KR100777888B1

KR100777888B1 - 트랜스듀서

Info

Publication number: KR100777888B1
Application number: KR1020027009468A
Authority: KR
Inventors: 해리스니일; 뱅크그라함; 콜롬스마틴
Original assignee: 뉴 트랜스듀서스 리미티드
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2007-11-21
Also published as: AR027269A1; BR0107714A; PL356336A1; ATE251375T1; KR20020070509A; UY26553A1; NZ519383A; CN100474942C; TR200302018T4; CA2395022A1; AU777769B2; HUP0204160A2; EP1250827B1; DE60100886T2; CN1394457A; EP1250827A2; US20010033669A1; DE60100886D1; RU2002122756A; WO2001054450A3

Abstract

본 발명은 패널(12)과 같은 음향 라디에이터(acoustic radiator)를 여진하는 힘을 발생시켜서 음향 출력을 생성하는 트랜스듀서(14)에 관한 것이다. 트랜스듀서(14)는 원하는 동작 주파수 범위를 가지며, 분배 모드가 있고 상기 동작 주파수 범위 내에서 모드적인(modal) 공명 소자를 포함한다. 트랜스듀서(14)의 파라미터는 공명 소자의 모드성(modality)을 향상시키도록 조정된다. 확성기(10) 또는 마이크로폰은 트랜스듀서와 통합한다.

Description

트랜스듀서{TRANSDUCER}

본 발명은 트랜스듀서, 액츄에이터(actuator) 또는 여진기(exciter)에 관한 것으로, 특히 확성기(loudspeaker) 및 마이크로폰과 같은 음향장치에서 사용하는 데 한정되지 않는 트랜스듀서에 관한 것이다.

많은 트랜스듀서, 여진기 또는 액츄에이터의 기계구조는 확성기의 음향 라디에이터(acoustic radiator)와 같은 구조에 힘을 인가하도록 개발되어왔다. 트랜스듀서 메카니즘의 종류는 다양하며, 예컨대 이동코일, 이동자석, 압전 또는 자기변형(magnetostrictive)형 등이 있다. 전형적으로, 코일 및 자석형 트랜스듀서를 이용한 전기역학식 스피커는 자체 입력 에너지의 99%가 열손실되는 반면 압전 트랜스듀서는 열손실이 1%에 불과하다. 따라서, 압전 트랜스듀서가 고효율 때문에 대중적이다.

압전 트랜스듀서에는 다소의 문제점이 있는데, 예컨대 브래스 호일(brass foil)에 상당하는 매우 큰 고유의 강도 때문에, 음향 라디에이터, 특히 공기(air)에 조화시키기 어렵다. 트랜스듀서의 강도를 증가시키면 기본 공명모드가 고주파수 쪽으로 이동한다. 따라서 이러한 압전 트랜스듀서는 두개의 동작 범위를 갖는 것으로 생각된다. 제 1 동작 범위는 트랜스듀서의 기본공명 이하이다. 이는 속도가 주파수와 함께 커지는 "강도 제어된" 범위이며 출력 반응은 일반적으로 평형화가 필요하다. 이는 실효율 측면에서의 손실을 초래한다. 제 2 범위는 강도범위 이상의 공명범위로서 공명현상이 격심하므로 대체로 피한다.

또한, 트랜스듀서 내의 공명을 억제하는 것이 일반적이므로 따라서 압전 트랜스듀서는 주파수 범위에서 또는 트랜스듀서의 기본공명에서만 일반적으로 사용된다. 압전 트랜스듀서는 기본 공명 주파수 이상에서 사용되는 경우는 감쇄(damping)처리로 공명 정점을 억제할 필요가 있다.

압전 트랜스듀서의 이러한 문제점은 기타 "스마트(smart)" 재료, 즉 자기변형, 전기변형(electrostrictive) 및 일렉트렛(electret) 타입의 재료를 포함하는 트랜스듀서에서도 마찬가지로 적용된다.

신세이 코퍼레이션의 EP 0993 231A는 음향 진동 플레이트(plate)의 구동장치가 스피커 프레임과 음향 진동 플레이트 사이에 설치된 사운드 발생 장치를 제공한다. 상기 구동장치는 임의의 거리를 두고 서로 대향 설치된 한쌍의 압전 진동 플레이트로 구성된다. 압전 진동 플레이트의 외측면들은 환상 스페이서(spacer)에 의해 서로 연결된다. 구동 신호가 압전 진동 플레이트에 인가될 때, 압전 진동 플레이트는 휨(flex) 모션을 반복적으로 겪게되는 반면, 이들의 중심은 대향하는 방향에서 이와는 별도로 휜다. 동시에, 압전 진동 플레이트의 휨 방향들은 항상 서로 반대이다.

신세이 코포레이션사의 EP 0881 856A는 상기와 같은 구조를 이용하여 음향 압전 진동기 및 확성기를 제공하며, 탄성중합체의 발진(oscillation) 제어 부분이 압전 발진 플레이트의 면에 부착된다. 상기 발진 제어 부분은, 발진 제어 부분의 무게중심에 대해 압전 발진 플레이트의 중심을 연결하는 직선에 수직하는 압전 발진 플레이트의 중심 관통축과 발진 제어편의 질량중심선 사이의 거리가 상기 축에 따라 변하는 방식으로 제조되거나, 또는 발진 제어 부분의 무게중심에 대해 압전 발진 플레이트의 중심을 연결하는 직선에 평행한 복수의 직선들에 의해 분할된 발진 제어편 각각의 질량이 상기 직선에 수직하고, 압전 발진 플레이트의 중심을 관통하는 축에 따라 변하도록 하는 방식으로 제조된다.

무라타 매뉴팩춰링사의 US 4,593,160는 굴곡모드에서의 진동을 위한 압전 진동기를 포함하는 압전 스피커를 개시하며, 이는 지지부재에 의해 종방향의 중간 위치에서 지지되는 반면, 상기 지지부재의 양 측면에서 압전 진동기의 제 1 및 제 2위치가 캔틸레버(cantilever)식으로 각각 지지된다. 압전 진동기는 이의 양 단부에 근접한 부분에서 와이어에 의해 형성된 커플링 부재를 통해 다이어프램(diaphragm)과 함께 연결되며, 이에 따라 압전 진동기의 굴곡 진동이 다이어프램에 전달되어 다이어프램을 구동한다. 압전 진동기에 관한 지지부재의 위치는 제 1 부분의 공명주파수가 제 2 부분의 대응 공명주파수보다 작도록 선택되며, 제 2 부분의 제 1 공명주파수(f1)는 로그급수 좌표상에서 실질적으로 제 1 부분의 제 2 공명주파수(f2) 및 제 1 공명주파수(f1)의 중심값에 해당하도록 선택된다.

산요전기사의 US 4,401,857은 개별적으로 결합된 복수의 압전 소자 및 스피커 다이어프램이 이중축 또는 다중축으로 설치된 다중구조를 갖는 원추형 압전 스피커를 제공한다. 완충부재가 하나의 다이어프램과 또다른 다이어프램 사이에 개입되므로써 각 소자는 다른 소자의 진동으로부터 독립분리된다.

알텍 코포레이션사의 US 4,481,663는 고효율 확성기용 압전 드라이버에 전기형 오디오 신호 공급원을 매치시키는 네트워크를 제공한다. 상기 네트워크는 대역 필터 네트워크의 소자로 구성되나 단, 상기 필터 출력단의 인덕터 및 캐패시터 병렬조합체가 오토트랜스포머(autotransformer) 또는 오토인덕터(autoinductor)로 대체된 것으로서, 이 오토트랜스포머 또는 오토인덕터는 압전 트랜스듀서의 임피던스를, 오토트랜스포머의 인덕턴스와 함께 상기 필터를 위한 로드 저항을 공급하고 대역 네트워크의 출력단에서 생략된 캐패시터 및 인덕터를 대신하는 동등한 병렬식 캐패시턴스 및 저항으로 변형시킨다. 또다른 분기형(shunt) 레지스터가 오토트랜스포머의 출력단을 가로질러 배치되어 오토트랜스포머의 입력단에서 소정의 유효 로드 저항을 얻을 수도 있다.

