KR100507420B1

KR100507420B1 - 트랜스듀서용 구동 유닛

Info

Publication number: KR100507420B1
Application number: KR10-2002-0065438A
Authority: KR
Inventors: 다까산마사끼; 우에마쯔다쯔야; 고이께요시까즈
Original assignee: 가부시키가이샤 도요다 지도숏키
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2005-08-11
Also published as: KR20030035953A; JP3804512B2; US20030081798A1; US6994207B2; JP2003126778A; TW574119B

Abstract

여진측 트랜스듀서 (14) 는 긴 진동판 (12) 의 일 말단과 연결되고, 수신측 트랜스듀서 (15) 는 진동판 (12) 의 다른 말단과 연결된다. 랑제방형 (Langevin) 트랜스듀서는 여진측 및 수신측 트랜스듀서 (14, 15) 용으로 이용된다. 각각의 트랜스듀서 (14, 15) 는 한 쌍의 고리 형상의 압전 소자 (17a, 17b) 를 포함한다. 여진측 트랜스듀서 (14) 는 발진기 (22) 와 연결된다. 제어기 (26) 는 발진기 (22) 를 제어한다. 진동판 (12) 의 수신측의 진동 상태를 검출하는 전압 센서 (25) 의 검출 신호는 제어기 (26) 로 피드백된다. 제어기 (26) 는 발진기 (22) 를 제어하여, 여진측과 수신측의 진동 사이의 위상차가 소정의 범위 내에 있도록 하고, 수신측이 소정의 진폭 이상의 진폭에 의해 진동되도록 한다.

Description

트랜스듀서용 구동 유닛{DRIVING UNIT FOR TRANSDUCER}

본 발명은 긴 진동체를 진동시키는 트랜스듀서를 구동하기 위한 구동 유닛에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 음파의 음향 방사 압력에 의해 물체를 부양시키는 장치에 적합한 구동 유닛에 관한 것이다.

일본 특허 공개 제 7-137824 호 및 제 9-202425 호 각각에는 이와 같은 구동 유닛을 갖는 장치가 개시되어 있다. 각각의 장치에는 긴 진동체, 여진측 트랜스듀서, 및 수신측 트랜스듀서가 포함된다. 여진측 트랜스듀서는 진동체의 일 말단에 위치되고, 진동파 (음파) 를 발생한다. 수신측 트랜스듀서는 진동체의 다른 말단에 위치되고, 진동파를 수신한다. 수신측 트랜스듀서에 대응되는 여진측 트랜스듀서는 진동체 상에 진행파를 발생시켜, 진동체의 표면으로부터 물체를 부양하고, 진행파의 음향 방사 압력에 의해 부양된 물체를 전달한다. 수신측 트랜스듀서는 진동체 상에 진행파를 발생시키기 위하여 부하 회로를 갖는다. 부하 회로는 트랜스듀서의 진동 에너지를 전기적 에너지로 전환한다. 부하 회로는 전기적 에너지를 열 형태로 소모하는 저항을 갖는다. 전술한 특허 공개 제 9-202425 호에는 판형의 넓은 물체를 전달하기 위한 장치가 개시되어 있다. 이 장치는 서로 평행하게 배치된 수 개의 진동체 상에 진행파를 발생시켜, 넓은 물체를 전달한다.

그 장치는, 여진측 트랜스듀서로서 압전 소자를 이용하는 랑제방 (Langevin) 트랜스듀서를 이용한다. 압전 소자를 이용하는 트랜스듀서는, 진동 시스템의 공진 주파수에서 여진되어, 진동체를 필요한 배율 (진폭; amplitude) 로 진동시킨다. 이 진동 시스템은 진동될 수 있는 장치의 모든 부분을 의미한다.

전술한 공보에서는, 여진측 트랜스듀서가 진동 시스템의 공진 주파수에서 여진되는 것을 개시하고 있지만, 이 트랜스듀서를 여진시키는 발진기의 제어 방법은 개시되어 있지 않다.

압전 트랜스듀서를 안정적으로 구동시키기 위한 통상의 구동 시스템은, 브릿지 피드백 발진기 또는 진동 피드백 발진기를 포함한다 (The Ultrasound Handbook 참조). 전기수축 (electrostriction) 트랜스듀서의 단자 (terminal) 전압을 V로, 단자 전류를 I로, 감쇠 어드미턴스 (damping admittance) 를 Yd로, 그리고, 동적 어드미턴스 (dynamic admittance) 를 Ym으로 표시하기로 한다. 브릿지 피드백 발진기는, 동적 어드미턴스를 갖는 압전 소자를 통하여 흐르는 전류 YmV가 진동 속도에 비례하는 특성을 이용한다. 보다 상세하게는, 전력 증폭기와 트랜스듀서 사이에 브릿지 회로를 삽입하고 진동 속도에 비례하는 전압을 픽업 (pick up) 함으로써, 피드백 발진을 수행한다. 도 5는 일측 상에 전기수축 트랜스듀서를 갖는 브릿지 회로를 나타낸 것이다. 전기수축 트랜스듀서 (40) 가 감쇠되면, 브릿지 회로의 감쇠 어드미턴스 (Yd) 는 평형을 이루게 되어, 브릿지 출력 전압이 0이 되도록 한다. 전기수축 트랜스듀서 (40) 가 진동하면, 진동 속도에 비례하는 브릿지 출력이 획득된다.

