KR100310349B1 - 압전변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 재질(11), 기판 또는 스페이서(12) 및, 배선 하니스 또는 다른 전기 접속용 전기 커넥터 수단(13)으로 구성된다. 기판(12)은 진동판으로 부터 압전 소자(11)를 일정한 공간으로 떨어지게 함으로써 압전 소자(11)의 모션을 증진시키는 데에 이용된다. 기판(12)은 압전 소자(11)보다 큰 영역내에 있다. 변환기 시스템(10)은 진동판에 모션을 제공하는 작용을 한다. 변환기(10)는 최상부측, 하부측 및 바깥 주변부를 가진 인가된 전위(13)에 의해 변위되는 압전 소자(11)를 구비한다. 기판(12)는 압전 소자(11)의 하부측에 접합된다. 수단(15)은 전위를 압전 소자(11)에 인가한다.

Description

압전 변환기{PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS}

진동판을 구동하도록 표면 음파를 전파할 수 있는 압전 변환기를 채용한 확성기는 이동 코일 확성기에 대한 대안으로서 제안되었다. 그러한 장치는 마틴에 의한 미국 특허 제 4,368,401 호 및 다까야에 의한 미국 특허 제 4,439,640 호에 기술되어 있다. 이런 발명의 양자 모두는 디스크형 압전을 진동판에 부착하는 것으로 처리한다. 마틴의 소자는 반송파 및 압전 세라믹 사이의 두꺼운 아교층(반송파 판 두께의 10 내지 50%)을 사용한다. 접착층은 공진을 감쇠시키는 역할을 한다. 압전의 소정의 변위는 인가된 전위에 직접 관련된다.

압전 소자를 채용한 변환기를 활용하는 데에 대한 한가지 결점은 그런 재질이 매우 비싸고, 큰 진동판을 구동하도록 충분한 사이즈의 압전 재질을 활용하는 데 실제 비용이 포함될 수 있다는 것이다. 다른 결점은 압전 재질이 일반적으로 비교적 잘 부서지고, 잘 변형되지 않는다는 것이다. 결과적으로, 불규칙형의 진동판의 만곡부(curvature)에 압전 재질을 적합하게 하도록 할 경우, 상기 압전 재질은 파괴되어, 부과적인 비용을 유발시킬 수 있다.

그래서, 변환기내의 압전 소자를 이용함으로써 비용을 줄일려고 시도하고, 손상된 압전을 가질 가능성을 줄이도록 상기 압전 소자를 진동판에 적합하게 하는그런 방식을 갖는 것이 바람직하다.

발명의 간단한 설명

본 발명은 진동판, 특히 비교적 큰 진동판을 구동하는 데 활용되는 변환기를 포함한다. 이런 변환기는 압전층(또는 압전 재질의 층으로 피복된 소정의 다른 재질의 층)으로 구성되고, 불규칙한 음파를 전파할 수 있는 데, 상기 압전 재질은 통상적으로 압전 전기 재질로서 (영(young) 모듈러스 및 두께에 의해 측정될 시에) 필수적으로 동일한 강도를 갖지만, 진동판 재질보다 더 강한 강도를 갖는 기판층의 상부상에 위치된 플랫층임으로써, 기판 재질이 압전 재질의 모션(motion)으로 왜곡될 시에, 진동판은 그에 따라 움직인다. 이 일에 관해서는, 기판의 두께가 압전 재질의 성질에 최적화될 수 있다. 이런 기판은 진동판의 더욱 큰 영역에 모션을 제공하기 위해 압전 소자보다 표면 영역이 더 크다. 본 발명은 또한 주파수 범위를 확장하도록 단일 진동판상의 다중 변환기를 활용한다. 이런 경우에, 더욱 큰 변환기는 저주파를 발생시키는 데에 이용되고, 더욱 작은 변환기는 고주파를 발생시키는 데에 이용될 수 있다. 다중 변환기의 사용으로 진동판에 제공된 모션이 증가되어, 소리의 볼륨이나 강도가 증가된다.

