KR20120105785A

KR20120105785A - 압전 소자

Info

Publication number: KR20120105785A
Application number: KR1020110023431A
Authority: KR
Inventors: 정태훈
Original assignee: 삼성테크윈 주식회사
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-26

Abstract

본 발명에서는 압전 소자가 개시된다. 상기 압전 소자는, 탄성 진동판과, 탄성 진동판의 서로 반대되는 제1, 제2 면 상에 각각 형성된 제1, 제2 압전 진동자를 포함하며, 제1, 제2 압전 진동자는, 다수의 압전 세라믹층들과, 압전 세라믹층들 사이 사이에 개재된 다수의 전극층들과, 적층방향을 따라 상기 전극층들을 일괄적으로 관통하여 연장되며 전기적인 접촉을 형성하는 통전 부재를 포함하고, 탄성 진동판의 길이는 압전 세라믹층의 길이 보다 길게 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 압전 세라믹층의 미소한 변위를 증폭시켜서 대변위의 진동을 얻을 수 있는 압전 소자가 제공된다.

Description

압전 소자{Piezoelectric device}

본 발명은 압전 소자에 관한 것이다.

압전 효과에 의하면, 압전 세라믹층과 같은 압전체에 외부로부터 압력이나 진동과 같은 기계적인 에너지를 가하면, 압전 세라믹층의 양면에 외력에 따라 증감하는 양, 음의 전하가 생성되며, 역으로, 압전체에 교류 전원을 인가하면 전기 에너지가 진동 에너지로 전환되어 진동을 발생하는 압전 진동자를 형성하게 된다.

본 발명의 목적은 대변위의 진동을 생성할 수 있는 압전 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 내구성이 향상된 압전 소자를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 압전 소자는,

탄성 진동판;

상기 탄성 진동판의 서로 반대되는 제1, 제2 면 상에 각각 형성된 제1, 제2 압전 진동자를 포함하며,

상기 제1, 제2 압전 진동자는,

다수의 압전 세라믹층들;

상기 압전 세라믹층들 사이 사이에 개재된 다수의 전극층들; 및

적층방향을 따라 상기 전극층들을 일괄적으로 관통하여 연장되며 전기적인 접촉을 형성하는 통전 부재;를 포함하고,

상기 탄성 진동판의 길이는 압전 세라믹층의 길이 보다 길게 형성된 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 상기 전극층은 서로 다른 구동 전위가 인가되는 제1, 제2 전극층을 포함하고,

상기 통전 부재는, 상기 제1, 제2 전극층들과 각각 전기적인 접속을 형성하는 제1, 제2 통전 부재를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 통전 부재는 상기 제1 전극층이 치우치게 형성된 압전 소자의 일단부에 형성되고,

상기 제2 통전 부재는 상기 제2 전극층이 치우치게 형성된 압전 소자의 타단부에 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 통전 부재의 일단은 탄성 진동판 상에 형성된 전극부와 전기적으로 연결될 수 있다.

예를 들어, 상기 통전 부재의 일단과 전극부 사이에는 접속 단자가 개재될 수 있다.

예를 들어, 서로 구동 전위를 전달하는 제1, 제2 통전 부재는, 상기 탄성 진동판 상에 형성된 제1, 제2 전극부와 각각 전기적으로 연결될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1, 제2 전극부는 탄성 진동판의 반대편에서 서로에 대해 공간적으로 이격되게 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 통전 부재는 압전 세라믹층과 전극층에 형성된 비아 홀 내에 채워진 도전성 충진재로 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 압전 소자는,

탄성 진동판;

상기 제1, 제2 압전 진동자는,

다수의 압전 세라믹층;

상기 압전 세라믹층들 사이 사이에 개재되어 적층체를 형성하는 것으로, 압전 세라믹층과 대면되는 본체부와, 상기 본체부로부터 연장되며 상기 적층체의 외표면 상으로 노출되는 접속부를 포함하는 전극층; 및

적층방향을 따라 상기 접속부들을 가로질러 연장되며 전기적인 접촉을 형성하는 통전 부재;를 포함하며,

상기 탄성 진동판의 길이는 상기 압전 세라믹층의 길이 보다 길게 형성된 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 상기 전극층은 서로 다른 구동 전위가 인가되는 제1, 제2 전극층을 포함하고, 상기 제1, 제2 전극층은 상기 적층체의 서로 제1, 제2 면 상으로 노출될 수 있다.

예를 들어, 상기 통전 부재는,

상기 적층체의 제1 면 상을 가로질러 연장되며, 제1 전극층과 전기적인 접촉을 형성하는 제1 통전 부재; 및

상기 적층체의 제2 면 상을 가로질러 연장되며, 제2 전극층과 전기적인 접촉을 형성하는 제2 통전 부재를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 통전 부재의 일단은 상기 탄성 진동판 상에 형성된 전극부와 전기적으로 연결될 수 있다.

예를 들어, 서로 다른 구동 전위를 전달하는 제1, 제2 통전 부재는, 상기 탄성 진동판 상에 형성된 제1, 제2 전극부와 각각 전기적으로 연결될 수 있다.

