KR20110117405A - 광학적 콜리메이터 조립체 및 이를 적용하는 광 픽업 장치 - Google Patents

광학적 콜리메이터 조립체 및 이를 적용하는 광 픽업 장치 Download PDF

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KR20110117405A
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collimator assembly
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조원익
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도시바삼성스토리지테크놀러지코리아 주식회사
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Abstract

광 픽업 장치에 적용되는 광학적 콜리메이터에 대해 기술된다. 광학적 콜리메이터는 상기 콜리메이트 렌즈를 지지하는 홀더에 결합되는 것으로 일 방향의 중심축을 따라 내부에 암나사부가 형성되어 있고 중심축을 중심으로 대칭적으로 배치되어 상기 중심축을 가로 지르는 동일방향으로의 변형을 일으키는 복수의 압전체 쌍이 상기 중심축 둘레에 배치되어 있는 압전 운동자; 그리고 상기 압전 운동자의 암나사부에 결합되는 것으로 수나사형 이송 스크류;를 구비한다.

Description

광학적 콜리메이터 조립체 및 이를 적용하는 광 픽업 장치{optical collimator assembly and optical pickup device adopting the same}
광 픽업 장치에 관련한 것으로, 상세하게 개선된 광학적 콜리메이터 조립체 및 이를 갖는 광 픽업 장치에 관련한다.
광 드라이브는 광학적으로 회전 매체에 정보를 기록하고 이로부터 정보를 독취하는 구조를 가진다. 이러한 구조에서 회전 매체에 대면하는 대물 렌즈에 의한 정확한 포커싱은 정보의 기록 및 재생에 있어서 그 품위를 결정하는 중요한 요소이다. 광디스크의 기록(또는 데이터) 면에서 볼 때 405nm 파장의 광원을 사용하는 Blu-ray, HD-DVD, CH-DVD 등은 기록 층과 디스크의 표면 간의 두께(0.1mm)가 CD, DVD(0.6mm)보다 얇다. 이러한 두께의 차이는 구면 수차를 발생시키며 구면 수차가 크게 되면 재생 시 주변 피트(Pit)의 영향으로 재생 성능이 저하되며 기록시 정확한 피트를 생성하지 못해 기록 성능을 저하시킨다. 그러므로 동일한 광학계로 기록 재생을 유지하기 위해서는 여러 수차들 중에 구면 수차를 보정하는 것이 중요하다. 특히 이러한 수차 보정은 Blu-ray, HD-DVD 등과 같이 고밀도(High definition)을 구현하기 위한 ODD(optical data storage)에서 그 중요성이 커진다. 이러한 수차 보정을 위해 가장 많이 사용되는 소자가 광축 상에서 이동하는 콜리메이트 렌즈(Collimate-lens, 시준 렌즈)이다. 여러 구성품의 조합체로서의 콜리메이터 (조립체)는 상기와 같은 콜리메이트 렌즈, 렌즈 홀더, 이를 구동하는 액튜에이터 및 이들 전체를 지지하는 구조물을 포함한다. 콜리메이트 렌즈를 구동하는 액튜에이터로서는 일반적으로 스텝핑 모터나 압전 모터가 이용된다. 회전구조의 스텝핑 모터는 구조적으로 소형화되면 토오크가 작아지기 때문에 일정 크기 이하의 소형화에 불리하며, 압전 모터는 압전체의 변형(수축팽창)을 직접 이용한 단순한 왕복동 구조를 가지는 것으로 50 볼트 이상의 고전압을 요구하기 때문에 전기적 설계 부담을 주며, 콜리메이트 렌즈를 지지하는 샤프트(왕복동 로드)가 기계적으로 취약하다는 결점이 있다.
본 발명에 따르면 저전압 구동이 가능하면서도 콜리메이트 렌즈의 정밀한 위치제어가 가능한 광학적 콜리메이터 조립체 및 이를 갖는 광 픽업 장치가 제시된다.
