KR101284545B1 - 선형 진동발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형으로 진동할 수 있는 탄성 구조체를 공진주파수 부근에서 진동을 발생하게 하는 선형 진동발생기에 관한 것이다.
더욱 상세하게는 케이스와 베이스로 외곽을 이루고, 코일, 중량체와 플레이트로 진동자를 이루며, 상기 케이스, 베이스, 케이스 또는 베이스에 결합되는 최대 두 개의 마그네트와 두 개의 평면요크를 고정자로 하고 케이스에 결합된 평면요크 외곽과 코일 중심부에 위치하는 제 2의 평면요크 외곽에 자성유체를 각각 도포하고 스프링을 진동자와 고정자에 연결하여 진동자의 선형 운동을 지지하게 하고 일 측은 베이스에 부착되고 일 측은 진동자에 부착된 유연한 인쇄회로기판을 통해 코일에 전류를 인가하는 선형 진동 발생기를 제공한다.

Description

선형 진동발생기 {Linear Type Vibrator}

본 발명은 선형 진동발생기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄성체에 의해 지지되는 코일을 포함하는 피가진(加振) 중량체를 공진 주파수 부근에서 진동 시키는 선형진동 발생기에 관한 것이다. 여러 응용 사례가 있을 수 있으나 최근에 용도가 증가하고 있는 휴대폰이나 PDA, 게임기 등에 사용되는 진동 발생용 사례로 설명을 하고자 한다.

일반적으로 최근 통신기술 발달과 함께 대중들에게 가장 널리 보급된 것들 중에 잘 알려진 것들은 휴대폰, 개인정보단말기(PDA) 등이다. 이러한 기기들은 그 크기가 갈수록 작아져 휴대가 간편할 뿐만 아니라 언제 어디서나 음성 및 데이터 입출력할 수 있기 때문에 필수 휴대품으로서 자리를 굳혀가고 있다. 요즘은 공공 에티켓으로 진동 기능이 필수로 되었을 뿐 아니라 터치형으로 전화번호와 같은 데이터를 입력할 때나 게임을 할 때에도 진동 기능을 이용하는 것들이 제공되고 있다. 또, 일반 게임기능에서도 총을 쏘거나 스포츠 게임에서 공을 칠 때 등의 경우에 진동을 발생시켜 게임자가 보다 실감나게 게임을 할 수 있는 기능도 제공하고 있다. 이런 경우 보통 진동을 발생하는 모터를 채용하는데 이와 같이 다양한 경우에 진동 기능을 사용하게 됨으로써 진동 발생기의 사용 빈도가 증가하게 되어 모터에 대해 장수명화, 높은 신뢰성의 요구가 증대되고 있다.

종래의 브러시를 사용하는 회전형의 진동 모터로는 브러시 및 정류자와 같은 접점부품의 마모를 수반하여 기술적으로 긴 수명을 보장하기에 한계가 있기 때문에 이에 대한 대응의 한 방법으로 선형 진동발생기가 등장하였다.

