KR20150124645A

KR20150124645A - 적응 제어식 초음파 진동장치

Info

Publication number: KR20150124645A
Application number: KR1020140051397A
Authority: KR
Inventors: 김규열
Original assignee: (주)한소닉에이스
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2015-11-06
Also published as: KR101690715B1

Abstract

본 발명은 사용 환경의 변화에 따른 초음파 출력변화를 실시간 감지하여 출력이 일정하게 유지되도록 제어하는 적응 제어식 초음파 진동장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 다양한 유형의 장해를 명확히 구분하여 판단하고, 장해 유형에 따라 보호 작동을 제어하는 적응 제어식 초음파 진동장치에 관한 것이다.

Description

적응 제어식 초음파 진동장치{Adaptive controlled ultrasonic vibration device}

본 발명은 사용 환경의 변화에 따른 초음파 출력변화를 실시간 감지하여 출력이 일정하게 유지되도록 제어하는 적응 제어식 초음파 진동장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 다양한 유형의 장해를 명확히 구분하여 판단하고, 장해 유형에 따라 보호 작동을 제어하는 적응 제어식 초음파 진동장치에 관한 것이다.

일반적으로 초음파 발생장치는 산업상 여러 분야에서 이용되고 있으며 특히 초음파 세척을 행하는 초음파 세척장치에서 유용하게 사용되고 있다.

초음파 세척장치는 피세척물을 세척액 속에 침수한 상태에서 세척액에 초음파를 가하여 초음파 진동에 의해 피세척물을 세척한다.

이에, 초음파 발생장치는 발진회로에서 발진된 신호를 증폭하여 세척조 내에 설치된 진동자로 초음파의 전기적 신호를 공급한다.

그러나 종래의 초음파 세척장치는 세척액이 없거나 부족하여 진동자가 대기 중에 노출된 상태에서 초음파 발생장치를 작동시 전류가 과도하게 흘러 과부하 상태가 된다.

따라서, 진동자 및 신호 출력소자가 열적 상승에 따른 소손이 발생하는 등 심각한 장해가 발생하는 문제점이 있다.

이에, 도 1에 도시된 바와 같이 등록실용신안 제20-0257270호에서는 진동자(52)에 발진 전원을 공급하는 회로(22 내지 28)에 전압감시부(38), 전류감시부(42) 및 온도감시부(44)을 설치하여 감시 기능을 제공하였다.

따라서, 세척조 내의 세척액 유무와 회로의 비정상 작동상태에 따라 출력신호를 차단하거나 출력레벨을 줄임으로써 초음파 출력부 회로 소자와 진동자를 보호하였다.

그러나, 이상과 같은 종래기술은 고장 발생시 전원을 차단하는 등의 방식으로 2차 피해를 방지하는 기능을 제공할 뿐이다.

따라서, 수위, 세정액 및 온도 등 세척조의 환경 변화에 따라 진동자의 정전용량이 변화하면 발진 회로의 출력도 변하는 문제는 여전히 해결하지 못한다.

또한, 종래기술은 발진회로의 전원부만을 감시할 뿐 부하에 해당하는 진동자는 감시하지 못하여 진동부의 장해 내용은 알 수 없다.

예컨대, 실제로는 발진회로의 전력증폭기에 오픈(open) 불량이 발생한 경우 발진회로와 진동자 중 어느 부분에서의 오픈 불량인지 알 수 없다.

또한, 발진회로의 전원부를 감시하는 것만으로는 감시대상이 1개소인 관계로 좀더 다양한 유형의 장해를 명확히 구분하여 검출할 수 없다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 사용 환경의 변화에 따른 초음파 출력변화를 실시간 감지하여 출력이 일정하게 유지되도록 제어하는 적응 제어식 초음파 진동장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 장해발생 구간별로 다양한 유형의 장해를 명확히 구분하여 판단하고, 장해 유형에 따라 보호 작동을 제어하는 적응 제어식 초음파 진동장치를 제공하고자 한다.

