KR100729152B1 - 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치에 관한 것으로, 소정 탄성을 가지며 평면형으로 형성된 단일의 압전체 지지용 탄성체; 상기 압전체 지지용 탄성체의 표면에서 길이 방향을 따라 나란하게 소정 간격 이격되어 부착되어, 외부에서 인가되는 전기적 신호에 따라 서로 다른 주파수 특성으로 기계적 진동을 발생시키는 적어도 둘 이상의 압전체; 및 상기 압전체들의 사이와 일측 끝단 위치의 압전체 지지용 탄성체에 부착되어, 서로 다른 주파수 특성으로 진동하는 압전체들에서 엣지 지지 방식으로 인한 높은 공진 주파수의 진동과 센터 지지 방식으로 인한 낮은 공진 주파수의 진동을 동시에 외부 패널로 전달하는 적어도 둘 이상의 진동 전달용 탄성체; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
압전, 스피커

Description

압전 평판 스피커용 압전 진동 장치{PIEZOELECTRIC VIBRATOR FOR PLATE-TYPE SPEAKER}
도 1은 종래의 압전 평판형 스피커에서 사용되는 압전 진동 장치를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명이 적용된 유니모프형의 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치에 대한 측단면도 및 평면도.
도 3은 본 발명이 적용된 바이모프형의 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치에 대한 측단면도 및 평면도.
도 4는 본 발명이 적용된 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치의 다른 실시예에 대한 사시도.
도 5는 본 발명의 압전 진동 장치를 적용한 스피커의 음압을 기존 방식의 압전 진동기와 비교 측정한 도표.
본 발명은 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치에 관한 것으로, 하나의 압전체 지지용 탄성체에 서로 다른 주파수 특성을 가지는 두개 이상의 압전체를 접합시 켜 압전 구동기를 구성시키며 해당 압전 구동기의 각각의 압전체 사이에 진동을 전달하는 진동 전달용 탄성체를 구비시켜 주파수 제어를 용이하게 하여, 기존 스피커 대비 높은 음압을 얻는 것은 물론 저음 영역을 개선시킴으로써 전체 가청 음역에 대해 고르게 높은 음압을 가지며 저음 음질이 개선되는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치에 관한 것이다.
종래의 압전 평판형 스피커에서 사용되는 압전 진동 장치가 도 1에 도시되어 있다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 해당 패널 타입의 스피커는 LCD 패널 구동기(11)에 의해 구동되는 LCD 패널(12)의 후면에 두개의 압전 진동자인 빔(13a, 13b)를 두층으로 적층시켜 구현된다. 여기에서 해당 빔(13a, 13b)은 굽힘 진동을 발생시키기 위한 압전 재료로 이루어져 진동이 여진되는 바이모르프 타입의 빔이다.
이러한 종래 방식의 평판 스피커용 압전 진동 장치의 구조는 기존의 압전 스피커가 갖는 문제점인 저주파 특성을 개선하기 위해 서로 다른 주파수 특성을 가지는 압전 진동자 즉, 두개의 빔(13a, 13b)을 높이 방향을 따라 복층 형태로 적층시킴으로써 각각의 진동으로 저주파 특성을 구현하는 구조이다.
하지만, 이러한 종래 방식의 평판 스피커용 압전 진동 장치의 구조는 높은 음압을 발생시키기 위해서 필연적으로 압전 구동기(13a, 13b)의 수량이 많아지게 되고, 이 때문에 전체 장치의 두께가 두꺼워지게 되어 실제 소형제품에 내부 구성으로 삽입시켜 적용하기에는 많은 문제점이 있다.
또한, 이러한 종래 방식의 평판 스피커용 압전 진동 장치의 구조에서는 압전 구동기(13a, 13b)의 진동을 후단의 패널(12)에 전달하는 탄성체인 빔 보관 유지부(14)가 단일 구성되어 있어 복수의 압전 구동기(13a, 13b)에서 전달되는 진동을 중복시켜 정밀한 음질을 구현하지 못하는 단점도 있다.
