KR20120136653A - 초음파 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초음파 센서 관한 것으로서, 저면에 하나 이상의 홈이 형성된 전도성 케이스; 상기 케이스의 저면에 비전도성접착제를 통해 고정되는 압전소자; 상기 홈에 주입되어 상기 케이스와 상기 압전소자를 전기적으로 연결하는 전도성접착제; 상기 압전소자의 상부에 위치하는 온도보상커패시터; 상기 케이스의 외부로부터 인입되며, 상기 온도보상커패시터의 일면 및 상기 압전소자와 전기적으로 연결되는 제1리드선; 상기 케이스의 외부로부터 인입되며, 상기 온도보상커패시터의 타면 및 상기 케이스와 전기적으로 연결되는 제2리드선을 포함하여, 압전소자로부터 발생되어 케이스를 통해 외부로 전달되는 초음파의 강도를 향상시킴으로써 초음파 센서의 감지 거리를 늘릴 수 있다.

Description

초음파 센서{Ultrasonic Sensor}
본 발명은 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전소자를 이용하여 초음파를 발생시키고 피측정물에 반사된 초음파인 반사파를 감지함으로써 피측정물까지의 거리를 측정하는데 사용되는 초음파 센서에 관한 것이다.
초음파 센서는 압전(piezoelectriity)방식과 자왜(magnetostriction)방식의 2가지 종류가 일반적으로 사용되고 있다. 압전방식은 수정, PZT(압전재료), 압전 폴리머 등의 물체에 압력을 가하면 전압이 유기되고 반대로 전압을 가하면 진동을 유발하는 현상을 이용한 방식을 뜻하며, 자왜방식은 철, 니켈, 코발트의 합금 등에 나타나는 줄 효과(Joule effect : 자장을 가하면 진동이 생기는 현상)와 빌라리 효과(Villari effecct : 응력을 가하면 자장이 발생하는 현상)를 이용하는 방식을 말한다.
초음파 소자는 초음파 센서이면서 동시에 초음파 발생기라 할 수 있다. 압전방식의 경우 압전소자에 초음파 진동이 가해져 생기는 전압으로 초음파를 감지하고 압전소자에 전압을 가해 생기는 진동으로 초음파를 발생시키기 때문이다. 자왜방식의 경우도 줄 효과에 의해 초음파를 발생하고 빌라리 효과에 의해 초음파를 감지한다.
현재 일반적으로 사용되고 있는 초음파 센서는 압전소자를 이용한 압전방식으로 케이스의 내부에 압전소자가 안착되고 이 압전소자에서 발생한 초음파가 케이스를 통해 외부로 방출되는 구조로 되어있다. 이러한 구조의 초음파 센서는 케이스가 압전소자의 전극 역할을 하므로 케이스는 전도성 재질을 사용하며 압전소자와 케이스는 전도성 접착제에 의하여 전기적으로 연결된 상태로 접착된다.
그런데, 상기 전도성 접착제는 통전을 위하여 필러가 함유되므로 일반적인 비전도성 접착제에 비하여 두께가 2배 정도 두껍다. 따라서, 압전소자에서 발생된 초음파가 케이스로 전달되기 전에 전도성 접착제에 일정부분 흡수되어 최종 방사되는 초음파의 세기는 최초 발생된 초음파의 세기보다 약해진다. 초음파의 세기가 약해지면 초음파의 도달거리가 짧아지게 되고 이로 인하여 초음파 센서의 감지거리가 짧아지게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 압전소자를 케이스에 부착할 때 쓰이는 접착제의 두께를 더욱 얇게 함으로써 압전소자로부터 발생하여 케이스를 통해 외부로 전달되는 초음파의 강도를 현저하게 향상시킬 수 있는 초음파 센서를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초음파 센서는 저면에 하나 이상의 홈이 형성된 전도성 케이스; 상기 케이스의 저면에 비전도성접착제를 통해 고정되는 압전소자; 상기 홈에 주입되어 상기 케이스와 상기 압전소자를 전기적으로 연결하는 전도성접착제; 상기 압전소자의 상부에 위치하는 온도보상커패시터; 상기 케이스의 외부로부터 인입되며, 상기 온도보상커패시터의 일면 및 상기 압전소자와 전기적으로 연결되는 제1리드선; 상기 케이스의 외부로부터 인입되며, 상기 온도보상커패시터의 타면 및 상기 케이스와 전기적으로 연결되는 제2리드선을 포함한다.
또한, 상기 케이스의 저면에 돌출형성되며, 상기 압전소자가 고정되는 안착부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 안착부는, 상면 측부에 상기 비전도성접착제를 수용하는 하나 이상의 보조홈이 형성될 수 있다.
