KR20170077374A - 압전 단결정을 구비하는 초음파 센서 - Google Patents

압전 단결정을 구비하는 초음파 센서 Download PDF

Info

Publication number
KR20170077374A
KR20170077374A KR1020150187200A KR20150187200A KR20170077374A KR 20170077374 A KR20170077374 A KR 20170077374A KR 1020150187200 A KR1020150187200 A KR 1020150187200A KR 20150187200 A KR20150187200 A KR 20150187200A KR 20170077374 A KR20170077374 A KR 20170077374A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
case
piezoelectric element
sound absorbing
filler
ultrasonic sensor
Prior art date
Application number
KR1020150187200A
Other languages
English (en)
Inventor
이호용
백원선
이성민
김동호
Original Assignee
주식회사 세라콤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 세라콤 filed Critical 주식회사 세라콤
Priority to KR1020150187200A priority Critical patent/KR20170077374A/ko
Publication of KR20170077374A publication Critical patent/KR20170077374A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0648—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element of rectangular shape
    • H01L41/09—

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

본 발명은 내부공간을 구비하는 케이스; 상기 케이스의 바닥면에 부착되는 압전 소자; 상기 압전 소자 위에 배치되는 흡음제; 상기 흡음제 위에 배치되는 온도보상용 캐패시터; 및 상기 케이스 내부공간에 충진되어 상기 압전 소자, 상기 흡음제 및 상기 온도보상용 커패시터를 감싸는 충전제를 포함한다. 여기서, 상기 압전 소자는 하기 화학식 1의 조성을 갖는 지르코늄(Zr)을 포함하는 페로브스카이트형 구조([A][B]O3)의 압전 단결정을 포함할 수 있다.
<화학식 1>
[A][(MN)1-x-yTixZry]O3
여기서, A는 Pb, Sr, Ca, Ba 및 Bi으로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 한 종 이상이며, M은 Ce, Co, Fe, In, Lu, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb 및 Zn 으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며, N은 Nb, Sb, Ta 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며, x 및 y는 각각 하기의 조건을 만족한다.
0.05≤x≤0.58 (몰비),
0.05≤y≤0.62 (몰비).

