KR100665328B1 - 압전 초음파 진동자의 구동 장치 - Google Patents

압전 초음파 진동자의 구동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압전 초음파 진동자의 성능 저하 없이 압전 초음파 진동자의 최적 공진 주파수를 자동적으로 찾아낼 수 있는 압전 초음파 진동자의 구동 장치에 관한 것이고,
본 발명의 압전 초음파 진동자의 구동 장치는, 제1 전극(E1), 제2 전극(E2) 및 접지전극(GND)을 갖는 압전 초음파 진동자(100)를 구동시키는 구동 장치에 있어서, 기설정된 주파수 가변 범위내에서 주파수를 가변하면서 구동을 제어하고, 각 주파수별 검출전압(Vd)중 기설정된 구동조건에 만족하는 검출전압에 해당되는 구동 주파수(FD)로 구동을 제어하는 구동 제어부(200); 상기 구동 제어부(200)에 따른 구동 주파수(FD)를 갖는 구동신호(SD)를 생성하여 상기 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2)중의 하나인 구동전극을 통해 상기 압전 초음파 진동자(100)에 공급하는 구동부(300); 및 상기 제1 전극 또는 제2 전극중 다른 하나인 검출 전극과 접지전극(GND)간의 전압을 검출하여 상기 검출전압(Vd)을 상기 구동 제어부(200)에 공급하는 전압 검출부(400)를 포함한다.
압전 초음파 진동자, 구동, 구동 주파수, 검출전압

Description

압전 초음파 진동자의 구동 장치{AN APPARATUS FOR DRIVING OF PIEZOELECTRIC ULTRASONIC MOTOR}
도 1은 종래 압전 초음파 진동자의 구동 장치 구성도.
도 2는 종래 압전 초음파 진동자의 구동 장치 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자의 구동 장치 구성도.
도 4는 도 3의 압전 초음파 진동자의 구동 장치의 동작 흐름도
도 5는 도 3의 압전 초음파 진동자의 이득 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 압전 초음파 진동자 E1 : 제1 전극
E2 : 제2 전극 GND : 접지전극
200 : 구동 제어부 300 : 구동부
FD : 구동 주파수 SD : 구동신호
400 : 전압 검출부 Vd : 검출전압
본 발명은 압전 모터에 적용되는 압전 초음파 진동자(Piezoelectric Motor)의 구동 장치에 관한 것으로, 특히 압전 초음파 진동자의 성능 저하 없이 압전 초음파 진동자의 최적 공진 주파수를 자동적으로 찾아낼 수 있도록 함으로써, 임의의 압전 초음파 진동자를 최적의 효율로 구동시킬 수 있는 압전 초음파 진동자의 구동 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 압전 소자는 인가된 전기장에 대하여 변위(strain)를 발생시키거나 응력(stress)에 대하여 전압을 발생시키는 재료로서, 이러한 압전 소자가 압전 모터에 적용되면, 압전 모터의 고정자(stator)는 수십 ~ 수백 kHz의 공진 주파수에서 구동하며, 적층 또는 변위확대 구조를 통해 증폭된 변위를 압전 모터의 로터(rotor)에 전달할 수 있다. 이러한 압전 소자는 그 자체를 진동자로 사용하거나 특정 형상을 갖는 구조물과 결합시켜 사용하게 된다. 본 문서에서는 상기 압전 소자가 진동자로 이용되므로 압전 초음파 진동자라고 칭한다.
이러한 압전 초음파 진동자는, 진행파, 표면파 또는 써핑(surfing) 타입 모터라 불리는 압전 초음파 모터에 적용되며, 이러한 압전 초음파 진동자는 일정 위상차를 갖는 두개의 구동신호를 중첩시키는 원리를 통하여 구동된다.
또한, 압전 초음파 진동자의 특성상 온도나 습도 등의 주변 환경에 공진 주파수가 변화한다. 온도나 습도 등의 주위환경에 대한 압전 초음파 진동자의 공진주 파수의 산포 데이터를 정확하게 찾을 수 없으므로 정확하게 동작 주파수를 추적하는 방안이 필요하다.
도 1은 종래 압전 초음파 진동자의 구동 장치 구성도이다.
도 1에 도시된 종래 압전 초음파 진동자의 구동 장치는, 제1 및 제2 전극 및 접지전극을 갖는 압전 초음파 진동자(PUV)를 구동시키는 장치로서, 상기 압전 초음파 진동자(PUV)의 제1 및 제2 전극에 연결된 제1 및 제2 선택단자중 하나를 공통단자에 연결하는 스위치(SW)와, 상기 스위치(SW)의 공통단자와 접지전극사이에 연결된 인버터(INT11)와, 상기 인버터(INT11)에 병렬로 연결된 저항(R11)과, 상기 접지전극과 접지 사이에 연결된 제1 커패시터(CL11)와, 상기 공통단자와 접지 사이에 연결된 제2 커패시터(CL12)로 이루어진다.
