KR20130054234A - Ｓｍａ 액추에이션 장치 - Google Patents

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Abstract

SMA 액추에이션 장치는 SMA 액추에이터 와이어를 사용하여 지지 구조물 상에 지지된 이동 요소를 움직이며, 예를 들어 광 이미지 안정화를 제공하기 위해서이 다. 여덟 개 SMA 액추에이터 와이어가 가상 기본 축에 대해 기울어지며 기본축 주변의 네 개 측 각각에 SMA 액추에이터 와이어 쌍이 구성된다. SMA 액추에이터는 수축시 네 개 SMA 액추에이터 와이어 두 그룹이 힘에 기본 축을 따라 반대 방향으로 요소를 제공하도록 연결되어 있어서, 그룹은 기본축을 따르는 움직임을 제공할 수 있다. 각 그룹의 SMA 액추에이터 와이어는 기본축에 대해 2회 회전 대칭이며, 따라서 서로 대항하여 횡이동이나 틸팅을 제공할 수 있는 SMA 액추에이터 와이어가 있다

Description

ＳＭＡ 액추에이션 장치{SMA ACTUATION APPARATUS}
본 발명은 지지 구조물 상에서 지지 되는 이동 요소에 대한 위치제어를 제공하는 SMA(shape memory alloy) 액추에이터 와이어의 사용에 관한 것이다.
이동 요소에 대한 위치 제어를 제공하는 다양한 유형의 장치가 있다. 상기 장치에서 SMA 와이어는 액추에이터로서 유리한데, 특히 에너지 밀도가 높아서 SMA 액추에이터에 적용되어야 하는 특정 힘의 크기가 비교적 작다.
SMA 와이어가 액추에이터로 사용되는 공지의 장치 중 한 유형은 카메라이며,특히 소형 카메라이다. 예를 들어, WO-2007/113478은 SMA 액추에이터 와이어가 광축을 따라 카메라 렌즈 요소의 이동을 구동하는 SMA 액추에이션 장치를 개시하며,이미지 센서상의 카메라 렌즈 요소에 의해 형성된 이미지 초점을 맞추는 경우가 그 예이다. 또 다른 예로서 WO-2010/029316과 WO-2010/089529 각각은 카메라 렌즈 요소와 이미지 센서를 포함하는 카메라 유닛의 틸팅을 구동하여 SMA 액추에이션 와이어가 카메라에서 광 이미지 안정화(OIS)를 제공하도록 구동하는데 사용되는 SMA 액추에이션 장치를 개시한다. 틸팅은 진동에 대항하여 이미지 센서상의 카메라 렌즈 요소에 의해 형성된 이미지를 안정화시키도록 제어된다.
본 발명은 SMA 액추에이터 와이어를 사용하여 지지 구조물 상에서 지지 되는 광범위한 유형의 이동 요소에 대한 위치 제어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, SMA 액추에이션 장치는:
지지 구조물;
상기 지지 구조물에 대하여 움직일 수 있도록 하는 방식으로 상기 지지 구조물 상에서 지지 되는 이동 요소; 및
여덟 개의 SMA 액추에이터 와이어를 포함하며, 상기 SMA 액추에이터 와이어는 기본축 주변의 네 개 측 각각에서 SMA 액추에이터 와이어 쌍으로 가상의 기본축에 대해 기울어져 있으며, SMA 액추에이터는 상기 이동 요소와 상기 지지 구조물 사이에 연결되어 수축시 네 개 SMA 액추에이터 와이어 두 그룹이 상기 이동 요소에 작용하는 힘에 상기 기본축을 따라 반대 방향 요소를 제공하며, 각 그룹의 상기 SMA 액추에이터 와이어는 상기 기본축에 대해 2회 회전 대칭으로 배열된다.
그리하여, SMA 액추에이션 장치는 이동 요소의 위치 제어에 복수의 자유도를 제공할 수 있도록 설정된 여덟 개의 액추에이터 와이어를 사용한다. 대부분의 일반적인 경우, SMA 액추에이터는 독립적으로 구동되며, 위치 제어는 다음에 설명하는 모든 자유도를 가지고 이동 요소를 움직이도록 제공될 수 있으며, 자유도는:
기본축을 따르는 움직임; 기본축에 대한 임의 방향의 횡적 움직임; 및 임의 방향 틸팅을 포함한다. 비록 몇몇 실시예에서 구동은 보다 제한된 방식으로 수행될 수 있지만, 일반적으로 상기 SMA 액추에이션 장치는 상기 액추에이터 와이어들에 대한 차별적 조합을 선택적으로 실행하여 다양한 위치 제어를 제공한다.
SMA 액추에이터 와이어의 설정으로 인해 발생하는 위치 제어의 자유도는 다음과 같다. 네 개 SMA 액추에이터 와이어 두 그룹은 상기 이동 요소에 대한 작용력에 반대 방향으로 요소를 제공하여 이 그룹의 공통 실행은 상기 기본축을 따르는 이동을 유발한다. 상기 대칭 배열로 인하여, 각 그룹 내 SMA 액추에이터 와이어 쌍의 차별적 실행은 틸팅 움직임을 유발한다. 게다가 대칭 배열로 인해, 작용력에 기본축의 횡방향으로 요소를 제공하는 SMA 액추에이터 와이어 쌍이 있다. 그러므로, 각 쌍들의 공통 실행은 상기한 횡방향 이동을 유발한다. 따라서, SMA 액추에이터 와이어 결합의 선택적 실행은 차별적 이동을 구동하도록 결합될 수 있다.
일반적으로, SMA 액추에이션 장치는 지지 구조물 상에서 지지 되는 광범위한 유형의 이동 요소에 대한 위치 제어를 제공하는데 사용될 수 있다. 카메라 장치 내에서 일부 비제한적 예를 설명할 것이다.
한 예에서, SMA 액추에이션 장치는 이미지 센서와 이미지 센서에 이미지를 맞추도록 구성된 카메라 렌즈 요소를 포함하는 카메라 유닛의 움직임을 구동하여 카메라에 OIS를 제공할 수 있다. 이 경우, 기본 축은 카메라 렌즈 요소의 광축이 다. SMA 액추에이션 장치는 WO-2010/029316과 WO-2010/089529에 개시된 것과 같은 방식으로 카메라 유닛의 틸팅을 구동하도록 사용될 수 있다. 게다가 SMA 액추에이션 장치는 카메라 유닛의 광축에 대한 횡 이동을 구동하는데 사용될 수 있다. 틸팅은 광축에 직교하는 틸트에 의해 야기되는 흐려짐에 대항하는 안정화를 제공한다. 횡이동은 광축 주위의 틸트에 의해 야기되는 흐려짐에 대항하는 안정화를 제공하는데 추가적으로 사용될 수 있는 것으로 인지되었다. 이 추가적인 OIS는 소형 카메라에 특히 유리한데, 이 경우 상대적으로 이미지 광각들이 특히 광축 주위 틸트에 의해 야기되는 흐려짐에 민감하기 때문이다.
다른 예에서, 상기 SMA 액추에이션 장치는. 카메라에 OIS와 광축을 따르는 카메라 렌즈 요소의 움직임을 제공하는데 사용될 수 있고, 예를 들면 포커싱 (focussing)의 경우이다. 상기 예에서, SMA 액추에이션 장치는 지지 구조물에 고정되는 이미지 센서를 더 포함하는 카메라 장치이며, 이동 요소는 이미지 센서에 이미지를 맞추도록 구성된 카메라 렌즈 요소를 포함한다. 기본축은 카메라 렌즈 요소의 광축이다. SMA 액추에이션 장치는 광축을 따르는 카메라 렌즈 요소의 움직임뿐만 아니라, 광축에 대한 횡이동을 통해 OIS를 제공할 수 있다. 이것은 OIS와 광축을 따르는 카메라 렌즈 요소 움직임을 제공하기 위해 별개의 액추에이션 구성이 사용되는 카메라와 비교하여 전체 사이즈를 줄이기 때문에 유리하다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 독립적으로 제어되는 복수의 SMA 와이어를 사용하는 소형 카메라용 광 이미지 안정화 장치가 제공되며, 각 와이어에 적용되는 전력은 제어되고, 각 와이어의 전기 저항은 제어 가능하게 모니터링되며, 와이어들은 기본 여기를 통해 카메라 모듈에 적용되는 틸트를 일제히 감지하고, SMA 와이어 시스템에 매달린 카메라 모듈의 유효 공진 주파수를 줄이는 방식으로 와이어들을 제어하여 자이로스코프 센서(gyroscope sensor)없이 OIS 기능을 전하도록 제어된 다.
