KR101041711B1 - 압전 스피커 및 압전 스피커용 운동 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 스피커(1)용 운동 시스템(3)을 개시하며, 상기 운동 시스템(3)은 멤브레인(4)과 이에 부착된 압전층(5)을 포함하고, 주 방향(MD)에서의 운동 시스템(3)의 움직임은 실질적으로 상기 주 방향(MD)을 가로지르는 압전층(5)의 팽창/수축에 의해 발생된다. 따라서, 운동 시스템(3)을 여기시킬 때 병진운동은 존재하지 않고 오직 벤딩 운동만 존재한다. 운동 시스템(3)의 바람직한 주파수 응답을 제공하기 위해서, 상기 운동 시스템(3)은 운동 특성에 있어 비대칭적으로 설계된다. 따라서, 한편으로는 모드가 주파수 시프트되고 다른 한편으로는 보다 낮은 영향력을 갖게 된다. 그러므로, 본 발명의 스피커(1)의 주파수 응답은 주파수 응답에서 보다 낮은 상승 및 하강을 나타낸다. 운동 시스템(3)의 구체적인 설계는 유한요소법에 기초한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용함으로써 바람직하게 수행된다. 바람직한 실시예에서 국부적인 컴플라이언스 및/또는 운동 시스템(3)의 형태는 운동 시스템(3)의 평면의 여하한 점에 대해서도 비대칭적이다.

Description

압전 스피커 및 압전 스피커용 운동 시스템{ASYMMETRICAL MOVING SYSTEM FOR A PIEZOELECTRIC SPEAKER AND ASYMMETRICAL SPEAKER}

본 발명은 압전 스피커(piezoelectric speaker)용 운동 시스템에 관한 것으로서, 압전 스피커용 운동 시스템은 멤브레인과 이에 부착된 압전층을 포함하고, 주 방향에서의 운동 시스템(moving system)의 움직임은 상기 주 방향을 가로지르는 압전층의 팽창/수축에 의해 실질적으로 발생한다. 또한 본 발명은 상기 운동 시스템을 포함하는 압전 스피커에 관한 것이다.

압전 스피커는 종래 기술에서 잘 알려져 있다. 멤브레인이 자기 시스템 내의 코일에 의해 움직이는 소위 다이내믹 스피커(dynamic speaker)와 대조적으로, 압전 스피커의 멤브레인은 압전 결정(piezoelectric crystal)에 의해 움직인다. 압전기란 인가된 기계적 압력에 응답하여 전압을 생성하는 특정한 결정들의 능력이다. 압전 효과는 가역적인 것으로, 이는 외부 전압이 인가되었을 때 압전 결정이 미량의 형태 변화를 할 수 있음을 의미한다. 변형은 매우 적은 양이지만, 소리를 생성하기에는 충분하다.

종래 기술에서는 두 종류의 압전 스피커가 알려져 있다: 한 종류의 스피커는 멤브레인의 평면을 가로지르는 방향, 즉 소리의 방산(emanation) 방향에서의 여기(excitation)를 갖는 스피커이고, 다른 종류의 스피커는 멤브레인의 평면에 평행한 방향, 즉 소리의 방산 방향을 가로지르는 방향에서의 여기를 갖는 스피커이다. 제 1 유형의 압전 스피커는 움직이는 코일을 갖는 다이내믹 스피커와 유사한 방식으로 작동하며 멤브레인의 여기 영역, 즉 멤브레인으로 힘이 유도되는 영역은 다소간의 병진운동(translatory movement)을 수행한다(하기에서 A 유형 스피커로도 지칭됨). 반면에, 제 2 유형의 압전 스피커의 멤브레인의 움직임은, 실질적인 병진운동 성분을 포함하지는 않지만, 실질적으로 벤딩(bending) 성분을 포함한다(하기에서 B 유형 스피커로도 지칭됨). 결론적으로, 이들 두 유형의 기계적인 작용 및 그에 따른 음성 작용은 완전히 다르며, 이것은 하기에서 다시 기술될 것이다.

이러한 관점에서 멤브레인의 여기 및 그에 따라 발생하는 움직임 간에 차이가 있어야만 한다. 유형 A 스피커 및 유형 B 스피커의 여기 방향은 서로 가로지르는 반면, 두 경우 모두 멤브레인이 주 방향으로 움직여서 주변의 공기가 압축 및 감압되도록 한다. 결과적으로, 음파는 이러한 주 방향으로 방사되며, 상기 주 방향은 엄밀히 말하면 서로 다른 방향에서의 소리 벡터의 합 벡터이다. 일반적으로, 이러한 주 방향은 단순히 스피커의 축이다. 압전 결정에 전압을 인가하는 것이 주 변형 방향에서의 팽창/수축을 발생시킨다는 것을 인지해야만 한다. 그러나, 다른 축에서도 작은 변형이 있으며, 이것은 본 발명을 명확히 하기 위해 생략되었다. 마지막으로, 멤브레인의 움직임의 실질적인 병진운동 성분은 다른 움직임 성분, 특히 벤딩 성분을 제외시키는 것은 아니며, 그 역도 마찬가지이다. 그러나, 실질적인 병진운동 성분/실질적인 벤딩 성분은 병진운동/벤딩 성분이 우세함을 의미한다.

