KR100516544B1 - 압전 스피커 - Google Patents

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KR100516544B1
KR100516544B1 KR10-2002-0074630A KR20020074630A KR100516544B1 KR 100516544 B1 KR100516544 B1 KR 100516544B1 KR 20020074630 A KR20020074630 A KR 20020074630A KR 100516544 B1 KR100516544 B1 KR 100516544B1
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오구라다카시
무라타고사쿠
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 압전 스피커에 관한 것으로, 압전소자를 접착하는 진동판에 이종 소재를 사용하여 샌드위치 구조로 한 클래드재를 사용하고, 예를 들어 표면재(7)를 각각 두께 10㎛의 42 알로이로 구성하고 코어재(8)를 두께 30㎛의 알루미늄으로 구성함으로써 얻어지는, 합계 두께 50㎛의 클래드재를 임의의 형상으로 가공하고 압전 스피커용 진동판을 형성하며, 상기 진동판에 사용함으로써 동일한 두께 50㎛의 42 알로이 진동판의 강성 및 열팽창 계수를 유지하고 약 40%의 경량화를 도모할 수 있으며, 이 경량화에 의해 진동판의 강성을 유지하면서 압전 스피커의 압전 레벨을 향상시킬 수 있는 것으로, 압전 스피커의 진동판의 강성 및 표면의 열팽창계수를 저하시키지 않고 진동판을 경량화함으로써 음향특성이 향상된 전압 스피커를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

압전 스피커{PIEZOELECTRIC SPEAKER}
본 발명은 음향기기 등에 사용되는 압전 스피커에 관한 것이다.
압전 스피커는 압전체를 전기음향 변환소자에 사용한 소형·저전류 구동의 음향기기로서 알려져 있고, 소형기기의 음향출력기기로서 사용되고 있다. 일반적으로, 압전 스피커는 금속진동판에 은박막 등에 의한 전극이 형성된 압전소자를 접착한 구조를 갖고 있다. 압전 스피커의 발음기구는 상기 압전소자의 양면에 교류전압을 가함으로써 압전소자에 형상 변형을 발생시키고, 금속진동판을 진동시킴으로써 발생시키고 있다.
종래의 압전 스피커는 예를 들어 일본 특개2001-16692호 공보에서 개시되어 있고, 진동판이 선형으로 진폭 가능해지도록 진동판을 지지함으로써 주파수 특성을 평탄하게 하고 있다. 일반적으로 이와 같은 압전 스피커의 진동판에는 PZT(티탄산 질콘산 아연) 압전소재의 열팽창 계수와 가까운 점으로부터, 42알로이 스텐레스 소재(42Ni-Fe: 이하, 42알로이라고 기재한다)를 단일한 금속소재로 한 금속진동판이 사용되고 있다.
여기에서, 압전 스피커의 진동판은 경량일수록 단위 에너지당의 음압이 향상된다. 따라서, 배터리의 고수명화 또는 저전압 구동이 설계시의 과제가 되는 휴대단말기기 등에 탑재되는 압전 스피커에는 진동판의 경량화가 음향 특성상 필요한 조건으로 되어 있다.
한편, 압전 스피커의 진동판에는 적절한 강성이 필요하고, 상기 압전소자의 두께가 50㎛(미크론미터) 정도인 경우, 상기 42알로이를 소재로 한 진동판의 두께는 50∼100㎛ 전후가 된다. 상기 진동판의 두께가 상기 범위보다도 얇으면, 상기 진동판의 강성은 저하되고, 압전소자를 안정적으로 지지하는, 또는 압전소자의 형상 변형을 충분히 진폭운동으로 변환하는 것이 곤란해진다. 또한, 상기 진동판의 두께가 상기 범위보다도 두꺼우면, 상기 진동판의 강성은 현저하게 증대되므로, 압전소자의 형상 변형에 의한 휨을 진동판에 전달하는 것이 곤란해지고 진동판의 진폭이 얻어지지 않고 음압의 저하로 연결된다. 따라서, 종래의 압전 스피커의 진동판에서 음향특성을 유지하기 위해서는 적절한 진동판의 강성이 필요해지므로 경량화를 위해 극단적으로 부재의 두께를 얇게 할 수는 없었다. 또한, 종래의 압전 스피커의 진동판은 압전소재의 열팽창 계수에 맞추기 위해 밀도가 높은 단일한 금속소재(42알로이)로 구성되어 있으므로, 소재변경에 의한 진동판의 경량화도 어려웠으므로, 상술한 경량화에 의한 단위 에너지 당의 음압의 향상이 곤란했다.
그러므로, 본 발명의 목적은 압전 스피커의 진동판의 강성 및 표면의 열팽창 계수를 저하시키지 않고 진동판을 경량화함으로써 음향특성이 향상된 압전 스피커를 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 이하와 같은 특징을 갖고 있다.
본 발명의 일 태양은 압전 스피커로서, 압전소자와, 그 면상에 압전소자를 배치함으로써 압전소자와 함께 압전진동자를 구성하는 진동판을 구비하고, 진동판은 서로 다른 소재를 층형상으로 접합함으로써 그 단면이 샌드위치 구조를 형성하는 클래드재로 구성된다.
상기한 본 발명의 구성에 의하면 경량소재를 조합시킴으로써 단일한 재료를 사용한 진동판과 비교하여 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 다른 소재에 의한 샌드위치 구조를 형성하고 있는 것으로부터, 진동판에 필요한 강성을 얻기 위한 설계도 용이하고, 필요한 강성을 유지하면서 경량화하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 경량화된 진동판을 압전 스피커에 사용함으로서 압전 스피커의 음압 레벨을 향상시킬 수 있다.
상기 클래드재는 제 1 소재를 사용한 진동판의 양 표면을 구성하는 2층의 표면층과, 제 1 소재와 다른 제 2 소재를 사용한 2층의 표면층 사이에 그 양면이 각각 표면층과 접합되어 구성되는 1층의 코어층을 구비해도 상관없다. 이에 의해, 클래드재는 2종류의 소재를 사용한 3층으로 구성되므로, 제조나 강성을 얻기 위한 설계가 용이해진다.
