KR20070004575A - 압전 변환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나란한 배열로 배치되고, 한 영역의 "북극"이 인접한 영역의 "남극"에 연결된 것을 의미하는 직렬 연결을 통하여 분극화 방향이 뒤바뀐 상태로 직렬로 연결된 적어도 두 개의 분극화 영역들을 포함하는 압전 변환기를 제공한다. 적어도 두 개의 영역들은 압전 물질의 동일 부분 내에 있을 수도 있거나, 또는 압전 물질의 개별적인 부분들에 있을 수도 있다. 본 발명의 변환기들은 판 내의 굽힘파와 같은 진동들을 검출하는데 특히 적합할 수 있다. 예를 들어 본 발명의 변환기들은 판의 표면에 부착될 수 있고, 판에 접촉됨으로 인해 야기되거나 또는 영향을 받는 진동들을 검출하는데 사용되어 접촉 위치와 같은 접촉과 관련된 정보를 결정할 수 있다.
압전 변환기, 분극화 방향, 나란하게 배열, 전기적 연결, 전도성 접착제, 진동 검출, 굽힘파

Description

압전 변환기{PIEZOELECTRIC TRANSDUCER}
본 발명은 분극화된 압전 변환기들 및 진동을 방출하거나 검출하기 위한 분극화된 압전 변환기들을 이용하는 장치들에 관한 것이다.
압전 장치들은 역학 에너지를 전기 에너지로 그리고 전기 에너지를 역학 에너지로 변환하는데 사용된다. 압전 장치에 기계적으로 압력을 가함으로써 장치 내에 전하의 불균형이 야기되고, 측정될 수 있는 전기장이 설정된다. 반대로, 압전 장치에 걸쳐 전기장을 인가함으로써 장치에 결합된 물체를 제어가능하게 조종하는데 사용될 수 있는 기계적 압력을 유도할 수 있다. 몇몇 애플리케이션에서는, 압전 장치들은 물체들의 표면들에 결합되어 물체들 내의 진동을 검출하거나, 물체들 내로 진동을 방출하거나 혹은 양쪽 모두를 행하는데 사용될 수 있다. 이 예로 압전 장치들을 평평한 패널들에 기계적으로 결합하고 청취가능한 신호들을 내는 진동들을 패널들 내에 유도 시키는 장치를 사용하여 패널들을 확성기 장치들로 변환시키는 것이 있다. 마찬가지로, 패널들은 패널에 결합된 압전 장치들에 의하여 감지된 진동을 수신하여 패널들을 마이크들로 변환시키는데 사용될 수 있다. 압전 장치들은 또한 판에 대한 접촉에 의하여 판 내에 유도되는 진동을 검출하는데 사용될 수 있다. 검출된 진동은 접촉 위치를 결정하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 제1 영역으로부터 최종 영역까지 직렬로 연결되고, 나란한 배열로 배치된 복수의 분극화된 압전 영역을 포함하는 압전 변환기를 제공하는 것으로, 각 영역은 제1 표면과 제2 표면 및 해당 영역의 제1 표면으로부터 제2 표면을 가리키는 분극화 방향을 갖고, 인접 영역들에 연결된 각 쌍은 인접 영역들 중 하나의 제1 표면으로부터 인접 영역들 중 다른 인접 영역의 제2 표면에까지 전기적으로 연결되어 있다. 변환기들은 또한 제1 영역의 제1 표면에 배치된 제1 단자 전극과 최종 영역의 제2 표면에 배치된 제2 단자 전극을 포함한다.
본 발명은 접촉 판 및 접촉 판의 표면에 배치된 적어도 1개의 압전 변환기를 포함하는 사용자 입력 장치를 더 제공한다. 변환기는 나란한 배열로 배치된 일련의 분극화된 압전 영역들을 포함하며, 각 영역은 북극 및 남극으로 정의된 분극화 방향을 갖고, 각 영역의 분극화 방향은 접촉 판의 표면과 수직이고, 영역들은 한 영역의 북극이 직렬 연결 내에서 다음 영역의 남극과 전기적으로 연결되도록 직렬로 연결된다.
본 발명은 또한 압전 장치의 전압 감도를 증가시키는 방법을 제공한다. 본 방법은 제1 표면 및 반대편의 제2 표면을 갖고, 제1 표면으로부터 제2 표면을 가리키는 제1 극성을 생성하기 위하여 물질의 제1 부분을 분극화하고, 제2 표면으로부터 제1 표면을 가리키는 제2 극성을 생성하기 위하여 제1 부분과 인접하고 제1 부분과는 구분되는, 물질의 제2 부분을 분극화하고, 제1 표면에서 제1 부분과 제2 부분을 전기적으로 연결하는 압전 물질을 제공하는 것을 포함한다.
본 발명의 다른 방법은 제1 방향으로 분극화된 제1 압전 장치를 제공하는 것에 의해 제 1 장치의 북쪽 및 남쪽 표면들을 정의하고, 제2 방향으로 분극화된 제2 압전 장치를 제공하는 것에 의해 제2 장치의 북쪽 및 남쪽 표면들을 정의하고, 제1 장치 및 제2 장치들을 표면 상에 나란히 있는 배열로 배치하되, 제1 방향 및 제2 방향들이 각각 표면과 수직이 되도록 배치하고, 제1 장치의 남쪽 표면과 제2 장치의 북쪽 표면을 전기적으로 연결하도록 함으로써, 압전 장치를 만드는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 요약은 본 발명의 각 개시된 실시예를 설명하거나 모든 구현을 설명하는 것을 의도하는 것은 아니다. 이하의 도면과 상세한 설명은 이러한 실시예들을 보다 정확히 예시할 것이다.
본 발명은 발명의 다양한 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명을, 첨부하는 도면들과 함께 고려하여 더욱 완전하게 이해될 수 있다.
도 1은 두 개의 구분되는 분극화된 영역을 갖는 압전 변환기의 개략적인 측면도.
