KR20080110997A - 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트 - Google Patents

광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트 Download PDF

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데이비드 더블유. 두르피
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멜레스 그리엇, 인크.
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Abstract

광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트는 광학 셔터 블레이드에 직접적으로 연결된 영구 마그네트 로터를 포함하며 셔터 개구를 통과하여 교대로 빛을 전달하거나 또는 차단할 수 있다. 상기 로터는 선택적인 중앙 홀을 가진 원통형으로 형성되며 상기 로터의 직경을 가로질러 자화되고(magnetized) 중앙축과 동축으로 제공되는 피벗 베어링 주위에서 회전된다. 스테이터는 로터 주위에 배열되고 로터가 상기 로터의 운동 범위를 초과하여 회전할 때 전자석 구동 코일 코어를 통과하는 플럭스(flux)는 크기와 방향에서 가변되도록 형삭가공된다(shaped). 따라서 전자석 구동 코일을 통과하는 구동 전류는 셔터 블레이드를 개방시키거나 또는 밀폐시키도록 로터에 토크를 유도한다(induced). 제어된 전류 파형(current waveform)을 가진 전자석 구동 코일을 구동시킴으로써, 셔터 개구는 (빠르게 또는 천천히) 개방될 수 있거나 또는 밀폐될 수 있으며, 개방/밀폐된 채로 고정되거나 또는 필요시에 중간 위치로 이동될 수 있다.

Description

광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트{ROTOR MAGNET DRIVEN OPTICAL SHUTTER ASSEMBLY}
본 발명은 전자기적으로 구동되는 광학 셔터 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 광학 셔터 블레이드가 로터 마그네트에 직접적으로 연결된 위치에서 광학 셔터의 하나 또는 그 이상의 블레이드를 개방시키고 밀폐시키기 위한 수단에 관한 것이다.
종래 기술은 전자기적으로 작동되는 다수의 광학 셔터들의 실례를 포함한다. 상기 영역에서 종래 기술의 대표적인 실례들은 다음의 미국 특허들을 포함한다.
미국 특허 번호 4,720,726호는 구동 전류 펄스를 사용하는 셔터 구동 장치를 기술한다.
미국 특허 번호 4,864,346호는 셔터를 전후로(back and forth) 작동시키기 위하여 펄스를 사용하는 셔터 구동 장치를 기술한다.
미국 특허 번호 4,864,347호는 셔터의 작동을 가변시키기 위하여 가변적인 펄스 비율을 사용하는 셔터 제어 장치를 기술한다.
미국 특허 번호 4,984,003호는 일정한 전류 회로와 가변적인 전류 회로를 조합하여(in combination) 사용하는 셔터 구동 장치를 기술한다.
미국 특허 번호 5,155,521호는 펄스화된(pulsed) 연속적인 전류 구성요소(current component)들을 사용하는 셔터 제어 장치를 기술한다.
미국 특허 번호 6,017,156호는 스테이터와 환형 로터 또는 환형 스테퍼(stepper)를 포함하는 셔터 구동 장치를 기술한다.
미국 특허 번호 6,139,202호는 셔터 메커니즘에 직접적으로 결합된(coupled) 자기 로터를 기술한다.
미국 특허 번호 6,903,777호는 로터의 회전 샤프트와 평행으로 연장된 방식으로 영구 자기 로터가 일체로 제공된 구동 핀을 가진 모터를 포함하는 디지털 카메라용 셔터를 기술한다.
미국 특허 공보 번호 2005/0195315호는 밀폐 위치와 개방 위치 사이에서 셔터를 구동시키기 위하여 여자된(exciting) 전자석 구동 코일을 가진 셔터 구동 장치를 기술한다.
하지만 위에서 언급한 광학 셔터 작동을 위한 전자석 구동장치들의 대부분은 고유한 비선형 힘 곡선(non-linear force curve)과 매우 낮은 에너지 효율을 가진 솔레노이드(solenoid)를 포함한다. 이에 따라 고열, 높은 전류 강하(current draw), 높은 임팩트( 및 구동 연결 장치의 마모) 및 우수하지 못한 속도/위치/힘 제어 등의 단점들이 발생한다. 더욱이 다수의 종래 기술의 장치들은 구동 블레이드에 대해 복잡한 연결 장치를 가지며 이에 따라 높은 비용, 낮은 신뢰성, 낮은 내구 성 및 장치 디자인의 기하학적 한계점들을 야기한다. 따라서 몇몇 종래 기술의 셔터 구동 장치들이 운동하는 마그네트(즉 스테퍼 모터) 구동장치 사용을 기술하지만, 이들 중 어떠한 것도 고유한 신뢰성, 긴 수명, 디자인의 유연성 및 낮은 제조비용으로 인한 이점을 가진 단순하고 내구성을 가진 영구 로터 마그네트 직접 구동 시스템을 제공하지 못한다.
