KR100897616B1 - 주파수 발진 장치, 및 방법 - Google Patents

Abstract

주파수 발진 장치, 및 방법이 개시된다. 주파수 발진 장치는 백색 잡음 생성부, 및 필터부를 포함한다. 백색 잡음 생성부는 백색 잡음의 전기 신호를 생성한다. 필터부는 백색 잡음의 전기 신호를 필터링하여 소정 대역 주파수의 전기 신호를 생성한다. 데이터의 생성과 전송을 위해 별도의 주파수 발진을 하는 것이 아니라, 생성하기 용이한 백색 잡음을 필터링하여 저전원 주파수 발진이 가능해 진다.

주파수 발진, 백색 잡음, 스파크, 표면 탄성파

Description

주파수 발진 장치, 및 방법{Apparatus and method for frequency synthesizing}

도 1은 본 발명에 따른 주파수 발진 장치를 포함하는 데이터 전송 장치의 일 실시예의 개략적인 블록도.

도 2는 도 1의 백색 잡음 생성부의 개략적인 블록도.

도 3은 도 1의 필터부의 개략적인 블록도.

도 4는 도 1의 부호화부의 개략적인 블록도.

도 5는 도 4의 표면 탄성파 부호화부의 개략적인 블록도.

도 6은 종래의 압전 에너지 저장 및 변환 시스템을 도시한 도면.

도 7은 도 1의 데이터 전송 장치의 구체적인 구조를 도시한 도면.

도 8은 파센의 법칙에 따른 극판 간격과 극판 간격 사이 압력의 브레이크다운 전압 특성을 도시한 그래프.

도 9는 스파크 발생 구조를 제조하는 반도체 공정을 도시한 도면.

도 10은 스파크를 발생하는 압전체의 개략적인 도면.

도 11은 원통형 압전체에 대한 물성 및 형상을 나타낸 표.

도 12는 어쿠스틱 임피던스 비에 따른 압전 에너지 변환을 도시한 그래프.

도 13은 재질에 따른 어쿠스틱 임피던스를 나타낸 표.

도 14는 도 7의 여러 지점에서의 신호 파형을 도시한 도면.

도 15는 도 7의 F 지점에서의 입력 파형 및 G 지점에서의 출력 파형을 도시한 도면.

도 16 내지 18은 각각 주파수 변조, 진폭 변조, 위상 변조를 수행하는 입력 코드 배열을 도시한 도면.

도 19는 코딩 네트워크의 구성도.

도 20은 도 1의 주파수 발진 장치의 구조와 종래의 데이터 전송 장치의 구조를 비교한 도면.

도 21은 주파수 변조를 위한 도 7의 변형 구조를 도시한 도면.

도 22는 서로 다른 주파수를 이용해 주파수 변조를 구현하는 예를 도시한 도면.

도 23은 가변 스파크 간격 어레이 및 외부 프로그래머의 구조를 도시한 도면.

도 24는 위상 변조를 수행하는 코딩 어레이 IDT의 패턴과 출력 파형의 예를 도시한 도면.

도 25는 도 24의 코딩 어레이 IDT 출력단의 시간에 따른 출력값을 도시한 표.

본 발명은 통신 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 데이터 전송 장치에 포함되는 주파수 발진 장치에 관한 것이다.

일반적으로 무선 데이터를 송신하기 위해서는 전원, 데이터 변환장치, 무선 송신기 및 안테나와 같은 기본 구성 요소를 갖추어야 한다. 특히, 유비쿼터스 센서에 적용하기 위한 무선 데이터 전송 시스템은 이러한 기본 구성 요소 이외에도 저전력 데이터 변환 장치 및 저전력 무선 송신기와 아울러 배터리와 같은 소형 전원 적용이 요구된다.

그러나 센서의 값을 계측하여 무선 전송하거나 특정 정보를 송출하기 위해 최근 많이 개발되고 있는 데이터 전송 장치의 경우 점차 소형화되면서 전원 공급의 문제가 심각해지고 있다.

즉, 연속적인 계측을 원하는 측정 분야 혹은 연속적인 데이터 전송을 위한 장치 등은 필연적으로 연속적인 데이터 전송을 위해 전력을 소비해야 하는데, 시스템이 소형화되면서 한정된 용량의 배터리만을 사용할 경우 작동 수명이 매우 짧아지게 되기 때문이다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전원 공급에 대한 우려가 없으면서 반영구적으로 사용가능한 주파수 발진 장치, 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 주파수 발진 장치는 백색 잡음 생성부, 및 필터부를 포함한다. 백색 잡음 생성부는 백색 잡음의 전기 신호를 생성한다. 필터부는 백색 잡음의 전기 신호를 필터링하여 소정 대역 주파수의 전기 신호를 생성한다.

데이터의 생성과 전송을 위해 별도의 주파수 발진을 하는 것이 아니라, 생성하기 용이한 백색 잡음을 필터링하여 주파수를 발진하므로 저전원 주파수 발진이 가능해 진다.

백색 잡음 생성부는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전 소자; 및 상기 압전 소자에서 발생된 전기 에너지로 스파크를 발생시키는 스파크 발생부를 포함할 수 있다. 압전 소자를 이용하여 백색 잡음을 생성하기 때문에 백색 잡음의 생성을 위해 별도의 전원이 필요 없어 전원의 필요가 더욱 감소된다.

스파크 발생부는 스파크 발생 시간을 조절하기 위한 스파크 시간 조절부를 포함할 수 있다. 스파크 발생 시간을 조절함으로써 부호화부의 작동 시간을 조절할 수 있게 된다.

