KR100746477B1 - 초음파 진동자 구동 회로 - Google Patents

초음파 진동자 구동 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 진동자에 관한 것으로 보다 상세하게는 다수의 초음파 진동자로 위상이 서로 다른 구동 신호를 출력하여 구동시킴으로써, 정재파의 발생을 억제할 수 있으며, 부하의 변동이나 발진조건에 적응성이 우수한 초음파 진동자 구동 회로에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초음파 진동자 구동 회로는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 진동하는 하나 이상의 진동자로 구성된 다수의 진동자 그룹을 포함하는 진동자부와; 상기 진동자의 구동을 위한 고조파가 제거된 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하여 진동자부로 인가하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부와, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 발생하여 출력하는 싸인파 테이블과, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 발생하여 출력하는 코싸인파 테이블을 포함하는 디지털 신호 발진부와; 상기 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 각각의 진동자 그룹으로 공급되는 전류의 위상을 산출하여 디지털 값으로 샘플링하고, 샘플링된 전류의 위상에 상기 디지털 신호 발진부로부터 출력되는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 각각 곱한 후 상기 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 주기마다 적분 값을 적산하여 각각의 진동자 그룹으로 실제 입력되는 입력 전류의 위상과 디지털 신호 발진부로부터 의해 공급되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 위상 차를 산출하는 전류 위상 측정부와; 상기 디지털 신호 발진부로부터 출력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 트랜지스터들의 구동 온/오프 시간을 조절하여 각각의 진동자 그룹이 일정 시간 간격으로 순차적으로 구동하도록 위상 차를 갖는 다상 구동 신호로 변환하여 상기 진동자 그룹으로 출력하는 신호 변환부와; 상기 전류 위상 측정부에 의해 산출된 위상 차에 따른 출력 값에 따라 상기 디지털 신호 발진부의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 위상이 제어되도록 제어신호를 출력하고, 사용자가 설정한 초음파 방향 설정 값에 따라 상기 진동자 그룹이 소정 위상 차에 따라 순차적으로 구동하도록 상기 신호 변환부로 제어신호를 출력하는 제어부;를 포함하여 구성된다.
초음파, 진동자, 발진기

Description

초음파 진동자 구동 회로{Driving circuit for supersonic wave oscillator}
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 초음파 진동자 구동 회로를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 디지털 신호 발진부를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 3a 및 도 3b는 온/오프 제어되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 포함된 특정 고조파 성분을 선택적으로 제거하는 과정을 도시한 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 신호 변환부와 진동자부의 연결 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 4b는 도 4a의 신호 변환부의 트랜지스터의 온/오프 신호를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 4c는 도 4a 도 4b를 통해 구동되는 진동자들에 의해 발생되는 초음파의 진행 방향을 개략적으로 도시한 개요도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 전류 위상 측정부의 위상 측정회로를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
본 발명은 초음파 진동자에 관한 것으로 보다 상세하게는 다수의 초음파 진동자로 위상이 서로 다른 구동 신호를 출력하여 구동시킴으로써, 정재파의 발생을 억제할 수 있으며, 부하의 변동이나 발진조건에 적응성이 우수한 초음파 진동자 구동 회로에 관한 것이다.
종래의 초음파 발진기의 회로는 대부분 아날로그 방식의 발진 회로로 구성되어 왔다. 이러한 아날로그 방식의 초음파 발진 회로를 크게 두 가지로 나누면 부하의 변동에 관계없이 고정된 발진 주파수를 발진하여 제공하는 회로와 부하의 인가에 따른 진동자의 발진조건에 맞추어 발진 주파수 공급 전압 전류를 변경하여 전력과 주파수를 제어하는 주파수 추미 방식이 있다. 그외에 마이크로 컴퓨터를 이용한 제어회로가 소개되었으나 주로 PLL(Phase Locked Loop)의 주파수 설정 등에 적용되는 상술한 두 가지 방법의 범주에 속한다.
이 두 가지 중 고정된 주파수를 제공하는 회로는 간단한 것 같지만 일정한 동작 조건에 맞는 주파수의 선정은 물론 동작 전압 전류를 제공하는 전력회로에 공급전력회로 이상의 전력회로를 구비하여야 한다. 즉 고정된 주파수를 진동자에 인가하는 회로는 회로의 동작 주파수를 공진 주파수 (직렬 공진 주파수 부근, 임피던스가 최소가 되는 주파수)와 반 공진 주파수 (병렬 공진 주파수 부근 임피던스가 최대가 되는 주파수)의 사이에 인가하게 된다.
이때 진동자의 겉보기 임피던스는 순수한 저항 성분 외에 복소성분의 임피던스가 눈에 띄게 되는데, 발진기에서 진동자의 구동을 위하여 다루어 져야하는 전력 은 진동자에서 기계진동에너지로 변환되는 에너지와 진동자에서 열로 손실되는 손실 외에도 진동자에 저장되었다가 발진기 회로에 되돌려주는 무효전력이 더해져서 진동자의 출력의 몇 배의 전력을 발진기에서 다루어야 한다.
