KR101065579B1 - 초음파 진동자를 이용한 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 해결하고자 하는 기술적 과제는 동일한 초음파 진동자를 디지털 방식에 의해 서로 다른 주파수대로 제어할 수 있도록 하는 초음파 진동자를 이용한 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 이를 위해, 전압을 인가받아 전압을 승압시키는 전압 가변부; 상기 전압 가변부를 제어하여 상기 전압 가변부에서 출력되는 전압을 조절하고, 발진 신호를 출력하며, 바이어스 전압을 단계별로 나뉘어 출력하는 제어부; 상기 발진 신호와 상기 바이어스 전압을 입력받고, 상기 발진 신호의 주파수로 출력되고 상기 바이어스 전압 레벨에 따라 진폭이 가변되는 펄스 신호를 출력하는 출력부; 및 상기 전압 가변부로 부터 승압된 전력을 공급받으며, 상기 펄스 신호를 입력받아 초음파 진동자를 구동시키는 진동자 구동부; 를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동자를 이용한 시스템을 개시한다.
본 발명은, 종래와 같이 아날로그 방식이 아닌 디지털 방식으로 초음파 진동자가 떨리는 주파수 및 진폭을 제어하여 보다 소형의 시스템을 형성하고 초음파 진동자의 주파수 및 진폭에 관한 정밀한 제어할 수 있으며, 하나의 마이컴에서 저주파수 대역과 고주파수 대역을 동시에 출력하게 함으로써 초음파 진동자를 구동하는 주파수 대역을 넓힐 수 있으며, 여러 산업분야에서 응용하여 이용할 수 있다.
Figure R1020090124155
전압 가변부. 제어부. 컴퓨터. 마이컴. 출력부. 진동자 구동부. 초음파 진동자.

Description

초음파 진동자를 이용한 시스템{A SYSTEM USING A ULTRASONIC VIBRATOR}
본 발명은 초음파 진동자를 이용한 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파 진동자를 물리적으로 진동시키되, 특히 초음파 진동자의 서로 다른 주파수대역을 출력(진동)시키도록 하는 초음파 진동자를 이용한 시스템에 관한 것이다.
압전세라믹(초음파진동자)은 물리적인 힘(압력)에 의해 전기(전압)가 발생하고, 역으로 전기를 주었을 때에 진동(기계적인 힘)으로 상호 변환하는 기능성의 재료로서, 상기와 같은 에너지 상호변환율(기계 ↔ 전기)이 70%에 달하고, 아주 미약한 힘이지만 에너지변환 효율적 측면에서 고효율을 얻을 수 있는 특이한 기능성 재료이다.
상기와 같은 기능성 재료의 압전세라믹(초음파진동자)은 에너지 상호변환율(기계 ↔ 전기) 특이한 특성상 의료장치와 건강보조기구 및 일반가정의 세척장치 등 다양한 방면에 채택(적용)되어 사용되고 있다.
예컨대, 일반 가정 등에서 많이 사용되는 가습기는 저전압(40 ~ 50 VOLT)을 가했을 때에 1초에 170여만 번의 작은 진동(물리적인 힘)이 발생 되고, 이와 같은 물리적인 작은 진동이 물을 수 ㎛의 작은 입자로 쪼개어 분사시키는 것이다.
이것은 전기를 주었을(인가하였을) 때 기계적인 힘으로 변환되는 원리를 이용한 것으로, 식기세척기를 비롯한 각종 세척장치 및 초음파치료기와 같은 각종 의료장치와 건강보조기구 등도 이러한 원리를 이용하여 만든 것들이다.
상기 압전세라믹(초음파진동자)에서 발생하는 초음파는 17,000 ~ 20,000㎐ 이상의 불가청 진동 음파 즉, 전자장이나 스펙트럼이 아닌 음향(음향 에너지)으로서, 음향에너지는 조직 속 분자의 진동을 일으켜 열과 역학적 에너지를 생산하는 것으로 알려져 있다.
초음파는 매질(고체, 액체, 기체) 속을 진행할 때에 분자의 진동을 일으켜 매질속에서 분자가 앞뒤로 파동을 일으키고, 그러므로 조직에 초음파를 적용하면 조직의 분자에서 초음파 에너지를 흡수하여 선택적으로 조직의 온도를 상승시켜 주게 되며, 초음파 에너지의 흡수는 구조 단백의 함량이 많을수록 높기 때문에 근육은 지방조직보다 초음파의 흡수량이 2 ~ 3배 정도 높은 성질이 있다.
초음파 진동자를 이용한 시스템으로는 진동을 발생시켜 사용자의 긴장된 근육을 이완시키는 마사지 장치 등과, 다이어트 등의 미용 효과를 발휘하기 위한 미용 보조 기구 등이 있다.