유형 A 스피커의 멤브레인이 여기되었을 때, 멤브레인의 여기 영역의 병진운동 외에도 나머지 영역의 다른 움직임 성분이 존재한다. 첫째로, 일반적으로 하우징에 고정되는 멤브레인의 에지와 여기 영역 사이의 영역은 고정된 에지에 관련된 여기 영역의 병진운동에 따라 움직인다. 따라서, 상기 영역은 일반적으로 상기 영역의 중심 영역보다 훨씬 더 탄력적이고(compliant), 중심 영역은 보상 운동을 수행할 필요가 없기 때문에, 상기 영역은 일종의 롤링(rolling)(보상) 운동을 수행한다. 또한, 일반적인 다이내믹 스피커의 경우에서 링-형태인 여기 영역 내부의 소위 돔(dome)은 가속력 및 압력에 의해 위아래로 벤딩된다. 그러나, 대체로 멤브레인으로서의 역할을 하는 강성 플레이트(rigid plate)를 갖는 스피커도 존재하며 여기에서 상기 벤딩은 무시될 수 있다. 임의의 경우에서, 멤브레인은 자신이 여기되었을 때 자신의 고유 진동에 따라 움직이도록 의도된다. 이러한 진동은 정상파 또는 소위 모드로서도 알려져 있다. 각 모드의 주파수 및 진폭은 상기 멤브레인의 재료 및 두께뿐 아니라 형태 및 크기와 같은 다양한 파라미터에 의존한다. 이러한 작용 및 그 결과가 도 1 내지 3을 참조로 하여 아래에서 기술되었다:

도 1은 유형 A 압전 스피커(1')의 평면도 및 단면도를 도시한 것으로, 이것은 하우징(2), 멤브레인(4) 및 압전 결정(5')을 포함한다. 멤브레인(4)은 예로서 글루에 의해 멤브레인의 에지에서 하우징(2)과 접속된다. 그 결과 발생하는 공간에서, 하우징(2)과 멤브레인(4) 사이에 압전 결정(5')이 부착된다. 압전 결정(5') 양 단에 전압을 인가함으로써, 이것이 팽창 또는 수축하여 멤브레인(4)이 주 방향(MD)의 위로 또는 아래로 움직이고 (얇은 실선으로 나타냄) 그에 따라 멤브레인(4) 상의 공기를 압축 또는 감압하여 소리를 발생시킨다. 이러한 움직임을 용이하게 하기 위해, 멤브레인(4)은 도 1에 도시된 바와 같이 외부 섹션에 굴곡(corrugation)을 포함한다. 이러한 조치는 멤브레인(4)이 외부 섹션에서 보다 부드럽도록 하며, 즉 멤브레인의 컴플라이언스(compliance)를 증가시킨다. 반면에, 멤브레인(4)은 중심 영역에서 보다 경직되어 있다. 그러므로, 멤브레인(4)의 중심/여기 영역이 주로 병진운동 식으로 움직임을 이해할 것이다. 도 1에 도시된 병진운동 외에도 예로서 앞서 언급된 정상파와 같은 다른 운동도 존재한다.

도 2는 이러한 정상파 또는 모드에 따른 멤브레인(4)의 움직임을 도시한다(굵은 선으로 간단히 도시됨). 좌측에는 1차 모드, 즉 자신의 고유 공명주파수에 따른 멤브레인(4)의 벤딩이 도시되었다. 그외에는, 고조파(harmonic)가 존재한다. 도 2에는 1차 고조파(중심) 및 2차 고조파(우측), 즉 2차 모드 및 3차 모드가 도시되었으며 멤브레인(4)은 각각 하나 또는 두 개의 노드를 갖는다. 멤브레인(4)에 의해 시프트된 볼륨이 빗금친 영역으로 도시되었다. 당업자는 홀수 모드에서는 멤브레인(4)의 정지 위치(idle position) 위아래의 빗금친 부분의 합이 0이 아니기 때문에 홀수 모드만이 실질적인 음압을 발생시키고, 반면 짝수 모드에서의 상기 합은 실질적으로 소리를 발생시키지 않음을 이해할 것이다.

도 3은 도 2에서의 내용을 고려한, 스피커(1')의 주파수 응답을 도시한다. 횡좌표 상에는 주파수 f가, 세로좌표 상에는 음압 p가 도시되었다. 모든 홀수 모드 n=1, 3, ...는 (볼륨의 움직임에 의해) 주파수 응답의 상승을 발생시키고, 모든 짝수 모드 n=2, 4, ...는 주파수 응답의 하강을 발생시킨다(볼륨의 움직임이 없으나 내부 마찰에 의해 입력 전력이 소산됨). 이 그래프에서는 조건이 단순화되었으며 그래프는 단지 일반적인 물리적 상관관계만을 도시하고 있음을 인지해야 한다. 실제 스피커의 주파수 응답은 완전히 다른 주파수 응답을 가질 수도 있다.

그러나, 이러한 상승 및 하강에 의해 서로 다른 주파수에서 소리의 세기가 변화하게 될 수 있기 때문에 스피커의 이러한 작용은 바람직하지 않다. 상승 및 하강의 영향을 감소시켜 스피커의 주파수 응답이 가능한 한 평탄하도록 하기 위해 이들 모드에서 진폭을 감소시키는 다수의 방법이 발견되었다. 하나의 방법은 멤브레인의 중심 영역이 충분히 경직되도록 함으로써 보다 높은 주파수에서는 오직 고유 모드만이 발생하도록 하는 것이다. 이러한 경우 종종 두 가지 재료가 사용되며, 중심 영역에는 단단한 재료를, 에지 영역에는 보다 부드러운 재료를 사용한다. 다른 방법은 GB1122698에 개시된 것으로, 무게중심에서 여기되는 비대칭 멤브레인이 제안되었다. 또 다른 방법은 대칭 멤브레인의 여기점(the point of excitation)을 무게중심으로부터 떨어지도록 시프트하여, 방해 모드가 덜 여기되도록 하는 것이다. 그러나, 이것에 의해 멤브레인(4) 자신의 각 주파수와 모드의 파장이 변화되지는 않는다. 남아있는 이상적인 방법은 유형 A 스피커가 도 1에 도시된 소위 "피스톤 모드"로 설계되는 것이다(중심 영역에 있는 멤브레인이 피스톤과 같이, 즉 병진운동 식으로 움직이기 때문에 붙여진 명칭이다). 이러한 관점에서 피스톤 모드가 1차 모드와 혼돈되어서는 안되며, 상기 1차 모드는 피스톤 모드에 대해 반대 방향으로 움직인다.

