KR20140009651A - Ultrasonic transducer for super-directional speaker and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초음파를 이용하여 원하는 방향으로 소리를 방사하는 강한 지향성을 갖는 스피커에 사용되는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상호 독립된 복수의 압전 세라믹 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스 영역으로 이루어진 복합체층으로 이루어진 적층 구조체를 상면에 일정한 깊이로 다수 개의 캐비티가 형성된 하부 플레이트에 적층하여 변형률을 증가시키고, 큰 음압을 발생시킬 수 있는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic transducer for a superdirectional speaker used in a speaker having a strong directivity that emits sound in a desired direction using ultrasonic waves, and more particularly, to a plurality of piezoelectric ceramic regions that are independent of each other. For super-directional speakers that can increase the strain and generate a large sound pressure by stacking a laminated structure composed of a composite layer consisting of dielectric elastomer matrix regions that exist as a connecting phase on a lower plate formed with a plurality of cavities at a predetermined depth on the upper surface. An ultrasonic transducer and a method of manufacturing the same.
일반적으로, 스피커(Speaker)는 전기신호를 진동으로 변환하여 공기 중에 전달함으로써 소리를 생성하며, 공기 중에 진동을 전달할 때 등방성을 가지며 전달하게 된다. 이에 따라, 청취자는 스피커를 기준으로 전 방향에서 발생하는 스피커의 소리를 들을 수 있다. 이때, 스피커의 등방성은 불필요한 문제를 야기하곤 한다. 예를 들면, 미술관이나 박물관 같은 다양한 작품이나 전시물들이 설치되어 있는 공간에서, 각 작품 및 전시물들에 대한 설명을 스피커를 통하여 설명하도록 설치물이 설계되는 경우, 미술관 및 박물관의 협소한 공간으로 인하여 스피커로부터 발생하는 소리들 간에 간섭 현상이 발생하게 된다. 또한, 많은 인원이 동시에 각기 다른 작품 및 전시물들의 설명을 스피커로부터 듣게 된다면, 많은 양의 음성안내가 서로 간의 간섭 및 왜곡되어 그 크기가 큰 노이즈로 변하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 특정 방향에서만 소리를 들을 수 있도록 초음파를 이용하여 가청음을 발생시키는 초지향성 스피커에 대한 연구가 점차 활발하게 이루어지고 있다.In general, a speaker generates sound by converting an electrical signal into vibration and transmitting the same in the air, and isotropic when transmitting the vibration in the air. Accordingly, the listener can hear the sound of the speaker generated in all directions with respect to the speaker. At this time, the isotropy of the speaker often causes unnecessary problems. For example, in a space where various works or exhibits, such as an art gallery or a museum, are installed so that descriptions of the works and exhibits can be explained through speakers, the spaces of art galleries and museums may cause Interference occurs between sounds. In addition, if a large number of people simultaneously listen to the descriptions of different works and exhibits from the speaker, a large amount of voice guidance interferes with each other and distorts each other, resulting in large noise. In order to solve this problem, researches on a superdirectional speaker that generates an audible sound using ultrasonic waves have been actively conducted so that sound can be heard only in a specific direction.
보편적인 초음파를 이용한 초지향성 스피커의 구동 원리는 다음과 같다. 먼저 재생시키고자 하는 음악, 음성 등의 신호를 생성하고, 기준이 되는 일정 주파수의 초음파 주파수 대역의 신호를 생성하여 이들을 변조기로 보낸다. 변조기는 원신호를 기준 초음파 주파수만큼 주파수 이동, 변조시키고, 기준 초음파와 함께 증폭기로 입력시켜 변조 신호를 증폭하게 된다. 이후, 이 초음파를 초음파 트랜스듀서에 보내 초음파를 발생시키게 된다. 이때 발생된 초음파는 공기를 투과하면서 공기의 비선형성에 의하여 두 초음파의 차이 주파수 성분이 발생되며, 이 음파는 가청 주파수 대역에 존재하므로 사람이 들을 수 있는 가청음파가 되어 청취자가 가청할 수 있게 된다.The driving principle of the superdirectional speaker using universal ultrasonic waves is as follows. First, a signal of music, voice, etc. to be reproduced is generated, and a signal of an ultrasonic frequency band of a predetermined frequency, which is a reference, is generated and sent to a modulator. The modulator shifts and modulates the original signal by the reference ultrasonic frequency, and amplifies the modulated signal by inputting the original signal to the amplifier together with the reference ultrasonic wave. The ultrasonic waves are then sent to an ultrasonic transducer to generate ultrasonic waves. At this time, the generated ultrasonic wave is transmitted through the air, non-linearity of the air is generated by the difference frequency component of the two ultrasonic waves, the sound wave is present in the audible frequency band is audible sound wave that can be heard by the listener can be audible.
위와 같은 초음파 트랜스듀서는 PVDF 또는 압전 세라믹 등의 압전 소재를 이용하는 압전 트랜스듀서가 될 수 있다. 압전 트랜스듀서는 압전 소재의 공진 현상을 이용하여 전기 신호를 초음파로 변환하고, 초음파를 전기 신호로 변환함으로써, 초음파의 송신과 수신을 수행하게 된다.The ultrasonic transducer as described above may be a piezoelectric transducer using a piezoelectric material such as PVDF or piezoelectric ceramic. The piezoelectric transducer converts an electrical signal into an ultrasonic wave by using a resonance phenomenon of the piezoelectric material and converts the ultrasonic wave into an electrical signal, thereby transmitting and receiving the ultrasonic wave.
상기와 같은 압전 트랜스듀서의 일 예로서, 대한민국 공개특허 10-2010-0070230의 '압전형 스피커 시스템' 및 대한 민국 공개특허 10-2010-0073075의 '압전형 스피커 및 이의 제작 방법'이 제시되어 있다. 상기 종래 기술에서는 PVDF 또는 압전 세라믹 등의 압전 소재로 이루어진 압전 박막의 상부면과 하부면에 전극을 형성하여 음향을 재생할 수 있도록 한 것이다.As an example of the piezoelectric transducer as described above, the 'piezoelectric speaker system' of the Republic of Korea Patent Publication No. 10-2010-0070230 and the 'piezoelectric speaker and its manufacturing method' of the Republic of Korea Patent Publication No. 10-2010-0073075 is presented. . In the prior art, an electrode is formed on upper and lower surfaces of a piezoelectric thin film made of a piezoelectric material such as PVDF or piezoelectric ceramic so as to reproduce sound.
종래의 트랜스듀서는 고분자물질인 PVDF(Polyvinylidene fluoride)의 압전 특성을 이용하는 것으로 PVDF를 필름 형태로 가공한 압전 박막에 전극을 연결하여 소리에 따른 신호를 가함으로써 압전 박막이 진동하여 소리를 발생시킨다. 그러나 이러한 PVDF로 이루어진 압전 박막은 높은 구동 전압을 인가해야만 트랜스듀서로 사용이 가능하고, 변형률이 낮아 일정한 크기 이하로 줄이기 어려운 문제점이 있었다.Conventional transducers use piezoelectric properties of polyvinylidene fluoride (PVDF), a polymer material, by connecting electrodes to a piezoelectric thin film in which PVDF is processed into a film, and applying a signal according to sound to generate a sound by vibrating the piezoelectric thin film. However, such a piezoelectric thin film made of PVDF can be used as a transducer only when a high driving voltage is applied, and it is difficult to reduce it to a certain size or less due to a low strain rate.
또한, 이러한 PVDF로 이루어진 압전 박막 외에, PZT 등을 대표로 하는 압전 세라믹을 이용한 압전 박막이 일부 사용되고 있으나 초음파 트랜스듀서로 사용되기에는 출력이 작아 충분한 음압을 발생시키기 어려우며, 상기 압전 세라믹을 이용한 압전 박막의 경우 1mm 이하의 박형으로 구성되므로 전극 형성 시 파손의 위험이 크고, 전극으로 사용되는 금속판에 접착할 경우 기포가 생기거나 불균일하게 접착될 경우 음의 왜곡이 발생되거나 압전 특성이 나빠지게 되므로 양산 가능한 크기에 제한이 발생하게 된다.In addition, in addition to the piezoelectric thin film made of such PVDF, some piezoelectric thin films using piezoelectric ceramics, such as PZT, are used. However, the piezoelectric thin films using the piezoelectric ceramics are difficult to generate sufficient negative pressure due to their small output. In case of thin film of 1mm or less, there is a high risk of breakage during electrode formation, and when it is bonded to a metal plate used as electrode, bubbles are generated or when it is unevenly bonded, negative distortion occurs or piezoelectric properties become poor, There will be a limit on the size.