도 1의 종래 압전 초음파 진동자의 구동장치는, 자가 구동 방식(Self Oscillation)으로, 압전 초음파 진동자(PUV)의 커패시터(capacitor) 특성을 이용하여 자가 발진 회로를 구현하여, 특별한 주파수 추적 수단이 필요없다.
그러나, 이와 같은 종래 압전 초음파 진동자의 구동 장치는, 특별한 주파수 추적을 하지 않기 위해, 압전 초음파 진동자의 두 전극간의 위상차가 180°가 되어야 하는데, 압전 초음파 진동자는 부하에 물리적인 움직임을 인가하므로, 이 과정에서 부하에 의한 영향으로 180°위상차를 유지하지 못하는 구조적인 문제점을 가지고 있다.
도 2는 종래 압전 초음파 진동자의 구동 장치 구성도이다.
도 2에 도시된 종래 압전 초음파 진동자의 구동 장치는, 제1 및 제2 전극 및 접지전극을 갖는 압전 초음파 진동자(PUV)를 구동시키는 장치로서, 상기 압전 초음파 진동자(PUV)의 접지전극과 접지 사이에 연결되어 상기 압전 초음파 진동자(PUV)의 소비전류를 측정하기 위한 저항(R11)과, 상기 저항(R11)에 흐르는 소비 전류를 전압으로 검출하는 전류 검출부(21)와, 상기 전류 검출부(21)에 의한 검출전압에 따라 구동신호를 생성하여 상기 제1 및 제2 단자중 하나를 통해 상기 압전 초음파 진동자(PUV)에 공급하는 구동부(22)로 이루어진다.
도 2의 종래 압전 초음파 진동자 구동장치는, 전류 피드백(Current Feed-Back) 방식으로, 압전 초음파 진동자의 전력 소모량을 측정하여 전력소모가 최대일 경우에 압전 초음파 진동자의 출력이 최대가 된다.
그러나, 이러한 종래 압전 초음파 진동자의 구동 장치는, 구동 회로에서 소비전류를 측정하기 위해 별도의 저항(부하)을 추가하여야 하므로, 이러한 전압 측정용 저항으로 인해 압전 초음파 진동자의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 그 목적은, 압전 초음파 진동자의 성능 저하 없이 압전 초음파 진동자의 최적 공진 주파수를 자동적으로 찾아낼 수 있도록 함으로써, 최적의 효율로 구동시킬 수 있는 압전 초음파 진동자의 구동 장치를 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 압전 초음파 진동자의 구동 장치는, 제1 전극, 제2 전극 및 접지전극을 갖는 압전 초음파 진동자를 구동시키는 구동 장치에 있어서, 기설정된 주파수 가변 범위내에서 주파수를 가변하면서 구동을 제어하고, 각 주파수별 검출전압중 기설정된 구동조건에 만족하는 검출전압에 해당되는 구동 주파수로 구동을 제어하는 구동 제어부; 상기 구동 제어부에 따른 구동 주파수를 갖는 구동신호를 생성하여 상기 제1 전극과 제2 전극중의 하나인 구동전극을 통해 상기 압전 초음파 진동자에 공급하는 구동부; 및 상기 제1 전극 또는 제2 전극중 다른 하나인 검출 전극과 접지전극간의 전압을 검출하여 상기 검출전압을 상기 구동 제어부에 공급하는 전압 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구동 제어부는, 상기 구동 조건을 최대 검출 전압으로 설정하여, 상기 각 주파수별 검출전압중 최대 검출 전압에 해당되는 구동 주파수로 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 구동 제어부는, 상기 구동 조건을 기설정 크기의 기준전압으로 설정하여, 상기 각 주파수별 검출전압중 기준 전압보다 높은 검출전압에 해당되는 구동 주파수로 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 구동 제어부는, 상기 전압 검출부에 의한 검출전압을 이용하여 구동 주파수를 찾아내는 주파수 설정모드를 수행하고, 이후 상기 주파수 설정모드에서 찾 아낸 구동 주파수로 구동을 제어하는 구동모드를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 구동 제어부는, 상기 주파수 설정모드에서, 상기 주파수 가변 범위내에서 주파수를 가변하면서 구동을 제어하여, 각 주파수에 매칭된 검출전압중 최대 전압을 찾아내는 과정을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 구동 제어부는, 상기 구동 모드에서, 상기 최대 전압에 해당되는 최적 주파수를 갖는 구동신호의 생성을 제어하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자의 구동 장치 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자의 구동 장치는, 제1 전극(E1), 제2 전극(E2) 및 접지전극(GND)을 갖는 압전 초음파 진동자(100)를 구동시키는 구동 장치로서, 구동 제어부(200), 구동부(300) 및 전압 검출부(400)를 포함한다.
