KR102432777B1 - 초음파 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하우징: 상기 하우징의 일부에 마련된 압전 부재; 및 상기 압전 부재와 전기적으로 연결되도록 상기 하우징의 측면에 형성된 외부 전극을 포함하는 초음파 센서 및 그 제조 방법을 제시한다.

Description

초음파 센서 및 그 제조 방법{Ultrasonic sensor and method of manufacturing the same}
본 발명은 초음파 센서에 관한 것으로, 특히 압전 소자를 이용한 초음파 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초음파는 주파수가 인간의 가청 주파수 범위인 약 20㎑보다 커서 인간이 청각을 이용하여 들을 수 없는 음파를 지칭한다. 초음파는 본질적으로 가청 범위의 음파와 성질이 유사하지만, 주파수가 높고 파장이 짧기 때문에 상당히 강한 진동이 생긴다. 따라서, 초음파는 일반적인 음파에서 볼 수 없는 방향성을 갖는 짧은 펄스 성질을 가진다.
이러한 초음파의 특성을 이용한 초음파 센서는 초음파를 외부로 방사하고, 이렇게 방사된 초음파가 물체와 부딪혀서 되돌아오는 반사파를 수신하여 감지 대상 물체와의 거리 또는 감지 대상 물체의 움직임을 감지하는 저음압용 검출 센서로 이용되고 있다. 또한, 초음파 센서는 초음파 용접기와 초음파 세척기 등에 고음압용으로 이용되고 있다.
초음파 센서는 초음파를 발생시키는 방식에 따라 여러 종류로 분류될 수 있는데, 음의 발생과 검출을 겸하는 것으로 특정한 결정 구조를 갖는 물질의 압전 소자를 이용하는 압전 방식과, 고전압 펄스를 인가할 경우 정전 인력에 의해 진동이 발생하는 정전 효과 방식 등이 있다.
종래의 압전 소자를 이용한 초음파 센서는 내부에 소정의 공간이 마련된 하우징과, 하우징의 내부에 마련되어 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하거나 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전 소자와, 압전 소자에 연결된 입출력 단자로서 리드선과, 압전 소자와 리드선을 연결시키는 와이어 본딩 등을 포함한다. 즉, 종래의 초음파 센서는 압전 소자와 리드선을 와이어 본딩 또는 땜납 등을 이용하여 연결한다. 이때, 리드선은 하우징 내부로 유입되고, 와이어 또한 하우징 내부에서 압전 소자와 리드선을 연결시킨다.
그런데, 상기한 바와 같은 종래의 초음파 센서는 와이어 본딩 등의 과정을 실시함으로써 공정이 복잡한 문제가 있다. 즉, 와이어를 이용하여 리드선과 압전 소자를 연결하는 공정과, 이렇게 연결된 압전 소자 및 리드선을 하우징 내부에 인입한 후 고정시키는 공정 등을 실시해야 하므로 공정이 복잡해지는 문제가 있다. 또한, 이러한 공정을 통해 와이어가 형성되므로 구조 또한 복합해지게 된다. 그리고, 와이어를 이용하여 리드선과 압전 소자를 연결하기 때문에 충격에 의해 와이어가 끊어질 수 있는 등의 내구성의 문제가 발생될 수 있다.
한국공개특허 제2007-0071215호
본 발명은 구조 및 공정을 간략화할 수 있는 초음파 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 와이어를 제거하여 구조 및 공정을 간략하게 할 수 있고, 내구성을 향상시킬 수 있는 초음파 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 초음파 센서는 하우징: 상기 하우징의 일부에 마련된 압전 부재; 및 상기 압전 부재와 전기적으로 연결되도록 상기 하우징의 측면에 형성된 외부 전극을 포함한다.
상기 하우징은 내부에 공간이 마련되고 적어도 일부가 개방되며, 상기 압전 부재가 개구 상에 마련된다.
상기 압전 부재는 압전판과, 상기 압전판의 일면 및 타면에 각각 형성되며 서로 대향되는 방향으로 노출된 표면 전극을 포함한다.
상기 압전 부재는 상기 압전판을 이루는 복수의 압전층과, 상기 복수의 압전층 사이에 형성된 복수의 내부 전극과, 상기 표면 전극과 각각 연결되도록 상기 압전판의 측면에 형성된 연결 전극을 더 포함한다.
상기 외부 전극은 상기 표면 전극 또는 상기 연결 전극과 전기적으로 연결되도록 형성된다.
상기 하우징은 적어도 일 표면으로부터 수평 방향으로 연장된 연장부를 더 포함하고, 상기 외부 전극은 상기 연장부 사이에 형성된다.
상기 압전 부재 상에 마련된 진동 부재와, 상기 하우징 내부에 마련된 흡음 부재와, 상기 압전 부재 상에 마련된 콘형 진동자 중 적어도 하나를 더 포함한다.
상기 압전 부재를 덮도록 마련되며 복수의 방출홀이 형성된 덮개를 더 포함한다.