따라서, 초음파 트랜스듀서로 PVDF 또는 압전 세라믹 등의 압전 소재로 이루어진 압전 박막을 사용하는 경우, 각각의 압전 박막은 변형률이 낮아 충분한 음압을 얻기 위하여 압전 트랜스듀서를 다수 배열하여 사용하고 있다. 위와 같은 방식에 있어서 충분한 음압을 얻기 위하여는 점점 더 많은 압전 트랜스듀서의 배열을 필요로 하기 때문에 초지향성 스피커의 소형화에 걸림돌이 되고 있다. 따라서, 소형화가 어렵고 다수의 압전 트랜스듀서의 배열로 인한 제작 비용이 상승하는 문제점이 있었다.
Therefore, in the case of using a piezoelectric thin film made of a piezoelectric material such as PVDF or piezoelectric ceramic as the ultrasonic transducer, each piezoelectric thin film has a low strain and uses a plurality of piezoelectric transducers in order to obtain a sufficient sound pressure. In order to obtain sufficient sound pressure in the above manner, more and more piezoelectric transducers are required to be arranged. Therefore, miniaturization is difficult and manufacturing costs are increased due to the arrangement of a plurality of piezoelectric transducers.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 초지향성 스피커에 사용되는 PVDF 또는 압전 세라믹 등의 압전 소재로 이루어진 압전 트랜스듀서를 사용하는 경우, 변형률이 낮아 초음파 트랜스듀서로서 충분한 음압을 발생시키기 어려운 문제점을 해결할 수 있는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention, when using a piezoelectric transducer made of a piezoelectric material such as PVDF or piezoelectric ceramic used in a conventional super-directional speaker, the ultrasonic wave is low strain The present invention relates to an ultrasonic transducer for a superdirectional speaker and a method of manufacturing the same, which can solve a problem in which it is difficult to generate sufficient sound pressure as a transducer.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서는 상면에 일정한 깊이로 다수 개의 캐비티가 형성되는 하부 플레이트; 및 상기 하부 플레이트 상에 배치되고, 전도성 물질로 형성되는 하부 전극층, 상호 독립된 복수의 압전 세라믹 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스 영역으로 이루어진 복합체층 및 전도성 물질로 형성되는 상부 전극층이 순차적으로 적층되어 형성되는 적층 구조체를 포함한다.Ultrasonic transducer for super-directional speakers according to the present invention for achieving the above object is a lower plate formed with a plurality of cavities at a predetermined depth on the upper surface; And a lower electrode layer disposed on the lower plate and formed of a conductive material, a composite layer consisting of a plurality of mutually independent piezoelectric ceramic regions and a dielectric elastomer matrix region present in one connection phase, and an upper electrode layer formed of a conductive material. It includes a laminated structure formed by being stacked.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서는 상면에 일정한 깊이로 다수 개의 캐비티가 형성되는 하부 플레이트; 및 상기 하부 플레이트 상에 배치되고, 전도성 물질로 형성되는 하부 전극층, 상기 하부 전극층 상에 다수 개가 적층되어 배치되고, 상호 독립된 복수의 압전 세라믹 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스 영역으로 이루어진 복합체층, 상기 적층된 다수 개의 복합체층 사이에 각각 형성되는 중간 전극층 및 상기 적층된 다수 개의 복합체층 상에 전도성 물질로 형성되는 상부 전극층이 순차적으로 적층되어 형성되는 적층 구조체를 포함한다.In addition, the ultrasonic transducer for a super-directional speaker according to the present invention for achieving the above object is a lower plate formed with a plurality of cavities at a predetermined depth on the upper surface; And a lower electrode layer disposed on the lower plate and formed of a conductive material, and a plurality of stacked on the lower electrode layer, and a plurality of piezoelectric ceramic regions that are independent of each other, and a dielectric elastomer matrix region that is present in one connection phase. A composite layer, an intermediate electrode layer formed between each of the plurality of stacked composite layers, and a stacked structure formed by sequentially stacking the upper electrode layer formed of a conductive material on the stacked plurality of composite layers.
바람직하게는, 상기 하부 플레이트는 금속 또는 폴리머 재질로 형성되고,Preferably, the lower plate is formed of a metal or polymer material,
상기 캐비티는 일정 간격으로 다수 개가 2차원적으로 배열되어 형성되거나, 일정한 폭을 갖도록 일 방향으로 연장되어 형성되고,The cavity is formed by a plurality of two-dimensional arrangement at regular intervals, or extend in one direction to have a constant width,
상기 2차원적으로 배열된 캐비티는 원형, 삼각형, 사각형, 오각형 및 다각형 중에서 선택된 어느 하나의 형상으로 형성되고,The two-dimensionally arranged cavity is formed in any one shape selected from circles, triangles, squares, pentagons and polygons,
상기 캐비티의 폭, 깊이 및 상기 캐비티 사이의 간격에 의하여 음압이 변하고,The sound pressure is changed by the width, the depth of the cavity and the gap between the cavities,
상기 캐비티 각각이 형성된 하부 플레이트의 일부분 및 상기 하부 플레이트의 일부분에 대응되는 적층 구조체의 일부분은 단위 초음파 트랜스듀서를 형성하고,A portion of the lower plate on which each of the cavities is formed and a portion of the stack structure corresponding to the portion of the lower plate form a unit ultrasonic transducer,
상기 단위 초음파 트랜스듀서는 어레이를 형성하고,The unit ultrasonic transducer forms an array,
상기 하부 플레이트와 상기 하부 플레이트 상에 배치된 상기 적층 구조체가 접하는 면은 접착 부재에 의하여 접착되고,The contact surface of the lower plate and the laminated structure disposed on the lower plate is bonded by an adhesive member,
상기 캐비티 내부는 진공으로 형성되고,The inside of the cavity is formed with a vacuum,
상기 압전 세라믹은 Pb를 포함하는 페로브스카이트(perovskite) 구조의 압전 세라믹이고,The piezoelectric ceramic is a piezoelectric ceramic having a perovskite structure containing Pb,
상기 유전성 엘라스토머 매트릭스는 PDMS(polydimethyl siloxane) 매트릭스이고,The dielectric elastomer matrix is a polydimethyl siloxane (PDMS) matrix,
상기 압전 세라믹과 상기 유전성 엘라스토머 매트릭스는 50~70 : 30~50 vol% 비율로 혼합되고,The piezoelectric ceramic and the dielectric elastomer matrix are mixed at a ratio of 50 to 70:30 to 50 vol%,
상기 복합체층은 100㎛ 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.The composite layer is characterized in that it has a thickness of less than 100㎛.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초지향성 스피커는 가청 주파수 대역의 신호를 생성하는 오디오 주파수파 발진원; 초음파 주파수 대역의 신호를 생성하는 캐리어파 발진원; 상기 오디오 주파수파 발진원으로부터 출력된 오디오 주파수 대역의 신호를 이용하여 상기 캐리어파 발진원으로부터 출력된 초음파 주파수 대역의 캐리어파를 변조하는 변조기; 상기 변조기로부터 출력되는 변조 신호를 증폭하는 전력 증폭기; 및 상기 전력 증폭기에 의하여 증폭된 변조 신호에 의하여 구동되는 제 1 항 또는 제 2 항의 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서를 포함한다.In addition, a super-directional speaker according to the present invention for achieving the above object is an audio frequency wave oscillation source for generating a signal of an audible frequency band; A carrier wave oscillation source generating a signal in an ultrasonic frequency band; A modulator for modulating a carrier wave of an ultrasonic frequency band output from the carrier wave oscillation source using a signal of an audio frequency band output from the audio frequency wave oscillation source; A power amplifier amplifying the modulated signal output from the modulator; And the ultrasonic transducer of claim 1 or 2, which is driven by a modulated signal amplified by the power amplifier.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법은 하부 플레이트에 일정한 깊이로 다수 개의 캐비티를 형성하는 캐비티 형성 단계; 전도성 물질로 형성되는 하부 전극층, 상호 독립된 복수의 압전 세라믹 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스 영역으로 이루어진 복합체층 및 전도성 물질로 형성되는 상부 전극층을 순차적으로 적층하여 적층 구조체를 형성하는 적층 단계; 및 상기 하부 플레이트 상에 상기 적층 구조체를 부착하는 부착 단계를 포함한다.Ultrasonic transducer manufacturing method for a super-directional speaker according to the present invention for achieving the above object is a cavity forming step of forming a plurality of cavities at a constant depth in the lower plate; A laminate in which a lower electrode layer formed of a conductive material, a plurality of mutually independent piezoelectric ceramic regions, a composite layer composed of a dielectric elastomer matrix region present in one connection phase, and an upper electrode layer formed of a conductive material are sequentially stacked to form a laminated structure step; And an attaching step of attaching the laminated structure on the lower plate.