상기 제 1 소재가 갖는 열팽창 계수는 압전소자가 갖는 열팽창 계수와 가까운 값이고, 제 2 소재의 밀도는 제 1 소재의 밀도보다 경량이어도 좋다. 이에 의해, 진동판 표면의 소재가 갖는 열팽창 계수를 압전소자의 열팽창 계수와 가까운 값으로 구성하면서 진동판을 경량화할 수 있다. 따라서, 열에 의한 표면층과 압전소자면의 접합면의 벗겨짐이나 크랙 등의 재료 파괴를 방지할 수 있다. 즉, 코어층의 소재를 표면층의 소재보다 경량의 것을 사용함으로써, 압전소자와의 열팽창 계수를 유지하면서 진동판의 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 표면층의 두께는 코어층의 두께 보다 얇아도 상관없다. 이 경우, 밀도가 경량인 코어층의 비율이 많으므로, 더욱 진동판의 경량화 효과를 도모할 수 있다.
제 1 및 제 2 소재는 각각 금속 및 고분자 수지의 박판의 한쪽을 선택하여 구성해도 상관없다. 이에 의해, 진동판을 구성하는 소재의 선택의 자유도가 높아진다. 또한, 상기 제 1 소재는 42알로이를 소재로 한 금속의 박판이고, 제 2 소재는 42알로이와는 다른 금속 및 고분자 수지의 박판 중 한쪽을 선택하여 구성해도 좋다. 이에 의해, 압전소자가 일반적인 티탄산 질콘산 아연(PZT)으로 구성되어 있는 경우, 표면층 및 압전소자의 열팽창 계수가 가까워진다. 이 구성에 의하면 열에 의한 표면층과 압전소자면과의 접합면의 벗겨짐이나 크랙 등의 재료파괴를 방지할 수 있다. 또한, 코어층의 소재를 42알로이 보다 경량의 것을 사용함으로써 PZT의 압전소자와의 열팽창 계수를 유지하면서 진동판의 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 상기 제 2 소재는 알루미늄을 소재로 한 금속의 박판이어도 좋다. 이에 의해, 표면층을 42알로이로 구성하고, 코어층을 알루미늄 구성으로 함으로써 용이하게 PZT의 압전소자와의 열팽창 계수를 유지하면서 진동판의 경량화를 도모할 수 있다.
또한, 진동판의 주위에 배치되는 프레임부와, 프레임부 및 진동판을 접속하고, 진동판이 선형으로 진폭 가능해지도록 진동판을 지지하는 댐퍼부와, 진동판, 댐퍼부 및 프레임부 사이에 형성되는 가장자리부를 구비하고, 제 1 및 제 2 소재를 층형상으로 접합한 클래드재에 소정의 처리를 실시함으로써 진동판, 댐퍼부 및 프레임부를 일체 형성해도 상관없다. 이에 의해, 스피커부재인 진동판, 댐퍼부 및 프레임부를 클래드재로 일체 형성함으로써, 상기 스피커부재의 형성이 용이해진다. 또한, 상기 가장자리부는 한 예로써 진동판, 댐퍼부 및 프레임부 사이에 형성되는 공극에 제 1 및 제 2 소재와는 다른 재료를 장전함으로써 형성되어도 상관없다. 이 경우, 압전 스피커의 주파수 특성을 평탄하게 하기 위한 가장자리부를, 적절하게 형성할 수 있다. 또한, 가장자리부는 다른 예로서 진동판, 댐퍼부 및 프레임부 사이에 형성되는 영역에서의 제 1 소재만을 에칭처리함으로써 형성되어도 좋다. 이 경우, 압전 스피커의 주파수 특성을 평탄하게 하기 위한 가장자리부를, 에칭처리만으로 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 압전소자에 구동전압을 인가하는 한쪽의 전극이 상기 프레임부에 설치되어도 상관없다. 이 경우, 프레임부를 한쪽의 전극으로 한 경우, 댐퍼부를 통하여 진동판까지 도전되므로, 진동판을 전극으로 하지 않아도 압전소자의 구동이 가능해지고 진동판에 직접 접속되는 배선처리가 불필요해지고 진동판의 진동특성이 안정된다.
또한, 진동판의 주위에 배치되고 또한 진동판과 동일한 상기 클래드재로 일체 형성되는 프레임부를 구비하고, 클래드재를 구성하는 소재 중 적어도 일부에는 절연성을 갖는 소재가 포함되어 있고, 프레임부는 클래드재를 구성하는 복수의 층 중 적어도 일부를 소정의 형상으로 에칭처리함으로써 회로부가 형성되어도 상관없다. 이에 의해, 압전 스피커의 프레임부와 회로부를 일체 형성할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 목적, 특징, 태양, 효과는 첨부도면과 대조 확인하여 이하의 상세한 설명으로부터 한층 분명해질 것이다.
도 1을 참조하여 본 발명의 한 실시형태에 관한 압전 스피커에 대해서 설명한다. 또한, 도 1은 상기 압전 스피커의 개략적인 구조의 한 예를 도시한 평면도이다.
도 1에서, 압전 스피커(1)는 프레임부(2), 진동판(3), 댐퍼부(4a∼4d), 압전소자(5) 및 가장자리부(6a∼6d)를 갖고 있다. 프레임부(2), 진동판(3) 및 댐퍼부(4a∼4d)는 후술하는 평판형상의 샌드위치 구조재료를 에칭 또는 프레스 성형 등에 의해 펀칭함으로써 일체로 형성된다. 그리고, 거의 직사각형 형상으로 형성되는 진동판(3)은 거의 U자형상으로 되접은 팔형상으로 걸쳐진 복수의 댐퍼부(4a∼4d)를 통하여 거의 직사각형 형상 프레임부(2)에 접속되어 있다. 댐퍼부(4a∼4d)는 그들의 형상으로부터 날개 댐퍼(wing damper)라고 불린다. 또한, 프레임부(2)는 압전 스피커(1)의 고정부재(도시하지 않음)에 고정되어 있다. 이하, 댐퍼(4a∼4d)를 총칭하여 설명하는 경우에는 댐퍼부(4)라고 기재한다.