상기 하우징의 적어도 일부는 절연 세라믹을 포함하고, 상기 압전 부재는 압전 세라믹을 포함하며, 상기 하우징 및 압전 부재가 동시 소결되어 형성된다.
본 발명의 다른 양태에 따른 초음파 센서의 제조 방법은 하우징 및 압전 부재를 각각 제작하는 과정; 상기 하우징 상에 압전 부재를 결합하는 과정; 및 상기 압전 부재와 전기적으로 연결되도록 상기 하우징의 측면에 외부 전극을 형성하는 과정을 포함한다.
상기 하우징의 적어도 일부는 절연 세라믹을 포함하고, 상기 압전 부재는 압전 세라믹을 포함하며, 상기 하우징 및 압전 부재가 동시 소결된다.
상기 압전 부재를 소결한 후 접착 부재를 이용하여 상기 하우징과 결합한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 초음파 센서는 압전 부재의 표면 전극과 하우징 외부의 외부 전극을 연결시킨다. 즉, 표면 전극이 형성된 압전 부재를 하우징 상에 마련한 후 하우징 외부의 외부 전극이 표면 전극과 전기적으로 연결되도록 형성한다. 따라서, 압전 부재와 리드선을 연결하기 위한 와이어 등을 구비하지 않으므로 구조를 간단화할 수 있고, 와이어 연결 공정 등을 실시하지 않으므로 공정을 간단화할 수 있다.
또한, 하우징의 적어도 일부를 세라믹을 이용하여 제작하고 하우징 외부에 외부 전극을 형성한 후 하우징과 압전 소자를 동시 소결함으로써 제조 공정을 더욱 줄일 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 초음파 센서의 사시도 및 단면도.
도 3 및 도 4는 은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 초음파 센서의 압전 부재의 단면도 및 평면도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 초음파 센서의 압전 부재의 변형 예에 따른 단면도 및 평면도.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도.
도 8 및 도 9는 본 발명의 제 2 및 제 3 실시 예에 따른 초음파 센서의 단면도.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 제 4 내지 제 6 실시 예에 따른 초음파 센서의 일부 사시도 및 평면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 초음파 센서의 서로 대향되는 두 방향에서의 사시도이고, 도 2는 단면도이다. 또한, 도 3 및 도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 초음파 센서의 압전 부재의 단면도 및 평면도이다. 그리고, 도 5 및 도 6은 초음파 센서의 압전 부재의 변형 예에 따른 단면도 및 평면도이다.
도 1 내지 도 6를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 초음파 센서는 내부에 소정의 공간이 마련된 하우징(100)과, 하우징(100) 상에 마련된 압전 부재(200)와, 압전 부재(200)와 전기적으로 연결되며 하우징(100)의 측면에 형성된 외부 전극(300)을 포함한다.
1. 하우징
하우징(100)은 내부에 소정의 공간이 마련된 대략 통 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 하우징(100)은 적어도 일 방향으로 개방된 통 형상으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 하우징(100)은 상하 관통형으로 마련될 수도 있고, 내부의 소정 영역이 막히고 그로부터 상부 및 하부가 개방된 형상으로 마련될 수도 있다. 또한, 하우징(100)은 하부 또는 상부가 막히고 그에 따라 상부 또는 하부가 개방된 형태로 마련될 수 있다. 한편, 하우징(100)는 다양한 형상을 가질 수 있는데, 예를 들어 수평 단면 형상이 원형 또는 사각형으로 마련될 수 있다. 즉, 하우징(100)은 원통형으로 마련될 수 있고, 육면체의 통 형상으로 마련될 수 있다. 또한, 하우징(100)은 소정의 두께를 가질 수 있다. 즉, 하우징(100)은 외경이 내경보다 크게 마련될 수 있다. 예를 들어, 하우징(100)은 1㎜∼3㎜의 두께로 마련될 수 있다. 이러한 하우징(100)은 적어도 일부가 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 하우징(100)은 전체가 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 적어도 외측 표면이 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 하우징(100)은 전체가 절연성 세라믹으로 이루어질 수 있고, 도전성 물질로 이루어진 하우징(100)의 외측 표면에 절연성 물질이 코팅될 수도 있다. 이때, 하우징(100)은 유기물 절연체 및 세라믹 절연체를 이용할 수 있는데, 유기물 절연체는 예를 들어 FR4 등의 글래스 에폭시를 포함하고, 세라믹 절연체는 예를 들어 알루미나, LTCC(Low temperature co-fired ceramic) 등을 포함한다. 또한, 하우징(100)은 알루미늄으로 이루어지고 외측 표면에 알루미나, LTCC 등이 코팅될 수 있다.
