KR20220022945A - 지향성 음향 센서 - Google Patents

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김재흥
윤용섭
홍혁기
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Abstract

지향성 음향 센서가 개시된다. 개시된 음향 세서는 지지대; 및 상기 지지대에서 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기;를 포함한다. 상기 각 공진기는 베이스; 및 상기 베이스에 상기 길이 방향에 나란하게 연속적으로 마련되는 프레임;을 포함한다 여기서, 상기 베이스는 상기 프레임 보다 얇은 두께를 가진다.

Description

지향성 음향 센서{Directional acoustic sensor}
본 개시는 지향성 음향 센서에 관한 것이다.
생활 가전 제품, 영상 디스플레이 장치, 가상 현실 장치, 증강 현실 장치, 인공지능 스피커 등에 장착되어 소리가 오는 방향을 탐지하고 음성을 인식할 수 있는 음향 센서의 활용성이 증가하고 있다. 최근에는 압력차(pressure difference)에 의한 기계적인 움직임을 전기 신호를 변환하여 음향 신호를 검출하는 지향성 음향 센서가 개발되고 있다.
예시적인 실시예는 지향성 음향 센서를 제공한다.
일 측면에 있어서,
지지대; 및
상기 지지대에서 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기;를 포함하고,
상기 각 공진기는 베이스(base); 및 상기 베이스에 상기 길이 방향에 나란하게 연속적으로 마련되는 프레임(frame);을 포함하며,
상기 베이스는 상기 프레임 보다 얇은 두께를 가지는 음향 센서가 제공된다.
상기 각 공진기는 상기 베이스와 상기 프레임이 동일한 두께를 가지는 경우와 동일한 공진주파수를 가질 수 있다.
상기 프레임은 상기 베이스와 일체로 형성될 수 있다. 상기 베이스 및 상기 프레임은 실리콘(silicon)을 포함할 수 있다.
상기 프레임은 상기 베이스의 양측 가장 자리에 마련될 수 있다. 상기 프레임은 상기 베이스의 외곽을 따라 마련될 수 있다. 상기 프레임은 상기 베이스의 내측에 마련될 수 있다.
상기 각 공진기는 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부와, 상기 구동부의 움직임을 검출하는 센싱부를 포함할 수 있다.
상기 각 공진기는 일단은 상기 지지부에 고정되고 타단은 자유롭게 움직이는 캔틸레버 빔(cantilever beam)을 구성할 수 있다.
상기 복수의 공진기는 서로 다른 공진주파수(resonance frequency)를 가질 수 있다.
지지대; 및
상기 지지대에서 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기;를 포함하고,
상기 각 공진기는 베이스; 및 상기 베이스에 소정 깊이로 형성된 그루브 패턴(grooved pattern);을 포함하는 음향 센서가 제공된다.
상기 각 공진기는 상기 베이스에 상기 그루브 패턴이 형성되지 않은 경우와 동일한 공진주파수를 가질 수 있다.
상기 그루브 패턴은 규칙적인 형태로 형성될 수 있다.
상기 각 공진기는 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부와, 상기 구동부의 움직임을 검출하는 센싱부를 포함할 수 있다.
상기 각 공진기는 일단은 상기 지지부에 고정되고 타단은 자유롭게 움직이는 캔틸레버 빔을 구성할 수 있다.
상기 복수의 공진기는 서로 다른 공진주파수를 가질 수 있다.
또 다른 측면에 있어서,
지지대; 및
상기 지지대에서 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기;를 포함하고,
상기 각 공진기는 베이스; 및 상기 베이스에 가청주파수 대역의 파장 보다 작은 크기로 형성된 복수의 관통공(thorough hole);을 포함하는 음향 센서가 제공된다.
상기 각 공진기는 상기 베이스에 상기 복수의 관통공이 형성되지 않은 경우와 동일한 공진주파수를 가질 수 있다.
상기 복수의 관통공은 규칙적인 형태로 형성될 수 있다.
상기 각 공진기는 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부와, 상기 구동부의 움직임을 검출하는 센싱부를 포함할 수 있다.
상기 각 공진기는 일단은 상기 지지부에 고정되고 타단은 자유롭게 움직이는 캔틸레버 빔을 구성할 수 있다.
상기 복수의 공진기는 서로 다른 공진주파수를 가질 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서에서는 각 공진기가 공진주파수를 일정하게 유지하면서 넓은 밴드폭을 가질 수 있으므로 평탄도 특성을 향상 시킬 수 있고, 이에 따라, 일반적인 지향 음향 센서에 비해 공진기의 개수를 줄여도 감도 및 음질은 비슷하게 유지할 수 있다. 이와 같이, 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서는 기존의 지향성 음향 센서에 비해 감도 및 평탄도 특성은 유지하면서 공진기의 개수를 줄일 수 있으므로 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다. 또한, 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서는 공진기의 개수가 기존의 지향성 음향 센서와 동일한 경우는 평탄도 특성의 향상에 의해 음질이 향상될 수 있다.
