KR19980080973A - 음향 기록 및 재생 소자 - Google Patents

Abstract

압전 소자(piezo-electric element)(5)가 설치되는 막(膜, 3), 상기 압전 소자(5)와 연결되어 동작하는 전기 접속 수단(electric connecting means, 6) 및 상기 막(3)을 수용하기 위한 하우징(2)으로 이루어지는 음향 기록 및/또는 재생 소자를 개시하고 있다. 본 발명의 소자(1)는 막(3)에 의해 생성되는 음향 진동이 차단되도록 하기 위하여 막(3)으로부터 근거리(D1)에 위치하는 벽부(壁部, 17)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

음향 기록 및 재생 소자

본 발명은 음향 기록 및/또는 재생 소자에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로 말하자면, 본 발명은 확성기 및/또는 마이크로폰에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 압전 소자(piezo-electric element)를 사용하는 음향 기록 및/또는 재생 소자에 관한 것이다.

전기 신호는 다양한 종류의 재생기 수단에 의해 가청(可廳) 음향 진동으로 변환될 수 있으며, 그 반대로 음향 진동도 전기 신호로 변환될 수 있음이 알려져 있다.

공지된 음향 재생기의 제1 타입은 전기 역학적 확성기로 이루어진다.

통상 종이 콘(paper cone)을 사용하는 이러한 확성기들의 주요한 단점으로는 다음과 같은 것들이 있다.

- 비교적 큰 부피를 차지한다.

- 용량이 큰 전력이 필요하다.

- 전력 소모가 크기 때문에 두꺼운 접속선이 필요하다.

- 자석(磁石)의 길이가 길기 때문에 상당히 큰 깊이를 요한다.

- 고음(high tone) 재생 능력이 불량하다.

- 온도 및 습도에 민감하다.

- 저출력이다.

- 전역(全域) 재생을 위해서는 큰 칫수가 필요하다.

- 전자장(電磁場 : EMC)을 발생시킨다.

- 일정 부하에서 코일이 가열되어 끊어지기 때문에 신뢰성이 비교적 낮다.

- 종이 콘이 매우 잘 깨어지는 성질이 있기 때문에, 이에 대한 특수한 보호가 필요하다.

- 설계가 복잡하다.

공지된 음향 재생기의 제2 타입은 정전기(靜電氣) 재생기로 이루어진다.

그러나, 이러한 타입의 재생기들도 역시 상당 수의 단점이 있는데, 이를 열거하면 다음과 같다.

- 값이 매우 비싸다.

- 전역 재생을 위해서는 큰 칫수가 필요하다.

- 고장력이 필요하다.

- 임계 설계 및 복잡한 설계가 필요하다.

- 습도에 매우 민감하다.

- 간섭(interferences)에 민감하다.

- 고출력을 낼 수 없다.

- 적응 공간(adapted space)이 필요하다.

공지된 음향 재생기의 제3 타입은 압전 재생기로 이루어진다.

상기 제3 타입의 음향 재생기는 통상 박막 금속 디스크인 지지부 및 이 지지부에 고정되는 피에조 세라믹 디스크(piezo-ceramic disc)로 이루어지는 진동막을 사용한다.

이 막은 그 막이 가요성 접착제 수단에 의해 노드(nodes) 상의 하우징에 고정되는 부위인 절면 현가(節面 懸架, nodal suspension) 수단, 또는 경질(硬質) 또는 가요성 접착제 수단에 의해 전체 둘레에 걸치는 현가 수단에 의해 현가된다.

이 막 및 피에조 디스크(piezo disk)에 가변 장력을 가하면, 상기 금속 지지부 자체는 확장되거나 축소되지 않기 때문에 피에조-세라믹 디스크 재료가 확장되거나 축소되어, 전체 부위가 가변 장력의 함수로서 휘어지게 되고 제공된 가변 전위의 주파수 및 진폭에 비례하는 오디오 신호가 생성된다.

또한, 압전 효과는 상호 배타적이라는 사실이 공지되어 있는데, 환언하면 막과 피에조 디스크가 예를 들어 음향 진동 수단에 의해 이동하게 되면, 막의 이동과 막의 이동의 결과로서 피에조-세라믹 디스크 내에 발생하는 압력 변화에 비례하여 전기 장력이 발생되게 되어 지지부와 피에조 소자로 이루어지는 전체 부위가 마이크로폰 기능을 하는 소자를 형성하게 된다.

이러한 압전 재생기의 일반적인 장점은 아래와 같다.

- 매우 얇으며 편평한 설계를 가진다.

- 간단하지만 우수한 설계를 가진다.

