KR20080080258A

KR20080080258A - 기계-음향 변환기용 최적 압전체 설계

Info

Publication number: KR20080080258A
Application number: KR1020077030674A
Authority: KR
Inventors: 캐빈 엠. 존슨; 메튜 디. 아벨슨
Original assignee: 에모 라브스, 인크.
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2008-09-03
Also published as: EP1886363A2; CA2610466A1; WO2006130731A2; JP2008546315A; EP1886362A2; US20080273720A1; US20060269087A1; KR20080080257A; WO2006130731A3; JP2008546319A; KR101260543B1; US7884529B2; CA2610483A1; JP5064384B2; WO2006130782A3; WO2006130782A2

Abstract

본 발명은 기계적 운동을 음향 에너지로 변화하는 음향 변환기에 관한 것이다. 음향 변환기는 다이아프램 및 다이애프램의 적어도 일부에 적어도 하나의 지지체를 포함한다. 다이아프램에 작동적으로 결합되는 적어도 하나의 액추에이터가 제공될 수 있다. 다이아프램 또는 액추에이터는 다이아프램 또는 액추에이터의 다른 영역들에 비하여 작은 강성을 가지는 하나 이상의 영역을 포함한다. 또한, 본 발명은 소정의 지지체와 다이아프램의 결합 및 액추에이터의 결합과 관련된 액추에이터 설계의 변형에 관한 것이다.

다이아프램, 액추에이터, 음향 변환기, 압전체, 지지체

Description

기계-음향 변환기용 최적 압전체 설계{OPTIMIZED PIEZO DESIGN FOR A MECHANICAL-TO-ACOUSTICAL TRANSDUCER}

본 출원은, 본 명세서에 원용되고 양자 모두 2005년 5월 31일 출원된 미국 가출원 제60/685,841호 및 제60/685,842호의 우선권을 주장한다. 그 개시 내용 역시 본 명세서에 원용되고 본 출원과 동일자로 출원된 발명의 명칭이 "환경 조건에 반응하는 다이아프램 멤브레인 및 지지 구조체(Diaphragm membrane and supporting structure responsive to environmental conditions)"인 미국 특허 출원(출원번호 미확인)을 또한 참조한다.

기계-음향 변환기는 스피커 멤브레인(speaker membrane)에 결합될(coupled) 수 있는 하나의 액추에이터를 가지거나, 또는 이러한 액추에이터로부터 이격되어 고정될 수 있는 다이아프램(diaphragm)일 수 있다. 이러한 시스템은 스피커를 통해서 디스플레이를 볼 수 있는 다이아프램형 스피커를 제공할 수 있다. 액추에이터는 전자기형(electromagnetic), 압전형(piezoelectric) 또는 정전형(electrostatic)과 같은 전자-기계(electro-mechanical)형일 수 있다. 압전 액추에이터는 디스플레이 화상(display image)과 간섭할 수 있는 자기장을 생성하지 않으며, 또한, 압전 모터의 고효율의 짧은 직선 운동을 높은(high) 진 폭(excursion, 왕복 운동)의 피스톤-상당(piston-equivalent) 다이아프램 운동으로 변환하는데 양호하게 적합할 수 있다.

한 실시 예에서, 본 발명은 기계적 운동을 음향 에너지로 변환할 수 있는 음향 변환기(acoustic transducer)에 관한 것이다. 음향 변환기는 다이아프램(diaphragm) 및 다이아프램의 적어도 일 부분 상에 적어도 하나의 지지체를 포함한다. 다이아프램에 작동적으로(operatively) 결합되는(coupled) 적어도 하나의 액추에이터가 제공될 수 있다. 여기에서, 다이아프램 또는 액추에이터는 다이아프램 또는 액추에이터의 다른 영역에 비해 작은 강성(stiffness)을 가지는 하나 이상의 영역을 포함한다.

다른 실시 예에서, 본 발명은 기계적 운동을 음향 에너지로 변환하는 음향 변환기에 관한 것이다. 음향 변환기는 다이아프램 및 다이아프램의 적어도 일부에 적어도 하나의 지지체를 포함한다. 다이아프램에 작동적으로 결합되는 적어도 하나의 액추에이터가 제공될 수 있다. 여기에서, 액추에이터 및 다이아프램은 강성(stiffness)을 가지며, 다이아프램 및 액추에이터는 액추에이터의 강성과 다이아프램의 강성에 비하여 작은 강성을 가지는 재료로 결합된다.

