KR101176827B1 - 오디오 장치 - Google Patents

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KR101176827B1
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니콜라스 패트릭 롤란드 힐
로빈 크리스토퍼 크로스
티모시 크리스토퍼 휘트웰
데르 린데 요한 프랑크 반
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Abstract

압전 변환기(44)와, 상기 변환기를 사용자의 귓바퀴(32)에 결합하기 위한 결합수단(54)을 포함하여, 변환기(44)로부터 사용자의 내이로 음향 신호가 전달되도록 변환기가 귓바퀴 내에서 진동을 일으키는 오디오 장치로서, 사이 변환기는 비교적 부드러운 재료의 케이싱(42)에 끼워 넣어지고, 상기 케이싱(42)은 비교적 단단한 재료의 하우징(34)에 탑재되어, 상기 케이싱(42)과 하우징(34) 사이에 공동(48)이 규정되는 것을 특징으로 한다. 압전 변환기를 사용자의 귓바퀴에 기계적으로 결합하고, 상기 변환기를 구동하여, 상기 변환기로부터 사용자의 내이로 음향신호를 전달하기 위해, 상기 변환기가 상기 귓바퀴 내에서 진동을 일으키도록 하는 오디오 장치의 설계방법으로서, 비교적 부드러운 재료의 케이싱 내에 사기 변환기를 끼워 넣고, 비교적 단단한 재료의 보호 하우징에 상기 케이싱을 탑재하여 상기 케이싱과 하우징 사이에 공동이 규정되는 것을 특징으로 한다.

Description

오디오 장치{AUDIO APPARATUS}
본 발명은 오디오 장치에 관한 것이며, 더 상세하게는 개인적인 용도를 위한 오디오 장치에 관한 것이다.
사용자의 귓구멍 내부로 삽입될 수 있는 이어폰, 혹은 헤드밴드 상에 탑재된 작은 스피커를 포함하고 사용자의 귀를 향하여 또는 귀의 위에 설치될 수 있는 헤드폰을 제공하는 것이 알려져 있다. 음원(sound source)은 귀의 관(canal)을 따라 통과하는 공기압 파를 이용하여 고막(ear drum)을 거쳐 사용자의 내이(inner ear; 內耳)로 소리를 전달한다.
종래의 전형적인 이어폰은 플라스틱 하우징에 탑재된 가동 코일 타입의 변환기(transducer)를 사용하였다. 상기 가동 코일은 귀의 관의 입구에 맞도록 설계된 가벼운 진동판(diaphragm)에 연결된다. 상기 가동 코일과 진동판은 가볍고, 귀의 관의 다른 단부의 고막에 밀접하게 결합된다. 가동 코일 변환기에서 보여지는 고막 및 귀의 관의 음향 임피던스(impedance)는 비교적 작다. 이러한 밀접한 결합과 관련한 작은 임피던스는 가동 코일 변환기의 이동 요건이 비교적 낮다는 것을 의미한다.
가동 코일 변환기는 코일이 이동하도록 자계선을 발생시키기 위하여 금속 부분, 예컨대 강철 또는 철 자극편(pole piece)을 일반적으로 포함하는 자기 회로를 필요로 한다. 이러한 부분이 낮은 이동 요건과 결합되는 비교적 큰 관성 질량을 제공한다는 것은, 비교적 적은 진동이 하우징으로 들어간다는 것을 의미한다.
헤드폰 및 이어폰 모두와 관련된 단점들이 있다. 예를 들면, 대화와 같은 보통의 청각 작용을 방해할 수 있고, 또는 사용자가 유용하거나 중요한 외부 음향 정보, 예컨대 경보를 듣는 것을 방해할 수 있다. 게다가, 이들은 일반적으로 불편하고, 전달되는 음량이 너무 높으면, 청각의 과부하(overload) 및 손상을 야기할 수 있다.
사용자의 내이로 소리를 공급하는 다른 방법은, 예컨대 몇 가지 타입의 보청기에서와 같이 골 전도(bone conduction)를 사용하는 것이다. 이 경우에, 변환기는 사용자의 유양돌기(mastoid) 뼈에 고정되어 사용자의 두개골(skull)에 기계적으로 결합된다. 그 다음, 소리는 변환기로부터 두개골을 통과하여 달팽이관(cochlea) 또는 내이로 직접 전달된다. 상기 고막은 이 소리 전달 루트에 관여하지 않는다. 변환기를 귀 뒤에 위치시키는 것은 좋은 기계적 결합을 제공한다.
하나의 단점은, 변환기의 위치에서 두개골의 기계적 임피던스가 주파수(frequency)의 복소 함수라는 점이다. 따라서 변환기의 설계 및 필요한 전기적 균등화(equalization)는 가격이 비싸고 어려울 수 있다.