도 1은 일반적인 지향성 음향 센서를 예시적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 본 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서의 지향 특성을 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 5는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서의 주파수 응답 특성을 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 6a는 일반적인 지향성 음향 센서에서 공진기의 단면을 도시한 것이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 공진기의 두께 변화에 따른 관성 모멘트의 비율 변화("A1") 및 공진주파수를 일정하게 유지하기 위한 공진기의 길이 비율 변화("B1")를 도시한 것이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 사시도이다.
도 8은 도 7의 B 부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ'선을 따라 본 단면도이다.
도 10a는 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서에서 공진기의 단면을 도시한 것이다.
도 10b는 도 10a에 도시된 공진기의 베이스의 두께 변화에 따른 관성 모멘트의 비율 변화("A2") 및 공진주파수를 일정하게 유지하기 위한 공진기의 길이 비율 변화("B2")를 도시한 것이다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 공진기의 단면적 변화에 따른 공진기의 밴드폭 변화를 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 12는 기존 공진기의 밴드폭과 예시적인 실시예에 따른 공진기의 밴드폭을 비교하여 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 13a는 일반적인 지향성 음향 센서의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 13b는 일반적인 음향 센서의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 13c는 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 14a는 일반적인 지향성 음향 센서의 주파수 응답 특성을 실제 실험을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 14b는 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 주파수 응답 특성을 실제 실험을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 15a는 일반적인 지향성 음향 센서의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 15b는 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 16은 다른 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 공진기를 도시한 것이다.
도 17은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 공진기를 도시한 것이다.
도 18은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 공진기를 도시한 것이다.
도 19는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 공진기를 도시한 것이다.
도 20은 예시적인 실시예에 따른 전자 기기를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위, 아래, 좌, 우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위, 아래, 좌, 우에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일반적인 지향성 음향 센서(100')의 사시도이다. 도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 도시한 것이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 본 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 지향성 음향 센서(100')는 지지대(support, 110)와 이 지지대(110)에 마련되는 복수의 공진기(120')를 포함한다. 지지대(110)에는 캐비티(110a)가 관통하도록 형성되어 있다. 복수의 공진기(120')는 지지대(110)의 캐비티(110a) 위에 소정 형태로 배열될 수 있다.
공진기들(120') 각각은 일단부가 지지대(110)에 고정되고 타단부는 자유롭게 움직이는 캔틸레버 빔(cantilever beam)을 구성할 수 있다. 각 공진기(120')는 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부(130')와, 이 구동부(130')의 움직임을 검출하는 센싱부(140')를 포함한다. 여기서, 구동부(130')는 지지대(110)로부터 캐비티(110a) 쪽을 향하여 공진기(120')의 길이 방향(도 1에서 x축 방향)을 따라 연장되도록 마련될 수 있다. 센싱부(140')는 구동부(130')의 일면에 마련되어 구동부(130')의 움직임을 검출할 수 있다. 센싱부(140')는 압전체의 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 압전 소자를 포함할 수 있다.
공진기(120')(구체적으로는 구동부(130'))는 소정의 길이(L1'), 폭(W1') 및 두께(t1')을 가질 수 있다. 이 공진기(120')에서 입력되는 음향 신호에 의해 압력을 받는 부분의 면적은 길이(L1') × 폭(W1')이 될 수 있다.
복수의 공진기(120')는 서로 다른 공진주파수(resonance frequency)를 가지도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 복수의 공진기(120')는 서로 다른 치수(dimension)를 가지도록 마련될 수 있다. 예를 들면, 복수의 공진기(120')는 서로 다른 길이, 폭 또는 두께를 가지도록 마련될 수 있다. 도 1에는 복수의 공진기(120')가 서로 다른 길이를 가지는 경우가 도시되어 있다.
도 4에는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서(100')의 지향 특성을 측정한 결과가 예시적으로 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 지향성 음향센서(100')는 양방향성(bi-directionality), 즉 0도 방향과 180도 방향인 z축 방향으로의 방향성을 가지고 있음을 알 수 있다. 도 5에는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서(100')의 주파수 응답 특성을 측정한 결과가 예시적으로 도시되어 있다.
도 1에 도시된 지향성 음향 센서(100')에서는 그 크기를 줄이기 위한 방안으로 공진기들(120')의 개수를 줄이게 되면 도 5에 도시된 주파수 응답 특성에서 리플(ripple)의 상하폭이 커져서 평탄도(flatness) 특성이 나빠지게 되고, 이에 따라 지향성 음향 센서(100')의 음질이 저하될 수 있다.
한정된 개수의 공진기를 이용하여 넓은 주파수 영역을 구현하고, 평탄도 특성을 개선하기 위해서는 공진기들 각각이 넓은 밴드폭(bandwidth)을 가져야 하며, 이를 위해서는 공진기의 Quality factor가 작아야 한다.
공진기의 Quality factor(Q)는 다음의 (식 1)로 표현될 수 있다.
