KR20100024579A - 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치에 관한 것으로서, 특히 압전소자를 이용하여 렌즈홀더를 상하방향으로 구동시켜 렌즈를 이송시킬 수 있도록 하는 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치에 관한 것이다.
본 발명의 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치는, 렌즈가 내장되어 광축방향으로 구동되는 렌즈홀더와; 상기 렌즈홀더의 외주면을 감싸면서 고정결합된 중공원형 형상의 제1압전소자와; 상기 렌즈홀더의 외주면을 감싸면서 고정결합된 중공원형 형상의 제2압전소자로 이루어지되, 상기 제1압전소자와 제2압전소자는 상기 렌즈홀더의 구동방향으로 배열되고, 상기 제1압전소자와 제2압전소자에 90도의 위상차를 갖는 전압이 인가되면 상기 제1압전소자와 제2압전소자에 의해 상기 렌즈홀더는 광축방향으로 구동되는 것을 특징으로 한다.
압전소자, 소형카메라,

Description

압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치 { Camera Actuator using the piezoelectric element }
본 발명은 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치에 관한 것으로서, 특히 압전소자를 이용하여 렌즈홀더를 상하방향으로 구동시켜 렌즈를 이송시킬 수 있도록 하는 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치에 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 이미지 센서(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 좁게하여 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 네곳 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, 제어부 로부터 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.
한편, 최근에는 구조가 간단하고 저속으로 구동이 가능하며, 변위의 제한도 적은 압전소자를 이용하는 기술이 대두되었다.
일반적으로 압전소자 하나의 결정판에 의한 압전기는 극히 미약하나 금속박을 삽입하여 이것을 몇 장 겹치면 충분한 전기량을 얻을 수 있다.
이를 통해 기계적인 변형을 전기적으로 변환시킬 수 있어서, 마이크로폰이나 전축용 픽업 등에 오래전부터 이용되고 있다.
반대로, 압전성을 가지는 결정판에 고주파 전압을 걸면 판이 주기적으로 신축하며, 특히 전압의 주파수를 판의 고유진동수에 맞추면 공진(共振)하여 판이 강하게 진동한다.
이러한 현상을 역압전효과(逆壓電效果)라고 하며, 이것에 의해 강력하고 안정된 기계적인 진동이 얻어진다.
이러한 역압전효과에 의한 진동을 이용하여 선형 구동력을 얻는 것이 압전 선형 모터이다.
일반적으로 압전/전왜 모터는 초음파 모터라고도 불리며, 자석이나 권선을 필요로 하지 않는 형태의 구동원이다.
압전 모터는 저속의 높은 구동력을 발생시키며 자계의 영향을 받지 않을 뿐 아니라 기어, 캠 등의 복잡한 구동 전달 부품이 거의 사용되지 않으므로 그 구조가 간단하고, 진동에 의해 발생하는 음파는 초음파로서 않아 저소음으로 구동할 수 있으며, 나노미터까지 정밀한 위치제어를 할 수 있다는 특징이 있다.
압전 선형 모터는 굴곡파(flexural wave)에 의해 발생된 진행파로 구동되는 방식과, 종진동 정재파(standingwave)와 횡진동 정재파를 결합하여 구동되는 액츄에이터를 사용하여 수직과 수평진동을 반복적으로 발생시켜 선형 이동을 구현하는 방식이 있다.
진행파로 구동되는 선형모터의 경우 압전 세라믹을 금속의 탄성체에 맞붙인 고정자와 이동자를 마주 접촉시켜 탄성체에 발생하는 진동파를 이용하는 것이고, 정재파 방식의 모터는 각 고정자의 고유진동수에 해당하는 주파수의 전압을 압전체에 가하여 압전체의 진동파에서 구동력을 얻도록 구성된다.
정재파 방식의 모터가 더 고효율이며, 제어회로의 구조를 간단하게 구성할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 종래 기술에 따른 압전 선형 모터를 상세히 설명한다.
