KR20180012685A - 압전 진동 장치 및 이를 구비하는 전자기기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내부에 소정의 공간이 마련된 케이스와, 상기 케이스 내부에 마련되며 인가되는 전압에 따라 진동하며, 압전 소자를 포함하는 압전 진동 부재와, 상기 케이스 내부에 마련되며 상기 압전 진동 부재의 일부와 접촉되어 마련되는 웨이트 부재와, 상기 압전 진동 부재의 일 영역에 마련되어 상기 웨이트 부재를 접촉 고정하는 적어도 하나의 고정 부재를 포함하는 압전 진동 장치 및 이를 구비하는 전자기기를 제시한다.
Description
본 발명은 압전 진동 장치에 관한 것으로, 특히 전자기기 내에서 촉각 피드백(haptic feedback) 수단으로 이용되는 압전 진동 장치 및 이를 구비하는 전자기기에 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). 압전 진동 장치는 역압전 효과를 이용하여 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)에 진동판의 일면 또는 양면에 복수의 압전판이 부착된 압전형 진동 장치가 제시되어 있다. 그러나, 선행 특허와 같이 진동판에 압전판을 부착한 구조만으로는 전자기기에서 필요로 하는 충분한 진동력을 발생시키기 어렵다. 즉, 진동의 진폭이 너무 작을 뿐만 아니라 현재 사용되고 있는 전자석 원리를 이용한 코인형 진동 모터나 솔레노이드형 진동 장치가 발생시키는 진동력에 비해서 현저히 작아서 실용성이 없다.
진동력을 크게 하기 위해 질량이 큰 웨이트 부재를 압전 진동 부재 상에 부착하여 이용할 수 있다. 즉, 진동을 발생시키는 압전 진동 부재 상에 접착제 등을 이용하여 웨이트 부재가 압전 진동 부재와 수직 방향으로 결합되어 진동력을 증폭시키게 된다. 이러한 압전 진동 장치는 예를 들어 전자기기의 일 영역에 마련되고 전자기기의 수직 방향으로 진동하여 휴대폰 전체에 진동을 제공한다.
그런데, 질량이 큰 웨이트 부재가 이용되는 압전 진동 장치는 충격에 의해 압전 진동 부재가 파손될 수 있다. 즉, 웨이트 부재는 접착제 등에 의해 압전 진동 부재 상에 결합되는데, 전자기기의 낙하 등에 의해 압전 진동 장치에 충격이 가해졌을 때 웨이트 부재가 압전 진동 부재로부터 이탈하여 웨이트 부재의 질량에 의해 압전 진동 부재에 충격이 가해지고, 그에 따라 압전 진동 부재가 파손될 수 있다. 이렇게 압전 진동 부재가 파손되면 촉각에 의해 피드백 반응하지 않기 때문에 압전 진동 장치로서의 기능을 상실하게 된다. 또한, 웨이트 부재가 이탈하게 되면 압전 진동 장치의 공진 주파수가 변화되고, 그에 따라 원하는 공진 주파수로 진동할 수 없게 된다.
본 발명은 외부 충격 및 웨이트 부재의 이탈로 인한 압전 진동 부재의 파손을 방지할 수 있는 압전 진동 장치를 제공한다.
본 발명은 압전 진동 부재의 일 영역으로부터 결합 부재가 마련되어 웨이트 부재를 감싸 고정하도록 함으로써 웨이트 부재가 압전 진동 부재로부터 이탈하지 않도록 할 수 있는 압전 진동 장치를 제공한다.
본 발명은 상기 압전 진동 장치를 구비하는 전자기기를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 압전 진동 장치는 내부에 소정의 공간이 마련된 케이스; 상기 케이스 내부에 마련되며 인가되는 전압에 따라 진동하며, 압전 소자를 포함하는 압전 진동 부재; 상기 케이스 내부에 마련되며 상기 압전 진동 부재의 일부와 접촉되어 마련되는 웨이트 부재; 및 상기 압전 진동 부재의 일 영역에 마련되어 상기 웨이트 부재를 접촉 고정하는 적어도 하나의 고정 부재를 포함한다.
상기 압전 소자는 베이스와, 상기 베이스의 적어도 일면 상에 형성된 복수의 압전층과, 상기 복수의 압전층 사이에 형성된 복수의 내부 전극과, 상기 복수의 내부 전극과 연결되도록 외부에 마련된 외부 전극을 포함한다.
상기 베이스의 두께는 상기 압전 소자 두께의 1/3 내지 1/150이다.
상기 압전층의 두께는 상기 베이스 또는 내부 전극의 두께보다 같거나 두껍다.
상기 압전층 각각의 두께는 상기 압전 소자 두께의 1/3 내지 1/30이다.
상기 압전층은 적어도 하나의 기공을 포함한다.
상기 내부 전극은 적어도 일 영역의 두께가 다르다.
상기 내부 전극은 상기 압전층 면적의 10% 내지 97%의 면적을 갖는다.
상기 압전층은 시드 조성물을 포함한다.
상기 압전층은 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지는 압전 물질로 형성되는 배향 원료 조성물과, 상기 배향 원료 조성물 내에 분포하며 ABO3(A는 2가의 금속 원소, B는 4가의 금속 원소)의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물을 포함한다.
상기 시드 조성물은 적어도 일 방향으로 1㎛ 내지 20㎛의 길이로 배향된다.
상기 고정 부재는 상기 압전 진동 부재의 측면으로부터 상기 웨이트 부재의 측면 및 상면을 감싸도록 마련된다.
상기 웨이트 부재 상에 마련되어 상기 웨이트 부재를 추가 고정하는 추가 고정 부재와, 상기 압전 소자와 결합된 진동판을 포함하는 상기 압전 진동 부재의 압전 소자의 가장자리와 상기 진동판을 결합하도록 마련된 결합 부재와, 상기 진동판과 접촉되지 않은 압전 소자의 타면 상에 마련된 보강 부재 중 적어도 하나를 더 포함한다.
상기 케이스 내부에 마련된 적어도 하나의 완충 부재를 더 포함한다.
상기 완충 부재는 하부 케이스와 상기 압전 진동 부재 사이에 마련된 제 1 완충 부재와, 상기 압전 진동 부재와 상기 웨이트 부재 사이에 마련된 제 2 완충 부재와, 상기 웨이트 부재와 상부 케이스 사이에 마련된 제 3 완충 부재와, 상기 케이스의 내측면과 상기 웨이트 부재의 측면 사이에 마련된 제 4 완충 부재의 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 전자기기는 하우징 또는 패널에 접촉되도록 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 진동 장치를 적어도 하나 포함한다.
상기 압전 진동 장치의 케이스 내부에 마련된 적어도 하나의 완충 부재를 더 포함한다.
상기 압전 진동 장치는 양면 테이프, 폼 테이프, 실리콘 패드, 나사 및 결합용 핀 중 하나 이상을 이용하여 체결된다.
본 발명의 실시 예들에 따른 압전 진동 장치는 압전 진동 부재 상에 마련되는 웨이트 부재를 압전 진동 부재의 일측에 마련된 고정 부재를 이용하여 고정할 수 있다. 또한, 고정 부재는 웨이트 부재를 감싸도록 마련될 수 있다.
따라서, 웨이트 부재를 접착제를 이용하여 접착 고정하는 종래에 비해 웨이트 부재의 결합력을 향상시킬 수 있으며, 그에 따라 전자기기의 낙하 등의 충격에 의해서도 웨이트 부재가 이탈되지 않도록 할 수 있다. 결국, 강한 충격에 의해서도 압전 진동 장치의 기능을 제대로 구현할 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압전 진동 장치를 설명하기 위한 도면들.
도 6 및 도 7은 본 발명에 이용되는 압전 소자의 일 실시 예에 따른 사시도 및 단면도.
도 8 및 도 9는 본 발명에 이용되는 압전 세라믹 소결체의 특성을 설명하기 위한 도면.
도 10 내지 도 14는 본 발명에 이용되는 압전 세라믹 소결체의 실시 예와 비교 예를 설명하기 위한 도면들.
도 15 및 도 16은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 압전 진동 장치의 분해 사시도 및 단면도.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 다른 실시 예들에 따른 압전 진동 장치의 단면도.
도 20은 본 발명의 다양한 변형 예를 설명하기 위한 개략도.
도 21 및 도 22은 본 발명의 실시 예들에 따른 압전 진동 장치의 전자기기의 결합 방식을 설명하기 위한 개략도.
도 23 내지 도 25는 본 발명의 다른 실시 예들에 따른 압전 진동 장치의 전자기기의 결합 방식을 설명하기 위한 압전 진동 장치의 개략도.
도 6 및 도 7은 본 발명에 이용되는 압전 소자의 일 실시 예에 따른 사시도 및 단면도.
도 8 및 도 9는 본 발명에 이용되는 압전 세라믹 소결체의 특성을 설명하기 위한 도면.
도 10 내지 도 14는 본 발명에 이용되는 압전 세라믹 소결체의 실시 예와 비교 예를 설명하기 위한 도면들.
도 15 및 도 16은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 압전 진동 장치의 분해 사시도 및 단면도.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 다른 실시 예들에 따른 압전 진동 장치의 단면도.
도 20은 본 발명의 다양한 변형 예를 설명하기 위한 개략도.
도 21 및 도 22은 본 발명의 실시 예들에 따른 압전 진동 장치의 전자기기의 결합 방식을 설명하기 위한 개략도.
도 23 내지 도 25는 본 발명의 다른 실시 예들에 따른 압전 진동 장치의 전자기기의 결합 방식을 설명하기 위한 압전 진동 장치의 개략도.
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 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압전 진동 장치의 결합 사시도이고, 도 2는 분해 사시도이다. 또한, 도 3은 분해 단면도이며, 도 4는 부분 사시도이다. 그리고, 도 5는 압전 진동 장치의 일부 영역의 다양한 실시 예에 따른 개략도이다. 또한, 도 6 및 도 7은 본 발명에 이용되는 압전 소자의 일 예에 따른 사시도 및 단면도이고, 도 8은 본 발명에 이용되는 압전 소자의 다른 예에 따른 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압전 진동 장치는 내부에 소정 공간을 마련하는 케이스(1000)와, 케이스(1000)의 내부 공간에 마련되어 진동을 발생시키는 압전 진동 부재(2000)와, 케이스(1000)의 내부 공간에 마련되고 압전 진동 부재(2000)의 일부분에 결합되어 압전 진동 부재(2000)의 진동을 증폭시키는 웨이트(weight) 부재(3000)와, 압전 진동 부재(2000)의 적어도 일 영역에 마련되어 웨이트 부재(3000)를 고정하기 위한 고정 부재(4000)를 포함할 수 있다.
1. 케이스
케이스(1000)는 하부 케이스(1100)와 상부 케이스(1200)를 포함하여 내부에 소정의 공간이 마련될 수 있다. 즉, 하부 케이스(1100)와 상부 케이스(1200)가 결합되어 압전 진동 장치의 외형을 이루며, 내부에 소정의 공간이 마련될 수 있다.
