KR20060119972A - 전기기계적 힘 트랜스듀서 - Google Patents

Abstract

복수 개의 공진 소자; 적어도 두 개의 인접 공진 소자의 인접면 사이에 결합된 낮은 강성 부재; 및 상기 공진 소자가 지지되고 트랜스듀서를 힘이 인가되는 위치에 결합하는 스터브 부재를 포함하는 전기기계적 힘 트랜스듀서가 개시된다. 트랜스듀서의 동작 주파수 범위에서 주파수 분포 모드를 가지는 판형 공진 소자; 및 힘이 인가되는 위치에 트랜스듀서를 결합하고, 상기 공진 소자가 지지되며, 전 몸체 비-굴곡 모드가 상기 공진 소자로 인가되도록 정렬되는 스터브 부재를 포함하는 전기기계적 힘 트랜스듀서가 개시된다.

Description

전기기계적 힘 트랜스듀서 {ELECTROMECHANICAL FORCE TRANSDUCER}

본 발명은 전기기계적 힘 트랜스듀서(transducer), 액츄에이터(actuator), 여자기(exciter) 및 그와 같은 장치에 관한 것으로, 특히 예를 들어 라우드스피커(loudspeaker) 및 마이크로폰과 같은 음향 장치에서 사용되는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 특히, 본 발명의 출원인의 국제특허출원 WO01/54450에 설명된 종류의 전기기계적 힘 트랜스듀서에 관한 것이고, 트랜스듀서의 동작 주파수 범위에서 주파수 분포 모드를 가지는 하나 또는 그 이상의 공진 소자 또는 빔(beam)에 관한 것이다. 이러한 트랜스듀서는 "분포 모드 액츄에이터(distributed mode actuator)" 또는 약자로 DMA로 알려진다.

본 발명의 목적은 음압(acoustic pressure)의 부드러움을 증가시키기 위해 모드의 Q가 감소하고 모드 사이의 상쇄(cancellation)가 감소하도록 감쇠(damping)가 제공되는 트랜스듀서를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 예를 들어 낙하 또는 충돌 시험에서의 실패율을 감소시키기 위해 트랜스듀서의 견고함(robustness)을 향상시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 예를 들어 DMA 트랜스듀서와 같은 액츄에이터 또는 트랜스듀서의 제 1 공진 모드 주파수를 감소시키는 것이다.

첫 번째 측면에서, 본 발명은 낮은 강성층(low stiffness layer)이 복수 개의 공진 소자 사이에 삽입되고, 복수 개의 공진 소자의 인접면에 접착되는 종류의 트랜스듀서이다. 공진 소자 또는 빔의 한 면에 단순히 감쇠층을 부가하는 것은 소자면의 크기의 변화에 따라 감쇠층이 소자와 함께 신장되면서 낮은 감쇠 성능을 제공한다. 하지만, 포일(foil)과 같은 크기 변화에 강인한 유연한 기준층을 감쇠층의 반대편에 사용하면, 감쇠층이 변화하는 소자면 크기와 비-신장 포일 사이에서 전단변형하면서 감쇠의 향상을 가져온다. 만약 기준층이 감쇠면에 반하여 크기를 변화시킬 수 있다면, 감쇠 효과는 배가 될 것이다. 이것은 인접 요소 면 사이에 감쇠층을 부착함으로써 얻어지는 효과이다.

다른 측면에서, 본 발명은 면외(out of plane) DMA 모드가 오디오 밴드로 인가되는 DMA 트랜스듀서이다.

도 1은 본 발명의 전기기계적 힘 트랜스듀서의 첫 번째 실시예의 측면도.

도 2a는 전기기계적 힘 트랜스듀서의 부분 측면도.

도 2b는 본 발명의 전기기계적 힘 트랜스듀서의 첫 번째 실시예의 측면도.

도 3은 단일 빔 트랜스듀서와 도 1의 트랜스듀서의 블록 힘(blocked force)을 비교하는 그래프.

도 4는 미-감쇠(undamped) 이중 빔 DMA, 1/2 감쇠 DMA(감쇠 물질이 공진 소자의 길이의 반에 걸쳐 접착됨) 및 완전 감쇠(fully damped) 이중 빔 DMA 트랜스듀 서 사이의 음압을 비교하는 그래프.

도 5는 단일 빔 액츄에이터의 측면도.

도 6은 본 발명의 전기기계적 힘 트랜스듀서의 두 번째 실시예의 측면도.

도 7은 상이한 조건 하에서의 블록 힘을 비교하는 그래프.

