WO2011129475A1 - 광대역폭을 가진 선형 진동기 및 모바일 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형이면서도 큰 진동력을 발생할 수 있도록 함으로써 광대역폭에서 다양한 진동을 출력할 수 있는 구조를 가진 광대역폭을 가지는 선형 진동기 및 다양한 진동 및 음향을 출력하는 모바일장치에 관한 것으로, 케이스, 상기 케이스에 결합하는 스프링, 마그네트를 포함하고 상기 스프링에 탄성지지되는 진동자 및 상기 케이스 내에 배치되어 상기 진동자를 진동시키는 고정자를 포함하는 선형 진동기로서, 공진주파수를 기준으로 진동이나 음원으로 감지될 수 있는 최대 사용주파수까지의 주파수대역은 최소 사용주파수까지의 주파수대역보다 1.2배 이상인 선형 진동기를 제공한다. 따라서, 광대역 폭을 가진 선형 진동기에 의해 다양한 느낌의 진동 및 음향을 제공할 수 있는 이점이 있다.

Description

광대역폭을 가진 선형 진동기 및 모바일 장치

본 발명은 선형 진동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소형이면서도 큰 진동력을 발생할 수 있도록 함으로써 광대역폭에서 다양한 진동을 출력할 수 있는 구조를 가진 광대역폭을 가지는 선형 진동기 및 다양한 진동 및 음향을 출력하는 모바일장치에 관한 것이다.

일반적으로 선형 진동기는 마그네트와 코일 사이의 전자기력을 이용하여 이동통신 단말기 등에 진동을 발생하기 위하여 사용된다. 특히, 촉감에 대한 요구가 높아지고 햅틱장치(Haptic Device)에 다양하게 사용되고 있다. 최근, 진동기를 사용하는 장비가 다양화되고 소형화됨에 따라 작고 큰 진동량을 발생할 수 있는 선형 진동기가 요청된다.

도 1은 종래의 선형 진동기의 측단면도를 나타낸다. 진동기의 하부 중심에는 전류가 인가되어 전자기력이 발생하는 코일(10)이 고정되어 배치되고, 진동자(20)는 탄성을 가진 스프링(30)에 의해 케이스(40)와 연결된다. 상기 진동자(20)는 외주 부위에 소정의 질량을 가진 웨이트(22)가 요크(21)와 결합되어 배치되고, 상기 요크(21)는 진동기를 상측에서 바라보았을 때 코일(10)의 외주에 이격되어 둘러싸는 형상으로 이루어진다. 상기 요크(21)의 중심에는 자성을 가진 마그네트(23)가 배치된다.

상기 코일(10)에 전류가 인가되면, 코일(10)과 마그네트(23) 사이에 형성되는 전자기력에 의해 진동자(20)의 운동이 개시되고, 스프링(30)의 탄성력과 함께 작용하여 진동자(20) 전체의 상하 진동을 이루게 된다.

그런데, 종래의 선형 진동기는 공진주파수 부근에서만 진동을 느낄 수 있었다. 도 2는 종래 진동자의 진동 주파수에 따른 이동거리와 진동량의 실험값을 나타낸다.

도 2의 좌측 그래프는 진동자의 최대 이동거리를 mm 단위로 나타낸 것이고, 우측 도면은 진동량의 G갑을 rooot mean sqaure로 나타낸 값이다. 일반적인 선형 진동기의 진동자는 100~300Hz 대역 내에 공진주파수가 1개로 이루어져 있으며, 이 때의 제한된 범위에서 이동거리와 진동량이 피크값을 가지고 사람이 진동을 느낄 수 있다. 일반적으로 햅틱장치에서 사람이 느낄 수 있는 진동량은 0.2G 이상으로 이해되는데, 측정된 그래프에서 살펴보면, 190Hz대의 대략 10Hz범위에서 사람이 느낄 수 있는 정도의 진동량이 발생한다.

한편, 사람이 진동이나 음향으로 감지할 수 있는 주파수의 대역은 20Hz에서 20000Hz 정도의 범위로 이해된다. 그런데, 선형 진동기의 경우 일반적으로 햅틱(Haptic)을 이용한 휴대용 단말기에서 터치스크린의 버튼을 누를 때의 감촉을 제공하기 위해 설치되고, 소형화가 가능하기 때문에 주로 이용된다. 이와 같은 선형 진동기의 경우 진동력의 한계가 있기 때문에 진동력을 증가하기 위해 상기한 웨이트와 같은 부재가 추가되는 것이다. 그러나, 선형 진동기의 진동폭의 한계와 진동력의 한계가 존재하는 관계로 주로 공진주파수에서 피크값을 사용하는 방법으로 진동력의 문제를 해결한다. 따라서, 도 2에 나타난 실험데이터와 같이 상당히 제한된 영역에서 진동력이 발생하게 되는 것이다. 이와 같이 공진주파수 대역에서 상하범위로 10Hz정도의 대역에서 사람이 미세한 주파수의 차이를 감지할 수 없는 정도이기 때문에 햄틱장치에서 동일한 느낌의 진동밖에 느끼지 못하게 되는 것이다.

