KR100742710B1 - Air transmission ultrasonic sensor - Google Patents
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Abstract
종래의 초음파 송수파기에서는, 온도 변화에 따라 정전 용량이 변화하고, 이에 동반하여 잔향 시간이 길어지거나 근거리에서 장해물 검출이 가능하지 않았다. 이에 대한 대책으로서 온도 보상 콘덴서가 이용되고 있지만, 가격이 상승한다는 문제가 있어 왔다. 이를 해결하고자 그 대책으로서 온도 보상 콘덴서를 이용하지 않아도 온도 변화에 따라 잔향 시간의 변화를 억제할 수 있도록, 바닥을 댄 원통형 케이스와 압전 소자 사이에, 또는 압전 소자와 바닥을 댄 원통형 케이스와의 접착면의 반대면에, 또는 압전 소자의 양면에 저열팽창합금인 인바합금 등의 접합시키는 방법이 있지만, 반사감도가 저하되는 문제가 있다.In the conventional ultrasonic wave receiver, the capacitance changes with temperature change, and the reverberation time becomes long or the obstacle detection is not possible at a short distance. As a countermeasure against this, a temperature compensation capacitor has been used, but there has been a problem that the price increases. To solve this problem, adhesion between the bottomed cylindrical case and the piezoelectric element or between the piezoelectric element and the bottomed cylindrical case is possible to suppress the change of the reverberation time according to the temperature change without using a temperature compensation capacitor. Although there is a method of joining an inva alloy, such as a low thermal expansion alloy, to the opposite side of the surface or to both surfaces of the piezoelectric element, there is a problem that the reflection sensitivity is lowered.
본 발명의 초음파 송수파기에 있어서, 바닥을 댄 원통형 케이스의 압전 소자 접착면에 형성된 링 모양의 홈에, 링 모양으로 가공한 저열팽창합금인 인바합금을 접착, 압입 등으로 메워 넣고, 그 위에 압전 소자를 접합함으로써 온도 보상 콘덴서를 이용하지 않고 반사감도 역시 저하시키지 않으며 넓은 온도범위에서 장해물을 안정적으로 검지할 수 있다.In the ultrasonic transceiver of the present invention, an invar alloy, which is a low thermal expansion alloy processed into a ring shape, is filled into a ring-shaped groove formed on a bottom surface of a piezoelectric element bonded to the piezoelectric element by bonding, pressing, or the like, and the piezoelectric element thereon. By bonding, it is possible to stably detect obstacles over a wide temperature range without using a temperature compensating capacitor and reducing reflection.
초음파 송수파기, 압전 소자, 잔향 시간 Ultrasonic Transceiver, Piezoelectric Element, Reverberation Time
Description
도 1은 본 발명의 실시형태에 관련한 초음파 송수파기의 개략종단면도이다.1 is a schematic longitudinal sectional view of an ultrasonic transceiver according to an embodiment of the present invention.
도 2의 a는 본 발명의 실시형태에 관련한 초음파 송수파기에서 바닥을 댄 원통형 케이스의 개략상면도 및 종단면도이다.2A is a schematic top view and a longitudinal cross-sectional view of a cylindrical case bottomed in an ultrasonic transceiver according to an embodiment of the present invention.
도 2의 b는 본 발명의 다른 실시형태에 관련한 초음파 송수파기에서 바닥을 댄 원통형 케이스의 개략상면도 및 종단면도이다.2B is a schematic top view and a longitudinal sectional view of a cylindrical case bottomed in an ultrasonic transceiver according to another embodiment of the present invention.
도 2의 c는 본 발명의 다른 실시형태에 관련한 초음파 송수파기에서 바닥을 댄 원통형 케이스의 개략상면도 및 종단면도이다.Fig. 2C is a schematic top view and a longitudinal sectional view of a cylindrical case bottomed in an ultrasonic transceiver according to another embodiment of the present invention.
도 3의 a는 종래의 실시형태 1에 관련한 초음파 송수파기의 개략종단면이다.Fig. 3A is a schematic longitudinal sectional view of the ultrasonic transceiver in accordance with the first embodiment.
