KR101235562B1 - 초음파 센서 - Google Patents

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타케히로 사토
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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

잔향 특성과 진동 누설의 쌍방을 개선하여 고감도로 근거리 검지가 가능한 초음파 센서를 구성한다.
초음파 센서(101)는 바닥부(51b)와 측벽부(51a)를 가지는 바닥을 가진 통상의 케이스(51)와, 이 케이스(51) 내에 마련된 복수의 부재로 구성되어 있다. 케이스(51)는 측벽부(51a)와 바닥부(51b)로 구성되어 있다. 케이스(51)의 두꺼운 두께부(51h)상이며 측벽부(51a)의 얇은 두께부(51t)의 내주면에 접하지 않는 위치에 링상의 보강재(추)(57)가 끼워 맞춰져 있다. 케이스(51)의 내바닥면에는 압전 소자(52)가 부착되어 있다. 보강재(57)의 링상 개구 영역을 덮도록, 보강재(57)의 상부에 탄성 부재(53)가 끼워 넣어져 있다. 그리고, 탄성 부재(53)의 주위와 케이스(51)의 내주면의 간극에는 제1의 충전재(55)가 충전되어 있다. 단자 유지 부재(61)는 탄성 부재(53)의 상부에 배치되어 있고, 이 단자 유지 부재(61)의 주위에 제2의 충전재(56)가 충전되어 있다.

Description

초음파 센서{ULTRASONIC SENSOR}
이 발명은 초음파 센서에 관한 것으로서, 특히 압전 소자 및 그것에 전기적으로 접속되는 입출력 단자를 가지고, 예를 들면 자동차의 코너 소너(sonar)나 백 소너 등에 사용되는 초음파 센서에 관한 것이다.
초음파 센서는 초음파를 이용하여 센싱을 행하는 것으로, 초음파 펄스 신호를 간헐적으로 송신하여, 주변에 존재하는 장해물로부터의 반사파를 수신함으로써 물체를 검지하는 것이다. 자동차의 백 소너, 코너 소너, 또한 종렬(縱列) 주차에서의 측벽 등의 장해물과의 스페이스의 유무를 검지하는 파킹 스팟 센서 등에는 초음파 센서가 사용된다.
이 종류의 초음파 센서는 특허문헌 1에 나타나 있다. 도 1은 특허문헌 1의 초음파 센서(30)의 단면도이다. 이 초음파 센서(30)는 바닥부(32)와 측벽부(34)를 가지는 케이스(31), 압전 소자(35), 흡음재(36), 절연성 재료(37), 및 케이블(40) 등을 포함하고 있다. 케이스(31)의 바닥부(32)의 내면에 압전 소자(35)가 고착되고, 압전 소자(35)의 한쪽의 전극이 케이스(31)에 전기적으로 접속되어 있다. 케이스(31)의 내부에는 흡음재(36)와, 탄성을 가지는 절연성 재료(37)가 충전되어 있다. 절연성 재료(37) 내에는 온도 보상용의 단판(單板) 콘덴서(38)가 매장되어 있고, 단판 콘덴서(38)의 한쪽의 외부전극이 케이스(31)에 접속되며, 단판 콘덴서(38)의 다른 쪽의 외부전극이 리드선(39)에 의해 압전 소자(35)의 다른 쪽의 전극에 접속되어 있다. 케이블(40)을 구성하는 신호 입출력용의 2개의 신호선(41)은 단판 콘덴서(38)의 각 외부전극에 접속되어 있다.
일본국 공개특허공보 2000-32594호
도 1에 나타난 바와 같은 종래의 초음파 센서에 있어서는, 탄성을 가지는 절연성 재료(37)를 충전함으로써 양호한 잔향(殘響) 특성이 얻어진다. 그러나 케이스로부터 핀 단자를 돌출시킨 핀 단자 구조의 초음파 센서에 있어서는 다음의 2가지 문제가 생긴다.