본 발명에 의하면, 압전 세라믹층의 미소한 변위를 증폭시켜서 대변위의 진동을 얻을 수 있는 압전 소자가 제공된다. 또한, 압전 세라믹층의 내구성이 향상되는 압전 소자가 제공된다. 본 발명의 다른 측면에 의하면, 외부 구동 회로로부터의 신호 전달을 매개하는 배선구조가 개선된 압전 소자가 제공된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 압전 소자의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압전 소자의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 압전 소자의 전극부 구조를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1의 압전 소자가 세트 기기 내에 장착되는 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 압전 소자의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 압전 소자의 분해 사시도이다.
도 7은 도 5에 도시된 압전 소자의 접속 구조를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시형태들에 관한 압전 소자에 대해 설명하기로 한다.

도 1에는 상기 압전 소자의 단면 구조가 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1의 압전 소자의 분해 사시도가 도시되어 있다.

도면들을 참조하면, 상기 압전 소자(150)는 탄성 진동판(100)과, 상기 탄성 진동판(100)의 양면에 형성된 제1, 제2 압전 진동자(110,120)를 포함하는 것으로, 이른바, 바이몰프(Bimorph) 형으로 구성될 수 있다.

상기 탄성 진동판(100)은 제1, 제2 압전 진동자(110,120)의 미소한 기계적인 변위를 증폭시키기 위한 변위 확대 기구로서 기능을 한다. 또한, 후술하는 바와 같이, 상기 탄성 진동판(100) 상에는 전극부(101,102) 구조가 마련되며, 외부 구동 회로(미도시)와 제1, 제2 압전 진동자(110,120) 간의 구동 신호의 전달을 매개하는 전극부(101,102)를 지지해줄 수 있다.

예를 들어, 상기 압전 소자(150)는 진동 휨 모드로 동작할 수 있으며, 압전 세라믹층(10)이 길이 방향을 따라 신장/압축을 반복하는 신축 동작에 따라 압전 소자(150)가 상방으로 휨 변형하거나 또는 하방으로 휨 변형하면서 휨 진동을 생성할 수 있다. 이때, 상기 탄성 진동판(100)은 압전 세라믹층(10)보다 긴 종장을 갖고, 압전 세라믹층(10)보다 길게 연장 형성됨으로써 진동 변위를 확대하고 동시에 낮은 공진 주파수를 유도할 수 있다. 즉, 도 1에서 탄성 진동판(100)의 길이(L1)는 압전 세라믹층(10)의 길이(L2) 보다 길게 설계될 수 있다(L1 > L2). 이로써, 압전 세라믹층(10)의 상대적으로 미소한 휨 변형으로부터 증폭된 변형을 유발시킬 수 있으며, 압전 세라믹층(10)의 내구성을 향상시키는 기능을 할 수 있다.

상기 탄성 진동판(100)은 진동 변위의 증폭을 고려하여 적정의 탄성 계수를 갖는 금속 플레이트로 마련될 수 있으며, 예를 들어, SUS 등의 강제로 마련될 수 있다. 상기 탄성 진동판(100)은 대략 평편한 판 상으로 형성될 수 있으며, 탄성 진동판(100)의 외면을 따라서는 절연층(100a)이 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 절연층(100a)은 탄성 진동판(100)의 금속 표면을 아노다이징 등의 산화 처리를 통하여 절연화시킴으로써 형성될 수 있다. 또는 상기 탄성 진동판(100)의 외 표면에 수지 소재의 절연층을 형성하거나 또는 절연성 테이프로 마련된 절연층이 부착됨으로써 주위 전극부(101,102)로부터 절연화될 수 있다. 이때, 상기 절연층(100a)은 박막 두께로 형성되는 것이 바람직한데, 절연층(100a)이 과도하게 두껍게 형성될 경우, 절연층(100a)에 의한 진동 에너지의 흡수에 따라 탄성 진동판(100)의 진폭이 감쇄될 수 있기 때문이다.

상기 제1, 제2 압전 진동자(110,120)는 탄성 진동판(100)의 제1 면과 제2 면에 형성된 다수의 압전 세라믹층(10)을 포함하고, 상기 압전 세라믹층(10)에 대해 구동 전계를 형성하기 위해 압전 세라믹층(10)과 교번되게 형성된 전극층(11,12)을 포함한다. 또한, 상기 전극층(11,12)에 구동 전압을 인가하기 위한 배선구조를 포함한다. 예를 들어, 상기 배선구조는 탄성 진동판(100)에 형성된 전극부(101,102)와 압전 세라믹층(10) 사이 사이에 개재된 전극층(11,12)을 서로 전기적으로 연결시켜주는 통전 부재(51,52) 및 접속 단자(61,62)를 포함할 수 있다.

상기 압전 세라믹층(10)은 그 양편으로 형성된 제1 전극층(11) 및 제2 전극층(12)에 의해 형성되는 구동 전계에 따라 신장/압축의 기계적인 변형을 형성하게 된다. 이때, 상기 압전 세라믹층(10)은 분극 방향에 따라 분극 방향과 같은 정 방향의 전계 또는 분극 방향과 반대되는 역 방향의 전계에 반응하여 신장/압축의 변형을 유발하게 된다.

각 압전 세라믹층(10)의 표면과 이면에는 제1, 제2 전극층(11,12)이 형성되어 있다. 상기 제1, 제2 전극층(11,12)은 그 사이에 개재된 압전 세라믹층(10)에 대해 제1, 제2 전극층(11,12)의 전위 차에 해당되는 구동 전계를 형성한다. 예를 들어, 제2 전극층(12)을 접지단(ground)으로 하고, 제1 전극층(11)을 입력단으로 하여, 고 전위와 저 전위를 교번되게 갖는 교류 구동 전압이 인가될 수 있으며, 예를 들어, 정현파 형상의 교류 구동 전압에 따라 제1, 제2 전극층(11,12) 사이에 개재된 압전 세라믹층(10)에는 분극 방향에 대해 정 방향 및 역 방향의 전계가 주기적으로 형성되며, 이에 따라 압전 세라믹층(10)은 신장/압축의 휨 진동 모드를 보이게 된다.