스파크 발생부는 스파크가 발생되는 전극간 거리를 조절함으로써 스파크 시간을 조절할 수 있으며, 스파크 발생부가 서로 다른 전극간 거리를 가지는 복수의 전극쌍 중 하나의 전극쌍을 선택함으로써 전극간 거리를 조절할 수 있다. 이러한 구성은 스파크 시간의 조정을 더욱 용이하게 해 준다.

전극쌍은 반도체 공정에 의해 하나의 기판상에 제작될 수 있다. 이와 같은 구성은 스파크 발생부를 더욱 작고 정밀하게 제작할 수 있도록 해준다.

필터부는 소정 대역의 주파수를 포함하는 서로 다른 대역폭을 가지는 복수의 필터를 포함하고, 복수의 필터는 대역폭이 넓은 필터로부터 대역폭이 좁은 필터로 순차적으로 연결될 수 있다. 대역폭이 넓은 필터부터 순차적으로 복수의 필터를 사용함으로써 신호의 왜곡을 방지하고 회로의 효율을 높일 수 있게 된다.

필터부는 전기 신호의 신호 강도를 조절하기 위한 변압부를 포함할 수 있다. 신호의 강도를 조절함으로써 회로를 보호 및 효율을 증가할 수 있게 된다.

필터부는 서로 다른 복수의 대역 주파수 전기 신호를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다. 서로 다른 복수의 주파수의 전기 신호를 생성함으로써 부호화부에서 다양한 주파수를 이용할 수 있게 된다.

아울러, 상기 주파수 발진 장치를 방법의 형태로 구현한 발명이 개시된다.

본 발명의 주요한 구성은, (1) 압전체를 이용한 스파크 생성, (2) 생성된 스파크가 백색 잡음의 형태를 가지므로 필요한 주파수 대역으로 여파하는 기능, (3) 여파된 신호를 SAW 전송기(transmitter)로 입력하고, (4) 입력된 신호는 적절한 온타임(On-time) 주기를 가져야 하므로 프로그램 가능한 스파크 간격(Programmable Spark-gap) 구조를 채택하여 적절한 온타임 주기를 설정할 수 있도록 한 점 등이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 주파수 발진 장치를 포함하는 데이터 전송 장치의 일 실시예의 개략적인 블록도이다.

도 1에서 데이터 전송 장치(1000)는 백색 잡음 생성부(100), 필터부(200), 부호화부(300), 및 정합부(400)를 포함한다.

백색 잡음 생성부(100)는 백색 잡음의 전기 신호를 생성한다.

도 2는 도 1의 백색 잡음 생성부의 개략적인 블록도이다.

도 2에서 백색 잡음 생성부(100)는 압전 소자부(110)와 스파크 발생부(120)를 포함한다.

압전 소자부(110)는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 압전 소자를 이용하여 백색 잡음을 생성하기 때문에 백색 잡음의 생성을 위해 별도의 전원이 필요 없게 된다.

스파크 발생부(120)는 압전 소자부(110)에서 발생된 전기 에너지로 스파크를 발생시킨다. 또한, 도 2에서 스파크 발생부(120)는 스파크 시간 조절부(122)를 포함한다.

스파크 시간 조절부(122)는 스파크가 발생되는 시간을 조절할 수 있으며, 그 방법으로는 스파크가 발생되는 전극(미도시)간 거리를 조절할 수 있다.

전극간 거리의 조절은 스파크 발생 시간 조절부(122)가 서로 다른 전극간 거리를 가지는 복수의 전극쌍 중 하나의 전극쌍을 선택함으로써 수행할 수 있다.

전극쌍은 반도체 공정에 의해 하나의 기판상에 제작될 수 있으며, 이와 같은 구성은 스파크 발생부(120)를 더욱 작고 정밀하게 제작할 수 있도록 해준다.

필터부(200)는 백색 잡음의 전기 신호를 필터링하여 소정 대역 주파수의 전기 신호를 생성한다. 소정 대역은 장치의 제조자나 사용자가 미리 설정할 수 있다.

도 3은 도 1의 필터부의 개략적인 블록도이다.

도 3에서 필터부(200)는 복수의 필터(210, 220), 및 변압부(230)를 포함한 다.

복수의 필터(210, 220)는 소정 대역의 주파수를 포함하는 서로 다른 대역폭을 가진다. 복수의 필터(210, 220)는 대역폭이 넓은 필터(212, 2124)로부터 대역폭이 좁은 필터(222, 224)로 순차적으로 연결된다.

변압부(230)는 전기 신호의 신호 강도를 조절한다. 이와 같이, 신호의 강도를 조절함으로써 회로를 보호 및 효율을 증가할 수 있게 된다.

필터부(200)는 서로 다른 복수의 대역 주파수 전기 신호를 생성할 수 있다. 도 3에서 서로 다른 주파수를 필터링하기 위해 필터 배열이 상하로 병렬로 구성되어 있는 것이 도시되어 있다. 이와 같이, 서로 다른 복수의 주파수의 전기 신호를 생성함으로써 부호화부에서 다양한 주파수를 이용할 수 있게 된다.

부호화부(300)는 주파수 필터링된 전기 신호를 부호화한다.

도 4는 도 1의 부호화부의 개략적인 블록도이다.

도 4에서 부호화부(300)는 신호 입력부(310), 표면 탄성파 부호화부(320), 신호 출력부(330)를 포함한다.

신호 입력부(310)는 부호화될 전기 신호를 입력받아 표면 탄성파로 변환한다.