따라서 본 발명에 따르면, SMA 액추에이터 와이어를 사용하여 지지 구조물 상에서 지지 되는 광범위한 유형의 이동 요소에 대한 위치 제어를 제공할 수 있다.
더 나은 이해를 위해, 이제 본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 비제한적인 예로서 설명될 것이다.
도 1 - 도 5는 SMA 액추에이션 장치의 제 1 실시예 - 제 5 실시예에 대한 사시도;
도 6은 SMA 액추에이션 와이어에 대한 제어 회로 다이어그램;
도 7은 제어 회로에 대한 구동 회로 다이어그램;
도 8은 OIS를 제공하는 카메라 장치인 SMA 액추에이션 장치의 도식적 단면도;
도 9는 도 8 또는 도 10의 카메라 장치에 적용되는 제어 회로 다이어그램;
도 10은 OIS와 렌즈 움직임을 제공하는 카메라 장치인 SMA 액추에이션 장치의 도식적인 단면도;
도 11은 SMA 액추에이션 장치의 제 1 구조에 대한 사시도;
도 12는 도 11의 지지 구조물에 대한 사시도;
도 13은 도 11의 이동 요소에 대한 사시도;
도 14는 SMA 액추에이션 장치의 제 2 구조에 대한 사시도;
도 15는 도 14의 지지 구조물에 대한 사시도;
도 16은 도 14의 이동 요소에 대한 사시도;
도 17 및 도 18은 도 14의 하위 부품에 대한 사시도; 및
도 19 및 도 20은 도 17 및 도 18의 하위 부품 조립에 대한 사시도를 도시한다.
SMA 액추에이션 장치(10)에 대한 몇 가지 다른 실시예가 도 1부터 도 5까지 제시되었으며, 이제 설명할 것이다. 각 경우, 이동 요소(11)는 여덟 개의 SMA 액추에이터 와이어(1-8)들에 의해 지지 구조물(12)상에 지지 된다. SMA 액추에이터 와이어(1-8)들의 배열은 다양하나 공통된 요소들은 공통된 참조번호를 갖는다.
이동 요소(11)은 일반적으로 어떠한 형태의 요소라도 가능하다. 이동 요소(11)은 보여진 바와 같이 기본 축 P를 따라 사각 형태를 갖지만 더 일반적으로는 어떠한 형태도 가능하다. 지지 구조물(12)은 도식적으로 표현되었으나, 일반적으로 이동 요소(11)을 지지하는데 적합한 어떠한 형태의 요소도 가능하다. 지지 구조물(12)은 지지 구조물에 대하여 이동 요소(11)가 움직일 수 있는 방식으로 이동 요소를 지지한다. 도 1부터 도 5까지 실시예에서, 이동 요소(11)는 SMA 액추에이터 와이어(1-8)들에 의해 단독으로 지지 구조물(12)상에서 지지되나 원칙적으로 SMA 액추에이션 장치(10)는 지지 구조물(12)상에서 이동 요소(11)를 추가적으로 지지하는 서스펜션 시스템을 포함할 수 있다.
각 SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 각 말단에서 이동 요소와 지지 구조물 중 하나에 각각 연결된 SMA 와이어 조각을 포함하며, 가능하게 중간 요소를 거친다. 기계적인 연결을 제공하는 어떠한 적합한 수단도 사용 가능하며, 예를 들면 접착제를 사용하여 더욱 강화된 크림핑(crimping) 부재가 있다. 게다가 전기적 연결들도 SMA 액추에이터 와이어들에 이루어지는데, 예를 들어 크림핑 부재를 사용하는 경우이다.
각 SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 기본축 P의 가상 반경 라인에 수직한 기본축의 한 측을 따라 연장되며 기본축에 대해 기울어져 있다. 각 SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 팽팽하게 유지되는데, 그 결과 기본축 P를 따르는 방향의 힘의 요소와 기본축 P에 수직인 횡방향 힘의 요소를 적용한다.
SMA 재료는 가열시 고체 상태 상변화를 겪어 SMA 재료를 수축시키는 특질을 갖는다. 저온에서 SMA 재료는 마텐자이트 상(martensite phase)으로 진입한다. 고온에서 SMA는 오스테나이트 상(austenite phase)에 진입하여 SMA 재료 수축을 야기하는 변형을 유발한다. 상변화는 SMA 결정 구조에서 전이 온도의 통계적인 범위에 기인하는 온도 영역에 걸쳐 발생한다. 따라서 SMA 액추에이터 와이어(1-8)에 대한 가열은 길이 감소를 불러 온다. SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 어떠한 적합한 SMA 재료로도 만들어질 수 있으며, 예를 들면 니티놀(nitinol) 또는 또 다른 티타늄 합금 SMA 재료이다. 바람직하게, SMA 액추에이터 와이어(1-8) 재료 구성 요소 및 전처리는 일반적인 작동을 하는 동안 주변의 예상 온도보다 높은 온도 영역에 걸쳐 상변화를 제공하도록 선택되며, 최대한의 위치 제어를 위해 가능하면 광범위하게 선택된다.
SMA 액추에이터 와이어(1-8) 중 어느 하나를 가열할 때, 응력은 증가하고 수축한다. 이것은 이동 요소(11)의 움직임을 야기한다. 움직임 범위는 SMA 온도가 마텐자이트 상에서 오스테나이트 상으로 SMA 재료 전이가 발생하는 온도 영역보다 증가함에 따라 발생한다. 역으로, SMA 액추에이터 와이어(1-8) 중 어느 하나를 냉각하여 응력이 줄어들 때, 액추에이터 와이어(1-8)에 대항하는 힘에 의해 확장한다. 이로 인해 이동 요소(11)는 반대 방향으로 움직일 수 있다.
광축 0를 따라 지지 구조물(12)에 대한 이동 요소(11)의 위치는 SMA 액추에이터 와이어(1-8)의 온도를 변화시켜 제어할 수 있다. 이것은 SMA 액추에이터 와이어(1-8)를 통해 저항 가열을 제공하는 구동 전류를 통과시켜 달성된다. 가열은 구동 전류에 의해 즉각 제공된다. 냉각은 구동 전류를 줄이거나 중단하여 이동 요소 (11)가 주변으로 열을 전도하여 냉각되도록 한다.
도 1에 나타난 SMA 액추에이션 장치(10)의 제 1 실시예는 다음과 같다.
SMA 액추에이터 와이어(1-8) 중 두 개는 기본축 P 주변의 네 개 측 각각에 구성된다. 각 측 SMA 액추에이터 와이어(1-8)중 두 개는, 예를 들면 SMA 액추에이터 와이어 1과 2, 서로에 대해 반대 느낌으로 기울어져 있고, 보여지는 바와 같이 기본축 P로부터 수직이고, 상호 교차되어 있다. SMA 액추에이터 와이어(1-8)가 구성된 네 개 측은 기본축 P 주변에서 루프로 연장된다. 본 예시에서, 기본축 P를 따라 보여지는 바와 같이 각 측은 수직이고 따라서 정사각형을 형성하지만, 선택적으로 각 측은 다른 형태의 사각형을 취할 수 있다. 본 실시예에서, SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 이동 요소(11)의 바깥 면에 평행하므로 SMA 액추에이션 장치(10)를 편리하게 패키징할 수 있지만 필수적인 사항은 아니다.
각 측 SMA 액추에이터 와이어(1-8)중 두 개는 이동 요소(11)와 지지 구조물 (12)에 연결되어 있어서, 이동 요소(11)에 대한 작용력에 기본축 P를 따르는 같은 방향 요소를 제공할 수 있으며, 이것은 연결 부분에서 교호된다. 따라서 반대 측 SMA 액추에이터 와이어(1-4)는 한 방향(도 1에서 하강 방향)으로 힘을 제공하는 그룹을 형성하고 다른 대항 측 SMA 액추에이터 와이어(5-8)는 반대 방향(도 1에서 상승 방향)으로 힘을 제공하는 그룹을 형성한다.
SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 대칭 배열되어 길이와 경사각도가 같아서, SMA 액추에이터 와이어(1-4) 그룹과 SMA 액추에이터 와이어(5-8) 그룹 둘 다 각각 기본축 P에 대해 2회 회전 대칭으로 구성된다(즉 SMA 액추에이터 와이어 (1-8)와 이동 요소(11)의 사각면에 대해서 수직이다). SMA 액추에이터 와이어(1-4) 그룹과 SMA 액추에이터 와이어(5-8)그룹은 기본축 P를 따라 같은 위치에 제공된다.
이와 같은 대칭 배열의 결과, SMA 액추에이터 와이어(1-8)의 다른 결합이, 선택적으로 작동될 때, 복수의 자유도를 갖는 이동 요소(11)의 움직임을 구동할 수 있으며, 다음과 같다.
SMA 액추에이터 와이어(1-4) 그룹과 SMA 액추에이터 와이어(5-8) 그룹은 공통 실행시 기본축 P를 따라 움직임을 구동한다.
각 그룹 내에서, 반대 측 SMA 액추에이터 와이어(예를 들어 한편은 SMA 액추에이터 와이어(1-2) 다른 한편은 SMA 액추에이터 와이어(3-4))가 차별적으로 작동될 때 기본축 P에 대해 수직인 횡축에 대한 틸팅을 구동한다. 2개 횡축에 대한 틸트의 선형 결합을 통해 어떠한 임의 방향의 틸팅도 달성 가능하다.
각 그룹 내에서, 평행한 SMA 액추에이터 와이어(예를 들어 한편은 SMA 액추에이터 와이어 1과 4 다른 한편은 SMA 액추에이터 와이어 2와 3)가 공통 실행될 때, 기본축 P에 대해 수직인 횡축을 따르는 움직임을 구동한다. 두 횡축을 따르는 움직임의 선형 결합을 통해 기본축 P에 대해 수직인 어떤 임의 방향 움직임도 달성될 수 있다.
도 2에 나타난 SMA 액추에이션 장치(10)의 제 2 실시예는 다음과 같다. SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 제 1 실시예와 동일하게 설정된다. 그러나 SMA 액추에이션 장치(10)는 이동 요소의 각 측에 구성된 피벗부(13)를 추가적으로 포함한다. 각 측 SMA 액추에이터 와이어 중 2개는, 예를 들어 SMA 액추에이터 와이어 1과 2, 피벗부(13)에 각각 연결되어 있고, 따라서 이동 요소(11)에 간접적으로 연결된다. 피벗부(13)는 연결된 SMA 액추에이터 와이어(1-8) 중 2개 사이의 중간 위치에서 이동 요소(11)에 각각 피벗 연결되어 있다. 따라서 피벗부(13)는 SMA 액추에이터 와이어 (1-8)중 2개와 이동 요소(11) 사이에 피벗을 제공하여, SMA 액추에이터 와이어 (1-4)의 한 그룹(또는 SMA 액추에이터 와이어(5-8) 그룹)이 다른 SMA 액추에이터 와이어(5-8)그룹(또는 SMA 액추에이터 와이어(1-4) 그룹)으로부터의 방해 없이 이동 요소(11)의 틸팅을 구동하도록 할 수 있다.
SMA 액추에이션 장치(10)의 제 2 실시예는 제 1 실시예와 동일한 방식으로 작동된다.
SMA 액추에이터 와이어(1-8)의 다른 배열도 가능하며 이 경우 두 그룹은 기본축 P를 따르는 움직임을 구동하고 각각 기본축 P 주변에서 2회 회전대칭을 가지며, 예는 다음과 같다.
도 3에 나타난 SMA 액추에이션 장치(10)의 제 3 실시예는, SMA 액추에이터 와이어(1-4) 그룹과 SMA 액추에이터 와이어(5-8) 그룹이 기본축 P를 따라 독립된 위치에 제공된다는 점을 제외하고, 제 1 실시예와 같다. SMA 액추에이션 장치(10)의 제 3 실시예는 제 1 실시예와 동일한 방식으로 작동된다.
도 4에 나타난 SMA 액추에이션 장치(10)의 제 4 실시예는 다음과 같다.
제 4 실시예는 제 1 실시예와 마찬가지로 같은 위치에서 기본축 P의 4개의 수직면 각각에 배열된 SMA 액추에이터 와이어(1-8)를 포함하지만, 이동 요소(11)와 지지 구조물에는 다르게 연결되어 있다. 따라서, 각 측의 SMA 액추에이터 와이어(1-8) 중 하나는 기본축 P를 따라 같은 방향으로 이동 요소(11)에 힘을 제공한다. 특히, SMA 액추에이터 와이어(1,3,5,7)는 한 방향(도 4에서 상승 방향)으로 힘을 제공하는 그룹을 형성하고, 다른 SMA 액추에이터 와이어(2,4,6,8)는 반대 방향(도 4에서 하강 방향)으로 힘을 제공하는 그룹을 형성한다.
SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 길이와 경사각도가 동일한 대칭 배열을 가지므로, SMA 액추에이터 와이어(1,3,5,7) 그룹과 SMA 액추에이터 와이어(2,4,6,8) 그룹은 둘 다 각각 기본축 P에 대해 2회 회전 대칭으로 배열된다(즉, 인접면의 SMA 액추에이터 와이어(1-8) 사이 그리고 이동요소의 사각형의 대각선을 가로지르는 각을 양분한다).
이 대칭 배열의 결과, SMA 액추에이터 와이어(1-8)의 차별적 결합이 선택적으로 실행될 때, 복수의 자유도를 가진 이동 요소(11)의 움직임을 구동할 수 있으며, 다음과 같다.
SMA 액추에이터 와이어(1,3,5,7) 그룹과 SMA 액추에이터 와이어(2,4,6,8) 그룹은 공통 실행될 때 기본축 P를 따르는 움직임을 구동한다.
각 그룹 내에서, SMA 액추에이터 와이어 인접쌍(예를 들어 한편은 SMA 액추에이터 와이어(1,7), 다른 한편은 SMA 액추에이터 와이어(3,5))이 차별적으로 작동할 때 기본축 P에 대해 수직인 횡축에 대한 틸팅을 구동할 수 있다. 2개 횡축에 대한 틸트를 선형 결합하여 어떠한 임의 방향 틸팅도 달성 가능하다.
4개 SMA 액추에이터 와이어 셋트는, 각 그룹의 2개 SMA 액추에이터 와이어를 포함하여,(예를 들어 한편은 SMA 액추에이터 와이어(1,2,7,8)이고 다른 한편은 SMA 액추에이터 와이어(3-6)), 공통 실행시 기본축 P에 대해 수직인 횡축을 따르는 움직임을 구동한다. 2개의 횡축을 따르는 움직임을 선형 결합하여 기본축 P에 대해 수직인 어떠한 임의 방향 움직임도 달성 가능하다.
도 5에 나타난 SMA 액추에이션 장치(10)의 제 5 실시예는 다음과 같다.
제 5 실시예는 각 측 SMA 액추에이터 와이어(1-8) 중 하나의 경사를 제외하고는 제 4 실시예와 유사하며, SMA 액추에이터 와이어(2,4,6,8)는 역전되어 동일 측의 다른 하나의 SMA 액추에이터 와이어(1-8)에 대해 평행하고, 즉 SMA 액추에이터 와이어(1,3,5,7)에 대해 평행하다.
그러므로 제 5 실시예는 동일한 SMA 액추에이터 와이어 그룹을 포함하며, 즉 SMA 액추에이터 와이어(1,3,5,7) 그룹과 SMA 액추에이터 와이어(2,4,6,8) 그룹이 공통 실행될 때 기본축 P를 따르는 방향으로 힘을 제공하고, 제 4 실시예와 마찬가지로 차별적으로 실행될 때 틸트를 제공한다. 유사하게, 4개 SMA 액추에이터 와이어 셋트는, 각 그룹의 2개 SMA 액추에이터 와이어를 포함하여,(예를 들면 한편은 SMA 액추에이터 와이어 1,4,6,7이고 다른 한편은 SMA 액추에이터 와이어 2,3,5,8) 공통 실행시 기본축 P에 대해 수직인 횡축을 따르는 움직임을 구동한다. 2개의 횡축을 따르는 움직임을 선형 결합하여 기본축 P에 대해 수직인 어떠한 임의 방향 움직임도 달성 가능하다.