Q = (m×f)/c ?????? (식 1)
여기서, m은 effective mass, f는 resonance frequency, c는 damping coefficient를 나타낸다.
(식 1)을 참조하면, 공진기의 공진주파수를 일정하게 유지하면서 Quality factor를 낮추기 위해서는 공진기의 질량을 감소시켜야 한다.
도 1에 도시된 지향성 음향 센서(100')에서는 공진기(120')의 질량을 줄이기 위해 공진기(120', 구체적으로는 구동부(130'))의 두께를 감소시키는 경우에 공진주파수를 일정하게 유지하기 위해서는 후술하는 바와 같이 공진기(120')의 길이도 함께 감소시켜야 한다. 그러나 이 경우에 입력되는 음향 신호에 의해 압력을 받는 부분의 면적이 감소하게 되므로 감도(sensitivity)가 떨어지게 된다. 따라서, 도 1에 도시된 지향성 음향 센서(100')에서는 공진기(120')의 두께를 감소시켜 Quality factor를 낮추게 되면, 평탄도 특성은 개선할 수 있지만 감도가 떨어질 수 있다.
도 6a는 도 2에 도시된 공진기(120')(구체적으로는 구동부(130'))에 대한 단면을 도시한 것이며, 도 6b는 도 6a에 도시된 공진기(120')의 두께(t)를 1.5㎛에서 점점 줄여가면서 측정한 관성 모멘트의 비율(relative ratio of inertia moment) 변화("A1") 및 공진주파수를 일정하게 유지하기 위한 공진기 길이의 비율(relative ratio of length of resonator) 변화("B1")를 도시한 것이다. 여기서, 공진기(120')의 폭은 100㎛으로 하였다.
도 6b에서 "A/Aref"는 공진기(120')의 단면적 비율(relative ratio of sectional area of resonator)을 나타내며, Aref는 공진기(120')의 두께가 1.5㎛ 일 때 공진기(120')의 단면적을 나타낸다. "A1"은 관성 모멘트 비율(I/Iref) 변화를 나타내는 곡선이며, Iref는 공진기(120')의 두께가 1.5㎛ 일 때 공진기(120')의 관성 모멘트를 나타낸다. 그리고, "B1"은 공진주파수를 일정하게 유지하기 위한 공진기 길이의 비율(L/Lref) 변화를 나타내는 곡선이며, Lref는 공진기(120')의 두께가 1.5㎛ 일 때 공진기(120')의 길이를 나타낸다.
도 6b를 참조하면, 도 6a에 도시된 공진기(120')의 두께가 1.5㎛에서 점점줄어들어 공진기(120')의 단면적이 감소함에 따라 공진기(120')의 관성 모멘트도 줄어들게 된다. 이 경우, 공진기(120')의 두께를 감소시키면서 공진기(120')의 공진주파수를 일정하게 유지하기 위해서는 공진기(120')의 길이도 줄여야 하는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 도 1에 도시된 기존의 지향성 음향 센서(100')에서는 공진기(120')의 두께를 감소시켜 공진기(120')의 질량을 줄이게 되면 공진주파수의 유지를 위해서 공진기(120')의 길이도 함께 감소시켜야 하며, 이에 따라 입력되는 음향 신호에 압력을 받는 부분의 면적이 감소하여 지향성 음향 센서(100')의 감도가 떨어지게 된다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)의 사시도이다. 도 8은 도 7의 B 부분을 확대하여 도시한 것이며, 도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ'선을 따라 본 단면도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 지향성 음향 센서(100)는 지지대(110)와 이 지지대(110)에 마련되는 복수의 공진기(120)를 포함한다. 지지대(110)에는 캐비티(110a)가 관통하도록 형성되어 있다. 지지대(110)로는 예를 들면 실리콘 기판이 사용될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 복수의 공진기(120)는 지지대(110)의 캐비티(110a) 위에 소정 형태로 배열될 수 있다. 이러한 공진기들(120)은 서로 겹침 없이 평면적으로 배열될 수 있다.
공진기들(120) 각각은 일단부가 지지대(110)에 고정되고 타단부는 자유롭게 움직이는 캔틸레버 빔을 구성할 수 있다. 도 1에는 복수의 공진기들(120)이 z축 방향을 따라 상하로 움직이는 경우가 도시되어 있다.
각 공진기(120)는 소정의 길이(L1) 및 폭(W1)을 가질 수 있다. 이 공진기(120)에서 음향 입력에 의해 압력을 받는 부분의 면적은 길이(L1) × 폭(W1)이 될 수 있다.
예를 들어, 도 8에 도시된 공진기(120)가 도 2에 도시된 공진기(120')와 동일한 공진주파수를 가지는 경우에는 도 8에 도시된 공진기(120)의 길이(L1) 및 폭(W1)은 도 2에 도시된 공진기(120')의 길이(L1') 및 폭(W1')과 동일할 수 있다. 이 경우, 도 8에 도시된 공진기(120)와 도 2에 도시된 공진기(120')는 음향 입력에 압력을 받는 부분의 면적이 서로 동일할 수 있다.
