KR101373427B1 - 진동판 직접 구동형 전자석 스피커 - Google Patents

Abstract

N극과 S극의 자성을 띠는 영구자석에 의해 형성된 자력선 내에 진동판을 설치하여 진동판에 금속 진동막을 부착하고 상기 금속 진동막에 코일을 감은 전자석 심재를 접촉하여 상기 코일에 전류를 흘림으로써 상기 금속진동막과 영구자석간에 발생하는 인력 혹은 척력에 의해 진동판 전체가 균일하게 움직이도록 한 전자석 스피커를 제시한다.

Description

진동판 직접 구동형 전자석 스피커 { Diaphragm Direct-Driving Electromagnet Speaker }

본 발명은 음향 변환 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전자석에 연결된 금속진동판이 전류의 방향에 따른 영구자석과의 인력 혹은 척력을 통해 진동판 전체가 분할진동 없이 동일하게 움직이도록 고안된 전자석 스피커에 관한 것이다.

스피커는 전기신호 형태의 음을 귀에 들리는 소리로 변환하는 전기-음향 변환 장치로서, 일반적으로는 영구자석의 자력선 내에 코일을 두고 이 코일에 전류를 흘려 코일과 결합된 진동판을 자력선의 방향과 직각 방향으로 진동시키는 무빙코일 방식 스피커가 많이 사용된다.

하지만 무빙코일 방식의 스피커는 코일과 진동판이 결합되어 반드시 함께 움직이는 구조이기 때문에 진동계의 무게가 증가하여 스피커의 전체 음향 출력 효율이 나빠지고, 진동판이 영구자석 상부에 위치하여 스피커의 전체 두께가 영구자석 높이와 진동판의 높이의 합으로 결정되므로 박형 구성이 어렵다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 진동계의 무게를 줄이기 위한 연구가 진행되었으며, 이러한 문제를 해결한 스피커의 일 예로서, 밸런스드 아마추어 (Balanced armature) 스피커를 들 수 있다.

도 1에 도시한 것과 같이, 밸런스드 아마추어 스피커는 요크(104)에 영구자석(101)을 부착하고, 영구자석(101)의 N극과 S극 사이에 진동자(102)을 배치시켜 구동부를 구성한다. 상기 진동자(102)의 상하 진동 폭만큼 일정 간격을 두고 코일(103)을 감아 교류 전류를 흘리면 진동자(102)가 전자석의 원리에 의해 전류의 방향에 따라 N극 또는 S극으로 바뀌게 되고, 진동자(102)와 영구자석(101)의 극성에 따라 인력 또는 척력이 발생하여 진동자(102)가 상하 진동을 하게 된다. 이러한 진동자(102)의 상하 운동에너지는 연결막대(105)를 통해 진동판(106)으로 전달되고, 결국 상기 진동판(106)이 움직여 전기 신호를 소리로 재생할 수 있게 된다.

밸런스드 아마추어 스피커는 코일과 진동판을 분리시킴으로써 진동계가 가벼워져 음향 출력 효율이 무빙코일 방식에 비해 높아지는 장점이 있다. 하지만 진동자(102)의 진동을 진동판(106)까지 전달하기 위해 연결막대를 사용하므로 진동판의 한 점에 집중적으로 힘이 가해져 진동판 전체가 상하방향으로 동일한 위상으로 움직이는 것이 어렵다. 따라서 진동판의 크기가 커질수록 한 점을 집중 구동시키는 밸런스드 아마추어 스피커 방식은 진동판이 같은 위상으로 움직이지 않아 발생되는 분할 진동현상이 크게 나타나게 되어 음향 특성이 점점 나빠지는 단점이 있다.

