KR20080042120A - 초음파 센서 - Google Patents

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KR20080042120A
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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 안정한 지향특성의 이방성을 갖는 초음파 센서를 제공하는 것이다.
즉, 본 발명에 있어서의 초음파 센서에 따른 케이스체는, 바닥이 있는 통형상의 외부 케이스체(10) 및 내부 케이스체(30)를 포함한다. 내부 케이스체(30)의 측벽(32)의 하부에는, 소정 크기의 컷아웃부(36)가 대향해서 형성되어 있다. 또한 내부 케이스체(30)는, 외부 케이스체(10)보다도 높은 밀도의 금속재료에 의해 형성되어 있다. 그 결과, 초음파 센서의 진동면(20)에 있어서, 타원형상의 진동면의 진폭을 형성할 수 있고, 지향특성의 이방성이 현저한 초음파 센서를 제공할 수 있다. 또한, 초음파 센서에 있어서의 측면진동의 변위량이 작은 초음파 센서를 제공할 수 있다.
외부 케이스체, 내부 케이스체, 공동부, 컷아웃부, 초음파 센서

Description

초음파 센서{ULTRASONIC SENSOR}
본 발명은 초음파 센서에 관한 것으로, 특히 예컨대 자동차의 백 소나(back sonar) 등에 이용되는 초음파 센서에 관한 것이다.
자동차의 백 소나 등에 이용되는 종래의 초음파 센서는, 자동차의 범퍼 등에 장착되어 백 소나나 코너 센서(corner sensor)와 같은 장해물 검지 센서로서 사용되고 있다. 초음파 센서의 범퍼 등에의 장착은, 압전소자가 고정장착된 케이스체의 바닥부를 노면(路面)과 거의 수직으로 하고 초음파 방사방향을 향하여 위치결정 조정한 후에 행해진다. 이러한 용도로 이용되는 초음파 센서에 있어서는, 수평설치방향에 있어서의 초음파의 송수파(送受波) 범위가 지나치게 좁으면 검지범위에 사각(死角;dead angle)이 생기고, 또한 수직방향에 있어서의 초음파의 송수파 범위가 지나치게 넓으면 지면으로부터의 반사파가 노이즈가 되기 때문에, 수평설치방향과 수직설치방향에 있어서의 지향특성의 이방성(異方性)이 요구된다.
도 9는 상술한 바와 같은 초음파 센서에 이용되는 케이스체(1) 구조의 일례를 나타내는 도해도이다. 도 9(a)는 케이스체(1)의 평단면도, 도 9(b)는 도 9(a)의 B-B 단면도(수직설치방향), 도 9(C)는 도 9(a)의 C-C 단면도(수평설치방향)이다. 케이스체(1)는 전체가 알루미늄 등의 금속재료로 형성되어 있고, 배면(背面)에서 개구한 중공부(中空部)(3)를 구비하고 있다. 케이스체(1)의 바닥부(2)는 수직설치방향의 중앙부가 두꺼운 부분(2a)이 되고, 그 양측에 거의 초승달 형상을 한 얇은 부분(2b)이 형성되어 있으며, 바닥부(2) 중앙에 있어서 두꺼운 부분(2a)의 내면에는, 도전성 접착제 등에 의해 압전소자(5)의 한쪽 전극면이 고정장착되어 있다. 따라서, 수직설치방향의 단면(斷面)에 있어서는, 도 9(b)에 나타내는 바와 같이 압전소자(5)를 실장한 두꺼운 부분(2a)의 양측에 얇은 부분(2b)이 위치하고 있고, 케이스체(1)의 중심을 통과하는 수평설치방향의 단면에 있어서는, 도 9(C)에 나타내는 바와 같이 바닥부(2) 전체가 두꺼운 부분(2a)으로 되어 있다. 이 두꺼운 부분(2a)의 두께는, 케이스체(1)의 외주(外周) 측벽부(4)의 최소두께보다도 두껍게 되어 있고, 얇은 부분(2b)의 두께는, 케이스체(1)의 외주 측벽부(4)의 최소두께보다도 얇게 되어 있다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 초음파 센서에 따르면, 수직설치방향(중공부(3)의 폭이 긴 방향)에 있어서의 송수파 범위를 좁게 할 수 있다. 따라서, 수평설치방향의 송수파 범위와 수직설치방향의 송수파 범위와의 차이를 형성할 수 있기 때문에, 지향특성의 이방성을 가진 초음파 센서를 얻을 수 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1: 일본국 공개특허 2000-32594호 공보
그러나 특허문헌 1에 기재되어 있는 초음파 센서에 있어서의 케이스체(1)의 측벽은, 소정의 지향특성을 얻기 위해서 두꺼운 부분 및 얇은 부분을 형성한 것을 사용하고 있고, 이러한 복잡한 구조의 케이스체(1)는 알루미늄을 단조(鍛造), 절삭(切削), 다이캐스팅(고압주조)의 가공을 행함으로써 형성되어 그 구조의 복잡함 때문에 제작비용이 높았다.
