KR20230079679A - 초음파 소자 구동장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 소자(PZT)를 이용한 초음파 소자를 구동시키는 초음파 소자 구동장치 및 그 방법에 관한 것으로, 압전 소자를 이용한 제1 및 제2 초음파 센서와; 상기 초음파 센서들이 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 교대 사용되도록 스위칭부들을 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛과; 상기 제1 및 제2 초음파 센서 각각을 구성하는 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하기 위한 직류 분극회로와; 상기 제1 및 제2 초음파 센서 각각에 교대로 센서구동신호가 전달될 수 있도록 신호공급경로상에 위치하는 제1 및 제2 스위칭부들과; 상기 제1 및 제2 초음파 센서 각각에 상기 직류 전압이 전달될 수 있도록 전원공급경로상에 위치하는 제3 및 제4 스위칭부들;을 포함하되, 상기 마이크로 컨트롤 유닛은 상기 제1 및 제2 초음파 센서의 측정 휴지기에 상기 직류전압이 압전체의 상, 하부 전극 하나에 인가되도록 상기 제3 및 제4 스위칭부를 제어함을 특징으로 한다.

Description

초음파 소자 구동장치 및 방법{Apparatus and method for driving an ultrasonic element}

본 발명은 초음파 소자 구동장치에 관한 것으로, 특히 압전 소자(PZT)를 이용한 초음파 소자를 구동시키는 초음파 소자 구동장치 및 그 방법에 관한 것이다.

압전 소자(PZT)를 이용한 초음파 소자는 초음파 주파수 대역(수십 KHz ~ 수 MHz 대역)을 이용한 다양한 센서 및 구동기(초음파 유량계, 초음파 거리계, 초음파 음향 센서 등)에 사용된다. 이러한 압전 소자를 이용한 초음파 소자는 전통적인 기계식 소결 방식이나 최근의 반도체식 공정을 이용한 제작 방식으로 제작되며, 전자는 벌크 초음파 소자(Bulk Ultrasonic Device), 후자는 PMUT(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers) 등으로 불린다.

상술한 초음파 소자는 초음파 주파수 대역의 교류 전기를 가하면 자체 결정 구조의 수축 팽창을 통하여 특정 방향으로의 소자 변형이 발생하고, 그 변형에 따라 주변 공기를 가진하여 초음파 음향을 만들어 내는 구동기로 작동하게 된다.

반대로 초음파 음향을 소자에 받으면 음향 압력에 따라 소자 자체의 치수가 변하고, 결정 수축 팽창에 따른 전기 분극량이 달라져 압전 소자(PZT)에 연결된 외부 회로에 교류 전류가 흐르게 되는데, 이러한 교류 전류를 측정하게 되면 입력된 초음파 신호를 검출할 수 있는 센서로 작동하게 된다. 이러한 전기 에너지-기계 에너지 간 변환 현상을 이용하여 PZT 소자는 초음파 발생용 구동기나 초음파 검출용 센서로 사용된다.

도 1은 앞서 설명한 초음파 소자를 이용한 초음파 유량계의 구조를, 도 2는 초음파 거리 측정기의 구조를 각각 예시한 것이다.

도 1에 도시한 초음파 유량계는 U자형 유로(2)에 대해서 입구(1)에서 들어온 유동이 유로 중간에 설치된 2개의 센서(4,5)를 지나 출구(3)로 나가게 된다. 이때 유량에 비례하는 평균 유동 속도(6)는 두 개의 초음파 센서(4,5)를 이용하여 두 센서(4,5)간 도달 시간차(7)를 측정하여 산출된다. 즉 센서 1(4)에서 초음파를 송신하고 센서 2(5)에서 초음파를 수신하여 그 도달 시간 T1을 측정하고, 반대로 센서 2(5)에서 초음파를 송신하고 센서 1(4)에서 수신하여 도달시간 T2를 측정한 뒤, 두 개의 시간 차 DT(T1-T2)를 구하면 그 시간차는 평균 유동 속도(6)에 비례하게 된다. 이때 최종 유량은 역시 평균 유동 속도에 비례하므로 결국 적절한 유량-시간차 측정용 교정실험을 통하여 유량-시간차 교정식을 일단 구하게 되면, 이후부터는 초음파 유량계로부터 나오는 시간차로부터 유량을 산출할 수 있다.

