KR20210114006A - 음향 디바이스 - Google Patents

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KR20210114006A
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piezoelectric
acoustic device
cavity
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KR1020217023908A
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캐드린 로마스
앤드류 레이드
토비 맥스위니
다니엘 트로트
제임스 윈드밀
조셉 잭슨
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헤미데이나 피티와이 엘티디
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Abstract

본 개시에 따른 음향 디바이스는, 제1 표면 및 상기 제1 표면의 반대편의 제2 표면을 가진 음향 멤브레인; 및 음향 멤브레인의 제1 표면에 인접하여 형성된 적어도 하나의 음향 캐비티; 및 음향 멤브레인의 제1 표면 위에 지지되고 적어도 하나의 음향 캐비티에 의해 제1 표면으로부터 분리되는 복수의 압전 빔 공진기들을 구비하고, 복수의 압전 빔 공진기들의 각각은 적어도 하나의 상이한 고유 주파수를 구비하고, 상기 복수의 압전 빔 공진기들의 각각은 상기 음향 디바이스에 입사되는 음압파에 응답하여 진동하도록 구성된다.

Description

음향 디바이스
본 발명은 변환기, 음향 센서 및 마이크로폰과 같은 음향 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 인공와우(cochlear implant) 및 다른 이식가능한 청각 디바이스를 위한 인-이어(in-ear) 음향 디바이스에 관한 것이다.
인공와우는, 심각한 감각신경(sensorineural) 난청(hearing loss)을 앓는 사람에게 음향 감각을 제공하는 외과적으로 이식된 신경보철(neuroprosthetic) 디바이스이다. 현재, 인공와우, 골전도 및 청각 임플란트들은 임플란트 컴포넌트들과 외부 컴포넌트들 모두를 구비한다. 일반적으로, 눈에 보이는 외부 컴포넌트들은 사용자의 장애를 시각적으로 나타내는 마이크, 음향 처리 전자장치 및 배터리를 포함한다. 음향 처리 전자장치를 구동하기 위해서는 큰 전원이 필요하기 때문에, 이러한 외부 컴포넌트들의 소형화에는 많은 어려움이 존재하는 문제점이 있다.
본 개시는, 선행기술에 따른 인공와우 임플란트 기술의 하나 이상의 단점들을 해결 또는 개선하거나, 적어도 유용한 대안을 제공하는 것이다.
본 명세서에 포함된 문서들, 작동들, 재료들, 디바이스들, 물품 등에 관한 임의의 논의는, 이들 문제의 일부 또는 전부가 선행기술의 일부를 형성한다거나, 첨부된 청구범위 각각의 우선권 주장 일자 이전에 존재했던 본 발명과 관련된 분야의 일반적인 지식임을 인정하지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 표면 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 가진 음향 멤브레인; 및 음향 멤브레인의 제1 표면에 인접하여 형성된 적어도 하나의 음향 캐비티를 포함하는 디바이스 본체; 및 음향 멤브레인의 제1 표면 위에 지지되고 캐비티에 의해 제1 표면으로부터 분리되는 복수의 압전 빔 공진기들을 구비하고, 복수의 압전 빔 공진기들의 각각은 적어도 하나의 상이한 고유 주파수를 가지고, 복수의 압전 빔 공진기들의 각각은 음향 디바이스에 입사되는 음압파(sound pressure wave)에 응답하여 진동하도록 구성되는 음향 디바이스가 제공된다.
음향 멤브레인은 음향 멤브레인의 제2 표면 상에 입사되는 음압파에 응답하여 진동하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 음향 멤브레인의 진동은 복수의 압전 빔 공진기들이 진동하게 할 수 있다. 어떤 경우에든, 음향 멤브레인은 배플(baffle)로서 작용하여, 디바이스의 제1 표면과 제2 표면 상의 음향 섀도우(shadow)를 증가시킴으로써, 압전 빔 공진기들 주위의 음향을 증폭시키고 입사 음파에 응답하여 이동를 증가시킨다.
압전 빔 공진기들의 각각은 빔 길이, 빔 폭, 빔 두께, 빔 조성 및 빔 컴플라이언스의 하나 이상이 상이할 수 있다.
압전 빔 공진기들은 평면일 수 있다. 압전 빔 공진기들은 서로에 대해 그리고 음향 멤브레인의 제1 표면에 평행하도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 캐비티는 복수의 압전 빔 공진기들의 각각에 대하여 각각의 캐비티를 포함한다. 대안적으로, 적어도 하나의 캐비티는 단일 캐비티를 구비할 수 있다. 예를 들면, 복수의 압전 빔 공진기들은 단일 캐비티를 공유할 수 있다.
복수의 압전 빔 공진기들은 4개 이상의 압전 빔 공진기들을 포함할 수 있다. 복수의 압전 빔 공진기들은 연속적으로 감소하는 빔 길이를 가짐으로써, 그들의 기본 공진 주파수들은 상이한 주파수 채널들에 상응하게 된다.
일부 실시예들에서, 예를 들어, 음향 디바이스가 외이도(ear canal) 내에 위치되도록 구성된 장치에 통합되는 경우, 음향 멤브레인은 외이도의 형상에 부합하도록 원형 또는 타원형의 형상일 수 있다. 다른 실시예들에서, 음향 디바이스는 정사각형 또는 직사각형의 형상일 수 있다.
압전 빔 공진기들은 이중-클램프(double-clamped) 압전 빔 공진기들 또는 캔틸레버(cantilever) 공진기들일 수 있다.
복수의 전극들이 디바이스 본체 상에 제공되어, 음향 디바이스로부터 예를 들어, 감지 전자장치까지 멀어지도록 전기 신호를 전달하기 위해 복수의 압전 빔 공진기에 전기적으로 결합될 수 있다. 전극들은 적층 가공(additive manufacturing)에 의해 압전 빔 공진기들, 캐비티 및 다이어프램과 함께 형성될 수 있다. 전극들은 전기 전도성 나노구조-중합체 복합 재료로부터 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 하나 이상의 압전 빔 공진기들은 압전층을 포함한다. 압전층은 적어도 하나의 음향 캐비티에 인접한 각각의 빔 공진기의 길이의 일부를 따라 연장될 수 있다. 예를 들어, 각각의 압전층은 적어도 하나의 음향 캐비티에 인접한 각각의 빔 공진기의 길이의 10% 내지 20%를 따라 연장될 수 있다.
압전 빔 공진기들은 압전 나노입자-고분자 복합 재료로부터 형성될 수 있다. 음향 멤브레인은 중합체 재료 또는 금속 재료로부터 형성될 수 있다.
본 개시의 한 양태에 따르면, 전술한 바와 같은 제1 음향 디바이스를 포함하는 인-이어 마이크로폰이 제공된다.
인-이어 마이크로폰은 전술한 바와 같은 제2 음향 디바이스를 더 포함할 수 있다. 제1 음향 디바이스와 제2 음향 디바이스의 복수의 압전 빔 공진기들의 각각은 적어도 하나의 상이한 고유 주파수를 가질 수 있다. 제1 음향 디바이스와 제2 음향 디바이스는 저주파수 대역과 고 파수 대역에서 각각 음향 음압파를 변환하도록 구성될 수 있다.
인-이어 타입 마이크로폰은 인-이어 마이크로폰의 요소들을 수용하기 위해 인-이어 마이크로폰의 내부 볼륨을 최대화하는 한편, 외이도의 형상에 맞는 타원형 단면을 가질 수 있다.
인-이어 마이크로폰은 제1 끝단과 제2 끝단을 가진 이어버드(earbud) 인클로저(enclosure)를 더 포함할 수 있고, 이어버드 인클로저는 제1 끝단에 의해 사람의 외이도 속으로 삽입된다.
일 실시예에서, 제1 음향 디바이스는 제1 음향 디바이스의 제1 표면이 이어버드 인클로저의 제1 끝단과 제2 끝단 사이에서 연장하는 축을 향하도록 이어버드 인클로저 내부에 위치될 수 있다. 인-이어 마이크로폰은 제1 음향 디바이스에 인접한 이어버드 인클로저 내부에 후방(back) 캐비티를 더 포함할 수 있다. 인-이어 마이크로폰은 제1 음향 디바이스의 제2 표면에 인접한 이어버드 인클로저 내부에 제공된 제1 전방(front) 캐비티를 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 음향 디바이스는 제2 음향 디바이스의 제1 표면이 이어버드 인클로저의 제1 끝단과 제2 끝단 사이에서 연장하는 축을 향하도록 이어버드 인클로저 내부에 위치될 수 있다. 제1 표면은 후방 캐비티에 인접할 수 있다. 인-이어 마이크로폰은 제2 음향 디바이스의 제2 표면에 인접한 이어버드 인클로저 내부의 제2 전방 캐비티를 더 포함할 수 있다. 인-이어 마이크로폰은 인-이어 마이크로폰의 제2 끝단 내에 형성되고 제1 전방 캐비티와 연통하는 제1 음향 포트, 및 인-이어 마이크로폰의 제2 끝단 내에 형성되고 제2 전방 캐비티와 연통하는 제2 음향 포트를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 인-이어 마이크로폰은 제1 음향 디바이스의 제1 표면에 인접한 이어버드 인클로저 내부의 제1 전방 캐비티를 더 포함할 수 있다. 제1 음향 포트는 인-이어 마이크로폰의 제2 끝단 내에 형성되어 제1 전방 캐비티와 연통할 수 있다. 후방(rear) 음향 포트는 인-이어 마이크로폰의 제1 끝단를 향해 형성되어 제1 전방 캐비티와 연통할 수 있다. 제2 음향 디바이스가 제공되는 경우, 제2 전방 캐비티는 제2 음향 디바이스의 제1 표면에 인접한 이어버드 인클로저 내부에 형성될 수 있다. 그러면, 제2 음향 포트는 인-이어 마이크로폰의 제2 끝단에 형성되어 제2 전방 캐비티와 연통할 수 있다. 제1 및 제2 음향 디바이스들의 제2 표면들은 이어버드 인클로저의 제1 끝단과 제2 끝단 사이에서 연장하는 축을 향할 수 있다. 바람직하게, 후방 음향 포트는 제2 전방 캐비티와 연통된다.
후방 캐비티, 제1 전방 캐비티 및 제2 전방 캐비티 중 하나 이상 또는 이어버드 인클로저의 임의의 다른 부분은 공기, 물, 오일 또는 다른 지질(lipid)과 같은 음향 전달 매체로 채워질 수 있다.
제1 및 제2 음향 디바이스들의 각각의 제1 표면은 실질적으로 서로 대향하여 위치될 수 있다. 대안적으로, 제1 및 제2 음향 디바이스들의 각각의 제2 표면은 실질적으로 서로 대향하여 위치될 수 있다.