이를 위해, 본 발명에 따른 적응 제어식 초음파 진동장치는 발진 전원을 공급받아 초음파 진동하는 진동자와; 상기 진동자에 발진 전원을 공급하는 발진 회로부와; 상기 발진 회로부의 출력 레벨을 제어하는 발진 제어부와; 상기 발진 제어부에 초기 설정값을 제공하는 출력 셋업부와; 상기 발진 회로부에서 상기 진동자로 인가되는 출력 전압 및 출력 전류를 각각 검출하는 A/V 검출부와; 상기 A/V 검출부에서 검출된 출력 전압 및 출력 전류를 연산처리하는 아날로그 멀티플라이어; 및 상기 아날로그 멀티플라이어의 출력값과 상기 출력 셋업부에서 설정한 초기 설정값을 비교한 값을 출력하여 상기 발진 제어부에 제공함으로써, 상기 발진 회로부에서 공급하는 발진 전원이 상기 초기 설정값을 유지되게 하는 비교기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 발진 회로부는 펄스폭 변조 방식의 초음파 발생기와; 상기 초음파 발생기의 출력단에 설치되어 출력을 증폭시키는 전력증폭기; 및 1차측은 상기 전력증폭기에 연결되고 2차측은 상기 진동자에 연결되어, 상기 진동자에 적합한 출력으로 변환하는 출력 트랜스포머;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전력증폭기를 감시한 제1차측 검출신호 및 상기 A/V 검출부를 감시한 제2차측 검출신호를 각각 입력받고, 상기 제1차측 검출신호 및 제2차측 검출신호를 포함한 2가지의 신호를 조합하여 정상상태, 진동자 장해 상태 및 발진 회로부 장해 상태 중 어느 하나의 상태인지 판단하는 자기진단 제어 모듈을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 자기진단 제어 모듈은 상기 A/V 검출부에서 출력 전압이 검출되면 '1', 검출되지 않으면 '0'이고, 상기 A/V 검출부에서 출력 전류가 검출되면 '1'이고, 검출되지 않으면 '0'이며, 상기 전력증폭기에서 출력이 검출되면 '1'이고 검출되지 않으면 '0'일 경우, 상기 A/V 검출부의 출력 전압, A/V 검출부의 출력 전류 및 전력증폭기의 출력의 순으로 '1,1,1'이면 상기 정상상태이고, 상기 A/V 검출부의 출력 전압, A/V 검출부의 출력 전류 및 전력증폭기의 출력의 순으로 '1,0,1' 또는 '0,1,1'이면 상기 진동자 장해 상태이며, 상기 A/V 검출부의 출력 전압, A/V 검출부의 출력 전류 및 전력증폭기의 출력의 순으로 '0,0,1' 또는 '0,0,0'이면 상기 발진 회로부 장해 상태로 판단하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 자기진단 제어 모듈의 출력단은 상기 발진 제어부에 연결되며, 상기 자기진단 제어 모듈에서 상기 진동자 장해 상태를 검출시 상기 발진 제어부는 상기 발진 회로부에서 최소 센싱 전류만 공급하도록 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 자기진단 제어 모듈의 출력단은 마이크로컨트롤러에 연결되며, 상기 자기진단 제어 모듈에서 오류 검출시 상기 마이크로컨트롤러는 경보장치에 오류 발생을 알리는 것이 바람직하다.

또한, 상기 자기진단 제어 모듈의 출력단은 마이크로컨트롤러에 연결되며, 상기 자기진단 제어 모듈에서 상기 발진 회로부 장해 상태 검출시 상기 마이크로컨트롤러는 전원공급부의 전원공급을 완전히 차단하여 발진 회로부의 2차 피해를 방지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발진 제어부는 위상 변화에 의해 상기 발진 회로부의 출력을 제어하는 전력 위상 조절기를 포함하고, 상기 전력 위상 조절기에는 트리거 펄스의 위상을 천천히 변경시키는 슬로우 스타트(slow start) 설정기가 연결되되, 상기 초기 설정값을 유지 동작시에는 상기 슬로우 스타트 설정기가 활성화되어 러쉬 전류(rush current)를 줄이고, 상기 장해 검출시에는 상기 슬로우 스타트 설정기가 정지되는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명은 진동자에 공급되는 발진 출력의 변화를 실시간 감시하고 이를 피드백하여 발진 출력을 적응 제어함으로써, 출력이 일정하게 유지될 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 서로 다른 구간에서 검출한 제1차측 검출신호 및 제2차측 검출신호를 조합하여 다양한 유형의 장해를 판단하고, 장해 유형에 따라 보호 작동을 제어할 수 있게 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 자기 진단형 초음파세척기의 초음파발생 회로장치를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 적응 제어식 초음파 진동장치를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 적응 제어식 초음파 진동장치의 발진 제어부 트라이액 동작 설명도이다.
도 4는 본 발명에 따른 적응 제어식 초음파 진동장치의 발진 출력 자동 제어 상태를 나타낸 도이다.
도 5는 상기 도 4의 발진 출력 자동 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 적응 제어식 초음파 진동장치의 자기진단 및 제어 상태를 나타낸 도이다.
도 7은 상기 도 6의 자기진단 및 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 적응 제어식 초음파 진동장치에서의 장해 유형별 구분 표를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적응 제어식 초음파 진동장치에 대해 상세히 설명한다.

