KR20080054421A - 초음파 트랜스듀서 - Google Patents

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타카유키 시마모토
코지 무라타
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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

음압이 높은 초음파를 방사할 수 있으면서, 잔향 특성이 양호한 초음파 트랜스듀서를 얻는다.
초음파 트랜스듀서(10)는 밑바닥이 있는 통형상 캡체(12)를 포함한다. 캡체(12) 내부의 바닥면(12a)에, 도전성 접착제 등으로 압전소자(14)를 접착한다. 캡체(12)의 내측에, 캡체보다 음향 임피던스가 큰 재료로 형성된 내부 프레임체(16)를 끼워 넣는다. 내부 프레임체(16)는 캡체(12)의 끝부를 포함하는 측면부(12b)에 밀착되도록 끼워 넣는다. 내부 프레임체(16)의 측면에, 관통구멍(22)을 형성한다. 압전소자(14) 및 내부 프레임체(16)에, 리드 선(24a,24b)을 접속한다. 내부 프레임체(16)의 내측에, 흡음제(26) 및 제진재(28)를 충전한다. 내부 프레임체(16)의 관통구멍(22)을 통과하여, 제진재(28)를 캡체(12)의 측면부(12a)에 직접 접촉시킨다.
초음파 트랜스듀서, 캡체, 압전소자, 내부 프레임체, 제진재

Description

초음파 트랜스듀서{ULTRASONIC TRANSDUCER}
이 발명은 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로, 특히 예를 들면, 자동차의 백 소나(back-up sonar) 등으로서 사용되는 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.
도 15는 이 발명의 배경이 되는 종래의 초음파 트랜스듀서의 한 예를 나타내는 도해도(圖解圖)이다. 초음파 트랜스듀서(1)는 밑바닥이 있는 통형상의 외측 케이스(2)를 포함한다. 외측 케이스(2)의 내측 바닥면에는, 압전소자(3)가 부착된다. 또한, 외측 케이스(2) 내에는, 통형상의 지향특성 제어체(4)가 형성된다. 지향특성 제어체(4)에는, 도 16에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 육각형의 관통구멍이 형성됨으로써, 두꺼운 부분과 얇은 부분이 형성된다. 이 지향특성 제어체(4)가 외측 케이스(2)의 측면 및 바닥면에 밀착되도록 외측 케이스(2) 내에 끼워 넣어진다. 외측 케이스(2)의 개구부측에는, 백 플레이트(5)가 끼워 넣어지고, 외측 케이스(2)의 끝부가 안쪽으로 꺾여, 백 플레이트(5)가 고정된다. 백 플레이트(5)에는, 두 개의 단자(6a,6b)가 형성되고, 이들 단자(6a,6b)에 리드 선(7)이 접속된다. 한쪽의 단자(6a)는 백 플레이트(5)에 형성된 금속층 및 외측 케이스(2)를 통하여, 압전소자(3)의 한쪽에 접속된다. 또한, 다른 쪽의 단자(6b)는 리드 선(8)에 의해, 압전소자(3)의 다른 쪽에 접속된다.
이 초음파 트랜스듀서(1)는 예를 들면 자동차 범퍼 등에 부착되어, 백 소나 등으로서 사용할 수 있다. 리드 선(7)에 구동신호가 입력되면, 압전소자(3)가 여진(勵振)되고, 그와 함께, 외측 케이스(2)의 바닥면이 진동한다. 그것에 의해, 외측 케이스(2)의 바닥면에 직교하는 방향으로 초음파가 방사된다. 이때, 지향특성 제어체(4)의 관통구멍의 형상에 의해, 방사되는 초음파의 지향성이 결정된다. 방사된 초음파가 장애물에서 반사되면, 반사파가 초음파 트랜스듀서(1)에서 수신되어, 압전소자(3)에서 전기신호로 변환된다. 이 전기신호가 리드 선(7)을 통하여 수신회로에 전달되어, 초음파의 송신과 수신의 시간 차로부터, 장애물까지의 거리가 산출된다.
이 초음파 트랜스듀서(1)에서는, 외측 케이스(2)와 지향특성 제어체(4)를 별도 부재로 함으로써, 각각의 부재의 가공을 용이하게 행할 수 있다. 또한, 외측 케이스(2)와 지향특성 제어체(4)를 별도 부재로 함으로써, 각각의 부재를 다른 재료로 형성할 수 있다. 그 때문에, 소망의 특성에 따라, 외측 케이스(2) 및 지향특성 제어체(4)의 재료를 선택할 수 있다.
또한, 도 17에 나타내는 바와 같이, 실리콘 수지(9) 등이 충전된 초음파 트랜스듀서(1)도 있다. 이 초음파 트랜스듀서(1)에서는, 외측 케이스(2)의 바닥면(2a)과 측면(2b)이 별도 부재로 구성되어 있다. 또한, 백 플레이트(5)의 중앙부에 관통구멍이 형성되고, 이 관통구멍을 통과하여, 압전소자(3)에 접속된 리드 선(8)이 직접 외부로 인출된다. 그리고, 외측 케이스(2) 및 지향특성 제어체(4)의 내측에, 발포성의 실리콘 수지(9) 등이 충전된다. 이 실리콘 수지(9)에 의해, 외측 케이스(2)로부터 전해지는 불필요한 진동이 흡수된다. 이와 같이, 필요에 따라, 목적으로 하는 기능마다 각 부품을 별체로 함으로써, 초음파 트랜스듀서(1)를 정밀도 높게, 저렴한 비용으로 제조할 수 있다(특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1] 일본국 특허공개 2001-128292호 공보
초음파 트랜스듀서에 있어서는, 압전소자의 진동에 의해 외측 케이스의 바닥면이 진동하여, 초음파가 방사되는데, 이때, 외측 케이스의 측면으로 진동 에너지가 누설된다. 외측 케이스의 측면으로 진동 에너지가 누설되면, 바닥면의 진동 에너지가 작아져, 외측을 향하여 방사되는 초음파의 음압(音壓)이 낮아져 버린다.
