KR20110055757A - 회전방향 요동형 진동발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 샤프트를 중심으로 하여 좌우 회전방향으로 요동 진동할 수 있는 탄성구조체를 공진주파수 부근에서 진동하게 한 진동발생기에 관한 것이다.

보다 상세하게는 베이스와 케이스로 외형을 이루고 베이스 측에는 통전수단과 권선코일을 베이스에 결합시키고 통전수단과 권선코일을 연결하며 베이스 또는 케이스 중심부에 샤프트를 결합하여 고정자를 구성하고 마그네트와 무게 편심을 키우는 중량체를 결합하여 고정자측의 사프트를 중심으로 좌우 회전할 수 있게 하여 진동자를 구성하되 원형의 일부를 절개하여 공간을 확보한 형태로 하여 그 사이에 스프링을 설치하여 좌우 회전방향으로 요동 진동할 수 있게 하고 이 진동자와 스프링이 갖는 공진 주파수 근방에서 가진(加振) 전류를 교번 공급하여 진동을 증폭시킨 진동발생기를 제공한다.

요동형, 코어리스, 진동 발생기, 휴대폰

Description

회전방향 요동형 진동발생기 {Slim Vibrator without Brush}

본 발명은 회전방향 요동형 진동발생기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄성체에 의해 지지되는 마그네트를 포함하는 피가진(加振) 질량체인 진동자를 공진 주파수 부근에서 가진 시키는 진동 발생기에 관한 것이다. 여러 응용 사례가 있을 수 있으나 최근에 용도가 증가하고 있는 휴대폰이나 개인 정보단말기(PDA), 게임기 등에 사용되는 진동 발생기 사례로 설명을 하고자 한다.

일반적으로 최근 통신기술 발달과 함께 대중들에게 가장 널리 보급된 것들 중에 잘 알려진 것들은 휴대폰, 개인 정보단말기(PDA), 게임기 등이다. 이러한 기기들은 그 크기가 갈수록 작아져 휴대가 간편할 뿐만 아니라 언제 어디서나 음성 및 데이타 입출력이 가능하기 때문에 필수 휴대품으로서 자리를 굳혀가고 있다. 요즘은 공공 에티켓으로 진동 기능이 필수로 되었을 뿐 아니라 터치형으로 전화번호와 같은 데이터를 입력할 때나 게임을 할 때에도 진동 기능을 이용하는 것들이 제공되고 있다. 또, 일반 게임기능에서도 총을 쏘거나 스포츠 게임에서 공을 칠 때 등의 경우에 진동을 발생시켜 게임자가 보다 실감 있게 게임을 할 수 있는 기능을 제공하기 시작했다. 이런 경우 보통 진동을 발생하는 모터를 진동발생기로 채용하는데 이와 같이 다양한 경우에 진동 기능을 사용하게 됨으로써 진동 발생기의 사 용 빈도가 증가하게 되어 모터에 대해 장수명화, 높은 신뢰성의 요구가 증대되고 있다.

종래의 브러시를 사용하는 회전형의 진동 모터로는 브러시 및 정류자와 같은 습동 접점부품의 마모를 수반하여 기술적으로 긴 수명을 보장하기에 한계가 있기 때문에 이에 대한 대응의 한 방법으로 습동 접점 부품이 없는 요동형 진동발생기가 등장하였다.