(1)케이스의 측벽부의 진동을 억제하여, 양호한 잔향 특성을 얻기 위해서는, 케이스 측벽부의 진동을 효과적으로 억제하는 탄성율이 높은 절연성 재료(이하, "충전재"라 칭함)를 충전할 필요가 있다. 그러나 탄성율이 높은 충전재를 충전하면, 케이스 측벽부로부터 충전재에 전달되는 진동을 충전재로 전부 흡수할 수 없어 핀 단자에 진동이 전달된다. 이 진동이 핀 단자를 경유하여 실장처의 기판으로 새어 버린다. 단자를 경유하는 진동의 누설을 이하 간단히 "진동 누설"이라 칭한다. 이러한 진동 누설이 있으면 불필요한 신호 성분(유사 잡음)이 검출되기 때문에, 물체를 검지하는 초음파 센서로서는 큰 문제가 된다.
(2)상기의 현상과는 반대로, 핀 단자에 진동을 전달하지 않고 진동 누설이 일어나지 않는 구성으로 하기 위해서는, 탄성율이 낮은 충전재를 충전할 필요가 있다. 그러나 탄성율이 낮은 충전재를 충전하면, 케이스 측벽부의 진동을 충분히 억제할 수 없어 잔향 시간이 길어져 버린다. 잔향 시간이 길어지면 근거리의 장해물을 검지할 수 없게 된다.
여기서, 충전재의 탄성율에 대한 잔향 특성과 진동 누설 특성의 개념도를 도 2에 나타낸다. 도 2에 있어서, 곡선 R은 잔향 특성, 곡선 V는 진동 누설 특성이다. 횡축은 탄성율, 종축은 시간이다. 진동 누설 특성은 초음파 센서 단체(單體) 상태와 기판에의 실장 상태에서의 잔향 시간의 변화분이다. 이와 같이, 잔향 시간은 충전재의 탄성율이 높아질수록 짧아지고, 진동 누설은 탄성율이 높아질수록 증대한다.
탄성율이 각각 다른 3개의 초음파 센서의 진동 특성을 도 3에 나타낸다. 도 3의 (a)는 탄성율이 상대적으로 낮은 탄성 수지를 충전한 초음파 센서의 특성, (c)는 탄성율이 상대적으로 높은 탄성 수지를 충전한 초음파 센서의 특성, (b)는 (a)와 (c)의 경우의 중간적인 탄성율의 탄성 수지를 충전한 초음파 센서의 특성이다. (a)의 예에서는 단순한 감쇠 패턴이므로 진동 누설은 발생하고 있지 않지만 잔향 시간이 긴 것을 알 수 있다. (c)의 예에서는 복수의 진동이 간섭하여 복잡한 감쇠 패턴이 되어 있으므로, 진동 누설이 생긴 것을 알 수 있다. (b)의 예는 감쇠 패턴이 (a)와 (c)의 중간적이므로, 진동 누설이 발생하고 있고 잔향 시간도 긴 것을 알 수 있다.
이와 같이, 단지 적당한 탄성율을 선정해도 잔향 특성과 진동 누설의 쌍방을 충분히 개선할 수 없다.
그리하여, 본 발명의 목적은 잔향 특성과 진동 누설의 쌍방을 개선하여 고감도로 근거리 검지가 가능한 초음파 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 초음파 센서는, 바닥부와 측벽부를 가지는 바닥을 가진 통상(筒狀)의 케이스와, 상기 케이스의 내(內)바닥면에 부착된 압전 소자와, 상기 케이스의 외부로 인출되는 단자와, 상기 단자와 상기 압전 소자의 전극 사이를 접속하는 도통 부재와, 상기 케이스 내에 충전된 충전재를 가지며, 상기 충전재는 상기 케이스의 측벽부에 접하는 제1의 충전재와, 상기 단자의 주위에 접하는 제2의 충전재로 구성되고, 제1의 충전재의 탄성율은 제2의 충전재의 탄성율보다 높은 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 제2의 충전재는 케이스 측벽부로부터 받는 진동을 흡수하고, 핀 단자 등의 케이스 내의 단자에 대한 진동의 전파가 억제되어 진동 누설이 억제된다. 또한 제1의 충전재는 케이스 측벽부의 진동을 억제하여 양호한 잔향 특성이 얻어진다.