- 내충격, 방수성 및 내온성이 있다.

- 마이크로폰으로 사용될 수 있다.

- 전기장(電氣場 : EMC)을 발생하지 않는다.

- 중량이 가볍다.

- 에너지 소비가 작다.

- 확성기에 연결되는 전선에 흐르는 전류를 많이 필요로 하지 않는다.

- 매우 소형 확성기에서도 매우 큰 음향 출력을 낸다.

그러나, 지금까지 공지된 이러한 압전 재생기의 실시예들의 단점은 이러한 실시예들이 비교적 고음을 재생하는 데에만 적합하며, 15 Hz 내지 20 kHz의 완전 가청 주파수 범위에는 사용될 수 없다는 것이다.

특히, 1 kHz 이하의 음향 재생이 불가능하거나 또는 매우 불량한 성능을 보인다. 따라서, 사람의 음성 및 악기가 내는 주파수의 대부분은 압전막의 수단에 의해서는 현재까지도 재생될 수 없다. 또한, 이러한 압전 재생기는 현재까지 부저(buzzers), 변환기(transducers) 및 고음 스피커(tweeters)에만 사용되고 있거나, 또는 재생 성능이 우수할 필요가 없는 응용 분야에서 마이크로폰 및 확성기용으로 사용되고 있다.

본 발명은 압전 원리를 이용하여 음향을 기록 및/또는 재생하는 소자에 관한 것이지만, 본 발명에서는 전술한 공지의 실시예의 단점들이 해소되거나 또는 최소화되었다.

특히, 본 발명은 15 Hz 내지 20 kHz의 전범위에서 최적의 음향 재생을 제공하는 압전 확성기에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 소형 및 대형 실시예 양자 모두에 적합한 소자를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명은 직경이 10 ㎜보다 작은 것에서부터 1 미터까지의 설계를 제공하는 것을 목표로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압전 소자가 설치되는 막(膜), 상기 압전 소자와 연결되어 동작하는 전기 접속 수단 및 막을 수용하기 위한 하우징으로 이루어지는 음향 기록 및/또는 재생 소자에 관한 것인데, 막에 의해 생성되는 음향 진동을 차단하기 위하여 상기 소자는 막으로부터 근거리에 위치하는 벽부(壁部)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 전술한 벽부는 상기 막으로부터 지근(至近) 거리에 위치하여 음향 진동 발생시에 이동하게 되는 공기가 상기 벽부에서 반사되어, 반사된 진동이 상기 막에 차단 효과(damping)가 생기게 한다.

상기 막과 전술한 벽부 간의 거리는 0.5 ㎜ 내지 10 ㎜ 사이에 있는 것이 좋으며, 0.5 ㎜ 내지 5 ㎜ 사이에 있는 것이 더 좋다.

이러한 방식으로, 전역에 걸쳐서 매우 우수한 음향 재생 능력을 얻게 된다.

이러한 이유는 기타 여러 가지 이유 중에서도, 상기 차단 효과에 의해 고조파(高調波)의 품질 요인이 감소되며, 공명 주파수가 낮아진다는 이유로 설명된다.

전술한 벽부, 및/또는 벽부 주위에 공기를 유출시키는 구멍을 구비하는 것이 좋은데, 이렇게 하여 상기 벽부의 차단 효과가 손실되는 일이 없이 음향이 용이하게 재생될 수 있다.

본 발명에 의한 특정의 실시예에 따르면, 전술한 벽부는 후막(厚膜)으로 이루어지므로, 다른 장점들 중에서도 특히 상기 벽부 상의 기생 진동(parasitic vibration)을 제거하거나 적어도 최소화하는 장점을 가진다.

직경이 큰 설계에 특히 적합한 다른 실시예에 따르면, 상기 벽부는 중량이 비교적 큰 본체를 구비하고 있어서, 전술한 차단 효과가 커지고 기생 진동이 억제된다.

본 발명에 따른 소자의 하나 또는 여러 개의 구성 부분에는 차단층(damping layer)이 구비될 수 있는데, 이 차단층은 분절(fragmentation)이 발생하는 경우, 다른 에너지들 중에서 진동 에너지를 흡수할 수 있으며 고주파에서 예리한 공명 피크(sharp resonance peak)가 차단되도록 하는 실리콘과 같은 탄성 차단 물질(damping elastic material)인 것이 좋다. 그 결과, 더 양호한 품질의 재생이 달성된다.

본 발명의 특성을 더 잘 설명하기 위해서, 이하에서는 본 발명을 어떠한 형태로든 한정하는 일이 없이 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 예시로서 바람직한 실시예를 설명하겠다.