하부 케이스(1100)는 압전 진동 부재(2000) 하측에 마련되어 압전 진동 부재(2000)의 적어도 일부가 내부 공간에 수용되도록 한다. 이러한 하부 케이스(1100)는 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 형상을 따라 내부 공간이 마련될 수 있도록 예를 들어 길이 방향(즉 X 방향)으로 서로 대향되는 두 변이 제 1 길이를 갖고, 이와 직교하는 너비 방향(즉 Y 방향)으로 서로 대향되는 두 변이 제 2 길이를 가지며, 제 1 길이가 제 2 길이보다 긴 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 길이에 대응되는 두 변이 길고, 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 너비에 대응되는 두 변이 짧게 마련될 수 있다. 또한, 하부 케이스(1100)는 길이 방향의 적어도 두 변으로부터 위쪽 방향(즉 Z 방향)으로 소정 높이로 연장 형성될 수 있다. 즉, 하부 케이스(1100)는 대략 직사각형 형태의 평면부(1110)와, 평면부(1110)의 적어도 두 변으로부터 상측으로 연장된 적어도 하나의 측면부(1120)를 포함할 수 있다. 평면부(1110)는 압전 진동 부재(2000)와 소정 간격 이격되어 압전 진동 부재(2000)의 하측을 커버할 수 있다. 측면부(1120)는 평면부(1110)의 가장자리의 적어도 두 영역으로부터 상측으로 연장 형성될 수 있다. 예를 들어, 측면부(1120)는 평면부(1110)의 장변 가장자리로부터 상측 방향으로 연장 형성될 수 있다. 물론, 측면부(1120)는 평면부(1110)의 네 가장자리로부터 상측 방향으로 연장 형성될 수 있다. 여기서, 측면부(1120)가 평면부(1110)의 네 가장자리로부터 연장 형성될 경우 적어도 하나 이상의 영역이 서로 다른 높이로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 측면부(1120) 중에서 장변에 형성된 것이 단변에 형성된 것보다 높게 형성될 수 있다. 이렇게 측면부(1120)가 다양한 형상으로 제작되더라도 상부 케이스(1200)와 결합되어 측면이 커버될 수 있다. 한편, 평면부(1110)의 길이는 압전 진동 부재(2000)의 길이보다 짧을 수 있다. 즉, 압전 진동 부재(2000)는 하부 케이스(1100)의 길이보다 길게 마련될 수 있고, 그에 따라 적어도 일부가 하부 케이스(1100) 외측으로 노출될 수 있다. 물론, 압전 진동 부재(2000)가 하부 케이스(1100)의 길이보다 짧게 마련되어 하부 케이스(1100) 내부에 완전히 수용될 수도 있다. 이와 같이 하부 케이스(1100)의 형상은 다양하게 변형 가능하다.
상부 케이스(1200)은 웨이트 부재(3000) 상측에 마련되어 내부에 웨이트 부재(3000)가 수용되고, 압전 진동 부재(2000)의 적어도 일부가 수용된다. 즉, 웨이트 부재(3000)는 상부 케이스(1200)의 내부에 마련될 수 있고, 압전 진동 부재(2000)는 하부 및 상부 케이스(1100, 1200) 사이의 공간에 마련될 수 있다. 이러한 상부 케이스(1200)는 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 형상을 따라 내부 공간이 마련될 수 있도록 서로 대향되는 두 변이 길고, 이와 직교하는 방향으로 서로 대향되는 두 변이 짧은 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 상부 케이스(1200)는 하부 케이스(1100)와 적어도 일 영역이 동일 형상을 갖도록 길이 방향(즉 X 방향)의 서로 대향되는 두 변이 길고, 너비 방향(즉 Y 방향)으로 서로 대향되는 두 변이 짧은 형상을 가질 수 있다. 또한, 상부 케이스(1200)는 적어도 일 영역에서 아래쪽 방향으로 연장 형성될 수 있다. 즉, 상부 케이스(1200)는 대략 직사각형의 평면부(1210)와, 평면부(1210)의 가장자리로부터 하부 케이스(1100) 방향으로 연장된 제 1 연장부(1220)와, 제 1 연장부(1220)로부터 수평 방향으로 연장된 제 2 연장부(1230)를 포함할 수 있다. 평면부(1210)는 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 길이 방향을 따라 두 변이 길고, 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)의 너비 방향을 따라 두 변이 짧게 마련될 수 있다. 또한, 제 1 연장부(1220)는 평면부(1210)의 두 가장자리로부터 하측으로 연장 형성될 수도 있고, 가장자리의 적어도 일부로부터 하측으로 연장 형성될 수도 있다. 즉, 제 1 연장부(1220)는 평면부(1210)의 단변으로부터 하측으로 연장 형성될 수 있다. 또한, 제 2 연장부(1230)는 제 1 연장부(1220)로부터 수평 방향으로 소정 길이로 연장 형성될 수 있다. 따라서, 상부 케이스(1200)는 너비 방향으로 대향되는 두 영역이 하측 및 수평 방향으로 굴곡진 형상을 가질 수 있다. 이러한 제 2 연장부(1230)는 압전 진동 부재(2000)의 소정 영역과 결합될 수 있다. 한편, 제 2 연장부(1230)의 소정 영역에 개구(1235)가 형성되며, 이에 대응하여 압전 진동 부재(2000)에도 개구(2220)가 형성될 수 있다. 상부 케이스(1200)의 개구(1235)와 압전 진동 부재(2000)의 개구(2220)는 상부 케이스(1200)와 압전 진동 부재(2000)의 정렬을 위해 형성되며, 압전 진동 장치의 조립 후 이를 전자장치에 고정하기 위해 이용될 수 있다. 한편, 상부 케이스(1200)는 평면부(1210)의 길이 방향으로 서로 대향되는 두변, 즉 장변에서 하측으로 연장된 복수의 제 3 연장부(1240)가 형성될 수 있다. 제 3 연장부(1240)는 소정 폭 및 소정의 간격으로 마련될 수 있으며, 하부 케이스(1100)의 측면부(1120)에 접촉될 수 있다. 즉, 하부 케이스(1100)의 측면부(1120)를 외측 또는 내측에서 접촉되도록 상부 케이스(1200)의 제 3 연장부(1240)가 마련될 수 있다. 따라서, 내부에 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)를 수용하고 상부 케이스(1200)의 제 3 연장부(1240)와 하부 케이스(1100)의 측면부(1120)이 접촉되어 하부 케이스(1100)와 상부 케이스(1200)가 결합되어 압전 진동 장치가 구현될 수 있다. 또한, 상부 케이스(1200)는 하부 케이스(1100)와의 사이에 압전 진동 부재(2000) 및 웨이트 부재(3000)를 수용할 수 있도록 제 1 및 제 3 연장부(1220, 1240) 각각의 높이가 웨이트 부재(3000) 및 압전 진동 부재(2000)의 일부 높이보다 클 수 있다. 한편, 하부 케이스(1100) 및 상부 케이스(1200)의 적어도 하나에는 적어도 하나의 홀(미도시)을 형성하여 외부 단자를 연결할 수 있다. 즉, 하부 케이스(1100)의 평면부(1110) 및 상부 케이스(1200)의 평면부(1210)의 적어도 어느 하나에는 적어도 하나의 홀이 형성되어 외부로부터 전원을 공급하기 위한 외부 단자가 인입될 수 있다. 외부 단자는 압전 진동 부재(2000)의 압전 소자(2100)와 연결될 수 있다.
2. 압전 진동 부재
압전 진동 부재(2000)는 진동판(2200)과, 진동판(2200)의 적어도 일면에 마련된 압전 소자(2100)를 포함할 수 있다. 이러한 압전 진동 부재(2000)는 전압 인가에 따라 굽힘 응력이 발생하는 역압전 효과에 의해 진동을 발생시킨다. 즉, 압전 소자(2100)는 인가되는 전압에 따라 수직 방향으로 신축 운동을 하고, 진동판(2200)은 이를 굽힘 변형으로 변형하여 수직 방향으로 진동을 발생시킨다. 여기서, 압전 소자(2100)는 베이스와, 베이스의 적어도 일면 상에 마련된 적어도 하나의 압전층 및 내부 전극을 포함할 수 있다. 이러한 압전 소자(2100)에 대해서는 도 6 및 7 등을 이용하여 추후 더욱 상세히 설명한다. 압전 소자(2100)는 접착제 등을 이용하여 진동판(2200)의 적어도 일면에 부착된다. 이때, 진동판(2200)의 양측이 동일 길이로 잔류하도록 압전 소자(2100)는 진동판(2200)의 중앙부에 부착될 수 있다. 또한, 압전 소자(2100)는 진동판(2200)의 상면에 부착될 수 있고, 진동판(2200)의 하면에 부착될 수도 있으며, 진동판(2200)의 상하 양면에 부착될 수도 있다. 즉, 본 실시 예는 압전 소자(2100)가 진동판(2200)의 하면에 부착되는 경우를 도시하여 설명하고 있지만, 압전 소자(2100)는 진동판(2200)의 상면에 부착될 수도 있고, 진동판(2200)의 상면 및 하면에 부착될 수도 있다. 여기서, 압전 소자(2100)와 진동판(2200)은 접착 이외에 다양한 방법으로 고정될 수 있다. 예를 들어, 진동판(2200)과 압전 소자(2100)를 점착제를 이용하여 점착하고, 진동판(2200)과 압전 소자(2100)의 측면을 접착제 등을 이용하여 접착함으로써 고정할 수도 있다.
진동판(2200)은 금속, 플라스틱 등을 이용하여 제작할 수 있고, 서로 다른 이종의 소재를 적층하여 적어도 2중 구조를 이용할 수 있다. 이러한 압전 소자(2100) 및 진동판(2200)은 대략 직사각형의 판 형상으로 제작된다. 즉, 압전 소자(2100) 및 진동판(2200)은 각각 소정의 길이, 너비 및 두께를 가지고, 서로 대향되는 일면 및 타면을 갖는 형상으로 제작된다. 이때, 진동판(2200)이 압전 소자(2100)보다 길게 제작될 수 있다. 또한, 진동판(2200)은 웨이트 부재(3000)보다 길게 제작될 수 있다. 이러한 압전 진동 부재(2000)는 진동판(2200)의 일면이 압전 소자(2100)의 일면과 접착되고, 진동판(2200)의 타면이 웨이트 부재(3000)의 일부와 접촉된다. 즉, 진동판(2200)의 하면에 압전 소자(2100)가 접착되고, 진동판(2200)의 상면에 웨이트 부재(3000)의 일부가 결합될 수 있다. 또한, 압전 소자(2100)가 진동판(2200)의 상면에 부착되는 경우 압전 소자(2100)와 웨이트 부재(3000)가 접촉되어 결합될 수도 있다. 이때, 압전 진동 부재(2000)와 웨이트 부재(3000)는 접착에 의해 고정될 수 있다. 또한, 진동판(2200)은 압전 소자(2100)와 접착된 영역 이외의 소정 영역이 외측으로 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 압전 소자(2100)와 접착된 영역 외측으로 연장된 연장판(2210)이 형성되고, 연장판(2210)은 상부 케이스(1200)의 제 2 연장부(1230)에 접촉될 수 있다. 다시 말하면, 진동판(2200)은 압전 소자(2100)와 접촉되는 영역 및 상부 케이스(100)의 제 2 연장부(1230)와 접촉되는 영역으로 이루어질 수 있다. 또한, 연장판(2210)에는 상부 케이스(1200)의 제 2 연장부(230)의 개구(1235)와 대응되도록 개구(2220)가 형성될 수 있다. 한편, 진동판(2200) 외측의 결합 영역, 즉 연장판(325)은 다양한 형상으로 마련될 수도 있다. 예를 들어, 하측으로 구부러진 후 다시 상측으로 구부러진 형상을 가질 수도 있고, 굴곡 영역의 외측으로 다시 평탄하게 형성되고, 이 영역이 상부 케이스(1200)의 제 2 연장부(220)에 접촉될 수 있다.
