KR20180035258A - 진동 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 진동 발생장치는 케이스와 결합되어 내부 공간을 형성하는 브라켓; 상기 브라켓 상면에 결합하는 회로기판, 상기 회로기판과 연결되는 코일과, 상기 코일 내측에 구비되며, 중심으로부터 외주 측으로 연장형성되는 날개부를 포함하는 요크를 구비하는 고정자; 상기 코일 외측에 배치되며 비자성체 금속막이 표면에 형성된 영구자석과, 상기 영구자석 외주 측에 결합하는 중량체를 구비하는 진동자; 및 상기 고정자와 진동자를 연결하며, 상기 진동자를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하며, 상기 영구자석 두께 대비 상기 날개부 두께의 비율은 0.05 내지 0.7인 것을 특징으로 한다.

Description

진동 발생장치{VIBRATION ACTUATOR}

본 발명은 진동 발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 요크의 날개부 형상을 조절함으로써 사용자가 원하는 공진주파수 대역을 조정할 수 있고, 진동력과 응답속도를 향상시킬 수 있으며, 내부 구성간의 충돌에 의한 진동 및 소음을 억제할 수 있는 진동 발생장치에 관한 것이다.

최근에 휴대 단말기의 무음의 착신장치로 사용되는 선형 진동 발생장치는 행정거리(회전이 아닌 상하 수직운동)가 짧고, 탄성부재의 탄성력으로 인해 기존의 편심 회전형 진동 발생장치에 비해, 시작과 정지 시에 빠른 진동 특성을 가지므로, 휴대 단말기의 슬림화 추세에 부응하여 왔다.

이러한 선형 진동 발생장치는 영구자석을 포함하는 진동자와, 진동자를 지지하는 고정자로 구성되는 것이 일반적이며, 고정자에 배치된 코일에 전류를 인가하여 발생한 전자기력과 영구자석에서 발생된 자성과의 상호 동작으로 영구자석이 상하로 이동하여 진동이 발생한다.

구체적으로, 종래의 선형 진동 발생장치는 케이스 내에 코일을 구비한 고정자와, 영구자석을 구비한 진동자를 배치하고, 이러한 영구자석이 탄성적으로 지지되어 진동을 발생시키도록 탄성부재가 구비되었다.

물론 전술한 구조 이외에도 영구자석이 고정자에 구비되고, 코일이 중량체에 결합되어 진동자에 구비되는 진동 발생장치의 구조도 적용되고 있다. 이러한 종래의 진동 발생장치는 한국등록특허 10-1354867호 또는 한국등록특허 10-1046044호에 기재되어 있다.

한편, 최근의 진동 발생장치는 적용되는 기기가 다양해짐에 따라 다양한 진동 특성을 요구하고, 적용되는 가용 주파수 범위가 증가하게 되었다. 따라서 이에 부응할 수 있도록 폭넓은 가용 주파수 범위를 커버하고, 응답 속도 증가를 통해 최적의 응답 성능을 발휘할 수 있도록 요크와 영구자석 간의 설계 변수를 조절해야 할 필요성이 증대되고 있다.

또한, 진동 발생장치의 장점은 진동자의 행정거리가 짧아 응답특성이 빠르다는 것이지만, 행정거리가 짧은 만큼 사람이 인지할 수 있을 정도의 진동을 발생시키려면 진동자가 빠르게 왕복 운동을 할 수 있어야 한다. 즉, 진동자가 충분한 가속력을 가져야 하는데 전술한 바와 같이, 강한 자력을 만들기 위해 코일에 공급되는 전류량을 증가시키면 휴대 단말기의 배터리를 급격히 소모시키기 때문에 결국 영구자석의 자속을 크게 만들어야 하며, 이 때문에 대부분의 선형 진동 발생장치에는 희토류 금속인 네오디뮴이 포함되어 있는 강한 자력을 지닌 속칭 네오디뮴 자석이 사용되고 있다.

하지만, 희토류 금속은 공기 중에서 빨리 산화, 부식되는 성질을 지니고 있기 때문에 네오디뮴 자석의 표면을 코팅 처리하여 사용하고 있다. 현재 대부분의 선형 진동 발생장치는 니켈로 네오디뮴 자석의 표면을 도금하여 사용하고 있다.

니켈 도금은 도금막의 기계적 강도가 우수하다는 점에 장점이 있지만, 강자성체이기 때문에 맴돌이 현상이 일어나 자속에 손실이 발생한다는 문제가 있다. 그리고 자속 손실은 네오디뮴 자석의 자력에 영향을 미치며, 특히 근래에 햅틱 진동 구현 시 요구되는 저주파수 대역에서 진동 특성을 제공하는데 제한적인 문제가 있다.