각 공진기(120)는 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부(130)와, 이 구동부(130)의 움직임을 검출하는 센싱부(140)를 포함한다. 구동부(130)는 지지대(110)로부터 캐비티(110a) 쪽을 향하여 공진기(120)의 길이 방향(도 7에서 x축 방향)을 따라 연장되도록 마련될 수 있다. 이 구동부(130)의 일단부는 지지대(110)에 고정되어 있다. 이러한 구동부(130)는 지지대(110)와 일체로 형성될 수 있으며, 이 경우 구동부(130)는 예를 들면 실리콘을 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며 구동부(130)는 지지대(110)와 일체로 형성되지 않을 수도 있다.
공진기(120)의 구동부(130)는 베이스(base, 131)와 이 베이스(131)의 양측에 각각 마련되는 프레임(frame, 132)을 포함할 수 있다. 여기서, 프레임(132)은 공진기(120)의 길이 방향(도 2에서 x축 방향)에 나란하게 연속적으로 마련될 수 있다. 구체적으로, 프레임(132)은 베이스(131)의 양측 가장 자리를 따라 연속적으로 마련될 수 있다.
베이스(131)는 소정의 폭(W2)를 가질 수 있으며, 프레임(132)은 소정의 폭(W3)를 가질 수 있다. 예를 들어, 프레임(132)의 폭(W3)은 베이스(131)의 폭(W2) 보다 작을 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 프레임(132)은 소정의 두께(t1)을 가질 수 있으며, 베이스(131)는 프레임(132)의 두께(t1) 보다 얇은 두께(t2)를 가질 수 있다.
예를 들어, 도 8에 도시된 공진기(120)가 도 2에 도시된 공진기(120')와 동일한 공진주파수를 가지는 경우에는 도 8에 도시된 프레임(132)의 두께(t1)는 도 2에 도시된 구동부(130')의 두께(t1')와 동일할 수 있다.
도 8에 도시된 공진기(120)의 길이(L1) 및 폭(W1)이 도 2에 도시된 공진기(120')의 길이(L1') 및 폭(W1')과 동일하고, 도 8에 도시된 프레임(132)의 두께(t1)가 도 2에 도시된 구동부(130')의 두께(t1')와 동일한 경우에는 도 8에 도시된 공진기(120)는 도 2에 도시된 공진기(120')와 동일한 공진주파수를 가질 수 있다.
센싱부(140)는 구동부(130)의 일면에 마련되어 구동부(130)의 움직임을 검출할 수 있다. 센싱부(140)는 압전체의 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 압전 소자를 포함할 수 있다. 이 경우, 센싱부는 2개의 전극과, 이 전극들 사이에 마련되는 압전층을 포함할 수 있다.
복수의 공진기(120)는 서로 다른 대역의 음향 주파수를 감지하도록 마련될 수 있다. 즉, 복수의 공진기(120)는 서로 다른 공진주파수를 가지도록 마련될 수 있다. 이를 위해, 복수의 공진기(120)는 서로 다른 치수(dimension)를 가지도록 마련될 수 있다. 예를 들면, 복수의 공진기(120)는 서로 다른 길이, 폭 또는 두께를 가지도록 마련될 수 있다. 도 7에는 복수의 공진기(120)가 서로 다른 길이를 가지는 경우가 도시되어 있다. 본 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)도 도 1에 도시된 지향성 음향 센서(100')와 마찬가지로 지향성(예를 들면, z축 방향으로의 양방향성)을 가질 수 있다.
본 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)에서는 공진기(120)(구체적으로, 구동부(130))가 프레임(132)과 이 프레임(132)의 두께(t1)보다 얇은 두께(t2)를 가지는 베이스(131)를 포함함으로써 후술하는 바와 같이 도 2에 도시된 기존의 공진기(120')와 공진주파수는 동일하게 유지하면서 기존의 공진기(120') 보다 질량을 줄일 수 있다. 이에 따라, 공진기(120)의 Quality factor를 낮춤으로써 밴드폭(bandwidth)을 넓힐 수 있으며, 지향성 음향 센서(100)의 평탄도 특성 및 음질을 향상시킬 수 있다.
도 10a는 도 8에 도시된 공진기(120)(구체적으로는 구동부(130))에서 베이스(131)가 임의의 두께(t)를 가진 모습을 도시한 단면도이다. 여기서, 공진기(120)는 실리콘으로 형성하였다. 10a에서 베이스(131)의 폭(W2) 및 프레임(132)의 폭(W3)은 각각 80㎛ 및 10㎛으로 하였으며, 프레임(132)의 두께(t1)는 1.5㎛으로 하였다.
도 10b는 도 10a에 도시된 공진기(120)에서 베이스(131)의 두께(t)를 1.5㎛에서 점점 줄여가면서 측정한 관성 모멘트의 비율 변화("A2") 및 공진주파수를 일정하게 유지하기 위한 공진기 길이의 비율 변화("B2")를 도시한 것이다.
