KR20110094464A - 압전 액추에이터 조립체 및 이를 구비하는 광학 시스템 - Google Patents

압전 액추에이터 조립체 및 이를 구비하는 광학 시스템 Download PDF

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이승환
이진기
박정호
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명에 관한 광학 시스템은, 하우징과, 적어도 하나의 렌즈를 구비하는 렌즈 유닛과 렌즈 유닛을 지지하며 하우징의 내부에서 이동하는 렌즈 프레임을 구비하는 렌즈 조립체와, 하우징에 결합하는 베이스판과 일측 면에 돌기를 구비하며 베이스판에 결합된 탄성판과 탄성판의 타측 면에 결합되며 전기가 인가되면 진동하여 탄성판에 진동을 전달하는 압전 소자와 일단이 탄성판의 돌기에 의해 지지되고 타단은 베이스판에 대해 슬라이딩 이동 가능하게 결합하여 렌즈 프레임을 지지하는 이동부를 구비하는 압전 액추에이터 조립체를 구비한다.

Description

압전 액추에이터 조립체 및 이를 구비하는 광학 시스템{Piezo actuator assembly and optical system with the same}
본 발명의 실시예는 압전 액추에이터 조립체 및 이를 구비하는 광학 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일체로 조립된 상태를 유지하도록 모듈화되므로 조립 공차 등으로 인한 구동 특성의 변화를 최소화할 수 있는 압전 액추에이터 조립체 및 이를 구비한 광학 시스템에 관한 것이다.
렌즈와 같은 광학 요소들을 갖는 광학 시스템은 렌즈를 이동시키기 위한 렌즈 구동 장치들을 구비한다. 렌즈 구동 장치는 렌즈를 이동시켜 렌즈들의 상대적인 거리들을 변화시킴으로써 줌(zooming)기능이나 자동 초점 조정(auto focusing)기능을 구현한다.
렌즈 구동 장치는 스텝 모터(stepping motor)와 같은 구동 수단을 이용하기도 하는데, 이 경우 스텝 모터의 빠른 회전을 직선운동으로 바꾸기 위해 감속기어와 캠(cam)을 사용해야 하므로 부피가 커지고 구성이 복잡해지며, 정회전이나 역회전 시 백래쉬(backlash)로 인한 오차의 발생과 전력소모, 높은 전류와 열이 발생하는 문제점이 있다.
최근에는 광학 시스템의 렌즈를 이동시키기 위해 압전 효과에 의해 구동되는 압전 소자(piezoelectric device)가 널리 응용되고 있다. 압전 소자를 이용하면 초소형의 구동 모터를 제작할 수 있다.
그러나 압전 소자를 사용하는 종래의 광학 시스템에서는 압전 소자의 변형 운동을 렌즈를 이동시키기 위한 구동력으로 변환하기 위해 기어나 캠과 같은 기구 요소들을 이용하기 때문에, 구성이 복잡해지고 기구 요소들 사이의 오차 발생으로 인해 정확한 위치 제어가 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 렌즈 유닛을 이동시킬 수 있는 압전 액추에이터 조립체 및 이를 구비하는 광학 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 기구 요소들 사이의 오차 발생이 최소화되므로 정확한 위치 제어가 가능한 압전 액추에이터 조립체 및 이를 구비하는 광학 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명은 일체로 조립된 상태를 유지하도록 모듈화되므로 조립 공차 등으로 인한 구동 특성의 변화를 최소화할 수 있는 압전 액추에이터 조립체와, 이를 구비한 광학 시스템을 제공한다.
본 발명에 관한 압전 액추에이터 조립체는, 베이스판과, 일측 면에 돌기를 구비하며 베이스판에 결합된 탄성판과, 탄성판의 타측 면에 배치되어 전기가 인가되면 진동하여 탄성판에 진동을 전달하는 압전 소자와, 일단이 탄성판의 돌기에 의해 지지되고 타단은 베이스판에 대해 슬라이딩 이동 가능하게 결합하는 이동부를 구비한다.
본 발명에 있어서, 압전 액추에이터 조립체는 일 방향을 따라 연장하도록 베이스판에 설치된 슬라이딩 가이드를 더 구비할 수 있고, 이동부는 슬라이딩 가이드에 결합할 수 있다.
본 발명에 있어서, 압전 액추에이터 조립체는 슬라이딩 가이드를 따라 이동한 이동부의 위치를 검출하는 검출 센서를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 탄성판은 베이스판에 결합되는 장착부와, 장착부로부터 이동부를 향하여 연장하며 베이스판으로부터 이격되는 탄성 지지부를 구비할 수 있고, 돌기는 탄성 지지부에 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 돌기는 소정 거리를 갖도록 연장 형성되어 이동부와 선 접촉을 이룰 수 있다.
본 발명에 있어서, 압전 소자는 돌기의 단부가 원형의 궤적을 따라 운동하도록 진동할 수 있다.
본 발명에 있어서, 압전 소자는 돌기의 단부가 타원형의 궤적을 따라 운동하도록 진동할 수 있다.
