KR101678552B1

KR101678552B1 - 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법

Info

Publication number: KR101678552B1
Application number: KR1020150014696A
Authority: KR
Inventors: 정기훈; 서영현
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-11-22
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: KR20160093855A

Abstract

본 발명은 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법에 관한 것으로서, X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되고 전압이 인가되면 열팽창에 의해 X축 방향 및 Y축 방향으로 동시에 구동력이 발생되도록 형성되며 상기 구동력은 상기 인가되는 전압의 제곱에 비례하도록 형성되는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기에 전압을 인가하되, 노이즈 주파수가 발생되지 않도록 구동기의 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A)과 구동기의 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)을 합성전압{(A²+B²)^1/2}으로 변환시켜 변환된 합성전압을 구동기에 인가함으로써, 구동기가 원활하게 구동될 수 있으며 구동기의 구동 효과를 향상시킬 수 있는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법에 관한 것이다.

Description

두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법 {Voltage appling method of actuator having two resonance frequency components}

본 발명은 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법에 관한 것으로서, X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되고 전압이 인가되면 열팽창에 의해 X축 방향 및 Y축 방향으로 동시에 구동력이 발생되도록 형성되며 상기 구동력은 상기 인가되는 전압의 제곱에 비례하도록 형성되는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기에 전압을 인가하되, 노이즈 주파수가 발생되지 않는 전압을 인가하여 구동기의 구동 효과를 향상시킬 수 있는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법에 관한 것이다.

광섬유 스캐너는 광섬유를 사용하여 외부 영상을 획득하기 위한 장비로서, 촬영대상에 접근 및 조작이 용이하여 다양한 산업분야에 적용된다. 특히 장비의 소형화가 용이하여 의료용 스캐너 및 내시경용 스캐너로 그 활용도가 높다.

도 1은 종래의 광섬유 스캐너를 나타낸 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 광섬유 스캐너는 광섬유(10)의 일단에 광섬유(10)를 진동시키는 구동수단(20)을 구비하고, 광섬유의 타단에 광을 집속시키는 렌즈(30), 상기 광섬유(10), 구동수단(20), 렌즈(30)가 내부에 구비되는 하우징(40)을 포함하여 구성된다. 여기에서 구동수단(20)은, 마이크로 모터, 구동기(Piezoelectric), CMOS-MEMS 미러, MEMS 미러가 사용될 수 있다.

종래기술은 구동수단이 초소형(반경 2mm 이하)으로 구성될 경우, 구동수단의 구동변위가 미세하기 때문에 광섬유의 스캐닝변위가 소정 범위로 한정되어, 구동수단을 광섬유의 공진주파수로 구동하여 광섬유의 스캐닝변위를 확장하는 방법이 사용되었다. 이 때, 구동수단을 광섬유의 공진주파수로 구동할 경우, 광섬유의 공진현상에 의해 광섬유의 스캐닝변위가 확장된다.

이때, 광섬유가 100Hz 이하의 스캐닝 속도(공진주파수)를 갖기 위해서는 광섬유의 길이가 30mm 이상으로 매우 길어야 한다. 이에 따라, 광섬유의 단부에 별도의 질량체를 설치하여 광섬유의 유효질량을 증가시키는 방법이 제안되었다.

그러나 종래기술은 광섬유와 질량체가 모두 X방향 및 Y방향으로 대칭되는 원형으로 형성됨으로써, 도 2와 같이 광섬유의 X방향 공진주파수와 Y방향 공진주파수가 모두 동일하여 광섬유의 2차원 구동패턴이 원형 스캐닝만 가능하여, 광섬유가 진폭 변조를 사용한 나선 스캐닝만 가능하다는 문제점이 있다.

