KR101439881B1 - 압전소자가 장착된 구동체 - Google Patents

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주식회사 하이소닉
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Abstract

본 발명은 압전소자가 장착된 구동체에 관한 것으로서, 특히 압전소자를 이용하여 렌즈홀더를 상하방향으로 구동시켜 렌즈를 이송시킬 수 있도록 하는 압전소자가 장착된 구동체에 관한 것이다.
본 발명의 압전소자가 장착된 구동체는, 일면에 제1결합홈과 제2결합홈이 렌즈의 광축방향인 길이방향으로 상호 이격되도록 형성된 공진부; 상기 제1결합홈에 결합되는 제1압전소자; 상기 제2결합홈에 결합되어 상기 제1압전소자와 이격 배치되는 제2압전소자; 상기 제1압전소자에 결합되는 제1(+)전극; 및 상기 제2압전소자에 결합되는 제2(+)전극; 을 포함하여 이루어지되, 상기 제1(+)전극 및 제2(+)전극에는 상호 위상차를 갖는 적정주파수의 교번전압이 인가되고, 상기 제1압전소자와 제2압전소자는 상기 공진부의 길이방향 및 폭방향으로 신축되며, 상기 공진부는 측면부가 타원형의 변위운동을 하면서 상기 렌즈를 광축방향으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.

Description

압전소자가 장착된 구동체{Actuator having piezoelectric element}
본 발명은 압전소자가 장착된 구동체에 관한 것으로서, 특히 압전소자를 이용하여 렌즈홀더를 상하방향으로 구동시켜 렌즈를 이송시킬 수 있도록 하는 압전소자가 장착된 구동체에 관한 것이다.
휴대폰과 같은 소형의 통신기기에는 소형의 카메라장치가 장착된다.
도 1은 종래의 VCM방식의 소형 카메라장치의 단면구조도이고, 도 2는 도 1에 도시된 소형 카메라장치의 사용상태 단면구조도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 소형 카메라장치는, 피사체의 배율 변환 또는 피사체의 포커스조정을 위한 다수의 렌즈들로 이루어진 렌즈군(500)과, 렌즈군(500)을 장착하여 광축방향으로 구동하기 위한 렌즈 홀더(550)와, 고정부(600)와, 고정부(600)에 지지되어 렌즈 홀더(550)를 광축방향으로 유동가능한 상태가 되도록 부상시키며 렌즈 홀더(550)가 정확히 광축 방향으로 구동하도록 가이드하기 위한 판스프링(650)과, 렌즈 홀더(550)에 지지되어 고정부(600)를 광축 방향으로 구동시키기 위한 액츄에이터와, 렌즈군(500)을 통과한 피사체의 상을 촬상하기 위한 이미지센서(800)와, 액츄에이터 및 이미지센서(800)를 제어하기 위한 제어부로 이루어진다.
이러한 판스프링(650)은, 고정부(600)에 고정되는 부분과 렌즈 홀더(550)에 고정되는 부분 사이에 폭을 좁게 하여 광축 방향으로의 변형이 용이하게 이루어지는 형상을 갖는다.
따라서 판스프링(650)은 렌즈 홀더(550)를 광축 방향으로 유동할 수 있도록 탄성적으로 지지한다.
또한 판스프링(650)은 렌즈 홀더(550)의 네 곳 이상에 고정되어, 렌즈 홀더(560)가 광축 방향과 직교되는 방향으로 유동하는 것을 방지하는 가이드 역할을 한다.
한편 액츄에이터는, 고정부(600)에 고정되는 마그네트(710)와, 렌즈 홀더(550)에 고정되며 제어부로부터 전원이 공급될 때 마그네트(710)로부터 나오는 자속을 받아 렌즈 홀더(550)를 광축 방향으로 구동시키는 힘을 발생시키기 위한 코일(720)로 이루어진다.
이러한 액츄에이터의 구조를 VCM방식이라고 한다.