또한, 케이스체(1)에 있어서의 압전소자가 접착되는 면은 어느 정도 진동의 자유도가 확보되는 구조인 것이 바람직하고, 특히 케이스체(1)의 바닥면과 측벽의 경계(코너·에지) 부분에 대해서는 어느 정도 진동하는 것이 바람직하다. 그러나 종래의 초음파 센서에 있어서의 케이스체(1)는, 두꺼운 부분과 얇은 부분이 형성되어 있기 때문에, 특히 두꺼운 부분 근방에서는 진동이 저해되어 버려, 결과적으로 현저한 이방성을 얻는 것이 곤란하다는 문제가 있었다.
나아가, 종래의 초음파 센서에 있어서의 케이스체(1)는 상기 케이스체(1)의 중공부에 있어서의 단면형상을 타원형상으로 함으로써 지향특성의 이방성을 확보할 수 있도록 하고 있었으나, 타원형상으로 제작된 케이스체(1)에서는, 케이스체(1)의 측벽의 두께가 얇은 개소가 있기 때문에 상기 부분에서의 측면진동이 커지게 되어, 결과적으로 예컨대 자동차 등에 실장했을 때에는 고무 쿠션(rubber cushion), 하우징(housing)의 지지상태에 있어서 초음파 센서의 특성이 변화하기 쉬워지기 때문에, 소정의 특성을 확보하는 것이 곤란해진다고 하는 문제가 있었다.
그러므로 이 발명의 주된 목적은, 안정한 지향특성의 이방성을 갖는 초음파 센서를 제공하는 것이다.
본원발명은, 바닥이 있는 통형상의 케이스체, 및 케이스체 바닥부에 있어서의 내면측에 형성되는 압전소자를 포함하는 초음파 센서에 있어서, 케이스체 측벽의 내면측에 있어서의 바닥부와의 접촉부분에 컷아웃(cutouts)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서이다.
또한 컷아웃은, 케이스체 측벽의 내면측에 있어서의 바닥부와의 접촉부분에 대향해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서이다.
이와 같이, 컷아웃을 케이스체 측벽의 내면측에 있어서의 바닥부와의 접촉부분에 대향해서 형성함으로써, 진동면을 타원형상으로 할 수 있고, 나아가 진동면의 진폭을 크게 할 수 있다.
또한, 본원발명에 따른 초음파 센서에 의해 사용되는 케이스체는, 외부 케이스체와 외부 케이스체의 내부에 형성되는 내부 케이스체를 포함하고, 컷아웃은 내부 케이스체에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 초음파 센서에 이용되는 케이스체를 단순한 구조에 의해 형성된 별체(別體)로 하고, 그들을 조합시키는 구성으로 함으로써, 지향특성의 이방성이 현저한 초음파 센서를 얻을 수 있다. 또한 각 부품은, 단순한 구조의 부품에 의해 형성할 수 있으므로 저비용으로의 제조·가공이 가능해진다.
나아가 본원발명에 따른 초음파 센서는, 내부 케이스체는 외부 케이스체보다도 밀도가 높은 금속재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 내부 케이스체에 외부 케이스체보다도 고밀도의 금속재료를 이용함으로써, 케이스체에 있어서의 측면진동의 변동량이 적은 초음파 센서를 공급하는 것이 가능해진다.
