフセットを正確に計算することができる。
【００７１】
オフセットＡは、ＳＭＡアクチュエータ３０の収縮の度合いに依存する値および／またはＳＭＡアクチュエータ３０が加熱されているのか、あるいは冷却されているのかどうかに依存する値を有することができる。必要な処理電力が増加することにはなるが、定常誤差、したがって必要な電力オフセットは、ＳＭＡアクチュエータの温度変化に伴って変位範囲にわたって変化し、また、ヒステリシスのために加熱と冷却の間で変化するため、これにより、精度がさらに改善される。
【００７２】
抵抗の測度に基づく閉ループ制御により、位置を正確に制御することができる。フィードバック制御の安定性は、加熱中におけるＳＭＡアクチュエータ３０自体の固有比例−積分アクションによって維持される。総合フィードバック応答は、ＳＭＡアクチュエータ３０の加熱全体の応答によって支配される。明らかに、その相転移温度を介してＳＭＡアクチュエータ３０を駆動し、かつ、比例位置を保持するために必要な電力は、環境温度に大いに依存している。しかしながら、閉ループ制御におけるフィードバックパラメータとしての抵抗の使用は、相変化の温度ヒステリシス、相転移の温度範囲および環境温度に対する高い依存性の両方を相手にして戦っている。
【００７３】
このような閉ループ制御を使用して、抵抗値Ｒｍａｘを有する極大６０と、抵抗値Ｒｍｉｎを有する極小６１抵抗との間の、曲線が高度に線形である範囲の両端間にわたる可動エレメント６の運動を実行することができる。しかしながら、閉ループ制御は、極大抵抗および極小抵抗に近づくと、位置−抵抗利得が無限大に近づくため、実際的ではなくなる。したがって、実際には、極大抵抗および極小抵抗からオフセットしているリミットが閉ループ領域に設定される。たとえば、初期較正ステージでＳＭＡアクチュエータ３０が加熱され、加熱している間に極大６０および極小６１が検出され、その抵抗ＲｍａｘおよびＲｍｉｎが検出され、かつ、記憶される。その後、閉ループ作動において、抵抗Ｒｍａｘより所定の減少分だけ低い上限と、抵抗Ｒｍｉｎより所定の増分だけ高い下限との間で抵抗が変化する。適用可能な制御アルゴリズムの他の例は、ＷＯ−２００７／１１３４７８、ＷＯ−２００８／０９９１５６およびＷＯ−２００８／０９９１５５に開示されている。しかしながら、このような手法は、ＳＭＡアクチュエータ３０の収縮の一部が極大抵抗および極小抵抗の近傍およびそれを超えた値に達しないため、すべての位置範囲Δｘを使用していない。したがって運動範囲が制限されている。
【００７４】
運動範囲のこの制限は、ＳＭＡアクチュエータに付与される機械的応力が大きくなるにつれてますます深刻になるため、ＳＭＡアクチュエータを作動させることができる温度範囲の上限を高くすることが望ましい。通常、ＳＭＡ材料の可逆相変化は、付与される機械的応力に依存する温度範囲にわたって生じるが、一般的には１０℃と６０℃の間である。また、温度ヒステリシスが存在しており、加熱によるマルテンサイトからオーステナイトへの相変化は、通常、冷却によるオーステナイトからマルテンサイトへの相変化より約１０℃ないし３０℃高い温度で生じる（この場合も機械的応力に依存する）。ＳＭＡ材料の電気−機械結合は、機械的応力に対する温度の依存性を説明している。応力が大きくなると、相転移温度も高くなる。したがって、より高い温度での作動を許容するためには、選択される材料の応力限界にはるかに近い、より大きい応力で作動させることによって相転移温度を高くしなければならない。しかしながら、ＳＭＡアクチュエータ３０に付与される機械的応力が大きくなると、上で説明した運動範囲の制限が厳しくなる。詳細には、達成可能な、詳細には極小６１を超えた、より可能性の高い運動が存在している。
【００７５】
開ループ制御は、閉ループ制御によって達成可能な制限された運動範囲外の運動を可能にする利点を有しており、以下、この開ループ制御について詳細に説明する。
【００７６】
開ループ制御では、制御ユニット５２は、ＳＭＡアクチュエータ３０を所望の位置へ駆動するための駆動電流の電力を、ＳＭＡアクチュエータ３０の測定抵抗を参照することなく変化させる。これは、事実上、必要な電力付与プロファイル(power application profile)の計算に基づいてＳＭＡアクチュエータ３０が制御されることを意味している。必要な電力は、適切な精度および適切な応答速度で位置から位置へ移動させるためのＳＭＡアクチュエータ３０の１つまたは複数のモデルに基づいている。全体としてのシステムに必要な位置精度、再現性および直線性に応じて様々な複雑性のモデルを使用することができる。以下で詳細に説明されているように、制御ユニット５２には、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度を可動エレメント６の位置に関連付けるＳＭＡモデル、および駆動電流の電力をＳＭＡアクチュエータの温度に関連付ける熱モデルが使用されている。
【００７７】
このような開ループモデルの使用にかかわる問題は、たとえば環境温度によって高い度合いで変化し、また、製造公差および経年変化過程によって個々のカメラ１毎に高い度合いで変化することである。制御ユニット５２は、閉ループ制御の下で作動している間にＳＭＡアクチュエータ３０の電気的特性を測定し、次に、引き続いて開ループ制御の下で作動する際にこのような電気的特性を考慮することによってこの問題を処理している。閉ループ制御の固有の精度のため、この手法によれば、開ループ制御のパラメータを正確に決定し、かつ、設定することができ、したがって開ループ制御による閉ループ制御の精度の利用が有効に許容される。
【００７８】
一例として、図８は、これを達成するために適用することができる制御ユニット５２の作動を示したものである。
【００７９】
電力が付与されると作動が開始する（ステップＳ１）。次に、較正ステージ（ステップＳ２）で、制御ユニット５２は、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度を変化させてＳＭＡアクチュエータ３０を収縮させるために、ＳＭＡアクチュエータ３０に供給するための制御信号を生成する。これは、上で説明したように閉ループ制御の下で実施することができる。しかしながら、この制御信号は、やがては開ループで単純に駆動電流の電力を大きくすることも可能であるため、これは必ずしも本質ではない。較正ステージ（ステップＳ２）では、位置範囲Δｘ全体にわたってＳＭＡアクチュエータ３０が加熱され、ＳＭＡアクチュエータ３０の電気的特性が検出され、かつ、記憶される。
【００８０】
次に、作動ステージ（ステップＳ３）で、制御ユニット５２は、以下で説明されているように、開ループ制御の下でＳＭＡアクチュエータ３０に供給するための制御信号を生成する。この作動ステージ（ステップ３）の間、較正ステージ（ステップＳ２）の間に測定された電気的特性を更新することができる。
【００８１】
使用される開ループモデルに応じて、極大抵抗および／または極小抵抗に関係して予め定められたレベルの抵抗値、あるいは抵抗を極大抵抗および／または極小抵抗に対して所定のレベルに保持するために必要な駆動電流の電力値などの様々な電気的特性を使用することができる。以下、特定の例についてさらに説明する。
【００８２】
所与の位置を達成するために必要な電力は環境温度に高度に依存しているため、主要な要因の１つは環境温度である。したがって、測定される電気的特性には、環境温度を表すＳＭＡアクチュエータの電気的特性を含むことができる。様々なこのような電気的特性を使用することができる。
