KR101375978B1 - 폐루프 자기회로를 이용한 고효율 전자석 박형 스피커 - Google Patents

Abstract

진동자 측면에 배치된 상하방향으로 N극과 S극이 형성된 두 개의 영구자석 상하부에 강자성체 금속편을 붙여 영구자석 자기회로를 폐루프가 형성되도록 구성하고, E-형의 진동자를 이용하여 전류에 의해 발생된 전자석 자력선의 경로를 진동자와 영구자석의 좁은 틈을 가지는 폐루프를 형성하여 영구자석과 전자석의 자속을 진동자에 집속시킴으로 전류의 방향에 따라 N극 혹은 S극의 전자석이 된 진동자가 상기 영구자석의 N극, S극과 상호 인력 혹은 척력에 의해 상하로 진동하도록 구성한 폐루프 자기회로를 이용한 전자석 박형 스피커를 제시한다.

Description

폐루프 자기회로를 이용한 고효율 전자석 박형 스피커{High Efficient Electromagnet Slim Speaker Using Closed-Loop Magnetic Circuit}

본 발명은 음향 변환 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자기회로를 폐루프로 구성하여 출력을 높인 전자석 박형 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 직각인 방향으로 진동시키는 무빙코일 방식의 스피커가 많이 사용된다.

하지만 무빙코일 방식의 스피커는 코일과 진동판이 반드시 함께 움직이는 구조이기 때문에 진동계의 무게가 증가되어 스피커의 전체적인 음향 출력 효율이 나빠지고, 진동판이 영구자석 상부에 위치하기 때문에, 스피커의 전체 두께가 영구자석높이와 진동판의 높이의 합으로 결정되므로 박형으로 구성하기가 불가능하다.

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

도 1은 일반적인 밸런스드 아마추어 스피커의 구조 사시도, 도 2는 일반적인 밸런스드 아마추어의 단면도이다.

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. 이 진동자(102)에 진동자(102)의 진동 폭만큼 일정 간격을 두고 코일(103)을 감아 교류 전류를 흘리게 되면 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 운동 에너지는 연결막대(401)를 통해 진동판(402)으로 전달되고, 결국 상기 진동판(402)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)가 두 개의 영구자석(101)의 N극과 S극 사이에 설치되어 진동 폭이 두 개의 영구자석(101)의 간격 이하로 제한되는 단점이 있다. 밸런스드 아마추어 스피커는 감도를 높이고 진동자(102)와의 구동력을 크게 하기 위하여 영구자석(101)간의 간격을 좁게 하므로 진동범위가 좁다. 또한 N극과 S극이 서로 마주보도록 설치되는 구조상의 특징으로 영구자석(101)간에 강한 인력이 작용하므로 상부와 하부를 별도로 제작하여 최종적으로 상부와 하부를 결합해야 하는 등 스피커 제작 과정이 복잡해진다. 뿐만 아니라, 진동자(102)의 진폭이 커질 경우 영구자석(101)과 진동자(102)의 인력이 급격히 증가하게 되고, 이로 인해 진동자(102)가 영구자석(101)에 접촉하게 되면 진동자(102)가 영구자석(101)에 부착되어 코일(103)에 교류 전류를 흘리더라도 더 이상 진동자(102)가 움직이지 못하게 된다. 이러한 이유로 밸런스드 아마추어 스피커의 영구자석(101)은 자력이 비교적 작은 자석을 사용할 수밖에 없고, 이로 인해 스피커의 음향 출력 효율을 일정 수준이상 증가시킬 수가 없게 된다. 이로 인해 높은 출력이 요구되는 스피커 등에는 적용이 불가능하고, 음향 출력이 낮은 이어폰, 보청기 등에만 제한적으로 적용될 수밖에 없는 한계를 가진다.

