KR20060021224A - Piezoelectric vibrator with asymmetric i-type elastomer and piezoelectric panel speaker using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전형 스피커 등에 사용되는 압전 진동자에 관한 것으로, 특히 비대칭 I자 형태의 탄성체를 구비하여 진동 특성이 크게 향상된 압전 진동자 및 이를 이용한 패널 스피커에 관한 것이다. 상기 압전 진동자는 양면에 전극이 부착된 압전성 물질과 압전성 물질에 부착된 탄성체로 이루어져 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환하기 위한 압전 액츄에이터(piexoelectric actuator)와, 상기 압전 액츄에이터(piexoelectric actuator)의 일면에 부착되어 압전 액츄에이터로부터 발생하는 기계적 진동을 외부로 전달하기 위한 진동 전달용 탄성체를 포함하여 구성되며, 압전 액츄에이터와 진동 전달용 탄성체 전체의 축방향 단면 형상이 비대칭의 I형상을 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 압전 진동자는 간단한 구조를 가지며, 제조 공정이 단순화될 수 있고, 높은 압전 진동을 발생시킬 수 있고, 비대칭의 I 형상을 조절하여 최대 음압을 갖는 파장을 조절할 수 있고, 소비전력 대비 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있어 소비 전력의 감소, 제품의 소형화 및 노이즈에 의한 신호 왜곡을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 압전 진동자를 하나의 진동 패널에 2 이상 장착한 경우에 하나의 패널 스피커로도 스테레오 음향 효과를 얻을 수 있다.The present invention relates to a piezoelectric vibrator used in piezoelectric speakers and the like, and more particularly, to a piezoelectric vibrator having an asymmetric I-shaped elastic body and greatly improved in vibration characteristics and a panel speaker using the same. The piezoelectric vibrator is composed of a piezoelectric material having electrodes attached to both sides and an elastic body attached to the piezoelectric material, and is attached to one surface of a piexoelectric actuator for converting an electrical signal into mechanical vibration and a piexoelectric actuator. It comprises a vibration transmission elastic body for transmitting the mechanical vibration generated from the piezoelectric actuator to the outside, characterized in that the axial cross-sectional shape of the piezoelectric actuator and the vibration transmission elastic body as a whole has an asymmetric I shape. The piezoelectric vibrator according to the present invention has a simple structure, the manufacturing process can be simplified, can generate a high piezoelectric vibration, can control the wavelength having the maximum sound pressure by adjusting the asymmetric I shape, energy compared to power consumption Efficiency can be greatly improved, reducing power consumption, miniaturization of the product, and signal distortion caused by noise. In addition, when two or more piezoelectric vibrators according to the present invention are mounted on one vibration panel, a stereo sound effect can be obtained even with one panel speaker.
압전 진동자, 압전형 스피커, 평판형 스피커, 스테레오 스피커 Piezoelectric vibrators, piezoelectric speakers, flat panel speakers, stereo speakers
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 진동자의 종단면도와 저면도.1 is a longitudinal sectional view and a bottom view of a piezoelectric vibrator according to an embodiment of the present invention.
도 2는 상기 도 1의 압전 진동자가 장착된 압전형 패널 스피커의 실시예를 도시한 도면.FIG. 2 illustrates an embodiment of a piezoelectric panel speaker equipped with the piezoelectric vibrator of FIG.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 진동자의 종단면도와 저면도.3 is a longitudinal sectional view and a bottom view of a piezoelectric vibrator according to another embodiment of the present invention.
도 4 내지 6은 본 발명에 따른 압전 진동자에서 탄성체의 각 부분의 단면 형상 및 크기가 변화된 실시예를 도시한 도면.4 to 6 is a view showing an embodiment in which the cross-sectional shape and size of each portion of the elastic body in the piezoelectric vibrator according to the present invention is changed.
도 7은 본 발명에 따른 압전 진동자에서 무게 중심의 형태가 변화된 실시예를 도시한 도면.7 is a view showing an embodiment in which the shape of the center of gravity of the piezoelectric vibrator according to the present invention is changed.