또한, 신호 입력부(310)는 동일 주파수 대역이고 서로 다른 위상을 가지는 복수의 전기 신호 입력을 표면 탄성파로 변환할 수 있다. 이러한 구성은 입력된 전기 신호의 위상 부호화를 가능하게 해준다.

또한, 신호 입력부(320)는 동일 위상이고 서로 다른 주파수 대역을 가지는 복수의 전기 신호 입력을 표면 탄성파로 변환할 수 있다. 이러한 구성은 입력된 전기 신호의 주파수 변조를 가능하게 해준다.

표면 탄성파 부호화부(320)는 입력되는 부호화 신호에 따라 표면 탄성파를 부호화한다.

도 5는 도 4의 표면 탄성파 부호화부의 개략적인 블록도이다.

도 5에서 표면 탄성파 부호화부(320)는 복수의 표면 탄성파 변환부(322), 및 선택부(324)를 포함한다.

표면 탄성파 변환부(322)는 표면 탄성파 진행 방향으로 연속적으로 배열된다. 표면 탄성파 부호화부는 복수의 표면 탄성파 변환부들 각각의 표면 탄성파 출력 여부를 선택하는 선택부(324)를 포함할 수 있다.

마지막으로, 신호 출력부(330)는 부호화된 표면 탄성파를 전기 신호로 변환하여 출력하고, 정합부(400)는 필터부(200)와 부호화부(300)를 연결한다.

이하, 본 발명에 따른 데이터 전송 장치의 실시예에 대해 더욱 상세히 설명한다.

압전체를 이용한 에너지 변환 장치는 이미 많은 개발자에 의하여 개발되어 왔다. 압전 에너지 변환장치는 기계적인 충격, 진동 등을 전기적 에너지로 변환시키는 방법이다.

이 에너지 변환 시스템의 구성은 크게 압전체, 압전체 타격부, 변압기(Transformer), 정류 회로, 저장 회로 및 정전압 공급 회로 등으로 구성되는데 실제 에너지 변환 효율은 매우 낮을 뿐 아니라 저장, 정류 등의 과정에서 생성되는 손실은 매우 큰 편이므로 실제 응용에는 제한적이다.

따라서, 아직까지 압전 에너지 변환을 이용한 구체적인 상용예가 없는 편이다. 이것은 여러 번에 걸쳐서 기계적 에너지를 인가해주어야 필요한 전기적 에너지가 생성되는 이유에 기인한 것으로서 기계적 에너지가 불연속적으로 인가되거나 단속적으로 인가되는 경우에는 실제 효용성이 없기 때문이다.

만약, 단 한 번의 기계적인 에너지 인가만으로도 무선 데이터를 전송할 수 있는 압전 에너지 변환 장치가 개발된다면 지금까지 작동 신뢰성 문제로 인하여 사용에 제한적인 압전 에너지 변환 시스템을 광범위하게 사용할 수 있는 계기가 될 것이다.

무전원/무선 데이터 전송을 위해 많이 개발되어 온 주변 환경으로부터 에너지를 얻는 압전 에너지 변환 장치의 용도는 셀 수 없을 정도로 많지만 실제 적용에 있어서의 문제점을 개선(예; 단 한 번의 충격만으로도 충분히 데이터를 전송할 수 있는 방법의 개발 등) 한다면 장차 소형화하는 통신 시스템에 적용하여 사용 용도를 광역화할 수 있을 것이다.

도 6은 종래의 압전 에너지 저장 및 변환 시스템을 도시한 도면이다.

도 6에서 외부의 기계적 에너지(충격, 압력, 진동 등)는 압전체(2)에 인가되고 압전체(2)는 외부에서 인가된 에너지에 따라 인장 및 압축을 수행하게 되고 압전체(2)의 인장 및 압축 정도에 따라 전압이 발생하게 된다(피에조 효과).

발생된 전압은 매우 높은 주파수를 갖는 지수 감소하는 정현파 형태 (통상 Asin(wt)·e^-τt)를 갖게 된다. 따라서, 이 전압 파형을 저장하기 위해 브리지(Bridge) 회로(3)를 이용하여 정류하게 되고, 정류된 전압은 커패시터(Capacitor;4)와 같은 에너지 저장 소자에 저장 되게 된다.

이후, 응용 회로에서 사용할 수 있도록 정전압 회로를 거치면서 통상적으로 사용할 수 있는 +5V 혹은 +3.3V의 정전압으로 공급된다. 도 6의 압전 에너지 변환 및 저장 회로의 경우 외부에서 인가되는 에너지의 양이나 빈도가 높을 때에만 커패시터 내에 충분한 전기 에너지가 저장되는데, 이것은 압전 변환 효율뿐 아니라 저장 및 레귤레이션(Regulation) 회로에서 발생하는 손실이 매우 크기 때문이다.

도 6과 같은 시스템은 상시 진동이 가해지는 상황에서는 유용하지만 이외의 상황에서는 그 실효성이 없다고 볼 수 있다. 따라서 단 한 번의 외부 물리적 에너지가 인가되는 상황에서도 동작할 수 있는 무전원/무선 전송 메커니즘 개발이 필요하였다.

도 7에 도 1의 데이터 전송 장치의 구체적인 구조를 도시한 도면이다.

도 7의 압전체("Piezo Ignitor")에 외력이 작용하면, 압전체는 10kV 내지 20kV의 고전압을 발생시킨다. 이는 전기 라이터의 불꽃 점화 장치의 작동 원리와 유사하다.

