KR102242437B1 - 슬라이딩 조인트를 갖는 회전 메커니즘 - Google Patents

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Abstract

2개의 제 1 및 제 2 자유도(DOF)로 페이로드를 회전시키기 위한 회전 메커니즘은 정적 베이스, 제 1 회전 조인트를 통해 상기 정적 베이스에 기계적으로 결합되며 상기 제 1 회전 조인트를 통과하는 제 1 회전 축을 중심으로 상기 정적 베이스에 대해 상기 페이로드를 회전시키는 데 사용되는 제 1 회전 암, 제 2 회전 조인트를 통해 상기 정적 베이스에 기계적으로 결합되며 상기 제 2 회전 조인트를 통과하는 제 2 회전 축을 중심으로 상기 정적 베이스에 대해 상기 페이로드를 회전시키는 데 사용되는 제 2 회전 암, 및 상기 페이로드에 단단히 결합되며 상기 제 2 회전 암으로부터 일정한 거리를 유지하도록 배치된 팔로워 부재를 포함하고, 상기 제 1 암의 회전은 상기 제 1 DOF 중심으로 상기 페이로드를 회전시키고, 상기 제 2 암의 회전은 상기 제 2 DOF 중심으로 상기 페이로드를 회전시킨다.

Description

슬라이딩 조인트를 갖는 회전 메커니즘
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019 년 1 월 7 일에 출원된 미국 가특허 출원 제 62/789,150 호 및 2019 년 2 월 25 일에 출원된 제 62/809,897 호로부터 우선권을 주장하며, 이들 모두는 그 전체가 본 명세서에 명시적으로 포함되어 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예는 일반적으로 회전 메커니즘에 관한 것이고, 특히 전자 장치에 포함된 소형 디지털 카메라에서의 다양한 요소를 위한 회전 메커니즘에 관한 것이다.
감시, 자동차 등의 카메라는 광학 이미지 안정화(OIS) 및/또는 카메라 시야(FOV) 스캔과 같은 고급 광학 기능을 가능하게 하는 메커니즘을 포함한다. 이러한 메커니즘은 원하는 광학 기능을 생성하기 위해, 광학 요소(예를 들어, 렌즈, 이미지 센서, 프리즘, 미러 또는 심지어 전체 카메라)를 작동(예를 들어, 변위, 시프트 또는 회전)할 수 있다.
2 자유도(DOF)에서 페이로드(예를 들어, 위와 같은 광학 요소)를 회전시키는 회전 메커니즘이 공지되어 있다. 하나의 DOF가 내부 회전 DOF이고 다른 DOF가 외부 DOF인 공지된 메커니즘에서, 일반적으로 내부 회전 DOF가 외부 DOF에 의해 회전되는 회전 축을 갖게 되는 문제점이 있다(짐벌 설계). 짐벌 문제를 해결하는 알려진 회전 메커니즘은 3 개 이상의 베어링을 갖는 2 개의 고정된(회전하지 않음) 모터 또는 2 개의 베어링을 갖는 2 개의 회전 모터를 사용한다.
본 명세서에 개시된 실시 예의 양태는 2 개의 DOF에서 페이로드를 회전시키기 위한 회전 메커니즘에 관한 것이다. 2 개의 회전 지점을 중심으로 2 개의 회전축을 갖는 방법을 제안한다.
다양한 예시적인 실시 예에서, 2개의 제 1 및 제 2 자유도(DOF)로 페이로드를 회전시키기 위한 회전 메커니즘이 제공되는데, 이는 정적 베이스, 제 1 회전 조인트를 통해 상기 정적 베이스에 기계적으로 결합되며 상기 제 1 회전 조인트를 통과하는 제 1 회전 축을 중심으로 상기 정적 베이스에 대해 상기 페이로드를 회전시키는 데 사용되는 제 1 회전 암, 제 2 회전 조인트를 통해 상기 정적 베이스에 기계적으로 결합되며 상기 제 2 회전 조인트를 통과하는 제 2 회전 축을 중심으로 상기 정적 베이스에 대해 상기 페이로드를 회전시키는 데 사용되는 제 2 회전 암, 및 상기 페이로드에 단단히 결합되며 상기 제 2 회전 암으로부터 일정한 거리를 유지하도록 배치된 팔로워 부재를 포함하고, 상기 제 1 암의 회전은 상기 제 1 DOF 중심으로 상기 페이로드를 회전시키고, 상기 제 2 암의 회전은 상기 제 2 DOF 중심으로 상기 페이로드를 회전시킨다.