또 다른 실시 예에서, 본 발명은 기계적 운동을 음향 에너지로 변환하는 음향 변환기에 관한 것이다. 음향 변환기는 다이아프램 및 다이아프램의 적어도 일부에 적어도 하나의 지지체를 포함한다. 다이아프램에 작동적으로 결합되는 적어도 하나의 액추에이터가 제공될 수 있다. 여기에서, 액추에이터는 압전 액추에이터를 포함하며, 상기 다이아프램에 결합되지 않은 상기 액추에이터의 전부 또는 일부는 그 운동(movement)이 제한된다.

또 다른 실시 예에서, 본 발명은 기계적 운동을 음향 에너지로 변환하는 음향 변환기에 관한 것이다. 음향 변환기는 다이아프램 및 다이아프램의 적어도 일부에 적어도 하나의 지지체를 포함한다. 다이아프램에 작동적으로 결합되는 적어도 하나의 액추에이터가 제공될 수 있다. 여기에서, 액추에이터는 액추에이터로부터 외부로 연장하고, 상기 다이아프램에 결합하기 위한 접합영역(부착영역, attachment area)을 제공하는 기판을 포함한다.

도 1은 다이아프램에 연결된 기계-음향 변환기의 평면도;

도 2는 다이아프램 만곡(flexing)을 도시하는 예시적인 단면도;

도 3은 액추에이터 배열의 예시도;

도 4는 클램프된(clamped) 위치에서 액추에이터의 예시도;

도 5는 음향 변환기 및 다이아프램 구조의 예시적인 단면도;

도 6은 압전 액추에이터의 예시적인 단면도;

도 7은 압전 액추에이터 및 부착된 다이아프램 일부의 예시적인 단면도;

도 8은 압전 엑츄에이터 및 부착된 다이아프램 일부의 예시적인 단면도; 및

도 9는 압전 엑츄에이터 및 지지체에 부착된 다이아프램의 예시적인 단면도.

오디오 사운드(audio sound)를 생성하기 위해 다이아프램에 결합된 기계-음향 변환기가 미국 특허 제7,038,356호에 개시되어 있으며, 이 특허의 내용은 본 발명의 설명에서 참고로 한다. 하나의 구조에서, 변환기는 다이아프램에 결합된 압전 모터(piezo motor)에 해당되며, 따라서 액추에이터의 왕복운동(진폭, excursion)은 다이아프램의 대응하는 기계적으로 증폭된 왕복운동(진폭)으로 변환된다. 다이아프램은 만곡될 수 있고, 광학적으로 투명할 때 시각적 디스플레이 상부의 프레임에 장착되어 오디오 스피커를 제공할 수 있다. 따라서, 다이아프램은 비교적 큰 피스톤-상당(piston-equivalent) 왕복운동(진폭)에 의해 특징지어질 수 있다. 왕복운동(진폭)의 통상적인 증폭 또는 기계적인 지레작용(leveraging)은 5 내지 15배일 수 있다.

도 1은 다이아프램에 연결된 기계-음향 변환기의 평면 상부도이다. 도시된 바와 같이, 두 개의 다이아프램 채널(12, 14)은 상대적 비활성의 구역(영역)(zone)(16)에 의해 구분될 수 있다. 여기에서, 멤브레인은 일반적으로 도면 부호 20으로 도시된 프레임의 수평 크로스 바를 따라 프레임(18)에 단단하게 결합될 수 있다(rigidly engaged). 도 2를 참조하면, 전기적 조건하의 압전 액추에이터(22)는, 다이아프램(12, 14)을 수축 및 이완(flexing and unflexing)함으로써, X-축의 양과 음의 운동을 생산하여 Y-축의 대응(해당, corresponding) 양과 음의 피스톤 변위(pistonic displacement)를 만들 수 있다. 압전체가 한쪽 단에 고정될 수 있기 때문에, 그것의 구동에 따른 X 축의 운동은 기계적인 레버링(levering)을 만든다. 도 2는, 간단하게, 모노(mono) 스피커를 도시한다.