진동 피드백 발진기에서, 여진측 트랜스듀서의 전극, 보다 상세하게는, 압전 트랜스듀서는 분할되며, 그 전극의 일부분은 진동 속도와 비례하는 출력을 검출하기 위한 픽업 (pickup) 으로서 이용된다. 출력 전압에 기초하여, 여진측 트랜스듀서를 발진시킨다.

그러나, 브릿지 피드백 발진기에서는, 브릿지 부분에서 회로의 정수를 조절하는데 많은 문제가 있다. 또한, 그 정수는 부하가 변할 때마다 조절되어야할 필요가 있다.

반면에, 진동 피드백 발진기에서는, 픽업을 압전 트랜스듀서에 기계적으로 접속시킨다. 따라서, 신뢰성 또는 탑재 공간의 문제가 고려될 수 있다.

긴 판형 진동체를 이용할 때와 같이, 여진측 트랜스듀서 및 수신측 트랜스듀서가 서로 이격되면, 비록 여진측 트랜스듀서와 근접한 측면에서 진동체가 적절한 방법으로 진동되더라도, 수신측 트랜스듀서와 근접한 진동체의 측면은 적절한 방법으로 진동되지 못할 수도 있다. 전술한 종래 기술의 발진기에서는, 여진측 트랜스듀서의 진동에 대응하는 성분만이 피드백되어, 진동체의 진동 상태를 조절한다. 따라서, 이와 같은 피드백이 실행되더라도, 전체 진동체는 고르게 진동되지 못할 수도 있다.

또한, 긴 진동체에는 공진 주파수의 고유값이 다수 존재한다. 따라서, 여진측 트랜스듀서와 근접한 진동체의 측면만을 관측한다면, 진동체가 바람직하지 않은 모드로 진동되는 것을 알 수 있다. 특히, 진동체 상에서 정재파 (standing wave) 가 발생되면, 진동체는 공명점에서 진동되는 것이 바람직하다. 그러나, 진동체 상에서 진행파가 발생되면, 진동체는 공명점이 아닌 주파수에서 진동되는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우, 진동체는 공명점 근처의 주파수에서, 수신측 트랜스듀서의 위상과 다른 소정의 위상차에 의해 진동되는 것이 바람직하다. 따라서, 여진측 트랜스듀서로부터 신호의 전기 임피던스가 검출되더라도, 진행파에 적합한 주파수는 획득되지 않는다.

따라서, 본 발명의 목적은, 진동체 전체를, 거의 고르게, 효율적이면서 안정적으로 진동시키기 위한 단순한 구동 유닛을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 여진측 트랜스듀서를 최적의 주파수에서 구동시켜, 긴 진동체 상에 진행파를 효과적으로 발생시키는 구동 유닛을 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 제 1 말단 및 제 2 말단을 갖는, 긴 진동체를 갖는 장치를 구동시키기 위한 구동 유닛을 제공한다. 제 1 말단은 제 1 트랜스듀서와 연결되고, 제 2 말단은 제 2 말단에서의 진동을 검출하는 검출기와 연결된다. 구동 유닛은, 제 1 트랜스듀서와 접속되는 발진기로서, 상기 발진기는 제 1 트랜스듀서를 여진시키고, 여진될 경우에 제 1 트랜스듀서는 진동체를 진동시키는, 상기 발진기; 및 발진기와 접속되는 제어기로서, 상기 제어기는 검출기로부터의 검출 신호에 기초하여 발진기를 제어하여 제 1 트랜스듀서를 여진시키는, 상기 제어기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예를 나타내는 첨부된 도면과 함께 다음의 설명으로부터, 본 발명의 다른 양태과 이점을 명료하게 이해할 수 있다.

이하, 첨부된 도면과 함께 바람직한 실시예의 설명을 참조함으로써 본 발명의 목적 및 이점을 이해할 수 있다.