압전 스피커(1)의 구동원인 원형상의 압전소자(5)는 예를 들어 아크릴계 접착제를 사용하여 상기 직사각형 형상의 진동판(3)에 접합되어 있다. 압전소자(5)는 PZT(티탄산 질콘산 아연)압전소재 등으로 구성된다. 그리고, 압전소자(5)의 소정의 부위와, 진동판(3) 또는 프레임부(2)를 전극으로 하고, 압전 스피커 구동장치(도시하지 않음)로부터 소정의 교류전압이 상기 전극에 부여된다. 상기 교류전압이 압전소자(5)에 부여됨으로써 압전소자(5)에 형상 변형을 발생시키고, 진동판(3)을 상기 변형에 따라서 진동시킴으로써 음성이나 음악 등의 음을 발하는 압전 스피커(1)가 얻어진다. 여기에서, 프레임부(2)를 한쪽의 상기 전극으로 한 경우, 복수의 댐퍼부(4)를 통하여 진동판(3)까지 도전된되므로, 진동판(3)을 상기 한쪽의 전극으로 하지 않아도 압전소자(5)의 구동이 가능하고, 진동판(3)에 직접 접속되는 배선처리가 불필요해지므로 진동판(3)의 진동특성이 안정된다.
가장자리부(6a∼6d)는 진동판(3)의 사방에 슬릿형상으로 형성되는 프레임부(2)와의 사이의 상기 평판형상의 샌드위치 구조재료의 공극에, 적절한 유연성을 갖는 고분자 등의 수지를 장전함으로써 구성된다. 이하, 가장자리부(6a∼6d)를 총칭하여 설명하는 경우에는 가장자리부(6)라고 기재한다. 예를 들어, 가장자리부(6)는 프레임부(2), 진동판(3) 및 댐퍼부(4a∼4d)가 형성된 평판형상의 샌드위치 구조재료에, 경화후 유연성(고무탄성)을 갖는 고분자 수지의 용액을 도포함으로서 형성된다. 그리고, 경화한 고분자 수지는 진동판(3)과 프레임부(2)의 공극에 유지된다. 또한, 가장자리부(6)를 형성하는 방법으로서는 액상의 고분자 수지의 표면 장력에 의한 모세관 현상을 이용하여 그 고분자 수지를 상기 공극에 유지하는 방법을 사용해도 상관없다. 또한, 가장자리부(6)는 프레임부(2)와, 진동판(3) 및 댐퍼부(4a∼4d)가 형성되고, 압전소자(5)가 배치된 평판형상의 샌드위치 구조재료의 양면에, 탄력성을 갖는 시트를 접착함으로써 형성되어 상관없다. 상기 시트는 고무의 박막 필름이나 탄성을 갖는 직포 또는 부직포에 고무탄성을 갖는 수지를 함침(含浸) 또는 코팅하여 밀봉(sealing)을 실시한 것이 사용된다. 상기 박막필름으로서는 예를 들어 스틸렌부타디엔고무(SBR), 부타디엔고무(BR), 아크릴로니트릴부타디엔고무(NBR), 에틸렌프로필렌고무(EPM), 에틸렌프로필렌디엔고무(EPDM) 등의 고무, 또는 그들의 변성체의 재료로 이루어진 고무계 고분자 수지 필름을 사용할 수 있다. 직포 또는 부직포의 소재로서는 예를 들어 폴리우레탄 섬유를 사용할 수 있다. 또한, 후술하는 코어재를 고무계 고분자 수지 및 표면재를 금속으로 작성된 샌드위치 구조재료의 표면재만을 에칭하여 가장자리부(6)를 형성해도 상관없다. 이 경우, 에칭처리만으로 가장자리부(6)를 형성할 수 있다.
진동판(3)은 상술한 댐퍼부(4)에 의한 지지, 압전소자(5)와 다른 형상으로 형성되는 것, 및 공극으로부터의 공기누출을 방지하는 가장자리부(6)의 구성에 의해 낮은 주파수대역의 음을 재생하여 음압차가 큰 피크딥이 음향 특성에 나타나는 것을 방지하기 위한 선형의 진폭이 가능해진다. 또한, 상기 진동판(3)이 선형의 진폭특성을 얻는 메커니즘은 이미 공지이므로, 본 실시형태에서는 이 이상의 설명을 생략한다.
다음에, 도 2 및 도 3을 참조하여 프레임부(2), 진동판(3) 및 댐퍼부(4)를 형성하는 샌드위치 구조재료에 대해서 설명한다. 또한, 도 2는 압전스피커(1)의 도 1에 도시한 선 A-A의 단면도이고, 도 3은 상기 샌드위치 구조재료를 구성하는 각각의 층을 분해하여 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 3에서 상술한 바와 같이 프레임부(2), 진동판(3) 및 댐퍼부(4)는 평판형상의 샌드위치 구조재료(이하, 진동판 재료라고 기재한다)를 에칭 또는 펀칭가공함으로써 각각의 형상이 형성되어 있다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와같이 상기 평판형상의 진동판 재료는 코어재(8)를 중간층으로 하여 그 양면측을 표면재(7)로 샌드위치함으로써 복합화한 3층 구조가 되어 있다. 이와 같은, 평판형상 부재는 클래드재라고도 불린다. 예를 들어, 상기 진동판 재료의 두께를 50㎛(미크론미터)로 형성하는 경우, 각각의 표면재(7)로서 두께 10㎛의 42알로이 스텐레스 소재(42 Ni-Fe: 이하, 42 알로이라고 기재한다)와, 코어재(8)로서 경량 금속인 두께 30㎛의 알루미늄을 각각 접합하여 복합화함으로써 합계 두께 50㎛로 3층의 진동판 소재가 형성된다. 상기 진동판 재료는 이종재료에 의해 표면재(7)-코어재(8)-표면재(7)를 형성하고 있지만, 각각의 계면에 접착재 등이 개재하여 서로를 접합하기 보다도, 반데르 발스 힘 등에 의해 접합함으로써 접합재료의 영향이 매우 작은 상태인 것이 바람직하다. 예를 들어, 표면재(7)-코어재(8)-표면재(7)를, 서로 진공중에서 이온에칭을 사용하여 압접압연함으로써 각각의 계면을 접합할 수 있다.