본 발명의 실시예들은 요구되는 다양한 진동 특성에 부응하고, 적용되는 가용 주파수 범위를 확대하고자 한다.

또한, 기계적 복원력이 아닌 전자기적 특성이 반영된 설계변수 조절을 통해 진동 발생장치의 응답속도를 증가시키고자 한다.

나아가 본 발명은 선형 진동 발생장치에 적용되고 있는 네오디뮴 자석의 표면을 니켈 등의 중금속을 사용하지 않으면서 진동 발생장치의 진동 특성까지 개선할 수 있는 방안을 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 진동 발생장치는 케이스와 결합되어 내부 공간을 형성하는 브라켓; 상기 브라켓 상면에 결합하는 회로기판, 상기 회로기판과 연결되는 코일과, 상기 코일 내측에 구비되며, 중심으로부터 외주 측으로 연장형성되는 날개부를 포함하는 요크를 구비하는 고정자; 상기 코일 외측에 배치되며 비자성체 금속막이 표면에 형성된 영구자석과, 상기 영구자석 외주 측에 결합하는 중량체를 구비하는 진동자; 및 상기 고정자와 진동자를 연결하며, 상기 진동자를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하고, 이 경우 상기 영구자석 두께 대비 상기 날개부 두께의 비율은 0.05 내지 0.7로 구성된다.

또한, 본 발명은 상기 중량체와 탄성부재 사이에 구비되는 비자성 댐퍼; 및 상기 진동자와 탄성부재 사이에 개재되는 플레이트를 더 포함할 수 있으며 이 경우 상기 비자성 댐퍼는 상기 플레이트와 중량체의 적어도 일부를 커버하도록 도포될 수 있다.

더욱 바람직하게, 본 발명의 상기 영구자석은 비자성체 금속으로 도금되거나 패럴린 코팅될 수 있으며, 상기 비자성체 금속은 아연이 될 수 있다.

본 발명의 상기 아연으로 도금된 영구자석은 니켈 도금 영구자석에 비해 상기 진동 발생장치의 1G를 기준으로 한 유효 진동 주파수 대역폭을 적어도 30% 이상 확장시키도록 구성될 수 있으며, 상기 아연 도금 영구자석이 구비된 진동 발생장치의 유효 진동 주파수 대역폭은 50~60Hz일 수 있다.

나아가 상기 영구자석의 내경 대비 상기 요크의 날개부 직경의 비율은 0.4 내지 0.99로 구성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 진동 발생장치는 케이스와 결합되어 내부 공간을 형성하는 브라켓; 상기 브라켓 상면에 결합하는 회로기판, 상기 회로기판과 연결되는 코일과, 상기 코일 내측에 구비되며, 중심으로부터 외주 측으로 연장형성되는 날개부를 포함하는 요크를 구비하는 고정자; 상기 코일 외측에 배치되며 비자성체 금속막이 표면에 형성된 영구자석과, 상기 영구자석 외주 측에 결합하는 중량체를 구비하는 진동자; 및 상기 고정자와 진동자를 연결하며, 상기 진동자를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 영구자석의 내경 대비 상기 요크의 날개부 직경의 비율은 0.4 내지 0.99로 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 요구되는 다양한 진동 특성에 부응하고, 적용되는 가용 주파수 범위를 확대할 수 있다.

또한, 기계적 복원력이 아닌 전자기적 특성이 반영된 설계변수 조절을 통해 진동 발생장치의 응답속도를 증가시킬 수 있다.

나아가 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의할 때, 자성체 금속, 예를 들면 아연으로 도금된 본 발명의 네오디뮴 자석은 자속의 손실을 줄여 선형 진동 발생장치의 전력 소모를 개선할 수 있다.

또한, 본 발명의 아연 도금 네오디뮴 자석은 선형 진동 발생장치의 유효 주파수 대역폭을 확장시킴으로써 휴대 단말기의 진동에 대한 감성 품질을 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.

또한, 자성유체가 원래 위치에서 이탈하여 영구자석 쪽으로 움직이게 되고, 그에 따라 원래 댐핑 기능을 수행해야 할 위치에서 벗어나게 되는 문제점을 해결할 수 있다.

