KR20160129046A

KR20160129046A - 초음파 센서

Info

Publication number: KR20160129046A
Application number: KR1020167027047A
Authority: KR
Inventors: 코스케 와타나베; 준 타보타; 켄지 마츠오
Original assignee: 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-11-08
Also published as: EP3128764B1; US20170008032A1; CN106134221A; EP3128764A1; JP6048616B2; KR101893055B1; CN106134221B; JPWO2015152036A1; US10272472B2; EP3128764A4; WO2015152036A1

Abstract

초음파 센서는, 바닥부(62)를 가지는 케이스(60)와, 바닥부의 내면(62S)에 접합되어 바닥부와 함께 벤딩 진동하는 압전 소자(50)를 포함한다. 압전 소자는, 송신용 영역(40N) 및 수신용 영역(40M)을 포함하는 압전체층(40)과, 전극(30)과, 송신용 영역을 사이에 끼워 전극(30)에 대향하는 송신용 전극(20)과, 수신용 영역을 사이에 끼워 전극(30)에 대향하는 수신용 전극(10)을 가진다. 송신용 영역(40N) 및 수신용 영역(40M)은, 서로 이웃하는 위치에 형성되어 있다.

Description

초음파 센서{ULTRASONIC SENSOR}

본 발명은 압전 소자를 포함한 초음파 센서에 관한 것이다.

일반적인 초음파 센서는 금속제 케이스의 바닥부의 내면에 압전 소자를 접합함으로써 유니몰프(unimorph) 구조체를 구성하고, 금속 케이스의 바닥부를 벤딩(bending) 진동시켜 초음파를 송수신한다. 일본 공개특허공보 2002-204497호(특허문헌 1)에는 적층형 압전 소자를 포함한 초음파 센서가 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 2002-204497호

일본 공개특허공보 2002-204497호(특허문헌 1)에 개시된 초음파 센서를 구동하는 경우, 초음파 센서에 포함되는 압전 소자의 적층 수가 많으면 많을수록, 송파(送波) 시의 음압이 올라가지만, 수파(受波) 시의 감도가 저하된다는 특성이 나타난다. 그 반대로, 동(同) 문헌에 개시된 초음파 센서에 압전 소자의 적층 수가 적은 것을 채용한 경우, 송파 시의 음압이 저하되지만, 수파 시의 감도가 올라간다는 특성이 나타난다.

즉, 초음파 센서에 이용되는 종래의 적층형 압전 소자에서는, 압전 소자의 송파에 제공되는 부분과 수파에 제공되는 부분이 동일 부위 내에 형성되어 있기 때문에, 압전 소자의 적층 수에 따라 음압과 감도가 대략 반비례의 관계로 증감한다는 특성이 나타난다. 종래의 적층형 압전 소자를 포함한 초음파 센서에서는, 송신 시의 음압 및 수신 시의 감도 쌍방을 각각 독립적으로 조정하는 것이 어렵다는 실정이 존재하고 있었다.

본 발명은, 송신 시의 음압 및 수신 시의 감도 쌍방을 각각 독립적으로 조정하는 것이 가능한 초음파 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 어느 국면에 기초하는 초음파 센서는, 바닥부를 가지는 케이스와, 상기 바닥부의 내면에 접합되어, 상기 바닥부와 함께 벤딩 진동하는 압전 소자를 포함하고, 상기 압전 소자는, 송신용 영역 및 수신용 영역을 포함하는 압전체층과, 특정 전극과, 상기 송신용 영역을 사이에 끼워 상기 특정 전극에 대향하는 송신용 전극과, 상기 수신용 영역을 사이에 끼워 상기 특정 전극에 대향하는 수신용 전극을 가지고, 상기 송신용 영역 및 상기 수신용 영역은, 서로 이웃하는 위치에 형성되어 있다.

바람직하게는, 상기 송신용 전극과 상기 특정 전극 사이의 임피던스는, 상기 수신용 전극과 상기 특정 전극 사이의 임피던스와는 다른 값이다.

바람직하게는, 상기 송신용 전극과 상기 특정 전극 사이의 임피던스는, 상기 수신용 전극과 상기 특정 전극 사이의 임피던스보다도 낮은 값이다.

바람직하게는, 상기 송신용 영역 및 상기 수신용 영역은, 상기 바닥부의 상기 내면에 수직인 방향에서 서로 이웃하는 위치에 형성되어 있다.

바람직하게는, 상기 송신용 영역 및 상기 수신용 영역은, 상기 바닥부의 상기 내면의 표면 방향에서 서로 이웃하는 위치에 형성되어 있다.

바람직하게는, 상기 바닥부의 내면에 수직인 방향으로 상기 압전 소자를 봤을 때 상기 압전 소자의 중심부에 상기 수신용 영역이 마련되어 있고, 상기 수신용 영역을 둘러싸도록 상기 수신용 영역보다도 지름 방향의 외측인 주변부에 상기 송신용 영역이 마련되어 있다.

바람직하게는, 상기 특정 전극은, 상기 송신용 영역 및 상기 수신용 영역 쌍방에 이르러 확산되는 형상을 가지는 공통 전극이다.

바람직하게는, 상기 송신용 영역은, 하나의 제1 단위 압전체층, 또는 상기 바닥부로부터 멀어지는 방향으로 적층되면서 전기적으로 병렬 접속된 복수의 제1 단위 압전체층을 포함하고, 상기 수신용 영역은, 하나의 제2 단위 압전체층, 또는 상기 바닥부로부터 멀어지는 방향으로 적층되면서 전기적으로 병렬 접속된 복수의 제2 단위 압전체층을 포함한다.

바람직하게는, 상기 제1 단위 압전체층의 층수는, 상기 제2 단위 압전체층의 층수 이상이다.

바람직하게는, 상기 송신용 영역은, 하나의 내부 전극, 또는 상기 바닥부로부터 멀어지는 방향으로 적층되면서 전기적으로 병렬 접속된 복수의 내부 전극을 포함하고, 상기 수신용 영역은, 하나의 내부 전극, 또는 상기 바닥부로부터 멀어지는 방향으로 적층되면서 전기적으로 병렬 접속된 복수의 내부 전극을 포함하며, 상기 송신용 영역 및/또는 상기 수신용 영역에 포함되는 상기 내부 전극의 형상은 환상(環狀)이다.

바람직하게는, 상기 송신용 영역 중 상기 바닥부의 상기 내면에 접합되는 측의 면의 표면적은, 상기 수신용 영역 중 상기 바닥부의 상기 내면에 접합되는 측의 면의 표면적 이상이다.

바람직하게는, 상기 바닥부에 대하여 직교하는 방향에서의 상기 송신용 영역의 두께는, 동 방향에서의 상기 수신용 영역의 두께 이하이다.

본 발명의 다른 국면에 기초하는 초음파 센서는, 바닥부를 가지는 케이스와, 상기 바닥부의 내면에 접합되어, 상기 바닥부와 함께 벤딩 진동하는 압전 소자를 포함하고, 상기 압전 소자는, 송신용 영역, 수신용 영역, 및 분리 영역을 포함하는 압전체층과, 특정 전극과, 상기 송신용 영역을 사이에 끼워 상기 특정 전극에 대향하는 송신용 전극과, 상기 수신용 영역을 사이에 끼워 상기 특정 전극에 대향하는 수신용 전극을 가지고, 상기 송신용 영역 및 상기 수신용 영역은, 상기 분리 영역을 통해 서로 이웃하는 위치에 형성되어 있다.

바람직하게는, 상기 특정 전극은, 상기 분리 영역 중에 이르도록 마련되어 있다.

바람직하게는, 상기 송신용 전극은, 상기 분리 영역 중에 이르도록 마련되어 있다.

바람직하게는, 상기 수신용 전극은, 상기 분리 영역 중에 이르도록 마련되어 있다.

상기의 구성에 의하면, 송신용 영역 및 수신용 영역이 각각 나누어 형성되어 있기 때문에, 송신 시의 음압 및 수신 시의 감도 쌍방을 각각 독립적으로 조정할 수 있다.