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법은 하부 플레이트에 일정한 깊이로 다수 개의 캐비티를 형성하는 캐비티 형성 단계; 전도성 물질로 형성되는 하부 전극층, 상호 독립된 복수의 압전 세라믹 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스 영역으로 이루어진 다수 개의 복합체층, 상기 다수 개의 복합체층 사이에 각각 형성되는 중간 전극층 및 전도성 물질로 형성되는 상부 전극층을 순차적으로 적층하여 적층 구조체를 형성하는 적층 단계; 및 상기 하부 플레이트 상에 상기 적층 구조체를 부착하는 부착 단계를 포함한다.In addition, the ultrasonic transducer manufacturing method for a super-directional speaker according to the present invention for achieving the above object comprises a cavity forming step of forming a plurality of cavities at a constant depth on the lower plate; A lower electrode layer formed of a conductive material, a plurality of composite layers composed of a plurality of mutually independent piezoelectric ceramic regions and a dielectric elastomer matrix region present in one connection phase, an intermediate electrode layer and a conductive material respectively formed between the plurality of composite layers. A stacking step of sequentially stacking the upper electrode layers formed to form a stack structure; And an attaching step of attaching the laminated structure on the lower plate.
바람직하게는, 상기 캐비티 형성 단계에서 상기 하부 플레이트는 금속 또는 폴리머 재질로 형성되고,Preferably, in the cavity forming step, the lower plate is formed of a metal or a polymer material,
상기 캐비티 형성 단계에서 상기 다수 개의 캐비티는 일정 간격으로 다수 개가 2차원적으로 배열되어 형성되고,In the cavity forming step, the plurality of cavities are formed by arranging a plurality of two-dimensionally at regular intervals,
상기 캐비티는 원형, 삼각형, 사각형, 오각형 및 다각형 중에서 선택된 어느 하나의 형상으로 형성되고,The cavity is formed in any one shape selected from circles, triangles, squares, pentagons and polygons,
상기 캐비티 형성 단계에서 상기 캐비티는 일정한 폭을 갖도록 일 방향으로 연장되어 형성되고,In the cavity forming step, the cavity is formed extending in one direction to have a constant width,
상기 적층 단계에서 상기 압전 세라믹은 Pb를 포함하는 페로브스카이트(perovskite) 구조의 압전 세라믹이고,In the lamination step, the piezoelectric ceramic is a piezoelectric ceramic having a perovskite structure including Pb,
상기 적층 단계에서 상기 유전성 엘라스토머 매트릭스는 PDMS(polydimethyl siloxane) 매트릭스이고,In the lamination step, the dielectric elastomer matrix is a polydimethyl siloxane (PDMS) matrix,
상기 적층 단계에서 상기 압전 세라믹과 상기 유전성 엘라스토머 매트릭스는 50~70 : 30~50 vol% 비율로 혼합되고,In the lamination step, the piezoelectric ceramic and the dielectric elastomer matrix are mixed at a ratio of 50 to 70:30 to 50 vol%,
상기 부착 단계에서 상기 하부 플레이트와 상기 하부 플레이트 상에 배치된 상기 적층 구조체가 접하는 면은 접착 부재에 의하여 접착되고,In the attaching step, the bottom contact surface and the laminated structure disposed on the lower plate are bonded by an adhesive member,
상기 상부 전극층 및 하부 전극층에 전압을 가하여 분극하는 분극 단계를 더 포함한다.
A polarization step of polarizing by applying a voltage to the upper electrode layer and the lower electrode layer.
본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 의하면 상호 독립된 복수의 압전 세라믹 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스 영역으로 이루어진 복합체층으로 이루어진 적층 구조체를 상면에 일정한 깊이로 다수 개의 캐비티가 형성된 하부 플레이트에 적층하여 대량 생산 및 제조가 용이하고, 높은 변형률을 가지며 공기 중에서 초음파의 전달 효율을 높일 수 있는 현저한 효과가 있다.According to the ultrasonic transducer for a superdirectional speaker according to the present invention and a method for manufacturing the same, a multilayer structure including a plurality of piezoelectric ceramic regions that are independent of each other and a dielectric elastomer matrix region that exists as one connection phase is formed at a constant depth on an upper surface thereof. By stacking on the lower plate formed with a plurality of cavities, there is a remarkable effect that it is easy to mass-produce and manufacture, has a high strain rate and improves the transmission efficiency of ultrasonic waves in the air.
또한, 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 의하면 압전 세라믹 영역이 유전성 엘라스토머 매트릭스 영역에 분산된 복합체층을 다수 개가 적층되는 것으로 적층 구조체를 구성하여 성능을 직선적으로 증진시켜 압전 특성을 개선하고, 이로 인해 충분한 음압을 발생시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.In addition, according to the ultrasonic transducer for a super-directional speaker according to the present invention and a method of manufacturing the same, a plurality of composite layers in which piezoelectric ceramic regions are dispersed in the dielectric elastomer matrix region is laminated to form a laminated structure to linearly improve the performance of the piezoelectric body. There is a remarkable effect of improving the properties and thereby generating sufficient sound pressure.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 의하면 다수 개의 캐비티가 형성되는 하부 플레이트에 적층 구조체를 부착함으로써, 여러 개의 단위 초음파 트랜스듀서가 하나의 적층 구조체에 어레이를 형성하여 초지향성 스피커의 청취 영역에 충분한 음압을 발생시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.
In addition, according to the ultrasonic transducer for a super-directional speaker according to the present invention and a method of manufacturing the same, by attaching a laminated structure to a lower plate on which a plurality of cavities are formed, several unit ultrasonic transducers form an array in one laminated structure. There is a remarkable effect that can generate a sufficient sound pressure in the listening area of the super-directional speaker.
도 1은 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 플레이트에 캐비티가 형성되는 모습을 도시하는 평면도 및 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 하부 플레이트에 캐비티가 형성되는 모습을 도시하는 평면도 및 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조체의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 5는 적층 구조체를 구성하는 복합체층의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 적층 구조체의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서의 동작을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 초지향성 스피커의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9는 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법의 흐름도이다.1 is a cross-sectional view showing the structure of an ultrasonic transducer for a superdirectional speaker according to the present invention.
2A and 2B are plan and cross-sectional views illustrating a cavity formed on a lower plate according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are plan and cross-sectional views illustrating a cavity formed on a lower plate according to another exemplary embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view showing the structure of a laminated structure according to an embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view showing the structure of the composite layer constituting the laminated structure.
6 is a cross-sectional view showing the structure of a laminated structure according to another embodiment of the present invention.
7A and 7B are sectional views showing the operation of the ultrasonic transducer for a superdirectional speaker according to the present invention.
8 is a block diagram showing the configuration of a superdirectional speaker according to the present invention.