이러한 한계를 극복하기 위하여 영구자석의 극성을 수정한 방식이 근래에 발명되었으며(특허출원번호:10-2012-0028519), 이 발명에 따르면 도 3에 도시한 바와 같이 영구자석(105)을 진동자(102)의 좌우측에 배치하고, 영구자석의 상부와 하부를 각각 N극과 S극으로 자화하였다. 이와 같이 영구자석(105)을 배치하면 영구자석(105)간에 서로 척력이 발생하므로 영구자석(105)을 둘러싸는 케이스에 영구자석(105)을 설치할 경우, 영구자석(105)끼리 서로 끌어당기는 인력이 없어 제조공정이 매우 편리하게 된다. 게다가 스피커의 제조공정 동안 영구자석(105)를 자석으로 자화시키지 않고 조립 공정을 진행한 후 최종적으로 착자(magnetization) 과정을 거쳐 자성을 띠게 하면 되므로 제조공정이 종래의 밸런스드 아마추어 방식에 비해 크게 간편해진다.

도 3에 도시한 바에 따르면, 코일(103)에 흐르는 전류의 방향에 따라 N극 혹은 S극으로 자성을 띠게 되는 진동자(102)는 영구자석(105)의 N극과 S극 사이에서 인력, 혹은 척력이 발생하여 진동자(102)가 상하로 움직이게 된다. 즉, 도 3의 예와 같이 영구자석(105)의 상부가 N극, 하부가 S극인 경우 코일(103)의 전류에 의하여 영구자석(105) 사이에 위치한 진동자(102)가 S극이 되는 경우에는 진동자는 영구자석(105)의 N극과는 인력이, 영구자석(105)의 S극과는 척력이 발생하여 진동자는 위쪽을 향하여 움직이게 되며, 코일의 전류에 의하여 영구자석(105) 사이에 위치한 진동자(102)가 N극이 되는 경우에는 진동자(102)가 아래로 움직이게 된다.

이 발명에 의하여 종래의 밸런스드 아마추어 방식에서 진동자(102)의 진동범위가 영구자석(101)사이의 간격으로 제한되었던 문제가 해소되었고, 진동자(102)의 진동범위를 영구자석(105)의 끝단까지 확대시킴으로써 대 출력 음향 재생이 가능하였다. 뿐만 아니라 진동자(102)가 크게 움직일 때 진동자(102)와 영구자석(101)의 인력이 급격히 증가하여 진동자(102)가 영구자석(101)의 한쪽 면에 붙는 현상도 해결할 수 있었고, 구동부의 조립이 끝난 후에 영구자석(105)의 착자(magnetization)가 이루어져 조립 중에 자력에 의해 인접 철제 부품의 조립이 방해를 받는 일이 없어져 제조 공정이 단순해지고 편리해졌다. 또한 진동자(102)의 움직임에 관계없이 진동자(102)가 영구자석(105)에 언제나 일정간격으로 근접하여 있으므로 진동 폭이 작을 때에도 진동자(102)와 영구자석(105)간의 인력, 혹은 척력이 크므로 도 1과 같은 종래의 방법보다 효율이 개선된다.

하지만 진동자(102) 좌우의 영구자석(105)이 위쪽과 아래쪽끼리 동일 극성을 띠므로 도 4에 도시한 바와 같이 자력선이 진동자(102) 쪽으로 모두 모이지 못하고, 많은 자력선들이 진동자(102)와 관계없이 공기 중으로 퍼져나가 소실되는 문제점을 가진다. 구동부의 힘은 영구자석(105)의 자력과 진동자(102)의 자력의 곱에 비례하게 나타나는데, 도 4에 도시된 바와 같이 자력선이 많이 손실되므로 구동부의 힘이 저하되는 문제가 발생한다.

또한 도 8에 도시된 바와 같이 코일(103)에 의해 만들어진 자력선 중 영구자석 사이의 진동자(102)에서 만들어진 자력선은 진동자(102)의 구동력으로 활용이 되지만, 영구자석 반대 방향 진동자의 자력선은 공기 중으로 퍼져나가 소실되는 문제가 발생된다.