가장 기본적인 형태에서, 본 발명은 셔터를 통해 교대로 빛을 전달하거나 또는 차단하기 위해 광학 셔터 블레이드의 회전을 구동시키고 상기 셔터 블레이드에 직접적으로 연결된 자기 로터를 이용한다. 상기 로터는 광학 중앙 홀을 가진 디스크 형태로 구성된다. 로터는 상기 로터의 직경을 가로질러(across) 자화되며(magnetized) 중앙축과 동축으로 형성된 피벗 베어링 주위에서 회전된다. 아이언 구조물(스테이터)은 상기 로터의 주위에 배열되며 상기 로터로부터 하나 또는 그 이상의 전자석 구동 코일의 아이언 코어(iron core)를 통과하는 자기 플럭스(magnetic flux)를 전도한다. 상기 스테이터의 형태는 상기 로터가 운동 범위를 초과하여 회전됨에 따라 전자석 구동 코일 코어를 통과하는 플럭스가 크기와 방향에서 가변되도록 배열된다. 따라서 상기 전자석 구동 코일을 통과하는 구동 전류는 셔터 블레이드를 개방시키거나 또는 밀폐시키도록 로터에 대해 토크를 유도한다. 구동 토크는 (로터 회전 정도 당) 플럭스 변경율에 대략적으로 비례한다. 제어된 전류 파형(current waveform)으로 전자석 구동 코일을 구동시킴으로써, 셔터 개구는 개방시키거나 또는 밀폐되고(빠르게 또는 느리게), 개방/밀폐되어 고정되거나 또는 필요시에 임의의 중간 위치로 이동될 수 있다.
스테퍼 모터(stepper motor) 특히 전기 시계 모터 구동장치가 존재하며 이것들은 로터를 계단식 운동(step-wise motion)으로 구동시키기 위한 다소 유사한 자기 회로를 사용한다. 하지만 (그러한 모터와 비교해 볼 때) 본 발명은 신규하며, 양방향의, 바람직하게, 셔터 블레이드가 (회전 운동에 대해 하지만 축방향 운동에서는 반드시 그럴 필요는 없지만) 로터에 밀착 연결되는 제한된 행정 작동을 위한 셔터 블레이드를 직접적으로 구동시키는 자기 로터의 적용분야에 있어서는 자명하지 않다. 본 발명의 기본 실시예들에서 단독으로 및/또는 조합되어 그리고 일방향 베어링 서포트(one-sided bearing support), 운동 스톱, 자기 바이어스/래칭 및/또는 선호적인 실시예들에 대해 본 명세서에서 기술된 그 외의 다른 개선물(enhancement)과 변형물(variation)들의 특징들로 인해, 단순하고, 튼튼하며, 고유적으로 안정적인 자기 로터 셔터 구동장치는 긴 수명, 디자인의 유연성 및 낮은 제조비용을 가진다.
도 1A는 본 발명에 따른 작동 시스템(actuating system)의 기본적인 실시예를 도식적으로 예시한 도면.
도 1B는 제 1 방향에서 토크를 발생시키는 로터와 전자석 스테이터를 가진 도 1A에서 예시된 본 발명에 따른 작동 시스템의 기본적인 실시예를 도식적으로 예 시한 도면.
도 1C는 제 2 방향에서 토크를 발생시키는 로터와 전자석 스테이터를 가진 도 1A에서 예시된 본 발명에 따른 작동 시스템의 기본적인 실시예를 도식적으로 예시한 도면.
도 1D는 도 1B에 예시된 위치에서 전류 흐름이 종료된(terminated) 뒤 본 발명에 따른 작동 시스템의 기본적인 실시예를 도식적으로 예시한 도면이며, 로터 상에는 제로 토크가 발생되고 상기 로터의 자기 플럭스는 스테이터에 의해 형성된 자기 플럭스 루프 내에 유지된다.
도 1E는 도 1C에 예시된 위치에서 전류 흐름이 종료된 뒤 본 발명에 따른 작동 시스템의 기본적인 실시예를 도식적으로 예시한 도면이며, 로터 상에는 제로 토크가 발생되고 상기 로터의 자기 플럭스는 스테이터에 의해 형성된 자기 플럭스 루프 내에 유지된다.
도 2는 단일 셔터 블레이드를 가진 본 발명의 선호적인 실시예를 도식적으로 도시한 분해 투시도.
도 3A는 로터 스톱 플레이트에 의해 제공된 제 1 한계점(limit)에서 구동 허브의 탭을 가진 작동 위치들에서 본 발명의 로터 스톱 플레이트와 구동 허브를 예시한 투시도.
도 3B는 로터 스톱 플레이트에 의해 제공된 제 2 한계점에서 구동 허브의 탭을 가진 작동 위치들에서 본 발명의 로터 스톱 플레이트와 구동 허브를 예시한 투시도.
도 4A는 개구를 가진 개구 플레이트와 연결된 단일 셔터 블레이드를 가진 본 발명의 선호적인 실시예를 도식적으로 예시한 부분 투시 분해도이며 상기 셔터 블레이드는 개구에 대해 개방 위치에 있다.
도 4B는 도 4A에 예시된 본 발명의 선호적인 실시예를 도식적으로 예시한 부분 투시 분해도이며 상기 셔터 블레이드는 개구에 대해 부분적으로 개방된 위치에 있다.
도 4C는 도 4A에 예시된 본 발명의 선호적인 실시예를 도식적으로 예시한 부분 투시 분해도이며 상기 셔터 블레이드는 개구에 대해 밀폐된 위치에 있다.
도 5A는 도 4A의 셔터 위치와 실시예를 예시한 투시도이며 셔터 스톱은 상기 셔터 블레이드의 운동을 제한한다.