이러한 초음파 진동자를 이용한 시스템은 주로 진동자를 진동시킴으로써, 마시지 효과나 다이어트 효과를 발휘하게 된다.
초음파는 인체에 투여되었을 때에 에너지 형태로 변환되어, 온열효과(Thermal effect), 마이크로 마사지(Micromassage) 및 미세 순환촉진과 같은 물리적 효과(Mechanical effect), 세정효과, 지방파괴효과, 미용적 효과 등을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.
그런데, 상기와 같이 특징이 있는 초음파를 발생시키는 압전세라믹(초음파진동자)에서 종래에는 단일 초음파(주파수)만 발생시키는 압전세라믹(초음파진동자)을 채택하여 사용하였다.
상기한 초음파 진동자는 진동을 유발하기 위하여 전류가 증폭된 교류 펄스 신호를 입력받아야 한다.
이 경우, 초음파 진동자는 주파수의 클럭 수를 변경시키거나 주파수의 세기를 변경시키는 경우, 가변저항을 이용하여 아날로그 방식으로 주파수의 클럭 수 및 주파수의 세기를 조절하여 이용하게 된다.
그런데, 초음파 진동자를 아날로그 방식으로 제어하는 시스템은 하드웨어의 크기가 매우 큰 단점이 있으며, 일정 기간이 사용되면 접점이 마모되는 가변저항을 이용하기 때문에 유지보수에 매우 어려움이 발생하게 된다.
특히, 단일 초음파(주파수)만 발생시키는 압전세라믹(초음파진동자)을 의료장치 및 건강보조기구 등에 채택하게 되면 압전세라믹(초음파진동자)의 선택 복이 좁아지게 되고, 압전세라믹(초음파진동자)에서 발생하는 초음파(주파수) 범위가 극히 한정적이어서 건강보조기구 등의 효율도 한정적이게 되고, 운용(작동) 프로그램을 다양하게 하면서 운용할 수 없게 된다.
상기와 같은 문제를 나소 나마 해소할 수 있도록 하기 위하여 제안된 것으로는 국내의 공고실용신안 공고번호 제20-1995-4725호의 "다주파용 진동자"와 실용신안등록 제20-184350호의 "다주파용 진동자"가 알려져 있다.
이는 제1전극판과 제1압전소자 및 제2전극판과 제2압전소자 및 백매스를 적층하여 볼트로 체결하여 진동자를 형성하되, 압전소자(제1압전소자 및 제2압전소자)의 폭(두께)을 달리한 진동자를 방사바(블럭)에 복수로 장착하여 형성한 것이다.
그러나, 이는 압전소자(제1압전소자 및 제2압전소자)의 폭(두께)이 다른 진동자를 방사바(블럭)에 나란하게 설치한 것으로서, 압전소자가 주로 저주파대의 초음파만을 발생하도록 되어 있으므로 고주파대의 초음파를 발생시킬 수 없고 고주파수대와 저주파수대의 음파 선택폭이 전혀 없으며, 사용 범위도 한정적이게 된다.
이와 같이 고주파대의 초음파를 발생시키는 압전소자를 비만클리닉 벨트 등의 건강보조기구에 채택하게 되면 지방파괴를 효율적으로 수행할 수 없고, 뿐만 아니라 지방파괴 효과도 떨어지게 되며, 다양한 주파수를 발생시키는 압전소자를 제공할 수 없게 된다.
본 발명의 기술적 과제는 초음파 진동자를 디지털 방식으로 제어할 수 있도록 하는 초음파 진동자를 이용한 시스템을 제공하려는 것이다.
본 발명은 초음파 진동자를 물리적으로 진동시키되, 특히 초음파 진동자의 서로 다른 주파수대역을 출력(진동)시키도록 하는 초음파 진동자를 이용한 시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 종래와 같이 아날로그 방식이 아닌 디지털 방식으로 초음파 진동자가 떨리는 주파수 및 진폭을 제어하여 보다 소형의 시스템을 형성하고 초음파 진동자의 주파수 및 진폭에 관한 정밀한 제어할 수 있으며, 하나의 마이컴에서 저주파수 대역과 고주파수 대역을 동시에 출력하게 함으로써 초음파 진동자를 구동하는 주파수 대역을 넓힐 수 있으며, 여러 산업분야에서 응용하여 이용할 수 있는 초음파 진동자를 이용한 시스템을 제공하려는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 초음파 진동자를 이용한 시스템은, 전압을 인가받아 전압을 승압시키는 전압 가변부; 상기 전압 가변부를 제어하여 상기 전압 가변부에서 출력되는 전압을 조절하고, 발진 신호를 출력하며, 바이어스 전압을 단계별로 나뉘어 출력하는 제어부; 상기 발진 신호와 상기 바이어스 전압을 입력받고, 상기 발진 신호의 주파수로 출력되고 상기 바이어스 전압 레벨에 따라 진폭이 가변되는 펄스 신호를 출력하는 출력부; 및 상기 전압 가변부로부터 승압된 전력을 공급받으며, 상기 펄스 신호를 입력받아 초음파 진동자를 구동시키는 진동자 구동부;로 형성된 것에 있어서;
상기 제어부 및 초음파진동자에서는;
저주파수 대역으로 20KHz 내지 40KHz으로 발진 신호를 출력ㆍ구동하는 것과;
고주파수 대역으로 400KHz 내지 600KHz으로 발진 신호를 출력ㆍ구동하는 것;을 특징으로 한다.
