KR20050042922A - 압전 굴곡변위형 액츄에이터를 사용하는 렌즈 이송장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 줌/접사/자동초점 등의 기능을 하는 소형 광학기기에서 렌즈를 이송하기 위한 렌즈의 이송구조에 관한 것이다. 본 발명은 렌즈를 이송하기 위한 이송장치는, 상기 렌즈를 내부에 위치시키는 경통; 상기 경통 내부에 고정되는 일단 및 상기 렌즈가 연결되어 렌즈를 경통의 축방향으로 이동시키는 타단을 갖고, 전원의 공급에 의하여 상기 타단이 상기 일단과 이루는 평면으로부터 전방 또는 후방측으로 이동하도록 형성되는 압전 굴곡변위형 액츄에이터; 및 상기 경통 내부에 경통의 축방향으로 장착되며, 렌즈의 이동을 가이드하는 적어도 1개의 가이드부재;를 갖는다.

Description

압전 굴곡변위형 액츄에이터를 사용하는 렌즈 이송장치 {lens moving device using piezoelectric bending actuator}

본 발명은 줌/접사/자동초점 등의 기능을 하는 소형 광학기기에서 렌즈를 이송하기 위한 렌즈의 이송구조에 관한 것이다.

카메라, 캠코더, 컴팩트 줌 카메라, 감시카메라, 마이크로 비행체 등 여러 광학기기에는 줌(zoom) 기능을 위하여 렌즈가 전후진을 하도록 하는 구조를 갖는다. 이러한 줌 기능을 위하여 렌즈를 이송시키는 여러 구조가 개발되어 있다.

초점거리 가변을 위한 줌 기능을 수행하기 위하여 종래에는 주로 캠 구조 구동방식이 사용되어 왔다. 캠 구조 구동방식은 전자기 모터에 의하여 구동되는 경통과 그 측면에 위치하는 캠 형상의 홈을 따라서 각 렌즈가 상대적인 거리를 변화시켜가면서 줌 구동을 하는 방식이다.

도 1은 종래의 렌즈 구동구조를 도시한 도면이다. 도 1은 미국특허 6,268,970호의 “줌 렌즈 바렐”에 관한 것이다. 도 1에서, 각 렌즈 그룹(120,130,140)들을 지지하는 프레임(100)들이 있고, 상기 프레임들을 지지하는 캠 튜브(160,170)들을 포함하게 된다. 상기 캠 튜브들은 프레임이 축방향으로 렌즈를 움직이게 하는 기능을 하며, 상기 캠 튜브는 구동 액츄에이터(110)에 의해 구동하게 된다.

이러한 캠 구조의 줌 구동방식은 줌 작동시 캠의 형상에 의하여 각 렌즈의 상대적 위치가 결정된다. 이 때문에 특정 배율에서 초점을 맞추기 위한 초점렌즈 및 구동부가 추가적으로 요구되며, 종감속 기어 및 캠을 따라 움직이는 렌즈 홀딩 구조 등 구동기구가 복잡해지는 단점을 갖게 된다.

최근에는 이와 같은 단점을 극복하고 보다 소형의 광학기기에 줌 기능을 사용하기 위하여 초소형 광학 줌 기구의 개발이 이루어지고 있으며, 이러한 초소형 광학기구는 종래의 전자기 모터에 의한 구동방식에서 벗어나 압전 소자와 같은 지능형 소자를 사용하고 있는 추세이다. 이와 같이 종래의 모터 구동방식을 대체하게 되면, 구동 구조를 단순화 시킬 수 있게 되며, 직접 구동에 의한 고효율화를 실현할 수 있게 되는 장점이 있다.

이러한 압전 소자를 사용한 줌 렌즈 장치가 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 미국 특허 6,215,605호 ‘구동장치’에 관한 것이다. 도 2의 렌즈 구동장치는 압전소자(211,212)를 베이스 블록(221,222)에 고정시키고 구동환봉(216,217)에 변위를 전달하여, 슬라이드부(231a,232a)에서 발생하는 예압과 렌즈 홀더(231,232)의 관성력, 가속도 효과로서 렌즈(L2,L4)를 이송하게 된다. 압전 소자(212)는 가진 입력의 파형에 따라서 렌즈 홀더가 환봉과 함께 이송하거나 또는 미끄러져서 제자리에 머물게 되는 운동을 통하여 이송하며, 또한 양방향으로 이송이 가능하다.

도 2와 같은 렌즈 구동장치는 도 3에서와 같은 형태로 실제로 배열되어 사용되는데, 이때 서로 이웃해서 배열되는 압전소자(211a, 211b) 중 하나의 변위가 베이스 블록(213)을 통하여 전달되는 경우 다른 렌즈에 변위가 전달될 우려가 있게 된다. 따라서 베이스 블록(213)에 홈(groove, 213g)을 형성하여 압전 소자들 간의 변위 전달을 방지하게 된다. 이러한 홈의 가공은 구조를 복잡하게 하고, 가공의 어려움을 초래하게 되며, 또한 압전 소자들 간의 변위 간섭 문제를 완전히 제거할 수는 없게 된다.

또한, 압전 소자를 통해 전후로 이동하여 렌즈를 이송시키는 구동 환봉(216,217)의 길이는 압전 소자의 크기에 따라 제한된다. 이러한 구동 환봉의 길이의 제약은 렌즈 이송길이의 제약으로 작용하게 되고, 제품 성능에 영향을 미치게 된다.

