KR20130112196A - 멀티 주파수 변조 신호로 초음파를 생성하는 초음파 발생장치 및 방법 - Google Patents

멀티 주파수 변조 신호로 초음파를 생성하는 초음파 발생장치 및 방법 Download PDF

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멀티 주파수 변조 신호로 초음파를 생성하는 초음파 발생장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 초음파 발생장치는, 제1 주파수를 갖는 제1 신호와 제2 주파수를 갖는 제2 신호를 이용하여 전기적 구동신호를 생성하는 변조부 및 변조부에서 생성된 구동신호를 초음파로 변환하여 출력하는 초음파 변환부를 포함한다. 이에 의해, 초음파에 의해 느껴지는 촉감의 세기를 향상시킬 수 있게 된다.

Description

멀티 주파수 변조 신호로 초음파를 생성하는 초음파 발생장치 및 방법{Apparatus and method for generating ultrasound with multi frequency modulation}
본 발명은 초음파 발생장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기적 신호를 상응하는 음압으로 변환하여 초음파를 생성하는 초음파 발생장치 및 방법에 관한 것이다.
초음파 발생장치는 전기 에너지로 초음파를 생성하여 출력하는 장치이다. 도 1은 기존의 초음파 발생장치의 블럭도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 초음파 발생장치는, 오실레이터(10), 증폭기(20) 및 초음파 변환기(30)를 구비한다.
도 1에 도시된 초음파 발생장치는, 오실레이터(110)에서 생성된 신호가 증폭기(20)에서 증폭되고, 초음파 변환기(30)가 증폭된 신호를 초음파로 변환하여 출력하게 된다.
한편, 초음파 변환기(30)에서 출력된 초음파는 사용자의 손으로 방사되어 비접촉식으로 촉감을 제공할 수 있는데, 사용자는 초음파의 음압에 의해 촉감을 느낄 수 있다.
하지만, 도 1에 도시된 기존의 초음파 발생장치에 의해 발생되는 초음파의 음압으로 사용자가 느끼는 촉감은 매우 미약하다. 오실레이터(10)에 의해 생성되는 신호의 주파수를 높이거나, 증폭기(20)의 게인을 높이더라도 느껴지는 촉감의 세기 변화는 매우 미미하다는데 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 초음파에 의해 느껴지는 촉감의 세기를 향상시키기 위한 방안으로, 멀티 주파수 변조 신호로 초음파를 생성하는 초음파 발생장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 초음파 발생장치는, 제1 주파수를 갖는 제1 신호와 제2 주파수를 갖는 제2 신호를 이용하여 전기적 구동신호를 생성하는 변조부; 및 상기 변조부에서 생성된 상기 구동신호를 초음파로 변환하여 출력하는 초음파 변환부;를 포함한다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 발생장치는, 상기 제1 신호를 생성하는 오실레이터; 및 상기 오실레이터에서 생성된 상기 제1 신호의 듀티-사이클을 조절하는 듀티-사이클 조절부;를 더 포함하고, 상기 변조부는, 상기 듀티-사이클 조절부에서 듀티-사이클이 조절된 제1 신호와 상기 제2 신호를 이용하여 상기 구동신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 초음파의 세기는, 상기 듀티-사이클에 비례할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 발생장치는, 듀티-사이클이 조절된 상기 제1 신호의 위상을 조절하는 위상 조절부;를 더 포함하고, 상기 변조부는, 상기 위상 조절부에서 위상 조절된 제1 신호와 상기 제2 신호를 이용하여 상기 구동신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수 보다 높을 수 있다.
그리고, 상기 변조부는, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 승산하여 상기 구동신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 제2 주파수는, 다수의 주파수들 중 선택된 하나일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 음파 발생방법은, 제1 주파수를 갖는 제1 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 신호와 제2 주파수를 갖는 제2 신호를 이용하여 전기적 구동신호를 생성하는 단계; 및 상기 구동신호를 초음파로 변환하여 출력하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 멀티 주파수 변조 신호로 초음파를 생성할 수 있게 되어, 초음파에 의해 느껴지는 촉감의 세기를 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 발생장치 및 방법에서 이용하는 멀티 주파수는 필요에 따라 선택적으로 적용가능하므로, 적용과 응용의 다양성을 제공할 수도 있다.
도 1은 기존의 초음파 발생장치의 블럭도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 발생장치의 블럭도, 그리고,
도 3은 고주파 신호(f)와 저주파 신호(f1)를 승산하여 구동 신호를 생성하는 변조 방식을 도식적으로 나타낸 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 발생장치의 블럭도이다. 도시된 초음파 발생장치는 사용자의 신체(예를 들면, 손)에 초음파를 방사하여, 음압에 의해 비접촉식으로 촉감을 전달한다.
이와 같은 기능을 수행하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 발생장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 오실레이터(110), 듀티-사이클(Duty-Cycle) 조절부(120), 위상(Phase) 조절부(130), 주파수 선택부(140), 변조부(150), 증폭부(160) 및 초음파 변환부(170)를 구비한다.
오실레이터(110)는 주파수가 "f" 이고 진폭이 "V"인 전기신호를 생성하여 출력한다. 오실레이터(110)의 출력 신호는 후술할 초음파 변환부(170)를 구동시키기 위한 신호로 이용된다.