도 2는 본 발명에 따른 압전 변환기의 실시예의 개략적인 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 압전 변환기의 실시예의 개략적인 측면도.
도 4는 본 발명에 따른 압전 변환기의 실시예의 개략적인 측면도.
도 5는 본 발명에 따른 압전 변환기의 실시예의 개략적인 측면도.
도 6은 본 발명에 따른 압전 변환기의 개략적인 측면도.
도 7a는 본 발명에 따른 압전 변환기의 실시예의 개요도.
도 7b는 본 발명에 따른 압전 변환기의 실시예의 개요도.
도 8은 본 발명에 따른 압전 변환기의 실시예의 개요도.
도 9는 본 발명에 따른 압전 변환기를 이용하는 진동 감지 및/또는 방출 장치의 실시예의 개요도.
도 10은 본 발명에 따른 진동-감지 접촉 입력 장치의 실시예의 개략적인 평면도.
도 11은 본 발명에 따른 터치 센서 시스템 실시예의 개요도.
본 발명은 다양한 변경들과 대안적 형태들로 수정되지만, 그에 따른 상세 특성들은 도면 내의 예로써 도시되었고, 자세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 설명된 특정 실시예들에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 반대로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위 내에서 모든 변경들, 등가 구조들, 및 대안들을 포함한다.
본 발명은 압전 변환기들에 관한 것으로, 특히 진동 센서들로 사용될 때 전압 감도를 증가시키도록 구성된 분극화된 압전 변압기들에 관한 것이다. 본 발명에서, 2개 이상의 분극화된 압전 장치들 또는 동일한 압전 장치의 2개 이상의 분극화된 부분들을 나란한 방식으로 배열할 수 있고, 한 장치의 북극(또는 동일 장치의 한 부분의 북극)이 다른 장치의 남극(또는 동일 장치의 다른 부분의 남극)에 연결되도록 전기적으로 연결될 수 있다. 나란한 배열이란 장치들(또는 그 부분들)이 동일 표면에 개별적이고 기계적으로 결합되도록 하는 배열을 가리킨다. 이는, 예를 들어, 소위 바이모프(bi-morph) 압전 장치들과 같이 적층형 구성의 장치들과 대조될 수 있다. 장치들의 나란한 배열은 또한 장치들의 분극화 방향들과 일반적으로 수직인 임의의 방향으로 장치들이 서로에 대해 나란하게 위치되는 것을 나타낸다.
본 발명의 구성은 비슷한 전체 크기와 물질 특성들을 갖는 단일의 균일하게 분극화된 압전 변환기와 관련하여 압전 변환기의 전압 감도를 증가시킬 수 있다. 본 발명의 장치들은 굽힘파 진동들을 검출하는데 특히 적당한데, 예를 들어 이 명세서에 전부 재연된 것처럼 각각 완전히 포함되어 있는 WO 01/48684호, US 2002/0135570호, WO 00/38104호 및 WO 02/01490호에서 공개된 것과 같은 진동 검출 접촉 입력 장치들이 있다.
여기서 논의되는 압전 변환기들의 분극화 방향들은 일반적으로 장치의 두께를 통과하는 방향이고, 두께 방향은 일반적으로 변환기가 결속되거나 결속될 표면에 수직 방향이다. 분극화의 방향은 꼭대기로부터 바닥으로 또는 대안적으로는 반대일 수도 있다(바닥으로부터 꼭대기로). 참조의 편의를 위해, 분극화 방향은 일반적으로 자석의 설명과 관련된 방향인 북쪽/남쪽 방향의 유추를 이용하여 부르기로 한다. 북쪽 방향의 극은 바닥에서 꼭대기로의 분극화에 해당하고, 이때, 상부 면과 바닥 면들을 각각 북쪽 면과 남쪽 면으로 부르기로 한다. 이 설명에 의해 자석의 특성이 암시되는 것은 아니고, 단지 발명의 설명을 간결하게 만들기 위해 사용되었다.
판의 표면에 기계적으로 결합되고 판의 표면에 수직인 장치의 극성 방향을 가지는, 단일의 균일하게 분극화된 압전 변환기를 고려해보자. 판이 물체에 의하여 충격을 받을 때, 진동파가 생성된다. 진동들이 변환기에 도달할 때, 변환기가 압력을 받고 전하의 불균형을 일으켜서 변환기의 두께에 걸쳐 측정가능한 전압 강하가 생성된다. 그렇게 해서, 역학 에너지가 전기 에너지로 변환된다. 압전 변환기가 커패시터이기 때문에 에너지는 ½COVO 2에 비례하는데, 여기서 CO는 변환기의 커패시턴스이고, VO는 변환기에 걸친 전압 강하이다.
이제 제1 압전 변환기와 다른 부분은 동일하지만, 변환기의 절반이 변환기의 다른 절반과 반대로 분극화되고, 절반의 북극이 다른 절반의 남극과 전기적으로 직렬로 연결된 제2 압전 변환기를 고려해보자. 동일 판의 동일 표면에 기계적으로 결합될 때, 이 제2 변환기는 동일한 진동을 동일한 전기적 에너지로 변환한다. 그러나, 두 절반 부분이 직렬로 연결되어 있기 때문에, 각 절반 부분은 원래의 변환기에 비해 절반의 커패시턴스, 즉 ½CO를 갖고, 직렬로 연결된 커패시터들의 커패시턴스를 다음 식에 의하여 구하면, 제2 장치의 전체 커패시턴스 CN=¼CO가 된다.
Figure 112006050447178-PCT00001
그리하여, 제2 변환기의 커패시턴스가 ¼CO로 감소되었기 때문에, 제2 변환 기의 전압 감도 VN이 2배로 증가하여(즉, VN=2VO), 관계식 ½CNVN 2=½COVO 2로 정의된 에너지 출력을 동일하게 유지한다. 일반적으로, 극이 뒤바뀌도록 직렬로 연결한 압전 장치나 영역을 나란하게 배열하는 것은 전압 감도의 증가를 가져오고, 동일한 전체 크기와 물질 특성들을 갖는 단일의 균일하게 분극화된 압전 변환기에 비해 특히 진동 감지가 증가한다.