Description

압전 단결정을 구비하는 초음파 센서 {ULTRASONIC SENSOR WITH PIEZOELECTRIC SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 초음파 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압전 소자의 진동에 의해 초음파를 발생하고, 반사체로부터 반사되는 초음파를 감지하는 초음파 센서에 관한 것이다.
초음파 센서는 압전 세라믹 소자의 기계적인 진동에 의해 가청주파수 이상의 주파수를 가진 초음파를 발생하거나 반사체로부터 반사되어 되돌아오는 초음파를 감지하여 전기적 신호로 변환하여 물체의 유무 및 위치식별 정보를 제공하는 것을 말한다. 이러한 초음파 센서는 산업용 자동화기기 및 로봇, 자동차용 후방경보 장치, 자동주차유도시스템 등에 널리 이용되고 있다.
도 1은 종래 초음파 센서의 단면도이다. 초음파 센서는 도 1에 도시된 바와 같이, 금속으로 만들어진 통형상의 케이스(11)와, 케이스(11)의 내부 바닥에 부착되어 초음파 진동을 발생시키는 압전 소자(12)와, 방사되는 초음파를 흡수하여 불필요한 음향신호를 차폐하기 위한 흡음제(13)와, 이들을 감싸도록 형성되는 탄성 물질의 실리콘 충전제(17)를 포함한다. 압전 소자(12)는 (+)와이어(21)로 전기적으로 연결되고, 리드 와이어(23)는 케이스(11) 및 (+)와이어(21)로부터 연결되어 전기적 신호를 초음파 센서에 인가하고 초음파 센서에서 수신되는 전기적 신호를 전달한다. 납땜부(25)는 케이스(11)와 리드 와이어(23) 및 (+)와이어(21)와 리드 와이어(23)를 전기적으로 접속시킨다.
그러나, 종래의 초음파 센서는 기계적인 진동으로 인해 발생하는 잔여진동 문제가 있다. 초음파 센서는 압전효과 또는 전왜효과에 의해 압전 소자(12)에 전기적인 신호가 인가되면 케이스(11)와 에폭시 접착제에 의해 접착된 압전 소자(12)도 굴곡 변형이 발생하여 전방으로 음압을 발생시키는 원리로 동작한다. 이때 초음파 발생을 위한 메인신호에 의한 동작 이후에도 케이스(11) 자체의 고유 공진주파수에 의해 잔여진동을 계속하게 되고 이 잔여진동은 다시 압전 소자(12)에 의해 전기적인 신호로 변환되어 수신기로 되돌아가게 된다. 이렇게 되돌아오는 신호는 사실상 장애물 등과 같은 물체 탐지와 무관하게 생성되는 신호이므로 잔여진동이 길어지게 되면, 초음파 센서에 의한 장애물 감지가 어려워진다.
종래 초음파 센서는 이러한 케이스(11)의 잔여진동을 줄이면서 케이스(11) 내부에 위치한 부품들을 보호하기 위해 케이스(11) 내부에 탄성 물질인 실리콘 수지 계열의 충전제를 사용하고 있으나, 잔여 진동을 제거하기에는 충분하지 못한 문제점이 있다. 또한, 종래 초음파 센서에 사용되는 압전 세라믹 소자는 유전상수 및 압전상수가 낮고, 제작이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 케이스에 의한 잔여 진동을 최소화하여 센싱의 감도를 높이고, 압전특성 및 기계적 특성이 향상되며, 제작이 용이한 초음파 센서를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서는 내부공간을 구비하는 케이스; 상기 케이스의 바닥면에 부착되는 압전 소자; 상기 압전 소자 위에 배치되는 흡음제; 상기 흡음제 위에 배치되는 온도보상용 캐패시터; 및 상기 케이스 내부공간에 충진되어 상기 압전 소자, 상기 흡음제 및 상기 온도보상용 커패시터를 감싸는 충전제를 포함한다. 여기서, 상기 압전 소자는 하기 화학식 1의 조성을 갖는 지르코늄(Zr)을 포함하는 페로브스카이트형 구조([A][B]O3)의 압전 단결정을 포함할 수 있다.
<화학식 1>
[A][(MN)1-x-yTixZry]O3
여기서, A는 Pb, Sr, Ca, Ba 및 Bi으로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 한 종 이상이며, M은 Ce, Co, Fe, In, Lu, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb 및 Zn 으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며, N은 Nb, Sb, Ta 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며, x 및 y는 각각 하기의 조건을 만족한다.
0.05≤x≤0.58 (몰비),
0.05≤y≤0.62 (몰비).
또한, 상기 케이스의 측벽은 상기 압전 소자가 부착되는 바닥면으로부터 상부로 갈수록 그 두께가 점진적으로 감소할 수 있다.
또한, 상기 충전제는 복수개의 층으로 이루어지되, 상기 케이스의 바닥면으로부터 상부로 갈수록 각 층의 탄성이 점진적으로 증가 또는 감소할 수 있다.
또한, 상기 케이스의 측벽은 계단형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 케이스의 측벽은 선형적으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 케이스의 측벽은 비선형적으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 압전 소자는 직사각형 또는 타원형으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 압전 소자의 장축(A)과 단축(B)의 비(A/B)가 "2" 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서는 케이스에 의한 잔여진동을 감소시키고, 유전상수, 압전상수 및 전기기계결합계수가 높은 압전 단결정을 사용하여 초음파 센서의 송수신 특성을 개선할 뿐만 아니라 제작이 용이하여 대량생산의 효율성을 높이는 효과를 제공한다.