예를 들어, 상기 제1, 제2 전극층(11,12)에 인가되는 구동 전압은 압전 소자(110,120)의 질량, 탄성도 및 치수 등을 고려한 공진 주파수의 정현파 구동 전압을 인가함으로써 압전 소자(110,120)에 공진 진동을 유발하며 진폭을 극대화시킬 수 있다.

상기 압전 소자(110,120)에 내장된 다수의 압전 세라믹층(10)들은 서로 반대 방향으로 분극되도록 형성되거나 또는 서로에 대해 같은 방향으로 분극되도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 탄성 진동판(100)의 제1 면 상에 적층된 다수의 압전 세라믹층(10)들은 서로 상하 방향으로 이웃한 인접 압전 세라믹층(10)에 대해 반대 방향으로 엇갈리게 분극될 수 있다. 이로써 교대로 적층된 제1, 제2 전극층(11,12)에 의해 유발되는 반대 방향의 입력 전계에 대해 단체적으로 동일한 신축 방향 또는 압축 방향으로 탄성 변형을 보이며, 제1 압전 진동자(110)의 신축/압축 거동으로 나타나게 된다.

마찬가지로, 탄성 진동판(100)의 제2 면 상에 적층된 다수의 압전 세라믹층(10)들은 서로 상하 방향으로 이웃한 인접 압전 세라믹층(10)에 대해 반대 방향으로 엇갈리게 분극될 수 있다. 이로써, 교대로 적층된 제1, 제2 전극층(11,12)에 의해 유발되는 반대 방향의 입력 전계에 대해 단체적으로 동일한 신축 방향 또는 압축 방향으로 탄성 변형을 보이며, 제2 압전 진동자(120)의 신축/압축 거동으로 나타나게 된다.

상기 제1 압전 진동자(110)와 제2 압전 진동자(120)는 동일한 시점에서 서로 반대 방향의 신장/압축 거동을 보이도록 내장된 압전 세라믹층(10)들의 분극 방향이 조절될 수 있다. 예를 들어, 제1 압전 진동자(110)에 속하는 다수의 압전 세라믹층(10)에 대해 압축 방향의 변형을 일으키도록 구동신호를 인가하고, 제2 압전 진동자(120)에 속하는 다수의 압전 세라믹층(10)에 대해 신장 방향의 변형을 일으키도록 구동신호를 인가함으로써 압전 소자(150)는 전체적으로 하방으로 볼록하게 휘어지는 휨 변형을 일으킬 수 있다.

반대로, 제1 압전 진동자(110)에 속하는 다수의 압전 세라믹층(10)에 대해 신장 방향의 변형을 일으키는 한편으로, 제2 압전 진동자(120)에 속하는 다수의 압전 세라믹층(10)에 대해 압축 방향의 변형을 일으키도록 구동신호를 인가함으로써, 압전 소자(150)는 전체적으로 상방으로 볼록하게 휘어지는 휨 변형을 일으킬 수 있다.

결과적으로 순시적으로 반전되는 교류 형태의 구동신호를 인가함으로써, 상기 압전 소자(150)는 순간적으로 하방으로 볼록하게 휘어졌다가 반전하여 상방으로 볼록하게 휘어지는 휨 변형을 일으키게 되고, 이에 따라 상기 압전 소자(150)는 휨 진동 모드로 동작하는 진동 소자로 기능을 수행할 수 있으며, 예를 들어, 촉각성 피드백인 햅틱 효과를 제공할 수 있다. 다만, 본 발명의 압전 소자(150)는 햅틱 효과를 위한 목적에 한정되는 것이 아니다.

상기 제1, 제2 전극층(11,12)에는 다수의 전극층(11,12)들을 일괄적으로 관통하도록 연장되는 비아 홀(20)이 형성되어 있고, 상기 비아 홀(20) 내에는 통전 부재(51,52)가 형성되어 있다. 상기 통전 부재(51,52)는 압전 소자(150)의 두께 방향을 따라 연장되며, 압전 소자(150)의 전극층(11,12)을 관통하도록 형성된다. 상기 통전 부재(51,52)는 다수의 제1 전극층(11)을 통합적으로 연결하는 제1 통전 부재(51)와, 다수의 제2 전극층(12)을 통합적으로 연결하는 제2 통전 부재(52)를 포함할 수 있다. 상기 제1, 제2 통전 부재(51,52)는 전극층(11,12)들을 관통하도록 형성된 비아 홀(20)의 내부에 채워진 도전성 충진재로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 전도성 에폭시(conductive epoxy)로 형성될 수 있다.

제1 통전 부재(51)는 제1 전극층(11)을 가로질러 연장되고 그 일단부는 탄성 진동판(100) 상에 형성된 제1 접속 단자(61)와 전기적으로 연결된다. 상기 제2 통전 부재(52)는 제2 전극층(12)을 가로질러 연장되고, 그 일단부는 탄성 진동판(100) 상에 형성된 제2 접속단자(62)와 전기적으로 연결된다.

