KR100526586B1 - 탄성 회전축 요소 - Google Patents

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Abstract

마찰이 없어 시선 안정화 장치의 정밀도를 높이는데 기여하며 무거운 하중을 견디는데 충분한 강도를 가지는 시선 안정화 장치의 회전축 요소를 제공하기 위하여, 제 1 부재와 제 2 부재의 사이에 게재하여 제 2 부재에 대해 제 1 부재가 소정 범위 회전운동이 가능하도록 하는 회전축 요소로서,
제 1 부재에 결합되는 제 1 지지판과, 상기 제 1 지지판과 마주보면서 제 2 부재에 결합되는 제 2 지지판과, 상기 제 1 지지판과 제 2 지지판을 연결하며 제 1 지지판과 제 2 지지판의 중심점을 연결하는 선을 회전축으로 하여 제 1 지지판이 제 2 지지판에 대해 소정 범위의 탄성적인 회전운동이 가능하도록 하는 탄성체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄성 회전축 요소를 제공한다.

Description

탄성 회전축 요소{Elastic rotational axis component}
본 발명은 시선 안정화 장치의 광학장치 장착 프레임을 회전 가능하게 지지하는 회전축 요소에 관한 것으로서, 특히 마찰이 없어 시선 안정화 장치의 안정화 성능을 향상시키는데 적합한 회전축 요소에 관한 것이다.
시선 안정화 장치는 카메라를 비롯한 각종 광학장치를 장착하는 장착 프레임의 진동에 의해 발생하는 광학계 광축의 각변위를 감소시키기 위한 것으로서, 이를 위해 상기 장착 프레임에 각변위 감지소자를 설치하고 그 값을 되먹임값으로 하는 구동제어계를 구성하는 것이 일반적이다. 이러한 시선 안정화 장치에는 자이로센서, 구동모터, 각위치 센서, 제어회로, 파워앰프 등이 사용되며, 이러한 시선 안정화 장치의 안정화 성능은 센서의 정밀도와, 상기 장착 프레임을 회전 가능하게 지지하는 베어링의 마찰, 그리고 각종 부품의 무게평형등에 의해 결정된다.
도 1은 종래의 시선 안정화 장치의 광학장치 지지부를 보인 것으로서, 종래의 시선 안정화 장치의 광학 장치 지지부는 광학장치 장착 프레임(100)과 이를 지지하는 베이스(200) 및 상기 장착 프레임(100)과 베이스(200) 간을 회전 가능하게 연결하는 베어링(300)으로 구성된다.
이에 도시한 바와 같이 기존의 광학 장치 지지부는 광학장치 장착 프레임(100)과 이를 지지하는 베이스(200) 간에 베어링(300)을 설치하여 프레임(100)과 베이스(200)를 연결하고 있다. 베어링(300)을 사용함에 의해 광학장치 장착 프레임(100)과 베이스(200) 간의 마찰을 감소시키면서 프레임(100)의 회전이 이루어지도록 할 수는 있으나, 베어링(300) 회전축에 대한 굴림 운동과 미끄럼 운동에 의한 마찰이 있는 등 마찰이 전혀 없는 것은 아니다. 회전축 요소로서의 베어링(300)에 존재하는 이와 같은 마찰은 시선 안정화 성능에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.
이와 같이 베어링(300)을 회전축 요소로 사용하는 경우에는 피치 못할 마찰이 존재하며 이에 의한 시선 안정화 성능의 열화를 피할 수 없는 바, 본 발명자는 베어링(300) 대신에 마찰이 없는 회전축 요소를 사용하여 광학장치 장착 프레임(100)과 베이스(200)간을 연결하는 것에 관해 연구하였다. 그 결과 대한민국 특허출원 제 2000-20074 호에 개시된 것과 유사한 유연성 피벗을 회전축 요소로 사용하는 경우 회전축 요소에서 마찰을 제거할 수 있다는 것을 알게 되었다. 이와 같은 유연성 피벗을 회전축 요소로 사용하는 경우에는 베어링 회전축에 대한 굴림 운동과 미끄럼 운동에 의한 마찰이 완전히 없어지는 대신 회전축 요소의 탄성복원력을 고려하여야 하게 된다. 그러나 회전축 요소의 탄성복원력을 고려하는 경우가 마찰이 있는 경우 보다 정확한 제어가 가능하여 시선 안정화의 정밀도를 높이는데 바람직하다.
그러나 상기와 같은 종래 기술에 의한 유연성 피벗을 시선 안정화 장치의 광학 장치 장착 프레임과 베이스간에 연결 요소로 적용하는 데는 몇 가지 문제점이 있다.