【００８３】
環境温度を表すＳＭＡアクチュエータ３０の第１の可能電気的特性は、図３に示されているように、駆動電流が最初に付与される際の非加熱状態のＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗Ｒｉｎｉｔと、極大６０の抵抗値Ｒｍａｘとの間の差ΔＲである。これは、ＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗を極大６０まで大きくするために、非加熱状態のＳＭＡアクチュエータ３０に最初に駆動電流が付与される較正ステージ（ステップＳ２）で測定される。
【００８４】
この測度は、極大６０に対応するＳＭＡアクチュエータ３０の温度は、別様に製造された装置に対して、また、典型的な環境温度範囲にわたって、有用なベンチマークを形成するだけの十分な不変量であることから理解することができる。逆に、非加熱状態のＳＭＡアクチュエータ３０に最初に駆動電流が付与される際のＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗Ｒｉｎｉｔは、環境温度にはるかに依存している。駆動電流が最初に付与される際の非加熱状態のＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗Ｒｉｎｉｔの絶対値からは、有用な情報を高い信頼性で決定することはほとんど不可能であるが、この抵抗Ｒｉｎｉｔと極大６０の抵抗Ｒｍａｘとの間の差ΔＲは、環境温度と良好に相関している。一般に、環境温度が低くなると初期抵抗Ｒｉｎｉｔが小さくなり、したがって差ΔＲが大きくなる。
【００８５】
これを具体的に表現すると、多くの金属と同様、ＳＭＡ材料の抵抗率は、相変化が全くない場合、１℃当たり約＋０．１％変化する。したがって、一例として、非加熱状態でたとえば２７Ωの抵抗ＲｉｎｉｔをＳＭＡアクチュエータ３０が有する所与の構造の場合、その抵抗は、１℃当たり約２７ｍΩ変化する。相転移は、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度がたとえば８０℃に到達すると（環境温度に無関係に）、ＳＭＡアクチュエータ３０を極大６０に到達させるだけ十分に生じる。位置−抵抗勾配は、このポイントに到達する頃には極めて小さくなっており（相転移は瞬時には生じないため）、したがって場合によっては実験によって基準温度を決定しなければならない。この場合、たとえば測定されたＲｉｎｉｔが２６．５Ωであり、測定されたＲｍａｘが２７．９Ωである場合、環境温度は約２８℃である。このタイプの計算の精度は、通常、約±１０℃であり、多くの目的のためには十分である。
【００８６】
環境温度のこの測度は、特定のカメラ１のＳＭＡアクチュエータ３０の幾何構造には特に依存しない利点を有している。抵抗の絶対値は、別様に製造されたカメラ１間の主な変動源として、ＳＭＡアクチュエータ３０の幾何構造、たとえばＳＭＡワイヤ３１の場合であれば直径に依存している場合もあるが、その差は、はるかに小さい依存性を有している。
【００８７】
測度の可変性をさらに小さくするために、ＳＭＡアクチュエータの特性抵抗、たとえば極大６０の抵抗Ｒｍａｘ、極小６１の抵抗Ｒｍｉｎあるいはそれらの線形結合で除された差として測度を導出することも可能である。これにより測度が無次元になり、幾何構造に対する依存性がさらに小さくなる。したがって、この測度によって環境温度の最良の絶対予測値が提供される。
【００８８】
環境温度を表すＳＭＡアクチュエータ３０の第２の可能電気的特性は、ＳＭＡアクチュエータの抵抗をＳＭＡアクチュエータ３０の極大６０の抵抗Ｒｍａｘおよび／または極小６１の抵抗Ｒｍｉｎに対して所定のレベルに保持するために必要な駆動電流の電力である。たとえば、これは、この抵抗を極大６０の抵抗Ｒｍａｘと極小６１の抵抗Ｒｍｉｎの間の中間点に保持するために必要な電力であってもよい。中間点のこのような使用は、相変化が相変化の限界から離れた温度に対して極めて敏感であり、したがって温度がより良好に画定されるため、頑強である。
【００８９】
この第２の測度には、ＳＭＡアクチュエータ３０からの熱損失自体が環境温度に依存しているため、ＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗を所与の値に維持するために必要な定常電力(steady state power)が環境温度に高度に依存していることが使用されている。したがって測度される定常電力は、したがって環境温度と良好に相関している。
【００９０】
ＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗、したがって測定される電力は、ＳＭＡアクチュエータ３０およびカメラ１を取り囲んでいるコンポーネントの幾何構造に対する若干の依存性を有しており、したがってこの第２の測度は、別様に製造されたカメラ１間で変化し、環境温度の絶対測度としては、第１の測度ほどには良好ではない。しかしながら、この第２の測度は、駆動電流を制御するために、たとえば上で説明したオフセットＡを導出するために電力測定値を利用しなければならないいくつかの用途のためにはとりわけ有用である。
【００９１】
図９は、制御ユニット５２の中で実施される開ループ制御の流れ図であり、以下、この流れ図について説明する。
【００９２】
開ループ制御では、制御ユニット５２は、入力データ８０として位置ｘを受け取り、アクチュエータに供給される駆動電流の電力Ｐをデータ８２として導出する。これを達成するために、制御ユニット５２は、以下の作動を実行する。
【００９３】
ステップＳ１１で、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度を可動エレメント６の位置に関連付けるＳＭＡモデルを使用して、目標温度Ｔｔがデータ８１として位置ｘから導出される。
【００９４】
ステップＳ１２およびＳ１３で、駆動電流の電力をＳＭＡアクチュエータ３０の温度に関連付ける熱モデルを使用して、以下のように駆動電流の電力Ｐが目標温度Ｔｔから導出される。
【００９５】
ステップＳ１２で、駆動電流の電力Ｐが、目標温度Ｔｔおよびデータ８３であるＳＭＡアクチュエータ３０の温度の瞬時値の予測値Ｔｅから導出される。この電力Ｐは、目標温度Ｔｔと予測値Ｔｅの間の誤差に比例していてもよい。この場合、Ｐ＝Ｇ（Ｔｔ−Ｔｅ）であり、Ｇは、実験によって調整される値である開ループ制御の比例利得であり（通常、共振を励起することなく最良の動的応答を提供する）、通常、良好な動的応答および小さい定常誤差を保証するために比較的大きい値に設定される。一例として、カメラ１の特定の一構造では、この利得Ｇは１３ｍＷ／℃に設定される。
【００９６】
ステップＳ１２と同時に、ステップＳ１３で、駆動電流の電力をＳＭＡアクチュエータ３０の温度に関連付ける熱モデルを使用して、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度の瞬時値の予測値Ｔｅが駆動電流の計算電力Ｐから導出される。熱モデルは、カメラ１の環境温度Ｔａをデータ８４として考慮しており、このデータ８４は、上で説明したようにして導出することができ、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度の瞬時値の予測値Ｔｅを維持する。
【００９７】