이때 사용되는 유로는 도 1의 하부에 도시된 일자형 유로(1')를 사용해도 되는데, 이때 입구(2') 및 출구(3')를 통과하는 유량 역시 초음파 센서 2개(4',5')를 사용하여 두 센서 간 도달하는 시간차(7')를 측정해 원하는 유동 평균 속도(6')를 얻는다. 이 역시 적절한 교정식을 구하여 시간차로부터 유량을 측정할 수 있는 초음파 유량계로 활용이 가능하다. 예시한 유로(2,1')의 형상은 다양한 형태가 가능하며, 또한 두 개의 센서(4,5,4',5') 위치도 도 1에 도시한 것처럼 유로 반대편에 대각선 형태로 설치하여도 되고, 같은 편에 설치하고 초음파를 반대편 벽에 반사시켜 측정할 수도 있다.

한편, 도 2에는 초음파 소자를 이용한 거리 측정기를 도시한 것인데, 두 개의 센서 1,2(8,9)를 일 측면에 두고 거리를 측정하고자 하는 거리측정 대상물체(반사체, 10)의 일 측면(11)에 초음파를 반사시켜 두 센서(8,9)간 신호 전달 시간(12)을 구하면 이로부터 거리를 구할 수 있다. 이러한 거리 측정 역시 두 개의 센서(8,9)를 서로 반대 방향에 두고 송, 수신 신호 시간을 측정하면, 두 센서 간 거리를 측정할 수 있다.

더 나아가 도 2에는 하나의 초음파 센서(8')만을 이용해 거리를 측정하는 경우도 도시하였는데, 초음파 센서(8')가 T1 시점에서는 거리측정 대상 물체(10')의 일 측면(11')에 초음파를 송신하고, 일정 시점이 지난 T2 시점에서는 동일한 초음파 센서(8')가 초음파 신호를 수신하는 방식을 통하여 신호 전달 시간(12')을 구하여 거리를 측정할 수도 있다.

이렇듯 다양한 분야에 사용되는 압전 소자(PZT)를 이용한 초음파 소자는 도 3에 도시한 것처럼 PZT 압전체(13), 압전체(13)의 상, 하면에 각각 형성된 두 개의 전극(14,15), 외부 연결선(16,17), 그리고 이들을 지지하는 외부 케이스(18) 등으로 구성되는 일종의 센서 모듈 형태로 사용의 편의성을 위하여 제작된다. 이러한 센서 모듈 형태의 초음파 소자에서 내부에 조립되는 압전체(13)는 소결이나 반도체 방식으로 제작된 후 전기에너지-기계에너지 간 변환 효율을 극대화하기 위하여 실제 모듈로 조립되기 전에 소정의 분극 과정(Poling Process)을 거치게 된다.

도 4는 초음파 소자의 분극 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 좌측 도면에서와 같이 분극 과정 전에는 압전체(13) 내부의 각 유전 분극(18)들이 무질서한 방향을 갖는다.

분극 과정은 압전체(13)의 상, 하부에 위치하는 두 개의 전극(14,16)에 연결된 외부 연결선(15,17)에 특정 온도 이상에서 특정 값 이상의 직류 전기를 가하게 되면, 압전체(13)의 내부 유전 분극(18)들이 외부에서 가해진 전계에 의해서 힘을 받아 우측 도면에서와 같이, 즉 (-) 분극은 (+) 전극 방향(14)으로, (+) 분극은 (-) 전극 방향(16)으로 정렬하게 된다. 이러한 분극 과정을 통하면 한 방향으로 정렬된 유전 분극(20) 비율이 높아져서 전기에너지-기계에너지 간 변환 효율을 나타내는 어드미턴스(Admittance)값이 높은 우수한 압전 소자로 재탄생하게 된다.

그러나 이러한 분극 과정은 부자연스러운 것이어서 일정 방향으로 강제로 정렬시킨 유전 분극들은 분극 과정 이후 별다른 외부 자극이 없어도 시간 경과에 따라서 자연스럽게 다시 무질서한 임의의 방향으로 다시 재배치되며, 우수한 초음파 소자로 사용되기 위한 전기에너지-기계에너지 간 변환 효율을 나타내는 특성, 즉 어드미턴스값이 떨어지게 된다. 따라서 압전 소자를 이용한 초음파 소자로 충분한 수명기간 동안 일정한 소자 특성을 안정적으로 유지하기 위해서는 이러한 무질서한 유전 분극 상태로의 전환을 방지할 새로운 방법이 있어야 한다.