도 1은 나란하게 배열된 두 개의 분극화된 압전 영역들(110 및 120)을 포함하는 장치(100)를 개략적으로 도시한다. 영역(110)은 제1 표면(112)과 제2 표면(114)을 포함하고, 이 표면들 중 하나로부터 다른 하나를 가리키는 분극화 방향을 갖는다. 영역(120)은 제1 표면(122)과 제2 표면(124)을 포함하고, 이 표면들 중 하나로부터 다른 하나를 가리키는 분극화 방향을 갖는다. 영역들(110 및 120)이 분리되어 도시되었지만, 그들은 물질의 단일 부분 내에 형성된 구분되는 영역들일 수도 있다. 영역들(110 및 120)은 한 영역의 북극이 다른 영역의 남극에 연결되도록 직렬 연결될 수 있다. 이것은 이하의 논의에서 설명되는 바와 같이 다양한 방법으로 달성될 수 있다.
본 발명의 압전 변환기들은 일반적으로 모든 압전 물질들을 포함하는 분극화된 장치들을 포함한다. 압전기들의 예로는 강유전성 압전기이면서 대체로 다결정질인 납-지르코늄-티타늄(PZT); 단일 결정의 압전기인 석영; 단일 결정의 형태로 사용될 수도 있지만, 일반적으로 다결정질의 형태로 사용되는 압전기인 티탄산 바륨(PZT와 유사함); 일반적으로 막으로 형성되는 고분자 압전기인 폴리불화비닐리 덴(PVDF)이 있다.
압전 물질들은 당업자에 의해 이해될 수 있는 다양한 방법들로 분극화될 수 있다. 예를 들어, 전극들은 압전 물질 한 부분의 반대쪽 표면들에 배치될 수 있다. 전극들을 가로지르는 전압 강하는 전기장이 물질을 영원히 분극화시키기에 충분할 정도로 유도될 수 있다. 물질의 동일 부분의 다양한 영역들은, 분극화될 영역(들)에만 펼쳐진 전극들을 이용하고 다양한 전극 쌍들에 걸쳐 적절한 극성의 전압을 가함으로써 동시에 혹은 순차적으로 분리되어 분극화될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따라 두 개의 구분되는 분극화된 영역들(220 및 230)을 포함하는 압전 물질(210)을 포함하는 압전 변환기(200)를 도시한다. 영역(220)은 제1 표면(214)으로부터 제2 표면(212)을 가리키는 분극화 방향(226)을 갖는다. 영역(230)은 제2 표면(212)으로부터 제1 표면(214)을 가리키는 분극화 방향(236)을 갖는다. 단일 전극(240)은 영역들(220 및 230)이 영역(220)의 북극으로부터 영역(230)의 남극으로 전기적으로 직렬로 연결되는 방식으로 표면(212)에 배치된다. 본 발명은 영역들(220 및 230)을 전기적으로 연결하기 위해서 전극(240)이 표면(212)의 충분한 부분을 덮고 있는 임의의 그리고 모든 실시예를 고려했지만, 도시된 바와 같이, 공통 전극(240)은 표면(212) 전체를 덮고 있다. 제1 단자 전극(250)은 제1 영역(220) 내에만 있는 표면(214) 상에 배치된다. 제2 단자 전극(260)은 제2 영역(230) 내에만 있는 표면(214) 상에 배치된다. 단자 전극들은 전자 제어기로 오고 가는 신호들의 통신을 위한 전선들 또는 전도성 선들로의 연결을 가능하게 한다.
양 단자 전극들(250 및 260)이 변환기(200)의 동일 표면에 배치되었기 때문에, 변환기(200)를 단자 전극이 표면을 향하게 하여 표면과 결합시키는 것이 편리할 수 있다. 이러한 방식으로, 전선들 또는 전도성 선들은 패턴화되거나 아니면 표면 상에 배치되어 변환기(200)가 표면에 기계적으로 결합될 때 단자 전극들은 전선들 또는 선들과 전기적 접촉을 행한다. 땜납, 전도성 풀, 전도성 접착제 또는 임의의 다른 적절한 물질뿐만 아니라 표면 상의 접촉 패드들도 단자 전극들에 전기적 연결을 위한 목적으로 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 단자 전극들을 신호 운반자(예를 들어, 전선들, 전도성 선들 등)에 전기적으로 결합시키고 변환기를 표면에 기계적으로 결합시키기 위해서 전도성 접착제가 사용될 수 있다. 예를 들어, 단자 전극 쌍들과 신호 운반자들 사이에 적절한 전기적 격리를 유지하면서 변환기의 전체 바닥 부분이 기계적으로 결합될 수 있도록 z-축 전도성 접착제가 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따라 나란한 배열로 배치된 제1 압전 장치(310)와 제2 압전 장치(320)를 포함하는 다른 압전 변환기(300)를 개략적으로 도시한다. 제1 장치(310)는 제1 표면(314)으로부터 제2 표면(312)을 가리키는 분극화 방향(316)을 갖는다. 제2 장치(320)는 제2 표면(322)으로부터 제1 표면(324)을 가리키는 분극화 방향(326)을 갖는다. 단자 전극(340)은 제1 장치(310)의 제2 표면(312)과 제2 장치(320)의 제2 표면(322)을 전기적으로 연결하도록 배치되고, 따라서 제1 장치(310)의 북극과 제2 장치(320)의 남극은 직렬로 연결된다. 제1 단자 전극은 장치(310)의 제1 표면(314)에 배치되고, 제2 단자 전극은 장치(320)의 제1 표면(324) 에 배치된다. 변환기(300)가 진동 검출을 위해 사용되는 예시적인 실시예에서, 장치들(310 및 320)은 요구되는 파장 범위 내의 진동을 검출하는데 함께 사용될 수 있도록 충분히 근접하여 배치된다. 변환기(300)가 분리된 장치들(310 및 320)로부터 구성되었지만 기능적으로는 변환기(200)와 유사하고, 장치의 동일면에, 바람직하게는 변환기가 기계적으로 결합되는 표면에, 양 단자 전극들을 전기적으로 결합할 수 있다는 점을 공유한다.