아울러, 본 발명은 본 발명의 실시예들의 조합적 적용을 통하여 주파수 대역 범위의 확장, 햅틱 구동에 요구되는 진동 특성, 중심 주파수의 천이(shift), 응답 속도 개선 등을 최적화시켜 적용시킬 수 있어 다양한 사용자 니즈에 더욱 부합되는 진동 발생장치를 제공할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 효과적으로 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 이러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 분해사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 측단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 요크 날개부 두께 변화에 따른 변형예를 도시한 측단면도,
도 5는 도 4의 요크 날개부 두께 변화에 따른 공진 주파수 대역을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 요크 날개부 직경 변화에 따른 변형예를 도시한 측단면도,
도 7과 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 케이스와 중량체가 사각형으로 이루어지는 경우를 도시한 분해사시도와 측단면도,
도 9와 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 케이스가 사각형으로 이루어지고 중량체가 팔각형으로 이루어지는 경우를 도시한 분해사시도와 측단면도,
도 11은 다른 실시예에 의한 진동 발생장치의 기본적인 구성을 도시한 도면,
도 12는 본 발명에 따른 아연이 도금된 네오디뮴 자석의 주파수 특성을 종래의 니켈이 도금된 네오디뮴 자석의 경우와 비교 도시한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 분해사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 측단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치(100)는 케이스(103)와 결합하여 내부 공간을 형성하는 브라켓(101); 상기 브라켓(101) 상면에 결합하는 회로기판(200)과, 상기 회로기판(200)과 연결되는 코일(130)과, 상기 코일(130) 내측에 배치되는 요크(140)를 구비하는 고정자; 상기 코일(130) 외측에 배치되는 영구자석(170)과, 상기 영구자석(170) 외주 측에 결합하는 중량체(160)를 구비하는 진동자; 및 상기 고정자와 진동자를 연결하며, 상기 진동자를 탄성 지지하는 탄성부재(120);를 포함하여 이루어질 수 있다.

구체적으로 상기 케이스(103)와 브라켓(101)이 결합하여 내부에 수용 공간을 형성하고, 브라켓(101) 상면에 회로기판(200)이 결합하며, 회로기판(200)에 부착된 코일(130) 내측으로 요크(140)가 구비된다. 여기서 상기 케이스(103)와 브라켓(101), 회로기판(200)과 코일(130) 및 요크(140)는 고정자를 구성한다.

그리고 상기 코일(130) 외측에 링(ring) 형상의 영구자석(170)이 배치되고 상기 영구자석(170)의 외주측에 중량체(160)가 결합하여 진동자를 구성한다. 상기 케이스(103) 하부와 상부에는 각각 제1 댐퍼(110)와 제2 댐퍼(180)가 구비되어 진동에 의한 충격을 완화할 수 있다.

상기 고정자와 진동자 사이에는 진동자의 상하 운동을 탄성 지지하는 탄성부재(120)가 개재된다. 이때 상기 진동자와 탄성부재(120)를 연결하도록 플레이트(150)가 구비될 수 있다. 이 플레이트(150)는 코일과 영구자석 사이에 발생되는 전자기력에 미치는 영향을 최소화시킴으로써 진동 발생장치의 주파수 특성, 진동 특성을 향상시키기 위하여 비자성체로 구현하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 진동 발생장치(100)는 교류전원이 회로기판(200)을 통해 인가됨에 따라 진동자가 상하로 진동하게 된다.

상기 영구자석(170) 상부면에는 진동 발생장치(100)가 진동을 발생시킬 때 충격에 의한 파손과 진동 및 소음을 방지하기 위하여 댐퍼 기능을 수행하는 자성유체(172)를 도포한다.

한편, 종래에는 상기 진동자와 탄성부재(120)가 연결되는 부분 즉, 플레이트(150)가 설치되는 부근에도 자성유체가 도포되었다. 그런데 전술한 바와 같이, 자성유체를 도포하는 경우 자성유체가 영구자석(170) 쪽으로 지속적으로 이동하는 경향이 있다.

따라서 영구자석(170) 자체에 도포되는 자성유체 이외에 근방에 도포된 자성유체의 경우 원래 위치에서 이탈하여 영구자석(170) 쪽으로 움직이게 되고, 그에 따라 원래 댐핑 기능을 수행해야할 위치에서 벗어나게 되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 있어서는 상기 중량체(160)와 탄성부재(120) 사이에 비자성 댐퍼(190)가 구비될 수 있다. 구체적으로 상기 비자성 댐퍼(190)는 상기 플레이트(150)와 중량체(160)의 적어도 일부를 커버하도록 도포될 수 있다.