도 10b에서 "A/Aref"는 공진기(120)의 단면적 비율을 나타내며, Aref는 베이스(131)의 두께(t)가 1.5㎛일 때 공진기(120)의 단면적을 나타낸다. "A2"은 관성 모멘트 비율(I/Iref) 변화를 나타내는 곡선이며, Iref는 베이스(131)의 두께(t)가 1.5㎛ 일 때 공진기(120')의 관성 모멘트를 나타낸다. 그리고, "B1"은 공진주파수를 일정하게 유지하기 위한 공진기 길이의 비율(L/Lref) 변화를 나타내는 곡선이며, Lref는 베이스(131)의 두께(t)가 1.5㎛ 일 때 공진기(120)의 길이를 나타낸다.
도 10b를 참조하면, 도 10a에 도시된 공진기(120)의 베이스(131)의 두께가 1.5㎛에서 점점 줄어들어 공진기(120)의 단면적이 감소할수록 공진기(120)의 관성 모멘트는 처음에는 점점 줄어들다가 나중에는 일정해짐을 알 수 있다. 따라서, 이 경우에는 공진기(120)의 길이를 거의 줄이지 않아도 공진기(120)의 공진주파수가 일정하게 유지될 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 도 10a에 도시된 공진기(120)에서는 공진기(120)의 길이 변화 없이 프레임(132) 내측의 베이스(131)의 두께(t1)를 감소시킴으로써 공진주파수의 변화없이 공진기(120)의 질량을 줄일 수 있다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 공진기(120)의 단면적 변화에 따른 공진기(120)의 밴드폭 변화를 도시한 시뮬레이션 결과이다. 도 11에는 도 10a에 도시된 공진기(120)에서 베이스(131)의 두께(t)를 변화시키면서 측정된 결과가 도시되어 있다. 여기서, 베이스(131)의 두께가 1.5㎛ 인 공진기(120)는 1.5㎛ 두께 및 100㎛ 폭을 가지는 기존 공진기(120')에 해당될 수 있다.
도 11을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 공진기(120)의 단면적이 기존 공진기(120')의 단면적에 비해 대략 2배로 줄어들어서 예시적인 실시예에 따른 공진기(120)의 질량이 기존 공진기(120')의 질량에 비해 대략 2배로 줄어든 경우에는 예시적인 실시예에 따른 공진기(120)의 밴드폭은 기존 공진기(120')의 밴드폭에 비해 대략 2배 정도 넓어졌음을 알 수 있다.
도 12는 기존 공진기(120')의 밴드폭과 예시적인 실시예에 따른 공진기(120)의 밴드폭을 비교하여 도시한 시뮬레이션 결과이다. 여기서, 기존 공진기(120')는 도 10a에서 베이스의 두께가 1.5㎛인 공진기(120)에 해당하며, 예시적인 실시예에 다른 공진기(120)는 도 10a에서 베이스(131)의 두께(t)가 0.5 ㎛인 경우에 해당한다.
도 12에서 "C1"은 기존 공진기(120')의 주파수 응답 특성을 나타낸 것이며, "C2"는 예시적인 실시예에 따른 공진기(120)의 주파수 응답 특성을 나타낸 것이다.
도 12를 참조하면, 2nd resonance mode에 대해 기존 공진기(120')의 밴드폭은 대략 125Hz 이고, 예시적인 실시예에 따른 공진기(120)의 밴드폭은 대략 275Hz로 측정되었다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 공진기(120)의 밴드폭은 기존 공진기(120')의 밴드폭에 비해 대략 2배 이상 증가하였음을 알 수 있다. 이는 공진주파수의 변화없이 예시적인 실시예에 따른 공진기(120)의 Quality factor가 기존 공진기(120')의 Quality factor에 비해 대략 2배 이상 감소하였음을 의미한다.
이와 같이, 예시적인 실시예에 공진기는 베이스(131)를 프레임(132)의 두께(t1)보다 얇은 두께(t2)로 프레임(132)의 내측에 구성함으로써 공진주파수를 일정하게 유지하면서 각 공진기(120)의 질량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에 공진기는 기존의 공진기에 비해 Quality factor는 감소시키고, 밴드폭은 증대시킬 수 있다.
도 13a는 일반적인 지향성 음향 센서(100')의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다. 여기서, 일반적인 지향성 음향 센서(100')는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서(100')로서 32개의 공진기(120')를 포함하고 있다. 그리고, 각 공진기(120')는 실리콘으로 이루어져 있으며, 1.5㎛ 두께 및 100㎛ 폭을 가지고 있다.
도 13a를 참조하면, 300Hz ~ 7000 Hz의 주파수 범위에서 감도는 대략 43dB으로 측정되었으며, 평탄도(flatness)는 대략 3.3dB로 측정되었다. 여기서, 평탄도는 주파수 응답 특성 곡선에서 리플(ripple)의 상하폭 크기를 의미한다.