9 is a flowchart of a method of manufacturing an ultrasonic transducer for a superdirectional speaker according to the present invention.
본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법은 상호 독립된 복수의 압전 세라믹 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스 영역으로 이루어진 복합체층으로 이루어진 적층 구조체를 상면에 일정한 깊이로 다수 개의 캐비티가 형성된 하부 플레이트에 적층하여 변형률을 증가시키고, 큰 음압을 발생시킬 수 있는 기술적 특징을 제시한다.Ultrasonic transducer for a super-directional speaker according to the present invention and a method for manufacturing the same are a plurality of laminated structure consisting of a composite layer consisting of a plurality of mutually independent piezoelectric ceramic region and a dielectric elastomer matrix region present in one connection phase to a predetermined depth on the upper surface. The present invention proposes a technical feature that can increase strain and generate large sound pressure by stacking on lower plates formed with two cavities.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
In the following, preferred embodiments, advantages and features of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서의 구조를 도시하는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서(100)는 상면에 일정한 깊이로 다수 개의 캐비티(60)가 형성되는 하부 플레이트(70) 및 상기 하부 플레이트(70) 상에 부착하여 배치되는 적층 구조체(50)를 포함한다.1 is a cross-sectional view showing the structure of an ultrasonic transducer for a superdirectional speaker according to the present invention. Referring to FIG. 1, the
본 발명에 따른 하부 플레이트(70)는 상면에 일정한 깊이로 다수 개의 캐비티(60: cavity)가 형성된다. 상기 하부 플레이트(70)는 금속 재질로 형성하여 적층 구조체(50)의 하부 전극층(10)과 전기적으로 연결되도록 구성할 수 있으며, 폴리머 재질로 형성하여 표면을 평탄하게 형성할 수 있으며 생산 원가를 낮출 수 있다.In the
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 플레이트에 캐비티가 형성되는 모습을 도시하는 평면도 및 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 플레이트(70)의 상면에는 일정 간격으로 배열된 다수 개의 캐비티(60)가 2차원적으로 형성된다. 상기 도면에서는 원형의 캐비티(60)가 사각형의 패턴으로 일정 간격으로 다수 개가 배열되어 형성되는 것으로 도시되었으나, 캐비티(60)는 원형, 삼각형, 사각형, 오각형 또는 그 이상의 다양한 다각형 등의 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 다수 개의 캐비티(60)는 사각형의 패턴뿐만 아니라 정육각형 패턴의 배열 구조 등으로 다양하게 배열될 수 있음은 물론이다.2A and 2B are plan and cross-sectional views illustrating a cavity formed on a lower plate according to an embodiment of the present invention. 2, a plurality of
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 하부 플레이트에 캐비티가 형성되는 모습을 도시하는 평면도 및 단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 하부 플레이트(70)의 상면에는 일정한 폭을 갖도록 일 방향으로 연장된 다수 개의 캐비티(60)가 형성된다. 상기한 도 2 및 도 3의 하부 플레이트(70) 상에 적층 구조체(50)가 배치되어 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서(100)로서 동작하는 과정은 해당 도면을 참조하여 후술하기로 한다.3A and 3B are plan and cross-sectional views illustrating a cavity formed on a lower plate according to another exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, a plurality of
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조체의 구조를 도시하는 단면도이고, 도 5는 적층 구조체를 구성하는 복합체층의 구조를 도시하는 단면도이다. 또한, 도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 적층 구조체의 구조를 도시하는 단면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조체(50)는 전도성 물질로 형성되는 하부 전극층(10), 상기 하부 전극층(10) 상에 배치되고 상호 독립된 복수의 압전 세라믹(22) 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스(24) 영역으로 이루어진 복합체층(20) 및 상기 복합체층(20) 상에 전도성 물질로 형성되는 상부 전극층(30)이 순차적으로 적층되어 형성된다.4 is a cross-sectional view showing the structure of a laminated structure according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is a cross-sectional view showing the structure of a composite layer constituting the laminated structure. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a laminated structure according to another embodiment of the present invention. 4 and 5, the
하부 전극층(10)은 전도성 금속 또는 전도성 고분자 등의 전도성 물질로 형성된다. 일반적으로 상기 하부 전극층(10)은 Ag나 카본 분말이 혼합된 페이스트를 이용하거나, polyaniline, polythiophene, PEDOT(poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)), polypyrrole, PPV(polyphenylenevinylene) 등의 전도성 고분자와 그의 유도체 및 유기물 전도체 등이 이용될 수 있다.The
복합체층(20)은 상기 하부 전극층(10) 상에 배치되고, 상호 독립된 복수의 압전 세라믹(22) 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스(24) 영역으로 이루어진다.The
일반적으로 압전 세라믹(22)만을 이용하여 압전 소자를 제조하는 경우 비교적 낮은 전압(2 kV/mm)에서도 구동이 가능하나, 세라믹 재료의 특성상 박형의 압전 소자를 제조하는 데 어려움이 있고, 전극 형성 등으로 인하여 압전 소자가 깨어질 가능성이 매우 높았다. 또한, 일정한 크기 이상으로 압전 소자를 형성하기 어려우며, 이를 적층 형태로 구성하기도 용이하지 않아 저음 특성에 취약한 한계가 있다.In general, when the piezoelectric element is manufactured using only the piezoelectric ceramic 22, it can be driven even at a relatively low voltage (2 kV / mm). However, due to the characteristics of the ceramic material, it is difficult to manufacture a thin piezoelectric element. Due to this, the piezoelectric element was very likely to break. In addition, it is difficult to form a piezoelectric element more than a certain size, it is not easy to configure it in a stacked form, there is a limit that is vulnerable to bass characteristics.
또한, 유전성 엘라스토머만을 이용하여 압전 소자를 제조하는 경우, 상기 유전성 엘라스토머는 매우 높은 구동 전압(≥10 kV/mm)을 요구하나, 상기 구동 전압이 인가된 경우 100% 이상의 높은 변형률을 가진다.In addition, when the piezoelectric element is manufactured using only the dielectric elastomer, the dielectric elastomer requires a very high driving voltage (≥10 kV / mm), but has a high strain rate of 100% or more when the driving voltage is applied.
따라서, 도시된 바와 같이 상호 독립된 복수의 압전 세라믹(22) 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스(24) 영역으로 이루어진 복합체층(20)을 형성하는 경우, 압전 세라믹(22)의 압전성을 효과적으로 전달할 수 있게 되고 적절한 구동 전압 하에서 비교적 높은 변형률을 갖는 압전 물질을 형성할 수 있게 된다.Therefore, when forming the
바람직하게는 상기 압전 세라믹(22)은 Pb를 포함하는 페로브스카이트(perovskite) 구조의 압전 세라믹으로서, 기본적으로 납, 지르코늄, 티탄 및 산소를 포함한 화합물이며, 지르코늄과 티탄의 비율에 따라 수많은 변화가 가능한 PZT(Pb(Ti,Zr)O3) 등을 대표로 하여 높은 압전 상수를 갖는 모든 압전 세라믹을 사용할 수 있다.Preferably, the piezoelectric ceramic 22 is a piezoelectric ceramic having a perovskite structure including Pb, and is basically a compound including lead, zirconium, titanium, and oxygen, and a number of changes are made depending on the ratio of zirconium and titanium. All piezoelectric ceramics having a high piezoelectric constant can be used as a representative of PZT (Pb (Ti, Zr) O3) which can be used.
