KR101725728B1 - 모션 피드백 기능을 갖는 차동 스피커 장치 - Google Patents

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Abstract

마그네트, 폴피스, 플레이트 등으로 직류 자속을 인가하기 위한 두 개의 자기 공극을 갖는 자기 회로를 구성하고, 상기 자기 회로에 의해 생성되는 직류 자기장이 흐르는 두 자기 공극내에 동일한 보빈 상에 권선된 두 개의 보이스 코일을 각각 위치시키고 두 보이스 코일에 서로 다른 전류를 흐르게 하면, 오직 두 보이스 코일에 흐르는 전류에 의해 생성되는 로렌츠 힘의 차이에 의해 보이스 코일 및 보빈이 움직이게 된다. 아울러 상기 보빈에 연결된 다이어프레임의 움직임을 정확히 제어하기 위하여 변위 센서를 통해 상기 다이어프레임의 움직임을 감지하고 재생하고자 하는 오디오 신호와 비교하여 오차를 제어함으로써 종래의 보이스 코일형 스피커 장치에서 나타나는 공진주파수, 주파수 대역 특성 등을 개선할 수 있는 모션 피드백 차동형 스피커 장치를 제안한다. 차동형 스피커 장치를 실제 제작하여 사용할 수 있도록 하기 위해서는 스피커 진동부를 외부 프레임에 부착하기 위한 새로운 방법이 필요한데 본 발명에서는 종래의 댐퍼나 에지 형태를 배제하고 진동부의 운동에 영향을 최소화할 수 있는 힌지 구조를 제안하고, 이 때 나타날 수 있는 다이어프레임의 전후면 음파의 간섭 현상을 최소화하기 위한 다이어프레임의 외곽에 날개 형태의 장치를 구비함을 특징으로 하는 다이어프레임 구조를 제안한다. 또한 본 발명의 스피커 장치 구동을 위해 광학 변위 센서의 신호를 처리하고 오디오 신호와 비교하여 오차를 제어하기 위한 차동 스피커 구동 장치를 제안한다.

Description

모션 피드백 기능을 갖는 차동 스피커 장치{Differential loudspeaker with motional feedback}
본 발명은 전기적 신호를 소리로 재생하는 스피커 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 넓은 주파수 대역에 걸쳐 고충실도의 음향을 재생할 수 있게 하는 보이스 코일 스피커 장치에 관한 것이다.
사람이 귀로 들을 수 있는 소리의 가청주파수 범위는 약 20Hz에서 20kHz 정도로 알려져 있다. 고 충실도(High Fidelity), 즉 하이파이(Hi-Fi) 오디오 시스템은 전기적인 신호로 녹음된 오디오 신호를 소리로 재생하는 데 있어서 가청주파수 전 대역에서 원래의 소리가 왜곡됨이 없고 주파수 응답 특성이 평탄한 시스템을 말한다. 그러나 일반적인 보이스 코일형 스피커 유닛은 기계적인 서스펜션을 사용함으로써 서스펜션의 특성에 따라 음의 왜곡이 생기고 재생음의 명료성 및 주파수 응답 특성이 나빠지는 현상이 나타난다.
멀티웨이 스피커 시스템은 하이파이 오디오 시스템에서 요구되는 고른 주파수 응답 특성을 만족시키기 위하여 주파수 대역 특성이 다른 복수 개의 스피커 유닛을 사용한 시스템으로 일반적으로 가장 많이 사용되고 있다. 멀티웨이 스피커 시스템은 오디오 신호를 크로스오버 네트워크(crossover network)를 통해 고음, 중음, 저음과 같이 주파수 대역별로 분리하고, 분리된 오디오 신호를 각 주파수 대역에 특화된 스피커 유닛을 통해 재생하게 함으로써 주파수 응답 특성을 개선하는 스피커 시스템이다. 그러나 이러한 스피커 시스템 또한 각 스피커 유닛 자체의 제한된 특성과 각 스피커 유닛 간의 특성 차이 및 크로스오버 네트워크의 사용에 따른 영향으로 인해 재생 음의 열화를 피하기 어렵고 음의 명료성이나 다이내믹 레인지(dynamic range)가 부족해지는 결과를 초래한다.
