KR20030086967A - 카메라렌즈 이동을 위한 초음파 선형 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 선형 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 카메라의 줌(zoom)과 초점조절을 위한 렌즈의 직선운동 발생장치에 관한 것이다. 기존의 자동카메라에선 렌즈의 운동을 위해 회전형 전자기 모터를 사용해 왔다. 하지만 이것은 전자기 모터의 특성상 카메라의 제작공정이 어렵고 부피를 줄이는 데 한계가 있다. 그래서 본 발명은 고리형상의 압전세라믹에 4개의 팔을 가지는 금속링을 부착한 초음파 선형 모터를 제시함으로써, 위에서 언급한 기존의 카메라렌즈 이동장치의 문제점들을 해결하기 위함이다. 그리하여 이전의 그것보다 간단하고 제작이 용이하며 초소형화가 가능한 초음파 선형 모터를 제공하는 데 본 발명의 목적이 있다. 본 발명에서 제시된 초음파 선형 모터는 내경이 다른 두 고리형 압전세라믹과 중앙에 4개의 팔을 가지는 두 금속링으로 구성되고, 이들의 중앙엔 카메라 렌즈를 삽입할 수 있는 원통형 이동자(구동자)가 삽입된다. 그리고 어느 한 압전세라믹이 수축할 때, 다른 하나는 팽창할 수 있도록 분극구조와 전기배선을 구성한다. 여기서 압전세라믹은 기계적인 공진에 의해 구동하며 치수가 다른 압전세라믹은 공진주파수가 서로 다르다는 점을 이용하여, 어느 한 압전세라믹이 공진하게 되면 이것을 포함하는 고정자가 이동하는 방향이 주가 되어 이동자가 동작하게 된다. 그리고 본 모터는 주파수 가변에 의해 양방향 운동을 실현할 수 있게 된다. 본 발명은 카메라의 줌(zoom)과 초점조절 기능을 위한 카메라렌즈의 이동에 있어서 기존의 경우보다 구조가 간단하고, 부피가 작으며, 제작이 용이한 장치를 제공하는 데 가장 큰 효과를 기대할 수 있다. 이러한 효과로 인해 제품의 생산비용을 절감을 기대할 수 있다. 또한 본 모터는 그 구조가 매우 간단하여 초소형 모터로의 가능성이 매우 크다. 그래서 인체의 혈관이나 요도관에도 삽입이 가능한 고급의료장비나 혹은, 휴대폰 카메라에도 충분히 적용될 수 있다.

Description

카메라렌즈 이동을 위한 초음파 선형 모터 {The ultrasonic linear motor for the movement of the camera lens}

초음파 모터는 그 기능에 따라 크게 회전형 모터와 선형 모터로 분류된다.본 발명은 초음파 선형 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 카메라의 줌(Zoom)과 초점조절을 위한 렌즈의 직선운동 발생장치에 관한 것이다. 일반적으로 카메라는 렌즈의 직선운동에 의해 줌(zoom)과 초점조절의 기능을 가지며, 이것에 필요한 동력을 수동 카메라의 경우 사람의 손에서 비롯되며 자동카메라의 경우 모터를 이용하게 된다.

본 발명에서의 초음파 모터는 1상의 교류입력을 필요로 하는 정재파형 초음파 모터에 속하며, 매우 단순한 구조로 인해 초소형 모터로서의 잠재력이 매우 크다. 또한 모터의 중심에 구멍이 있어서 빛을 통과 시킬 수 있으며 직접적으로 직선운동을 발휘하기 때문에, 카메라의 줌(zoom)기능 또는 초점조절기능을 위한 카메라렌즈 이동용 모터로서 매우 적합하다.

