WO2021091243A1 - 마이크로폰 - Google Patents

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WO2021091243A1
WO2021091243A1 PCT/KR2020/015373 KR2020015373W WO2021091243A1 WO 2021091243 A1 WO2021091243 A1 WO 2021091243A1 KR 2020015373 W KR2020015373 W KR 2020015373W WO 2021091243 A1 WO2021091243 A1 WO 2021091243A1
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WO
WIPO (PCT)
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electrode
microphone
diaphragm
hinge
diaphragm portion
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/015373
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김병기
아쉬쿠르라하만
Original Assignee
한국기술교육대학교 산학협력단
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/02—Microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals

Definitions

  • the present invention relates to a microphone, and more particularly, a piezoelectric module formed on a vibration member along a longitudinal direction, and to a microphone capable of miniaturization at the same time having directivity.
  • the most important characteristics of a microphone are the ability to amplify the sound and measure the direction of the sound.
  • the present invention is an invention conceived to solve the problems of the prior art described above, and has an object to provide a microphone that is advantageous in miniaturization and so that it can have directionality when detecting sound.
  • the purpose is to provide a microphone that does not require a bias voltage and can be manufactured at low cost.
  • the microphone of the present invention for achieving the above object includes a case in which a recessed groove with an upper opening is formed inside, a diaphragm part that is located on the recessed groove and is formed to have elasticity and is displaced by sound waves, A vibrating member including a hinge portion protruding in the width direction of the diaphragm portion and connected to the circumference portion of the case and generating torsion due to a variable displacement of the diaphragm portion, formed on the diaphragm portion in parallel with the longitudinal direction of the diaphragm portion, A piezoelectric module generating a current by varying the displacement of the diaphragm unit, an external electrode unit provided on the periphery of the case, and formed to have a predetermined pattern on the piezoelectric module, and connected to the external electrode unit via the hinge unit. It includes an internal electrode portion including a first electrode and a second electrode.
  • the hinge portion may protrude in the width direction from the central portion of the diaphragm portion.
  • a plurality of piezoelectric modules may be formed to be symmetrical with respect to the position of the hinge part.
  • a plurality of the piezoelectric modules may be provided in a shape symmetrical in the width direction of the diaphragm part.
  • the external electrode unit may include a first external electrode electrically connected to the first electrode and a second external electrode electrically connected to the second electrode.
  • first electrode and the second electrode may be disposed in parallel and spaced apart from each other on the piezoelectric module.
  • the internal electrode portion may include a third electrode extending from the first electrode toward the second electrode by a predetermined length, and a fourth electrode extending from the second electrode toward the first electrode by a predetermined length.
  • the vibration member may have a first through hole vertically penetrating at least to divide the hinge portion into both sides.
  • second through-holes may be formed in the vibrating member to be inserted into the diaphragm portion by a predetermined length along both sides of the hinge portion and penetrated up and down.
  • the diaphragm portion may be formed in a rectangular shape, and the diaphragm portion may be formed in a circular shape.
  • the microphone of the present invention for solving the above problems has an advantage in that the piezoelectric module is formed on the vibrating member along the longitudinal direction, so that it can have directionality when detecting sound, and is advantageous in miniaturization.
  • the present invention is advantageous in that a bias voltage is not required by applying a piezoelectric module and can be manufactured at low cost.
  • the present invention has the advantage of having excellent physical strength and maximizing the life of the device because the area of the hinge portion can be formed wide.
  • FIG. 1 is a view showing the appearance of a microphone according to a first embodiment of the present invention
  • FIGS. 2 and 3 are views showing a detailed structure of a vibration member in the microphone according to the first embodiment of the present invention
  • FIGS. 4 to 6 are views showing a variable displacement form of a vibration member in the microphone according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a view showing the appearance of a microphone according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing a detailed structure of a vibration member in a microphone according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing the appearance of a microphone according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing a first through hole and a second through hole in the microphone according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing the appearance of a microphone 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • the microphone 100 includes a case 110 and vibration members 120 and 125.
  • the case 110 is formed with a recessed groove 112 having a predetermined depth with an upper opening on the inside thereof, and a circumferential portion is formed to have a shape surrounding the recessed groove 112.