여기에서 구동수단이 PZT(Piezoelectric) 소자로 형성되고 질량체의 X방향 공진주파수와 Y방향 공진주파수가 다르게 형성되어 광섬유의 2차원 구동패턴을 형성할 수 있으며, PZT 소자로 형성된 구동수단에 X방향 공진주파수 및 Y방향 공진주파수가 포함된 전압을 인가하면 PZT 소자는 전압에 비례해 진폭이 변하는(힘이 전압에 비례하는) 특성이 있어 광섬유의 2차원 구동이 가능하나, PZT 소자를 구동기로 이용한 PZT 튜브(PZT 구동기)의 제조비용이 매우 고가이므로 상용화가 어려운 문제점이 있다.

그리고 전압을 가하면 열팽창되어 구동력이 발생되며 X방향 공진주파수와 Y방향 공진주파수가 다르게 형성된 구동기를 이용해 광섬유의 2차원 구동이 가능하다. 여기에서 PZT 소자를 이용한 구동기는, 구동력이 인가되는 전압에 비례하므로, X방향 공진주파수를 포함한 전압과 Y방향 공진주파수를 포함한 전압을 더해서 구동기에 인가하더라도 구동되는데 전혀 문제가 없다. 반면, 상기한 바와 같이 전압을 가하면 열팽창되어 구동력이 발생되는 전기-열 구동기(Electrothermal actuator)는, 구동력이 인가되는 전압의 제곱에 비례하므로, X방향 공진주파수를 포함한 전압과 Y방향 공진주파수를 포함한 전압을 더해서 구동기에 인가하면, 전압에 포함된 공진주파수 성분들로 인해 구동기의 X방향 공진주파수 및 Y방향 공진주파수(메인 주파수)와 각각 그 배수에 해당하는 주파수 이외에 추가적인 노이즈 주파수들이 발생하여 구동기가 구동되지 않거나 구동기의 구동 효율이 저하되는 문제점이 있다.

이에 따라 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 전기-열 구동기를 이용해 원활한 2차원 구동이 가능하도록, 구동기에 전압을 인가하는 방법에 대한 개발이 요구된다.

KR 10-2013-0097383 A (2013.09.03.)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되고 전압이 인가되면 열팽창에 의해 X축 방향 및 Y축 방향으로 동시에 구동력이 발생되도록 형성되며 상기 구동력은 상기 인가되는 전압의 제곱에 비례하도록 형성되는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기에 전압을 인가하되, 노이즈 주파수가 발생되지 않는 전압을 인가하여 구동기가 2차원으로 원활하게 구동될 수 있으며 구동기의 구동 효과를 향상시킬 수 있는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법은, X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되고, 전압이 인가되면 열팽창에 의해 X축 방향 및 Y축 방향으로 동시에 구동력이 발생되도록 형성되며, 상기 구동력은 상기 인가되는 전압의 제곱에 비례하도록 형성되는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법에 있어서, 상기 구동기의 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수를 획득하는 단계(S10); 상기 구동기의 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A)과 상기 구동기의 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)을 합성전압{(A²+B²)^1/2}으로 변환시키는 단계(S20); 및 상기 변환된 합성전압을 상기 구동기에 인가하여 구동기를 구동시키는 단계(S30); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 S10단계에서는, 상기 구동기에 인가되는 전압의 주파수를 변경시켜가며 상기 구동기를 구동시켜 상기 구동기의 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수를 획득하거나, 상기 구동기가 설계된 이론적인 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수를 이용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A) 및 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)은, 각각 시간에 따라 전압이 불연속적으로 인가되는 불연속 파형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A) 및 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)은, 각각 파형, 주파수, 진폭 및 위상 중 어느 하나 이상이 서로 다른 다수개의 파형을 더하거나 빼서 상기 불연속 파형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A) 및 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)은, 각각 중심 주파수 및 다수개의 주파수 성분을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 S20단계 및 S30단계 사이에, 상기 변환된 합성전압을 제곱하여 FFT(Fast Fourier Transform; 고속푸리에변환) 응답 그래프를 통해 두 개의 공진주파수 및 상기 두 개의 공진주파수의 정수배에 해당하는 주파수 이외의 부가적인 주파수가 발생되는지를 확인하여 상기 합성전압의 이상 여부를 판단하는 단계(S25)가 더 수행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동기는, 구동기 자체의 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되거나, 구동기에 결합된 광섬유를 포함하여 이루어져 상기 광섬유를 포함한 구동기의 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동기는, 제1고정부; 상기 제1고정부와 이격되어 배치되는 제2고정부; 상기 제1고정부와 제2고정부에 양단이 연결되어 고정되고, 두 개 이상이 한 조로 형성되어 제2고정부에 고정되는 단부가 서로 전기적으로 연결되게 형성되며, X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되는 구동 암; 및 상기 제1고정부에 일측이 고정되고 제2고정부에 타측이 고정되며, 상기 구동 암의 폭방향 일측으로 이격되어 배치되되 높이방향으로 상기 구동 암과 다른 높이에 배치되는 광섬유; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법은, 구동기에 노이즈 주파수가 발생되지 않는 전압을 인가하여 구동기가 2차원으로 원활하게 구동될 수 있으며 구동기의 구동 효과가 향상되는 장점이 있다.