스피커 유닛의 본질적인 문제를 개선하기 위한 방안으로는 다음과 같은 다양한 기술들이 제안되고 있는데, 스피커 유닛의 기계적인 서스펜션의 문제를 해결하기 위해 이중 혹은 다수 개의 보이스 코일을 사용하여 오직 전기적인 신호에 의해서만 움직이게 하는 방법과, 스피커 진동부의 움직이는 변위를 감지하여 스피커 구동 장치에 피드백하여 제어 루프를 형성하게 함으로써 스피커 진동부가 정확하게 움직이게 하는 방법이 제시되고 있다.
Joseph W. Manger 는 1972년 8월, US Pat. No. 3,686,446 "PUSH-PULL MOVING COIL HAVING ELECTROMAGNETIC CENTERING MEANS"에서 두 개의 보이스 코일을 가진 차동형 스피커 구조를 제시하였다. Joel R. Joseph과 William F. Bleeke 는 1982년 11월, US Pat. No. 4,360,707 "DIGITALLY DRIVEN COMBINATION COILS FOR ELECTRODYNAMIC ACOUSTIC TRANSDUCERS" 에서 두 개의 보이스 코일을 가진 차동형 스피커 장치를 PWM(Pulse Width Modulation) 디지털 구동 기술을 이용하여 구동하는 방안을 제시하였다.
차동형 스피커는 보이스 코일 및 다이어프레임으로 구성되는 스피커 진동부가 기계적인 스프링 힘에 의존하지 않고 오직 두 보이스 코일에 의해 생성되는 전자기적인 힘에 의해 움직이게 됨으로써 기존의 스피커 유닛에서 나타나는 공진 주파수 문제가 개선됨을 보여주었다. 그러나 두 보이스 코일에는 오디오 신호에 해당하는 교류 전류 외에 힘의 균형을 유지하기 위한 직류 전류가 흐르게 된다는 문제점과 스피커 진동부가 스피커 중심축을 이탈하지 않고 진동 운동을 할 수 있게 잡아주기 위한 실용적인 구조가 제시되지 않았다는 문제점이 있다.
모션 피드백(Motional Feedback) 제어 기술은 스피커 장치의 진동부에 움직임을 감지하는 센서를 부착하고, 센서에 의해 감지된 움직임 신호를 스피커 구동 회로에 되먹임하여 구동 신호를 제어함으로써 저음 재생 효과를 개선하고 재생되는 소리의 왜곡을 줄이기 위한 방안으로 사용되고 있다.
그러나 저음을 충분한 크기로 재생하기 위해서는 스피커 유니트의 구경이 커져야 하는데 이러한 대구경 스피커 장치는 고음 특성이 나빠지는 한계가 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 따라서 하이파이 스피커 시스템에서는 모션 피드백 기술이 적용된 우퍼를 사용하더라도 별도의 고음 및 중음 전용 스피커 장치를 같이 사용하는 경우가 일반적이다.
US 3,686,446, 8/1972, Manger, "Push-pull Moving Coil Loudspeaker Having Electromagnetic Centering Means" US 3,983,337, 9/1976, Babb, "Broad-band Acoustic Speaker" US 4,360,707, 11/1982, Joseph, "Digitally Driven Combination Coils for Electrodynamic Acoustic Transducers" US 4,573,189, 2/1986, David S. Hall, "Loudspeaker with high frequency motional feedback"
본 발명은 단일 스피커 장치로 가청 주파수 전대역을 원음에 가깝게 재생할 수 있는 고성능, 고품질의 스피커 장치로, 보다 상세하게는 재생 주파수 대역 특성, 재생음의 정확성 및 명료성 등 음향 재생 특성이 한층 개선된 모션 피드백 기능을 갖는 차동형 스피커 장치를 제시한다. 이를 위해 본 발명에서는 기존의 스피커 장치가 갖는 기계적인 서스펜션 구조를 배제하고 소구경의 스피커 장치로도 대출력의 저음 재생이 가능하도록 스피커 진동부의 최대 진동 변위가 기존의 스피커 장치에 비해 더 크게 할 수 있는 구조와, 대구경의 스피커 장치로도 고음 재생을 원활하게 할 수 있는 구조 및 스피커 다이어프레임의 진동 변위를 정확하게 감지할 수 있는 변위 센서 등을 갖는 스피커 장치를 제시하도록 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에서는 영구자석과 두 개의 플레이트 및 폴 피스 등으로 두 개의 자기 공극을 가지는 자기 회로를 구성한다. 상기 자기 회로에 의해 생성되는 두 개의 자기 공극에 하나의 보빈에 감긴 두 보이스 코일을 각각 위치하게 하고 각 보이스 코일에 서로 다른 전류를 인가하게 되면 이로 인해 생성되는 힘의 방향은 흐르는 전류의 방향과 자기장의 방향에 의해 결정된다. 따라서 두 힘의 차이 혹은 합에 의해 보빈의 움직임 방향과 세기가 결정되며, 만약 두 코일에 생성되는 힘의 방향이 반대이고 각 힘의 크기가 같게 되면 보빈은 그 상태에서 멈추게 된다.