인-이어 마이크로폰은 이어버드 인클로저 내부에 위치되고 복수의 압전 빔 공진기들에 전기적으로 결합된 감지 전자장치를 더 구비할 수 있다. 감지 전자장치는 복수의 압전 빔 공진기들의 각각으로부터의 전기 신호를 처리하도록 구성될 수 있다.
감지 전자장치는 하나 이상의 가변 이득 증폭기들 및/또는 연산 증폭기들을 포함할 수 있다.
인-이어 마이크로폰은 감지 전자장치에 의해 생성된 하나 이상의 처리된 신호들을 유선 또는 무선으로 전송하도록 구성된 송신기를 더 구비할 수 있다. 송신기는 이어버드 인클로저 내부에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 송신기는 유도(inductive) 코일을 포함하는 무선 송신기일 수 있다. 유도 코일은 제1 끝단에서 이어버드 인클로저 내부에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 송신기는 블루투스(RTM) 송신기일 수 있다. 임의의 경우에, 송신기는 하나 이상의 처리된 신호들을 인공와우, 뼈 고정 임플란트 또는 이식가능한 보청기와 같은 이식가능한 청각 디바이스로 전송하도록 구성될 수 있다.
인-이어 마이크로폰은 전원을 더 구비할 수 있다.
제1 및 제2 음향 디바이스들은 저주파수 대역과 고주파수 대역에서 음향 음압파를 각각 변환하도록 구성될 수 있다.
이어버드 인클로저는 적층 가공에 의해 제1 및 제2 음향 디바이스들과 함께 형성될 수 있다.
이어버드 인클로저는 생체적합성(biocompatible) 폴리머 재료로 형성될 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따르면, 전술한 임의의 측면들에서 기술된 바와 같은 음향 디바이스 또는 전술한 바와 같은 인-이어 마이크로폰을 포함하는, 인공와우와 같은 이식가능한 청각 디바이스가 제공된다.
본 명세서에 포함된 문서, 작동, 재료, 디바이스, 물품 등에 관한 임의의 논의는, 이들 문제의 일부 또는 전부가 종래 기술의 일부이거나 첨부된 각각의 청구항의 우선권 주장 일 이전에 존재했던 본 발명과 관련된 분야의 일반적인 지식임을 인정하지 않는다.
본 개시의 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예로서만 아래에서 설명될 것이다.
도 1은 본 개시의 실시예들에 따른 음향 디바이스의 사시도이다.
도 2는 도 1의 음향 디바이스의 측면도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 디바이스의 3kHz 음압파의 존재 하의 COMSOL 모델이다.
도 4는, 특정의 제1 구성에서, 도 1 및 도 2에 도시된 음향 디바이스의 이중-클램프 압전 빔 공진기들의 각각에 대한 이동 대 주파수의 그래프이다.
도 5는, 제2 구성에서, 도 1 및 도 2에 도시된 음향 디바이스의 이중-클램프 압전 빔 공진기들의 각각에 대한 이동 대 주파수의 그래프이다.
도 6은 본 개시의 실시예들에 따른 음향 디바이스의 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 음향 디바이스의 일부의 확대도이다.
도 8은 도 6의 음향 디바이스의 측면도이다.
도 9는 도 6 내지 도 8에 도시된 디바이스의 1800Hz 음압파의 존재 하의 OMSOL 모델이다.
도 10은 도 6 내지 도 8에 도시된 음향 디바이스의 일례의 각각의 캔틸레버 압전 빔 공진기에 대한 이동 대 주파수의 그래프이다.
도 11은 도 6 내지 도 8에 도시된 음향 디바이스의 일례의 각각의 캔틸레버 압전 빔 공진기에 대한 정규화된 속도 대 주파수의 그래프이다.
도 12a는 도 6 내지 도 8에 도시된 음향 디바이스의 일례의 각각의 캔틸레버 압전 빔 공진기에 대한 속도 대 주파수의 그래프이다.
도 12b는 도 6 내지 도 8에 도시된 음향 디바이스의 일례의 각각의 캔틸레버 압전 빔 공진기에 대한 정규화된 속도 대 주파수의 그래프이다.
도 13a 및 도 13b는 도 6 내지 도 8에 도시된 음향 디바이스의 한 쌍의 예들에 대한 각각의 캔틸레버 압전 빔 공진기에 대한 속도 대 주파수의 그래프이다.
도 14는 도 6 내지 도 8에 도시된 음향 디바이스의 일례의 캔틸레버 압전 빔 공진기로부터의 전기 출력의 그래프이다.
도 15는 도 6 내지 도 8에 도시된 것과 같은 한 쌍의 음향 디바이스의 각각의 채널에 대한 공진 주파수를 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 개시의 실시예들에 따른 인-이어 마이크로폰의 분해 사시도이다
도 17은 도 16에 도시된 인-이어 마이크로폰의 사시도이다.
도 18은 도 16에 도시된 인-이어 마이크로폰 절반의 측면도이다.
도 19는 도 16에 도시된 인-이어 마이크로폰 절반의 정면 단면도이다.
도 20은 본 개시의 실시예들에 따른 인-이어 마이크로폰의 분해 사시도이다.
도 21은 도 20에 도시된 인-이어 마이크로폰의 부분 분해 사시도이다.
도 22는 도 20에 도시된 인-이어 마이크로폰의 사시도이다.
도 23은 외이도 속으로 삽입되어 인공와우에 연결된 인-이어 마이크로폰의 해부학적 표현이다.
도 24는 도 23에 도시된 인-이어 마이크로폰과 인공와우의 개략도이다.
도 25는 외이도 속으로 삽입되어 인공와우에 연결된 인-이어 마이크로폰의 해부학적 사진 표현이다.
도 26은 도 25에 도시된 인-이어 마이크로폰과 인공와우의 개략도이다.
본 개시의 실시예들은 최신의 인공 청각 시스템과 같은 청각 시스템들의 큰 비-이식 컴포넌트들과 연관된 어려움을 극복하거나 적어도 완화시키는 것을 목표로 한다.
구체적으로, 본 개시의 실시예들은 복잡한 음향 처리에 대한 요구를 감소시키면서 음향 음압파를 전기 신호로 변환할 수 있는 음향 디바이스에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 음향 디바이스(200)의 사시도와 측면도이다. 디바이스(200)는 그 안에 공진기 캐비티(204)가 형성된 음향 멤브레인(202)을 포함한다. 클램핑-클램핑된(이중 클램핑된) 압전 빔 공진기들(206)의 어레이는 공진기 캐비티(204) 위에 지지된다. 일부 실시예들에서, 공진기 캐비티(204)는 200미크론 내지 500미크론의 깊이(d)를 가진다. 음향 멤브레인(202)과 빔 공진기(206) 사이에 비교적 큰 갭을 제공하는 효과는, 특히 음향 멤브레인(202)의 움직임에 응답하여, 빔 공진기들(206)의 더 큰 이동을 가능하게 하는 점이다. 도시된 실시예에서, 빔 공진기들(206)의 편평하고 평행한 어레이(206a,206b,206c,206d,206e)가 제공된다. 다른 실시예들에서, 빔 공진기들(206)은 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 비-편평 및/또는 비-평행 방식으로 배열될 수 있다. 전술한 실시예에서, 빔 공진기들(206)는 이중-클램핑된다. 다른 실시예들에서, 이중-클램핑 공진기들(206)은, 도 6 및 도 9를 참조하여 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 일단에만 고정된 캔틸레버 빔들로 대체될 수 있다.
압전 빔 공진기들(206)의 각각은 압전층(208) 및 압전층(208) 아래에 배치된 그라운드층(210)을 포함할 수 있다. 압전층(208)과 그라운드층(210)의 하나 또는 둘 모두는 디바이스(200)의 전체 표면을 가로질러 연장될 수 있다. 선택적으로, 각각의 공진기(206)의 그라운드층(210) 아래에 제공되는 공진기 베이스(212)는 각각의 공진기(206)에 지지 및 구조를 제공할 수 있다. 전극들(214)은 각각의 빔 공진기(206)를 외부 감지 전자장치(미도시)에 전기적으로 결합시키기 위해 압전층(208) 위에 제공될 수 있다. 바람직하게, 전극들(214)은 공진기 캐비티(204) 또는 빔 공진기(206)와 중첩되지 않도록 위치된다. 오히려, 전극들은 디바이스(200)의 측면들에 위치될 수 있다. 이러한 감지 전자장치는 하이브리드 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET) 연산 증폭기 등과 같은 가변 이득 증폭기 또는 연산 증폭기를 포함할 수 있다. 감지 회로는 다이어프램에 연결되거나 별도로 제공될 수 있는 주문형 집적 회로(ASIC) 등에 제공될 수 있다. 또한, 신호 전송 전자장치는 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같은 감지 회로에 제공될 수 있다.
압전 빔 공진기들(206), 캐비티(204), 다이어프램(202) 및 전극들(214)은 적층 가공(또는 3-차원(3D) 인쇄)에 의해 형성될 수 있다. 적층 가공은 예를 들어, 투영 마이크로 입체리소그래피(또는 스테레오-리소그래피 인쇄(SLP) 또는 디지털 광 처리(DLP))를 포함할 수 있다. 적절한 투영 마이크로 입체리소그래피 기술 및 재료는 2014년 7월에 발간된, 압전 나노입자-고분자 복합 재료의 3D 광학 인쇄(3D Optical Printing of Piezoelectric Nanoparticle-Polymer Composite Materials), ACS Nano 8(10)에 기술되어 있다. 압전 빔 공진기들(206), 캐비티(204), 다이어프램(202) 및 전극들(214)은 선택적으로 인쇄 회로 기판(PCB) 제조 공정들을 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 공정들은 당업계에 알려진 바와 같이 하나 이상의 감광성 에칭, 구리-합금 도금 등을 포함할 수 있다.
다이어프램(202)은 폴리머 재료 예를 들어, 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트(PEGDA)로부터 형성될 수 있다. 전극들(214)은 전기 전도성 나노구조-중합체 복합 재료, 예를 들어 탄소 나노튜브(CNT)-PEGDA 복합 재료로부터 형성될 수 있다. 압전 빔 공진기들(206)의 압전층(208)은 압전 나노입자-고분자 복합 재료 예를 들어, 바륨 티타네이트(BaTiO3, BTO)-PEGDA 복합 재료로부터 형성될 수 있다. 다른 등가의 전도성 및 압전 중합체 복합 재료가 사용될 수도 있다.