이러한 주파수 선정 방식은 진동자의 공진, 반 공진 주파수가 진동자의 부하, 온도, 주변의 여러 영향 등에 의하여 변하기 때문에 공진, 반 공진 주파수가 변하더라도 가급적 공급전력이 변하지 않는 동작점을 선정하기 위한 것이다. 이 회로의 공급전력의 일정한 전력이 공급되는 동작 주파수는 부하의 변동이 큰 경우에는 그 적용범위가 한계를 가지게 된다. 즉 이러한 주파수가 고정된 방법은 부하의 변화가 비교적 적거나, 거의 없는 세척기, 가습기 등에 유용하며 기계적으로 목적물에 연결되어 직접 진동자의 에너지를 공급하는 방식에서는 그 효율이 적합하지 않다.
즉, 부하의 변동이 심한 구성에서는 발진기에서 진동자로 공급하는 주파수를 최적 동작 상태를 유지하며 변경하는 방법이 유효하다. 현재 이 주파수의 변경은 PLL을 적용한 추미 회로가 적용되어 발진기의 주파수를 진동자의 공진 주파수로 자동으로 변화시켜주는 회로가 주로 사용되고 있다. 즉 공진 주파수에는 전류와 전압의 위상차이가 0°또는 공진 주파수 이전에서는 전류의 위상이 앞서고 공진 주파수보다 높은 주파수가 인가되면 진동자의 전류가 늦어진다는 특성을 이용하여 이 주파수를 변경하여 진동자의 전류와 전압이 일치하도록 발진기의 공급주파수를 변경시키는 회로를 구성하여 주면 된다.
이러한 구성방법은 일견 간단하고 효율적인 방법으로 여겨지기 때문에 많은 업체가 PLL을 적용한 자동주파수 추미회로를 제품에 적용하였다. 이러한 회로는 고주파 발진기 제품에 주로 (수백 khz ~ Mhz 범위)에 효율적으로 적용되어 사용되어 왔으나 저주파 영역에서는 아직도 개발의 여지가 많이 남아있다.
진동자의 주 공진 주파수, 반 공진 주파수 안에 여러 기생 공진 주파수가 존재하거나 공진의 조건의 모호한 경우에는 PLL 회로의 동작 주파수가 최적의 조건이 아닌 점에 귀착되는 경우가 있다. 이러한 경우는 진동자의 이상이 생긴 경우도 있겠지만 주로 부하의 변동으로 인하여 기계적 공진 점의 변화나 진동 에너지 흡수율이 달라서 생기는 경우이다. 더구나 출력이 싸인파형이 아니라 PWM(Pulse Width Modulation) 파형일 경우에는 더욱 그 구성이 힘들어지고 부하조건에 따라 그 전류의 파형을 단순한 비교기로서는 이 진동자의 최적동작을 검출하기 힘들어지는 단점이 있다.
한편, 이러한 기존의 아날로그 발진방식의 여러 문제점을 해결하는 방식이 많이 제시되어 왔다. 그 중 하나가 진동자에 직병렬로 콘덴서와 인덕터를 추가하여 공진 주파수의 조건을 공고히 하는 방식이다.
진동자와 발진기의 연결회로에 인덕터와 콘덴서를 직병렬로 연결하여 진동자의 진동조건을 개선하는 방식이 제기되어 사용되고 있다. 이러한 방식은 진동자의 전류 전압의 구동이 효율적인 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 전환되면 더욱 복잡한 문제를 가지게 된다. 즉, PWM(Pulse Width Modulation)의 파형은 많은 고조파를 포함한 회로로 되고 진동자의 전류도 이 고조파의 전류가 흐르게 된다. 이 고조파 전류는 전류의 파형에 영향을 끼쳐 순수하게 싸인파형의 전압 전류로 구성한 회로에 비하여 여러 동작 조건이 달라져 자동 주파수 추미 회로 구성이 힘들어 지는 요소가 된다.
이러한 이유로 기존의 주파수 추미회로에서는 진동자의 단자 전압 전류의 측정값을 필터를 이용하여 가급적 단일 주파수 성분만 파악하기도 한다. 그러나 진동자 특성이 비선형성이 클 때에는 주파수선정에 오류가 발생하며, 진동자의 진동출력이 100% 나오지 않는다는 것이다. 이러한 기기는 출력이 미비하게 나오므로 진동자의 이상으로 여겨지지만 진동자의 진동조건의 변화(진동자의 부하가 변하거나 제거되면)가 발생하면 최대 출력이 나오기도 하는 단점이 있다.