도 1은 실시형태 1에서의 초음파 센서를 포함한 센서 장치의 기능 블록을 나타내는 도면이다.
도 2는 실시형태 1에서의 초음파 센서를 나타내는 단면도이다.
도 3은 실시형태 1에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자 및 FPC를 나타내는 평면도이다.
도 4는 실시형태 1에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자(FPC를 떼어 낸 상태)를 나타내는 평면도이다.
도 5는 실시형태 1에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자를 나타내는 사시도이다.
도 6은 실시형태 1에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자 및 그 내부 구조를 나타내는 사시도이다.
도 7은 실시형태 1에서의 초음파 센서의 압전 소자에 포함되는 전극을 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 4 중의 VIII-VIII선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 9는 도 4 중의 IX-IX선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 10은 도 4 중의 X-X선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 11은 실시형태 2에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자를 나타내는 단면도이다.
도 12는 실시형태 3에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자를 나타내는 단면도이다.
도 13은 실시형태 4에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자가 분해된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 14는 도 13 중의 XIV-XIV선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도(조립도)이다.
도 15는 실시형태 5에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자가 분해된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 16은 도 15 중의 XVI-XVI선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도(조립도)이다.
도 17은 실시형태 6에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자를 나타내는 단면도이다.
도 18은 실시형태 7에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자를 나타내는 단면도이다.
도 19는 실시형태 8에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자를 나타내는 단면도이다.
도 20은 실시형태 9에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자를 나타내는 단면도이다.
도 21은 실시형태 10에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자를 나타내는 단면도이다.
도 22는 실시형태 11에서의 압전 소자에 포함되는 전극을 나타내는 사시도이다.
도 23은 실시형태 12에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자를 나타내는 단면도이다.
도 24는 실시형태 13에서의 초음파 센서를 포함한 센서 장치의 기능 블록을 나타내는 도면이다.
도 25는 실시형태 13에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자를 나타내는 사시도이다.
도 26은 도 25 중의 XXVI-XXVI선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도(조립도)이다.

본 발명에 기초한 실시형태에 대해, 이하, 도면을 참조하면서 설명한다. 개수 및 양 등에 언급하는 경우, 특별히 기재가 있는 경우를 제외하고, 본 발명의 범위는 반드시 그 개수 및 양 등에 한정되는 것은 아니다. 동일 부품 및 상당 부품에는 동일 참조 번호를 붙이고, 중복되는 설명은 반복하지 않는 경우가 있다.

[실시형태 1]

도 1~도 10을 참조하여 실시형태 1에서의 초음파 센서(100)에 대해 설명한다. 도 1은 초음파 센서(100)를 포함한 센서 장치(1)의 기능 블록을 나타내는 도면이다. 센서 장치(1)는, 초음파 센서(100)에 더하여, 마이크로 컴퓨터(101), 메모리(102), 검출 회로(103), 신호 생성 회로(104), 전원(105), 및 수신 앰프(106)를 포함한다. 상세하게는 후술되지만, 초음파 센서(100)는 압전 소자(50)를 포함하고 있고, 이 압전 소자(50)는 전극(10, 20, 30)으로 이루어지는 3단자 구조를 가지고 있다.

마이크로 컴퓨터(101)는, 메모리(102)에 저장되어 있는 데이터를 읽어 내고, 초음파 센서(100)의 구동에 적합한 제어 신호를 신호 생성 회로(104)에 출력한다. 전원(105)은, 예를 들면 12V의 직류 전압을 신호 생성 회로(104)에 출력한다. 신호 생성 회로(104)는, 마이크로 컴퓨터(101)로부터 출력된 제어 신호에 기초하여 직류 전압으로부터 교류 전압을 생성한다. 교류 전압은, 필요에 따라 증폭 회로(도시하지 않음)에 의해 승압된 상태로 초음파 센서(100)에 공급된다. 초음파 센서(100)가 구동되고, 초음파 센서(100)로부터 기(氣; air) 중 등을 향해 초음파가 송신(송파)된다.

초음파 센서(100)에는, 도시하지 않은 저항 및 콘덴서 등이 병렬 접속되어 있다. 초음파 센서(100)가 표적으로부터의 반사파를 수신했을 때, 초음파 센서(100)에서 발생한 수파 신호는 전압 값으로서 수신 앰프(106)에 보내져, 검출 회로(103)를 통해 마이크로 컴퓨터(101)에 입력된다. 마이크로 컴퓨터(101)에 의해, 표적의 유무나 이동에 관한 정보를 파악하는 것이 가능해진다. 초음파 센서(100)는, 예를 들면 차 등에 탑재되어, 이상과 같은 센서 장치(1)로서 기능을 발휘할 수 있다.

(초음파 센서(100))

도 2는 초음파 센서(100)를 나타내는 단면도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 초음파 센서(100)는, 압전 소자(50), 케이스(60), 흡음재(吸音材)(63), 접착제(64), 접합제(65), 실리콘(71, 72), 및 FPC(80)(Flexible Printed Circuits)를 포함한다. 케이스(60)는, 바닥이 있는 통상(筒狀)의 형상을 가진다. 케이스(60)는, 예를 들면 높은 탄성을 가지면서 경량인 알루미늄으로 이루어진다. 케이스(60)는, 이와 같은 알루미늄을 예로 들면 단조(鍛造) 또는 절삭 가공을 함으로써 제작된다.

케이스(60)는, 원반상의 바닥부(62)와, 바닥부(62)의 둘레 가장자리를 따라 마련된 원통상의 통상부(61)를 포함한다. 바닥부(62)는, 내면(62S) 및 외면(62T)을 가진다. 압전 소자(50)는, 예를 들면 티탄산지르콘산납계 세라믹스로 이루어진다. 압전 소자(50)는, 바닥부(62)의 내면(62S) 상에 배치되어, 접착제(64)를 이용하여 내면(62S)에 접합된다. 초음파 센서(100)가 구동하고 있을 때에는 압전 소자(50)는, 바닥부(62)와 함께 벤딩 진동한다. 실리콘(71, 72)은, 케이스(60)의 내부 공간을 완전히 채우도록 마련된다. 흡음재(63)는, 높은 탄성을 가지는 성형체로 이루어지고, 실리콘(71)과 실리콘(72) 사이에 마련된다. 흡음재(63)는 압전 소자(50)에 간격을 두고 대향하고 있다.

압전 소자(50)는, 도시하지 않은 3개의 전극(도 1에서의 전극(10~30)에 상당하는 부위. 상세하게는 후술함)을 가지고 있다. FPC(80)는, 접합제(65)를 통해 이들 전극에 전기적으로 접합된다. 접합제(65)로는, 예를 들면 금속이 첨가된 수지 재료가 이용된다. FPC(80) 중 압전 소자(50)에 접합된 부분과는 반대 측의 부분은, 케이스(60) 밖으로 꺼내져, 신호 생성 회로(104)(도 1) 및 수신 앰프(106)(도 1) 등에 전기적으로 접속되어 있다.

(압전 소자(50))

도 3은 압전 소자(50) 및 FPC(80)를 나타내는 평면도이다. 도 4는 압전 소자(50)(FPC(80)을 떼어 낸 상태)를 나타내는 평면도이다. 도 5는 압전 소자(50)를 나타내는 사시도이다. 도 6은 압전 소자(50) 및 그 내부 구조를 나타내는 사시도이다. 도 7은 압전 소자(50)에 포함되는 전극(10, 20, 30)을 나타내는 사시도이다. 도 8은 도 4 중의 VIII-VIII선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다. 도 9는 도 4 중의 IX-IX선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다. 도 10은 도 4 중의 X-X선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다.

도 3~도 10에서는, 설명상의 편의를 위해 화살표(X, Y, Z)를 나타내고 있다. 화살표(X, Y, Z)는 서로 직교하는 관계를 가진다. 이하, 압전 소자(50)의 각 구성에 대해 화살표(X, Y, Z)를 참조하면서 설명하는 경우가 있지만, 각 구성의 배치 관계(직교 및 평행에 관한 특징)는, 반드시 화살표(X, Y, Z)로 나타내는 배치 관계에 한정되는 것이 아니다.

도 3~도 10에 나타내는 바와 같이, 압전 소자(50)는 압전체층(40), 전극(10)(도 7), 전극(20)(도 7) 및 전극(30)(도 7)을 포함한다. 압전체층(40)의 외형 형상은 대략 직방체이며(도 5, 도 6 참조), 압전체층(40)은, 상면(41), 측면(42∼45), 및 하면(46)을 가지고 있다.

상면(41)은 압전체층(40) 중 화살표(Z) 방향 측에 위치하는 표면이며, 하면(46)은 압전체층(40) 중 화살표(Z) 방향과는 반대 방향 측에 위치하는 표면이다. 측면(42, 44)은 압전체층(40) 중 화살표(X) 방향에 대하여 직교하는 표면이고, 서로 대향하는 위치 관계를 가지고 있다. 측면(43, 45)은 압전체층(40) 중 화살표(Y) 방향에 대하여 직교하는 표면이고, 서로 대향하는 위치 관계를 가지고 있다.

