KR20200041596A - 수평형 리니어 진동발생장치 - Google Patents

Abstract

수평형 리니어 진동발생장치가 개시된다. 본 발명에 따른 진동발생장치는, 브라켓과 결합하여 내부에 실장공간을 형성시키는 케이스와, 브라켓 상면의 회로기판에 실장되는 코일과 외면 일부를 상기 코일이 감싸도록 구성된 요크를 포함하는 고정자와, 고정자를 둘러싸도록 구성되며 고정자와의 상호 작용으로 제1 방향에 대해 케이스 내에서 요동되는 진동자 및 케이스와 진동자 사이에서 상기 진동자를 제1 방향에 대해 양 측에서 탄성 지지하는 한 쌍의 스프링을 포함하며, 진동자는, 고정자를 중심으로 제1 방향과 직교하는 제2 방향에 대해 대향 배치되는 제1, 제2 자석군과, 제1 및 제2 자석군에 인접 배치되는 중량체를 포함하고, 제1, 제2 자석군은, 자기장의 방향이 고정자를 향하도록 자화된 중심자석과, 상기 중심자석의 양 옆에 연접 설치되며 자기장의 방향이 중심자석을 향하도록 자화된 한 쌍의 보조자석을 포함하며, 한 쌍의 보조자석과 중심자석이 상호 접하는 자극면이 경사진 것을 구성의 요지로 한다.

Description

수평형 리니어 진동발생장치{Horizontal type linear vibration generating device}

본 발명은 수평형 리니어 진동발생장치에 관한 것으로, 특히 휴대 전화 등에 사용되며 코일이 발생시키는 전기장과 자석에 의한 자기장의 상호 작용에 의하여 진동자가 수평방향으로 요동하여 진동을 발생시키는 수평형 리니어 진동발생장치에 관한 것이다.

일반적으로 휴대 단말기에 착신장치로 사용되는 진동 발생장치로서 편심 회전형 진동발생장치가 보편적으로 사용되어 왔다. 그러나 이 기술은 긴 수명을 보장하지 못하고 응답성이 빠르지 못하며 다양한 진동모드를 구현하는데 한계가 있다. 때문에 터치 조작 방식의 스마트폰이 급속도로 대중화되는 추세에서 수요자의 요구를 충족시키지 못하는 문제가 있다.

이에 대한 대응 방안 중 하나가 중량체를 선형적으로 요동시켜 진동을 발생시키는 선형 진동 발생장치이다. 선형 진동 발생장치는 기본적으로 1차 진동계를 이용한다. 이를 위해 코일모양 탄성체와 중량체를 진동시키기 위한 코일을 구비하고, 코일에 인가된 전류로 중량체와 탄성체의 탄성 계수에 의해 미리 정해진 주파수 응답 특성에 따라 상기 중량체가 진동한다.

이와 같은 종래의 선형 진동 발생 장치는, 코일과 고정 자석 사이에서 발생하는 로렌츠 힘(Lorenz force)으로 중량체를 요동시켜 진동을 발생시키는 작동원리로 구동이 된다. 그러나 로렌츠 힘에 의한 진동 발생 장치의 구조적인 한계로 인하여 진동의 강도 및 진동 주파수 대역 등의 특성을 양호하게 구현해내는 데에는 어려움이 있다.

더욱이, 종래의 선형 진동 발생 장치에서는 감쇠값의 증가에 한계가 있고, 구조적으로 자기 폐회로 구현의 불완전성 때문에 많은 양의 자기력선 누설로 진동력이 떨어지고 반응속도(응답성)가 더딘 단점이 있다. 대응 방안으로 자석의 수를 늘이거나 추가적인 차폐 구조를 적용하는 방안이 있으나, 이는 장치 소형화 추세에서 시장의 요구에 부응하기 어렵고 원가가 상승하는 문제가 있다.

한국등록특허 제10-1250288호 (2013.03.28 등록)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전자기력의 상호작용이 극대화되는 방향으로 자기력이 집중되도록 영구자석의 자기회로 구조를 개선하여, 진동특성과 반응속도(응답성) 등 성능이 향상된 수평형 리니어 진동발생장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 독특한 영구자석 배열에 따른 자기회로적 특성을 이용하여 추가적인 차폐 구조 없이도 외부 누설 자속을 획기적으로 줄일 수 있는 수평형 리니어 진동발생장치를 제공하고자 하는 것이다.

과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 실시 예에 따르면,

브라켓과 결합하여 내부에 실장공간을 형성시키는 케이스;

상기 브라켓 상면의 회로기판에 실장되는 코일과, 외면 일부를 상기 코일이 감싸도록 구성된 요크를 포함하는 고정자;

상기 고정자를 둘러싸도록 구성되며, 상기 고정자와의 상호 작용으로 제1 방향을 따라 케이스 내에서 운동 방향이 주기적으로 바뀌는 직선운동을 하는 진동자; 및

상기 케이스와 진동자 사이에서 상기 진동자를 제1 방향에 대해 양 측에서 탄성 지지하는 한 쌍의 스프링;을 포함하며,

상기 진동자는, 고정자를 중심으로 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향에 대해 대향 배치되는 제1, 제2 자석군과, 상기 제1, 제2 자석군에 인접 배치되는 중량체를 포함하고,

상기 제1, 제2 자석군은, 자기장의 방향이 상기 고정자를 향하도록 자화된 중심자석과, 상기 중심자석의 양 옆에 연접 설치되며 자기장의 방향이 상기 중심자석을 향하도록 자화된 한 쌍의 보조자석을 포함하며,

상기 한 쌍의 보조자석과 중심자석이 상호 접하는 자극면이 경사진 것을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치를 제공한다.