본 발명은 종래와 같이 아날로그 방식이 아닌 디지털 방식으로 초음파 진동자가 떨리는 주파수 및 진폭을 제어할 수 있으므로, 보다 소형의 시스템을 형성하 고 초음파 진동자의 주파수 및 진폭에 관한 정밀한 제어가 가능하게 되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 하나의 마이컴에서 저주파수 대역과 고주파수 대역을 동시에 출력하여 초음파 진동자를 구동하는 주파수 대역을 매우 넓게 형성하므로, 응용 분야가 매우 많아지게 되는 효과가 있다.
본 발명의 상기 및 기타목적과 특징은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 실시 예의 설명에 의해 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
첨부된 도면 도 1 내지도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진동자를 이용한 시스템의 구체적인 실현 예를 보인 것으로서, 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진동자를 이용한 시스템의 블럭도이고, 도 2는 도 1에 도시된 마이컴에서 출력되는 발진 신호에 관한 파형과 바이어스 전압의 파형 및, 도 1에 도시된 출력구동 드라이버에서 출력되는 출력 파형을 함께 도시한 그래프이며, 도 3a 및 도 3b는 초음파 진동자의 평면도 및 정면도이다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진동자를 이용한 시스템을 이루는 구성 요소들과, 상기 구성 요소들의 결합 관계 및, 상기 구성 요소들의 역할에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진동자를 이용한 시스템의 블럭도 이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진동자를 이용한 시스템은 전압 가변부(10), 제어부(20), 출력부(30) 및, 진동자 구동부(40)를 포함하여 형성된다. 본 실시 예에서 전압을 강하시킬 목적 또는 전류를 완충시키는 저항이나, 전압을 평활시킬 목적 또는 전류 바이패스용으로 사용하는 콘덴서는 도면으로만 도시하기로 하고 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 전압 가변부(10)는 전압을 인가받아 전압을 승압시킨다. 이러한 전압 가변부(10)는 파괴 방지용 저항(11), 유도 코일(12), 제 1 정류 다이오드(13), 입출력 연결용 저항(14), 비교저항(15) 및 전력공급 드라이버(16)를 포함한다.
상기 파괴 방지용 저항(11)은 입력 전원과 전력공급 드라이버(16) 사이에 전기적으로 연결된다. 여기서, 파괴 방지용 저항(11)은 전력공급 드라이버(16)의 부하가 증가 되는 경우에 발생하는 과전류의 유입으로 전력공급 드라이버(16)의 파괴를 방지하게 역할을 하게 된다.
상기 유도 코일(12)은 파괴 방지용 저항(11)과 전기적으로 연결된다. 여기서, 유도 코일(12)은 파괴 방지용 저항(11)으로부터 입력되는 전류와 전력공급 드라이버(16)에서 출력되는 일정주기를 가지는 전류를 지속적으로 유도시켜 전압을 상승시키는 역할을 한다.
상기 제 1 정류 다이오드(13)는 유도 코일(12)과 전력공급 드라이버(16)에 전기적으로 연결되어 전력공급 드라이버(16)와 유도 코일(12)에서 출력되는 전류를 정류시킨다.
상기 입출력 연결용 저항(14)은 제 1 정류 다이오드(13)와 전력공급 드라이버(16) 사이에 전기적으로 연결되어 전력공급 드라이버(16)의 출력단과 비교 전압 입력단 사이를 전기적으로 연결시킨다.
상기 비교저항(15)은 전력공급 드라이버(16)의 출력단과 접지단 사이에 전기적으로 연결되어 전력공급 드라이버(16)의 비교 전압 입력단에 인가되는 바이어스 전압을 저항값에 의해 설정하게 된다.
상기 전력공급 드라이버(16)는 내부에 비교기(16a), 논리곱 게이트(16b), 오실레이터(16c), 플립플럽(16d), 기준전압발생부(16e) 및, 증폭용 트랜지스터(16f)가 구성된다.