작동 중에, 음향 디바이스(200)는 캐비티 또는 공극(미도시)이 멤브레인(202)의 외벽(216)에 인접하게 제공되도록 구성되고, 멤브레인은 멤브레인(202)이 진동하게 하는 멤브레인(202)의 외벽(216)에서 입사하는 음압파를 수신하도록 구성된다. 이어서, 멤브레인(202)의 움직임은 빔 공진기들(206)의 어레이 내의 이동을 유도하여, 빔 공진기들(206)의 각각에서 용량성 스트레인(capacitive strain)의 변화를 유발한다. 그러면, 압전적으로 변환된 신호들은 전극들(214)에 의해 캡쳐된다. 멤브레인(202)이 진동할 수 있도록 멤브레인(202)의 외벽(216)에 인접한 캐비티를 제공함으로써, 본원 발명자들은 음향 디바이스(200)에 의해 캡쳐된 음향 에너지의 양이 실질적으로 증가되는 것을 발견하였다.
도 3은 멤브레인(202)의 외벽(216)에서 입사하는 3kHz의 음압파에 응답하여 빔 공진기들(206)의 하나의 이동를 Hz 단위로 도시한 도 1 및 도 2의 음향 디바이스(200)의 COMSOL 모델이다. 이와 같은 주파수의 음파에 의해 빔 공진기들(206)의 어느 하나만이 실질적으로 이동됨을 알 수 있다. 이와 대조적으로, 나머지 빔 공진기들(206)은 이동되지 않고 그들의 정지 위치에 유지된다.
도 1에는 음향 디바이스(200)의 빔 공진기들(206)의 길이가 변하는 것을 도시한다. 음향 디바이스(200)의 압전 빔 공진기들(206)은 특정 주파수들 또는 주파수 범위들에서 공진하도록 구성될 수 있다. 따라서, 각각의 빔 공진기(206)는 그 공진 주파수 또는 그에 가까운 주파수를 가진 입사 음파에 민감하다. 그러므로, 빔 공진기들(206)의 어레이는 빔 갯수, 빔 길이, 빔 폭, 빔 두께, 빔 조성, 빔 컴플라이언스 및 다른 빔 특성들의 하나 이상을 변화시킴으로써 조정될 수 있는 수동적인 기계적 주파수 선택도를 제공한다. 도시된 실시예에서, 어레이는 5개의 주파수 채널들(또는 대역들)에 상응하는 빔 길이들을 연속적으로 감소시키는 5개의 압전 빔 공진기들(206)을 포함할 수 있다. 상기 변수들은 인공와우 기술에 적용하기 위해 조정될 수 있으므로, 빔 공진기들(206)의 어레이의 주파수 선택도는 달팽이관 토노토피(tonotopy)에 적어도 부분적으로 대응된다. 일부 실시예들에서, 빔 공진기들(206)의 어레이는 인간 음성의 전형적인 주파수 범위, 예컨대, 100Hz 내지 8kHz에 걸쳐 실질적으로 연장되는 주파수 감도일 수 있다.
도 4는, 일 실시예에 따라, 0Hz와 4,100Hz 사이의 주파수에서 입사 음압파에 응답하여, 음향 디바이스(200)의 공진기들(206)과 같은 5개의 빔 공진기들(206a~206e)의 이동를 나타내는 도면이다. 각각의 빔 공진기(206~206e)는 상이한 빔 길이를 가지며, 가장 긴 빔 길이를 갖는 공진기(206a)와 가장 짧은 빔 길이를 갖는 공진기(206e)가 있다. 빔 길이가 감소함에 따라 공진기들(206a~206e)의 고유 주파수가 증가하므로, 빔 길이가 감소함에 따라 공진기들(206a~206e)의 각각의 최대 이동(따라서 출력 신호 강도)는 더 높은 주파수에서 있음을 알 수 있다.
도 5는, 본 개시의 다른 실시예에 따라, 2,000 내지 8,000Hz의 주파수의 톤(tone) 신호에 응답하여, 음향 디바이스(200)의 빔 공진기들(206)과 같은 5개의 빔 공진기들(206f~206j)의 이동를 도시하는 도면이다. 이러한 실시예에서, 도 4와 관련된 최단 빔 공진기(206e)는 도 5와 관련된 최장 빔 공진기(206f)보다 더 길다. 빔 길이는 공진기(206f)로부터 공진기(206j)로 진행함에 따라 감소한다. 도 4에서와 같이, 도 5로부터, 빔 길이가 감소함에 따라 공진기들(206f~206j)의 고유 주파수가 증가하므로, 빔 길이가 감소함에 따라 공진기들(206)은 더 높은 주파수에서 최대 이동(따라서 출력 신호 강도)를 가짐을 알 수 있다. 그러나, 최장 빔(206f)의 고유 주파수는 약 3,300Hz이며, 즉 도 4에 도시된 최단 빔(206e)의 고유 주파수보다 더 크다는 것을 알 수 있다.
각각의 빔 공진기(206)에서 생성된 압전적으로 변환된 신호의 진폭은 빔 공진기들(206)의 전체 이동에 비례하기 때문에, 빔 공진기들(206)의 어레이를 제공함으로써, 복수의 기계적인 주파수 선택 신호들이 음향 디바이스(200)로부터 출력될 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 예컨대, 20 내지 10,000Hz의 인간 청각의 전체 주파수 범위에 관련된 전기 신호를 출력하는 종래의 마이크로폰들과 달리, 음향 디바이스(200)는 인간의 청각 주파수 범위의 서브-대역 주파수와 관련한 복수의 전기 신호들을 출력할 수 있다. 전술한 바와 같이, 빔 길이, 빔 폭, 빔 두께, 빔 조성 및 빔 컴플라이언스의 하나 이상을 조절함으로써 이들 주파수 범위들이 조정될 수 있으므로, 이들은 인간 달팽이관의 토노토피와 매칭된다.
상술한 바와 같이, 복수의 압전 공진기들(206)의 갯수, 길이 및 간격의 조절은 공진기들(206)에 입사되는 음압파로부터 추출된 주파수의 범위(또는 복수의 범위들)를 선택하는데 사용될 수 있다. 상이한 실시예들에서 사용되는 압전 공진기들(206)의 갯수는 음향 디바이스(200)의 의도된 사용 또는 응용에 기반하여 선택적으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 음향 디바이스(200)의 인간 청각 응용을 위해 충분한 음성 정보를 전달하도록 최소 4개의 채널들이 사용될 수 있고, 10개의 채널들은 인간 달팽이관 토노토피에 기반하여 바람직한 갯수일 수 있다. 결과적으로, 인공와우(cochlear implant) 또는 다른 이식가능한 청각 디바이스를 위한 인-이어 마이크로폰으로서 음향 디바이스(200)가 구성될 때 사용되는 압전 공진기들(206)의 갯수는 4개와 15개 사이 예를 들어, 6개와 10개 사이일 수 있다
상술한 음향 디바이스(200)는 음향 변환기, 음향 센서, 마이크로폰, 인공와우용 인-이어 마이크로폰 및 이들의 조합으로서 구성될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 개시의 다른 실시예에 따른 음향 디바이스(300)의 사시도와 측면도이다. 도 7은 파선 원으로 표시된 바와 같이, 도 6에 도시된 음향 디바이스(300)의 일부만을 도시한다. 도 8은 도 6에 도시된 음향 디바이스(300) 일부의 측면의 상세도이다. 상기 디바이스(300)는 복수의 공진기 캐비티들(304)이 내부에 형성된 음향 멤브레인(302)을 지지하는 지지 링(301), 및 각각의 캐비티(304) 위에 지지되는 압전 공진기(306)를 포함한다.
도시된 실시예에서, 복수의 공진기들(306)은 음향 멤브레인(302) 위에 배치된 공진기 층(303)의 일부로서 일체로 형성된다. 음향 멤브레인(302) 위에 공진기 층(303)을 제공함으로써, 공진기 뱅크(bank)들 주위의 저주파 음 경로 차이들이 현저히 감소된다. 이와 같이, 음향 멤브레인(302)은 디바이스(300)의 전면과 후면에서 음향 섀도우를 증가시키는 배플(baffle)로서 작용한다. 공진기 층(303)과 음향 멤브레인(302)은 서로 접착되거나, 라미네이트되거나, 고정될 수 있다. 음향 멤브레인(302)은 50미크론 내지 150미크론의 두께를 가질 수 있다. 공진기 층(303)은 음향 멤브레인(302)보다 더 얇은 것이 바람직하다. 일부 실시예들에서, 공진기 층(303)은 10미크론 내지 50미크론 예를 들어, 25미크론의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시들에서, 멤브레인 층(302)은 50미크론 내지 100미크론 예를 들어, 75미크론의 두께를 가질 수 있다. 공진기 층(303)에 대한 음향 멤브레인(302)의 두께의 비는 2.5 내지 3.5 : 1의 범위일 수 있다. 다른 실시예들에서, 음향 멤브레인(302)과 공진기 층(303)은 단일 층으로 구성될 수 있고, 복수의 압전 공진기들은 음향 멤브레인(302) 내에 통합된다.
음향 디바이스(300)는 500미크론 내지 20mm의 총 반경을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 디바이스의 반경은 인간의 외이도와 일치하도록 선택될 수 있다. 도시된 실시예에서, 음향 디바이스(300)는 실질적으로 원통형 형상이다. 다른 실시예들에서, 음향 디바이스(300)는 상이한 형상 예를 들어, 타원형, 정사각형 또는 직사각형일 수 있다.
전술한 바와 같이, 압전 캔틸레버 공진기(306)는 각각의 공진기 캐비티(304) 위에 지지된다. 일부 실시예들에서, 각각의 캔틸레버 공진기(306)는 지지 링(301)에 고정된다. 부가적으로 또는 선택적으로, 각각의 캔틸레버 공진기(306)는 예를 들어, 접착제 등을 사용하여 음향 멤브레인(302)에 고정된다. 도시된 실시예에서, 공진기들(306)은 공진기 층(303)과의 통합을 통해 음향 멤브레인(302)에 결합되고, 결국 음향 멤브레인(302)에 고정된다. 공진기들(306)을 공진기 층(303)에 통합함으로써, 공진기 층(303)의 대부분(즉, 공진기들(306) 이외의 공진기 층(303)의 일부)은 공진기들(306)의 하나가 다른 공진기들(306)에 공진하는 크로스-토크(cross-talk)를 방지하는 완충장치(dampener)로서 작용한다. 공진기 층(303)의 대부분은 각각의 공진기(306) 보다 훨씬 더 큰 매스(mass)를 가지기 때문에, 그 공진 주파수는 공진기들(306)의 공진 주파수 범위 밖에 있고, 따라서 임의의 공진기들(306) 사이의 임의의 잠재적 크로스-토크를 완충하는 작용을 한다.