더구나, 이러한 경우 구동 환봉이 기본적으로 고정되어 있으므로, 렌즈가 내장되는 경통의 길이를 가변하는 것이 불가능한 문제가 있으며, 렌즈의 이송길이를 위한 공간 이외에 구동을 위한 요소들이 배열되는 별도의 공간이 필요하게 되어 전체적인 장치의 크기를 소형화시키기 힘든 문제도 있게 된다. 또한 구동환봉에 렌즈부의 일단만이 지지되고 있어, 구동시 렌즈에 비대칭성 변위가 발생하게 되어 불안정한 구동을 일으킬 수 있게 되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 줌 또는 자동초점 기능 등의 카메라의 여러 기능을 제공하기 위한 렌즈 이동에 있어서, 그 구동부의 구조를 소형화할 수 있도록 하는 렌즈 이송장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 렌즈 이동을 위한 액츄에이터로써 압전 재료를 통한 굴곡변위형 액츄에이터를 사용하여 경통 및 가이드 부분의 구조를 보다 단순화하도록 하고, 구동수단이 렌즈를 직접 선형구동시켜서 높은 구동 효율을 얻고, 렌즈의 위치의 제어가 용이하고 전력소모량이 적은 이송장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 렌즈의 위치를 초정밀 제어하여 미세 초점 조절 및 미세 배율 조정, 높은 해상도를 얻을 수 있는 이송장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 렌즈를 이송하기 위한 이송장치에 있어서, 상기 렌즈를 내부에 위치시키는 경통; 상기 경통 내부에 고정되는 일단 및 상기 렌즈가 연결되어 렌즈를 경통의 축방향으로 이동시키는 타단을 갖고, 전원의 공급에 의하여 상기 타단이 상기 일단과 이루는 평면으로부터 전방 또는 후방측으로 이동하도록 형성되는 압전 굴곡변위형 액츄에이터; 및 상기 경통 내부에 경통의 축방향으로 장착되며, 렌즈의 이동을 가이드하는 적어도 1개의 가이드부재;를 포함하는 렌즈 이송장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 타단은 상기 렌즈의 외주연에서 상기 일단의 반대방향으로부터 상기 일단을 향해 연장되어 상기 일단과 인접하도록 형성된다.

상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 금속판 및 상기 금속판과 실질적으로 같은 크기로 금속판의 일면에 부착되는 압전체를 포함하는 유니몰프 타입이 될 수 있으며, 또한 서로 부착된 한쌍의 압전체로 형성되는 바이몰프 타입도 가능하다. 또한 바람직하게는, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 압전체 사이에는 금속판이 삽입될 수 있다. 또한 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 적어도 한쌍의 적층형 압전체가 서로 부착된 멀티몰프 타입이 될 수 있고, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 적층형 압전체 사이에는 금속판이 삽입되는 것이 바람직하게 된다.

또한 바람직하게는, 상기 렌즈의 외주연을 감싸도록 형성되고, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 타단과 연결되는 연결부 및 상기 가이드부재가 삽입되는 관통홀이 형성되는 렌즈 하우징을 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 타단과 상기 렌즈 하우징의 연결부는 회동가능하게 연결되는 링크부재를 통하여 서로 연결되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 링크부재는 양 끝단이 볼형상으로 형성된 볼 타입 링크부재가 될 수 있다.

바람직하게는, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 일부가 개구된 링 형상 또는 소정각도로 절곡된 모서리를 적어도 1개 갖는 형상이 될 수 있다.

바람직하게는, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 다수개가 상기 경통의 축방향으로 직렬로 연결될 수 있으며, 이때 상기 다수개의 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 하나의 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 타단과 다른 하나의 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 일단이 서로 스페이서를 통해 서로 일정간격 이격되어 연결되는 형식으로 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.

또한 바람직하게는, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 다수개가 상기 경통의 축방향으로 병렬로 연결될 수 있으며, 이때, 상기 다수개의 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 일단들은 스페이서를 통해 서로 일정간격 이격되어 연결되어 상기 경통에 고정되고, 상기 다수개의 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 타단들은 스페이서를 통해 서로 일정간격 이격되어 연결되며 상기 렌즈 하우징의 연결부와 연결될 수 있다.

또한 바람직하게는 상기 렌즈는 초점 조절을 위한 초점렌즈이거나, 줌 렌즈가 된다. 또한 바람직하게는 본 발명의 렌즈 이송장치는 상기 경통을 이동가능하도록 지지하는 외부 하우징; 및 상기 외부 하우징에 고정되는 일단 및 상기 경통이 연결되어 경통을 축방향으로 이동시키는 타단을 갖고, 전원의 공급에 의하여 상기 타단이 상기 일단과 이루는 평면으로부터 전방 또는 후방측으로 이동하도록 형성되는 경통 이동용 압전 굴곡변위형 액츄에이터;를 추가적으로 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 광학기기의 초점렌즈 및 줌 렌즈의 위치를 조절하는 렌즈 모듈에 있어서, 상기 초점렌즈 및 줌 렌즈를 내부에 위치시키는 경통; 상기 경통 내부에 고정되는 일단 및 상기 렌즈가 연결되어 렌즈를 경통의 축방향으로 이동시키는 타단을 갖고, 전원의 공급에 의하여 상기 타단이 상기 일단과 이루는 평면으로부터 전방 또는 후방측으로 이동하도록 형성되는 적어도 2개의 렌즈 이동용 압전 바이몰프 액츄에이터; 상기 경통 내부에 경통의 축방향으로 장착되며, 렌즈의 이동을 가이드하는 적어도 1개의 가이드부재; 상기 경통을 이동가능하도록 지지하는 외부 하우징; 및 상기 외부 하우징에 고정되는 일단 및 상기 경통이 연결되어 경통을 축방향으로 이동시키는 타단을 갖고, 전원의 공급에 의하여 상기 타단이 상기 일단과 이루는 평면으로부터 전방 또는 후방측으로 이동하도록 형성되는 경통 이동용 압전 바이몰프 액츄에이터;를 포함하는 렌즈 모듈을 제공한다.

