KR20060069520A - 사운드 생성 트랜스듀서 - Google Patents

Abstract

사운드 트랜스듀서가, 실질적으로 원통형이나 튜브형으로 배열되는 적어도 하나의 방사상 사운드 방출 다이어프램에 기반하는 적어도 한 개의 사운드 유닛을 구비하고, 다이어프램은 전기적 자극에 따라 자신의 물리적 상태를 변환하여 사운드를 생성할 수 있는 전기기계적 변환 물질을 포함한다. 한 사운드 유닛 안에서, 상기 다이어프램은 내부 사운드 인도(guiding) 슬리브와 외부 사운드 인도 슬리브 사이에서 지지되도록 배열되어, 다이어프램과 슬리브들 중 적어도 한 개 사이에 적어도 한 개의 축방향 음향 채널이 만들어지게 된다. 음향 채널이 나타내는 음향 질량(acoustic mass)을 감소시키기 위해 적어도 음향 채널의 출구쪽에서 다이어프램의 축방향 말단들과 그에 상응하는 사운드 인도 슬리브들이, 사운드 유닛의 축과 수직 방향의 평면상에서 상호 비선형 (mutual non-alignment)을 이루도록 배열된다. 본 발명은 그러한 트랜스듀서를 갖는 장치와도 관련된다.

Description

사운드 생성 트랜스듀서{Sound generating transducer}

본 발명은 한 개 이상의 사운드 방출 요소들, 즉, 실질적으로 원통형이나 튜브 형태로 배열된 다이어프램들이나 다른 사운드 발산 표면들을 활용하는 사운드 트랜스듀서에 관한 것이다. 보다 상세히 말하면, 본 발명은 사운드 방출 요소들이 전기적 자극에 의해 자신들의 물리적 상태를 바꿈으로써 사운드를 만들 수 있는 압전 또는 전자기계적 변환 물질들의 사용을 토대로 하는, 사운드 트랜스듀서들에 관한 것이다. 본 발명은 더 나아가 상술한 타입의 적어도 한 사운드 트랜스듀서를 구비하는 음향 기능을 가진 장치와도 관련이 있다.

최근의 압전 물질들은 음향학적 변환 시스템의 발전에 대한 가능성을 열어 놓고 있다. 특히, 플로르화 폴리비닐(PVDF)로 된 얇은 압전 시트들이 새로운 종류의 사운드 및 진동 발생 요소들의 개발에 결정적인 요인이 되고 있다. 그 이유는 이러한 물질의 유연성, 강인함, 부드러움, 가벼움, 그리고 강한 압전기성(piezoelectricity)을 포함하는 특성들과 관련이 있다.

압전 액추에이터들, 특히, 사운드 방출 드라이버들의 개발에 있어서, 상기 물질들을 적용하는 것은 어느 정도 이상 제한이 따른다. 그 이유 가운데 하나가, 압전 물질들의 개발에 대한 진척이 어느 정도 상당히 이뤄졌다고 해도, 작은 액티 브 사운드 생성의 변동, 즉, 그러한 물질들로 만들어진 다이어프램들에 의해 제공되는 낮은 변위는, 높은 사운드 레벨을 생성하게 할 수 없다. 특히, 낮은 주파수 범위대에서, 종래의 타입으로 된 압전 드라이버들을 가지고 생성된 사운드 레벨은 잘 알려진 다른 일반적인 전기역학적(electrodynamic) 변환 원리들로서 발생되는 사운드 레벨과 경쟁이 될 수가 없다. 그래도, 압전 사운드 트랜스듀서들은, 특히 작은 사이즈, 낮은 전력 소비, 및 경제적 구성이 높은 볼륨 레벨 사운드 재생보다 더 중요한 영역들에서 많은 적용 가능성을 찾을 수 있다.

원통형이나 튜브형으로 배열된 발산 표면들을 활용하는 사운드 트랜스듀서들에 대해서는 소정 어플리케이션들에 대한 기술로서 이미 알려져 있다.

미국 특허 5,132,942는, 바깥쪽 금속 슬리브(sleeve) 튜브 안에 맞춰진 여러 개의 빈 세라믹 실린더들로 구성된 원형 압전 스택으로 형성되는 사운드 생성 진동 유닛을 이용하는 전기음향학적 트랜스듀서를 개시하고 있다. 압전 스택의 안쪽 공간은 내부로 진행하는 사운드 웨이브들을 바깥쪽으로 반사하는 매질을 제공하기 위해, 공기나 공기 기포로 채워진 폐공간이다. 트랜스듀서는 자신의 원통형 모양의 반경 방향으로 사운드 웨이브들을 무지향적으로 방출하도록 동작한다. 높은 에너지, 저 주파수 사운드 웨이브를 제공하는 성능 때문에, 상기 트랜스듀서는, 밀봉된 잠입형 트랜스듀서들이 필요로 되는 지질학적 어플리케이션 및 기타 탐험 유형 어플리케이션에 특히 적합하다.

미국 특허 3,978,353은, 스피커의 방향성 패턴을 제어하기 위해, 원통형의 방사상 구조의 사운드 방출 형태를 통해 지원되고 원통형의 외주를 따라 배열된 복 수의 진동 영역들이 제공되는 압전 다이어프램을 가진 스피커를 제안한다. 방향성에 대한 향상된 제어에도 불구하고, 그 기본 특징에 따라 스피커 시스템은 여전히 방사상으로 방출하는 구조를 유지하고, 그것은 여러 어플리케이션들에서 그러한 구조에 대한 내재적 한계와 만나게 된다.

다음에 나오는 특허들에서 기술된 사운드 트랜스듀서들은 원통형이나 튜브형 다이어프램을 이용하지만, 방사상으로 사운드 방출이 되는 대신, 측방향으로 사운드를 방사하게 된다.