도 4는 본 발명에 따라 제1 표면(414)으로부터 제2 표면(412)을 가리키는 분극화 방향(416)으로 균일하게 분극화된 단일 압전 장치(410)를 포함하는 다른 압전 변환기(400)를 도시한다. 변환기(400)가 균일하게 분극화되었지만, 구분되는 전극들을 사용하고 특별한 전극 연결 배열을 통하여 두 개의 구분되는 분극화 영역들을 형성한다. 도시된 바와 같이, 전극들(442 및 450)은 대략 장치의 절반 부분을 덮고 있고, 전극(442)은 제2 표면(412)에 배치되고 전극(450)은 제1 표면(414)에 배치된다. 마찬가지로, 전극들(460 및 444)은 대략 장치의 다른 절반 부분을 덮고 있고, 전극(460)은 제2 표면(412)에 배치되고 전극(444)은 제1 표면(414)에 배치된다. 도시된 전극 배열이 변환기(400)를 대략 절반인 두 부분으로 나누지만, 변환기를 둘 이상의 대칭된 부분으로 나누거나 2개 이상의 비대칭 부분으로 나누는 등의 다른 배열도 사용될 수 있다. 전극들(442 및 444)은 공통 커넥터(440)에 의해 함께 연결되고, 공통 커넥터는 납땜이나 다른 적절한 방법으로 한 끝이 전극(442)에 다른 한 끝이 전극(444)에 연결된 전선이나 또는 그외의 전도성 선의 형태를 가질 수 있다. 이 공통 연결은 두 절반 부분을 전기적으로 직렬로 연결하고 연결 간 의 장치 극성을 역으로 만들어 변환기(400)의 한쪽 절반 부분의 북극이 다른쪽 절반 부분의 남극에 연결되도록 한다. 전극들(450 및 460)은 변환기(400)로 오고 가는 신호들을 운반하는 단자 전극들이다.
도 4는 단일 압전 장치(410)를 사용한 구성을 도시하고 있지만, 각 장치들이 평행한 분극화 방향을 갖고, 한 장치의 북극이 다음에 인접해 있는 장치의 남극과 직렬로 연결되어 있는, 나란하게 배치된 분리된 장치들을 사용하여 비슷한 구성을 만들 수 있다. 다시 한 번, 일련의 사슬을 형성하기 위해 임의의 수의 장치들이 사용될 수 있고, 사슬의 최초 및 최종 장치들은 단자 전극들을 갖는다.
도 5는 본 발명에 따라 3개의 압전 장치들(510, 520 및 530)이 나란하게, 바람직하게는 매우 근접하여 배치된 다른 압전 변환기(500)를 도시한다. 제1 장치(510)는 제1 표면(514)으로부터 제2 표면(512)을 가리키는 분극화 방향(516)을 갖는다. 제2 장치(520)는 제2 표면(522)으로부터 제1 표면(524)을 가리키는 분극화 방향(526)을 갖는다. 제3 장치(530)는 제1 표면(534)으로부터 제2 표면(532)을 가리키는 분극화 방향(536)을 갖는다. 장치들은 제1 공통 전극(540)이 표면들(512 및 522)에 배치될 수 있고, 제2 공통 전극(545)이 표면들(524 및 534)에 배치될 수 있도록 배열된다. 전극(540)은 장치(510)의 북극이 장치(520)의 남극에 연결되도록 장치들(510 및 520)을 연결한다. 전극(545)은 장치(520)의 북극이 장치(530)의 남극에 연결되도록 장치들(520 및 530)을 연결한다. 이러한 방식으로, 장치들은 일련의 각 연결에서 극이 뒤바뀌도록 직렬로 연결된다. 제1 단자 전극(550)은 장치(510)의 표면(514)에 배치되고 제2 단자 전극(560)은 장치(530)의 표면(532)에 배치된다. 단자 전극들은 변환기로 오고 가는 신호들을 전달하는데 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따라 4개의 압전 장치들(610, 620, 630 및 640)이 나란하게, 바람직하게는 매우 근접하여 배치된 다른 압전 변환기(600)를 도시한다. 각 장치들의 분극화 방향들은 화살표들에 의해 표시되고 있다. 인접한 장치들은 공통 전극들이 단순히 인접한 장치들을 직렬로 연결함으로써 극성이 뒤바뀌도록 반대의 극성을 가진다. 따라서, 공통 전극(652)은 장치(610)의 북극과 장치(620)의 남극을 연결하도록 배치된다. 공통 전극(654)은 장치(620)의 북극과 장치(630)의 남극을 연결하도록 배치된다. 공통 전극(656)은 장치(630)의 북극과 장치(640)의 남극을 연결하도록 배치된다. 제1 단자 전극(650)은 장치(610)의 남극 상에 배치되고, 제2 단자 전극(660)은 장치(640)의 북극 상에 배치된다. 이 변환기 배열은 변환기가 결속되는 또는 기계적으로 결합되는 동일 표면에 있는 단자 전극들에 신호 운반자 연결들이 행해질 수 있게 한다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 나란한 압전 장치 배열들은 다양하게 가능한 구성들을 단순하게 예시하는 것으로, 전체를 나타내는 것은 아님이 인식될 것이다. 장치들이 연결된 장치들 사이에서 극성 반전을 가지며 직렬로 전기적으로 연결될 수 있게 하는 압전 장치들 또는 영역들의 적절하게 나란한 임의의 배열이 임의의 2개 이상의 수의 압전 장치들 또는 영역들과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어 도 7a 및 도 7b는 길게 늘여진 압전 장치들을 나란하게 배열하는 가능한 다양한 경우 중의 두 가지 배열을 도시한다. 도 7a 및 도 7b는 도 3에 도시된 일반적 인 배열의 특정 구성들을 나타낸다. 도 7a는 나란하게 배치되고 반대의 극성을 갖는 2개의 압전 장치들(710A 및 720A)을 포함하는 변환기(700A)를 도시한다. 장치들(710A 및 720A)은 길게 늘여져 있고, 장치들의 단축들을 따라 이격되어 있다. 장치(710A)의 북극은 공통 전극(750A)에 의하여 장치(720A)의 남극에 연결된다. 단자 전극들(740A 및 760A)은 장치들(710A 및 720A)의 하부 표면들에 각각 배치된다. 도 7b는 나란한 배열로 배치되고 반대의 극성을 갖는 2개의 압전 장치들(710B 및 720B)을 포함하는 변환기(700B)를 도시한다. 장치들(710B 및 720B)은 길게 늘여져 있고 장치들의 장축들을 따라 이격되어 있다. 장치(710B)의 북극은 공통 전극(750B)에 의하여 장치(720B)의 남극에 연결된다. 단자 전극들(740B 및 760B)은 장치들(710B 및 720B)의 하부 표면들에 각각 배치된다.