  • the vibration members 120 and 125 are positioned on the recessed grooves, are formed to have elasticity, and the displacement of the diaphragm unit 120 is variable by sound waves generated from the outside, and the width of the diaphragm unit 120 It protrudes in the direction, is connected to the circumference of the case 110, and includes a hinge portion 125 to be twisted by the variable displacement of the diaphragm portion 120. Accordingly, after the displacement of the diaphragm unit 120 is variable, the diaphragm unit 120 may be restored to its original position by the elasticity of the hinge unit 125.
  • the vibration members 120 and 125 are formed in a thin plate shape and configured to vibrate by the generated sound waves, and thus serve as a medium for measuring the direction of the sound waves.
  • the vibration members 120 and 125 may be manufactured through a MEMS (Microelectro Mechanical Systems: MEMS) process, but are not limited thereto and may be manufactured in various ways.
  • MEMS Microelectro Mechanical Systems
  • the microphone 100 is formed on the diaphragm unit 120 in parallel with the longitudinal direction of the diaphragm unit 120, and generates a current by varying the displacement of the diaphragm unit 120. ), the external electrode part 140 provided on the periphery of the case, and the piezoelectric module 130 to have a predetermined pattern, and the external electrode part 140 through the hinge part 125. It may include an internal electrode portion including the first electrode C1 and the second electrode C2 connected to ).
  • the diaphragm unit 120 When the diaphragm unit 120 is displaced by a sound wave generated from the outside, the internal electrode unit and the external electrode unit 140 are deformed by the piezoelectric module 130. There is a change in capacitance between the two, and accordingly, a sound wave applied to the vibration members 120 and 125 can be measured.
  • each electrode formed on the internal electrode part and the external electrode part 140 may be formed of a conductor.
  • FIGS. 2 and 3 are diagrams showing detailed structures of the vibration members 120 and 125 in the microphone 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the diaphragm portion 120 is formed in a rectangular shape, and a pair of the hinge portions 125 are each in the width direction from the central portion of the diaphragm portion 120. It has a shape protruding to the opposite side of each other.
  • a plurality of piezoelectric modules 130 may be provided.
  • four piezoelectric modules 130 are provided, and two are symmetrical in the longitudinal direction of the diaphragm unit 120 by forming a pair based on the position of the hinge unit 125, respectively, and It has a shape that is symmetrical in the width direction.
  • the first electrode (C 1 ) and the second electrode (C 2 ) are provided in a state spaced parallel to each other on the piezoelectric module 130, and extend to the outside of the piezoelectric module 130 to the hinge part. It is connected to the external electrode unit 140 via 125.
  • the external electrode unit 140 includes a first external electrode 142 electrically connected to the first electrode C 1 and a first external electrode 142 electrically connected to the second electrode C 2 . It includes two external electrodes 144.
  • the internal electrode portion includes a third electrode (C 3 ) extending from the first electrode (C 1 ) toward the second electrode (C 2 ) by a predetermined length, and the first electrode from the second electrode (C 2 ). And a fourth electrode C 4 extending toward the electrode C 1 by a predetermined length.
  • the total length of the diaphragm unit 120 is L
  • the length of the hinge unit 125 is H L
  • a pair of wings excluding the width region of the hinge unit 125 in the diaphragm unit 120 The parts are defined as L 1 and L 2, respectively.
  • the width of the diaphragm portion 120 is defined as W
  • the width of the hinge portion 125 is defined as H w
  • the thickness of the hinge portion 125 is defined as H T (see FIG. 6 ).
  • the length of the first electrode C 1 and the second electrode C 2 positioned in one piezoelectric module 130 is defined as E 1
  • the width of each electrode is defined as E 2.
  • the distance between the first electrode C 1 and the second electrode C 2 is defined as E d
  • the distance between the third electrode C 3 and the fourth electrode C 4 is defined as e S
  • the width of the third electrode C 3 and the fourth electrode C 4 is defined as e W
  • the length of the third electrode C 3 and the fourth electrode C 4 is defined as e 1.
  • FIGS. 4 to 6 are views showing a variable displacement form of the vibration members 120 and 125 in the microphone 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • variable displacement form of the vibrating members 120 and 125 can be largely represented in two forms.
  • One is a state in which one wing portion of the diaphragm portion 120 is displaced upward and the other wing portion is shifted downward with the hinge portion 125 as a center as shown in FIG. 4, and a state in which torsion occurs in the hinge portion 125 ( Locking mode: Rocking Mode), and the other is a state in which both one wing portion and the other wing portion of the diaphragm unit 120 are displaced upward, as shown in FIG. 5, and the diaphragm unit 120 is bent. (Bending Mode: Bending Mode).