등록특허공보 제10-1887901호 등록특허공보 제10-1907458호

이에 본 발명은 상술한 필요성에 따라 창안된 발명으로서, 본 발명의 주요 목적은 초음파 소자의 압전체 내부 유전 분극들이 장시간 안정적인 분극 상태를 유지할 수 있도록 하기 위한 초음파 소자 구동장치 및 그 방법을 제공함에 있으며,

더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 초음파 소자의 전기 에너지 및 기계 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있는 초음파 소자 구동장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 초음파 소자 구동장치의 초음파 소자 구동방법은 압전 소자를 이용한 하나 이상의 초음파 센서와, 하나 이상의 상기 초음파 센서가 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 교대 사용되도록 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛을 포함하는 초음파 소자 구동장치에 있어서,

상기 마이크로 컨트롤 유닛은 하나 이상의 상기 초음파 센서가 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 교대 사용되도록 구동제어신호를 출력하는 단계와;

하나 이상의 상기 초음파 센서로부터 수신되는 초음파 신호의 도달 시간차 혹은 도달 시간을 이용해 유량 혹은 거리를 계산하는 단계와;

상기 제1 및 제2 초음파 센서를 구성하는 압전체의 유전 분극의 방향이 변하는 것을 방지하기 위해서, 상기 마이크로 컨트롤 유닛이 상기 제1 및 제2 초음파 센서의 측정 휴지기에 상기 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 소자 구동장치는,

압전 소자를 이용한 제1 및 제2 초음파 센서와;

상기 초음파 센서들이 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 교대 사용되도록 스위칭부들을 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛과;

상기 제1 및 제2 초음파 센서 각각을 구성하는 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하기 위한 직류 분극회로와;

상기 제1 및 제2 초음파 센서 각각에 교대로 센서구동신호가 전달될 수 있도록 신호공급경로상에 위치하는 제1 및 제2 스위칭부들과;

상기 제1 및 제2 초음파 센서 각각에 상기 직류 전압이 전달될 수 있도록 전원공급경로상에 위치하는 제3 및 제4 스위칭부들;을 포함하되,

상기 마이크로 컨트롤 유닛은 상기 제1 및 제2 초음파 센서의 측정 휴지기에 상기 직류전압이 압전체의 상, 하부 전극 하나에 인가되도록 상기 제3 및 제4 스위칭부를 제어함을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 소자 구동장치는 압전 소자를 이용한 제1 및 제2 초음파 센서와, 센서구동신호를 상기 초음파 센서들 중 하나로 전달하는 제1스위칭부와, 상기 초음파 센서들 중 하나로부터 입력되는 초음파 수신신호를 수신신호 처리부로 전달하는 제2스위칭부와, 상기 초음파 센서들이 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 교대 사용되도록 상기 스위칭부들을 제어하는 제1 및 제2스위치 제어신호와 상기 센서구동신호를 출력하는 마이크로 컨트롤 유닛을 포함하며,

상기 제1스위칭부로부터 출력되는 센서구동신호와 상기 제1 초음파 센서를 구성하는 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하기 위한 전원 공급선 중 하나를 상기 마이크로 컨트롤 유닛으로부터 출력되는 제3스위치 제어신호에 따라 상기 제1 초음파 센서로 전달하는 제3스위칭부와,

상기 제1스위칭부로부터 출력되는 센서구동신호와 상기 제2 초음파 센서를 구성하는 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하기 위한 전원 공급선 중 하나를 상기 마이크로 컨트롤 유닛으로부터 출력되는 제4스위치 제어신호에 따라 상기 제2 초음파 센서로 전달하는 제4스위칭부와,

상기 직류 전압을 생성하여 상기 제3 및 제4스위칭부로 출력하는 직류 분극회로를 더 포함함을 또 다른 특징으로 하며,

이러한 구성을 포함하는 초음파 소자 구동장치에 있어서, 상기 직류 분극회로는 상기 마이크로 컨트롤 유닛 내에 포함됨을 또 다른 특징으로 한다.