도 1은 본 발명에 따른 변환기의 일 실시예도이다.

도 2는 본 발명에 활용된 가능형의 압전 소자를 설명한 것이다.

도 3은 압전 소자가 모션 커플러와 관련하여 활용되는 본 발명의 변환기의 다른 실시예도이다.

도 4는 압전 소자가 다른 방식으로 모션 커플러와 관련하여 활용될 시에 도시되는 본 발명의 변환기의 다른 실시예도이다.

도 5는 2개의 변환기가 기계적인 커넥션을 통해 서로 접속되는 본 발명의 다른 실시예도이다.

도 1은 본 발명의 변환기 설계도(10)의 일 실시예를 설명한 것이다. 압전 소자(11)는 압전층보다 큰 표면 영역을 가진 기판(12)의 상부상에 위치된다. 압전층은 소정의 적당한 재질로 기판에 점착될 수 있다.

이런 기판은 기판만이 진동판에 부착될 경우보다 진동판의 더 큰 영역에 모션을 제공하기 위해 압전 소자보다 더 큰 표면 영역을 가진다. 이는 값비싼 압전 재질의 양을 더욱 적게 활용하므로 비용을 절감시킨다. 이런 기판은 압전 소자의 강도보다 크진 않지만, 기판이 부착된 진동판의 강도보다 큰 강도를 갖는다.

많은 재질은 잇점으로 기판에 이용될 수 있다. 이런 재질은 강철, 알루미늄, 황동, 구리 및 다른 금속, 플라스틱, 합성 재질 등을 포함한다. 황동은, 저 비용, 주변 저항(environmental resistance), 점착 용이성 때문과, 영의 탄성 모듈러스가 PZT(납-지르콘-티탄산염)와 같은 어떤 압전 재질의 것과 유사하기 때문에 상기 기판에 대해 양호한 재질이다. 변환기는 또한 전위를 압전 소자에 인가하는 수단을 포함하는 데, 이런 수단은 설명된 실시예에서 기판(12)의 에지(edge)(14)에 선택적으로 부착되고 그로부터 연장하는 배선 하니스(harness)용 커넥터(13)를 포함한다. 도 1은 또한 압전 소자(11)에서 커넥터(13)로의 전기적 리드(15)를 설명한 것이다.

기판(12)은 압전 소자가 부착된 측면에 대향한 측면상에서 (도시되지 않은) 진동판에 직접 부착된다. 기판이 부착되는 소리 방사 진동판의 만곡부나 다른 형태에 적합하도록 기판 및 압전 소자가 미리 형성되거나 구성될 수 있다. 양호한 실시예에서, 최대 효율 및 최소 왜곡을 위해, 변환기의 기계적 및 전기적 임피던스 양자가 정합(match)된다. 즉, 변환기의 기계적 임피던스는 소리 방사 진동판의 것과 정합되는 반면에, 변환기를 구동하는 증폭기의 전기적 임피던스는 소리를 방사할 시에 변환기의 것에 정합된다. 다른 실시예에서, 변환기는 또한 전기 절연 및 주변 저항을 제공하도록 적합한 코팅으로 피복될 수 있다. 게다가, 압전 소자는 서로의 상부상에 배치되고, 압전 소자의 모션을 증진시키도록 선택적인 방식으로 전기 접속되는 2개 이상의 층으로 구성될 수 있다.