  • vibrations in the locking mode and the bending mode may be calculated by the following processes, respectively.
  • the twist angle ⁇ of the hinge unit 125 is calculated through the following equation.
  • T, L 1 , G, J are torque, length of one blade, shear modulus and torsional constant, respectively.
  • the mass moment of inertia I can be calculated as follows.
  • m is the mass of one wing part.
  • the angular frequency ⁇ r and the natural frequency f 1 of the locking mode can be calculated through the following equations, respectively.
  • K is the bending stiffness of the wing part.
  • the second moment of inertia with respect to the cross section of the hinge portion 125 may be obtained as follows.
  • T D represents the thickness of the diaphragm portion 120.
  • the natural frequency of the bending mode can be calculated through the following equation.
  • the piezoelectric module 130 since the piezoelectric module 130 is formed on the vibrating members 120 and 125 along the longitudinal direction, the piezoelectric module 130 may have directionality when detecting sound, and may have an advantage of being advantageous in miniaturization.
  • FIG. 7 is a view showing the appearance of the microphone 200 according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a view of the vibration members 220 and 250 in the microphone 200 according to the second embodiment of the present invention. It is a diagram showing a detailed structure.
  • the microphone 200 of the second embodiment of the present invention shown in FIGS. 7 and 8 also includes a case 210 and vibration members 220 and 225 as in the first embodiment described above.
  • the external electrode part 240 including the depression 212, the diaphragm part 220, the hinge part 225, the piezoelectric module 130, the first external electrode 242 and the second external electrode 244,
  • the first electrode C1, the second electrode C2, the third electrode C3, and the fourth electrode C4 are all the same. Therefore, descriptions of redundant components will be omitted.
  • the present embodiment differs from the first embodiment in that the diaphragm unit 220 has a circular shape.
  • the diaphragm unit 220 of this type can greatly reduce its own weight, and accordingly, can improve the durability of the device by reducing the load applied to the hinge unit 225.
  • the shape of the vibration members 220 and 250 may be variously modified.
  • Figure 10 is a microphone 300 according to the third embodiment of the present invention, a first through hole 350 and It is a view showing the state of the second through hole 360.
  • the microphone 300 according to the third embodiment of the present invention shown in FIGS. 9 and 10 also includes a case 310 and vibration members 320 and 325 as in the above-described embodiments.
  • an external electrode portion 340 including a depression 312, a diaphragm portion 320, a hinge portion 325, a piezoelectric module 330, a first external electrode 342 and a second external electrode 344,
  • the first electrode C1, the second electrode C2, the third electrode C3, and the fourth electrode C4 are all the same. Therefore, descriptions of redundant components will be omitted.
  • the diaphragm portion 320 is formed in a circular shape as in the second embodiment, but the piezoelectric module 330 has a characteristic that the piezoelectric module 330 is disposed in the outer periphery away from the central portion in the width direction of the diaphragm portion 320.
  • the vibrating members 320 and 325 in this embodiment at least a first through hole 350 penetrated up and down so as to divide the hinge part 325 into both sides, and along both sides of the hinge part 325, the The second through-hole 360 is inserted into the diaphragm 320 by a predetermined length and penetrated upward and downward.
  • the first through hole 350 has a slit portion 352 formed elongated over a portion of the hinge portion 325 and the diaphragm portion 320, and the end of the slit portion 352 It includes a torsion relief portion 354 formed by a predetermined length on both sides of the diaphragm portion 320 in the longitudinal direction.
  • the slit portion 352 of the first through hole 350 can increase the rigidity of the hinge portion 325 itself by dividing the hinge portion 325 to have a double structure, and the second through hole By extending the actual length of the hinge part 325 to the inside of the diaphragm part 320, the distortion 360 may be prevented from occurring over a wide range, thereby preventing local damage.
  • the torsion relief unit 354 is capable of alleviating resistance due to torsion of the hinge unit 325.
  • the mechanical strength of the vibration members 320 and 325 may be increased, and the life of the device may be improved.

