WO2012087074A1 - 음향 액츄에이터 및 음향 액츄에이터 시스템 - Google Patents

음향 액츄에이터 및 음향 액츄에이터 시스템 Download PDF

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WO2012087074A1
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piezoelectric
actuator
unit
acoustic
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PCT/KR2011/010061
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백윤종
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에이알스페이서 주식회사
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    • H10N30/2047—Membrane type

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic actuator using an actuator element in which a membrane unit is bonded to a piezoelectric unit. More particularly, the present invention has an actuator element, a support member, and an edge member, and the actuator element generates sound in a wide frequency band. Acoustic actuator for wave motion.
  • sound refers to a wave propagating through a medium and is also called a sound wave, and is a vibration phenomenon propagated through the medium.
  • Animals as well as humans have hearing organs, so animals can detect sounds, but different species have different sounds and frequencies.
  • the audible frequency which is the range of human hearing, is known as 20Hz to 20,000Hz.
  • Conventional speakers generate sound by reciprocating a diaphragm, usually called a cone, ie, by moving the diaphragm back and forth.
  • a diaphragm usually called a cone
  • a woofer that generates low sound
  • the air is compressed directly in front of the diaphragm, and when the diaphragm is receded, the air immediately in front of the diaphragm is lean and the air pressure in front of the diaphragm is lowered.
  • the front side of the diaphragm when the diaphragm moves forward, the front side of the diaphragm generates "+" sound pressure, and when the diaphragm moves backward, the front of the diaphragm generates "-" sound pressure, thereby generating a wave and the frequency range is approximately 20 Hz to 20,000 Hz. When it is enough, it can be perceived by the human ear as sound.
  • acoustic actuator refers to a speaker or receiver.
  • Piezoelectric speakers are thinner, lighter, and consume less power than conventional VCM (Voice Coil Motor) speakers. Research is being done for the application of this. Piezoelectric speakers are also called piezo buzzers, which take advantage of the reverse piezoelectric phenomenon of piezoelectric elements.
  • a conventional piezoelectric speaker is manufactured by adding a piezoelectric element to an upper surface of a circular diaphragm made of metal such as brass, stainless steel, or nickel alloy.
  • the present invention has been made to solve the conventional problems as described above, to improve the low-frequency acoustic characteristics, to improve the smoothness in the frequency bandwidth and to improve the sound pressure. It is also intended to minimize the incidental components necessary for sufficient sound pressure. In addition, it is intended to achieve miniaturization by allowing the thickness to be formed.
  • An acoustic actuator includes an actuator element for generating a sound corresponding to an applied electric signal; A supporting member for supporting the actuator element so as to form a motion axis of the actuator element; And an edge member connected to the actuator element.
  • the actuator element has a length of width
  • a piezoelectric unit comprising at least one piezoelectric member; And fixedly bonded to the piezoelectric unit so that the piezoelectric unit extends in the longitudinal direction of the one or more piezoelectric members, and wave movement in the extending direction corresponding to the applied electric signal as a current is applied to the piezoelectric unit.
  • a membrane unit including one or more membrane members for generating sound.
  • the piezoelectric unit may include a plurality of piezoelectric members disposed in parallel in the width direction on the same plane.
  • the membrane unit may further include a driven member adhered to the membrane member such that the membrane unit extends in the longitudinal direction of the membrane member, and amplifies a wave motion of the membrane member.
  • the support member may be formed at a position for dividing the actuator element asymmetrically.
  • the support member may be attached to the membrane unit and the piezoelectric unit may be formed spaced apart from the support member in the longitudinal direction of the piezoelectric unit.
  • the membrane unit may include the same number of membrane members as the plurality of piezoelectric members, and each piezoelectric member may be attached to each membrane member.
  • the membrane unit, the driven member connecting the ends of the plurality of membrane members to each other so that the membrane unit extends in the longitudinal direction of the plurality of membrane members, amplifying the wave motion of the plurality of membrane members; It may be included more.
  • the piezoelectric unit may be attached to the upper and lower surfaces of the membrane unit.
  • the acoustic actuator according to the sealing of the present invention may further include an elastic member interposed between the actuator element and the support member to allow surface vibration of the actuator element.
  • Acoustic actuator system the first acoustic actuator according to the embodiment of the present invention; A second acoustic actuator according to an embodiment of the present invention; And piezoelectric unit drivers for driving the first and second acoustic actuators together.
  • Each of the first acoustic actuator and the second acoustic actuator may be asymmetric with respect to the supporting member.
  • the first acoustic actuator and the second acoustic actuator may be different from each other, and each of the first acoustic actuator and the second acoustic actuator may be symmetric with respect to the supporting member.
  • the first acoustic actuator and the second acoustic actuator may be different from each other, and the first acoustic actuator may be symmetrical with respect to the support member, and the second acoustic actuator may be asymmetrical with respect to the support member.
  • the first acoustic actuator may be formed in a cantilevered form, and the second acoustic actuator may be formed in a double cantilevered form.
  • the piezoelectric member by forming the piezoelectric member long in the longitudinal direction and designing the actuator element linearly in the longitudinal direction of the piezoelectric member, it is possible to implement a low-frequency sound in a small size.
  • the sound pressure can be improved by extending the membrane member from the piezoelectric member in the longitudinal direction thereof. Therefore, excellent sound pressure can be obtained without introducing a separate resonance apparatus.
  • the components employed such as the piezoelectric member and the membrane member are formed flat on substantially the same plane, the height can be reduced as compared with the conventional method of combining them three-dimensionally.
  • the sound pressure can be increased more, and even if a wider membrane member is used, the number of piezoelectric members to be merely attached can be increased, thereby improving productivity / production cost.
  • the smoothness of the sound can be improved.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an actuator element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 1.
  • FIG 3 is a view for explaining the operation of the actuator element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the actuator element according to the embodiment of the present invention, which shows that the piezoelectric member is adhered to the upper and lower surfaces of the membrane member, respectively.
  • FIG. 5 is a view for explaining the operation of the actuator element according to the embodiment of the present invention shown in FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of an actuator element including a driven member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the cantilever and both-cantilever actuator device and its operation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of a cantilevered acoustic actuator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of a two-armed acoustic actuator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing various modifications relating to the number of piezoelectric members and membrane members and the presence or absence of driven members.
  • FIG. 11 is a view showing various modifications of the support member according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing the operation of an acoustic actuator according to an embodiment of the present invention.
  • 15 and 16 are plan views illustrating various combinations of a first acoustic actuator and a second acoustic actuator as an acoustic actuator system according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8 and 9 are perspective views showing an acoustic actuator according to embodiments of the present invention
  • Figure 8 is a perspective view showing a cantilevered acoustic actuator according to an embodiment of the present invention
  • Figure 9 is an embodiment of the present invention
  • the acoustic actuator according to the embodiment of the present invention, the actuator element 175 for generating a sound corresponding to the applied electric signal;
  • a support member 300 for supporting the actuator element so as to form an axis of movement of the actuator element 175;
  • an edge member 400 connected to the actuator element 175.
  • the edge member 400 connects the actuator element 175 and the frame member 500.
  • the actuator element 175 includes a piezoelectric unit 190 and a membrane unit 290.
  • At least one piezoelectric member 100 includes at least twice.
  • the membrane unit 290 is fixedly bonded to the piezoelectric unit 190 so as to extend from the piezoelectric unit 190 in the longitudinal direction of the piezoelectric member 100 and extends as current is applied to the piezoelectric unit 190.
  • at least one membrane member 200 that generates a sound corresponding to the applied electrical signal by wave movement in a direction.
  • the support member 300 is illustrated as one member formed in the width direction of the actuator element 175, but the protection scope of the present invention is not necessarily limited thereto. Various modifications are possible in this regard, which will be described in detail later.
  • the membrane unit 290 extends in the longitudinal direction of the membrane member 200. It may further include a driven member 250 is adhered to the membrane member 200 to amplify the wave motion of the membrane member 200.
  • the driven member 250 connects ends of the plurality of membrane members 200 to each other so that the plurality of membrane members 200 are integrated. It can be operated as.
  • the piezoelectric unit 190 according to the embodiment of the present invention includes a plurality of piezoelectric members 100 and the membrane unit 290 according to the embodiment of the present invention includes a plurality of membrane members 200.
  • the piezoelectric unit 190 may be formed of a single piezoelectric member 100, and in some embodiments, the membrane unit 290 may be formed of a single membrane member 200. .
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating an actuator element 175 according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 1.
  • the piezoelectric member 100 may be a piezoelectric member when the piezoelectric unit 190 is formed of a single piezoelectric member, and any one of the plurality of piezoelectric members when the piezoelectric unit 190 includes a plurality of piezoelectric members. Can be.
  • the membrane member 200 may be a membrane member when the membrane unit 290 is formed as a single membrane member, and among the membrane members when the membrane unit 290 includes a plurality of membrane members. It can be either.
  • the piezoelectric member 100 includes a piezoelectric body 110, and electrodes 101 and 102 are formed on both upper and lower surfaces of the piezoelectric body 110 to receive an electric signal from an external driving circuit.
  • the piezoelectric body 110 is made of a conventional piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT) and polyvinylidene difluoride (PVDF), and the edge member 400 has low hardness and low Young's modulus of the material, thus unnecessary vibration. It may be made of an elastic material such as rubber, coating fabric, foamed polyurethane, elastomer, silicone, which absorbs well and has high elasticity.
  • Gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), aluminum (Al), copper (Cu) and the like may be used as materials of the electrodes 101 and 102.
  • silver powder is melted on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body 110. It was formed by applying to the surface.
  • the piezoelectric member 100 is adhered to the membrane member 200 through the adhesive 201.
  • the membrane member 200 may be any member that is elastic and vibrates by the wave motion of the piezoelectric member 100.
  • a material having high electrical conductivity may be used. It may be at least one of brass plate, nickel alloy plate, stainless steel plate.
  • the adhesive 201 an adhesive typically used for a piezoelectric buzzer may be used, and such adhesive is obvious to those skilled in the art.
  • the membrane member 200 and the adhesive 201 can be driven by connecting a wire to the electrodes formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body 110.
  • the membrane member 200 is formed of a conductive material, it is possible to utilize the membrane member 200 as an electrode. In this case, a part of the electrode formed on the surface on which the piezoelectric body 110 is adhered to the membrane member 200 may be electrically connected to the membrane member 200.
  • the adhesive 201 is also formed of a conductive material, it is possible to utilize the membrane member 200 as an electrode without forming an electrode on the lower surface of the piezoelectric body 110 in the drawing. In this case, it is possible to reduce the effort of connecting the electric wire to the narrow gap between the piezoelectric member 100 and the membrane member 200.
  • FIG 3 is a view for explaining the operation of the actuator element 175 according to an embodiment of the present invention.
  • the actuator element 175 flexes due to the difference in the electrical expansion rate between the piezoelectric member 100 and the membrane member 200.
  • the electrical expansion rate means the degree of contraction or expansion when electricity is applied to a substance.
  • 3A is a cross-sectional view of the actuator element 175 in a state where no electricity is applied to the first and second electrodes 101 and 102.
  • 3B is a cross-sectional view of the actuator element 175 when the piezoelectric member 100 and the membrane member 200 have the same electrical expansion coefficient.
  • 3 (c) and 3 (d) show that when the electrical expansion coefficients of the piezoelectric member 100 and the membrane member 200 are different, electricity is applied to the first and second electrodes 101 and 102 so that the membrane member 200 is waved. It is sectional drawing of the actuator element 175 which exercises.
