KR20070033410A - 압전 관성 트랜스듀서 - Google Patents

Abstract

동작 주파수 범위를 갖는 관성력 트랜스듀서(1)는 트랜스듀서의 동작 주파수 범위에 있는 모드들의 주파수 분포를 갖는 공진 소자(2) 및 상기 공진 소자(2)를 힘이 가해질 위치에 장착하기 위한 커플링 수단(4)을 구비한다. 공진 소자(2)는 압전 물질층(6) 및 압전 물질층(6) 상의 기판층(3)을 구비한 압전 장치이다. 기판층(3)은 압전층(6)을 너머 확장되는 영역을 가지며, 커플링 수단은 트랜스듀서(1)의 저주파수 성능이 확장되는 확장된 영역에 장착된다.

Description

압전 관성 트랜스듀서{PIEZOELECTRIC INERTIAL TRANSDUCER}

본 발명은 확성기(loudspeaker)를 만들기 위해 굽힘파(bending wave) 에너지를 패널 형태의 음향 진동판들(acoustic diaphragms)에 가하기 위한 힘 트랜스듀서 또는 액츄에이터(actuator)에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 국제출원 번호 WO 01/54450에 개시된 종류의 힘 트랜스듀서 또는 액츄에이터(actuator)에 관한 것이다. 그러한 장치는 "분포 모드 액츄에이터들(distributed mode actuators)" 또는 약자로 "DMA"로 알려져 있다.

비중심(off-centre) 커플링 수단 예컨대 스터브(stub)에 의해 DMA가 힘이 가해질 위치에 커플링되는 것이 WO 01/54450로부터 알려져 있다. 더욱이, DMA의 양태(modality)를 강화시키기 위해 DMA의 파라메터들이 적용될 수 있다는 것이 WO 01/54450를 통해 알려져 있다.

트랜스듀서의 기본 공진(fundamental resonance)을 변화시키기 위한 대안적인 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 관성력 트랜스듀서는

동작 주파수 범위를 가지며

상기 트랜스듀서의 상기 동작 주파수 범위에 있는 모드들의 주파수 분포를 가지며, 압전 물질층 및 상기 압전 물질층 상의 기판층을 구비하는 압전 장치인 공진 소자, 및

힘이 가해질 위치에 상기 공진 소자를 장착하기 위한 커플링 수단을 구비하며,

상기 기판층은 상기 압전층을 넘어서게 확장되는 영역을 가지고 상기 커플링 수단은 상기 확장된 영역에 장착됨으로써, 상기 트랜스듀서의 저주파수 성능이 확장된다.

WO 01/54450에서, 비중심 커플링은 트랜스듀서의 기본 공진 모드 f0의 주파수를 결정하는데 있어서의 한 요소(factor)로서 스터브의 강성(stiffnes)을 제시하고 있다. 스터브의 강성을 줄여줌으로써, 굽힘의 일부가 스터브에서 발생하기 때문에 빔(beam)의 기본 공진 f0은 빔 굽힘의 순수 함수에서 굽힘 및 변환의 함수로 변화한다.

본 발명에서는, 컴플라이언스(compliance) 즉 커플링 수단과 공진 소자 사이의 유연성을 제공하기 위해 공진 소자의 기판을 확장시킴으로써 커플링 시스템의 강성을 감소시킨다. 이러한 컴플라이언스는 트랜스듀서의 기본 공진 f0를 떨어뜨리는 결과를 가져온다. 따라서, 트랜스듀서의 성능이 저주파수까지 확장된다.

컴플라이언스는 확장된 날개(vane)에 의해 제공되기 때문에, 설계의 유연성은 유지하면서도 시스템의 복잡성을 줄일 수 있게 된다. 커플링 수단의 굽힘 강성은 바람직하게는 확장된 영역의 굽힘 강성 보다 매우 크게 된다. 커플링 수단은 딱딱하고 단단할 수 있다. 유사하게, 기판층과 커플링 수단 사이의 연결은 탄성이 없이 단단하게 될 수 있다.