다음에, 상술한 진동판 재료의 강성에 대해서 설명한다. 통상, 물리특성이 균등한 단일 소재의 구부림 강성은 소재의 탄성율과 관성 모멘트의 곱으로 구해진다. 하기 수학식 1은 이것을 기본으로 하여, 2종류의 소재를 사용한 경우의 구부림 강성을 계산하는 식이다.
여기에서
이고,
[EI]f: 전체의 강성
Ec: 코어재의 탄성률
Es: 표면재의 탄성률
ρc: 코어재의 밀도
ρs: 표면재의 밀도
ρf: 전체밀도
tc: 코어재의 두께
ts: 표면재의 두께
tf: 전체두께
b: 시뮬레이트하는 시료의 폭
Wf: 단위길이당의 중량(선 밀도)
r: 코어재와 표면재의 두께의 비
이다.
상기 수학식 1은 전체가 3층 구조이고 코어재와 표면재를 다른 소재로 구성하고 서로 접합면에 접착면 등의 다른 소재로 구성되는 층이 없는 상태로 접합되어 있는 전체의 구부림 강성을 구하는 것이다. 상기 수학식 1을 사용하여 전체의 강성을 계산하는 경우, 2개의 표면재는 안팎 모두 동일한 두께일 필요가 있다. 단, 코어재와 표면재는 반드시 동일한 두께일 필요는 없다. 예를 들어, 종래의 압전 스피커에 사용되고 있는 두께 50㎛의 42알로이 소재와 동일한 강성을 갖는 샌드위치 구조의 진동판 재료를 설계하기 위해서는 상기 수학식 1에 의해 표면재(7)에 두께 10㎛의 42알로이, 코어재(8)로서 두께 30㎛의 알루미늄으로 구성되는 합계 두께 50㎛의 진동판 재료를 사용하면 거의 동등한 강성을 갖는 소재를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 도 4를 참조하여 상기 진동판 재료의 코어재(8)의 두께를 변화시킴에 의한 전체의 구부림 강성 증가율에 대해서 설명한다. 또한, 도 4는 구부림 강성 증가율(%: 퍼센트)과 코어재(8)의 두께(㎝: 센티미터)의 관계를 상기 수학식 1에 시뮬레이트함으로써 얻어지는 그래프이다.
도 4에서 그래프의 종축으로 나타내는 구부림 강성 증가율(%)은 상술한 종래의 압전 스피커에 사용되고 있는 두께 50㎛의 42알로이 소재를 기준으로 그 증가율을 나타내고 있다. 또한, 그래프의 횡축으로 나타내는 코어 두께(㎝)는 코어재(8)로서 사용되는 알루미늄의 두께를 나타내고, 어떤 경우에도 그 양면측에 접합되는 표면재(7)는 두께 10㎛를 일정하게 한 42알로이로 구성되어 있다. 도 4에서 도시한 바와 같이 구부림 강성 증가율이 0%(즉, 종래의 압전 스피커에 사용되고 있는 두께 50㎛의 42알로이 소재와 동일한 구부림 강성)일 때, 코어 두께는 0.003㎝가 된다. 따라서, 본 발명의 진동판 재료는 표면재(7)에 두께 10㎛의 42알로이가 사용되고, 코어재(8)에 두께 30㎛의 알루미늄이 사용된, 합계 두께 50㎛로 구성되었을 때, 전체가 두께 50㎛의 42알로이로 구성되는 소재의 구부림 강성에 근접시키는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다.
다음에, 도 5를 참조하여 상술한 구부림 강성 증가율에 대한 전체의 중량감소율에 대해서 설명한다. 또한, 도 5는 구부림 강성 증가율(%)과 중량 감소율(%)의 관계를 상기 수학식 1에 시뮬레이트함으로써 얻어지는 그래프이다.
도 5에서 그래프의 종축 및 횡축으로 나타내어지는 구부림 강성 증가율(%) 및 중량 감소율(%)은 상술한 종래의 압전 스피커에 사용되고 있는 두께 50㎛의 42알로이 소재를 기준으로 그 증가율 및 감소율을 나타내고 있다. 또한, 어떤 경우에도 표면재(7)는 두께 10㎛를 일정하게 한 42알로이로 구성되고, 알루미늄을 사용한 코어재(8)의 두께를 변화시킴으로써 전체의 구부림 강성 및 중량을 변화시킨 것이다. 도 5에 도시한 바와 같이 구부림 강성 증가율이 0%(즉, 종래의 압전 스피커에 사용되고 있는 두께 50㎛의 42 알로이 소재와 동일한 구부림 강성)일 때, 중량감소율이 약 40%가 된다. 한편, 본 발명의 진동판 재료는 상술한 바와 같이 구부림 강성 증가율이 0%일 때 코어재(8)의 두께가 30㎛이다. 따라서, 표면재(7)에 두께 10㎛의 42알로이가 사용되고, 코어재(8)에 두께 30㎛의 알루미늄이 사용된, 합계 두께 50㎛로 구성되는 진동판은 전체가 두께 50㎛의 42알로이로 구성되는 진동판의 구부림 강성과 동일한 구부림 강성을 구비하면서, 종래와 비교하여 60%의 중량이 되는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 진동판 재료는 종래의 진동판 재료와 동일한 두께로 구성하여 동등한 구부림 강성 및 표면의 열팽창 계수를 유지하면서 전체의 경량화가 가능하다.
다음에, 도 6을 참조하여 상기 샌드위치 구조를 갖는 진동판 재료를 사용한 압전 스피커(1)의 음향특성에 대해서 설명한다. 또한, 도 6은 압전 스피커(1)와 종래의 42알로이를 단일소재로 하여 진동판을 구성하는 압전 스피커와의 음향특성을 비교한 그래프이다.