더 나아가 상기 마이크로 컨트롤 유닛은 상기 제1 및 제2 초음파 센서의 측정 휴지기에 상기 직류전압이 인가되도록 상기 제3 및 제4스위칭부를 제어함을 또 다른 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 소자 구동장치는 압전 소자를 이용한 초음파 센서와, 센서구동신호를 상기 초음파 센서로 전달하고 상기 초음파 센서로부터 출력되는 초음파 수신신호를 수신신호 처리부로 전달하는 제1스위칭부와, 상기 초음파 센서가 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 사용되도록 상기 제1스위칭부를 제어하는 제1스위치 제어신호와 상기 센서구동신호를 출력하는 마이크로 컨트롤 유닛을 포함하는 초음파 소자 구동장치로서,

상기 제1스위칭부로부터 출력되는 센서구동신호와 상기 초음파 센서를 구성하는 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하기 위한 전원 공급선 중 하나를 상기 마이크로 컨트롤 유닛으로부터 출력되는 제2스위치 제어신호에 따라 상기 초음파 센서로 전달하는 제2스위칭부와;

상기 직류 전압을 생성하여 상기 제2스위칭부로 출력하는 직류 분극회로;를 포함함을 특징으로 한다.

상술한 기술적 과제 해결 수단에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 소자 구동장치는 제1 및 제2 초음파 센서의 측정 휴지기에 각 센서 내 압전체의 내부 유전 분극들이 안정적인 분극 상태를 유지할 수 있도록 함으로써, 초음파 소자의 전기 에너지 및 기계 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있으며, 더 나아가 초음파 소자의 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 초음파 소자를 이용한 초음파 유량계의 구조도.
도 2는 일반적인 초음파 거리 측정기의 구조도.
도 3은 초음파 센서를 구성하는 초음파 소자 모듈의 구성 예시도.
도 4는 초음파 소자 모듈의 분극 과정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 소자 구동장치의 구성 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 분극회로와 초음파 소자 모듈의 연결 및 유전 분극 방향 예시도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 유지 효과를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 소자 구동장치의 구성 예시도.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.

또한 본 발명의 상세한 설명 및 청구항들에 걸쳐, '포함하다'라는 단어 및 그 변형은 다른 기술적 특징들, 부가물들, 구성요소들 또는 단계들을 제외하는 것으로 의도된 것이 아니다. 통상의 기술자에게 본 발명의 다른 목적들, 장점들 및 특성들이 일부는 본 설명서로부터, 그리고 일부는 본 발명의 실시로부터 드러날 것이다. 아래의 예시 및 도면은 실례로서 제공되며, 본 발명을 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 더욱이 본 발명은 본 명세서에 표시된 실시예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.

한편, 본 명세서에서 달리 표시되거나 분명히 문맥에 모순되지 않는 한, 단수로 지칭된 항목은, 그 문맥에서 달리 요구되지 않는 한, 복수의 것을 아우른다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 소자 구동장치의 구성도를 예시한 것이다. 이러한 초음파 소자 구동장치는 앞서 설명한 바와 같이 초음파 유량계 혹은 초음파 거리 측정기의 구동장치일 수 있다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 분극회로와 초음파 소자 모듈의 연결 및 유전 분극 방향 예시도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 유지 효과를 설명하기 위한 도면을 각각 예시한 것이다.

도 5에 도시한 초음파 소자 구동장치는 크게 아날로그 신호를 처리하는 아날로그 신호 처리부(A)와 디지털 신호를 처리하는 디지털 신호 처리부(B)로 구분 가능하다.

아날로그 신호 처리부(A)는 압전 소자를 이용한 제1 및 제2 초음파 센서(센서 1과 센서 2, 100,102)를 포함한다. 이러한 초음파 센서들(100,102)은 압전 소자(PZT)를 이용한 초음파 센서로서 후술할 마이크로 컨트롤 유닛(200)의 제어에 따라 교대로 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 사용된다.

