KR102179231B1 - 거리 측정용 초음파 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 거리 측정용 초음파 장치는, 초음파 센서 및 상기 초음파 센서가 내측 단부에 장착되며 길이 방향으로 유도관이 형성되고 상기 초음파 센서의 반대측에는 상기 유도관과 연결되는 반사벽이 형성되는 센서 하우징을 포함하며, 상기 유도관의 내측면에는 상기 초음파 센서로부터 발생되는 초음파 신호의 직진성을 높이기 위하여 쐐기각이 형성된 쐐기 패턴이 구비될 수 있다.

Description

거리 측정용 초음파 장치{ULTRASONIC WAVE APPARATUS FOR MEASURE OF DISTANCE}
본 발명은 거리 측정용 초음파 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 유도관이 초음파 센서로부터의 초음파 송신 신호 및 측정 대상으로부터 반사되는 초음파 수신 신호의 중첩 발생을 방지하는 구조를 가짐으로써 근접한 위치에 있는 측정 대상까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있는 거리 측정용 초음파 장치에 관한 것이다.
일반적으로 초음파 센서는 초음파 신호를 피측정물로 송신한 뒤 피측정물에서 돌아오는 초음파 신호를 감지하여 피측정물까지의 거리를 측정하는 센서이다. 보다 구체적으로는 초음파가 감지되기까지 소요된 시간을 토대로 초음파가 진행된 거리를 산출하고 측정하여 거리를 측정할 수 있다.
이러한 초음파 센서는 고체, 액체, 기체 중 어느 것에나 이용될 수 있다. 이 센서의 응용에는 수심의 측정이나 수위의 측정, 액체로는 액면계나 수위계, 고체로는 금속의 표면에서 내부결함까지의 거리와 두께의 측정 등이 있다.
그런데 종래의 초음파 센서에 있어서는, 초음파 센서로부터의 여진 신호를 제거하기 위해 여진 신호와 위상이 180도인 신호를 지속적으로 인가해야 하는 복잡함이 있었다.
아울러 초음파 센서의 초기 조건이 달라지면 여진 신호를 재측정하여 설정을 다시 해야 하고 이로 인해 측정 거리의 오차가 발생될 우려가 있었다. 특히 종래의 초음파 센서는 신호의 겹침으로 인해 최소 탐지거리의 한계가 대략 20 내지 50 cm이었고, 따라서 그보다 작은 근접 거리는 측정하는 데 한계가 있었다.
아울러, 초음파 센서의 유도관이 매끈한 면일 경우, 유도관의 면에서 초음파의 반사가 발생되고, 반사된 초음파가 신호의 중첩 또는 상쇄를 야기시켜 초음파의 지향 특성, 즉 직진성에 악영향을 미칠 수 있었다.
따라서, 초음파 송신 신호와 수신 신호가 겹치는 것을 방지할 수 있어 근접 거리도 정확하게 측정할 수 있는 새로운 구조의 거리 측정용 초음파 장치의 개발이 요구되는 실정이다.
관련 선행기술로는, 대한민국 등록특허 10-1421137호(발명의 명칭: 초음파 수위 측정 장치, 등록일자: 2014년 7월 14일)가 있다.
