KR20070011941A - 소형 카메라 모듈의 변위 감지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형 휴대 단말기의 카메라 장치의 광학 줌 기능 및 자동 초점 기능에 있어 해당 렌즈 군을 포함한 렌즈 구동기의 위치 변화를 감지하는 변위 감지 센서로서, 상기 구동기는 다수의 렌즈를 내부 중앙에 포함하는 가동부; 상기 가동부의 하나 이상의 일측을 관통하는 저항체로 이루어진 가이드부; 상기 가동부와 상기 가이드부를 둘러싸는 경통; 및 상기 경통과 상기 가이드부를 지지하고 내부 중앙에 렌즈를 구비하는 지지대를 포함하여 구성되고, 상기 가동부는 상기 가이드부와 상기 경통을 따라서 이동하며, 상기 하나 이상의 가이드부 사이에 전기적 연결을 위한 연결 도선부, 상기 연결 도선부의 양 단부에 구비되어 상기 가이드부와 접촉하는 접촉 부재, 및 상기 하나 이상의 가이드부에 연결되어 외부에 구비된 전기 회로를 더 포함하며, 상기 가동부의 이동에 따라 상기 연결 도선부와 상기 접촉 부재가 함께 이동하며 상기 가동부의 변위를 감지하여 도출하는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서에 관한 것이다.

변위 감지 센서, 가변 저항, 휘스톤 브리지회로

Description

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

도 1a는 본 발명의 변위 감지 센서를 장착하기 위한 선형 구동기의 사시도.

도 1b는 본 발명의 변위 감지 센서를 장착하기 위한 선형 구동기의 단면도.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 감지 센서의 원리를 설명하기 위한 예시도.

도 3a와 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변위 감지 센서의 원리를 설명하기 위한 예시도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

20: 구동기 21: 경통

22: 가동부 23: 고정 저항체 가이드부

24: 지지대 25: 관통공

31: 연결 도선부 32, 42: 접촉 스프링

41: 제 1 도선 44: 제 2 도선

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 모듈은 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. 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 선형 구동기(electromagnetic linear actuator), 또는 전왜( 또는 압전) 구동기(piezoelectric actuator) 등과 같이 구동 시 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), 정전용량(capacitive), 자성(magnetic), 홀 센서(hall sensor) 등을 이용하는 다양한 방법으로 대상의 위치를 감지하는 방식이 존재한다. 가동부의 위치에 비례하는 검출부 저항의 변화를 통해 위치정보를 가변 전압으로 변환한 전위차계(potentiometer), 가동부에 기구적으로 연결된 자성체 코어(core)가 움직이는 거리에 따라 측정된 위치의 결과를 아날로그 전압으로 출력하는 선형 가변 차분 변압기(linear variable differential transformer) 등 위치 감지 센서들은 많이 개발되어 있다.