도 1은 종래의 회전형 진동발생기의 단면도이다. 종래의 평편형 진동발생기는 크게 고정부재인 고정자와 회전 부재인 회전자로 이루어진다. 즉, 원형의 평판인 베이스(1)의 상부 면으로 하부기판(6)이 결합되고, 이 하부기판(6)의 상부에는 외부의 전원과 연결되는 리드와이어(4a,4b), 리더와이어의 끝단 도체선(5a,5b),브러시(7a,7b)가 전기적으로 도통 연결되게 결합되고, 또, 동심원을 갖는 와셔형상의 마그네트(16)가 결합된다. 베이스(1)의 상부 중심에는 사프트(2)가 조립되며 샤프트(2)를 중심으로 베이스(1) 반대 면에 케이스(3)가 조립되어 베이스(1)와 케이스(3)에 의해서 전체적인 외곽 구조를 구성한다. 샤프트(2)는 아래에서 설명하는 회전자의 회전을 가이드 하는 역할을 한다, 이때의 회전자는 상부기판(8)을 중심으로 한 측면에 정류자(9)가 기판의 패턴으로 구성되고 반대 면에 동(구리)선으로 권선한 권선 코일(10) 2개를 결합하고 2개의 권선 코일(10) 사이에 중량체(12)를 결합하고 중심에 베어링(13)을 배치시킨 상태에서 수지 절연물(11)로서 통상 사출을 통해 몰딩되어 기구적으로 일체화되어 진다. 회전자가 회전시에 베이스(1)이나 케이스(3)에 의한 접촉부의 회전저항을 적게 하기 위해 마찰저항이 적은 재질로 만든 상부 와셔(14), 하부와셔(15)를 추가하기도 한다. 전류의 흐름을 따라서 설명을 하면, 외부의 전류가 리드와이어(4a,4b)에 인가되고 이 전류는 하부기판(6)의 패턴을 따라 브러시(7a,7b)로 흐른 후 회전자의 상부기판(8)의 한쪽면의 정류자(9)에 이른 후 상부기판(8)의 패턴을 따라 권선 코일(10)에 이르러 권선 코일(10) 내부를 흘러 전자기력을 발생하여 전자석 기능을 하게 되어 베이스(1) 상부에 위치하고 권선 코일(10)과 면대항하게 배치된 마그네트(16)와 상호 작용을 하여 회전력을 발생하게 된다.

이 회전자는 권선 코일(10),중량체(12)들을 대체로 한쪽으로 몰아 배치하므로 무게 중심이 회전 중심보다 편심되어 회전시 진동을 동반하게 되는 것이다. 상기와 같은 진동 발생기를 브러시 타입 평편형 진동발생기라고 한다.

이런 브러시 타입의 진동 발생기는 브러시(7a.7b)와 정류자(9)의 습동 접점에 의해 전류의 방향을 바꾸어 주므로 기계적 마모를 피할 수 없어 장수명 요구에 대응할 수가 없어 마모를 수반하는 전기적 접점이 없는 선형진동 발생기가 등장하게 된다.

선형 진동발생기로서는 일본특허공개공보 제1997-205763호에서 진동발생장치가 제안된 바 있으며, 이와 같은 유형의 고안에서 제시하는 구조는 도 2와 도 3에서 개념적으로 도시되고 있다. 도 2를 참조하여 그 작용을 살펴보면, 진동 발생장치는 케이스(212) 내부에 스프링(220)이 배치되고, 상기 스프링(220)에 마그네트(242), 요크(241) 및 평면요크(243)에 의해서 자기장(磁氣場)이 발생된다. 상기 자기장 내에 코일(230)이 배치되는데 코일(230) 한 끝단은 상기 베이스(211)의 내측면에 고정된다. 상기 진동 발생기는 상기 자기장의 방향과 상기 코일(230)을 따라 흐르는 전류의 방향이 수직으로 형성되어, 상기 코일(230)에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손의 법칙에 따라 상기 자기장방향과 전류의 방향에 수직인 방향, 즉 도 2에서는 아래 또는 위로 스프링(220)에 의해 지지되는 자기장 형성부품이 움직이게 된다. 코일(230)에 인가되는 전류의 방향을 연속적으로 바꿔 주면 진동자는 연속적으로 상하 진동을 발생하게 된다, 이런 선형 진동 발생기는 회전형 진동발생기와 달리 습동 접점이 없으므로 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 선형 진동발생기는 종래 브러시타입 진동모터에서 진동량을 얻기 위한 방식인 회전형 구조를 탈피하여, 공진을 이용하여 최대변위를 발생시켜 원하는 주파수 대역에서 진동량을 얻을 수 있는 구조를 갖는다. 여기서, 공진주파수는(fn)는 아래 [식 1]에서 보듯이 진동자의 질량(m)과 스프링 상수(k)에 영향을 받는다.