이하, 장치 (11) 에서 실시되는 본 발명에 따른 구동 유닛의 바람직한 실시예를 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 구동 유닛 (27) 을 포함하는 장치 (11) 의 개략적인 사시도이다. 도 3은, 본 발명의 구동 유닛 (27) 을 포함하는 장치 (11) 를 나타내는 개략적인 측면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 장치 (11) 는, 본 실시예의 진동판 (12) 인, 긴 진동체를 포함한다. 진동판 (12) 은, 전달하고자 하는 물체 (13) 의 폭보다 넓은 폭을 갖는 직사각형 형상을 갖는다. 진동판 (12) 은 제 1 말단 (도 1에서는 좌측) 과 제 2 말단 (도 1에서는 우측) 을 갖는다. 여진측 트랜스듀서 (14) 및 수신측 트랜스듀서 (15) 는 각각 호른 (16) 을 갖는다. 여진측 트랜스듀서 (14) 와 수신측 트랜스듀서 (15) 는 대응하는 호른 (16) 의 선단(先端) 에서 나사 (미도시) 에 의해 진동판의 제 1 말단측과 제 2 말단측에 각각 연결된다. 여진측 트랜스듀서 (14) 는 진동판 (12) 을 진동시킨다. 수신측 트랜스듀서 (15) 는 진동을 수신한다. 대응하는 호른 (16) 을 갖는 여진측 트랜스듀서 (14) 와 연결된 진동판 (12) 의 측면을 여진측으로 명명한다. 대응하는 호른 (16) 을 갖는 수신측 트랜스듀서 (15) 와 연결된 진동판 (12) 의 측면을 수신측으로 명명한다. 각각의 호른 (16) 은 평평하고 거의 직사각형인 고체이다. 각각의 호른 (16) 은 진동판 (12) 의 대응하는 말단에 부착됨으로써, 진동판 (12) 에 수직하게 된다.

각각의 호른 (16) 은, 진동판 (12) 과 결합되는 기단(基端) 의 반대측의 선단에서 여진측 트랜스듀서 (14) 와 수신측 트랜스듀서 (15) 중 대응하는 하나와 결합된다. 즉, 호른 (16) 중 하나는 여진측 트랜스듀서 (14) 의 일부분을 형성한다. 호른 (16) 의 선단은 여진측 및 수신측 트랜스듀서 (14, 15) 의 축과 직교하는 평면 상에서 형성된다. 호른 (16) 의 축과 여진측 및 수신측 트랜스듀서 (14, 15) 의 축은 수직방향으로 연장된다.

여진측 및 수신측 트랜스듀서 (14, 15) 는 랑제방형 트랜스듀서이다. 각각의 여진측 및 수신측 트랜스듀서 (14, 15) 는 상부 및 하부 고리형 압전 소자 (17a, 17b), 고리형 전극판 (18), 그리고, 상부 및 하부 금속 블록 (19a, 19b) 을 포함한다. 전극판 (18) 은 압전 소자 (17a, 17b) 사이에 위치된다. 상부 금속 블록 (19a) 은 상부 압전 소자 (17a) 의 상부측과 접촉하고, 하부 금속 블록 (19b) 은 하부 압전 소자 (17b) 의 하부측과 접촉한다. 압전 소자 (17a, 17b), 전극판 (18), 및 금속 블록 (19a, 19b) 은 볼트 (미도시) 에 의해 서로 고정된다. 볼트는 하부 금속 블록 (19b) 으로부터 삽입되고, 상부 금속 블록 (19a) 내에 형성된 나사의 구멍 (미도시) 으로 고정된다. 2개의 금속 블록 (19a, 19b) 은 볼트에 의해 전기적으로 서로 접속된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 플랜지 (20) 는 각각의 상부 금속 블록 (19a) 의 상단에 형성된다. 각각의 상부 금속 블록 (19a) 은 기저판 (base plate; 21) 내에 형성된 개구부 (미도시) 내에 끼워 맞추어지고, 볼트에 의해 서로 고정된다 (미도시).

여진측 트랜스듀서 (14) 는, 진동판 (12) 의 여진측에 연결된 호른 (16) 을 여진시킨다. 여진측 트랜스듀서 (14) 는 발진기 (22) 와 연결된다. 보다 상세하게는, 여진측 트랜스듀서 (14) 의 전극판 (18) 은 와이어 (23a) 에 의해 발진기 (22) 에 연결된다. 발진기 (22) 의 접지 단자는 와이어 (23b) 에 의해 여진측 트랜스듀서 (14) 의 하부 금속 블록 (19b) 과 연결된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 수신측 트랜스듀서 (15) 의 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 는, 각각, 전극판 (18) 및 하부 금속 블록 (19b) 을 통과하여, 저항 (R) 및 코일 (L) 을 포함하는 부하 회로 (24) 에 접속된다. 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환하고, 부하 회로는 전기적 에너지를 열 에너지로 전환한다. 전압 센서 (25) 는, 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동을 검출하기 위해 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 내에서 발생된 전압을 검출하도록 배치된다. 수신측 트랜스듀서 (15) 및 전압 센서 (25) 는 진동판 (12) 의 수신측의 진동 상태를 검출한다.

발진기 (22) 는 제어기 (26) 로부터의 제어 신호에 의해 구동된다. 제어기 (26) 는, A/D 변환기와 인터페이스 (interface) (둘다 미도시) 를 통과하여 전압 센서 (25) 와 접속되는 CPU (미도시) 를 포함한다. 전압 센서 (25) 로부터의 검출 신호에 기초하여, 제어기 (26) 는 발진기 (22) 의 출력을 제어함으로써, 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 의 출력 전압을 소정의 값 이상이 되도록 한다. 이 바람직한 실시예에서, 제어기 (26) 는 주로 주파수를 제어한다.

