KR20070071203A - Ultrasonic distance sensor with wide beam directivity - Google Patents

Abstract

An ultrasonic distance sensor with a wide directional angle is provided to secure the radiation angle of ultrasonic waves over 180 degrees by properly adjusting a diameter of a sound emission aperture, thereby increasing a sensing range in using the ultrasonic distance sensor for a moving robot and a range finder. An ultrasonic distance sensor with a wide directional angle is composed of a unimorph-type vibration plate(200) comprising a circular metal plate(10) and electrodes arranged in a cylindrical plastic housing(90), and a circular or square piezo-electric ceramic plate(20) formed by attaching one of the electrodes to the metal plate; a cone-shaped resonator(30) attached on the upside of the metal plate; and an aperture(80) formed at one spot in a sound emission screen(81). The radiation angle of the ultrasonic wave toward an upper end of the vibration plate is widened by adjusting the width of the aperture.

Description

광지향각형 초음파 거리 센서 {Ultrasonic Distance Sensor with Wide Beam Directivity}Ultra-Directional Ultrasonic Distance Sensor {Ultrasonic Distance Sensor with Wide Beam Directivity}

도 1은 종래의 기술에 따른 개방형 타입의 초음파 거리 센서를 보인 단면도1 is a cross-sectional view showing an ultrasonic distance sensor of the open type according to the prior art.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 개방형 타입의 광지향각 초음파 거리 센서 구조를 보인 단면도2 is a cross-sectional view showing the structure of an open type wide-angle angle ultrasonic distance sensor according to an embodiment of the present invention.

도 3은 종래의 초음파 거리 센서에 설치된 다양한 음향 방출 개구를 보인 단면도3 is a cross-sectional view showing various sound emission openings installed in a conventional ultrasonic distance sensor.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 음향 방출 개구를 보인 단면도4 is a cross-sectional view showing an acoustic emission opening according to a preferred embodiment of the present invention.

도 5는 음향 방출 개구 형상에 따른 초음파 거리 센서의 지향성 그래프5 is a directed graph of the ultrasonic distance sensor according to the acoustic emission aperture shape

도 6은 음향 방출 개구 형상에 따른 거리-진폭 신호 감도 그래프6 is a graph of distance-amplitude signal sensitivity according to acoustic emission aperture shape.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

10: 원형 금속판 20: 압전세라믹 30: 콘형 공진자 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Circular metal plate 20 Piezoceramic 30 Cone resonator

40 : 음향 공간 50: 베이스 60: 도전성 와이어 40: acoustic space 50: base 60: conductive wire

70: 출력리드 80: 음향 방출 개구 81: 음향 방출 스크린 90: 하우징 70: output lead 80: sound emission opening 81: sound emission screen 90: housing

200: 진동판200: diaphragm

본 발명은 경보기, 거리계 등에 사용되는 개방형 타입의 압전형 초음파 거리 센서에 관한 것으로, 특히 음향 방출 개구(80)의 수와 폭을 조절함으로서 진동판(200)에서 방출되는 초음파의 방사각을 넓혀 센서의 센싱 범위를 증가하기 위한 광지향각형 초음파 거리 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an open type piezoelectric ultrasonic distance sensor used in an alarm, a rangefinder, and the like, and in particular, by adjusting the number and width of the acoustic emission openings 80, the radiation angle of the ultrasonic wave emitted from the diaphragm 200 is widened to provide the sensor. The present invention relates to an optically oriented angular ultrasonic distance sensor for increasing a sensing range.

일반적으로 이러한 종류의 초음파 거리 센서는 도 1에 도시한 바와 같이 원형의 금속판(10)과 전극들이 형성되며 상기 전극들 중의 한 전극이 상기 금속판에 접착되는 압전 세라믹판(20)을 갖는 유니모르프형 진동판(200)을 포함하고, 이것에 콘형 공진자(30)가 배설되어 있다. 상기 진동판은 실리콘을 사용하여 베이스(50)에 접착 고정되는 한편, 음향 방출 개구(80)를 갖는 플라스틱 하우징(90)이 덮인다. In general, this kind of ultrasonic distance sensor is a unimorphic type having a piezoelectric ceramic plate 20 in which a circular metal plate 10 and electrodes are formed and one of the electrodes is bonded to the metal plate as shown in FIG. 1. The diaphragm 200 is included and the cone resonator 30 is arrange | positioned here. The diaphragm is adhesively fixed to the base 50 using silicone, while covered with a plastic housing 90 having an acoustic emission opening 80.

