KR101363127B1 - 원하는 지향성 패턴을 가지는 다이렉트 디지털 스피커 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

디지털 입력 신호를 수신하고 그에 따라 사운드를 생성하는 다이렉트 디지털 스피커 장치로서, 상기 다이렉트 디지털 스피커 장치는 압력-생성 엘리먼트들의 어레이 및 요구되는 지향성 패턴을 획득하기 위해 각각의 압력-생성 엘리먼트의 구동 여부 및 구동 시기를 결정하는 타이밍 패턴을 계산하도록 동작하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

원하는 지향성 패턴을 가지는 다이렉트 디지털 스피커 장치 및 그 제어 방법{DIRECT DIGITAL SPEAKER APPARATUS HAVING A DESIRED DIRECTIVITY PATTERN AND CONTROL METHOD THEREOF}

2006년 5월 22일에 출원되고 "압력 생성 장치(An apparatus for generating pressure)"로 명명된 미국 가출원번호 60/802,126 및 2007년 4월 2일에 출원되고 "압력 생성 장치 및 그 제조 방법(Apparatus for generating pressure and methods of manufacture thereof)"으로 명명된 미국 가출원번호 60/907,450 및 2007년 5월 3일에 출원되고 "압력파 생성 장치 및 방법(Apparatus and methods for generating pressure waves)"로 명명된 미국 가출원번호 60/924,203으로부터 우선권을 주장한다.

본 발명은 일반적으로 액츄에이터에 관한 것으로, 구체적으로 스피커에 관한 것이다.

마이크로 액추에이터의 어레이을 포함하는 액추에이터에 대한 기술은 다음과 같은 문헌에 의해 제시될 것으로 믿으며, 그 외 지적하지 않는 한 이들 모두는 미국 특허 문서이다:

2002/0106093: 요약, 도 1 내지 도 42 및 단락 0009, 0023, 및 0028은 전자기 방사(electromagnetic radiation), 액추에이터 및 트랜스듀서(transducers) 및 정전 장치(electrostatic devices)를 설명한다.

6,373,955: 요약 및 컬럼 4, 라인 34 내지 컬럼 5, 라인 55는 트랜스듀서의 어레이를 설명한다.

JP 2001016675: 요약은 음향 출력 트랜스듀서의 배열을 설명한다.

6,963,654: 요약, 도 1 내지 도 3, 도 7 내지 도 9 및 컬럼 7, 라인 41 내지 컬럼 8, 라인 54는 전자기력을 기반으로 한 트랜스듀서 동작을 설명한다.

6,125,189: 요약; 도 1 내지 도 4 및 컬럼 4, 라인 1 내지 컬럼 5, 라인 46은 정전 구동(electrostatic driving)을 포함한 전자-음향(electro-acoustic) 변환 유닛을 설명한다.

WO 8400460: 요약은 자석의 어레이를 구비하는 전자기-음향(electromagnetic-acoustic) 트랜스듀서를 설명한다.

4,337,379: 요약; 컬럼 3, 라인 28 내지 40, 및 도 4, 도 9는 전자기력을 설명한다.

4,515,997: 요약 및 컬럼 4, 라인 16 내지 20은 음량 레벨을 설명한다.

6,795,561: 컬럼 7, 라인 18 내지 20은 마이크로 액추에이터의 어레이를 설명한다.

5,517,570: 요약은 이산(discrete)의, 어드레스로 불러낼 수 있는(addressable) 사운드 픽셀로의 청각적 현상의 매핑을 설명한다.

JP 57185790: 요약은 D/A 컨버터의 구비를 없애는 것을 설명한다.

JP 51120710: 요약은 임의의 D-A 컨버터를 필요로 하지 않는 디지털 스피커 시스템을 설명한다.

JP 09266599: 요약은 스피커로의 디지털 시그널의 직접적 적용을 설명한다.

6,959,096: 요약 및 컬럼 4, 라인 50 내지 63은 어레이 내에 정렬된 다수의 트랜스듀서를 설명한다.

폴리머 자석(polymer magnets) 제조 방법은 다음과 같은 간행물에 기술된다:

Lagorce, L. K. and M. G. Allen, "Magnetic and Mechanical Properties of Micro- machined Strontium Ferrite/Polyimide Composites", IEEE Journal of Micro- electromechanical Systems, 6(4), Dec. 1997; 및

Lagorce, L. K., Brand, O. and M. G. Allen, "Magnetic micro actuators based on polymer magnets", IEEE Journal of Micro-electromechanical Systems, 8(1), March 1999.

Nakaya의 미국 특허 4,337,379는 코일과 같은 구조를 포함하는 평면의 전기역학적 전자-음향 트랜스듀서(planar electrodynamics electro-acoustic transducer)를 도 4A에 기술한다.

Sotme 등의 미국 특허 6,963,654는 다이어프램(diaphragm), 평면-타입 음향 트랜스듀서 및 평면-타입 다이어프램을 기술한다. Sotme의 시스템은 도 7에서 코일과 같은 구조를 포함한다.

반도체 디지털 확성스피커(loudspeaker) 어레이는 공지되어 있고, 예컨대 미국 특허 문서 20010048123, 2002년 6월 11일에 등록된 Texas Instruments가 승계한 David Thomas의 미국 특허 6,403,995, 소니의 미국 특허 4,194,095, Walter Stinger의 미국 특허 4,515,997, 및 Diamond Brett M. 등의 "Digital sound reconstruction using array of CMOS-MEMS micro-speakers", 보스턴에서 2003년 6월 8일 부터 12일에 개최한 제 12회 고체 상태 센서(Solid State Sensors), 액추에이터 및 마이크로시스템에 관한 국제 회의의 트랜스듀서 '03에 공지되어 있다.

YSP 1000은 Yamaha에 의해 제조된 위상 배열(phased array) 스피커의 예이다.

명세서 내에 언급된 모든 간행물 및 특허 문서의 개시, 및 직접 또는 간접적으로 그 안에 인용된 간행물 및 특허 문서는 여기에 참조로서 도입된다.

이하, 본 발명의 특정 실시예에 따라, 디지털 입력 신호를 수신하고 그에 따라 소리를 생성하는 다이렉트 디지털 스피커 장치가 제공되며, 상기 장치는 여기에 기술되지만 이에 제한되지 않은 이동 엘리먼트(moving elements)와 같은 압력-생성 엘리먼트(pressure-producing elements)의 어레이; 및 원하는 지향성 패턴을 획득하도록 각각의 압력-생성 엘리먼트의 구동 여부 및 그 시기를 결정하는 타이밍 패턴을 계산하도록 동작하는 컨트롤러를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 압력-생성 엘리먼트는 양압(positive pressure) 펄스를 생성할 수 있고, 적어도 하나의 압력-생성 엘리먼트는 음압(negative pressure) 펄스를 생성할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각각의 압력-생성 엘리먼트는 양압 펄스 및 음압 펄스 둘 모두를 생성하도록 구동한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 디지털 입력 신호를 수신하고 그에 따른 소리를 생성하는 다이렉트 디지털 스피커를 제어하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 압력-생성 엘리먼트의 어레이를 제공하는 단계, 및 원하는 지향성 패턴을 획득하도록 각각의 압력-생성 엘리먼트가 압력 펄스를 생성하도록 구동하는지 여부 및 그 시기를 결정하는 타이밍 패턴을 계산하는 단계를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각각의 압력-생성 엘리먼트는 이동 엘리먼트를 포함하며, 이는 각각의 경로를 따라 전후로 오가며 이동하도록 구동한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 장치는 사용자로부터 원하는 지향성 패턴을 수신하는 사용자 인터페이스를 더 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 지향성 패턴은 초점 위치(focal point)를 정의하는 무지향성(omni-directional) 패턴이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 지향성 패턴은 초점 축(focal axis)을 정의하는 실린더형 패턴이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 지향성 패턴은 전파 각(angleof propagation)을 정의하는 단방향성 패턴이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 지향성 패턴은 다수의 단방향의 지향성 패턴의 조합을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 어레이는 초점 위치에서 중심에 위치한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 어레이는 초점 위치의 투영(projection)에서 중심에 위치한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 어레이는 상기 축에 대해 대칭적으로 배향된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 어레이는 네 개의 면을 정의하는 사각형 형태이고, 상기 네 개의 면은 축에 평행한 두 개의 면을 포함한다.

추가적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 타이밍 패턴은 적어도 일부의 압력-생성 엘리먼트에 대해 적절한 딜레이를 작용하는 것을 포함하며, 이는 다음과 같은 공식을 사용한다: 딜레이 = [(d²+r²)^0.5-d]/c, 여기서 r은 압력-생성 엘리먼트 어레이 상의 초점 위치의 투영과 주어진 압력-생성 엘리먼트 간의 거리이며, d는 무지향성 소리의 초점 위치로부터 압력-생성 엘리먼트의 어레이의 평면까지의 거리이며, c는 스피커 구동 시 매질을 통과하는 소리 진행 속도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 타이밍 패턴은 적어도 일부의 압력-생성 엘리먼트에 대해 적절한 딜레이를 작용하는 것을 포함하며, 다음과 같은 공식을 사용한다: 딜레이 = [(d²+r²)^0.5-d]/c, 여기서 r은 압력-생성 엘리먼트 어레이 상의 초점 축의 투영과 주ㅈ어진 압력-생성 엘리먼트 간의 거리이며, c는 스피커 구동 시 매질을 통과하는 소리 진행 속도이며, d는 초점축으로부터 압력-생성 엘리먼트의 어레이의 평면까지의 거리이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 타이밍 패턴은 적어도 일부의 압력-생성 엘리먼트에 대해 적절한 딜레이를 작용하는 것을 포함하며, 다음과 같은 공식을 사용한다: 딜레이 = x cos α, 여기서 x는 압력-생성 엘리먼트 어레이의 가장자리 및 주어진 압력-생성 엘리먼트에 의해 정의되는 평면으로부터의 거리이고, α는 무지향성 진행의 방향과 압력-생성 엘리먼트 어레이 평면 간의 각이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각각의 압력-생성 엘리먼트는 개별적으로 제어된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력-생성 엘리먼트는 이동 엘리먼트이며, 이는 이들의 움직임으로 압력을 생성한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각각의 이동 엘리먼트는 교차하는 자기장에 응답하며, 상기 장치는 적어도 하나의 이동 엘리먼트의 서브셋을 적어도 하나의 래칭 위치에 선택적으로 래칭하도록 동작하여 그에 의해 각각의 이동 엘리먼트가 전자기력에 응답하는 것을 방지하는 적어도 하나의 래치(latch)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 클럭을 수신하고 그에 따라 이동 엘리먼트의 어레이로의 전자기력의 작용을 제어하도록 구동하는 자기장 제어 시스템; 및 디지털 입력 신호를 수신하고 그에 따라 적어도 하나의 래치를 제어하도록 구동하는 래치 컨트롤러를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 방법은 사용자에 의해 제공되는 원하는 지향성 패턴을 읽어들이는 단계를 더 포함한다.

여기에서 사용되는 용어는 다음과 같다:

어레이(array): 이 용어는 이동 엘리먼트의 임의의 세트를 포함하도록 의도되며, 이동 엘리먼트의 축은 바람직하게 상호 간에 평행 배향(parallel orientation)되도록 배치되고 서로 간에 접하여(flush) 평면 또는 굴곡질 수 있는 표면을 정의한다.

위(above), 아래(below): 용어 "위" 및 "아래" 및 그와 유사한 용어는, 예로서 설명하면, 이동 엘리먼트의 모션 방향이 상방향 및 하방향이라고 가정하도록 여기에서 사용되지만, 그러나, 이에 제한되지 않고 선택적으로 상기 이동 엘리먼트는 임의의 요구되는 축 예컨대 수평축을 따라 이동할 수 있다.

액추에이터: 이 용어는 트랜스듀서 및 에너지 형태를 상호-변환하는 다른 장치를 포함하도록 의도된다. 용어 "트랜스듀서"가 사용되는 경우, 이는 단지 예로서 사용되며, 모든 적절한 액추에이터 예컨대 확성스피커를 포함하는 스피커를 언급하도록 의도된다.

액추에이터 엘리먼트: 이 용어는 전형적으로 액추에이터를 형성하는 많은 다른 그러한 컬럼들과 함께 컴포넌트(components)의 임의의 "컬럼(column)"을 포함하도록 의도되며, 각각의 컬럼은 전형적으로 이동 엘리먼트, 한 쌍의 래치 또는 "래칭 엘리먼트(latching elements)"를 포함하며, 따라서 각각의 래칭 엘리먼트는 하나 또는 그 이상의 전극 및 상기 전극으로부터 상기 이동 엘리먼트를 분리하는 절연 공간 물질을 포함한다.

코일: 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 이동 엘리먼트의 어레이에 적용되는 교차하는(alternating) 전자기력은 이동 엘리먼트의 모션의 요구되는 축과 동일선 상인(co-linear) 자기장 그래디언트(gradient)를 생성하도록 향해진 교류 전기 전류에 의해 생성될 수 있다. 이 전기 전류는 적절하게 배향된(oriented) 전도성 코일 또는 임의의 다른 적절한 구성의 전도성 엘리먼트를 통해 흐르는 전류를 포함할 수 있다. 용어 "코일"은 본 발명의 상세한 설명에 걸쳐 예로서 사용되며, 교차하는 전자기력, 예컨대 상술한 바와 같은 전자기력을 적용하기 위한 모든 장치를 포함하도록 의도된 본 발명을 제한하도록 의도되지 않는다. "코일"이 전도체를 지시하도록 사용된 경우, 상기 전도체는 임의의 적절한 구성 예컨대 원 또는 다른 닫힌 구성(closed figure) 또는 그 실질적인 부분을 구비할 수 있으며, 다수의 회전을 구비하는 구성을 제한하도록 의도되지 않는다.

채널(channels), 또한 "홀(holes)" 또는 "터널(tunnels)"로 언급됨: 이들은 단지 예로서만 원통형으로 도시되며, 이에 제한되지 않는다.

전극: 정전형 래치(electro-static latch)이다. 그 마주보고(oppositely) 대전되어 해당 이동 엘리먼트를 래치하는 하부 또는 상부 정전형 래치 중 어느 하나를 포함하며, 각각의 래치 및 그 이동 엘리먼트는 한 쌍의 마주보도록 대전된 전극을 구성한다.

굴곡부(flexure): 객체(object)가 장착된 적어도 하나의 플렉서블(flexible) 엘리먼트이며, 이는 그 객체에 대한 모션의 적어도 하나의 자유도를 구분하며, 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 유연한 얇거나 작은 주변적인(peripheral) 엘리먼트이며 전형적으로 완전체로 형성되며, 예컨대 단일 시트(sheet)의 재질로부터 형성되며, 중앙 부분에 다른 객체가 장착될 수 있거나 장착될 수 없으며, 그로 인해 중앙 부분 및 그에 장착된 객체에 대한 모션의 적어도 하나의 자유도를 구분한다.

래치, 래칭 레이어(latching layer), 래칭 메카니즘: 이 용어는 하나 또는 그 이상의 이동 엘리먼트를 고정된 지점에 선택적으로 고정시키는 임의의 장치를 포함하도록 의도된다. 전형적으로, "상부(top)" 및 "하부(bottom)" 래칭 레이어가 제공되며, 이들은 나란히(side by side) 구비될 수 있고 하나가 다른 하나의 상부에 구비될 필요는 없고, 각각의 래칭 레이어는 래치될 이동 엘리먼트의 수에 대응될 수 있거나 대응되지 않을 수 있는 하나 또는 많은 래칭 메카니즘을 포함한다. 용어 "래치 쌍(latch pair)"는 개별적인 이동 엘리먼트, 예컨대 상부 래치(top latch) 및 하부 래치(bottom latch)를 포함하는 이동 엘리먼트를 위한 한 쌍의 래치이며, 이들은 나란히 구비될 수 있고 하나가 다른 하나의 상부에 구비될 필요는 없다.

이동 엘리먼트(moving elements): 이들은 각각이 이들에 작용되는 교차하는 전자기력에 응답하여 축을 따라 전후로 교대로 이동하도록 구속된 임의의 이동 엘리먼트를 포함하도록 의도된다. 이동 엘리먼트는 또한 여기에서 "마이크로-스피커(micro-speakers)", "픽셀(pixels)", "마이크로-액추에이터(micro-actuators)", "멤브레인(membranes)"(개별적으로 또는 집단적으로) 및 "피스톤(pistons)"으로 언급된다.

스페이서(spacers), 또한 "공간 유지기(space maintainers)"로 언급됨: 이는 전극 및 이동 엘리먼트의 각각의 위치를 기계적으로 유지하는 임의의 엘리먼트 또는 엘리먼트들을 포함한다.

용어 "다이렉트 디지털 스피커"는 여기서 디지털 신호를 수용하고 별개의 D/A 컨버터를 사용하지 않고 상기 신호를 음파(sound-waves)로 변환하는 스피커를 포함하도록 사용된다. 그러한 스피커는 가끔씩 A/D 컨버터를 포함하여 대신 또는 추가로 스피커가 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하도록 허용할 수 있다. 그렇나 스피커는 DDS(Direct Digital Speakers), DDL(Direct Digital Loudspeakers), DSR(Digital Sound Reconstruction) 스피커, 디지털 유니폼 확성스피커 어레이, 매트릭스 스피커, 및 MEMS 스피커를 포함할 수 있다. 여기에 사용된 용어 "다이렉트 디지털 스피커"는 다수의 압력-생성 엘리먼트를 구비하는 스피커 장치를 포함하도록 의도되며, 압력-생성 엘리먼트는 그들의 모션, 예컨대 이하 구체적으로 기술된 모션 또는 이들이 가지고 있는 매질 예컨대 공기의 가열 및 냉각, 또는 그들이 가지고 있는 매질의 가속화(accelerating), 예컨대 매질을 이온화하고 축을 따라 포텐셜의 차를 제공함, 또는 밸브로서 동작하여 주변 환경과 상이하게 가압된(pressurized) 매질 예컨대 공기의 저장고를 선택적으로 두드려줌 중 어느 하나를 통해 압력을 생성한다. 동작하는 압력 생성 엘리먼트(즉 압력을 생성하기 위해 동작하는 엘리먼트)의 수는 아날로그인 경우 입력 신호의 강도(intensity)에 또는 디지털인 경우 입력 신호의 디지털적으로 인코딩된 강도에 단조롭게 증가하는 함수, 예컨대 비례함수이다.

여기서 사용되는 용어 "클럭(clock)"은 시스템 클럭의 단일 인터벌과 관련된 시간 지연(time duration)을 언급한다.

여기서 사용되는 용어 "지향성 패턴(directivity pattern)"은 스피커 장치에 의해 생성된 소리 에너지의 공간적 분배의 패턴을 언급한다.

본 발명의 바람직한 실시예는 다음과 같은 도면에서 설명된다:

도 1A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 액추에이터 장치의 단순화된 기능 블록도이다.

도 1B는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 도 1A의 이동 엘리먼트의 어레이의 사시도이며, 각각의 이동 엘리먼트는 자석을 포함하고 각각은 래치된 경우를 제외하고, 이동 엘리먼트의 어레이에 작용된 교차하는 전자기력에 응답하여 각각의 축을 따라 전후로 교대로 이동하도록 구속된다.

도 1C 내지 도 1G는 본 발명의 다섯 가지 선택적인 실시예에 따라 구성되고 동작하는 래치의 단순화된 평면도이며, 도 1B에 구체적으로 도시된 래치의 대체물로 제공될 수 있다.

도 2A는 아래 방향으로 작용되는 전자기력에 응답하는 도 1B의 어레이를 제 1의, 맨 하부 지점에서 도시한다.

도 2B는 윗 방향으로 작용되는 전자기력에 응답하는 도 1B의 어레이를 제 2의, 맨 상부 지점에서 도시한다.

도 2C는 개별적인 자석이 상기 개별적인 이동 자석 위에 배치된 해당 전기적 전하에 의해 개별적인 자석이 그 맨 상부 지점으로 래치되어(latched) 상부 래치로서 기능하여 개별적인 이동 자석 중 하나가 윗 방향 힘에 응답하지 않은 것을 제외하고 도 2B와 유사하다.

도 3A 내지 도 3C는 각각 이동 엘리먼트 어레이의 평면도, 단면도 및 비스듬히 바라본 사시도이며, 각각은 상기 어레이의 주변에 둘러싸인 코일에 의해 이동 엘리먼트의 어레이에 작용되는 교차하는 전자기력에 응답하여 각각의 축을 따라 전후로 교대로 이동하도록 구속된다.

도 4A는 각각이 이동 엘리먼트의 적어도 하나의 부분을 적어도 하나의 래칭 위치에서 선택적으로 래치하도록 동작하여, 그에 의해 개별적인 이동 엘리먼트가 전자기력에 응답하는 것을 방지하는, 레이어와 같이 형성된 코일 및 래치에 의해 이동 엘리먼트의 어레이에 작용되는 교차하는 전자기력에 응답하여 각각의 축을 따라 전후로 교대로 이동하도록 구속된 이동 엘리먼트의 어레이를 포함하는 액추에이터 장치의 분해도이다.

도 4B는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 동작하는 바람직한 액추에이션 방법의 단순화된 흐름도이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 도 4A의 액추에이터 장치의 사시도이며, 이동 엘리먼트의 어레이는 박막으로 구성되고, 각각의 이동 엘리먼트는 그를 둘러싸는 완전체로 형성된 굴곡부에 의해 구속된다.

도 6A는 도 5의 액추에이터 장치의 부분의 분해도이다.

도 6B 및 도 6C는 각각 굴곡부를 통한 공기의 누설을 감소시키는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 이동 엘리먼트 및 결합된 굴곡부(flexures)의 어셈블리, 래치 및 스페이서 엘리먼트의 사시도 및 분해도이다.

도 6D는 각각 맨 상부, 맨 하부 및 중간 지점에 위치한 세 개의 이동 엘리먼트를 도시하는 도 6B 및 도 6C의 장치의 단면도이다.

도 6E는 도 6D의 범례이다.

도 7A는 도 5 내지 도 6C의 이동 엘리먼트 레이어의 정적인 부분 평면도이다.

도 7B는 도 7A에 도시된 A-A 축을 따라 취해진 도 5 및 도 6의 이동 엘리먼트 레이어의 단면도이다.

도 7C는 도 5 내지 도 7B의 이동 엘리먼트 레이어의 사시도이며, 개별적인 이동 엘리먼트는 그 맨 상부 위치를 향하여 윗 방향으로 이동하는 것을 도시하여, 그 굴곡부는 박막의 평면을 벗어나 윗 방향으로 확장한다.

도 7D는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성되고 동작하는 이동 엘리먼트 레이어의 사시도이며, 도 5 내지 도 7C의 실시예의 디스크-형태의 영구 자석은 링-형태의 영구 자석으로 교체된다.

도 7E는 도 7D의 실시예의 개별적인 이동 엘리먼트의 굴곡부-제한된(flexure-restrained) 중앙 부분의 측면도이다.

도 8A는 특정 예에 대한 래치 및 코일-유도된 전자기력의 제어를 설명하는 제어도이며, 이동 엘리먼트는 각각, 선택적으로, 집단적으로 액추에이트될 수 있는 그룹으로 배열되며, 래칭 레이어 내의 각각의 래치는 영구 자석과 결합되고, 래칭 레이어 내의 모든 영구 자석의 극(poles)은 모두 동일하게 배치된다.

도 8B는 래칭 제어기가 입력되는 입력 신호를 처리할 수 있고 그 결과 이동 엘리먼트의 래치를 그룹으로 제어할 수 있는 바람직한 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 8C는 프로세서, 예컨대 도 8A의 프로세서 802의 단순화된 기능 블록도이 며, 이는 여기에 도시되고 기술되는 정전적 래치 메커니즘으로 임의의 액추에이터 장치를 실질적으로 제어하는 것에 있어 유용하다.

도 8D는 도 1 내지 도 8C의 장치를 개시하는 바람직한 방법을 설명하는 단순화된 흐름도이다.

도 8E는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 조립된 스피커 시스템의 단순화된 사시도이다.

도 8F는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되고 동작하는 장치를 이용하여 소리를 생성하는 동작의 바람직한 방법을 설명하는 단순화된 흐름도이다.

도 9A는 비록 모든 경우에 있어서 전형적이지 않지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동 엘리먼트에 적합한 특정의 외력을 요약하는 그래프이다.

도 9B는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 자기장 그래디언트 유도 레이어의 단순화된 예시도이다.

도 9C 및 도 9D는 도 9B의 전도성 레이어의 자기장 그래디언트 유도 기능을 설명한다.

도 10A는 다수의 그룹으로 분할된 이동 엘리먼트를 래칭하기 위해 적합한 래칭 레이어의 단순화된 상부 단면도이며, 여기서 임의의 수만큼의 이동 엘리먼트는 상기 분할된 그룹들로부터 선택된 그룹이 집단적으로 액추에이팅함으로써 액추에이트될 수 있으며, 래칭 레이어 내의 각각의 래치는 영구 자석과 결합되며, 래칭 레이어 내의 모든 영구 자석의 극은 모두 동일하게 배치된다.

도 10B는 도 1 내지 도 10A의 래치 레이어의 대체적인 실시예의 단순화된 회 로도이며, 각각의 래치는 도 8C의 래칭 제어기(50)에 의해 개별적으로 제어된다. 상기 래치는 고리 모양(annular)으로 구성되도록 도시되지만, 대체적으로 이하 기술되는 바와 같이 임의의 다른 적절한 구성을 가질 수 있다. 도 10B의 레이어는 절점(junctions)을 정의하는 수직 및 수평 와이어의 그리드(grid)를 포함한다. FET의 게이트는 일반적으로 각각의 절점에 제공된다. 개별적인 게이트를 열어(open) 해당 래치를 대전시키기(charge) 위해, 전압이 해당 수직 및 수평 와이어를 따라 제공된다.

도 11A는 요구되는 소리를 나타내는 입력 신호가 수신된 경우, 단향성(uni-directional) 스피커 애플리케이션에서 래치 제어기에 의해 사용되는 바람직한 제어 체계를 도시하는 타이밍도(timing diagram)이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 이동 엘리먼트는 이에 응답적으로 제어되어, 스피커의 앞면의 음량이 다른 영역의 음량보다 더 큰 소리 패턴을 얻으며, 래칭 레이어 내의 각각의 래치는 영구 자석과 결합되고, 상기 래칭 레이어 내의 모든 영구 자석의 극은 바람직하게 모두 또는 실질적으로 모두 유사하거나 동일하게 배치된다.

도 11B는 도 11A의 타이밍도를 획득하기 위한 이동 엘리먼트의 예시적인 어레이의 개념도이다.

도 11C는 요구되는 소리를 나타내는 입력 신호가 수신된 경우, 무지향성(omni-directional) 스피커 애플리케이션에서 래치 제어기에 의해 사용되는 바람직한 제어 체계를 도시하는 타이밍도이며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 이동 엘리먼트는 이에 응답적으로 제어되어, 스피커 앞면의 음량이 스피커를 둘러싸는 다른 모든 영역의 음량과 유사한 소리 패턴을 획득하도록 한다.

도 12A 및 도 12B는 각각 대체적인 실시예에 따른 이동 엘리먼트 레이어의 단순화된 평면도 및 단면도이며, 영구 자석의 절반은 N극이 윗 방향으로 배치되고 절반은 N극이 아래 방향으로 배치된다.

도 13은 래칭 레이어 내의 영구 자석의 절반이 N극이 윗 방향으로 배치되고 래칭 레이어 내의 나머지 절반의 영구 자석이 N극이 아래 방향으로 배치되는 것을 제외하고 도 10A와 유사한 단순화된 평면도이다.

도 14는 래칭 레이어 내의 영구 자석의 절반이 N극이 윗 방향으로 배치되고 래칭 레이어 내의 나머지 절반의 영구 자석의 N극이 아래 방향으로 배치되는 것을 제외하고 도 8A와 유사하게, 이동 엘리먼트가 그룹 내에서 각각, 선택적으로, 집단적으로 액추에이트될 수 있도록 배열된 특별한 예를 위한 래치 및 코일-유도된 전자기력의 제어를 설명하는 제어도이다.

도 15A는 단방향성 스피커 애플리케이션에서 래치 제어기에 의해 사용되는 바람직한 제어 체계를 도시하는 타이밍도이며, 이는 래칭 레이어 내의 영구 자석의 절반은 N극이 윗 방향으로 배치되고 래칭 레이어 내의 나머지 절반의 영구 자석은 N극이 아래 방향으로 배치되는 것을 제외하고 도 11A의 타이밍도와 유사하다.

도 15B는 도 15A의 타이밍도를 획득하기 위한 이동 엘리먼트의 예시적인 어레이의 개념도이다.