다른 해결책들이 JP56-089200(마쯔시타 전기 주식회사), WO01-87007(템코 재팬 주식회사) 및 본 출원인의 WO02/30151에서 제안되고 있다. 상기 각 간행물에서 변환기는 사용자의 귓바퀴(pinna)에, 특히 사용자의 귀볼(earlobe)뒤에 직접 결합되고, 그것에서 진동을 일으킴으로써 음향 신호가 사용자의 내이로 전달된다.
WO02/30151에 개시된 바와 같이, 변환기는 압전형(piezoelectric)일 수 있다. 종래의 이어폰에서 가동 코일 타입 변환기와 같이, 압전 변환기는 기계적 손상으로부터 보호를 요한다. 게다가, 압전 변환기는 귓바퀴에 기계적으로 결합되어야 하고, 이 결합은 보호되어야 한다. 따라서 변환기는 보호 하우징에 탑재될 수 있다.
상기 압전 변환기는 고막과 밀접한 결합을 하지 않고, 귓바퀴의 비교적 높은 임피던스를 통하여 구동한다. 게다가, 소리는 음향의 결합보다는 기계적 결합을 통하여 고막으로 전달된다. 따라서 종래의 이어폰과 같이 고막에서 동일한 레벨을 유지하기 위해 비교적 높은 레벨의 진동 에너지가 필요하다.
가동 코일 타입 변환기와는 달리, 압전 변환기는 진동이 관련될 수 있는 높은 관성 질량을 구비하지 않는다. 따라서, 하우징이 진동하여 불필요한 외부 소리 방사를 발생시킬 수 있다. 이러한 소리 방사의 누출은 가까운 청취자를 불쾌하게 할 수 있고, 착용자의 프라이버시를 감소시킬 수 있으며, 오디오 장치의 성능에 불리하다. 따라서 본 발명의 목적은 개선된 하우징의 설계를 제공하는 것이다.
본 발명의 첫 번째 면에 따르면, 음향 신호가 변환기로부터 사용자의 내이로 전달되도록 하기 위해 변환기가 귓바퀴의 진동을 일으킴에 의하여, 압전 변환기와, 상기 변환기를 사용자의 귓바퀴에 결합하기 위한 결합수단을 포함하는 오디오 장치가 제공되고, 상기 변환기는 비교적 부드러운 재료(soft material)의 케이싱(casing) 내에 끼워 넣어지고(embedded), 상기 케이싱은 비교적 단단한 재료(hard material)의 하우징에 탑재되어, 상기 케이싱과 하우징 사이에 공동(cavity)이 규정되는 것을 특징으로 한다.
상기 귓바퀴는 사용자의 외이(outer ear; 外耳) 전체이다. 상기 변환기는 사용자의 외이(concha)에 인접한 사용자의 귓바퀴의 뒷면에 결합될 수 있다.
상기 케이싱 및 하우징은 변환기를 보호하는 두 부분의 구조를 함께 형성한다. 상기 두 부분 구조의 사용은, 불필요한 방사를 최소로 생성하고, 양호한 감도로 충분히 보호되는 변환기를 구비하는 장치를 제작하기 위하여 보다 큰 설계의 탄력성(flexibility)을 제공한다. 반대로, 한 부분의 하우징에 압전 변환기를 탑재하는 것은 보다 덜 탄력적이다. 만일 비교적 단단한 재료가 사용되면, 이것은 장치의 감도 및 대역폭(band width)에 불리하게 영향을 미칠 수 있고, 불필요한 방사를 야기할 수 있다. 그러나, 비교적 부드러운 재료가 사용되면, 상기 장치는 충분히 튼튼하지 않을 수 있다.
상기 케이싱은 몰딩으로 형성될 수 있다. 비교적 부드러운 재료는 10 내지 100, 가능하면 20 내지 80 범위의 쇼어 경도(shore hardness)를 가질 수 있고, 예를 들면 고무, 실리콘 또는 폴리우레탄일 수 있다. 상기 재료는 비전도성(non-conducting), 알레르기를 일으키지 않고(non-allergenic) 및/또는 방수성일 수 있다. 상기 재료는 바람직하게는 변환기의 성능에 최소한의 영향을 미칠 수 있는데, 즉, 변환기의 이동을 구속하지 않고, 예를 들면 작은 쇼크와 환경, 특히 수분으로부터 어느 정도의 보호를 제공할 수 있다.
상기 하우징은 바람직하게는, 특히 취급(handling)시, 변환기에 별도의 보호를 제공하기 위하여 단단한 재료이다. 비교적 단단한 재료는 영의 계수(Young's modulus)가 1GPa 이상일 수 있고, 예를 들면 금속(예컨대 영의 계수가 각각 70 GPa 와 207 GPa인 알루미늄 혹은 강철), 단단한 플라스틱(예컨대 영의 계수가 20 GPa인 방풍유리(perspex), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 혹은 유리 강화 플라스틱) 또는 영의 계수가 1 GPa인 부드러운 플라스틱일 수 있다.