각각의 공진기(306)는 20미크론 내지 30미크론 예를 들어, 약 25미크론의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 공진기(306)는 그것이 통합되는 공진기 층(303)의 나머지와 동일한 두께를 가질 수 있다. 공진기(306)의 두께를 최소화하면 공진기(306)의 매스를 감소시키고, 따라서 공진기(306)를 이동시키는데 필요한 음압(sound pressure)의 양을 감소시킨다. 또한, 공진기(306)의 두께를 최소화하면, 본 개시의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 그들의 공진 주파수에 영향을 줄 수 있다.
일부 실시예들에서, 공진기 캐비티(304)는 25 내지 100미크론, 바람직하게 40 내지 60미크론 예를 들어, 약 50미크론의 깊이(d)를 가진다. 음향 디바이스(200)와 마찬가지로, 음향 멤브레인(302)과 캔틸레버 공진기(306) 사이에 비교적 큰 간극을 제공하는 효과는 빔 공진기들(306)의 더 큰 이동를 가능하게 한다는 것이다. 또한, 본 발명자들은 공진기(306)와 하부 멤브레인 층(302a) 사이에서 비교적 큰 간극 예를 들어, 30미크론(바람직하게 약 50미크론)을 갖게 되면, 디바이스(300)의 층들 사이의 스퀴즈 필름 댐핑(squeeze film damping)을 완화시키는데 도움을 줄 수 있음을 발견하였다. 스퀴즈 필름 댐핑이 과다하면 공진기들(306)의 대역 통과 주파수 응답을 파괴할 수 있다. 캐비티(304) 아래의 멤브레인(302)의 두께는 20 내지 30미크론 예를 들어, 25미크론일 수 있다.
각각의 캔틸레버 빔 공진기(306)는 입사 음압파에 응답하여 공진하도록 구성된 자유단을 포함한다. 도시된 실시예에서, 캔틸레버 공진기들(306)은 음향 디바이스(300) 주위에 방사상으로 배열된다. 다른 실시예들에서, 캔틸레버 공진기들(306)은 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 비-방사상으로 배열될 수 있다. 전술한 실시예들에서, 공진기들(306)은 캔틸레버 공진기들이다. 다른 실시예들에서, 캔틸레버 공진기들(306)은 예를 들어, 음향 디바이스(200)를 참조하여 전술한 바와 같이, 이중 클램핑 빔들로 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캔틸레버 공진기들(306)은 1 내지 4mm의 길이를 가질 수 있다.
압전 캔틸레버 공진기들(306)의 각각은 캔틸레버 빔(305)을 포함할 수 있다. 캔틸레버 빔(305)의 이동을 전기적 신호로 변환하기 위해, 각각의 압전 캔틸레버 공진기(306)는 압전층(308), 그라운드층(310) 및 전극(314)을 더 구비한다. 그라운드층(308)은 캔틸레버 빔(305) 위에 형성될 수 있다. 압전층(308)은 그라운드층(310) 위에 형성될 수 있다. 전극(314)은 압전층(308) 위에 형성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 캔틸레버 빔(305) 만이 공진기 층(303)의 상부에 위치한 압전층(308) 및 전극(314)과 함께 공진기 층(303) 내로 통합된다. 다른 실시예들에서, 압전층(308), 그라운드층(310) 및 전극(314)의 하나 이상은 본 개시의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 공진기 층(303) 내로 통합된다.
각각의 전극(314)은 각각의 빔 공진기(306)를 외부 감지 전자장치(미도시)에 전기적으로 결합시키기 위해 압전층(308) 위에 제공될 수 있다. 압전층(308), 그라운드층(310) 및 전극(314)은 공진기 캐비티(304) 또는 캔틸레버 공진기들(306)과 실질적으로 중첩되지 않도록 위치될 수 있다. 오히려, 압전층(308), 그라운드층(310) 및 전극(314)은 캔틸레버 빔(305)의 일부와 중첩하는 디바이스(300)의 가장자리에 위치될 수 있다. 음향 캐비티(304) 위에 위치된 캔틸레버 빔(305)의 일부 중첩을 제공함으로써, 캔틸레버 빔(305)의 이동은 압전층(308)을 야기할 것이다. 그러나, 캐버티에 대한 압전층(308), 그라운드층(310) 및 전극(314)의 중첩의 증가는, 캔틸레버 빔(305)에 작용하는 전체 매스(mass)가 증가하기 때문에, 캔틸레버 빔(305)의 주파수 응답을 변경할 수 있다. 일부 실시예들에서, 그라운드층(310)과 압전층(308)만이 음향 캐비티(304) 위의 캔틸레버 빔(305)의 비지지부(unsupported portion) 위로 연장되고, 전극(304)은 그와 같이 연장되지 않는다. 일부 실시예들에서, 압전층(308), 그라운드층(310) 및/또는 전극(314)은 캐비티(304) 위에 위치된 캔틸레버 빔(305)의 길이의 10% 내지 20%로 연장한다.
상술한 바와 같이, 전극들(314)은 감지 전자장치에 연결될 수 있다. 감지 전자장치는 하이브리드 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET) 연산 증폭기들 등과 같은 가변 이득 증폭기들 또는 연산 증폭기들을 포함할 수 있다. 감지 회로는 다이어프램에 연결되거나 별도로 제공될 수 있는 주문형 집적 회로(ASIC) 등의 회로 상에 제공될 수 있다. 또한, 신호 전송 전자장치에는 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같은 감지 회로가 제공될 수 있다.
압전 빔 공진기들(306), 캐비티(304), 멤브레인(302) 및/또는 전극들(314)은 적층 가공(또는 3차원 인쇄)에 의해 형성될 수 있다. 적층 가공은 예를 들어, 투영 마이크로 입체리소그래피(또는 입체-리소그래피 인쇄(SLP) 또는 디지털 광 처리(DLP))를 포함할 수 있다. 적합한 투영 마이크로 입체리소그래피 기술 및 재료는 2014년 7월에 발간된, 압전 나노입자-고분자 복합 재료의 3D 광학 인쇄(3D Optical Printing of Piezoelectric Nanoparticle-Polymer Composite Materials), ACS Nano 8(10)에 기술되어 있다. 일부 실시예들에서, 압전 빔 공진기들(306), 캐비티(304), 멤브레인(302) 및/또는 전극들(314)은 레이저 절단 시트(shim) 플라스틱(예, 폴리에틸렌 테레프탈레이트) 또는 금속(예, 구리 또는 황동)에 의해 형성되어, 디바이스(300)의 하나 이상의 층을 형성할 수 있다.
음향 멤브레인(302)은 폴리머 재료 예를 들어, 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA)로부터 형성될 수 있다. 전극들(314)은 전기 전도성 나노구조-중합체 복합 재료 예를 들어, 탄소 나노튜브(CNT)-PEGDA 복합 재료로부터 형성될 수 있다. 압전 빔 공진기들(306)의 압전층(308)은 압전 나노입자-고분자 복합 재료 예를 들어, 바륨 티타네이트(BaTiO3, BTO)-PEGDA 복합 재료로부터 형성될 수 있다. 또한, 다른 등가의 전도성 및 압전 중합체 복합 재료가 사용될 수 있다. 예시적인 재료들은, BaTiO3, PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, 및 (Pb0.8725SM0.085)(Ti0.98Mn0.02)03을 포함한다.
동작 동안, 디바이스(300)에 입사되는 음압파는 빔 공진기들(306)의 어레이 내에서 운동을 유도하여 각각의 빔 공진기(306) 내의 용량성 스트레인의 변형을 일으킨다. 도 1 내지 도 3의 디바이스(200)와 대조적으로, 음파는 멤브레인(302)의 외벽에서 입사될 필요가 없다. 각각의 빔 공진기(306)는 입사 음압파의 특정 주파수에서 공진하도록 구성된다. 공진기 빔(306)이 공진하기 시작할 때, 음향 캐비티(304)를 향한 빔(306)의 이동은 캐비티(304) 내의 공기를 이동시켜, 빔 공진기(306) 아래의 캐비티(304)의 음압을 증가시킨다. 이와 같은 음압의 증가는 음향 멤브레인(302)으로부터 멀어지는 빔 공진기(306)의 뒤이은 이동이 음향 멤브레인(302)(및 캐비티(304))이 없을 때 보다 실질적으로 더 크게 한다. 본 발명자들은, 일부 실시예들에서, 빔 공진기(306) 아래에서 부분적으로 둘러싸인 캐비티(304)를 제공하면, 빔 공진기(306)의 이동을 최대 90% 또는 그 이상으로 증가시킬 수 있음을 발견하였다.
압전층들(308)에 의해 생성된 압전적으로 변환된 신호들은 전극들(314)에 의해 캡쳐된다. 공진기 빔(305)의 이동이 클수록 전극(314)에서 생성된 전압이 커진다.
도 9는 디바이스(300)에 입사하는 1,800Hz 음압파에 응답하여 캔틸레버 공진기들(306)의 하나의 이동을 나타내는 도 6 내지 도 8의 음향 디바이스(300)의 컴퓨터(COMSOL(RTM)) 모델이다. 캔틸레버 공진기들(306)의 하나 만이 이 주파수에서 음파에 의해 실질적으로 이동됨을 알 수 있다. 이와 대조적으로, 나머지 캔틸레버 공진기들(306)은 이동되지 않고 실질적으로 그들의 정지 위치에 남아 있게 된다.
위에서 설명된 실시예들과 같이, 음향 디바이스(300)의 캔틸레버 공진기들(306)은 길이가 변한다. 음향 디바이스(300)는 특정 주파수 또는 특정 주파수 범위에서 공진하도록 구성될 수 있다. 따라서, 각각의 캔틸레버 공진기(306)는 공진 주파수 또는 공진 주파수에 가까운 주파수를 가진 입사 음파들에 민감하다. 따라서, 캔틸레버 공진기들(306)의 어레이는 캔틸레버 갯수, 캔틸레버 길이, 캔틸레버 폭, 캔틸레버 두께, 캔틸레버 조성, 캔틸레버 컴플라이언스 및 다른 캔틸레버 특성들의 하나 이상을 변화시킴으로써 조정될 수 있는 수동 기계적 주파수 선택도를 제공한다. 캔틸레버 두께는 예를 들어, 캔틸레버들(306)의 하나 이상의 층들의 두께를 변경함으로써 조정될 수 있다. 또한, 주파수 선택도는 예를 들어, 그라운드층(310), 압전층(308) 및 전극(314)의 하나 이상의 중첩들을 조절함으로써 조정될 수 있고, 즉, 캐비티(304) 위에 위치된 빔(305)의 부분들 위에서 이러한 층들의 연장에 의해 조정될 수 있다. 도시된 실시예에서, 5개의 주파수 채널들(또는 대역들)에 대응하는 연속적으로 감소하는 캔틸레버 길이를 가진 5개의 압전 캔틸레버들(306)이 제공된다. 5개의 압전 캔틸레버들(306)은 2.5mm 내지 3.6mm의 길이 범위를 가지며, 3kHz 내지 1.3kHz의 공진 주파수를 가진다. 그러나, 본 개시의 실시예들은 이러한 치수 및 공진 주파수들로 제한되지 않는다. 인공와우 기술에 적용하기 위해, 캔틸레버 공진기들(306)의 어레이의 주파수 선택도가 달팽이관 토노토피에 적어도 부분적으로 대응하도록 상기 변수들이 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캔틸레버 공진기들(306)의 어레이는 인간 음성의 전형적인 주파수 범위 예컨대, 100Hz 내지 8kHz에 걸쳐 실질적으로 연장하는 주파수 감도를 가질 수 있다.