우선, 기존의 유연성 피벗은 수 개의 구성 요소들을 브레이징하여 형성된 것이므로 강도가 약하여 충분한 무게를 지탱하는데 문제가 있다.
또한, 이러한 약한 강도로 인해 장치 외부에 방진 장치를 구성함에 있어 저주파 방진 시스템을 설치하여야 하므로 실용성에 제한을 받는다.
그리고, 프레임과 베이스 사이에 장착하기 위해 유연성 피벗에 힘을 가하는 경우에 생기는 피벗 내부의 변형에 의한 잔류응력 분포로 인해 강도가 더욱 약해지는 문제점도 예상된다.
따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 인식하여 창출된 본 발명의 목적은, 마찰이 없어 시선 안정화 장치의 정밀도를 높이는데 기여하는 시선 안정화 장치의 회전축 요소를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 마찰이 없으면서도 무거운 무게를 지탱하는데 충분한 강도를 가지는 회전축 요소를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 광학장치 장착 프레임과 베이스 간 연결시에 회전축 요소 내부의 변형에 의한 잔류응력이 없어 프레임과 베이스 간에 장착된 후에도 원래의 강도를 유지하는 회전축 요소를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제를 해결하기 위하여, 제 1 부재와 제 2 부재의 사이에 게재하여 제 2 부재에 대해 제 1 부재가 소정 범위 회전운동이 가능하도록 하는 회전축 요소로서,
제 1 부재에 결합되는 제 1 지지판과, 상기 제 1 지지판과 마주보면서 제 2 부재에 결합되는 제 2 지지판과, 상기 제 1 지지판과 제 2 지지판을 연결하며 제 1 지지판과 제 2 지지판의 중심점을 연결하는 선을 회전축으로 하여 제 1 지지판이 제 2 지지판에 대해 소정 범위의 탄성적인 회전운동이 가능하도록 하는 탄성체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄성 회전축 요소를 제공한다.
또한, 상기 탄성체는 상기 회전축에서 방사상으로 신장되는 수 개의 탄성판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄성 회전축 요소를 제공한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 중심으로 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 탄성 회전축 요소가 적용된 시선 안정화 장치의 광학장치 지지부를 보인 것이고, 도 3 내지 도 8 은 본 발명의 일실시예에 의한 탄성 회전축 요소의 구조를 보인 것이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 탄성 회전축 요소(400)는, 광학장치 장착 프레임(100)과 베이스(200) 사이에 게재하여 베이스(200)에 대해 광학장치 장착 프레임(100)이 소정 범위 회전운동이 가능하도록 하는 회전축 요소로 기능하며, 그 구성을 보면, 광학 장치 장착 프레임(100)에 결합되는 제 1 지지판(410)과, 상기 제 1 지지판(410)과 마주보면서 베이스(200)에 결합되는 제 2 지지판(420)과, 상기 제 1 지지판(410)과 제 2 지지판(420)을 연결하며 제 1 지지판(410)과 제 2 지지판(420)의 중심점을 연결하는 선을 회전축으로 하여 제 1 지지판(410)이 제 2 지지판(420)에 대해 소정 범위의 탄성적인 회전운동이 가능하도록 하는 탄성체(430)를 포함하여 구성된다.
도시한 바와 같이, 상기 탄성체(430)는 제 1 지지판(410)과 제 2 지지판(420)의 중심점을 연결하는 선인 회전축으로부터 방사상으로 신장되는 수 개의 탄성판(431, 432, 433, 434)으로 구성된다.
상기 탄성판(431, 432, 433, 434) 각각은 제 1 지지판(410)과 제 2 지지판(420) 사이의 폭에 대응하는 너비와, 제 1 및 제 2 지지판 직경의 절반 정도의 높이를 가지며, 그 두께는 상기 너비와 높이에 비해 작은 판상 구조를 갖는다.
본 발명에 의한 탄성 회전축 요소는 두 개의 지지판(410, 420) 사이에 얇은 탄성판(431, 432, 433, 434)이 방사상으로 신장되어 형성된 탄성체(430)가 게재하여 두 지지판(410, 420) 사이의 지지력을 발생시키는 구조인데, 두 개의 지지판(410, 420) 사이의 상대운동이 이 탄성체(430)에 의해 구속된다. 제 1 지지판(410)에 대한 제 2 지지판(420)의 구속은 탄성체(430)의 강성에 의하여 다음과 같이 구속된다(도 3 참조).
1. x 축 방향의 병진운동: x 축방향으로의 탄성체의 인장 및 압축 강성인 Ktz에 의해 구속됨.
2. x 축 방향의 회전운동: yz 평면상의 회전우력에 대한 구속강성인 Krx에 의해 구속됨.
