KR20060062138A

KR20060062138A - 다중 작용 진동자가 구비된 압전 진동자

Info

Publication number: KR20060062138A
Application number: KR1020040100886A
Authority: KR
Inventors: 이상구; 김세덕
Original assignee: (주)아이블포토닉스
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2006-06-12
Also published as: CN101069341B; KR100625772B1; JP2008522538A; JP4758998B2; CN101069341A; WO2006059856A1

Abstract

본 발명은 전체 음역에 대해 높은 음압을 가지며 이와 동시에 스테레오 음향을 구현할 수 있는 압전 진동자 및 이를 이용한 간단한 구조의 압전형 패널 스피커에 관한 것이다. 본 발명에 따른 압전 진동자는 탄성체와, 상기 탄성체의 일면에 부착되고 양면에 전극이 부착되는 복수의 압전체로 이루어져 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환하는 다중 작용 진동자(Multi Acting Vibrator: MAV)와 ; 상기 다중 작용 진동자의 탄성체에 부착되어 기계적 진동을 외부에 전달하는 진동 전달용 탄성체를 포함하고, 상기 다중 작용 진동자를 구성하는 복수의 압전체에는 서로 다른 주파수 대역의 전기적 신호가 독립적으로 인가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 압전체는 단층 또는 복층 구조로 형성될 수 있으며, 복층 구조를 이루는 경우 각 층의 단면적과 형태가 같은 층을 적층하거나 혹은 단면적 또는 형태가 서로 다르게 적층될 수 있는 것을 특징으로 한다.

다중 작용 진동자 (Multi Acting Vibrator), 압전 진동자, 압전형 스피커, 평판형 스피커, 스테레오 스피커

Description

다중 작용 진동자가 구비된 압전 진동자{PIEZOELECTRIC VIBRATOR WITH MULTI ACTING VIBRATOR}

도 1은 종래의 압전 진동자의 종단면도와 저면도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 진동자의 종단면과 저면도,

도 3은 종래기술에 따른 상기 도 1의 압전 진동자와 본 발명에 따른 상기 도 2의 압전 진동자가 나타내는 음압을 비교하여 도시한 그래프,

도 4는 상기 도 2의 압전 진동자가 장착된 상태의 압전형 패널 스피커의 배면도와 측단면도,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 진동 조절용 탄성체가 부가된 압전 진동자의 종단면도와 저면도,

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 다중 작용 진동자가 탄성체를 기준으로 대칭적으로 형성된 압전 진동자의 종단면도와 저면도,

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 압전체의 수, 형태, 단면적이 변화된 압전 진동자들((a)~(e))의 평면도,

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 서로 다른 면적을 갖는 복수의 압전체가 복층 구조로 적층된 형태의 압전 진동자의 종단면도와 저면도이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100: 압전 진동자 110: 다중 작용 진동자

110a: 압전체 110b: 탄성체

120: 진동 전달용 탄성체

120a: 진동 전달용 탄성체의 제 1 부분

120b: 진동 전달용 탄성체의 제 2 부분

130: 진동 조절용 탄성체 200: 패널 스피커

본 발명은 압전형 스피커 등에 사용되는 압전 진동자에 관한 것으로, 특히 서로 다른 주파수 대역의 전기적 신호가 독립적으로 인가되는 복수의 압전체와, 이러한 압전체에 부착되는 탄성체의 특별한 기하학적 형상을 통해 전체 음역에 대해 높은 음압을 가지며 이와 동시에 스테레오 음향을 구현할 수 있는 압전 진동자 및 이를 이용한 간단한 구조의 압전형 패널 스피커에 관한 것이다.

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.

