KR20150023086A - 압전 소자 기반 진동 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 소자 기반 진동 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전 소자, 접착제 및 중간재를 매개로 압전 소자의 일면에 연결되는 진동 플레이트, 압전 소자와 진동 플레이트 사이에 개재되는 중간재 및 압전 소자에서 상기 중간재가 형성되지 않은 면에 형성되는 몰딩부를 포함하는 압전 소자 기반 진동 모듈에 관한 것이다.

Description

압전 소자 기반 진동 모듈{Vibration module based on piezoelectric device}

본 발명은 압전 소자를 포함하는 진동 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스피커, 모바일 기기 등에 장착되는 진동 모듈의 내구성을 강화함과 동시에 진동 성능을 개선하기 위한 진동 모듈 구조에 관한 것이다.

기계적 에너지와 전기적 에너지 사이의 변환이 가능한 특정한 결정을 압전성 결정이라 하며 이를 응용하여 제조한 소자를 압전 소자라 한다. 압전성 결정에 전위가 걸리면 결정의 형상에 작은 변화가 생기며, 압전성 결정에 물리적 압력이 가해지면 결정의 양면간에 전위차가 생긴다. 압전성 결정은 음파의 기계적 에너지를 전기 신호로 변환하는 일부의 마이크로폰이나 수정의 기계적 특성을 발진 주파수 제어에 도움을 주는 수정 발진기에 사용된다. 압전 공진 패키지는 상기 압전 소자를 이용하여 단일 부품을 패키지 형태로 제조한 것이다.

뿐만 아니라, 진동에 의해 소리를 발생시키는 스피커, 액츄에이터 등에 압전 소자가 사용된다. 세라믹 기반의 압전 소자는 크기가 작고, 저전압 저전력 구동이 가능하며 사용되므로 모바일 기기의 진동을 발생시키는 소자로 많이 채용된다.

도 1은 종래의 압전 소자 기반 진동 모듈을 나타낸 것이다. 종래의 진동 모듈은 압전 소자와 진동 플레이트를 접착제에 의해 접착시키고 진동 플레이트를 외부(중량체)와 연결한다. 압전 소자에 의해 발생된 기계적 에너지가 진동 플레이트에 전달되면, 진동 플레이트는 이를 기초로 중량체를 진동시킨다. 이로써 모바일 기기 등이 진동할 수 있다.

그러나 종래의 진동 모듈은 우선 세라믹 특성 상 외부 충격에 취약한 면이 있다. 특히 모바일 기기의 경우 사용자의 부주의로 모바일 기기를 바닥에 떨어뜨리는 일이 자주 있는데, 이 때 가해지는 충격으로 인해 세라믹 기반의 압전 소자가 파손되는 문제가 있다.

그리고, 압전 소자 구동 시 진동 플레이트와 압전 소자의 소재 차이로 인해 움직임이 서로 달라져 접착제에 의해 접착된 진동 플레이트와 압전 소자가 떨어지는 일이 발생한다. 뿐만 아니라 접촉 단자에 의해 연결된 외부 장치 또한 압전 소자의 진동에 따라 압전 소자와 떨어진다.

한국공개특허공보 제 2013-0063317호(2013.06.14.공개)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 압전 소자 기반 진동 모듈의 내구성을 강화하는 것을 목적으로 한다. 특히 외부 충격에도 압전 소자의 파손을 막고, 압전 소자와 진동 플레이트의 분리를 억제하는 것을 목적으로 한다.

이와 동시에 진동 모듈의 진동 특성을 개선하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 압전 소자 기반 진동 모듈은 압전 소자, 접착제 및 중간재를 매개로 압전 소자의 일면에 연결되는 진동 플레이트, 압전 소자와 진동 플레이트 사이에 개재되는 중간재 및 압전 소자에서 상기 중간재가 형성되지 않은 면에 형성되는 몰딩부를 포함한다.

이 때 중간재는 실리콘, 우레탄, 폴리머 또는 고무 중 어느 하나로 형성될 수 있고, 몰딩부는 압전 소자의 일면 중 일부에만 형성될 수 있다. 몰딩부는 압전 소자 면적의 20 내지 40%(?)의 영역에 형성되는 것이 본 발명의 일 특징이다.

본 발명의 진동 모듈은 중간재의 두께가 0.11 내지 0.13mm이고, 몰딩부의 두께는 0.5 내지 0.8mm가 되는 경우 성능이 개선된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서 압전 소자의 하면에는 압전 소자를 외부와 전기적으로 연결하기 위한 접촉 단자를 더 포함하고, 상기 접촉 단자는 외부와 전기적으로 접촉된 상태에서 상기 몰딩부에 의해 감싸여진다.

몰딩부는 실리콘, 우레탄, 폴리머 또는 고무 중 어느 하나로 형성되며, 상기 접착제는 탄성계수 300Mpa 이하의 에폭시 계열인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 진동 모듈의 내구성을 강화할 수 있고, 압전 소자와 진동 플레이트가 견고하게 결합되므로 진동 모듈의 동작 안정성을 확보할 수 있다.

