KR100795371B1 - 선형 진동자 - Google Patents

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KR100795371B1
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김성근
최준근
정석환
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삼성전기주식회사
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    • H02K7/065—Electromechanical oscillators; Vibrating magnetic drives

Abstract

선형 진동자가 개시된다. 소정 간격 이격되어 고정되는 제1 마그네트 및 제2 마그네트; 제1 마그네트와 제2 마그네트 사이에 개재되며, 제1 마그네트 및 제2 마그네트 모두와 반발하도록 착자된 진동마그네트부; 및 진동마그네트부 주변에 형성되는 자기장을 변화시키도록, 진동마그네트부에 인접하여 배치되는 전자석부를 포함하는 선형 진동자는, 자석 간의 반발력을 이용하여 자기 스프링을 구성하고, 자기 스프링의 공진을 이용함으로써 높은 효율을 제공할 수 있다.
선형 진동자, 자기 스프링, 공진

Description

선형 진동자 {Linear actuator}
도 1은 종래기술에 따른 선형 진동자를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 선형 진동자를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 선형 진동자를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 선형 진동자를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 선형 진동자를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 선형 진동자를 나타내는 단면도.
도 7은 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 선형 진동자를 나타내는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 제1 마그네트 20: 제2 마그네트
30: 진동마그네트부 31, 32a, 32b: 진동마그네트
40a, 40b: 코일 50a: 가이드기둥
50b: 가이드벽 60: 추가질량체
본 발명은 선형 진동자에 관한 것이다.
휴대폰, 게임기, 건설기계 등의 전자기기에서 진동을 발생시키는 것을 목적으로 하는 진동발생장치가 많이 존재하고 있다. 그러나 기존의 진동발생장치는 수명과 에너지 효율에 있어서 여러 가지 문제를 가지고 있다. 현재의 진동자는 회전을 이용하는 경우에 브러쉬를 이용하면 수명이 짧은 문제가 생기고, 브러쉬가 없는 경우에 별도의 칩이 필요하다. 탄성체로 된 스프링과 질량체의 공진을 이용하는 경우에 스프링의 수명과 낙하에 취약한 부분이 있다. 전자기적인 영구자석과 전자석의 반발력 및 흡인력을 이용하는 경우에는 에너지의 효율이 떨어지는 단점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 선형 진동자를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 비자성체로 된 관체(1), 영구자석으로 된 진동자(2), 착자 체로 되는 자기 실드 커버(3), 전자석(4), 계자 코일(5)이 도시되어 있다.
종래기술에 따른 선형 진동자는, 영구자석과 전자석의 흡인력 및 반발력을 이용하여 진동을 발생시키는 것으로서, 전자기력에만 의존하기 때문에 에너지의 효 율이 높지 않은 한계를 지니고 있다.
본 발명은 자기장의 반발력으로 자기 스프링을 구성하고 자기 스프링과 질량체의 공진을 이용함으로써 높은 효율을 갖는 선형 진동자를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 소정 간격 이격되어 고정되는 제1 마그네트 및 제2 마그네트, 제1 마그네트와 제2 마그네트 사이에 개재되며, 제1 마그네트 및 상기 제2 마그네트 모두와 반발하도록 착자된 진동마그네트부, 및 진동마그네트부 주변에 형성되는 자기장을 변화시키도록, 진동마그네트부에 인접하여 개재되는 전자석부를 포함하는 선형 진동자를 제시할 수 있다.
제1 마그네트, 제2 마그네트 및 진동마그네트부는 모두 영구자석을 포함하여 이루어지는 것이 좋으며, 진동마그네트부에는 추가질량체가 더 결합될 수 있다.
제1 마그네트와 제2 마그네트는, 대향하는 면이 서로 반대의 극성을 가지며, 진동마그네트부는, 제1 마그네트 및 제2 마그네트 모두와 반발하도록 착자된 제1 진동마그네트로 이루어질 수 있다.
진동마그네트부는 복수의 진동마그네트로 이루어질 수 있는데,
예를 들면, 제1 마그네트에 인접하여 개재되며 제1 마그네트와 반발하도록 착자된 제2a 진동마그네트와, 제2 마그네트에 인접하여 개재되며 제2 마그네트와 반발하도록 착자된 제2b 진동마그네트로 이루어질 수 있다.
한편, 진동마그네트부의 이동을 안내하는 가이드부가 더 형성될 수 있는데,
예를 들면, 양 단부가 각각 제1 마그네트 및 제2 마그네트와 결합되는 가이드기둥으로 이루어질 수 있다. 이때, 진동마그네트부에는 가이드기둥이 관통하도록 홀이 형성될 수 있으며, 홀은, 가이드기둥의 단면의 형상에 상응하도록 형성되는 것이 좋다.
다른 예로, 가이드부는, 진동마그네트부의 외주연부에 인접하여 개재되고, 양 단부는 제1 마그네트 및 제2 마그네트에 각각 결합되는 가이드벽으로 이루어질 수 있다.
전자석부는, 코일 및 코일에 전류를 인가하는 전원부를 포함하여 이루어질 수 있으며, 코일은 가이드부에 결합될 수 있다.
전원부는 교번(交番)하는 전류를 인가하는 것이 좋으며, 이때 전류는, 선형 진동자의 고유진동수에 상응하는 주파수를 가지는 것이 좋다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위을 포함한 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 선형 진동자의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 선형 진동자를 나타내는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 제1 마그네트(10), 제2 마그네트(20), 제1 진동마그네트(31), 코일(40a), 가이드기둥(50a), 추가질량체(60)가 도시되어 있다.
