KR20210009977A - 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서 - Google Patents

다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서 Download PDF

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Abstract

단일 압전소자를 사용하여 2가지의 동작모드를 구현하는 것이 가능하도록 설계된 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서는 전도성 케이스; 상기 전도성 케이스의 일면에 부착된 압전소자; 상기 압전소자와 전기적으로 연결된 제1 리드선; 및 상기 전도성 케이스와 전기적으로 연결된 제2 리드선;을 포함하며, 상기 압전소자는 두께 방향으로 수축 및 팽창하는 제1 압전 세라믹층과, 상기 두께 방향과 교차하는 직경 방향으로 수축 및 팽창하는 제2 압전 세라믹층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서{ULTRASONIC SENSOR USING SINGLE PIEZOELECTRIC DEVICE HAVING MULTIPLE FREQUENCIES}
본 발명은 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 압전소자를 사용하여 2가지의 동작모드를 구현하는 것이 가능하도록 설계된 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서에 관한 것이다.
초음파 센서는 압전 방식과 자왜 방식의 2가지 종류가 일반적으로 사용되고 있다.
압전 방식의 초음파 센서는 수정, PZT, 압전 폴리머 등의 물체에 압력을 가하면 전압이 유기되고, 반대로 전압을 가하면 진동을 유발하는 현상을 이용한다.
그리고, 자왜 방식의 초음파 센서는 철, 니켈, 코발트 합금 등에 나타나는 줄 효과(Joule effect)와 빌라리 효과(Villari effect)를 이용한다.
압전 방식의 초음파 센서는 압전소자에 초음파 진동이 가해져 생기는 전압으로 초음파를 감지하고 압전소자에 전압을 가해 생기는 진동으로 초음파를 발생시킨다. 자왜 방식의 초음파 센서는 줄 효과에 의해 초음파를 발생하고 빌라리 효과에 의해 초음파를 감지한다.
일반적으로, 초음파 센서는 압전소자를 이용한 압전 방식이 이용되고 있다. 이러한 압전 방식의 초음파 센서는 케이스의 내부에 압전소자가 안착되고, 압전소자에서 발생한 초음파가 케이스를 통해 외부로 방출되는 구조로 되어 있다.
그러나, 종래의 초음파 센서에 장착되는 압전소자는 단순 벌크 타입의 압전 세라믹이 반경 방향으로 수축 및 팽창하는 원리를 이용하고 있다.
이러한 단순 벌크 타입의 압전 세라믹이 적용되는 초음파 센서는 단일 주파수 대역에서 사용할 수 밖에 없어 1가지의 동작모드로만 사용해야 하는 제약이 있었다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0020370호(2013.02.27. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 초음파 센서용 케이스 및 이를 이용한 초음파 센서가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 단일 압전소자를 사용하여 2가지의 동작모드를 구현하는 것이 가능하도록 설계된 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서는 전도성 케이스; 상기 전도성 케이스의 일면에 부착된 압전소자; 상기 압전소자와 전기적으로 연결된 제1 리드선; 및 상기 전도성 케이스와 전기적으로 연결된 제2 리드선;을 포함하며, 상기 압전소자는 두께 방향으로 수축 및 팽창하는 제1 압전 세라믹층과, 상기 두께 방향과 교차하는 직경 방향으로 수축 및 팽창하는 제2 압전 세라믹층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 압전 세라믹층은 중앙부에 배치되고, 상기 제2 압전 세라믹층은 가장자리부에 배치된다.
상기 제1 압전 세라믹층은 원통 형상을 갖고, 상기 제2 압전 세라믹층은 링 형상을 갖는다.
이때, 상기 제1 압전 세라믹층은 상면에 배치된 제1 전극; 상기 상면에 반대되는 하면에 배치된 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치된 제1 압전층;을 포함한다.
상기 제2 압전 세라믹층은 적어도 하나 이상으로 설계되며, 상기 제1 압전 세라믹층의 외주면에 강제 끼움 결합 형태로 결합된다. 이와 달리, 압전소자는 세라믹 성형단계에서부터 적층공정을 적용하여 일체화된 단일소자로 제작될 수 있다.
상기 제2 압전 세라믹층은 외측 측면에 배치된 제3 전극; 상기 외측 측면에 반대되는 내측 측면에 배치된 제4 전극; 및 상기 제3 및 제4 전극 사이에 배치된 제2 압전층;을 포함한다.
여기서, 상기 제1 및 제2 압전층 각각은 PZT계, NKN계, BZT-BCT계, BNT계 및 BNBN계 압전소재 중 선택된 어느 하나를 포함한다.
또한, 상기 제2 압전 세라믹층은 상호 간이 직렬 형태로 끼움 결합되며, 분극방향은 번갈아 교대로 구성된다.
상기 제2 압전 세라믹층은 모두 동일한 폭을 가질 수 있다.
또한, 상기 제2 압전 세라믹층은 중심부로부터 가장자리부로 갈수록 폭이 점진적으로 감소할 수 있다.
이와 달리, 상기 제2 압전 세라믹층은 중심부로부터 가장자리부로 갈수록 폭이 점진적으로 증가할 수 있다.
상기 제1 압전 세라믹은 상대적으로 고주파수의 초음파를 발생하고, 상기 제2 압전 세라믹은 상대적으로 저주파수의 초음파를 발생한다.