본 발명에서 상기 중심자석은 고정자에서 멀어질수록 상기 자극면 사이의 간극이 좁아지는 이등변삼각형 모양일 수 있다.

이 경우, 고정자 반대편 상기 중심자석의 꼭지점과 보조자석 외면부의 수평방향 위치가 같거나, 상기 꼭지점이 상기 외면부보다 고정자에 가깝게 위치하도록 구성될 수 있다.

반대로, 고정자 반대편 상기 중심자석의 꼭지점이 보조자석의 외면부보다 제2 방향에 대하여 외측으로 더 돌출되도록 구성할 수도 있다.

이때, 상기 중심자석과 접하는 보조자석의 자극면의 변의 길이 L2가 상기 중심자석의 자극면의 변의 길이 L1의 적어도 1/3 이상이 바람직하다.

또한, 상기 중심자석은 고정자에서 멀어질수록 상기 자극면 사이의 간극이 좁아지는 등각 사다리꼴 모양일 수도 있다.

이 경우 마찬가지로, 고정자 반대편 상기 중심자석의 윗변과 보조자석 외면부의 수평방향 위치가 같거나, 상기 윗변이 상기 외면부보다 고정자에 가깝게 위치하도록 구성될 수 있다.

반대로, 고정자 반대편 상기 중심자석의 윗변이 보조자석의 외면부보다 제2 방향에 대하여 외측으로 더 돌출되도록 구성할 수도 있다.

이때에도, 상기 중심자석과 접하는 보조자석의 자극면의 변의 길이 L2가 상기 중심자석의 자극면의 변의 길이 L1의 적어도 1/3 이상이 바람직하다.

본 발명에 적용된 보조자석(각각의 중심자석 양 옆으로 연접 설치되는 자석)은 자극 방향이 서로 수직이며 상기 자극면과 대칭인 자극 경계면을 기준으로 분할되는 2개의 자석으로 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 보조자석은, 상기 중심자석과 접하며 자기장의 방향이 상기 중심자석을 향하도록 자화된 제1 보조자석과, 상기 자극 경계면을 중심으로 상기 제1 보조자석과 접하도록 구비되며 자기장의 방향이 상기 중심자석의 자기장 방향과 반대인 제2 보조자석으로 이루어진 구성일 수 있다.

또한 본 발명은, 고정자와 마주하는 면의 반대편에서 상기 자석군과 자성체들을 실장하도록 구비되는 한 쌍의 프레임을 더 포함할 수 있으며, 이때 프레임 측에는 중심자석과 주변에 인접 배치된 보조자석 간 자극 배열에 따른 자력 상쇄 효과가 발휘되므로 자기 차폐가 요구되지 않는다. 그러므로 경량화 및 원가 절감에 유리한 비자성체 재질로 프레임을 구성하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 프레임에는 자석군의 제1 방향 최외면 일부 또는 전부를 감싸도록 구비되는 엔드 커버가 형성될 수 있다.

본 발명에서 방향을 지칭하는 용어인 상기 제1 방향은 코일과 자석의 상호작용으로 케이스 내에서 상기 진동자가 진동하는 방향이며, 상기 제2 방향은 동일 평면 상에서 상기 제1 방향과 직교하는 방향일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 독특한 영구자석 배열(Halbach array)에 따라 발휘되는 자기회로적 특성(고정자와 대면하는 측의 자력이 증대되는 특성)으로 인하여, 자석의 자기력과 코일의 기자력 사이의 상호 흡인, 반발, 추진력이 향상될 수 있다. 결과적으로, 진동발생장치의 진동력을 극대화하고 반응속도를 향상시키는 효과가 발휘될 수 있다.