도 3의 b는 종래의 실시형태 2에 관련한 초음파 송수파기의 개략종단면이다.3B is a schematic longitudinal sectional view of the ultrasonic transceiver according to the second embodiment.
도 3의 c는 종래의 실시형태 2에 관련한 초음파 송수파기의 개략종단면이다.Fig. 3C is a schematic longitudinal sectional view of the ultrasonic transceiver according to the second embodiment.
도 3의 d는 종래의 실시형태 2에 관련한 초음파 송수파기의 개략종단면이다.3D is a schematic longitudinal sectional view of the ultrasonic transceiver according to the second embodiment.
도 4는 초음파 송수파기의 정전 용량의 온도 변화와, 온도 보상 콘덴서의 정전 용량의 온도 변화와, 초음파 송수파기와 온도 보상 콘덴서의 합성 정전 용량의 온도 변화를 나타내는 도면이다.4 is a diagram showing a temperature change of the capacitance of the ultrasonic transceiver, a temperature change of the capacitance of the temperature compensation capacitor, and a temperature change of the synthetic capacitance of the ultrasonic transceiver and the temperature compensation capacitor.
도 5는 종래의 실시형태에 관련한 초음파 송수파기의 잔향 시간을 나타내는 도면이다.It is a figure which shows the reverberation time of the ultrasonic wave receiver which concerns on a conventional embodiment.
도 6은 본 발명의 실시형태에 관련한 초음파 송수파기의 잔향 시간을 나타내는 도면이다.It is a figure which shows the reverberation time of the ultrasonic wave receiver concerning embodiment of this invention.
도 7은 종래의 실시형태 1 및 2에 관련한 초음파 송수파기와, 본 발명의 실시형태에 관련한 초음파 송수파기의 반사감도를 나타내는 도면이다.Fig. 7 is a diagram showing the reflection sensitivity of the ultrasonic wave receivers according to the first and second embodiments and the ultrasonic wave receiver according to the embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1 : 압전 소자(piezoelectric element)1: piezoelectric element
2 : 바닥을 댄 원통형 케이스(有底筒狀 케이스)(bottomed cylindrical)2: bottomed cylindrical case
3 : 저열팽창합금(低熱膨張合金) 등으로 이루어진 판재3: plate made of a low thermal expansion alloy or the like
4 : 봉지제(Rubber Packing)4: Rubber Packing
5a : 입출력 리드5a: input / output lead
5b : 입출력 리드5b: I / O lead
6 : 흡음재(acoustic absorbent)6: acoustic absorbent
7 : 바닥을 댄 원통형 케이스의 바닥면 내부에 설치되는 홈(groove)7: Groove installed inside the bottom surface of the cylindrical case
특허문헌 1 : 일본특허공개공보 2004-135089호.Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 2004-135089.
비특허문헌 1 : 谷腰欣司(타니코시 킨지) 저술 「초음파와 그 사용법 - 초음파 송수파기, 초음파 모터」 일간공업신문 1994년.[Non-Patent Document 1] Kaneji Tanikoshi, "Ultrasonic Waves and Their Usage-Ultrasonic Transmitters, Ultrasonic Motors"
본 발명은 초음파 주파수대의 송신 또는 수신을 수행하는 초음파 송수파기에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic transceiver for transmitting or receiving an ultrasonic frequency band.
종래의 실시형태와 관련한 초음파 송수파기에 있어서, 초음파 송수파기를 차의 범퍼 등에 내장하여 설치하고, 차 주변의 장해물을 검출하고자 하는 경우, 초음파 송수파기로 펄스버스트(pulse-burst) 전기신호를 입력하는 것에 따라 초음파 송수파기로부터 상기 입력된 펄스버스트 전기신호에 응답한 초음파 신호가 발진한다. 상기 발진한 초음파 신호는 장해물에 도달하고, 장해물에 맞닿은 초음파 신호는 상기 장해물로부터 반사되며, 이 반사된 초음파 신호의 일부는 동일한 초음파 송수파기로 되돌아간다. 초음파 송수파기는 상기 반사신호를 수신함에 따라 장해물을 검출한다.In the ultrasonic transmitter according to the conventional embodiment, when the ultrasonic transmitter is installed in a bumper or the like of a car, and an obstacle around the vehicle is to be detected, a pulse-burst electric signal is input to the ultrasonic transmitter. An ultrasonic signal in response to the input pulse burst electrical signal is oscillated from the ultrasonic transceiver. The oscillated ultrasonic signal arrives at the obstacle, and the ultrasonic signal contacting the obstacle is reflected from the obstacle, and part of the reflected ultrasonic signal is returned to the same ultrasonic transceiver. The ultrasonic transceiver detects the obstacle as it receives the reflected signal.
