KR20130018651A - Ｍｅｍｓ 기술을 갖는 전기역학적 스피커 구조 - Google Patents

Ｍｅｍｓ 기술을 갖는 전기역학적 스피커 구조 Download PDF

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발레리 르마르콴드
엘리 마리 르페브르
마리옹 알렉산드라 로렌스 워이타식
조한 물랭
파비앙 쟝 프랑스와 파랭
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Abstract

스테이터 형성 수단(2), 다이어프램 형성 수단(3) 및 이들 수단 모두를 연결하기 위한 탄성적인 형상 변화가능한 수단(4)을 포함하며 MEMS 기술을 갖는 전기역학적 스피커 구조는, 상기 스테이터 형성 수단(2), 다이어프램 형성 수단(3) 및 연결 수단(4)은 실리콘 칩을 기계 가공하여 단일 부품으로 만들어져 있는 것을 특징으로 한다.

Description

ＭＥＭＳ 기술을 갖는 전기역학적 스피커 구조{ELECTRODYNAMIC SPEAKER STRUCTURE HAVING MEMS TECHNOLOGY}
본 발명은 MEMS 기술을 갖는 전기역학적 스피커 구조에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 스테이터 형성 수단, 다이어프램 형성 수단 및 이들 수단 모두를 연결하기 위한 탄성적인 형상 변화가능한 수단을 포함하는 그러한 구조에 관한 것이다.
예컨대 제상수(Je Sang-Soo) 등의 "A Compact and Low-Cost MEMS Loudspeaker for Digital Hearing Aids"를 위한 문헌 IEEE "Transactions on Biomedical Circuits and Systems"(volume 3, No. 5, 2009년 10월)에 기재되어 있는 것과 유사한 이러한 종류의 스피커 구조가 종래 기술에 이미 알려져 있다.
이 문헌에서, 다이어프램 형성 수단은 실리콘 칩을 기반으로 하여 만들어진 스테이터 형성 수단과 결합되는 폴리이미드 막의 형태로 되어 있다.
그럼에도 이 다이어프램 형성 수단의 구조는 그 제조의 복잡성, 파워의 제한 및 출력과 관련한 많은 어떤 단점을 갖고 있다.
그러므로, 본 발명은 이들 문제를 해결하기 위한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 스테이터 형성 수단, 다이어프램 형성 수단 및 이들 수단 모두를 연결하기 위한 탄성적인 형상 변화가능한 수단을 포함하며 MEMS 기술을 갖는 전기역학적 스피커 구조에 관한 것으로, 본 스피커 구조는 상기 스테이터 형성 수단(2), 다이어프램 형성 수단(3) 및 연결 수단(4)은 실리콘 칩을 기계 가공하여 단일 부품으로 만들어져 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 스피커 구조는 다음과 같은 특징들 중의 하나 이상을 포함한다.
- 상기 연결 수단은 스테이터 형성 수단과 다이어프램 형성 수단 사이에서 규칙적으로 분산되어 있는 연결 아암을 포함하고,
- 상기 다이어프램 형성 수단의 표면들 중의 적어도 하나는 그 수단의 강직화(stiffening) 수단을 포함하며,
- 상기 강직화 수단은 리브를 포함하고,
- 상기 강직화 수단은 방사형 리브를 포함하며,
- 상기 다이어프램 형성 수단은 그의 주변쪽으로 가면서 증가하는 두께를 가지며,
- 상기 다이어프램 형성 수단의 표면들 중의 적어도 하나는 코일 형성 수단을 포함하고,
- 상기 코일 형성 수단은 연결 수단으로 지지되는 전기 연결 부분을 포함하며,
- 상기 코일 형성 수단은 구리로 만들어지고,
- 상기 스테이터 형성 수단의 표면들 중의 적어도 하나는 경질 자성 재료로 만들어진 수단을 포함하며,
- 경질 자성 재료로 만들어진 상기 수단은 다이어프램 형성 수단의 주위에 배치되는 링의 형태로 되어 있고,
- 경질 자성 재료로 만들어지는 상기 수단은 사마륨-코발트 또는 철-네오딤-보론 합금으로 만들어져 있으며,
- 상기 다이어프램 형성 수단의 표면들 중의 적어도 하나는 블라인드 천공부를 포함하고,
- 상기 코일 형성 수단의 질량은 다이어프램 형성 수단의 질량과 같거나 대략 같으며,