이때, 상기 비자성 댐퍼(190)는 액상의 그리스(grease)로 이루어져 자성을 갖지 않으므로 영구자석(170) 쪽으로 이동하지 않고 원래 도포된 위치에서 댐핑 기능을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 진동 발생장치(100)는 요크(140) 형상과 관련된 설계 인자를 조절함으로써 폭넓은 가용 주파수 범위를 커버하고, 응답 속도 증가를 통해 최적의 응답 성능을 발휘하도록 구현할 수 있다. 이하 요크(140)의 설계 인자와 관련된 사항에 대해 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 요크 날개부 두께 변화에 따른 변형예를 도시한 측단면도이고, 도 5는 도 4의 요크 날개부 두께 변화에 따른 공진 주파수 대역을 나타낸 그래프이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 요크 날개부 직경 변화에 따른 변형예를 도시한 측단면도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치(100)의 요크(140)는 중심으로부터 외주측으로 연장형성되는 날개부(142)를 포함하여 이루어질 수 있다.

도 4(a) 내지 도 4(c)에는 상기 요크(140)의 날개부(142) 두께(A)의 변형예들이 도시되어 있다. 상기 날개부(142) 두께(A)와 영구자석(170)의 두께(B)의 비는 공진주파수 대역을 조정하는 변수로 작용할 수 있다.

여기서 공진주파수 대역은 좋고 나쁨의 문제보다 사용자가 원하는 대역과 진동력을 어떻게 조정해서 제공하느냐와 연관된 사항으로서, 상기 영구자석(170) 두께(B) 대비 상기 날개부(142) 두께(A)의 비율 즉, A/B의 값이 작아질수록 진동력은 저하되고, A/B의 값이 클수록 진동력도 세지고 대역도 넓어지게 된다.

이러한 변화는 도 5의 그래프에서 확인할 수 있는데, 그래프에 나타난 A, B, C 선들은 각각 도 4(a), 도 4(b), 도 4(c)의 변형예의 공진주파수 대역과 진동력 세기를 나타낸다.

이러한 관계를 이용하여 동일 코일(130)과 영구자석(170)에서 발생하는 전자기력의 손실량을 최소화하기 위한 요크(140)의 날개부(142)와 영구자석(170) 두께 비율을 설정할 수 있는 것이다.

여기서 A/B의 값은 0.05 내지 0.7 사이에서 결정하는 것이 바람직한데, 0.05보다 작은 경우에는 진동력이 낮아져서 사용자가 인지하는 진동의 세기를 구현할 수 없으므로 사용이 어렵다.

그리고 A/B의 값이 0.7보다 큰 경우에는 사용자가 인지하는 공진주파수 대역을 벗어나므로 역시 사용이 어려운 문제가 있다. 따라서 A/B의 값은 0.05 내지 0.7 사이의 범위에서 결정하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, A/B의 값은 공진주파수 대역과 진동력의 선택의 문제이므로 실제 진동 발생장치(100)가 적용되는 휴대 단말기 등의 제조사의 요구와 용도에 따라 위 범위에서 선택 가능하다.

예를 들어, 본 발명에 따른 진동 발생장치(100)가 Haptic 진동에 적용될 때에는 공진주파수 대역이 넓은 진동 특성을 요하게 되므로, 이 경우 A/B의 값은 0.25 내지 0.5 사이의 범위에서 결정되는 것이 바람직하다.

한편, 도 6(a) 내지 도 6(c)에는 상기 요크(140)의 날개부(142) 직경(C)의 변형예들이 도시되어 있다. 상기 날개부(142) 직경(C)과 영구자석(170)의 내경(D)의 비는 진동 발생장치(100)의 응답속도를 조정하는 변수로 작용할 수 있다.

기존의 진동 발생장치(100)는 응답속도, 특히 Falling time(전원 off 후 정지 시간)을 감소시키기 위하여 별도의 Driver IC 제어가 필요하다. 그러나 본 발명에 따른 진동 발생장치(100)의 경우에는 상기 영구자석(170)의 내경(D) 대비 상기 날개부(142) 직경(C)의 비율 즉, C/D의 최적값의 범위를 설정함으로써 기계적 충돌 또는 탄성체의 복원력에 의존한 스톱퍼가 아닌 전자기적 제어를 통한 빠른 응답속도를 구현할 수 있다.

