KR20200129758A - 음파 치료기 적용 가능한 고 효율 진동스피커 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래 진동스피커에서의 음역(Frequency Range)의 한계를 극복하게 하는 기술로서 진동스피커의 난제인 음성대역에서의 고조파 발생을 억제하고 고음대역의 명쾌한 음질을 구현하는 기술에 관한 것이다. 구체적으로는 일반 스피커의 전통적 구조의 응용인 종래의 진동스피커 기술(Moving Coil)과 달리 본 발명은 MM(Moving Magnet) 방식으로 구현하고 전자기력 에너지의 물리적 완충 역할인 서스펜션(Suspension)을 독창적으로 구현함으로써 음질 개선은 물론 높은 효율성을 얻을 수 있었다.

Description

음파 치료기 적용 가능한 고 효율 진동스피커{VIBRATION SPEAKER APPLICABLE TO SONIC WAVE CURING DEVICE}

본 발명은 진동형 스피커 유닛에 관한 것으로 전통적인 스피커 유닛과 달리 음압을 발생하는 콘지(Corn 紙) 없이 사물에 물리적 부착을 통하여 사물 자체에 진동을 유발하게 하는 진동 구동형 스피커 유닛에 관한 것이다.

스피커로서의 음역 대역의 가변이 가능한 진동스피커이다. 종래기술과 달리 음역의 조절이 가능한 것과 높은 효율과 음역의 조절을 통하여 음파 치료기의 핵심 장치로 활용 가능함을 그 특징으로 한다.

모든 스피커의 원리는 도 5의 자석(11)과 자석(11) 사이에 흐르는 자속(Flux)사이에 위치 시킨 음성코일(21)에 전력이 인가되면 음성코일은 순간 플레밍의 왼손법칙에 의하여 자속이 발생한다.

이때 음성코일에서 발생한 자속과 영구자석(11)의 기본 자속(FC)의 공간 충돌에 의하여 운동에너지가 발생하게 되는데, 이때 자석(11)은 물리적으로 고정되어 있으므로 음성코일이 진동하게 된다.

이에 음성코일에 접속된 콘지(Corn紙)는 진동을 하게 되고 이 과정에서 음압이 형성되어 공기의 흐름을 진동하게 되어 소리가 발생하게 된다.

진동스피커는 음압을 발생하는 콘지가 없는 형태로써 발생한 진동을 외부에 부착되는 사물(유리, 벽면, 책상 등)에 진동을 전달함으로써 소리를 발생하는 역할을 한다.

이러한 특성을 갖는 진동스피커는 진동을 외부에 전달하는 방법에 따라 다양한 구조가 있을 수 있는데 음성코일을 진동하는 방법(MC, Moving Coil)과 자석을 진동하는 방법(MM, Moving Magnet)이 있다.

종래 기술은 대부분 전통적인 스피커의 MC 방식을 그대로 계승한 형태가 많다. 또한 스피커 유니트의 스파이더(Spider, 주름형태의 완충장치로써 음성코일의 진동을 물리적으로 지지하는 부분)역할을 위한 탄성 부재로서 판스프링(KR10-1469555, KR10-1266473)을 사용하고 있으나, 수직 진동 만을 고려하여 음질이 고르지 못한 단점을 지니고 있다.

또한, 수직운동에 있어서 대 부분 도 2의 판 스프링(31~34)형태를 띄고 있다. 이러한 방식은 판 스프링을 축으로 수직방향의 탄성과 응력은 가능하나 판 스프링의 중심부가 회전력을 수반 할 수 밖에 없는 구조이다.

즉, 음성코일에 일정한 주파수의 정현파(Sine wave)를 인가 한다면 수직 운동만 하게 되지만, 음악은 고음과 저음이 복잡하게 혼재되어 있을 뿐만 아니라 고음의 경우는 수직 외 매우 예민한 진동(도 4)을 유발한다.

전통적인 스피커 유닛은 동심원 주름 구조의 스파이더(도 9, Spider)와 콘지(Corn紙) 바깥부분의 원형 탄성부재(도 9, Edge Surround)의 역할로 수직 운동과 더불어 도 4의 시소형 진동에 대한 탄성과 응력이 가능하다.