본 발명에 관한 광학 시스템은, 하우징과, 적어도 하나의 렌즈를 구비하는 렌즈 유닛과 렌즈 유닛을 지지하며 하우징의 내부에서 이동하는 렌즈 프레임을 구비하는 렌즈 조립체와, 하우징에 결합하는 베이스판과 일측 면에 돌기를 구비하며 베이스판에 결합된 탄성판과 탄성판의 타측 면에 결합되며 전기가 인가되면 진동하여 탄성판에 진동을 전달하는 압전 소자와 일단이 탄성판의 돌기에 의해 지지되고 타단은 베이스판에 대해 슬라이딩 이동 가능하게 결합하여 렌즈 프레임을 지지하는 이동부를 구비하는 압전 액추에이터 조립체를 구비한다.
본 발명에 있어서, 렌즈 조립체는 렌즈 프레임을 이동 가능하게 지지하도록 하우징 내에 배치되는 안내축을 더 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 광학 시스템은 렌즈 프레임을 하우징에 슬라이딩 가능하게 결합시키는 가이드부를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 가이드부는 렌즈 조립체의 슬라이딩 방향을 따라 연장하도록 하우징에 형성되는 안내홈과, 안내홈에 삽입되도록 렌즈 프레임의 가장자리에서 렌즈 조립체의 슬라이딩 방향을 따라 연장하도록 설치되는 슬라이더를 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 가이드부는 슬라이더에 접하도록 안내홈의 내측에 배치되며, 슬라이더를 슬라이딩 이동 가능하게 지지하는 롤러를 더 구비할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 압전 액추에이터 조립체 및 이를 구비하는 광학 시스템은, 압전 소자의 진동이 탄성판의 돌기를 통해 이동부에 전달되므로 광학 시스템의 렌즈 유닛을 효율적으로 이동시킬 수 있다.
또한 압전 액추에이터 조립체가 탄성판의 돌기가 이동부를 탄성적으로 지지하는 상태를 유지하도록 모듈화되어 제조되므로, 조립된 이후에 발생할 수 있는 구동조건의 변화로 인한 성능 저하를 최소화할 수 있다. 압전 액추에이터 조립체는 광학 시스템에 조립되기 이전의 상태가 광학 시스템에 조립되기 이후의 상태와 크게 변화하지 않도록 모듈화되어 있으므로, 최적 주파수의 변화가 미소한 허용범위 내로 유지되므로 구동 특성의 변화가 최소화되어 신뢰성 있는 구동을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 압전 액추에이터 조립체의 사시도이다.
도 2는 도 1의 압전 액추에이터 조립체의 구성 요소들의 결합관계를 나타낸 분리 사시도이다.
도 3은 도 1의 압전 액추에이터 조립체를 구비한 광학 시스템의 일부 구성 요소들을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 광학 시스템에서 하우징이 결합한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 5는 압전 액추에이터 조립체에 의한 변위 변동을 설명하는 그래프이다.
도 6은 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 탄성판의 일 변형예를 나타낸 개념도이다.
도 7은 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 탄성판의 다른 변형예를 나타낸 개념도이다.
도 8은 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 탄성판의 또 다른 변형예를 나타낸 개념도이다.
도 9는 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 탄성판의 또 다른 변형예를 나타낸 개념도이다.
도 10은 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 탄성판의 운동 궤적을 설명한 설명도이다.
도 11은 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 압전 소자의 배치 위치를 나타낸 사시도이다.
도 12는 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 압전 소자의 배치 구조가 변형된 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 13은 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 압전 소자의 배치 구조가 변형된 다른 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 14는 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 돌기가 변형된 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 15는 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 돌기가 변형된 다른 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 16은 본 발명의 제2 실시예에 관한 압전 액추에이터 조립체를 구비한 광학 시스템을 나타낸 사시도이다.
이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 본 발명에 관한 압전 액추에이터 조립체 및 이를 구비하는 광학 시스템의 구성과 작용을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 압전 액추에이터 조립체의 사시도이고, 도 2는 도 1의 압전 액추에이터 조립체의 구성 요소들의 결합관계를 나타낸 분리 사시도이다.
도 1 및 도 2에 나타난 실시예에 관한 압전 액추에이터 조립체(100)는, 베이스판(10)과 베이스판(10)에 결합된 탄성판(20)과, 탄성판(20)에 배치되어 진동하는 압전 소자(30)와, 베이스판(10)에 대해 슬라이딩 이동 가능한 이동부(40)를 구비한다.
베이스판(10)은 탄성판(20)을 지지하는 기능을 수행하는 부분으로서, 이하에서 설명될 광학 시스템의 고정 구조물에 결합할 수 있다.
탄성판(20)은 압전 소자(30)에서 발생된 진동에 의해 변형함으로써 진동을 전달하는 기능을 수행하는 부분이다. 탄성판(20)은 탄성을 갖는 재질로 제작될 수 있는데, 예를 들어 알루미늄이나 스테인레스 스틸과 같은 금속 재질의 판재를 절곡하거나 벤딩 가공하여 제조될 수 있다. 탄성판(20)은 탄성을 갖는 합성수지나 고무 재질로 제조될 수 있다. 탄성판(20)의 일측 면에는 돌기(23)가 형성된다. 돌기(23)는 이동부(40)와 접촉함으로써 탄성판(20)의 진동을 이동부(40)에 전달한다.
압전 소자(30)는 복수 개의 전극들을 적층하여 제조된 적층형 압전 소자이거나 단일층의 압전 소자일 수 있으며, 교류 형태의 전류가 인가되면 인가된 전류의 구동 파형에 따라 진동을 발생시킨다. 압전 소자(30)는 돌기(23)가 형성된 탄성판(20)의 일측 면의 반대되는 측면에 배치될 수 있다.