본 발명에 따른 광학적 콜리메이터 조립체는:
콜리메이트 렌즈;
상기 콜리메이트 렌즈를 지지하는 홀더;
상기 홀더에 결합되는 것으로 일 방향의 중심축을 따라 내부에 암나사부가 형성되어 있고 중심축을 중심으로 대칭적으로 배치되어 상기 중심축을 가로 지르는 동일방향으로의 변형을 일으키는 복수의 압전체 쌍이 상기 중심축 둘레에 배치되어 있는 압전형 운동자; 그리고
상기 압전 운동자의 암나사부에 결합되는 것으로 수나사형 이송 스크류;를 구비한다.
본 발명에 따른 광 픽업 장치는:
광원;
광 매체에 대면하는 것으로 광원과 광 매체 사이의 광 경로 상에 마련되는 대물 렌즈;
상기 대물 렌즈와 광원의 사이에 마련되어 대물렌즈로 입사하는 광을 제어하는 콜리메이트 렌즈, 상기 콜리메이트 렌즈를 지지하는 홀더, 상기 홀더에 결합되는 것으로 일 방향의 중심축을 따라 내부에 암나사부가 형성되어 있고 중심축을 중심으로 대칭적으로 배치되어 상기 중심축을 가로 지르는 동일방향으로의 변형을 일으키는 복수의 압전체 쌍이 상기 중심축 둘레에 배치되어 있는 압전형 운동자, 그리고 상기 압전 운동자의 암나사부에 결합되는 것으로 수나사형 이송 스크류를 포함하는 광학적 콜리메이터 조립체;를 구비한다.
구체적인 한 실시 예에 따르면, 상기 압전형 운동자는 상기 중심축 방향으로 연장되는 다각 기둥형이다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 압전형 운동자는 4각 기둥형 도는 8각 기둥형이다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 압전체는 상기 다각 기둥형 압전 운동자의 각 면에 마련된다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 압전체는 압전물질층과 그 양측의 전극을 가지는 단위 압전체가 다중 적층된 구조를 가진다.
본 발명에서 제안한 광학적 콜리메리터 조립체의 콜리메이트 렌즈 이송 메카니즘을 이용하면 전체 콜리메이터 조립체의 전체 메카니즘의 박형화가 가능하며 콜리메이트 렌즈의 이송에 필요한 토오크를 높일 수 있다. 또한, 기존 구조의 압전모터의 구동 약점이었던 고전압 구동이 본 발명에 따르면 저전압 구동이 가능하게 된다.
본 발명에서는 압전체 쌍으로 복수조로 되어 있어 가감속 구간이 적어(smooth)하여 압전체의 피로 파괴를 일으키지 않으며 따라서 수명이 길어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 픽업 장치의 개략적 구조를 보인다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학적 콜리메이터 조립체의 구조를 개략적으로 보인다.
도 3은 본 발명에 따른 광학적 콜리메이터 조립체 적용되는 액튜에이터의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 광학적 콜리메이터 조립체에서 액튜에이터의 압전 운동자의 단면을 보인다.
도 4b는 도 4a에 도시된 형태의 압전체 배치구조를 가지는 액튜에이터에 대한 구동 펄스 타이밍을 보인다.
도 4c는 본 발명에 따른 광학적 콜리메이터 조립체에서, 액튜에이터의 압전 운동자에 대칭적으로 마련되는 압전체 쌍에 대한 전압 인가구조를 설명하는 도면이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광학적 콜리메이터 조립체의 액튜에이터에서, 압전 운동자의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 형태의 압전체 배치구조를 가지는 액튜에이터에 대한 구동 펄스 타이밍을 보인다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 것으로서, 압전 운동자에 마련되는 압전체의 다른 실시예를 보이는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 광학적 콜리메이터 조립체와 이를 적용한 광 픽업 장치의 실시 예를 설명한다.