도 1은 종래 초음파 센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서의 단면도이다.
도 3은 압전 소자의 형상을 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 센서의 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서의 단면도이고, 도 3은 압전 소자의 형상을 나타낸 평면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서는 케이스(31), 압전소자(32), 흡음제(33), 온도보상용 캐패시터(34), 보강용 기판(35) 및 제1 내지 제3 충전제(36, 37, 38)을 포함한다.
케이스(31)는 내부공간에 초음파 센서로서의 기능을 구현할 수 있는 부품들이 내장될 수 있도록 통 형상으로 이루어질 수 있다. 즉, 케이스(31)는 바닥면과, 바닥면 둘레에 수직인 형태로 형성되는 측벽으로 구성된다. 케이스(31)의 내부에는 후술할 제1 내지 제3 충전제(36, 37, 38)에 의해 내장 부품들이 밀봉된다.
특히, 케이스(31)의 측벽은 기계적 강도를 높이면서 잔여진동을 줄일 수 있도록 바닥면에서 상부로갈수록 측벽의 두께(W)가 점진적으로 얇아지도록 구성될 수 있다. 본 실시예에서는 케이스(31)의 측벽 두께가 선형적으로 감소하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 측벽 두께가 비선형적(예를 들면, 2차 곡선 등)으로 감소 또는 증가할 수도 있다. 또한, 케이스(11)는 금속 재료로 형성될 수 있다.
압전 소자(32)는 케이스(31) 내부의 바닥면에 에폭시 등의 접착제를 이용하여 부착될 수 있다. 또한, 압전 소자(32)의 형상은 도 3에 도시된 바와 같이, 위에서 보았을 때, 장축(A)과 단축(B)으로 이루어진 직사각형 또는 타원형으로 이루어질 수 있다. 이 장축(A)과 단축(B)의 비(A/B)는 "2" 이상일 수 있다. 상기 압전 소자의 장축(A)과 단축(B)의 비(A/B)가 "2" 이상인 경우, 초음파의 파형과 감지 영역을 원형에서 타원형으로 변형할 수 있어 특정 영역의 선택적인 감지가 가능하고, 특히 자동차용 초음파 센서의 경우에는 상하 방향보다는 좌우 방향으로 더 넓게 선택적으로 감지하면 BSD(Blind Spot Detection) 등에 더욱 유리하다.
압전 소자(32)의 재질에 대해서는 뒤에서 자세히 설명하기로 한다.
흡음제(33)는 압전 소자(32)의 상부에 소정 간격을 두고 이격 배치되어 압전 소자(32)에서 발생된 초음파의 에너지를 분산하여 흡수한다. 이러한 흡음제(33)는 스폰지, 솜 또는 부직포 등으로 제작될 수 있고, 바람직하게는 펠트로 제작될 수 있다. 또한, 흡음제(13)의 형상은 바람직하게는 압전 소자(32)의 형상과 대응되는 형상(직사각형 또는 타원형)으로 이루어질 수 있으나, 그 형상은 원형 등 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 흡음제(33)의 상부면에는 보호필름이 부착될 수도 있다.
온도보상용 캐패시터(34)는 환경온도의 변화에 대한 초음파 센서의 특성 변화를 제어하는 것으로서, 도 2에서 도시된 바와 같이, 흡음제(33) 위에 배치된다. 이러한 온도보상용 캐패시터(34)의 두께는 매우 얇아 손상되기 쉬운 구조이므로, 적어도 하나의 면에 부착된 보강용 기판(35)에 의해서 기계적인 충격 및 제조공정상의 납땜 등과 같은 열충격에 대해 보호될 수 있다. 보강용 기판(35)은 온도보상용 캐패시터(34) 면의 절반 이상을 커버할 수 있도록 부착될 수 있다. 여기서, 온도보상용 캐패시터(34)는 양면이 있는 평판형태이면서 극성은 있되, 양면에 전극이 있는 대칭형인 것이 바람직하고, 보강용 기판(35)은 인쇄용회로기판(PCB) 또는 알루미나 판과 같은 단단한 재질의 기판일 수 있다. 또한, 온도보상용 캐패시터(34) 및 보강용 기판(35)은 케이스(31) 내부의 바닥면에 대해 수직하게 세워져 배치될 수 있다.
압전소자(32)와 온도보상용 캐패시터(34)의 한 면은 (+)와이어(L1)에 의해서 전기적으로 연결되고, 케이스(31)와 온도보상용 캐패시터(34)의 반대 면은 (-)와이어(L2)에 의해서 전기적으로 연결될 수 있다. 리드와이어(L3)는 초음파 센서와 외부 구동회로의 연결을 위하여 온도보상용 캐패시터(34) 또는 보강용 기판(35)과 전기적으로 연결될 수 있고, 이러한 리드와이어(L3)는 리드핀으로 대체되어 외부 구동회로와 용이하게 연결될 수도 있다. 이와 같은 전기적 연결은 납땜부(39)에 의해 이루어질 수 있다.
상기와 같은 케이스(31) 내의 내장부품들(압전소자, 흡음제, 온도보상용 커패시터, 보강용 기판) 사이의 공간에는 제1 충전제(36), 제2 충전제(37) 및 제3 충전제(38)가 층을 이루면서 순차적으로 적층된다.
