KR20130058956A - 초음파 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 초음파 센서는 압전 진동 소자; 및 상기 압전 진동 소자에 일체로 형성되는 커패시터;를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 초음파 센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도보상을 위한 커패시터가 일체화된 초음파 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
초음파 센서는 주변물체에 초음파를 송출하고 주변물체로부터 반사된 초음파를 통해 주변물체까지의 거리를 감지할 수 있다.
이러한 초음파 센서는 자동차 등의 장치에 장착되어, 장치와 주변 사물이 충돌하는 것을 감지하거나 또는 주변 사물과의 충돌이 발생하지 않도록 미연에 방지해 주는 수단으로써 사용되고 있다.
일반적으로 초음파 센서는 초음파를 발생하는 수단으로써 압전 소자를 구비하고 있다. 그런데 이러한 압전 소자는 온도에 따른 정전 용량의 변화가 매우 크므로, 온도에 따른 감지 편차가 크다.
이러한 이유로 초음파 센서는 압전 소자의 온도 편차를 보상해 주기 위한 온도 보상 소자를 구비하고 있다.
그러나 초음파 센서에 온도 보상 소자를 장착하기 위해서는 별도의 회로기판과 연결 부재가 더 필요로 하므로, 초음파 센서의 제조단가가 상승하고 제작공정이 증가되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 온도에 따른 초음파 센서의 성능 편차를 감소시키면서 간단하게 제작할 수 있는 초음파 센서 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서는 압전 진동 소자; 및 상기 압전 진동 소자에 일체로 형성되는 커패시터;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서에서 상기 압전 진동 소자는 분극된 세라믹 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서에서 상기 커패시터는 미 분극된 세라믹 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서는 상기 압전 진동 소자 및 상기 커패시터를 연결하는 전극 패턴을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서는 상기 압전 진동 소자와 상기 커패시터는 세라믹 적층 구조물로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서에서 상기 세라믹 적층 구조물은, 제1면에 제1전극 패턴이 형성되고, 상기 압전 진동 소자를 구성하는 제1세라믹 부재; 및 상기 제1세라믹 부재 상에 형성되고, 제2전극 패턴을 가지며, 상기 커패시터를 구성하는 제2세라믹 부재;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서는 상기 제1세라믹 부재의 제1측면과 상기 제2세라믹 부재의 제1측면에 형성되고, 상기 제1전극 패턴과 연결되는 제3전극 패턴; 및 상기 제1세라믹 부재의 제2측면과 상기 제2세라믹 부재의 제2측면에 형성되고, 상기 제2전극 패턴과 연결되는 제4전극 패턴;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서는 전도성 재질의 케이스를 더 포함하고, 상기 케이스는 상기 제4전극 패턴과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서는 상기 제3전극 패턴과 전기적으로 연결되는 제1연결 단자; 및 상기 케이스와 전기적으로 연결되는 제2연결 단자;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서는 상기 제1세라믹 부재의 제1측면과 상기 제2세라믹 부재의 제1측면에 형성되고, 상기 제1전극 패턴과 연결되는 제3전극 패턴; 및 상기 제1세라믹 부재의 제2측면과 제2면 및 상기 제2세라믹 부재의 제2측면에 형성되고, 상기 제2전극 패턴과 연결되는 제4전극 패턴;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서는 상기 제3전극 패턴과 전기적으로 연결되는 제1연결 단자; 및 상기 제4전극 패턴과 전기적으로 연결되는 제2연결 단자;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서에서 상기 세라믹 적층 구조물은, 제1면에 제1측면으로 연장되는 제1-1전극 패턴이 형성된 2개 이상의 제1-1세라믹 부재; 제1면에 제2측면으로 연장되는 제1-2전극 패턴이 형성되고, 상기 제1-1세라믹 부재의 사이에 배치되는 제1-2세라믹 부재; 및 상기 제1-1세라믹 부재의 제1면에 형성되고, 제1면에 제2전극 패턴이 형성되는 제2세라믹 부재;를 포함하고, 상기 제1-1 및 제1-2세라믹 부재는 상기 압전 진동 소자를 구성하고, 상기 제2세라믹 부재는 상기 커패시터를 구성할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서의 제조방법은 분극된 제1세라믹 부재를 준비하는 제1단계; 상기 제1세라믹 부재의 제1면에 미 분극된 제2세라믹 부재를 형성하는 제2단계; 및 상기 제1세라믹 부재와 상기 제2세라믹 부재를 압착 및 소결하는 제3단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서의 제조방법은 상기 제1세라믹 부재와 상기 제2세라믹 부재에 전극 패턴을 형성하는 제4단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서에서 상기 제1단계는, 상기 제1세라믹 부재에 고전압을 가하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초음파 센서의 제조방법은 제1면 및 제2면에 전극 패턴이 형성된 제1세라믹 부재를 준비하는 단계; 제1면에 전극 패턴이 형성된 제2세라믹 부재를 준비하는 단계; 상기 제1세라믹 부재와 상기 제2세라믹 부재를 적층하고, 적층된 상기 제1세라믹 부재와 상기 제2세라믹 부재를 압착 및 소결하는 단계; 및 상기 제1세라믹 부재의 전극 패턴에 고전압을 가하여 상기 제1세라믹 부재에 분극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 센서의 제조방법은 상기 제1세라믹 부재의 전극 패턴과 상기 제2세라믹 부재의 전극 패턴을 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 초음파를 발생하는 압전 소자와 온도 보상 소자가 일체로 형성되므로, 초음파 센서를 소형화시킬 수 있을 뿐만 아니라 초음파 센서의 제조공정을 단순화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 초음파 센서의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 초음파 센서의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 제3실시 예에 따른 초음파 센서의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 제4실시 예에 따른 초음파 센서의 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제1실시 예에 따른 초음파 센서의 제조방법을 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 초음파 센서의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 초음파 센서의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 제3실시 예에 따른 초음파 센서의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 제4실시 예에 따른 초음파 센서의 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제1실시 예에 따른 초음파 센서의 제조방법을 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 초음파 센서의 제조방법을 나타낸 도면이다.