요동형 진동발생기 중 상하 선형으로 요동하는 진동발생기로서는 일본특허공개공보 제1997-205763호에서 진동발생장치가 제안된 바 있으며, 이와 같은 유형의 고안에서 제시하는 구조는 도 1에서 개념적으로 도시되고 있다. 도 1을 참조하여 그 작용을 살펴보면, 진동 발생장치는 케이스(112) 내부에 스프링(120)이 배치되고, 상기 스프링(120)에 마그네트(142), 요크(141) 및 평면요크(143)에 의해서 자기장(磁氣場)이 발생된다. 상기 자기장 내에 코일(130)이 배치되는데 코일(130) 한 끝단은 상기 베이스(111)의 내측면에 고정된다. 상기 진동 발생기는 상기 자기장의 방향과 상기 코일(130)을 따라 흐르는 전류의 방향이 수직으로 형성되어, 상기 코일(130)에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손의 법칙에 따라 상기 자기장방향과 전류의 방향에 수직인 방향, 즉 도 1에서는 아래 또는 위로 스프링(120)에 의해 지지되는 자기장 형성부품이 움직이게 된다. 코일(130)에 인가되는 전류의 방향을 연속적으로 바꿔 주면 피가진체는 연속적으로 상하 진동을 발생하게 된다, 이런 선형 진동 발생기는 회전형 진동발생기와 달리 습동 접점이 없으므로 내구성을 향상시킬 수 있고 소형화가 가능하다. 또한, 이러한 선형 진동발생기는 종래 브러시타입 진동모터에서 진동량을 얻기 위한 방식인 회전형 구조를 탈피하여, 공진을 이용하여 최대변위를 발생시켜 원하는 주파수 대역에서 진동량을 얻을 수 있는 구조를 갖는다. 그러나 종래의 회전형 구조의 진동모터와 달리 선형 진동 발생기는 공진주파수와 수 헤르츠(Hz)의 차이에도 진동의 세기가 급격히 줄어들게 된다. 피가진체의 중량, 탄성지지체의 스프링 상수의 산포에 의해 공진주파수는 편차를 가지게 되는 것이므로 어떤 수단을 통하여 피가진체의 질량, 탄성지지체의 스프링 상수를 원하는 규격으로 관리 하여 가진주파수에 가까운 공진주파수를 가지는 피가진체를 구성하느냐가 선형 진동기의 핵심 기술이라 할 수 있다. 여기서, 공진주파수는(fn)는 아래 [식 1] 에서 보듯이 피가진체의 질량(m)과 스프링 상수(k)에 영향을 받는다.

[식 1]

도 1의 종래의 기술에서는 고안 진동발생기의 설계 구조에 기인하여 조립 순서상 피가진체 부품 중에 최종적으로 조립되는 평면요크(143)의 중량을 가변시키는 것으로 피가진체의 공진주파수를 조정하는 수단을 제안하고 있으나 휴대폰과 같이 휴대용 기기에 사용되는 소형의 진동 발생기에서는 실제로 평면요크(143)는 아주 작은 부품이다. 예를 들어 설명하면 휴대폰에 많이 사용되는 케이스(112)의 외경이 10밀리미터(mm)인 진동 발생기의 경우는 상기 평면요크(143)의 외경은 2.5밀리미터(mm), 두께는 0.4밀리미터(mm) 전후의 아주 작은 크기가 되어 이렇게 작은 부품으로 피가진체의 중량을 다양하게 조정하기에는 한계에 부딪히게 된다. 상기 외경이 10밀리미터(mm)인 진동 발생기의 경우는 평면요크(143)의 무게는 피가진체 무게의 1% 정도로 평면요크(143)의 두께를 20% 키워도 피가진체 전체 무게 증가는 0.2% 정도의 증가에 거치게 되어, 평면요크(143)를 조정하여서는 피가진체의 고유진동수를 1헤르츠(Hz)를 변경하기도 어려워 실질적으로 진동하는 부품의 공진주파수를 조정하기 어렵게 되고, 진동력의 저하라는 결과로 나타나서 실용성이 크게 떨어진다.

이에 대한 대책으로 고안된 사례를 도 3에 나타내었다. 도 3에서는 요크(212)에 결합되는 스프링(220) 상부에 자성체 가루가 분산된 액체 즉, 자성유체(245)의 도포량을 가감하여 진동하는 부품의 공진주파수를 미세 조정도 하고 진동 진폭이 크게 되어 기구적으로 접촉이 발생하게 되면 발생하는 충격과 소음도 줄이는 방안을 제시하고 있다.

상하 두께 방향으로 진동하는 선형진동발생기는 브러시와 정류자와 같은 접점 마모 부품이 없으므로 장수명화를 보장하여 진동기능이 강화된 휴대폰 등에 훌륭하게 사용되지만 두께 방향으로 진동하는 특성으로 인하여 두께방향으로 진동하는 공간을 확보해야만 하기 때문에 얇은 제품을 만들기가 어려워진다는 치명적인 결점이 있다. 본 고안에서는 브러시와 정류자와 같은 접점 마모 부품을 사용 않고 박형화에도 유리한 구조를 제공하고자 한다.

본 발명은 샤프트를 중심으로 하여 좌우 회전방향으로(시계방향, 반 시계방향의 의미임) 요동 진동할 수 있는 탄성구조체를 공진주파수 부근에서 진동을 발생시켜 박형화에 유리한 구조로 진동을 발생하게 한다.

