KR20160062660A - 압전 진동 장치 - Google Patents

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KR20160062660A
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박인길
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김영술
윤경섭
신희섭
정인섭
김수찬
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주식회사 이노칩테크놀로지
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Abstract

본 발명은 소정의 전압에 따라 진동하는 압전 진동 부재와, 압전 진동 부재와 적어도 일부가 접촉되어 압전 진동 부재의 진동을 증폭시키는 웨이트 부재를 포함하고, 압전 진동 부재는 중앙으로부터 복수의 연장부가 수평 방향으로 마련되며, 웨이트 부재는 압전 진동 부재의 적어도 일부를 관통하여 마련된 압전 진동 장치가 제시된다.

Description

압전 진동 장치{Piezoelectric vibrating device}
본 발명은 진동 장치에 관한 것으로, 특히 전자기기 내에서 촉각 피드백(haptic feedback) 수단으로 이용되는 압전 진동 장치에 관한 것이다.
압전 물질(Piezoelectric material)은 압력을 가하면 전압이 발생하고(압전 효과), 전압을 가하면 압전 물질 내에 압력 변화로 인한 부피나 길이의 증감이 발생한다(역압전 효과). 역압전 효과를 이용한 압전 진동 장치는 휴대폰, 휴대용 멀티미디어 재생 장치(Potable Multimedia Player; PMP), 게임기 등과 같은 다양한 전자기기에 널리 채용된다.
휴대폰 등에 사용되는 압전 진동 장치는 사용자의 터치에 진동으로서 반응하는 촉각 피드백(haptic feedback) 수단으로서 이용될 수 있다. 촉각 피드백이란 물체를 만질 때 사용자의 핑커팁(손가락 끝 또는 스타일러스 펜)으로 느낄 수 있는 촉각적 감각을 말한다. 촉각 피드백 수단은 가상의 물체(예를 들어, 윈도우 화면의 버튼 표시)를 사람이 만졌을 때 실제의 물체(실제의 버튼)를 만지는 것과 같은 응답성으로 동적 특성(버튼을 누를 때 손가락으로 전달되는 진동, 촉감과 동작음 등)을 재생할 수 있는 것이 가장 이상적이라 할 수 있다. 따라서, 압전 진동 장치는 사람이 촉각을 통해 진동을 인지할 수 있는 충분한 진동력을 제공할 필요가 있다.
이러한 압전 진동 장치의 예로서, 한국등록특허 제10-0502782호(이하, 선행특허 1)에 진동판의 일면 또는 양면에 복수의 압전 소자층이 부착된 압전형 진동 장치가 제시되어 있다. 그러나, 선행 특허 1과 같이 진동판에 압전 소자를 부착한 구조만으로는 전자기기에서 필요로 하는 충분한 진동력을 발생시키기 어렵다. 즉, 진동의 진폭이 너무 작을 뿐만 아니라 현재 휴대폰에 사용되고 있는 전자석 원리를 이용한 코인형 진동 모터나 솔레노이드형 진동 장치가 발생시키는 진동력에 비해서 현저히 작아서 실용성이 없다.
진동력을 크게 하기 위해 한국공개특허 제2011-0045486호(이하, 선행 특허 2)에는 바 형상을 가지며 진동을 발생시키는 압전 진동 부재와, 결합 부재를 이용하여 압전 진동 부재와 수직 방향으로 결합되어 진동력을 증폭시키는 웨이트와, 압전 진동 부재의 측면을 고정하는 진동 지지 부재를 구비하는 압전 진동 장치가 제시되어 있다. 즉, 선행 특허 2의 압전 진동 장치는 바 형상의 압전 진동 부재의 중앙부에 웨이트가 결합된다.
그런데, 선행 특허 2의 압전 진동 장치는 웨이트를 이용하여 압전 진동 부재의 진동력을 증가시키더라도 압전 진동 부재의 진동력에 한계가 있기 때문에 진동력 증가에도 한계가 있다.
본 발명은 압전 진동 부재의 진동력을 증가시킬 수 있는 압전 진동 장치를 제공한다.
본 발명은 압전 진동 부재의 형상을 변형하여 진동력을 증가시킬 수 있는 압전 진동 장치를 제공한다.
본 발명은 바 형상을 갖는 압전 진동 부재가 복수 결합된 형태로 마련하여 진동력을 증가시킬 수 있는 압전 진동 장치를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 압전 진동 장치는 소정의 전압에 따라 진동하는 압전 진동 부재; 및 상기 압전 진동 부재와 적어도 일부가 접촉되어 상기 압전 진동 부재의 진동을 증폭시키는 웨이트 부재를 포함하고, 상기 압전 진동 부재는 중앙으로부터 수평 방향으로 복수의 연장부가 마련되며, 상기 웨이트 부재는 상기 압전 진동 부재의 일측 및 타측에서 상기 압전 진동 부재의 적어도 일부를 관통하여 결합된다.
상기 압전 진동 부재는, 제 1 중앙부와, 상기 제 1 중앙부로부터 외측으로 연장된 복수의 제 1 연장부를 포함하는 진동판; 및 상기 제 1 중앙부와 접촉된 제 2 중앙부와, 상기 제 2 중앙부로부터 외측으로 연장되며 상기 복수의 제 1 연장부와 각각 접촉된 복수의 제 2 연장부를 포함하는 압전판을 포함한다.
