LCDGlass 감지용초음파근접센서의최적 … · 잔향시간 600㎲ 이하이하 550㎲ 목표달성 센서의송수신파형/ - 송수신파형 재질및형상변화에 따른분석결과

감지용 초음파 근접센서의 최적감지용 초음파 근접센서의 최적감지용 초음파 근접센서의 최적감지용 초음파 근접센서의 최적LCD GlassLCD GlassLCD GlassLCD Glass

설계를 통한 검출거리특성 향상 기술지원설계를 통한 검출거리특성 향상 기술지원설계를 통한 검출거리특성 향상 기술지원설계를 통한 검출거리특성 향상 기술지원

2008. 11.2008. 11.2008. 11.2008. 11.

요업기술원요업기술원요업기술원요업기술원

주 동일기연주 동일기연주 동일기연주 동일기연( )( )( )( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 감지용 초음파 근접센서의 최적 설계를 통한 검출거리특성“LCD Glass

향상에 관한 기술지원 지원기간 과제의 기술지원성과보고”( : 2007. 11. ~2008. 10.)

서로 제출합니다.

2008. 10. 30.2008. 10. 30.2008. 10. 30.2008. 10. 30.

지원기관 요업 세라믹 기술원지원기관 요업 세라믹 기술원지원기관 요업 세라믹 기술원지원기관 요업 세라믹 기술원: ( ): ( ): ( ): ( )

원장 김 경 희원장 김 경 희원장 김 경 희원장 김 경 희( )( )( )( )

참여기업 주 동일기연참여기업 주 동일기연참여기업 주 동일기연참여기업 주 동일기연: ( ): ( ): ( ): ( )

대표자 손동준 김인호대표자 손동준 김인호대표자 손동준 김인호대표자 손동준 김인호( ) ,( ) ,( ) ,( ) ,

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 임 종 인임 종 인임 종 인임 종 인::::

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 현 상 일 신 호 용현 상 일 신 호 용현 상 일 신 호 용현 상 일 신 호 용: ,: ,: ,: ,

〃〃〃〃 육 영 진육 영 진육 영 진육 영 진::::

기술책임자기술책임자기술책임자기술책임자 김 영 민김 영 민김 영 민김 영 민::::

참여기업참여기업참여기업참여기업 최 문 호 윤 주 훈최 문 호 윤 주 훈최 문 호 윤 주 훈최 문 호 윤 주 훈: ,: ,: ,: ,

〃〃〃〃 김 정 필 권 정 기김 정 필 권 정 기김 정 필 권 정 기김 정 필 권 정 기: ,: ,: ,: ,

- 3 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

과제고유번호 GMS07098 연구기간 2007. 11. 01. ~ 2008. 10. 31.

연구사업명 부품소재전문기업기술지원사업

지원과제명감지용 초음파 근접센서의 최적 설계를 통한 검출거리특성LCD Glass

향상 기술지원

지원책임자 임 종 인 지원연구원수

총 명: 4

내부 명: 2

외부 명: 2

총

사업비

정부:

기업:

계:

천원96,000

천원85,000

천원192,000

지원기관명 요업기술원 소속부서명 시뮬레이션센터

참여기업 기업명 주 동일기연: ( ) 기술책임자 김영민:

요약 연구결과를 중심으로 개조식 자 이내( 500 )보고서

면수148

본 기술지원사업에 최종 연구목표는 압전 초음파센서의 잔향특성 개선 및 검출거리 성

능의 향상을 통해 감지용 초음파 근접센서의 성능 향상을 도모하는 것이다LCD glass .

이를 위하여 센서 구성부품 재질 및 내부 구조에 대한 분석을 실시하고 초음파센서에,

사용되는 다양한 압전소자 및 정합층의 두께에 따라 송 수신 신호를 분석한 결과 파장/ ,

의 배로 정합층을 형성시키는 것이 센서의 출력에 향상에 효율적인 것으로 분석되었1/4

다 또한 다양한 압전소자의 직경 및 가진 주파수에 따라 발생한 초음파 빔패턴을 분석.

한 결과 빔의 강도 및 초점거리 등이 많이 변경되므로 제작시 이에 대한 사전 분석이,

필요하다 그리고 센서 구성부품 형상 및 내부 구조 음향매질 등에 따라서도 초음파의. ,

지향성이 많이 영향을 받는 것으로 분석되었다 특히 대상 센서의 경우 정합층의 두께. ,

및 감쇠층 유무에 따라 공기중에 지향각도는 약 부터 까지 변화하는 것으로 분22 12∓ ∓

석되었다 이상의 분석결과를 근거하여 센서의 구성부품 및 시제품을 제작하여 성능을.

평가한 결과 센서의 잔향시간이 이하로 감소하고 검출거리도 정도로 향, 550 , 300mm㎲

상되었음을 확인하였다.

본 기술지원사업을 통해 지원된 결과를 이용하여 참여기업에서는 다양한 거리를 검출할

수 있는 산업용 초음파센서의 시제품 제작 및 성능평가를 진행 중이고 향후 전문 초음,

파 센서 업체로의 성장이 기대된다.

색 인 어

각 개 이상( 5 )

한 글 공중초음파 센서 잔향시간 지향성 검출거리, , ,

영 어Air Ultrasonic sensor, Ringing time, directivity, sensing

distance

- 4 -

기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

공중 초음파센서의 구성재료에 대한 특성분석 및 최적 재질선정 최적형상 설계,

등을 통하여 센서의 잔향특성 감소 및 검출거리 성능의 향상을 통해 센서 성능

향상 기술지원

초음파센서 의 잔향시간 현 수준을- (400kHz) (Ringing time) : 600usec

이하로 개선550msec

센서의 최대 검출거리 현 에서 로 향상 검출 두께- : 210mm 300mm ( target :

경우0.5t )

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

센서 구성부품의 특성 및 전동모드 분석1.

센서의 송신 및 수신특성 분석2.

초음파센서의 빔 패턴 분석3.

초음파센서의 지향성분석4.

초음파센서의 시제품제작 및 검증5.

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

최대검출거리 210mm 300mm 목표달성

잔향시간 이하600㎲ 이하550㎲ 목표달성

센서의 송 수신 파형/ - 송수신 파형재질 및 형상변화에

따른 분석결과

센서의 빔패턴 및

지향성 data-

빔패턴 및 지향성

data

재질 및 형상변화에

따른 분석결과

※ 지원항목 번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별1. : 2

로 구분하여 기재

지원내용 지원항목별로 기술지원 상황을 비교하여 기재2. : 前後ㆍ

- 5 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 초음파 센서:○

모 델 명 : D21-series○

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 300mm/550㎲ 210mm/600㎲ 300mm/550㎲ 시장 요구품질 만족

경쟁제품 대비 가격 원100,000 /EA 원60,000 /EA 원4,000 /EA 특성 및 수율 향상

객관화 된 를 근거로 작성DATA※

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년100 / ( 25 %) 년 기준50k set/

인건비 절감 백만원 년150 / ( 25 %) 년 기준50k set/

계 백만원 년250 / ( 25 %)

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영※

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출 전년대비 증가비율 비고

내 수 백만원 년400 / 백만원 년2,000 / 500 %

수 출 천달러 년0 / 천달러 년1,500 / - %

계 백만원 년400 / 백만원 년4,250 / 1,062 %

참고) 적용제품 주요수출국 대만 일본1. : ,

작성당시 환율기준 원2. : $1 = 1,500

- 6 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

계 천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

제품 최적화를 통한 불량감소로 생산성 증가-

제품 품질향상을 통한 고부가가치 제품 제조 및 부품산업의 대외 경쟁력 강화-

유사 제품의 개발로 매출증대 및 해외 수출증대-

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

공중 초음파 센서의 설계 기술 확보 및 기 양산제품의 특성향상을 통해 다양한 분야에

초음파 센서를 응용할 수 있으리라 사료됨 특히 기존 마그네틱 센서 광학센서 등을. , ,

사용하고 있는 공장 자동화 라인에서 초음파 센서로의 대체를 이끌어 낼 수 있으리라

판단되며 제품 특성 향상 및 가격 경쟁력 확보시에는 수출 기대효과 및 수입대체효과가,

클 것으로 판단됨.

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) ,

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

- 7 -

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종 류 명칭 번호발명자고안자( )

권리자 실시권자비고

등록 출원( , )

특허압전 초음파트랜스듀서

10-2008010751

임종인,신호용,김영민,최문호

요업기술원 동일기연 출원

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건1 물성 정보 제공 및 관련 자료 제공

시제품제작 건7 구성부품 및 구조개선을 통한 잔향시간 개선

양산화개발 건0 -

공정개선 건0 -

품질향상 건0 -

시험분석 건31 시뮬레이션을 통한 최적 구조 설계

수출 및 해외바이어 발굴 건0 -

교육훈련 건3 시뮬레이션 사용교육 실시

기술마케팅 경영자문/ 건0 -

정책자금알선 건0 -

논문게재 및 학술발표 건0 -

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건32 시험분석 및 정보제공 사항

참여기업 방문회수 건49 업무협의

기 타 건1 -

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부※

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

본 기술지원사업의 최종 연구목표는 압전 초음파센서의 잔향특성 개선 및 검출거리 성

능의 향상을 통해 감지용 초음파 근접센서의 성능 향상을 도모하는 것이다LCD glass .

이를 위하여 센서 구성부품 재질 및 내부 구조에 대한 분석 초음파센서의 송 수신 신호, /

분석 구성부품의 형상 및 내부 구조 가진 주파수 외부 음향매질 등에 초음파의 빔 패, , ,

턴 및 지향성을 분석하여 기술 지원하였다 이상의 분석결과를 근거하여 센서의 구성부.

품 및 시제품을 제작하여 성능을 평가한 결과 센서의 잔향시간이 이하로 감소하, 550㎲

고 검출거리도 정도로 향상되었음을 확인하였다, 300mm .

본 기술지원사업을 통해 지원된 결과를 활용하여 참여기업에서는 다양한 거리를 검출

할 수 있는 산업용 초음파센서의 시제품 제작 및 성능평가를 진행 중이고 향후 전문 초,

음파센서 업체로의 성장이 기대된다.

- 8 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )□□□□

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1.1.1.1.

논문게재 성과□

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11)(12)

학술지명

(13)

Vol.

(No.)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자 교신 저자 공동저자

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2.2.2.2.

특허 성과□

출원된 특허의 경우○

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2008

압전 초음파

트랜스듀서(ultrasonic

piezoelectric

transducers)

임종인 신호용, ,

김영민 최문호,국내 10-2008010751

등록된 특허의 경우○

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록인

(12)

등록국

(13)

등록번호

- 9 -

사업화 현황□

사업화 세부사항

사업화(9)

명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11)(12)

기 매출액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액 합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수사업화

형태

고용창출 효과□

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

- 10 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용□□□□

참여기업 현장방문 건참여기업 현장방문 건참여기업 현장방문 건참여기업 현장방문 건1. : 491. : 491. : 491. : 49

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 년 월 일2007 12 03 임종인 업무협의: 有