먼저, 제1 충전제(36)는 압전 소자(32), 흡음제(33)와 케이스(31) 내부의 측벽 사이 공간에 채워진다. 제1 충전제(36)는 흡음제(33)의 윗면을 덮을 수 있도록 케이스(31) 내부 바닥면으로부터 압전 소자(32) 및 흡음제(33)가 형성하는 층 구조물의 높이 이상까지 채워질 수 있다. 이때, 압전 소자(32)의 진동 특성 불균형을 막고 완성품의 노이즈를 억제하기 위하여, 흡음제(33) 윗면 상에 충전되는 제1 충전제(36)는 얇고 고르게 펴지도록 충전된다.
이러한 제1 충전제(36)는 초음파 발생을 위한 진동신호가 멈추었을 때, 잔여진동에 의해 불필요한 잔향신호가 나타나는 것을 줄여주는 역할을 할 수 있다. 아울러, 제1 충전제(36)는 탄성을 가지는 실리콘 수지 계열의 충전제인 것이 바람직하다.
제2 충전제(37)는 온도보상용 캐패시터(34) 및 보강용 기판(35)을 대략 중간 부분까지 감싸도록 형성되고, 제2 충전제(37)에는 분말 충전물이 혼합된다. 이러한 제2 충전제(37)는 온도보상용 캐패시터(34) 및 보강용 기판(35)을 케이스(31) 안에 고정시키면서, 초음파 센서 구동시 구동신호가 중단된 이후에 일어나는 기구적인 잔여진동을 줄이고, 초음파 센서의 잔향시간을 제어할 수 있다.
여기서, 제2 충전제(37)는 실리콘 수지와 분말 충전물이 혼합된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 실리콘수지의 점도는 1~1000 Pa.s(Pascal second)일 수 있고, 분말 충전물의 입자 크기는 1~200 ㎛일 수 있으며, 분말 충전물로는 이산화티타늄과 같은 무기 산화물이나 탄화물 혹은 그래스 파이버 등이 사용될 수 있으나 가격이나 수급 측면에서 유리한 이산화규소를 사용하는 것이 바람직하다.
이때, 실리콘 수지와 분말 충전물간의 혼합비는 사용하고자 하는 제2 충전제(37)의 점도에 따라 달라질 수 있고, 제2 충전제(37) 내 분말 충전물의 중량비는 유동성 및 제작공정을 고려해 볼 때, 10~80 wt% 되도록 배합할 수 있다. 특히, 제2 충전제(37) 내 실리콘 수지의 점도가 대략 20 Pa.s이고, 분말 충전물의 입자 크기가 1~200 ㎛인 이산화규소를 사용했을 때, 충전되는 분말 충전물의 중량비는 30~70 wt%가 가장 바람직하다. 아울러, 제2 충전제(37)는 흐름성을 지니고 있기 때문에, 상술한 바와 같이 제2 충전제(37)가 압전 소자 (32)와 흡음제(33) 사이로 스며드는 것을 억제하고 흡음제(33) 내부로 흘러 들어가는 것을 방지해야 한다. 이를 위해 흡음제(33) 윗면에 얇고 고르게 펴진 형태로 형성되는 제1 충전제(36) 구조가 있을 수 있고, 흡음제(33) 윗면에 보호필름을 채용하여 부착시킬 수도 있다.
제3 충전제(38)는 케이스(31) 내의 최상층에 적층되어 온도보상용 캐패시터(34) 및 보강용 기판(35)의 나머지 상부를 모두 덮을 수 있도록 채워진다. 제3 충전제(38)는 앞에서 설명한 바와 같이, 실리콘 수지와 분말 충전물이 혼합된 것을 사용할 수 있다.
이러한 제1 내지 제3 충전제(36, 37, 38)는 잔여진동을 줄일 수 있도록 서로 다른 탄성 또는 점성을 가질 수 있다. 즉, 제1 내지 제3 충전제(36, 37, 38)는 점진적으로 탄성 또는 점성이 증가하거나 감소하는 형태로 이루어질 수 있다. 이러한 제1 내지 제3 충전제(36, 37, 38)의 탄성 또는 점성은 재질의 종류, 분말 충전물의 혼합비 등을 조절하여 변경할 수 있다.
압전 소자(32)는 유전상수, 압전상수와 전기기계결합계수가 높고, 제작이 용이하도록 하기 화학식 1의 조성을 갖는 지르코늄(Zr)을 포함하는 페로브스카이트형 구조([A][B]O3)의 압전 단결정으로 이루어질 수 있다.
<화학식 1>
[A][(MN)1-x-yTixZry]O3
여기서, A는 Pb, Sr, Ca, Ba 및 Bi으로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 한 종 이상이며, M은 Ce, Co, Fe, In, Lu, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb 및 Zn 으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며, N은 Nb, Sb, Ta 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이다.
또한, x 및 y는 각각 하기의 조건을 만족할 수 있다.
조건 1: 0.05≤x≤0.58 (몰비)
조건 2: 0.05≤y≤0.62 (몰비)
실시예 1
본 실시예에서는 하기 화학식 2 조성의 단결정을 고상 단결정 성장법으로 제조하였다.
<화학식 2>
[Pb][(Mg1/3Nb2/3)(1-x-y)TixZry]O3
(0.25≤x≤0.58; 0.05≤y≤0.62)