더욱 상세하게 설명하자면 베이스와 케이스로 외형을 이루고 베이스 측에는 통전수단과 권선코일을 베이스에 결합시키고 통전수단과 권선코일을 납땜이나 저항용접 등의 방법으로 전기적으로 연결하며 베이스 또는 케이스 중심부에 샤프트를 결합하는데 바람직하기로는 베이스 측에 샤프트를 결합하여 고정자를 구성한다. 마그네트와 무게 편심을 키우는 중량체를 결합하여 고정자측의 사프트를 중심으로 좌우로 회전할 수 있게 하기 위해 중심에는 베어링 기능을 하는 부품을 같이 결합하여 진동자를 구성한다. 이때 진동자는 원형의 형상에서 일부를 절개하여 공간을 확보한 형태로 하고 그 사이에 스프링을 설치하여 좌우 회전방향으로 요동 진동할 수 있게 한다. 이 진동자와 스프링이 갖는 공진주파수 근방에서 좌우로 회전 요동하게 가진 전류를 교번 공급하여 진동을 증폭시킨 진동발생기를 제공한다. 여기서, 공진주파수(fn)는 아래 [식 2] 에서 보듯이 피가진체 진동자의 관성모멘트(Monent of Inertia)라고 하는 회전관성(J)과 회전방향 스프링 상수(k_θ)에 영향을 받는다

[식 2]

본 고안에서는 두 가지 면에서 종래의 고안들과 차별화된다.

첫 번째로, 진동발생기의 구조를 설계함에 있어서 회전방향으로 요동진동하므로 두께 방향으로 상하 진동하는 진동발생기보다 박형화가 가능하다. 두께 방향으로 상하 진동하는 진동발생기를 사용할 수 없는 얇은 휴대폰에는 본 고안과 같은 얇은 진동발생기를 사용할 수 있게 된다.

두 번째로 본 고안의 구조 설계에 따라 바람직하기로는 스프링상수(k) 측정값에 따라 두께를 몇 가지로 차별화하여 여러 종류의 질량으로 미리 준비한 중량체 중에서 피가진체의 공진주파수를 전기적인 가진주파수에 가장 가깝게 하는 중량체를 선정하여 조립할 수 있게 된다. 이는 도 1의 고안보다 공진주파수 조절력이 훨씬 우수하고 도 3의 고안에서 필요로 하는 고가의 자성유체(245)를 사용하지 않아도 된다. 예를 들어 설명하면 휴대폰에 많이 사용되는 케이스(12)의 외경이 10밀리미터(mm)인 진동 발생기의 경우는 피가진체의 공진주파수가 가진주파수에서 대략 5 헤르츠(Hz)만 벗어나도 진동의 세기가 많이 줄어든다. 즉, 피가진체의 공진주파수를 가진주파수와 수 헤르츠(Hz) 차이가 나지 않도록 피가진체의 공진주파수를 조절할 수 있는 설계 구조가 되어야 한다는 의미이며 본 고안은 도 4에서 나타난 피가진체 조립시 질량체(44)의 두께를 미세한 조정하는 것과 같이 중량체의 무게를 조정하는 수단을 제공하여 피가진체의 공진주파수를 수 헤르츠(Hz)의 수준으로 훌륭하게 조정할 수 있게 하여 진동의 크기를 최대화 할 수 있다.

본 고안의 대표적인 사례를 도 4, 도 5와 도 6을 참조하여 설명하고자 한다. 베이스(11)와 케이스(12)로 외형을 이루고 베이스(11) 측에는 연성기판과 같은 통전수단(17)과 권선코일(30)을 베이스(11)에 결합시키고 통전수단(17)과 권선코일(30)을 납땜이나 저항용접과 같은 방법으로 전기적으로 연결하며 바람직하기에는 베이스(11) 중심부에 샤프트(13)를 결합하여 고정자를 구성한다. 회전요크(41)에 마그네트(42)와 통상 텅스텐 소결품과 같이 비중이 큰 재질로 제작하여 무게 편심을 키우는 기능을 하는 중량체(44)를 결합하고 회전요크(41) 중심부에 소결베어링(14)과 같이 회전을 가이드 할 수 있게 하는 부품을 설치하여 진동자를 구성한다. 상기 진동자를 구성하되 도 6의 사례에서 보듯이 원형의 일부를 절개하여 공간을 확보한 형태로 하며 그 사이에 스프링의 고정자측 고정부(20a)를 베이스(11)와 같이 고정자 측과 결합하고 스프링의 진동자측 고정부(20b)를 회전요크(41)와 같이 진동자 측에 설치하여 스프링(20)을 상기 공간에 배치시켜 좌우 회전방향으로 요동 진동할 수 있게 한다. 이 진동자와 스프링(20)이 갖는 공진 주 파수 근방에서 가진(加振) 전류를 통전수단의 전류입력단(17a, 17b)과 통전수단(17)을 통해 권선코일(30)에 교번 공급하여 진동자측의 마그네트(42)와 상호 작용하여 요동형의 진동을 발생하게 된다.