종래의 실시형태와 관련한 초음파 송수신파기에 있어서, 환경온도의 변화에 따라 초음파 송수파기의 정전 용량이 변화하여, 잔향 시간이 길어지거나 근거리를 검지할 수 없게 되는 문제가 발생한다. 더욱이, 상기 온도 변화에 따라 정전 용량의 보정을 위한 온도 보상 콘덴서가 일반적으로 이용되고 있으나, 가격이 비싸 시스템의 가격을 상승시키는 문제가 있어왔다. 이들을 종래의 실시형태 1이라 명명하고, 도 3의 a에서 상기 실시형태에 관련한 초음파 송수파기의 개략 종단면도를 도시한다. 도 3의 a에서, 알루미늄재 등으로 이루어진 바닥을 댄 원통형 케이스(2)의 바닥면 내부에 압전 소자(1)를 접합시켜 유니몰프(unimolf) 진동자를 구성한다. 압전 소자(1)와 바닥을 댄 원통형 케이스(2)와의 접착면측의 반대면으로부터 입출력 리드(5a), 또는 바닥을 댄 원통형 케이스(2)로부터 입출력 리드(5b)를 솔딩 (soldering) 등을 하여 취출(取出)한다. 압전 소자(1)와 바닥을 댄 원통형 케이스(2)와의 접착면측과, 바닥을 댄 원통형 케이스(2)와는 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 압전 소자(1)와 입출력 리드(5a) 및, 바닥을 댄 원통형 케이스(2)와 입출력 리드(5b)와는 전기적으로 접속되어 있다. 압전 소자(1)의 윗면으로 실리콘 발포제 등으로 이루어진 흡음재(6)를 얹어 놓고, 상기 흡음제(6) 위로 실리콘재, 우레탄재 등의 탄성재로 이루어진 봉지제(4)를 충전하여 바닥을 댄 원통형 케이스(2)의 내부를 구성한다.In the ultrasonic transceiver according to the conventional embodiment, the capacitance of the ultrasonic transceiver changes with the change of the environmental temperature, resulting in a problem that the reverberation time becomes long or the near field cannot be detected. Moreover, although temperature compensation capacitors are generally used for the correction of capacitance in response to the temperature change, there has been a problem that the price of the system increases due to the high price. These are named conventional Embodiment 1, and the schematic longitudinal cross-sectional view of the ultrasonic wave receiver which concerns on the said embodiment in FIG. 3A is shown. In FIG. 3A, the piezoelectric element 1 is bonded to the inside of the bottom surface of the bottomed
상기 문제를 개선하기 위하여 바닥을 댄 원통형 케이스와 압전 소자 사이에, 또는 압전 소자와 바닥을 댄 원통형 케이스와의 접착면측의 반대면, 또는 압전 소자의 양면으로 저열팽창합금인 인바합금(infra-alloy) 등을 접합시킴으로써 온도 변화에 의한 초음파 송수파기의 정전 용량의 변화를 억제하며, 잔향의 변화를 억제시킬 수 있는 방법이 제시되고 있다. 이들을 종래의 실시형태 2로 명명하고, 도 3의 b, 도 3의 c 및 도 3의 d에 그 실시형태와 관련하여 초음파 송수파기의 개략 종단면도를 도시한다. 도 3의 b에서, 알루미늄재 등으로 이루어진 바닥을 댄 원통형 케이스(2)의 바닥면 내부에 저열팽창합금 등으로 이루어진 판재(3)와, 더불어 그 위에 압전 소자(1)를 접합시켜 유니몰프 진동자를 구성한다. 압전 소자(1)와 저열팽창합금 등으로 이루어진 판재(3)와의 접착면측의 반대면으로부터 입출력 리드(5a), 또는 바닥을 댄 원통형 케이스(2)로부터 입출력 리드(5b)를 솔딩 등으로 취출한다. 압전 소자(1)와 저열팽창합금 등으로 이루어진 판재(3)와의 접착면측과 바닥을 댄 원통형 케이스(2)와는 전기적으로 접속되어 있고, 또한 압전 소자(1)와 입출력 리드(5a) 및, 바닥을 댄 원통형 케이스(2)와 입출력 리드(5b)와는 전기적으로 접속되어 있다. 