또한, 종래의 진동스피커는 구조가 복잡하여 음성대역(1~2Khz)에서 고조파가 발생하는 경우가 많다. 즉, 음성 코일에 1KHz 인가 시 2KHz, 3KHz ~ 7KHz, 8KHz 순으로 진동이 발생(도 10, 점선 부분)하여 음성대역과 고음 부분이 음이 명쾌하지 않을 때가 있다.

이는 진동스피커를 사물에 부착하는 방법에 따라, 또는 부착 면의 재질에 따라 심해 질 수 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여 도 6에 도시한 바와 같이 판스프링(30)의 설계를 독특하게 처리하였다. 종래의 기술 문제를 정리하면 하기와 같다.

본 발명은 도 7에 도시 한 바와 같이 매우 간결한 구조로 설계 되었다. 스피커 유닛은 진동을 유발하는 음향자재 이므로 구조가 복잡하면 여러 가지 이유로 사용성이 제한되어 상품 가치가 저하 될 수 있다. 도 7에 도시한 바와 같이 간결한 구조의 설계가 가능하게 된 것은 도 6의 판 스프링(30)의 공학적 설계에 따른 결과 이다.

판스프링(30)과 요크(10,11)의 결합은 음성코일(20,21)과의 접촉이 있어서는 안되므로 매우 정교한 결합이 요구된다. 본 발명은 판스프링(30)의 가운데부분(30d)는 요크(10,11)를 안착 할 수 있도록 프레스 가공을 통하여 압착 성형(40)함으로써 판스프링(30)과 요크(10,11)의 정교한 결합을 제공하며 판스프링(30)의 오목한 중심부(30d)와 요크(10,11)은 접착제, 양면테잎 등을 이용한 결합이 가능하나 스폿용접을 통한 경고한 접착이 가장 바람직하다.

판스프링(30)은 60도 구분의 6개 스포크(30b)로 탄성 지지 구조를 갖는다. 이러한 방식은 종래의 나선구조(Spiral)구조의 스프링의 수직운동으로 인한 부작용인 회전력이 발생하지 않는 구조이다.

또한 120도 구분으로 3곳(30c)을 함체(51)에 나사못으로서 결합함으로써 요크(10,11)는 장치 내에서 부동(Floating)위치를 갖게 된다. 6개의 스포크(30d)를 축으로 양쪽(30a, 30c)으로 지랫대 원리로 탄성과 응력을 갖게 된다.

이러한 구조는 요크(10,11)의 수직 운동 시 종래기술과 달리 부작용(회전력)이 작용하지 않아 고품격의 음질을 보장할 수 있다. 또한 6개의 스포크(30d)로 지지된 요크는 시소운동(도 4)에 매우 민감하게 반응하는 구조를 갖는다. 요크(10,11)의 시소운동은 저음과 고음이 동시에 존재하는 음원의 경우 나타나는 현상으로 고품격 음질 구현을 위해서 설계에 반영해야 하는 요소이다.

즉, 본 발명에서 제시하는 판스프링(30)은 복원력은 변형량에 비례한다는 후크의 법칙(Hooke's law)에 따라 스포크(30d)의 양쪽에 기준축(30a)과 탄성축(30c)의 길이를 같게 함으로써 민첩한 복원력을 구현하였다.

후크의 법칙 : 탄성체에서 복원력 F은 변형시킨 거리(변위) 비례

- F = k δ (용수철의 복원력, 후크의 법칙, Hooke's Law)

- k : 비례 상수 / 스프링 상수(Spring Constant)/스프링의 강성도/탄성계수

- δ : 변위 / 변형량 [m,길이]

판스프링(30)의 재질에는 베릴륨동과 황동 그리고 인청동을 시험하였을 때 인청동이 가장 우수한 것으로 실험 되었다. 판스프링의 두께(30f)는 0.2t~0.6t가 가장 적합한 것으로 실험 되었다.

즉, 판스프링의 두께(30f)의 조절을 통하여 진동스피커의 음역을 결정 지을 수 있다. 저음 대역(0.2t)에서 고음 대역(0.6t)에 이르기 까지 다양한 음역 구현이 가능하며 0.3t~0.4t 적용 시 전대역(Full range) 구현이 가능하다.(도 8, SPL 특성곡선, Sound Pressure Level)상술한 바와 같이 본 발명은 자석을 운동체로 설계하였으므로(MM, Moving Magnet) 음성코일 대비 질량이 우수하여 풍부한 저음 구현이 가능하다.

