KR102207531B1 - 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전세라믹, 상기 압전세라믹 상에 설치되는 떨림판을 포함하되,
상기 떨림판은 그 표면에 깊이와 넓이를 갖는 일정형상의 나노패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자를 제공한다.

Description

개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자{ULTRASONIC SENSOR DEVICE HAVING IMPROVED PERFORMANCE}

본 발명은 초음파 센서소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고깔을 생략할 수도 있으며, 고깔 혹은 떨림판의 적어도 어느 하나의 표면에 나노패턴을 형성함으로써 음압 또는 감도가 현저하게 향상된 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자에 관한 것이다.

일반적으로, 초음파 진동자(ultrasonic resonator)는 전기 에너지를 기계적 진동으로 변환시켜 초음파를 발생시킨다. 이러한 초음파 진동자는 초음파 가습기, 초음파 자극기, 초음파 피부마사지기와 같은 생활용품으로부터 초음파 세척기, 초음파 융착기, 정밀계측을 위한 초음파센서 등과 같은 산업분야 등에 적용되며, 군사용으로 잠수함의 음향탐지기, 어업용으로 어군탐지기 및 의료용으로 초음파 진단기, 초음파 수치료기, 그리고 초음파 스피커 등에까지 활용된다.

특히, 초음파센서는 소정 주파수의 초음파를 공기, 물 등의 대상 물질에 방사하고 반사되어 돌아오는 신호를 수신하여 분석함으로써 거리계측, 지형탐사, 수로측량 등에 이용되며 전파나 광파의 이용이 극히 제한적인 수중에서 특히 유용하게 이용될 수 있다. 이러한 초음파센서는 도 1에 도시한 바와 같이 케이스(10)의 내부에 소정 주파수의 초음파를 발생하는 압전세라믹(20), 초음파의 전달효율을 높이기 위한 떨림판(30), 음압(또는 감도)을 증폭하기 위한 고깔(40)이 내부에 순차적으로 장착되도록 설계된다.

종래 이와 같은 구성의 초음파센서는 떨림판이나 고깔 등의 소자 및 형상에 따라 음압(또는 감도)이 충분하게 보장되기 어려워 탐지 또는 진단에서 부정확한 결과를 초래하거나, 초음파 셀로 사용되어 스피커에 장착될 경우 원하는 성능이 나오지 않는 경우가 발생한다. 이를 위해 음압 또는 감도의 개선을 위해 기존의 떨림판 혹은 고깔의 구조만을 간단하게 변경하는 것으로 경제적이면서도 원하는 성능을 개선할 수 있는 새로운 타입의 소자개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술이 갖는 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 고깔을 생략할 수도 있으며, 고깔 혹은 떨림판의 적어도 어느 하나의 표면에 나노패턴을 형성함으로써 음압 또는 감도가 현저하게 향상된 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 수단에 의해 달성되어진다.

(1) 압전세라믹, 상기 압전세라믹 상에 설치되는 떨림판을 포함하되,

상기 떨림판은 그 표면에 깊이와 넓이를 갖는 일정형상의 나노패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.

(2) 상기 (1)에 있어서,

나노패턴은 일정 간격으로 이격된 직선형 패턴인 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.

(3) 상기 (1)에 있어서,

나노패턴은 일정 간격으로 이격된 격자형 패턴인 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.

(4) 상기 (1)에 있어서,

나노패턴은 일정 간격으로 깊이가 다른 요홈으로 이루어진 패턴인 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.

(5) 상기 (1)에 있어서,

패턴 넓이는 250~300nm이고, 깊이는 50~150nm 인 것을 특징으로 하는 나노패턴은 일정 간격으로 이격된 직선형 패턴인 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.

(6) 압전세라믹, 상기 압전세라믹 상에 설치되는 떨림판 및 상기 떨림판 상에 설치된 고깔을 포함하되,

상기 떨림판 또는 고깔의 표면에 깊이와 넓이를 갖는 일정형상의 나노패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.

(7) 상기 (6)에 있어서,

나노패턴은 일정 간격으로 이격된 직선형 패턴인 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.

(8) 상기 (6)에 있어서,

나노패턴은 일정 간격으로 이격된 격자형 패턴인 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.

(9) 상기 (6)에 있어서,

패턴 넓이는 250~300nm이고, 깊이는 50~150nm 인 것을 특징으로 하는 나노패턴은 일정 간격으로 이격된 직선형 패턴인 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.

(10) 상기 (6)에 있어서,

나노패턴은 일정 간격으로 깊이가 다른 요홈으로 이루어진 패턴인 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 고깔을 생략할 수도 있으며, 고깔 혹은 떨림판의 적어도 어느 하나의 표면에 나노패턴을 형성함으로써 음압 또는 감도가 현저하게 향상된 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자를 제공한다.

도 1은 종래 초음파 센서소자의 개약적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자의 떨림판의 구성도로서, 좌측은 격자형이고, 우측은 라인형 나노패턴의 일예를 보여주고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자의 라인형 나노패턴의 단면의 일예를 보여주고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자의 라인형 나노패턴의 단면의 다른 일예를 보여주고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자의 다양한 나노패턴의 일예를 보여주고 있다(평면도).
도 6은 본 발명에 따른 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자의 격자형 나노패턴의 단면의 일예를 보여주고 있다.

본 발명의 제1실시예에 따른 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자는 압전세라믹, 상기 압전세라믹 상에 설치되는 떨림판을 포함하되, 상기 떨림판은 그 표면에 깊이와 넓이를 갖는 일정형상의 나노패턴이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 제2실시에에 따른 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자는 압전세라믹, 상기 압전세라믹 상에 설치되는 떨림판 및 상기 떨림판 상에 설치된 고깔을 포함하되, 상기 떨림판 또는 고깔의 표면에 깊이와 넓이를 갖는 일정형상의 나노패턴이 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.

몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일(a 또는 an)", "하나(one)", "그(the)" 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 살펴보기로 한다.

본 발명에 따른 초음파 센서소자(100)는 도 1에 도시한 바와 같이 케이스(10), 압전세라믹(20), 떨림판(30) 및 필요에 따라 고깔(40)을 포함한다.

본 발명에 따른 초음파 센서소자(100)는 케이스(10) 하단에 압전세라믹(20), 상기 압전세라믹(20)의 상부에 떨림판(30)이 설치되고, 상기 떨림판(30)의 상부에 필요에 따라 고깔(40)이 설치된다.

본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 센서소자(100)는 떨림판(30)의 표면에 도 2 내지 도 4와 같이 나노패턴(31)이 형성된다. 이 경우 별도로 고깔을 설치하지 않더라도 감도 또는 음압이 기존 도 1에 도시한 바와 같은 고깔을 장착한 경우와 유사한 성능(감도 또는 음압)을 얻을 수 있다.

상기 본 발명에 따른 나노패턴(31)은 특별한 한정을 요하는 것은 아니나 일정 간격으로 요홈부(32)가 이격된 라인형 패턴(도 3) 혹은 격자형 패턴(도 4)일 수 있다.

바람직하게는 상기 패턴의 넓이는 250~300nm이고, 깊이는 50~150nm 인 것으로 하며, 떨림판의 소자에 따라 변경이 가능하다. 주로 고주파를 재생하는 경우에는 떨림판이 두꺼워지기 때문에 깊게 형성되고, 낮은 주파수의 재생시에는 낮게 형성된다.

본 발명의 제 2실시예에 따른 초음파 센서소자(100)는 고깔을 포함하며, 떨림판(30) 혹은/및 고깔(40)의 표면에 나노패턴(31)이 형성된다.

고깔에 형성되는 나노패턴(미도시) 역시 특별한 한정을 요하는 것은 아니며, 바람직하게는 떨림판의 경우와 마찬가지로 일정 간격으로 이격된 직선형 패턴 혹은 격자형 패턴일 수 있다.

바람직하게는 상기 패턴의 넓이는 250~300nm이고, 깊이는 50~150nm 인 것으로 하며, 고깔의 소자에 따라 변경이 가능하다. 떨림판의 경우와 마찬가지로 주로 고주파를 재생하는 경우에는 고깔이 두꺼워지기 때문에 깊게 형성되고, 낮은 주파수의 재생시에는 낮게 형성된다.

본 발명에서는 바람직하게는 상기 나노패턴이 서로 다른 깊이를 갖는 형태를 가질 수 있다. 도 4는 떨림판(30)의 단면구성으로써, 요홈부의 구성에 있어서, 인접하는 두 요홈부(32) 중 하나는 깊이가 깊고 다른 하나는 깊이가 상대적으로 얕은 패턴으로 하는 것이 가능하다. 이 경우 깊이의 상대적인 크기를 조절하는 것으로 다양한 특성을 갖는 스피커의 제조가 가능해진다.

본 발명에서는 상기 나노패턴은 이러한 라인형이나 격자형에만 한정하지 않고, 보다 다양한 형상으로 패턴화가 가능하다. 이러한 패턴은 요구되는 스피커의 성능에 따라 달리 채택이 가능한 것으로, 예를 들어, 도 5a 같은 동심원으로 배열된 복수의 고리형 나노패턴 혹은 도 5b와 같은 지그재그형태의 나노패턴, 기타 방사형 나노패턴과 같이 다양한 형태에서 선택이 가능하다.

또한, 본 발명에서는 도 6과 같이 바람직하게는 상기 격자형의 나노패턴일 경우 요홈부(32)가 상광하협 즉, 위로 올라갈수록 넓어지고 아래로 내려갈수록 좁아지는 형상인 깔때기 구조로써 형성된다.

또한, 보다 바람직하게는 상기 각 요홈부(32)의 외주연에는 격벽(33)이 형성되어 음파의 지향성을 보다 개선하는 것이 가능하다.

상기와 같은 구조의 본 발명의 초음파 센서소자의 경우 공지의 검사방법을 이용하여 실험한 결과 기존 대비 3db 정도 이상의 성능개선이 있음을 확인할 수 있었다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 케이스
20: 압전세라믹
30: 떨림판
40: 고깔
31: 나노패턴

Claims (10)

1. 압전세라믹, 상기 압전세라믹 상에 설치되는 떨림판을 포함하되,
   떨림판 상에 고깔을 대체하기 위한 것으로, 상기 떨림판은 그 표면에 넓이는 250~300nm이고, 깊이는 50~150nm 인 일정 간격으로 이격된 직선형 패턴, 또는 일정 간격으로 이격된 격자형 패턴인 나노패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.
2. 제 1항에 있어서,
   격자형 패턴은 요홈부가 상광하협의 깔때기 구조이고, 각 요홈부의 외주연에는 격벽이 형성된 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   나노패턴은 일정 간격으로 깊이가 다른 요홈으로 이루어진 패턴인 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.
5. 삭제
6. 압전세라믹, 상기 압전세라믹 상에 설치되는 떨림판 및 상기 떨림판 상에 설치된 고깔을 포함하되,
   상기 고깔의 표면에 넓이는 250~300nm이고, 깊이는 50~150nm 인 일정 간격으로 이격된 직선형 패턴, 또는 일정 간격으로 이격된 격자형 패턴인 나노패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 6항에 있어서,
    나노패턴은 일정 간격으로 깊이가 다른 요홈으로 이루어진 패턴인 것을 특징으로 하는 개선된 성능을 갖는 초음파 센서소자.
    
    
    
    

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