또한, 외측 케이스의 측면으로 진동 에너지가 누설됨으로써 외측 케이스에 고차 스퓨리어스 진동이 발생하면, 압전소자에의 구동신호가 없어져도, 외측 케이스의 진동이 지속되는 것이 알려져 있다. 이와 같은 진동은 잔향(殘響)이라 불리우고, 잔향이 길게 지속되면, 압전소자가 잔향에 의한 진동으로 전기신호를 계속 발생하기 때문에, 장애물에서 반사된 초음파에 의한 압전소자의 진동에 근거하는 전기신호가 잔향에 의한 진동의 전기신호에 의해 전부 지워져서, 장애물에서 반사된 초음파를 검출할 수 없게 되어 버린다. 이와 같은 외측 케이스의 진동은 내부에 충전된 실리콘 수지 등으로 어느 정도 흡수할 수 있지만, 충분히 불필요 진동을 흡수할 수 없다. 특히, 도 17에 나타내는 바와 같이, 외측 케이스의 끝부 측이 실리콘 수지에 직접 접촉하고 있는 경우, 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지를 흡수할 수는 있지만, 외측 케이스의 끝부가 지향특성 제어체와 접촉하고 있지 않기 때문에, 압전소자에 의해 얻어지는 진동 에너지의 누설을 방지할 수 없다. 그 때문에, 방사되는 초음파의 음압이 낮아져 버린다.
그리하여, 본원 출원인은 먼저 출원한 일본국 특허출원 2005-262742호에 있어서, 내부 케이스를 외부 케이스보다도 밀도가 높은 금속재료로 구성하는 발명을 출원하고 있다. 즉, 밀도가 높은 재료란 음향 임피던스가 큰 재료이며, 그러한 재료는 진동하기 어려운 재료인 것으로부터, 음향 임피던스가 큰 재료로 내부 케이스를 형성함으로써, 외부 케이스의 측면에의 진동 에너지의 누설을 저감시킬 수 있어, 방사되는 초음파의 음압을 높게 할 수 있다. 그러나, 이 경우에도, 외부 케이스의 끝부가 내부 케이스와 접촉하고 있지 않으면, 외부 케이스의 끝부에서 잔향이 생겨 버렸다.
그러므로, 이 발명의 주된 목적은 음압이 높은 초음파를 방사할 수 있으면서, 잔향 특성이 양호한 초음파 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
이 발명은 밑바닥이 있는 통형상 캡체와, 캡체 내부의 바닥면에 형성되는 압전소자와, 캡체의 재료보다 음향 임피던스가 큰 재료로 형성되고, 캡체 내에 있어서 캡체의 끝부를 포함하는 측면에 밀착되도록 형성되는 내부 프레임체와, 캡체 측면의 적어도 일부에 직접 접촉하도록 하여 내부 프레임체 내에 충전되는 제진재(制振材)를 포함하는 초음파 트랜스듀서이다.
밑바닥이 있는 통형상 캡체 내부의 바닥면에 압전소자를 형성하고, 이 압전소자를 여진함으로써, 캡체의 바닥면이 진동하여, 초음파가 외부로 방사된다. 이때, 캡체 내에 있어서 캡체의 끝부를 포함하는 측면에 밀착되도록 내부 프레임체가 형성됨으로써, 캡체 측면의 진동이 억제되어, 진동 에너지의 누설이 방지된다. 특히, 캡체의 재료보다 음향 임피던스가 큰 재료로 내부 프레임체를 형성함으로써, 진동 에너지의 누설 방지 효과가 커진다. 또한, 캡체 측면의 적어도 일부에 직접 접촉하도록 하고, 제진재가 충전됨으로써, 캡체 측면에 전달되는 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지가 흡수되어, 잔향을 억제할 수 있다.
이와 같은 초음파 트랜스듀서에 있어서, 내부 프레임체에 관통구멍을 형성함으로써, 관통구멍을 통과하여 제진재를 캡체 내의 측면의 일부에 직접 접촉시킬 수 있다.
또한, 캡체의 끝부에 있어서, 캡체와 내부 프레임체 사이의 일부에 틈을 형성하여, 내부 프레임체 내에 제진재를 충전함과 동시에, 캡체와 내부 프레임체 사이의 틈에 제진재를 충전해도 된다.
캡체의 내부에 있어서, 그 측면에 제진재를 직접 접촉시킴으로써, 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지를 흡수할 수 있다.
또한, 이 발명은 밑바닥이 있는 통형상 캡체와, 캡체 내부의 바닥면에 형성되는 압전소자와, 캡체의 재료보다 음향 임피던스가 큰 재료로 형성되고, 캡체 내에 있어서 캡체의 끝부를 포함하는 측면에 밀착되도록 형성되는 내부 프레임체와, 캡체의 끝부에 있어서, 캡체와 내부 프레임체 사이의 일부에 틈이 형성되어, 캡체의 내측면에 접촉하도록 틈에 충전되는 제진재를 포함하는 초음파 트랜스듀서이다.
캡체와 내부 프레임체 사이의 일부에 틈이 형성되어 있는 경우에는, 반드시 내부 프레임체 내에 제진재가 충전될 필요는 없고, 적어도 캡체와 내부 프레임체 사이에 형성된 틈에 제진재가 충전되어, 제진재를 캡체에 직접 접촉시킴으로써, 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지를 흡수할 수 있다.
내부 프레임체에 관통구멍이 형성된 초음파 트랜스듀서 또는 캡체와 내부 프레임체 사이의 일부에 틈이 형성된 초음파 트랜스듀서에 있어서, 캡체의 바닥면에는, 그 중앙부를 포함하면서, 한 방향에 긴 축을 가지도록 하여 내부 프레임체의 한 끝 측과 접촉하지 않는 부분이 형성되고, 내부 프레임체의 측면이며 캡체의 바닥면에 있어서의 내부 프레임체의 한 끝 측과 접촉하지 않는 부분의 긴 축 방향 및 그 긴 축 방향과 직교하는 방향에 관통구멍 또는 틈이 형성되는 것이 바람직하다.