다만, 이하에서는 본 발명이 초음파 세척장치에 적용되는 것을 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않음은 자명하다.

먼저, 도 2와 같이 본 발명에 따른 적응 제어식 초음파 진동장치는 진동자(TD), 발진 회로부(110), 발진 제어부(120), 출력 셋업부(130), A/V 검출부(140), 아날로그 멀티플라이어(150), 비교기(160), 자기진단 제어 모듈(170), 마이크로컨트롤러(180) 및 전원공급부(190)를 포함한다.

이때, 진동자(TD)는 발진 전원을 공급받아 초음파 진동하는 것으로, 일 실시예로서 진동자(TD)가 초음파 세척장치로 사용되는 경우 세척조 내에 설치된다.

이러한 진동자(TD)는 트랜스듀서(transducer)라고도 하는 것으로, 전기적 에너지(즉, 발진 전원)를 진동 에너지로 변환시키는 역할을 한다.

발진 회로부(110)는 진동자(TD)에 발진 전원을 공급하는 것으로, 초음파 주파수 대역의 발진 전원을 진동자(TD)에 공급하도록 그 출력단이 진동자(TD)에 연결된다.

이러한 발진 회로부(110)는 일 예로 초음파 발생기(111)(ultrasonic generator)와, 전력증폭기(112) 및 출력 트랜스포머(113)를 포함한다.

초음파 발생기(111)는 주파수 위상 조정과 스윕(sweep) 기능을 갖는 펄스폭 변조 방식의 초음파 발진 회로로서, 공지된 바와 같이 스윕기, 주파수 가변기, 발진기(PLL&VCO), 동기화 변조기(sync-modulator) 및 펄스폭 변조 드라이버(PWM OSC & Driver) 등을 포함한다.

전력증폭기(112)는 초음파 발생기(111)의 출력단에 설치되어 출력을 증폭시키는 것으로, 보통은 1, 2차간 분리(혹은, 절연) 기능을 수행하는 드라이버 트랜스포머(111a)를 통해 초음파 발생기(111)에 연결된다.

이러한 전력증폭기(112)는 하프 브릿지 혹은 풀 브릿지(half bridge or full bridge) 타입이 사용되며, 발진 제어부(120)의 트라이오드 AC 스위치(123)(Triac)의 출력이 그 동작전원으로 공급된다. 이때, 출력의 세기는 출력 셋업부(130) 볼륨(VR)에 의해 조정된다.

출력 트랜스포머(113)는 1차측은 전력증폭기(112)에 연결되고 2차측은 진동자(TD)에 연결되며 전원을 진동자(TD)에 적합한 출력으로 변환한다. 출력 트랜스포머(113)의 2차측에는 일 예로 매칭 코일(즉, 인덕터)(113a) 등을 삽입하여 출력주파수와 진동자(TD)를 매칭시킨다.

발진 제어부(120)는 발진 회로부(110)의 출력 레벨을 제어하는 것으로, 일 예로 전력 위상 조절기(121)와, 절연 드라이버(122) 및 트라이오드 AC 스위치(123)(이하, '트라이액(123)' 이라함)를 포함한다.

트라이액(123)의 입력단은 전원공급부(190)에 연결되어 AC 전원을 공급받고, 출력단은 정류 다이오드(rectifier diode) 및 쵸크 코일(choke coil & filter) 등을 통해 전력증폭기(112)에 연결된다. 트라이액(123)의 게이트단은 전력 위상 조절기(121)에 연결된다.

이때, 전력 위상 조절기(121)는 트라이액(123)의 위상 제어를 통해 발진 회로부(110)의 초음파 출력을 제어하는 위한 것으로, 트라이액(123) 게이트단의 트리거 펄스(trigger pulse)를 생성함으로써 그 신호에 따라 펄스 위상을 제어한다.