상기 제2의 충전재와 상기 압전 소자 사이에서, 상기 측벽부에 접하지 않는 위치에 탄성 부재가 배치되고, 상기 제1의 충전재는 적어도 상기 측벽부와 상기 탄성 부재 사이에 충전되어 있어도 된다.
이 구조에 의해, 케이스로부터 전달되는 진동이 탄성 부재 중에서 감쇠하여, 단자에 거의 전파하지 않게 되므로 진동 누설의 억제 효과가 높아진다.
상기 압전 소자와 상기 탄성 부재 사이에 공간이 형성되고, 상기 탄성 부재의 상기 압전 소자측의 면에 흡음재가 마련되어 있어도 된다.
이 구조에 의해, 불필요한 음파가 흡음재로 흡수되어, 압전 소자로부터 케이스 내부로 전달하는 불필요한 음파를 보다 효율적으로 감쇠시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 잔향 시간이 짧고, 진동 누설도 적은 초음파 센서가 얻어지고, 고감도로 근거리 검지가 가능한 초음파 센서를 구성할 수 있다.
도 1은 특허문헌 1에 따른 초음파 센서(30)의 단면도이다.
도 2는 충전재의 탄성율에 대한 진동 특성과 진동 누설 특성의 개념도이다.
도 3은 탄성율이 각각 다른 3개의 초음파 센서의 진동 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 제1의 실시형태에 따른 초음파 센서(101)의 단면도이다.
도 5는 제1의 실시형태에 따른 초음파 센서(101)의 진동 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 제2의 실시형태에 따른 초음파 센서(102)의 단면도이다.
도 7은 제3의 실시형태에 따른 초음파 센서(103)의 단면도이다.
도 8은 제4의 실시형태에 따른 초음파 센서(104)의 단면도이다.
도 9는 제5의 실시형태에 따른 초음파 센서(105)의 단면도이다.
도 10은 제6의 실시형태에 따른 초음파 센서(106)의 단면도이다.
<<제1의 실시형태>>
도 4는 제1의 실시형태에 따른 초음파 센서(101)의 단면도이다. 초음파 센서(101)는 바닥부(51b)와 측벽부(51a)를 가지는 바닥을 가진 통상의 케이스(51)와, 이 케이스(51) 내에 마련된 복수의 부재로 구성되어 있다. 케이스(51)는 예를 들면 알루미늄재의 성형체이다. 케이스(51)는 측벽부(51a)와 바닥부(51b)로 구성되어 있다. 측벽부(51a)는 개구부측에 얇은 두께부(51t), 바닥부측에 두꺼운 두께부(51h)를 각각 포함하고 있다. 바닥부(51b)는 장축과 단축을 가지는 장원(長圓)형상으로 도려내어진 형상으로, 도려낸 부분의 단축 방향의 양단이 두꺼운 두께부(51h)이다.
케이스(51)의 두꺼운 두께부(51h)상이며 측벽부(51a)의 얇은 두께부(51t)의 내주면에 접하지 않는 위치에 링상의 보강재(추)(57)가 끼워 맞춰져 있다. 이 보강재(추)(57)는 케이스(51)보다 음향 임피던스가 높은 부재이면 된다. 예를 들면 케이스(51)와 같은 재료(알루미늄)이며, 두께·형상을 조정하여 케이스(51)보다도 음향 임피던스가 높아지도록 성형된 성형체여도 된다. 또한 예를 들면 SUS, 아연 등, 케이스(51)보다도 밀도가 높은 재료를 사용하여 음향 임피던스가 높아지도록 해도 된다.
케이스(51)의 내바닥면에는 압전 소자(52)가 부착되어 있다.