상기 구동 제어부(200)는, 기설정된 주파수 가변 범위내에서 주파수를 가변하면서 구동을 제어하고, 각 주파수별 검출전압(Vd)중 기설정된 구동조건에 만족하는 검출전압에 해당되는 구동 주파수(FD)로 구동을 제어한다.
여기서, 상기 제어부(200)는, 상기 구동 조건을 최대 검출 전압(Vdmax)으로 설정하여, 상기 각 주파수별 검출전압(Vd)중 최대 검출 전압(Vdmax)에 해당되는 구동 주파수(FD)로 구동을 제어할 수 있다. 또는, 상기 구동 제어부(200)는, 상기 구동 조건을 기설정 크기의 기준전압(Vref)으로 설정하여, 상기 각 주파수별 검출전압(Vd)중 기준 전압(Vref)보다 높은 검출전압(Vd)에 해당되는 구동 주파수(FD)로 구동을 제어할 수 있다.
이러한 구동조건의 설정방법중에서, 최대 검출 전압(Vdmax)을 구동조건으로 설정하는 전자의 방법이 구동 효율 측면에서 바람직하다.
상기 구동부(300)는, 상기 구동 제어부(200)에 따른 구동 주파수(FD)를 갖는 구동신호(SD)를 생성하여 상기 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2)중의 하나인 구동전극을 통해 상기 압전 초음파 진동자(100)에 공급한다.
상기 전압 검출부(400)는, 상기 제1 전극 또는 제2 전극중 다른 하나인 검출 전극과 접지전극(GND)간의 전압을 검출하여 상기 검출전압(Vd)을 상기 구동 제어부(200)에 공급한다.
한편, 상기 구동 제어부(200)는, 상기 전압 검출부(400)에 의한 검출전압을 이용하여 구동 주파수(FD)를 찾아내는 주파수 설정모드를 수행하고, 이후 상기 주파수 설정모드에서 찾아낸 구동 주파수(FD)로 구동을 제어할 수 있다.
상기 구동 제어부(200)는, 상기 주파수 설정모드에서, 상기 주파수 가변 범 위내에서 주파수를 가변하면서 구동을 제어하여, 각 주파수에 매칭된 검출전압(Vd)중 최대 전압(Vdmax)을 찾아내는 과정을 제어한다.
상기 구동 제어부(200)는, 상기 구동 모드에서, 상기 최대 전압(Vdmax)에 해당되는 최적 구동 주파수(FD)를 갖는 구동신호의 생성을 제어한다.
도 4는 도 3의 압전 초음파 진동자의 구동 장치의 동작 흐름도로서, 도 4에는 본 발명의 압전 초음파 진동자의 구동 장치가 주파수 설정모드 및 구동모드로 동작하는 과정을 보이고 있다.
도 5는 도 3의 압전 초음파 진동자의 이득 그래프로서, 상기 제2 전극(E2)이 구동전극인 경우, 입력 전압(V2)에 대한 출력전압(V1)에 대해 상기 압전 초음파 모터(100)의 이득(V1/V2)은 그래프 G1과 같다. G1에서, F1은 구동주파수이다.
또는 상기 제1 전극(E1)이 구동전극인 경우, 입력 전압(V1)에 대한 출력전압(V2)에 대해 상기 압전 초음파 모터(100)의 이득(V2/V1)은 그래프 G2와 같다. G2에서. F2는 구동주파수이다.
이하, 본 발명의 작용 및 효과를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
본 발명의 압전 초음파 진동자의 구동 장치는, 압전 초음파 진동자의 검출전극 및 접지전극 사이에서 검출된 전압을 이용하여 최적의 구동 주파수를 자동적으 로 추적하여, 최적의 구동 주파수를 갖는 구동신호로 압전 초음파 진동자를 구동시켜 압전 초음파 진동자의 효율을 향상시킬 수 있다. 여기서, 통상 압전 초음파 진동자는, 상기 제1 전극 또는 제2 전극중 하나의 구동 전극을 통한 구동신호에 따라 타원 진동을 발생한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 구동 장치에 의해 구동되는 압전 초음파 진동자(100)는, 제1 전극(E1), 제2 전극(E2) 및 접지전극(GND)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 전극(E1) 및 제2 전극(E2)중 하나의 전극이 구동전극으로 이용되면 다른 하나는 검출전극으로 이용된다. 예를 들어, 상기 제1 전극(E1)을 구동전극으로 사용하면 상기 제2 전극(E2)은 검출전극으로 사용된다. 이와 반대로 이용될 수 있다.