상기 비교기(16a)는 비교 전압 입력단에 비교저항(15)과 입출력 연결용 저항(14)이 전기적으로 연결되며, 기준 전압 입력단에 기준전압발생부(16e)로부터 일정 기준 전압을 입력받는다.
상기 논리곱 게이트(16b)는 비교기(16a)로 부터 출력되는 전압과, 오실레이터(16c)에서 출력되는 전압을 입력받아 플립 플럽에 출력한다.
상기 오실레이터(16c)는 파괴 방지용 저항(11)으로 부터 전류를 입력받고, 특정 주파수의 전류를 플립 플럽에 전류를 인가시킨다.
상기 플립플럽(16d)은 논리곱 게이트(16b)와 오실레이터(16c)에서 출력되는 전압을 입력받아 특정 입력이 들어오는 경우에만 출력을 내보낸다.
상기 기준전압발생부(16e)는 비교기(16a)의 비교 전압 입력단과 전기적으로 연결되며 비교기(16a)의 비교 전압 입력단에 1.5V 정도의 기준전압을 발생시킨다.
상기 증폭용 트랜지스터(16f)는 전원부로부터 공급되는 전류를 이용하여 플립 플럽에서 출력되는 전류를 증폭시켜 유도 코일(12)과 제 1 정류 다이오드(13)가 연결되는 지점에 전류를 출력하게 된다.
상기 제어부(20)는 전압 가변부(10)를 제어하여 전압 가변부(10)에서 출력되는 전압을 조절하고, 발진 신호를 출력하며, 바이어스 전압을 단계별로 나뉘어 출력한다.
이러한 제어부(20)는 발광다이오드 표시부(21), 출력전압 설정부(22), 바이어스 전압 인가부(23), 입력부(24), 씨리얼 통신부(25), 컴퓨터(26), 레귤레이터(27) 및, 마이컴(28)을 포함하여 형성된다.
상기 발광다이오드 표시부(21)는 마이컴(28)과 전기적으로 연결되는 복수 개의 발광 다이오드와 상기 복수 개의 발광 다이오드 각각에 연결된 저항으로 구성된다. 이러한 발광 다이오드 표시부는 마이컴(28)에서 출력되는 신호에 의해 발광되어 마이컴(28)으로 동작상태를 시각적으로 나타낸다.
상기 출력전압 설정부(22)는 마이컴(28)에 전기적으로 연결되는 복수 개의 다이오드와, 상기 복수 개의 다이오드와 전기적으로 저항으로 구성된다. 여기서, 복수 개의 저항은 일 지점에서 전기적으로 연결된 상태에서 파괴 방지용 저항(11)과 전력공급 드라이버(16)에 전기적으로 연결된다.
여기서, 복수 개의 다이오드는 마이컴(28)에서 전력공급 드라이버(16)로 전류가 역류되지 못하도록 한다. 또한, 복수 개의 저항은 마이컴(28)과 연결되는 지점에 설정된 하이 레벨의 신호 또는 로우 레벨의 신호에 의해 저항값을 변경하고, 변경된 저항값을 전력공급 드라이버(16)의 비교 전압 입력단에 출력하여 비교 전압 입력단에 인가되는 전압을 변경하여 설정하게 된다.
본 실시 예에서 출력전압 설정부(22)는 3개의 다이오드와 3개의 저항으로 구성되어 3단계의 전압을 설정하게 된다.
상기 바이어스 전압 인가부(23)는 마이컴(28)에 각각 전기적으로 연결되는 복수 개의 직렬 저항과, 상기 직렬 저항들 사이와 접지단에 각각 전기적으로 연결되는 병렬 저항들로 구성된다.
여기서, 직렬 저항들은 일 지점이 출력부(30)와 전기적으로 연결된다. 본 실시예에서 직류 저항은 3개로 구성되며, 병렬 저항도 3개로 구성된다. 즉, 3X3 매트릭스 형태로 되어 마이컴(28)에서 출력되는 하이레벨 또는 로우 레벨 신호에 의해 9가지의 전압레벨이 형성된다.
이러한 바이어스 전압 인가부(23)는 마이컴(28)에서 출력되는 하이레벨 또는 로우 레벨 신호를 직렬 저항들에 출력함으로써, 직렬 저항과 출력부(30)와 인가되는 지점의 바이어스 전압을 9단계 전압 레벨로 변화시킨다. 여기서, 9단계 전압 레벨 가운데 최하위 레벨은 0V이다.