사와후지의 UK 특허 출원 GB 2,166,022A는 복수의 압전 진동 소자를 포함하는 압전스피커를 제공하고, 이들 소자 각각은 압전 진동 플레이트 및 점탄성 레이어를 관통하여 상기 플레이트의 무게중심점 근처에 연결된 추을 포함하며 또한 진동력이 외부모서리 밖에서 공급되도록 설계된 것으로, 각 소자는 커넥터를 통해 서로의 단부에 연결되고 상기 소자들 중 하나는 소자의 단부에서 원추형 음향 라디에이터에 직접 연결되어 진동력을 대부분 고주파수 영역 내에서 공급하며, 진동력을 발생하는 인근의 나머지 소자들은 상기 원추형 음향 라디에이터가 에너지화 되도록 중간- 및 저-주파수 영역을 공유하는 형태로 구성된다.

본 발명의 목적은 개선된 트랜스듀서를 제공하는 것이다.

본 발명은 전기기계적 트랜스듀서, 예를 들어 음향 라디에이터를 여진하는 힘을 인가하여 음향 출력을 발생시키는 트랜스듀서를 제공하며, 상기 트랜스듀서는 원하는 동작 주파수 범위를 가지며, 상기 동작 주파수 범위내에 주파수 분배 모드가 있는 공명 소자를 포함하고, 힘이 인가될 위치에 상기 트랜스듀서를 탑재하기 위해 공명 소자 상의 결합(coupling)수단을 포함한다. 이에 의해 상기 트랜스듀서는 요구되는 모드형 트랜스듀서로 된다. 상기 결합수단은 상기 지점에 공명 소자의 모드형 활성을 결합시키는데 유리한 위치에서 공명 소자에 부착된다.

상기 공명 소자는 수동형이며 연결수단에 의해 이동 코일, 이동 자석, 압전, 자기변형 또는 일렉트렛 장치 등의 능동 트랜스듀서에 결합될 수 있다. 상기 연결수단은 공명 소자 내에서 모드활성을 강화시키기에 유리한 위치에서 공명 소자에 부착된다. 상기 수동형 공명 소자는 능동 소자에 대해 주변 저손실, 저항역학적 로드로 작동하며, 파워 전송 및 힘이 인가된 다이어프램에 대한 능동 소자의 구조적 매칭효과를 향상시킨다. 이에 따라, 원칙적으로 상기 수동 공명 소자는 단기 공명 저장부로서 작동한다. 상기 수동 공명 소자는 소자의 모드형 동작이 능동 소자에 대한 로딩 및 매칭 동작을 수행하는 범위 내에서 만족되는 충분한 밀도수준의 저 공명주파수를 가지기도 한다. 이러한 공명 부재에 대한 능동 소자의 밀착결합 기능의 한가지 효과는 트랜스듀서에 의해 발생된 힘을 주파수 범위에 걸쳐 보다 균등하게 조합하는 것이다. 이는 교차결합 및 극대의 Q값 제어에 의해 달성되며 결과로써, 단순한 압전장치보다 전위차 측면에서 더 원활한 주파수 응답이 있다.

또한, 상기 공명 소자는 능동형이고 압전, 자기변형 또는 일렉트렛 장치일 수도 있다. 압전 능동 소자는 예비-응력화 되기도 하는 것으로, 예를 들어 US 특허 5632841에 기술된 바와 같거나 또는 전기적으로 예비응력 또는 바이어스된다.

상기 능동 소자는 바이-몰프(bi-morph), 중심 날개(vane)나 기판이 있는 바이-몰프, 또는 유니-몰프(uni-morph)이기도 하다. 상기 능동 소자는, 금속박판 혹은 능동 소자와 유사한 강도를 가지는 심(shim) 또는 배킹(backing) 플레이트에 고정되기도 한다. 상기 배킹 시트는 능동 소자보다 큰 것이 바람직하다. 상기 배킹 시트는 능동 소자의 직경 또는 폭보다 2, 3 또는 4배 큰 직경 또는 폭을 가진다. 상기 배킹 플레이트의 파라미터는 트랜스듀서의 모드 밀도를 강화시키도록 조정된다. 상기 배킹 플레이트의 파라미터 및 능동 소자의 파라미터는 밀도를 개선하기 위해 상호협조적으로 조정된다.

상기 공명 부재는 천공하여 부적절한 사운드가 방사되지 않도록 할 수 있다. 또한 상기 공명 부재는 음향 방사를 완화하기 위한 작은 음향 어퍼쳐를 가진다. 이에 따라 상기 공명 부재는 실질적으로 음향적 기능을 하지 않을 수도 하다. 또달리, 상기 공명 부재는 어셈블리의 동작에 기여하기도 한다.

상기 결합 수단의 크기는 작은 것으로, 즉 동작 주파수 범위 내의 파동의 파장에 필적한다. 이는 음향 결합력을 향상시킨다. 또한 이는 보다 높은 주파수의 어퍼쳐 효과를 감소시킨다; 결합영역에서 발생하는 고주파수 결합 또는 굴곡파가 감소할 가능성도 있다. 또한, 상기 공명 부재의 영역은 보다 높은 주파수 결합을 선택적으로 제한하도록, 예컨대 필터링 기능을 제공하도록 선택된다.

상기 공명 소자의 파라미터, 예컨대 종횡비, 굴곡 강도의 등방성, 두께의 등 방성 및 기하형태적 특성은 동작 주파수 범위내에서 공명 소자의 분배 모드를 강화시키도록 선택된다. FEA 또는 모델링을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션과 같은 분석법이 상기 파라미터를 선택하는데 사용된다.

상기 분배는, 능동 소자의 제 1 모드가 관심대상인 최저 동작 주파수에 근접하도록 확보하므로써 강화된다. 또한 상기 분배는 예컨대 동작 주파수 범위내에서의 모드 밀도를 높게 하는 등의 요건을 충족하므로써 강화된다. 상기 모드 밀도는, 능동 소자가 주파수에 대해 실질적으로 일정한 유효 평균력을 제공하도록 하는데 충분하면 바람직하다. 에너지 전달이 우수하면 평활한 모드형 공명에 유리하다.

대조적으로, 스마트 재료를 포함하며 트랜스듀서의 기본 공명 이하로 동작하도록 설계된 종래 트랜지스터에 있어서, 출력은 주파수 감소에 따라 하락할 것이다. 이는 주파수에 대해 출력을 일정하게 유지하기 위해 입력 전압을 증가시키는 것이 필요하다.

별도로 또는 덧붙여서, 분배 모드는, 예컨대 모드의 클러스터링(clustering) 또는 "번칭(bunching)" 에 의해 초래된 주파수 응답내의 정점을 평활화 하기 위해 주파수내에서 공명 굴곡파 모드를 균등하게 분배하여 개선하기도 한다. 이러한 트랜스듀서는 분배 모드 트랜스듀서 또는 DMT로 공지되어 있다.

모드를 분배하면, 공명 소자에서 대체로 우세한 고진폭의 공명이 감소되고 이에 따라 공명 소자의 정점 진폭도 감소된다. 그러므로, 트랜스듀서의 잠재적 피로가 감소하고 동작 기간은 현저히 연장된다. 또한, 이동형 트랜스듀서로부터의 균일한 응답을 위한 전위는 구동된 시스템의 비용을 감소시키는 전기적 요구를 덜어 준다.

상기 트랜스듀서는 분배 모드를 각각 갖는 복수의 공명 소자를 포함하고, 상기 공명 소자의 모드들은 동작 주파수 범위내에서 인터리브(interleave)되도록 배열되며 따라서 전체 장치로서의 트랜스듀서내의 분배 모드를 강화시킨다. 상기 공명 소자는 상이한 기본 주파수를 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 파라미터들, 예컨대 공명 소자의 로딩, 기하형태적 특성 또는 굴곡 강도는 다를 수도 있다.

상기 공명 소자는, 예컨대 소자들 사이의 대체로 단단한 스텁(stubs)상에 편리한 방식으로 연결수단에 의해 서로 결합된다. 상기 공명 소자들은 트랜스듀서의 모드성을 강화시키거나 및/또는 힘이 인가된 지점에서의 결합을 강화시키는 결합점에서 결합되는 것이 바람직하다. 연결 수단의 파라미터는 공명 소자내의 모드형 분배를 강화시키도록 선택된다.

상기 공명 소자는 스택내에 배열된다. 상기 결합점은 축방향으로 배치된다. 상기 공명 장치는 수동형이거나 능동형이거나 수동 및 능동형 조합체로서의 복합 트랜스듀서를 형성된다.