이때 교번 공급되는 전류의 교번주파수와 진동자와 스프링(20)이 갖는 공진주파수가 대략 일치 되게 하여 진동을 증폭시킨 진동발생기를 제공한다.

좀 더 보충 설명을 하자면, 통상 휴대폰의 경우는 150~180헤르츠(Hz) 정도에서 가진전류의 주파수를 선정하는데 설계적으로는 진동자의 회전관성이나 스프링상수를 적절하게 설계하여도 부품의 치수나 강성 등의 산포에 의해 진동자의 공진주파수가 가진주파수와 차이가 5헤르츠(Hz) 이상이 되는 경우가 많다. 본 고안의 사례에서는 중량체(44)를 두께별로 수 종류 준비하여 스프링(20)의 실물 특성에 맞는 중랑체(44)를 골라서 조립하게 하여 진동 발생을 최대화하도록 하고 있다.

상기 대표적 사례를 기본으로 하되 약간 변형한 사례들 일부를 소개하고자 한다. 첫째로 마그네트(42), 중량체(44)와 소결베어링(14) 등의 진동자 부품들을 결합시 사출몰딩으로 한다. 둘째 상기 사출 몰딩시 사용하는 수지를 윤활성이 좋은 재질로 하여 소결베어링(14)을 사용하지 않고 몰딩 내경이 베어링의 기능을 대체하게 한다. 셋째로 베이스(11) 재질을 자성체로 하는 경우 마그네트(42)와 흡인력이 생겨 와셔(15)에 하중이 몰릴 수가 있어 케이스(12) 측의 회전요크(41)의 일부에 절개부(41a)를 만들거나 회전요크(41)의 재질을 오스테나이트계 스테인리스강과 같이 마그네트(42)의 자속이 통과할 수 이 있는 재질로 제작하는 등의 방법으로 마그네트(42)와 케이스(12) 사이에도 흡인력이 생기게 하여 양측 흡인력을 대충 상쇄시 켜 와셔(15)에 미치는 하중을 경감시킨다.

도 1은 종래의 선형진동발생기

도 2는 종래의 선형진동발생기 평면도

도 3은 종래의 개량된 선형진동발생기

도 4는 본 고안 대표 사례의 단면도

도 5는 본 고안 대표 사례의 고정자 측 평면도

도 6은 본 고안 대표 사례의 진동자 측 평면도

Claims (4)

1. 베이스와 케이스로 외형을 이루고 베이스 측에는 통전 수단과 권선 코일을 베이스에 결합시키고 통전수단과 권선 코일을 연결하며 베이스 또는 케이스 중심부에 샤프트를 결합하여 고정자를 구성하고 마그네트와 무게 편심을 키우는 중량체를 결합하여 고정자 측의 샤프트를 중심으로 좌우 회전할 수 있게 하여 진동자를 구성하되 원형의 일부를 절개하여 공간을 확보한 형태로 하여 그 사이에 스프링을 설치하여 좌우 회전방향으로 요동 진동할 수 있게 하고 이 진동자와 스프링이 갖는 공진 주파수 근방에서 가진(加振) 전류를 교번 공급하여 진동을 증폭시킨 진동발생기
2. 제 1항에 있어서 마그네트, 중량체 등의 진동자 부품들을 결합시 사출몰딩으로 한 진동발생기
3. 제 1항에 있어서 케이스 측의 회전요크의 일부에 절개부를 만들어 마그네트의 편측 흡인력을 감소시킨 진동발생기
4. 제 1항에 있어서 회전요크의 재질을 오스테나이트계 스테인리스강과 같이 마그네트(42)의 자속이 통과할 수 있는 재질로 제작하여 마그네트의 편측 흡인력을 감소시킨 진동발생기

Images