도 8은 본 발명에 따른 압전 진동자가 하나의 진동 패널에 2 이상 부착됨으로써 스테레오 음향을 나타낼 수 있는 압전형 패널 스피커를 도시한 도면.8 is a view illustrating a piezoelectric panel speaker capable of displaying stereo sound by attaching two or more piezoelectric vibrators to one vibration panel according to the present invention.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **** Explanation of symbols for main parts of drawings **
100: 압전 진동자 110: 압전 액츄에이터100: piezoelectric vibrator 110: piezoelectric actuator
110a: 압전성 물질 110b: 탄성체110a:
120: 진동 전달용 탄성체120: elastic body for vibration transmission
120a: 진동 전달용 탄성체의 제 1 부분120a: first portion of the elastic body for vibration transmission
120b: 진동 전달용 탄성체의 제 2 부분120b: second portion of the elastic body for vibration transmission
130: 진동 조절용 탄성체 200: 진동 패널130: elastic body for vibration control 200: vibration panel
본 발명은 압전형 스피커 등에 사용되는 압전 진동자에 관한 것으로, 진동자 전체의 종단면 형상이 비대칭 I자 형태를 가짐으로써 진동 특성이 크게 향상된 압전 진동자 및 이를 이용한 패널 스피커에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric vibrator used in piezoelectric speakers, and the like, and a piezoelectric vibrator having a greatly improved vibration characteristic by having an asymmetric I-shape in its longitudinal cross section, and a panel speaker using the same.
종래의 압전형 스피커에서는 진동 여진기로부터 발생된 진동이 음압이 낮고 공진 주파수가 3kHz 이상의 높은 부근에서 형성되어 높은 주파수에서 낮은 음압을 발생시키는 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 복수의 압전 진동자를 사용하는 방법들이 시도되었으나 높은 음압을 얻는 데는 성공하지 못해 현재 널리 사용되고 있지 못하는 실정이다.In the conventional piezoelectric speaker, the vibration generated from the vibration exciter has a low sound pressure and a resonance frequency is formed at a high vicinity of 3 kHz or more to generate a low sound pressure at a high frequency. In order to solve this problem, methods using a plurality of piezoelectric vibrators have been attempted, but have not been successful in obtaining high sound pressure and are not currently widely used.
특히, 압전형 진동자의 구조와 배치에 대한 여러 특허가 출원되었지만 현재까지 높은 음압을 얻는데 실패하였다. 이러한 기술의 대부분은 여러 개의 진동자를 배치하거나 압전체의 뒤쪽에 진동 형태를 변형시키기 위해 질량체를 장착시키는 구조이나 크게 실효를 얻지 못하고 있다.In particular, many patents have been filed for the structure and arrangement of piezoelectric vibrators, but have failed to obtain high sound pressures. Most of these technologies have a structure that mounts a mass body in order to arrange a plurality of vibrators or to deform the vibration shape behind the piezoelectric body, but has not been very effective.
일예로 영국에 출원된 특허 GB2 166022 A는 압전 진동판에 점성탄성층(viscoelastic layer)과 질량체로 구성된 압전 진동자에 대해 개시하고 있으나, 이 같은 형태와 유사한 다른 형태들도 높은 음압을 얻지는 못하고 있다.For example, patent GB2 166022 A, which is filed in the UK, discloses a piezoelectric vibrator composed of a viscoelastic layer and a mass on a piezoelectric vibrating plate, but other forms similar to this form do not obtain high sound pressure.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전체적으로 비대칭 I자형 형상의 종단면 형상을 가짐으로써 진동 특성이 크게 향상된 새로운 구조의 압전 진동자를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a piezoelectric vibrator having a new structure having a greatly improved vibration characteristics by having a longitudinal cross-sectional shape of the asymmetric I-shaped shape as a whole.
본 발명의 다른 기술적 과제는, 새로운 압전성 물질을 이용함으로써 소비전력 대비 에너지 효율이 크게 향상된 압전 진동자를 제공하는 것이다.Another technical problem of the present invention is to provide a piezoelectric vibrator having a significantly improved energy efficiency compared to power consumption by using a new piezoelectric material.
본 발명의 다른 기술적 과제는, 상기 비대칭 I자형 구조의 압전 진동자를 1개의 진동 패널에 복수개 장착함으로써 1개의 스피커를 이용하여 스테레오 음향을 제공할 수 있는 압전형 패널 스피커를 제공하는 것이다.Another technical problem of the present invention is to provide a piezoelectric panel speaker capable of providing stereo sound using one speaker by mounting a plurality of piezoelectric vibrators having the asymmetric I-shaped structure in one vibration panel.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요지는 다음과 같다.The gist of the present invention for achieving the above object is as follows.
(1) 양면에 전극이 부착된 압전성 물질과 압전성 물질에 부착된 탄성체로 이루어져 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환하기 위한 압전 액츄에이터(piexoelectric actuator)와, 상기 압전 액츄에이터(piexoelectric actuator)의 일면에 부착되어 압전 액츄에이터로부터 발생하는 기계적 진동을 외부로 전달하기 위한 진동 전달용 탄성체를 포함하여 구성되며,(1) Piezoelectric actuator (piexoelectric actuator) for converting an electrical signal into mechanical vibration consisting of a piezoelectric material having an electrode attached to both sides and an elastic body attached to the piezoelectric material, and attached to one surface of the piezoelectric actuator (piezoelectric actuator) It is configured to include a vibration transmission elastic body for transmitting the mechanical vibration generated from the actuator to the outside,
압전 액츄에이터와 진동 전달용 탄성체 전체의 축방향 단면 형상이 비대칭의 I형상을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.A piezoelectric vibrator characterized in that the axial cross-sectional shape of the piezoelectric actuator and the vibration transmitting elastic body as a whole has an asymmetric I shape.
