KR100714006B1 - 소형 카메라 모듈의 변위 감지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 변위 감지 센서는 소형 휴대 단말기의 카메라 장치의 렌즈 구동기에 구비되어 상기 구동기의 위치 변화를 감지하는 변위 감지 센서로서, 상기 구동기는 다수의 렌즈를 포함하는 렌즈군 조립체를 내부 중앙에 포함하여 이동하는 가동부, 및 상기 가동부를 외측에서 둘러싸고 상기 가동부의 이동을 지지하는 상기 소형 휴대 단말기 내에 고정 장착된 경통부를 포함하고, 상기 가동부의 외측 일면상에 형성된 하나 이상의 가동부 전극; 상기 전극에 대향하여 상기 경통부의 내측 일면에 기설정된 간격으로 배열된 다수의 고정형 전극; 상기 다수의 고정형 전극상에 평평하게 도포된 유전체; 및 상기 가동부 전극과 상기 고정형 전극에 각각 연결되어 외부로 도출되는 도선을 포함하여, 상기 가동부 전극이 상기 유전체에 접촉하여 이동함에 따라 상기 가동부 전극, 상기 고정부 평면 전극, 및 상기 유전체에 의한 정전 용량의 변화를 감지하고, 상기 도선에 연결된 주변회로를 이용하여 상기 감지된 정전 용량의 변화를 상기 가동부의 변위 정보로 검출하여 카메라의 다단계 줌 기능 및 자동 초점 기능을 구현할 수 있는 것을 특징으로 한다.

정전 용량, 줌, 변위감지, 카메라 모듈

Description

소형 카메라 모듈의 변위 감지 센서{Displacement sensor for miniaturized camera module}

도 1a은 본 발명에 따른 변위 감지 센서를 장착한 구동기의 일예를 나타낸 사시도.

도 1b는 도 1a의 A-A'단면을 나타낸 확대 단면도.

도 2a 내지 도 2j는 본 발명에 따른 변위 감지 센서의 동작을 설명하기 위한 예시도.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 변위 감지 센서의 원리를 설명하기 위한 예시도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 구동기 11: 경통부

12: 가동부 13: 고정형 전극

14: 가동부 전극 15: 관통공

16: 유전체 17: 기판

31: 정전 용량-전압 변환기 32: 비교기

본 발명은 소형 휴대 단말기에서 자동 초점(Auto Focusing) 및 광학 줌(Zooming)을 위한 렌즈 구동기 장치 내에 포함되는 변위 감지 센서에 관한 것이다.

최근 통신 기술 및 디지털 정보 처리 기술의 발전과 더불어 정보 처리 및 연산, 통신, 화상 정보 입출력 등 다양한 기능이 집적된 휴대용 단말기 기술이 새롭게 대두되고 있다. 디지털 카메라와 통신 기능이 장착된 PDA, 디지털 카메라 기능이 부가된 휴대 전화, 개인 휴대 멀티미디어 재생기(PMP: personal multi-media player) 등을 그 예로 들 수 있는데, 디지털 카메라 기술 및 정보 저장 능력의 발달로 인하여 높은 사양의 디지털 카메라 모듈(digital camera module)의 장착이 점차 보편화하고 있는 것이 추세이며, 제반 기술의 발달로 휴대용 단말기 등에 장착되는 디지털 카메라 모듈에 메가 픽셀(mega pixel)급 이미지 센서(image sensor)가 사용되면서, 자동 초점 및 광학 줌 등 부가 기능의 중요성은 더욱 부각되고 있는 반면, 지속적으로 카메라 모듈의 크기(form-factor)가 매우 제한적으로 소형화되는 추세이다.

이런 소형 디지털 카메라 모듈에서 자동 초점 및 광학 줌 기능을 구현하기 위해서 스테핑 모터(stepping motor)와 같은 회전 운동을 하는 구동기를 이용하여 가동부를 선형적으로 이동시키는 기술, 및 좀더 간단하고 소형화 구현이 용이한 VCM(voice coil motor) 구동 방식 기술 등이 연구 개발되어 상품화 되고 있는 추세이다. 광학 줌 기능과 자동 초점 기능을 구현하기 위해 카메라 모듈 내에 가동기와 함께 조립된 두개 이상의 렌즈 군이 가동기에 의해 각각 소정의 위치로 이동하게 되며, 이를 통해 들어온 빛은 이미지 센서(image sensor)에 화상을 결상 되게 된다.