[발명의 효과]
이 발명에 따르면, 초음파 센서의 케이스체에 있어서, 컷아웃이 상기 케이스체 측벽의 내면측에 있어서의 바닥부와의 접촉부분에 대향해서 형성된 것을 이용함으로써, 초음파 센서의 진동면에 있어서 타원형상의 진동면의 진폭을 형성할 수 있다. 그 때문에, 수평설치방향과 수직설치방향에 있어서의 지향특성의 이방성이 현저한 초음파 센서를 제공할 수 있다.
또한, 초음파 센서의 내부 케이스체가 외부 케이스체보다도 고밀도의 금속재료에 의해 형성됨으로써, 초음파 센서의 측면진동을 작게 할 수 있다. 그 때문에 초음파 센서를 장착했을 때에, 초음파 센서에 있어서의 특성의 변화가 작은 초음파 센서를 제공할 수 있다.
나아가, 이 발명에 의한 초음파 센서에 있어서의 케이스체는, 단순한 구조에 의해 형성되기 때문에, 제조·가공이 용이한 케이스체를 제공할 수 있다.
이 발명의 상술한 목적, 그 외의 목적, 특징 및 이점은, 도면을 참조하여 행하는 이하의 실시형태의 설명으로부터 한층 명백해질 것이다.
도 1은 이 발명에 있어서의 초음파 센서에 따른 외부 케이스체로서 (a)는 평면도, (b)는 단면도이다.
도 2는 이 발명에 있어서의 초음파 센서에 따른 내부 케이스체로서 (a)는 상부 평면도, (b)는 단면도, (C)는 하부 평면도이다.
도 3은 이 발명에 따른 (a)외부 케이스체의 사시도 및 (b)내부 케이스체의 사시도이다.
도 4는 이 발명에 따른 초음파 센서의 (a)수직설치방향의 단면도 및 (b)수평설치방향의 단면도이다.
도 5는 이 발명에 따른 초음파 센서의 X측면 및 Y측면에 있어서의 측면진동의 변위량의 크기를 나타내는 도이다.
도 6은 이 발명에 따른 초음파 센서의 X측면 및 Y측면의 위치를 나타낸 도이다.
도 7은 초음파 센서에 있어서의 현행품의 케이스체를 나타내는 사시도이다.
도 8은 이 발명에 따른 초음파 센서의 내부 케이스체에 있어서의 다른 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 9는 종래의 초음파 센서의 일례로서 (a)는 케이스체를 나타내는 평단면도, (b)는 (a)의 B-B선 단면도, (C)는 (a)의 C-C선 단면도이다.
[부호의 설명]
10 외부 케이스체
12 개구부
14 공동부(空洞部;hollow portion)
16 바닥면부
18 측벽
20 진동면
22 진동의 범위
30 내부 케이스체
32 측벽
34 공동부
36 컷아웃부
40 초음파 센서
42 압전소자
44 흡음재
46 기판
48 케이블
(실시예 1)
본 발명의 일실시형태에 따른 초음파 센서를 도 1, 도 2 및 도 3에 나타낸다. 도 1 및 도 2는 본 실시형태의 초음파 센서에 이용되고 있는 외부 케이스체(10) 및 내부 케이스체(30)를 나타낸 것이다. 도 1(a)는 외부 케이스체(10)의 평면도, 도 1(b)는 단면도이다. 또한 도 2(a)는 내부 케이스체(30)의 상부 평면도, 도 2(b)는 단면도, 도 2(C)는 하부 평면도를 나타낸 것이다. 또한 도 3(a) 및 도 3(b)는 본 발명에 따른 초음파 센서의 외부 케이스체(10) 및 내부 케이스체(30)의 사시도이다. 초음파 센서는, 예컨대 바닥이 있는 통형상의 외부 케이스체(10)와 원통형의 내부 케이스체(30)를 포함한다.
외부 케이스체(10)는 개구부(12) 및 공동부(14)가 형성되어 있고, 또한 바닥면부(16)와 측벽(18)으로 구성되어 있다. 바닥면부(16)의 외면에 진동면(20)이 위 치하고 있다. 외부 케이스체(10)에 있어서의 바닥면부(16)의 내면에 압전소자가 장착된다.