변환기들(700A 및 700B)은 각각 분리된 압전 장치들로 이루어진 것으로 도시되었지만, 변환기들(700A 및 700B)이 분리된 분극화 영역들을 갖는 단일한 압전 장치들로부터 구성될 수 있다는 것도 고려된다. 변환기들(700A 및 700B)이 분리된 압전 장치들로 이루어진 실시예들에서, 변환기(700A)와 같은 변환기 구성을 사용할지의 선택은 압력이 측정될 방향과 같은 특정 용도의 세부사항들뿐만 아니라 변환기의 희망했던 방위에 좌우될 수 있다. 길게 늘여진 변환기들이 사각판의 코너에 위치하고, 판의 중심을 가리키는 변환기들의 장축들을 따라 방위를 갖고, 판 내에서 전파되는 진동들에 기인한 압력을 감지하려는 목적을 가진 경우, 압력이 측정될 방향이 될 수 있는 장축에 따른 구조적인 전체(integral)로 인하여 변환기(700A)와 같은 변환기들을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따라 각 장치가 다른 세 장치들과 인접하도록 나란한 배열로 배치된 4개의 압전 장치들(810, 820, 830 및 840)을 포함하는 다른 압전 변환기(800)를 도시한다. 장치들은 화살표들에 의하여 표시되는 대로 분극화된다. 장치(810)의 남극은 공통 전극(852)을 통하여 장치(820)의 북극에 연결된다. 장치(820)의 남극은 브리지 전극(855)을 통하여 장치(840)의 북극에 연결되는데, 브리지 전극(852)은 장치들(820 및 840) 사이의 코너 갭을 덮고, 장치(820)의 전극(854)을 장치(840)의 전극(856)에 연결한다. 장치(840)의 남극은 공통 전극(858)을 통하여 장치(830)의 북극에 연결된다. 제1 단자 전극(850)은 장치(810)의 북극 표면에 배치되고, 제2 단자 전극(860)은 장치(830)의 남극 표면에 배치된다. 제1 단자 전극(850) 및 제2 단자 전극(860)은 변환기(800)의 동일면에 배치되어, 변환기가 동일 표면, 바람직하게는 변환기가 결속되는 표면에 있는 단자 전극들에 전기적으로 연결될 수 있게 한다. 변환기(800)의 구성이 선형 사슬 구조와 비교했을 때 2차원 어레이와 유사하지만, 변환기(800)는 도 6에 도시된 기능적 배열의 한 예로 생각될 수 있다.
도 1 내지 도 8에 도시된 다양한 변환기 구성들은 본 발명의 변환기들을 만들기 위해 압전 장치들 및 영역들을 배열하는 가능한 디자인 선택들의 일부를 나타낸다. 이러한 디자인 선택들은 개별적으로 분극화된 압전 장치들을 사용하는 것과 대비하여 동일한 압전 물질의 개별적으로 분극화된 영역들을 사용하는 것, 인접한 장치들이나 또는 동일 장치의 영역들을 같은 극성 혹은 반대 극성을 갖도록 방향을 정하는 것, 2개 그 이상의 압전 영역들 또는 장치들 또는 그 조합들을 사용하는 것, 영역들 또는 장치들의 선형 사슬 구조 또는 2차원 어레이 구조를 사용하는 것, 길게 늘여진 영역들 또는 장치들이 판 내에서 단축들 또는 장축들을 따라 또는 다른 방향을 따라 나란하게 위치하도록 방향을 정하는 것, 하나 이상의 압전 물질들을 선택하는 것 등을 포함한다. 특별히 도시되거나 확인되지 않은 그외의 구성의 디자인 선택들은 여기 제공된 설명들에 의하여 이해되고 인식되어야 한다. 이러한 디자인 선택들 각각은 본 발명에 따라 변환기를 만들기 위하여 독립하여 사용되거나 또는 조합되어 사용될 수 있다.
본 발명의 압전 변환기들은 판과 같은 물체의 표면에 기계적으로 결속되거나 다른 방식으로 결합될 수 있고, 물체를 통과하여 진행하는 굽힘파와 같은 진동들을 검출하는데 특별히 유리하게 사용될 수 있다. 변환기들은, 예를 들어 다른 변환기들에 의하여 방출된 진동들을 감지하고 및/또는 물체와 외부 신호들 또는 자극들 간의 간섭에 기인해서 방출된 진동들에 의한 변화를 측정하기 위하여, 물체 내로 진동들을 주입시키는데도 사용될 수 있다.