상기 제 1 및 제 2 연장부는 소정의 폭 및 길이를 가지며, 상기 제 1 연장부의 길이가 상기 제 2 연장부의 길이보다 길다.
본 발명의 다른 양태에 따른 압전 진동 장치는 소정의 폭 및 길이를 각각 가지는 복수의 압전 진동판이 결합된 압전 진동 부재; 및 상기 압전 진동 부재의 일측 및 타측에 마련되어 상기 압전 진동 부재의 적어도 일부를 관통하여 결합된 웨이트 부재를 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 압전 진동 장치는 대략 원형의 중앙부와 중앙부로부터 외측으로 연장된 복수의 연장부를 포함하는 압전 진동 부재와, 압전 진동 부재의 중앙부의 상측 및 하측에서 각각 삽입되어 체결된 웨이트 부재를 포함한다. 즉, 본 발명은 서로 대향되는 두 연장부가 하나의 압전 진동 부재로 작용하므로 복수의 압전 진동 부재가 교차되도록 결합시킨 형태를 갖는다. 따라서, 하나의 압전 진동 장치 내에 복수의 압전 진동 부재가 마련되므로 하나의 압전 진동 부재가 마련되는 종래에 비해 진동력을 향상시킬 수 있다.
또한, 압전 진동 부재의 적어도 일부를 관통하여 압전 진동 부재의 상측 및 하측으로부터 웨이트 부재가 결합되어 웨이트 부재가 압전 진동 부재의 진동을 증폭시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 진동 장치의 분해 사시도 및 결합 단면도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 압전 진동 장치의 분해 사시도 및 결합 단면도.
도 5 및 도 6은 종래의 압전 진동 장치 및 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 진동 장치의 공진 주파수 및 중력 가속도 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 진동 장치의 분해 사시도 및 결합 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 진동 장치는 인가되는 전압에 따라 진동을 발생시키는 압전 진동 부재(100)와, 압전 진동 부재(100)의 일부분에 결합되어 압전 진동 부재(100)의 진동을 증폭하는 웨이트(weight) 부재(200)와, 내부에 소정 공간이 마련되어 압전 진동 부재(100) 및 웨이트 부재(300)를 수납하는 케이스(300)를 포함할 수 있다.
압전 진동 부재(100)는 압전판(110)와, 압전판(110)의 일면에 부착된 진동판(120)을 포함하여 전압 인가에 따라 굽힘 응력이 발생하는 역압전 효과에 의해 진동을 발생시킨다. 즉, 압전판(110)은 인가되는 전압에 따라 수직 방향으로 굽힘 응력이 발생하고, 진동판(120)은 이를 증폭하여 진동을 발생시킨다. 여기서, 진동판(120)은 압전판(110)보다 크게 마련되며, 진동판(120)의 일면, 예를 들어 하면에 압전판(110)이 부착된다. 또한, 압전 진동 부재(100)는 압전판(110) 및 진동판(120)이 중앙으로부터 외곽으로 복수의 연장부(112, 122)가 형성된 구조로 마련된다. 즉, 압전 진동 부재(100)는 압전판(110) 및 진동판(120)이 결합된 압전 진동판이 소정의 폭 및 길이를 갖도록 복수 마련되어 결합된다. 다시 말하면, 복수의 압전 진동판이 중앙부에서 결합되어 압전 진동 부재(100)가 마련된다.
압전판(110)은 소정의 두께를 갖지며, 중앙으로부터 외측 방향으로 복수의 연장부가 형성된 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 압전판(110)은 대략 원형의 중앙부(111)와, 중앙부(111)의 가장자리로부터 외측 방향으로 연장된 복수의 연장부(112)를 포함할 수 있다. 중앙부(111)는 대략 원형으로 마련되며, 중앙에는 소정 크기의 개구(113)가 형성될 수 있다. 개구(113)는 중앙부(111)의 형상에 대응되는 형상, 즉 대략 원형으로 마련될 수 있다. 또한, 개구(113)의 지름은 중앙부(111) 지름의 1/5 내지 1/2의 크기로 형성될 수 있다. 연장부(112)는 중앙부(111)의 변으로부터 외측으로 연장되어 복수 형성될 수 있는데, 예를 들어 8개 형성될 수 있다. 이러한 연장부(112)는 동일한 폭을 갖고 소정 길이를 갖는 사각형의 바 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 연장부(112)는 중앙부(111)와 접촉되는 일 영역과 중앙부(111)로부터 가장 먼 거리의 타 영역의 폭이 동일할 수 있다. 