이때, 발생된 고전압은 도 7에서 명시한 스파크 발생기(Spark Generator)를 통과하면서 내부적으로 스파크(Spark)를 발생시킨다. 이렇게 스파크가 발생하는 메커니즘은 다음과 같다.

도 7과 같은 압전 착화기와 같은 경우 t=0⁺인 순간에 순간적인 기계적 응력이 압전체에 인가되었을 때 두 단자 사이가 대기중에 노출되어 있다면, 대기 방전이 일어나게 된다.

대기 방전은 압전체와 연결된 두 전극 사이에서 브레이크다운(Breakdown)이 발생할 경우 나타나는 현상으로써 브레이크다운 전압은 대기압 및 두 전극 사이의 간극 등에 의해 결정된다.

파센(Parschen)은 두 전극 사이의 전압이 계속 증가될수록 전기장(Electric Field)의 세기는 계속 증가하지 않고 일정한 전압 이상에서는 브레이크다운이 발생하게 되어 방전 현상이 일어나는 것에 대한 이론적인 규명을 하였으며(Paschen's Law), 브레이크다운과 압력-간극 사이의 관계에 대한 곡선인 Paschen's Curve를 제시하였다.

도 8은 파센의 법칙에 따른 극판 간격과 극판 간격 사이 압력의 브레이크다운 전압 특성을 도시한 그래프이다.

도 8은 극판 간격과 극판 사이의 압력의 스칼라곱(Scala product; p x d)의 브레이크다운 전압 특성이 도시되어 있다. 도 8에서 브레이크다운 전압은 특정 극판 간격일 때 최소점을 보이고 있는데, 이 점을 기준으로 오른쪽으로 갈수록 브레이크다운 전압이 높아지는 것은 극판 간격이 넓어지면 넓어질수록 브레이크다운이 일어나기 위한 전기 에너지(Electric Energy)가 더욱 많이 필요하기 때문이다.

또한, 최소점의 왼쪽에서 극판 간격이 좁아짐에도 브레이크다운 전압이 크게 나타나는 데, 이것은 극판 간격이 좁음으로 인해 가속된 전자와 충돌할 공기의 총량이 작기 때문이다.

압전 착화(Piezoelectric spark generation or Piezoelectric ignition)는 파센의 법칙에 따라 외부에서 인가된 응력에 의해 발생한 압전 변환 전압이 브레이크다운 전압보다 클 경우에 일어나는 현상이다.

압전 착화가 발생하는 순간에는 압전체는 오픈 서킷(Open circuit)으로 간주된다. 그러나 착화 지속(혹은 방전) 동안에는 압전체는 오픈 서킷이 아니라 방전 스파크 간격(Spark gap)만큼의 등가 저항이 연결된 시스템으로 볼 수 있다.

본 발명에서 도 7의 F 지점에서의 정현파 RF 신호 입력에 대해서 위상 잡음(Phase noise)을 최소화시킨 RF 신호의 형상뿐 아니라 신호 입력 시간(t_on)이 매우 주요한 변수인데, 앞서 언급한 내용에 따르면, 릴리스 타임(Release time; t_r)이 결국은 SAW 전송기(transmitter) rf 입력 신호의 온타임(On time) 주기를 결정한다고 볼 수 있다.

이 외에도 온타임 주기를 결정하는 주요 인자는 스파크 간격 내부의 압력(p), 스파크 간격 내부 두 극판 사이의 간극(d) 등이 있으며, 최적의 압전 착화 에너지 효율을 얻기 위해서는 아래 내용에 따라 압전체 타격 구조(본 명세서에서는 해머(Hammer)로 지칭하고 있음)를 설계하여야 한다.

압전체에서 일어나는 착화 발생 구조에 대한 자세한 이론적 내용은 다음과 같다.

압전체에서 발생하는 에너지는 매우 짧은 순간(Release time: τ_d ≒ 10^-7 sec) 안에 다른 물리적 형태(Spark 혹은 방전)로 전환되는데 보통 이 시간은 압전체의 커패시턴스(Capacitance), 스파크 발생 구조 간격의 등가 저항 및 압전체와 연결된 전극 및 도선의 저항에 따라 다른 값을 갖게 된다.

본 발명에서는 릴리스 타임을 조절하기 위해 반도체 공정을 통한 최적의 릴리스 타임을 형성할 수 있는 스파크 간격을 제작한다.

도 9는 스파크 발생 구조를 제조하는 반도체 공정을 도시한 도면이다.

도 8에서 압전 착화의 경우 t=0⁺ 순간에 외력이 가해지면 압전 착화가 일어나고 외력에 의해 생성되었던 전기적 에너지는 τ_d의 지속 시간 이후에는 다른 형태의 에너지로 전환된다.

그러나 기계적인 측면에서는 τ_d정도의 짧은 시간 안에 기계적인 응력이 인가되었다가 소멸되지 않으므로 미시적 관점에서는 압전 착화가 일어난 이후에도 기계적 에너지원(Mechanical energy source)은 계속하여 압전 시스템에 인가되고 있다고 볼 수 있다.

만약, 스파크가 지속되고 있다면 이때의 압전 착화 시스템은 전기적인 쇼트 서킷(Short circuit)으로 볼 수 있으며 이때의 기계적 컴플라이언스(Mechanical compliance)는 S_D ³³부터 S₃₃ ^E까지 증가된다고 볼 수 있다. 여기서, 컴플라이언스 S_D ³³ 와 S₃₃ ^E 사이의 관계는 식 1과 같이 나타낼 수 있다.

결국, 도 10과 같은 압전체에 대하여 임팩트(Impact) 순간에 압전체에 가해지는 압축 응력은 실제로는 외부에서 더 이상의 응력이 가해지지 않아도 증가한다고 볼 수 있다.