일반적으로 초음파 센서는 주변온도에 대한 측정편차를 최소화하기 위해 초음파 발진용 압전 진동 소자와 함께 온도 보상 소자(예를 들어, 온도 보상용 커패시터)를 더 구비할 수 있다.
그러나 종래 초음파 센서는 압전 진동 소자와 온도 보상 소자가 각각 분리된 구조이므로, 초음파 센서의 구조가 복잡하고 그 제조방법이 어렵다.
예를 들어, 종래 초음파 센서는 온도 보상 소자를 위해 별도의 회로기판을 추가로 구비해야 하는 불편함, 온도 보상 소자와 회로기판 그리고 회로기판과 압전 진동 소자를 개별적으로 연결해야 하는 불편함이 있었다.
본 발명은 이 같은 점을 개선하기 위한 것으로서, 세라믹 부재의 특성을 이용하여 압전 진동 소자와 온도 보상 소자를 일체로 형성된 초음파 센서를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 압전 진동 소자와 온도 보상 소자가 하나의 부품형태로 일체화되어 있으므로, 이들 소자의 전기적 연결이 용이할 뿐만 아니라 이들 소자의 소형화가 가능하다.
따라서, 본 발명에 따르면 초음파 센서의 소형화 및 초음파 센서 제조공정의 단순화를 도모할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 초음파 센서의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 초음파 센서의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 제3실시 예에 따른 초음파 센서의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제4실시 예에 따른 초음파 센서의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 제1실시 예에 따른 초음파 센서의 제조방법을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 초음파 센서의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하여 본 발명의 제1실시 예에 따른 초음파 센서를 설명한다.
본 발명의 제1실시 예에 따른 초음파 센서(10)는 케이스(20), 압전 진동 소자(30), 온도 보상용 커패시터(40, 이하 간단히 커패시터라고 함)를 포함할 수 있으며, 연결 단자(70, 72)와 밀봉 부재(80)를 부가적으로 더 포함할 수 있다.
케이스(20)는 내부에 수용 공간을 갖는 형상(예를 들어, 원 기둥)으로 형성될 수 있으며 금속 재질로 제작될 수 있다. 그러나 케이스(20)는 다각 형상의 단면(예를 들어, 사각형)을 갖는 각 기둥 형상일 수 있으며, 금속 재질 외에 성형이 용이한 다른 재질로 제작될 수 있다. 아울러, 케이스(20)는 초음파 센서(10)가 자동차 부품(예를 들어, 후미등, 범퍼 등)에 일체로 형성되는 경우 생략도 가능할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서 케이스(20)는 제1연결 단자(70)와 압전 진동 소자(30)의 전기적 연결이 용이하도록, 전도성을 갖는 금속재질로 제작되거나 내면에 금속 패턴을 구비할 수 있다. 후자의 경우, 금속 패턴은 케이스(20)에 후공정을 통해 형성되거나(예를 들어 접착공정) 또는 케이스(20)의 성형공정에서 일체로 형성될 수 있다(예를 들어 인서트 사출).
압전 진동 소자(30)는 케이스(20)에 형성될 수 있다. 부연 설명하면, 압전 진동 소자(30)는 케이스(20)에서 외부로 초음파를 용이하게 전달할 수 있는 부분(본 실시 예에서는 케이스(20)의 바닥)에 형성될 수 있다.
압전 진동 소자(30)는 내부의 전기신호에 따라 초음파를 외부로 송출할 수 있다. 예를 들어, 압전 진동 소자(30)는 40㎑ 이상의 주파수를 송출할 수 있다. 이와 함께, 압전 진동 소자(30)는 인접한 물체와 충돌하여 반사된 초음파를 수신하고, 이를 전기적 신호로 변환하여 내부 회로로 송출할 수 있다. 참고로, 압전 진동 소자(30)는 제1연결 단자(70)와 제2연결 단자(72)를 매개로 내부 회로와 연결될 수 있다.