다만, 전력 위상 조절기(121)에는 트리거 펄스의 위상을 천천히 변경시키는 슬로우 스타트 설정기(SS)가 연결된다. 슬로우 스타트 설정기(SS)는 발진 회로부(110)의 기동시 러쉬 전류(rush current)를 줄이기 위한 것으로, 전력 위상 조절기(121)의 트리거 펄스 위상이 천천히 변경(슬로우 타임: 약 1~3초)되게 한다.

절연 드라이버(122)는 트라이액(123)의 게이트단과 전력 위상 조절기(121)의 회로를 분리하기 위한 절연 회로로 사용된다.

트라이액(123)은 발진 회로부(110)의 전력증폭기(112)에 전원을 공급하기 위한 소자로서, 도 3에 도시된 바와 같이 50Hz 또는 60Hz의 AC 전원 공급을 결정하며, 트리거 펄스의 위상에 따라 가변 제어된다.

출력 셋업부(130)는 상기 발진 제어부(120)에 초기 설정값을 제공한다. 이를 위해 출력 셋업부(130)는 비교기(160)를 통해 발진 제어부(120)의 전력 위상 조절기(121)에 연결된다.

따라서, 초음파 진동장치의 초기 작동시에는 오직 출력 셋업부(130)의 초기 설정값만 비교기(160)에 인가되므로, 초기 설정값이 그대로 전력 위상 조절기(121)에 인가된다.

반면, 초음파 진동장치의 작동 중에는 A/V 검출부(140)를 통해 검출된 피드백 신호가 비교기(160)에 입력되므로 초기 설정값과 검출 피드백 신호의 차이만큼 전력 위상 조절기(121)가 조절된다.

A/V 검출부(140)는 발진 회로부(110)에서 진동자(TD)로 인가되는 출력 전압 및 출력 전류를 각각 검출한다. 좀더 정확히 A/V 검출부(140)는 출력 트랜스포머(113)의 2차측에 설치되어 발진 출력을 검출한다.

이를 위해 A/V 검출부(140)는 전압계 및 전류계를 포함하며, 검출된 출력 전압 및 출력 전류는 아날로그 멀티플라이어(150) 및 자기진단 제어 모듈(170)로 제공된다.

아날로그 멀티플라이어(150)로 제공되면 검출 피드백 신호로 사용됨으로써, 초음파 출력변화를 실시간 감지하여 출력을 일정하게 유지시키는 출력 자동제어 모드가 되게 한다.

또한, 자기진단 제어 모듈(170)로 제공되면 다양한 유형의 장해를 명확히 구분하여 판단함으로써, 장해 유형에 따라 보호 작동이 이루어지게 하는 자기진단 제어 모드가 되게 한다.

아날로그 멀티플라이어(150)는 A/V 검출부(140)에서 검출된 출력 전압 및 출력 전류를 연산처리한다.

연산처리는 소자의 명칭으로부터 자명하게 알 수 있는 바와 같이 곱셈기가 된다. 이러한 아날로그 멀티플라이어(150)의 출력은 비교기(160)에 제공된다.

비교기(160)는 아날로그 멀티플라이어(150)의 출력값과 출력 셋업부(130)에서 설정한 초기 설정값을 비교한 값을 출력하여 발진 제어부(120)에 제공함으로써, 발진 회로부(110)의 발진 전원이 초기 설정값으로 일정하게 유지되도록 한다.

일 예로 진동자(TD)가 초음파 세척장치로 사용되는 경우, 세척조 내의 수위, 세정액 및 온도 등과 같은 세척조의 환경 변화에 따라 진동자(TD)의 정전용량이 변화한다.

따라서, 본 발명은 부하인 진동자(TD)의 변화에 기인한 발진 회로의 출력에 변화가 발생하더라도, 비교기(160), A/V 검출부(140) 및 출력 셋업부(130)를 이용하여 초기 설정값이 일정하게 유지되도록 적응 제어를 한다.

자기진단 제어 모듈(170)은 서로 다른 구간에서 검출한 제1차측 검출신호 및 제2차측 검출신호를 조합하여 다양한 유형의 장해를 판단하고, 장해 유형에 따라 보호 작동을 수행한다.