상기 공명 소자는 플레이트형이거나 또는 평면밖으로 굴곡되는 형태로 된다. 플레이트형 공명 소자는 슬롯(slot)을 갖거나 또는 불연속으로 형성되는 멀티-공명 시스템을 형성한다. 상기 공명 소자는 빔, 사다리꼴, 타원형이거나 또는 일반적으로 디스크형이다. 또한, 상기 공명 소자는 직사각형일 수도 있으며 또한 짧은 대칭축에 따른 축에 대해 직사각형 평면을 벗어나 굴곡되는 형태일 수도 있다. 이러한 평판 스트립 기하형 트랜스듀서는 US 특허 5,632,841에 공지되어 있다.

상기 공명 소자는 두개의 실질적인 수직축에 따른 모드형으로서 각 축은 통합된 기본 주파수를 갖는다. 두개의 기본 주파수의 비율은 최적의 모드형 분배에 맞게 조정되는 것으로, 예컨대 9:7(~1.286:1)이다.

예를 들어, 이러한 모드형 트랜스듀서의 배열은 편평형 압전 디스크; 적어도 두개 또는 바람직하게는 적어도 3개의 편형형 압전 디스크의 조합체; 두개의 동축 압전 빔; 다중 동축 압전 빔의 조합체; 커브형 압전 플레이트; 다중 커브형 압전 플레이트의 조합체 또는 두개의 동축 커브형 압전 빔이 되기도 한다.

각각의 공명 소자 내에서의 분배 모드의 인터리브는 공명 소자의 주파수 비율, 즉 각 공명 소자의 각 기본 공명의 주파수 비율을 최적화 하므로써 강화된다. 이에 따라 기타와 관련된 각 공명 소자의 파라미터는 트랜스듀서의 전체 모드형 분배를 강화하도록 변경된다.

빔 형성에서 두개의 능동 공명 소자를 이용할 때, 두개의 빔은 1.27:1의 주파수 비율(즉 기본 주파수 비율)을 갖는다. 세개의 빔을 포함하는 트랜스듀서에 있어서, 주파수 비율은 1.315:1.147:1이다. 두개의 디스크를 포함하는 트랜스듀서에 있어서, 주파수 비율은 1.1+/-0.02 내지 1로 고차원 모드 밀도를 최적화하거나 또는 3.2 내지 1로 저차원 모드 밀도를 최적화한다. 세개의 디스크를 포함하는 트랜스듀서에 있어서, 주파수 비율은 3.03:1.63:1 또는 8.19:3.20:1이다.

상기 트랜스듀서는 관성 전기기계력 트랜스듀서이다. 이 트랜스듀서는 음향 라디에이터에 결합되어 음향 라디에이터를 여진함으로써 음향 출력을 발생시킨다.

따라서 본 발명의 제 2 측면에 있어서, 상기에 규정된 바와 같이 음향 라디에이터 및 모드형 트랜스듀서를 포함하는 확성기를 제공하며, 상기 트랜스듀서는 결합 수단을 통해 음향 라디에이터에 결합되어 음향 라디에이터를 여진함으로써 음향 출력을 발생시킨다. 상기 결합 수단의 파라미터는 동작 주파수 범위내에서 공명 소자의 분배 모드를 강화시키도록 선택된다. 상기 결합 수단은 점착층과 같이 흔적만 남아있다.

상기 결합 수단은 음향 라디에이터에 대해 비대칭적으로 위치하므로 트랜스듀서가 음향 라디에이터에 비대칭적으로 결합된다. 상기 비대칭 결합은 여러가지 방식으로 달성되며, 예를 들어 음향 라디에이터 또는 트랜스듀서 내에서 대칭축에 대해 음향 라디에이터 상에서 트랜스듀서의 배향성 또는 위치를 조정하므로써 달성되기도 한다.

상기 결합 수단은 부착선을 형성한다. 또한, 결합 수단은 국소의 부착지역 또는 부착지점을 형성하고, 상기 부착 영역은 공명 소자 크기에 비해 작다. 결합 수단은 예컨대 3 내지 4mm의 작은 직경을 가지며 스텁형태이다. 결합 수단은 소질량을 갖는다.

상기 결합수단은 공명 소자 및 음향 라디에이터 사이에 하나 이상의 결합점을 포함한다. 결합 수단은 부착선 및/또는 부착점의 조합을 포함한다. 예를 들어, 국소의 부착영역 또는 두개의 부착점이 이용되는데, 하나는 능동 소자의 중심 부근에 또다른 하나는 모서리에 위치된다. 이는 일반적으로 강도가 크고 자연공명 주파수를 갖춘 플레이트형 트랜스듀서에 유용하다.

또한 단일 결합점만이 제공되기도 한다. 이는 다중-공명 소자 배열의 경우, 모든 공명 소자의 출력이 상기 단일 결합 수단을 통해 통합됨에 따라 상기 출력이 로드에 의해 합산될 필요가 없는 잇점이 있는 것으로 예를 들면 확성기 라디에이터가 있다. 이러한 합산은 공명 패널 라디에이터 내에서 가능한 반면, 피스톤형 다이어프램에는 적절하지 않을 수도 있다.

상기 결합 수단은 공명 소자상에서 안티-노드(anti-node)에 위치되도록 선택되기도 하며 또한 주파수와 함께 소정의 평균력을 전달하도록 선택되기도 한다. 상기 결합 수단은 공명 소자의 중심으로부터 떨어져 위치된다.

상기 부착선의 위치 및/또는 배향성은 공명 소자의 모드 밀도를 최적화하도록 선택된다. 상기 부착선은 공명 소자의 대칭선과 일치하지 않는 것이 바람직하다. 예를 들어, 직사각형 공명 소자에 있어서, 부착선은 공명 소자의 짧은 대칭축(또는 중심선)으로부터 오프셋(offset)된다. 부착선은 음향 라디에이터의 대칭축에 평행하지않는 배향성을 가진다.

상기 공명 소자의 형상은 일반적으로 공명 소자의 질량중심에 있는 오프센터(off-center) 부착선을 제공하도록 선택된다. 상기 구현예의 한가지 장점은 트랜스듀서가 질량중심에 부착되고 이에 따라 관성 불균형 상태가 없다는 점이다. 이는 사다리꼴 또는 부등변사각형으로 된 비대칭 공명 소자에 의해 확인된다.

빔형 또는 일반적으로 직사각형 공명 소자를 포함하는 트랜스듀서에 있어서, 부착선은 공명 소자의 폭방향으로 연장된다. 상기 공명 소자의 영역은 음향 라디에이터의 영역에 비해 작다.

상기 트랜스듀서는 모든 구조물을 구동하는데 사용된다. 이에 따라 확성기는 동작 주파수 범위의 적어도 일부에서 피스톤형이 되거나 또는 굴곡파 확성기이다. 음향 라디에이터의 파라미터는 동작 주파수 범위 내에서 공명 소자의 분배 모드를 강화하도록 선택된다.

상기 확성기는 공명 굴곡파 모드를 여진하기 위해 음향 라디에이터에 고정된 트랜스듀서 및 음향 라디에이터를 갖는 공명 굴곡파 모드 확성기가 된다. 이러한 확성기는 국제특허 WO97/09842 및 기타 특허에 공지되어 있으며, 분배 모드 확성기로 참조된다.

상기 음향 라디에이터는 패널형태이다. 상기 패널은 편평하고 경량이다. 상기 음향 라디에이터의 재료는 비등방성 또는 등방성이다.

상기 음향 라디에이터의 특성은 주파수내에서 공명 굴곡파 모드를 실질적으로 균등하게, 즉 모드의 클러스터링 또는 "번칭" 에 의해 초래된 주파수 응답의 정점이 평활하게 되도록, 분배하도록 선택된다. 특히, 음향 라디에이터의 특성은 주파수내에서 저주파수 공명 굴곡파 모드를 실질적으로 균등하게 분배하도록 선택된다. 상기 저주파수 공명 굴곡파 모드는 음향 라디에이터의 10번째 내지 20번째로 낮은 저주파수 공명 굴곡파 모드가 바람직하다.