도 1은 도 1은 종래의 구동기를 포함하는 광섬유 스캐너를 나타낸 개략도.
도 2는 종래의 광섬유 스캐너의 공진 주파수 상에서 구동하는 광섬유의 스캔 패턴을 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 광섬유를 포함한 구동기(스캐너)를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 구동기의 X축 방향 및 Y축 방향의 공진주파수 및 스캐닝 패턴을 나타낸 그래프 및 사진.
도 5는 본 발명에 따른 구동기의 X축 방향 스캐닝 패턴, Y축 방향 스캐닝 패턴, 구동기가 구동되지 않는 상태에서의 스캐닝 패턴 및 본 발명의 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법을 이용한 2차원 리사쥬 패턴을 나타낸 사진.
도 6은 본 발명에 따른 전기-열 구동기의 X축 방향 공진주파수를 포함한 전압(A)과 Y축 방향 공진주파수를 포함한 전압(B)을 합한 불연속 펄스파형의 전압(A+B) 파형을 나타낸 그래프.
도 7은 도 6의 전압(A+B)의 제곱에 대한 FFT 응답 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 합성전압{(A²+B²)^1/2}의 제곱에 대한 FFT 응답 그래프.
도 9는 함수 생성기를 이용해 변환한 합성전압{(A²+B²)^1/2}의 파형을 나타낸 그래프.
도 10 및 도 11은 PZT 구동기의 X축 방향 공진주파수를 포함한 전압(A)과 Y축 방향 공진주파수를 포함한 전압(B)을 합한 불연속 펄스파형의 전압(A+B) 파형을 나타낸 그래프 및 이에 대한 FFT 응답 그래프.

이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 광섬유를 포함한 구동기(스캐너)를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 구동기의 X축 방향 및 Y축 방향의 공진주파수 및 스캐닝 패턴을 나타낸 그래프 및 사진이며, 도 5는 본 발명에 따른 구동기의 X축 방향 스캐닝 패턴, Y축 방향 스캐닝 패턴, 구동기가 구동되지 않는 상태에서의 스캐닝 패턴 및 본 발명의 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법을 이용한 2차원 리사쥬 패턴을 나타낸 사진이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법은, X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되고, 전압이 인가되면 열팽창에 의해 X축 방향 및 Y축 방향으로 동시에 구동력이 발생되도록 형성되며, 상기 구동력은 상기 인가되는 전압의 제곱에 비례하도록 형성되는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법에 있어서, 상기 구동기(1000)의 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수를 획득하는 단계(S10); 상기 구동기(1000)의 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A)과 상기 구동기(1000)의 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)을 합성전압{(A²+B²)^1/2}으로 변환시키는 단계(S20); 및 상기 변환된 합성전압을 상기 구동기(1000)에 인가하여 구동기(1000)를 구동시키는 단계(S30); 를 포함하여 이루어질 수 있다.