도 1은 기본적인 광 픽업 장치의 구조를 보이는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 픽업 장치는 광원(190)과 이로부터의 광을 디스크형의 매체(media, 110)의 정보기록면에 집중(focusing)시키는 대물렌즈(120)를 구비한다. 대물렌즈(120)의 후방에는 광원(190)으로부터의 발산광을 콜리메이팅하는 콜리메이트 렌즈(141)와 콜리메이트 렌즈(141)의 광 축상 위치를 보정하는 액튜에이터(142)를 갖춘 콜리메이터 조립체(140)가 마련된다. 상기 콜리메이터 조립체(140)의 액튜에이터(142)는 제어부(130)에 연결되어 제어부(130)로부터의 신호에 따라 동작함으로써 콜리메이트 렌즈(141)의 광 축상 위치를 결정한다. 콜리메이트 렌즈(141)와 광원의 사이에는 디스크로부터의 반사광을 광 검출기(170)로 반사하며, 광원(190)으로부터의 광의 일부를 광 출력 모니터용 검출기(180)로 반사하고 그 대부분은 매체(110)측으로 투과하는 빔 스플리터(160)가 마련된다.
도 2에 도시된 바와 같이 콜리메이터 조립체(140)에는 액튜에이터(142)가 마련되어 있다. 상기 액튜에이터(1420)는 일반적으로 대물렌즈(120)용 액튜에이터(미도시)와는 달리 압전 변형에 의한 동력원으로서 이동 축 방향으로 암나사부(142a')가 형성되어 있는 압전 운동자(142a)와 압전 운동자(142a)의 암나사부(142a') 대해 나사 결합되어, 압전 운동자(142a)의 축을 가로지르는 방향으로의 변형에 의해 상기 압전 운동자(142a)와 상대적인 운동을 하는 수나사형 이송 스크류(142b)가 마련된다. 한편 콜리메이트 렌즈(141)는 홀더(147)에 의해 지지되며, 홀더(147)의 일측은 상기 압전 운동자(142a)에 결합되고, 홀더(147)의 타측에는 부시(bush, 148)가 마련되어 있으며, 이 부시(148)는 일종의 원통형 베어링으로서 상기 이송 스크류(142b)에 대해 나란히 배치되는 안내 레일(148)에 대해 미끄럼 운동이 가능하게 결합된다. 상기 이송 스크류(142b)와 안내 레일(146)는 광 진행 측을 가로 지르는 방향으로 배치된 지지 브라켓(144)의 제 1, 제 2 플레이트(144a, 144b)에 의해 그들 양단이 결합된다. 제 1, 제 2 플레이트(144a, 144b)의 각각에는 콜리메이트 렌즈(141)에 대향하는 것으로 빔 스플리터(160)와 대물렌즈(120)로 이어지는 광 축에 대응하는 광 통과가 허용하도록 부분적 절제부(144a') 와 원형 윈도우(144c)가 형성되어 있다.
도 3은 액튜에이터(142)의 구조 및 동작을 설명하기 위한 부분 발췌 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 다각 기둥형(본 실시 예에서는 8각 기둥형)의 압전 운동자(142a)에 그 외측 면에 나선형 나사산(142b')이 형성된 이송 스크류(142b)가 결합되어 있다. 이들 양자 중의 어느 하나는 회전 가능하며, 나머지 하나는 회전이 되지 않도록 고정된다. 이때에 이송 스크류(142b)가 회전되고, 압전 운동자(142a)가 회전되지 않고 다만 직선 왕복운동하는 경우, 압전 운동자(142a)에 대한 배선은 FPCB(flexible print circuit board)가 안전 운동자(142a)의 운동방향으로 배열된 상태로 압전 운동자(142a)에 배치된 다수 압전체(후에 상세히 설명됨)와 제어부(130)를 전기적 상호 연결할 수 수 있다. 반대로 이송 스크류(142b)가 고정되고 압전 운동자(142a)가 회전하면서 전후진하는 경우에 있어서는 압전 운동자(142a)의 압전체들과 제어부 간의 전기적 연결구조가 약간 압전 운동자(142a)의 회전을 허용하는 전기적 연결구조를 선택할 수 있다. 예를 압전 운동자(142a)의 회전방향으로 롤 형태로 감겼다 풀렸다하는 FPCB를 적용하거나, 아니면 일반적인 회전 구조에서의 전기적 연결 구조에서와 같이 압전 운동자(142a)의 일측 단부 가까이에 다수의 링형 회전자(미도시)를 일정 간격으로 마련하고, 이에 대응하는 접촉형 전기적 연결 단자를 마련하되 압전 운동자(142a)의 왕복 운동에 대해서는 동기하여 직선 운동하는 직선 운동체에 상기 접촉형 연결단자를 위치시킬 수 있다. 이러한 연결 구조의 설계는 일반적인 기술로서 용이하게 구현될 수 있다.