유형 B 스피커에서는 완전히 다른 물리적 특성이 사용된다. 도 4는 이러한 디바이스의 원리적인 설계를 단면도 및 평면도로 도시하였다. 유형 B 압전 스피커(1)는 하우징(2), 멤브레인(4) 및 압전층(5)을 포함한다. 멤브레인(4)은 예를 들어 글루에 의해, 자신의 에지에서 하우징(2)과 접속된다. 유형 A 스피커와 대조적으로, 여기에서는 압전 결정이 압전층(5)의 형태로 존재하며, 이것은 하우징(2)에 접촉하지 않은 채 멤브레인(4)에 부착된다. 다시 말하지만, 압전 결정(5)은 전압을 인가함으로써 팽창 또는 수축되어 멤브레인(4)이 주 방향 MD에서 위로(얇은 실선으로 나타냄) 또는 아래로 움직인다. 유형 A 스피커와 대조적으로, 압전층(5)은 상기 주 방향 MD를 가로지르는 방향에서 팽창 또는 수축하며, 즉 이 예시에서의 멤브레인(4)의 평면에서 팽창 또는 수축한다. 따라서, 여기 영역은 병진운동을 하지 않으며, 벤딩된다. 그러나, 이러한 벤딩이 멤브레인(4) 위의 공기를 압축 또는 감압하여 소리를 발생시킨다. 이러한 움직임을 쉽게 하기 위해서, 멤브레인(4)은 다시 외부 섹션에 굴곡을 포함한다. 이러한 조치는 멤브레인(4)이 외부 섹션에서 보다 부드럽도록 하며, 즉 멤브레인의 컴플라이언스를 증가시킨다. 유형 A 스피커와 비교하여 중심/여기 영역의 에지는 움직이지 않으며 단지 터닝된다(turned). 도 4에 도시된 벤딩 움직임 외에도 정상파가 존재한다.

정상파와 관련한 물리적 특성은 간결함을 위해 개별적인 논의가 생략되도록 유형 A 스피커와 동일하도록 확장된다. 그러나, 유형 A 스피커에 비교하여, 유형 B 스피커는 홀수 모드 n=1, 3, ...를 가져야 한다. 이와 달리, 만약 이들의 진폭이 완전히 감소된다면, 소리를 생성하는 피스톤 모드가 존재하지 않기 때문에 더 이상 소리가 생성되지 않을 것이다.

그럼에도, 유형 B 스피커는 주파수 응답과 관련된 유사한 문제를 겪게 되며, 이것은 여기에서도 홀수 모드는 주파수 응답의 상승을, 짝수 모드는 주파수 응답의 하강을 발생시키기 때문이다. 불행히도, 유형 A 스피커에서의 내용은 유형 B 스피커에 대해 일반적으로 적용되지는 않는다. 특히 강성 플레이트와 함께 부드러운 경계 영역을 사용하는 것은 특히 불가능하다. 당업자는 멤브레인의 벤딩이 스피커의 기능을 위해 필수적임을 이해할 것이다. 따라서, 강성 멤브레인은 유형 B 스피커의 우수한 효율과 모순된다. 또한, 전술된 바와 같이 여기점의 시프트에 대한 내용을 적용하는 것은 특히 불가능하다. 유형 A 스피커의 여기 영역이 총 멤브레인 영역의 5%로 비교적 작은 반면, 유형 B 스피커의 여기 영역은 총 멤브레인 영역의 20% 또는 그 이상으로 비교적 크다. 당업자는 유형 A 스피커의 기능에 있어서 멤브레인의 중심 영역이 충분히 단단하다고 가정하였을 때 여기 영역의 크기는 다소간 무의미함을 이해할 것이다. 따라서, 유형 B 스피커가 단일 지점에서 여기될 수 없으며, 충분히 넓은 영역 내에서 여기되어야 함이 명백하다. 일반적으로 유형 B 스피커의 여기 영역은 압전층의 영역과 동일하다. 압전층이 스피커 하우징에 부분적으로 부착되었을 경우에만, 예를 들어 보다 용이한 제조를 위해 전체 멤브레인이 압전층을 포함하는 경우에만, 이러한 부분들이 여기 영역에 기여되지 않는다. 마지막으로, 유형 A 스피커 및 유형 B 스피커의 1차 모드는 완전히 다른 양상을 나타낸다. 유형 A 스피커에서 1차 모드는 피스톤 모드와 반대 방향으로 움직이며, 이것은 1차 모드 가 유형 A 스피커의 소리의 세기를 감소시킴을 의미한다. 이와 대조적으로, 유형 B 스피커에서는 1차 모드가 소리를 (주로) 생성한다. 당업자는 유형 A 스피커의 설계자가 벤딩 모드를 제거하는 데에 목표를 둔다는 것을 이해할 것이다. 특히, 설계자는 벤딩 모드가 전술된 바와 같이 소리의 세기를 감소시키는 데에 최대의 영향을 갖기 때문에 가능한 한 1차 모드의 영향을 방지하도록 시도할 것이다. 그러나, 만약 설계자가 유형 B 스피커를 설계할 때에도 1차 모드를 방지하도록 시도한다면, 그는 충분한 성능의 스피커를 제조하는 데에 실패할 것이다.

그러므로, 본 발명의 목적은 실질적으로 평탄한 주파수 응답을 갖는 유형 B 스피커와 그에 대한 설계 규칙을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 압전 스피커용 운동 시스템을 획득하는 것으로, 운동 시스템은 멤브레인과 이에 부착된 압전층을 포함하고, 주 방향에서의 운동 시스템의 움직임은 실질적으로 주 방향을 가로지르는 압전층의 팽창/수축에 의해 발생되며, 운동 시스템은 운동 특성에 있어 비대칭적으로 설계된다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명의 운동 시스템을 포함하는 압전 스피커를 획득하는 것이다.

