KR102044442B1 - 압전진동모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가늘고 긴 진동플레이트와 가늘고 긴 베이스 사이에 폐다각형상의 탄성 변위부를 배치하고, 이 탄성 변위부는 그 내부를 가로질러 배열된 압전소자의 팽창 및 수축 변형을 통해 높낮이 차를 제공하여 압전진동모듈에 진동력을 발생시킬 수 있는데, 특히 진동플레이트의 양 단부에 각각의 중량체를 배치하여 진동플레이트의 양 단부 진폭을 극대화시키는 것을 특징으로 한다.

Description

압전진동모듈 {Piezoelectric vibration module}

본 발명은 압전진동모듈에 관한 것이다.

일반적으로 휴대전화, 전자책(E-book) 단말기, 게임기, PMP 등 휴대용 전자기기에 있어서, 진동 기능은 여러 가지 용도로 활용되고 있다.

특히, 이러한 진동을 발생시키기 위한 진동발생장치는 휴대용 전자기기에 주로 탑재되어 무음의 착신 신호인 경보 기능으로 이용되고 있다.

이러한 휴대용 전자기기의 다기능화에 맞춰 진동발생장치는 현재 소형화 뿐만 아니라 집적화 그리고 다양한 고기능화를 요구하고 있는 실정이다.

더욱이, 최근 휴대용 전자기기를 간편하게 사용하려는 사용자의 요구에 따라 휴대용 전자기기를 터치하여 입력하는 터치 방식의 디바이스를 일반적으로 채택하고 있다.

현재 통용되고 있는 햅틱 디바이스는 터치하여 입력하는 개념 이외에, 인터페이스 사용자의 직관적 경험을 반영하고 터치에 대한 피드백을 더욱 다양화하는 개념까지도 광범위하게 포함한다.

이러한 햅틱 디바이스는 통상적으로 압전소자의 외부 전원의 인가에 따라 팽창 및/또는 수축 변형을 반복하여 진동을 제공하게 되는데, 압전 모터(piezoelectric motor)를 채용한 햅틱 디바이스가 특허문헌 1에 게재되어 있다.

특허문헌 1에 게재된 햅틱 디바이스는 변위를 생성하여 디스플레이 층(display layer)에 변위력을 제공하는 압전 액츄에이터를 구비하고 있다. 기재된 압전 액츄에이터는 인쇄회로기판을 통해 예컨대 배터리, 외부 전원으로부터 전류를 인가받고서, 압전소자를 지나는 전류에 응답하여 물리적 모멘트 혹은 변위력을 생성하게 되어 있다.

당해 분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있듯이, 압전 액츄에이터가 외부 전원에 의해 길이방향으로 팽창 또는 수축 변형을 수행하면서 발생되는 상하 혹은 좌우방향의 병진운동을 통해 외부 구성부재와 접촉 충격 혹은 외부 충격(예컨대, 낙하)에 의한 손상을 방지해야만 한다.

하지만, 특허문헌 1에 따른 햅틱 디바이스는 압전 액츄에이터 내에 배열에 대해서만 언급되어 있으며, 압전소자의 충격을 대비한 별도의 내용을 기재하고 있지는 않는다.

이와 같이, 전술된 문제점들을 해결할 수 있는 다른 방안이 고려되어야 할 것이다.

특허문헌 1 : 국제공개특허 제WO 2012/025783호

본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 압전소자가 활성화되면서 중량체의 진동량을 증폭시켜 진동력을 향상시킬 수 있는 압전진동모듈을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 하부면을 개방하고 내부공간을 형성하는 상부 케이스와; 이 상부 케이스의 하부면에 결합되어 상기 상부 케이스의 내부공간을 덮어씌우는 베이스; 외부 전원의 인가에 따라 팽창 및 수축 변형을 반복하여 진동력을 생성하는 압전소자; 상부 케이스와 베이스의 내부에 배치되어, 상하?향으로 이동하는 진동플레이트; 및 다각형 띠의 형상을 갖추고 그 내부를 가로질러 상기 압전소자를 구비하며, 진동플레이트와 베이스 사이에 배치되는 탄성 변위부;로 이루어진 압전진동모듈에 관한 것이다.