したがって制御ユニット５２は、入力位置ｘと出力電力ＰすなわちＳＭＡアクチュエータの温度Ｔｅとの間の仮想変数を利用している。必ずしもこの仮想変数を利用する必要はないが、それには、符号の複雑性およびモデル特性化の点で利点を有している。実際、ＳＭＡアクチュエータ３０に電力が付与されると、制御ユニット５２は、ＳＭＡアクチュエータの予測温度Ｔｅを追跡し続ける。マルテンサイト相およびオーステナイト相の相対比例を決定し、したがってＳＭＡアクチュエータ３０の位置を決定しているのは、実際にはＳＭＡアクチュエータ３０の温度（およびその温度履歴）であるため、これは直観的に有用である。しかしながら、システムには特定の温度センサが存在していないため、温度変化が計算される。
【００９８】
ステップＳ１４で、電力Ｐに応じてＰＷＭ変調されるＰＷＭ制御信号が電力Ｐから生成される。
【００９９】
次に、ステップＳ１１で使用されるＳＭＡモデルについて説明する。
【０１００】
ＳＭＡモデルは、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度を可動エレメント６の位置に関連付ける１つまたは複数の曲線を表すパラメータを備えている。パラメータによって表される位置ｘに対する温度Ｔの２つの適切な曲線９０、９１のグラフである図１０に一例が示されている。第１の曲線９０は、加熱中における関係を表しており、また、第２の曲線９１は、冷却中における関係を表している。通常、第１の曲線９０は、第２の曲線９１より高い温度に位置しており、相変化および収縮の大部分に対応する重要な中央領域に存在している。これらの２つの曲線９０と９１の間には、ほぼ一定の温度ヒステリシスが存在している。
【０１０１】
パラメータを記憶するために必要なデータの量を最少化し、かつ、それらの使用を単純化するために、これらのパラメータは、個々の曲線９０、９１を一連の複数の線形セグメント９３、詳細には、この例では８つのセグメント９３として表している。曲線９０、９１を表すこれらのパラメータを画定し、かつ、記憶するための多くの可能性が存在している。オプションの１つは、個々のセグメントノード９４の温度値を記憶し、次に、個々のセグメント９３の勾配を同じく記憶することであり、この特定の例の場合、３２個のパラメータを記憶しなければならない。代替の１つは、個々のノード９４が図１０に点線で示されているように温度Ｔの所定の変化に対応している（あるいは位置ｘの所定の変化に対応している）ものとして位置を仮定することであり、その場合、記憶する必要があるのは勾配のみであり、この特定の例では１６個のパラメータの記憶が必要である。
【０１０２】
ステップ１１で、制御ユニット５２は、曲線９０、９１上の位置ｘに対応する目標温度Ｔを単純に導出する。
【０１０３】
個々の曲線９０および９１は、ＳＭＡアクチュエータ３０の加熱または冷却に関しては、ヒステリシスを考慮するために提供されている。ステップＳ１１で、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度が上昇中であるか、あるいは低下中であるかどうかに基づいて、適切な曲線９０または９１が選択されるが、それは、目標温度ＴｔとＳＭＡアクチュエータ３０の温度の瞬時値の予測値Ｔｅとの比較によるものである。
【０１０４】
移動の末端から離れた曲線間の切換えを必要とするＳＭＡアクチュエータ３０の加熱と冷却の間の変化が存在するステップＳ１１では、複雑性および精度が異なる様々な異なる手法を適用することができるが、これは、小さいヒステリシスループを動き回る場合である。単純な手法の１つは、曲線９０の上に存在している場合、運動は加熱方向にのみ生じ、また、曲線９１の上に存在している場合、運動は冷却方向にのみ生じる、と仮定することであり、その場合、これらの２つの曲線９０と９１の間で温度が変化しても、運動（位置ｘの変化）は生じないことが仮定される。
【０１０５】
言い換えると、運動の方向が変化すると、位置が変化することなく一方の曲線９０（または９１）からもう一方の曲線９１（または９０）への移行、つまり曲線９０と９１の間の垂直方向の移動が存在する。
【０１０６】
幾分かより複雑ではあるが、原理的にはより正確なアルゴリズムは、運動の方向が変化すると、位置ｘに基づいて曲線９０または９１をスケール化し、次に、スケール化された曲線を追従することである。曲線９１のすべてのスケーリングは、冷却に関しては、無限大位置および温度Ｔが固定される（ＳＭＡモデルの原点）ことが仮定されている。同様に、曲線９０のすべてのスケーリングは、加熱に関しては、マクロ位置および温度Ｔが固定されることが仮定されている。実際には、加熱および冷却時における主なヒステリシス誤差は、ＳＭＡモデルにおけるヒステリシス処理誤差ではなく、以下で説明されている熱モデルにおける誤差に実際に関連していることが分かっている。これは、事実上、加熱および冷却サイクルが極めて遅い場合、ＳＭＡモデルによって極めて良好にヒステリシスが除去されることを意味している。しかしながら、サイクルが速くなると、温度を予測する際の誤差のために再びヒステリシスが存在することになる。サイクルが速くなると、モデルは、時定数を予測する際により誤差を生じやすくなる。これに基づいて、運動が主加熱曲線上および主冷却曲線上でのみ生じることが仮定されているヒステリシスの単純な一次モデルが適切であること、つまり小さいループは無視することができることが実験によって分かっている。
【０１０７】
ＳＭＡモデルのパラメータは、カメラ１の設計を代表する固定値、あるいは製造中に測定され、かつ、制御ユニット５２に記憶される固定値を有することができ、また、実験および特性化を介してこれらのパラメータを決定することができる。
【０１０８】
一代替として、ＳＭＡモデルは、較正ステージ（ステップ２）の間に測定される電気的特性に基づいて、温度軸および位置軸の両方に沿って調整し、かつ、スケール化することができる。
【０１０９】
これを達成することができる基本的な方法の１つは、極大６０および極小６１の近傍の線形抵抗領域の限界を利用することによるものである。温度軸および位置軸の両方に沿って、これらの限界は、すべてのアクチュエータモジュールに対する曲線に沿って同じ比率で生じることが仮定されている。したがって、原理的には、加熱曲線および冷却曲線の両方に対する線形抵抗領域（最大抵抗および最小抵抗の近傍の）の両方の限界に対する温度および位置の座標が分かると、それらを使用してＳＭＡモデルを両方の軸の中でスケール化することができる。これらは、ＳＭＡモデルをスケール化するために使用される、温度対位置空間内の４つの点に対応している。したがって、較正ステージ（ステップ２）の主要な機能の１つは、このスケーリングを可能にするための十分な等価情報を測定することである。
【０１１０】
この原理は、ＳＭＡモデルをアルゴリズムに直接符号化し、それにより電子機器を駆動し制御するために使用されるシンプルな駆動プロセッサのＲＡＭ空間の消費を回避するためのオプションが存在することを意味する。この場合、基本モデルを変換するスケールファクタは、較正後、すべてＲＡＭの中に記憶させなければならないことになるが、これらのパラメータは、数が少なくなっている。
【０１１１】
実際には、温度および位置の測値を直接測定することはできない。測定することができるのは、閉ループ領域における抵抗と、その抵抗を維持するための定常電力である。次に、様々なアルゴリズムを使用して、適切な温度および位置の座標を使用して抵抗および電力測値を相関させることができる。
【０１１２】