상기 케이싱과 하우징 모두, 예컨대 두 단계 몰딩 공정에서, 몰딩으로 형성될 수 있다. 선택적으로, 상기 하우징은 주조(cast) 또는 타출(stamp)로 될 수 있다. 상기 케이싱은 제조를 용이하게 하기 위하여 하우징에 스냅 피트(snap-fit)될 수 있다.
상기 케이싱과 하우징의 결합은 변환기로부터 하우징으로의 진동의 전달을 감소시키기 위하여 최소로 하는 것이 바람직하다. 하우징은 감소된 진동을 가지는 케이싱 상의 위치에서 상기 케이싱에 결합될 수 있다. 상기 위치는 예컨대 질량을 탑재하는 것에 의해 진동이 억제되는 변환기의 영역에 접촉할 수 있다. 상기 위치는 케이싱의 양쪽 단부에 있을 수 있다.
상기 공동은 케이싱과 하우징 사이의 최소의 결합을 확보할 수 있다. 공동은 장치로부터의 불필요한 방사를 감소시킬 수 있는 변환기로부터 후방 방사(rear radiation)를 감소시키도록 설계될 수 있다. 상기 공동은 변환기의 출력 임피던스보다 낮은, 더 바람직하게는 귓바퀴의 임피던스(Zpinna)보다 낮은 기계적 임피던스(Zcavity)를 가질 수 있다. 이와 같이 공동의 기계적 임피던스는 사용가능한 힘을 제한하지 않도록 바람직하게 설계된다. 따라서 변환기의 이동 및 사용가능한 힘은 공동에 의해서 현저하게 영향을 받지 않는다. 따라서 공동은 장치의 감도에 해로운 영향을 미치지 않는다. 상기 공동 임피던스가 귓바퀴 임피던스보다 적은 경우에는, 모든 사용가능한 힘은 귓바퀴로 전달될 수 있고, 공동은 장치의 작동에 최소의 영향을 미치게 된다. 이 때, 공동의 영향은 요구되는 기능인 기계적 보호 및 불필요한 외부 음향 방사의 감소에 제한된다.
상기 변환기의 기계적 성질, 특히 기계적 임피던스는, 전형적인 귓바퀴의 성질들과 조화(match)하도록 선택될 수 있다. 상기 기계적 성질, 특히 기계적 임피던스를 조화시킴으로써, 특히 기계적 임피던스에서, 향상된 효율과 대역폭이 이루어질 수 있다. 선택적으로, 상기 기계적 성질은 용도에 적합하게 선택될 수 있다. 예를 들면, 조화된 변환기가 너무 얇아서 튼튼하지 못하면, 상기 변환기의 기계적 임피던스는 보다 큰 내구성을 제공하도록 증가할 수 있다. 이러한 변환기는 효율을 감소시킬 수는 있으나, 여전히 사용가능할 것이다.
변환기의 기계적 성질은, 예를 들면 정적인 경우와 음향 신호의 존재의 양쪽에서의 사용자의 신체적 편의는 물론 각 사용자 개인에 의해 결정되는 평활도(smoothness), 대역폭 및/또는 주파수 응답의 레벨로부터 선택된 하나 이상의 요소를 고려함으로써, 변환기와 귓바퀴 사이의 접촉력을 최적화하도록 조화시킬 수 있다. 변환기의 기계적 성질은 변환기의 주파수 범위를 최적화하기 위하여(optimise) 선택될 수 있다.
상기 기계적 성질은 탑재하는 위치, 추가된 질량, 압전층의 개수를 포함할 수 있다. 상기 변환기는 중심을 벗어나(off center) 탑재할 수 있어 귓바퀴에 충분한 접촉을 제공하기 위하여 토션(torsional) 힘이 사용된다. 낮은 주파수 대역폭을 개선하기 위해, 예컨대 압전 소자의 단부에 질량이 부가될 수 있다. 상기 변환기는 압전 재료의 다수의 층을 가질 수 있어 전압 감도가 증가되고 증폭기의 전압 요구량이 감소될 수 있다. 압전 재료의 층 또는 각 층은 압축될 수 있다.