  • the piezoelectric member 100 and the membrane member 200 have the same electrical expansion rate, the piezoelectric member 100 also expands in the same ratio even when the piezoelectric member 100 is expanded, as shown in FIG. 3 (b). 100 and the membrane member 200 do not wave movement.
  • the piezoelectric member 100 When the electrical expansion ratios of the piezoelectric member 100 and the membrane member 200 are different, that is, when the electrical expansion rate of the membrane member 200 is lower than that of the piezoelectric member 100, the piezoelectric member 100 is applied when electricity is applied thereto. As the membrane member 200 expands or contracts but has a very low rate of expansion or contraction, the membrane member 200 adhered to the piezoelectric member 100 as shown in FIGS. 3 (c) and 3 (d) has a wave motion. Will be This is similar to the principle of bimetal.
  • the resonant frequency is as shown in the following proportional formula (1), the thinner the thickness (t) of the membrane unit 290, the longer the length (L) of the membrane unit 290, the resonant frequency ( ) Is lowered.
  • Is the resonant frequency k is the proportional constant
  • t is the thickness of the membrane unit 290
  • L is the length from the support member 300 to the end of the membrane unit 290
  • E Young's Modulus
  • ⁇ is the membrane unit ( 290)
  • the piezoelectric member 100 contracts or expands relatively slowly, and the piezoelectric member () is contracted or contracted by the piezoelectric member 100.
  • 100 and the membrane member 200 are subjected to the wave motion of the long wavelength. That is, the sound of a frequency lower than the resonance frequency (that is, the primary resonance frequency) of the membrane member 200 may be generated.
  • the piezoelectric member 100 contracts or expands relatively quickly, and the piezoelectric member 100 is contracted or expanded by the piezoelectric member 100.
  • the member 100 and the membrane member 200 perform a wave motion of a short wavelength. That is, the surface vibration of the membrane member 200 is formed, through which high-frequency sound (eg, resonant frequencies of the second and third orders or higher orders) can be generated.
  • the piezoelectric member 100 is attached to the upper portion of the membrane member 200, but the piezoelectric member 100 is attached to the lower side of the membrane member 200. Configuration and operation can be easily understood with reference to this description.
  • the piezoelectric member 100 does not have to be attached only to one side of the membrane member 200 (that is, the upper surface in the drawing) (such as The method is hereinafter referred to as unimorph method), and as shown, it may be attached to both sides including the bottom (this method will be referred to as bimorph method hereinafter).
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of an actuator device according to an exemplary embodiment of the present invention, in which piezoelectric members 100 and 100 'are attached to upper and lower surfaces of the membrane member 200, respectively.
  • 5 is a view for explaining the operation of the actuator element according to the embodiment of the present invention shown in FIG.
  • electrodes 151 and 152 are formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric member 150, and an adhesive ( Attached to membrane member 200 via 201.
  • the electrodes 151 and 152 may be formed of the same material as the electrodes 101 and 102 in the same manner.
  • the contraction or expansion of the piezoelectric member 100 adhered to the upper surface and the contraction or expansion of the piezoelectric member 100 adhered to the lower surface are opposite to each other. This allows the contraction / expansion thereof to be reversed through the polarity of the up and down piezoelectric members 100 and 100 ′ or the polarity of the power applied to them, which will be readily understood by those skilled in the art.
  • the actuator element 175 When electricity of a specific polarity is applied to the actuator element 175 as shown in FIG. 5A, the upper piezoelectric member 100 of the membrane member 200 expands and the lower piezoelectric member 100 'contracts. Done. On the other hand, when the opposite polarity is applied, the upper piezoelectric member 100 of the membrane member 200 contracts and the lower piezoelectric member 100 'expands as shown in FIG. When the alternating current is applied, the actuator element 175 is waved as the above operation alternates.
  • the piezoelectric member 100 is adhered only to the upper portion of the membrane member 200
  • the membrane member 200 is formed of a conductor and the adhesive 201 is formed of a conductive material
  • the electrodes 102 and 152 are omitted.
  • the membrane member 200 may be used as an electrode.
  • the piezoelectric member 100 ′ and the piezoelectric member 100 at the lower side of the membrane member 200 are attached with different polarities with respect to the surface attached to the membrane member 200, thereby providing the piezoelectric member 100.
  • the piezoelectric member 100 ' is contracted, and the piezoelectric member 100 is contracted, the piezoelectric member 100' may be attached to expand.
  • a wave motion of the actuator element 175 may be implemented by applying a power by configuring a circuit as shown in FIG. 5 (c).
  • the actuator element 175 When the actuator element 175 is bimorphed, wave motion is controlled by the two piezoelectric members 100 and 100 ', so that the amplitude of the membrane member 200 of the same area is increased. Since the amplitude of the membrane member 200 (or the driven member 250 attached thereto) is converted into a negative pressure, the negative pressure eventually increases.
  • the piezoelectric member 100 according to the embodiment of the present invention is the length of the width It is formed more than twice. That is, the piezoelectric member 100 according to the embodiment of the present invention is formed in an elongated shape rather than a shape relatively close to a square. If the difference in length and width is not large, it is difficult to determine the direction of shrinkage / expansion, so that a large difference in length and width may be interpreted as shrinkage / expansion of the piezoelectric member 100 in one direction. Thus, the actuator element 175 according to the embodiment of the present invention will be understood that the wave motion occurs in the longitudinal direction of the piezoelectric member 100.
  • the piezoelectric member 100 according to the embodiment of the present invention is illustrated as being rectangular, but the protection scope of the present invention should not be understood to be limited thereto.
  • the length of the long axis is greater than the length of the short axis. It can be said to be more than double.
  • the membrane unit 290 of the acoustic actuator according to the exemplary embodiment of the present invention has been described as including a driven member 250.
  • the configuration and operation of the embodiment employing the driven member will be described.
  • FIG. 6 illustrates a cross-sectional view of the actuator element 175 including the driven member 250 as described above.
  • the driven member 250 is attached to the membrane member 200 of the membrane unit 290 through the adhesive 251. Therefore, the membrane unit 290 extends in the longitudinal direction of the membrane member 200, and the wave motion of the membrane member 200 is amplified.
  • the driven member 250 is attached to the end of the membrane member 200, but the protection scope of the present invention is not necessarily limited thereto. It may be attached to the membrane unit 290 in a relatively large area.
  • FIG. 6 shows that the driven members 250 are attached to both ends of the membrane unit 290, the protection scope of the present invention is not necessarily limited thereto. Between the membrane unit 290 and the piezoelectric unit 190 up and down, one driven member 250 may be attached to connect both ends of the membrane unit 290.
  • the driven member 250 and the adhesive 251 need not be a conductive material.
  • the power may be supplied through the electrodes or the membrane member 200 of the piezoelectric members 100 and 100 '.
  • the membrane member 200 is a conductive material or rather heavy, such as brass plate, nickel alloy plate, white bronze, phosphor bronze, stainless steel (to be more precise, if the resonance frequency is formed high due to the material characteristics)
  • the driven member 250 can be effectively utilized. That is, by using the driven member 250 having a resonance frequency lower than that of the membrane member 200, the entire resonance frequency of the actuator element 175 can be lowered, whereby a lower sound can be effectively exhibited.
  • the driven member 250 for this purpose, the skilled person will be able to determine the material and dimensions of the driven member 250 in consideration of the necessary resonant frequency.
  • the driven member 250 may be made of at least one material of aluminum, beryllium, magnesium, titanium, pulp, and polymer material.
  • the acoustic actuator according to an embodiment of the present invention may be implemented in a cantilevered manner (see FIG. 8) or in a two-armed manner (see FIG. 9).
  • a cantilevered manner see FIG. 8
  • a two-armed manner see FIG. 9
  • FIG. 7 the bolt 351 and the nut 352 are shown as examples of the supporting member 300.
  • FIG. 7 (a) shows a cantilever in which the actuator element 175 is formed only in one direction of the bolt 351 and the nut 352 as the support member 300
  • FIG. 7 (b) shows the support member ( The two palmbos with the actuator element 175 formed on both opposite sides of the bolt 351 and the nut 352 as 300 are shown.
  • Equation (1) is equally applied to both cantilever or both cantilever systems according to an embodiment of the present invention.
  • the resonant frequency is related to the length and thickness of the membrane unit 290.
  • Equation (2) ⁇ max is the maximum amplitude of the end of the membrane unit 290
  • P is the bending strength of the piezoelectric member 100
  • E is the Young's Modulus
  • w is the width of the membrane member 200
  • L is the membrane The length of the unit 290
  • t means the thickness of the membrane unit 290.
  • the piezoelectric member 100 is formed asymmetrically with respect to the support member 300, it can be seen that the resonance frequency and amplitude of the piezoelectric unit 190 on the left and right sides with respect to the support member 300 are different. have.
  • the piezoelectric member 100 and the membrane having different lengths and thicknesses on both sides of the two-armrests are respectively.
  • the member 200 may be formed.
  • both sides of the support member 300 have different resonance frequencies and amplitudes. Therefore, according to the asymmetrical actuator element 175, it is possible to improve the smoothness of the frequency bandwidth.
  • this right portion may have a low sound pressure with respect to a high frequency.
  • the second, third and higher order resonant frequencies are formed in this right part, but the intensity of the resonance decreases rapidly as the order increases. Therefore, the sound frequency of the high frequency can be compensated by making the resonant frequency in the left portion higher than in the right portion by shortening the length of the left portion or increasing the thickness of the support member 300. Through this, the sound pressure of the entire left and right sides is to improve the smoothness in a wider frequency band.
  • the piezoelectric unit 190 according to the embodiment of the present invention includes a plurality of piezoelectric members 100 and the membrane unit 290 according to the embodiment of the present invention includes a plurality of membrane members. Although illustrated as including (200), it should not be understood that the scope of protection of the present invention is necessarily limited thereto.
  • the piezoelectric unit 190 may be formed of a single piezoelectric member 100, and in some embodiments, the membrane unit 290 may be formed of a single membrane member 200. .
  • the membrane unit 290 according to the embodiment of the present invention is illustrated as including a driven member 250.
  • the protection scope of the present invention should not be understood to be limited thereto.
  • the driven member 250 may not be employed.
  • the piezoelectric unit 190 is formed of a single piezoelectric member 100
  • the membrane unit 290 is formed of a single membrane member 200 without employing the driven member 250. It is shown.
  • the piezoelectric unit 190 is formed of a single piezoelectric member 100
  • the membrane unit 290 is formed of a single membrane member 200, but is driven at the end of the membrane member 200.
  • the member 250 is shown to be attached.
  • the piezoelectric unit 190 includes a plurality of piezoelectric members 100, and the membrane unit 290 is formed of a single membrane member 200 without employing the driven member 250. It is shown. That is, the plurality of piezoelectric members 100 are disposed in parallel (ie, arranged in the width direction) on the same plane on the single membrane member 200.
  • the piezoelectric unit 190 includes a plurality of piezoelectric members 100, and the membrane unit 290 is formed of a single membrane member 200, but is driven at the end of the membrane member 200.
  • the member 250 is shown to be attached.
  • the piezoelectric unit 190 includes a plurality of piezoelectric members 100, the membrane unit 290 is formed of a plurality of membrane members 200, the end of the membrane member 200 It is shown that the driven member 250 is attached to.
  • the piezoelectric members 100 and the membrane member 200 are formed in the same number so that each of the piezoelectric members 100 is adhered to each of the membrane members 200.
  • the driven members 250 connect the ends of the membrane members 200 to each other.