그러나, 휴대용 단말기가 초소형화하는 경향에 따라 이에 장착된 카메라 모듈의 자동초점 및 광학 줌 기능에 있어서 렌즈 군의 위치를 정밀하게 감지하여 위치제어를 원활하게 수행하는 것을 요구하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 종래의 모터를 이용한 구동 기술 뿐만 아니라, VCM과 같은 초소형 구동기 장치 내에도 장착이 간단하고 용이하여, 소형화를 요하는 휴대용 카메라 및 카메라 단말기의 자동 초점 기능 및 줌 기능에 적합한 변위 감지 센서를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 다수의 렌즈군을 소정의 위치로 이동시키는 구동기 내에 변위 감지 센서를 쉽게 장착하여 위치를 미세 감지함으로써, 자동 초점 및 줌 기능 구현시 필요한 렌즈군의 위치 정보를 제공함으로써 보다 향상된 해상도의 촬상 화질을 보장하는데 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 소형 휴대 단말기의 카메라 장치의 광학 줌 기능 및 자동 초점 기능에 있어 해당 렌즈 군을 포함한 렌즈 구동기의 위치 변화를 감지하는 변위 감지 센서로서, 상기 구동기는 다수의 렌즈를 내부 중앙에 포함하는 가동부; 상기 가동부의 하나 이상의 일측을 관통하는 저항체로 이루어진 가이드부; 상기 가동부와 상기 가이드부를 둘러싸는 경통; 및 상기 경통과 상기 가이드부를 지지하고 내부 중앙에 렌즈를 구비하는 지지대를 포함하여 구성되고, 상기 가동부는 상기 가이드부와 상기 경통을 따라서 이동하며, 상기 하나 이상의 가이드부 사이에 전기적 연결을 위한 연결 도선부, 상기 연결 도선부의 양 단부에 구비되어 상기 가이드부와 접촉하는 접촉 부재, 및 상기 하나 이상의 가이드부에 연결되어 외부에 구비된 전기 회로를 더 포함하며, 상기 가동부의 이동에 따라 상기 연결 도선부와 상기 접촉 부재가 함께 이동하며 상기 가동부의 변위를 감지하여 도출하는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 소형 휴대 단말기의 카메라 장치의 렌즈 구동기에 구비되어 상기 구동기의 위치 변화를 감지하는 변위 감지 센서로서, 상기 구동기는 다수의 렌즈를 내부 중앙에 포함하는 가동부; 상기 가동부의 하나 이상의 일측을 관통하는 저항체로 이루어진 가이드부; 상기 가동부와 상기 가이드부를 둘러싸는 경통; 및 상기 경통과 상기 가이드부를 지지하고 내부 중앙에 렌즈를 구비하는 지지대를 포함하여 구성되고, 상기 가동부는 상기 가이드부와 상기 경통을 따라서 이동하며, 상기 가이드부와 접촉하는 접촉 부재, 상기 접촉 부재와 연결된 제 1 도선, 상기 가이드부에 연결되어 외부로 도출된 제 2 도선, 및 상기 제 1 도선과 상기 제 2 도선에 연결되고 외부에 구비된 검출 회로를 더 포함하며, 상기 가동부의 이동에 따라 상기 제 1 도선과 상기 접촉 부재가 상기 가이드부를 따라 함께 이동하며 상기 가동부의 변위를 감지하여 도출하는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 저항 방식의 변위 감지 센서를 임의의 선형 구동기에 적용하여 설명하도록 한다. 이는 일예로써 다른 렌즈 구동기에도 적절히 사용이 가능하다.

도 1a는 본 발명의 변위 감지 센서를 장착하기 위한 선형 구동기(20)의 사시도이고, 도 1b는 본 발명의 변위 감지 센서를 장착하기 위한 선형 구동기(20)의 단면도이다.

먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변위 감지 센서를 장착하기 위한 소형 카메라 모듈의 선형 구동기(20)의 일예로서, 선형 구동기(20)는 VCM 방식이나 압전 방식 등을 적용하여 실제로 구동하는 다수의 렌즈로 이루어진 렌즈군 조 립체(도시되지 않음)를 중앙에 포함한 가동부(22), 가동부(22)의 선형 가동을 위한 경통(21), 전기적 저항체인 고정형 저항체 가이드부(23), 및 렌즈가 장착되는 관통 공(25) 등으로 구성된다.

예컨대, VCM 방식에서 경통(21) 외부를 둘러싼 권선 코일(도시되지 않음)에 전류를 인가 시, 가동부(22)는 권선 코일에 의한 전자기장과 마그네틱(도시되지 않음)의 작용으로 경통(21) 및 가이드부(23)를 따라 상하 방향으로 이동 방향이 제한된다. 렌즈군 조립체는 경통(21) 내부에 장착된 가동부(22) 내에 고정되고, 가이드부(23)는 저항체로 형성되어 이후 기술될 저항 방식의 변위 감지 센서에서 중요한 역할을 하며, 가이드부(23)의 역할은 이후 각 실시예에서 상세하게 설명한다.

이와 같이 구성된 선형 구동기(20)에서 렌즈군을 포함한 가동부(22)가 실제 상하 방향으로 동작할 경우에, 가동부(22)의 위치를 감지하기 위한 변위 감지 센서의 구성과 원리를 이하 설명한다.