지금부터 SMA 액추에이터 와이어(1-8)의 제어에 대해 더 설명하고자 한다.
도 6에 나타난 바와 같이 제어 회로(20)는 SMA 액추에이터 와이어(1-8) 각각에 대한 구동 신호를 생성한다. 제어 회로(20)는 이동 신호(21)에 의해 설정되는 이동으로부터 구동 신호를 끌어낸다. 한 이동 신호는 기본축 P를 따라 설정되는 이동 x를 나타낸다. 다른 이동 신호는 기본축 P에 대해 수직인 횡축을 따라 설정되는 이동 y,z를 나타낸다. 또 다른 이동 신호는 설정되는 틸트 q1, q2. 를 나타낸다.
이동 신호(21)는 매트릭스 컨트롤러(22)에 공급되어 프로세서나 하드웨어에서 구현될 수 있다. 매트릭스 컨트롤러(22)는 이동 신호(22)에 근거하여 각 SMA 액추에이터 와이어(1-8)에 대한 제어 신호를 생성한다. 이 경우 각 SMA 액추에이터 와이어(1-8)가 각 자유도를 가진 움직임을 달성하는데 필요한 수축과 연관된 매트릭스 계산을 한다. 따라서 매트릭스 계산은 SMS 액추에이션 장치(10)에서 SMA 액추에이터 와이어(1-8)의 실제 설정을 나타내며 전술한 제 1 실시예부터 제 5 실시예까지 각각에 대해 다르다.
각 자유도를 가진 움직임에 대하여, 제 1 실시예부터 제 5 실시예까지 각각에 대해 전술한 바와 같이, 수축시 반대 방향 움직임을 구동하는 SMA 액추에이터 와이어(1-8) 셋트가 있다. 제어 신호는 이동 신호(21) 각각에 대해 상기 셋트의 차별적 수축을 공급한다. 따라서 이동 신호(21)들 중 하나에 의한 임의의 자유도에서 대항하는 SMA 액추에이터 와이어 2개 셋트에 대한 제어 신호가 해당 자유도에서 차등 변위를 제공하기 위해 생성된다. 실질적으로 이것은 각 셋트에 대한 제어 신호가 해당 자유도를 가지고 요구되는 움직임을 나타내는 차별적 요소를 갖는다는 것을 의미한다.
차별적 이동 신호(21)에 의한 차별적 자유도를 가진 움직임으로부터 야기되는 SMA 액추에이터 와이어(1-8) 각 셋트의 차별적 수축을 나타내는 차별적 요소는 선형적으로 추가될 수 있다. 이 경우, 임의의 자유도를 포함한 어떠한 움직임도 SMA 액추에이터 와이어(1-8)의 적절한 조합을 선택적으로 실행시키는 제어 신호로 변환될 수 있다.
이와 같은 차별적 요소는 SMA 재료의 이력 현상과 같은 비선형 효과를 보정하는 다양한 보정 알고리즘에 의해 수정될 수 있다.
게다가, 제어 신호는 SMA 액추에이터 와이어(1-8)에서 설정된 응력을 나타내는 공통 요소를 포함한다. 각각의 SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 서로 응력을 제공하며, 이 응력은 SMA 액추에이터 와이어(1-8)에 대한 가열을 달리하여 제어될 수 있다. 이로 인해 SMA 액추에이터 와이어(1-8)의 응력 사이클을 적극적으로 제어할 수 있다. SMA 액추에이션 장치(10)는 응력의 범위는 최소화하는 반면, SMA 액추에이터 와이어(1-8)에서 상대적으로 높은 응력을 발생시키도록 설정된다. 높은 응력은 SMA 재료에서의 응력이 수축을 불러일으키기에 충분할 때 온도를 상승시킨다. 그러므로 공통 요소는 주변 온도에 반응하여 달라질 수 있으며, 그것은 온도 센서(미도시) 혹은 SMA 액추에이터(1-8)의 측정된 전기적 파라미터들에 의해 결정될 수 있으며, 주변온도를 상승시키면서 증가된다. 반대로 말하면, 변형률의 큰 변화에 대해 응력 범위를 작게 유지하여 피로 효과를 최소화시키는 잇점이 있다. 응력 범위를 최소화하면 SMA 재료를 상 변화시키고 수축시키는데 요구되는 구동력을 최소화할 수 있는 효과도 가진다.
각 SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 매트릭스 컨트롤러(22)에 의해 해당 SMA 액추에이터 와이어(1-8)에 대한 제어 신호를 공급받는 구동 회로(23)에 각각 연결되어 있다. 구동 회로(23)는 제어 신호에 따라 구동 신호를 생성하고 SMA 액추에이터 와이어(1-8)에 구동 신호를 공급한다. 구동 회로(23)는 단일 SMA 액추에이터 와이어(1)가 도시된 도 7에 나타난 바와 같은 배열을 갖는다.
구동 회로(23)는 매트릭스 컨트롤러(22)로부터 제어 신호를 공급받는 드라이브 컨트롤러(24)를 포함하며 저항 피드백을 사용하여 드라이버(25)를 제어한다. 드라이버 컨트롤러(24)는 프로세서에서 구현될 수 있다. 비록 매트릭스 컨트롤러(22)와 드라이브 컨트롤러(24)는 이해하기 쉽게 분리된 요소로 묘사되었지만 공통된 프로세서에서 구현될 수 있다.
드라이버(25)는 SMA 액추에이터 와이어(1)에 구동 전류를 공급하도록 연결되어 있다. 드라이버(25)는 정전압 전류원 또는 정전류 전류원일 수 있다. 예를 들면, 후자의 경우 정전류는 120mA 상태로 가능하다.
구동 회로(23)는 SMA 액추에이터 와이어(1)의 저항을 검출하기 위해 구성된검출 회로(26)를 더 포함한다. 드라이버(25)가 정전류 전류원인 경우, 검출 회로 (26)는 SMA 액추에이터 와이어(1)의 저항의 척도인 SMA 액추에이터 와이어(1)를 가로질러 전압을 검출하기 위해 작동 가능한 전압 검출 회로임이 가능하다. 드라이버(25)가 정전압 전류원인 경우, 검출 회로(26)는 전류 검출 회로임이 가능하다. 고도의 정확도를 위해 검출 회로(26)는 SMA 액추에이터를 가로질러 전압과 전류를 모두 검출하고 그 비율로 저항의 척도를 유도하도록 작동 가능한 전압 검출 회로와 전류 검출 회로를 포함할 수 있다.
드라이브 컨트롤러(24)는 PWM(pulse-width modulated) 전류를 공급할 수 있게 드라이버(25)를 제어하도록 구성된다. 드라이브 컨트롤러(24)는 검출 회로(26)에 의해 측정된 저항을 받고, 전체 제어 신호에 의한 요구에 맞추어 SMA 액추에이터(31)를 실행하도록 드라이버(26)의 PWM 듀티 사이클을 제어하기 위해 그것을 폐쇄 루프 제어 알고리즘에서 피드백 신호로 사용한다. 폐쇄 루프 제어는 비례적으로 가능하다.
위치와 관련된 피드백 파라미터로서 SMA 액추에이터 와이어(1)의 전기 저항을 사용하여, 기능적 움직임 영역을 넘어서 SMA 재료의 수축과 확장은 그 전기 저항과 대략 선형적이다. 이력 현상과 크리프를 포함한 비선형성은 어느 정도 발생한다. 이 점은 무시될 수도 있으나, 더 나은 선형성을 위해서, 이 점들은 폐쇄 루프 제어 알고리즘 내에서 처리될 수 있다.
비록 SMA 액추에이션 장치(10)를 광범위한 형태의 이동 요소(11)에 대한 위치 제어를 제공하도록 사용할 수 있지만, SMA 액추에이션 장치가 카메라 장치인 몇몇의 비선형적 예들을 이제부터 설명할 것이다.
제 1 예에서, SMA 액추에이션 장치(10)는 도 8에 도식적으로 나타난 바와 같이 OIS를 수행하도록 구성된 카메라 장치이며, 도 8은 단면도로서 카메라 장치의 광축인 기본축 P를 따라 절단되었다. 카메라 장치는 이동 전화, 미디어 플레이어, 또는 개인 휴대 정보 단말기(portable digital assistant, PDA)와 같은 휴대용 전자 디바이스에서 구현될 것이다. 따라서 소형화는 중요한 설계 기준이다.
