KR20070071208A

KR20070071208A - Proximity distance ultrasonic sensor without proximity noise

Info

Publication number: KR20070071208A
Application number: KR1020050134469A
Authority: KR
Inventors: 안윤국
Original assignee: (주)하기소닉
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2007-07-04

Abstract

본 발명은 근접센서의 초음파 발생부와 초음파 수신부 간의 근거리 잡음을 제거하여 전방의 물체 유무 판단 시 오동작을 방지하게 한 초음파 근접센서 잡음제거 구조에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 센서 내부의 진동판 상단에 설치된 공진자의 형태를 기하학적인 모양으로 변화시킴으로서 초음파 빔의 사이드 로브를 줄여 이로 인해 근거리에서 센서 송신부와 수신부 간에 발생하는 근거리 음향 노이즈를 제거할 수 있다. 상기 초음파 송수신 분리형 센서의 기본 구조는 원형 또는 사각의 압전판 및 상기 압전판에 접착 고정된 원형 금속판을 포함하며, 상기 진동판의 상면에는 초음파 효율을 높이기 위해 공진자가 설치된다. 상기 진동판의 금속판과 압전판은 도전성 와이어를 통해 각각 출력 리드에 연결된다. 상기 진동판과 베이스는 실리콘으로 완전히 충전되며, 방호 스크린을 갖는 플라스틱 하우징은 상기 진동판에 접촉되지 않고 상기 진동판을 덮도록, 상기 베이스에 고정된다. The present invention relates to an ultrasonic proximity sensor noise canceling structure that prevents malfunction when determining whether there is an object in front by removing near noise between the ultrasonic generator and the ultrasonic receiver of the proximity sensor. More specifically, by changing the shape of the resonator installed on the top of the diaphragm inside the sensor into a geometric shape, it is possible to reduce the side lobe of the ultrasonic beam, thereby eliminating near-field acoustic noise generated between the sensor transmitter and the receiver at a short distance. The basic structure of the ultrasonic transmitting / receiving-type sensor includes a circular or square piezoelectric plate and a circular metal plate adhesively fixed to the piezoelectric plate, and a resonator is installed on an upper surface of the diaphragm to increase ultrasonic efficiency. The metal plate and the piezoelectric plate of the diaphragm are connected to the output lead through conductive wires, respectively. The diaphragm and base are completely filled with silicone, and a plastic housing having a protective screen is fixed to the base so as to cover the diaphragm without contacting the diaphragm.

Description

Proximity Ultrasonic Distance Sensor without Noise Signal at Near Field Zone}

도 1은 금속판과 압전세라믹의 굴곡 진동모드를 이용한 개방형 타입의 초음파 근접 거리 센서를 보인 단면도1 is a cross-sectional view showing an ultrasonic type proximity sensor of an open type using a bending vibration mode of a metal plate and piezoelectric ceramics.

도 2는 종래의 초음파 근접 거리 센서를 사용하여 물체 유무를 감지하는 상태를 나타내는 개략도Figure 2 is a schematic diagram showing a state of detecting the presence of the object using a conventional ultrasonic proximity distance sensor

도 3은 본 발명의 근접거리 잡음제거 구조의 초음파 근접센서를 사용하여 물체 유무를 감지하는 상태를 나타내는 개략도Figure 3 is a schematic diagram showing the state of detecting the presence of the object using the ultrasonic proximity sensor of the proximity distance noise canceling structure of the present invention.