또한, 상기 유전성 엘라스토머 매트릭스(24)는 PDMS(polydimethyl siloxane) 매트릭스를 사용할 수 있다. PDMS는 투명한 비활성의 고분자 화합물로서 표면 에너지가 매우 낮고 형태의 변화가 용이하며 소수성을 가지는 물질로 탄성 중합체로서 다음의 장점을 갖는다.In addition, the
첫째로 PDMS는 상대적으로 넓은 접착면에 안정적으로 점착되며, 이는 평탄하지 않은 표면에 대하여도 동일하게 적용된다. 둘째로 PDMS는 면간 자유 에너지(interfacial free energy)가 낮아 다른 고분자와 몰딩(molding)시에 접착이 잘 일어나지 않는다. 셋째로 PDMS는 균질(homogeneous)의 등방성(isotropic)을 가지며 광학적으로는 300 nm의 두께까지 투명한 성질을 갖는다. 넷째로 PDMS는 내구성이 매우 강하여 아주 오랜 시간이 경과하더라도 성질의 열화(degradation)가 일어나지 않는다.Firstly, PDMS stably adheres to a relatively wide adhesive surface, which applies equally to uneven surfaces. Secondly, PDMS has low interfacial free energy, so that adhesion does not occur well when molding with other polymers. Third, PDMS is homogeneous isotropic and optically transparent up to 300 nm thick. Fourthly, PDMS is extremely durable and does not cause degradation of properties even after a long time.
따라서, 유전성 엘라스토머 매트릭스(24)를 상기한 PDMS 매트릭스로 하여 압전 세라믹(22)과의 복합층을 형성하는 경우, 압전 세라믹(22)의 진동을 효과적으로 전달할 수 있는 내구성이 뛰어난 투명한 연질 박막 형태로 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서를 제조할 수 있으며, 이를 이용하여 음량과 음질을 개선하고 저음을 보강하는 스피커를 생산할 수 있게 된다.Therefore, when the
또한, 압전 세라믹(22)을 유전성 엘라스토머 매트릭스(24)에 분포시켜 복합층을 형성하는 경우에 유전성 엘라스토머 매트릭스(24)의 첨가량을 낮출수록 압전 특성은 향상되나, 상기 압전 세라믹(22)과 유전성 엘라스토머 매트릭스(24) 사이에 기포가 없이 균일한 복합체층(20)을 형성하기 위하여는 압전 세라믹(22)과 유전성 엘라스토머 매트릭스(24)가 50~70 : 30~50 vol%의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.In addition, in the case where the
더 바람직하게는 상기 복합체층(20)은 100㎛ 이하의 두께를 갖도록 필름 형태로 형성하여, 낮은 구동 전압 하에서도 비교적 큰 변형률을 갖도록 구동이 가능하고, 충분한 음압을 발생시킬 수 있는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있게 된다.More preferably, the
상부 전극층(30)은 상기 복합체층(20) 상에 전도성 금속 또는 전도성 고분자 등의 전도성 물질로 형성된다. 일반적으로 상부 전극층(30)은 위에서 설명한 하부 전극층(10)과 마찬가지로 Ag나 카본 분말이 혼합된 페이스트를 이용하거나, polyaniline, polythiophene, PEDOT(poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)), polypyrrole, PPV(polyphenylenevinylene) 등의 전도성 고분자와 그의 유도체 및 유기물 전도체 등이 이용될 수 있다.The
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 적층 구조체(50)는 전도성 물질로 형성되는 하부 전극층(10), 상기 하부 전극층(10) 상에 다수 개가 적층되어 배치되고, 상호 독립된 복수의 압전 세라믹(22) 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스(24) 영역으로 이루어진 복합체층(20), 상기 적층된 다수 개의 복합체층(20) 사이에 각각 형성되는 중간 전극층(40) 및 상기 적층된 다수 개의 복합체층(20) 상에 전도성 물질로 형성되는 상부 전극층(30)이 순차적으로 적층되어 형성된다.Referring to FIG. 6, a
상기 복합체층(20)은 도시된 바와 같이 다수 개가 적층되어 배치될 수 있다. 따라서, 다수 개의 복합체층(20) 사이에 각각 중간 전극층(40)을 배치하면서 순차적으로 형성하고, 상기 다수 개의 복합체층(20)의 상·하부에는 상부 전극층(30)과 하부 전극층(10)을 각각 형성하여 다양한 적층 형태의 복합체층(20)을 형성할 수 있다.The
위와 같이 다수 개의 복합체층(20)을 적층하여 형성하는 경우, 복합체층(20)을 단층으로 형성하는 경우에 비해 동일한 전압 인가시 적층 구조체(50) 전체의 압전 특성이 개선되고, 이로 인해 충분히 큰 음압을 얻을 수 있게 된다.When the plurality of
상기 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 적층 구조체(50)의 하부 전극층(10), 각각의 복합체층(20) 및 상부 전극층(30)에 관한 내용은 도 4 및 도 5를 참조하여 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조체(50)의 하부 전극층(10), 복합체층(20) 및 상부 전극층(30)의 내용과 동일한바 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
The
도 7a는 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서에 전압이 인가되지 않은 상태의 모습을 나타내는 단면도이고, 도 7b는 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서에 전압 인가시 동작을 나타내는 단면도이다. 도 7a 및 도 7b를 참조하여 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서(100)의 동작을 설명한다.7A is a cross-sectional view showing a state in which no voltage is applied to the ultrasonic transducer for a superdirectional speaker according to the present invention, and FIG. 7B is a cross-sectional view illustrating operation when voltage is applied to the ultrasonic transducer for a superdirectional speaker according to the present invention. to be. 7A and 7B, the operation of the
초지향성 스피커에 사용되는 초음파의 주파수는 대략 30 ~ 100kHz 대역이며, 이때 파장은 약 3.4 ~ 10 mm 정도의 길이를 갖는다. 따라서, 상기 초지향성 스피커에 사용되는 초음파는 파장이 작아 하나의 초음파 트랜스듀서로는 충분한 음압을 발생시키기 어렵다.The frequency of the ultrasonic waves used in the superdirectional speaker is in the range of about 30 to 100 kHz, and the wavelength is about 3.4 to 10 mm in length. Therefore, the ultrasonic waves used in the superdirectional speaker have a small wavelength, and it is difficult to generate sufficient sound pressure with one ultrasonic transducer.
초음파 트랜스듀서로부터 방사되는 초음파의 음압에 가장 큰 영향을 주는 것은 하부 플레이트(70) 상에 배치된 적층 구조체(50)의 변형률이다. 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서(100)는 상기한 바와 같이 상호 독립된 복수의 압전 세라믹(22) 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스(24) 영역으로 이루어진 복합체층(20)을 이용하여 적층 구조체(50)를 형성함으로써, 종래의 압전 세라믹 또는 PVDF 등의 압전 소자에 비하여 변형률을 크게 향상시켜 음압을 증가시킬 수 있다.The greatest influence on the sound pressure of the ultrasonic waves emitted from the ultrasonic transducer is the strain of the
또한, 초지향성 스피커에 사용되는 초음파는 하나의 초음파 트랜스듀서로는 충분한 음압을 발생시키기 어려우므로, 초음파 트랜스듀서를 배열하여 초음파의 보강 간섭을 발생하도록 하여 큰 음압을 발생시킬 필요가 있다.In addition, since the ultrasonic waves used in the superdirectional speaker are difficult to generate a sufficient sound pressure with one ultrasonic transducer, it is necessary to arrange the ultrasonic transducers to generate constructive interference of the ultrasonic waves to generate a large sound pressure.