2. 압전 부재
압전 부재(200)는 하우징(100)의 일측 상부에 마련될 수 있다. 이러한 압전 부재(200)는 하우징(100)의 수평 단면의 형상과 동일 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 하우징(100)이 원형일 경우 압전 부재(200)는 원형으로 마련되고, 하우징(100)이 사각형일 경우 압전 부재(200)는 사각형으로 마련될 수 있다. 이때, 압전 부재(200)의 직경은 하우징(100)의 외경과 동일할 수 있다. 물론, 압전 부재(200)의 직경은 하우징(100)의 내경보다 크고 하우징(100)의 외경보다 작을 수 있다. 즉, 압전 부재(200)의 직경은 하우징(100)의 내경보다 크고 하우징(100)의 외경보다 작거나 같을 수 있다. 따라서, 압전 부재(200)는 하우징(100) 상에 얹혀질 수 있다. 즉, 압전 부재(200)는 소정의 두께, 즉 폭을 갖는 하우징(100)의 개방된 상부에 마련되고, 그에 따라 하우징(100)이 일 영역을 막을 수 있다. 이때, 압전 부재(200)는 소정의 접착 부재, 예를 들어 실리콘 접착제, 양면 접착 테이프 등에 의해 하우징(100) 상에 접착 고정될 수 있다.
이러한 압전 부재(200)는 압전판(210)과, 압전판(210)의 일면 및 타면에 각각 형성된 제 1 및 제 2 표면 전극(220; 222, 224)을 포함할 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 표면 전극(220)은 압전판(210)의 일면 및 타면에서 서로 대향되는 측면으로 노출되도록 형성될 수 있다. 즉, 제 1 표면 전극(222)은 압전판(210) 일면의 일측으로 노출되고 제 2 표면 전극(224)은 압전판(210) 타면의 타측으로 노출되도록 형성될 수 있다. 여기서, 일측 및 타측을 서로 대향될 수 있다. 예를 들어, 압전판(210)이 소정의 두께를 갖는 대략 사각형의 판 형상으로 마련되는 경우 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)은 서로 대향되는 일변 및 타변에 각각 노출되도록 형성된다. 또한, 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)은 동일 면적으로 형성되며, 압전판(210)의 일면 및 타면보다 작은 면적으로 형성될 수 있다. 즉, 제 1 표면 전극(222)은 제 1 변으로 노출되며, 제 2 내지 제 4 변과는 소정의 간격을 두고 형성될 수 있고, 제 2 표면 전극(224)은 제 1 변과 대향되는 제 2 변으로 노출되며 제 1, 제 3 및 제 4 변과는 소정의 간격을 두로 형성될 수 있다. 이렇게 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)이 서로 대향되는 두 변에 각각 노출되도록 형성됨으로써 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)이 각각 하우징(100)의 외부에 형성되는 외부 전극(300)과 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 압전판(210)은 인가되는 전압에 따라 수직 방향으로 신축 운동을 하여 진동을 발생시킨다. 이를 위해 압전판(210)은 적어도 하나의 압전층을 포함할 수 있고, 바람직하게는 복수의 압전층이 적층되어 마련될 수 있다. 예를 들어, 압전판(210)은 도 5에 도시된 바와 같이 기판(211)과, 기판(211)의 적어도 일면 상에 형성된 복수의 압전층(212 내지 217)을 포함할 수 있다. 이때, 압전판(210)은 기판(211)의 양면에 복수의 압전층(212 내지 217)이 형성된 바이모프 타입으로 형성될 수도 있고, 기판(211)의 일면에 압전층(212 내지 217)이 형성된 유니모프 타입으로 형성될 수도 있다. 그런데, 변위와 진동력을 증가시키고, 저전압 구동을 가능하게 하기 위해 압전층(212 내지 217)을 복수로 적층하고 유니모프 타입으로 형성할 수도 있다. 또한, 압전층(212 내지 217)의 상부 및 하부에는 각각 내부 전극(231 내지 236)이 형성될 수 있다. 즉, 기판(211)의 적어도 일면 상에 복수의 압전층(212 내지 217)과 내부 전극(231 내지 236)이 교대로 형성될 수 있고, 압전층(210)의 표면에 표면 전극(222, 224)이 형성될 수 있다. 다시 말하면, 기판(211)의 적어도 일면 상에 복수의 압전층(212 내지 217)과 복수의 도전층이 교대로 형성되며 압전판(210)의 외부로 노출되는 도전층이 표면 전극(222, 224)이 된다. 따라서, 압전판(210) 내부의 내부 전극(231 내지 236)과 표면 전극(222, 224)은 동일 물질로 형성될 수 있고, 동일 두께 및 동일 사이즈로 형성될 수 있다. 또한, 표면 전극(222, 224)과 복수의 내부 전극(231 내지 236)은 하부로부터 상부로 일 방향 및 이와 대향되는 타 방향으로 각각 교대로 노출되도록 형성될 수 있다. 그리고, 일 방향 및 타 방향으로 각각 노출되도록 형성된 내부 전극(231 내지 236) 및 표면 전극(222, 224)과 연결되도록 압전판(210)의 측면에 연결 전극(241, 242)이 형성될 수 있다. 연결 전극(241, 242)은 압전판(210)의 측면 뿐만 아니라 일면 및 타면에 연장되어 형성될 수 있다. 