이러한 마그네트(710)와 코일(720)은 대칭되는 부분에 각각 한 쌍이 구비된다.
또한 액츄에이터는, 마그네트(710)의 자속을 효율적으로 순환시키기 위한 요크(730)를 갖는다.
이와 같은 구성을 갖는 소형 카메라장치는 도 2에 도시한 바와 같이, 제어부로부터 액츄에이터의 코일(720)에 전기가 인가되면, 마그네트(710)로부터 나오는 자속의 영향으로 코일(720)이 광축 방향으로 이동하려는 전자력이 발생한다.
따라서 코일(720)이 고정된 고정부(600)가 광축 방향으로 이동하게 된다.
이와 같이하여 제어부는 렌즈군(500)을 광축방향으로 상승시키거나 하강시켜 이미지센서(800)에 촬상되는 영상이 선명하게 되도록 한다.
위와 같은 VCM방식은 렌즈홀더의 크기가 작거나 무게가 경량인 경우에는 잘 작동되지만, 렌즈홀더의 크기가 커지거나 무게가 무거워지면 가동력이 약해 작동이 잘되지 않게 되는 문제점이 있다.
또한, VCM방식은 견고하지 못하여 낙하실험을 할 경우 불량제품이 많이 발생하고, 렌즈홀더의 이동거리가 짧아 고화소 센서를 사용한 카메라의 경우에는 사용하기가 곤란한 문제점이 있다.
본 발명은 렌즈홀더의 무게가 무거워도 잘 작동이 되고, VCM방식보다 견고하며, 렌즈홀더의 이동거리가 길어 고화소 센서를 장착한 카메라에 사용될 수 있는 압전소자가 장착된 구동체를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 압전소자가 장착된 구동체는, 일면에 제1결합홈과 제2결합홈이 렌즈의 광축방향인 길이방향으로 상호 이격되도록 형성된 공진부; 상기 제1결합홈에 결합되는 제1압전소자; 상기 제2결합홈에 결합되어 상기 제1압전소자와 이격 배치되는 제2압전소자; 상기 제1압전소자에 결합되는 제1(+)전극; 및 상기 제2압전소자에 결합되는 제2(+)전극; 을 포함하여 이루어지되, 상기 제1(+)전극 및 제2(+)전극에는 상호 위상차를 갖는 적정주파수의 교번전압이 인가되고, 상기 제1압전소자와 제2압전소자는 상기 공진부의 길이방향 및 폭방향으로 신축되며, 상기 공진부는 측면부가 타원형의 변위운동을 하면서 상기 렌즈를 광축방향으로 이동시킨다.
상기 제1(+)전극 및 제2(+)전극에 인가되는 교번전압의 적정주파수는, 상기 공진부가 길이방향으로 변형되도록 하는 제1공진주파수와, 상기 공진부가 폭방향으로 신축되도록 하는 제2공진주파수의 사이 값이다.
상기 공진부에는, 양측 측면부에 길이방향으로 안내홈이 형성되어 상기 렌즈의 이동을 안내하고, 상기 안내홈의 상부 및 하부에 각각 이격홈이 형성된다.
상기 공진부의 길이방향 양단에는 상기 공진부의 폭 중심부에서 돌출된 결합돌기가 형성된다.
본 발명에 따른 압전소자가 장착된 구동체는 다음과 같은 효과가 있다.
2개의 압전소자가 공진부의 일면에 상호 이격되도록 결합되어 상호 위상차를 갖는 교번전압에 의해 신축되면서, 공진부의 형상을 반복적으로 변형시켜 측면부가 탄원형의 변위운동을 하도록 함으로써, 전체 크기를 소형화하면서도 렌즈의 이동거리를 증가시키고, 전력소모를 줄이면서 구동력을 향상시켜 고정밀, 고화소 카메라에 적용하기 용이하다.