2 년 월 일2007 12 03 육영진: kick-off meeting 有

3 년 월 일2008 01 10 임종인 업무협의: 有

4 년 월 일2008 02 12 임종인 업무협의: 有

5 년 월 일2008 02 26 육영진 측정관련협회: 有

6 년 월 일2008 02 25 육영진 지그제작관련협회: 有

7 년 월 일2008 02 25 현상일 지그제작관련협회: 有

8 년 월 일2008 03 06 육영진 물성측정관련 협회: 有

9 년 월 일2008 03 06 현상일 물성측정관련 협회: 有

10 년 월 일2008 03 11 임종인 분석결과협회: 有

11 년 월 일2008 03 11 육영진 분석결과 협회: 有

12 년 월 일2008 03 18 육영진 업무협의: 有

13 년 월 일2008 03 19 임종인 업무협의: 有

14 년 월 일2008 04 07 현상일 지그제작관련협회: 有

15 년 월 일2008 04 07 임종인 업무협의: 有

16 년 월 일2008 04 04 임종인 업무협의: 有

17 년 월 일2008 04 24 임종인 업무협의: 有

18 년 월 일2008 04 14 임종인 업무협의: 有

19 년 월 일2008 04 15 임종인 관련협의: 有

20 년 월 일2008 05 06 육영진 관련협회: 有

21 년 월 일2008 05 07 임종인 업무협의: 有

22 년 월 일2008 05 16 임종인 업무협의: 有

23 년 월 일2008 05 23 임종인 업무협의: 有

24 년 월 일2008 05 28 육영진 형상분석: 有

25 년 월 일2008 06 04 육영진 업무협의: 有

26 년 월 일2008 06 17 육영진 특성평가관련협의: 有

27 년 월 일2008 06 04 임종인 업무협의: 有

28 년 월 일2008 07 03 임종인 업무협의: 有

29 년 월 일2008 06 30 임종인 업무협의: 有

30 년 월 일2008 07 04 현상일 업무협의: 有

31 년 월 일2008 07 04 임종인 업무협의: 有

32 년 월 일2008 07 08 육영진 업무협의: 有

33 년 월 일2008 07 15 임종인 업무협의: 有

34 년 월 일2008 07 15 육영진 업무협의: 有

35 년 월 일2008 07 10 임종인 업무협의: 有

36 년 월 일2008 07 18 육영진 업무협의: 有

37 년 월 일2008 07 25 임종인 업무협의: 有

38 년 월 일2008 08 05 임종인 업무협의: 有

39 년 월 일2008 07 23 임종인 업무협의: 有

40 년 월 일2008 08 28 임종인 업무협의: 有

- 11 -

41 년 월 일2008 09 09 임종인 업무협의: 有

42 년 월 일2008 09 18 신호용 업무협의: 有

43 년 월 일2008 09 18 임종인 업무협의: 有

44 년 월 일2008 09 24 임종인 업무협의: 有

45 년 월 일2008 10 02 임종인 업무협의: 有

46 년 월 일2008 10 07 임종인 업무협의: 有

47 년 월 일2008 10 20 임종인 업무협의: 有

48 년 월 일2008 10 30 신호용 업무협의: 有

49 년 월 일2008 10 30 임종인 업무협의: 有

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건2. : 12. : 12. : 12. : 1


1 년 월 일2008 08 15 물성자료제공 有

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건3. : 73. : 73. : 73. : 7


1 년 월2008 1 센서특성현황 및 개선안 검토 有

2 년 월2008 3 정합층 두께 보정 有

3 년 월2008 4 기구물 구조개선 설계치수 보정( ) 有

4 년 월2008 5 잔향시간 개선 검토 有

5 년 월2008 6 잔향시간 개선안 검증 有

6 년 월2008 8 수정 검토Firmware 有

7 년 월2008 9 기구물 구조개선 검토 有

- 12 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건4. : 314. : 314. : 314. : 31


1 년 월 일2007 12 07압력분포해석 압력분포 폭( _40kHz_ 1m_

높이2m)有


높이5m)有


높이2m)有

4 년 월 일2007 12 28 압력분포해석 폭 높이_100kHz_ 20m_ 5m 有

5 년 월 일2008 01 18 지향성분석 결과 압전진동자( ) 有

6 년 월 일2008 03 07초음파센서의 송수신파형분석 결과

(Tpzt=1.9mm, case1)有






(Tpzt=1.9mm, case11 ~ case20)有

















18 년 월 일2008 06 13초음파센서 수신파형분석(Tpzt=0.95,

Tml(1)=1/2, Tml(2)=1/4)有


Tml(1)=1/2, Tml(2)=1/2)有


Tml(1)=1/2, Tml(2)=1/1)有


Tml(1)=1/1, Tml(2)=1/4)有

- 13 -


Tml(1)=1/1, Tml(2)=1/2)有


Tml(1)=1/1, Tml(2)=1/1)有

24 년 월 일2008 05 28초음파센서 지향성분석결과(Dpzt=22,

65kHz)有


70kHz)有


75kHz)有


80kHz)有

28 년 월 일2008 07 03초음파센서 지향성분석결과(Dpzt=25~27,

결과제공55~75kHz), 8case有

29 년 월 일2008 06 30센서 지향형 및 등Beam Profile DAC

(Dpzt=22, 65kHz~80kHz)有





기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건5. : 325. : 325. : 325. : 32



높이2m)有


높이5m)有


높이2m)有

4 년 월 일2007 2 28 압력분포해석 폭 높이_100kHz_ 20m_ 5m 有

5 년 월 일2008 01 18 지향성분석 결과 압전진동자( ) 有













- 14 -














Tml(1)=1/2, Tml(2)=1/4)有


Tml(1)=1/2, Tml(2)=1/2)有


Tml(1)=1/2, Tml(2)=1/1)有


Tml(1)=1/1, Tml(2)=1/4)有


Tml(1)=1/1, Tml(2)=1/2)有


Tml(1)=1/1, Tml(2)=1/1)有

24 년 월 일2008 08 15 물성자료제공 有


65kHz)有


70kHz)有


75kHz)有


80kHz)有

29 년 월 일2008 09 30초음파센서 지향성분석결과(Dpzt=25~27,

결과제공55~75kHz), 8case有







- 15 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

가 기술적 중요성가 기술적 중요성가 기술적 중요성가 기술적 중요성....

나 경제 및 산업적 중요성나 경제 및 산업적 중요성나 경제 및 산업적 중요성나 경제 및 산업적 중요성....

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

가 기술지원의 최종목표 및 성격가 기술지원의 최종목표 및 성격가 기술지원의 최종목표 및 성격가 기술지원의 최종목표 및 성격....

기술지원의 최종목표기술지원의 최종목표기술지원의 최종목표기술지원의 최종목표(1)(1)(1)(1)

기술지원의 성격기술지원의 성격기술지원의 성격기술지원의 성격(2)(2)(2)(2)

나 기술지원의 목표 및 내용나 기술지원의 목표 및 내용나 기술지원의 목표 및 내용나 기술지원의 목표 및 내용....

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

제 절 국내 기술현황제 절 국내 기술현황제 절 국내 기술현황제 절 국내 기술현황1111

제 절 국외 기술현황제 절 국외 기술현황제 절 국외 기술현황제 절 국외 기술현황2222

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

압전소자의 지향성 분석압전소자의 지향성 분석압전소자의 지향성 분석압전소자의 지향성 분석1.1.1.1.

초음파센서초음파센서초음파센서초음파센서2. (T2. (T2. (T2. (TPZTPZTPZTPZT 의 송수신특성 분석의 송수신특성 분석의 송수신특성 분석의 송수신특성 분석=1.9mm)=1.9mm)=1.9mm)=1.9mm)


초음파센서의 송수신특성의 정밀분석초음파센서의 송수신특성의 정밀분석초음파센서의 송수신특성의 정밀분석초음파센서의 송수신특성의 정밀분석4.4.4.4.

초음파센서의 지향성 분석초음파센서의 지향성 분석초음파센서의 지향성 분석초음파센서의 지향성 분석5.5.5.5.

초음파센서의 빔패턴 분석초음파센서의 빔패턴 분석초음파센서의 빔패턴 분석초음파센서의 빔패턴 분석6.6.6.6.

초음파센서의 시제품 제작초음파센서의 시제품 제작초음파센서의 시제품 제작초음파센서의 시제품 제작7.7.7.7.

가 구성부품의 제작가 구성부품의 제작가 구성부품의 제작가 구성부품의 제작....

나 압전소자나 압전소자나 압전소자나 압전소자....

다 초음파센서 유닛의 제작다 초음파센서 유닛의 제작다 초음파센서 유닛의 제작다 초음파센서 유닛의 제작....

라 회로의 구성라 회로의 구성라 회로의 구성라 회로의 구성....

마 시제품 제작마 시제품 제작마 시제품 제작마 시제품 제작....

압전재료에 따른 검출성능압전재료에 따른 검출성능압전재료에 따른 검출성능압전재료에 따른 검출성능(1).(1).(1).(1).

정합층의 두께정합층의 두께정합층의 두께정합층의 두께(2)(2)(2)(2)

잔향시간 개선잔향시간 개선잔향시간 개선잔향시간 개선(3) Damping ( )(3) Damping ( )(3) Damping ( )(3) Damping ( )

초음파센서의 특성평가초음파센서의 특성평가초음파센서의 특성평가초음파센서의 특성평가8.8.8.8.

- 16 -

가 센서의 평가가 센서의 평가가 센서의 평가가 센서의 평가....

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

제 절 개선목표 및 달성도제 절 개선목표 및 달성도제 절 개선목표 및 달성도제 절 개선목표 및 달성도1111

제 절 관련 분야에의 기여도제 절 관련 분야에의 기여도제 절 관련 분야에의 기여도제 절 관련 분야에의 기여도2222

제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

제 절 타 연구에의 응용제 절 타 연구에의 응용제 절 타 연구에의 응용제 절 타 연구에의 응용1111

제 절 사업화 추진방향제 절 사업화 추진방향제 절 사업화 추진방향제 절 사업화 추진방향2222

제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌6666

부 록부 록부 록부 록

- 17 -

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

동일기연에서는 다양한 압전소자 및 응용부품을 양산하고 있으며 특히 공중 초,㈜

음파 센서는 로봇용 초음파 센서 모듈 주차장 주차안내 시스템 거리측정기 침입, , ,

경보기 등에 응용되어 삼성전자 등 다수의 국내 초음파 모듈업체에 납품하고 있다.

또한 사내에서는 그동안의 양산 기술력을 바탕으로 다양한 규격의 산업용 공중 초

음파 센서의 개발을 진행하고 있어 응용분야를 확대하고 있는 실정이다 그러나 제.

품의 품질을 향상시키기 위해서는 관련 제품의 독창적인 설계 기술력이 절실하지만

사내의 연구개발은 주로 경험에 의한 시행 오차적 방식으로 진행하고 있어 센서의

성능개선 및 신제품의 개발이 적기에 이루어 지지 않아 시장 진출에 어려움이 따르

고 이에 대한 관련 기술 지원이 시급한 실정이다, .

현재 양산기술력은 미국 제조사 대비 수준이지만 초음파 센서의 제품설계80% ,※

기술 수준은 이하 수준으로 초음파 센서 분야의 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 활50%

용한 설계가 절실함.

가 기술적 중요성가 기술적 중요성가 기술적 중요성가 기술적 중요성....

압전형 초음파 레벨센서 기술은 콘 형 모양의 음파를 방출시켜 매체로부터 반(cone)

사되는 음파를 수신하고 송신 및 수신신호 사이에 발생하는 시간차를 측정하여 거,

리 혹은 레벨 두께 등을 측정하는 기술이다 이러한 초음파센서는 출력의 크기에, .

따라 고출력용으로 구분되고 송신 및 수신방식에 따라 단일형 및 겸용 형으로, (Dual)

분리된다 압전 초음파센서 기술을 이용할 경우 대상 매체에 비접촉으로 고체 및. ,

액체 기체 등 다양한 매체에 적용이 가능하고 측정물의 표면상태 및 색 등에 영향, ,

을 받지 않으며 취악한 환경에서 연속적으로 측정이 가능한 장점이 있다 또한 측, .

정에 대한 재현성 및 외부 환경에 대한 적응성이 우수하고 유지보수 비용이 저렴,

한 특징이 있다 이러한 압전세라믹을 이용한 압전형 초음파센서는 에. Table 1-1-1

나타낸 바와 같이 의료용 및 비파괴검사용 유량 유속검출용 센서 어군감지기, / , ,

두께 측정용 후방 물체감지기 등의 다양한 분야에 이용되고 있고 그 시SONAR, , ,

장성 또한 높게 평가되고 있는 상황이다.

산업자동화 분야의 경우 현재까지 사용하고 있는 레벨 측정방식은 부표 혹, (Float)

은 디스프레이서 를 이용하여 기계식 혹은 압력식 레벨계를 이용하여 레(Displacer)

벨변화에 대한 정보를 얻고 있다.

- 18 -

이러한 기계식 방식은 기계적 가동부의 마모 및 이물질 고착 등에 의해 레벨 측정

에 오류가 발생할 가능성이 높고 측정 매질과 센서의 직접 접촉에 의한 부식이나,

수압에 의해 치명적인 고장이 발생하기도 한다 그리고 느린 측정 속도 및 낮은 분.

해능으로 인해 급격한 레벨변동 및 주위 환경 변화에 대해 신속하게 대처하지 못하

는 단점을 가지고 있고 설치가 쉽지 않으며 유지보수에 상대적으로 많은 비용이,

소요된다.

본 기술지원사업에서 추진하는 압전형 초음파 레벨센서는 그림 에 나타낸 것과 같1

이 대상 매체를 비접촉으로 측정하므로 주위 환경에 의한 고장이나 오동작에 관한,

요소가 기존 방식에 비해 상대적으로 적어 안전하고 내구성이 우수하며 연속적으,

로 레벨변화를 측정하므로 측정 데이터의 분석을 통해 사고 예방이 가능한 장점을

가지고 있다 또한 측정된 레벨에 관한 데이터 처리가 디지털 방식으로 처리되므로.