종래의 개방형 압전형 초음파 거리 센서의 경우 지향각을 넓히거나 조절하기 위하여 내부 콘형 공진자(30)의 형태 변경 및 혼 형태의 하우징(90) 설치, 음향 방출 스크린의 개구 변화 등이 제안되었다. 하지만, 내부 콘형 공진자의 형태 변경으로 지향각을 넓히는 데에는 한계가 있는데, 이는 초음파의 방사 음압이 점점 낮아지기 때문이다. 또한, 혼 형태의 하우징 설치는 센서의 전체적인 크기를 증가시키므로 효과적이지 못하며 또, 도 3에 도시한 바와 같이 여러 개의 음향 방출 개구를 갖고 그 형태를 변화시키더라도 40KHz로 발진하는 초음파 센서의 파장을 고려할 때 빔 분산 효과는 크지 않은 편이다.In the case of the conventional open piezoelectric ultrasonic distance sensor, in order to widen or adjust the orientation angle, a shape change of the internal cone type resonator 30, a horn type housing 90, and an opening change of an acoustic emission screen have been proposed. However, there is a limit to widening the orientation angle by changing the shape of the internal cone resonator, because the sound pressure of the ultrasonic wave is gradually lowered. In addition, the installation of the horn-shaped housing is not effective because it increases the overall size of the sensor, and as shown in FIG. When the beam scattering effect is not large.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 본 발명은, 센서 전면부로의 초음파 방출 효율은 유지하고 또, 기존의 센서 사이즈를 가지면서 넓은 범위의 초음파의 방사각을 갖는, 즉 광지향성을 갖는 광지향성 초음파 거리센서를 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention, while maintaining the ultrasonic emission efficiency to the sensor front portion, and having a conventional sensor size and having a wide range of radiation angle of the ultrasonic wave, that is, photo-directional ultrasonic distance The purpose is to provide a sensor.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 음향 방출 스크린 내의 음향 방출 개구의 수를 하나로 설치하고 그 폭을 조절하여 진동판의 전면부로 방출되는 초음파의 방사각을 넓힌 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that the number of sound emitting openings in the sound emitting screen is set to one and the width thereof is adjusted to widen the radiation angle of the ultrasonic waves emitted to the front portion of the diaphragm.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 광지향각형 초음파 거리 센서는 원형의 금속판(10)과, 상면 및 하면에 전극이 형성되며 상기 전극들 중의 적어도 한 전극이 원형의 금속판에 접착되는 원형 또는 사각의 압전 세라믹판(20)을 갖는 유니모르프형 진동판(200); 상기 금속판의 상면에 부착되고 초음파의 효율을 향상시키기 위한 콘형 공진자(30); 상기 진동판을 지지하고 음향 공간(40)을 갖는 베이스; 상기 금속판과 상기 압전판에 도전성 와이어(60)를 통해 연결되는 출력리드(70); 상기 진동판과 상기 베이스를 접속하고 틈새를 봉하기 위해 사용되는 접착제; 상기 진동판 및 공진자에 접촉되지 않고 덮도록 베이스에 접착 고정되는 음향 방출 스크린(81)을 갖는 하우징(90); 음향 방출 스크린(81) 내에 위치하고 진동판에서 발생하는 초음파의 방사각을 조절하기 위한 음향 방출 개구(80);를 포함하는 구조로서, 상기 진동판은, 상기 금속판과 상기 압전판에 형성된 전극 사이에 소정의 전기 신호가 인가되는 경우, 길이 방향 벤딩 모드로 진동한다. 이때, 도 2에 도시한 바와 같이, 음향 방출 개구의 폭을 적절히 조절하면 초음파의 방출 효율을 유지하면서 180도로 초음파가 방사(-6dB 기준)할 수 있게 된다. 하지만, 개구의 폭을 너무 좁히면 초음파의 방출 효율이 크게 떨어지게 된다.According to a preferred embodiment of the present invention, an optically oriented angular ultrasonic distance sensor includes a circular metal plate 10 and a circular or square electrode having upper and lower electrodes formed thereon, and at least one of the electrodes bonded to the circular metal plate. A unimorphic diaphragm 200 having a piezoelectric ceramic plate 20; A cone type resonator 30 attached to an upper surface of the metal plate to improve the efficiency of ultrasonic waves; A base supporting the diaphragm and having an acoustic space 40; An output lead 70 connected to the metal plate and the piezoelectric plate through a conductive wire 60; An adhesive used to connect the diaphragm and the base and seal the gap; A housing (90) having an acoustic emission screen (81) adhesively fixed to the base so as to cover the diaphragm and the resonator without contact; A sound emitting opening 80 positioned within the sound emitting screen 81 for adjusting the radiation angle of ultrasonic waves generated from the diaphragm, wherein the diaphragm is formed between the metal plate and the electrode formed on the piezoelectric plate. When an electrical signal is applied, it vibrates in the longitudinal bending mode. At this time, as shown in Figure 2, if the width of the sound emitting opening is properly adjusted, the ultrasonic wave can emit 180 degrees (-6 dB reference) while maintaining the emission efficiency of the ultrasonic wave. However, if the width of the aperture is made too narrow, the emission efficiency of the ultrasonic waves is greatly reduced.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 통해 상세하게 설명하면 다음과 같다. Preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4는 본 발명의 바람직한 형태인 음향 방출 개구를 도식한 것으로 개구의 직경은 진동판의 효율을 떨어뜨리지 않으면서 광지향각이 유지되는 범위 내에 설정되어야 한다. 상기 광지향각 초음파 거리 센서에서는 16mm 하우징, 9mm 금속판에 4mm 개구 직경이 사용되었다. 도 5는 기존 음향 방출 스크린 및 개구(도3 (a))를 갖는 초음파 거리센서와 본 발명의 바람직한 형태인 광지향각형 초음파 거리센서의 지향각을 나타낸 것으로서 4mm 개구 설정 시 -6dB기준으로 지향각이 180도 이상으로 증가했음을 알 수 있다. 도 6은 기존 음향 방출 스크린 및 개구(도3 (a))를 갖는 초음파 거리센서와 본 발명의 바람직한 형태인 광지향각형 초음파 거리센서의 거리-진폭 신호 감도를 비교한 것으로 수신센서는 마이크로폰을 사용하였다. 4mm 개구 설정 시 초음파의 방출 효율이 크게 떨어지지 않음을 알 수 있다.4 is a diagram illustrating an acoustic emission opening, which is a preferred embodiment of the present invention, and the diameter of the opening should be set within a range in which the light directing angle is maintained without degrading the efficiency of the diaphragm. In the wide deflection angle ultrasonic distance sensor, a 4 mm aperture diameter was used for a 16 mm housing and a 9 mm metal plate. FIG. 5 shows the directivity angles of the conventional acoustic emission screen and the ultrasonic distance sensor having the aperture (Fig. 3 (a)) and the optically oriented angular ultrasonic distance sensor which is a preferred form of the present invention. It can be seen that this increased to more than 180 degrees. FIG. 6 compares the sensitivity of a distance-amplification signal of an ultrasonic distance sensor having an existing acoustic emission screen and an opening (FIG. 3 (a)) to a wide-angle angular ultrasonic distance sensor of a preferred embodiment of the present invention. It was. It can be seen that the emission efficiency of the ultrasonic wave does not drop significantly when the 4 mm aperture is set.