더 나아가 아날로그 신호 처리부(A)에는 상술한 초음파 센서들(100,102)을 구동시키기 위한 신호, 즉 센서구동신호(TX)를 상기 초음파 센서들(100,102) 중 하나로 전달하는 제1스위칭부(106)와,

상기 초음파 센서들(100,102) 중 하나로부터 입력되는 초음파 수신신호를 수신신호 처리부(112)로 전달하는 제2스위칭부(110)와,

상기 제1스위칭부(106)로부터 출력되는 센서구동신호(TX)와 상기 제1 초음파 센서(100)를 구성하는 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하기 위한 전원 공급선(PX1) 중 하나를 마이크로 컨트롤 유닛(200)으로부터 출력되는 제3스위치 제어신호(SC3)에 따라 상기 제1 초음파 센서(100)로 전달하는 제3스위칭부(104)와,

상기 제1스위칭부(106)로부터 출력되는 센서구동신호(TX)와 상기 제2 초음파 센서(102)를 구성하는 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하기 위한 전원 공급선(PX2) 중 하나를 마이크로 컨트롤 유닛(200)으로부터 출력되는 제4스위치 제어신호(SC4)에 따라 제2 초음파 센서(102)로 전달하는 제4스위칭부(108)를 포함한다.

참고적으로 상기 제1스위칭부(106)와 제2스위칭부(110) 각각은 마이크로 컨트롤 유닛(200)으로부터 출력되는 제1스위치 제어신호(SC1)와 제2스위치 제어신호(SC2)에 따라 스위칭 접점이 가변되어 경로 절환된다. 이러한 스위치 제어신호는 GPIO 혹은 PWM 출력 등의 다양한 MCU 출력 기능을 이용하여 사각파 형태의 스위칭 신호이다. 수신신호 처리부(112)는 초음파 수신용으로 작동하는 초음파 센서를 통해 수신된 신호를 필터링, 증폭 및 오프셋 조정하여 디지털 신호 처리부(B)에 해당하는 마이크로 컨트롤 유닛(200)으로 전달(RX)한다.

상술한 아날로그 신호 처리부(A)에 포함되는 스위칭부들(104,106, 108,110)은 후술할 마이크로 컨트롤 유닛(200)에 의해 스위칭 제어됨으로써, 하나의 초음파 센서가 초음파 송신을, 나머지 하나의 초음파 센서는 초음파 수신 역할을 하되, 교대로 초음파 송신용과 수신용으로 작동하고, 마이크로 컨트롤 유닛(200) 내의 제어부(210)는 이러한 과정을 통해 얻어지는(입력되는) 초음파 신호의 도달 시간차를 이용해 유량 혹은 피대상체와의 거리를 측정할 수 있다.

한편 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어중 센서구동신호(TX)와 스위치 제어신호는 구비된 두 개의 초음파 센서를 각각 초음파 송신용과 수신용으로 교차 구동시키기 위한 신호로 사용되기에 이들 모두를 구동제어신호로 명명할 수도 있을 것이다.

한편 디지털 신호 처리부(B)에 해당하는 마이크로 컨트롤 유닛(200)은 상기 초음파 센서들(100,102)이 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 교대(교차) 사용되도록 상기 스위칭부들(106, 110)을 제어하는 제1 및 제2스위치 제어신호(SC1, SC2)와, 상기 센서구동신호(TX)를 출력함은 물론, 상기 제1 및 제2 초음파 센서(100,102)의 측정 휴지기에 직류 분극회로(208)에서 생성된 직류 전압이 센서 내 압전체의 상, 하부 전극 하나에 인가되도록 제3스위치 제어신호(SC3)와 제4스위치 제어신호(SC4)를 출력한다.

이러한 마이크로 컨트롤 유닛(200)은 도시한 바와 같이 송신용 사각파 혹은 사인파 형태의 센서구동신호(TX)를 출력하는 센서구동신호 생성부(202), 스위치 제어신호(SC1-SC4)를 출력하는 스위치 제어신호 생성부(204), 초음파 수신신호(RX)를 디지털 변환처리(PGA, ADC 등) 하기 위한 수신신호 변환부(206), PX1,PX2 단자를 통해 센서 내 압전체로 직류 전압을 인가하기 위한 직류 분극회로(208), 센서구동신호 생성부(202)와 스위치 제어신호 생성부(204) 및 직류 분극회로(208)의 동작을 제어하고 디지털 변환처리되어 입력되는 초음파 수신신호의 도달 시간 차로부터 유량 혹은 피대상물체와의 거리를 계산하여 무선 혹은 유선을 통해 외부 데이터 수집 서버로 전송 제어하는 제어부(210)를 포함한다.