이를 위해, 자기진단 제어 모듈(170)은 전력증폭기(112)를 감시한 제1차측 검출신호 및 A/V 검출부(140)를 감시한 제2차측 검출신호를 각각 입력받는다. 제2차측 검출신호는 출력 전압 및 출력 전류를 포함한다.

따라서, 제1차측 검출신호 및 제2차측 검출신호를 포함한 2가지의 신호를 조합하여 정상상태, 진동자 장해 상태 및 발진 회로부 장해 상태 중 어느 하나의 상태인지 판단한다.

더욱 정확히는 제1차측 검출신호 1개 및 제2차측 검출신호 2개(출력 전압 및 출력 전류)를 조합하여 후술하는 바와 같이 총 8가지 종류(2³)의 장해를 구분한다. 따라서, 장해 구간 및 장해 종류의 구분을 더욱 명확하게 한다.

또한, 자기진단 제어 모듈(170)은 'O₁' 단자를 통해 발진 제어부(120)의 전력 위상 조절기(121)에 연결되고, 'O₂' 단자를 통해 마이크로컨트롤러(180)에 연결되어, 이들 각각에 진단결과를 제공한다. 따라서, 장해 종류에 따라 각각 대응할 수 있게 한다.

예컨대, 진동자 장해 상태가 검출된 경우에는 발진 회로부(110)에서 최소 센싱 전류(sensing current)만 공급하게 하고, 발진 회로부 장해 상태가 검출된 경우에는 전원공급부(190)의 전원공급을 완전히 차단하도록 제어한다.

또한, 자기진단 제어 모듈(170)에서 오류 검출시 마이크로컨트롤러(180)는 경보장치(181, 182)에 오류 발생을 알린다. 경보장치(181, 182)에는 해당 장해가 어떠한 것인지 표시하는 디스플레이장치(182)를 비롯한 다양한 수단을 포함한다.

마이크로컨트롤러(180)는 알람(181) 및 디스플레이장치(182)를 제어한다. 알람(181)은 장해 발생시 사용자나 관리자에게 음향장치 또는 LED 등으로 통지한다. 디스플레이장치(182)는 정상상태인 경우의 발진 출력 및 주파수는 물론, 장해 정보 등을 표시한다.

또한, 마이크로컨트롤러(180)는 아날로그 멀티플라이어(150)의 결과값을 상기한 비교기(160)로 전달하고, 자기진단 제어 모듈(170)의 'O₂'단자에 연결되어 장해 발생 통지시 전원공급부(190)의 레귤레이터(193)를 제어(전원 차단)한다.

전원공급부(190)는 회로에 AC 전원을 공급하거나 이를 정류하여 DC 바이어스 전압을 제공하는 것으로, 교류전력 입력단(191), 전력공급 트랜스포머(192), 레귤레이터(193) 및 동기 검출기(194)를 포함한다.

이때, 교류전력 입력단(191)은 발진 제어부(120)의 트라이액(123) 입력단에 연결되어 트라이액(123)에 AC 전력을 공급한다. 아울러, 교류전력 입력단(191)은 전력공급 트랜스포머(192)의 1차측에 연결된다.

전력공급 트랜스포머(192)는 초음파 진동장치에 공급되는 전원을 공급하는 것으로, 1차측은 교류전력 입력단(191)에 연결되고 2차측은 레귤레이터(193)에 연결된다. 2차측의 변압된 전원은 레귤레이터(193)에 의해 정류된 후 회로 동작전원으로 사용된다.

또한, 전력공급 트랜스포머(192)의 2차측 연결된 동기 검출기(194)를 통해 발진 제어부(120)의 전력 위상 조절기(121)에 연결된다. 따라서, 전력 위상 조절기(121)에 AC 전원 동기 신호가 전달된다.

이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명에서 발진 출력이 일정하게 유지되는 출력 자동 제어 모드에 대해 설명한다.

상술한 바와 같이 진동자(TD)가 초음파 세척장치로 사용되는 경우, 세척조 내의 수위, 세정액 및 온도 등 환경이 변하면 진동자(TD)의 정전용량도 변화한다.

따라서, 본 발명은 진동자(TD)의 정전용량 변화에 기인한 발진 회로의 출력에 변화가 발생하더라도, 발진 출력이 일정하게 유지되도록 적응 제어한다.

도 4 및 도 5와 같이, 출력 셋업부(130)를 통해 초기 설정값을 셋팅(S111)하면 초음파 진동장치의 초기 기동시에는 셋팅된 설정값에 따라 발진 출력이 진동자(TD)에 제공된다.