상기 입력부(24)는 복수 개의 스위치와, 상기 복수 개의 스위치에 전원부 사이에 전기적으로 연결되는 저항으로 이루어진다. 이러한 입력부(24)는 마이컴(28)에 내장된 프로그램모드의 셋팅값을 조절하는 역할을 한다. 이 경우, 조절될 셋팅값은 마이컴(28)에서 출력되어 발진 신호에 의해 제어되는 초음파 진동자(48)의 주파수, 진동 시간, 초음파 진동의 진폭등을 조절하게 된다.
상기 씨리얼 통신부(25)는 마이컴(28)과 컴퓨터(26) 사이에 전기적으로 연결되어 컴퓨터(26)와 마이컴(28) 사이의 통신을 설정하게 된다. 이 경우, 통신 환경은 RSC-232와 같이 씨리얼 통신이 된다.
상기 컴퓨터(26)는 씨리얼 통신부(25)를 통해 마이컴(28)과 데이타를 송수신하며, 마이컴(28)에 내장된 프로그램을 업로드 및 다운로드를 하여 마이컴(28)을 구동을 설정하는 역할을 한다.
상기 레귤레이터(27)는 전원부에서 전력을 입력받아 일정 전압으로 안정시켜 발광다이오드 표시부(21), 출력전압 설정부(22), 바이어스 전압 인가부(23), 입력부(24) 및, 씨리얼 통신부(25)에 전력을 공급하는 역할을 한다.
상기 마이컴(28)은 입력부(24)에 설정된 주파수, 사용시간, 출력강도 등이 입력되는 경우에 구동된다. 이 경우, 마이컴(28)은 발광다이오드 표시부(21) 중에서 일 지점을 통해 발진 신호를 출력부(30)로 출력한다. 여기서, 발진 신호는 PWM신호로 출력된다.
또한, 마이컴(28)은 출력전압 설정부(22)의 저항들 각각에 하이레벨 신호 또는 로우 레벨 신호를 출력하여 출력전압 설정부(22)의 전체 저항값을 변경한다. 또한, 마이컴(28)은 바이어스 전압 인가부(23)에 하이레벨 또는 로우 레벨 신호를 출력하여 특정 전압값을 갖는 바이어스 전압을 출력부(30)에 인가시킨다.
여기서, 마이컴(28)은 출력하는 발진 신호의 주파수 대역이 저주파수 대역인 20KHz 내지 40KHz를 출력할 수 있으며, 고주파수 대역으로서 400KHz 내지 600KHz의 주파수를 출력하는 것이 바람직다.
또한, 마이컴(28)은 출력하는 발진 신호의 주파수 대역이 저주파수 대역인 15KHz 내지 30KHz를 출력할 수 있으며, 고주파수 대역으로서 35KHz 내지 50KHz의 주파수를 출력하는 것이 바람직하다. 하지만, 본 실시 예에서 마이컴(28)에서 출력되는 발진 신호의 주파수 대역을 한정하는 것은 아니다.
상기 출력부(30)는 제어부(20)에서 출력되는 발진 신호와 바이어스 전압을 입력받고, 입력된 발진 신호의 주파수와 바이어스 전압 레벨에 따라 진폭이 가변되는 펄스 신호를 구동부로 출력한다. 이러한 출력부(30)는 신호 증폭부(31)와, 출력구동 드라이버(32)를 포함하여 형성된다.
상기 신호 증폭부(31)는 마이컴(28)에서 출력되는 발진 신호를 증폭시키는 트렌지스터와 상기 평활하는 저항 및 콘덴서로 이루어질 수 있다. 이 경우, 저항 및 콘덴서는 출력구동 드라이버(32)에 입력되는 발진 신호의 시정수를 조절하여 발진 신호의 듀티비(DUTY RATIO)를 조절하게 된다.
상기 출력구동 드라이버(32)는 마이컴(28)에서 출력되는 발진 신호와 단계별로 입력되는 바이어스 신호를 입력받고, 발진 신호의 주파수와 같은 주파수를 가지는 펄스 신호를 형성하게 된다. 이 경우, 상기 출력 신호는 바이어스 신호의 전압 레벨에 따라 진폭이 변화된다.
상기 진동자 구동부(40)는 바이어스 인가 저항(41), 구동 트랜지스터(42), 전계효과 트랜지스터(43), 구동 코일(44), 구동 콘덴서(45), 제 2 정류 다이오드(46), 역류 방지 다이오드(47) 및, 초음파 진동자(48)를 포함하여 형성된다.
상기 바이어스 인가 저항(41)은 +9V를 출력하는 전원부와 출력구동 드라이 버(32)의 출력단 사이에 전기적으로 연결되어 출력구동 드라이버(32)의 출력단에 설정된 바이어스 전압을 상승시키는 역할을 한다.
상기 구동 트랜지스터(42)는 베이스단이 바이어스 인가 저항(41)과 출력구동 드라이버(32)의 출력단 사이에 전기적으로 연결된다. 이러한 구동 트랜지스터(42)는 출력구동 드라이버(32)의 신호에 따라 턴온 및 턴 오프 동작으로 반복한다.