도 1은 본 발명에 따른 소자의 단면도.

도 2는 도 1의 II-II 선에 따라 절단한 단면도.

도 3, 도 4 및 도 5는 도 1의 단면도와 유사한 다른 실시예의 단면도.

도 6은 도 4에 F6로 표시된 부분을 확대한 도면.

도 7 내지 도 22는 다수의 계통도를 도시한 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 소자

2 : 하우징

3 : 막

4 : 지지부

5 : 압전 소자

6 : 전기 접속 수단

7 : 하우징 부

11 : 가용성 접착제

음향을 기록 및/또는 재생하기 위한 본 발명에 따른 소자(1)는 하우징(2), 적어도 지지부(4)와 지지부(4)에 고정되는 압전 소자(5)로 구성되는 막(3) 및 전기 접속 수단(6)으로 이루어진다.

여기서, 하우징(2)은 전면벽(8) 및 원통형 측면벽(9)이 있는 하우징부(7)를 포함한다. 하우징부(7)는 합성 물질로 만들어지는 것이 좋다.

상기 막(3)은, 바람직하게는 탄성 또는 가요성 접착제(11) 수단에 의해 자신의 연부(edge)가 하우징부(7) 내에 구비되는 칼라(collar, 10)에 고정된다.

상기 막(3)의 지지부(4)는 예를 들어 두께가 매우 얇은 청동으로 만들어진 금속 디스크로 이루어진다.

압전 소자(5)는, 예를 들어 30 마이크로미터 정도이며, 예를 들어 접착제로 지지부(4)에 고정되는 피에조-세라믹 디스크로 이루어진다.

전기 접속 수단(6)은 압전 소자(5)에 전위차(電位差)가 생성될 수 있는 방식으로 막(3)에 접속되는 도체(12), (13)로 이루어진다.

이들 도체(12, 13)는, 예를 들어 종단핀(terminal pin, 14, 15)에 연결되고, 이들 종단핀들은 하우징(2)의 후면(back side)을 형성하는 커버판(cover plate, 16) 내에 고정된다.

본 발명은 소자(1)가, D1 거리만큼 떨어져 막을 따라서 연장하는 벽부(17)를 구비하고 있다는 점에서 특이하며, 이는 차단 효과를 생성한다.

상기 D1 거리는 매우 짧으며, 10 ㎜ 이하인 것이 좋다. 통상, 이 거리(D1)는 확성기의 크기에 따라서 0.5 ㎜ 내지 5 ㎜ 사이에 있다.

막(3)과 벽부(13) 주위의 사이에 상기 D1 거리보다 더 깊게 챔버(chamber, 18)가 형성된다.

상기 D1 거리와 챔버(18)의 깊이 차이는 두꺼운 부분(19)을 가지는 전면벽에 의하여 생긴다.

도면에는 표시되지 않았으나, 다른 변형에 의하면, 벽부(17) 높이의 전면벽(8)이 안으로 굽어져 전면벽이 반드시 두껍게 되지 않는다는 사실에 유의하여야 한다. 그러나, 두꺼운 부분 및/또는 보강재(19)를 사용함으로써 전면벽(8)의 진동으로 인한 기생 진동이 발생되는 것이 억제되는데, 이에 대해 후술한다.

도면에는 표시되지 않았으나, 또 다른 변형에 의하면, 전면벽(8)의 내부는 완전한 평면(flat)이고 전체 표면에 걸쳐서 막(3)으로부터 짧은 거리 D1에 위치한다.

하우징(2) 내에는 소리가 외부로 전달되도록 하는 구멍(20)이 구비되어 있으며, 이 구멍(20)은 챔버(18) 내에 있고 공기의 유출을 보장하고 가능한 필터링 효과를 제거(각각 최소화함)할 수 있을 정도로 충분히 크다.

도 1에 따르면, 막(3)의 전면에는 차단층(21)이 구비되어 있는데, 이 차단층은 실리콘, 실리콘 고무 또는 탄성 중합체와 같은 가요성 재질로 만드는 것이 좋다. 이 차단층(21)은 막의 분절 동안에 생성되는 진동 에너지를 흡수할 목적으로 구비된 것이며 고주파에서 예리한 공명 피크가 차단되도록 한다.

상기 커버판(16)은 인쇄 회로 기판으로 이루어질 수 있는데, 이 기판에는 전자 장치 부품이 장착될 수 있으며, 또한 구멍(22)이 이 커버판(16) 내에 구비되며, 이 커버판은 밀폐 공기에 의해 막에 과도한 응력이 발생하지 않도록 해준다.