이동부(40)는 일단이 탄성판(20)의 돌기(23)에 의해 지지되고, 타단은 베이스판(10)에 대해 슬라이딩 이동 가능하게 결합한다.
베이스판(10)에는 베이스판(10)에 대해 수직 방향으로 연장하는 두 개의 지지 기둥(11)이 설치된다. 지지 기둥(11)에는 베이스판(10)을 따라 일 방향으로 연장하도록 슬라이딩 가이드(15)가 고정된다. 슬라이딩 가이드(15)는 도시된 것과 같이 원주 기둥 형상을 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 사각형 등의 다각형 단면을 갖는 기둥 형상으로 제조될 수 있다.
이동부(40)는 슬라이딩 블록(42)을 구비한다. 슬라이딩 블록(42)에는 결합 구멍(42a)이 형성되므로, 슬라이딩 가이드(15)가 결합 구멍(42a)에 결합할 수 있다. 슬라이딩 가이드(15)는 슬라이딩 블록(42)이 슬라이딩 가이드(15)를 중심으로 회전하는 것을 방지하는 회전 제한면(15a)을 구비할 수 있으며, 슬라이딩 블록(42)의 결합 구멍(42a)도 회전 제한면(15a)을 갖는 슬라이딩 가이드(15)에 대응되는 모양을 갖는다.
슬라이딩 블록(42)이 슬라이딩 가이드(15)에 결합하므로, 이동부(40)가 슬라이딩 가이드(15)를 따라 슬라이딩 이동을 할 수 있다.
탄성판(20)은 베이스판(10)에 결합되는 장착부(22)와, 장착부(22)로부터 이동부(40)를 향하여 연장하며 베이스판(10)으로부터 이격되는 탄성 지지부(21)를 구비한다. 장착부(22)는 베이스판(10)의 결합공(17)에 삽입되는 결합부재(19)에 의해 베이스판(10)에 결합된다. 결합부재(19)로는 리벳이나 볼트와 같은 요소가 사용될 수 있다.
탄성 지지부(21)는 베이스판(10)에서 멀어지는 방향으로 절곡된 절곡부(21b)와 절곡부(21b)로부터 탄성판(20)의 타측 단부를 향하여 연장하는 지지면(21a)을 구비한다. 지지면(21a)의 이동부(40)를 향하는 면에 돌기(23)가 형성된다. 돌기(23)는 도시된 바와 같이 탄성판(20)과 일체로 형성되는데, 이에 한정되는 것은 아니며 플라스틱이나 고무 소재의 재질을 이용하여 별도로 제조한 후에 탄성판(20)의 표면에 부착할 수도 있다.
압전 액추에이터 조립체(100)는 슬라이딩 가이드(15)를 따라 이동하는 이동부(40)의 위치를 검출하는 검출 센서(50)를 더 구비할 수 있다. 검출 센서(50)는 복수 개의 자석들을 연속하여 결합한 자성 막대부(52)와, 자성 막대부(52)의 자성을 검출하는 검출부(51)를 구비한다. 자성 막대부(52)는 이동부(40)의 양측으로 연장하는 날개부(43)에 결합하고, 검출부(51)는 베이스판(10)에 부착된다.
돌기(23)가 탄성판(20)의 폭 방향을 가로지르는 방향으로 연장하여 형성됨으로써, 돌기(23)와 이동부(40)의 사이에 선 접촉이 이루어질 수 있다.
이동부(40)는 탄성판(20)과 압전 소자(30)의 진동을 이용하여 이동시킬 이동체가 결합하는 결합 스테이지(41)를 구비한다.
도 1에 도시된 것과 같이 압전 액추에이터 조립체(100)의 조립이 완료된 상태에서는, 결합 스테이지(41)의 하면이 탄성판(20)의 돌기(23)에 의해 탄성적으로 지지되므로 도면상 Z 축의 상측 방향으로 가압되는 상태에 놓인다. 그러므로 압전 액추에이터 조립체(100)를 광학 시스템에 장착되는 렌즈 이송 모듈에 조립하여도, 조립으로 인한 공차의 영향을 최소화할 수 있다. 즉 탄성판(20)의 돌기(23)가 결합 스테이지(41)의 하면에 강하게 밀착하여 탄성력을 부여하고 있으므로, 조립을 실시할 때에 결합 스테이지(41) 등의 구성 요소의 위치가 변동될 가능성이 매우 적다.
도 3은 도 1의 압전 액추에이터 조립체를 구비한 광학 시스템의 일부 구성 요소들을 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 광학 시스템에서 하우징이 결합한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 4에 나타난 실시예에 관한 광학 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예의 압전 액추에이터 조립체(100)를 구비한다. 광학 시스템에서 압전 액추에이터 조립체(100)는 렌즈 유닛(61)을 이송하는 렌즈 구동 모듈로 응용되었다. 렌즈 구동 모듈은 렌즈를 이송시켜 렌즈들의 상대적인 거리들을 변화시킴으로써 줌(zooming)기능이나 자동 초점 조정 (auto focusing)기능을 구현할 수 있다.
