KR101385403B1 - 초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서와 그 구동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서로서, 피에조세라믹, 레이어, 흡음재 및 센서하우징을 포함하되, 특히 초근거리 측정이 가능하도록 하기 위해, 레이어의 길이를 피에조세라믹의 진동모드, 지름, 두께, 고유주파수를 고려하여 산출함으로써 불감지영역이 레이어 안으로 들어오게 하는 것을 특징으로 하는, 초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서를 제공한다. 본 발명에 따르면, 수중에서 초음파센서를 이용하여 10cm 이하의 초근거리를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 동일 초음파센서를 이용하여 30m 이상의 원거리도 함께 측정할 수 있어, 광센서나 접촉센서로는 측정할 수 없었던 초근거리와 싱글빔 에코사운드로 측정하던 원거리를 단일 센서로 측정할 수 있는바, 수중 광센서 사용을 대체할 뿐만 아니라 새로운 응용분야를 개척할 수 있을 것으로 기대된다.

Description

초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서와 그 구동 방법{ultrasonic sensor for ultra short distance measurement}

본 발명은 해양조사 분야의 초음파센서에 관한 것으로, 특히 음파를 이용하여 거리를 측정하는 단빔음향측심기(single-beam echo sounder)의 불감지영역(거리 측정을 할 수 없는 영역)을 개선하여 초근거리의 측정도 가능하게 한 초음파센서에 관한 것이다.

기존의 단빔음향측심기(single-beam echo sounder)는 소형의 경우 최소 30~50cm의 불감지영역이 존재하여 불감지영역 안으로 들어온 거리는 측정할 수 없어 근접센서로 이용하는 것이 불가능하였다. 이를 개선하기 위하여 광센서와 접촉센서를 이용하여 실험을 하였으나, 광센서의 경우 수중의 부유물질 등으로 인하여 탁도가 심한 수중에서는 에러가 발생하여 데이터를 획득할 수 없으며, 접촉센서의 경우 단지 접촉 시에만 확인이 가능하여 접촉이 없는 초근거리 측정에는 사용할 수 없는 문제점이 있는바, 보다 새로운 근거리 측정센서가 필요한 상황이다.

한편, 초음파 센서의 레이어 길이가 센서의 특성 및 성능에 미치는 영향 정도는 그것이 공기중 센서인지 아니면 수중 센서인지에 따라 차이가 있는바, 공기중 센서의 경우에는 레이어 길이가 진동모드와 레이어의 두께에 따라 센서의 특성 및 성능을 결정하는 중요한 부분이 되지만, 수중 센서의 경우에는 유전율이 검증된 물질로 레이어를 구성할 때 레이어의 형태나 길이가 센서의 특성 및 성능에 미치는 영향은 크지 않다.

한편, 초기 레이어를 부착하지 않은 경우와 레이어를 부착한 경우 세라믹의 진동특성은 차이가 있으므로 레이어의 두께는 일단 허용범위를 최대한 넓게 두어 제작한 뒤 점차 레이어 두께를 절삭하는 방법으로 특성을 잡아낸다. 그러므로 초기 실험값이 없는 가운데 레이어의 길이를 선정하는 데는 어려움이 있으며, 세라믹의 물리적 특성과 주파수 특성에 의해 적당하게 산출되어져야 한다.

본 발명과 직접적으로 연관되는 특허문헌은 없으며, 다만 초음파센서의 구성이나 기능, 제조 방법 등과 관련한 특허문헌으로 다음의 것들이 있다. 1. 고주파 초음파 센서용 음향 정합층 및 그를 이용한 초음파센서의 제조 방법(특허출원 제10-2004-0069824호, 재단법인 포항산업과학연구원)(도 4) 2. 초음파 센서용 콘택 엘리먼트(특허출원 제10-2000-7011344호, 테에르베 오토모티브 일렉트로닉스 운트 콤포넌츠 게엠베하 운트 코. 카게)(도 5) 3. 초음파 센서(특허출원 제10-2003-0044333호, 센서텍(주))(도 6) 4. 진동방지용 초음파 센서 구조(특허출원 제10-2003-0036822호, 센서텍(주))(도 7) 5. 초음파 센서(특허출원 제10-2004-0034505호, 가부시키가이샤 덴소)(도 8) 6. 3차원의 반구 형상을 갖는 초음파 압전 센서(특허출원 제10-2007-0023989호, 주식회사 제닉슨)(도 9)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 단빔음향측심기의 불감지영역을 개선하여 초근거리의 측정도 가능하게 한 것을 특징으로 하는, 초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