바람직하게는, 상기 렌즈 이동용 압전 바이몰프 액츄에이터의 타단은 상기 렌즈의 외주연에서 상기 일단의 반대방향으로부터 상기 일단을 향해 연장되어 상기 일단과 인접하도록 링형상으로 형성될 수 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 렌즈의 외주연을 감싸도록 형성되고, 상기 압전 바이몰프 액츄에이터의 타단과 연결되는 연결부 및 상기 가이드부재가 삽입되는 관통홀이 형성되는 렌즈 하우징을 추가적으로 포함한다. 또한 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 타단과 상기 렌즈 하우징의 연결부는 회동가능하게 연결되는 링크부재를 통하여 서로 연결될 수 있다. 또한, 상기 링크부재는 양 끝단이 볼형상으로 형성된 볼 타입 링크부재인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 각각의 압전 바이몰프 액츄에이터는 다수개가 상기 경통의 축방향으로 직렬로 적층 연결되며, 이때 상기 다수개의 압전 바이몰프 액츄에이터는 하나의 압전 바이몰프 액츄에이터의 타단과 다른 하나의 압전 바이몰프 액츄에이터의 일단이 서로 스페이서를 통해 서로 일정간격 이격되어 연결되는 형식으로 직렬로 연결된다.

바람직하게는, 상기 압전 바이몰프 액츄에이터는 다수개가 상기 경통의 축방향으로 병렬로 연결되며, 상기 다수개의 압전 바이몰프 액츄에이터의 일단들은 스페이서를 통해 서로 일정간격 이격되어 연결되어 상기 경통에 고정되고, 상기 다수개의 압전 바이몰프 액츄에이터의 타단들은 스페이서를 통해 서로 일정간격 이격되어 연결되며 상기 렌즈 하우징의 연결부와 연결되는 것이 바람직하다.

본 발명은 광학 기기의 줌/자동초점/접사 기능 구현 구조에 관한 것이다. 줌 기능은 카메라와 같은 광학기구에서 멀리있는 피사체를 마치 가까이에서 찍는 것과 같은 효과를 얻기 위한 것이다. 줌 기능을 사용하면 좀더 큰 이미지의 화상을 촬영할 수 있다. 한편, 줌 기능은 광학 줌 기능과 디지털 줌 기능으로 크게 구분할 수 있다. 광학 줌 기능은 렌즈간 거리 변화에 따라서 줌 기능을 구현하는 것을 의미하며, 이는 화질의 저하가 없고, 낮은 해상도의 화상센서를 보완해 줄 수 있는 장점이 있다. 반면에 디지털 줌은 화질의 저하가 발생하지만 특정부분의 노출도가 높은 이미지를 얻을 수 있는 장점이 있으며, 이는 화상소자에 인식되는 영상신호를 크게 증폭하는 등의 소프트웨어적인 방식을 사용한 줌 기능이다.

광학기기의 원통형의 경통 내에는 각각 초점 렌즈와 줌 렌즈가 전후진가능하도록 배열되어 있고, 후단부측에 고정되어 있는 더미렌즈와 필터 및 화상소자(CCD 또는 CMOS)가 배열되어있다. 이러한 일반적인 줌 메커니즘에서는, 초점 렌즈와 줌 렌즈가 각각 일정 간격 또는 다른 간격으로 위치이동하면서 화상소자에 확대 또는 축소된 영상을 전달하게 된다.

또한, 초점 렌즈는 렌즈 제어부에서 보내는 신호에 따라 자동으로 초점을 맞추도록 전후진하게 된다. 광학기기의 자동초점 기능을 구현하기 위하여 음파탐지, 적외선 빔 시스템, 대비인식對比認識 시스템, 위상검출位相檢出 시스템 등이 사용된다. 한편, 접사(근접촬영) 기능은 상기 초점렌즈 및 줌 렌즈가 함께 화상소자로부터 일정거리 이격되도록 함으로써 구현된다. 접사기능은 아주 가까운 거리에 있는 피사체를 촬영할 때 사용된다.

본 발명은 상기와 같은 광학기기의 렌즈 이동 메커니즘에 관한 것이다.

본 발명의 렌즈이송장치는 압전소자로 형성된 압전 액츄에이터를 사용한다. 압전소자는 예를 들어 PZT라고 하는 복합 산화물 재료를 사용할 수 있다. PZT는 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti)의 영문 머리자를 따서 표기한 것으로, 가장 대표적인 압전재료이다. 이러한 압전체는 힘을 가하면 순간적으로 전기가 발생하고, 또한 역으로 전기를 걸어주면 외부 형상이 변하게 된다.

이를 압전효과(Piezoelectric effect)라고 하며, 결정을 가진 고체에 응력을 주면 그 결정의 마주면에 음 또는 양의 전하가 발생하는데, 이 전하량은 응력에 비례하고 응력의 방향을 반대로 하면 그 부호도 바뀌게 되는 현상을 의미한다. 또한 외부에서 전계를 걸어주면 왜곡이 발생하는데, 그 크기는 전계의 크기에 비례하고 전계의 방향을 반대로 하면 변형도 반대로 된다. 이러한 압전현상은 응력, 전계, 전기변위, 분극 등이 관련되어 전기적 결합이 일어나는 것이며, 센서 및 전기장치, 음향장비, 각종 전자회로를 구현하는데 널리 사용된다.

압전 액츄에이터는 이와 같은 압전 효과를 이용한 것으로, 미소변위의 고정밀도 제어가 가능하고, 응답성이 빠르며, 발생력이 크고, 에너지 변환 효율이 높은 특징이 있다. 또한, 소음 및 전자파의 발생이 없으며, 전자적인 간섭이 없는 등의 여러 특징을 갖고 있다.