본 발명의 구동 제어부(200)는, 기설정된 주파수 가변 범위(예: 230KHz~250KHz)내에서 주파수를 가변하면서 구동을 제어하고, 각 주파수별 검출전압(Vd)중 기설정된 구동조건에 만족하는 검출전압에 해당되는 구동 주파수(FD)로 구동을 제어한다.
먼저, 상기 구동조건에 대한 하나의 예를 들면, 상기 구동 제어부(200)에서, 상기 구동 조건을 최대 검출 전압(Vdmax)으로 설정할 수 있으며, 이 경우에, 상기 제어부(200)는, 상기 각 주파수별 검출전압(Vd)중 최대 검출 전압(Vdmax)에 해당되는 구동 주파수(FD)로 구동을 제어한다.
다른 한편, 현재 개발하고 있는 압전 초음파 진동자는 트랜스포머(Transformer)와 같은 원리이므로, 구동시 압전 초음파 진동자의 부피변화는 전압레벨로 나타나고, 압전 초음파 진동자의 부피변화가 최대값인 경우에, 상기 압전 초음파 진동자의 운동량은 최대이며, 이 경우 전압레벨 또한 최대값을 보였으며, 이는 하기 수학식1과 같다.
Figure 112005073531772-pat00001
상기 수학식1에 보인 바와 같은 원리를 이용하여, 출력 전압을 측정하여 압전 초음파 진동자의 구동 주파수를 자동적으로 찾아 낼 수 있다.
다음, 상기 구동조건에 대한 다른 하나의 예를 들면, 상기 제어부(200)에서, 상기 구동 조건을 기설정 크기의 기준전압(Vref)으로 설정할 수 있으며, 이 경우, 상기 제어부(200)는, 상기 각 주파수별 검출전압(Vd)중 기준 전압(Vref)보다 높은 검출전압(Vd)에 해당되는 구동 주파수(FD)로 구동을 제어한다.
이후, 상기 구동부(300)는, 상기 구동 제어부(200)에 따른 구동 주파수(FD)를 갖는 구동신호(SD)를 생성하여 상기 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2)중의 하나인 구동전극을 통해 상기 압전 초음파 진동자(100)에 공급한다. 이때, 상기 압전 초음파 진동자(100)는 상기 구동신호(SD)에 의해 진동한다.
이와 동시에, 상기 압전 초음파 진동자(100)의 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2)중 비구동전극과 접지 사이에는 일정한 전압을 출력한다.
상기 전압 검출부(400)는, 상기 제1 전극(E1) 또는 제2 전극(E2)중 다른 하나인 검출 전극과 접지전극(GND)간의 전압을 검출하여 상기 검출전압(Vd)을 상기 구동 제어부(200)에 공급한다. 이와 같이 전압을 검출하면 부하의 영향없이 전압을 정확하게 검출할 수 있고, 또한 효율을 저하시키지 않으면서 전압을 검출할 수 있다.
이러한 과정을 통해서, 본 발명의 압전 초음파 진동자의 구동 장치는, 검출전압에 기초해서 최적의 구동 주파수를 자동적으로 추적하고, 이 최적의 구동 주파수를 갖는 구동신호로 압전 초음파 진동자를 구동시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 압전 초음파 진동자의 구동 장치의 동작과정을 도 4를 참조하여 자세히 설명한다.
먼저, 상기 구동 제어부(200)는, 상기 전압 검출부(400)에 의한 검출전압(Vd)을 이용하여 구동 주파수(FD)를 찾아내는 주파수 설정모드를 수행한다.
이에 대해서 구체적으로 설명한다. 상기 주파수 설정모드에서, 상기 구동 제어부(200)는, 상기 주파수 가변 범위내에서 주파수를 가변하면서 구동을 제어하여, 각 주파수에 매칭된 검출전압(Vd)중 최대 전압(Vdmax)을 찾아내는 과정을 제어한다. 이러한 제어에 따라 구동부(300)가 구동신호를 생성하여 상기 압전 초음파 진동자(100)에 공급하고, 이에 따라 상기 압전 초음파 진동자(100)는 진동한다. 이때, 상기 전압 검출부(400)가 상기 압전 초음파 진동자(100)의 검출전극과 접지전극(GND) 사이의 전압을 검출하여 상기 구동 제어부(200)로 출력한다. 이러한 과정은 기설정된 주파수 가변 범위에 대해 수행된다. 이후, 상기 구동 제어부(200)는, 상기 검출전압중 최대 전압을 찾아낸다(S110~S160).