도시된 바와 같이, 두 개의 다이아프램 중의 하나의 에지 상에는 다수의 액추에이터(22)가 있을 수 있는데, 이 액추에이터들은 개별적 또는 분리된 액추에이터들일 수 있거나 또는 액추에이터 배열(어레이, array)일 수 있다. 압전 액추에이터의 예시적인 배열이 도 3에 도시되어 있다. 따라서, 압전 액추에이터의 배열은 다이아프램의 전체 에지의 전부 또는 일부를 따라 연장할 수 있고, 압전 드라이버가 롤 상에 편리하게 저장되게 하고 소정의 어플리케이션의 크기에 따른 길이(즉, 기계-음향 결합을 위해 구성되는 주어진 다이아프램의 에지 길이)로 자르게 할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 압전 액추에이터(22)는 세라믹 재료(24) 및 금속 기판 재료(26)를 포함할 수 있다. 또한, 금속 기판 재료는 일반적으로 부호(28)로 도시된, 외부로 연장하는 섹션을 포함하고, 다이아프램 재료에 비교적 더 효과적인 부착(attachment)을 제공하며 아래에서 더 기술된다.

또한, 상대 강성(relative stiffness)과 압전체의 구동 단(driving end)의 반응을 최적화하는 한가지 방법은 압전체의 비교적 큰 섹션을 클램프하는 것이며, 이는 전기적으로 활성화될 때 압전체의 움직임을 제한할 수 있다. 이러한 클램프는 프레임과 액추에이터 사이의 접착(adhesive)에 의하여 용이하게 할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 활성 세라믹의 표면의 임의의 부분을 클램프함으로써, 압전체의 더 높은 출력을 획득할 수 있다. 도시된 것처럼, 세라믹의 약 30 내지 40%는 영역(28)에서 클램프된다. 즉, 도시된 바와 같이 압전체는 클램프된 영역에서 상대적으로 더 약한 금속 기판 부분에 대하여 더 이상 만곡할 수 없다. 따라서, 압전체에 의해 인가된 힘은 다이아프램에 전달됨에 따라 최적화되고 증가된다. 모든 값과 증가분을 포함하여 세라믹 표면의 10 내지 75%를 클램프함으로써, 상대적으로 더 높은 힘이 압전 팁(근사 다이아프램)에서 발생할 수 있다.

또한, 여기에서 반대 측 상에 적어도 하나의 도전성 (금속) 층을 포함하는 압전체 및 세라믹 층은 성능면에서 캐퍼시터와 유사할 수 있다. 따라서, 도전성 금속 층의 표면 영역이 클수록 더 많은 전하를 보유하고 더 큰 상대 출력(relative output)을 제공할 수 있는 압전체를 제공할 수 있다. 또한, 압전체의 성능은 도전성 전극 층이 세라믹에 선택적으로 적용되는 경우에 변경될 수 있다. 예를 들어, 도전성 층이 점진(graduated) 패턴으로 세라믹에 적용될 수 있다면, 이후에 압전 팁에서 소정의 위치에서 가장 큰 상대 전하를 제공할 것이다. 따라서, 이러한 설계에 의해, 압전 팁에서의 출력을 개선하는 것과는 별개로, 압전체의 활성 영역 상에서 클램프 할 능력이 압전 실패의 가능성을 감소시키는 것으로 개선될 수 있다. 또한, 점진(graduated) 또는 비연속(discontinuous) 전극 층을 사용하여, 소정의 다이아프램 요건을 위한 압전체의 성능을 조정하여 최적화할 수 있다.

도 5를 참조하면, 압전 배열 기판의 일부를 세라믹 부분을 넘어 연장하고 그것을 각도를 두어[화살표 (30) 참조] 형태를 만들고 만곡함으로써, 비교적으로 큰 영역(a relatively large area)이 지역(region)(32)에서 압전체를 다이아프램에 부착하기 위해 제공될 수 있다. 기판(26)을 세라믹의 외부로 연장함으로써, 두 가지 이점을 제공한다. 첫째, 비교적 큰 영역이 다이아프램 부착을 위해 제공될 수 있어서 압전체를 다이아프램에 더욱 효과적으로 결합할 수 있다. 둘째, 세라믹에서 외부로 돌출되는 기판의 각도(angle)을 조절함으로써, 다이아프램의 일부와 외부로 연장하는 압전 기판 재료 사이에 일반적인 탄젠트(정접, tangent) 부착(attachment) 위치[영역(32) 재참조]를 제공하여, 다이아프램에서 소정의 곡률을 더 잘 유지할 수 있다. 탄젠트(정접) 부착으로, 다이아프램의 표면의 일부가 액추에이터의 표면의 일부와 결합할 수 있다고 이해될 수 있다. 따라서, 본 발명은 다이아프램이 볼록 또는 오목할 때, 각(30)이 모든 증가분과 값을 포함하여 45 내지 145도의 범위가 될 수 있다.