구현 방법에 따라서는 상기 직류 분극회로(208)를 마이크로 컨트롤 유닛(200)과는 별도 모듈, 예를 들면 0 ~ 3.3V의 직류 전원(배터리, 정전압 회로, 콘덴서 등)으로 구성하여 사용할 수도 있다.

상술한 구성을 포함하는 초음파 소자 구동장치의 동작을 부연 설명하면,

우선 유량 혹은 거리를 측정하기 위해서 마이크로 컨트롤 유닛(200)은 제1초음파 센서(100)가 초음파 송신용으로, 제2초음파 센서(102)가 초음파 수신용으로 사용되도록 제1스위치 제어신호(SC1)와 제3스위치 제어신호(SC3)를 출력하여 센서구동신호(TX)가 제1초음파 센서(100)로 전달되도록 하고, 제2초음파 센서(102)를 통해 수신되는 초음파 신호가 제4스위칭부(108)와 제2스위칭부(110)를 통해 수신신호 처리부(112)로 전달되도록 제2스위치 제어신호(SC2)와 제4스위치 제어신호(SC3)를 출력한다. 그리고 반대로 제2초음파 센서(102)가 초음파 송신용으로, 제1초음파 센서(100)가 초음파 수신용으로 사용되도록 제1 내지 제4스위치 제어신호(SC1-SC4)를 출력한다.

마이크로 컨트롤 유닛(200), 보다 구체적으로는 제어부(210)는 상술한 바와 같이 제1 및 제2초음파 센서(100,102)가 교대로 송신 및 수신 기능을 하도록 제어하여 얻어지는(초음파 센서로부터 수신되는) 신호들로부터 초음파 신호의 도달 시간차를 구해 유량 혹은 거리를 계산해 외부로 전송한다.

한편, 상기 제1 및 제2 초음파 센서(100,102)의 측정 휴지기에는 각 센서 내 압전체 내부의 각 유전 분극들이 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이 무질서한 방향으로 배열되어 에너지 변환 효율이 저하되기에 이를 막고자, 마이크로 컨트롤 유닛(200)은 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이 각 초음파 센서(100,102)를 구성하는 압전체(101)의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압(+Vp)을 인가해 주어 유전 분극(109)들이 일정한 방향, 즉 (-)분극은 (+)전극 방향으로, (+)분극은 (-)전극 방향으로 정렬되도록 한다.

이를 위해 마이크로 컨트롤 유닛(200)은 제1 및 제2 초음파 센서(100,102)의 측정 휴지기에 직류 분극회로(208)에 의해 공급되는 직류 전압(PX1,PX2)이 각각 제3스위칭부(104)와 제4스위칭부(108)를 통해 제1초음파 센서(100)와 제2초음파 센서(102)의 압전체(101)의 상, 하부 전극 하나에 인가되도록 제3스위치 제어신호(SC3)와 제4스위치 제어신호(SC4)를 출력한다.

참고적으로 도 6에서는 압전체(101)의 상부 전극(103)에 직류 전압(+Vp)이 인가되는 것을 도시하였으나, 상, 하부 전극(103, 105)의 극성은 압전체(101)의 내부 분극 방향(107, 109)에 따라 (-)분극 방향(107)쪽에 (+) 전압이, (+)분극 방향(109)에 접지가 연결되도록 적절하게 그 방향이 결정될 수 있다.

도 6에 도시한 바와 같이 직류 분극 회로(208)를 이용해 압전체(101)의 하나의 전극에 직류 전압을 인가하면, 압전체(101) 내부에 직류 전압에 의한 전계(Electric field)가 형성되고, 이러한 전계는 유전 분극들이 돌아가지 못하도록 고정하는 전기적인 힘을 발휘함으로써, 유전체 내부 분극이 임의의 방향으로 돌아가는 압전체(101)로의 전환을 방지할 수 있어 결과적으로 초음파 소자의 성능 유지 기간을 획기적으로 늘릴 수 있다.