외부 케이스체(10)는 예컨대 알루미늄 등의 금속재료로 형성된다.
외부 케이스체(10)는 예컨대 전체의 높이가 9㎜, 외경이 14㎜, 내경이 13㎜로 형성되어 있다. 외부 케이스체(10)의 바닥면부(16)는 0.5㎜의 균일한 판 두께로 형성되어 있고, 외부 케이스체(10)의 측벽(18)은 0.5㎜의 균일한 판 두께로 형성되어 있다.
외부 케이스체(10)는 예컨대 표면처리, 도장(塗裝)된 판재를 프레스해서 가공한 것이 사용된다.
내부 케이스체(30)는 초음파 센서의 지향특성의 이방성을 제공하기 위한 기능을 갖는 것이다. 내부 케이스체(30)는 외부 케이스체(10)의 공동부(14)에 배치된다. 내부 케이스체(30)는 공동부(34)를 구비한 통형상으로 형성되어 있다. 그리고, 내부 케이스체(30)의 측벽(32)의 하부에 있어서 2개소에 컷아웃부(36)가 대향해서 형성된 구조로 되어 있다.
내부 케이스체(30)는 예컨대 아연 등의 금속재료로 형성된다. 이 내부 케이스체(30)에 이용되는 금속재료의 밀도의 크기는 외부 케이스체(10)보다도 큰 밀도의 금속재료를 이용하는 것이 바람직하다.
내부 케이스체(30)는 예컨대 전체의 높이가 7㎜, 외경이 13㎜, 내경이 9㎜로 형성되어 있다. 내부 케이스체(30)의 측벽(32)의 두께는 2㎜이다. 또한 컷아웃부(36)의 크기는 예컨대 컷아웃 폭 8㎜, 컷아웃 깊이 2㎜로 형성된다.
외부 케이스체(10)의 공동부(14)에 내부 케이스체(30)를 배치시킴으로써, 진동면(20)에 내부 케이스체(30)가 접촉하고 있지 않은 부분이 생기기 때문에 진동면(20)이 타원형상으로 진폭을 형성하여 진동하여, 결과적으로 초음파 센서에 있어서의 지향특성의 이방성이 얻어진다.
도 4에, 본 발명에 따른 외부 케이스체(10) 및 내부 케이스체(30)를 이용한 초음파 센서(40)의 단면도를 나타낸다. 도 4(a)는 수직설치방향의 단면도이며, 도 4(b)는 수평설치방향의 단면도이다.
외부 케이스체(10)의 바닥면부(16)의 내면에는 압전소자(42)가 장착된다. 내부 케이스체(30)의 공동부(34)에 있어서 흡음재(44)가 배치되고, 상기 흡음재(44)의 윗면에 기판(46)이 배치된다. 기판(46)에는 케이블(48)이 접속된다.
또한, 기판(46)과 내부 케이스체(30)가 와이어(50a)를 통해서 접속되고, 내부 케이스체(30) 및 외부 케이스체(10)를 통해서 압전소자(42)의 한쪽 면측의 전극에 전기적으로 접속된다. 한편, 기판(46)과 압전소자(42)의 다른쪽 면측의 전극이 와이어(50b)를 통해서 전기적으로 접속된다.
외부 케이스체(10) 및 내부 케이스체(30)에 의해 구성된 초음파 센서에 있어서의 고유진동수의 구동전압을 압전소자(42)에 인가함으로써 압전소자(42)가 진동되고, 진동면(20)이 진동하여 초음파가 송신된다. 또한, 진동면(20)이 음파를 받으면 진동면(20)이 고유진동하여 전기신호가 얻어진다.
이 초음파 센서에서는, 내부 케이스체(30)의 측벽(32)에 컷아웃부(36)를 대향해서 형성함으로써, 외부 케이스체(10)의 진동면(20)에 있어서 타원형상의 진동 을 형성할 수 있다. 그 때문에, 수평설치방향과 수직설치방향에 있어서의 지향특성의 이방성을 현저하게 얻을 수 있다.