상기 하우징부(7)와 벽부(17)는 합성 물질로 제작되는 것이 좋다.

하우징(2)은 그 내부에 고정 구멍(23)이 마련된 플랜지(flange)를 더 구비한다.

소자(1)의 동작은, 전기 신호가 단말핀(14, 15)에 인가될 때, 막(3)이 이 전기 신호의 기능에 따라서 진동을 시작하도록 하는 원리에 기초하고 있다. 이는 공기가 배출되도록 하여 소리를 생성하기 때문이다. 짧은 거리 D1 및 전면벽(8)에 두꺼운 부분(19)이 구비됨으로 인하여 전술한 차단 효과가 생성된다.

도 3, 도 4 및 도 5에는 차단 효과를 크게 하기 위하여, 전술한 벽부(17)에 무거운 본체[또는 질량체(mass, 24)]가 구비되어 있고, 이 본체(24)는 예를 들어 구리 또는 납(鉛) 등의 금속과 같이 밀도가 큰 재질로 만들어지는 디스크로 이루어져 있으며, 이 디스크가 하우징(2) 내에 구비되어 있는 3 개의 다른 실시예가 개시되어 있다.

차단층(21)이 막(3)의 지지부(4)에 이미 구비되어 있다고 하더라도, 상기 차단층(25)은 도 3에 표시된 바와 같은 막(3)을 향하는 본체(24)의 측면 또는 벽부(17)와 같은 기타 장소에도 역시 구비될 수 있다.

도 4에 따른 다른 실시예에서는, 본체(24)가 전면벽(8)의 외측면에 위치하고 있으며, 차단층(25)은 하우징(2)과 본체(24) 사이에 위치한다.

도 5는 챔버(18)가 본체(24) 후면을 따라서 충분히 커질 수 있도록 본체(24) 와 차단층(25)이 구비되고, 차단층(25)이 중앙 지지부(26)에 고정되는 다른 실시예를 개시하고 있다.

도 1, 도 3, 도 4 및 도 5의 지지부(4), 압전 소자(5) 및 차단층(21)은 두께가 더 두껍거나 더 작은 것으로 표시되어 있지만, 실제로는 차단층(21)이 막(3)보다 훨씬 더 두꺼운데, 이는 도 6에 더 사실적으로 표현되어 있으며, 예를 들어 10배 정도 더 두꺼우며 따라서 두께가 1 ㎜ 정도로 된다. 또한, 차단층(25)은 두께가 1 ㎜ 가량인 것이 좋다.

본 발명을 더 자세히 설명하기 위하여, 본 발명의 다수의 일반 원리 및 특정한 특성 양자 모두의 이론적인 접근법을 이하에서 설명한다.

도 7 및 도 8은 한 쪽의 절면 현가 수단(도 7)과 다른 쪽에 있는 막(3)의 연부의 현가 수단(도 8) 간의 차이를 나타낸다.

이러한 막은 공명 주파수를 나타낸다. 이러한 공명 주파수가 발생하면, 소리의 품질에 역효과를 끼치는 원하지 않는 효과가 생긴다.

본 발명에 따르면, 본 발명자들은 다른 것들 중에서도 이 공명 주파수를 가청 주파수의 하위 한계까지로 낮추는 것을 시도하였는데, 환언하면 30 Hz에서 20 kHz 까지를 거의 일정하게 드리프트(drift)할 수 있는 주파수 재생을 생성하도록 일련의 차단 효과를 생성하여 어떠한 공명 주파수도 생성되는 일이 없이 전역을 커버하도록 하였다.

환형의 절면으로(nodally) 지지되는 판의 공명 주파수 F_rn은 아래의 수학식 1로 표현할 수 있다.

여기서, t = 막의 총 두께

S = 막의 표면

y = 영률 [Young's modulus(N/m²)]

d = 적어도 2.5 ㎏/dm³인 지지부(4)의 밀도

r = 포아송 비(ratio of Poisson).

이 수학식 1은 공명 주파수가 두께와 표면, 환언하면 막(3)의 직경에 강하게 의존한다는 사실을 명백히 나타내고 있다. 막(3)의 두께가 얇아 질수록 공명 주파수도 낮아진다.

공명 주파수를 최소화하기 위하여, 지지부(4) 및/또는 소자(5)의 두께를 최소로 줄임으로써 막(3)의 두께를 감소시킬 수도 있다.

