KR20100048055A - 압전 초음파 트랜스듀서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 후면 감시 및 산업체 자동화 라인의 이동하는 물체 감지, 액체 탱크의 레벨 감지 등의 목적으로 사용할 수 있는 압전 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로, 본 발명에 따른 압전 초음파 트랜스듀서는,

전면부가 개방된 케이스; 상기 케이스의 전면부에 형성된 전면층; 상기 전면층 위에 형성되며, 상기 케이스의 내주면과 격리된 압전소자; 및, 상기 압전소자의 측면과 상기 케이스의 내주면 사이에 형성된 측면 감쇠층을 포함한다.

압전소자, 트랜스듀서

Description

압전 초음파 트랜스듀서{ultrasonic piezoelectric transducers}

본 발명은 물체의 유무 및 레벨을 측정하는 압전 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로 자동차의 후면 감시 및 산업체 자동화 라인의 이동하는 물체 감지, 액체 탱크의 레벨 감지 등의 목적으로 사용 가능한 압전 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.

산업체의 자동화된 공정라인에 물체가 이송되는 지 유무를 확인하기 위하여, 또는 수위 및 산업용 탱크 속의 액체 레벨을 측정하기 위해, 또는 자동차 후미의 사람 혹은 위험물을 측정하여 사고를 사전에 방지하기 위해 압전 초음파 트랜스듀서를 사용한다.

여기에 사용하는 종래의 압전 초음파 트랜스듀서는 일반적으로 도1에 나타낸 바와 같이 케이스(10), 압전소자(20), 전면층(31, 32), 후면 감쇠층(40)으로 구성되어 있다. 특히 고출력의 초음파 특성을 필요로 하는 경우에는 케이스(10), 압전소자(20), 전면층(31, 32)으로만 구성하여 사용하기도 한다.

종래 기술에 따른 트랜스듀서의 압전소자(20)에 고전압을 인가하게 되면, 압전소자로부터 발생한 초음파가 전면층을 통해 방출된다. 그 후, 감지하고자 하는 물체에서 반사되어 다시 압전소자로 되돌아와 전압 등 전기적인 신호를 발생해 물체 위치 및 유무를 판별하게 된다. 그러나, 고전압의 입력 전기신호를 입력하게 되면, 전면층으로 방출된 초음파의 진행면과 반대 방향 또는 다른 진행면을 가지는 초음파에 의한 잔향이 발생하고, 이 잔향이 되돌아 오는 신호와 겹쳐져서 수신 신호를 판별할 수 없는 경우가 일어난다. 또한, 이러한 입력신호의 잔향을 방지하기 위해 후면 감쇠층(40)을 삽입한 트랜스듀서를 사용하게 되면, 발생되는 초음파신호가 약해져 물체를 감지할 수 있는 수신거리가 급격하게 감소하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 입력신호에 의한 잔향 시간을 줄여서 근거리에 있는 물체를 측정할 수 있으면서도 초음파 발생신호의 감소를 최소화하여 원거리의 물체도 측정할 수 있는 압전 초음파 트랜스듀서를 제공한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 초음파 트랜스듀서는,

전면부가 개방된 케이스; 상기 케이스의 전면부에 형성된 전면층; 상기 전면층 위에 형성되며, 상기 케이스의 내주면과 격리된 압전소자; 및, 상기 압전소자의 측면과 상기 케이스의 내주면 사이에 형성된 측면 감쇠층을 포함한다.

상기 측면 감쇠층은 상기 압전소자의 측면과 상기 케이스의 내주면 사이에 억지끼움 방식으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 전면층은, 상기 케이스의 전면부 내주면에 형성된 제1 전면층과 상기 케이스의 전면부에 형성되며, 상기 제1 전면층과 인접하는 제2 전면층을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 압전소자는 상기 제1 전면층 위에 형성되며, 상기 케이스의 내주면과 격리된다.

상기 측면 감쇠층은 고무 계열 물질, 실리콘 고무 계열 물질 또는 이의 복합체로써, 경도(shore A)가 10 ~ 80 HS인 것이 바람직하다.