주변설비와의 호환이 용이하고 급격한 환경변화에 대하여 능동적으로 대처할 수,

있다 아울러 측정하고자 하는 위치에 센서를 설치하면 바로 운용이 가능하므로. , ,

기존 레벨센서를 대체 및 개선하거나 신규 설치에서도 간편하므로 기존 노후 개선, ,

작업이나 신규 설비에서도 초음파 수위 레벨 센서의 적용이 더욱 확대될 것으로 판

단된다.

- 19 -

압전형 초음파센서의 응용분야압전형 초음파센서의 응용분야압전형 초음파센서의 응용분야압전형 초음파센서의 응용분야Table 1-1-1.Table 1-1-1.Table 1-1-1.Table 1-1-1.

측 정 대 상 측 정 원 리

Flowmetry

thermometry

density, porosity

pressure

dynamic force, vibration, acceleration

displacement

viscosity in fluids

level

location

humidity, gas

phase, microstructure

thickness

composition

anisotropy, texture

nondestructive testing

stress and strain

acoustic emission

imaging, holography

elastic properties

burglar detection

rotation angle, angular velocity

medical inspection

fish finding

유속과의 동적결합에 의한 속도 변화

온도에 따른 매질 물성변화에 의한 속도 변화

매질 밀도변화에 의한 속도변화

압력에 따른 트랜스듀서 공진주파수 변화

외부진동에 의해 진동자에 발생되는 전하

기준점에서 변위점까지의 비행시간변화

점성변화에 의한 속도 감쇄도 변화,

기준점에서 수면까지의 비행시간 변화

기준점에서 목표점까지의 비행시간 변화

가스농도변화에 따른 속도 감쇄도 변화,

매질 물성변화에 의한 속도 감쇄도 변화,

두께변화에 따른 비행시간 변화

매질 조성변화에 따른 속도 변화

매질 이방성 조직에 따른 속도 감쇄도 변화, ,

매질 내부구조에 따른 진폭 속도 변화,

매질 물성변화에 의한 속도 감쇄도 변화,

매질 내부상태에 따른 신호의 크기 빈도,

대상체 형상에 따른 속도 감쇄도 변화

매질물성에 따른 속도 감쇄도 변화,

대상체의 존재유무에 따른 비행시간 변화

회전운동 성분과의 동적결합

대상체 위치 형상 물성에 따른 시간 진폭변화, , ,

대상체 위치 형상에 따른 비행시간 진폭변화, ,

압전형 초음파 레벨센서를 이용한 비접촉 측정원리압전형 초음파 레벨센서를 이용한 비접촉 측정원리압전형 초음파 레벨센서를 이용한 비접촉 측정원리압전형 초음파 레벨센서를 이용한 비접촉 측정원리Fig, 1-1-1.Fig, 1-1-1.Fig, 1-1-1.Fig, 1-1-1.

- 20 -

나 경제 및 산업적 중요성나 경제 및 산업적 중요성나 경제 및 산업적 중요성나 경제 및 산업적 중요성....

기존 산업용 레벨 측정용 센서는 부표 혹은 디스프레이서 등 기계(Float) (Displacer)

식 방식 혹은 압력식 레벨계를 이용고 있어 가동부의 마모 및 이물질 고착 및 부식

등에 의해 치명적인 고장 및 측정 오류가 자주 발생하고 급격한 레벨 변동 및 주,

위 환경 변화에 대해 신속하게 대처하지 못하는 실정이다 또한 관련 설비의 디지.

털화에 따른 관련 설비 안정성 향상 및 레벨 관리방식에 비해 다중성 독립성 요건/

을 만족하는 초음파 레벨 센서의 필요성이 절실하게 필요한 상황이다.

기존 외국 센서의 경우 각각 자국의 설비에 맞도록 설계 및 제작되어 국내 환경,

실정 에 맞도록 관련 제품을 개발하는 것이 바람직하다 장기적으로 볼 때 국산 센( ) .

서와 시스템의 지속적인 개선을 통하여 품질을 향상시킴으로서 외국기술에 대한 의

존 종속 성을 탈피하고 국내 시장에서 요구하는 경제적인 측정시스템 구축이 가능( ) ,

할 뿐만 아니라 유지 보수 측변에서도 효율적이다 또한 안정된 공급과 빠른 대처.

로 고품질 전력산업에 기여할 수 있다.

본 기술지원사업을 통해 압전세라믹을 이용한 초음파 레벨센서를 개발할 경우 취,

약한 환경에서 연속적이고 신뢰성 있는 레벨 측정 및 관리가 가능하게 되어 관련

설비의 안정성 향상 및 디지털 신호처리를 통한 산업자동화에 크게 기여할 수 있을

것으로 판단된다 또한 선진국의 기술종속 탈피 및 국내 기술력 향상에 크기 기여.

할 수 있게 될 것으로 판단된다.

그리고 압전 초음파 레벨센서 기술은 에 나타낸 바와 같이 제품의 치수Fig.1-1-2.

측정 및 선별 컨베이어 밸트 높이조정 롤 직경 측정 액체 및 고체의 레벨에 대한, , ,

실시간 측정 등 다양한 산업 자동화분야에 적용이 가능하므로 경제 및 산업적 파급

효과가 아주 크리라 판단된다 따라서 본 기술지원사업에서 추진하고자 하는 압전.

초음파 레벨센서는 취악한 환경분야 및 다양한 산업자동화 분야에 핵심이 되는 중

요한 기술이므로 이에 대한 지원이 절실하게 필요하다.

산업자동화에 압전형 초음파 레벨센서의 적용 사례산업자동화에 압전형 초음파 레벨센서의 적용 사례산업자동화에 압전형 초음파 레벨센서의 적용 사례산업자동화에 압전형 초음파 레벨센서의 적용 사례Fig. 1-1-2Fig. 1-1-2Fig. 1-1-2Fig. 1-1-2

- 21 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

가 기술지원의 최종목표 및 성격가 기술지원의 최종목표 및 성격가 기술지원의 최종목표 및 성격가 기술지원의 최종목표 및 성격....

기술지원의 최종목표기술지원의 최종목표기술지원의 최종목표기술지원의 최종목표(1)(1)(1)(1)

공중 초음파센서의 구성재료에 대한 특성분석 및 최적 재질선정 최적형상 설계 등,

을 통하여 센서의 잔향특성 개선 및 검출거리 성능의 향상을 통해 센서 성능향상

기술지원

초음파센서 의 잔향시간 현 수준을- (400kHz) (Ringing time) : 600usec 550msec

이하로 개선

센서의 최대 검출거리 현 에서 로 향상 검출 두께- : 210mm 300mm ( target : 0.5t

경우)

기술지원의 성격기술지원의 성격기술지원의 성격기술지원의 성격(2)(2)(2)(2)

공정개선 ○ 신제품 제조기술 품질향상 ○

양산화 시험분석 ○ 시제품 제작

나 기술지원의 목표 및 내용나 기술지원의 목표 및 내용나 기술지원의 목표 및 내용나 기술지원의 목표 및 내용....

기술지원의 목표 기술지원의 내용 기술지원범위

센서의 진동특성 개선 센서의 진동모드 분석 진동모드 분석결과

센서의 음장특성 개선

지향특성 분석

송신특성분석

특성 분석DAC

잔향시간특성 개선

검출거리성능 향상

구성부품의 재질 및 형상

최적화

재질 및 형샹변화에 따른

센서특징 분석최적 재질 및 형상 선정

구성재료의 물성 분석주파수에 따른

임피던스특성구성재료 물성분석 결과

시제품 제작 및 검증시험 시제품 성능시험 센서 검출성능 향상

- 22 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 사업의 최종 목표인 공중 초음파센서의 센서의 잔향특성 개선 및 검출거리 성능

의 향상을 통해 센서 성능향상을 위하여 구성부품 특성 및 내부 구조 분석 송수신,

특성 빔패턴 분석 지향성 분석 시제품 제작 및 특성평가 등을 기술지원하고 세, , , ,

부 기술지원 내용은 다음과 같다.

자료조사 및 계획수립○

문헌조사 및 연구기술동향 분석-

센서의 구성재료 및 내부 구조 등 분석을 통해 세부 추진계회 및 일정 수립-

구성재료의 물성 분석 및 진동모드 분석○

압전특성 및 구성부품의 주파수에 따른 임피던스 분석-

을 이용하여 센서내부의 진동전달특성을 분석- FEM

센서의 송신 및 수신특성 분석○

음향매질에서의 음파전달특성을 분석하여 송신 및 수신 파형을 분석함-

센서의 구조 및 구성부품의 형상변화에 따른 영향을 분석-

센서 구성부품의 재질 및 형상을 최적화-

센서의 빔패턴 및 지향특성 분석○

음향매질에서의 음파전달특성을 분석하여 송신 및 수신 파형을 분석함- .

센서의 구조 및 구성부품의 형상변화에 따른 영향을 분석-

센서 구성부품의 재질 및 형상을 최적화-

시제품 제작 및 적용시험○

압전재료 및 구성부품제작을 통해 시제품을 지제가-

참여기업 보유 장비를 활용하여 센서 성능 평가 및 검증-

- 23 -

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

제 절 국내 기술현황제 절 국내 기술현황제 절 국내 기술현황제 절 국내 기술현황1111

현재 국내 압전 초음파센서의 경우 의료용 및 비파괴 검사용 등 주로 저출력 특성,

을 갖는 제품의 생산에 주력하고 있는 실정이고 고출력 초음파센서의 경우 군수용, ,

제품에 한정되어 있다 그리고 초음파를 이용한 레벨 및 유량 유속 측정분SONAR . /

야의 경우 핵심 부품인 초음파센서를 대부분 수입하여 후단부의 계측회로 및 콘트,

롤러를 조립하여 사용하고 있는 실정이다.

국내 초음파센서의 생산업체 및 주력 생산제품은 다음과 같다.

의료용 초음파센서 생산 지멘스초음파 프로소닉 디지털에코- : , ,

비파괴검사용 초음파센서 생산 포스콘 하기소닉- : ,

군용 생산- SONAR : ISTECH

자동차용 후방감지 초음파센서 생산 센서텍- :

구분 업체명 기술 개발 단계 사업화 단계

국내 동일기연 압전소자 및 응용부품 사업화

〃 센서텍 차량용 후방센서 사업화

〃 경원훼라이트 압전소자 및 군용센서 사업화

〃 아이에스텍 군용 소나 사업화

본 사업의 참여업체인 동일기연에서는 국내 유일하게 감지용 초음파 근LCD glass

접 레벨센서를 생산하고 있고 이에 대한 성능향상이 이루어 질 경우 타 산업자동, ,

화 분야에 큰 파급효과가 있을 것으로 기대하는 품목이다.

- 24 -

제 절 국외 기술현황제 절 국외 기술현황제 절 국외 기술현황제 절 국외 기술현황2222

미국 사의 경우 산업자동화용의 다양한 초음파 레벨센서를 상품화하여Consilium ,

시판하고 있는 대표적인 회사이다 그리고 테크놀로지사의 경우 초음파 연료. SSI ,

레벨센서를 생산하고 있고 사는 음식료산업 및 수폐수산업 화학 및 유화, Madison ,

산업 다양한 액체 슬러리 고체 등에 적용 가능한 초음파 레벨센서를 생산하고 있, , ,

다 특히 상기 회사의 경우 온도보상 기능 및 다양한 초음파 방사각도를 갖는 센서. ,

를 생산하고 있다 또한 사는 압전 금속 복합체 케이블을 이용한 교통량. MSI-USA /

측정센서 및 보안용 센서를 생산하고 있고 사는 다양한 압전소자 및, Piezo System

저출력 응용부품을 생산하여 공급하고 있는 실정이다 그 외에도 일본 독일 미국. , ,

등에서 다양한 산업용 초음파 레벨센서를 양산하여 시판하고 있는 실정이다.

구분 업체명 기술 개발 단계 사업화 단계

미국MIGATRON, AIRMAR,

SENIX고품질 거리감지 센서 양산

독일Eltrotec Sensor,

PEPPERL+FUCHS로봇용 초음파 센서 모듈 양산

중국

Zhongshan Hongmao

Electronics, Shenzhen

Rikia Electronics

저가형 레벨센서 대량생산 양산

본 사업에서 참여기업에 원할한 기술지원이 이루어져 압전 초음파 레벨센서의 성능

향상이 도모된다면 국내 기술로 독자적인 모델의 초음파 레벨센서의 개발 및 생산,

이 가능하게 되어 그 동안 핵심 센서기술에 대한 기술이전을 피하고 있는 선진 외

국으로 관련 제품의 역 수출도 가능하다고 판단된다 또한 다양한 산업 자동화분야.

및 음식료산업 및 수폐수산업 화학 및 유화산업 다양한 액체 슬러리 고체 계측, , , ,

분야 등에 대한 진출이 용이하게 되어 경제 및 산업적 파급효과가 아주 클 것으로

예상된다.