2 개 이상의 파동은 서로 섞여 간섭 현상이 일어나는데 위상이 같은 파동끼리 만나면 커지고, 위상이 반대인 파동끼리 만나면 작아진다. 커지는 경우를 보강 간섭, 작아지는 경우를 상쇄 간섭이라고 한다. 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서(100)는 여러 개의 단위 초음파 트랜스듀서를 하나의 적층 구조체(50)에 어레이로 형성하여, 초지향성 스피커의 청취 영역에서만 보강 간섭이 일어나고, 다른 장소에서는 상쇄 간섭이 일어나도록 한 것이다.Two or more waves are intermingled with each other, causing interference, which is large when they meet waves of the same phase, and smaller when they meet waves of opposite phases. The case where it becomes large is called constructive interference, and the case where it becomes small is called cancellation interference. The
보다 상세하게는, 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서(100)는 각각의 캐비티(60)가 형성되는 하부 플레이트(70)의 일부와 상기 하부 플레이트(70) 상에 배치되는 적층 구조체(50)가 각각의 단위 초음파 트랜스듀서를 형성한다. 또한, 상기 각각의 단위 초음파 트랜스듀서는 어레이(array)를 형성하여, 상기 각각의 단위 초음파 트랜스듀서로부터 방사되는 초음파의 보강 간섭이 일어나 큰 음압을 발생시키게 된다.In more detail, the
이때, 발생되는 음압은 하부 플레이트(70)에 다수 개로 형성된 캐비티(60)의 직경, 깊이 및 상기 캐비티(60) 사이의 간격 등 캐비티(60)의 형상에 의하여 다양하게 결정된다. 뿐만 아니라, 발생되는 음압은 사용되는 초음파의 주파수와 파장, 상기한 적층 구조체(50)에 형성된 복합체층(20)에 구성되는 압전 세라믹(22)과 유전성 엘라스토머 매질의 종류와 혼합 비율 및 상기 복합체층(20)의 두께 등 다양한 조건에 의하여 변화하는 값을 가지므로, 각각의 조건에 따라 실험적으로 최적의 캐비티(60)의 직경, 깊이 및 상기 캐비티(60) 사이의 간격을 결정한다.At this time, the generated sound pressure is variously determined by the shape of the
본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서(100)에 전압이 인가되면 하부 플레이트(70) 상에 배치된 적층 구조체(50)는 압전 특성에 의하여 두께가 얇아지고 팽창하게 된다. 이때, 하부 플레이트(70)와 접촉된 부분은 고정된 상태로 있고, 상기 하부 플레이트(70)에 형성된 캐비티(60) 상부의 적층 구조체(50)는 팽창하게 된다.When a voltage is applied to the
바람직하게는 상기 하부 플레이트(70)와 접촉된 부분의 적층 구조체(50)를 고정하기 위하여, 상기 하부 플레이트(70)와 상기 하부 플레이트(70) 상에 배치된 상기 적층 구조체(50)가 접하는 면은 에폭시 등의 접착 부재에 의하여 접착될 수 있다. 뿐만 아니라, 도시되지는 않았으나 적층 구조체(50)의 상부에서 상기 접하는 면에 압력을 가하는 가압 부재에 의하여 상기 적층 구조체(50)와 하부 플레이트(70)의 접촉면을 고정할 수도 있음은 물론이다.Preferably, the surface in contact with the
상기와 같이 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서(100)는 전압 인가시 캐비티(60) 상부의 적층 구조체(50)가 팽창하고, 이러한 다이아프램(diaphragm)의 상·하 운동에 의하여 초음파를 공기 중으로 방사한다. 이때, 다수 개의 단위 초음파 트랜스듀서는 어레이를 형성하며 배열되어, 각각의 단위 초음파 트랜스듀서로부터 방사되는 초음파는 보강 간섭에 의하여 초지향성 스피커의 청취 영역에 충분한 음압을 발생시킬 수 있게 된다.As described above, the
바람직하게는, 상기 적층 구조체(50)에 의하여 밀폐된 하부 플레이트(70)의 캐비티(60) 내부는 진공으로 형성할 수 있다. 상기 캐비티(60)의 내부를 진공으로 형성하는 경우, 초음파 트랜스듀서(100)의 동작시 불필요한 후방파에 의한 상쇄를 억제할 수 있다. 파동은 매질이 있어야 이동할 수 있으므로, 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서(100)는 적층 구조체(50)에 의하여 밀폐된 하부 플레이트(70)의 캐비티(60) 내부를 진동으로 형성하여, 초음파의 방사 방향과 반대되는 불필요한 후방파의 발생을 억제하고, 충분한 음압을 갖는 초음파를 청취 영역으로 효과적으로 방사할 수 있게 된다.
Preferably, the inside of the
도 8은 본 발명에 따른 초지향성 스피커의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 초지향성 스피커는 가청 주파수 대역의 신호를 생성하는 오디오 주파수파 발진원(140), 초음파 주파수 대역의 신호를 생성하는 캐리어파 발진원(120), 상기 오디오 주파수파 발진원(140)으로부터 출력된 오디오 주파수 대역의 신호를 이용하여 상기 캐리어파 발진원(120)으로부터 출력된 초음파 주파수 대역의 캐리어파를 변조하는 변조기(150), 상기 변조기(150)로부터 출력되는 변조 신호를 증폭하는 전력 증폭기(160) 및 상기 전력 증폭기(160)에 의하여 증폭된 변조 신호에 의하여 구동되는 전술한 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서(100)를 포함한다.8 is a block diagram showing the configuration of a superdirectional speaker according to the present invention. Referring to FIG. 8, the superdirectional speaker according to the present invention includes an audio frequency
초음파 트랜스듀서(100)는 전력 증폭기(160)에 의하여 증폭된 변조 신호에 의하여 구동되어, 변조 신호를 유한 진폭 레벨을 가지는 음파로 변환한다. 이 음파는 매질(즉, 공기)로 방사되어, 매질의 비선형 효과로 인하여 원래의 오디오 주파수 대역의 신호음으로 재생된다. 이와 같이 재생되는 오디오 주파수 대역의 재생 신호는 초음파 트랜스듀서(100)의 방사축을 따라 출력된 빔의 형태로 진행한다.
The
이하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an ultrasonic transducer for a superdirectional speaker according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 9는 본 발명에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법의 흐름도이다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법은 하부 플레이트(70)에 일정한 깊이로 다수 개의 캐비티(60)를 형성하는 캐비티 형성 단계(S1), 전도성 물질로 형성되는 하부 전극층(10), 상호 독립된 복수의 압전 세라믹(22) 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스(24) 영역으로 이루어진 복합체층(20) 및 전도성 물질로 형성되는 상부 전극층(30)을 순차적으로 적층하여 적층 구조체(50)를 형성하는 적층 단계(S2) 및 상기 하부 플레이트(70) 상에 상기 적층 구조체(50)를 부착하는 부착 단계(S3)를 포함한다.9 is a flowchart of a method of manufacturing an ultrasonic transducer for a superdirectional speaker according to the present invention. Referring to FIG. 9, in the method of manufacturing an ultrasound transducer for a superdirectional speaker according to an embodiment of the present invention, a cavity forming step (S1) of forming a plurality of
캐비티 형성 단계(S1)는 하부 플레이트(70)에 일정한 깊이로 다수 개의 캐비티(60)를 가공하여 형성한다. 상기 캐비티 형성 단계(S2)에서 다수 개의 캐비티(60)는 일정 간격으로 다수 개가 2차원적으로 배열되어 형성되고, 상기 각각의 캐비티(60)는 원형 또는 삼각형, 사각형, 오각형 또는 그 이상의 다각형 등의 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 캐비티 형성 단계(S2)에서 다수 개의 캐비티(60)는 일정한 폭을 갖도록 일 방향으로 연장되어 다수 개가 형성될 수도 있다.Cavity forming step (S1) is formed by processing a plurality of
상기 적층 단계(S2)는 전도성 물질로 형성되는 하부 전극층(10), 상호 독립된 복수의 압전 세라믹(22) 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스(24) 영역으로 이루어진 복합체층(20) 및 전도성 물질로 형성되는 상부 전극층(30)을 순차적으로 적층하여 적층 구조체(50)를 형성한다.The stacking step S2 may include a
보다 상세하게는, 상기 적층 단계는 먼저 압전 세라믹(22)을 각각 서로 연결되지 않도록 유전성 엘라스토머 매트릭스(24)에 고르게 분포시켜 복합체를 형성하기 위하여, 압전 세라믹(22)을 준비하고, 유전성 엘라스토머 매트릭스(24)를 준비한 후 이들을 혼합하여 슬러리 형태의 복합체를 형성한다.More specifically, in the laminating step, first, the
상기 압전 세라믹(22)으로는 상기한 바와 같이 Pb를 포함하는 페로브스카이트 구조의 압전 세라믹을 사용할 수 있으며, 유전성 엘라스토머 매트릭스(24)로는 PDMS 매트릭스를 사용할 수 있다. 또한, 상기 압전 세라믹(22)과 유전성 엘라스토머 매트릭스(24) 사이에 기포가 없이 균일한 복합체를 형성하기 위하여 압전 세라믹(22)과 유전성 엘라스토머 매트릭스(24)는 50~70 : 30~50 vol%의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.As the piezoelectric ceramic 22, a piezoelectric ceramic having a perovskite structure including Pb may be used as described above, and a PDMS matrix may be used as the
이후, 상기 복합체를 필름 형태로 성형하여 복합체층(20)을 형성한다. 복합체층(20)을 형성하기 위하여 상기 슬러리 형태의 복합체를 원하는 두께를 갖도록 수차례 인쇄와 건조 공정을 반복하여 성형하거나, 닥터 블레이드 등의 다양한 방식을 통하여 원하는 두께와 형태로 형성할 수 있다.Thereafter, the composite is molded into a film to form a