3.
웨이트
부재
웨이트 부재(3000)는 소정의 길이와 너비, 그리고 두께를 갖는 대략 육면체의 형상을 갖는다. 또한, 웨이트 부재(3000)는 압전 진동 부재(2000) 측으로 접촉부(3100)가 형성되고, 접촉부(3100)는 압전 진동 부재(2000)와 접촉된다. 즉, 접촉부(3100)는 압전 진동 부재(2000)의 일면과 대면하는 웨이트 부재(3000)의 두께 방향의 일면의 중앙부에 마련될 수 있으며, 그에 따라 압전 진동 부재(2000)의 중앙부에 접촉될 수 있다. 접촉부(3100)는 수평을 이루도록 평탄하게 마련된 웨이트 부재(3000)의 일면 중앙부에 돌출되어 마련될 수 있고, 웨이트 부재(3000)의 일면이 가장자리로부터 중앙부로 소정 각도로 경사지게 형성되고 중앙부의 가장 높은 부분이 접촉부(3100)가 되어 압전 진동 부재(2000)와 접촉될 수 있다. 이때, 접촉부(3100)와 압전 진동 부재(2000)는 접착 부재 등에 따라 접착되어 고정될 수 있다. 즉, 웨이트 부재(3000)는 접촉부(3100)와 압전 진동 부재(2000) 사이에 접착 부재가 마련되어 웨이트 부재(3000)가 압전 진동 부재(2000)에 1차 고정될 수 있다. 여기서, 접착 부재는 양면 테이프, 쿠션 테이프, 에폭시 본드, 실리콘 본드, 실리콘 패드 등을 포함하는 테이프나 본드류를 이용할 수 있다. 따라서, 접촉부(3100)가 압전 진동 부재(2000)와 접촉되고, 웨이트 부재(3000)의 나머지 영역은 압전 진동 부재(2000)와 이격될 수 있다. 그런데, 접착제의 종류 및 그에 따른 특성에 따라 접착제를 두껍게 도포해야 할 수도 있는데, 접착제 도포 두께에 따라 압전 진동 부재(2000)와 웨이트 부재(3000)의 간격이 멀어지고, 그에 따라 압전 진동 장치의 두께가 증가할 수 있다. 따라서, 접착제가 도포되는 영역, 즉 접촉부(3100)는 접착제의 도포 두께에 따라 내부로 움푹 파인 오목부(미도시)가 형성되고, 오목부 내측에 접착제가 도포될 수 있다. 한편, 접촉부(3100)는 웨이트 부재(3000)의 중앙부에 위치하지 않을 수도 있고 중앙부로부터 20% 이내에서 이동될 수 있다. 그에 따라 진동 주파수 및 변위를 조절할 수 있다. 이렇게 압전 진동 부재(2000)와 결합되는 웨이트 부재(3000)는 압전 진동 부재(2000)의 진동에 의해 그와 함께 진동하면서 자신의 무게를 그 진동에 실어준다. 이렇게 압전 진동 부재(2000)에 웨이트 부재(3000)가 결합되어 웨이트 부재(3000)의 무게가 실리면 진동체의 무게가 늘어난 결과가 되어 압전 진동 부재(2000)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(2000), 웨이트 부재(3000) 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(3000) 없이 압전 진동 부재(2000) 단독으로 구성된 경우 그 진동체의 공진점은 압전 소자(2100)의 고유 진동수에 가깝기 때문에 압전 진동 부재(2000)가 그 공진점에서 최대 진동할 때 압전 소자(2100)에 흐르는 전류값이 상대적으로 높다. 이에 비해, 진동체가 압전 진동 부재(2000)와 웨이트 부재(3000)의 결합체로 구성된 경우, 그 진동체의 공진점은 압전 소자(2100)의 고유 진동수와는 크게 멀어져서 그 진동체가 그 공진점에서 최대 진동을 일으킬 때 압전 소자(2100)에 흐르는 전류값은 상대적으로 낮아진다. 또한, 압전 진동 부재(2000)에 흐르는 전류가 전자의 경우보다 후자의 경우가 낮기 때문에 진동체에 웨이트 부재(3000)를 이용할 경우 전력 소모량을 크게 줄일 수 있다. 한편, 웨이트 부재(3000)의 측면 및 상면에는 고정 부재(4000)가 수용되어 결합되는 수용 홈(3200)이 형성될 수 있다. 즉, 고정 부재(4000)가 접촉되는 웨이트 부재(3000)의 영역에는 오목하게 패인 수용 홈(3200)이 형성되고, 수용 홈(3200) 내에 고정 부재(4000)가 삽입되어 수용될 수 있다. 이러한 수용 홈(3200)은 고정 부재(4000)의 두께 정도의 깊이와 고정 부재(4000)의 폭 정도의 폭으로 형성될 수 있다. 따라서, 고정 부재(4000)가 수용 홈(3200)에 삽입된 후 웨이트 부재(3000)의 측면 및 상면은 고정 부재(4000)와 평면을 이룰 수 있다. 물론, 수용 홈(3200)은 고정 부재(4000)의 두께보다 큰 깊이로 형성될 수도 있고 작은 깊이로 형성될 수도 있다. 그러나, 수용 홈(3200)의 폭은 고정 부재(4000)의 폭으로 형성되고, 그에 따라 웨이트 부재(3000)가 움직이지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 고정 부재(4000)가 수용 홈(3200) 내에 삽입되어 웨이트 부재(3000)를 더욱 견고하게 고정할 수 있다.
4. 고정 부재
고정 부재(4000)는 압전 진동 부재(2000)의 적어도 일 영역으로부터 웨이트 부재(3000)를 감싸도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)의 X 방향의 두 측면, 즉 장변으로부터 연장되어 마련된 제 1 및 제 2 고정 부재(4100, 4200)를 포함할 수 있다. 이러한 고정 부재(4000)는 진동판(2200)과 일체로 마련될 수 있다. 물론, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)과 별도로 제작된 후 진동판(2200)의 일 영역에 용접 등의 방법으로 고정될 수도 있다. 그러나, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)과 일체로 제작되는 것이 바람직하다. 이러한 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)의 측면 및 상면을 감싸도록 형성되어 웨이트 부재(3000)는 압전 진동 부재(2000) 상에 고정시킬 수 있다. 즉, 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)의 측면 및 상면에 접촉되어 꺽어져 웨이트 부재(3000)를 접촉되어 감싸도록 형성될 수 있다. 웨이트 부재(3000)는 압전 진동 부재(2000) 상에 접착제 등에 의해 1차 고정되는데, 고정 부재(4000)가 웨이트 부재(3000)를 감싸 고정함으로써 웨이트 부재(3000)를 더욱 견고하게 고정할 수 있다. 한편, 고정 부재(4000)의 꺽어지는 부분의 적어도 일부는 고정 부재(4000)의 일부가 제거되어 다른 영역보다 폭이 좁거나 얇게 형성될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 진동판(2200)의 측면과 접촉되는 부분에 소정 폭이 제거되어 개구가 형성될 수 있다. 이렇게 고정 부재(4000)의 적어도 일부분이 제거됨으로써 고정 부재(4000)의 꺽임을 용이하게 할 수 있고, 그에 따라 웨이트 부재(3000)를 더욱 밀착하여 고정할 수 있다. 이러한 고정 부재(4000)는 진동판(2200)과 동일 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금속 재질로 형성될 수 있다. 한편, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)의 양측에 한쌍 형성될 수도 있고, 둘 이상 복수의 쌍으로 형성될 수도 있다. 즉, 고정 부재(4000)는 진동판(2200)의 일 측면 및 이와 대향되는 타 측면에 각각 하나씩 형성될 수도 있고, 진동판(2200)의 일 측면 및 이와 대향되는 타 측면에 소정 간격 이격되어 복수 형성될 수도 있다. 고정 부재(4000)가 복수의 쌍으로 형성됨으로써 웨이트 부재(3000)를 복수의 영역에서 고정할 수 있고, 그에 따라 한쌍으로 고정하는 경우에 비해 웨이트 부재(3000)를 더욱 견고하게 고정할 수 있다. 한편, 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)의 길이에 대해 5% 내지 50%의 폭으로 형성될 수 있다. 즉, 고정 부재(4000)의 폭은 웨이트 부재(3000) 길이의 5% 내지 50%로 형성될 수 있다. 이는 하나의 고정 부재(4000)의 폭이 웨이트 부재(3000) 길이의 5% 내지 50%일 수 있고, 복수의 고정 부재(4000)의 폭의 합이 웨이트 부재(3000) 길이의 5% 내지 50%일 수 있다. 또한, 고정 부재(4000)는 서로 맞닿는 부분이 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 제 1 고정 부재(4100)의 일 영역에 돌출부가 마련되고 타 영역에 오목부가 마련되며, 이와 대향되는 제 2 고정 부재(4200)는 제 1 고정 부재(4100)의 돌출부 및 오목부에 각각 대향되어 오목부 및 돌출부가 마련될 수 있다. 또한, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 제 1 고정 부재(4100)에는 예를 들어 중앙부에 오목부가 마련되고 이에 대향되어 제 2 고정 부재(4200)에는 볼록부가 마련될 수 있다. 그리고, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 제 1 고정 부재(4100)에는 둘 이상의 오목부가 마련되고 이에 대향되어 제 2 고정 부재(4200)에는 둘 이상의 볼록부가 마련될 수 있다. 또한, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 고정 부재(4100, 4200)는 각각의 말단이 톱니 모양으로 형성되고 이들이 대향되어 결합될 수 있다. 이렇게 제 1 및 제 2 고정 부재(4100, 4200)의 서로 맞닿는 말단부를 다양한 형상으로 형성함으로써 제 1 및 제 2 고정 부재(4100, 4200)의 대면하는 면적을 증가시킬 수 있고, 그에 따라 웨이트 부재(3000)의 고정력을 더욱 증가시킬 수 있다. 한편, 고정 부재(4000)와 웨이트 부재(3000) 사이, 즉 고정 부재(4000)와 수용 홈(3200) 사이에는 접착제 또는 쿠션재가 마련될 수 있다. 접착제가 마련됨으로써 고정 부재(4000)와 웨이트 부재(3000)의 결합력을 향상시킬 수 있다. 또한, 쿠션재가 마련됨으로써 고정 부재(4000)와 웨이트 부재(3000)의 결합에 의한 충격을 완화시킬 수 있고, 진동에 의한 소음을 감소시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압전 진동 장치는 압전 진동 부재(2000) 상에 마련되는 웨이트 부재(3000)를 압전 진동 부재(2000)의 일측에 마련된 고정 부재(4000)를 이용하여 고정할 수 있다. 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)를 감싸도록 마련될 수 있다. 따라서, 웨이트 부재(3000)를 접착제를 이용하여 접착 고정하는 종래에 비해 웨이트 부재(3000)의 결합력을 향상시킬 수 있으며, 그에 따라 전자기기의 낙하 등의 충격에 의해서도 웨이트 부재(3000)가 이탈되지 않도록 할 수 있다. 결국, 강한 충격에 의해서도 압전 진동 장치의 기능을 제대로 구현할 수 있다.