- 25 -

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

압전소자의 지향성 분석압전소자의 지향성 분석압전소자의 지향성 분석압전소자의 지향성 분석1.1.1.1.

압전소자의 직경이 및 인 소자에 대해 및 주파수로 가진5 20mm 40kHz 100 kHz

할 때 발생한 초음파의 지향성을 분석하고 그 결과를 각각 에서, Fig.3-1-1

까지 나타내었다 및 는 가진 주파수 변화에 따라Fig.3-1-4 . Fig.3-1-1 Fig.3-1-2

압전소자로부터 떨어진 위치에서 지향성을 분석한 결과를 나타낸 것이고1m ,

및 는 압전소자의 직경이 및 인 경우 가진 주파수에Fig.3-1-3 Fig.3-1-4 5 20mm ,

따라 지향성 를 비교해 나타낸 결과 이다Index .

의 결과에서 알 수 있듯이 압전소자의 직경이 증가할 때 발생한 초음파Fig.3-1-1 ,

의 세기는 배 이상 증가한다 그러나 직경이 인 경우에 단일의 메인 파만이15 . 5mm

발생하지만 직경을 로 증가시킬 경우 측면에 가 발생된다, 20mm , Side Lobe .

가진 주파수를 에서 로 증가시킬 경우 의 결과에서 알 수40kHz 100kHz , Fig.3-1-2

있듯이 압전소자의 직경이 인 경우에도 측면에 가 발생하고 있음을5mm Side Lobe

알 수 있고 인 경우 수가 증가한다, 20mm , Side Lobe .

의 지향성 를 분석한 결과에서 알 수 있듯이 압전소자에 가진되는Fig.3-1-3 Index ,

주파수가 에서 로 증가함에 따라 개이던 가 개로 급격40 kHz 100kHz 4 side lobe 11

하게 증가하는 것을 알 수 있다 또한 발생한 메인 파의 지향각도 주파수가 증가함.

에 따라 절반정도로 급격하게 감소한다.

이상의 결과로부터 동일한 주파수로 가진할 경우 발생한 초음파의 세기는 압전소,

자의 직경이 증가함에 따라 증가하지만 주 파형의 측면에 원하지 않는 가side lobe

발생하기 시작한다 또한 동일한 직경의 압전소자의 경우 가진 주파수가 증가함에. ,

따라 지향각은 급격하게 감소하여 지향특성은 향상되지만 측면의 수 역side lobe

시 급격하게 증가하는 것으로 나타났다.

이상의 결과로부터 발생한 초음파의 강도를 증가시키기 위해서는 압전소자의 직경

을 증가시켜야 하고 초음파의 지향각을 감소시켜 지향특성을 향상시키기 위해서는,

가진 주파수를 증가시켜야 한다 그러나 발생 초음파의 주파수가 증가할 경우 공기. ,

중에서 감쇠 특성이 급격하게 증가하므로 비행하는 거리가 증가함에 따라 초음파

강도가 급격하게 감소하는 특성이 있으므로 이에 대한 적절한 선정이 필요하다.

- 26 -

직경직경직경직경(a) 5 mm(a) 5 mm(a) 5 mm(a) 5 mm


주파수에서 원판형 압전소자의 지향특성주파수에서 원판형 압전소자의 지향특성주파수에서 원판형 압전소자의 지향특성주파수에서 원판형 압전소자의 지향특성Fig. 3-1-1. 40kHzFig. 3-1-1. 40kHzFig. 3-1-1. 40kHzFig. 3-1-1. 40kHz

- 27 -



주파수에서 원판형 압전소자의 지향특성주파수에서 원판형 압전소자의 지향특성주파수에서 원판형 압전소자의 지향특성주파수에서 원판형 압전소자의 지향특성Fig. 3-1-2. 100kHzFig. 3-1-2. 100kHzFig. 3-1-2. 100kHzFig. 3-1-2. 100kHz

- 28 -

(a) 40kHz(a) 40kHz(a) 40kHz(a) 40kHz


가진 주파수에서 원판형 압전소자 직경 의 지향성가진 주파수에서 원판형 압전소자 직경 의 지향성가진 주파수에서 원판형 압전소자 직경 의 지향성가진 주파수에서 원판형 압전소자 직경 의 지향성Fig. 3-1-3. ( 5mm) IndexFig. 3-1-3. ( 5mm) IndexFig. 3-1-3. ( 5mm) IndexFig. 3-1-3. ( 5mm) Index

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가진 주파수에서 원판형 압전소자 직경 의 지향성가진 주파수에서 원판형 압전소자 직경 의 지향성가진 주파수에서 원판형 압전소자 직경 의 지향성가진 주파수에서 원판형 압전소자 직경 의 지향성Fig. 3-1-4. ( 20mm) IndexFig. 3-1-4. ( 20mm) IndexFig. 3-1-4. ( 20mm) IndexFig. 3-1-4. ( 20mm) Index

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본 절에서는 초음파센서의 가진 시 초음파가 음향매질 물 을 전파하여 반사판에서, ( )

되돌아 오는 음파 전달특성을 해석하고 센서에서의 송신과 수신되는 전압 및 전하,

특성을 분석하였다 음향매질에 송신 되는 압력 및 반사판에서 반사되어 되돌아 오.

는 음향 압력은 정합층 전면에서 떨어진 위치에서 분석하였다50 mm .

본 해석에서 고려한 초음파센서는 그림 에 나타낸 바와 같이 압전소자 층 측2-1 , ,

면 에폭시 층 케이스 두 개의 정합층으로 구성된 구조이다 또한 음향매질은 물이, , .

고 반사판은 정합층 앞면에서 떨어진 위치에 설치되어 있다, 70 mm .

초음파센서 구성부품의 물성은 표 에 나타낸 바와 같이 정합층 및 측면 에3-2-1 ,

폭시층의 밀도 음속 등을 사용하였다 그리고 압전소자는 재료인 의 압, . soft PZT5

전특성 및 기계적 물성을 사용하였다.

본 해석에서 사용한 초음파센서는 의 공진주파수 특성을 보이고 있고 센서1 MHz ,

의 전원으로는 의2 MHz 80 VPP 의 파를 입력하였다, 14 Pulse Sine .

초음파센서의 유한요소 해석을 위한 모델은 그림 에 나타낸 바와 같이 센서 및2-2 ,

음향매질 반사판으로 구성되어 있고 센서 전면에는 물을 음향매질로 사용하였고, , ,

센서 내부 후면은 를 음향매질로 사용하여 구성하였다Air .

초음파센서의 음파 송수신특성을 분석하기 위하여 정합층의 두께를 음향매질의 파

장 및 정향층의 파장을 고려하고 정합층의 총 두께를 파장의 까지 변화, 1/8 ~ 2

할 때 음향 매질에서의 송수신 압력변화 및 센서의 전압 및 전하 입출력특성을 분,

석하였다.

가 음향매질 특성을 고려한 정합층의 두께영향 분석가 음향매질 특성을 고려한 정합층의 두께영향 분석가 음향매질 특성을 고려한 정합층의 두께영향 분석가 음향매질 특성을 고려한 정합층의 두께영향 분석....

본 해석은 음향매질인 물의 음속을 고려하여 정합층의 두께 변화에 따른 센서의 송

수신특성을 분석하고 그 결과를 부터 까지 나타내었다, Fig.3--2-3 Fig.3-2-12 .

에 알 수 있듯이 정합층 및 의 두께를 변화시켜 가지 경우에Table.3-2-2 , (1) (2) 10

대한 분석을 하였다.

본 분석 결과에서 알 수 있듯이 센서의 송신신호가 반사되어 수신되어 출력 전압,

이 가장 크기 나타나는 경우는 파장의 두께를 갖도록 정합 층 및 를 형성한1 1 2

경우이다 의 참조 또한 센서의 출력 전압은 혹은 인(Fig.3-2-8 Case 6 ). Case 4 8

경우로 총 정합층의 두께가 파장인 경우이고 및 참조5/4 (Fig.3-2-6 Fig.3-2-10 ),

그 다음은 로 총 정합층의 두께가 파장인 경우로 분석되었다Case 1 1/4 .

이상의 결과로부터 음향매질의 음속을 고려하여 정합층의 두께를 선정할 경우 정,

합층 및 정합층 를 사용하여 총 정합층의 두께가 배의 파장을 갖도록 형성하1 2 1

는 것이 바람직하다.

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그러나 모든 해석의 출력 전압 파형에서 알 수 있듯이 두 개의 파형으로 분리되며,

잔향시간이 길어지게 되므로 이에 대한 추가적인 해결방안이 필요하다고 판단된다.

나 정합층 특성을 고려한 정합층의 두께영향 분석나 정합층 특성을 고려한 정합층의 두께영향 분석나 정합층 특성을 고려한 정합층의 두께영향 분석나 정합층 특성을 고려한 정합층의 두께영향 분석....

초음파센서의 정합 층 특성을 고려하여 정합층의 두께 변화에 따른 센서의 송수신

특성을 분석하고 그 결과를 부터 까지 나타내었다 여기에, Fig.3-2-13 Fig.3-2-22 .

서 정합층 및 층의 두께는 에 나타낸 바와 같이 각각의 정합층에1 2 Table.3-2-3

대한 두께를 변화시킨 가지 경우에 대한 분석을 하였다10 .

본 분석의 결과에서 알 수 있듯이 센서의 수신신호는 두 개의 로 분리되는 경, Peak

우와 가우스안 분포를 보이는 경우로 해석되었다 센서 수신신호가 두 개의 로. peak

분리되어 수신되는 경우는 정합층의 총 두께가 파장의 배 배 배 인 해2/4 , 3/4 , 6/4

석 이고 참조 나머지 경우는 수신신호가 가우시안Case (Fig.3-2-14, 17, 19, 21 ),

분포를 나타내는 것으로 분석되었다.

센서 수신신호의 형상을 무시할 경우 출력 전압의 크기는 정합층의 총 두께가 파,

장의 배 및 배 일 때 가장 큰 것으로 나타났다 그러나 수신신호의 형상이1/2 3/2 .

가우시안 분포를 갖고 가장 누수한 수신신호를 보유한 경우는 으로 정합, Case 13

층 및 의 두께를 각각 파장의 및 배 두께로 형성하고 총 정합층의 두께1 2 1/4 1/2

를 파장의 배로 형성하는 것이 바람직 한 것으로 분석되었다 참조3/4 (Fig.3-2-15 ).

이상의 결과로부터 정합층의 두께를 고려할 때 음향매질의 특성보다는 정합층의 특

성을 고려하여 각각의 정합층의 두께를 선정하는 것이 바람직하고 본 연구의 정합,

층 재질을 사용할 경우 정합 층 및 의 두께를 각각 파장의 및 배 두께, 1 2 1/4 1/2

로 형성하고 총 정합층의 두께를 파장의 배로 형성하는 것이 바람직 한 것으로3/4

분석되었다 반면 총 정합층의 두께를 파장의 배로 형성할 경우 수신신호의 크. 1/4 ,

기는 양호하나 가우시안 분포가 아닌 두 개의 형태로 분리되는 형태를 보이Peak

는 것으로 분석되었다 그러므로 정합층의 재질 및 두께의 선정 시 수신신호의 크.

기 및 파형의 형상에 대한 검토도 함 하여야 된다고 판단된다RP .

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초음파센서의 형상 및 송수신특성 해석을 위한 단면도초음파센서의 형상 및 송수신특성 해석을 위한 단면도초음파센서의 형상 및 송수신특성 해석을 위한 단면도초음파센서의 형상 및 송수신특성 해석을 위한 단면도Fig. 3-2-1.Fig. 3-2-1.Fig. 3-2-1.Fig. 3-2-1.

초음파센서 구성부품의 물성초음파센서 구성부품의 물성초음파센서 구성부품의 물성초음파센서 구성부품의 물성Table. 3-2-1.Table. 3-2-1.Table. 3-2-1.Table. 3-2-1.

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초음파센서의 송수신특성 해석을 위한 모델초음파센서의 송수신특성 해석을 위한 모델초음파센서의 송수신특성 해석을 위한 모델초음파센서의 송수신특성 해석을 위한 모델Fig. 3-2-2. FEMFig. 3-2-2. FEMFig. 3-2-2. FEMFig. 3-2-2. FEM

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음향 매질특성을 고려한 정합층 두께변화에 따른 해석음향 매질특성을 고려한 정합층 두께변화에 따른 해석음향 매질특성을 고려한 정합층 두께변화에 따른 해석음향 매질특성을 고려한 정합층 두께변화에 따른 해석Table. 3-2-2. Case.Table. 3-2-2. Case.Table. 3-2-2. Case.Table. 3-2-2. Case.