한편, 무빙코일 스피커의 진동 원리인 자력선 내의 도선에 전류가 흐르게 되면 도선이 힘을 받아 수직 방향으로 움직이는 원리를 사용하되, 영구자석과 도선의 배치를 기존 무빙코일과 다르게 하여 박형으로 제작 가능하게 만든 평판형 자석 스피커를 도 2에 나타낸다. 도2에 도시된 평판형 자석 스피커는 상하방향으로 분극되어 N극과 S극이 교대로 배치된 다수의 영구자석(107)과, 이들 상하 영구자석 사이에 설치한 진동판(108)과, 진동판상에 접착된 박막 전도체(109)를 포함한다. 도 2에 도시한 바와 같이 영구자석(107)에 의해 형성된 자력선 상에서 진동판(108)에 접착된 박막 전도체(109)에 전류를 흘림으로써 도체가 움직이는 힘이 발생되고, 이 힘이 진동판(108)을 상하로 움직이게 한다. 이러한 방법으로 진동판(108)을 움직이면 진동판 전체가 한꺼번에 상하운동을 하게 되므로 무빙코일 스피커와 밸런스드 아마추어 스피커에서 문제가 되었던 분할 진동을 해결할 수 있게 된다. 하지만 음향 출력을 높이기 위해서는 진동판(108)상의 박막 전도체(109)의 길이를 무빙코일 스피커의 코일 길이만큼 길게 만들어야 하는데, 박막 전도체(109)를 패턴 형태로 진동판(108)에 부착해야 하는 방식의 특성 상 무빙코일 스피커와 동일한 코일 길이를 확보하기 어렵고, 이로 인해 에너지 변환효율이 떨어지는 문제를 가진다. 이러한 박막 전도체(109)의 길이 감소에 따른 음향 출력이 줄어드는 문제를 해결하기 위해 많은 양의 영구자석(107)을 사용하게 되며, 이는 제조 단가를 크게 상승시키는 문제점을 나타낸다. 파장이 짧은 고 주파수에서는 진동판에 프린트된 박막 전도체(109) 패턴이 전체 진동판(108)에 힘을 동일하게 분포시키는 것을 불가능하게 만들어 진동판 부위별로 위상 간섭을 일으키는 문제가 발생된다. 또한, 보이스코일로 사용되는 박막 전도체(109)가 진동판(108)에 코팅되어 있어 고출력 시 박막 전도체(109)에 전류가 증가하여 높은 열이 발생하게 되면 부착된 박막 전도체(109)가 진동판(108)에서 떨어져 내구성이 저하되는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 코일과 진동판을 분리시켜 에너지 변환 효율을 높이고, 금속 진동판 전체가 균일한 힘으로 움직여 분할 진동 발생을 억제시키며, 전자석을 외부에 연결하여 사용하므로 적은 양의 영구자석을 사용하더라도 음향 변환 효율을 높일 수 있어 전체 부품단가를 낮출 수 있고, 대 출력 시에도 발열에 의한 진동판 고장을 억제시키는 스피커를 제작하는 데 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 진동판 직접 구동형 전자석 스피커는,

스피커 부품을 수용하되 전자석 코일을 다른 부품과 격리하여 수용할 수 있도록 격벽이 형성되고, 스피커 후면의 진동 압력을 배출할 수 있도록 구멍이 형성된 하부 케이스;

영구자석의 자력을 진동판에 효율적으로 전달하기 위해 자기 폐루프를 형성하는 강자성체 금속 하부 플레이트;

상하 방향으로 분극된 하부 영구자석;

상기 하부 영구자석과 상부 영구자석 사이에 설치한 탄성체 박막 진동판;

상기 진동판 상부에 부착되어 전자석으로부터 자력을 전달받는 금속 진동막;

금속 심재에 코일을 감아 전류의 크기에 따라 자력을 발생시키는 전자석코일;

상기 전자석코일의 자력을 상기 금속 진동막에 전달시키기 위해 상기 금속 진동막과 상기 전자석코일을 접속시켜주는 접속부;

상기 진동판 테두리에 탄성체 박막 진동판을 지탱시키고 상기 금속 진동막과 근접하게 상기 전자석코일 금속 심재의 다른 한편으로부터의 자력을 상기 금속 진동막과 폐루프가 형성되도록 연결하는 금속 링;

상기 금속 링 상부에 설치하는 상하방향으로 분극된 상부 영구자석;

영구자석의 자력을 진동판에 효율적으로 전달시키기 위해 자기 폐루프를 형성하고, 음향 출력을 공기 중으로 배출하는 통로가 되는 다수의 구멍이 뚫린 상부 금속 플레이트;

상기 전자석코일과 다른 스피커 부품을 격리시키는 격리벽이 형성된 상부 케이스;를 포함한다.

상기 전자석코일에 흐르는 전류에 의해 N극 혹은 S극으로 자화되는 상기 금속 진동막이 상기 상부 및 하부 영구자석의 N극과 S극과의 인력과 척력에 의해 상기 상부 및 하부 플레이트 사이에서 움직이도록 구성된다.