도 4는 종래의 초음파 근접 거리 센서에 부착된 원추형 공진자 형상 구조를 보인 단면도4 is a cross-sectional view showing a conical resonator-shaped structure attached to a conventional ultrasonic proximity sensor

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 근접거리 잡음 제거 구조의 초음파 근접센서에 부착된 타원형 공진자 형상 구조를 보인 단면도 5 is a cross-sectional view illustrating an elliptical resonator shape structure attached to an ultrasonic proximity sensor of a proximity distance noise removing structure according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 6은 공진자 형상 구조에 따른 지향 특성 그래프 16 is a graph of directivity characteristics according to a resonator shape structure 1

도 7은 공진자 형상 구조에 따른 지향 특성 그래프 27 is a characteristic graph 2 according to the resonator shape structure

도 8은 종래의 원추형 공진자가 설치되었을 때 근거리 잡음 그래프8 is a near noise graph when a conventional conical resonator is installed

도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 타원형 공진자가 설치되었을 때 근거리 잡음 그래프9 is a near noise graph when an elliptical resonator is installed according to an exemplary embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10: 송신 센서 20: 수신센서10: transmitting sensor 20: receiving sensor

21: 원형 금속판 22: 압전세라믹 23: 유니모르프형 진동판21: circular metal plate 22: piezoceramic 23: unimorphic diaphragm

30: 콘형 공진자 40 : 음향공간 50: 도전성 와이어 60: 베이스 30: cone-shaped resonator 40: acoustic space 50: conductive wire 60: base

70: 출력리드 80: 음향 방출 개구 90: 하우징 100: 음향적 간섭 효과70: output lead 80: acoustic emission opening 90: housing 100: acoustic interference effect

본 발명은 전방의 물체 유무 판단 등 자동화 라인 및 거리계에 사용되는 개방형 타입의 압전형 초음파 근접거리 센서에 관한 것으로, 송신 및 수신센서 내부의 공진자 형태를 타원형 구조로 설치함으로써 송신부와 수신부 간의 근거리 음향 노이즈를 제거한 근접거리 초음파 센서 잡음제거 구조에 관한 것이다.The present invention relates to an open type piezoelectric ultrasonic proximity sensor used in an automated line and a distance meter, such as determining the presence of an object in front of the object. The present invention relates to a noise elimination structure of a near-field ultrasonic sensor that removes noise.

일반적으로 이러한 종류의 초음파 근접거리 센서는 도 1에 도시한 바와 같이 송신센서(10)와 수신센서(20)가 인접해 있으며, 각각의 센서는 원형의 금속판(21)과 전극들이 형성되며 상기 전극들 중의 한 전극이 상기 금속판에 접착되는 압전 세라믹판(22)을 갖는 유니모르프형 진동판(23)을 포함하고, 이것에 콘형 공진자(30)가 배설되어 있다. 상기 진동판(23)은 실리콘 등을 사용하여 베이스(60)에 접착되는 한 편, 음향 방출 개구(80)를 갖는 하우징(90)이 덮인다.In general, this type of ultrasonic proximity sensor is adjacent to the transmitting sensor 10 and the receiving sensor 20, as shown in Figure 1, each sensor is formed of a circular metal plate 21 and the electrodes are formed One of these electrodes includes a unimorphic diaphragm 23 having a piezoelectric ceramic plate 22 bonded to the metal plate, and a cone resonator 30 is disposed therein. The diaphragm 23 is adhered to the base 60 using silicon or the like, and is covered with a housing 90 having an acoustic emission opening 80.