(2) 상기 압전 액츄에이터는 유니모프(unimorph) 또는 바이모프(bimorph)의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동자.(2) The piezoelectric vibrator according to the above (1), wherein the piezoelectric actuator has a unimorph or bimorph structure.
(3) 상기 진동 전달용 탄성체의 반대편에서 상기 압전 액츄에이터의 타면에 부착되어 압전체의 진동 양상을 조절하기 위한 진동 조절용 탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동자.(3) The piezoelectric vibrator according to the above (1), further comprising a vibration adjusting elastic body attached to the other surface of the piezoelectric actuator on the opposite side of the vibration transmitting elastic body to adjust the vibration pattern of the piezoelectric body.
(4) 상기 진동 전달용 탄성체와 진동 조절용 탄성체는 금속인 것을 특징으로 하는 상기 (3) 기재의 압전 진동자.(4) The piezoelectric vibrator according to the above (3), wherein the vibration transmitting elastic body and the vibration adjusting elastic body are metal.
(5) 상기 진동 전달용 탄성체와 진동 조절용 탄성체는 영률 10GPa 이상의 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 상기 (3) 기재의 압전 진동자.(5) The piezoelectric vibrator according to the above (3), wherein the vibration transmitting elastic body and the vibration adjusting elastic body are polymer materials having a Young's modulus of 10 GPa or more.
(6) 상기 압전 액츄에이터는 에폭시에 의하여 상기 진동 전달용 탄성체 및 진동 조절용 탄성체에 부착되는 것을 특징으로 하는 상기 (3) 기재의 압전 진동자.(6) The piezoelectric vibrator according to the above (3), wherein the piezoelectric actuator is attached to the vibration transmitting elastic body and the vibration adjusting elastic body by epoxy.
(7) 상기 압전성 물질은 PZT(납 지르코늄 티타네이트계 물질) 다결정 세라믹 물질이거나, PMN-PT(납 마그네슘 나이오베이트 - 납 티타네이트계 물질), PZN-PT(납 아연 나이오베이트 - 납 티타네이트계 물질), PZT(납 지르코늄 티타네이트계 물질), PYN-PT(납 이터비움 나이오베이트 - 납 티타네이트계 물질) 및 PIN-PT(납 인듐 니아오베이트 - 납 티타네이트계 물질)로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나로서, 아래의 화학식 1과 화학식 2 중 어느 하나의 조성을 만족하는 압전성을 갖는 강유전성의 단결정 세라믹 물질인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동자.(7) The piezoelectric material is PZT (lead zirconium titanate-based material) polycrystalline ceramic material, or PMN-PT (lead magnesium niobate-lead titanate-based material), PZN-PT (lead zinc niobate-lead titanium) Nate-based materials), PZT (lead zirconium titanate-based materials), PYN-PT (lead iterium niobate-lead titanate-based materials) and PIN-PT (lead indium niobate-lead titanate-based materials) The piezoelectric vibrator according to the above (1), wherein the piezoelectric vibrator is any one selected from the group consisting of a ferroelectric single crystal ceramic material having piezoelectric properties satisfying any one of the following formulas (1) and (2).
[화학식 1][Formula 1]
s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]s [L] -x [P] y [M] z [N] p [T]
[P]는 산화납(PbO, PbO2, Pb3O4)이고,[P] is lead oxide (PbO, PbO 2 , Pb 3 O 4 ),
[M]은 산화 마그네슘 (MgO) 또는 산화 아연(ZnO)이고,[M] is magnesium oxide (MgO) or zinc oxide (ZnO),
[N]은 나이오비움 옥사이드(Nb2O5)이고,[N] is niobium oxide (Nb 2 O 5 ),
[T]은 산화 티탄(TiO2)이고,[T] is titanium oxide (TiO 2 ),
[L]은 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 리튬나이오베이트(LiNbO3), 리튬(Li), 리튬 산화물(Li2O) 또는 리튬 카보네이트(Li2CO3)이거나, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라디움(Pd), 로디움(Rh), 인디움(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 스트론티움(Sr), 스칸디움(Sc), 루쎄니움(Ru), 구리(Cu), 이트리움(Y) 및 이터비움(Yb)으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속 또는 그의 산화물이고,[L] is lithium tantalate (LiTaO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium (Li), lithium oxide (Li 2 O), or lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), or platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), rhodium (Rh), indium (In), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), strontium (Sr), scandium (Sc), ruthenium (Ru), copper (Cu), yttrium (Y), and iterium (Yb) is one metal selected from the group consisting of or oxides thereof,
x는 0.55 보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같고,x is greater than or equal to 0.55 and less than or equal to 0.65,
y는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,y is greater than or equal to 0.09 and less than or equal to 0.20,
z는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,z is greater than or equal to 0.09 and less than or equal to 0.20,
p는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같고,p is greater than or equal to 0.01 and less than or equal to 0.1,
s는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같다.s is greater than or equal to 0.01 and less than or equal to 0.1.