이어서, 본 발명의 압전 진동 부재(2000)로 이용되는 압전 소자(2100)에 대해 도면을 이용하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 예에 따른 압전 소자의 사시도 및 단면도이고, 도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 에에 따른 압전 소자를 설명하기 위한 도면이다.
2.1. 압전 소자의 일 예
도 6에 도시된 바와 같이, 압전 소자(2100)는 소정의 두께를 갖는 판 형상으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(2100)는 0.1㎜∼1㎜의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 압전 진동 장치의 크기 등에 따라 압전 소자(2100)의 두께는 상기 두께 범위 이하이거나 이상일 수 있다. 또한, 압전 소자(2100)는 대략 사각형의 형상을 가질 수 있는데, 이때 길이가 폭보다 길거나 같을 수 있다. 예를 들어, X 방향으로의 길이와 Y 방향으로의 폭의 비율이 5:5∼9:1일 수 있다. 이때, 압전 소자(2100)는 진동판(2200)보다 작거나 같은 사이즈로 마련될 수 있는데, X 방향으로의 길이가 진동판(2200)의 길이보다 짧거나 같고, Y 방향으로의 폭이 진동판(2200)의 폭보다 짧거나 같도록 마련될 수 있다. 물론, 압전 소자(2100)는 압전 진동 장치의 형태에 따라 원형, 타원형 등 다양한 형상으로 마련될 수 있다.
이러한 압전 소자(2100)는 도 7에 도시된 바와 같이 베이스(2110)와, 베이스(2110)의 적어도 일면 상에 마련된 적어도 하나의 압전층(2120)과, 압전층(2120) 상에 형성된 적어도 하나의 내부 전극(2130)을 포함할 수 있다. 즉, 압전 소자(2100)는 베이스(2110)의 양면에 압전층(2120)이 형성된 바이모프 타입으로 형성될 수도 있고, 베이스(2110)의 일면에 압전층(2120)이 형성된 유니모프 타입으로 형성될 수도 있다. 또한, 변위와 진동력을 증가시키고, 저전압 구동을 가능하게 하기 위해 베이스(2110)의 일면 상에 압전층(2120)을 복수로 적층하고 유니모프 타입으로 형성할 수도 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 베이스(2110)의 일면 및 타면 상에 복수의 압전층(2121 내지 2128; 2120)이 적층 형성되고, 압전층(2120) 사이에 도전층이 형성되어 복수의 내부 전극(2131 내지 2138; 2130)이 형성될 수 있다. 또한, 도전층은 압전층(2120)의 표면에 형성되어 표면 전극(2139)이 형성될 수 있다. 한편, 내부 전극(2130)의 적어도 하나는 베이스(2110)의 표면 상에 형성될 수도 있는데, 이때 베이스(2110)는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 압전 소자(2100)는 내부 전극(2130)과 연결되도록 적층체의 외부에 형성된 외부 전극(2141, 2142; 2140)을 더 포함할 수도 있다.
베이스(2110)는 압전층(2120)이 적층된 구조를 유지하면서 진동이 발생할 수 있는 특성을 갖는 물질을 이용할 수 있다. 예를 들어, 베이스(2110)는 금속, 플라스틱, 절연성 세라믹 등을 이용할 수 있다. 한편, 베이스(2110)는 금속, 플라스틱, 절연성 세라믹 등의 압전층(2120)과 이종의 물질을 이용하지 않을 수 있다. 즉, 베이스(2110)는 분극되지 않은 압전층을 이용하여 마련될 수도 있다. 이때, 베이스(2110)가 분극되지 않은 압전층 또는 금속으로 마련될 경우 베이스(2110)의 표면에는 내부 전극(2130)이 형성되지 않을 수 있다. 베이스(2110)는 압전 소자(2100) 전체 두께 대비 1/3 내지 1/150의 두께로 마련될 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(2100)의 두께가 300㎛일 경우 베이스(2110)의 두께는 2㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 이때, 베이스(2110)의 두께는 압전층(2120) 전체의 두께보다 얇고, 복수로 적층된 압전층(2120) 각각의 두께보다 얇거나 같을 수 있다. 물론, 베이스(2110)의 두께가 압전층(2120) 각각의 두께보다 두꺼울 수도 있다. 그러나, 베이스(2110)가 두꺼울수록 압전층(2120)의 두께가 얇아지거나 압전층(2120)의 적층 수가 적어지므로 압전 현상이 적게 발생할 수 있다. 따라서, 베이스(2110)의 두께는 압전층(2120) 전체의 두께보다 얇고 복수로 이루어진 압전층(2120) 각각의 두께보다 얇거나 같은 것이 바람직하다. 한편, 베이스(2110)는 압전 소자(2100)의 중앙부 뿐만 아니라 상부 또는 하부에 마련될 수 있다. 즉, 베이스(2110)는 압전 소자(2100)의 상부 표면 또는 하부 표면에 마련될 수 있다. 베이스(2110)가 압전 소자(2100)의 일 표면에 마련되면 베이스(2110)의 일면 상에 복수의 압전층(2120) 및 내부 전극(2130)이 적층될 수 있다. 즉, 베이스(2110)가 복수의 압전층(2120) 및 내부 전극(2130)을 형성하기 위한 지지층으로 이용될 수 있다. 또한, 베이스(2110)는 압전 소자(2100) 내부에 둘 이상 마련될 수도 있다. 예를 들어, 베이스(2110)는 압전 소자(2100)의 상부 및 하부에 각각 마련되거나, 압전 소자(2100)의 상부, 중앙부 및 하부에 각각 마련될 수도 있다. 물론, 압전 소자(2100)의 상부 및 하부의 어느 하나와 중앙부에 베이스(2110)가 마련될 수도 있다. 한편, 압전 소자(2100)의 상부 및 하부에 마련되는 베이스(2110)는 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 절연성 베이스(2110)에 의해 표면 전극(2139) 및 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다. 즉, 절연성 베이스(2110)가 표면 전극(2139)를 덮도록 마련될 수 있고, 절연성 베이스(2110)에 의해 산소 또는 수분 등의 침투가 방지되어 표면 전극(2139) 및 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다. 이렇게 둘 이상의 베이스(2110)가 마련되는 경우에도 베이스(2110)의 전체 두께는 압전층(2120) 전체 두께보다 얇은 것이 바람직하다.
압전층(2120)은 예를 들어 PZT(Pb, Zr, Ti), NKN(Na, K, Nb), BNT(Bi, Na, Ti) 계열의 압전 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 그러나, 압전층(2120)은 이러한 물질에 한정되지 않고 다양한 압전 물질을 이용할 수 있다. 즉, 압전층(2120)은 압력을 가하면 전압이 발생하고, 전압을 가하면 압력 변화로 인한 부피나 길이의 증감이 발생하는 다양한 종류의 압전 물질을 이용할 수 있다. 한편, 압전층(2120)은 적어도 일 영역에 형성된 적어도 하나의 기공(미도시)을 포함할 수 있다. 이때, 기공은 적어도 하나의 크기 및 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 기공은 불규칙한 형상 및 크기로 불규칙하게 분포될 수 있다. 또한, 압전층(2120)은 적어도 일 방향으로 분극될 수 있다. 예를 들어, 인접한 두 압전층(2120)이 서로 다른 방향으로 분극될 수 있다. 즉, 서로 다른 방향으로 분극된 복수의 압전층(2120)이 교대로 적층될 수 있다. 예를 들어, 제 1, 제 3, 제 6 및 제 8 압전층(2121, 2123, 2126, 2128)이 하측 방향으로 분극되고, 제 2, 제 4, 제 5 및 제 7 압전층(2122, 2124, 2125 및 2127)이 상측 방향으로 분극될 수 있다.