음압을 높이기 위한 구조로서 US Patent 4,593,160과 같이 바이모프 타입의 직사각형 액추에이터 형태의 진동자를 사용하거나, 이와 유사하게 US Patent 5,632,841과 같이 응력을 받은 탄성체에 강유전 웨이퍼를 부착시켜 액추에이터를 제작하는 방법이 고안되었다. 또한, 여러 개의 진동자를 배치하거나, 진동 형태를 변형시키기 위해 압전체의 후방에 질량체를 장착시키는 구조 등도 제안되었으나 압전 스피커의 음압을 높이는 데는 크게 실효를 얻지 못하고 있다.

또한, 압전 스피커와는 별개로 1970년대 bending transducer에서 진동 폭의 크기를 증대시키기 위한 구조에 대한 개념이 고안되어 액상을 원자화시키거나 분무하는 장치에 응용되기도 하였다(N, setter (2002). Piezoelectric Materials in Devices p.54 참조).

본 발명의 목적은, 전체 음역에 대해 균일하게 높은 음압을 갖고 이와 동시에 스테레오 음향을 구현할 수 있는 새로운 구조의 압전 진동자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 하나의 압전 진동자가 하나의 패널에 장착된 간단한 구조를 가지면서 스테레오 음향을 구현할 수 있는 압전형 패널 스피커를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 탄성체와, 상기 탄성체의 일면에 부착되고 양면에 전극이 부착되는 복수의 압전체로 이루어져 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환하는 다중 작용 진동자 와; 상기 다중 작용 진동자의 탄성체에 부착되어 기계적 진동을 외부에 전달하는 진동 전달용 탄성체를 포함하고,

상기 다중 작용 진동자를 구성하는 복수의 압전체에는 서로 다른 주파수 대역의 전기적 신호가 독립적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.

(2) 상기 압전 진동자 전체의 축방향 단면 형상이 비대칭의 I 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동자.

(3) 상기 다중 작용 진동자는 상기 압전체의 다른 면에 부착되어 압전체의 진동 양상을 조절하기 위한 진동 조절용 탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동자.

(4) 상기 다중 작용 진동자는 탄성체의 다른 쪽 면에 상기 복수의 압전체에 대응하는 또 다른 복수의 압전체가 더 구비된 형태인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동자.

(5) 상기 압전 진동자의 탄성체는 금속인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동자.

(6) 상기 압전 진동자의 탄성체는 영률 10GPa 이상의 유기 또는 무기 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동자.

(7) 상기 압전체는 에폭시에 의하여 상기 진동 전달용 탄성체 및 진동 조절용 탄성체에 부착되는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동자.

(8) 상기 압전체는 압전성 물질로서 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 강유전성 단결정 세라믹 물질인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전 진동자.

[화학식 1]

s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]

[P]는 산화납(PbO, PbO₂, Pb₃O₄)이고,

[M]은 산화 마그네슘 (MgO) 또는 산화 아연(ZnO)이고,

[N]은 나이오비움 옥사이드(Nb₂O₅)이고,

[T]은 산화 티탄(TiO₂)이고,

[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,

x는 0.55 보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같고,

y는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,

z는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,

p는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같고,

s는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같다.

[화학식 2]

[1-x]Pb(Zn_1/3,Nb_2/3)-[x]PbTiO₃,

[1-y]Pb(Mg_1/3,Nb_2/3)-[y]PbTiO₃

[1-z]PbZrO₃-[z]PbTiO₃,

[1-l]Pb(Yb_1/2,Nb_1/2)O₃-lPbTiO₃

[1-m]Pb(In_1/2,Nb_1/2)O₃-mPbTiO₃

x는 0이거나 0.01보다 크거나 0.2보다 작고,

y는 0.1보다 크거나 0.4보다 작고,

Z는 0.4보다 크고 0.6보다 작고,

l은 0.2보다 크고 0.8보다 작고,

m은 0.2보다 크고 0.8보다 작다.

(9) 상기 압전성 물질은 압전성 물질의 단층 또는 복층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 (8) 기재의 압전 진동자.

(9) 상기 복층 구조의 압전체는, 단면적과 형태가 동일한 층들로 적층된 구조이거나 단면적 또는 형태가 서로 다른 층들로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 상기 (9) 기재의 압전 진동자.