상기 측면 감쇠층은 단면이 원형 또는 다각형인 링 형상으로 형성되거나, 또는, 상기 측면 감쇠층은 상기 압전소자의 측면과 상기 케이스 내주면 사이에 다수개의 공간이 형성된 링으로 형성될 수도 있다.

상기 측면 감쇠층의 두께가 T이고, 상기 압전소자와 상기 케이스의 내주면 사이의 거리가 G일 때, 상기 G는 1.0T < G ≤ 2.0T 를 만족하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 압전 초음파 트랜스듀서에 의하면, 입력신호에 의한 잔향 시간을 줄일 수 있게 되어 근거리에 있는 물체를 감지하여 측정할 수 있고, 초음파 발생신호의 감소를 최소화하여 원거리에 있는 물체도 감지하여 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 압전 초음파 트랜스듀서를 이용하면 자동화된 공정 라인의 이송 물체 유무, 수위 및 산업용 탱크 속의 액체 레벨, 자동차 후미의 위험물 등을 보다 효율적으로 감지할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.

도1은 종래 기술에 따른 압전 초음파 트랜스듀서의 단면을 도시한 측단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서의 단면을 도시한 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서를 위에서 바라본 단면을 도시한 평단면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서를 위에서 바라본 단면을 도시한 평단면도이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서를 위에서 바라본 단면을 도시한 평단면도이고, 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서에 사용되는 측면 감쇠층의 단면을 도시한 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서는, 케이스(100), 압전소자(200), 전면층(300), 측면 감쇠층(400)을 포함한다.

전면부가 개방된 케이스(100)에 전면층(300)이 형성된다. 바람직하게는, 상기 전면층(300)은 상기 케이스의 전면부 내주면에 형성된 제1 전면층(310)과 상기 케이스의 전면부에 형성되며 상기 제1 전면층과 인접하는 제2 전면층(320)을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제1 전면층과 제2 전면층의 재료, 두께는 사용하는 주파수에 따라 결정된다.

소정의 물질에 압력을 가하면 전압이 발생되고, 반대로 전압을 가하면 압력 이 발생되는 효과를 압전효과(Piezoelectricity)라 하며, 여러 물질 중에 압전효과가 생기는 물질을 압전소자라 한다. 상기 압전소자(200)는 상기 전면층(300) 위에 형성되며, 상기 케이스(100)의 내주면과 격리된다. 상기 전면층(300)이 제1 전면층(310)과 제2 전면층(320)으로 구성되는 경우, 상기 압전소자(200)는 상기 제1 전면층 위에 형성되며, 상기 케이스의 내주면과 격리된다.

상기 측면 감쇠층(400)은 상기 압전소자(200)의 측면과 상기 케이스(100)의 내주면 사이에 형성된다. 상기 측면 감쇠층은 고무 계열의 물질, 실리콘 고무 계열 물질 또는 이의 복합체로써, 경도(shore A)가 10 ~ 80 HS 인 것(이하, '고무 계열의 물질'이라 한다.)이 바람직하다. 여기서, 쇼아 경도(shore A)는 시험 시편의 표면 위에 끝이 다이아몬드로 되어 있는 추( 3g)를 낙하시킨 후, 그것이 반발되는 높이로서 경도를 정하는 반발식으로, 반발 높이는 시험기의 다이알 게이지(dial gauge)로 읽는다. 또 경도는 여러 번 연속하여 측정한 값의 평균치를 가지고 측정값으로 하며, 그 단위는 HS이다.

이와 같이, 본 발명에서는 상기 측면 감쇠층(400)을 신축성 있는 고무 계열의 물질로 형성함으로써 압전 세라믹스 분말, 알루미나 분말, 텅스텐 분말 등이 분산된 고분자 재료를 사용하는 종래의 후면 감쇠층(40) 제조 공정에 비해 그 제조 공정을 간소화할 수 있고, 제조 공정 중 음향 임피던스 등의 물성 제어를 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다.

상기 측면 감쇠층(400)은 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 단면이 원형 또는 다각형인 링 형상(430)으로 형성되거나, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상 기 압전소자(200)의 측면과 상기 케이스(100)의 내주면 사이에 다수개의 공간이 형성된 링으로 형성될 수도 있다.(도면부호 440, 450)

또한, 상기 측면 감쇠층의 단면 폭이 T이고, 상기 압전소자의 측면과 상기 케이스의 내주면 사이의 거리를 G라고 할 때, 상기 G는 1.0T < G ≤ 2.0T 를 만족하는 것이 바람직하다.