(전극(10)(수신용 전극))

전극(10)은 원반부(11) 및 연출부(延出部)(12)를 포함하고, 전체적으로 판상의 형상을 가지고 있다(도 7 참조). 연출부(12)는, 외형이 직사각형상이며, 원반부(11)의 바깥가장자리로부터 바깥쪽을 향해 연출되는 형상을 가진다. 전극(10)은, 원반부(11)가 압전체층(40)의 상면(41)의 정중앙에 위치하도록 상면(41) 상에 배치된다. 연출부(12)는, 원반부(11)가 위치하고 있는 측으로부터 압전체층(40)의 측면(42)이 위치하고 있는 측을 향해(화살표(X)와는 반대 방향을 향해) 연장되도록 배치된다.

도 3에 나타내는 바와 같이, FPC(80)의 선단부(80T)는 T자 형상을 가진다. FPC(80)에 마련된 배선 패턴(81)과 전극(10)의 연출부(12) 사이의 부분(접속 부분(10C))에서, 전극(10)과 FPC(80)(배선 패턴(81))는 전기적으로 접속된다(도 4, 도 5도 참조). 전극(10)은, 본 실시형태에서는 "수신용 전극"으로서 기능한다.

(전극(20)(송신용 전극))

전극(20)은, 측벽부(21), 상면부(22), 및 중간부(23, 24)를 포함한다(도 7 참조). 측벽부(21), 상면부(22), 및 중간부(23, 24)는, 모두 판상의 형상을 가지고 있다. 측벽부(21)는 압전체층(40)의 측면(42)(도 5)에 대향하고, 측면(42)에 접하도록 배치된다. 측벽부(21)는 압전체층(40)의 측면(42)의 전부를 덮는 표면 형상을 가지고 있다(도 3, 도 4, 도 9, 도 10 참조).

상면부(22)는, 측벽부(21)의 화살표(Z) 방향 측(및 화살표(Y)와는 반대 방향 측)의 단부(端部)에 이어지도록 설치되고, 압전체층(40)의 상면(41) 상에 배치된다. 화살표(Y) 방향에서의 치수를 "폭"으로 하면, 상면부(22)는 측벽부(21)보다도 폭이 좁다. 상면부(22)의 화살표(Y)와는 반대 방향의 단부는, 압전체층(40)의 측면(43)과 수평을 이루는 관계를 가지고 있다.

상면부(22) 및 중간부(23, 24)는, 평행한 위치 관계를 가지고, 중간부(23, 24)는, 상면부(22)보다도 화살표(Z)와는 반대 방향 측에 위치한다. 중간부(23)는, 상면부(22)와 중간부(24) 사이에 위치한다. 중간부(23)와 중간부(24)는 간격을 두고 대향하고 있다. 중간부(23, 24)는, 전극(20) 중 압전체층(40)의 내부에 배치되는 부위이며, 압전 소자(50)가 완성된 상태에서는 이들은 시각적으로 인지되지 않는다(도 5 참조). 상세하게는 후술되지만, 중간부(23)와 중간부(24) 사이에는, 전극(30)의 중간부(33)가 배치된다(도 8~도 10 등 참조).

중간부(23, 24)의 내측에는, 원형 형상을 가지는 중공부(hollowed portion)(23H, 24H)(도 7)가 각각 마련된다. 중공부(23H, 24H)의 크기(바깥지름)는, 전극(10)의 원반부(11)의 크기(바깥지름)보다도 크다. 중공부(23H, 24H)의 위치는, 전극(10)의 원반부(11)의 위치에 대응하고 있다. 중공부(23H, 24H)는, 전극(10)의 원반부(11)를 화살표(Z)와는 반대 방향으로 투영한 경우에, 원반부(11)의 투영상에 겹치지 않는 위치에 배치되어 있다(도 8, 도 10 참조).

중간부(23, 24)의 내측에는, 절단부(Cutout portion)(23T, 24T)도 각각 마련된다. 절단부(23T, 24T)는, 중공부(23H, 24H)가 위치하고 있는 측으로부터 압전체층(40)의 측면(42)이 위치하고 있는 측을 향해(화살표(X)와는 반대 방향을 향해) 연장되도록 배치된다. 절단부(23T, 24T)의 위치는, 전극(10)의 연출부(12)의 위치에 대응하고 있다. 도 7 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 중간부(23, 24)의 화살표(X)와는 반대 방향에서의 단부는, 측벽부(21)에 접속되어 있다. 한편, 중간부(23, 24)의 화살표(X) 방향에서의 단부는, 후술하는 전극(30)의 측벽부(31)에 접속되어 있지 않고, 측벽부(31)로부터 떨어져 있다.

도 3에 나타내는 바와 같이, FPC(80)에 마련된 배선 패턴(82)과 전극(20)의 상면부(22) 사이의 부분(접속 부분(20C))에서, 전극(20)과 FPC(80)(배선 패턴(82))는 전기적으로 접속된다(도 4, 도 5도 참조). 전극(20)은, 본 실시형태에서는 "송신용 전극"으로서 기능한다.

(전극(30)(특정 전극, 공통 전극))

특정 전극으로서의 전극(30)은, 측벽부(31), 상면부(32), 중간부(33) 및 하면부(34)를 포함한다(도 7 참조). 측벽부(31), 상면부(32), 중간부(33) 및 하면부(34)는, 모두 판상의 형상을 가지고 있다. 측벽부(31)는, 압전체층(40)의 측면(44)(도 5)에 대향하고, 측면(44)에 접하도록 배치된다. 측벽부(31)는, 압전체층(40)의 측면(44)의 전부를 덮는 표면 형상을 가지고 있다(도 3, 도 4, 도 9, 도 10 참조). 하면부(34)는, 압전체층(40)의 하면(46)에 대향하고, 하면(46)에 접하도록 배치된다. 하면부(34)는, 압전체층(40)의 하면(46)의 전부를 덮는 표면 형상을 가지고 있다.

상면부(32)는, 측벽부(31)의 화살표(Z) 방향 측의 단부에 이어지도록 설치되고, 압전체층(40)의 상면(41) 상에 배치된다. 화살표(Y) 방향에서의 치수를 "폭"으로 하면, 상면부(32)의 폭은, 압전체층(40)의 상면(41)의 폭과 동일하다. 상면부(32)의 화살표(Y) 방향에서의 양 단부는, 압전체층(40)의 측면(43, 45)과 각각 수평을 이루는 관계를 가지고 있다.

상면부(32), 중간부(33) 및 하면부(34)는, 평행한 위치 관계를 가지고, 중간부(33) 및 하면부(34)는, 상면부(32)보다도 화살표(Z)와는 반대 방향 측에 위치한다. 중간부(33)는, 상면부(32)와 하면부(34) 사이에 위치한다. 중간부(33)는, 전극(30) 중 압전체층(40)의 내부에 배치되는 부위이며, 압전 소자(50)가 완성된 상태에서는 중간부(33)는 시각적으로 인지되지 않는다(도 5 참조).

상면부(32) 및 중간부(33)의 내측에는, 원형 형상을 가지는 중공부(32H, 33H)(도 7)가 각각 마련된다. 중공부(32H, 33H)의 크기(바깥지름)는, 전극(10)의 원반부(11)의 크기(바깥지름)보다도 크다. 중공부(32H, 33H)의 위치는, 전극(10)의 원반부(11)의 위치에 대응하고 있다. 중공부(32H)의 내측에 전극(10)의 원반부(11)가 배치된다(도 5 참조). 중공부(33H)는, 전극(10)의 원반부(11)를 화살표(Z)와는 반대 방향으로 투영한 경우에, 원반부(11)의 투영상에 겹치지 않는 위치에 배치되어 있다(도 8, 도 10 참조).

상면부(32) 및 중간부(33)의 내측에는, 절단부(32T, 33T)도 각각 마련된다. 절단부(32T, 33T)는, 중공부(32H, 33H)가 위치하고 있는 측으로부터 압전체층(40)의 측면(42)이 위치하고 있는 측을 향해(화살표(X)와는 반대 방향을 향해) 연장되도록 배치된다. 절단부(32T, 33T)의 위치는, 전극(10)의 연출부(12)의 위치에 대응하고 있다. 절단부(32T)의 내측에, 전극(10)의 연출부(12)가 배치된다(도 5 참조). 상면부(32) 중 화살표(Y)와는 반대 방향에서의 부분에는, 후퇴부(32F)가 마련된다. 후퇴부(32F)는, 전극(20)의 상면부(22)의 배치를 허용하기 위한 부위이다.

도 7 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 상면부(32), 중간부(33) 및 하면부(34)의 화살표(X) 방향에서의 단부는, 측벽부(31)에 접속되어 있다. 한편, 상면부(32), 중간부(33) 및 하면부(34)의 화살표(X)와는 반대 방향에서의 단부는, 전극(20)의 측벽부(21)에 접속되어 있지 않고, 측벽부(21)로부터 떨어져 있다.

