KR100472093B1 - 저주파 세라믹 진동자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맥놀이(beats) 현상을 이용한 저주파 세라믹 진동자에 관한 것으로, 두 개의 1MHz 정도의 공진주파수를 가진 고주파 세라믹 진동자에 동시에 전기신호가 인가되면 각 세라믹 진동자간의 주파수 차이에 의하여 미소한(대략적으로 두 개의 공진주파수 합에 해당하는 고주파와, 혹은 두 개의 공진주파수 차에 해당하는 만큼의 저주파 진동이 발생) 저주파 진동이 발생함에 착안한 것으로, 공진 주파수가 수십에서 수백 헤르쯔의 차이를 가지는 두 개의 초소형 고주파 세라믹 진동자를 상호 접합하여 저주파 진동을 발생시킴으로서, 휴대폰과 같은 이동통신 단말기와 기타 저주파 진동을 요구하는 기기 등에 초소형 진동수단을 제공할 수 있게 되는 것이다.

Description

저주파 세라믹 진동자{A CERAMIC VIBRATOR FOR A POCKET SIZE DEVICE}

본 발명은 저주파 세라믹 진동자에 관한 것으로, 특히 맥놀이(beats) 현상을 이용한 저주파 세라믹 진동자에 관한 것이다.

통신기술 발달에 의해 개인휴대통신이 등장하였고, 그 대표적인 것으로는 휴대폰 및 무선호출기를 들 수 있다. 이러한 개인휴대 통신장비에서 휴대폰은 송수화가 모두 가능한 반면 무선호출기는 문자만을 수신하는 기능만을 갖는다. 이러한 개인휴대통신 단말기에서 착신 및 호출은 착신신호를 통해 사용자에게 전파되는데, 착신신호의 전파방법으로서는 벨 소리와 단말기의 진동을 통해 이루어진다. 일반적으로 공공장소나 실내에서 벨 소리는 소음공해로 간주되기 때문에 사용자들은 주위 환경에 따라 단말기의 모드를 진동모드로 설정하여 착신여부를 통보받는다.

휴대폰 혹은 무선호출기에 장착되어진 종래의 진동수단으로서 일반화되어 있는 것이 바로 진동모터인데, 이러한 진동모터는 모터의 회전축에 편심추를 장착함으로서, 모터의 회전자가 회전할 경우 편심추 역시 회전하면서 진동을 발생시키고, 발생된 진동에 의해 사용자가 착신을 감지한다.

그러나 휴대용 단말기나 무선호출기가 경박단소화되어 가고 있는 기술추세를 감안하여 본다면, 상술한 진동모터의 기구적 구성 역시 소형화할 필요가 있는데, 편심추와 회전자를 지지하는 몸체로 구성되는 진동모터의 부피를 소형화하기란 그리 쉬운 문제가 아니다. 일반적으로 코어레스형 진동모터는 회전자의 코어를 제거하는 구조를 채택하여 모터의 직경(높이)을 줄였으나, 여전히 직경이 6~7mm 정도이며, 소모전력도 100~240mW 정도이다. 전자식 진동모터는 크기면에서 거의 한계에 달하고 소비전력도 크기 때문에 소형화, 경량화, 저소비전력화가 지속적으로 요구되는 이동통신단말기의 기술요구에 부응하기 어려우며 또한 전자유도 노이즈 방출도 문제점으로 지적되고 있다.

따라서 진동모터를 대체할 새로운 진동수단이 개발된다면 휴대폰, 무선 호출기와 같은 이동통신 단말기를 더욱 더 소형화할 수 있을 것으로 예상된다.

한편 초음파 치료기와 같은 의료기기, 초음파 송,수신에 의하여 피검물의 형상 또는 거리를 측정하는 공중/수중 초음파 센서 등에서는 진동수단으로서 압전 세라믹 진동자 사용이 보편화되어 있다. 압전 세라믹 소자는 전기에너지가 인가되면 세라믹 소자의 고유한 주파수와 동일한 회수의 빠른 진동이 발생하게 되는데, 이러한 세라믹 진동자의 주파수는 소자의 두께에 반비례하는 특성을 가지고 있다.

따라서 초음파와 같은 높은 진동수를 요구하는 기기에서는 세라믹 진동자의 두께를 소형화할 수 있지만, 휴대폰과 같이 부드러운 느낌의 저진동을 요구하는 통신 혹은 의료기기 등에서는 세라믹 진동자의 두께가 상대적으로 두꺼워 소형화를 요구하는 통신 및 의료장치에는 세라믹 진동자를 채용할 수 없는 실정이다.