우선, 본 발명에 따른 구동기(1000)는 레이저 스캐닝 기반의 바이오 이미징 시스템을 내시경과 같은 초소형 시스템에 접목하기 위한 스캐너(스캐닝 장치)가 될 수 있으며, 스캐너 자체의 비대칭 구조 및 주파수 변조를 통해 1차원 구동만으로 2차원의 스캐닝이 가능하도록 구성될 수 있다. 그리고 도 3 및 도 4와 같이 구동기(1000)는 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되고, 전압이 인가되면 열팽창에 의해 X축 방향 및 Y축 방향으로 동시에 구동력이 발생되도록 형성되며, 상기 구동력은 상기 인가되는 전압의 제곱에 비례하도록 형성될 수 있다.

S10단계는 상기 구동기(1000)의 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수를 획득하는 단계이다. 이때, 구동기(1000)에 X축 방향 공진주파수를 포함하는 전압(A)을 인가하여 구동시킴으로써 구동기(1000)의 X축 방향 공진주파수를 확인할 수 있으며, 구동기(1000)에 Y축 방향 공진주파수를 포함하는 전압(B)을 인가하여 구동시킴으로써 구동기(1000)의 Y축 방향 공진주파수를 확인할 수 있다. 즉, 구동기(1000)는 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수가 다르게 형성되도록 설계될 수 있으며 특정한 값을 갖도록 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수가 설계되어, 구동기(1000)에 각각 설계된 사양의 X축 방향 공진주파수를 포함한 전압(A) 또는 Y축 방향 공진주파수를 포함한 전압(B)으로 각각 구동시켜 X축 방향 및 Y축 방향으로 각각의 공진주파수가 미리 설계된 사양으로 제작되었는지 확인 할 수 있다. 그리고 가진기를 통해 구동기(1000)를 X축 방향 및 Y축 방향으로 각각 가진시켜 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수를 획득할 수도 있다. 그리고 도 5와 같이 구동기(1000)에 X축 방향 공진주파수를 포함한 전압(A)을 인가하여 구동기(1000)가 X축 방향으로 진동하면서 도 5의 가장 좌측의 스캔 패턴과 같이 좌우방향으로 직선형태의 스캐닝이 정상적으로 되는지를 확인하여 X축 방향 공진주파수가 맞는지 알 수 있으며, Y축 방향 공진주파수를 포함한 전압(B)을 인가하여 구동기(1000)가 Y축 방향으로 진동하면서 도 5의 가장 좌측에서 두 번째 스캔 패턴과 같이 상하방향으로 직선형태의 스캐닝이 정상적으로 되는지를 확인하여 Y축 방향 공진주파수가 맞는지 알 수 있다.

S20단계는 구동기(1000)의 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A)과 구동기(1000)의 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)을 합성전압{(A²+B²)^1/2}으로 변환시키는 단계이다. 이는 구동기(1000)에 발생되는 구동력이 전압의 제곱에 비례하므로 두 전압(A,B)의 합의 제곱에 의해 발생하는 노이즈 성분을 미리 제거할 수 있도록 합성전압으로 변환하여, 구동기(1000)가 X축 및 Y축 방향으로 원활하게 구동되도록 하기 위함이다. 즉, 구동기(1000)를 X축 방향 및 Y축 방향으로 함께 구동시켜 도 5의 가장 우측의 사진과 리사쥬(Lissajous) 패턴을 갖는 2차원 스캐닝이 될 수 있도록 구동기(1000)에 입력되는 전압을 합성전압으로 변환시키는 것이다.

이때, 구동기(1000)는 전압이 인가되면 전압의 제곱에 비례하는 구동력이 발생하며, 구동기(1000)에 입력되는 전압(A)에는 X축 방향 공진주파수가 포함되어 있고 전압(B)에는 Y축 방향 공진주파수가 포함되어 있으므로, 두 전압을 더해서 인가하면 구동기(1000)가 구동되는 구동력은 (A+B)²이 되어 A² 및 B² 성분뿐만 아니라 2A×B 성분이 추가적으로 생기게 된다. 즉, 상기한 바와 같이 노이즈 성분이 있는 경우에는 구동기(1000)가 X축 방향 및 Y축 방향으로 구동되지 않거나 구동 효율이 저하될 수 있다. 그러므로 전압의 제곱에 의해 발생되는 노이즈 성분인 2A×B 성분을 제거할 수 있도록 구동기(1000)에 인가되는 전압을 미리 합성전압{(A²+B²)^1/2}으로 변환시키면, 구동기(1000)에 발생되는 구동력은 합성전압의 제곱인 {(A²+B²)^1/2}²이 되어 A² 및 B² 성분만이 남게되므로 노이즈 성분인 2A×B 성분이 제거될 수 있다.