(10) 상기 압전성 물질은 다결정 또는 단결정 물질이 벌크 또는 박막 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 (8) 기재의 압전 진동자.

(11) 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 따른 압전 진동자를 구비한 압전형 패널 스피커.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 상세히 설명한다. 도면에서 동일 또는 유사한 도면 부호는 동일 또는 유사한 구성 요소를 지시하는 것으로 이해된다.

도 1은 본건 출원인이 선행하여 출원한 대한민국 특허출원 제2004-70101호에 개시된, 전체적으로 비대칭의 I 형상을 갖는 압전 진동자의 종단면도 및 저면도이다.

상기 특허출원에 따른 압전 진동자의 경우, 압전 진동자(10) 전체의 축방향 단면 형상(압전 진동자 전체의 종단면 형상)을 비대칭의 I 형상으로 함으로써, 진동이 발생하는 압전 액츄에이터(11)로부터 진동 전달용 탄성체의 제 1 부분(12a) 쪽으로 단면적이 감소하기 때문에 진동의 폭을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 다만, 이러한 압전 진동자는 종래의 진동자보다 높은 음압을 기대할 수 있지만, 패널 스피커에 적용할 경우 스테레오 음향 효과를 얻기 위해서는 스피커 패널에 복수의 압전 진동자를 부착하여야 하기 때문에 구성이 다소 복잡해지거나 투입되는 재료의 양이 증가하여 제품의 비용이 상승되는 문제가 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 진동자(100)의 종단면도 및 저면도이다. 본 발명에 따른 압전 진동자는 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환하기 위한 다중 작용 진동자(110)와 이에 부착되어 다중 작용 진동자(110)로부터 발생되는 기계적 진동을 외부로 전달하기 위한 진동 전달용 탄성체(120)를 포함하는 보다 단순한 구조로 이루어진다.

상기 선행출원에서와 마찬가지로, 본 발명의 경우에도 도 2의 압전 진동자(100) 전체, 즉 진동 전달용 탄성체(120)와 다중 작용 진동자(110) 전체의 축방향 단면형상이 대체로 비대칭의 영문 대문자의 I 형상을 갖는 것이 높은 음압을 형성하는데 있어 유리하다. 이에 따라 진동 전달용 탄성체의 제 1 부분(120a) 쪽으로 단면적이 감소하기 때문에 진동의 폭을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

상기 다중 작용 진동자(110)는 압전체(110a, 110a｀)와 압전체에 부착된 탄성체(110b)로 구성되는데 압전체(110a, 110a｀)에는 외부로부터 전기적 신호를 수신하기 위한 전극이 부착되어 있으나, 이러한 전극은 본 발명에 따른 압전 진동자의 구조상의 특징을 명확히 하기 위해 이하의 도면에서와 마찬가지로 별도로 도시되어 있지는 않다.

본 발명에 따른 압전 진동자는, 복수의 압전체(110a, 110a｀)가 서로 분리되어 형성되어 있고 각각의 압전체에 대하여 서로 다른 주파수 대역의 전기적 신호가 독립적으로 인가되는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 서로 다른 음역의 음향을 동시에 발생시킴으로써 하나의 진동자를 이용하여 스테레오 음향을 발생시킬 수 있으 며, 또한 어느 하나의 압전체(110a)에는 높은 주파수 신호를 인가하고 다른 압전체(110a｀)에는 낮은 주파수 신호를 독립적으로 인가하여 전 음역에서 높은 음압을 얻을 수 있다.

도 3은 상기 선행 특허출원 제2004-70101호가 개시하고 있는 압전 진동자가 나타내는 음압과 본 발명에 따른 압전 진동자 나타내는 음압을 비교하여 나타낸 그래프로서, 본 발명에 따른 다중 작용 진동자(110)를 구비한 압전 진동자가 선행출원에 따른 압전 진동자에 비하여 전 음역에 걸쳐 대략적으로 15dB 이상 향상된 음압을 나타냄을 알 수 있다.