내부 전극(2130)은 외부로부터 인가되는 전압을 압전층(2120)에 인가하기 위해 마련될 수 있다. 즉, 내부 전극(2130)은 압전층(2120)의 분극을 위한 제 1 전원 및 압전층(2120)의 구동을 위한 제 2 전원을 압전층(2120)에 인가할 수 있다. 분극을 위한 제 1 전원 및 구동을 위한 제 2 전원은 외부 전극(2140)을 통해 내부 전극(2130)으로 인가될 수 있다. 이러한 내부 전극(2130)은 압전 소자(2100) 외부에 형성된 외부 전극(2140)과 교대로 연결되도록 형성될 수 있다. 즉, 제 1, 제 3, 제 5 및 제 7 내부 전극(2131, 2133, 2135, 2137)은 제 1 외부 전극(2141)과 연결되고, 제 2, 제 4, 제 6 및 제 8 내부 전극(2132, 2134, 2136, 2138)은 제 2 외부 전극(2142)과 연결될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)은 도전성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 Al, Ag, Au, Pt, Pd, Ni, Cu 중 어느 하나 이상의 성분을 포함하는 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다. 합금의 경우 예를 들어 Ag와 Pd 합금을 이용할 수 있다. 한편, Al은 소성 중 표면에 알루미늄 옥사이드(Al2O3)가 형성되고 내부는 Al을 유지할 수 있다. 즉, Al을 압전층(2120) 상에 형성할 때 공기와 접촉하게 되는데, 이러한 Al은 이후 공정에서 표면이 산화되어 Al2O3가 형성되고, 내부는 Al을 그대로 유지한다. 따라서, 내부 전극(2130)은 표면에 다공성의 얇은 절연층인 Al2O3로 피복된 Al로 형성될 수 있다. 물론, Al 이외에 표면에 절연층, 바람직하게는 다공성의 절연층이 형성되는 다양한 금속이 이용될 수 있다. 한편, 내부 전극(2130)은 예를 들어 1㎛∼10㎛의 두께로 형성될 수 있다. 여기서, 내부 전극(2130)은 적어도 일 영역의 두께가 다르게 형성될 수도 있고, 적어도 일 영역이 제거되어 형성될 수 있다. 즉, 동일 내부 전극(2130)은 적어도 일 영역의 두께가 불균일하여 다른 영역보다 얇거나 두껍게 형성될 수도 있고, 적어도 일 영역이 제거되어 압전층(2120)이 노출되도록 형성될 수도 있다. 그러나, 내부 전극(2130)의 적어도 일 영역의 두께가 얇거나 적어도 일 영역이 제거되더라도 전체적으로 연결된 상태를 유지하므로 전기 전도성에는 전혀 문제가 발생되지 않는다. 또한, 다른 내부 전극(2130)은 동일 영역에서 서로 다른 두께로 형성되거나 서로 다른 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 복수의 내부 전극(2130) 중에서 수직 방향으로 소정의 길이 및 폭에 해당하는 동일 영역의 적어도 하나의 내부 전극(2130)이 다른 내부 전극(2130)과는 다른 두께로 형성될 수 있고, 다른 형상으로 형성될 수 있다. 여기서, 다른 형상은 오목하거나 볼록하거나 패인 형상 등으로 포함할 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)은 X 방향의 길이 및 Y 방향의 폭이 압전 소자(2100)의 길이 및 폭보다 작게 형성될 수 있다. 즉. 내부 전극(2130)은 압전층(2120)의 길이 및 폭보다 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, 내부 전극(2130)은 압전층(2120)의 길이의 10% 내지 97%의 길이와 10% 내지 97%의 폭으로 형성될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)은 압전층(2120) 각각의 면적 대비 10% 내지 97%의 면적으로 각각 형성될 수 있다. 한편, 압전 소자(2100)는 내부 전극(2130) 사이의 거리가 전체 두께 대비 1/3 내지 1/30일 수 있다. 즉, 내부 전극(2130) 사이의 압전층(2120) 각각의 두께는 압전 소자(2100) 전체 두께의 1/3 내지 1/30일 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(2100) 두께가 300㎛일 경우 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120) 각각의 두께는 10㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120)의 두께에 의해 구동 전압이 변경될 수 있으며, 내부 전극(2130) 사이의 거리가 가까울수록 구동 전압은 감소될 수 있다. 그런데, 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120)의 두께가 압전 소자(2100) 전체 두께의 1/3을 초과할 경우 구동 전압이 증가하게 되고, 그에 따라 높은 구동 전압을 생성하기 위한 고비용의 구동 IC가 필요하게 되어 원가 상승의 원인이 될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120)의 두께가 압전 소자(2100) 전체 두께의 1/30 미만이면 공정상 두께 편차 발생 빈도가 높고 그에 따라 압전층(2120)의 두께가 일정하지 않아 특성 저하의 문제가 발생될 수 있다.
외부 전극(2140)은 압전층(2120)의 구동 전압을 인가하기 위해 형성될 수 있다. 이를 위해 외부 전극(2140)은 적층체의 적어도 일 표면에 형성되며, 내부 전극(2130)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 외부 전극(2140)은 X 방향, 즉 길이 방향으로 적층체의 대향되는 두 면에 각각 형성될 수 있다. 물론, 외부 전극(2140)은 서로 대향되는 두 면과, 이와 인접한 적어도 한 면에 연장 형성될 수 있다. 또한, 외부 전극(2140)은 적층체를 관통하여 적층체 내부로 형성될 수도 있다. 이러한 외부 전극(2140)은 인쇄, 증착, 스퍼터링, 도금 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있으며, 적어도 하나의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 외부 전극(2140)은 적층체와 접촉되는 제 1 층이 도전성 페이스트를 이용한 인쇄 방법으로 형성되고, 그 상부에 제 2 층이 도금 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)과 연결되는 외부 전극(2140)의 적어도 일부 영역은 내부 전극(2130)과 동일 재질의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 내부 전극(2130)이 구리로 형성되고, 적층체의 표면에 형성되며 내부 전극(2140)과 접촉되는 외부 전극(2130)의 제 1 층이 구리로 형성될 수 있다.
2.2. 압전 소자의 다른 예
한편, 압전층(2120)은 압전 물질로 형성되는 배향 원료 조성물과, 배향 원료 조성물 내에 분포하며 ABO3(A는 2가의 금속 원소, B는 4가의 금속 원소)의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물을 포함하는 압전 세라믹 조성물을 소결하여 형성된 압전 세라믹 소결체를 이용할 수도 있다. 즉, 압전 소자(2100)는 베이스(2110)과, 베이스(2110)의 적어도 일면 상에 형성된 압전층(2120) 및 내부 전극(2130)을 포함하며, 압전층(2120)이 시드 조성물을 포함하는 압전 세라믹 소결체를 포함할 수 있다. 여기서, 배향 원료 조성물은 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지는 압전 물질로 형성될 수 있다. 또한, 배향 원료 조성물은 페로브스카이트 결정 구조와 다른 결정 구조를 가지는 물질이 고용체를 형성하는 조성물을 이용할 수 있는데, 예를 들어 정방정계 구조를 가지는 PbTiO3[PT]와 능면체 구조를 가지는 PbZrO3[PZ]가 고용체를 형성하는 PZT계 물질을 이용할 수 있다.
그리고, 배향 원료 조성물은 PZT계 물질에 릴랙서(relaxor)로서 Pb(Ni,Nb)O3[PNN], Pb(Zn,Nb)O3[PZN] 및 Pb(Mn,Nb)O3[PMN] 중 적어도 하나를 고용한 조성물을 사용하여 PZT계 물질의 특성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, PZT계 물질에 PZN계 물질과 PNN계 물질을 이용하여 높은 압전 특성과 낮은 유전율 및 소결 용이성을 갖는 PZNN계 물질을 릴랙서로서 고용하여 배향 원료 조성물을 형성할 수 있다. PZT계 물질에 PZNN계 물질을 릴랙서로서 고용한 배향 원료 조성물은 (1-x)Pb(Zr0.47Ti0.53)O3-xPb((Ni1-yZny)1/3Nb2/3)O3의 조성식을 가질 수 있다. 여기서, x는 0.1<x<0.5 범위 내의 값을 가질 수 있으며, 바람직하게는 0.30≤x≤0.32 범위 내의 값을 가질 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.31의 값을 가질 수 있다. 또한, y는 0.1<y≤0.9 범위 내의 값을 가질 수 있으며, 바람직하게는 0.39≤y≤0.41 범위 내의 값을 가질 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.40의 값을 가질 수 있다.
압전 세라믹 소결체의 경우 상 공존 경계(Morphotropic Phase Boundary: MPB) 영역에서 압전 특성의 급격한 향상이 나타나므로 압전 특성 향상을 위하여 MPB 부근의 조성을 찾아야 한다. 시드 조성물을 첨가하여 소결되는 배향 원료 조성물의 조성은 시드 조성물이 첨가되지 않았을 때와 다른 상을 가지게 되고, 시드 조성물의 첨가량에 따라 새로운 MPB 조성을 형성함으로써 우수한 압전 특성을 유도할 수 있다. 이러한 MPB 조성은 배향 원료 조성물의 x 값과 y 값을 변화시켜 조절 가능하며, 상기와 같이 x가 0.31의 값을 가지고, y가 0.40의 값을 가지는 경우 가장 높은 압전 특성 및 유전 특성을 가지므로 가장 바람직하게 된다.
또한, 배향 원료 조성물은 납(Pb)을 포함하지 않는 무연계 압전 물질을 사용할 수도 있다. 이와 같은 무연계 압전 물질로는 Bi0 .5K0. 5TiO3, Bi0 . 5Na0 . 5TiO3, K0. 5Na0 . 5NbO3, KNbO3, NaNbO3, BaTiO3, (1-x)Bi0 . 5Na0 . 5TiO3-xSrTiO3, (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBaTiO3, (1-x)K0. 5Na0 . 5NbO3-xBi0 . 5Na0 . 5TiO3, BaZr0 . 25Ti0 . 75O3 등 중에서 선택된 적어도 하나의 압전 물질을 포함하는 무연계 압전 물질일 수 있다.
시드 조성물은 ABO3의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는데, ABO3는 배향성을 갖는 판 형상의 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가지는 산화물로 A는 2가의 금속 원소로 이루어지며, B는 4가의 금속 원소로 이루어진다. ABO3의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물은 CaTiO3, BaTiO3, SrTiO3, PbTiO3 및 Pb(Ti,Zr)O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이 중 BaTiO3를 시드 조성물로 사용하는 경우 압전 성능을 향상시킬 수 있다. 시드 조성물로 BaTiO3를 사용하는 경우, BaTiO3는 오르빌리우스(aurivillius) 판상 구조체인 Bi4Ti3O12를 염용융 합성법으로 합성하고, 구조 화학적 미세 결정 치환(TMC: Topochemical Microcrystal Conversion)을 통하여 치환하여 제조될 수 있다. 여기서, 시드 조성물은 배향 원료 조성물에 대하여 1vol% 내지 10vol%의 부피비로 포함될 수 있다. 시드 조성물이 배향 원료 조성물에 대하여 1vol% 미만으로 포함되면 시드 조성물에 의하여 결정 배향성이 향상되는 효과가 미미하며, 10 vol%를 초과하여 포함되면 압전 세라믹 소결체의 압전 성능이 저하된다. 여기서, 시드 조성물이 배향 원료 조성물에 대하여 10 vol%로 포함되는 경우 변위(strain)량이 극대화되고 최적의 압전 특성을 나타낼 수 있다.
상기와 같이 배향 원료 조성물 및 시드 조성물을 포함하는 압전 세라믹 조성물은 판상 입형 성장법(TGG: Templated Grain Growth)에 의하여 시드 조성물과 동일한 방향성을 가지며 성장하게 된다. 즉, 압전 세라믹 소결체는, 예를 들어 0.69Pb(Zr0.47Ti0.53)O3-0.31Pb((Ni0.6Zn0.4)1/3Nb2/3)O3의 조성식을 가지는 배향 원료 조성물에 BaTiO3를 시드 조성물로 사용함으로써 1000℃ 이하의 낮은 온도에서도 소결이 가능할 뿐만 아니라, 결정 배향성을 향상시키고, 전기장에 따른 변위량을 극대화할 수 있어 단결정 물질과 유사한 높은 압전 특성을 가지게 된다. 즉, 배향 원료 조성물에 결정 배향성을 향상시키는 시드 조성물을 첨가하고 이를 소결하여 압전 세라믹 소결체를 제조함으로써, 전기장에 따른 변위량을 극대화하고, 압전 특성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 압전 세라믹 소결체는 로트게링 배향도(Lotgering factor)가 85% 이상의 값을 가질 수 있다.
