KR20160052845A - 초음파 트랜스듀서의 구동 장치 및 방법 - Google Patents

초음파 트랜스듀서의 구동 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

압전 소자에 교류 전압을 인가하여 압전 소자에 교류 전류가 흐르게 하는 컨버터; 교류 전압의 위상과 교류 전류의 위상의 선후를 나타내는 출력 신호를 출력하는 위상 비교부; 및 위상 비교부로부터 출력되는 출력 신호에 기초하여, 교류 전압의 주파수를 변경하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 장치가 개시된다.

Description

초음파 트랜스듀서의 구동 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR OPERATING ULTRASONIC TRANSDUCER}
본 발명은 초음파 트랜스듀서의 구동 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 초음파 트랜스듀서의 공진 주파수에서 초음파 트랜스듀서를 구동시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 초음파 트랜스듀서의 압전 소자는 인가된 전기장에 대하여 변위(strain)를 발생시키거나, 응력(stress)에 대하여 전압을 발생시키는 재료로서, 이러한 압전 소자가 압전 모터에 적용되면, 압전 모터의 고정자(stator)는 수십 내지 수백 kHz의 공진 주파수에서 구동하며, 적층 또는 변위확대 구조를 통해 증폭된 변위를 압전 모터의 로터(rotor)에 전달할 수 있다. 이러한 압전 소자는 그 자체를 진동자로 사용되거나 특정 형상을 갖는 구조물과 결합시켜 사용된다.
압전 소자는 온도나 습도 등의 주변 환경에 따라 공진 주파수가 변화하는데, 압전 소자를 효율적으로 진동시키기 위해서는 공진 주파수에 대응하는 교류 전압을 압전 소자에 인가하는 것이 필요하다. 압전 소자에 인가되는 교류 전압이 공진 주파수에 대응하지 않는 경우, 압전 소자에 발열이 발생하는 문제점이 있다. 온도나 습도 등의 주위환경에 대한 압전 소자의 공진주파수의 산포 데이터를 찾을 수 없으므로, 별도의 방안으로 공진 주파수를 정확하게 추적하는 것이 필요하다.
또한, 압전 소자는 다중 공진 특성을 가지고 있으므로, 특정 공진 주파수 근처에서 압전 소자를 구동시키는 것이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 장치 및 방법은 압전 소자의 공진 주파수를 효율적으로 추적하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 장치 및 방법은 과전류에 의한 압전 소자의 고장 또는 파괴 등을 보호하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 장치는,
압전 소자에 교류 전압을 인가하여 압전 소자에 교류 전류가 흐르게 하는 컨버터; 상기 교류 전압의 위상과 상기 교류 전류의 위상의 선후를 나타내는 출력 신호를 출력하는 위상 비교부; 및 상기 위상 비교부로부터 출력되는 출력 신호에 기초하여, 상기 교류 전압의 주파수를 변경하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 교류 전압의 위상이 상기 교류 전류의 위상보다 앞서는 경우, 상기 제어부는, 상기 출력 신호에 기초하여, 상기 교류 전압의 주파수를 감소시킬 수 있다.
상기 교류 전류의 위상이 상기 교류 전압의 위상보다 앞서는 경우, 상기 제어부는, 상기 출력 신호에 기초하여, 상기 교류 전압의 주파수를 증가시킬 수 있다.
상기 제어부는, 상기 교류 전압의 주파수를 기 설정된 주파수 범위 내에서 변경할 수 있다.
상기 위상 비교부는, 상기 교류 전류를 입력 단자에 입력받고, 상기 교류 전압을 클럭 단자에 입력받아, 상기 교류 전류의 위상이 상기 교류 전압의 위상을 앞서는 경우, 제 1 레벨의 출력 신호를 출력하는 제 1 플립플롭; 및 상기 교류 전압을 입력 단자에 입력받고, 상기 교류 전류를 클럭 단자에 입력받아, 상기 교류 전압의 위상이 상기 교류 전류의 위상을 앞서는 경우, 제 1 레벨의 출력 신호를 출력하는 제 2 플립플롭을 포함할 수 있다.
상기 위상 비교부는, 상기 제 1 플립플롭의 입력 단자에 연결되고, 상기 교류 전류를 지연시켜 상기 제 1 플립플롭의 입력 단자에 입력하는 제 1 지연부; 및 상기 제 2 플립플롭의 입력 단자에 연결되고, 상기 교류 전압을 지연시켜 상기 제 2 플립플롭의 입력 단자에 입력하는 제 2 지연부를 더 포함할 수 있다.