참고적으로 대부분의 초음파 송수신을 이용하는 소자들(유량계,거리계 등)은 초음파 송수신 시간이 전체 사용시간의 1% 이하이므로 나머지 99%의 시간은 송수신을 하지 않는 유휴 시간이므로, 이러한 초음파 측정의 휴지 시간 전부 혹은 일부 시간을 이용하여 직류 전압이 인가되도록 하고, 인가되는 직류 (분극) 전압은 0 ~ 3.3V 이내로 선정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 직류 분극회로(208)가 부가된 초음파 소자 구동장치의 효과를 도 7을 참조하여 부연 설명하면, 직류 분극회로를 적용하지 않았을 경우(C구간)에는 도시한 바와 같이 시간이 경과함에 따라 소자 성능을 나타내는 어드미턴스 값이 급격하게 감소하지만, 직류 분극회로를 적용한 경우(D구간)에는 어드미턴스가 증가(F)하는 것으로 나타났다. 만약 최적의 직류 분극회로 조건(분극 회로전압 및 부가 시간)을 찾아 부가한 경우에는 어드미턴스가 일정하게 유지(E)되는 것도 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 소자 구동장치는 제1 및 제2 초음파 센서(100,102)의 측정 휴지기에 각 센서 내 압전체의 내부 유전 분극들이 안정적인 분극 상태를 유지할 수 있도록 함으로써, 초음파 소자의 전기 에너지 및 기계 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있으며, 더 나아가 초음파 소자의 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.

한편 본 발명의 변형 가능한 초음파 소자 구동장치는,

압전 소자를 이용한 제1 및 제2 초음파 센서(100,102)와, 상기 초음파 센서들(100,102)이 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 교대 사용되도록 스위칭부들(104,106,108,110)을 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛(200)과, 상기 제1 및 제2 초음파 센서(100,102) 각각을 구성하는 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하기 위한 직류 분극회로(208)와, 상기 제1 및 제2 초음파 센서(100,102) 각각에 교대로 센서구동신호가 전달될 수 있도록 신호공급경로상에 위치하는 제1 및 제2 스위칭부들(106,110)과, 상기 제1 및 제2 초음파 센서(100,102) 각각에 상기 직류 전압이 전달될 수 있도록 전원공급경로상에 위치하는 제3 및 제4 스위칭부들(104,108)을 포함하되, 상기 마이크로 컨트롤 유닛(200)은 상기 제1 및 제2 초음파 센서(100,102)의 측정 휴지기에 상기 직류전압이 각 센서 내 압전체의 상, 하부 전극 하나에 인가되도록 상기 제3 및 제4 스위칭부(104,108)를 제어하는 형태로 구현될 수도 있다.

이상의 실시예에서는 두 개의 초음파 센서를 이용하여 유량 혹은 거리를 측정하는 초음파 소자 구동장치에 대해 설명하였으나, 하나의 초음파 센서를 이용하는 초음파 소자 구동장치에도 별다른 변형 없이 본 발명에서 사용되는 직류 분극회로를 추가하여 사용할 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 소자 구동장치의 구성도를 예시한 것으로, 하나의 초음파 센서(100)가 사용되는 것을 예시한 것이다.

도 8에 도시한 초음파 소자 구동장치에서는 제1스위칭부(106)로 인가되는 제1스위치 제어신호(SC1)를 이용해 송신채널 경로와 수신채널 경로가 형성되도록 제어하며, 초음파 센서(100)의 측정 휴지기에 제2스위칭부(104)로 인가되는 제2스위치 제어신호(SC2)를 이용해 초음파 센서(100) 내 압체체의 상, 하부 전극 하나에 앞서 설명한 직류전압이 인가되도록 제어함으로써, 센서 내 압전체의 내부 유전 분극들이 안정적인 분극 상태를 유지할 수 있도록 할 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들이 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 사람이라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다. 예를 들어 본 발명은 초음파 소자의 측정 휴지기에 무질서한 유전 분극 상태로 전환되는 초음파 소자를 구동시키는 모든 장치에 적용 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (7)