즉, 압전소자의 측면과 케이스 내주면 사이에 삽입될 측면 감쇠층의 폭(T)이 삽입될 공간보다 더 크도록 설계되는데, 이는 측면 감쇠층으로 사용되는 재료가 신축성 있는 고무 계열의 물질이기 때문에, '억지끼움' 방식으로 삽입할 수 있어서 별도의 부품없이도 압전 소자의 측면과 케이스 사이에 단단히 부착될 수 있도록 하기 위함이다.

상기 압전소자(200) 측면과 상기 케이스(100)의 내주면 사이에 사각형(도 5의 410) 혹은 원형(도 5의 420) 단면을 가진 측면 감쇠층(400)을 삽입하고, 압전소자(200)의 한 면에서는 ＋출력을 인출하고, 반대면에서는 ―출력을 인출하여 트랜스듀서의 입력 혹은 출력신호 회로단과 연결하여 구성된다.

종래의 압전 초음파 트랜스듀서의 경우, 후면 감쇠층(40)를 사용하지 않거나 사용한 경우로 나누어 구성되어 사용되어 왔다. 도 1에 도시된 바와 같이, 후면 감쇠층(40)를 사용하면 입력신호의 잔향시간이 감소하지만 초음파 발생신호도 감소하여 수신할 수 있는 거리가 급격하게 감소한다. 반면 후면 감쇠층(40)를 사용하지 않을 경우, 초음파 발생신호의 강도는 양호하여 원거리의 물체 식별은 가능하지만 입력신호의 잔향시간이 너무 길어서 근거리의 물체 식별이 불가능하게 된다.

또한, 후면 감쇠층(40)은 고분자 재료에 압전 세라믹스 분말, 알루미나 분말, 텅스텐 분말 등을 분산시켜 제조한 감쇠층을 사용하고 있다. 그러나 이러한 종래의 후면 감쇠층(40)은 제조 중 두께에 따라 음향 임피던스 등 물성 제어가 어려워 압전 초음파 트랜스듀서의 잔향시간 감소를 위한 제어가 몹시 어려운 문제점을 안고 있다.

그러나, 본 발명에서는 고무 계열의 물질로 측면 감쇠층(400)을 형성하여 제조 공정이 간소화되며, 또한 제조 공정 중 물성 제어를 용이하게 할 수 있다. 그리고, 방출된 방향과 다른 방향으로 진행하는 파에 의해 발생하는 입력신호의 잔향이 측면 감쇠층에 의해 감소되어 근거리에 있는 물체를 감지하여 측정할 수 있고, 후면 감쇠층(40)을 사용하지 않은 트랜스듀서보다 양호한 초음파 발생신호를 발생시킬 수 있어서 원거리에 있는 물체도 감지하여 측정할 수 있게 된다. 따라서, 자동화된 공정라인의 이송 물체 유무, 수위 및 산업용 탱크 속의 액체 레벨, 자동차 후미의 위험물 등을 보다 효율적으로 감지할 수 있다.

비교 실험예

본 발명의 압전 초음파 트랜스듀서와 종래 기술을 사용한 압전 초음파 트랜스듀서를 제조하고, 입력신호의 잔향시간과 물체 감지거리를 비교 실험하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

스테인레스 금속으로 케이스(100)를 형성하고, 스테인레스 금속으로 구성된 제1 전면층(310) 및 폴리카보네이트로 구성된 제2 전면층(320)을 형성한 후, 그 위에 압전소자(200)을 형성하고, 그 측면에 실리콘 고무로 이루어진 측면 감쇠층(400)하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서를 제조하였다.

그리고, 상기 압전소자에 400V의 구형파 전압신호를 80msec 동안 인가하고, 입력신호에 의한 잔향신호 및 검지하고자 하는 물체에서 반사되는 수신파를 측정하여 검지 가능한 거리를 측정하였다.