도 6에서 그래프의 횡축은 압전 스피커로부터 발생하는 음의 주파수(Hz: 헤르츠)를 나타내고 있고, 종축은 그 음압(dB: 데시벨)을 나타내고 있다. 상기 그래프로 나타나는 종래의 압전 스피커의 음향특성은 진동판이 두께 50㎛의 42알로이 소재로 구성된 압전 스피커에 의한 것이다. 한편, 본 발명의 압전 스피커(1)의 음향특성은 진동판(3)의 표면재(7)가 각각 두께 10㎛의 42알로이 및 코어재(8)가 두께 30㎛ 두께의 알루미늄으로 구성된 압전 스피커(1)에 의한 것이다. 도 6에 도시한 바와 같이 본 발명의 압전 스피커(1)의 음향특성은 종래의 음향특성과 비교하여 음압이 향상(평균 약 4dB향상)하고 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 압전 스피커에 의하면 압전소자를 접착하는 진동판에, 이종 소재를 사용하여 샌드위치 구조로 한 클래드재를 사용함으로서 종래의 진동판의 강성 및 열팽창 계수를 유지하면서 경량화를 도모할 수 있다. 따라서, 종래와 비교하여 진동판의 강성을 유지하면서 압전 스피커의 음압 레벨을 향상시킬 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 압전 스피커의 형상 및 두께는 한 예이고, 다른 형상 및 두께를 취해도 본 발명에서의 진동판 재료의 효과는 변하지 않는다. 이하, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명을 적용한 압전 스피커의 다른 형상예 및 다른 두께에 대해서 설명한다. 또한, 도 7은 압전 스피커(10)의 개략적인 구조의 다른 예를 도시한 평면도이고, 도 8은 도 7의 압전 스피커(10)로부터 압전 소자(14)를 제외한 진동판 재료의 평면도이다.
도 7 및 도 8에서 압전 스피커(10)는 외부(outer) 프레임부(11), 내부(inner) 프레임부(12), 진동판(13a∼13d), 압전소자(14), 댐퍼부(15a∼15d 및 16a∼16h), 및 가장자리부(17a∼17d 및 18a∼18h)를 갖고 있다. 외부 프레임부(11), 내부 프레임부(12), 진동판(13a∼13d), 댐퍼부(15a∼15d 및 16a∼16h), 및 가장자리부(17a∼17d 및 18a∼18h)는, 상술한 평판형상의 샌드위치 구조의 클래드재를 에칭 또는 프레스 성형 등에 의해 펀칭함으로써 일체로 형성된다. 거의 직사각형 형상으로 형성되는 진동판(13a)은 거의 U자형상으로 되접은 팔 형상으로 걸쳐진 복수의 댐퍼부(16a 및 16b)를 통하여 밭전(田)자 형상의 내부 프레임부(12)에 접속되어 있다. 동일하게, 진동판(13b)은 복수의 댐퍼부(16c 및 16d)를 통하여 내부 프레임부(12)에 접속되어 있고, 진동판(13c)은 복수의 댐퍼부(16e 및 16f)를 통하여 내부 프레임부(12)에 접속되어 있고, 진동판(13d)은 복수의 댐퍼부(16g 및 16h)를 통하여 내부 프레임(12)에 접속되어 있다. 내부 프레임부(12)는 복수의 댐퍼부(15a∼15d)를 통하여 외부 프레임부(11)에 접속되어 있다. 또한, 외부 프레임부(11)는 압전 스피커(10)의 고정부재(도시하지 않음)에 고정되어 있다.
압전 스피커(10)의 구동원인 압전소자(14)는 예를 들어 아크릴계 접착제를 사용하여 상기 진동판(13a∼13d) 모두와 접합되어 있다. 압전소자(14)는 PZT압전소재 등으로 구성되고, 상술한 댐퍼부(16a∼16h)를 피하도록 거의 X자 형상으로 진동판(13a∼13d)에 진동을 전달하도록 배치된다.
가장자리부(18a 및 18b)는 진동판(13a)의 사방에 슬릿형상으로 형성되는 인너 프레임부(12)와의 사이의 상기 평판형상의 샌드위치 구조재료의 공극에 적절한 유연성을 갖는 고분자 등의 수지를 장전함으로써 형성된다. 동일하게 가장자리부(18c 및 18d)는 진동판(13b) 및 내부프레임부(12)간의 공극에, 가장자리부(18e 및 18f)는 진동판(13c) 및 내부프레임부(12) 사이의 공극에 가장자리부(18g 및 18h)는 진동판(13d) 및 내부프레임부(12) 사이의 공극에 각각 상기 수지를 장전함으로써 형성된다. 또한, 가장자리부(17a∼17d)는 내부프레임부(12)의 사방에 슬릿형상으로 형성되는 외부 프레임부(11) 사이의 상기 평판형상의 샌드위치 구조재료의 공극에 적절한 유연성을 갖는 고분자 등의 수지를 장전함으로써 형성된다. 또한, 가장자리부(17a∼17d 및 18a∼18h)의 형성방법에 대해서는 상술한 가장자리부(6)의 형성방법과 동일하므로 여기에서 상세한 설명을 생략한다.
이와 같은 형상의 압전 스피커(10)에 사용되는 진동판 재료에 대해서도 상술한 샌드위치 구조의 클래드재를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 진동판 재료의 두께를 100㎛로 형성하는 경우, 각각의 표면재로서 두께 20㎛의 42알로이와, 코어재로서 경량 금속인 두께 60㎛의 알루미늄을 각각 접합하여 복합화함으로써 합계 두께 100㎛이고 3층의 진동판 재료가 형성된다.