캡체의 바닥면에 있어서, 내부 프레임체의 한 끝 측에 접촉하는 부분은 진동하기 어렵고, 내부 프레임체의 한 끝 측에 접촉하지 않는 부분은 진동하기 쉽다. 따라서, 캡체의 진동하기 쉬운 부분이 주로 진동함으로써, 초음파가 방출된다. 이 캡체 바닥면의 진동하기 쉬운 부분이 긴 축을 가지는 형상인 경우, 초음파에 이방성(異方性)이 생기는데, 이 긴 축 방향과 그에 직교하는 방향으로 타원형상이 교대로 생기도록 캡체가 변형하는 모드가 생긴다. 이와 같이, 캡체가 크게 변형하는 부분의 근방에 있어서, 캡체의 측면에 관통구멍 또는 틈을 형성하여, 제진재를 접촉시키는 구성으로 함으로써, 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지를 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 캡체의 바닥면으로부터 측면에 걸쳐서 곡면부가 형성됨과 동시에, 곡면부를 덮도록 하여 캡체의 외측면을 덮는 외장재가 마련되어도 된다.
캡체를 평판으로 조임 가공(drawing)에 의해 형성한 경우, 캡체의 바닥면으로부터 측면에 걸쳐서 곡면부가 형성된다. 이러한 캡체를 사용한 초음파 트랜스듀서를 자동차 범퍼 등에 부착하면, 범퍼와 캡체 사이에 틈이 형성되어, 쓰레기나 때가 끼기 쉬워진다. 이와 같은 틈에 쓰레기나 때가 끼면, 캡체의 진동 특성이 악화되고, 외관상도 좋지 않은 인상을 준다. 그리하여, 캡체의 곡면부를 덮도록 하여 캡체의 외측면을 덮는 외장재를 형성함으로써, 자동차 등에 초음파 트랜스듀서를 부착했을 때의 틈을 없앨 수 있어, 특성의 악화나 외관상의 인상 저하를 방지할 수 있다.
또한, 제진재는 내부 프레임체의 내부로부터 외부에 걸쳐서 배치되어, 캡체의 외측면에 제진재가 직접 접촉하도록 해도 된다.
이때, 캡체의 바닥면으로부터 측면에 걸쳐서 곡면부가 형성됨과 동시에, 캡체의 외측면에 있어서의 제진재가 곡면부를 덮도록 형성되어도 된다.
제진재는 반드시 캡체의 내측에 직접 접촉할 필요는 없고, 캡체의 외측면에 직접 접촉하고 있어도 된다. 이와 같이, 제진재가 캡체의 측면에 직접 접촉하고 있으면, 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지를 흡수할 수 있다.
여기서, 캡체가 조임 가공 등으로 형성되어 있는 경우, 그 곡면부를 덮도록 제진재를 형성함으로써, 초음파 트랜스듀서 부착부와 캡체 사이의 틈을 없앨 수 있다.
상술한 바와 같은 초음파 트랜스듀서에 있어서, 캡체의 끝부에 있어서 내부 프레임체의 외측면에 캡체의 두께에 상당하는 단차(段差)부를 형성하고, 캡체 내에 있어서의 내부 프레임체의 바깥 지름보다 캡체 외에 있어서의 내부 프레임체의 바깥 지름을 크게 함으로써, 캡체와 내부 프레임체 사이의 단차를 없앨 수 있다.
캡체는 조임 가공으로 형성되는 것으로, 깊은 조임 가공은 가공 기술이 어렵기 때문에, 얕은 조임 가공으로 캡체가 형성된다. 그리고, 얕게 조임 가공된 캡체의 측면에 캡체 바닥면에서의 압전소자에 의한 진동이 누설하려고 하지만, 캡체의 측면은 제진재와 접촉하고 있는 동시에 캡체의 끝부를 포함하는 측면이 내부 프레임체와 접촉하고, 특히, 내부 프레임체에 단차를 형성하여 캡체의 끝부에 걸리도록 밀착함으로써, 캡체 끝부를 내부 프레임체가 누르는 구조가 되기 때문에, 얕은 조임 가공의 캡체에 있어서도 캡체의 측면에의 진동 누설이 억제되어, 잔향이 발생하기 어렵게 된다.
또한, 내부 프레임체에 캡체의 두께 상당의 단차를 형성하여 캡체의 외측면과 내부 프레임체의 외측면 사이에 단차를 없애는 것, 즉, 캡체의 외측면과 내부 프레임체의 외측면을 동일 평면상으로 함으로써, 초음파 트랜스듀서를 자동차 등에 부착하기 쉬워지고, 또한, 외관상의 인상 저하도 방지할 수 있다.
<발명의 효과>
이 발명에 의하면, 캡체의 끝부를 포함하는 측면에, 캡체보다 음향 임피던스가 큰 재료로 형성된 내부 프레임체를 밀착시킴으로써, 캡체 측면의 진동이 억제되고, 압전소자에 의해 진동하는 캡체 바닥면으로부터 측면에의 진동 에너지의 누설을 방지할 수 있다. 그 때문에, 캡체 바닥면으로부터 외부로 방사되는 초음파의 음압을 높게 유지할 수 있다. 또한, 캡체 측면의 적어도 일부에 직접 접촉하도록, 제진재가 형성됨으로써, 캡체에 생기는 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지가 흡수되어, 잔향 특성이 양호해진다.
이 발명의 상술의 목적, 그 외의 목적, 특징 및 이점은 도면을 참조하며 행하는 이하의 발명을 실시하기 위한 실시예의 설명으로부터 한층 명백해질 것이다.
도 1은 이 발명의 초음파 트랜스듀서의 제1의 예를 나타내는 도해도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 초음파 트랜스듀서의 캡체와 내부 프레임체를 나타내는 사시도이다.
도 3은 이 발명의 초음파 트랜스듀서의 제2의 예에 있어서의 캡체와 내부 프레임체를 나타내는 사시도이다.
도 4는 이 발명의 초음파 트랜스듀서의 제3의 예에 있어서의 캡체와 내부 프레임체를 나타내는 사시도이다.