상기 위상 비교부는, 상기 교류 전류의 파형을 구형파로 변경시켜 상기 제 1 플립플롭의 입력 단자에 입력하는 제 1 구형파 형성부; 및 상기 교류 전압의 파형을 구형파로 변경시켜 상기 제 2 플립플롭의 입력 단자에 입력하는 제 2 구형파 형성부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 교류 전류의 크기가 기 설정된 값을 초과하면, 상기 컨버터로부터 상기 압전 소자로 인가되는 교류 전압을 차단시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 방법은,
압전 소자에 인가되는 교류 전압과 상기 압전 소자에 흐르는 교류 전류를 입력받아, 상기 교류 전압의 위상과 상기 교류 전류의 위상의 선후를 나타내는 출력 신호를 출력하는 단계; 상기 출력된 출력 신호에 기초하여 상기 교류 전압의 주파수를 변경하는 단계; 및 상기 주파수가 변경된 교류 전압을 상기 압전 소자에 인가하여 상기 압전 소자를 진동시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 장치 및 방법은 압전 소자의 공진 주파수를 효율적으로 추적할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 장치 및 방법은 과전류에 의한 압전 소자의 고장 또는 파괴 등을 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 위상 비교부를 상세하게 도시하는 도면이다.
도 3은 교류 전압과 교류 전류가 지상 특성을 나타낼 때의 각 신호의 파형을 도시하는 도면이다.
도 4는 교류 전압과 교류 전류가 진상 특성을 나타낼 때의 각 신호의 파형을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 방법의 순서를 도시하는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 장치(100)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 장치(100)는 위상 비교부(110), 제어부(130), 컨버터(150) 및 압전 소자(170)를 포함할 수 있다.
먼저, 컨버터(150)는 압전 소자(170)로 교류 전압(Vs)을 인가하여 압전 소자(170)가 진동하게 한다. 교류 전압(Vs)이 압전 소자(170)에 인가되면, 압전 소자(170)에는 교류 전류(Is)가 흐르는데, 압전 소자(170)에 인가되는 교류 전압(Vs)과, 압전 소자(170)에서 흐르는 교류 전류(Is)는 센싱(sensing)되어 위상 비교부(110)로 입력된다.
위상 비교부(110)는 교류 전압(Vs)의 위상과 교류 전류(Is)의 위상의 선후를 나타내는 출력 신호를 제어부(130)로 출력한다.
압전 소자(170)는 직렬공진회로 특성과 병렬공진회로 특성을 모두 가지고 있는데, 일반적으로 직렬 공진 주파수 근처의 교류 전압(Vs)이 압전 소자(170)에 인가되었을 때, 교류 전류(Is)의 크기가 최대이다. 직렬 공진에서 교류 전압(Vs)의 주파수가 공진주파수 이상이면 진상 특성(교류 전압(Vs)의 위상이 교류 전류(Is)의 위상보다 앞섬)을 나타내고, 교류 전압(Vs)의 주파수가 공진주파수 이하이면 지상특성(교류 전류(Is)의 위상이 교류 전압(Vs)의 위상보다 앞섬)을 나타낸다.
즉, 위상 비교부(110)가 출력하는 출력신호는 진상 특성을 갖는지, 지상 특성을 갖는지에 대한 정보가 포함된다.
제어부(130)는 위상 비교부(110)로부터 출력된 출력 신호에 기초하여 압전 소자(170)에 인가되는 교류 전압(Vs)의 주파수를 변경한다. 이때, 제어부(130)는 교류 전압(Vs)의 주파수를 기 설정된 주파수 범위 내에서만 변경시킬 수 있다. 다시 말하면, 압전 소자(170)가 다중 공진 특성을 나타내는바, 다중 공진 주파수 중 특정 공진 주파수를 포함하는 주파수 범위를 미리 설정하여 다른 공진 주파수가 추적되는 것을 방지할 수 있다.
제어부(130)는 출력 신호에 기초하여, 교류 전압(Vs)과 교류 전류(Is)가 진상 특성을 나타내는 경우, 교류 전압(Vs)의 주파수를 감소시키고, 교류 전압(Vs)과 교류 전류(Is)가 지상 특성을 나타내는 경우, 교류 전압(Vs)의 주파수를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 장치(100)는 교류 전압(Vs)과 교류 전류(Is)의 위상 비교를 통해 압전 소자(170)의 공진 주파수를 효과적으로 추적할 수 있으며, 공진 주파수를 추적하기 위한 주파수 범위를 미리 설정해놓음으로써, 관심 밖의 공진 주파수가 추적되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는, 도 2를 참조하여, 위상 비교부(110)에 대해 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 위상 비교부(110)를 상세하게 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 위상 비교부(110)는 제 1 구형파 형성부(111), 제 1 지연부(112), 제 1 플립플롭(113), 제 2 구형파 형성부(114), 제 2 지연부(115) 및 제 2 플립플롭(116)을 포함할 수 있다.