도 5B는 도 4B의 셔터 위치와 실시예를 예시한 투시도이며 셔터 스톱은 상기 셔터 블레이드의 운동을 제한한다.
도 5C는 도 4C의 셔터 위치와 실시예를 예시한 투시도이며 셔터 스톱은 상기 셔터 블레이드의 운동을 제한한다.
도 6A는 셔터 블레이드가 개방된 다수의 블레이드를 가진 셔터의 제 1 실례를 도시한 부분 투시 분해도이다. 셔터와 로터는 개구의 마주보는 측면 상에서 일정하게 이격된다. 예시된 바와 같이 초승달 형태의(crescent) 셔터는 이 실시예에서 유리하게 사용된다.
도 6B는 셔터 블레이드가 밀폐된 다수의 블레이드를 가진 셔터의 제 1 실례를 도시한 부분 투시 분해도.
도 7은 복수의 로터와 스테이터가 직렬로 배열된 다수의 블레이드를 가진 셔터 어셈블리(샌스(sans) 셔터 블레이드)를 도시한 투시도이다. 로터는 개구 주위에서 일정하게 이격되어 배치된다.
도 8A는 복수의 로터와 스테이터가 직렬로 배열되고 링크연결 스테이터와 구동 스테이터를 가진 다수의 블레이드를 가진 셔터 어셈블리(샌스 셔터 블레이드)를 도시한 투시도이다. 로터 쌍들은 개구 주위에서 일정하게 이격되어 배치된다.
도 8B는 도 8A에 예시된 실시예를 위한 가능한 셔터 장치를 도시한 도면이다. 3 쌍의 로터는 전체 장치와 함께 3개의 코일에 의해 구동됨으로써 로터 축들을 중첩할 수 있는 평평하게 장착된 블레이드 쌍들이 아주 가까이 이격되어 배치된다.
도 9는 개구의 한 측면 상에 배치된 셔터들의 한 군을 가진 실시예를 위한 가능한 셔터 장치를 예시한 도면이다. 상기 장치는 코일과 평평하게 장착된 블레이드 당 다수의 로터들을 사용함으로써 가까이 이격되어 배치된 블레이드를 가진 또 다른 소형 블레이드 장치이다.
도 10은 개구의 마주보는 측면 상에 배치된 셔터들의 2개 군을 가진 실시예를 위한 가능한 셔터 장치를 예시한 도면이다. 상기 장치는 코일과 평평하게 장착된 블레이드 당 다수의 로터들을 사용함으로써 가까이 이격되어 배치된 블레이드를 가진 또 다른 소형 블레이드 장치이다.
도 11은 복수의 로터와 스테이터들이 병렬로 배열된 다수의 블레이드를 가진 셔터 어셈블리(샌스 셔터 블레이드)를 도시한 투시도.
도 12A는 페룰(ferrule)에 의해 로터 마그네트 또는 로터 마그네트 어셈블리 에 연결된(joined) 로터 허브를 도시한 투시도.
도 12B는 도 12A에 예시된 조합물(combination)을 도시한 측면도.
도 12C는 도 12B에 예시된 조합물을 도시한 횡단면도.
도 13은 허브 스냅(hub snap)에 의해 로터 마그네트 어셈블리의 로터 마그네트에 연결된 로터 허브를 도시한 투시도.
도 14는 로터 마그네트에 직접적으로 결합된(bonded) 셔터 블레이드를 도시한 투시도.
도 15는 잠겨진(keyed) 로터 허브에 블레이드를 연결하는 데 사용하기 위한 구동 탭을 가진 셔터 블레이드를 도시한 투시도.
도 16A는 일정한 릴럭턴스(reluctance)를 가진 로터 스테이터 조합물을 예시한 도면.
도 16B는 가변적인 릴럭턴스를 가진 로터 스테이터 조합물을 예시한 도면.
도 17은 스테이터로부터 축방향으로 오프셋배열된 로터 마그네트를 가진 장치를 도시한 측면도이다. 이 실시예에서 자연적인 자기인력(magnetic attraction)은 로터를 스테이터 내에 중심을 둔 위치를 향해 끌어당기며 이에 따라 장착된 베어링에 대해 가압하고 로터를 제자리에 유지하는 데 도움을 준다.
도 18은 상기 펄스 전류(pulsing current)에 기초하여 본 발명의 코일을 구동하고 셔터를 가속화시키도록 사용된 펄스 전류를 예시한 도면.
도 19A는 특정 방향으로 셔터 블레이드 운동과 토크를 야기하는 (+) 우세 시간 비율을 가진 AC 펄스 전류를 예시한 도면.
도 19B는 도 19A 방향과 상반된 방향으로 셔터 블레이드 운동과 토크를 야기하는 (-) 우세 시간 비율을 가진 AC 펄스 전류를 예시한 도면.