따라서, 종래의 선형 진동기에서는 터치스크린 화면을 터치했을 때 전체적으로 사람이 느낄 수 있는 진동의 범위가 10hz정도의 범위 즉, 상당히 제한된 범위 내에 있어 주파수 가변을 통한 다양한 진동 느낌의 구현이 어려운 문제점이 있었다.

또한, 이를 해결하기 위해 다양한 진동을 발생하기 위해 실제 사용하는 사용주파수대역 즉, 사람이 감지할 수 있는 약 0.2G 이상의 진동력을 발생하는 사용대역의 범위를 넓히고자 하는 경우 공진주파수의 상하로 넓은 범위에 걸쳐 진동이 발생하여야 하는데, 상기한 바와 같이 선형 진동기의 크기의 한계 및 진동력의 한계로 인해 실제 대부분의 선형 진동기에서는 공진주파수 부근의 좁은 영역에서 밖에 진동을 사용할 수 없게 되는 것이다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 공진주파수 이외의 넓은 범위에서도 진동을 발생할 수 있도록 하고, 이에 따라 넓은 대역에서 높은 진동력을 가질 수 있는 구조를 가짐으로써 다양한 진동을 사람이 감지할 수 있도록 하는 선형 진동기를 제공하는 데 목적이 있다.

또한, 높은 진동력을 가질 수 있는 구조를 통해 다양한 진동은 물론 음향을 발생하는 주파수 대역에서도 출력이 가능한 선형 진동기를 제공하는 데 목적이 있다.

또한, 햅틱을 이용한 모바일 장치에 있어서 다양한 진동과 음향을 동시에 출력할 수 있어 사용자의 만족감을 극대화할 수 있는 선형 진동기를 구비한 모바일 장치를 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 선형 진동기는 케이스, 상기 케이스에 결합하는 스프링, 마그네트를 포함하고 상기 스프링에 탄성지지되는 진동자 및 상기 케이스 내에 배치되어 상기 진동자를 진동시키는 고정자를 포함하는 선형 진동기로서, 공진주파수를 기준으로 진동이나 음원으로 감지될 수 있는 최대 사용주파수까지의 주파수대역은 최소 사용주파수까지의 주파수대역보다 1.2배 이상인 선형 진동기를 제공한다. 따라서, 광대역 폭을 가진 선형 진동기에 의해 다양한 느낌을 제공할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 선형 진동기는 상기 스프링과 상기 마그네트의 사이에 배치되는 상부 플레이트를 더 포함하며, 상기 마그네트는 상기 상부 플레이트의 외주측에 배치되는 외측마그네트와 중심부에 배치되는 내측마그네트인 선형 진동기를 제공한다. 따라서, 광범위한 주파수 대역에서 충분한 진동력을 제공할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 선형 진동기는 상기 마그네트의 하측 단부에 배치되는 하부 플레이트를 더 포함하는 선형 진동기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 선형 진동기는 상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트 중 적어도 하나는 자성체로 이루어진 선형 진동기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 선형 진동기는 상기 외측마그네트와 상기 내측마그네트는 상기 진동자의 진동방향으로 서로 반대의 극성을 가진 선형 진동기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 선형 진동기는 상기 외측마그네트와 상기 내측마그네트의 체적비율은 0.8에서 1의 범위 이내인 선형 진동기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 선형 진동기는 사용주파수 대역을 설정하여 진동모드와 음향모드를 각각 설정할 수 있는 선형 진동기를 제공한다. 따라서, 단일의 선형진동기에서 진동과 음향을 모두 출력할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 선형 진동기는 상기 진동모드는 최대 사용주파수가 300Hz이내에서 설정되는 선형 진동기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 선형 진동기는 케이스, 상기 케이스에 결합하는 스프링, 마그네트를 포함하고 상기 스프링에 탄성지지되는 진동자 및 상기 케이스 내에 배치되어 상기 진동자를 진동시키는 고정자를 포함하는 선형 진동기로서, 공진주파수의 상측과 하측으로 각각 30 내지 150Hz범위까지 감지될 수 있는 진동주파수를 발진하는 선형 진동기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 선형 진동기는 상기 스프링과 상기 마그네트의 사이에 배치되는 상부 플레이트를 더 포함하며, 상기 마그네트는 상기 상부 플레이트의 외주측에 배치되는 외측마그네트와 중심부에 배치되는 내측마그네트인 선형 진동기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 선형 진동기는 상기 마그네트의 하측 단부에 배치되는 하부 플레이트를 더 포함하는 선형 진동기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 선형 진동기는 상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트 중 적어도 하나는 자성체로 이루어진 선형 진동기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 선형 진동기는 상기 외측마그네트와 상기 내측마그네트는 진동자의 진동방향으로 서로 반대의 극성을 가진 선형 진동기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 선형 진동기는 상기 외측마그네트와 상기 내측마그네트의 체적비율은 0.8에서 1의 범위 이내인 선형 진동기를 제공한다.