압전 소자(1)의 윗면으로 발포실리콘 등으로 이루어진 흡음재(6)를 얹어놓고, 상기 흡음제(6) 위로 실리콘재, 우레탄재 등으로 이루어진 봉지제(4)를 충전하여 바닥을 댄 원통형 케이스(2)의 내부를 구성한다.Infra-alloy is a low thermal expansion alloy between the bottomed cylindrical case and the piezoelectric element, or on the opposite side of the adhesive surface side of the piezoelectric element and the bottomed cylindrical case, or on both sides of the piezoelectric element. ), A method of suppressing a change in capacitance of an ultrasonic wave transceiver due to temperature change and suppressing a change in reverberation has been proposed. These are referred to as
하지만, 이러한 방법에서는 온도 변화에 따라 초음파 송수파기의 정전 용량의 변화를 억제하여 잔향의 변화를 억제할 수 있는 개선 효과를 얻는 것이 가능하지만, 종래의 것에 비하여 반사감도가 저하되는 문제점이 발생한다.However, in such a method, it is possible to obtain an improvement effect of suppressing the change in the reverberation by suppressing the change in the capacitance of the ultrasonic transceiver according to the temperature change, but the problem of deterioration in reflection sensitivity occurs compared with the conventional one.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 반사감도를 저하시키지 않고 온도 변화에 따라 정전 용량의 변화를 억제하며, 잔향의 영향을 억제하기 위한 것이다.The problem to be solved of the present invention is to suppress the change of the capacitance and the influence of the reverberation according to the temperature change without lowering the reflection sensitivity.
바닥을 댄 원통형 케이스의 바닥면 내부에 압전 소자를 접합시켜 유니몰프 진동자를 구성하고, 상기 진동체의 케이스 외측면에서 초음파의 송신, 수신을 수행하는 초음파 송수파기에 있어서, 바닥을 댄 원통형 케이스의 압전 소자 접착면에 링 모양의 홈을 형성하고, 상기 형상에 대응하여 링 모양으로 가공된 저열팽창합금인 인바합금을 접착 또는 압입에 의해 바닥을 댄 원통형 케이스에 메워 넣고, 그 위에 압전 소자를 접합함으로써 반사감도를 저하시키지 않고 온도 변화에 의한 초음파 송수파기의 정전 용량의 변화를 억제하며, 잔향의 변화를 억제할 수 있다.A piezoelectric element is bonded to the inside of the bottom surface of the cylindrical case to form a unimorph vibrator, and an ultrasonic transceiver for transmitting and receiving ultrasonic waves from the case outer surface of the vibrating body, wherein the piezoelectric element of the cylindrical case is bottomed. By forming a ring-shaped groove on the device adhesion surface, and filling the Inba alloy, a low thermal expansion alloy processed into a ring shape according to the above shape, into a cylindrical case bottomed by bonding or pressing, and joining the piezoelectric element thereon It is possible to suppress the change in the capacitance of the ultrasonic wave transceiver due to the temperature change and to suppress the change in the reverberation without reducing the reflection sensitivity.