상기 두 보이스 코일을 구동함에 있어서는 각각 상호 반대 방향으로 힘이 작용하도록 각 증폭기의 출력을 연결하여 상호 힘의 평형을 유지하도록 하여야 하는데, 상기 두 보이스 코일 중 하나의 보이스 코일에는 재생하기 위한 오디오 신호를 하나의 증폭기를 통해 직접 구동하고 다른 하나의 보이스 코일에는 오디오 신호와 실제 보빈의 움직임을 감지하는 변위 센서의 출력을 비교하여 두 신호의 차이를 되먹임하여 다른 증폭기의 출력을 조절하도록 함으로써 오디오 신호와 정확히 일치하는 보빈의 움직임을 생성할 수 있다.
이러한 이중 보이스 코일을 이용한 차동 구동 방식의 스피커 장치에서는 스피커의 진동부가 스피커의 중심축을 따라 정확히 움직이도록 하는 방식을 종래의 보이스 코일형 스피커 장치에서 사용하는 기계적인 서스펜션, 즉 댐퍼와 에지 구조를 사용할 수 없다는 문제점이 있다. 본 발명에서는 이를 해결하기 위한 방안으로 원형이 아닌 사각형 구조를 갖는 프레임 구조를 만들고 스피커의 진동부와 사각형의 프레임을 도 6과 같이 마찰이 없고 탄성이 최소화된 힌지(Hinge) 구조로 하여 사각면에 각각 부착함으로써 스피커의 진동부가 스피커의 중심축상에서만 움직이게 잡아주도록 한다. 아울러 상기 힌지 구조는 탄성이 최소화된 형태로 하여 스피커의 진동부가 움직이는데 영향을 거의 미치지 않으며 오직 보이스 코일에서 생성된 힘에 의해서만 진동하도록 한다.
또한, 상기 제안된 스피커 구조에서는 다이어프레임의 후면에서 생성되는 음파가 전면으로 간섭을 줄 수 있으므로 이를 방지하기 위해서 다이어프레임의 외곽을 원통과 같은 구조의 날개를 가진 형태로 구성함으로써 상호 간섭을 최소화하도록 한다. 다이어프레임의 날개는 보빈과 진동부 지지대로 연결되어 보빈의 움직임이 다이어프레임 중심부와 동시에 직접 날개로 전달되도록 한다. 이러한 다이어프레임의 구조는 기존의 대구경 스피커에서 고음 재생시 나타나는 정재파 현상을 막아주는 역할을 하며, 따라서 하나의 대구경 스피커로 저음에서 고음까지 모두 재생 가능한 고품질의 풀레인지 스피커 제작이 가능하다.
진동부의 움직임을 감지하는 센서는 광센서, 가속도센서, 선형변위트랜스포머(LVDT), 엔코더, 속도센서 등을 사용하여 최종적으로 변위 출력을 얻을 수 있는 센서이면 모두 적용 가능하다.
