Recently, as mobile IT products have required smaller, slimmer, lighter, and more power-efficient components with the advent of smartphones and tablet PCs, piezoelectric acoustic actuators have attracted a great deal of attention as the most promising devices to overcome the thickness limitation of the traditional dynamic speakers. The piezoelectric acoustic actuators have significant benefits of being thinner, more power-effient and lighter than the traditional voice-coil speakers. However, general piezoelectric acoustic actuators have still suffered from limitations of acoustic performance such as high driving voltage, lower acoustic output, and bad sound playback quality by the fluctuating frequency response. In order to improve these disadvantages, the piezoelectric ceramic and acoustic diaphragm should be respectively designed to provide a relatively larger mechanical deflection at low voltage and be more flexible. In other words, higher acoustic performance of piezoelectric ceramic speakers can be achieved by design optimization of a piezoelectric ceramic and an acoustic diaphragm. In this study, we have investigated the influence of the optimized triple-layered multimorph ceramics and acoustic diaphragms on the vibrational and frequency response characteristics of the piezoelectric acoustic actuators.
Firstly, in order to select the best suitable material composition of PZT ceramics for high performance piezoelectric acoustic actuators, we investigated the influence of Zr/Ti ratio of PZT materials on their structur-al and piezoelectric properties. For Nb-doped PZT samples with Zr/Ti ratios of 53/47, 55/45, and 56/44, it was found that higher crystallization of perovskite phases can be observed with the increase in Zr content. In addition, the atomic concentrations and grain sizes measured by AES and EDX, and FE-SEM showed that all fabricated Nb-doped ‘soft’ PZT ceramics had lower lead concentration which can result in large piezoelectric coefficient, large electromechanical coupling factors and low coercive fields, and had larger grain size with the increase of Zr content. The larger grain size can lead to higher piezoelectric polarization properties due to their easy polarization switching characteristics. The measured hysteresis loops also confirmed that the in-crease of the Zr content in PZT results in higher $P_r$. Therefore, we selected Nb-doped PZT (56/44) with highest Pr as best suitable material composition for high performance piezoelectric ceramic speakers.
Secondly, the triple-layered multimorph piezoelectric ceramic speakers were successfully fabricated and studied to investigate the effect of the electrical configurations of the piezoelectric ceramics on the volt-age-displacement and frequency response characteristics. The serial and parallel multimorph ceramic speakers were electrically connected in two different configurations of series and parallel, respectively: the serial multimorph in series connection (SMS), the serial multimorph in parallel connection (SMP), the parallel multimorph in series connection (PMS), and the parallel multimorph in parallel connection (PMP). The resonant displacements of the fabricated piezoelectric speakers increased with the increase of the voltage but decreased abruptly above the coercive voltage due to the domain reorientation induced from the applied field. Below the coercive voltage, the maximum resonant displacements for SMS and PMP types were at least 4.8 times higher than SMP and PMS types. It is because the out-of-plane vibrational displacements for SMS and PMP types are higher than SMP and PMS types as well as their resonant displacements are generated by the coupling between the out-of-plane and in-plane motions. Due to these larger displacement characteristics, the triple-layered multimorph ceramic speakers for SMS and PMP types had around 20 dB higher sound pressures than those for SMP and PMS types. Moreover, the speakers with the triple-layered SMS and PMP types had at least 10 dB higher sound pressures at a low-frequency range less than 1 kHz, compared to a commercial piezoelectric speaker.
Thirdly, the vibrational characteristics of 3 types of the acoustic diaphragms were investigated to en-hance the output acoustic performance of the piezoelectric ceramic speaker at a low-frequency range. In other to achieve both a higher output sound pressure level and wider frequency range of the piezoelectric speaker, we have proposed the rubber/resin bi-layer acoustic diaphragm. The theoretical square root dependence of the fundamental resonant frequency on the thickness and Young`s modulus of the acoustic diaphragm was verified by the FEA simulation and LSV measurement. The simulated resonant frequencies for each diaphragm correspond well to the measured results. From the simulated and measurement resonant frequency results, it is found that the fundamental resonant frequency of the piezoelectric ceramic speaker can be designed by adjusting thickness ratio of the rubber/resin bi-layer acoustic diaphragm. Compared to a commercial piezoelectric speaker, the fabricated piezoelectric ceramic speaker with the rubber/resin bi-layer diaphragm has at least 10 dB higher sound pressures at a low-frequency range of less than 1 kHz.