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  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 마이크로폰은, 내측에 상부가 개구된 함몰홈이 형성된 케이스, 상기 함몰홈 상에 위치되며, 탄성을 가지도록 형성되어 음파에 의해 변위가 가변되는 다이어프램부와, 상기 다이어프램부의 폭 방향으로 돌출되어 상기 케이스의 둘레부에 연결되고, 상기 다이어프램부의 변위 가변에 의해 비틀림이 발생하는 힌지부를 포함하는 진동부재, 상기 다이어프램부 상에 상기 다이어프램부의 길이 방향과 나란히 형성되며, 상기 다이어프램부의 변위 가변에 의해 전류를 발생시키는 압전모듈, 상기 케이스의 둘레부에 구비되는 외부전극부 및 상기 압전모듈 상에 소정 패턴을 가지도록 형성되며, 상기 힌지부를 경유하여 상기 외부전극부로 연결되는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 내부전극부를 포함한다.

Description

마이크로폰
본 발명은 마이크로폰에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진동부재 상에 압전모듈이 길이 방향을 따라 형성되어, 지향성을 가지는 동시에 소형화가 가능한 마이크로폰에 관한 것이다.
마이크로폰(Microphone)의 가장 중요한 특징은 소리를 증폭시켜 주는 기능과 소리의 방향성을 측정하는 기능이다.
이와 같이 소리를 증폭시켜 주는 기능에 대해서는 이전부터 많은 연구가 진행되고 있어 큰 문제가 없으나, 소리의 방향성을 측정하는 기능에 대해서 살펴보면, 종래의 기술로는 소리 방향 감지 기능이 없는 두 개의 독립적인 마이크로폰을 일정 거리만큼 이격시켜 음파가 오는 방향에 따른 음압의 차이 및 음파의 위상차를 측정하여 소리의 방향성을 측정하는 방법이 사용되고 있다.
다만, 이와 같은 종래의 기술은 두 개의 마이크로폰 사이의 거리가 매우 근접하게 될 경우, 각 마이크로폰에서 발생하는 신호가 매우 유사하게 되어 소리의 방향성을 찾는 것이 거의 불가능하다는 문제가 있다.
특히, 저주파 소리의 경우 파장이 길어 음파 위상의 구별이 더욱 어려우며, 이러한 이유로 방향성의 기능을 가지는 마이크로폰을 소형화시키는 것은 한계가 있다.
또한 현재까지 개발된 대부분의 마이크로폰은 정전기를 사용하여 소리를 검출하는 형태를 가지고 있으나, 이는 높은 바이어스 전압이 요구될 뿐 아니라, 바이어스의 상대 진동으로 인한 노이즈 플로어 가속화가 유발되는 문제가 있다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 소리를 검출 시 방향성을 가질 수 있도록 하며, 소형화에 유리한 마이크로폰을 제공하기 위한 목적을 가진다.
바이어스 전압이 요구되지 않으며, 저가의 비용으로 제작이 가능한 마이크로폰을 제공하기 위한 목적을 가진다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로폰은, 내측에 상부가 개구된 함몰홈이 형성된 케이스, 상기 함몰홈 상에 위치되며, 탄성을 가지도록 형성되어 음파에 의해 변위가 가변되는 다이어프램부와, 상기 다이어프램부의 폭 방향으로 돌출되어 상기 케이스의 둘레부에 연결되고, 상기 다이어프램부의 변위 가변에 의해 비틀림이 발생하는 힌지부를 포함하는 진동부재, 상기 다이어프램부 상에 상기 다이어프램부의 길이 방향과 나란히 형성되며, 상기 다이어프램부의 변위 가변에 의해 전류를 발생시키는 압전모듈, 상기 케이스의 둘레부에 구비되는 외부전극부 및 상기 압전모듈 상에 소정 패턴을 가지도록 형성되며, 상기 힌지부를 경유하여 상기 외부전극부로 연결되는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 내부전극부를 포함한다.
이때 상기 힌지부는 상기 다이어프램부의 중앙부에서 폭 방향으로 돌출될 수 있다.
그리고 상기 압전모듈은 복수 개가 상기 힌지부의 위치를 기준으로 하여 대칭되는 형태로 형성될 수 있다.
또한 상기 압전모듈은 복수 개가 상기 다이어프램부의 폭 방향으로 대칭되는 형태로 구비될 수 있다.
그리고 상기 외부전극부는, 상기 제1전극과 전기적으로 연결되는 제1외부전극 및 상기 제2전극과 전기적으로 연결되는 제2외부전극을 포함할 수 있다.
한편 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 상기 압전모듈 상에서 서로 나란하게 이격된 상태로 구비될 수 있다.