또한, 독특한 영구자석 배열에 따라 발휘되는 자기회로적 특성 중 다른 자기회로적 특성(고정자와 대면하는 자석 면의 반대편 측의 자력이 상호 간섭으로 상쇄되는 특성)으로 인하여, 별도의 추가적인 차폐 구조 없이도 외부로 누설되는 자속을 획기적으로 줄일 수 있다. 결과적으로, 원가절감 및 장치 소형화에 유리한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평형 리니어 진동발생장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평형 리니어 진동발생장치의 분해 사시도.
도 3은 도 1의 리니어 진동발생장치를 A-A선 방향에서 바라본 단면도.
도 4는 도 1의 리니어 진동발생장치를 B-B선 방향에서 바라본 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수평형 리니어 진동발생장치의 주요부를 확대 도시한 사시도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 수평형 리니어 진동발생장치의 자기회로를 설명하기 위한 요부 확대 구조도.
도 7은 자력이 한 쪽에서는 증가되고 다른 쪽에서는 상쇄되어 감소되는 구조의 자석군의 다양한 변형을 예시한 도면.
도 8은 자석군의 다른 다양한 변형을 예시한 도면.
도 9는 자석군의 또 다른 변형을 예시한 도면.
도 10은 종래의 리니어 진동발생장치에 일반적으로 적용되는 자기회로의 자속 분포 및 영역 별 자기장의 세기를 나타내는 실험 데이터.
도 11은 본 발명에 따른 리니어 진동발생장치에 적용되는 자기회로의 자속 분포 및 영역 별 자기장의 세기를 나타내는 실험 데이터.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 자세히 살펴보기로 한다.

명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

더하여, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 본 발명의 설명에서, "대략(substantially)"이라는 용어는, 인용된 특성, 파라미터 또는 값이 정확하게 달성될 필요는 없으며, 허용오차, 측정 오류, 측정 정확성 한계 및 당업자에게 알려진 다른 요소들을 포함하는 편차 또는 변화, 특성이 제공하고자 하는 효과를 제외하지 않는 정도로 이해되어야 한다.

이후 설명될 본 실시 예들은 "휴대 가능한 사용자 기기"에 적용되는 것으로, 휴대 단말기는 휴대 가능한 사용자 기기를 지칭한다. 그러나 이는 단지 일반적인 용어이며, 본 실시 예는 이동 전화기, 손바닥 크기(palm sized) 개인용 컴퓨터(PC), 개인용 통신 시스템(PCS: Personal Communication System), 개인용 디지털 어시스턴트(PDA: Personal Digital Assistant), 휴대용 PC(HPC: Hand-held PC), 스마트 폰(smart phone), 무선 LAN(Local Area Network) 단말기, 랩탑 컴퓨터, 넷북(netbook), 태블릿 피씨(tablet personal computer), 모바일 외 게임기, VR 기기(Virtual Reality), 차량 등 중 다양한 기기 또는 분야에 적용 가능함을 밝혀 둔다.

따라서 "휴대 가능한 사용자 기기"라는 용어를 이용하는 것은 본 실시 예의 적용을 특정 유형의 장치로 한정하는데 이용되어서는 안 된다.

이하 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일도면 참조부호를 부여하기로 하며 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명을 설명하기에 앞서 이후 사용될 방향관련 용어에 대해 다음과 같이 정의하기로 한다. 이후 사용되는 방향 용어 중 제1 방향은 도면상 진동발생장치의 길이방향, 구체적으로는 고정자에 대해 진동자가 진동하는 방향으로 정의하고, 제2 방향은 같은 평면 상에서 상기 제1 방향과 직교하는 방향으로서 진동발생장치의 폭방향으로 정의한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수평형 리니어 진동발생장치의 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 수평형 리니어 진동발생장치의 분해 사시도이다. 그리고 도 3은 도 1의 리니어 진동발생장치를 A-A선 방향에서 바라본 단면도이며, 도 4는 도 1의 리니어 진동발생장치를 B-B선 방향에서 바라본 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 수평형 리니어 진동발생장치는 크게, 진동자(10)와 고정자(20)로 구성된다. 여기서 고정자와 진동자는 서로 상대적인 개념으로서, 상기 고정자(20)는 상기 진동자(10)에 대해 고정되는 부분을 의미하고, 상기 진동자(10)는 고정자(20)에 대해서 진동하는 부분을 의미한다.

진동자(10)는 장치 외형을 구성하는 케이스(30) 내에 설치되며 고정자(20)와 상호 작용으로 제1 방향에 대하여 운동방향이 주기적으로 바뀌는 직선운동을 한다. 진동자(10)는 복수의 자석으로 구성된 한 쌍의 자석군(12A, 12B) 및 자석군(12A, 12B)의 제1 방향 양 측부에 연접하도록 설치되는 한 쌍의 중량체(16L, 16R)를 포함한다.

여기서, 상기 중량체(16L, 16R)는 비중이 높은 고비중 또는 금속체의 블록 구조일 수 있다.

케이스(30) 내에서의 진동자(10)의 제1 방향 직선운동은 스프링(40L, 40R)의 반발력에 의해 증폭되고 동시에 일정 폭으로 제한된다. 또한 진동자(10)의 진폭을 소정거리로 제한하는 상기 스프링(40L, 40R)의 반발력에 의하여 진동자(10)와 케이스(30) 사이의 직접적인 물리적 충돌이 억제되고, 진동자(10)가 초기 기동 위치로 복귀 가능한 것도 스프링의 반발력에 기인한다.

스프링(40L, 40R)은 바람직하게, 도면의 예시와 같이 제1 방향을 따라 연속해서 주름진 구조의 파형 스프링일 수 있으나 특별히 이에 국한되는 것은 아니다. 진동자(10)의 제1 방향 직선운동에 대응하여 인장/압축되는 탄성을 발휘할 수 있는 구조이기만 하면 되고, 케이스(30)와 진동자(10) 사이에서 상기 진동자(10)를 제1 방향에 대해 양측에 탄성 지지하도록 한 쌍으로 구비될 수 있다.