도 2는 압전 소자에 대한 가능형의 예를 설명한 것이다. 이런 소자는 사각형, 직각형 및 원형과 같은 다양한 형으로 제조될 수 있다. 불규칙형은 또한 변환기 자체상의 공진을 최소화하고, 또한 주파수 범위를 확장하는 데에 이용될 수 있다. 이를 성취하기 위해, 타원형, 반타원형, 절단된 직각형 및 절단된 사각형 등이 이용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 변환기의 다른 실시예를 설명한 것으로서, 여기서, (소정의 다른 형의 압전 소자가 이런 실시예에서 활용될 수 있지만) 직각형을 가진 압전 소자(20)는 가장 양호하게도 모션 커플러(25, 26, 27 및 28)에 따른 모든 측면(21, 22, 23 및 24)상에 결합되어, 압전 소자(20)가 점착되고, 모든 이동 방향의 상부상에 위치되는 기판에 결합 천이(coupling transition)를 제공함으로써 기판(29)에대한 압전 소자의 모션 결합을 더욱 확실하게 한다. 바람직하다면, 모션 커플러는 단지 압전 소자의 소정의 측면에만 부착될 수 있다. 결합 천이를 기판에 제공함으로써, 압전 소자의 모션이 (도시되지 않은) 소리 방사 진동판에 더욱 확실히 결합되게 한다. 이는 양호하게도 압전 소자의 가로 방향 및 측면 모션 양자를 먼저 모션 커플러에 단단히 결합함으로써 성취되며, 결과적으로 이런 모션은 그후 기판을 통해 소리 방사 진동판으로 통과된다. 모션 커플러는 또한 기판에 부착된다. 모션 커플러의 이용으로, 소리 방사 진동판에 의해 발생된 소리의 강도가 증가되고, 저주파로 발생된 저음 소리가 확장된다는 것을 발견하게 되었다.

도 4는 모션 커플러와 함께 다른 방식으로 활용되는 바와 같이 압전 소자(41)가 도시되는 본 발명의 변환기의 다른 실시예를 설명한 것이다. 이런 실시예에서, 압전 소자(41)의 바깥 주변부(42)는 단일 모션 결합판(43)에 의해 완전히 에워싸인다. 모션 결합판(43)은 설명된 실시예에서 이의 중앙에 있고, 압전 소자(41)를 수용하도록 절단된 구멍을 갖고 있다. 압전 소자(41)는 모션 결합판(43)내의 구멍을 매우 적합하게 함으로써, 압전 소자(41)는 그의 에지(42)에서 모션 결합판(43)의 구멍의 에지에 점착된다. 일반적으로, 모션 결합판(43)은 압전 소자(41)와 동일한 두께를 갖는다. 압전 소자(41) 및 모션 결합판(43)은 양자 모두 하위 기판(45)에 점착된다. 모션 결합판(43) 및 기판(45)의 재질은 압전 소자(41)의 모션이 거의 제한을 받지 않도록 동일한 재질 또는 서로 다른 재질로 구성될 수 있다. 이런 개념의 한가지 잇점은 부품이 적게 포함되어, 변환기가 대량 생산되기에 더욱 적합할 수 있다는 것이다.

본 발명의 변환기는 물론 진동판에 부착될 시에 확성기를 형성한다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예를 설명한 것으로서, 여기서, 하나 이상의 변환기, 이 경우에는 본 발명에 따라 구성되는 한 쌍의 변환기(51 및 52)는 동일한 진동판(53)에 부착된다. 동일한 진동판과 함께 하나 이상의 변환기를 이용하여 스테레오 소리 영상이 생성되고, 또한 소리의 강도가 증가되며, 주파수 범위가 확장되는 것을 발견하게 되었다. 변환기가 분리되는 양호한 간격은 스피커의 구성의 재질 및 사이즈에 의존한다. 도 5는 본 발명의 또다른 실시예를 설명한 것으로서, 변환기(51 및 52)는 기계적 커넥터(54)를 통해 서로 접속된다. 그런 기계적 커넥션이 사용될 시에, 발생된 스테레오 효과의 특성이 증진되고, 소리의 전체 특성 및 볼륨이 개선된다. 테스트된 일 실시예에서, 기계적 커넥터는 0.02 인치의 박강판(sheet steel)의 금속 빔이고, 폭이 1 인치이다. 기계적 커넥터의 길이는 소정의 외부 힘이 전체 변환기에 가해지게 할 정도이다. 물론, 다른 구성 재질 및/또는 다른 치수의 기계적 커텍터(54)가 활용될 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 변환기가 특정 진동판과 함께 활용될 시에, 기계적 커넥터는 변환기의 필수부일 수 있다. 예를 들면, 기판은 기계적 커넥션을 형성하도록 변환기 사이에서 연속적으로 구성될 수 있다. 선택적으로 전술된 모션 커플러는 전체의 기계적 커넥션내에 형성될 수 있다. 더욱 큰 진동판에 대하여, 2 이상의 변환기는 그렇게 활용될 수 있다. 2 이상의 변환기가 활용될 시에는 쌍으로 활용되는 것이 바람직한 데, 양호하게는 각 쌍의 변환기가 기계적 커넥터에 의해 서로 접속된다.