본 발명의 사상은 도 1A, 도 1B 및 도 1C를 참조하여 보다 더 잘 이해할 수 있다. 도 1A에서, 중앙축(1A) 상에서 회전가능하고 편향 지시 화살표(polarization indicator arrow, 1B)에 의해 표시된 편향을 가진 원통형 로터 마그네트(rotor magnet, 1)는 스테이터(stator, 2)의 2개의 암(arm)의 제 1 폴(first pole, 2A)과 제 2 폴(2B) 사이에 배치된다. (본 명세서와 청구항들에서, 용어 "마그네트(magnet)"는 비-전자석(non-electromagnet)을 지칭한다). 상기 화살표(1B)에 의해 표시된 바와 같이, 초기에 상기 로터 마그네트(1)는 스테이터(2)의 상이한 자기 편향에 의해 발생된 토크를 보여 주기 위하여 폴(2A, 2B) 사이에서의 중립 지점(neutral point)에 예시적으로 설정된다. 스테이터(2)는 전자석 구동 코일(electromagnet drive coil, 3)에 의해 수용되며(wrapped) 이에 따라 상기 전자석 구동 코일(3) 내의 전류(current)의 방향에 의해 결정된 편향과 함께 전자석으로서 제공될 수 있다.
도 1B에서, 전자석 구동 코일(3)을 통과하는 전류 흐름(current flow)의 방향은 전류 지시 화살표(3A)에 의해 표시된다. 이는 스테이터(2)를 편광시키고(polarize) 기자력(magnetomotive force, MMF)을 발생시키며 이는 로터 마그네트(1) 상에서 토크(5A)를 발생시키는 MMF 화살표(4)로 표시된다. 이와 유사하게, 전자석 구동 코일(3)을 통과하는 전류 흐름의 방향이 역전될 때(reversed) 도 1C에서 전류 지시 화살표(3b)로 표시된 바와 같이 로터 마그네트(1) 상에서 토크(5A)와 MMF 화살표(4)의 방향도 또한 역전된다. 그리고 스테이터(2)에 의해 발생된 자기 플럭스 루프(magnetic flux loop)를 통과하는 일정한 릴럭턴스(reluctance)와 전자석 구동 코일(3)을 통과하는 전류가 없을 때는, 로터 마그네트(1)는 제로(zero) 토크를 가질 것이다(도 1D와 도 1E 참조). 따라서 셔터(shutter)를 마그네트 로터(1)에 연결시킴으로써, 상기 마그네트의 운동(motion)은 전자석 구동 코일(3)을 통과하는 전류 흐름을 가변시키고, 종료시키며(ending) 또는 역전시킴으로써 이와 유사한 방식으로 가변될 수 있고, 안내될 수 있으며(directed) 또는 유지될 수 있다.
도 2는 위에서 언급한 사상들에 기초하여 기본적인 로터로 구동되는 셔터 어셈블리(shutter assembly)를 예시한다. 이 도면에서, 로터(1)는 상기 로터(1) 및 상기 로터의 중앙 홀(1C)과 인터페이싱(interface) 되도록 설계된 피벗 베어링 베이스(pivot bearing base, 6)가 제공되며 이에 따라 로터 마그네트(1)는 중심축(1A) 주위로 자유로이 회전된다. 바람직하게 스테이터(2)는 로터 마그네트(1)로부터 거리("1")만큼 축방향으로 약간 오프셋배열(offset)되며 이에 따라 로터 마그네트(1)는 (스러스트 베어링(thrust bearing)으로 제공된) 피벗 베어링 베이스(6)에 대해 밀착되어 당겨진다(pull tightly)(도 17 참조). 이에 따라 한 측면(side) 상에만 베어링이 제공된다(도면에서 예시됨). 이로 인해 셔터 블레이드(shutter blade, 8)가 로터 마그네트(1)의 그 외의 다른 측면 상에 직접 부착된다(attachment). 셔터 블레이드(8)가 로터 마그네트(1)에 적절히 부착됨으로써 상 기 블레이드(8)는 로터 마그네트(1)의 외부방향을 향하는 측면 상에 매끄럽고 완벽하게 부착된다. 로터 마그네트(1)가 오직 한 측면 상에서만 지지됨(supported)으로써 서로 중첩(overlap)되는 다수의 셔터 블레이드는 심지어 그들의 피벗 지점(예를 들어 회전의 중앙 지점)들에서 배열된다. 하기에서 기술될 복수의 블레이드 실시예에서 특히 볼 수 있듯이, 다수의 셔터 디자인이 사용가능하며 매우 단순하지만 소형인 셔터(임의의 주어진 ID에서 작은 OD)도 상당한 이점을 가진다.
도 2에 예시된 바와 같이 또 다른 선호적인 실시예들의 특징이 로터 마그네트(1)의 최상측 부분(top)에 부착된 블레이드 구동 허브(blade drive hub, 7)에 제공되며 이는 로터 마그네트(1)와 셔터 블레이드(8) 사이의 인터페이스 요소(interface element)로서 제공된다. 로터 스톱 플레이트(rotor stop plate, 9)는 구동 허브(7)의 원주(periphery) 주변에 제공된다. 상기 플레이트는 구동 허브 탭(7A)용 운동 제한 채널(travel limiting channel, 9A)을 가지며 구동 허브(7)가 축(1A) 주위로 회전됨으로써 탭(7A)의 운동(movement)은 제한되고 이에 따라 로터 마그네트(1)와 시스템의 그 외의 다른 요소들의 회전도 제한된다(운동 제한 채널(9A)에 의해 전체 시스템 상에 요소들에 의해 및 상기 탭(7A) 상에 가해진 회전이 제한되는 것을 예시하는 도 3A와 도 3B 참조). 구동 허브(7)는 셔터 블레이드(8) 상에서 (예컨대 홀과 슬롯(8A)과 같은) 인터로킹 요소(interlocking element)와 인터페이스하기 위해 최상측 상에 (예를 들어 중심 포스트(center post)와 윙(wing, 7B)과 같은) 인터페이스 요소(interface element)들을 가진다. 하지만 이러한 유형의 인터페이스가 회전 운동에 있어서 밀착 연결(rigid connection)되는 동안 로터(1)로부터 이격되어 블레이드(8)의 축방향 운동을 막을 필요가 없다. 이 사실은 적용분야(application)에 따라 바람직할 것이다. 만약 그렇지 않다면, 상기 블레이드를 허브(7)에 결합(bond)시킴으로써 및/또는 그 외의 다른 경우에 제자리에 부착시킴으로써 상기 블레이드(8)는 그 상부에 배치된 요소들에 의해 제자리에 고정되기 용이할 것이다.