[식 1]

그러나, 본 고안의 경우 마그네트(242)가 상하운동을 하는 구조므로 상하운동하는 마그네트(242)와 통상 금속 재질의 케이스(212) 또는 베이스(211)와 상호 자기 흡인력이 생겨 공진 주파수 왜곡이 생기는 등 부작용이 있어 마그네트 진동형 대신에 코일 진동형이 제시되고 있다.

이와 같이 코일이 상하 진동하는 고안의 한 사례를 대한민국 등록특허 10-0923867이나 10-1046044를 사례로 도 4와 도 5에서 소개한다. 도 5로 설명을 하자면 코일(530), 요크(541), 중량체(544)로 진동자를 이루고, 두 개의 마그네트(542a, 542b)를 베이스(511b)와 케이스(512)에 각 각 결합하고, 한 개의 평면요크(543)로 고정자를 이루고 진동자와 고정자를 스프링(520)으로 연결하고 베이스(511b)에 결합되는 유연한 인쇄회로기판(511a)을 통해 코일(530)에 전류를 인가하여 상하 진동하는 구조를 제시하고 있다.

도 2의 종래의 선형진동 발생기 기술에서는 운동을 가이드하는 축이나 베어링이 없는 상태에서 단순히 진동자가 스프링에만 매달려 진동하는 구조이므로 지름 10밀리미터(mm)처럼 아주 작은 구조로 만들게 되면 진동자와 고정자 간에 상하 또는 좌우에서 간섭이 일어나기 쉬워지고 따라서 진동력이 떨어지거나 듣기 싫은 소음이 발생하게 되는 치명적 결함이 있다. 따라서, 소형 구조에 도 2의 고안의 기구 구조로만 제작시는 실용성이 크게 떨어진다.

이에 대한 대책으로 고안된 사례가 도 4 또는 도 5의 고안인데, 도 5에서는 베이스(511b)에 결합되는 마그네트(542b)의 외측에 자성유체(545)를 도포하고 이것만으로는 상하 충돌 대책이 미흡하므로 도 4 및 도 5 공히 진동자 하부에 베이스 (411b, 511b)와 마주하는 방향에 쿠션이라 명명하기도 하는 댐퍼(415, 515)를 고무, 코르크, 폴리프로필렌 등의 재질로 부착하여 충격시 피동적으로 충격을 흡수하게 하는 방안을 제시하고 있다. 기능면에서 상하 진동에서 하측부와 간섭이 발생시에도 충격과 소음을 줄여 실용성을 개선한 고안이라 할 수 있으나 설계 구조적 요인으로 상 하측 부품간 접촉은 댐퍼(415, 515)를 매개로 물리적인 접촉을 할 수 밖에 없고 정상적인 진동 때도 두 부품이 세게 부딪치게 되면 이 부딪치는 소음이 귀에 거슬리는 소리로 나타나게 되어 소비자에게 불만의 요소가 된다. 댐퍼(415, 515) 위에 자성유체나 그리스와 같은 점성이 있는 유체(Fluid)류를 도포해 주면 부딪치는 소음을 부드럽게 하여 귀에 거슬림을 예방할 수 있으나 고무, 코르크, 폴리프로필렌 등의 재질을 사용하여서는 자성유체나 그리스와 같은 유체류들은 작동 시간이 경과하게 되면 다른 부위로 빠져나가게 되어 귀에 거슬리는 소음을 피할 수 없게 된다.

본 고안은 도 6에서와 같이 상하 진동하는 코일(630) 상면에 대략 와셔 형상의 플레이트(641)를 결합하고 케이스(612) 중심부에 연자성체 재질의 평면요크(643a)를 결합하고 그 위에 마그네트(642a)를 결합하여 상기 평면요크(643a) 외곽부에 자성유체(645a)를 도포하여 진동자의 플레이트(641)가 케이스(612)와 접촉시 액체상태인 자성유체(645a)를 중간 매개로 부딪치게 하는 것이 본 고안의 핵심 내용이라 할 수 있다.