도 5a, 도 5b는 이 발명의 초음파 트랜스듀서에 있어서의 캡체의 변형 모드를 나타내는 도해도이다.
도 6은 이 발명의 초음파 트랜스듀서의 제4의 예를 나타내는 도해도이다.
도 7은 도 6에 나타내는 초음파 트랜스듀서의 내부 프레임체를 나타내는 사시도이다.
도 8은 이 발명의 초음파 트랜스듀서의 제5의 예를 나타내는 도해도이다.
도 9는 이 발명의 초음파 트랜스듀서의 제6의 예를 나타내는 사시도이다.
도 10은 이 발명의 초음파 트랜스듀서의 제7의 예를 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 10에 나타내는 초음파 트랜스듀서의 도해도이다.
도 12는 도 3에 나타내는 캡과 내부 프레임체를 사용한 초음파 트랜스듀서의 잔향 특성을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 4에 나타내는 캡과 내부 프레임체를 사용한 초음파 트랜스듀서의 잔향 특성을 나타내는 도면이다.
도 14는 관통구멍이 없는 내부 프레임체를 사용한 초음파 트랜스듀서의 잔향 특성을 나타내는 도면이다.
도 15는 이 발명의 배경이 되는 종래의 초음파 트랜스듀서의 한 예를 나타내는 도해도이다.
도 16은 도 15에 나타내는 초음파 트랜스듀서의 외측 케이스와 지향특성 제어체를 나타내는 사시도이다.
도 17은 이 발명의 배경이 되는 종래의 초음파 트랜스듀서의 다른 예를 나타내는 도해도이다.
<부호의 설명>
10: 초음파 트랜스듀서 12: 캡체
12a: 캡체의 바닥면부 12b: 캡체의 측면부
12c: 캡체의 곡면부 14: 압전소자
16: 내부 프레임체 16a: 내부 프레임체의 단차부
16b: 내부 프레임체의 평면부 22: 관통구멍
26: 흡음재(吸音材) 28: 제진재
30: 틈 32: 홈부
34: 외장재
도 1은 이 발명의 초음파 트랜스듀서의 한 예를 나타내는 도해도이다. 초음파 트랜스듀서(10)는 밑바닥이 있는 통형상 캡체(12)를 포함한다. 캡체(12)는 진동하기 쉽도록, 예를 들면 알루미늄 등과 같은 가볍고 강성이 높은 재료로 형성된다. 캡체(12)는 알루미늄 등의 평판을 사용하고, 조임 가공에 의해 밑바닥이 있는 통형상으로 형성된다. 이와 같은 조임 가공은 얕은 조임 가공방법을 채용함으로써, 캡체(12)의 제조가 보다 용이해지고, 캡체(12)는 얕은 조임 가공에 의해, 바닥면부(12a)와 측면부(12b)와 그들 사이의 곡면부(12c)로 구성되는 원통상으로 형성된다. 또한, 캡체(12)는 절삭, 단조(鍛造), 주조 등의 방법에 의해 형성되어도 된다.
캡체(12)의 내면에 있어서, 바닥면부(12a)에 압전소자(14)가 형성된다. 압전소자(14)는 예를 들면 원판상인 압전체 기판의 양면에 전극이 형성된 것이다. 이 압전소자(14)의 한쪽 면 측이 캡체(12)의 바닥면(12a)에 도전 접착제 등으로 점착된다.
또한, 캡체(12)의 내측에는, 내부 프레임체(16)가 형성된다. 내부 프레임체(16)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 원통상으로 형성되고, 캡체(12)의 내측면에 밀착되도록 끼워 넣어진다. 내부 프레임체(16)의 한 끝 측에 있어서, 내측을 향하여 돌출되도록 링상의 돌출부(18)가 형성된다. 돌출부(18)가 형성된 내부 프레임체(16)의 끝부에는, 서로 대향하는 위치에 오목부(20)가 형성된다. 그리고, 돌출부(18)가 형성된 한 끝측을 캡체(12)의 바닥면부(12a) 측으로 하여, 내부 프레임 체(16)가 캡체(12) 내에 끼워 넣어진다. 따라서, 캡체(12) 내에 있어서, 내부 프레임체(16)의 한 끝 측이 캡체(12)의 바닥면부(12a)에 밀착되는데, 오목부(20)가 형성된 부분에 있어서는, 내부 프레임체(16)는 캡체(12)의 바닥면부(12a)에는 접촉하지 않는다.
캡체(12)의 개방 끝부측에 있어서는, 내부 프레임체(16)는 캡체(12)로부터 외측을 향하여 돌출되도록 형성된다. 캡체(12)의 끝부에 대응하는 위치에 있어서, 내부 프레임체(16)에 단차부(16a)가 형성된다. 그리고, 캡체(12) 내부에 끼워 넣어진 부분의 내부 프레임체(16)의 직경이 작게, 캡체(12)로부터 밖으로 돌출된 부분의 내부 프레임체(16)의 직경이 크게 형성된다. 이 단차부(16a)는 캡체(12)의 두께에 대응하도록 형성된다. 따라서, 캡체(12)의 끝부는 내부 프레임체(16)에 밀착되어, 캡체(12)와 내부 프레임체(16)의 표면에 단차가 생기지 않는다. 즉, 캡체(12)의 외측면과 내부 프레임체(16)의 외측면이 동일 평면상에 있는 구조가 된다. 이와 같은 구조로 함으로써, 내부 프레임체(16)의 단차부(16a)가 캡체(12)의 끝부에 걸리도록 밀착되고, 캡체(12) 끝부를 내부 프레임체(16)가 누르는 구조가 된다.
또한, 내부 프레임체(16)의 캡체(12)로부터 외측으로 돌출된 부분의 측면에 있어서, 내부 프레임체(16)의 한 끝 측에 형성된 대향하는 오목부(20)를 끼우는 위치에, 평면부(16b)가 형성된다. 이 평면부(16b)에 의해, 초음파 트랜스듀서(10)의 외측으로부터 오목부(20)의 위치를 알 수 있다.