따라서, 제 1 연결 전극(241)은 제 1 표면 전극(222)과 중첩될 수 있고, 제 2 연결 전극(242)은 제 2 표면 전극(224)과 중첩될 수 있다. 한편, 기판(211)은 압전층(212 내지 217)이 적층된 구조를 유지하면서 진동을 발생될 수 있는 특성을 갖는 물질을 이용할 수 있다. 또한, 기판(211)은 압전층(212 내지 217)과 동종 물질로 형성될 수 있다. 즉, 기판(211)은 금속, 플라스틱, 절연성 세라믹 등의 압전층과 이종의 물질을 이용할 수도 있고, 압전 세라믹 등의 압전층(212 내지 217)과 동종의 물질을 이용할 수도 있다. 이때, 기판(211)으로 이용되는 압전층은 분극되지 않을 수도 있고 분극될 수도 있다. 기판(211)으로 이용되는 압전층이 분극될 경우 기판(211)은 압전층으로 기능할 수 있다. 또한, 압전층(212 내지 217)은 예를 들어 PZT(Pb, Zr, Ti), NKN(Na, K, Nb), BNT(Bi, Na, Ti) 계열의 압전 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 압전층은 Pb, Zr, Ti를 포함하는 압전 재료 즉, PZT계(Pb(Zr,Ti)O3) 압전 재료에 Pb, Ni, Nb, Zn을 포함하는 압전 재료 즉, PZNN계(Pb(Ni,Zn,Nb)O3) 압전 재료를 고용한 재료를 이용하여 형성할 수 있다. 이렇게 PZT계에 PZNN계 재료가 고용된 압전 재료는 800℃∼950℃의 온도에서 소결이 가능하며, 800℃∼950℃의 온도에서 소결 시에도 압전 재료 특성이 저하되지 않는다. 그러나, 압전층은 상기 물질에 한정되지 않고 다양한 압전 물질을 이용할 수 있다. 한편, 압전판(210) 내부에 형성된 내부 전극(231 내지 236)은 외부로부터 공급되는 외부 전압을 압전층(212 내지 217)에 인가하기 위해 마련된다. 즉, 내부 전극(231 내지 236)은 압전층(212 내지 217)의 분극을 위한 제 1 전원 및 압전층(212 내지 217)의 구동을 위한 제 2 전원을 압전층(212 내지 217)에 인가할 수 있다. 분극을 위한 제 1 전원 및 구동을 위한 제 2 전원은 외부 전극(300)을 통해 내부 전극(231 내지 236)으로 인가될 수 있다. 이러한 내부 전극(231 내지 236)은 기판(211)과 복수의 압전층(212 내지 217) 사이에 각각 형성될 수 있다. 또한, 내부 전극(231 내지 236)은 기판(211)과 압전층(212 내지 217)의 형상을 따라 원형 또는 사각형 등의 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 내부 전극(231 내지 236)은 압전층(212 내지 217)보다 작은 면적으로 형성될 수 있다. 한편, 내부 전극(231 내지 236)은 도전성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 Al, Ag, Au, Pt, Pd, Ni, Cu 중 어느 하나 이상의 성분을 포함하는 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다. 합금의 경우 예를 들어 Ag와 Pd 합금을 이용할 수 있다. 연결 전극(241, 242) 또한 도전성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 Al, Ag, Au, Pt, Pd, Ni, Cu 중 어느 하나 이상의 성분을 포함하는 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다.
제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)은 압전판(210)의 일면 및 타면에 각각 형성되며, 어느 하나에는 (+) 전원이 인가되고, 나머지 하나에는 (-) 전원이 인가된다. 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)은 도전 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 Al, Ag, Au, Pt, Pd, Ni, Cu 중 어느 하나 이상의 성분을 포함하는 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있고, 합금의 경우 예를 들어 Ag와 Pd 합금을 이용할 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)은 압전판(210)의 내부 전극(231 내지 236)과 동일 물질로 형성될 수 있다. 이러한 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)은 인쇄 공정으로 형성될 수 있는데, 예를 들어 Ag 페이스트(pate)를 압전판(210)의 일면 및 타면에 각각 도포하여 형성할 수 있다. 물론, 내부 전극 또한 인쇄 공정으로 형성할 수 있고, 압전판(210)에 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)이 형성된 후 압전판(210)과 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)은 동시에 소결된다. 이때, 압전 부재(200)의 소결은 외부 전극(300)이 형성된 후 실시될 수도 있고, 하우징(300)에 결합하기 전에 실시될 수도 있다.