이동 요소(11)는 카메라 유닛으로, 실용적 카메라이며 이미지 센서(30)와 카메라 렌즈 요소(31)를 포함하며, 지지 구조물(12)은 제어 회로(20)가 구현된 IC(integrated chip) 칩(34)의 위치상에서 카메라를 지지하는 것이다.
이동 요소(11)는 이미지 센서(30)가 탑재되어 연결된 바닥 표면에서 인쇄 회로 기판(PCB,32)을 포함한다. 카메라 렌즈 요소(31)는 PCB(32)위의 캔(33)에 의해 지지되며, 이미지 센서(30)로 이미지를 맞추도록 구성된다. 이미지 센서(30)는 이미지를 획득하고 예를 들어 CCD(charge-coupled device) 또는 CMOS(complimentary metal-oxide-semiconductor) 디바이스와 같은 어떠한 적절한 형태로도 가능하다. 카메라 유닛은, 카메라 렌즈 요소(31)가 최대 10mm 직경 렌즈를 하나 혹은 그 이상 포함한 소형 카메라이다.
이하 더 설명하는 바와 같이, 이동 요소(11)를 완전히 움직여 OIS를 제공하며 이것은 카메라 유닛의 내부 구성이 이와 같은 목적으로 채택될 필요는 없다는 장점을 제공한다. 따라서, OIS 기능에 관계없이, 카메라 유닛은 기능적으로 표준 카메라일 수 있고 요구되는 광성능을 제공하기 위한 어떤 구성도 가능하며, 예를 들어 단일 렌즈 혹은 복수의 렌즈를 포함할 수 있고 고정 초점 혹은 가변 초점을 제공할 수 있다.
본 예에서, 이동 요소(11)를 틸팅하여 OIS를 제공하나, 광축인 기본축 P에 대해 수직인 횡축을 따라 이동 요소(11)를 움직여서 OIS를 제공하는 것도 가능 하다. 따라서 SMA 액추에이션 장치는 틸팅에 의해서만 OIS를 제공하는 카메라에 비해 장점을 갖는다. 이 점은 소형 카메라용 OIS 시스템이 더 큰 디지털 스틸 카메라의 그것과는 다른 방법으로 사용될 것이라는 인식에 기반한다. 이 의견은 현재 시장에서 인식되지 않은 것으로 알려져 있다. 원칙적으로 디지털 스틸 카메라용 OIS 시스템은 카메라에서 멀리 떨어진 물체의 망원 이미지를 찍을 때 이미지 흔들림을 방지하는데 사용되었다. 이와 같은 경우, 광축에 직교하는 축에 대한 카메라 틸트는 이미지 흔들림의 주요 원인이다.
그러나 소형 카메라의 경우, 광학줌은 현재 사용되지 않으며 이미지들은 광각이다(예를 들어 전형적으로 60도 시계). 상기 경우, 이미지에 대한 더 넓은 앵글은 광축과 직교하는 것은 물론, 광축 주위의 틸트에 의해 더욱 흐려지기 쉽다. 소형 카메라용 OIS는 실내의 저조도 이미지를 개선할 수 있도록 노출시간을 더 길게 허용한다는 장점을 갖는다. 이 점은 소형 카메라에 특히 중요한데, 픽셀과 렌즈가 아주 작아서 소수의 빛의 광자만이 카메라에 진입하여 픽셀에 의해 감지되기 때문이다. 따라서 OIS 시스템은 저조도 환경에서 이미지 품질을 개선하는 효과를 가지며, 소형 카메라가 더 큰 카메라처럼 보이도록 한다. 또한 카메라의 비디오 모드에서의 흔들림을 줄일 때에도 OIS 시스템을 사용한다.
따라서 일반적인 2개보다 3개의 직교축(광축을 포함)에서 틸트를 보정하는 것은 매우 유리하다. 이 결과는 고객 사양에는 현재 반영되어 있지 않다. 그러나 SMA 액추에이션 장치(10)는 이 결과를 사용하여 3개의 직교축에서 카메라의 동적 틸트를 적극적으로 보정할 수 있는 액추에이터 구성을 제공한다.
또한 큰 이미지의 경우 카메라의 횡이동에 의해 야기되는(틸트와는 대조적으로) 이미지 흐려짐 현상도 중요할 수 있다는 점을 주목해야 한다. 이 문제를 방지하기 위한 여러 가지 방법들이 있으며, 그 중 한가지는 가속도계로 이 횡이동을 감지하고 유발된 틸트로 그것을 보정 하는 것이고, 그것은 카메라의 자동 초점 상태에 연관되어 카메라로부터 물체까지 거리에 대한 정보를 제공한다. 이것은 횡이동을 보정 하기 위해 필요한 틸트가 카메라로부터 물체까지 거리와 연관되어 있기 때문이다.
한가지 대안은 노력을 통해, 유발된 선형 움직임을 보정할 수 있도록 카메라를 횡이동 시키는 추가 자유도를 제공할 수 있는 작동 메카니즘을 공급하는 것이 다. SMA 액추에이션 장치(10)는 이와 같은 추가 자유도가 가능하다.
SMA 액추에이션 장치(10)의 제어 회로(20)는 도 9에 나타난 바와 같이 OIS 기능을 제공하도록 맞추어진다.
제어 회로(20)는 추가적으로 이동 요소(11)의 각속도를 나타내는 신호를 출력하는 자이로스코프 센서(27)을 포함하며, 그렇게 함으로써 SMA 액추에이션 장치(10)가 겪는 진동을 검출하는 진동 센서 역할을 한다. 자이로스코프 센서(27)는 전형적으로 소형 자이로스코프의 쌍이고, 광축 주변은 물론 서로에 대해 그리고 광축에 대해 수직인 2개의 축 주변의 진동을 검출하며, 일반적으로 더 많은 수의 자이로스코프나 다른 형태의 진동 센서도 사용 가능하다.
자이로스코프 센서(27)의 출력신호는 프로세서 내에서 구현될 수 있는 OIS 컨트롤러(28)에 공급된다. 비록 이해하기 쉽도록 매트릭스 컨트롤러(22)와 OIS 컨트롤러(28)를 독립 요소로 표현하였지만 공통된 프로세서 내에서 구현되는 것도 가능하다. OIS 컨트롤러(28)는 전체적으로 SMA 액추에이션 장치(10)의 움직임을 보정하는데 필요한 이동 요소(11)의 움직임을 나타내는 이동 신호(21)를 끌어낸다. 이것은 요구되는 틸트 q1, q2를 나타내고 기본축 P에 대해 수직인 횡축을 따라 요구되는 이동 y,z를 나타내는 이동 신호(21)를 포함한다. 이 예에서, 기본축 P를 따르는 움직임은 필요하지 않으며, 따라서 기본축 P를 따라 요구되는 움직임 x를 나타내는 이동 신호(21)는 사실상 변하지 않거나 사용되지 않을 수도 있다.
자이로스코프 센서(27)가 지지 구조물(12)에 탑재됨에 따라, 출력 신호는 지지 구조물(12)의 진동을 대표한다. 상기한 진동은 항상 존재할 것이며 OIS는 반대의 이동 요소(11) 틸팅에 의해 영향을 받는다. 따라서 OIS 컨트롤러(28)는 자이로스코프 센서(27)에 의해 측정되는 실제 틸트에 반대하여 요구되는 움직임을 제공하는 이동 신호(21)를 생성한다.
제 2 예에서, 도 10의 단면도에 도시된 바와 같이, SMA 액추에이션 장치(10)는 OIS 기능과 광축을 따르는 렌즈 요소의 움직임을 수행하도록 구성된 카메라 장치이며 단면은 광축인 기본축 P를 따르는 절단면이다. 카메라 장치는 이동 전화, 미디어 플레이어, 또는 PDA와 같은 휴대용 전기 디바이스에서 구현될 것이다. 따라서 소형화는 중요한 설계 기준이다.