상기 장치가 귓바퀴의 전체 기계적 임피던스에 결합될 수 있도록, 상기 결합 수단(coupling means)은 바람직하게는 귓바퀴와 상기 장치 사이의 접촉 압력을 제공한다. 상기 접촉 압력이 너무 약하면, 장치에 제공되는 임피던스는 너무 작고, 에너지 전달은 현저하게 감소될 수 있다. 결합수단은, 상측 단부가 귓바퀴의 상측 면 위에서 만곡된 갈고리(hook) 형상일 수 있다. 하측 단부는 귓바퀴의 하측 면 아래로 만곡될 수 있거나, 혹은 귓바퀴 뒤에 아래로 곧게 매달릴 수 있다. 양측 단부가 귓바퀴 위에서 만곡된 갈고리는 더 확고한 맞춤(fitting)을 제공할 수 있고, 능률적인 에너지 전달을 위하여 충분한 접촉 압력을 유지해야 한다.
상기 변환기 케이싱이 예를 들면 귓불(ear lobe)과 같이 귓바퀴(pinna)의 하측부에 접촉하도록 상기 하우징은 갈고리(hook)에 탑재된다(mount). 상기 갈고리는 금속, 플라스틱 또는 고무처리된 재료(rubberized material)로 제조될 수 있다.
오디오 장치는 WO02/30151에 제시된 바와 같이, 귓바퀴 상의 변환기를 각각의 개인 사용자에게 최적의 위치에 위치시키기 위하여, 내장된 설비(built-in facility)를 포함한다. 오디오 장치는 이 오디오 장치의 음향 성능을 향상시키기 위하여 동등화(equalisation)를 적용하는 이퀄라이저를 포함할 수 있다.
오디오 장치는 손에서 놓을 수 있으며(unhanded), 즉, 양쪽 귀 상에서 사용될 수 있다. 따라서 세공(tooling) 비용이 감소되므로 제작이 더 단순해지고 더 싸게 될 수 있다. 게다가, 사용자는 상기 장치를 귀에 잘못 위치시킬 수 없고, 대체물을 얻기가 더 용이할 수 있기 때문에, 상기 장치는 보다 더 사용자 친화적으로(user-friendly)될 수 있다. 사용자는 각 귀에 하나씩 탑재된 두 오디오 장치를 사용할 수 있다. 신호 입력은, 예컨대 서로 관련 있는 스테레오 이미지를 형성하기 위하여 각 오디오 장치에 대해 다를 수 있거나, 혹은 두 오디오 장치에서 동일할 수도 있다.
상기 오디오 장치는, 예컨대 핸즈 프리 전화통신을 위한 소형 내장 마이크로폰을 포함할 수 있거나, 및/또는 예컨대 CD 플레이어 또는 전화기 등 로컬 소스 혹은 방송 전송을 위한 리모트 소스에 무선으로 연결되는 내장 마이크로 리시버를 포함할 수 있다.
본 발명의 두 번째 면에 따르면, 변환기로부터 사용자의 내이로 음향 신호를 전달하도록 하기 위해 변환기가 귓바퀴 내에서 진동을 일으키도록, 사용자의 귓바퀴에 압전 변환기를 기계적으로 결합하고, 변환기를 구동하는 것을 포함하는 오디오 장치의 설계 방법이 제공되며, 공동이 상기 케이싱과 하우징 사이에 규정되도록 비교적 부드러운 재료의 케이싱에 변환기를 끼워 넣고, 비교적 단단한 재료의 보호 하우징에 케이싱을 탑재하는 것을 특징으로 한다.
불필요한 방사를 감소시키고, 변환기에 보호를 제공하고, 및/또는 좋은 감도와 대역폭을 확보하기 위하여, 상기 방법은 공동, 케이싱 및 하우징중 하나 이상의 요소(parameter)를 선택하는 것을 포함할 수 있다. 특히, 상기 케이싱과 하우징 및/또는 공동 사이의 결합은 불필요한 방사를 감소시키기 위하여 선택될 수 있다. 상기 케이싱의 재료는 좋은 감도 및 대역폭을 확보하고, 및/또는 변환기에 약간의 보호를 제공하기 위하여 선택될 수 있다. 상기 하우징의 재료는 추가적인 보호를 제공하기 위하여 선택될 수 있다. 공동의 기계적 임피던스는 변환기의 출력 임피던스보다 낮을 수 있고, 더 바람직하게는 귓바퀴의 임피던스보다 낮을 수 있다.
본 방법은, 각 사용자에 대한 오디오 장치의 음향 성능을 측정하는 것과, 예컨대 최적의 음조 밸런스(tonal balance)를 제공하도록 음향 성능을 최적화하기 위하여, 각 사용자 개인에 대한 각 귓바퀴 상의 변환기의 위치를 조정하는 것을 포함할 수 있다. 상기 최적의 위치는, 입구룰 통하여 귀의 관(canal)까지 연장되는 수평 축과, 상기 입구를 따라 연장되고 변환기의 중심축에 대응하는 반경 방향의(radial) 선 사이의 각을 결정함으로써, 측정된다. 상기 각은 경사각이 9° 내지 41°의 범위에 있을 수 있다.