以下で説明されている熱モデルは、抵抗を保持するために測定された電力をＳＭＡアクチュエータ３０の温度の予測値に翻訳するための最良の方法を提供している。したがって、電力測値を容易に温度座標に翻訳することができる。
【０１１３】
位置軸のスケーリングは、より挑戦的である。位置軸におけるスケール化の必要性は、位置の変化を抵抗の変化に関連付ける「利得」が異なるカメラ１間で本質的に極めて類似しているため、それほど明確ではない。しかしながら、精度を改善するためには、この利得を調整することが望ましい。「定抵抗−位置利得」仮定に対する誤差は、主としてＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗率および直径の変化に関連している。
【０１１４】
改善するためには、抵抗対位置利得が一定であると仮定するのではなく、線形抵抗領域における２点で取得された定常電力の測値を利用しなければならない。この２点間の電力の差は、本質的にＳＭＡアクチュエータ３０の熱質量と相関している。この相関は、延いてはＳＭＡアクチュエータ３０の直径に大いに対応している。抵抗間の電力の差が大きいほど、アクチュエータ３０の直径が大きいか、あるいは抵抗率が大きいことを暗に意味している。いずれにせよ、この情報を使用して抵抗対位置利得を調整することができる。
【０１１５】
一代替調整アルゴリズムは、極大６０および極小６１の近傍の線形抵抗領域の限界から移動する際の抵抗の変化を、極大６０における抵抗Ｒｍａｘの百分率として考慮することである。これは、「抵抗」および「抵抗の変化」が「長さ」および「長さの変化」に置き換えられる点を除き、機械的なひずみを定義する場合に類似している。したがってこの測度は、ＳＭＡアクチュエータ３０のひずみの変化に相関しており、したがって位置の変化の測度であり、これを使用して、特定のアクチュエータモジュールの抵抗対位置利得を調整することができる。限界部分における抵抗以外の抵抗を使用することも可能である。
【０１１６】
したがってこれらのアルゴリズムにより、取得された電力および抵抗の測値を使用して温度対位置特性をスケール化することができる。
【０１１７】
ＳＭＡモデルをスケール化するためのアルゴリズムの一環として取得された特定の抵抗および電力の測値に関して、基本手法に関連して上で説明したように、加熱曲線上および冷却曲線上の閉ループ抵抗領域に対する限界を測定する際の３つの実際的な困難性が存在している。
【０１１８】
第１の困難性は、冷却時における極小６１の近傍の限界を測定することである。冷却時にこの位置を見出し、かつ、保持電力を測定することは困難である。これは、ＳＭＡアクチュエータ３０が極小６１を通り越して冷却され、この最小が浅いため、アルゴリズムが検出することができるのは、通常、ＳＭＡアクチュエータ３０が極小６１を通り越して冷却された後の限界のみであり、したがって電力の測値が無効になることによるものである。
【０１１９】
第２の困難性は、極大６０の近傍の限界部分における測定に関連している。極大６０は、機構が依然として機械的エンドストップ上に位置している場合に生じる。エンドストップ上に位置している場合、ＳＭＡアクチュエータ３０内の応力が曖昧になり、したがって転移温度が曖昧になる。したがってエンドストップ上ではＳＭＡモデルは有効ではない（同じく温度および位置も有効ではない）。したがって、エンドストップ上に位置している場合に取得された抵抗および電力の測値は、温度−位置モデルをスケーリングするためには適切な有効性を有していない。したがって、極大６０の近傍の限界を使用して温度−位置モデルをスケーリングすることは危険である。
【０１２０】
第３の困難性は、較正ステージ（ステップ２）のための時間に関連している。較正ステージ（ステップ２）は、イメージセンサをブートアップしている間に実施することができる。較正ステージ（ステップ２）に要する時間がイメージセンサのブートアップに要する時間より短い場合、性能を制限することはない。しかしながら、較正ステージ（ステップ２）の時間の方が長い場合、性能を制限することになる。システムを整定させる必要があるため、抵抗を維持するために定常電力を評価するべく測定を実施する毎に、この時間が必要である。手引きとして、整定特性を仮定し、恐らく環境温度に基づいてこの予測値を調整することによって可能ではあるが、５０ｍｓ未満で定常抵抗(steady state resistance)を測定することは課題である。一方、イメージセンサのブートアップ時間は、センサによって変化するが、２００ｍｓ程度である。したがって、温度−位置モデルをスケール化するための基準点の数を制限することが望ましく、たとえば、加熱曲線をスケール化し、次に加熱曲線から冷却曲線をスケール化するために必要な時間が最小であるため、この基準点の数を３点に制限することが望ましい。
【０１２１】
これらの３つの困難性に基づいて、妥協点である線形領域の中央部分、つまり極大６０と極小６１の間の中間の、いずれも加熱曲線上および冷却曲線上で測値が取得され、次に、加熱曲線上の極小６１の近傍の線形抵抗領域の限界部分で同じく測値が取得される。これらの中央抵抗を見出すためには、依然として最大抵抗Ｒｍａｘと最小抵抗Ｒｍｉｎの間の差を計算しなければならず、したがって依然として最大抵抗を使用しなければならない。しかしながら、最大抵抗Ｒｍａｘの絶対値は、転移温度に対する依存性が小さく、したがって線形抵抗領域の中央部分の抵抗値は誤差を生じ難い。
【０１２２】
ＳＭＡモデルの典型的な一例は、次の通りである。
【０１２３】
セグメント９３毎に相対勾配（１℃当たりのμｍの運動）が割り当てられる。ＲｍｉｎとＲｍｉｄ−加熱の間の領域を表すために２つのセグメント９３が選択される。対称性により、これは、制御された閉ループであってもよい応答部分を表すために大まかに４つのセグメント９３が使用され、Ｒｍａｘ未満の領域を表すために２つのセグメント９３が使用され、また、Ｒｍｉｎを超える領域を表すために２つのセグメント９３が使用されていることを意味している。セグメント９３はすべて同じ温度変化（たとえば公称デバイスの場合１２℃）をカバーしていると仮定すると、典型的なモデルでは、８つのセグメント９３は、次の利得（℃／μｍ）を有している。０．８６２５、０．５７５、０．４３１３、０．２３、０．１１５、０．２３、０．４３１３、０．５７５。これは、個々のセグメント９３から次の変位を利用することができることを意味している（μｍ）。１４、２１、２８、５２、１０４、５２、２８、２１。ＳＭＡモデルは、加熱時および冷却時にＲｍｉｄが参照される。本出願人らの場合、１０４μｍストロークを含むゾーンの中心はＲｍｉｄに対応することが仮定されている。加熱時および冷却時に異なる基準温度を使用することにより、０次(zeroth order)のヒステリシス補正が得られる。
【０１２４】
目標モデル温度の計算は、上記の基本が与えられると極めて単純である。
【０１２５】
たとえば、要求が、６０μｍから１００μｍ変位まで（つまり加熱方向に）移動せよ、というものであると仮定する。これは、目標点が、４番目のセグメント９３を通る行程の７１％に存在していることを暗に意味している（最初の３つのゾーンから利用することができる総変位は、１４＋２１＋２８＝６３μｍである。これは、利用可能な変位が５２μｍであるゾーンから獲得すべき変位が３７μｍであることを意味している。基準点（ＴＲｍｉｄ−加熱）は、セグメント５を通る行程の５０％である。したがって目標点は、この基準点から離れた１つのゾーンサイズの７９％である。本出願人らは、１１０℃でＴＲｍｉｎを測定し、また、９０℃でＴＲｍｉｄ−加熱を測定したことを想像されたい（つまり、２４℃の公称と比較すると温度差は２０℃であり、１２℃の公称ではなく、１セグメント当たり１０℃が得られた）。これは、本出願人らは、モデル目標温度を８２．１℃（９０℃マイナス１０℃の７９％）に設定したことになることを暗に意味している。