제 1 구형파 형성부(111)는 정현파의 교류 전류(Is)를 구형파로 변경하고, 제 2 구형파 형성부(114)는 정현파의 교류 전압(Vs)을 구형파로 변경한다. 구체적으로, 제 1 구형파 형성부(111)는 교류 전류(Is)와 접지(0V)를 비교기(op-amp)를 통해 비교하여 구형파로 변경하고, 제 2 구형파 형성부(114)는 교류 전압(Vs)과 접지(0v)를 비교기(op-amp)를 통해 비교하여 구형파로 변경한다.
구형파로 변형된 교류 전류(Ip)는 제 1 지연부(112)로 입력되고, 구형파로 변형된 교류 전압(Vp)은 제 2 지연부(115)로 입력되는데, 제 1 지연부(112)와 제 2 지연부(115) 각각은 교류 전류(Ip)와 교류 전압(Vp) 각각을 지연시켜 지상 특성과 진상 특성을 보다 정확하게 감지할 수 있게 한다. 제 1 지연부(112)는 제 1 지연부(112)의 지연 시간만큼 교류 전류(Ip)가 교류 전압(Vp)을 앞서지 않으면 지연 특성으로 판단되지 않게 하고, 제 2 지연부(115)는 제 2 지연부(115)의 지연 시간만큼 교류 전압(Vp)이 교류 전류(Ip)를 앞서지 않으면 진상 특성으로 판단되지 않게 함으로써, 일종의 마진(margin) 역할을 수행한다. 구현예에 따라서는 제 1 지연부(112)와 제 2 지연부(115)는 초음파 트랜스듀서 구동 장치(100)로부터 생략될 수도 있다.
제 1 플립플롭(113)의 입력 단자에는 교류 전류(ID)가 입력되고, 클럭 단자에는 교류 전압(Vp)이 입력된다. 교류 전류(ID)의 위상이 교류 전압(Vp)의 위상보다 앞서는 경우, 제 1 플립플롭(113)의 입력 단자에는 교류 전류(ID)가 먼저 입력될 것이고, 그 후 클럭 단자에 교류 전압(Vp)이 입력됨으로써, 제 1 플립플롭(113)의 출력 단자로부터 제 1 레벨(예를 들어, High 레벨)의 출력 신호가 출력될 것이다.
제 2 플립 플롭의 입력 단자에는 교류 전압(VD)이 입력되고, 클럭 단자에는 교류 전류(Ip)가 입력된다. 교류 전압(VD)의 위상이 교류 전류(Ip)의 위상보다 앞서는 경우, 제 2 플립플롭(116)의 입력 단자에는 교류 전압(VD)이 먼저 입력될 것이고, 그 후 클럭 단자에 교류 전류(Ip)가 입력됨으로써, 제 2 플립플롭(116)의 출력단자로부터 제 1 레벨(예를 들어, High 레벨)의 출력 신호가 출력될 것이다.
제어부(130)는 제 1 플립플롭(113)의 출력 단자로부터 제 1 레벨의 출력 신호가 출력되면, 지상 특성으로 판단하여 교류 전압(Vs)의 주파수를 증가시키고, 제 2 플립플롭(116)의 출력 단자로부터 제 1 레벨의 출력 신호가 출력되면, 진상 특성으로 판단하여 교류 전압(Vs)의 주파수를 감소시킨다.
도 2를 보면, 초음파 트랜스듀서 구동 장치(100)는 전압 센싱부(180)를 더 포함하는데, 전압 센싱부(180)는 교류 전류(Is)에 대응하는 직류 전압을 제어부(130)에 인가한다. 제어부(130)는 교류 전류(Is)에 대응하는 직류 전압의 크기가 소정 값을 초과하면, 압전 소자(170)에 과전류가 흐르는 것으로 판단하고, 컨버터(150)로부터 압전 소자(170)에 인가되는 교류 전압(Vs)을 차단한다. 이에 따라, 압전 소자(170)의 파괴 및 고장이 방지될 수 있다.
도 3은 교류 전압(Vs)과 교류 전류(Is)가 지상 특성을 나타낼 때의 각 신호의 파형을 도시하는 도면이고, 도 4는 교류 전압(Vs)과 교류 전류(Is)가 진상 특성을 나타낼 때의 각 신호의 파형을 도시하는 도면이다.
먼저, 도 3을 보면, 교류 전류(Is)의 위상이 교류 전압(Vs)의 위상을 앞서면, 제 1 플립플롭(113)은 구형파의 교류 전압(Vp)이 클럭 단자에 입력되는 시점에 제 1 레벨의 출력 신호를 출력하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 4를 보면, 교류 전압(Vs)의 위상이 교류 전류(Is)의 위상을 앞서면, 제 1 플립플롭(113)은 구형파의 교류 전류(Ip)가 클럭 단자에 입력되는 시점에 제 1 레벨의 출력 신호를 출력하는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 방법의 순서를 도시하는 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 구동 방법은 도 1 및 도 2에 도시된 초음파 트랜스듀서 구동 장치(100)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라 하더라도 도 1 및 도 2에 도시된 초음파 트랜스듀서 구동 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 5의 초음파 트랜스듀서 구동 방법에도 적용됨을 알 수 있다.