비대칭적인 운동 시스템의 모드는 대칭적인 운동 시스템의 모드와는 완전히 다르다. 스피커의 비대칭성은 한편으로는 모드를 넓히고 주파수를 시프트시키며, 다른 한편으로는 짝수 모드와 홀수 모드를 균등화한다. 비대칭적 시스템에서는 영향이 덜 뚜렷하기 때문에, 홀수 모드가 작아지고 짝수 모드가 높아지며, 이것은 대칭적인 운동 시스템에서 논의되었던 것이다. 그러므로, 본 발명에 따른 주파수 응답은 주파수 응답의 상승 및 하강이 감소되며, 이것은 일반적으로 스피커 설계에서 목표시된다. 유형 B 스피커는 피스톤 모드를 갖지 않기 때문에, 고유 벤딩 모드를 가능한 한 지양해야 하는 표준 유형 A 스피커 설계와는 대조적으로 운동 시스템의 고유 벤딩 모드가 설계되는 것이 필수적이다. 따라서, 유한요소법(FEM)에 의한 컴퓨터 시뮬레이션은 비대칭적 시스템의 복잡한 물리적 특성으로 인하여 부득이한 것으로 보인다.

어떠한 대칭적 진동도 나타나지 않도록 국부적인 운동 특성이 운동 시스템의 평면 내의 여하한 지점에 대해서도 비대칭적인 것이 바람직하다. 이것은 운동 시스템이 "완전히" 비대칭적임을 의미한다. 그러므로, 운동 시스템의 평면에서 멤브레인의 평면 내의 모든 지점 A에 있어서 동일한 국부적 운동 특성을 갖는 대칭된(mirrored) 지점 B가 존재하는 어떠한 미러 포인트(mirror point)도 찾을 수 없다.

국부적인 컴플라이언스가 운동 시스템의 평면 내의 여하한 지점에 대해서도 비대칭적인 것은 매우 바람직하다. 이것은 운동 시스템이 국부적인 컴플라이언스에 대해 "완전히" 비대칭적임을 의미한다. 그러므로, 운동 시스템의 평면에서 멤브레인의 평면 내의 모든 지점 A에 있어서 동일한 국부적 컴플라이언스를 갖는 대칭된 지점 B가 존재하는 어떠한 미러 포인트도 찾을 수 없는데, 국부적인 컴플라이언스는 멤브레인의 재료의 영률(Young's modulus) 및 재료의 두께의 결과이다. 그러므로, 멤브레인의 영률 및/또는 멤브레인의 두께는 비대칭성을 제공하기 위해 변화될 수 있다. 바람직한 실시예에서 비대칭성은 20%보다 높으며, 이것은 적어도 하나의 지점 A와 상응하는 지점 B에서의 국부적인 컴플라이언스 간의 차이가 20%보다 높음을 의미한다. 보다 바람직한 실시예에서 비대칭성은 40%보다 높다. 마지막으로 매우 바람직한 실시예에서 비대칭성은 60%보다 높다. 운동 시스템이 멤브레인과 압전층으로 설계되기 때문에, 비대칭성은 멤브레인 및/또는 압전층의 비대칭성에 의해서도 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서 운동 시스템의 형태는 운동 시스템의 평면 내의 임의의 지점에 대해 비대칭적이다. 이것은 멤브레인 또는 압전층의 에지가 한 지점에 대해 대칭적이 아님을 의미한다. 그러므로, 평면 내에서 멤브레인/압전층의 에지에서의 모든 지점 A에 있어서 멤브레인/압전층의 에지에 대칭된 지점 B가 존재하는 미러 포인트가 존재하지 않는다. 바람직한 실시예에서 비대칭성은 10%보다 높으며, 이것은 적어도 하나의 지점 A로부터 임의의 대칭된 지점까지의 거리 및 상응하는 지점 B로부터 상기 대칭된 지점까지의 거리가 적어도 10%만큼 다름을 의미한다. 보다 바람직한 실시예에서 비대칭성은 20%보다 높다. 마지막으로, 비대칭성은 매우 바람직한 실시예에서 30%보다 높다. 운동 시스템이 멤브레인 및 압전층으로 설계되기 때문에, 비대칭성은 멤브레인 및/또는 압전층의 비대칭성에 의해 제공될 수도 있다.

운동 시스템이 운동 특성에 관련한 단일 축에 대해 대칭인 것도 바람직하다. 흔히 운동 시스템의 바람직한 주파수 응답을 획득하게 위해 "전체" 비대칭성을 제공할 필요는 없다. 이러한 경우 대칭성을 갖는 단일 축을 허용하고 전반적으로는 비대칭성을 제공하는 것으로 충분하다. 일례로는 외형적으로는 대칭인 단일 축을 포함하는 사다리꼴이 있다. 다른 예로는, 대칭성을 갖는 오직 하나의 공통 축만을 갖는 직사각형 멤브레인과 직사각형 압전축을 포함하는 운동 시스템이다. 마지막으로, 만약 재료의 질량 분포 또는 영률의 변화가 운동 시스템이 운동 특성에 관련된 단일 축에 대해 대칭적인 유형이라면, 이러한 실시예가 대칭적인 형태의 운동 시스템에도 적용됨을 인지해야 한다.

멤브레인과 압전층이 서로 다른 형태를 갖는 것은 더욱 바람직하다. 높은 정도의 비대칭성이 멤브레인과 압전층에 대해 서로 다른 형태를 선택함으로써 제공될 수 있다. 일례는 멤브레인에 대해 직사각형을 선택하고 압전층에 대해 원형을 선택하거나 또는 그 역으로 선택하는 것이다. 다른 예는 멤브레인에 대해 원형을 선택하고 압전층에 대해 타원형을 선택하는 것이다. 당업자는 전술된 예시들이 가능한 모든 조합을 완전히 포괄하는 것이 아닌 본 발명을 설명하기 위한 것임을 지각할 것이며 당업자는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않은 채 다른 조합들을 쉽게 발견할 수 있을 것이다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예는 멤브레인과 압전층이 동일한 형태를 갖는 것이다. 이때 멤브레인과 압전층은 동일한 형태를 갖지만 압전층이 일반적으로 멤브레인보다 작은 크기를 갖기 때문에 동일한 크기를 가질 필요는 없다. 따라서, 압전층 뿐 아니라 멤브레인도 예로서 서로 다른 크기의 직사각형일 수 있으며, 특히 동일한 가로 세로 비(aspect ratio)를 갖는 직사각형일 수 있다. 당업자는 이것이 다수의 변화 가능성 중 하나에 불과함을 쉽게 이해할 것이다.