도 9는 판(910)의 표면(912)에 배치된 압전 변환기들(920A 및 920B)을 포함하는 장치(900)의 개략적인 측면도를 도시한다. 변환기들(920A 및 920B)은 본 발명에 따른 변환기들일 수 있다. 장치(900)는 예시적인 목적으로 도시되었고, 더 적거나 더 많은 변환기들이 이용될 수 있으며, 변환기들은 판의 동일 표면이나 다른 표면에, 예를 들어 표면(912)과 표면(914)에 배치될 수 있다. 변환기들(920A 및 920B) 각각은 진동들을 방출 및/또는 수신할 수 있도록 구성됨으로써, 판(910) 내에 굽힘파를 야기하고 및/또는 검지한다. 예를 들어, 장치(900)는 접촉-감지 장치 일 수 있어서 표면(912) 또는 표면(914)에 접촉 수단에 의한 상호작용이 변환기들(920A 및 920B)에 의하여 감지될 수 있는 진동을 야기시킨다. 그러한 진동들은 표면에 접촉 수단이 충돌함으로 인한 것일 수 있고, 또는 접촉 수단의 표면을 가로지르는 마찰 운동으로 인한 것일 수 있다. 감지된 진동들은, 예를 들어 WO 01/48684호에서 설명된 것처럼, 접촉 입력의 위치를 결정하는데 사용될 수 있다. 또한 변환기들(920A 및 920B) 중 하나 또는 모두는 반사되거나, 감쇠되거나 또는 표면(912) 또는 표면(914) 상에 가해진 접촉 입력에 의하여 달리 변경될 수 있는 진동들을 방출할 수 있다. 그 다음에 변환기들(920A 및 920B) 중 하나 또는 모두는, 예를 들어 WO 01/48684호에 설명된 것처럼, 접촉 위치와 같은 접촉 입력에 관련된 정보를 결정하기 위하여, 변경되고 방출된 진동을 감지하는데 사용될 수 있다. 장치(900)는 패널 형태의 마이크, 패널 형태의 스피커 등과 같이 판의 진동을 수신 또는 방출하는 임의의 다른 적절한 장치가 될 수 있다. 판(910)은 진동의 감지 및/또는 방출을 도와줄 수 있게 하는 임의의 물질이 될 수 있다. 바람직하게는, 판(910)은 단단한 판이고, 유리, 플라스틱(폴리아크릴레이트, 폴리카보네이트 등), 나무, 판지, 금속 등의 임의의 적절한 물질이 될 수 있다. 변환기들(920A 및 920B)은 예를 들어 접착제를 사용하는 것과 같은 임의의 적절한 수단에 의하여 판(910)에 결속될 수 있다.
본 발명에 따른 변환기들이 접촉 입력에 의해 야기되거나 영향을 받는 진동들을 감지하는 접촉 활성 사용자 입력 장치에서 사용될 때, 접촉 표면을 한정하는 사각 판의 각 코너에 1개씩 4개의 감지 변환기들을 배치하는 것이 바람직하다. 예 를 들어 도 10은 접촉 판(1010)의 각 코너에 하나씩 배치된 변환기들(1020A 내지 1020D)을 포함하는 진동-감지 접촉 센서(1000)의 개략적인 평면도를 도시한다. 변환기들은 접촉 판(1010)의 상부나 하부에 배치될 수 있다. 도시한 실시예에서, 변환기들(1020A 내지 1020D)은 각각 길게 늘여져 있고, 그들의 개별적인 장축들은 판의 측면과 거의 45도의 각도를 형성한다. 이것은 장치에게 들어오는 진동들에 대응하는 대칭적인 측정을 줄 수 있다. 예시적인 변환기들은 2:1 내지 5:1의 외관 비율로 길게 늘여지고, 변환기들의 개별적인 분극화 영역들은 변환기의 장축을 따라 나란한 관계로 배치된다. 어떤 실시예들에서는, 변환기들(1020A 내지 1020D)이 각각 진동들을 감지하는데 사용될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 변환기들(1020A 내지 1020D) 중의 적어도 하나는 진동들을 방출하는데 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 그외의 압전 장치들(도시되지 않음)이, 예를 들어 전용 기능으로써, 진동들을 방출하는데 사용될 수 있고, 그로 인하여 변환기들(1020A 내지 1020D)이 감지 모드에 전용하여 사용될 수 있다.
도 9 및 도 10에 도시된 것과 같은 실시예들에서는, 전선들이나 패턴된 전도성 선들, 예를 들어 변환기들이 기계적으로 결합되는 판 위에 프린트된 전도성 선들을 이용하여 신호들이 변환기들에 운반되거나 변환기들로부터 운반된다. 어떤 경우에는, 전도성 전선들 또는 선들의 커패시턴스는 사실상 변환기들의 커패시턴스를 증가시킴으로써, 압전 변환기들의 출력 전압을 감소시키는 작용을 할 수 있다. 이러한 효과는 변환기들과 신호 운반 전선 또는 선들 사이에 증폭기를 추가함으로써 상쇄될 수 있다. 예를 들어, 증폭기들은 변환기들이 결속되는 표면에 직접적으 로 제공될 수 있으며, 이때 변환기 당 하나의 증폭기가, 예를 들어 증폭기들이 그들의 대응하는 변환기들에 인접하게 위치되어 제공될 수 있다. 신호 운반 전선들 또는 선들은, 변환기들에 의하여 발생하는 전압들을 증폭기들이 완충할 수 있는 방식으로 증폭기들을 통해 변환기들에 결합될 수 있다. 이것은 전압 감도의 잠재적인 손실을 크게 줄일 수 있다. 완충 증폭기는 전선들 또는 프린트된 전도성 선들에 생기는 임피던스를 감소시킬 수 있고, 그 결과 잠재적으로 소음 감지의 관점에서 개선된 성능을 가져온다.