- 상이한 구조의 수단이 기계 가공되는 실리콘 칩은 SOI 기술에 기반하고,
- 상기 칩은 단결정질 실리콘으로 만들어진다.
단지 예시적으로 주어져 있고 첨부 도면을 참조하는 이하의 설명으로부터 본 발명을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 스피커 구조의 부분 절개 사시도이다.
도 2 는 상기 구조의 일 부분의 확대 사시도이다.
도 3 및 4 는 그러한 구조의 후방 표면의 사시도를 나타낸다.
도 5 는 본 발명에 따른 구조를 얻기 위해 단결정질 실리콘 칩을 기계 가공하는 것을 도시한다.
도 6 및 7 은 본 발명에 따른 구조의 상이한 대안적인 실시 형태의 후면도를 나타낸다.
도 8 ～ 11 은 본 발명에 따른 스피커 구조의 상이한 대안적인 실시 형태의 시시도를 나타낸다.
이들 도와 특히 도 1 및 2 는 MEMS 기술을 이용하는 전기역학적 스피커 구조(전체적으로 참조 번호 "1" 로 표시되어 있음)를 나타낸다.
일반적으로, 이러한 구조는 스테이터 형성 수단(2), 다이어프램 형성 수단(3) 및 이들 수단을 모두를 연결하기 위한 탄성적인 형상 변화가능한 수단(4)을 포함한다.
사실 그리고 도시되어 있는 바와 같이, 상기 스테이터 형성 수단, 막 형성 수단 및 연결 수단은 실리콘 칩(이는 예컨대 단결정질임)을 미세 구조화/기계 가공하여 일체(one-piece)형으로 형성되며, 상기 실리콘 칩은 예컨대 도시되어 있는 바와 같이 SOI(Silicon On Insulator) 기술에 기반한 것이다.
다결정질 실리콘도 고려될 수 있다.
다양한 도 1 ～ 5 에 나타나 있는 바와 같이, 또한 도 5 에서 보다 명확히 볼 수 있는 바와 같이, 상기 연결 수단(4)은 사실 스테이터 형성 수단(2)과 다이어프램 형성 수단(3) 사이에서 규칙적으로 분산되어 있는 연결 아암들을 포함한다.
도 5 에 도시되어 있는 바와 같이 이들 아암은 예컨대 4개일 수 있다.
물론, 아래에서 보다 자세히 설명하는 바와 같이, 다른 수 및 다른 형태의 아암도 고려될 수 있다.
도 5 에서, 서로 다른 아암들은 참조 번호 "5, 6, 7 및 8" 로 각각 표시되어 있다.
이들 도에도 도시되어 있는 바와 같이, 다이어프램 형성 수단(3)의 표면들 중의 적어도 하나(예컨대, 후방 표면)는 그 수단의 강직화(stiffening) 수단을 포함한다.
이러한 강직화 수단은 이들 도에서 전체적으로 참조 번호 "9" 로 표시되어 있고, 도 3 및 4 에서 보다 명확히 볼 수 있는 바와 같이, 예컨대 바람직하게는 방사형의 강직화 리브(rib)로 만들어지며, 이들 리브 중의 하나가 예컨대 참조 번호 "10" 으로 표시되어 있다.
사실, 다이어프램 형성 수단(3)의 이 강직화는 예컨대 다이어프램 형성 수단의 중심부에서 부터 주변부 쪽으로 가면서 증가하는 두께를 제공하는 것과 같은 다른 수단으로도 얻어질 수 있다.
이 다이어프램 형성 수단(3)의 예컨대 다른 표면은 도 1 및 2 에서 전체적으로 참조 번호 "11" 로 표시되어 있는 코일 형성 수단을 포함한다.
이 코일 형성 수단(11)은 상기 연결 수단으로 지지되는 전기 연결 부분(예컨대, 도 1 에서 전체적으로 참조 번호 "12" 로 표시되어 있는 부분)을 포함하며, 상기 부분은 예컨대 연결 아암(6)으로 지지된다.
이 코일 형성 수단(11)은 예컨대 구리로 만들어질 수 있는데, 하지만 물론 다른 실시 형태도 고려될 수 있다.
마지막으로, 상기 스테이터 형성 수단의 표면들 중의 적어도 하나는 경질 자성 재료로 만들어진 수단을 포함하며, 이 수단은 예컨대 다이어프램 형성 수단(3) 주위에 배치되는 링의 형태로 되어 있다.
경질 자성 재료로 만들어지는 이 수단은 사마륨-코발트 또는 철-네오딤-보론 또는 다른 합금으로 만들어질 수 있다.
도 1 및 2 에 도시되어 있는 실시 형태에서, 스테이터 형성 수단의 두 표면은 그러한 링을 포함하며, 상기 랑은 전체적으로 참조 번호 "13 및 14" 로 각각 표시되어 있다.
그리고 이들 링은 SOI 칩의 양측에 위치되며, 상기 링들이 그 칩의 양측에 대칭으로 위치되도록 예컨대 가로편(15)이 링(13)과 결합될 수 있다.