다음, 이러한 발진 출력은 A/V 검출부(140)에 의해 실시간 감시(S112)되고, 감시된 출력 전압 및 출력 전류는 아날로그 멀티플라이어(150)로 인가된다. 아날로그 멀티플라이어(150)에서 연산된 출력값(V×I=P)은 마이크로컨트롤러(180)를 통해 비교기(160)에 인가된다.

다음, 비교기(160)는 출력 셋업부(130)의 설정값과 아날로그 멀티플라이어(150)의 출력값을 서로 비교(S113)하며, 만약 서로 동일하면 출력 레벨을 고정한 상태(S114)에서 발진 출력을 제어(S116)한다. 제어상태는 디스플레이장치(182)에 표시(S117)된다.

반면, 비교기(160)에서의 비교 결과 출력 셋업부(130)의 설정값과 아날로그 멀티플라이어(150)의 출력값이 서로 다른 경우에는 이들 중 어느 것이 더 큰지 판단(S115)한다.

판단결과 아날로그 멀티플라이어(150)의 출력값이 더 작으면 전력 위상 조절기(121)는 발진 출력이 커지도록 동기신호를 출력증가(step up)시킨다. 따라서, 출력이 증가하도록 발진 출력이 제어(S116)되고 디스플레이장치(182)에 표시(S117)된다.

반면, 아날로그 멀티플라이어(150)의 출력값이 더 크면 전력 위상 조절기(121)는 발진 출력이 작아지도록 동기신호를 출력감소(step down)시킨다. 따라서, 출력이 감소하도록 발진 출력이 제어(S116)되고 디스플레이장치(182)에 표시(S117)된다.

이와 같은 적응 제어(adaptive control)를 통해 본 발명은 발진 출력이 항상 일정하게 유지된다.

이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여 이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명에서 장해 여부를 판단하는 자기진단 및 제어 모드에 대해 설명한다.

도 6 및 도 7과 같이, 출력 셋업부(130)를 통해 초기 설정값을 셋팅(S121)하면 초음파 진동장치의 초기 기동시에는 셋팅된 설정값에 따라 발진 출력이 진동자(TD)에 제공된다.

다음, 초음파 진동장치의 작동 중 전력증폭기(112)를 감시한 제1차측 검출신호 및 A/V 검출부(140)를 감시한 제2차측 검출신호를 검출(S122)하여 자기진단 제어 모듈(170)에 인가한다.

제1차측 검출신호는 전력증폭기(112) 및 절연 검출기(DT)를 통해 자기진단 제어 모듈(170)의 단자 'C'로 입력된다. 그리고, 제2차측 검출신호는 A/V 검출부(140)를 통해 자기진단 제어 모듈(170)의 단자 'a' 및 'v'로 각각 입력된다. 제2차측 검출신호는 출력 전압과 출력 전류이다.

다음, 자기진단 제어 모듈(170)은 제1차측 검출신호와 제2차측 검출신호를 조합하여, 장해발생 구간 및 장해 유형을 판단(S123)한다. 장해 유형 판단은 크게 발진 회로부(110)의 장해인지 혹은 진동자(TD)의 장해인지로 구분되며, 더 나아가 장해 종류도 개방인지 단락(open/short)인지 등으로 구분된다.

따라서, 본 발명은 제1차측 검출신호 및 제2차측 검출신호를 포함한 2가지의 신호를 조합하여 정상상태, 진동자 장해 상태 및 발진 회로부 장해 상태 중 어느 하나의 상태인지 판단할 수 있게 된다.

더욱 정확히는 제1차측 검출신호 1개 및 제2차측 검출신호 2개(출력 전압 및 출력 전류)를 조합하여 후술하는 바와 같이 총 8가지 종류(2³)의 장해를 구분할 수 있다. 따라서, 장해 구간 및 장해 종류의 구분을 명확하게 한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 일 예로 전력증폭기(112)에서 출력이 검출되면 '1'이고 검출되지 않으면 '0'으로 설정한다. 또한, A/V 검출부(140)에서 출력 전압이 검출되면 '1', 검출되지 않으면 '0'으로 설정하고, A/V 검출부(140)에서 출력 전류가 검출되면 '1'이고, 검출되지 않으면 '0'으로 설정한다.