스테핑 모터의 경우에는 초기 위치만 기억하고, 구동시 인가되는 구동 펄스 전류로 위치를 조절하므로 실제로 가동부(moveable part)의 변위를 판별할 위치 검출기가 없는 상황이다. 하지만, 소형화 추세에 따라, 스테핑 모터, VCM 방식 등의 전자기(電磁氣) 방식 구동기(electromagnetic linear actuator), 또는 전왜(또는 압전) 구동기(piezoelectric actuator) 등과 같이 구동시 누적되는 변위 오차를 수반할 수 밖에 없는 구동기를 적용할 경우에는 정밀한 제어를 필요로 하는 자동 초점과 광학 줌을 보장하기 위해 가동부의 위치를 검출할 수 있는 위치 감지 센서가 필요하다.

가동부의 구동 위치 감지 센서는 일반적으로 로봇공학 기술에서 많이 응용되어 발전되어 왔으며, 직선 이동, 회전각 변위 뿐만 아니라, 속도 정보까지 계산이 가능하다. 적외선(infrared), 저항(resistive), 정전 용량(capacitive), 자성(magnetic), 홀 센서(hall sensor) 등을 이용하는 다양한 방법으로 대상의 위치를 감지하는 방식이 존재한다.

이중 정전 용량형 변위 검출 센서는 전극간의 전기장의 발생에 따른 변화를 감지하므로 전극이 회로로부터 돌출하여 구성되어 있으며, 정전 용량은 전기장이 형성되는 면적, 전극간의 거리, 및 전극사이에 위치하는 물질에 따라 그 정전 용량 값이 정해지게 되는데, 정전용량 값이 10^-15F 정도도 충분히 검출할 수 있다. 따라 서, 검출 감도는 높고, 미소한 정전 용량의 변화도 검출할 수 있으며, 레벨 검출도 가능하다. 전극에 인가되는 전압에 의해 생성되는 전기장을 이용하므로, 전기장의 확산으로 분해능력을 기대할 수 있다. 전극간의 간격은 응용에 따라 그 범위가 수 mm로부터 수 um 이하까지 정도의 근접 스위치의 범위 내에서 동작하므로 정전 용량형 근접 스위치라고도 부른다.

광학 줌 구현은 종래의 캠코더(camcoder)와 같이 연속적으로 줌 구현도 필요하지만, 응용에 따라서 간단하게 단계별로 구현 하도록 하는 경우가 많이 응용되고 있다. 디지털 카메라의 경우 배율에 따라 줌이 2배줌, 3배줌, 4배줌에 해당되는 각각의 위치만을 필요로 하며, 카메라 폰의 경우도 각 단계별 변위만을 갖고 구동하고 있다. 따라서, 이런 경우에는 간단히 단계별로 위치를 검출할 수 있는 위치 검출 센서가 필요하며, 각 소정의 위치별로 특정 정전용량 값을 검출할 수 있다면 변위를 검출할 수 있게 된다.

그러나, 휴대용 단말기가 초소형화하는 경향에 따라 이에 장착된 카메라 모듈을 소형화하면서, 동시에 자동 초점 기능과 줌 기능을 원활하게 수행하는 것을 요구하고 있고, 이에 따라 카메라 모듈의 위치 변동을 정확하게 감지하는 기술을 요구한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전자기 방식을 이용하는 초소형 구동기 장치 내에도 장착이 간단하고 용이하여, 소형화를 요하는 휴대용 카메라 및 카메라 단말기의 자동 초점 기능과 줌 기능에 적합한 변위 감지 센서를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 휴대용 단말기에서 단계별 변위만으로 자동 초점 및 줌 기능 구현시 필요한 렌즈군의 위치 정보를 제공함으로써 보다 향상된 해상도의 촬상 화질을 보장하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 변위 감지 센서는 소형 휴대 단말기의 카메라 장치의 렌즈 구동기에 구비되어 상기 구동기의 위치 변화를 감지하는 변위 감지 센서로서, 상기 구동기는 다수의 렌즈를 포함하는 렌즈군 조립체를 내부 중앙에 포함하여 이동하는 가동부, 및 상기 가동부를 외측에서 둘러싸고 상기 가동부의 이동을 지지하는 상기 소형 휴대 단말기 내에 고정 장착된 경통부를 포함하고, 상기 가동부의 외측 일면상에 형성된 하나 이상의 가동부 전극; 상기 전극에 대향하여 상기 경통부의 내측 일면에 기설정된 간격으로 배열된 다수의 고정형 전극; 상기 다수의 고정형 전극상에 평평하게 도포된 유전체; 및 상기 가동부 전극과 상기 고정형 전극에 각각 연결되어 외부로 도출되는 도선을 포함하여, 상기 가동부 전극이 상기 유전체에 접촉하여 이동함에 따라 상기 가동부 전극, 상기 고정부 평면 전극, 및 상기 유전체에 의한 정전 용량의 변화를 감지하고, 상기 도선에 연결된 주변회로를 이용하여 상기 감지된 정전 용량의 변화를 상기 가동부의 변위 정보로 검출하여 카메라의 다단계 줌 기능 및 자동 초점 기능을 구현할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 정전 용량형(capacitive type)의 변위 감지 센서를 임의의 구동기에 적용하여 설명하도록 한다. 이는 일예로써 다른 렌즈 구동기에도 적절히 사용이 가능하다.