3. y 축 방향의 병진운동: y 축방향으로의 탄성체의 인장 및 압축 강성인 Kty에 의해 구속됨.
4. y 축 방향의 회전운동: zx 평면상의 회전우력에 대한 구속강성인 Kry에 의해 구속됨.
5. z 축 방향의 병진운동: z 축방향으로의 탄성체의 인장 및 압축 강성인 Ktz에 의해 구속됨.
6. z 축 방향의 회전운동: xy 평면상의 회전우력에 대한 구속강성인 Krz에 의해 구속됨.
판상 구조의 탄성판(431, 432, 433, 434)으로 구성된 탄성체(430)를 매개로 제 1 지지판(410)과 제 2 지지판(420)이 결합되어 있음에 따라, 본 발명에 의한 탄성 회전축 요소(400)는 z 방향의 회전우력에 대한 구속강성인 Krz가 기타의 상대 운동 모드에 대한 구속강성인 Krx, Kry, Ktx, Kty, Ktz 에 비해 매우 작은 값을 나타내는 특성을 갖게 된다.
본 발명에 의한 탄성 회전축 요소(400)의 구체적인 설계에 있어서는 탄성 회전축 요소(400)에 작용하는 여섯 가지 방향의 힘(x,y,z 방향으로의 병진력, x,y,z 방향으로의 회전우력)에 관련된 지지하중을 만족하도록 함과, 아울러 여섯 가지의 상대 운동에 대한 구속강성이 Krz << Krx, Kry, Ktx, Kty, Ktz 가 되도록 설계하게 된다.
예를 들어, 탄성 회전축 요소에 걸리는 부하 질량이 15kg이고 그 관성모멘트가 0.1 Kgm2 이라면 강성/질량비에 의한 고유진동수를 Fn,rz < 3Hz 이고 Fn,ry; Fn,rx; Fn,tx; Fn,ty; Fn,tz 는 각각 > 120Hz가 되도록 설계한다.
상기 탄성체(430)와 제 1 및 제 2 지지판(410, 420)을 별도로 구성하여 브레이징에 의해 상호 결합하는 것도 가능할 것이나 충분한 강도를 확보하기 위해 일체형으로 제작하는 것이 바람직하다.
비정질 금속의 특성인 큰 범위의 탄성한도의 장점을 이용함과 아울러 충분한 강도를 확보하기 위해서 본 발명의 탄성 회전축 요소는 비정질 특수 합금을 사용하여 다이캐스팅에 의해 제조하는 것이 바람직하며, 비정질 특수 합금으로는 비정질 지르코늄 합금인 LiquidMetal(상표명)을 사용할 수 있다.
상기 지지판(410, 420)에는 부재(100, 200)와의 결합을 위한 결합 수단이 설치되며, 이 결합 수단은 지지판(410, 420)에 형성된 소정 개수의 관통공(440, 도 6 참조)과, 지지판(410, 420) 내측으로부터 상기 관통공(440)에 일측이 결합되는, 관통공(440)과 동일한 개수의 체결 너트(450)인 것이 바람직하다.
도 9와 도 10 에 체결 너트(450)의 구조가 각각 측면도와 정면도로 도시되어 있다.
체결 너트(450)는 억지 끼워 맞춤에 의해 관통공(440)에 조립하고 그 틈새에 액상 접착제를 침투시켜 결합하는 것이 바람직하다. 관통공(440) 내측 및 그에 결합될 체결 너트(450) 단부에 상호 대응하는 나사산을 형성하여 결합시키는 것도 가능하다.
체결 너트(450) 단부는 지지판(410, 420) 외측으로 노출되지 않으며, 부재(100, 200)와 체결 너트(450)간을 결합함에 의해서 본 발명의 탄성 회전축 요소가 부재(100, 200)에 결합된다. 부재(100, 200)와 체결 너트(450)간의 결합을 위해 체결 너트(450)의 중공에 대응하는 관통공을 부재에 형성하여 볼트 등을 이용하여 체결 너트(450)와 체결한다. 지지판(410, 420)과 부재(100, 200)간의 결합시에 탄성체(430)와 일체로 형성된 지지판(410, 420)에 직접적인 힘을 가하는 것이 아니라 지지판(410, 420)에 결합된 체결 너트(450)에 힘을 가함에 의해서 지지판(410, 420)과 부재(100, 200)간의 결합이 이루어지게 되므로 지지판(410, 420)과 탄성체(430)의 변형에 의한 잔류응력이 없으므로 설계시의 강도를 유지하게 되며 약화되지 않는다.