보강재(57)의 링상 개구 영역을 덮도록, 보강재(57)의 상부에 탄성 부재(53)가 끼워 넣어져 있다. 탄성 부재(53)의 주위와 케이스(51)의 내주면의 간극(間隙)에는 제1의 충전재(55)가 충전되어 있다.
단자 유지 부재(61)는 2개의 핀을 유지하고 있다. 이 단자 유지 부재(61)가 유지하고 있는 2개의 핀의 일단이 외부단자(63), 타단이 내부단자(62)이다. 내부단자(62)와 압전 소자(52)의 전극 사이는 배선재(도통 부재)(54)로 접속되어 있다. 단자 유지 부재(61)는 탄성 부재(53)의 상부에 배치되어 있고, 이 단자 유지 부재(61)의 주위에 제2의 충전재(56)가 충전되어 있다. 이와 같이 단자 유지 부재(61)의 일부가 제2의 충전재(56)에 매설됨으로써, 단자 유지 부재(61)는 제2의 충전재(56)로 케이스(51) 내에 고정된다.
탄성 부재(53)의 압전 소자측의 면에는 흡음재(58)가 마련되어 있다. 흡음재(38)는 예를 들면 폴리에스테르 펠트이며, 접착제로 탄성 부재(33)에 접착되어 있다.
제1의 충전재(55)는 케이스(51)의 측벽부(51a)에 접하도록 구성되어 있고, 상기 제2의 충전재(56)는 단자 유지 부재(61)의 주위에 접하도록 구성되어 있다. 여기서, 제1의 충전재(55)는 단자 유지 부재(61)의 주위에 접하지 않도록 구성하는 것이 효과적이다. 그 경우, 케이스(51)의 측벽부(51a)로부터 전달되어 온 진동이, 단자 유지 부재(61)에 전달되는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있어 진동 누설을 억제할 수 있다. 또한 진동 누설의 효과가 그다지 엄격하게 요구되지 않을 경우에는, 단자 유지 부재(61)의 주위의 대부분이 제2의 충전재(56)로 덮여 있으면, 제1의 충전재(55)가 단자 유지 부재(61)에 다소 접촉하고 있어도 된다. 제1의 충전재(55)의 탄성율은 제2의 충전재(56)의 탄성율보다 높은 탄성재이다. 예를 들면 제1의 충전재(55)는 우레탄 수지, 제2의 충전재(56)는 실리콘 수지이다. 또한 탄성율을 다르게 하면 양자가 우레탄 수지여도 된다. 제1의 충전재(55)는 케이스의 측벽부(51a)에 대하여 진동 제어성이 높은 탄성재이며, 제2의 충전재(56)는 측벽부의 진동을 단자 유지 부재(61)에 전파하기 어려운 탄성재이면 된다.
도 5는 제1의 실시형태에 따른 초음파 센서(101)의 진동 특성을 나타내는 도면이다. 도 5도 도 3도 횡축과 종축의 스케일은 같다. 측정 조건도 도 3의 결과를 얻은 조건과 같고, 버스트파(burst wave)를 송신한 후의 압전 소자에 나타나는 전압파형을 관측한 것이다. 실제로는 송신 종료 직후부터 진폭의 감쇠는 시작되었지만, 당분간은 증폭 회로의 다이나믹 레인지(dynamic range)를 넘고 있으므로, 그동안은 파형이 포화하고 있다.
도 5와 도 3을 비교하면, 감쇠 패턴은 도 3의 (a)와 마찬가지로 단순하므로 진동 누설은 발생하지 않은 것을 알 수 있다. 또한 잔향 시간은 도 3의 (a)에 비해 짧으므로 잔향 특성도 뛰어난 것을 알 수 있다.