제어기 (26) 는 발진기 (22) 를 제어하여, 여진측 트랜스듀서 (14) 를 진동시킴으로써, 진동판 (12) 상에 진행파가 효과적으로 발생되도록 한다. 보다 상세하게는, 제어기 (26) 는 발진기 (22) 의 출력 주파수를 제어하여, 수신측 트랜스듀서 (15) 로부터 출력되는 전압 (V2) 이 소정의 값 이상이 되도록 하면서, 여진측 트랜스듀서 (14) 로 제공된 전압 (V1) 의 위상과 출력 전압 (V2) 의 위상 사이의 차이가 소정의 값 또는 범위 이내에 있도록 한다.

도 2는 본 발명의 구동 유닛 (27) 을 나타내는 개략도이다. 구동 유닛 (27) 은 발진기 (22) 를 형성하는 주회로 (main circuit; 28) 및 제어기 (26) 를 포함한다. 주회로 (28) 는 위상 쉬프터 (phase shifter; 미도시) 를 포함하고, 제어기 (26) 로부터의 제어 신호에 따라 구동된다. 제어기 (26) 는 전압 센서 (25) 로부터의 출력을 수신한다. 제어기 (26) 의 CPU는, 전압 센서 (25) 로부터의 출력 신호에 따라, 진동판 (12) 에 연결된 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동 상태를 결정한다. 또한, 제어기 (26) 는 구동 유닛 (27) 을 제어하여, 여진측 전압 (V1) 과 수신측 전압 (V2) 사이의 위상차가 소정의 관계를 갖도록 하고, 수신측의 전압이 최대가 되거나 소정의 값 이상이 되도록 한다.

제어기 (26) 는, 진행파에 대한 상기 위상차와 최적 주파수 사이의 관계를 나타내는 맵 (map) 또는 식을 저장하는 메모리 (미도시) 를 포함한다.

이하, 전술한 바와 같이 구성된 장치 (11) 의 동작을 설명한다.

발진기 (22) 는, 제어기 (26) 로부터의 제어 신호에 따라 구동된 다음, 소정의 공진 주파수 (예를 들면, 20kHz) 근처의 주파수에서 여진측 트랜스듀서 (14) 를 여진시킨다. 여진측 트랜스듀서 (14) 가 여진되면, 대응하는 호른 (16) 은 축 방향으로 진동된다. 따라서, 진동판 (12) 은 여진되고, 휨 진동 (flexural vibration) 을 발생한다. 휨 진동은 진동판 (12) 상에 음파를 발생시킨다. 물체 (13) 는, 진동판 (12) 으로부터 방사된 음파의 음향 방사 압력에 의해 진동판 (12) 의 표면으로부터 부양된다. 물체 (13) 의 부양 거리는 수십 마이크로미터 (micrometer) 내지 수백 마이크로미터이다.

진동판 (12) 의 진동은 수신측 트랜스듀서 (15) 로 전달된다. 수신측 트랜스듀서 (15) 를 형성하는 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 는 기계적 에너지인 진동 에너지를 전기적 에너지로 전환한다. 전기적 에너지는 부하 회로 (24) 의 저항 (R) 에서 줄 (Joule) 열로 전환되어, 멀리 방사된다. 그 결과, 진동판 (12) 상에서 발생된 진동파는 여진측으로부터 수신측까지의 일 방향으로 이동하는 진행파가 된다 (바람직한 실시예에서는, 여진측 트랜스듀서 (14) 로부터 수신측 트랜스듀서 (15) 까지임). 진행파는, 물체 (13) 를 부양시켜, 진동판 (12) 의 여진측으로부터 수신측으로 전달하도록 한다.

물체 (13) 가 센서 (미도시) 로부터의 검출 신호에 의해 정지 위치 근처에 도달되었다고 결정될 경우, 제어기 (26) 는 발진기의 모드를 변경시켜 진동판 (12) 상에 정재파를 발생시킨다. 또한, 물체 (13) 는 부양 상태로 감속되어 정지된다.

제어기 (26) 는 발진기 (22) 의 출력을 제어하여, 여진측 트랜스듀서 (14) 로부터 수신측 트랜스듀서 (15) 로의 방향으로 이동하는 진행파를 진동판 (12) 상에 발생시킨다. 보다 상세하게는, 제어기 (26) 는 발진기 (22) 의 출력을 제어하여, 여진측 트랜스듀서 (14) 로부터의 전압 (V1) 입력과 수신측 트랜스듀서 (15) 로부터의 전압 (V2) 출력 사이의 위상차를 진행파가 쉽게 발생되는 소정의 위상차 (예를 들면, 90°) 에 도달시키고, 수신측 트랜스듀서 (15) 의 출력 전압이 소정의 값 이상이 되도록 한다. 수신측 트랜스듀서 (15) 의 출력 전압 및 위상은 전압 센서 (25) 로부터의 출력 신호에 의해 검출된다.