도 15C는 상이한 시간에 맨 상부 및 맨 하부 위치에 배치된 이동 엘리먼트의 개수의 변화와 도 8C의 래칭 제어기에 의해 수신된 입력 신호의 주파수의 함수를 도시하는 그래프이다.

도 16A는 도 1A 및 도 2A 내지 도 2C에 도시된 이동 엘리먼트 레이어에 대체할 수 있는 레이어가 박막으로부터 형성된 이동 엘리먼트 레이어를 설명하며, 각각의 이동 엘리먼트는 중앙 부분(central portion) 및 주변 부분(surrounding portion)을 포함한다.

도 16B는 도 1A 및 도 2A 내지 도 2C에 도시된 이동 엘리먼트 레이어에 여전히 대체할 수 있는, 가능한 모션을 수행할 수 있는 플렉서블한 재질의 시트(sheet), 예컨대 고무로 구성된 다른 이동 엘리먼트 레이어이며, 즉, 자석 아래에 단단한 디스크가 있다. 상기 자석은 단단한 엘리먼트로 구성될 수 있으나, 충분히 단단하지 않을 수도 있다.

도 16C는 도 7A 내지 도 7E 또는 도 16A에 도시된 이동 엘리먼트 및 주변 굴곡부(flexures)의 바람직한 실시예의 사시도이며, 굴곡부는 두께가 변할 수 있다.

도 16D는 도 16C의 장치에 대체할 수 있는 비용 효율적인 실시예의 사시도이며, 굴곡부의 폭(width)는 변할 수 있다.

도 17은 도 13의 개별적인 이동 엘리먼트 또는 래치들의 연속적인 열(rows)이 각각 비스듬하게(skewd) 구성되어 주어진 영역에 장착될 수 있는 액추에이터 엘리먼트의 개수가 증가하지만, 도 17의 열은 비스듬하게 구성되지 않고 전형적으로 직각의 어레이를 포함하는 것을 제외하고 도 3A의 어레이와 유사한 액추에이터 엘리먼트 어레이의 상부 단면도이다.

도 18은 각각의 액추에이터 엘리먼트의 단면이 원형이지 않고 사각형인 액추 에이터 엘리먼트 어레이의 대체적인 실시예의 분해도이다.

도 19는 개별적인 액추에이터 어레이의 액티브 영역의 합인 액티브 영역(active area)를제공하는 지지 프레임 내에 지지되는 액추에이터 어레이의 사시도이다.

도 20A는 도 1A 내지 도 19에 도시되고 기술된 바와 같이 도면에서 지시되는 특성을 가지는 다이렉트 디지털 스피커를 사용하여 원하는 사운드 스트림을 위한 원하는 지향성 패턴을 획득하기 위한 바람직한 시스템을 설명하는 단순화된 일반적으로 자명한 기능 블록도이다.

도 20B는 도 20A에 지시된 바와 같은 특성, 예컨대 도 1A 내지 도 19에 도시되고 기술된 특성을 가지는 다이렉트 디지털 스피커를 도입할 필요가 없고 임의의 적절한 다이렉트 디지털 스피커를 대신하여 도입할 수 있는 일반적인 적용성을 가지는 원하는 사운드 스트림을 위한 원하는 지향성 패턴을 획득하기 위한 바람직한 시스템을 설명하는 단순화된 일반적으로 자명한 기능 블록도이다.

도 21은 본 발명의 특정 실시예에 따라, 도 20의 이동 엘리먼트 제한 컨트롤러(3050)의 클럭당(per-clock) 동작을 설명하는 단순화된 흐름도이다.

도 22A는 무지향성 진행 패턴의 단순화된 도면이다.

도 22B는 도 22A의 원하는 무지향성 소리 진행 패턴의 초점 위치에 대한 이동 엘리먼트 어레이의 바람직한 위치에 대한 도면이다.

도 23은 도 20A 내지 도 22B에 따라 구성되고 동작하고, 예컨대 프로그램된 바에 의해 동작하여, 사용자가 스피커를 전체적으로 둘러싸는 환경, 일반적으로 도 시된 바와 같이 그라운드 레벨 및 1층 레벨을 포함하는 일 레벨보다 더 큰 환경에 특히 적절한 무지향성 소리를 생성하는 스피커 장치의 단순화된 묘사도이다.

도 24는 본 발명의 장치의 실시예를 사용하여 달성가능한 실린더형 패턴의 소리 지향성의 도면이다.

도 25는 이동 엘리먼트 어레이(3010)의 바람직한 일 위치를 도시하며, 도 24에 도시된 실린더형 패턴의 소리 지향성에 대해 예시적으로 사각형으로 도시되는 도면이다.

도 26은 도 20A 내지 도 20B의 이동 엘리먼트 어레이의 이소메트릭 뷰(isometric view)이며, 이동하는 어레이에 의해 생성되는 단방향성 소리를 도시하고 화살표에 의해 지시되는 바와 같이 원하는 또는 기결정된 방향 α으로 진행하는 것이 도시된다.

도 27은 본 발명에 따라 구성되고 동작하며, 예를 들어 일반적으로 적어도 하나의 사용자가 선택한 방향인 단방향성 소리를 생성하도록 프로그래밍된 스피커 장치(3600)에 대한 바람직한 적용의 묘사도이다.

도 28은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 이동 엘리먼트의 비-사각형(non-rectangular) 어레이의 단순화된 묘사도이다.

본 발명의 기술 분야는 제조 물질(fabrication materials) 및 기술을 이용하여 구성되어, 매우 다양한 응용 분야, 예컨대 오디오 스피커, 생물 의학적 분배 응용(biomedical dispensing application), 의학 및 산업적 감지 시스템(sensing systems), 광학적 스위칭, 디스플레이 시스템을 위한 광 반사(light reflection) 및 보다 긴-이동 액추에이션(longer-travel actuation) 및/또는 트랜스듀서 사이즈에 비하여 유체, 예컨대 공기 또는 액체의 보다 큰 용적의 변위(displacement)로부터 수익을 창출할 수 있는 다른 임의의 응용 분야에 사용되는 저 비용 장치를 생산하는 장-행정(long-stroke) 전기역학적 마이크로 액추에이터의 디지털 트랜스듀서 어레이에 관한 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 트랜스듀서 구조, 디지털 제어 메커니즘 및 다양한 제조 기술을 제공하여, 다수의, N, 마이크로 액추에이터로 구성된 트랜스듀서 어레이를 창조하도록 추구된다. 어레이는 전형적으로 세 개의 주요 레이어의 구조 밖에서(out of a structure) 전형적으로 구성되며, 특정 실시예는 양면이 특정 극성으로 배열된 자화 코팅(magnetic coatings) 및 다수의, N, 독특한 "사형(serpentine like)" 형상으로 에칭되어 전형적으로 적층된 특정한 저-피로(low-fatigue) 특성의 물질로 제조된 멤브레인 레이어를 포함할 수 있어, 멤브레인의 일부분이 (액추에이터의) 이동의 양방향성 선형 자유도를 가지도록 한다.

멤브레인의 각각의 이동 섹션의 양방향성 선형 이동은 전형적으로 유전체, 실리콘, 폴리머, 또는 임의의 다른 절연 기판으로 구성된 두 개의 마주보는 형태의 지지 구조 사이에 멤브레인 레이어를 겹침으로써 자연적으로 형성되는 챔버(액추에이터 채널) 내로 제한되며, 상기 챔버는 전형적으로 N개의 멤브레인의 사형의(serpentine) 에칭의 개수와 동일하게 N개로 홀(holes)에 정확히 사이즈가 맞추어져 제조되고, 전형적으로 각각의 멤브레인의 사형의(serpentine) 에칭과 함께 홀 을 통해 각각 정확하게 배열된 패턴으로 정확하게 위치된다. 지지 구조의 상부 및 하부 레이어의 바깥면(outer surfaces)에 더 부착된 것은, 전형적으로 전도성 돌출(overhanging) 표면, 예컨대 전도성 링 또는 디스크("어드레스로 불러낼 수 있는 전극(addressable electrodes)")이며, 이는 각각의 액추에이터를 끌어당기고 정전적 전하(electrostatic charge)를 적용시킴으로써 전형적으로 액추에이터가 스트로크의 끝에 도달하자마자 각각의 액추에이터를 고정시키도록 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 장치가 이제부터 도 1B, 도 2A 내지 도 2C, 도 3A 내지 도 3C, 도 4A, 도 5, 도 6A, 도 7A 및 도 7B, 도 8A 및 도 8B, 도 9, 도 10A, 도 11A, 도 12A, 도 13, 도 14, 도 15A, 도 16A 및 도 16C, 도 17 내지 도 19를 참조하여 기술된다.

도 1B는 장치의 작은 섹션의 개념도이다. 도 2A는 자기장 하에서 이동 엘리먼트의 움직임을 도시한다. 도 2B는 반대 방향의 자기장 하에서 동일한 이동 엘리먼트의 움직임을 도시한다. 도 2C는 하나의 전극이 대전된 경우 자기장 하에서 이동 엘리먼트의 움직임을 도시한다. 도 3A 내지 도 3C는 각각 본 발명의 일 바람직한 실시예에 따른 평면도, 단면도 및 사시도이다.

도 4A는 본 발명의 일 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 장치의 분해도이다. 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 장치의 작은 섹션의 상세도이다. 도 6A는 동일한 작은 섹션의 분해도이다. 도 7A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 구불구불한 사형 구조물(serpentine) 및 이동 엘리먼트의 서브어셈블리(subassembly)이다. 도 7B는 모션 에 있어서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 단일 엘리먼트의 예시도이다. 도 8A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 스피커 시스템의 블록도이다. 도 8B는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 스피커 시스템의 흐름도이다. 도 9A는 이동 엘리먼트에 작용하는 상이한 외력들 간의 바람직한 관계를 설명한다.

도 10A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 전극의 그룹도이다. 도 11A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 타이밍 및 제어도이다. 도 12A는 대체적인 실시예에 대한 이동 엘리먼트의 자기적 성질을 설명한다. 도 13은 대체적인 실시예에 따른 전극 그룹을 설명한다. 도 14는 대체적인 실시예에 따른 스피커 시스템의 단순화된 블록도이다. 도 15A는 대체적인 실시예에 대한 타이밍 및 제어도이다. 도 16A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 이동 엘리먼트 서브어셈블리의 작은 섹션이다. 도 16B는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 플렉서블한 기판을 사용한, 이동 엘리먼트 서브 어셈블리의 상이한 실시예의 작은 섹션이다.

반면 위 도 3A 내지 도 3C는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 벌집(honeycomb) 구조의 엘리먼트의 어레이를 설명하며, 도 17은 사각 구조의 엘리먼트의 어레이를 설명하며, 이는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작된다. 도 18은 사각 형태 엘리먼트를 사용한 실시예의 작은 섹션의 분해도이다. 도 19는 다수의(어레이 형태의) 장치를 사용한 장비를 설명한다.

효과적인 어드레싱(addressing)은 전극 선택과 전형적으로 효율적으로 단일 트랜스듀서 내의 전체 액추에이터를 상이한 사이즈의 N 개의 어드레스로 불러낼 수 있는(addressable) 액추에이터 그룹으로 분할하는 독특한 단일 프로세싱 알고리즘 간의 상호연결의 독특한 패턴을 통해 전형적으로 달성되며, 이는 하나의 액추에이터 그룹으로 시작하여 뒤이어 전 그룹의 2 배로 증가한 액추에이터의 그룹으로 진행되어, 트랜스듀서 내의 모든 N 개의 액추에이터가 그룹화될 때까지 진행된다.

액추에이터 스트로크(strokes)를 획득하기 위해, 트랜스듀서는 전형적으로 와이어 코일을 포함하며, 이는 전기적 전류가 인가된 경우, 트랜스듀서 전체에 걸쳐 전자장을 생성한다. 상기 전자장은 멤브레인의 이동부가 전형적으로 액추에이터 채널을 통해 선형 방식으로 이동하도록 야기시킨다. 전류가 그 극성을 교차시키는 경우(alternates), 상기 전자장은 상기 멤브레인의 이동부가 진동하도록 야기시킨다. 정전적 전하(electrostatic charge)가 특정 어드레스로 불러낼 수 있는 전극 그룹에 인가된 경우, 전자장은 전형적으로 그 그룹 내의 모든 액추에이터가 행정(stroke)의 끝(end), 응용 분야의 요구 조건에 따라 지지 구조(support structure)의 상부 또는 하부 중 하나에 고정되도록 야기시킬 것이다. 집단적ㅇ로 트랜스듀서에 의해 제공되는 변위(displacement)는 임의의 특정 인터벌에서 고정되지 않은 N 개의 액추에이터의 총합으로부터 달성된다 (중첩).

트랜스듀서 구조는 전형적으로 트랜스듀서 당 액추에이터의 개수, 각각의 액추에이터의 사이즈, 및 각각의 액추에이터의 행정의 길이, 및 어드레스로 불러올 수 있는 액추에이터 그룹의 개수에서 완전히 스케일 조절 가능하다. 특정 실시예에서, 액추에이터 엘리먼트는 특정 재질을 다양한 형태로 에칭함으로써 또는 플렉서 블한 재질로 코팅된 적층된 금속성 디스크를 사용함으로써 또는 자유 부유(free floating) 액추에이터 엘리먼트를 사용함으로써 구성될 수 있다. 멤브레인(굴곡부(flexure)) 재질은 실리콘, 베릴륨 구리, 구리 텅스텐 합금, 구리 티타늄 합금, 스테인리스 스틸 또는 임의의 다른 저 피로(low fatigue) 재질을 포함할 수 있다. 지지 구조의 어드레스로 불러낼 수 있는 전극은 임의의 패턴으로 그룹화되어 트랜스듀서 응용을 위해 적절한 어드레싱(addressing)을 획득할 수 있다. 어드레스로 불러낼 수 있는 전극은 부착되어 멤브레인 액추에이터와 함께 접촉을 형성할 수 있거나, 멤브레인과 물리적 접촉 없이 구성될 수 있다. 기판 재질은 임의의 절연 물질로서, 예컨대 FR4, 실리콘, 세라믹 또는 임의의 다양한 플라스틱일 수 있다. 일부 실시예에서, 재질은 페라이트 입자를 포함할 수 있다. 다수의 멤브레인에 에칭된 사형 형태, 또는 부유형(floating) 액추에이터 엘리먼트 및 지지 구조의 해당 채널은 곡률이 형성되거나, 각지거나 도는 임의의 다른 형태로 구성될 수 있다. 전자장은 트랜스듀서 전체의 주변, 트랜스듀서의 섹션 주변 또는 각각의 액추에이터 엘리먼트의 주변에 코일을 감거나 또는 하나 또는 그 이상의 코일을 하나 또는 그 이상의 액추에이터 엘리먼트의 바로 옆에 위치시킴으로써 생성될 수 있다.

특정 실시예에서, 다이렉트 디지털 방법은 마이크로-스피커의 어레이를 사용하여 소리를 생성하기 위해 사용된다. 디지털 사운드 재생성(Digital sound reconstruction)은 전형적으로 이산적인 음향 펄스(discrete acoustic pulses)의 에너지를 합하는 과정을 포함하여 음파(sound-waves)를 생성한다. 이들 펄스는 오디오 전자(audio electronics) 또는 디지털 미디어로부터 온 디지털 신호를 기반으 로 할 수 있어, 각각의 신호 비트(signal bit)는 마이크로-스피커의 그룹을 제어한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 유입된 디지털 신호의 n번째 비트는 어레이의 2ⁿ 마이크로-스피커를 제어하며, MSB(Most Significant Bit)는 마이크로-스피커의 약 절반을 제어하고 LSB(Least Significant Bit)는 적어도 단일의 마이크로-스피커를 제어한다. 특정 비트의 신호가 하이인 경우, 상기 비트에 할당된 그룹 내의 모든 스피커는 전형적으로 그 샘플 인터벌(sample interval)동안 활성화된다. 어레이 내의 스피커의 개수 및 펄스 주파수는 야기되는 음파의 선명도를 결정한다. 전형적인 실시예에서, 펄스 주파수는 소스-샘플링 비율(source-sampling rate)일 수 있다. 인간의 귀 또는 다른 소스로부터의 음향 저역 통과 필터의 후 적용(post application)이 있더라도, 청취자는 전형적으로 디지털 신호에 의해 표현되는 원래의 아날로그 파형과 동일한 음향적으로 보다 부드러운(smoother) 신호를 듣는다.

이하 기술되는 소리 재생성 방법에 따르면, 생성된 음압(sound pressure)는 동작하는 스피커의 개수에 비례한다. 상이한 주파수는 시간에 대해 스피커 펄스(speaker pulses)의 개수를 변화시킴으로써 생성된다. 아날로그 스피커와 다르게, 개별적인 마이크로-스피커는 전형적으로 비선형 영역에서 동작하여 동적 범위(dynamic range)를 최대화시키지만 반면 여전히 저주파수의 소리를 생성할 수 있다. 어레이의 네트 선형성(net linearity)은 전형적으로 음향 파동 방정식(acoustic wave equation)의 선형성 및 개별적인 스피커들 간의 단일성(uniformity)으로부터 기인한다. 생성된 음파 내의 비선형 컴포넌트의 전체 개수 는 전형적으로 장치 내의 마이크로-스피커의 개수에 역으로 관계된다.

바람직한 실시예에서, 디지털 트랜스듀서 어레이는 실제의(true), 직접적인(direct) 디지털 사운드 생성을 구현하기 위해 도입된다. 생성된 소리의 동적 범위는 어레이 내의 마이크로-스피커의 개수에 비례한다. 최대 음압은 각각의 마이크로- 스피커의 행정에 비례한다. 따라서, 장 행정(long stroke) 트랜스듀서를 생성하고 가능한 한 많이 사용하는 것이 요구된다. 일부 디지털 트랜스듀서 어레이 장치가 최근 들어 개발되어 왔다. 하나의 가치 있는 개발은 카네기 멜론 대학에서 개발한 CMOS-MEMS 마이크로-스피커이다. CMOS 제조 공정을 사용함으로써, 255 스퀘어(square) 마이크로-스피커의 8 비트 디지털 스피커 칩을 설계하였으며, 각각의 마이크로-스피커는 한 측면에 216 μm로 구성된다. 멤브레인은 폴리머로 코팅된 사형 AlSiO₂ 메쉬로 구성되고 변화하는 전기적 포텐셜을 CMOS 금속층(metal stack) 및 실리콘 기판에 인가함으로써 정전적으로(electrostatically) 액추에이트될 수 있다. 야기되는 평면 모션은 소리를 생성하는 압력파의 근원이 된다. 각각의 멤브레인은 약 10 μm의 행정을 가진다. 이러한 단 행정은 불충분하며 생성된 소리 레벨은 확성스피커에 적용하기에는 너무 부드럽다. 다른 쟁점은 장치가 40 V의 구동 전압을 요구하는 것이다. 그러한 전압은 복잡하고 고가의 스위칭 전자 회로를 필요로 한다. 이하 기술되는 장치의 바람직한 실시예는 일부 또는 이러한 모든 제한을 극복하고 고 스위칭 전압의 필요를 제거하면서 보다 큰 소리 레벨을 생성한다.

각각의 트랜스듀서의 형태는 스피커의 음향 성능에 중대한 영향을 미치지 않 을 것이다. 트랜스듀서는 사각형으로(in square), 삼각형 또는 육각형 그리드로 포장된다.

본 발명은 전형적으로 자기력 및 정전력(electrostatic forces)의 조합을 활용하여 장행정을 허용함으로써 종래의 자성 또는 정전형 액추에이터에 발생된 문제점을 해결한다.

트랜스듀서 어레이의 이동 엘리먼트는 전형적으로 전기를 전도하도록 제조되고 자화될 수 있어, 자성의 극들(poles)은 트랜스듀서 어레이 표면에 수직하게 배열된다. 완화된 전도면 충분하다. 코일은 전체 트랜스듀서 어레이를 둘러싸거나 각각의 엘리먼트의 옆에 위치되고 액추에이션 외력을 생성한다. 교류 전류 또는 교류 전류 펄스를 코일에 인가함으로써 모든 이동 엘리먼트가 위아래로 교류 전류와 동일한 주파수로 움직이도록 외력을 가해주는 교차하는(alternating) 자기장 그래디언트를 생성한다. 각각의 이동 엘리먼트를 제어하기 위해, 두 개의 전극이 사용될 수 있으며, 하나는 이동 엘리먼트의 위에 하나는 이동 엘리먼트의 아래에 배치될 수 있다.

코일에 인가되는 전류는 전형적으로 상부 및 하부 전극에 근접하도록 이동 엘리먼트를 구동시킨다. 작은 정전 전하가 이동 엘리먼트에 인가된다. 상기 전극들 중 하나에 상반된 전하를 인가함으로써 이동 엘리먼트와 전극 간에 인력을 생성한다. 이가 전극에 매우 근접한 경우, 인력은 일반적으로 코일 자기장 및 복원 스프링(retracting spring)에 의해 생성된 외력보다 더 커지게 되고, 이동 엘리먼트는 전극으로 래치된다. 전하 또는 전하의 일부를 전극으로부터 제거함으로써 일반적으 로 이동 엘리먼트는 코일 자기장 및 굴곡부(flexures)의 영향 하에서 다른 모든 이동 엘리먼트와 함께 움직이도록 허용된다.

특정 실시예에 따르면, 액추에이터 어레이는 5 개의 플레이트 또는 레이어로 제조될 수 있다:

- 상부 전극 레이어

- 상부 스페이서(spacers) (레이어(402)로서 함께 도시됨)

- 이동 엘리먼트(403)

- 하부 스페이서

- 하부 전극 레이어(레이어(404)로서 함께 도시됨)

특정 실시예에 따르면, 레이어는 대형 코일(401)에 의해 둘러 싸여진다. 이 코일의 직경은 일반적으로 종래의 자성 액추에이터에 사용된 코일보다 훨씬 크다. 코일은 종래의 생산 방법을 사용하여 제조될 수 있다.

특정 실시예에서, 이동 엘리먼트는 전도성 및 자성 물질로 제조된다. 일반적으로 완화된전기적 전도성으로 충분하다. 이동 엘리먼트는 많은 타입의 물질을 사용하여 제조될 수 있으며, 고무, 실리콘, 도는 금속 및 그 합금을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 물질이 자화될 수 없거나 보다 강한 자석이 요구되는 경우, 자석이 부착될 수 있거나 자성 물질로 코팅될 수 있다. 이러한 코팅은 일반적으로 자성 파우더(magnetic powder)가 부착된 에폭시 또는 다른 레진에 의해 스크린 프린팅 공정 또는 종래에 알려진 기술을 사용하여 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 스크린 프린팅은 포토리소그래픽 공정을 통해 생성된 레진 마스크를 사용하 여 수행될 수 있다. 이 레이어는 전형적으로 레진/자성 파우더 매트릭스를 경화시킨 후 제거된다. 특정 실시예에서, 에폭시 또는 레진은 장치가 강 자기장을 받으면서 경화되어, 레진 매트릭스 내의 파우더 입자가 요구되는 방향으로 배향된다. 이동 엘리먼트의 기하학적 배열(geometry)는 변경될 수 있다. 다른 실시예에서, 이동 엘리먼트의 일부분은 자석으로 코팅될 수 있고 한 방향으로 배향된 자기장으로 경화될 수 있으며, 반면 나머지 부분은 추후에 코팅되고 상반된 방향의 자기장에서 경화되어, 동일한 외부 자기장 하에서 엘리먼트가 상반된 방향으로 이동하도록 유발시킬 수 있다. 일 바람직한 실시예에서, 이동 엘리먼트는 이동 엘리먼트를 둘러싸는 사형(serpentine)의 플레이트를 포함하며, 일반적으로 박막으로부터 도려내어진다. 선택적으로, 특정 실시예에서, 굴곡부 영역에서만 얇게 처리된 두꺼운 물질을 사용할 수 있거나 상대적으로 두꺼운 플레이트를 굴곡부로서 패턴화된 얇은 레이어에 부착시킴으로써 사용될 수 있다. 이러한 형태는 사형의 형태가 유순한(compliant) 굴곡부로서 제공되는 반면 박막의 일부분이 움직이도록 허용한다. 특정한 다른 실시예에서, 이동부(moving part)는 실린더 또는 구(sphere)이며, 이는 대략 상부 및 하부 전극 사이에서 자유롭게 이동한다.

도 1B는 본 발명의 특정 실시예에 따른 장치의 작은 섹션의 개념도를 설명하며, 완전한 트랜스듀서 어레이 구조의 개념을 제공한다. 설명된 실시예에서, 이동 엘리먼트는 피스톤(101)이며, 이는 일반적으로 자화되어 하나의 극(102)은 각각의 피스톤의 상부에 위치하고 다른 하나의 극(103)은 하부에 위치한다. 일반적으로 전체 트랜스듀서 어레이 구조에 영향을 미치는 자기장 생성기(미도시)는 트랜스듀서 어레이 전반에 걸쳐 자기장을 생성하며, 일반적으로 피스톤(101)이 위아래로 움직이도록 유발시켜, 그에 의해 캐비티(104) 밖으로 공기에 외력을 작용시킨다. 정전형 전극은 일반적으로 각각의 캐비티의 상부(105) 및 하부(106) 둘 모두에 위치한다. 전극은 각각의 피스톤을 끌어당기고 각각의 피스톤이 그 행정의 끝에 근접함에 따라 고정시키는 래칭 메카니즘을 수행하여, 래치가 해제될 때까지 피스톤의 움직임을 방지하여, 가압된 공기가 용이하게 지나가도록 허용한다. 특정 실시예에서, 피스톤(101)은 전기적 전도성 물질 또는 그러한 물질이 코팅된 물질로 제조된다. 피스톤 및/또는 정전형 전극 중 적어도 하나의 엘리먼트는 일반적으로 유전체 레이어에 의해 커버되어 내림 동작(pull-down)이 발생하는 경우 단락을 방지한다.

함께 도시되는 도 2A 내지 도 2C는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 엘리먼트 이동을 설명한다. 이 실시예에서, 코일(미도시)은 일반적으로 트랜스듀서 어레이 구조 전체를 둘러싸며, 이동이 자유로운 임의의 자성 엘리먼트가 자기장의 교차하는 방향에 따라 이동하도록 야기하는 자기장을 상기 트랜스듀서 어레이 전체에 걸쳐 생성한다. 이는 피스톤을 일반적으로 위아래로 움직이도록 야기한다.

도 2A에서, 자기장(201)의 방향은 아래 방향이다. 자기장은 외력을 생성하여, 전체 어레이의 피스톤(101)을 아래 방향으로 구동시킨다.

도 2B에서, 자기장(202)의 방향은 변화하여 윗 방향을 향한다. 자기장은 외력을 생성하여, 전체 어레이의 피스톤(101)을 윗 방향으로 구동시킨다.

도 2C에서, 양 전하가 상부 전극 중 하나(205)에 인가된다. 양전하는 일반적으로 피스톤(204) 내의 전자를 끌어당겨, 피스톤(206)의 상부를 음전하로 대전시킨 다. 상반된 극성의 전하(205, 206)은 간격이 임계 거리 이하인 경우, 인력을 생성하여, 일반적으로 두 개의 엘리먼트를 함께 내리도록(pull-down) 작용한다. 자기장(203)의 방향은 다시 변하였고 아래 방향을 향한다. 피스톤(204)은 일반적으로 자기적 인력에 기인하여 고정되는 반면 나머지 피스톤은 자유로이 이동할 수 있고, 자기장(203)의 영향에 의해 하부로 이동한다. 이러한 특정 실시예에서, 전극에 인가된 전하는 양전하이다. 선택적으로, 음전하가 전극에 인가될 수 있으며, 이는 음전하가 근처 피스톤의 가까운 측면에 축적되도록 유도될 것이다.

도 3A 내지 도 3C는 바람직한 실시예의 평면도, 단면도 및 사시도를 도시한다.

특정 실시예에서, 전체 트랜스듀서 어레이 주변에 감긴 코일(304)은 상기 어레이 구조 전체에 걸쳐 자기장을 생성하여, 전류가 인가되는 경우, 상기 자기장은 피스톤(302)이 위(301) 아래(303)로 움직이도록 한다.

도 4A는 본 sqkf명의 특정 실시예에 따라 구성되고 동작하는 장치의 분해도이다. 도시된 바와 같이, 트랜스듀서 어레이 구조의 분해도는 그것이 다음과 같은 주요 부분을 포함하는 것을 나타낸다:

(a) 전체 트랜스듀서 어레이를 둘러싸는 코일(401)은 전압이 코일에 인가된느 경우, 상기 전체 어레이 구조에 걸쳐 전자장을 생성한다. 코일의 바람직한 실시예는 도 9B 내지 도 9D를 참조하여 이하 기술한다.