초음파 모터는 기존의 전자기 모터와는 달리, 가청 주파수 이상의 기계적인 진동과 고정자와 회전자의 접촉으로부터 발생하는 마찰에 의해 구동하는 모터이다. 그리고 진동의 원천으로 압전세라믹을 사용하며, 이것의 진동변위는 매우 미세하기 때문에 기계적인 공진을 이용하게 된다. 일반적으로 초음파 모터는 저속에서 큰 토크를 내기 때문에 저속용으로 이용되어질 때 감속을 위한 기어들이 불필요하다. 그리고 구조가 간단하여 제작이 용이하다. 또한 비교적 쉽게 선형모터를 제작할 수 있다.

기존의 자동카메라에선 렌즈의 직선운동을 위해 회전형 전자기 모터를 사용해왔다. 이와 같은 회전형 모터로부터 직선운동을 발휘하기 위해서는 카메라 내부에 별도의 나사선 가공이 필요하다. 그리고 전자기 모터는 고속으로 운전을 하기때문에 감속을 위한 상당수의 기어들이 사용된다. 또한 전자기 모터는 그 구조가 복잡하여 소형화에 한계가 있다. 이러한 이유들로 인해 현재의 카메라들은 제작공정이 어렵고 부피를 줄이는 데 한계가 있다.

이러한 문제점들은 해결하기 위해 진행파방식을 이용한 링(ring)형 초음파 모터가 카메라의 응용에 있어서 제시된 바 있었다. 하지만 본 모터 역시 회전형이기 때문에 카메라 내부의 나사선 가공은 불가피하다. 그리고 진행파형 초음파 모터는 고리형태의 압전세라믹을 여러 부분으로 나누어 교대로 상반되는 분극구조를 가져야 하기 때문에 분극과정이 어렵다. 또한 진행파의 발생을 위해서 90도 위상차를 가지는 두 개의 교류전원이 인가되어야 하기 때문에 구동회로와 결선이 복잡하다는 단점을 가지고 있다. 그리고 본 모터 역시 초소형 모터로서는 한계가 있다.

본 발명은 고리형상의 압전세라믹에 4개의 팔을 가지는 금속링을 부착한 초음파 선형 모터를 제시함으로써, 위에서 언급한 기존의 카메라렌즈 이동장치의 문제점들을 해결하기 위함이다. 그리하여 이전의 그것보다 간단하고 제작이 용이하며 초소형화가 가능한 초음파 선형 모터를 제공하는 데 본 발명의 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해서는 우선, 카메라의 구조의 간소화를 위해 현재 사용되고 있는 많은 기어(gear)들의 생략이 필요하다. 그래서 기어(gear)없이 바로 저속으로 구동하는 초음파 모터를 적용하는 것이 바람직하다.

그리고 카메라렌즈는 직선운동을 통해 줌(zoom)과 초점조절 기능을 수행하므로, 회전 모터를 사용할 경우 회전운동을 직선운동으로 변환할 수 있는 장치가 필요하다. 그래서 구조의 간소화를 위해 선형 모터를 곧바로 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 카메라렌즈 이동장치의 부피를 줄이기 위해서는 렌즈가 모터의 중앙에 삽입되어야 한다. 그래서 모터가 고리의 형상을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 이동자와 고정자 사이의 적절한 마찰력을 쉽게 얻기 위해서는 이동자와 접촉을 하는 금속링의 다리를 구부리는 방식이 바람직하다.

또한, 카메라렌즈의 안정된 직선운동을 위해서는 렌즈를 직접 이동자로 이용하는 것 보다 양호한 마찰특성을 가지는 이동자 속에 렌즈를 삽입하는 구조가 바람직하다.

끝으로, 언급된 선형 초음파 모터의 양방향 운동을 위해서는 내경이 다른 두개의 고정자가 공진 주파수가 다름을 이용하여 입력전원의 주파수 가변으로부터 양방향 운동을 실현하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명 초음파 모터의 부품을 도시한 도면

도 2는 본 발명 초음파 모터의 조립을 도시한 도면

도 3은 본 발명 초음파 모터의 단면을 도시한 도면

도 4는 본 발명 초음파 모터의 전기배선을 도시한 도면

도 5는 본 발명 초음파 모터에서 고정자의 동작을 도시한 도면

도 6은 본 발명 초음파 모터의 운동원리를 도시한 도면

도 7은 본 발명 초음파 모터에서 이동자의 양방향 운동을 도시한 도면

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 압전세라믹1 (작은 내경) 2 : 압전세라믹2 (큰 내경)