케이스(30)는 그 하부에서 결합되는 브라켓(34)과 함께 상기 진동자(10) 및 고정자(20), 그리고 스프링(40L, 40R)을 수용할 수 있는 폐쇄된 실장공간을 형성시킨다. 케이스(30)는 도면의 예시와 같이 평면상의 모양이 직사각형이며 하부가 개구된 직육면체 구조일 수 있으며, 이때 브라켓(34)과 케이스(30)를 자성체로 구성하면 자기 차폐를 통한 자속 집중효과로 구동 성능이 더욱 향상될 수 있다.

고정자(20)는 상기 브라켓(34) 상에 탑재되어 실장공간 중앙에 위치하는 구조로 고정된다. 브라켓(34)과 고정자(20) 사이의 상기 브라켓(34) 상면에는 진동자(10)를 구성하는 자석과 고정자(20)의 코일(22) 사이의 상호 작용으로 진동이 발생하도록 상기 고정자(20) 측, 구체적으로는 고정자(20)를 구성하는 코일(22)에 외부로부터 교류 전류를 공급하는 회로기판(50)이 배치된다.

고정자(20)는 브라켓(34) 상면의 회로기판(50)에 실장되는 상기 코일(22)을 포함한다. 또한 그 외면 일부를 상기 코일(22)이 감싸도록 구성되는 자성체인 요크(24L, 24R)를 구비한다. 요크(24L, 24R)는 코일(22)의 중심을 기준으로 제1 방향에 대해 대칭적인 배치를 이루도록 한 쌍으로 마련될 수 있으며, 자속 집중을 위해 마주하는 면이 상기 코일(22)의 내측에서 서로 접하도록 구성될 수 있다.

요크(24L, 24R) 각각은 다시, 상기 코일(22)에 둘러싸인 요크 코어(240)와, 상기 코일(22)의 권선영역을 구획하는 요크 엔드(242)로 구성될 수 있다. 요크(24L, 24R)와 코일(22)로 구성된 고정자(20)는 상기 요크(24L, 24R)를 통해 브라켓(34)으로부터 부양된 상태로 실장공간 중앙에 위치하도록 설치될 수 있다.

요크(24L, 24R)는 코일(22)에 전원이 인가될 때 발생하는 자기력선을 한 방향으로 집중시키는 역할을 한다. 또한 코일(22)에 인가되는 전원(교류 전류)의 방향에 따라 교대로 N극과 S극으로 자화된다. 이에 따라, 후술하게 될 진동자(10)의 자석군(12A, 12B)과의 상호작용(인력과 척력)으로 상기 진동자(10)는 케이스 내에서 주기적으로 운동방향이 바뀌는 직선운동을 할 수 있다.

좀 더 구체적으로는, 브라켓(34) 상의 상기 회로기판(50)에 코일(22)이 전기적으로 연결됨으로써 고정자(20)에 상기 진동자(10)를 진동시키기 위한 교류 전류가 공급되며, 공급된 전기 신호로부터 코일(22)이 발생시키는 전기장과 자석군(12A, 12B)의 자기장 사이의 인력(引力)과 척력(斥力)에 의해 고정자(20)에 대해 진동자(10)가 제1 방향으로 수평 왕복운동을 함으로써 진동이 발생된다.

진동자(10)는 자계를 형성시키는 한 쌍의 자석군(12A, 12B)을 포함한다. 한 쌍의 자석군(12A, 12B)은 고정자(20)를 중심으로 제2 방향에 대하여 대향되도록 배치되되, 상기 고정자(20)와 마주하는 면 반대편에서 상기 자석군(12A, 12B)을 실장하도록 구비되는 한 쌍의 프레임(14)을 통해 고정자(20)를 기준으로 일측과 타측에 각각 하나의 자석군(12A와 12B)을 형성하도록 구비된다.

프레임(14)은 비자성체 재질로 형성될 수 있으며, 도 5의 바람직한 다른 실시 예와 같이, 상기 자석군(12A, 12B)의 제1 방향 최외면 일부 또는 전부를 감싸도록 구비되는 엔드 커버(140L, 140R)가 형성되어, 고정자(20)와 마주하는 면을 제외한 자석군(12A, 12B)의 외면부를 감싸면서 상기 엔드 커버(120)가 후술하는 중량체(16L, 16R)의 영역과 상기 자석군이 영역을 분할 구획하도록 구성될 수도 있다.

제1 방향에 대하여 자석군(12A, 12B)의 외측에는 한 쌍의 중량체(16L, 16R)가 설치된다. 중량체(16L, 16R)의 주된 역할은 진동자(10)의 진동력을 증폭시키는 것으로, 두께나 비중은 본 발명의 실시 예에 따른 진동발생장치가 적용되는 휴대 단말기의 사양에 따라 달라지는 요구 진동력에 맞춰 달라질 수 있으므로 특정 두께나 비중으로 국한되는 것은 아니다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 수평형 리니어 진동발생장치의 자기회로를 설명하기 위한 요부 확대 구조도이다.