본 방법은 오디오 장치의 음향 성능을 개선하기 위하여 동등화(equalisation)를 적용하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은, 특히 변환기가 압전 변환기이면, 상기 변환기에 인가된 신호에 압축을 가하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 변환기와 귓바퀴 사이의 접촉력(contact force)을 최적화하는 것을 포함할 수 있다. 상기 접촉력은 정적인 경우와 음향 신호 존재의 양쪽에서의 사용자의 신체적 편의는 물론, 각 사용자 개인에 의해 결정되는 평활도, 대역폭 및/또는 주파수 응답의 레벨과 같은 요소들을 고려함으로써 최적화될 수 있다.
상술한 오디오 장치 및 방법은, 예컨대 핸즈 프리 모바일 폰, 가상 회의, 비행기 내 및 컴퓨터 게임과 같은 오락 시스템, 비상시 및 보안 서비스를 위한 통신 시스템, 수중 작업, 고성능 소음 제거 이어폰, 이명 마스커(tinnitus maskers), 콜 센터 및 비서 용도, 홈 씨어터 및 시네마, 데이터 및 정보 인터페이스를 포함하는 강화되고 공유된 현실, 트레이닝 용도, 박물관, 대저택(가이드 투어)과 테마 파크 및 차 내의 오락 등 다양한 용도로 사용될 수 있다. 게다가, 오디오 장치는 자연스럽고 방해 받지 않는 청취가 유지되어야 할 모든 용도, 예컨대 개인 헤드폰을 통해 프로그램 자료를 듣는 보행자 및 자전거 타는 사람의 향상된 안전 등에 사용될 수 있다.
부분 난청자는 일부의 주파수 범위에 걸쳐 충분하고 적절한 청각을 구비하고, 나머지 주파수 범위에는 불충분한 청각을 구비할 수 있다. 난청자는 나머지 주파수 영역에 걸쳐 청취하는 것을 방해하지 않고, 부분 난청자에게 청각이 불충분한 주파수 영역의 부분을 증가시키기 위하여 오디오 장치가 사용될 수 있다. 예를 들면, 주파수 스펙트럼의 낮은 부분에서 충분하고 적절한 청각을 갖는, 부분 난청자에 대하여, 높은 주파수 영역을 향상시키기 위하여, 또는 이와 반대로도 사용될 수 있다. 낮은 주파수 범위는 500 Hz 이하이고, 높은 주파수는 1 kHz 이상이다.
본 발명의 보다 양호한 이해를 위하여, 단지 예를 드는 방법으로, 본 발명의 특정한 실시예가 첨부 도면들을 참고로 기술될 것이다.
도 1은 귓바퀴에 탑재된 본 발명의 실시예의 사시도;
도 2는 명료함을 위해 일부분이 삭제된 도 1의 오디오 장치의 파단 측면도;
도 3은 도 2에서 직각인 각도에서 본 것으로, 도 1의 오디오 장치의 횡단면도;
도 4a 내지 4c는 본 발명에 사용될 수 있는 다른 압전 변환기의 측면도;
도 5는 귓바퀴에 부착될 때, 도 4b의 변환기에 대한 주파수 대 전력의 그래프;
도 6은 본 발명의 양태에 따르는 오디오 장치 구성요소의 기계적 임피던스의 개략도;
도 7a는 구성요소의 기계적 임피던스의 주파수에 대한 그래프;
도 7b는 도 7a의 간략도; 그리고,
도 8은 오디오 장치가 바람직한 위치에 탐재될 수 있는 사용자의 귀의 측면도이다.
도 1은 귓바퀴(32)에 탑재된 본 발명에 따르는 오디오 장치(30)를 도시한다. 상기 장치는, 상측 및 하측 갈고리(36, 38)를 가지는 결합수단(54)이 부착된 보호 외부 하우징(34)을 포함한다. 상기 장치와 귓바퀴 사이의 충분한 접촉을 보장하기 위하여 귓바퀴(32)의 상부 및 하부 각각에 고리로 두른다(loop over). 도선(lead)(40)은 외부 사운드 소스(source)에 연결되기 위하여 하우징(34)으로부터 연장된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 외부 하우징(34)은 압전 변환기(44; piezoelectic transducer)가 끼워 넣어진 케이싱(42)을 수용하는 공동의(hollow) 바디(body)이다. 공동(cavity)(48)은 외부 하우징(34)의 내면과 케이싱(42)의 외면 사이에 규정된다. 케이싱(42)은 오목한 단면(46)을 가진 일반적으로 직사각형의 단면이며, 사용자의 귓바퀴에 딱 맞게 제공되는 형상으로 형성된다. 케이싱(42)은 하우징(34)에 사용되는 재료보다 훨씬 부드러운 재료로 형성된다.