물론, 연장부(112)는 중앙부(111)와 접촉되는 일 영역으로부터 멀어질수록 그 폭이 넓어지거나 좁아질 수도 있고, 중앙부(111)로부터 일 영역까지는 동일 폭을 유지하다가 일 영역으로부터 말단까지 폭이 점점 넓어지거나 좁아질 수도 있다. 또한, 복수의 연장부(112) 사이의 간격은 동일할 수 있다. 즉, 복수의 연장부(112)는 대략 원형의 중앙부(111)로부터 외측 방향으로 형성되기 때문에 중앙부(111)로부터 멀어질수록 두 연장부(112) 사이의 간격이 멀어질 수 있는데, 복수의 연장부(112)는 동일 영역의 간격이 모두 동일할 수 있다. 한편, 개구(113)를 포함한 중앙부(111)의 반지름은 연장부(112)의 길이보다 클 수 있다. 그러나, 중앙부(111)의 반지름과 연장부(112)의 길이가 같을 수도 있고, 중앙부(111)의 반지름이 연장부(112)의 길이보다 짧을 수도 있다. 이러한 압전판(110)은 기판과, 기판이 적어도 일면에 형성된 압전층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 압전판(110)은 기판의 양면에 압전층이 형성된 바이모프 타입으로 형성될 수도 있고, 기판의 일면에 압전층이 형성된 유니모프 타입으로 형성될 수도 있다. 압전층은 적어도 일층이 적층 형성될 수 있는데, 바람직하게는 복수의 압전층이 적층 형성될 수 있다. 이때, 기판 및 복수의 압전층은 중앙에 대략 원형의 개구가 형성된 대략 원형의 중앙부와, 중앙부로부터 외측 방향으로 형성된 복수의 연장부를 포함하는 구조로 형성된다. 또한, 압전층의 상부 및 하부에는 각각 전극이 형성될 수 있다. 즉, 복수의 압전층과 복수의 전극이 교대로 적층되어 압전판(110)이 구현될 수 있다. 이러한 압전판(110)은 중앙부(111) 및 연장부(112)가 일체로 형성될 수 있다. 즉, 압전판(110)은 압전층의 상부에 중앙부 및 복수의 연장부의 형상으로 전극을 형성하고, 이러한 형상으로 전극이 형성된 복수의 압전층을 적층한 후 전극이 형성되지 않은 영역을 제거하여 제작할 수 있다. 여기서, 압전층은 예를 들어 PZT(Pb, Zr, Ti), NKN(Na, K, Nb), BNT(Bi, Na, Ti) 계열의 압전 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 압전층은 서로 다른 방향 또는 동일 방향으로 분극되어 적층 형성될 수 있다. 즉, 기판의 일면 상에 복수의 압전층이 형성되는 경우 각 압전층은 서로 반대 방향 또는 동일 방향의 분극이 교대로 형성될 수 있다. 한편, 기판은 압전층이 적층된 구조를 유지하면서 진동이 발생할 수 있는 특성을 갖는 물질을 이용할 수 있는데, 예를 들어 금속, 플라스틱 등을 이용할 수 있다. 그런데, 압전판(110)은 압전층과 이물질인 기판을 이용하지 않을 수 있다. 즉, 압전판(110)은 중심부에 분극되지 않은 압전층이 마련되고, 그 상부 및 하부에 서로 다른 방향으로 분극된 복수의 압전층이 적층 형성될 수 있다. 한편, 압전판(110)의 일 면의 상부에는 구동 신호가 인가되는 전극 패턴(미도시)이 형성될 수 있다. 전극 패턴은 서로 이격되어 적어도 둘 이상 형성될 수 있고, 연결 라인(미도시)와 연결되어 이를 통해 전자기기에 연결될 수 있다. 즉, 연결 라인은 케이스(300)의 소정 영역을 통해 전자기기와 전극 패턴을 연결시키는데, 연결 라인은 케이스(300)와 절연될 수 있다.
진동판(120)은 압전판(110)와 동일 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 진동판(120)은 대략 원형의 중앙부(121)와, 중앙부(121)의 가장자리로부터 외측 방향으로 연장된 복수의 연장부(122)를 포함할 수 있다. 중앙부(121)는 압전판(110)의 중앙부(111)와 크거나 같은 크기로 마련될 수 있다. 즉, 중앙부(121)의 지름이 압전판(110)의 중앙부(111)의 지름보다 크거나 동일할 수 있다. 또한, 중앙부(121)의 중앙에는 소정 크기의 개구(123)가 형성될 수 있다. 개구(123)는 중앙부(111)의 형상에 대응되는 형상, 즉 대략 원형으로 마련될 수 있다. 또한, 개구(123)의 지름은 중앙부(121) 지름의 1/5 내지 1/3의 크기로 형성될 수 있다. 즉, 진동판(120)의 개구(123)는 압전판(110)의 개구(113)보다 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, 진동판(120)의 개구(123)의 지름은 압전판(110)의 개구(113)의 지름보다 1/2 내지 1/3으로 형성될 수 있다. 연장부(122)는 중앙부(121)의 변으로부터 외측으로 연장되어 복수 형성될 수 있는데, 예를 들어 8개 형성될 수 있다. 