또한 본 발명은 종래 기술과 다르게 제품은 완전히 밀봉 되어 있다.(도 11) 이는 도전성 먼지 유입으로 인한 진행성 성능 저하를 방지하기 위함이다.

① 진동스피커에 있어서 요크를 진동체로 활용하여 진동에너지의 극대화를 구현한 방식과 이를 위하여 판스프링(30)의 프레스성형을 적용하여 요크와의 정교한 결합을 유도한 것

② 판스프링(30)의 공학적 설계를 통하여 수직운동, 시소운동 구현 방법 및 수직 운동에 따른 회전력이 발생하지 않는 방식

③ 인청동 0.3~0.4t(30f)를 활용하여 진동스피커의 최상의 탄성계수를 적용한 것

④ 판스프링(30)의 공학적 구조와 이를 구현한 도형

⑤ 판스프링(30)의 스포크(30b) 구조와 이를 축으로 지렛대 원리를 적용하여 탄성과 응응력 구현한 것

⑥ 판스프링(30)의 지지(30c)를 120도로 구분하여 3축으로 구현하여 힘의 균형일 이룬 것

⑦ 6개의 스포크(30d)를 이용하여 안정적인 탄성 구현을 하여 수직운동과 시소운동을 구현하고 수직운동에 따른 회전력이 발생하는 부작용을 없게 하는 구조.

스피커는 음성코일에 인가된 전력이 요크의 자석(Magnet)의 자속(Flux)을 쇄교하는 과정에서 발생하는 물리적 진동을 콘지(Corn紙)에 전달하고 콘지의 진동이 공기를 진동 함으로써 음압(Sound Pressure)을 발생 시켜 소리가 형성되는 것이다.

즉, 스피커는 고정자석을 축으로 음성코일이 진동하는 구조이므로 통칭 무빙코일(Moving Coil)방식이라 한다.

진동스피커란 스피커에서의 자석과 음성 코일 만으로 소리를 발생시키는 장치로써 이는 일반 사물(책상, 벽면, 유리 등)을 진동시켜 사물을 통하여 소리가 발생하도록 하기 위한 스피커를 말한다. 따라서 진동스피커로 인하여 진동되는 사물(통칭 diaphragm)의 재질에 따라 음역 주파수의 한계를 가져 올 수 있다.

도 4에서는 본 발명이 제시하는 진동 스피커의 구조를 보여준다. 종래의 기술과 달리 매우 간단하게 구현된 본 기술은 함체(51)에 고정시킨 음성코일 및 보빈(20,21)과 판 스프링(30)에 고정된 요크 및 자석(10,11)으로 구성된다. 판스프링(30)은 함체(51)에 3개의축으로 고정되어 요크 및 자석(10,11)의 진동에 대한 완충 역할을 한다.

본 기술은 이와 같이 음성코일을 고정시키고 자석을 진동하게 하는 MM(Moving Magnet)방식이며 자석의 진동에 대한 완충장치인 판스프링으로 구성된다.

본 발명은 도 11에도시 된 바와 같이 진동을 전달하고자 하는 대상물에 단단히 부착 할 수 있는 홀(Hole, 고정용 홀)을 구비함으로써 종래 기술에서 완충제를 통해서 사물에 부착하는 방식(KR10-1469555)에 비하여 높은 효율을 제공한다. 아울러, 음파 진동치료기에 진동기로써 적용이 가능하다.

도 1은 요크에 사용하는 자석의 분포도와 자속의 분배에 관한 도면이고
도 2는 종래 기술에 적용된 판 스프링의 설계 예를도한 것이며
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 요크의 수직 운동을 나타낸 사시도이며
도 4는 스피커에서의 요크의 시소운동을 도시한 것이며
도 5는 본 발명의 실시 예에서 요크와 음성코일의 구성에 관한 사시도 이며
도 6은 본 발명의 실시 에에 따른 판스프링의 설계도 이며
도 7은 본 바령의 실시 에에 따른 제품 조립도 이며
도 8은 본 발명의 실시에 따라 제작된 제품의 SPL 특성 곡선이며
도 9는 일반적인 스피커의 내부구조도 이며
도 10은 종래 진동스피커에서 고조파를 특정한 스펙트럼 아날라이져 화면이며
도 11은 본 발명의 실시에 다라 제작된 제품의 외형이다.