카-백 센서(car-back sensor) 등에 이용할 때에, 넓은 온도범위에서, 근거리 까지 안정적으로 장해물을 검지할 수 있도록 하는 목적을, 온도 보상 콘덴서를 이용하지 않는 상태에서 실현할 수 있다.When used in a car-back sensor or the like, the object of stably detecting an obstacle to a short distance over a wide temperature range can be realized without using a temperature compensation capacitor.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관련한 초음파 송수파기의 개략종단면도를 나타낸다. 도 2의 a는 본 발명의 실시형태에 관련한 초음파 송수파기에서 바닥을 댄 원통형 케이스의 개략상면도 및 종단면도, 도 2의 b 및 도 2의 c는 본 발명의 다른 실시형태에 관련한 초음파 송수파기에서 바닥을 댄 원통형 케이스의 개략상면도 및 종단면도를 나타낸다. 도 1에서, 알루미늄재 등으로 이루어진 바닥을 댄 원통형 케이스(2)의 바닥면 내부에 링 모양의 홈(7)을 형성하고, 동일하게 링 모양으로 가공한 저열팽창합금인 인바합금 등으로 이루어진 판재(3)를 바닥을 댄 원통형 케이스에 형성한 홈(7)에 접착 또는 압입 등에 의해 메워놓고, 또한 그 위에 압전 소자(1)를 접합시켜 유니몰프 진동자를 구성한다. 또한, 바닥을 댄 원통형 케이스(2)에 설치된 홈(7) 및 그곳에 메워놓은 저열팽창함금 등으로 이루어진 판재(3)는 도 2의 b에 도시한 것과 같이, 링 모양으로 되어도 무방하고, 또 도 2의 c에 도시한 것과 같이, 저열팽창합금인 인바합금 등으로 이루어진 판재(3)를 압전 소자(1)의 접착면 근방에 위치하도록 복수 개로 분할하여 메워놓고, 그 위에 압전 소자(1)를 접합시켜 유니몰프 진동자를 구성하여도 무방하다. 압전 소자(1)와 바닥을 댄 원통형 케이스(2)와의 접착면측과 반대면의 압전 소자(1)로부터 입출력 리드(5a), 또는 바닥을 댄 원통형 케이스(2)로부터 입출력 리드(5b)를 솔딩 등에 의해 취출한다. 압전 소자(1)와 바닥을 댄 원통형 케이스(2)와의 접착면측과, 저열팽창합금인 인바합금 등으로 이루어진 판재(3), 및 바닥을 댄 원통형 케이스(2)와는 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 압전 소자(1)와 입출력 리드(5a), 및 바닥을 댄 원통형 케이스(2)와 입출력 리드(5b)와는 전기적으로 접속되어 있다. 압전 소자(1)의 윗면에 발포실리콘 등으로 이루어진 흡음재(6)를 얹어두고, 상기 흡음제(6) 위로 실리콘재, 우레탄재 등으로 이루어진 봉지제(4)를 충전하여 바닥을 댄 원통형 케이스(2)의 내부를 구성한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 shows a schematic longitudinal sectional view of an ultrasonic transceiver according to an embodiment of the present invention. Figure 2a is a schematic top and longitudinal sectional view of a cylindrical case bottomed in the ultrasonic transceiver according to the embodiment of the present invention, Figure 2b and Figure 2c is a bottom in the ultrasonic transceiver according to another embodiment of the present invention Top and longitudinal cross-sectional views of a cylindrical case with a cross section are shown. In Fig. 1, a plate member made of an invar alloy, which is a low thermal expansion alloy formed in a ring-
도 4에 도시한 바와 같이, 종래의 실시형태 1에 관련한 초음파 송수파기의 경우, 온도 변화에 따라 정전 용량이 변화하고, 회로에서 이용되는 변압기의 인덕턴스와의 공진매칭이 어긋나 도 5와 같이 잔향이 증대한다. 이에 대한 대책으로서 초음파 송수파기와 역(逆)인 온도특성을 갖는 온도 보상 콘덴서를 병렬로 접속하고, 온도 변화에 따라 합성 정전 용량의 변화를 억제하고 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 종래의 실시형태 1에 관련하여 초음파 송수파기의 경우, 온도 변화에 따라 정전 용량이 변화하고, 회로에서 이용되고 있는 변압기의 인덕턴스와의 공진매칭이 어긋나 도 5와 같이 잔향이 증대한다. 이에 대한 대책으로서 초음파 송수파기와 역인 온도특성을 갖는 온도 보상 콘덴서를 병렬로 접속하고, 온도 변화에 의한 합성 정전 용량의 변화를 억제하고 있다.As shown in Fig. 4, in the case of the ultrasonic transmitter according to the first embodiment, the capacitance changes with temperature change, and the resonance matching with the inductance of the transformer used in the circuit is shifted, but the reverberation is increased as shown in Fig. 5. do. As a countermeasure against this, a temperature compensation capacitor having an inverse temperature characteristic