또한 상기 내부전극부는, 상기 제1전극으로부터 상기 제2전극 측으로 소정 길이만큼 연장되는 제3전극 및 상기 제2전극으로부터 상기 제1전극 측으로 소정 길이만큼 연장되는 제4전극을 포함할 수 있다.
더불어 상기 진동부재에는 적어도 상기 힌지부를 양측으로 분할하도록 상하 관통된 제1관통홀이 형성될 수 있다.
그리고 상기 진동부재에는 상기 힌지부의 양측을 따라 상기 다이어프램부의 내측으로 소정 길이만큼 인입되며, 상하 관통된 제2관통홀이 형성될 수 있다.
한편 상기 다이어프램부는 직사각형 형태로 형성될 수도 있으며, 상기 다이어프램부는 원형으로 형성될 수도 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 마이크로폰은, 진동부재 상에 압전모듈이 길이 방향을 따라 형성됨에 따라 소리를 검출 시 방향성을 가질 수 있으며, 소형화에 유리하다는 장점이 있다.
또한 본 발명은 압전모듈을 적용하여 바이어스 전압이 요구되지 않으며, 저가의 비용으로 제작이 가능하다는 장점이 있다.
그리고 본 발명은 힌지부의 면적을 넓게 형성할 수 있어 물리적 강도가 우수하고, 장치의 수명을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로폰의 모습을 나타낸 도면;
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로폰에 있어서, 진동부재의 세부 구조를 나타낸 도면;
도 4 내지 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로폰에 있어서, 진동부재의 변위 가변 형태를 나타낸 도면;
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로폰의 모습을 나타낸 도면;
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로폰에 있어서, 진동부재의 세부 구조를 나타낸 도면;
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 마이크로폰의 모습을 나타낸 도면; 및
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 마이크로폰에 있어서, 제1관통홀 및 제2관통홀의 모습을 나타낸 도면이다.
<도면 번호>
100: 마이크로폰
110: 케이스
112: 함몰홈
120: 다이어프램부
125: 힌지부
130: 압전모듈
140: 외부전극부
142: 제1외부전극
144: 제2외부전극
C1: 제1전극
C2: 제2전극
C3: 제3전극
C4: 제4전극
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로폰(100)의 모습을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로폰(100)은 케이스(110)와, 진동부재(120, 125)를 포함한다.
상기 케이스(110)는 내측에 상부가 개구된 소정 깊이의 함몰홈(112)이 형성되며, 둘레부가 상기 함몰홈(112)을 감싸는 형태를 가지도록 형성된다.
그리고 상기 진동부재(120, 125)는 상기 함몰홈 상에 위치되며, 탄성을 가지도록 형성되어 외부에서 발생하는 음파에 의해 변위가 가변되는 다이어프램부(120)와, 상기 다이어프램부(120)의 폭 방향으로 돌출되어 상기 케이스(110)의 둘레부에 연결되고, 상기 다이어프램부(120)의 변위 가변에 의해 비틀림이 발생하는 힌지부(125)를 포함한다. 따라서 상기 다이어프램부(120)에 변위 가변이 발생할 이후에는, 상기 힌지부(125)의 탄성에 의해 상기 다이어프램부(120)가 최초의 위치로 복원될 수 있다.
본 실시예에서 상기 진동부재(120, 125)는 얇은 플레이트 형태로 형성되어 발생된 음파에 의해 진동을 하도록 구성되며, 이에 따라 음파의 방향을 측정하도록 하는 매개체 역할을 한다. 그리고 이와 같은 진동부재(120, 125)는 MEMS(Microelectro Mechanical Systems: MEMS)공정을 통해 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 다양한 방식으로 제조될 수 있다.
그리고 본 실시예의 마이크로폰(100)은 상기 다이어프램부(120) 상에 상기 다이어프램부(120)의 길이 방향과 나란히 형성되며, 상기 다이어프램부(120)의 변위 가변에 의해 전류를 발생시키는 압전모듈(130)과, 상기 케이스의 둘레부에 구비되는 외부전극부(140)와, 상기 압전모듈(130) 상에 소정 패턴을 가지도록 형성되며, 상기 힌지부(125)를 경유하여 상기 외부전극부(140)로 연결되는 제1전극(C1) 및 제2전극(C2)을 포함하는 내부전극부를 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 마이크로폰(100)은 외부에서 발생한 음파에 의해 상기 다이어프램부(120)가 변위 가변될 경우, 상기 압전모듈(130)의 변형에 의해 상기 내부전극부 및 상기 외부전극부(140) 사이에서 정전 용량의 변화가 발생하게 되며, 이에 따라 상기 진동부재(120, 125)에 가해지는 음파를 측정할 수 있게 된다.