도 3에 나타내는 바와 같이, FPC(80)에 마련된 배선 패턴(83)과 전극(30)의 상면부(32) 사이의 부분(접속 부분(30C))에서, 전극(30)과 FPC(80)(배선 패턴(83))는 전기적으로 접속된다(도 4, 도 5도 참조). 전극(30)은, 본 실시형태에서는 "공통 전극"으로서 기능한다.

이상과 같이 구성되는 전극(10, 20, 30) 중, 압전체층(40)의 표면을 덮도록 마련되는 부분(전극(10), 전극(20)의 측벽부(21) 및 상면부(22), 그리고 전극(30)의 측벽부(31), 상면부(32) 및 하면부(34))은, 예를 들면 Ag를 압전체층(40)의 표면에 스퍼터링(sputtering) 처리를 실시함으로써 형성된다. 스퍼터링에 한정되지 않고, 압전체층(40)의 표면을 덮도록 마련되는 부분은, Ag를 압막 페이스트함으로써 형성되어 있어도 된다. 또한, Ag의 하지층으로서, 모넬(monel)(Cu-Ni)이 마련되어 있어도 된다.

(송신용 영역 및 수신용 영역)

도 8~도 10을 참조하여, 본 실시형태에서의 압전체층(40)의 내부에는, 송신용 영역(40N) 및 수신용 영역(40M)이 형성된다. 송신용 영역(40N)은, 제1 단위 압전체층(N1~N4)으로 이루어지는 4층 구조를 가지고 있다. 도 8~도 10 중의 백색 화살표는, 각 압전체층의 분극 방향을 나타내고 있다.

제1 단위 압전체층(N1~N4)은, 직사각형상을 가지는 얇은 압전 세라믹으로 이루어지는 4층의 압전체층 사이에, 전극(20)의 중간부(23), 전극(30)의 중간부(33), 및 전극(20)의 중간부(24)를 개재시켜 이들을 적층하고, 일체로 소성(燒成)함으로써 제작된다. 제1 단위 압전체층(N1~N4)은, 케이스(60)의 바닥부(62)로부터 멀어지는 방향으로 적층되어, 전극(20) 및 전극(30)에 의해 전기적으로 병렬 접속된다.

수신용 영역(40M)은, 제2 단위 압전체층(M1)의 1층 구조를 가지고 있다. 제2 단위 압전체층(M1)은, 직사각형상을 가지는 얇은 압전 세라믹으로 이루어지는 4층의 압전체층 사이에, 전극을 개재시키지 않고 이들을 적층하여, 일체로 소성함으로써 제작된다.

전극(30)의 하면부(34)는, 송신용 영역(40N) 및 수신용 영역(40M) 쌍방에 이르러 확산되는 형상을 가지고 있다. 전극(20)의 상면부(22)는, 제1 단위 압전체층(N1~N4)을 포함하는 송신용 영역(40N)을 사이에 끼워 전극(30)의 하면부(34)에 대향하고 있다. 전극(10)의 원반부(11)는, 제2 단위 압전체층(M1)을 포함하는 수신용 영역(40M)을 사이에 끼워 전극(30)의 하면부(34)에 대향하고 있다. 즉, 압전체층(40) 중, 전극(20)의 상면부(22)와 전극(30)의 하면부(34) 사이에 위치하는 영역, 및 전극(30)의 상면부(32)와 전극(30)의 하면부(34) 사이에 위치하는 영역이, 송신용 영역(40N)으로서 기능한다. 한편, 압전체층(40) 중, 전극(10)의 원반부(11)와 전극(30)의 하면부(34) 사이에 위치하는 영역이 수신용 영역(40M)으로서 기능한다.

도 8 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는, 송신용 영역(40N)과 수신용 영역(40M)은, 케이스(60)의 바닥부(62)의 내면(62S)의 표면 방향(X-Y면 방향)에서 서로 이웃하는 위치에 형성되어 있다. 보다 구체적으로는, 케이스(60)의 바닥부(62)의 내면(62S)에 수직인 방향으로부터 압전체층(40)을 봤을 때 압전체층(40)의 중심부에 수신용 영역(40M)이 마련되어 있다. 도 8에서는, 송신용 영역(40N)이 복수 도시되어 있지만, 이들은 연결되어 있고, 수신용 영역(40M)을 둘러싸도록 수신용 영역(40M)보다도 지름 방향의 외측인 주변부에 송신용 영역(40N)이 마련되어 있다.

(작용 및 효과)

모두(冒頭)에서 기술한 바와 같이, 종래의 초음파 센서에서는 압전 소자의 적층 수가 많으면 많을수록 송파 시의 음압이 올라가지만, 수파 시의 감도가 저하된다는 특성이 나타난다. 이것은, 종래의 적층형 압전 소자에서는, 압전 소자의 송파에 제공되는 부분과 수파에 제공되는 부분이 동일 부위 내에 형성되어 있기 때문이다.

본 실시형태에서는, 압전 소자(50)의 송파에 제공되는 부분(송신용 영역(40N))과 수파에 제공되는 부분(수신용 영역(40M))이, 동일 부위 내에 형성되어 있지는 않다. 송파 시의 음압을 올리기 위해 압전 소자(50)의 송파에 제공되는 부분(송신용 영역(40N))의 적층 수를 4층 구조로 하고 있지만, 수파에 제공되는 부분(수신용 영역(40M))은 1층 구조 그대로이다. 본 실시형태의 초음파 센서(100)에서는, 수파 시의 감도가 저하되는 것이 종래의 구성에 비해 억제되고 있다. 따라서, 본 실시형태의 초음파 센서(100)는, 송신 시의 음압 및 수신 시의 감도 쌍방을 각각 독립적으로 조정하는 것이 가능한 구조를 포함하고 있다고 할 수 있다.

본 실시형태에서는, 송신용 영역(40N)에 4층 구조가 채용되어 있고, 수신용 영역(40M)에 1층 구조가 채용되어 있다. 즉, 제1 단위 압전체층의 층수는, 제2 단위 압전체층의 층수 이상이다. 따라서, 송신용 영역(40N)의 임피던스는, 수신용 영역(40M)과의 사이의 임피던스보다도 낮은 값(다른 값)이다. 따라서, 초음파 센서(100)의 압전 소자(50)에서는, 음압 및 감도의 조정이 각각 최적화되어 있어 높은 정밀도로 센싱(sensing)을 실시하는 것이 가능해졌다고 할 수 있다. 이하, 본 실시형태에서의 작용 및 효과에 대해 보다 상세하게 설명한다.

상술한 실시형태 1에서의 초음파 센서(100)는, 외부 노이즈를 무시할 수 있는 환경이면서, 수신 앰프 등의 회로 노이즈(내부 노이즈)가 지배적인 경우에, 특히 유효하게 사용할 수 있는 것이다. 구체적으로는, 초음파 센서에 의해 검지 가능한 거리 및 정밀도는, SNR(신호 대 노이즈비(比))에 의존한다. 이 SNR을 높이기 위한 방법은, 주로 송신 시의 음압을 올리는 것, 수신 시의 전압 감도를 올리는 것, 및 수신 시에 받는 노이즈의 영향을 낮추는 것 3개를 들 수 있다.

송신 시의 음압을 올리기 위해서는, 압전 소자를 크게 하거나, 압전 소자의 압전 정수(d 정수)를 크게 하거나, 압전 소자의 적층 수를 늘리는 방법을 들 수 있다. 이들 방법을 채용하는 것은, 모두 압전 소자의 임피던스가 낮아지는 방향으로 작용하기 때문에, 동일한 전압이라도 보다 큰 소비 전력이 필요해진다.

수신 시의 전압 감도를 올리기 위해서는, 압전 소자를 두껍게 하거나, 압전 소자를 작게 하거나, 압전 소자의 적층 수를 줄이는 방법을 들 수 있다. 이들 방법을 채용하는 것은, 모두 압전 소자의 임피던스가 높아지는 방향으로 작용한다. 수신 시에 받는 노이즈의 영향을 낮추기 위해서는, 압전 소자의 임피던스를 작게 하면서, 수신 앰프 등을 포함하는 회로 노이즈(내부 노이즈)를 낮출 필요가 있다.