[화학식 2][Formula 2]
[1-x]Pb(Zn1/3,Nb2/3)-[x]PbTiO3,[1-x] Pb (Zn 1/3 , Nb 2/3 )-[x] PbTiO 3 ,
[1-y]Pb(Mg1/3,Nb2/3)-[y]PbTiO3 [1-y] Pb (Mg 1/3 , Nb 2/3 )-[y] PbTiO 3
[1-z]PbZrO3-[z]PbTiO3,[1-z] PbZrO 3- [z] PbTiO 3 ,
[1-l]Pb(Yb1/2,Nb1/2)O3-lPbTiO3 [1-l] Pb (Yb 1/2 , Nb 1/2 ) O 3 -lPbTiO 3
[1-m]Pb(In1/2,Nb1/2)O3-mPbTiO3 [1-m] Pb (In 1/2 , Nb 1/2 ) O 3 -mPbTiO 3
x는 0이거나 0.01보다 크거나 0.2보다 작고,x is 0 or greater than 0.01 or less than 0.2,
y는 0.1보다 크거나 0.4보다 작고,y is greater than 0.1 or less than 0.4,
Z는 0.4보다 크고 0.6보다 작고,Z is greater than 0.4 and less than 0.6,
l은 0.2보다 크고 0.8보다 작고,l is greater than 0.2 and less than 0.8,
m은 0.2보다 크고 0.8보다 작다. m is greater than 0.2 and less than 0.8.
(8) 상기 압전성 물질은 다결정 또는 단결정 물질이 단층 또는 복층의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 (7) 기재의 압전 진동자.(8) The piezoelectric vibrator according to the above (7), wherein the piezoelectric material is a single crystal or a multi-layered structure of a polycrystalline or single crystal material.
(9) 상기 압전성 물질은 다결정 또는 단결정 물질이 벌크 또는 박막 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 (7) 기재의 압전 진동자.(9) The piezoelectric vibrator according to the above (7), wherein the piezoelectric material is a bulk or thin film of polycrystalline or single crystal material.
(10) 상기 압전 진동자의 비대칭 I 형상을 조절하여 최대 음압을 갖는 파장을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동자.(10) The piezoelectric vibrator according to the above (1), wherein the wavelength having the maximum sound pressure can be adjusted by adjusting the asymmetrical I shape of the piezoelectric vibrator.
(11) 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 따른 압전 진동자를 구비한 압전형 패널 스피커.(11) A piezoelectric panel speaker provided with the piezoelectric vibrator according to any one of (1) to (10).
(12) 상기 압전 진동자가 하나의 진동 패널에 2 이상 구비된 것을 특징으로 하는 상기 (11) 기재의 압전형 패널 스피커.(12) The piezoelectric panel speaker according to the above (11), wherein the piezoelectric vibrator is provided in two or more in one vibration panel.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the contents of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 진동자(100)의 종단면도 및 저면도이 다. 본 발명에 따른 압전 진동자는 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환하기 위한 압전 액츄에이터(110)와 압전 액츄에이터(110)에 부착되어 압전 액츄에이터(110)로부터 발생되는 기계적 진동을 외부로 전달하기 위한 진동 전달용 탄성체(120)를 포함하는 단순한 구조로 이루어져 있다. 압전 액츄에이터는 압전체(110a)와 압전체(110a)에 부착된 탄성체(110b)로 구성되는데 압전체에는 외부로부터 전기적 신호를 수신하기 위한 전극이 부착되어 있으나, 이러한 전극은 본 발명에 따른 압전 진동자의 구조상의 특징을 명확히 하기 위해 이하의 도면에서와 마찬가지로 도면상에 별도로 도시되어 있지 않다. 1 is a longitudinal sectional view and a bottom view of a
상기 압전 액츄에이터(110)는 유니모프(unimorph) 또는 바이모프(bimorph)의 구조를 가질 수 있다.The