한편, 일반적인 초음파 세척기에 구비되는 진동자의 진동주파수는 하나의 발진기가 하나의 진동자를 구동하는 방법이 널리 쓰여 왔다. 즉, 대출력의 초음파 출력을 얻고자하는 경우, 고 전력의 단일의 발진출력을 복수개의 진동자를 병렬로 연결하고 구동하는 방법을 사용하여 왔다. 이러한 구동시스템은 전체 회로의 전압, 전류, 주파수를 결정하기 간단하고 시스템이 간단하게 구성된다는 장점이 있는 반면 단순 연결 세척 시스템은 발생하는 주파수의 음파가 정재파가 일어나는 경우 특정부위에만 그 진동 에너지가 몰려 다른 부위에는 세척이 잘 되지 않는 단점이 있었다.
따라서 이러한 단점을 보완하기 위해 여러 주파수의 초음파를 발생시켜 세척조 안에 입력하는 방법을 채용하여 정재파의 발생을 막아 세척부위가 골고루 퍼지게 하는 방법이 널리 알려져 있다. 이러한 다주파 진동방법은 진동자의 형태나 그 구성, 구동방법의 변형을 가해 여러 주파수의 초음파를 발생시키는 방법으로, 진동자의 형태가 복잡해지거나, 전기적 구동방법이 까다로워지는 단점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 그 목적은 다수의 초음파 진동자로 위상이 서로 다른 구동 신호를 출력하여 구동시킴으로써, 정재파의 발생을 억제할 수 있는 초음파 진동자 구동 회로를 제공하는 데 있다.
나아가, 각각의 진동자로 출력되는 구동 신호를 소정 시간차에 따라 순차적으로 공급함으로써, 다양한 진행 방향을 가진 초음파를 발생할 수 있는 초음파 진동자 구동 회로를 제공하는 데 있다.
나아가, 부하의 변동이나 발진조건에 적응성이 우수한 초음파 진동자를 구동하는 초음파 진동자 구동 회로를 제공하는 데 있다.
나아가 디지털 회로와 마이크로 컨트롤러를 사용한 디지털 신호처리 기법을 이용하여 종래의 아날로그 발진기보다 보다 부하적응력이 우수한 초음파 진동자 구동 회로를 제공하는 데 있다.
나아가, 이러한 일련의 모든 회로는 디지털로 구성하여 단일 칩으로 집적화할 수 있는 초음파 진동자 구동 회로를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 본 발명에 따른 초음파 진동자 구동 회로는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 진동하는 하나 이상의 진동자로 구성된 다수의 진동자 그룹을 포함하는 진동자부와, 진동자의 구동을 위한 고조파가 제거된 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하여 진동자부로 인가하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부와, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 발생하여 출력하는 싸인파 테이블과, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 발생하여 출력하는 코싸인파 테이블을 포함하는 디지털 신호 발진부와, PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 각각의 진동자 그룹으로 공급되는 전류의 위상을 산출하여 디지털 값으로 샘플링하고, 샘플링된 전류의 위상에 디지털 신호 발진부로부터 출력되는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 각각 곱한 후 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 주기마다 적분 값을 적산하여 각각의 진동자 그룹으로 실제 입력되는 입력 전류의 위상과 디지털 신호 발진부로부터 의해 공급되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 위상 차를 산출하는 전류 위상 측정부와, 디지털 신호 발진부로부터 출력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 트랜지스터들의 구동 온/오프 시간을 조절하여 각각의 진동자 그룹이 일정 시간 간격으로 순차적으로 구동하도록 위상 차를 갖는 다상 구동 신호로 변환하여 진동자 그룹으로 출력하는 신호 변환부와, 전류 위상 측정부에 의해 산출된 위상 차에 따른 출력 값에 따라 디지털 신호 발진부의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 위상이 제어되도록 제어신호를 출력하고, 사용자가 설정한 초음파 방향 설정 값에 따라 진동자 그룹이 소정 위상 차에 따라 순차적으로 구동하도록 신호 변환부로 제어신호를 출력하는 제어부를 포함하여 구성된다.
따라서, 각각의 진동자 그룹으로 소정 위상 차를 가지는 지연 구동 신호를 출력함으로써, 다양한 진행 방향을 가진 초음파를 발생할 수 있으며, 부하조건에 따라 변화하는 진동자의 동작중에 다른 주파수로 공진 주파수를 천이하고 그때의 진동자의 동작 성능을 측정하여 현재 동작점과 비교함으로써, 최적 진동 주파수의 선정 제어 및 출력전력의 제어가 가능한 장점을 갖는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 초음파 진동자 구동 회로를 개략적으로 도시한 블럭도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 초음파 진동자 구동 회로는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 진동하는 하나 이상의 진동자로 구성된 다수의 진동자 그룹을 포함하는 진동자부(10)와, 진동자의 구동을 위한 고조파가 제거된 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하여 진동자부(10)로 인가하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부(21)와, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 발생하여 출력하는 싸인파 테이블(22)과, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 발생하여 출력하는 코싸인파 테이블(23)을 포함하는 디지털 신호 발진부(20)와, PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 각각의 진동자 그룹으로 공급되는 전류의 위상을 산출하여 디지털 값으로 샘플링하고, 샘플링된 전류의 위상에 디지털 신호 발진부(20)로부터 출력되는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 각각 곱한 후 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 주기마다 적분 값을 적산하여 각각의 진동자 그룹으로 실제 입력되는 입력 전류의 위상과 디지털 신호 발진부(20)로부터 의해 공급되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 위상 차를 산출하는 전류 위상 측정부(30)와, 디지털 신호 발진부(20)로부터 출력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 트랜지스터들의 구동 온/오프 시간을 조절하여 각각의 진동자 그룹이 일정 시간 간격으로 순차적으로 구동하도록 위상 차를 갖는 다상 구동 신호로 변환하여 진동자 그룹으로 출력하는 신호 변환부(40)와, 전류 위상 측정부(30)에 의해 산출된 위상 차에 따른 출력 값에 따라 디지털 신호 발진부(20)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 위상이 제어되도록 제어신호를 출력하고, 사용자가 설정한 초음파 방향 설정 값에 따라 진동자 그룹이 소정 위상 차에 따라 순차적으로 구동하도록 신호 변환부(40)로 제어신호를 출력하는 제어부(50)를 포함하여 구성된다.