또한, 공진부의 측면부에 형성된 안내홈의 상단 및 하단에 이격홈이 형성됨으로써, 공진부의 측면부가 변형되면서 공진부의 상단부 또는 하단부가 외측방향으로 신장되면서 벌어질 때, 가이드샤프트가 상하방향으로 더 이동할 수 있는 공간을 확보할 수 있다.
또한, 공진부의 상단 및 하단에 결합돌기가 형성되어 구동체의 조립이 용이하다.
도 1은 종래의 VCM방식의 소형 카메라장치의 단면구조도,
도 2는 도 1에 도시된 소형 카메라장치의 사용상태 단면구조도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 구동체가 포함된 소형 카메라 구동장치의 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 구동체가 포함된 소형 카메라 구동장치의 분해사시도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 구동체가 포함된 소형 카메라 구동장치의 평면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 구동체가 포함된 소형 카메라 구동장치의 측면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 구동체의 제1공진주파수에 따른 운동상태를 도시한 상태도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 구동체의 제2공진주파수에 따른 운동상태를 도시한 상태도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 구동체의 적정주파수에 따른 측면부의 타원운동상태를 도시한 상태도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 구동체가 포함된 소형 카메라 구동장치의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 구동체가 포함된 소형 카메라 구동장치의 분해사시도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 구동체가 포함된 소형 카메라 구동장치의 평면도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 구동체가 포함된 소형 카메라 구동장치의 측면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 압전소자가 장착된 구동체는 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 공진부(10), 제1압전소자(20) 및 제2압전소자(30)로 이루어진다.
공진부(10)는 일면에 제1결합홈(11)과 제2결합홈(12)이 렌즈의 광축방향인 길이방향으로 상호 이격되도록 형성된다.
제1압전소자(20)는 상기 제1결합홈(11)에 결합되고, 제2압전소자(30)는 상기 제2결합홈(12)에 결합되어 상기 제1압전소자(20)와 이격 배치된다.
이러한 구동체(100)는 렌즈(미도시)가 내장된 렌즈홀더(200)를 상기 렌즈의 광축방향으로 이동시킨다.
구체적으로 공진부(10)는 인청동으로 이루어지며, 상기 렌즈의 광축방향으로 긴 육면체 형상으로 형성된다.
상기 공진부(10)에는 양측 측면부에 길이방향으로 안내홈(13)이 형성되어 상기 렌즈가 내장된 렌즈홀더(200)의 이동을 안내한다.
상기 안내홈(13)은 상기 공진부(10)의 중심부 방향으로 오목한 원호형상으로 이루어진다.
그리고 상기 공진부(10)에는 상기 안내홈(13)의 상부 및 하부에 각각 이격홈(14)이 형성되어 상기 렌즈홀더(200)의 이동거리의 제약을 최소화한다.
또한, 상기 공진부(10)의 길이방향 양단에는 공진부(10)의 폭 중심부에서 돌출된 결합돌기(15)가 형성된다.
상기 결합돌기(15)는 공진부(10)를 소형 카메라 구동장치의 베이스부재(미도시)에 결합시키기 위한 구성으로서, 구동체(100)와 베이스부재의 조립을 용이하게 해준다.
상기 안내홈(13), 이격홈(14) 및 결합돌기(15)에 대한 더욱 자세한 설명은 후술하도록 한다.
한편, 제1압전소자(20)의 일면에는 제1(+)전극이 결합되고, 상기 제1압전소자(20)의 타면에는 제1(GND)전극이 결합된다.
또한, 제2압전소자(30)의 일면에는 제2(+)전극이 결합되고, 상기 제2압전소자(30)의 타면에는 제2(GND)전극이 결합된다.
상기 제1(+)전극 및 제2(+)전극에는 상호 위상차를 갖는 적정주파수의 교번전압이 인가되고, 상기 제1압전소자(20)와 제2압전소자(30)는 상기 공진부(10)의 길이방향 및 폭방향으로 신축되며, 상기 공진부(10)는 측면부가 타원형의 변위운동을 하게 된다.