도 10은 스파크 발생하는 압전체의 개략적인 도면이다.

이러한 현상은 즉각적으로 일어나는 것은 아니지만 압전 착화가 일어나는 순간 압전체에 가해진 어쿠스틱 쇼크 웨이브(Acoustic shock wave)가 압전체의 끝에서 반대편 끝으로 전파되면서 발생하는 현상이다.

탄성 충격파의 전파속도는 매질에 따라 따르지만 통상적인 PZT에서는 약 4mm/ms로 보고 있다. 그런데 앞서 기술한 바와 같이 압전 착화에 따른 전기 에너지의 릴리스타임은 불과 1㎲ 이내이며 통상적으로 사용하는 PZT 원통형 압전체의 길이가 10mm 이내라면 어쿠스틱 쇼크 웨이브가 생성된 시점부터 반대편으로 전파되기 전에 압전 효과에 의해 생성된 에너지가 다른 형태로 전환된 상태이다.

따라서, 이러한 기계적 탄성파 에너지의 전파 속도와 압전 에너지의 릴리스 타임 사이의 시차는 다중 에너지 생성(Multiple energy generation)을 가능하게 한다. 다중 에너지 생성은 어쿠스틱 쇼크 웨이브가 전파되면서 외부에서 추가적인 응력이 더해지지 않아도 실제로는 탄성파의 전파가 압전체에 대해서는 탄성파의 전파 시간만큼 응력이 계속하여 가해지는 것과 동일한 효과가 나타남에 기인한 현상이다.

어쿠스틱 쇼크 웨이브의 전파시간동안 생성된 추가적인 전기 에너지는 U_ea로 표현되며 다음과 같이 정의된다.

따라서, 스파크에 대한 가용 에너지는 다음과 같이 정의할 수 있다.

(식 3)은 압전 결합 계수(Piezoelectric coupling coefficient)만큼의 에너지 변환 효율의 감소가 발생하지 않는다. 즉, 이론적으로 외부에서 인가된 기계적인 에너지만큼 전기 에너지로 변환됨을 의미한다.

그러나 실제의 경우에 있어서는 PZT 자체의 임계 에너지 밀도가 존재(??1.2 W/cm³)하므로 임계 에너지 밀도 이상의 에너지 변환은 일어나지 않는다.

만약, 임계 에너지 밀도 이상의 변환이 일어난다면 초과 에너지는 압전체의 디폴라리제이션(Depolarization)을 일으키므로 압전 에너지 변환기를 설계할 때, 임계값 이상의 에너지 변환이 일어나지 않도록 하여야 한다. 식 3을 에너지 밀도로 표현하면 다음과 같다.

임팩트(Impact)가 고려된 압전 에너지 변환 시스템의 경우 압전체는 동적인 응력을 받게 된다. 따라서, 식 4에 대하여 임팩트에 의한 동적인 응력에 대한 영향을 고려하면 응력 성분은 임팩트 속도에 비례함을 알 수 있다. 따라서, 임팩트 속도 및 어쿠스틱 임피던스(Acoustic impedance; 타격부 표면과 압전체 표면에 대한 탄성 임피던스)를 고려하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

따라서, 식 5를 식 4에 대입하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

식 6에서 실제의 경우 A_H와 A_C는 큰 차이가 나지 않는다면, A_{H ≒} A_C로 놓았을 때, 식 6은 다음과 같이 변환된다.

식 7에서 어쿠스틱 임피던스(Acoustic impedance) 성분인 Z_H와 Z_C의 관계가 Z_{H ≫} Z_C일 때 에너지 밀도가 가장 높다. 보통, Z_{C ≒} 3.4 x 10⁷ (kg/m²s)인데 실제 Z_C의 값은 상당히 높은 편이다. 만약, x = Z_{C /}Z_H인 경우에 대하여 식 7을 풀면 다음과 같다.

도 11의 데이터를 식 7에 대입하여 임팩트를 고려한 압전 에너지 변환을 구하면 도 12와 같이 나타낼 수 있으며, 압전 에너지 변환량은 어쿠스틱 임피던스비(Acoustic impedance ratio; Z_{C /}Z_H)에 따라 30·10^-3v² ~ 100·10^-3v² [J] 사이의 값을 갖게 된다.

도 11은 원통형 압전체에 대한 물성 및 형상을 나타낸 표이고, 도 12는 어쿠스틱 임피던스 비에 따른 압전 에너지 변환을 도시한 그래프이다.

도 12에서 확인할 수 있는 바와 같이, 효율적인 압전 에너지 변환 장치의 설계를 위해서는 압전체와 임팩트 해머(Impact hammer) 사이의 어쿠스틱 임피던스 차이를 크게(Z_{C /}Z_H ＜ 0.5) 할 필요가 있는데 실제의 경우에서는 어쿠스틱 임피던스 차이를 크게 할 수 없다.

도 13은 재질에 따른 어쿠스틱 임피던스를 나타낸 표이다.

도 13의 표를 참고할 때 최적의 에너지를 획득하고자 한다면 임팩트 해머로 사용할 수 있는 물질은 구리, 니켈 및 스테인리스 스틸(Stainless steel)/스틸(Steel) 정도이다. 그러나 구리의 경우 연성이 있으므로 임팩트 해머로 적당하지 않으므로 스틸이 적당할 수 있다.

