KR101721894B1 - Ｍｅｍｓ액추에이터 및 이를 포함하는 카메라 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무빙 렌즈가 고정되는 렌즈고정부를 포함하는 카메라 모듈용 MEMS 액추에이터에 있어서, 상기 렌즈고정부는 복수 개의 마운트 패드가 원호부에 의하여 연결되는 환형링, 상기 환형링을 수용하는 개구부가 중앙에 형성되는 바디부, 및 상기 원호부 중앙에서 상기 바디부를 연결하는 플렉쳐를 포함하여 수평 방향과 수직방향의 응력을 충분히 분산시킬 수 있고, 외부 충격에도 내충격성이 뛰어난 MEMS 액추에이터 및 이를 포함하는 카메라 모듈에 관한 것이다.

Description

ＭＥＭＳ액추에이터 및 이를 포함하는 카메라 모듈{MEMS ACTUATOR AND CAMERA MODULE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 MEMS 액추에이터에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 플렉쳐의 길이가 연장되고 두께가 최적화되어 응력의 분산이 용이하고 외부 충격에 대한 내충격성이 향상된 MEMS 액추에이터 및 이를 포함하는 카메라 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 컴팩트한 카메라 모듈은 소형으로써 카메라폰, PDA 및 스마트폰 등 휴대용 이동통신 기기와 다양한 IT기기에 적용되고 있다.

이러한 카메라 모듈은 CCD나 CMOS 등의 이미지 센서를 주요 부품으로 제작되고 있으며, 화상의 크기를 조절하기 위하여 초점 조정이 가능하도록 제조되고 있다.

이때, 카메라 모듈은 복수의 렌즈를 포함하고, 각각의 렌즈를 이동시켜 그 상대거리를 변화시킴으로써 광학적인 초점 거리가 조절된다.

최근 기존의 음성코일모터(VCM) 대신에 MEMS(Micro electromechanical Systems) 액추에이터를 사용하여 오토 포커스(Auto Focus)를 구현하는 연구가 활발하다.

상기 MEMS 액추에이터는 기존의 보이스 코일 대신 실리콘 웨이퍼에 하나의 무빙 렌즈가 고정된다. 따라서 전압인가시 정전기력에 의하여 무빙 렌즈가 고정된 부분이 상하로 이동하게 되어 미세하게 무빙 렌즈를 조정하여 오토 포커싱(Auto Focusing) 기능을 수행할 수 있다.

그러나 이러한 MEMS 액추에이터는 얇은 실리콘 웨이퍼에 미세패턴으로 형성되므로 충격에 취약한 문제가 있으며, 특히 MEMS 액추에이터에 무빙 렌즈가 고정되는 부분은 변형이 용이하도록 두께가 얇게 형성되므로 작은 외부 충격에도 쉽게 파단되어 오토 포커스 기능을 제대로 수행할 수 없는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 내충격성이 뛰어난 MEMS 액추에이터 및 이를 포함하는 카메라 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 MEMS 액추에이터는 무빙 렌즈가 고정되는 렌즈고정부를 포함하는 카메라 모듈용 MEMS 액추에이터에 있어서, 상기 렌즈고정부는 복수 개의 마운트 패드가 원호부에 의하여 연결되는 환형링, 상기 환형링을 수용하는 개구부가 중앙에 형성되는 바디부, 및 상기 원호부 중앙에서 상기 바디부를 연결하는 플렉쳐를 포함한다.

또한, 상기 개구부에는 상기 마운트 패드를 수용하는 오목부가 형성되고, 상기 플렉쳐는 상기 원호부의 중앙에서 연장되고 분기되어 상기 오목부의 양 경계지점과 연결된다.

상기 환형링의 두께는 50∼55㎛이고, 상기 플렉쳐의 두께는 50∼60㎛로 구성될 수 있다.

그리고 상기 서로 이웃하는 마운트 패드에서 상기 환형링의 중심 방향으로 연장된 연장선은 서로 직각을 이루도록 형성될 수 있다.

상기와 같은 구성에 의하여 플렉쳐가 수평 방향과 수직방향의 응력을 충분히 분산시킬 수 있고, 외부 충격에도 내충격성이 뛰어난 장점이 있다.

또한, 플렉쳐가 수직 방향으로는 변형률이 작아 렌즈의 관성력에 의하여 자세 안정시간이 증가하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시에에 따른 카메라 모듈의 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 액추에이터 평면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈고정부의 평면도,
도 4는 도 3의 A부분 확대도,
도 5a는 비교 실시예의 수평방향 내부 응력을 보여주는 시뮬레이션,
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈고정부에 수평 방향의 내부 응력을 보여주는 시뮬레이션,
도 6a는 비교 실시예의 수직 방향의 내부 응력을 나타내는 시뮬레이션,
도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈고정부에 수직 방향의 내부 응력을 보여주는 시뮬레이션.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한 본 출원에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.

이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 액추에이터의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈고정부의 평면도이고, 도 4는 도 3의 A부분 확대도이다.