한편, 본 발명에 따른 모바일 장치는 영상을 출력하는 디스플레이, 터치를 통해 실행명령을 입력받는 터치패드 그리고, 다양한 주파수를 가진 진동 및 음향을 출력하는 선형 진동기를 포함하며, 상기 선형 진동기는 공진주파수를 기준으로 최대 사용주파수까지의 주파수대역은 최소 사용주파수까지의 주파수대역보다 1.2배 이상인 모바일 장치를 제공한다. 따라서, 광대역의 진동이 제공되므로 다양한 느낌을 발생할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 모바일 장치는 상기 선형 진동기의 진동모드와 음향모드를 설정할 수 있는 제어부를 더 포함하는 모바일 장치를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 모바일 장치는 상기 진동모드는 사용주파수가 300Hz이내에서 설정되는 모바일 장치를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 모바일 장치는 상기 선형 진동기는 진동과 음향을 동시에 출력하는 모바일 장치를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 모바일 장치는 영상을 출력하는 디스플레이, 터치를 통해 실행명령을 입력받는 터치패드 그리고, 감지될 수 있는 진동을 출력하는 선형 진동기를 포함하며, 상기 선형 진동기는 다양한 주파수를 가진 진동 및 음향을 출력하고, 공진주파수의 상측과 하측으로 각각 30 내지 150Hz범위까지 감지될 수 있는 진동주파수를 발진하는 모바일 장치를 제공한다.

전술한 내용과 같이 구성된 본 발명에 따른 선형 진동기에 의해 진동의 대역폭이 종래기술에 비해 현저하게 넓어지게 되므로, 이를 사용하는 사용자가 감지하는 주파수범위가 넓어져 다양한 진동의 감각을 경험할 수 있게 되는 이점이 있다.

또한, 넓은 범위에서 충분한 진동력을 발생할 수 있는 선형 진동기가 제공되므로 제한된 크기에서 다양한 진동과 음향을 제공할 수 있는 이점이 있다.

또한, 햅틱을 이용하는 모바일 장치에서 진동은 물론 음향을 동시에 제공할 수 있는 이점이 있다.

또한, 모바일장치가 진동과 음향을 동시에 사용할 수 있으므로 구조가 더욱 단순화되고 소형화가 가능한 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 선형 진동기의 측단면도.

도 2는 종래기술에 따른 선형 진동기의 주파수와 진동자의 이동거리 및 진동력의 관계를 나타내는 그래프.

도 3은 선형 진동기의 2자유도 시스템을 모델링한 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 선형 진동기의 측단면도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선형 진동기의 주파수와 진동자의 이동거리 및 진동력의 관계를 나타내는 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선형 진동기를 상세히 설명한다.

도 3은 선형 진동기의 2자유도 시스템을 간략하게 도시한 도면이다. 시스템에서 m1은 핸드폰 또는 터치액정을 수반하는 휴대용 장비의 질량을 나타내고, m2는 진동자의 질량을 나타낸다. c로 나타낸 것은 각각의 댐핑 coefficient를, k는 스프링의 탄성계수를 나타낸다. 진동기는 보통 장비의 내측에 수용되어 결합되는데, 2자유도 시스템의 상단부터 진동기, 핸드폰 등의 장비 및 완충장치를 나타낸다.

이와 같은 배치의 2자유도 시스템을 수식으로 나타내면, 아래와 같이 표현될 수 있다.

수학식 1

x, y는 진동기의 변위 및 핸드폰 장비의 변위를 나타내며, 매트릭스 A는 시스템의 전체의 매트릭스를 나타낸다. 또한, F값은 전자기력에 의한 진동하는 힘을 의미한다.