도 3 및 도 4는 압전소자에 전류가 인가된 경우의 압전소자 변형을 나타낸 개략도이고, 도 5 및 도 6은 압전소자가 탄성체와 결합한 상태에서 압전소자에 전류가 인가된 경우의 변형을 나타낸 개략도이다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 압전소자(1)에 전원(30)을 연결하여 전압을 인가하면 압전소자(1)에 변형이 발생한다.
도 3과 도 4는 압전소자 각각의 분극 방향이 반대인 경우를 나타낸 것으로서 수축 또는 팽창의 기계적 변위를 갖는다.
즉, 압전소자(1)의 분극 방향과 인가되는 전압의 방향이 같은 경우 압전소자(1)는 z방향으로 팽창, x방향으로는 수축하게 되고(1'), 압전소자(1)의 분극 방향과 인가되는 전압의 방향이 반대가 되는 경우 압전소자(1)는 x방향으로 팽창, z방향으로는 수축하게 된다(1").
도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기의 압전소자(1)를 금속 탄성체(10)와 결합하는 경우, 압전소자와 탄성체의 탄성률 차에 의해, 팽창 또는 수축의 변형은 굴곡 변위로 바뀐다.
도 5는 압전소자(1)의 분극과 전계가 같은 방향인 경우로서 -z방향으로 압전소자(1)와 탄성체(10)가 휘어지며, 분극과 전계가 반대 방향인 경우에는 도 5와 같이 z방향으로 압전소자(1)와 탄성체(10)가 휘어진다.
본 발명은 렌즈홀더의 무게가 무거워도 잘 작동이 되고, VCM방식보다 견고하며, 렌즈홀더의 이동거리가 길어 고화소 센서를 장착한 카메라에 사용될 수 있는 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치는, 렌즈가 내장되어 광축방향으로 구동되는 렌즈홀더와; 상기 렌즈홀더의 외주면을 감싸면서 고정결합된 중공원형 형상의 제1압전소자와; 상기 렌즈홀더의 외주면을 감싸면서 고정결합된 중공원형 형상의 제2압전소자로 이루어지되, 상기 제1압전소자와 제2압전소자는 상기 렌즈홀더의 구동방향으로 배열되고, 상기 제1압전소자와 제2압전소자에 90도의 위상차를 갖는 전압이 인가되면 상기 제1압전소자와 제2압전소자에 의해 상기 렌즈홀더는 광축방향으로 구동되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1압전소자의 하부와 상기 제2압전소자의 상부는 상호 접한다.
상기 제1압전소자 및 제2압전소자의 외주면에는 상기 제1압전소자 및 제2압전소자를 상기 렌즈홀더 방향으로 가압하는 탄성부재가 배치된다.
상기 제1압전소자 및 제2압전소자는 상기 렌즈홀더의 구동방향으로 진동한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장 치에 따르면, 렌즈홀더의 무게가 무거워도 잘 작동이 되고, VCM방식보다 견고하며, 렌즈홀더의 이동거리가 길어 고화소 센서를 장착한 카메라에 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 소형카메라 구동장치의 사시도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 소형카메라 구동장치의 분해사시도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치는, 렌즈홀더(110)와, 제1압전소자(120)와, 제2압전소자(130)와, 탄성부재(140) 등으로 이루어진다.
상기 렌즈홀더(110)는 원통형상으로 렌즈가 내장되어 있으며, 광축방향 즉 상기 렌즈에 입사되는 빛의 방향 다시 말해 상기 렌즈홀더(110)의 상하방향으로 구동된다.
상기 제1압전소자(120)는 중공원형 형상으로 이루어져 있고, 상기 렌즈홀더(110)의 외주면 중 상부를 감싸고 있다.
상기 제2압전소자(130)는 중공원형 형상으로 이루어져 있고, 상기 렌즈홀더(110)의 외주면 중 하부를 감싸고 있다.
상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)의 내주면은 각각 상기 렌즈홀더(110)의 외주면에 접착제 등에 의해 고정 결합된다.
상기 제1압전소자(120)와 제2압전소자(130)는 상기 렌즈홀더(110)의 구동방향 즉 상하방향으로 배열되는데, 상기 제1압전소자(120)가 상부에 배치되고, 상기 제2압전소자(130)가 하부에 배치된다.