도 8a는 상이한 조건 하에서 음압을 비교하는 그래프.

도 8b는 패널 모서리에 장착된 도 6에 도시된 종류의 트랜스듀서의 사시도.

도 9는 상이한 컴플라이언트(compliant) 스터브의 블록 힘을 비교하는 그래프.

도 1은 본 발명에 편입된 WO01/54450에 설명된 종류의 이중 빔 트랜스듀서를 도시한다. 트랜스듀서(1)는 제 1 압전 빔(2)을 포함하고, 양 빔의 중앙 근처에 위치한 강체 스터브(rigid stub)(4) 형태의 접속 수단에 의해 제 2 압전 빔(3)이 제 1 압전 빔(2)의 후면에 장착된다. 각 빔은 바이몰프(bimorph)이다.

트랜스듀서(1)는 제 1 빔의 중앙 근처에 위치한 강체 스터브(6) 형태의 결합 수단에 의해, 분포 모드 라우드스피커(DML)와 같은 굴곡파(bending-wave) 라우드스피커 패널 구조에 장착된다.

본 발명에서 발포 플라스틱(foamed plastic)의 낮은 강성층(7)이 두 빔(2,3)의 인접면 사이에 접착된다. 접착층은 인접면의 전체를 덮거나 또는 예를 들어 특정 모드를 감쇠하기 위해 불연속적일 수 있다.

다음은 적절한 발포 감쇠 물질, "포론(poron)" 느린 리바운드 발포 폴리우레 탄(slow rebound foam polyurethane) 플라스틱 물질의 파라미터를 나타낸다.

종류 : 4790-92-25041-04S

두께 : 1.05mm (또한 1.0mm 로도 성공하였다)

밀도 : 400kg/m3

압축(compressional) E(압축시 발포제의 영의 모듈러스(Young's modulus)) = 1kHz에서 2MPa

측정 저항, R은 대략 8 * 10⁵ Ns/m3.

이러한 수치는 전단변형시가 아닌 압축시의 기계적 저항의 측정된 실수 부분(real part)이다. 전단변형 수치는 이용가능하지 않다.

또한, 얇은 발포제(0.6mm)의 사용은 좋은 결과를 제공했다. 1.5mm까지의 두꺼운 발포제도 좋은 결과를 제공할 것으로 예상된다. 두께 한도를 0.3에서 2.0mm 사이로 제안한다.

밀도(E 및 R과 분리되어)는 관계가 없는 것으로 예상되고, 100배 만큼 변할 수 있으며, 거의 영향이 없다. E는 중요하지만, 전단 변형(shearing)의 발생은 E의 중요성을 인식하는 것을 어렵게 한다. E의 4배 증가는 빔을 강화시키기 시작할 것이고, 회피되어야 한다. 시스템 강성은 발포제의 추가에 의해 크게 영향받지 않으므로 E의 감소는 거의 영향을 미치지 않는다. R 수치는 중요하다. R을 감소시키는 것은 선형적으로 감쇠에 영향을 줄 것으로 예상된다. 4배 이상으로 감소 되어서는 안 된다. R을 증가시키는 것은 좋지만 다른 파라미터에 영향을 주지않고 얻어질 수 없다.

도 2는 복수 빔 트랜스듀서의 한 면 또는 양면에의 접착의 효과를 도시한다. 도 2a는 감쇠층(7)이 하나의 빔(2)에만 접착되는 경우를 도시한다. 다른 빔(3)이 빔(2)에 대해 움직일 때, 감쇠층의 상부 표면에서 미끄러지고, 따라서 변형되지도 굴곡 저항에 감쇠를 추가하지도 않는다. 하지만, 도 2b에서, 감쇠층은 양 빔에 접착되고, 따라서 빔(2)에 대한 빔(3)의 상대적 이동에 의해 전단변형이 발생한다. 감쇠를 인가하는 것은 이 전단변형이다.

빔 길이는 동일할 필요는 없지만, 만약 동일하면 최대 감쇠 효과가 예상된다. 중심에 장착된 트랜스듀서의 블록 힘 상에서 두 빔 사이에 감쇠층을 추가한 측정 효과는 도 3에 도시된다. 모든 모드의 Q는 감소되고, 자연 주파수는 변하지 않는데, 그것은 접착 물질(7)의 매우 낮은 강성을 의미한다. 상이한 길이 빔의 공진 사이와 같이, 트랜스듀서 내에서 상쇄가 발생할 때 감쇠층의 부가는 출력을 증가시킨다.