상기 트랜스듀서 위치는 음향 라디에이터 내에서 공명 굴곡파 모드에, 특히 저주파수 공명 굴곡파 모드에 실질적으로 균등하게 결합되도록 선택된다. 다시 말하면, 상기 음향 라디에이터내에서 진동식 능동 공명 안티-노드의 수는 비교적 많고 서로 반대방향이며 공명 노드의 수는 비교적 적은 위치에 트랜스듀서가 장착된다. 이러한 위치는 임의로 사용되지만, 편리한 위치는 대체로 음향 라디에이터의 너비축 및 길이축 각각에 대해 38% 내지 62% 사이에 있는 중심-근접 위치, 즉 오프센터(off-center)이다. 구체적인 또는 적절한 위치들은 상기 축들에 따른 길이의 3/7,4/9 또는 5/13에 있으며; 길이축 및 너비축이 다른 비율인 것이 바람직하다. 1:1.13 또는 1:1.41의 종횡비을 갖는 등방성 패널의 4/9 길이, 3/7 폭이 바람직하다.

상기 동작 주파수 범위는 비교적 넓은 주파수 범위에 걸쳐 있거나 오디오 범위 및 초음파 범위내일 수도 있다. 또한 보다 넓은 대역폭 및/또는 큰 동력이 분배 모드 트랜스듀서의 조작으로 유용하게 되는 이미지 및 사운드 분야, 수중음파 탐지기 분야도 있다. 이에 따라, 트랜스듀서의 단일 주도형 자연공명에 의해 규정된 범위보다 큰 범위에 걸친 동작이 완성된다.

상기 동작 주파수 범위 내에서의 최저주파수는 트랜스듀서의 기본 공명 정도의 예정된 하한치보다 높은 것이 바람직하다.

예를 들어, 빔형 능동 공명 소자에 있어서, 힘은 빔의 중심에서 제공되고 또한 부착된 음향 라디에이터 내의 모드형태에 매치된다. 이러한 방식으로, 작동 및 반응은 주파수에 대해 일정한 출력을 제공하도록 상호협조한다. 상기 공명 소자의 안티-노드에서 상기 공명 소자를 음향 라디에이터와 연결하므로써, 공명 소자의 제 1 공명은 저임피던스로 나타난다. 상기 방식에서, 음향 라디에이터는 공명 소자의 공명을 증폭시키지 않는다.

본 발명의 제 3 구현예에 따르면, 상기 정의된 바와 같이 임의로 발생되는 음향 에너지에 응답하여 전기적 출력을 제공하도록 부재에 결합된 모드형 트랜스듀 서 및 오디오 입력을 지지할 수 있는 부재를 포함하는 마이크로폰을 제공한다.

본 발명의 제 4 구현예에 따르면, 상기 정의된 바와 같이 모드형 액츄에이터를 포함하는 본 컨덕션 히어링 에이드(bone conduction hearing aid)를 제공한다.

본 발명의 제 5 구현예에 따르면, 상기 정의된 바와 같이 공명 음향 라디에이터 및 모드형 트랜스듀서를 포함하는 확성기를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 공명 소자 및 음향 라디에이터의 기계적 임피던스를 분석하는 단계, 공명 소자 및/또는 라디에이터의 요구된 모드형을 달성하고 소자와 라디에이터 사이에서 요구된 파워 전송을 달성하기 위해 라디에이터 및/또는 소자의 파라미터를 선택 및/또는 조정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제 6 구현예에 따르면, 상기 정의된 바와 같이 공명 음향 라디에이터 및 트랜스듀서를 포함하는 확성기를 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 주어진 모드형 작동의 음향 시스템을 위한 속도 및 힘의 변동을 분석 및/또는 비교하는 단계, 속도 및 힘의 조합치를 선택하여 선택된 파워 전송을 달성하는 단계를 포함한다.

도 1은 본 발명을 구현하는 패널형 확성기를 나타내는 도면,

도 1a는 도 1의 A-A선에 따른 수직 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 파라미터화된 모델을 나타내는 평면도,

도 2a는 도 2의 트랜스듀서의 부착선에 따른 수직 단면도,

도 3은 도 2의 트랜스듀서의 서스펜션(suspension) 길이에 대한 비용을 나 타내는 그래프,

도 4는 공명 소자 길이의 44% 지점에 장착된 도 2의 트랜스듀서의 종횡비에 대한 비용을 나타내는 그래프,

도 5는 공명 소자 길이의 44% 및 50% 지점에 장착된 트랜스듀서와 함께 도 1의 패널형 확성기에 대한 주파수 응답의 FEA 시뮬레이션을 나타내는 그래프,

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또다른 일면에 따른 트랜스듀서를 나타내는 평면도,

도 7은 도 6a 및 도 6b의 트랜스듀서에 대한 TR 및 AR에 대한 비용함수를 나타내는 도면,

도 8은 단일 압전 빔 트랜스듀서에 대한 주파수 응답을 나타내는 도면,

도 9는 본 발명의 구현예에 따른 이중 빔 트랜스듀서를 나타내는 측면도,

도 10은 도 8 및 도 9의 트랜스듀서의 주파수 응답을 나타내는 그래프,

도 11a 내지 도 11c은 이중 빔 트랜스듀서, 삼중 빔 트랜스듀서 및 다중 디스크 트랜스듀서 각각의 α(주파수 비율)에 대한 비용을 나타내는 그래프,

도 11d는 본 발명의 또다른 일면에 따른 삼중 디스크 트랜스듀서의 반경 비율에 대한 비용을 나타내는 그래프,

도 12a는 본 발명의 또다른 일면에 따른 다중 소자 트랜스듀서를 나타내는 측면도,

도 12b는 도 12a의 트랜스듀서를 나타내는 평면도,

도 13은 2개의 플레이트를 포함하는 트랜스듀서의 종횡비에 대한 비용 함수 를 나타내는 그래프,

도 14는 패널상에 장착된 다른 두께로 된 3개의 트랜스듀서에 대한 주파수 응답(주파수(Hz)에 대한 사운드 압력(dB))을 나타내는 도면,

도 15는 3개의 다른 패널상에 장착된 본 발명에 따른 트랜스듀서에 대한 주파수 응답(주파수(Hz)에 대한 사운드 압력(dB))을 나타내는 도면,

도 16 은 다양한 로드에 대한 힘, 속도, 파워를 나타내는 그래프,

도 17은 감쇄질량이 부가된/부가되지 않은 패널상에 장착된 본 발명에 따흔 트랜스듀서에 대한 주파수 응답을 나타내는 도면,

도 18은 도 17에 따른 트랜스듀서를 나타내는 측면도,

도 19는 본 발명의 또다른 일면에 따른 트랜스듀서를 나타내는 측면도,

도 20은 도 19의 트랜스듀서를 나타내는 평면도,

도 21a 및 도 21b는 본 발명의 또다른 일면에 따른 트랜스듀서의 평면 및 각면을 나타내는 도면,

도 22는 본 발명의 또다른 일면에 따른 트랜스듀서를 나타내는 측면도,

도 23은 본 발명의 또다른 일면에 따른 캡슐화된 트랜스듀서를 나타내는 측면도,

도 24는 피스톤형 확성기의 원추상에 장착된 본 발명에 따른 트랜스듀서를 나타내는 측면도,

도 25a 및 25b는 본 발명의 또다른 일면에 따른 트랜스듀서의 평면 및 각면을 나타내는 도면.

도 1은 공명 패널(12) 형태의 음향 라디에이터 및 상기 패널(12)상에 장착된 트랜스듀서(14)를 포함하여 패널(12)내에서 골곡파 진동을 여진하는 패널형 확성기(10)를 나타내는 것으로, 예를 들어 WO 97/09842에 공지되어 있다. WO 97/09842에 공지된 공명 굴곡파 패널 스피커(resonant bending wave panel speakers)는 DM 또는 DML 스피커로 알려져 있다. 트랜스듀서(14)는 패널 길이의 4/9 및 패널 폭의 3/7 지점의 위치에서 결합 수단(16)의 패널상에서 중심으로부터 벗어난 위치(오프-센터)에 장착된다. 이는 WO 97/09842에 공지된 바와 같이 패널에 힘을 인가하기 위한 최적의 위치이다.

트랜스듀서(14)는 US 특허 5632841 (국제특허 WO 96/31333)에 공지된 타입의 예비-응력된 압전 액츄에이터이며 상품명이 NASDRIV으로 PAR TECHNOLOGIES에서 생산된다. 이에 따라 트랜스듀서(14)는 능동 공명 소자이다.