도 1을 참조할 때, 본 발명의 제 1 특징에 따르면, 상기 진동 전달용 탄성체(120)는 압전 액츄에이터(110)와 함께 비대칭의 영문 대문자의 I 형상을 갖는 것(즉, 압전 진동자 전체의 종단면 형상이 비대칭의 영문 대문자 I 형상인 것)이 바람직하다. 전기적 신호에 의해 압전 액츄에이터(110)에서 발생된 진동이 압전 액츄에이터(110) 보다 작은 단면적을 갖는 진동 전달용 탄성체의 제 1 부분(120a)을 거쳐 이보다 약간 큰 제 2 부분(120b)을 통해 외부로 전달된다. 이 경우, 상기 압전 진동자(100)의 축방향 단면 형상(압전 진동자 전체의 종단면 형상)은 비대칭의 I 형상을 갖게 되는데, 진동이 발생하는 압전 액츄에이터(110)로부터 제 1 부분(120a) 쪽으로 단면적이 감소하기 때문에 진동의 폭이 증가하게 된다.Referring to FIG. 1, according to the first aspect of the present invention, the vibration transmitting
도 2는 도 1의 압전 진동자가 장착된 패널 스피커의 모식도이다. 진동 패널 (200)의 가장자리 소정의 부위에 압전 진동자(100)가 장착된다. 압전 액츄에이터(110)에서 발생한 진동이 상술한 바와 같이 진동 전달용 탄성체(120)의 각 부분(120a, 120b)을 거쳐 진동 패널(200)에 전달되어 음향으로 외부로 방출되는데, 본 발명에 따른 압전 진동자(100)는 기하학적 구조상의 특징으로 인해 종전의 압전 진동자보다 월등하게 높은 음압을 제공할 수 있다.FIG. 2 is a schematic diagram of a panel speaker equipped with the piezoelectric vibrator of FIG. 1. The
도 3을 참조할 때, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 압전 진동자(100)는 상기 진동 전달용 탄성체(120)와는 별개로 진동 조절용 탄성체(130)를 더 포함할 수도 있다. 진동 조절용 탄성체(130)는 압전 액츄에이터(110)를 기준으로 진동 전달용 탄성체(120)의 반대편에 부착되어 압전 액츄에이터(110)에서 발생하는 진동 크기와 최대 음압이 발생하는 파장을 조절하는 역할을 하게 된다.Referring to FIG. 3, according to another feature of the present invention, the
상기 진동 전달용 탄성체(120)와 진동 조절용 탄성체(130)는 강, 알루미늄, 알루미늄 합금 등의 금속인 것이 바람직하다. 또한, 영률이 큰 고분자 물질도 가능하지만 소재의 종류가 특별히 제한되지는 않는다. 고분자의 경우에는 10GPa 이상의 영율을 갖는 것이 바람직하다.The vibration transmission
도 1 또는 도 3에서 상기 압전 액츄에이터(110)와 탄성체(120 또는 130)를 연결하는 수단으로서 에폭시와 같은 경화 후 높은 경도값을 갖는 접착제가 바람직하며, 이에 따라 신호가 감쇠하는 현상이 최소한으로 될 수 있다.In FIG. 1 or 3, an adhesive having a high hardness value after curing, such as epoxy, is preferable as a means of connecting the
본 발명에 따른 압전 진동자에 있어서, 압전 액츄에이터(110)와 탄성체(120, 130)의 두께, 단면 형상 및 크기, 무게 중심의 형태는 적용되는 장치에 따라 적절히 조절될 수 있다.In the piezoelectric vibrator according to the present invention, the thickness, cross-sectional shape and size, and the center of gravity of the
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 압전 진동자에서 압전 액츄에이터(110)와 진동 전달용 탄성체(120)의 각 부분(120a, 120b)의 단면 형상 및 크기가 변화된 실시예를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 압전 진동자에서 탄성체의 무게 중심의 형태가 변화된 실시예를 도시한 도면이다. 이러한 변화는 압전 진동자가 적용되는 압전형 스피커의 형상에 따라 달라질 수 있으며, 적절하게 선택함으로써 스피커의 형상에 기인하는 정상파로 인해 음향이 왜곡되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 상기 압전 진동자의 비대칭 I 형상을 조절하여 최대 음압을 갖는 파장을 조절할 수 있다.4 to 6 are views showing an embodiment in which the cross-sectional shape and size of each
도 8은 하나의 진동 패널에 본 발명에 따른 압전 진동자를 2개 부착함으로써 스테레오 음향 효과를 얻을 수 있는 압전형 패널 스피커의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다. 본 실시예에서는 2개의 압전 진동자가 부착된 경우를 도시하였으나, 스테레오 음향 효과를 증대시키기 위해 필요에 따라 증가시킬 수 있다.8 is a view showing another embodiment of a piezoelectric panel speaker capable of obtaining a stereo sound effect by attaching two piezoelectric vibrators according to the present invention to one vibration panel. In this embodiment, two piezoelectric vibrators are attached, but they can be increased as necessary to increase the stereo sound effect.