또한, 캡체(12)의 내측면을 향하여, 내부 프레임체(16)에 복수의 관통구멍(22)이 형성된다. 관통구멍(22)은 예를 들면 내부 프레임체(16) 측면의 원주를 따라 등간격으로 형성된다. 관통구멍(22)의 형상은 예를 들면 긴 구멍이 되도록 형성되는데, 그 이외에 둥근 구멍이나 각진 구멍이어도 된다. 내부 프레임체(16)는 캡체(12)보다 음향 임피던스가 큰 재료로 형성된다. 캡체(12)가 알루미늄으로 형성되는 경우, 내부 프레임체(16)는 알루미늄보다 무겁고 강성이 있는 재료, 예를 들면 아연 등으로 형성된다.
압전소자(14)의 다른 쪽 측에는, 리드 선(24a)이 접속된다. 또한, 내부 프레임체(16)에는, 다른 리드 선(24b)이 접속된다. 리드 선(24b)은 아연으로 형성된 내부 프레임체(16) 및 알루미늄으로 형성된 캡체(12)를 통하여, 압전소자(14)의 한쪽 면 측에 전기적으로 접속된다.
내부 프레임체(16) 내에 있어서, 돌출부(18)의 내측의 단차부에는, 흡음재(26)가 삽입된다. 흡음재(26)로서는, 예를 들면 펠트 등이 사용된다. 돌출부(18)의 내측에 흡음재(26)가 형성된다. 돌출부(18)의 내측에 흡음재(26)를 배치함으로써, 압전소자(14)와 흡음재(26) 사이에 틈이 형성되어, 압전소자(14)의 진동영역이 확보된다. 또한, 흡음재(26) 부분으로부터 내부 프레임체(16)의 개구부측에는, 제진재(28)가 충전된다. 제진재(28)로서는, 예를 들면 발포성의 실리콘 수지 등이 사용된다. 여기서, 내부 프레임체(16)에는, 관통구멍(22)이 형성되어 있기 때문에, 관통구멍(22)을 통과하여, 제진재(28)가 직접 캡체(12) 내의 측면에 접촉하고 있다. 이들 흡음재(26) 및 제진재(28)에 의해, 캡체(12) 및 내부 프레임체(16)의 내측에 방사된 음파나 진동이 흡수된다.
이 초음파 트랜스듀서(10)는 예를 들면 자동차 범퍼 등에 부착되어, 백 소나 로서 사용된다. 리드 선(24a,24b)에 구동신호를 입력함으로써, 압전소자(14)가 여진되고, 그와 함께, 캡체(12)의 바닥면부(12a)가 진동한다. 캡체(12)의 바닥면부(12a)가 진동함으로써, 바닥면부(12a)에 직교하는 방향으로 초음파가 방사된다. 방사된 초음파는 장애물에서 반사되어, 다시 초음파 트랜스듀서(10)에서 수신된다. 수신된 초음파에 의해, 캡체(12)의 바닥면부(12a)가 진동하고, 그와 함께 압전소자(14)도 진동한다. 그리고, 압전소자(14)의 진동이 전기신호로 변환되고, 리드 선(24a,24b)을 통하여, 전기신호가 수신회로에 전달된다. 따라서, 초음파의 송신으로부터 수신까지의 시간을 측정함으로써, 초음파 트랜스듀서(10)로부터 장애물까지의 거리를 산출할 수 있다.
이 초음파 트랜스듀서(10)에서는, 캡체(12)의 바닥면부(12a)에 있어서, 내부 프레임체(16)의 한 끝 측이 접촉하고 있는 부분은 진동하기 어렵다. 그에 대하여, 오목부(20)가 형성된 부분에 있어서는, 캡체(12)의 바닥면부(12a)에 내부 프레임체(16)가 접촉하고 있지 않기 때문에, 바닥면부(12a)는 진동하기 쉽다. 따라서, 캡체(12)의 바닥면부(12a)의 방향에 따라, 진동하기 쉬운 부분의 폭이 다르다. 캡체(12)의 바닥면부(12a)의 진동하기 쉬운 부분이 좁으면, 방사되는 초음파의 퍼지는 모양이 크고, 바닥면부(12a)의 진동하기 쉬운 부분이 넓으면, 방사되는 초음파의 퍼지는 모양이 작다. 따라서, 오목부(20)를 끼우는 방향, 즉 내부 프레임체(16)에 형성된 평면부(16b)가 형성된 방향을 자동차의 폭 방향으로 배치하면, 자동차의 폭 방향으로 초음파가 퍼지지만, 상하 방향으로는 초음파가 퍼지지 않도록 할 수 있다. 이와 같이, 내부 프레임체(16)에 오목부(20)를 형성함으로써, 초음파 트랜스 듀서(10)의 지향특성을 조정할 수 있다. 이와 같이, 초음파 트랜스듀서(10)의 지향특성을 조정함으로써, 자동차의 폭 방향에 있어서는 장애물을 검출할 수 있고, 노면(露面)의 타이어 멈춤 등과 같은 상하 방향의 장애물을 검출하지 않도록 할 수 있다. 여기서, 내부 프레임체(16)의 측면에 형성된 평면부(16b)에 의해, 초음파 트랜스듀서(10)의 지향특성을 고려한 부착이 가능해진다.
또한, 이 초음파 트랜스듀서(10)에서는, 음향 임피던스가 큰 재료, 즉 진동하기 어려운 재료로 형성된 내부 프레임체(16)가 캡체(12)의 내측면에 밀착되도록 끼워져 있기 때문에, 캡체(12)의 측면부(12b)의 진동이 억제된다. 그 때문에, 캡체(12)의 바닥면부(12a)의 진동 에너지가 측면부(12b)로 누설되기 어려워져, 바닥면부(12a)로부터 방사되는 초음파의 음압을 높게 유지할 수 있다. 특히, 캡체(12)의 끝부에도 내부 프레임체(16)가 밀착되어, 내부 프레임체(16)의 단차부(16a)가 캡체(12)의 끝부를 누르는 구조이기 때문에, 진동하기 쉬운 캡체(12) 끝부의 진동이 억제되어, 효과적으로 진동 에너지의 누설을 저감할 수 있다.