미국 특허 6,532,292는 오디오 신호를 인간의 귀로 전송하는 방법 및 장치를 기술한다. 이 장치는 제1원통형 요소를 구동하는 제1주파수 생성기를 포함하며, 상기 제1요소는 제1초음파 음향 필드를 발생한다. 이 장치는 또한, 제2초음파 음향 필드를 발생하는 제2원통형 요소를 구동하는 제2주파수 생성기를 구비한다. 상기 제2요소는 상기 제1요소에 대해 동심원을 이루며 위치한다. 제2초음파 음향 필드 및 제1초음파 음향 필드 모두 청취자의 귀관(ear canal)으로 향하고, 이때 상기 필드들은 서로 상호 작용하여 귀가 감지할 수 있는 알아들을 수 있는(audible) 변조를 수행한다. 방사상으로 사운드가 방출되는 대신, 이 해법의 동심원 모양(concentric) 요소들은 축방향으로 방사하는 것을 특징으로 한다. US 6,632,292의 주목적은 청취자의 귀관 안에서 오디오 신호를 생성함으로써, 에코를 효과적으로 줄일 수 있고 오디오 신호의 프라이버시를 더 잘 보호할 수 있는 장치를 제공하는 것이다. 그에 따라 US 6,532,292에 따른 해법의 주요 단점은 항상 귀관의 존재를 필요로 한다는 데 있다. 즉, 그 어플리케이션들이 다른 타입의 이어 피스(ear piece)들로만 제한된다. 이러한 구조는, 또한, 음향 필드들 간 올바른 타입의 변조를 수행하기 위해 주파수 필터링과 믹싱 회로들을 포함하는 다소 복잡한 구동 방식을 필요로 한다. 이러한 사실과, 개인의 귀관들의 음향학적 특성의 변화를 고려할 때, 고음질 및 고레벨의 사운드 재생은 다소 힘들 가능성이 크다.

미국 특허 3,859,477은 전체적으로 원통형으로 되어 그 전단들에서 사운드를 방출시키는 사운드 트랜스듀서를 개시한다. 여기서, 적어도 고정 전극, 사운드 생성 다이어프램, 및 스페이서(spacer)를 구비한 시트(sheet)형 어셈블리가 구축된다. 그런 다음, 상기 어셈블리를 중심 코어 주위로 나선형으로 감아 원통형 모양으로 만듦으로써 상술한 어셈블리로부터 트랜스듀서가 만들어진다. 결국, 다이어프램의 다소 큰 효과 영역이 다소 컴팩트한 크기로 된 트랜스듀서를 통해 실현될 수 있게 된다. 그러나, 그러한 트랜스듀서들의 제조는, 일관성 있는 음향 특성을 갖는 트랜스듀서 생성을 위해, 시트형 어셈블리를 특정한 나선형 방식으로 감을(와인딩, winding) 것을 요한다. 나선형으로 감는 구성 역시, 트랜스듀서의 음향학적 특성, 특히 그 다이어프램에 의해 경험하게 되는 음향 질량(acoustic mass)과 관련해 약간 심각한 제한을 수반한다. 음향 질량이라는 개념은 여기서 나중에 보다 상세히 논의될 것이다.

본 발명의 주목적은 상술한 종래 장치들에서 존재하는 많은 한계들을 극복할 수 있는 새로운 종류의 사운드 발생 트랜스듀서들을 제공하는 데 있다. 본 발명은 사운드 생성 막들의 진동 특성 및 장치로부터 축방향으로 존재하는 결합 사운드 흐름의 특성을 최적화하기 위해, 원통형이자 동심원을 이루며 배열된 소자들을 배치하는 신규한 방법을 제안한다. 특히, 본 발명은 트랜스듀서에 의해 생성된 사운드 압력 레벨을 증가시킴을 목적으로 한다. 본 발명은 또한, 상술한 유형의 적어도 한 사운드 트랜스듀서를 포함하는 음향 기능을 갖는 장치와도 관련된다.

더 상세히 말하면, 압전-폴리머 혹은 그와 비슷한 전기기계적 변환 물질들로 만들어진 음향 푸쉬/풀(push/pull) 드라이버들의 사운드 생성 레벨을 증가시키기 위한 해법이 제안된다. 상기 액티브 물질들 자체의 특성들로 인한 다이어프램들의 낮은 변위 관련 문제들은 여전히 남아 있지만, 본 발명에 따른 새 구성으로 도달되는 사운드 레벨은, 이를테면 모바일 전화기나 기타 휴대형 장치들 내 스피커들로서 사용되기 적합한 헤드폰 또는 미니어춰(miniature) 스피커들을 개발하기 충분할 만큼 높다. 또, 이 장치들의 주파수 대역폭 역시 종래의 장치들에서 보다 우수하게 제어될 수 있다. 본 발명은 낮은 왜곡과 큰 주파수 대역폭을 갖는 사운드를 만들기 위한 실현수단들을 제공한다.