본 발명의 제 2 특징에 따르면, 상기 압전체(110a)의 압전성 물질은 종래에 널리 사용되는 PZT(납 지르코늄 티타네이트 계 물질)의 다결정 세라믹이거나 압전 특성이 우수한 압전성 단결정 세라믹 물질로 구성되는 것이 바람직하다.According to the second aspect of the present invention, the piezoelectric material of the
종래에 PZT(납 지르코늄 티타네이트 계 물질)의 다결정 세라믹을 사용하는 경우 높은 음압을 얻지 못했지만 본 발명의 압전 진동자는 PZT 다결정을 복층으로 사용하여 높은 음압을 얻을 수 있다.Conventionally, when using a polycrystalline ceramic of PZT (lead zirconium titanate-based material) has not obtained a high sound pressure, the piezoelectric vibrator of the present invention can obtain a high sound pressure by using a PZT polycrystal as a multilayer.
본 발명에서 사용되는 강유전성 단결정 물질로는 PMN-PT(납 마그네슘 나이오베이트-납 티타네이트계 물질), PZN-PT(납 아연 나이오베이트-납 티타네이트계 물 질), PZT(납 지르코늄 티타네이트계 물질), PYN-PT(납 이터비움 나이오베이트-납 티타네이트계 물질), PIN-PT(납 인듐 니아오베이트 -납 티타네이트계 물질)이 이용될 수 있다.Ferroelectric single crystal materials used in the present invention include PMN-PT (lead magnesium niobate-lead titanate-based material), PZN-PT (lead zinc niobate-lead titanate-based material), PZT (lead zirconium titanium Nate-based materials), PYN-PT (lead etherium niobate-lead titanate-based materials), PIN-PT (lead indium niobate-lead titanate-based materials) can be used.
본 발명에 따른 상기 강유전성 단결정 물질은 아래의 화학식 1과 화학식 2 중 어느 하나의 조성을 만족하는 것이 바람직하다.The ferroelectric single crystal material according to the present invention preferably satisfies the composition of any one of the following Formulas (1) and (2).
[화학식 1][Formula 1]
s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]s [L] -x [P] y [M] z [N] p [T]
[P]는 산화납(PbO, PbO2, Pb3O4)이고,[P] is lead oxide (PbO, PbO 2 , Pb 3 O 4 ),
[M]은 산화 마그네슘 (MgO) 또는 산화 아연(ZnO)이고,[M] is magnesium oxide (MgO) or zinc oxide (ZnO),
[N]은 나이오비움 옥사이드(Nb2O5)이고,[N] is niobium oxide (Nb 2 O 5 ),
[T]은 산화 티탄(TiO2)이고,[T] is titanium oxide (TiO 2 ),
[L]은 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 리튬나이오베이트(LiNbO3), 리튬(Li), 리튬 산화물(Li2O) 또는 리튬 카보네이트(Li2CO3)이거나, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라디움(Pd), 로디움(Rh), 인디움(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 스트론티움(Sr), 스칸디움(Sc), 루쎄니움(Ru), 구리(Cu), 이트리움(Y) 및 이터비움(Yb)으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속 또는 그의 산화물이고,[L] is lithium tantalate (LiTaO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium (Li), lithium oxide (Li 2 O), or lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), or platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), rhodium (Rh), indium (In), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), strontium (Sr), scandium (Sc), ruthenium (Ru), copper (Cu), yttrium (Y), and iterium (Yb) is one metal selected from the group consisting of or oxides thereof,
x는 0.55 보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같고,x is greater than or equal to 0.55 and less than or equal to 0.65,
y는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,y is greater than or equal to 0.09 and less than or equal to 0.20,
z는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,z is greater than or equal to 0.09 and less than or equal to 0.20,
p는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같고,p is greater than or equal to 0.01 and less than or equal to 0.1,
s는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같다.s is greater than or equal to 0.01 and less than or equal to 0.1.
[화학식 2][Formula 2]
[1-x]Pb(Zn1/3,Nb2/3)-[x]PbTiO3,[1-x] Pb (Zn 1/3 , Nb 2/3 )-[x] PbTiO 3 ,
[1-y]Pb(Mg1/3,Nb2/3)-[y]PbTiO3 [1-y] Pb (Mg 1/3 , Nb 2/3 )-[y] PbTiO 3
[1-z]PbZrO3-[z]PbTiO3,[1-z] PbZrO 3- [z] PbTiO 3 ,
[1-l]Pb(Yb1/2,Nb1/2)O3-lPbTiO3 [1-l] Pb (Yb 1/2 , Nb 1/2 ) O 3 -lPbTiO 3
[1-m]Pb(In1/2,Nb1/2)O3-mPbTiO3 [1-m] Pb (In 1/2 , Nb 1/2 ) O 3 -mPbTiO 3
x는 0이거나 0.01보다 크거나 0.2보다 작고,x is 0 or greater than 0.01 or less than 0.2,
y는 0.1보다 크거나 0.4보다 작고,y is greater than 0.1 or less than 0.4,
Z는 0.4보다 크고 0.6보다 작고,Z is greater than 0.4 and less than 0.6,
l은 0.2보다 크고 0.8보다 작고,l is greater than 0.2 and less than 0.8,
m은 0.2보다 크고 0.8보다 작다. m is greater than 0.2 and less than 0.8.