도 4A 내지 도 4C는 개구(aperture, 10A)를 가진 개구 플레이트(aperture plate, 10)와 결합된(conjunction) 도 2의 로터로 구동되는 셔터 어셈블리를 예시한다. 도 4A는 상기 개구(10A)가 노출된 개방 위치(open position)에서 상기 셔터 블레이드(8)를 예시하며 도 4B는 상기 개구(10A)가 부분적으로 노출된 부분 밀폐 및/또는 밀폐 공정(closing process)에서의 셔터 블레이드(8)를 예시하고 도 4C는 개구(10A)가 완전히 닫혀진(covered) 밀폐 위치에서 셔터 블레이드(8)를 예시한다. 도 5A 내지 도 5C에서 동일한 순서로 예시된 바와 같이, 상기 셔터 블레이드가 탭(7A)과 운동 제한 채널(9A)에 대해 앞에서 기술한 운동 제한 시스템(travel limiting system)에 추가하여 또는 상기 시스템 대신에 개방 위치와 밀폐 위치 사이에서 스윙운동(swing) 함에 따라, 셔터 스톱(shutter stop, 11)은 셔터 블레이드(8)(그리고 전체로서의 시스템)의 운동을 제한하도록 제공될 수 있다.
따라서 셔터 블레이드(8)의 회전은 기계적인 스톱(mechanical stop)에 의해 제한될 수 있으며, 로터 마그네트(1) 및/또는 상기 로터 마그네트(1)에 부착된 레버 암(lever arm)에 대해(도 2 내지 도 3B 참조) 그리고 블레이드(도 5A 내지 도 5C에 예시된 바와 같이)에 대해 직접 중지될 수 있다. 기계적인 스톱은 (급격한 중 지의 경우) 강성 스톱(hard stop)이 될 수 있고, (연성 스톱(softer stop)의 경우) 가요성/엘라스토머 스톱(flexible/elastomeric stop)이 될 수 있으며 및/또는 상대적으로 빠른 세틀링(settling)을 위해서, 블레이드가 상대적으로 덜 튀기도록(less bounce), 상대적으로 마모가 덜 되며 및/또는 소음이 적도록 댐핑된 연성 스톱(dampened soft stop) 즉 높은 응력/변형율(stress/strain) 이력현상(hysteresis)을 가진 우레탄 또는 그 외의 다른 댐핑된 엘라스토머에 의한 스톱을 제공할 수 있다. 또한 밑에서 보다 상세하게 논의될 바와 같이, 스테이터는 스톱을 향해 로터 마그네트를 당기도록 형삭가공(shaped) 될 수 있다(도 16B 참조).
그 외의 다른 가능한( 및 일반적으로 보다 복잡한) 선호적인 실시예들을 예시하는 도 6A 내지 도 11에서, 본 발명에 따라 제조된 셔터는 하나 또는 다수의 로터(1) 및 블레이드(8)를 사용할 수 있고 상기 블레이드(8)의 형태가 공간 제약성, 비용 및 제조에 있어서 상충되는 사항들로 인해 형태에서 가변될 수 있음은 자명하다. 이와 유사하게, 복수의 로터 마그네트(1)는 (도 4A 내지 도 6B에 예시된 바와 같이) 개별적으로 전원이 공급되고(powered) 제어될 수 있으며, 로터(1)는 (도 7 내지 도 8B에 예시된 바와 같이) 하나 또는 그 이상의 코일(3)에 의해 구동되는 직렬 자기 회로(series magnetic circuit) 내에 배열될 수 있고 및/또는 상기 로터(1)는 (도 11에 예시된 바와 같이) 하나 또는 그 이상의 코일에 의해 구동된 병렬 자기 회로(parallel magnetic circuit) 내에 배열될 수 있다. 다양한 직렬 배열들은 도 8A 및 도 8B에 예시된 바와 같이 코일(3)에 의해 감기지 않은 링크연결 스테이터(linking stator, 20)를 특징으로 한다. 추가적으로 셔터 블레이드(8)는 대 칭적으로 또는 비대칭적으로 배열될 수 있으며, 단일 또는 군(group)으로 배열될 수 있고, 그 외의 다른 경우 필요시에 매우 다양하게 배열될 수 있다(일반적으로 도 2 내지 도 11 참조). 따라서 본 발명은 상당한 가요성을 제공하며 로터 배열, 블레이드 설계 및 블레이드 배치에 있어서 다양하게 수행할 수 있다. 셔터 적용분야에 기초하여, 상기와 같이 상이한 배열로 인해 최저비용, 물리적인 최소형 배열 및/또는 최고의 에너지 효율을 위해 선호될 것이다.