광학 시스템에서 이용되는 종래의 렌즈 구동 모듈에는 렌즈를 구동하기 위해 초소형 모터를 구비하는 것이 있는데, 전자계 방식의 스텝 모터(stepping motor)를 렌즈이송장치에 사용할 경우 모터의 빠른 회전을 직선운동으로 바꾸기 위해 감속기어와 캠(cam)을 사용해야 하므로 부피가 커지고 구성이 복잡해지며, 정회전이나 역회전 시 백래쉬(backlash)로 인한 오차의 발생과 전력소모, 높은 전류와 열을 발생시키는 등의 문제점이 있다.
본 실시예의 광학 시스템에서는 렌즈 유닛(61)을 이송하기 위한 동력을 발생시키는 수단으로 압전 소자(30)를 이용하여 압전 효과에 의해 구동되는 압전 액추에이터 조립체(100)를 채용한다. 압전 액추에이터는 초소형으로 제작되어 모터로 사용할 수 있으며 저속 운전시 높은 토크를 얻을 수 있고, 정밀하게 제어된 양의 운동 에너지를 기계 시스템에 제공할 수 있으므로, 소형의 렌즈 구동 모듈에 적합하다.
광학 시스템은, 적어도 하나의 렌즈를 구비하는 렌즈 유닛(61)과, 렌즈 유닛(61)을 지지하는 렌즈 프레임(62)과, 렌즈 프레임(62)을 이동 가능하게 지지하는 안내축(63)을 구비하는 렌즈 조립체(60)와, 렌즈 조립체(60)를 둘러싸는 하우징(81)과, 압전 액추에이터 조립체(100)를 구비한다.
렌즈 조립체(60)의 안내축(63)은 기저부(80)에 결합된다. 기저부(80)에는 촬상소자(70)가 배치될 수 있다. 렌즈 조립체(60)의 렌즈 유닛(61)은 안내축(63)을 따라 광축 방향으로 이동함으로써 피사체의 영상을 나타내는 빛이 촬상소자(70)에 맺히게 한다.
렌즈 조립체(60)의 렌즈 프레임(62)의 단부에는 안내축(63)에 슬라이딩 이동 가능하게 삽입되는 슬라이딩부(64)가 구비된다. 일측의 슬라이딩부(64)의 단부에는 압전 액추에이터 조립체(100)의 결합 스테이지(41)에 결합하는 연결 돌기(65)가 형성된다.
도 4를 참조하면 기저부(80)에는 렌즈 조립체(60)를 둘러싸도록 하우징(81)이 결합되며, 압전 액추에이터 조립체(100)의 베이스판(10)이 하우징(81)에 결합한다. 그러므로 압전 액추에이터 조립체(100)가 하우징(81)에 고정된 상태에서 압전 소자(30)가 진동하면 탄성판(20)을 통해 진동이 전달되어 렌즈 조립체(60)가 안내축(63)을 따라 슬라이딩 이동할 수 있다.
도 5는 압전 액추에이터 조립체에 의한 변위 변동을 설명하는 그래프이다.
도 1에 나타난 실시예에서 압전 액추에이터 조립체(100)는 탄성판(20)이 베이스판(10)에 결합된 상태에서 이동부(40)를 Z 축 방향으로 탄성적으로 지지하도록 모듈화되어 제작된다.
이러한 구성의 압전 액추에이터 조립체는 도 5의 좌측 <조립전 상태>의 그래프에서 나타난 것과 같이 압전 소자에 인가되는 전류의 주파수에 따라 구현되는 변위를 측정하여 최적의 주파수(fd)를 구할 수 있다.
도 5의 수평축은 압전 소자에 인가되는 전류의 주파수이며, f1은 X 축 방향의 구동에서의 공진 주파수이고, fd 는 탄성판(20)의 돌기(23)가 타원형의 궤적으로 구동되는 최적 주파수(작동 주파수)이며, fm 은 원형에 가까운 궤적으로 구동되는 중심 주파수이고, f2 는 Z 축 방향의 구동에서의 공진 주파수에 해당한다. 수직축은 탄성판(20)의 돌기(23)가 나타내는 운동의 변위량을 나타내며, Md 는 최적의 구동 변위에 해당한다.
종래에는 도 5의 좌측 <조립전 상태>의 그래프와 같은 특성을 갖는 압전 액추에이터 조립체를 제작하여, 광학 시스템에 조립하면 도 5의 우측 <조립후 상태>의 그래프와 같이 구동 특성이 변화하는 문제점이 있었다. 즉 본 발명의 도 1에 나타난 실시예와 같이 모듈화되어 일체로 조립되지 않은 종래의 압전 액추에이터 조립체는 다음과 같은 여러 가지 원인으로 인해 구동 특성이 변한다.
1) 광학 시스템에 조립될 때의 압전 액추에이터 조립체의 부착 위치 및 부착 형태
2) 광학 시스템의 렌즈 조립체와 압전 액추에이터 조립체의 접촉 조건(마찰력 등)
3) 광학 시스템에 조립되기 전에 압전 액추에이터 조립체 자체에 설정된 예비 부하량(pre-load)
4) 압전 소자의 전극과 배선의 솔더링 위치, 상태, 크기 등
5) 압전 액추에이터 조립체에 사용되는 스프링의 형상과, 공진 진폭(bandwidth)
모듈화되지 않은 종래의 압전 액추에이터 조립체가 광학 시스템에 설치된 이후에는, 공진 주파수 f1 과 f2 가 각각 f1' 과 f2'로 변화한다. 이로 인해 다음과 같은 구동 특성의 문제점이 발생한다.