이때, 상기 제1(+)전극과 제2(+)전극에 인가되는 교번전압은 상호 90도의 위상차를 갖도록 함이 바람직하다.
상기 제1(+)전극 및 제2(+)전극에 인가되는 교번전압의 적정주파수는, 상기 공진부(10)가 길이방향으로 변형되도록 하는 제1공진주파수와, 상기 공진부(10)가 폭방향으로 신축되도록 하는 제2공진주파수의 사이 값이다.
전술한 구동체(100)를 포함하는 소형 카메라 구동장치는 베이스부재(미도시), 구동체(100), 렌즈홀더(200) 및 탄성부재(300)로 이루어진다.
베이스부재는 휴대단말기 등 소형 카메라에 장착되고, 구동체(100) 및 렌즈홀더(200)가 조립된다.
구체적으로 상기 구동체(100)는 결합돌기(15)가 상기 베이스부재에 결합되어 조립되며, 상기 렌즈홀더(200)는 탄성부재(300)에 의해 상기 공진부(10)에 연결되어 상기 베이스부재에 광축방향으로 이동가능하게 조립된다.
상기 렌즈홀더(200)는 원통형상으로 형성되며, 상하 개방되어 내부에 렌즈(미도시)가 내장된다.
그리고 상기 렌즈홀더(200)의 외주면 양측에는 탄성부재(300)가 장착되어 상기 렌즈홀더(200)를 구동체(100)에 연결한다.
상기 탄성부재(300)는 일단이 상기 렌즈홀더(200)에 장착되고, 타단이 공진부(10)의 측면부를 가압한다.
즉, 상기 렌즈홀더(200)의 양측에 장착된 2개의 탄성부재(300)가 상기 공진부(10)의 양측 측면부를 가압하여 렌즈홀더(200)를 공진부(10)에 연결한다.
상기 탄성부재(300)의 타단에는 가이드샤프트(310)가 구비되어 안내홈(13)을 따라 이동하게 된다.
이러한 가이드샤프트(310)는 원기둥 형상으로 형성되고, 안내홈(13)의 길이보다 짧다.
상기 가이드샤프트(310)가 상기 안내홈(13)을 따라 어느 한 방향으로 이동할 때, 상기 가이드샤프트(310)의 단부가 상기 안내홈(13)의 외부로 돌출되게 되는데, 이때 상기 가이드샤프트(310)의 단부는 상기 이격홈(14)에 배치된다.
만약, 상기 안내홈(13)의 상부 및 하부에 이격홈(14)이 형성되어있지 않으면, 공진부(10)의 형상이 변형됨에 따라 상기 가이드샤프트(310)가 상기 공진부(10)의 측면부에 의해 이동거리가 제한되게 된다.
하지만 본 실시예에서는 상기 가이드샤프트(310)가 안내홈(13)을 따라 이동하여 상기 안내홈(13)의 외부로 돌출되는 공진부(10)의 측면부 일부를 제거하여 이격홈(14)을 형성함으로써, 상기 가이드샤프트(310)가 이동할 수 있는 거리를 최대화할 수 있다.
이하, 상술한 구성으로 이루어진 본 발명의 작동방법에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 구동체의 제1공진주파수에 따른 운동상태를 도시한 상태도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 구동체의 제2공진주파수에 따른 운동상태를 도시한 상태도이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 구동체의 적정주파수에 따른 측면부의 타원운동상태를 도시한 상태도이다.
먼저 제1압전소자(20) 및 제2압전소자(30)에 각각 연결된 제1(+)전극과 제2(+)전극에 상호 90도의 위상차를 갖는 교번전압을 인가한다.
즉, 상기 제1(+)전극과 제2(+)전극에 인가되는 교번전압의 위상은 90도의 차이가 있다.
이때, 인가되는 교번전압의 주파수는 공진부(10)의 제1공진주파수와 제2공진주파수의 중간에 해당하는 적정주파수이다.