또한, 바이모프 액츄에이터를 사용하지 않고 상기 탄성체(110b) 상에는 두 개의 압전체(110a, 110a｀)가 서로 분리되어 형성되는 새로운 형태의 다중 작용 진동자(110)를 사용함으로써, 외부의 충격이나 장시간의 사용으로 인하여 압전체가 파손되는 문제점을 해결하였다.

도 4는 상기 도 2의 압전 진동자가 장착된 상태의 압전형 패널 스피커의 배면도와 측단면도이다. 진동 패널(200)의 가장자리 소정의 부위에 압전 진동자(100)가 장착된다. 다중 작용 진동자(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 제공하면서도, 상기 선행 특허출원 제2004-70101호과는 달리 하나의 압전 진동자만을 하나의 패널에 장착된 간단한 구조로도 스테레오 음향을 구현할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 진동 조절용 탄성체가 부가된 압전 진동자의 종단면도와 저면도이다. 도 5를 참조할 때, 상기 압전 진동자(100)는 상기 압전체의 다른 면에 상기 진동 전달용 탄성체(120)와는 별개로 진동 조절용 탄성체(130)를 더 포함할 수도 있다. 진동 조절용 탄성체(130)는 다중 작용 진동자를 기준으로 진동 전달용 탄성체(120)의 반대편에 부착되어 다중 작용 진동자(110)에서 발생하는 진동의 크기와 최대 음압이 발생하는 파장을 조절하는 역할을 하게 된다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 다중 작용 진동자가 탄성체를 기준으로 대칭적으로 형성된 압전 진동자의 종단면도와 저면도이다. 본 실시예에 따른 압전 진동자는 상기 도 2 또는 4의 탄성체의 한쪽 면에만 압전체가 장착되는 형태의 압전 진동자(100)보다 탄성체(110b)를 기준으로 서로 대응되는 더 많은 수의 압전체를 구비하고 있기 때문에 더 높은 기계적 진동 신호 또는 음압을 발생시킬 수 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 압전체의 수, 형태, 단면적이 변화된 압전 진동자들((a)~(e))의 평면도를 나타낸 것으로, 도 2에 따른 실시예에서는 독립된 압전체의 수가 두 개이며 그 다중 작용 진동자와 압전체의 모양이 사각인 형태를 가정하였으나 압전 진동자가 장착되는 진동패널 형태와 주파수 대역 필요에 따라 다양한 모양을 지니며 압전체의 수는 적절히 증가될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 압전 진동자에 있어서, 다중 작용 진동자(110)와 탄성체(120, 130)의 두께, 다면 형상 및 크기, 무게 중심의 형태는 적용되는 장치에 따라 적절히 조절될 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 서로 다른 면적을 갖는 복수의 압전체가 복층 구조로 적층된 형태의 압전 진동자의 종단면도와 저면도이다. 압전체가 복층의 구조를 가지는 경우, 각 층의 단면적과 형태가 동일한 층을 적층하거나 혹은 단면적과 형태가 서로 다른 층을 적층하여 발생하는 음향의 특징 및 주파수 특성을 변화시킬 수 있다.

상기한 본 발명에 따른 압전 진동자에 있어서, 상기한 탄성체들은 강, 알루미늄 합금 등의 금속인 것이 바람직하다. 또한, 영률이 큰, 바람직하게는 10Gpa 이상의 영률을 갖는 고분자 물질도 가능하며, 유기 또는 무기 고분자 또는 그 혼합 물질을 포함하며 그 종류는 특별히 제한되지 않는다.