Finally, we presented an optimal design of the acoustic diaphragm to improve the frequency response characteristics of the piezoelectric ceramic speaker. The FEA simulation and laser scanning vibrometer (LSV) measurement results showed that the dip and peak correspond respectively to (1,3) and (3,1) resonant modes of the acoustic diaphragm. By attaching the elastic mass to the acoustic diaphragm, the resonant frequencies corresponded to (1,3) and (3,1) modes shifted to higher frequencies and the vibrational displacements at each mode were quite reduced by about 40 %. In addition, the significant dip of (1,3) mode in SPL of the piezoe-lectric acoustic actuator was dramatically improved by the elastic mass attached to the acoustic diaphragm. This study presents that optimized elastic mass attached to the acoustic diaphragm allows flat and smooth frequency response characteristics for the improved sound quality of the piezoelectric acoustic actuator.
최근, 스마트폰, 태블릿 PC등의 IT 모바일 부품들이 소형화, 슬림화, 경량화 및 저전력화됨에 따라 압전 음향 액추에이터, 즉 압전 세라믹 스피커에 대한 관심이 매우 높아지고 있다. 압전 세라믹 스피커는 초박형화, 초경량화, 저전력 소모 등의 이점으로 기존 보이스-마그넷 스피커를 대체할 수 있는 전도유망한 음향 부품 중 하나이다. 그러나, 일반적인 압전 음향 액추에이터는 높은 입력 전압 및 낮은 출력 특성, 저음 특성 및 음질 저하 등의 단점을 안고 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해서는, 낮은 입력 전압에서 높은 변위를 얻을 수 있는 압전 세라믹 소재의 설계와 낮은 공진주파수 및 주파수 응답 특성 개선을 위한 유연 음향 진동판 최적 설계가 필수적이다. 본 연구는 triple-layered multimorph 및 음향 진동판 최적 설계가 압전 음향 액추에이터의 진동 및 주파수 응답 특성에 미치는 영향에 대하여 분석함으로써, 출력 음압 및 저음 특성이 개선된 고성능 압전 음향 액추에이터를 구현하는 데 목적이 있다.
먼저, 압전 음향 액추에이터의 성능 향상을 위해서 PZT 세라믹 소재의 최적 구성비를 선택하여야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 53/47, 55/45, 그리고 56/44의 Zr/Ti 구성비를 갖는 3 가지 타입의 Nb-doped PZT 샘플을 제작하고, Zr/Ti 비율이 압전 세라믹의 특성에 미치는 영향을 분석하였다. XRD 분석 결과로부터, Zr 구성비가 증가할수록 제작된 압전 세라믹 소재의 perovskite phase의 결정화가 더 많이 일어남을 확인할 수 있었다. 또한, AES, EDX, FE-SEM 측정 결과로부터, 제작된 Nb-doped ‘soft’ PZT 세라믹 소재에서 Zr/Ti ratio와 관계없이 lead vacancy가 발생하고, Zr 구성비가 증가함에 따라서는 PZT 세라믹의 grain size가 커지는 경향을 확인할 수 있었다. 이러한 grain size 증가는 결국 polarization switching 특성을 용이하게 하여 더 높은 압전 특성을 갖도록 한다. 즉, Zr 구성비의 증가에 따라 압전 세라믹 소재는 더 높은 압전 특성을 얻을 수 있고, 이는 결국 높은 변위 특성을 유도하여 압전 세라믹 스피커의 출력 특성을 향상시킬 수 있는 것이다. Zr 증가에 따른 Pr 값의 증가는 hysteresis 측정 결과로부터 증명되었다. 따라서, 본 연구에서는 고성능 압전 음향 액추에이터 구현을 위한 PZT 세라믹 소재의 최적 구성비로서 Zr/Ti (56/44)의 구성비를 선택하였다.