따라서, A/V 검출부(140)의 출력 전압, A/V 검출부(140)의 출력 전류 및 전력증폭기(112)의 출력의 순으로 '1,1,1'이면 정상상태로 판단한다. 반면, '1,0,1' 또는 '0,1,1'이면 진동자 장해 상태로 판단하며, '0,0,1' 또는 '0,0,0'이면 발진 회로부 장해 상태로 판단한다.

더욱 세분화하면, 진동자 장해 상태 중 '1,0,1'인 경우는 진동자(TD) 개방(open)으로 판단하고, '0,1,1'인 경우는 진동자(TD) 단락(short) 상태로 판단한다. 또한, 발진 회로부 장해 상태 중 '0,0,1'인 경우는 전력증폭기(112) 장해(dead) 상태로 판단하고, '0,0,0'이면 초음파 발생기(111) 장해(dead) 상태로 판단한다.

한편, 위와 같이 자기진단 제어 모듈(170)에서 장해 여부 판단을 결과, 정상 상태인 것으로 판단된 경우에는 초음파 진동장치를 정상작동(S124a)시키고, 마이크로컨트롤러(180)를 통해 디스플레이장치(182)에 주파수 및 전력(Freq/Watt)을 표시(S125a)한다.

반면, 장해가 발생된 것으로 판단된 경우에는 자기진단 제어 모듈(170)의 'O₁' 단자를 통해 발진 제어부(120)의 전력 위상 조절기(121)에 진단결과를 전달하고, 'O₂' 단자를 통해 마이크로컨트롤러(180)에 진단결과를 전달한다. 따라서, 장해 유형에 따라 보호 동작을 실시(S124b)한다.

즉, 자기진단 제어 모듈(170)에서 진동자 장해 상태를 검출한 경우, 그 진단결과를 제공받은 발진 제어부(120)는 발진 회로부(110)에서 최소 센싱 전류만 공급하도록 제어한다.

또한, 자기진단 제어 모듈(170)에서 발진 회로부 장해 상태를 검출한 경우, 그 진단결과를 제공받은 마이크로컨트롤러(180)는 전원공급부(190)(즉, 레귤레이터)의 전원공급을 완전히 차단하여 발진 회로부(110)의 2차 피해를 방지한다.

다음, 이상과 같은 여러 장해 유형은 마이크로컨트롤러(180)에 의해 디스플레이장치(182)에 표시(S125b)되고, 필요시 알람(181)를 통해 오류 발생을 알린다.

한편, 위에서 상세한 설명을 생략한 슬로우 스타트 설정기(SS)는 위상 변화에 의해 발진 회로부(110)의 출력을 제어하는 전력 위상 조절기(121)에 연결되어, 트리거 펄스의 위상을 천천히 변경시킨다.

다만, 슬로우 스타트 설정기(SS)는 초기 설정값 유지 모드에서 활성화되어 발진 회로부(110)의 러쉬 전류(rush current)를 줄이는 역할을 하고, 여러 장해 중 진동자 장해 검출시에는 슬로우 스타트 설정기(SS)가 정지된다. 장해시에는 보호 동작이 신속히 이루어져야 하기 때문이다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

TD: 진동자
110: 발진 회로부
120: 발진 제어부
130: 출력 셋업부
140: A/V 검출부
150: 아날로그 멀티플라이어
160: 비교기
170: 자기진단 제어 모듈
180: 마이크로컨트롤러
190: 전원공급부