일부 실시 예에서, 팔로워 부재는 일정한 에어-갭에 의해 제 2 회전 암으로부터 분리된 자기 부재이다.
일부 실시 예에서, 페이로드는 내부 회전 조인트를 통해 제 1 회전 암에 기계적으로 결합된다.
일부 실시 예에서, 회전 메커니즘은 제 1 회전 축 중심으로 정적 베이스에 대해 페이로드를 회전시키기 위한 제 1 모터 및 제 2 회전 축 중심으로 정적 베이스에 대해 페이로드를 회전시키기 위한 제 2 모터를 더 포함하고, 여기서 제 1 및 제 2 모터는 정적 베이스에 단단히 부착되어 있다.
일부 실시 예에서, 제 2 회전 암은 제 1 회전 축을 중심으로 하는 링 섹션이다.
일부 실시 예에서, 회전 메커니즘은 페이로드의 위치를 결정하기 위한 적어도 하나의 센싱 메커니즘을 더 포함한다.
일부 실시 예에서, 센싱 메커니즘은 적어도 한 쌍의 자석 및 홀 센서를 포함한다.
일부 실시 예에서, 센싱 메커니즘은 제 1 및 제 2 DOF에서 정적 베이스에 대한 페이로드의 위치를 결정하도록 작동 가능하다.
일부 실시 예에서, 한 쌍의 자석 및 홀 센서는 제 1 DOF 중심으로의 페이로드의 회전을 결정할 수 있는 제 1 쌍의 자석 및 홀 센서, 및 제 2 DOF 중심으로의 페이로드의 회전을 결정할 수 있는 제 2 쌍의 자석 및 홀 센서를 포함한다.
일부 실시 예에서, 2 개의 DOF에서 정적 베이스에 대한 페이로드의 위치 결정은 서로 분리된다.
본 명세서에 개시된 양태, 실시 예 및 특징은 첨부 도면과 함께 고려될 때, 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1a는 제로 위치에서, 본원에 개시된 2 개의 DOF에서 페이로드를 회전시키기 위한 회전 메커니즘의 실시 예를 사시도로 개략적으로 도시한다.
도 1b는 예시적인 제 1 및 제 2 모터와 결합된 도 1a의 메커니즘을 도시한다.
도 1c는 제로(회전되지 않은) 위치에서, 도 1a의 메커니즘을 측면도로 도시한다.
도 1d는 제 1 회전 축을 중심으로 회전된 위치에서, 도 1a의 메커니즘을 측면도로 도시한다.
도 1e는 도 1a의 메커니즘의 제 2 회전 암이 제 2 회전 축을 중심으로 회전하는 것을 도시한다.
도 2a는 제로 위치에서, 본원에 개시된 2 개의 DOF에서 페이로드를 회전시키기 위한 회전 메커니즘의 또 다른 실시 예의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 2b는 2 개의 회전 축을 중심으로 회전된 위치에서 도 2a의 메커니즘을 측면도로 도시한다.
도 3a는 제로 위치에서, 본원에 개시된 2 개의 DOF에서 페이로드를 회전시키기 위한 회전 메커니즘의 또 다른 실시 예의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 3b는 도 2a의 메커니즘을 평면도로 도시한다.
도 3c는 제 1 회전 암이 제 1 DOF를 중심으로 회전하는 예시적인 경우의 일 사시도를 도시한다.
도 3d는 도 3c의 예시적인 경우의 또 다른 사시도를 도시한다.