DPZT = 15 mm

TPZT 공진주파수가 인 경우= 1.9 mm ( 1 MHz )

ID = 16 mm

OD = 17 mm

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초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력Fig. 3-2-3. (Case 1) : (a) , (b) , (c) (50 mmFig. 3-2-3. (Case 1) : (a) , (b) , (c) (50 mmFig. 3-2-3. (Case 1) : (a) , (b) , (c) (50 mmFig. 3-2-3. (Case 1) : (a) , (b) , (c) (50 mm

위치위치위치위치))))

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초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력Fig. 3-2-12. (Case 10) : (a) , (b) , (c) (50Fig. 3-2-12. (Case 10) : (a) , (b) , (c) (50Fig. 3-2-12. (Case 10) : (a) , (b) , (c) (50Fig. 3-2-12. (Case 10) : (a) , (b) , (c) (50

위치위치위치위치mm )mm )mm )mm )

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정합층 특성을 고려한 정합층 두께변화에 따른 해석정합층 특성을 고려한 정합층 두께변화에 따른 해석정합층 특성을 고려한 정합층 두께변화에 따른 해석정합층 특성을 고려한 정합층 두께변화에 따른 해석Table. 3-2-3. CaseTable. 3-2-3. CaseTable. 3-2-3. CaseTable. 3-2-3. Case

DPZT = 15 mm


ID = 16 mm

OD = 17 mm

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압전소자의 두께가 를 사용한 초음파센서에 대한 초음파의 송신 및 수신특0.95mm

성을 분석하고 그 결과를 에서 까지 나타내었다 초음파 송, Fig.3-3-1 Fig.3-3-12 .

수신특성을 분석한 각각의 결과 그림에서 는 송수신 출력 전압특성을 에는(a) , (b)

출력전하특성을 에는 정합층에서 떨어진 위치의 음향매질에서의 송신 및, (c) 50mm

수신 압력파형을 나타낸 것이다.

본 해석에서 초음파센서는 의 공진주파수 특성을 보이고 있고 센서의 전원2 MHz ,

으로는 의2 MHz 80 VPP 의 파를 입력하였고 정합층의 두께는, 14 Pulse Sine ,

에 나타낸 바와 같이 변화시켜 총 에 대한 분석을 실시하였Table 3-3-1 12 Case

다.

초음파센서의 수신 전압특성 관점에서는 및 의 경우가 가장 우수한Case 3 Case 4

특성을 보유하고 있고 및 참조 그 다음으로는(Fig.3-3-3 Fig.3-3-4 ), Case 8, 9,

가 좋은 특성을 보이는 것으로 분석되었다 참조 반면11, 12 (fig.3-3-8, 9, 11, 12 ).

초음파 센서의 송신파 및 수신파의 잔향시간 관점에서는 의 경우인 총 정합Case 1

층의 두께를 파장의 배로 사용하는 것이 가장 유리한 것으로 분석되었다1/4

참조(Fig.3-3-1 ).

에서 알 수 있듯이 의 경우는 총 정합층의 두께가 파장의Table 3-3-1 , Case 3 5/8

배 인 경우이고 는 총 정합층의 두께가 파장의 배 인 경우이다 그리고, Case 4 1/2 .

과 는 각각 총 정합층의 두께가 파장의 배 및 배인 경우이다Case 8 Case 12 1 2 .

의 분석결과인 와 의 분석결과인 의 결과에서Case 4 Fig.3-3-4 Case 8 Fig.3-3-8

알 수 있듯이 초음파의 수신 출력전압은 가 우수하고 송신 신호의 잔향시Case 4 ,

간은 에서 더 길다는 것을 알 수 있다Case 8 .

이상의 결과로부터 의 경우를 정합층으로 사용하는 것이 고감도의 센서를Case 4

제작할 수 있는 것으로 판단된다 그러므로 이러한 정합층 두께 근처에서의 부다.

자세한 분석이 필요하다.

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센서 송수신특성 분석을 위한 정합층 두께변화에 따른 해석센서 송수신특성 분석을 위한 정합층 두께변화에 따른 해석센서 송수신특성 분석을 위한 정합층 두께변화에 따른 해석센서 송수신특성 분석을 위한 정합층 두께변화에 따른 해석Table. 3-3-1. Case.Table. 3-3-1. Case.Table. 3-3-1. Case.Table. 3-3-1. Case.

DPZT = 15 mm


ID = 16 mm

OD = 17 mm

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초음파센서의 송수신특성의 정밀분석초음파센서의 송수신특성의 정밀분석초음파센서의 송수신특성의 정밀분석초음파센서의 송수신특성의 정밀분석4.4.4.4.

압전소자의 두께가 를 사용한 초음파센서에 대한 초음파의 송신 및 수신0.95 mm

특성을 보다 정밀하게 분석하고 그 결과를 에서 까지 나타내, Fig.3-4-1 Fig.3-4-21

었다 먼저 단일 정합층을 사용한 경우와 이중 정합층을 사용한 경우에 대한 송수.

신 신호를 분석한 결과를 부터 까지 나타내었다 또한Fig.3-4-1 Fig.3-4-3 . 3-4-3

절의 분석 결과를 토대로 기본적인 정합층의 총 두께를 파장의 배로 선정하고1/4 ,

그 근처의 총 정합층 두께 변화에 대한 영향을 알아보기 위하여 정합층 및 정합1

층 에 대한 두께 비를 부터 까지 변화하면서 센서의 송신 및 수신신호를2 0.85 1.15

분석하였다.

및 의 결과는 각각 정합층 및 의 재질로 단일 정합층을 형Fig.3-4-1 Fig.3-4-2 1 2

성한 초음파센서의 송수신 신호를 분석한 결과이고 은 이중 정합층 형성, Fig.3-4-3

한 센서의 송수신 신호를 분석한 결과를 나타낸 것이다 여기에서 알 수 있듯이 재. ,

질 로만 정합층을 형성한 경우보다 재질 로 형성한 경우에 수신신호의 감도가 향1 2

상되고 재질 및 재질 를 사용하여 중 정합층을 형성한 경우가 훨씬 우수한 수, 1 2 2

신감도를 나타내고 있음을 확인할 수 있었다 그러나 중 정합층에 비해 증가하는. 2

것으로 분석되었다.

정합층 및 정합층 의 두께를 동일한 비율로 부터 까지 증가시키면서1 2 0.85 1.15

송수신 특성을 분석한 결과 부터 에서 알 수 있듯이 두께가(Fig.3-4-4 Fig.3-4-9) ,

증가함에 따라 수신신호의 크기가 증가하며 수신파의 잔향시간도 함께 증가하는 것

으로 나타났다 수신파의 신호는 정합층의 두께비가 및 에서 가장 우수한. 1.10 1.15

것으로 분석되었다.

또한 정합층 혹은 정합층 중 한쪽 두께는 고정하고 다른 한 쪽의 두께 비만을1 2

증가시키면서 분석한 결과인 부터 및 부터Fig.3-4-10 Fig.3-4-15 Fig.3-4-16

의 결과에서 알 수 있듯이 두께의 비가 에서 로 증가함에 따Fig.3-4-21 , 0.85 1.1.5

라 초음파 수신신호의 크기가 증가하는 것으로 분석되었다.

이상의 결과로부터 초음파 수신특성을 향상시키기 위해서는 단일 정합층 보다 중2

의 정합층을 사용하는 것이 유리하고 정합층 및 정합층 의 두께비를 각각, 1 2 1.0

범위에서 선정하는 것이 바람직하다고 판단된다 및~ 1.1.5 (Fig.3-4-3, Fig.3-4-8

및 참조9, FIg.3-4-15 21 ).

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또한 동일기연의 요청에 의해 두께가 인 소자를 사용하여 초음파 센PZT 1.05 mm

서를 제작한 경우 와 같이 다양한 정합층의 두께에 대한 초음파의 송, Table3-4-2

신 및 수신신호 특성을 분석하였고 그 대표적인 분석결과를 부터, Fig.3-4-22

까지 나타내었다Fig.3-4-23 .

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센서 송수신특성 정밀분석을 위한 정합층 두께변화센서 송수신특성 정밀분석을 위한 정합층 두께변화센서 송수신특성 정밀분석을 위한 정합층 두께변화센서 송수신특성 정밀분석을 위한 정합층 두께변화Table. 3-4-1. (TTable. 3-4-1. (TTable. 3-4-1. (TTable. 3-4-1. (TPZTPZTPZTPZT = 0.95= 0.95= 0.95= 0.95

mm)mm)mm)mm)

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센서 송수신특성 정밀분석을 위한 정합층 두께변화센서 송수신특성 정밀분석을 위한 정합층 두께변화센서 송수신특성 정밀분석을 위한 정합층 두께변화센서 송수신특성 정밀분석을 위한 정합층 두께변화Table. 3-4-2. (TTable. 3-4-2. (TTable. 3-4-2. (TTable. 3-4-2. (TPZTPZTPZTPZT = 1.05= 1.05= 1.05= 1.05

mm)mm)mm)mm)

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초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력FIg. 3-4-1. (Case 1) : (a) , (b) , (c) (50 mmFIg. 3-4-1. (Case 1) : (a) , (b) , (c) (50 mmFIg. 3-4-1. (Case 1) : (a) , (b) , (c) (50 mmFIg. 3-4-1. (Case 1) : (a) , (b) , (c) (50 mm


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초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력초음파센서의 송수신특성 분석 결과 입출력 전압특성 입출력 전하특성 송수신 압력FIg. 3-4-10. (Case 10) : (a) , (b) , (c) (50FIg. 3-4-10. (Case 10) : (a) , (b) , (c) (50FIg. 3-4-10. (Case 10) : (a) , (b) , (c) (50FIg. 3-4-10. (Case 10) : (a) , (b) , (c) (50


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초음파센서의 빔패턴 분석초음파센서의 빔패턴 분석초음파센서의 빔패턴 분석초음파센서의 빔패턴 분석5.5.5.5.

초음파센서는 전압을 인가하여 초음파를 발생시키고 정합층을 통해 음향매질로 전,

파해 원하는 물체에서 반사되어 수신되는 초음파를 검출하는 원리로 사용된다 그.

러므로 초음파의 송신에 의해 반사되어 오는 수신신호의 분석도 중요하지만 송신

할 때 초음파 빔의 및 축 중심에서 거리에 따른 진폭profile (Distance-Amplitude

특성 일정한 거리에서 빔에 수직한 단면에서 초음파 빔 형상에 대한Curve, DAC) ,

분석도 필요하다.

초음파센서의 빔 및 특성 등을 분석하기 위한 형상변수 및 가진 주파수profile DAC

등을 에 나타내었고 해석에 사용한 모델을 에 나타내었Table3-5-1 , FEM Fig.3-5-1

다 초음파센서에 사용된 직경은 이었고 가진주파수는. PZT 22, 25, 27 mm , 55 ~

범위에서 분석을 실시하였다80 kHz .

초음파센서의 빔 및 특성 등을 분석한 결과를 부터profile DAC Fig.3-5-2

까지 나타내었다 부터 까지의 결과는 직경이Fig.3-5-13 . Fig.3-5-2 Fig.3-5-5 PZT

인 초음파센서에 대한 것이고 직경이 및 인 센서에 대한 해석결과22mm , 25 27mm

는 각각 및 에 나타내었다Fig.3-5-6 ~ Fig.3-5-9 Fig.3-5-10 ~ Fig.3-5-13 .

부터 까지의 결과에서 알 수 있듯이 가진 주파수가Fig.3-5-2 Fig.3-5-5 , 80 kHz

까지 증가함에 따라 초음파 강도가 급격하게 증가하고 낮은 에서는 발생, 65 kHz

한 초음파의 강도가 아주 미약하다 가진 주파수가 인 초음파 빔 패턴의. 80 kHz

분석결과인 에서 알 수 있듯이 초점거리는 약 이고 전면으로Fig.3-5-5 , 70mm ,

이내는 근거리 음장으로 초음파 진폭이 아주 복잡하여 측정이 불가능한 영70mm

역이다 그러므로 직경 인 초음파센서로는 전면에서 정도 떨어진 위치부. 22 70mm

터 물체를 감지할 수 있다 그리고 떨어진 위치에서의 초음파 빔 단면을. 200 mm

나타낸 에서 알 수 있듯이 주 빔 외에 개의 가 발생하고Fig.3-5-5(c) , 1 Side Lobe

있음을 알 수 있다.

센서의 소자의 직경이 로 증가할 경우 초음파의 초점 거리는 약PZT 25mm , 110

정도로 증가하는 것으로 분석되었다 참조 그리고 초음파에 사용되mm (Fig.3-5-9 ).