1) X축 구동 주파수(driving frequency)를 fd로 유지할 경우에는, 실제 성능(구동 변위)이 Md에서 Md2로 변화하므로 성능이 심하게 저하된다.
2) X축 구동 주파수를 fd에서 fd'으로 변경하는 경우 성능이 Md에서 Md'로 약간 저하된다. 이러한 경우 압전 액추에이터 조립체를 설치한 후에 모든 제품에 대하여 계측기를 이용하여 fd'를 찾는 작업을 수행하여야 한다. 또한 조립을 마친 초기에는 fd'를 찾았다고 하더라도 fd'가 작동조건의 온도, 히스테리시스 등에 의해 자주 바뀔 수 있으므로, 지속적으로 fd'를 찾는 작업을 실시하여야 한다. 또한 fd'를 계속 찾더라도 변화가 클 경우에는 Md' 수준에 해당하는 정상적인 성능을 기대하기 어렵다.
본 발명의 일 실시예에 관한 압전 액추에이터 조립체(100)는, 광학 시스템에 조립된 이후에 발생할 수 있는 구동조건의 변화로 인한 성능 저하를 최소화하였다. 즉 압전 액추에이터 조립체(100)는 광학 시스템에 조립되기 이전의 상태가 광학 시스템에 조립되기 이후의 상태와 크게 변화하지 않도록 모듈화하여 제조되므로, 최적 주파수의 변화가 미소한 허용범위 내로 유지되므로 조립전의 최적 주파수 fd 와 조립후의 최적 주파수 fd'의 사이의 차이가 최소화되고, Md 및 Md'의 사이의 변화도 최소화되므로, 오랜 기간 동안 반복적으로 작동하여도 신뢰성 있는 구동을 기대할 수 있다.
도 6은 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 탄성판의 일 변형예를 나타낸 개념도이고, 도 7은 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 탄성판의 다른 변형예를 나타낸 개념도이다.
도 6 및 도 7은 도 1의 압전 액추에이터 조립체(100)에 전류가 인가되어 탄성판(20)이 변형됨으로써 돌기(23)가 X 축 방향을 따라 우측 또는 좌측으로 이동하는 모습을 나타낸다.
도 8은 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 탄성판의 또 다른 변형예를 나타낸 개념도이고, 도 9는 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 탄성판의 또 다른 변형예를 나타낸 개념도이다.
도 8 및 도 9는 압전 액추에이터 조립체(100)에 전류가 인가되어 탄성판(20)이 변형됨으로써 돌기(23)가 Z 축 방향을 따라 상측 또는 하측으로 이동하는 모습을 나타낸다.
도 10은 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 탄성판의 운동 궤적을 설명한 설명도이다.
도 6 및 도 7의 X 축 방향의 수평 운동과, 도 8 및 도 9의 Z 축 방향의 수직 운동을 중첩시키도록 압전 액추에이터 조립체(100)에 인가되는 교류 형태의 전류의 주파수를 제어함으로써, 도 10과 같이 탄성판(20)의 돌기(23)가 타원형의 궤적(e)을 따라 회전하듯이 구동되거나 또는 원형의 궤적(c)을 따라 회전하듯이 구동될 수 있다. 이와 같은 구동에 의해 돌기(23)가 이동부(40)의 결합 스테이지(41)의 밑면을 반복적으로 타격하므로, 결합 스테이지(41)에 결합된 연결 돌기(65)가 X 축 방향을 따라 이동하는 수평 방향의 운동을 할 수 있다.
도 11은 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 압전 소자의 배치 위치를 나타낸 사시도이다.
도 11에 도시된 바와 같이 압전 액추에이터 조립체(100)의 탄성판(20)의 탄성 지지부(21)의 저면에 하나의 압전 소자(30)가 결합한다.
압전 소자는 압전 세라믹스 시트의 한쪽 면에 전극을 설치한 압전 요소들을 여러 장으로 적층으로 형성되는 적층형 압전 소자로 제조될 수 있다. 또는 압전 소는 단일층을 갖는 압전 소자로 제조될 수도 있다.
도 12는 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 압전 소자의 배치 구조가 변형된 변형예를 나타낸 사시도이고, 도 13은 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 압전 소자의 배치 구조가 변형된 다른 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 12 및 도 13에 나타난 변형예에서 압전 소자가 탄성판(20)의 탄성 지지부(21)에 저면에 배치되는 위치는 동일하지만 압전 소자의 개수가 변형되었다. 즉 도 12에서는 돌기(23)를 중심으로 양측에 하나씩, 총 두 개의 압전 소자들(130)이 배치되고, 도 13에서는 돌기(23)를 중심으로 양측에 두 개씩, 총 네 개의 압전 소자들(230)이 배치되었다.
도 12에서는 각각의 압전 소자들(130)에 상이한 위상을 갖는 전류를 인가함으로써 탄성판(20)의 변형에 의한 돌기(23)의 운동 궤적을 더 용이하게 구현할 수 있다. 마찬가지로 도 13에서도 각각의 압전 소자들(230)에 상이한 위상을 갖는 전류를 인가하여 돌기(23)의 운동 궤적을 용이하게 구현할 수 있고, 정밀한 제어와 강한 구동력을 확보할 수 있다.
도 14는 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 돌기가 변형된 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 14에 나타난 변형예에서는 탄성판(220)에 형성된 돌기(223)의 형태가 대략 반원 형상을 갖도록 변형되었다. 상술한 실시예들에서는 돌기가 일 방향을 따라 연장함으로써 이동부(40)와 선 접촉을 하지만, 도 14에서는 돌기(223)가 이동부(40)와 점 접촉을 유지하며 진동을 전달할 수 있다.