또한, 내부 케이스체(30)에 외부 케이스체(10)보다도 고밀도의 금속재료를 이용함으로써, 외부 케이스체(10)의 측벽(18)에 있어서의 측면진동의 변위량을 작게 할 수 있다. 그 때문에, 당해 초음파 센서를 자동차 등에 장착했을 때에 있어서의 초음파 센서의 특성변화를 작게 할 수 있다.
나아가, 이 초음파 센서에 따른 각 케이스체는, 종래와 같은 복잡한 구조에 의해 형성할 필요는 없고, 단순한 구조에 의해 형성할 수 있기 때문에, 제조·가공도 용이하다.
(실험예 1)
도 5는, 케이스체로서 도 1의 외부 케이스체(10)와 도 2에 나타나는 내부 케이스체(30)를 이용하여 내부 케이스체(30)의 재료를 변화시켰을 경우에 있어서의, 각 내부 케이스체의 X측면 및 Y측면의 측면진동의 변위량의 크기의 수치계산 결과를 나타내고 있다. 가로축은 진동측면의 좌표를 나타내고, 세로축은 측면진동의 변위량을 나타내고 있다. 수치계산은 유한요소법(Finite Element Method)을 사용했다. 유한요소법은, 물체의 형상에 그다지 좌우되지 않고, 복잡한 형상에 있어서의 물체에 대해서도 수치계산의 대상으로서 취급할 수 있다는 이점이 있다. 여기서, 도 6에 나타내는 바와 같이, X측면이란 진동면(20)에 형성된 타원형상인 진동의 범위(22)의 짧은 축 방향 연장상에 있어서의 측면을 말하고, Y측면이란 진동면(20)에 형성된 타원형상인 진동의 범위(22)의 긴 축 방향 연장상에 있어서의 측면을 말한 다. 또한, 진동의 범위(22) 중에서 색이 짙을수록 진폭의 크기가 크다는 것을 나타내고 있다.
또한 비교를 위해서, 현행품에 따른 초음파 센서의 케이스체(1a)에 있어서의 측면진동의 변위량 크기의 수치계산 결과도 나타낸다. 현행품에 있어서의 초음파 센서의 케이스체(1a)는 도 7에 나타낸 형상으로 제작된 것이다.
이번 수치계산에는, 도 7에 나타낸 현행품은 알루미늄을 금속재료로서 사용했고, 본원발명에 따른 내부 케이스체(30)는, 금속재료로서 알루미늄, 아연 및 텅스텐을 각각 사용했다. 또한 외부 케이스체(10)는, 금속재료로서 알루미늄을 사용했다.
도 5(a)는 현행품에 있어서의 결과, 도 5(b)는 내부 케이스체(30)의 금속재료에 알루미늄을 사용한 결과, 도 5(c)는 내부 케이스체(30)의 금속재료에 아연을 사용한 결과, 도 5(d)는 내부 케이스체(30)의 금속재료에 텅스텐을 사용한 결과를 각각 나타내고 있다.
현행품의 측면진동 변위량의 크기는, X측면에서는 40.O㎚ 부근이었지만, Y측면에서는 60.O㎚ 이상이었다.
또한 내부 케이스체(30)의 재료에 외부 케이스체(10)의 재료와 동일한 알루미늄을 사용한 경우의 측면진동 변위량의 크기는, X측면에서는 80.O㎚ 부근이었으며, Y측면에서는 40.0에서 60.O㎚였다.
그에 대하여, 내부 케이스체(30)의 재료에 외부 케이스체(10)보다 고밀도의 아연을 사용한 경우의 측면진동 변위량의 크기는, X측면에서는 20.0에서 40.O㎚였 으며, Y측면에서는 40.0에서 60.O㎚였다.
또한, 내부 케이스체(30)의 재료에 외부 케이스체(10)보다 고밀도의 텅스텐을 사용한 경우의 측면진동 변위량의 크기는, X측면에서는 20.0에서 40.O㎚였으며, Y측면에서는 10.0에서 40.O㎚였다.