예를 들어, 제1 전극층(11)은 압전 소자(150)의 길이 방향을 따라 일단부에 치우치게 형성될 수 있으며, 상기 일단부를 가로질러 연장되는 제1 통전 부재(51)는 제1 전극층(11)과 일일이 전기적인 접촉을 형성하면서도 제2 전극층(12)과는 절연될 수 있다.

유사하게, 제2 전극층(12)은 압전 소자(150)의 길이 방향을 따라 타단부에 치우치게 형성될 수 있으며, 상기 타단부를 가로질러 연장되는 제2 통전 부재(52)는 제2 전극층(12)과 일일이 전기적인 접촉을 형성하면서도 제1 전극층(11)과는 절연될 수 있다.

상기 탄성 진동판(100) 상에 형성된 제1, 제2 접속 단자(61,62)는, 구동 전압을 생성하는 구동 회로(미도시)와의 전기적인 접점을 형성할 수 있으며, 구동 회로(미도시)로부터 인가된 구동 전압은 상기 제1, 제2 접속 단자(61,62)를 통하여 제1, 제2 전극층(11,12)으로 전달될 수 있다. 상기 제1, 제2 접속 단자(61,62)는 탄성 진동판(100)의 서로 반대 편에 형성될 수 있으며, 탄성 진동판(100)의 양면에 공히 형성될 수 있다. 탄성 진동판(100)의 양면에 형성된 접속 단자(61,62)를 통하여 탄성 진동판(100)의 제1 면에 형성된 제1 압전 진동자(110)와, 탄성 진동판(100)의 제2 면에 형성된 제2 압전 진동자(120)에 대해 구동 전압을 인가할 수 있다. 이렇게 제1, 제2 압전 진동자(110,120)에 대해 구동 전압을 인가하고, 제1, 제2 압전 진동자(110,120)를 동시에 변위시킴으로써 탄성 진동판(100)의 진동 변위를 유발할 수 있다.

도 3에는 상기 압전 소자(150)를 상방에서 바라본 개괄적인 형태를 도시한 도면이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 도면을 참조하면, 상기 탄성 진동판(100) 상에는 접속 단자(61,62)와 전기적으로 연결된 전극부(101,102)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극부(101,102)의 외측 접점(101a,102a)은 구동 전압을 생성하는 구동 회로(미도시)와 전기적 접점을 형성하는 한편으로, 전극부(101,102)의 내측 접점(101b,102b)은 접속 단자(61,62)와 전기적인 접점을 형성한다. 이에, 구동 회로(미도시)로부터 생성된 구동 전압, 예를 들어, 적정 주파수의 정현파의 구동 전압은 전극부(101,102)를 경유하고 접속 단자(61,62)를 통하여 전극층(11,12)으로 인가될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 탄성 진동판(100)의 서로 반대되는 위치에 형성될 수 있으며, 탄성 진동판(100)의 일단부와 타단부에 형성될 수 있다. 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 탄성 진동판(100)의 서로 반대되는 단부에 형성되되, 서로에 대해 절연되도록 공간상으로 이격되어 있으며, 서로 통전되지 않는다. 예를 들어, 상기 탄성 진동판(100)의 중앙 부분에서 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 서로에 대해 이격될 수 있다.

도 1에서 볼 수 있듯이, 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 서로에 대해 공간적으로 이격되어 서로에 대해 절연화될 수 있으며, 또한, 탄성 진동판(100)의 표면에 형성된 절연층(100a, 도 1 참조)을 통하여 서로 절연되어 있다. 상기 탄성 진동판(100)의 외 표면에 형성된 절연층(100a)을 통하여 제1, 제2 전극부(101,102) 간의 전기적인 쇼트나 감전의 위험을 제거할 수 있으며, 구동의 안정성을 도모할 수 있다.

상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 탄성 진동판(100)의 가장자리로부터 탄성 진동판(100)의 중앙 영역을 향하여 연장될 수 있는데, 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 제1, 제2 접속 단자(61,62)와 정렬되는 위치까지 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 제1, 제2 접속 단자(61,62)와 대면하여 겹쳐지게 형성되며, 도전성 접착제(30)를 개재하여 서로 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 제1 접속 단자(61)는 도전성 접착제(30)를 개재하고 제1 전극부(101) 상에 부착될 수 있으며, 유사하게 상기 제2 접속 단자(62)는 도전성 접착제(30)를 개재하고 제2 전극부(102) 상에 부착될 수 있다. 상기 도전성 접착제(30)는 도통 가능한 결합을 매개하는 것으로, 예를 들어, 수지 기재상에 도전성 입자가 다수 분산된 형태의 도전성 필름 등으로 구현될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 압전 진동자(110)는 하부 양편으로 제1, 제2 접속 단자(61,62)를 가질 수 있고, 상기 제1, 제2 접속 단자(61,62)가 탄성 진동판(100)의 제1 면 상에 형성된 제1, 제2 전극부(101,102) 상에 도전성 결합됨으로써 제1 압전 진동자(110)가 탄성 진동판(100)의 제1 면상에 고정될 수 있다.

유사하게, 상기 제2 압전 진동자(120)는, 상부 좌우 양편으로 제1, 제2 접속 단자(61,62)를 가질 수 있고, 상기 제1, 제2 접속 단자(61,62)가 탄성 진동판(100)의 제2 면에 형성된 제1, 제2 전극부(101,102)에 도전성 결합됨으로써 제2 압전 진동자(120)가 탄성 진동판(100)의 제2 면에 고정될 수 있다.