도 8의 (a)는 로트게링 배향도 별 전기장에 따른 변형률을 나타내는 그래프이고, 도 8의 (b)는 로트게링 배향도 별 변형률의 증가율을 도시한 표이다. 또한, 도 9는 로트게링 배향도에 따른 압전 상수(d33)를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 압전 세라믹 소결체는 로트게링 배향도가 높은 값을 가질 수록 변형률이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 결정 배향이 이루어지지 않은 압전 세라믹 소결체(Normal)의 경우 전기장에 따른 변형률은 0.165%의 값을 가진다. 이러한 압전 세라믹 소결체에 대하여 판상 입형 성장법에 의하여 결정 배향성을 증가시키는 경우, 63%의 로트게링 배향도 값을 가지는 압전 세라믹 소결체에서는 변형률이 0.106%로 약 35.76% 감소하나, 로트게링 배향도 값이 75%, 85%, 90%의 값으로 증가함에 따라 변형률도 0.170%, 0.190%, 0.235% 값으로 증가하는 것을 알 수 있다.
압전 세라믹 소결체의 로트게링 배향도는, 최대값인 100%에 대하여 85% 이상의 값을 가지는 경우 전기장에 따른 변형률의 증가율이 급격하게 증가한다. 즉, 압전 세라믹 소결체의 로트게링 배향도가 75%에서 85%로 증가하는 경우 변형률의 증가율은 약 12%의 값을 가지나, 로트게링 배향도가 85%에서 90%로 증가하는 경우 변형률의 증가율은 약 27%의 값을 가지게 되어 약 4배 이상의 증가율을 보임을 알 수 있다.
또한, 압전 세라믹 소결체는 로트게링 배향도가 85% 이상의 값을 가지는 경우 압전 상수(d33)의 값이 급격하게 증가한다. 압전 상수(d33)는 재료에 압력을 가했을 때 압력 방향으로 발생한 전하의 양을 나타내는 것으로 압전 상수(d33)가 높은 값을 가질수록 감도가 좋은 고정밀의 압전 소자를 제조할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 압전 세라믹 소결체의 로트게링 배향도가 75%에서 85%로 증가하는 경우 압전 상수(d33)는 345 pC/N에서 380 pC/N으로 약 35 pC/N 증가함을 알 수 있다. 그러나, 압전 세라믹 소결체의 로트게링 배향도가 85%에서 90%로 증가하는 경우 압전 상수(d33)는 380 pC/N에서 430 pC/N으로 약 50 pC/N 증가하게 되어, 3배 이상의 증가율을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 압전 세라믹 소결체의 경우, 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지는 압전 물질로 형성되는 배향 원료 조성물과 상기 배향 원료 조성물 내에 분포하며, ABO3(A는 2가의 금속 원소, B는 4가의 금속 원소)의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물에 의하여 압전 세라믹 소결체를 제조함으로써 85% 이상의 로트게링 배향도(Lotgering factor)를 가지는 압전 세라믹 소결체를 제조하고, 향상된 변형률과 높은 감도를 가지는 압전 소자를 제조할 수 있게 된다.
이러한 본 발명에 따른 시드 조성물이 포함된 압전층의 특성(실시 예)을 시드 조성물이 포함되지 않은 압전층의 특성(비교 예)과 비교하였다. 실시 예를 위해 순도 98% 이상의 PbO, ZrO2, TiO2, ZnO, NiO, Nb2O5 분말을 이용하여 0.69Pb(Zr0.47Ti0.53)O3-0.31Pb((Ni0.6Zn0.4)1/3Nb2/3)O3의 배향 원료 조성물을 합성하였다. 또한, 오르빌리우스 판상 구조체인 Bi4Ti3O12를 염용융 합성법으로 합성하고, 구조 화학적 미세 결정 치환을 통하여 BaTiO3 시드 조성물을 합성하였다. 이러한 배향 원료 조성물에 시드 조성물이 10vol% 포함되도록 혼합하고 사출 및 성형하여 압전 시편을 제조하였다. 또한, 압전 시편을 분당 5℃로 승온하여 950℃에서 10시간 동안 소결 공정을 진행하였다. 이에 비해, 비교 예는 시드 조성물로서 BaTiO3를 첨가하지 않은 점에서만 차이가 있을 뿐 실시 예와 동일하게 제조되었다. 즉, 비교 예는 BaTiO3를 투입하지 않아 시드 조성물이 없는 압전 시편을 제조하였다.
도 10은 비교 예와 실시 예의 압전 세라믹 소결체 즉, 비교 예의 압전 시편(ⓐ)과 실시 예의 압전 시편(ⓑ)의 표면 X선 회절 패턴들을 각각 나타내는 그래프이다. 본 그래프에서의 배향 정도는 로트게링 배향도(Lotgering factor)의 계산식에 따라 계산하였으며, 로트게링 배향도를 계산하는 계산식 및 구체적 과정에 대한 설명은 생략하기로 한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 비교 예의 압전 시편(ⓐ)은 표면에서 모든 결정 방향으로 성장되었으며, 특히 (110) 평면의 법선 방향으로 결정이 두드러지게 성장하였음을 알 수 있다. 반면, 실시 예의 압전 시편(ⓑ)은 표면에서 (001) 평면의 법선 방향 및 동일한 방향을 가지는 (002) 평면의 법선 방향으로만 결정이 성장되어 있음을 알 수 있으며, 비교 예의 (110) 평면의 법선 방향으로는 결정 성장이 억제되어 있다. 또한, 본 그래프의 높이는 X선 피크의 강도를 나타내며, 각 X선 피크 강도로부터 실시 예의 압전 시편(ⓑ)의 경우 로트게링 배향도가 95.3%의 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 이를 통하여 시드 조성물이 포함된 압전 세라믹 소결체는 (001) 방향으로 배향 성장되어 결정 배향성이 현저하게 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 11은 압전 세라믹 소결체의 스캔 전자 현미경 이미지를 나타내는 이미지이다. 즉, 도 11의 (a)는 비교 예에 의하여 제조된 압전 시편의 단면 이미지이고, 도 11의 (b)는 실시 예에 의하여 제조된 압전 시편의 단면 이미지이다. 도 11의 (a)에 나타난 바와 같이, 시드 조성물이 첨가되지 않은 압전 세라믹 소결체의 경우 입자가 육각형의 형상으로 성장되었음을 알 수 있다. 이는 결정이 다수의 평면 방향으로 각각 성장하는 도 10의 결과와도 일치한다. 반면, 도 11의 (b)에 나타난 바와 같이 시드 조성물이 첨가된 압전 세라믹 소결체는 수평 위치된 시드 조성물(도 11의 (b)의 검은색 영역)에 의하여 사각형의 형상으로 성장되어 결정 배향성이 향상되었음을 확인할 수 있다.
또한, 도 12는 압전 세라믹 소결체를 압전층으로 이용한 압전 소자의 단면 이미지이다. 즉, 도 12의 (a)는 비교 예에 따른 압전 세라믹 소결체를 압전층으로 이용한 압전 소자의 단면 이미지이고, 도 12의 (b)는 실시 예에 따른 압전 세라믹 소결체를 압전층으로 이용한 압전 소자의 단면 이미지이다. 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이 실시 예를 이용한 압전 소자는 시드 조성물(도 12의 (b)의 검은색 영역)이 존재하고, 도 12의 (a)에 도시된 바와 같이 비교 예를 이용한 압전 소자는 시드 조성물이 존재하지 않음을 알 수 있다. 이때, 시드는 적어도 일 방향으로 1㎛∼20㎛의 길이로 배향된다. 즉, 시드의 배향 정도가 일 방향 및 이와는 다른 적어도 하나의 타 방향으로 각각 1㎛∼20㎛ 정도 배향될 수 있으며, 바람직하게는 6㎛∼20㎛ 정도 배향될 수 있다.
도 13은 실시 예와 비교 예에 따른 압전 세라믹 소결체를 압전층으로 이용한 압전 소자를 구비하는 압전 진동 부재의 최대 진동 가속도를 비교한 그래프이며, 이를 [표 1]에 나타내었다. 그리고, 도 14의 (a) 및 (b)는 비교 예 및 실시 예에 따른 110V 전압 인가 시 진동 가속도에서의 주파수를 나타내었다.
| 80V | 90V | 100V | 110V | ||
| 진동 가속도[G] | 비교 예 | 5.5 | 6.1 | 6.7 | 7.2 |
| 실시 예 | 6.5 | 7.5 | 8.3 | 8.9 | |
도 13 및 [표 1]에 나타낸 바와 같이 시드 조성물이 첨가된 경우 실시 예의 경우 시드 조성물이 첨가되지 않은 비교 예의 경우에 비해 동일 전압에서 진동 가속도를 향상시킬 수 있다. 즉, 110V를 예로 들면 실시 예는 비교 예에 비해 24% 정도 진동 가속도가 증가하게 된다. 따라서, 시드 조성물이 첨가된 압전층을 이용하는 경우 시드 조성물이 첨가되지 않은 압전층을 이용하는 경우에 비해 압전 진동 부재의 진동력을 증가시킬 수 있다. 즉, 동일 사이즈를 갖는 압전 진동 부재에서 시드 조성물이 첨가된 압전층을 이용하면 진동력을 더 증가시킬 수 있다. 또한. 도 13 및 [표 1]에 나타낸 바와 같이 실시 예는 동일 진동 가속도를 갖기 위한 구동 전압을 낮출 수 있다. 즉, 비교 예는 100V에서 6.7G의 진동 가속도를 나타내데, 실시 예는 80V에서 6.5G의 진동 가속도를 나타내므로 동일 진동 가속도를 갖기 위해 실시 예는 비교 예보다 적은 전압을 인가할 수 있다. 그리고, 도 14에 나타낸 바와 같이 실시 예의 경우 주파수 특성도 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 도 14의 (a)에 도시된 바와 같이 비교 예의 경우 4G의 진동 가속도에서 주파수가 약 240㎐∼280㎐이고, 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이 실시 예의 경우 4G의 진동 가속도에서 주파수가 약 240㎐∼280㎐이다. 따라서, 실시 예의 경우 비교 예보다 동일 진동 가속도에서 주파수 범위가 더 넓어지게 된다. 결국, 시드 조성물을 첨가한 압전층을 이용하게 되면 시드 조성물을 첨가하지 않은 경우에 비해 진동 가속도를 증가시킬 수 있고, 그에 따라 진동력을 향상시킬 수 있다. 또한, 구동 전압을 낮출 수 있고, 주파수 범위를 넓힐 수 있다.