또한, 도 6 및 7 에 도시되어 있는 바와 같이, 다이어프램 형성 수단(3)의 표면들 중의 적어도 하나는 도 6 의 천공부(16) 또는 도 7 의 천공부(17)와 같은 블라인드 천공부를 포함할 수 있으며, 이들 천공부는 다양한 형태를 취할 수 있다.
사실, 이들 천공부로 인해 다이어프램 형성 수단이 가벼워질 수 있다.
마지막으로, 상기 구조의 출력을 최적화하기 위해 코일 형성 수단의 질량은 다이어프램 형성 수단의 질량과 같거나 대략 같게 되어 있다.
알 수 있는 바와 같이, 스피커 구조는 집합적으로 실리콘 기판 상에 만들어 진다. 수백개의 이러한 구조는 동시에 "WAFER" 칩, 즉 반도체 전자 부품을 제조하는데 전통적으로 사용되는 원형 실리콘 디스크로 만들어질 수 있다.
다이어프램 형성 수단은 연결 아암에 의해 스테이터 형성 수단에 달려 있게 되는 원형의 평평한 표면으로 형성된다.
상이한 형태들이 기판상에 "미세 구조화/가계 가공되어 있다".
한편, 실리콘은 스피커 표면, 즉 음파를 내는 가동 표면에 큰 강성을 부여하고, 다른 한편으로는 연결 아암들이 기계적 피로를 받음이 없이 형상을 변화시킬 수 있도록 해준다.
코일 형성 수단은 상기 가동 표면상에 "나선형으로" 위치되며, 전기적 연결이 연결 아암에 의해 이루어진다.
스테이터 형성 수단에 고정되거나 위치되는 경질 자성 재료의 링이 방사형 자기장을 생성하게 된다.
어셈블리는 무철심 자기 회로를 형성하며 양호한 음질을 얻을 수 있게 해준다.
이 스피커 구조에 동력을 주는 전기적 및 신호 증폭 처리 모두 또는 그의 일부는 동일한 실리콘 칩상에서 행해질 수 있으며, 이 칩은 특히 가동 코일의 전류의 제어를 가능케 해준다.
가동부, 다이어프램 및 연결 아암의 제조는 예컨대 가속도계 마이크로센서를 제조하는데 이미 실행되고 있는 실리콘 기계 가공 기술을 사용하여 행해진다.
다이어프램은 예컨대 5 ～ 15 mm 의 직경 및 20 ～ 400 미크론의 두께를 갖는 실리콘 디스크이다.
두꺼운 다이어프램의 경우, 그러한 다이어프램은 비관통 천공부에 의해 더 가볍게 만들어진다. 이러한 경량화는 초기 질량의 90%까지 나타낼 수 있다. 가동 질량은 출력을 위한 중요한 기준이다. 가동부는 가능한 한 가벼워야 하는데, 하지만 전달 표면, 즉 다이어프램은 가능한 한 강성적이어야 한다.
바람직하게는, 스피커 표면의 제 1 특정 변형 모드는 상기 구조의 대역폭의 최고 주파수 보다 더 높은 주파수를 가져야 한다.
상기 연결 아암은 다이어프램이 원하는 운동과 이동을 할 수 있도록 기계 가공된다.
부재들 간의 공간의 기계 가공 폭은 구조의 전방 표면과 후방 표면 사이의 음누출을 제한하기에 충분히 작다.
코일 형성 수단은 예컨대 구리로 만들어지며 공지된 방법을 사용하여 다이어프램의 일 표면상에 위치된다. 가동부쪽으로의 전기적 연속성은 연결 아암에 있는 홈으로 인해 얻어진다. 코일 형성 수단의 중앙 단부는 전자 부품의 공지된 기술을 사용하여 다이어프램의 반대쪽 표면에 의해 아암에 결합된다.
이들 연결 아암은 다이어프램 보다 작은 두께를 가질 수 있으며, 따라서 연결 아암은 더욱 가요적으로 된다.
그러므로, 가동부의 움직임은 상기 코일에 동력을 공급하는 전기 신호의 정확한 이미지이어야 하며, 그 신호는 다이어프램을 움직이게 하는데 필요한 동력을 주기 위해 증폭된다.
주어진 음향 파워를 얻기 위해서는 주어진 양의 공기가 움직이고 그래서 다이어프램이 상당히 충분히 움직여야 한다.
따라서, 전기적 및 기계적 디멘져닝은 그러한 점을 염두에 두고 하게 되며, 그래서 종래 기술의 시스템으로 얻어지는 것 보다 우수한 질을 가지며 또한 저주파수(오늘날의 경우가 아님)를 포함하여 특히 음악의 정확한 재생을 가능케 해주는 음원(acoustic source)을 얻을 수 있게 된다.
이러한 구조는 고려되는 전압과 요구되는 자율성으로 인해 많은 분야, 특히 전화기, 개인용 스테레오, 다양한 음악 리더 등에 적용될 수 있다.
물론 본 발명의 다른 실시 형태가 도 8 ～ 11 에 도시되어 있는 바와 같이 고려될 수 있는데, 다른 형태의 스테이터 형성 수단, 다이어프램 형성 수단, 코일 및 아암이 고려될 수 있다.