본 발명은 편평한 상부면과 편평한 하부면을 갖춘 다각형 띠의 형상의 탄성 변위부를 구비하는데, 편평한 상부면은 진동플레이트와의 밀착을 돕는 한편 편평한 하부면은 베이스와의 밀착을 돕는다.

본 발명에서, 탄성 변위부는 진동플레이트의 중심부에 배치되어 진동플레이트의 양 단부의 진폭을 극대화시킬 수 있다.

본 발명은 탄성 변위부의 변위차에 종속되어 진동플레이트를 수직왕복이동할 수 있게 진동플레이트와 베이스를 상호 이격되게 배열된다.

추가로, 본 발명은 진동플레이트의 양 단부의 수직왕복운동을 통해 상부 케이스와 진동플레이가 상호 충돌하지 않도록 이들 사이에 소정의 간격을 제공한다.

탄성 변위부는 진동플레이트와 동일한 재질로 제작되는바, 탄성 변위부의 구동 변위 손실 없이 진동플레이트에 전달할 수 있게 한다.

바람직하기로, 진동플레이트는 이의 양단부에 중량체를 추가로 구비하여 진동플레이트, 더욱 구체적으로 진동플레이트의 양단부에 진동력을 최대로 증가시킬 수 있다. 특히, 진동플레이트의 진폭 변위를 보장할 수 있도록 중량체와 베이스는 상호 이격되게 배열되는 것이 바람직하다.

중량체들의 이격 거리는 탄성 변위부의 최대 인장길이보다 길게 형성되어, 탄성 변위부와 중량체의 접촉을 미연에 방지할 수 있도록 한다. 탄성 변위부와 중량체의 접촉은 탄성 변위부 및/또는 압전소자의 손상과 함께 탄성 변위부의 변위에 영향을 미치게 된다.

중량체는 진동플레이트의 중심부에서 좌우대칭되게 배치되는데, 진동플레이트의 일 단부에 장착된 중량체와 진동플레이트의 타 단부에 중량체가 동일한 질량을 갖도록 한다.

본 발명은 상부 케이스와 진동플레이트 사이에 댐퍼를 추가로 구비하여 구동시 상부 케이스와 진동플레이트의 직접적인 충돌을 미연에 방지한다.

선택적으로, 본 발명은 베이스와 중량체 사이에 댐퍼를 추가로 구비할 수도 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 압전소자의 팽창 및 수축 변형을 통해 진동력을 발생시킬 수 있는 압전진동모듈을 제공하는 것이다.

특히, 본 발명은 다각형 띠의 형상을 갖춘 탄성 변위부 내부에 압전소자를 배치하고 있어 예상치 못한 이상(異常) 구동변위 또는 낙하 충돌시 압전소자와 다른 구성부재 간의 직접적인 충돌을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 진동플레이트의 양 단부에 각각의 중량체를 구비하고 있어, 압전소자의 팽창 및 수축 변형률이 낮아져도 진동플레이트의 양 단부에 진폭 변위를 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압전진동모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압전진동모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 상부 케이스를 제거한 본 발명에 따른 압전진동모듈을 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3에 도시된 압전진동모듈의 구동 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.

이제, 본 발명에 따른 압전진동모듈은 첨부 도면을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.

본 발명의 장점, 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되는 실시예들을 통해 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불명료하게 할 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1 내지 도 3을 참조로 하면, 본 발명에 따른 압전진동모듈(1)은 상부 케이스(10)와, 진동플레이트(20), 중량체(30), 탄성 변위부(40), 압전소자(50), 및 베이스(60)로 이루어지는데, 이러한 압전진동모듈(1)은 터치스크린 패널(touch screen panel;미도시)에 진동력을 전달하기 위한 수단으로 사용된다.

상부 케이스(10)는 일측면을 개방한 박스(box) 형상으로 이루어져 있으며, 그 내부 공간에 압전소자(50)와 연결되어 상하방향으로 진동가능하게 배열된 진동 플레이트(20)를 수용한다.

진동플레이트(20)는 압전소자(50)의 팽창 및 수축 변형의 반복을 통해 벤딩 작동으로 압전소자(50)의 길이 변형을 통해 진동력으로 전환하여 외부 부품으로 전달한다. 진동 플레이트(20)의 하부면 중심부에 구동부를 장착한다. 여기서, 구동부는 이미 널리 알려져 있듯이 외부 전원의 인가로 인해 좌·우방향으로 팽창 및 수축 변형을 반복하는 압전소자(50)의 병진이동을 매개로 하여 진동 플레이트(20)에 진동력을 제공한다.