따라서 본 발명의 목적은 초소형이면서 저주파 진동을 발생시킬 수 있는 저주파 세라믹 진동자를 제공함에 있다.

더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 휴대폰과 같은 통신기기 및 의료기기에 채용될 수 있는 진동수단으로서 저전력이면서 슬림화된 저주파 세라믹 진동자를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 저주파 세라믹 진동자는,

각각의 공진 주파수가 수십 내지 수백 헤르쯔(Hz) 차이가 나도록 서로 다른 두께를 가지는 두 개의 고주파 세라믹 진동자와;

상기 세라믹 진동자들 사이에 접합되는 진동판과;

전기에너지를 인가하기 위해 각각의 세라믹 진동자와 진동판 일측에 형성된 전극들과;

상기 진동판과 결합되어 전기에너지 인가에 따른 진동판의 진동을 접합되어 있는 본체로 전달하기 위한 진동 전달프레임;을 포함함을 특징으로 하는 한다.

이러한 구성을 가지는 저주파 세라믹 진동자에서는, 구비된 두 개의 고주파 세라믹 진동자에 1MHz 정도의 전기신호가 인가되면 각 세라믹 진동자간의 주파수 차이에 의하여 미소한(대략적으로 공진주파수 차에 해당하는 만큼) 저주파 진동이 발생하게 됨으로서, 약 1mm의 두께를 가지면서 공진 주파수가 수십에서 수백 헤르쯔의 차이를 가지는 두 개의 고주파 세라믹 진동자를 상호 접합하여 저주파 진동을 발생할 수 있게 되는 것이다.

즉, 본 발명은 2개의 근접한 주파수의 파형이 중복되어 위상의 조합에 따른 보강 및 상쇄 간섭에 의해 두 주파수 차에 해당하는 주파수로 진동하는 맥놀이 현상을 이용한 것이다.

한편 본 발명의 실시예에서 상기 진동 전달프레임은, 상기 본체와 결합되어 있는 하부 프레임과;

상기 진동판 양측 끝단 각각에 일측이 결합되어 있고 나머지 타측이 상기 하부 프레임에 결합되어 있는 지지대들;을 포함함을 특징으로 한다. 상기 하부 프레임은 휴대폰 혹은 페이저와 같은 통신기기의 본체에 본 발명의 실시예에 따른 저주파 세라믹 진동자를 고정하기 위해 구비되며, 지지대는 상기 하부 프레임으로부터 소정 높이 이격되어 있어야 하는 진동판의 진동을 본체로 전달하기 위해 구비되어야 한다.

더 나아가 본 발명의 실시예에 따른 저주파 세라믹 진동자를 외부의 충격 및 화학적 부식을 방지하기 위해 상기 진동 전달 프레임의 양 측면과 결합되는 커버를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

우선 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저주파 세라믹 진동자의 구조를 보이기 위한 도면을 도시한 것으로, 이는 일실시예로서 휴대폰 본체(28)에 저주파 세라믹 진동자를 부착한 예시에 불과한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 저주파 세라믹 진동자의 구조 및 형태가 이에 국한되는 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 참조부호 10과 12는 각각의 공진 주파수가 수십 내지 수백 헤르쯔(Hz), 바람직하게는 약 10 ∼200Hz 차이가 나도록 제작된 고주파 압전 세라믹 진동자를 나타낸 것이다. 일반적으로 압전 세라믹 진동자(이하 세라믹 진동자라 함)의 공진 주파수는 세라믹 소자의 형상과 치수에 따라서 결정되는 값이므로, 원하는 주파수에 따라서 소자의 형상과 치수를 설계해야 한다. 세라믹 소자의 공진 주파수는 두께에 반비례한다. 두께 1mm 정도의 소자는 약 1MHz 정도의 공진 주파수를 가진다. 따라서 하나의 고주파 세라믹 진동자(10)의 공진 주파수가 1MHz가 되도록 하고, 나머지 하나의 고주파 세라믹 진동자(12)의 공진 주파수를 상기 제1세라믹 진동자(10)의 공진 주파수와 약 10∼200Hz 차이가 나도록 설계하면, 이 두 진동자(10,12)의 두께는 미소한 차이를 가지면서 약 2mm 내외의 두께를 가질 수 있게 되는 것이다.