따라서, 이러한 종래 방식의 평판 스피커용 압전 진동 장치의 구조는 결과적으로 진동 구동기의 진동으로 발생된 음압이 낮고, 더불어 공진 주파수가 2 KHz 이상의 높은 주파수 영역에서 형성되기 때문에 저주파수(1KHz 이하)영역에서는 아주 낮은 음압만이 발생되어 상업용으로 사용되기에는 여전히 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 하나의 압전체 지지용 탄성체에 서로 다른 주파수 특성을 가지는 두개 이상의 압전체를 접합시켜 압전 구동기를 구성시키며 해당 압전 구동기의 각각의 압전체 사이에 진동을 전달하는 진동 전달용 탄성체를 구비시켜 주파수 제어를 용이하게 하여, 기존 스피커 대비 높은 음압을 얻는 것은 물론 저음 영역을 개선시킴으로써 전체 가청 음역에 대해 고르게 높은 음압을 가지며 저음 음질이 개선되는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치를 제공하는 것이다.
또한, 압전 진동 장치의 전체 부피를 줄여 그 적용을 자유롭게 하며, 간단한 구조를 통해 제조 공정을 단순화시킬 수 있는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 압전 평판 스피커용 압 전 진동 장치는, 소정 탄성을 가지며 평면형으로 형성된 단일의 압전체 지지용 탄성체; 상기 압전체 지지용 탄성체의 표면에서 길이 방향을 따라 나란하게 소정 간격 이격되어 부착되어, 외부에서 인가되는 전기적 신호에 따라 서로 다른 주파수 특성으로 기계적 진동을 발생시키는 적어도 둘 이상의 압전체; 및 상기 압전체들의 사이와 일측 끝단 위치의 압전체 지지용 탄성체에 부착되어, 서로 다른 주파수 특성으로 진동하는 압전체들에서 엣지 지지 방식으로 인한 높은 공진 주파수의 진동과 센터 지지 방식으로 인한 낮은 공진 주파수의 진동을 동시에 외부 패널로 전달하는 적어도 둘 이상의 진동 전달용 탄성체; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 압전체가 서로 다른 주파수 특성을 가지는 제 1 압전체, 제 2 압전체 및 제 3 압전체로 구비되어 상기 압전체 지지용 탄성체에 부착되고, 상기 진동 전달용 탄성체가 상기 제 1 압전체의 일측 이격 위치와 제 1 및 제 2 압전체간 이격 위치와 제 2 및 제 3 압전체간 이격 위치의 압전체 지지용 탄성체에 각각 부착되는 제 1 진동 전달용 탄성체, 제 2 진동 전달용 탄성체 및 제 3 진동 전달용 탄성체로 구비되어, 제 1 진동 전달용 탄성체 및 제 2 진동 전달용 탄성체에서 높은 공진 주파수의 엣지 지지 방식에 의한 진동과, 제 3 진동 전달용 탄성체에서 낮은 공진 주파수의 센터 지지 방식에 의한 진동을 동시에 외부 패널로 전달해 전체 가청 음역에 대한 진동을 출력하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 압전체가 서로 다른 주파수 특성을 가지는 제 1 압전체 및 제 2 압전체로 구비되어 상기 압전체 지지용 탄성체에 부착되고, 상기 진동 전달용 탄성체가 상기 제 1 압전체의 일측 이격 위치와 제 1 및 제 2 압전체간 이격 위치의 압전체 지지용 탄성체에 각각 부착되는 제 1 진동 전달용 탄성체 및 제 2 진동 전달용 탄성체로 구비되어, 제 1 진동 전달용 탄성체에서 높은 공진 주파수의 엣지 지지 방식에 의한 진동과, 제 2 진동 전달용 탄성체에서 낮은 공진 주파수의 센터 지지 방식에 의한 진동을 동시에 외부 패널로 전달해 전체 가청 음역에 대한 진동을 출력하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 압전체는 다각형인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 압전체 지지용 탄성체는 탄성을 갖는 금속 물질로 이루어지거나 또는 탄성을 가지는 유리섬유(Glass fiber)와 탄소섬유(Carbon fiber)가 합성된 고분자 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 압전체는 에폭시수지(epoxy resin)에 의하여 상기 압전체 지지용 탄성체에 부착되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 압전체는 플럼범 지르코늄 티타늄 산화물(PZT : PbZrTiO), 란탄첨가 플럼범 지르코늄 티타늄 산화물(Lanthanum doped PZT) 또는 리드 마그네슘 니오베이트(PMN : lead Magnesium Niobate) 중 적어도 하나의 압전성 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 압전체는 압전성 물질의 단층 또는 다층 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 압전체의 다층 구조는 각 층의 단면적과 형태가 동일한 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 압전체의 다층 구조는 각 층의 단면적과 형태가 일 치하지 않는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