압전 액츄에이터는 직선변위형과 굴곡 변위형으로 분류할 수 있다. 직선변위형 압전 액츄에이터는 전계를 인가하면 길이방향 또는 축방향으로 직선적으로 운동하게 되는 것으로, 단판형 또는 적층형 압전판을 사용하게 된다.

굴곡변위형 압전 액츄에이터는 압전판에 전계를 인가하면 하나의 압전판이 신축을 하고 다른 하나의 압전판이 신장을 하는 현상을 이용하여, 한쌍의 압전판이 서로 부착되어 있는 경우 굴곡, 즉 벤딩(bending)이 발생하게 되는 것이다. 이를 바이몰프(bimorph) 타입 압전 액츄에이터라고 한다. 또한 굴곡 변위형으로는 하나의 압전판과 그에 부착되는 금속판으로 이루어진 유니몰프(unimorph) 타입이 있다.

굴곡변위형 압전 액츄에이터 중 바이몰프 형은 저전압에서 큰 변위량을 얻을 수 있으나, 변위량에 대한 발생력이 작은 단점이 있다. 또한 유니몰프형은 고전압을 인가하여도 큰 변위량을 얻을 수는 없으나, 변위량에 대한 발생력이 크게 된다. 바이몰프 형의 단점을 개선한 것으로는 적층형 압전판으로 형성된 멀티몰프(multimorph) 타입 액츄에이터가 있다.

도 4는 굴곡변위형 압전 액츄에이터 중 바이몰프 타입을 예를 들어 설명하고 있다. 도 4(a)는 바이몰프 압전 액츄에이터의 압전체(40,41)의 분극상태를 도시하고 있다. 바이몰프 타입은 압전체가 금속판(42)의 양면에 각각 부착되어 있고, 분극의 방향(A)은 하방에서 상방으로 또는 그 역으로도 가능하며, 양면의 압전체(40,41)가 서로 같은 방향으로 분극되어 있다.

도 4(b)에서, 가운데의 금속판(42)을 접지단으로 하고, 양면의 압전체(40,41)에 각각 전압을 인가하게 되면 각 압전판에 다른 방향의 전계가 인가된다. 즉, 상부의 압전체(40)는 분극 방향과 반대방향의 전기장이 인가되고, 하방의 압전체(41)는 분극 방향과 같은 방향의 전기장이 인가되도록 구성되어있다. 이와 같이 전기장이 인가되면, 상부의 압전체(40)는 x = d(-E) 의 공식에 따라 수축하게 되고, 하부의 압전체(41)는 신장하게 된다. 이때 수축 및 신장의 차이에 의해 금속판(42)을 중심으로 벤딩력(bending force)이 발생하게 되며, 이에 의해 금속판(42)이 굴곡하게 된다. (도 4(c)) 이때 굴곡되는 변형량은 형상 및 재료가 동일한 경우 인가해주는 전장(V/t)(여기서 V는 전압, t는 압전판의 두께)에 비례하게 된다.

본 발명에서는 상기와 같은 굴곡변위형 압전 액츄에이터를 사용하는 렌즈 이송장치를 제공하는 것을 특징으로 한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 의한 렌즈 이송장치의 단면도이다. 본 발명에 의한 렌즈 이송장치는 경통(51) 및 경통 내부에 위치하는 렌즈와 렌즈를 구동하는 액츄에이터를 포함하게 된다. 또한 렌즈의 이동을 가이드하는 가이드부재(55)가 장착된다.

먼저, 경통(51)은 내부에 렌즈(58,59)를 이동가능하게 장착하고 있으며, 렌즈를 보호하고, 렌즈가 소정거리 이동할 수 있도록 충분한 이동공간을 확보하는 기능을한다. 종래에는 경통(51)에는 캠 형상의 곡선 가이드홈이 형성되어 있어, 렌즈가 가이드홈에 삽입되어 있는 구조를 취하였다. 그러나 본 발명에서는 경통(51)의 측벽에 별도의 가이드홈을 형성하지 않고도 렌즈가 자체적으로 이동할 수 있게 된다. 이는 후술하는 굴곡변위형 액츄에이터를 사용하는 것에 의해 달성된다. 한편, 경통은 원통형 또는 사각기둥형 등 내부에 렌즈 이동공간이 확보될 수 있는 임의의 형상이 사용될 수 있다.

경통(51) 내부에는 초점을 조절하는 초점렌즈(59) 및 초점렌즈의 후방에서 줌기능을 구현하는 줌렌즈(58)가 위치하게 된다. 상기 줌렌즈 및 초점렌즈(58,59)는 한 개 또는 그 이상의 개수가 하나의 군을 이루어 사용될 수 있다. 줌 렌즈(58)의 후방면에는 초점렌즈 및 줌렌즈를 통하여 전달되는 화상을 인식하는 화상센서(52)가 위치하게 된다.

경통(51) 내부의 렌즈(58,59)는 압전 굴곡변위형 액츄에이터(60)에 의해 변위이동하게 된다. 압전 굴곡변위형 액츄에이터(60)는 앞서 설명한 바와 같이 전압의 인가에 따른 압전체의 변위를 통해 굴곡하게 되는 현상을 이용한 액츄에이터로써, 본 발명에서는 유니몰프, 바이몰프, 또는 멀티몰프 타입이 사용될 수 있다.

유니몰프 타입은 금속판의 일면에만 압전체가 부착된다. 한편, 바이몰프 형은 한쌍의 압전체가 서로 부착되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 압전체 사이에 금속판이 삽입되는 것도 가능하다. 본 실시예에서는 바이몰프 형식의 액츄에이터를 기준으로 설명한다. 금속판은 압전체의 탄성계수(Young’s modulus)보다 큰 것을 사용하게 되며, 이는 액츄에이터를 원상태로 복원시킬 수 있도록 하기 위함이다. 통상적으로 탄성계수가 압전체의 탄성계수인 약 70Gpa보다 큰 것을 사용한다. 이와 같은 금속판으로는 스테인레스 스틸, 황동, 동 등을 사용할 수 있다.