커패시터(40)는 압전 진동 소자(30)에 형성될 수 있다. 부연 설명하면, 커패시터(40)는 압전 진동 소자(30)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이 같이 형성된 커패시터(40)는 외부의 온도에 따른 정전 용량의 변화를 보상할 수 있다. 여기서, 커패시터(40)는 온도에 따른 정전 용량의 변화를 충분히 보상할 수 있도록 1500㎊ 이상의 정전용량을 구비할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서, 압전 진동 소자(30)와 커패시터(40)는 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 압전 진동 소자(30)와 커패시터(40)는 세라믹 부재(310, 410)의 적층 구조로 형성될 수 있다.
즉, 압전 진동 소자(30)는 제1세라믹 부재(310)에 의해 형성될 수 있고, 커패시터(40)는 제1세라믹 부재(310)에 형성된 제2세라믹 부재(410)에 의해 형성될 수 있다.
제1세라믹 부재(310)는 압전 진동 소자의 특성을 구비하기 위해 분극이 형성된 세라믹일 수 있다. 예를 들어, 제1세라믹 부재(310)는 고전압에 의한 분극 공정을 거친 세라믹일 수 있다. 이와 달리 제2세라믹 부재(410)는 커패시터의 특성을 구비하기 위해 분극이 형성되지 않은 세라믹일 수 있다.
여기서, 제1세라믹 부재(310)의 높이(h1)는 제2세라믹 부재(410)의 높이(h2)보다 클 수 있다. 부연 설명하면, 제1세라믹 부재(310)는 전기신호에 따른 압전효율을 높일 수 있도록 상대적으로 큰 높이를 가질 수 있고, 제2세라믹 부재(410)는 커패시터(40)의 정전용량을 증대시킬 수 있도록 상대적으로 낮은 높이를 가질 수 있다.
제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)는 압착 및 소결 공정을 통해 일체화될 수 있다. 즉, 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)는 적층 시 미 소결 상태일 수 있으며, 적층된 이후 압착 및 소결 공정을 통해 일체화될 수 있다. 여기서, 압착 및 소결 공정은 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)의 사이에 내부 전극(도면부호 50의 전극 패턴)이 형성된 이후에 이루어질 수 있다.
전극 패턴(50, 52, 54, 56)은 세라믹 부재(310, 410)에 형성될 수 있다. 다수의 전극 패턴들 중 도면부호 50과 52의 전극 패턴은 세라믹 부재(310, 410)에 제1극성과 제2극성의 전극을 형성할 수 있다.
예를 들어, 제1전극 패턴(50)은 제1세라믹 부재(310)의 제1면(312)과 제2세라믹 부재(410)의 제2면(414)에 형성되어, 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)에 제1극성을 제공할 수 있다. 부연 설명하면, 제1전극 패턴(50)은 제1세라믹 부재(310)의 제1면(312)에서 제1측면(316)까지 길게 연장되어 제3전극 패턴(54)과 연결될 수 있으나, 제2측면(318)의 제4전극 패턴(56)과는 연결되지 않을 수 있다.
제2전극 패턴(52)은 제2세라믹 부재(410)의 제1면(412)에 형성되어, 제2세라믹 부재(410)에 제2극성을 제공할 수 있다. 여기서, 제2전극 패턴(52)은 제2세라믹 부재(410)의 제1면(412)에서 제2측면(418)까지 길게 연장되어 제4전극 패턴(56)과 연결될 수 있으나, 제1측면(416)의 제3전극 패턴(54)과는 연결되지 않을 수 있다.
제3전극 패턴(54)은 제1세라믹 부재(310)의 제1측면(316)과 제2세라믹 부재(410)의 제1측면(416)에 형성될 수 있으며, 제1전극 패턴(50)을 제2연결 단자(72)와 연결시키는 외부 전극으로 이용될 수 있다. 부연 설명하면, 제3전극 패턴(54)은 제2세라믹 부재(410)의 제1측면(416)의 상단으로부터 제1세라믹 부재(310)의 제1측면(316)으로 길게 연장될 수 있다. 다만, 본 실시 예에서 제3전극 패턴(54)은 케이스(10)와 접촉되지 않는 범위 내에서 제1세라믹 부재(310)의 제1측면(316)에 형성될 수 있다.
제4전극 패턴(56)은 제1세라믹 부재(310)의 제2측면(318)과 제2세라믹 부재(410)의 제2측면(418)에 형성될 수 있으며, 도전성 부재(60, 예를 들어 도전성 접착제)를 매개로 제2전극 패턴(52)과 연결될 수 있다. 부연 설명하면, 제4전극 패턴(56)은 제2세라믹 부재(410)의 제2측면(418)의 상단으로부터 제1세라믹 부재(310)의 제2측면(318)의 하단까지 길게 연장되어 케이스(20)와 연결될 수 있다.