그리고, 상기 제1압전소자(120)의 하부와 상기 제2압전소자(130)의 상부는 상호 접하고 있다.
상기 제1압전소자(120)와 제2압전소자(130)는 상기 렌즈홀더(110)의 구동방향 즉 상하방향으로 진동을 한다.
상기 제1압전소자(120)와 제2압전소자(130)의 상하 진동은 사인(sine)곡선 형태를 갖는 정현파 전압이 각각 인가되어 이루어진다.
이때, 상기 제1압전소자(120)와 제2압전소자(130)에 인가되는 전압은 상호 90도의 위상차를 가지고 인가된다.
이로 인해, 상기 제1압전소자(120)와 제2압전소자(130)의 운동에 의해 상기 렌즈홀더(110)는 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)와 함께 광축방향 즉 상하방향으로 구동하게 된다.
상기 탄성부재(140)는 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)의 외주면을 감싸도록 장착되어, 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)를 상기 렌즈홀더(110) 방향으로 가압한다.
그리고, 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)의 진동시 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)는 상기 탄성부재(140)에 지지되어 상기 탄성부재(140)를 딛고 상기 렌즈홀더(110)와 함께 상하방향으로 구동되게 된다.
이하, 상술한 구성으로 이루어진 본 발명의 작동과정에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 소형카메라 구동장치의 작동과정을 도시한 상태도이다.
(a)는 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)에 인가되는 전압(Ⅰ,Ⅱ)을 시간에 따라 도시한 것이고, (b)는 전압의 인가에 따른 제1압전소자(120)와 제2압전소자(130)의 변형 상태를 개별적으로 도시한 것이고, (c)는 실제로 변형되는 제1압전소자(120)와 제2압전소자(130)의 상태를 도시한 것이다.
즉, 도 9(b)는 제1압전소자(120)와 제2압전소자(130) 상호간에 작용하는 변형을 고려하지 않고, 개별적인 변형만을 도시한 것이고, 도 9(b)는 제1압전소자(120)와 제2압전소자(130)가 모두 상기 렌즈홀더(110)에 결합되어 있음으로써 작용하는 상호 변형을 고려한 실제 변형 상태를 도시한 것이다.
도 9(a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1압전소자(120)와 제2압전소자(130)에 전압(Ⅰ,Ⅱ)을 인가하되, 상기 제1압전소자(120)와 제2압전소자(130)에 인가되는 전압(Ⅰ,Ⅱ)은 90도의 위상차를 갖도록 한다.
도 9(a)에 도시된 바와 같이 전압이 인가되기 시작하는 시점인 t=0 시점을 보면, 상기 제1압전소자(120)에는 전압이 인가되지 않고, 상기 제2압전소자(130)에는 역전압이 인가된다.
따라서, 상기 제1압전소자(120)는 원상태를 유지하고, 상기 제2압전소자(130)는 상하방향으로 수축하게 된다.
이때, 상기 제2압전소자(130)의 내주면은 상기 렌즈홀더(110)의 외주면에 결합되어 있고, 상기 렌즈홀더(110)가 탄성변형량이 상기 제2압전소자(130)의 변형량보다 작기 때문에, 도 9(b)에서 t=0인 시점에 도시된 바와 같이 상기 제2압전소 자(130)가 장착된 상기 렌즈홀더(110)의 하부는 양측으로 확장된다.
그리고, 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)가 모두 상기 렌즈홀더(110)의 외주면에 결합되어 있고, 상기 렌즈홀더(110)는 일체로 이루어져 있어 외주면이 거의 직선적으로 변형되기 때문에, 실제 상기 렌즈홀더(110)의 외주면에 결합된 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)는 도 9(c)에서 t=0인 시점에 도시된 바와 같이 윗부분이 작고 아랫부분이 길며 높이가 작은 사다리꼴 형상으로 변형된다.
t1을 거쳐 t2까지 상기 제1압전소자(120)에 인가되는 정전압(Ⅰ)은 커지고, 상기 제2압전소자(130)에 인가되는 역전압(Ⅱ)은 약해진다.