듀티-사이클 조절부(120)는 오실레이터(110)에서 생성된 신호의 듀티-사이클을 조절한다. 듀티-사이클은 듀티-사이클 조절부(120)로 인가되는 듀티-사이클 조절계수에 의해 조절량이 결정되며, 초음파 변환부(170)에서 출력되는 초음파의 음압(Sound Pressure Level : SPL) 세기는 이 듀티-사이클에 의해 결정된다.
구체적으로, 듀티-사이클이 높을수록 초음파의 음압 세기가 높아지고, 듀티-사이클이 낮을수록 초음파의 음압 세기가 낮아진다.
위상 조절부(130)는 듀티-사이클 조절부(120)에서 듀티-사이클이 조절된 신호의 위상을 조절한다. 위상은 위상 조절부(130)로 인가되는 위상 조절계수에 의해 조절량이 결정된다.
'초음파 변환부(170)'가 다수로 구비되어 다수의 초음파들을 출력하는 경우, 위상 조절부(130)에 의해 조절되는 위상은, 출력되는 다른 초음파들과의 관계에서 출력 타이밍을 조절하기 위한 파라미터로서 활용된다. 구체적으로, 다수의 초음파 변환부들이 신호의 위상을 각기 다르게 제어하여, 생성되는 다수의 초음파들에 의한 공간상에서의 압력 분포를 일 지점에 수렴(집중)시킬 수 있다.
주파수 선택부(140)는 입력가능한 다수의 주파수 신호들 중 하나를 선택적으로 출력한다. 이때, 선택되는 주파수는 주파수 선택부(140)로 입력되는 주파수 조절계수에 의해 결정된다.
주파수 선택부(140)로 입력되는 신호들의 주파수는 오실레이터(110)에서 출력되는 신호의 주파수 보다 낮게 구현된다. 예를 들어, 오실레이터(110)에서 출력되는 신호의 주파수를 40kHz로, 주파수 선택부(140)로 입력되는 신호들의 주파수들(f1, f2, ... , fn)은 100Hz, 200Hz, ... , (100*n)Hz로 구현할 수 있다.
주파수 선택부(140)에서 100Hz의 신호가 선택된다고 가정하면, 오실레이터(110)에서 출력되는 신호의 주파수는 주파수 선택부(140)에서 출력되는 신호의 주파수 보다 40(=40,000/100)배가 높다.
변조부(150)는 '위상 조절부(130)에서 출력되는 신호'와 '주파수 선택부(140)에서 출력되는 신호'를 승산(乘算)하여(곱하여) 구동 신호를 생성하고, 생성된 구동 신호를 증폭부(160)로 출력한다.
즉, 변조부(150)는 i) 오실레이터(110)에서 생성되어, 듀티-사이클 조절부(120)에서 듀티-사이클이 조절된 후, 위상 조절부(130)에서 위상이 조절된 신호와 ii) 주파수 선택부(140)에서 선택된 신호를 승산하는 방식의 변조를 통해 구동 신호를 생성한다고 할 수 있다.
여기서, 'i)' 신호의 주파수는 'ii)' 신호의 주파수 보다 높음은 전술한 바 있다. 즉, 'i)'은 고주파 신호이고 'ii)'는 저주파 신호이며, 변조부(150)에 의해 고주파 신호는 저주파 신호로 변조된다고 볼 수 있다.
구체적으로, 'i)'의 고주파 신호는 'ii)'의 저주파 신호에 의해 on/off되는데, 이는 'ii)'의 저주파 신호가 "high"인 구간에서는 변조부(150)에서 'i)'의 고주파 신호가 출력(on)되는 반면, 'ii)'의 저주파 신호가 "low"인 구간에서는 변조부(150)에서 'i)'의 고주파 신호가 미출력(off)됨을 의미한다.
도 3에는 변조부(150)에서 고주파 신호(f)와 저주파 신호(f1)를 승산하여 생성하는 구동 신호(f*f1)가 도식적으로 나타나 있는데, 저주파 신호(f1)가 "high"인 구간에서만 고주파 신호(f)가 나타남을 확인할 수 있다.
다시, 도 2를 참조하여 설명한다.
증폭부(160)는 변조부(150)에서 출력되는 구동신호를 증폭하고, 증폭된 구동신호를 초음파 변환부(170)로 인가한다.
초음파 변환부(170)는 증폭부(160)에서 증폭된 구동 신호를 초음파로 변환하여 출력하는데, 구체적으로 구동 신호로 압전소자에 대한 수축과 신장을 반복시켜 초음파로 변환하여 출력한다.
초음파 변환부(170)로 인가되는 구동 신호는 고주파 신호와 저주파 신호가 승산된 신호이므로, 초음파 변환부(170)에는 고주파 신호가 저주파수에 따라 인가되게 된다(도 3 참조).
초음파 변환부(170)에서는 구동 신호에 상응하여 초음파가 생성되어 출력되는데, 초음파 변환부(170)에 인가되는 구동 신호는 고주파 신호가 저주파로 on/off를 반복하는 신호이다.
따라서, 초음파 변환부(170)에서는 초음파가 지속적으로 출력되지 않고, 간헐적으로 출력된다(즉, 주기적으로 출력과 비출력을 반복한다). 도 3에서와 같이 저주파 신호의 주파수가 "f1"라면, 초음파는 "f1"에 따라 출력된다.
초음파 변환부(170)에서 출력되는 초음파는 사용자의 손으로 방사되어, 음압에 의해 비접촉식으로 촉감을 전달한다. 초음파 변환부(170)에서 출력되는 초음파는 간헐적으로(주기적으로) 출력되는 초음파인데, 지속적으로 출력되는 초음파 보다 사용자에게 촉감 전달 효율이 더 뛰어나다.
이는, 인간의 피부 세포내의 감각을 인지하고 전달하는 감각기관과 수용체의 특성에 기인한 것으로, 특정 빈도 이상(수 KHz 이상)의 자극이 지속될 경우에 인간은 이를 인지하지 못하기 때문인 것으로 분석된다.
지금까지, 고주파 신호를 저주파 신호로 변조하여 생성한 구동 신호로 초음파를 생성하는 초음파 발생장치 및 그의 초음파 발생방법에 대해 바람직한 실시예들을 들어 상세히 설명하였다.
위 실시예에서 언급한 구체적 수치의 주파수들은 설명의 편의를 위해 든 예들에 불과하므로, 주파수들의 크기는 필요와 사양에 따라 수정을 가하여 적절히 구현하면 된다.
또한, 위 실시예에서는 고주파 신호와 저주파 신호를 승산하여 구동 신호를 생성하는 것으로 도시하고 설명하였으나, 이 역시 설명의 편의를 위한 일 예에 불과한 것으로 변형이 가능하다. 즉, 구주파 신호와 저주파 신호를 승산 이외의 다른 방식으로 변조하여 구동 신호를 생성하는 것이 가능하다.
그리고, 위 실시예에서는 2개의 신호를 합성하는 변조 방식을 상정하였으나, 3개 이상의 신호를 합성하는 변조 방식으로 대체하는 것도 본 발명의 기술적 사상이 적용가능하다.
아울러, 위 실시예에서는 생성된 초음파를 사용자의 신체(예를 들면, 손)에 방사하여 비접촉식으로 촉감을 전달하는 용도로 초음파 발생장치가 사용되는 것으로 설명하였으나 이 또한 예시적인 것에 불과하다. 이외의 다른 용도로 사용되는 초음파 발생장치에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 : 오실레이터
120 : 듀티-사이클(Duty-Cycle) 조절부
130 : 위상(Phase) 조절부 140 : 주파수 선택부
150 : 변조부 160 : 증폭부
170 : 초음파 변환부