이하에서 본 발명은 하나의 압전체 지지용 탄성체에 서로 다른 주파수 특성을 가지는 두개 이상의 압전체를 접합시켜 압전 구동기를 구성시키며 해당 압전 구동기의 각각의 압전체 사이에 진동을 전달하는 진동 전달용 탄성체를 구비시켜 주파수 제어를 용이하게 하여, 기존 스피커 대비 높은 음압을 얻는 것은 물론 저음 영역을 개선시킴으로써 전체 가청 음역에 대해 고르게 높은 음압을 가지며 저음 음질이 개선되는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치를 바람직한 실시예로 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명이 적용된 유니모프형의 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치에 대한 측단면도 및 평면도이고, 도 3은 본 발명이 적용된 바이모프형의 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치에 대한 측단면도 및 평면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명이 적용된 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치는, 단일의 압전체 지지용 탄성체(20)와, 상기 압전체 지지용 탄성체의 외면에 접합되는 적어도 둘 이상의 압전체(30)와, 상기 압전체 지지용 탄성체(20)에서 해당 압전체(30)의 부착 위치 사이에 부착되는 적어도 둘 이상의 진동 전달용 탄성체(40)로 구성된다.
상기 압전체 지지용 탄성체(20)는 금속판 등에 의해 이루어지는 압전 불활성의 심재(shim plate)이며 전체적으로 굴곡변형(bending)을 발생시켜 그 변위나 힘 을 압전 액튜에이터로서 이용하게 된다.
이때, 상기 압전체 지지용 탄성체(20)는 탄성을 갖는 금속 물질로 이루어지거나 또는 탄성을 가지는 유리섬유(Glass fiber)와 탄소섬유(Carbon fiber)가 합성된 고분자 물질로 이루어진다.
상기 압전체(30)는 상기 압전체 지지용 탄성체(20)에 접합되며 표면에는 외부 구동회로로부터 인가되는 전기적 신호를 수신하기 위한 전극(도시 않음)이 형성되어, 해당 외부 전기 신호의 인가에 따라 발진하여 기계적 진동을 발생시키게 된다.
여기에서, 하나의 압전체 지지용 탄성체(20)에는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 압전체(30) 즉, 제 1 압전체(30a), 제 2 압전체(30b) 및 제 3 압전체(30c)가 접합되게 되며, 이러한 제 1 압전체(30a), 제 2 압전체(30b) 및 제 3 압전체(30c)는 서로 다른 두께로 형성되어 서로 다른 주파수 특성을 나타내게 된다.
이때, 상기 압전체(30)는 상기 압전체 지지용 탄성체(20)에 에폭시수지(epoxy resin)에 의하여 조밀하게 접합되게 되어 신호가 감쇠하는 현상을 최소화시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 압전체(30)는 전기계와 기계계 사이에 에너지 변환을 일으키는 압전성 물질로 이루어지며, 바람직하게는 고출력의 압전재료인 플럼범 지르코늄 티타늄 산화물(PZT : PbZrTiO), 란탄첨가 플럼범 지르코늄 티타늄 산화물(Lanthanum doped PZT) 또는 리드 마그네슘 니오베이트(PMN : lead Magnesium Niobate)와 같은 압전 특성을 갖는 강유전성 다결정 세라믹 물질로 이루어진다.
상기 압전체(30)의 주파수 특성은 해당 압전체의 두께에 반비례하는데, 본 발명에 따른 압전 진동 장치는 도면에 도시된 바와 같이, 하나의 단일 압전체 지지용 탄성체(20)에 서로 다른 두께를 가지기 때문에 주파수 특성이 서로 다른 다수의 압전체(30a, 30b, 30c)들을 접합시킴으로써 전체 가청 음역에 대한 출력이 가능하게 된다.