유니몰프 및 바이몰프 형식의 액츄에이터 이외에도 적어도 한쌍의 적층형 압전체가 서로 부착된 멀티몰프 타입의 액츄에이터를 사용하는 것도 가능하게 된다. 멀티몰프 타입은 각 압전체가 적층형의 압전체로 구성된 것으로, 이를 서로 부착하거나, 중간에 금속판을 삽입하여 금속판의 양면에 부착하여 형성된다. 멀티몰프형의 액츄에이터는 바이몰프 형의 액츄에이터에 비하여 구동력을 향상시킬 수 있게 된다.

도 6은 도 5의 압전 굴곡변위형 액츄에이터(60)의 평면도이고, 도 7은 액츄에이터(60)의 도 6의 액츄에이터(60)의 단면도이다. 도 8은 도 5의 압전 굴곡변위형 액츄에이터가 렌즈 하우징(54)과 연결된 상태를 도시한 평면도이다.

본 발명의 압전 굴곡변위형 액츄에이터(60)는 일단이 경통(51) 내부에 고정핀(56)을 통해 고정되고, 타단은 렌즈(58,59)와 연결된다. 바람직하게는 액츄에이터(60)의 타단은 일단의 반대방향으로부터 렌즈의 외주연을 따라 상기 일단을 향해 연장된다. 즉, 하나의 루프(loop)를 형성하도록 링형 또는 말발굽형으로 형성되는 것이 바람직하게 된다. 다만, 본 발명의 액츄에이터(60)는 일부가 개구된 형상을 갖도록 형성되어 그 개구부분을 통해 렌즈가 연결되도록 구성된다. 도 5에서와 같이 본 발명의 압전 굴곡변위형 액츄에이터(60)는 다수개가 연결핀(57)을 통해 서로 연결되어 적층되는 상태로 사용할 수 있다.

본 실시예에서, 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 금속판(61)의 상부 및 하부면에 각각 압전체(62,63)가 부착된 것을 사용한다. 이를 바이몰프 타입 액츄에이터라 하며, 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 도 6의 실시예에서는 상기 액츄에이터는 링형상으로 형성된다. 압전체(62,63)는 금속판(61)을 사이에 두고 양면에 부착되며, 그 분극방향은 동일하다. 그러나, 도 7에서와 같이 전기장의 방향이 서로 다르게 인가되므로 변형의 성질이 다르게 된다. 도 7에서와 같은 전기장의 인가에서는 상부의 압전체(63)는 수축하게 되고, 하부의 압전체(62)는 팽창하게 된다. 따라서 금속판(61)은 상방으로 굴곡되는 변형을 하게 된다.

도 8에서, 액츄에이터(60)의 일단은 일단에 형성된 고정홀(72)을 통해 경통(51)의 내부에 고정된다. 이는 변형의 기준점으로 삼기 위한 것으로, 도 5의 초점렌즈(59)와 연결되는 액츄에이터의 경우는 경통(51)의 내측 상부면에 고정되고, 줌 렌즈(58)와 연결되는 액츄에이터의 경우는 경통의 내측 하부면에 고정된다. 고정되는 방식은 고정홀(72)에 핀(도시하지 않음)과 같은 체결부재를 체결하는 것에 의해 고정될 수 있다.

액츄에이터(60)의 타단은 렌즈 하우징(54)의 연결부(82)와 연결된다. 렌즈 하우징(54)은 렌즈(58)의 외주연을 감싸도록 형성되고, 액츄에이터와 연결되기 위한 연결부(82)가 형성된다. 연결부(82)는 하우징의 외주면으로부터 돌출되어 있는 형상이 될 수 있다. 연결부(82)는 액추에이터의 개구부분에 삽입되어 액츄에이터의 타단과 연결되며, 이와 같은 형상 및 배열에 의해 렌즈 구동부분이 불필요한 부피를 차지하지 않도록 최적화할 수 있다.

한편, 렌즈 하우징(54)에는 도 5의 가이드부재(55)와 연결되는 관통홀(83)이 형성된다. 가이드부재(55)는 경통(51) 내부에 축방향으로 장착되며, 렌즈의 이동을 가이드하게 된다. 가이드부재(55)는 렌즈와 직접적으로 연결될 수도 있다. 즉, 렌즈(58,59)의 둘레부분에 가이드부재(55)가 삽입될 수 있는 관통부분을 형성하여 가이드부재가 렌즈와 직접 연결되도록 할 수 있다. 그러나, 렌즈가 소형화되고 정밀하게 될수록 관통부분의 가공이 어려워지고, 렌즈를 보호하기 위한 방안으로 렌즈 하우징을 형성하여 렌즈를 안전하게 장착하게 되며, 이에 따라 가이드부재(55)는 렌즈 하우징(54)과 연결되는 것이 바람직하게 된다. 렌즈하우징(54)에는 가이드부재(55) 장착 방향과 동일한 관통홀(83)이 형성되며, 이 관통홀(83)에 가이드부재(55)가 삽입된다.

가이드부재(55)는 한 개 또는 그 이상의 개수가 장착될 수 있다. 상기 관통홀(83)이 충분한 깊이를 갖게 된다면 가이드부재(55)는 한 개만 사용되더라도 렌즈가 항상 화상센서에 평행한 상태로 이동할 수 있게 된다. 보다 정밀한 렌즈의 이동을 확보하기 위해서는 가이드부재는 렌즈 하우징(54)에 두개 이상 연결될 수 있다.