1. 압전 소자를 이용한 하나 이상의 초음파 센서와, 하나 이상의 상기 초음파 센서가 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 교대 사용되도록 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛을 포함하는 초음파 소자 구동장치의 초음파 소자 구동방법에 있어서,
   상기 마이크로 컨트롤 유닛은 하나 이상의 상기 초음파 센서가 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 교대 사용되도록 구동제어신호를 출력하는 단계와;
   하나 이상의 상기 초음파 센서를 구성하는 압전체의 유전 분극의 방향이 변하는 것을 방지하기 위해서, 상기 마이크로 컨트롤 유닛은 하나 이상의 상기 초음파 센서의 측정 휴지기에 상기 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 초음파 소자 구동장치의 초음파 소자 구동방법.
2. 압전 소자를 이용한 제1 및 제2 초음파 센서와;
   상기 초음파 센서들이 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 교대 사용되도록 스위칭부들을 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛과;
   상기 제1 및 제2 초음파 센서 각각을 구성하는 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하기 위한 직류 분극회로와;
   상기 제1 및 제2 초음파 센서 각각에 교대로 센서구동신호가 전달될 수 있도록 신호공급경로상에 위치하는 제1 및 제2 스위칭부들과;
   상기 제1 및 제2 초음파 센서 각각에 상기 직류 전압이 전달될 수 있도록 전원공급경로상에 위치하는 제3 및 제4 스위칭부들;을 포함하되,
   상기 마이크로 컨트롤 유닛은 상기 제1 및 제2 초음파 센서의 측정 휴지기에 상기 직류전압이 압전체의 상, 하부 전극 하나에 인가되도록 상기 제3 및 제4 스위칭부를 제어함을 특징으로 하는 초음파 소자 구동장치.
3. 압전 소자를 이용한 제1 및 제2 초음파 센서와, 센서구동신호를 상기 초음파 센서들 중 하나로 전달하는 제1스위칭부와, 상기 초음파 센서들 중 하나로부터 입력되는 초음파 수신신호를 수신신호 처리부로 전달하는 제2스위칭부와, 상기 초음파 센서들이 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 교대 사용되도록 상기 스위칭부들을 제어하는 제1 및 제2스위치 제어신호와 상기 센서구동신호를 출력하는 마이크로 컨트롤 유닛을 포함하는 초음파 소자 구동장치에 있어서,
   상기 제1스위칭부로부터 출력되는 센서구동신호와 상기 제1 초음파 센서를 구성하는 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하기 위한 전원 공급선 중 하나를 상기 마이크로 컨트롤 유닛으로부터 출력되는 제3스위치 제어신호에 따라 상기 제1 초음파 센서로 전달하는 제3스위칭부와;
   상기 제1스위칭부로부터 출력되는 센서구동신호와 상기 제2 초음파 센서를 구성하는 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하기 위한 전원 공급선 중 하나를 상기 마이크로 컨트롤 유닛으로부터 출력되는 제4스위치 제어신호에 따라 상기 제2 초음파 센서로 전달하는 제4스위칭부와;
   상기 직류 전압을 생성하여 상기 제3 및 제4스위칭부로 출력하는 직류 분극회로;를 포함함을 특징으로 하는 초음파 소자 구동장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 직류 분극회로는 상기 마이크로 컨트롤 유닛 내에 포함됨을 특징으로 하는 초음파 소자 구동장치.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 상기 마이크로 컨트롤 유닛은,
   상기 제1 및 제2 초음파 센서의 측정 휴지기에 상기 직류전압이 인가되도록 상기 제3 및 제4스위칭부를 제어함을 특징으로 하는 초음파 소자 구동장치.
6. 압전 소자를 이용한 초음파 센서와, 센서구동신호를 상기 초음파 센서로 전달하고 상기 초음파 센서로부터 출력되는 초음파 수신신호를 수신신호 처리부로 전달하는 제1스위칭부와, 상기 초음파 센서가 초음파 송신용과 초음파 수신용으로 사용되도록 상기 제1스위칭부를 제어하는 제1스위치 제어신호와 상기 센서구동신호를 출력하는 마이크로 컨트롤 유닛을 포함하는 초음파 소자 구동장치에 있어서,
   상기 제1스위칭부로부터 출력되는 센서구동신호와 상기 초음파 센서를 구성하는 압전체의 상, 하부 전극 하나에 직류 전압을 인가하기 위한 전원 공급선 중 하나를 상기 마이크로 컨트롤 유닛으로부터 출력되는 제2스위치 제어신호에 따라 상기 초음파 센서로 전달하는 제2스위칭부와;
   상기 직류 전압을 생성하여 상기 제2스위칭부로 출력하는 직류 분극회로;를 포함함을 특징으로 하는 초음파 소자 구동장치.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 직류 분극회로는 상기 마이크로 컨트롤 유닛 내에 포함됨을 특징으로 하는 초음파 소자 구동장치.

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