이때, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 단일의 압전체 지지용 탄성체(20)에 접합되는 제 1 압전체(30a), 제 2 압전체(30b) 및 제 3 압전체(30c)는 서로 소정 간격 이격된 상태에서 서로 겹치지 않고 나열되어 접합되게 된다.
여기에서 도 3 에 도시된 압전 진동 장치는 상기 하나의 압전체 지지용 탄성체(20)을 매개로 그 상면과 하면에 각각 압전체가 부착되는 바이모프(bimorph) 형으로서 형성되며, 상하면의 각 압전판에 서로 반대방향의 응력이 만들어지기 때문에 전계를 인가하면 굴곡변형이 발생되게 된다. 또한 도 2에 도시된 압전 진동 장치는 상기 하나의 압전체 지지용 탄성체(20)을 매개로 그 상면 또는 하면에 압전체가 부착되는 유니모프(unimorph) 형으로, 두께 방향으로 분극된 압전판으로 분극과 평행한 전계를 인가할 때 발생되는 길이방향의 신축변위를 이용하게 된다.
즉, 본 발명의 압전 진동 장치는 하나의 압전체 지지용 탄성체(20)에 상술한 바와 같이 바이모프 형이나 유니모프 형으로 압전체(30)가 부착될 수 있으며, 더 나아가 유니모프나 바이모프 형에서 해당 압전체(30)가 다층으로 적층되는 다층 구조(multimorph)로 형성될 수도 있다. 또한 상기 압전체(30)는 적용되는 기기의 특성에 따라 RAINBOW(Reduced and Internally Biased Oxide Wafer) 형태의 단층 또는 다층 구조로 이루어질 수도 있다.
이때, 다층으로 적층되는 압전체들의 단면적과 형태가 같은 층을 적층시키거나 혹은 단면적과 형태가 서로 다른 것을 적층하더라도 관계없다.
따라서, 본 발명의 압전 진동자를 이루는 압전체(30) 및 압전체 지지용 탄성체(20)의 구조는 하나의 압전체 지지용 탄성체(20)에 그 길이방향을 따라 다수의 압전체(30a, 30b, 30c)가 나란히 배치되는 구조를 가지게 되므로, 전체 압전 진동자의 구조가 슬림(slim)한 평면형 구조를 이룰 수 있게 된다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 저주파 특성을 개선하기 위해 서로 다른 주파수 특성을 갖는 압전 진동자를 복층 형태로 쌓아 각각의 진동으로 저주파 특성을 구현하게 되는 종래 방식의 압전 스피커의 문제점인 전체 장치의 두께에 대하여, 도 2 및 도 3에 도시된 본 발명의 압전 진동 장치는 압전 진동자가 슬림한 평면형 구조를 가지기 때문에, 그 설치구조의 높이를 종래 방식에 비해 1/5 이하로 줄일 수 있게 되어 소형화 추세에 있는 다양한 전자기기에서 그 설치에 필요한 부피를 적게 차지할 수 있게 된다.
한편, 상기 진동 전달용 탄성체(40)는 상기 압전체 지지용 탄성체(20)에 부착되어 상기 압전체들(30a, 30b, 30c)에서 발생되는 기계적 진동을 외부로 전달하게 된다. 즉, 상기 진동 전달용 탄성체(40)는 상기 압전체 지지용 탄성체(20)를 통해 기계적 진동을 전달받아 스피커의 진동 패널(도시 않음)에 전달하여 음향이 외부로 방출되도록 구성되게 된다.
따라서, 본 발명의 압전 진동 장치는 하나의 압전체 지지용 탄성체(20)에 주 파수 특성이 서로 다른 다수의 압전체(30)를 부착하는 구조를 가지며, 해당 단일의 압전체 지지용 탄성체(20)에서 각 압전체(30)의 이격 부위에 다수의 진동 전달용 탄성체(40)를 부착함으로써 진동전달 주파수를 제어한다. 즉, 진동 전달용 탄성체(40)를 다수개 사용함으로써 압전 구동기에서 발생하는 진동의 주파수를 용이하게 제어할 수 있게 된다.