단일 압전층으로 이루어지는 단판(單板)형 압전 소자와, 일본 공개특허공보 2002-204497호(특허문헌 1)에 개시된 적층형 압전 소자를 비교하면, 송신 시의 음압에 관해서는, 단판형 압전 소자 쪽이, 적층형 압전 소자에 비해 작아진다. 이것은, 동일한 전압을 인가했을 때에, 단판형 압전 소자에 비해 적층형 압전 소자 쪽이, 소자에 인가되는 전계 강도가 커져, 발생하는 변형(distortion)도 커지기 때문이다.

수신 시의 전압 감도에 관해서는, 단판형 압전 소자 쪽이, 적층형 압전 소자에 비해 커진다. 동일한 음압이 입력되었을 때의 소자의 변형은, 단판형 압전 소자와 적층형 압전 소자가 대략 동일해지고, 압전 소자가 발생하는 총 전하도 대략 동일해진다. 한편, 단판형 압전 소자와 적층형 압전 소자에서는, 정전 용량이 단판형 압전 소자 쪽이 작아진다. 따라서, 전압=전하/정전 용량의 관계로부터, 발생 전압은, 단판형 압전 소자 쪽 적층형 압전 소자에 비해 커진다. 따라서 수신 시의 전압 감도에 관해서는, 단판형 압전 소자 쪽이, 적층형 압전 소자에 비해 커진다.

수신 시에 받는 노이즈의 영향에 관해서는, 외부로부터의 노이즈가 지배적인 경우에는, 혹은 수신 앰프 등의 회로 노이즈(내부 노이즈)가 충분히 작은 경우에는, 단판형 압전 소자 쪽이, 적층형 압전 소자에 비해 커진다(단판형 압전 소자 쪽이 노이즈에 대하여 약하다). 외부로부터 회로에 침입해 오는 노이즈의 대부분은, 회로의 임피던스가 낮을수록 영향이 작아지기 때문에, 임피던스가 낮은 적층 소자 쪽이 외부로부터의 노이즈의 영향은 작게 할 수 있다.

한편, 외부로부터의 노이즈를 무시할 수 있는 환경에서는(외부로부터의 노이즈가 지배적이지 않은 경우에는), 회로 내부에서 발생하는 노이즈가 문제가 된다. 회로 노이즈(내부 노이즈)의 주된 것은, 수신 앰프의 전압 노이즈나, 회로 중의 저항 성분으로부터 나오는 열에 기인한 노이즈 등이다. 센서와 회로의 매칭의 형편상, 센서의 임피던스가 낮을수록 회로 중의 저항 성분도 작아져, 열에 기인한 노이즈도 작게 할 수 있다. 단, 열에 기인한 노이즈가 수신 앰프의 전압 노이즈보다도 작은 경우에는, 열에 기인한 노이즈를 낮추어도 전체의 노이즈는 낮아지지 않게 된다. 따라서, 회로 노이즈가 충분히 낮은 경우에는, 적층형 압전 소자는 단판형 압전 소자에 비해 전압 감도가 낮아지는 만큼, 음압이 높아지고, 노이즈도 낮기 때문에 SNR로서는 높아지게 된다.

그러나 상술한 바와 같이, 외부 노이즈를 무시할 수 있는 환경이면서, 수신 앰프의 전압 노이즈가 충분히 낮지 않은 경우(수신 앰프 등의 회로 노이즈가 지배적인 경우)에는, 적층형 압전 소자를 채용하여 임피던스를 낮게 했다고 해도, 노이즈를 낮출 수 없기 때문에, 음압의 향상과 감도의 저하의 효과가 서로 상쇄되어, 적층형 압전 소자를 채용했다고 해도 성능을 충분히 향상시키는 것이 어려운 경우가 있다.

한편, 실제의 초음파 센서(100)가 탑재되는 실정에 비추어 보면, 회로 주변에 마련되는 실드(shield)(정전 차폐)가 충분히 확보되는 바와 같은 경우에서는, 외부 노이즈를 거의 무시할 수 있는 수준으로 작게 할 수 있다. 또한, 수신 앰프의 노이즈를 충분히 낮추려면, 보다 저(低)노이즈의 앰프를 사용하게 되지만, 제조 비용이 높아진다는 문제가 있어 채용은 용이하지 않다. 따라서, 상술한 실시형태 1에서의 초음파 센서(100)는, 외부 노이즈를 무시할 수 있는 환경이면서, 수신 앰프 등의 회로 노이즈(내부 노이즈)가 지배적인 경우에, 특히 정밀도가 높은 센싱이 가능해지고, 저렴한 가격으로 실시할 수 있게 되어 유효하게 사용할 수 있는 것이라고 할 수 있다.

본 실시형태에서는, 제1 단위 압전체층의 층수가, 제2 단위 압전체층의 층수 이상이다. 이 구성에 한정되지 않고, 송신용 전극(전극(20))과 공통 전극(전극(30)) 사이의 임피던스가, 수신용 전극(전극(10))과 공통 전극(전극(30)) 사이의 임피던스보다도 낮은 값이면, 제2 단위 압전체층의 층수는, 제1 단위 압전체층의 층수 이상이어도 된다.

[실시형태 2]

도 11을 참조하여, 본 실시형태에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자(50A)에 대해 설명한다. 도 11은, 압전 소자(50A)를 나타내는 단면도이며, 실시형태 1에서의 도 8에 대응하고 있다.

압전 소자(50A)에서는, 송신용 영역(40N)이 5개의 제1 단위 압전체층(N1~N5)으로 이루어지는 5층 구조를 가지고 있다. 송신용 영역(40N)에 관한 전극 구조로는, 도 11 지면 상으로부터 순서대로, 전극(20)의 상면부(22), 전극(30)의 상면부(32), 전극(20)의 중간부(23), 전극(30)의 중간부(33), 전극(20)의 중간부(24), 및 전극(30)의 하면부(34) 순으로 배치되어 있다. 상기 구성에 따라서도, 상술한 실시형태 1과 동일한 작용 및 효과가 얻어진다.

또한, 상술한 실시형태에서는, 송신용 영역(40N)은 4개 내지 5개의 제1 단위 압전체층으로 이루어지는 층 구조를 가지고 있다고 했지만, 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 송신용 영역(40N)이, 2개, 3개 내지 6개 이상의 제1 단위 압전체층으로 이루어지는 층 구조를 가지고 있어도 된다.

[실시형태 3]

도 12를 참조하여, 본 실시형태에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자(50B)에 대해 설명한다. 도 12는, 압전 소자(50B)를 나타내는 단면도이며, 실시형태 1에서의 도 8에 대응하고 있다.

압전 소자(50B)에서는, 수신용 영역(40M)이 2개의 제2 단위 압전체층(M1, M2)으로 이루어는 2층 구조를 가지고 있다. 수신용 영역(40M)에 관한 전극 구조로는, 도 12 지면 상으로부터 순서대로, 전극(30)의 상면부(32M), 전극(10)의 원반부(11), 및 전극(30)의 하면부(34) 순으로 배치되어 있다. 상기 구성에 따라서도, 상술한 실시형태 1과 동일한 작용 및 효과가 얻어진다.

[실시형태 4]

도 13 및 도 14를 참조하여, 본 실시형태에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자(50C)에 대해 설명한다. 도 13은, 압전 소자(50C)가 분해된 상태를 나타내는 사시도이다. 도 14는, 도 13 중의 XIV-XIV선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이며, 압전 소자(50C)가 조립된 상태의 단면도가 나타나 있다(실시형태 1에서의 도 8에 대응하는 도면이다).

압전 소자(50C)에서는, 압전체층(40)은 직방체상의 형상을 가진다. 전극(10, 30)은, 외형이 직사각형상인 평판 형상을 가진다. 전극(20)은, 연출부(22a, 22c) 및 이들을 접속하는 접속부(22b)를 가진다. 전극(10)은, 연출부(22a)와 연출부(22c) 사이에 배치된다. 도 14에 나타내는 바와 같이, 송신용 영역(40N)은, 하나의 제1 단위 압전체층(N1)으로 이루어지는 1층 구조를 가지고, 수신용 영역(40M)도 하나의 제2 단위 압전체층(M1)으로 이루어지는 1층 구조를 가지고 있다.

본 실시형태에서는, 송신용 영역(40N) 중 케이스(60)의 바닥부(62)의 내면(62S)에 접합되는 측의 면의 표면적(총 면적)(RN)은, 수신용 영역(40M) 중 케이스(60)의 바닥부(62)의 내면(62S)에 접합되는 측의 면의 표면적(총 면적)(RM) 이상(구체적으로는, 보다도 큼)이다. 상기 구성에 따라서도, 전극(20)(연출부(22a, 22c))과 전극(30) 사이(송신용 영역(40N))의 임피던스는, 전극(10)과 전극(30) 사이(수신용 영역(40M))와의 사이의 임피던스보다도 낮은 값(다른 값)이 되어, 상술한 실시형태 1과 동일한 작용 및 효과가 얻어진다. 압전 소자(50C)를 포함한 본 실시형태의 초음파 센서는, 송신 시의 음압 및 수신 시의 감도 쌍방을 각각 독립적으로 조정하는 것이 가능해져, 이들의 최적화를 도모할 수 있다고 할 수 있다.