도 2와 도 3은 본 발명의 각 실시예에 따라 변위 감지 센서가 적용되는 원리를 보여주고 있다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 감지 센서의 원리를 설명하기 위한 예시도이다. 도 2a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 감지 센서는 휘스톤 브리지의 원리를 이용한 형태로서, 도 1에서 보여지는 구성 요소에 부가적으로 연결 도선부(31)와 접촉 스프링(32)을 더 포함하는 형태이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 변위 감지 센서는 가이드부(23)를 따라 구동하는 가동부(22)상에 가이드부(23)와 전기적 접촉을 위한 전도체의 접촉 스프링(32) 이 구비되고, 양 단부에서 접촉 스프링(32)과 전기적으로 연결되고 가동부(22)상에 고정되어 구성된 연결 도선부(31)를 더 포함하며, 이 연결 도선부(31)와 접촉 스프링(32)이 가동부(22)와 함께 상하로 이동함에 따라 가이드부(23)에 가변 저항의 부분이 존재하도록 구성된다.

접촉 스프링(32)은 전기적 접촉을 위한 부재로서, 가이드부(23)에 일정한 접촉 압력(contact preload)을 가할 수 있도록 소정의 탄성력을 구비한 탄성 부재이다. 도 2b에 보여지는 바와 같이 접촉 스프링(32)은 연결 도선부(31)와 가이드부(23)가 접촉하는 부분에 스프링을 적용하여 연결 도선부(31)에 대한 접촉 신뢰성을 높이며, 접촉 스프링(32)의 기계적 성질은 지속적으로 접촉이 되므로 마찰력 등 마손(wear)에 강한 전도성 재료를 이용한다.

따라서, 두개의 가이드부(23), 두개의 가이드부(23)를 서로 연결해 주는 연결 도선부(31), 및 접촉 스프링(32)을 포함하는 경로를 따라 전체 저항 값을 감지하여, 즉 가이드부(23)를 따라 연결 도선부(31)와 접촉 스프링(32)이 상하로 구동 시에 이 전체 저항 값의 변화를 감지하여 위치 변화를 측정하게 된다.

도 2b에 도시된 바와 같이 가이드부(23)와 전기적으로 접촉하는 접촉 스프링(32)과 연결 도선부(31)는 가동부(22)에 구비되어 있으므로, 가동부(22)가 상하로 이동함에 따라 가이드로 사용하는 가이드부(23)의 길이가 변화한다. 구체적으로, 두 가이드부(23)는 각각 R_b(x)에 대응하고, 접촉 스프링(32)과 연결 도선부(31)는 R_a에 대응하며, 따라서 도 2c에 도시된 바와 같이 가동부(22)가 상하로 이동함에 따 라 가이드로 이용되는 가이드부(23)의 길이, 즉 R_b(x)가 변화하여 가변 저항(Ry)이 Ry(x) = R_a + 2R_b(x)으로 변하게 된다.

이렇게 변화된 가변 저항(Ry) 값을 이용하여, 저항의 미세한 변화를 전압으로 출력해 주는 회로인 휘스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 회로를 이용하여 변위 정보를 감지할 수 있으며, 그 과정은 이하 설명한다.

도 2d는 일예로서 휘스톤 브리지 회로를 이용하여 기준 저항(Rx)와 실제 감지되는 가변 저항(Ry)을 이용하여 변위 정보를 도출할 수 있는 전압(V₀)을 출력하는 예시적인 회로이다.

선형 구동기(20)의 외부에 구비된 저항(R1)과 저항(R2)을 동일하게 하면, 기준저항(Rx)와 가변저항(Ry)이 같을 때, 출력 전압(V₀)은 0V가 되고, 따라서 가변저항(Ry)이 변할 시, 기준저항(Rx)과 가변저항(Ry)의 비에 의해 전압(V₀)이 출력된다. 기준 저항(Rx)은 고정 저항체 가이드부(23) 자체를 이용하고, 또한 휘스톤 브리지 회로의 특성상 기준저항(Rx)과 가변저항(Ry)의 비에 의해 전압(V₀)이 출력되므로, 온도 변화에 따른 가변 저항(Ry) 값의 변동에 영향을 받지 않게 구성될 수 있다.