이때 상기 내부전극부 및 상기 외부전극부(140)에 형성되는 각 전극은 도체로 구성될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로폰(100)에 있어서, 진동부재(120, 125)의 세부 구조를 나타낸 도면이다.
보다 구체적으로 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에서 상기 다이어프램부(120)는 직사각형 형태로 형성되며, 상기 힌지부(125)는 한 쌍이 각각 상기 다이어프램부(120)의 중앙부에서 폭 방향으로 서로 반대 측으로 돌출된 형태를 가진다.
그리고 상기 압전모듈(130)은 복수 개가 구비될 수 있다. 특히 본 실시예의 경우 상기 압전모듈(130)은 4개가 구비되며, 각각 상기 힌지부(125)의 위치를 기준으로 2개가 하나의 짝을 이루어 상기 다이어프램부(120)의 길이 방향으로 대칭되고, 또한 폭 방향으로 대칭되는 형태를 가진다.
이때 상기 제1전극(C1) 및 상기 제2전극(C2)은 상기 압전모듈(130) 상에서 서로 나란하게 이격된 상태로 구비되며, 상기 압전모듈(130)의 외측으로 연장되어 상기 힌지부(125)를 경유하여 상기 외부전극부(140)에 연결된다.
그리고 본 실시예에서 상기 외부전극부(140)는, 상기 제1전극(C1)과 전기적으로 연결되는 제1외부전극(142)과, 상기 제2전극(C2)과 전기적으로 연결되는 제2외부전극(144)을 포함한다.
또한 상기 내부전극부는, 상기 제1전극(C1)으로부터 상기 제2전극(C2) 측으로 소정 길이만큼 연장되는 제3전극(C3)과, 상기 제2전극(C2)으로부터 상기 제1전극(C1) 측으로 소정 길이만큼 연장되는 제4전극(C4)을 포함한다.
여기서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 각 부분에 대한 세부 규격을 정의하도록 한다.
먼저, 도 2와 같이 다이어프램부(120)의 전체 길이를 L, 힌지부(125)의 길이를 HL이라 하고, 다이어프램부(120)에서 힌지부(125)의 폭 영역을 제외한 한 쌍의 날개 부분을 각각 L1, L2로 정의한다. 또한 다이어프램부(120)의 폭은 W로, 힌지부(125)의 폭은 Hw으로 정의하고, 힌지부(125)의 두께는 HT로 정의한다(도 6 참조).
그리고 도 3과 같이, 하나의 압전모듈(130) 내에 위치되는 제1전극(C1) 및 제2전극(C2)의 길이를 E1으로 정의하며, 각 전극의 폭은 E2로 정의한다. 여기서 제1전극(C1) 및 제2전극(C2) 사이의 거리를 Ed로, 제3전극(C3) 및 제4전극(C4) 사이의 거리를 eS라 정의한다. 또한 제3전극(C3) 및 제4전극(C4)의 폭을 eW로, 제3전극(C3) 및 제4전극(C4)의 길이를 e1으로 정의한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로폰(100)에 있어서, 진동부재(120, 125)의 변위 가변 형태를 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 진동부재(120, 125)의 변위 가변 형태는 크게 두 가지 형태로 나타낼 수 있다.
하나는 도 4와 같이 힌지부(125)를 중심으로 다이어프램부(120)의 일측 날개 부분이 상측으로, 타측 날개 부분이 하측으로 변위 가변된 상태로서, 힌지부(125)에 비틀림이 발생한 상태(록킹 모드: Rocking Mode)이며, 다른 하나는 도 5와 같이 다이어프램부(120)의 일측 날개 부분 및 타측 날개 부분이 모두 상측으로 변위 가변된 상태로서, 상기 다이어프램부(120)에 굽힘이 발생된 상태(벤딩 모드: Bending Mode)이다.
그리고 도 6을 참조하여, 록킹모드 및 벤딩모드의 진동은 각각 다음과 같은 과정에 의해 산출될 수 있다.
먼저 록킹모드의 경우, 힌지부(125)의 비틀림 각도 θ는 이하의 수식을 통해 계산된다.