진동자부(10)는 하나의 이상의 진동자로 구성되는 다수의 진동자 그룹으로 구성된다. 하나의 그룹은 동일한 위상을 갖는 구동 신호에 의해 구동된다. 진동자는 입력되는 구동신호에 따라 소정 주파수로 공진하는 소자로써, 예를 들면, 크리스탈 진동자 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따라 본 발명에 따른 진동자의 구동신호는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 구동된다. 이하 진동자부를 설명의 편의상 진동자로 약칭한다.
디지털 신호 발진부(20)는 진동자(10) 구동을 위한 PWM(Pulse width Modulation) 신호를 발생하는 일종의 신호 발생기로써, 제어부(50)의 제어신호에 따라 진동자(10)의 구동을 위한 PWM(Pulse width Modulation) 신호를 발여생하여 출력한다. 디지털 신호 발진부(20)는 예를 들면, DDS(Direct Digital Synthesizer)가 사용될 수 있으며, 이러한 DDS 회로와 예를 들면 마이크로 프로세서로 구현되는 제어부(50)를 통해 1Hz이하의 PWM(Pulse width Modulation) 신호를 제어할 수 있다.
디지털 신호 발진부(20)로부터 출력되는 진동자의 구동 신호는 진동자의 구동을 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호와, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상을 갖는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터 및 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 포함한다. 여기서, PWM(Pulse Width Modulation) 신호는 진동자의 구동을 위해 인가되는 신호이며, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상을 갖는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터 및 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터는 후술할 전류 위상 측정부(30)의 입력으로 사용된다.
디지털 신호 발진부(20)에 대한 설명은 도 2를 통해 더욱 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 디지털 신호 발진부를 개략적으로 도시한 블럭도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 디지털 신호 발진부(20)는 진동자의 구동을 위한 고조파가 제거된 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하여 진동자부(10)로 인가하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부(21)와, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 발생하여 출력하는 싸인파 테이블(22)과, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 발생하여 출력하는 코싸인파 테이블(23)을 포함하여 구성된다.
D-플립플롭에 인가되는 신호는 전류 위상 측정부(30)에 의해 산출된 위상 차에 따라 제어부(50)가 산출한 위상 보상 값이며, D-플립플롭은 이를 수신하여 위상 보상 값에 따른 디지털 값을 출력한다. PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부(21)는 수신된 디지털 값과 대응되는 위상 정보를 가지고 있어 해당 디지털 값과 대응되는 위상을 가진 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 출력한다.
또한, 싸인파 테이블(22) 및 코싸인파 테이블(23)은 다수의 위상을 가진 싸인파 및 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터가 저장된 테이블로써, PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부(21)로부터 출력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 싸인파 및 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 엑세스하여 출력한다.
또한, PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부(21)는 고조파가 제거된 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발진하는데 이러한 고조파 제거 기술은 도 3a과 3b를 통해 추후 설명하기로 한다.
PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부(21)는 제어부(50)로부터 출력되는 제어신호에 따라 소정 위상과 주파수를 갖는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하여 출력하는 PWM(Pulse Width Modulation) Driver이다.
싸인파 테이블(22)은 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부(21)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 참조하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 발생하여 출력한다.
코싸인파 테이블(23)은 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부(21)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 참조하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 발생하여 출력한다.
이러한 디지털 신호 발진부(20)는 FPGA(Field Programmable Gate Array)등 IC에 디지털 논리회로로 구현이 가능하며 그 동작 속도 분해능을 조절하여 구현이 가능하다. 디지털 신호 발진부(20)의 출력 주파수는 구성요소의 가산기의 동작속도에 따라 그 최고 동작속도가 결정된다.