초음파 진동자로서 소정의 주기에 따라 초음파를 발생시키는 피에조세라믹;

상기 피에조세라믹에 부착되어 상기 피에조세라믹의 기본 빔폭을 갖는 초음파가 수중에서 제대로 전달될 수 있도록 하는 역할을 하는 레이어;

상기 피에조세라믹의 측면을 둘러싸도록 부착되어 상기 피에조세라믹의 측면으로 들어오는 노이즈를 억제시켜 주는 흡음재 및;

상기 피에조세라믹, 상기 레이어, 상기 흡음재가 상호 밀착하여 층을 이룬 상태로 고정될 수 있도록 하는 센서하우징;

을 포함하되, 이 경우,

상기 레이어는 그 길이를 상기 피에조세라믹의 진동모드, 지름, 두께, 고유주파수를 고려하여 산출함으로써 불감지영역이 상기 레이어 안으로 들어오게 하는 것을 특징으로 하는,

초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서를 제공한다.

또한 본 발명은,

초음파 진동자로서 소정의 주기에 따라 초음파를 발생시키는 피에조세라믹;

상기 피에조세라믹에 부착되어 상기 피에조세라믹의 기본 빔폭을 갖는 초음파가 수중에서 제대로 전달될 수 있도록 하는 역할을 하는 레이어;

상기 피에조세라믹의 측면을 둘러싸도록 부착되어 상기 피에조세라믹의 측면으로 들어오는 노이즈를 억제시켜 주는 흡음재 및;

상기 피에조세라믹, 상기 레이어, 상기 흡음재가 상호 밀착하여 층을 이룬 상태로 고정될 수 있도록 하는 센서하우징;

을 포함하되, 이 경우,

상기 레이어는 그 길이를 상기 피에조세라믹의 진동모드, 지름, 두께, 고유주파수를 고려하여 산출함으로써 불감지영역이 상기 레이어 안으로 들어오게 하는 것을 특징으로 하는,

초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서의 구동 방법으로서,

초근거리와 원거리를 단일 센서로 측정하기 위해서, 동작 방식을 이원화하여 초근거리에서는 2개의 펄스를 인가하여 측정을 진행하고 원거리에서는 12개의 펄스를 인가하여 측정을 진행하는 것을 특징으로 하는,

초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서의 구동 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 수중에서 초음파센서를 이용하여 10cm 이하의 초근거리를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 동일 초음파센서를 이용하여 30m 이상의 원거리도 함께 측정할 수 있어, 광센서나 접촉센서로는 측정할 수 없었던 초근거리와 싱글빔 에코사운드로 측정하던 원거리를 단일 센서로 측정할 수 있는바, 수중 광센서 사용을 대체할 뿐만 아니라 새로운 응용분야를 개척할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 발명에 따르면, 초음파센서가 소형으로 제작될 수 있으므로 그 사용이나 보관이 매우 용이하다.