<<제2의 실시형태>>
도 6은 제2의 실시형태에 따른 초음파 센서(102)의 단면도이다. 이 초음파 센서(102)에서는, 탄성 부재(53)의 상면에 오목부가 형성되어 있고, 그 오목부 내에 단자 유지 부재(61)가 배치되어 있다. 단자 유지 부재(61)의 바닥부가 케이스(51) 내의 깊은 위치에 달하므로, 이 초음파 센서(102)가 포함하는 단자 유지 부재(61)는 도 4에 나타낸 단자 유지 부재(61)보다 길다. 그 외의 구성은 제1의 실시 형태에서 나타낸 초음파 센서(101)와 같다.
도 6에 나타낸 구조에 의하면, 단자 유지 부재(61)가 긴 거리에 걸쳐 제2의 충전재(56)와 접하고 있지만, 그 접하고 있는 충전재(56)는 케이스(51)의 측벽부로부터의 진동을 단자 유지 부재(61) 및 그 내부의 핀에 거의 전파시키지 않는다. 그 때문에 진동 누설이 생기지 않고 단자 유지 부재(61)의 빠짐이나 박리에 대한 내구성을 높일 수 있다.
<<제3의 실시형태>>
도 7은 제3의 실시형태에 따른 초음파 센서(103)의 단면도이다. 이 초음파 센서(103)에서는, 제1의 충전재(55)가 케이스 측벽부의 얇은 두께부(51t)의 전면에 걸쳐 충전되어 있다. 그리고 이 제1의 충전재(55)와 단자 유지 부재(61) 사이에 제2의 충전재(56)가 충전되어 있다. 그 외의 구성은 제1의 실시형태에서 나타낸 초음파 센서(101)와 동일하다.
도 7에 나타낸 구조에 의하면, 제1의 충전재가 케이스의 측벽부(51a)의 넓은 범위에 접하므로, 잔향 특성이 보다 뛰어난 초음파 센서를 구성할 수 있다.
<<제4의 실시형태>>
도 8은 제4의 실시형태에 따른 초음파 센서(104)의 단면도이다. 이 초음파 센서(104)에서는, 제1의 충전재(55)가 케이스 측벽부의 얇은 두께부(51t)의 전면에 걸쳐 충전되어 있다. 또한 탄성 부재(53)의 상면에 오목부가 형성되어 있고, 그 오목부 내에 단자 유지 부재(61)가 배치되어 있다. 단자 유지 부재(61)의 바닥부가 케이스(51) 내의 깊은 위치에 달하므로, 이 초음파 센서(104)가 포함하는 단자 유지 부재(61)는 도 4에 나타낸 단자 유지 부재(61)보다 길다. 제1의 충전재(55)로 충전되어 있지 않은 잔여 부분이며, 단자 유지 부재(61)의 주위에는 제2의 충전재(56)가 충전되어 있다. 그 외의 구성은 제1의 실시형태에서 나타낸 초음파 센서(101)와 동일하다.
도 8에 나타낸 구조에 의하면, 제1의 충전재가 케이스의 측벽부(51a)의 넓은 범위에 접하므로 잔향 특성이 뛰어난 초음파 센서를 구성할 수 있다. 또한 단자 유지 부재(61)가 긴 거리에 걸쳐 충전재와 접하고 있으므로, 진동 누설이 생기지 않고 단자 유지 부재(61)의 빠짐이나 박리에 대한 내구성을 높일 수 있다.
<<제5의 실시형태>>
도 9는 제5의 실시형태에 따른 초음파 센서(105)의 단면도이다. 이 초음파 센서(105)는, 바닥부(51b)와 측벽부(51a)를 가지는 바닥을 가진 통상의 케이스(51)와, 이 케이스(51) 내에 마련된 복수의 부재로 구성되어 있다.