나타낸 바와 같이, 압전 재질은 통상적으로 (영 모듈러스 및 두께에 의해 측정되는 바와 같은) 압전 전기 재질과 동일한 강도를 필수적으로 가진 기판의 상부상에 위치되는 판의 형태이다. 이런 일에 관해서는, K=EA/L=wt/l로 표시되는 신장 강성도(extension stiffness)(K)에 주의가 요망되는 데, 여기서, E=영의 탄성 모듈러스; A=판의 단면 영역, l=판의 길이, w=판의 폭, t=판의 두께이다. 판의 단위 길이 및 폭에 대해, 신장 강성도는 K=Et가 된다.

그래서, 압전 재질의 강성도 또는 강도를 기판 및 모션 커플러층의 것과 정합하는 데에 이용될 수 있는 2개의 파라미터, 즉 E=영의 탄성 모듈러스 및, t=층의 두께가 있다. 압전 재질의 모션을 기판 및 모션 커플러 층에 결합하기 위하여, 모든 층(또는 모션 커플러가 활용되지 않을 시의 압전 소자 및 기판)의 강성도는 크기의 정도가 거의 동일하다. 즉, 전기 스티무레이션(stimulation)하에 압전 재질의 신장 강성도는 기판의 신장 강성도 및, (활용될 시에) 모션 커플러의 신장 강성도와 거의 같다.

전술한 것은 본 발명의 원리만을 설명한 것으로 간주된다. 더욱이, 본 기술 분야의 숙련자는 많은 수정 및 변경을 쉽게 할 수 있으므로, 본 발명을 도시되고 기술된 구성 및 동작으로 제한하는 것은 바람직하지 않아, 모든 적당한 수정 및 이의 대응 사항은 본 발명의 범주내에서 이루어질 수 있다.

Claims (25)

1. 소정의 기계적 임피던스를 가진 소리 방사 진동판에 모션(motion)을 제공하는 변환기 시스템에 있어서,

   인가된 전위에 의해 변위되고, 최상부측, 하부측 및 바깥 주변부를 가진 압전 소자,

   상기 압전 소자로 부터 소리 방사 진동판으로 모션을 제공하는 기판으로서, 상기 기판은 상부측 및 하부측을 가지며, 상기 기판의 상부측은 압전 소자의 하부측에 직접 접합되고, 상기 기판은 압전 소자보다 큰 표면 영역 및 압전 소자와 거의 동일한 강도를 갖지만, 기판의 하부측이 부착되는 진동판보다 큰 강도를 갖는 기판과,