【０１２６】
要求が、１４０μｍから１００μｍまで（つまり冷却方向に）移動せよ、というものであると仮定する。計算の第１のステージは、全く同じ方法で進行することになる。本出願人らが同じく１１０℃でＴＲｍｉｎを測定し、９０℃でＴＲｍｉｄ−加熱を測定し、かつ、８０℃でＴＲｍｉｎ−冷却を測定したと仮定すると、本出願人らは、冷却基準を使用し、かつ、目標温度を７２．１℃（８０℃マイナス１０℃の７９％）に設定したことになる。既に解説したように、これ自体が０次のヒステリシス補正である。
【０１２７】
デフォルトモデルは、３２０μｍの運動を示している。３５０μｍの変位まで加熱する要求がもたらされると、最後に示された位置からの補外が使用される。つまり、最初の７つのセグメントの総延長は２９９μｍの運動を示しており、したがって要求は、最後のセグメントから５１μｍを抽出することである。最後のセグメントは、０．５７５℃／μｍの公称利得を有している。これは、特定のアクチュエータの特性利得によってスケール化しなければならず、上記と同じ測値を仮定すると、最後のセグメントの利得は、０．４７９℃／μｍ（０．５７５℃×１０℃／１２℃）になる。これは、最後のセグメントの境界を通過すると、本出願人らは、要求を２４．４℃に設定しなければならないことを暗に意味している。これは、ゾーンサイズの２４４％である。この場合も、基準点は、セグメント５を通る行程の５０％であり、したがって目標点は、この基準点の上の１つのゾーンサイズの４９４％である。これにより１３９．４℃（９０℃プラス１０℃の４９４％）の目標モデル温度が得られた。
【０１２８】
当然、このタイプの補外(extrapolation)を漠然と適用してはならない。通常、補外される温度要求には１８０℃の厳格な上限が課せられる。
【０１２９】
図９のステップＳ１３で使用される熱モデルについて説明する。
【０１３０】
ステップＳ１３で、ＳＭＡアクチュエータ３０の瞬時温度の予測値Ｔｅが熱モデルを表す次の式に従って更新される。
ｄＴｅ／ｄｔ＝ｋ１．（Ｐ−ｋ２．（Ｔｅ−Ｔｅｎｖ））
上式で、Ｔｅは、ＳＭＡアクチュエータ３０の瞬時温度の予測値であり、ｔは時間、Ｐは駆動電流の電力、Ｔｅｎｖは、ＳＭＡアクチュエータ３０の周囲の環境の仮定温度、ｋ１は、ＳＭＡ材料の熱容量の逆数を表す定数（つまり材料特性）、ｋ２は、ＳＭＡから環境への熱損失を表す定数（つまり幾何構造の特性）である。この式は、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度が変化する速度が付与される電力に比例し、また、ＳＭＡアクチュエータ３０と環境の間の温度差によって決まる環境への熱損失に同じく比例する物理現象を表している。この微分方程式モデルは、電力が付与される際に、予測されたＳＭＡアクチュエータ３０の温度を追跡し続けるために使用される。
【０１３１】
単純な実施形態では、ＳＭＡアクチュエータ３０の周囲の環境の仮定温度Ｔｅｎｖは、上で説明したようにして導出された環境温度Ｔａになるように取得され、それにより熱モデルは環境温度Ｔａを考慮することになる。
【０１３２】
次に、精度および性能を改善するさらなる洗練と、この熱モデルに対する変更の要求によって提供されるクリープ補正について説明する。
【０１３３】
生じる現象の１つは、ＳＭＡアクチュエータ３０に電力が付与されると、やがてはＳＭＡアクチュエータ３０の周囲の環境、具体的には空気およびカメラ１の周囲のコンポーネントが加熱されることである。カメラ１の他のコンポーネントと接触しているＳＭＡアクチュエータ３０の末端は、熱がＳＭＡアクチュエータ３０の長さに沿ってカメラ１のコンポーネント中に伝導されるため、ＳＭＡアクチュエータ３０の長さの中央部分より冷たい。したがって、機構の運動に関係しているＳＭＡアクチュエータ３０の能動部分は総自由長より短い。しかしながら、やがては環境が加熱され、熱損失が減少するため、能動アクチュエータ３０の割合も大きくなる。これは、ＳＭＡアクチュエータ３０の所与の温度に対して、可動エレメントが機構のエンドストップから持ち去られると、その温度に対応する位置がやがてはエンドストップからさらに移動し、ＳＭＡアクチュエータ３０がますます活性化して収縮するようになる効果を有している。
【０１３４】
さらに、ＳＭＡアクチュエータ３０を使用し、かつ、加熱する作用によってＳＭＡアクチュエータ３０の周囲の環境が加熱されることになり、実際、その結果としてこれらの領域からの熱損失が減少するため、やがてはＳＭＡ取付けポイントの近傍のＳＭＡアクチュエータ３０のより多くの部分が活性化することになる。これは、ＳＭＡアクチュエータ３０からの熱損失に影響を及ぼす。環境の加熱は、ＳＭＡアクチュエータ３０自体を加熱するための時定数よりかなり長い少なくとも１つの時定数によって制御される。
【０１３５】
したがって、ステップＳ１３で使用される熱モデルを図１１に示されているように適合させ、２次数モデル(two order model)を使用してこの余分の熱クリープをモデル化することによって開ループ制御の精度を改善することができる。
【０１３６】
詳細には、制御ユニット５２は、ＳＭＡアクチュエータ３０の周囲の環境の温度の予測値Ｔｅｎｖをデータ８５として維持し、かつ、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度の瞬時値の予測値Ｔｅを維持する。したがってステップＳ１３は、それぞれ熱モデルの２次数モデルを使用している２つのステップからなるように適合されている。
【０１３７】
ステップＳ１３１で、ステップＳ１３のために既に設定されている、一次の熱モデルを表す式に従って、ＳＭＡアクチュエータ３０の瞬時温度の予測値Ｔｅがデータ８３として更新される。しかしながら、この場合、ＳＭＡアクチュエータ３０の周囲の環境の仮定温度Ｔｅｎｖは、環境温度Ｔａの代わりにＳＭＡアクチュエータ３０の周囲の環境の温度の予測値Ｔｅｎｖになるように取得される。
【０１３８】
ステップＳ１３２で、ＳＭＡアクチュエータ３０の周囲の環境の温度の予測値Ｔｅｎｖが二次モデル(second order model)である熱モデルを表す次の式に従って更新される。
ｄＴｅｎｖ／ｄｔ＝ｋ３＊（Ｐ−ｋ４＊（Ｔｅｎｖ−Ｔａ））
上式で、ｋ３は、ＳＭＡアクチュエータ３０の周囲の環境の熱容量の逆数を表す定数であり、ｋ４は、ＳＭＡアクチュエータ３０の周囲の環境からの熱損失を表す定数である。したがって熱モデルは、環境温度Ｔａをデータ８４として考慮している。好都合には、二次モデルは、アルゴリズムの複雑性および開発を補助するために一次モデル(first order model)と全く同じ形態を有している。しかしながら、しかしながら、環境の熱時定数はＳＭＡアクチュエータ３０の熱時定数よりはるかに長いため、ｋ３およびｋ４の値は、明らかに基本モデルのｋ１およびｋ２とは全く異なっている。
【０１３９】