and an ultrasonic wave receiver are connected in parallel, and the change in the synthetic capacitance is suppressed in accordance with the temperature change. As shown in FIG. 4, in the case of the ultrasonic wave receiver according to the first embodiment, the capacitance changes with temperature change, and the resonance matching with the inductance of the transformer used in the circuit is shifted. This increases. As a countermeasure against this, a temperature compensation capacitor having a temperature characteristic opposite to that of the ultrasonic wave transmitter is connected in parallel to suppress a change in the synthetic capacitance due to temperature change.
본 발명에서는 초음파 송수파기 자체의 온도 변화에 따라 정전 용량의 변화를 억제하기 위해 온도 보상 콘덴서를 이용하지 않고도 동일한 온도특성을 실현할 수 있다. 도 5에, 종래의 실시형태 1에 관련한 초음파 송수파기의 잔향 시간을 나타내는 모식도를 도시한다. 도 6에, 본 발명의 실시형태에 관련한 초음파 송수파기의 잔향 시간을 나타내는 모식도를 도시한다. 더불어 종래의 실시형태 2에 관련한 초음파 송수파기에서는 종래의 실시형태 1에 관련한 초음파 송수파기와 비교하 여 반사감도가 저하되지만, 본 발명의 실시형태에서는 반사 감도가 저하되는 것을 방지할 수 있고, 종래의 실시형태 1과 동등한 반사감도를 유지할 수 있다. 도 7에 종래의 실시형태 1 및 2에 관련한 초음파 송수파기와 본 발명의 실시형태에 관련한 초음파 송수파기의 반사감도의 비교도를 도시한다.In the present invention, it is possible to realize the same temperature characteristics without using a temperature compensation capacitor to suppress the change in capacitance in accordance with the temperature change of the ultrasonic transceiver itself. FIG. 5: shows the schematic diagram which shows the reverberation time of the ultrasonic wave receiver which concerns on the conventional Embodiment 1. FIG. FIG. 6: shows the schematic diagram which shows the reverberation time of the ultrasonic wave receiver which concerns on embodiment of this invention. In addition, in the ultrasonic wave receiver according to the second embodiment of the present invention, the reflection sensitivity is lowered compared with the ultrasonic wave receiver according to the first embodiment, but in the embodiment of the present invention, the reflection sensitivity can be prevented from being lowered. The reflection sensitivity equivalent to 1 can be maintained. Fig. 7 shows a comparison diagram of the sensitivity of the ultrasonic wave receivers according to the first and second embodiments and the ultrasonic wave receiver according to the embodiment of the present invention.
본 발명은 차의 백-센서 뿐만 아니라, 방적형(防滴型, dripproof) 초음파 송수파기가 이용되는 다양한 분야에 적용할 수 있다.The present invention can be applied to various fields in which a dripproof ultrasonic transceiver is used, as well as a back-sensor of a car.
본 발명은 반사감도가 높고, 또한 온도 변화에 의한 정전 용량의 변화가 적기 때문에 온도 보상 콘덴서를 이용하지 않아도 넓은 온도범위에서 오동작 없이 근거리의 장해물 검출이 가능하다는 이점을 갖는다.The present invention has the advantage that the reflection sensitivity is high and the change in capacitance due to the temperature change is small, so that short-range obstacles can be detected without malfunction in a wide temperature range without using a temperature compensation capacitor.
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