  • the piezoelectric unit 190 may obtain various advantages by the configuration including a plurality of piezoelectric members 100.
  • the piezoelectric member 100 on the membrane member 200 of the same width and length it is attached to a plurality of piezoelectric members 100 arranged in parallel compared to attaching one piezoelectric member 100 It is possible to increase the ratio of the length to the width of the piezoelectric member 100. This makes the widthwise deflection of the piezoelectric member 100 more negligible, which means that the longitudinal wave motion can be amplified more clearly.
  • Increasing the width of the membrane unit 290 can increase the sound pressure without affecting the frequency characteristics. That is, when it is necessary to make acoustic actuators of different sound pressures having the same frequency characteristics, membrane units of various widths will be used. In this case, when a single piezoelectric member is used, the width of the piezoelectric member should also be formed according to the width of the membrane unit. However, if a plurality of piezoelectric members are used, it is possible to cope with membrane units of different widths by simply arranging the basic piezoelectric members in the width direction. This means that only a few basic piezoelectric members need to be produced without producing piezoelectric members of various widths in the production process, thereby reducing production costs.
  • the length of the piezoelectric member is The piezoelectric member may be formed longer in the width direction of the membrane member or may not be larger than a double. In this case, the operation consistent with the technical spirit of the present invention cannot be expected.
  • the acoustic actuator can be constructed in accordance with the technical matters of the present invention by attaching only more piezoelectric members, no matter how wide the membrane member is.
  • the support member 300 is illustrated as one member formed in the width direction of the actuator element 175, but the protection scope of the present invention is not necessarily limited thereto. Many variations on nnnnnnnn are possible. Hereinafter, various modifications of the supporting member 300 and various modifications in which they are combined with the actuator element 175 will be described in detail with reference to FIGS. 11 to 13.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating various modifications of the support member 300.
  • the support member 300 may be formed as one member formed in the width direction of the actuator element 175. This may be coupled to the bottom of the actuator element 175 as shown in Figure 10 (a). In addition, as shown in FIG. 10 (a), the support member 300 may be coupled to the upper side of the actuator element 175. In addition, as shown in FIG. 10 (c), the support member 300 may be formed above and below the actuator element 175 to be coupled thereto.
  • the support member 300 may be a plate-shaped member shown in FIGS. 8 and 9, and may include a bolt 351 and a nut 352 as shown in FIG. 10 (d).
  • the bolt / nut type supporting member 300 has already been described with reference to FIGS. 7A and 7B.
  • the support member 300 does not necessarily support the actuator element 175 linearly, as shown in FIG. 10 (e), may support one point of the actuator element 175.
  • FIG. 12 shows that the bolt 351 and the nut 352 as the support member 300 couple to both the piezoelectric unit 190 and the membrane unit 290 of the actuator element 175.
  • 12 (a) shows that the support member 300 is coupled to one end of the piezoelectric unit 190 to implement a cantilever-type acoustic actuator
  • FIG. 12 (b) shows that the support member 300 is piezoelectric. It illustrates the implementation of a two-armed type acoustic actuator by coupling to the interior location of the unit 190.
  • FIG. 13A illustrates that the piezoelectric unit 190 is formed in close contact with only one direction of the support member 300.
  • FIG. 13B illustrates that the piezoelectric unit 190 is spaced apart only in one direction of the support member 300.
  • FIG. 13C illustrates that the piezoelectric unit 190 is formed in close contact with both sides of the support member 300.
  • FIG. 13D illustrates that the piezoelectric units 190 are spaced apart in both directions of the support member 300.
  • the actuator unit 175 may include a plurality of piezoelectric units 190 arranged in the longitudinal direction, and the support member 300 may be coupled to the membrane unit 290 therebetween. have.
  • the support member 300 may be in direct contact with the actuator element 175 and coupled, as shown in Figures 12 and 13 It may be to combine through the 360.
  • the support member 300 can be firmly combined using a high strength adhesive such as a screw or hard rock. have.
  • the elastic member 360 such as rubber, coating cloth, foamed polyurethane, elastomer, and silicone is inserted between the support member 300 and the piezoelectric member 100. can do.
  • a soft adhesive may be used as the elastic member 360.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing the operation of an acoustic actuator according to an embodiment of the present invention.
  • the portion of the membrane unit 290 extending from the piezoelectric unit 190 is shown to vibrate to extend in a straight line from the end of the piezoelectric unit 190, which is an extremely low frequency (ie, for convenience of understanding) This is shown for the frequency (near direct current).
  • the vibration of the membrane unit 290 becomes very active to vibrate at a much larger amplitude in preparation for the bending motion of the piezoelectric unit 190. This is generally expressed as a wave motion.
  • the membrane unit 290 is shown as oscillating with a sine wave of one frequency and amplitude, but for convenience of understanding, the membrane unit 290 has various frequencies and amplitudes depending on the applied signal. It will be apparent to those skilled in the art that the membrane unit 290 may vibrate.
  • the piezoelectric member 100 is longer than its width
  • the membrane member is fixedly attached to the piezoelectric member so as to be formed longer than two times to reliably drive the wave motion in the longitudinal direction rather than the width direction, and to extend the membrane unit in the longitudinal direction of the piezoelectric member.
  • the actuator element according to the embodiment of the present invention is formed linearly unlike the piezoelectric speaker which is usually formed in a circular shape.
  • the linear actuator element 175 in contrast to a known piezoelectric speaker formed in a circular shape, the linear actuator element 175 according to the embodiment of the present invention has a very low resonant frequency, and thus can realize a sufficiently low frequency band even with a very small size.
  • the resonance frequency implemented in a conventional piezoelectric buzzer is arranged as shown in FIG. 18.
  • the resonance frequency of the actuator element according to the embodiment of the present invention is calculated as follows.
  • the size of the thin plate / cantilever to produce 20Hz is as shown in FIG. That is, the diameter of the piezoelectric buzzer should be very large (307mm) in the node support method to produce 20Hz sound, the diameter should be 231mm in the corner support method, and 198mm in the center support method.
  • the cantilever-type actuator element according to the embodiment of the present invention even if the length is formed only about 96mm can express a sound of 20Hz. In contrast to a circular piezoelectric speaker, it can be seen that the linear shape itself is implemented in a very small size and its length is not even the radius of a conventional piezoelectric buzzer.
  • the portion (that is, the extended portion) formed only by the membrane member compared to the attachment portion of the piezoelectric member and the membrane member 200 is vibrated Obviously, you will be sensitive to it. This means that when alternating current is applied, the extended portion vibrates with a greater width than the piezoelectric member portion. In other words, attaching the piezoelectric member to a portion of the membrane member rather than attaching the piezoelectric member to the entire membrane member means that the sound pressure can be improved through more active vibration.
  • 15 and 16 are plan views illustrating various combinations of the first acoustic actuators 610, 710, 810, 910 and the second acoustic actuators 620, 720, 820, 920 as acoustic acoustic system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 (a) illustrates that the first and second acoustic actuators 610 and 620 are formed to have the same dimensions, and the first and second acoustic actuators 610 and 620 are asymmetrical to the left and right of the support member 300.
  • System 600 is shown. That is, each of the acoustic actuators 610 and 620, that is, the length of the actuator element 175 is formed differently from each other by l 1 and l 2 with respect to the support member 300.
  • the piezoelectric members 190 in each of the acoustic actuators 610 and 620 may also be formed differently with respect to the support member 300.
  • the acoustic actuators (610 and 620) are formed in the form of asymmetric double-beams, it means that a plurality of resonant frequencies are implemented. Meanwhile, since the two acoustic actuators 610 and 620 are formed to the same standard, the sound pressures by the two acoustic actuators 610 and 620 are the same. Accordingly, the sound pressure may be doubled than the sound by one of the acoustic actuators 610 and 620.
  • FIG. 15A illustrates an example of an acoustic actuator in which the first and second acoustic actuators 610 and 620 are asymmetric with respect to the support member 300, respectively, and the first and second acoustic actuators 610 and 620 are formed to the same standard. Although shown, the protection scope of the present invention should not be understood to be limited thereto. These first and second acoustic actuators 610 and 620 may be formed in different standards. In this case, more resonance frequencies may be realized, thereby improving smoothness.
  • FIG. 15 (b) shows that the first and second acoustic actuators 710 and 720 are formed in different dimensions, and the first and second acoustic actuators 610 and 620 are symmetrical with respect to the support member 300, respectively.
  • System 700 is shown. Since each of the acoustic actuators 710 and 720 is symmetrically formed, the sound pressure is doubled with the same frequency characteristics as compared with those formed asymmetrically. On the other hand, since the two acoustic actuators 710 and 720 are formed in different standards, the frequency characteristics of these acoustic actuators 710 and 720 may be different, and thus a plurality of resonance frequencies may be implemented.
  • one acoustic actuator 710 is formed to have the same length l 1 as the left portion of the acoustic actuators 610 and 620 according to FIG. 15 (a), and the other acoustic actuator ( 720 may be formed to have the same length l 2 as the right portions of the acoustic actuators 610 and 620 of FIG. 15A.
  • 16 (a) shows that the first and second acoustic actuators 810 and 820 are formed in different dimensions, and the first acoustic actuator 810 is symmetric with respect to the support member 300, while the second acoustic actuator is symmetrical with respect to the support member 300.
  • 820 illustrates an acoustic actuator system 800 that is asymmetric with respect to support member 300. According to the acoustic actuator system 800, more resonant frequencies can be realized as compared to the actuator systems 600 and 700 of FIGS. 15A and 15B, so that smoothness can be improved.
  • the acoustic actuator 810 of one of the two acoustic actuators (810, 820) symmetrically with respect to the support member 300, it is possible to double the sound pressure for a specific resonance frequency. That is, when the sound efficiency of a specific frequency band is low due to operating characteristics according to materials and specifications of the piezoelectric member, the membrane member, and the driven member, the sound pressure of the frequency band can be increased. Meanwhile, in FIG. 16A, the length l 2 of the symmetrically formed first acoustic actuator 810 is equal to the length in one direction from the second acoustic actuator 820 and the support member 300 which are asymmetric. Doing. According to such a structure, the sound pressure of a specific frequency band can be increased very much.
  • FIG. 16B illustrates the first and second acoustic actuators 910 and 920 having different dimensions, and illustrates the first acoustic actuator 910 as a cantilevered acoustic actuator, and the second acoustic actuator 920. Is shown as a two-armed acoustic actuator. According to this embodiment, the cantilevered acoustic actuator that can have a lower resonance frequency than the two-armed cantilever acoustic actuator of the same size is employed, it is possible to expand the low frequency band that the acoustic actuator system can realize.
  • Each of the first and second acoustic actuator combinations 610, 620, 710, 720, 810, 820, 910, 920 may be connected and driven together by a shared piezoelectric unit driver 750 to generate sound.

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 음향 액츄에이터는, 인가 전기신호에 대응하는 음향을 발생하는 액츄에이터 소자(actuator element); 상기 액츄에이터 소자의 운동축을 형성하도록 상기 액츄에이터 소자를 지지하는 지지부재(supporting member); 및 상기 액츄에이터 소자에 연결되는 에지부재(edge member);를 포함하되, 상기 액츄에이터 소자는, 길이가 폭의 루트(2) 배 이상인 하나 이상의 압전부재(piezoelectric member)를 포함하는 압전유닛(piezoelectric unit); 및 상기 하나 이상의 압전부재의 길이방향으로 상기 압전유닛이 연장되도록 상기 압전유닛에 고정 접착되어 상기 압전유닛에 전류가 인가됨에 따라 그 연장 방향으로 웨이브 운동(wave movement)하여 상기 인가 전기신호에 대응하는 음향을 발생하는 하나 이상의 멤브레인 부재를 포함하는 멤브레인 유닛(membrane unit);를 포함한다.