또한, 압전소자(14)에 의해 캡체(12)의 바닥면부(12a)가 진동하면, 고차 스퓨리어스 진동이 발생하여, 압전소자(14)를 구동하기 위한 구동신호가 없어진 후도, 캡체(12)의 진동이 지속된다. 이와 같은 잔향이 길게 지속되면, 압전소자(14)가 잔향에 의한 진동으로 전기신호를 계속 발생하기 때문에, 장애물에서 반사된 초음파에 의한 압전소자의 진동에 근거하는 전기신호가 잔향에 의한 진동의 전기신호에 의해 전부 지워져, 장애물에서 반사된 초음파를 검출할 수 없다. 그러나, 이 초음파 트랜스듀서(10)에서는, 내부 프레임체(16)에 형성된 관통구멍(22)을 통과하 여, 캡체(12)의 측면부(12b)에 제진재(28)가 직접 접촉하고 있기 때문에, 캡체(12)의 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지가 제진재(28)에 의해 흡수된다. 따라서, 이 초음파 트랜스듀서(10)에서는, 잔향 특성을 양호하게 할 수 있다.
이와 같이, 캡체(12)의 내측면에 음향 임피던스가 큰 재료로 형성된 내부 프레임체(16)를 밀착시킴으로써, 음압이 높은 초음파를 방사시킬 수 있고, 캡체(12)의 내측면의 일부에 제진재(28)를 직접 접촉시킴으로써, 잔향 특성을 양호하게 할 수 있다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 내부 프레임체(16) 측면의 원주를 따라, 둥근 구멍 형상의 관통구멍(22)이 등간격으로 형성되어도 된다. 이와 같이, 관통구멍(22)의 형상에 관계없이, 관통구멍(22)을 통과하여, 제진재(28)가 직접 캡체(12) 내의 측면에 접촉함으로써, 캡체(12)의 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지가 제진재(28)에 의해 흡수된다.
여기서, 관통구멍(22)은 내부 프레임체(16)의 측면에 있어서, 반드시 등간격으로 형성될 필요는 없다. 특히, 도 4에 나타내는 바와 같이, 내부 프레임체(16)의 한 끝 측의 대향부에 형성된 오목부(20)에 대응한 측면과, 오목부(20)를 연결하는 방향에 직교하는 방향의 측면에, 관통구멍(22)이 집중하여 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 배치로 함으로써, 관통구멍(22)은 내부 프레임체(16)의 측면이며, 캡체(12) 바닥면의 내부 프레임체(16)에 접촉하지 않는 부분에 있어서의 긴 축 방향과, 이 긴 축 방향에 직교하는 방향에 집중하여 배치된다.
캡체(12)의 바닥면에 있어서, 상술한 바와 같이, 내부 프레임체(16)에 접촉 하지 않는 부분은 진동하기 쉬운 부분이다. 이 캡체(12) 바닥면의 진동하기 쉬운 부분은 캡체(12) 바닥면의 중앙부를 포함하면서, 긴 축을 가지는 형상이 된다. 이와 같은 형상이 됨으로써, 캡체(12) 바닥면의 진동영역에 이방성이 생긴다. 즉, 캡체(12) 바닥면의 진동하기 쉬운 부분의 긴 축 방향에의 진동영역이 넓어지고, 긴 축 방향에 직교하는 방향에의 진동영역이 좁아짐으로써, 캡체(12)의 진동면에 이방성이 생겨, 방출되는 초음파가 편평화한다. 이와 같이, 캡체(12)의 진동면에 이방성이 생김으로써, 캡체(12)의 바닥면 및 측면에 전해지는 진동은 동심원상으로 동등하게 전파되는 것이 아니고, 진동하기 쉬운 부분의 긴 축 방향과 그에 직교하는 방향으로 특히 크게 전파하여, 이들 방향으로 캡체(12)가 교대로 변형하는 모드가 생긴다. 도 5a, 도 5b는 이 캡체(12)의 변형 모드를 알기 쉽게 하기 위해, 변형된 형상을 과장되게 나타낸 것이다. 도 5a 및 도 5b에 나타내는 바와 같이, 캡체(12)의 진동하기 쉬운 부분의 긴 축 방향과 그에 직교하는 방향의 각각에 있어서 타원형상이 교대로 생기도록 캡체(12)가 변형하는 모드가 생긴다.
그리하여, 캡체(12)의 측면이 특히 크게 변형하는 부분, 즉 캡체(12)의 바닥면이 진동하기 쉬운 부분의 긴 축 방향과 그에 직교하는 방향으로 대향하는 내부 프레임체(16)의 측면에, 관통구멍(22)이 형성된다. 그 때문에, 캡체(12)의 특히 크게 벤딩하는 부분에 대응하는 위치에서, 캡체(12)의 측면에 제진재(28)가 직접 접촉한다. 그것에 의해, 고차 스퓨리어스의 진동 에너지를 보다 효과적으로 억제할 수 있어, 잔향을 억제할 수 있다. 이와 같이, 캡체(12) 바닥면의 진동하기 쉬운 부분에 있어서의 긴 축 방향과, 이 긴 축 방향에 직교하는 방향에 집중하여 내부 프 레임체(16)의 측면에 관통구멍(22)을 형성함으로써, 보다 효과적으로 잔향 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 캡체(12)의 끝부로부터 바닥면부(12a)를 향하여 연장되도록, 측면부(12b)와 내부 프레임체(16) 사이에 틈(30)을 형성하여, 이 틈(30)에 제진재(28)를 충전해도 된다. 이와 같은 틈(30)을 형성하기 위해, 도 7에 나타내는 바와 같이, 내부 프레임체(16)의 외측면의 끝부로부터 축 방향으로 연장되도록 홈부(32)가 형성된다. 홈부(32)는 내부 프레임체(16)의 주위에 있어서, 예를 들면 등간격으로 4군데에 형성된다. 이 내부 프레임체(16)를 캡체(12) 내에 끼워 넣음으로써, 캡체(12)의 개방 끝부에 있어서, 캡체(12)의 측면부(12b)와 내부 프레임체(16) 사이에 틈(30)이 형성된다.