도 1a은 본 발명에 따른 변위 감지 센서의 구동기(10)에 대한 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A'단면을 나타낸 확대 단면도이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 구동기(10)는 VCM 방식이나, 압전 방식 등을 적용하여 구동하고 렌즈군 조립체(도시되지 않음)가 장착될 내측 중앙의 관통 공(15)을 구비한 가동부(12), 가동부(12)의 이동을 위한 경통부(11), 경통부(11) 내부 일측에 고정 부착되고 일정 간격으로 이격된 다수의 고정형 전극(13), 고정형 전극(13)에 대향하는 가동부(12)의 일측면상에 돌출 형성된 가동부 전극(14), 및 고정형 전극(13)과 가동부 전극(14)에 각각 연결된 도선(도시되지 않음) 등으로 구성된다.

경통부(11)의 내측 일면에 부착된 고정부 고정형 전극(13) 및 가동부(12)의 일측면에 부착된 가동부 전극(14)은 서로 대향하고 있으며, 고정형 전극(13) 위에는 유전 재료, 즉 유전체(16)가 도포되어 형성된다.

상기 고정형 전극(13)은 일정 폭을 가진 다수의 전극들이 소정 간격으로 이격되어 경통부(11)의 내측 일면에 고정 배열된 형태로서, 고정형 전극(13)과 가동부에 형성된 가동부 전극(14)의 폭은 변위 검출의 해상도(resolution)와 밀접한 관련이 있으므로, 고정형 전극(13)과 가동부 전극(14)의 폭은 반도체 공정의 리소그래피 공정을 이용하여 예컨대, 1 ㎛ 에서 소정 범위까지 폭을 조절할 수 있다.

상기 가동부 전극(14)은 고정형 전극(13)에 대향하여 가동부(12)의 일측면상에 돌출되어 형성되고, 상기 가동부 전극(14)의 폭과 고정형 전극(13)의 각 전극의 폭은 동일하거나 또는 소정 길이의 폭을 각각 가질 수 있다. 또한, 상기 가동부 전극(14)의 길이와 고정형 전극(13)의 길이는 동일하거나 또는 소정 길이를 각각 가질 수 있다.

유전체(16)는 기판(17)상에 형성된 상기 고정형 전극(13)을 덮도록 평평하게 도포되고, 가동부(12)의 상기 가동부 전극(14)과 맞닿게 된다. 유전체(16)의 역할은 가동부(12)의 전극(14)이 고정부의 유전체(16)와 접촉한 상태에서 이동하면서, 고정형 전극(13)과 하나의 캐패시터를 형성함으로써 정전 용량 검출을 용이하게 하는데 있다.

또한, 유전체(16)의 재료는 접촉시 발생할 수 있는 마모 등에 대하여 저항성이 강한 물성을 갖는 재료로서, 예를 들어 세라믹 계열의 질화규소, 탄화규소, 알루미나, 지르코니아 등에서 선택되고, 코팅 및 증착 등을 통해서 형성될 수 있다.

상기 고정형 전극(13)이 형성되는 기판(17)은 실리콘 웨이퍼 등을 사용할 수 있다.

도 1a의 A단면을 도시한 도 1b에서 보여지는 바와 같이, 가동부(12)의 가동부 전극(14)은 고정부의 유전체(16)에 접촉하여 이동하면서 정전 용량을 검출하게 되어, 도 2a 내지 도 2j에서 보여지는 바와 같은 과정으로 동작한다.

도 2는 가동부(12)의 동작에 대한 일예를 보여주는 예시도로서, 대향하고 있는 고정형 전극(13)과 가동부 전극(14)이 이동 위치에 따라 고정형 전극(13)과 가동부 전극(14)이 겹쳐지는(overlap) 과정을 보여준다.

도 3a는 도 2에 도시된 가동부 전극(14)의 이동에 따른 정전용량 값의 검출을 보여주고 있는 그래프로서, 도 2의 각 이동 위치에 대한 정전용량 값의 변화를 보여주고 있다.