상기 전계효과 트랜지스터(43)는 트랜지스터의 출력단과 전기적으로 연결되며, 트랜지스터에서 출력되는 전류를 게이트로 입력받는 시간동안 턴 온되어 소오스에서 드레인으로 전류를 흘리는 역할을 한다.
상기 구동 코일(44)은 전력공급 드라이버(16)에서 출력되는 상승된 전압을 인가받아 전류를 일정시간 동안 유도시킨 후, 방전시키는 역할을 한다.
상기 구동 콘덴서(45)는 구동 코일(44)과 초음파 진동자(48) 사이에 전기적으로 연결되어, 유도 코일(12)의 유도 전류를 일정 주기 간격으로 충전 및 방전하는 역할을 한다.
상기 제 2 정류 다이오드(46)는 전계효과 트랜지스터(43)의 게이트와 드레인 사이에 전기적으로 연결되고, 전계효과 트랜지스터(43)의 게이트와 초음파 진동자(48) 사이에 전기적으로 연결되어 전류를 정류시키는 역할을 한다.
상기 역류 방지 다이오드(47)는 초음파 진동자(48)와 구동 코일(44) 사이에 전기적으로 연결되어 유도 코일(12)에서 초음파 진동자(48)에 전류가 역류하는 것을 방지한다.
상기 초음파 진동자(48)는 구동 콘덴서(45)와 접지단 사이에 전기적으로 연 결되어 전계효과 트랜지스터(43)의 턴 온 되는 주기와 구동 콘덴서(45)의 충방전 전압과 구동 코일(44)의 유도 전류에 따라 생성된 진동 전압의 주파수 및 진폭으로 물리적인 진동을 한다. 여기서, 초음파 진동자(48)는 압전 소자와 같이 주기적인 전력을 공급받는 경우에 물리적인 진동을 하는 소자이다.
상기 초음파 진동자(48)는 마이컴(28)에서 출력되는 발진 신호의 주파수 대역에서 저주파수 대역인 20KHz 내지 40KHz의 주파수를 출력(진동:구동)하고, 고주파수 대역에서는 400KHz 내지 600KHz의 주파수를 출력(진동:구동)하는 것이 바람직다.
또, 상기 초음파 진동자(48)는 마이컴(28)에서 출력되는 발진 신호의 주파수 대역에서 저주파수 대역인 15KHz 내지 30KHz를 출력(진동:구동)하고, 고주파수 대역에서는 35KHz 내지 50KHz의 주파수를 출력하는 것이 바람직하다. 하지만, 본 실시 예에서 마이컴(28) 및 초음파 진동자(48)에서 출력되는 발진 신호의 주파수 대역을 한정하는 것은 아니다.
특히, 상기 초음파 진동자(48)는 도 3a 및 도 3b에 예시된 바와 같이, 복수 주파수의 출력 및 구동을 용이하게 하기 위하여 고주파수대에서는 두께(T:Thickness)를 3 ~ 5mm로 두껍게 하고, 저주파수대에서는 지름(R:Radial)을 40 ~ 70mm로 크게(넓게) 것이 바람직하다.
여기서, 초음파 진동자(48)에는 진동하는 표면에는 소음흡수물질로서, 구체적으로 도시하지 아니하였으나 실리콘ㆍ세라믹ㆍ금속(스테인리스ㆍ티타늄ㆍ알루미늄 등) 중에서 어느 하나를 도포하거나 접착된 상태로 결합하여 초음파 진동자(48) 의 물리적인 진동에 의해 발생하는 소음을 흡수하는 것이 바람직하다.
이하에서는 상기한 구성을 가지는 초음파 진동자를 이용한 시스템의 구동에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 사용자는 전원부에 전원을 입력하게 된다. 본 실시 예의 경우, 사용자가 입력하는 전원은 대략 +9V의 직류 전원으로서, 도면에 도시된 바와 같다.
그러면, 전압 가변부(10), 제어부(20), 출력부(30) 및, 구동부에는 전력이 공급되어 구동을 시작한다.
먼저 전압 가변부(10)의 전력공급 드라이버(16)는 비교기(16a)에 기준전압 출력부(30)에서 출력되는 1.25V전압이 인가되고 비교 전압 출력단에 1.25V 전압보다 높은 전압이 인가되면 비교기(16a)는 로우 레벨의 신호를 논리곱 게이트(16b)로 출력하여 플립 플럽을 반전시킴으로써, 증폭용 트랜지스터(16f)의 동작을 정지하게 된다. 그러면, 유도 코일(12)은 유기현상이 정지되고, 제 1 정류 다이오드(13)를 통해 +24V정도의 전압으로 상승시켜 출력된다.