상기 외부 하우징(34)은, 케이싱(42)으로부터 하우징(34)으로의 진동 전달을 최소화하는 커넥터(50)에 의하여 케이싱(42)의 양쪽 단부에 연결된다. 상기 하우징(34)은 결합수단(54)을 고정하는 루프(52)를 구비한다.
케이싱(42)은, 케이싱(42)의 양쪽 면상에 돌기(56; lug)를 제공하는 짧은 축을 따라 돌출부(57; projection)를 구비한다. 상기 돌기(56)는 외부 하우징(34)의 내면 상의 대응하는 홈(58)에 맞물린다. 정상 작동(normal operation)시에는, 돌기(56)는 하우징(34)과 접촉하지 않고, 예컨대 케이싱이 수직으로 당겨지면 케이싱이 하우징으로부터 분리되지 않도록 한다. 결합수단(54)은 외부 하우징(34)의 외면에 고정된다.
도 4a 내지 4c는 본 발명에서 사용될 수 있는 선택적인 압전 변환기를 도시한다. 도 4a에서, 변환기(10)는 만곡되고, 만곡된 쐐기층(curved shim layer)(14)을 사이에 끼우는 두 만곡된 압전층(12)을 포함한다. 도 4b 및 4c에서는, 상기 변환기는 만곡되지 않고, 길이 28mm 및 폭 6mm의 직사각형이다.
도 4b에서, 변환기(80)는 각각의 두께가 100 마이크론인 압전 재료의 두 층(82)을 포함한다. 각 압전층(82)은 80 마이크론 두께의 놋쇠(brass)의 쐐기층(84)에 의하여 분리된다. 질량체(86)는, 예컨대 이 영역에서 변환기의 진동을 억제하기 위하여 변환기의 각 단부에 탑재된다. 상기 변환기는 3.3 Ns/m의 출력 임피던스를 가진다. 도 4c에서, 변환기는 네 개의 전극층(18) (일반적으로 은 팔라듐)과 교대로 있는 압전 재료(예컨대 PZT)의 세 개의 층(16)을 포함한다. 각 압전층(16)의 극은 화살표로 표시된다. 상기 층들은 교대로 쌓아올려져 배치되고, 상부층과 저부층은 전극층(18)이다. 변환기는 합금 심(alloy shim)(17) 상에 탑재되고, 접착층(19)에 의하여 고정된다.
도 5는 귓바퀴에 부착될 때(점선)와, 귓바퀴에 부착되지 않을 때(실선), 도 4b의 변환기에서 소비된 전력(power)의 측정치를 도시한다. 변환기가 귓바퀴에 탑재될 때, 귓바퀴의 부하(load)가 변환기의 전기 임피던스의 실수부(real part)를 현저하게 상승시키기 때문에, 변환기로부터 추출된 전력은 증가된다. 일반적으로, 압전 소자의 전기 임피던스는 주로 용량성(capacitive)이다.
상기 공동은 도 6 내지 도 7b를 참고하여 이하 설명하는 바와 같이 설계될 수 있다. 도 6은 상기 시스템 즉, 귓바퀴(32)의 임피던스, 변환기(70), 공동(72) 및 외부 하우징(74)의 임피던스의 개략도를 나타낸다. 공동은 그 면적과 깊이에 의하여 결정되는 스티프니스(stiffness) 또는 기계적 임피던스를 가진다. 변환기 주위에서 외부 하우징(74) 또는 케이싱의 진동은 이 스티프니스의 압축을 야기하고, 따라서 하우징 및 케이싱은 공동에 결합되는 것으로 간주될 수 있다. 공동의 기계적 임피던스는 공기 부하(air-load)의 컴플라이언스(compliance)를 계산함으로써 추정될 수 있고, 컴플라이언스 자체는 다음식으로부터 추정될 수 있다(변위가 작다고 가정한다.).
Figure 112006017179151-pct00001
여기서 P0는 대기압(101 kPa)이다.
그 다음, 공동의 기계적 임피던스는 아래 식을 사용하여 주파수 범위에 걸쳐 표현될 수 있다.
Figure 112006017179151-pct00002
압전 변환기의 요소(예컨대 크기 및 배치)는 주어진 대역폭에 걸쳐 귓바퀴의 기계적 임피던스로의 유효한 에너지 전달을 위하여 선택될 수 있다. 500 Hz 내지 10 kHz로 작동하는 변환기의 하나의 용인 가능한 설계는 다섯 개의 압전층을 포함하고, 28 mm × 6 mm 이다. 이러한 변환기는 4.47 kg/s의 기계적 출력 임피던스를 가진다. 변환기와 동일한 면적과 2.5 mm의 깊이를 갖는 공동은 1.47× 10-4 m/N 의 공기 부하 컴플라이언스를 가진다.