상기 커플링 수단은 예컨대 제어된 접착층과 같은 잔류(vestigial)일 수 있거나 스터브의 형태로 될 수 있다. 상기 연결은 예컨대 접착층과 같은 잔류일 수 있다.

트랜스듀서는 관성적 즉 프레임 또는 다른 지지수단에 기반하지 않으며, 확장된 영역 외부의 진동에 영향을 받지 않는다. 즉, 공진 소자는 굽힘에 대해 자유로우며 따라서 진동하는 동안 그 자신의 질량을 가속 및 감속시키는 것과 관련된 관성을 통해 힘을 발생시킨다.

공진 소자는 일반적으로 직사각형 또는 빔 같은 것 일 수 있다. 기판층의 확장된 영역은 반대편 끝단에서 최대 변환이 발생하는 직사각형 또는 빔 같은 공진 소자의 한 끝단일 수 있다.

공진 소자는 두 개의 압전 물질층들 사이에 기판층이 끼워진 압전 바이몰프(bimorph)일 수 있다. 기판층은 금속성 예컨대 황동일 수 있다.

다른 양태로부터, 본 발명은 위에서 정의된 힘 트랜스듀서 또는 액츄에이터를 구비하는 확성기일 수 있다.

다른 양태로서, 본 발명은 위에서 정의된 확성기를 구비하는 전자 장치 예컨대 이동 전화기 또는 휴대 전화기이다.

본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 실시예로서 도식적으로 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 힘 트랜스듀서 또는 액츄에이터의 투시도.

도 2는 도 1의 트랜스듀서 또는 액츄에이터의 측면도.

도 3은 확장된 영역의 길이가 변화하는 것과 관련하여 주파수에 대비한 블록 힘(blocked force)에 대한 그패프.

도 4는 진동판에 장착된 도 1의 트랜스듀서에 대한 투시도.

도 5는 도 1의 트랜스듀서가 결합된 이동 전화기에 대한 투시도.

도 1 및 도 2는 압전 바이몰프 빔들(2)의 형태로 이루어진 두 개의 공진 소자들을 구비한 힘 트랜스듀서(1)를 보여준다. 각 빔(2)은 압전층들(6) 사이에 끼워진 황동과 같은 금속성의 날개(vane)(3)의 형태로 이루어진 중앙 기판층을 구비한다. 각 빔의 한쪽 끝단에서, 중앙 날개(3)는 압전층들(6)을 지나 확장된 영역(7) 까지 투사되도록 확장된다.

빔들(2)은 스터브들의 굽힘 강성이 날개의 굽힘 강성 보다 매우 큰 단단한 지지 스터브(4)의 형태를 갖는 커플링 수단을 통해 확장된 날개 영역들(7)에서 예컨대 접착 수단에 의해 경합된다. 스터브들(4)은 힘이 가해질 위치인 블록 힘 지그(jig)(5)에 접착 수단에 의해 고정된다. 지그(5)는 기계적 토대 즉 모든 관심 주파수들에서 효과적으로 제로 속도(zero velocity)가 되도록 해주는 높은 기계적 임피던스(＞1000 Ns/m)가 있는 장착 위치를 제공한다. 실제 이는 트랜스듀서에 비해 큰 질량(＞1kg)을 갖는 금속 블록이다.

도 2는 기본 굽힘 주파수 f0에 근접한 주파수에서 트랜스듀서의 변형된 모습 을 보여준다. 확장된 영역에 대한 트랜스듀서의 반대편 끝단은 프레임 또는 다른 지지 수단에 부착되지 않았으며 진동에 자유롭다. 트랜스듀서의 평면에 직각인 평면에 있어서 트랜스듀서의 변형은 그 끝단에서 가장 크다. 그럼에도 불구하고, 굽힘의 대부분은 확장된 날개 영역(7)에서 발생한다.