한편, 분해능은 가산기의 비트 수에 의하여 결정된다. 예를 들어, 시스템의 동작 주파수를 40MHz로 하고 내부 가산기를 32비트로 구현할 경우, 분해능은 40 × 106 × 2-32 ≒ 40mHz가 된다. 계측기 등에는 μHz의 주파수 분해능 정도를 구현할 수 있다. PWM(Pulse Width Modulation) 출력 주파수 관계식은 수학식 1을 통해 나타낸다.
Figure 112006016287059-pat00001
상술한 바와 같이, 디지털 신호 발진부(20)는 동일한 주파수의 3가지 신호를 출력하는데, 진동자(10)의 구동을 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호와, 진동자(10)의 동작특성 측정을 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 출력한다. 디지털 신호 발진부(20)의 입출력은 모두 디지털 값이고 각각의 값은 제어부(50)로부터 출력되는 디지털 클록에 의하여 주기적으로 변한다. PWM(Pulse Width Modulation) 신호는 증폭기를 통해 진동자(10)에 인가되며, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터는 전류 위상 측정부(30)로 인가된다.
PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부(21)는 고조파가 제거된 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하여 출력하는데 이렇게 발생된 PWM(Pulse Width Modulation) 신호는 증폭기(AMP)(70)에 의해 진동자(10)의 구동에 필요한 전압레벨로 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 증폭되며, 임피던스 매칭 회로(60)를 통하여 증폭기의 출력단과 진동자(10)의 입력단의 임피던스가 정합되어 진동자(10)로 공급된다.
이하에서는 상술한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 고조파 제거 과정을 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명하기로 한다.
도 3a 및 도 3b는 온/오프 제어되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 포함된 특정 고조파 성분을 선택적으로 제거하는 과정을 도시한 그래프이다. 도 3a에 도시한 바와 같이, 제어부(50)에 의해 온/오프 제어되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호는 매우 많은 고조파 성분이 있다. 이렇게 고조파 성분이 포함된 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 고조파는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 온/오프를 제어함으로써 상당량 제거할 수 있으며 적당한 수의 노치 필터(notch filter)와 펄스 폭을 크기를 조절하는 선택적 고조파 제거 기술을 통해 원하는 고조파를 선택적으로 제거할 수 있다. 이러한 선택적 고조파 제거 과정을 도 3b를 통해 설명하면 아래와 같다.
3b는 온/오프 제어되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 포함된 특정 고조파 성분을 선택적으로 제거한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 도시한 그래프이다. 도시된 바와 같이, 노치 필터(notch filter) 2개의 증가에 따라 보통 1 개의 고조파 성분이 제거되므로 노치 필터(notch filter) 4개가 있는 파형에서는 3고조파 성분과 5고조파 성분이 제거된 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 파형이 구현이 가능하다. 이러한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 고조파 제거 방법 즉, 선택적 고조파 제거 기술(Selective Harmonic Eliminated)은 이건 출원 전에 이미 사용화된 기술이므로 그 상세한 설명은 생략하도록 한다.
신호 변환부(40)는 제어부(50)의 제어신호에 따라 디지털 신호 발진부(20)로부터 출력되는 구동 신호(PWM(Pulse Width Modulation) 신호)를 진동자 그룹이 일정 시간 간격으로 순차적으로 구동하도록 소정 위상 차를 갖는 다상 구동 신호로 변환하여 진동자 그룹 각각으로 출력한다. 이러한 다상 구동 신호는 신호 변환부(40)를 구성하는 트랜지스터들의 온/오프 구동에 따라 출력된다.
도 4a는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 신호 변환부와 진동자부의 연결 구성을 개략적으로 도시한 회로도이고, 도 4b는 도 4a의 신호 변환부의 트랜지스터의 온/오프 신호를 개략적으로 도시한 그래프이며. 도 4c는 도 4a 도 4b를 통해 구동되는 진동자들에 의해 발생되는 초음파의 진행 방향을 개략적으로 도시한 개요도이다. 도시된 바와 같이, 진동자부(10)가 6개의 진동자 그룹으로 구성될 경우 신호 변환부(40)는 6개의 트랜지스터로 구현될 수 있다.
이때 각각의 그룹들은 위상이 120도가 어긋난 3상의 제어신호에 따라 온/오프되는 트랜지스터에 의해 구동된다. 도시된 A 진동자 그룹은 제 1 트랜지스터(Q1), -A 진동자 그룹은 제 2 트랜지스터(Q2), B 진동자 그룹은 제 3 트랜지스터(Q3), -B 그룹은 제 4 트랜지스터(Q4), C 진동자 그룹은 제 5 트랜지스터(Q5), 마지막으로 -C 진동자 그룹은 제 6 트랜지스터(Q6)의 구동에 의해 구동하게 된다.
각각의 진동자 그룹은 그 구동순서에 따라 A, -C, B, -A, C, -B 순으로 배치된다. 또한, 제 1 과 제 2 트랜지스터(Q1, Q2)와 제 3 과 제 4 트랜지스터(Q3, Q4) 및 제 5 과 제 6 트랜지스터(Q5, Q6)는 그 위상이 180도 차이가 나는 구동 신호(인버스 신호)에 의해 온/오프 제어된다.