도 1 및 도 1a에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서(14)는 평면을 벗어난 곡면이 있는 직사각형이다. 상기 트랜스듀서(14)의 곡면은 결합 수단(16)이 부착선의 형태인 것을 말한다. 이에 따라 트랜스듀서(14)는 A-A선에 따른 패널(12)에만 부착된다. 트랜스듀서는 중심부에 탑재되는데, 즉 부착선이 트랜스듀서의 짧은 대칭축에 따른 트랜스듀서 길이의 중간쯤에 있다. 부착선은 패널의 긴 면의 약 120°에서 비대칭적으로 배향된다. 따라서 부착선은 패널의 대칭축에 평행하지 않다.

부착선의 배향각 θ은 두개의 "불량 측정값"을 이용하여 중심장착된 최적의 각도를 모델링하여 함으로써 최적의 각도를 구한다. 예를 들어, 응답의 로그(dB) 크기의 표준편차가 "조도(roughness)"이다. 이러한 양호/불량 표식은 국제 특허 WO 99/41839에 기술되어 있다.

모델링에 있어서, 패널 크기는 524.0mm x 462.0mm 으로 설정되어 모델을 단순화하며, 패널 재료는 상기 패널 크기를 얻기에 최적이 되는 것 선택된다. 모델링의 결과는, 중심장착된 트랜스듀서에 있어서, 180°의 각도 변화가 아무런 영향을 미치지 않는다는 것을 보여주며 따라서 확성기의 성능이 각도에 대해 지나치게 민감하지 않다는 것을 나타낸다. 그러나, 약 90° 내지 120°의 배향 각도는 두 방법에 의해 비교적 잘 평가되므로 개선효과가 있다. 이에 따라, 트랜스듀서(14)는 패널(12)의 긴 면에 대해 30° 상향으로 배향되어야 한다.

트랜스듀서가 중심을 관통해 짧은 축 위의 부착선을 따라 패널상에 장착될 때, 트랜스듀서의 2개의 아암(arm)의 공명 주파수들이 일치한다.

능동 공명 소자 형태에서 파라미터화된 모델은 도 2에 도시되어 있다. 상기 모델에서 능동 공명 소자의 길이(L)에 대한 폭(W) 비율과, 트랜스듀서를 따라서 부착점(16)의 위치(x)는 변경된다. 상기 능동 공명 소자는 길이 76mm의 직사각형이다. 도 2a는 부착의 오프센터선을 따라가서 패널(12)상에 장착된 모델화된 트랜스듀서(14)을 나타낸다.

상기 분석의 결과가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 도 3은 최적의 서스펜션점이 공명 소자 길이의 43% 내지 44% 지점에서 부착선을 갖는 것을 도시한다: 비용함수(또는 "불량" 측정)는 상기 수치에서 최소화된다; 길이의 4/9지점에서 부착점을 추정하는 것과 같다. 또한, 컴퓨터 모델링은 상기 부착점이 트랜스듀서 폭 범위에 부합하는 것을 보여준다. 또한 공명 소자 길이의 33% 내지 34%에서의 제 2 서스 펜션점은 적절한 것으로 나타난다.

도 4는 공명 소자 길이의 44% 지점에 장착된 공명 소자의 종횡비(AR=W/2L)에 대한 비용(또는 rms 중심비율)을 나타낸다. 최적의 비율은 1.06+/-0.01 내지 1이며, 이는 상기 값에서 비용함수가 최소화되기 때문이다.

사전에, 패널(12)에 대한 부착의 최적 각도 θ는 즉 모델링을 이용하여 44% 지점에서의 부착점과 1.06:1의 종횡비를 갖는 최적화된 트랜스듀서에 대해 결정되는 것이다. 각도가 0°일때, 트랜스듀서점들의 더 긴 부분은 하향한다. 이같은 변형예에서, 부착선(16)의 회전은 더욱 심한 영향을 미칠 것이며 부착 위치는 더이상 대칭적이지 않다. 약 270°의 각도, 즉 좌측과 마주하는 보다 더 긴 단부가 있는 것이 바람직하다.

길이의 44% 및 50% 지점에서 부착된 트랜스듀서의 주파수 응답은 도 5에 도시된 바와 같이 측정된다. 선(20)내에 도시된 44% 오프셋은 선(22)에 도시된 중간장착된 트랜스듀서보다 높은 주파수에서 리플(ripple)이 약간 많은 대신 약간 더 확장된 베이스(bass)를 제공한다.

오프셋 드라이브의 증가된 모드 밀도가 직사각형 트랜스듀서의 질량중심이 아닌 부착 위치에서 일어난 관성 불균형 상태에 의해 절충되는 것으로 여겨진다. 따라서, 분석조사는 고유의 불균형이 우수한 모드성을 잃지 않고 개선되는지의 여부를 알아내는데 촛점을 맞추었다.

도 6a 및 도 6b는 두번째 실시예, 즉 사다리꼴 단면을 갖는 공명 소자 형태의 비대칭형 트랜스듀서(18)를 나타낸다. 사다리꼴 형태는 두개의 파라미터인, AR( 종횡비) 및 TR(테이퍼비: taper ratio)에 의해 제어된다. AR 및 TR는 일부 제약을 만족시키는 -예를 들어, 선의 측면이 등질량인- 제 3 파라미터 λ를 결정한다.

등질량(또는 등면적)에 관한 제약방정식(constraint equation)은 다음과 같다;

상기 식은 종속 변수인 TR 또는 λ에 대해 쉽게 풀 수 있으며 그 결과는 다음과 같다:

관성 모멘트를 균등화하기 위한, 또는 전체 관성 모멘트를 최소화하기 위한 방정식을 쉽게 얻을 수 있다.

상기 관성 모멘트(또는 제 2 영역 모멘트)를 균등화하기 위한 제약방정식은;

이다.

전체 관성 모멘트를 최소화하기 위한 상기 제약방정식은

이다.

비용함수("불량" 측정)는 0.9 내지 1.25 범위의 AR 및 0.1 내지 0.5 범위의 TR을 이용하고, 등질량에 관하여 λ를 한정함으로써 얻은 40 FEA 시행 결과에 대하여 그래프로 나타내었다. 이에 따라, 트랜스듀서는 질량중심에 장착된다. 그 결과는 도표화되어 AR 및 TR에 대한 비용함수를 나타내는 도 7에 도시되어 있다.

TR	λ	0.9	0.95	1	1.05	1.1	1.15	1.2	1.25
0.1	47.51%	2.24%	2.16%	2.16%	2.24%	2.31%	2.19%	2.22%	2.34%
0.2	45.05%	1.59%	1.61%	1.56%	1.57%	1.50%	1.53%	1.66%	1.85%
0.3	42.66%	1.47%	1.30%	1.18%	1.21%	1.23%	1.29%	1.43%	1.59%
0.4	40.37%	1.32%	1.23%	1.24%	1.29%	1.25%	1.29%	1.38%	1.50%
0.5	38.20%	1.48%	1.44%	1.48%	1.54%	1.56%	1.58%	1.60%	1.76%

도 7 및 상기 도식된 결과는 AR=1 및 TR=0.3이고 43%에 가까운 λ에 대하여 최적의 형태 (도 7에서 점(28)에 라벨된)를 나타낸다. 이에 따라 사다리꼴 트랜스듀서의 잇점은 트랜스듀서가 대칭선이 아닌 질량/무게 중심에 있는 부착선을 따라서 장착된다는 점이다. 이같은 트랜스듀서는 관성 불균형화 되지 않고, 향상된 모드형 분배의 장점을 가질 것이다.

따라서, 최적화된 사다리꼴 트랜스듀서의 모델은 가장 적절한 배향성을 구하기 위해, 상기와 동일한 패널 모델에 제공된다. 이에 따라 패널 크기는 524.0mm x 462.0mm 크기로 설정되고 패널 재료는 패널크기에 맞게 최적조건이 되도록 선택된 다. 앞서 사용된 두개의 비교방법은 배향성을 위한 최적 각도로서 270°내지 300°을 재선택한다.

트랜스듀서의 모드화를 최적화하는 별개의 방식은 두개의 동축 압전 빔과 같은 두개의 능동 소자를 포함하는 트랜스듀서를 사용하는 것이다. 빔은 일군의 모드를 갖추고, 기본 모드에서 시작하며, 빔의 재료 특성적 및 기하형태적 특성에 따라 정의된다. 상기 모드들은 광범위하게 이격되며 공명상에서 트랜스듀서를 이용하여 확성기의 성능을 제한한다. 이에 따라, 제 1 빔의 모드형 분배로 주파수내에 인터리브되는 분배 모드를 갖는 제 2 빔이 선택된다.