다음에, 상술한 진동판 재료의 강성에 대해서 설명한다. 상기 진동판 재료에 대해서도 상술한 2종류의 소재를 사용한 경우의 구부림 강성을 계산하는 수학식 1에 의해 구해진다. 예를 들어, 종래의 압전 스피커에 사용되고 있는 두께 100㎛의 42알로이 소재와 동일한 강성을 갖는 샌드위치 구조의 진동판 재료를 설계하기 위해서는 상기 수학식 1에 의해 표면재에 두께 20㎛의 42알로이, 코어재로서 두께 60㎛의 알루미늄으로 구성되는 합계 두께 100㎛의 진동판 재료를 사용하면 거의 동등한 강성을 갖는 소재를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 도 9를 참조하여 상기 진동판 재료의 코어재의 두께를 변화시킴에 의한 전체의 구부림 강성 증가율에 대해서 설명한다. 또한, 도 9는 구부림 강성 증가율(%)과 코어재의 두께(㎝)의 관계를 상기 수학식 1에 시뮬레이트함으로써 얻어지는 그래프이다.
도 9에서 그래프의 종축으로 나타내어지는 구부림 강성 증가율(%)은 상술한 종래의 압전 스피커에 사용되고 있는 두께 100㎛의 42알로이 소재를 기준으로 그 증가율을 나타내고 있다. 또한, 그래프의 횡축으로 나타내어지는 코어 두께(㎝)는 코어재로서 사용되는 알루미늄의 두께를 나타내고, 어떤 경우에도 그 양면측에 접합되는 표면재는 두께 20㎛를 일정하게 한 42알로이로 구성되어 있다. 도 9에서 도시된 바와 같이 구부림 강성 증가율이 0%(즉, 종래의 압전 스피커에 사용되고 있는 두께 100㎛의 42알로이 소재와 동일한 구부림 강성) 일때, 코어두께는 약 0.006㎝가 된다. 따라서, 본 발명의 진동판 재료는 표면재에 두께 20㎛의 42알로이가 사용되고, 코어재에 두께 60㎛의 알루미늄이 사용된, 합계 두께 100㎛로 구성될 때 전체가 두께 100㎛의 42알로이로 구성되는 소재의 구부림 강성에 근접시키는 것이 가능해지는 것을 알 수 있다.
다음에, 도 10을 참조하여 상술한 구부림 강성 증가율에 대한 전체의 중량감소율에 대해서 설명한다. 또한, 도 10은 구부림 강성 증가율(%)과 중량감소율(%)의 관계를 상기 수학식 1에 시뮬레이트함으로써 얻어지는 그래프이다.
도 10에서, 그래프의 종축 및 횡축으로 나타내어지는 구부림 강성 증가율(%) 및 중량 감소율(%)은 상술한 종래의 압전 스피커에 사용되고 있는 두께 100㎛의 42알로이 소재를 기준으로 그 증가율 및 감소율을 나타내고 있다. 또한, 어떤 경우에도 표면재는 두께 20㎛를 일정하게 한 42알로이로 구성되고, 알루미늄을 사용한 코어재의 두께를 변화시킴으로써 전체의 구부림 강성 및 중량을 변화시킨 것이다. 도 10에 도시한 바와 같이 구부림 강성 증가율이 0%(즉, 종래의 압전 스피커에 사용되고 있는 두께 100㎛의 42알로이 소재와 동일한 구부림 강성)일 때, 중량 감소율이 약 40%가 된다. 한편, 본 발명의 진동판 재료는 상술한 바와 같이 구부림 강성 증가율 0%일 때 코어재의 두께가 60㎛이다. 따라서, 표면재에 두께 20㎛의 42알로이가 사용되고, 코어재에 두께 60㎛의 알루미늄이 사용된, 합계 두께 100㎛로 구성되는 진동판은 전체가 두께 100㎛의 42알로이로 구성되는 진동판의 구부림 강성과 동일한 구부림 강성을 가지면서, 종래와 비교하여 약 60%의 중량이 되는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 진동판 재료는 전체의 두께를 100㎛로 구성해도, 종래의 진동판 재료와 동일한 두께로 구성하여 동등한 구부림 강성 및 표면의 열팽창 계수를 유지하면서 전체의 경량화가 가능하다.
다음에, 도 11을 참조하여 상기 샌드위치 구조를 갖는 진동판 재료를 사용한 압전 스피커(10)의 음향특성에 대해서 설명한다. 또한, 도 11은 압전 스피커(10)와 종래의 42알로이를 단일 소재로 하여 진동판을 구성하는 압전 스피커의 음향특성을 비교한 그래프이다.
도 11에서 그래프의 횡축은 압전 스피커로부터 발생하는 음의 주파수(Hz)를 도시하고 있고, 종축은 그 음압(dB)를 나타내고 있다. 상기 그래프로 나타나는 종래의 압전 스피커의 음향특성은 진동판이 두께 100㎛의 42알로이 소재로 구성된 압전 스피커에 의한 것이다. 한편, 본 발명의 압전 스피커(10)의 음향 특성은 진동판(13)의 표면재가 각각 두께 20㎛의 42알로이 및 코어재가 두께 60㎛ 두께의 알루미늄으로 구성된 압전 스피커(10)에 의한 것이다. 도 11에 도시한 바와 같이 본 발명의 압전 스피커(10)의 음향특성은 종래의 음향특성과 비교하여 음압이 향상(평균 약 4dB 향상)되고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 상술한 설명에서는 코어재를 알루미늄으로 구성했지만, 코어재는 알루미늄이 아니어도 상관없다. 예를 들어, 코어재로서 내부손실 측면에서 우수한 망간-동 합금, 경량성이 뛰어난 마그네슘 또는 티탄 등의 금속 필름으로 구성해도 좋다. 또한, 코어재로서 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우테탄, 폴리아미드, 또는 폴리이미드 등의 플라스틱 소재, 또는 스틸렌부타디엔계 고무, 부타디엔계 고무, 부틸계 고무, 에틸렌프로필렌계 고무, 또는 그들의 변성체 등의 고무 고분자 수지나 에라스토머 등의 고분자 수지 필름을 사용해도 좋다.