멤브레인의 무게중심과 압전층의 무게중심이 서로 분리되어 있는 것도 바람직하다. 이것은 비대칭성을 제공하는 또 다른 방법이다. 이러한 경우 멤브레인은 압전층과 동일한 형태를 가질 수 있다. 비대칭성의 정도는 무게중심 사이의 거리로서 획득된다. 바람직한 실시예에서 이러한 거리는 운동 시스템의 최대 확장 범위의 10% 보다 커야한다. 또 다른 바람직한 실시예에서 이러한 거리는 20%보다 커야한다. 마지막으로, 최대 확장 범위의 30%를 초과하는 것이 매우 바람직하다.

본 발명의 운동 시스템의 바람직한 실시예에서 멤브레인은 금속으로 제조된다. 금속의 영률은 압전층의 영률과 동일한 스케일을 갖기 때문에 이러한 선택은 바람직하다. 그러므로, 압전 결정의 팽창/수축은 운동 시스템의 실질적인 벤딩을 발생시킨다. 이와 다르게, 만약 멤브레인이 너무 부드럽다면, 운동 시스템은 실질적인 벤딩 성분 없이 압전 결정의 팽창/수축에 따라 다소간 수축/팽창한다. 반대로, 만약 멤브레인이 너무 단단하다면, 압전 결정의 팽창/수축이 저지되어 운동 시스템에서 어떠한 실질적인 움직임도 발생하지 않을 것이다. 알루미늄은 너무 부드럽지도 단단하지도 않고 예로서 산화에 대한 저항성(정확히 말하면 이것은 긴 시간에 걸쳐 산화된다 해도 멤브레인이 부식되지 않음을 의미한다)과 같은 다른 유용한 특성들을 추가로 가지고 있기 때문에, 다수의 경우에서 알루미늄이 멤브레인으로서 사용된다. 운동 시스템의 움직임은 사용된 재료의 영률에만 의존하는 것이 아니라, 운동 시스템의 크기, 즉 운동 시스템의 두께에도 의존함을 인지해야 한다. 따라서, 보다 낮은 영률을 갖는 재료로 제조된 층이 멤브레인/압전층이 보다 낮은 컴플라이언스를 갖도록 보다 두껍게 제조될 수 있으며 그 역도 마찬가지이다. 바람직한 실시예에서 멤브레인과 압전층은 동일한 컴플라이언스를 갖는다.

운동 시스템의 다른 바람직한 실시예에서, 멤브레인도 압전층으로 제조된다. 따라서, 운동 시스템은 서로 부착된 두 개의 압전 층들로 구성된다. 이들 중 적어도 하나는 멤브레인의 역할을 하며, 이것은 소리의 발생뿐 아니라 하우징에 대한 밀폐된 실링을 제공함을 의미한다. 적어도 후자의 기능은 운동 시스템의 벤딩 운동을 발생시켜 결과적으로는 소리를 발생시키는 제 2 압전층으로부터 분리될 수 없다. 바람직하게는, 가능한 최대의 벤딩 운동을 제공하도록 두 개의 층들이 각각 동일한 영율과 동일한 컴플라이언스를 갖는다. 압전층이 반대 방향으로 여기되어야 한다는 것, 즉 하부 층이 팽창할 때 상부 층이 수축하고 그 역도 마찬가지임은 명백하다.

마지막으로, 압전층이 총 멤브레인 영역의 20%보다 큰 것이 바람직하다. 개선된 스피커의 만족스러운 동작을 제공하기 위해서 압전층은 전술된 바와 같이 멤브레인의 충분한 부분을 커버해야 한다. 20%은 바람직한 실시예의 하한선이며, 적어도 50%, 나아가 적어도 80%를 커버하는 것이 바람직한 발전이다.

본 발명의 이러한 측면들과 그외의 측면들이 하기에 기술된 실시예들을 참조로 자명하고 명료해질 것이다.

도 1은 유형 A 압전 스피커의 서로 다른 도면들,

도 2는 유형 A 압전 스피커의 멤브레인의 움직임을 도시한 도면,

도 3은 유형 A 압전 스피커의 주파수 응답을 도시한 도면,

도 4는 종래 기술의 유형 B 압전 스피커의 서로 다른 도면들,

도 5는 본 발명의 유형 B 압전 스피커의 서로 다른 도면들,

도 6은 본 발명의 유형 B 압전 스피커의 멤브레인의 움직임을 도시한 도면,

도 7은 본 발명의 유형 B 압전 스피커의 주파수 응답을 도시한 도면,

도 8은 동일한 형태를 갖는 멤브레인과 압전층을 포함하는 본 발명의 운동 시스템(moving system)을 도시한 평면도,

도 9는 서로 다른 형태를 갖는 멤브레인과 압전층을 포함하는 본 발명의 운동 시스템을 도시한 평면도,

도 10은 변화하는 두께를 갖는 멤브레인을 포함하는 본 발명의 운동 시스템의 서로 다른 도면들,

도 11은 변화하는 컴플라이언스를 갖는 본 발명의 운동 시스템의 서로 다른 도면들,

도 12는 추가로 변화하는 컴플라이언스를 갖는 비대칭적 형태의 멤브레인과 비대칭적 형태의 압전층을 포함하는 본 발명의 운동 시스템을 도시한 서로 다른 도면들,

도 13은 본 발명의 운동 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션의 결과를 도시한 도면,

도 14는 본 발명의 다른 운동 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션의 결과를 도시한 도면,

도 15는 본 발명의 또 다른 운동 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션의 결과를 도시한 도면.