도 4는 36mm/34mm 빔 길이 DMA 트랜스듀서의 면 사이에 감쇠를 부가한 음압 상의 시뮬레이션 효과를 도시한다. 트랜스듀서 기본파에서의 출력은 약간 감소하지만, 광범위한 출력의 증가가 3-4kHz 영역에서 발생한다. 이것은 트랜스듀서에서 내부 상쇄의 영역이다. 또한, 음압 응답은 더 부드럽다.

낙하 테스트 실패율이 감소될 것으로 예상된다. 충돌시 대부분의 에너지는 기본 공진에서 여자기에 존재할 것이다. 감쇠는 이 공진의 Q를 감소시키므로, 순간 최대 변위는 감소할 것이고, 빔에서 스트레스를 감소시킨다. 이 스트레스 감소는 낙하 테스트 안정성을 향상시킬 것으로 예상된다. 또한, 트랜스듀서의 구조 높이는 본 발명에 의해 감소 될 수 있다.

상기 설명된 종류의 트랜스듀서를 부하에 결합하는 데 사용되는 스터브는 모든 3 평행축에서 단단하고, 회전 강성은 보통 무시되며, 높은 것으로 가정한다. 그 길이의 가운데에 스터브가 위치하는 빔에 대해서, 0 회전은 빔 기본 공진에 대해 스터브에서 발생한다. 만약 이 0 회전 경계 조건이 길이가 반인 빔 끝에서 반복되면, 기본파는 전체 길이 빔과 같은 주파수에서, 반의 힘으로 발생할 것이다. 도 5를 참조하면, 이것은 캔틸레버(cantilever) 조건이다. 도 5는 캔틸레버 빔(옵셋 스터브)의 기본 모드 형상을 도시하는 도면이다. 변형된 형상은 순수 굴곡 동작을 도시한다.

하지만, 도 6을 참조하면, 스터브 회전 강성을 이 높은 값으로부터 낮은 값으로 감소시킴으로써, 빔의 f0는 감소하고, 빔의 굴곡 동작에 덜 의존적이 되며, 보다 강체와 유사하게 된다. 도 6은 빔의 회전을 가능하게 하는 부드러운 스터브(soft stub)를 지닌 패널에 결합된 빔의 모드 형상의 도면이고, 모드 형상은 빔에서의 일정한 구부러짐과 일정한 회전 변형을 보여준다. 회전 강성 0의 한계 상황에서, 모드는 0 Hz로 감소하고, 이것은 강체(rigid body) 모드이다. 도면부호(9)는 패널(5) 뒤의 갇힌 공기층을 나타내고, 이것은 시뮬레이션에서 패널에 결합하며, 패널에서의 공진 모드 세트에 영향을 주고, 도면부호(10)은 패널(5) 및 트랜스듀서(1)에 의해 형성된 라우드스피커를 포함하는 휴대폰의 몸체를 나타낸다. 빔(2)의 굴절은 잘 보이도록 매우 과장된다.

이 회전 컴플라이언스(compliance)를 선택함으로써, 빔의 f0는 그 중심에 장착된 길이가 두 배인 빔의 f0보다 작아질 수 있으며, 도 7을 참조하면, FE 해석이 이 효과를 보여주기 위해 사용되었다. 도 7은 3가지 조건 : 중심에 장착된 36mm 빔, 말단에 단단한 스터브(stiff stub)를 가지는 길이가 반인 빔, 및 말단에 컴플라이언트(compliant) 스터브를 가지는 길이가 반인 빔에 의해 생성된 시뮬레이션된 블록 힘의 그래프이다. 단단한 스터브(hard stub)의 경우는 빔의 보강(stiffening)을 야기하고, 효과적으로 그 길이를 약간 줄인다.

단단한 스터브(solid stub)는 3개의 병진(translational) 및 회전 축에서 동일한 강성을 가질 것이다. 스터브의 단면 형상을 적절히 조정함으로써, 6개의 상이한 축에서 다른 강성이 생성될 수 있다. 결과적으로 상이한 축에서의 모드는 상이한 주파수에서 발생한다. 도 8을 참조하면, 만약 부하 임피던스가 비대칭적이면, 빔 표면에 수직 외의 방향에서의 이동에 관련된 모드는 패널로 결합할 수 있고, 증가된 모드 밀도를 제공한다. 도 8a는 스터브 강성을 변화함으로써 생성되는 음압 상의 시뮬레이션 효과 그래프이다. 도 8b는 1-빔 단면의 부드러운 스터브(soft stub)(6) 상에 장착된 부착 트랜스듀서를 지닌 패널(5)을 가지고, 면내(in-plane) DMA 이동을 보여주는 패널 형태 라우드스피커의 사시도이다. 도 8에 도시된 면내 모드의 경우, 패널의 면에 수직인 축(8) 주위의 회전 강성이 무시되면, 이 모드는 존재하지 않는다. 제 1 모드가 빔의 짧은 모서리에 따른 축 주위의 회전 강성에 부분적으로 기인하는 경우에, 제 2 모드는 빔에 수직인 축 주위의 강성에 기인한다. 또한, 빔의 길이에 따라 움직이는 축 주위의 마지막 회전 축은 모드를 생성할 것이 다.