종래의 보이스 코일형 스피커 장치는 구조적인 문제점으로 인하여 공진주파수, 재생 주파수 대역폭, 주파수에 따른 음압 특성 문제 등으로 인한 음질의 열화를 피하기 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 재생 가능한 주파수 대역폭이 확장되고 평탄한 특성을 나타냄으로써 재생음이 보다 원음과 가깝고 음의 명료성과 정확성이 향상됨을 기대할 수 있는 차동형 스피커 장치가 제안되었으나 아직까지는 실제 제작하여 사용할 수 있는 단계로까지 발전하지 못하고 있다. 본 발명에 의하면 이러한 차동형 스피커 장치를 실용적으로 제작할 수 있는 방안을 제시함으로써 상대적으로 적은 비용으로도 하이파이 오디오 구축이 가능해짐은 물론 휴대형 기기에서도 고품질의 오디오가 적용될 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 보이스 코일형 스피커 장치의 단면도이다.
도 2는 차동 스피커 장치의 기본적인 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스피커 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스피커 장치의 분해도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이어프레임 움직임 감지를 위한 광학 변위 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스피커 장치의 진동부를 프레임에 잡아주기 위한 힌지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이어프레임의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 스피커 장치를 구동하기 위한 구동기의 일 실시 예에 따른 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 이용하여 설명하도록 한다. 또한 본원 발명은 이하의 실시 예의 어떠한 형태로 한정되지 않는다. 본원 발명은 발명이 속하는 통상의 기술 등에 기초하여, 이하의 실시 예를 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
도 1은 종래의 보이스 코일형 스피커 장치에 대한 구조의 대표적인 예를 도시한 것이다. 이 예에서의 스피커 장치는 마그네트(107)와 폴피스(108), 탑플레이트(106)로 자기 회로를 구성하고, 상기 마그네트(107)와 폴피스(108) 사이에 형성된 자기장이 흐르는 공극(Air gap)에 보빈(105)에 감긴 보이스 코일(109)을 위치시켜 보이스 코일에 전류를 흘리면 로렌츠의 힘이 발생되고, 보이스 코일(109)과 보빈(105)은 전류의 방향에 따라 상하로 진동하게 된다.
상기 보빈(105)은 댐퍼(104)와 다이어프레임(101) 및 에지(102)에 의해 프레임(110)에 지지되고 공극 사이에서 스피커 중심축을 따라 정확하게 움직이게 된다. 상기 댐퍼(104)와 에지(102)는 보빈(105)과 보이스코일(109)을 항상 중심 위치로 잡아 당기는 탄성을 가지고 있는데, 보이스코일에 흐르는 전류에 의해 생성된 힘과 댐퍼(104) 및 에지(102)의 탄성력이 상호 균형을 이루는 지점에 보이스코일이 위치하게 된다.