이상의 본 발명에 의하면, 코일과 진동판을 분리시켜 가벼워진 진동판을 통해 에너지 변환 효율을 높이고 고 주파수 재생 대역을 확대시키며, 전자석코일에서 발생된 자력이 금속 진동막 전체에 균일하게 전달되어 진동판 전체가 동일하게 운동하게 되어 음질이 개선되고, 전자석코일을 진동판 측면에 배치시켜 스피커 전체 두께를 줄이며, 전자석코일을 이용하여 진동판에 전류가 흐르지 않게 되어 대 출력 시 발열에 따른 진동판 고장을 막는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 밸런스드 아마추어 스피커의 구조 사시도,
도 2는 평판형 자석 스피커의 구조 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 진동판 직접 구동형 스피커의 단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 진동판 직접 구동형 스피커의 사시도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 진동판 직접 구동형 스피커의 사시도,
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 의한 진동판 직접 구동형 스피커의 단면도,
도 7는 본 발명의 자기회로 구성의 일 실시예에 의한 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전자석 박형 스피커의 단면도이고 도 4는 사시도이다. 도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전자석 박형 스피커의 구동부는 금속 심재에 코일을 감은 전자석코일(206), 상기 전자석코일(206)로부터 발생된 자력을 전달받아 자화되는 금속 진동막(209), 상기 금속 진동막을 부착하기 위한 탄성체 박막 진동판(208), 상기 전자석코일에서 발생된 자력을 금속 진동막에 전달하기 위한 자력 연결 접속부(207), 외부로부터 음성전류를 전자석코일에 공급하기 위한 인입선(212)을 포함한다.

자기회로는 탄성체 박막 진동판(208) 하부의 측면 테두리에 설치되어 상하방향으로 분극된 하부 영구자석(203), 진동판 상부의 측면 테두리에 설치되어 상하방향으로 분극된 상부 영구자석(210), 상기 하부 영구자석의 자력을 폐회로로 구성하여 진동판에 효율적으로 자력을 전달하기 위한 하부 플레이트(204), 상기 상부 영구자석의 자력을 폐회로로 구성하여 진동판에 효율적으로 자력을 전달하기 위한 상부 플레이트(201)로 구성되며 상기 부품들은 하부 케이스(205)와 상부 케이스(211) 내에 수용된다.

수직방향으로 분극된 상부 영구자석(210)과 하부 영구자석(203)으로부터 발생된 자력은 상부 플레이트(201)및 하부 플레이트(204)를 통하여 자기 폐루프를 형성하여 외부로의 자기 유출을 최소화시키고 상부 플레이트(201)와 하부 플레이트(204) 사이에 수직 방향으로 자력선을 형성시키며, 상부 플레이트(201)와 하부 플레이트(204) 사이에 설치된 탄성체 박막 진동판(208) 및 금속 진동막(209)은 자력선의 정 중앙에 위치되므로 상하부 어느 쪽으로도 움직이지 않는 중립 상태에 놓이게 된다.

상기 전자석코일(206)에 흐르는 전류에 의해 발생된 자력은 자력 연결 접속부(207)를 통하여 금속 진동막(209)에 전달되며, 금속 진동막(209)이 전자석코일에 흐르는 전류의 방향에 따라 N 또는 S극으로 자화되면 영구자석의 자력을 가진 상부 플레이트(201) 혹은 하부 플레이트(204)와의 인력, 척력으로 중립상태에서 벗어나 한 방향으로 움직이게 되고, 전류의 방향이 바뀌면 금속 진동막(209)이 반대 방향으로 움직이게 된다. 전자석코일(206)에 의해 자력 연결 접속부(207) 반대방향으로 형성된 자력을 금속 링(202)을 사용해 금속 진동막(209)과 폐루프를 만들어 강한 자력을 만들어 낸다. 영구자석에 의해 발생된 자력이 상부 플레이트(201) 및 하부 플레이트(204)에 균일하게 전달되고 금속 진동막(209) 전체에 균일하게 작용하며 금속 진동막(209)과 영구자석과의 인력 혹은 척력에 의해 발생된 상하 움직임이 탄성체 박막 진동판(208) 전체에 걸쳐 분할진동 없는 수직 운동을 가능하게 한다.

한편, 종래의 밸런스드 아마추어 스피커의 경우는 코일 내부에 금속 심재인 아마추어를 삽입하여 코일의 전류에 의해 아마추어 끝단이 자화되고, 이 아마추어가 아마추어 끝단 상하부에 설치된 영구자석과의 인력 혹은 척력을 통해 움직이도록 고안된 구조임에 반하여 본 발명은 코일 내의 금속 심재는 움직이지 않고 금속 심재에서 발생된 자력을 금속 심재에 연결된 자력 연결 접속부를 통하여 탄성체 박막 진동판에 부착된 금속 진동막에 전달하고, 자화된 금속 진동막이 상하부에 설치된 영구자석과의 인력 혹은 척력을 통해 움직이는 구조적, 기능적 차이를 가진다.