그리고 두 개의 고주파 세라믹 진동자(10,12) 각각의 일측면에는 전기에너지를 인가하기 위한 전극(16,18)이 인쇄되어 있고, 이러한 전극(16,16)들로부터 신장된 신호선(30)은 후술할 커버(26) 일측에 형성되어 있는 밀봉 홀(32)을 통해 커버(26) 외부로 인출된다. 이러한 신호선(30)의 끝단에는 커넥터가 연결되어진다.

한편 상기 세라믹 진동자들(10,12) 사이에는 진동판(14)이 접합된다. 즉, 각각의 진동자(10,12) 일면과 진동판(14)의 일면이 접합되는데, 진동판(14)은 접착제 또는 볼트를 이용하여 진동자(10,12)와 일체화될 수 있으며 진동자(10,12)에서 발생된 저주파 진동을 전달하는 과정에서 진동에 의한 열을 방출하는 역할도 수행한다. 두 진동자의 주파수 차에 의한 저주파 진동의 발생을 위해 도 1에 도시한 바와 같이 두 진동자(10,12)의 중심이 일치하도록 정렬하여 진동판(14) 양면에 접합하는 것이 바람직하다. 이러한 진동판(14)은 두께가 1mm 이하이며 스테인레스강, 니켈, 티타늄, 크롬 도금 강판 등과 같이 내식성이 있는 금속판을 이용할 수 있으며, 진동판(14)의 일측면에는 공통전극인 하나의 전극(20)이 인쇄되어 있다.

한편, 상기 세라믹 진동자(10,12)에 인가되는 전기에너지에 의해 발생하는 진동판(14)의 진동을 외부(휴대폰 본체 혹은 휴대폰 배터리, 페이저 등)로 전달하기 위해 상기 진동판(14)의 하부 양 끝단에는 진동 전달 프레임이 결합되어진다. 이러한 진동 전달 프레임은 예를 들어 휴대폰 본체(28)와 접착제 혹은 볼트 결합되어 있는 하부 프레임(24)과; 상기 진동판(14) 양측 끝단 각각에 일측이 결합되어 있고 나머지 타측이 상기 하부 프레임(24)에 결합되어 있는 지지대(22);를 포함한다. 즉, 진동판(14)의 진동은 지지대(22)를 통해 하부 프레임(24)으로 전달되고, 이러한 하부 프레임(24)의 진동은 휴대폰 본체(28)로 전달될 수 있는 것이다. 도 1에서 미 설명 부호 B는 지지대(22)와 하부 프레임(24) 상호간이 볼트 결합할 수 있음을 나타낸 것으로, 볼트 결합을 위해서는 B에 위치하는 지지대(22)와 하부 프레임(24)에 볼트 삽입홀이 형성되어 있어야 할 것이다.

한편 진동 전달 프레임의 일 구성요소인 하부 프레임(24)의 양 측면에는 저주파 세라믹 진동자를 외부로부터 보호하기 위한 커버(26)가 결합될 수 있도록 걸림턱이 형성되어 있다. 이러한 걸림턱 내부로 커버(26)의 일측 끝단 각각이 삽입고정된후 볼트 결합(A)에 의해 완전 고정될 수 있는 것이다. 상기 커버(26)에는 전극들(16,18,20)과 결합되어 있는 신호선(30)을 커버(26) 외부로 인출하기 위한 밀봉 홀(32)이 형성되어 있다. 이러한 밀봉 홀(32)은 신호선(30) 인출후 밀봉되어 진다.

상술한 구조를 가지는 저주파 세라믹 진동자의 구동을 설명하면,

우선 휴대폰의 착신상태를 알리기 위한 목적으로 커넥터와 신호선(30)을 통해 두 개의 고주파 세라믹 진동자(10,12)에 동시 발진을 위한 전기에너지가 인가된다면, 맥놀이 현상에 의해 각 진동자(10,12)의 공진 주파수 차이만큼의 맥놀이 주파수()가 발생하게 된다. 본 발명의 실시예에서 두 진동자(10,12)의 공진 주파수 차가 10 ∼200Hz의 차이를 가진다고 가정했을 때, 진동판(14)은 공진 주파수 차이 만큼 저주파 진동하게 되는 것이다. 이러한 경우 진동판(14)의 진동은 지지대(22)와 하부 프레임(24)을 통해 본체(28)에 전달됨으로서, 본체(28)인 휴대폰 사용자는 저주파 진동으로 착신상태를 알 수 있게 되는 것이다.