상기 분배를 인터리브하므로써, 트랜스듀서의 전체 출력이 최적화된다. 최적성의 기준은 수작업에 적합한 것으로 선택된다. 예를 들어, 두개 빔의 트랜스듀서에 대한 통과대역(pass-band)이 2차 모드에 의해서만 달라진다면, 처음의 10개 모드의 인터리브를 최적화하는데 적절하지 않으므로, 처음 3개 또는 4개의 모드의 최적성을 손상시킨다.

예를 들면, 전체가 36mm 길이 및 12mm의 폭와 350마이크론의 두께를 갖는 제 1 압전 바이몰프는 약 960Hz에서 기본 굴곡 공명을 갖는다. 처음 모드는 표 1에 나타나있다.

표 1

번호	주파수(Hz)
1	957
2	2460
3	5169
4	8530

제 1 트랜스듀서는 소형 패널상에 장착되며 주파수 응답은 도 8에 나타나있 다. 830Hz 및 3880Hz에서 강한 출력(38)이 나타나고 1.6kHz 및 7.15kHz에서 강하부(dip)를 갖는다. 공명 주파수는 예측된 것보다 낮으며 그 이유는 압전 재료의 기계적 특성을 정확하게 예측하는 것이 어렵기 때문일 것이다.

상기 주파수응답은 강하부(40) 주변에서의 출력을 끌어올리는데 필요하므로, 사용되는 것보다 더 많은 강하부를 포함한다. 이에 따라 보상 주파수군, 즉 제 1 트랜스듀서를 위한 강하부가 있는 정점을 갖춘 주파수응답을 발생시키는 주파수군을 가진 빔이 바람직하다.

압전 소자가 짧으면 더 높은 기본 공명을 가질 것이다. 길이 28mm의 빔을 에 관한 모드는 표 2에 나타낸다;

표 2

번호	주파수(Hz)
1	1584
2	4361
3	8531
4	14062

도 9에 도시된 바와 같이 두개의 빔은 이중 빔 트랜스듀서(42)를 형성하도록 조합된다. 트랜스듀서(42)는 제 1 압전 빔(43) 및 이 것의 후측에 장착된 제 2 압전 빔(51)을 구비하고 이것은 상기 두 빔의 중심에 위치된 스텁(48) 형태의 연결 수단에 의해 장착된다. 각 빔은 바이몰프이다. 제 1 빔(43)은 상이한 압전 재료의 2개의 레이어(44,46)를 포함하며 제 2 빔(51)도 2개의 레이어(50,52)를 포함한다. 상기 압전 재료의 레이어 각각의 편극방향은 화살표(49)로 도시되어 있다. 각 레이어(44,50)는 바이-몰프내에 다른 레이어(46,52)와 대향하는 편극방향을 갖는다.

제 1 압전 빔(44,46)은 제 1 빔의 중심에 위치된 스텁(56) 형태의 결합 수단에 의해 굴곡파 확성기 패널과 같은 구조체(54)상에 장착된다. 상기 빔은 DML 패널의 한 면 상의 가능한 여러 위치에서 사용된다.

제 1 빔을 중심에만 장착하므로써 짝수차 모드가 출력을 발생시킨다. 상기 두 빔은, 제 2 빔을 제 1 빔 뒤에 위치시키고 스텁을 이용하여 두 빔을 중심 결합시키므로써 동일축 상에 배치된 또는 동축위치를 구동하는 것으로 생각할 수 있다.

소자들이 함께 접합될 때, 그 결과로 된 분배 모드는 분리군의 주파수들의 합이 아니며, 그 이유는 각 소자가 다른 소자의 모드를 변형시키기 때문이다. 도 10의 주파수는 단일 빔(60)을 포함하는 트랜스듀서와, 두 빔이 함께(62) 사용된 트랜스듀서 사이의 차이를 나타낸다. 상기 두 빔은 개별 모드형 분배가 인터리브되어 트랜스듀서의 전체 모드성을 강화시키도록 설계된다. 상기 두 빔은 함께 부가되어 관심 대상이 되는 주파수 범위에 걸쳐 유용한 출력을 발생시킨다. 부분적인 협소한 강하부는 개별 짝수차 모드에서 압전 빔들 사이의 상호작용 때문에 일어난다.

제 2 빔은 두 빔의 기본 공명의 비율을 이용하여 선택된다. 재료 및 두께가 동일하다면, 주파수 비율이 길이 비율의 제곱이 된다. 큰 f0(기본 주파수)가 큰 빔의 f0과 f1의 사이의 중간에 위치하면, 작은 빔의 f3과 f4이 일치한다.

도 11a은 이상적인 비율이 1.27:1임을, 즉 비용함수가 점(58)에서 최소화되는 것을 보여주는 두 빔의 주파수 비율에 대한 비용함수를 나타내는 그래프이다. 상기 비율은 WO 97/09482에 기술된 "골든" 종횡비(f02:f20의 비율)와 동등하다.

트랜스듀서의 모드성을 향상시키는 방법은 트랜스듀서 내에서 세개의 압전 빔을 이용하여 시행된다. 도 11b는 세 빔의 주파수 비율에 대한 비용함수 그래프의 한 구역을 나타낸다. 이상적인 비율은 1.315:1.147:1이다.

빔과 같은 능동 소자들을 조합하는 방법은, 압전 디스크를 이용하여 시행된다. 두 디스크를 이용함에 있어서, 두 디스크의 크기 비율은 얼마나 많은 모드가 고려되는지에 따라 달라진다. 고차원 모드 밀도에 있어서, 약 1.1 +/- 0.02 내지 1의 기본 주파수 비율은 바람직한 결과를 가져온다. 저차원 모드 밀도(즉, 처음의 소수개 혹은 5개의 모드)에 있어서, 약 3.2:1의 기본 주파수 비율이 적절하다. 제 1 갭(gap)은 더 큰 디스크의 제 2 및 제 3 모드 사이에 온다.

제 1 및 제 2의 방사 모드 사이의 큰 갭 때문에, 두개의 디스크보다 세개의 디스크에서 더욱 우수한 인터리브가 달성된다. 제 3 디스크를 이중 디스크 트랜스듀서에 부가할 때, 첫번째 목표는 이전 경우의 큰 디스크의 제 2 및 제 3 모드 사이의 갭을 플러그하는 것이다. 그러나, 기하형태적 진행에서 상술한 바 만이 해법이 아님을 알 수 있다. f0, α.f0, α².f0의 기본 주파수 및 도 11c에서의 도 11c의 rms(α,α²)그래프를 이용하여 계산하므로써, α을 위한 두개의 기본 최적값이 존재함을 알 수 있다. 이 값은 각각 약 1.72 및 2.90로서 그래프상에서 두개의 최소치(65)가 된다. 갭을 메우는 방법에 상응하는 것은 후자 값이다.

두 눈금이 소거되는 방식으로 fo, α.fo, β.fo의 기본 주파수를 이용하고 상기 α 값을 시드값으로 사용하면, 좀더 적절한 최적치를 얻을 수 있다. 한쌍의 파라미터(α, β)은 (1.63, 3.03) 및 (3.20, 8.19)이다. 이 최적치들은 피상적인 값으로, 파라미터 값에서 10% 또는 심지어 20%의 변동이 허용가능함을 뜻한다.

상이한 디스크의 조합을 결정하는 또다른 접근방법은 비용을 세개의 디스크의 반경 비율 함수로써 고려하는 것이다. 도 11d는 반경 비율에 대한 세개의 상이한 비용 함수를 구한 FEA 분석의 결과를 나타낸다. 도 11d에서, 이들 3개의 디스크는 함께 결합되었으나, 각 디스크들은 독립적으로도 유사한 결과를 가져온다는 점이 주목된다.

3개의 비용함수는 각각 선(64), (66), (68)로 표시되는 RSCD(Ratio of Sum Of Central Differences), SRCD(Sum of the Ratio of Central Differences), SCR(Sum of Central Ratios)이다. 일군의 모드형 주파수에 있어서, 함수 f₀, f₁, f_n, .....f_V는 다음과 같이 정의된다:

RSCD (R + CD) :

CR:

SCRD ( + RCD):

최적의 반경 비율, 즉 비용 함수가 최소화 된 곳은 도 11d의 세 선에서 1.3이다. 반경 비율의 제곱이 주파수 비율과 동일하기 때문에, 이같이 동일한 재료 및 두께의 디스크에 있어서, 1.3*1.3=1.69의 결과 및 1.67의 분석적 결과는 바람직하다.