본 발명의 기본 개념은 내부 사운드 인도 슬리브와 외부 사운드 인도 슬리브 사이에 실질적으로 원통형이거나 튜브 모양의 전기기계적 사운드 생성 다이어프램을 배치한다는 원리와 관계되며, 상기 슬리브들은 실질적으로 상기 다이어프램과 유사한 원형 단면 모양을 가진다. 이런 방식으로 형성되는 튜브형 사운드 유닛 구조는, 보통 다이어프램과 내외부 슬리브들을 제자리에 있도록 지지하는 말단 고정자들(end retainers) 또는 지지대들과 함께 구성되고, 이 말단 고정자들은, 다이어프램에 의해 생성되어 주로 방사상으로 진동하도록 된 사운드 웨이브들이 다이어프램과 상기 슬리브들 사이에서 축방향으로 이동하여, 결국에는 말단 고정자들을 통해 사운드 유닛과 트랜스듀서로부터 나오도록 한다. 그에 따라, 상술한 사운드 유닛/트랜스듀서로부터 빠져나온 사운드 웨이브들은 전기기계적 다이어프램의 변위에 대해 거의 직각으로 전파된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 여러 개의 사운드 생성 다이어프램들은 관련된 사운드 인도(guiding) 슬리브들과 함께, 트랜스듀서의 사운드 레벨이나 사운드 특성을 키우기 위해, 서로 번갈아 방사상으로, 일반적으로는 동심원을 이루며 배열된다. 즉, 본 발명에 의한 트랜스듀서는 상기 사운드 유닛들을 음향학적으로 나란하게 결합시키기 위해 서로 번갈아 배열되는 여러 개의 방사상의 연속적 사운드 생성 유닛들을 포함할 수 있다. 이러한 트랜스듀서들을 여기서는 간단히 멀티 다이어프램 트랜스듀서들이라 부를 것이다. 본 발명은 하나의 다이어프램 트랜스듀서들에도 적용될 수 있지만, 상술한 멀티 타이어프램 트랜스듀서들에서 특히 효과적이다.

본 발명의 핵심은 사운드 유닛의 반대편 축의 말단, 즉 유닛의 앞 사이드(front side)와 뒷 사이드 말단에서의, 다이어프램과 사운드 인도 슬리브들의 특수한 상호 배열에 있다. 다이어프램이 본 발명의 전형적 실시예에 따라 사운드 인도 슬리브들에 대해 말단 고정자들이나 상응하는 버팀 수단으로 지지되고 있을 때, 상기 배열은 앞 사이드 말단에서 각각의 구형 사운드 유닛의 외부 사운드 인도 슬리브가, 보통 내부 사운드 인도 슬리브에 붙어 있는 다이어프램 버팀 수단 (말단 고정자)을 덮지 않도록 배열된다는 것을 주 특징으로 한다. 마찬가지로, 뒷 사이드에서, 내부 사운드 인도 슬리브가 외부 사운드 인도 슬리부에 붙어 있는 다이어프램 버팀 수단을 덮지 않도록 배치된다. 즉, 내외부 사운드 인도 슬리브들의 말단은 축 방향으로 번갈은(alternating) 상호 비선형(mutual non-alignment)이 되도록 배열된다. 이러한 특수한 비선형은, 축방향으로 전파하는 사운드 웨이브를 생성하기 위해 단일 사운드 유닛이 움직여야 한다는, 음향 질량을 크게 감소시킨다. 감소된 음향 질량 덕분에, 사운드 유닛의 효율이 향상되고 더 높은 사운드 레벨이 생성될 수 있게 된다. 다이어프램 버팀대가 어떻게 배열되느냐에 따라, 상호 비선형에는 다이어프램 버팀 수단의 축방향 폭이 포함되거나 포함되지 않을 수 있다.

두 개의 사운드 유닛들이 물리적으로 동심원을 이루며 배열될 때, 외부 유닛의 내부 사운드 인도 슬리브가 내부 유닛의 외부 사운드 인도 슬리브로서 사용될 수 있다. 즉, 동심원을 이루며 배열된 사운드 유닛들에서, 내부 유닛의 외부 사운드 인도 슬리브가 "제거"되고, 내부 유닛이 외부 유닛 안에 동심원을 이루며 배열되어 있을 때 외부 유닛의 내부 사운드 인도 슬리브로 대체되는 것이 고려될 수 있다. 더 많은 유닛들이 나란히 배열될 때, 같은 원리를 따라 상기와 같은 것이 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명은 트랜스듀서의 총 사운드 레벨을 키우기 위해 여러 개의 사운드 유닛들로부터 나오는 축방향 사운드 플로우(flow)를 결합하기 위한 전혀 새로운 실현수단들을 제공한다.

여러 개의 방사상으로 연속되는 사운드 생성 유닛들을 이용하는 트랜스듀서를 지목하는 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상이한 다이어프램들을 구동하기 위해 상이한 전기 구동 신호들이 사용된다. 구동 신호들은 주파수 대역폭이나 등화(eualizaiton), 혹은 이들의 상대적 신호 크기에 있어서 서로 상이할 수 있다.

본 발명의 실제 실시예들에서, 개별 다이어프램들과 그를 둘러싼 사운드 인도 슬리브들의 사이즈 및 정확한 모양은 어플리케이션에 따라 어떤 범위 내에서 달라질 수 있다. 상기 요소들의 단면 모양이 반드시 정확한 원이어야 할 필요는 없으며, 모든 방사상의 연속되는 유닛들에서 같아야 할 필요도 없다. 방사상으로 연속되는 요소들, 즉 다이어프램들이나 슬리브들, 혹은 그에 따라 형성된 음향 유닛들의 축방향 위치 역시 서로에 대해 달라질 수 있다.

본 발명은 여러 개의 동심원 모양 다이어프램들을 부가함으로써 트랜스듀서의 사운드 레벨을 키울 수 있다. 전기적으로 여자되는 압전 물질들의 전력 소비가 낮기 때문에, 트랜스듀서의 총 전력 소비는 크게 증가하지 않는다. 트랜스듀서로부터 나오는 결합 사운드 플로우 역시, 왜곡 (사운드 품질) 및/또는 제조물 책임 및 안전성 측면에서의 성능 감소 없이 증가될 수 있다. 예를 들어, 그러한 사운드 트랜스듀서들을 활용하는 헤도 폰들이 종래의 트랜스듀서들을 구축하는 것보다 그 구성 및 제조가 더 용이하다.