본 발명은 자력선의 손실이 많은 영구자석의 자기회로를 자기저항이 적은 강자성체 플레이트를 이용하여 자기 폐루프를 구성함으로써 자력선을 진동자에 집중시켜 스피커의 구동력을 증가시킬 수 있는 기법을 제시하는 데 그 기술적 과제가 있다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 영구자석의 자기회로 폐루프와 유사하게 전자석의 자기회로를 교류 자기 폐회로를 구성하여, 영구자석 사이의 전자석의 자력선을 증가시켜 스피커의 구동력을 높이는 기법을 제시하는 데 그 기술적 과제가 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 의한 폐루프 자기회로를 이용한 고효율 전자석 박형 스피커는 전류를 입력하기 위한 코일; 상기 코일을 관통하여 설치하고 코일에 흐르는 전류의 방향에 따라 N극 혹은 S극의 전자석으로 변하는 진동자; 상기 진동자의 좌우 측면에 진동자의 길이 방향과 직각방향으로 N극 및 S극이 형성되도록 배치하는 한 쌍의 영구자석; 상기 한 쌍의 영구자석의 상부에 설치하여 상기 영구자석을 연결시키는 강자성체 상부 플레이트; 상기 진동자에서 코일이 감긴 중앙 부위를 제외한 양측 외곽 부위를 한 쌍의 영구자석의 측면에 근접 설치한 E형 진동자; 상기 한 쌍의 영구자석의 하부에 설치하여 상기 영구자석을 연결시키는 강자성체 하부 플레이트;를 포함하고 상기 전류에 의해 N극 혹은 S극으로 자화되는 상기 진동자가 상기 영구자석의 N극과 S극과의 인력과 척력에 의해 상기 영구자석 양 끝단 사이로 움직이도록 구성한다.

본 발명에서는 진동자 좌우에 배치된 한 쌍의 영구자석 상, 하부에 자기저항이 작은 강자성체 플레이트를 부착시켜 자기회로의 폐루프를 구성하고, E형태의 진동자를 한 쌍의 영구자석 측면에 부착시켜 전자석에 의해 만들어진 자기회로의 폐루프를 구성하여 영구자석과 전자석에 의해 만들어진 자속을 진동자에 모두 집속시킴으로써 진동자의 힘을 증가시켜 고 효율, 대 출력이 가능한 스피커 구동부를 제조할 수 있다.

도 1은 종래의 밸런스드 아마추어 스피커 구동부의 구조 사시도,
도 2는 종래의 밸런스드 아마추어 스피커 구동부의 단면도 및 자력선도,
도 3은 종래의 밸런스드 아마추어 스피커 구동부로부터 개선된 대출력 박형전자석 스피커 구동부의 구조 사시도,
도 4는 종래의 밸런스드 아마추어 스피커 구동부로부터 개선된 대출력 박형 전자석 스피커 구동부의 단면도 및 자력선도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 폐루프 자기회로를 이용한 고효율 전자석 박형 스피커 구동부의 사시도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 폐루프 자기회로를 이용한 고효율 전자석 박형 스피커 구동부의 평면도 및 자력선도
도 7은 종래의 밸런스드 아마추어 스피커 구동부로부터 개선된 대출력 박형 전자석 스피커 구동부의 전자석 자력선도
도 8는 본 발명의 다른 실시예에 의한 폐루프 자기회로를 이용한 고효율 전자석 박형 스피커 구동부의 평면도 및 자력선도
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 폐루프 자기회로를 이용한 고효율 전자석 박형 스피커 구동부의 사시도

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

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 전자석 박형 스피커의 구동부 구조도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전자석 박형 스피커의 구동부는 U자형으로 구부려 탄성을 강화시킨 금속 진동자(102), 진동자(102)의 둘레에 진동자(102)의 진폭만큼 일정간격을 두고 감긴 코일(103), 진동자(102)의 양 옆에 수직방향으로 N극과 S극을 형성하는 한 쌍의 영구자석(105); 한 쌍의 영구자석(105) 상부의 N극간을 연결하는 강자성체 상부 플레이트(201); 한 쌍의 영구자석(105) 하부의 S극간을 연결하는 강자성체 하부 플레이트(202);를 포함한다. 코일(103)에 전류를 흘리면 진동자(102)는 전자석으로 자화되어 N극, 혹은 S극을 띠게 되고 진동자(102)와 영구자석(105)의 극성에 따라 인력 또는 척력이 발생하여 진동자(102)가 상하 진동을 하게 된다. 이러한 진동자(102)의 상하 운동 에너지는 스피커 혹은 이어폰 등을 구성할 수 있는 원천 에너지원이 된다. 도 3에 도시한 바와 같은 근래의 발명(특허출원번호:10-2012-0028519)은 종래의 밸런스드 아마추어 방식의 문제점이었던 진동변위가 상부 영구자석과 하부 영구자석의 좁은 거리 이내로 제한되는 점과 진동자가 대출력 시 상, 하부에 위치한 영구자석에 붙는 문제점을 해결하였으나 도 4에 도시된 바와 같이 영구자석(105)의 자력선이 진동자(102) 쪽으로 집속되지 않고 영구자석(105) 바깥쪽으로 유출되는 양이 많아 진동자(102)의 구동력을 키우는 데 제한이 있다.