3. 외부 전극
외부 전극(300)은 압전 부재(200)와 전기적으로 연결되도록 하우징(100)의 외부에 형성된다. 즉, 외부 전극(300)은 압전 부재(200)의 제 1 표면 전극(222)과 연결되도록 하우징(100)의 외부에 형성된 제 1 외부 전극(310)과, 압전 부재(200)의 제 2 표면 전극(224)과 연결되도록 하우징(100)의 외부에 형성된 제 2 외부 전극(320)을 포함할 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 외부 전극(310, 320)은 사각형의 단면 형상을 갖는 하우징(100)의 제 1 및 제 2 측벽에 형성될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 외부 전극(310, 320)은 하우징(100)의 서로 대향되는 두 측면에 형성될 수 있다. 외부 전극(300)은 압전 부재(200)의 표면 전극(220)의 폭과 같거나 넓은 폭으로 형성될 수 있다. 외부 전극(300)의 폭이 표면 전극(220)이 폭보다 좁으면 외부 전극(300)과 표면 전극(220)의 접촉 면적이 좁아지고 그에 따라 콘택 저항이 증가하는 문제가 발생될 수 있다.
외부 전극(300)은 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 즉, 외부 전극(300)은 도전성 페이스트를 이용하여 침지 또는 인쇄 방법으로 형성하거나, 증착, 스퍼터링, 도금 등의 다양한 방법으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 외부 전극(300)은 도전성 페이스트에 침지하여 형성할 수 있고, 그에 따라 하우징(100)의 두 측면으로부터 압전 부재(200)의 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)과 접촉되도록 형성될 수 있다. 이때, 외부 전극(300)은 침지 깊이에 따라 하우징(100)의 측면 전체에 형성되는 동시에 압전 부재(200)의 표면 상에 연장 형성될 수 있다. 즉, 하우징(100)의 일 측면 전체에 형성되는 동시에 그와 인접한 두 측면 및 상부 및 하부면으로 연장 형성될 수 있다. 외부 전극(300)이 하우징(100)의 압전 부재(200)가 부착된 상부면과 대향되는 하부면까지 연장 형성됨으로써 하우징(100)과 예를 들어 초음파 센서가 실장되는 인쇄회로기판과의 접촉 연결을 더욱 원활하게 할 수 있다. 외부 전극(300)은 전기 전도성을 가지는 금속으로 형성될 수 있는데, 예를 들어 금, 은, 백금, 구리, 니켈, 팔라듐 및 이들의 합금으로부터 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속으로 형성될 수 있다. 또한, 외부 전극(300)은 글래스 물질을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 0.5%∼20%의 Bi2O3 또는 SiO2를 주성분으로 하는 다성분계의 글래스 프릿(Glass frit)을 금속 분말과 혼합하여 형성된 도전성 페이스트를 이용하여 외부 전극(300)을 형성할 수 있다. 즉, 글래스 프릿과 금속 분말의 혼합물은 페이스트 형태로 제조되어 하우징(100)의 두면에 도포될 수 있다. 이렇게 외부 전극(300)에 글래스 프릿이 포함됨으로써 외부 전극(300)과 하우징(100)의 밀착력을 향상시킬 수 있다. 한편, 외부 전극(300)은 적어도 하나의 도금층을 더 포함할 수 있다. 즉, 외부 전극(300)은 Ag 등의 금속층으로 형성될 수 있고, 금속층 상에 적어도 하나의 도금층이 형성될 수도 있다. 예를 들어, 외부 전극(300)은 Ag층, Ni 도금층 및 Sn 또는 Sn/Ag 도금층이 적층 형성될 수 있다. 물론, 도금층은 Cu 도금층 및 Sn 도금층이 적층될 수도 있으며, Cu 도금층, Ni 도금층 및 Sn 도금층이 적층될 수도 있다. 이를 위해, 금속층 또는 글래스가 포함된 금속층이 형성된 후 전해 또는 무전해 도금을 통하여 Ni 도금층 및 Sn 도금층 순차적으로 형성할 수 있다. 이때, Sn 도금층은 Ni 도금층과 같거나 두꺼운 두께로 형성될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서의 제조 방법을 도 7을 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서의 제조 방법은 하우징(100) 및 압전 부재(200)를 각각 제작하는 과정(S100 및 S200)과, 하우징(100) 상에 압전 부재(200)를 결합하는 과정(S300)과, 하우징(100)의 외부에 압전 부재(200)와 연결되도록 외부 전극(300)을 형성하는 과정(S400)과, 압전 부재(200) 및 하우징(100)을 동시 소결하는 과정(S500)을 포함할 수 있다. 이러한 초음파 센서의 제조 방법을 과정별로 상세히 설명하면 다음과 같다.
S100 : 내부에 소정의 공간이 마련된 대략 통 형상의 하우징(100)을 제작한다. 즉, 하우징(100)은 적어도 일 방향으로 개방된 통 형상으로 제작될 수 있다. 예를 들어, 하우징(100)은 상하 관통형으로 제작될 수도 있고, 내부의 소정 영역이 막히고 그로부터 상부 및 하부가 개방된 형상으로 제작될 수도 있으며, 하부 또는 상부가 막히고 그에 따라 상부 또는 하부가 개방된 형태로 제작될 수도 있다. 또한, 하우징(100)은 예를 들어 수평 단면 형상이 원형, 사각형 등 다양한 형상으로 제작될 수 있다. 즉, 하우징(100)은 원통형으로 제작될 수 있고, 육면체의 통 형상으로 제작될 수 있다. 여기서, 하우징(100)은 소정의 두께를 가질 수 있는데, 예를 들어 1㎜∼3㎜의 두께를 가질 수 있다. 한편, 하우징(100)은 적어도 일부가 절연성 물질로 이루어질 수 있는데, 전체가 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 적어도 외측 표면이 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 하우징(100)은 전체가 절연성 세라믹으로 제작될 수 있고, 외측 표면에 절연성 물질이 코팅될 수도 있다. 절연성 세라믹은 알루미나, LTCC 등을 포함할 수 있다.