본 발명의 실시예들은 유도관이 초음파 센서로부터의 초음파 송신 신호 및 측정 대상으로부터 반사되는 초음파 수신 신호의 중첩 발생을 방지하는 구조를 가짐으로써 근접한 위치에 있는 측정 대상까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있고, 유도관의 내면에 쐐기각이 형성된 쐐기 패턴이 마련되어 초음파 신호의 반사에 따른 신호의 중첩 또는 상쇄 현상을 방지할 수 있는 거리 측정용 초음파 장치를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 거리 측정용 초음파 장치는, 초음파 센서 및 상기 초음파 센서가 내측 단부에 장착되며 길이 방향으로 유도관이 형성되고 상기 초음파 센서의 반대측에는 상기 유도관과 연결되는 반사벽이 형성되는 센서 하우징을 포함하며, 상기 유도관의 내측면에는 상기 초음파 센서로부터 발생되는 초음파 신호의 직진성을 높이기 위하여 쐐기각이 형성된 쐐기 패턴이 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 쐐기 패턴의 상기 쐐기각은 상기 초음파 센서로부터 발생되는 상기 초음파 신호의 구동주파수에 따라 결정될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 쐐기 패턴은 상기 유도관의 길이 방향과 나란하도록 상기 유도관의 내측면에 규칙적으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 쐐기 패턴은 상기 유도관의 길이 방향에 대해 수직 방향을 갖도록 상기 유도관의 내측면에 규칙적으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 쐐기 패턴은 상기 초음파 신호의 반사에 따른 신호의 중첩 또는 상쇄를 방지하기 위해 톱니 형상의 단면을 갖도록 마련될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 초음파 센서와 상기 반사벽까지의 거리는 10 내지 50 cm이며, 상기 초음파 센서로부터 발생되는 초음파 신호의 구동주파수는 10 내지 50 kHz일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 초음파 센서로부터의 초음파 송신 신호와 상기 측정 대상으로부터 반사되는 초음파 수신 신호의 중첩 발생을 방지하기 위해 상기 초음파 센서와 상기 반사벽까지의 거리 및 상기 반사벽 및 상기 측정 대상까지의 거리가 확보될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 반사벽은 상기 초음파 센서로부터의 초음파 신호를 수직으로 반사하도록 상기 유도관의 길이 방향에 대해 45도 경사지게 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유도관이 초음파 센서로부터의 초음파 송신 신호 및 측정 대상으로부터 반사되는 초음파 수신 신호의 중첩 발생을 방지하는 구조를 가짐으로써 근접한 위치에 있는 측정 대상까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 유도관의 내면에 쐐기각이 형성된 쐐기 패턴이 마련되어 초음파 신호의 반사에 따른 신호의 중첩 또는 상쇄 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정용 초음파 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 초음파 센서로부터의 초음파 송신 신호와 수신 신호의 중첩 방지를 위한 유도관의 거리 확보를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 초음파 장치의 유도관의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 유도관을 길이 방향으로 단면 처리한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 장치의 유도관의 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 유도관을 길이 방향으로 단면 처리한 사시도이다.
본 발명의 이점 및/또는 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 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 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 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정용 초음파 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 초음파 센서로부터의 초음파 송신 신호와 수신 신호의 중첩 방지를 위한 유도관의 거리 확보를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 초음파 장치의 유도관의 사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 유도관을 길이 방향으로 단면 처리한 사시도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정용 초음파 장치(100)는, 종래의 초음파 장치가 측정하기 어려웠던 초근접 거리까지 측정할 수 있는 장치로서, 초음파 센서(120)와, 초음파 센서(120)가 내측 단부에 장착되며 길이 방향으로 유도관(111)이 형성되고 초음파 센서(120)의 반대측에는 유도관(111)과 연결되는 반사벽(115)이 구비되는 센서 하우징(110)을 포함할 수 있다.
여기서, 유도관(111)의 내측면에는 초음파 센서(120)로부터 발생되는 초음파 신호의 직진성을 높이기 위하여 쐐기각(
Figure 112019007870253-pat00001
)이 형성될 수 있다.
이러한 구성에 의해서, 초음파 센서(120)로부터 발생되는 초음파 송신 신호와, 측정 대상(101)으로부터 반사되어 돌아오는 초음파 수신 신호가 중첩되는 것을 방지할 수 있어 근접 거리까지도 정확하게 측정할 수 있다.
각각의 구성에 대해서 설명하면, 초음파 센서(120)는 초음파 송신 신호를 측정 대상(101)으로 방사하고 측정 대상(101)의 표면에서 반사되는 초음파 수신 신호를 감지하여 초음파 송신 신호가 출력된 후 초음파 수신 신호가 감지되기까지 소요된 시간을 산출할 수 있다. 아울러, 소요 시간과 초음파 신호의 속도를 곱하여 총 진행거리를 산출할 수 있다.
도 1을 참고하면, 초음파 센서(120)와 반사벽(115)까지의 수평 거리(α)와, 반사벽(115)과 측정 대상(101)까지의 표면까지의 거리(β)를 고려하여 측정하고자 하는 측정 대상(101)까지의 거리를 측정할 수 있다.
그런데, 전술한 것처럼, 종래의 경우 초음파 센서로부터 발생되는 여진 신호가 있어서 이 여진 신호에 의한 측정의 정확성이 저하될 수 있으며, 따라서 여진 신호 발생을 고려해주어야 한다.