이 경우, 비교 저항은 마이컴(28)의 출력전압 설정부(22)와 연결된 상태로서, 출력전압 설정부(22)의 전체 저항값에 의해 저항값의 변동을 일으켜, 전력구동 드라이버에서 출력되는 +24V정도의 전압을 가변시킴으로써, 초음파 진동자(48)에 적정한 구동전압을 형성하게 된다.
한편, 마이컴(28)에서는 사용자의 입력부(24)의 조작에 의해 초음파 진동자(48)의 구동시간 주파수 및 진폭등을 조절된 상태로 구동을 시작하게 된다.
그러면, 마이컴(28)은 출력부(30)의 신호 증폭부(31)로 발진 신호를 출력하게 된다. 이후, 신호 증폭부(31)에 의해 증폭된 발진 신호는 출력구동 드라이버(32)로 인가된다.
또한, 마이컴(28)의 바이어스 전압 인가부(23)에서는 출력구동 드라이버(32)로 바이어스 전압을 특정 레벨의 바이어스 전압을 인가하게 된다.
이 경우, 출력구동 드라이버(32)는 도 2에 도시된 바와 같이, 마이컴(28)에서 출력된 발진 신호와, 특정 레벨의 바이어스 전압에 따른 펄스 신호를 출력하게 된다. 여기서, 펄스 신호는 발진 신호와 통일한 주파수를 형성하게 되며, 바이어스의 전압의 높아지게 되면 펄스 신호의 진폭을 낮추게 된다.
즉, 출력구동 드라이버(32)는 입력된 발진신호와 바이어스 전압에 따라 펄스 신호의 진폭을 가변하여 펄스 신호의 듀티비(DUTY RATIO)를 0%에서 95%까지 가변시키게 된다. 여기서, 출력구동 드라이버(32)에 인가되는 바이어스 전압은 전술한 바와 같이, 마이컴(28)이 바이어스 전압 인가부(23)의 직렬 저항과, 병렬 저항 각각에 하이 레벨 신호와 로우 레벨 신호를 출력하여 9단계의 레벨 형태로 출력하여 조절된다.
다음, 출력구동 드라이버(32)에서 출력된 전압은 진동자 구동부(40)의 바이어스 인가 저항(41)과 연결된 구동 트랜지스터(42)에 전달된다. 그러면, 구동 트랜지스터(42)는 펄스 신호의 주기에 따라 계속적으로 턴 온 및 턴 오프 되는 동작을 반복하게 된다.
이 경우, 구동 트랜지스터(42)가 턴 오프되는 경우에는 전계효과 트랜지스 터(43)가 전력공급 드라이버(16)에서 전력을 공급받아 턴 온된다. 반면, 구동 트랜지스터(42)가 턴 온되면, 전계효과 트랜지스터(43)에 걸리는 바이어스 전압이 공급되지 않게 되고, 전계효과 트랜지스터(43)는 턴 오프 된다.
이와 같이, 구동 트랜지스터(42)와 전계효과 트랜지스터(43)가 주기적으로 턴 온 및 턴 오프 동작을 반복하게 되면, 구동 코일(44)에 유도된 전류가 콘덴서를 충전 및 방전시킴으로서, 초음파 진동자(48)에 주기적으로 전력을 공급시켜 초음파 진동자(48)를 물리적으로 진동시키게 된다.
상기한 구동중에 사용자가 마이컴(28)의 입력부(24)을 통해 주파수 및 출력강도를 조절하게 되면, 마이컴(28)에서 출력되는 발진 신호의 주파수 및 바이어스 전압의 레벨이 변경되어 도시된 바와 같이, 출력구동 드라이버(32)의 펄스 신호의 주파수 및 진폭을 조절시키게 된다.
그러면, 구동 트랜지스터(42)와 전계효과 트랜지스터(43)는 각기 다른 주파수와 진폭을 가지고, 초음파 진동자(48)를 구동시킴으로써 물리적으로 초음파 진동자(48)의 떨림에 관한 주파수 및 진폭을 제어하게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 진동자를 이용한 시스템은 종래와 같이 아날로그 방식이 아닌 디지털 방식으로 초음파 진동자(48)가 떨리는 주파수 및 진폭을 제어할 수 있으므로, 보다 소형의 시스템을 형성하고 초음파 진동자(48)의 주파수 및 진폭에 관한 정밀한 제어가 가능하게 된다.
특히, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 진동자를 이용한 시스템은 하나 의 마이컴(28)에서 저주파수 대역과 고주파수 대역을 동시에 출력하게 된다. 이는 초음파 진동자(48)를 구동하는 주파수 대역이 매우 넓어지게 되므로, 응용 분야가 매우 많아지게 되어 산업상 이용 가능성이 매우 높아지게 된다.