지지 구조물(12)은 제어 회로(20)가 구현된 IC 칩(42) 상의 이미지 센서(40)를 지지하며 카메라를 지지한다. 이동 요소(11)는 이미지를 이미지 센서(40)로 맞추도록 구성된 카메라 렌즈 요소(11)를 포함한다. 이미지 센서(40)는 이미지를 획득하고 예를 들면 CCD(charge-coupled device) 또는 CMOS(complimentary metal-oxide-semiconductor)디바이스와 같은 어떠한 적합한 형태로도 가능하다. 카메라 장치는 카메라 렌즈 요소(41)가 최대 10mm 직경 렌즈를 하나 혹은 그 이상 가지는 소형 카메라이다.
본 실시예에서, 카메라 렌즈 요소(41)를 광축의 횡으로 이동시켜 OIS를 제공한다. 추가적으로, 예를 들면 포커싱을 제공하기 위해, 카메라 렌즈 요소(41)는 광축을 따라 움직일 수도 있다. 따라서 SMA 액추에이션 장치(10)에서 OIS 기능과 이동 기능이 결합된다.
OIS 기능을 제공하기 위해 SMA 액추에이터 와이어를 사용하는 알려진 많은 방법들에서, 예를 들면 WO-2010/029316과 WO-2010/089529에 개시된 것처럼, 주로 강체로서, 렌즈 요소와 이미지 센서를 포함하는 전체 카메라 유닛을 틸팅하여 OIS를 제공한다. 사용자 손떨림을 보정하는 이 방법은 원칙적으로 가장 훌륭한 OIS 성능을 제공하는데, 왜냐하면 렌즈 요소를 이미지 센서에 맞추어 조정하는 것은 소형 카메라에서는 어렵고 제작 공차(manufacturing tolerance)가 매우 엄격하기 때문이다. 게다가, 보정되는 사용자 손떨림은 근본적으로 카메라에게 틸트이므로, 따라서 보정 또한 카메라를 틸트시켜야만 한다는 것을 직관적으로 알게 한다. 그러나 본 실시예에서, 다른 여러 가지 문제들을 완화시키기 위해 OIS는 다르게 실행된다.
첫째, 소형 카메라는 전형적으로 이동 전화와 같은 다기능제품에 사용된다. 이와 같은 현대의 전화기에서, 확장 현실(augmented reality)과 게임을 포함한 다양한 기능을 수행하기 위해, 일반적으로 전화기에 자이로스코프와 가속도계를 패키징하는 일이 증가하고 있다. OIS 센싱 기능을 포함하는 다기능 수행 제품에서 하나의 자이로 패키지를 사용하는 것이 바람직하다. 이 방식에서 비용은 절감된다. 일반적으로, 기술하는 시점에, 상기한 바와 같은 자이로스코프의 가격은 대략 2$정도이며, OIS 액추에이터 메카니즘은 아마 이보다 낮을 것이다. 따라서 카메라에 자이로를 패키징하지 않고 장치(10)의 마더보드 위에 탑재하는 것이 훨씬 유리하며, 따라서 다른 기능으로도 사용할 수 있다. 이것은 카메라의 OIS 기능에 대한 실질적 추가 비용을 절감한다.
둘째, 상기 첫번째 요점과 관련하여, 전화기에 대한 자이로 패키징을 피하 면, 카메라를 더 작게 만들 수 있으며, 사각 풋프린트를 가질 수 있다. 이것은 유연한 전화 구조에서 OIS 기능이 없는 카메라를 OIS 기능을 가진 카메라로 쉽게 교환하도록 한다. 상업적으로, 자이로 오프-카메라를 패키징하는 것이 바람직하며, 결과 중 하나는 카메라 틸트에 대한 단순 폐쇄 루프 피드백이 상실된다는 것이다. 이것은 둘 다 OIS 성능을 악화시키며, 그러나 OIS 기능을 제공하는 액추에이터 구조에 대한 가능성을 넓힌다.
본 발명이 경감시킬 것으로 보이는 카메라 틸팅 구조와 관련하여 세 가지 문제가 더 있다.
제 1 문제는 '카메라 틸트' 방법에 대한 것으로, 고정된 카메라 구조와 관련하여, 이미지 센서는 움직인다. 이것은 이미지 센서에서 카메라의 고정 구조물까지 그리고 이동 전화 마더보드로 전기적 연결 경로를 형성할 때 심각한 어려움을 제공한다. 연성 회로 기판(FPC's) 주변에서 연결 경로를 형성하는 상기 핵심에 대한 해결책들은, 수많은 연결들과 높은 데이터 속도 때문에, FPC 설계에 있어서 여전히 문제로 남는다. 따라서, 이미지 센서는 정지되고 고정되는 것이 바람직하다.
제 2 문제는 카메라 틸트 방법이 주변 지지 구조물 안에서 틸트해야만 하는 지지 구조물을 가지며, 최소한으로 렌즈와 이미지 센서를 포함하는 카메라 구조가 있다는 것을 암시한다는 것이다. 왜냐하면 카메라는 유한한 풋프린트를 가지며, 카메라 틸트는 OIS 카메라의 카메라 두께(높이)가 OIS 기능이 없는 동등한 카메라보다 커야 한다는 것을 의미하기 때문이다. 이동 전화에서, 카메라 높이를 최소화하는 것이 아주 바람직하다.
제 3 문제는 전체 카메라를 틸팅함으로써, OIS 기능이 없는 카메라의 그것에 비해 카메라의 풋프린트를 증가시키지 않고 틸팅 작동장치를 패키징하는 것이 어렵다는 것이다.
결과적으로, 본 실시예에서, '렌즈 이동'으로 명칭되어, 렌즈 요소는 2개의 직교 방향으로 선형적으로 이동되며, 둘 다 광축에 대해 직교한다. 결과적으로 이미지 보정은 사용자 손떨림을 전체적으로 반전시키지는 않지만, 그러나 성능은 충분히 훌륭한 것으로 추정되며, 특정 제약 조건은 위에서 설명되었다. 게다가 이 점은 광축을 따르는 렌즈의 움직임이 동일한 SMA 액추에이션 장치와 달성되도록 한다. 이로 인해, OIS와 광축을 따르는 이동에 별개의 메카니즘을 사용하는 것과 비교하여, 사이즈가 줄어든다.
SMA 액추에이션 장치(10)의 제어 회로(20)는 도 9에 제시된 바와 같고 도 8뿐만 아니라 도 10에서 예를 들어 보여준 OIS 기능을 제공한다. 그러나 이 경우 작동은 다음과 같다.
제어 회로(20)는 추가적으로 자이로스코프 센서(27)를 포함하여 이동 요소 (11)의 각속도를 나타내는 신호를 출력하며, SMA 액추에이션 장치(10)가 겪는 진동을 검출하는 진동 센서 역할을 수행한다. 자이로스코프 센서(27)는 일반적으로 소형 자이로스코프 쌍이며, 서로에 대해 그리고 광축에 대해 수직인 두 개축 주변의 진동을 감지하며, 일반적으로 더 많은 숫자의 자이로스코프나 다른 형태의 진동 센서도 사용가능하다.
자이로스코프 센서(27)로부터 출력되는 신호는 프로세서 내에서 구현될 수 있는 OIS 컨트롤러(28)에 공급된다. 비록 이해하기 쉽도록 매트릭스 컨트롤러(22)와 OIS 컨트롤러(28)는 독립된 요소로 표현되었지만, 공통된 프로세서 내에서 구현되는 것도 가능하다. OIS 컨트롤러(28)는 전반적으로 SMA 액추에이션 장치(10)의 움직임을 보정하는데 필요한 이동 요소(11)의 움직임을 나타내는 이동 신호(21)을 끌어낸다. 이것은 기본축에 대해 수직인 횡축들을 따라 요구되는 움직임 y,z를 나타내는 이동 신호(21)를 포함한다. OIS 컨트롤러(28)는 광축 즉 기본축 P를 따라 요구되는 움직임을 나타내는 이동 신호 역시 생성한다. 렌즈 요소(41)의 설정에 따라, 이것은 포커싱을 제공하거나 또는 시계(field of view)를 바꿀 수 있다. 이 요구되는 움직임은 사용자 입력에 의해 선택될 수 있다. 다른 방법으로, 요구되는 움직임은 자동 초점 알고리즘(auto-focussing algorithm)으로부터 끌어낼 수도 있으며, 예를 들어 이미지 센서(40)의 출력에 기반한다. 본 실시예에서, 틸팅 움직임은 필요없으며 따라서 요구되는 틸트 q1, q2를 나타내는 이동 신호(21)는 사실상 고정되거나 사용되지 않는다.