압전 소자를 이용하는 여진측 트랜스듀서 (14) 를 효율적으로 진동시켜 진동판 (12) 상에 정재파를 발생시키기 위해서는, 여진측 트랜스듀서 (14) 를 공진 주파수에서 여진시킬 필요가 있다. 반대로, 여진측 트랜스듀서 (14) 를 진동시켜, 진동판 (12) 상에 진행파를 효과적으로 발생시키기 위해서는, 여진측 트랜스듀서 (14) 가 공진 주파수로부터 약간 벗어난 주파수에서 여진되는 것이 바람직하다. 제어기 (26) 는 발진기 (22) 를 제어하여, 진행파를 효과적으로 발생시키기 위해 기준 상태로 결정된 위상차와 주파수에 기초하여 여진측 트랜스듀서 (14) 를 여진시킨다. 장치 (11) 의 환경이 기준 상태로부터 변경되면, 발진기 (22) 로부터의 출력 전압의 위상 및 주파수는 적절한 상태로부터 벗어난다. 기준 상태는, 장치 (11) 를 제조할 때 장치 (11) 가 이용될 것으로 예상되는 환경에서의 사용 상태이다.

제어기 (26) 는 전압 센서 (25) 로부터의 수신 신호에 의해 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동 상태를 항상 검출한다. 따라서, 제어기 (26) 는 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동 상태를 출력 전압 (V2) 의 위상 및 레벨로부터 정확하게 획득한다. 진행파가 진동판 (12) 상에서 효과적으로 발생되는 상태로부터 진동 상태가 벗어났다고 결정되는 경우, 예를 들면, 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동이 약해지면, 제어기 (26) 는 발진기 (22) 의 출력 전압 (V1) 의 위상 및 주파수 중 적어도 하나를 변경시킨다. 그 후, 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동 상태가, 전압 센서 (25) 의 신호로부터 진행파를 효과적으로 발생시키는 상태로 복구되었다고 결정되면, 제어기 (26) 는 발진기 (22) 를 동일한 조건으로 계속 구동시킨다.

바람직한 실시예에서, 긴 진동판 (12) 의 일 말단에 연결된 여진측 트랜스듀서 (14) 를 여진시킴으로써 진동판 (12) 을 구동시킬 경우, 긴 진동판 (12) 의 수신측의 진동 상태를 검출하는 전압 센서 (25) 의 신호는 피드백되어 발진기 (22) 가 제어된다. 따라서, 발진기 (22) 는 긴 진동판 (12) 의 수신측의 진동 상태에 따라 제어된다. 따라서, 긴 진동판 (12) 은 안정적으로 거의 고르게 진동된다. 브릿지 회로를 갖는 브릿지 피드백 발진기와 다르게, 바람직한 실시예는 회로의 정수를 조절할 필요가 없다.

본 발명은, 긴 진동판 (12) 을 진동시킴으로써 발생되는 음파의 음향 방사 압력을 이용하여 물체 (13) 를 부양시키는데 이용된다. 진동판 (12) 은 안정적으로 고르게 진동되기 때문에, 진동판 (12) 를 진동시켜 발생되는 음파의 음향 방사 압력에 의해 물체 (13) 가 안정적으로 부양될 수 있다.

본 발명의 제어기 (26) 는 여진측 트랜스듀서 (14) 를 여진시킴으로써 긴 진동판 (12) 상에 진행파를 발생시킨다. 이 상태에서, 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동 상태를 제어기 (26) 로 피드백함으로써, 제어기 (26) 는 여진측 트랜스듀서 (14) 를 최적의 주파수에서 구동시킬 수 있으므로, 여진측과 수신측의 진동 간의 위상차가 최적화된다.

상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 의 출력 전압 (V2) 을 검출하는 전압 센서 (25) 는, 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동 상태를 검출하기 위한 검출 소자로서 사용된다. 따라서, 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동 상태는 쉽게 검출될 수 있다.

제어기 (26) 는 발진기 (22) 의 출력을 제어하여, 여진측 트랜스듀서 (14) 로 공급되는 전압 (V1) 과 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 의 출력 전압 (V2) 간의 위상차가 소정의 위상차와 동일해지도록 하고, 수신측 트랜스듀서 (15) 의 출력 전압 (V2) 이 소정의 값 이상이 되도록 한다. 따라서, 물체 (13) 의 존재 유무에 의해 유발되는 진동 시스템 상의 부하의 온도 또는 변동의 변화에 의해 수신측의 진동 상태가 변하더라도, 발진기 (22) 를 제어함으로써, 출력 전압 (V2) 의 위상 및 레벨에 따라 적절한 위상과 주파수를 갖는 전압 (V1) 을 여진측 트랜스듀서 (14) 에 공급할 수 있다.

예를 들면, 환경 변화에 의해, 진동 상태가 최적의 상태에서 벗어나면, 진동 상태는 발진기 (22) 의 출력 전압 (V1) 의 위상 및 주파수를 변경시킴으로써 다시 최적화될 수 있다. 이는 제어기 (26) 의 구조를 단순화한다.