또한, 상기 적층 단계(S2)는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 압전 세라믹(22)과 유전성 엘라스토머 매트릭스(24)를 혼합하여 형성된 복합체를 필름 형태로 성형하여 다수 개의 복합체층(20)을 형성하고, 상기 다수 개의 복합체층(20) 사이에 중간 전극층(40)을 각각 형성하며 적층하는 것으로 할 수 있다.In addition, the stacking step (S2) is a composite formed by mixing the piezoelectric ceramic 22 and the
상기한 바와 같이, 다수 개의 복합체층(20)을 적층하여 형성하는 경우, 복합체층(20)을 단층으로 형성하는 경우에 비해 동일한 전압 인가시 적층 구조체(50) 전체의 압전 특성이 개선되고, 이로 인해 충분히 큰 음압을 얻을 수 있게 된다.As described above, when the plurality of
위와 같이 복합체층(20)을 형성한 후, 상기 복합체층(20)의 상부와 하부에 전도성 금속 또는 전도성 고분자 등의 전도성 물질로 상부 전극층(30) 및 하부 전극층(10)을 형성한다. 상부 전극층(30) 및 하부 전극층(10)은 일반적으로 Ag나 카본 분말이 혼합된 페이스트를 이용하거나, polyaniline, polythiophene, PEDOT(poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)), polypyrrole, PPV(polyphenylenevinylene) 등의 전도성 고분자와 그의 유도체 및 유기물 전도체 등을 이용하여 인쇄 또는 증착에 의하여 각각 형성한다.After the
이후, 상부 전극층(30) 및 하부 전극층(10)에 전압을 가하여 분극하게 되며, 이때 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 다수 개의 복합체층(20)을 적층하여 형성하는 경우 분극 방향을 일치시켜 각각의 복합체층(20)에 대하여 분극을 실시하는 것이 바람직하다.Thereafter, the
부착 단계(S3)는 상면에 일정한 깊이로 다수 개의 캐비티(60)가 형성된 하부 플레이트(70) 상에 상기 적층 단계(S2)에서 형성된 적층 구조체(50)를 부착한다. 상기 부착 단계(S3)에서 하부 플레이트(70)와 상기 하부 플레이트(70) 상에 배치된 적층 구조체(50)가 접하는 면은 에폭시 등의 접착 부재에 의하여 접착되도록 할 수 있으며, 이에 의하여 각각의 캐비티(60)가 형성되는 하부 플레이트(70)의 일부와 상기 하부 플레이트(70) 상에 배치되는 적층 구조체(50)는 각각의 단위 초음파를 형성하게 되고, 상기 각각의 단위 초음파 트랜스듀서는 어레이를 형성하여 방사되는 초음파의 보강 간섭을 일으키게 하여 충분한 음압을 발생시킬 수 있게 된다.
In the attaching step S3, the stacking
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
While the preferred embodiments of the present invention have been described and illustrated above using specific terms, such terms are used only for the purpose of clarifying the invention, and it is to be understood that the embodiment It will be obvious that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Such modified embodiments should not be understood individually from the spirit and scope of the present invention, but should be regarded as being within the scope of the claims of the present invention.
10: 하부 전극층 20: 복합체층
22: 압전 세라믹 24: 유전성 엘라스토머 매트릭스
30: 상부 전극층 40: 중간 전극층
50: 적층 구조체 60: 캐비티
70: 하부 플레이트 100: 초음파 트랜스듀서
120: 캐리어파 발진원 140: 오디오 주파수파 발진원
150: 변조기 160: 전력 증폭기10: lower electrode layer 20: composite layer
22: piezoelectric ceramic 24: dielectric elastomer matrix
30: upper electrode layer 40: intermediate electrode layer
50: laminated structure 60: cavity
70: lower plate 100: ultrasonic transducer
120: carrier wave oscillator 140: audio frequency wave oscillator
150: modulator 160: power amplifier
Claims (26)
상기 하부 플레이트 상에 배치되고, 전도성 물질로 형성되는 하부 전극층, 상호 독립된 복수의 압전 세라믹 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스 영역으로 이루어진 복합체층 및 전도성 물질로 형성되는 상부 전극층이 순차적으로 적층되어 형성되는 적층 구조체를 포함하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서.
A lower plate having a plurality of cavities formed at a predetermined depth on an upper surface thereof; And
A lower electrode layer disposed on the lower plate, a lower electrode layer formed of a conductive material, a plurality of mutually independent piezoelectric ceramic regions, and a composite layer composed of a dielectric elastomer matrix region present in one connection phase, and an upper electrode layer formed of a conductive material are sequentially Ultrasonic transducer for super-directional speakers comprising a laminated structure formed by being stacked.
상기 하부 플레이트 상에 배치되고, 전도성 물질로 형성되는 하부 전극층, 상기 하부 전극층 상에 다수 개가 적층되어 배치되고, 상호 독립된 복수의 압전 세라믹 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스 영역으로 이루어진 복합체층, 상기 적층된 다수 개의 복합체층 사이에 각각 형성되는 중간 전극층 및 상기 적층된 다수 개의 복합체층 상에 전도성 물질로 형성되는 상부 전극층이 순차적으로 적층되어 형성되는 적층 구조체를 포함하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서.
A lower plate having a plurality of cavities formed at a predetermined depth on an upper surface thereof; And
A lower electrode layer disposed on the lower plate, a lower electrode layer formed of a conductive material, and a plurality of stacked on the lower electrode layer and formed of a plurality of mutually independent piezoelectric ceramic regions and a dielectric elastomer matrix region present in one connection phase Ultrasonic for a super-directional speaker comprising a layered structure formed by sequentially stacking a layer, an intermediate electrode layer formed between each of the plurality of laminated composite layers and a conductive material on the plurality of stacked composite layers Transducer.
상기 하부 플레이트는 금속 또는 폴리머 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서.
3. The method according to claim 1 or 2,
The lower plate is an ultrasonic transducer for a super-directional speaker, characterized in that formed of a metal or polymer material.
상기 캐비티는 일정 간격으로 다수 개가 2차원적으로 배열되어 형성되거나, 일정한 폭을 갖도록 일 방향으로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서.
3. The method according to claim 1 or 2,
The cavity is an ultrasonic transducer for a super-directional speaker, characterized in that formed in a plurality of two-dimensional arrangement at a predetermined interval or extending in one direction to have a predetermined width.
상기 2차원적으로 배열된 캐비티는 원형, 삼각형, 사각형, 오각형 및 다각형 중에서 선택된 어느 하나의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서.
5. The method of claim 4,
The two-dimensionally arranged cavity is an ultrasonic transducer for a super-directional speaker, characterized in that formed in any one shape selected from a circle, triangle, rectangle, pentagon and polygon.
상기 캐비티의 폭, 깊이 및 상기 캐비티 사이의 간격에 의하여 음압이 변하는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서.
5. The method of claim 4,
Ultrasonic transducer for super-directional speakers characterized in that the sound pressure is changed by the width, depth of the cavity and the interval between the cavity.
상기 캐비티 각각이 형성된 하부 플레이트의 일부분 및 상기 하부 플레이트의 일부분에 대응되는 적층 구조체의 일부분은 단위 초음파 트랜스듀서를 형성하는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서.
5. The method of claim 4,
And a portion of the lower plate on which each of the cavities is formed and a portion of the laminated structure corresponding to the portion of the lower plate form a unit ultrasonic transducer.
상기 단위 초음파 트랜스듀서는 어레이를 형성하는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서.