위와 같은 구성에서, 세라믹 부재(310, 410)의 내부에 형성되는 제1전극 패턴(50)은 Ni을 포함하는 도전성 페이스트로 이루어질 수 있고, 세라믹 부재(310, 410)의 외부에 형성되는 나머지 전극 패턴들(52, 54, 56)은 Cu 또는 Ag을 포함하는 도전성 페이스트로 이루어질 수 있다.
그러나 전극 패턴(50, 52, 54, 56)의 성분이 전술된 성분으로 한정되는 것은 아니며, Ag 또는 Pt의 귀금속 재료 또는 Ni 및 Cu 중 하나의 물질로 형성되거나 적어도 2개의 물질을 포함한 혼합물질로 형성될 수 있다.
이 같이 구성된 세라믹 부재(310, 410)의 적층 구조물에서, 제1세라믹 부재(310)와 제1전극 패턴(50)은 압전 진동 소자(30)를 형성할 수 있고, 제2세라믹 부재(410)와 제1전극 패턴(50)과 제2전극 패턴(52)은 커패시터(40)를 형성할 수 있다.
부연 설명하면, 제1전극 패턴(50)과 케이스(20)는 제1세라믹 부재(310)의 전극으로 이용되고, 제1전극 패턴(50)과 제2전극 패턴(52)은 제2세라믹 부재(410)의 전극으로 이용될 수 있다.
연결 단자(70, 72)는 내부 회로와 연결될 수 있다. 아울러, 연결 단자(70, 72)는 전극 패턴(50, 52, 54, 56)과 전기적으로 연결됨과 동시에 세라믹 부재(310, 410)에 극성을 부여할 수 있다.
예를 들어, 제1연결 단자(70)는 케이스(20)를 통해 제1세라믹 부재(310)의 제2면(314)에 제2극성을 부여하고, 제2전극 패턴(52)을 통해 제2세라믹 부재(410)의 제1면(412)에 제2극성을 부여할 수 있다. 여기서, 제2전극 패턴(52)은 제4전극 패턴(56)과 케이스(20)를 매개로 제1연결 단자(70)와 연결될 수 있다.
아울러, 제2연결 단자(72)는 제1전극 패턴(50)을 통해 제1세라믹 부재(310)의 제1면(312)과 제2세라믹 부재(410)의 제2면(414)에 각각 제1극성을 부여할 수 있다. 여기서, 제1전극 패턴(50)은 제3전극 패턴(54)을 매개로 제2연결 단자(72)와 연결될 수 있다.
밀봉 부재(80)는 케이스(20)에 채워질 수 있다. 밀봉 부재(80)는 수지를 절연성 재질로 이루어질 수 있으며, 케이스(20)의 내부로 수분 또는 기타 이물질이 침투하는 것을 차단할 수 있다.
이 같이 구성된 초음파 센서(10)는 전술한 바와 같이 압전 진동 소자(30)와 커패시터(40)가 세라믹 부재(310, 410)의 적층 구조물에 의해 일체로 형성되므로, 초음파 센서(10)의 제조가 용이할 뿐만 아니라 압전 진동 소자(30)와 커패시터(40)의 전기접속 구조가 간편해질 수 있다.
다음에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시 예를 설명한다.
제2실시 예에 따른 초음파 센서(10)는 제4전극 패턴(56)이 제1세라믹 부재(310)의 제2측면(318)에서 제2면(314)까지 연장 형성된다는 점에서 제1실시 예와 구별될 수 있다.
즉, 본 실시 예에서는 제4전극 패턴(56)이 제1세라믹 부재(310)의 제2면(314)에 형성되어, 제1세라믹 부재(310)에 제2극성을 부여할 수 있다. 여기서, 제4전극 패턴(56)은 제2세라믹 부재(410)의 제2측면(418)의 상단으로부터 제1세라믹 부재(310)의 제2측면(318)의 하단까지 형성됨과 아울러, 제1세라믹 부재(310)의 제2측면(318)으로부터 제1측면(316)까지 길게 연장될 수 있다. 다만, 제4전극 패턴(56)은 제3전극 패턴(54)과 연결되지 않도록 +X축 방향으로의 연장길이가 제한될 수 있다.
이 같이 구성된 본 실시 예는 제1전극 패턴(50)과 제4전극 패턴(56)이 제1세라믹 부재(310)에 극성을 부여하므로, 케이스(10)를 도전성 재질로 제작할 필요가 없다. 따라서, 본 실시 예에 따른 초음파 센서(10)는 케이스(20)를 상대적으로 가벼운 플라스틱 재질로 제작할 수 있다.
제3실시 예에 따른 초음파 센서(10)는 케이스(10)의 일 부분이 도전성 재질로 형성된 점에서 전술된 실시 예들과 구별될 수 있다. 즉, 제3실시 예는 케이스(20)의 바닥 부재(22)가 도전성 재질로 제작될 수 있다.