Description

음향 액츄에이터 및 음향 액츄에이터 시스템
본 발명은 압전유닛에 멤브레인 유닛을 접합한 액츄에이터 소자를 이용한 음향 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액츄에이터 소자, 지지부재, 및 에지부재를 가지고, 폭넓은 주파수 대역의 음을 발생시키도록 액츄에이터 소자가 웨이브 운동하도록 하는 음향 액츄에이터에 관한 것이다.
일반적으로 소리(Sound)란 매질로 전파되는 파동을 가리키며 음파(音波)라고도 하며, 매질을 통하여 전파되는 진동 현상이다. 사람뿐만 아니라 동물들도 청각기관을 가지고 있으므로 동물들도 소리를 감지할 수 있으나 각각의 종에 따라 사람이 듣는 소리와 주파수 영역이 다르다. 일반적으로 사람들이 들을 수 있는 주파수 영역인 가청주파수는 20Hz ~ 20,000Hz로 알려져 있다.
통상의 스피커는 통상 콘(cone)이라 부르는 진동판을 왕복운동시킴으로써, 즉, 진동판을 앞뒤로 전/후진 시킴으로써 소리를 발생시킨다. 저음을 발생시키는 우퍼를 예로 들면, 우퍼의 진동판이 앞으로 전진하는 순간에는 진동판 바로 앞쪽에는 공기가 압축되고, 진동판이 후진하면 바로 앞의 공기는 순간적으로 희박해져 진동판 앞의 공기압이 낮아지게 된다. 즉, 진동판이 전진하면 진동판 앞쪽은 "+" 음압이 발생하게 되고, 진동판이 후진하면 진동판 앞쪽은 "-" 음압이 발생하게 되고, 이에 의하여 파동이 발생하게 되며 주파수의 범위가 대략 20Hz ~ 20,000Hz 정도일 때 소리로서 인간의 귀로 감지될 수 있는 것이다.
일반적으로 음향 액츄에이터(acoustic actuator)라 함은 스피커나 리시버 등을 말하는데 압전 스피커는 기존의 VCM(Voice Coil Motor)스피커에 비해 얇고 가벼우며 전력소모가 적은 장점이 있어 휴대용 단말기, PDA와 같은 휴대 전자기기에의 응용을 위한 연구가 이루어지고 있다. 압전 스피커는 피에조 부저(buzzer) 라고도 불리는데, 이는 압전 소자의 역압전 현상을 이용한 것이다.
그러나, 종래의 압전 스피커는 황동, 스테인레스 스틸, 니켈 합금 등 금속으로 된 원형의 진동판 상면에 압전 소자를 덧붙여 제작하였다.
헬름홀쯔 공진(Helmholtz's Resonance) 원리를 이용하여 더 큰 음압을 내도록 하는 기술이 제안되기도 하였었으나, 이에 의하면 100Hz 정도의 저주파를 구현하기 위하여도 스피커 전체의 외경이 매우 커지게 되어 비현실적인 것으로 나타났다.
이러한 구성으로서, 원형의 압전소자 테두리 부근을 고정시키고, 공진을 위한 빈 공간을 가운데에 형성하는 방식이 이용되었다. 그런데 이는 특정한 주파수만을 증폭할 수 있고 저주파나 넓은 주파수 범위에 대하여 좋은 특성을 나타내지는 못하였다. 즉, 전체 주파수 대역폭에서의 평활도(flatness)가 낮게 되는데, 이는 특정 주파수를 갖는 소리는 재생이 가능하나 다른 주파수를 갖는 소리는 제대로 재생되지 않는 것을 의미한다. 다시 말해, 다양한 주파수를 갖는 음원을 제대로 재현하지 못함을 의미한다. 이런 이유로 이러한 구성은 부저용으로만 사용되어 왔다.
뿐만 아니라, 종래에는 음압이 높지 않아서, 오디오용 스피커로 사용하기에는 소리가 너무 작았다.
한편, 압전소자를 진동체로 하고 발생된 진동을 지지부재를 이용하여 패널(Panel)에 전달하는 방식에 의해 저주파 특성을 개선하려는 시도가 있었다. 그런데, 이러한 방식은 별도의 패널을 설계해야 하고 패널이 다른 부품 등에 결합되므로 그 진동이 방해되거나 그 진동이 다른 부품의 전기적 혹은 기계적 특성을 저하시키는 단점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 저주파 음향특성을 개선하고, 주파수 대역폭에서의 평활도를 개선함과 동시에 음압을 향상하려는 것이다. 또한, 충분한 음압을 위하여 필요한 부대 구성요소들이 최소화하려는 것이다. 또한, 두께를 형성할 수 있도록 함으로써 소형화를 이루려는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 액츄에이터는, 인가 전기신호에 대응하는 음향을 발생하는 액츄에이터 소자(actuator element); 상기 액츄에이터 소자의 운동축을 형성하도록 상기 액츄에이터 소자를 지지하는 지지부재(supporting member); 및 상기 액츄에이터 소자에 연결되는 에지부재(edge member);를 포함한다.
상기 액츄에이터 소자는, 길이가 폭의
Figure PCTKR2011010061-appb-I000001
배 이상인 하나 이상의 압전부재(piezoelectric member)를 포함하는 압전유닛(piezoelectric unit); 및 상기 하나 이상의 압전부재의 길이방향으로 상기 압전유닛이 연장되도록 상기 압전유닛에 고정 접착되어 상기 압전유닛에 전류가 인가됨에 따라 그 연장 방향으로 웨이브 운동(wave movement)하여 상기 인가 전기신호에 대응하는 음향을 발생하는 하나 이상의 멤브레인 부재를 포함하는 멤브레인 유닛(membrane unit);를 포함한다.
상기 압전유닛은 동일 평면 상에 폭 방향으로 평행하게 배치된 복수의 압전부재를 포함할 수 있다.
상기 멤브레인 유닛은, 상기 멤브레인 부재의 길이방향으로 상기 멤브레인 유닛이 연장되도록 상기 멤브레인 부재에 접착되어, 상기 멤브레인 부재의 웨이브 운동을 증폭하는 피동부재;를 더 포함할 수 있다.
상기 지지부재는, 상기 액츄에이터 소자를 비대칭으로 분할하는 위치에 형성된 것으로 할 수 있다.
상기 지지부재는 상기 멤브레인 유닛에 부착되고 상기 압전유닛은 상기 지지부재로부터 압전유닛의 길이방향으로 이격되어 형성되는 것으로 할 수 있다.
상기 멤브레인 유닛은 상기 복수의 압전부재와 같은 수의 멤브레인 부재를 포함하고, 각각의 압전부재가 각각의 멤브레인 부재에 접착되는 것으로 할 수 있다.
이 경우, 상기 멤브레인 유닛은, 상기 복수의 멤브레인 부재의 길이방향으로 상기 멤브레인 유닛이 연장되도록 상기 복수의 멤브레인 부재의 끝을 서로 연결하여, 상기 복수의 멤브레인 부재의 웨이브 운동을 증폭하는 피동부재;를 더 포함하는 것으로 할 수 있다.
상기 압전유닛은 멤브레인 유닛의 상면 및 하면에 접착될 수 있다.
본 발명의 실싱에 따른 음향 액츄에이터는, 상기 액츄에이터 소자의 표면진동을 허용하도록 상기 액츄에이터 소자와 지지부재의 사이에 개재되는 탄력부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 액츄에이터 시스템은, 이러한 본 발명의 실시예에 따른 제1음향 액츄에이터; 본 발명의 실시예에 따른 제2음향 액츄에이터; 및 상기 제1,2음향 액츄에이터를 함께 구동하는 압전유닛 드라이버;를 포함하는 것으로 할 수 있다.
상기 제1음향 액츄에이터와 제2음향 액츄에이터 각각은 그 지지부재를 기준으로 비대칭인 것으로 할 수 있다.
상기 제1음향 액츄에이터와 제2음향 액츄에이터가 서로 상이한 규격으로서, 상기 제1음향 액츄에이터와 제2음향 액츄에이터 각각은 그 지지부재를 기준으로 대칭인 것으로 할 수 있다.
상기 제1음향 액츄에이터와 제2음향 액츄에이터가 서로 상이한 규격으로서, 상기 제1음향 액츄에이터는 그 지지부재를 기준으로 대칭이고, 상기 제2음향 액츄에이터는 그 지지부재를 기준으로 비대칭인 것으로 할 수 있다.
상기 제1음향 액츄에이터는 외팔보 형식으로 형성되고, 상기 제2음향 액츄에이터는 양팔보 형식으로 형성되는 것으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압전부재를 길이방향으로 길게 형성하고 액츄에이터 소자를 압전부재의 길이방향으로 선형으로 디자인함으로써, 낮은 주파수의 음향을 작은 크기로도 구현할 수 있다. 또한, 멤브레인 부재를 압전부재로부터 그 길이방향으로 연장함으로써 음압을 향상할 수 있다. 따라서, 별도의 공명장치를 도입하지 아니하고도 우수한 음압을 얻을 수 있다.
또한, 멤브레인 유닛 자체에서 음향 주파수가 낮아지고 음압도 증폭되므로, 액츄에이터 소자(소위 압전소자)에 별도로 패널 따위를 연결하지 않아도 된다. 따라서, 구조가 간단해지며 생산성이 증가된다.
또한, 압전부재와 멤브레인 부재 등 채용되는 구성요소들이 거의 동일 평면상에 평면적으로 형성되므로, 이들을 입체적으로 조합하는 종래의 방식에 비하여 높이를 줄일 수 있다.
한편, 압전부재를 복수개로 함으로써, 보다 음압을 증가시킬 수 있으며, 보다 넓은 멤브레인 부재를 사용하여도 단지 부착하는 압전부재의 수를 증가시킬 수 있게 되어 생산성/생산비용이 향상된다.
멤브레인 부재의 길이방향으로 상기 멤브레인 유닛이 연장되도록 피동부재를 접착하여 멤브레인 부재의 웨이브 운동을 증폭할 수 있고, 따라서 음압을 향상할 수 있다.
액츄에이터 소자가 비대칭으로 분할되는 위치에 지지부재를 배치함으로써 음향의 평활도가 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자의 단면도로서, 멤브레인 부재의 윗면과 아래면에 각각 압전부재가 접착된 것을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 피동부재가 포함된 액츄에이터 소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 외팔보 및 양팔보 방식의 액츄에이터 소자와 그 동작을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 외팔보식 음향 액츄에이터의 분해사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 양팔보식 음향 액츄에이터의 분해사시도이다.
도 10은 압전부재와 멤브레인 부재의 수, 피동부재의 유무에 관한 다양한 변형예를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 지지부재의 다양한 변형예를 도시하는 도면이다.
도 12와 도 13은, 지지부재와 액츄에이터 소자의 결합에 관한 다양한 변형예를 도시하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 음향 액츄에이터의 동작을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 음향 액츄에이터 시스템으로서, 제1음향 액츄에이터와 제2음향 액츄에이터의 다양한 조합을 도시하는 평면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 이러한 실시예는 일례일 뿐이므로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 보호범위는 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 음향 액츄에이터를 도시한 사시도로서, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 외팔보식 음향 액츄에이터를 도시한 사시도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 양팔보식 음향 액츄에이터를 도시한 사시도이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 음향 액츄에이터는, 인가 전기신호에 대응하는 음향을 발생하는 액츄에이터 소자(175); 상기 액츄에이터 소자(175)의 운동축을 형성하도록 상기 액츄에이터 소자를 지지하는 지지부재(300); 및 상기 액츄에이터 소자(175)에 연결되는 에지부재(400);를 포함한다. 상기 에지부재(400)은 상기 액츄에이터 소자(175)와 프레임 부재(500)을 연결한다.