렌즈 하우징(54)의 연결부(82)와 액츄에이터(60)의 타단(67)은 도 9에서와 같은 링크부재(81)를 통해 연결될 수 있다. 링크부재(81)는 렌즈 하우징(54)의 연결부(82)와 액츄에이터의 타단(67)을 회동가능하게 연결한다. 바이몰프 타입 압전 액츄에이터(60)는 도 8에서 일단이 고정되면 타단(67)이 상하로 이동하게 된다. 이때 타단(67)이 소정의 경사를 이루게 되므로 타단에 연결되는 렌즈가 화상센서와 평행한 평면 상에 놓이지 못하고 약간 경사진 상태를 갖게 된다.

압전 액츄에이터는 경통의 축방향으로 통상적으로 1mm 이하의 변위량을 갖게 되므로, 액츄에이터가 적은 개수 사용될 때 및 렌즈의 변위량이 크지 않을 때는 문제없이 사용할 수 있게 된다. 그러나, 렌즈의 변위량이 커지는 경우 렌즈가 경사져서 위치하게 되면 이를 방지하기 위한 구성이 필요하게 된다. 따라서, 렌즈의 하우징(54)과 액츄에이터의 타단(67)을 서로 회동가능하게 연결하는 것이 필요하다. 이를 위하여 본 실시예에서는 양끝단이 볼형상으로 형성되는 볼 타입 링크부재를 사용하였다. 도 9에서, 볼형 링크부재(81)의 양 끝단의 볼(92) 부분은 렌즈 하우징(54)과 액츄에이터의 타단(67)에 형성된 반구형의 홈에 삽입된다. 따라서 렌즈 하우징과 액츄에이터는 서로 회동가능하게 연결될 수 있다.

도 10은 본 발명에 의한 렌즈 이송장치에 사용되는 압전 굴곡변위형 액츄에이터가 다수개 적층 연결되어 사용되는 경우의 액츄에이터의 배열을 도시한 도면이다.

도 10에서, 제1 액츄에이터(60)의 일단(66)은 고정되고, 타단(67)은 제2 액츄에이터(70)와 연결된다. 제1 액츄에이터(60)와 제2 액츄에이터(70)는 서로 스페이스(65)를 통해 일정간격 이격된 상태로 연결된다. 이는 각 액츄에이터들의 압전체가 서로 접촉하게 되어 쇼트 현상이 발생하게 되는 것을 방지하기 위한 것이다. 제2 액츄에이터(70)는 또한 그 상부에 위치하는 제3 액츄에이터(80)와 연결된다. 이때 제2 및 제3 액츄에이터 역시 서로 소정간격 이격된 상태로 연결되도록 하기 위하여 스페이서(65)를 가운데 삽입한 상태로 연결된다. 제3 액츄에이터(80)의 끝단은 렌즈 하우징과 연결된다.

도 10의 액츄에이터의 배열을 좀더 개략적으로 도 12에 도시하였다. 도 12는 액츄에이터 다수개가 직렬로 배열된 것을 도시한 것이다. 도 12에서, 액츄에이터들은 서로 엇갈리도록 연결되며, 마치 코일 스프링과 같은 배열을 갖게 된다. 이는 도 10에 도시된 바와 동일하다. 최상단의 액츄에이터의 끝단에는 렌즈하우징(54)이 연결된다. 이때 각 액츄에이터의 연결을 위해 핀과 같은 체결부재가 사용된다.

이와 같은 직렬 배열은 변위를 확대시키기 위하여 사용된다. 통상적으로 초점렌즈들과 줌 렌즈들의 변위는 줌렌즈가 크게 된다. 줌 렌즈들을 이동시키기 위해서는 하나의 압전 굴곡변위형 액츄에이터를 사용하는 것으로는 부족하게 된다. 따라서, 하나의 압전 액츄에이터의 가능 변위가 0.3mm이라면 이를 다수개 직렬로 결합하여 사용하면 0.3 X N mm (N은 액츄에이터의 개수)의 변위 이동이 가능하게 된다.

도 13은 액츄에이터의 병렬 배열을 도시한 것이다. 액츄에이터의 일단들끼리 서로 연결하고, 또한 액츄에이터의 타단들끼리 서로 연결한 후 어느 한쪽을 고정시킨다. 고정된 측의 반대편 끝단에는 렌즈 하우징(54)이 연결된다. 액츄에이터의 연결을 위하여 체결부재(95)를 사용하게 된다. 이와 같은 연결방식을 병렬연결이라한다.

액츄에이터들이 서로 병렬로 연결되면, 그 이동변위는 하나의 액츄에이터를 사용한 경우와 동일하게 된다. 그러나, 병렬 연결로 인하여 변형력이 액츄에이터의 개수만큼 커지게 된다. 따라서, 큰 변형력을 필요로 할 경우 이와 같이 병렬로 액츄에이터를 연결하여 사용하는 것이 가능하게 된다.

도 11은 본 발명에 의한 렌즈 이송장치의 액츄에이터의 변형 실시예를 도시한 것이다. 도 11에서와 같이 액츄에이터는 일부가 절개된 링 형상으로 형성될 수 있을 뿐 아니라, 적어도 하나의 절곡된 모서리부분(91)을 갖는 형상으로 형성될 수 있다. 도 11에서는 일부가 개구된 사각링 형상을 개시하고 있으며, 액츄에이터의 내측에 렌즈(58) 및 렌즈 하우징(54)이 위치하고 있으며, 렌즈 하우징(54)과 링크부재(81)를 통하여 연결된다.

도 14는 경통(51) 내부의 렌즈하우징(54)을 이동시키는 굴곡변위형 압전 액츄에이터(60) 및 경통(51) 자체를 화상센서(52)에 대해 전후진시키는 액츄에이터(75)를 도시하고 있다.