S200 : 압전판(210)의 일면 및 타면에 각각 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 223)을 형성하여 압전 부재(200)를 형성한다. 이때, 압전판(210)은 적어도 하나의 압전층을 포함할 수 있다. 즉, 압전판(210)은 하나의 압전층을 포함할 수도 있고, 둘 이상 복수의 압전층을 포함할 수도 있다. 압전판(210)이 복수의 압전층으로 이루어지는 경우 압전층 사이에는 내부 전극이 각각 형성될 수 있다. 즉, 복수의 압전층이 적층되고 압전층 사이에 내부 전극이 형성된 압전판(210)의 일면 및 타면에 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)을 각각 형성한다. 여기서, 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)은 서로 대향되는 두 영역으로 노출되도록 형성한다. 예를 들어, 압전판(210)이 사각형으로 제작되고, 압전판(210)의 서로 대향되는 두 변으로 각각 노출되도록 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)을 형성한다. 한편, 압전판(210) 내부에 형성된 복수의 내부 전극은 서로 대향되는 두 변으로 각각 노출되도록 교대로 형성될 수 있다. 복수의 내부 전극은 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224) 각각의 노출 방향과 동일 방향으로 교대로 노출되도록 형성될 수 있다. 또한, 압전판(210)의 측면에 연결 전극이 더 형성될 수 있다. 연결 전극은 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)과 이후 형성될 외부 전극(300)의 전기적 연결을 더욱 원활하게 하도록 형성될 수 있고, 복수의 내부 전극이 형성되는 경우 내부 전극 및 표면 전극(222, 224)과 외부 전극(300)의 전기적 연결을 위해 형성될 수 있다.
S300 : 하우징(100) 상에 압전 부재(300)를 결합한다. 즉, 하우징(100)의 일 개구를 막도록 하우징(100)의 일측 상에 압전 부재(200)를 형성한다. 압전 부재(200)는 소정의 접착 부재를 이용하여 하우징(100) 상에 접착한다. 이때, 압전 부재(200)는 외경이 하우징(100)의 내경보다 크고 외경보다 작거나 같도록 마련된다.
S400 : 압전 부재(200)의 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)에 전기적으로 각각 연결되도록 하우징(100)의 일 측면 및 타 측면에 외부 전극(300)을 형성한다. 즉, 하우징(100)의 일 측면에 제 1 표면 전극(222)과 연결되도록 제 1 외부 전극(310)을 형성하고, 하우징(100)의 타 측면에 제 2 표면 전극(224)과 연결되도록 제 2 외부 전극(320)을 형성한다. 외부 전극(300)은 금속 물질이 포함된 페이스트 또는 글래스 프릿과 금속 물질이 혼합된 페이스트를 하우징(100)의 일 측면 및 타 측면에 도포 또는 인쇄함으로써 외부 전극(300)을 형성할 수 있다. 페이스트를 침지하여 도포하는 경우 침지 깊이를 조절함으로써 외부 전극(300)이 압전판(210) 상면에 연장 형성되고, 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)과 연결될 수 있다.
S500 : 압전 부재(200)와 하우징(100)을 동시 소결한다. 즉, 하우징(100)의 적어도 일부가 절연성 세라믹으로 형성되므로 압전 부재(200)와 하우징(100)을 동시 소결한다. 이때, 소결은 800℃∼950℃의 온도에서 실시할 수 있다.
한편, 상기 제조 방법은 압전 부재(200)와 하우징(100)을 동시 소결하였지만, 압전 부재(200)를 소결한 후 하우징(100)과 접합하는 것도 가능하다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서는 압전 부재(200)의 제 1 및 제 2 표면 전극(222, 224)과 연결되도록 하우징(100) 외부에 외부 전극(300)이 형성된다. 또한, 외부 전극(300)이 형성된 후 하우징(100)과 압전 부재(200)가 동시 소결될 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 초음파 센서는 와이어 본딩 또는 땜납 등의 공정을 실시하지 않기 때문에 공정을 단순화시킬 수 있다. 또한, 와이어 등이 형성되지 않기 때문에 구조를 단순화시킬 수 있고, 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 초음파 센서의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 초음파 센서는 내부에 소정의 공간이 마련된 하우징(100)과, 하우징(100) 상에 마련된 압전 부재(200)와, 압전 부재(200)와 전기적으로 연결되며 하우징(100)의 측면에 형성된 외부 전극(300)과, 압전 부재(200) 상에 마련된 진동 부재(400)와, 하우징(100) 내부에 마련된 흡음 부재(500)를 포함한다. 즉, 본 발명의 제 2 실시 예는 본 발명의 제 1 실시 예에 비해 진동 부재(400) 및 흡음 부재(500)를 더 포함하며, 이하의 설명에서는 제 1 실시 예의 설명과 중복된 내용은 생략한다.