특히, 낙하 등의 외부 충격에 쉽게 노출되는 모바일 기기에 적용되는 경우 종래에 비하여 내구성이 높아지면서 동시에 진동 특성도 개선할 수 있다.

도 1은 종래의 압전 소자 기반 진동 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자 기반 진동 모듈의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자 기반 진동 모듈의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자 기반 진동 모듈의 진동 특성을 나타낸 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자 기반 진동 모듈의 단면도이다.

본 발명의 압전 소자 기반 진동 모듈은 압전 소자, 집척제 및 중간재를 매개로 압전 소자의 일면에 연결되는 진동 플레이트, 압전 소자와 진동 플레이트 사이에 개재되는 중간재 및 압전 소자에서 상기 중간재가 형성되지 않은 면에 형성되는 몰딩부를 포함한다. 도 1을 통해 언급한 종래의 구조와 비교하면 먼저, 본 발명은 진동 플레이트와 압전 소자 사이에 중간재가 더 포함되어 있고, 압전 소자에 몰딩부가 형성되어 있다.

본 발명은 진동 모듈의 진동 특성을 유지하면서 동시에 내구성을 강화하기 위하여, 상술한 중간재, 몰딩부를 더 포함시켰다. 중간재와 몰딩부는 충격 흡수율은 높되, 진동 모듈의 진동 특성을 유지시키기 위한 물질로 형성되며 본 발명에서는 중간재의 일 실시예로 실리콘, 우레탄, 폴리머 또는 고무(rubber) 중 어느 하나로 형성된다. 또한, 몰딩부 역시 실리콘, 우레탄, 폴리머 또는 고무 중 어느 하나로 형성되며, 나열된 물질 들의 물질 특성으로 인해 압전 소자 기반 진동 모듈의 내구성이 강화된다.

탄성계수 300Mpa 이하의 에폭시 계열의 접착제를 사용하는 경우 접착력을 유지하면서 동시에 외부 충격에 의한 스트레스 흡수가 가능하다. 그 결과, 진동 플레이트와 압전 소자가 견고하게 결합될 수 있으며, 오랜 시간이 지나도 결합이 유지되므로 진동 모듈의 수명을 늘릴 수 있다(종래의 진동 모듈은 사용 중 압전 소자와 진동 플레이트가 분리되는 문제가 자주 발생하였다.). 본 발명에서는 위와 같은 접착제를 사용하는 것을 일 실시예로 포함한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 진동 모듈과 함께 설치되는 다른 전자 부품, 기판 등과 진동 모듈 사이의 결속력을 강화하기 위하여, 상기 몰딩부가 압전 소자를 외부와 전기적으로 연결하기 위한 접촉 단자를 감싸는 영역에, 감싸는 형태로 형성된다. 이는 도 2, 도 3을 통해 명확히 확인할 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자 기반 진동 모듈의 평면도이다. 도 2를 보면, 몰딩부가 접촉 단자를 감싸고 있다는 것을 알 수 있다. 종래에는 접촉 단자와 외부 소자(또는 도선) 등을 솔더링(땜납)에 의해서만 고정시켰는데 이 경우, 진동 모듈이 진동할수록 솔더링의 결속력이 약화되는 단점이 있었다. 그러나 본 실시예에서는 몰딩부를 접촉 단자 상에 형성시킴으로써 충격을 완화할 뿐만 아니라 부품 결속력을 강화시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서 몰딩부는 압전 소자의 일면 중 일부에만 형성될 수 있다. 몰딩부는 진동 모듈, 특히 압전 소자에 전달되는 충격을 완화할 수 있으나 반대로 몰딩부에 의해 진동 모듈의 진동이 억제된다. 이는 진동 모듈의 성능 악화로 이어진다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 몰딩부가 압전 소자의 일면 중 일부에만 형성된다.

아래 [표 1]은 몰딩부가 형성되는 정도에 따른 내구성 및 성능을 비교한 실험 결과를 나타낸 것이다.

본 실험은 몰딩부가 포함되지 않은 진동 모듈, 압전 소자의 일면 전체에 몰딩부를 형성시킨 진동 모듈 및 압전 소자의 일부에 몰딩부를 형성시킨 진동 모듈의 내구성(낙하 파손) 및 진동 특성(최대 진동 변위)을 측정한 것이다.

내구성을 판단하기 위하여 상기 진동 모듈들을 낙하 테스트용 지그에 부착하여 1m 높이에서 자유 낙하시켰으며, 진동 모듈의 정전용량 값을 측정하고 육안으로도 확인하는 절차를 거쳐 파손 여부를 판단하였다.