여기서 F의 값은 무게, 이동거리 및 각주파수에 관계된다. 이를 수식으로 간략히 표현하면,

가 된다. 여기서, m은 질량, d는 이동거리 및 ω(2πf)는 각주파수를 나타내는데, 수식에서와 같이 힘은 질량과 이동거리에 비례하고, 각주파수의 제곱에 비례한다.

따라서, 본 발명은 공진주파수를 기준으로 상하범위로 넓은 영역에서 진동자가 진동할 수 있도록 하는 개념을 제시한다. 즉, 종래기술에 따른 선형 진동기는 공진주파수의 한정된 영역에서만 감지할 수 있는 진동이 발생하기 때문에, 감지할 수 있는 진동의 대역을 넓힐 수 있도록, 실제 감지될 수 있는 진동이 발생하는 사용주파수 영역에서 낮은 주파수에 공진주파수가 설정된다.

공진주파수는 시스템 전체의 질량과 강성에 관계되기 때문에, 질량과 강성을 변화시킴으로써 설정할 수 있다. 본 발명은 바람직하게는 공진주파수 대역을 80~180HZ 대역 내에서 결정한다. 상기와 같이 공진주파수 대역이 결정되면 사용주파수의 영역을 공진주파수보다 높은 영역에서 사용하고 이에 따라 넓은 범위에서 진동이 발생할 수 있게 되는 것이다. 다만, 공진주파수를 벗어난 넓은 영역에서 진동이 발생하는 경우 종래기술에서 설명한 바와 같이 감지할 수 있는 진동력을 발생할 수 있도록 진동력을 향상하는 구조적인 과제가 제시되는데 이와 관련하여서는 후술하기로 한다.

한편, 공진주파수를 실제 사용할 수 있는 사용주파수보다 낮게 설정한다는 개념이 공진주파수 이하의 영역에서는 감지할 수 있는 진동이 발생하는 것으로 이해되는 것은 아님에 유의하여야 한다. 즉, 종래기술을 나타낸 도 2와 대비하여 살펴보면 종래기술에서는 공진주파수에서 피크값을 나타내고 공진주파수의 상하 영역에서 진동력이 급격하게 감소하게 된다. 이러한 이유로 공진주파수 상하의 상당히 제한된 영역에서만 감지할 수 있는 진동이 발생하게 됨은 상기한 바와 같다. 그러나, 공진주파수를 사용주파수에서 낮은 영역에 배치하게 되는 경우 주파수와 진동력의 관계를 나타내는 실험값의 그래프는 후술할 바와 같이 완만한 곡선을 그리게 되므로, 실질적으로 공진주파수 이하의 소정의 범위에서도 충분히 감지할 수 있는 진동이 발생할 수 있게 되는 것이다. 따라서, 바람직하게는 감지할 수 있는 실제 사용주파수 영역에서 공진주파수는 낮은 주파수에 설정되는 것이다.

상기와 같은 개념에 따라, 공진주파수를 기준으로 진동이나 음원으로 감지될 수 있는 최대 사용주파수까지의 주파수 대역이 최소 사용주파수까지의 주파수 대역보다 넓은 개념이 제시된다. 이러한 관점에서 종래기술의 선형 진동기의 실험데이터를 나타낸 도 2를 살펴보면 피크값을 나타내는 공진주파수를 기준으로 감지될 수 있는 진동을 발생하는 범위의 차이가 크지 않음을 쉽게 이해할 수 있다.

반면에 본 발명에 따른 선형 진동기에서는 공진주파수를 기준으로 높은 대역이 낮은 대역보다 넓다는 점에 유의하여야 한다. 바람직하게는 낮은 대역에 대한 높은 대역 대역폭의 비율은 1.2 이상이 되는 것이 바람직하다.

예를 들어, 공진주파수가 140Hz이고 사용주파수에서 최소주파수가 30Hz라면, 최대주파수가 272Hz 이상으로 설정되어 선형 진동기의 사용주파수의 대역폭은 30Hz에서 272Hz 이상까지 설정되므로 감지될 수 있는 진동의 대부분의 영역에서 다양한 진동을 발생할 수 있게 된다.

따라서, 공진주파수 이상과 이하의 주파수에서 각각 30Hz 내지 150Hz 범위까지 감지될 수 있는 진동주파수를 발진하는 선형진동기가 제공된다. 상기 사용주파수 대역은 음향까지 제공할 수 있도록 더욱 광범위한 범위에 설정될 수 있음은 물론이다.