본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참조로 하여 제한이 아닌 예시로서 하기에서 보다 자세하게 기술될 것이다.

도 5는 하우징(2), 멤브레인(4) 및 압전층(5)을 포함하는 본 발명의 유형 B 압전 스피커(1)의 평면도 및 단면도를 도시한다. 멤브레인(4)은 예로서 글루에 의해, 멤브레인의 에지에서 하우징(2)과 접속된다. 도 4에 도시된 스피커와 대조적으로, 본 스피커(1)의 운동 시스템(3)은 압전층(5) 뿐 아니라 멤브레인(4) 자신이 사다리꼴 형태이기 때문에 운동 특성에 있어 비대칭적이다. 전압을 인가함으로써 압전층(5)이 팽창 또는 수축하여 멤브레인(4)이 주 방향 MD에서 위로 또는 아래로 움직인다. 도 4에 도시된 스피커와는 대조적으로, 본 발명의 운동 시스템(3)은 도 6에 도시된 바와 같은 운동 특성을 갖는다.

도 6은 자신의 정상파 또는 모드를 나타내는 운동 시스템(3)의 움직임을 도시한다(굵은 실선에 의해 간단히 도시됨). 좌측에는 1차 모드, 즉 고유 공명주파수에 따른 운동 시스템(3)의 벤딩이 도시되었다. 도 2에 도시된 움직임과 대조되게, 여기에서 운동 시스템(3) 또는 멤브레인(4)은 비대칭적으로 벤딩된다. 또한, 이러한 비대칭성에 의해, 고조파 역시 비대칭적인 변형을 나타낸다. 도 6에는 1차 고조파(중심) 및 2차 고조파(우측), 즉 2차 모드 및 3차 모드가 도시되었으며 이때 멤 브레인(4) 또는 운동 시스템(3)은 각각 하나 또는 두 개의 노드를 갖는다. 멤브레인(4)에 의해 시프트된 볼륨이 빗금친 영역으로 도시되었다. 대칭적인 운동 시스템의 움직임과는 대조되게, 본 발명의 운동 시스템(3)은 서로 다른 파장의 진동을 나타낸다. 왼쪽 1/2 파장은 상대적으로 조용하고 짧은 파장을 갖는 반면에, 오른쪽 1/2 파장은 상대적으로 소리의 세기가 크고 긴 파장을 갖는다. 따라서, 3차 모드는 3개의 서로 다른 1/2 파장을 포함하며, 그 이상도 동일하다. 당업자는, 이러한 경우 멤브레인(4)의 정지 위치 위아래의 빗금친 영역의 합이 0이 아니기 때문에 짝수 모드도 실질적인 음압을 발생시킴을 쉽게 이해할 것이다.

도 7은 도 6에서의 내용을 고려하여, 본 발명의 스피커(1)의 주파수 응답을 도시하였다. 횡좌표 상에는 주파수 f가, 세로좌표 상에는 음압 p가 도시되었다. 보다 쉬운 이해를 위해, 자신의 모드 n=1, 2, 3, ...(얇은 실선) 뿐 아니라 도 3의 주파수 응답(점선)도 도시되었다. 1차 모드에서는 동일한 주파수와 어느 정도 동일한 소리의 세기를 갖는데 반해, 다른 모드들에서는 완전히 다른 양상을 나타낸다. 전술된 바와 같이, 스피커(1)의 비대칭성은 모드를 넓히고 모드의 주파수를 시프트시킬 뿐 아니라 대칭적인 시스템에 비교하여 덜 구별되는 효과를 나타낸다. 본 발명의 비대칭적 운동 시스템(3)에서의 모드는 도 7에서 굵은 실선으로 도시되었다. 당업자는 본 발명의 스피커(1)의 주파수 응답이 종래의 것보다 상승 및 하강이 덜하다는 것을 쉽게 이해할 것이며 이는 일반적으로 스피커 설계에서 목표시 되는 것이다. 다시 말하지만, 이 그래프에서는 조건이 단순화되었으며 실제 스피커는 완전히 다른 패턴을 가질 수도 있음을 인지해야 한다. 도 7은 단지 비대칭적 운동 시스 템이 사용되었을 때 어떠한 상황이 발생하는가 및 이러한 시스템의 특성이 바람직한 주파수 응답을 설계하는 데에 어떻게 사용될 수 있는가를 설명하기 위한 것이다.

유형 B 스피커가 피스톤 모드를 갖지 않기 때문에, 고유 벤딩 모드가 가능한 한 지양되어야 하는 표준 유형 A 스피커 설계와는 대조적으로, 운동 시스템의 고유 벤딩 모드가 설계되어 소리가 방사되도록 하는 것이 필수적이다. 각각의 모든 경우들을 커버하는 공식을 인용하는 것은 사실상 불가능하기 때문에, 하기에서는 일반적인 설계 규칙이 기술되었다. 이러한 규칙들을 본 발명의 유형 B 스피커를 설계할 때 반드시 유념해야만 한다. 그러나, 유한요소법(FEM: finit element method)에 의한 컴퓨터 시뮬레이션은 비대칭적 시스템의 복잡한 물리적 특성에 의해 부득이한 것으로 보인다. 또한 도 6 및 7은 단지 1차원 평면(xz-평면)에서의 진동만을 도시한 것임을 인지해야 한다. 그러나, 운동 시스템(3)은 yz-평면에서도 진동하며, 이러한 운동은 본 발명의 유형 B 스피커의 설계를 이끄는 파라미터이기도 하다. 도 5의 운동 시스템(3)이 x-축에 대해 대칭적인데 반해, 사다리꼴의 한쪽 코너를 잡아당겨 사다리꼴이 뒤틀리게 함으로써 완전히 비대칭적인 운동 시스템(3)이 제조될 수도 있다.

도 8은 멤브레인(4)과 압전층(5)이 동일한 형태를 갖지만, 멤브레인(4)의 무게중심과 압전층(5)의 무게중심이 서로 분리된 본 발명의 운동 시스템(3)의 다른 예를 도시한다.