자이로스코프(27)가 지지 구조물(12)에 탑재됨에 따라 출력 신호는 지지 구조물(2)의 진동을 대표한다. 상기한 진동은 항상 존재할 것이며 OIS는 반대의 카메라 렌즈 요소(41) 이동에 의해 영향을 받는다. 따라서 OIS 컨트롤러(28)는 자이로스코프 센서(27)에 의해 측정된 실제 틸트와 반대로 요구되는 움직임을 제공하는 이동 신호(21)를 생성한다.
도 8 및 도 10의 제 1 예와 제 2 예 둘 다, SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 OIS를 제공하기에 충분한 응답 속도를 제공받을 수 있다. 일반적으로 각 SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 비례적으로 구동되어 10Hz까지, 20Hz까지 혹은 30Hz까지 주파수 대역폭에 대해 위치를 제어할 수 있다. 액추에이터로서 SMA의 인지된 단점은 느린 응답 시간이다. SMA 재료가 열적으로 구동되기 때문에, 응답시간은 달성가능한 온도변화에 의해 제한되며 열 전도성, 특정 열용량 및 열 질량과 관련된다.
SMA 액추에이터 와이어(1-8)의 가열은 구동 전류의 전력을 증가시켜 증가될 수 있는 반면, 냉각은 SMA 액추에이터 와이어(1-8)의 두께에 의존한다. 이 두께는 냉각시 요구되는 응답 시간을 제공하기 위해 선택된다. 예를 들면, SMA 액추에이터 와이어(1-8)의 두께가 25㎛라면, 현재 상업적으로 이용가능한 가장 얇은 두께이며, 열응답은 4Hz에서 롤오프를 시작한다. OIS 기능에 대한 분석을 기반으로, 기능적 요구 사항은 30Hz까지의 대역폭에 걸쳐 움직임 보정을 제공하는 것이다. 그러나, 단지 작은 움직임만 요구하기 위해(20Hz이상에서 10㎛ 보다 작음), 작동 대역폭에 걸쳐 응답 크기는 현저히 떨어지는 것이 필요하다. 놀랍게도 SMA 와이어의 롤오프가 4Hz 이상에서 응답함에도 불구하고, SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 여전히 30Hz에서 변위 요구를 전달할 수 있고, 따라서 소형 카메라용 OIS의 작동 요건을 성공적으로 충족시킬 수 있다.
제 2 예에 따라 SMA 액추에이션 장치(10)에 대한 일부 특정 구조가 이제부터 설명될 것이다. 이 구조들 각각에서, SMA 와이어(1-8)는 도 1에 도시된 바와 같이 배열된다.
제 1 구조는 도 11에서 도 13까지 나타난 바와 같다.
도 11은 지지 구조물(12)과 카메라 렌즈 요소(41)가 스크류되는 렌즈 캐리지인 이동 요소(11)를 포함하는 전체 SMA 액추에이션 장치(10)를 보여주며, 이 요소들은 도 12 및 도 13에 각각 도시되어 있다.
SMA 액추에이션 와이어(1-8)는 SMA 액추에이터 와이어(1-8)를 크림프하는 크림핑 부재(50)에 의해 지지 구조물(12)과 이동 요소(11) 사이에 연결되어 있고, 지지 구조물(12)과 이동 요소(11) 중 하나에 고정되어 있다. SMA 액추에이션 와이어 (1-8)는 이동 요소(11)를 지지 구조물(12)에 매다는 유일한 요소이다. 지지 구조물(12)과 이동 요소(11)사이에서 독립적으로 경로를 연결하여 짐벌이나 중첩 지지 구조물 없이 이동 요소(11)가 세 개의 직교 선형 방향으로 움직이도록 하는 다른 요소나 더 이상의 굴곡은 없으며, 각각은 한가지 이동 방향을 처리한다.
제 2 예에서, 틸팅 움직임은 불필요하며, SMA 액추에이터 와이어(1-8)의 쌍은 이동 요소(11)의 반대측에 있는 서로에 대해 평행하며 크림프(50) 사이에서 연장된 인터커넥트(51)에 의해 전기적으로 연속하여 연결되어 있다. 이것은 본 예에서 틸팅이 필요없고 따라서 이 와이어들은 항상 공통 구동신호에 의해 구동되기 때문에 가능하다. 이것은 제어 회로(20)로부터의 구동 신호를 공급하는데 필요한 모든 전기적 연결들이 이동 요소(11) 상의 추가적인 전기적 연결 없이도 지지 구조물 (12)상에 이루어질 수 있다는 장점을 갖는다.
SMA 액추에이터 와이어(1-8) 쌍이 전기적으로 연속 연결되어 있으므로, 따라서 단일 전압신호의 적용에 의해 함께 작동하며, 다른 방법은 8개보다 4개의 와이어를 사용하는 것인데, 사용되지 않는 와이어 가닥이 2개의 활성화된 와이어 가닥을 연결하여 제어 문제, 기계 조립 그리고 수명 문제를 불러 일으키므로 현재는 선호되지 않는다.
제 2 구성은 도 14에서 도 20까지 나타난 바와 같다.
도 14는 지지 구조물(12)과 카메라 렌즈 요소(41)가 스크류되는 렌즈 캐리지인 이동 요소(11)를 포함하는 SMA 액추에이션 장치(10) 전체를 보여주며, 이 요소들은 도 15 및 도 16에 각각 도시되어 있다.
제 2 구성은 크림핑 부재(50)의 배열만 제외하고 제 1 구성과 유사하며, 상대적으로 복잡한 구조에 대한 제조를 단순화하기 위해 적용된다. 특히, 액추에이터 와이어(1-8)와 크림핑 부재(50)는 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이 2개의 독립된 하위 부품으로 구성된다. 각 하위 부품(53, 54)의 크림핑 부재(50)는 서로에 대해 적절히 위치하도록 구성되며 SMA 액추에이터 와이어(1-8)는 적절한 크림프 부재 (50) 쌍 사이에서 크림프된다. 크림프 부재(50)는 크림핑 과정동안 적절한 위치에서 지지된다. 이것은 크림핑 부재(50)와 같은 재료로부터 형성된 하나 혹은 그 이상의 프렛의 도움으로 달성될 수 있고, 결과적으로 나중에 조립과정에서 제거된다. 다른 방법으로서, 이것은 크림핑 부재(50)를 위치시키는 조립 지그를 사용하여 달성될 수 있다.
그러나 하위 부품(53,54)은 지지되며, 상기한 구성은 각 하위 부품(53,54)이 SMA 액추에이터 와이어(1-8)가 크림프 된 후 단일 부품으로서 SMA 액추에이터 장치상에서 조작되고 위치하도록 한다. 특히, 도 19는 제 1 하위 부품(53)이 이동 요소 (11)와 지지 구조물(12) 상에 구성되는 것을 보여준다. 그 후 제 1 하위 부품(53)의 크림핑 부재(50)는 이동 요소(11)와 지지 구조물(12)에 체결된다. 도 20은 제 2 하위 부품(54)이 그 뒤 구성되는 것을 보여주며, 상기 구성은 제 1 하위 부품(53)이 충돌하는 것을 방지한다. 그 후 제 2 하위 부품(53)의 크림핑 부재(50)가 이동 요소(11)와 지지 구조물(12)에 체결된다. 이 조합의 경우, 이동 요소(11)와 지지 구조물(12)은 지지되며, 예를 들면 지그(미도시)에 의해서이다.
다양한 틸트와 진동 감지와 관련하여 본 발명의 추가적인 양태가 있다. 현 시스템은 유발된 카메라 흔들림을 감지하기 위해 2축 자이로스코프를 사용한다. 게다가 광축 주변의 틸트 또한 보정된다면, 3축 자이로스코프가 필요하다. 상기 자이로스코프는 상대적으로 비싸고 상당한 공간을 차지한다. 따라서 그와 같은 자이로스코프에 대한 필요는 제거하는 것이 아주 바람직하다. 이전 기록물에서 고려되는 한가지 선택 사항은 SMA 와이어와 자신만의 틸트 센서를 제공하는 카메라를 사용하는 것이어서, 전기 저항과 SMA 와이어에 제공되는 전력을 모니터링 하여 SMA 와이어에서 위치와 장력 모두 평가하는 것이 가능하다.