도 9를 참조하면, 상이한 축에서 상이한 강성을 제공하는 스터브 형상의 예는 I-단면이다. 도 9는 변하는 수직 바 길이를 가지는 폴리카보네이트(polycarbonate) I-단면 스터브의 블록 힘 상의 시뮬레이션 효과의 그래프이다. 스터브의 폭은 1mm 폭의 내부 바를 합하여 전체 3mm이고, 바 길이는 그래프에 나타난다.

빔에서 순수 굴곡 동작에서 부분 병진 동작으로 기본 공진을 변화함으로써, 빔의 스트레스가 기본파에서 감소한다. 충돌시 기본 공진이 대부분의 에너지를 받으므로, 대부분의 변형이 스터브에서 일어남에 따라 빔은 손상을 입지 않을 것이다.

1-빔 단면의 스터브가 제시되었으나, 예를 들어, 사다리꼴, 실린더형 등의 많은 다른 스터브 단면이 사용될 수 있다.

Claims (20)

1. 복수 개의 공진 소자;

   적어도 두 개의 인접 공진 소자의 인접면 사이에 결합된 낮은 강성 부재; 및

   상기 공진 소자가 지지되고 트랜스듀서를 힘이 인가되는 위치에 결합하는 스터브 부재

   를 포함하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 낮은 강성 부재는 발포 플라스틱으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 발포 플라스틱은 느린 리바운드 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 낮은 강성 부재는 상기 공진 소자의 인접면의 전체 또는 부분에 결합된 층의 형태인 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
5. 전술한 어느 한 항에 있어서,

   상기 공진 소자는 빔-형상인 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
6. 전술한 어느 한 항에 있어서,

   상기 스터브는 전 몸체 비-굴곡 모드가 상기 공진 소자에 인가됨으로써 낮은 강성을 가지는 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 전 몸체 비-굴곡 모드가 동작 주파수 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
8. 전술한 어느 한 항에 있어서,

   상기 공진 소자의 파라미터는 동작 주파수 범위 내의 소자의 분포 모드를 향상시키도록 선택되고, 상기 파라미터는 종횡비, 굴곡 강성의 등방성, 두께의 등방성, 및 형상으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
9. 전술한 어느 한 항에 있어서,

   상기 공진 소자의 적어도 하나는 예를 들어 압전 물질로서, 활성화되는 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
10. 전술한 어느 한 항에 있어서,

    상기 낮은 강성 부재는 상기 인접면의 전체에 걸쳐 결합되는 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
11. 트랜스듀서의 동작 주파수 범위에서 주파수 분포 모드를 가지는 판형 공진 소자; 및

    힘이 인가되는 위치에 트랜스듀서를 결합하고, 상기 공진 소자가 지지되며, 전 몸체 비-굴곡 모드가 상기 공진 소자로 인가되도록 정렬되는 스터브 부재

    를 포함하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 전 몸체 비-굴곡 모드가 동작 주파수 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,

    상기 스터브는 강성이 낮은 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 스터브의 단면 형상은 원형이 아닌 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 스터브의 단면 형상은 I-단면인 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 공진 소자의 파라미터는 동작 주파수 범위 내의 소자의 분포 모드를 향상시키도록 선택되고, 상기 파라미터는 종횡비, 굴곡 강성의 등방성, 두께의 등방성, 및 형상으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
17. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,

    동작 주파수 범위 내에서 주파수 분포 모드를 가지는 복수 개의 공진 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
18. 제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 공진 소자는 예를 들어 압전 물질로서, 활성화되는 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
19. 전술한 어느 한 항에 있어서,

    상기 공진 소자는 상기 트랜스듀서의 동작 주파수 범위 내의 주파수 분포 모드를 가지는 것을 특징으로 하는 전기기계적 힘 트랜스듀서.
20. 전술한 어느 한 항의 트랜스듀서; 및

    상기 트랜스듀서가 결합되는 굴곡파 패널 형태 음향 방사기

    를 포함하는 라우드스피커.

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