제시 된 도면의 설명을 통하여 본 발명의 실시 예 또는 스피커에 대하여 상세히 설명한다. 설명에 있어서 범용적 부분은 설명을 생략 하기로 한다.

첨부된 도 1은 스피커에 사용되는 디스크(원형) 자석(11)으로서 도 1에서 보는 예시처럼 자속의 분포가 균등하지 못하다. 이는 생산되는 스피커의 품질에 균일성을 제공하지 못하므로 디스크형 자석(11)을 폴피스(12)에 올려 놓고 이를 요크 함체(10)에적용하여 자기회로(FC, Flux Circuit)을 구성함으로써 음성코일을 통과하는 자속을 대체적으로 균등하게 분배 하여 준다. 이는 본 발명의 음질과 음량에 중요한 역할을 한다.

도 2는 종래 기술에서 사용하는 판스프링(31~34)을 나타낸다. 대부분 3~4축으로 구성하며 스파이럴(Spiral)구조를 이용하여 탄성과 응력을 구성하였다. 그러나 이러한 방법은 물리적 힘이 가해져 탄성과 응력이 반복 될 때 스파이럴 구조로 인하여 내부 원판이 미소하게 회전하게 된다. 이러한 회전력은 고품격의 음질 구현에 부정적 영향을 준다. 즉 영구자석(11)에서 발생한 자속(Flux)를 쇄교하는 도 5의 음성코일(21)은 자기회로(FC)의 뒤틀림 현상으로 의도 되지 않은 진동을 유발하거나 진동이 의도대로 진행이 되지 않는다. 본 발명에서는 도 6의 판스프링(30)을 공학기반으로 설계하여 상술한 문제를 완전히 해결 하였다.

도 3은 종래의 기술의 음성코일 진동방식(MC, Moving Coil)이 아닌 자석 진동형(MM,에 있어서 Moving Magnet)의 수직운동을 도시 하였다. 상술 한 바와 같이 자석 진동형은 진동체 자체가 자석이므로 자석이 갖는 질량(Mess)으로 인하여 진동에 무게가 실려 박력있는 진동 구현이 가능하다. 반면에종래 기술의 음성코일 진동형은 진동체인 음성코일에 질량이 없는 관계로 진동 에너지가 작아 진동스피커의 효율이 좋지 못하다. 이에 대한 개선으로 KR10-1266473에서는 음성코일에 적절한 질량체를 부가하여 진동에너지의 증대를 꾀하였으나 이러한 방법은 음성코일의 부하증가로 인하여 코일에 발열을 유발할수 있으며 음질 저하의 원인이 될 수 있다.

도 4는 요크의 섬세한 움직임을 도시하였다. 이해를 도모하기 위하여 요크의 시소운동을 과도하게 표현하였다. 중요한 것은 종래 기술에서 중요시 다룬 수직 운동만 있는 것 아니라는 것이다. 즉, 진동 스피커의 설계에 있어서 고효율, 고음질을 구현하기 위해서는 음성코일을 구동하거나, 요크를 구동함에 있어서 반드시 시소운동을 고려 해야 한다는 것이다. 도 4는 본 발명의 실시 예를 기준하였으므로 요크의 시소운동으로 도시 하였다. 본 발명에서는 판디스크(30)의 후크의 법칙에 따른 공학적 설계를 통하여 완벽하게 해결 하였다.

도 5는 요크(10)와 자석(11)의 결합을 통한 자기회로(FC,Flux Circuit)의 흐름과 요크와 음성코일(21) 그리고 보빈(20)과의 결합을 도시 하였다.