이와 같은 초음파 트랜스듀서(10)에 있어서도, 홈부(32) 이외의 부분에 있어서, 캡체(12)의 끝부까지 내부 프레임체(16)가 밀착되어 있기 때문에, 캡체(12)의 측면부(12b)에의 진동 에너지의 누설을 작게 할 수 있다. 그 때문에, 초음파 트랜스듀서(10)로부터 방사되는 초음파의 음압을 높게 유지할 수 있다. 또한, 내부 프레임체(16)의 홈부(32)가 형성된 부분에 있어서는, 캡체(12)의 측면부(12b)와 내부 프레임체(16) 사이에 틈(30)이 형성되어, 이 틈(30)에 충전된 제진재(28)에 의해, 캡체(12)의 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지가 흡수된다. 그 때문에, 초음파 트랜스듀서(10)의 잔향 특성을 양호하게 할 수 있어, 장애물에서 반사된 초음파를 효과적으로 검출할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 내부 프레임체(16) 내부에 충전되는 제진재(28)와 틈(30)에 충전되는 제진재(28)의 재료를 바꾸어도 된다. 또한, 이 와 같은 틈(30)에 제진재(28)가 충전되어 있는 경우, 캡체(12)의 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지는 틈(30) 내의 제진재(28)에 의해 흡수되기 때문에, 내부 프레임체(16) 내에는 제진재가 충전되지 않아도 된다.
또한, 이와 같은 초음파 트랜스듀서(10)에 있어서도, 홈부(32)는 내부 프레임체(16)의 측면 중, 캡체(12) 바닥면의 내부 프레임체(16)에 접촉하지 않는 부분의 긴 축 방향 및 그에 직교하는 방향에 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 위치에 홈부(32)가 형성됨으로써, 캡체(12)의 진동부의 크게 벤딩하는 위치에 대응한 부분에 있어서, 캡체(12)와 내부 프레임체(16) 사이에 틈(30)이 형성된다. 그것에 의해, 이 틈(30)에 충전된 제진재(28)에 의해, 캡체(12)의 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지가 효과적으로 흡수된다.
또한, 도 8에 나타내는 바와 같이, 내부 프레임체(16) 내부에 충전된 제진재(28)가 내부 프레임체(16)의 끝부를 넘어, 캡체(12) 및 내부 프레임체(16)의 외측면에 돌아 들어가도록 해도 된다. 이 초음파 트랜스듀서(10)에서는, 캡체(12)의 측면부(12b)의 외측에 제진재(28)가 접촉하고 있다. 이와 같이, 캡체(12)의 측면부(12b)의 외측에 있어서 제진재(28)가 직접 접촉하고 있어도, 캡체(12)의 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지를 흡수할 수 있어, 잔향 특성을 양호하게 할 수 있다. 물론, 캡체(12)의 내부에 있어서는, 내부 프레임체(16)가 캡체(12)의 끝부까지 밀착되어 있어, 캡체(12)의 끝부에 있어서의 진동을 억제할 수 있고, 효과적으로 진동 에너지의 누설을 방지할 수 있다.
또한, 캡체(12)의 측면부(12b) 외측의 제진재(28)는 캡체(12)의 측면부(12b) 전체를 덮도록 형성되어도 된다. 초음파 트랜스듀서(10)를 자동차 등에 부착하는 경우, 통상, 초음파 트랜스듀서(10)의 측면을 덮도록 고무 등으로 형성된 외장재가 마련된다. 그리하여, 제진재(28)로 초음파 트랜스듀서(10)의 외측면을 덮어 두면, 캡체(12)의 불필요 진동의 흡수와 함께, 외장재의 역할도 부여할 수 있다.
또한, 이들 초음파 트랜스듀서(10)에 있어서, 도 2~도 4 및 도 7에 나타내는 바와 같이, 내부 프레임체(16)의 측면에 단차부(16a)를 형성해 둠으로써, 도 9에 나타내는 바와 같이, 캡체(12) 내에 내부 프레임체(16)를 끼워 넣었을 때에, 캡체(12)의 끝부가 내부 프레임체(16)의 단차부(16a)로 눌러짐과 동시에, 캡체(12)와 내부 프레임체(16) 사이에 단차를 없앨 수 있다. 그 때문에, 캡체(12) 끝부의 진동을 억제하여 진동 에너지의 누설을 방지함과 동시에, 초음파 트랜스듀서(10)의 외관상의 인상을 양호하게 할 수 있다. 또한, 내부 프레임체(16)에 단차부(16a)를 형성하고, 캡체(12)의 측면부(12b)의 높이를 낮게 하면, 측면부(12b)의 강성이 높아져, 측면부(12b)가 진동하기 어렵게 된다. 또한, 캡체(12)의 측면부(12b)의 높이가 낮아지면, 진동하기 어려운 내부 프레임체(16)의 체적 비율이 커져, 진동을 억제하는 효과를 보다 크게 할 수 있다.