본 발명의 자세한 사항들은 상기 설명과, 본 발명에 관해 선택된 실시예들을 표현한 첨부된 도면과 함께 설명될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예들과 그 가능한 변형에 대해서는, 부가된 청구항들을 통해 이 기술분야의 당업자들이 명확히 잘 알 수 있을 것이다.

첨부된 도면에서:

도 1은 본 발명에 따라, 각자가 멀티 다이어프램 사운드 트랜스듀서를 구비하는 두 이어피스를 가진 헤드폰 세트의 구조를 개략적으로 나타낸다.

도 2은 음향질량 감소를 위해 축방향 비선형을 특징으로 하는 본 발명에 의한 단일 다이어프램 사운드 트랜스듀서를 개략적으로 나타낸다.

도 3은 음향 드라이버에서 음향 질량의 개념과 위치를 개략적으로 명확히 한 것이다.

도 4는 두 개의 사운드 유닛들이 본 발명에 따른 멀티 다이어프램 사운드 트랜스듀서로 결합되는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 사운드 트랜스듀서의 소정 부분들에 대한 가능한 한 실용적 구조를 투시도로서 개략적으로 나타낸 것이다.

이하에서, 예로서 주로 헤드폰 세트를 이용해 본 발명이 설명될 것이다. 이 예들에서, 사운드는 동심원 모양 압전 푸쉬/풀(push/pull) 드라이버들을 통해 재생되고, 사운드 웨이브들은 상기 사운드 유닛들로부터 나와 다이어프램들의 변이에 대해 직각으로 전파되도록 만들어진다. 이러한 사운드 유닛들 각각은 보통 단단한 프레임 안에 채워진 압전 폴리머(piezopolymer) 물질로 된 원통형 시트(막)를 포함한다. 압전 폴리머 물질은 플로르화 폴리비닐(PVDF)임이 바람직하다. 각각의 동심원 모양 드라이버에 의해 생성되는 사운드 플로우는 헤드폰들에 의해 생성되고 청취자에 의해 관찰되는 총사운드 플로우의 원인이 된다. 이런 방식으로, 장치의 전체 크기를 크게 키우지 않으면서 더 높은 사운드 볼륨에 도달할 수 있게 된다. 압전 폴리머 물질의 사용은, 저주파수대, 중간 주파수대, 고주파수대에서 왜곡이 매우 적고 전력 소비가 매우 낮은 사운드의 생성을 가능하게 한다.

도 1은 두 이어피스들(ear pieces)(11, 12)로 구성된 헤드 폰 세트(10)의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 하나의 이어피스(11, 12)가 본 발명에 따라 동심원 모양 드라이버들의 세트로부터, 즉, 여러 개의 방사상으로 연속되는 사운드 유닛들로부터 만들어진다. 이러한 구성(11, 12)들 각각을 멀티 타이어프램 트랜스듀서라고 부를 수도 있다. 이어 피스들/트랜스듀서들(11, 12)은, 편안한 실링(sealing) 및 완충(cushioning)을 가능하게 하는 어댑터들(13)에 의해 청취자의 귀를 향하고 있는 앞 사이드들(front sides)로 마감됨이 바람직하다. 도 1의 오른 편은, 이 예에서 세 개의 방사상의 연속되는 사운드 유닛들로 이뤄지는 하나의 이어피스(12)의 구성을 세로방향 단면도로서 보다 자세하게 보인 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 단일 프레임 사운드 트랜스듀서의 가능한 구성을 더 구체적인 세로 방향 단면도로서 나타낸 것이다. 실질적으로 원통형 혹은 튜브형태로 된 전기기계적 사운드 생성 다이어프램(20)이 내부 사운드 인도(guiding) 슬리브(21)와 외부 사운드 인도 슬리브(22) 사이에 배열되고, 상기 슬리브들(21, 22)은 상기 다이어프램과 실질적으로 비슷한 원형 단면 모양을 가진다. 내부 사운드 인도 슬리브(21)는 다이어프램(20)을 지지하기 위해 상기 슬리브의 앞 사이드에 위치한 하나의 (전방) 고정자(23)와 함께 배열된다. 다른 (후방) 고정자(24)는 다이어프램과 외부 사운드 인도 슬리브(22) 사이에서 다이어프램(20)의 다른 편 끝에 위치된다.

후방 고정자(24)는 도 2에 도시된 것과 같이 축 거리 "a" 만큼 내부 사운드 인도 슬리브(21)로부터 떨어지도록 배열된다. 외부 사운드 인도 슬리브(22)는 후방 고정자(24)에 부착되고 상기 슬리브는 거리 "b"를 제외한 다이어프램(20)의 전체 축 거리를 커버하도록 배열된다. 이 거리 "b" 역시 전방 고정자(23)와 외부 사운드 인도 슬리브(22) 사이의 축 거리이다.

다이어프램(20)은 PVDF와 같은 압전 폴리머 물질로 이뤄짐이 바람직하며, 장치의 여러 프레임 부분들은 적합한 경화 물질, 바람직하게는 금속이나 플라스틱으로 될 수 있다. 적합한 전기 신호로 여자될 때, 다이어프램(20)은 방사상으로 진동하는 푸쉬/풀 다이어프램, 즉, 한 쌍의 사운드 인도 슬리브들(21, 22) 사이에 위치되는 방사상으로 진동하는 실린더처럼 동작한다. 다이어프램(20)의 한 사이드에 의해 발생되는 사운드 웨이브는 앞의 음향 채널(25)을 따라 방사되도록 만들어진다. 이 개방된 앞 채널(25)은 트랜스듀서의 앞 면을 향해 사운드를 인도하도록 만들어지며, 상기 앞면은 청취자의 귀와 마주한다. 다이어프램(20)의 다른 사이드에 의해 생성된 사운드 웨이브는 뒤의 음향 채널(26)로 인도된다. 이 뒷 채널(26)은 청취자로부터 멀리 있는 트랜스듀서의 뒷면을 향하는 개방 채널이거나, 사운드 웨이브들을 감쇠시키기 위해 닫힌 공기나 흡수 물질 챔버로서 구성될 수 있다.