도 1a는 본 명세서에 개시되며 100 번 번호가 매겨진 회전 메커니즘(또는 단순히 "메커니즘")의 실시 예를 사시도로 개략적으로 도시한다. 메커니즘(100)은 제로 위치(어떠한 작동 없는 초기 위치, 회전되지 않음)에서, 본원에 개시된 2 개의 DOF로 페이로드(102)를 회전시키기 위해 사용된다. 예시적인 XYZ 좌표계는 이후의 모든 사시도에도 적용된다. 페이로드(102)는 프리즘으로 도시되지만, 임의의 요소, 특히 렌즈, 이미지 센서, 프리즘, 거울 또는 전체 카메라와 같은(이에 제한되지 않음) 임의의 광학 요소일 수 있다. 메커니즘(100)은 정적 베이스(104)(즉, 움직이지 않는 고정된 베이스), 제 1 회전 암(106), 제 2 회전 암(108) 및 자기 팔로워(116)를 포함한다. 제 1 회전 암(106)은 제 1 회전 축(109)(예시적으로 Y 방향으로 도시됨)을 중심으로 정적 베이스(104)에 대해 회전할 수 있다. 제 1 회전 축(109)은 제 1 회전 암(106)을 (예를 들어, 볼 베어링을 사용하여) 정적 베이스(104)와 기계적으로 결합하는 제 1 회전 조인트(110)를 통과한다. 제 2 회전 암(108)은 제 1 회전 축(109)에 중심을 갖는 원형 단면의 형상을 갖는다. 제 2 회전 축(118)은 제 2 회전 암(108)을 (예를 들어, 볼 베어링을 사용하여) 정적 베이스(104)와 기계적으로 연결하는 제 2 회전 지점(112)을 통과한다. 제 2 회전 암(108)은 제 2 회전 축(118)(예시적으로, X 방향으로 도시됨)을 중심으로 정적 베이스(104)에 대해 회전할 수 있다. 제 1 및 제 2 회전축은 서로 직교할 수 있다. 자기 팔로워(116)는 영구(고정) 자석으로 만들어 질 수 있다(또는 적어도 제 2 회전 암을 향하는 팁이 영구 자석으로 만들어짐). 제 2 회전 암(108)은 강자성 재료로 만들어 질 수 있다. 대안적으로, 제 2 회전 암은 플라스틱 재료 또는 자기 팔로워(116)를 향하는 면에 강자성 재료로 덮인 비-강자성 금속과 같은 단단한 재료로 만들어질 수 있다. 자기 팔로워(116)는 에어-갭(111)(도 1c)에 의해 제 2 회전 암(108)으로부터 이격되어 있고, 자기 팔로워(116)가 제 2 회전 암(108)에 직접 접촉하지 않으면서 페이로드(102)가 제 2 회전 암(108)을 따라갈 수 있게 한다.
제 1 회전 암(106) 및 제 2 회전 암(108)은 각각 회전 조인트(110 및 112)에 대해 회전될 수 있다(각 암은 하나의 회전 지점을 중심으로). 회전은 임의의 모터(예를 들어, 스테퍼, DC, 브러시리스, VCM 등)에 의해 수행될 수 있다. 내부 회전 지점(114)은 페이로드(102)를 (예를 들어, 링 볼 베어링을 사용하여) 제 1 회전 암(106)에 연결하고, 페이로드(102)가 제 2 DOF에서 회전할 수 있게 한다(도 1e 참조). 제 1 회전 암(106), 제 1 회전 조인트(110) 및 내부 회전 지점(114)은 짐벌의 구성요소와 유사하다. 내부 회전 지점(114)은 (도 1a에 도시된 바와 같이) 제로 지점에서 제 2 회전축(118)에 있지만, 제 1 회전 암(106)이 회전할 때, 내부 회전 지점(114)은 그와 함께 회전하고 도 2b에 예시적으로 도시된 바와 같이, 제 2 회전축(118)으로부터 시프트된다는 점에 유의하라.