이러한 연장부(122)는 동일한 폭을 갖는 사각형의 바 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 연장부(122)는 중앙부(121)와 접촉되는 일 영역과 중앙부(121)로부터 가장 먼 거리의 타 영역의 폭이 동일할 수 있다. 물론, 연장부(122)는 중앙부(121)와 접촉되는 일 영역으로부터 멀어질수록 그 폭이 넓어지거나 좁아질 수도 있고, 중앙부(121)로부터 일 영역까지는 동일 폭을 유지하다가 일 영역으로부터 말단까지 폭이 점점 넓어지거나 좁아질 수도 있다. 또한, 복수의 연장부(122) 사이의 간격은 동일할 수 있다. 즉, 복수의 연장부(122)는 대략 원형의 중앙부(121)로부터 외측 방향으로 형성되기 때문에 중앙부(121)로부터 멀어질수록 두 연장부(122) 사이의 간격이 멀어질 수 있는데, 복수의 연장부(122)는 동일 영역의 간격이 모두 동일할 수 있다. 한편, 개구(123)를 포함한 중앙부(121)의 반지름은 연장부(122)의 길이보다 클 수 있다. 그러나, 중앙부(121)의 반지름과 연장부(122)의 길이가 같을 수도 있고, 중앙부(121)의 반지름이 연장부(122)의 길이보다 짧을 수도 있다. 그리고, 진동판(120)의 연장부(122)의 길이는 압전판(110)의 연장부(121)보다 길게 마련될 수 있다. 예를 들어, 진동판(120)의 연장부(122)와 압전판(110)의 연장부(112)의 길이는 3:1 내지 3:2의 비율로 형성될 수 있다. 한편, 이러한 진동판(120)은 금속, 플라스틱 등을 이용하여 제작할 수 있고, 서로 다른 이종의 소재를 적층하여 적어도 2중 구조를 이용할 수 있다. 또한, 진동판(120)은 폴리머계 또는 펄프계 물질을 이용할 수 있다. 예를 들어, 진동판(120)은 수지 필름을 이용할 수 있는데, 에틸렌 플로필렌 고무계, 스티렌 부타디엔 고무계 등 영율이 1MPa∼10GPa로 손실 계수가 큰 재료를 이용할 수 있다. 이러한 진동판(120)의 하면에 압전판(110)이 부착된다. 압전판(110)은 예를 들어 접착 테이프(미도시) 등에 의해 부착될 수 있다. 접착 테이프는 고무계, 아크릴계, 실리콘계 등의 접착 물질을 이용할 수 있다. 또한, 진동판(120)은 가장자리가 케이스(300)의 가장자리에 협지될 수 있다. 즉, 진동판(120)의 연장부(122)의 가장자리가 케이스(300)의 가장자리에 협지될 수 있다. 한편, 압전판(110)의 적어도 일 측면에 접착제(미도시)가 도포될 수 있다. 예를 들어, 접착제는 압전판(110)의 적어도 일 상면의 가장자리로부터 측면에 도포될 수 있다. 즉, 압전판(110)의 중앙부(111) 및 복수의 연장부(112)의 적어도 어느 하나의 가장자리에 접착제가 도포될 수 있다. 이러한 접착제는 압전판(110)의 측면과 접착 테이프의 계면에서 박리가 발생하는 것을 방지하기 위한 보강제이다. 접착제로서는 가능한 한 압전판(110)의 변위를 구속하지 않는 우레탄계, 실리콘계 등의 영률이 낮은 열경화형 접착제를 사용하는 것이 좋다. 이러한 압전 진동 부재(100)는 일 연장부로부터 180°의 각도를 유지하여 대향되는 타 연장부가 바 형상의 하나의 압전 진동 부재로서 작용한다. 즉, 일 연장부로부터 이와 대향되는 타 연장부가 하나의 압전 진동 부재로 작용한다. 이러한 연장부가 8개 마련되므로 4개의 압전 진동 부재가 결합된 형태를 갖게 된다. 따라서, 바 형태의 하나의 압전 진동 부재를 이용하는 종래의 압전 진동 장치에 비해 진동력을 더욱 증대시킬 수 있다.
웨이트 부재(200)는 압전 진동 부재(100)의 발진 주파수를 저역대로 이동시키고, 압전 진동 부재(100)의 진동력을 향상시킨다. 웨이트 부재(200)는 금속, 비금속 등의 물질을 이용할 수 있으며, 압전 진동 부재(100)보다 중량이 무겁게 마련될 수 있다. 이러한 웨이트 부재(200)는 소정의 두께를 갖는 대략 원형으로 마련되며, 압전 진동 부재(100)의 상측에 마련된 제 1 웨이트 부재(210)와, 압전 진동 부재(100)의 하측에 마련된 제 2 웨이트 부재(220)를 포함한다. 즉, 제 1 웨이트 부재(210)는 진동판(120)과 상부 케이스(310) 사이에 마련되고, 제 2 웨이트 부재(220)는 압전판(110)와 하부 케이스(320) 사이에 마련된다. 따라서, 제 1 및 제 2 웨이트 부재(210, 220)는 케이스(300) 내부에서 케이스(300)에 접촉되지 않고 마련될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 웨이트 부재(210, 220)는 압전판(110)보다 크고 진동판(120)보다 작게 마련될 수 있다.