구체적으로, 상기 영구자석(170)의 내경(D) 대비 상기 날개부(142) 직경(C)의 비율 즉, C/D의 값은 0.4 내지 0.99 범위에서 결정되는 것이 바람직하다. 0.4보다 작은 경우에는 종래의 브러시 타입 진동모터 또는 BLDC 등의 편심 진동모터 등과 동등 또는 이하의 응답속도 특성을 구현하는데 불과하므로 바람직하지 않다.

그리고 0.99보다 큰 경우에는 요크(140)의 날개부(142)와 영구자석(170) 사이 간격이 매우 협소해지므로 진동이 불가능하거나 진동 중 상호 충돌로 파손의 위험성이 있으므로 역시 바람직하지 않다.

따라서 C/D값은 0.4 내지 0.99로 이루어지는 것이 바람직하다.

도 7과 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 케이스와 중량체가 사각형으로 이루어지는 경우를 도시한 분해사시도와 측단면도이고, 도 9와 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치의 케이스가 사각형으로 이루어지고 중량체가 팔각형으로 이루어지는 경우를 도시한 분해사시도와 측단면도이다.

전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 발생장치(100)의 기술적 특성은 다양한 형태의 진동 발생장치(100)에 적용 가능하다. 예를 들어 도 7과 도 8에 도시된 사각형 케이스(103)와 사각형의 중량체(160)가 적용된 진동 발생장치(100)에도 전술한 비자성 댐퍼(190)나 요크(140) 날개부(142)의 변형예들이 동일하게 적용될 수 있다.

그리고 도 9와 도 10에 도시된 사각형 케이스(103)와 팔각형의 중량체(160)가 적용된 진동 발생장치(100)에도 동일한 기술적 특징들이 적용 가능함은 물론이다.

이하에서는 도 11 및 도 12를 참조하며, 본 발명을 구성하는 영구자석에 대한 본 발명의 실시예에 대한 상세한 설명을 기술한다.

도 11은 진동 발생장치의 기본적인 구성을 도시한 도면이다. 도 11에 도시된 진동 발생장치는 크게 나누어 진동자(10)와 고정자(20)로 구성된다. 진동자(10)와 고정자(20) 사이에는 진동자(10)의 상하 진동을 탄성 지지하는 탄성 부재(40)가 개재되어 있으며, 고정자(20)를 구성하는 판상의 브래킷(34) 위에는 진동발생을 위한 교류전원을 공급하는 PCB(50)가 배치된다.

진동자(10)는 자계를 형성시키는 영구자석(12)과, 영구자석(12) 둘레를 둘러싸는 형태로 결합되어 무게를 부여하는 중량체(13)로 구성된다. 그리고 고정자(20)는 판상의 브래킷(34)과, 이 브래킷(34) 상면에 안착되며 영구자석(12) 중앙에 배치되는 원통형의 코일(22)과, 코일(22)의 내경부에 실장된 요크(24) 및 케이스(30)로 구성된다.

코일(22)은 브래킷(34) 위에 배치된 PCB(50)와 전기적으로 연결되어 있으며, 이를 통해 전기장을 형성하기 위한 전기적 신호를 PCB(50)로부터 제공받는다. PCB(50)로부터 입력된 전기적 신호에 의하여 코일(22)에서 발생하는 변화하는 전기장과 영구자석(12)에서 발생하는 자기장 사이의 상호작용에 의해 고정자(20)에 대해 진동자(10)가 상하로 움직여 진동이 발생한다.

진동자(10)의 진폭은 탄성 부재(40)의 탄성계수 및 영구자석(12)과 요크(24) 사이에 작용하는 전자기력에 의해 적정범위로 제한될 수 있다. 영구자석(12)은 요크(24)와 간섭이 발생하지 않을 정도의 내경을 가지며, 상하방향으로 반대되는 극성을 가진 환형(環形), 즉 도넛 모양으로 형성되어 있다. 요크(24)는 자성체 재질로 이루어져 영구자석(12)에서 발생한 자속을 그 외연에 감긴 코일(22) 측으로 집중시키는 역할을 한다.

영구자석(12) 하부면을 포함하여 진동자(10) 일부를 덮는 형태인 플레이트(16)가 영구자석(12) 하부면에 구비된다. 플레이트(16)는 중앙에 홀을 형성한 판상체 형태로 마련될 수 있으며, 영구자석(12)이 발생한 자속이 코일(22) 측으로 집중될 수 있도록 자기 차폐 역할을 수행한다.