도 2를 참고하면, 본 실시예의 경우 센서 하우징(110)의 유도관(111)에 의한 전파 거리 확보로 인해 초음파 송신 신호(a)와 송신 신호의 여진 신호(b)가 초음파 수신 신호(d)와 상호 겹쳐지는 것을 방지할 수 있다. 즉, 유도관(111)의 전파 거리(c) 확보로 인해, 초음파 송신 신호(a)가 발생되고 이어서 여진 신호(b)가 발생되고, 어느 정도의 시간 간격 후 초음파 수신 신호(d)가 발생되는 것이다.
그래서, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 장치(100)의 유도관(111)은 여진 신호를 고려한 형상 및 구조를 가진다. 즉, 도 1, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 초음파 센서(120)로부터의 초음파 송신 신호와 측정 대상(101)으로부터 반사되는 반사 신호의 중첩 발생을 방지하기 위해 유도관(111)의 길이가 결정될 수 있는 것이다.
본 실시예의 유도관(111)의 길이, 즉 초음파 센서(120)와 반사벽(115)까지의 거리는 10 내지 50 cm일 수 있는데, 바람직하게는 30 cm일 수 있다. 그리고, 유도관(111)의 길이를 초음파 센서(120)로부터 발생되는 초음파 송신 신호의 구동주파수로 설정할 수 있는데, 상기 유도관(111)의 길이 범위에 따른 구동주파수는 예를 들면 10 내지 50 kHz일 수 있으며, 유도관(111)의 길이가 30 cm인 경우 구동주파수는 30 kHz일 수 있다.
이러한 유도관(111)의 구조 및 초음파 센서(120)의 구동주파수에 의해, 전술한 것처럼, 초음파 센서(120)로부터 발생되는 초음파 송신 신호와 측정 대상(101)으로부터 발생되는 초음파 수신 신호가 중첩되는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 측정 대상(101)까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 본 실시예의 유도관(111)에 연결된 반사벽(115)은 유도관(111)의 길이 방향에 대해 45도 경사지게 배치되며, 따라서 초음파 센서(120)로부터의 초음파 송신 신호를 수직으로 반사시킬 수 있으며, 측정 대상(101)으로부터 반사된 초음파 수신 신호 역시 반사벽(115)에 반사되어 초음파 센서(120)로 정확하게 도달될 수 있다.
다만, 반사벽(115)의 배치 구조는 이에 한정되는 것은 아니며, 반사벽(115)의 경사 각도를 조절하여 초음파 신호의 진행 방향 등을 조절할 수 있음은 당연하다.
이러한 반사벽(115)은 음파를 반사하는 소재로서 음향 임피던스가 공기의 음향 임피던스보다 큰 것으로 마련될 수 있다. 예를 들면, 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금 재질로 마련될 수 있다. 또한 반사벽(115)의 표면은 거울처럼 매끄러운 것이 바람직하며, 이를 위해 경면 처리가 이루어질 수 있다.
한편, 전술한 것처럼, 종래의 초음파 장치의 경우 유도관의 내면이 매끄러워 유도관의 내면에서 초음파 신호의 반사가 발생되고 따라서 반사된 초음파 신호들이 중첩 또는 상쇄되어 초음파의 지향 특성, 즉 직진성에 나쁜 영향을 미칠 수 있었다.
따라서, 본 실시예의 유도관(111)의 내측면에는, 도 1 및 도 3 그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 소정의 쐐기각(
Figure 112019007870253-pat00002
)으로 형성된 쐐기 패턴(113)이 형성될 수 있다. 즉, 톱니 형상의 쐐기 패턴(113)이 형성됨으로써 유도관(111)의 내측면에서 초음파 신호의 반사에 따른 신호의 중첩 또는 상쇄가 발생되는 것을 방지할 수 있는 것이다.