또한, 상술한 설명에서는 표면재를 42알로이로 구성했지만, 일반적으로 압전 스피커에 사용되는 티탄산 질콘산 아연(PZT)으로 구성되는 압전소자의 열팽창 계수와 근접하기 때문이다. 이 구성에 의하면 열에 의한 표면재의 표면과 압전소자면의 접합면의 벗겨짐이나 크랙 등의 재료파괴를 방지할 수 있다. 즉, 본 발명의 표면재에는 압전소자와 가까운 열팽창 계수를 갖는 금속재료를 사용하면 좋고, PZT와 다른 열팽창 계수를 갖는 압전소자의 경우, 그 열팽창계수에 가까운 특성을 갖는 금속재료를 본 발명의 진동판의 표면재에 사용하면 좋다. 또한, 이와 같은 효과를 기대하지 않는 경우, 압전소자의 열팽창 계수와 무관계인 다른 금속재료를 진동판의 표면재에 사용해도 상관없다. 이 경우, 상기 표면재로서 도전성을 갖는 수지로 구성해도 상관없다.
또한, 상술한 설명에서는 진동판 재료를 2층의 42알로이의 표면재 및 1층의 알루미늄의 코어재로 합계 3층의 클래드재를 구성했지만, 진동판 재료는 3층 이상 구성해도 본 발명을 실현할 수 있는 것은 물론이다. 예를 들어 도전성의 42알로이의 표면재 및 알루미늄의 코어재 사이에 각각 상술한 고분자 수지 필름의 절연층을 형성하고, 합계 5층의 진동판 재료를 구성함으로써 진동판 재료에 회로부를 일체 형성할 수 있다. 이하, 도 12a, 12b, 12c를 참조하여 진동판 재료에 회로부를 일체 형성한 한 예를 설명한다. 또한, 도 12a는 상술한 압전 스피커(10)에 일체 형성된 회로부(20)를 도시한 평면도이고, 도 12b는 압전 스피커(10)에 일체 형성된 회로부(20)를 도시한 도 12a의 선 B-B의 단면도이고, 도 12c는 압전 스피커(10)에 일체 형성된 회로부(20)를 도시한 도 12a의 선 C-C의 단면 상세도이다.
도 12b에서 압전 스피커(10)의 진동판 재료는 도전성을 갖는 2층의 42알로이의 표면재(7) 및 1층의 알루미늄의 코어재(8)에 대해서 각각의 사이에 2층의 절연재(9)가 형성된다. 상기 절연재(9)는 절연성을 갖는 재료로 형성되고, 예를 들어 상술한 플라스틱 소재, 고무 고분자 수지, 또는 고분자 수지 필름 등으로 절연성을 갖는 소재가 사용된다. 그리고, 압전 스피커(10)의 진동판 재료를 상술한 압접 압연 등을 사용하여 형성할 때, 도 12a의 우측면부에 도시한 바와 같은 회로부(20)를 형성하기 위한 볼록부를 부가한다. 즉, 회로부(20)의 기판은 압전 스피커(10)의 진동판 재료와 일체로 형성되고 진동판 재료와 동일한 5층의 클래드재로 구성된다.
다음에, 진동판 재료와 일체로 형성된 회로부(20)의 기판에 소정의 에칭처리를 실시함으로써 패턴이 형성된다. 예를 들어 도 12a에 도시한 바와 같이 42알로이의 표면재(7)로 형성되는 표면재 패턴(7a 및 7b) 이외의 부분에 대하여, 42알로이를 제거하는 에칭을 실시함으로써 42알로이의 표면재 패턴(7a 및 7b)과 절연재부(9a)가 형성된다. 또한, 알루미늄의 코어재(8)로 형성되는 코어재 패턴(8a)을 형성하는 부분에 대해서 상기 절연재를 제거하는 에칭을 실시함으로써 알루미늄의 코어재 패턴(8a)이 형성되어 복수의 패턴을 갖는 회로부(20)가 형성된다. 그리고, 회로부(20)에 형성된 패턴상(예를 들어 표면재 패턴(7a 및 7b) 사이나, 표면재 패턴(7b) 및 코어재 패턴(8a) 사이)에, 소정의 전기적 물성을 갖는 저항기, 코일, 또는 컨덴서 등을 실장함으로써 임의로 하이패스(high-pass)필터나 로우패스(low-pass)필터 등을 구성할 수 있다.
또한, 도 12b에 도시한 바와 같이 압전소자(14)의 한쪽면은 도전성 42알로이의 표면재(7)와 접합하고 있다. 그리고, 도 12c에 도시한 바와 같이 압전소자(14)의 다른쪽 면(도 12a의 지면의 표면측)과 도전성 코어재(8)를 도선(19)으로 접속한다. 예를 들어, 도선(19)을 배치하는 진동판 재료의 부위에, 소정의 에칭 처리를 실시함으로써 표면재(7) 및 절연재(9)를 제거한 홀을 형성한다. 그리고, 은 페이스트 등으로 구성되는 도선(19)이, 상기 홀을 관통하도록 코어재(8) 및 압전소자(14)의 다른쪽 면을 접속한다. 이들에 의해 압전소자(14)의 각각의 면은 표면재(7) 및 코어재(8)와 접속된다. 또한, 도 12a에 도시한 바와 같이 표면재 패턴(7a)은 압전 스피커(10)의 외부 프레임부와 접속하고 있고, 표면재 패턴(7b)과 서로 절연되어 있다. 그리고, 표면재 패턴(7b)은 상술한 표면재 패턴(7b) 및 코어재 패턴(8a) 사이에 소정의 부품이 실장됨으로써, 코어재 패턴(8a)과 소정의 부품을 통하여 접속된다. 즉, 표면재 패턴(7a 및 7b)은 각각 압전 스피커(10)의 각 댐퍼부를 통하여 압전 소자(14)의 한쪽 및 다른쪽 면과 접속된다. 따라서, 표면재 패턴(7a 및 7b)은 압전 스피커(10)에 입력되는 음성신호의 각각의 입력단자(+ 및 -측)로서 사용할 수 있다. 이 경우, 회로부(20)의 구성에 의해 압전 스피커(10)의 음향특성을 조정하는 것이 가능하고, 또한 압전소자(14)로의 배선을 진동판 재료로 구성할 수 있으므로, 구리선 등을 압전 스피커(10)의 진동판 등의 상에 설치할 필요는 없고, 진동판 상의 질량 밸런스의 편향이 개선되는 점으로부터 압전 스피커(10)의 음향 특성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 회로부(20)는 마스크 패턴 등에 의해 다른 프린트 기판을 사용하지 않고, 진동판 재료를 사용하여 동일한 재료상에 부품회로를 일체 형성할 수 있다. 또한, 회로부(20)의 각 패턴을 형성하기 위한 에칭은 상술한 가장자리부나 댐퍼부를 형성하기 위한 에칭과 동시에 실시하는 것이 가능하다.