여진측 트랜스듀서 (14) 및 수신측 트랜스듀서 (15) 는 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 등을 포함하는 동일한 구조를 갖는다. 이는 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동 상태를 전기적으로 검출하는 것을 용이하게 한다.

바람직한 실시예에서, 수신측 트랜스듀서 (15) 를 형성하는 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 는 기계적 에너지인 진동 에너지를 전기적 에너지로 전환시킨다. 전기적 에너지는 부하 회로 (24) 의 저항 (R) 에 의해 줄열 (Joule heat) 로 전환되어 멀리 방사된다. 따라서, 진동 에너지가 부하 회로 (24) 내에서 소모되지 않는 경우와 비교하면, 부하 회로 (24) 를 수신측 트랜스듀서 (15) 에 접속시킴으로써, 여진측에서 수신측으로 이동하는 진행파가 용이하게 발생된다.

본 발명은 본 발명의 특징 또는 범주로부터 일탈됨없이 여러 가지의 다른 소정의 형태로 실시될 수 있다는 것은 당업자에게 자명한 것이다. 특히, 본 발명은 다음의 형상으로 실시될 수도 있는 것을 이해하여야 한다.

본 발명의 변형 실시예에 따르면, 긴 진동판 (12) 의 수신측의 진동 상태는 수신측 트랜스듀서 (15) 의 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 로부터의 출력 전류에 의해 정해질 수도 있다. 또한, 이 경우, 진동판 (12) 의 진동 상태는 출력 전류의 레벨과 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동의 위상이 여진측 트랜스듀서 (14) 의 진동의 위상으로부터 시프트되었는지의 여부에 기초하여 결정된다. 출력 전류에 기초하여 진동 상태를 결정하기 위해, 전류 센서 또는 전압 센서가 수신측 트랜스듀서 (15) 상에 배치된다. 수신측 트랜스듀서 (15) 및 전류 센서 또는 전압 센서는 진동 상태 검출 수단을 형성한다.

본 발명의 다른 변형 실시예에 따르면, 제어기 (26) 는 진동판 (12) 의 수신측에 대응하는 검출 수단의 전류 위상 또는 출력 전압을 검출하지 않을 수도 있다. 제어기 (26) 는 출력 레벨만을 검출할 수도 있다. 출력 레벨이 소정의 값보다 작게 되면, 제어기 (26) 는 발진기의 출력 주파수와 위상을 조절하여, 여진측 트랜스듀서 (14) 의 진동 상태를 변경시킨다. 이 경우, 제어기 (26) 는 위상과 주파수 중 오직 하나만 변경시키는 것이 적절한지 또는 두 가지 모두를 변화시키는 것이 적절한지의 여부를 결정할 수는 없다. 따라서, 예를 들면, 먼저, 제어기 (26) 는 주파수를 변경시켜, 출력 상태가 변경되었는지 여부를 결정한다. 다음으로, 제어기는 위상을 변경시키고 출력 상태가 변경되었는지 여부를 결정한다. 만약, 주파수 또는 위상을 변경시켜 수신측의 출력이 소정의 레벨 이상이 된다면, 제어기 (26) 는 발진기 (22) 를 동일한 조건에서 계속 구동시킨다.

본 발명의 구동 유닛 (27) 을 갖는 장치에서, 진동판 (12) 상에서 진행파가 발생될 경우에는, 트랜스듀서 (15) 의 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 의 진동 에너지로부터 전환된 전기적 에너지가 부하 회로 (24) 에서 소모될 필요는 없다. 이 경우, 진행파를 효과적으로 발생시키기 위해서는, 여진측 트랜스듀서 (14) 의 진동과 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동 사이의 위상차를 소정의 값으로 유지할 필요가 있고, 발진기 (22) 의 출력 주파수는 소정의 공진 주파수로부터 적절하게 시프트된 값이 될 필요가 있다. 전압 센서 (25) 의 출력에 의해 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동 상태를 검출하는 것은 발진기 (22) 의 출력을 용이하게 제어하도록 하고, 수신측의 진동 상태가 적절한 상태로부터 벗어날 경우, 여진측 트랜스듀서 (14) 의 진동과 수신측 트랜스듀서 (15) 의 진동 사이의 위상차가 적절한 값이 되도록 조절한다.

본 발명에 따른 구동 유닛 (27) 은, 진동판 (12) 상에 진행파를 발생시킴으로써 부양 상태의 물체 (13) 를 전달하는 장치 대신, 진동판 (12) 상에 정재파를 발생시킴으로써 물체 (13) 를 부양 상태로 유지하는 장치에 적용될 수도 있다. 이 경우, 수신측 트랜스듀서 (15) 는, 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 에 의해 진동 에너지로부터 전환된, 전기적 에너지를 소모하는 부하 회로 (24) 가 불필요하다. 또한, 진동 상태 검출 수단은 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 의 출력 전압의 위상을 검출할 필요가 없다. 진동 상태 검출 수단은 출력 전압의 레벨에 따라 진동 상태를 결정할 수도 있다. 이것은, 정재파를 효과적으로 발생시키기 위해서는 진동판 (12) 이 공진 주파수에서만 진동되는 것이 필요하기 때문이다.