도 6을 참조하면, 자기회로를 구성하는 진동자(10)는, 앞서도 언급했듯이 상기 고정자(20)를 중심으로 제2 방향에 대해 대향 배치되는 한 쌍의 자석군(이하, '제1, 제2 자석군(12A, 12B)'이라 한다)을 포함한다. 제1, 제2 자석군(12A, 12B) 각각은 둘 이상 복수의 영구자석들로 구성되되, 고정자(20)를 기준으로 대칭적으로 형성되는 것을 제외하고는 영구자석들의 기본 배열은 동일하다.

제1, 제2 자석군(12A, 12B) 각각은, 하나의 중심자석(120)과, 중심자석(120) 양 옆으로 연접 배치되는 좌우 한 쌍의 보조자석(122L, 122R)을 포함하는 구성일 수 있다. 제1, 제2 자석군(12A, 12B) 각각에 포함된 상기 중심자석(120)은 자기장의 방향이 상기 고정자(20)를 향하도록 자화되고, 양 옆의 보조자석(122L, 122R)은 자기장의 방향이 중심자석(120)을 향하도록 자화된 영구 자석일 수 있다.

이때, 보조자석(122L, 122R)과 중심자석(120)이 상호 접하는 자극면(121L, 121R)은 도면의 예시와 같이 경사지게 형성된다.

좀 더 구체적으로, 제1, 제2 자석군(12A, 12B) 각각의 중심자석(120)은 상기 고정자(20)와 마주하는 측의 극성이 N극이고 반대편이 S극이며, 중심자석(120)의 양 옆에 연접 설치되는 상기 보조자석(122L, 122R)은 상기 중심자석(120)의 자극면(121L, 121R)과 접하는 측의 극성이 N극이고, 반대편에 S극이 위치하도록 배열됨으로써 전체적인 자극 배열상 상기 중심자석(120)과 보조자석(122L, 122R)의 자극 방향이 대략 직각을 이루도록 배열될 수 있다.

이와 같은 자극 배열에 따라, 도 5에 도시한 바와 같이 자기력선 패턴이 4개의 화살표 방향으로 연속되는 폐곡선 구조의 자기회로가 형성되며, 이때 중심자석(120)의 자기장 방향이 고정자(20)를 향하고 보조자석(122L, 122R)은 중심자석(120)을 향함으로써 중심자석(120)이 보조자석(122L, 122R)의 자속을 고정자 측으로 밀어내는 효과가 발휘되어 각 자석군(120A, 120B) 한쪽 면의 자속 밀도는 증가하고 상대적으로 다른 쪽 면의 자속 밀도는 줄어들게 된다.

즉 중심자석(120)의 자기장 방향이 고정자(20)를 향하고 보조자석(122L, 122R)의 자기장 방향이 중심자석(120)을 향하는 할바흐 배열(Halbach array)로 인하여, 고정자(20) 반대편의 자석 면의 자속 밀도는 할바흐 배열에 따른 자기력선 사이의 상호 간섭에 의해 상쇄되어 크게 감소하게 되고, 각 자석군의 고정자(20)와 마주하는 측 자속 밀도는 상대적으로 크게 증가하게 된다.

이로 인해, 실질적으로 고정자(20)와 상호 작용을 통해 진동력을 발생시키는 측의 자기력(고정자(20)를 향하는 자력)의 세기가 증대되는 효과가 나타나고, 고정자(20) 방향으로 증대된 자석의 자기력과 코일의 기자력 사이의 상호 작용으로 진동자(10)에 대한 고정자(20)의 흡인, 반발, 추진력이 향상되므로, 결국 진동력이 극대화되고 반응속도(응답성)가 크게 향상될 수 있다.

또한, 고정자(20)와 마주하는 반대편에서는 할바흐 배열에 따른 자기력선 사이의 상호 간섭 현상으로 자기력이 크게 약해지게 된다. 때문에 자기장의 외부 누설을 막는 자기 차폐의 요구가 크지 않다. 따라서 고정자(20)의 반대편에서 자석군를 실장하는 프레임(14)이 자성체일 필요가 없으며, 이를 통해 장치 경량화와 원가 절감을 도모할 수 있다.

도 7은 자력이 한 쪽에서는 증가되고 다른 쪽에서는 상쇄되어 감소되는 구조의 자석군의 다양한 변형을 예시한 도면이다.

도 7의 변형 예와 같이, 중심자석(120)은 고정자(20)에서 멀어질수록 보조자석과 접하는 자극면(121L, 121R) 사이의 간극이 좁아지는 이등변삼각형 모양으로 형성될 수 있다. 이때 도 7의 (a)와 (b)와 같이, 고정자(20) 반대편 상기 중심자석(120)의 꼭지점과 보조자석(122L, 122R) 외면부의 수평방향 위치가 같거나, 상기 꼭지점이 상기 외면부보다 고정자(20)에 가깝게 위치하도록 구성될 수 있다.