스틸을 사용하였을 경우 어쿠스틱 임피던스비 x = 0.74이므로 이값을 (식 7)에 대입하면, 압전 변환 에너지(U_tot)는 38.6v²[mJ]이다. (식 7)에서 어쿠스틱 임피던스 외에도 압전 에너지 변환의 주요한 인자는 해머의 임팩트 속도(Impact velocity; v)이다.

동일한 조건에서 임팩트 속도가 크면 압전 변환 에너지의 총량도 커지므로 이값을 크게 유지하는 것이 효율적인 에너지 변환기 설계에서 중요하다.

압전체에 단속적인 충격이 가해져서 발생한 고전압은 앞서 설명한 바와 같이 스파크를 발생시키고, 이때 발생한 스파크는 일반 생활에서 발생하는 스파크와 같이 대부분의 전자 제품에 영향을 미치는 백색 잡음(White Noise)과 비슷하다. 즉, 도 14의 (a)와 같이 대부분의 주파수 스펙트럼에서 신호 강도를 갖게 된다.

도 14는 도 7의 여러 지점에서의 전기 신호의 파형을 도시한 도면이다.

따라서 도 7의 1차 대역통과 필터(1st BPF)와 같이 적절한 주파수 대역에서 적절한 통과 대역폭을 갖는 필터를 스파크 발생기(Spark generator) 후단에 장착하게 되면 도 14의 (b)와 같이 전대역의 주파수 스펙트럼 중 일정 대역의 스펙트럼만을 통과시키는 역할을 한다.

이때, 1차 대역통과 필터는 어느 정도 광대역인 대역통과 필터가 된다. 왜냐하면, 초기에 발생한 백색잡음과 같은 신호를 정형하기 위해 처음부터 협대역 필터를 사용하게 되면 전체적인 효율 저하 및 기타 부가적인 신호 왜곡 및 1차 발생한 스파크에 의한 백색 잡음의 신호 강도가 너무 세기 때문에 협대역 필터의 절연 파괴를 야기할 수 있기 때문이다.

도 14의 (b)와 같이 여파(Frequency Filtering)된 신호는 실제 신호 강도가 협대역 필터 및 다른 소자들을 절연 파괴할 수 있기 때문에 도 7에서와 같이 변압기를 1차 여파기 이후에 장착한다.

변압기는 2차측 전압을 1차 및 2차 코일의 권선 비(Turn Ratio)에 따라 크게 혹은 작게도 할 수 있다. 따라서 이러한 성질을 이용하여 도 7의 'C' 지점을 통과한 신호 전압을 적당한 크기로 조정한다. 도 14의 (b)는 'C' 지점 통과 이후의 신호이고, 도 14의 (c)는 변압기를 통과한 이후 2차측 전압을 나타낸다.

변압기에 의해 적절한 크기로 조정된 전압은 도 14의 (c)와 같이 여파된 주파수 대역은 변압기 통과 이전과 비슷하지만 신호 강도는 변압기 권선비에 따라 조정된다.

변압기의 2차 측을 통과한 신호는 1차 대역여파기에 의해 어느 정도(광대역으로) 주파수 여파 된 상태인데, 실제 SAW 전송기로 입력하기 위해서는 좀 더 협대역으로 여파되어야 한다.

따라서, 2차 협대역 필터를 통과하여 도 13-(e)와 같은 협대역 스펙트럼을 얻을 수 있다. 도 14의 (e)를 시간축에서 표시하면 도 15의 (a)와 같이 깨끗한 정현파를 얻을 수 있는데, 이 신호가 SAW 전송기의 입력 신호가 된다.

도 15는 도 7의 F 지점에서의 입력 파형 및 G 지점에서의 출력 파형을 도시한 도면이다.

SAW 전송기(Surface Acoustic Wave Transmitter)로 입력된 정현파는 도 7에 서 나타낸 Coding Array IDT(Inter Digital Transducers; 이하 입력 코드 배열)의 입력 신호가 되는데, 입력 코드 배열의 형태에 따라 출력 신호(도 7에서 'G'지점 신호: 도 15의 (b))는 진폭 변조(AM), 주파수 변조(FM), 위상 변조(PM) 및 주파수 확산 변조(Spread Spectrum Modulation) 등이 가능하다.

통상적으로 SAW를 이용하여 SAW 자체에서 변조를 일으키는 방식으로 많이 쓰는 분야인 SAW 무전원/무선 센서에서 사용하는 반사 지연 선로(Reflective delay line)형의 형태와 달리 본 발명에서는 진행형(Transverse type) 형태를 사용한다.

반사 지연 선로형은 표면탄성파가 SAW 내부를 왕복하므로 최종적인 손실은 2S₂₁(S₂₁은 통상 15dB ~25dB)임에 반해 진행형의 경우에는 SAW 내부의 손실은 단지 S₂₁이다. 따라서 왕복 손실을 피할 수 없는 반사 지연 선로형보다 훨씬 신호 강도가 세므로 결과적으로 전파 도달 거리가 훨씬 멀게 된다.

본 발명의 다른 특징은 '코드 배열을 가변시킬 수 있다는 점이다. 도 16 내지 도 18은 각각 주파수 변조, 진폭 변조, 위상 변조 등을 수행하는 입력 코드 배열을 도시한 도면이다.

도 16 내지 도 18에 나타낸 변조를 위한 입력(IDT) 배열은 본 발명이 여러 형태의 변조를 수행할 수 있음을 나타내는 일례이며 이 외에도 주파수 확산을 위한 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum), Frequency Hopping 등의 방법도 가능하다.