상기 액츄에이터 소자(175)는, 압전유닛(190)과 멤브레인 유닛(290)을 포함한다. 상기 압전유닛(190)은, 길이가 폭의
Figure PCTKR2011010061-appb-I000002
배 이상인 하나 이상의 압전부재(100)를 포함한다. 상기 멤브레인 유닛(290)은, 상기 압전부재(100)의 길이방향으로 압전유닛(190)으로부터 연장되도록 상기 압전유닛(190)에 고정 접착되어 상기 압전유닛(190)에 전류가 인가됨에 따라 그 연장 방향으로 웨이브 운동(wave movement)하여 상기 인가 전기신호에 대응하는 음향을 발생하는 하나 이상의 멤브레인 부재(200)를 포함한다.
도 8 및 도 9에서 지지부재(300)은 액츄에이터 소자(175)의 폭방향으로 형성된 하나의 부재로 도시하고 있으나, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 이에 관한 다양한 변형이 가능하며, 이에 관하여는 뒤에 상세히 설명하기로 한다.
한편, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 음향액츄에이터에서, 상기 멤브레인 유닛(290)은, 상기 멤브레인 부재(200)의 길이방향으로 상기 멤브레인 유닛(290)이 연장되도록 상기 멤브레인 부재(200)에 접착되어 상기 멤브레인 부재(200)의 웨이브 운동을 증폭하는 피동부재(250)를 더 포함할 수 있다. 상기 멤브레인 유닛(290)이 복수의 멤브레인 부재(200)를 포함하는 경우, 상기 피동부재(250)는 상기 복수의 멤브레인 부재(200)의 끝을 서로 연결하여 이들 복수의 멤브레인 부재(200)가 일체로 동작하도록 할 수 있다.
도 8과 도 9에서는, 본 발명의 실시예에 따른 압전유닛(190)이 복수의 압전부재(100)를 포함하고 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인 유닛(290)이 복수의 멤브레인 부재(200)을 포함하는 것으로 도시하고 있으나, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 실시예에 따라서 압전유닛(190)은 단일한(single) 압전부재(100)로 형성될 수 있으며, 또한, 실시예에 따라서 멤브레인 유닛(290)은 단일한 멤브레인 부재(200)로 형성될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자(175)의 기본적인 구성에 관하여 도 1 및 도 2를 참조로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자(175)를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II선에 따른 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자(175)는 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)이 접착되어 있다. 이 압전부재(100)는 압전유닛(190)이 단일한 압전부재로 형성되는 경우 그 압전부재일 수 있으며, 압전유닛(190)이 복수의 압전부재를 포함하는 경우 그 복수의 압전부재 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 이 멤브레인 부재(200)는 멤브레인 유닛(290)이 단일한 멤브레인 부재로 형성되는 경우 그 멤브레인 부재일 수 있으며, 멤브레인 유닛(290)이 복수의 멤브레인 부재를 포함하는 경우 그 복수의 멤브레인 부재 중 어느 하나일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 압전부재(100)는 압전체(110)를 포함하고, 이 압전체(110)의 위아래 양면에 전극(101,102)이 형성되어 외부의 구동회로로부터 전기신호를 인가받는다. 압전체(110)는 PZT(lead zirconate titanate), PVDF(polyvinylidene difluoride) 등의 통상의 압전물질로 이루어지고, 에지부재(400)는 경도(hardness)가 낮고 물질의 영률(Young's modulus)이 낮아 불필요한 진동을 잘 흡수하고 탄성이 높은 고무, 코팅포, 발포폴리우레탄, 에라스토머, 실리콘 등의 탄성 물질로 이루어질 수 있다. 전극(101,102)의 재질로서 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등이 사용될 수 있는데, 본 발명에서는 압전체(110)의 상하면에 은분을 녹여 표면에 도포하여 형성하였다.
이러한 압전부재(100)는 접착제(201)를 통해 멤브레인 부재(200)에 접착된다. 또한, 멤브레인 부재(200)는 탄성이 있어 압전 부재(100)의 웨이브 운동에 의해 진동할 수 있는 모든 부재가 사용될 수 있으나, 멤브레인 부재(200)를 전극으로 사용하고자 하는 경우에는 전기 도전성이 높은 소재로서 황동판, 니켈합금판, 스테인레스강판 중 하나 이상으로 할 수 있다. 상기 접착제(201)로서, 통상적으로 압전부저(piezoelectric buzzer)에 사용하는 접착제가 사용될 수 있고, 이러한 접착제는 당업자에게 자명하다.
이러한 본 발명의 실시예에 따르면, 멤브레인 부재(200)와 접착제(201)가 도전성 재질로 형성되지 아니하여도, 압전체(110)의 위아래 양면에 형성된 전극에 전선을 연결하여 구동할 수 있다.
한편, 멤브레인 부재(200)를 도전성 재질로 형성한다면, 멤브레인 부재(200)를 전극으로 활용할 수 있게 된다. 이 경우, 압전체(110)가 멤브레인 부재(200)에 접착되는 면에 형성된 전극의 일부가 멤브레인 부재(200)와 접촉하는 등으로 전기적으로 연결될 수 있다.
이에 더하여 접착제(201)도 도전성 재질로 형성된다면, 도면상 압전체(110)의 아래면에 전극을 형성하지 않고도 멤브레인 부재(200)를 전극으로 활용할 수 있게 된다. 이 경우 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)의 좁은 틈으로 전선을 연결하는 수고를 덜 수 있게 된다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자(175)가 전기신호에 따라 음향을 발현하는 원리에 관하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자(175)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자(175)는 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)의 전기팽창율의 차이에 의하여 휨운동한다. 여기서 전기팽창율이란, 어떤 물질에 전기를 인가하였을 때 수축 또는 팽창하는 정도를 의미한다.
도 3(a)는 제1,2전극(101,102)에 전기를 인가하지 않은 상태의 액츄에이터 소자(175)의 단면도이다. 도 3(b)는 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)의 전기팽창률이 동일한 경우의 액츄에이터 소자(175)의 단면도이다. 도 3(c) 및 도 3(d)는 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)의 전기팽창률이 다른 경우, 제1,2전극(101,102)에 전기를 인가하여 멤브레인 부재(200)가 웨이브 운동을 하는 액츄에이터 소자(175)의 단면도이다.
압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)의 전기팽창률이 동일한 경우, 압전부재(100)가 팽창하더라도 동일한 비율로 멤브레인 부재(200)도 팽창하게 되므로 도 3(b)에 도시된 바와 같이 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)는 웨이브 운동을 하지 않는다.
압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)의 전기팽창률이 다른 경우, 즉 멤브레인 부재(200)의 전기팽창율이 압전부재(100)에 비하여 낮은 경우, 이들에 전기가 인가되면 압전부재(100)는 팽창하거나 수축하지만 멤브레인 부재(200)는 팽창하거나 수축하는 비율이 매우 낮아 도 3(c) 및 도 3(d)에 도시된 바와 같이 압전부재(100)에 접착된 멤브레인 부재(200)가 웨이브 운동을 하게 된다. 이는 바이메탈의 원리와 유사하다.
이 때, 공진주파수는 하기 비례식(1)에서 알 수 있듯이, 멤브레인 유닛(290) 의 두께(t)가 얇을수록, 그리고 멤브레인 유닛(290)의 길이(L)가 길수록, 공진주파수(
Figure PCTKR2011010061-appb-I000003
)가 낮아진다. 하기 식(1)에서,
Figure PCTKR2011010061-appb-I000004
는 공진주파수, k는 비례상수, t는 멤브레인 유닛(290)의 두께, L은 지지부재(300)로부터 멤브레인 유닛(290) 끝단까지의 길이, E는 영률(Young's Modulus), ρ는 멤브레인 유닛(290)의 밀도,
Figure PCTKR2011010061-appb-I000005
는 포아송비(Poisson's Ratio)를 의미한다.
Figure PCTKR2011010061-appb-I000006
-------------------(1)
압전부재(100)에 비교적 낮은 주파수의 전기적 음향신호가 입력되는 경우에는 압전부재(100)가 비교적 서서히 수축 또는 팽창을 하게 되고, 상기 압전부재(100)의 수축 또는 팽창 운동에 의해 상기 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)가 긴 파장의 웨이브 운동을 하게 된다. 즉, 멤브레인 부재(200)의 공진주파수(즉, 1차 공진 주파수) 정도의 낮은 주파수의 음향이 발생될 수 있게 된다.
한편, 압전부재(100)에 비교적 높은 주파수의 전기적 음향신호가 입력되는 경우에는 압전부재(100)가 비교적 빨리 수축 또는 팽창을 하게 되고, 상기 압전부재(100)의 수축 또는 팽창 운동에 의해 상기 압전부재(100)와 멤브레인 부재(200)가 짧은 파장의 웨이브 운동을 하게 된다. 즉, 멤브레인 부재(200)의 표면진동이 형성되게 되며, 이를 통하여 높은 주파수의 음향(예를 들어, 2차 및 3차 또는 그 이상 차수의 공진주파수)이 발생될 수 있게 된다.
도 1 내지 도 3을 참조한 이상의 설명에서는 압전부재(100)가 멤브레인 부재(200)의 위쪽에 부착된 것을 예시하여 설명하였으나, 압전부재(100)가 멤브레인 부재(200)의 아래쪽에 부착하는 실시예의 구성 및 작용은 이러한 설명을 참조하면 쉽게 이해될 수 있다.
한편, 다시 도 8 및 도 9를 참조로, 본 발명의 실시예에서는, 압전부재(100)가 멤브레인 부재(200)의 한쪽 면(즉, 도면상 위쪽면)에만 부착되어야 하는 것은 아니며(이와 같은 방식을 이하에서는 유니모프식이라 부르기로 한다), 도시된 바와 같이 아래쪽을 포함하여 양쪽 면에 부착될 수 있다(이와 같은 방식을 이하에서는 바이모프식이라 부르기로 한다).
이하에서는, 멤브레인 부재(200)의 윗면과 아래면에 각각 압전부재(100, 100')가 접착된 바이모프식 액츄에이터 소자의 실시예에 관하여 그 구성과 작용을 도 4 및 도 5를 참조로 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자의 단면도로서, 멤브레인 부재(200)의 윗면과 아래면에 각각 압전부재(100,100')가 접착된 것을 도시한 도면이다. 도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
멤브레인 부재(200)의 아래면에 부착되는 압전부재(100')는 위면에 부착되는 압전부재(100)와 마찬가지로, 압전체(150)의 위면 및 아래면에 전극(151,152)이 형성되고, 접착제(201)을 통해 멤브레인 부재(200)에 부착된다. 이 전극(151,152)은 전극(101,102)와 동일한 재질로 동일한 방식으로 형성될 수 있다.