도 3a의 그래프에서, (a) 위치에서와 같이, 고정형 전극(13)과 가동부 전극(14)이 겹쳐지는 부위가 없을 때 정전용량은 일정하게 유지되고, (b) 위치와 같이 고정형 전극(13)과 가동부 전극(14)이 겹쳐지는 순간 정전용량은 상승하게 되며, (c)와 같이 완전히 겹쳐지는 경우 정전용량은 최고 값을 나타내며, (d) 위치에서와 같이, 다시 고정형 전극(13)과 가동부 전극(14)의 겹쳐지는 면적이 축소되면서 검출되는 정전용량은 줄어들게 된다.

이와 같은 검출 과정은 반복적으로 이루어지고 이에 따른 정전용량의 검출 그래프는 도 3a에서와 같이 고정부의 고정형 전극(13)의 소정 위치에 각각 위치하는 각 전극을 기준으로 이동 방향, x축 방향을 따라 동일한 주기의 출력 그래프를 보여주게 된다.

검출된 정전용량의 변화 파형은 가동부 전극(14)의 폭 치수에 따라 결정되어, 사다리꼴 또는 삼각형의 검출 파형을 보이게 된다. 정전용량 값은 도 3c에 도시된 바와 같은 정전용량-전압 변환기(31)를 통하여 전압(V_out)으로 변환되어 출력된다.

이때, 연속적으로 줌 기능을 구현하기 위해서, 예컨대 2배줌, 3배줌, 4배줌에 해당되는 각각의 위치에 관한 위치 정보만을 필요로 하므로, 2배줌, 3배줌, 4배줌에 해당되는 위치정보를 검출하기 위해서 가동부(12)의 변위 검출은 출력 전압(V_out)의 최고 값에 해당되는 위치(도 3a의 (c)위치에 해당)를 2배줌, 3배줌, 4배줌에 각각 해당하는 위치 정보로 이용할 수도 있다.

또는, 비교기(32)를 이용하여 소정의 기준전압(V_i)과 출력 전압(V_out)을 비교 함으로써, 출력 전압(V_out)이 큰 경우에서 작은 경우로 변할 때의 위치(도 3b의 (d), (i)에 해당), 또는 출력 전압(V_out)이 작은 경우에서 큰 경우로 변할 때의 위치(도 3b의 (h)에 해당)에 해당하는 위치 정보를 2배줌, 3배줌, 4배줌에 해당되는 위치 정보로서 획득할 수 있다.

구체적으로, 도 3b에 도시된 바와 같이 x축의 d1에 해당하는 위치(d)를 2배줌 위치로 설정하고 d2에 해당하는 위치(j)를 3배줌 위치로 설정한 경우, 비교기(32)를 이용하여 검출된 출력 전압(V_out)이 위치(d)에 해당하는 출력 전압인지를 비교하고 위치(d)에 해당하는 출력 전압이 아니면 그 전압 차이를 검출한다. 이때, 이 전압 차이는 그 차이 만큼 가동부(12)가 변위했음을 의미하고 따라서 제어부(도시되지 않음)의 작용으로 위치(d)에 해당하는 출력 전압(V_out)이 출력되도록 위치 제어를 이루게 된다.

이렇게 출력 전압(V_out)의 최대값 또는 비교기(32)를 통해서 얻은 위치 정보를 이용하여, 회로적으로 피드백을 통하고 수렴구간을 거쳐 정확한 위치로 가동부(12)가 이동하게 되는 것이다.

그리고, 상기 고정형 전극(13)의 각 전극의 개수 만큼 설정된 단계별 변위 이동시에 각 검출 파형, 즉 최대값의 개수에 따라 소정의 전극 위치로 이동이 가능하다. 따라서 각 줌 단계에 대한 변위 정보는 검출 파형과 해당 검출 최대값의 출력 전압값을 이용하여 획득되고 위치 조절이 가능하게 된다.

또한, 구동면의 고정형 전극의 폭을 고정면의 고정형 전극의 폭에 비해 상대적으로 크게 함으로서, 렌즈군이 구동시 실제적으로 서로 대향하는 전극의 면적을 조절하여 캐패시턴스의 증가 또는 감소를 통하여 변위를 측정할 수 있는, 소위 단계별 신호 출력이 아닌 아날로그식 출력으로도 위치 조절이 가능하다.