도 12A 내지 도 15는 로터(1)와 블레이드(8)가 링크연결될 수 있는 몇몇 방법을 추가적으로 제공한다. 도 12A 내지 도 12C는 로터 마그네트(1)의 최상측 부분에서 슬롯(1D)과 짝을 이루는(mate) 링크연결 탭(linking tab, 7C)을 가진 구동 허브(7)를 포함하는 실시예를 예시한다. 중앙 홀(1C)을 통과하여 이동되는(run) 플레어 페룰(flared ferule, 30)은 어셈블리를 함께 고정시키며 로터(1)의 바닥 하부로 연장되어 이에 따라 피벗 포스트(pivot post) 상에서 베어링으로서 작동할 수 있다. 대안으로, 플레어 페룰(30)을 사용하는 대신 로터(1)는 구동 허브(7) 내에 몰드된 인서트(molded insert)가 될 수 있다. 이와 유사하게, 양 단부(end)에서 베어링 슬리브를 가진 모든 부분들을 관통하는 샤프트에 의해 로터(1), 허브(7) 및 블레이드(8)를 지지할 수 있다. (하지만 상기 대안물은 로터축(1A)을 중첩하며 가까이 이격되어 배치된 블레이드(8)에는 가능하지 않아서 본 발명의 몇몇 이점들이 손실된다). 도 13과 도 14는 그 외의 다른 실시예를 예시하며 도 13은 로터(1)의 노치(notch) 내로 끼워 맞춤되는(fit) 스냅(snap, 40)들을 가진 허브(7)를 예시하고, 도 14는 접착 용접(adhesive welding) 또는 스폿 용접(spot welding)에 의해 로 터(1)에 직접적으로 결합되는 블레이드(8)를 예시한다. 도 15는 블레이드를 평평하게 장착하기 위한(flush mounting) 선호적인 방법을 예시한다. 이 도면에서 홀과 슬롯(50A)들을 가진 구동 브래킷(drive bracket, 50)이 블레이드(8) 상에 제공되어 중심 포스트 및 윙(7B)과 인터페이스될 수 있다.
특히 폴(2A, 2B)에 대해 스테이터(2)의 디자인을 변경함으로써, 바이어스(bias) 또는 토크가 발생될 수 있고 이에 따라 셔터 블레이드(8)가 원하는 위치로 복귀(return)할 것이며 또는 구동 전류(drive current)가 제거될 때 블레이드(8)를 제자리에 고정시킬 것이다. 이에 따라 한 변형물(variation)에서 폴(2A, 2B)의 형태(shape)는 일반적으로 상기 폴(2A, 2B) 사이에서 상대적으로 작고 일정한 간극(gap)을 가진 둥근 형태가 될 수 있으며 로터(1)는 일정한 릴럭턴스(도 16A에 예시된 바와 같이)를 발생시킬 수 있다. 이는 거의 제로 바이어스 토크를 제공하며 양극 구동 분야(bipolar drive application)용으로 사용될 수 있다. (하지만 스프링, 디텐트(detent) 또는 외부 마그네트와 같은 외부 바이어스 및/또는 래칭 수단(latching means)이 필요시에 특정 바이어스를 제공하도록 로터 허브 어셈블리에 추가될 수 있다). 폴(2A, 2B)의 형태는 노치(notch), 돌출부(protrusion)에 의해 의도적으로 가변될 수 있거나 또는 블레이드(8) 또는 운동(travel)의 양 단부 또는 그들 중 한 단부에서 스톱에 대해 어셈블리의 몇몇 그 외의 다른 부분을 당기도록 토크 바이어스 및/또는 자기 "디텐트" 래칭 작용(magnetic "detent" latching action)을 제공하기 위하여 (도 16B에 예시된 바와 같은 가변적인 릴럭턴스를 위해) 반경(radius)에서 가변될 수 있다. 도 16B에서, 큰 간극(6)으로 인해 반경이 가변된다. 낮은 릴럭턴스 영역(로터(1)와 자기 폴(2A, 2B) 사이의 거리가 상대적으로 짧음)으로 인해 로터(1)는 상기 폴(2A, 2B)에 인접한 2개의 위치들 중 더 가까운 쪽을 향해 끌어당길 수 있다. 이는 로터(1)를 완전히 개방된 위치 또는 밀폐된 위치에서 "래칭"하기 쉬우며 (이로 인해 셔터가 파워 없이도 그 위치에 고정될 수 있음) 바이-스테이블(bi-stable) (즉 "래칭") 기능을 필요로 하는 양극-구동 분야(bipolar-drive application)에서 사용가능하다. 추가적으로 영구 자석(permanent magnet)은 바이어스 토크를 제공하기 위하여 "스테이터(2) 회로"(코일(3)과 직렬임)에 추가될 수 있다.
