KR20070071203A - 광지향각형 초음파 거리 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 개방형 초음파 거리 센서의 전면 개구로 방출되는 초음파를 넓은 범위로 강하게 방사 할 수 있도록 그 지향성을 넓히기 위한 센서의 구조에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 음향 방출 개구의 수 및 개구 폭을 조절함으로서 공진자를 포함한 초음파 진동판에서 방출되는 초음파의 방사각을 넓힐 수 있다. 상기 진동판은 원형 또는 사각의 압전판 및 상기 압전판의 전면에 접착 고정된 원형 금속판을 포함하며, 상기 진동판의 상면에는 초음파 효율을 높이기 위해 콘형 공진자가 설치된다. 상기 진동판의 금속판과 압전판은 도전성 와이어를 통해 각각 출력 리드에 연결된다. 상기 진동판은 베이스에 접착 고정되며, 플라스틱 하우징은 음향 방출 개구를 포함하며, 상기 진동판에 접촉되지 않고 상기 진동판을 덮도록, 상기 베이스에 고정된다.

광지향각, 초음파 거리 센서, 음향 방출, 공진자, 진동판, 방사각

Description

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

도 1은 종래의 기술에 따른 개방형 타입의 초음파 거리 센서를 보인 단면도

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 개방형 타입의 광지향각 초음파 거리 센서 구조를 보인 단면도

도 3은 종래의 초음파 거리 센서에 설치된 다양한 음향 방출 개구를 보인 단면도

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 음향 방출 개구를 보인 단면도

도 5는 음향 방출 개구 형상에 따른 초음파 거리 센서의 지향성 그래프

도 6은 음향 방출 개구 형상에 따른 거리-진폭 신호 감도 그래프

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 원형 금속판 20: 압전세라믹 30: 콘형 공진자

40 : 음향 공간 50: 베이스 60: 도전성 와이어

70: 출력리드 80: 음향 방출 개구 81: 음향 방출 스크린 90: 하우징

200: 진동판

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.

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.

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.

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.

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.

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.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 통해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

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.

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.

Claims (3)

1. 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.
2. 제 1항에 있어서 상기 음향 방출 개구의 폭 및 형상은 초음파의 방사 효율이 크게 떨어지지 않는 이상 다양할 수 있다.
3. 제 1항에 있어서 상기 음향 방출 스크린의 재질은 플라스틱, 코르크, 고무 등으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광지향각형 초음파 거리 센서.

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