그러나, 물리적인 이유로 인하여 지지부(4)의 두께는 20 마이크로미터 이하로 줄일 수 없다. 또한, 생성된 진동이 가능한한 동심원으로 되도록 지지부(4) 및 소자(5)는 동일한 두께인 것이 좋다. 결과적으로, 상기 공명 주파수는 지지부(4)와 소자(5)의 두께 선택으로 인하여 제한된 범위로만 최소로 될 수 있다.

연부 현가로 인하여, 소자(5)의 직경 D2와 지지부(4)의 직경(D3) 간의 비율은 0.85 내지 0.5 사이에 있어야 한다는 사실에도 역시 유의하여야 한다. 지지부(4)가 커질수록 결과적으로 표면 S가 커지게 되고 공명 주파수는 작아지게 되어, 더 큰 소자를 필요하게 되므로 비용이 상당히 증가한다는 것이 명백하다.

금속 지지부(4)에 부착되며 세라믹 디스크로 이루어지는 압전막(3)이 공명하면, 막(3)이 현가되는 방식에 따라서 유니모오프(unimorph)라고 하는 것이 형성된다. 연부 현가에 있어서는, 공명 주파수를 계산하기 위하여 통상 0.7인 고정수 (mounting factor) K를 고려하여야 한다.

연부 현가에 대해서는 다음과 같다.

도 9에 도시된 바와 같이, 자유단에 무게추 G인 무거운 물체가 매달린 금속 띠(metal strip)에 관한 이론적인 접근을 해보면, 이 금속띠는 초기에는 위치 에너지가 없고 정지 지점에서는 운동 에너지가 없다.

힘 F에 의해 위치 P1으로부터 위치 P2로 무게추 G가 옮겨지면, 무게추 G는 최대 위치 에너지와 최소 운동 에너지를 갖게 된다.

위치 P2에서 힘 F가 제거되면, 무게추 G는 정지 지점 P1으로 되돌아와서 운동 중의 속도 및 운동 에너지를 생성하게 된다. 이 운동 에너지는 무게추 G가 위치 P1을 통과하게 되는 시점에서 최대값을 가지게 되지만, 위치 에너지는 그 순간에 0 값이 된다.

최대 운동 에너지는 무게추 G가 위치 P3로 되돌아오게 하는데, 위치 P3에서 운동 에너지는 다시 최소값이 되고 위치 에너지는 다시 최대값으로 된다. 에너지 손실이 없다고 한다면, 영구적으로 지속되는 발진 진동이 생성된다.

이 발진 주파수는 금속띠의 길이, 무게추 G의 질량 및 스트림의 탄성률에 의하여 결정된다. 이론적으로, 발진 주파수에 대한 이들 값의 크기 간의 비율은 다음 수학식 2와 같다.

F_osc= Y/(L×G)

여기서, Y = 영률(Young's modulus)

L = 금속띠의 길이

G = 금속띠 종단점에서의 중량

따라서, 무게추가 없을 때와 있을 경우의 발진을 표시할 때, 도 10과 도 11에 각각 도시된 바와 같이, 무게추 G의 질량이 증가함에 따라 발진 주파수는 감소된다고 말할 수 있다.

공명 주파수에 대한 위의 수학식 2에서 주파수가 중량에 역비례한다는 것을 고려하면, 다음과 같다.

편평한 환형의 막(3)으로 이러한 결과를 얻기 위해서는, 가요성 접착제(11), 예를 들어 실리콘 고무를 사용하여 상기 막이 연부에 부착되어 하우징(2)이 무게추로서의 역할을 하게 되고, 피치 오버(pitch over)는 상기 막(3)이 자신의 연부에 부착되는 가요성 부위에 정확히 위치될 수 있다.

이는 도 12에 개략적으로 도시되어 있는데, 이에 의하면 밖으로 만곡된 모습으로 강조되어 있다.

상기 만곡은 다음과 같은 칫수에 의해 특징지울 수 있다.

A = 막의 중심부에서의 만곡도로서, 이 값은 예를 들어 100 Hz일 때 1 ㎜, 300 Hz일 때 0.3 ㎜, 10 kHz일 때 0.01 ㎜이다.

B = 진동막(3)의 자유부(free part)의 반경

a = 연부에 부착된 부분의 만곡도

b = 지지 연부의 폭, 달리 말하면 전술한 칼라(10)의 폭.

a/b는 A/B와 대체로 동일하므로, 결과적으로

a = (A × b)/B이다.

B의 반경이 12.5 ㎜이고 지지부 연부의 폭이 2 ㎜라고 한다면,

a = 100 Hz에서 0.16 ㎜

b = 300 Hz에서 0.4 ㎜

c = 10 kHz에서 0.0008 ㎜

이다.