도 10은 일부 실시예들에 따라, 0Hz와 12,000Hz 사이의 주파수를 갖는 입사 음압파들에 응답하여, 음향 디바이스(300)의 공진기들(306)과 같은 5개의 캔틸레버 공진기들(306a~306e)의 이동을 나타내는 도면이다. 도 10의 도면은 도 9에 도시된 디바이스(300)의 COMSOL 모델을 기반으로 한다.
도 11은 0Hz와 12,000Hz 사이의 주파수를 갖는 입사 음압파들에 응답하여, 도 9에 도시된 모델에 기반하여 물리적으로 제조된 예시적인 디바이스의 5개의 캔틸레버 공진기들(306a~306e)의 정규화된 속도를 나타내는 도면이다. 따라서, 5개의 캔틸레버 공진기들(306a~306e)은 음향 디바이스(300)의 공진기들(306)과 유사하다. 이것은 도면에서 노이즈 플로어(noise floor) 위로 연장하는 스파이크(spike)들에 의해 표현되는 특정 공진 주파수들에서, 제조된 5개의 캔틸레버 공진기들(306a~306e)의 공진 방식을 도시한다. 이 예에서, 캔틸레버들(306a~306e)은 약 5,000Hz 내지 약 9,700Hz 사이의 주파수에서 공진을 갖는다.
각각의 캔틸레버 공진기(306a~306e)는 상이한 캔틸레버 길이를 가지며, 공진기(306a)는 최장 캔틸레버 길이를 가지고, 공진기(306e)는 최단 캔틸레버 길이를 가진다. 공진기들(306a~306e)의 고유 주파수는 캔틸레버 길이가 감소함에 따라 증가하므로, 각각의 공진기(306a~306e)의 최대 이동(따라서 출력 신호 강도)은 캔틸레버 길이가 감소함에 따라 더 높은 주파수에 있음을 알 수 있다. 이것은 캔틸레버 공진기들(306a~306e)보다 더 긴 캔틸레버 공진기들(306f~306i)의 경우에 적용된다.
도 12a는 0Hz와 4,000Hz 사이의 주파수에서 입사하는 음압파들에 응답하여, 도 10 및 도 11을 참조하여 위에서 설명된 것들 보다 더 낮은 주파수에서 공진하도록 설계된 음향 디바이스(300)의 공진기들과 같은, 캔틸레버 공진기들(306f~306i)의 다른 어레이의 속도를 도시하는 또 다른 도면이다. 캔틸레버 공진기들(306f~306i)의 이동의 속도는 레이저 도플러 진동계를 사용하여 측정되었다. 도 12b는 동일한 4개의 캔틸레버 공진기들(306e~306i)의 정규화된 속도를 나타내는 도면이다. 도 12a 및 도 12b는 5,000Hz 미만의 특정 공진 주파수에서 본 개시의 실시예들에 따른 캔틸레버 공진기들의 공진의 방식을 더 도시한다. 이 예에서, 캔틸레버들(306f~306i)은 약 800Hz 내지 1,900Hz에서 공진된다. 이 실시예에서, 캔틸레버 공진기들(306f~306i)의 어레이는 2 x 109 Pa 내지 2.5 x 109 Pa의 영률(Young modulus), 0.3 내지 0.35의 포아송 비(Poisson ratio) 및 1,000kg/m3 내지 1,500 kg/m3의 밀도를 가진 플라스틱(폴리에틸렌 테레프탈레이트)으로부터 형성된다.
도 13a 및 도 13b는, 인간의 청각 범위에 걸친 주파수로 입사하는 음압파들에 응답하여 1,500Hz 내지 7,000Hz의 주파수 범위에서 공진하도록 설계된 음향 디바이스(300)의 공진기들과 같은, 9개의 캔틸레버 공진기들(306k:306r)의 어레이의 이동의 속도를 더 도시하는 도면이다. 캔틸레버 공진기들(306k~306r)의 이동의 속도는 레이저 도플러 진동계를 사용하여 측정되었다. 도 13a 및 도 13b는 인간의 청각 범위에 걸친 특정 공진 주파수에서 본 발명의 실시예에 따른 캔틸레버 공진기의 공진 방식을 더 도시한다. 이 실시예에서, 캔틸레버 공진기들(306k~306r)의 어레이는 100 x 109 Pa 내지 150 x 109 Pa(예, 110 x 109 Pa)의 영률, 0.3 내지 0.35의 포아송 비 및 8,000kg/m3 내지 10,000kg/m3(예, 9,000kg/m3)의 밀도를 가진 구리로 형성된다.
도 14는 캔틸레버 공진기의 일부를 형성하는 폴리 비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 필름층을 가진 음향 디바이스(300)의 캔틸레버들(306)과 같은 캔틸레버 공진기로부터의 예시적인 전기 출력을 도시하는 도면이다. 접촉된 PVDF 필름으로부터의 미처리된(raw) 출력은 100Hz 미만의 원치않는 성분들을 제거하기 위해 고역 통과 필터링 되었고 잡음을 제거하기 위해 16kHz 저역 통과 필터로 저역 통과 필터링 되었다. 캔틸레버 공진기에서 입사하는 협대역 음향에 응답하고, 캔틸레버 공진기의 공진 주파수를 포함하는 주파수 범위를 스위핑하는, 결과적인 신호가 도면에 도시된다. 캔틸레버 공진기에서 입사되는 음향의 주파수가 캔틸레버 공진기의 공진 주파수 근처로 이동함에 따라, 캔틸레버는 더 큰 진폭으로 진동하기 시작하고 따라서, 전기 출력의 진폭이 증가한다. 도 14에 도시된 시간 T1은 1.7ms이고, 대상 캔틸레버의 경우 대략 590Hz의 공진 주파수를 제공한다.
각각의 캔틸레버 공진기(306)에서 생성된 압전적으로 변환된 신호의 진폭은 캔틸레버 공진기들(306)의 전체 이동에 비례하기 때문에, 캔틸레버 공진기들(306)의 어레이를 제공함으로써, 복수의 기계적인 주파수 선택 신호들이 음향 디바이스(300)으로부터 출력될 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 인간 청각의 전체 주파수 범위 예컨대, 20 내지 10,000Hz와 관련된 전기 신호를 출력하는 종래의 마이크로폰들과 달리, 음향 디바이스(300)는 인간의 청각 주파수 범위의 주파수 서브-밴드에 관련한 복수의 전기 신호들을 출력할 수 있다. 도 15는 상술한 바에 따라 제조된 10개의 캔틸레버 공진기들의 공진 주파수를 도시한 도면이고, 각각은 서로 다른 공진 주파수를 가지며, 이 같은 공진 주파수는 800Hz 내지 6,000Hz에 걸쳐 있다. 상술한 바와 같이, 주파수 범위들은 인공와우의 토노토피(tonotopy)와 매칭되도록 캔틸레버 길이, 캔틸레버 폭, 캔틸레버 두께, 캔틸레버 조성 및 캔틸레버 컴플라이언스의 하나 이상을 조절함으로써 조정될 수 있다.
상술한 음향 디바이스(300)는 음향 변환기, 음향 센서, 마이크로폰, 인공와우용 인-이어 마이크로폰 및 이들의 조합으로서 구성될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 음향 디바이스들(200,300)은 플라스틱 재료의 3D 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 인-이어 마이크로폰으로서 구성될 때, 본 명세서에 기술된 음향 디바이스들의 하나 이상의 컴포넌트들은 인간 피부와 장기간 접촉하기에 적합한 연질의 생체 적합성 플라스틱 재료로부터 형성될 수 있다.
본 명세서에 기술된 다양한 음향 디바이스들의 압전 공진기들은, 예를 들어, 압전 중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및/또는 압전-세라믹의 몰딩, 라미네이트 및/또는 필름들로부터 형성될 수 있다. 다른 적합한 압전 재료들은 BaTiO3, PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, 및 (Pb0.8725SM0.085)(Ti0.98Mn0.02)03을 포함한다.
도 16 내지 도 19는 본 개시의 실시예들에 따른 인-이어 마이크로폰(400)을 도시한다. 도 16은 인-이어 마이크로폰(400)의 분해 사시도이다. 도 17은 인-이어 마이크로폰(400)의 조립 사시도이다. 도 18 및 도 19는 인-이어 마이크로폰(400)의 절개 정면도 및 측면도를 각각 도시한다.
인-이어 마이크로폰(400)은 인간의 외이도에 삽입되도록 형성 및 구성되는 음향 인클로저(402)를 포함한다. 바람직하게, 음향 인클로저(402)는 외이도에 일치하도록 형상화된 원통형 본체를 포함한다. 또한, 음향 인클로저(402)는 삽입시 자극 및 상해의 위험을 감소시키기 위해 외이도에 삽입하기 위한 반구형 끝단부를 포함할 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 음향 인클로저(402)는 제1 및 제2 인클로저부들(402a,402b) 및 인클로저 베이스(403)로 형성될 수 있다. 대안적으로, 제1 및 제2 인클로저부들(402a,402b) 및/또는 인클로저 베이스(403)는 단일 부품으로 제조될 수 있다. 각각의 인클로저부(402a,402b)에는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 음향 디바이스들(200) 또는 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명된 음향 디바이스들(300)과 유사한 음향 디바이스들400a,200b)이 통합되고, 음향 디바이스들(200a,200b)은 후방 캐비티(301)에 의해 분리된다. 각각의 인클로저부(402a,402b)에는 음압파들이 음향 인클로저(402) 속으로 통과하도록 구성된 각각의 음향 포트들(406a,406b)이 제공될 수 있다. 음향 디바이스들(200a,200b)은 축 방향으로 이격될 수 있고, 이들의 전면 평면 표면들은 음향 인클로저(402)의 회전 축과 마주한다. 일부 실시예들에서, 음향 디바이스들(200a,200b)의 전면 평면 표면들은 각각의 음향 디바이스(200a,200b)의 평면 표면들의 축이 음향 인클로저(402)의 원통형 몸체의 축에 실질적으로 평행하도록 서로 마주하도록 위치된다. 다른 실시예들에서, 음향 디바이스들(200a,200b)은 음향 인클로저(402)의 회전축에 대해 세로로 분포될 수 있다.