도 2는 차동 스피커 장치의 구동 원리를 설명하기 위한 것으로, 자기 회로 구성을 위해 마그네트(201), 폴피스(202), 두 개의 플레이트(203a, 203b)를 동심축상에 위치하게 하면 두 공극(210a, 210b)이 만들어지고 자력(211)은 마그네트의 N극에서 S극으로 흐르게 된다. 이 때 상기 두 공극(210a, 210b)에 서로 독립된 두 보이스코일(205a, 205b)를 위치시키고 전류를 흘리면 플레밍(Flemming)의 왼손 법칙에 의해 자기장과 전류의 직각 방향으로 힘이 생성된다. 상기 두 공극(210a, 210b)에서의 자력은 서로 반대 방향이므로 상기 두 보이스코일(205a, 205b)에 흐르는 전류의 방향이 같으면 서로 반대 방향의 힘이 생성되고, 따라서 두 힘의 차이에 의해 상기 두 보이스코일(205a, 205b)과 상기 두 보이스코일(205a, 205b)이 권선된 보빈(204)이 함께 상하로 움직이게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스피커 장치의 단면도를 도시한 것이고, 도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스피커 장치의 분해도를 도시한 것이다. 마그네트(307), 폴피스(308), 두 개의 플레이트(306a, 306b)로 구성된 자기회로와 두 보이스 코일(309a, 309b)이 상기 자기회로의 공극에 위치하는 간격으로 권선된 보이스 코일 보빈(305), 상기 보이스 코일 보빈(305)을 스피커 프레임(310a, 310b, 310c)에 지지하기 위해 상기 보이스 코일 보빈(305) 외곽으로 부착된 두 진동부 지지대(304a, 304b), 상기 보이스 코일 보빈(305)의 일측에 부착되어 공기를 진동시키는 다이어프레임(301), 상기 다이어프레임(301)의 외곽면에 일측이 부착되고 상기 두 진동부 지지대(304a, 304b)와 내측이 부착된 파이프 형태의 다이어프레임 외곽 날개(302), 상기 다이어프레임(301)의 진동 변위를 감지하기 위한 변위 센서 모듈(510), 상기 스피커 부품들을 잡아주기 위해 상기 두 플레이트(306a, 306b)와 상기 폴피스(308)에 고정된 스피커 프레임(310a, 310b, 310c), 상기 보이스 코일 보빈(305)과 보이스 코일(309a, 309b)과 진동부 지지대(304a, 304b)와 다이어프레임(301)과 다이어프레임 날개(302)로 구성된 진동부가 상기 외부 스피커 프레임(310a, 310b)에 부착되어 진동이 원활하게 이루어지도록 지지해주는 마찰이 없고 탄성이 최소화된 힌지(303a, 303b)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 자기 회로의 구성 및 형태는 본 예에 제한되지 않으며, 내자형, 외자형 등 여러 가지 형태로 구성할 수 있다. 또한, 상기 힌지의 부착 위치나 형태 또한 본 예에 제한되지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 변위 센서의 단면도를 도시한 것으로, 리니어 광원(501), 광차단 플레이트(502), 두 개의 포토 다이오드(503a, 503b)로 구성되는 것을 특징으로 한다. 광학 변위 센서는 상기 리니어 광원(501)에서 나오는 빛의 양을 상기 두 포토 다이오드(503a, 503b)에서 감지하는 원리이며, 스피커 장치의 다이어프레임(301)에 부착된 광차단 플레이트(502)의 상하 움직임에 따라 상기 리니어 광원(501)에서 나오는 빛(504)이 차단되는 상태가 변하게 되고, 따라서 상기 포토 다이오드(503a, 503b)에 도달하는 빛의 양이 달라지게 된다.
상기 두 포토 다이오드(503a, 503b)는 상호 빛의 간섭을 받지 않도록 격벽이 있는 센서 프레임(505)에 부착되고 상기 광차단 플레이트(502)는 상기 두 포토 다이오드(503a, 503b)의 중간 위치에서 진동을 하게 된다. 따라서 상기 두 포토 다이오드(503a, 503b)에 도달하는 빛의 양은 서로 반비례하며, 정확히 중간 위치에서는 같은 양의 빛을 받게 된다. 즉, 상기 두 포토 다이오드(503a, 503b)의 출력의 차이값으로 상기 다이어프레임(301)의 절대 위치를 알 수 있다. 포토 다이오드의 출력은 빛의 양에 비례하는 전류값이며, 전류/전압 변환기 회로를 통하여 변위에 따른 전압값을 추출할 수 있다.