도 9는 멤브레인(4)과 압전층(5)이 서로 다른 형태인 직사각형과 원형이고, 또한 멤브레인(4)의 무게중심과 압전층(5)의 무게중심이 서로 분리된 본 발명의 운동 시스템(3)의 또 다른 예시를 도시한다.

그러나, 비대칭성은 운동 시스템(3)을 평면 내의 임의의 지점에 대해 지형적인 비대칭으로 제조하는 것에 의해서만은 제공될 수 없으며, 운동 시스템(3)의 컴플라이언스를 변화시킴으로써 비대칭이 되도록 해야 한다. 소정의 지점에서의 소정의 컴플라이언스(국부적 컴플라이언스)를 선택하는 비교적 쉬운 방법은 멤브레인(4)의 두께를 변화시키는 것이다.

도 10은 이러한 운동 시스템(3)의 단면도와 평면도를 도시한다. 압전층(5)이 일정한 두께를 갖는데 반해, 멤브레인(4)의 두께는 변화한다. 동일한 두께를 갖는 영역은 등고선("isohypses"로도 지칭됨)으로 나타내었다. 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 재료는 상당히 불규칙하게 분포되었다. 이러한 분포는 일반적으로 컴퓨터 시뮬레이션의 출력으로, 스피커 설계자가 멤브레인(4)의 바람직한 형태를 찾는 것을 돕는다. 다시 말하지만 모든 경계 조건을 커버하는 단일 솔루션이 존재하는 것은 불가능함을 인지해야 한다. 모든 경우는 각각 고유의 솔루션을 요구하며, 즉 운동 시스템(3)의 특정 설계를 요구한다. 도 10에 도시된 바와 같은 멤브레인(4)에 대한 바람직한 제조 방법은 롤링(rolling), 엠보싱(embossing) 및 몰딩(moding)으로, 재료의 서로 다른 두께는 상당히 쉽게 제공될 수 있다. 다른 방법은 일정한 두께의 작은 플레이트를 취한 후 필요한 곳에서 재료를 부식시키는 것이다. 이를 위한 하나의 도구는 레이저 빔으로, 이것은 점 단위로 서로 다른 양의 재료를 기화시킨다. 또 다른 방법은 (알려진 금속증착(metallization) 프로세스에 의해) 추가의 재료 층을 도포하거나 또는 재료 층을 에칭함으로써 도시된 두께의 분포를 형성하는 것으로, 이 방법은 금속으로 제조된 멤브레인(4)을 사용할 때 특히 적용가능하다.

도 10의 운동 시스템(3)이 대칭형 정상파 또는 모드의 형성을 허용하지 않음은 명백해야 한다. 모드 및 노드는 오히려 상당히 불규칙하게 분포되며, 이러한 방식으로 바람직한 주파수 응답이 도출된다. 일반적으로 평탄한 주파수 응답이 목표시 되지만, 소정의 경우에서 주파수 응답이 하나 이상의 피크를 갖는 것이 요구되는 경우도 생각할 수 있다. 운동 시스템이 어떠한 형태를 갖느냐의 질문은 경계 조건 및 목표를 고려하였을 때에만 응답될 수 있다.

도 11은 본 발명의 다른 바람직한 실시예의 단면도 및 평면도를 도시한다. 여기에서 운동 시스템(3)은 멤브레인(4) 및 압전층(5)을 포함하며, 각각은 일정한 두께를 갖는다. 그러나, 운동 시스템(3)은 이 예시에서 멤브레인(4) 재료의 불균등성에 의해 또는 서로 다른 부분에서 서로 다른 재료를 사용함으로써 제공되는 불규칙한 컴플라이언스 분포를 나타낸다. 그에 따라, 영률(Young's modulus)이 변화되고, 이는 운동 시스템(3)의 컴플라이언스의 국부적 변화를 이끈다. 동일한 컴플라이언스를 갖는 영역들은 얇은 실선에 의해 도시되었다(전술된 isohypses와 유사함). 중합 프로세스를 (국부적으로) 제어함으로써 또는 자외선 광을 (국부적으로) 인가함으로써, 특정 영역에서 더욱 단단하거나 더욱 부드러운 멤브레인(4)을 폴리머로 제조하는 것이 고려될 수 있다.

상기의 예시들에서는 주로 멤브레인(4)의 비대칭성이 검토되었지만, 멤브레 인(4)에 대한 내용이 압전층(5)에도 동일하게 적용될 수 있음을 인지해야 한다. 이것은 비대칭적 진동 특성이 압전층(5)의 소정의 두께 분포 및/또는 압전층(5) 재료의 불균등성에 의해 제공될 수도 있음을 의미한다.

또한 이를 위해 획득된 내용 및 조치들이 결합될 수도 있음을 인지해야 한다. 이것은 예로서 압전층(5) 뿐 아니라 멤브레인(4)의 두께도 변화될 수 있음을 의미한다. 다른 예시는 압전층(5) 재료의 불균등성 및 멤브레인(4)과 압전층(5)이 서로 다른 형태를 갖는 방식을 결합하는 것이다. 당업자는 이들이 복수의 예시들로부터 취해진 단지 두 개의 예시일 뿐이며 이들 두 예시들이 본 발명의 넓은 범주를 제한하는 것은 아님을 이해할 것이다.

상기 내용들의 결합 가능성을 나타낸 다른 예시가 도 12에 도시되었으며, 이것은 일정한 두께의 멤브레인(4)과 압전층(5)이 결합된 본 발명의 운동 시스템(3)의 다른 단면도 및 평면도를 도시한다. 멤브레인(4) 재료의 불균등성, 멤브레인(4)과 압전층(5)의 서로 다른 형태 및 서로 다른 무게중심은 매우 비대칭적인 운동 양상을 나타낸다.