이때, 이러한 압전체 지지용 탄성체(20)에는 다수의 진동 전달용 탄성체(40)가 부착되게 되는데, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 진동 전달용 탄성체(40a)는 제 1 압전체(30a)의 좌측 엣지(Edge) 위치에서 해당 압전 진동자를 지지하게 된다. 그리고 제 2 진동 전달용 탄성체(40b)는 제 1 압전체(30a)의 우측 엣지(Edge) 위치에서 해당 압전 진동자를 지지하게 된다. 그리고 제 3 진동 전달용 탄성체(40c)는 제 2 압전체(30b)와 제 3 압전체(30c)의 사이의 중심인 센터(Center) 위치에서 해당 압전 진동자를 지지하게 된다.
이제, 이러한 진동 전달용 탄성체(40)의 압전 진동자에 대한 지지 위치에 따른 압전 진동자의 공진 주파수 특성을 설명한다.
우선, 압전체의 엣지 위치에서 진동 전달용 탄성체가 압전 진동자를 지지하고 있는 경우의 공진 주파수는 다음의 수학식 1 과 같다.
Figure 112006000505235-pat00001
또한, 압전체의 중심 위치에서 진동 전달용 탄성체가 압전 진동자를 지지하고 있는 경우의 공진 주파수는 다음의 수학식 2 와 같다.
Figure 112006000505235-pat00002
여기에서, 상기 수학식의 f0 는 공진 주파수(Resonant frequency)이고, t 는 두께(Thickness)이고, r 은 압전체 지지용 탄성체의 반경(Radius of a Shim plate)이고, E 는 탄성체의 영률(Young's modulus)이고, ρ 는 밀도(Density)이며, σ 는 푸아송의 비(Poisson's ratio) 이다.
이상의 수학식을 통해 알 수 있는 바와 같이, 동일한 조건에서 센터 지지 방식의 공진 주파수는 엣지 지지 방식의 공진 주파수에 비하여 낮은 주파수 특성을 가지게 된다.
하지만, 저주파 영역의 음압(Sound Pressure Level)을 높이기 위해 단순히 하나의 압전체에 센터 지지 방식을 사용하게 되면 오히려 전체 음압이 낮아진다.
따라서, 본 발명의 압전 진동 장치는 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이 하나의 압전체 지지용 탄성체(20)에 다수의 서로 다른 주파수 특성을 갖는 압전체들(30a, 30b, 30c)을 부착하고, 이러한 압전 진동자의 지지 방식을 센터 지지 방식과 엣지 지지 방식을 혼합해 사용함으로써 전체적으로 높은 음압을 유지하면서도 공진 주파수가 고주파 영역대 뿐만 아니라 저주파 영역대(1 KHz 이하)에서도 형성되도록 하여, 전체 가청 음역에 대해 높은 음압을 가지게 된다.
즉, 제 1 진동 전달용 탄성체(40a)는 제 1 압전체(30a)를 엣지 위치에서 지지하게 되며, 제 1 압전체(30a)와 제 2 압전체(30b)의 두개의 압전체를 엣지 위치에서 지지하게 되며, 제 1 압전체(30a)와 제 2 압전체(30b)와 제 3 압전체(30c)의 세개의 압전체를 엣지 위치에서 지지하게 된다.
이때, 이러한 제 1 진동 전달용 탄성체(40a)에서 가장 지배적(dominant)으로 나타나는 특성은 제 1 압전체(30a)의 엣지 위치에서의 지지에 의한 주파수 특성이다.
다음으로, 제 2 진동 전달용 탄성체(40b)는 제 1 압전체(30a)를 엣지 위치에서 지지하게 되며, 제 1 압전체(30a)와 제 2 압전체(30b)의 두개의 압전체를 센터 위치에서 지지하게 되며, 제 2 압전체(30b)와 제 3 압전체(30c)의 두개의 압전체를 엣지 위치에서 지지하게 된다.
이때, 이러한 제 2 진동 전달용 탄성체(40b)에서 가장 지배적(dominant)으로 나타나는 특성은 제 1 압전체(30a)의 엣지 위치에서의 지지에 의한 주파수 특성이다.
마지막으로, 제 3 진동 전달용 탄성체(40c)는 제 3 압전체(30c)를 엣지 위치에서 지지하게 되며, 제 2 압전체(30b)와 제 3 압전체(30c)의 두개의 압전체를 센터 위치에서 지지하게 되며, 제 1 압전체(30a)와 제 2 압전체(30b)의 두개의 압전체를 엣지 위치에서 지지하게 된다.