사고 실험으로서, 지지 구조물은 기본 여기를 겪는 반면, 카메라는 정지상태일 것을 요구한다는 점을 고려한다. 그러므로, 시스템을 고려하는 한가지 방법은 진동 방지 장치(vibration isolator)로서이다. 이것은 카메라를 아주 유연한 마운트에 탑재하여 달성 가능하며, 따라서 다양한 자유도에서 마운트상 카메라의 공진 주파수는 매우 낮다. 1Hz(말하자면) 이하의 주파수의 경우 시스템이 상대적으로 경직되지만, 따라서 사용자는 카메라로 주변을 보여줄 수 있지만, 그러나 더 높은 주파수의 경우 순응적으로 될 것이다.
일반적으로, SMA 액추에이터 와이어(1-8)중 하나가 길이를 유지하도록 요구되면 어떠한 외부힘도 그것을 늘이는 경향이 있을 것이고, 그 때 컨트롤러가 SMA 와이어를 수축시키는 전력을 더 공급하여 응답할 것이며 따라서 전기저항과 길이가 유지된다.
대신에 컨트롤러가 반응이 느리도록 설정된다면, 따라서 1Hz 이하 여기에 대해 SMA 와이어가 여전히 경직된 것으로 보인다면, 그러나 더 높은 주파수에 대해서는 사실상 일정한 전력이 공급되는 것으로 보여진다면, SMA 와이어는 더 높은 주파수에서 덜 경직된 것처럼 보일 수 있다.
상기 설정은 수용할만한 성능을 가진 OIS 시스템을 생산할 것 같지 않다.그러나 컨트롤러가 와이어를 늘리는 여기에 반응하여 능동적으로 전력을 줄인다면, 그리고 양의 피드백(positive-feedback)이 주파수 의존적으로 형성되면, SMA OIS 시스템이 별개의 자이로스코프 센서를 필요로 하지 않고 진동 제어 성능을 달성할 수 있을 것으로 보여진다.
상기 시스템을 고려한 또 다른 방법은 SMA 와이어를 일정한 의사 충격 전달 장치로서 작동시키는 것이다. 상기 시스템은 각 와이어상에서 독립된 고도로 정확한 충격 센서를 필요로 하거나 저항과 각 와이어에 공급되는 전력에 대해 고도로 정확한 척도를 요구하여 효과적으로 일정한 충격을 제어할 수 있다.
1-8 : SMA 액추에이터 와이어 10 : SMA 액추에이션 장치
11 : 이동 요소 12 : 지지 구조물
13 : 피벗부 20 : 제어 회로
21 : 이동 신호 22 : 매트릭스 컨트롤러
23 : 구동 회로 24 : 드라이브 컨트롤러
25 : 드라이버 26 : 검출 회로
27 : 자이로스코프 센서 28 : OIS 컨트롤러
30, 40 : 이미지 센서 31, 41 : 카메라 렌즈 요소
32 : PCB 33 : 캔
34 : IC칩 50 : 크림핑 부재
51 ; 인터커텍트 53, 54 : 하위 부품

Claims (19)

  1. 지지 구조물;
    상기 지지 구조물에 대해 이동 가능한 방식으로 상기 지지 구조물상에 지지되는 이동 요소; 및
    가상 기본축 주변의 네 개 측 각각에서 두 개씩 상기 기본축에 대해 기울어진 여덟 개의 SMA 액추에이터 와이어를 포함하며,
    상기 SMA 액추에이터는 상기 이동 요소와 상기 지지 구조물 사이에 연결되어 수축시 네 개 SMA 액추에이터 와이어의 두 그룹이 상기 이동 요소에 작용하는 힘에 상기 기본축을 따라 반대 방향 요소를 제공하며, 각 그룹의 상기 SMA 액추에이터 와이어는 상기 기본축에 대해 2회 회전 대칭으로 배열된
    SMA 액추에이션 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동 요소는 이미지 센서와 이미지를 상기 이미지 센서에 맞추도록 구성된 카메라 렌즈 요소를 포함하는 카메라 유닛이며, 상기 기본축은 상기 카메라 렌즈 요소의 광축인
    SMA 액추에이션 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 SMA 액추에이션 장치는 상기 지지 구조물에 고정된 이미지 센서를 더 포함하는 카메라 장치이며, 상기 이동 요소는 이미지를 상기 이미지 센서에 맞추도록 구성되는 카메라 렌즈 요소를 포함하고, 상기 기본축은 상기 카메라 렌즈 요소의 광축인
    SMA 액추에이션 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 여덟 개의 SMA 액추에이터 와이어는 상기 SMA 액추에이터 와이어가 각각 독립적 구동 신호를 수신하도록 전기적으로 연결된
    SMA 액추에이션 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    SMA 액추에이터 와이어에 전기적으로 연결되어 구동 신호를 공급하는 제어 회로를 더 포함하는
    SMA 액추에이션 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 SMA 액추에이터 와이어에 각각 독립적 구동 신호를 공급하도록 구성된
    SMA 액추에이션 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 장치의 진동을 나타내는 출력 신호를 생성하도록 구성된 진동 센서를 더 포함하며, 상기 제어 회로는 상기 이미지 센서에 의해 감지된 상기 이미지를 안정화하도록 상기 진동 센서의 출력 신호에 반응하여 구동 신호를 생성하는
    SMA 액추에이션 장치.
  8. 제 2 항을 따르는 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 구동 신호를 생성하여 상기 카메라 유닛에 대한 틸트와 상기 광축에 대한 횡이동을 야기하여 상기 이미지 센서에 의해 감지된 이미지를 안정화시키는
    SMA 액추에이션 장치.
  9. 제 3 항을 따르는 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 구동 신호를 생성하여 상기 이동 요소를 상기 광축에 대해 횡이동 시켜 상기 이미지 센서에 의해 감지된 이미지를 안정화시키고 상기 이동 요소를 광축을 따라 이동시켜 이미지 초점을 변화시키는
    SMA 액추에이션 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    네 개 SMA 액추에이터 와이어 각 그룹은 반대 측에 두 쌍의 SMA 액추에이터를 포함하는
    SMA 액추에이션 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    피벗부를 더 포함하고,
    상기 피벗부는 상기 이동 요소의 각 측에서 상기 이동 요소에 피벗 연결되어 있으며, 각 측의 두 개 SMA 액추에이터 와이어는 상기 피벗부에 연결되는
    SMA 액추에이션 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    네 개 SMA 액추에이터 와이어 각 그룹은 각 측에 한 개 SMA 액추에이터 와이어를 포함하는
    SMA 액추에이션 장치.
  13. 제 5 항을 따르는 제 12 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 반대측에서 서로 평행한 SMA 액추에이터 와이어에 공통 구동 신호를 공급하도록 구성된
    SMA 액추에이션 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 측에서 두 개 SMA 액추에이터 와이어는 다른 하나에 대해 평행하거나 서로 반대 느낌으로 기울어지고 교차된
    SMA 액추에이션 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 측 두 개 SMA 액추에이터 와이어는 상기 기본축에 대해 수직인 동일한 가상 횡축에 대해 각각 수직인
    SMA 액추에이션 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동 요소는 상기 SMA 액추에이터 와이어에 의해 단독으로 상기 지지 구조물에 지지되는
    SMA 액추에이션 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동 요소는 최대 10mm 직경 렌즈를 하나 혹은 그 이상 포함하는 카메라 렌즈 요소를 포함하는
    SMA 액추에이션 장치.
  18. 독립적으로 제어되는 복수의 SMA 와이어를 사용하고, 각 와이어에 적용되는 전력은 제어되며, 각 와이어의 전기 저항은 제어 가능하게 모니터링되며, 상기 와이어들은 일제히 기본 여기를 통해 상기 카메라 모듈에 적용되는 틸트를 감지하며, SMA 와이어 시스템에 매달린 상기 카메라 모듈의 유효 공진 주파수를 줄이도록 와이어를 제어하여 자이로스코프 센서 없이 OIS 기능을 전달하도록 제어되는 소형 카메라용
    광 이미지 안정화 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 SMA 와이어는 기본 여기가 적용되어 상기 카메라에 대체로 일정한 힘을 전달하도록 제어되는
    광 이미지 안정화 장치.
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