따라서, 진동판의 단부는 최대로

100 Hz에서 0.16 ㎜

300 Hz에서 0.4 ㎜

10 kHz에서 0.0008 ㎜

까지 움직인다.

예를 들어, 점도가 35,000 mPa-s인 가요성 실리콘 접착제가 사용되는 경우, 막(3)의 종단 이동은 제한되지는 않지만, 하우징(2)을 싸고 있는 무게추와 결합되어 위에서 기재한 원리에 따라서 공명을 낮게 하고 차단 작용을 하게 된다. 이 공명은 이러한 설계로 차단되며 다른 설계에서보다도 덜 예민하다.

이는 절면 지지부와 연부에 막(3)이 부착되거나 고정되는 지지부 및 가요성 접착제(11) 수단에 의해 연부에 막(3)이 부착되는 지지부에 의해 각각 공명 주파수를 나타내는 곡선 F_rn,F_ri및 F_rr에 의해 도 13에 개략적으로 도시되어 있다.

상기 팩터 K는 아래와 같이 표현될 수 있다.

K = (b/D4) × v

여기서, b = 칼라(10)의 폭

D4 = 칼라(10) 간에 측정된 막의 직경

v = 접착제(11)의 점도.

그러면, 공명 주파수에 대한 수식은 다음 수학식 3과 같이 된다.

판의 밀도 d(체적당 무게)는 공명 주파수에 영향을 미치고 반작용 힘(opposing force)을 형성하므로, 밀도에 의한 진동 생성의 관성은 공명에 영향을 미치게 된다. 밀도가 높을수록 공명 주파수는 작아진다.

또한, 반작용 관성도 고공명(高共鳴)의 차단 작용에 영향을 미치게 된다. 막(3)이 음향 진동을 생성하고, 이 음향 진동이 짧은 거리로부터 반향(反響)되면, 막(3)이 막 전면(全面)을 걸쳐서 더 큰 저항을 받게 되어 더 느린 속도로 움직이게 된다. 결과적으로, 고조파의 품질 요인이 감소되고 막(3)은 확실히 무겁게 되므로 공명 주파수가 감소된다.

더우기, 고조파 및 더 예리한 고조파는 감쇄된다.

위 설명으로부터 막(3)이 전면벽(8)의 내부면에 가까운 거리, 즉 짧은 거리 D1로 설치되면, 밀도 d가 눈에 띠게 증가되어 공명 현상이 차단되고, 나아가 편평하게 된다는 결론을 얻을 수 있다

상기 설명으로부터, 상기 거리 D1이 작아짐에 따라, 또한 막(3)으로부터의 거리 D1에 위치하는 부분을 의미하는 벽부(17)의 표면 S1이 커짐에 따라, 밀도 d가 명백히 증가된다는 것을 유도할 수 있다. 이러한 영향을 공명 주파수 F_rr수식에 적용하면, 아래와 같다.

여기서, S1 = 막(3)으로부터 짧은 거리 D1에 위치하는 벽부(17)의 표면

D1 = 막(3)과 벽부(17) 간의 거리.

거리 D1을 가능한 한 작게 선택함으로써 공명 주파수가 작아질 수 있다는 것이 분명하다.

이들 차이점은 도 14에 예시되어 있는데, 여기에서는 10 ㎜의 거리 D1에서의 공명 주파수의 드리프트가 곡선 C1 수단에 의하여 도시되어 있으며, 2 ㎜의 거리 D1에서의 공명 주파수의 드리프트는 곡선 C2 수단에 의하여 도시되어 있다.

또한, 압전막이 매우 빠르게 반응하며 대역폭 및 반응률에 대한 제한을 실제 가지고 있지 않다는 것에 유의하여야 한다. 음성 또는 음악과 같은 복잡한 신호에서는, 무한 개의 고조파가 단순하게 나타난다. 이 경우, 막(3)은 진동하고 이 주파수에 반응하여야 한다. 따라서, 특정 주파수는 막(3)의 특정 장소에서 공명하게 되고 따라서 고주파에서 분절을 일으키는 경우가 있다. 결과적으로, 고주파에서의 예리한 피크는 주파수를 분석하면 알 수 있는데, 이 예리한 피크는 특정 주파수에서 특정 간섭을 생성하기 때문에 회피되어야 한다. 이 예리한 피크는 도 15의 곡선으로 도시되어 있다.

전술한 바와 같이, 실리콘과 같은 가요성 재료로 된 차단층(21)으로 막(3)을 피복시킴으로써, 이러한 현상은 본 발명에 따라서 회피된다. 도 16의 곡선으로 표시된 바와 같이, 이 차단층(21)은 분절이 발생하는 경우 진동 에너지를 흡수하며, 고주파에서의 예리한 공명 피크도 차단된다.