도 6은 본 발명의 핵심 요소인 판스프링(30)에 대한 도시이다. 판스프링(30)은 프레스 성형을 통하여 요크(10)가 들어 갈 자리를(30d)그릇처럼 파이도록 하였다. 이는 판스프링(30)과 요크(10)의 수직적 결합의 정교함을 제공해 준다. 결합력을 강화를 위하여 접착제 또는 양면테잎을 사용할 수 있으나 스폿 용접이 바람직하다. 또한 판스프링(30)의 두께(30f)는 0.3~0.4t가 전대역(Full range)구현에 가장 적합하며, 재질로써는 베릴륨동, 황동 그리고 인청동을 실험 한 바, 인청동이 가장 바람직하다. 판스프링(30)은 60도 구분의 6개 스포크(30b)로 탄성 지지 구조를 갖는다. 이러한 방식은 종래의 나선구조(Spiral)구조의 스프링의 수직운동으로 인한 부작용인 회전력이 발생하지 않는 구조이다. 또한 120도 구분으로 3곳(30c)을 함체(51)에 나사못으로서 결합함으로써 요크(10,11)는 장치 내에서 부동(Floating)위치를 갖게 된다. 6개의 스포크(30d)를 축으로 양쪽(30a, 30c)으로 지랫대 원리로 탄성과 응력을 갖게 된다. 또한 6개의 스포크(30d)로 지지된 요크는 시소운동(도 4)에 매우 민감하게 반응하는 구조를 갖는다. 요크(10,11)의 시소운동은 저음과 고음이 동시에 존재하는 음원의 경우 나타나는 현상으로 고품격 음질 구현을 위해서 설계에 반영해야 하는 요소이다. 본 발명에서 제시하는 판스프링(30)은 복원력은 변형량에 비례한다는 후크의 법칙(Hooke's law)에 따라 스포크(30d)의 양쪽에 기준축(30a)과 탄성축(30c)의 길이를 같게 함으로써 민첩한 복원력을 구현하였다.

도 7은 본 발명의 실시에 따라 제작된 제품의 조립도이다. 음성코일(21)은 보빈(20)을 축으로 제작되며 전체 지지대 역할을 하는 함체(51)에 부착 된다. 그리고 판스프링(3)은 요크(10,11)과 스폿 용접으로써 정교하게 결합하여 함체(51)의 세 곳 지지대(51a)에 안착 후 볼트로써 단단히 고정된다. 끝으로 상 케이스(50)은 외부 먼지 유입을 방지하기 위하여 설계 된 리브(50a)에 접착제를 바르고 함체(51)에 고정된다.

도 8은 본 발명을 통하여 제작된 제품의 음압 특성을 나타낸다. 전 대역에 거쳐 고른 출력을 보여준다. 이는 국제 규격에 의거 무향실(Anechoic Room)에서 1W출력에 1미터 거리에서 측정한 결과 이다.

도 9는 일반 스피커의 구조를 도시 하였다. 본 발명 설명에서는 본 도식의 스파이더(Spider)와 Edge Surround 부분을 언급 하였다. 즉 음성코일의 수직운동 외 시소 운동에 대한 탄성과 응력은 스파이더와 엣지서라운드로써 대응되었다. 종래의 진동 스피커는 이 부분에 고려되지 않은 것으로 조사 되었으며, 본 발명에서는 판스프링의 공학적 설게로 완전히 해결 하였다.

도 10은 종래 진동 스피커의 일부에서 발생하는 고조파에 대한 측정 화면을 보여준다. 예컨대 음성대역(1~2Khz)에서 고조파가 발생하는 경우가 있다. 음성 코일에 1KHz 인가 시 2KHz, 3KHz ~ 7KHz, 8KHz 순으로 부가적 진동이 발생(도 10, 점선 부분)하여 음성대역과 고음 부분이 음이 명쾌하지 않을 때가 있다.

도 11은 본 발명의 실시 예로써 실제 제작 된 진동스피커의 외형 사진이다.

10 : 요크(자기회로) 11 : 자석(원형 디스크 자석)
12 : 요크 내 폴피스(자석지지대) FC : 자기회로 (Flux Circuit)
20 : 음성코일용 보빈 21 : 음성코일
30 : 판 스프링 40 : 판스프링에 결합된 요크
50 : 함체 상 케이스 51 : 함체 하 케이스

Claims (1)

1. 인가 전력에 따라 음역대의 가변이 가능하고, 상기 음역대에 대응하는 진동을 발생하며, 상기 진동을 대상체에 전달하도록 구성된 음파 치료기 적용 가능한 진동스피커.
   

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