상기 제1(+)전극과 제2(+)전극에 90도의 위상차를 갖는 적정주파수의 교번전압이 인가되면, 제1압전소자(20) 및 제2압전소자(30)는 각각 신축운동을 하고, 이로 인해 상기 제1압전소자(20) 및 제2압전소자(30)가 결합된 공진부(10)가 유동하면서 안내홈(13)에 삽입 배치되어 있는 가이드샤프트(310)를 상하방향으로 이동시켜 렌즈가 내장된 렌즈홀더(200)를 이동시킨다.
이때, 인가되는 교번전압의 주파수가 상기 공진부(10)의 제1공진주파수와 제2공진주파수 사이에 위치하는 적정주파수이기 때문에, 작은 힘으로 상기 공진부(10)를 크게 유동시킬 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1공진주파수에 의해 상기 공진부(10)는 렌즈의 광축방향인 길이방향으로 변형을 반복하게 된다.
상기 공진부(10)는 결합돌기(15)에 의해 베이스부재에 고정되어 있기 때문에, 제1공진주파수에 의해 변형되어도 상기 결합돌기(15)가 형성되어 있는 중심부는 변형되지 못하고 측면부가 상하방향으로 변형된다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 제2공진주파수에 의해 제1압전소자(20)와 제2압전소자(30)가 공진부(10)의 폭방향으로 신축하면서 상기 공진부(10)가 폭방향으로 신축을 반복하게 된다.
구체적으로 상기 공진부(10)를 길이방향으로 반복적으로 변형되도록 하는 제1공진주파수는 520.5kHz이고, 상기 공진부(10)를 폭방향으로 반복적으로 신축되도록 하는 제2공진주파수는 523.5kHz인 경우, 상기 제1압전소자(20) 및 제2압전소자(30)에 상기 제1공진주파수와 제2공진주파수의 합의 평균값인 522kHz의 적정주파수를 인가한다.
그러면 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 공진부(10)는 길이방향의 진동모드와 폭방향의 진동모드가 합쳐지게 되어 측면부가 타원형의 변위운동을 하게 된다.
도 9에서는 상기 공진부(10)의 측면부 중 어느 한 점을 표시하여 측면부가 타원형의 변위운동을 하는 것을 도시하였다.
한편, 상기 제1공진주파수와 제2공진주파수의 차이 값이 클 경우에는, 적정주파수와 제1공진주파수 및 제2공진주파수 차이 값이 켜져 상기 공진부(10)에 적정주파수를 갖는 교번전압을 인가하더라도 상기 공진부(10)의 측면부가 타원운동을 하지 않을 수 있다.
상기 공진부(10)의 측면부가 타원형의 변위운동을 함에 따라, 상기 측면부에 형성된 안내홈(13)에 삽입 배치된 가이드샤프트(310)가 상방향 또는 하방향으로 이동하게 되어 렌즈홀더(200)가 광축방향으로 이동하게 된다.
전술한 바와 같이 상기 가이드샤프트(310)는 상기 탄성부재(300)의 타단에 형성되어 상기 공진부(10)를 가압하기 때문에 상기 가이드샤프트(310)가 상기 안내홈(13)에 밀착되어 상기 안내홈(13)을 따라 이동하게 된다.
그리고 도 9(b) 또는 도 9(c)에 도시된 바와 같이 공진부(10)의 측면부가 변형될 때 공진부(10)의 상단부가 외측방향으로 신장되면서 벌어지게 되는데, 이격홈(14)이 형성되어 있어서 상기 안내홈(13)을 따라 상방향으로 이동하여 상기 안내홈(13)의 상부로 돌출된 가이드샤프트(310)가 상방향으로 더 이동할 수 있는 공간을 확보할 수 있다.