이때, 이러한 제 3 진동 전달용 탄성체(40c)에서 가장 지배적(dominant)으로 나타나는 특성은 제 2 압전체(30b)와 제 3 압전체(30c)의 두개의 압전체를 센터 위 치에서 지지함에 의한 주파수 특성이다.
따라서, 본 발명에 의한 압전 진동 장치는 하나의 단일 압전체 지지용 탄성체(20)에서 비교적 높은 공진 주파수의 엣지 지지 방식에 의한 진동(40a 및 40b)과 비교적 낮은 공진 주파수의 센터 지지 방식에 의한 진동(40c)이 동시에 발생되게 됨으로써 하나의 단일 압전체 지지용 탄성체(20)에서 다양한 주파수 특성을 갖게 된다.
특히, 이러한 본 발명의 압전 진동 장치는 이와 같이 전체 가청 음역에 대해 높은 음압을 유지하게 될 뿐만 아니라, 이미 상술한 바와 같이 이러한 하나의 단일 압전체 지지용 탄성체(20)에 부착되는 압전체들(30a, 30b, 30c)로 이루어진 압전 진동자가 슬림한 평면형 구조를 가지기 때문에 그 설치구조의 높이를 종래 방식에 비해 1/5 이하로 줄일 수 있게 되어 더욱 효과적이다.
이때, 본 발명의 압전 진동 장치는 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이 하나의 단일 압전체 지지용 탄성체(20)에서 높은 공진 주파수의 엣지 지지 방식에 의한 진동(40a 및 40b)과 낮은 공진 주파수의 센터 지지 방식에 의한 진동(40c)이 동시에 발생되는 구조를 가지지만, 이에 제한되지 않고 도 4 에 도시된 바와 같이 다양한 구조로 구현될 수 있다.
도 4에 도시된 압전 진동 장치는 하나의 단일 압전체 지지용 탄성체(20)에 두개의 제 1 압전체(30a) 및 제 2 압전체(30b)를 부착시키고, 그 압전체들(30a, 30b)의 사이와 한쪽 끝단 부위의 압전체 지지용 탄성체(20)에 각각 제 1 진동 전달용 탄성체(40a)와 제 2 진동 전달용 탄성체(40b)를 부착시켜 해당 진동 전달용 탄 성체(40)를 통해 진동 패널(50)로 기계적 진동을 전달하는 구조를 가진다.
이러한 도 4의 압전 진동 장치의 구조 역시, 하나의 단일 압전체 지지용 탄성체(20)에서 비교적 높은 공진 주파수의 엣지 지지 방식에 의한 진동(40a)과 비교적 낮은 공진 주파수의 센터 지지 방식에 의한 진동(40b)이 동시에 발생되게 됨으로써 하나의 단일 압전체 지지용 탄성체(20)에서 고주파수 영역(2 KHz 이상) 뿐만 아니라 저주파수 영역(1 KHz 이하)에서도 공진 주파수를 가지게 되어 다양한 주파수 특성을 갖게 된다.
도 5는 본 발명의 압전 진동 장치를 적용한 스피커의 음압을 측정한 도표로서, 기존 방식의 압전 진동기의 주파수 특성이 저주파수 영역(1 KHz 이하)에서 낮은 음압을 가지고 그 외 영역 및 고주파수 영역(2 KHz 이상)에서도 불규칙한 음압을 가지는 것과 달리, 상술한 바와 같이 센터 지지 방식과 엣지 지지 방식이 병행된 구조이기 때문에 해당 도표에 도시된 바와 같이 고주파수 영역(2 KHz 이상)에서 뿐만 아니라 저주파수 영역(1 KHz 이하)에서 높은 음압을 가지게 되며 전체 음압 특성이 개선됨을 알 수 있다. 따라서 기존 스피커 대비 높은 음압을 얻는 것은 물론 저음 영역을 개선시킴으로써 전체 가청 음역에 대해 고르게 높은 음압을 가지며 저음 음질이 개선되는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치를 제공하는 것이 가능하게 된다.