즉, 본 실시예에서는 화학식 2 조성의 세라믹 분말을 쿨롬바이트 (Columbite)법을 이용하여 제조하였다. 먼저 MgO와 Nb2O5 분말을 볼밀링하여 혼합한 후에 하소하여 MgNb2O6 상을 제조하고, PbO, MgNb2O6, TiO2, ZrO2 분말들을 다시 혼합하고 하소하여 페로브스카이트상 분말을 제조하였다. 제조된 화학식 2 분말에 과량의 PbO를 첨가하여 혼합 분말들을 만들었다. 제조된 혼합분말들을 성형한 후에 200 MPa의 정수압으로 가압 성형하였고, 분말 성형체는 900℃와 1300℃ 사이의 여러 온도들에서 25℃ 간격으로 100 시간까지 각각 열처리하였다. 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기(R)를 비정상 입자의 생성이 일어나는 임계 크기의 0.5배 이상 2배 이하인 크기 범위(0.5Rc≤R≤2Rc)로 조절할 수 있는 조건으로서, 첨가되는 과량 PbO의 양이 10~20 mol% 범위로 결정되었고, 열처리 온도가 1000~1150℃ 범위로 결정되었다. 이와 같이 제조된 다결정체 위에 Ba(Ti0.7Zr0.3)O3 종자 단결정을 올려놓고 열처리하였고, 종자 단결정의 다결정체내로의 연속적인 성장을 이용하여 다결정체 조성의 단결정을 제조하였다.
상기 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기(R)를 비정상 입자의 생성이 일어나는 임계 크기(비정상 입자의 개수 밀도가 0(zero)이 되는 기지상 입자들의 평균 크기, Rc)의 0.5배 이상 2배 이하인 크기 범위(0.5Rc≤R≤2Rc)로 조절하였을 때, 종자 단결정은 다결정체 내부로 연속적으로 성장하였다. 본 실시예에서는 과량 PbO의 양과 열처리 온도를 조절하였을 때, 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기(R)를 비정상 입자의 생성이 일어나는 임계 크기의 0.5배 이상 2배 이하인 크기 범위로 조절할 수 있었다. 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기(R)를 0.5Rc≤R≤2Rc의 범위로 조절하였을 때, 열처리 중에 Ba(Ti0.7Zr0.3)O3 종자 단결정이 화학식 2 다결정체 내부로 연속적으로 성장하여 다결정과 같은 조성의 단결정이 제조되었고, 성장한 단결정의 크기는 10x10 ㎟ 이상이었다.
실시예 2
본 실시예에서는 하기 화학식 3 조성의 단결정을 고상 단결정 성장법으로 제조하였다.
<화학식 3>
[Pb0.97Sr0.03][(Mg1/3Nb2/3)0.4Ti(0.6-y)Zry]O3
(0.05≤y≤0.62)
즉, 본 실시예에서는 화학식 3 조성의 페로브스카이트상 세라믹 분말을 실시예 1과 같은 방법으로 제조하였고, y값은 각각 0.19, 0.21, 0.23, 0.25, 0.27, 0.29와 0.31로 설정하였다. 제조된 페로브스카이트상 분말에 과량의 PbO 분말을 0, 5, 10, 15, 20, 25와 30 mol%로 변화시키면서 첨가하여 과량의 PbO가 포함된 여러 조성의 분말들을 만들었다. 과량 PbO가 첨가된 분말 성형체는 900℃와 1300℃ 사이의 여러 온도들에서 25℃ 간격으로 100 시간까지 열처리하여 다결정체에서의 비정상 입성장 거동 및 비정상 입자들의 개수 밀도를 조사하였다.
다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기(R)를 비정상 입자의 생성이 일어나는 임계 크기의 0.5배 이상 2배 이하인 크기 범위(0.5Rc≤R≤2Rc)로 조절할 수 있는 조건으로서, 첨가되는 과량 PbO의 양이 20 mol%로 결정되었고, 열처리 온도범위는 1100℃ 에서 1150℃ 사이로 결정되었다. 이와 같이 본 실시예에서는 첨가되는 과량의 PbO의 양과 열처리 온도를 조절함으로써 다결정체의 기지상 입자들의 크기를 조절하였지만, 그 이외에도, 열처리 시간, 열처리 분위기(시편 주위의 산소분압(oxygen partial pressure), 시편 주위의 PbO 분압(PbO partial pressure)) 등의 조건들을 조절함으로써 다결정체의 기지상 입자들의 크기를 조절할 수도 있었다. 즉, 상기와 같이 1150℃로 열처리하여 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기가 조절되어 비정상 입자의 개수 밀도가 감소된 다결정체 위에 Ba(Ti0.7Zr0.3)O3 종자 단결정을 올려놓고 1100℃에서 300 시간 동안 다시 열처리하였고, 종자 단결정의 다결정체내로의 연속적인 성장을 이용하여 다결정체 조성의 단결정을 제조하였다(2단계 열처리에 의한 단결정의 제조).
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 센서의 단면도이다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서는 앞선 실시예와 케이스의 형상만 다르고 나머지 구성은 동일하다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 케이스(31-1)는 그 측벽의 두께가 바닥면에서 상부로 갈수록 점진적으로 감소하되, 단차(층)가 형성된 계단 형상으로 이루어진다. 각 단차(층)의 높이는 대응 위치에 충진된 각 충전제의 높이와 동일하게 이루어질 수 있다. 이러한, 케이스의 단차(층)의 개수는 다양하게 변경될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
11 : 케이스
12 : 압전 소자
13 : 흡음제
17 : 충전제
21 : (+)와이어
23 : 리드와이어
25 : 납땜부
31 : 케이스
31-1 : 케이스
32 : 압전 소자
33 : 흡음제
34 : 온도보상용 커패시터
35 : 보강용 기판
36 : 제1 충전제
37 : 제2 충전제
38 : 제3 충전제
39 : 납땜부
L1 : (+)와이어
L2 : (-)와이어
L3 : 리드와이어