한편 본 발명의 실시예에서는 공진 주파수 차가 존재하는 두 개의 고주파 세라믹 진동자를 일 구성요소로 하는 저주파 세라믹 진동자를 예시하였으나, 공진 주파수가 일치하는 두 개의 고주파 세라믹 진동자를 이용하여 저주파 진동을 발생시킬 수도 있다.

이는 바이모르프(bimprph)형 세라믹 소자를 이용한 것으로, 도 1에 도시한 저주파 세라믹 진동자의 구조와 동일하다. 다만 반대 방향으로 분극한 두 장의 고주파 세라믹 진동자(10,12)를 사용하는 것만이 상이할 뿐이다.

즉, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 반대 방향으로 분극한 두 장의 고주파 세라믹 진동자(10,12)를 맞붙이되, 그 사이에는 도 1에서와 같이 진동판(14)이 위치하도록 한다.

이러한 바이모르프형 세라믹 진동자에 전기에너지가 인가되면, 한 쪽이 늘어나고 다른 쪽은 상대적으로 줄어들어 전체가 하나의 저주파 왜곡 진동을 하게 되는 것이다. 이러한 경우 진동판(14)의 진동은 지지대(22)와 하부 프레임(24)을 통해 본체(28)에 전달됨으로서, 본체(28)인 휴대폰 사용자는 저주파 진동으로 착신상태를 알 수 있게 되는 것이다.

즉, 본 발명의 또 다른 실시예에서도 공진주파수가 1MHz 이상인 고주파 세라믹 진동자를 사용함에도 불구하고, 부드러운 저주파 진동을 발생시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 약 1mm 내외의 고주파 세라믹 진동자 두 개와 진동판을 사용하기 때문에 기존의 진동모터에 비해 크기가 작고, 압전 진동자 특성에 따라 진동모터에 비해 상대적으로 소모전력이 적다는 장점 때문에 이동통신 단말기의 전지 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.

이러한 효과에 기인하여 본 발명에 따른 저주파 세라믹 진동자는 저진동을 요구하는 페이저, 모바일 폰, IMT2000, PDA, 의료기기 등에 폭 넓게 응용 가능할 것으로 기대된다.

한편 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저주파 세라믹 진동자의 구조를 보이기 위한 도면.

< 도면이 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10,12 : 고주파 세라믹 진동자 14: 진동판

16,18,20: 전극 22: 지지대

24: 하부 프레임 26: 커버

28: 통신기기 본체 30: 신호선

32: 밀봉 홀

Claims (4)

1. 저주파 세라믹 진동자에 있어서,

   각각의 공진 주파수가 수십 내지 수백 헤르쯔(Hz) 차이가 나도록 서로 다른 두께를 가지는 두 개의 고주파 세라믹 진동자와;

   상기 세라믹 진동자들 사이에 결합되는 진동판과;

   전기에너지를 인가하기 위해 각각의 세라믹 진동자와 진동판 일측에 형성된 전극들과;

   상기 진동판과 결합되어 전기에너지 인가에 따른 진동판의 진동을 접합되어 있는 본체로 전달하기 위한 진동 전달프레임;을 포함함을 특징으로 하는 저주파 세라믹 진동자.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 진동 전달프레임은;

   상기 본체와 결합되어 있는 하부 프레임과;

   상기 진동판 양측 끝단 각각에 일측이 결합되어 있고 나머지 타측이 상기 하부 프레임에 결합되어 있는 지지대;를 포함함을 특징으로 하는 저주파 세라믹 진동자.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 진동 전달 프레임의 양 측면에 결합되는 커버를 더 포함하되, 상기 커버에는 상기 전극들과 결합되는 신호선을 커버 외부로 인출하기 위한 밀봉 홀이 형성되어 있음을 특징으로 하는 저주파 세라믹 진동자.
4. 저주파 세라믹 진동자에 있어서,

   공진 주파수가 서로 일치하되 반대 방향으로 분극된 두 개의 고주파 세라믹 진동자와;

   상기 세라믹 진동자들 사이에 결합되는 진동판과;

   전기에너지를 인가하기 위해 각각의 세라믹 진동자와 진동판 일측에 형성된 전극들과;

   상기 진동판과 결합되어 전기에너지 인가에 따른 상기 진동판의 진동을 접합되어 있는 본체로 전달하기 위한 진동 전달 프레임;을 포함함을 특징으로 하는 바이모르프형 저주파 세라믹 진동자.