본 발명의 압전 변환기들은 표면들에 결속될 수 있고 임의의 적절한 방법으로 신호 운반자들에 전기적으로 연결될 수 있다. 장치의 동일면에 있는 양 단자 전극들을 포함하는 변환기의 경우에, 단자 전극들을 포함하는 변환기의 면이 표면에 결속되도록 변환기를 표면에 결속하는 것이 바람직하다. 전선들이나 전도성 선들과 같은 신호 운반자들이, 변환기가 표면에 위치하고 결속될 때 적절한 전기적 접촉이 행해지도록 제공될 수 있다. 전기적 접촉은 땜납, 전도성 풀, 은이 채워진 에폭시와 같은 전도성 접착제 등의 전도성 물질을 이용하여 조성될 수 있다. 적절한 전도성 접착제의 특별한 예로 무역 지정(trade designation) 하에서 Ercon 사에 의하여 판매되는 ERCON 5600 A/B와 같은 고분자 후막 실버 에폭시 잉크(polymer thick film silver epoxy ink)가 있다. 어떤 경우들에서는, 전도성 접착제가 변환기의 단자 전극들 각각에 위치하고, 비전도성 접착체가 변환기의 바닥 표면의 나머지 부분에 위치할 수 있다. 비전도성 접착체의 예들은 다양한 에폭시, 우레탄 및 시아노아크릴레이트(이소시아네이트) 접착제들을 포함한다. 그외의 경우들에서는, 전도성 접착제만이 사용될 수 있다. 예를 들어, 변환기들과 신호 운반자들 사이에서 전기적 접촉이 행해질 부분에만 전도성 접착제가 공급된다. 그러한 경우에는, 변환기들의 선택된 부분들만이 표면에 결속된다. 어셈블리로 사용되는 예시적인 전도성 접착제들로, 무역 지정 하에서 판매되는 E2001, EM127 및 H20E-PFC를 포함하는 Epoxy Technology 사로부터 얻을 수 있는 실버 에폭시가 있다. 그외의 실시예들에서는, z-축 전도성 접착제, 또는 이방성의 전도성 접착제가 사용될 수 있다. z-축 전도성 접착제는 선택된 영역 또는 변환기에 의해 덮이는 전체 영역 내에 위치할 수 있다. z-축 전도성 접착제는 접착제 층의 두께를 관통하여 전기적 연결을 제공하고 단자 전극들과 신호 운반자들 사이의 크로스토크를 억제하기 위하여 접착제 층의 판 내에서의 전기적 연결들을 실질적으로 막는다.
진동 감지 접촉 패널 장치를 만들 때, 진동의 전파를 유지시키는 기판이 제공될 수 있다. 기판은 접촉 패널 장치의 접촉 판이 될 것이다. 바람직하게는, 기판은 사각형이다. 기판은 부가적인 단계들을 수행하기 이전에 형성되고 크기가 정해지고 잘라질 수 있고, 또는 임의의 또는 모든 전선들이나 전도성 선들, 본 발명에 따른 변환기들, 부가적인 전기선 등을 위치시킨 후에 잘라져서 크기를 정할 수 있다. 부가적으로, 기판은 코팅되어 눈부심방지(anti-glare) 또는 반사방지(anti-reflective) 마감, 텍스처된 표면, 또는 그외의 광학 또는 다른 기능적 요소들을 제공할 수 있다.
전선들 또는 전도성 선들을 기판에 제공하여 변환기들이 위치하는 지역들로부터 전선 또는 전도성 선들을 전자 제어기에 결합하기 위해 전기적 연결이 행해지 는 지역으로 연결할 수 있다. 각 변환기에 대하여 한 쌍의 전선 또는 전도성 선이 제공될 수 있으며, 이 전선 또는 전도성 선 중 하나는 각 변환기의 한 단자 전극 또는 다른 단자 전극과 전기적으로 연결되도록 위치한다. 전선들 또는 선들의 패터닝 전에, 이후에, 또는 도중에, 부가적인 전도성 물질을 제공하여 전기적 연결을 만드는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 땜납, 전도성 접착제, 전도성 그리스, 또는 다른 적절한 전도성 물질이, 접촉이 행해지는 지역 내의 기판에 또는 변환기들의 단자 전극들에 직접 공급될 수 있다. 선택된 센서 지역 내에 변환기들을 배치하기 이전에, 접착성 물질을 기판에, 또는 변환기들에, 또는 양쪽 모두에 제공하여 변환기들을 기판에 부착하거나 결속하는 것을 돕는 것에 의해 변환기들이 기판에 기계적으로 결합될 수 있다. 접착성 물질은 임의의 적절한 접착성 물질이 될 수 있고, 가열에 의하여 경화하는 단계, 방사로 노광하는 단계 또는 그외의 수단을 더 필요로 할 수 있다. 변환기들은 이후에 기판의 선택된 지역들에 위치되고 부착될 수 있다.
전선들 또는 패터닝된 선들 각각을 연결하기 위한 리드선들을 갖는 전기선은 접촉 판에 부착될 수 있다. 선은 전선들이 패턴되기 이전 또는 이후에 부착될 수 있고, 선의 리드선들을 전선 또는 패터닝된 선들에 전기적으로 연결하는 것을 돕기 위하여 전도성 물질이 사용될 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 압전 변환기들을 포함하는 진동-감지 접촉 센서(1110)를 포함하는 접촉 센서 시스템(1100)을 개략적으로 도시한다. 접촉 센서(1110)의 압전 변환기들은 변환기들 근처에(예를 들어 동일한 접촉 판 상에 또는 접촉 판에 연결된 회로 보드 상에) 위치하거나 변환기들로부터 멀리 떨어져(예를 들어 접촉 센서에 연결된 컴퓨터 내의 제어 보드 상에) 위치할 수 있는 전자 기기(1120)들을 제어하기 위하여 결합된다. 부가적으로, 접촉 센서(1110)를 디스플레이 상부에 배치하여 접촉 센서(1110)를 통해 디스플레이(1130)를 볼 수 있도록 할 수 있다. 그외의 실시예들에서, 접촉 센서(1110)는 랩탑 컴퓨터의 디스플레이 화면 상의 커서를 제어하는데 이용되는 접촉 패드와 같이 디스플레이(1130)에서 떨어져서 위치할 수 있다. 디스플레이(1130)는 액정 디스플레이, 유기 전기발광 디스플레이, 발광 다이오드 디스플레이, 음극선 관 디스플레이, 플라즈마 디스플레이 등과 같은 전자 디스플레이일 수 있다. 디스플레이(1130)는 또한 정적인 그래픽들 또는 그외의 지표들을 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정 예에 한정되지 않고 첨부된 청구항들에서 적절히 설명되는 발명의 모든 양태들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명이 적용될 수 있는 다양한 구조들뿐만 아니라 다양한 수정들, 등가의 처리들은 당업자들에게는 명백할 것이다.