도 13b는 일반적인 지향성 음향 센서(100')의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다. 여기서, 일반적인 음향 센서(100')는 16개의 공진기(120')를 사용하였다는 점 외에는 도 13a에 사용된 지향성 음향 센서(120')와 동일하다.
13b를 참조하면, 300Hz ~ 7000 Hz의 주파수 범위에서 감도는 대략 45B으로 측정되었으며, 평탄도는 대략 5.5dB로 측정되었다. 도 13a와 도 13b를 비교하면, 일반적인 지향성 음향 센서(100')에서 공진기(120')의 개수를 감소시키면 평탄도가 떨어지는 것을 알 수 있다.
도 13c는 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다. 여기서, 예시적인 지향성 음향 센서(100)는 도 7에 도시된 지향성 음향 센서(100)로서 16개의 공진기(120)를 포함하고 있다. 각 공진기(120)는 실리콘으로 이루어져 있다. 그리고, 베이스(131)의 두께 및 폭은 각각 0.5㎛ 및 80㎛으로 하였으며, 각 프레임(132)의 두께 및 폭은 1.5㎛ 및 10㎛ 으로 하였다.
도 13c를 참조하면, 300Hz ~ 7000 Hz의 주파수 범위에서 감도는 대략 40B으로 측정되었으며, 평탄도는 대략 2.4dB로 측정되었다. 도 13b와 도 13c를 비교하면, 공진기(120',120)의 개수가 동일한 경우에는 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)는 일반적인 지향성 음향 센서(100')에 비해 감도는 비슷하면서 평탄도가 크게 향상되었음을 알 수 있다. 또한, 도 13a와 도 13c를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)는 공진기(120)의 개수를 절반으로 줄여도 일반적인 지향성 음향 센서(100')에 비해 감도는 비슷하면서 평탄도는 향상되었음을 알 수 있다.
도 14a는 일반적인 지향성 음향 센서(100')의 주파수 응답 특성을 실제 실험을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다. 여기서, 일반적인 지향성 음향 센서(100')는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서(100')로서 32개의 공진기(120')를 포함하고 있다. 그리고, 각 공진기(120')는 실리콘으로 이루어져 있으며, 1.5㎛ 두께 및 100㎛ 폭을 가지고 있다. 도 14a를 참조하면, 300Hz ~ 7000 Hz의 주파수 범위에서 감도는 대략 43.5dB으로 측정되었으며, 평탄도는 대략 6dB로 측정되었다.
도 14b는 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)의 주파수 응답 특성을 실제 실험을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다. 여기서, 예시적인 지향성 음향 센서(100)는 도 7에 도시된 지향성 음향 센서(100)로서 16개의 공진기(120)를 포함하고 있다. 각 공진기(120)는 실리콘으로 이루어져 있다. 그리고, 베이스(131)의 두께 및 폭은 각각 0.5㎛ 및 80㎛으로 하였으며, 각 프레임(132)의 두께 및 폭은 1.5㎛ 및 10㎛ 으로 하였다. 도 14b를 참조하면, 300Hz ~ 7000 Hz의 주파수 범위에서 감도는 대략 43dB으로 측정되었으며, 평탄도는 대략 8dB로 측정되었다.
도 14a 및 도 14b를 비교하면, 32개의 공진기(120')를 포함하는 일반적인 지향성 음향 센서(100')와 16개의 공진기(120)를 포함하는 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100')가 서로 비슷한 감도 및 평탄도를 가지고 있음을 알 수 있다.
도 15a는 일반적인 지향성 음향 센서(100')의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것으로 도 13a와 동일하다. 여기서, 일반적인 지향성 음향 센서(100')는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서(100')로서 32개의 공진기(120')를 포함하고 있다. 그리고, 각 공진기(120')는 실리콘으로 이루어져 있으며, 1.5㎛ 두께 및 100㎛ 폭을 가지고 있다. 도 15a를 참조하면, 300Hz ~ 7000 Hz의 주파수 범위에서 감도는 대략 43dB으로 측정되었으며, 평탄도는 대략 3.3dB로 측정되었다.
도 15b는 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다. 여기서, 예시적인 지향성 음향 센서(100)는 도 7에 도시된 지향성 음향 센서(100)로서 32개의 공진기(120)를 포함하고 있다. 각 공진기(120)는 실리콘으로 이루어져 있다. 그리고, 베이스(131)의 두께 및 폭은 각각 0.5㎛ 및 80㎛으로 하였으며, 각 프레임(132)의 두께 및 폭은 1.5㎛ 및 10㎛ 으로 하였다. 도 15b를 참조하면, 300Hz ~ 7000 Hz의 주파수 범위에서 감도는 대략 41.5dB으로 측정되었으며, 평탄도는 대략 2.1dB로 측정되었다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 공진기(120',120)의 개수가 동일한 경우에는 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)는 일반적인 지향성 음향 센서(100')에 비해 감도는 비슷하면서 평탄도가 향상되었음을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)에서는 각 공진기(120)를 베이스(131)가 프레임(132)의 두께(t1)보다 얇은 두께(t2)로 구성됨으로써 공진주파수를 일정하게 유지하면서 각 공진기(120)의 질량을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 기존의 공진기(120')에 비해 Quality factor는 감소시키고, 밴드폭은 증대시킬 수 있다.