다이어프램(20)을 통해 보이는 음향 질량을 감소시키기 위해 중요한 본 발명의 특징이 되는, 상술한 내외부 사운드 인도 슬리브들(21, 22)의 축방향 비선형이, a≥0 및 b≥0 값을 갖는 상기 a 및 b의 크기로서 표현될 수 있다. 만일 a=0 및/또는 b=0일 때, 전후방 고정자들(23, 24) 단독의 축방향 폭은 요청되는 비선형을 만 들 것이다.

음향 질량의 개념에 대해 이하에서 보다 자세히 설명한다. 공동(cavity)이나 개방된 자유 필드에 연결된 말단으로 된 튜브나 채널이, 그 크기가 사운드 웨이브의 파장에 비해 작을 때, 주로 "음향 질량"으로서 작용한다. 사운드 트랜스듀서로서, 튜브의 한쪽 말단 안에 배열되어 튜브 안으로 사운드를 방출하는 확성기를 생각할 수 있다. 이런 조건하에서는, 튜브 내 음압이 튜브 안에서 튜브의 길이에 걸쳐 거의 일정하다. 분석적 관점에서 볼 때, 튜브 내 공기가 소정 밀도의 압축불가 유체로서 작용한다. 즉, 튜브 내 음압은 가변되지 않지만, 확성기의 다이어프램이 상기 튜브를 따라 이 "유체 질량"을 밀려고(push) 할 때 그 유체는 전체로서 이동한다. 확성기의 다이어프램을 구동하는 "모터"(마그넷 + 코일 또는 압전 메커니즘 등)의 관점에서 볼 때, 확성기의 다이어프램 질량이 상술한 음향 질량의 효과로 인해 증가하는 것처럼 보인다. 모터는 다이어프램 단독의 질량 보다 큰 질량을 밀어야 한다고 "인식한다".

도 3에 개략적으로 도시된 바와 같은 원통형 압전 트랜스듀서의 경우, 상술한 튜브는 다이어프램(30) 위에 만들어진 음향 채널(31)에 해당한다는 것을 알 수 있다. 여기서 음향 질량은, 사운드가 장치로부터 빠져나오는 상기 채널의 양 말단에 효과적으로 자리한다. 이것이 도 3에서, 채널의 말단으로 "음향 질량의 집중"을 보이는 원으로 보여지고 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 a≥0 이고 b≥0 (도 2 참조)를 갖는 것이 다이어프램에 의해 보여지는 음향 질량을 효과적으로 감소시키고, 그에 따라 사운드 트랜스듀서의 효율성을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명에 따라 두 개의 사운드 유닛들을 단일한 멀티 다이어프램 사운드 트랜스듀서로 결합하여 음향 질량 감소를 위한 축방향 비선형을 특징으로 하는 개념을 개략적으로 나타낸다. 둘 이상의 튜브형 사운드 유닛 구조들 (다이어프램들)이 음향적으로 나란하게 배열될 때, 외부 사운드 유닛의 내부 사운드 인도 슬리브가 이어지는 내부 사운드 유닛의 외부 사운드 인도 슬리브로서 사용될 수 있고, 그 반대의 경우도 성립한다. 도 4로부터 이러한 사실은 이 분야의 당업자에게 자명할 것이다. 개념상, 동심원 형태로 배열된 사운드 유닛들에서, 내부 유닛의 외부 사운드 인도 슬리브가 다음 외부 유닛의 내부 사운드 인도 슬리브로 대체된다고 생각할 수 있다. 도 4의 오른편에서 상술한 이중 기능을 동시에 갖는 두 참조 부호(21, 22)가 붙은 상기 슬리브를 참조하여 이것을 개략적으로 나타낸다.

필요로 되는 어떠한 개수의 사운드 유닛들/다이어프램들도 같은 원리에 따라 나란하게 배열될 수 있다는 것을 이 분야의 당업자라면 잘 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 총 사운드 레벨을 증가시키기 위해 여러 사운드 유닛들로부터의 축방향 사운드 플로우를 함께 결합하는 전혀 새로운 방법을 제공한다.

도 4는 비선형의 정도가 전후방 고정자들의 축방향 규모에 거의 상응하도록 하는, 방사상으로 연속되는 사운드 유닛들 사이에서의 상대적으로 적절한 어떤 축방향 비선형을 도시한다. 고유 어플리케이션에 따라, 0 보다 큰 어떤 적절한 값을 가지도록 비선형의 정도가 선택될 수 있다. 다이어프램들에서 "보여지는" 음향 질량의 감소는 당연히 이 비선형 정도에 따라 좌우된다.

도 5는 본 발명에 따른 사운드 트랜스듀서를 구성하는 한 가지 가능한 방법 을 투시도로서 개략적으로 나타낸 것이다. 도 5에서, 하나의 둥근 다이어프램(50)이 내부 슬리브/프레임(51)과 외부 슬리브/프레임 부분(52) 사이에 배치된다. 전방 고정자 링(53)과 후방 고정자 링(54)이 그 다이어프램(50)과 상기 내외부 슬리브들/프레임들(51, 52)을 지지하기 위해 함께 동축으로 놓여져서, 음향 앞 채널(55)과 뒤 채널(56)이 상기 요소들 사이에서 형성된다. 전방 및/또는 후방 고정자 링들(53, 54)은 이 실시예에서 별도의 개별 부분으로 몰딩되고, 나중에 장치 조립 중에 내외부 슬리브/프레임 부분들(51, 52)에 용접, 접착, 또는 다른 적절한 방법으로 부착된다. 도 5의 오른쪽 하단에서, 내부 슬리브/프레임(51)에 부착된 고정자 링(53, 54)을 보인다.