이상과 같이, 본 발명은 초음파 거리 센서를 구비하는 구성 중 음향 방출 개구의 직경을 적절히 조절하여 초음파의 방사각을 180도 이상의 광지향각 특성을 갖도록 함으로서 이동로봇 및 거리계 등에 사용 시 센싱 범위를 증가시킬 수 있다.As described above, the present invention increases the sensing range when using a mobile robot and a rangefinder by adjusting the diameter of the sound emitting opening appropriately so as to have a wide-angle angle characteristic of 180 degrees or more by appropriately adjusting the diameter of the sound emitting opening. You can.

Claims (3)

원통형의 플라스틱 하우징 내부에 원형의 금속판과 전극들이 형성되며 상기 전극들 중의 한 전극이 상기 금속판에 접착되는 원형 또는 사각의 압전 세라믹 판을 갖는 유니모르프형 진동판을 포함하고, 이것에 콘형 공진자가 배설되어 있는 개방형 압전형 초음파 거리 센서에 있어서, 음향 방출 스크린 내에 개구가 한곳에 설치되고 그 폭을 조절함으로서 진동판 상단으로의 초음파 방사각을 넓힌 것을 특징으로 하는 광지향각형 초음파 거리 센서.A circular metal plate and electrodes are formed inside the cylindrical plastic housing, and one of the electrodes comprises a unimorphic diaphragm having a circular or square piezoelectric ceramic plate bonded to the metal plate, wherein the cone-shaped resonator is disposed. An open piezoelectric ultrasonic distance sensor comprising: an optically angular ultrasonic distance sensor, wherein an opening is provided in one place in an acoustic emission screen and the width of the ultrasonic radiation to the top of the diaphragm is widened by adjusting its width. 제 1항에 있어서 상기 음향 방출 개구의 폭 및 형상은 초음파의 방사 효율이 크게 떨어지지 않는 이상 다양할 수 있다.The width and shape of the sound emitting opening may vary as long as the radiation efficiency of the ultrasonic waves is not greatly reduced. 제 1항에 있어서 상기 음향 방출 스크린의 재질은 플라스틱, 코르크, 고무 등으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광지향각형 초음파 거리 센서.The optically directional angular ultrasonic distance sensor according to claim 1, wherein the sound emitting screen is made of plastic, cork, rubber, or the like.

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