[실시형태 5]

도 15 및 도 16을 참조하여, 본 실시형태에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자(50D)에 대해 설명한다. 도 15는, 압전 소자(50D)가 분해된 상태를 나타내는 사시도이다. 도 16은, 도 15 중의 XVI-XVI선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이며, 압전 소자(50D)가 조립된 상태의 단면도가 나타나 있다(실시형태 1에서의 도 8에 대응하는 도면이다).

압전 소자(50D)에서도, 실시형태 4와 동일하게, 전극(10, 30)은, 외형이 직사각형상인 평판 형상을 가진다. 전극(20)은, 연출부(22a, 22c) 및 이들을 접속하는 접속부(22b)를 가진다. 전극(10)은, 연출부(22a)와 연출부(22c) 사이에 배치된다. 압전체층(40)에 대해서는, 상면(41a, 41c)과, 상면(41a, 41c) 보다도 압전체층(40)의 두께가 두꺼운 상면(41b)이 형성되어 있다. 도 16에 나타내는 바와 같이, 송신용 영역(40N)은, 하나의 제1 단위 압전체층(N1)으로 이루어지는 1층 구조를 가지고, 수신용 영역(40M)도, 하나의 제2 단위 압전체층(M1)으로 이루어지는 1층 구조를 가지고 있다. 또한, 송신용 영역(40N) 중 케이스(60)의 바닥부(62)의 내면(62S)에 접합되는 측의 면의 표면적(총 면적)은, 수신용 영역(40M) 중 케이스(60)의 바닥부(62)의 내면(62S)에 접합되는 측의 면의 표면적(총 면적)과 대략 동일하다.

본 실시형태에서는, 케이스(60)의 바닥부(62)에 대하여 직교하는 방향에서의 송신용 영역(40N)의 두께(TN)는, 동 방향에서의 수신용 영역(40M)의 두께(TM) 이하이다. 상기 구성에 따라서도, 전극(20)(연출부(22a, 22c))과 전극(30) 사이(송신용 영역(40N))의 임피던스는, 전극(10)과 전극(30) 사이(수신용 영역(40M))와의 사이의 임피던스보다도 낮은 값(다른 값)이 되어, 상술한 실시형태 1과 동일한 작용 및 효과가 얻어진다. 압전 소자(50D)를 포함한 본 실시형태의 초음파 센서도, 송신 시의 음압 및 수신 시의 감도 쌍방을 각각 독립적으로 조정하는 것이 가능해져 이들의 최적화를 도모할 수 있다고 할 수 있다.

[실시형태 6]

도 17을 참조하여, 본 실시형태에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자(50E)에 대해 설명한다. 도 17은, 압전 소자(50E)를 나타내는 단면도이며, 실시형태 1에서의 도 8에 대응하고 있다. 본 실시형태에서는, 송신용 영역(40N)과 수신용 영역(40M)의 관계가, 실시형태 1과 정반대로 되어 있다.

송신용 영역(40N)은, 하나의 제1 단위 압전체층(N1)으로 이루어지는 1층 구조를 가지고, 수신용 영역(40M)은, 4개의 제2 단위 압전체층(M1~M4)으로 이루어지는 4층 구조를 가지고 있다. 수신용 영역(40M)에 관한 전극 구조로는, 도 17 지면 상으로부터 순서대로, 전극(30)의 상면부(32), 전극(10)의 중간부(13), 전극(30)의 중간부(33), 전극(10)의 중간부(14), 및 전극(30)의 하면부(34) 순으로 배치되어 있다. 상기 구성에 따라서도, 송신 시의 음압 및 수신 시의 감도 쌍방을 각각 독립적으로 조정하는 것이 가능하다고 할 수 있다.

[실시형태 7]

도 18을 참조하여, 본 실시형태에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자(50F)에 대해 설명한다. 도 18은, 압전 소자(50F)를 나타내는 단면도이며, 실시형태 3에서의 도 12에 대응하고 있다. 본 실시형태에서는, 송신용 영역(40N)과 수신용 영역(40M)의 관계가, 실시형태 3과 정반대로 되어 있다.

송신용 영역(40N)은, 2개의 제1 단위 압전체층(N1, N2)으로 이루어지는 2층 구조를 가지고, 수신용 영역(40M)은, 4개의 제2 단위 압전체층(M1~M4)으로 이루어지는 4층 구조를 가지고 있다. 상기 구성에 따라서도, 송신 시의 음압 및 수신 시의 감도 쌍방을 각각 독립적으로 조정하는 것이 가능하다고 할 수 있다.

[실시형태 8]

도 19를 참조하여, 본 실시형태에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자(50G)에 대해 설명한다. 도 19는, 압전 소자(50G)를 나타내는 단면도이며, 실시형태 3에서의 도 12에 대응하고 있다. 본 실시형태에서는, 압전체층(40)의 내부에 송신용 영역(40N), 수신용 영역(40M), 및 분리 영역(40V)이 형성되어 있고, 전극(30)의 일부(구체적으로는, 전극(30)의 중간부(33)의 일부)가, 분리 영역(40V) 중에 이르도록 마련되어 있다. 분리 영역(40V)이란, 압전체층(40) 중, 송신용 영역(40N)과 수신용 영역(40M) 사이에 위치하는 부분(절연성을 가지는 영역)이다. 상기 구성에 따라서도, 상술한 실시형태 1과 동일한 작용 및 효과가 얻어진다.

[실시형태 9]

도 20을 참조하여, 본 실시형태에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자(50H)에 대해 설명한다. 도 20은, 압전 소자(50H)를 나타내는 단면도이며, 실시형태 3에서의 도 12에 대응하고 있다. 본 실시형태에서는, 압전체층(40)의 내부에 송신용 영역(40N), 수신용 영역(40M), 및 분리 영역(40V)이 형성되어 있고, 전극(10)의 일부가 분리 영역(40V) 중에 이르도록 마련되어 있다. 상기 구성에 따라서도, 상술한 실시형태 1과 동일한 작용 및 효과가 얻어진다.

[실시형태 10]

도 21을 참조하여, 본 실시형태에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자(50I)에 대해 설명한다. 도 21은, 압전 소자(50I)를 나타내는 단면도이며, 실시형태 3에서의 도 12에 대응하고 있다. 본 실시형태에서는, 압전체층(40)의 내부에 송신용 영역(40N), 수신용 영역(40M), 및 분리 영역(40V)이 형성되어 있고, 전극(20)의 일부(구체적으로는, 전극(20)의 중간부(23)의 일부 및 중간부(24)의 일부)가 분리 영역(40V) 중에 이르도록 마련되어 있다. 상기 구성에 따라서도, 상술한 실시형태 1과 동일한 작용 및 효과가 얻어진다.

[실시형태 11]

도 22를 참조하여, 본 실시형태에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자에 대해 설명한다. 도 22는, 본 실시형태에서의 압전 소자에 포함되는 전극(10, 20, 30)을 나타내는 사시도이며, 실시형태 1에서의 도 7에 대응하고 있다.

본 실시형태에서는, 전극(10)은, 원반부(11)를 포함하고, 연출부(12)를 포함하지 않는다. 전극(10)은, 전체적으로 원반상의 형상을 가지고 있다. 또한, 전극(20)의 중간부(23, 24) 및 전극(30)의 중간부(33), 즉 전극(20) 중 제1 단위 압전체층에 끼여 있지 않은 부분의 전극과, 전극(30) 중 제2 단위 압전체층에 끼여 있지 않은 부분의 전극(이하, 이들을 총칭하여 내부 전극이라고도 함)이, 환상의 형상을 가지고 있다.

상기 구성에 따라서도, 상술한 실시형태 1과 동일한 작용 및 효과가 얻어진다. 또한, 상기 구성에 의하면, 전극(20)의 중간부(23, 24) 및 전극(30)의 중간부(33)가 환상이므로, 케이스(60)(도 2 참조)의 외부로부터 충격이 가해져, 전극(20)의 중간부(23, 24) 또는 전극(30)의 중간부(33)의 일부에 균열이 생겼다고 해도, 구동에 기여하는 전극 범위의 감소를 방지할 수 있다. 따라서, 내(耐)치핑(chipping) 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 중간부(23, 24, 33)의 3개 전부를 환상으로 구성하는 경우에 한정되지 않고, 중간부(23, 24, 33) 중 어느 하나, 또는 2개만을 환상으로 구성해도 상관없다.