이와 같이, 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)에서는 각 공진기(120)가 공진주파수를 일정하게 유지하면서 넓은 밴드폭을 가질 수 있으므로 평탄도 특성을 향상 시킬 수 있고, 이에 따라, 일반적인 지향 음향 센서(100')에 비해 공진기(120)의 개수를 줄여도 감도 및 음질은 비슷하게 유지할 수 있다.
따라서, 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)는 기존의 지향성 음향 센서(100')에 비해 감도 및 평탄도 특성은 유지하면서 공진기(120)의 개수를 줄일 수 있으므로 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다. 또한, 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)는 공진기(120)의 개수가 기존의 지향성 음향 센서(100')와 동일한 경우는 평탄도 특성의 향상으로 인해 기존의 지향성 음향 센서(100')에 비해 음질이 향상될 수 있다.
도 16은 다른 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 공진기(200)를 도시한 것이다. 도 16에는 지향성 음향 센서에 적용되는 서로 다른 공진주파수를 가지는 공진기들 중에서 하나의 공진기(220)만 예시적으로 도시되어 있으며, 이하에서도 동일하다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 16을 참조하면, 각 공진기(220)는 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부(230)와, 이 구동부(230)의 움직임을 검출하는 센싱부(140)를 포함한다. 구동부(230)는 지지대(110)로부터 공진기(220)의 길이 방향을 따라 연장되도록 마련될 수 있다.
공진기(220)의 구동부(230)는 베이스(231)와 이 베이스(231)에 마련되는 프레임(232)을 포함할 수 있다. 여기서, 베이스(231)는 전술한 바와 같이 프레임(232) 보다 얇은 두께를 가지도록 구성됨으로써 기존의 공진기(120')에 비해 공진기(220)의 질량을 감소시킬 수 있다.
프레임(232)은 베이스의 외곽을 따라 마련되어 있다. 구체적으로, 프레임(232)은 베이스(231)의 양측 가장자리 및 베이스(231)의 선단부 가장자리에 마련될 수 있다. 여기서, 베이스(231)의 양측 가장 자리에 마련되는 각 프레임(232)은 공진기(220)의 길이 방향에 나란하게 연속적으로 마련될 수 있다.
본 실시예에서, 공진기(220)는 베이스(231)를 프레임(232) 보다 얇은 두께로 구성함으로써 전술한 기존의 공진기(120')에 비해 공진주파수를 그대로 유지하면서 질량을 줄일 수 있다. 따라서, 공진기(220)의 Quality factor를 낮출 수 있고, 밴드폭(bandwidth)을 넓힐 수 있다.
도 17은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 공진기(320)를 도시한 것이다.
도 17을 참조하면, 공진기(320)의 구동부(330)는 베이스(331)와 이 베이스(331)에 마련되는 프레임(332)을 포함할 수 있다. 여기서, 베이스(331)는 전술한 바와 같이 프레임(332) 보다 얇은 두께를 가지도록 구성될 수 있다.
프레임(332)은 베이스(221)의 내측에 공진기(320)의 길이 방향을 따라 나란하게 연속적으로 마련될 수 있다. 도 17에는 프레임(332)이 하나만 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 베이스(331)의 내측에 복수개의 프레임(332)이 마련될 수도 있다.
도 18은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 공진기(420)를 도시한 것이다.
도 18을 참조하면, 공진기(420)의 구동부(430)는 베이스(431)와 이 베이스(131)에 소정 깊이로 형성된 그루브 패턴(groove pattern, 432)을 포함할 수 있다. 이러한 그루브 패턴(432)은 베이스(431)에 규칙적인 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 그루브 패턴(432)는 베이스(431)에 소정 깊이로 형성됨으로써 기존의 공진기(120')에 비해 공진기(420)의 질량을 감소시킬 수 있다.
도 18에 도시된 공진기(420)는 그루브 패턴(432)이 형성되지 않은 공진기, 즉 도 1에 도시된 일반적인 지향성 음향 센서(100')에 적용되는 기존의 공진기(120')와 동일한 공진주파수를 가질 수 있다.
본 실시예에서는 공진기(420)가 베이스(431)에 소정 깊이로 형성된 그루브 패턴(432)을 포함함으로써 공진주파수를 일정하게 유지하면서 공진기(420)의 질량을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 기존의 공진기(120')에 비해 Quality factor는 감소시키고, 밴드폭은 증대시킬 수 있다.
도 19는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 공진기(520)를 도시한 것이다.
도 19를 참조하면, 공진기(520)의 구동부(530)는 베이스(531)와 이 베이스(531)에 관통 형성된 복수의 관통공(thorough hole,532)을 포함할 수 있다. 이러한 복수의 관통공(532)은 베이스(531)에 규칙적인 형태로 형성될 수 있다.