이러한 형태로 고정측과 회전측이 결정되면 상기와 같은 전기적 연결 요소외에 다른 관련 요소들에 대한 설계도 적절히 결정 및 설계되어야 하며, 이는 일반적이 설계사항으로서 이에 대한 구체적인 설명은 생략된다. 본 실시 예에서는 전술한 바와 같이 안내 레일(148)에 일측이 지지된 렌즈 홀더(147)가 압전 운동자(142a)에 고정되고 따라서 압전 운동자(142a)는 회전하지 않는다. 그리고 압전 운동자(142a)는 외부로부터 가해지는 전압에 의해 이송 방향 축(x-x)에 직교하는 다수의 방향 방향(y1-y1, y2-y2, y3-y3)으로의 변형이 일어나며, 이때에 이 변형에 의해 이송 스크류(142b)의 나사 산과 압전 운동자(142a)의 암나사부의 나사산 상호에 가해지는 힘과 이 힘의 분력에 의해 일방향으로의 회전 분력이 나타나게 된다. 이러한 회전 분력은 회전 가능한 이송 스크류(142b)의 회전을 일으키며, 따라서 이송 스크류와 나사 결합되어 있는 압전 운동자(142a)의 이동을 결과적으로 이와 렌즈 홀더(147)를 통해 결합되어 있는 콜리메이트 렌즈(141))의 이동을 일으키게 된다.
도 4a는 상기와 같은 이송 작용을 일으킬 수 있도록 대칭적으로 배치된 다수 쌍의 압전층을 갖는 압전 운동자(142a)의 단면 구조를 보이며, 도 4b는 각 압전소자에 대한 전압 인가 펄스 인가 타이밍을 보인다.
먼저 도 4a를 살펴보면, 내부에 암나사부(142a)가 마련되어 있는 압전 운동자(142a)의 짝수의 면을 가지는 8각 면에 복수의 압전체(A, B, C, D, A', B', C', D')가 상호 대칭적으로 배치되어 있다. 각 압전체(A, B, C, D, A', B', C', D')들에 적용되는 단위 압전체(10)는 도 6a에 도시된 바와 같이 압전 물질층(13)과 그 양측의 전극(11, 12)을 구비한다. 상기 압전체(A, B, C, D, A', B', C', D')는 하나 또는 그 이상으로 적층된 다중의 단위 압전체(10)를 구비할 수 있으며, 이에 대해 후에 상세히 설명된다.
상기와 같은 구조의 액튜에이터(142)에서 압전 운동자(142a)의 몸체는 적절한 탄성변형이 가능한 구조를 얻을 수 있는 재료, 예를 들어 스테인레스 스틸, 구리, 황동 등의 금속이나 다양한 종류의 플라스틱이 이용될 수 있다.