[실시형태 12]

도 23을 참조하여, 본 실시형태에서의 초음파 센서에 포함되는 압전 소자(50K)에 대해 설명한다. 도 23은, 압전 소자(50K)의 단면도이며, 실시형태 1에서의 도 9에 대응하고 있다. 압전 소자(50K)에서는, 압전체층(40)의 상면(41)에, 전극(20)의 상면부(22) 및 전극(30)의 상면부(32)가 형성되어 있고, 상면부(22) 및 상면부(32) 사이에 전극(10)이 마련되어 있다. 전극(20, 30)은, 복수의 중간부(23, 33)를 가지고 있고, 복수의 중간부(23, 33)는, 압전체층(40)의 두께 방향에서 교대로 늘어서 있다.

본 실시형태에서는, 수신용 영역(40M)은, 전극(10)과, 전극(30) 중 최상단에 위치하는 중간부(33) 사이에 형성된다. 송신용 영역(40N)은, 전극(20)과 전극(30)이 대향하고 있는 부분에 형성된다. 본 실시형태에서는, 수신용 영역(40M) 및 송신용 영역(40N)은, 케이스(60)의 바닥부(62)의 내면(62S)에 수직인 방향에서 서로 이웃하는 위치에 형성되어 있다.

상기 구성에 따라서도, 상술한 실시형태 1과 동일한 작용 및 효과가 얻어진다. 또한, 상기 구성에 의하면, 수신용 영역(40M) 및 송신용 영역(40N)이 케이스(60)의 바닥부(62)의 내면(62S)의 표면 방향에서 서로 이웃하는 위치에 형성되어 있는 경우에 비해, 체적당 송신에 사용하는 영역이 증가하기 때문에, 음압을 향상시킬 수 있다.

[실시형태 13]

도 24~도 26을 참조하여, 본 실시형태에서의 초음파 센서(200)에 대해 설명한다. 도 24는, 초음파 센서(200)를 포함한 센서 장치(1L)의 기능 블록을 나타내는 도면이며, 실시형태 1에서의 도 1에 대응하고 있다. 센서 장치(1L)는, 초음파 센서(200)에 더하여, 마이크로 컴퓨터(101), 메모리(102), 검출 회로(103), 신호 생성 회로(104), 전원(105), 및 수신 앰프(106)를 포함한다. 상세하게는 후술되지만, 초음파 센서(200)는, 압전 소자(50L)를 포함하고 있고, 이 압전 소자(50L)는 전극(10, 20, 30, 90)으로 이루어지는 4단자 구조를 가지고 있다. 전극(20, 30)은, 신호 생성 회로(104)에 접속되어 있다. 전극(10)은 수신 앰프(106)에 접속되어 있고, 전극(90)은 접지되어 있다.

(압전 소자(50L))

도 25 및 도 26을 참조하여, 초음파 센서(200)에 포함되는 압전 소자(50L)에 대해 설명한다. 도 25는, 압전 소자(50L)를 나타내는 사시도이며, 실시형태 1에서의 도 5에 대응하고 있다. 도 26은, 도 25 중의 XXVI-XXVI선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이며, 실시형태 1에서의 도 9에 대응하고 있다.

본 실시형태에서의 압전 소자(50L)는, 상술한 실시형태 1에서의 압전 소자(50)와 동일하게 하여 케이스(60)(도 2 참조)에 장착된다. 구체적으로는, 본 실시형태에서의 초음파 센서(200)는, 바닥부(62)를 가지는 케이스(60)(도 2)와, 바닥부(62)의 내면(62S)에 접합되어 바닥부(62)와 함께 벤딩 진동하는 압전 소자(50L)를 포함한다.

(압전 소자(50L))

도 24~도 26에 나타내는 바와 같이, 압전 소자(50L)는, 압전체층(40), 전극(10, 20, 30), 및 특정 전극으로서의 전극(90)(접지 전극)을 가지고 있다. 압전체층(40)은, 상술한 실시형태 1의 경우와 동일하게, 직방체상의 형상을 가진다. 도 26에서는, 상면(41), 측면(42) 및 측면(44)이 그려져 있다.

전극(10)(수신용 전극)은, 압전체층(40)의 상면(41) 상에 형성된다. 본 실시형태의 전극(10)은, 원반부(11)로 구성되고, 연출부(12)(도 7 참조)를 가지고 있지 않다.

전극(20)(송신용 전극)은, 측벽부(21), 상면부(22) 및 복수의 중간부(23)(도 26)를 포함한다. 측벽부(21)는, 압전체층(40)의 측면(42)에 대향하고, 측면(42)에 접하고 있다. 상면부(22)는, 측벽부(21)의 화살표(Z) 방향 측의 단부에 이어지도록 설치되고, 압전체층(40)의 상면(41) 상에 배치된다. 복수의 중간부(23)는, 전극(20) 중 압전체층(40)의 내부에 배치되는 부위(내부 전극)이며, 압전 소자(50L)가 완성된 상태에서는 이들은 시각적으로 인지되지 않는다. 복수의 중간부(23) 사이에는, 전극(30)의 중간부(33)가 배치된다.

본 실시형태에서는, 전극(30)도 송신용 전극으로서 기능한다. 전극(30)은, 측벽부(31), 상면부(32) 및 복수의 중간부(33)(도 26)를 포함한다. 측벽부(31)는, 압전체층(40)의 측면(44)에 대향하고, 측면(44)에 접하고 있다. 상면부(32)는, 측벽부(31)의 화살표(Z) 방향 측의 단부에 이어지도록 설치되고, 압전체층(40)의 상면(41) 상에 배치된다. 복수의 중간부(33)는, 전극(30) 중 압전체층(40)의 내부에 배치되는 부위(내부 전극)이며, 압전 소자(50L)가 완성된 상태에서는 이들은 시각적으로 인지되지 않는다. 복수의 중간부(33) 사이에는, 전극(20)의 중간부(23)가 배치된다.

상술한 바와 같이, 전극(90)(접지 전극)은, GND 전위에 접지된다. 본 실시형태의 전극(90)은, 상면부(91), 측벽부(92), 및 하면부(93)를 포함한다. 측벽부(92)는, 압전체층(40)의 측면(42)에 대향하고, 측면(42)에 접하고 있다. 상면부(91)는, 측벽부(92)의 화살표(Z) 방향 측의 단부에 이어지도록 설치되고, 압전체층(40)의 상면(41) 상에 배치된다. 하면부(93)는, 측벽부(92)의 화살표(Z)와는 반대 측의 단부에 이어지도록 설치되고, 압전체층(40)의 하면(46) 상에 배치된다.

(송신용 영역 및 수신용 영역)

도 26을 참조하여, 압전체층(40)의 내부에는, 송신용 영역(40N), 수신용 영역(40M), 및 분리 영역(40V)이 형성된다. 송신용 영역(40N)을 구성하는 1 또는 복수의 단위 압전체층과, 수신용 영역(40M)을 구성하는 1 또는 복수의 단위 압전체층은, 층수가 서로 다르게 구성된다. 본 실시형태에서는, 송신용 영역(40N)은, 제1 단위 압전체층(N1~N8)으로 이루어지는 8층 구조를 가지고 있다. 한편, 수신용 영역(40M)은, 제2 단위 압전체층(M1)의 1층 구조를 가지고 있다.

제1 단위 압전체층(N1~N8)은, 케이스(60)(도 2)의 바닥부(62)로부터 멀어지는 방향으로 적층된다. 제1 단위 압전체층(N1~N8)은, 전극(20)(송신용 전극)의 상면부(22) 및 중간부(23), 그리고 전극(30)(송신용 전극)의 상면부(32) 및 중간부(33)에 의해 전기적으로 병렬 접속된다.

전극(90)(접지 전극)은, 분리 영역(40V)을 사이에 두고 이웃하는 송신용 영역(40N) 및 수신용 영역(40M) 쌍방에 이르러 확산되는 형상을 가지고 있다. 전극(20)의 상면부(22)는, 제1 단위 압전체층(N1~N8)을 포함하는 송신용 영역(40N)을 사이에 끼워, 전극(90)의 하면부(93)에 대향하고 있다. 전극(10)은, 제2 단위 압전체층(M1)을 포함하는 수신용 영역(40M)을 사이에 끼워, 전극(90)의 하면부(93)에 대향하고 있다. 또한, 전극(90)은, 압전체층(40)을 통해 적어도 수신용 영역(40M)에 대향하고 있으면, 상면부(91) 및 측벽부(92)를 포함하고 있지 않아도 상관없다.