도 4b를 참고하여 설명하면, 제 1 온/오프신호(U)에 의해 제 1 트랜지스터(Q1)가 구동하면, A 진동자 그룹이 이에 따라 구동하게 되고, 60도의 위상 지연 후에 제 3 온/오프신호(W)에 의해 제 6 트랜지스터(Q6)가 구동되어 -C 진동자 그룹을 구동시킨다. 또한, 제 3 온/오프신호(W)와 60도의 위상 지연 후에 제 2 구동신호(V)가 발생하고, 그에 따라 제 3 트랜지스터(Q3)가 구동되어 B 진동자 그룹을 구동시킨다.
각각의 온/오프신호들(U,V,W)은 서로 120도의 위상차이를 가지며, 하나의 온/오프신호는 그 위상이 180도 차이가 나는 구동 신호(인버스 신호)로 구성된다.
따라서, 이러한 3상의 위상은 도 4a에 도시된 트랜지스터의 구성에서 각 트랜지스터의 유기적인 온/오프를 통해 구현할 수 있다. 3상으로 구성한 시스템의 구동에서 각 트랜지스터의 온/오프 시간은 도 4b에서 보듯이 충분한 온 시간을 확보할 수 있다. 이 구동이 단상의 경우와 달리 각 상이 서로 유기적으로 전압이 조절되므로 전압 이용률을 높일 수 있다.
또한, 이 전압은 각 상의 온/오프 시간을 미세하게 조절하면 각 상의 전압을 조절이 가능하며, 이때 이 위상을 조절하여 각 상의 전류를 균형 잡힌 구성으로 구동이 가능하게 할 수 있다. 이러한 미세조절은 초음파 구동회로의 전류 및 전압을 안정적으로 진동자에 보낼 수 있는 전기적 조건을 만들어 준다.
진동자 그룹과 신호 변환기의 전기적 연결은 도 4a에 도시되어 있다. 이같이 연결하여 초음파를 발생하도록 하면 각각의 진동자 그룹에서 발생하는 파의 위상이 지연된 파가 출력된다. 이때 각 인접한 진동자 그룹간의 위상이 60도 정도 차이가 있는 음이 순차적으로 발생하므로 초음파의 진행이 도 4c와 같이 진행된다.
이러한 진행방향을 가진 초음파는 기존의 초음파와 다른 세척력을 가질 수 있다. 즉, 베어링과 같이 여러 방향에서 초음파의 진행이 유리한 구조의 기기를 세척하는 경우에 초음파의 진행이 진동자가 설치된 면에서 수직으로 진행하지 않고 소정 각도로 진행하는 초음파의 경우 기기의 구석구석에 침투하기에 유리한 조건을 가질 수 있다. 또한, 3상의 위상을 서로 엇갈리면 초음파의 진행 방향을 손쉽게 바꿀 수 있어 단방향 초음파로 세척이 곤란한 부분을 세척할 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 3상으로 구성된 시스템에서는 총 전력은 단상에 비하여 많은 전력을 보낼 수 있다. 즉, 각각의 상에서 전선이 2개씩 연결하여야 하나 3상의 시스템에서는 3개의 선이 필요하므로 전체적으로는 단상보다 전력을 40% 이상 더 많이 같은 전선을 이용하여 보내 줄 수 있다. 따라서 진동자 연결선의 임피던스의 영향을 줄일 수 있어 대전력 시스템의 구성에 적합한 구성이 가능한 것을 알 수 있다.
전류 위상 측정부(30)는 각 진동자 그룹으로부터 측정되는 전압과 전류 값을 측정하여 각 진동자 그룹으로 공급되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 값에서 위상 차이와 전력을 산출한다.
즉, 전류 위상 측정부(30)는 진동자 그룹의 진동자로부터 구동 후 출력되는 출력 전류의 크기와 위상을 산출하고, 산출된 출력 전류의 위상과 디지털 신호 발진부(20)에 의해 진동자 그룹의 진동자로 공급되는 구동신호의 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 각각 비교하여 위상의 차이를 산출하여 제어부(50)로 출력한다.
전류 위상 측정부(30)는 디지털 신호 발진부(20)로부터 진동자(10)로 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 진동자(10)로 공급되는 전류의 위상을 아날로그 디지털 변환기(ADC: Analog Digital Converter)를 이용하여 디지털 신호로 변환하고 디지털 신호 발진부(20)에서 디지털 신호로 출력되는 Sin(ωt)의 위상에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 Cos(ωt)의 위상에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 각각 곱한 후 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 주기마다 적분 값을 적산함으로써, 디지털 신호 발진부(20)로부터 발진 되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호, 와 진동자(10)로부터 측정되는 전류와 전압의 위상 차이를 산출하여 출력한다.
상술한 바와 같이, 진동자(10)로 공급되는 전류 전압의 파형은 PWM(Pulse Width Modulation) 신호가 공급되고 있으므로 입력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 포함되어 있는 여러 고조파가 진동자(10)에 인가되고 있다.