Claims (6)

  1. 초음파 센서에 있어서,
    내부공간을 구비하는 케이스;
    상기 케이스의 바닥면에 부착되는 압전 소자;
    상기 압전 소자 위에 배치되는 흡음제;
    상기 흡음제 위에 배치되는 온도보상용 캐패시터; 및
    상기 케이스 내부공간에 충진되어 상기 압전 소자, 상기 흡음제 및 상기 온도보상용 커패시터를 감싸는 충전제를 포함하며,
    상기 압전 소자는 하기 화학식 1의 조성을 갖는 지르코늄(Zr)을 포함하는 페로브스카이트형 구조([A][B]O3)의 압전 단결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
    <화학식 1>
    [A][(MN)1-x-yTixZry]O3
    여기서, A는 Pb, Sr, Ca, Ba 및 Bi으로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 한 종 이상이며, M은 Ce, Co, Fe, In, Lu, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb 및 Zn 으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며, N은 Nb, Sb, Ta 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며, x 및 y는 각각 하기의 조건을 만족함
    0.05≤x≤0.58 (몰비)
    0.05≤y≤0.62 (몰비)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 측벽은 상기 압전 소자가 부착되는 바닥면으로부터 상부로 갈수록 그 두께가 점진적으로 감소하고,
    상기 충전제는 복수개의 층으로 이루어지되, 상기 케이스의 바닥면으로부터 상부로 갈수록 각 층의 탄성이 점진적으로 증가 또는 감소하며,
    상기 압전 소자는 직사각형 또는 타원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 케이스의 측벽은 계단형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 케이스의 측벽은 선형적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 케이스.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 케이스의 측벽은 비선형적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 케이스.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 압전 소자의 장축(A)과 단축(B)의 비(A/B)가 2 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
KR1020150187200A 2015-12-28 2015-12-28 압전 단결정을 구비하는 초음파 센서 KR20170077374A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150187200A KR20170077374A (ko) 2015-12-28 2015-12-28 압전 단결정을 구비하는 초음파 센서