전기적으로, 전자석 구동 코일(3)은 양극 DC 전압/전류로 가장 단순하게 구동될 수 있다(한 방향으로는 열리고, 상반된 방향으로는 닫힘). 상대적으로 작은 전류가 한 스톱 또는 또 다른 스톱에 대해 "고정(hold)"되도록 제공될 수 있다. 용이하게 제어하기 위하여, 전류는 펄스-폭 변조(PWM) 모터 구동 회로에서와 같이 상대적으로 높은 주파수에서(시스템의 전기적 및 기계적 응답 대역을 훨씬 초과하는 즉 20-200 Khz에서) 펄스화 될 수 있다(pulsed). 그리고 셔터 블레이드(8)를 보다 잘 제어하고 상기 셔터 블레이드의 운동을 감속시키기 위하여, 구동 전류는 상대적으로 낮은 주파수(즉 20-500 Hz)에서 펄스화 될 수 있다(도 18 참조). 이는 블레이드(8) 운동을 매우 작은 스텝에서 효율적으로 구동시킬 수 있다(도 18 참조). 이에 대한 전체적인 결과는 정밀하게 제어가능한 운동이다. 스타트/스톱 힘(start/stop force)들이 마찰 로딩(friction loading)(매우 불일정함)보다는 관성 로딩(inertial loading)(매우 일정함)에 의해 보다 더 균형이 맞춰지기 때문에, 상기 운동 제어 수단은 단지 DC 구동 레벨(drive level)(종종 점프(jump)가 뒤따르는 스틱(stick)을 야기하거나 또는 운동이 전혀 일어나지 않음)에 의해 느린 운동 비율을 발생시키려고 할 때 얻어지는 불일정한 스틱/슬립 운동(stick/slip motion)보다는 낮은 비율에서 훨씬 더 일정하고 안정적이다. 또한 가변적인 개구의 개방을 위해 셔터 블레이드 위치를 제어하기 위해 피드백이 있거나 또는 피드백 없이 사용가능하다. 피드백이 필요하면 포지션 센싱(position sensing)(즉 광학 펄스 또는 엔코더), 스루-빔 센싱(through-beam sensing) 또는 그 외의 다수의 수단에 의해 제공될 수 있다. 심지어 추가된 하드웨어 없이도, 피드백은 전자석 구동 코일(3) 구동 신호의 백-EMF 센싱(back-EMF sensing)으로부터 유도될 수 있다(derived).
제어된 직렬 AC 펄스를 제공하기 위해 또 다른 명확하지 않은 구동 옵션이 제공되며, 양의(positive) 및/또는 음의(negative) 펄스의 듀레이션(duration)은 시스템의 전기-기계적 응답 대역보다 상대적으로 더 짧다. (+) 펄스와 (-) 펄스 시간의 비율을 제어함으로써 셔터 블레이드(8)는 한 방향으로 회전될 수 있다. (예를 들어 토크/운동을 한 방향으로 안내되는(leading) (+) 우세 비율(dominant ratio)을 보여주는 도 19A와 그와 상반된 방향으로 안내되는 (-) 우세 비율을 보여주는 도 19B를 참조하라). (셔터 블레이드(8)를 운동시키는 데 있어서 바람직하지 못한) 불필요한 저항 파워 손실(waste resistive power loss)을 감소시킴으로써, 전체 시스템의 구동 에너지 효율은 이러한 방식으로 직선형 DC 구동(straight DC drive)(4배 개선되어 표시됨)을 초과하여 실질적으로 개선될 수 있다.
전술한 사항들에서, 다수의 변경물과 변형물들이 본 발명의 사상범위를 벗어나지 않고 제공될 수 있다. 그에 따라 본 명세서에서 기술된 본 발명의 실시예들은 단지 본 발명의 이론 분야를 예시하는 목적으로 제공된다. 예시된 실시예들의 세부사항들은 청구항들의 범위를 제한하려는 의도가 아니다.

Claims (20)

  1. 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트에 있어서, 상기 로터 마그네트는
    -전자석 폴(electromagnetic pole)로서 제공되는(serve) 2개의 단부(end)를 가진 하나 이상의 전자기적으로 구동가능한 스테이터(stator)를 포함하며,
    -상기 하나 이상의 스테이터들 중 한 스테이터의 하나 이상의 폴과 협력하는(cooperating) 회전식 영구 마그네트 로터를 포함하고, 상기 로터는 베이스 단부(base end)와 셔터 단부(shutter end)를 가지며,
    -상기 로터의 셔터 단부에 작동가능하게 연결된 셔터 블레이드를 포함하고,
    -상기 하나 이상의 스테이터들 중 적어도 하나의 스테이터와 협력하며 그 주위에서 감기며 상기 로터 주위에서 및 상기 로터 상에서 감기지 않은 전자석 구동 코일(electromagnet drive coil)을 포함하고,
    상기 로터의 회전은 상기 코일을 통과하는 전류 흐름(current flow)에 의해 적어도 부분적으로 제어되는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 셔터 블레이드는 상기 로터의 회전 운동에 대해 상기 로터의 셔터 단부에 밀착 연결되며(rigidly connected) 이에 따라 상기 로터가 회전되어 개구를 초과하여(over aperture) 상기 셔터 블레이드를 개방시키고 밀폐 시키는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 로터는 셔터 단부에 의해서가 아니라 베이스 단부에 의해 회전가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  4. 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트에 있어서, 상기 로터 마그네트는
    -전자석 폴로서 제공되는 2개의 단부를 가진 하나 이상의 전자기적으로 구동가능한 스테이터를 포함하며,
    -상기 하나 이상의 스테이터들 중 한 스테이터의 하나 이상의 폴과 협력하는 회전식 영구 마그네트 로터를 포함하고, 상기 로터는 베이스 단부와 셔터 단부를 가지며,
    -상기 로터의 회전 운동에 대해 상기 로터의 셔터 단부에 밀착 연결된 셔터 블레이드를 포함하고, 이에 따라 상기 로터가 회전되어 개구를 초과하여 상기 셔터 블레이드를 개방시키고 밀폐시키며,
    -상기 하나 이상의 스테이터들 중 적어도 하나의 스테이터와 협력하며 그 주위에서 감긴 전자석 구동 코일을 포함하고,