그러나 이러한 고조파의 영향으로 단순한 전류의 파형을 종래의 기술인 전압 비교기를 이용한 에지 검출 방식의 전류 및 전압의 위상검출은 그 한계가 있다. 이렇게 종래의 전압 비교기로 전압의 0°를 검출한 경우 거의 PWM(Pulse Width Modulation)의 파형의 처음 펄스가 나타나는 점이 0°로 검출될 수 있다. 그러나 실제로는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터에서는 원점이 입력 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 주파수의 0°이다. 즉 전류 위상 측정부(30)가 고조파로 인해 위상측정의 오류가 일어날 수 있다. 이러한 오류는 몇 °의 차이이지만 회로 동작에는 심각한 오류(1°오류에 0.3%의 주파수 편차가 생길 수 있음.)를 유발할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 전류 위상 측정부(30)의 위상 측정회로를 개략적으로 도시한 블럭도이다. 도시된 바와 같이, 오류를 최소화하기 위한 전류 위상 측정부(30)는 상관기를 이용하면 신호에 잡음이 섞여있건 디지털의 파형이건 원하는 주파수에 대하여 매우 높게 선택적으로 위상의 검출이 가능하다. 즉, 상관기는 디지털 신호 발진부(20)에서 출력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 이용하면 된다. 이러한 싸인 및 코싸인 값과 진동자로부터 측정된 출력전류를 곱하고 한 주기마다 적분 값을 적산하면 진동자로부터 출력되는 전류의 위상 값을 계산할 수 있다.
진동자로부터 출력되는 전류의 위상은 실제로 구동되는 진동자의 구동 상태를 판단하기 위한 기준 값을 사용된다. 즉, 입력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 위상과 동일한 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터의 위상과 진동자로부터 출력되는 전류의 위상 차이를 비교함으로써, 진동자의 구동상태를 판단한다.
예를 들어 설명하면, 입력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 위상과 출력 전류의 위상이 동일하다면, 진동자는 입력된 구동신호에 정확히 반응하고 있는 것이므로 이러한 경우 진동자는 최적의 상태로 구동하고 있는 것으로 판단할 수 있다.
그러나 입력 신호의 위상과 출력 전류의 위상이 차이가 나타난다면, 현재 진동자(10)는 입력 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 대하여 좀더 빠르게 진동하거나 또는 느리게 진동하고 있다는 것으로 판단할 수 있다는 것이다.
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또한, 디지털 신호 발진부(20)로부터 출력되어 상관기의 기준 주파수로 사용되는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터의 값 외의 다른 고조파의 값은 연산 후에 그 값이 0이 되어 고조파의 영향을 제거한 값이되므로 일반적인 밴드패스 필터를 사용한 방법보다 더 간단하고 정밀하게 측정하고자 하는 값을 산출할 수 있다.
제어부(50)는 전류 위상 측정부(30)에 의해 산출된 위상 차에 따른 출력 값에 따라 디지털 신호 발진부(20)에 의해 출력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 위상이 제어되도록 제어신호를 출력한다. 이러한 제어부(50)는 제어 신호 출력은 제어부(50)에 탑재된 운영 프로그램에 의해 이루어진다. 운영 프로그램은 전류 위상 측정부(30)에 의해 산출된 위상 차 즉, PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 진동자(10)로 공급되는 전류의 위상을 산출하여 디지털 값으로 샘플링하고, 샘플링된 전류의 위상에 디지털 신호 발진부(20)로부터 진동자(10)로 공급되는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 각각 곱한 후 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 주기마다 적분 값의 적산에 따라 디지털 신호 발진부(20)에 의해 발진 되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 위상을 조정하도록 디지털 신호 발진부(20)의 입력 값을 제어하는 것이다. 또한, 사용자에 의해 설정된 초음파 방향 설정 값에 따라 진동자 그룹 내의 진동자들이 위상 차에 따라 순차적으로 구동하도록 신호 변환부(40)로 제어신호를 출력한다. 즉, 제어부(50)는 초음파의 방향 설정에 따른 그룹 내의 진동자들의 구동 순서와 시간을 산출하여 신호 변환부(40)로 트랜지스터 온/오프에 대한 제어 신호를 출력함으로써, 초음파의 진행 방향을 결정할 수 있는 것이다.
즉, 제어부(50)는 전류 위상 측정부(30)로부터 산출된 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터의 위상과 출력 전류의 위상 차이를 이용하여 디지털 신호 발진부(20)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 위상과 주파수 조정에 따른 제어신호를 출력한다.
이렇게 출력되는 제어신호는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부(21)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발진하는 PWM(Pulse Width Modulation) Driver에 입력되며, PWM(Pulse Width Modulation) Driver는 입력되는 제어신호에 따라 구동 신호의 위상과 주파수를 조절하여 진동자로 출력함으로써, 진동자의 구동을 제어한다.