는 소자의 직경을 로 할 경우 특성에서 알 수 있듯이 거리가 증가함27 mm , DAC

에 따라 진폭이 감소하는 특성을 보이는 것으로 보아 측정이 불가능한 근거리 음,

장이 없어지는 특성을 나타내는 것으로 분석되었다 참조(Fig.3-5-13 ).

이상의 결과로부터 직경이 에서 로 증가하면 초음파의 초점거리PZT 22mm 25mm ,

도 약 에서 정도로 증가하므로 검출 불가능한 불감내 영역이 증가하70mm 110mm

는 것으로 분석되었다 그러나 직경 인 소자를 사용하여 센서를 구성한 경. 27 mm

우 에서 불감대 영역이 대폭 감소하는 것으로 분석되었다 그러나 이에 대해, 70kHz .

서는 제작하여 추가적인 검증시험이 필요한 것으로 판단된다.

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센서 빔패턴 분석을 위한 형상변수 및 가진주파수센서 빔패턴 분석을 위한 형상변수 및 가진주파수센서 빔패턴 분석을 위한 형상변수 및 가진주파수센서 빔패턴 분석을 위한 형상변수 및 가진주파수Table. 5-1.Table. 5-1.Table. 5-1.Table. 5-1.

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초음파센서의 빔패턴 해석을 위한 모델초음파센서의 빔패턴 해석을 위한 모델초음파센서의 빔패턴 해석을 위한 모델초음파센서의 빔패턴 해석을 위한 모델Fig. 3-5-1. FEMFig. 3-5-1. FEMFig. 3-5-1. FEMFig. 3-5-1. FEM

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초음파센서 빔패턴 분석결과 축 특성 축 단면초음파센서 빔패턴 분석결과 축 특성 축 단면초음파센서 빔패턴 분석결과 축 특성 축 단면초음파센서 빔패턴 분석결과 축 특성 축 단면Fig. 3-5-2. (Dpzt=22, 65kHz) : (a) Beam profile, (b) x DAC , (c) y BeamFig. 3-5-2. (Dpzt=22, 65kHz) : (a) Beam profile, (b) x DAC , (c) y BeamFig. 3-5-2. (Dpzt=22, 65kHz) : (a) Beam profile, (b) x DAC , (c) y BeamFig. 3-5-2. (Dpzt=22, 65kHz) : (a) Beam profile, (b) x DAC , (c) y Beam

위치위치위치위치(x=200mm ).(x=200mm ).(x=200mm ).(x=200mm ).

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초음파센서의 지향성 분석초음파센서의 지향성 분석초음파센서의 지향성 분석초음파센서의 지향성 분석6.6.6.6.

초음파센서의 공기중 및 수중에서의지향성을 분석하고 그 결과를 부터, Fig.3-6-2

까지 나타내었다 초음파의 지향성분석에는 에 나타낸 바와Fig.3-6-13 . Fig.3-6-1

같이 두 종류의 모델 사용하여 의 센서 구성부품의 형상 및 구조 가진Table3-6-1 ,

주파수에 따라 분석하였다 부터 의 결과는 압소전자의 형상. Fig.3-6-2 Fig.3-6-7

및 가진 주파수 변화에 따라 지향성 분석결과를 나타낸 것이고 부터, Fig.3-6-8

까지는 초음파센서의 정합층 두께의 변화에 따라 초음파의 지향성 변화Fig.3-6-13

를 나타낸 것이다.

에 대하여 분석한 및 의 결과에서 알 수 있듯이 주파Case 1 Fig.3-6-2 Fig.3-6-3 ,

수가 증가함에 따라 가 감소하며 가 증가하다가 다시side lobe main lobe side lobe

가 증가하며 가 감소하는 경향을 보이고 있다 즉 및 에main lobe . 70 kHz 75 kHz

서 정도이던 음압이 에서 감소하는 것으로 분석0 dB main lobe 80 kHz -2.5 dB

되었다 또한 공기중에서 지향각은 약 도 정도로 분석되었다 의 경우. 13 . Case 2∓

도 에서 가장 양호한 의 강도를 나타내고 있고 공기 중에서 지향70 kHz main lobe ,

각은 약 도 정도로 분석되었다 참조 의 경우도 에10 (Fig.3-6-4 ). Case 3 70 kHz∓

서 가장 양호한 의 강도를 나타내고 있고 공기중에서 지향각은 약main lobe , 10∓

도 정도로 분석되었다 참조 그러나 및 에 비해 의(Fig.3-6-6 ). Case 1 2 main lobe

강도가 다소 낮은 정도로 나타났다-2 dB .

초음파센서의 정합층의 두께에 따라 지향성특성을 분석한 결과인 부터Fig.3-6-8

에서 알 수 있듯이 정합층 두께가 근처에서는 가장 우Fig.3-6-13 , 1.1 ~ 1.2 mm

수한 것으로 분석되었다 의 경우 공기 중에서 지향각은 약 도 정도이. Case 4 , 22∓

고 및 의 경우 공기중에서 지햑각은 각각 약 도 및 약 도, Case 5 Case 6 12 15∓ ∓

인 것으로 분석되었다 정합층 두께가 인 경우 후면층이 없는 상태에서. 1.2 mm ,

측면 감쇠층 및 후면 감쇠층을 삽입함에 따라 의 강도가 에서main lobe 0 dB -8dB

로 감소하다가 다시 정도로 다시 증가하는 것으로 분석되었다-3 dB .

이상의 결과로부터 부터 까지에서 사용한 초음파센서 경우 가진 주파수는Case 1 3 ,

에서 가장 좋은 지향성 특성을 가지고 지향각도는 약 도70 ~ 75 kHz , 13 ~∓ ∓

도 정도의 범위를 갖는 것으로 나타났다 또한 정도의 두께를 갖는10 . 1.1 ~1.2 mm

정합층을 사용하여 초음파 센서를 구성하고 후면층이 없는 상태에서 측면 감쇠층,

및 후면 감쇠층을 삽입함에 따라 공기중에 지향각도는 약 부터 까지 변화22 12∓ ∓

하는 것으로 분석되었다 그러므로 후면 및 측면 감쇠층을 사용하는 것이 지향특성.

을 향상시키기 위해 바람직하다고 판단된다.

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초음파센서의 지향성 분석을 위한 형상변수 및 가진주파수초음파센서의 지향성 분석을 위한 형상변수 및 가진주파수초음파센서의 지향성 분석을 위한 형상변수 및 가진주파수초음파센서의 지향성 분석을 위한 형상변수 및 가진주파수Table. 3-6-1.Table. 3-6-1.Table. 3-6-1.Table. 3-6-1.

(a) Case 1 ~ 3(a) Case 1 ~ 3(a) Case 1 ~ 3(a) Case 1 ~ 3

(b) Case 4 ~ 6(b) Case 4 ~ 6(b) Case 4 ~ 6(b) Case 4 ~ 6

초음파센서의 지향성해석용 모델초음파센서의 지향성해석용 모델초음파센서의 지향성해석용 모델초음파센서의 지향성해석용 모델Fig. 3-6-1. FEMFig. 3-6-1. FEMFig. 3-6-1. FEMFig. 3-6-1. FEM

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가진주파수에 따른 초음파센서의 지향성 분석결과가진주파수에 따른 초음파센서의 지향성 분석결과가진주파수에 따른 초음파센서의 지향성 분석결과가진주파수에 따른 초음파센서의 지향성 분석결과Fig. 3-6-2. (Case1, Air) : (a) 65kHz, (b) 70kHz, (c) 75kHz, (d) 80kHz.Fig. 3-6-2. (Case1, Air) : (a) 65kHz, (b) 70kHz, (c) 75kHz, (d) 80kHz.Fig. 3-6-2. (Case1, Air) : (a) 65kHz, (b) 70kHz, (c) 75kHz, (d) 80kHz.Fig. 3-6-2. (Case1, Air) : (a) 65kHz, (b) 70kHz, (c) 75kHz, (d) 80kHz.

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가진주파수에 따른 초음파센서의 지향성 분석결과가진주파수에 따른 초음파센서의 지향성 분석결과가진주파수에 따른 초음파센서의 지향성 분석결과가진주파수에 따른 초음파센서의 지향성 분석결과Fig. 3-6-3. (Case1, Water) : (a) 65kHz, (b) 70kHz, (c) 75kHz, (d) 80kHz.Fig. 3-6-3. (Case1, Water) : (a) 65kHz, (b) 70kHz, (c) 75kHz, (d) 80kHz.Fig. 3-6-3. (Case1, Water) : (a) 65kHz, (b) 70kHz, (c) 75kHz, (d) 80kHz.Fig. 3-6-3. (Case1, Water) : (a) 65kHz, (b) 70kHz, (c) 75kHz, (d) 80kHz.

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정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과Fig. 3-6-8. (Case5, air) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e) 1.5.Fig. 3-6-8. (Case5, air) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e) 1.5.Fig. 3-6-8. (Case5, air) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e) 1.5.Fig. 3-6-8. (Case5, air) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e) 1.5.

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정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과Fig. 3-6-9. (Case5, water) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e) 1.5.Fig. 3-6-9. (Case5, water) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e) 1.5.Fig. 3-6-9. (Case5, water) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e) 1.5.Fig. 3-6-9. (Case5, water) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e) 1.5.

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정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과Fig. 3-6-11. (Case6, water) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e)Fig. 3-6-11. (Case6, water) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e)Fig. 3-6-11. (Case6, water) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e)Fig. 3-6-11. (Case6, water) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e)

1.5.1.5.1.5.1.5.

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정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과정합층 두께에 따른 따른 초음파센서의 지향성 분석결과Fig. 3-6-13. (Case7, water) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e)Fig. 3-6-13. (Case7, water) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e)Fig. 3-6-13. (Case7, water) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e)Fig. 3-6-13. (Case7, water) : (a) 1.1 (b) 1.2, (c) 1.3, (d) 1.4, (e)

1.5.1.5.1.5.1.5.

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초음파센서의 시제품 제작초음파센서의 시제품 제작초음파센서의 시제품 제작초음파센서의 시제품 제작7.7.7.7.

가 구성부품의 제작가 구성부품의 제작가 구성부품의 제작가 구성부품의 제작....

은 압소전자 진동판 정합층 흡음층 지지기구로 구성된 고주파 초음파Fig.3-7-1 , , , ,

센서의 내부 구조를 보이고 있다 압전소재는 소재가 수신감도가 우수하여 주. PZT

로 이용되고 있는데 압전소재는 출력 임피던스가 높아서 금속의 하우징으로PZT

차폐가 필요하다 의 센서는 진동관을 자 형태로 제작함으로서 진동판. Fig.3-7-1 ‘U'

의 역할 및 차폐 역할을 동시에 할 수 있도록 제작 되었다 또한 측면과 후면에 흡.

음층을 둠으로써 진동시 발생되는 초음파가 측면 또는 후면으로부터 반사되어 돌아

오는 것을 억제하는 역할을 하도록 한다.

초음파센서의 구조초음파센서의 구조초음파센서의 구조초음파센서의 구조Fig. 3-7-1Fig. 3-7-1Fig. 3-7-1Fig. 3-7-1

초음파센서의 주파수 특성 및 수신감도를 좌우하는 것은 압전 소자이며 다음이 진

동판과 정합층이다 압전진동자의 재료와 주파수를 고려한 직경이 고려되어야 하며.

진동판과 정합층은 음향 임피던스 두께 및 음파의 감쇄상수가 고려되어야 한다.

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나 압전소자나 압전소자나 압전소자나 압전소자....

압전소자는 구조에 따라 여러 가지 진동모드를 갖는데 그중 원형 압전소자의 진동

모드는 축에 대해 대칭적인 진동구조를 가지며 모드가 단순하고 제작이 용이하여

많이 사용되고 있다 원형 압전소자의 공진주파수는 다음 근사식으로 간단히 구할.

수 있다.

fr = Np/D

여기서 Np는 압전재료의 외경진동에 대한 주파수 상수이고 는 압전소자의 외경을D

의미한다 사용된 압전 재료의. Np 이므로 직경이 일 때 공진주파수는=1900 5㎜

가 된다 는 센서 제작에 사용된 압전 소자의 임피던스 특성 및380kHz . Fig.3-7-2

그에 대한 등가회로를 보여준다.

압전소자의 임피던스 특성압전소자의 임피던스 특성압전소자의 임피던스 특성압전소자의 임피던스 특성(a)(a)(a)(a)

등가회로도등가회로도등가회로도등가회로도(b)(b)(b)(b)

압전 소자의 임피던스 특성 및 등가회로압전 소자의 임피던스 특성 및 등가회로압전 소자의 임피던스 특성 및 등가회로압전 소자의 임피던스 특성 및 등가회로Fig. 3-7-2Fig. 3-7-2Fig. 3-7-2Fig. 3-7-2

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다 초음파센서 유닛의 제작다 초음파센서 유닛의 제작다 초음파센서 유닛의 제작다 초음파센서 유닛의 제작....