이러한 바이모프식의 경우에는 상면에 접착된 압전부재(100)의 수축 또는 팽창과 하면에 접착된 압전부재(100)의 수축 또는 팽창이 서로 반대가 되도록 한다. 이는 위아래 압전부재(100,100')의 극성 또는 이들에 인가되는 전원의 극성을 통해 이들의 수축/팽창이 반대가 되도록 할 수 있으며, 이는 당업자가 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
이와 같은 액츄에이터 소자(175)에 특정한 극성의 전기를 인가하면, 도 5(a)에 도시된 바와 같이 멤브레인 부재(200)의 위쪽 압전부재(100)는 팽창하고 아래쪽 압전부재(100')는 수축하게 된다. 한편 이와 반대 극성의 전기를 인가하면, 도 5(b)에 도시된 바와 같이 멤브레인 부재(200)의 위쪽 압전부재(100)는 수축하고 아래쪽 압전부재(100')는 팽창하게 된다. 교류를 인가하는 경우 이와 같은 동작이 교번됨에 따라 액츄에이터 소자(175)는 웨이브 운동하게 된다.
한편, 멤브레인 부재(200)의 위쪽에만 압전부재(100)를 접착한 경우와 유사하게, 멤브레인 부재(200)를 도전체로 형성하고 접착제(201)를 도전재질로 형성하는 경우 전극(102,152)을 생략하고 멤브레인 부재(200)을 전극으로 활용할 수 있다. 이 때, 멤브레인 부재(200)의 아래쪽의 압전부재(100')와 위쪽의 압전부재(100)는 멤브레인 부재(200)에 부착되는 면을 기준으로 극성을 달리하여 부착함으로써, 압전부재(100)가 팽창하는 경우 압전부재(100')가 수축하고, 압전부재(100)가 수축하는 경우 압전부재(100')가 팽창하도록 부착할 수 있다. 이러한 경우 도 5(c)와 같이 회로를 구성하여 전원을 인가함으로써 액츄에이터 소자(175)의 웨이브 운동을 구현할 수 있다.
액츄에이터 소자(175)를 바이모프식으로 구성하는 경우, 위아래 두 개의 압전부재(100,100')에 의해 웨이브 운동이 조절되므로, 같은 면적의 멤브레인 부재(200)의 진폭이 증가된다. 멤브레인 부재(200)(또는 이에 부착된 피동부재(250)) 진폭은 음압으로 환산되므로, 결국 음압이 증가하게 되는 것이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 압전부재(100)는 그 길이가 폭의
Figure PCTKR2011010061-appb-I000007
배 이상으로 형성된다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 압전부재(100)는 비교적 정사각형에 가까운 형상이 아닌, 길쭉한 형상으로 형성되는 것이다. 길이와 폭이 차이가 크지 않다면, 수축/팽창의 방향을 정하기 힘들므로 길이와 폭의 차이가 큰 것이 압전부재(100)의 수축/팽창이 한 방향으로 일어나는 것으로 해석할 수 있다. 이로써, 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자(175)는 압전부재(100)의 길이 방향으로 웨이브 운동이 일어나는 것으로 이해할 수 있게 되는 것이다.
도면에서는 본 발명의 실시예에 따른 압전부재(100)를 장방형인 것으로 도시하고 있으나, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 예를 들면, 압전부재(100)가 타원형인 경우라면 장축의 길이가 단축의 길이보다
Figure PCTKR2011010061-appb-I000008
배 이상인 것으로 할 수 있다.
앞서 도 8 및 도 9를 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 음향 액츄에이터의 멤브레인 유닛(290)은 피동부재(250)를 포함하는 것으로 설명한 바 있다. 이하의 설명에서는 피동부재를 채용하는 실시예의 구성과 작용에 관하여 설명한다.
도 6은 이와 같이 피동부재(250)이 포함된 액츄에이터 소자(175)의 단면도를 도시하고 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 멤브레인 유닛(290)의 멤브레인 부재(200)에는 피동부재(250)가 접착제(251)를 통해 부착된다. 따라서, 상기 멤브레인 유닛(290)이 상기 멤브레인 부재(200)의 길이방향으로 연장되며, 상기 멤브레인 부재(200)의 웨이브 운동이 증폭된다. 도 6에서는 피동부재(250)가 멤브레인 부재(200)의 끝에 부착된 것을 도시하고 있으나, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 비교적 넓은 면적으로 멤브레인 유닛(290)에 부착될 수 있다. 또한, 도 6에서는 멤브레인 유닛(290)의 양쪽 끝에 피동부재(250)가 각각 부착된 것을 도시하고 있으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 멤브레인 유닛(290)과 위아래 압전유닛(190) 사이에서, 멤브레인 유닛(290)의 양쪽 끝을 잇도록 하나의 피동부재(250)가 부착될 수 있다.
피동부재(250)와 접착제(251)는 도전성 재질일 필요는 없으며, 이 경우 전원은 압전부재(100,100')의 전극 또는 멤브레인 부재(200)를 통해 공급될 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예에서, 멤브레인 부재(200)가 황동판, 니켈합금판, 백청동, 인청동, 스테인레스강과 같이 도전성 물질이나 다소 무거운 경우(보다 정확하게 표현하자면, 재질 특성상 공진주파수가 높게 형성되는 경우), 피동부재(250)가 효과적으로 활용될 수 있다. 즉, 멤브레인 부재(200)보다 공진주파수가 낮은 피동부재(250)를 사용함으로써, 액츄에이터 소자(175)의 전체 공진주파수를 낮추고, 이로써 보다 저음의 음향을 효과적으로 발휘할 수 있게 되기 때문이다. 이를 위한 피동부재(250)로서 두께가 얇거나 길이가 길거나 등 당업자는 필요한 공진주파수를 고려하여 피동부재(250)의 재질(material)과 제원(dimension)을 정할 수 있을 것이다. 일예로, 본 발명의 실시예에서 피동부재(250)는 알루미늄, 베릴륨, 마그네슘, 티타늄, 펄프, 폴리머 재료 중에서 하나 이상의 재질로 할 수 있다.
다시 도 8 및 도 9를 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 음향 액츄에이터는 외팔보 방식(도 8 참조)으로도, 양팔보 방식(도 9 참조)으로도 구현될 수 있다. 이하에서는, 외팔보 방식과 양팔보 방식의 각 실시예에 관하여 이들의 작용에 관하여 도 7(a) 및 도 7(b)를 참조로 상세히 설명한다. 도 7에서는 지지부재(300)의 예로서 볼트(351)와 너트(352)를 도시하고 있다.
도 7(a)는 지지부재(300)로서의 볼트(351)와 너트(352)의 한쪽 방향으로만 액츄에이터 소자(175)가 형성된 외팔보(Cantilever)를 나타낸 것이고, 도 7(b)는 지지부재(300)로서의 볼트(351)와 너트(352)의 맞은 편 양쪽에 액츄에이터 소자(175)가 형성된 양팔보를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 외팔보 또는 양팔보 방식 모두에 상기 식(1)이 동일하게 적용된다. 즉, 공진주파수는 멤브레인 유닛(290)의 길이 및 두께와 관계된다.
한편, 멤브레인 부재(200)의 진폭에 관하여는 아래 수학식(2)를 참고할 수 있다. 수학식(2)에서 δmax 는 멤브레인 유닛(290) 끝단의 최대 진폭, P는 압전부재(100)의 휨강도, E는 영률(Young's Modulus), w는 멤브레인 부재(200)의 폭, L은 멤브레인 유닛(290)의 길이, t는 멤브레인 유닛(290)의 두께를 의미한다.
Figure PCTKR2011010061-appb-I000009
------------------(2)
이 때, 상기 압전부재(100)가 지지부재(300)를 기준으로 비대칭으로 형성되어 있으면 지지부재(300)를 기준으로 좌우측에 있는 압전유닛(190)의 공진주파수 및 진폭은 상이함을 알 수 있다.
따라서, 도 7(b)에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 양팔보 방식의 액츄에이터 소자(175)에 따르면, 양팔보의 양측에는 각각의 길이 및 두께가 상이한 압전부재(100) 및 멤브레인 부재(200)가 형성될 수 있다. 이 경우, 지지부재(300)의 양측은 서로 다른 공진주파수와 진폭을 갖게 된다. 따라서, 이러한 비대칭의 액츄에이터 소자(175)에 따르면 주파수 대역폭의 평활도를 향상할 수 있다.
예를 들어, 도 7(b)에 도시된 지지부재(300)의 우측에서의 액츄에이터 소자는 낮은 1차 공진주파수를 가진다면, 이 우측 부분은 높은 주파수에 관하여는 음압이 낮게 형성될 수 있다. 이는 이 우측 부분에서 2차, 3차 및 더 높은 차수의 공진주파수가 형성되기는 하나, 차수가 높아질수록 공진의 세기가 급격하게 감소하기 때문이다. 따라서, 지지부재(300)의 좌측 부분의 길이를 짧게 하거나 두께를 크게 하는 등의 방법으로 이 좌측 부분에서의 공진주파수를 우측 부분에서보다 높도록 함으로써 높은 주파수의 음압을 보상할 수 있게 되고, 이를 통하여 좌우측 전체의 음압은 보다 넓은 주파수 대역에서 평활도가 향상되게 되는 것이다.
다시 도 8과 도 9를 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 압전유닛(190)이 복수의 압전부재(100)를 포함하고 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인 유닛(290)이 복수의 멤브레인 부재(200)을 포함하는 것으로 도시하고 있으나, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 실시예에 따라서 압전유닛(190)은 단일한(single) 압전부재(100)로 형성될 수 있으며, 또한, 실시예에 따라서 멤브레인 유닛(290)은 단일한 멤브레인 부재(200)로 형성될 수 있다.
또한, 도 8과 도 9를 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인 유닛(290)은 피동부재(250)를 포함하는 것으로 도시하고 있다. 그러나, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 실시예에 따라서 피동부재(250)를 채용하지 않을 수 있다.
도 10은 이러한 다양한 변형예를 설명하기 위한 평면도이다.
도 10(a)는, 압전유닛(190)은 단일한 압전부재(100)로 형성되고, 멤브레인 유닛(290)은 피동부재(250)를 채용하지 않고 단일한 멤브레인 부재(200)로 형성되는 것을 도시하고 있다.
도 10(b)는, 압전유닛(190)은 단일한 압전부재(100)로 형성되고, 멤브레인 유닛(290)은 단일한 멤브레인 부재(200)로 형성되되, 그 멤브레인 부재(200)의 끝에 피동부재(250)가 부착되는 것을 도시하고 있다.
도 10(c)는, 압전유닛(190)은 복수의 압전부재(100)를 포함하고, 멤브레인 유닛(290)은 피동부재(250)를 채용하지 않고 단일한 멤브레인 부재(200)로 형성되는 것을 도시하고 있다. 즉, 단일한 멤브레인 부재(200) 상의 동일 평면 상에 복수의 압전부재(100)가 병렬로 배치(즉, 폭 방향으로 배열)되는 것이다.
도 10(d)는, 압전유닛(190)은 복수의 압전부재(100)를 포함하고, 멤브레인 유닛(290)은 단일한 멤브레인 부재(200)로 형성되되, 그 멤브레인 부재(200)의 끝에 피동부재(250)가 부착되는 것을 도시하고 있다.
도 10(e)는, 압전유닛(190)은 복수의 압전부재(100)를 포함하고, 멤브레인 유닛(290)은 복수의 멤브레인 부재(200)로 형성되며, 그 멤브레인 부재(200)의 끝을 연결하여 피동부재(250)가 부착되는 것을 도시하고 있다. 이 경우, 압전부재들(100)과 멤브레인 부재(200)는 같은 수로 형성되어 압전부재(100) 각각이 멤브레인 부재(200) 각각에 접착된다. 이러한 상태에서 멤브레인 부재들(200)의 끝을 피동부재(250)가 서로 연결하는 것이다.