도 7a는 주파수에 대한 공동의 임피던스(Zcavity), 귓바퀴의 임피던스(Zpinna) 및 변환기의 임피던스(Zpiezo)를 도시한다. 귓바퀴의 임피던스는 주파수 1 kHz 이하에서는 Zpinna = 2.7 kg/s의 값에서 대략 일정하다. 따라서 각 구성요소의 임피던스는 도 7b에 도시된 바와 같이 단순화될 수 있다. f1의 주파수(대략 420 Hz)에서 공동의 기계적 임피던스는 변환기의 그것과 동일하다. 이 주파수 아래에서는 변환기 출력은 공동의 작용에 의하여 제약을 받을 것이며, 따라서 f1은 장치의 최소 작동 주파수로 설정되어야 할 것이다. 따라서 장치의 작동 대역(working band)에서 발생하는 분기점(crossover point)을 피하기 위하여, 공동의 크기(특히 깊이)를 증가시키는 것에 의하여, f1의 주파수는 낮아질 수 있다. 상기 공동을 충분히 깊게 만드는 것은, 관심 있는 주파수 대역에서 케이싱 및/또는 하우징과 공동 사이의 결합을 최소화한다.
가장 낮은 동작 주파수 즉, 500 Hz에서, Zcavity = 2.17 kg/s, 따라서 Zcavity ＜ Zpiezo 그리고 Zcavity ＜ Zpinna 이다. Zcavity는 주파수에 따라 감소하는데 반하여, Zpiezo는 일정하고, Zpinna는 1 kHz까지 일정하고 그 후에 증가하기 때문에, 이 상태는 또한 동작 주파수 전체를 통해 즉 10 kHz까지 만족된다.
도 8은 최적의 음의 밸런스를 제공하거나, 청각의 응답의 다른 형태를 최적화하기 위하여, 귓바퀴 상의 변환기의 위치가 각 사용자 개인을 위하여 어떻게 조정될 수 있는지를 나타낸다. 변환기의 위치를 최적화함으로써, 상기 귓바퀴와 변환기는 사실상 각 사용자에게 유일한 결합된 드라이버를 형성할 수 있다. 최적의 위치는, 입구(60)를 통하여 둘 다 귀의 관(canal)으로 연장되는 중심 반경 방향 선(62)과 수평의 축(66) 사이의 각(θ)을 결정함으로써 측정된다. 중심 반경 방향 선(62)은 변환기의 중심 축에 대응하고, 첫 번째 사용자에게 변환기위 최적의 위치를 제공한다.
둘 다 중심 반경 방향 선(62)과 각 α를 이루는, 상부 및 하부 반경 방향 선(64, 65)은 두 번째 사용자에게 최적의 위치로 이를 수 있는 중심 반경 방향 선(62)으로부터 가능한 편차의 범위를 나타낸다. Θ는 25°, α는 16°의 값을 주고 테스트가 수행되었다. 상기 오디오 장치는 최적의 위치에 위치하는 내장 설비를 포함할 수 있다. 상기 각도의 조정은 변환기와 갈고리의 상측 단부의 결합된 이동에 의하여 이루어진다. 수평 축을 사용하는 것 대신으로, 입구(60)를 통하여 귀의 관으로 연장되는 수직 축(68)에 대한 상기 각도가 측정될 수 있다.
변환기를 귀 뒤에 탑재함으로써, 오디오 장치는 눈에 띄지 않고, 신중하며 그리고 귓바퀴의 형상을 방해하거나 일그러뜨리지 않는다. 변환기는 귀의 관으로의 입구로부터 간격을 두고 있고, 따라서 귀의 관으로의 입구를 방해하지 않고, 따라서 통상적인 청각은 영향을 받지 않는다. 게다가, 다양한 단계로 귀를 폐색하는 종래의 헤드폰과 비교할 때, 외이의 폐색이 감소되고, 따라서 위치 측정 오차가 감소되거나 없어진다.
상기 오디오 장치는 낮은 비용 및 무게가 가벼운 재료로 생산될 수 있고, 따라서 일회용일 수 있다. 위생이 중요한 경우, 예컨대 회의용으로 일회용인 점이 장 점이 될 수 있다. 선택적으로, 오디오는 귀 속으로 삽입되지 않기 때문에, 더 편할 수 있고 따라서 장기간 착용을 위하여 더 적절할 수 있다.