도 1b는 각각 제 1 및 제 2 회전 축 중심으로 회전 운동을 구동하는 예시적인 제 1 및 제 2 모터(120 및 122)와 결합된 메커니즘(100)을 도시한다. 유리하게는, 모터(120 및 122)는 정적 베이스(104)에 대해 고정되어 있다. 다른 실시 예에서, 모터(120 및 122)는 상이한 형상 및 크기를 가질 수 있고, 서로 동일하거나 크기, 작동 기술 등이 상이할 수 있다.
도 1c는 제로, 비-회전 위치(도 1a에서와 동일)에 있는 메커니즘(100)을 도시하는 반면, 도 1d는 제 2의 회전 위치에 있는 메커니즘(100)을 도시한다. 2 개의 도면 1c 및 1d는 (양의 Y 방향으로부터 음의 Y 방향으로 보는) 예시적인 X-Z 평면에서의 측면도로 제공된다. 도 1d에 도시된 바와 같이, 제 1 회전 암(106)은 베이스(104)에 대해 (예를 들어, 제 1 모터(120)를 사용하여) 제 1 회전 축(109) 중심으로 회전하고, 페이로드(102)는 그것과 함께 회전한다. 자기 팔로워(116)는 일정한 거리(에어-갭(111))만큼 제 2 회전 암(108)으로부터 이격되게 유지된다. 제 1 회전 지점 중심의 회전은 임의의 각도(α)일 수 있다. 도 1a-1e에 도시된 각도 제한은 단지 길이가 도시된 바와 같이 원의 약 1/4인 제 2 회전 암(108)의 길이 때문이다. 다른 실시 예에서, 제 2 회전 암은 완전한 원일 수 있어서, 제 1 회전 축을 중심으로 한 제 1 회전 암의 회전은 최대 360 도일 수 있다.
도 1e는 제 2 회전 축을 중심으로 (예를 들어, 제 2 모터(122)를 사용하여) 제 2 회전 암(108)의 회전을 도시한다. 자기 팔로워(116)는 자기력에 의해 제 2 회전 암(108)으로 당겨지고, 따라서 그것과 함께 회전하고, 제 2 DOF에서 내부 회전 지점(114)을 중심으로 제 1 회전 암(106)에 대해 페이로드(102)를 회전시킨다. 자기 팔로워(116)가 제 1 DOF를 따라 모든 위치에서 동일하게 제 2 회전 암(108)으로 당겨지기 때문에, 자기 팔로워의 회전은 제 1 DOF에서 제 1 회전 축(109)을 중심으로 한 제 1 회전 암(106)의 회전과 무관하다. 제 2 회전 암(108)을 따르는 자기 팔로워(116)는 "슬라이딩 조인트", 예를 들어 제 2 DOF에서 간섭없이 슬라이딩하면서 자기 팔로워(116)가 하나의 (제 1의) DOF에서 제 2 회전 암(108)을 따를 수 있게 하는 조인트를 형성한다.
도 2a 및 도 2b는 본 명세서에 개시되며 200으로 번호가 매겨진 회전 메커니즘(200)의 다른 실시 예를 사시도로 도시한다. 메커니즘(200)은 메커니즘(100)과 유사하며, 두 메커니즘에서 동일한 부분은 동일한 번호로 번호가 매겨진다. 메커니즘(200)에서, 페이로드는 예시적으로 카메라(202)이고, 제 2 회전 암(208)은 제 1 회전 축을 중심으로 360도 회전을 가능하게 하는 완전한 원이다. 도 2a에서, 메커니즘(200)은 레스트(비-회전) 위치에 있는 것으로 도시된 반면, 도 2b에서, 메커니즘(200)은 레스트 위치로부터 30도 회전된 위치에 도시되어 있다.