다이어프레임의 변위를 감지하기 위한 변위 센서는 본 예에서의 광학 변위 센서외에 가속도 센서, 선형변위트랜스포머, 엔코더 등 여러 가지 종류의 센서로 대체가 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스피커 장치의 진동부를 프레임에 잡아주기 위한 힌지의 단면도를 도시한 것으로, 네 장의 플레이트로 구성된 힌지 바디(403a, 403b, 403c, 403d)와 박막 필름(402a, 402b, 402c)으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기 박막 필름(402a, 402b, 402c)은 상기 네 힌지 바디(403a, 403b, 403c, 403d)의 긴 면이 서로 맞닿은 상태로 접착되어 상기 네 힌지 바디(403a, 403b, 403c, 403d)가 접히고 펴지는 동작을 할 수 있게 잡아 주는 역할을 한다. 따라서 상기 힌지 바디(403a, 403b, 403c, 403d)의 일측에 연결된 상기 진동부 지지대(304a, 304b)는 상기 스피커 프레임(310)에 대해 오직 한 방향으로만 움직일 수 있게 되며, 삼각형 이상의 다각형 스피커 프레임(310) 형태에 따라 다각형의 각 면에 부착하도록 하면 스피커 진동부가 스피커 중심축을 이탈하지 않고 정확한 진동 운동을 하게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스피커 장치의 진동부를 부분 절개한 단면도로, 두 보이스코일(309a, 309b)이 권선된 보이스코일 보빈(305), 상기 보이스코일 보빈(305)의 일측에 접착된 다이어프레임(301)과 상기 다이어프레임(301) 외곽의 날개(302), 상기 보이스코일 보빈(305)와 상기 다이어프레임 날개(302)를 연결하는 두 진동부 지지대(304a, 304b)로 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기 다이어프레임 날개(302)는 다이어프레임 전면(바깥쪽)과 후면(안쪽) 에서 방사되는 음파가 서로 반대되는 위상 특성을 가짐으로 해서 나타나는 음파의 상호 간섭 현상을 줄이기 위한 것이다. 아울러 상기 보이스 코일(309a, 309b)에서 발생되는 힘이 상기 보이스 코일 보빈(305)를 통해서 상기 다이어프레임(301) 중심부로 전달됨과 동시에 상기 진동부 지지대(304a, 304b)와 상기 다이어프레임 날개(302)를 통해 상기 다이어프레임(301) 외곽에 전달됨으로써 기존의 대구경 스피커에서 나타나는 고음역에서의 정재파 발생 현상을 막아주는 역할을 한다.
다이어프레임의 형태는 본 예에 국한되지 않으며 타원형, 다각형 등의 형태로 변형이 가능하며, 다이어프레임 후면에 흡음재를 붙이면 후면에서 방사되는 음파의 세기가 약해짐으로 저음에서의 간섭 현상을 더욱 줄일 수 있다.
도 8은 본 발명의 스피커 장치를 구동하기 위한 구동 장치의 일 실시 예에 따른 블록도를 나타낸 것이다. 오디오 신호(601)는 프리앰프(602)와 제 1 파워앰프(603a)를 통해 증폭된 후 스피커 장치(604)의 제 1 보이스코일(605a)을 구동하게 되며 전류의 크기와 방향에 따라 생성되는 힘이 결정된다. 상기 제 1 보이스코일(605a)에 의해 생성된 힘은 도 3에 도시된 바와 같이 보빈(305)과 다이어프레임(301)을 움직이게 하고, 상기 다이어프레임(301)의 움직임은 광학 변위 센서(606)에 의해 감지된다.
상기 광학 변위 센서(606)의 두 출력 전류는 전류/전압 변환기(607a, 607b)에 의해 각각 전압으로 변환되고 두 신호의 차이값을 구하기 위해 제 1 합산 회로(609)의 입력으로 공급된다. 이 때 하나의 전류/전압 변환기(607a)의 출력은 상기 제 1 합산 회로(609)의 마이너스 입력단에, 다른 하나의 전류/전압 변환기(607b)의 출력은 상기 제 1 합산 회로(609)의 플러스 입력단에 연결함으로써 두 신호의 차이값이 상기 제 1 합산 회로(609)의 출력이 된다.
상기 제 1 합산 회로(609)의 출력은 게인 조정 및 필터단(608)에 의해 신호의 증폭 및 대역 필터링, 즉 불필요한 노이즈를 제거하고 필요한 가청 주파수 대역만 추출해 낸 다음 제 2 합산 회로(610)의 플러스 입력으로 연결된다. 또한 상기 프리앰프(602)의 출력은 상기 제 2 합산 회로(610)의 마이너스 입력으로 공급되고, 따라서 두 입력의 차이는 상기 제 2 합산 회로(610)의 출력이 된다. 상기 제 2 합산 회로(610)의 출력은 제 2 파워앰프(603b)로 증폭한 후 스피커 장치(604)의 제 2 보이스코일(605b)로 공급한다. 이 때 상기 제 2 보이스코일(605b)에 의해 생성되는 힘의 방향은 상기 제 1 보이스코일(605a)에 의해 생성되는 힘의 방향과 반대가 되도록 상기 제 2 파워앰프(603b)의 출력을 연결한다. 즉, 상기 두 파워 앰프(603a, 603b)의 출력이 같은 위상일 때 상기 두 보이스코일(605a, 605b)에서 생성되는 힘의 방향은 서로 반대 방향이 되도록 한다.