이렇게 출력된 전압(V₀)을 검출하여 선형 구동기(20)의 외부에 구비된 제어부(도시되지 않음)로 전송되면, 제어부가 가동부(22)의 초기위치에서 변화된 위치를 자동으로 계산하게 된다.

이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 변위 감지 센서로서 가변 저항 검출식 센서를 이용한 형태를 설명한다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 가변 저항 검출식 센서를 이용한 형태는 도 1a의 구성요소를 기본으로 하여, 가이드부(23)를 따라 이동하는 가동부(22)에 고정 저항체 가이드부(23)와 전기적 접촉을 제공하는 전도체의 접촉 스프링(42)이 부가되고, 접촉 스프링(42)을 외부에 구비된 검출 회로(도시되지 않음)에 전기적으로 연결하는 제 1 도선(41) 및 가이드부(23)에 연결되고 외부에 구비된 검출 회로에 또한 연결된 제 2 도선(44)을 더 포함하여 구성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 변위 감지 센서로서 가변 저항 검출식 센서를 이용한 형태는 도 3a에 도시된 바와 같이 저항체(R)인 가이드부(23)에 대한 접촉 스프링(42)까지의 길이 변화를 가변 저항(Rt)으로 생각하고, 가이드부(23)와 접촉 스프링(42)의 접촉점을 기준으로 가이드부(23) 전 후의 길이에 따른 위치의 변화에 따라 저항체(R)에 대한 가변 저항(Rt)의 비율이 변화하여, 가변 저항(Rt)에 비례하는 전압(V₀)을 출력하는 방법을 이용한 것이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 가동부(22)의 초기위치, 예를 들어 가이드부(23)의 상측에 접촉 스프링(42)이 접촉한 상태에서, 가동부(22)가 아래로 이동함에 따라 접촉 스프링(42)과 제 1 도선(41)도 함께 이동하여, 도 3b에 도시된 바와 같이 저항체(R)에 대해서 가변 저항(Rt)의 값이 변하게 된다. 따라서, 외부에 구비된 검출 회로에서 이렇게 변한 가변 저항(Rt)에 대응하는 전압(V₀)을 출력하여 선형 구동기(20)의 외부에 구비된 제어부(도시되지 않음)로 전송하면, 제어부가 가동부(22) 의 초기위치에서 변화된 위치를 자동으로 계산하게 된다.

또한, 가변 저항(Rt)을 이용한 변위 검출 센서는 엔코더(encoder)를 함께 이용하여 검출 회로를 통하여 현재 위치 정보를 파악하고, 피드백(feedback)을 통하여 가동부(22)의 위치를 제어하게 된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 위치 검출 센서로서 가변 저항 검출식 센서를 이용한 형태는 접촉점 전 후 가이드부(23)의 길이 변화에 따른 가변 저항(Rt)의 비율이 변하는 상대적인 값을 이용하므로, 온도 변화에 따른 저항체(R)의 열적 영향을 상쇄할 수 있도록 구성되어 있다.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 본 발명에서는 전기적 저항체로 가이드부(23)를 이용하였으나, 같은 전기적 저항성을 갖는 얇은 필름 재료 등도 이용할 수 있다.

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

상기한 바와 같이 본 발명은, 소형 휴대 단말기에서 자동 초점 및 광학 줌의 작용시 렌즈 군의 위치를 정밀하게 감지함으로서, 정밀한 변위 정보 검출이 가능한 변위 감지 센서를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 카메라 모듈의 초소형화에 따라 소형에 적합하고, 구조적으로 간단한 저항 방식의 변위 감지 센서를 이용하며, 가변 저항의 미세 변화를 전압 으로 출력해 주는 방법을 이용하는 제작이 간편한 저가의 변위 감지 센서를 제공한다.