이에 반해, 도 5에 도시한 본 발명에 의한 전자석 박형 스피커의 구동부는 도 6에 도시된 바와 같이 영구자석(105)의 N극과 S극으로부터 방출되는 자력선이 자기저항이 작은 강자성체 상부 플레이트(201)와 강자성체 하부 플레이트(202)를 통과하여 진동자(102)를 관통하는 방향으로 자력선이 집속되므로 진동자(102)에 미치는 자력선이 도 4에 도시된 자력선과 비교하여 월등하게 증가하게 되고, 이러한 자력선의 증가는 진동자(102)의 구동력을 증가시킨다. 결국 도 5에 도시한 바와 같은 본 발명의 구동부를 사용하여 스피커로 제작하면 종래의 방법에 의한 스피커보다 큰 힘을 가지는 스피커의 제작이 가능하게 된다.

본 발명에 의하면 근래의 발명(특허출원번호:10-2012-0028519)의 장점은 그대로 유지된다. 즉, 진동자(102)가 영구자석(105)의 N극 혹은 S극 양 끝단까지 인력에 의해 움직일 수 있는 구조로 되어 있어 진동자(102)의 진동 범위가 도 1에 도시한 바와 같은 밸런스드 아마추어 방식에 비해 월등히 크다. 도 1에 도시한 밸런스드 아마추어 스피커의 경우는 충분한 자속을 가지는 영구자석(101)을 사용하기 위하여 일정 두께 이상의 영구자석(101)과 이 영구자석(101)을 부착하기 위한 요크(104)가 필요하므로 동일 두께의 제품의 경우 진동자(102)가 움직이기 위한 간격이 상대적으로 좁아지지만, 본 발명의 경우에는 종래의 방법에서 사용하던 영구자석(101)과 요크(104)의 두께보다 월등히 얇은 상부 플레이트(201) 및 하부 플레이트(202)를 사용할 수 있어 진동자(102)의 진동 범위가 월등히 넓어지게 된다. 따라서 본 발명은 이어폰, 보청기와 같은 작은 출력용 스피커뿐만 아니라 진동자(102)의 진동 범위가 커야만 하는 일반 스피커까지도 적용이 가능하다.

도 7은 종래의 밸런스드 아마추어 스피커 구동부로부터 개선된 대출력 박형 전자석 스피커 구동부의 전자석 자력선도이다. 근래의 발명(특허출원번호:10-2012-0028519)에서 전자석 박형 스피커의 진동자(102)는 U자형으로 구부려서 한 쪽은 한 쌍의 영구자석 사이에 배치되고, 다른 쪽은 케이스에 부착되어 진동자를 지지한다. 진동자에 삽입된 코일(103)에 전류를 흘리면 진동자(102)는 전자석으로 자화되고 N극, 혹은 S극을 띠게 된다. 이때 진동자 양 끝단은 서로 다른 극성을 띠게 되며 영구자석(105) 사이에 위치한 진동자(102)만 영구자석에 의해 구동력을 받게 된다. 한편 케이스에 부착되어 있는 진동자는 공기 중으로 자속을 방사하게 되어 전자석에 의해 만들어진 자력의 절반이 소실된다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 의한 폐루프 자기회로를 이용한 고효율 전자석 박형 스피커 구동부의 평면도 및 자력선도이다. 도시한 바와 같이 진동자(301)를 E-형태로 구성하면 진동자(301)와 영구자석(105)으로 작은 틈을 가지는 폐루프 자력선이 형성되고, 이러한 폐루프 구성에 따라 코일(103)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자력선의 경로가 형성되어 자력선이 외부로 유출되는 양이 적어지고, 이를 통하여 영구자석(105) 사이에 위치한 진동자(301)의 자력이 커지게 된다. 진동자(301)의 운동 힘은 진동자(301)에 형성되는 자력과 영구자석(105)로부터 발생하는 자력의 곱에 비례하므로 진동자(301)의 자력선의 증가는 곧바로 진동자(301)의 힘의 증가가 되고, 따라서 도 8에 도시한 바와 같은 폐루프의 구성은 진동자(301)의 진동의 힘을 크게 하는 원천이 된다.