SAW 전송기 부분에서 본 발명의 주요한 특징은 손실을 최소화할 수 있는 진 행형 구조를 적용한다는 점, 대부분의 SAW 소자를 이용한 코딩(coding) 방식은 고정 코드 방식이지만 본 발명에서는 도 19와 같은 코딩 네트워크(Coding Network)를 사용함으로써 가변 코드 방식을 적용할 수 있는 점이다.

도 19는 코딩 네트워크의 구성도이다.

가변 코드 방식을 위한 도 19와 같은 코딩 네트워크의 동작 방식은 다음과 같다. 만약, 코딩 셀(Coding cell) a₁₁이 플로팅(Floating) 되지 않고 RF 버스(Bus)나 그라운드 버스(Ground Bus)로 스위칭 된 상태인 온(ON) 상태가 되어 있다면, a₁₂ 또한, a11과 같은 상태로 된다.

이와 동시에 a₂₁과 a₂₂는 서로 같은 상태인데 반드시 a₁₁ 및 a₁₂와는 상보적인(Complementary) 상태여야 한다. 즉, a₁₁ = a₁₂가 온상태이므로 a_{21 =} a₂₂는 플로팅 되어 있는 상태인 오프(OFF) 상태로 되어야 한다.

이 경우, 도 16과 같은 주파수 변조시 주파수(f1)은 출력 IDT에 나타나게 되지만 주파수(f2)쪽 입력 a-cell IDT는 RF 버스 및 그라운드 버스에 연결되어 있지 않으므로 출력 IDT에서 나타나지 않게 된다.

따라서, 이러한 작동 구조는 주파수 변조를 가능케 한다. 도 17의 경우 a₁₁ = a₁₂이므로, 만약 a₁₁ 이 온이라면 a-cell IDT는 RF 및 그라운드 버스에 연결되어 있으므로 출력 IDT에서 이 코드에 해당하는 진폭변조 신호가 나타나게 된다.

반면, a₁₁ 이 오프라면 a-cell IDT는 RF 및 그라운드 버스에 연결되어 있지 않으므로 이 코드에 해당하는 진폭변조 신호는 출력 IDT에서 나타나지 않게 된다. 도 18의 경우 위상 변조를 나타내는데 BPSK(Bi-Phase Shift Keying) 신호를 가변할 수 있다.

도 16의 주파수 변조와 비교한다면, 도 16의 "f1 IDT"는 도 18에서는 "In-Phase(동위상) IDT"에 해당하고 도 16의 "f2 IDT"는 도 18에서는 "180 °역위상(Out-of Phase) IDT에 해당한다. 도 16에서와 같이 코딩 네트워크의 각 셀(Cell)의 스위칭에 따라 출력 IDT에서는 동위상 혹은 역위상 신호가 출력되므로 위상 변조된 신호가 출력된다.

본 발명에서 주파수 변조를 위한 도 16과 같은 구조 적용시 도 7 및 도 20의 일부 소자의 배열이 바뀌어야 하는데, 이를 나타내면 도 21과 같다.

도 20은 도 1의 데이터 전송 장치의 구조와 종래의 데이터 전송 장치의 구조의 비교 도면이고, 도 21은 주파수 변조를 위한 도 7의 변형 구조를 도시한 도면이다.

도 20의 구조는 전체적으로 도 7의 도면과 비슷한 구조이며, 도 21에 대한 작동 구조는 도 22와 같다. 도 22에서와 같이 SAW를 이용하여 주파수 변조가 가능하게 된다.

도 22는 서로 다른 주파수를 이용해 주파수 변조를 구현하는 예를 도시한 도면이다.

본 발명을 실제 구현하기 위해서는 적절한 타임게이팅(Time gating)을 수행하여야 하는데, 이것은 도 14의 (a) 및 도 22의 "F 혹은 F' 지점"의 신호인 SAW 전 송기 입력 신호의 온타임 주기를 적절히 선택하여야 하는데 있다.

만약, SAW 전송기의 온타임 주기가 너무 길 경우 입력 코드 배열의 각 IDT 비트(Bit) 사이의 신호 중첩이 발생하므로 반드시 이에 대한 보안책이 선행되어야 한다.

앞서 언급한 바와 같이, RF 입력 신호의 온타임 주기는 스파크 간격(Spark-gap)의 릴리스 타임(release time)과 관계에 있으므로, 도 9와 같은 공정을 통하여 스파크 간격을 제작하되 AM, FM, PM, DSSS 및 주파수 호핑(Freq. Hopping) 등의 방법에 대하여 모두 대응할 수 있도록 도 23과 같이 가변 릴리스 타임이 가능하도록 한다면 SAW 전송기 입력 온타임 주기 또한 가변할 수 있으므로 각 상황마다 별개의 스파크 간격을 만들지 않아도 되므로 유용하며 본 발명을 통해 구현하고자 하는 내용 중 하나이다.

도 23은 가변 스파크 간격 어레이 및 외부 프로그래머의 구조를 도시한 도면이다.

도 9는 도 23과 같이 가변 온타임이 가능하도록 한 스파크 간격(Spark-gap) 구조를 만들기 위해 적용한 마이크로머시닝(MEMS) 기술이다. 마이크로머시닝 기술은 반도체 공정을 기반으로 현재는 서브 마이크론(Sub-micron) 정도까지 공정 제어가 가능하고, 도 8과 같은 파센 곡선을 참고로 할 때, ㎛ 수준 정밀도의 스파크 간격을 가공하여야 하므로 일반 기계 가공기술의 한계를 극복한 마이크로머시닝 공정 기술을 적용한다.