Claims (25)

  1. 각 영역이 제1 및 제2 표면과 해당 영역의 상기 제1 표면으로부터 상기 제2 표면을 가리키는 분극화 방향을 갖고, 인접 영역들에 연결된 각 쌍은 상기 인접 영역들 중 하나의 제1 표면으로부터 상기 인접 영역들 중 다른 인접 영역의 제2 표면에까지 전기적으로 연결되어 있는, 제1 영역으로부터 최종 영역까지 직렬로 연결되고 나란한 배열로 배치된 복수의 분극화된 압전 영역;
    상기 제1 영역의 제1 표면에 배치된 제1 단자 전극; 및
    상기 최종 영역의 제2 표면에 배치된 제2 단자 전극
    을 포함하는 압전 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일련의 영역들은 단일한 표면에 기계적으로 결합되도록 구성된 압전 변환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단자 전극들은 하나의 표면에서 전기적으로 연결되도록 구성되는 압전 변환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 영역들은 단일의 압전 장치 내에 존재하는 압전 변환기.
  5. 제1항에 있어서,
    각 영역은 개별적인 압전 장치들 내에 존재하는 압전 변환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 영역들 중 적어도 2개의 영역들은 길게 늘여지고 그들의 장축들이 평행하게 배열된 압전 변환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 길게 늘여진 적어도 2개의 영역들은 그들의 장축들을 따라 배치된 압전 변환기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 길게 늘여진 적어도 2개의 영역들은 그들의 장축들에 수직으로 배치된 압전 변환기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 영역들은 선형 사슬 배열로 배치된 압전 변환기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 영역들은 적어도 3개의 영역들을 포함하는 압전 변환기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 영역들은 적어도 4개의 영역들을 포함하는 압전 변환기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 영역들은 2차원 어레이 배열로 배치된 압전 변환기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 영역들은 적어도 4개의 영역들을 포함하는 압전 변환기.
  14. 접촉 판; 및
    각 영역이 북극과 남극으로 정의된 분극화 방향을 갖고, 각 영역의 상기 분극화 방향은 상기 접촉 판의 표면과 수직이고, 한 영역의 북극이 직렬 연결 내에서 다음 영역의 남극과 전기적으로 연결되도록 상기 영역들이 직렬로 연결되는, 상기 접촉 판의 상기 표면에 나란한 배열로 배치된 일련의 분극화된 압전 영역들을 포함하는 적어도 1개의 압전 변환기
    를 포함하는 사용자 입력 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    2개 이상의 압전 변환기들을 포함하는 사용자 입력 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 접촉 판은 사각형이고, 적어도 4개의 압전 변환기들을 포함하며, 상기 접촉 판의 코너들 각각에 상기 압전 변환기들 중 하나가 위치한 사용자 입력 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    적어도 1개의 압전 변환기는 상기 접촉 판의 진동들을 검출하도록 구성된 사용자 입력 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 압전 변환기로부터 신호들을 수신하도록 결합되고, 상기 접촉 판 내의 진동들에 관련된 정보를 결정하도록 구성된 전자 제어기를 더 포함하는 사용자 입력 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    적어도 3개의 압전 변환기들을 포함하고, 상기 적어도 3개의 압전 변환기로부터 신호들을 수신하도록 상기 전자 제어기가 결합되는 사용자 입력 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 접촉 판 내의 진동들이 상기 접촉 판에 대한 접촉에 의하여 유도될 때, 상기 접촉 판에 대한 접촉의 위치를 결정하도록 전자 제어기가 구성되는 사용자 입력 장치.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 압전 변환기는 상기 접촉 판으로 진동들을 방출하도록 구성되는 사용자 입력 장치.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 압전 변환기는 상기 변환기로 전기적 신호들을 주고 받기 위하여, 제1 및 제2 신호 운반자에 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 단자 전극들을 더 포함하는 사용자 입력 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 신호 운반자들 중 하나는 증폭기를 통하여 상기 변환기에 전기적으로 연결된 사용자 입력 장치.
  24. 압전 장치의 전압 감도를 증가시키는 방법으로서,
    제1 표면 및 반대편의 제2 표면을 갖는 압전 물질을 제공하는 단계;
    상기 제1 표면으로부터 상기 제2 표면을 가리키는 제1 극성을 생성하기 위하여 상기 물질의 제1 부분을 분극화하는 단계;
    상기 제2 표면으로부터 상기 제1 표면을 가리키는 제2 극성을 생성하기 위하여 상기 제1 부분에 인접하고 제1 부분과는 구분되는, 물질의 제2 부분을 분극화하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 부분들을 상기 제1 표면에서 전기적으로 연결하는 단계
    를 포함하는 방법.
  25. 압전 장치를 만드는 방법으로서,
    제1 방향으로 분극화된 제1 압전 장치를 제공하는 것에 의해 상기 제1 압전 장치의 북쪽 및 남쪽 표면들을 정의하는 단계;
    제2 방향으로 분극화된 제2 압전 장치를 제공하는 것에 의해 상기 제2 압전 장치의 북쪽 및 남쪽 표면들을 정의하는 단계;
    상기 제1 및 제2 장치들을 표면 상에 나란이 있는 배열로, 상기 제1 및 제2 방향들이 각각 상기 표면에 수직이 되도록 배치하는 단계; 및
    상기 제1 장치의 상기 남쪽 표면을 상기 제2 장치의 상기 북쪽 표면에 전기적으로 연결하는 단계
    를 포함하는 방법.
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