종래의 개방형 압전형 초음파 근접거리 센서의 경우 도 2에 도식한 바와 같이 초음파 송신센서와 수신 센서 사이의 근거리 음향적 간섭 효과(100)로 인해 초음파 거리 계측 및 물체 유무 인식 시스템의 구성에 있어서 초기 잡음 신호가 커지게 되어 5~500mm 이내의 짧은 거리에서 정확한 물체의 검출이 어렵게 된다. 송신센서와 수신 센서 사이의 거리를 떨어뜨리는 것도 방법일 수 있으나 상당한 거리를 떨어뜨려야 음향적 간섭 효과를 줄일 수 있으며, 초음파 송/수신 감도도 떨어지게 된다. 또한, 근접센서의 전체적인 크기가 커지게 되어 좋은 방법이라 할 수 없다.In the case of the conventional open piezoelectric ultrasonic proximity distance sensor as shown in FIG. 2, the initial noise in the configuration of the ultrasonic distance measurement and object presence system due to the near acoustic interference effect 100 between the ultrasonic transmitter and the receiver sensor is shown. The signal becomes large, making it difficult to detect an accurate object within a short distance of 5 to 500 mm. The distance between the transmitting sensor and the receiving sensor may be a method, but a considerable distance should be reduced to reduce the effect of acoustic interference, and the ultrasonic transmission / reception sensitivity is also reduced. In addition, the overall size of the proximity sensor increases, which is not a good way.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 본 발명은, 도 3과 같이 송/수신센서 사이의 간격을 떨어뜨리지 않고, 초음파 송/수신 효율을 유지하면서 근접거리 음향적 간섭효과(100)를 줄이는 근접거리 초음파 센서 잡음제거 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention, without reducing the distance between the transmission / reception sensor as shown in Figure 3, while maintaining the ultrasonic transmission / reception efficiency near distance ultrasound to reduce the near-field acoustic interference effect (100) The object is to provide a sensor noise canceling structure.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유니모르프형 진동판의 상단에 접착 고정된 공진자의 형태를 기존 원추형 형태에서 타원형 형태로 설치한 것을 특징으로 한다. 상기 공진자는 아크릴 또는 알루미늄 박막에 실리콘을 내장한 것을 사용한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that the shape of the resonator adhesively fixed to the upper end of the unimorphic diaphragm is installed in an elliptical form from the existing conical form. The resonator is characterized by using a silicon embedded in an acrylic or aluminum thin film.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 초음파 근접거리 송/수신 센서는 원형의 금속판(21)과, 상면 및 하면에 전극이 형성되며 상기 전극들 중의 적어도 한 전극이 원형의 금속판에 접착되는 원형 또는 사각의 압전세라믹판(22)을 갖는 유니모르프형 진동판(23); 상기 금속판의 상면에 부착되고 초음파의 효율을 향상시키며 송/수신간의 근접거리 음향 간섭을 줄이기 위한 타원형 공진자(30); 상기 진동판을 지지하고 제동 홀(damping hole)을 갖는 베이스(60); 상기 금속판과 상기 압전판에 도전성 와이어(50)를 통해 연결되는 출력리드(70); 상기 진동판(23) 및 공진자(30)에 접촉되지 않고 덮도록 베이스(60)에 접착 고정되는 음향 방출 스크린(80)을 갖는 하우징(90);을 포함하는 잡음제거 구조로서, 상기 진동판은, 상기 금속판과 상기 압전판에 형성된 전극 사이에 소정의 전기 신호가 인가되는 경우, 길이 방향 벤딩 모드로 진동한다. 이때, 진동판의 상단에 부착된 타원형 공진자는 기존 원추형 공진자와 달리 초음파의 사이드 로브(Side Lobe)의 음압을 감소 및 제거시킴으로서 근거리에서 송신센서부터 수신 센서로 넘어가는 음향적 간섭효과(100)를 방지할 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the ultrasonic proximity distance transmission / reception sensor includes a circular metal plate 21 and a round 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 23 having a piezoceramic ceramic plate 22; An elliptical resonator (30) attached to an upper surface of the metal plate to improve ultrasonic efficiency and reduce near-field acoustic interference between transmission and reception; A base 60 supporting the diaphragm and having a damping hole; An output lead 70 connected to the metal plate and the piezoelectric plate through a conductive wire 50; And a housing (90) having an acoustic emission screen (80) adhesively fixed to the base (60) so as not to contact the diaphragm (23) and the resonator (30). When a predetermined electrical signal is applied between the metal plate and the electrode formed on the piezoelectric plate, the vibration vibrates in the longitudinal bending mode. At this time, the elliptical resonator attached to the upper end of the diaphragm, unlike the conventional conical resonator, reduces and removes the sound pressure of the side lobe of the ultrasonic wave to reduce the acoustic interference effect 100 from the transmitting sensor to the receiving sensor at a short distance. You can prevent it.