압전소자 진동판 정합층을 부착하고 외부의 흡음층을 만들어 지지용 기구물에 부, ,

착하면 센서의 헤더 유닛이 된고 그 구성은 앞의 과 같다 이렇게 구성된Fig.3-7-1 .

센서의 전기적 임피던스 특성은 압전소자의 임피던스특성과는 조금 다르게 나타나

는데 이는 진동판 및 정합층이 결합되면서 기구적인 고유진동모드가 생성되면서 생

기는 현상이고 이때 초음파진동이 가장 크게 나타나는 부분은 근방으로 압380kHz

전소자에 의한 가진으로 전체 기구물이 함께 진동하는 형태가 된다 은. Fig.3-7-3

이러한 센서의 임피던스 특성을 보여주고 있다.

초음파센서의 임피던스특성초음파센서의 임피던스특성초음파센서의 임피던스특성초음파센서의 임피던스특성Fig. 3-7-3Fig. 3-7-3Fig. 3-7-3Fig. 3-7-3

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제작된 센서의 초음파 송수신을 담당하는 압전 센서 유닛은 와 같다Fig.3-7-4 .

초음파 압전 센서 유닛초음파 압전 센서 유닛초음파 압전 센서 유닛초음파 압전 센서 유닛Fig. 3-7-4Fig. 3-7-4Fig. 3-7-4Fig. 3-7-4

라 회로의 구성라 회로의 구성라 회로의 구성라 회로의 구성....

초음파센서 유닛으로부터 초음파를 발생시키고 피측정물로부터 반사되어 돌아오는

신호를 검출하기 위한 회로는 와 같이 구성된다Fig.3-6-5 .

초음파센서 송수신 구성도초음파센서 송수신 구성도초음파센서 송수신 구성도초음파센서 송수신 구성도Fig. 3-7-5Fig. 3-7-5Fig. 3-7-5Fig. 3-7-5

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의 증폭회로에서 증폭되는 신호와 정형된 신호는 처럼 나타난Fig.3-7-5 Fig.3-6-6

다.

수신신호의 증폭 및 정형수신신호의 증폭 및 정형수신신호의 증폭 및 정형수신신호의 증폭 및 정형Fig. 3-7-6Fig. 3-7-6Fig. 3-7-6Fig. 3-7-6

피측정물에서 반사된 미약한 초음파 신호는 에 의해 전기적 신호로 변환되고PZT

이 미세한 신호를 증폭기에서 증폭하고 정류함으로써 센서의 신호출력을 얻게 된

다.

마 시제품 제작마 시제품 제작마 시제품 제작마 시제품 제작....

앞에서 기술한 바와 같이 초음파센서의 구성요소인 압전소자와 진동판 정합판 흡, ,

음층 그리고 구동회로를 사용하여 설계 제작된 초음파 센서를 에 보였다Fig.3-7-7 .

성능이 좋은 초음파센서를 구현하기 위해서는 압전 소자의 특성 및 진동판과의 접

착 정합층의 두께 그리고 흡음효과 등이 중요한 요소라 할 수 있다, .

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제작된 센서의 사진제작된 센서의 사진제작된 센서의 사진제작된 센서의 사진Fig. 3-7-7Fig. 3-7-7Fig. 3-7-7Fig. 3-7-7

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압전재료에 따른 검출성능압전재료에 따른 검출성능압전재료에 따른 검출성능압전재료에 따른 검출성능(1).(1).(1).(1).

동일한 조건으로 제작된 초음파센서는 압전 소자의 특성에 따라 다음과 같은 특성

차이를 나타낸다.

압전재료 특성과 그에 따른 초음파센서의 검출 성능압전재료 특성과 그에 따른 초음파센서의 검출 성능압전재료 특성과 그에 따른 초음파센서의 검출 성능압전재료 특성과 그에 따른 초음파센서의 검출 성능Table. 3-7-1Table. 3-7-1Table. 3-7-1Table. 3-7-1

는 초음파 세척기 등에 사용하는 재료는 주로 초음파 파워를 발생시키는 것으로A

유전손실이 적고 연속 구동시 발열이 적은 장점이 있는 반면 센서용으로는 그리 적

합하지 않은 것으로 보인다 는 기존에 사용하던 재료로 센서용으로 사용은 가능. B

하지만 g33값이 작아 특성이 우수하지는 않다 는 기존의 압전재료에서 압전상수. C

값을 보다 상향시킨 재료로서 에 나타난 것과 같이 기존에 사용하던Table3-7-1 B

재료에 비해 우수한 성능을 나타내고 있음을 알 수 있다.

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정합층의 두께정합층의 두께정합층의 두께정합층의 두께(2)(2)(2)(2)

정합층은 압전소자와 진동판에 의해 발생된 초음파 신호를 공기중으로 방출하고 피

측정물에 의해 반사되어 되돌아온 신호를 압전소자에 전달해주는 역할을 하는 것으

로 그 재료 및 두께의 선정에 따라 검출 성능에 큰 영향을 줄 수 있다 정합층의.

재질은 온도에 따른 신뢰도 및 비용을 고려하여 내열성이 좋은 엔지니어링 플라스

틱을 선정하였고 정합층의 두께는 시뮬레이션 결과와 검증 실험에 의해 결정되었

다 실험 결과와 시뮬레이션 결과와의 다소간의 오차가 있으나 이 오차는 정합층에.

사용되는 재료 고유의 물질 값과 가공방법에 의한 물질 값 변화 또는 접착시의 본

딩 레이어의 효과에 의한 것으로 생각할 수 있다.

정합층 두께에 따른 최대검출거리의 영향정합층 두께에 따른 최대검출거리의 영향정합층 두께에 따른 최대검출거리의 영향정합층 두께에 따른 최대검출거리의 영향Fig. 3-7-8Fig. 3-7-8Fig. 3-7-8Fig. 3-7-8

잔향시간 개선잔향시간 개선잔향시간 개선잔향시간 개선(3) Damping ( )(3) Damping ( )(3) Damping ( )(3) Damping ( )

초음파센서의 잔향시간을 줄이기 위해서는 압전소자에 가진된 입력신호가 끝나고도

남아 있는 노이즈 신호는 초음파 발생시점에 방사되는 신호가 피측정물이 아닌 기

구의 외벽 및 후면부의 반사층을 통해 되돌아오는 음향 노이즈와 기구물의 고유진

동수에 의한 잔여진동으로 구분할 수 있다 음향 노이즈는 측면과 추면에. backing

구조를 둠으로써 해결할 수 있는데 제작된 압전 센서 유닛에서는 흡음체를 장치함

으로써 이러한 반사 음향 노이즈를 제거하고 있다.

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기구적인 잔여진동을 없애기 위한 구조를 필요로 한다 이러한damping . damping

구조는 잔여진동의 원인이 되는 기구물의 고유 진동 주파수보다 낮은 고유진동수를

가지는 매체로 기구물에 힘을 가해줌으로써 실현될 수 있는데 이러한 역할을 수행

할 수 있는 재료는 경도가 낮은 재질로 금번 시제품 제작시에는 온도신뢰성 및 생

산성을 고려하여 선정하고 사용하였다.

에서는 흐름성이 좋은 고분자 물질 를 압전 소자와 진동판 사이의 공간에Case A A

채워 넣음으로서 효과를 주었고 결과는 다음 와 같다 시료damping Table 3-7-2 .

의 선정 및 실험은 동일한 검출거리 및 잔향시간을 갖는 것으로 하였고 실험 방법

에 따른 검출 성능을 관찰하는 것으로 진행 하였다 시료의 초기값 성능은 검출거.

리 잔향시간 이다240 ±5 , 580 ±10 .㎜㎜㎲㎲

실리콘 높이에 따른 검출 성능의 변화실리콘 높이에 따른 검출 성능의 변화실리콘 높이에 따른 검출 성능의 변화실리콘 높이에 따른 검출 성능의 변화Table 3-7-2Table 3-7-2Table 3-7-2Table 3-7-2

각각의 순번별로 고분자 물질 를 높이별로 충진하면서 검출성능의 변화를 관찰하A

였는데 고분자 물질 의 충진 높이가 높아짐에 따라 잔향시간의 감소가 예상되었으A

나 오히려 다시 증가하여 초기값 근방으로 가는 시료가 있고 또는 최대 검출거리의

감소가 일어나는 경향이 발생한다 이러한 경향은 충진된 고분자 물질 가 압전센. A

서의 고유진동 모드에 영향을 주어 일어나는 현상이고 이러한 경우의 임피던스 특

성 변화를 에 보였다Fig.3-7-9 .

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제작된 센서의 임피던스 특성제작된 센서의 임피던스 특성제작된 센서의 임피던스 특성제작된 센서의 임피던스 특성(a)(a)(a)(a) 고분자 물질 충진시고분자 물질 충진시고분자 물질 충진시고분자 물질 충진시(b) A(b) A(b) A(b) A

고분자 물질 충진에 의한 임피던스 특성 변화고분자 물질 충진에 의한 임피던스 특성 변화고분자 물질 충진에 의한 임피던스 특성 변화고분자 물질 충진에 의한 임피던스 특성 변화Fig. 3-7-9 AFig. 3-7-9 AFig. 3-7-9 AFig. 3-7-9 A

실험전 초음파센서 유닛의 임피던스 특성이 이고 고분자 물질 충진Fig.3-7-9(a) A

시 특성 변화가 에 표시되어 있다 공진주파수가 낮아지고 공진저항이 상(b) . 10kHz

승하여 초음파 센서의 성능이 감쇄되었음을 보여주며 임피던스 파형의 왜곡은 각각

의 순번별 시료별로 불균일하게 나타난다, .

고분자 물질- Case B : B damper

에서의 임피던스 특성의 불균일한 왜곡은 고분자 물질 충진시 균일한 양Case A A

의 제어가 어렵고 중심축을 기준으로 한 원주방향으로 동일한 높이의 층을damper

만들기 어려워 발생하는 것으로 보이므로 에서는 고분자 물질 를 사용한Case B B

방법을 채용하였다 시료의 선정은 와 동일하게 하고 삽입되는 고분자 물질. Case A

의 형상 및 치수에 따른 변화량을 관찰하였다B .

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고분자 물질 삽입에 의한 잔향시간 감쇄 효과고분자 물질 삽입에 의한 잔향시간 감쇄 효과고분자 물질 삽입에 의한 잔향시간 감쇄 효과고분자 물질 삽입에 의한 잔향시간 감쇄 효과Table 3-7-3 BTable 3-7-3 BTable 3-7-3 BTable 3-7-3 B

에서 보듯이 고분자 물질 를 삽입할 경우 잔향시간의 감쇄가 균일하Table 3-7-3 B

게 발생하고 그에 따른 최대검출거리 저하도 이내로 나타난다10 . Table 3-7-4㎜

는 를 적용하여 적용 전후의 변화량을 측정한 것으로 측정시료 모두 잔Case B-2

향시간이 만족한 수준에 도달함을 알 수 있다.

적용에 따른 검출성능 변화적용에 따른 검출성능 변화적용에 따른 검출성능 변화적용에 따른 검출성능 변화Table 3-7-4. Case B-2Table 3-7-4. Case B-2Table 3-7-4. Case B-2Table 3-7-4. Case B-2

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초음파센서의 특성평가초음파센서의 특성평가초음파센서의 특성평가초음파센서의 특성평가8.8.8.8.

잔향시간 및 검출거리에 대한 평가 그래프 사진 등을 활용하여 설명- data, ,

잔향시간 및 검출 거리에 대한 평가-

가 센서의 평가가 센서의 평가가 센서의 평가가 센서의 평가....

제작된 센서와 송수신 회로를 사용하여 초음파 신호를 발생시키고 피측정물로부터

반사되어 돌아온 신호를 증폭회로를 통해 출력으로 변환하면 와 같Fig.3-8-1 (a)

은 형태가 된다 는 증폭된 신호를 정류한 것이고 는 정류된 신호. Fig.3-8-1 (b) (c)

가 일정 전압이상일 때 출력을 내는 비교기를 사용하여 검출 신호로 변환한 것DC

이다.