Figure PCTKR2020015373-appb-I000001
여기서 T, L1, G, J는 각각 토크, 한 날개의 길이, 전단 탄성 계수 및 비틀림 상수이다. 그리고 토크는 비틀림 강성 K와 힌지부(125)의 비틀림 각도의 곱인 T=Kθ으로 정의될 수 있으며, 따라서 상기의 식을 재작성하면 다음과 같이 표현된다.
Figure PCTKR2020015373-appb-I000002
그리고 토션 상수인 J는 J=βHLHT로 정의될 수 있으며, 여기서 β, HL, HT는 크기가 없는 비율이다. 이는 진동부재(120, 125)의 디자인에 따라 달라질 수 있을 것이다.
이때 본 실시예와 같은 형태의 경우, 질량 관성 모멘트 I는 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2020015373-appb-I000003
여기서 m은 한 날개 부분의 질량이다.
따라서 본 실시예에서 록킹모드의 각주파수 ωr 및 고유주파수 f1은 각각 다음과 같은 수식을 통해 산출될 수 있다.
Figure PCTKR2020015373-appb-I000004
Figure PCTKR2020015373-appb-I000005
다음으로 벤딩모드의 경우, 주어진 힘 F에 대한 날개 부분의 변위 δ는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020015373-appb-I000006
여기서 E 및 Iy는 세로 탄성 계수, y축을 따른 두 번째 관성 모멘트이다. 그리고 δ=F/K일 경우, 상기의 수식은 아래와 같이 재작성될 수 있다.
Figure PCTKR2020015373-appb-I000007
K는 날개 부분의 굽힘 강성이다.
그리고 힌지부(125)의 단면에 대한 두 번째 관성 모멘트는 다음과 같이 구해질 수 있다.
Figure PCTKR2020015373-appb-I000008
여기서 TD는 다이어프램부(120)의 두께를 나타낸다.
결과적으로 상기의 수식들을 단순화하여, 벤딩 모드의 고유주파수는 다음과 같은 수식을 통해 산출될 수 있다.
Figure PCTKR2020015373-appb-I000009
이상과 같이, 본 발명은 진동부재(120, 125) 상에 압전모듈(130)이 길이 방향을 따라 형성됨에 따라 소리를 검출 시 방향성을 가질 수 있으며, 소형화에 유리하다는 장점을 가질 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 실시예들에 대해 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로폰(200)의 모습을 나타낸 도면이며, 도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로폰(200)에 있어서, 진동부재(220, 250)의 세부 구조를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8에 도시된 본 발명의 제2실시예의 마이크로폰(200) 역시, 전술한 제1실시예와 같이 케이스(210)와, 진동부재(220, 225)를 포함한다.
그리고 함몰홈(212), 다이어프램부(220), 힌지부(225), 압전모듈(130), 제1외부전극(242) 및 제2외부전극(244)을 포함하는 외부전극부(240), 제1전극(C1), 제2전극(C2), 제3전극(C3) 및 제4전극(C4)이 모두 동일하게 구비된다. 따라서 중복되는 구성요소들에 대한 설명은 생략하도록 한다.
다만, 본 실시예의 경우 다이어프램부(220)의 형태가 원형으로 형성된다는 점이 전술한 제1실시예와 다른 점이다. 이와 같은 형태의 다이어프램부(220)는 자체의 중량을 크게 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 힌지부(225)에 인가되는 하중을 경감시킴으로써 장치의 내구도를 향상시킬 수 있다.
이와 같이 진동부재(220, 250)의 형태는 다양하게 변형될 수 있을 것이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 마이크로폰(300)의 모습을 나타낸 도면이며, 도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 마이크로폰(300)에 있어서, 제1관통홀(350) 및 제2관통홀(360)의 모습을 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10에 도시된 본 발명의 제3실시예의 마이크로폰(300) 역시, 전술한 실시예들과 같이 케이스(310)와, 진동부재(320, 325)를 포함한다.
그리고 함몰홈(312), 다이어프램부(320), 힌지부(325), 압전모듈(330), 제1외부전극(342) 및 제2외부전극(344)을 포함하는 외부전극부(340), 제1전극(C1), 제2전극(C2), 제3전극(C3) 및 제4전극(C4)이 모두 동일하게 구비된다. 따라서 중복되는 구성요소들에 대한 설명은 생략하도록 한다.