평면요크(643a) 외곽부의 자성유체(645a)는 연자성체의 평면요크(643a)가 마그네트(642a)의 자력(磁力)이 통과하는 통로가 되므로 평면요크(643a) 외곽부에 흡인되어 지속적으로 보유될 수 있어 지속적으로 액체에 의한 충격 완화가 가능하여 귀에 거슬리는 소음을 줄일 수 있게 해 준다. 따라서, 종래의 고안인 고무, 코르크, 폴리프로필렌 등의 재질을 사용하는 쿠션이라고도 불리는 일반 댐퍼는 자성유체나 그리스와 같은 유체류를 도포하여도 작동 시간이 경과하게 되면 다른 부위로 빠져나가는 것을 억지할 수단이 없으므로 결국에는 귀에 거슬리는 소음을 피할 수 없게 되지만 본 고안에서는 고체간 접촉이 아닌 액체를 매개로 한 접촉이 되게 하여 접촉 소음을 줄여서 청감 소음 품질을 개선할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 회전형 진동발생기의 측 단면을 도시한다.
도 2는 종래의 마그네트 운동형 선형진동발생기의 측 단면을 도시한다.
도 3은 종래의 마그네트 운동형 선형진동발생기의 스프링이 나타나는
평면도를 도시한다.
도 4는 종래의 코일 운동형 선형진동발생기 사례의 측 단면을 도시한다.
도 5는 종래의 다른 코일 운동형 선형진동발생기 개량 사례의 측 단면을
도시한다
도 6은 본 고안의 측 단면을 도시한다.
도 7은 본 고안의 다른 변형 사례로 측 단면을 도시한다.

본 고안은 금속으로 이루어지는 케이스(612)와 베이스(611b)로 외곽을 이루고, 코일(630), 일반적으로 텅스텐을 주성분으로 하는 소결체로 구성되는 중량체(644), 플레이트(641)로 진동자를 이루며, 상기 케이스(612), 베이스(611b), 케이스(612)에 결합되는 제 1의 평면요크(643a), 상기 제 1의 평면요크(643a)에 결합되는 제 1의 마그네트(642a), 베이스(611b)에 결합되는 제 2의 마그네트(642b), 상기 두 마그네트 중앙 일면 결합되며 마그네트의 자기력선을 코일(630) 쪽으로 향하게 해 주는 역할을 하는 제 2의 평면요크(643b)로 고정자를 구성하고 케이스(612)에 결합된 제 1의 평면요크(643a) 외곽과 코일(630) 중심부에 위치하는 제 2의 평면요크(643b) 외곽에 제 1 및 제 2 자성유체(645a, 645b)를 각각 도포하고 스프링(620)을 진동자와 고정자와 연결하여 진동자의 선형 운동을 지지하게 하고 일 측은 베이스(611b)에 부착되고 일 측은 진동자에 부착된 유연한 인쇄회로기판(611a)을 통해 코일(630)에 전류를 인가하여 진동자를 상하 진동하게 하는 구조를 제시한다. 이런 구조에서는 제 1의 평면요크(643a) 외곽부의 제 1의 자성유체(645a)는 제 1의 마그네트(642a)의 자력(磁力)에 의해 제 1의 평면요크(643a) 외곽부에 흡인되어 지속적으로 보유될 수 있어 지속적으로 액체에 의한 충격 완화가 가능하여 귀에 거슬리는 소음을 줄일 수 있게 해 준다.

한편으로 케이스(612)와 제 1의 평면요크(643a)의 자기적 특성을 차별화하면 제 1의 평면요크(643a) 외측부에 도포 된 제 1의 자성유체(645a)의 흡인력을 더 강화 할 수 있다. 예를 들어 제 1의 평면요크(643a)는 냉간압연강(鋼)이나 저탄소강(鋼)으로 하고 케이스(612)는 스테인레스강(鋼)으로 하는 방법이 본 고안의 사례이다.