아울러, 제3실시 예에 따른 초음파 센서(10)는 압전 진동 소자(30)를 구성하는 제1세라믹 부재(320, 330)가 2개의 층으로 이루어진 점에서 전술된 실시 예들과 구별될 수 있다.
즉, 제1세라믹 부재는 제1-1세라믹 부재(320)와 제1-2세라믹 부재(330)의 적층 구조물로 이루어질 수 있다. 여기서, 제1-1세라믹 부재(320)의 높이(h11)와 제1-2세라믹 부재(330)의 높이(h12)는 제2세라믹 부재(410)의 높이(h2)와 같거나 또는 더 클 수 있다. 전자의 경우, 동일한 크기의 세라믹 부재(320, 330, 410)를 사용할 수 있으므로, 압전 진동 소자(30)와 커패시터(40)의 동시 제작이 용이할 수 있다.
이와 같이 구성된 초음파 센서(10)는 압전 진동 소자(30)가 2장의 세라믹 부재(320, 330)로 이루어지므로, 초음파의 송출과 초음파의 수신 감도를 향상시킬 수 있다.
아울러, 앞서 언급한 바와 같이 압전 진동 소자(30)와 커패시터(40)를 동일한 크기의 세라믹 부재(320, 330, 410)로 형성할 수 있으므로, 초음파 센서(10)의 제작이 용이할 수 있다.
제4실시 예에 따른 초음파 센서(10)는 압전 진동 소자(30)가 3장의 세라믹 부재(320, 330, 320)로 이루어지고, 흡음재(90)를 더 포함한 점에서 전술된 실시 예들과 구별될 수 있다.
부연 설명하면, 제4실시 예에서 압전 진동 소자(30)는 제1-1세라믹 부재(320)와 제1-2세라믹 부재(330)의 적층 구조물로 이루어질 수 있다. 여기서, 제1-1세라믹 부재(320)는 동일한 전극 패턴을 가질 수 있으며, 적층 구조물에서 홀수 번째 층에 위치될 수 있다. 이와 달리 제1-2세라믹 부재(330)는 제1-1세라믹 부재(320)와 다른 전극 패턴을 가질 수 있으며, 적층 구조물에서 짝수 번째 층에 위치될 수 있다.
이 같이 구성된 압전 진동 소자(30)는 다수의 압전체(즉, 세라믹 부재)로 이루어지므로, 초음파의 송출 및 수신 감도를 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 실시 예에 따른 초음파 센서는 물체의 정밀한 감지가 필요한 장치에 장착될 수 있다.
참고로, 제1-1 및 제1-2세라믹 부재(320, 330)의 높이(h11, h12)는 제2세라믹 부재(410)의 높이(h2)와 동일하거나 상이할 수 있다.
한편, 제4실시 예는 흡음재(90)를 더 포함할 수 있다. 흡음재(90)는 세라믹 부재(320, 330, 410)가 배치된 부분에 형성될 수 있으며, 세라믹 부재(320, 330, 410)에서 발생하는 잡음을 제거할 수 있다.
다음에서는 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 초음파 센서의 제조방법을 설명한다.
본 발명에 따른 초음파 센서, 특히, 압전 진동 소자(30)와 커패시터(40)는 2가지 방법으로 제조될 수 있다.
하나는 분극 형성 여부가 이미 결정된 세라믹 부재를 적층하여 압전 진동 소자(30)와 커패시터(40)를 형성하는 적층 구조물을 제작하는 방법이고(도 5 참조), 다른 하나는 세라믹 부재를 적층한 후 필요한 세라믹 부재에 분극을 형성하는 방법이다(도 6 참조).
도 5를 참조하여 제1실시 예에 따른 초음파 센서의 제조 방법을 설명한다.
본 실시 예에 따른 초음파 센서의 제조 방법은 제1세라믹 부재의 분극 단계, 제2세라믹 부재의 형성 단계, 외부 전극 패턴의 형성 단계, 조립 단계를 포함할 수 있다.
(제1세라믹 부재의 분극 단계)
본 단계는 제1세라믹 부재(310)에 분극을 형성하는 단계일 수 있다.
먼저, 제1세라믹 부재(310)를 준비한다. 여기서, 제1세라믹 부재(310)는 압전 진동 소자(30)를 구성할 부재이므로, 소정의 두께를 가질 수 있다.
다음으로, 제1세라믹 부재(310)의 제1면(312)과 제2면(314)에 전극 패턴(50, 51)을 형성할 수 있다. 여기서, 전극 패턴(50, 51)의 형성은 도전성 페이스트를 스크린 인쇄하여 이루어질 수 있다. 도전성 페이스트로는 Ni 을 포함한 혼합물질일 수 있으나, Cu 또는 Ag을 포함하는 혼합물질로 대체될 수 있다.