도 17은 국소(局所) 중에 분절 생성된 진동 T가 층(21)에 의하여 흡수되는 방식을 도시하고 있다. 경고 기능을 위하여 고주파가 요구되거나 또는 특정 고주파를 위하여 큰 음향 압력이 요구되는 응용에서는, 이 차단층을 전혀 구비하지 않아도 되며 일부분에만 구비하여도 된다.

전술한 바와 같이, 전면벽(8)은, 막(3)에 의해 전면벽의 내부에서 방사되는 음향 진동 때문에 진동을 개시한다는 사실은 측정해보지 않아도 명백하다. 따라서, 막(3)에 의해 생성된 필요한 진동과 관련하여 위상을 벗어난 기생 진동이 전면벽(8) 상에 생성되며, 이는 구멍(20)을 통하여 방사되어 음향 신호의 가청 왜곡이 생성될 수 있다.

또한, 이러한 이유 때문에 기생 진동을 억제하거나/및 최소화하기 위하여 전면벽(8)을 차단하는 본 발명에 따라 측정이 행해진다.

전술한 바와 같이, 이 측정은 전면벽(8), 특히 벽부(17)가 각각 두꺼운부(19) 수단에 의해 및/또는 본체(24)를 사용하여 보강 및/또는 강화함으로써 수행된다.

차단층(25)의 효과는 이하에서 명백해질 것이다.

이동 전면벽(8)의 운동 에너지는 이하의 수학식 4로 표현될 수 있다.

E_k= 0.5×m×v²+0.5×I×w²

여기서, m = 질량

v = 속도

I = 관성 모멘트

w = 각속도 또는 발진 주파수.

임계 차단을 방지하기 위하여, 아래의 조건에 합치하여 전면벽 상의 일점에서의 음향 진동에 의하여 전면벽(8) 상에 압력 P_m이 가해져야 한다.

P_m≤ 0.5 × m × v²

전면벽(8)이 진동을 개시하면, 이하의 조건을 만족하여야 한다.

P_m≤ 0.5 × m × v²+ 0.5 × I × w²

이를 구현하기 위하여, 차단층(25)이 무게추 위에 구비된다. 이 차단층(25)을 만드는 탄성 재료는 충격파를 차단시키고, 하나의 전면 힘과 여러 개의 횡단 힘으로 생성되는 힘을 완화시킨다. 도 18 및 도 19에 각각 도시된 바와 같이, 이 차단층(25)의 기능은 충격 흡수자(shock absorber)이며, 막(3)의 음향 진동에 의해 생성되는 힘 K가 차단되고 비간섭 횡단 힘이 완화된다.

탄성 재질의 탄성률 E는 아래와 같이 표현될 수 있음을 유의하여야 한다.

E = 3 × k × (1 - 2 × u)

E = 2 × g × (1 + u)

여기서, k = 체적 탄성률

u = 횡단 축소 계수(transverse contraction coefficient)

g = 슬라이딩률.

대부분의 재질의 경우, 1,000도에서의 체적 감소는 1 %이거나 체적 탄성률이 10¹⁰N/m²이다. 100%의 신장률에 사용되는 탄성 재료의 체적 탄성률은 N/㎜²단위로 표현하였을 때 본 발명에 따라서 0.1 내지 1 사이이거나 또는 이들 값과 같은 값인 것이 좋다. 이를 달리 표현하면,

0.1 ≤ k ≤ 0.5이다.

사용되는 탄성 재료의 횡단 축소 계수 u는 아래와 같은 것이 좋다.

0 ≤ u ≤ 0.5

마지막으로, 본 발명에 따른 압전 재생기에 의해 생성되는 음향 재생 및 공지의 전기 역학적 재생기에 의해 생성되는 음향 재생의 다수의 곡선들이 도 20, 도 21 및 도 22에 도시되어 있다. ED로 표시된 곡선은 전기 역학적 재생기에 관한 것이며, PE로 표시된 것은 압전 재생기에 관한 것이다.

또한, 도 20, 도 21 및 도 22는 각각 3 개의 상이한 직경, 즉 25 ㎜, 35 ㎜ 및 57 ㎜인 실시예에 관한 것이다.

곡선 DE와 ED를 비교하면, 음향 압력에 관해서는 본 발명에 따른 소자(1) 수단에 의한 재생이 유사한 칫수를 가지는 전기 역학적 실시예의 수단에 의해 재생되는 것보다도 통상 훨씬 양호하고 강하다는 것을 나타내고 있음을 알 수 있다.