   전위를 압전 소자에 인가하는 수단을 구비하는 데, 상기 변환기 시스템은 소리 방사 진동판의 기계적 임피던스에 정합되는 기계적 임피던스를 가지는 것을 특징으로 하는 변환기 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판은 황동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변환기 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상부측 및 하부측과 외부 에지를 가진 하나 이상의 모션 커플러를 더 포함하는 데, 모션 커플러는 적어도 그의 외부 에지의 일부에 의해 압전 소자의 바깥 주변부의 적어도 일부에 부착되고, 그의 하부측상에서 기판의 상부측에 부착되는 것을 특징으로 하는 변환기 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   적어도 하나의 이동 커플러는 황동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변환기 시스템.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 하나 이상의 이동 커플러는 압전 소자를 완전히 에워싸는 한 피스(piece)내에 있는 것을 특징으로 하는 변환기 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 하나 이상의 이동 커플러 중의 하나의 모션 커플러는 황동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변환기 시스템.
7. 제 3 항에 있어서,

   상기 하나 이상의 모션 커플러는 기판과 동일한 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 변환기 시스템.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 하나 이상의 모션 커플러 및 기판 양자 모두는 황동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변환기 시스템.
9. 인가된 전위에 위해 변위되고, 최상부측, 하부측 및 바깥 주변부를 가진 압전 소자,

   상기 압전 소자로 부터 소리 방사 진동판으로 모션을 제공하는 기판으로서, 상기 기판은 상부측 및 하부측을 가지며, 상기 기판의 상부측은 압전 소자의 하부측에 직접 접합되고, 상기 기판은 압전 소자보다 큰 표면 영역 및, 압전 소자와 거의 동일한 강도를 갖지만, 기판의 하부측이 부착되는 진동판보다 큰 강도를 갖는 기판과,

   압전 소자에 전위를 인가하는 수단으로서, 상기 압전 소자, 기판 및, 이의 조합부에 전위를 인가하는 수단이 변환기를 형성하는 상기 전위 인가 수단과,

   상기 변환기에 의해 구동되는 소리 방사 진동판을 구비하는 데, 상기 진동판은 소정의 기계적 임피던스와 하부측 및 최상부측을 가지며, 상기 기판의 하부측은 진동판의 상기 최상부측에 부착되며, 상기 변환기는 소리 방사 진동판의 기계적 임피던스에 정합되는 기계적 임피던스를 가지는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,

    2 이상의 변환기가 진동판에 부착되는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
11. 제 10 항에 있어서,

    2 이상의 변환기가 다중 쌍의 변환기인 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,

    각 쌍의 변환기는 기계적 커넥터에 의해 서로 부착되는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 기계적 커넥터는 변환기의 필수부인 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 기계적 커넥터는 기판으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
15. 제 13 항에 있어서,

    상부측 및 하부측과 외부 에지를 가진 하나 이상의 모션 커플러를 더 포함하는 데, 모션 커플러는 적어도 그의 외부 에지의 일부에 의해 압전 소자의 바깥 주변부의 적어도 일부에 부착되고, 그의 하부측상에서 기판의 상부측에 부착되는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 기계적 커넥터는 하나 이상의 모션 커플러로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
17. 제 9 항에 있어서,

    2개의 변환기가 진동판에 부착되는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
18. 제 17 항에 있어서,

    2개의 변환기가 기계적 커넥터에 의해 서로 부착되는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 기계적 커넥터는 변환기의 필수부인 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 기계적 커넥터는 기판으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
21. 제 20 항에 있어서,

    상기 기계적 커넥터 및 기판은 황동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
22. 제 19 항에 있어서,

    상부측 및 하부측과 외부 에지를 가진 하나 이상의 모션 커플러를 더 포함하는 데, 모션 커플러는 적어도 그의 외부 에지의 일부에 의해 압전 소자의 바깥 주변부의 적어도 일부에 부착되고, 그의 하부측상에서 기판의 상부측에 부착되는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
23. 제 22 항에 있어서,

    상기 기계적 커넥터는 하나 이상의 모션 커플러로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
24. 제 22 항에 있어서,

    적어도 하나의 모션 커플러는 황동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.
25. 제 15 항에 있어서,

    기계적 커넥터는 황동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 확성기 시스템.