삭제
도 4를 참조하면, 본 실시예의 유도관(111)의 쐐기 패턴(113)은 유도관(111)의 길이 방향과 나란하도록 유도관(111)의 내측면에 규칙적으로 형성될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 것처럼 단면 처리하는 경우, 쐐기 패턴(113)은 전체적으로 톱니 형상을 가질 수 있으며, 이러한 형상에 의해서 유도관(111) 전 영역에서 초음파의 반사에 따른 신호의 중첩 또는 상쇄 현상을 방지할 수 있는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유도관(111)이 초음파 센서(120)로부터의 초음파 송신 신호 및 측정 대상(101)으로부터 반사되는 초음파 수신 신호의 중첩 발생을 방지하는 구조를 가짐으로써 근접한 위치에 있는 측정 대상(101)까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
아울러, 유도관(111)의 내면에 쐐기각(
Figure 112019007870253-pat00005
)이 형성된 쐐기 패턴이 마련되어 초음파 신호의 반사에 따른 신호의 중첩 또는 상쇄 현상을 방지할 수 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 측정용 초음파 장치(100)에 대해서 설명하되 전술한 일 실시예의 초음파 장치와 실질적으로 대응되는 구성에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 장치의 유도관의 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 유도관을 길이 방향으로 단면 처리한 사시도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 장치의 유도관(211)에 형성된 쐐기 패턴(213)은, 전술한 일 실시예의 쐐기 패턴(113, 도 1 참조)과는 달리, 유도관(211)의 길이 방향에 수직 방향을 갖도록 유도관(211)의 내측면에 규칙적으로 형성될 수 있다.
즉, 유도관(211)의 길이 방향에 대해 수직 방향으로 유도관(211)을 단면 처리하는 경우, 톱니 형상의 쐐기 패턴(213)이 형성되어 있음을 알 수 있다. 이러한 쐐기 패턴(213) 역시 유도관(211)의 내측면에서 초음파 신호의 반사에 따른 신호의 중첩 또는 상쇄가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
따라서 초음파 센서로부터 발생된 초음파 송신 신호가 측정 대상에 정확하게 송신되고 또 측정 대상으로부터 초음파 수신 신호가 초음파 센서에 정확히 도달됨으로써 초근접 영역에 이르기까지 거리 측정을 정확하게 수행할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 거리 측정용 초음파 장치
101: 측정 대상
110: 센서 하우징
111: 유도관
113: 쐐기 패턴
115: 반사벽
120: 초음파 센서

Claims (8)

  1. 초음파 센서; 및
    상기 초음파 센서가 내측 단부에 장착되며 길이 방향으로 유도관이 형성되고 상기 초음파 센서의 반대측에는 상기 유도관과 연결되는 반사벽이 형성되는 센서 하우징;
    을 포함하며,
    상기 유도관의 내측면에는 상기 초음파 센서로부터 발생되는 초음파 신호의 직진성을 높이기 위하여 쐐기각이 형성된 쐐기 패턴이 구비되고,
    상기 반사벽은 상기 초음파 센서로부터의 초음파 신호를 수직으로 반사하도록 상기 유도관의 길이 방향에 대해 45도 경사지게 배치되되, 초음파 신호의 진행 방향을 조절하도록 상기 반사벽의 경사 각도는 조절 가능한 것을 특징으로 하는 거리 측정용 초음파 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 쐐기 패턴은 상기 유도관의 길이 방향과 나란하도록 상기 유도관의 내측면에 규칙적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 거리 측정용 초음파 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 쐐기 패턴은 상기 유도관의 길이 방향에 대해 수직 방향을 갖도록 상기 유도관의 내측면에 규칙적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 거리 측정용 초음파 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 쐐기 패턴은 상기 초음파 신호의 반사에 따른 신호의 중첩 또는 상쇄를 방지하기 위해 톱니 형상의 단면을 갖도록 마련되는 것을 특징으로 하는 거리 측정용 초음파 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 센서와 상기 반사벽까지의 거리는 10 내지 50 cm이며, 상기 초음파 센서로부터 발생되는 초음파 신호의 구동주파수는 10 내지 50 kHz인 것을 특징으로 하는 거리 측정용 초음파 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 센서로부터의 초음파 송신 신호와 측정 대상으로부터 반사되는 초음파 수신 신호의 중첩 발생을 방지하기 위해 상기 초음파 센서와 상기 반사벽까지의 거리 및 상기 반사벽 및 상기 측정 대상까지의 거리가 확보되는 것을 특징으로 하는 거리 측정용 초음파 장치.
  8. 삭제
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