[표 1]

	입력신호의 잔향시간(μs)	최소검출거리 (mm)	최대검출거리 (mm)	최대/최소 비
본 발명	480	55	240	4.36
종래 기술1	600	75	250	3.33
종래 기술2	450	50	200	4.00

상기 표에서 최소 및 최대 검출거리는 트랜스듀서의 전면층으로부터 검출된 물체까지의 거리 중 가장 작은 거리와 가장 먼 거리를 의미한다. 또한, 상기 표에서 최대 검출거리는 타겟 크기가 100mm × 0.5T 일 때이고, 종래 기술1은 후면 감쇠층(40)를 사용하지 않은 트랜스듀서이며, 종래 기술2는 후면 감쇠층(40)을 사용한 트랜스듀서이다.

잔향은 입력신호가 입력되는 때로부터 발생하고, 입력신호가 중단되는 경우, 일정 시간동안 지속되다가 소멸한다. 본 명세서에서 잔향시간이라 함은 입력신호가 중단된 이후에 잔향이 지속되는 시간을 의미한다.

검출거리(L)는 잔향시간에 대해 하기의 식(1)에 의해 계산된다.

식 (1) : L = 340 m/s × (잔향시간/2)

따라서, 잔향시간이 120μs 차이 나면 검출거리는 20.4mm 차이가 난다.

최대/최소 비는 최대 거리를 늘리기 위해 입력 신호의 크기를 조정하면 입력시간의 잔향시간도 길어지므로 센서의 성능을 표현하기 위해서 최대/최소 거리의 비율로 계산한 것이다. 따라서, 이 비율이 클수록 좋은 센서라 할 수 있다.

상기 [표 1]에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서는 후면 감쇠층을 사용하지 않는 종래기술(1)과 비교해 잔향시간이 650msec에서 450msec로 줄어들어 대폭적으로 개선되고, 대상 물체를 검출할 수 있는 최대 거리는 약 10mm 정도만 감소한 것을 확인할 수 있다.

상기 실험으로부터 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서는 감소된 잔향시간 및 양호한 초음파 발생신호를 보유하고 있어서 근거리 및 원거리의 물체를 검출할 수 있음을 확인할 수 있었다.

이상과 같이 본 발명에 따른 압전 초음파 트랜스듀서를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

도1은 종래 기술에 따른 압전 초음파 트랜스듀서의 단면을 도시한 측단면도이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서의 단면을 도시한 측단면도이고,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서를 위에서 바라본 단면을 도시한 평단면도이고,

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서를 위에서 바라본 단면을 도시한 평단면도이고,

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서를 위에서 바라본 단면을 도시한 평단면도이고,

도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서에 사용되는 측면 감쇠층의 단면을 도시한 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 케이스 200 : 압전소자

300 : 전면층

310 : 제1 전면층 320 : 제2 전면층

400 ~ 450 : 측면 감쇠층

Claims (6)

1. 전면부가 개방된 케이스;

   상기 케이스의 전면부에 형성된 전면층;

   상기 전면층 위에 형성되며, 상기 케이스의 내주면과 격리된 압전소자; 및,

   상기 압전소자의 측면과 상기 케이스의 내주면 사이에 형성된 측면 감쇠층

   을 포함하는 압전 초음파 트랜스듀서.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 측면 감쇠층은 상기 압전소자의 측면과 상기 케이스의 내주면 사이에 억지끼움 방식으로 형성된 압전 초음파 트랜스듀서.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 측면 감쇠층은 고무 계열 물질, 실리콘 고무 계열 물질 또는 이의 복합체로써, 경도(shore A)가 10 ~ 80 HS인 압전 초음파 트랜스듀서.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 측면 감쇠층은 단면이 원형 또는 다각형인 링 형상으로 형성된 압전 초음파 트랜스듀서.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 측면 감쇠층은 상기 압전소자의 측면과 상기 케이스 내주면 사이에 다수개의 공간이 형성된 링으로 형성된 압전 초음파 트랜스듀서.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 측면 감쇠층의 두께가 T이고, 상기 압전소자와 상기 케이스의 내주면 사이의 거리가 G일 때, 상기 G는 1.0T < G ≤ 2.0T 를 만족하는 압전 초음파 트랜스듀서.

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