제 1 웨이트 부재(210)는 중앙부에 돌출부(211)가 형성되며, 돌출부(211)는 압전 진동 부재(100)의 개구, 즉 진동판(120)의 개구(123) 및 압전판(110)의 개구(113)에 삽입된다. 또한, 제 1 웨이트 부재(210)의 돌출부(211)는 길이 방향으로 소정 영역에 단차가 형성된 구조로 마련된다. 즉, 돌출부(211)는 제 1 웨이트 부재(210)의 표면으로부터 그와 대향되는 방향, 즉 하측 방향으로 제 1 직경으로 돌출된 제 1 돌출 영역(211a)과, 제 1 돌출 영역(211a)로부터 제 1 돌출 영역(211a)의 직경보다 작은 제 2 직경으로 돌출된 제 2 돌출 영역(211b)을 포함하여 마련된다. 이때, 제 1 돌출 영역(211a)과 제 2 돌출 영역(211b)의 사이의 단차, 즉 제 1 돌출 영역(211a)이 압전 진동 부재(100)의 일 표면에 접촉되고, 제 2 돌출 영역(211b)이 개구(123, 113)에 삽입된다.
제 2 웨이트 부재(220)는 중앙부에 돌출부(221)가 형성된다. 돌출부(221)는 제 2 웨이트 부재(220)의 중앙 영역을 감싸도록 마련될 수 있다. 즉, 제 2 웨이트 부재(220)의 중앙부의 소정 영역을 원형으로 감싸도록 댐 형상으로 돌출부(221)가 형성될 수 있다. 이때, 돌출부(221)의 상측 표면은 압전 진동 부재(100)의 압전판(110)의 개구(113)을 통해 진동판(120)의 일 면에 접촉될 수 있다. 즉, 돌출부(221)가 압전판(110)의 개구(113)보다는 작고 진동판(120)의 개구(123)보다는 크게 마련되어 돌출부(221)가 압전판(110)의 개구(113)에 삽입되어 상측 표면이 진동판(120)의 일 면에 접촉될 수 있다. 이때, 제 2 웨이트 부재(220)의 돌출부(221)의 외경은 제 1 웨이트 부재(210)의 돌출부(211)의 제 1 돌출 영역(211a)과 동일 직경으로 형성될 수 있다. 또한, 제 2 웨이트 부재(220)의 돌출부(221)의 내경은 제 1 웨이트 부재(210)의 돌출부(211)의 제 2 돌출 영역(211b)과 동일 직경으로 형성될 수 있다. 따라서, 제 1 웨이트 부재(210)의 돌출부(211)의 제 2 돌출 영역(211a)이 제 2 웨이트 부재(220)의 돌출부(221)의 내측에 삽입되어 체결될 수 있다. 즉, 압전 진동 부재(100)의 하측 개구, 즉 압전판(110)의 개구(113) 사이에 제 2 웨이트 부재(220)의 돌출부(221)가 삽입되고, 입전 진동 부재(100)의 상측 개구, 즉 진동판(120)의 개구(123)를 통해 제 1 웨이트 부재(210)의 돌출부(211)의 제 2 연장 영역(211b)이 돌출부(221)의 내측에 삽입될 수 있다. 한편, 제 1 및 제 2 웨이트 부재(210, 220)는 접착제에 의해 접착될 수 있다. 즉, 제 1 웨이트 부재(210)의 돌출부(211)의 제 2 돌출 영역(211b)과 제 2 웨이트 부재(220)의 돌출부(221) 사이에 접착제가 마련되어 제 1 및 제 2 웨이트 부재(210, 220)를 접착시킬 수 있다, 여기서, 접착제는 고무계, 아크릴계, 실리콘계 등의 접착 물질을 이용할 수 있다.
이렇게 압전 진동 부재(100)와 결합되는 웨이트 부재(200)는 압전 진동 부재(100)의 진동에 의해 그와 함께 진동하면서 자신의 무게를 그 진동에 실어준다. 압전 진동 부재(100)에 웨이트 부재(200)가 결합되어 웨이트 부재(200)의 무게가 실리면 진동체의 무게가 늘어난 결과가 되어 압전 진동 부재(100)가 단독으로 진동할 때에 비해 공진 주파수는 감소하는 대신에 반면 진동력은 강화된다. 특히, 교류 구동 전압의 특정 주파수에서는 진동력이 최대로 증폭된다. 공진 주파수는 압전 진동 부재(100), 웨이트 부재(200) 등의 각 구성 요소의 물리적 재원과 물성적 특징에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 진동체는 자신의 고유 진동수에서 진동을 할 때 가장 큰 진동을 일으킨다. 진동체가 웨이트 부재(200) 없이 압전 진동 부재(100) 단독으로 구성된 경우 그 진동체의 공진점은 압전판(110)의 고유 진동수에 가깝기 때문에 압전 진동 부재(100)가 그 공진점에서 최대 진동할 때 압전판(110)에 흐르는 전류값이 상대적으로 높다. 이에 비해, 진동체가 압전 진동 부재(100)와 웨이트 부재(200)의 결합체로 구성된 경우, 그 진동체의 공진점은 압전판(110)의 고유 진동수와는 크게 멀어져서 그 진동체가 그 공진점에서 최대 진동을 일으킬 때 압전판(110)에 흐르는 전류값은 상대적으로 낮아진다. 또한, 압전 진동 부재(100)에 흐르는 전류가 전자의 경우보다 후자의 경우가 낮기 때문에 진동체에 웨이트 부재(200)를 이용할 경우 전력 소모량을 크게 줄일 수 있다.