여기에서 상기 진동 전달용 탄성체(40)는 탄성을 갖는 금속 물질로 이루어지는 것이 바람직하고, 5 GPa 이상의 영률을 갖는 고분자 물질도 가능하며, 이러한 구성 재료에 특별히 제한되지 않는다.
또한 상기 압전체(30)와 진동 조절용 탄성체(40)의 두께, 다면형상, 크기 및 무게 중심의 형태는 적용되는 장치에 따라 적절히 조절된다.
상술한 바와 같이, 상기 압전체(30)의 압전성 물질은 기존에 널리 사용되는 PZT나 란탄 첨가 PZT 또는 PWM 과 같이 압전 특성을 갖는 강유전성 다결정 세라믹 물질이 사용되는데, 상기 압전체(30)로 사용되는 PZT 세라믹 및 이소불화비닐(PVDF)의 압전 특성을 비교하면 다음의 표 1 과 같다.
물성 PVDF PZT-5A PZT-5H
밀도(Kg/m3) 1780 7750 7500
유전상수 12 1600 3400
유전손실(%) - 2 2
진기기계 결합계수(k33)(%) 11 70.5 75
압전변형계수(d33)(pC/N) 30 374 593
압전전압계수(g33)(×10-3 Vm/N) 2 24.8 19.7
여기에서 상기 표 1은 실측값을 표시한 것이며, IEEE standard에 따른 공진법(resonant measurement)을 이용해 측정되었다.
또한, 전압에 따른 압전체의 변형값을 직접적으로 측정하기 위해 광간섭계(interferometric measurement), 변위측정자기센서(LVDT; Linear Variable Differential Transformer)를 이용하여 직접적으로 d33을 측정하는 방법들도 이용하였다.
이때, d33은 두께 모드(Thickness)의 압전변형계수이고, k33은 두께모드에서의 전기기계결합계수, g33는 두께모드에서 압전전압계수를 나타낸다.
이하에서는, 상기 물성들이 압전 진동자의 성능에 미치는 영향에 대하여 설명한다.
일반적으로 압전 특성을 갖는 재료에 전계를 인가할 때 발생하는 변형량은 다음의 수학식 3으로 표시될 수 있다.
Figure 112006000505235-pat00003
여기에서, S 는 변형률이고, Lo 는 변형전 길이(m)이고, ΔL 은 변형량(m)이고, E 는 전계 강도(V/m)이며, dij = 압전변형계수(pV/m)이다.
이러한 상기 수학식 3을 통해 압전 재료의 변위가 압전변형계수(dij)에 비례함을 알 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 압전체는 PZT 계열의 세라믹 물질을 사용하므로, PVDF 같은 압전 폴리머물질을 사용하는 압전 진동자보다 1/20 ~ 1/4배 이하의 낮은 전압으로 동일 크기의 음압을 얻을 수 있게 되어 소형화 및 저전력화가 요구되는 휴대형 전자 기기에 유리하게 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 나타난 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치는 하나의 압전체 지지용 탄성체에 서로 다른 주파수 특성을 가지는 두개 이상의 압전체를 접합시켜 압전 구동기를 구성시키며 해당 압전 구동기의 각각의 압전체 사이에 진동을 전달하는 다수의 진동 전달용 탄성체를 구비시킴으로써 엣지 지지방식에 의한 압전진동자의 주파수 특성과 센터 지지 방식에 의한 압전진동자의 주파수특성을 동시에 구현 할 수 있어 주파수 제어가 용이하여 평판형 스피커의 공진 주파수에 있어 저주파 영역(1KHz 이하)에서도 높은 음압과 음질을 나타낼 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 압전 진동자를 구성이 하나의 단일 압전체 지지용 탄성체에 그 길이방향을 따라 다수의 압전체가 나란하게 부착되는 구조를 가지게 되므로 전체 압전 진동자의 구조가 슬림(slim)한 평면형 구조를 이루게 되어 그 설치구조의 높이를 종래 방식에 비해 1/5 이하로 줄일 수 있게 되어 소형화 추세에 있는 다양한 전자기기에서 그 설치에 필요한 부피를 적게 차지할 수 있게 되는 효과도 있다.