그러나 상기 이격홈(14)이 형성되지 않을 경우에는, 상기 안내홈(13)의 상부로 돌출된 가이드샤프트(310)가 상기 공진부(10)의 측면부에 접하면서 이동이 제한되어 렌즈홀더(200)의 전체 이동거리가 짧아질 수밖에 없다.
상술한 바와 같은 본 발명의 압전소자가 장착된 구동체는, 2개의 압전소자가 공진부(10)의 일면에 상호 이격되도록 결합되어 상호 위상차를 갖는 교번전압에 의해 신축되면서, 공진부(10)의 형상을 반복적으로 변형시켜 측면부가 탄원형의 변위운동을 하도록 함으로써, 전체 크기를 소형화하면서도 렌즈의 이동거리를 증가시키고, 전력소모를 줄이면서 구동력을 향상시켜 고정밀, 고화소 카메라에 적용하기 용이하다.
본 발명인 압전소자가 장착된 구동체는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10 : 공진부, 11 : 제1결합홈, 12 : 제2결합홈, 13 : 안내홈, 14 : 이격홈, 15 : 결합돌기,
20 : 제1압전소자, 30 : 제2압전소자,
100 : 구동체, 200 : 렌즈홀더, 300 : 탄성부재, 310 : 가이드샤프트,

Claims (4)

  1. 일면에 제1결합홈과 제2결합홈이 렌즈의 광축방향인 길이방향으로 상호 이격되도록 형성된 공진부;
    상기 제1결합홈에 결합되는 제1압전소자;
    상기 제2결합홈에 결합되어 상기 제1압전소자와 이격 배치되는 제2압전소자;
    상기 제1압전소자에 결합되는 제1(+)전극; 및
    상기 제2압전소자에 결합되는 제2(+)전극; 을 포함하여 이루어지되,
    상기 제1(+)전극 및 제2(+)전극에는 상호 위상차를 갖는 적정주파수의 교번전압이 인가되고,
    상기 제1압전소자와 제2압전소자는 상기 공진부의 길이방향 및 폭방향으로 신축되며,
    상기 공진부는 측면부가 타원형의 변위운동을 하면서 상기 렌즈를 광축방향으로 이동시키고,
    상기 공진부에는,
    양측 측면부에 길이방향으로 안내홈이 형성되어 상기 렌즈의 이동을 안내하고, 상기 안내홈의 상부 및 하부에 각각 이격홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 압전소자가 장착된 구동체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1(+)전극 및 제2(+)전극에 인가되는 교번전압의 적정주파수는,
    상기 공진부가 길이방향으로 변형되도록 하는 제1공진주파수와, 상기 공진부가 폭방향으로 신축되도록 하는 제2공진주파수의 사이 값인 것을 특징으로 하는 압전소자가 장착된 구동체.
  3. 삭제
  4. 일면에 제1결합홈과 제2결합홈이 렌즈의 광축방향인 길이방향으로 상호 이격되도록 형성된 공진부;
    상기 제1결합홈에 결합되는 제1압전소자;
    상기 제2결합홈에 결합되어 상기 제1압전소자와 이격 배치되는 제2압전소자;
    상기 제1압전소자에 결합되는 제1(+)전극; 및
    상기 제2압전소자에 결합되는 제2(+)전극; 을 포함하여 이루어지되,
    상기 제1(+)전극 및 제2(+)전극에는 상호 위상차를 갖는 적정주파수의 교번전압이 인가되고,
    상기 제1압전소자와 제2압전소자는 상기 공진부의 길이방향 및 폭방향으로 신축되며,
    상기 공진부는 측면부가 타원형의 변위운동을 하면서 상기 렌즈를 광축방향으로 이동시키고,
    상기 공진부의 길이방향 양단에는 상기 공진부의 폭 중심부에서 돌출된 결합돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자가 장착된 구동체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20100024582A (ko) * 2008-08-26 2010-03-08 주식회사 하이소닉 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치
KR20110052791A (ko) * 2009-11-13 2011-05-19 주식회사 하이소닉 압전소자가 장착된 구동체

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