이후, 전극 패턴(50, 51)을 매개로 고전압의 전류를 제1세라믹 부재(310)에 가할 수 있다. 그러면 제1세라믹 부재(310)에 전극 패턴(50, 51)의 극성에 따라 분극이 형성될 수 있으며, 이에 따라 제1세라믹 부재(310)는 압전체의 특성을 구비할 수 있다.
(제2세라믹 부재의 형성 단계)
본 단계는 제1세라믹 부재(310)에 미 분극된 제2세라믹 부재(410)를 형성하는 단계일 수 있다.
제1세라믹 부재(310)의 분극 형성이 완료되면, 제2세라믹 부재(410)를 제1세라믹 부재(310)의 제1면(312)에 형성할 수 있다. 여기서, 제2세라믹 부재(410)는 분극이 형성되지 않은 세라믹 혼합물일 수 있다.
다음으로, 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)를 압착하고 소결할 수 있다. 그러면 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)가 일체로 형성될 수 있다.
(외부 전극 패턴의 형성 단계)
소결 공정을 통해 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)가 일체로 형성되면, 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)로 이루어진 적층 구조물에 전극 패턴(52, 54, 56)을 추가로 형성할 수 있다.
여기서, 전극 패턴(54)은 도면부호 50의 전극 패턴과 연결될 수 있고, 전극 패턴(56)은 도면부호 51 및 52와 연결될 수 있다.
이와 같이 형성된 전극 패턴들(50, 51, 52, 54, 56)은 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)에 극성을 부여할 수 있다. 예를 들어, 도면부호 50 및 51의 전극 패턴은 제1세라믹 부재(310)에 제1극성과 제2극성을 부여할 수 있고, 도면부호 50과 52의 전극 패턴은 제2세라믹 부재(410)에 제1극성과 제2극성을 부여할 수 있다.
다만, 제1세라믹 부재(310)는 분극이 형성되어 있으므로, 내부 회로와 연결되어 압전 진동 소자(30)로서 기능할 수 있다. 이와 달리, 제2세라믹 부재(410)는분극이 형성되어 있지 않으므로, 내부 회로와 연결되어 커패시터(40)로서 기능할 수 있다.
(조립 단계)
위와 같은 단계를 거쳐 완성된 압전 진동 소자(30)와 커패시터(40)는 케이스(20)에 일체로 장착될 수 있으며, 연결 단자(70, 72)와 연결되어 초음판 센서(10)를 완성할 수 있다.
여기서, 압전 진동 소자(30)와 커패시터(40)는 전극 패턴들(50, 51, 52, 54, 56)에 의해 연결 단자(70, 72)와 공통으로 연결되므로, 전기적 연결이 매우 용이할 수 있다.
다음에서는 도 6을 참조하여 제2실시 예에 따른 초음파 센서의 제조 방법을 설명한다.
본 실시 예에 따른 초음파 센서의 제조 방법은 제1세라믹 부재(310)의 분극이 전극 패턴(50, 52, 54, 56)의 형성 이후에 이루어진다는 점에서 전술된 실시 예와 구별될 수 있다.
본 실시 예에 따른 초음파 센서의 제조 방법은 세라믹 부재의 적층 단계, 전극 패턴의 형성 단계, 분극 단계, 전극 패턴의 연결 단계, 조립 단계를 포함할 수 있다. 참고로, 조립 단계는 제1실시 예에 따른 제조방법과 동일 또는 유사하므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
(세라믹 부재의 적층 단계)
본 단계는 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)를 적층하는 단계일 수 있다. 보충하면, 본 단계는 압전 진동 소자(30)를 구성하는 1장 이상의 제1세라믹 부재(310)와 커패시터(40)를 구성하는 제2세라믹 부재(410)를 상하방향(도 6 기준 방향임)으로 적층하는 단계일 수 있다.
여기서, 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)는 적어도 일면에 전극 패턴(50)을 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 6에는 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)의 사이에만 전극 패턴(50)이 형성된 것으로 도시되어 있으나, 제2세라믹 부재(410)의 제1면에 도면부호 52의 전극 패턴이 본 단계에서 함께 형성될 수 있다.
한편, 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)의 적층이 완료된 이후에는, 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)를 일체화시키는 압착 및 소결 공정이 추가로 수행될 수 있다.
(전극 패턴의 형성 단계)
본 단계는 세라믹 부재(310, 410)에 전극 패턴(52, 54, 56)을 형성하는 단계일 수 있다. 보충하면, 본 단계에서는 세라믹 부재(310, 410)의 외부에 전극 패턴(52, 54, 56)을 추가로 형성하는 단계일 수 있다.
예를 들어, 도면부호 52의 전극 패턴은 제2세라믹 부재(410)의 제1면에 형성되고, 도면부호 54의 전극 패턴은 제1세라믹 부재(310)와 제2세라믹 부재(410)의 제1측면에 형성되고, 도면부호 56의 전극 패턴은 제1세라믹 부재(310)의 제2세라믹 부재(410)의 제2측면 및 제1세라믹 부재(310)의 제2면에 형성될 수 있다.