    상기 로터의 회전은 상기 코일을 통과하는 전류 흐름에 의해 적어도 부분적으로 제어되는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네 트.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 로터는 셔터 단부에 의해서가 아니라 베이스 단부에 의해 회전가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  6. 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트에 있어서, 상기 로터 마그네트는
    -전자석 폴로서 제공되는 2개의 단부를 가진 하나 이상의 전자기적으로 구동가능한 스테이터를 포함하며,
    -상기 하나 이상의 스테이터들 중 한 스테이터의 하나 이상의 폴과 협력하는 회전식 영구 마그네트 로터를 포함하고, 상기 로터는 베이스 단부와 셔터 단부를 가지며, 상기 로터는 셔터 단부에 의해서가 아니라 베이스 단부에 의해 회전가능하게 장착되고,
    -상기 로터의 셔터 단부에 작동가능하게 연결된 셔터 블레이드를 포함하고,
    -상기 하나 이상의 스테이터들 중 적어도 하나의 스테이터와 협력하며 그 주위에서 감긴 전자석 구동 코일을 포함하고,
    상기 로터의 회전은 상기 코일을 통과하는 전류 흐름에 의해 적어도 부분적으로 제어되는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 셔터 블레이드는 상기 로터의 회전 운동에 대해 상기 로터의 셔터 단부에 밀착 연결되며 이에 따라 상기 로터가 회전되어 개구를 초과하여 상기 셔터 블레이드를 개방시키고 밀폐시키며, 상기 구동 코일은 상기 로터 상에서 감기지 않고 상기 로터 주위에서도 감기지 않는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 로터는 전류가 전기원(electrical source)로부터 상기 코일로 한 방향으로 제공될 때(applied) 한 방향으로 회전되고, 상기 로터는 전류가 반대방향으로 상기 코일로 제공될 때 반대방향으로 회전되며 이에 따라 상기 셔터 블레이드의 개방과 밀폐는 상기 코일에 제공된 전류의 방향에 기초하는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 하나 이상의 스테이터는 복수의 스테이터들이며 상기 복수의 스테이터들 중 특정 스테이터는 직렬 자기 회로(series magnetic circuit) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 하나 이상의 스테이터는 복수의 스테이터들이며 상기 복수의 스테이들 중 몇몇 스테이터는 링크연결 스테이터(linking stator)들이 고, 상기 링크연결 스테이터들은 코일에 의해 감기지 않는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 하나 이상의 스테이터는 복수의 스테이터들이며 상기 복수의 스테이터들 중 특정 스테이터는 병렬 자기 회로(parallel magnetic circuit) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  12. 제 7 항에 있어서, 그 외의 다른 하나 이상의 셔터 블레이드를 포함하며, 상기 셔터 블레이드들의 군(group)은 개구 주위에서 일정하게 이격되어 배치되는(evenly spaced) 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  13. 제 7 항에 있어서, 그 외의 다른 하나 이상의 셔터 블레이드를 포함하며, 상기 셔터 블레이드들은 개구의 단일 측면(single side) 상에 배열되는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  14. 제 7 항에 있어서, 상기 로터는 협력하는 폴(cooperating pole)로부터 축방향으로 오프셋 배열되며(offset) 이에 따라 상기 로터의 베이스 단부 방향에서의 축방향 힘(axial force)은 상기 폴을 작동(operation)시킴으로써 발생되는 것을 특 징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  15. 제 7 항에 있어서, 로터와 협력하는 하나 이상의 폴은 토크를 발생시키기 위하여 코일을 통과하는 전류에 의해 발생된 토크(torque)에 추가하여 가변적인 릴럭턴스(varying reluctance)를 발생시키도록 형삭가공되는(shaped) 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  16. 제 7 항에 있어서, 로터의 셔터 단부에 의해서가 아니라 베이스 단부에 의해 로터를 장착(mounting)시킴으로써, 그 외의 다른 로터가 개구를 초과하여 상기 셔터 블레이드를 개방시키고 밀폐시킴에 따라 셔터 블레이드는 상기 로터의 축을 교차(intersect)하는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  17. 제 7 항에 있어서, 상기 구동 코일(drive coil)을 통과하는 구동 전류(drive current)는 대략 20-500 Hz의 주파수에서 펄스화되는(pulsed) 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  18. 제 7 항에 있어서, 상기 구동 코일을 통과하는 구동 전류는 대략 20-200 Khz의 주파수에서 펄스화되는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  19. 제 7 항에 있어서, 상기 구동 코일을 통과하는 구동 전류는 제어된 직렬 AC 펄스(series of AC pulse)인 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
  20. 제 19 항에 있어서, (+) 와 (-) 펄스 시간(pulse time)의 비율은 개방된 위치 또는 밀폐된 위치를 향해 셔터 블레이드를 구동시키도록 제어되는 것을 특징으로 하는, 광학 셔터 어셈블리로 구동되는 로터 마그네트.
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