熱モデルの改善が性能を支配している。オプションの１つは、他の環境温度変数を追加し、したがって他の熱時定数を熱モデルに追加するために第３の一次微分方程式を追加することである。実際、熱モデルは、任意の次数に展開することができる。熱モデルを第３の次数まで展開する（つまり第３の一次微分項を追加する）ことは明らかに有利であると思われる。しかしながら、次数が高くなるにつれて、異なる次数の効果を分離することがますます困難になる（既に説明したように）。この場合、場合によっては数値最適化技法が有用である。数値最適化技法には、熱モデルのための第１の係数推測セットの選択、アクチュエータを介した試験信号の走行、およびそれに引き続くパラメータの調整が必要である（係数選択の酔歩法を使用した）。
【０１４０】
時定数ｋ１ないしｋ４は、カメラの設計を代表する固定値、あるいは製造中に測定され、かつ、制御ユニット５２に記憶される固定値を有することができる。一代替として、較正ステージ（ステップＳ２）の間に測定される電気的特性から時定数ｋ１およびｋ２の値を導出し、あるいはこれらの電気的特性によって調整することも可能である。原理的には、同じ方法で時定数ｋ３およびｋ４の値を導出することも可能であるが、実際にはこれらの時定数は非常に長いため、それは望ましくない。
【０１４１】
時定数ｋ１ないしｋ４の値は、以下のように導出することができる。
【０１４２】
一般に、極大６０と極小６１の間の線形抵抗領域が一度見出されると、線形領域内の２つの位置の間を移動させるために（したがって測定可能な２つの抵抗の間を移動させるために）、電力のステップ変化を付与することができる。これらの２つの位置の間を移動させるための時定数は、ＳＭＡアクチュエータ３０の抵抗をモニタすることによって測定することができる。この情報を使用してｋ１とｋ２の比率を決定することができる（十分に迅速に実施されると、ＳＭＡアクチュエータ３０の周囲のすぐ隣の環境の温度変化を無視することができる）。
【０１４３】
さらに、極大６０と極小６１の間の線形抵抗領域内におけるＳＭＡアクチュエータ３０の２つの抵抗値の間を移動させるために必要な電力の変化を決定することも可能である。便利なオプションの１つは、極大６０の近傍の限界から極小６１の近傍の限界まで移動させる際の電力変化を測定することであるが、それは、この電力変化を測定してＳＭＡアクチュエータ３０の特定のひずみ変化、したがって特定の位置変化に対応させることができることによるものである。他のモデルのためのパラメータを測定するための要求事項が与えられているが、抵抗範囲内における他の２つのポイント間の電力差を使用することができる。電力の変化は、較正中の特定のモジュールに対するＳＭＡアクチュエータ３０の熱容量に関連付けることができる。したがって、たとえば特定のアクチュエータ３０がより大きい直径を有している場合、熱容量はより大きく、したがってアクチュエータ３０を２つの抵抗の間で加熱するために必要な電力も大きくなる。したがって、事実上、電力の変化はＳＭＡアクチュエータ３０の直径と相関しており、延いてはｋ２の値と相関している。
【０１４４】
したがって、モデルには２つの定数が存在しており、また、較正中に２つの情報を導出することができるため、これらの定数の値を個々に調整することができる。当然、この調整には、その調整が適切であることを保証するために、一連のモジュールの詳細な特性化が必要である。また、定義されている可能調整アルゴリズムは、モジュール間の変化の主な原因の補正を促進しているが、すべての変化源を取り上げているわけではなく、したがって依然として性能の予測を表していることに留意されたい。
【０１４５】
アクチュエータモジュールを特性化することにより、モデルのその設計は、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度およびＳＭＡアクチュエータ３０の周囲の環境の温度に基づいて実効温度を決定することができる。したがって、ＳＭＡアクチュエータ３０の温度および環境の温度の計算に基づいて、個々の時間間隔でアクチュエータ３０の実効温度を容易に計算することができる。
【０１４６】
以下、詳細に説明する。
【０１４７】
実際の電力を予測温度に関連させるための機構の１つは、定常電力をモニタすることによるものである。定常電力がデバイスに付与されている状態では、レンズの変位に関連するシステムのすべてのパラメータ（実および虚の両方）が定常値に収斂していなければならない、と言うことができる。したがって、ｄＴｅ／ｄｔ＝０である、と言うことができ、したがって定常温度(steady state temperature)Ｔｓｔｅａｄｙに対する定常電力Ｐｓｔｅａｄｙは、式、
Ｐｓｔｅａｄｙ＝ｋ２．（Ｔｓｔｅａｄｙ−Ｔｅｎｖ）
によって与えられる。この関係は、概ね有用であり、モデル較正の間、多くのポイントで使用される。
【０１４８】
動的応答は、式、
Ｔｅ（ｔ）＝Ｔｅｎｖ＋（Ｐ／ｋ２）＋（Ｐ／ｋ２−Ｔｅ（ｔ＝０））ｅｘｐ（−ｋ１．ｋ２．ｔ）
によって与えられる。つまり、所与の定電力入力に対して、モデル温度は減衰指数に従って変化する。
【０１４９】
定常電力に影響を及ぼすのは定数ｋ２のみである。これは、モデルのための利得の設定、つまり電力を使用した温度のスケーリングと見なすことができる。ｋ２の値は、何らかのポイントにおける特定のモジュールのための位置に対する電力の未知の利得の中に不可避的に包含されるため、このｋ２の値は重要ではない。しかしながら、モデルを現実の近くに維持するためにはこのｋ２の値は有用であり、追加仮定の構築が容易であることを意味している。したがってｋ２は、所与の定常電力入力に対するアクチュエータ３０の温度上昇を測定するか、あるいは予測することによって研究室条件の下で設定することができる。また、環境温度Ｔａの測度に基づいてｋ２を設定する動的方法も存在している。Ｒｍａｘにおける定電力がＰＲｍａｘとして測定されると、ｋ２は、式、
ｋ２＝ＰＲｍａｘ／（Ｔｒｅｆ−Ｔａ）
によって与えられる。たとえば、ＰＲｍａｘが６０ｍＷであることが分かり、システムのＴｒｅｆ（相転移の開始）が８０℃であり、また、抵抗検出法によってＴａが２０℃になるように決定された場合、ｋ２は１ｍＷ／℃に等しくなる。
【０１５０】
ｋ１はシステムの動的応答に影響を及ぼす。説明されているシステムは、単純な１次のロールオフを有しており、転移（−３ｄＢ）周波数は（ｋ１ｋ２）である。理想は、その能動領域にある場合に、熱モデルの応答とカメラの機械的な応答が整合することである（これは、能動領域では、温度、位置および抵抗の間に極めて線形性の関係が存在していることによるものである）。モジュールは、その線形範囲の特定の位置まで付勢することができ、次に、電力のステップ変化を付与することができる。システムには、新しいレンズ位置および抵抗に指数的に収斂する傾向があり、これらはいずれも同じ時定数を有している。時定数は、研究室条件下、または抵抗信号を使用したオンザフライ条件下のいずれかで測定することができ、また、単純に、最終位置または抵抗の６３．２％の変化が生じるのに要する時間である。時定数τは、（１／ｋ１．ｋ２）である。したがってシステムの時定数が１００ｍｓで測定されると、ｋ２＝（１／ｋ１．τ）＝１０℃／ｍＪである。
【０１５１】
したがってｋ１およびｋ２はいずれもシステムと実時間で決定することができるが、オフラインデータから提供することも可能である。実時間測値およびオフライン測値は、混合することができる。
【０１５２】