또한 본 실시예의 경우 제2실시예와 같이 다이어프램부(320)의 형태가 원형으로 형성되나, 압전모듈(330)은 다이어프램부(320)의 폭 방향 중앙부에서 멀어져 외곽부에 배치되는 특징을 가진다.
한편 본 실시예에서 상기 진동부재(320, 325)에는, 적어도 상기 힌지부(325)를 양측으로 분할하도록 상하 관통된 제1관통홀(350)과, 상기 힌지부(325)의 양측을 따라 상기 다이어프램부(320)의 내측으로 소정 길이만큼 인입되며, 상하 관통된 제2관통홀(360)이 형성된다.
보다 구체적으로 본 실시예의 경우 상기 제1관통홀(350)은 상기 힌지부(325) 및 다이어프램부(320)의 일부에 걸쳐 길게 형성된 슬릿부(352) 및 상기 슬릿부(352)의 끝단에서 상기 다이어프램부(320)의 길이 방향 양측으로 소정 길이만큼 형성된 비틀림완화부(354)를 포함한다.
이와 같은 제1관통홀(350)의 슬릿부(352)는 상기 힌지부(325)를 분할하여 이중 구조를 가지도록 함으로써 힌지부(325) 자체의 강성을 증가시킬 수 있으며, 상기 제2관통홀(360)은 힌지부(325)의 실질적인 길이를 상기 다이어프램부(320) 내측까지 연장시킴에 따라 비틀림이 넓은 범위에 걸쳐 발생하도록 하여 국부적인 파손을 방지할 수 있다.
또한 상기 비틀림완화부(354)는 힌지부(325)의 비틀림에 의한 저항을 완화시킬 수 있도록 한다.
이와 같이, 본 실시예는 제1관통홀(350) 및 제2관통홀(360)을 형성함에 따라 진동부재(320, 325)의 기계적 강도를 증가시키고, 장치의 수명을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.
그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

Claims (11)

  1. 내측에 상부가 개구된 함몰홈이 형성된 케이스;
    상기 함몰홈 상에 위치되며, 탄성을 가지도록 형성되어 음파에 의해 변위가 가변되는 다이어프램부와, 상기 다이어프램부의 폭 방향으로 돌출되어 상기 케이스의 둘레부에 연결되고, 상기 다이어프램부의 변위 가변에 의해 비틀림이 발생하는 힌지부를 포함하는 진동부재;
    상기 다이어프램부 상에 상기 다이어프램부의 길이 방향과 나란히 형성되며, 상기 다이어프램부의 변위 가변에 의해 전류를 발생시키는 압전모듈;
    상기 케이스의 둘레부에 구비되는 외부전극부; 및
    상기 압전모듈 상에 소정 패턴을 가지도록 형성되며, 상기 힌지부를 경유하여 상기 외부전극부로 연결되는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 내부전극부;
    를 포함하는 마이크로폰.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 힌지부는 상기 다이어프램부의 중앙부에서 폭 방향으로 돌출되는 마이크로폰.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전모듈은 복수 개가 상기 힌지부의 위치를 기준으로 하여 대칭되는 형태로 형성된 마이크로폰.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전모듈은 복수 개가 상기 다이어프램부의 폭 방향으로 대칭되는 형태로 구비되는 마이크로폰.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 외부전극부는,
    상기 제1전극과 전기적으로 연결되는 제1외부전극; 및
    상기 제2전극과 전기적으로 연결되는 제2외부전극;
    을 포함하는 마이크로폰.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극은 상기 압전모듈 상에서 서로 나란하게 이격된 상태로 구비되는 마이크로폰.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 내부전극부는,
    상기 제1전극으로부터 상기 제2전극 측으로 소정 길이만큼 연장되는 제3전극; 및
    상기 제2전극으로부터 상기 제1전극 측으로 소정 길이만큼 연장되는 제4전극;
    을 포함하는 마이크로폰.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 진동부재에는 적어도 상기 힌지부를 양측으로 분할하도록 상하 관통된 제1관통홀이 형성된 마이크로폰.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 진동부재에는 상기 힌지부의 양측을 따라 상기 다이어프램부의 내측으로 소정 길이만큼 인입되며, 상하 관통된 제2관통홀이 형성된 마이크로폰.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다이어프램부는 직사각형 형태로 형성되는 마이크로폰.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 다이어프램부는 원형으로 형성되는 마이크로폰.
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