S30단계는 상기 변환된 합성전압{(A²+B²)^1/2}을 구동기(1000)에 인가하여 구동기를 구동시키는 단계로서, 상기한 바와 같이 구동기(1000)에 인가되는 전압에서 미리 노이즈 성분이 제거되므로 합성전압이 인가되면 구동기(1000)가 X축 방향 및 Y축 방향으로 함께 원활하게 구동되어 리사쥬(Lissajous) 패턴을 갖는 2차원 스캐닝을 구현할 수 있다. 반면, 도 5의 우측에서 2번째 사진과 같이 합성전압으로 변환하지 않고 각각의 공진주파수를 포함하는 전압(A,B)을 합해서 전압을 인가하는 경우에는 스캔 패턴이 점 형태로 형성되므로 구동기가 구동되지 않는 것을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법은, 구동기에 노이즈 주파수가 발생되지 않는 전압을 인가하여 구동기가 2차원으로 원활하게 구동될 수 있으며 구동기의 구동 효과가 향상되는 장점이 있다.

또한, 상기 S10단계에서는, 상기 구동기에 인가되는 전압의 주파수를 변경시켜가며 상기 구동기를 구동시켜 상기 구동기의 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수를 획득하거나, 상기 구동기가 설계된 이론적인 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수를 이용할 수 있다.

즉, 구동기(1000)에 인가되는 전압의 주파수를 변경시켜가며 구동기가 구동되도록 하면, 상기 전압의 주파수가 구동기의 X축 방향 공진주파수와 일치하는 경우 구동기가 X축 방향으로 진동하면서 구동되고, 상기 전압의 주파수가 구동기의 Y축 방향 공진주파수와 일치하는 경우 구동기가 Y축 방향으로 진동하면서 구동될 수 있다. 그리하여 주파수를 변경시켜가면서 구동기가 X축 방향 또는 Y축 방향으로 구동되는 지를 확인하여, 구동기의 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수를 획득할 수 있다. 또는 구동기를 제작함에 있어서 구동기의 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수를 설계 사양에 따라 다르게 제작할 수 있으므로, 설계된 구동기의 이론적인 공진주파수들을 이용할 수도 있다.

또한, 상기 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A) 및 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)은, 각각 시간에 따라 전압이 불연속적으로 인가되는 불연속 파형으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 불연속 파형은 펄스파형으로 형성될 수 있다.

이는 본 발명에 따른 구동기(1000)는, 전압이 인가되면 열팽창에 의해 X축 방향 및 Y축 방향으로 동시에 구동력이 발생되도록 형성되는 전기-열 구동기(Electrothermal actuator)이며, 이러한 전기-열 구동기는 가열되고 냉각되는데 시간이 소요되기 때문에 연속적인 사인파와 같은 파형보다는 펄스파와 같은 불연속 파형의 전압을 인가해야 구동기가 효과적으로 구동될 수 있다. 그러므로 구동기의 구동 효과를 향상시킬 수 있도록, 도 6과 같이 전압(A,B)들은 각각 시간의 경과에 따라 전압이 불연속적으로 인가되는 불연속 파형이 될 수 있으며, 일례로 펄스파형이 될 수 있다. 이때, 도면에서는 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A) 및 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)의 파형이 함께 존재하는 것을 나타내었으며, 일례로 전압들은 각각 101.3Hz 및 127.5Hz의 주파수를 갖으며, 이와 같이 두 개의 주파수가 함께 존재하는 불연속 파형인 펄스파형으로 형성된 전압이 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A) 및 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)이 될 수 있다.