제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20)는 대향하는 면이 서로 반대되는 극성을 갖도록 소정간격 이격되어 배치된다. 도 2를 기준으로 설명하면, 제1 마그네트(10)는 S극, 제2 마그네트(20)는 N극이 서로 대향하도록 배치된다. 제1 마그네트(10)의 N극과 제2 마그네트(20)의 S극이 서로 대향하도록 배치할 수 있음은 물론이다.
별도의 전원공급이 필요치 않도록, 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20)는 모두 영구자석으로 이루어진다.
이렇게 배치된 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20)는 소정간격 이격되어 고정됨으로써, 이동하지는 않고, 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이의 공간에 소정의 자기장을 형성한다.
한편, 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20)가 이격되는 거리는, 추후 설명할 고유 진동수에 영향을 미치는 변수로서 작용한다. 따라서, 설계상의 필요에 따라 다양하게 변경할 수 있다.
제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이의 공간에는 이하에서 설명할 제1 진동마그네트(31)가 개재된다.
제1 진동마그네트(31)는 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이에서 진동하는 진동마그네트부를 이룬다. 본 실시예에서는 제1 진동마그네트(31) 하나만으 로 진동마그네트부를 이루도록 하였으나, 진동마그네트부는 복수의 진동마그네트로 이루어질 수도 있다. 이에 대해서는 추후에 설명하도록 한다.
제1 진동마그네트(31)는 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이의 공간에 개재되며, 제1 마그네트(10) 및 제2 마그네트(20) 모두와 반발하도록 착자된다. 도 2를 기준으로 설명하면, 제1 마그네트(10)에 인접한 면은 S극을 나타내고, 제2 마그네트(20)에 인접한 면은 N극을 나타낸다.
이러한 구성으로, 제1 진동마그네트(31)는 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 모두로부터 반발력을 받게 되고, 두 반발력 사이의 평형이 이루어지는 소정의 위치에서 정지하게 된다. 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20)가 동일한 성질을 갖는 것이라면, 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이의 중간지점에서 제1 진동마그네트(31)가 정지하게 된다.
이때, 제1 진동마그네트(31)가 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이의 공간으로부터 이탈할 염려가 있으므로, 이를 방지하기 위한 가이드부(50a, 50b)가 형성된다.
가이드부(50a, 50b)는 제1 진동마그네트(31)의 이동을 안내하는 역할을 수행한다. 즉, 제1 진동마그네트(31)가 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이의 공간으로부터 이탈하는 것을 방지하는 것이다.
본 실시예에서는, 가이드부로서, 일단부는 제1 마그네트(10)에 결합되고, 타단부는 제2 마그네트(20)에 결합되는 가이드기둥(50a)을 제시하였다. 이때, 제1 진동마그네트(31)에는 가이드기둥(50a)이 관통할 수 있도록 가이드기둥의 단면 형상 에 상응하는 홀(미도시)이 형성된다.
이러한 구조를 통해, 제1 진동마그네트(31)는 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이의 공간으로부터 이탈할 수 없게 된다.
한편, 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따르면, 가이드부로서 제1 진동마그네트(31)의 외측면을 감싸는 가이드벽(50b)을 제시할 수도 있다. 이러한 구조는 도 3을 통하여 확인할 수 있다.
가이드벽(50b)은 제1 진동마그네트(31)의 외주면을 따라 형성되고, 일단부는 제1 마그네트(10)에, 타단부는 제2 마그네트(20)에 결합된다.
가이드벽(50b)은 제1 진동마그네트(31)의 외주면을 빠짐없이 감싸는 형상일 수도 있으나, 설계상의 필요에 따라 일정 부분은 제외할 수도 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따르면, 가이드부로서, 상술한 가이드기둥(50a)과 가이드벽(50b)을 함께 제시할 수도 있다. 이러한 구조는 도 4를 통하여 확인할 수 있다.
전자석부는 제1 진동마그네트(31) 주변에 형성되는 자기장을 변화시키는 수단이다.
전자석부가 작동하지 않는 경우, 상술한 바와 같이, 제1 진동마그네트(31)는 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이의 소정의 위치에서, 힘의 평형에 의해 정지하게 된다.
이렇게 정지된 제1 진동마그네트(31)의 주위에 자기장의 변화를 주면, 제1 진동마그네트(31)에 가해지는 힘의 평형이 깨지게 되어, 제1 진동마그네트(31)는 이동하게 된다. 이때, 가이드부(50a, 50b)는 제1 진동마그네트(31)가 제1 마그네트(10) 또는 제2 마그네트(20)를 향하는 방향으로 이동할 수 있도록 인도한다.
본 실시예에서는, 전자석부로서 가이드부(50a, 50b)에 결합되는 코일(40a, 40b)과 코일(40a, 40b)에 전류를 인가하는 전원부(미도시)를 제시하였다. 전원부(미도시)에 의해 코일(40a, 40b)에 전류가 인가되면, 코일(40a, 40b)의 주변에 자기장이 형성된다. 코일(40a, 40b)의 주변에 형성되는 자기장에 의해, 제1 진동마그네트(31)에 가해지는 외력은 변화하게 된다.
제1 진동마그네트(31)에 가해지는 외력이 변함에 따라, 힘의 평형에 따라 정지해 있던 제1 진동마그네트(31)는 이동하게 되는 것이다.