도 9는 본 발명의 폐루프 자기회로를 이용한 고효율 전자석 박형 스피커의 구동부 구조도이다. E자형으로 구부려 탄성을 가지게 한 금속 진동자(301); 진동자(301) 중앙부의 둘레에 감긴 코일(103); 진동자(301)의 중앙부와 일정간격을 두고 수직방향으로 배치된 N극과 S극을 형성하는 영구자석(105); 한 쌍의 영구자석(105) 상부를 연결하는 강자성체 상부 플레이트(201); 한 쌍의 영구자석(105) 하부를 연결하는 강자성체 하부 플레이트(202);를 포함한다. 진동자(301)를 구성하는 세 개의 막대 중 영구자석(105)의 바깥쪽에 있는 2개의 막대는 영구자석(105)의 바깥쪽 중앙부와 접촉하여 고정하고, 영구자석(105)의 사이에 끼어 있는 나머지 하나의 막대는 자유로이 진동을 할 수 있도록 구성한다.

코일(103)에 전류를 흘리면 진동자(102)는 전자석으로 자화되어 코일의 양 끝단은 전류의 방향에 따라 N극, 혹은 S극으로 변하게 되고, 영구자석(105)의 사이에 끼어 있는 진동자(301)는 영구자석(105)의 N극, 혹은 S극의 고정된 극성과 인력 또는 척력이 발생하여 진동자(301)가 상하 진동을 하게 된다. 도 9에 도시한 폐루프 자기회로를 이용한 고효율 전자석 박형 스피커의 구동부는 앞서 설명한 도 5의 구동부와 마찬가지로 진동자(301)가 영구자석(105)의 N극 혹은 S극 양 끝단까지 인력에 의해 움직일 수 있는 구조로서 영구자석(105)의 높이 전체에 이르는 큰 진동이 가능하여 종래의 밸런스드 아마추어 방식 대비 대출력 음향재생이 가능하다.

본 발명에 따르면 종래의 밸런스드 아마추어 스피커에 비하여 진동 범위가 넓고 큰 힘으로 진동시킬 수 있는 스피커를 만들 수 있으므로 종래의 방법에 비하여 더욱 큰 출력을 낼 수 있다. 따라서 종래의 밸런스드 아마추어 스피커가 활용되던 이어폰, 보청기뿐만 아니라 이보다 큰 출력이 요구되는 휴대폰용 마이크로 스피커, 텔레비전이나 멀티미디어 기기 등과 같은 대형 전자제품의 스피커로도 적용할 수 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, 105 : 영구자석
102 : 진동자
103 : 코일
104 : 요크
201 : 상부 플레이트
202 : 하부 플레이트
301 : E형 진동자
401 : 연결 막대
402 : 진동판

Claims (3)

1. 전류를 입력하기 위한 코일; 상기 코일을 관통하여 설치하고 코일에 흐르는 전류의 방향에 따라 N극 혹은 S극으로 자화되는 진동자; 상기 진동자의 한쪽 편의 측면에 상기 진동자와 접촉하지 않도록 상기 진동자의 운동방향과 평행하게 N극 및 S극이 형성된 한 쌍의 영구자석; 상기 한 쌍의 영구자석 상부를 연결하는 강자성체 상부 플레이트; 상기 한 쌍의 영구자석 하부를 연결하는 강자성체 하부 플레이트;를 포함하고 상기 전류에 의해 N극 혹은 S극으로 자화되는 상기 진동자가 상기 진동자의 측면에 설치된 한 쌍의 상기 영구자석의 N극과 S극과의 인력과 척력에 의해 진동하도록 구성한 전자석 스피커
2. 제 1항에 있어서,
   상기 진동자가 영문 U자 형태로 구부러진 전자석 스피커
3. 제 1항에 있어서,
   상기 진동자가 영문 E자 형태로 형성된 전자석 스피커

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