다음으로 본 발명의 기계-음향 변환기에서 사용될 수 있는 압전체의 또 다른 형태를 도시하는 도 6을 설명한다. 도시된 바와 같이, 압전 기판은 압전 팁에서 힘을 증가시킬 능력을 다시 제공하기 위해 그것의 길이 방향으로 테이퍼질(be tapered) 수 있다. 기판은 일반적으로 도면 부호 29로 도시된, 클램프된 영역으로부터 멀리 이동함에 따라 테이퍼지고(가늘어지고, be tapered) 얇아질 수 있다. 따라서, 다이아프램과 기계적으로 결합될 수 있는 압전의 팁에 더 힘을 가해서, 세라믹은 이후에 기판의 상대적으로 더 두꺼운 부분 보다 상대적으로 더 얇은 기판을 더욱 효과적으로 만곡시킬 수 있다. 그러므로, 압전 액추에이터의 힘 대 편차(force v. deflection) 특성을 최적화하기 위해서 길이를 따라 임의의 위치에서 금속 기판의 두께를 조절할 수 있다고 이해될 수 있다. 또한, 도 6에서 도시된 것처럼, 다이아프램을 향하여 외부로 연장하는 금속 기판 자체는 교대로 이러한 기판의 다른 섹션에 비해 상대적으로 두께가 감소하고 강성이 더 낮은 영역을 제공할 수 있는 두께 감소 영역(34)을 포함한다. 이러한 두께 감소 영역은 이후에 피봇 위치(pivot location)를 제공할 수 있으며, 아래에서 더욱 상세히 기술된다. 또한, 압전체 상의 두께 감소 영역은 도 6에 도시된 것 이외에 다양한 기하학적 형태를 가정할 수 있다.

도 7은 피봇(두께 감소 영역)(36)이 다이아프램에 직접적으로(directly) 유사하게 추가될 수 있는 구조를 도시한다. 따라서, 다이아프램의 일부는 두께가 감소될 수 있고, 상대적으로 더 낮은 강성을 제공할 수 있으며 압전에 의해 활성화될 때 이 위치에서 다이아프램을 피봇 운동하게 하는 만곡 지점(flexure point)을 제공할 수 있다. 다이아프램 또는 압전체의 금속 기판의 강성은 금속 계수(modulus)(신장 또는 굴곡, tensile or flexural)와 단면(cross-section)[관성의 영역 모멘트(area moment of inertia)]의 조합에 의해 결정될 수 있다. 또한, 두께 감소 영역(36)이 원형의 잘린 부분으로 도시되어 있지만, 임의의 기하학 형상이 감소된 두께를 제공 또는 여기에서 언급된 피봇 운동을 하는데 고려될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.

도 8은 피봇이 압전과 멤브레인을 연결하는 별도의 재료에 해당할 수 있는 구조를 도시한다. 도시된 것처럼, 재료는 금속 압전 기판 재료 및/또는 다이아프램 재료에 비해 두께가 감소될 수 있다. 도 9는 단면도에서 도시된 것과 같이 지지체(20) 또는 압전 액추에이터를 결합할 수 있는 위치에서의 다이아프램(12)의 윤곽을 다시 도시한다. 인식할 수 있듯이, 두께가 감소한 다이아프램의 섹션들은 두께가 감소하지 않은 섹션보다 더욱 쉽게 다시 만곡될 것이다. 따라서 이 기법에 의해, 임의의 소정의 위치에서 증가된 유연성(flexibility)을 제공하도록 다이아프램 상의 하나 이상의 위치를 두껍거나 얇게 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한 실현 될 수 있는 이점은 더욱 효과적인 임의의 소정의 압전 배열을 위한 오디오 스피커를 개발할 수 있다는 점이다.