The method of claim 7, wherein
The unit ultrasonic transducer is an ultrasonic transducer for a super-directional speaker, characterized in that to form an array.
상기 하부 플레이트와 상기 하부 플레이트 상에 배치된 상기 적층 구조체가 접하는 면은 접착 부재에 의하여 접착되는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서.
3. The method according to claim 1 or 2,
Ultrasonic transducer for super-directional speakers, characterized in that the contact surface of the lower plate and the laminated structure disposed on the lower plate is bonded by an adhesive member.
상기 캐비티 내부는 진공으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서.
The method of claim 9,
Ultrasonic transducer for super-directional speaker, characterized in that the inside of the cavity is formed by a vacuum.
상기 압전 세라믹은 Pb를 포함하는 페로브스카이트(perovskite) 구조의 압전 세라믹인 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서.
3. The method according to claim 1 or 2,
The piezoelectric ceramic is an ultrasonic transducer for a super-directional speaker, characterized in that the piezoelectric ceramic having a perovskite structure containing Pb.
상기 유전성 엘라스토머 매트릭스는 PDMS(polydimethyl siloxane) 매트릭스인 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서.
3. The method according to claim 1 or 2,
The dielectric elastomer matrix is an ultrasonic transducer for a superdirectional speaker, characterized in that the PDMS (polydimethyl siloxane) matrix.
상기 압전 세라믹과 상기 유전성 엘라스토머 매트릭스는 50~70 : 30~50 vol% 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 스피커용 초음파 트랜스듀서.
3. The method according to claim 1 or 2,
The piezoelectric ceramic and the dielectric elastomer matrix is an ultrasonic transducer for a speaker, characterized in that the mixture of 50 to 70: 30 to 50 vol% ratio.
상기 복합체층은 100㎛ 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서.
3. The method according to claim 1 or 2,
The composite layer is an ultrasonic transducer for a super-directional speaker, characterized in that having a thickness of less than 100㎛.
초음파 주파수 대역의 신호를 생성하는 캐리어파 발진원;
상기 오디오 주파수파 발진원으로부터 출력된 오디오 주파수 대역의 신호를 이용하여 상기 캐리어파 발진원으로부터 출력된 초음파 주파수 대역의 캐리어파를 변조하는 변조기;
상기 변조기로부터 출력되는 변조 신호를 증폭하는 전력 증폭기; 및
상기 전력 증폭기에 의하여 증폭된 변조 신호에 의하여 구동되는 제 1 항 또는 제 2 항의 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초지향성 스피커.
An audio frequency wave oscillator for generating a signal in an audible frequency band;
A carrier wave oscillation source generating a signal in an ultrasonic frequency band;
A modulator for modulating a carrier wave of an ultrasonic frequency band output from the carrier wave oscillation source using a signal of an audio frequency band output from the audio frequency wave oscillation source;
A power amplifier amplifying the modulated signal output from the modulator; And
A superdirectional speaker comprising the ultrasonic transducer of claim 1 or claim 2 driven by a modulated signal amplified by the power amplifier.
전도성 물질로 형성되는 하부 전극층, 상호 독립된 복수의 압전 세라믹 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스 영역으로 이루어진 복합체층 및 전도성 물질로 형성되는 상부 전극층을 순차적으로 적층하여 적층 구조체를 형성하는 적층 단계; 및
상기 하부 플레이트 상에 상기 적층 구조체를 부착하는 부착 단계를 포함하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
Cavity forming step of forming a plurality of cavities at a constant depth in the lower plate;
A laminate in which a lower electrode layer formed of a conductive material, a plurality of mutually independent piezoelectric ceramic regions, a composite layer composed of a dielectric elastomer matrix region present in one connection phase, and an upper electrode layer formed of a conductive material are sequentially stacked to form a laminated structure step; And
And attaching the laminate structure on the bottom plate.
전도성 물질로 형성되는 하부 전극층, 상호 독립된 복수의 압전 세라믹 영역과 하나의 연결상으로 존재하는 유전성 엘라스토머 매트릭스 영역으로 이루어진 다수 개의 복합체층, 상기 다수 개의 복합체층 사이에 각각 형성되는 중간 전극층 및 전도성 물질로 형성되는 상부 전극층을 순차적으로 적층하여 적층 구조체를 형성하는 적층 단계; 및
상기 하부 플레이트 상에 상기 적층 구조체를 부착하는 부착 단계를 포함하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
Cavity forming step of forming a plurality of cavities at a constant depth in the lower plate;
A lower electrode layer formed of a conductive material, a plurality of composite layers composed of a plurality of mutually independent piezoelectric ceramic regions and a dielectric elastomer matrix region present in one connection phase, an intermediate electrode layer and a conductive material respectively formed between the plurality of composite layers. A stacking step of sequentially stacking the upper electrode layers formed to form a stack structure; And
And attaching the laminate structure on the bottom plate.
상기 캐비티 형성 단계에서 상기 하부 플레이트는 금속 또는 폴리머 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
18. The method according to claim 16 or 17,
In the cavity forming step, the lower plate is an ultrasonic transducer manufacturing method for a super-directional speaker, characterized in that formed of a metal or polymer material.
상기 캐비티 형성 단계에서 상기 다수 개의 캐비티는 일정 간격으로 다수 개가 2차원적으로 배열되어 형성되는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
18. The method according to claim 16 or 17,
In the cavity forming step, the plurality of cavities are ultrasonic transducers manufacturing method for a super-directional speaker, characterized in that formed in a plurality of two-dimensional arrangement at a predetermined interval.
상기 캐비티는 원형, 삼각형, 사각형, 오각형 및 다각형 중에서 선택된 어느 하나의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
The method of claim 19,
The cavity is a method of manufacturing an ultrasonic transducer for a super-directional speaker, characterized in that formed in any one shape selected from a circle, triangle, square, pentagon and polygon.
상기 캐비티 형성 단계에서 상기 캐비티는 일정한 폭을 갖도록 일 방향으로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
18. The method according to claim 16 or 17,
In the cavity forming step, the cavity is an ultrasonic transducer manufacturing method for a super-directional speaker, characterized in that is formed extending in one direction to have a predetermined width.
상기 적층 단계에서 상기 압전 세라믹은 Pb를 포함하는 페로브스카이트(perovskite) 구조의 압전 세라믹인 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
18. The method according to claim 16 or 17,
The piezoelectric ceramic in the laminating step is a piezoelectric ceramic piezoelectric perovskite (perovskite) structure, characterized in that the transducer for producing a super-directional speaker for the speaker.
상기 적층 단계에서 상기 유전성 엘라스토머 매트릭스는 PDMS(polydimethyl siloxane) 매트릭스인 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
18. The method according to claim 16 or 17,
The dielectric elastomer matrix in the laminating step is a polydimethyl siloxane (PDMS) matrix manufacturing method of the ultrasonic transducer for a super-directional speaker.
상기 적층 단계에서 상기 압전 세라믹과 상기 유전성 엘라스토머 매트릭스는 50~70 : 30~50 vol% 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
18. The method according to claim 16 or 17,
In the lamination step, the piezoelectric ceramic and the dielectric elastomer matrix is 50 ~ 70: 30 ~ 50 vol% Ultrasonic transducer manufacturing method for a super-directional speaker, characterized in that the mixture.
상기 부착 단계에서 상기 하부 플레이트와 상기 하부 플레이트 상에 배치된 상기 적층 구조체가 접하는 면은 접착 부재에 의하여 접착되는 것을 특징으로 하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
18. The method according to claim 16 or 17,
In the attaching step, the lower plate and the surface in which the laminated structure disposed on the lower plate is in contact with the ultrasonic transducer manufacturing method for a super-directional speaker, characterized in that bonded by an adhesive member.
상기 상부 전극층 및 하부 전극층에 전압을 가하여 분극하는 분극 단계를 더 포함하는 초지향성 스피커용 초음파 트랜스듀서 제조 방법.18. The method according to claim 16 or 17,
And a polarization step of polarizing by applying a voltage to the upper electrode layer and the lower electrode layer.
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