증폭된 수신 신호증폭된 수신 신호증폭된 수신 신호증폭된 수신 신호a)a)a)a)

수신신호의 정류수신신호의 정류수신신호의 정류수신신호의 정류b)b)b)b)

비교기회로를 이용한 검출신호 생성비교기회로를 이용한 검출신호 생성비교기회로를 이용한 검출신호 생성비교기회로를 이용한 검출신호 생성c)c)c)c)

초음파센서의 신호출력 변환초음파센서의 신호출력 변환초음파센서의 신호출력 변환초음파센서의 신호출력 변환Fig. 3-8-1Fig. 3-8-1Fig. 3-8-1Fig. 3-8-1

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에서 압전소자에 인가되는 신호로부터 피측정물에 반사되어 되돌아오는Fig. 3-8-1

시간을 측정하면 피측정물의 거리를 계산할 수 있고 그 식은 다음과 같다.

D = Vs * t / 2

피측정물까지의 거리 공기중의 음속 인가신호에서 검출까지의 시간(D : , Vs : , t : )

제작된 초음파센서의 증폭 및 정류된 수신신호제작된 초음파센서의 증폭 및 정류된 수신신호제작된 초음파센서의 증폭 및 정류된 수신신호제작된 초음파센서의 증폭 및 정류된 수신신호Fig. 3-8-2Fig. 3-8-2Fig. 3-8-2Fig. 3-8-2

의 시간은 약 미리세컨드이고 상온에서 공기중의 음속을Fig. 3-8-2 1.78 340m/sec

라고 하면 검출거리는 로 계산된다340 × (1.78) × 0.001 / 2 = 0.302 m . Fig.

은 기준 전압 이상을 신호로 읽어 들이도록 하는 비교기회로를 통해 센서의3-8-3

출력 신호로 변환하는 것으로 검출거리는 이상이고 잔향시간은 로 측300 438㎜㎲

정이 됨을 알 수 있다.

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제작된 초음파센서의 출력신호제작된 초음파센서의 출력신호제작된 초음파센서의 출력신호제작된 초음파센서의 출력신호Fig. 3-8-3Fig. 3-8-3Fig. 3-8-3Fig. 3-8-3

에서 초음파센서의 초기 인가신호로부터 자기 공진주파수에 의한Fig.3-8-3

에 의해 진동이 없어지는데 까지 필요한 시간이 잔향시간이고 이것이 작damping

을수록 가까운 거리를 검출하는 능력이 좋은 센서가 되는 것이다 만일 이 잔향 시.

간이 길어지면 피측정물에 반사되어 돌아오는 신호와 잔향에 의한 신호가 중첩되므

로 두 가지 신호를 구분할 수 없게 되므로 가까운 거리에 있는 물체의 유무를 판단

하지 못하는 경우가 된다 즉 초음파센서에서 출력되어 피측정물에 반사되어 되돌.

아오는 신호가 가진 신호의 잔향시간과 중첩되면 검출오류가 발생하므로 초기 가진

시 사용되는 신호의 잔향을 적게 하는 것이 중요하고 잔향신호가 신호로 검출되지

않도록 신호검출에 대한 기준전압 레벨과 최소검출거리를 적절히 정하는 것이 필요

하다 본 과제에서 도출된 초음파 출력 개선 및 잔행시간의 절감에 대한 결과를 활.

용하여 초음파센서 제품 제작시 수요처 요구에 최적화딘 설계를 적용한 초음파 센

서를 생산하는 단계에 이르렀다 는 제품 성능 개선전과 개선후 초음파. Fig. 3-8-4

센서의 검출가능 영역을 표시한 것을 개선 전에 비해 최소검출 거리 및 최대검출거

리 그리고 검출 영역이 모두 향상되었음을 보여준다.

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과제 전 후 초음파센서의 검출성능 비교과제 전 후 초음파센서의 검출성능 비교과제 전 후 초음파센서의 검출성능 비교과제 전 후 초음파센서의 검출성능 비교Fig. 3-8-4 .Fig. 3-8-4 .Fig. 3-8-4 .Fig. 3-8-4 .

초음파센서 및초음파센서 및초음파센서 및초음파센서 및Fig. 3-8-5 Mapping towerFig. 3-8-5 Mapping towerFig. 3-8-5 Mapping towerFig. 3-8-5 Mapping tower

- 142 -

는 개선된 초음파센서를 이용한 의 시제품으로 간Fig. 3-8-5 Mapping tower 30㎜

격의 두께 피측정물을 없이 검출할 수 있는 산업용 초음파 센서0.5 cross talk㎜

장치이다.

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제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

본 지원사업의 최종 목표를 달성하기위하여 센서 구성부품의 특성 및 내부 구조 분

석 송수신특성 빔패턴 분석 지향성 분석 시제품 제작 및 특성평가 등을 하였고, , , , ,

세부적인 수행주체별 담당업무 및 수행방법 보유 기자재 활용 등은 다음과 같다, .

자료조사 및 계획수립○

및 주 동일기연 참여 인력이 공동으로 센서의 구성재료 및 구조 등 문헌- KICET ( )

조사 및 기술 분석을 통해 세부 추진 계획 및 일정 수립하였음.

구성재료 물성 분석 및 진동모드 분석○

압전재료 및 구성 재료의 물성분석 센서 진동모드 분석 등은 및 주 동일- , KICET ( )

기연에서 보유하고 있는 특성평가용 장비 및 를 이용하여 분석하였음 또FEM S/W .

한 참여기업에서는 이를 이용하여 제품 개선 및 개발에 활용하였음.

센서의 송신 및 수신특성 분석○

주 동일기연과 협의하여 결정한 내용에 대하여 보유의 를 이용- ( ) KICET FEM S/W

하여 분석하고 그 결과를 참여기업에 제공하였음 참여기업에서 그 결과를 검토하, .

고 추가 해석을 요청한 사항에 대하여 분석하고 그 결과를 제공하였음 또한 참여, , .

기업에서는 이를 이용하여 제품 개선 및 개발에 활용하였음.

센서의 빔패턴 및 지향특성 분석○

주 동일기연과 협의하여 결정한 내용에 대하여 보유의 를 이용- ( ) KICET FEM S/W

하여 분석하고 그 결과를 참여기업에 제공하였음 참여기업에서 그 결과를 검토하, .

고 추가 해석을 요청한 사항에 대하여 분석하였고 그 결과를 제공하였음 또한 참, , .

여기업에서는 이를 이용하여 제품 개선 및 개발에 활용하였음.

센서의 구성품 제조 및 내부구조 개선○

내부구조 개선과 관련하여 주 동일기연이 토의하여 결정하고 보- KICET/( ) , KICET

유의 를 이용하여 분석을 실시하여 그 결과를 참여기업에 전달함FEM S/W .

주 동일기연 부유 제조장비 및 외주시험을 통해 센서의 구성부품을 제조하였음- ( ) .

시제품 제작 및 성능 평가 검증/○

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주 동일기연 보유 제조장비 및 외주시험을 통해 센서 시제품을 제작하였음- ( ) .

주 동일기연 에서 보유한 평가 장비를 활용하여 센서 성능을 평가하였음- ( ) /KICET .

또한 평가된 센서를 수요업체에 제공하여 실 사용환경에서 센서의 성능을 시험하였

음.

본 지원사업의 업무수행을 통해 얻어진 기술적인 성과는 다음과 같다.

센서 구성부품의 특성 및 진동모드 분석○

기 제작되어있는 초음파 음향센서의 구조 및 재질에 특성을 재평가하고 음장 및,

구조 시뮬레이션을 통하여 압전 초음파 음향센서에 대한 이해와 제품 성능개선의

기초자 료를 제공하여 제품을 개선토록 지원함 또한 초음파 센서의 핵심 부품인.

압전소자 특성개선으로 제품의 성능을 향상시키고 정합층에 의한 성능 차이를 시물

레이션을 통해 검증하고 이를 제품 특성 개선에 활용하도록 하였음.

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센서의 음파 방사패턴 및 지향성 분석○

압전 초음파센서에 대한 해석에 의해 음파에 특성에 대한 이해도를 넓히고 관련 제

품의 신규개발에 대한 개발시간 단축 효과를 줌 중 장거리 제품 개발 완료 및 진. .

행중으로 검출용 산업용센서 산업용 센서 및 주차관리용 초음파센1200 , 3500㎜㎜

서 개발완료 에 일익을 담당함 음파의 방사 패턴 및 지향성을 분석한 자료에 근거.

하여 장거리 초음파 아날로그센서 개발 및 시제품 제작에 기초 자료를 제7000㎜

공하였음.

현장 적용시험 및 검증○

초음파센서에 대한 시뮬레이션 자료를 근거로 기 제품의 성능개선을 위한 방향성을

제시함으로서 제품 성능개선의 시간을 단축하고 생산성을 향상하여 시장에서 원하

는 시기에 맞춰 지원기업의 신규사업 분야에 대한 매출 증대 및 향후 관련 산업의

기반을 만들어 갈수 있는 여건이 조성되었음 연구 자료는 기어브이 현장 적용 노.

하우에 의해 적용 검토가 이루어지고 제품의 성능 개선 및 수율 향상에 대한 검증

단계를 마치고 신규 영업 분야에 대한 생산 투입을 시작하였음.

- 146 -

제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

제 절 개선목표 및 달성도제 절 개선목표 및 달성도제 절 개선목표 및 달성도제 절 개선목표 및 달성도1111

경쟁사의 제품의 특성과 비교하여 다음과 같음 목표를 설정하였고 과제기간중 목표

를 달성 하였음.

제 절 관련 분야에의 기여도제 절 관련 분야에의 기여도제 절 관련 분야에의 기여도제 절 관련 분야에의 기여도2222

초음파센서의 진동모드 및 지향성 분석에 의해 센서에 대한 이해도를 넓히고 초음

파센서의 신규 개발 시간을 단축시키는 효과를 주어 현재는 초음파 거리센서의 모

델군을 형성하는 단계에 이르고 있다.

및 까지 거리측정이 가능한 초음파 아날로그센서가 개발되어1,200mm 3,200mm

시제품을 출시하였고 까지 검출이 가능한 초음파 센서의 시작품이 제작, 7,000mm

되어 성능시험을 진행하고 있는 단계이다 따라서 산업용 초음파 라인업을 구성하.

고 있으며 향후 신규 사업 분야의 영업 매출 창출이 기대된다 그러므로 그간 수입, .

에 의존해왔던 산업용 초음파센서의 국산화로 초음파센서의 저변확대와 수입 대체

효과가 크리라 본다.

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제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

본 기술지원사업을 통하여 확보된 공중 초음파 센서의 설계 기술 및 기 양산제품의

특성향상을 통해 다양한 분야에 초음파 센서를 응용할 수 있으리라 판단된다 특히. ,

기존 마그네틱 센서 광학센서 등을 사용하고 있는 공장 자동화 라인에서 초음파,

센서로의 대체를 이끌어 낼 수 있으리라 판단되며 제품 특성 향상 및 가격 경쟁력,

확보를 통해 수출 및 수입 대체효과가 클 것으로 기대하고 있다.

제 절 타 연구에의 응용제 절 타 연구에의 응용제 절 타 연구에의 응용제 절 타 연구에의 응용1111

센서 성능향상 개발 진행 과정중 습득한 기술로 중 장거리 센서 개발에 대한 기- ..

초 설계단계에 적용하여 각 센서에 대한 시제품 제작 및 검출 거리별 센서 line-up

구축에 대한 기초 자료로 활용중임.

제 절 사업화 추진방향제 절 사업화 추진방향제 절 사업화 추진방향제 절 사업화 추진방향2222

제품성능 개선으로 생산성 향상 및 영업기반 확보하였고 제조사인 사 및LCD A B

사에 산업용 센서로 납입을 시작하고 있다 특히 사의 경우 초음파 센서를 사용하. L

여 다단의 피측정물을 개별로 검출하는 시스템인 를 제품화 하여 남Mapping tower

품함으로써 제품의 부가가치를 높이고 매출 향상에 기여하게 될 것으로 본다 또한.

국내 시장의 활성화에 힘입어 대만 일본 등으로 영업 영역을 확대하고 관련 제품,

의 개발로 초음파센서의 라인업을 구축하여 초음파센서 전문 기업으로 발돋음하고

국내 초음파시장 활성화를 통해 영업 이익을 창출함과 동시에 사용자에 대해서는

수입 대체 및 국산화에 의한 비용 절감효과를 주어 국내 초음파 센서 시장에 기여

하게 될 것으로 본다.

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제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌6666

[1] A.R. Selfridge Design and Fabrication of Uilrasonic Transducer Arrays,

Ph.D. Thesis, Stanford University, Stanford, CA, 1982, Available from

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[8] V. M. Ristic, Principals of Acoustic Devices, John Wiley and Sons, N.Y.,

1983.

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Documents

LCDGlass 감지용초음파근접센서의최적 … · 잔향시간 600㎲ 이하이하 550㎲ 목표달성 센서의송수신파형/ - 송수신파형 재질및형상변화에 따른분석결과