도 19에 도시된 공진기(520)는 복수의 관통공(532)이 형성되지 않은 공진기, 즉 도 1에 도시된 일반적인 지향성 음향 센서(100')에 적용되는 기존의 공진기(120)와 동일한 공진주파수를 가질 수 있다. 이를 위해 각 관통공(532)은 가청주파수 대역의 파장 보다 작은 크기로 형성될 필요가 있다.
본 실시예에서는 공진기(520)가 베이스(531)에 형성된 가청주파수 대역의 파장 보다 작은 크기의 복수의 관통공(532)을 포함함으로써 공진주파수를 일정하게 유지하면서 공진기(520)의 질량을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 기존의 공진기(120')에 비해 Quality factor는 감소시키고, 밴드폭은 증대시킬 수 있다.
이상에서 설명된 지향성 음향 센서는 음성 인터페이스(voice interface) 기술이 적용되는 예를 들면, 인공지능 스피커(AI speaker), 또는 TV 등과 같은 전자 기기에 적용될 수 있다. 도 20에는 사용자의 음성을 인식할 수 있는 지향성 음향 센서(600)가 채용된 TV(1000)가 예시적으로 도시되어 있다. 또한, 전술한 지향성 음향 센서는 에어컨, 냉장고, 공기청정기 등과 같은 생활 가전을 포함한 다양한 전자 기기에도 응용될 수 있다. 이상에서 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 가능하다.
100,600.. 지향성 음향 센서
110.. 지지대
110a.. 캐비티
120,120',220,320,420,520.. 공진기
130,130',230,330,430,530.. 구동부
140,140'.. 센싱부
131,231,331,431,531.. 베이스
132,232,332.. 프레임
432.. 그루브 패턴
1000.. TV

Claims (25)

  1. 지지대; 및
    상기 지지대에서 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기;를 포함하고,
    상기 각 공진기는 베이스(base); 및 상기 베이스에 상기 길이 방향에 나란하게 연속적으로 마련되는 프레임(frame);을 포함하며,
    상기 베이스는 상기 프레임 보다 얇은 두께를 가지는 음향 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 공진기는 상기 베이스와 상기 프레임이 동일한 두께를 가지는 경우와 동일한 공진주파수를 가지는 음향 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 베이스와 일체로 형성되는 음향 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 베이스 및 상기 프레임은 실리콘(silicon)을 포함하는 음향 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 베이스의 양측 가장 자리에 마련되는 음향 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 베이스의 외곽을 따라 마련되는 음향 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 베이스의 내측에 마련되는 음향 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 공진기는 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부와, 상기 구동부의 움직임을 검출하는 센싱부를 포함하는 음향 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 공진기는 일단은 상기 지지부에 고정되고 타단은 자유롭게 움직이는 캔틸레버 빔(cantilever beam)을 구성하는 음향 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 공진기는 서로 다른 공진주파수(resonance frequency)를 가지는 음향 센서.
  11. 제 1 항에 기재된 음향 센서를 구비하는 전자 기기.
  12. 지지대; 및
    상기 지지대에서 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기;를 포함하고,
    상기 각 공진기는 베이스; 및 상기 베이스에 소정 깊이로 형성된 그루브 패턴(grooved pattern);을 포함하는 음향 센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 각 공진기는 상기 베이스에 상기 그루브 패턴이 형성되지 않은 경우와 동일한 공진주파수를 가지는 음향 센서.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 그루브 패턴은 규칙적인 형태로 형성되는 음향 센서.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 각 공진기는 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부와, 상기 구동부의 움직임을 검출하는 센싱부를 포함하는 음향 센서.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 각 공진기는 일단은 상기 지지부에 고정되고 타단은 자유롭게 움직이는 캔틸레버 빔을 구성하는 음향 센서.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 공진기는 서로 다른 공진주파수를 가지는 음향 센서.
  18. 제 12 항에 기재된 음향 센서를 구비하는 전자 기기.
  19. 지지대; 및
    상기 지지대에서 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기;를 포함하고,
    상기 각 공진기는 베이스; 및 상기 베이스에 가청주파수 대역의 파장 보다 작은 크기로 형성된 복수의 관통공(thorough hole);을 포함하는 음향 센서.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 각 공진기는 상기 베이스에 상기 복수의 관통공이 형성되지 않은 경우와 동일한 공진주파수를 가지는 음향 센서.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 관통공은 규칙적인 형태로 형성되는 음향 센서.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 각 공진기는 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부와, 상기 구동부의 움직임을 검출하는 센싱부를 포함하는 음향 센서.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 각 공진기는 일단은 상기 지지부에 고정되고 타단은 자유롭게 움직이는 캔틸레버 빔을 구성하는 음향 센서.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 공진기는 서로 다른 공진주파수를 가지는 음향 센서.
  25. 제 19 항에 기재된 음향 센서를 구비하는 전자 기기.
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