한편, 코일(40a, 40b)에 흐르는 전류에 의해 형성되는 자기장은 코일에 흐르는 전류의 방향에 따라 변하게 된다. 따라서, 코일(40a, 40b)에 교번(交番)하는 전류를 공급하면, 제1 진동마그네트(31)에 가해지는 외력 역시 주기적으로 변하게 되어, 제1 진동마그네트(31)는 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이를 주기적으로 왕복하게 된다. 이러한 시스템으로 자기 스프링을 구성할 수 있게 된다.
상술한 자기 스프링을 포함하여 이루어지는 선형 진동자의 효율을 높이기 위하여 공진현상을 이용한다. 즉, 자기 스프링의 고유진동수에 상응하는 주파수를 갖는 전류를 코일에 인가함으로써, 진동의 효율을 극대화 하는 것이다.
한편, 공진을 고려한 선형 진동자 설계를 위하여, 제1 진동마그네트(31)에 추가질량체(60)를 결합할 수 있다. 상술한 구조의 자기 스프링의 고유진동수가 제1 진동마그네트(31)의 질량에 의존하는 함수의 형태로 나타나므로, 추가질량체(60)를 제1 진동마그네트(31)에 결합하여 제1 진동마그네트(31)의 질량을 변경함으로써, 고유진동수를 설계할 수 있는 것이다.
또한, 상술한 바와 같이, 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이의 거리 역시 자기 스프링의 고유진동수에 영향을 미치는 변수이다. 따라서, 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이의 거리 및 추가질량체(60)를 조절함으로써 고유진동수를 설계할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 선형 진동자를 나타내는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 제1 마그네트(10), 제2 마그네트(20), 제2a 진동마그네트(32a), 제2b 진동마그네트(32b), 코일(40a), 가이드기둥(50a), 추가질량체(60)가 도시되어 있다.
전술한 실시예들과는 달리, 본 실시예에서는 진동마그네트부(30)가 복수의 진동마그네트(32a, 32b)로 이루어지도록 하였다.
이로써, 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20)의 대향하는 면이 서로 반대되는 극성을 가지지 않는 경우에도 진동마그네트부(30)가 제1 마그네트(10) 및 제2 마그네트(20) 모두와 반발하도록 형성될 수 있게 된다.
또한, 제2a 진동마그네트(32a)와 제2b 진동마그네트(32b) 사이에 추가질량체(60)가 개재되도록 함으로써 그 결합을 견고히 할 수도 있게 된다.
본 실시예에서는 진동마그네트부가 두 개의 진동마그네트로 이루어지는 것을 제시하였으나, 진동마그네트의 수를 다양하게 변경할 수 있음은 물론이며, 추가질량체가 개재되는 위치 역시 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 선형 진동자를 나타내는 단면도로서, 복수의 진동마그네트(32a, 32b)로 이루어지고 그 사이에 추가질량체(60)가 개재된다는 점을 제외하고는 도 4에 나타난, 본 발명의 바람직한 제3 실시예와 동일 또는 유사하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 선형 진동자를 나타내는 단면도이다. 도 7에 나타난 선형 진동자는, 제1 마그네트(10'), 제2 마그네트(20'), 제2a 진동마그네트(32a') 및 제2b 진동마그네트(32b')가 모두 원주방향으로 착자된 것에 특징이 있다. 즉, 도 7을 기준으로 설명하면, 내부가 S극으로 착자되고, 외부가 N극으로 착자된다.
본 실시예에서는, 모든 마그네트가 내부가 S극, 외부가 N극으로 착자되는 것을 제시하였으나, 제1 마그네트(10')와 제2a 진동마그네트(32a'), 제2 마그네트(20')와 제2b 마그네트(32b')가 서로 반발하도록 착자되는 것으로 충분하다.
즉, 제1 마그네트(10')와 제2a 진동마그네트(32a')는, 내부가 S극, 외부가 N극으로 착자되고, 제2 마그네트(20')와 제2b 마그네트(32b')는, 내부가 N극, 외부가 S극으로 착자될 수도 있다.
그 이외는 도 6에 나타난 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 선형 진동자와 동일 또는 유사하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
다음으로, 상술한 실시예에 따른 선형 진동자의 작동에 대해 설명하도록 한다. 편의상, 도 2에 나타난 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 선형 진동자를 기준으로 설명한다.
전자석부가 작동하지 않는 경우, 즉 코일(40a)에 전류가 인가되지 않은 상태에서는, 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20)에 의해 가해지는 자기력에 의해 제1 진동마그네트(31)는 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이의 소정의 위치에 정지한 상태로 존재한다.
이때, 코일(40a)에 전류를 인가하면, 제1 진동마그네트(31)에 가해지는 외력에 변화가 생겨, 제1 진동마그네트(31)는 제1 마그네트(10) 또는 제2 마그네트(20) 방향으로 이동하게 된다. 제1 마그네트(10) 또는 제2 마그네트(20)에 인접하게 되면, 마그네트 간의 반발력에 의해 제1 진동마그네트(31)에 가해지는 외력은 다시 변화하게 되고, 이에 맞추어, 코일(40a)에 인가되는 전류가 교번하면, 제1 진동마그네트(31)는 이동방향을 바꾸게 된다. 이러한 작동이 반복되면, 제1 진동마그네트(31)는 제1 마그네트(10)와 제2 마그네트(20) 사이를 왕복하게 된다.
코일(40a)에 인가되는 전류의 주파수를 자기 스프링의 고유 진동수에 상응하도록 설계하면, 공진현상을 이용하여 진동의 효율을 극대화할 수 있다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 청구범위 내에 존재한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선형 진동자는 자석 간의 반발력을 이용하여 자기 스프링을 구성하고, 자기 스프링의 공진을 이용함으로 써 높은 효율을 제공할 수 있다.