제1 압전 진동자(110)에 내장된 다수의 압전 세라믹층(10)들 중에서, 탄성 진동판(100)을 기준으로 가장 근거리에 배치된 압전 세라믹층(10n)과, 가장 원거리에 배치된 압전 세라믹층(10n)은 상하 양면 중 어느 일 면을 통해서만 전극층(11,12)과 접촉된다. 이러한 압전 세라믹층(10)은 신장/압축과 같은 탄성 진동을 의도하지 않는 비활성 (non-active) 압전 세라믹층으로, 더미 압전 세라믹층(10n)을 형성한다. 이들 더미 세라믹층(10n)은 내부의 활성 압전 세라믹층(10)을 보호하는 기능을 할 수 있다.

유사하게, 제2 압전 진동자(120)에 내장된 다수의 압전 세라믹층(10)들 중에서, 탄성 진동판(100)을 기준으로 가장 근거리에 배치된 압전 세라믹층(10n)과, 가장 원거리에 배치된 압전 세라믹층(10n)은 탄성 진동을 의도하지 않는 비활성 (non-active) 압전 세라믹층으로, 더미 압전 세라믹층(10n)을 형성할 수 있다.

앞서 설명된 바와 같이, 탄성 진동판(100)의 중앙 영역에는 전극구조가 마련되지 않으며, 탄성 진동판(100)의 일단부와 타단부에 형성된 제1, 제2 전극부(101,102)가 서로에 대해 이격되어 전기적으로 절연되도록 소정의 이격 공간을 제공한다. 상기 탄성 진동판(100)의 중앙 영역에는 지지층(40)이 형성될 수 있다.

상기 지지층(40)은 전극부(101,102)와 접속 단자(61,62)가 배제된 탄성 진동판(100)의 중앙 영역에 배치되며, 예를 들어, 탄성 진동판(100)과 더미 압전 세라믹층(10n) 사이에 개재되어 이들 사이를 구조적으로 지지해주는 기능을 할 수 있다.

한편, 도 3을 참조하면, 상기 압전 소자(150)는 종 방향을 따라 길게 연장되는 형태의 세장형(elongated) 형상으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

도면을 참조하면, 압전 소자(150)의 중앙 영역에는 다수의 압전 세라믹층(10)과 전극층(11,12)들이 서로 교대로 적층되어 있으며, 압전 소자(150)의 좌우 양편으로는 제1, 제2 전극부(101,102)가 형성되어 있다. 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 탄성 진동판(100)의 종 방향을 따라 서로 반대 편에 형성되어 있다. 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 탄성 진동판(100)의 종 방향을 따라 길게 연장되도록 탄성 진동판(100) 상에 패턴 형성될 수 있다.

상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 구동 회로(미도시)와 접속 단자(61,62) 사이를 이어주며, 전극부(101,102)의 일단은 구동 회로(미도시)와 접점을 형성하는 한편으로, 전극부(101,102)의 타단은 접속 단자(61,62)와 접점을 형성한다. 보다 구체적으로, 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 상대적으로 광폭으로 형성된 외측 접점(101a,102a)과 내측 접점(101b,102b)을 포함할 수 있으며, 상기 외측 접점(101a,102a)은 구동 회로(미도시)와의 접점을 형성하고, 상기 내측 접점(101b,102b)은 접속 단자(61,62)와의 접점을 형성할 수 있다. 한편, 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 상기 외측, 내측 접점(101a,101b,102a,102b)들 사이를 이어주는 협폭의 연결부(101c,102c)를 포함할 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 압전 소자가 세트 기기에 장착된 상태를 모식적으로 보여주는 도면이다. 예를 들어, 상기 압전 소자(150)는 햅틱 액츄에이터(haptic actuator)로 기능할 수 있다. 여기서, 햅틱 액츄에이터는 햅픽 효과를 제공하기 위한 것으로, 사용자 인터페이스를 향상시키기 위한 촉각성 피드백을 주기 위한 진동 소자를 의미한다.

참고적으로 햅틱이란 물체를 만질 때, 사림의 핑거 팁으로 느낄 수 있는 촉각성 감각으로서, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감 피드백을 주로 의미하나, 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 운동 감각성 피드백을 포괄할 수도 있다.

상기 압전 소자(150)가 내장되는 세트 기기로는, 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형의 모바일 기기가 예시될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

도면을 참조하면, 상기 압전 소자(150)의 좌우 양편은 세트 기기에 고정된 고정단(190)을 형성하며, 고정되지 않은 중앙 영역에서 압전 소자(150)의 최대 변위가 형성될 수 있다. 즉, 압전 소자(150)는 양편의 고정단(190) 사이에서, 상방으로 볼록하게 휘어진 변형 상태와, 하방으로 볼록하게 휘어진 변형 상태 사이에서 진동하는 휨 진동 모드로 동작할 수 있다.

상기 압전 소자(150)의 좌우 양편에 형성된 고정단(190)을 통하여 압전 소자(150)에 대해 구동 신호가 인가될 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(150)의 좌우 양단은 세트 기기의 고정단(190)에 대해 탄성적으로 가압 접촉되며, 가압 접촉된 고정단(190)을 통하여 압전 소자(150)에 구동 신호가 인가될 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 달리, 상기 압전 소자(150)는 일단 및 타단 중 어느 일 부분이 세트 기기에 클램핑 구속되어 고정단을 형성하고, 상기 압전 소자(150)의 일단 및 타단 중 나머지 부분이 자유단을 형성할 수 있으며, 이 경우, 압전 소자(150)는 자유단 부분에서 최대의 변형량을 생성할 수 있다.