본 발명은 기재된 구체적인 실시 예에 대하여서만 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있음은 당업자에게 있어 당연한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진동자를 이용한 시스템의 블럭도.
도 2는 도 1에 도시된 마이컴에서 출력되는 발진 신호에 관한 파형과 바이어스 전압의 파형 및, 도 1에 도시된 출력구동 드라이버에서 출력되는 출력 파형을 함께 도시한 그래프.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진동자를 이용한 시스템의 블럭도에 구비되는 초음파 진동자를 보인 평면도 및 정면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10; 전압 가변부 11; 파괴 방지용 저항 12; 유도 코일
13; 제 1 정류 다이오드 14; 입출력 연결용 저항 15; 비교저항
15; 전력공급 드라이버 20; 제어부 21; 발광다이오드 표시부
22; 출력전압 설정부 23; 바이어스전압 인가부 24; 입력부
25; 씨리얼 통신부 26; 컴퓨터 27; 레귤레이터
28; 마이컴 30; 출력부 31; 신호 증폭부
32; 출력구동 드라이버 40; 진동자 구동부 41; 바이어스 인가 저항
42; 구동 트랜지스터 43; 전계효과 트랜지스터 44; 구동 코일
45; 구동 콘덴서 46; 제 2 정류 다이오드 47; 역류 방지 다이오드
48; 초음파 진동자

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 전압을 인가받아 전압을 승압시키는 전압 가변부; 상기 전압 가변부를 제어하여 상기 전압 가변부에서 출력되는 전압을 조절하고, 발진 신호를 출력하며, 바이어스 전압을 단계별로 나뉘어 출력하는 제어부; 상기 발진 신호와 상기 바이어스 전압을 입력받고, 상기 발진 신호의 주파수로 출력되고 상기 바이어스 전압 레벨에 따라 진폭이 가변되는 펄스 신호를 출력하는 출력부; 및 상기 전압 가변부로부터 승압된 전력을 공급받으며, 상기 펄스 신호를 입력받아 초음파 진동자를 구동시키는 진동자 구동부;로 형성된 것에 있어서;
    상기 제어부 및 초음파진동자에서는;
    저주파수 대역으로 20KHz 내지 40KHz으로 발진 신호를 출력ㆍ구동하는 것과;
    고주파수 대역으로 400KHz 내지 600KHz으로 발진 신호를 출력ㆍ구동하는 것;을 특징으로 하는 초음파 진동자를 이용한 시스템.
  3. 전압을 인가받아 전압을 승압시키는 전압 가변부; 상기 전압 가변부를 제어하여 상기 전압 가변부에서 출력되는 전압을 조절하고, 발진 신호를 출력하며, 바이어스 전압을 단계별로 나뉘어 출력하는 제어부; 상기 발진 신호와 상기 바이어스 전압을 입력받고, 상기 발진 신호의 주파수로 출력되고 상기 바이어스 전압 레벨에 따라 진폭이 가변되는 펄스 신호를 출력하는 출력부; 및 상기 전압 가변부로부터 승압된 전력을 공급받으며, 상기 펄스 신호를 입력받아 초음파 진동자를 구동시키는 진동자 구동부;로 형성된 것에 있어서;
    상기 제어부 및 초음파진동자에서는;
    저주파수 대역으로 15KHz 내지 30KHz으로 발진 신호를 출력ㆍ구동하는 것과;
    고주파수 대역으로 35KHz 내지 50KHz으로 발진 신호를 출력ㆍ구동하는 것;을 특징으로 하는 초음파 진동자를 이용한 시스템.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 초음파 진동자에는 진동하는 표면에 실리콘ㆍ세라믹ㆍ금속 중에서 어느 하나를 피복 결합하여 형성되는 것;을 특징으로 하는 초음파 진동자를 이용한 시스템.
  5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 초음파진동자는;
    복수 주파수의 출력 및 구동을 용이하게 하기 위해 고주파수대에서는 두께(Thickness)를 두껍게 하고, 저주파수대에서는 지름(Radial)을 크게 하는 것;을 특징으로 하는 초음파 진동자를 이용한 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 초음파 진동자에는 진동하는 표면에 피복 결합되는 금속은;
    스테인리스ㆍ티타늄ㆍ알루미늄 중에서 어느 하나인 것;을 특징으로 하는 초음파 진동자를 이용한 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 초음파진동자는;
    고주파수대에서 두께(Thickness)가 3 ~ 5mm이고, 저주파수대의 지름(Radial)이 40 ~ 70mm 인 것;을 특징으로 하는 초음파 진동자를 이용한 시스템.
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