(b) 특정 실시예에서, 상부 레이어 구조(402)는 스페이서 레이어 및 전극 레이어를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 이러한 레이어는 정확하게 이격된 캐비 티의 어레이로서 각각은 일반적으로 각각의 캐비티의 상부에 부착된 전극 링(electrode ring)을 구비하는 캐비티 어레이와 함께 PCB(Printed Circuit Board) 레이어를 포함할 수 있다.

(c) 본 발명에서 이동 엘리먼트("피스톤)(403)은 이동의 자유도(freedom of movement)의 특정 치수(specific measure)로 박막을 분할하는 유순한(compliant) 굴곡부로서 제공되는 "사형(serpentine)" 형태에 의해 일반적으로 둘러싸여진 많은 아주 정밀한 플레이트로 절단되거나(cut) 에칭된 전도성의 자화 물질의 박막으로 구성될 수 있다.

(d) 하부 레이어 구조(404)는 스페이서 레이어 및 전극 레이어를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 이 레이어는 정확하게 이격된 캐비티의 어레이를 포함하는 유전체 레이어를 포함할 수 있으며, 각각은 일반적으로 각각의 캐비티의 하부에 부착된 전극 링을 구비한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 장치의 작은 섹션을 상세하게 도시한다. 설명된 실시예에 따라 트랜스듀서 어레이의 세부 치수의 단면도는 다음과 같은 구조를 도시한다: 이동 엘리먼트("피스톤")으로서, 일반적으로 정교한 플레이트 및 상부(502) 및 하부(503)에 자화된 레이어를 구비하는 사형 형상(serpentine shapes)으로 절단되거나 에칭된 박막(501)으로부터 제조되며, 이는 정확하게 배치되어 각각의 플레이트 형상의 중앙은 정확하게 각각의 상부 레이어 유전체(504)의 캐비티 및 하부 레이어 유전체 캐비티(505)의 중앙에 정렬되어, 집단적으로 이동 가이드 및 공기 덕트로서 제공된다. 상부(506) 및 하부(507) 의 각각의 덕트의 외부 가장자리는 구리 링("전극") 래칭 메카니즘이며, 이는 정전적 전하가 인가되는 경우, 일반적으로 각각의 이동 엘리먼트를 끌어당겨 이동 엘리먼트("피스톤") 및 래치들 간의 접촉을 생성하고, 엘리먼트가 각각의 행정의 끝에 근접함에 따라 각각의 이동 엘리먼트("피스톤")은 고정되어, 그에 의해 일반적으로 정전적 전하가 전극에서 제거됨에 의해 래치가 해제될 때까지 이동 엘리먼트("피스톤")가 움직이는 것을 방지한다.

도 6A는 도 5에 도시된 바와 같은 동일한 작은 섹션의 분해도를 도시하며, 이 실시예에서, 정확한 사형 형상으로 에칭되어 각각의 형상의 중앙이 상부 및 하부의 자화된 레이어에 부착되도록 이동 엘리먼트("피스톤")를 생성하는 박막(thin foil)은, 상부(602) 및 하부(603) 유전체 상의 거울 이미지의 캐비티 내에 집중되고 둘러싸여진다.

도 7A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 사형 형상 및 이동 엘리먼트를 도시한다. 박막의 정적인 평면도는 이 실시예의 이동 엘리먼트가 정교하게 둥근 사형 형상으로 에칭됨으로써 일반적으로 구성되어, 형상의 중앙(701)이 재료로부터 에칭된 형상(703)에 의해 제한된 이동의 자유를 허용하며, 그에 의해 산재된(interspersing) 캐비티(702)를 형성한다. 단면도는 박막이 일반적으로 자석의 레이어에 배열된 극을 구비하며, 이는 박막 이동 엘리먼트 레이어의 상부(704) 및 하부(705) 둘 모두에 부착되는 것을 나타낸다. 이 실시예에 대체적인 실시예로서, 자석의 레이어는 박막의 일측면에만 부착될 수 있다.

도 7B는 모션 중인 단일 엘리먼트의 개념도이며, 사형으로 에칭된 굴곡 부(707)에 의해 가이드되고 제한된 단일의 사형 형상의 자화된 중앙부(706)가 윗 방향으로 자유롭게 확장되는 특정 실시예의 윗 방향 이동의 자유로움을 도시한다. 사형 형상이 상반된 방향으로 이동함으로써 상반된(아래 방향) 이동을 하는 것은 도시되지 않으며, 그렇게 함으로써 굴곡부는 아래 방향으로 확장된다.

특정 실시예에서, 각각의 형상 중앙부의 상부(708) 및 각각의 레이어의 하부(709)는 동일한 자기 극성으로 배열된 자화된 레이어에 부착된다.

도 8A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스피커 시스템의 블록도를 도시한다. 특정 실시예에서, 디지털 입력 신호(공통된 프로토콜은 I2S, I2C 또는 SPDIF이다)(801)는 로직 프로세서(802)에 입력되어, 이동 엘리먼트의 각각의 그룹의 래칭 메카니즘을 정의하도록 신호를 번역한다. 그룹 어드레싱(group addressing)은 일반적으로 두 개의 주요 그룹으로 구분되며, 하나는 이동 엘리먼트를 상부에서 래칭하는 것이고, 다른 하나는 이동 엘리먼트의 행정의 하부에서 이동 엘리먼트를 래칭하는 것이다. 그리고 나서 각각의 그룹은 일반적으로 적어도 하나의 이동 엘리먼트의 그룹에서 시작하여, 뒤이어 이전 그룹의 이동 엘리먼트를 두 배로 증가시킨 다른 그룹으로 진행하고, 뒤이어 이전의 엘리먼트의 개수를 다시 두 배로 증가시킨 다른 그룹으로 진행하여, 전체 어레이의 모든 이동 엘리먼트가 그룹화될 때까지 논리적 어드레싱 그룹(logical addressing groups)으로 더 분리된다. N 번째 그룹은 2^N-1의 이동 엘리먼트를 포함한다.

도 8A의 블록도에 도시된 실시예에서, 하나의 엘리먼트 그룹의 상부 그 룹(803), 두 개의 엘리먼트 그룹(804) 및 그리고 나서 네 개의 엘리먼트 그룹(805)은 이와 같이 도시되며, 이는 트랜스듀서 어레이 어셈블리 내의 이동 엘리먼트의 전체 개수가 프로세서(802)로부터 제어 신호를 수신하도록 어드레스될 때까지 진행된다.

동일한 그룹화 패턴은 일반적으로 하부 래칭 메카니즘을 위해 반복되며, 이는 하나의 엘리먼트 그룹(807)에 뒤이어 두 개의 엘리먼트 그룹(808)이 진행되고 그리고 나서 네 개의 엘리먼트 그룹(809)이 뒤따르는 것과 같이 진행되어, 트랜스듀서 어레이 어셈블리 내의 전체 개수의 이동 엘리먼트가 프로세서(802)로부터 제어 신호를 수신하여 어드레스될 때까지 진행된다.

프로세서(802)는 또한 전체 트랜스듀서 어레이(812)를 둘러싸는 코일로의 교류 전류 흐름을 제어하여, 그 결과 전체 어레이를 통한 자기장을 생성하고 제어한다. 특정 실시예에서, 파워 앰플러파이어(811)(power amplifier)는 코일에 대한 전류를 증가시키도록 사용될 수 있다.

도 8B는 스피커 시스템의 흐름도를 도시한다. 디지털 입력 신호(813)의 샘플링 레이트(rate)가 장치의 고유 샘플링 레이트와 상이할 수 있는 특정 실시예에서, 리샘플링 모듈(resampling module)(814)은 신호를 리샘플링할 수 있어, 이는 장치의 샘플링-레이트를 부합시킨다. 그 외에, 리샘플링 모듈(814)은 변경하지 않은 채 신호를 통과시킨다.

스케일링 모듈(815)은 일반적으로 바이어스 레벨을 신호에 부가하고 신호를 스케일링하며, 유입되는 신호(813)의 레졸루션(resolution)이 샘플당 M 비트라고 가정하면, 샘플 값 X는 -2^(M-1) 및 2^(M-1)-1 사이에서 분포한다.

또한 특정 실시예에서, 도 8A에 기술된 바와 같이, 스피커 어레이는 N 개의 엘리먼트 그룹(1..N으로 넘버링됨)을 구비한다.

K는 다음과 같이 정의된다: K=N-M

일반적으로, 입력 레졸루션이 스피커 내의 그룹의 개수보다 높은 경우(M>N), K는 음수가 되고 입력 신호는 스케일 다운된다. 입력 레졸루션이 스피커 내의 그룹의 개수보다 낮은 경우(M<N), K는 양수가 되고 입력 신호는 스케일 업된다. 이들이 동일한 경우, 입력 신호는 스케일되지 않고, 오직 바이어스되기만 한다. 스케일링 모듈(815)의 출력 Y는 다음과 같을 수 있다: Y = 2^K[X+2^M-1]. 출력 Y는 가장 가까운 정수로 반올림된다. Y 값은 이제 0에서 2N-1 사이에 분포된다.

Y의 바이너리 값을 포함하는 비트는 검열된다(inspected). 각각의 비트는 이동 엘리먼트의 다른 그룹을 제어한다. 가장 낮은 중요성의 비트(the least significant bit)(비트1)은 가장 작은 그룹(그룹 1)을 제어한다. 다음 비트(비트 2)는 두 배로 큰 그룹(그룹 2)를 제어한다. 다음 비트(비트3)는 그룹 2보다 두 배로 큰 그룹을 제어하며, 이와 같이 진행된다. 가장 큰 중요성의 비트(the most significant bit)(비트N)은 가장 큰 그룹(그룹 N)을 제어한다. Y를 포함하는 모든 비트의 상태는 일반적으로 블록 816, 823,...824에 의해 동시에 검열된다.

비트는 유사한 방식으로 다루어진다. 다음은 비트1을 검열하는 바람직한 알고리즘이다:

블록(816)은 Y의 비트1(가장 중요성이 낮은 비트)를 체크한다. 비트1이 하이인 경우, 그 이전 상태(817)와 비교한다. 비트1이 이전에 하이였다면, 그룹 1 내의 이동 엘리먼트의 위치를 변경할 필요가 없다. 비트1이 이 전에 로우였다면, 프로세서는 자기장이 윗 방향을 향할 때까지 대기하고, 참조번호 818에 의해 지시되면 그리고 나서, 참조번호 819에 의해 지시되면, 프로세서는 일반적으로 하부 래칭 메카니즘 B1을 해제하는 반면, 상부 래칭 메카니즘 T1을 결합(engaging)하여, 그룹 1 내의 이동 엘리먼트가 장치의 하부에서 상부로 이동하도록 한다.

블록(816)이 Y의 비트1이 로우임을 결정하는 경우, 그 이전 상태(820)과 비교한다. 비트1이 이전에 로우였다면, 그룹 1의 이동 엘리먼트의 위치를 변경시킬 필요가 없다. 이전 상태가 하이였다면, 프로세서는 자기장이 아랫 방향을 향할 때까지 대기하고, 참조번호 821이 지시하고 그리고 나서, 참조번호 822가 지시하면, 프로세서는 상부 래칭 메카니즘 T1을 해제하는 반면 하부 래칭 매카니즘 B1을 결합하여, 그룹 1 내의 이동 엘리먼트가 장치의 상부에서 하부로 이동하도록 한다.

도 9A는 이동 엘리먼트에 작용하는 상이한 주요 외력들 간의 일반적인 관계를 도시한다. 이동 엘리먼트에 작용되는 상이한 외력들은 일반적으로 상호 간에 평형을 이루도록 조화되어 작용하여, 요구되는 기능을 달성한다. 중앙을 향한 외력은 음수의 외력으로 도시되며, 반면 엘리먼트가 중앙으로부터 더 멀어지도록 구동하는(위 또는 아래 방향으로의 래칭 메카니즘 중 어느 하나) 외력은 양수의 외력으로 도시된다.

실시예에서, 이동 엘리먼트는 세 가지 주요 외력에 의해 영향받는다:

a. 자기력(magnetic force)으로서, 이는 자기장 및 단단한 자석의 상호작용에 의해 생성된다. 이 외력의 방향은 이동 엘리먼트 자석의 극성, 자기장의 방향 및 자기장 그래디언트에 의존한다.

b. 정전기력(electrostatic force)으로서, 이는 일반적으로 특정 전하를 전극에 인가하고 상반된 극성의 전하를 이동 엘리먼트에 인가함으로써 생성된다. 이 외력의 방향은 이동 엘리먼트를 전극으로 끌어당기는 방향이다(이 도면에서는 양수로 정의됨). 이 외력은 이동 엘리먼트와 전극 간의 거리가 매우 작을거나 및/또는 이 간격이 높은 유전상수를 포함하는 경우 급격히 증가한다.

c. 굴곡부에 의해 생성된 복원력(retracting force)으로서, (이는 스프링으로서 작용한다). 이 외력의 방향은 언제나 장치의 중앙을 향한다(이 도면에서는 음수로 정의됨). 이 외력은 상대적으로 작으며, 이는 굴곡부가 유순하기(compliant) 때문이며, 자연적으로 선형이기 때문이다.

상기 외력들 간의 관계는 일반적으로, 이동 엘리먼트가 그 행정의 끝에 점점 근접할수록, 정전기력(래칭 메카니즘에 의해 생성됨)은 증가하고, 최종적으로 이동 엘리먼트를 끌어당기고 래치하기에 충분한 외력에 도달한다. 래치가 해제된 경우, 복원력 및 자기력은 일반적으로 이동 엘리먼트를 래치로부터 중앙으로 잡아당길 수 있으며, 그에 의해 이동 엘리먼트의 이동은 유도된다. 상기 이동 엘리먼트가 중앙으로 이동함에 따라, 일반적으로 굴곡부의 복원력은 감소되고 최종적으로 넘어서고, 그리고 나서 전자기력 및 이동 엘리먼트의 운동 에너지에 의해 제어된다.

도 10A는 특정 실시예에서 도 8에 이미 기술된 바와 같이, 디지털 어드레싱 의 목적을 위해 이동 엘리먼트("피스톤")에 적용되는 그룹화 패턴의 단면도를 도시한다. 이 실시예에서, 중앙(1001)에 하나의 엘리먼트의 그룹이 있고 뒤이어 두 개의 엘리먼트 그룹(1002)이 있으며, 뒤이어 네 개의 엘리먼트 그룹(1003)이 있으며, 뒤이어 8개의 엘리먼트 그룹(1004)이 있으며, 뒤이어 16개의 엘리먼트 그룹(1005)이 있으며, 이와 같이 진행된다.

이 실시예에서 도시된 바와 같이, 각각의 증가하는 그룹을 확장하는 것은 이전 그룹의 주변을 따라 확장하도록 배열되지만, 그러나 이 기하학적 배열의 구성은 다른 오디오 및/또는 구조적인 목적을 달성하기 위해 변경될 수 있다. 예를 들어, "중심점(epicenter)"을 트랜스듀서 어레이의 바깥쪽 영역으로 이동시키는 것은 각각의 그룹 및 프로세서(802) 간의 와이어 라우팅(wirerouting)을 보다 용이하게 할 수 있다(도 8A 및 도 8B에 언급됨)

도 11A는 바람직한 타이밍 및 제어도를 도시한다. 타임도는 특정 음파 형태를 생성하기 위한 바람직한 로직 및 알고리즘을 기술한다. 이 기술의 범위에서, 타임라인(timeline)은 슬랏(slots)으로 구분되며, 이는 I1, I2 등으로 번호가 매겨진다. 이 단순한 예는 3 개의 그룹으로 분할된 7 개의 이동 엘리먼트를 사용하는 장치를 도시한다. 제 1 그룹은 하나의 이동 엘리먼트 "P1"을 포함하고 상부 래칭 메카니즘 "T1" 및 하부 래칭 메카니즘 "B1"에 의해 제어된다. 제 2 그룹은 동기되고(synchronized) 함께 이동하는 두 개의 이동 엘리먼트 "P2" 및 "P3"를 포함한다. 이 그룹은 상부 래칭 메카니즘 "T2" 및 하부 래칭 메카니즘 "B2"에 의해 제어된다. 제 2 그룹은 네 개의 이동 엘리먼트 "P4", "P5", "P6" 및 "P7"을 포함하며, 이는 동기되고 함께 이동한다. 이 그룹은 상부 래칭 메카니즘 "T3" 및 하부 래칭 메카니즘 "B3"에 의해 제어된다.

도면의 상부의 "클럭" 차트는 시스템 클럭을 나타낸다. 이 클럭은 일반적으로 장치 외부에서 생성되어 소리 신호(sound signal)와 함께 프로세서(802)로 전송된다(도 8에 언급됨). 일반적인 실시예에서, 장치의 샘플링 레이트는 44100 Hz이다. 그러한 경우, 각각의 클럭 인터벌의 듀레이션(duration)은 22 μsec이며, 클럭은 그 상태를 매 11 μsec마다 변경한다.

이 예에 도시된 "신호"는 장치가 생성하는 아날로그 파형이다. "값" 차트는 각각의 클럭 인터벌에서 신호의 디지털 샘플 값을 도시한다. "자성" 차트는 코일에 의해 생성된 자기장의 방향(극성)을 도시한다. 극성은 시스템 클럭과 동기되어 변화한다.

이 도면은 각각의 이동 엘리먼트의 상태를 다음과 같은 디스플레이 규칙을 사용하여 도시한다: 상부에 래치된 엘리먼트("P1".."P7")(1101)은 흑색으로 색칠해진다. 하부에 래치된 엘리먼트(1102)는 백색으로 색칠해지고, 움직이는 엘리먼트(1103)은 음영 처리되었다.

디지털 샘플 값은 얼마나 많은 엘리먼트가 어레이의 상부로 래치될 수 있는지 그리고 얼마나 많은 엘리먼트가 어레이의 하부로 래치될 수 있는지 지시한다. 이 예에서, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 및 4의 디지털 샘플 값은 가능하다. 각각의 값은 각각 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 및 7 엘리먼트로 표현되며, 이는 상부로 래치된 것이다.

타임 슬라이스 I1의 디지털 샘플 값은 0이다. 이는 세 개의 엘리먼트가 상부에 래치되고 4 개가 하부에 래치되는 것을 요구한다. 자기장의 극성은 윗 방향이다. 상부 래칭 매카니즘 T1 및 T2는 결합되고(engaged) 하부 래칭 메카니즘 B3도 그러하다. 동시에, 하부 래칭 메카니즘 B1 및 B2는 해방되고 상부 래칭 메카니즘 T3도 그러하다. 이동 엘리먼트 P1, P2 및 P3는 상부에 래치되는 반면 P4, P5, P6 및 P7은 하부에 래치된다.

타임 슬라이스 I3에서, 디지털 샘플 값은 1로 변경된다. 이는 4 개의 엘리먼트가 상부로 래치되고 세 개의 엘리먼트가 하부로 래치되는 것을 요구한다. 자기장의 극성은 윗 방향이다. 하부 래치 B3는 해방되어, 엘리먼트 P4, P5, P6 및 P7은 해제되어 자유롭게 이동한다. 동시에, 상부 래칭 메카니즘 T3는 결합된다. 엘리먼트는 자기장의 영향 하에서 윗 방향으로 이동하며, 현재 결합된 T3dp 의해 래치된다.

이 때, 모든 7개의 이동 엘리먼트는 상부로 래치된다. 다음 슬라이스 I4에서, 이동 엘리먼트 P1, P2 및 P3는 하부로 래치되어, 장치가 요구되는 상태(네 개의 엘리먼트가 상부에 있고 세 개가 하부에 있는 상태)에 있는지 여부를 확인한다. 슬라이스 I4에서, 자기장의 극성은 아래 방향을 향하도록 변경된다. 상부 래칭 메카니즘 T1 및 T2는 이동 엘리먼트 P1, P2 및 P3를 해방하여 해제시킨다. 동시에, 하부 래칭 메카니즘 B1 및 B2는 결합되고 접근하는 이동 엘리먼트 P1, P2 및 P3는 하부 위치에 래치된다. 이동 엘리먼트 P4, P5, P6 및 P7은 상부 래칭 메카니즘 T3에 의해 그 자리에 고정되고, 따라서 다른 이동 엘리먼트와 함께 아래 방향으로 이 동하는 것이 제한된다. 이 때의 장치의 상태는: P1, P2 및 P3는 하부에 래치되고 P4, P5, P6 및 P7은 상부에 래치된다. 타임 슬라이스 I5에서 I4까지, 래칭 메카니즘은 결합되고 해방되어 이동 엘리먼트가 이동하고 그들의 상태를 디지털 샘플 값에 따라 변경하도록 한다.

도 12A는 대체적인 실시예를 어드레싱하기 위한 이동 엘리먼트의 바람직한 자기적 특성을 도시한다. 이동 엘리먼트 박막의 정적인 평면도는 이에 대한 하나의 대체적인 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 이동 엘리먼트의 두 개의 구분되는 그룹 구획(group segments)(1201, 1202)이 생성되며, 단일의 트랜스듀서 어레이가 하나의 큰 신호(a louder signal) 또는 대체적으로 두 개의 분리된 신호(예컨대 스테레오의 좌우 오디오 신호)를 처리하고 생성하도록 한다. 단면도는 이 실시예의 두 개의 그룹(분리선(1203)에 의해 식별됨)을 생성하기 위해, 각각의 구분되는 그룹 구획은 전형적으로 상반되는 자기적 극성을 가지는 것을 도시한다.

하나의 섹션 그룹(1201)에서, 박막의 이동 엘리먼트에 부착된 자석의 레이어는 극성화되어(polarized), N극은 박막의 상부(1204)에 위치하고, S극은 하부(1205)에 위치하며; 반면 제 2 섹션 그룹(1202)에서 박막 이동 엘리먼트의 자석의 레이어는 극성화되어, S극은 박막의 상부(1206)에 위치하고 N극은 하부(1207)에 위치된다.

도 13은 대체적인 실시예에서 전극의 그룹화를 도시한다. 도 10A와 유사하게, 도 13은 도 12A에 기술된 대체적인 실시예에 대한 대체적인 어드레싱 체계를 도시한다. 이 경우에, 디지털 어드레싱의 목적을 위한 이동 엘리먼트에 작용되는 그룹화 패턴은 두 개의 주요 그룹 구획으로 분할되며, 도 12A에 기술한 바와 같이, 이 중 트랜스듀서 어레이의 절반은 하나의 주요 구획 그룹이고, 다른 절반은 다른 주요 구획 그룹에 구성된다.

이 실시예에서, 하나의 이동 엘리먼트로 구성된 두 개의 그룹(1301, 1302)으로 시작하여 뒤이어 각각의 그룹에 두 개의 엘리먼트가 포함된 두 개의 그룹(1303, 1304)을 구성하고 뒤이어 각각의 그룹에 네 개의 엘리먼트가 포함된 두 개의 그룹(1305, 1306)을 구성하고, 뒤이어 각각의 그룹에 여덟 개의 엘리먼트가 포함된 두 개의 그룹(1307, 1308)을 구성하고, 각각의 그룹에 16 개의 엘리먼트가 포함된 두 개의 그룹(1309, 1310)을 구성하는 것과 같이 진행되며, 이는트랜스듀서 어레이의 모든 이동 엘리먼트가 그룹화되고 어드레스될 때까지 진행된다.

현재 실시예에 설명된 바와 같이, 확장이 가능할 때까지, 각각의 증가하는 그룹은 이전 그룹의 주변에 확장되도록 배열되지만, 그러나 이러한 기하학적 배열의 구성은 상이한 오디오 및/또는 구조적 목적을 달성하기 위해 변경될 수 있으며, 예를 들어 주요 그룹의 "중심점(epicenters)"을 트랜스듀서 어레이의 바깥쪽 영역의 반대 측으로 이동하는 것은 각각의 그룹 및 프로세서(1402) 간의 와이어 라우팅(wire routing)을 보다 용이하게 할 수 있다 (도 14에 언급됨). 이는 또한 장치가 다음과 같은 두 가지 모드에서 동작하도록 할 수 있다: 모노럴 모드(monophonic)로서, 이는 둘 모두의 그룹이 두 번으로(at twice) 진폭을 통해 하나의 파형을 생성하도록 사용되고, 다른 하나는 스테레오 모드(stereophonic)로서, 이는 각각의 그룹이 개별적인 음파를 생성하여, 스테레오의 신호의 재생성을 허용 하도록 한다.

도 14는 대체적인 실시예의 스피커 시스템의 블록도를 도시한다. 도 14는 도 12 및 도 13에 도시된 대체적인 실시예의 어드레싱(addressing)을 기술한다. 디지털 입력 신호(I2S, I2C 또는 SPDIF 프로토콜)(1401)은 로직 프로세서(1402)로 인가되어, 그 결과 이동 엘리먼트의 각각의 두 개의 주요 그룹화의 래칭 메카니즘을 정의하도록 신호를 변환한다. 각각의 어드레싱 그룹은 두 개의 주요 그룹으로 분리되고, 이 중 하나는 상부 래칭 메커니즘이 다른 하나는 하부 래칭 메카니즘이 적용된다. 그리고 나서 각각의 그룹은 하나의 이동 엘리먼트의 그룹으로 시작되는 논리적 어드레싱 그룹으로 더 분리되며, 뒤이어 이전 그룹의 이동 엘리먼트를 두 배로 증가시킨 다른 그룹이 구성되며, 뒤이어 이전 그룹의 엘리먼트의 개수가 두 배로 증가한 다른 그룹이 구성되는 것과 같이 진행되어, 이는 전체 어레이의 모든 이동 엘리먼트가 그룹화될 때까지 진행된다.

도 14의 블록도에 도시된 실시예에서, 이동 엘리먼트의 하나의 주요 세그먼트의 상부 행정(top stroke)은 하나의 엘리먼트 그룹(1403)으로 시작하고, 그리고 나서 두 개의 엘리먼트 그룹(1404), 그리고 나서 네 개의 엘리먼트 그룹(1405) 순으로 진행되며, 이는 트랜스듀서 어레이 어셈블리 내의 이동 엘리먼트의 전체 개수가 어드레스되어 프로세서(1402)로부터 제어 신호를 수신하게 될 때까지 계속된다.

동일한 그룹화 패턴은 하향 행정(down stroke)에서도 반복되며, 이는 하나의 엘리먼트(1407)의 그룹에 뒤이어 두 개의 엘리먼트 그룹(1408)이 구성되고, 그리고 나서 네 개의 엘리먼트 그룹(1409) 순으로 진행되며, 이는 트랜스듀서 어레이 어셈 블리 내의 이동 엘리먼트의 전체 개수가 어드레스되어 프로세서(1402)로부터 제어 신호를 수신할 때까지 계속된다.

이는 제 2 세그먼트의 하향 행정에서도 반복되어, 하나의 엘리먼트(1417)의 그룹에서 시작하여, 뒤이어 두 개의 엘리먼트 그룹(1418), 그리고 나서 네 개의 엘리먼트 그룹(1419) 순으로 진행되며, 트랜스듀서 어레이 어셈블리 내의 이동 엘리먼트의 전체 개수가 어드레스되어 프로세서(1402)로부터 제어 신호를 수신할 때까지 계속된다.

프로세서(1402)는 또한 일반적으로 두 개의 주요 세그먼트(1412) 둘 모두를 포함하는 전체 트랜스듀서 어레이를 둘러싸는 코일에 대한 교류 전류 흐름을 제어할 것이며, 따라서 전체 어레이에 걸쳐 자기장을 생성하고 제어한다. 특정 실시예에서, 파워 앰플러파이어(1411)는 코일에 대한 전류를 증폭시키도록 사용될 수 있다.

도 15A는 대체적인 실시예에 대한 타이밍 및 제어도를 도시한다. 타이밍도는 논리 및 알고리즘을 기술하며, 이는 도 12 내지 도 14에 기술된 대체적인 실시예의 특정 음파 형태를 생성하도록 사용될 수 있다. 표시 규칙은 도 11A에 사용된 것과 유사하고, 동일한 신호가 재생성된다.

타임라인(timeline)은 슬랏으로 나누어지며, 이는 I1, I2와 같이 번호가 기재된다. 이러한 단순한 예는 두 개의 대 그룹(좌 및 우)으로 나누어지는 14 개의 이동 엘리먼트를 사용하는 장치를 설명하며, 각각은 1, 2 및 3인 세 개의 소그룹으로 나누어진다.

디지털 샘플 값은 얼마나 많은 엘리먼트가 어레이의 상부로 래치될 수 있고 얼마나 많은 엘리먼트가 어레이의 하부로 래치될 수 있는지를 지시한다. 이 예에서, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 및 4의 디지털 샘플 값이 가능하다. 각각의 값은 각각 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 및 14 개의 엘리먼트에 의해 표현될 수 있으며, 이는 상부에 래치된다.