또한, 상기 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A) 및 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)은, 각각 파형, 주파수, 진폭 및 위상 중 어느 하나 이상이 서로 다른 다수개의 파형을 더하거나 빼서 상기 불연속 파형으로 형성될 수 있다. 즉, 일례로 사인파형의 주파수로 형성된 기본 파형에 위상, 진폭 및 주파수 등이 다른 다수개의 파형을 더하고 빼서 도시된 바와 같은 불연속 펄스파형의 전압(A,B)들로 형성될 수 있다.

또한, 상기 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A) 및 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)은, 각각 중심 주파수 및 다수개의 주파수 성분을 포함하여 이루어질 수 있다. 즉, 기본적인 파형은 동일하되 중심 주파수를 갖는 기본이 되는 파형에 주파수가 다른 다수개의 파형들이 포함되어, 도시된 바와 같은 불연속 펄스파형의 전압(A,B)들로 형성될 수 있다.

즉, 이러한 불연속 펄스파형의 전압(A,B)들은 매트랩(Matlab) 등을 이용해 합성전압{(A²+B²)^1/2} 신호를 만들 수 있고, 이 신호는 "Agilent BenchLink Waveform Builder Pro"와 같은 함수 발생기(Function generator)를 통해 도 9와 같이 구동기(1000)에 인가될 수 있는 X축 방향 공진주파수 성분 및 Y축 방향 공진주파수 성분을 포함하는 전압 신호로 변환될 수 있다. 그리하여 이와 같이 변환된 합성전압 신호가 구동기에 입력되면 구동기가 2차원의 리사쥬 패턴으로 스캐닝되는 것을 확인할 수 있다.

또한, 상기 S20단계 및 S30단계 사이에, 상기 변환된 합성전압을 제곱하여 FFT(Fast Fourier Transform; 고속푸리에변환) 응답 그래프를 통해 두 개의 공진주파수 및 상기 두 개의 공진주파수의 정수배에 해당하는 주파수 이외의 부가적인 주파수가 발생되는지를 확인하여 상기 합성전압의 이상 여부를 판단하는 단계(S25)가 더 수행될 수 있다.

즉, 도 7과 같이 전압(A,B)들을 합한 전압의 제곱에 대한 FFT 응답 그래프를 보면 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A) 및 Y축 방향 공진주파수 성분에 해당하며 진폭이 큰 두 개의 메인 주파수 및 이들의 정수배에 해당하는 주파수 이외에 상대적으로 진폭이 작은 노이즈 주파수들이 무수하게 생성되는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 8과 같이 합성전압{(A²+B²)^1/2}으로 변환된 신호의 제곱에 대한 FFT 응답 그래프를 보면 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A) 및 Y축 방향 공진주파수 성분 및 이들의 배수에 해당하는 주파수 이외에 상대적으로 진폭이 작은 노이즈 주파수들이 생성되지 않은 것을 알 수 있다. 다시말하면 구동기에 인가되는 전압 신호의 FFT 응답 특성을 분석을 통해 노이즈 주파수가 생성되는지를 확인할 수 있으므로, 노이즈 주파수가 생성되지 않으면 합성전압으로의 변환이 정확하게 된 것을 알 수 있고, 합성전압을 구동기에 인가하여 구동기가 원활하게 구동되도록 할 수 있다.

그리고 일례로 본 발명과는 달리 구동력이 전압에 비례하는 구동기에 있어서, 구동기가 PZT(Piezoelectric) 소자로 형성되고 질량체의 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 다르게 형성된 경우에는 도 10 및 도 11과 같이 전압이 불연속 펄스파형으로 형성되며 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 포함된 두 개의 전압을 합한 값의 FFT 응답 그래프를 보면 두 개의 메인 주파수와 그 정수배에 해당하는 주파수들 만 나타나며 노이즈 주파수들은 발생하지 않는 것을 알 수 있다. 이를 통해 PZT소자로 형성된 구동기는 본 발명과 같이 합성전압으로 변환하지 않아도 구동기가 원활하게 작동될 수 있는 것을 알 수 있다.