도 24는 위상 변조를 수행하는 코딩 어레이 IDT의 패턴과 출력 파형의 예를 도시한 도면이고, 도 25는 도 24의 코딩 어레이 IDT 출력단의 시간에 따른 출력값을 도시한 표이다.

본 발명은 압전체와 표면탄성파(SAW) 소자를 이용하여 전원이 공급되지 않아도 작동되며, 무선으로 데이터를 수신기에 전송할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

발명의 구성은 압전체, 압전체에 충격이 인가되면 스파크가 발생되도록 고안된 방전기, 스파크가 발생될 때 발생하는 백색 노이즈(White Noise)에 대하여 특정 주파수 대역만을 여과하는 주파수 필터, 주파수 필터를 거쳐나온 특정 연속파(Continuous Wave) 신호 입력을 받아 데이터 인코딩(Encoding)과 변조를 수행하고 변조된 데이터를 공중파로 전송하는 SAW 수동 변조기/전송기(Passive Modulator/Transmitter)로 구성된다.

본 발명은 종래의 압전체를 이용한 에너지 변환 장치의 구성이 압전체와 부수적인 변환 회로를 사용함으로써 발생하는 변환 효율 저하 및 손실 증대의 단점을 극복하여 아주 미세한 기계적 에너지(충격, 압력, 진동)만으로도 동작할 수 있다.

아울러, 기존 압전 에너지 변환 시스템은 전자 회로가 내장되어 제작 단가가 높아질 수밖에 없으나 본 발명의 장점은 압전 에너지 변환을 이용하고, 변환된 에너지를 이용하여 무선 데이터 송신을 수행하면서도 기본적인 전자회로는 전혀 사용하지 않으므로 제작 단가가 매우 낮아지게 된다.

본 발명은 종래의 압전체를 이용한 에너지 변환 장치의 변환 효율 저하 및 손실 증대의 단점을 극복하여 아주 미세한 기계적 에너지만으로도 동작할 수 있다.

또한, 본 발명은 압전 에너지 변환을 이용하고, 변환된 에너지를 이용하여 무선 데이터 송신을 수행하면서도 별도의 전자회로는 사용하지 않으므로 제작 단가가 매우 낮다.

또한, 종래의 무선 데이터 송신 장치와 달리, 본 발명은 전원을 사용하지 않으므로 전원을 이용한 데이터 송신 장치를 적용하기 힘든 분야에 적용할 수 있다. 본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.

Claims (18)

1. 삭제
2. 백색 잡음의 전기 신호를 생성하는 백색 잡음 생성부; 및

   상기 백색 잡음의 전기 신호를 필터링하여 소정 대역 주파수의 전기 신호를 생성하는 필터부를 포함하는 주파수 발진 장치로서,

   상기 백색 잡음 생성부는

   압전 소자를 이용하여 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전 소자부; 및

   상기 압전 소자부에서 발생된 전기 에너지로 스파크를 발생시키는 스파크 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 스파크 발생부는 스파크 발생 시간을 조절하기 위한 스파크 시간 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 스파크 시간 조절부는 스파크가 발생되는 전극간 거리를 조절함으로써 스파크 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 스파크 시간 조절부는 서로 다른 전극간 거리를 가지는 복수의 전극쌍 중 하나의 전극쌍을 선택함으로써 전극간 거리를 조절하는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 전극쌍은 반도체 공정에 의해 하나의 기판상에 제작되는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 장치.
7. 제 2항에 있어서,

   상기 필터부는 상기 소정 대역의 주파수를 포함하는 서로 다른 대역폭을 가지는 복수의 필터를 포함하고,

   상기 복수의 필터는 대역폭이 넓은 필터로부터 대역폭이 좁은 필터로 순차적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 장치.
8. 제 2항에 있어서,

   상기 필터부는 전기 신호의 신호 강도를 조절하기 위한 변압부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 장치.
9. 제 2항에 있어서,

   상기 필터부는 서로 다른 복수의 대역 주파수 전기 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 장치.
10. 삭제
11. 백색 잡음의 전기 신호를 생성하는 백색 잡음 생성 단계; 및

    상기 백색 잡음의 전기 신호를 필터링하여 소정 대역 주파수의 전기 신호를 생성하는 필터링 단계를 포함하는 주파수 발진 방법으로서,

    상기 백색 잡음 생성 단계는

    압전 소자를 이용하여 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 단계; 및

    상기 압전 소자에서 발생된 전기 에너지로 스파크를 발생시키는 스파크 발생 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 방법.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 스파크 발생 단계는 스파크 발생 시간을 조절하기 위한 스파크 시간 조절 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 방법.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 스파크 발생 시간의 조절은 스파크가 발생되는 전극간 거리를 조절함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 방법.
14. 제 13항에 있어서,

    상기 전극간 거리의 조절은 서로 다른 전극간 거리를 가지는 복수의 전극쌍 중 하나의 전극쌍을 선택함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 방법.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 전극쌍은 반도체 공정에 의해 하나의 기판상에 제작되는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 방법.
16. 제 11항에 있어서,

    상기 필터링 단계는 상기 소정 대역의 주파수를 포함하는 서로 다른 대역폭을 가지는 복수의 필터에 의해 수행되고,

    상기 복수의 필터는 대역폭이 넓은 필터로부터 대역폭이 좁은 필터로 순차적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 방법.
17. 제 11항에 있어서,

    상기 필터링 단계는 전기 신호의 신호 강도를 조절하기 위한 변압 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 방법.
18. 제 11항에 있어서,

    상기 필터링 단계는 서로 다른 복수의 대역 주파수 전기 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 주파수 발진 방법.

Images