도 5 내지 도 7에는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 압전 소자가 도시되어 있다. 도 5에는 압전 소자의 단면 구조가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5에 도시된 압전 소자의 분해 사시도가 도시되어 있다. 그리고, 도 7에는 도 5에 도시된 압전 소자의 접속 구조를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 상기 압전 소자(250)는 탄성 진동판(100)과, 상기 탄성 진동판(100)의 서로 반대되는 제1, 제2 면 상에 형성된 제1, 제2 압전 진동자(110,120)를 포함한다. 상기 제1, 제2 압전 진동자(110,120)는 서로 교대로 적층된 압전 세라믹층(10)과 전극층(11,12)의 적층체를 포함한다. 도면들에서, 전술한 실시형태에서와 실질적으로 동일 유사한 기능을 수행하는 부재에 대해서는 동일한 도면 번호를 부여하였다.

도 5를 참조하면, 각 압전 세라믹층(10)의 표면 측과 이면 측에는 제1, 제2 전극층(11,12)이 배치되며, 각 압전 세라믹층(10)에는 표면과 이면에 형성된 제1, 제2 전극층(11,12)에 의해 제1, 제2 전극층(11,12)의 전위 차에 해당되는 구동 전계가 형성된다. 보다 구체적으로, 압전 세라믹층(10)에는 분극 방향과 같은 정 방향의 전계 또는 분극 방향과 반대되는 역 방향의 전계가 형성되며, 경시적으로 인가되는 정/역 방향의 전계에 따라 압전 세라믹층(10)은 압축/신장 변형을 반복하면서 휨 진동을 유발하게 된다.

예를 들어, 상기 제2 전극층(12)을 접지단(ground)로 하고, 상기 제1 전극층(11)을 입력단으로 하여, 정극성 펄스와 부극성 펄스를 교대로 갖는 교류 형태의 구동 전압이 인가되며, 정현파 형태의 교류 전압이 인가될 수 있다. 이에 따라 상기 압전 세라믹층(10)에는 정 방향/역 방향의 전계가 경시적으로 인가되며, 결과적으로 압전 세라믹층(10)에 반복적인 압축/신장 변형을 일으키게 된다.

예를 들어, 제1 압전 진동자(110)에 속하는 다수의 압전 세라믹층(10)에 대해 압축 방향의 변형을 일으키도록 구동신호를 인가하고, 제2 압전 진동자(120)에 속하는 다수의 압전 세라믹층(10)에 대해 신장 방향의 변형을 일으키도록 구동신호를 인가함으로써 압전 소자(150)는 전체적으로 하방으로 볼록하게 휘어지는 휨 변형을 일으킬 수 있다. 반대로, 제1 압전 진동자(110)에 속하는 다수의 압전 세라믹층(10)에 대해 신장 방향의 변형을 일으키는 한편으로, 제2 압전 진동자(120)에 속하는 다수의 압전 세라믹층(10)에 대해 압축 방향의 변형을 일으키도록 구동신호를 인가함으로써, 압전 소자(150)는 전체적으로 상방으로 볼록하게 휘어지는 휨 변형을 일으킬 수 있다.

결과적으로 순시적으로 반전되는 교류 형태의 구동신호를 인가함으로써, 상기 압전 소자(150)는 순간적으로 하방으로 볼록하게 휘어졌다가 반전하여 상방으로 볼록하게 휘어지는 변형을 일으키게 되고, 이에 따라 상기 압전 소자(150)는 휨 진동 모드로 작동하는 진동 소자로 기능을 수행할 수 있으며, 예를 들어, 촉각성 피드백인 햅틱 효과를 제공할 수 있다. 다만, 본 발명의 압전 소자는 햅틱 효과를 위한 목적에 한정되는 것이 아니다.

상기 탄성 진동판(100)은 압전 세라믹층(10)보다 긴 종장을 갖고, 압전 세라믹층(10)보다 길게 연장됨으로써 압전 세라믹층(10)의 상대적으로 미소한 진동 변위가 확대될 수 있으며, 동시에 낮은 공진 주파수를 유도할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 5를 참조하면, 탄성 진동판(100)의 길이(L1)는 압전 세라믹층(10)의 길이(L2) 보다 길게 설계될 수 있다. 상기 탄성 진동판(100)은 압전 세라믹층(10)의 상대적으로 미소한 휨 변형으로부터 증폭된 진동 변위를 유발함으로써 충분한 진동 효과를 거두면서도 압전 세라믹층(10)의 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 제1, 제2 전극층(11,12)은 서로 반대 면을 향하여 노출되게 형성된다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 전극층(11,12)은 서로 반대되는 정면과 배면을 향하여 그 일부가 노출되게 형성될 수 있다. 상기 제1, 제2 전극층(11,12)은 대략 판 상으로 형성될 수 있으며, 넓은 면적으로 압전 세라믹층(10)과 마주하게 배치되어 구동 전계를 형성하는 본체부(11a,12a)와, 상기 본체부(11a,12a)에 대해 구동 전압을 전달하도록 압전 세라믹층(10)의 가장자리, 그러니까 압전 세라믹층(10)과 전극층(11,12)이 형성하는 적층체의 가장자리로 노출된 접속부(11c,12c)를 포함할 수 있다.