이러한 조성의 단결정 물질은 본 발명의 출원인이 선행하여 출원한 대한민국 특허출원 제2003-47458호에 개시된 방법에 의해 제조될 수 있다. 특허출원 제2003-47458호에 개시된 내용은 본 명세서에 통합되어 그 일부를 구성한다.The single crystal material of this composition can be prepared by the method disclosed in Korean Patent Application No. 2003-47458 filed previously by the applicant of the present invention. The contents disclosed in Patent Application No. 2003-47458 are incorporated in and constitute a part of this specification.
상기 화학식 1과 화학식 2의 조성을 갖는 단결정재료는 종래의 PZT 세라믹이 나 다결정 박막보다 압전변형계수가 크기 때문에 동일한 인가전압에 대해 그 변형의 정도가 더 크다. 이는 압전 진동자에 적용될 경우, 전기적 신호를 음향 신호로 변환시 높은 음압을 발생시킬 수 있어 바람직하다. 또한 압전전압계수가 크기 때문에 음향 신호와 같은 외부 응력이 가해질 때 높은 출력 전압을 발생시킬 수 있고, 전기기계결합계수가 높기 때문에 소비전력 대비 에너지 변환 효율이 높아질 수 있어 유리하다. 또한 단결정이기 때문에 원자 및 분자들이 주어진 공간에서 규칙적으로 가장 밀집하여 배열할 수 있어 미세 가공이 가능하다.Since the single crystal material having the composition of
본 발명에 따른 단결정 물질 중 PMN-PT 단결정과 종래의 PZT 세라믹 및 PVDF와의 압전 특성을 아래의 표 1에서 비교하였다.The piezoelectric properties of PMN-PT single crystal and conventional PZT ceramic and PVDF in the single crystal material according to the present invention were compared in Table 1 below.
표 1은 실측값을 표시한 것이며, IEEE standard에 따라 공진법(resonant measurement)을 이용한 측정하였다. 또한, 전압에 따른 변형값을 직접적으로 측정하기 위해 광간섭계(interferometric measurement), LVDT를 이용하여 직접적으로 d33을 측정하는 방법들도 이용하였다. 여기서, d33은 두께 모드(Thickness)의 압전변형계수, k33은 두께모드에서의 전기기계결합계수, g33는 두께모드에서 압전전압계수를 나타낸다.Table 1 shows the measured values, and measured by resonant measurement in accordance with the IEEE standard. In addition, methods for directly measuring d33 using an interferometric measurement and LVDT were used to directly measure the strain value according to the voltage. Here, d 33 represents the piezoelectric strain coefficient of the thickness mode, k 33 represents the electromechanical coupling coefficient in the thickness mode, and g 33 represents the piezoelectric voltage coefficient in the thickness mode.
이하에서는, 상기 물성들이 압전 진동자의 성능에 미치는 영향에 대하여 설명한다.Hereinafter, the influence of the properties on the performance of the piezoelectric vibrator will be described.
일반적으로 압전 특성을 갖는 재료에 전계를 인가할 때 발생하는 변형량은 아래의 식 (1)로 표시될 수 있다.In general, the amount of deformation that occurs when an electric field is applied to a material having piezoelectric properties may be represented by Equation (1) below.
ΔL=S×Lo=dij×E×Lo------------- 식 (1)ΔL = S × L o = d ij × E × L o ------------- Equation (1)
여기서, here,
S = 변형률S = strain
Lo = 변형전 길이 [m] L o = length before deformation [m]
ΔL = 변형량 [m]ΔL = strain [m]
E = 전계 강도 [V/m] E = field strength [V / m]
dij = 압전변형계수 [pV/m]d ij = piezoelectric strain coefficient [pV / m]
을 각각 나타낸다.Respectively.
상기 식 (1)로부터 압전 재료의 변위는 압전변형계수(dij)에 비례함을 알 수 있다.It can be seen from Equation (1) that the displacement of the piezoelectric material is proportional to the piezoelectric strain coefficient d ij .