중심자석(120)의 최외면 또는 모서리가 적어도 보조자석(122L, 122R) 외면부의 수평방향 위치와 같거나 상기 외면부보다 고정자(20)에 가깝게 위치하면, 중심자석(120)의 자기력을 고정자(20)에 보다 집중시키는 효과가 발현되며, 이에 따라 고정자(20)와 진동자(10) 사이의 자기효율이 증대되고 반발력이 커져 진동을 더욱 강화시키는 효과가 발휘될 수 있다

도 7의 (c)에 예시한 변형 예와 같이, 전술한 (a), (b) 구조와는 반대로, 고정자(20) 반대편 상기 중심자석(120)의 꼭지점이 보조자석(122L, 122R)의 외면부보다 제2 방향에 대하여 외측으로 더 돌출되도록 구성하면, 중심자석(120)과 접한 보조자석(122L, 122R)의 자극(N극)과 상기 꼭지점 측 중심자석(120)의 자극(S극)의 상호 작용으로 외부로 누설되는 자기장이 효과적으로 저감될 수 있다.

도 7의 (c)와 같이, 고정자(20) 반대편 중심자석(120)의 꼭지점이 보조자석(122L, 122R)의 외면부보다 외측으로 더 돌출되도록 구성함에 있어서는, 중심자석(120)과 접하는 보조자석(122L, 122R)의 자극면의 변의 길이 L2가 중심자석의 자극면의 변의 길이 L1의 적어도 1/3 이상이 되도록 함으로써, 자속의 누설은 억제하면서 자기회로 내 원활한 순환형 자력 패턴이 형성되도록 함이 바람직하다.

도 8은 자석군의 다른 다양한 변형을 예시한 도면이다.

도 8의 변형 예와 같이, 중심자석(120)은 고정자(20)에서 멀어질수록 보조자석과 접하는 자극면(121L, 121R) 사이의 간극이 좁아지는 대략 등각 사다리꼴 모양으로 형성될 수도 있다. 여기서도 도 7의 (a)와 (b)와 같이, 고정자(20) 반대편에 위치하는 중심자석(120)의 윗변과 보조자석(122L, 122R) 외면부의 수평방향 위치가 같거나, 상기 윗변이 상기 외면부보다 고정자(20)에 가깝게 위치하도록 구성될 수 있다.

중심자석(120)의 최외면이 적어도 보조자석(122L, 122R) 외면부의 수평방향 위치와 같거나 상기 외면부보다 고정자(20)에 가깝게 위치하도록 구성되면, 중심자석(120)의 자기력을 고정자(20)에 보다 집중시킬 수 있으며, 이에 따라 고정자(20)와 진동자(10) 사이의 자기효율이 증대되고 반발력이 커져 진동을 더욱 강화시키는 효과가 발휘될 수 있다

도 8의 (c)에 예시한 변형 예와 같이, 전술한 (a), (b) 구조와는 반대로, 고정자(20) 반대편 상기 중심자석(120)의 최외면이 보조자석(122L, 122R)의 외면부보다 제2 방향에 대하여 외측으로 더 돌출되도록 구성하면, 중심자석(120)과 접한 보조자석(122L, 122R)의 자극(N극)과 상기 꼭지점 측 중심자석(120)의 자극(S극)의 상호 작용(인력)으로 누설 자속을 줄이는 효과가 증대될 수 있다.

도 8의 (c)와 같이, 고정자(20) 반대편 중심자석(120)의 윗변이 보조자석(122L, 122R)의 외면부보다 외측으로 더 돌출되도록 구성함에 있어서도, 중심자석(120)과 접하는 보조자석(122L, 122R)의 자극면의 변의 길이 L2가 중심자석의 자극면의 변의 길이 L1의 적어도 1/3 이상이 되도록 함으로써, 자속의 누설은 억제하면서 자기회로 내 원활한 순환형 자력 패턴이 형성되도록 함이 바람직하다.

도 9는 자석군의 또 다른 변형을 예시한 도면으로서, 자석군을 구성하는 복수의 자석 배열을 도 9와 같은 형태로 구성할 수도 있다. 즉 보조자석(122L, 122R, 각각의 중심자석 양 옆으로 연접 설치되는 자석)을 자극 방향이 상호 수직이고 전술한 자극면(121L, 121R)과 대칭인 자극 경계면(D)을 기준으로 분할되는 2개의 자석으로 분할시킨 구성일 수 있다.

즉 상기 자극면(121L, 121R)을 통해 중심자석(120)과 접하며 자기장의 방향이 상기 중심자석(120)을 향하도록 자화된 제1 보조자석(122-1L, 122-1R)과, 상기 자극 경계면(D)을 중심으로 상기 제1 보조자석(122-1L, 122-1R)과 접하도록 구비되며 자기장의 방향이 상기 중심자석(120)의 자기장 방향과 반대인 제2 보조자석(122-2L, 122-2R)이 전술한 보조자석(122L, 122R)을 이루도록 구성할 수도 있다.