도 13은 본 발명의 운동 시스템(3)의 컴퓨터 시뮬레이션의 결과를 도시한다. 여기에서 12.5mm의 반지름과 0.05mm의 두께를 갖는 원형 압전층(5)은 36.5×24.2mm의 치수를 갖는 직사각형 멤브레인(4)에 접착된다. 또한, 압전층(5)에는 위치가 변화되는 직경 2mm의 구멍이 존재한다. 도 13의 다이어그램의 세로좌표 상에는 운동 시스템(3)의 주파수 응답에서의 리플(ripple)에 대한 값 w이 도시되었으며, 이 예시에서의 값 w는 단순히 표준 편차이다. 횡좌표 상에는 상기 구멍의 중심으로부터 멤브레인(4)의 중심까지의 거리 s(mm 단위)가 도시되었다. 당업자는 상기 구멍의 중심으로부터 멤브레인의 중심까지의 거리 s를 증가시킴으로써 리플 값 w가 감소한다는 것을 쉽게 인식할 것이다.

도 14는 본 발명의 운동 시스템(3)의 다른 컴퓨터 시뮬레이션의 결과를 도시한다. 여기에서 31×42mm의 크기를 갖는 직사각형 압전층(5)이 48×37mm의 크기를 갖고 알루미늄으로 제조된 직사각형 멤브레인(4)에 접착되었다. 압전층(5)과 멤브레인(4) 모두 100㎛의 두께를 갖는다. 이러한 예시에서, 멤브레인(4)의 에지는 전체가 프레임 또는 하우징(2)에 고정되지 않으며 일부만이 고정된다. 도 14의 다이어그램의 세로좌표 상에는 운동 시스템(3)의 주파수 응답에서의 리플에 대한 값 w이 도시되었으며, 이 예시에서의 값 w는 단순히 표준 편차이다. 횡좌표 상에는 하우징(2)에 고정된 멤브레인(4)의 에지의 비율(% 단위)을 나타내는 값 a가 도시되었다. 당업자는 비율 a을 증가시킴으로써 리플 값 w가 감소한다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 상기 고정된 에지의 부분이 적을수록, 리플 값 w가 낮아진다.

도 15는 도 14의 운동 시스템(3)과 유사하게 설계된 본 발명의 운동 시스템(3)의 컴퓨터 시뮬레이션의 최종 결과를 도시한다. 고정되는 멤브레인 에지의 비율을 변화시키는 대신, 여기에서는 운동 시스템(3)의 1/4(쿼터)이 운동 시스템(3)의 나머지 부분보다 높은 두께 또는 무게를 갖는다. 도 15의 다이어그램의 세로좌표 상에는 운동 시스템(3)의 주파수 응답에서의 리플에 대한 값 w이 도시되었으며, 이 예시에서의 값 w는 단순히 표준 편차이다. 횡좌표 상에는 운동 시스템(3)의 상기 제 1 쿼터와 나머지 쿼터들 중 하나의 쿼터의 무게 사이의 비율을 나타내는 값 m이 도시되었다. 당업자는 무게 비율 m을 증가시킴으로써 리플 값 w가 감소한다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 무게의 증가는 단순히 멤브레인(4) 및/또는 압전층(5)의 두께를 증가시킴으로써 획득될 수 있다.

마지막으로, 전술된 실시예들은 본 발명을 제한하는 것이 아닌 예시적인 것이며, 당업자는 첨부된 특허청구범위에 의해 규정된 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않는 한 다수의 다른 실시예들을 설계할 수 있을 것이란 점을 인지해야 한다. 특허청구범위에서, 괄호 안에 표기된 임의의 참조 부호들은 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. "포함하는" 및 "포함한다" 등의 용어가 임의의 특허청구범위 또는 명세서에 전체로서 나열된 소자 또는 단계 외 다른 소자 또는 단계의 존재를 제외시키는 것은 아니다. 단일 소자만을 지칭하는 것이 복수 개의 소자의 존재를 제외하는 것은 아니며, 그 역도 마찬가지이다. 몇몇 수단을 열거하는 장치 청구항에서, 이들 몇몇 수단들은 하드웨어의 동일한 아이템에 의해 구현될 수 있다. 소정의 수단들이 서로 다른 종속항들에 기재되어 있다는 사실이 이들 수단들의 결합이 바람직하게 사용될 수 없음을 나타내는 것은 아니다.

Claims (10)

1. 압전 스피커(a piezoelectric speaker)(1)용 운동 시스템(3)으로서,

   멤브레인(4) 및 상기 멤브레인(4)에 부착된 압전층(5)을 포함하되,

   주 방향(MD)에서의 상기 운동 시스템(3)의 움직임은 상기 주 방향(MD)을 가로지르는 상기 압전층(5)의 팽창/수축에 의해 발생되고,

   상기 운동 시스템(3)은 운동 특성에 있어 비대칭적으로 설계되는

   압전 스피커용 운동 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   국부적인 운동 특성이 상기 운동 시스템(3)의 평면 내의 여하한 점에 대해서도 비대칭적인

   압전 스피커용 운동 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   국부적인 컴플라이언스(local compliance)가 상기 운동 시스템(3)의 평면 내의 여하한 점에 대해서도 비대칭적인

   압전 스피커용 운동 시스템.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 운동 시스템(3)의 형태가 상기 운동 시스템(3)의 평면 내의 여하한 점에 대해서도 비대칭적인

   압전 스피커용 운동 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 운동 시스템(3)이 상기 운동 특성에 있어 단일 축에 대해서 대칭적인

   압전 스피커용 운동 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 멤브레인(4) 및 상기 압전층(5)은 서로 다른 형태를 갖는

   압전 스피커용 운동 시스템.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 멤브레인(4) 및 상기 압전층(5)은 동일한 형태를 갖는

   압전 스피커용 운동 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 멤브레인(4)의 무게중심과 상기 압전층(5)의 무게중심이 서로 이격되어 위치하는

   압전 스피커용 운동 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 압전층(5)의 면적은 총 멤브레인 면적의 20%보다 넓은

   압전 스피커용 운동 시스템.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 운동 시스템(3)을 포함하는

    압전 스피커(1).

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