본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈은 무빙 렌즈(410)를 상하로 움직이는 MEMS 액추에이터(10)와, 상기 MEMS 액추에이터(10)를 고정하고 내부에 다수 개의 렌즈(420,430,440)를 포함하는 배럴(20)과, 상기 배럴(20)의 하부에 위치하여 상기 배럴(20)을 고정하는 홀더(30) 및 내부를 차폐하는 커버(40)를 포함한다.

상기 배럴(20)과 홀더(30) 및 커버(40)는 일반적으로 MEMS 액추에이터가 내장되는 카메라 모듈의 구성이 동일하게 적용될 수 있으므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.

상기 MEMS(Micro electromechanical Systems) 액추에이터(10)는 기존의 보이스 코일 대신 실리콘 웨이퍼를 사용하여 무빙 렌즈(410)를 상하로 이동시켜 미세하게 무빙 렌즈(410)를 조정하여 오토 포커싱(Auto Focusing) 기능을 수행한다.

도 2를 참조하여 더욱 자세하게 살펴보면, 상기 MEMS 액추에이터(10)는 실리콘 웨이퍼에 패턴을 형성하여 제작되며, 크게 사각형상의 프레임(300)과 상기 프레임(300)의 중앙에 위치하여 무빙 렌즈가 고정되는 렌즈고정부(100) 및 상기 렌즈고정부(100)와 프레임(300)에 연결된 모션 컨트롤러(200)로 구분된다.

상기 도면은 이해를 돕기 위해 예시된 것으로서 상기 구성은 실시에 맞게 다양하게 변형될 수 있다.

상기 MEMS 액추에이터(10)는 정전기력(electrostatic force)에 의하여 구동되어 전압인가시 상기 렌즈고정부(100)가 상기 프레임(300)과의 인력과 척력에 의하여 상하로 이동하게 된다.

상기 모션 컨트롤러(200)는 상기 렌즈고정부(100)와 힌지(210)로 연결되어 있어 상기 렌즈고정부(100)의 상하 이동이 용이하도록 구성된다.

이러한 구성에 의하여 MEMS 액추에이터(10)는 구동하는 전류가 상대적으로 작아져 전력소모량에서 기존의 VCM(Voice Coil Motor) 방식의 액추에이터보다 뛰어난 장점이 있다.

도 3과 도 4를 참조하면, 상기 렌즈고정부(100)는 크게 환형링(130)과 상기 환형링(130)이 수용되는 바디부(110) 및 상기 환형링(130)과 바디부(110)를 연결하는 플렉쳐(120)로 구성된다.

상기 환형링(130)은 무빙 렌즈가 고정될 수 있는 마운트 패드(131)가 복수 개 형성되고 상기 복수 개의 마운트 패드(131)를 연결하는 복수 개의 원호부(132)로 구성되어 상기 환형링(130)의 내부 홀(H)에 무빙 렌즈의 볼록부(도 1의 410a)가 끼워지게 된다.

상기 마운트 패드(131)는 서로 대칭 구조를 갖는 복수 개로 형성될 수 있다. 예를 들면, 서로 마주보는 2개의 마운트 패드(131)로 구성되거나 4개의 마운트 패드(131)로 형성될 수 있다. 만약 4개의 마운트 패드(131)로 형성된 경우 각각의 마운트 패드(131)에서 상기 환형링(130)의 중심까지 연장한 연장선은 서로 90°를 갖도록 형성될 수 있다.

상기 바디부(110)는 상기 환형링(130)이 수용될 수 있도록 개구부(111)가 형성되어 있으며, 상기 개구부(111)에는 상기 마운트 패드(131)를 수용하기 위한 오목부(112)가 더 형성된다.

상기 플렉쳐(120)는 상기 원호부(132)의 중앙(P)에서 연장되고 분기되어 각각 상기 오목부(112)의 경계지점(112a)과 연결되어 형성된다. (여기서 상기 오목부의 경계지점은 바디부에 형성되어 있는 개구부와 오목부가 만나는 지점을 지칭한다.)

이를 더욱 자세하게 살펴보면, 상기 플렉쳐(120)는 상기 원호부 중앙(P)에서 연장되는 제1연결부(123)와 상기 제1연결부(123)에서 분기되는 연장부(122) 및 상기 연장부(122)의 양측이 오목부(112)의 경계지점(112a)과 연결되는 제2연결부(121)로 구성된다.

이때 환형링(130)의 두께는 50∼55㎛, 상기 연장부(122)의 두께는 50∼60㎛로 형성되어 구조 강도가 개선되고 내충격성이 향상되도록 구성될 수 있다.

상기 연장부(122)와 바디부(110) 사이에는 원호를 갖는 장홀(H1)이 형성된다. 이러한 구성에 의하여 상기 환형링(130)의 내부 홀(H)에 무빙 렌즈의 볼록부(도 1의 410a)가 삽입되면 상기 연장부(122)가 충분히 후방으로 밀리면서 상기 무빙 렌즈를 고정하게 된다.

상기 무빙 렌즈가 삽입되는 경우 플렉쳐(120)에 가해진 수평 응력이 분산되는 과정을 살펴보면, 상기 제1연결부(123)에 가장 많은 응력이 발생하게 되나 상기 제1연결부(123)와 연결된 상기 연장부(122)가 길이방향으로 최대한 연장되어 있으므로 용이하게 응력이 분산되게 된다.