본 발명의 도 4의 실시예에 따르면, 본 발명의 구조는 구동력의 원천인 전자석코일(206)이 탄성체 박막 진동판(208)의 측면에 배치되므로 스피커의 두께를 종래의 무빙코일 스피커 혹은 밸런스드 아마추어 스피커에 비해 얇게 구성할 수 있는 장점이 있고, 평판형 스피커에 비해 적은 양의 영구자석을 사용하므로 부품단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 영구자석의 분극방향이 상하방향이므로 제조 공정상 착자(magnetization)를 용이하게 할 수 있으며, 평판형 스피커처럼 진동판에 박막 전도체가 코팅되어 있지 않아 대출력시 전도체에서 발생되는 열에 의한 고장 발생이 적은 장점이 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예로서 원통형 케이스에 조립한 예이다. 하부 플레이트(305) 위에 상하로 분극된 영구자석(307)과 금속심재에 코일을 감은 전자석코일(304)을 설치하고 그 위에 진동판부(313)를 설치한다. 진동판부(313)는 탄성체 박막 진동판(303), 금속 진동막(308), 그리고 탄성체 박막 진동판(303)의 형상을 유지하기 위한 금속 링(315)을 포함한다. 전자석코일(304)로부터 발생한 자력이 금속 진동막(308)에 전달되도록 탄성체 박막 진동판(303) 중앙부는 전자석코일(304) 상부에 항시 연결되도록 자력 연결 접속부(311-1)를 통해 접촉시킨다. 진동판부(313) 상부에는 다시 상하로 분극된 영구자석(302)을 설치하고, 그 상부에 영구자석의 자기회로가 폐루프가 되도록 금속 상부 플레이트(301)를 설치하며, 이들 전체 부품을 케이스(306)에 집어넣어 조립을 완성한다. 도 5의 실시 예는 원형뿐만 아니라 사각형, 오각형 등 다양한 형태로 응용이 가능하다.

상부 영구자석(302) 및 하부 영구자석(307)으로 자력의 원천을 형성하고 각각의 상부와 하부에 상부 플레이트(301) 및 하부 플레이트(305)를 설치하여 자력선이 플레이트 쪽으로 집속되도록 자기회로를 구성하며, 상부 플레이트(301)와 하부 플레이트(305) 사이에 금속 진동막(308)을 포함하는 진동판부(313)를 설치하여 전자석코일(304)로부터 발생된 교류 자력이 자력 연결 접속부(316)를 통해 금속 진동막(308)에 전달되어 영구자석 자력선과의 상호작용을 통해 금속 진동막(308)이 분할 진동없이 일정하게 상하로 운동하는 구조를 가지며, 전자석코일(304)을 상하로 배치시키고 탄성체 박막 진동판(303) 중앙을 전자석코일(304) 높이만큼 튀어나온 원통형 커버를 씌우므로 제품 두께를 크게 줄이는 특징을 가진다. 또한 도 4의 경우와 마찬가지로 평판형 자석 스피커에 비해 적은 양의 영구자석을 사용하므로 부품단가를 낮출 수 있고, 영구자석의 분극방향이 상하방향이므로 제조 공정상 착자를 용이하게 할 수 있으며, 평판형 스피커처럼 진동판에 박막 전도체가 코팅되어 있지 않아 대 출력 시 박막 전도체에서 발생되는 열에 의한 고장 발생이 없는 장점이 있다.

도 6은 도 5의 실시 예 중 전자석코일(304)을 하부 플레이트(305)의 밑에 설치하여 대 용량의 전자석코일을 사용하고, 전자석코일(304)로부터 발생된 자력을 진동판에 부착된 금속 진동막(309)에 탄성 접속부(311-2)을 이용하여 전달시킴으로써 금속 진동막(309)이 자력을 가지도록 구성한 예이다. 도 6에 따르면 케이스(306)에 자력 전달용 탄성 접속부(311-2)가 연결된 전자석코일(304)을 중앙에 설치하고 케이스 안쪽에 하부 링(310)을 삽입한 후 하부 플레이트(305)를 얹는다. 하부 플레이트(305) 상부에는 상하로 분극된 하부 영구자석(307)을 끼우고 그 위에 진동판 부(314)를 얹어 중앙부 탄성 접속부(311-2)와 금속 진동막을 접속시킨다. 전자석코일(304)의 탄성 접속부(311-2) 반대방향으로 만들어진 자력을 탄성체 박막 진동판(303)의 금속 링(315)에 전달시켜 전자석코일에 의해 형성된 금속 진동막(308)과의 자력의 폐루프를 형성시키기 위해 금속 링 연결부(316)를 설치하고, 진동판부(314) 위에 다시 수직으로 분극된 상부 영구자석(302)를 설치하고 외부로 음향을 내보내기 위한 다수의 구멍이 형성된 상부 플레이트(301)을 설치하여 조립을 완성한다. 도 6의 형태는 원형에 국한되지 않고 사각형, 오각형 등 다양한 형태로 응용될 수 있다.