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150187200A KR20170077374A (ko) 2015-12-28 2015-12-28 압전 단결정을 구비하는 초음파 센서

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20170077374A true KR20170077374A (ko) 2017-07-06

Family

ID=59354494

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150187200A KR20170077374A (ko) 2015-12-28 2015-12-28 압전 단결정을 구비하는 초음파 센서

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20170077374A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220260712A1 (en) * 2019-06-04 2022-08-18 Tdk Electronics Ag Ultrasonic Transducer and Method for Producing an Ultrasonic Transducer

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220260712A1 (en) * 2019-06-04 2022-08-18 Tdk Electronics Ag Ultrasonic Transducer and Method for Producing an Ultrasonic Transducer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4795748B2 (ja) 圧電アクチュエータ
Tressler et al. Piezoelectric sensors and sensor materials
US8119022B2 (en) Piezoelectric single crystal and method of production of same, piezoelectric element, and dielectric element
JP4792039B2 (ja) 無鉛強誘電／電歪セラミックス材料
WO2006030940A1 (ja) 圧電センサ
US7443085B2 (en) Piezoelectric actuator
CN103219460B (zh) 压电体元件及压电体装置
JP6531394B2 (ja) 複合圧電磁器および圧電素子
JP2001509312A (ja) 超音波変換器のためのリラクサー強誘電体単結晶
JPH09100156A (ja) 誘電体磁器組成物
KR101779899B1 (ko) 압전 단결정을 구비하는 적층형 압전 액추에이터
KR20170077374A (ko) 압전 단결정을 구비하는 초음파 센서
CN115385689A (zh) 一种铌镁酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法
KR20180085906A (ko) 압전 단결정을 구비하는 초음파 센서
EP0581481B1 (en) Bismuth layer compound
EP2061101A2 (en) Piezoelectric device, angular velocity sensor, and method of manufacturing a piezoelectric device
US11329213B2 (en) Magnetoelectric composite material and method of manufacturing the same
JP2016181841A (ja) 超音波センサー及びその駆動方法
WO2003042687A1 (en) Ultrasonic probe
JP2007071757A (ja) 振動体及びそれを用いた振動ジャイロ
JPH11100265A (ja) 圧電磁器組成物
JP2021064735A (ja) 電子デバイス用素子
JP5011140B2 (ja) 圧電磁器組成物及びその製造方法並びに圧電素子
JP6511871B2 (ja) 圧電組成物、圧電素子およびその製造方法ならびに超音波探触子
JP2021064734A (ja) 電子デバイス用素子

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application