본 발명은 개인적인 용도로 사용 가능한 오디오 장치에 관한 발명으로, 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (21)

  1. 압전 변환기 및 상기 변환기를 사용자의 귓바퀴에 결합하기 위한 결합수단을 포함하고, 상기 변환기는 상기 변환기로부터 사용자의 내이로 음향 신호가 전달되도록 상기 귓바퀴 내에서 진동을 일으키는, 오디오 장치로서,
    상기 변환기는 케이싱에 끼워 넣어지고, 상기 케이싱은 하우징에 탑재되고, 상기 케이싱은 상기 하우징에 사용되는 재료보다 더 부드러운 재료로 형성되어, 공동이 상기 케이싱과 하우징 사이에 규정되는 것을 특징으로 하는 오디오 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 케이싱과 하우징의 결합은 상기 변환기로부터 상기 하우징으로의 진동의 전달을 감소시키도록 최소화되고,
    상기 하우징은 진동이 감소된 케이싱 상의 위치에서 상기 케이싱에 결합되는 것을 특징으로 하는 오디오 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 위치는 진동이 억제되는 변환기의 영역에 접촉하는 것을 특징으로 하는 오디오 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 위치는 상기 케이싱의 양쪽 단부인 것을 특징으로 하는 오디오 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 공동은 상기 변환기의 출력 임피던스보다 낮은 기계적 임피던스(Zcavity)를 가지는 것을 특징으로 하는 오디오 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 공동은 귓바퀴의 임피던스(Zpinna)보다 낮은 기계적 임피던스를 가지는 것을 특징으로 하는 오디오 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 결합수단은, 상기 오디오 장치가 상기 귓바퀴의 전체 기계적 임피던스에 결합될 수 있도록, 상기 귓바퀴와 상기 오디오 장치 사이의 접촉 압력을 제공하는 것을 특징으로 하는 오디오 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 결합수단은, 상측 단부가 상기 귓바퀴의 상측 면 위로 만곡된, 갈고리 형상인 것을 특징으로 하는 오디오 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 갈고리의 하측 단부는 상기 귓바퀴의 하측 면 아래로 만곡된 것을 특징으로 하는 오디오 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 변환기가 끼워 넣어지는 상기 케이싱이 상기 귓바퀴의 하측부에 접촉하도록, 상기 하우징은 상기 갈고리에 탑재되는 것을 특징으로 하는 오디오 장치.
  12. 압전 변환기를 사용자의 귓바퀴에 기계적으로 결합하고, 상기 변환기를 구동하여, 상기 변환기로부터 사용자의 내이로 음향 신호가 전달되기 위하여 상기 변환기가 상기 귓바퀴 내에서 진동을 일으키는 오디오 장치의 설계방법으로서,
    상기 변환기를 케이싱에 끼워 넣고, 상기 케이싱을 보호 하우징에 탑재하고, 상기 케이싱을 상기 하우징에 사용되는 재료보다 더 부드러운 재료로 형성하여, 상기 케이싱과 하우징 사이에 공동이 규정되는 것을 특징으로 하는 오디오 장치의 설계방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    불필요한 방사를 감소시키기 위해, 상기 공동, 케이싱 및 하우징 중의 하나 이상의 요소들을 선택하는 것을 특징으로 하는 오디오 장치의 설계방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 변환기에 보호를 제공하기 위해, 상기 공동, 케이싱 및 하우징 중의 하나 이상의 요소들을 선택하는 것을 특징으로 하는 오디오 장치의 설계방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    감도와 대역폭을 향상시키기 위해, 상기 공동, 케이싱 및 하우징 중의 하나 이상의 요소들을 선택하는 것을 특징으로 하는 오디오 장치의 설계방법.
  16. 제 13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이싱과 상기 하우징 사이의 결합은 불필요한 방사를 감소시키기 위하여 선택되는 것을 특징으로 하는 오디오 장치의 설계방법.
  17. 제 13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이싱과 상기 공동 사이의 결합은 불필요한 방사를 감소시키기 위하여 선택되는 것을 특징으로 하는 오디오 장치의 설계방법.
  18. 제 13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공동의 기계적 임피던스는 상기 변환기의 출력 임피던스보다 낮도록 선택되는 것을 특징으로 하는 오디오 장치의 설계방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 공동의 기계적 임피던스는 상기 귓바퀴의 임피던스보다 낮도록 선택되는 것을 특징으로 하는 오디오 장치의 설계방법.
  20. 제 12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 사용자에 대하여 상기 오디오 장치의 음향 성능을 측정하고, 음향 성능을 최적화하기 위하여 각 사용자 개인에 대하여 상기 귓바퀴 상에서 상기 변환기의 위치를 조정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 장치의 설계방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    음향 성능을 최적화하는 상기 위치는, 입구를 통하여 귀의 관으로 연장되는 수평축과, 상기 입구를 통하여 연장되며 상기 변환기의 중심축에 대응하는 반경 방향의 선 사이의 각도를 결정함으로써 측정되는 것을 특징으로 하는 오디오 장치의 설계방법.
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