케이스(300)는 내부에 소정 공간이 마련되어 압전 진동 부재(100), 웨이트 부재(200) 등을 수용한다. 이러한 케이스(300)는 상측 및 하측에 각각 마련된 상부 케이스(310) 및 하부 케이스(320)를 포함할 수 있다. 상부 및 하부 케이스(310, 320)는 압전 진동 부재(100)의 진동판(120)의 가장자리를 협지하여 압전 진동 부재(100)가 내부에 위치되도록 한다. 또한, 케이스(300)는 내부에서 압전 진동 부재(100) 및 웨이트 부재(200)와 소정 간격 이격되어 소정의 공간이 마련된다. 이렇게 케이스(300) 내부의 압전 진동 부재(100) 및 웨이트 부재(200)와 이루는 공간이 진동 공간이 된다. 이를 위해 상부 케이스(310)는 진동판(120)의 가장자리를 따라 마련된 제 1 평면부(311)와, 제 1 평면부(311)의 내측으로부터 상측으로 연장된 수직부(312)와, 제 1 웨이트 부재(210)의 상면과 대면하고 수직부(312) 사이에 마련된 제 2 평면부(313)를 포함할 수 있다. 이때, 수직부의 높이에 따라 압전 진동 부재(100) 및 웨이트 부재(200)와 제 2 평면부 사이의 공간이 결정된다. 즉, 수직부의 높이에 따라 진동 공간의 결정된다. 또한, 하부 케이스(320)는 상부 케이스(310)와 대향되어 동일 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 진동판(120)의 가장자리를 따라 마련된 제 1 평면부(321)와, 제 1 평면부(321)의 내측으로부터 하측으로 연장된 수직부(322)와, 제 2 웨이트 부재(220)의 하면과 대면하고 수직부(322) 사이에 마련된 제 2 평면부(323)를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 진동 장치는 대략 원형의 중앙부와 중앙부로부터 외측으로 연장된 복수의 연장부를 포함하는 압전 진동 부재와, 압전 진동 부재의 중앙부의 상측 및 하측에서 각각 삽입되어 체결된 웨이트 부재를 포함한다. 즉, 본 발명은 서로 대향되는 두 연장부가 하나의 압전 진동 부재로 작용하므로 복수의 압전 진동 부재를 중앙부에서 교차되도록 결합시킨 형태를 갖는다. 따라서, 하나의 압전 진동 장치 내에 복수의 압전 진동 부재가 마련되므로 하나의 압전 진동 부재가 마련되는 종래에 비해 진동력을 향상시킬 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 압전 진동 장치의 분해 사시도 및 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 압전 진동 장치는 인가되는 전압에 따라 진동을 발생시키는 압전 진동 부재(100)와, 압전 진동 부재(100)의 복수의 부분에 결합되어 압전 진동 부재(100)의 진동을 증폭하는 웨이트 부재(200)와, 내부에 소정 공간이 마련되어 압전 진동 부재(100) 및 웨이트 부재(300)를 수납하는 케이스(300)를 포함할 수 있다. 여기서, 압전 진동 부재(100)는 중앙으로부터 외곽으로 복수의 연장부가 형성된 압전판(110) 및 진동판(120)을 포함한다.
압전 진동 부재(100)는 압전판(110)과, 압전판(110)의 일면에 부착된 진동판(120)을 포함하여 전압 인가에 따라 굽힘 응력이 발생하는 역압전 효과에 의해 진동을 발생시킨다. 압전판(110)은 대략 원형의 중앙부(111)와, 중앙부(111)의 가장자리로부터 외측 방향으로 연장된 복수의 연장부(112)를 포함할 수 있다. 또한, 진동판(110)은 대략 원형의 중앙부(121)와, 중앙부(121)의 가장자리로부터 외측 방향으로 연장된 복수의 연장부(122)를 포함할 수 있다, 압전판(110)의 연장부(112)와 진동판(120)의 연장부(122)는 동일 수로 마련되며, 예를 들어 각각 8개 마련될 수 있다. 여기서, 압전판(110)은 진동판(120)의 하측에 부착되며, 압전판(110)의 중앙부(111)와 진동판(120)의 중앙부(121)은 동일 크기로 마련될 수 있고, 진동판(120)의 연장부(122)가 압전판(110)의 연장부(112)보다 크게 마련될 수 있다. 또한, 선택된 연장부(112, 121)의 소정 영역에는 홀(114, 124)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 선택된 네개의 연장부(112, 121)의 소정 영역에 홀(114, 124)이 각각 형성될 수 있는데, 일 연장부(112, 121)와 90°, 180°및 270°의 각도를 이루는 연장부(112, 121)에 홀(114, 124)이 형성될 수 있다. 즉, 도 1 및 2를 이용하여 설명한 본 발명의 일 실시 예는 압전 진동 부재(100)의 중앙부(111, 121)에 개구(113, 123)가 형성되지만, 본 발명의 다른 실시 예는 연장부(112, 122)에 선택적으로 홀(114, 124)이 형성된다. 이러한 압전 진동 부재(100)는 180°의 각도를 유지하는 서로 대향되는 두 연장부(112, 122)가 하나의 압전 진동 부재로서 작용한다. 따라서, 연장부(112, 122)가 8개 마련되므로 4개의 압전 진동 부재가 결합된 형태를 갖게 된다.