타임 슬라이스 I3에서, 디지털 샘플 값은 0에서 1로 변한다. 이는 8 개의 엘리먼트가 상부에 래치되는 것과 6개의 엘리먼트가 하부에 래치되는 것을 요구한다. 자기장의 극성은 윗 방향이다. 하부 래치 LB3 뿐만 아니라 상부 래치 RT1 및 RT2는 해방되어(disengaged), 엘리먼트 RP1, RP2, RP3, LP4, LP5, LP6 및 LP7이 자유롭게 움직이도록 해제한다. LP4, LP5, LP6 및 LP7의 자기 극성은 윗 방향의 외력을 생성하여, 이들 엘리먼트를 윗 방향으로 구동시킨다. RP1, RP2 및 RP3의 자기 극성은 반대 방향을 향하고 구동 외력은 아래 방향을 향한다. 동시에, 엘리먼트 이동에 반대되는 래칭 메카니즘은 결합되어(engaged) 접근하는 이동 엘리먼트를 붙잡고 이들을 그 자리에 래치한다.

슬라이스 I4에서, 자기장의 극성은 변하고 아래 방향을 향하게 된다. 하부 래치 RB3 뿐만 아니라 상부 래치 LT1 및 LT2는 해방되어, 엘리먼트 LP1, LP2, LP3, RP4, RP5, RP6 및 RP7은 자유롭게 이동하도록 해제된다. RP4, RP5, RP6 및 RP7의 자기 극성은 윗 방향의 외력을 생성하며, 이들 엘리먼트를 윗 방향으로 구동시킨다. LP1, LP2 및 LP3의 자기 극성은 반대 방향을 향하고 구동 외력은 아래 방향을 향한다. 동시에, 엘리먼트 이동에 반대되는 래칭 메카니즘이 결합되어 접근하는 이 동 엘리먼트를 붙잡고 이들을 그 자리에 래치한다.

타임 슬라이스 I5에서 I14까지, 래칭 메카니즘은 결합되고 해방되어 이동 엘리먼트가 이동하고 디지털 샘플 값에 따라 그들의 상태를 변경하도록 한다.

도 15C는 각각 소리 그래프 Ⅱ 내지 Ⅳ의 세 가지 상이한 피치(22 KHz, 11 KHz 및 4.4 KHz)의 생성을 설명한다. 그래프 I은 시스템 클럭을 도시하고, 설명된 예에서는 44 KHz이다. 이 설명된 실시예에서, 이들 피치(pitches)를생성하도록 상요된 스피커는 2047 개의 이동 엘리먼트를 구비한다. 22 KHz(클럭의 절반)의 소리가 생성되는 경우, 모든 2047 개의 엘리먼트는 각각의 클럭에서 위치(position)를변경한다(상부에서 하부로 또는 그 반대로). 11 KHz(클럭의 1/4)의 소리가 생성되는 경우, 2047 개의 이동 엘리먼트의 절반이 각각의 클럭에서 위치를 변경한다. 예를 들어, 첫 번째 클럭에서 모든 2047 개의 이동 엘리먼트는 그들의 상부 위치에 있고, 두 번째 클럭에서, 1023 개의 이동 엘리먼트가 아래로 이동하고, 세 번째 클럭에서는 나머지 1024 개의 엘리먼트가 아래로 이동하며, 네 번째 클럭에서 1023 개가 위로 이동하고, 다섯 번째 클럭에서 나머지 1024 개의 엘리먼트가 위로 이동하는 것과 같이 진행된다. 4.4 KHz(클럭의 1/10)의 소리가 생성되는 경우, 각각의 클럭에서 그들의 상부 위치에 있는 엘리먼트의 개수(1340, 1852,...)는 그래프 Ⅳ의 상부에 도시되는 반면, 각각의 클럭에서 그들의 하부 위치에 있는 엘리먼트의 개수(707, 195,...)는 그래프 Ⅳ의 하부에 도시된다.

도 16A는 이동 엘리먼트 서브어셈블리의 작은 섹션을 도시한다.

도 16A 및 도 16B는 다른 실시예의 이동 엘리먼트의 개념도를 제공한다.

도 16A에 도시된 실시예는 정밀하게 둥근 사형 형태(precise round serpentine shape)로 에칭된 재료로 구성된 박막 재료(1601)로 구성되어, 형태(shape)의 굴곡부에 의해 억제된 형태의 중앙(1602)의 이동이 자유로워지도록 하는 이동 엘리먼트("피스톤")이다.

도 16B는 이동 엘리먼트 서브어셈블리의 다른 실시예의 작은 섹션을 도시하며, 이는 플렉서블한 기판을 이용한다. 이 실시예는 충분한 탄성을 구비한 재질 예컨대 고무 폴리에틸렌 재질(1603)로부터 구성되며, 재질 표면의 상부 및 하부의 특정 형태 및 치수에 자성 재료가 포함되거나 또는 그 재질이 특정 치수의 자화된 디스크(1604)에 부착되어, 재질 그 자체에 의해 억제된 이동이 자유로워질 수 있다.

도 2C는 이동 엘리먼트 서브어셈블리의 다른 실시예의 작은 섹션을 도시하며, 이는 자유-부유 컴포넌트(free-floating components)를 이용한다. 이 실시예는 각각의 단부에 상반되는 극성이 구비된 자화 물질로부터 구성된 자유 부유 이동 엘리먼트("피스톤")이다. 이 특정 실시예에서, N극은 상부이고 S극은 하부이다.

도 3B는 특정 실시예에서 완전한 트랜스듀서 어레이 구조의 평면도를 도시하며, 이는 벌집 디자인을 기반으로 하며, 표면 면적의 48%의 필 팩터(fill factor)가 가능하다. 도 17은 특정 실시예에서 완전한 트랜스듀서 어레이 구조의 평면도를 설명하며, 이는 사각 디자인을 기반으로 하며, 표면적의 38%의 필 팩터가 가능하다.

도 18은 사각 형태 엘리먼트를 사용한 실시예의 작은 섹션의 분해도를 도시한다. 이 실시예는 필 팩터를 증가시키도록 의도하여 보다 높은 트랜스듀서 면적 당 음압 레벨을 가능하게 하는 사각 형태의 엘리먼트를 이용한 트랜스듀서 어레이 구조를 도시한다.

이전 실시예와 같이, 동일한 구조적 엘리먼트가 사용된다. 코일은 전체 트랜스듀서 어레이(미도시)를 둘러싼다. 전압이 인가되는 경우, 코일은 전체 어레이 구조에 걸쳐 전자기적 액추에이션 외력을 생성한다.

정확하게 이격된 캐비티(1802)의 어레이를 포함하는 유전체 레이어를 일반적으로 포함하고, 각각은 전극 링(electrode ring)을 구비하는 상부 레이어 구조는 각각의 캐비티의 상부에 부착되어, 정전적 래칭 메카니즘(1801)을 생성한다.

이 실시예의 이동 엘리먼트 ("피스톤")은 많은 매우 정밀한 "사형(serpentine)" 형상으로 절단되거나 에칭된 전도성의 자화된 물질의 박막을 포함하며, 이는 박막을 자화된 상부(1804) 및 하부(1805)를 포함하는 특정 치수의 이동의 자유(freedom of movement)로 나눈다. 각각의 이동 엘리먼트는 가으드되고 네 개의 굴곡부에 의해 억제된다.

정확하게 이격된 캐비티(1806)의 어레이를 포함하는 유전체 레이어를 일반적으로 포함하고, 각각은 각각의 캐비티의 하부에 부착된 전극 링을 구비하는 하부 레이어 구조는 정전적 래칭 메카니즘(1807)을 생성한다.

도 19는 다수의(어레이의) 장치를 포함하는 장비를 도시한다. 상기 구조는 다수의 특정 실시예의 어레이 트랜스듀서(1902)의 사용을 도시하며, 보다 큰 음압 레벨을 생성할 수 있는 장치를 만들거나 빔-성형(beam-forming) 기술을 이용하여(이는 본 발명의 범위를 벗어나 확장된다) 방향성의 음파를 생성한다.

어레이는 임의의 요구되는 형상(shape)을 구비할 수 있고, 상세한 설명의 둥근 형상은 오직 설명의 목적을 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따라 구성되고 동작하고, 도 1B, 도 2A 내지 도 2C, 도 3A 내지 도 3C, 도 4A, 도 5, 도 6A, 도 7A 및 도 7B, 도 8A 및 도 8B, 도 9A, 도 10A, 도 11A, 도 12A, 도 13, 도 14, 도 15A, 도 16A 내지 도 16C, 도 17 내지 도 19를 참조하여 기술된 장치가 이제 보다 일반적이고, 예컨대 도 1A를 참조하여, 그리고 더 자세하게 기술된다.

도 1A를 참조하면, 도 1A는 물리적인 효과를 생성하는 액추에이터 장치의 단순화된 기능 블록도이며, 클럭에 따라 주기적으로 샘플링된 디지털 입력 신호의 적어도 하나의 특성에 대응하는 적어도 하나의 속성(attribute)이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도 1A의 장치는 적어도 하나의 액추에이터 장치를 포함하며, 각각의 액추에이팅 장치는 이동 엘리먼트의 어레이(10)에 작용된 교차하는 전자기력에 응답하여 각각의 축을 따라 전후로 교대로 이동하도록 각각 전형적으로 속박된 이동 엘리먼트의 어레이(10)를 포함한다. 각각의 이동 엘리먼트는 전자기력에 응답하도록 구성되고 동작한다. 따라서 각각의 이동 엘리먼트는 전도체(conductor)를 포함할 수 있으며, 상기 전도체는 강자성 물질로 형성될 수 있으며, 도 6C에 도시된 바와 같이 영구 자석을 포함할 수 있으며, 전류-포함(current-bearing) 코일을 포함할 수 있다.

래치(20)는 적어도 하나의 래칭 위치(latching position)에서 이동 엘리먼트(10)의 적어도 하나의 서브셋을 선택적으로 래치하도록 동작하며, 그에 의해 개 별적인 이동 엘리먼트(10)가 전자기력에 응답하는 것을 방지한다. 전자기장 제어기(30)는 클럭을 수신하도록 동작하고, 그 결과 자기장 생성기(40)에 의한 이동 엘리먼트의 어레이로의 전자기장의 작용을 제어한다. 래치 제어기(50)는 디지털 입력 신호를 수신하도록 동작하고 그 결과 래치를 제어한다. 래치 제어 동작의 적어도 하나의 모드에서, 래치 제어기(50)는 수신한 디지털 입력 신호로 코딩된 소리의 강도(intensity)에 실질적으로 비례할, 자기장 생성기, 예컨대 코일(40)에 의해 작용되는 전자기력에 응답하여 자유롭게 진동하는 이동 엘리먼트(10)의 수를 설정하도록 동작한다. 바람직하게, 디지털 입력 신호로 코딩된 소리의 강도가 양수의 국부 최대값(local maximum)인 경우, 모든 이동 엘리먼트는 제 1 극단 위치(extreme position)로 래치된다. 디지털 입력 신호로 코딩된 소리의 강도가 음수의 국부 최대값인 경우, 모든 이동 엘리먼트는 반대 편의 제 2 극단 위치에 래치된다.

바람직하게, 입력 신호를 닮은 물리적인 효과, 예컨대 소리는, 일반적으로 이하 상세하게 기술되는 리샘플링 및 스케일링 후에, 극단 위치 예컨대 여기에 기술된 바와 같이 상부 위치 내의 이동 엘리먼트의 수를 디지털 샘플 값에 부합시킴으로써(matching) 달성된다. 예를 들어, 디지털 샘플 값이 현재 10인 경우, 이하 ME1, .... ME10으로 나타내어지는 10 개의 이동 엘리먼트는 그들의 상부 위치에 위치할 수 있다. 그리고 나서 디지털 샘플 값이 13으로 변하는 경우, ME11, ME12 및 ME13으로 나타내어지는 세 개의 추가적인 이동 엘리먼트는 이에 대응하여 그들의 상부 위치로 올려질 수 있다. 다음 샘플 값이 여전히 13인 경우, 이를 반영하기 위해 이동 엘리먼트가 모션에 들어갈 필요가 없다. 그리고 나서, 디지털 샘플 값이 16으로 변하는 경우, 이하 M14, M15 및 M16으로 나타내어지는 세 개의 다른 이동 엘리먼트는(ME11, ME12 및 ME13은 이미 그들의 상부 위치에 있기 때문이다) 이를 반영하여 그들의 상부 위치로 올려질 수 있다.

일부 실시예에서, 이하 상세하게 기술되는 바와 같이, 이동 엘리먼트는 그룹으로 집단적으로 동작하도록 구성되고 동작하며, 예컨대 이동 엘리먼트의 수가 모두 2의 순차적인 거듭제곱(sequential powers)인 그룹의 세트일 수 있으며, 예컨대 각각 1, 2, 4, 8, 16 개의 이동 엘리먼트를 구비하는 그룹으로 동작되도록 구성된 31개의 이동 엘리먼트일 수 있다. 이 경우에서, 그리고 상술한 예를 이용하면, 샘플 값이 예를 들어 10인 경우, 각각 8 개 및 2 개의 이동 엘리먼트를 포함하는 두 개의 그룹은 둘 모두, 예컨대 위로 향할 수 있으며, 즉, 그들 내의 모든 이동 엘리먼트가 그들의 상부 위치에 위치한다. 그러나, 샘플 값이 13으로 변하는 경우, 3 개의 이동 엘리먼트를 그들의 하부 위치에서 그들의 상부 위치로 직접 이동시키는 것은 일반적으로 비현실적이며, 이는 이 예에서는 이진화로 그룹화되었기 때문이며, 이는 오직 각각 1 개 및 2 개의 이동 엘리먼트를 포함하는 두 개의 그룹을 위로 올림으로써 달성될 수 있지만, 2 개의 이동 엘리먼트를 포함하는 그룹은 이미 상승하였다. 그러나 상부 픽셀의 수는 다음과 같은 이유로 샘플 값, 13에 부합될 수 있다: 13 = 8+4+1이며, 4 개 및 1 개의 픽셀을 포함하는 두 개의 그룹이 상승할 수 있고, 2 개의 픽셀을 포함하는 그룹은 하강할 수 있어, +3의 최종 압력 변화를 생성하여, 일반적으로 리샘플링 및 스케일링 후, 그에 의해 요구되는 바와 같은 입력 신호를 닮은 소리를 생성할 수 있다.

보다 일반적으로, 상 방향과 같은 제 1 극단 위치로 옮겨진 이동 엘리먼트는 이하 양의 압력(positive pressure)으로 나타내어지는 제 1 방향으로의 압력을 생성한다. 하 방향과 같은 반대 편의 극단 위치로 옮겨진 이동 엘리먼트는 이하 음의 압력으로 나타내어지는 반대 방향으로의 압력을 생성한다. 특정 양의 양 또는 음의 압력은 해당 방향으로의 적절한 개수의 이동 엘리먼트를 옮김으로써 획득되거나, 또는 해당 방향으로의 n 개의 이동 엘리먼트를 옮기고 다른 m 개의 이동 엘리먼트를 반대 방향으로 옮겨, 일반적으로 리샘플링 및 스케일링 후, 차이 n-m은 샘플된 신호 값에 대응 예컨대 동일해진다.

이동 엘리먼트는 일반적으로 적어도 적당하게 전기적으로 전도성인 물질, 예컨대 실리콘 또는 금과 같은 금속으로 코팅된 실리콘으로 형성된다.

이동 엘리먼트가 영구 자석을 포함하는 경우, 영구 자석은 일반적으로 생성(production) 과정 동안 자화되어 자기 극(magnetic poles)은 모션의 요구되는 축에 동일선 상에 위치한다. 일반적으로 전체 트랜스듀서 어레이를 둘러싸는 코일은 액추에이션 외력을 생성한다. 각각의 이동 엘리먼트를 제어하기 위해, 두 개의 래치 엘리먼트(일반적으로 정전형 래치 또는 "전극"을 포함함)가 일반적으로 사용되며, 예컨대 하나는 이동 엘리먼트의 위에 다른 하나는 이동 엘리먼트의 아래에 구비된다.

일 실시예에 따르면, 액추에이터는 스피커이고 이동 엘리먼트(10)의 어레이는 유체 매질 내에 배치된다. 그리고 나서, 제어기(30, 50)는 디지털 입력 신호의 적어도 하나의 특성에 대응하기 위해 소리의 적어도 하나의 속성(attribute)을 정 의하도록 동작한다. 소리는 적어도 하나의 파장을 가지고 그에 의해 소리에 존재하는 가장 짧은 파장을 정의하고 각각의 이동 엘리먼트(10)는 전형적으로 이동 엘리먼트의 축에 직교하고 그 가장 큰 치수를 정의하는 단면(cross section)을 정의하며, 각각의 단면의 가장 큰 치수는 일반적으로 가장 짧은 파장보다 더 작은 크기의 차수에 관하여 작다. 도 1B는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 이동 엘리먼트의 어레이(10)의 사시도이다. 이 실시예에서, 각각의 이동 엘리먼트(10)는 자석을 포함하고 각각은 래치된 경우를 제외하고, 자기장 생성기(40)에 의해 이동 엘리먼트(10)의 어레이에 작용되는 교차하는 전자기력에 응답하여 각각의 축을 따라 전후로 대체적으로 이동하도록 속박된다.

도 1C 내지 도 1G는 본 발명의 대체적인 실시예에 따른 래치 엘리먼트(72, 73, 74, 76 및 77)의 단순화된 평면도이며, 이들 중 일부는 동일하거나 동일하지 않는 것의 조합일 수 있으며 나머지는 정전형 래치(20)를 형성할 수 있다. 래치 엘리먼트(72) 중 적어도 하나는 도 1C에 도시된 바와 같이 구멍이 형성된(perforated) 구성일 수 있다. 도 1D에서, 래치 엘리먼트(73)는 노치 구성(notched configuration)을 가져 정전 전하가 래치의 날카로운 부분에 집중하도록 하여 그에 의해 해당 이동 엘리먼트에 작용되는 래칭 외력을 증가시킨다. 도 1E에서, 적어도 하나의 래치 엘리먼트(74)는 공기가 통과하는 것을 방지하는 중앙 영역(75)을 포함하는 구성을 가져, 공기의 누설을 저지하여, 그에 의해 이동 엘리먼트(1)와 래칭 엘리먼트 그 자체 간의 접촉(contact)을 완충시킨다. 도 1F 및 예시적으로 도 1B에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 래치 엘리먼트(76)는 고리 모양 의 구성을 가질 수 있다. 도 1G의 래치 엘리먼트(77)는 적어도 하나의 방사형 그루브(radial groove)(78)를 제외하고는 도 1E의 래치 엘리먼트(74)와 유사한 또 다른 대체적인 실시예이며, 그 결과 래치 내의 유도된 전류를 제거한다.

도 2A는 도 1A의 코일 또는 다른 자기장 생성기(40)에 의해 아래 방향으로 작용되는 전자기력에 응답한 제 1의, 하부 극단 위치(bottom extreme position) 내의 도 1B의 어레이를 도시한다. 도 2B는 도 1A의 코일 또는 다른 자기장 생성기(40)에 의해 윗 방향으로 작용되는 전자기력에 응답한 제 2의, 상부 극단 위치(top extreme position) 내의 도 1B의 어레이를 도시한다. 도 2C는 개별적인 이동 엘리먼트(204) 중 하나를 제외하고 도 2B와 유사하며, 상기 개별적인 이동 엘리먼트는 자기장 생성기(40)에 의해 작용되는 윗 방향 외력에 반응하지 않으며, 이는 개별적인 자석이 개별적인 이동 엘리먼트 위에 배치된 해당 전기적 전하에 의해 그 상부 극단 위치에 래치되고 상부 래치로서 동작하기 때문이다. 도 1A 내지 도 2C의 실시예에서는,래치(20)는 정전형 래치를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.

전형적으로, 도 2A 내지 도 2C의 장치는 각각의 이동 엘리먼트에 대해 한 쌍의 래치 엘리먼트(205, 207)를 포함하며, 이는 비록 하나가 다른 하나의 위에 위치할 필요는 없지만 단순화를 위해 여기에서 "상부(top)" 및 "하부(bottom)" 래치 엘리먼트로 언급되며, 상기 래치 엘리먼트는 하나 또는 그 이상의 전극 및 상기 전극을 분리하는 공간 유지기(space maintainer)(220)를 포함한다. 실시예에서, 래치(20)는 정전형 래치를 포함하며, 공간 유지기(220)는 절연성 물질로 형성된다.

각 쌍의 래칭 엘리먼트는 두 래칭 위치 중 선택할 수 있는 하나에 그 개별적 인 이동 엘리먼트(10)를 선택적으로 래치하도록 동작하며, 여기서는 제 1 및 제 2 래칭 위치로 언급되거나, 단순화를 위해 "상부(top)" 및 "하부(bottom)" 래칭위치로 나타내어져, 그에 의해 개별적인 이동 엘리먼트가 전자기력에 응답하는 것을 방지한다. 각각의 이동 엘리먼트(10)의 이동을 따르는 축이 제 1 반-축(half-axis) 및 제 2의 동일선상 반-축(co-linear half-axis)을 포함하는 것으로 간주되는 경우, 예컨대 도 2A 내지 도 2C에 도시된 바와 같이 상기 제 1 래칭 위치는 일반적으로 제 1 반-축 내에 배치되고 상기 제 2 래칭 위치는 일반적으로 제 2 반-축 내에 배치된다.

도 3A 내지 도 3C는 각각 이동 엘리먼트(10)의 비스듬한(skewed) 어레이의 평면도, 단면도 및 사시도이며, 각각은 도시된 바와 같이 어레이 주변에 둘러싸인 예컨대 코일(40)에 의해 이동 엘리먼트(10)의 어레이에 작용되는 교차하는 전자기력에 응답하여 각각의 축을 따라 전후로 교대로 이동하도록 속박된다. 도 4A는 이동 엘리먼트(403)의 어레이 및 래치를 포함하는 적층된(layered) 액추에이터 장치의 분해도이며, 각각의 이동 엘리먼트는 코일(401)에 의해 이동 엘리먼트(403)의 어레이에 작용되는 교차하는 전자기력에 응답하여 각각의 축을 따라 전후로 교대로 이동하도록 구속되며, 래치는 적어도 하나의 레이어를 형성하며, 래치는 이동 엘리먼트(403)의 적어도 하나의 서브셋을 적어도 하나의 래칭 위치에 선택적으로 래치하도록 동작하고 그에 의해 개별적인 이동 엘리먼트(403)가 전자기력에 응답하는 것을 방지한다. 일반적으로, 전자기력은 도시된 바와 같이 어레이(403)를 둘러싸는 코일(401)을 이용하여 생성된다.

래치는 일반적으로 다음과 같은 한 쌍의 레이어를 포함한다: 상부 래치 레이어(402) 및 하부 래치 레이어(404)로서, 이는 대전된 경우, 그리고 여기에 기술된 바와 같이 이동 엘리먼트가 적절한 전자기장 내에 위치하는 경우, 상기 이동 엘리먼트를 각각 상부 및 하부 극단 위치에 래치한다. 도 5 내지 도 6A에상세하게 도시된 바와 같이, 각각의 래치 레이어(402, 404)는 일반적으로 전극 레이어 및 스페이서 레이어를 포함한다. 스페이서 레이어(402, 404)는 일반적으로 임의의 적합한 유전체 물질로부터 형성될 수 있다. 선택적으로, 페라이트(ferrite) 또는 강자성 입자가 유전체 물질에 부가될 수 있어 자석 레이어 내의 자석들 간의 원치 않는 상호 작용을 감소시킬 수 있다.

도 5 내지 도 6A에서, 굴곡부 및 환형 자석(annular magnets) 또는 전도체 또는 강자성의 자석 둘 모두가 제공되지만, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 선택적으로, 다른 형상의 자석이 제공될 수 있으며, 또는 환형 엘리먼트는 코일로 교체될 수 있으며, 자유-부유 이동 엘리먼트는 굴곡부 없이 제공될 수 있거나, 또는 이동 엘리먼트는 주변적인 탄성(peripheral elastic) 또는 플렉서블 부분(flexible portion)을 구비할 수 있거나 또는 주변적인 탄성체 또는 플렉서블한 부재와 결합될 수 있으며, 이는 모두 이하 상세하게 도시되고 기술된다.

도 4B는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 동작하는 바람직한 액추에이션 방법의 단순화된 흐름도이다. 도 4B에서, 물리적 효과(physical effect)가 생성되며, 시스템 클럭 신호에 따라 주기적으로 디지털 입력 신호 샘플링된 적어도 하나의 특징에 대응하는 이는 적어도 하나의 속성이다. 도시된 바와 같이, 상기 방법은 일반적으로 (단계 450) 자기장 생성기(40)에 의해 이동 엘리먼트(10)의 어레이에 작용되는 교차하는 전자기력에 응답하여 각각 축을 따라 전후로 교차적으로 이동하도록 구속된 이동 엘리먼트(10)의 적어도 하나의 어레이를 제공하는 단계 (도 1B)를 포함한다. 단계 460에서, 이동 엘리먼트(10)의 적어도 하나의 서브셋은 래치(20)에 의해 적어도 하나의 래칭 위치 내에 선택적으로 래치되어 그에 의해 개별적인 이동 엘리먼트(10)가 자기장 생성기(40)에 의해 작용되는 전자기력에 반응하는 것을 방지한다. 단계 470에서, 시스템 클럭 신호가 수신되고, 그 결과 이동 엘리먼트의 어레이로의 전자기력의 작용이 제어된다. 단계 480에서, 디지털 입력 신호가 수신되고, 그 결과 래칭 단계 460이 제어된다. 일반적으로, 상술한 바와 같이, 래치(20)은 한 쌍의 레이어를 포함하고, 각각의 레이어는 정전형 래치 엘리먼트의 어레이 및 상기 정전형 래치 레이어를 분리하고 절연 물질로 형성되는 적어도 하나의 공간 유지기 레이어를 포함한다. 일반적으로, 래치 및 적어도 하나의 공간 유지기는 PCB 생산 기술을 이용하여 제조된다(도 4B, 단계 450). 이동 엘리먼트의 어레이는 일반적으로 한 쌍의 유전체 스페이서 레이어에 의해 자석 레이어로부터 이격된 한 쌍의 전극 레이어들 간에 겹쳐진 자석 레이어(403)을 포함한다. 일반적으로, 상기 레이어들 중 적어도 하나는 웨이퍼 결합 기술, 레이어 래미네이팅 기술, 및/또는 PCB 생산 기술 및/또는 이들 기술의 조합을 이용하여 제조된다(도 4B, 단계 455).

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 도 4A의 액추에이터 장치의 정적 사시도이며, 이동 엘리먼트(10)의 어레이는 박막으로 형성되 고, 각각의 이동 엘리먼트는 그것을 둘러싸는 일체로 형성된 굴곡부(606)에 의해 구속된다. 굴곡부(flexures)는 일반적으로 잘려나간 부분(cut-out portions)(702)이 산재된(interspersed) 박막 부분(foil portions)(703)을 포함한다. 도 6A는 도 5의 액추에이터 장치의 부분의 분해도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 3 개의 굴곡부가 제공되며 이는 적어도 세 개의 굴곡부가 평면(plane)을 정의하기 위해 요구되기 때문이다. 여기에 도시되고 기술되는 이동 엘리먼트의 경우에서, 굴곡부에 의해 정의되는 평면은 일반적으로 이동 엘리먼트의 모션의 요구되는 축에 직교하는 평면 또는 요구되는 축을 따라 이동하도록 이동 엘리먼트를 구속하도록 적절하게 선택된 임의의 평면이다.

일반적으로, 굴곡부의 면적을 최소화하도록 요구되어 이동 엘리먼트 그들 자체를 위한 장치의 가용 면적(available area)을 활용하도록 하며, 이는 액추에이션의 프로세스가 이동 엘리먼트에 의해 수행되기 때문이며 장치의 기능성 측면에서 굴곡부의 면적은 오버헤드(overhead)이다. 예를 들어, 액추에이터가 스피커인 경우, 이동 엘리먼트는 공기를 밀어내고 그에 의해 소리를 생성하는 반면 그들을 정의하는 굴곡부 및 갭은 그렇지 않다. 따라서, 굴곡부의 전체 길이는 이동 엘리먼트의 경계(perimeter)와 유사하도록 구성되는 것이 일반적으로 요구된다(예를 들어, 이동 엘리먼트의 경계를 두 배로 증가시키는 것에 반대된다). 따라서, 굴곡부의 전체 길이를 주어진 바와 같이 다루는 것이 요구될 수 있고 그 결과, 보다 많은 굴곡부가 제공될수록, 각각의 굴곡부는 보다 짧아져 동일한 변환, 즉 이동 엘리먼트의 모션의 동일한 진폭을 달성하기 위해서는 보다 높은 스트레스로 변환된다.