이와 같은 정전용량형 변위 센서를 이용하여 소형 휴대 단말기용 광학 줌에 있어 렌즈군의 변위를 단계별로 정밀하게 감지하여, 디지털 줌 기능에 대한 위치 감지 기술을 확보 할 수 있으며, 전극의 폭을 조절하여 보다 정밀한 자동 초점 기능 위치 감지도 가능하다. 이러한 정전용량형 위치 감지 센서는 초소형 구동기 장치 내에서 용이하게 구현될 수 있고, 정밀한 가동부 변위 정보 검출이 가능한 위치 센서이며, 쉽고 간단하게 제작할 수 있다.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.

또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 정전 용량형 변위 감지 센서에 관한 것으로 다른 센서 형태에 비해 줌기능에 따른 단계별로 변위 감지가 가능하고, 충격이나 진동에 덜 민감하며, 센서의 크기가 작은 장점을 갖고 있다.

카메라 내의 변위 감지 센서가 광학 방식 자동 초점 조절 및 피사체 확대 등 의 렌즈 변위 검출 장치로 가동기가 선형적으로 움직일 때, 해당 위치에 상응하는 전기 신호를 단계별로 출력하여 정밀하게 감지함으로써 원하는 자동 초점 및 광학 줌 기능을 구현 할 수 있다.

소모 전력이 적고, 소형화가 용이하며, 정밀 가동부의 위치 판별과 제어가 필요한 다양한 기구 구조물에 적용 가능한 변위 감지 센서로서, 특히 휴대형 단말기기 등에 장착되는 초소형 카메라 모듈의 줌 또는 자동 초점 기능 구현을 위한 렌즈 군의 변위 감지 수단으로 이용할 수 있다.

Claims (9)

1. 소형 휴대 단말기의 카메라 장치의 렌즈 구동기에 구비되어 상기 구동기의 위치 변화를 감지하는 변위 감지 센서로서,

   상기 구동기는 다수의 렌즈를 포함하는 렌즈군 조립체를 내부 중앙에 포함하여 이동하는 가동부, 및 상기 가동부를 외측에서 둘러싸고 상기 가동부의 이동을 지지하는 상기 소형 휴대 단말기 내에 고정 장착된 경통부를 포함하고,

   상기 가동부의 외측 일면상에 형성된 하나 이상의 가동부 전극;

   상기 전극에 대향하여 상기 경통부의 내측 일면에 기설정된 간격으로 배열된 다수의 고정형 전극;

   상기 다수의 고정형 전극상에 평평하게 도포된 유전체; 및

   상기 가동부 전극과 상기 고정형 전극에 각각 연결되어 외부로 도출되는 도선을 포함하여,

   상기 가동부 전극이 상기 유전체에 접촉하여 이동함에 따라 상기 가동부 전극, 상기 고정부 평면 전극, 및 상기 유전체에 의한 정전 용량의 변화를 감지하고, 상기 도선에 연결된 주변회로를 이용하여 상기 감지된 정전 용량의 변화를 상기 가동부의 변위 정보로 검출하여 카메라의 다단계 줌 기능 및 자동 초점 기능을 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 변위 감지 센서는 상기 고정형 전극이 위치에 해당하는 정전용량의 검출을 이용하여 단계별 디지털 출력 또는 아날로그 출력이 가능하도록 설계된 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 경통부의 크기와 상기 변위 검출의 정밀도에 따라 상기 다수의 고정형 전극의 배열 폭이 결정되며, 상기 고정형 전극의 각 전극의 폭과 상기 가동부 전극의 폭이 동일한 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 유전체는 상기 가동부 전극의 접촉에 따른 마모에 강한 물성을 가진 재료로서, 산화규소, 질화규소, 탄화규소, 알루미나, 지르코니아 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 주변회로에는 정전용량-전압 변환기를 포함하여, 상기 감지된 정전용량을 전압(V_out)으로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 출력전압(V_out)의 최고치를 출력하는 각 위치를 기설정된 줌배율 또는 피사체 초점 각각의 위치로 설정하는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 가동부 전극의 이동에 따른 상기 출력전압의 최고치의 개수를 합하여 상기 가동부 전극의 변위 정보를 검출하는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 주변회로에는 비교기를 더 포함하여, 상기 정전용량-전압 변환기를 거쳐서 출력된 상기 출력전압(V_out)을 기설정된 기준전압(V_i)과 비교하여, 상기 출력전압(V_out)과 상기 기준전압(V_i)의 차이를 변위정보로서 출력하는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 기준전압(V_i)을 출력하는 상기 가동부 전극의 각각의 이동위치를 기설정된 줌 배율 또는 피사체 초점 각각의 위치로 설정하는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.

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