경통(15)은 외부하우징(86)에 의해 이동가능하도록 지지된다. 외부하우징(86)에는 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 일단이 고정되어 있고, 액츄에이터의 다른 일단은 상기 경통에 고정된다. 이러한 배열이 도 14에 도시되어 있다. 도 14에서 경통(15)에는 액츄에이터가 고정될 수 있는 단차부가 형성된다. 그러나, 액츄에이터는 경통의 측면에 절곡형 프랜지와 같은 체결수단을 통해 부착될 수도 있다.

또한, 액츄에이터가 외부하우징에 고정되도록 하기 위하여 외부하우징 역시 단차부를 형성하고 있다. 상기 외부하우징(86)의 내측 및 경통(51)의 외측을 둘러싸도록 상기 액츄에이터(75)가 배열된다. 이와 같은 배열에 의해 경통 자체가 화상센서로부터 멀어지거나 가까워지도록 조절할 수 있게 된다. 이는 광학기기의 근접촬영, 즉 접사기능을 구현하는 것을 가능하게 한다.

본 발명은 줌 또는 자동초점 기능 등의 카메라의 여러 기능을 제공하기 위한 렌즈 이동에 있어서, 렌즈를 직접 구동시키는 액츄에이터를 사용할 수 있는 이송 구조를 제공하여 렌즈 이송부의 크기를 소형화할 수 있으며, 소형화된 광학기기에서 줌 및 자동초점 등 일반적인 광학기기의 기능들을 그대로 구현할 수 있게하는 효과를 제공한다.

본 발명에서는 상기와 같이 압전 굴곡변위형 액츄에이터를 사용하고 있다. 본 발명에서는 종래 초음파 모터에 응용되는 압전 액츄에이터를 사용하는 경우보다 변위 제어가 용이한 장점이 있다. 즉, 다른 압전 액츄에이터에서는 가속도를 통하여 변위를 변화시키게 되므로 전압 파형의 제어가 필수적이다.(도 2 및 도 3참조) 그러나, 본 발명에서와 같은 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 파형의 제어가 필요없으며, 직류전압을 인가하여 사용할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 액츄에이터를 통하여 렌즈를 직접 구동할 수 있게 되므로 경통의 측면부에 캠 형상의 프로파일을 형성하지 않고도 렌즈의 상대이동을 가능하게 한다. 즉, 초점 렌즈 및 줌렌즈에 인가되는 전압을 제어함으로써 렌즈 이동량을 조절할 수 있으며, 이를 통해 자동초점 및 줌 기능을 구현할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 직류 전원을 사용할 수 있기 때문에 인가되는 전압 및 저항의 크기를 조절하면 전류의 양을 작게 조절할 수 있다. 따라서 압전체를 통해 소모되는 전류의 양을 작게 할 수 있으며, 이는 전력소모량을 줄이는 방안이 된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

도 1은 종래의 렌즈 구동구조를 도시한 도면이다.

도 2는 종래의 다른 렌즈 구동구조를 도시한 도면이다.

도 3은 도 2의 렌즈 구동구조의 조립도이다.

도 4는 굴곡변위형 압전 액츄에이터 중 바이몰프 타입의 작동원리를 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명에 의한 렌즈 이송장치의 단면도이다.

도 6은 도 5의 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 평면도이다.

도 7은 도 6의 액츄에이터(60)의 단면도이다.

도 8은 도 5의 압전 굴곡변위형 액츄에이터가 렌즈 하우징과 연결된 상태를 도시한 평면도이다.

도 9는 도 8의 링크부재를 도시한 도면이다.

도 10은 본 발명에 의한 렌즈 이송장치에 사용되는 압전 굴곡변위형 액츄에이터가 다수개 적층 연결되어 사용되는 경우의 액츄에이터의 배열을 도시한 도면이다.

도 11은 본 발명에 의한 렌즈 이송장치의 액츄에이터의 변형 실시예를 도시한 것이다.

도 12는 본 발명에 의한 렌즈 이송장치에서 액츄에이터가 직렬로 다수개 배열된 상태를 도시한 도면이다.

도 13은 본 발명에 의한 렌즈 이송장치에서 액츄에이터가 병렬로 다수개 배열된 상태를 도시한 도면이다.

도 14는 본 발명에 의한 렌즈 이송장치의 경통 이송 구조를 도시한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

51: 경통 52: 화상센서

54: 렌즈 하우징 55: 가이드부재

56: 고정핀 58: 줌렌즈

59: 초점렌즈 60: 압전 액츄에이터

61: 금속판 62,63: 압전체

65: 스페이서

Claims (28)

1. 렌즈를 이송하기 위한 이송장치에 있어서,

   상기 렌즈를 내부에 위치시키는 경통;

   상기 경통 내부에 고정되는 일단 및 상기 렌즈가 연결되어 렌즈를 경통의 축방향으로 이동시키는 타단을 갖고, 전원의 공급에 의하여 상기 타단이 상기 일단과 이루는 평면으로부터 전방 또는 후방측으로 이동하도록 형성되는 압전 굴곡변위형 액츄에이터; 및