그 결과, 오직 세 개의 굴곡부만을 제공하는 것, 즉 이동 엘리먼트를 안전하게 고정하도록 요구되는, 예컨대 이동 엘리먼트의 모션의 축에 수직한 평면을 정의하도록 요구되는 굴곡부의 최소 개수를 넘지 않는 것이 바람직하다고 믿어진다.

도 6B 및 도 6C는 각각 본 발명의 바람직한, 공기 누출이 낮은, 실시예에 따라 구성되고 동작하는 이동 엘리먼트, 래치 및 스페이서 엘리먼트의 어셈블리의 사시도 및 분해도이다. 공기 누출(air leakage)은 공기가 이동 엘리먼트 위의 공간으로부터 이동 엘리먼트 아래의 공간으로 또는 그 반대로 통과하는 것을 말한다.

도 6D는 각각 상부 극단, 하부 극단 및 중간 위치(610, 620, 630) 내의 세 개의 이동 엘리먼트(10)를 도시하는 도 6B 내지 도 6C의 장치의 단면도이다. 도 6E는 도 6D의 범례이다. 일반적으로, 도 6B 내지 도 6E의 실시예에서, 이동 엘리먼트 중 적어도 하나는 적어도 하나의 굴곡부를 통한 공기의 누출을 방지하도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 공간 유지기(640)는 이동 엘리먼트(10)의 어레이 및 래칭 메카니즘(20) 사이에 배치되고, 공간 유지기는 단면을 구비하는 실린더(660)를 정의하고, 여기서 이동 엘리먼트(10) 중 적어도 하나는 그 단면이 굴곡부 및 그 위에 장착된 헤드 엘리먼트(680)을 피하기에 충분하도록 작은 장형의 엘리먼트(670)(elongate element)를 포함하며, 그 단면은 실린더(660)의 단면과 유사하다. 단순화를 위해, 굴곡부(606)의 일부분만이 도시되었다.

도 7A는 도 5 내지 도 6C의 이동 엘리먼트 레이어의 정적인 부분 평면도이다. 도 7B는 도 7A에 도시된 A-A 축을 따라 취해진 도 5 및 도 6의 이동 엘리먼트 레이어의 단면도이다. 도 7C는 도 5 내지 도 7B의 이동 엘리먼트 레이어의 사시도 이며, 개별적인 이동 엘리먼트는 그 상부 극단 위치를 향하여 윗 방향으로 이동하도록 도시되어, 그 굴곡부는 박막의 평면 밖의 윗 방향으로 구부러지고 연장된다. 도시된 바와 같이, 도 7A 내지 도 7C에서, 도 1A의 이동 엘리먼트(10) 중 적어도 하나는 원주(706)를 정의하는 단면을 구비하고 상기 원주에 부착된 적어도 하나의 굴곡부에 의해 구속된다. 일반적으로, 적어도 하나의 이동 엘리먼트(10) 및 그 구속하는 일반적으로 사형인 굴곡부는 단일 시트의 재료로부터 형성된다. 선택적으로, 도 16B에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 굴곡부(1605)는 탄성 재료로 형성될 수 있다. 굴곡부-기반 실시예는 오직 본 발명의 하나의 가능한 실시예이다. 그와 달리, 예시적으로 도 1B에 도시된 바와 같이, 각각의 이동 엘리먼트는 단순하게 자유 부유 엘리먼트를 포함할 수 있다.

도 7D는 본 발명의 대체적인 실시예에 따라 구성되고 동작하는 이동 엘리먼트 레이어의 사시도이다. 도 7E는 개별적인 이동 엘리먼트의 굴곡부-구속된(flexure-restrained) 중앙 부분(705)의 측면도이다. 도 7D 내지 도 7E의 실시예에서, 도 1A의 이동 엘리먼트(10)은 일반적으로 도 5 내지 도 7C의 실시에의 디스크-형태 영구 자석(502)보다 환형 영구 자석(710)을 포함한다. 일반적으로, 각각의 이동 엘리먼트(10)는 각각 이동 엘리먼트의 축(715)의 모션의 제 1 및 제 2 단부(713, 714)를 대면하는 제 1 및 제 2 마주보는(opposing)전형적으로 원형 표면(711, 712)를 구비하고, 적어도 하나의 영구 자석(710)은 상기 제 1 및 제 2 원형 표면(711,712)의 적어도 하나에 배치된다. 두 개의 영구 자석(710)이 제공되는 경우, 두 개의 자석은 배열되어 도 7E에 도시된 바와 같이 동일한 방향으로 동일한 극 점(pole points)을 가진다.

도 8A는 도 1A의 래치 제어기(50)에 의한 래치(20)의 제어를 설명하는 제어도이고, 일반적으로 코일-유도된 전자기력을 이용하고, 도 1A의 제어기(30)에 의해, 이동 엘리먼트(10)가 각각, 선택적으로, 집단적으로 액추에이트되는 그룹 G1, G2,...GN으로 배열되며, 래칭 레이어 내의 각각의 래치는 일반적으로 영구 자석과 결합되고, 래칭 레이어 내의 모든 영구 자석의 극은 모두 동일하게 배치된다. 래치는 일반적으로, 각각의 그룹 또는 각각의 그룹 내의 각각의 이동 엘리먼트에 대해, 상부 래치 및 하부 래치를 포함한다. 그룹 Gk (k=1, ..., N)에 대한 상부 및 하부 래치는 각각 Tk 및 Bk로 언급된다. 도 8A에서, 두 개의 제어기는 모두 프로세서(802) 내에 구현된다.

도 8B는 바람직한 방법을 설명하는 흐름도이며, 그에 의해 도 1A의 래칭 제어기(50)는 유입되는 입력 신호(801)을 처리할 수 있고 그 결과 이동 엘리먼트(10)의 래치(20)를 그룹으로 제어할 수 있다. 약어 "EM"은 윗 방향 또는 아랫 방향으로 이동 엘리먼트의 관련 그룹에 작용하는 전자기력을 지시하며, 이는 결합된 화살표의 방향에 의존한다. 도 8B에 설명되는 실시예에서, 시간 t에서, 리스케일된(re-scaled) PCM 신호의 LSB가 1인 경우 (단계 816), 이는 그룹 G1의 스피커 엘리먼트는 선택된 끝단-위치(end-position)일 수 있음을 지시한다. 그룹 G1이 이미 선택된 끝단-위치에 있는 경우(단계 817), 래칭 제어기(50)은 자기장이 윗 방향으로 되기를 기다리고 (단계 818), 그리고 나서 세트 B1의 하부 래치를 해제하고 세트 T1의 상부 래치를 결합한다 (단계S819). 이는 또한 다른 모든 그룹 G2, ... GN에 대해 필요하면 변경을 가할 수 있다.

도 8B에서, 개념 Tk 또는 Bk에 뒤이어 윗 방향 지시 또는 아래 방향 지시 화살표는 이동 엘리먼트의 k 번째 그룹의 상부 또는 하부(T 또는 B 각각) 래치의 래칭 또는 해제(윗방향 또는 아래방향 화살표 각각)를 지시한다.

도 8C는 프로세서 예컨대 도 8A의 프로세서(802) 단순화된 기능 블록도이며, 이는 여기에 도시되고 기술되는 정전형 래치 메카니즘을 사용한 임의의 액추에이터 장치를 실질적으로 제어하는데 유용하다. 도 8C의 실시예에서, 단일의 프로세서는 전자기장 제어기(30) 및 래치 제어기(50) 둘 모두를 구현한다. 전자기장 제어기(30)은 전형적으로 전형적으로 구형파인 시스템 클럭(805)을 수신하고 동일한 주파수 및 위상의 정현파를 생성하며, 이를 액추에이팅 신호로서 코일(40)에 제공한다. 예를 들어, DSP(810)는 텍사스 인스트루먼트 사의 상업적으로 사용 가능한 적절하게 프로그램된 TI 6000 디지털 신호 프로세서를 포함할 수 있다. DSP(81)를위한 프로그램은 플래쉬 메모리와 같은 적절한 메모리 칩(820) 내에 구비될 수 있다. 래치 제어 동작의 적어도 하나의 모드에서, 래치 제어기(50)는 디지털 입력 신호에 코딩된 신호 강도에 실질적으로 비례할 코일(40)에 의해 작용되는 전자기력에 반응하여 자유롭게 진동하는 이동 엘리먼트의 개수를 설정하도록 동작한다.

전자기장 제어기(30)는 일반적으로 전체 이동 엘리먼트(10)의 어레이를 일반적으로 둘러싸는 코일(40)로의 교류 전류 흐름을 제어하며, 따라서 전체 어레이에 걸쳐 자기장을 생성하고 제어한다. 특정 실시예에서, 파워 앰플러파이어(811)는 코일(40)로의 전류를 증폭시키도록 사용될 수 있다. 전자기장 제어기(30)은 일반적으 로 그 교차(alternation)가 도 11A의 그래프 I를 참조로 이하 상세하게 기술되는 시스템 클럭(805)와 동기되는 교차하는 전자기장을 생성한다.

래치 제어기(50)는 디지털 입력 신호(801)을 수신하고 그 결과 래칭 메카니즘(20)을 제어한다. 일반적으로, 각각의 개별적인 이동 엘리먼트(10)는 하나의 주어진 클럭 동안, 기껏해야 클럭 당 한 번의 이행(transition)을 수행하며, 각각의 이동 엘리먼트는 그 하부 위치에서 그 상부 위치로 이동할 수 있거나, 그 상부 위치에서 그 하부 위치로 이동할 수 있거나 또는 두 위치 중 어느 하나에 유지될 수 있다. 래치 제어기(50)의 동작의 바람직한 모드는 도 11A를 참조하여 이하 기술된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 그 적절한 끝단 위치에서의 이동 엘리먼트(10)의 유지 상태는 래칭 제어기(50)에 의해 영향받는다.

바람직하게, 래칭 제어기(50)은 이동 엘리먼트 상에서 그룹으로 동작하며, 상기 그룹은 이하 "제어된 그룹(controlled groups)"으로 언급한다. 이동 엘리먼트의 임의의 주어진 그룹 내의 모든 이동 엘리먼트는 선택적으로 그들이 상부 위치로 또는 그들의 하부 위치 중 하나로 래치되거나, 또는 래치되지 않는다. 바람직하게, "제어된 그룹"은 시퀀스 G1, G2,...를 형성하고 각각의 제어된 그룹 Gk 내의 스피커 엘리먼트의 수는 정수 예컨대 2의 (k-1) 거듭 제곱이며, 그에 의해 임의의 요구되는 개수의 스피커 엘리먼트가 동작되도록(윗방향, 아래방향으로 래치되거나 또는 래치되지 않음) 허용하며, 이는 임의의 주어진 개수는 거듭제곱의 합, 예컨대 2 또는 10 또는 다른 적절한 정수로 표현될 수 있기 때문이다. 스피커 엘리먼트의 전체 개수가 2의 거듭제곱(N) 예컨대 2047보다 하나 작게 선택된 경우, 스피커 엘리먼트 의 전체 개수를 제어된 그룹의 전체 개수 즉 N 개로 분할하는 것이 가능하다. 예를 들어, 2047 개의 스피커 엘리먼트가 있는 경우, 시퀀스 G1, G2,... 내의 제어된 그룹의 개수는 11이다.

이 실시예에서, 리스케일된 PCM 신호의 임의의 개별적인 값이 2의 거듭제곱의 합으로 나타내어질 수 있기 때문에, 스피커 엘리먼트의 적절한 개수는 항상 적절한 제어된 그룹의 모든 구성 요소를 끝단-위치로 가져오도록 집단적으로 선택된 끝단-위치에 위치될 수 있다. 예를 들어, 시간 t에서 리스케일된 PCM 신호의 값이 100인 경우, 100 = 64+32+4이므로, 그룹 G3, G6 및 G7은 함께 100 개의 스피커 엘리먼트를 정확하게 포함하고 따라서, 시간 t에서, 이들 세 그룹의 모든 구성 요소는 집단적으로 선택된 끝단 위치, 예컨대 "아래(down)" 또는 "하부(bottom)" 위치로 가져올 수 있다. 각각의 이동 엘리먼트는 하부 및 상ㅂ우 래치를 가지고 있으며, 각각은 일반적으로 적절한 국부적 정전기력을 선택적으로 작용시고, 그 "아래" 및 "위" 위치로 각각 래치시키는 것과 결합하여 생성된다. 그룹 Gk 내의 스피커 엘리먼트의 하부 및 상부 래치의 세트는 각각 Bk 및 Tk 래치로 언급된다.

도 8D는 도 1A 내지 도 8C의 장치를 개시하는 바람직한 방법을 설명하는 단순화된 흐름도이다. 도 8D의 방법에 따르면, 이동 엘리먼트(10)의 어레이는 이동 엘리먼트의 어레이 내의 각각의 이동 엘리먼트(10)를 적어도 하나의 래칭 위치에 가져오는 단계를 포함하는 초기 모션을 수행하도록 한다. 여기에 기술되는 바와 같이, 상부 및 하부 래칭 위치 둘 모두는 일반적으로 각각의 이동 엘리먼트(10)에 대해 제공되며, 어레이 내의 각각의 이동 엘리먼트를 적어도 하나의 래칭 위치로 가 져오는 단계는 어레이 내의 이동 엘리먼트의 제 1 서브셋을 그들의 상부 래칭 위치로 가져오는 단계를 포함하며, 어레이 내의 모든 남은 엘리먼트를 포함하는 제 2 서브셋은 그들의 하부 래칭 위치로 가져오는 단계를 포함한다. 제 1 및 제 2 서브셋은 바람직하게 선택되어 상기 제 1 및 제 2 서브셋 내의 이동 엘리먼트가 각각 그들의 상부 및 하부 래칭 위치에 있는 경우, 유체 예컨대 제 1 서브셋 내의 이동 엘리먼트(10)에 의해 배기되는(displaced) 공기에 의해 생성되는 전체 압력은 제 2 서브셋 내의 유체 예컨대 이동 엘리먼트에 의해 배기되는 공기에 의해 생성된 전체 압력과 크기는 같고 방향은 상반된다.

이동 엘리먼트(10)는 일반적으로 기결정된 극성을 가지는 전하를 포함하고 각각의 이동 엘리먼트는 개별적인 고유 공진 주파수를 정의하며 이는 제품 내구력에 기인하여 다른 이동 엘리먼트의 고유 공진 주파수와 약간 다른 경향이 있으며, 그에 의해 이동 엘리먼트의 어레이에 대한 고유 공진 주파수 범위, 예컨대 42 내지 46 KHz를 정의한다. 여기에 기술된 바와 같이, 일반적으로, 제 1 및 제 2 정전형 래칭 엘리먼트는 이동 엘리먼트(10)를 각각 상부 및 하부 래칭 위치에 래치하도록 동작하게끔 제공되고 이동 엘리먼트의 어레이가 움직이도록 하는 단계는 다음과 같은 단계를 포함한다:

단계 850: 제 1 서브셋에 포함된 각각의 이동 엘리먼트의 제 1(상부 또는 하부) 정전형 래치를 래치를 대면하는 이동 엘리먼트 상의 극과 상반되는 극성으로 대전시킨다. 상기 제 1 및 제 2 서브셋은 각각 이동 엘리먼트의 전체 개수의 50%를 포함할 수 있다.

단계 855: 제 2 서브셋에 포함된 각각의 이동 엘리먼트의 제 2(하부 또는 상부) 정전형 래치를 래치를 대면하는 이동 엘리먼트 상의 극에 상반되는 극성으로 충전시킨다.

단계 860: 상술한 바와 같이, 이동 엘리먼트는 특정 고유 공진 주파수 f_r을 구비하도록 설계된다. 디자인 툴은 컴퓨터로 작업하는 모델링 툴, 예컨대 FEA(Finite Elements Analysis) 소프트웨어를 포함할 수 있다. 단계 860에서, f_CLK인 시스템 클럭의 주파수로서, 이동 엘리먼트가 배치된 전자장의 교차의 타이밍을 결정하는 주파수는, 가장 낮은 고유 공진 주파수를 가지는 어레이 내의 이동 엘리먼트의 고유 공진 주파수로 설정되며, 이는 f_min으로 나타내어지고 일반적으로 실험적으로 또는 컴퓨터로 수행하는 모델링에 의해 결정된다.

단계 865 내지 870: 그리고 나서 시스템 클럭 주파수는 f_min의 초기값에서 △f에 의해 나누어지는 다음 주파수 값으로 시스템 클럭 주파수가 가장 높은 고유 공진 주파수, f_max로 나타내어지고 일반적으로 실험적으로 또는 컴퓨터로 수행하는 모델링에 의해 결정되는 주파수를 가지는 어레이 내의 이동 엘리먼트의 고유 공진 주파수에 이르기까지 단조롭게 증가할 수 있다. 그러나 대체적으로 시스템 클럭 주파수는 f_max에서 f_min으로 단조롭게 감소하거나 또는 비단조롭게 변화할 수 있다.

이동 엘리먼트(10)가 그 고유 공진 주파수 f_r에서 여기된 경우, 이동 엘리먼트는 이하 A_max로 나타내어지는 특정 최대 진폭에 도달하기까지 그 진폭을 매 사이 클마다 증가시킨다. 일반적으로, 이동 엘리먼트가 A_max에 도달하기 위해 요구되는 듀레이션 △t는 제조 과정(set-up) 도중 기록되고 초기 시퀀스(initialization sequence) 동안 작용되는 자기력은 A_max가 이동 엘리먼트가 아이들 상태에서 상부 또는 하부 래치 중 어느 하나로 이동하기 위해 필요한 갭(gap)의 두 배만큼 되도록 선택된다.

Q 팩터 또는 양호도는 진동하는 물리 시스템의 진폭의 감쇠에 대한 시 상수를 그 진동 주기에 비교하는 공지된 팩터이다. 동등하게, 이는 시스템이 진동하는 주파수를 에너지를 손실하는 비율에 비교한다. 보다 높은 Q는 진동 주파수에 대하여 보다 낮은 비율의 에너지 손실을 지시한다. 바람직하게, 이동 엘리먼트의 Q 팩터는 컴퓨터에 의한 계산으로 또는 실험적으로 결정될 수 있다. 결정된 Q 팩터는 진폭이 A_max의 50%로 감소하기 전에 얼마나 멀리 f_CLK가 f_r로부터 떨어질 필요가 있는지(두 가지 가능한 값으로서, 하나는 f_r보다 작으며 하나는 f_r보다 크다) 기술한다. 상기 두 가지 가능한 값의 차는 △f이다.

상술한 단계의 결과로서, 교차하는 극성의 전자기력의 시퀀스는 이제 이동 엘리먼트의 어레이에 작용된다. 동일한 극성의 힘의 연속적인 작용 간의 시간 간격은 시스템 클럭에 유도된 변화에 기인하여 시간 상 가변하며, 그에 의해 시퀀스에 대한 주파수 레벨의 변화를 정의한다. 이는 임의의 시간 t에서, 그 개별적인 고유 공진 주파수가 시간 t에서의 주파수 레벨에 충분히 유사한 모든 이동 엘리먼트의 진동의 진폭의 증가를 야기한다. 주파수 레벨은 충분히 느리게 변화하여(즉, 오직 적절한 인터벌 △t 후, 모든 이터레이션에서 동일할 수 있거나 동일하지 않을 수 있다) 그 고유 공진 주파수가 전류 주파수 레벨과 유사한 모든 이동 엘리먼트의 세트 S가, 전자기장 교차(alternation) 주파수 레벨이 그 고유 공진 주파수와 다르게 되어 이동 엘리먼트의 세트 S의 진동의 진폭이 증가하는 것이 멈추기 전에 래치될 수 있게 한다. 주파수 레벨의 변화의 범위는 고유 공진 주파수 범위에 대응한다. 일반적으로, 개시 시퀀스(initiation sequence)(단계 872)의 끝에서, 시스템 클럭 f_CLK는 기결정된 시스템 주파수로 설정되며, 이는 일반적으로 어레이 내의 이동 엘리먼트의 평균 또는 중간값의 고유 공진 주파수, 즉 44 KHz이다.

이동 엘리먼트의 고유 공진 주파수의 범위를 결정하는 하나의 방법은 진동기록계(vibrometer)를 사용하여 이동 엘리먼트의 어레이를 시험하고 어레이를 다른 주파수로 여기시키는 것이다.

도 8E는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 조립된 스피커 시스템의 단순화된 사시도이다. PCB(2100)에 장착된 것은 래칭 엘리먼트(20) 사이에 겹쳐진 이동 엘리먼트(10)(미도시)를 포함하는 액추에이터 엘리먼트의 어레이이다. 어레이는 코일(40)에 의해 둘러싸인다. 제어 라인(2110)은 도시되며, 이는 프로세서(802) 내의 래치 제어기(50)(미도시)에 의해 생성된 래치 제어 신호를 래치 엘리먼트(20)으로 이동시킨다. 앰플러파이어(811)은 프로세서(802) 내의 자기장 생성 제어기(30)(미도시)에 의해 코일(40)으로 제공되는 신호를 증폭시킨다. 커넥터(2120)는 도 8E의 장치를 디지털 소리 소스에 연결시킨다. 단순화를 위해, 파워 서플라이 컴포넌트와 같은 종래의 구성 요소는 도시하지 않았다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 장치를 사용하여 소리를 생성하기 위한 동작의 바람직한 방법이 이제 도 8F를 기반으로 기술된다. 도 8F의 방법은 바람직하게 시간 영역에서 소리의 재생성을 기반으로 하며, 이는 일반적으로 PCM(Pulse-Code Modulation) 표현이다.

도 8F의 리샘플러(814): PCM의 샘플링 레이트가 시스템 클럭과 동일하지 않는 경우, PCM은 그 샘플링 레이트를 도 1A의 장치의 시스템 클럭 주파수(도 11A의 윗 열)로 높이거나 낮추도록 리샘플링된다.

일반적으로, 임의의 적절한 샘플링 레이트가 도입될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 시스템은 적어도 두 개의 상이한 주파수를 가지는 음파를 생성하며, 그 중 하나는 입력 신호에 의해 결정된 요구되는 주파수이고 다른 하나는 아티팩트(artifact)이다. 아티팩트 주파수는 클럭 주파수, 즉, 시스템의 샘플링 레이트이다. 따라서, 바람직하게, 시스템 샘플링 레이트는 인간의 가청 범위 즉 적어도 20 KHz를 벗어나도록 선택된다. 나이퀴스트 샘플링 이론은 시스템 클럭이 스피커가 생성하고자 하는 가장 높은 주파수의 최소 두 배로 선택되어야 함을 제시한다.

스케일러(scaler)(815): PCM 워드 길이는 일반적으로 8, 16 또는 24 비트이다. 8 비트 PCM 표현은 부호가 없으며(unsigned), 진폭 값이 시간에 따라 0에서 255까지 가변하며, 16 및 24 비트 PCM 표현은 부호가 있으며(signed), 진폭 값이 시간에 따라 각각 -32768에서 32767까지 그리고 -8388608에서 8388607까지 가변한다. 도 1 내지 도 2C의 스피커는 일반적으로 부호가 없는 신호를 도입하고 따라서, PCM 신호가 부호가 있는 경우, 예컨대 PCM 워드 길이가 16 또는 24 비트인 경우, 적절한 바이어스가 더해져 해당 부호가 없는 신호를 획득한다. PCM 워드 길이가 16 비트인 경우, 32768 진폭 유닛의 바이어스가 더해져 새로운 범위인 0 내지 65535 진폭 유닛을 획득한다. PCM 워드 길이가 24 비트인 경우, 8388608의 바이어스 진폭 유닛이 더해져 새로운 범위인 0에서 16777215 진폭 유닛을 획득한다.

그리고 나서 PCM 신호는 필요하면 더 리스케일되어(re-scaled) 진폭 유닛의 그 범위는 도 1 내지 도 2C의 장치 내의 스피커 엘리먼트의 개수와 동일해진다. 예를 들어, 스피커 엘림런트의 수가 2047인 경우, 그리고 PCM 신호가 8 비트 신호인 경우, 신호는 2048/256 = 8의 팩터만큼 승산된다. 또는, 스피커 엘리먼트의 수가 2047인 경우, 그리고 PCM 신호가 16 비트 신호인 경우, 신호는 2048/65536 = 1/32의 팩터만큼 승산된다.

그리고 나서, 소리는 리스케일된 PCM 신호를 나타내도록 리스케일된 PCM 신호의 현재 값에 따라 스피커 엘리먼트의 적절한 수를 액추에이팅함으로써 생성된다. 스피커 엘리먼트는 두 개의 가능한 종단-상태(end-states)를 가지며, 이는 여기서 각각 "아래(down)" 및 "위(up)" 종단-상태로 언급되고, 도 2A 및 도 2B에각각 개략적으로 설명된다. 이들 종단-상태의 개별적인 상태는 선택되고 임의의 주어진 시간에서 상기 종단-상태에 있는 스피커 엘리먼트의 수는 리스케일된 PCM 신호의 현재 값에 부합되며, 동시에 남은 스피커 엘리먼트는 상반되는 종단-상태가 된다. 예를 들어, 2047 개의 스피커 엘리먼트가 있는 경우, 선택된 종단-상태가 "위"이고 시간 t에서 리스케일된 PCM 신호의 값이 100인 경우, 시간 t에서 "위" 및 "아래" 종단 상태에 있는 스피커 엘리먼트의 개수는 각각 100개 및 1947개이다. 본 발명의 특정 실시예에 따르면, "위" 상태로 선택된 특정 스피커 엘리먼트는 그들의 전체 개수가 리스케일된 PCM 신호의 현재 값에 대응하는 한 중요하지 않다.

그리고 나서, 다음과 같은 루프는 샘플이 스케일러(815)에 의해 생성된 각각의 시간마다 M 번 수행된다. M은 도 1A의 장치 내의 액추에이터 엘리먼트의 수이다. i는 현재 루프의 인덱스이다. V_t는 스케일러(815)를 나가는 현재 샘플 값을 지적하기 위해 사용된다(루프의 M 번 이터레이션이 수행되는데 사용됨). 일반적으로, 그들의 상부 위치에 래치될 이동 엘리먼트의 개수는 정확히 V_t의 값과 동일하고 모든 남은 이동 엘리먼트는 그들의 하부 위치로 래치된다. 따라서, i가 여전히 Vt보다 더 작으면, 도 8F에서 "Pi"로 언급된 i 번째 이동 엘리먼트 또는 픽셀은 그 상부 위치로 래치된다. 이는 이동 엘리먼트 i가 이전 루프 (t-1)에서 처리된 경우, 그것이 그 상부 래칭 위치 또는 그 하부 래칭 위치에 있는지 여부를 확인함으로써(도 8F, 단계 840) 수행된다. 전자의 경우, 아무것도 수행될 필요가 없으며 상기 방법은 단계 842의 증가를 위해 점프한다. 후자의 경우, 엘리먼트 i는 그 상부 위치로 래치될 필요가 있는 엘리먼트로 마크된다(단계 839). 모든 남은 이동 엘리먼트를 하부 위치로 래치시키기 위해, 그 인덱스가 V_t를 초과하는 모든 이동 엘리먼트에 대해 다음과 같은 과정을 수행한다: 이미 하부 위치에 있는지 확인하고(단계 838); 이들 이동 엘리먼트는 더 처리할 필요가 없다. 다른 모든 엘리먼트는 하부 위치에 래치될 필요가 있는 엘리먼트로 마크된다. 모든 M 개의 엘리먼트가 마크되 거나 마크되지 않으면, 다음과 같은 과정이 수행된다:

자기장이 윗 방향을 향하는지 확인하거나, 또는 그렇게 되기까지 대기하고(단계 843), V_t 또는 올려질 더 적은 픽셀은 하부 래치를 방전시키고 상부 래치를 대전시킨다(단계 844). 다음으로, 자기장이 아래 방향을 향하도록 대기하고(단계 845), (M-Vt) 또는 내려질 더 적은 픽셀은 상부 래치를 방전시키고 하부 래치를 대전시킨다(단계 846). 이 때, 흐름은 스케일러(815)에 의해 생성될 다음 샘플을 대기하고 그리고 나서 그 샘플에 대해 방금 기술된 루프의 M 번 이터레이션을 시작한다.

단계 843에 선행하는 단계는 바람직하게 자기장 극성이 아래 방향인 해프 클럭 사이클 동안 수행된다. 단계 844는 바람직하게 자기장이 그 극성을 아래 방향에서 윗 방향으로 변경하는 순간 수행된다. 유사하게, 단계 846은 바람직하게 자기장이 극성을 윗 방향에서 아래 방향으로 다시 변경하는 순간 수행된다. 또한, 장치가 디지털화된 입력 신호와 동기되도록 유지하기 위해, 단계 814 내지 단계 846은 모두 바람직하게 하나의 클럭 사이클보다 더 짧게 수행된다.

도 9A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동 엘리먼트(10) 상에 작용하는 다양한 외력을 요약하는 그래프이다.