도 19 내지 도 22에 도시된 실시예들에서, 2개의 음향 디바이스들(200a,200b)이 제공된다. 본 개시는 2개의 음향 디바이스들을 포함하는 디바이스로 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 다른 실시예들에서, 예를 들어, 인-이어 마이크로폰(400)은 음향 인클로저(402) 내에 위치된, 상술한 디바이스(200) 또는 디바이스(300)와 같은 단일 음향 디바이스 또는 상술한 디바이스(200) 또는 디바이스(300)와 같은 3개 이상의 음향 디바이스들을 포함할 수 있다. 음향 디바이스들(200a,200b)은 음파들을 전기 신호들로 변환할 수 있는 임의의 음향 디바이스를 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
또한, 음향 디바이스들(200a,200b)은 도 16에 도시된 바와 같이 서로 직접적으로 대향하여 위치될 필요가 없음을 이해할 것이다. 예를 들어, 도 16에 도시된 인-이어 마이크로폰(400)의 변형예에서, 각각의 음향 디바이스가 유용한 전기적 출력을 생성하기 위해 음향 포트들(406a,406b)로부터 필요한 음압을 수신하는 경우, 음향 디바이스들(200a,200b)은 마이크로폰(400)의 세로축에 평행한 방향으로 인-이어 마이크로폰(400)을 따라 이격될 수 있다.
도 16에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 음향 인클로저(402)는, 음향 디바이스들(200a,200b)로부터 수신된 전기 신호들을 감지 및 처리하기 위한 하나 이상의 감지 전자장치들(408), 하나 이상의 배터리들(412)을 수용하기 위한 배터리 하우징(410), 하나 이상의 배터리들(412)(제공된 경우), 및 하나 이상의 프로세서(408)에 의해 처리된 신호들을 인-이어 마이크로폰(400) 외부의 디바이스들로 무선 전송하기 위한 전송 코일(414)의 하나 이상을 포함하도록 구성될 수 있다. 전송 코일(414)이 근거리 자기장 유도(NFMI) 등을 사용하여 외부 코일에 유도적으로 결합될 수 있도록 전송 코일(414)은 인클로저 베이스(403)에 인접하여 위치되거나 이에 통합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 배터리들(412) 대신에 또는 그에 부가하여, 감지 전자장치(408)에 외부 전력이 제공될 수 있다. 이러한 외부 전력은 유선 또는 무선으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 외부 전력은 전송 코일(414)과 같은 하나 이상의 코일들을 통해 인-이어 마이크로폰(400)에 무선으로 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 감지 전자장치(408)에 의해 생성된 신호들은 인-이어 마이크로폰(400)으로부터 유선(미도시)을 통해 출력될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 무선 트랜시버(미도시)는 본 기술 분야에 알려진 임의의 방식으로 외부 컴포넌트들, 디바이스들 또는 모듈들과 무선으로 통신하도록 제공될 수 있다. 이러한 무선 트랜시버는 예를 들어, Wi-Fi(RTM) 또는 블루투스(RTM)를 통해 통신할 수 있다
감지 전자장치(408), 배터리 하우징(410) 및 전송 코일(414)은, 분리벽(418)에 의해 후방 캐비티(401)로부터 분리될 수 있는 제2 캐비티(416) 내에 제공될 수 있다. 분리벽(418)에는 각각의 제1 및 제2 음향장치들(200a,200b)과 감지 전자장치(408) 사이의 전기적 연결을 가능하게 하는 개구(420)가 제공될 수 있다. 개구(420)는 전기적 연결부(와이어와 같은)가 개구(420)를 통과하면서 개구(420)를 기밀하게 밀봉하도록 구성된 씨일(미도시)을 포함할 수 있다.
도 18 및 도 19는 제1 인클로저부(402a)를 더 상세하게 도시한다. 제2 인클로저부(402b)는 내부에 제공된 음향 디바이스들(200a,200b) 사이의 차이들을 제외하고(아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이), 제1 인클로저부(402b)와 실질적으로 유사하다. 전술한 바와 같이, 음향 디바이스(200a)는 전술한 음향 디바이스(200)와 유사한 구성을 가지며, 따라서 유사한 부분들은 도 19의 유사한 참조부호들이 부여되었다.
도 20 내지 도 22는 본 개시의 실시예들에 따른 다른 인-이어 마이크로폰(500)을 도시한다. 도 20은 인-이어 마이크로폰(500)의 분해 사시도이다. 도 21은 인-이어 마이크로폰(500)이 인클로저 일부가 제거된 부분 조립 사시도이다. 도 22는 인-이어 마이크로폰(500)의 조립 사시도이다.
인-이어 마이크로폰(500)은 인간의 외이도에 삽입되도록 형상화되고 구성되는 음향 인클로저(502)를 포함한다. 음향 인클로저(502)는 원위단(507)과 근위단(508)을 가진 원통형 몸체를 포함하고, 인클로저(502)는 외이도에 일치하도록 형성된다. 이 실시예들에서, 음향 인클로저(502)는 타원형 단면을 갖는다. 타원형 단면은 사람의 외이도에 더 잘 맞을 수 있어서 사용자의 안락함 또는 부상에 영향을 주지 않으면서 버드의 전체 사이즈(따라서, 공진기들, 처리 수단 및 기타 하드웨어를 위한 내부 체적)를 증가시킬 수 있다. 인클로저(502)는 사용시 그 원위단(507)에 의해 외이도에 삽입되도록 구성된다. 따라서, 바람직하게 자극 또는 부상의 위험없이 외이도 내,외로 마이크로폰(500)을 삽입 및 제거할 수 있도록 인클로저(502)의 원위단(507)과 근위(508)에는 윤곽이 있는 에지(edge)들이 각각 제공된다.
도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이, 음향 인클로저(502)는 마이크로폰(500)의 모든 다른 모든 요소들을 둘러싸도록 구성된 제1 및 제2 인클로저부들(502a,502b)로 형성될 수 있다. 이 같은 실시예들에서, 제1 및 제2 인클로저부들(502a,502b)은 각각 인클로저(502)를 형성하기 위해 상호 결합되도록 구성된 커플링 요소들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 제1 및 제2 인클로저부들(502a,502b)은 단일 부품으로 제조될 수 있다.
인클로저(502)에는 마이크로폰(500)이 외이도에 삽입될 때 귀 바깥 쪽을 향하는 인클로저(502)의 근위단(508)으로부터 음압파가 음향 인클로저(502) 속으로 통과하도록 구성된 음향 포트들(506a,506b)이 제공된다. 또한, 인클로저(502)는 근위단(508)과 원위단(507) 사이에서 마이크로폰(500)을 통해 공기가 이동할 수 있도록 구성된 인클로저(502)의 원위단(507)에 있는 음향 포트(509)를 포함할 수 있다. 마이크로폰(500)의 근위단(508)에 추가 포트(509)가 제공되면 인클로저(502) 내부의 압력의 축적을 감소시키고, 따라서, 제1 및 제2 음향 디바이스들(300a,300b)에 대한 음압의 흐름을 개선한다.
마이크로폰(500)은 인클로저(502) 내부에서 제1 및 제2 음향 디바이스들(300a,300b)을 지지하기 위한 프레임(505)을 더 구비한다. 제1 및 제2 음향 디바이스들(300a,300b)은 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명된 음향 디바이스(300) 또는 본 명세서에 기술된 임의의 다른 음향 디바이스들과 유사할 수 있다. 음향 디바이스들(300a,300b)은 축 방향으로 이격될 수 있고, 이들의 전방 평면 표면들은 음향 인클로저(502)의 회전축을 향한다. 일부 실시예들에서, 음향 디바이스들(300a,300b)의 전방 평면 표면들은 서로 마주 보도록 위치되며, 각각의 디바이스(300a,300b)의 평면 표면 축은 음향 인클로저(502)의 원통형 몸체의 축과 실질적으로 평행하게 된다. 다른 실시예들에서, 음향 디바이스들(300a,300b)은 음향 인클로저(502)의 회전축에 대해 길이방향으로 분포될 수 있다. 다른 실시예들에서, 음향 디바이스들(300a,300b)은 인클로저(502)의 회전축에 대해 각이 형성될 수 있다.
제1 및 제2 음향 디바이스들(300a,300b)에는 프레임(505)에 대한 제1 및 제2 음향 디바이스들(300a,300b)의 위치를 고정하기 위해 프레임(505) 상의 결합부(mating portion)들(515)과 함께 배치되도록 구성된 각각의 결합부(513a,513b)가 제공될 수 있다. 프레임(505)은 제1 및 제2 인클로저부들(502a,502b)이 결합 구성으로 함께 결합될 때 제1 및 제2 인클로저부들(502a,502b)의 내벽들과 맞물리도록 구성된 안정화 부재들(517)을 더 구비할 수 있다. 그와 같이 함으로써, 안정화 부재들(517)은 마이크로폰(500)이 완전히 조립될 때 인클로저부(502a,502b)에 대해 프레임이 이동하는 것을 방지한다.
음향 인클로저(502)는 음향 디바이스들(200a,200b)로부터 수신된 전기 신호를 감지 및 처리하기 위한 하나 이상의 감지 전자장치(511), 하나 이상의 배터리들(512)을 수용하기 위한 배터리 하우징(510), 하나 이상의 배터리들(512)(제공되는 경우), 및 감지 전자장치(511)에 의해 처리된 신호들을 인-이어 마이크로폰(500)으로 무선으로 전송하기 위한 전송 코일(514)의 하나 이상을 둘러싸도록 구성될 수 있다. 전송 코일(514)은 인클로저(202)의 원위단(507)에 근접한 하나 이상의 배터리(512) 옆에 위치되거나 이에 통합됨으로써, 전송 코일(514)이 근거리 자기장 유도(Near Field Magnetic Induction) 등을 사용하여 외부 코일에 유도 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 배터리들(512) 대신에 또는 이에 부가하여, 감지 전자장치(508)에 외부 전력이 제공될 수 있다. 이러한 외부 전력은 유선 또는 무선으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 외부 전력은 전송 코일(514)과 같은 하나 이상의 코일들을 통해 인-이어 마이크로폰(500)에 무선으로 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 감지 전자장치(508)에 의해 생성된 신호들은 인-이어 마이크로폰(500)으로부터 유선(미도시)을 통해 출력될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 본 기술 분야에 알려진 임의의 방식으로 외부 컴포넌트들, 디바이스들 또는 모듈들과 무선으로 통신하기 위해 무선 트랜시버(미도시)가 제공될 수 있다. 이러한 무선 트랜시버는 예를 들어, Wi-Fi(RTM) 또는 블루투스(RTM)를 통해 통신할 수 있다.