Claims (8)

  1. 제1 주파수를 갖는 제1 신호와 제2 주파수를 갖는 제2 신호를 이용하여 전기적 구동신호를 생성하는 변조부; 및
    상기 변조부에서 생성된 상기 구동신호를 초음파로 변환하여 출력하는 초음파 변환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 신호를 생성하는 오실레이터; 및
    상기 오실레이터에서 생성된 상기 제1 신호의 듀티-사이클을 조절하는 듀티-사이클 조절부;를 더 포함하고,
    상기 변조부는,
    상기 듀티-사이클 조절부에서 듀티-사이클이 조절된 제1 신호와 상기 제2 신호를 이용하여 상기 구동신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 초음파의 세기는, 상기 듀티-사이클에 비례하는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    듀티-사이클이 조절된 상기 제1 신호의 위상을 조절하는 위상 조절부;를 더 포함하고,
    상기 변조부는,
    상기 위상 조절부에서 위상 조절된 제1 신호와 상기 제2 신호를 이용하여 상기 구동신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수 보다 높은 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 변조부는,
    상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 승산하여 상기 구동신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 주파수는, 다수의 주파수들 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치.
  8. 제1 주파수를 갖는 제1 신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 신호와 제2 주파수를 갖는 제2 신호를 이용하여 전기적 구동신호를 생성하는 단계; 및
    상기 구동신호를 초음파로 변환하여 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 발생방법.
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