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 4와 도 5는 기존 근접거리 센서의 진동판 상단에 설치된 공진자 형태인 원추형 공진자와 본 발명의 바람직한 형태인 타원형 공진자로서 근접거리센서 내부에 부착 되는 형태를 도식하였다. 도 6은 원추형 공진자와 타원형 공진자가 설치된 초음파 센서의 지향각을 비교한 것으로서 원추형 공진자가 설치된 초음파 센서에서는 사이드 로브의 음압이 상당히 크게 나타나며, 타원형 공진자가 설치된 센서에서는 사이드 로브(Side Lobe)가 거의 나타나지 않는 것을 보여준다. 도 7은 센서 내부의 진동판 상단에 설치된 타원형 공진자를 가로 및 세로로 배치했을 때의 지향각을 비교한 것으로서 가로로 배치했을 때 사이드 로브가 나타나지 않는 것을 보여준다. 도 8은 기존 원추형 공진자가 설치된 근접거리센서의 거리-진폭 신호 감도를 나타낸 것으로 에코(110) 대비 근거리 노이즈(120)가 상당히 큼을 알 수 있다. 도 9는 본 발명의 바람직한 형태인 진동판의 상단에 타원형 공진자가 가로로 배치된 잡음제거 구조의 초음파 근접거리센서로 송/수신 감도를 유지하면서 근거리 노이즈(120)가 크게 감소되었다.4 and 5 illustrate a conical resonator, which is a resonator type installed on an upper side of a diaphragm of an existing proximity sensor, and an elliptical resonator, which is a preferred embodiment of the present invention, attached to the inside of the proximity sensor. 6 is a comparison of the direction angles of an ultrasonic sensor with a conical resonator and an elliptical resonator. In an ultrasonic sensor with a conical resonator, the sound pressure of the side lobes is considerably greater. Show that it does not appear. FIG. 7 shows a comparison of the direction angles when the elliptical resonators installed on the top of the diaphragm inside the sensor are arranged horizontally and vertically, and shows that side lobes do not appear when placed horizontally. FIG. 8 shows the sensitivity of the distance-amplification signal of the proximity sensor in which the conventional conical resonator is installed, and it can be seen that the near noise 120 is considerably larger than the echo 110. Figure 9 is a near noise 120 is significantly reduced while maintaining the transmission / reception sensitivity to the ultrasonic proximity distance sensor of the noise canceling structure in which the elliptical resonator is arranged horizontally on the top of the diaphragm which is a preferred form of the present invention.

이상과 같이, 본 발명은 근접 거리 및 전방의 물체 유무 판단 시 초음파 송신센서와 수신센서 간의 근접거리 음향 노이즈를 내부 공진자의 구조적인 형태를 통해 제거함으로써 보다 정확하고 신뢰성 있는 측정이 가능하게 되어 투명/컬러 유리판 등 기존 LED/IR 센서로 측정이 불가능했던 LCD판넬 등이 검출 가능하여 시장 대체 효과가 있을 것으로 기대된다.As described above, the present invention removes the acoustic noise between the ultrasonic transmitting sensor and the receiving sensor through the structural form of the internal resonator when determining the proximity distance and the presence of an object in front of the object, thereby enabling more accurate and reliable measurement. The LCD panel, which could not be measured by the existing LED / IR sensors such as colored glass, can be detected, and it is expected to have a market replacement effect.

Claims

An open piezoelectric ultrasonic distance in which a circular metal plate and electrodes are formed and a unimorphic diaphragm having circular and square piezoelectric ceramic plates to which one of the electrodes is bonded to the metal plate, with an elliptical resonator disposed. sensor.

The near-field ultrasonic sensor of claim 1, wherein the elliptical resonator is formed of acryl or aluminum thin film filled with silicon.

The elliptical resonator of claim 2 may be used with other materials.