이와 같은 구성에 의하면, 제2 보조자석(122-2L, 122-2R)이 자기회로 내 폐루프 구조의 순환형 자력 패턴을 최단 경로화하는 방향으로 배치됨에 따라 자기효율이 더욱 향상되며, 중심자석(120)을 기준으로는 두 개의 제2 보조자석(122-2L, 122-2R)이 대칭 구조로 배열됨에 따른 상호 상충되는 방향의 자력에 의해 고정자(20) 반대편 영역의 자력 상쇄 효과가 더욱 커져 외부로 누설되는 자기장이 더욱 저감될 수 있다.

도 10과 도 11은 자기회로 내 자속 분포 및 영역 별 자기장의 세기를 나타내는 실험 데이터로서, 도 10은 종래의 리니어 진동발생장치에 일반적으로 적용되는 자기회로의 자속 분포 및 영역 별 자기장의 세기를 나타내고, 도 11은 본 발명에 따른 리니어 진동발생장치에 적용되는 자기회로의 자속 분포 및 영역 별 자기장의 세기를 나타낸다.

각각의 실험 데이터에서 자기회로 내 영역 별 자기장의 세기를 나타내는 아래쪽 그래프에서 세로축과 가로축은 각각 자속 밀도와 거리를 나타낸다. 이때 거리를 나타내는 가로축의 수치 중 6.00 mm 되는 지점이 자기회로의 중심(고정자의 중심) 에 해당되며, ①과 ②로 표현된 비선형 구조의 선은 각각, 진동자 내측과 외측 영역의 자기장의 세기 변화를 나타낸다.

중심자석의 자극방향과 인접 보조자석의 자극방향이 단순히 상호 수직하게 구성된 종래 리니어 진동발생장치의 자기회로를 보면, 도 10에서 같이 진동력 발생에 실질적으로 영향을 미치는 구간(고정자와 자석이 대면하는 구간으로서 자속 분포도 아래의 그래프에서 대략 4 .00 ~ 8.00mm에 해당하는 구간)에서의 내측 영역의 자속 밀도(①)가 균일하지 못한 것을 알 수 있다.

고정자와 자석이 대면하는 구간의 자기장의 세기(자속 밀도)가 균일하지 못하다는 것은 다른 의미로, 고정자와 진동자의 상호 작용으로 상기 진동자를 움직이게 하는 힘이 진동방향(제1 방향)에 대해 균일하지 못하다는 것을 의미하며, 이는 기동성 및 응답성 등 전체적인 구동 성능이 떨어지는 것으로 해석될 수 있다.

또한 종래 자기회로(도 10)에서 진동차 외측 영역의 자속 밀도(②)를 보면, 고정자(20)와 진동자(10)의 자석이 중첩되는 영역에 상응하는 구간(마찬가지로 4 .00 ~ 8.00mm에 해당하는 구간)에서 자속 밀도가 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 해당 구간에서 외부로 누설되는 자속의 양이 많다는 의미이며, 누설 자속량이 많으면 그만큼 자력 손실이 커져 자기효율이 떨어진다.

반면, 본 발명의 실시 예에 따른 리니어 진동발생장치의 자기회로를 보면, 도 11에서 같이 진동력 발생에 실질적으로 영향을 미치는 구간(고정자와 자석이 대면하는 구간으로서 자속 분포도 아래에 위치한 그래프에서 대략 4 .00 ~ 8.00mm에 해당하는 구간)에서의 내측 영역의 자속 밀도(①)가 균일하게 유지되는 것을 알 수 있다.

고정자와 자석이 대면하는 구간의 자기장의 세기(자속 밀도)가 균일하다는 것은 다른 의미로, 고정자와 진동자의 상호 작용으로 상기 진동자를 움직이게 하는 힘이 진동방향(제1 방향)에 대해 균일하게 작용한다는 것을 의미하며, 이는 장치의 기동성 및 응답성 등 전체적인 구동 성능이 종래 기술에 비해 확연히 개선된 것으로 해석될 수 있다.

또한 본 발명의 자기회로(도 11)에서 진동자 외측 영역의 자속 밀도(②)를 보면, 고정자와 진동자의 자석이 중첩되는 영역에 상응하는 구간(마찬가지로 4 .00 ~ 8.00mm에 해당하는 구간)에서 자속 밀도가 거의 제로(0) 수준에 가깝게 유지되는 것을 알 수 있다. 이는 해당 구간에서의 외부 자속 누설이 거의 없다는 의미로서 자기 차폐 측면에서도 분명한 효과가 있는 것으로 해석될 수 있다.

이상에서 살펴본 본 발명에 따르면, 독특한 영구자석 배열(Halbach array)에 따라 발휘되는 자기회로적 특성(고정자와 대면하는 측의 자력이 증대되는 특성)으로 인하여, 자석의 자기력과 코일의 기자력 사이의 상호 흡인, 반발, 추진력이 향상될 수 있다. 결과적으로, 진동발생장치의 진동력을 극대화하고 반응속도를 향상시키는 효과가 발휘될 수 있다.