도 3은 빔의 끝단과 단단한 스터브들 사이의 날개 길이를 증가시킴에 따른 블록 힘에 대한 효과를 보여준다. 단지 힘의 수직 성분만이 나타나 있으며 잡음과 구조에 의해 야기되는 오차들을 줄이기 위해, 그 효과를 보여주는데 교정된 유한 요소 모델(a callibrated finite element model)이 사용된다. 실선은 확장되지 않은 날개의 효과를 나타내며, 점선은 0.5 mm 길이 만큼 확장된 영역 그리고 띠줄(dashed line)은 1.5 mm 확장된 영역의 효과를 나타낸다.

가장 낮은 힘 피크(lowest force peak)가 발생하는 주파수는 날개가 확장될 때, 골(trough)에 있는 크기가 감소되듯이 감소된다. 그래프로부터 추정할 때, 1 mm 확장된 영역을 사용함으로써 6.3 dBN의 대응력 감소와 더불어 피크 주파수는 300 Hz에서부터 200 Hz로 감소될 수 있다.

5 kHz 영역에 존재하는 골은 단지 빔 평면에 대해 직교한 블록 힘을 나타낸다. 빔의 길이에 평행한 방향으로의 블록 힘의 성분에 대한 시험은 그러한 형태를 보여주지 않는다. 따라서, 빔이 굽힘파 패널 음향 방사체 상에 장착될 때, 5 kHz에서의 골은 측정된 음향 압력에서 보여지지 않는다.

본 발명은 중앙 날개의 길이를 빔의 끝단을 넘어서게 증가시키고 확장된 영역에 결합시킴으로써 DMA의 동작 대역폭을 증가시켜주는 간단한 방법을 제공한다. 그러나, 힘의 출력에 있어서 그만큼의 감소가 있게 된다.

도 4는 도 1에 도시된 트랜스듀서(1)가 중심에서 벗어난(off-centre) 위치에 장착된 패널 형태의 진동판(8)을 구비한 확성기를 보여준다. 트랜스듀서(1)는 진동판에서 굽힘파 진동을 일으키고 그것에 의해 진동판이 방사되어 소리를 발생시킨다.

도 5는 도 4에 도시된 것과 유사한 확성기가 결합된 이동 전화기(9)를 보여준다. 트랜스듀서(1)는 스크린이 보여지는 창(window)을 덮지 않도록 측면부에서 스크린 덮개에 부착된다.

본 발명은 트랜스듀서의 기본 공진을 변화시키기 위한 다른 방법을 제공한다.

Claims (11)

1. 동작 주파수 범위를 가지는 관성력 트랜스듀서에 있어서,

   상기 트랜스듀서의 상기 동작 주파수 범위에 있는 모드들의 주파수 분포를 가지며, 압전 물질층 및 상기 압전 물질층 상의 기판층을 구비하는 압전 장치인 공진 소자; 및

   힘이 가해질 위치에 상기 공진 소자를 장착하기 위한 커플링 수단을 포함하며,

   상기 기판층은 상기 압전층을 넘어서게 확장되는 영역을 가지고 상기 커플링 수단은 상기 확장된 영역에 장착됨으로써, 상기 트랜스듀서의 낮은 주파수 성능이 확장되는 상기 확장된 영역에 장착되는 관성력 트랜스듀서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 확장된 영역의 파라메터들은

   상기 공진 소자의 양태(modality)를 강화시키도록 선택되는 힘 트랜스듀서.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 공진 소자는 일반적인 직사각형 또는 빔 형태이며,

   상기 기판층의 확장된 영역은 상기 공진 소자의 한쪽 끝단인 힘 트랜스듀서.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 커플링 수단의 굽힘 강성은 상기 확장된 영역의 굽힘 강성 보다 큰 힘 트랜스듀서.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 기판층과 상기 커플링 수단은 단단한 연결로 함께 경합되는 힘 트랜스듀서.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 공진 소자는 압전 바이몰프인 힘 트랜스듀서.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 기판층은 금속성인 힘 트랜스듀서.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

   복수의 압전 소자들을 구비하는 힘 트랜스듀서.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 힘 트랜스듀서를 구비하는 확성기.
10. 제 9항의 확성기를 구비하는 전자 장치.
11. 제 10항의 확성기를 구비한 이동 전화기 또는 휴대 전화기.

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