도 3a-d는 본 명세서 개시되며 300으로 번호가 매겨진 회전 메커니즘(300)의 또 다른 실시 예를 도시한다. 회전 메커니즘(300)는 메커니즘(100)과 유사하며, 두 메커니즘에서 동일한 부분은 동일한 번호로 번호가 매겨진다. 메커니즘(100)과 관련하여, 메커니즘(300)은 2 개의 위치 센싱 메커니즘을 구비하여, 2 개의 DOF에서 프레임(104)에 대한 페이로드(102)의 상대적 위치(방향/회전)를 결정할 수 있게 한다. 위치 센싱 메커니즘은 적어도 한 쌍의 자석과 홀 센서를 포함한다. 일부 실시 예에서, 위치 센싱 메커니즘은 하나 이상의 자석 및/또는 하나 이상의 홀 센서를 포함할 수 있다. 도 3a는 메커니즘(300)의 사시도를 도시하고, 도 3b는 평면도를 도시한다. 메커니즘(300)은 제 1 회전 암(106)에 단단히 결합된 제 1 자석(302) 및 베이스(104)에 단단히 결합된 제 1 홀 센서(304)를 포함한다. 메커니즘(300)은 페이로드(102)에 단단히 결합된 제 2 자석(306) 및 베이스(104)에 단단히 결합된 제 2 홀 센서(308)를 더 포함한다. 일 예에서, 제 2 홀 센서의 위치는 제 1 회전 축(109) 상에 있다. 일 예에서, 홀 센서(304, 308)는 Y 방향에서 자기장의 강도를 측정할 수 있다. 특히, 제 1 홀 센서(304)는 제 1 자석(302)에 가깝게 위치되고, 제 1 자석(302)의 자기장의 세기를 측정할 수 있으며, 이는 제 1 DOF 중심의 페이로드의 회전과 상관될 수 있다. 제 2 홀 센서(308)는 제 2 자석(306)에 가깝게 위치되고, 제 2 자석(306)의 자기장의 세기를 측정할 수 있으며, 이는 제 2 DOF 중심의 페이로드의 회전과 상관될 수 있다. 도 3c 및 3d는 2 개의 상이한 사시도로부터, 제 1 회전 암(106)이 제 1 DOF 중심으로 (예를 들어, 30도) 회전되는 예시적인 경우를 도시한다. 제 1 자석(302) 및 제 1 홀 바(304)의 상대적 위치는 변경되는 반면, 제 2 자석(306) 및 제 2 홀 바(308)의 상대적 위치는 변경되지 않는다. 유사하게, 제 2 회전 암(108)을 사용하여 제 2 DOF 중심으로 페이로드(102)를 회전시킬 때, 제 1 자석(302) 및 제 1 홀 바(304)의 상대적 위치는 변경되지 않는 반면, 제 2 자석(306) 및 제 2 홀 바(308)의 상대적 위치는 변경된다. 2 개의 DOF의 측정은 서로 분리된다(decoupled).
요약하면, 적어도 다음의 이점들을 갖는 설계를 구비한 회전 메커니즘이 위에 개시되어 있다.
-2 자유도를 중심으로 회전하는 기능.
-모터가 고정되어 있다.
-모터가 고정되어 있는 다른 설계, 예를 들어 "2-DOF 구형 병렬 메커니즘의 동적 모델링 및 기본 관성 매개 변수 결정(Dynamic modeling and base inertial parameters determination of a 2-DOF spherical parallel mechanism)"(Danaei, B. et al., Multibody Syst. Dyn.(2017) 41:367, doi:10.1007/s11044-017-9578-3), 및 "운동/힘 전달을 고려한 구형 5R 병렬 조작기의 최적 설계(Optimal Design of Spherical 5R Parallel Manipulators Considering the Motion/Force Transmissibility)"(Chao Wu et al., J. Mech. Des.(2010) 132(3), doi:10.1115/1.4001129)에서의 적어도 4 개의 베어링과 비교하여, 단지 3 개의 기계적 연결 지점(베어링)만이 회전을 생성하는 데 사용된다.
본 개시 내용은 제한된 수의 실시 예를 설명하지만, 이러한 실시 예의 많은 변형, 수정 및 다른 응용이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 자기 팔로워는 기계적인 팔로워로 대체될 수 있다.