3 : 금속링 4 : 고무링

5 : 이동자

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에서 제안된 초음파 선형 모터의 부품도이다. 압전세라믹 (1)(2)은 모두 두께 방향으로 분극되어 있다. 그리고 압전세라믹1(1)은 압전세라믹 2(2) 보다 내경이 작다. 그리고 금속링(3)은 서로 수직한 4개의 팔들이 중앙에 위치하고 있으며, 본 팔들은 한 쪽 방향으로 약간씩 굽어져 있다. 또한 이동자(5)는 카메라렌즈의 삽입을 위해 원통의 형상을 가진다.

도2는 제안된 모터의 조립도이다. 우선 두 압전세라믹(1)(2)을 분극 방향이나란하게 구성한 후, 중앙엔 고무링(4)을 위치시키고 이들을 접착한다. 그리고 양 바깥쪽에는 금속링(3)을 접착하며, 이 때 팔들의 굽어진 방향이 모두 바깥쪽을 향하도록 한다. 여기까지 고정자의 구성이 완료된다. 끝으로 중앙에 이동자(5)를 삽입하여 금속링(3)의 굽어진 팔들과 접촉을 유지하면 전체 모터의 구성이 완료된다.

도3은 제안된 모터의 단면도이다. 여기서 외경은 같고 내경이 다른 두 압전세라믹(1)(2)의 분극방향이 서로 나란하게 구성되어 있음을 확인할 수 있다. 그리고 금속링(3)의 팔이 굽어져서 이동자(5)와 접촉을 하고 있음도 확인할수 있다. 또한 도면에서와 같이 이동자(5)가 원통의 형상을 가지기 때문에 중앙에 렌즈가 삽입될 수 있다.

도4는 제안된 모터의 전기배선도이다. 본 모터는 한쪽의 압전세라믹(1)이 수축할 때, 다른 한쪽의 압전세라믹(2)은 팽창하여야 한다. 그리고 이동자(5)는 금속재질이기 때문에 두 금속링(3)은 이동자(5)에 의해 전기적으로 도통되어 있다. 이 두 가지 사실을 고려하여, 전기배선에 있어서 합선을 방지하기 위해서는 두 압전세라믹(1)(2)의 분극방향은 서로 나란해야 하며, 도면이 나타내는 바와 같이 압전세라믹(1)(2)의 안 쪽 전극과 바깥 쪽 전극은 전기적으로 분리되어야 한다.

도5에는 고정자의 동작을 나타내었다. 교류전원이 인가되면 두 압전세라믹 (1)(2)은 원점을 중심으로 수축과 팽창을 반복하는 경방향 진동모드로 진동하게 된다. 여기서 압전세라믹(1)(2)의 진동변위는 매우 미세하기 때문에, 인가전원의 주파수와 압전세라믹(1)(2)의 고유 주파수가 일치되어 공진을 시켜야 이용 가능한 큰 변위를 얻을 수 있다. 그리고 금속링(3)의 팔들은 압전세라믹(1)(2)이 수축할 때는이동자(5)와 접촉하여 이동자(3)를 밀고, 팽창할 때는 이동자(5)와 분리되어 이동자(3)의 이동에 관여하지 않는다. 또한 앞에서 언급한 바와 같이 압전세라믹1(1)이 수축할 때는 압전세라믹2(2)는 팽창하고, 교류전원이 인가되기 때문에 본 수축과 팽창의 관계는 계속 반복 된다.