이와 달리, 하나의 일체된 부분으로 직접 몰딩하여 도 5의 오른편 하단에서 보여진 개체(51, 53, 54)를 제조하는 것 역시 가능하다. 따라서, 본 발명은 사운드 트랜스듀서나 관련 구성 요소들을 제조하는 다양한 방법들에 의해 제한되어야 하는 것으로 받아들여져서는 안된다.

본 발명이 일부 선택된 실시예들에 기준하여 위에서 설명되었지만, 이러한 실시예들은 단지 예일 뿐 이 분야의 당업자라면 본 발명의 개념과 범위 안에 있으면서 여기 특정하게 개시된 사항들 이외의 기술적 내용들을 이용하는 다른 실시예들을 구성할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 도시된 사운드 유닛들이나 음향 트랜스듀서들의 기계적이고 음향학적이며 전자적인 설계뿐만 아니라 이들의 동작에 있어서 다양한 생략과 대체와 변경이, 본 발명의 개념에서 벗어나지 않고 이 분야의 당업자들에 의해 이뤄질 수 있다는 것 역시 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 여기 부가된 청구항들의 범위에 의해 지시된 방식을 통해서만 제한되어야 한다.

트랜스듀서들의 각 다이어프램은 압전 물질의 원통형 시트로서 만들어짐이 바람직하다. 이 다이어프램은 상기 물질로만 제조될 수도 있고, 상기 물질을 여러 요소들 중 하나로서 병합하는 합성 구조일 수도 있다.

다이어프램이 내부 사운드 인도 슬리브 상에 배열된 고정자 링이나 기타 버팀 수단으로 지지될 때, 이 다이어프램은 단단함을 강화시키기 위해 래커, 접착제, 풀 또는 그와 유사한 물질로 덮일 수 있다. 다이어프램의 말단을 상기 버팀 수단들에 밀봉(sealing)/고정(fixing)하고, 이렇게 하여 다이어프램의 내부 표면에 의해 발생되는 사운드 웨이브와 다이어프램의 외부 표면에 의해 발생되는 사운드 웨이브 사이의 간섭을 피하기 위해, 필요한 경우 그와 동일한 물질들을 사용할 수 있다. 이 분야의 당업자라면 내부 및/또는 외부 사운드 인도 슬리브들에 대해 다이어프램을 지지하는 버팀 수단들이 여러 다양한 방법으로 배열될 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 배열된 버팀 수단의 다이어프램의 축방향 말단까지의 축방향 폭이 부분적으로나 전면적으로, 필요로 되는 비선형을 이루거나, 비선형이 상기 폭들과 무관하게 만들어질 수도 있다.

각 사운드 유닛/드라이버의 음향 응답을 변환하기 위해, 음향 기포(foam) 물질들, 상이한 타입의 음향 울타리들(enclosures)이나 방지재들(baffles)이 앞과 뒤 음향 채널들 모두에서 사용될 수 있다. 또, 멀티 다이어프램 트랜스듀서 내 서로 다른 사운드 유닛들을 구동하기 위해 서로 다른 전기 신호들이 사용될 수 있다. 이 전기 구동 신호들은 주파수 대역폭이나 등화에 있어 상이하거나, 이들의 상대적 신호 크기에 있어 다를 수 있다. 상기 구동 신호들은, 일련의 능동 또는 수동 대역 분할 필터들을 통해 신호를 보내는 동작 등에 의해 공통 신호로부터 생성될 수 있다.

또, 멀티 다이어프램 트랜스듀서에서, 방사상으로 연속되는 사운드 유닛들의 비선형 정도 및 방향 역시 서로 상이하도록 선택될 수 있다. 즉, 트랜스듀서의 총 길이가 지나치게 증가하는 것을 막기 위해, 축방향 비선형 방향은 한 둥근 유닛에서 다음 유닛으로 교번할 것이다.

본 발명에 따른 사운드 트랜스듀서의 전형적인 어플리케이션에는, 하나 이상의 내부나 외부 확성기, 확성기 유닛(캐비넷), 스테레오 헤드폰, 한쪽 귀를 위한 이어피스, 핸즈프리 세트를 포함하는 다른 유형의 헤드셋을 구비한 오디오 장치들 같은 음향 어플리케이션들이 포함된다. 본 발명에 따른 사운드 트랜스듀서들은 이들의 컴팩트한 사이즈와 낮은 전력 소비로 인해 휴대하거나 배터리로 동작하는 다양한 장치들에 특히 적합하다. 이러한 특징들은 다양한 종류의 휴대형 플레이어들 (컴팩트 디스크, 미니 디스크, MP3) 및 무선 수신기들에 있어 중요하다. 중요한 어플리케이션 분야를 통신 장치들과 관련 액세서리들 사이에서 찾을 수 있다. 본 발명은 모바일 전화 및 다양한 타입의 무선 데이터 처리 또는 게임기에 적용될 수 있다.

오디오 어플리케이션들에서, 재생 주파수 범위는 0-25 kHz일 수 있다. 그러나, 본 발명은 단지 오디오 어플리케이션과 가청 주파수대로만 한정되지 않고, 음 향 트랜스듀서를 이용해 가령 초음파 영역 내 고주파 불가청 사운드를 생성할 수도 있다.