도 15는 도 1의 압전 액추에이터 조립체에서 돌기가 변형된 다른 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 15에 나타난 변형예에서는 탄성판(320)에 형성된 돌기(323)의 형태가 대략 직육면체 형상을 갖도록 변형되었다. 이로 인해 돌기(323)는 이동부(40)와 면 접촉을 이루며 진동을 전달할 수 있다.
도 16은 본 발명의 제2 실시예에 관한 압전 액추에이터 조립체를 구비한 광학 시스템을 나타낸 사시도이다.
도 16에 나타난 실시예에 관한 광학 시스템에 있어서, 광학 시스템은 카메라 모듈로 구현되었으며, 광학 시스템에 채용되는 압전 액추에이터 조립체(400)는 줌 기능이나 자동 초점 조정 기능의 구현을 위해 렌즈 조립체(460)의 위치를 변경하는 기능을 수행하는 렌즈 구동 모듈로 응용되었다.
광학 시스템은, 하우징(480)과, 적어도 하나의 렌즈를 구비하는 렌즈 유닛(461)과 렌즈 유닛(461)을 지지하는 렌즈 프레임(462)을 구비하여 하우징(480)의 내에서 이동하는 렌즈 조립체(460)와, 렌즈 조립체(460)를 이동시키는 압전 액추에이터 조립체(400)를 구비한다.
압전 액추에이터 조립체(400)는 도 1에 나타난 실시예에서의 압전 액추에이터 조립체와 유사한 구성을 가지며, 베이스판(410)과 베이스판(410)에 결합된 탄성판(420)과, 탄성판(420)에 배치되어 진동하는 압전 소자(430)와, 베이스판(410)에 대해 슬라이딩 이동 가능한 이동부(440)를 구비한다.
탄성판(420)의 일측 면에는 돌기(423)가 형성된다. 돌기(423)는 이동부(440)의 결합 스테이지(441)와 접촉함으로써 탄성판(420)의 진동을 이동부(440)에 전달한다.
베이스판(410)에는 베이스판(410)을 따라 일 방향으로 연장하도록 슬라이딩 가이드(415)가 설치되며, 이동부(440)가 슬라이딩 가이드(415)에 슬라이딩 가능하게 결합한다. 이동부(440)는 이하에서 설명될 렌즈 조립체(460)의 연결 돌기(465)에 결합하므로, 압전 소자(430)의 진동이 렌즈 조립체(460)에 전달되어 렌즈 조립체(460)가 구동된다.
하우징(480)은 렌즈 조립체(460)와 압전 액추에이터 조립체(400)를 지지하는 기능을 수행한다. 하우징(480)은 씨씨디(CCD) 센서나 씨모스(CMOS) 센서와 같은 촬상소자(486)를 구비할 수 있는데, 하우징(480)에 이러한 촬상소자(486)가 장착되면 렌즈 구동 모듈을 갖는 카메라 모듈이 구현될 수 있다.
하우징(480)은 대략 직육면체의 형상으로 제조될 수 있으며, 내부에는 렌즈 조립체(460)가 수용될 수 있도록 중공부(482)가 형성된다. 광축에 수직한 하우징(480)의 단면 모양, 즉 하우징(480)의 바닥면은 정사각형의 형상을 이룬다.
하우징(480)과 렌즈 조립체(460)의 사이에는 가이드부가 설치된다. 가이드부는 하우징(480)에 구비된 안내홈(485, 487, 488)과, 안내홈(485, 487, 488)에 결합하도록 렌즈 프레임(462)의 외측에 설치된 슬라이더(426, 467, 466)를 구비한다.
본 발명은 안내홈(485, 487, 488)과 슬라이더(426, 467, 466)가 배치되는 위치에 의해 제한되지 않는다. 즉 도시된 가이드부의 구성을 변형하여 안내홈(485, 487, 488)을 렌즈 조립체(460)에 설치하고, 슬라이더(426, 467, 466)는 하우징(480)에 설치할 수 있다.
안내홈(485, 487, 488)은 렌즈 프레임(462)의 슬라이더(426, 467, 466)와 결합하여 하우징(480) 내에서의 렌즈 조립체(460)의 슬라이딩 이동을 안내하는 레일의 기능을 수행한다. 본 실시예에서, 안내홈(485, 487, 488)은 하우징(480)의 수직 방향(X 축 방향)에서의 네 개의 모서리 중 세 개의 모서리에 형성된다. 그러나 본 발명은 이에 제한되지 아니하며, 하우징(480)과 렌즈 조립체(460) 및 압전 액추에이터 조립체(400)의 형상 및 구조에 따라 안내홈(485, 487, 488)이 다른 위치에 변형되어 배치될 수 있다.
하우징(480)의 제1 안내홈(485)의 일 측에는 롤러들(468a)을 구비하는 제1 롤러 어셈블리(468)가 끼워지는 제1 홈(484)이 형성된다. 또한 하우징(480)의 제3 안내홈(487)의 일 측에는 롤러들(469a)을 구비하는 제2 롤러 어셈블리(469)가 끼워지는 제2 홈(489)이 형성된다. 제1 홈(484)과 제2 홈(489)은 대략 V 자 형상으로 형성된다.