다른 실시 예
도 15 및 도 16은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 압전 진동 장치의 분해 사시도 및 분해 단면도이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 압전 진동 장치는 내부에 소정 공간이 마련되도록 결합되는 하부 및 상부 케이스(1100, 1200)와, 하부 및 상부 케이스(1100, 1200) 사이의 내부 공간에 마련되어 진동을 발생시키는 압전 진동 부재(2000)와, 하부 및 상부 케이스(1100, 1200) 사이의 내부 공간에 마련되고 압전 진동 부재(2000)의 일부분에 결합되어 압전 진동 부재(2000)의 진동을 증폭시키는 웨이트(weight) 부재(3000)와, 압전 진동 부재(2000)의 적어도 일 영역에 마련되어 웨이트 부재(3000)를 고정하기 위한 고정 부재(4000)와, 외부 충격에 의한 손상 및 파손을 방지하기 위한 적어도 하나의 완충 부재(5000)를 포함할 수 있다.
완충 부재(5000)는 외부 충격에 의한 손상 및 파손을 방지하기 위해 마련될 수 있으며, 하부 케이스(1100)와 상부 케이스(1200) 사이의 내부 공간에 적어도 하나 마련될 수 있다. 예를 들어, 완충 부재(5000)는 하부 케이스(1100)와 압전 진동 부재(2000) 사이에 마련된 제 1 완충 부재(5100)와, 압전 진동 부재(2000)와 웨이트 부재(3000) 사이에 마련된 제 2 완충 부재(5200)와, 웨이트 부재(3000)와 상부 케이스(1200) 사이에 마련된 제 3 완충 부재(5300)의 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 즉, 완충 부재(5000)는 하부 케이스(1100)와 압전 진동 부재(2000) 사이, 압전 진동 부재(2000)와 웨이트 부재(3000) 사이, 그리고 웨이트 부재(3000)와 상부 케이스(1200) 사이 등에 마련될 수 있다. 여기서, 제 1 완충 부재(5100)는 하부 케이스(1100) 상에 고정되며 압전 진동 부재(2000)와 소정 간격 이격될 수 있고, 제 2 완충 부재(5200)는 압전 진동 부재(2000) 상에 고정되며 웨이트 부재(3000)와 소정 간격 이격될 수 있으며, 제 3 완충 부재(5300)는 웨이트 부재(3000) 상에 고정되며 상부 케이스(1200)와 소정 간격 이격될 수 있다. 물론, 제 1 완충 부재(5100)는 하부 케이스(1100)와 대면하는 압전 진동 부재(2000) 상에 고정될 수도 있고, 제 2 완충 부재(5200)는 웨이트 부재(3000)와 대면하는 압전 진동 부재(2000) 상에 고정될 수도 있으며, 제 3 완충 부재(5300)는 웨이트 부재(3000)와 대면하는 상부 케이스(1200) 상에 고정될 수도 있다. 또한, 완충 부재(5000)는 하부 케이스(1100)의 측면과 웨이트 부재(3000) 사이 및/또는 압전 진동 부재(2000) 사이에 마련될 수도 있다. 즉, 케이스의 내측면과 웨이트 부재(3000) 사이 및/또는 압전 진동 부재(2000) 사이에 마련된 제 4 완충 부재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 한편, 제 2 및 제 3 완충 부재(5200, 5300)은 각각 둘 이상 마련될 수도 있다. 또한, 제 1 완충 부재(5100)의 크기, 즉 길이 및 너비는 제 2 및 제 3 완충 부재(5200, 5300) 각각의 크기보다 클 수 있다. 이러한 완충 부재(5000)는 고무, 포론, 실리콘 등으로 마련될 수 있다. 또한, 완충 부재(5000)는 소정의 복원력 또는 탄성력을 갖도록 마련될 수 있다. 이렇게 완충 부재(5000)가 마련됨으로써 압전 진동 장치의 내부로 가해지는 충격을 완화시킬 수 있으며, 그에 따라 외부 충격에 의해서도 압전 진동 장치 내부 구성의 충돌을 방지할 수 있다.
한편, 압전 진동 장치의 내부로 가해지는 충격에 의해 압전 진동 부재(2000)가 파손될 수 있다. 즉, 압전 소자(2100)와 진동판(2200)이 결합된 압전 진동 부재(2000)는 외부 충격에 약하여 압전 소자(2100)와 진동판(2200)이 분리될 수 있다. 따라서, 압전 진동 부재(2000)의 결합력을 증대시켜 압전 진동 부재(2000)의 파손을 방지할 수 있다. 이를 위한 본 발명의 다른 실시 예들을 도 17 및 도 18에 도시하였다.
도 17에 도시된 바와 같이, 진동판(2200)과 압전 소자(2100) 사이에 결합 부재(6100)가 마련될 수 있다. 즉, 길이 방향(즉 X 방향)으로 압전 소자(2100)의 가장자리의 소정 폭을 덮고 진동판(2200)의 소정 폭을 덮도록 결합 부재(6100)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(2100)의 양측 가장자리로부터 각각 10%의 길이 또는 면적을 덮고, 진동판(2200) 상에 압전 소자(2100) 상에 형성된 길이 또는 면적과 같거나 다르도록 결합 부재(6100)가 형성될 수 있다. 이때, 결합 부재(6100)가 형성된 길이 또는 면적이 크면 압전 소자(2100) 및 진동판(6200)의 진동 발생량이 적어질 수 있고, 작으면 충격 완화 효과가 미미할 수 있으므로 양측 가장자리로부터 각각 5% 내지 20%의 길이 또는 면적으로 형성될 수 있다. 이러한 결합 부재(6100)는 에폭시, 고무 등의 재질로 형성될 수 있다.
또한, 도 18에 도시된 바와 같이, 압전 소자(2100)의 소정 영역과 진동판(2200)을 감싸도록 밴드 타입의 결합 부재(6200)가 마련될 수도 있다. 밴드 타입의 결합 부재(6200)는 실리콘, 고무, 플라스틱 등이 재질로 형성될 수 있다. 밴드 타입의 결합 부재(6200)를 이용할 경우 도 17에 도시된 결합 부재(6100)보다 결합력을 크게 증대시킬 수 있어 결합 부재(6100)보다 적은 영역에 형성되면서 결합 부재(6100)와 같거나 큰 결합 효과를 얻을 수 있다. 한편, 결합 부재(6100, 6200)가 형성됨으로써 완충 부재(5000)가 형성되지 않을 수도 있고, 완충 부재(5000)가 형성되고 결합 부재(6100, 6200)가 형성될 수도 있다.
상기한 바와 같이 충격에 약한 압전 진동 부재(2000)의 소정 영역에 결합 부재(6100, 6200)를 형성함으로써 압전 진동 부재(2000)의 결합력을 증대시키고, 그에 따라 충격에 의한 압전 진동 부재(2000)의 파손을 방지할 수 있다. 즉, 충격에 약한 압전 소자(2100)와 진동판(2200)을 견고하게 결합하도록 결합 부재(6100, 6200)를 형성함으로써 충격에 의한 압전 진동 부재(2000)의 파손을 방지할 수 있다.
한편, 도 19에 도시된 바와 같이, 압전 진동 부재(2000)의 소정 영역에 보강 부재(7000)가 마련될 수 있다. 예를 들어, 보강 부재(7000)는 진동판(2200)에 접촉되지 않은 압전 소자(2100)의 타면 상에 마련될 수 있다. 즉, 압전 소자(2100)의 일면은 진동판(2200)에 접촉되고, 압전 소자(2100)의 타면에 보강 부재(7000)가 마련될 수 있다. 이러한 보강 부재(7000)는 압전 소자(2100)의 강성을 보완하기 위해 마련될 수 있다. 이를 위해 보강 부재(7000)는 금속, 폴리머, 탄소 섬유 등의 재질로 마련될 수 있고, 압전 소자(2100)의 크기와 같거나 이보다 작은 크기로 마련될 수 있다. 또한, 보강 부재(7000)는 소정 두께의 판 형상으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 보강 부재(7000)는 압전 소자(2100)의 두께와 같거나 다른 두께로 마련될 수 있다. 물론, 보강 부재(7000)는 압전 소자(2100)의 형상과 같은 형상, 즉 직사각형 형상으로 마련될 수도 있고, 정사각형, 마름모, 평행사변형, 타공 등의 다양한 형상으로 마련될 수 있다. 또한, 보강 부재(7000)는 압전 소자(2100)의 타면 상에 복수의 영역에 마련될 수 있다. 즉, 보강 부재(7000)는 압전 소자(2100)의 원하는 강성을 확보하기 위해 다양한 재질을 이용하여 다양한 형상 및 크기로 마련될 수 있다. 또한, 보강 부재(7000)는 에폭시 등의 접착제를 이용한 본딩이나 테이프 등으로 부착할 수 있다.
도 20은 본 발명의 다양한 변형 예를 설명하기 위한 개략도로서, 고정 부재(4000)를 이용하여 웨이트 부재(3000)의 다양한 고정 방법의 변형 예를 설명하기 위한 개략도이다. 도 20은 압전 진동 부재(2000), 웨이트 부재(3000) 및 고정 부재(4000)와 별도의 추가 고정물 등을 도시한 단면도이다.
도 20의 (a)에 도시된 바와 같이 고정 부재(4000)는 압전 진동 부재(2000)의 측면으로부터 웨이트 부재(3000)를 감싸도록 형성되며, 웨이트 부재(3000) 상면에서 용접에 의해 고정될 수 있다.
도 20의 (b)에 도시된 바와 같이 고정 부재(4000)는 압전 진동 부재(2000)의 측면에 접촉 고정되고, 상면에는 추가 고정 부재(8000)가 마련될 수 있다. 추가 고정 부재(8000)는 웨이트 부재(3000)의 상면 및 측면을 덮도록 마련될 수 있다. 즉, 고정 부재(4000)가 웨이트 부재(3000)의 측면에 접촉되도록 형성되고 웨이트 부재(3000)의 상면 및 고정 부재(4000)의 외면을 감싸도록 추가 고정 부재(8000)가 마련될 수 있다. 이때, 추가 고정 부재(8000)는 일측이 개방되고 이와 대향되는 타측 및 이들 사이의 측면이 폐쇄된 대략 "ㄷ"자 형태로 형성되어 웨이트 부재(3000)를 상면으로부터 덮을 수 있다.
도 20의 (c)에 도시된 바와 같이 추가 고정 부재(8000)가 웨이트 부재(3000)의 상면 및 측면을 덮을 수 있다. 즉, 압전 진동 부재(2000)의 측면으로부터 고정 부재(4000)가 마련되지 않고 대략 "ㄷ"자 형태의 추가 고정 부재(8000)가 웨이트 부재(3000)의 상면으로부터 하측으로 덮도록 형성될 수 있다. 따라서, 추가 고정 부재(8000)는 웨이트 부재(3000)의 상면 및 측면을 덮도록 형성될 수 있다. 이때, 추가 고정 부재(8000)와 압전 진동 부재(2000)가 접촉되는 영역은 용접함으로써 추가 고정 부재(8000)와 압전 진동 부재(2000)를 결합할 수 있다.