위에서 주어진 예들은 주로 압전 다이어프램들의 사용에 기반하고 있다. 그러나, 본 발명은 전왜(electrostrictive), 초전(pyroelectric) 혹은 정전(electrostatic) 물질들 같이, 상술한 방법으로 구성되어 사운드 생성 다이어프램으로서 진동하도록 구성될 수 있는 다른 타입의 전기기계적 변환 물질들을 이용해 구현될 수도 있다.

하나의 사운드 유닛, 즉 다이어프램 및 내/외부 슬리브들/프레임 부분들 형성하는 다양한 요소들의 모양은 보통은 정확한 원형이고, 상기 요소들은 서로 번갈아가며 정확히 동심원 모양으로 배열된다. 그러나, 본 발명은 그러한 구성에만 한정되지 않으며, 상기 요소들이 타원형이나 각이 있는 형태와 같은 원형 아닌 모양을 가질 수도 있고, 그 요소들이 다소 중심을 벗어나서 번갈아 배열될 수도 있다. 또, 상기 요소들, 특히 다이어프램은 완전히 폐쇄되고 균일한 경계선, 즉, 완전한 원 또는 다각형의 단면 모양을 가질 필요가 없으며, 오히려 각 요소가 단면 형태로서 하나 이상의 부채꼴 모양 오프닝들이나 부위들을 가질 수도 있다.

본 발명의 기본 개념은 원통형이나 튜브형 전기기계적 다이어프램을 그와 유사한 모양의 음향 슬리브/프레임 구성 안에서 사용할 때 찾을 수 있으며, 그러한 구성에서는 다이어프램에 이해 "보여지는" 음향 질량이, 다이어프램과 내부 및/또는 외부 사운드 인도 슬리브들 사이에 적절한 정도의 비선형이 이뤄짐에 따라 감소된다. 따라서, 상기 사운드 초기 생성 다이어프램의 변위에 대해 거의 직각으로 트랜스듀서로부터 방출되는 사운드 웨이브는 종래의 장치들에 비해 덜 제한된 채널을 가지게 된다.

Claims (29)

1. 전기적 자극에 따라 자신의 물리적 상태를 변환하여 사운드를 생성할 수 있는 전기기계적 변환 물질로 적어도 일부가 이뤄지고 실질적으로 원통형이나 튜브형으로 배열되는 적어도 한 개의 방사상 사운드 방출 다이어프램에 기반하는, 적어도 한 개의 사운드 유닛을 포함하는 사운드 트랜스듀서에 있어서,

   한 사운드 유닛 안에서, 상기 다이어프램이, 둘 모두 다이어프램과 실질적으로 유사한 원형 단면 모양을 가진 내부 사운드 인도(guiding) 슬리브와 외부 사운드 인도 슬리브 사이에서 지지되도록 배열되어, 다이어프램과 상기 슬리브들 중 적어도 한 개 사이에 적어도 한 개의 축방향 음향 채널이 만들어지게 되고, 그에 따라 다이어프램에서 발생된 사운드 웨이브가 상기 음향 채널을 따라 사운드 유닛으로부터 나오도록 인도되게 정해지고, 상기 음향 채널이 나타내는 음향 질량(acoustic mass)을 감소시키기 위해 적어도 상기 음향 채널의 출구쪽에서 다이어프램의 축방향 말단들과 그에 상응하는 사운드 인도 슬리브들이, 사운드 유닛의 축과 수직 방향의 평면상에서 상호 비선형 (mutual non-alignment)을 이루도록 배열됨을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
2. 제1항에 있어서, 한 사운드 유닛 안에서, 상기 내부 사운드 인도 슬리브는, 다이어프램과 상기 슬리브를 특정한 상호 방사상의 축방향 위치 (radial and axial position)에 있도록 지지하기 위해 상기 슬리브의 앞쪽 말단에 위치하는 적어도 한 개의 전방 고정자(retainer), 및 다이어프램과 외부 사운드 인도 슬리브 사이에서 다이어프램과 상기 슬리브를 특정한 상호 방사상의 축방향 위치 (radial and axial position)에 있도록 지지하기 위해 다이어프램의 다른 쪽 말단에 위치하는 적어도 한 개의 후방 고정자(retainer)와 함께 배열되고, 상기 전방 또는 후방 고정자들의 축방향 폭은, 음향 질량 감소를 위한 상기 상호 비선형의 형성시 고려되도록 정해짐을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
3. 제1항에 있어서, 여러 개의 사운드 유닛들을 음향학상 실질적으로 나란하게 연결한 멀티 다이어프램 방사상 배열 트랜스듀서를 형성하기 위해, 상기 여러 사운드 유닛들을 번갈아 방사상으로 연속해서 배열함을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
4. 제3항에 있어서, 방사상으로 배열된 트랜스듀서에서, 외부 사운드 유닛의 내부 사운드 인도 슬리브는 방사상으로 이어지는 내부 사운드 유닛의 외부 사운드 인도 슬리브로서 기능하도록 배열됨을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
5. 제3항에 있어서, 방사상으로 배열되는 트랜스듀서에서, 방사상으로 이어지는 사운드 유닛들은 원형의 방사상 단면 모양들을 가지며, 공통의 세로축을 끼고 대칭적으로 번갈아 동심원 방향으로 배열됨을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
6. 제3항에 있어서, 방사상으로 배열되는 트랜스듀서에서, 상기 방사상으로 계속되는 사운드 유닛들 사이의 축방향 비선형의 정도는 적어도 두 사운드 유닛들 사이에서 서로 다르게 선택됨을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
7. 제3항에 있어서, 방사상으로 배열되는 트랜스듀서에서, 방사상으로 연속되는 사운드 유닛들 사이의 축방향 비선형의 방향은, 적어도 두 사운드 유닛들 사이에서 서로 상이하도록 선택됨을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
8. 제3항에 있어서, 방사상으로 배열되는 트랜스듀서에서, 적어도 두 개의 서로 다른 사운드 유닛들의 다이어프램들이 서로 다른 전기적 구동 신호들로서 구동되도록 배열됨을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
9. 제8항에 있어서, 상기 전기적 구동 신호들은 주파수 대역폭에 있어 상이함을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
10. 제8항에 있어서, 상기 전기적 구동 신호들은 상대적 신호 크기에 있어 상이함을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
11. 제1항에 있어서, 상기 적어도 한 개의 다이어프램은, 부분적으로나 전체적으로, 압전 물질, 전왜 물질, 초전 물질 또는 정전 물질 중 한 물질 이상으로 만들어 짐을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
12. 제11항에 있어서, 상기 적어도 한 다이어프램은 부분적으로나 전체적으로 플로르화 폴리비닐(polyvinylidene fluoride)로 만들어짐을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
13. 제2항에 있어서, 하나의 사운드 유닛에서, 상기 전방 및/또는 후방 고정자는 상기 내부 사운드 인도 슬리브와 함께 하나의 일체화된 부분을 이룸을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
14. 제1항에 있어서, 상기 내부 및 외부 사운드 인도 슬리브들은 한 사운드 유닛 안에서, 부분적으로나 전체적으로, 플라스틱 물질 또는 금속 물질 중 한 물질 이상으로 이뤄짐을 특징으로 하는 사운드 트랜스듀서.
15. 전기적 자극에 따라 자신의 물리적 상태를 변환하여 사운드를 생성할 수 있는 전기기계적 변환 물질로 적어도 일부가 이뤄지고 실질적으로 원통형이나 튜브형으로 배열되는 적어도 한 개의 방사상 사운드 방출 다이어프램에 기반하는, 적어도 한 개의 사운드 유닛을 가진 저겅도 하나의 사운드 트랜스듀서를 구비하는 음향 기능을 가진 장치에 있어서,