둘째, 본 연구에서는 PZT (56/44)의 구성비를 갖는 triple-layered multimorph 압전 세라믹 소재를 이용하여 압전 세라믹 스피커를 제작하였으며, 압전 세라믹의 전기적 구성에 따른 특성 변화를 분석하였다. 제작된 triple-layered multimorph 압전 세라믹은 분극 방향 및 전기적 구성에 따라 SMS (serial multimorph in series connection), SMP (serial multimorph in parallel connection), PMS (parallel multimorph in series connection), PMP (parallel multimorph in parallel connection)의 4가지 타입으로 나뉘어졌다. 제작된 압전 세라믹 스피커의 공진 모드에서의 변위 특성은, 입력 전압의 증가에 따라 선형적으로 증가하다가 항전압 이후 domain reorientation에 의해 급격히 감소하는 특성을 보였다. 항전압 이하에서는 SMS 및 PMP 타입의 최대 공진 변위 값은 SMP 및 PMS 타입에 비해 약 4.8배 높은 것으로 측정되었다. 이는 SMS 및 PMP 타입의 압전 세라믹이 SMP 및 PMS 타입보다 더 높은 out-of-plane 진동 변위 특성을 가질 뿐 아니라, out-of-plane 및 in-plane 진동 간 coupling 효과에 의해서 더욱 높은 변위 특성을 갖는 것으로 분석된다. 이러한 고변위 특성에 기초하여, SMS 및 PMP 타입의 multimorph 세라믹을 이용한 압전 세라믹 스피커의 출력 음압 특성은 SMP 및 PMS 타입의 압전 세라믹 스피커에 비해 약 20 dB 이상 높은 것으로 분석되었다. 또한, SMS 및 PMP 타입을 이용하여 제작된 압전 세라믹 스피커는 상용 압전 스피커에 비해 1 kHz 미만에서 약 10 dB 이상 높은 출력 음압 특성을 보였다.
셋째, 본 연구에서는 압전 세라믹 스피커의 저음 특성 개선을 위해 rubber/resin 이종물질 복합 음향 진동판을 제안하고 진동판의 두께 및 물성에 따른 주파수 응답 특성 변화를 분석함으로써 음향 진동판의 최적 설계를 수행하였다. FEA 시뮬레이션 및 LSV 측정 결과로부터, 압전 세라믹 스피커의 초기 공진주파수가 음향 진동판의 두께 및 영률의 제곱근에 비례함을 확인할 수 있었다. 이는 압전 세라믹 스피커의 초기 공진 주파수가 rubber/resin 이종물질 복합 진동판의 두께 비율에 따라 최적 설계될 수 있음을 의미한다. 본 연구에서 보인 rubber/resin 이종물질 복합 음향 진동판 및 PMP 타입의 압전 세라믹의 최적 설계를 통해 제작된 압전 세라믹 스피커는, 상용 압전 스피커에 비해 1 kHz 이하에서 약 10 dB 이상 향상되어 저음 특성이 크게 개선된 결과를 보였다.
마지막으로, 저음 특성이 개선되도록 제작된 압전 세라믹 스피커는 압전 세라믹의 공진 모드에 의해 불균일한 주파수 응답 특성을 보이며 압전 세라믹 스피커의 음질 저하를 일으킴을 확인하였다. 이러한 압전 스피커의 주파수 응답 특성을 개선하기 위하여 본 연구에서는 탄성 질량체가 부착된 유연 음향 진동판 구조를 설계하였다. FEA 시뮬레이션 및 LSV 측정 결과로부터, 제작된 압전 세라믹 스피커의 주파수 응답 특성에서 보인 dip과 peak은 각각 (1,3) 및 (3,1) 모드에 해당함을 확인할 수 있었다. 탄성 질량체를 갖는 유연 음향 진동판의 경우, (1,3) 및 (3,1) 모드에 해당하는 공진 모드는 높은 주파수로 shift되었고, 각 모드에서의 진동-변위 특성은 약 40%까지 크게 감소하였다. 본 연구에서는 (1,3) 모드에서의 매우 깊은 dip을 개선하기 위하여 탄성 질량체가 (3,1) 모드와 유사한 형태를 갖도록 설계하였으며, 이로써 (1,3) 모드에서의 진동을 억제하여 압전 세라믹 스피커의 주파수 응답특성을 균일하게 개선하는 결과를 얻을 수 있었다.
이상과 같이, 본 연구에서는 압전 세라믹 및 음향 진동판 최적 설계를 통해 압전 세라믹 스피커의 단점인 출력 특성, 구동 전압, 저음 특성, 음질 등을 크게 개선하였으며, 상용 압전 세라믹 스피커에 비해 우수한 특성의 고성능 압전 세라믹 스피커를 구현할 수 있었다.