또한, 상기 구동기(1000)는, 구동기(1000) 자체의 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되거나, 구동기(1000)에 결합된 광섬유(400)를 포함하여 이루어져 상기 광섬유(400)를 포함한 구동기(1000)의 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성될 수 있다.

즉, 구동기(1000)는 2차원 광학스캐닝을 위한 스캐너로 사용될 수 있으므로, 구동기(1000)는 레이저 등의 조사를 위해 광섬유(400)를 포함하여 이루어질 수 있으며 구동기(1000)에 광섬유(400)가 결합된 형태로 형성될 수 있다. 이때, 구동기(1000)는 구동기(1000) 자체의 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되어, 광섬유(400)가 결합된 상태에서도 광섬유(400)를 포함한 구동기(1000)의 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성될 수 있다. 또는 구동기(1000) 자체의 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 같게 형성된 상태에서 구동기(1000)에 결합된 광섬유(400)에 의해 광섬유(400)를 포함한 구동기(1000)의 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성될 수도 있다.

또한, 상기 구동기(1000)는, 제1고정부(100); 상기 제1고정부(100)와 이격되어 배치되는 제2고정부(200); 상기 제1고정부(100)와 제2고정부(200)에 양단이 연결되어 고정되고, 두 개 이상이 한 조로 형성되어 제2고정부(200)에 고정되는 단부가 서로 전기적으로 연결되게 형성되며, X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되는 구동 암(300); 및 상기 제1고정부(100)에 일측이 고정되고 제2고정부(200)에 타측이 고정되며, 상기 구동 암(300)의 폭방향 일측으로 이격되어 배치되되 높이방향으로 상기 구동 암(300)과 다른 높이에 배치되는 광섬유(400); 를 포함하여 이루어질 수 있다.

우선, 제1고정부(100) 및 제2고정부(200)는 구동 암(300) 및 광섬유(400)가 고정되는 부분으로, 서로 길이방향(Z축 방향)으로 이격되게 형성된 제1고정부(100) 및 제2고정부(200)에 구동 암(300)의 양단이 각각 연결되어 고정된다. 이때, 제1고정부(100)는 전체가 절연체로 형성될 수도 있으며, 고정블록(110)의 상측에 절연층(120)이 형성되어 절연층(120)의 상측에 구동 암(300)의 일단이 고정될 수 있다. 그리고 제2고정부(200)는 구동 암(300)의 타단이 연결되어 고정되며 한 조를 이루는 두 개 이상의 구동 암(300)이 전기적으로 연결될 수 있도록 제2고정부(200) 자체가 전기적인 도체로 형성될 수 있으며 판형으로 형성될 수 있다. 또한, 구동 암(300)은 두 개 이상이 한 조를 이루며 두 개의 구동 암(300)은 서로 폭방향으로 이격되어 배치되어, 한 조가 수평면인 XZ평면상에 배치된다. 그리고 구동 암(300)은 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되도록 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 도시된 형태 이외의 임의 형태로 형성될 수도 있다. 또한, 광섬유(400)는 제1고정부(100)에 일측이 고정되고 제2고정부(200)에 타측이 고정된다. 여기에서 제2고정부(200)에 고정된 광섬유(400)는 길이방향으로 연장된 형태로 형성되어 제2고정부(200)에서 외팔보 형태로 형성될 수 있다. 그리고 광섬유(400)는 구동 암(300)의 폭방향 일측으로 이격되어 배치되되 높이방향으로 구동 암(300)과 다른 높이에 배치된다. 즉, 광섬유(400)는 구동 암(300)의 폭방향 일측 및 높이방향 하측에 배치되어 광섬유(400)의 일측이 제1고정부(100)의 고정홈(111)에 고정되고 광섬유(400)의 타측은 제2고정부(200)의 하면에 고정될 수 있다. 이때, 광섬유(400)는 구동 암(300)과 나란하게 배치될 수 있으며, 약간 비스듬하게 경사진 형태로 배치될 수도 있다. 그리고 제1고정부(100)에 고정된 광섬유(400)의 일측에는 레이저 조사기가 연결되어 레이저 조사기로부터 레이저를 전달받아서 레이저 광을 출력할 수 있다.