웨이트 부재(200)는 소정의 두께를 갖는 대략 원형으로 마련되며, 압전 진동 부재(100)의 상측에 마련된 제 1 웨이트 부재(210)와, 압전 진동 부재(100)의 하측에 마련된 제 2 웨이트 부재(220)를 포함한다. 즉, 제 1 웨이트 부재(210)는 진동판(120)과 상부 케이스(310) 사이에 마련되고, 제 2 웨이트 부재(220)는 압전판(110)와 하부 케이스(320) 사이에 마련된다. 따라서, 제 1 및 제 2 웨이트 부재(210, 220)는 케이스(300) 내부에서 케이스(300)에 접촉되지 않고 마련될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 웨이트 부재(210, 220)는 압전판(110)보다 크고 진동판(120)보다 작게 마련될 수 있다. 제 1 웨이트 부재(210)는 중앙부에 제 1 돌출부(211)가 형성되며, 중앙부로부터 외곽으로 소정 영역에 복수의 제 2 돌출부(212)가 형성된다. 이때, 제 1 및 제 2 돌출부(211, 212)는 예를 들어 원기둥 형상으로 마련되는데, 제 1 돌출부(211)는 복수의 제 2 돌출부(212)보다 낮은 높이로 마련되고 직경이 크게 마련될 수 있다. 즉, 중앙의 제 1 돌출부(211)는 낮고 폭이 넓게 마련되고, 외곽의 복수의 제 2 돌출부(212)는 높고 폭이 좁게 마련될 수 있다. 여기서, 제 1 돌출부(211)는 압전 진동 부재(100)의 표면에 접촉되고, 제 2 돌출부(212)는 압전 진동 부재(100)의 복수의 홀(114, 124)를 관통하여 하측으로 연장된다. 즉, 제 1 돌출부(211)는 진동판(120)의 중앙부(121)의 상면에 접촉되고, 복수의 제 2 돌출부(212)는 진동판(120) 및 압전판(110)의 복수의 홀(124, 114)을 각각 관통하여 하측으로 연장된다. 또한, 제 2 웨이트 부재(220)는 중앙부에 돌출부(221)가 형성된다. 돌출부(221)는 제 1 웨이트 부재(210)의 돌출부(211)와 대응되도록 형성될 수 있다. 그런데, 제 2 웨이트 부재(220)의 돌출부(221)는 제 1 웨이트 부재(210)의 돌출부(211)과 동일 폭으로 마련될 수 있고, 작은 폭으로 마련될 수도 있다. 이러한 제 2 웨이트 부재(220)의 돌출부(221)는 압전 진동 부재(100)의 하측면에 접촉될 수 있다. 즉, 제 2 웨이트 부재(220)의 돌출부(221)는 압전 진동 부재(100)의 압전판(110)의 중앙부(111)에 접촉될 수 있다. 또한, 제 2 웨이트 부재(220)는 중앙부(222)와 그로부터 외측으로 연장된 복수의 연장부(223)를 포함할 수 있다. 즉, 제 2 웨이트 부재(220)는 압전 진동 부재(100)와 동일 형상으로 마련될 수 있다. 그러나, 제 2 웨이트 부재(220)의 중앙부(222)는 압전 진동 부재(100)의 중앙부(111, 121)보다 크게 마련되고, 연장부(223)는 압전 진동 부재(100)의 연장부(112, 122)보다 짧게 마련될 수 있다. 그러나, 제 2 웨이트 부재(220)는 일 연장부(223)의 말단으로부터 이와 대향되는 타 연장부(223)의 말단까지의 거리가 압전판(110)의 그것보다 길고, 진동판(120)의 그것보다 짧다. 또한, 제 2 웨이트 부재(220)의 연장부(223)는 일 영역으로부터 타 영역으로 폭이 넓어지도록 마련된다. 즉, 연장부(223)는 중앙부(222)의 가장자리로부터 외곽으로 멀어질수록 폭이 넓어지는 형상으로 마련될 수 있다. 또한, 제 2 웨이트 부재(220)의 소정 영역에는 복수의 홀(224)이 형성된다. 복수의 홀(224)는 압전 진동 부재(100)의 홀(114, 124)에 대응되는 영역에 형성될 수 있다. 이러한 제 2 웨이트 부재(220)의 복수의 홀(224)에는 압전 진동 부재(100)의 홀(114, 124)를 관통하여 연장된 제 1 웨이트 부재(210)의 복수의 제 2 돌출부(212)가 삽입될 수 있다. 따라서, 압전 진동 부재(100)의 상측으로부터 제 1 웨이트 부재(210)의 복수의 제 2 돌출부(212)가 압전 진동 부재(100)를 관통하여 하측으로 연장되고 제 2 웨이트 부재(220)의 복수의 홀(224)에 삽입된다. 따라서, 웨이트 부재(200)가 압전 진동 부재(100)의 복수의 영역에서 접촉될 수 있다. 한편, 제 1 및 제 2 웨이트 부재(210, 220)는 접착제에 의해 접착될 수 있다. 즉, 제 1 웨이트 부재(210)의 복수의 제 2 돌출부(212)와 제 2 웨이트 부재(220)의 복수의 홀(224) 사이에 접착제가 마련되어 제 1 및 제 2 웨이트 부재(210, 220)를 접착시킬 수 있다. 또한, 제 1 웨이트 부재(210)의 제 2 돌출부(212)와 압전 진동 부재(200)의 복수의 홀(114, 124) 사이에도 접착제가 마련되어 제 2 돌출부(212)와 압전 진동 부재(200)가 접착될 수 있다.