렌즈 조립체(460)는 적어도 하나의 렌즈를 갖는 렌즈 유닛(461)을 지지하며, 피사체의 영상을 나타내는 빛이 촬상소자(486)에 맺히게 한다. 렌즈 조립체(460)는 대략 원통 형상으로 형성되며, 제1 슬라이더(466), 제2 슬라이더(426) 및 제3 슬라이더(467)가 렌즈 프레임(462)의 외측에서 슬라이딩 이동 방향을 따라 연장하도록 돌출 형성된다. 제1 슬라이더(466)는 제1 안내홈(485)에 삽입되고, 제2 슬라이더(426)는 제2 안내홈(488)에 삽입되며, 제3 슬라이더(467)는 제3 안내홈(487)에 삽입된다.
상기 슬라이더들(426, 466, 467) 및 안내홈들(485, 487, 488)은 렌즈 조립체(460)의 직선 이동을 안내하며 촬상소자(486)와 렌즈 조립체(460)가 서로 평행을 이룰 수 있도록 한다.
제1 슬라이더(466)가 제1 안내홈(485)에 결합된 상태에서 압전 액추에이터 조립체(400)가 하우징(480)의 측면 개구부(481)에 결합하면, 결합 스테이지(441)와 연결 돌기(465)의 결합이 이루어질 수 있다.
렌즈 조립체(460)의 슬라이더들(426, 466, 467)은 안내홈(485, 487, 488)을 따라 피사체의 영상을 나타내는 빛의 광축 방향에 평행하게 이동할 수 있다. 즉 렌즈 조립체(460)는 안내홈(485, 487, 488)을 따라 이동하면서 자동 초점 조정 기능과 줌 조절 기능을 수행할 수 있다.
렌즈 조립체(460)의 제1 슬라이더(466)는 내측에 연결 돌기(465)를 구비한다. 연결 돌기(465)는 압전 액추에이터 조립체(400)의 결합 스테이지(441)에 결합한다. 따라서 압전 액추에이터 조립체(400)의 압전 소자(430)에 전류가 인가되면 압전 소자(430)의 진동이 탄성판(420)을 변형시키고, 돌기(423)가 결합 스테이지(441)의 밑면을 반복적으로 타격하므로, 결합 스테이지(441)에 연결된 연결 돌기(465)에 구동력이 전달되어 렌즈 조립체(460)가 하우징(480) 내에서 슬라이딩 운동을 할 수 있다.
압전 액추에이터 조립체(400)의 조립이 완료된 상태에서는, 결합 스테이지(441)의 하면이 탄성판(420)의 돌기(423)에 의해 탄성적으로 지지되므로 도면상 Z 축 방향으로 가압되는 상태에 놓인다. 그러므로 압전 액추에이터 조립체(400)를 하우징(480)에 결합하여도, 조립으로 인한 공차의 영향을 최소화할 수 있다. 즉 탄성판(420)의 돌기(423)가 결합 스테이지(441)의 하면에 강하게 밀착하여 탄성력을 부여하고 있으므로, 조립을 실시할 때에 결합 스테이지(441) 등의 구성 요소의 위치가 변동될 가능성이 매우 적다.
본 발명에 따른 장치는 프로세서, 프로그램 데이터를 저장하고 실행하는 메모리, 디스크 드라이브와 같은 영구 저장부(permanent storage), 외부 장치와 통신하는 통신 포트, 터치 패널, 키(key), 버튼 등과 같은 사용자 인터페이스 장치 등을 포함할 수 있다. 소프트웨어 모듈 또는 알고리즘으로 구현되는 방법들은 상기 프로세서 상에서 실행 가능한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드들 또는 프로그램 명령들로서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체 상에 저장될 수 있다. 여기서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로 마그네틱 저장 매체(예컨대, ROM(read only memory), RAM(random access memory), 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예컨대, 시디롬(CD ROM), 디브이디(DVD: Digital Versatile Disc)) 등이 있다. 상기 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 상기 매체는 컴퓨터에 의해 판독가능하며, 상기 메모리에 저장되고, 상기 프로세서에서 실행될 수 있다.
본 발명에서 인용하는 공개 문헌, 특허 출원, 특허 등을 포함하는 모든 문헌들은 각 인용 문헌이 개별적으로 및 구체적으로 병합하여 나타내는 것 또는 본 발명에서 전체적으로 병합하여 나타낸 것과 동일하게 본 발명에 병합될 수 있다.
본 발명의 이해를 위하여, 도면에 도시된 바람직한 실시예들에서 참조 부호를 기재하였으며, 상기 실시예들을 설명하기 위하여 특정 용어들을 사용하였으나, 상기 특정 용어에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 당업자에 있어서 통상적으로 생각할 수 있는 모든 구성 요소들을 포함할 수 있다.