   상기 경통 내부에 경통의 축방향으로 장착되며, 렌즈의 이동을 가이드하는 적어도 1개의 가이드부재;를 포함하는 렌즈 이송장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 타단은 상기 렌즈의 외주연에서 상기 일단의 반대방향으로부터 상기 일단을 향해 연장되어 상기 일단과 인접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 금속판 및 상기 금속판과 실질적으로 같은 크기로 금속판의 일면에 부착되는 압전체를 포함하는 유니몰프 타입인 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
4. 제 2항에 있어서, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 서로 부착된 한쌍의 압전체로 형성되는 바이몰프 타입인 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 압전체 사이에는 금속판이 삽입되는 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
6. 제 2항에 있어서, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 적어도 한쌍의 적층형 압전체가 서로 부착된 멀티몰프 타입인 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 적층형 압전체 사이에는 금속판이 삽입되는 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
8. 제 2항에 있어서, 상기 렌즈의 외주연을 감싸도록 형성되고, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 타단과 연결되는 연결부 및 상기 가이드부재가 삽입되는 관통홀이 형성되는 렌즈 하우징을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
9. 제 8항에 있어서, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 타단과 상기 렌즈 하우징의 연결부는 회동가능하게 연결되는 링크부재를 통하여 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
10. 제 9항에 있어서, 상기 링크부재는 양 끝단이 볼형상으로 형성된 볼 타입 링크부재인 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
11. 제 2항에 있어서, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 일부가 개구된 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
12. 제 2항에 있어서, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 소정 각도로 절곡된 모서리를 적어도 1개 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
13. 제 1항에 있어서, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 다수개가 상기 경통의 축방향으로 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
14. 제 13항에 있어서, 상기 다수개의 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 하나의 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 타단과 다른 하나의 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 일단이 서로 스페이서를 통해 서로 일정간격 이격되어 연결되는 형식으로 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
15. 제 1항에 있어서, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터는 다수개가 상기 경통의 축방향으로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
16. 제 15항에 있어서, 상기 다수개의 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 일단들은 스페이서를 통해 서로 일정간격 이격되어 연결되어 상기 경통에 고정되고, 상기 다수개의 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 타단들은 스페이서를 통해 서로 일정간격 이격되어 연결되며 상기 렌즈 하우징의 연결부와 연결되는 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
17. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈는 초점 조절을 위한 초점렌즈인 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
18. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈는 줌 기능을 하는 줌 렌즈인 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
19. 제 1항에 있어서,

    상기 경통을 이동가능하도록 지지하는 외부 하우징; 및

    상기 외부 하우징에 고정되는 일단 및 상기 경통이 연결되어 경통을 축방향으로 이동시키는 타단을 갖고, 전원의 공급에 의하여 상기 타단이 상기 일단과 이루는 평면으로부터 전방 또는 후방측으로 이동하도록 형성되는 경통 이동용 압전 굴곡변위형 액츄에이터;를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 이송장치.
20. 광학기기의 초점렌즈 및 줌 렌즈의 위치를 조절하는 렌즈 모듈에 있어서,

    상기 초점렌즈 및 줌 렌즈를 내부에 위치시키는 경통;

    상기 경통 내부에 고정되는 일단 및 상기 렌즈가 연결되어 렌즈를 경통의 축방향으로 이동시키는 타단을 갖고, 전원의 공급에 의하여 상기 타단이 상기 일단과 이루는 평면으로부터 전방 또는 후방측으로 이동하도록 형성되는 적어도 2개의 렌즈 이동용 압전 바이몰프 액츄에이터;

    상기 경통 내부에 경통의 축방향으로 장착되며, 렌즈의 이동을 가이드하는 적어도 1개의 가이드부재;

    상기 경통을 이동가능하도록 지지하는 외부 하우징; 및

    상기 외부 하우징에 고정되는 일단 및 상기 경통이 연결되어 경통을 축방향으로 이동시키는 타단을 갖고, 전원의 공급에 의하여 상기 타단이 상기 일단과 이루는 평면으로부터 전방 또는 후방측으로 이동하도록 형성되는 경통 이동용 압전 바이몰프 액츄에이터;를 포함하는 렌즈 모듈.
21. 제 20항에 있어서, 상기 렌즈 이동용 압전 바이몰프 액츄에이터의 타단은 상기 렌즈의 외주연에서 상기 일단의 반대방향으로부터 상기 일단을 향해 연장되어 상기 일단과 인접하도록 링형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 모듈.
22. 제 21항에 있어서, 상기 렌즈의 외주연을 감싸도록 형성되고, 상기 압전 바이몰프 액츄에이터의 타단과 연결되는 연결부 및 상기 가이드부재가 삽입되는 관통홀이 형성되는 렌즈 하우징을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 모듈.
23. 제 22항에 있어서, 상기 압전 굴곡변위형 액츄에이터의 타단과 상기 렌즈 하우징의 연결부는 회동가능하게 연결되는 링크부재를 통하여 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 렌즈 모듈.
24. 제 23항에 있어서, 상기 링크부재는 양 끝단이 볼형상으로 형성된 볼 타입 링크부재인 것을 특징으로 하는 렌즈 모듈.
25. 제 20항에 있어서, 상기 각각의 압전 바이몰프 액츄에이터는 다수개가 상기 경통의 축방향으로 직렬로 적층 연결되는 것을 특징으로 하는 렌즈 모듈.
26. 제 25항에 있어서, 상기 다수개의 압전 바이몰프 액츄에이터는 하나의 압전 바이몰프 액츄에이터의 타단과 다른 하나의 압전 바이몰프 액츄에이터의 일단이 서로 스페이서를 통해 서로 일정간격 이격되어 연결되는 형식으로 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 렌즈 모듈.
27. 제 20항에 있어서, 상기 압전 바이몰프 액츄에이터는 다수개가 상기 경통의 축방향으로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 렌즈 모듈.
28. 제 27항에 있어서, 상기 다수개의 압전 바이몰프 액츄에이터의 일단들은 스페이서를 통해 서로 일정간격 이격되어 연결되어 상기 경통에 고정되고, 상기 다수개의 압전 바이몰프 액츄에이터의 타단들은 스페이서를 통해 서로 일정간격 이격되어 연결되며 상기 렌즈 하우징의 연결부와 연결되는 것을 특징으로 하는 렌즈 모듈.