도 1은 본 발명에 따른 초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서의 구성.
도 2는 본 발명에 따른 초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서의 실제 제작도면(실시 예).
도 3은 본 발명을 이용한 초근거리 측정 모습(실시 예).
도 4는 선행기술문헌으로서, 고주파 초음파 센서용 음향 정합층 및 그를 이용한 초음파센서의 제조 방법(특허출원 제10-2004-0069824호, 재단법인 포항산업과학연구원).
도 5는 선행기술문헌으로서, 초음파 센서용 콘택 엘리먼트(특허출원 제10-2000-7011344호, 테에르베 오토모티브 일렉트로닉스 운트 콤포넌츠 게엠베하 운트 코. 카게).
도 6은 선행기술문헌으로서, 초음파 센서(특허출원 제10-2003-0044333호, 센서텍(주)).
도 7은 선행기술문헌으로서, 진동방지용 초음파 센서 구조(특허출원 제10-2003-0036822호, 센서텍(주)).
도 8은 선행기술문헌으로서, 초음파 센서(특허출원 제10-2004-0034505호, 가부시키가이샤 덴소).
도 9는 선행기술문헌으로서, 3차원의 반구 형상을 갖는 초음파 압전 센서(특허출원 제10-2007-0023989호, 주식회사 제닉슨).

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 이 경우, 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 1은 본 발명에 따른 초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서의 구성을 보여준다.

본 발명은 단빔음향측심기의 불감지영역을 개선하여 초근거리의 측정도 가능하게 한 것을 특징으로 하는, 초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서를 제공하는 것을 목적으로 하는바, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 피에조세라믹(1), 레이어(2), 흡음재(3) 및 센서하우징(4)을 포함하여 이루어진다.

피에조세라믹(piezoceramic)(1)은 초음파 진동자로서 소정의 주기에 따라 초음파를 발생시킨다. 그리고 레이어(2)는 피에조세라믹(1)에 부착되어 피에조세라믹(1)의 기본 빔폭을 갖는 초음파가 수중에서 제대로 전달될 수 있도록 한다. 그리고 흡음재(3)는 피에조세라믹(1)의 측면을 둘러싸도록 부착되어 피에조세라믹(1)의 측면으로 들어오는 노이즈를 억제시켜 준다. 그리고 센서하우징(4)은 피에조세라믹(1), 레이어(2), 흡음재(3)가 상호 밀착하여 층을 이룬 상태로 고정될 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 초음파센서는 135kHz의 내외의 주파수를 가지고 있는 소형 센서로 10cm 이하의 초근거리와 30m 이상의 원거리를 단일 센서로써 모두 측정할 수 있는 센서인바, 특히 본 발명은 초근거리 측정이 가능하도록 하기 위하여, 레이어(2)의 길이를 피에조세라믹(1)의 진동모드, 지름, 두께, 고유주파수를 고려하여 산출함으로써 불감지영역이 레이어(2) 안으로 들어오게 하여 센서에 물체가 접촉되어 있어도 측정이 가능하도록 하였다. 이 경우, 보다 바람직하게는, 레이어(2)의 길이는 피에조세라믹(1)의 물리적 진동특성과 고유주파수에 대한 특성을 고려하여 불감지영역을 수용할 수 있는 정도의 길이인 3cm 이상으로 하는 것이 바람직하다(도 2의 실시 예 참조).

한편, 본 발명에 따른 초음파센서의 경우 200kHz 이하의 주파수를 사용하나 이는 1MHz 대역의 높은 주파수를 사용할 때보다 불감지영역을 줄이기가 쉽지 않다. 하지만 높은 주파수는 원거리 측정에 있어 불리하기 때문에 원거리 측정을 가능하게 하기 위하여 200kHz 이하의 주파수를 선정하였다.

도 3은 본 발명을 이용한 초근거리 측정 모습을 보여준다.

도 3의 실시 예는 본 발명에 따른 초음파센서를 수조 바닥에 밀착시켜 오실로스코프로 음파를 측정하는 모습으로, 1차 반사파가 불감지영역(액티브센서의 진동구간)과 명확하게 구분되는 것을 확인할 수 있다.

상기 실시 예에서, 실험에 사용한 주파수 펄스는 2개로, 1 내지 12개의 펄스를 인가하여 불감지영역이 최소로 되는 개수를 확인하여 최종적으로 135kHz를 이용한 센서의 최소 인가 펄스는 2개로 확정하여 실험을 진행하였다.