본 발명은 예시로서 기술된 실시예 및 도면에 도시된 것에 한정하려고 한 것이 아니며, 그와는 달리 음향을 기록 및/재생하기 위한 그러한 소자는 본 발명의 범위 내에서 모든 종류의 모양과 칫수로 만들어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 막에 의해 생성되는 음향 진동이 감쇄되는 효과가 생긴다.

Claims (17)

1. 압전 소자(piezo-electric element)(5)가 설치되는 막(膜: membrane, 3), 상기 압전 소자(5)와 연결되어 동작하는 전기 접속 수단(6) 및 상기 막(3)을 수용하기 위한 하우징(2)으로 이루어지는 음향 기록 및/또는 재생 소자에 있어서, 상기 막(3)에 의해 생성되는 음향 진동이 차단되도록 상기 소자(1)는 상기 막(3)으로부터 근거리(D1)에 위치하는 벽부(壁部, 17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 막(3)과 상기 벽부(17) 간의 거리(D1)는 10 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
3. 제2항에 있어서, 상기 막(3)과 상기 벽부(17) 간의 거리(D1)는 0.5 ㎜에서 5 ㎜ 사이인 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 벽부(17)는 국소적으로 두꺼운 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 챔버(18)가 외주(外周)를 따라서 형성되는 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 구멍(20)이 상기 하우징(2) 내에 구비되는 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
7. 제6항에 있어서, 상기 구멍(20)은 외주를 따라 형성된 챔버(18) 내로 개방되는 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 벽부(17)는 상기 하우징(2)의 일부인 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 벽부(17)에 무게추(24)또는 질량체가 마련되는 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
10. 제9항에 있어서, 상기 벽부(17)는 막(3)과 하우징(2)의 벽 사이에 평행하게 구비되는 본체(24)로 이루어지며, 상기 무게추 또는 질량체(24)는 상기 벽으로부터의 떨어져, 바람직하게는 중앙 지지부(26)에 부착되는 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
11. 제9항에 있어서, 상기 무게추 또는 질량체(24)는 밀도가 큰 재질, 바람직하게는 금속, 특히 구리, 황동, 납 및 합금으로 만들어지는 디스크로 이루어지는 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
12. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 차단층(21 ∼ 25)에 하나 또는 여러 개의 구성부가 구비되는 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
13. 제12항에 있어서, 상기 차단층(21 ∼ 25)의 기능은

    a) 막(3) 상의, 바람직하게는 벽부(17)를 지향하는 측면 상의 차단층(21),

    b) 고주파를 촉진하기 위하여 막 상의 부분 피복 또는 피복이 전혀 되지 않는 부분,

    c) 막(3)을 지향하는 측면 상의 상기 벽부(17) 상에 구비되는 차단 코트,

    d) 벽부(17)에 무게추 또는 질량체(24)가 구비되는 경우, 막(3)을 지향하는 무게추 또는 질량체(24)의 측면 상에 위치하는 차단층(25)

    상기 a), b), c), d)의 임의의 경우 또는 두 개 이상의 조합에 따라서 수행되는 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
14. 제12항에 있어서, 차단층(21 ∼ 25)은 탄성 재료, 특히 실리콘, 실리콘 고무 또는 탄성 중합체로 이루어지며, 바람직하게는 두께가 1 ㎜ 정도인 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
15. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 막(3)은 박막 금속판으로 형성되는 지지부(4) 및 상기 지지부 위에 고정되는 피조 결정 형상의 압전 소자(5)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
16. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 막(3)은 바람직하게는 탄성 접착제인 접착제(11) 수단에 의해 자신의 연부가 하우징(2) 내에 구비되는 칼라(10) 상에 고정되는 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.
17. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 하우징(2)이 막(3)으로부터 짧은 거리 D1에 위치하는 보강재 및/또는 두꺼운 벽부(17)가 있는 전면벽(8)를 가지는 하우징부(7), 그 위에 막(3)이 고정되는 칼라(10)를 구비한 측벽(9)을 포함하는 것을 특징으로 하며, 챔버(18)가 상기 거리 D1보다 더 깊게 적어도 상기 벽부(17) 주위에 형성되고 개구부가 상기 챔버(18)의 높이로 전면벽(8)에 구비되는 것을 특징으로 하며, 차단층(21)이 상기 막(3) 위에 제공되고, 하우징(2)에는 접속 수단(6)이 설치되는 후면측 상에 커버판(16)이 구비되는 것을 특징으로 하는 음향 기록 및/또는 재생 소자.