Claims (8)

1. 소형 휴대 단말기의 카메라 장치의 광학 줌 기능 및 자동 초점 기능에 있어 해당 렌즈 군을 포함한 렌즈 구동기의 위치 변화를 감지하는 변위 감지 센서로서,

   상기 구동기는 다수의 렌즈를 내부 중앙에 포함하는 가동부; 상기 가동부의 하나 이상의 일측을 관통하는 저항체로 이루어진 가이드부; 상기 가동부와 상기 가이드부를 둘러싸는 경통; 및 상기 경통과 상기 가이드부를 지지하고 내부 중앙에 렌즈를 구비하는 지지대를 포함하여 구성되고, 상기 가동부는 상기 가이드부와 상기 경통을 따라서 이동하며,

   상기 하나 이상의 가이드부 사이에 전기적 연결을 위한 연결 도선부, 상기 연결 도선부의 양 단부에 구비되어 상기 가이드부와 접촉하는 접촉 부재, 및 상기 하나 이상의 가이드부에 연결되어 외부에 구비된 전기 회로를 더 포함하며, 상기 가동부의 이동에 따라 상기 연결 도선부와 상기 접촉 부재가 함께 이동하며 상기 가동부의 변위를 감지하여 도출하는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기 회로는 휘스톤 브리지 회로를 이용한 회로로서,

   상기 하나 이상의 가이드부, 상기 접촉 부재, 및 상기 연결 도선부의 경로에 따른 가변 저항값을 측정하여, 상기 가이드부의 저항값에 대한 상기 가변 저항값의 비율에 따른 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 연결 도선부와 상기 접촉 부재는 상기 가동부상에 장착되고, 상기 연결 도선부는 상기 가동부의 내부 중앙에 있는 렌즈의 외측을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 접촉 부재는 전기적 접촉을 위한 부재로서, 상기 가이드부에 기설정된 접촉 압력을 가할 수 있도록 소정의 탄성력을 구비한 탄성 부재인 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
5. 소형 휴대 단말기의 카메라 장치의 렌즈 구동기에 구비되어 상기 구동기의 위치 변화를 감지하는 변위 감지 센서로서,

   상기 구동기는 다수의 렌즈를 내부 중앙에 포함하는 가동부; 상기 가동부의 하나 이상의 일측을 관통하는 저항체로 이루어진 가이드부; 상기 가동부와 상기 가이드부를 둘러싸는 경통; 및 상기 경통과 상기 가이드부를 지지하고 내부 중앙에 렌즈를 구비하는 지지대를 포함하여 구성되고, 상기 가동부는 상기 가이드부와 상기 경통을 따라서 이동하며,

   상기 가이드부와 접촉하는 접촉 부재, 상기 접촉 부재와 연결된 제 1 도선, 상기 가이드부에 연결되어 외부로 도출된 제 2 도선, 및 상기 제 1 도선과 상기 제 2 도선에 연결되고 외부에 구비된 검출 회로를 더 포함하며, 상기 가동부의 이동에 따라 상기 제 1 도선과 상기 접촉 부재가 상기 가이드부를 따라 함께 이동하며 상기 가동부의 변위를 감지하여 도출하는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 검출 회로는 상기 접촉 부재와 상기 가이드부의 접촉점을 기준으로, 상기 제 1 도선, 상기 접촉 부재, 및 상기 가이드부로 이루어진 경로의 가변 저항값의 변화를 측정하여, 상기 가변 저항값에 대응하는 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
7. 제 5 항 또는 제 6항에 있어서,

   상기 접촉 부재는 전기적 접촉을 위한 부재로서, 상기 가이드부에 기설정된 접촉 압력을 가할 수 있도록 소정의 탄성력을 구비한 탄성 부재인 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 변위 감지 센서는 전체 저항에 대한 상기 가변 저항의 비율을 이용하여 전압을 출력함에 있어서, 상기 가이드부를 이용하여 온도 보상이 가능한 가변 저항형 변위 감지 센서인 것을 특징으로 하는 변위 감지 센서.

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