도시된 바와 같이, 구동부는 탄성 변위부(40)와 압전소자(50)를 구비한다. 구동부는 압전소자(50)를 구동하기 위한 전원을 인가하는 PCB(도 1)를 추가로 구비할 수 있다. 당해 분야의 숙련자들에게 있어, 압전소자와 PCB의 연결은 널리 알려져 있어 상세한 설명은 배제하도록 한다.

특히, 진동플레이트(20)는 외부 전원의 인가에 따라 팽창 혹은 수축 변형을 반복하는 압전소자(50)와 대응되게 변위가능하도록 탄성력을 가진 금속재질, 예컨대 서스(SUS)로 이루어진다. 선택가능하기로, 진동플레이트(20)가 탄성 변위부(40)와 동일한 변위 전달률을 갖도록 동일한 재질로 제작되어 탄성 변위부(40)의 구동변위를 손실 없이 전달할 수 있게 한다.

진동플레이트(20)는 가늘고 긴 편평한 플레이트 형상으로 이루어져 있고 이의 하부면에 중량체(30)를 부착한다. 이 중량체(30)는 진동플레이트(20)의 양 단부에 배치되는데, 이 중량체(30)가 본드 혹은 양면테이프 등을 통해 진동플레이트(20)에 확실하게 부착될 수 있도록 진동플레이트(20)의 양 단부에 지지면(21)을 추가로 구비할 수 있다.

중량체(30)는 진동플레이트(20)의 하부면과 지지면(21)으로 지지보유되어 지속적인 진동하에서도 진동플레이트(20)로부터 분리되지 않게 된다.

중량체(30)는 진동력을 최대로 증가시키는 매개물로서, 진동플레이트(10)의 양 단부에 각각 구비된다. 특히, 중량체(30)는 진동플레이트(10)의 중심부에서 좌우대칭으로 배치되는 한편, 동일한 질량을 갖도록 한다.

이와 더불어서, 중량체(30)는 금속 재질로 제작될 수 있으며, 동일 체적에서 상대적으로 밀도가 높은 텅스텐 재질로 제작되는 것이 바람직하다.

본 발명은 중량체(30)를 구비한 진동플레이트(10)의 상하 구동 하에서도 베이스(60)와 중량체(30) 사이의 직접적인 충돌을 방지하기 위해 중량체(30)와 베이스(60) 사이에 소정의 이격거리를 제공해야 한다. 덧붙여서, 본 발명은 진동플레이트(20)의 최대 변위를 제공하는 진동플레이트(20)의 양 단부 아래에 댐퍼(damper;미도시)를 추가로 구비할 수 있다. 이 댐퍼는 중량체(30)의 하부에 혹은 베이스(60)의 상부면에 배치된다.

탄성 변위부(40)는 진동플레이트(20)와 베이스(60) 사이에 배열되되, 다각형 띠의 형상, 다시 말하자면 폐다각형상으로 형성되어 있다. 특히, 탄성 변위부(40)는 그 내부를 가로질러 압전소자(50)를 배열한다. 덧붙여서, 압전소자(50)는 진동플레이트(20)와 베이스(60)의 형성방향과 나란하게 배열되도록 한다.

바람직하기로, 탄성 변위부(40)는 편평한 상부면(41)과 편평한 하부면(42)을 갖춘 폐다각형상으로 이루어진다. 탄성 변위부(40)의 상부면(41)은 진동플레이트(20)의 하부면 중심부에 용접 혹은 본딩 등의 다양한 방식으로 결합되되, 탄성 변위부(40)의 편평한 상부면(41)이 편평한 플레이트 형상의 진동플레이트(20) 중심부와 밀착되게 결합될 수 있도록 돕는다.

또한, 탄성 변위부(40)의 하부면(42)은 베이스(60)의 상부면에 용접 혹은 본딩 등의 다양한 방식으로 결합되되, 탄성 변위부(40)의 편평한 하부면(42)이 편평판 플레이트 형상의 베이스(60)와 밀착되게 결합될 수 있도록 돕는다.