도 9B는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 자기장 그래디언트 유도 레이어의 단순화된 예시도이며 유전체 기판(2605)에 내장된(embedded) 적어도 한 번 감긴(winding) ehw던성 엘리먼트(2600)을 포함하고 일반적으로 채 널(2610)의 어레이 사이에 감기도록 구성된다. 일반적으로, 도 9B의 전도성 레이어의 경계를 따라서는 채널(2610)은 구비되지 않아, 경계 근처의 채널 내에 유도되는 그래디언트 전도성 레이어의 중앙 근처의 채널 내에 유도되는 그래디언트와 실질적으로 동일하다.

도 9B의 레이어가 상술한 스페이서 레이어로부터 분리되는 경우, 도 9B의 레이어 내의 채널은 상세하게 기술된 스페이서 레이어 내의 채널의 구성으로서 반대편에(opposite) 배치된다. 채널(2610)의 단면 치수 예컨대 직경은 스페이서 레이어 내의 채널의 직경과 상이할 수 있다. 선택적으로, 도 9B의 레이어는 스페이서 레이어로서 그리고 자기장 유도 레이어로서 제공될 수 있으며, 이는 도 9B의 채널(2610)이 정확히 상술한 스페이서 레이어 채널인 경우이다. 단순화를 위해, 스페이서 레이어의 일부분을 형성하는 전극은 도 9B에 도시되지 않는다.

도 9C 및 도 9D는 도 9B의 전도성 레이어의 자기장 그래디언트 유도 기능을 설명한다. 도 9C에서, 감긴 엘리먼트(winding element)(2600)을 통한 전류 흐름은 화살표(2620)로 지시된다. 야기되는 자기장의 방향은 도 9C에서 X(2630)로 지시되고 점(2640)로 표시되어 각각 야기되는 자기장이 페이지의 안으로 들어가고 밖으로 나오는 것을 지시한다.

도 10A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 1A의 래치(20) 내에 포함된 래칭 레이어의 단면도이다. 도 10A의 래칭 레이어는 그 래치가 도시된 바와 같이 전기적으로 상호연결된 다수의 그룹 G1, G2,...로 분할된 이동 엘리먼트를 래칭하기 위해 적합하며, 따라서 래치의 집단적인 액추에이션을 가능하게 한다. 이 실시 예는 일반적으로 임의의 수의 이동 엘리먼트가 분할된 그룹 중 선택된 그룹의 래치를 집단적으로 대전시킴으로써 액추에이트될 수 있도록 특성화되며, 래칭 레이어 내의 각각의 래치는 일반적으로 영구 자석과 결합되며, 래칭 레이어 내의 모든 영구 자석의 극은 모두 동일하게 배치된다. 각각의 그룹 Gk는 2의 (k-1) 거듭제곱의 이동 엘리먼트를 포함할 수 있다. 이동 엘리먼트의 그룹은 이동 엘리먼트의 어레이의 중앙으로부터 나선형을 그릴 수 있으며, 도시된 바와 같이 가장 작은 그룹은 중앙에 가장 근접한다.

도 10B는 도 10A의 래칭 레이어의 대체적인 실시예의 단순화된 전기회로도이며, 각각의 래치는 도 1A의 래칭 제어기(50)에 의해 집단적으로 보다는 개별적으로 제어된다(즉 대전된다). 상기 래치는 환형으로 도시되지만, 그러나 대체적으로 임의의 다른 적합한 구성 예컨대 아래 기술되는 바와 같은 구성을 가질 수 있다. 도 10B의 레이어는 절점을 정의하는 수직 및 수평의 그리드를 포함한다. 게이트 예컨대 바이폴라(bi-polar) FET는 일반적으로 각각의 절점에 제공된다. 그에 의해 개별적인 게이트를 열기 위해(open) 해당 래치를 대전시키며, 이는 적절한 전압을 해당 수직 및 수평 와이어를 따라 제공하는 것이다.

도 11A는 바람직한 대전 제어 체계를 도시하는 타이밍도이며, 이는 단방향성(uni-directional) 스피커 애플리케이션 내의 도 1A의 래치 제어기(50)에 의해 사용될 수 있으며, 이는 요구되는 소리를 나타내는 입력 신호가 수신되고 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 이동 엘리먼트(10)가 응답적으로 그들의 각각의 래치를 적절하게 대전시킴으로써 제어되어, 스피커 전면의 음량이 다 른 영역의 음량보다 더 큰 소리 패턴을 획득하며, 래칭 레이어 내의 각각의 래치는 영구자석과 결합되고, 래칭 레이어 내의 모든 영구 자석의 극은 모두 동일하게 배치된다. 도 11B는 도 11A의 타이밍도를 획득하기 위한 이동 엘리먼트(10)의 어레이의 예시도이다.

래치 제어기(50)의 동작의 바람직한 모드가 이제 도 11A 및 도 11B를 참조하여 기술된다. 명확성을 위해, 바람직한 동작의 모드는 단지 예시적으로 도 11B에도시된 바와 같은 P1, P2, ... P7으로 번호가 매겨진 7 개의 픽셀을 포함하는 스피커를 참조로 하여 기술된다. 래치 제어기(50)의 동작의 바람직한 모드를 설명하기 위해 사용된 예에 따르면, 상기 7 개의 픽셀은 각각 1, 2 및 4 개의 픽셀을 포함하는 세 개의 그룹으로 액추에이트된다. 일반적으로, 래치 제어기(50)는 이하 상세하게 기술된 바와 같이, 다양한 결정 파라미터(decision parameters)를 사용하여, 각각의 개별적인 이동 엘리먼트를 각각의 시간 간격에서 어떻게 제어할 지를 결정한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 스피커는 일반적으로 그래프 Ⅱ의 아날로그 신호에 의해 나타내어지는 소리를 재생성하도록 동작하고, 그리고 나서 디지털화되고 본 발명의 스피커에 공급된다. 디지털 신호의 값은 도 11A의 그래프 Ⅲ에 도시된다.

그래프 Ⅳ는 코일 또는 다른 자기장 생성기(40)에 의해 이동 엘리먼트(10)에 작용되는 전자기력의 교차(alternation)를 도시한다. 그래프 Ⅴ는 래칭 제어기(50)에 의해 개별적인 이동 엘리먼트, 도 11B에 도시된 P1의 상부 래치로 제공되는 신호이며, 오직 P1만으로 구성되는 이동 엘리먼트의 제 1 그룹 G1을 형성한다. 그래프 Ⅵ는 래칭 제어기(50)에 의해 P1의 하부 래치에 제공되는 신호이다. P1의 상태는, 그에 결합되는 래치의 동작에 기인하며, 이는 그래프 Ⅶ에 도시되며, 여기서 흑색은 상부 극단 위치를 지시하고 상부 래치는 P1과 결합하고, 백색은 하부 극단 위치를 지시하고 하부 래치는 P1과 결합하고, 해칭(hatching)은 중간 위치를 지시한다.

그래프 Ⅷ는 래칭 제어기(50)에 의해 도 11B에 도시된 이동 엘리먼트 P2 및 P3의 각각 또는 둘 모두의 상부 래치로 제공되는 신호이며, 상기 엘리먼트는 함께 이동 엘리먼트의 제 2 그룹 GII를 형성한다. 그래프 Ⅸ는 래칭 제어기(50)에 의해 GII의 하부 래치(들)로 제공되는 신호이다. P2 및 P3의 상태는 그와 결합된 래치의 동작에 기인하며, 이는 각각 그래프 Ⅹ 및 XI에 도시되며, 여기서 흑색은 상부 극단 위치를 지시하며 상부 래치는 관련된 이동 엘리먼트와 결합하고, 백색은 하부 극단 위치를 지시하며 하부 래치는 관련된 이동 엘리먼트와 결합하고, 해칭은 관련된 이동 엘리먼트의 중간 위치를 지시한다.

그래프 XII는 래칭 제어기(50)에 의해 도 11B에도시된 이동 엘리먼트 P4 내지 P7의 각각 또는 모두의 상부 래치(들)로 제공되는 신호이며, 상기 이동 엘리먼트는 함께 이동 엘리먼트의 제 3 그룹 GIII를 형성한다. 그래프 XIII는 래칭 제어기(50)에 의해 GIII의 하부 래치(들)로 제공되는 신호이다. P4 내지 P7의 상태는 그에 결합된 래치의 동작에 기인하며, 이는 각각 그래프 XIV 내지 XVII에 도시되며, 여기서 흑색은 상부 극단 위치를 지시하며 상부 래치는 관련된 이동 엘리먼트와 결합하고 백색은 하부 극단 위치를 지시하고 하부 래치는 관련된 이동 엘리먼트 와 결합하고, 해칭은 관련된 이동 엘리먼트의 중간 위치를 지시한다.

그래프 XVIII는 도 11B의 이동 엘리먼트 P1 내지 P7을 시간의 함수로서 그들의 다양한 위치에서 개략적으로 도시한다.

예를 들어, 인터벌 I5에서, 클럭은 하이이며(그래프 I), 디지털화된 샘플 값은 2이며(그래프 Ⅲ), 이는 그래프 XVIII의 인터벌 I5에 도시된 바와 같이, 5 개의 엘리먼트가 그들의 상부 위치에 위치하고 2 개의 엘리먼트가 그들의 하부 위치에 위치해야할 필요가 있음을 지시한다. 이 실시예의 래치 액추에이션은 집단적이므로, 이는 그들의 상부 위치에 위치할 총 5 개의 엘리먼트(1+4)를 구비하는 그룹 G1 및 G3를 선택함으로써 달성되며, 반면 G2의 두 개의 이동 엘리먼트는 그들의 하부 위치에 위치할 것이다. 그래프 Ⅳ에 도시된 바와 같이, 자기장은 인터벌 I5에서 윗 방향을 지시한다. 인터벌 I4에서, G1의 이동 엘리먼트는 그래프 XVIII에 도시된 바와 같이 그 하부 위치에 위치하고 따라서 올려질 필요가 있다. 그렇게 함으로써, 제어 신호 B1은 로우로되고(그래프 Ⅵ) 제어 신호 T1은 하이로 된다(그래프 Ⅴ). 그 결과, G1의 이동 엘리먼트는 그래프 Ⅶ에 도시된 바와 같이 상부 위치에 있다고 예상된다. 인터벌 I4에서, G2의 이동 엘리먼트는 그래프 XVIII에 도시된 바와 같이 이미 그들의 하부 위치에 위치하며 따라서 상부 제어 신호 T2는 그래프 Ⅷ에 도시된 바와 같이 로우로 유지되며, 하부 제어 신호 B2는 그래프 Ⅸ에 도시된 바와 같이 하이로 유지되고, 그 결과는 각각 그래프 X 및 XI에 도시되며, G2의 두 개의 이동 엘리먼트(P2 및 P3)는 그들의 하부 극단 위치에 유지된다. 그룹 G3에 대해, 인터벌 I4에서, G3의 이동 엘리먼트는 그래프 XVIII에 도시된 바와 같이 이미 그들의 상부 위치에 위치하고 그 결과 상부 제어 신호 T3는 그래프 XII에 도시된 바와 같이 하이로 유지되고, 하부 제어 신호 B3는 그래프 XIII에 도시된 바와 같이 로우로 유지되고 그 결과는 각각 그래프 XIV 내지 XVII에 도시되며, G3의 네 개의 이동 엘리먼트(P4 내지 P7)는 그들의 상부 극단 위치에 유지된다.

바람직하게, 그래프 Ⅱ의 입력 신호는 양의 국부 최대값이며, 모든 이동 엘리먼트는 그들의 상부 위치에 위치한다. 입력 신호가 음의 국부 최대값인 경우, 모든 이동 엘리먼트는 그들의 하부 위치에 위치한다.

도 11C는 무지향성 스피커 어플리케이션 내의 래치 제어기(50)에 의해 사용되는 바람직한 제어 체계를 도시하는 타이밍도이며, 이는 요구되는 소리를 나타내는 입력 신호가 수신되고, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 이동 엘리먼트는 응답적으로 제어되어, 스피커 전면의 특정 거리에 위치한 영역의 소리의 크기(loudness)가 스피커로부터 동일한 거리에 있는 스피커를 둘러싸는 다른 모든 영역의 크기와 동일한 소리 패턴을 획득한다.

도시된 바와 같이, 선택적으로 래칭하는 단계는 어레이의 중앙으로부터의 특정 이동 엘리먼트의 거리(예컨대 도 11B의 원형 어레이 내의 r로 지시됨)에 의해 결정되는 시간에서 특정 이동 엘리먼트를 래칭하는 단계를 포함한다. 일반적으로, 이동 엘리먼트의 특정 서브셋을 래치하도록 요구되는 경우, 일반적으로 요구되는 소리의 강도에 개수로 대응하여, 이동 엘리먼트는 동시가 아닌 순차적으로 래치되며, 여기서 중앙에 가장 가까운 이동 엘리먼트는 제일 먼저 래치되고, 뒤이어 일반적으로 중심이 같도록 중앙의 바깥쪽에 위치한 레이어 내에 배치된 이동 엘리먼트 가 뒤따른다. 일반적으로, 각각의 레이어 내의 이동 엘리먼트는 동시에 액추에이트된다. 일반적으로, 특정 이동 엘리먼트가 래치되는 순간 사이의 일시적인 간격 △t 및 첫 번째의, 중앙의, 이동 엘리먼트 도는 엘리먼트가 래치되는 순간 사이의 일시적인 간격은 r/c이며 여기서 c는 소리의 속도이다.

도 11C의 그래프 X 내의 이동 엘리먼트는 플렉서블한 주변적인 부분(peripheral portions)을 포함하도록 도시되지만, 이는 단지 예시적인 것이고 이에 제한되지 않도록 의도된다.

도 12A 및 도 12B는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동 엘리먼트 레이어의 평면도 및 단면도이며, 영구 자석의 절반은 N극이 윗 방향을 향하도록 배치되고 절반은 N극이 아래 방향을 향하도록 배치된다. 이 실시예의 특별한 효과는, 이동 엘리먼트가 올려지기 전에 전자기장이 윗 방향을 향하기를 기다리지 않고, 그리고 이동 엘리먼트가 내려가기 전에 전자기장이 아래 방향을 향하기를 기다리지 않고, 전자기장이 윗 방향을 향하는 경우와 전자기장이 아래 방향을 향하는 경우 둘 모두 이동 엘리먼트가 위로 올려질 수 있는 것이다. 비록 설명된 실시예는 다른 하나로부터 분리된 두 개의 서브셋을 도시하지만, 이 경우에 한정되지 않는다. 두 개의 서브셋은 다른 하나에 삽입될 수도 있다.

도 13은 래칭 레이어 내의 영구 자석의 절반이 N극이 윗 방향을 향하도록 배치되고 래칭 레이어 내의 나머지 절반의 영구 자석이 N극이 아래 방향을 향하도록 배치되는 것을 제외하고는 도 10A와 유사한 단순화된 평면도이다. 반면 도 10A의 실시예에서, 도 13의 실시예의 각각의 사이즈가 1, 2, 4,...(도 10A에 도시된 바와 같이 중심의 주변에 순차적으로 배열될 수 있으며 이 경우에 제한되지 않는다)인 하나의 그룹이 있으며, 각각의 사이즈가 사이즈 1, 2, 4, ...의 그룹의 두 개의 시퀀스를 생성하는 두 개의 그룹이 있다. 설명된 실시예에서, 제 1 시퀀스 내의 그룹은 G1L, G2L, G3L, ...로 언급되고, 제 1 시퀀스 내의 그룹은 G1R, G2R, G3R,...로 나타내어진다. 각각의 시퀀스는 하나의 반원, 예컨대 도시된 바와 같은 좌 및 우 반원 내에 배열된다. 이 반원 내의 그룹의 배열은 도시된 바와 같이 중심을 동일하게 하여 외부로 확장하는 그룹의 사이즈 순서일 필요는 없고, 요구되는 임의의 배열일 수 있지만, 바람직하게, 두 그룹 모두 그들의 개별적인 반원 내에서 상호 대칭적으로 배열된다. 적절한 코일 디자인을 이용함으로써 동일한 방향으로 모두 극성화(polarized)된 영구 자석을 이용하여 동일한 효과를 얻을 수 있지만, 반면 코일은 이동 엘리먼트의 절반에 걸쳐 특정 극성을 가지고 다른 절반에 걸쳐 상반된 극성을 가지는 자기장을 생성한다.

도 10A 및 도 13의 실시예의 특별한 특징은 특정 이동 엘리먼트에 대응하는 래치 엘리먼트가 전기적으로 상호 연결되며, 그에 의해 전기적으로 상호연결된 래치들을 각각 집단적으로 대전시키거나 방전시킴으로써 집단적으로 래치되거나 해제될 수 있는 이동 엘리먼트의 그룹을 형성하는 것이다.

도 14는 특별한 예에 대한 래치 및 코일-유도된 전자기력의 제어를 설명하는 제어도이며, 여기서 이동 엘리먼트는 도 13에 도시된 바와 같이 래칭 레이어 내의 영구 자석의 절반은 N극이 윗 방향으로 배치되고 래칭 레이어 내의 영구 자석의 나머지 절반은 N극이 아래 방향으로 배치되는 것을 제외하고는, 도 8A와 유사하게 각 각, 선택적으로, 집단적으로 액추에이트되는 그룹으로 정렬되며, 반면 도 8A에서, 래칭 레이어 내의 영구 자석의 모든 극은 모두 동일하게 배치된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 래칭 신호는 그룹 G1L, G2L, G3L, ... 및 G1R, G2R, G3R 모두에게 제공된다. 이들 그룹에 대한 상부 래칭 신호는 각각 LT1, LT2, LT3, ... 및 RT1, RT2, RT3로 지시된다. 이들 그룹에 대한 하부 래칭 신호는 LB1, LB2, LB3,...및 RB1, RB2, RB3로 지시된다.

도 15A는 단방향성 스피커 애플리케이션 내의 래칭 제어기(50)에 의해 사용되는 바람직한 제어 체계를 도시하는 타이밍도이며, 이는 도 13에 도시된 바와 같이 래칭 레이어 내의 영구 자석의 절반의 N극이 윗 방향으로 배치되고 래칭 레이어 내의 영구 자석의 나머지 절반의 N극이 아래 방향으로 배치되는 것을 제외하고는 도 11A의 타이밍도와 유사하며, 반면 도 11A는 래칭 레이어 내의 모든 영구 자석의 극이 모두 동일하게 배치된다. 도 15B는 도 15A의 타이밍도를 획득하기 위한 이동 엘리먼트의 예시적인 어레이의 개념도이다.

상술한 바와 같이, 도 8A, 도 10A 및 도 11A의 실시예와 상반되는 도 13 내지 도 15A의 실시예의 특별한 효과는 이동 엘리먼트가 올려지기 전에 전자기장이 윗 방향을 지시하기까지 대기하고 이동 엘리먼트가 내려지기 전에 전자기장이 아래 방향을 지시하기까지 대기하지 않고, 전자기장이 윗 방향을 향하는 경우 및 전자기장이 아래 방향을 향하는 경우 둘 모두 이동 엘리먼트가 위로 이동할 수 있는 것이다. 도 11A의 타임 슬랏의 50% 내의 엘리먼트가 이동하지 않으며, 이는 소리의 왜곡을 유발하고 상대적으로 비효율적이다. 반면, 엘리먼트가 도 15A의 타임 슬랏 100%에서 이동하면(디지털 신호 값이 변하지 않기 때문에 모션이 필요 없는 슬랏을 제외하고) 그에 의해 왜곡을 방지하고 효율을 향상시킨다.

예를 들어, 인터벌 I5에서, 디지털화된 신호 값은 도 11A 및 도 15A의 그래프 Ⅱ에 도시된 바와 같이 1에서 2로 변한다. 결과적으로, 도 11A의 이동 엘리먼트 P1은 위로 올려질 필요가 있으며, 즉, 그 현재의 하부 극단 위치에서 해제되어 그 상부 극단 위치로 래치되지만, 반면 I5에서, 제어 신호 B1은 로우로 되고 제어 신호 T1은 하이로 되며, 인터벌 I6에서는 아무 것도 발생되지 않는다. 도 15A에서, 반대로, 이동 엘리먼트 LP1 (및 RP1)는 위로 올려질 필요가 있으며, 인터벌 I5에서 제어 신호 LB1은 로우로 되고 제어 신호 LT1은 하이로 되고, 바로 후, 인터벌 I6에서, RB1 제어 신호는 로우로 되고 RT1 신호는 하이로 되며, 그 결과 도 11A 내에 초래된 딜레이 없이 RP1의 상방향 모션이 야기된다.

일반적으로 도 13 내지 도 15A의 실시예에서, 자석의 절반(여기서, 좌측 절반)은 N극이 윗 방향을 향하고 나머지 절반(우측 절반)은 N극이 아래를 향하며, 이동 엘리먼트(10)을 윗 방향에 위치하고자 하는 경우, 이는 언제느 딜레이 없이 수행될 수 있다. 자기장이 윗 방향을 가리키는 경우, 어레이의 좌측 절반의 이동 엘리먼트는 우측 절반이 이동하기 전에 윗 방향으로 이동할 수 있으며, 반면 자기장이 아래 방향을 향하도록 발견된 경우, 어레이의 우측 절반의 이동 엘리먼트는 좌측 절반의 엘리먼트가 이동하기 전에 윗 방향으로 이동할 수 있다.

도 15C는 상이한 시간에서 상부 및 하부 극단 위치에 배치된 이동 엘리먼트의 개수의 변화와 도 1A의 래칭 제어기(50)에 의해 수신된 입력 신호의 주파수의 함수이다.

도 16A는 도 1A 및 도 2A 내지 도 2C에도시된 이동 엘리먼트 레이어에 대체되는 이동 엘리먼트 레이어의 사시도이며, 여기서 레이어는 박막으로부터 형성되며 각각의 이동 엘리먼트는 중앙 부분(center portion) 및 주변 부분(surrounding portion)을 포함한다.

도 16B는 도 1A 및 도 2A 내지 도 2C에도시된 이동 엘리먼트 레이어에 대체되는 다른 실시예의 사시도이며, 여기서 각각의 이동 엘리먼트의 주변의 굴곡부 구조는 플렉서블한 재질, 예컨대 고무의 시트를 포함한다. 각각의 이동 엘리먼트의 중앙 영역은 단단한 디스크에 장착될 수 있거나 장착되지 않을 수 있는 자석을 포함한다.

도 16C는 도 7A 내지 도 7 또는 도 16A에도시된 이동 엘리먼트 및 주변 굴곡부의 바람직한 실시예의 사시도이며, 여기서 굴곡부는 두께가 변경될 수 있다. 도 16C에서, 단순화를 위해, 이동 엘리먼트(1620)가 자기장에 의해 영향받도록 유발하는 컴포넌트는 바람직하게 자석 도는 대체적으로 강자성체(ferro-magnet), 전도성 물질 또는 코일을 포함할 수 있으며, 이는 도시되지 않았다. 도시된 바와 같이, 이동 엘리먼트(1620)는 이동 엘리먼트의 중앙 부분(1640)을 모든 또는 많은 이동 엘리먼트에 상호연결시키는 시트(1650)에 연결시키는 가변적인(varying) 두께의 부분을 구비하는 사형의 주변적 굴곡부(serpentine peripheral flexures)(1630)을 포함한다. 예를 들어, 가변 두께의 부분은 도시된 바와 같이 각각 보다 두꺼운 부분(1660) 및 보다 얇은 부분(1670)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 이동 엘 리먼트의 중앙 부분(1640)의 직경은 300 마이크론이고 시트는 실리콘인 경우, 특정 조건 하에서, 부분(1670)은 50 마이크론 두께일 수 있으며 반면 부분(1660)은 100 마이크론 두께일 수 있다. 보다 일반적으로, 두께는 재질의 함수로서 계산되어 애플리케이션에 특정된 유연성 및 강도 레벨을, 예컨대 FEA(Finite Element Analysis) 툴을 이용하여 제공된다.

도 16D는 도 16C의 장치에 대체적인 비용 효율이 좋은 실시예의 사시도이며, 여기서 굴곡부의 폭은 가변적이다. 도 16C에서, 단순화를 위해, 이동 엘리먼트(1720)이 자기장에 의해 영향받도록 유발하는 컴포넌트는 바람직하게 자석 도는 개체적인 강자성체, 전도성 물질 또는 코일을 포함할 수 있으며, 이는 도시되지 않았다. 도시된 바와 같이, 이동 엘리먼트(1720)는 이동 엘리먼트의 중앙 부분(1740)을 모든 또는 많은 이동 엘리먼트를 상호 연결하는 시트(1750)에 연결하는 가변적인 폭의 부분을 구비하는 사형의 주변적인 굴곡부(1730)을 포함한다. 예를 들어, 가변 폭의 부분은 도시된 바와 같이 각각 보다 넓은 부분(1760) 및 보다 좁은 부분(1770)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 이동 엘리먼트의 중앙 부분(1740)의 직경은 300 마이크론이고 시트는 실리콘인 경우, 특정 조건 하에서, 부분(1770)은 20마이크론의 폭인 반면 부분(1760)은 60 마이크론의 폭일 수 있다. 보다 일반적으로, 폭은 예컨대 FEA(Finite Element Analysis) 툴을 이용하여 애플리케이션에 특정된 유연성 및 강도를 제공하는 물질의 함수로서 계산된다.

도 16C 및 도 16D의 실시예는 적절하게 결합될 수 있으며, 예컨대 두께 및 폭이 가변인(varying) 굴곡부를 제공하고 및/또는 가변된(varied) 두께 및 폭을 제 공하는, 예컨대 그 폭 및/또는 두께가 연속적으로 또는 도시된 바와 같이 불연속적으로 변하는 굴곡부를 제공하고, 규칙적으로 또는 도시된 바와 같이 불규칙적으로 변하는 굴곡부를 제공할 수 있다.

상술한 바에서, "두께"는 이동 엘리먼트의 모션의 방향으로의 굴곡부의 치수이며, 반면 "폭"은 이동 엘리먼트의 모션의 방향에 직교하는 방향으로의 굴곡부의 치수이다.

도 16C 및 도 16D의 실시예의 특별한 효과는 가변하는 단면, 예컨대 가변하는 두께 또는 폭의 굴곡부에서, 응력(stress)는 굴곡부의 루트(roots)(1680 또는 1780)에 집중되지 않고 대신에 굴곡부의 모든 얇고 및/또는 좁은 부분에 걸쳐 분배된다. 또한, 일반적으로, 그 굽음(bending)의 결과로 굴곡부 상의 응력은 두께의 가파른(steep) 함수이며, 일반적으로 세제곱의 함수이고, 또한 폭의 함수이며, 일반적으로 그 선형 함수이다. 적어도 실리콘과 같은 특정 물질 및 적어도 이동 엘리먼트의 큰 용적을 도입하는 특정 애플리케이션 예컨대 공공 방송 스피커에 대해서, 충분히 낮은 응력을 제공하기에 충분한 균일하게 얇거나 좁은 굴곡부 치수를 선택하여 고장을 방지하고 동시에 요구되는 범위 예컨대 44 KHz에서 고유 공진 주파수를 허용하기에 충분히 가파른(stiff) 굴곡부 치수를 선택하는 것은 비현실적이다. 이와 같은 이유로 또한, 예컨대 도 16C 및 도 16D에 설명된 바와 같은 가변의 두께 및/또는 폭의 굴곡부를 사용하는 것이 효과적일 것이다.

도 17은 도 3A에서 개별적인 이동 엘리먼트 또는 래치의 연속적인 열이 각각 비스듬하여 주어진 영역에 포장될 수 있는 액추에이터 엘리먼트의 개수를 증가시키 는 것을 제외하고는 도 3A의 어레이와 유사한 액추에이터 엘리먼트의 어레이의 상부 단면도이며, 도 17의 열은 비스듬하지 않고 일반적으로 사각형의 어레이를 포함하며 열은 상호간에 정렬되어 있다.

도 18은 액추에이터 엘리먼트의 어레이의 대체적인 실시예의 분해도이며, 상부 래칭 레이어(1820) 및 하부 래칭 레이어(1830) 사이에 겹쳐진 이의 레이어(1810)를 포함한다. 도 18의 장치는 각각의 액추에이터 엘리먼트의 단면이 둥글기보다는 사각인 특징을 가진다. 각각의 액추에이터 엘리먼트는 또한 임으의 다른 단면 형상 예컨대 육각형 또는 삼각형을 구비할 수 있다.

도 19는 개별적인 액추에이터 어레이의 액티브 영역의 합인 액티브 영역을 제공하는 지지 프레임 내에 지지된 액추에이터 어레이의 사시도이다. 다른 말로, 도 19에서, 단일의 하나의 액추에이팅 장치 대신, 다수의 액추에이팅 장치가 제공된다. 장치는 동일할 필요가 없고 각각 다른 특성 예컨대 다른 클럭 주파수, 다른 액추에이터 엘리먼트 사이즈 및 다른 용적(displacements)를 가질 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 장치는 코일(40) 및/또는 자기장 제어기(30) 및/또는 래치 제어기(50)와 같은 그러나 이에 제한되지 않는 구성 요소를 공유할 수 있거나 공유하지 않을 수 있다.