S510 단계에서, 초음파 트랜스듀서 구동 장치(100)는 압전 소자(170)에 인가되는 교류 전압과 압전 소자(170)에 흐르는 교류 전류를 입력받아, 교류 전압의 위상과 교류 전류의 위상의 선후를 나타내는 출력 신호를 출력한다.
S520 단계에서, 초음파 트랜스듀서 구동 장치(100)는 출력 신호에 기초하여 교류 전압의 주파수를 변경한다. 예를 들어, 초음파 트랜스듀서 구동 장치(100)는 교류 전압과 교류 전류가 지상 특성을 나타내는 경우, 교류 전압의 주파수를 증가시키고, 교류 전압과 교류 전류가 진상 특성을 나타내는 경우, 교류 전압의 주파수를 감소시킨다. 만약, 교류 전압과 진상 특성 및 지상 특성 어느 특성도 나타내지 않는 경우, 초음파 트랜스듀서 구동 장치(100)는 해당 주파수의 교류 전압을 압전 소자(170)로 계속하여 인가할 수 있다.
S530 단계에서, 초음파 트랜스듀서 구동 장치(100)는 주파수가 변경된 교류 전압을 압전 소자(170)에 인가하여 압전 소자(170)를 진동시킨다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.
상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 초음파 트랜스듀서 구동 장치
110: 위상 비교부
130: 제어부
150: 컨버터
170: 압전 소자

Claims (9)

  1. 압전 소자에 교류 전압을 인가하여 압전 소자에 교류 전류가 흐르게 하는 컨버터;
    상기 교류 전압의 위상과 상기 교류 전류의 위상의 선후를 나타내는 출력 신호를 출력하는 위상 비교부; 및
    상기 위상 비교부로부터 출력되는 출력 신호에 기초하여, 상기 교류 전압의 주파수를 변경하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 교류 전압의 위상이 상기 교류 전류의 위상보다 앞서는 경우,
    상기 제어부는,
    상기 출력 신호에 기초하여, 상기 교류 전압의 주파수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 교류 전류의 위상이 상기 교류 전압의 위상보다 앞서는 경우,
    상기 제어부는,
    상기 출력 신호에 기초하여, 상기 교류 전압의 주파수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 교류 전압의 주파수를 기 설정된 주파수 범위 내에서 변경하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 구동 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 위상 비교부는,
    상기 교류 전류를 입력 단자에 입력받고, 상기 교류 전압을 클럭 단자에 입력받아, 상기 교류 전류의 위상이 상기 교류 전압의 위상을 앞서는 경우, 제 1 레벨의 출력 신호를 출력하는 제 1 플립플롭; 및
    상기 교류 전압을 입력 단자에 입력받고, 상기 교류 전류를 클럭 단자에 입력받아, 상기 교류 전압의 위상이 상기 교류 전류의 위상을 앞서는 경우, 제 1 레벨의 출력 신호를 출력하는 제 2 플립플롭을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 구동 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 위상 비교부는,
    상기 제 1 플립플롭의 입력 단자에 연결되고, 상기 교류 전류를 지연시켜 상기 제 1 플립플롭의 입력 단자에 입력하는 제 1 지연부; 및
    상기 제 2 플립플롭의 입력 단자에 연결되고, 상기 교류 전압을 지연시켜 상기 제 2 플립플롭의 입력 단자에 입력하는 제 2 지연부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 구동 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 위상 비교부는,
    상기 교류 전류의 파형을 구형파로 변경시켜 상기 제 1 플립플롭의 입력 단자에 입력하는 제 1 구형파 형성부; 및
    상기 교류 전압의 파형을 구형파로 변경시켜 상기 제 2 플립플롭의 입력 단자에 입력하는 제 2 구형파 형성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 구동 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 교류 전류의 크기가 기 설정된 값을 초과하면, 상기 컨버터로부터 상기 압전 소자로 인가되는 교류 전압을 차단시키는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 구동 장치.
  9. 압전 소자에 인가되는 교류 전압과 상기 압전 소자에 흐르는 교류 전류를 입력받아, 상기 교류 전압의 위상과 상기 교류 전류의 위상의 선후를 나타내는 출력 신호를 출력하는 단계;
    상기 출력된 출력 신호에 기초하여 상기 교류 전압의 주파수를 변경하는 단계; 및
    상기 주파수가 변경된 교류 전압을 상기 압전 소자에 인가하여 상기 압전 소자를 진동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 구동 방법.
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