먼저 내구성을 살펴보면 종래와 같이 몰딩부가 없는 경우 단 1회의 낙하만에 진동 모듈이 파손되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 반해 전체를 몰딩한 경우에는 20회의 낙하 이후에 진동 모듈이 파손되었다. 한편, 본 발명의 실시예(일부 몰딩)에서는 15회 낙하 이후에 진동 모듈이 파손되었다. 즉, 전체 몰딩 > 일부 몰딩 > 몰딩하지 않은 경우(종래 기술)의 순서대로 내구성이 높은 것을 확인할 수 있었다. 한편, 전체 몰딩과 일부 몰딩 사이에서는 내구성의 차이가 크지 않으나, 몰딩의 유무에 따른 내구성(일부 몰딩과 몰딩하지 않은 종래 방식의 비교)의 차이는 매우 크다는 사실을 알 수 있었다.

진동 모듈의 성능을 살펴보면, 몰딩을 하지 않은 경우에는 최대 진동 변위가 0.543mm인데 반해, 전체 몰딩의 경우에는 0.120mm, 일부 몰딩의 경우에는 0.460mm였다.

전체 몰딩 시의 최대 진동 변위는 진동 모듈로서 사용할 수 없는 수치이다. 이에 반해 일부 몰딩의 경우 몰딩을 하지 않은 경우에 비하여 최대 진동 변위가 15% 정도만 감소하는데, 이는 진동 모듈의 기능을 발휘하기에 충분한 수치이다.

위 실험 결과를 정리하면 본 발명의 실시예와 같이 일부만 몰딩을 하는 경우, 종래와 비교할 때 진동 모듈로서의 기능은 유지한 채 내구성은 15배 이상 강화된다는 것을 확인할 수 있다.

특히 몰딩부를 압전 소자 면적의 20 내지 40% 영역, 바람직하게는 30% 부근에서 형성시키는 경우 진동 특성의 감소는 최소화하면서 효율적으로 내구성을 향상시킬 수 있다. 몰딩부의 면적은 내구성에 비례하지만 진동 특성에 반비례한다. 결국 내구성도 높이면서 진동 특성도 특정 기준 수치 이상으로 유지하기 위한 최적의 범위가 설정되어야 하는데, 실험 결과 몰딩부의 면적이 압전 소자 면적의 30$ 부근에서 최적의 성능을 발휘하는 것으로 도출되었다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서 상기 몰딩부의 두께는 0.5mm 내지 8mm인 것을 특징으로 한다. 몰딩부의 면적 뿐만 아니라 두께에 따라서도 진동 모듈의 진동 특성이 변화한다. 몰딩부의 두께에 따라 진동 특성을 측정, 분석한 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자 기반 진동 모듈의 진동 특성을 나타낸 그래프이다. 도 4를 보면 몰딩부의 두께가 두꺼워질수록 압전 소자의 최대 진동 변위는 감소하는 것을 알 수 있다. 한편, 몰딩부의 두께가 두꺼워질수록 압전 소자의 내구성은 강화된다. 내구성은 몰딩부의 두께와 비례하고, 성능은 두께에 반비례하므로 내구성과 성능은 상충관계이다. 따라서, 진동 모듈로 사용하기에 충분한 문턱 진동 변위를 충족하는 동시에 내구성을 최대한 강화시기 위해 본 발명의 실시예에서는 몰딩부의 두께를 0.5mm 내지 0.8mm로 설정한다.

본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것으로 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 수정, 변경, 부가가 가능한 부분까지 본 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (9)

1. 압전 소자;
   접착제 및 중간재를 매개로 압전 소자의 일면에 연결되는 진동 플레이트;
   압전 소자와 진동 플레이트 사이에 개재되는 중간재; 및
   압전 소자에서 상기 중간재가 형성되지 않은 면에 형성되는 몰딩부;
   를 포함하는 압전 소자 기반 진동 모듈
   
2. 청구항 1에 있어서 상기 중간재는 실리콘, 우레탄, 폴리머 또는 고무 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자 기반 진동 모듈
   
3. 청구항 1에 있어서 상기 몰딩부는 압전 소자의 일면 중 일부에만 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자 기반 진동 모듈
   
4. 청구항 3에 있어서 상기 몰딩부는 압전 소자 면적의 20 내지 40%(?)의 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자 기반 진동 모듈
   
5. 청구항 1에 있어서 상기 중간재의 두께는 0.11 내지 0.13mm인 것을 특징으로 하는 압전 소자 기반 진동 모듈
   
6. 청구항 1에 있어서 상기 몰딩부의 두께는 0.5 내지 0.8mm인 것을 특징으로 하는 압전 소자 기반 진동 모듈
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 압전 소자의 하면에는 압전 소자를 외부와 전기적으로 연결하기 위한 접촉 단자를 더 포함하고,
   상기 접촉 단자는 외부와 전기적으로 접촉된 상태에서 상기 몰딩부에 의해 감싸여지는 것을 특징으로 하는 압전 소자 기반 진동 모듈
   
8. 청구항 1에 있어서 상기 몰딩부는 실리콘, 우레탄, 폴리머 또는 고무 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자 기반 진동 모듈
   
9. 청구항 1에 있어서, 상기 접착제는 탄성계수 300Mpa 이하의 에폭시 계열인 것을 특징으로 하는 압전 소자 기반 진동 모듈
   

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