또한, 압전 스피커에 회로부를 일체 형성하는 경우, 표면재에 42알로이 및 코어재에 알루미늄을 사용하여 설명했지만, 각각의 소재는 도전성이 뛰어나면 다른 금속이나 금속합금, 또는 도전성을 나타내는 수지를 사용해도 상관없다. 또한, 회로상에 실장하는 부품은 앰프나 연산증폭기 등 압전스피커의 동작을 전자적으로 제어하는 LSI(Large Scale Integration: 대규모 집적회로) 등을 사용해도 상관없다.
이상 본 발명을 상세하게 설명했지만, 상술한 설명은 모든 점에서 본 발명의 예시에 지나지 않고 그 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 여러가지 개량이나 변형을 실시할 수 있는 것은 물론이다.
본 발명에 따르면 압전 스피커의 진동판의 강성 및 표면의 열팽창 계수를 저하시키지 않고 진동판을 경량화함으로써 음향특성이 향상된 압전 스피커를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 관한 압전 스피커(1)의 개략적인 구조의 한 예를 도시한 평면도이고,
도 2는 도 1의 압전 스피커(1)에서 도시한 선 A-A의 단면도,
도 3은 도 1의 압전 스피커(1)의 샌드위치 구조재료를 구성하는 각각의 층을 분해하여 도시한 사시도,
도 4는 도 1의 압전 스피커(1)에서 사용되는 진동판 재료의 구부림 강성 증가율과 코어재(8)의 두께의 관계를 도시한 그래프,
도 5는 도 1의 압전 스피커(1)에서 사용되는 진동판 재료의 구부림 강성 증가율과 중량 감소율의 관계를 도시한 그래프,
도 6은 도 1의 압전 스피커(1)와 종래의 42 알로이를 단일 소재로 하여 진동판을 구성하는 압전 스피커의 음향 특성을 비교한 그래프,
도 7은 본 발명의 한 실시형태에 관한 압전 스피커의 개략적인 구조의 다른 예를 도시한 평면도,
도 8은 도 7의 압전 스피커(10)로부터 압전소자(14)를 제외한 진동판 재료의 평면도,
도 9는 도 7의 압전 스피커(10)에서 사용되는 진동판 재료의 구부림 강성 증가율과 코어재의 두께의 관계를 도시한 그래프,
도 10은 도 7의 압전 스피커(10)에서 사용되는 진동판 재료의 구부림 강성 증가율과 중량 감소율의 관계를 도시한 그래프,
도 11은 도 7의 압전 스피커(10)와 종래의 42 알로이를 단일소재로 하여 진동판을 구성하는 압전 스피커의 음향특성을 비교한 그래프, 및
도 12a, 도 12b, 도 12c는 도 8의 압전 스피커(10)에 일체 형성된 회로부(20)를 도시한 평면도 및 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 압전 스피커 2: 프레임부
3: 진동판 4a∼4d: 댐퍼부
5,14: 압전소자 7: 표면재
8: 코어재 9: 절연재
10: 압전 스피커 20: 회로부

Claims (12)

  1. 압전소자,
    그 면상에 상기 압전소자를 배치함으로써 상기 압전소자와 함께 압전 진동자를 구성하는 진동판,
    상기 진동판의 주위에 배치된 프레임부,
    상기 프레임부 및 상기 진동판을 접속하고 상기 진동판이 선형으로 진폭가능하도록 상기 진동판을 지지하는 댐퍼부,
    상기 진동판, 상기 댐퍼부 및 상기 프레임부 사이에 형성되는 가장자리부를 포함하고,
    제 1 소재를 사용한 양표면을 구성하는 2층의 표면층과, 상기 제 1 소재와 다른 제 2 소재를 사용한 상기 2층의 표면층의 사이에 그 양면이 각각 상기 표면층과 접합되어 구성되는 1층의 코어층을 갖는 샌드위치 구조재료에 소정의 처리를 실시함으로써, 상기 진동판, 상기 댐퍼부 및 상기 프레임부를 일체로 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 스피커.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 소재가 갖는 열팽창 계수는 상기 압전소자가 갖는 열팽창 계수와 가까운 값이고,
    상기 제 2 소재의 밀도는 상기 제 1 소재의 밀도보다 경량인 것을 특징으로하는 압전 스피커.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 표면층의 두께는 상기 코어층의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 압전 스피커.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 소재는 각각 금속 및 고분자 수지의 박판 중 하나를 선택하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 스피커.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 소재는 42 알로이를 소재로 한 금속 박판이고, 상기 제 2 소재는 42알로이와는 다른 금속 및 고분자 수지의 박판 중 하나를 선택하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 스피커.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 소재는 알루미늄을 소재로 한 금속 박판인 것을 특징으로 하는 압전 스피커.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가장자리부는 상기 진동판, 상기 댐퍼부 및 상기 프레임부와의 사이에 형성되는 공극에 상기 제 1 및 제 2 소재와는 다른 재료를 장전함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 스피커.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가장자리부는 상기 진동판, 상기 댐퍼부 및 상기 프레임부 사이에 형성되는 영역에서의 상기 제 1 소재만을 에칭처리함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 스피커.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전소자에 구동전압을 인가하는 한쪽의 전극은 상기 프레임부에 설치되는 것을 특징으로 하는 압전 스피커.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 샌드위치 구조재료를 구성하는 재료의 적어도 일부는 절연성을 갖는 소재가 포함되어 있고,
    상기 프레임부는 상기 샌드위치 구조재료를 구성하는 복수의 층의 적어도 일부를 소정의 형상으로 에칭처리함으로써 회로부가 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 스피커.
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