한편, 공진주파수보다 높은 대역에서 사람이 감지할 수 있는 진동을 발생시키기 위해서는 진동자의 움직이고자 하는 힘 즉, F값을 크게 설정되어야 한다. 이에 따라, 바람직하게는 본 발명에 따른 선형 진동기는 종래기술의 웨이트를 마그네트로 교체하고, 그 배치를 통해 진동자의 진동력을 종래 기술보다 향상시키는 개념을 제시한다.

도 4는 본 발명에 따른 진동기의 측단면도를 나타낸다. 종래기술의 진동기와 마찬가지로 진동기의 외면을 형성하는 케이스(400)의 상부 내측면에는 스프링(300)이 배치되고 그 하부에 진동자(200)가 배치되어 탄성지지된다. 상기 진동자(200)는 대략 원판 형상으로 이루어지며, 하부에 마그네트가 배치된다. 케이스(400)의 바닥부에는 코일(100)이 진동자(200)와 소정간격 이격되어 고정배치된다. 진동자(200)의 형상을 더욱 구체적으로 살펴보면, 바람직하게는 진동자(200)의 중심부측에는 내측 마그네트(232)가 배치되고 외주면에 인접하여 외측 마그네트(231)가 배치된다.

따라서, 외측 마그네트(231)과 내측 마그네트(232)의 사이의 공간에는 케이스(400)의 하부에 배치된 코일(100)이 수평 방향으로 마그네트(231, 232) 사이에 배치된다. 코일(100)의 내주면과 외주면 사이의 자속 플럭스의 방향은 상호 반대방향으로 형성되기 대문에 상기와 같이 외측 마그네트(231)과 내측 마그네트(232)가 코일의 내주측과 외주측에 각각 배치되는 것이 더욱 효율적이다.

내측 마그네트(232)의 외주면과 외측 마그네트(231)의 내주면 사이에는 코일(100)이 이격되어 배치되는데, 코일(100)에 전류가 인가되면 코일(100) 각 마그네트(231, 232) 사이에 상호전자기력에 의해 진동자가 상하로 이동하게 되고 스프링(300)의 탄성력에 의해 진동하게 된다. 상기 마그네트(231, 232)와 스프링(300)은 케이스(400)의 하부에 배치되어 역전되는 형상으로 이루어질 수도 있으며, 상기 마그네트는 자성체(210)를 통하여 스프링(300)에 지지되지 않고 직접 스프링(300)에 지지될 수 있음은 물론이다.

또한, 종래기술의 요크를 대체하여 스프링(300)과 마그네트(231, 232)사이에는 상부 플레이트(211)가 개재된다. 또한, 마그네트의 하단부에도 하부 플레이트(212, 213) 배치되는 것이 더욱 바람직하다. 따라서, 상기 플레이트(211, 212, 213)는 마그네트(231, 232)의 상하 양단부에 배치되고 소정의 질량을 가지고 있으므로, 종래기술의 웨이트를 대체할 수 있게 된다. 또한, 하부 플레이트(212)는 마그네트가 외측과 내측으로 각각 이루어진 경우, 도넛 형상으로 외측 마그네트(231) 하단부에 배치되는 하부 플레이트(212)와 내측 마그네트(232)의 하단부에 배치되는 하부 플레이트(213)으로 이루어지게 된다.

한편, 더욱 바람직하게는 상기 외측 마그네트(231)와 내측 마그네트(232)는 반대방향의 자속을 갖도록 배치된다. 코일의 내측과 외측에는 자속이 각각 반대방향으로 형성되기 때문에 외측 마그네트(231)와 내측 마그네트(232)의 극성도 반대방향으로 형성되어야 전자기력이 극대화 될 수 있기 때문이다. 따라서, 도 4에서는 이렇게 반대 극성으로 배치되는 자속을 화살표로 나타낸다.

내측 마그네트(232)의 자속은 진동기의 하방으로, 외측 마그네트(231)는 상방으로 형성되는데, 이에 따라 코일(100)의 전류를 적절한 방향으로 인가하면 진동력이 극대화될 수 있다. 다만, 상기 자속의 방향은 인가되는 전류의 방향 및 코일의 회전방향에 따라 반대 방향으로 설정될 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 플레이트(211, 212, 213)는 자속 플럭스를 증가시키기 위해 종래기술의 웨이트 및 요크를 대체하여 사용되는데, 더욱 바람직하게는 자성체로 이루어지게 된다. 따라서, 상기 플레이트들의 재질은 규소강판이나 순철로 이루어지는 것이 바람직하지만, 자속누설을 최소화할 수 있는 재질을 선택적으로 사용할 수 있음은 물론이다. 이와 같이 자성체(210)를 사용함에 따라 자속의 누설이 최소화되어 자속량을 증가시킬 수 있으므로 코일과의 사이에 발생하는 전자기력의 효율이 향상되어 진동자의 진동력이 더욱 향상될 수 있다.