여기서, 전극 패턴(54)은 도면부호 50의 전극 패턴과 연결됨과 제1극성을 갖는 외부 전극으로 이용될 수 있고, 전극 패턴(56)은 제2극성을 갖는 외부 전극으로 이용될 수 있다.
따라서, 제1세라믹 부재(310)의 제1면과 제2면은 전극 패턴(50, 54, 56)에 의해 서로 다른 극성을 가질 수 있다.
다만, 도면부호 52와 56의 전극 패턴은 분리된 상태이므로, 제2세라믹 부재(410)의 제1면과 제2면은 서로 다른 극성을 가질 수 없다.
(분극 단계)
본 단계는 제1세라믹 부재(310)에 분극을 형성하는 단계일 수 있다.
제1세라믹 부재(310)의 제1면과 제2면은 전술한 바와 같이 전극 패턴(50)과 전극 패턴(56)에 의해 서로 다른 극성을 가질 수 있다. 따라서, 전극 패턴(54, 56)에 소정크기의 고전압이 발생하면, 제1세라믹 부재(310)의 내부에서 분극이 형성될 수 있다.
이와 달리 제2세라믹 부재(410)는 전극 패턴(54, 56)에 소정크기의 고전압이 발생하여도 제1면과 제2면에 서로 다른 극성이 형성되지 않으므로, 내부에 분극이 형성되지 않을 수 있다.
따라서, 본 단계가 완료되면, 제1세라믹 부재(310)는 압전 진동 소자의 특성을 가질 수 있고, 제2세라믹 부재(410)는 커패시터의 특성을 유지할 수 있다.
(전극 패턴의 연결 단계)
본 단계는 전극 패턴(52, 56)을 연결하는 단계일 수 있다.
제2세라믹 부재(410)가 커패시터(40)로서 이용되기 위해서는, 전극 패턴(52)과 도면부호 56의 전극 패턴이 연결될 필요성이 있다.
따라서, 본 단계에서는 전극 패턴(52)과 전극 패턴(56)을 도전성 물질로 연결할 수 있다. 참고로, 도전성 물질은 금속 분말을 포함하는 도전성 접착제일 수 있다.
한편, 본 단계는 아래의 조립 단계 이후에 수행될 수 있다.
즉, 전극 패턴(54, 56)에 연결 단자를 연결한 상태로 세라믹 부재(310, 410)를 초음파 센서(10)의 케이스(20)에 장착한 후, 전극 패턴(52, 56)을 연결하는 단계를 수행할 수 있다.
이와 같이 이루어진 본 실시 예에 따른 초음파 센서의 제조방법은 세라믹 부재(310, 410)를 적층한 후 일부 세라믹 부재를 분극하는 방식이므로, 압전 진동 소자(30)를 위한 세라믹 부재(310)와 커패시터(40)를 위한 세라믹 부재(410)를 분리하여 준비할 필요가 없다. 따라서, 본 실시 예는 초음파 센서의 대량 생산에 유리할 수 있다.
한편, 첨부된 명세서 및 도면에서는 세라믹 부재(310, 410)가 한 쌍의 압전 진동 소자(30)와 커패시터(40)를 구성하는 것으로 설명되어 있으나, 세라믹 부재(310, 410)를 일정한 크기로 절단하여 여러 쌍의 압전 진동 소자(30)와 커패시터(40)를 동시에 제조할 수도 있다.
본 발명은 이상에서 설명되는 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.
10 초음파 센서
20 케이스 22 바닥 부재
30 압전 진동 소자 310 제1세라믹 부재
312 (제1세라믹 부재의) 제1면 314 (제1세라믹 부재의) 제2면
316 (제1세라믹 부재의) 제1측면 318 (제1세라믹 부재의) 제2측면
320 제1-1세라믹 부재 330 제1-2세라믹 부재
40 커패시터 410 제2세라믹 부재
412 (제2세라믹 부재의) 제1면 414 (제2세라믹 부재의) 제2면
416 (제2세라믹 부재의) 제1측면 418 (제2세라믹 부재의) 제2측면
50 제1전극 패턴 52 제2전극 패턴
54 제3전극 패턴 56 제4전극 패턴
60 전도성 부재
70 제1연결 단자 72 제2연결 단자
80 밀봉 부재 90 흡음재
20 케이스 22 바닥 부재
30 압전 진동 소자 310 제1세라믹 부재
312 (제1세라믹 부재의) 제1면 314 (제1세라믹 부재의) 제2면
316 (제1세라믹 부재의) 제1측면 318 (제1세라믹 부재의) 제2측면
320 제1-1세라믹 부재 330 제1-2세라믹 부재
40 커패시터 410 제2세라믹 부재
412 (제2세라믹 부재의) 제1면 414 (제2세라믹 부재의) 제2면
416 (제2세라믹 부재의) 제1측면 418 (제2세라믹 부재의) 제2측면
50 제1전극 패턴 52 제2전극 패턴
54 제3전극 패턴 56 제4전극 패턴
60 전도성 부재
70 제1연결 단자 72 제2연결 단자
80 밀봉 부재 90 흡음재
Claims (17)
- 압전 진동 소자; 및
상기 압전 진동 소자에 일체로 형성되는 커패시터;
를 포함하는 초음파 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 압전 진동 소자는 분극된 세라믹 부재를 포함하는 초음파 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 커패시터는 미 분극된 세라믹 부재를 포함하는 초음파 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 압전 진동 소자 및 상기 커패시터를 연결하는 전극 패턴을 더 포함하는 초음파 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 압전 진동 소자와 상기 커패시터는 세라믹 적층 구조물로 형성되는 초음파 센서.