본 발명에 따른 탄성 변위부(40)는 도시된 바와 같이 그 내부에 압전소자(50)를 배치하는데, 압전소자(50)와의 신뢰성 있는 결합을 보장하기 위해 압전소자(50)의 결합 부위(참조부호 없음)를 편평하게 형성하도록 한다. 즉, 탄성 변위부(40)는 편평한 상부면과 하부면 그리고 편평한 결합 부위를 제공하는 8각형 띠의 형상으로 형성될 수 있다.

전술된 바와 같이, 탄성 변위부(40)는 팽창 및 수축 변형을 반복하는 압전소자(50)와 일체로 변형될 수 있도록 탄성력을 가진 서스 등의 금속 재질로 제작될 수 있다. 선택가능하기로, 탄성 변위부(40)는 압전소자(50)와 일체로 변형을 돕도록 압전소자의 열팽창계수와 유사한 재질인 인바(invar)로 제작될 수 있다.

탄성 변위부(40)가 압전소자(50)와 유사한 열팽창계수를 가진 인바 재질로 형성되어, 압전소자(50)는 고온의 환경 하에서도 작동 혹은 열 충격시 발생하는 써멀 스트레스(thermal stress)가 감소되기 때문에 전기적 특성이 저하되는 압전 열화현상을 방지하는 효과를 가진다.

PCB를 통해 압전소자(50)에 전원이 인가되는 경우에, 압전소자(50)는 탄성 변위부(40)를 매개로 하여 진동플레이트(20) 아래에 배열되어 팽창 및/또는 수축 과정을 통해 진동플레이트(20)의 중심부를 중심으로 하여 모멘트가 발생하게 된다. 진동플레이트(20)는 하부에 배치된 탄성 변위부(40) 상에 안착되고 베이스(60)와 소정의 간격을 두고 이격된 상태로 모멘트가 발생하기 때문에 진동플레이트(20)의 양 단부가 상하방향으로 진폭 변위가 일어나 진동을 발생시킨다. 당해 분야의 숙련자들에게 널리 알려져 있듯이, 압전소자(50)는 다양한 재질로 만들어질 수 있으며, 특히 폴리머로 만들어진다.

덧붙여서, 압전소자(50)는 단층형 또는 다층형으로 적층되어 구성될 수 있다. 만약 다층형으로 적층된 압전소자는 낮은 외부 전압에서도 압전소자의 구동에 필요한 전계를 확보할 수 있다. 이에, 본 발명에 따른 압전진동모듈(1)의 구동 전압을 낮출 수 있는 효과를 야기시킬 수 있으므로 본 발명에서는 다층형으로 적층된 압전소자(50)를 채용하는 것이 바람직하다.

베이스(60)는 도시되었듯이 전반적으로 가늘고 긴 편평한 형상의 플레이트로 형성되되, 상부 케이스(10)의 개방 하부면을 덮어씌울 수 있는 크기와 형상으로 형성되어 있다.

상부 케이스(10)와 베이스(60)는 당해 분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있는 코킹(caulking), 용접 혹은 본딩 등의 다양한 방식으로 결합될 수 있다.

본 발명에 따른 압전진동모듈(1)은 도 4a 내지 도 4c를 참조로 하여 터치스크린 패널 혹은 LCD와 같은 화상표시부에 결합되어 진동력을 외부로 전달하는데, 진동력 생성에 대한 구동에 대해 아래에서 간략하게 기술한다.

도 4a는 외부 전원이 인가되기 전의 상태를 도시한 압전진동모듈(1)의 정면도이다.

도 4b는 전원 인가시 압전소자(50)의 길이가 팽창된 압전진동모듈(1)의 정면도로서, 압전소자(50)의 길이가 길어지면 탄성 변위부(40)를 압전진동모듈(1)의 양 단부를 향해 강제로 밀어붙이게 된다. 탄성 변위부(40)가 압전소자(50)의 인장방향으로 변형되므로 탄성 변위부(40)의 높이가 낮아지게 된다. 다시 말하자면, 탄성 변위부(40)의 상부면(41)과 하부면(42) 사이의 높이차는 전원 인가되기 전보다 좁아지게 된다. 이는 탄성 변위부(40)의 상부면(41) 상에 안착된 진동플레이트(20)의 중심부가 도 4a에 도시된 탄성 변위부(40)보다 낮게 위치되면서 진동플레이트(20)의 양 단부를 상방으로 이동하게 한다.