케이스(300)는 내부에 소정 공간이 마련되어 압전 진동 부재(100), 웨이트 부재(200) 등을 수용한다. 이러한 케이스(300)는 상측 및 하측에 각각 마련된 상부 케이스(310) 및 하부 케이스(320)를 포함할 수 있다. 상부 및 하부 케이스(310, 320)는 압전 진동 부재(100)의 진동판(120)의 가장자리를 협지하여 압전 진동 부재(100)가 내부에 위치되도록 한다. 또한, 케이스(300)는 내부에서 압전 진동 부재(100) 및 웨이트 부재(200)와 소정 간격 이격되어 소정의 공간이 마련된다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 진동 장치는 대략 원형의 중앙부와 중앙부로부터 외측으로 연장된 복수의 연장부를 포함하는 압전 진동 부재와, 압전 진동 부재의 상측에서 하측으로 삽입되어 압전 진동 부재를 사이에 두고 결합된 웨이트 부재를 포함한다. 즉, 본 발명은 서로 대향되는 두 연장부가 하나의 압전 진동 부재로 작용하므로 복수의 압전 진동 부재를 결합시킨 형태를 갖는다. 또한, 복수의 영역에서 압전 진동 부재와 웨이트 부재가 접촉하고, 그에 따라 웨이트 부재가 압전 진동 부재의 진동을 증폭시킬 수 있다.
상기한 바와 같은 종래의 압전 진동 장치와 본 발명에 따른 압전 진동 장치의 동작 특성을 도 5 및 도 6에 도시하였다. 즉, 도 5 및 도 6은 각각 종래의 압전 진동 장치 및 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 진동 장치의 공진 주파수 및 중력 가속도 그래프이다. 여기서, 종래의 압전 진동 장치는 압전 진동 부재의 길이, 폭 및 두께를 각각 28㎜, 2㎜ 및 0.3㎜로 하고 150V의 전압을 인가했을 때의 공진 주파수 및 중력 가속도를 측정한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이 208㎐에서 가장 높은 공진 주파수를 나타내며 이때의 중력 가속도가 1.017m/s2이다. 그러나, 본 발명의 압전 진동 장치는 압전 진동 부재의 길이, 폭 및 두께가 각각 21㎜, 2㎜ 및 0.37㎜로 한 4개를 중앙부에서 겹치도록 제작하고 150V의 전압을 인가했을 때의 공진 주파수 및 중력 가속도를 측정하였다. 도 6에 도시된 바와 같이 224㎐에서 가장 높은 공진 주파수를 나타내며 이때의 중력 가속도가 3.433m/s2이다. 따라서, 본 발명에 따른 압전 진동 장치는 종래의 압전 진동 장치에 비해 공진 주파수 및 중력 가속도가 높다.
한편, 본 발명의 상기 실시 예들은 대략 원형의 중앙부와, 중앙부로부터 외측으로 연장된 복수의 연장부를 포함하여 압전 진동 부재가 구현되었다. 그러나, 본 발명은 중앙부가 원형 이외에 다양한 형상으로 마련될 수 있다. 예를 들어 소정의 폭 및 길이를 갖는 바 형상으로 중앙부가 마련되고, 중앙부의 적어도 일 측면에 복수의 연장부가 마련되어 압전 진동 부재가 구현될 수도 있다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 압전 진동 부재 110 : 압전판
120 : 진동판 200 : 웨이트 부재
210, 220 : 제 1 및 제 2 웨이트 부재
300 : 케이스 310, 320 : 상부 및 하부 케이스

Claims (3)

  1. 소정의 전압에 따라 진동하는 압전 진동 부재; 및
    상기 압전 진동 부재와 적어도 일부가 접촉되어 상기 압전 진동 부재의 진동을 증폭시키는 웨이트 부재를 포함하고,
    상기 압전 진동 부재는 중앙으로부터 수평 방향으로 복수의 연장부가 마련되며, 상기 웨이트 부재는 상기 압전 진동 부재의 일측 및 타측에서 상기 압전 진동 부재의 적어도 일부를 관통하여 결합된 압전 진동 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 압전 진동 부재는,
    제 1 중앙부와, 상기 제 1 중앙부로부터 외측으로 연장된 복수의 제 1 연장부를 포함하는 진동판; 및
    상기 제 1 중앙부와 접촉된 제 2 중앙부와, 상기 제 2 중앙부로부터 외측으로 연장되며 상기 복수의 제 1 연장부와 각각 접촉된 복수의 제 2 연장부를 포함하는 압전판을 포함하는 압전 진동 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 연장부는 소정의 폭 및 길이를 가지며, 상기 제 1 연장부의 길이가 상기 제 2 연장부의 길이보다 긴 압전 진동 장치.
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JP2018132852A (ja) * 2017-02-14 2018-08-23 株式会社東海理化電機製作所 触覚呈示装置

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JP2018132852A (ja) * 2017-02-14 2018-08-23 株式会社東海理化電機製作所 触覚呈示装置

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