또한, 수동 소자들은 트랜스듀서 내에 통합되어 전체 모드성을 향상시킨다. 능동 및 수동 소자들은 계단식으로 설치된다. 도 12a 및 도 12b는 두개의 수동 공명 소자(74)와 함께 적층된(stacked) 두개의 능동 압전 소자(72)를 포함하는 다중 디스크 트랜스듀서(70)를 나타내는데, 예를 들어 수동 및 능동 소자들의 모드들이 인터리브 되도록 한 얇은 금속 플레이트이다. 소자들은 각각의 능동 및 수동 소자의 중심에서 스텁(78) 형태의 연결 수단에 의해 연결된다. 각 소자는 상기 적층된 것의 상부 및 하부에 제일 작은 디스크 및 제일 큰 디스크가 각각 위치된 상이한 치수를 갖는다. 상기 트랜스듀서(70)는 상기 제일 큰 디스크가 있는 제 1 수동 장치의 중심에 위치된 스텁(78) 형태의 결합 수단에 의해, 패널과 같은 로드장치(76)상에 장착된다.

트랜스듀서의 모드성을 향상시키는 방법은 압전 플레이트 형태의 두 능동 소자들을 포함하는 트랜스듀서에 시행된다. 두 플레이트의 치수(1*α) 및 (α*α²)는 (3/7, 4/9)에서 결합된다. 도 13은 종횡비(α)에 대한 비용 함수를 나타내며 α에 대한 최적치는 1.14이다. 그러므로 주파수 비율은 1.3:1(1.14*1.14=1.2996)이다.

또한, 트랜스듀서의 모드 특성을 변경하는 대안으로서, 예컨대 트랜스듀서가 장착된 패널 같은 객체의 파라미터는, 트랜스듀서의 모드성과 매치하도록 변경되기도 한다. 예를 들어 패널상에 장착된 능동 공명 소자 형태의 트랜스듀서를 고려하여, 도 14 및 도 15는 주파수 응답이 패널의 두께 및 트랜스듀서의 두께에 따라 어떻게 다른지를 각각 나타낸다. 능동 소자는 압전 빔 형태이다. 도 14는 177 마이크론, 200 마이크론, 150 마이크론의 빔 각각에 대한 세개의 주파수 응답(84), (86), (88)을 갖는다. 도 15는 1.1mm, 0.8mm, 1.5mm 두께의 패널 각각에 대한 세개의 주파수 응답 (90,),(92),(94)을 갖는다.

도 14 및 도 15는 1.1mm의 패널에 대한 주파수 응답이 177 마이크론 두께의 빔에 대한 주파수 응답과 매치되는 것을 보여준다. 그러므로, 1.1mm 패널의 모드성은 177 마이크론 빔의 모드성과 매치된다.

트랜스듀서가 모드형이어도, 평균력 및 평균속도는 모든 로드 또는 패널 임피던스에 대해 계산할 수 있다. 기계력의 최대치는 힘 및 속도가 최대일 때 가능하다. 도 16에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서는 모든 로드를 구동하는데 사용되며 최적의 로드값은 로드 저항에 대한 속도(170), 힘(172), 기계력(174)를 계산하여 구한다. 로드 저항이 약 12Ns/m일 때 최대력(176)이 생성된다; 보다 낮은 로드 저항에서는 속도가 증가하고 힘이 감소하며, 보다 높은 로드 저항에서는 속도가 감소하고 힘이 증가한다.

도 17은 도 18에 도시된 바와 같이 결합 수단(105)이 있는 압전 트랜스듀서(106)의 단부에 소질량체를 부가한 결과를 나타낸다. 도 17은 질량체가 없는 트랜스듀서, 0.67g의 질량체 두개를 가진 빔, 및 2g의 질량체 두개를 가진 트랜스규서에 대한 주파수 응답(108, 110, 112)을 나타낸다. 2g 질량체 두개를 가진 빔은, 주파수 응답(110)이 중간 범위(1kHz 내지 5kHz)에서 질량체가 없거나 0.67g인 주파수 응답(108,112)보다 변동이 적기 때문에 이상적으로 매치된다.

도 19 및 도 20에서 트랜스듀서(114)는 관성의 전기기계적 이동 코일 여진기이며, 이는 모드형 플레이트(118) 형태의 수동 공명 소자 및 능동 소자(115)를 형성하는 음성 코일을 포함하는 WO 97/09842에 기술되어 있다. 상기 능동 소자(115)는 모드형 플레이트(118)상에 또한 모드형 플레이트의 오프센터에 장착된다. 상기 모드형 플레이트(118)는 결합기(coupler)(120)에 의해 패널(116)상에 장착된다. 상기 결합기는 패널(116) 평면의 수직축(119)이 아닌 능동 소자의 축(Z)과 함께 배치된다. 이에 따라 트랜스듀서는 수직축(Z)과 일치하지 않는다. 상기 능동 소자는 전기 와이어(122)를 통해 전기적 신호 입력과 연결된다.

도 20에 도시된 바와 같이, 모드형 플레이트(118)는 천공형으로 음향 방사를 감소시킨다. 능동 소자는 모드형 플레이트(118)의 오프센터, 예컨대 최적의 장착 위치인 (3/7, 4/9)에 설치된다. 또한, 트랜스듀서(114)는 패널(116)상의 오프센터, 예컨대 최적의 장착 위치인 (3/7, 4/9)에 장착된다. 이에 따라 트랜스듀서(114)는 패널(116)의 평면내에 있는 두개의 수직축(X, Y) 중 어느 것과도 일치하지 않는다.

도 21a 및 도 21b는 스텁 형태의 결합 수단(126)에 의해 패널(128)에 장착 되는 능동 압전 공명 소자를 포함하는 트랜스듀서(124)를 나타낸다. 트랜스듀서(124) 및 패널(128)은 길이에 대한 폭의 비율이 1:1.13이다. 결합 수단(126)은 트랜스듀서 또는 패널의 모든 축(130, X, Y, Z)과 함께 배치되지 않는다. 또한, 결합 수단은 트랜스듀서(124) 및 패널(128)에 대한 오프센터 상의 최적위치에 위치된다.

도 22는 빔 형태로 된 능동 압전 공명 소자 형태의 트랜스듀서(132)를 나타낸다. 트랜스듀서(132)는 스텁 형태로 된 두개의 결합 수단(136)에 의해 패널(134)과 결합된다. 하나의 스텁은 빔의 단부(138)를 향하여 설치되고 기타 스텁은 빔의 중심을 향하여 설치된다.

도 23은 연결 수단(144)과 공명 소자(142)를 둘러싸는 엔클로져(enclosure)(148) 및 연결 수단(144)에 의해 결합된 두개의 능동 공명 소자(142, 143)를 포함하는 트랜스듀서(140)를 나타낸다. 상기 트랜스듀서는 쇼크 및 임팩트 저항을 만들어낸다. 엔클로져는 기계구조적 저임피던스 러버(rubber) 또는 이에 필적하는 중합체를 사용하여 트랜스듀서 동작을 간섭하지 않도록 한다. 상기 중합체가 내수성이면 방수형 트랜스듀서(140)을 제조할 수 있다.

상측 공명 소자(142)는 스텁 형태의 결합 수단을 통해 패널(145)에 결합되는 하측 공명 소자(143)보다 크다. 상기 스텁은 하측 공명 소자(143)의 중심에 위치된다. 능동 소자 각각에 대한 파워 커플링(150)은 엔클로져에서 확장하여 로드장치(도시하지않음)에 대해 우수한 오디오 부착성을 허용한다.

도 24는 피스톤형 확성기의 다이어프램에 힘을 인가하는 본 발명에 따른 트 랜스듀서(152)를 나타낸다. 상기 다이어프램은 트랜스듀서가 장착된 선단을 갖는 콘(154) 형태이다. 상기 콘(154)은 탄력성 말단(158)에 의해 배플(baffle)(156)내에 지지된다.

도 25a 및 25b는 플레이트형 능동 공명 소자 형태의 트랜스듀서(160)을 나타낸다. 상기 공명 소자는 핑거(finger)(164)를 규정하는 슬롯(162)으로 형성되며 이에 따라 다중-공명 시스템을 형성한다. 공명 소자는 스텁(166) 형태의 결합 수단에 의해 패널(168)상에 장착된다.