음향 디바이스들(200a,200b,300a,300b)의 공진기들(206,306)은 상이한 고유 주파수들, 따라서 입사 음압파들의 상이한 주파수들에서 최대 이동를 갖도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 제1 음향 디바이스(200a)는 저주파로 동작하도록 구성될 수 있고, 제2 음향 디바이스(200b)는 고주파로 동작하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 음향 디바이스(200a)는 도 4에 도시된 바와 같은 주파수 응답을 가질 수 있고, 제2 음향 디바이스(200b)는 도 5에 도시된 바와 같은 주파수 응답을 가질 수 있으므로, 음향 디바이스들(200a,200b)의 결합된 주파수 응답은 보다 큰 결합 주파수 범위, 예를 들면, 800Hz 내지 6500Hz 또는 사람의 음성 주파수 범위를 커버하게 된다. 음향 인클로저(402) 내에 축 방향으로 서로 대향하도록 배치된 2개의 음향 디바이스들(200a,200b)을 제공함으로써, 더 큰 주파수 범위가 더욱 세분화(예, 10개의 채널들)되어 커버될 수 있는 동시에, 인-이어 마이크로폰(400)에 필요한 작은 폼-팩터(form-factor)를 유지할 수 있다. 상기 내용은 도 20 내지 도 22에 도시된 마이크로폰(500)에 유사하게 적용된다
압전 공진기들(206,306), 캐비티/캐비티들(204,304), 다이어프램/멤브레인(202,302) 및 전극들(214,314)은 적층 가공(또는 3차원(3D) 인쇄)에 의해 형성될 수 있다. 적층 가공은 예를 들어, 투영 마이크로 입체리소그래피(또는 입체리소그래피 인쇄(SLP) 또는 디지털 광 처리(DLP))를 포함할 수 있다. 적합한 투영 마이크로 입체리소그래피 기술 및 재료는 2014년 7월에 발간된, 압전 나노입자-고분자 복합 재료의 3D 광학 인쇄(3D Optical Printing of Piezoelectric Nanoparticle-Polymer Composite Materials), ACS Nano 8(10)에 기술되어있다.
전술한 음향 디바이스들(200,300) 및/또는 인-이어 마이크로폰들(400,500)은 인공와우와 함께 사용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 인-이어 타입 마이크로폰들(400,500)은 빔 이동과 관련하여 처리된 전기 신호를 인공와우로 무선으로 또는 유선으로 전송하도록 구성될 수 있다. 도 23 및 도 24는 인공와우(600)에 무선으로 연결된 인-이어 마이크로폰(400)을 도시한다. 도 25 및 도 26은 인공와우(600a)에 유선으로 연결된 인-이어 마이크로폰(400)의 변형예를 도시한다.
도 23은 인간의 외이도에 삽입된 인-이어 마이크로폰(400)을 도시한다. 도 24는 인-이어 마이크로폰(400)과 인공와우(600)의 개략도이다. 제1 및 제2 음향 디바이스들(200a,200b), 감지 전자장치(408), 전송 코일(414) 및 배터리(412)를 포함하는 인-이어 마이크로폰(400)의 전기적 활성 부분들을 도시한다. 인공와우(600)는 무선 주파수(RF) 코일(604), 프로세서(606) 및 달팽이관 신경(미도시)을 자극하기 위한 전극 어레이(608)를 포함하는 수신기(602)를 구비한다. 수신기(602)는 RF 코일(602)을 통해 프로세서(606)로 경피 전력(transcutaneous power)과 데이터를 전송하도록 구성된다. 프로세서는 수신기(602)에 의해 수신된 데이터를 처리하고 그에 따라 전극 어레이(608)를 사용하여 달팽이관 신경을 자극하도록 구성된다. 감지 전자장치는 RF 코일(414)을 통하여 음향 디바이스(200a,200b)와 관련된 자극 데이터를 수신기(602)를 통해 프로세서(606)로 전송하도록 구성된다.
도 24에 도시된 인-이어 마이크로폰(400)의 변형예에서, 전송 코일(414) 대신에 또는 이에 부가하여, 인공와우(600)와 통신하거나 전력을 제공하기 위해, Wi-Fi(RTM) 또는 블루투스(RTM) 송신기와 같은 무선 송신기가 제공한다. 이 같은 경우, 인-이어 마이크로폰(400)로부터 및/또는 여기로 데이터를 수신 및/또는 전송하고, 선택적으로 인-이어 마이크로폰(400) 또는 다른 디바이스로부터 전력을 수신하기 위해. 무선 수신기 또는 트랜시버(예, 블루투스(RTM) 또는 와이파이(RTM))가 인공와우(600)에 유사하게 제공된다.
도 26은 도 23에 도시된 인-이어 마이크로폰(400)의 다른 변형예인 인-이어 마이크로폰(400a) 및 도 23에 도시된 인공와우(600a)의 변형예인 인공와우(600a)를 도시한다. 유사 부분들은 유사한 참조부호가 부여되었다. 이 같은 변형예에서, 인-이어 마이크로폰(300a)은 인-이어 마이크로폰(400a)으로부터 인공와우(600a)로 데이터 및/또는 전력을 전달할 수 있는 하나 이상의 유선들(414)에 의해 인공와우(600a)에 연결된다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 유선들(414)은 인공와우(600a)의 경피 플러그(미도시)에 의해 상호연결될 수 있다.
두 실시예들에서, 감지 전자장치(408)는 음향 디바이스들(200a,200b)로부터 수신된 전기 신호들(422)을 처리하도록 구성될 수 있다. 이러한 처리는 음향 디바이스들(200a,200b)의 압전 공진기들(206)로부터 인공와우(600)까지의 전기 신호들의 필터링, 증폭 및/또는 맵핑을 포함할 수 있다. 유리하게, 표준 광대역 마이크로폰들을 사용하는 종래의 인공와우 시스템들과 달리, 각각의 공진기(206)로부터 수신된 신호들은 주파수가 이미 선택되었기 때문에, 복잡한 대역 통과 필터링 및 사후 처리를 사용하여 감지 전자장치(408)가 신호를 분할할 필요가 없다.
상술한 내용은 도 16 내지 도 19의 인-이어 마이크로폰(400)과 관련하여 설명되었지만, 도 20 내지 도 22의 인-이어 마이크로폰(500)에도 동일하게 적용된다.
전술한 실시예들에서, 인-이어 마이크로폰들(400,400a)은 인공와우들(600,600a)에게/그로부터 전력을 송신/수신하거나 통신하도록 구성된다. 그러나, 본 개시의 실시예들은 인공와우들과 함께 사용되는 것으로 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예들에서, 인-이어 타입 마이크로폰들(400,400a)은 보청기 또는 골전도 임플란트를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 이식가능한 청각 디바이스로/그로부터 전력을 송신/수신하거나 통신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 인-이어 마이크로폰들은 유도된 전기 신호들을 고막(tympanic-membrane) 변환기로 전송하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 실시예들은 인공와우용 인-이어 마이크로폰들을 포함하는 음향 변환기들, 음향 센서들 및 마이크로폰들로서 유용한 음향 디바이스들을 제공한다. 예를 들어, 인공와우용 인-이어 마이크로폰들로서 구성된 본 개시의 실시예들은, 시간 지연이 없고 전력 입력이 없는 작은(예, 10mm) 공간 내에서 하나의 단계로 음향 을 기계적으로 필터링함으로써 기존의 인공와우 기술들을 유리하게 개선할 수 있다. 인-이어 마이크로폰들의 실시예들은, 다수의 채널들(10개 이상의 채널들)을 통하여 이산 주파수 선택을 제공하는 기존 인공와우 임플란트들의 전극 채널들에 음향을 국부적으로(tonotopically) 맵핑할 수 있다. 본 명세서에 기술된 인-이어 마이크로폰들은 외이도 내부에 편안하게 위치되어 24/7 청력을 제공할 수 있다. 본 개시의 실시예들은 뇌에 의한 방향, 증폭 및 소음 상쇄를 위한 피나의 자연 윤곽(pinna's natural contours)을 이용할 수 있다. 뇌는 양쪽 귀 모두를 사용할 수 있음을 의미하는 시간 지연의 부재로 인해, 실시예들은 양방향으로 이식될 수 있다. 또한, 높은 수준의 신호 출력으로 인해 원하지 않는 신체 소음이 필터링될 수 있다. 인-이어 마이크로폰의 실시예들은 기존 인공와우 시스템들의 외부 컴포넌트를 대체하고, 사용자들이 원하는 분별있는 팩터를 제공하여, 인공와우의 가시적 장애 및 현재 기술의 라이프스타일 제한들을 제거할 수 있다. 실시예들은 사용자 자가-유지보수를 위해 쉽게 제거될 수 있고, 결과적으로 수술 시간의 감소와 함께 필요한 이식 컴포넌트들의 수가 적어진다.
당업자는 본 개시의 넓은 보호 범위를 벗어나지 않으면서, 전술한 실시예들에 대해 많은 변형 및/또는 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로, 본 실시예들은 모든 점에서 예시적이고 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 한다.
200...음향 디바이스 202...음향 멤브레인
204...공진기 캐비티 206...빔 공진기
208...압전층 210...그라운드층
212...공진기 베이스 214...전극
300...음향 디바이스 301...지지 링
302...음향 멤브레인 303...공진기 층
304...캐비티 306...압전 공진기
308...압전층 310...그라운드층
314...전극 400...인-이어 마이크로폰
402...음향 인클로저 403...인클로저 베이스
408...감지 전자장치 410...배터리 하우징
412...배터리 414...전송 코일
418...분리벽 420...개구
502...음향 인클로저 507...원위단
508...근위단 509...추가 포트

Claims (42)

  1. 음향 디바이스로서,
    제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 가진 음향 멤브레인; 및 상기 음향 멤브레인의 상기 제1 표면에 인접하게 형성된 적어도 하나의 음향 캐비티(cavity)를 포함하는, 디바이스 본체; 및
    상기 음향 멤브레인의 상기 제1 표면 위에 지지되고 상기 적어도 하나의 음향 캐비티에 의해 상기 제1 표면으로부터 분리되고, 적어도 하나의 상이한 고유 주파수를 각각 가진, 복수의 압전(piezoelectric) 빔 공진기(resonator)들을 구비하고,
    상기 복수의 압전 빔 공진기들의 각각은 상기 음향 디바이스에 입사되는 음압파(sound pressure wave)들에 응답하여 진동하도록 구성되는, 음향 디바이스.