케이스(51)의 내바닥면에는 압전 소자(52)가 부착되어 있다. 케이스(51)의 내바닥면에는 소정 두께의 흡음재(58)가 마련되어 있다. 이 흡음재(58)의 상부에는 소정 두께의 제1의 충전재(55)가 충전되어 있다. 제1의 충전재(55)의 상부에는 제2의 충전재(56)가 충전되어 있다. 단자 유지 부재(61)는 2개의 핀을 유지하고 있다. 이 2개의 핀의 일단이 외부단자(63), 타단이 내부단자(62)이다. 단자 유지 부재(61)는 제1의 충전재(55)에 접하지 않고, 일부가 제2의 충전재(56) 중에 매설되어 있다.
이와 같이, 제2의 충전재(56)와 압전 소자(52) 사이에 탄성 부재가 배치되어 있지 않은 타입에 대해서도 적용할 수 있다. 즉, 단자 유지 부재(61)에 접하지 않고 케이스(51)의 측벽부(51a)에 접하도록 제1의 충전재(55)를 충전하고, 단자 유지 부재(61)의 주위에 접하도록 제2의 충전재(56)를 충전하면 된다.
<<제6의 실시형태>>
도 10은 제6의 실시형태에 따른 초음파 센서(106)의 단면도이다. 이 초음파 센서(106)는 바닥부(51b)와 측벽부(51a)를 가지는 바닥을 가진 통상의 케이스(51)와, 이 케이스(51) 내에 마련된 복수의 부재로 구성되어 있다.
케이스(51)의 내바닥면에는 압전 소자(52)가 부착되어 있다. 케이스(51)의 내바닥면에는 소정 두께의 흡음재(58)가 마련되어 있다. 이 흡음재(58)의 상부에는 케이스의 측벽부(51a)에 접하여 제1의 충전재(55)가 충전되어 있다. 단, 케이스(51)의 개구면측에는 제1의 충전재(55)가 충전되지 않는 오목부가 형성되어 있다. 이 오목부 내에 제2의 충전재(56)가 충전되어 있다. 단자 유지 부재(61)는 일단이 외부단자(63), 타단이 내부단자(62)인 2개의 핀을 유지하고 있다. 이 단자 유지 부재(61)는 제1의 충전재(55)에 접하지 않고, 일부가 제2의 충전재(56) 중에 매설되어 있다.
이와 같이, 제1의 충전재(55)가 케이스의 측벽부(51a)의 넓은 범위에 접하므로, 잔향 특성이 보다 뛰어난 초음파 센서를 구성할 수 있다.
또한 이상에 나타낸 예에서는, 단자 유지 부재(61)가 핀 단자를 유지하도록 구성했지만, 핀 단자의 주위에 제2의 충전재(56)가 직접 접하고 있어도 된다.
51: 케이스 51a: 측벽부
51b: 바닥부 51h: 두꺼운 두께부
51t: 얇은 두께부 52: 압전 소자
53: 탄성 부재 54: 배선재(도통 부재)
55: 제1의 충전재 56: 제2의 충전재
57: 보강재 58: 흡음재
61: 단자 유지 부재 62: 내부단자
63: 외부단자 101~106: 초음파 센서

Claims (3)

  1. 바닥부와 측벽부를 가지는 바닥을 가진 통상(筒狀)의 케이스와,
    상기 케이스의 내(內)바닥면에 부착된 압전 소자와,
    상기 케이스의 외부로 인출되는 단자와,
    상기 단자와 상기 압전 소자의 전극 사이를 접속하는 도통 부재와,
    상기 케이스 내에 충전된 충전재를 가지고,
    상기 충전재는 상기 케이스의 측벽부에 접하는 제1의 충전재와, 상기 단자의 주위에 접하는 제2의 충전재로 구성되며,
    제1의 충전재의 탄성율은 제2의 충전재의 탄성율보다 높은 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2의 충전재와 상기 압전 소자 사이에서, 상기 측벽부에 접하지 않는 위치에 탄성 부재가 배치되고,
    상기 제1의 충전재는 상기 측벽부와 상기 탄성 부재 사이에 충전된 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압전 소자와 상기 탄성 부재 사이에 공간이 형성되고, 상기 탄성 부재의 상기 압전 소자측의 면에 흡음재가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
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