도6에서는 본 모터의 동작원리를 나타내었다. 우선 (가)에서 입력전원의 전압은 정현파이며, 압전세라믹(1)(2)의 공진을 위해 그 주파수가 가청 주파수 이상인 초음파이다. 다음으로 (나)에서와 같이 입력전원의 처음 반주기 동안은 압전세라믹1(1)이 수축하여 좌측 금속링(3)의 팔들이 이동자를 가격하고, 압전세라믹2(2)는 팽창하여 우측 금속링(3)의 팔들은 이동자와 분리된다. 그래서 이동자(5)의 이동방향은 좌측 금속링(3)의 팔들에 의해 좌측이 된다. 하지만 입력전원의 다음 반주기 동안은 이들의 역할이 반전되어 이동자(5)의 이동방향이 우측이다. 그리고 이러한 관계는 계속적으로 반복된다.

모터의 동작에 가장핵심이 되는 부분은 두 압전세라믹(1)(2)의 치수가 다르기 때문에 서로 공진 주파수가 다르다는 점이다. 그래서 만약에 입력전원의 주파수가 압전세라믹1(1)에 맞추어 진다면, (다)에서와 같이 이동자(5)의 좌측이동이 우측이동보다 훨씬 크기 때문에, 이동자(5)의 이동방향은 전체적으로 좌측이다. 이와 반대로 입력전원의 주파수가 압전세라믹2(2)에 맞추어 진다면, (라)에서와 같이 이동자(5)의 우측이동이 좌측이동보다 훨씬 크기 때문에, 이동자(5)의 전체적인 이동방향은 우측이 된다. 그래서 본 모터는 주파수의 가변으로 양방향 직선운동이 가능하게 된다. 그리고 이동자(5)는 이론적으로는 전진과 후진의 동작은 반복하지만,실질적으로는 주파수가 아주 높기 때문에 외부에서 관측한 이동자(5)의 동작은 한쪽으로 연속적이다.

끝으로 도7에서는 이동자(5)의 이동된 모습을 나타내었다. (가)의 경우는 입력전원의 주파수가 압전세라믹1(1)에 일치되어 이동자(5)가 좌측으로 이동된 경우이고, (나)의 경우는 입력전원은 주파수가 압전세라믹2(2)에 일치되어 이동자가(5) 우측으로 이동된 모습이다.

본 발명은 카메라의 줌(Zoom)과 초점조절 기능을 위한 카메라렌즈의 이동에 있어서, 속이 빈 구조의 초음파 선형 모터를 이용함으로 하여, 기존의 경우 보다 구조가 간단하고, 부피가 작으며, 제작이 용이한 장치를 제공하는 데 가장 큰 효과를 기대할 수 있다. 이러한 효과로 인해 제품의 생산비용을 절감을 기대할 수 있다. 또한 본 모터는 그 구조가 매우 간단하여 초소형 모터로의 가능성이 매우 크다. 그래서 인체의 혈관이나 요도관에도 삽입이 가능한 고급의료장비나 혹은, 휴대폰 카메라에도 충분히 적용될 수 있다.

Claims (2)

1. 앞에서 언급된 바와 같이, 내경이 서로 다른 두 압전세라믹의 분극방향을 마주보게 한 후, 이것의 바깥쪽에 서로 수직한 4개의 팔을 가지는 두 금속링을 부착하고, 중앙에 고무링을 삽입한 초음파 선형 모터의 고정자,

   원통의 형상으로부터 렌즈를 삽입함과 동시에, 위에서 언급된 고정자의 팔들과 접촉을 유지하는 초음파 선형 모터의 이동자,

   본 초음파 선형 모터에서 고정자와 회전자의 접촉 구조를 금속링의 다리를 구부려서 이루는 방법,

   본 초음파 선형 모터에서 고리형 압전세라믹의 경방향 진동모드로부터 구부러진 금속링의 팔들이 회전자를 가격해서 이동자를 이동시키는 방법,

   본 초음파 선형 모터에서 치수가 다른 두 압전세라믹이 공진 주파수가 다르다는 것을 이용해, 주파수 가변으로부터 양방향운동을 실현하는 방법.
2. 제1항에 있어서 금속링의 팔이 3개이며 각각 120도의 각을 이루는 고정자에 의한 모터.