이때, 상기 제1압전소자(120)에 정전압이 인가되면, 상기 제1압전소자(120)는 상하방향으로 신장되게 되는데, 상기 제1압전소자(120)의 내주면은 상기 렌즈홀더(110)의 외주면에 결합되어 있고, 상기 렌즈홀더(110)가 탄성변형량이 상기 제1압전소자(120)의 변형량보다 작기 때문에, 도 9(b)에서 t1 및 도 t2 시점에 도시된 바와 같이 상기 제2압전소자(130)가 장착된 상기 렌즈홀더(110)의 상부는 양측에서 내측으로 수축된다.
그리고, 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)가 모두 상기 렌즈홀더(110)의 외주면에 결합되어 있고, 상기 렌즈홀더(110)는 일체로 이루어져 있어 외주면이 거의 직선적으로 변형되기 때문에, 실제 상기 렌즈홀더(110)의 외주면에 결합된 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)는 도 9(c)에서 t=2인 시점에 도시된 바와 같이 윗부분이 작고 아랫부분이 길며 높이가 긴 사다리꼴 형상으로 변 형된다.
위와 같은 동작과정을 통해, 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)는 90도의 위상차를 가지고 양측방향으로 확장 또는 수축운동을 한다.
t=0에서 t8까지 1주기 동안 상기 렌즈홀더(110)가 장착되는 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)의 변형상태를 살펴 보면, 시간이 지남에 따라 외주면이 상방향에서 하방향으로 파동을 일으키며 변형되는 것을 알 수 있다.
즉, 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130) 중 각 시간에 따라 최외곽에 위치하는 부분을 연결하면, 시간이 지남에 따라 최외곽에 위치하는 부분이 타원형상을 그리며 이동하는 것을 알 수 있다.
위와 같이, 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)의 최외곽 부분이 타원형상을 그리며 변형 이동되기 때문에, 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)는 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)를 감싸고 있는 상기 탄성부재(140)를 딛고 상승 또는 하강하게 된다.
이로 인해, 상기 렌즈홀더(110)는 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(130)와 함께 상하 방향으로 이동하게 되어, 렌즈의 줌 또는 피사체의 포커싱 기능을 수행할 수 있게 된다.
본 발명인 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치는 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
도 1은 종래의 VCM방식의 소형 카메라장치의 단면구조도,
도 2는 도 1에 도시된 소형 카메라장치의 사용상태 단면구조도,
도 3 및 도 4는 압전소자에 전류가 인가된 경우의 압전소자 변형을 나타낸 개략도,
도 5 및 도 6은 압전소자가 탄성체와 결합한 상태에서 압전소자에 전류가 인가된 경우의 변형을 나타낸 개략도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 소형카메라 구동장치의 사시도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 소형카메라 구동장치의 분해사시도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 소형카메라 구동장치의 작동과정을 도시한 상태도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 렌즈홀더, 120 : 제1압전소자, 130 : 제2압전소자, 140 : 탄성부재,
Ⅰ : 제1압전소자에 인가되는 전압, Ⅱ : 제2압전소자에 인가되는 전압

Claims (4)

  1. 렌즈가 내장되어 광축방향으로 구동되는 렌즈홀더와;
    상기 렌즈홀더의 외주면을 감싸면서 고정결합된 중공원형 형상의 제1압전소자와;
    상기 렌즈홀더의 외주면을 감싸면서 고정결합된 중공원형 형상의 제2압전소자로 이루어지되,
    상기 제1압전소자와 제2압전소자는 상기 렌즈홀더의 구동방향으로 배열되고,
    상기 제1압전소자와 제2압전소자에 90도의 위상차를 갖는 전압이 인가되면 상기 제1압전소자와 제2압전소자에 의해 상기 렌즈홀더는 광축방향으로 구동되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1압전소자의 하부와 상기 제2압전소자의 상부는 상호 접하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제1압전소자 및 제2압전소자의 외주면에는 상기 제1압전소자 및 제2압전소자를 상기 렌즈홀더 방향으로 가압하는 탄성부재가 배치된 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1압전소자 및 제2압전소자는 상기 렌즈홀더의 구동방향으로 진동하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 소형카메라 구동장치.
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