용어 "액티브 영역"은 각각의 어레이 내의 모든 액추에이터 엘리먼트의 단면 영역의 합을 말한다. 일반적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되고 동작하는 스피커에 의해 생성될 수 있는 소리 음량(또는 스피커 외의 일반적인 액추에이터에 대해서는 이득(gain))의 범위는 액티브 영역에 의해 자주 제한된다. 또 한, 생성될 수 있는 소리 음량의 레졸루션은 제공되는 액추에이터 엘리먼트의 개수에 비례하며, 이는 다시 액티브 영역에 의해 자주 제한된다. 일반적으로, 각각의 액추에이터 어레이의 사이즈는 현실적인 제한이 뒤따르며, 예컨대 각각의 액추에이터 어레이가 웨이퍼에 장착되는 경우이다.

스피커가 헤드폰으로 제공될 수 있는 경우, 오직 상대적으로 작은 범위의 소리 음량이 제공될 필요가 있다. 가정용 스피커는 일반적으로 중간 소리 음량 범위를 요구하는 반면 공공 방송 스피커는 일반적으로 큰 소리 음량 범위, 예컨대 그 최대 음량은 120 dB일 수 있는 음량 범위를 요구한다. 스피커 애플리케이션은 도한 스피커를 위해 가용한 물리적 공간의 양에 따라 상이하다. 최종적으로, 특정 애플리케이션에 대한 소리 음량의 레졸루션은 요구되는 음질에 의해 결정되며, 예컨대 휴대폰은 일반적으로 높은 음질을 요구하지 않지만, 공간은 제한된다.

본 발명의 특정 실시예에 따르면, 이동 엘리먼트 상의 자석의 레이어는 자화될 수 있어 요구되는 엘리먼트 이동 방향에 정렬된 전자기장 그래디언트를 따라 최대의 힘을 획득하도록 엘리먼트의 이동의 방향을 제외한 방향으로 극성화(polized)된다.

그중에서도 특히 도 12A 내지 도 15B를 다시 참조하면, 사용된 코일은 엘리먼트의 양 측면에 전류를 전달하는 전도체를 이용한 디자인이고, 자석들은 모두 동일한 방향으로 극성화되었으며, 그리고 나서 각각의 전도체의 일측면 상의 엘리먼트는 전류가 코일에 흐르는 경우 반대 방향으로 이동할 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예의 특별한 특징은 이동 엘리먼트에 의해 수행되는 모션의 행정이 상대적으로 긴 것이며, 이는 이동 엘리먼트에 작용되는 장(field)은 자기장이며 이는 이동 엘리먼트들 간의 거리 및 자기장을 생성하는 전류에 반비례하는 비율로 감소하기 때문이다. 반대로, 전기장은 이동 엘리먼트들 간의 거리의 제곱 및 전기장을 생성하는 전기 전하에 반비례하는 비율로 감소한다. 이동 엘리먼트에 의해 획득되는 긴 행정의 결과, 그에 의해 획득되는 속도는 증가하며 따라서 이동 엘리먼트의 높은 속도 모션에 의해 생성되는 공기 압력은 증가하므로 획득될 수 있는 소리의 크기는 증가한다.

여기에 구체적으로 설명되는 실시예는 상식을 제한하도록 의도되지 않으며, 이동 엘리먼트는 모두 동일한 사이즈일 필요는 없으며, 이동 엘리먼트의 그룹 또는 개별적으로 액추에이트된 경우 개별적인 이동 엘리먼트는 동일한 공진 주파수, 동일한 클럭 주파수에서 동작할 필요는 없으며, 이동 엘리먼트는 동일한 크기의 진폭을 가질 필요는 없다.

여기에 도시되고 기술되는 스피커 장치는 전형적으로 그 강도가 입력 디지털 신호에 코딩된 강도 값에 대응하는 소리를 생성하도록 동작한다. 임의의 적절한 프로토콜은 입력 디지털 신호를 생성하도록 도입될 수 있으며, 예컨대 PCM 또는 PWM(SACD) 프로토콜일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 대체적으로 또는 추가적으로, 장치는 ADPCM, MP3, AAC, 또는 AC3과 같은 압축 디지털 프로토콜을 지원할 수 있으며, 여기서 디코더는 일반적으로 압축된 신호를 비압축된 형태 예컨대 PCM으로 변환한다.

여기에 도시되고 기술된 임의의 실시예에 따른 디지털 확성스피커의 설계는 애플리케이션에 특정된 컴퓨터 모델링 및 시뮬레이션에 의해 조장될 수 있다. 소리 크기(loudness) 계산은 종래의 기술을 활용하여, 예컨대 유체 역학적 유한 요소 zsjavbxj 모델링 및 경험적 실험을 사용하여 수행될 수 있다.

일반적으로, 보다 많은 스피커 엘리먼트(이동 엘리먼트)가 제공될수록, 동적 영역(dynamic range)(생성될 수 있는 가장 큰 음량과 가장 부드러운 음량 간의 차이)은 보다 넓어질 수 있으며, 왜곡(소리가 입력 신호를 보다 적게 닮는 정도)은 보다 작아질 수 있고 주파수 범위는 보다 넓어질 수 있다. 반면에, 보다 적은 스피커 엘리먼트가 제공될수록, 장치는 보다 작아지고 비용이 적게 든다.

일반적으로, 이동 엘리먼트가 큰 직경을 구비하는 경우, 동적(active) 및 비동적(inactive) 영역 간의 비율(필 팩터)는 향상되며, 진동 변위는 동일하게 유지된다고 가정하는 경우 굴곡부 상의 응력은 보다 작아지며, 이는 장비의 보다 긴 수명으로 연결된다. 반면에, 이동 엘리먼트가 작은 직경을 구비하는 경우, 단위 면적 당 보다 많은 엘리먼트가 제공되고 보다 작은 질량에 기인하여 보다 적은 전류가 코일 또는 다른 전자기력 생성기로 요구되며, 이는 저전력의 요구로 연결된다.

일반적으로, 이동 엘리먼트의 진동 변위가 큰 경우, 보다 큰 음량이 주어진 사이즈의 어레이에 의해 생성되며, 반면 진동 변위가 작은 경우, 굴곡부에 보다 적은 응력이 가해지고 전력 소모량은 낮아진다.

일반적으로, 샘플링 레이트가 높은 경우, 가장 높은 생성 가능한 주파수는 높고 잡음은 줄어든다. 반면에, 샘플링 레이트가 낮은 경우, 굴곡부 상의 가속도, 외력, 응력 및 전력 소모는 낮아진다.

애플리케이션에 특정된 스피커의 세 가지 예가 이제 기술된다.

예 1: 매우 작고, 저비용이고, 옆방에서 벨소리를 들을 수 있을 만큼 소리가 크지만, 오직 적당한 음질을 가지는 이동 전화기 스피커를 제조하는 것이 요구될 수 있다. 요구되는 작은 사이즈 및 비용은 상대적으로 작은 영역, 예컨대 300 mm²의 스피커를 제안한다. 상대적으로 높은 타겟 최대 라우드니스(loudness), 예컨대 90 dB의 SPL이 요구되는 경우, 이는 큰 용적을 제안한다. 이동 전화기 스피커의 허용 가능한 왜곡 레벨(10%) 및 동적 범위(60 dB)는 1000 개의 엘리먼트의 최소 어레이 사이즈를 지시한다 (M=10^(60/20)을 이용하여 계산됨). 따라서, 적절한 스피커는 10 개의 바이너리 그룹으로 분할된 1023 개의 이동 엘리먼트를 포함할 수 있으며, 각각은 약 0.3 mm²의 면적을 점유한다. 따라서 셀 사이즈(cell size)는 약 550 μm x 550 μm일 것이다.

현실적인 이유로, 이 고간에 맞는 가장 큰 이동 엘리먼트는 450 μm의 직경을 가질 수 있다. 이러한 이동 엘리먼트를 위한 합리적인 변위는 획득될 목적 라우드니스를 가능하게 하는 약 150 μm PTP(Peak To Peak)일 수 있다. 샘플링 레이트는 낮을 수 있으며, 예컨대 32 KHz이며, 이는 이동 전화기 소리가 셀룰러 채널(cellular channel)에 의해 4 KHz로 제한되기 때문이다.

예 2: 매우 높은 음질(가능한 한 가장 높은 음질) 및 매우 낮은 노이즈를 가지고, 및 추가적으로 편안하게 착용하기 충분하도록 작고, 마지막으로 가능한 한 비용 효율이 높은 고성능 헤드폰을 제조하는 것이 요구될 수 있다.

높은 음질을 얻기 위해, 넓은 동적 영역(적어도 96 dB), 넓은 주파수 영역(20 Hz 내지 20KHz) 및 매우 낮은 왜곡(0.1% 미만)이 사용될 수 있다. 엘리먼트의 최소 개수는 주어진 가정 하에서는 63000일 수 있다. 따라서, 예컨대 스피커는 16 개의 바이너리 그룹으로 나누어지는 65535 개의 엘리먼트를 구비할 수 있다. 최대 라우드니스는 낮게 유지되어(80 dB) 약 50 μm PTP의 변위를 허용한다. 그러한 변위를 가능하게 하는 가장 작은 이동 엘리먼트는 직경이 약 150 μm이다.

그러한 엘리먼트는 200 μm x 200 μm 또는 0.04 mm²의 셀을 점유할 수 있으며, 65535 개의 엘리먼트가 2621 mm²의 면적 예컨대 52 mm x 52 mm의 영역에 맞추어진다. 샘플링 레이트는 일반적으로 스피커가 생성하는 가장 높은 주파수의 적어도 두 배이며, 예컨대 40 KHz이다. 가장 가까운 표준 샘플링 레이트는 44.1 KHz이다.

예 3: 공공 방송 스피커, 예컨대 댄스 클럽을 위한 스피커를 제조하는 것이 요구될 수 있으며, 이는 매우 크고, 넓은 주파수 영역을 가지며, 매우 낮은 주파수까지 확장되고 낮은 왜곡을 가진다. 따라서, PA 스피커는 일반적으로 많은 큰 이동 엘리먼트를 구비한다. 600 μm의 이동 엘리먼트가 사용되며, 이는 200 μm PTP의 변위가 가능하다. 그러한 엘리먼트는 750 μm x 750 μm 또는 0.5625 mm²의 셀을 점유한다. 낮은 주파수를 요구하기 때문에, 18 개의 바이너리 그룹으로 분할되는 최소 262143 개의 이동 엘리먼트가 사용될 수 있다. 스피커의 사이즈는 약 40 cm x 40 cm일 수 있다. 이러한 스피커는 일반적으로 120 dB의 SPL의 최대 라우드니스 레벨에까지 도달하고 15 Hz까지 아래로 확장될 수 있다.

다이렉트 디지털 스피커, 예컨대 도 1A 내지 도 19에 도시된 임의의 스피커 또는 종래의 다이렉트 디지털 스피커, 예컨대 David Thomas가 발명하고 Texas Instruments 사가 승계하고 2002년 6월 11일에 등록된 미국 특허 6,403,995, 또는 Diamond Brett M. 등의 2003년 6월 8일부터 12일까지 보스턴의 액추에이터 및 마이크로시스템의 12 번째 고체 상태 센서에 대한 국제 회의의 트랜스듀서 '03의 "Digital sound reconstruction using array of CMOS-MEMS micro-speakers"에 도시되고 기술되는 스피커를 포함할 수 있는 다이렉트 디지털 스피커를 사용하여 원하는 사운드 스트림을 위한 원하는 지향성 패턴을 획득하기 위한 바람직한 시스템을 설명하는 단순화된 일반적으로 자명한 기능 블록도인 도 20A 및 도 20B를 참조한다.

도 1A의 다이렉트 디지털 스피커가 원하는 사운드 스트림을 위한 원하는 지향성 패턴을 획득하도록 사용되는 경우, 일반적으로 도 20A의 블록(3020,3030 및 3040)은 각각 도 1A의 블록(20,30 및 40)을 포함하고, 블록(3050)은 도 1A의 블록(3050)의 클럭당 동작(per-clock operation), 예컨대 도 21을 참조로 도시되고 기술되는 바와 같은 동작을 구현하도록 프로그램된 래치 컨트롤러(50)을 포함한다.

도 21은 본 발명의 특정 실시예에 따라, 도 20A 및 도 20B의 이동 엘리먼트 제한 컨트롤러(3050)의 클럭당 동작을 설명하는 단순화된 흐름도이다.

단계(3100)은 얼마나 많은 이동 엘리먼트가 현재 클럭 동안 이동해야하는지 결정한다. 일반적으로, 도 1 내지 도 19를 참조로 상술한 바와 같이 주어진 클럭 동안 이동하는 이동 엘리먼트의 수는 일반적으로 그 클럭 동안의 입력 신호의 강 도(intensity)에 비례하며, 적절하게 예를 들어 도 8B의 리샘플러(814) 및 스케일러(815)를 참조로 전술한 바와 같이 노멀라이즈된다.

단계(3200)은 어떤 이동 엘리먼트가 현재 클럭 동안 이동해야하는지 결정하며, 일부 실시예에서, 일반적으로 공장에서 제조 시 도 20A 및 도 20B의 제한 컨트롤러(3050)의 메모리에 로드된 적절한 이동 엘리먼트 선택 LUT를 사용한다. 이러한 각각의 LUT는 일반적으로 특정 이동 엘리먼트 어레이, 특히 어레이 사이즈 및 어레이가 비스듬하게 되었는지 여부를 고려한 특정 이동 엘리먼트 어레이에 대해 구성된다. 일반적으로 획득하고자 하는 각각의 지향성 패턴은 그에 전유되는 LUT를 요구한다.

단계(3300)는 도 20A 및 도 20B의 이동 엘리먼트 어레이(3010 또는 3012)의 각각의 이동 엘리먼트를 구동하는 딜레이의 양을 결정한다.

단계(3200)이 이제 상세하게 기술된다. 단계(3200)을 수행하기 위한 바람직한 방법이 이제 기술된다. 단계(3200)은 일반적으로 어레이 내의 압력 생성 엘리먼트에 일대일로 대응하는 셀을 가지는 LUT(Look Up Table)을 도입한다. 예를 들어, 어레이가 100 x 200의 압력 생성 엘리먼트 직사각형을 포함하면, LUT는 100 x 200 개의 셀을 가질 수 있다. 각각의 셀은 1과 압력 생성 엘리먼트의 전체 개수, 예컨대 20000 사이의 고유하게 나타나는 정수를 가진다. 따라서, LUT는 어레이 내의 각각의 압력 생성 엘리먼트로 서수의(ordinal) 숫자를 할당한다. LUT를 구비하는 메모리에 조합되는 것은 두 개의 동작 구성 중 현재 제 1 동작 구성에 있는 압력 생성 엘리먼트의 수의 지시를 저장하는 정수 파라미터 P이며, 이는 압력 생성 엘리먼 트들 사이의 전환이 본 발명의 장치가 배치되는 매질, 예컨대 공기 내에 압력을 생성하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 반대 방향으로의 압력은 엘리먼트가 제 2 구성에서 제 1 구성으로 이동하는 경우와 반대로 제 1 구성에서 제 2 구성으로 이동하는 경우 획득된다. 다른 실시예에서, 압력은 엘리먼트가 제 1 구성에 있는 한 획득되고, 엘리먼트가 제 2 구성에 있는 경우 압력이 획득되지 않는다.

일반적으로, P는 이하 기술되는 바와 같이 셋업 도중 초기화되고, 그리고 나서 단계(3100)에 의해 각각의 클럭에서 현재의 값이 할당된다. 바로 이어지는 단계(3200)에서, 동일한 클럭에서 P의 압력 생성 엘리먼트는 제 1 동작 구성으로 야기되고, N-P의 압력 생성 엘리먼트는 제 2 동작 구성으로 야기되며, 여기서 N은 어레이 내의 압력 생성 엘리먼트의 개수이다. 제 1 동작 구성이 되도록 선택된 P의 엘리먼트는 LUT에 의해 결정된 바와 같은 서수의 수가 P보다 작은 것들이다. 제 2 동작 구성이 되도록 선택된 N-P의 엘리먼트는 LUT에 의해 결정된 서수의 수가 P보다 크거나 같은 것들이다.

이들 구성 중 하나, 예컨대 제 1 구성은 일반적으로 "양의(positive)" 구성으로 임의로 간주되고, 반면 다른 구성, 예컨대 제 2 구성은 "음의(negative)" 구성으로 간주된다. 선택적으로, 일부 적용에서, 상기 구성들 중 양의 구성이 될 특정 구성을 선택하기 위한 물리적인 이유가 존재할 수 있다. 압력 생성 엘리먼트가 제 2 구성에서 이러한 제 1 구성으로 이동하는 경우 생성되는 압력은 "양압(positive pressure)"으로 기재하고, 반면 압력 생성 엘리먼트가 제 2 구성에서 이러한 제 1 구성으로 이동하는 경우 생성되는 압력은 "양압(positive pressure)" 으로 기재한다. 일 구성에서 다른 구성으로의 단일 전환에 의해 생성되는 압력은 여기서 압력 "펄스(pulse)"로 기재한다.

셋업 도중, 파라미터 P는 일반적으로 어레이 내의 압력 생성 엘리먼트의 수의 절반, 예컨대 10000과 동일한 초기값이 주어진다. 그리고 나서, 어레이는 개시되어 LUT에 의해 결정된 서수의 수가 P보다 작은 각각의 압력 생성 엘리먼트는 제 1 구성으로 야기되고, 나머지 압력 생성 엘리먼트는 제 2 구성으로 야기된다.

1부터 N까지의 정수를 저장하는, 어레이 내의 N 개의 압력 생성 엘리먼트에 일대일로 대응하는 셀들을 가지는 적절한 LUT(Look Up Table)는 다음과 같이 생성될 수 있다:

LUT의 품질에 대한 기준이 우선 결정되며, 이는 적용에 따라 특정될 수 있다. LUT의 품질에 대한 적절한 일 기준이 이하 기술된다.

1과 N 사이의 연속적인 정수 범위의 모든 가능한 서브셋들의 리스트가 준비된다. 본 예에서, 이하 S2₁로 기재되는 첫 번째 서브셋은 2 개의 정수를 포함한다: 1 및 2; 두 번째 서브셋, S2₂는 정수 2 및 3을 포함하고, 이와 같이 모든 서브셋들은 두 개의 정수를 포함한다. 마지막 두 엘리먼트 서브셋, S2₁₉₉₉₉는 정수 19999 및 20000을 포함한다. 리스트는 또한 모든 가능한 세 개의 엘리먼트 서브셋을 포함하며, 즉, 예를 들어 S3₁(정수 1,2,3을 포함한다), S3₂(정수 2,3,4를 포함한다),...S3₁₉₉₉₈(정수 19998,19999,20000을 포함한다)과 같이 진행된다. 리스트는 또한 모든 네 개의 엘리먼트 서브셋들, 다섯 개의 엘리먼트 서브셋들과 같은 식으로 포함한다. 마지막 서브셋, S20000₁은 모든 20000 개의 엘리먼트들을 포함한다. 일반적으로, i부터 시작하는 K 개의 정수를 포함하는 서브셋은 SK_i로 라벨된다. LUT는 N 개의 셀들을 포함하며, 가능한 서브셋들 M의 개수는 (N-1)*N/2와 동일하다.

각각의 서브셋 SK_i에 대해, 좌표 세트는 (X_i,Y_i),(X_{i +1},Y_{i +1}),...(X_{i +K-1},Y_{i +K-1})로 정의되어, 이러한 좌표는 현재의 LUT에 따라 서수의 수가 i,i+1,...i+k-1인 압력-생성 엘리먼트의 위치를 나타낸다.

각각의 서브셋 SK_i에 대해, 진행 각 θK_i는 예컨대 해석적 또는 수치적 계산 방법을 이용하여 계산되며, 일반적으로 적절한 컴퓨터 시뮬레이션 애플리케이션, 예컨대 Matlab, MatCAD 또는 Mathematica를 사용한다. 음파의 진행각은 K 개의 간섭성의 음원에 대해 계산되며, 이는 위치 (X_i,Y_i),(X_{i +1},Y_{i +1}),...(X_{i +K-1},Y_{i +K-1})에 배치되며, 이들 모두는 동일한 위상 및 시스템 샘플링 레이트, 예컨대 44100Hz와 동일한 주파수를 가지는 사인파를 생성한다.

"서브셋의 진행각"은 다음과 같이 정의된다: 각각의 서브셋은 압력 생성 엘리먼트의 서브셋에 대응한다. 기준축은 압력 생성 엘리먼트의 어레이의 질량중심을 지나도록 정의되고 그 메인 표면에 직교한다. 압력 생성 엘리먼트의 서브셋에 의해 생성되는 소리의 강도는 하나가 기준축을 따라 압력 생성 엘리먼트의 어레이로부터 반복됨에 따라 최대값에 근접한다. 따라서, 서브셋의 최대 강도는 기준축 상에 있 고, 어레이로부터 충분히 떨어져 위치 L의 거리와 서브셋 내의 각각의 압력 생성 엘리먼트 간의 차가 시스템 클럭에 관련된 파장 λ보다 충분히 작은, 예컨대 한 자리 차수만큼 작은 것을 보증하는 위치, 예컨대 위치 L에서의 강도를 측정함으로써 정의될 수 있다. 적어도 하나의 기준 평면은 기준축을 포함하도록 정의된다. 이러한 기준 평면의 무한한 수는 존재하는 것으로 인정된다. 초점축이 정의되는 실린더형 진행 응용에 대해서는 초점축을 포함하는 기준 평면을 선택한다. 이를 기반으로 구성된 LUT는 또한 일반적으로 무지향성 응용에 적절할 것이다. 초점 위치가 이하 기술되는 바와 같이 정의되는 진행 응용에 대해, 초점 위치를 포함하는 기준 평면을 선택한다. 하나 이상의 이러한 기준 평면이 존재하면, 상호 간에 직교하는 두 개의 이러한 기준 평면을 선택한다.

이하 θK_i로 기재되는 서브셋의 진행 각은 해당 서브셋에 대해 선택된 각각의 기준 평면에 대해 정의되며, 이는 다음과 같다: 중심이 기준축과 어레이의 메인 표면 간의 교점에 있고 반지름이 L과 어레이의 메인 표면 간의 거리인 기준 평면 내의 가상의 원을 정의한다. 기준축의 양측 상의 상기 원의 원주 상의 두 지점을 각각 선택하고, 여기서 압력 생성 엘리먼트의 서브셋에 의해 생성되는 소리 강도는 L에서 측정된 최대 강도의 절반이다. 원의 중심에서 이들 두 지점을 연결하는 각각의 두 개의 반지름 간에 정의되는 각은 해당 기준 평면에 대한 서브셋의 진행 각으로 불린다. 서브셋이 전술한 바와 같이 두 개의 직교하는 기준 평면을 구비하는 경우, 두 개의 진행 각의 단순 평균 또는 가중치가 부여된 평균이 상기 서브셋에 대 한 단일의 진행 각 θK_i를 획득하기 위해 계산될 수 있다. 특정 기준 평면, 예컨대 수직 평면을 가로지르는 지향성 패턴이 다른 평면, 즉 직교하는 기준 평면을 가로지르는 것보다 더 중요하면, 보다 큰 가중치가 보다 중요한 평면에 부여된다. 예를 들어, 특정 응용에서, 가장 중요하게 고려할 것은 장소에 원치않은 노이즈가 도달하는 것을 방지하는 것일 수 있으며, 이 경우 수직의 기준 평면은 수평의 기준 평면보다 더 큰 가중치가 부여될 것이다.

"최선(best-ness)"의 특정 LUT를 위한 적절한 기준의 예는 다음과 같다: LUT_score = 1/[(모든 θK_i의 평균) × (모든 θK_i의 표준 편차)]

가장 적절한 LUT를 결정하기 위해, 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 모든 가능한 편성(permutation), 즉 모든 가능한 N 개의 셀의 LUT를 테스트하고 스코어를 매길 수 있고 그 중 최선의 것을 선택할 수 있다.

각각이 N 개의 셀들을 포함하는 LUT의 개수는 N!(N 팩토리얼)이다. N이충ㅂ분히 크면, 모든 가능한 LUT, 즉 LUT 셀로의 모든 가능한 정수의 편성을 테스트하고 평가하기는 불가능하게 될 것이다. 이러한 경우, 보다 작은 수의 LUT 편성이 예컨대 랜덤하게 선택되고 이들 중 최선의 것이 선택될 수 있다.

선택적으로, 단계(3200)은 셋업 도중 저장된 고정 LUT로의 의지(resort) 없이 수행될 수 있다. 대신, 구동될 P_t-P_{t -1}의 압력 생성 엘리먼트의 세트는 현재 제 2 동작 구성의 상태인 압력 생성 엘리먼트의 세트들 중 최적의 P_t-P_{t -1}의 압력 생성 엘 리먼트 세트를 선택함으로써 선택될 수 있다. 이는 각각의 가능한 P_t-P_{t -1}의 엘리먼트의 서브셋에 대한 진행 각 θ를 평가하고, 원하는 진행 패턴에 매칭되는 최적의 서브셋을 선택함으로써 수행될 수 있다.

P_t는 P의 현재 값을 나타내는 반면 P_{t -1}은 이전 시스템 클럭에서 P의 값을 나타낸다.

또한, 지향성 패턴이 중요하지 않은 응용에서, 임의의 압력 생성 엘리먼트의 세트는 입력 신호에 의해 지시되는 일시적인 압력 패턴을 획득하도록 도입될 수 있다.

도 20A 및 도 20B의 이동 엘리먼트 어레이(3010 또는 3012)의 이동 엘리먼트 각각을 구동하는데 사용되는 딜레이의 양이 계산되는 단계(3300)은 스피커에 의해 생성되는 소리의 방향을 결정한다. 원하는 진행 방향의 기능에 따라 선택적으로 이동 엘리먼트 어레이를 배열하기 위한 바람직한 방법 및 공식, 및 가능하다면 또한원하는 진행 방향의 기능에 따라 딜레이를 계산하기 위한 바람직한 방법 및 공식이 이하 여기에서 무지향성, 실린더형 및 단방향성으로 언급되는 세 가지 예시적인 진행 패턴에 대해 기술된다. 여기에서 구체적으로 논의된 세 가지 진행 패턴은 단지 예시적인 것임을 언급한다.

함께 취급되는 도 22A 및 도 22B는 무지향성 소리, 즉 여기서 무지향성 소리의 "초점 위치(focal point)"로 언급되는 주어진 지점으로부터 3차원 공간을 통해 바깥으로 진행하는 소리를 획득하는 것이 요구되는 경우, 단계(3300)을 수행하기 위한 솔루션의 단순화된 예를 기술한다. 구체적으로, 도 22A는 초점 위치(3400)를 가지는 무지향성 진행 패턴의 단순화된 도면이고, 도 22B는 도 22A의 요구되는 무지향성 소리 진행 패턴의 초점 위치에 관한 이동 엘리먼트 어레이의 바람직한 배열을 나타내는 도면이다. 기술되는 실시예에서, 도 20A 및 도 20B에 일반적으로 (3010 또는 3012)로 기재되는 이동 엘리먼트의 어레이는 단지 예로서, 일반적으로 경사지지 않은(non-skewed) 14 x 21의 이동 엘리먼트 어레이(3410)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 이동 엘리먼트의 어레이는 바람직하게 도 22B에 도시된 바와 같이 이동 엘리먼트 어레이의 기하학적 중심(11번째 컬럼에서 7번째와 8번째 로우 사이에 위치되는)이 도 22A에 도시된 바와 가 x은 무지향성 패턴을 나타내는 동심원의 중심에 위치하는 무지향성 패턴의 초점 위치(3400)와 반드시 일치하도록 배열될 필요는 없다. 어레이의 중심은 또한 이동 엘리먼트 어레이(3410)의 평면으로 투영된 무지향성 패턴의 초점 위치의 투영 지점에 위치될 수도 있다. 어레이는 도시된 바와 같이 배열될 필요는 없으며 대신 임의의 적절한 위치, 예컨대 사용자에 의해 선택된 특정 진행 패턴에 독립적으로 고정된 위치에 배열될 수도 있다.

어레이는 특정 치수 또는 형상일 필요는 없다. 실제로 다이렉트 디지털 스피커의 바람직한 실시예는 수많은 압력 생성 엘리먼트들을 포함한다. 어레이의 형상은 응용 및/또는 사용에 따라 변경될 수 있다.