상술과 같이, 초음파 트랜스듀서(10)를 자동차 등에 부착할 때에는, 캡체(12) 및 내부 프레임체(16)의 측면을 덮도록 고무 등으로 형성된 외장재가 마련된다. 이때, 도 10 및 도 11에 나타내는 바와 같이, 외장재(34)를 초음파 트랜스듀서(10) 측면의 전면을 덮도록 형성하고, 캡체(12)의 곡면부(12c)에 외장재(34)가 밀착되도록 하면, 캡체(12)와 외장재(34) 사이에 틈이 발생하지 않는다. 그 때문 에, 초음파 트랜스듀서(10)를 자동차 범퍼 등에 부착했을 때, 캡체(12)와 범퍼 사이에 틈이 생기지 않는다. 캡체(12)와 범퍼 사이에 틈이 발생하면, 이 틈에 쓰레기나 때가 끼기 쉬워져, 초음파 트랜스듀서(10)의 특성에 악영향을 줄 우려가 있고, 외관상도 바람직하지 않다. 그리하여, 캡체(12)의 곡면부(12c)를 덮도록, 외장재(34)를 형성함으로써, 이와 같은 틈을 없앨 수 있어, 특성이나 외관의 악화를 방지할 수 있다. 또한, 도 8에 나타내는 바와 같은 제진재(28)로 덮여진 초음파 트랜스듀서(10)에 있어서도, 그 측면 전면에 제진재(28)를 형성할 경우에는, 캡체(12)의 곡면부(12c)를 덮도록 제진재(28)를 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 이 발명의 초음파 트랜스듀서(10)에서는, 캡체(12)보다 음향 임피던스가 큰 재료로 형성된 내부 프레임체(16)가 캡체(12)에 끼워 넣어져 있다. 그리고, 캡체(12)의 측면부(12b)의 끝부까지 내부 프레임체(16)를 밀착시킴으로써, 진동 에너지의 누설을 억제하여, 방사되는 초음파의 음압 레벨을 높게 유지할 수 있다. 또한, 캡체(12)의 측면부(12b)의 적어도 일부에, 제진재(28)를 직접 접촉시킴으로써, 캡체(12)의 고차 스퓨리어스에 의한 진동 에너지를 흡수할 수 있어, 잔향 특성을 양호하게 할 수 있다.
<실시예 1>
실시예 1 및 실시예 2로서, 각각 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같은 캡체 및 내부 프레임체를 가지는 초음파 트랜스듀서를 제작하였다. 또한, 비교예로서, 도 3 및 도 4에 나타내는 내부 프레임체와 같은 형상으로 관통구멍이 없는 내부 프레임체를 가지는 초음파 트랜스듀서를 제작하였다. 이들 초음파 트랜스듀서에 대하 여, 구동시간 0.60ms로 60V의 전압을 압전소자에 인가하여, 잔향 특성을 측정하였다. 그리고, 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 대하여, 각각, 도 12, 도 13, 도 14에 나타내었다. 도 12~도 14에 있어서, 횡축의 1 눈금은 0.2ms이다.
구동전압을 인가하고 나서 잔향이 안정될 때까지의 시간은 실시예 1에서는 0.78ms, 실시예 2에서는 0.69ms, 비교예에서는 1.23ms였다. 이 결과로부터, 관통구멍을 형성한 내부 프레임체를 사용한 초음파 센서에서는, 잔향 특성이 향상하고 있는 것을 알 수 있다. 특히, 캡체 바닥면의 내부 프레임체에 접촉하고 있지 않은 부분의 긴 축 방향과 그에 직교하는 방향에 집중하여 내부 프레임체의 측면에 관통구멍을 형성함으로써, 보다 뛰어난 잔향 특성이 얻어지는 것을 알 수 있다.

Claims (9)

  1. 밑바닥이 있는 통형상 캡체,
    상기 캡체 내부의 바닥면에 형성되는 압전소자,
    상기 캡체의 재료보다 음향 임피던스가 큰 재료로 형성되고, 상기 캡체 내에 있어서 상기 캡체의 끝부를 포함하는 측면에 밀착되도록 형성되는 내부 프레임체, 및
    상기 캡체 측면의 적어도 일부에 직접 접촉하도록 하여 상기 내부 프레임체 내에 충전되는 제진재(制振材)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내부 프레임체에 관통구멍을 형성함으로써, 상기 관통구멍을 통과하여 상기 제진재가 상기 캡체 내의 측면의 일부에 직접 접촉하도록 한 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 캡체의 끝부에 있어서, 상기 캡체와 상기 내부 프레임체 사이의 일부에 틈이 형성되어, 상기 내부 프레임체 내에 상기 제진재가 충전됨과 동시에 상기 틈에 상기 제진재가 충전된 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  4. 밑바닥이 있는 통형상 캡체,
    상기 캡체 내부의 바닥면에 형성되는 압전소자,
    상기 캡체의 재료보다 음향 임피던스가 큰 재료로 형성되고, 상기 캡체 내에 있어서 상기 캡체의 끝부를 포함하는 측면에 밀착되도록 형성되는 내부 프레임체, 및
    상기 캡체의 끝부에 있어서, 상기 캡체와 상기 내부 프레임체 사이의 일부에 틈이 형성되어, 상기 캡체의 내측면에 접촉하도록 상기 틈에 충전되는 제진재를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡체의 바닥면에는, 그 중앙부를 포함하면서, 한 방향에 긴 축을 가지도록 하여 상기 내부 프레임체의 한 끝 측과 접촉하지 않는 부분이 형성되고,
    상기 내부 프레임체의 측면이며 상기 캡체의 바닥면에 있어서의 상기 내부 프레임체의 한 끝 측과 접촉하지 않는 부분의 긴 축 방향 및 상기 긴 축 방향과 직교하는 방향에 상기 관통구멍 또는 상기 틈이 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡체의 바닥면으로부터 측면에 걸쳐서 곡면부가 형성됨과 동시에, 상기 곡면부를 덮도록 하여 상기 캡체의 외측면을 덮는 외장재가 마련된 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제진재는 상기 내부 프레임체의 내부로부터 외부에 걸쳐서 배치되며, 상기 캡체의 외측면에 상기 제진재가 직접 접촉하도록 한 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 캡체의 바닥면으로부터 측면에 걸쳐서 곡면부가 형성됨과 동시에, 상기 캡체의 외측면에 있어서의 상기 제진재가 상기 곡면부를 덮도록 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡체의 끝부에 있어서 상기 내부 프레임체의 외측면에 상기 캡체의 두께에 상당하는 단차부를 형성하고, 상기 캡체 내에 있어서의 상기 내부 프레임체의 바깥 지름보다 상기 캡체 외에 있어서의 상기 내부 프레임체의 바깥 지름을 크게 함으로써, 상기 캡체와 상기 내부 프레임체 사이에 단차를 없앤 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
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