탄성 부재(40)는 상하 진동하는 진동자(10)를 탄성 지지함으로써 고정자(20)에 대한 진동자(10)의 위치 복원을 위한 탄성력을 제공하는 동시에, 진동자(10)의 진폭을 제한하여 진동자(10)가 고정자(20)를 구성하는 케이스(30)에 충돌하는 것을 방지하는 기능을 한다.

고정자(20)를 구성하는 케이스(30)는 브래킷(34)과 결합하여 진동자(10)와 탄성 부재(40)가 실장될 수 있는 내부공간을 형성한다. 그리고 PCB(50)는 외부에서 제공되는 전기적 신호를 코일(22)로 입력시키며, 이를 위해 코일(22)로부터 인출되는 코일선과 전기적으로 연결된다.

또한, 도시된 실시형태에서는, 진동자(10)가 위아래로 요동하여 진동을 일으킴에 있어 진동자와 케이스(30) 사이에 직접적인 접촉이 일어나는 것을 방지하기 위해, 플레이트(16)가 부착된 쪽의 반대편에 위치한 영구자석(12)의 노출면에 댐핑 수단(60-1)이 구비되어 있다. 이러한 댐핑 수단(60-1)을 자성유체(magnetic fluid)로 구성하면, 자석 노출면에 직접 도포하더라도 영구자석(12)의 자력에 의해 본래의 위치에서 이탈하려는 현상이 억제될 수 있다.

이와 같은 선형 진동 발생장치에는 진동자(10)를 직선방향(도 1을 기준으로 하면, 상하방향)을 왕복 운동을 시키기 위해서는 자기장을 형성하기 위한 영구자석(12)이 필수적이다. 진동자(10)가 상하로 진동하는 속도, 즉 가속력은 코일(22)에서 발생하는 변화하는 전기장과 영구자석(12)에서 발생하는 자기장 사이의 상호작용으로 발현되는 전자기력(로렌츠의 힘)에 의해 결정된다.

로렌츠의 힘은 영구자석(12)의 자속(磁束)과 코일(22)에서 발생하는 변화하는 전기장 세기의 곱으로 나타나므로, 둘 중의 어느 하나를 증가시키면 진동자(10)가 상하로 진동할 때의 가속력이 커진다.

그런데, 전술한 바와 같이, 선형 진동 발생장치의 짧은 행정거리에서 사람이 인지할 수 있을 정도의 강한 진동을 발생시키기 위해 코일에 공급되는 전류량을 증가시키면 휴대 단말기의 배터리를 급격히 소모시키기 때문에, 결국 영구자석으로 강한 자력을 지닌 네오디뮴 자석을 사용하는 것이 현실적인 방안이다.

하지만, 네오디뮴 자석은 공기 중에서 빨리 산화, 부식되기 때문에 네오디뮴 자석의 표면을 코팅 처리하여 사용하고 있으며, 현재 대부분의 선형 진동 발생장치는 니켈로 네오디뮴 자석의 표면을 도금하여 사용하고 있다. 니켈 도금은 도금막의 기계적 강도가 우수하다는 장점이 있지만, 강자성체이기 때문에 맴돌이 현상이 일어나 자속에 손실이 생긴다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 반자성체인 아연으로 네오디뮴 자석의 표면을 도금, 특히 비전해 도금을 함으로써 맴돌이 현상에 의한 자속 손실을 방지하고 있다. 아연은 니켈에 비해 환경오염의 문제가 적기 때문에 이 또한 본 발명의 이점이라 할 수 있다.

그리고 아연으로 도금된 네오디뮴 자석은 단순히 자속의 손실을 줄이는 것 이외에 선형 진동 발생장치의 진동 특성을 개선하는 예상할 수 없었던 효과를 가져왔다.

도 12는 종래의 니켈 도금 영구자석(실선)과 본 발명의 아연 도금 영구자석(파선)을 동일한 사양의 선형 진동 발생장치에 장착하여 시험한 결과를 도시한 그래프이다. 이 실험에 사용된 니켈 도금 영구자석과 아연 도금 영구자석은 모두 네오디뮴 자석이다.

코팅되지 않은 네오디뮴 자석의 자속(magnetic flux)은 6.75㏝(웨버)로 동일한 값을 가진 것을 선정하였으며, 소비전류는 약 150㎃, 전압은 2.5V의 동일한 수준으로 유지하였다.

도 12의 그래프는 주파수(㎐) 대역별 진동 스펙트럼을 니켈 도금 네오디뮴 자석(실선)과 아연 도금 네오디뮴 자석(파선) 각각에 대해 측정한 결과이다. Y축의 진동 단위는 중력가속도(G)로서, 휴대 단말기에 장착된 선형 진동 발생장치의 작동 여부를 사람이 인지할 수 있는 유효 진동 값의 하한치로 1G를 선정하였다.