상기 본체부(11a,12a)는, 상기 압전 세라믹층(10)의 내부영역과 마주하게 형성될 수 있고, 상기 접속부(11c,12c)는 압전 세라믹층(10)으로부터 노출되도록 본체부(11a,12a)로부터 압전 세라믹층(10)의 가장자리로 연장되어 노출될 수 있다.

이렇게 서로 다른 면 방향으로 노출된 접속부(11c,12c)를 통하여 제1, 제2 전극층(11,12)이 서로 다른 면 방향으로 취합될 수 있으며, 예를 들어, 다수의 제1 전극층(11)은 정면으로 노출된 제1 접속부(11c)를 통하여 일괄적으로 취합될 수 있고, 다수의 제2 전극층(12)은 배면으로 노출된 제2 접속부(12c)를 통하여 일괄적으로 취합될 수 있다.

도 7에서 볼 수 있듯이, 다수의 전극층(11,12)들이 적층된 적층체의 정면으로는 제1 접속부(11c)가 노출될 수 있으며, 상기 적층체의 배면으로는 제2 접속부(12c)가 노출될 수 있다. 그리고, 이렇게 노출된 제1, 제2 접속부(11c,12c)에는 각각 제1 통전 부재(51)와 제2 통전 부재(52)가 접속될 수 있으며, 제1, 제2 통전 부재(51,52)를 통하여 인가되는 구동신호는 각각 제1, 제2 전극층(11,12)으로 인가될 수 있다.

상기 제1 통전 부재(51)는 적층체의 정면을 가로질러 연장되며, 정면 방향으로 노출된 제1 전극층(11)들과 일일이 접점을 형성하면서 적층체의 정면을 가로질러 연장될 수 있다. 상기 제2 통전 부재(52)는 적층체의 배면을 가로질러 연장되며, 배면 방향으로 노출된 제2 전극층(12)들과 일일이 접점을 형성하면서 적층체의 배면을 가로질러 연장될 수 있다.

제1 통전 부재(51)를 통하여 인가되는 구동신호가 선택적으로 제1 전극층(11)에 대해 통전되는 한편으로, 제2 전극층(52)에 대해 절연되도록 상기 제2 전극층(12)은 제1 통전 부재(51)가 연장되는 적층체의 정면으로부터 일정한 거리 만큼 이격될 수 있다.

유사하게, 제2 통전 부재(52)를 통하여 인가되는 구동신호가 선택적으로 제2 전극층(12)에 대해 통전되는 한편으로, 제1 전극층(11)에 대해 절연되도록 상기 제1 전극층(11)은 제2 통전 부재(52)가 연장되는 적층체의 배면으로부터 일정한 거리 만큼 이격될 수 있다.

상기 제1, 제2 통전 부재(51,52)는 도전성 판재 등으로 형성될 수 있으나, 휨 진동을 따라 유연하게 변형할 수 있는 가소성 소재로 형성될 수 있으며, 또는 휨 진동을 유연하게 추종할 수 있도록 스프링 등의 형상을 포함할 수 있다.

도 5에서 볼 수 있듯이, 상기 제1, 제2 통전 부재(51,52)는 탄성 진동판(100) 상에 형성된 접속 단자(61,62)에 접속되며, 제1, 제2 접속 단자(61,62)에 접속될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 통전 부재(51)는 제1 접속 단자(61)에 접속된 일단으로부터 압전 진동자(110,120)의 전면을 가로질러 연장되며, 제1 전극층(11)들과 일일이 접속을 형성하게 된다. 예를 들어, 상기 제2 통전 부재(52)는 제2 접속 단자(62)에 접속된 일단으로부터 압전 진동자(110,120)의 배면을 가로질러 연장되며, 제2 전극층(12)들과 일일이 접속을 형성하게 된다.

상기 탄성 진동판(100) 상에는 제1, 제2 전극부(101,102)가 형성된다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 탄성 진동판 상에 패턴 형성될 수 있다. 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 구동 회로(미도시)와 접점을 형성하는 한편으로 접속 단자(61,62)와 접점을 형성함으로써 구동 회로(미도시)와 접속 단자(61,62) 간의 구동 신호의 전달을 매개한다.

상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 서로에 대해 절연되어 있으며, 탄성 진동판(100)의 중앙 영역에서 서로에 대해 이격되어 있다. 또한, 제1, 제2 전극부(101,102)는 탄성 진동판(100)의 표면에 형성된 절연층(100a)을 통하여 서로 절연되어 있다.

상기 절연층(100a)은 탄성 진동판(100)의 외 표면을 따라 형성될 수 있으며, 예를 들어, 상기 절연층(100a)은 탄성 진동판의 금속 표면을 아노다이징 등의 산화 처리를 통하여 절연화시킴으로써 형성될 수 있다.