다음, 상기 주파수 설정모드에서 찾아낸 구동 주파수(FD)로 구동을 제어하는 구동모드를 수행한다.
이에 대해서 구체적으로 설명하면, 상기 구동 모드에서, 상기 구동 제어부(200)는, 상기 최대 전압(Vdmax)에 해당되는 최적 구동 주파수(FD)를 갖는 구동신호(SD)의 생성을 제어한다. 이에 따라, 상기 구동부(300)는 최적의 구동 주파수(FD)를 갖는 구동신호(SD)를 생성하여 상기 압전 초음파 진동자(100)로 공급하여 상기 압전 초음파 진동자(100)를 최고의 효율로 구동시킬 수 있다(S210~S230).
도 5를 참조하면, 상기 제2 전극(E2)이 구동전극인 경우, 입력 전압(V2)에 대한 출력전압(V1)에 대해 상기 압전 초음파 모터(100)의 이득(V1/V2)은 그래프 G1과 같다. G1에서, F1은 구동주파수로, 이 구동 주파수(F1)에서 최고의 이득, 즉 최대의 효율을 보인다.
또는 상기 제1 전극(E1)이 구동전극인 경우, 입력 전압(V1)에 대한 출력전압 (V2)에 대해 상기 압전 초음파 모터(100)의 이득(V2/V1)은 그래프 G2와 같다. G2에서. F2는 구동주파수로, 이 구동주파수(F2)에서 최고의 이득, 즉 최대의 효율을 보인다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 장치는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 압전 모터에 적용되는 압전 초음파 진동자(Piezoelectric Motor)의 구동 장치에서, 압전 초음파 진동자의 성능 저하 없이 압전 초음파 진동자의 최적 공진 주파수를 자동적으로 찾아낼 수 있도록 함으로써, 최적의 효율로 구동시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 제1 전극, 제2 전극 및 접지전극을 갖는 압전 초음파 진동자를 구동시키는 구동 장치에 있어서,
    기설정된 주파수 가변 범위내에서 주파수를 가변하면서 구동을 제어하고, 각 주파수별 검출전압중 기설정된 구동조건에 만족하는 검출전압에 해당되는 구동 주파수로 구동을 제어하는 구동 제어부;
    상기 구동 제어부에 따른 구동 주파수를 갖는 구동신호를 생성하여 상기 제1 전극과 제2 전극중의 하나인 구동전극을 통해 상기 압전 초음파 진동자에 공급하는 구동부; 및
    상기 제1 전극 또는 제2 전극중 다른 하나인 검출 전극과 접지전극간의 전압을 검출하여 상기 검출전압을 상기 구동 제어부에 공급하는 전압 검출부
    를 포함하는 압전 초음파 진동자의 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구동 제어부는,
    상기 구동 조건을 최대 검출 전압으로 설정하여, 상기 각 주파수별 검출전압중 최대 검출 전압에 해당되는 구동 주파수로 구동을 제어하는 압전 초음파 진동자의 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구동 제어부는,
    상기 구동 조건을 기설정 크기의 기준전압으로 설정하여, 상기 각 주파수별 검출전압중 기준 전압보다 높은 검출전압에 해당되는 구동 주파수로 구동을 제어하는 압전 초음파 진동자의 구동 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 구동 제어부는,
    상기 전압 검출부에 의한 검출전압을 이용하여 구동 주파수를 찾아내는 주파수 설정모드를 수행하고, 이후 상기 주파수 설정모드에서 찾아낸 구동 주파수로 구동을 제어하는 구동모드를 수행하는 압전 초음파 진동자의 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 구동 제어부는,
    상기 주파수 설정모드에서, 상기 주파수 가변 범위내에서 주파수를 가변하면서 구동을 제어하여, 각 주파수에 매칭된 검출전압중 최대 전압을 찾아내는 과정을 제어하는 압전 초음파 진동자의 구동 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 구동 제어부는,
    상기 구동 모드에서, 상기 최대 전압에 해당되는 최적 주파수를 갖는 구동신호의 생성을 제어하는 압전 초음파 진동자의 구동 장치.
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