각 사양에 있어 유효 진동 값 이상의 진동을 발생시키는 주파수 대역을 살펴보면, 니켈 도금 네오디뮴 자석(실선)은 148∼188㎐이고, 아연 도금 네오디뮴 자석(파선)은 145∼201㎐로 나타났다. 즉, 본 발명의 아연 도금 네오디뮴 자석은 종래의 니켈 도금 네오디뮴 자석에 비해 유효 주파수 대역폭이 40㎐에서 56㎐로 30% 이상 증가하였다. 다만, 최고 진동 값은 본 발명의 아연 도금 네오디뮴 자석의 경우 조금 감소하였다.

이와 같이, 선형 진동 발생장치의 유효 주파수 대역폭이 확장되었을 때의 이점은 휴대 단말기로부터 전달되는 진동에 대한 사용자의 느낌이 향상된다는 것이다. 즉, 사용자가 느낄 수 있는 유효 진동의 주파수 대역폭이 늘어나기 때문에 손에서 느껴지는 진동이 좀 더 묵직하게 무게감이 생기고 손을 간지럽게 하는 듯한 느낌을 감소시킨다. 또한, 진동하는 휴대 단말기가 테이블 등에 놓여 있을 때의 진동음도 가볍지 않고 무게감이 있기 때문에 주변을 자극하는 소음 특성이 개선된다.

결국 본 발명의 아연 도금 네오디뮴 자석이 적용된 선형 진동 발생장치는 자속의 손실을 줄여 전력 소모 개선에 좋은 영향을 주는 것은 물론 휴대 단말기의 진동에 대한 감성 품질을 향상시키는 효과가 있다.

지금까지 설명한 본 발명의 실시예들에 의한 진동 발생장치에 의하면, 자성유체가 원래 위치에서 이탈하여 영구자석 쪽으로 움직이게 되고, 그에 따라 원래 댐핑 기능을 수행해야 할 위치에서 벗어나게 되는 문제점을 해결할 수 있다.

그리고 요구되는 다양한 진동 특성에 부응하고, 적용되는 가용 주파수 범위를 확대할 수 있으며, 기계적 복원력이 아닌 전자기적 특성이 반영된 설계변수 조절을 통해 진동 발생장치의 응답속도를 증가시킬 수 있다.

이와 같이 비자성 재질로 코팅된 영구자석(네오디뮴 자석)을 포함하는 본 발명의 진동 발생장치는 동일 스펙과 환경의 자성 재질로 코팅된 영구자석이 포함된 진동 발생장치와 대비하여 중심 주파수 영역을 약 5~10Hz 정도 저주파수 대역으로 천이(shift)시킬 수 있으며, 나아가 유효 주파수 대역을 확장시킬 수 있어 (도 12 참조) 본 발명의 적용된 진동 발생장치(진동 모터)는 최근 햅틱 구동을 위해 요구되는 진동 특성을 더욱 효과적으로 제공할 수 있다.

또한, 영구자석 두께 대비 날개부 두께의 비율이 적용된 이 발명의 실시예와 상기 비자성 재질로 코팅된 영구자석에 대한 이 발명의 실시예를 조합적으로 적용함으로써, 유효 주파수 대역을 더욱 확장시킬 수 있어, 다양한 사용자 니즈에 더욱 부합되는 유효 주파수에 대한 스펙을 범용적으로 구현할 수 있게 된다.

나아가 영구자석 내경 대비 날개부 내경의 비율이 적용된 이 발명의 실시예와 상기 비자성 재질로 코팅된 영구자석에 대한 이 발명의 실시예를 조합적으로 적용함으로써, 저주파수 대역에서의 우수한 응답속도 특성과 햅틱 구동에 요구되는 진동 특성 등을 동시적으로 최적화시킬 수 있게 된다.

상술된 본 발명의 설명에서 비자상체 금속막을 영구자석(네오디뮴 자석) 표면에 형성시키는 방법으로 비자성금속을 도금하는 방법을 일 예로 설명하였으나, 그 외 비자성체 금속막이 영구자석(네오디뮴 자석)의 표면에 형성되도록 하는 다양한 방법이 가능하며 특히, 수분 흡수 방지, 기계적/열적 변형의 최소화, 코팅되는 두께 제어의 효율성 등을 높이기 위하여 패럴린 코팅(Parylene coating) 방법이 더욱 바람직하다.