일반적으로, 본 개시 내용은 여기에 설명된 특정 실시 예에 의해 제한되지 않고, 첨부된 청구항의 범위에 의해서만 제한되는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 언급된 모든 참고 문헌은 각각의 개별 참고 문헌이 구체적이고 개별적으로 본 명세서에 참고로 포함되도록 지시된 것과 동일한 정도로, 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다. 또한, 본 출원서에서, 임의의 참조의 인용 또는 식별은 해당 참조가 본 출원에 대한 선행 기술로 이용 가능하다는 것을 인정하는 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims (13)

  1. 2개의 제 1 및 제 2 자유도(DOF)로 페이로드를 회전시키기 위한 회전 메커니즘으로서,
    a) 정적 베이스;
    b) 제 1 회전 조인트를 통해 상기 정적 베이스에 기계적으로 결합되며, 상기 제 1 회전 조인트를 통과하는 제 1 회전 축을 중심으로 상기 정적 베이스에 대해 상기 페이로드를 회전시키는 데 사용되는 제 1 회전 암;
    c) 제 2 회전 조인트를 통해 상기 정적 베이스에 기계적으로 결합되며, 상기 제 2 회전 조인트를 통과하는 제 2 회전 축을 중심으로 상기 정적 베이스에 대해 상기 페이로드를 회전시키는 데 사용되는 제 2 회전 암; 및
    d) 상기 페이로드에 단단히 결합되며, 상기 제 2 회전 암으로부터 일정한 거리를 유지하도록 배치된 팔로워 부재;
    를 포함하고,
    상기 제 1 회전 암의 회전은 제 1 DOF 중심으로 상기 페이로드를 회전시키고, 상기 제 2 회전 암의 회전은 제 2 DOF 중심으로 상기 페이로드를 회전시키는 회전 메커니즘.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 페이로드는 내부 회전 조인트를 통해 상기 제 1 회전 암에 기계적으로 결합되는 회전 메커니즘.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 정적 베이스에 대해 상기 제 1 회전축을 중심으로 상기 페이로드를 회전시키기 위한 제 1 모터 및 상기 정적 베이스에 대해 상기 제 2 회전축을 중심으로 상기 페이로드를 회전시키기 위한 제 2 모터를 더 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 모터는 상기 정적 베이스에 단단히 부착되는 회전 메커니즘.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 팔로워 부재는 일정한 에어-갭에 의해 상기 제 2 회전 암으로부터 분리된 자성 부재인 회전 메커니즘.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 정적 베이스에 대해 상기 제 1 회전축을 중심으로 상기 페이로드를 회전시키기 위한 제 1 모터 및 상기 정적 베이스에 대해 상기 제 2 회전축을 중심으로 상기 페이로드를 회전시키는 제 2 모터를 더 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 모터는 정적 베이스에 단단히 부착되는 회전 메커니즘.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 팔로워 부재는 일정한 에어-갭에 의해 상기 제 2 회전 암으로부터 분리된 자성 부재인 회전 메커니즘.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 팔로워 부재는 일정한 에어-갭에 의해 상기 제 2 회전 암으로부터 분리된 자성 부재인 회전 메커니즘.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 회전 암은 상기 제 1 회전 축을 중심으로 하는 링 섹션을 포함하는 회전 메커니즘.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 페이로드의 위치를 결정하기 위한 적어도 하나의 센싱 메커니즘을 더 포함하는 회전 메커니즘.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센싱 메커니즘은 적어도 한 쌍의 자석 및 홀 센서를 포함하는 회전 메커니즘.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센싱 메커니즘은 상기 제 1 및 제 2 DOF에서 상기 정적 베이스에 대한 상기 페이로드의 위치를 결정하도록 작동 가능한 회전 메커니즘.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 적어도 한 쌍의 자석 및 홀 센서는 상기 제 1 DOF 중심으로의 상기 페이로드의 회전을 결정할 수 있는 제 1 쌍의 자석 및 홀 센서, 및 상기 제 2 DOF 중심으로의 상기 페이로드의 회전을 결정할 수 있는 제 2 쌍의 자석 및 홀 센서를 포함하는 회전 메커니즘.
  13. 제 11 항에 있어서, 2 개의 DOF에서 상기 정적 베이스에 대한 상기 페이로드의 위치 결정은 서로 분리되는 회전 메커니즘.
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