그리하여 제1고정부(100)에서 구동 암(300)들이 연장 형성되어 구동 암(300)의 단부에 제2고정부(200)가 형성되는 외팔보 형태로 형성되며, 광섬유(400)가 연결되어 고정된 제2고정부(200) 및 구동 암(300)이 수평면상에 배치되는 형태인 비대칭 형상으로 형성됨으로써, X축 방향 및 Y축 방향으로의 공진주파수가 다르게 형성되며, 인가되는 전압에 의해 열팽창되는 구동 암(300)에 의해 전기-열 구동기로 사용될 수 있으며, 본 발명의 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법을 이용해 구동기가 원활하고 효율적으로 작동되도록 할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000 : 구동기
100 : 제1고정부
110 : 고정블록 111 : 고정홈
120 : 절연층
200 : 제2고정부
300 : 구동 암
400 : 광섬유
500 : 전극
600 : 연결부

Claims

X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되고, 전압이 인가되면 열팽창에 의해 X축 방향 및 Y축 방향으로 동시에 구동력이 발생되도록 형성되며, 상기 구동력은 상기 인가되는 전압의 제곱에 비례하도록 형성되는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법에 있어서,
상기 구동기의 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수를 획득하는 단계(S10);
상기 구동기의 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A)과 상기 구동기의 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)을 합성전압{(A²+B²)^1/2}으로 변환시키는 단계(S20); 및
상기 변환된 합성전압을 상기 구동기에 인가하여 구동기를 구동시키는 단계(S30);
를 포함하여 이루어지며,
상기 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A) 및 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)은, 각각 시간에 따라 전압이 불연속적으로 인가되는 불연속 파형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법.
제1항에 있어서,
상기 S10단계에서는,
상기 구동기에 인가되는 전압의 주파수를 변경시켜가며 상기 구동기를 구동시켜 상기 구동기의 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수를 획득하거나, 상기 구동기가 설계된 이론적인 X축 방향 공진주파수 및 Y축 방향 공진주파수를 이용하는 것을 특징으로 하는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A) 및 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)은, 각각 파형, 주파수, 진폭 및 위상 중 어느 하나 이상이 서로 다른 다수개의 파형을 더하거나 빼서 상기 불연속 파형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법.
제1항에 있어서,
상기 X축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(A) 및 Y축 방향 공진주파수 성분이 포함된 전압(B)은, 각각 중심 주파수 및 다수개의 주파수 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법.
제1항에 있어서,
상기 S20단계 및 S30단계 사이에,
상기 변환된 합성전압을 제곱하여 FFT(Fast Fourier Transform; 고속푸리에변환) 응답 그래프를 통해 두 개의 공진주파수 및 상기 두 개의 공진주파수의 정수배에 해당하는 주파수 이외의 부가적인 주파수가 발생되는지를 확인하여 상기 합성전압의 이상 여부를 판단하는 단계(S25)가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법.
제1항에 있어서,
상기 구동기는,
구동기 자체의 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되거나, 구동기에 결합된 광섬유를 포함하여 이루어져 상기 광섬유를 포함한 구동기의 X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법.
제1항에 있어서,
상기 구동기는,
제1고정부;
상기 제1고정부와 이격되어 배치되는 제2고정부;
상기 제1고정부와 제2고정부에 양단이 연결되어 고정되고, 두 개 이상이 한 조로 형성되어 제2고정부에 고정되는 단부가 서로 전기적으로 연결되게 형성되며, X축 방향 공진주파수와 Y축 방향 공진주파수가 서로 다르게 형성되는 구동 암; 및
상기 제1고정부에 일측이 고정되고 제2고정부에 타측이 고정되며, 상기 구동 암의 폭방향 일측으로 이격되어 배치되되 높이방향으로 상기 구동 암과 다른 높이에 배치되는 광섬유;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 두 개의 공진주파수 성분을 갖는 구동기의 전압 인가 방법.