진동 부재(400)는 압전 부재(200) 상에 마련될 수 있고, 압전 부재(200)의 진동을 증폭시킬 수 있다. 이러한 진동 부재(400)는 압전 부재(200)와 동일 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 진동 부재(400)는 원형 또는 사각형 등으로 형성되며, 압전 부재(200)와 동일 크기로 마련될 수 있다. 또한, 진동 부재(400)는 접착제 등을 이용하여 압전 부재(200)에 접합시킬 수 있다. 이러한 진동 부재(400)는 금속, 플라스틱 등을 이용하여 제작할 수도 있고, 서로 다른 이종의 소재를 적층하여 적어도 2중 구조를 이용할 수도 있다. 또한, 진동 부재(400)은 폴리머계 또는 펄프계 물질을 이용할 수 있다. 진동 부재(400)가 금속으로 이루어질 경우 에폭시 등의 접착제를 이용하여 압전 부재(200)의 제 2 표면 전극(224)과 절연시켜 형성할 수 있다.
흡음 부재(500)는 압전 부재(200)와 소정 간격 이격되어 하우징(100) 내부에 마련될 수 있다. 예를 들어, 압전 부재(200)가 하우징(100)의 상면에 마련되고 흡음 부재(500)는 압전 부재(200)와 이격되어 하우징(100) 내부의 하부에 마련될 수 있다. 이를 위해 하우징(100)은 일 영역이 막힌 구조를 가질 수 있다. 즉, 하우징(100)은 상부 영역이 개방되고 하부 영역이 막힌 구조를 가지며, 하우징(100)의 내측 하부에 흡음 부재(500)가 마련되고 하우징(100)의 상부에 압전 부재(200)가 마련될 수 있다. 또한, 압전 부재(200)와 흡음 부재(500) 사이는 예를 들어 10㎛∼1㎜의 간격을 유지할 수 있다. 이러한 흡음 부재(500)는 초음파 센서에서 사물을 인지하는 진동 이외의 노이즈에 해당하는 진동을 감쇠시키기 위해 마련된다. 즉, 초음파 센서는 압전 부재(200)에서 발생된 진동이 하우징(100) 외부로 퍼짐으로 인해 센서의 역할을 수행하는데, 사물을 감지하는데 요구되는 진동 이외의 노이즈에 해당하는 내부 진동이 발생하여 사물의 검출 결과의 정확성을 저하시킬 수 있고, 이를 방지하기 위해 흡음 부재(500)를 마련한다. 이를 위해 흡음 부재(500)는 복수의 기공(pore)을 갖는 물질을 이용할 수 있다. 예를 들어, 흡음 부재(500)는 흡음 부재(500)는 코르크, 스폰지, 솜, 부직포, 펠트 등을 이용할 수 있다.
한편, 도 8을 이용하여 설명한 본 발명의 제 2 실시 예는 압전 부재(200)의 일면 하우징(100)에 접촉되고 압전 부재(200)의 타면에 진동 부재(400)가 접착되는 경우를 설명하였다. 그러나, 본 발명은 진동 부재(400)의 일면이 하우징(100)에 접촉되고 진동 부재(400)의 타면 상에 압전 부재(200)가 마련될 수도 있다. 즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 하우징(100)의 상부에 진동 부재(400)의 일면이 접촉되도록 마련되고, 진동 부재(400)의 타면 상에 압전 부재(200)가 마련될 수 있다. 이때, 압전 부재(200)는 진동 부재(400)와 동일 크기를 가질 수도 있고, 도 9에 도시된 바와 같이 진동 부재(400)보다 작은 크기를 가질 수도 있다. 또한, 외부 전극(300)은 진동 부재(400)의 상면 및 측면의 일부에 형성되어 압전 부재(200)의 표면 전극(222, 224)과 접촉되도록 형성될 수 있다. 이때, 외부 전극(300)은 압전 부재(200)의 압전층(210)의 상부로 연장되어 표면 전극(224) 상부에 형성될 수도 있다.