본 발명은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩업 테이블(look up table) 등과 같은 직접 회로 구성들을 채용할 수 있다. 본 발명의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 본 발명은 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한 본 발명은 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단”, “구성”과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순선에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
10, 410: 베이스판 62, 462: 렌즈 프레임
11: 지지 기둥 63: 안내축
15, 415: 슬라이딩 가이드 64: 슬라이딩부
15a: 회전 제한면 65, 465: 연결 돌기
17: 결합공 70, 486: 촬상소자
19: 결합부재 80: 기저부
20, 220, 320, 420: 탄성판 100, 400: 압전 액추에이터 조립체
21b: 절곡부 426: 제2 슬라이더
21a: 지지면 466: 제1 슬라이더
21: 탄성 지지부 467: 제3 슬라이더
22: 장착부 468a, 469a: 롤러들
23, 223, 323, 423: 돌기 468: 제1 롤러 어셈블리
30, 130, 230, 430: 압전 소자 469: 제2 롤러 어셈블리
40, 440: 이동부 81, 480: 하우징
41, 441: 결합 스테이지 481: 측면 개구부
42a: 결합 구멍 482: 중공부
42: 슬라이딩 블록 484: 제1 홈
43: 날개부 485: 제1 안내홈
50: 검출 센서 487: 제3 안내홈
51: 검출부 488: 제2 안내홈
52: 자성 막대부 489: 제2 홈
60, 460: 렌즈 조립체 c: 궤적
61, 461: 렌즈 유닛 e: 궤적

Claims (18)

  1. 베이스판;
    일측 면에 돌기를 구비하며 상기 베이스판에 결합된 탄성판;
    상기 탄성판의 타측 면에 배치되어, 전기가 인가되면 진동하여 상기 탄성판에 진동을 전달하는 압전 소자; 및
    일단이 상기 탄성판의 상기 돌기에 의해 지지되고, 타단은 상기 베이스판에 대해 슬라이딩 이동 가능하게 결합하는 이동부;를 구비하는, 압전 액추에이터 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    일 방향을 따라 연장하도록 상기 베이스판에 설치된 슬라이딩 가이드를 더 구비하고, 상기 이동부는 상기 슬라이딩 가이드에 결합하는, 압전 액추에이터 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 슬라이딩 가이드를 따라 이동한 상기 이동부의 위치를 검출하는 검출 센서를 더 구비하는, 압전 액추에이터 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄성판은 상기 베이스판에 결합되는 장착부와, 상기 장착부로부터 상기 이동부를 향하여 연장하며 상기 베이스판으로부터 이격되는 탄성 지지부를 구비하고, 상기 돌기는 상기 탄성 지지부에 형성되는, 압전 액추에이터 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 돌기는 소정 거리를 갖도록 연장 형성되어 상기 이동부와 선 접촉을 이루는, 압전 액추에이터 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자는 상기 돌기의 단부가 원형의 궤적을 따라 운동하도록 진동하는, 압전 액추에이터 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자는 상기 돌기의 단부가 타원형의 궤적을 따라 운동하도록 진동하는, 압전 액추에이터 조립체.
  8. 하우징;
    적어도 하나의 렌즈를 구비하는 렌즈 유닛과, 상기 렌즈 유닛을 지지하며 상기 하우징의 내부에서 이동하는 렌즈 프레임을 구비하는, 렌즈 조립체; 및
    상기 하우징에 결합하는 베이스판과, 일측 면에 돌기를 구비하며 상기 베이스판에 결합된 탄성판과, 상기 탄성판의 타측 면에 결합되며 전기가 인가되면 진동하여 상기 탄성판에 진동을 전달하는 압전 소자와, 일단이 상기 탄성판의 상기 돌기에 의해 지지되고 타단은 상기 베이스판에 대해 슬라이딩 이동 가능하게 결합하여, 상기 렌즈 프레임을 지지하는 이동부를 구비하는, 압전 액추에이터 조립체를 구비하는, 광학 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 압전 액추에이터 조립체는 일 방향을 따라 연장하도록 상기 베이스판에 설치된 슬라이딩 가이드를 더 구비하고, 상기 이동부는 상기 슬라이딩 가이드에 결합하는, 광학 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 압전 액추에이터 조립체는 상기 슬라이딩 가이드를 따라 이동한 상기 이동부의 위치를 검출하는 검출 센서를 더 구비하는, 광학 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 탄성판은 상기 베이스판에 결합되는 장착부와, 상기 장착부로부터 상기 이동부를 향하여 연장하며 상기 베이스판으로부터 이격되는 탄성 지지부를 구비하고, 상기 돌기는 상기 탄성 지지부에 형성되는, 광학 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 돌기는 소정 거리를 갖도록 연장 형성되어 상기 이동부와 선 접촉을 이루는, 광학 시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 압전 소자는 상기 돌기의 단부가 원형의 궤적을 따라 운동하도록 진동하는, 광학 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 압전 소자는 상기 돌기의 단부가 타원형의 궤적을 따라 운동하도록 진동하는, 광학 시스템.
  15. 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈 조립체는 렌즈 프레임을 이동 가능하게 지지하도록 상기 하우징 내에 배치되는 안내축을 더 구비하는, 광학 시스템.
  16. 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈 프레임을 상기 하우징에 슬라이딩 가능하게 결합시키는 가이드부를 더 구비하는, 광학 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 가이드부는 상기 렌즈 조립체의 슬라이딩 방향을 따라 연장하도록 상기 하우징에 형성되는 안내홈과, 상기 안내홈에 삽입되도록 상기 렌즈 프레임의 가장자리에서 상기 렌즈 조립체의 슬라이딩 방향을 따라 연장하도록 설치되는 슬라이더를 구비하는, 광학 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 가이드부는 상기 슬라이더에 접하도록 상기 안내홈의 내측에 배치되며, 상기 슬라이더를 슬라이딩 이동 가능하게 지지하는 롤러를 더 구비하는, 광학 시스템.
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