도 7은 자기회로의 구성을 달리하는 실시예로서 앞서 제시한 실시예의 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 영구자석으로 교체하고, 영구자석을 강자성체 금속으로 대치한 실시 예이다. 상부 영구자석(401), 하부 영구자석(402)이 직접적으로 자력선을 형성하는 구조로서 부품단가는 상승되지만 더욱 강력한 자력선을 금속 진동막(309)에 전달할 수 있는 장점이 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있으므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위에 의하여 나타나는 것이며, 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

101 : 영구자석
102 : 진동자
103 : 코일
104 : 요크
105 : 연결막대
106 : 진동판
107 : 영구자석
108 : 진동판
109 : 박막 전도체
201 : 상부 플레이트
202 : 금속 링
203 : 하부 영구자석
204 : 하부 플레이트
205 : 하부 케이스
206 : 전자석 코일
207 : 자력 연결 접속부
208 : 탄성체 박막 진동판
209 : 금속 진동막
210 : 상부 영구자석
211 : 상부 케이스
212 : 인입선
213 : 진동판 어셈블리
214 : 후면 음향 배출구
301 : 상부 플레이트
302 : 상부 영구자석
303 : 탄성체 박막 진동판
304 : 전자석 코일
305 : 하부 플레이트
306 : 케이스
307 : 하부 영구자석
308, 309 : 금속 진동막
310 : 하부 링
311-1 : 자력 연결 접속부
311-2 : 탄성 접속부
312 : 인입선
313, 314 : 진동판부
315 : 금속 링
316 : 전자석 자력 연결부
401 : 상부 영구자석
402 : 하부 영구자석
403, 404 : 금속 링

Claims (4)

1. 금속심재에 코일을 직접 감은 전자석코일; 금속재질의 진동막을 부착한 탄성체 박막 진동판; 상기 전자석코일과 상기 금속 진동막을 자기적으로 연결하기 위한 자력 연결 접속부;로 구성된 전자석 구동부와 상기 진동판의 진동방향과 평행한 방향으로 분극되어 상기 진동판 가장자리에서 상기 진동판을 고정하는 한쌍의 상부 영구자석 및 한쌍의 하부 영구자석; 상기 상부 영구자석의 상부에 설치하여 자력선의 방향을 모아주기 위한 상부 플레이트; 상기 하부 영구자석의 하부에 설치하여 자력선의 방향을 모아주기 위한 하부 플레이트;로 자기회로를 구성하여 상기 금속재질의 진동막을 포함하는 탄성체 박막 진동판이 상기 전자석코일로부터 전달된 교류 자력과 상기 영구자석에 의해 형성된 직류 자력간의 인력 및 척력에 의해 탄성체 박막 진동판 전체가 균일하게 움직이게 만든 것을 특징으로 하는 진동판 직접 구동형 전자석 스피커.
2. 제 1항에 있어서,
   전자석코일이 진동판부 측면에 배치되고 전자석코일 자력을 자력연결접속부를 통해 진동판부의 금속진동막에 전달시켜 두께를 줄일 수 있게 만든 진동판 직접구동형 전자석 스피커.
3. 제 1항에 있어서,
   전자석코일이 진동판 하부에 배치되고 전자석코일 자력이 탄성접속부를 통해 진동판부의 금속진동막에 전달되는 것을 특징으로 하는 진동판 직접 구동형 전자석 스피커.
4. 제 1항에 있어서,
   상부 플레이트 및 하부 플레이트를 영구자석으로 교체하고, 상부 영구자석 및 하부 영구자석을 강자성체 금속으로 대치시켜 상기 영구자석으로부터 발생된 자력선을 금속 진동막에 직접 전달시키는 진동판 직접 구동형 전자석 스피커.

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