광학장치 장착 프레임(100)과 베이스(200)간을 탄성 회전축 요소(400)로 매개하여 연결한 상태에서는 탄성 회전축 요소(400)에 외부로부터 가해지는 힘에 따라 탄성 회전축 요소(400)의 탄성체(430)의 변형에 의하여 그 운동상태가 결정된다.
외력이 우력으로 작용하면 그 우력의 성분 중 탄성 회전축 요소(400)의 회전축에 평행한 성분을 탄성축의 z 축방향 회전에 대한 구속강성인 Krz로 나눈 값 만큼 회전축을 중심으로 하는 회전운동이 이루어지게 되며, 회전축에 직각인 회전운동은 Krx, Kry 에 의하여 그 회전량이 결정된다.
외력이 힘으로 작용하면 그 힘의 작용점과 벡터의 방향이 탄성 회전축 요소(400)의 회전축 방향과의 관계에 따라서 회전운동을 일으키는 양과 병진운동을 일으키는 양이 결정된다. 하지만 z 축 방향의 회전을 제외한 다른 운동 모드에 대한 강성은 매우 크므로 다른 운동 모드에 의한 변위량은 매우 작다.
도 2에서는 2개의 탄성 회전축 요소(400)를 사용하여 부하질량, 즉 광학장치 장착 프레임(100)을 지탱하는 것을 도시하였다. 이 경우 하중이 분산되어 있어 구조적으로 안정되나 탄성 회전축 요소(400)의 회전강성이 지나치게 높을 수 있으므로 설계시 이러한 점에 유의하여야 한다. 한편, 하나의 탄성 회전축 요소(400)를 사용하여 부하질량을 지탱하는 방법도 생각할 수 있다. 이 경우에는 부하질량의 무게중심에 회전축 요소의 중심이 놓이도록 하여 부하질량 자체 질량에 의한 회전력이 가해지지 않도록 하여야 한다.
본 실시예에서는 제 1 부재와 제 2 부재가 각각 광학장치 장착 프레임(100)과 베이스(200)였으나 이에 한정되지 않으며 소정 각도의 회전을 가능하게 하는 회전축 요소에 의한 상호 연결을 필요로 하는 일반적인 경우에 적용이 가능함은 물론이다.
상기한 바와 같은 구조로 되는 본 발명의 탄성 회전축 요소는 시선 안정화 장치에서의 안정화 한계를 야기하는 요소인 마찰이 없어 시선 안정화 장치의 정밀도를 높이는데 기여하며, 무거운 하중을 지탱하는데 충분한 강도를 가져 효용성이 높고, 다른 부재와의 장착 시에 내부 변형에 의한 잔류응력이 없어 장착된 후에도 원래의 강도를 유지할 수 있다.
도 1은 종래의 시선 안정화 장치의 광학장치 지지부를 보인 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 탄성 회전축 요소가 적용된 시선 안정화 장치의 광학장치 지지부를 보인 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 탄성 회전축 요소의 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 탄성 회전축 요소의 정면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 탄성 회전축 요소의 측면도.
도 6은 도 4의 A-A' 단면도.
도 7은 도 4의 B-B' 단면도.
도 8은 도 5의 C-C' 단면도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 탄성 회전축 요소에 적용되는 체결 너트를 보인 측면도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 탄성 회전축 요소에 적용되는 체결 너트를 보인 정면도.

Claims (5)

  1. 제 1 부재와 제 2 부재의 사이에 게재하여 제 2 부재에 대해 제 1 부재가 소정 범위 회전운동이 가능하도록 하는 회전축 요소로서,
    제 1 부재에 결합되는 제 1 지지판과, 상기 제 1 지지판과 마주보면서 제 2 부재에 결합되는 제 2 지지판과, 상기 제 1 지지판과 제 2 지지판을 연결하며 제 1 지지판과 제 2 지지판의 중심점을 연결하는 선을 회전축으로 하여 제 1 지지판이 제 2 지지판에 대해 소정 범위의 탄성적인 회전운동이 가능하도록 하는 탄성체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄성 회전축 요소.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성체는 상기 회전축에서 방사상으로 신장되는 수 개의 탄성판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄성 회전축 요소.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 탄성체와 제 1 및 제 2 지지판은 일체형으로 되는 것을 특징으로 하는 탄성 회전축 요소.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 탄성체와 제 1 및 제 2 지지판은 비정질 특수 합금을 사용하여 다이캐스팅되어 일체형으로 되는 것을 특징으로 하는 탄성 회전축 요소.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 지지판에는 부재와의 결합을 위한 결합 수단이 설치되며, 이 결합 수단은 지지판에 형성된 소정 개수의 관통공과, 지지판 내측으로부터 상기 관통공에 일측이 결합되는, 관통공과 동일한 개수의 체결 너트로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄성 회전축 요소.
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