    한 사운드 유닛 안에서, 상기 다이어프램이, 둘 모두 다이어프램과 실질적으 로 유사한 원형 단면 모양을 가진 내부 사운드 인도(guiding) 슬리브와 외부 사운드 인도 슬리브 사이에서 지지되도록 배열되어, 다이어프램과 상기 슬리브들 중 적어도 한 개 사이에 적어도 한 개의 축방향 음향 채널이 만들어지게 되고, 그에 따라 다이어프램에서 발생된 사운드 웨이브가 상기 음향 채널을 따라 사운드 유닛으로부터 나오도록 인도되게 정해지고, 상기 음향 채널이 나타내는 음향 질량(acoustic mass)을 감소시키기 위해 적어도 상기 음향 채널의 출구쪽에서 다이어프램의 축방향 말단들과 그에 상응하는 사운드 인도 슬리브들이, 사운드 유닛의 축과 수직 방향의 평면상에서 상호 비선형 (mutual non-alignment)을 이루도록 배열됨을 특징으로 하는 장치.
16. 제15항에 있어서, 한 사운드 트랜스듀서 안에서, 여러 개의 사운드 유닛들을 음향학상 실질적으로 나란하게 연결한 멀티 다이어프램 방사상 배열 트랜스듀서를 형성하기 위해, 상기 여러 사운드 유닛들을 번갈아 방사상으로 연속해서 배열함을 특징으로 하는 장치.
17. 제16항에 있어서, 방사상으로 배열되는 트랜스듀서에서, 상기 사운드 유닛들은 원형의 방사상 단면 모양들을 가지며, 공통의 세로축을 끼고 대칭적으로 번갈아 동심원 방향으로 배열됨을 특징으로 하는 장치.
18. 제16항에 있어서, 방사상으로 배열되는 트랜스듀서에서, 상기 방사상으로 계 속되는 사운드 유닛들 사이의 축방향 비선형의 정도는 적어도 두 사운드 유닛들 사이에서 서로 다르게 선택됨을 특징으로 하는 장치.
19. 제16항에 있어서, 방사상으로 배열되는 트랜스듀서에서, 방사상으로 연속되는 사운드 유닛들 사이의 축방향 비선형의 방향은, 적어도 두 사운드 유닛들 사이에서 서로 상이하도록 선택됨을 특징으로 하는 장치.
20. 제15항에 있어서, 적어도 한 사운드 유닛의 상기 적어도 한 개의 다이어프램은, 부분적으로나 전체적으로, 압전 물질, 전왜 물질, 초전 물질 또는 정전 물질 중 한 물질 이상으로 만들어짐을 특징으로 하는 장치.
21. 제20항에 있어서, 상기 적어도 한 다이어프램은 부분적으로나 전체적으로 플로르화 폴리비닐(polyvinylidene fluoride)로 만들어짐을 특징으로 하는 장치.
22. 제15항에 있어서, 상기 장치는 한 개 이상의 확성기를 포함하는 장치임을 특징으로 하는 장치.
23. 제15항에 있어서, 상기 장치는 휴대형 오디오 장치임을 특징으로 하는 장치.
24. 제23항에 있어서, 상기 장치는 휴대형 플레이어나 수신기임을 특징으로 하는 장치.
25. 제15항에 있어서, 상기 장치는, 청취자의 두 귀 모두에 대해 각각 사운드 트랜스듀서를 포함하는 헤드폰 또는 헤드셋임을 특징으로 하는 장치.
26. 제15항에 있어서, 상기 장치는 청취자의 한쪽 귀를 위한 이어피스(earpiece)임을 특징으로 하는 장치.
27. 제15항에 있어서, 상기 장치는 핸즈프리 세트임을 특징으로 하는 장치.
28. 제15항에 있어서, 상기 장치는 통신 장치임을 특징으로 하는 장치.
29. 제28항에 있어서, 상기 장치는 모바일 통신 장치임을 특징으로 하는 장치.

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