이와 같은 상부 플레이트(211) 및 하부 플레이트(212, 213)가 배치된 것을 도 4를 기초로 더욱 구체적으로 살펴보면, 종래 진동자의 프레임역할을 하게 되는 백요크 부위가 판상의 상부 플레이트(211)로 대체된다. 따라서, 상기 자성체로 이루어진 상부 플레이트(211)는 상측에서 스프링(300)에 의해 탄성지지되며, 하측에서 내측 마그네트(232) 및 외측 마그네트(231)를 지지한다.

또한, 상기한 바와 같이 진동자는 마그네트(231, 232)의 하측 단부에서도 자성체를 구비하는 것이 바람직하다. 따라서, 외측 마그네트(231)와 내측 마그네트(232)의 하측 단부에 각각 하부 플레이트(212, 213)가 구비되는데, 마그네트의 형상에 따라 내측 마그네트(232)의 하측 단부에 배치되는 하부 내측 플레이트(212)는 횡단면상 원판 형상으로 이루어지고, 외측 마그네트(231)의 하측 단부에 배치되는 하부 외측 플레이트(213)는 도넛 형상으로 이루어지게 된다.

한편, 상기와 같은 하부 플레이트(212, 213)는 마그네트가 외측과 내측으로 분리되지 않고 종래기술과 같이 배치되어 있는 경우에도 각각 상부와 하부측의 단부에 배치되어 자속효율을 향상시킬 수 있음은 물론이다.

이와 같이 마그네트의 상측과 하측에 자성체가 배치되는 개념에 따라, 마그네트 양단부에서 자속이 외부로 누설되지 않고, 코일과의 사이에서 충실하게 전자기력에 의해 상하진동을 발생하도록 할 수 있다. 이와 같이 배치됨에 따라 인가되는 전류에 의한 진동 효율이 더욱 향상되는 이점이 있게 된다.

또한, 바람직하게는 외측 마그네트(231)와 내측 마그네트(232)의 체적 비율은 대략 1로 된다. 따라서, 상기 체적비율은 0.8~1의 범위에서 결정되는 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이 구성되는 경우 체적비율이 거의 같기 때문에 통과하는 자속의 비율도 균등해지게 되므로 자속 효율과 진동력에 더욱 기여할 수 있게 됨에 유의하여야 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 개념에 따른 진동기는 종래의 진동기가 약 2 ~ 3 g·f정도의 힘을 발생시키는 반면, 약 20 g·f의 힘을 발생하므로, 진동력에서 큰 차이를 가진다.

도 5는 본 발명의 개념에 따라 사용주파수의 대부분을 공진주파수보다 높게 하고 본 발명에 따른 선형 진동기의 구조에 따라 진동력을 크게 하였을 때의 진동자의 이동거리와 진동량에 대한 실험데이터를 나타낸다. 상기 실험에서 m1은 0.1㎏, m2는 0.0008㎏, k1은 11.3N/m, k2는 1070N/m, c1은 3.31Ns/m, c2는 0.6Ns/m 그리고, F는 0.35N으로 설정하였다.

도 5의 좌측 도면은 주파수에 따른 진동자의 이동거리를 나타내는데, 공진주파수가 약 100Hz대로 낮아진 반면 이동거리의 분포는 공진주파수 부근의 약 200Hz의 범위에 걸쳐 0.4mm이상의 이동거리를 나타낸 점에 주목하여야 한다.

또한, 도 5의 우측 도면은 주파수에 따른 진동자의 진동량을 나타내는데, 진동량의 피크값은 종래기술의 도면을 나타내는 도 2에 비해 다소 낮아졌지만, 100Hz이상의 영역에서 전부 0.2G 이상의 값을 나타내었다. 이는 100Hz이상의 범위에서 실효적인 진동이 발생하였음을 의미하고, 사용자는 손가락 터치의 감각을 통해 광범위한 주파수대의 다른 진동을 감지할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 개념에 따른 상기의 선형 진동기가 배치된 모바일장치를 설명한다.