또한, 본 발명의 다른 변형 실시예에 따르면, 제어기 (26) 의 메모리는, 진동 시스템의 기준 온도에서의 공진 주파수, 진동 시스템의 환경 온도와 기준 온도의 차이, 그 온도로 인한 공진 주파수의 시프트량과의 관계를 나타내는 맵 또는 식, 및 진행파를 효율적으로 발생시키는 여진측과 수신측의 진동간의 적절한 위상차를 저장할 수도 있다. 제어기 (26) 는, 공진 주파수에 따라 적절한 출력 주파수 또는 위상차가 획득되도록, 온도 센서로부터의 검출 신호에 기초하여 적절한 공진 주파수를 계산할 수도 있고 발진기 (22) 의 출력을 제어할 수도 있다. 따라서, 수신측의 진동 상태가 진행파를 효과적으로 발생시키는 상태로부터 크게 벗어나는 것을 방지할 수 있다.

제어기 (26) 가 온도 보정 기능을 구비하지 않는 구성인 경우, 초기 동작 시, 먼저, 발진기 (22) 의 출력 주파수를 소정의 범위 내에서 변경시킬 수도 있다. 제어기 (26) 는 수신측의 진동이 최대가 되는 주파수에서 발진기 (22) 의 제어를 시작할 수도 있다.

도 2 에서 점선으로 나타낸 바와 같이, 여진측 트랜스듀서 (14) 의 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 로 공급되는 전압을 검출하는 전압 센서 (29) 를 구비하여 여진측 트랜스듀서 (14) 의 진동 상태를 검출할 수도 있다. 또한, 전압 센서 (29) 의 검출 신호가 제어기 (26) 로 전달될 수도 있다. 이 경우, 여진측의 진동과 수신측의 진동 간의 위상차는, 발진기 (22) 의 출력으로부터 여진측 트랜스듀서 (14) 의 진동 상태를 간접적으로 결정하는 경우보다 더 정확하게 획득된다.

수신측 상에 상부 및 하부 압전 소자 (17a, 17b) 를 갖는 수신측 트랜스듀서 (15) 를 제공하는 대신, 도 4에 도시된 바와 같이, 호른 (30) 및 금속 블록 (19a) 을 갖는 기저판 (21) 에 진동판 (12) 이 고정될 수도 있다. 이 경우, 진동 상태 검출 수단인 픽업 (31) 은, 기저판 (21) 과 금속 블록 (19a) 을 통과하여, 진동판 (12) 에 고정된 말단과 반대되는 호른 (30) 의 말단에 배치된다. 이것은, 진동 검출 수단의 구조를 단순화하고, 진동 검출 수단을 호른 (30) 에 쉽게 탑재시킬 수 있다.

바람직한 실시예에서는, 수신측의 진동 상태는 진행파를 발생시킬 때의 진동의 레벨과 위상차에 따라 정해진다. 그러나, 제어기 (26) 는 그 진동의 레벨과 위상차 중 하나만으로부터 진동 상태를 결정할 수도 있다.

진행파를 발생하는 장치 (11) 에서, 트랜스듀서 (14, 15) 는 진동판 (12) 의 말단에 연결된다. 트랜스듀서 (14, 15) 는 발진기 (22) 에 선택적으로 접속되도록 구성되어, 여진측과 수신측이 스위칭 (switch) 될 수 있도록 할 수 있다. 이 경우, 발진기 (22) 의 접속을 스위칭함으로써, 진행파의 방향이 진동판 (12) 의 일 방향과 다른 방향 사이에서 스위칭될 수 있다. 따라서, 물체 (13) 를 부양하고 전달할 때, 진행파의 방향을 스위칭함으로써, 물체 (13) 는 소정의 위치에서 용이하게 제동 및 정지된다.

만약 물체 (13) 의 폭이 넓으면, 진동판 (12) 및 여진측 및 수신측 트랜스듀서 (14, 15) 를 갖는 복수개의 장치가 서로 평행하게 배치될 수도 있다. 이 경우, 각각의 장치의 여진측 트랜스듀서 (14) 는 공통 구동 유닛 (27) 에 평행하게 접속될 수도 있다. 넓은 폭을 갖는 물체 (13) 는 진동판 (12) 에 의해 안정적으로 부양하여 전달된다.

호른 (16, 30) 이 평평한 직사각형일 필요는 없다. 호른 (16, 30) 은 원추형상과 같은 선단측이 가늘게 된 형상 또는 원주형상일 수도 있다.

물체 (13) 가 직사각형일 필요는 없다. 물체 (13) 는 삼각형, 다각형, 또는 원형을 포함하는 형상을 가질 수도 있다.