이 경우, 초근거리와 원거리를 단일 센서(본 발명에 따른 초음파센서)로 측정하기 위해서, 구동 방법을 이원화하여 초근거리에서는 2개의 펄스를 인가하여 측정을 진행하고 원거리에서는 12개의 펄스를 인가하여 측정을 진행하였다. 최종적으로, 본 발명에 따른 초음파센서를 구동하기 위해서는 한 번의 동작 순서에 초근거리와 원거리의 측정을 위한 루프가 2개 존재하며 2개의 루프가 한 사이클을 구성한다.

본 발명에 따르면, 수중에서 초음파센서를 이용하여 10cm 이하의 초근거리를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 동일 초음파센서를 이용하여 30m 이상의 원거리도 함께 측정할 수 있어, 광센서나 접촉센서로는 측정할 수 없었던 초근거리와 싱글빔 에코사운드로 측정하던 원거리를 단일 센서로 측정할 수 있는바, 수중 광센서 사용을 대체할 뿐만 아니라 새로운 응용분야를 개척할 수 있을 것으로 기대된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 피에조세라믹
2 : 레이어
3 : 흡음재
4 : 센서하우징

Claims (5)

1. 초음파 진동자로서 일정 주기에 따라 초음파를 발생시키는 피에조세라믹(1);
   상기 피에조세라믹(1)에 부착되어 상기 피에조세라믹(1)의 기본 빔폭을 갖는 초음파가 수중에서 제대로 전달될 수 있도록 하는 역할을 하는 레이어(2);
   상기 피에조세라믹(1)의 측면을 둘러싸도록 부착되어 상기 피에조세라믹(1)의 측면으로 들어오는 노이즈를 억제시켜 주는 흡음재(3) 및;
   상기 피에조세라믹(1), 상기 레이어(2), 상기 흡음재(3)가 상호 밀착하여 층을 이룬 상태로 고정될 수 있도록 하는 센서하우징(4);
   을 포함하되, 이 경우,
   상기 레이어(2)는 그 길이를 상기 피에조세라믹(1)의 진동모드, 지름, 두께, 고유주파수를 고려하여 산출함으로써 불감지영역이 상기 레이어(2) 안으로 들어오게 하는 것을 특징으로 하는,
   초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이어(2)의 길이는 상기 피에조세라믹(1)의 물리적 진동특성과 고유주파수에 대한 특성을 고려하여 불감지영역을 수용할 수 있는 정도의 길이인 3cm 이상으로 하는 것을 특징으로 하는,
   초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서.
3. 제 1 항에 있어서,
   200kHz 이하의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는,
   초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서.
4. 초음파 진동자로서 일정 주기에 따라 초음파를 발생시키는 피에조세라믹(1);
   상기 피에조세라믹(1)에 부착되어 상기 피에조세라믹(1)의 기본 빔폭을 갖는 초음파가 수중에서 제대로 전달될 수 있도록 하는 역할을 하는 레이어(2);
   상기 피에조세라믹(1)의 측면을 둘러싸도록 부착되어 상기 피에조세라믹(1)의 측면으로 들어오는 노이즈를 억제시켜 주는 흡음재(3) 및;
   상기 피에조세라믹(1), 상기 레이어(2), 상기 흡음재(3)가 상호 밀착하여 층을 이룬 상태로 고정될 수 있도록 하는 센서하우징(4);
   을 포함하되, 이 경우,
   상기 레이어(2)는 그 길이를 상기 피에조세라믹(1)의 진동모드, 지름, 두께, 고유주파수를 고려하여 산출함으로써 불감지영역이 상기 레이어(2) 안으로 들어오게 하는 것을 특징으로 하는,
   초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서의 구동 방법으로서,
   초근거리와 원거리를 단일 센서로 측정하기 위해서, 동작 방식을 이원화하여 초근거리에서는 2개의 펄스를 인가하여 측정을 진행하고 원거리에서는 12개의 펄스를 인가하여 측정을 진행하는 것을 특징으로 하는,
   초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서의 구동 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   200kHz 이하의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는,
   초근거리 및 원거리 측정이 모두 가능한 초음파센서의 구동 방법.

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