압전유닛(190)이 복수의 압전부재(100)를 포함하는 구성에 의하여 다양한 장점을 얻을 수 있다.
먼저, 동일한 폭과 길이의 멤브레인 부재(200) 상에 압전부재(100)를 부착하는 경우, 하나의 압전부재(100)를 부착하는 것에 비하여 병렬로 배치된 복수의 압전부재(100)를 부착하는 것이 압전부재(100)의 길이대 폭의 비율을 증가시킬 수 있게 된다. 이는 압전부재(100)의 폭 방향 휨이 더욱 무시할만하게 하는 것이며 결과적으로 길이방향 웨이브 운동이 더욱 선명하게 증폭될 수 있는 것을 의미한다.
또한, 다양한 제원의 음향 액츄에이터를 편리하게 생산할 수 있게 된다. 멤브레인 유닛(290)의 폭을 증가시키면 주파수특성에 영향을 주지 않고 음압을 키울 수 있다. 즉, 같은 주파수특성의 여러 다른 음압의 음향 액츄에이터를 만들 필요가 있는 경우에 여러 폭의 멤브레인 유닛을 사용하게 될 것이다. 이 때 단일한 압전부재를 사용하는 경우 멤브레인 유닛의 폭에 따라 압전부재의 폭도 달리하여 형성하여야 할 것이다. 그러나 복수의 압전부재를 사용한다면, 기본되는 압전부재를 단지 폭 방향으로 배열함으로써 여러 다른 폭의 멤브레인 유닛에 대처할 수 있게 된다. 이는 생산과정에서 여러 폭의 압전부재를 생산할 필요 없이, 몇 가지 기본되는 제원의 압전부재만을 생산하면 되는 것을 의미하므로 생산비용을 줄일 수 있게 된다.
또한, 음압의 증가를 위하여 멤브레인 부재의 폭을 키우기 위하여 멤브레인 부재의 폭이 길이보다 길게 해야 하는 경우, 단일한 압전부재를 사용하는 경우에는 압전부재의 길이가 폭의
Figure PCTKR2011010061-appb-I000010
배보다 크지 못하게 될 수 있거나, 멤브레인 부재의 폭방향으로 압전부재가 길게 형성될 수도 있다. 이러한 경우 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 동작을 기대할 수 없게 된다. 그러나, 복수의 압전부재를 사용하게 되는 경우, 멤브레인 부재의 폭이 아무리 넓어도 단지 더 많은 압전부재를 부착함으로써 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 음향 액츄에이터를 구성할 수 있다.
다시 도 8 및 도 9를 참조로, 지지부재(300)는 액츄에이터 소자(175)의 폭 방향으로 형성된 하나의 부재로 도시되어 있으나, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 이에 nnnnnnnnn관한 다양한 변형이 가능하다. 이하에서는 지지부재(300)의 다양한 변형예와 이들이 액츄에이터 소자(175)와 결합하는 다양한 변형예에 관하여 도 11 내지 도 13을 참조로 상세히 설명한다.
도 11은 지지부재(300)의 다양한 변형예를 도시하는 도면이다.
지지부재(300)는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 액츄에이터 소자(175)의 폭방향으로 형성된 하나의 부재로 형성될 수 있다. 이는 도 10(a)에 도시된 바와 같이 액츄에이터 소자(175)의 아래쪽에서 이에 결합하는 것일 수 있다. 또한, 도 10(a)에 도시된 바와 같이 지지부재(300)는 액츄에이터 소자(175)의 위쪽에서 이에 결합하는 것일 수 있다. 뿐만 아니라 도 10(c)에 도시된 바와 같이, 지지부재(300)가 액츄에이터 소자(175)의 위쪽과 아래쪽에 각각 형성되어 이에 결합하는 것일 수 있다.
또한, 지지부재(300)는 도 8 및 도 9에 도시된 판형의 부재일 수 있으며, 도 10(d)에 도시된 바와 같이 볼트(351)와 너트(352)를 포함하는 것일 수 있다. 이러한 볼트/너트 방식의 지지부재(300)는 도 7(a) 및 도 7(b)를 참조로도 이미 설명한 바 있다.
또한 지지부재(300)는 반드시 액츄에이터 소자(175)를 선형으로 지지하여야 하는 것은 아니며, 도 10(e)에 도시된 바와 같이, 액츄에이터 소자(175)의 일 지점을 지지하는 것일 수 있다.
도 12와 도 13은, 볼트(351)와 너트(352)를 지지부재(300)의 예로 하여, 지지부재(300)와 액츄에이터 소자(175)의 결합에 관한 다양한 변형예를 도시하는 도면이다.
도 12는 지지부재(300)로서의 볼트(351)와 너트(352)가 액츄에이터 소자(175)의 압전유닛(190) 및 멤브레인 유닛(290) 모두에 결합하는 것을 도시하고 있다. 이 중 도 12(a)는 지지부재(300)가 압전유닛(190)의 한쪽 끝에 결합함으로써 외팔보 형식의 음향 액츄에이터를 구현하는 것을 도시하고 있고, 도 12(b)는 지지부재(300)가 압전유닛(190)의 가운데 위치(interior location)에 결합함으로써 양팔보 형식의 음향 액츄에이터를 구현하는 것을 도시하고 있다.
도 13은 지지부재(300)로서의 볼트(351)와 너트(352)가 액츄에이터 소자(175) 중 멤브레인 유닛(290)에만 결합하는 것을 도시하고 있다.
도 13(a)은 압전유닛(190)이 지지부재(300)의 한쪽 방향으로만 밀착하여 형성되는 것을 도시하고 있다. 도 13(b)은 압전유닛(190)이 지지부재(300)의 한쪽 방향으로만 이격하여 형성되는 것을 도시하고 있다.
도 13(c)은 압전유닛(190)이 지지부재(300)의 양쪽 방향으로 밀착하여 형성되는 것을 도시하고 있다. 도 13(d)은 압전유닛(190)이 지지부재(300)의 양쪽 방향으로 이격하여 형성되는 것을 도시하고 있다.
즉, 비록 도 8 내지 도 10을 참조한 설명에서는 액츄에이터 소자(175)에 압전유닛(190)이 길이방향으로는 하나만 배치된 것을 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 본 발명이 실시예에 따른 액츄에이터 유닛(175)는 길이 방향으로 배열된 복수의 압전유닛(190)을 포함할 수 있고, 그 사이에서 지지부재(300)가 멤브레인 유닛(290)에 결합하는 것일 수 있다.
한편, 지지부재(300)와 액츄에이터 소자(175)와의 이러한 다양한 결합 방식에서, 지지부재는 액츄에이터 소자(175)와 직접 맞닿아 결합하는 것일 수 있으며, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 탄력부재(360)를 개재하여 결합하는 것일 수 있다.
예를 들어, 저주파의 음향만이 필요한 경우에는 표면진동이 많이 필요하지 않으므로 표면진동을 억제하기 하기 위하여 지지부재(300)를 나사 또는 하드록과 같은 강도가 높은 접착제를 사용하여 단단하게 결합할 수 있다.
고주파의 음향이 많이 필요한 경우에는 표면진동이 많이 필요하므로 지지부재(300)와 압전부재(100) 사이에 고무, 코팅포, 발포폴리우레탄, 에라스토머, 실리콘 등의 탄력부재(360)를 삽입할 수 있다. 나사결합이 아닌 접착 방식으로 결합하는 지지부재(300)의 경우, 연질의 접착제가 상기 탄력부재(360)로 사용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 음향 액츄에이터의 동작과 작용을 도 14를 참조로 상세히 설명한다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 음향 액츄에이터의 동작을 나타내는 개략적인 단면도이다.
주파수가 낮은 경우에는, 도 14(a)에 도시된 바와 같이, 압전유닛(190)의 수축과 팽창의 반복에 의하여 멤브레인 유닛(290)에 전반적인 휨운동(overall bending)이 일어난다.
도면에서는 멤브레인 유닛(290)이 압전유닛(190)으로부터 연장된 부분이 압전유닛(190)의 끝으로부터 직선으로 연장되어 진동하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 이해의 편의를 위하여 극도로 낮은 주파수(즉, 거의 직류에 가까운 주파수)에 대하여 이와 같이 도시한 것이다. 음향 액츄에이터가 정상적인 음향을 발휘하게 되는 멤브레인 유닛(290)의 공진주파수 정도의 교류에서는 멤브레인 유닛(290)의 진동이 매우 활발하게 되어 압전유닛(190)의 휨운동에 대비하여 훨씬 큰 진폭으로 진동하게 되고, 이는 전반적으로 웨이브 운동으로 표현된다.
멤브레인 유닛(290)의 공진주파수를 훨씬 초과하는 높은 주파수의 신호가 인가되는 경우에는, 도 14(b)에 도시된 바와 같이, 멤브레인 유닛(290)에 표면진동이 일어나 고주파 음향이 발생한다.
따라서, 멤브레인 유닛(290)의 공진주파수 정도의 낮은 주파수로부터 그 이상의 높은 주파수까지의 넓은 주파수 대역의 주파수가 섞인 합성된 신호가 인가되는 경우에는, 도 14(c)에 도시된 바와 같이, 멤브레인 유닛(290)에는 휨 운동과 표면 진동이 조합된 웨이브 운동이 일어나게 되어, 음향 액츄에이터에서는 저주파 음향과 고주파 음향을 동시에 발현하게 된다.
도 14(b)와 도 14(c)에서는 멤브레인 유닛(290)이 하나의 주파수와 진폭의 사인파로 진동하는 것처럼 도시하였으나, 이는 이해의 편의를 위한 것으로서, 인가되는 신호에 따라 여러 주파수와 진폭으로 멤브레인 유닛(290)이 진동할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자에 따르면, 압전부재(100)는 그 길이가 폭보다
Figure PCTKR2011010061-appb-I000011
배 이상으로 길게 형성되어 폭 방향보다 길이방향으로 웨이브 운동을 확실하게 구동하고, 압전부재의 길이방향으로 멤브레인 유닛이 연장되도록 압전부재에 멤브레인 부재가 고정부착된다. 이로써 본 발명의 실시예 따른 액츄에이터 소자는 통상 원형으로 형성되는 압전 스피커와는 달리 선형적으로 형성된다.
이러한 액츄에이터 소자(175)에 특정한 극성의 전기가 인가되면 전술한 바와 같이 휨운동이 발생하고, 반대 극성의 전기가 인가되면 반대방향으로 휨운동이 발생한다. 이 휨운동이 반복됨으로써 웨이브 운동이 형성된다.
아래에서는, 원형으로 형성되는 공지의 압전 스피커에 대비하여, 본 발명의 실시예에 따른 선형의 액츄에이터 소자(175)가 매우 낮은 공진주파수를 가지고, 따라서 매우 작은 크기로도 충분히 낮은 주파수 대역을 구현할 수 있음을 설명한다.
통상적인 원형의 압전 부저에서 구현되는 공진주파수는 도 18과 같이 정리된다. 통상적인 원형의 압전 부저에 대비하여, 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터 소자의 공진주파수는 아래와 같이 계산된다.
[규칙 제91조에 의한 정정 28.02.2012]　
표 1
Figure WO-DOC-TABLE-1
위와 같은 공진주파수 및 공진상수를 참고로, 20Hz를 내기 위한 박판/외팔보의 크기는 도 18에 도시된 바와 같다. 즉, 20Hz의 소리를 내기 위하여 노드지지 방식에서는 압전 부저의 지름이 307mm로 매우 크게 형성되어야 하고, 모서리지지 방식에 의하여는 지름이 231mm가 되어야 하며, 중심지지 방식에 의하여도 198mm가 되어야 한다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 외팔보 방식의 액츄에이터 소자에 의하여는, 길이가 약96mm로만 형성되어도 20Hz의 음향을 발현할 수 있다. 이는 원형의 압전 스피커에 대비하여, 선형으로 형성되는 것 자체로도 매우 작은 크기로 구현되는 것이며 그 길이도 통상의 압전 부저의 반지름도 되지 않음을 알 수 있다.