Claims (16)

  1. 스테이터 형성 수단(2), 다이어프램 형성 수단(3) 및 이들 수단 모두를 연결하기 위한 탄성적인 형상 변화가능한 수단(4)을 포함하며 MEMS 기술을 갖는 전기역학적 스피커 구조에 있어서, 상기 스테이터 형성 수단(2), 다이어프램 형성 수단(3) 및 연결 수단(4)은 실리콘 칩을 기계 가공하여 단일 부품으로 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결 수단(4)은 스테이터 형성 수단(2)과 다이어프램 형성 수단(3) 사이에서 규칙적으로 분산되어 있는 연결 아암(5, 6, 7, 8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다이어프램 형성 수단(3)의 표면들 중의 적어도 하나는 그 수단의 강직화(stiffening) 수단(9, 10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 강직화 수단은 리브(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 강직화 수단은 방사형 리브(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이어프램 형성 수단(3)은 그의 주변쪽으로 가면서 증가하는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이어프램 형성 수단(3)의 표면들 중의 적어도 하나는 코일 형성 수단(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 코일 형성 수단(11)은 연결 수단(4)으로 지지되는 전기 연결 부분(12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 코일 형성 수단(11)은 구리로 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테이터 형성 수단(2)의 표면들 중의 적어도 하나는 경질 자성 재료로 만들어진 수단(13, 14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  11. 제 10 항에 있어서,
    경질 자성 재료로 만들어진 상기 수단은 다이어프램 형성 수단(3)의 주위에 배치되는 링(13, 14)의 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    경질 자성 재료로 만들어지는 상기 수단(13, 14)은 사마륨-코발트 또는 철-네오딤-보론 합금으로 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이어프램 형성 수단(3)의 표면들 중의 적어도 하나는 블라인드 천공부(16, 17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  14. 제 7 항 및 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일 형성 수단(11)의 질량은 다이어프램 형성 수단(3)의 질량과 같거나 대략 같은 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상이한 구조의 수단이 기계 가공되는 실리콘 칩은 SOI 기술에 기반하는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 칩은 단결정질 실리콘으로 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 전기역학적 스피커 구조.
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