상기 다중 작용 진동자(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.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 압전체(110a)의 압전성 물질은 기존에 널리 사용되는 PZT(납 지르코늄 티타네이트 계 물질)의 다결정 세라믹이거나 압전 특성이 우수한 압전성 단결정 세라믹 물질로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 강유전성 단결정 물질로는 PMN-PT(납 마그네슘 나이오베이트-납 티타네이트계 물질), PZN-PT(납 아연 나이오베이트-납 티타네이트계 물질), PZT(납 지르코늄 티타네이트 계 물질), PYN-PT(납 이터비움 나이오베이트-납 티타네이트계 물질), PIN-PT(납 인듐 니아오베이트 -납 티타네이트계 물질)이 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 강유전성 단결정 물질은 아래의 화학식 1과 화학식 2 중 어느 하나의 조성을 만족하는 것이 바람직하다.

[화학식 1]

s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]

[P]는 산화납(PbO, PbO₂, Pb₃O₄)이고,

[M]은 산화 마그네슘 (MgO) 또는 산화 아연(ZnO)이고,

[N]은 나이오비움 옥사이드(Nb₂O₅)이고,

[T]은 산화 티탄(TiO₂)이고,

x는 0.55 보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같고,

y는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,

z는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,

p는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같고,

s는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같다.

[화학식 2]

[1-x]Pb(Zn_1/3,Nb_2/3)-[x]PbTiO₃,

[1-y]Pb(Mg_1/3,Nb_2/3)-[y]PbTiO₃

[1-z]PbZrO₃-[z]PbTiO₃,

[1-l]Pb(Yb_1/2,Nb_1/2)O₃-lPbTiO₃

[1-m]Pb(In_1/2,Nb_1/2)O₃-mPbTiO₃

x는 0이거나 0.01보다 크거나 0.2보다 작고,

y는 0.1보다 크거나 0.4보다 작고,

Z는 0.4보다 크고 0.6보다 작고,

l은 0.2보다 크고 0.8보다 작고,

m은 0.2보다 크고 0.8보다 작다.

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.

상기 화학식 1과 화학식 2의 조성을 갖는 단결정재료는 종래의 PZT 세라믹이나 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 때문 에 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.

본 발명에 따른 단결정 물질 중 PMN-PT 단결정과 종래의 PZT 세라믹 및 PVDF와의 압전 특성을 아래의 표 1에서 비교하였다.

물 성	PVDF	PZT-5A	PZT-5H	PMN-PT 단결정
밀도 (kg/m3)	1780	7750	7500	8000
유전상수	12	1600	3400	>5000
유전손실 (%)	-	2	2	< 0.5
전기기계결합계수(k₃₃)(%)	11	70.5	75	93
압전변형계수(d₃₃)(pC/N)	30	374	593	>2200
압전전압계수(g₃₃)(×10^-3 Vm/N)	2	24.8	19.7	44

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.

이하에서는, 상기 물성들이 압전 진동자의 성능에 미치는 영향에 대하여 설명한다.

일반적으로 압전 특성을 갖는 재료에 전계를 인가할 때 발생하는 변형량은 아래의 식 (1)로 표시될 수 있다.

--------------- 식 (1)

여기서,

S = 변형률

L_o = 변형전 길이 [m]

ΔL = 변형량 [m]

E = 전계 강도 [V/m]

d_ij = 압전변형계수 [pV/m]

을 각각 나타낸다.

상기 식 (1)로부터 압전 재료의 변위는 압전변형계수(d_ij)에 비례함을 알 수 있다.

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 음압 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.

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 압전 진동자의 저전력화, 소형화를 가능케 하고, 노이즈에 의한 신호 왜곡을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 압전체(110a)의 단결정 물질은 벌크 또는 막 형태의 구조일 수 있고, 단층 또는 적층 구조일 수 있다. 압전성 단결정 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 압전체(110)의 전체적인 두께가 감소될 수 있다.

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.