Claims

발진 전원을 공급받아 초음파 진동하는 진동자(TD)와;
상기 진동자(TD)에 발진 전원을 공급하는 발진 회로부(110)와;
상기 발진 회로부(110)의 출력 레벨을 제어하는 발진 제어부(120)와;
상기 발진 제어부(120)에 초기 설정값을 제공하는 출력 셋업부(130)와;
상기 발진 회로부(110)에서 상기 진동자(TD)로 인가되는 출력 전압 및 출력 전류를 각각 검출하는 A/V 검출부(140)와;
상기 A/V 검출부(140)에서 검출된 출력 전압 및 출력 전류를 연산처리하는 아날로그 멀티플라이어(150)(multiplier); 및
상기 아날로그 멀티플라이어(150)의 출력값과 상기 출력 셋업부(130)에서 설정한 초기 설정값을 비교한 값을 출력하여 상기 발진 제어부(120)에 제공함으로써, 상기 발진 회로부(110)에서 공급하는 발진 전원이 상기 초기 설정값을 유지되게 하는 비교기(160);를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응 제어식 초음파 진동장치.
제1항에 있어서,
상기 발진 회로부(110)는,
펄스폭 변조 방식의 초음파 발생기(111)와;
상기 초음파 발생기(111)의 출력단에 설치되어 출력을 증폭시키는 전력증폭기(112); 및
1차측은 상기 전력증폭기(112)에 연결되고 2차측은 상기 진동자(TD)에 연결되어, 상기 진동자(TD)에 적합한 출력으로 변환하는 출력 트랜스포머(113);를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응 제어식 초음파 진동장치.
제2항에 있어서,
상기 전력증폭기(112)를 감시한 제1차측 검출신호 및 상기 A/V 검출부(140)를 감시한 제2차측 검출신호를 각각 입력받고, 상기 제1차측 검출신호 및 제2차측 검출신호를 포함한 2가지의 신호를 조합하여 정상상태, 진동자 장해 상태 및 발진 회로부 장해 상태 중 어느 하나의 상태인지 판단하는 자기진단 제어 모듈(170)을 포함하는 것을 특징으로 하는 적응 제어식 초음파 진동장치.
제3항에 있어서,
상기 자기진단 제어 모듈(170)은,
상기 A/V 검출부(140)에서 출력 전압이 검출되면 '1', 검출되지 않으면 '0'이고, 상기 A/V 검출부(140)에서 출력 전류가 검출되면 '1'이고, 검출되지 않으면 '0'이며, 상기 전력증폭기(112)에서 출력이 검출되면 '1'이고 검출되지 않으면 '0'일 경우,
상기 A/V 검출부(140)의 출력 전압, A/V 검출부(140)의 출력 전류 및 전력증폭기(112)의 출력의 순으로 '1,1,1'이면 상기 정상상태이고,
상기 A/V 검출부(140)의 출력 전압, A/V 검출부(140)의 출력 전류 및 전력증폭기(112)의 출력의 순으로 '1,0,1' 또는 '0,1,1'이면 상기 진동자 장해 상태이며,
상기 A/V 검출부(140)의 출력 전압, A/V 검출부(140)의 출력 전류 및 전력증폭기(112)의 출력의 순으로 '0,0,1' 또는 '0,0,0'이면 상기 발진 회로부 장해 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 적응 제어식 초음파 진동장치.
제3항에 있어서,
상기 자기진단 제어 모듈(170)의 출력단은 상기 발진 제어부(120)에 연결되며,
상기 자기진단 제어 모듈(170)에서 상기 진동자 장해 상태를 검출시 상기 발진 제어부(120)는 상기 발진 회로부(110)에서 최소 센싱 전류만 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 적응 제어식 초음파 진동장치.
제3항에 있어서,
상기 자기진단 제어 모듈(170)의 출력단은 마이크로컨트롤러(180)에 연결되며,
상기 자기진단 제어 모듈(170)에서 오류 검출시 상기 마이크로컨트롤러(180)는 경보장치(181, 182)에 오류 발생을 알리는 것을 특징으로 하는 적응 제어식 초음파 진동장치.
제3항에 있어서,
상기 자기진단 제어 모듈(170)의 출력단은 마이크로컨트롤러(180)에 연결되며,
상기 자기진단 제어 모듈(170)에서 상기 발진 회로부 장해 상태 검출시 상기 마이크로컨트롤러(180)는 전원공급부(190)의 전원공급을 완전히 차단하여 발진 회로부(110)의 2차 피해를 방지하는 것을 특징으로 하는 적응 제어식 초음파 진동장치.
제3항에 있어서,
상기 발진 제어부(120)는 위상 변화에 의해 상기 발진 회로부(110)의 출력을 제어하는 전력 위상 조절기(121)를 포함하고, 상기 전력 위상 조절기(121)에는 트리거 펄스의 위상을 천천히 변경시키는 슬로우 스타트(slow start) 설정기가 연결되되,
상기 초기 설정값을 유지 동작시에는 상기 슬로우 스타트 설정기(SS)가 활성화되어 러쉬 전류(rush current)를 줄이고, 상기 장해 검출시에는 상기 슬로우 스타트 설정기(SS)가 정지되는 것을 특징으로 하는 적응 제어식 초음파 진동장치.