또한, 비교적 간단한 구조를 간단한 구조를 가지기 때문에 제조 공정이 현저히 단순화될 수 있고, 소비전력 대비 에너지효율을 크게 향상시킬 수 있어 소비 전력의 감소와 동시에 제품의 소형화 및 노이즈에 의한 신호 왜곡의 감소를 실현할 수 있게 되는 효과도 있다.
또한, 본 발명의 압전진동자를 사용한 스피커는 전체 진동판의 외형에서 제한이 적기 때문에 수중이나 다습한 환경에서도 사용이 가능한 형태로 만들 수도 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 소정 탄성을 가지며 평면형으로 형성된 단일의 압전체 지지용 탄성체;
    상기 압전체 지지용 탄성체의 표면에서 길이 방향을 따라 나란하게 소정 간격 이격되어 부착되어, 외부에서 인가되는 전기적 신호에 따라 서로 다른 주파수 특성으로 기계적 진동을 발생시키는 적어도 둘 이상의 압전체; 및
    상기 압전체들의 사이와 일측 끝단 위치의 압전체 지지용 탄성체에 부착되어, 서로 다른 주파수 특성으로 진동하는 압전체들에서 엣지 지지 방식으로 인한 높은 공진 주파수의 진동과 센터 지지 방식으로 인한 낮은 공진 주파수의 진동을 동시에 외부 패널로 전달하는 적어도 둘 이상의 진동 전달용 탄성체; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압전체가 서로 다른 주파수 특성을 가지는 제 1 압전체, 제 2 압전체 및 제 3 압전체로 구비되어 상기 압전체 지지용 탄성체에 부착되고,
    상기 진동 전달용 탄성체가 상기 제 1 압전체의 일측 이격 위치와 제 1 및 제 2 압전체간 이격 위치와 제 2 및 제 3 압전체간 이격 위치의 압전체 지지용 탄성체에 각각 부착되는 제 1 진동 전달용 탄성체, 제 2 진동 전달용 탄성체 및 제 3 진동 전달용 탄성체로 구비되어,
    제 1 진동 전달용 탄성체 및 제 2 진동 전달용 탄성체에서 높은 공진 주파수 의 엣지 지지 방식에 의한 진동과, 제 3 진동 전달용 탄성체에서 낮은 공진 주파수의 센터 지지 방식에 의한 진동을 동시에 외부 패널로 전달해 전체 가청 음역에 대한 진동을 출력하는 것을 특징으로 하는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 압전체가 서로 다른 주파수 특성을 가지는 제 1 압전체 및 제 2 압전체로 구비되어 상기 압전체 지지용 탄성체에 부착되고,
    상기 진동 전달용 탄성체가 상기 제 1 압전체의 일측 이격 위치와 제 1 및 제 2 압전체간 이격 위치의 압전체 지지용 탄성체에 각각 부착되는 제 1 진동 전달용 탄성체 및 제 2 진동 전달용 탄성체로 구비되어,
    제 1 진동 전달용 탄성체에서 높은 공진 주파수의 엣지 지지 방식에 의한 진동과, 제 2 진동 전달용 탄성체에서 낮은 공진 주파수의 센터 지지 방식에 의한 진동을 동시에 외부 패널로 전달해 전체 가청 음역에 대한 진동을 출력하는 것을 특징으로 하는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전체는 다각형인 것을 특징으로 하는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전체 지지용 탄성체는 탄성을 갖는 금속 물질로 이루어지거나 또는 탄성을 가지는 유리섬유(Glass fiber)와 탄소섬유(Carbon fiber)가 합성된 고분자 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전체는 에폭시수지(epoxy resin)에 의하여 상기 압전체 지지용 탄성체에 부착되는 것을 특징으로 하는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전체는 플럼범 지르코늄 티타늄 산화물(PZT : PbZrTiO), 란탄첨가 플럼범 지르코늄 티타늄 산화물(Lanthanum doped PZT) 또는 리드 마그네슘 니오베이트(PMN : lead Magnesium Niobate) 중 적어도 하나의 압전성 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 압전체는 압전성 물질의 단층 또는 다층 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 압전체의 다층 구조는 각 층의 단면적과 형태가 동일한 것을 특징으로 하는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 압전체의 다층 구조는 각 층의 단면적과 형태가 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 압전 평판 스피커용 압전 진동 장치.
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