또한, 독특한 영구자석 배열에 따라 발휘되는 자기회로적 특성 중 다른 자기회로적 특성(고정자와 대면하는 자석 면의 반대편 측의 자력이 상호 간섭으로 상쇄되는 특성)으로 인하여, 별도의 추가적인 차폐 구조 없이도 외부로 누설되는 자속을 획기적으로 줄일 수 있다. 결과적으로, 원가절감 및 장치 소형화에 유리한 장점이 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 진동자
12 A, 12B : 자석군
14 : 프레임
16L, 16R : 중량체
20 : 고정자
22 : 코일
24L, 24R : 요크
30 : 케이스
34 : 브라켓
40L, 40R : 스프링
50 : 회로기판
120 : 중심자석
121L, 121R : 자극면
122L, 122R : 보조자석
122-1L, 122-1R : 제1 보조자석
122-2L, 122-2R : 제2 보조자석
140L, 140R : 엔드 커버
240 : 요크 코어
242 : 요크 엔드

Claims (15)

1. 브라켓과 결합하여 내부에 실장공간을 형성시키는 케이스;
   상기 브라켓 상면의 회로기판에 실장되는 코일과, 외면 일부를 상기 코일이 감싸도록 구성된 요크를 포함하는 고정자;
   상기 고정자를 둘러싸도록 구성되며, 상기 고정자와의 상호 작용으로 제1 방향에 대해 케이스 내에서 요동되는 진동자; 및
   상기 케이스와 진동자 사이에서 상기 진동자를 제1 방향에 대해 양 측에서 탄성 지지하는 한 쌍의 스프링;을 포함하며,
   상기 진동자는,
   고정자를 중심으로 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향에 대해 대향 배치되는 제1, 제2 자석군과, 상기 제1, 제2 자석군에 인접 배치되는 중량체를 포함하고,
   상기 제1, 제2 자석군 각각은, 자기장의 방향이 상기 고정자를 향하도록 자화된 중심자석과, 상기 중심자석의 양 옆에 연접 설치되며 자기장의 방향이 상기 중심자석을 향하도록 자화된 한 쌍의 보조자석을 포함하며,
   상기 한 쌍의 보조자석과 중심자석이 상호 접하는 자극면이 경사진 것을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 중심자석은 고정자에서 멀어질수록 양 옆의 보조자석과 접하는 한 쌍의 자극면 사이의 간극이 좁아지는 이등변삼각형 모양으로 형성됨을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   고정자 반대편 상기 중심자석의 꼭지점과 보조자석 외면부의 수평방향 위치가 같거나, 상기 꼭지점이 상기 외면부보다 고정자에 가깝게 위치하는 것을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   고정자 반대편 상기 중심자석의 꼭지점이 보조자석의 외면부보다 제2 방향에 대하여 외측으로 더 돌출된 것을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 중심자석과 접하는 보조자석의 자극면의 변의 길이 L2가 상기 중심자석의 자극면의 변의 길이 L1의 적어도 1/3 이상인 것을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치.
   
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 중심자석은 고정자에서 멀어질수록 양 옆의 보조자석과 접하는 한 쌍의 자극면 사이의 간극이 좁아지는 등각 사다리꼴 모양으로 형성됨을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   고정자 반대편 상기 중심자석의 윗변과 보조자석 외면부의 수평방향 위치가 같거나, 상기 윗변이 상기 외면부보다 고정자에 가깝게 위치하는 것을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   고정자 반대편 상기 중심자석의 윗변이 보조자석의 외면부보다 제2 방향에 대하여 외측으로 더 돌출된 것을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치.
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 중심자석과 접하는 보조자석의 자극면의 변의 길이 L2가 상기 중심자석의 자극면의 변의 길이 L1의 적어도 1/3 이상인 것을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치.
   
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    보조자석 각각은 자극 방향이 서로 수직이며 상기 자극면과 대칭인 자극 경계면을 기준으로 분할되는 2개의 자석으로 구성됨을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 보조자석은,
    상기 중심자석과 접하며 자기장의 방향이 상기 중심자석을 향하도록 자화된 제1 보조자석과;
    상기 자극 경계면을 중심으로 상기 제1 보조자석과 접하도록 구비되며 자기장의 방향이 상기 중심자석의 자기장 방향과 반대인 제2 보조자석;으로 구성됨을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정자와 마주하는 면 반대편에서 상기 자석군을 실장하는 한 쌍의 프레임;을 더 포함하는 수평형 리니어 진동발생장치.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 프레임이 비자성체 재질로 구성됨을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 프레임에는 자석군의 제1 방향 최외면 일부 또는 전부를 감싸도록 구비되는 엔드 커버가 더 형성된 것을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동 발생장치.
    
15. 제 1 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 방향은 코일과 자석의 상호작용으로 케이스 내에서 상기 진동자가 진동하는 방향이며,
    상기 제2 방향은 동일 평면 상에서 상기 제1 방향과 직교하는 방향인 것을 특징으로 하는 수평형 리니어 진동발생장치.
    

Images