도 10는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 초음파 센서의 일부 사시도 및 평면도이다. 즉, 도 10의 (a)는 제 4 실시 예에 따른 하우징의 사시도이고, 도 10의 (b)는 하우징의 평면도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 하우징(100)은 내부에 개구가 형성되고 테두리가 사각형 또는 원형의 형상을 가질 수 있다. 이때, 하우징(100)은 외부 전극(300)이 형성되는 서로 대향되는 두 측면에 일측으로 연장된 연장부(110)를 가질 수 있다. 즉, 하우징(100)은 소정의 두께, 예를 들어 1㎜∼3㎜의 두께를 갖는 메인부와 메인부의 두 측면으로부터 외측으로 연장된 연장부(110)를 가질 수 있다. 하우징(100)의 동일 측면에 형성된 두 연장부(110) 사이에 외부 전극(300)이 형성된다. 따라서, 연장부(110) 사이의 거리는 압전 부재(200)의 표면 전극(220)의 폭과 같거나 넓을 수 있다. 즉, 하우징(100)의 동일 측면에 형성된 두 연장부(110) 사이의 간격이 표면 전극(220)의 폭과 같거나 넓을 수 있도록 연장부(110)의 폭이 결정될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제 5 실시 예에 따른 초음파 센서의 일부 사시도 및 평면도이다. 즉, 도 11의 (a)는 하우징의 사시도이고, 도 11의 (b)는 하우징의 평면도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 하우징(100)은 소정 영역에 관통홀(120)이 형성되고, 관통홀(120) 내부에 외부 전극(300)이 형성된다. 즉, 하우징(100)은 서로 대향되는 두 측면의 수직 방향으로 내부에 소정 폭의 관통홀(120)이 형성되고 관통홀(120)의 내측 상부에 압전 부재(200)가 마련되며 관통홀(120)이 매립되고 압전 부재(200)의 표면 전극(222, 224)과 연결되도록 외부 전극(300)이 형성될 수 있다. 이때, 관통홀(120)이 형성되는 서로 대향되는 두 측면은 이와 직교하는 두 측면보다 폭이 넓게 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 상기 실시 예들에는 도 12에 도시된 바와 같이 압전 부재(200)가 형성된 하우징(100)의 상부를 덮도록 형성된 덮개(600)를 더 포함할 수 있다. 덮개(600)에는 복수의 방출홀(610)이 형성되어 압전 부재(200)에서 발생된 음파가 외부로 배출될 수 있도록 한다. 또한, 압전 부재(200) 상에 접촉되어 마련된 콘형 진동자(700)를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상기에서 서술된 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 즉, 상기의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다.
100 : 하우징 200 : 압전 부재
300 : 외부 전극 400 : 진동 부재
500 : 흡음 부재

Claims (12)

  1. 하우징:
    상기 하우징의 일부에 마련된 압전 부재; 및
    상기 압전 부재와 전기적으로 연결되도록 상기 하우징의 외부 측면에 형성된 외부 전극을 포함하고,
    상기 압전 부재는, 압전판, 상기 압전판의 일면 및 타면에 각각 형성되며 서로 대향되는 방향으로 노출된 표면 전극, 상기 압전판을 이루는 복수의 압전층, 상기 복수의 압전층 사이에 형성된 복수의 내부 전극, 상기 표면 전극과 연결되도록 상기 압전판의 측면에 형성된 연결 전극을 포함하고,
    상기 외부 전극은 상기 연결 전극과 전기적으로 연결된 초음파 센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징은 내부에 공간이 마련되고 적어도 일부가 개방되며, 상기 압전 부재가 개구 상에 마련된 초음파 센서.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징은 적어도 일 표면으로부터 수평 방향으로 연장된 연장부를 더 포함하고, 상기 외부 전극은 상기 연장부 사이에 형성된 초음파 센서.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 압전 부재 상에 마련된 진동 부재와, 상기 하우징 내부에 마련된 흡음 부재와, 상기 압전 부재 상에 마련된 콘형 진동자 중 적어도 하나를 더 포함하는 초음파 센서.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 압전 부재를 덮도록 마련되며 복수의 방출홀이 형성된 덮개를 더 포함하는 초음파 센서.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징의 적어도 일부는 절연 세라믹을 포함하고, 상기 압전 부재는 압전 세라믹을 포함하며, 상기 하우징 및 압전 부재가 동시 소결되어 형성된 초음파 센서.
  10. 하우징 및 압전 부재를 각각 제작하는 과정;
    상기 하우징 상에 압전 부재를 결합하는 과정; 및
    상기 압전 부재와 전기적으로 연결되도록 상기 하우징의 외부 측면에 외부 전극을 형성하는 과정을 포함하고,
    상기 압전 부재를 제작하는데 있어서, 압전판, 상기 압전판의 일면 및 타면에 각각 형성되며 서로 대향되는 방향으로 노출된 표면 전극, 상기 압전판을 이루는 복수의 압전층, 상기 복수의 압전층 사이에 형성된 복수의 내부 전극, 상기 표면 전극과 연결되도록 상기 압전판의 측면에 형성된 연결 전극을 포함하도록 제작하고,
    상기 압전 부재와 외부 전극을 전기적으로 연결하는데 있어서, 상기 외부 전극을 상기 연결 전극에 연결시키는 초음파 센서의 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 하우징의 적어도 일부는 절연 세라믹을 포함하고, 상기 압전 부재는 압전 세라믹을 포함하며, 상기 하우징 및 압전 부재가 동시 소결되는 초음파 센서의 제조 방법.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 압전 부재를 소결한 후 접착 부재를 이용하여 상기 하우징과 결합하는 초음파 센서의 제조 방법.
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