진동판 (12) 은 호른 (16, 30) 과 나사에 의해 연결될 필요는 없다. 진동판 (12) 은 접착제를 이용하여 호른 (16, 30) 에 고정되거나, 또는 납땜 또는 용접될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구동 유닛 (27) 은, 장치 (11) 또는 장치 (11) 의 여진측 트랜스듀서 (14) 를 구동하기 위해 이용되는 것으로 제한되지는 않는다. 구동 유닛 (27) 은, 진동체의 일 말단과 연결되는 여진측 트랜스듀서를 발진기와 함께 여진시킴으로써, 긴 진동체를 구동하기 위한 어떠한 장치에도 적용될 수 있다.

따라서, 본 실시예 및 실시형태는 예시적인 것이지 제한하려는 것은 아닌 것으로 간주되어야 하며, 본 발명은 여기서 상세하게 설명되는 것으로 제한되는 것이 아니라, 첨부된 청구 범위 및 그 균등물 이내에서 변형될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 여진측 트랜스듀서로 진동시킬 때, 간단한 구성으로 진동체 전체를 효과적으로 안정되고 거의 균일하게 진동시킬 수 있다. 또한, 긴 진동체의 진행파를 효과적으로 발생시키도록 여진측 트랜스듀서를 최적의 주파수에서 구동할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구동 유닛을 포함하는 장치를 나타내는 개략적인 사시도.

도 2는 바람직한 실시예에 따른 구동 유닛을 나타내는 개략적인 회로도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구동 유닛을 포함하는 장치를 나타내는 개략적인 측면도

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구동 유닛을 포함하는 장치를 나타내는 개략적인 측면도.

도 5는 종래 기술의 구동 유닛을 나타내는 개략적인 회로도.

＊도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＊

12 : 진동판

13 : 물체

14, 15 : 트랜스듀서

22 : 발진기

25 : 전압 센서

26 : 제어기

30 : 호른

31 : 픽업

Claims

제 1 말단과 제 2 말단을 갖는 긴 진동체를 가지는 장치를 구동하기 위한 구동 유닛으로서,

상기 제 1 말단은 제 1 트랜스듀서와 연결되고, 상기 제 2 말단은 상기 제 2 말단의 진동을 검출하기 위한 검출기와 연결되며,

상기 제 1 트랜스듀서에 접속되고 상기 제 1 트랜스듀서를 여진시키는 발진기로서, 여진될 경우에 상기 제 1 트랜스듀서는 상기 진동체를 진동시키는, 상기 발진기; 및

상기 발진기에 접속되며, 상기 제 1 트랜스듀서를 여진시키기 위해, 상기 검출기로부터의 검출 신호에 기초하여 상기 발진기를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
제 1 항에 있어서,

상기 구동 유닛은, 상기 진동에 의해 생성되는 음파의 음향 방사 압력이 상기 긴 진동체 상에서 이송되는 물체를 부양시키도록 상기 제 1 트랜스듀서를 구동시키는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
제 2 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 발진기를 제어하여, 상기 음파가 진행파가 되도록 상기 제 1 트랜스듀서를 여진시키는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
제 3 항에 있어서,

상기 제어기는, 동작하기 전에 상기 발진기의 주파수를 소정의 범위 내에서 변경하며, 상기 검출기로부터의 검출 신호에 기초하여, 상기 제 2 말단의 진동이 최대가 되도록 결정되는 소정의 주파수에서 동작하기 시작하는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
제 4 항에 있어서,

상기 검출기는,

상기 진동체의 상기 제 2 말단과 연결되는 제 2 트랜스듀서, 및

상기 제 2 트랜스듀서와 접속되는 진동 감지 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
제 5 항에 있어서,

상기 검출기로부터의 검출 신호는, 상기 제 2 트랜스듀서의 진동의 레벨과 위상을 나타내는 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
제 6 항에 있어서,

상기 진동 감지 소자는, 상기 제 2 트랜스듀서의 출력 전압과 위상을 감지하기 위한 전압 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
제 5 항에 있어서,

상기 제 1 트랜스듀서와 상기 제 2 트랜스듀서는 동일한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
제 8 항에 있어서,

상기 제 1 트랜스듀서 및 상기 제 2 트랜스듀서는 각각 적어도 한 쌍의 압전 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
제 5 항에 있어서,

상기 제어기는, 상기 제 2 트랜스듀서의 진동의 진폭이 적어도 소정의 값과 동일하면서 상기 제 1 트랜스듀서와 상기 제 2 트랜스듀서의 진동 사이의 위상차가 소정의 범위 내에 있도록 상기 발진기를 제어하는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
제 5 항에 있어서,

상기 발진기는, 상기 제 1 트랜스듀서와 상기 제 2 트랜스듀서 중 하나에 선택적으로 접속되어, 상기 제 1 트랜스듀서 및 상기 제 2 트랜스듀서 중 상기 하나를 구동시키는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기는, 또한, 상기 제 1 트랜스듀서에 공급되는 전압을 검출하기 위한 전압 센서에 접속되고, 상기 전압 센서로부터의 검출 신호 및 상기 검출기로부터의 검출 신호에 따라 상기 발진기를 제어하는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
제 1 항에 있어서,

상기 검출기는, 상기 제 2 말단에서 발생되는 진동을 나타내는 신호를 출력하는 픽업을 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.