한편, 압전부재(100)의 길이방향으로 멤브레인 부재(200)가 연장되어 형성되는 경우, 압전부재와 멤브레인 부재(200)의 부착부분에 비하여 멤브레인 부재만으로 형성된 부분(즉, 연장된 부분)은 진동에 민감하게 될 것임은 자명하다. 이는 교류가 인가되는 경우 연장된 부분이 압전부재 부분보다 큰 폭으로 진동하게 됨을 의미한다. 즉, 결국 멤브레인 부재 전체에 압전부재를 부착하는 것보다 그 일부에 압전부재를 부착하는 것이 더 활발한 진동을 통하여 음압을 향상할 수 있음을 의미하는 것이다.
이상의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 단독의 음향 액츄에이터 및 그 작용에 관하여 상세히 설명하였다. 그런데, 이러한 2개 이상의 음향 액츄에이터가 동시에 사용되어 넓은 음역대의 소리를 발생시킬 수 있다. 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 음향 액츄에이터를 채용하는 음향 액츄에이터 시스템에 관하여 도 15 및 도 16을 참조로 상세히 설명한다
도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 음향 액츄에이터 시스템으로서, 제1음향 액츄에이터(610,710,810,910)와 제2음향 액츄에이터(620,720,820,920)의 다양한 조합을 도시하는 평면도이다.
도 15(a)는 제1,2음향 액츄에이터(610,620)가 서로 동일한 규격(dimension)으로 형성되고, 제1,2음향 액츄에이터(610,620) 각각은 지지부재(300)를 기준으로 좌우 비대칭인 음향 액츄에이터 시스템(600)을 도시하고 있다. 즉, 음향 액츄에이터(610,620) 각각은 즉, 액츄에이터 소자(175)의 길이가 지지부재(300)을 중심으로 l1 및 l2로 서로 달리 형성된다. 아울러, 도시된 바와 같이 각 음향 액츄에이터(610,620) 내의 압전부재들(190)도 지지부재(300)을 중심으로 서로 달리 형성될 수 있다. 이러한 실시예에 따르면, 음향 액츄에이터(610,620)가 비대칭 양팔보의 형태로 형성되므로 복수의 공진주파수가 구현됨을 의미한다. 한편, 두 음향 액츄에이터(610,620)는 서로 동일한 규격으로 형성되므로 이들에 의한 음압은 서로 동일하게 형성된다. 따라서, 음향 액츄에이터(610,620) 중 하나에 의한 음향보다 음압을 배가할 수 있다.
도 15(a)는 제1,2음향 액츄에이터(610,620) 각각은 지지부재(300)를 기준으로 좌우 비대칭인 음향 액츄에이터의 예로서 제1,2음향 액츄에이터(610,620)가 서로 동일한 규격으로 형성되는 것을 도시하였으나, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 이들 제1,2음향 액츄에이터(610,620)가 서로 상이한 규격으로 형성할 수 있으며, 이 경우 더욱 많은 공진주파수의 구현이 가능하게 되어 평활도가 보다 향상된다.
도 15(b)는 제1,2음향 액츄에이터(710,720)가 서로 상이한 규격(dimension)으로 형성되고, 제1,2음향 액츄에이터(610,620) 각각은 지지부재(300)를 기준으로 좌우 대칭인 음향 액츄에이터 시스템(700)을 도시하고 있다. 각 음향 액츄에이터(710,720)는 좌우 대칭으로 형성되므로 비대칭으로 형성되는 것에 비하여 같은 주파수 특성으로 음압이 배가된다. 한편, 두 음향 액츄에이터(710,720)는 서로 다른 규격으로 형성되므로 이들 음향 액츄에이터들(710,720)의 주파수 특성이 서로 달라 복수의 공진 주파수가 구현될 수 있다. 이러한 도 15(b)에 따른 실시예는 규격에 따라서 도 15(a)에 도시된 음향 액츄에이터와 동일한 음향 특성을 보일 수 있다. 즉, 도 15(b)에 도시된 바와 같이, 한 음향 액츄에이터(710)는 도 15(a)에 따른 음향 액츄에이터(610,620)의 좌측 부분과 동일한 길이(l1)로 형성하고, 다른 음향 액츄에이터(720)는 도 15(a)에 따른 음향 액츄에이터(610,620)의 우측 부분과 동일한 길이(l2)로 형성할 수 있다.
도 16(a)는 제1,2음향 액츄에이터(810,820)가 서로 상이한 규격(dimension)으로 형성되고, 제1음향 액츄에이터(810)는 지지부재(300)를 기준으로 대칭인 반면, 제2음향 액츄에이터(820)는 지지부재(300)를 기준으로 비대칭인 음향 액츄에이터 시스템(800)을 도시하고 있다. 이러한 음향 액츄에이터 시스템(800)에 따르면, 도 15(a) 및 도 15(b)의 액츄에이터 시스템(600,700)에 비하여 더 많은 공진주파수의 구현이 가능하게 되여 평활도가 보다 향상될 수 있다. 또한, 두 음향 액츄에이터(810,820) 중 하나의 음향 액츄에이터(810)를 지지부재(300)를 기준으로 대칭으로 형성함으로써, 특정한 공진주파수에 대하여 음압을 배가할 수 있다. 즉, 압전부재, 멤브레인 부재, 피동부재 등의 재질과 제원 등에 따른 동작특성에 의하여 특정한 주파수 대역의 음향 효율이 낮은 경우 이러한 주파수 대역의 음압을 증가시킬 수 있게 되는 것이다. 한편, 도 16(a)에서는 대칭으로 형성된 제1음향 액츄에이터(810)의 길이(l2)가 비대칭인 제2음향 액츄에이터(820)와 지지부재(300)로부터의 한쪽 방향의 길이와 같은 것으로 도시하고 있다. 이러한 구성에 의하면 특정 주파수 대역의 음압을 매우 크게 증가시킬 수 있다.
도 16(b)는 제1,2음향 액츄에이터(910,920)가 서로 상이한 규격(dimension)으로 형성되고, 제1음향 액츄에이터(910)를 외팔보식 음향 액츄에이터로 도시하고 있으며, 제2음향 액츄에이터(920)는 양팔보식 음향 액츄에이터로 도시하고 있다. 이와 같은 실시예에 따르면, 같은 크기의 양팔보식 음향 액츄에이터에 비하여 낮은 공진주파수를 가질 수 있는 외팔보식 음향 액츄에이터가 채용되므로, 음향 액츄에이터 시스템이 실현할 수 있는 저음의 주파수 대역을 확대할 수 있게 된다.
상기 각 제1,2음향 액츄에이터 조합(610,620)(710,720)(810,820)(910,920)는 각각 공유된 압전유닛 드라이버(750)에 의해 연결되어 함께 구동되면서 음향을 발생시킨다.

Claims (16)

  1. 인가 전기신호에 대응하는 음향을 발생하는 액츄에이터 소자(actuator element);
    상기 액츄에이터 소자의 운동축을 형성하도록 상기 액츄에이터 소자를 지지하는 지지부재(supporting member); 및
    상기 액츄에이터 소자에 연결되는 에지부재(edge member);
    를 포함하는 음향 액츄에이터로서,
    상기 액츄에이터 소자는,
    길이가 폭의
    Figure PCTKR2011010061-appb-I000020
    배 이상인 하나 이상의 압전부재(piezoelectric member)를 포함하는 압전유닛(piezoelectric unit); 및
    상기 하나 이상의 압전부재의 길이방향으로 상기 압전유닛이 연장되도록 상기 압전유닛에 고정 접착되어 상기 압전유닛에 전류가 인가됨에 따라 그 연장 방향으로 웨이브 운동(wave movement)하여 상기 인가 전기신호에 대응하는 음향을 발생하는 하나 이상의 멤브레인 부재를 포함하는 멤브레인 유닛(membrane unit);
    를 포함하는 음향 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전유닛은 동일 평면 상에 폭 방향으로 평행하게 배치된 복수의 압전부재를 포함하는 음향 액츄에이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인 유닛은,
    상기 멤브레인 부재의 길이방향으로 상기 멤브레인 유닛이 연장되도록 상기 멤브레인 부재에 접착되어, 상기 멤브레인 부재의 웨이브 운동을 증폭하는 피동부재;를 더 포함하는 음향 액츄에이터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 멤브레인 유닛은,
    상기 멤브레인 부재의 길이방향으로 상기 멤브레인 유닛이 연장되도록 상기 멤브레인 부재에 접착되어, 상기 멤브레인 부재의 웨이브 운동을 증폭하는 피동부재;를 더 포함하는 음향 액츄에이터.
  5. 제1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지부재는,
    상기 액츄에이터 소자를 비대칭으로 분할하는 위치에 형성된 음향 액츄에이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재는 상기 멤브레인 유닛에 부착되고 상기 압전유닛은 상기 지지부재로부터 압전유닛의 길이방향으로 이격되어 형성되는 음향 액츄에이터.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 지지부재는 상기 멤브레인 유닛에 부착되고 상기 압전유닛은 상기 지지부재로부터 압전유닛의 길이방향으로 이격되어 형성되는 음향 액츄에이터.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 멤브레인 유닛은,
    상기 복수의 압전부재와 같은 수의 멤브레인 부재를 포함하고, 각각의 압전부재가 각각의 멤브레인 부재에 접착된 음향 액츄에이터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 멤브레인 유닛은,
    상기 복수의 멤브레인 부재의 길이방향으로 상기 멤브레인 유닛이 연장되도록 상기 복수의 멤브레인 부재의 끝을 서로 연결하여, 상기 복수의 멤브레인 부재의 웨이브 운동을 증폭하는 피동부재;를 더 포함하는 음향 액츄에이터.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 압전유닛은 멤브레인 유닛의 상면 및 하면에 접착된 음향 액츄에이터.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 액츄에이터 소자의 표면진동을 허용하도록 상기 액츄에이터 소자와 지지부재의 사이에 개재되는 탄력부재를 더 포함하는 음향 액츄에이터.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 의한 제1음향 액츄에이터; 및
    제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 의한 제2음향 액츄에이터; 및
    상기 제1,2음향 액츄에이터를 함께 구동하는 압전유닛 드라이버;
    를 포함하는 음향 액츄에이터 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1음향 액츄에이터와 제2음향 액츄에이터 각각은 그 지지부재를 기준으로 비대칭인 음향 액츄에이터 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1음향 액츄에이터와 제2음향 액츄에이터가 서로 상이한 규격으로서,
    상기 제1음향 액츄에이터와 제2음향 액츄에이터 각각은 그 지지부재를 기준으로 대칭인 음향 액츄에이터 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1음향 액츄에이터와 제2음향 액츄에이터가 서로 상이한 규격으로서,
    상기 제1음향 액츄에이터는 그 지지부재를 기준으로 대칭이고, 상기 제2음향 액츄에이터는 그 지지부재를 기준으로 비대칭인 음향 액츄에이터 시스템.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제1음향 액츄에이터는 외팔보 형식으로 형성되고,
    상기 제2음향 액츄에이터는 양팔보 형식으로 형성되는
    음향 액츄에이터 시스템.
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