先行する較正には「定常電力」の測度が利用された。定常電力の測定は、たとえシステムがＰＷＭ信号（つまり駆動電流が急激に変化している信号）で駆動されている最中であっても比較的単純である。この場合、アクチュエータ３０の熱帯域幅に対する応答を制限する速度（本出願人らのシステムでは約４Ｈｚ）でＰＷＭ要求を低域通過フィルタリングしなければならない。これは、１次のＩＩＲフィルタまたは同様の構造を使用して達成することができる。「定常状態(steady state)」が達成されたことの決定は、明らかに程度の問題であり、本出願人らのシステムは、抵抗勾配が十分に小さいこと（抵抗が収斂すると、電力も十分に収斂しているであろうことに基づいて、ｄＲ／ｄｔ＜３６ｍΩ／ｍｓであること）をチェックする。電力勾配ｄＰ／ｄｔは、電力入力がこの較正手順には関連していないいくつかの極めて長い時定数効果に依存することになるため、直接測定されない。
【０１５３】
ＳＭＡアクチュエータ３０の温度の１次の熱モデルは、隣接する環境温度を近似する他の一次モデルで取り囲むことができることは既に言及した。カメラモジュールの内部の部品の温度は、電力がモジュール中に散逸されると変動を開始するため、これは有利である。これらの部品は、通常、極めて長い時定数（たとえば１秒と１０秒の間）を有しており、したがって、同様の原理が適用されているが、これを実時間で較正することは明らかに実際的ではない。
【０１５４】
システムを詳細に調査すると、明らかに同じ式が外部モデルに適用されている。外部モデルの時定数と比較するとそれほど重要ではない時間スケールに対するすべての試験が実施されている限り、内部モデルのための式はすべて有効である（本出願人らの場合、外部時定数は、通常、１秒より長い）。したがって、初期整定（つまり＜１秒）と長期間整定（＞＞１０秒）の間の実際の温度または予測温度の差は、ｋ４を調整することによって適応させることができる。この場合も、これを決定することができる様々な方法が存在している。これらの方法のうちの１つは、閉ループ制御が長期間にわたってアクティブである場合にアクチュエータ３０に入力される電力をモニタすることによるものである。短期間整定電力と長期間整定電力の間の電力の差によって、ｋ４に関する情報が得られる。内部モデルのスケーリング因子ｋ２を使用することによってこれらの電力を温度に関連付けることができる。
【０１５５】
この場合も、外部モデルの時定数ｔは（１／ｋ３．ｋ４）によって設定される。外部ループの時定数は、初期準定常状態に到達してから信号が残りの変化の６３．２％を完了するのに要する時間から決定される。
【０１５６】
システムを測定すると、６０ｍＷの電力が付与される場合、環境温度は長期間にわたって０．５℃変化し、その変化は１０秒の時定数で生じる、と結論付けることができる。この場合、ｋ４＝１２０ｍＷ／℃およびｋ３＝０．８３３℃／Ｊである。
【０１５７】
実例で説明するために、図１２は、結果として得られる、電力のステップ変化によって生じる二重時定数応答の一例を示したものである。この例では、内部ループ定数は、約０．５秒で到達する準定常状態に基づいて設定しなければならない。外部ループ定数は、２０秒で到達する準定常状態に基づいて設定しなければならない。
【０１５８】
任意選択の二次モデルが使用される場合、それは、通常、一次モデルよりはるかに長い時定数のためにセットアップされることに言及しておくことには価値がある。これは、場合によっては、アクチュエータ３０の温度が高速で更新され（１．５ｋＨｚのサイクル毎に）、環境温度はもっと低速で更新される（たとえば２５６番目のサイクル毎に）多重速度モデルを使用することが有利であることを意味している。多重速度モデルを使用することにより、係数精度の維持が促進される。
【０１５９】
開ループ制御を実施するための、開ループ制御が閉ループ制御と組み合わせて適用される混合モードである第１のオプションと、開ループ制御のみが使用される第２のオプションの２つのオプションが存在している。
【０１６０】
混合モードである第１のオプションでは、閉ループ制御を使用して、その領域内ではＳＭＡアクチュエータの長さが極小抵抗における長さより長い線形領域である第１の運動範囲全体、たとえば図３に示されている範囲Δｘ１全体にわたる可動エレメント６の運動を実行することができる。この場合、開ループ制御は、その領域内ではＳＭＡアクチュエータの長さが第１の運動範囲内における長さより短い第２の運動範囲全体、たとえば図３に示されている範囲Δｘ２全体にわたる可動エレメント６の運動を実行するために使用される。したがって、この混合モードによれば、閉ループ制御のみを使用した場合に利用することができる範囲を越えて総運動範囲を拡張することができることが分かる。
【０１６１】
図１３は、制御ユニットによって混合モードで実施される制御の一例を示したものである。
【０１６２】
データ８０として要求された位置ｘに基づいて、ステップＳ２１で、要求された位置ｘが第１の運動範囲内に存在しているかどうかが決定される。要求された位置ｘが第１の運動範囲内に存在している場合、作動はステップＳ２２へ進行し、そこで位置要求ｘが、式、
Ｒｔ＝Ｒｍａｘ−λ１．ｘ
に従って目標抵抗Ｒｔに変換される。引き続いてステップＳ２３で、上で説明した目標抵抗Ｒｔに基づいてＳＭＡアクチュエータ３１の閉ループ制御が提供される。
【０１６３】
ステップＳ２１で、要求された位置ｘが第１の運動範囲内に存在していないことが決定されると、作動はステップＳ２３へ進行し、そこで、上で説明した要求位置に基づいて開ループ制御が実施される。
【０１６４】
これを作動させることができる方法の一例は、ＳＭＡアクチュエータ３０が加熱される較正ステージ（ステップ２）に存在している。モジュールがターンオンされると抵抗が測定される。さらに加熱され、極大６０の抵抗Ｒｍａｘが記録され、この抵抗Ｒｍａｘから、所定の減少分だけ抵抗Ｒｍａｘから低い抵抗の上限が設定される。さらに加熱され、極小６１の抵抗Ｒｍｉｎが記録され、引き続いて所定の増分だけ抵抗Ｒｍｉｎから高い抵抗の下限が設定される。引き続いて、作動ステージ（ステップ３）で操作は図１３に従って進行する。したがってこの運動全体を通してＳＭＡアクチュエータ３０が線形閉ループ領域に存在し続けると、制御は完全に閉ループになる。しかしながら、この運動の間に抵抗の下限に到達すると、制御は開ループアルゴリズムへ移行する。オプションの１つは、位置を最小抵抗の近傍の閉ループ領域の限界に保持するために必要な電力を使用することである。次に、電力対温度および温度対位置の開ループモデルを閉ループ抵抗対位置と共に使用して、閉ループ限界における抵抗と目標閉ループ抵抗との間の抵抗の誤差に対応する、必要な電力の変化が予測される。次に、限界を最小抵抗の近傍に保持するために、この電力の変化が絶対電力に加えられ、それにより目標位置のために必要な電力が得られる。
【０１６５】
このようにして、開ループモデルを使用して閉ループ領域から補外される。実際、開ループモデルを設定しているパラメータは、少なくとも部分的には、特定の移動作動サイクルの間に決定することができる。これは、デバイスの使用中にいくつかの定数に対する予測値を決定し、あるいは洗練させることができることを意味している。補外手法が使用されており、また、制御が閉ループから開ループへ移行している場合、通常、開ループコントローラへの移行に先立って、開ループセクションのための基準として使用されることになる電力予測値を再評価し、あるいは洗練させることができる。しかしながら、これには余計な時間が追加されるため、必ずしも有利とは言えない。別法としては、スタートアップ較正サイクルの間にすべてのパラメータを設定することも可能であり、線形領域外の要求抵抗を受け取ると、制御は開ループモデルへ移行する。
【０１６６】