상기 표 1을 참조할 때, PMN-PT 단결정의 압전변형계수(d33)가 PVDF의 약 70배 이상, PZT 세라믹의 약 4배 이상의 큰 값을 갖는다. 따라서 본 발명에 따른 PMN-PT 단결정을 이용한 압전 진동자는 종래의 PVDF 또는 PZT 세라믹을 이용한 동일 규격의 압전 진동자와 비교할 때 동일한 입력 전압에 대하여 4~70배 이상의 음 압 증가를 얻을 수 있다. 바꾸어 말하면, 본 발명에 따른 압전 진동자는 종래의 압전 진동자보다 1/70~1/4배 이하의 낮은 전압으로 동일 크기의 음압을 얻을 수 있으므로, 소형화, 저전력화가 요구되는 모바일 기기에 유리하게 적용될 수 있다.Referring to Table 1, the piezoelectric strain coefficient (d 33 ) of the PMN-PT single crystal has a large value of about 70 times or more of PVDF and about 4 times or more of PZT ceramic. Therefore, the piezoelectric vibrator using the PMN-PT single crystal according to the present invention can obtain a sound pressure increase of 4 to 70 times or more with respect to the same input voltage as compared with the piezoelectric vibrators of the same standard using conventional PVDF or PZT ceramics. In other words, the piezoelectric vibrator according to the present invention can obtain sound pressure of the same size at a voltage of 1/70 to 1/4 times lower than the conventional piezoelectric vibrator, and thus can be advantageously applied to mobile devices requiring miniaturization and low power. have.
또한, 본 발명에 따른 압전 진동자에 사용된 PMN-PT 단결정은, 표 1에서 알 수 있듯이 높은 전기기계결합계수를 갖기 때문에 종래의 PVDF 폴리머 및 PZT 세라믹보다 소비전력대비 에너지 효율이 향상되어 이러한 압전 진동자를 이용한 압전형 패널 스피커의 저전력화, 소형화를 가능케 하고, 노이즈에 의한 신호 왜곡을 감소시킬 수 있다.In addition, since the PMN-PT single crystal used in the piezoelectric vibrator according to the present invention has a high electromechanical coupling coefficient as shown in Table 1, the piezoelectric vibrator is improved in energy efficiency compared to conventional PVDF polymer and PZT ceramic. The piezoelectric panel speaker can be reduced in power and miniaturized, and signal distortion due to noise can be reduced.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 압전성 물질(110a)은 다결정 또는 단결정 물질은 벌크 또는 막 형태의 구조일 수 있고, 단층 또는 적층 구조일 수 있다. 압전성 물질을 막 형태로 구성할 경우, 벌크 형태의 압전성 단결정 물질을 박막 형태로 연마한 후 전극에 부착하거나 전극에 부착된 후 박막 형태로 연마 가공될 수 있다. 박막 형태로 압전 단경정 물질을 구성할 경우 압전 액츄에이터(110)의 전체적인 두께가 감소될 수 있다.According to another feature of the present invention, the
이상의 설명은 본 발명의 구체적 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명을 목적으로 할 뿐이고, 당업자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경과 수정을 가할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해되어야 한다.The above description relates to specific embodiments of the present invention. It is to be understood that the above embodiments according to the present invention are for the purpose of explanation only and that various changes and modifications can be made by those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Accordingly, all such modifications and changes are to be understood as falling within the scope of the invention as set forth in the claims or their equivalents.
이상과 같은 본 발명에 따른 간단한 구조의 압전 진동자는 제조 공정이 단순화될 수 있고, 높은 압전 진동을 발생시키기 때문에 이를 이용한 압전형 패널 스피커에서 높은 음압이 얻어질 수 있다. The piezoelectric vibrator of the simple structure according to the present invention as described above can be simplified, and the high sound pressure can be obtained in the piezoelectric panel speaker using the piezoelectric panel speaker using the piezoelectric vibrator.
또한, 본 발명에 따른 압전 진동자는 새로운 압전성 물질을 사용함으로써 소비전력 대비 에너지효율을 크게 향상시킬 수 있어 소비 전력의 감소, 제품의 소형화 및 노이즈에 의한 신호 왜곡의 감소를 실현할 수 있다.In addition, the piezoelectric vibrator according to the present invention can significantly improve the energy efficiency compared to the power consumption by using a new piezoelectric material, thereby realizing a reduction in power consumption, miniaturization of the product, and reduction of signal distortion due to noise.
또한, 본 발명의 압전 진동자를 하나의 진동 패널에 2 개 이상 사용하여 1개의 스피커에서 스테레오 음향효과를 실현할 수 있다.In addition, two or more piezoelectric vibrators of the present invention can be used in one vibration panel to realize stereo sound effects in one speaker.
본 발명의 압전 진동자를 사용한 스피커는 진동판의 제한이 적기 때문에 수중이나 다습한 환경에서 사용이 가능한 형태로 만들 수 있다.The speaker using the piezoelectric vibrator of the present invention can be made in a form that can be used underwater or in a humid environment because of the limitation of the diaphragm.
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- 2004-09-02 KR KR1020040070101A patent/KR100573733B1/en not_active IP Right Cessation
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