본 발명은 WO 97/09842에 기술된 바와 같이 트랜스듀서가 분배 모드 물체로 설계된 분배 모드 패널에 상응하는 것이다. 또한 트랜스듀서에서 발생하는 힘은 일반적으로 분배 모드 구동점(예컨대 최적의 위치 (3/7, 4/9))으로 사용될 지점으로부터 얻어진다.

이에 따라 본 발명은 향상된 기능을 갖는 트랜스듀서 및 상기 장치를 사용하는 확성기 또는 마이크로폰을 제공한다.

본 발명의 바람직한 구현예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허 청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

공명 소자 및 상기 공명 소자상의 결합 수단을 포함하는 전기기계력 트랜스듀서로서, 상기 결합 수단은 힘이 인가될 위치에 상기 트랜스듀서를 장착시키며, 상기 트랜스듀서는 원하는 동작 주파수 범위를 가지고, 상기 공명 소자는 상기 동작 주파수 범위내에서 주파수 분배 모드를 가지며, 상기 공명 소자의 파라미터가 상기 동작 주파수 범위내에서 상기 공명 소자의 분배 모드를 강화하도록 하는 것을 특징으로 하는 전기기계력 트랜스듀서.
제 1항에 있어서,

상기 결합 수단이 상기 위치에 대한 공명 소자의 모드형 활성을 결합시키는데 유리한 위치에서 공명 소자에 부착되는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 1항에 있어서,

상기 공명 소자는 수동형이며, 상기 트랜스듀서는 상기 공명 소자를 능동 트랜스듀서 소자에 결합시키는 연결 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 3항에 있어서,

상기 연결 수단은 모드형 활성을 강화시키는데 유리한 위치에서 상기 공명 소자에 부착되는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 3항에 있어서,

상기 능동 소자가 이동 코일, 이동 자석, 압전, 자기변형, 전기변형 및 일렉트렛 장치로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 3항에 있어서,

상기 공명 소자가 천공형인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 1항에 있어서,

상기 공명 소자가 능동형인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 1항에 있어서,

상기 공명 소자는 음향 방사를 완화시키는 작은 음향 어퍼쳐를 갖는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 7항에 있어서,

상기 능동 소자가 압전, 자기변형, 전기변형 및 일렉트렛 장치로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 9항에 있어서,

상기 능동 소자가 예비-응력된 압전 장치인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 5항, 제 9항 또는 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 능동 소자는 플레이트형 기판 상에 장착되는 압전 장치이고, 상기 기판의 폭이 압전 장치 폭의 적어도 두배인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공명 소자가 두개의 실질적으로 수직인 축을 따른 모드형인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 결합 수단의 크기는 동작 주파수 범위내의 파동의 파장과 대등하거나 그 이하인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 동작 주파수 범위 내에서, 상기 결합된 공명 소자는, 능동 소자가 주파수에 대해 실질적으로 일정한 유효 평균력을 제공하도록 충분한 밀도의 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 파라미터가 종횡비, 굴곡 강도의 등방성, 두께의 등방성, 기하학적 특성으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공명 소자가 플레이트형인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 16항에 있어서,

상기 공명 플레이트가 슬롯을 갖거나 불연속으로 형성되어 다중 공명 시스템을 형성하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 또는 각 공명 소자가 전반적으로 빔 형태인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 또는 각 공명 소자가 전반적으로 디스크형태인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 16항에 있어서,

상기 공명 소자가 전반적으로 직사각형인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공명 소자가 사다리꼴인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 18항에 있어서,

상기 공명 소자가 평면을 벗어나 굴곡되는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

각각 분배 모드를 가진 복수의 공명 소자를 포함하고, 상기 공명 소자의 모드들은 상기 동작 주파수 범위내에서 인터리브(interleave)되도록 배열되며, 상기 공명 소자들을 결합시키기 위한 연결 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 23항에 있어서,

상기 또는 각 공명 소자는 전반적으로 빔 형태이고, 1.27:1의 주파수 비율을 갖는 두개의 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 23항에 있어서,

상기 또는 각 공명 소자는 전반적으로 빔 형태이고, 1.315:1.147:1의 주파수 비율을 갖는 세개의 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 23항에 있어서,

상기 또는 각 공명 소자는 전반적으로 디스크형태이고, 1.1 +/- 0.02 내지 1의 주파수 비율을 갖는 두개의 디스크 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 23항에 있어서,

상기 또는 각 공명 소자는 전반적으로 디스크형태이고, 3.2:1의 주파수 비율을 갖는 두개의 디스크 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 23항에 있어서,

상기 복수의 공명 소자들이 디스크형이며 상기 디스크형 소자를 적어도 3개 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 28항에 있어서,

상기 세개의 디스크 소자가 3.03:1.63:1 또는 8.19:3.20:1의 주파수 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 항에 따른 관성 전기기계력 트랜스듀서.
음향 라디에이터 및 제 1항 내지 제 10항 중 어느 항에 따른 트랜스듀서를 포함하며, 상기 트랜스듀서가 음향 라디에이터에 결합되어 상기 음향 라디에이터를 여진(excite)하여 음향 출력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 31항에 있어서,

상기 결합 수단의 파라미터가 동작 주파수 범위 내에서 공명 소자의 분배 모드를 제어하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 31항에 있어서,

상기 결합 수단이 상기 음향 라디에이터에 대해 비대칭적으로 위치되는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 31항에 있어서,

상기 결합 수단이 부착선을 형성하는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 34항에 있어서,

상기 부착선이 상기 공명 소자의 대칭선에 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 34항에 있어서,

상기 부착선이 상기 음향 라디에이터의 대칭축에 평행하지 않은 것을 특징으로 하는 확성기.
제 31항에 있어서,

상기 공명 소자의 형상은 일반적으로 공명 소자의 질량중심에 있는 오프센터(off-center) 부착선을 제공하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 31항에 있어서,

상기 트랜스듀서의 형상이 사다리꼴인 것을 특징으로 하는 확성기.
제 31항에 있어서,

상기 결합 수단이 국소의 부착지역 혹은 부착지점을 형성하는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 31항에 있어서,

상기 결합 수단이 상기 공명 소자의 중심에서 떨어져 위치되는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 40항에 있어서,

상기 결합 수단이 상기 공명 소자의 안티노드(anti-node)에 위치되는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 39항에 있어서,

상기 결합 수단이 상기 공명 소자 및 음향 라디에이터 사이에 하나 이상의 결합점을 포함하는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 31항에 있어서,

상기 음향 라디에이터가 동작 주파수 범위의 적어도 일부에서 피스톤형이 되도록 한 것을 특징으로 하는 확성기.
제 31항에 있어서,

상기 음향 라디에이터는 굴곡파 진동을 지지할 수 있으며 상기 트랜스듀서는 상기 음향 라디에이터 내에서 굴곡파를 여진하여 음향 출력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 44항에 있어서,

상기 음향 라디에이터는 공명 굴곡파 모드를 지지하며 상기 트랜스듀서는 상기 공명 굴곡파 모드를 여진하는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 45항에 있어서,

상기 음향 라디에이터의 파라미터가 동작 주파수 범위 내에서 공명 소자의 분배 모드를 강화하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 45항에 있어서,

상기 음향 라디에이터의 파라미터 및 상기 공명 소자의 파라미터가 동작 주파수 범위내에서 확성기의 분배 모드를 강화하도록 상호협조적으로 선택되는 것을 특징으로 하는 확성기.
제 31항에 있어서,

상기 공명 소자의 영역이 상기 음향 라디에이터의 영역에 비해 작은 것을 특징으로 하는 확성기.
공명 소자 및 음향 라디에이터의 기계적 임피던스를 분석하는 단계, 상기 공명 소자 및/또는 음향 라디에이터의 요구된 모드화를 달성하고 상기 공명 소자 및 음향 라디에이터 사이에 요구된 파워 전송을 달성하기 위해 상기 음향 라디에이터 및/또는 공명 소자의 파라미터를 선택 및/또는 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에서 청구된 트랜스듀서, 및 공명 음향 라디에이터를 포함하는 확성기를 제조하는 방법.
오디오 입력을 지지할 수 있는 부재 및 입사 음향 에너지에 응답하여 전기적 출력을 제공하도록 상기 부재에 결합된 것을 특징으로 하는 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 트랜스듀서를 포함하는 마이크로폰.
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