또한, 상기 압전소자의 상부에 위치하는 흡음재를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 케이스의 내부에 채워지는 몰딩부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 초음파 센서에 따르면, 압전소자로부터 발생되어 케이스를 통해 외부로 전달되는 초음파의 강도를 향상시킴으로써 초음파 센서의 감지 거리를 늘릴 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 A-A' 선에 의한 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 C부분을 확대한 부분확대도,
도 4는 도 3에 도시된 안착부를 나타낸 사시도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 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.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서의 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 A-A' 선에 의한 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 C부분을 확대한 부분확대도이며, 도 4는 도 3에 도시된 안착부를 나타낸 사시도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면 본 발명의 초음파 센서(100)는 케이스(110), 압전소자(120), 전도성접착제((180), 온도보상커패시터(150), 제1리드선(160) 및 제2리드선(165)을 포함한다.
상기 케이스(110)는 전도성 재질로 내부에 부품을 수용할 수 있는 공간이 형성되며, 저면에 하나 이상의 홈(116)이 형성된다. 또한, 이 케이스(110)의 저면에는 초음파를 발생시키는 압전소자(120)가 위치한다
상기 압전소자(120)는 전류가 인가되면 변위가 발생하는 부품으로 인가되는 전류의 극성에 따라 신장하거나 수축하는 성질이 있다. 따라서, 이 압전소자(120)에 인가되는 전류의 극성을 반복하여 바꾸어주면 압전소자(120)는 신장과 수축을 반복하면서 진동을 발생하게 되며, 이러한 원리를 통하여 압전소자(120)로부터 초음파를 발생시킨다.
또한, 이 압전소자(120)는 비전도성접착제(185)를 통해 케이스(110)의 저면에 접착되며, 상기 케이스(110)에 형성된 홈(116)에는 케이스(110)와 압전소자(120)의 전기적 연결을 위한 전도성접착제(180)가 주입된다.
일반적으로 압전소자는 케이스와의 전기적인 연결을 위하여 전도성접착제를 통해 케이스에 부착되는데, 전도성접착제는 비전도성접착제에 비하여 두껍게 도포되는 성질이 있다. 전도성접착제는 통전을 위하여 Ag 필러가 함유되므로 이 Ag 필러의 크기 이하의 두께로는 도포가 불가능하기 때문이다. 에폭시의 경우를 예로 들면 일반적인 전도성 에폭시의 도포 두께는 7~10㎛이고, 비전도성 에폭시의 도포 두께는 2~4㎛로 2배 정도의 두께 차이가 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 압전소자(120)가 비전도성접착제(185)에 의해 케이스(110)에 접착되므로 전도성접착제를 통해 접착되는 경우에 비해 약 1/2이하의 두께로 얇은 접착층을 갖게 된다. 따라서, 압전소자(120)로부터 발생되어 케이스(110)를 통해 외부로 전달되는 초음파의 강도를 향상시킬 수 있다.
일반적으로 압전소자(120)의 진동력은 케이스(110)의 물질상수와 압전소자(120)의 유효 압전상수에 비례하고 케이스(110)와 압전소자(120) 사이에 위치한 접착제의 두께에는 반비례한다. 그러므로, 본 발명에 의한 초음파 센서(100)는 종래의 초음파 센서에 비해 초음파의 강도가 20~30% 이상 향상되는 효과를 얻을 수 있으며 이에 따라 감지거리가 향상된다는 장점이 있다.
여기서, 상기 전도성접착제(180)는 전도성 에폭시인 것이 바람직하며, 비전도성접착제(185)는 비전도성 에폭시인 것이 바람직하다.
한편, 상기 압전소자(120)는 온도에 따라 정전용량값이 변하는 성질을 가지고 있는데, 이러한 정전용량값의 변화로 인하여 저온에서는 압전소자(120)의 잔향 진동이 증가하여 시스템의 오동작이 발생하며 고온에서는 압전소자의 감도저하로 인하여 감지 거리가 줄어든다.
이와 같은 현상을 방지하기 위하여 온도보상커패시터(150)를 이용하여 압전소자(120)의 정전용량 변화값을 보상해준다. 이 온도보상커패시터(150)는 상기 압전소자(120)의 상부에 위치하며 기판(140)을 통해 고정된다.
상기 제1리드선(160)은 케이스(110)의 외부로부터 인입되며, 상기 온도보상커패시터(150)의 일면 및 상기 압전소자(120)와 전기적으로 연결된다. 아울러 상기 제2리드선(165)은 케이스(110)의 외부로부터 인입되며, 상기 온도보상커패시터(150)의 타면 및 상기 케이스(110)와 전기적으로 연결된다.