- 제5항에 있어서,
상기 세라믹 적층 구조물은,
제1면에 제1전극 패턴이 형성되고, 상기 압전 진동 소자를 구성하는 제1세라믹 부재; 및
상기 제1세라믹 부재 상에 형성되고, 제2전극 패턴을 가지며 상기 커패시터를 구성하는 제2세라믹 부재;
를 포함하는 초음파 센서.
- 제6항에 있어서,
상기 제1세라믹 부재의 제1측면과 상기 제2세라믹 부재의 제1측면에 형성되고, 상기 제1전극 패턴과 연결되는 제3전극 패턴; 및
상기 제1세라믹 부재의 제2측면과 상기 제2세라믹 부재의 제2측면에 형성되고, 상기 제2전극 패턴과 연결되는 제4전극 패턴;
을 더 포함하는 초음파 센서.
- 제7항에 있어서,
전도성 재질의 케이스를 더 포함하고,
상기 케이스는 상기 제4전극 패턴과 전기적으로 연결되는 초음파 센서.
- 제8항에 있어서,
상기 제3전극 패턴과 전기적으로 연결되는 제1연결 단자; 및
상기 케이스와 전기적으로 연결되는 제2연결 단자;
를 더 포함하는 초음파 센서.
- 제6항에 있어서,
상기 제1세라믹 부재의 제1측면과 상기 제2세라믹 부재의 제1측면에 형성되고, 상기 제1전극 패턴과 연결되는 제3전극 패턴; 및
상기 제1세라믹 부재의 제2측면과 제2면 및 상기 제2세라믹 부재의 제2측면에 형성되고, 상기 제2전극 패턴과 연결되는 제4전극 패턴;
을 더 포함하는 초음파 센서.
- 제10항에 있어서,
상기 제3전극 패턴과 전기적으로 연결되는 제1연결 단자; 및
상기 제4전극 패턴과 전기적으로 연결되는 제2연결 단자;
를 더 포함하는 초음파 센서.
- 제5항에 있어서,
상기 세라믹 적층 구조물은,
제1면에 제1측면으로 연장되는 제1-1전극 패턴이 형성된 2개 이상의 제1-1세라믹 부재;
제1면에 제2측면으로 연장되는 제1-2전극 패턴이 형성되고, 상기 제1-1세라믹 부재의 사이에 배치되는 제1-2세라믹 부재; 및
상기 제1-1세라믹 부재의 제1면에 형성되고, 제1면에 제2전극 패턴이 형성되는 제2세라믹 부재;
를 포함하고,
상기 제1-1 및 제1-2세라믹 부재는 상기 압전 진동 소자를 구성하고,
상기 제2세라믹 부재는 상기 커패시터를 구성하는 초음파 센서.
- 분극된 제1세라믹 부재를 준비하는 제1단계;
상기 제1세라믹 부재의 제1면에 미 분극된 제2세라믹 부재를 형성하는 제2단계; 및
상기 제1세라믹 부재와 상기 제2세라믹 부재를 압착 및 소결하는 제3단계;
를 포함하는 초음파 센서의 제조방법.
- 제13항에 있어서,
상기 제1세라믹 부재와 상기 제2세라믹 부재에 전극 패턴을 형성하는 제4단계를 더 포함하는 초음파 센서의 제조방법.
- 제13항에 있어서,
상기 제1단계는,
상기 제1세라믹 부재에 고전압을 가하는 공정을 포함하는 초음파 센서의 제조방법.
- 제1면 및 제2면에 전극 패턴이 형성된 제1세라믹 부재를 준비하는 단계;
제1면에 전극 패턴이 형성된 제2세라믹 부재를 준비하는 단계;
상기 제1세라믹 부재와 상기 제2세라믹 부재를 적층하고, 적층된 상기 제1세라믹 부재와 상기 제2세라믹 부재를 압착 및 소결하는 단계; 및
상기 제1세라믹 부재의 전극 패턴에 고전압을 가하여 상기 제1세라믹 부재에 분극을 형성하는 단계;
를 포함하는 초음파 센서의 제조방법.
- 제16항에 있어서,
상기 제1세라믹 부재의 전극 패턴과 상기 제2세라믹 부재의 전극 패턴을 연결하는 단계를 더 포함하는 초음파 센서의 제조방법.
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