이상의 결과로부터, 현행품 및 내부 케이스체(30)의 재료에 알루미늄을 사용한 경우와 내부 케이스체(30)의 재료에 아연 및 텅스텐을 사용한 경우를 비교했을 때, 아연 및 텅스텐을 사용한 쪽이 각 케이스체의 X측면 및 Y측면에 있어서의 측면진동의 변위량이 억제되고 있음을 알 수 있다. 즉, 내부 케이스체(30)의 금속재료로서 외부 케이스체(10)에 이용되는 금속재료보다도 고밀도의 금속재료를 이용함으로써, 측면진동의 변위량 크기가 억제되는 것이 확인되었다.
또한, 외부 케이스체(10)의 밀도와 내부 케이스체(30)의 밀도의 차이가 클수록 측면진동의 변위량 크기가 억제되는 것이 확인되었다.
(실험예 2)
내부 케이스체(30)에 있어서의 내경 및 컷아웃부(36)에서의 컷아웃 폭 및 컷아웃 깊이의 크기를 각각 변화시킨 경우의 수치계산 결과를 행했다. 수치계산에는, 실험예 1과 마찬가지로 유한요소법(FEM)을 사용했다. 컷아웃 폭 및 컷아웃 깊이의 조건 및 그 조건에 있어서의 결과를 표 1에 나타낸다.
외경[㎜] 내경[㎜] 컷아웃 폭[㎜] 컷아웃 깊이[㎜] 공진주파수[kHz]
모델 1 13 10 7 2 37.8
모델 2 13 9 7 2 44.7
모델 3 13 9 8 2 40.7
모델 4 13 9 6 2 46.3
모델 5 13 9 8 1 40.8
현행 양산되고 있는 초음파 센서는 40kHz 부근에 공진주파수를 갖는 초음파 센서가 이용되고 있다. 즉, 초음파 센서는 40kHz 부근에 진동면이 고유진동을 갖도록 설계해 두어, 전기적으로 그것에 가까운 신호를 가해서 고유진동을 여진시킨 것이 사용되고 있다. 따라서, 초음파 센서에 이용되는 케이스체에 있어서는 40kHz로 고유진동을 갖는 것이 중요해지는데, 표 1에 나타내는 바와 같이, 모델 3 및 모델 5는 공진주파수가 40kHz 부근이기 때문에, 이 점에 있어서 적용가능하다는 것을 확인할 수 있다.
또한 모델 3 및 모델 5에서는, 진동면의 형상이 타원에 가까운 형상으로 되어 있는 것이 확인되었으며(도시하지 않음), 다른 모델에서는, 진동면의 형상이 능형(菱形)에 가까운 형상으로 되어 있는 것이 확인되었다(도시하지 않음). 능형형상에서는, 안정적으로 진동면이 진동하지 않고 현저한 지향특성의 이방성이 얻어지지 않지만, 통상 여진으로 안정적으로 타원형상의 진동을 행하는 모델 3 및 모델 5에 따르면, 초음파 센서로서 현저한 지향특성의 이방성을 얻을 수 있다.
한편, 상술한 실시예에 있어서는, 내부 케이스체(30)의 컷아웃부(36)의 형상은 직사각형으로 했지만, 그에 한정되는 것은 아니고, 도 8에 나타낸 내부 케이스체(30a)에 있어서의 컷아웃부(36a)와 같은 위로 볼록한 반원형이어도 된다.

Claims (4)

  1. 바닥이 있는 통형상의 케이스체; 및
    상기 케이스체의 바닥부에 있어서의 내면측에 형성되는 압전소자;를 포함하는 초음파 센서에 있어서,
    상기 케이스체 측벽의 내면측에 있어서의 바닥부와의 접촉부분에 컷아웃(cutouts)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컷아웃은, 상기 케이스체 측벽의 내면측에 있어서의 바닥부와의 접촉부분에 대향해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 케이스체는, 외부 케이스체와 상기 외부 케이스체의 내부에 형성되어 있는 내부 케이스체를 포함하고, 상기 컷아웃은, 상기 내부 케이스체에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 내부 케이스체는, 상기 외부 케이스체보다도 밀도가 높은 금속재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
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