또한, 폴리머형 수지(polymeric type resin)로 구성되는 다이아프램 재료가 다이아프램의 소정의 영역이 다이아프램의 다른 영역과 비교한 다른 탄성 편차 성질(elastic modulus properties)(예를 들어, 다이아프램의 다른 영역과 비교한 만곡 편차(flexural modulus) 즉 "E_flex")을 갖도록 준비될 수 있음이 이해될 수 있다. 예를 들어, 조사(irradiation)(UV광)에 노출시, 노출된 폴리머 재료는 교차결합형(crosslinking type) 반응을 겪어서, 노출되지 않은 영역들에 비하여 노출 영역에서의 E_flex 값을 증가시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 다이아프램에서 두께가 감소한 영역을 피봇 위치를 정함과 반대로, 다이아프램의 다른 영역에 비해 강성을 감소시킨 영역을 피봇 위치로 정할 수 있다. 그러므로, 다이아프램은 강성의 특성을 변화시키면서 다른 위치에서 다른 재료를 사용할 수도 있음을 고려할 수 있다.

상기 설명은 본 발명을 예시하고 설명하도록 제공된다. 그러나, 상기 설명이 첨부된 청구범위에 설명된 발명의 범위를 한정하는 것으로 간주 되어서는 안 된다.

Claims

다이아프램;

상기 다이아프램의 적어도 일부분 상에 적어도 하나의 지지체; 및

상기 다이아프램에 작동적으로 결합된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하며,

상기 다이아프램 또는 상기 액추에이터는 상기 다이아프램 또는 상기 액추에이터의 다른 영역에 비해 작은 강성을 가지는 하나 이상의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기계적 운동을 음향 에너지로 변환하는 음향 변환기.
제1항에 있어서, 상기 다이아프램은 일정 두께를 가지며 상기 작은 강성을 가지는 영역은 상기 일정 두께보다 작은 두께를 가지는 상기 다이아프램의 영역을 포함하는, 음향 변환기.
제1항에 있어서, 상기 액추에이터는 일정 두께를 가지며 상기 작은 강성을 가지는 영역은 상기 일정 두께보다 작은 두께를 가지는 상기 액추에이터의 영역을 포함하는, 음향 변환기.
제1항에 있어서, 상기 다이아프램 및 상기 액추에이터는 상기 다이아프램 및 상기 액추에이터 상의 다른 영역에 비해 작은 강성을 가지는 영역을 포함하는, 음 향 변환기.
제1항에 있어서, 상기 지지체는 비디오 스크린 상에 위치하고, 상기 다이아프램은 상기 비디오 스크린으로부터 이격되는, 음향 변환기.
다이아프램;

상기 다이아프램의 적어도 일부분 상에 적어도 하나의 지지체; 및

상기 다이아프램에 작동적으로 결합된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하며,

상기 액추에이터 및 상기 다이아프램은 강성을 가지며, 상기 다이아프램 및 상기 액추에이터는 상기 액츄에이터의 강성 또는 상기 다이아프램의 강성에 비하여 작은 강성을 가지는 재료에 의해 결합됨을 특징으로 하는, 기계적 운동을 음향 에너지로 변환하는 음향 변환기.
제6항에 있어서, 상기 지지체는 비디오 스크린 상에 위치하며 상기 다이아프램은 상기 비디오 스크린으로부터 이격되는, 음향 변환기.
다이아프램;

상기 다이아프램의 적어도 일부분 상에 적어도 하나의 지지체; 및

상기 다이아프램에 작동적으로 결합된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하 며,

상기 액추에이터는, 상기 다이아프램에 연결되지 않은 상기 액추에이터의 전부 또는 일부가 운동이 제한되는 압전 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기계적 운동을 음향 에너지로 변환하는 음향 변환기.
제8항에 있어서, 상기 액추에이터의 전부 또는 일부를 클램프함으로써 상기 액추에이터의 운동이 제한되는, 음향 변환기.
제8항에 있어서, 상기 지지체는 비디오 스크린 상에 위치하며 상기 다이아프램은 상기 비디오 스크린으로부터 거리를 이격되는, 음향 변환기.
다이아프램;

상기 다이아프램의 적어도 일부분 상에 적어도 하나의 지지체; 및

상기 다이아프램에 작동적으로 결합된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하며,

상기 액추에이터는, 상기 액추에이터의 외부로 연장하며, 상기 다이아프램에 연결하기 위한 부착 영역을 제공하는 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기계적 운동을 음향 에너지로 변환하는 음향 변환기.
제11항에 있어서, 상기 다이아프램의 기판 부착 영역은 상기 다이아프램이 액추에이터에 정접하여(tangentially) 부착할 수 있는 영역을 포함하는, 음향 변환기