시각 및 청각과 함께 최근 가장 중요한 감각기능인 촉감에 대해 모바일장치에 관심이 높아지고 있고, 이러한 촉감을 이용하는 장치를 햅틱장치(Haptic Device)라 한다. 이러한 햅틱장치는 스마트폰 및 포터블 PC와 같은 모바일 장치는 몰론 가상현실, 착용 컴퓨터 및 로보틱스 등 다양한 분야에 걸쳐 활용되고 있으며 이러한 것을 햅틱 인터페이스(Haptic interface)라 한다.

종래기술의 문제점과 관련하여 설명한 바와 같이 선형 진동기를 활용한 모바일 장치에서는 크기 및 진동력의 한계로 인해 다양한 진동을 활용하지 못하는 문제점이 있고, 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 개념에 따른 선형 진동기가 상기와 같이 제시된 바 있다.

모바일 장치는 일반적으로 영상을 출력하는 디스플레이, 터치를 통해 실행명령을 입력받는 터치패드, 진동출력을 제공하는 진동부, 음향을 출력하는 음향출력부 및 영상, 음향 및 진동 제어신호를 출력하는 제어부로 이루어진다. 상기 진동부는 본 발명의 선형 진동기가 배치되어 사용된다.

본 발명에 따른 선형 진동기의 구성에서는 진동력이 증가될 수 있고, 따라 진동을 발생하는 대역폭이 넓어지므로 다양한 진동을 출력할 수 있음은 상기한 바와 같고, 이러한 대역폭을 더욱 높게 설정할 수 있음은 물론이다. 이렇게 대역폭이 수 kHz에서 수십 kHz까지 높아지는 경우 진동은 물론 음향까지 출력할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 또 다른 개념에 따라 음향과 진동을 동시에 출력할 수 있는 선형 진동기를 구비한 모바일 장치가 제공된다. 따라서, 설정에 따라 진동과 음향이 각각 동일한 선형 진동기로부터 출력될 수도 있고 함께 출력될 수도 있다. 또한, 선형 진동기의 크기와 출력을 증가시키는 경우 음향 출력부를 대체하여 사용할 수 있게 된다. 이와 같이 진동기가 음향 출력의 기능을 하는 스피커를 대체하는 경우, 모바일 장치가 구조적으로 단순해지고 소형화가 가능한 이점이 있음에 유의하여야 한다.

이와 같이 음향과 진동을 함께 출력할 수 있는 선형 진동기를 구비하는 모바일장치의 경우 제어부가 진동모드와 음향모드를 각각 설정할 수 있는 것이 바람직하다. 따라서, 진동모드를 설정하는 경우 대략 300Hz 미만의 주파수가 최대 사용주파수로 설정되게 되므로 진동출력을 감지할 수 있게 되고, 음향모드를 설정하는 경우 대략 300hz에서 15,000Hz정도의 주파수가 사용되게 되면 음향을 감지할 수 있게 되는 것이다. 또한, 선형 진동기의 내부 또는 모바일장치의 내부에 진동판이나 떨림판을 구비하게 되는 경우 음향이나 진동의 효과가 더욱 커질 수 있고, 음향과 진동이 동시에 발생하도록 할 수도 있게 된다. 한편, 상기 선형 진동기는 단일로 구비될 수도 있지만 필요에 따라 2개 이상이 배치될 수 있음은 물론이다.

또한, 본 발명에 따른 선형 진동기의 개념에 따라 공진주파수를 기준으로 진동이나 음원으로 감지될 수 있는 최대 사용주파수까지의 주파수대역은 최소 사용주파수까지의 주파수대역보다 1.2배 이상인 선형 진동기를 포함하는 모바일 장치를 제공한다. 따라서, 공진주파수 이하의 사용주파수 대역폭에 대한 공진주파수 이상의 사용주파수 대역폭은 최소 1.2배 이상 크게 되고, 종래기술이 한정된 범위에 대역폭에서만 진동이 발생하는 데 반해 다양한 진동을 발생할 수 있게 되는 것은 상기한 바와 같다.

이에 따라 진동모드에서는 공진주파수의 상측과 하측으로 각각 30 내지 150Hz범위까지 감지될 수 있는 진동주파수를 발진하는 할 수 있게 된다. 상술한 바와 같이 공진주파수는 실제 사용주파수 영역에서 비교적 낮은 주파수 범위에 위치하기 때문에 공진주파수 이하의 영역보다 공진주파수 이상의 사용주파수 영역이 더 크다는 데 유의하여야 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 개념에 따른 선형 진동기에 의해, 진동의 대역폭이 종래기술에 비해 현저하게 넓어지게 되므로, 이를 사용하는 사용자가 감지하는 주파수범위가 넓어져 다양한 진동의 감각을 경험할 수 있게 되는 이점이 있다. 또한, 공진주파수 영역을 벗어난 진동주파수의 실용영역을 설정한 것을 보완하기 위해 강한 전자기력을 제공할 수 있는 구조를 제공하여 광대역폭을 가진 진동기의 효과가 더욱 증대될 수 있다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