한편, 본 발명에 의한 초음파 센서(100)는 상기 케이스(110)의 저면에 돌출형성된 안착부(115)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 안착부(115)에는 압전소자(120)가 비전도성접착제(185)를 통해 접착 고정되며 전도성접착제(180)가 주입되는 홈(116)이 형성된다. 케이스(110)의 저면에 안착부(115)를 돌출형성시킴으로써 케이스(110)의 저면에 형성된 홈(116)으로 인한 케이스(110)의 강성 저하를 방지할 수 있다.
아울러, 상기 안착부(115)에는 하나 이상의 보조홈(117)이 형성된 것이 바람직하다. 이 보조홈(117)은 안착부(115)의 상면 측부에 형성되며 여분의 비전도성접착제(185)가 보조홈(117)을 따라 흘러내리도록 하는 역할을 한다.
안착부(115)의 상부에 압전소자(120)가 접착되면 안착부(115)에 도포된 비전도성접착제(185)가 압전소자(120)에 의해 압축되면서 안착부(115)의 외측으로 넘쳐 나오게 된다. 이때, 넘쳐나온 여분의 비전도성접착제(185)는 점성이 높으므로 압전소자(120)의 측면을 타고 올라갈 수 있다는 문제점이 있다.
보조홈(117)은 안착부(115)의 외측으로 넘쳐 나온 여분의 비전도성접착제(185)가 압전소자(120)의 측면을 타고 올라가지 않고 안착부(115)의 하부로 흘러내리도록 하는 역할을 하여 상기와 같은 문제점을 방지한다.
그리고, 본 발명에 의한 초음파 센서(100)는 상기 압전소자(120)의 상부에 위치하는 흡음재(130)를 포함할 수 있다. 이 흡음재(130)는 압전소자(120)에서 초음파가 발생된 후 나타나는 잔향을 감소시킨다.
압전소자(120)는 초음파를 발생시킬 뿐만 아니라 피측정물에 반사되어 되돌아온 초음파를 감지하는 역할도 하는데 초음파를 발생시킨 후 나타나는 잔향이 완전히 제거되어야 반사된 초음파를 용이하게 감지할 수 있다.
따라서, 압전소자(120)의 잔향이 오래 지속되면 초음파를 감지하는데 시간이 오래 걸리게 되며 결과적으로 초음파 센서(100)의 거리 감지시간이 늦어지게 된다는 문제점이 있다.
상기 흡음재(130)는 상기와 같이 압전소자(120)에서 발생하는 잔향을 감소시켜 초음파 센서(100)의 감지시간을 단축시키는 역할을 한다.
또한, 본 발명에 의한 초음파 센서(100)는 몰딩부(170)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 몰딩부(170)는 상기 케이스(110) 내부에 몰딩액을 주입하고 경화시켜 만들어진 것으로 케이스(110)의 내부에 위치한 부품들을 고정시키고 보호하는 역할을 한다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 초음파 센서
110 : 케이스
115 : 안착부
116 : 홈
117 : 보조홈
120 : 압전소자
130 : 흡음재
140 : 기판
150 : 온도보상커패시터
160 : 제1리드선
165 : 제2리드선
170 : 몰딩부
180 : 전도성접착제
185 : 비전도성접착제

Claims (5)

  1. 저면에 하나 이상의 홈이 형성된 전도성 케이스;
    상기 케이스의 저면에 비전도성접착제를 통해 고정되는 압전소자;
    상기 홈에 주입되어 상기 케이스와 상기 압전소자를 전기적으로 연결하는 전도성접착제;
    상기 압전소자의 상부에 위치하는 온도보상커패시터;
    상기 케이스의 외부로부터 인입되며, 상기 온도보상커패시터의 일면 및 상기 압전소자와 전기적으로 연결되는 제1리드선;
    상기 케이스의 외부로부터 인입되며, 상기 온도보상커패시터의 타면 및 상기 케이스와 전기적으로 연결되는 제2리드선;
    을 포함하는 초음파 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 저면에 돌출형성되며, 상기 압전소자가 고정되는 안착부를 포함하는 초음파 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안착부는, 상면 측부에 상기 비전도성접착제를 수용하는 하나 이상의 보조홈이 형성된 초음파 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전소자의 상부에 위치하는 흡음재를 포함하는 초음파 센서.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이스의 내부에 채워지는 몰딩부를 포함하는 초음파 센서.
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