스피커 구동 장치의 보다 상세한 모션 피드백 제어 동작 원리는 다음과 같다. 즉, 오디오 신호(601)는 상기 프리앰프(602)와 제 1 파워앰프(603a)에 의해 제 1 보이스코일(605a)를 구동하게 되고 이는 상기 스피커 다이어프레임(301)을 움직이게 한다. 이 때 상기 다이어프레임(301)의 움직임이 오디오 신호보다 크게 되면 상기 광학 변위 센서(606)의 두 출력 전류값의 차이가 더욱 커지게 되고, 이는 상기 전류/전압 변환기(607a, 607b)의 출력 전압 차이 및 상기 제 1 합산 회로(609)의 출력 전압이 증가하게 됨으로써 상기 게인 조정 및 필터단(608)의 출력 및 상기 제 2 합산 회로(610)의 출력 또한 증가하게 된다. 이는 상기 제 2 파워앰프(603b)의 출력을 증가시켜 상기 제 2 보이스코일(605b)에 공급되는 전류값 및 생성되는 힘의 증가로 이어지며 따라서 상기 다이어프레임(301)의 움직임은 줄어들게 된다. 만약 상기 다이어프레임(301)의 움직임이 오디오 신호보다 작게 되면 상기 예와는 반대의 동작이 생기게 되고 최종적으로는 오디오 신호와 일치하는 다이어프레임의 움직임을 만들어 내게 된다.
101 : 스피커 다이어프레임(Diaphragm)
102 : 스피커 에지
103 : 먼지 덮개
104 : 댐퍼(스파이더)
105 : 보빈(Bobbin)
106 : 탑플레이트(Top plate)
107 : 마그네트(Magnet)
108 : 폴피스(Pole piece)
109 : 보이스 코일
110 : 스피커 프레임
201 : 마그네트(Magnet)
202 : 폴피스(Pole piece)
203a, 203b : 상/하 플레이트
204 : 보빈(Bobbin)
205a, 205b : 보이스 코일
210a, 210b : 공극(Air gap)
211 : 자기장 방향
301 : 스피커 다이어프레임
302 : 다이어프레임 날개
303a, 303b : 스피커 힌지(Hinge)
304a, 304b : 진동부 지지대
305 : 보이스 코일 보빈
306a, 306b : 상/하 플레이트
307 : 마그네트
308 : 폴 피스
309a, 309b : 보이스 코일
310a, 310b, 310c : 스피커 프레임
402a, 402b, 402c : 힌지 박막 필름
403a, 403b, 403c, 403d : 힌지 바디
501 : 리니어 광원(Linear light source)
502 : 광차단 플레이트
503, 503a, 503b : 포토 다이오드(Photo diode)
504 : 빛(Light)
505 : 변위 센서 프레임
510 : 변위 센서 모듈
601 : 오디오 신호
602 : 프리 앰프(Pre-amplifier)
603a, 603b : 파워 앰프(Power amplifier)
604 : 스피커 장치
605a, 605b : 보이스 코일
606 : 광학 변위 센서
607a, 607b : 전류/전압 변환기
608 : 게인 조정 및 필터단
609, 610 : 합산 회로

Claims (7)

  1. 자석과 보이스 코일을 이용하는 스피커 장치에 있어서,
    상기 보이스 코일에 직류 자속을 인가하기 위해 마그네트, 폴피스, 플레이트를 적층하여 구성되고 링 형태의 두 자기 공극을 갖는 자기 회로부,
    상기 자기 회로부에 고정 부착된 스피커 프레임과,
    제 1 보이스 코일과 제 2 보이스 코일로 나누어 각각 다른 전류를 인가할 수 있게 구성한 두 보이스 코일,
    상기 두 보이스 코일이 상기 두 자기 공극 내에 위치하도록 권선되고 상기 두 보이스 코일에 가해지는 전류에 의해 생성된 힘의 차이에 의한 진동 운동을 수행하는 보이스 코일 보빈,