도 20의 (d)에 도시된 바와 같이 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)의 상면에서 겹쳐지도록 형성될 수 있다. 즉, 일 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)의 일 측면으로부터 상면을 덮도록 형성되고, 타 고정 부재(4000)는 웨이트 부재(3000)의 타 측면으로부터 상면을 덮도록 형성된다. 따라서, 웨이트 부재(3000)의 상면에는 일 고정 부재(4000)와 타 고정 부재(4000)가 중첩되어 형성될 수 있다. 물론, 일 고정 부재가 웨이트 부재(3000)의 일 측면으로부터 상면 및 타 측면까지 감싸도록 형성되고 타 고정 부재가 웨이트 부재(3000)의 타 측면으로부터 상면 및 일 측면까지 감싸도록 형성될 수 있고, 그에 따라 상면 및 적어도 일 측면에서 일 고정 부재 및 타 고정 부재가 중첩될 수 있다.
도 20의 (e)에 도시된 바와 같이 고정 부재(4000)의 웨이트 부재(3000)의 측면 일부 영역까지 형성되고, 추가 고정 부재(4000)가 웨이트 부재(3000)의 상면으로부터 측면의 일부 영역까지 형성될 수 있다. 따라서, 고정 부재(4000)와 추가 고정 부재(8000)가 웨이트 부재(3000)의 측면에서 접촉되고 접촉면이 용접되어 고정 부재(4000)와 추가 고정 부재(8000)가 결합될 수 있다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 실시 예들에 따른 압전 진동 장치의 전자기기의 결합 방식을 설명하기 위한 개략 단면도이다. 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이 전자기기의 하우징(9000)에 소정의 공간이 마련되고 공간 내에 압전 진동 장치의 적어도 일부가 삽입될 수 있다. 이때, 도 21에 도시된 바와 같이 상부 케이스(1200)가 내측으로 삽입될 수도 있고, 도 22에 도시된 바와 같이 하부 케이스(1100)가 내측으로 삽입될 수도 있다. 그리고, 상부 케이스(1200)의 제 1 연장부(1220)와 압전 진동 부재(2000)의 연장부(2210)가 결합된 영역이 하우징(9000)에 고정될 수 있다. 이때, 조립 후 진동에 의한 이음 및 공간에 대한 공차를 줄이기 위해 접착제 또는 실리콘 또는 금속 형태의 패드가 부착될 수 있다. 즉, 압전 진동 장치와 하우징(9000)이 대면하는 영역에 접착제, 실리콘 또는 금속 패드 등이 마련될 수 있다. 또한, 압전 진동 장치는 상부 케이스(1200)의 제 2 연장부(1230)와 압전 진동 부재(2000)의 연장판(2210)에 형성된 개구를 통해 체결 부재를 이용하여 하우징(9000)에 체결될 수 있다. 체결 부재는 나사 또는 결합용 핀 등을 이용할 수 있다. 나사 또는 결합용 핀을 이용하여 체결함으로써 큰 진동이나 충돌로 인한 충격 또는 고온의 열 충격에도 견고하게 고정될 수 있다. 이때, 너트 및 볼트 이용 시 고정시킬 부분 사이에 들어가는 고리 모양의 부품, 즉 와셔를 이용하여 압력을 분산시킬 수 있다.
물론, 압전 진동 장치는 전자기기에 다양한 방법으로 결합될 수 있다. 이때, 하우징(9000)에는 소정의 공간이 마련될 수도 있지만, 공간이 마련되지 않고 압전 진동 장치가 하우징(9000)의 표면에 결합될 수도 있다. 예를 들어, 도 23에 도시된 바와 같이 전자기기와 접촉되는 케이스(1000)의 적어도 일면에 접착 부재(9100)가 도포되어 하우징(9000)에 접합되어 결합될 수 있다. 즉, 도 23의 (a)에 도시된 바와 같이 연장부, 즉 상부 케이스(1200)의 제 2 연장부(1230)와 압전 진동 부재(2000)의 연장판(2210)이 결합된 연장부(이하, 케이스를 기준으로 연장부의 도면 부호를 1230으로 표기함)를 제외하고 케이스(1000)의 일면에 접착 부재(9100)가 도포되어 하우징(9000)에 접합될 수 있다. 또한, 도 23의 (b)에 도시된 바와 같이 압전 진동 장치의 연장부(1230)가 케이스(1000)의 수직 방향 일측 단부에 마련되어 연장부(1230)에 접착 부재(9100)가 도포될 수 있다. 이때, 압전 진동 장치의 연장부(1230)는 하우징(9000)과 대향되는 방향에 마련되며, 연장부(1230)와 하우징(9000) 사이에 접착 부재(9100)가 마련될 수 있다. 그리고, 도 23의 (c)에 도시된 바와 같이 연장부(1230)가 케이스(1000)의 수직 방향 중앙부에 형성되고, 연장부(1230)에 접착 부재(9100)가 마련될 수도 있고, 도 23의 (c)에 도시된 바와 같이 연장부(1230)와 케이스(1000)의 일면에 접착 부재(9100)가 모두 마련될 수도 있다. 여기서, 접착 부재(9100)는 양면 테이프, 쿠션 테이프, 에폭시 본드, 실리콘 본드, 실리콘 패드 등을 포함하는 테이프나 본드류를 이용할 수 있다.
또한, 압전 진동 장치의 연장부(1230)는 도 24의 (a)에 도시된 바와 같이 케이스(1000)의 수직 방향 중앙부에 마련될 수도 있고, 도 24의 (b)에 도시된 바와 같이 케이스(1000)의 수직 방향 일측 단부에 마련될 수도 있다. 이렇게 마련된 연장부(1230)의 개구를 통해 체결 부재가 삽입되어 체결 부재를 이용하여 하우징(9000)에 결합할 수 있다. 여기서, 연장부(1230)의 크기는 체결 부재의 헤드보다 크게 마련되는 것이 바람직하다. 또한, 연장부(1230)는 도 25의 (a)에 도시된 바와 같이 압전 진동 부재의 길이 방향의 양 단부에 마련될 수도 있고, 도 25의 (b)에 도시된 바와 같이 길이 방향과 직교하는 폭 방향으로 하나가 상측 단부에 마련되고 다른 하나가 하측 단부에 마련될 수도 있다. 또한, 도 25의 (c)에 도시된 바와 같이 연장부(1230)는 압전 진동 부재의 폭 방향의 중앙부에 각각 마련될 수도 있다. 이때, 연장부(1230)에는 적어도 하나의 개구(1235)가 형성된다. 한편, 도 25의 (d)에 도시된 바와 같이 연장부(1230)에는 가이드 홀(1236)이 더 형성될 수 있다. 가이드 홀은 압전 진동 장치의 결합 위치를 정렬하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명은 상기에서 서술된 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 즉, 상기의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다.
1000 : 케이스
2000 : 압전 진동 부재
3000 : 웨이트 부재 4000 : 고정 부재
5000 : 완충 부재 6000 : 결합 부재
7000 : 보강 부재 8000 : 추가 고정 부재
3000 : 웨이트 부재 4000 : 고정 부재
5000 : 완충 부재 6000 : 결합 부재
7000 : 보강 부재 8000 : 추가 고정 부재
Claims (18)
- 내부에 소정의 공간이 마련된 케이스;
상기 케이스 내부에 마련되며 인가되는 전압에 따라 진동하며, 압전 소자를 포함하는 압전 진동 부재;
상기 케이스 내부에 마련되며 상기 압전 진동 부재의 일부와 접촉되어 마련되는 웨이트 부재; 및
상기 압전 진동 부재의 일 영역에 마련되어 상기 웨이트 부재를 접촉 고정하는 적어도 하나의 고정 부재를 포함하는 압전 진동 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 압전 소자는 베이스와, 상기 베이스의 적어도 일면 상에 형성된 복수의 압전층과, 상기 복수의 압전층 사이에 형성된 복수의 내부 전극과, 상기 복수의 내부 전극과 연결되도록 외부에 마련된 외부 전극을 포함하는 압전 진동 장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 베이스의 두께는 상기 압전 소자 두께의 1/3 내지 1/150인 압전 진동 장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 압전층의 두께는 상기 베이스 또는 내부 전극의 두께보다 같거나 두꺼운 압전 진동 장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 압전층 각각의 두께는 상기 압전 소자 두께의 1/3 내지 1/30인 압전 진동 장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 압전층은 적어도 하나의 기공을 포함하는 압전 진동 장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 내부 전극은 적어도 일 영역의 두께가 다른 압전 진동 장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 내부 전극은 상기 압전층 면적의 10% 내지 97%의 면적을 갖는 압전 진동 장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 압전층은 시드 조성물을 포함하는 압전 진동 장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 압전층은 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지는 압전 물질로 형성되는 배향 원료 조성물과, 상기 배향 원료 조성물 내에 분포하며 ABO3(A는 2가의 금속 원소, B는 4가의 금속 원소)의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물을 포함하는 압전 진동 장치.
- 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서, 상기 시드 조성물은 적어도 일 방향으로 1㎛ 내지 20㎛의 길이로 배향된 압전 진동 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 고정 부재는 상기 압전 진동 부재의 측면으로부터 상기 웨이트 부재의 측면 및 상면을 감싸도록 마련된 압전 진동 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 웨이트 부재 상에 마련되어 상기 웨이트 부재를 추가 고정하는 추가 고정 부재와, 상기 압전 소자와 결합된 진동판을 포함하는 상기 압전 진동 부재의 압전 소자의 가장자리와 상기 진동판을 결합하도록 마련된 결합 부재와, 상기 진동판과 접촉되지 않은 압전 소자의 타면 상에 마련된 보강 부재 중 적어도 하나를 더 포함하는 압전 진동 장치.
- 청구항 1 내지 청구항 10, 청구항 12 및 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 케이스 내부에 마련된 적어도 하나의 완충 부재를 더 포함하는 압전 진동 장치.
- 청구항 14에 있어서, 상기 완충 부재는 하부 케이스와 상기 압전 진동 부재 사이에 마련된 제 1 완충 부재와, 상기 압전 진동 부재와 상기 웨이트 부재 사이에 마련된 제 2 완충 부재와, 상기 웨이트 부재와 상부 케이스 사이에 마련된 제 3 완충 부재와, 상기 케이스의 내측면과 상기 웨이트 부재의 측면 사이에 마련된 제 4 완충 부재의 적어도 하나를 포함하는 압전 진동 장치.
- 하우징 또는 패널에 접촉되도록 청구항 1 내지 청구항 10, 청구항 12 및 청구항 13 중 어느 한 항 기재의 압전 진동 장치를 적어도 하나 포함하는 전자기기.
- 청구항 16에 있어서, 상기 압전 진동 장치의 케이스 내부에 마련된 적어도 하나의 완충 부재를 더 포함하는 전자기기.
- 청구항 16에 있어서, 상기 압전 진동 장치는 양면 테이프, 폼 테이프, 실리콘 패드, 나사 및 결합용 핀 중 하나 이상을 이용하여 체결되는 전자기기.
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