여기에서 언급되는 초점 위치는 압력 생성 엘리먼트의 어레이에 의해 정의되는 메인 표면 상에 위치할 필요는 없다. 초점 위치 및 압력 생성 엘리먼트 어레이의 메인 표면 간의 거리의 변경은 장치의 방향 패턴을 변경한다. 예를 들어, 초점 위치를 표면 상에 위치시키면(거리가 0인 경우) 소리 강도가 소리의 진행 각에 관계 없이 본질적으로 동일하게 유지되는 진정한 무지향성 지향성 패턴을 생성할 것이다. 초점 위치를 특정 거리, 즉 압력 생성 엘리먼트의 표면의 후방으로의 d만큼을 두고 위치하는 경우, 180도보다 더 좁은 헤드각에 의해 결정되는 투영 콘(projection cone)(둥근 어레이의 경우임) 또는 투영 피라미드(사각형 또는 직사각형 어레이의 경우임)가 정의된다. 초점 위치를 압력 생성 엘리먼트의 메인 표면 뒤로 무한한 거리를 두고 위치시키는 경우(압력 생성 엘리먼트에 의해 생성되는 소리가 메인 표면의 앞에서 생성된다고 가정함), 일반적으로 매우 좁은 투영 콘 또는 투영 피라미드를 정의하고 진정한 단방향성 지향성 패턴을 생성할 것이다. 일반적으로, 투영 콘 또는 투영 피라미드 내 도처의 소리 강도는 본질적으로 동일하게 유지되는 반면, 콘 또는 피라미드의 외부의 강도는 두드러지게 낮아진다. 특정 응용에서 d는 0 또는 무한대일 수 있다. 특정 응용에서, d는 사용자 제어의 함수에 따라 결정될 수 있다.

도 23은 도 20A 내지 도 22B에 따라 구성되고 동작하며, 예컨대 소리의 사용자가 스피커를 전체적으로 둘러싸는 도 23에 도시된 환경, 일반적으로 도시된 바와 같이 그라운드 레벨 및 1층 레벨을 포함하는 하나 이상의 레벨을 가지는 환경에 특히 적절한 무지향성 소리를 생성하도록 프로그래밍되도록 동작하는 스피커 장치의 단순화된 묘사도이다.

무지향성 소리 진행의 기결정되고 고정된 초점 위치가 알려진 응용, 예컨대 종래의 천문관, 서커스장 또는 원형 강당에서, 본 발명의 특징 실시예에 따라 제공 되는 이동 엘리먼트의 어레이는 바람직하게 도 22A 및 도 22B를 참조로 기술된 바와 같이 어레이의 센터가 상기 요구되는 무지향성 지향성 패턴의 요구되는 초점 위치와 일치하도록 배열될 필요는 없다. 그러나, 이동 엘리먼트의 어레이의 중심이 현재 요구되는 예컨대 사용자가 선택한 무지향성 지향성 패턴의 현재 요구되는 예컨대 사용자가 선택한 초점 위치에 가능한 한 근접하도록 배치되는 것이 바람직하지만, 그럼에도 불구하고, 여기에 도시되고 기술된 본 발명의 실시예는 다양한 초점으로부터의 무지향성 진행이 정적일 수 있고 무지향성 지향성 패턴의 초점 위치에 위치할 필요가 없는 이동 엘리먼트의 어레이를 사용하여 달성되도록 허용한다.

도 22A를 다시 참조하면, 도시된 각각의 원은 위상의 절반을 나타내고 다음과 같은 공식을 사용하여 계산된 반지름 r을 가진다:

r = (Ndλ/2 + N²λ/4)^0.5

여기서, N은 원의 일련의 수를 나타내며, 중심으로부터 바깥으로 1부터 시작하여 카운트되며,

d는 무지향성 소리의 초점 위치로부터 경사지지 않은 어레이의 평면까지의 거리이며,

λ는 cT이며, 여기서 c는 스피커가 배열되는 매질, 일반적으로 공기를 통과하는 소리의 속도이며, T는 도 20A 또는 도 20B(미도시)의 시스템 클럭의 주기이다.

도 22A의 무지향성 패턴을 획득하기에 적절한 어레이(3410)의 이동 엘리먼트 에 대한 특정 딜레이 값은 다음과 같이 결정될 수 있다:

(a) 일련 번호가 N인 원과 일치하는 임의의 이동 엘리먼트는 NT/2의 딜레이 값이 할당된다.

(b) 원과 일치하지 않고, 대신 일련 번호가 N 및 N+1인 한 쌍의 원들 사이에 위치하는 임의의 이동 엘리먼트는 예컨대 다음과 같은 NT/2와 (N+1)T/2 값들 사이에서 선형적으로 보간함으로써 딜레이 값을 할당한다.

선택적으로, 딜레이를 결정기위한 적절한 공식은 이하 상세하게 기술된다.

도 24는 본 발명의 장치의 실시예를 이용하여 획득가능한 실린더형 패턴의 소리 지향성의 도면이다. 도시된 바와 같이, 각각의 지점을 따라 소리는 평면에서 주어진 초점축(3510)을 따른 각각의 지점으로부터 무지향성으로 그리고 동일하게 진행한다.

도 25는 도 24에 도시된 실린더형 패턴의 소리 지향성에 대하여, 예시적으로 사각형으로 도시된 이동 엘리먼트 어레이(3010)의 바람직한 일 배열을 도시하는 도면이다. 가능하다면, 이동 엘리먼트 어레이는 바람직하게 초점축에 대해 대칭적으로 배치되어, 도시된 바와 같이, 그 측면은 각각 초점축에 수직이거나 평행하며, 또는 덜 바람직하게 도시된 바와 같이, 이동 엘리먼트 어레이는 바람직하게 어레이에 의해 정의된 평면으로의 초점축의 투영에 대해 대칭적으로 배치된다. 여기에 기술되고 도시된 특정 배열은 제공될 필요는 없으며, 선택적으로 이동 엘리먼트 어레이는 임의의 적절한 응용-기술적(application-dictated) 위치에 배치되고 배향될 수 있다.

도 26은 도 20A 및 도 20B의 이동 엘리먼트 어레이(3010 또는 3020)의 이소메틱 뷰(isometic view)이며, 이동 어레이에 의해 생성되고 화살표에 의해 지시되는 바와 같이 요구되거나 기결정된 방향 α로 진행하는 단방향성 소리를 도시한다.

도 27은 본 발명에 따라 구성되고 동작하며, 예컨대 일반적으로 적어도 하나의 사용자가 선택한 방향으로 단방향성 소리를 생성하도록 프로그램되도록 구성된 스피커 장치(3600)에 대한 바람직한 응용의 묘사도이다. 도 27의 실시예에서, 두 단방향성 소리 스트림들(3610 및 3620) 중 어느 하나 또는 둘 모두는 각각 위치(3630 및 3640)에 위치한 청취자에게 제공되도록 생성된다.

이동 엘리먼트의 어레이가 제 1 및 제 2의 내부적으로 평행하고 상호 간에 직교하는 측면 쌍들을 구비하는 직사각형(3650)인 경우, 어레이는 일반적으로 도 27에 도시된 바와 같이 수직일 수 있는 어레이의 평면 상으로의 요구되는 진행 방향의 투영이 상기 측면 쌍들 중 하나에 평행하도록 배향되고, 따라서 도 26에 도시된 바와 같이 다른 측면 쌍에 직교하도록 배향된다. 이 경우, 어레이 내 각각의 이동 엘리먼트의 딜레이는 cos α(여기서 α는 도 22에 도시된 바와 같이 진행 각이다) 및 직교하는 측면들의 쌍 중 선택된 하나로부터 이동 엘리먼트까지의 거리 x의 프로덕트일 수 있다.

도 27에 제안되는 바와 같이, 스피커에 대해 두 개의 개별적인 방위각의 위치에 위치된 청취자들에 의해 배타적으로 그리고 동시에 인지될 두 개의 사운드 스트림을 생성하도록 요구될 수 있으며, 이는 이제 기술된다. 이 실시예에 따르면, 어레이 내 이동 엘리먼트 중 일부는 제 1 사운드 스트림을 생성하도록 사용되고, 어레이 내 남은 엘리먼트는 제 2 사운드 스트림을 생성하도록 사용된다. 각각의 이동 엘리먼트를 위해 사용되는 딜레이는 단방향성 케이스에서 상술한 바와 같이 결정된다. 보다 일반적으로, 두 개의 사운드 스트림보다 더 적절한 임의의 적절한 개수의 사운드 스트림이 생성될 수 있다.

도 26 또는 도 27에 도시된 단방향성 실시예는 다양한 응용, 예컨대 (a) 하나 또는 그 이상의 사용자가 선택한 방향에 배타적으로 단방향성 소리를 전송하도록 구동하는 프로그램 가능한 지향성 스피커를 포함하는 텔레비전, 컴퓨터, 음악 재생기 또는 라디오와 같은 엔터테인먼트 컨텐츠 제공자를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 다른 컨텐츠, 예컨대 단일 영상 컨텐츠 아이템에 대응하는 다수의 언어 버전은 동시에 사용자가 선택한 복수의 방향으로 전송될 수 있으며, 그에 의해 한 그룹의 친구들 또는 가족 구성원은 시청 경험을 공유하지만 동시에 그리고 배타적으로 개별화된 오디오 컨텐츠, 예컨대 시청 경험에 대응하는 그들 전용의 언어를 수신할 수 있으며; (b) 장난감에 대해 아이의 방위 및 높이에 관한 위치를 모니터하도록 동작하는 센서 및 장난감에 대한 아이의 현재 방위 및 높이적 위치에 대응하는 방향으로 아이에게 배타적으로 단방향성 소리를 전송하도록 동작하는 지향성 스피커를 포함하는 소리 생성 장난감을 포함한다.

일반적으로, 무지향성 소리 진행에 대해, 각각의 이동 엘리먼트에 대한 적절한 양의 딜레이를 결정하기 위한 적절한 공식은 다음과 같다:

딜레이 = [(d²+r²)^0.5-d]/c

여기서, r은 이동 엘리먼트 어레이의 평면 상의 초점 위치의 투영과 주어진 이동 엘리먼트 간의 거리이며,

d는 무지향성 소리의 초점 위치로부터 이동 엘리먼트의 어레이의 평면까지의 거리이며,

c는 스피커가 구동하는 매질, 일반적으로 공기를 통과하는 소리의 속도이다.

실린더형 소리 진행에 대해, 동일한 공식이 도입될 수 있으나, d는 일반적으로 평행한 초점축으로부터 이동 엘리먼트의 어레이의 평면까지의 거리로 정의된다.

단방향성 소리 진행에 대해, 상술한 바와 같이, 도입되는 공식은

딜레이 = x cosα

여기서, x는 이동 엘리먼트 어레이 가장자리 평면과 주어진 이동 엘리먼트 간의 거리이고,

α는 방향과 이동 엘리먼트 어레이 평면 간의 각이다.

여기에 도시되고 기술되는 실시예는 요구되는 패턴, 예컨대 무지향성, 실린더형 및 단방향, 양방향 또는 다방향 패턴에 잘 맞아떨어지는 소리 진행 패턴을 생성한다. 그러나, 적어도 이동 엘리먼트 어레이의 유한한 사이즈에 기인하여, 실제 소리 진행 패턴은 이론적으로 요구되는 진행 패턴과 정확히 동일하지는 않다. 일반적으로, 이론적으로 요구되는 진행 패턴은 이동 엘리먼트 어레이로부터 보다 멀리 떨어진 지점보다, 이동 엘리먼트 어레이에 인접한 지점에서 보다 잘 얻어진다.

또한, 어레이가 클수록(압력 생성 엘리먼트의 수 및 치수 둘 모두의 관점에서), 요구되는 진행 패턴에 보다 더 가깝게 획득된다.

본 발명의 특정 실시예의 특정한 특징은 어레이들이 고정될 수 있는 하나 또는 그 이상의 압력 생성 엘리먼트 어레이를 포함하는 단일 스피커가 파라미터 또는 형상을 다르게하여 다수의 지향성 패턴을 생성하도록 프로그래밍될 수 있다는 점이다.

다중의 단방향성 진행 패턴이 제공될 수 있으며, 여기서 사용자는 원한다면 하나 이상의 단방향성 빔의 개수 및/또는 방향 및/또는 다른 특성을 선택할 수 있다. 단방향성 실시예가 이하 기술되고, 여기에 기술되는 단방향성 실시예부터 다중의 단방향성 실시예까지의 생성은 다중 빔 위상 배열 응용(multi-beam phased array applicatoins)에 의해 생성되는 빔(들), 예컨대 레이더 빔의 방향, 개수, 및/또는 다른 특징을 정의하도록 사용되는 기술과 같은 종래의 기술을 사용하여 획득할 수 있다. 보다 일반적으로, 진행 패턴의 조합이 제공될 수 있으며, 여기서 사용자가 원한다면 하나 이상의 컴포넌트 진행 패턴의 개수 및/또는 방향 및/또는 다른 특성을 선택할 수 있으며 각각은 임의의 적절한 패턴, 예컨대 단방향성 패턴, 무지향성 패턴, 실린더형 패턴, 또는 그들의 임의의 조합을 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다. 다수의 진행 패턴들은 여기에 기술되고 그 조합은 종래의 기술, 예컨대 다중 빔 위상 배열 응용에 의해 생성되는 빔(들), 예컨대 레이더 빔의 방향, 개수, 및/또는 다른 특성을 정의하도록 사용되는 기술을 사용하여 획득할 수 있다.

이동 엘리먼트의 어레이는 도시된 바와 같이 평면적일 필요는 없으며, 선택적으로 본 발명에서 개시되는 바는 이동 엘리먼트의 비평면적 어레이를 조절하기 위해 적절히 변경될 수 있다.

도 28은 비-사각형 형태(non-rectangular)의 이동 엘리먼트의 어레이의 단순화된 묘사도이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 비-사각형 형태 어레이 내의 이동 엘리먼트에 대한 딜레이는 사각형 형태의 어레이 내에 비-사각형 형태 어레이의 경계를 지정하고 경계가 지정된 사각형 어레이에 대해 여기에 기술된 바와 같이 딜레이를 계산하도록 진행함으로써 계산될 수 있다. 비-사각형 어레이 내의 각각의 이동 엘리먼트는 이러한 프로세스, 즉 (허상의) 경계가 지정된 사각형 어레이 내의 그 위치에 따라 계산된 딜레이 값과 동일한 딜레이 값이 할당된다.

이동 엘리먼트의 어레이가 사각형이 아니면, 비록 선택적으로 본 발명이 임의로 배치된 이동 엘리먼트의 어레이를 조절할 수 있더라도 다음과 같은 룰이 어레이를 배치하도록 적용된다.

i. 무지향성 진행이 요구되고 설계자가 어레이의 배치에 완전히 자유로운 경우, 어레이는 상기 비-사각형 어레이의 무게 중심이 무지향성 진행의 초점 위치와 일치하도록 배치된다. 바람직하게 그리고 보다 일반적으로, 어레이는 비-사각형 어레이의 무게 중심이 무지향성 진행의 초점 위치에 가능한 한 인접하도록 배치될 수 있다.

ii. 실린더형 진행이 요구되고 설계자가 어레이의 배치에 완전히 자유로운 경우, 어레이는 도 28에 도시된 바와 같은 동일한 면적의 두 서브 어레이들(3720 및 3730)로 어레이를 분할하는 비-사각형 어레이(3710)의 질량 축(3700)이 실린더형 진행의 초점축을 따라 배치되도록 배치될 수 있다. 다수의 질량 축이 존재하면, 가장 긴 축이 일반적으로 선택된다. 바람직하고 보다 일반적으로, 어레이는 비-사각형 어레이의 바람직하게 가능한 한 가장 긴 질량 축이 실린더형 진행 축의 초점축에 평행하도록 배치되도록 배치된다.

iii. 단방향성 진행이 요구되고 설계자가 어레이의 배치에 자유로운 경우, 어레이는 요구되는 진행 방향이 어레이의 메인 표면에 직교하는 방향에 인접ㅈ하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 범위는 디지털 입력 신호를 수신하고 그에 따라 소리를 생성하는 다이렉트 디지털 스피커를 제어하는 방법을 포함하지만 이에 제한되지는 않으며, 상기 방법은 압력 생성 엘리먼트의 어레이를 제공하는 단계, 및 요구되는 지향성 패턴을 획득하기 위해 각각의 압력 생성 엘리먼트가 압력 펄스를 생성하도록 구동되는지 여부 및 구동 시기를 결정하는 타이밍 패턴을 계산하는 단계를 포함한다. 그리고 나서, 어레이는 요구되는 지향성 패턴을 가지는 소리를 획득하기 위해 타이밍 패턴에 따라 구동된다.

선택적으로, 제공 및 계산 단계는 다수 회 수행되어, 그에 의해 다수의 대응하는 지향성 패턴을 정의하는 다수의 대응하는 어레이 및 다수의 대응하는 타이밍 패턴을 획득한다. 그리고 나서, 상기 방법은 다수의 대응하는 타이밍 패턴에 따라 각각 동시에 다수의 어레이를 구동하여, 그에 의해 다수의 타이밍 패턴에 대응하는 지향성 패턴의 조합을 포함하는 단일의 지향성 패턴을 획득하는 단계를 포함한다. 다수의 어레이들은 실제로 단일의 큰 어레이의 일부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 압력 생성 엘리먼트의 단일 어레이, 예컨대 여기에 도시되고 기술된 임의의 어레이 는 영역들, 예컨대 1/4로 분할될 수 있고, 각각의 영역 내의 압력 생성 엘리먼트는 그들에 고유한 특정 타이밍 패턴 또는 딜레이 패턴에 따라 구동할 수 있다. 예를 들어, 이는 다수의, 예컨대 네 개의 상이한 단방향성 빔의 패턴을 제공한다. 선택적으로, 다른 예를 제공하기 위해, 이는 하나 또는 그 이상의 상이한 전방(foreground) 사운드 스트림으로 중첩될 무지향적 백그라운드(background) 사운드를제공하며, 각각은 그들에 고유한 다시 말해, 단방향성, 실린더형 또는 무지향성 진행 패턴을 가진다. 다중 방향성 실시예에서, 상기 각각의 단방향성 빔은 상이한 디지털 입력 신호, 예컨대 스테레오 신호의 좌 및 우 채널을 생성할 수 있다.

전자기장 제어기(30)는 바람직하게 코일을 통해 흐르는 교류 전류가 항상 그리고 모든 조건 하에서 적절한 자기장 강도를 유지하는 것을 보증하도록 설계되어 이동 엘리먼트(10)과 정전형 래치(20) 간의 충분한 근접성(sufficient proximity)를 허용하여 래칭을 가능하게 하며, 반면 이동 엘리먼트(10)가 너무 빨리 이동하는 것을 방지하고 충격으로 인해 그 자체 또는 래치(20)을 손상시키는 것을 방지한다.

특정 도면을 참조하여, 특정하게 도시된 것은 예로서 제시되고 오직 본 발명의 바람직한 실시예의 설명적인 논의를 목적으로 하는 것이 강조되고, 이론 및 본 발명의 개념적인 양상의 기술을 가장 유용하고 용이하게 이해시키는 것으로 믿어지는 것을 제공하기 위해 제시된다. 이 점에서, 본 발명의 기본적인 이해를 위해 필요한 것보다 더 상세하게 본 발명의 구조적 세부 사항을 도시하도록 의도되지 않는다. 도면으로부터 설명된 기술 사항은 당업자에게 본 발명의 얼마나 많은 형태가 실제로 구현될 수 있는지 명확하게 한다.

개별적인 실시예의 문맥에서 기술된 본 발명의 특징은 또한 단일의 실시예에서 조합으로 제공될 수 있다. 역으로, 단일의 실시예의 문맥 내에서 간결함을 위해 기술된 본 발명의 특징은 개별적으로 또는 임의의 적절한 서브조합으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 이동 엘리먼트는 자유 부유로 구성될 수 있거나, 또는 필라멘트와 같은 굴곡부 상에 장착될 수 있거나 또는 플렉서블한 물질로 형성된 주변 부분을 구성할 수 있다. 독립적으로, 장치는 상술한 바와 같이 그를 통한 공기 누출을 감소시키도록 구성될 수 있거나 구성되지 않을 수도 있다. 이 모든 것과 독립적으로, 이동 엘리먼트는 예컨대 전도체, 코일, 링 또는 디스크 형태의 영구 자석을 포함할 수 있거나 링 또는 디스크 형태의 강자성체 및 자석을 포함할 수 있거나, 이들이 제공되는 경우, 그 일부 예컨대 50%의 극이 자석의 나머지 예컨대 50%의 극과 상반되게 배치될 수 있다. 독립적으로, 래치 형상은 단면도에서, 솔리드(solid), 환형, 커다란 중앙 부분이 구비되거나 구비되지 않는 구멍이 많은 형태 또는 노치될 수 있거나(notched) 또는 임의의 다른 적절한 구성을 가질 수 있다. 이 모든 것과 독립적으로 래치의 제어는 개별적이거나 그룹으로 또는 그 임의의 조합으로 수행될 수 있다. 이 모든 것과 독립적으로, 액추에이터 엘리먼트의 하나 또는 그 이상의 어레이가 구비될 수 있으며 이는 각각의 엘리먼트가 비스듬히 구성되거나 구성되지 않을 수 있으며 각각의 액추에이터 엘리먼트의 단면은 원형, 사각형, 삼각형, 육각형 또는 임의의 다른 적절한 형태일 수 있다.

본 발명은 특정한 특수성으로 기술되었지만, 이는 다음과 같은 청구범위의 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 변화 및 변경이 수행될 수 있음이 용이하게 인식 된다.

Claims (23)

1. 디지털 입력 신호를 수신하고, 수신된 디지털 입력 신호에 따라 사운드를 생성하는 다이렉트 디지털 스피커 장치에 있어서, 상기 다이렉트 디지털 스피커 장치는:

   압력-생성 엘리먼트들(pressure-producing elements)의 어레이; 및

   요구되는 지향성 패턴(directivity pattern)을 획득하기 위해 각각의 압력-생성 엘리먼트의 구동 여부 및 구동 시기를 결정하는 타이밍 패턴을 계산하여,

   계산된 타이밍 패턴에 따라, 상기 압력-생성 엘리먼트들 중 적어도 하나는 양압(positive pressure) 펄스를 생성할 수 있고, 상기 압력-생성 엘리먼트들 중 적어도 하나는 음압(negative pressure) 펄스를 생성할 수 있도록 동작하는 컨트롤러를 포함하는, 다이렉트 디지털 스피커 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   각각의 상기 압력-생성 엘리먼트는 양압 펄스 및 음압 펄스 둘 모두를 생성하도록 동작하는 다이렉트 디지털 스피커 장치.
4. 디지털 입력 신호를 수신하고, 수신된 디지털 입력 신호에 따라 사운드를 생성하는 다이렉트 디지털 스피커 장치를 제어하는 방법에 있어서,

   압력-생성 엘리먼트들의 어레이를 제공하는 단계; 및

   요구되는 지향성 패턴을 획득하기 위해 압력 펄스를 생성하도록 각각의 압력-생성 엘리먼트의 구동 여부 및 구동 시기를 결정하는 타이밍 패턴을 계산하는 단계를 포함하는 다이렉트 디지털 스피커 장치 제어 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   각각의 압력-생성 엘리먼트는 각자의 경로를 따라 왕복 이동하도록 동작하는 이동 엘리먼트(moving element)를 포함하는 다이렉트 디지털 스피커 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   사용자로부터 요구되는 지향성 패턴을 수신하는 사용자 인터페이스를 더 포함하는 다이렉트 디지털 스피커 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 지향성 패턴은 초점 위치(focal point)를 정의하는 무지향성(omni-directional) 패턴인 다이렉트 디지털 스피커 장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 지향성 패턴은 초점 축(focal axis)을 정의하는 실린더형 패턴인 다이렉트 디지털 스피커 장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 지향성 패턴은 진행(propagation) 각을 정의하는 단방향성(unidirectional) 패턴인 다이렉트 디지털 스피커 장치.
10. 제 1 항, 제 3 항, 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 지향성 패턴은 다수의 단방향성 지향성 패턴들의 조합을 포함하는 다이렉트 디지털 스피커 장치.
11. 제 7 항에 있어서,

    상기 어레이는 상기 초점 위치에 중심이 위치하는 다이렉트 디지털 스피커 장치.
12. 제 7 항에 있어서,

    상기 어레이는 상기 초점 위치의 투영(projection)에 중심이 위치하는 다이렉트 디지털 스피커 장치.
13. 제 8 항에 있어서,

    상기 어레이는 상기 축에 대해 대칭적으로 배치되는 다이렉트 디지털 스피커 장치.
14. 제 8 항에 있어서,

    상기 어레이는 네 개의 측면을 가지는 사각형 형상이며, 상기 네 개의 측면은 상기 축에 평행한 두 개의 측면을 포함하는 다이렉트 디지털 스피커 장치.
15. 제 7 항에 있어서,

    상기 타이밍 패턴은 공식: 딜레이 = [(d²+r²)^0.5-d]/c를 이용하여 상기 압력-생성 엘리먼트들 중 적어도 일부에 대해 딜레이를 적용하고, r은 압력-생성 엘리먼트 어레이로의 초점 위치의 투영과 주어진 압력-생성 엘리먼트 간의 거리이고, d는 무지향성 사운드의 초점 위치로부터 압력-생성 엘리먼트의 어레이의 평면까지의 거리이고, c는 스피커가 동작하고 있는 매질을 통과하는 사운드의 진행 속도인 다이렉트 디지털 스피커 장치.
16. 제 8 항에 있어서,

    상기 타이밍 패턴은 공식: 딜레이 = [(d²+r²)^0.5-d]/c를 이용하여 상기 압력-생성 엘리먼트들 중 적어도 일부에 대해 딜레이를 적용하고, r은 압력-생성 엘리먼트 어레이로의 초점 축의 투영과 주어진 압력-생성 엘리먼트 간의 거리이고, c는 스피커가 동작하고 있는 매질을 통과하는 사운드의 속도이고, d는 초점 축으로부터 압력-생성 엘리먼트의 어레이의 평면까지의 거리인 다이렉트 디지털 스피커 장치.
17. 제 9 항에 있어서,

    상기 타이밍 패턴은 공식: 딜레이 = x cosα를 이용하여 상기 압력-생성 엘리먼트의 적어도 일부에 대해 딜레이를 적용하고, x는 압력-생성 엘리먼트 어레이 가장자리와 지정된 압력-생성 엘리먼트에 의해 정의되는 평면으로부터의 거리이고, α는 단방향성 진행 방향과 압력-생성 엘리먼트 어레이 평면 간의 각도인 다이렉트 디지털 스피커 장치.
18. 제 1 항에 있어서,

    상기 압력-생성 엘리먼트들 각각은 개별적으로 제어되는 다이렉트 디지털 스피커 장치.
19. 제 1 항에 있어서,

    상기 다이렉트 디지털 스피커 장치는, 이동 엘리먼트의 적어도 하나의 서브셋을 적어도 하나의 래칭 위치에 선택적으로 래칭하도록 동작하는 적어도 하나의 래치(latch)를 더 포함하며, 상기 래치에 의해 각각의 이동 엘리먼트가 압력 펄스를 생성하는 것이 저지되고,

    상기 컨트롤러는, 상기 디지털 입력 신호를 수신하고, 수신된 디지털 입력 신호에 따라 상기 적어도 하나의 래치를 제어하도록 동작하는 래치 컨트롤러를 포함하는 다이렉트 디지털 스피커 장치.
20. 제 4 항에 있어서,

    사용자에 의해 제공되는 요구되는 지향성 패턴을 읽어오는 단계를 더 포함하는 다이렉트 디지털 스피커 장치 제어 방법.
21. 제 4 항에 있어서,

    상기 제공 및 계산 단계는 다수 번 수행되어, 그에 의해 대응하는 다수의 지향성 패턴들을 정의하는 대응하는 다수의 어레이들 및 대응하는 다수의 타이밍 패턴들을 획득하고,

    상기 다이렉트 디지털 스피커 장치 제어 방법은 상기 대응하는 다수의 타이밍 패턴들에 따라 상기 어레이들을 동시에 구동하여, 그에 의해 상기 다수의 타이밍 패턴들에 대응하는 지향성 패턴들의 조합을 포함하는 단일의 지향성 패턴을 획득하는 단계를 더 포함하는 다이렉트 디지털 스피커 장치 제어 방법.
22. 제 21 항에 있어서,

    상기 다수의 어레이들의 각각의 어레이는 단일의 대규모 어레이의 각각의 부분을 포함하는 다이렉트 디지털 스피커 장치 제어 방법.
23. 제 21 항에 있어서,

    상기 다수의 어레이들의 각각의 어레이는 상이한 디지털 입력 신호를 생성하도록 사용되는 다이렉트 디지털 스피커 장치 제어 방법.

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