    상기 보이스 코일 보빈의 일측에 접합되어 보이스 코일의 진동 운동을 공기의 진동으로 변환시켜 음향을 발생하는 다이어프레임,
    상기 다이어프레임의 진동 변위를 감지하여 구동장치에 되먹임하기 위한 변위 센서 모듈,
    상기 보이스 코일 보빈을 스피커 프레임에 지지하기 위한 상기 보이스 코일 보빈 외곽으로 부착된 진동부 지지대와,
    상기 두 보이스 코일과 상기 보이스 코일 보빈과 상기 진동부 지지대와 상기 다이어프레임으로 구성된 스피커 진동부를 스피커 중심축을 따라 상기 자기 공극 내에서 정확한 진동 운동을 할 수 있도록 상기 스피커 프레임에 상기 진동부 지지대를 연결하는 힌지를 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다이어프레임의 형태가 원뿔 혹은 사각뿔, 팔각뿔 등 다각뿔 형태를 취하고, 상기 다이어프레임의 외곽 형태와 같은 원통 혹은 사각, 팔각 등 다각형 통 형태의 다이어프레임 날개를 구비한 것을 특징으로 한 스피커 장치
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 다이어프레임 날개와 상기 보이스 코일 보빈을 상기 진동부 지지대로 연결하여 상기 보이스 코일 보빈의 움직임이 상기 다이어프레임의 중심부와 주변부에 같이 전달되도록 한 스피커 장치
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 보이스 코일 보빈의 외곽으로 접합되는 링과 상기 링에 8개의 직사각형 플레이트가 짧은 면이 상기 보이스 코일 보빈과 평행 방향으로 각각 일측은 상기 링에 다른 일측은 상기 다이어프레임 날개와 방사형으로 연결될 수 있도록 한 진동부 지지대의 구조를 갖는 것을 특징으로 한 스피커 장치
  5. 청구항 1에 있어서,
    네 개의 직사각형 플레이트로 구성된 힌지 바디와 상기 네 힌지 바디의 긴 면이 서로 맞닿게 하고, 상기 네 힌지 바디 사이에 각각 부착되어 상기 네 힌지 바디가 접히고 펴지는 동작을 할 수 있게 잡아주는 박막 필름으로 구성된 것을 특징으로 한 힌지를 포함하는 스피커 장치
  6. 청구항 1에 있어서,
    리니어 광원과 상기 다이어프레임의 진동축 방향으로 서로 인접한 두 개의 포토 다이오드와 상기 다이어프레임에 부착된 광차단 플레이트를 상기 리니어 광원과 상기 두 포토다이오드의 중간에 위치시키고,
    상기 다이어프레임의 움직임에 따라 상기 리니어 광원에서 상기 두 포토 다이오드에 도달하는 빛의 양이 상호 반비례하여 변하도록 하여 상기 두 포토 다이오드의 출력의 차이에 의해 상기 다이어프레임의 절대 위치를 알 수 있는 광학 변위 센서를 구비한 것을 특징으로 한 스피커 장치
  7. 청구항 6의 스피커 장치를 구동하기 위한 구동 장치에 있어서,
    미약한 오디오 신호를 증폭하여 파워 앰프에 공급하기 위한 프리 앰프와 상기 프리 앰프의 출력을 증폭하여 상기 제 1 보이스 코일을 구동하기 위한 제 1 파워 앰프, 상기 광학 변위 센서의 전류값을 전압으로 변환하는 두 전류/전압 변환기, 상기 두 전류/전압 변환기의 출력 차이값을 산출하기 위한 제 1 합산 회로, 상기 제 1 합산 회로의 출력을 적정 레벨로 증폭하고 노이즈 제거를 위한 필터 기능을 수행하는 게인 조정 및 필터단, 상기 게인 조정 및 필터단의 출력과 상기 프리 앰프의 출력 차이값을 산출하는 제 2 합산 회로, 상기 제 2 합산 회로의 출력을 증폭하여 상기 제 2 보이스 코일을 구동하기 위한 제 2 파워 앰프로 구성되는 것을 특징으로 한 구동 장치
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