본 실시형태에서는, 압전체층(40) 중, 전극(20)의 상면부(22)와 압전체층(N7, N8)에 끼이는 전극(20)(중간부(23)) 사이에 위치하는 영역, 전극(20)의 중간부(23)와 전극(30)의 상면부(32) 사이에 위치하는 영역, 및 전극(30)의 상면부(32)와 압전체층(N7, N8)에 끼이는 전극(20)(중간부(23)) 사이에 위치하는 영역이, 송신용 영역(40N)으로서 기능한다. 전극(10)과 전극(90)의 하면부(93) 사이에 위치하는 영역이, 수신용 영역(40M)으로서 기능한다.

송신용 영역(40N)과 수신용 영역(40M)은, 케이스(60)의 바닥부(62)의 내면(62S)의 표면 방향(X-Y면 방향)에서, 분리 영역(40V)(절연 영역)을 통해 서로 이웃하는 위치에 형성되어 있다. 구체적으로는, 압전체층(40)의 중심부에 수신용 영역(40M)이 마련되어 있다. 도 26에서는, 송신용 영역(40N)이 복수 도시되어 있지만, 이들은 연결되어 있고, 수신용 영역(40M)을 둘러싸도록 수신용 영역(40M)보다도 지름 방향의 외측인 주변부에 송신용 영역(40N)이 마련되어 있다.

상기 구성에 따라서도, 상술한 실시형태 1과 동일한 작용 및 효과가 얻어진다. 또한, 전극(90)이 전극(30)과 분리되어 있고, 전극(90)이 접지되어 있으므로, 케이스(60)로부터 정전기가 진입한 경우라도, 전하가 신속하게 GND 전위로 떨어지기 때문에, 신호 생성 회로(104)나 수신 앰프(106)가 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 케이스(60)가 안정적으로 GND 전위가 되기 때문에, 전자(電磁) 노이즈를 억제하는 것이 가능해진다.

[다른 실시형태]

상술한 각 실시형태에서는, 압전 소자는 티탄산지르콘산납계 세라믹스로 이루어져 있지만, 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 압전 소자는 니오브산칼륨나트륨계나 알칼리니오브산계 세라믹스 등의 비(非)납계 압전 세라믹스의 압전 재료 등으로 이루어져 있어도 된다. 상술한 각 실시형태에서는, 실리콘(71, 72)은, 실리콘 수지로 이루어져 있지만, 이에 한정되는 것이 아니다. 수지로 이루어지는 것이라면, 예를 들면 우레탄 수지나 실리콘 발포 수지로 이루어져 있어도 된다. 상술한 각 실시형태에서는, 압전 소자의 외형은 직방체이지만, 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 압전 소자의 외형이 원통 형상이었다고 해도, 실시형태 1과 동일한 작용 및 효과가 얻어진다.

이상, 본 발명에 기초한 각 실시형태에 대해 설명했지만, 상기의 개시 내용은 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니다. 본 발명의 기술적 범위는 청구범위에 의해 나타내고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1, 1L: 센서 장치
10: 전극(수신용 전극)
10C, 20C, 30C: 접속 부분
11: 원반부
12, 22a, 22c: 연출부
13, 14, 23, 24, 33: 중간부
20: 전극(송신용 전극)
21, 31, 92: 측벽부
22, 32, 32M, 91: 상면부
22b: 접속부
23H, 24H, 32H, 33H: 중공부
23T, 24T, 32T, 33T: 절단부
30: 전극(공통 전극, 특정 전극)
32F: 후퇴부
34, 93: 하면부
40: 압전체층
40M: 수신용 영역
40N: 송신용 영역
40V: 분리 영역
41, 41a, 41b, 41c: 상면
42, 43, 44, 45: 측면
46: 하면
50, 50A, 50B, 50C, 50D, 50E, 50F, 50G, 50H, 50I, 50K, 50L: 압전 소자
60: 케이스
61: 통상부
62: 바닥부
62S: 내면
62T: 외면
63: 흡음재
64: 접착제
65: 접합제
71, 72: 실리콘
80T: 선단부
81, 82, 83: 배선 패턴
90: 전극(접지 전극, 특정 전극)
100, 200: 초음파 센서
101: 마이크로 컴퓨터
102: 메모리
103: 검출 회로
104: 신호 생성 회로
105: 전원
106: 수신 앰프
M1, M2, M3, M4: 제2 단위 압전체층
N1, N2, N3, N4, N5: 제1 단위 압전체층
TM, TN: 두께
X, Y, Z: 화살표

Claims

바닥부를 가지는 케이스와,
상기 바닥부의 내면에 접합되어, 상기 바닥부와 함께 벤딩(bending) 진동하는 압전 소자를 포함하고,
상기 압전 소자는,
송신용 영역 및 수신용 영역을 포함하는 압전체층과,
특정 전극과,
상기 송신용 영역을 사이에 끼워 상기 특정 전극에 대향하는 송신용 전극과,
상기 수신용 영역을 사이에 끼워 상기 특정 전극에 대향하는 수신용 전극을 가지고,
상기 송신용 영역 및 상기 수신용 영역은, 서로 이웃하는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
상기 송신용 전극과 상기 특정 전극 사이의 임피던스는, 상기 수신용 전극과 상기 특정 전극 사이의 임피던스와는 다른 값인 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제2항에 있어서,
상기 송신용 전극과 상기 특정 전극 사이의 임피던스는, 상기 수신용 전극과 상기 특정 전극 사이의 임피던스보다도 낮은 값인 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 송신용 영역 및 상기 수신용 영역은, 상기 바닥부의 상기 내면에 수직인 방향에서 서로 이웃하는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 송신용 영역 및 상기 수신용 영역은, 상기 바닥부의 상기 내면의 표면 방향에서 서로 이웃하는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제5항에 있어서,
상기 바닥부의 내면에 수직인 방향으로 상기 압전 소자를 봤을 때 상기 압전 소자의 중심부에 상기 수신용 영역이 마련되어 있고, 상기 수신용 영역을 둘러싸도록, 상기 수신용 영역보다도 지름 방향의 외측인 주변부에 상기 송신용 영역이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 특정 전극은, 상기 송신용 영역 및 상기 수신용 영역 쌍방에 이르러 확산되는 형상을 가지는 공통 전극인 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 송신용 영역은, 하나의 제1 단위 압전체층, 또는 상기 바닥부로부터 멀어지는 방향으로 적층되면서 전기적으로 병렬 접속된 복수의 제1 단위 압전체층을 포함하고,
상기 수신용 영역은, 하나의 제2 단위 압전체층, 또는 상기 바닥부로부터 멀어지는 방향으로 적층되면서 전기적으로 병렬 접속된 복수의 제2 단위 압전체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제8항에 있어서,
상기 제1 단위 압전체층의 층수는, 상기 제2 단위 압전체층의 층수 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 송신용 영역은, 하나의 내부 전극, 또는 상기 바닥부로부터 멀어지는 방향으로 적층되면서 전기적으로 병렬 접속된 복수의 내부 전극을 포함하고,
상기 수신용 영역은, 하나의 내부 전극, 또는 상기 바닥부로부터 멀어지는 방향으로 적층되면서 전기적으로 병렬 접속된 복수의 내부 전극을 포함하며,
상기 송신용 영역 및/또는 상기 수신용 영역에 포함되는 상기 내부 전극의 형상은, 환상(環狀)인 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 송신용 영역 중 상기 바닥부의 상기 내면에 접합되는 측의 면의 표면적은, 상기 수신용 영역 중 상기 바닥부의 상기 내면에 접합되는 측의 면의 표면적 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바닥부에 대하여 직교하는 방향에서의 상기 송신용 영역의 두께는, 동(同) 방향에서의 상기 수신용 영역의 두께 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
바닥부를 가지는 케이스와,
상기 바닥부의 내면에 접합되어, 상기 바닥부와 함께 벤딩 진동하는 압전 소자를 포함하고,
상기 압전 소자는,
송신용 영역, 수신용 영역, 및 분리 영역을 포함하는 압전체층과,
특정 전극과,
상기 송신용 영역을 사이에 끼워 상기 특정 전극에 대향하는 송신용 전극과,
상기 수신용 영역을 사이에 끼워 상기 특정 전극에 대향하는 수신용 전극을 가지고,
상기 송신용 영역 및 상기 수신용 영역은, 상기 분리 영역을 통해 서로 이웃하는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제13항에 있어서,
상기 특정 전극은, 상기 분리 영역 중에 이르도록 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 송신용 전극은, 상기 분리 영역 중에 이르도록 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수신용 전극은, 상기 분리 영역 중에 이르도록 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.