한편, 상기 제1 압전 진동자(110)에 속하는 다층의 압전 세라믹층(10) 중에서, 최 외측에 형성된 압전 세라믹층(10n)과, 최 내측에 형성된 압전 세라믹층(10n)은, 압전 구동을 의도하지 않는 비활성(non-active) 압전 세라믹층 즉, 더미 압전 세라믹층(10n)을 형성할 수 있다. 즉, 탄성 진동판(100)을 기준으로 가장 근거리에 배치된 압전 세라믹층(10n)과, 가장 원거리에 배치된 압전 세라믹층(10n)은 더미 압전 세라믹층(10n)을 형성할 수 있으며, 이들은 내측에 배치된 활성(active) 압전 세라믹층(10)을 보호하는 기능을 할 수 있다. 유사하게, 제2 압전 진동자(120)에 속하는 다층의 압전 세라믹층(10)들 중에서, 최 외측에 형성된 압전 세라믹층(10n)과, 최 내측에 형성된 압전 세라믹층(10n)은, 압전 구동을 의도하지 않는 비활성(non-active) 압전 세라믹층, 즉 더미 압전 세라믹층(10n)을 형성할 수 있다.

도면상으로 도시되어 있지는 않지만, 구동 회로(미도시)는 전자 제어를 통하여 제어된 주파수를 갖는 구동 전압을 생성하는 전자 제어 회로를 포함할 수 있다.

10 : 압전 세라믹층 11 : 제1 전극층
11a : 본체부 11c : 접속부
12 : 제2 전극층 12a : 본체부
12b : 접속부 20 : 비아 홀
30 : 도전성 접착제 40 : 지지층
51 : 제1 통전 부재 52 : 제2 통전 부재
61 : 제1 접속 단자 62 : 제2 접속 단자
100 : 탄성 진동판 100a : 절연층
101 : 제1 전극부 101a, 102a : 외측 접점
101b,102b : 내측 접점 101c,102c : 연결부
102 : 제2 전극부 110 : 제1 압전 진동자
120 : 제2 압전 진동자 150 : 압전 소자
190 : 세트 기기의 고정단

Claims

탄성 진동판;
상기 탄성 진동판의 서로 반대되는 제1, 제2 면 상에 각각 형성된 제1, 제2 압전 진동자를 포함하며,
상기 제1, 제2 압전 진동자는,
다수의 압전 세라믹층들;
상기 압전 세라믹층들 사이 사이에 적층된 다수의 전극층들; 및
적층방향을 따라 상기 전극층들을 일괄적으로 관통하여 연장되며 전기적인 접촉을 형성하는 통전 부재;를 포함하고,
상기 탄성 진동판의 길이는 압전 세라믹층의 길이 보다 길게 형성된 것을 특징으로 하는 압전 소자.
제1항에 있어서,
상기 전극층은 서로 다른 구동 전위가 인가되는 제1, 제2 전극층을 포함하고,
상기 통전 부재는, 상기 제1, 제2 전극층들과 각각 전기적으로 연결되는 제1, 제2 통전 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
제2항에 있어서,
상기 제1 통전 부재는 상기 제1 전극층이 치우치게 형성된 압전 소자의 일단부에 형성되고,
상기 제2 통전 부재는 상기 제2 전극층이 치우치게 형성된 압전 소자의 타단부에 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
제1항에 있어서,
상기 통전 부재의 일단은 상기 탄성 진동판 상에 형성된 전극부와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
제4항에 있어서,
상기 통전 부재의 일단과 전극부 사이에는 접속 단자가 개재되는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
제4항에 있어서,
서로 다른 구동 전위를 전달하는 제1, 제2 통전 부재는, 상기 탄성 진동판 상에 형성된 제1, 제2 전극부와 각각 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
제6항에 있어서,
상기 제1, 제2 전극부는 탄성 진동판의 반대편에서 서로에 대해 공간적으로 이격되게 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
제1항에 있어서,
상기 통전 부재는 상기 압전 세라믹층과 전극층에 형성된 비아 홀 내에 채워진 도전성 충진재로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
탄성 진동판;
상기 탄성 진동판의 서로 반대되는 제1, 제2 면 상에 각각 형성된 제1, 제2 압전 진동자를 포함하며,
상기 제1, 제2 압전 진동자는,
다수의 압전 세라믹층;
상기 압전 세라믹층들 사이 사이에 개재되어 적층체를 형성하는 것으로, 압전 세라믹층과 대면되는 본체부와, 상기 본체부로부터 연장되며 상기 적층체의 외표면 상으로 노출되는 접속부를 포함하는 전극층; 및
적층방향을 따라 상기 접속부들을 가로질러 연장되며 전기적인 접촉을 형성하는 통전 부재를 포함하며,
상기 탄성 진동판의 길이는 상기 압전 세라믹층의 길이 보다 길게 형성된 것을 특징으로 하는 압전 소자.
제9항에 있어서,
상기 전극층은 서로 다른 구동 전위가 인가되는 제1, 제2 전극층을 포함하고,
상기 제1, 제2 전극층은 상기 적층체의 서로 제1, 제2 면 상으로 노출되는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
제10항에 있어서,
상기 통전 부재는,
상기 적층체의 제1 면 상을 가로질러 연장되며, 제1 전극층과 전기적인 접촉을 형성하는 제1 통전 부재; 및
상기 적층체의 제2 면 상을 가로질러 연장되며, 제2 전극층과 전기적인 접촉을 형성하는 제2 통전 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
제9항에 있어서,
상기 통전 부재의 일단은 상기 탄성 진동판 상에 형성된 전극부와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
제12항에 있어서,
서로 다른 구동 전위를 전달하는 제1, 제2 통전 부재는, 상기 탄성 진동판 상에 형성된 제1, 제2 전극부와 각각 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
제13항에 있어서,
상기 제1, 제2 전극부는 탄성 진동판의 반대편에서 서로에 대해 공간적으로 이격되게 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자.