이상과 같이 본 발명에 따른 압전 진동자는, 압전체가 진동 전달용 탄성체에 바로 연결되지 않기 때문에 외부충격이나 장시간 사용에 따른 피로에 인한 압전체의 파손이 억제 되며, 인가되는 서로 다른 전기적 신호에 의해 독립적으로 동작하는 복수의 압전체를 이용함으로써 하나의 압전 진동자만으로도 저음과 고음 영역에 서 전체 음역에 걸쳐 균일하게 높은 음압을 발생시킬 수 있고 스테레오 음향 효과를 충분히 발휘할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 압전 진동자는 간단한 구조를 가지기 때문에 제조 공정이 현저히 단순화될 수 있고, 소비전력 대비 에너지효율을 크게 향상시킬 수 있어 소비 전력의 감소, 제품의 소형화 및 노이즈에 의한 신호 왜곡의 감소를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 압전진동자를 사용한 스피커는 진동판의 제한이 적기 때문에 수중이나 다습한 환경에서 사용이 가능한 형태로 만들 수 있다.

Claims

탄성체와, 상기 탄성체의 일면에 부착되고 양면에 전극이 부착되는 복수의 압전체로 이루어져 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환하는 다중 작용 진동자와; 상기 다중 작용 진동자의 탄성체에 부착되어 기계적 진동을 외부에 전달하는 진동 전달용 탄성체를 포함하고,

상기 다중 작용 진동자를 구성하는 복수의 압전체에는 서로 다른 주파수 대역의 전기적 신호가 독립적으로 인가되며 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 1 항에 있어서,

상기 압전 진동자 전체의 축방향 단면 형상이 비대칭의 I 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 1 항에 있어서,

상기 다중 작용 진동자는 상기 압전체의 다른 면에 부착되어 압전체의 진동 양상을 조절하기 위한 진동 조절용 탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 1 항에 있어서,

상기 다중 작용 진동자는 탄성체의 다른 쪽 면에 상기 복수의 압전체에 대응 하는 또 다른 복수의 압전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 1 항에 있어서,

상기 압전 진동자의 탄성체는 금속인 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 1 항에 있어서,

상기 압전 진동자의 탄성체는 영률 10GPa 이상의 유기 또는 무기 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 1 항에 있어서,

상기 압전체는 에폭시에 의하여 상기 진동 전달용 탄성체 및 진동 조절용 탄성체에 부착되는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 1 항에 있어서,

상기 압전체는 압전성 물질로서 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 하나로 서, 아래의 화학식 1과 화학식 2 중 어느 하나의 조성을 만족하는 강유전성 단결정 세라믹 물질인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.

[화학식 1]

s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]

[P]는 산화납(PbO, PbO₂, Pb₃O₄)이고,

[M]은 산화 마그네슘 (MgO) 또는 산화 아연(ZnO)이고,

[N]은 나이오비움 옥사이드(Nb₂O₅)이고,

[T]은 산화 티탄(TiO₂)이고,

[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,

x는 0.55 보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같고,

y는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,

z는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,

p는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같고,

s는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같다.

[화학식 2]

[1-x]Pb(Zn_1/3,Nb_2/3)-[x]PbTiO₃,

[1-y]Pb(Mg_1/3,Nb_2/3)-[y]PbTiO₃

[1-z]PbZrO₃-[z]PbTiO₃,

[1-l]Pb(Yb_1/2,Nb_1/2)O₃-lPbTiO₃

[1-m]Pb(In_1/2,Nb_1/2)O₃-mPbTiO₃

x는 0이거나 0.01보다 크거나 0.2보다 작고,

y는 0.1보다 크거나 0.4보다 작고,

Z는 0.4보다 크고 0.6보다 작고,

l은 0.2보다 크고 0.8보다 작고,

m은 0.2보다 크고 0.8보다 작다.
제 8 항에 있어서,

상기 압전성 물질은 압전성 물질의 단층 또는 복층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 9 항에 있어서,

상기 복층 구조의 압전체는, 단면적과 형태가 동일한 층들로 적층된 구조이 거나 단면적 또는 형태가 서로 다른 층들로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 8 항에 있어서,

상기 압전성 물질은 다결정 또는 단결정 물질이 벌크 또는 박막 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 압전 진동자를 구비한 압전형 패널 스피커.