상기 고안을 적용함에 있어 스프링(620) 내부 형상을 속이 빈 파이프 형상으로 하고 그 내부에 코일을 결합하고 상기 스프링 파이프 형상의 외부에 중량체를 결합하면 도 5의 종래 고안에 비해 두께를 얇게 할 수 있을 뿐 아니라 조립 공정이 간단해 지고 도 4나 도 5의 종래 고안에서는 스프링(420, 520)을 진동자와 결합할 때 평면간 결합 형상이어서 레이져 용접과 같이 고가의 설비를 필요로 하지만 내부 형상을 파이프 형상의 스프링(620)을 사용하면 부품간 접촉 면적이 넓어지므로 접착제를 이용한 결합이 가능하여 생산원가를 줄 일 수도 있게 된다.

본 고안의 다른 변형으로 휴대폰을 바닥에 떨어뜨렸을 때와 같이 비정상적으로 충격을 받았을 때 충격 흡수용으로 베이스(611b)에 댐퍼(615)를 부착할 수도 있다.

상기 고안의 사례에서 베이스(611b)에 결합되는 제 2의 마그네트(642b)를 삭제하면 진동자의 진동력을 떨어뜨리기 때문에 바람직하지는 않으나 고객의 요구에 따라서는 과도한 진동을 배제해야 하는 경우도 있어 제 2의 마그네트(642b)를 생략한 구조가 바람직할 때도 있을 수 있다. 그러나, 케이스(612)에 제 1의 평면요크(643a)를 결합하고 제 2의 자성유체(645a)를 도포하면 역시 본 고안의 변형 사례가 됨을 쉽게 이해할 수 있다.

211,411,511,611 : 베이스 어셈블리,
411a, 511a, 611a : 유연한 인쇄회로기판
411b, 511b, 611b : 베이스
212,412,512,612 : 케이스,
220,420,520, 620 : 스프링,
230,430,530, 630 : 코일,
241,441,541 : 요크,
641 : 플레이트
242,442,542a, 642a : 마그네트,
542b, 642b : 제2의 마그네트,
243,443,543, 643a, 643b : 평면요크,
415, 515, 615 : 댐퍼,
444,544, 644 : 중량체,
545, 645a, 645b : 자성유체,

Claims (8)

1. 외곽을 형성하는 케이스;
   상기 케이스의 하부에 연결되는 베이스;
   상하로 진동 가능하게 구비되며, 코일과 중량체와 플레이트를 구비하는 진동자;
   상기 케이스, 베이스, 상기 케이스에 연결되는 제1 평면요크와, 상기 제1 평면요크에 연결되는 제1 마그네트와, 상기 제1 마그네트에 연결되며 상기 코일의 중심부에 위치하는 제2 평면요크를 포함하는 고정자;
   상기 고정자와 진동자를 연결하며 상기 진동자의 선형운동을 지지하는 스프링;
   일측은 상기 베이스에 연결되고 타측은 상기 진동자에 연결되어 상기 코일에 전류를 인가하는 유연한 인쇄회로기판; 및
   상기 제1 평면요크의 외곽에 구비되는 제1 자성유체와 상기 제2 평면요크의 외곽에 구비되는 제2 자성유체를 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 진동발생기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 베이스의 상면에 구비되는 댐퍼를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 진동발생기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 베이스와 상기 제2 평면요크에 연결되는 제2 마그네트를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 진동발생기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 스프링은 내부에 상기 코일이 연결되는 파이프 형상으로 제작되어, 외부에 상기 중량체가 연결되는 것을 특징으로 하는 선형 진동발생기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 평면요크는 냉간압연강이나 저탄소강으로 제작하고, 상기 케이스는 스테인레스강으로 제작하는 것을 특징으로 하는 선형 진동발생기.
   
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