제어부(50)는 제어신호에 따라 목적하는 진동자의 입력 신호의 위상과 진동자의 출력 전류에 의해 산출되는 위상이 같을 때까지 상술한 과정을 반복하게 된다.
진동자의 최적 진동 주파수의 선정 제어 및 출력전력의 제어는 진동자의 최적 진동주파수의 동작점을 이어가는 성능으로 진동자의 상태가 부하조건에 따라 변하는 경우에 이른 가능한 제거하기 위하여 적용하기로 하였다.
즉, 동작중에 다른 주파수로 사용자가 느끼지 못할 시간만큼 주파수를 이동하여 해당 동작 성능을 검증하여 현재 동작점과 비교하는 것이다. 이러한 제어부(50)는 마이크로 프로세서와 S/W에 의하여 구성될 수 있다. 따라서, S/W의 변경에 의하거나 S/W 개선에 의하여 더 나은 제어회로 구성이 가능하다.
본 발명의 특징적인 양상에 따라 본 발명에 따른 제어부(50)는 입력되는 초음파의 방향 설정 값에 따라 해당 신호 변환부(40)의 트랜지스터의 구동 온/오프 제어신호를 출력한다. 사용자의 초음파 진행 방향 설정 값에 따라 각각의 진동자의 구동 순서를 제어함으로써 손쉽게 진행 방향을 변경할 수 있다.
예를 들어 설명하면, 도 4c와 같이 진동자로부터 발생하여 우측으로 진행하는 초음파를 좌측으로 변경하고 싶을 경우, 신호 변환기로 출력되는 트랜지스터 온/오프 신호의 위상을 서로 반대(180도의 위상 차)로 변경한 제어신호를 출력함으로써 가능하다.
따라서, 진동자의 구동 순서와 위상차이를 조절하여 원하는 진행 방향을 갖는 초음파를 발행할 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명에 따른 초음파 진동자 구동 회로는 각각의 진동자 그룹으로 소정 위상 차를 가지는 지연 구동 신호를 출력함으로써, 다양한 진행 방향을 가진 초음파를 발생할 수 있으며, 부하조건에 따라 변화하는 진동자의 동작중에 다른 주파수로 공진 주파수를 천이하고 그때의 진동자의 동작 성능을 측정하여 현재 동작점과 비교함으로써, 최적 진동 주파수의 선정 제어 및 출력전력의 제어가 가능한 장점을 갖는다.
또한, 디지털 신호 발진부에서 출력되는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터 및 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 진동자로부터 측정된 전류 전압 값의 상관 값을 이용하여 전류와 전압의 위상 차를 산출함으로써, 진동자에 입력되는 기본주파수의 전력 값을 실측할 수 있고 더욱 정확한 진공자의 최적의 공진 주파수를 산출할 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 이러한 일련의 모든 회로는 디지털로 구성되어 단일 칩으로 집적화할 수 있어 SOC(System On a Chip)의 기술로 구현이 가능하며, 아날로그 회로보다 저가격으로 구성할 수 있으며 양산화할 경우 제품의 품질을 안정화할 수 있고 환경변 화에 대처가 용이하다는 장점이 있다.
한편, 본 발명은 도면에 도시된 실시 예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

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  5. PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 진동하는 하나 이상의 진동자로 구성된 다수의 진동자 그룹을 포함하는 진동자부와;
    상기 진동자의 구동을 위한 고조파가 제거된 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하여 진동자부로 인가하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부와, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 발생하여 출력하는 싸인파 테이블과, PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 동일한 위상과 주파수를 갖는 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 발생하여 출력하는 코싸인파 테이블을 포함하는 디지털 신호 발진부와;
    상기 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 각각의 진동자 그룹으로 공급되는 전류의 위상을 산출하여 디지털 값으로 샘플링하고, 샘플링된 전류의 위상에 상기 디지털 신호 발진부로부터 출력되는 싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터와 코싸인파에 대응되는 디지털 값의 수치 데이터를 각각 곱한 후 상기 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 주기마다 적분 값을 적산하여 각각의 진동자 그룹으로 실제 입력되는 입력 전류의 위상과 디지털 신호 발진부로부터 의해 공급되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 위상 차를 산출하는 전류 위상 측정부와;
    상기 디지털 신호 발진부로부터 출력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 트랜지스터들의 구동 온/오프 시간을 조절하여 각각의 진동자 그룹이 일정 시간 간격으로 순차적으로 구동하도록 위상 차를 갖는 다상 구동 신호로 변환하여 상기 진동자 그룹으로 출력하는 신호 변환부와;
    상기 전류 위상 측정부에 의해 산출된 위상 차에 따른 출력 값에 따라 상기 디지털 신호 발진부의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 위상이 제어되도록 제어신호를 출력하고, 사용자가 설정한 초음파 방향 설정 값에 따라 상기 진동자 그룹이 소정 위상 차에 따라 순차적으로 구동하도록 상기 신호 변환부로 제어신호를 출력하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동자 구동 회로.
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