상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 통상의 기술자 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

100 : 진동 발생장치 101 : 브라켓
103 : 케이스 110 : 제1 댐퍼
120 : 탄성부재 130 : 코일
140 : 요크 150 : 플레이트
160 : 중량체 170 : 영구자석
180 : 제2 댐퍼 190 : 비자성 댐퍼
10: 진동자 12: 영구자석
13: 중량체 16: 플레이트
20: 고정자 22: 코일
24: 요크 34: 브래킷
40: 탄성 부재 50: PCB

Claims (13)

1. 케이스와 결합되어 내부 공간을 형성하는 브라켓;
   상기 브라켓 상면에 결합하는 회로기판, 상기 회로기판과 연결되는 코일과, 상기 코일 내측에 구비되며, 중심으로부터 외주 측으로 연장형성되는 날개부를 포함하는 요크를 구비하는 고정자;
   상기 코일 외측에 배치되며 비자성체 금속막이 표면에 형성된 영구자석과, 상기 영구자석 외주 측에 결합하는 중량체를 구비하는 진동자; 및
   상기 고정자와 진동자를 연결하며, 상기 진동자를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하고,
   상기 영구자석 두께 대비 상기 날개부 두께의 비율은 0.05 내지 0.7인 것을 특징으로 하는 진동 발생장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 중량체와 탄성부재 사이에 구비되는 비자성 댐퍼; 및
   상기 진동자와 탄성부재 사이에 개재되는 플레이트를 더 포함하며,
   상기 비자성 댐퍼는 상기 플레이트와 중량체의 적어도 일부를 커버하도록 도포되는 것을 특징으로 하는 진동 발생장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 영구자석은,
   비자성체 금속으로 도금되거나 패럴린 코팅되는 것을 특징으로 진동 발생장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 비자성체 금속은,
   아연인 것을 특징으로 하는 진동 발생장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 아연으로 도금된 영구자석은,
   니켈 도금 영구자석에 비해 상기 진동 발생장치의 1G를 기준으로 한 유효 진동 주파수 대역폭을 적어도 30% 이상 확장시키는 것을 특징으로 하는 진동 발생장치.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 아연 도금 영구자석이 구비된 진동 발생장치의 유효 진동 주파수 대역폭은 50~60Hz인 것을 특징으로 하는 진동 발생장치.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 영구자석의 내경 대비 상기 요크의 날개부 직경의 비율은 0.4 내지 0.99로 이루어지는 것을 특징으로 하는 진동 발생장치.
8. 케이스와 결합되어 내부 공간을 형성하는 브라켓;
   상기 브라켓 상면에 결합하는 회로기판, 상기 회로기판과 연결되는 코일과, 상기 코일 내측에 구비되며, 중심으로부터 외주 측으로 연장형성되는 날개부를 포함하는 요크를 구비하는 고정자;
   상기 코일 외측에 배치되며 비자성체 금속막이 표면에 형성된 영구자석과, 상기 영구자석 외주 측에 결합하는 중량체를 구비하는 진동자; 및
   상기 고정자와 진동자를 연결하며, 상기 진동자를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하고,
   상기 영구자석의 내경 대비 상기 요크의 날개부 직경의 비율은 0.4 내지 0.99로 이루어지는 것을 특징으로 하는 진동 발생장치.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 중량체와 탄성부재 사이에 구비되는 비자성 댐퍼; 및
   상기 진동자와 탄성부재 사이에 개재되는 플레이트를 더 포함하며,
   상기 비자성 댐퍼는 상기 플레이트와 중량체의 적어도 일부를 커버하도록 도포되는 것을 특징으로 하는 진동 발생장치.
10. 제 8항에 있어서, 상기 영구자석은,
    비자성체 금속으로 도금되거나 패럴린 코팅되는 것을 특징으로 진동 발생장치.
11. 제 10항에 있어서, 상기 비자성체 금속은,
    아연인 것을 특징으로 하는 진동 발생장치.
12. 제 11항에 있어서, 상기 아연으로 도금된 영구자석은,
    니켈 도금 영구자석에 비해 상기 진동 발생장치의 1G를 기준으로 한 유효 진동 주파수 대역폭을 적어도 30% 이상 확장시키는 것을 특징으로 하는 진동 발생장치.
13. 제 12항에 있어서,
    상기 아연 도금 영구자석이 구비된 진동 발생장치의 유효 진동 주파수 대역폭은 50~60Hz인 것을 특징으로 하는 진동 발생장치.

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