상기 오목부(112)에는 스토퍼(113)가 돌출형성되어 무빙 렌즈가 과도하게 한쪽으로 치우쳐 삽입되어 상기 제1연결부(123)가 파단되는 문제를 방지하도록 구성될 수 있다.

상기 플렉쳐(120)에 가해진 수직 응력이 분산되는 과정을 살펴보면, 상기 렌즈고정부(100)가 상기 무빙 렌즈에 의하여 카메라의 초점이 맞추어 지도록 연속적으로 상하로 이동한다.

이후 초점이 맞추어져 상기 렌즈고정부(100)가 정지하는 경우 상기 무빙렌즈는 상하방향으로 관성력을 갖게된다.

그러나 상기 플렉쳐(120)는 상하방향으로는 변형량이 적도록 설계되어 무빙 렌즈는 관성력에 의한 진동시간이 감소하게 되므로 자세안정시간이 짧아지게 된다.

따라서 상기 관성력은 상기 플렉쳐(120)에 수직 방향의 내부 응력으로 작용하게 된다. 그러나 상기 플렉처(120)의 연장부(122)가 상기 오목부(112)의 양 경계지점(112a)까지 최대한 길게 연장되어 형성되어 있으므로 상기 수직 응력을 효과적으로 분산시키게 된다.

또한, 상기 연장부(122)는 50∼60㎛의 두께를 갖도록 형성되어 충격에 의하여 파단되지 않게 된다.

즉, 상기 플렉쳐(120)의 연장부(122)의 두께와 길이가 증가됨으로써, 오토 포커스시 진동시간이 감소하면서도 두께에 의하여 구조적인 강도가 증가하고 응력의 분산이 용이하여 수직 응력이나 외부 충격에 의하여 부러지지 않게 되는 것이다.

이하 도 5와 도 6을 참조하여 본 발명에 의한 응력이 분산되는 상태를 살펴본다. 이때 본 발명의 실시예에 따른 렌즈고정부(100)는 환형링(130)의 두께가 50㎛, 상기 연장부(122)의 두께는 55㎛, 상기 환형링(130)과 연장부(122)의 거리는 45㎛, 상기 연장부(122)와 바디부(110)의 거리는 45㎛로 구성되었고, 비교 실험예는 양 마운트 패드(131) 사이에 2개의 플렉쳐(120)의 두께가 30㎛이고 기울어져 각각 연결되었다.

먼저 수평방향의 내부 응력을 살펴보면 상기 비교 실험예는 도 5a와 같이 최대 응력값이 521MPa인 것에 비하여 본 발명의 렌즈고정부(100)는 도 5b에서 알 수 있듯이 제1연결부에 가해지는 최대 응력값이 225MPa로 비교 실험예에 비하여 최대 응력값이 56% 감소한 것을 알 수 있다.

또한, 수직 방향의 응력은 비교 실험예는 도 6a와 같이 최대 응력값이 460MPa인 것에 비하여 본 발명의 렌즈고정부(100)는 도 6b와 같이 298MPa로 비교 실험예에 비하여 최대 응력값이 35%감소하였음을 알 수 있다.

위에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 렌즈고정부 110: 바디부
111: 개구부 112: 오목부
120: 플렉쳐 121: 제2연결부
122: 연장부 123: 제1연결부
130: 환형링 131: 마운트 패드
132: 원호부 410: 무빙 렌즈

Claims (6)

1. 무빙 렌즈가 고정되는 렌즈고정부를 포함하는 MEMS 액추에이터에 있어서,
   상기 렌즈고정부는 복수 개의 마운트 패드가 원호부에 의하여 연결되는 환형링, 상기 환형링을 수용하는 개구부가 중앙에 형성되는 바디부, 및 상기 원호부에서 연장되는 연결부와 복수의 지점에서 상기 바디부와 연결되도록 연결부로부터 서로 다른 방향으로 분기된 연장부를 가진 플렉쳐를 포함하고, 상기 연장부와 상기 바디부 사이에는 원호형 장홀이 형성되는, MEMS 액추에이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 지점은 상기 마운트 패드에 근접하고, 상기 개구부에는 상기 마운트 패드를 수용하는 오목부가 형성되고, 상기 플렉쳐는 상기 원호부의 중앙에서 연장되어 분기되고 상기 오목부의 양 경계지점과 연결되는 MEMS 액추에이터.
3. 제2항에 있어서, 상기 환형링의 두께는 50∼55㎛이고, 상기 플렉쳐의 두께는 50∼60㎛인 MEMS 액추에이터.
4. 제1항에 있어서, 상기 서로 이웃하는 마운트 패드에서 상기 환형링의 중심 방향으로 연장된 연장선은 서로 직각을 이루는 MEMS 액추에이터.
5. 제2항에 있어서, 상기 오목부에는 하나 이상의 스토퍼가 형성된 MEMS 액추에이터.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 MEMS 액추에이터를 포함하는 카메라 모듈.

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