作動中、開ループ制御および閉ループ制御の両方が一緒に使用されるこのオプションは、「混合モード」アルゴリズムと呼ばれている。利点は、閉ループ領域における最適位置精度、再現性および直線性を始めとする閉ループアルゴリズムのすべての利点が依然として存在していることである。しかしながら、このアルゴリズムは、さらに、制御が開ループアルゴリズムと閉ループアルゴリズムの間で切り換えられる応答を調整する際の困難性をも特徴としている。より深刻な問題は、領域間にアドレス指定することができない位置が存在する場合、閉ループアルゴリズムおよび開ループアルゴリズムによって制御される。したがって、これに対処するために、領域間にはオーバラップが存在している。しかしながら、これは、単調性における困難性をもたらすことになり、コマンドが増分増加すると、アルゴリズム間で制御が移行するため、位置が降下する可能性がある。いくつかの自動焦点アルゴリズムは、場合によってはこのような不連続性に対して寛大であるが、多くの自動焦点アルゴリズムはそうではなく、したがってこの問題はショーストッパーである。応答が単調であることを保証するための可能なブレンドアルゴリズムが存在している（「ブレンド」は、開ループモデルおよび閉ループモデルが同じ時間に走り、制御信号を生成するためにそれらの応答が可変比率で結合されるオプションを意味している）。しかしながら、そのために閉ループ領域に対する直線性が低下し、その一方で処理オーバヘッドが追加される。したがって混合モードを作動させる利点が減少する。
【０１６７】
第２のオプションは、ステップＳ２で、上で説明した開ループ制御を使用してすべての作動運動を実施することである。これにより、中間移動範囲における直線性および再現性が閉ループ制御の場合より低下するが、単調性にかかわる問題が除去される。したがって、この方法を使用することにより、スタートアップステージ（ステップＳ２）を使用して環境温度が見出され、また、抵抗および電力測値に基づいて開ループモデルパラメータが設定され、かつ、スケール化される。しかしながら、一度モデルがスケール化されると、モジュールの後続するすべての作動が開ループモデルを使用して実施される。したがって、作動中、閉ループ線形抵抗領域と非線形領域の間の区別が失われる。
【０１６８】
上で説明した方法は比較的基本的な方法である。システム内で直線的にスケール化することが仮定されている可動エレメント６の変位は直接測定されていない（つまり、デバイスは、出力を単に直線的にスケール化する「アクティビティ」を有することになり、したがって出力は修正されない）。また、測値が適応したのは０次(zeroth order)のヒステリシスのみにすぎない（つまり加熱と冷却の間のバルク電力オフセット）。しかしながら、カメラの場合、これらのモデルを改善することによって有すべき制限された利得のみが存在しているとされている。変位の較正は困難であり、自動焦点探索方法は、通常、絶対運動ではなく相対運動に基づいて稼動するため、一般的には不要である。アクチュエータがステップサイズに関して１００％正確であったとしても、レンズの焦点距離は不正確であり、したがって依然として焦点に対する未知の影響が存在している。いつもの通り、これらのタイプの尤度の論議は、ＲＭＳ考察によって支配されており、一部分の不確実性をゼロに低減したとしても、システムの性能に必ずしも重大な影響を及ぼさない。
【０１６９】
よく知られている、より精巧な利用可能ヒステリシスモデルが存在している。しばしば引用されているヒステリシスモデルは、ヒステリシスの離散Ｐｒｅｉｓａｃｈモデルである。このタイプのモデルは、計算連鎖の前段に使用することも（つまり所望の位置を適用する変更子）、あるいは計算連鎖の後段に使用することもできる（つまり所望の温度を適用する変更子）。Ｐｒｅｉｓａｃｈモデルは、他のヒステリシスループの中間点における「アイオープニング」とＴＲＭｉｄ−加熱およびＴＲＭｉｄ−冷却の測値が整合するようにスケール化することができる。しかしながら、既に言及したように、これらのタイプの改善は、それらを追加することに伴う著しい余計な複雑性に直面するため、めったに正当化されない。
【０１７０】
上で説明した様々なタイプの制御を使用して可動エレメント６の運動を実行し、それによりその位置を変化させることができる。カメラ１の場合、可動エレメント６の運動を行うことによってレンズシステム７の焦点が変化する。焦点は、任意の所望のアルゴリズムに従って変化させることができる。
【０１７１】
焦点を変化させて自動焦点アルゴリズムを提供することができる。オプションの１つは、ＷＯ−２００７／１１３４７８、ＷＯ−２００８／０９９１５６またはＷＯ−２００８／０９９１５５に開示されているフライバックアルゴリズムを使用することである。この場合、レンズシステム７は、加熱によって常に所定の位置へ移動する。したがって冷却時における位置を正確に制御する必要はない。閉ループ制御の場合、これにより、位置と抵抗の間の関係におけるヒステリシスの問題が回避される。しかしながら、ＳＭＡアクチュエータ３０に付与される機械的応力が大きくなると、加熱および冷却中、位置と抵抗の間の関係がより緊密になる点において、この特定の形態のヒステリシスが小さくなることが分かっている。閉ループ制御の場合、フライバックアルゴリズムにより、上で説明した第２の曲線９１を使用する必要性が回避され、それにより制御が単純化される。
【０１７２】
自動焦点アルゴリズムを提供するためのより標準的なオプションである代替の１つは、従来の「ヒルクライミング」自動焦点アルゴリズムを使用することである。この場合、アルゴリズムは、いずれの方向からも所望の位置を目指すことになる。この場合、両方の方向から所与の位置を見出し、かつ、維持する必要があり、したがってＳＭＡアクチュエータ３０に関連するヒステリシスを特性化し、かつ、補正する必要がある。必然的に、これは、開ループモデルに複雑性を追加し、また、スタートアップ較正プロセスの間、より多くのパラメータを測値に基づいて設定しなければならないことを意味している。
【符号の説明】
【０１７３】
１  カメラ
２  支持構造
３  ベース部分
４  イメージセンサ
５  環状壁
６  レンズエレメント（可動エレメント）
７  レンズシステム
８  レンズ
９  サスペンションシステム
１０  サスペンションエレメント
１３  湾曲部
２０  レンズキャリア
２１  レンズホルダ
２２  内部ねじ山
３０  ＳＭＡアクチュエータ
３１  ＳＭＡワイヤ
５０  制御回路
５２  制御ユニット
５３  駆動回路
５４、１２５  検出回路
６０  ＳＭＡ材料の極大抵抗値
６１  ＳＭＡ材料の極小抵抗値
７０  減算器
７１  コントローラ
７２  加算器
７３  ＰＷＭ発生器
８０  制御ユニットの入力データ
８１  目標温度Ｔｔのデータ
８２  アクチュエータに供給される駆動電流の電力Ｐのデータ
８３  ＳＭＡアクチュエータの温度の瞬時値の予測値Ｔｅのデータ
８４  カメラの環境温度Ｔａのデータ
８５  ＳＭＡアクチュエータの周囲の環境の温度の予測値Ｔｅｎｖのデータ
９０  加熱中における位置ｘに対する温度Ｔの関係を表す曲線
９１  冷却中における位置ｘに対する温度Ｔの関係を表す曲線
９３  曲線９０、９１を表すセグメント
９４  セグメントノード
１２０  バイポーラトランジスタ
１２１  ダイオード
１２２、１２５  抵抗器
１２３  ＭＯＳＦＥＴトランジスタ
１２４、１２６  演算増幅器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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