  2. 청구항 1에서,
    상기 음향 멤브레인은 상기 음향 멤브레인의 상기 제2 표면에 입사되는 음압파에 응답하여 진동하도록 구성되고,
    상기 음향 멤브레인의 진동은 상기 복수의 압전 빔 공진기들을 진동시키는, 음향 디바이스.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에서,
    상기 압전 빔 공진기들의 각각은 빔 길이, 빔 폭, 빔 두께, 빔 조성 및 빔 컴플라이언스의 하나 이상이 상이한, 음향 디바이스.
  4. 청구항 3에서,
    상기 복수의 압전 빔 공진기들은 평면형이고 서로 평행하고 상기 음향 멤브레인의 제1 표면에 평행하도록 구성된, 음향 디바이스.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에서,
    상기 적어도 하나의 캐비티는 상기 복수의 압전 빔 공진기들의 각각에 대한 각각의 캐비티를 포함하는, 음향 디바이스.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에서,
    상기 적어도 하나의 캐비티는 상기 복수의 압전 빔 공진기들 모두에 대한 단일 캐비티를 포함하는, 음향 디바이스.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에서,
    상기 복수의 압전 빔 공진기들은 연속적으로 감소하는 빔 길이를 가진 4개 이상의 압전 빔 공진기들을 구비하는, 음향 디바이스.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에서,
    상기 음향 멤브레인은 원형 또는 타원형인, 음향 디바이스.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에서,
    상기 압전 빔 공진기들은 이중-클램핑된 압전 빔 공진기들인, 음향 디바이스.
  10. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에서,
    상기 압전 빔 공진기들은 캔틸레버 빔 공진기들인, 음향 디바이스.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에서,
    상기 디바이스 본체 상에 있고 상기 복수의 압전 빔 공진기들에 전기적으로 연결된 복수의 전극들을 더 구비하는, 음향 디바이스.
  12. 청구항 10에서,
    상기 전극들은 적층 가공(additive manufacturing)에 의해 또는 인쇄 회로(PCB) 처리에 의해 상기 압전 빔 공진기들, 캐비티 및 다이어프램과 함께 형성되는, 음향 디바이스.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에서,
    상기 전극들은 전기 전도성 나노구조-고분자 복합 재료로부터 형성되는, 음향 디바이스.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에서,
    상기 압전 빔 공진기들은 압전 나노입자-고분자 복합 재료로부터 형성되는, 음향 디바이스.
  15. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에서,
    상기 압전 빔 공진기들의 각각은 압전층을 포함하고,
    각각의 압전층은 상기 적어도 하나의 음향 캐비티에 인접한 각각의 빔 공진기의 길이의 일부를 따라 연장하는, 음향 디바이스.
  16. 청구항 15에서,
    각각의 압전층은 상기 적어도 하나의 음향 캐비티에 인접한 각각의 빔 공진기의 길이의 10% 내지 20%를 따라 연장하는, 음향 디바이스.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에서,
    상기 음향 멤브레인은 폴리머 재료로부터 형성되는, 음향 디바이스.
  18. 인-이어(in-ear) 마이크로폰으로서,
    청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 따른 제1 음향 디바이스를 구비하는, 인-이어 마이크로폰.
  19. 청구항 18에서,
    청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 따른 제2 음향장치를 더 구비하고,
    상기 제1 음향 디바이스와 상기 제2 음향 디바이스의 복수의 압전 빔 공진기들의 각각은 적어도 하나의 상이한 고유 주파수를 구비하는, 인-이어 마이크로폰.
  20. 청구항 19에서,
    상기 제1 음향 디바이스 및 상기 제2 음향 디바이스는 저주파수 대역과 고주파 대역에서 각각 음향 음압파들을 변환하도록 구성된, 인-이어 마이크로폰.
  21. 청구항 18 내지 청구항 20 중 어느 한 항에서,
    타원형 단면을 가진, 인-이어 마이크로폰.
  22. 청구항 18 내지 청구항 21 중 어느 한 항에서,
    제1 끝단 및 제2 끝단를 구비하고, 상기 제1 끝단에 의해 사람의 외이도(ear canal) 속으로 삽입되도록 구성된 이어버드(earbud) 인클로저(enclosure)를 더 구비하는, 인-이어 마이크로폰.
  23. 청구항 22에서,
    상기 제1 음향 디바이스의 제1 표면이 상기 이어버드 인클로저의 제1 끝단과 제2 끝단 사이에서 연장하는 축을 향하도록, 상기 제1 음향 디바이스는 상기 이어버드 인클로저 내부에 위치되고,
    상기 인-이어 마이크로폰은,
    상기 제1 음향 디바이스의 제1 표면에 인접한 상기 이어버드 인클로저 내부의 후방 캐비티; 및
    상기 제1 음향 디바이스의 제2 표면에 인접한 상기 이어버드 인클로저 내부의 제1 전방 캐비티를 더 구비하는, 인-이어 마이크로폰.
  24. 청구항 23에서,
    상기 제2 음향 디바이스의 제1 표면이 상기 제1 끝단과 상기 제2 끝단 사이에서 연장하는 축을 향하고 후방 캐비티에 인접하도록, 상기 제2 음향 디바이스는 상기 이어버드 인클로저 내부에 위치되고,
    상기 인-이어 마이크로폰은 상기 제2 음향 디바이스의 제2 표면에 인접한 상기 이어버드 엔클로저 내부의 제2 전방 캐비티를 더 구비하는, 인-이어 마이크로폰.
  25. 청구항 24에서,
    상기 인-이어 마이크로폰의 상기 제2 끝단 내에 형성된 제1 음향 포트, 및 상기 인-이어 마이크로폰의 상기 제2 끝단 내에 형성되고 상기 제2 전방 캐비티와 연통하는 제2 음향 포트를 더 구비하는, 인-이어 마이크로폰.
  26. 청구항 22에서,
    상기 제1 음향 디바이스의 제1 표면에 인접한 이어버드 인클로저 내부의 제1 전방 캐비티; 및
    상기 인-이어 마이크로폰의 제2 끝단 내에 형성되고 상기 제1 전방 캐비티와 연통하는 제1 음향 포트를 더 구비하는, 인-이어 마이크로폰.
  27. 청구항 26에서,
    상기 인-이어 마이크로폰의 제1 끝단을 향해 형성되고 상기 제1 전방 캐비티와 연통하는 후방 음향 포트를 더 구비하는, 인-이어 마이크로폰.
  28. 청구항 26 또는 청구항 27에서,
    상기 제2 음향 디바이스의 제1 표면에 인접한 상기 이어버드 인클로저 내부의 제2 전방 캐비티; 및
    상기 인-이어 마이크로폰의 제2 끝단 내에 형성되고 제2 전방 캐비티와 연통하는 제2 음향 포트를 더 구비하고,
    상기 제1 음향 디바이스와 상기 제2 음향 디바이스의 제2 표면들은 상기 이어버드 엔클로저의 제1 끝단과 제2 끝단 사이에서 연장하는 축을 향하는, 인-이어 마이크로폰.
  29. 청구항 28에서,
    상기 후방 음향 포트는 상기 제2 전방 캐비티와 연통하는, 인-이어 마이크로폰.
  30. 청구항 19 내지 청구항 29 중 어느 한 항에서,
    상기 이어버드 인클로저의 적어도 일부는 음향 전송 매체로 채워지는, 인-이어 마이크로폰.
  31. 청구항 30에서,
    상기 음향 전송 매체는 공기, 물 또는 지질 중 하나 이상을 포함하는, 인-이어 마이크로폰.
  32. 청구항 19 내지 청구항 29 중 어느 한 항에서,
    상기 제1 음향 디바이스와 상기 제2 음향 디바이스의 제1 표면들은 실질적으로 서로 대향하여 위치되고, 또는
    상기 제1 음향 디바이스와 상기 제2 음향 디바이스의 제2 표면들은 실질적으로 서로 대향하여 위치되는, 인-이어 마이크로폰.
  33. 청구항 18 내지 청구항 32 중 어느 한 항에서,
    상기 이어버드 인클로저 내에 위치되고 상기 복수의 압전 빔 공진기들에 전기적으로 결합된 감지 전자장치를 더 구비하고,
    상기 감지 전자장치는 상기 복수의 압전 빔 공진기들의 각각으로부터의 전기 신호들을 처리하도록 구성된, 인-이어 마이크로폰.
  34. 청구항 33에서,
    상기 감지 전자장치는 하나 이상의 가변 이득 증폭기들 및/또는 연산 증폭기들을 구비하는, 인-이어 마이크로폰.
  35. 청구항 34에서,
    상기 감지 전자장치에 의해 생성된 하나 이상의 처리된 신호들을 유선 또는 무선으로 전송하도록 구성된 송신기를 더 구비하는, 인-이어 마이크로폰.
  36. 청구항 35에서,
    상기 송신기는 제1 끝단에서 상기 이어버드 인클로저 내부에 위치된, 유도 코일을 포함하는 무선 송신기인, 인-이어 마이크로폰.
  37. 청구항 35 또는 청구항 36에서,
    상기 송신기는 이식가능한 청각 디바이스로 상기 하나 이상의 처리된 신호들을 전송하도록 구성된, 인-이어 마이크로폰.
  38. 청구항 18 내지 청구항 37 중 어느 한 항에서,
    전원을 더 구비하는, 인-이어 마이크로폰.
  39. 청구항 18 내지 청구항 38 중 어느 한 항에서,
    상기 이어버드 엔클로저는 적층 가공에 의해 상기 제1 음향 디바이스와 함께 형성된, 인-이어 마이크로폰.
  40. 청구항 18 내지 청구항 39 중 어느 한 항에서,
    상기 이어버드 인클로저는 생체적합성 폴리머 재료로부터 형성된, 인-이어 마이크로폰.
  41. 이식가능한 청각 디바이스로서,
    청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 따른 음향 디바이스 또는 청구항 18 내지 청구항 40 중 어느 한 항에 따른 인-이어 마이크로폰을 구비하는, 이식가능한 청각 디바이스.
  42. 본 명세서에 개시되거나 본 명세서에 개별적으로 또는 집합적으로 개시된 단계들, 특징들, 정수들, 조성들 및/또는 화합물들, 및 상기 단계들 또는 특징들 중 둘 이상의 임의의 그리고 모든 조합들.
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