바람직하기로, 진동플레이트(20)의 양 단부에 배치된 중량체의 이격 거리는 탄성 변위부의 최대 인장길이보다 길게 형성되어야 한다. 신장된 탄성 변위부의 단부가 인접해 있는 각각의 중량체와 접촉되지 않도록 한다. 탄성 변위부(40)가 중량체(30)와 접촉하게 되면 탄성 변위부(40)의 구동 변위에 영향을 미치게 될 것이다.

도 4c는 전원 인가시 압전소자(50)의 길이가 수축된 압전진동모듈(1)의 정면도로서, 압전소자(50)의 길이가 줄어들면 압전소자(50)의 양 단부에 결합된 탄성 변위부(40)를 압전진동모듈(1)의 중심부를 향해 오그리게 한다. 즉, 탄성 변위부(40)의 상부면(41)과 하부면(42) 사이의 이격거리가 전원 인가되기 전보다 길어지게 된다. 이는 탄성 변위부(40)의 상부면(41) 상에 안착된 진동플레이트(20)의 양 단부를 하방으로 이동하게 한다.

즉, 본 발명에 따른 압전진동모듈(1)은 도 4b와 도 4c의 압전소자(50)의 팽창 또는 수축 변형을 통해 탄성 변위부(40)의 높낮이를 발생하게 한다. 이러한 연속 운동을 통해 탄성 변위부(40) 상에 안착된 진동플레이트(20)가 상하방향으로 병진이동하게 될 것이다. 이와 동시에, 상하방향으로 병진운동하는 진동플레이트(20)는 이의 양 단부에 구비된 중량체(30)를 수단으로 하여 진동플레이트(20)의 양 단부를 상하방향으로 진폭을 더 크게 유도할 수 있다. 이러한 진동플레이트(20)의 상하이동 변위와 진동플레이트(20)의 진폭 증가를 통해 더욱 개선된 진동력을 제공할 수 있게 될 것이다.

앞서 기술된 구동 과정은 본 발명에 채용된 압전소자와 탄성 변위부 및 진동플레이트의 변위에 대한 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 구동 방식을 한정하는 것이 아님을 미리 밝혀둔다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 압전진동모듈은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1 : 압전진동모듈 10 : 상부케이스
20 : 진동플레이트 30 : 중량체
40 : 탄성 변위부 50 : 압전소자
60 : 베이스

Claims (14)

1. 하부면을 개방하고 내부공간을 형성하는 상부 케이스와;
   상기 상부 케이스의 하부면에 결합되어 상기 상부 케이스의 내부공간을 덮어씌우는 베이스;
   외부 전원의 인가에 따라 수평 방향의 팽창 및 수축 변형을 반복하여 진동력을 생성하는 압전소자;
   전체가 평평한 형상이고, 양 단부가 고정되지 않은 자유로운 상태로 상기 상부 케이스와 베이스의 내부에 배치되어, 탄성 변위부의 변형에 따라 진동하는 진동플레이트;
   다각형 띠의 형상을 갖추고, 그 내부를 가로질러 상기 압전소자를 구비하며, 상기 진동플레이트의 하면 중심부에 배치 고정되어, 상기 압전소자의 수평 방향 팽창 및 수축에 따라 변형되어 수직 방향의 변위를 발생시키는 탄성 변위부; 및
   상기 탄성 변위부를 중심으로 좌우 대칭되게 상기 진동플레이트의 좌우 양측 하면에 결합되는 2개의 중량체;
   를 포함하는 압전진동모듈.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄성 변위부는 상기 진동플레이트와 동일한 재질로 제작되는 압전진동모듈.
   
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 진동플레이트의 좌우 양측에 결합된 2개의 중량체들 사이의 이격 거리는 상기 탄성 변위부의 최대 인장길이보다 길게 형성되어 있는 압전진동모듈.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 진동플레이트는 좌우 양단부에 상기 각 중량체를 지지하기 위한 지지면을 추가로 구비하는 압전진동모듈.
   
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제

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