Claims (19)

1. 케이스, 상기 케이스에 결합하는 스프링, 마그네트를 포함하고 상기 스프링에 탄성지지되는 진동자 및 상기 케이스 내에 배치되어 상기 진동자를 진동시키는 고정자를 포함하는 선형 진동기로서,

   공진주파수를 기준으로 진동이나 음원으로 감지될 수 있는 최대 사용주파수까지의 주파수대역은 최소 사용주파수까지의 주파수대역보다 1.2배 이상인 선형 진동기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스프링과 상기 마그네트의 사이에 배치되는 상부 플레이트를 더 포함하며,

   상기 마그네트는 상기 상부 플레이트의 외주측에 배치되는 외측마그네트와 중심부에 배치되는 내측마그네트인 선형 진동기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 마그네트의 하측 단부에 배치되는 하부 플레이트를 더 포함하는 선형 진동기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트 중 적어도 하나는 자성체로 이루어진 선형 진동기.
5. 제2항에 있어서,

   상기 외측마그네트와 상기 내측마그네트는 상기 진동자의 진동방향으로 서로 반대의 극성을 가진 선형 진동기.
6. 제2항에 있어서,

   상기 외측마그네트와 상기 내측마그네트의 체적비율은 0.8에서 1의 범위 이내인 선형 진동기.
7. 제1항에 있어서,

   사용주파수 대역을 설정하여 진동모드와 음향모드를 각각 설정할 수 있는 선형 진동기.
8. 제7항에 있어서,

   상기 진동모드는 최대 사용주파수가 300Hz이내에서 설정되는 진동기 유닛.
9. 케이스, 상기 케이스에 결합하는 스프링, 마그네트를 포함하고 상기 스프링에 탄성지지되는 진동자 및 상기 케이스 내에 배치되어 상기 진동자를 진동시키는 고정자를 포함하는 선형 진동기로서,

   공진주파수의 상하로 각각 30 내지 150Hz범위까지 감지될 수 있는 진동주파수를 발진하는 선형 진동기.
10. 제9항에 있어서,

    상기 스프링과 상기 마그네트의 사이에 배치되는 상부 플레이트를 더 포함하며,

    상기 마그네트는 상기 상부 플레이트의 외주측에 배치되는 외측마그네트와 중심부에 배치되는 내측마그네트인 선형 진동기.
11. 제10항에 있어서,

    상기 마그네트의 하측 단부에 배치되는 하부 플레이트를 더 포함하는 선형 진동기.
12. 제11항에 있어서,

    상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트 중 적어도 하나는 자성체로 이루어진 선형 진동기.
13. 제10항에 있어서,

    상기 외측마그네트와 상기 내측마그네트는 진동자의 진동방향으로 서로 반대의 극성을 가진 선형 진동기.
14. 제10항에 있어서,

    상기 외측마그네트와 상기 내측마그네트의 체적비율은 0.8에서 1의 범위 이내인 선형 진동기.
15. 영상을 출력하는 디스플레이;

    터치를 통해 실행명령을 입력받는 터치패드; 그리고,

    다양한 주파수를 가진 진동 및 음향을 출력하는 선형 진동기;를 포함하며,

    상기 선형 진동기는 공진주파수를 기준으로 최대 사용주파수까지의 주파수대역은 최소 사용주파수까지의 주파수대역보다 1.2배 이상인 모바일 장치.
16. 제15항에 있어서,

    상기 선형 진동기의 진동모드와 음향모드를 설정할 수 있는 제어부;를 더 포함하는 모바일 장치.
17. 제16항에 있어서,

    상기 진동모드는 사용주파수가 300Hz이내에서 설정되는 모바일 장치.
18. 제15항에 있어서,

    상기 선형 진동기는 진동과 음향을 동시에 출력하는 모바일 장치.
19. 영상을 출력하는 디스플레이;

    터치를 통해 실행명령을 입력받는 터치패드; 그리고,

    감지될 수 있는 진동을 출력하는 선형 진동기;를 포함하며,

    상기 선형 진동기는 다양한 주파수를 가진 진동 및 음향을 출력하고,

    공진주파수의 상하로 각각 30 내지 150Hz범위까지 감지될 수 있는 진동주파수를 발진하는 모바일 장치.

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