Claims (14)

  1. 소정 간격 이격되어 고정되는 제1 마그네트 및 제2 마그네트;
    상기 제1 마그네트와 상기 제2 마그네트 사이에 개재되며, 상기 제1 마그네트 및 상기 제2 마그네트 모두와 반발하도록 착자된 진동마그네트부; 및
    상기 진동마그네트부 주변에 형성되는 자기장을 변화시키도록, 상기 진동마그네트부에 인접하여 배치되는 전자석부를 포함하는 선형 진동자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마그네트, 상기 제2 마그네트 및 상기 진동마그네트부는 모두 영구자석을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 선형 진동자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진동마그네트부에 결합되는 추가질량체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 진동자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마그네트와 상기 제2 마그네트는, 대향하는 면이 서로 반대의 극성을 가지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 선형 진동자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 진동마그네트부는 복수의 진동마그네트를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 진동자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 진동마그네트부는,
    상기 제1 마그네트에 인접하여 배치되며, 상기 제1 마그네트와 반발하도록 착자된 제2a 진동마그네트와,
    상기 제2 마그네트에 인접하여 배치되며, 상기 제2 마그네트와 반발하도록 착자된 제2b 진동마그네트를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 진동자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 진동마그네트부의 이동을 안내하는 가이드부를 더 포함하는 선형 진동자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가이드부는, 양 단부가 각각 상기 제1 마그네트 및 상기 제2 마그네트와 결합되는 가이드기둥을 포함하며,
    상기 진동마그네트부에는 가이드기둥이 관통하도록 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 진동자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 홀은, 상기 가이드기둥의 단면의 형상에 상응하는 것을 특징으로 하는 선형 진동자.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 가이드부는,
    상기 진동마그네트부의 외주연부에 인접하여 배치되고, 양 단부는 상기 제1 마그네트 및 제2 마그네트에 각각 결합되는 가이드벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 진동자.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 전자석부는,
    코일, 및 상기 코일에 전류를 인가하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 진동자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 코일은, 상기 가이드부에 결합되는 것을 특징으로 하는 선형 진동자.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전원부는 교번(交番)하는 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 선형 진동자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전류는,
    상기 선형 진동자의 고유진동수에 상응하는 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 선형 진동자.
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