한편, 압전체(A, B, C, D, A', B', C', D')는 압전 물질층의 양측에 전극이 형성되어 있는 시이트 타입의 압전체 시이트를 적당한 크기로 절단하여 이를 압전 운동자(142a)의 몸체에 접착할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에 따르면, 압전 운동자(142a)의 다각형의 각 면에 마련되는 압전체(A, B, C, D, A', B', C', D')는 복수 단위 압전체(10)에 의한 전술한 바와 같이 다층 구조를 가질 수 있다. 즉, 단위 압전체(10)는 단층의 압전 물질층(13) 및 그 양측의 전극(11, 12)의 구조를 가지는데, 이러한 단위 압전체(10) 들을 도 6b 에 도시된 바와 같이 다층 쌓아 올릴 수 있다. 이때에 단위 압전체(10)의 사이에는 절연층(14)을 개재하여 인접 단위 압전체(10) 간의 전기적 간섭을 제거한다. 따라서, 도 4a, 4b에 도시된 압전 운동자(142, 142')의 각 벽에 형성되는 압전체(A, B, C, D, A', B', C', D')들 각각은 도 6a 또는 도 6b에 도시된 형태의 단일 또는 복수의 단위 압전체(10)를 포함할 수 있다.
한편 구동을 위한 전압 인가 형식을 살펴보면 아래와 같다. 서로 마주보는 압전체 쌍, A-A', B-B', C-C', D-D'는 서로 짝을 이루며 이들에 구동 펄스 전압이 동시에 인가된다. 이때에 각 쌍의 압전체는 서로 반대 극성으로 전압이 인가되어 상호 동일 방향으로 변형이 일어 나도록 해야 한다. 예를 들어 도 4c에 도시된 바와 같이 A 압전체의 안쪽에 음(-) 전압이 인가되며, 그 반대측 A' 압전체의 안쪽에는 양(+) 전압이 인가되어야 한다. 이 경우 당연히 A 압전체의 바깥에는 양(+) 전압이 인가되며, 그 반대측 A' 압전체의 바깥쪽에는 음(-) 전압이 인가되어야 한다. 이러한 조별 전압 인가는 압전 운동자의 둘레를 따라서 회전하는 방향으로 인가된다. 도 4b를 참조하면, 구동 펄스는 (A-A') -> (B-B') -> (C-C') -> (D-D')의 순으로 순환한다. 이때에 일정 구간에서 모든 압전체((A, B, C, D, A', B', C', D')에 전압이 인가되는 구간이 포함될 수 있다. 이는 회전을 쉼이 없이 연속적으로 매끄럽게 발생할 수 있도록 하기 위한 것이다.
도 4b에 도시된 바와 같이 연속적인 전압 펄스에 의해 도 4a에 도시된 바와같은 압전 운동자에 인가하게 되며, 인접한 압전체들은 서로 1/4 씩 위상차가 나타난다. 이러한 방식에 있어서, 4 개의 압전체 중 어느 것의 위상이 빠르냐에 따라 진행 방향(전진 또는 후진)이 결정될 수 있다. 압전체에 인가되는 전압의 크기는 동일하지만 이송 스크류를 중심으로 마주보고 있는 압전체끼리는 극성이 반대이므로 한쪽 방향으로 활 형태로 휘게 되고, 이에 곧 이어 다음 인접한 압전소자의 쌍이 약간 돌아간 방향으로 휘게 됨으로써 이송 스크류를 중심으로 회전하게 된다. 이러한 방식의 압전 운동자는 일종의 4상 모터가 되는데, 위와 같은 원리에 의한 압전체의 연속적으로 이어지는 특정 회전 방향의 휨 동작에 따른 진행은 한마디로 지렁이나 뱀이 자신의 몸을 휘게 하여 전진하는 것과 같은 원리로 이해될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 2 상 모터 구조의 압전 운동자(142') 및 이에 인가되는 구동 펄스 타이밍을 보인다. 도 5a에 도시된 바와 같이 압전 운동자(142')는 사각 기둥형으로서, 4개의 면을 가지며 각 면에 압전체(E, F, E', F')가 마련된다. 이러한 실시 예의 경우에 있어서도 마주 보는 압전체 쌍 E-E' 및 F-F' 각각에 전술한 바와 같은 형태로 동시에 전압이 인가된다. 각 쌍 E-E', F-F'에 대한 펄스는 소정의 위상차를 가지고 있으며, 일부 영역에서 펄스가 중첩되는 구간이 있다.
상기와 같이 다양한 형태로 구현이 가능한 발명에 다른 콜리메이트 이송 메카니즘을 이용하면 전체 메카니즘의 높이를 박형화가 가능하며 모터의 토오크를 높일 수 있다. 또한, 압전 구동의 약점이었던 고전압 구동을 저전압 구동 메카니즘으로 구현 가능하다. 특히, 본 발명에서는 압전소자가 쌍으로 2, 4, 8개 조 등으로 배치될 수 있어서, 가감속 구간이 적어(smooth)하여 압전에 피로파괴를 일으키지 않으며 따라서 수명이 길어질 수 있다.
위와 같은 방식의 압전 운동자의 펄스 전압은 4 상(phase)이며, 다른 실시 예에 다르면 2 상 또는 5, 6상 등으로의 변경 설계가 가능할 것이다.
10: 단위 압전체
190: 광원
120: 대물렌즈
140: 콜리메이터 조립체
141: 콜리메이트 렌즈
142: 액튜에이터
142a: 압전 운동자
142b: 이송 스크류
160: 빔 스플리터
170: 광 검출기

Claims (10)

  1. 콜리메이트 렌즈;
    상기 콜리메이트 렌즈를 지지하는 홀더;
    상기 홀더에 결합되는 것으로 일 방향의 중심축을 따라 내부에 암나사부가 형성되어 있고 중심축을 중심으로 대칭적으로 배치되어 상기 중심축을 가로 지르는 동일방향으로의 변형을 일으키는 복수의 압전체 쌍이 상기 중심축 둘레에 배치되어 있는 압전 운동자; 그리고
    상기 압전 운동자의 암나사부에 결합되는 것으로 수나사형 이송 스크류;를 구비하는 광학적 콜리메이터 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전형 운동자는 상기 중심축 방향으로 연장되는 다각 기둥형인 것을 특징으로 하는 광학적 콜리메이터 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 압전형 운동자는 4각 기둥형 도는 8각 기둥형인 것을 특징으로 하는 광학적 콜리메이터 조립체.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 압전체는 상기 다각 기둥형 압전 운동자의 각 면에 마련되는 것을 특징으로 하는 광학적 콜리메이터 조립체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전체는 압전물질층과 그 양측의 전극을 가지는 단위 압전체가 다중 적층된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 광학적 콜리메이터 조립체.
  6. 광원;
    광 매체에 대면하는 것으로 광원과 광 매체 사이의 광 경로 상에 마련되는 대물 렌즈;
    상기 대물 렌즈와 광원의 사이에 마련되어 대물렌즈로 입사하는 광을 제어하는 콜리메이트 렌즈, 상기 콜리메이트 렌즈를 지지하는 홀더, 상기 홀더에 결합되는 것으로 일 방향의 중심축을 따라 내부에 암나사부가 형성되어 있고 중심축을 중심으로 대칭적으로 배치되어 상기 중심축을 가로 지르는 동일방향으로의 변형을 일으키는 복수의 압전체 쌍이 상기 중심축 둘레에 배치되어 있는 압전형 운동자, 그리고 상기 압전 운동자의 암나사부에 결합되는 것으로 수나사형 이송 스크류를 포함하는 광학적 콜리메이터 조립체;를 구비하는 광 픽업 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 압전형 운동자는 상기 중심축 방향으로 연장되는 다각 기둥형인 것을 특징으로 하는 광 픽업 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 압전형 운동자는 4각 기둥형 도는 8각 기둥형인 것을 특징으로 하는 광 픽업 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 압전체는 상기 다각 기둥형 압전 운동자의 각 면에 마련되는 것을 특징으로 하는 광 픽업 장치.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전체는 압전물질층과 그 양측의 전극을 가지는 단위 압전체가 다중 적층된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 광 픽업 장치.

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