이때, 상기 고주파수의 초음파는 100 KHz 이상을 갖고, 상기 저주파수의 초음파는 40 ~ 60 KHz를 갖는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서는 상기 제1 및 제2 리드선의 일부가 돌출되도록 상기 전도성 케이스를 덮어 밀봉하는 기판; 및 상기 전도성 케이스의 내부에 충진된 충진재;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서는 중앙부에서 두께 방향으로 수축 및 팽창하는 제1 압전 세라믹층과 가장자리부에서 두께 방향과 교차하는 직경 방향으로 수축 및 팽창하는 제2 압전 세라믹층을 갖는 단일 압전소자를 구비한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서는 중앙부에 배치된 제1 압전 세라믹층이 두께 모드로 동작하여 상대적으로 고주파수의 초음파를 발생시키고, 가장자리부에 배치된 제2 압전 세라믹층이 횡 모드로 동작하여 상대적으로 저주파수의 초음파를 발생시키게 된다.
이 결과, 본 발명에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서는 단일 압전소자를 사용하여 고주파수의 초음파 및 저주파수의 초음파를 발생시킬 수 있는 2가지의 동작모드를 구현하는 것이 가능해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서를 나타낸 단면도.
도 2는 도 1의 전도성 케이스 및 압전소자 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 3은 도 1의 압전소자를 확대하여 나타낸 분해 사시도.
도 4는 도 1의 압전소자를 확대하여 나타낸 결합 사시도.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.
도 6은 도 3의 제1 압전 세라믹층을 확대하여 나타낸 사시도.
도 7은 도 3의 제2 압전 세라믹층을 확대하여 나타낸 사시도.
도 8은 도 7의 Ⅷ-Ⅷ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명의 일 변형예에 따른 압전소자를 확대하여 나타낸 결합 평면도.
도 10은 본 발명의 다른 변형예에 따른 압전소자를 확대하여 나타낸 결합 평면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서(100)는 전도성 케이스(110), 압전소자(120), 제1 리드선(130) 및 제2 리드선(140)을 포함한다.
전도성 케이스(110)는 전도성 재질로 내부에 압전소자(120)를 수용할 수 있는 공간이 구비된다. 이를 위해, 전도성 케이스(110)는 수직 방향으로 배열된 수직부(112)와, 수직부(112)로부터 수평 방향으로 연장된 수평부(114)를 가질 수 있다. 이러한 전도성 케이스(110)는 일면이 개방되는 원통형으로 설계될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
압전소자(120)는 전도성 케이스(110)의 일면에 부착된다. 이러한 압전소자(120)는 전도성 케이스(110)의 내측 수평부(120)에 전도성 접착제에 의해 물리적으로 부착될 수 있다. 압전소자(120)는 전류가 인가되면 변위가 발생하는 부품으로 인가되는 전류의 극성에 따라 수축하거나 팽창하는 성질이 있다. 따라서, 압전소자(120)에 인가되는 전류의 극성을 반복하여 바꾸어주면 압전소자(120)는 신장과 수축을 반복하면서 진동을 발생하며, 이 결과 압전소자(120)로부터 초음파를 발생시킨다.
제1 리드선(130)은 압전소자(120)와 전기적으로 연결되고, 제2 리드선(140)은 전도성 케이스(110)와 전기적으로 연결된다. 여기서, 제1 리드선(130)은 압전소자(120)의 제1 전극과 전기적으로 연결되고, 제2 리드선(140)은 전도성 케이스(110)를 매개로 압전소자(120)의 제2 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서(100)는 기판(150) 및 충진재(160)를 더 포함할 수 있다.
기판(150)은 제1 및 제2 리드선(130, 140)의 일부가 돌출되도록 전도성 케이스(110)를 덮어 밀봉한다.
충진재(160)는 전도성 케이스(110)의 내부에 충진된다. 이러한 충진재(160)로는 실리콘 고무, 우레탄 고무 등의 탄성체 재질이 이용될 수 있다.
한편, 도 2는 도 1의 전도성 케이스 및 압전소자 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압전소자(120)는 전도성 케이스(110)의 내측 수평부에 전도성 접착제에 의해 물리적으로 부착될 수 있다.
이러한 압전소자(120)는 두께 방향으로 수축 및 팽창하는 제1 압전 세라믹층(122)과, 두께 방향과 교차하는 직경 방향으로 수축 및 팽창하는 제2 압전 세라믹층(124)을 포함한다.
이때, 제1 압전 세라믹층(122)은 중앙부(H)에 하나가 배치되고, 제2 압전 세라믹층(124)은 가장자리부(L)에 적어도 하나 이상이 배치된다. 여기서, 중앙부(H)는 고주파수의 초음파를 발생시키는 고주파 영역에 해당하고, 가장자리부(L)는 저주파수의 초음파를 발생시키는 저주파 영역에 해당한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압전소자(120)는 중앙부(H)에 배치되는 제1 압전 세라믹층(122)이 고주파수의 초음파를 발생시키고, 가장자리부(L)에 배치되는 제2 압전 세라믹층(124)이 저주파수의 초음파를 발생시킬 수 있으므로, 단일 압전소자를 사용하여 2가지의 동작모드를 구현하는 것이 가능해질 수 있다.
이에 대해서는 이하 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 도 1의 압전소자를 확대하여 나타낸 분해 사시도이고, 도 4는 도 1의 압전소자를 확대하여 나타낸 결합 사시도이며, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압전소자(120)는 두께 방향으로 수축 및 팽창하는 제1 압전 세라믹층(122)과, 두께 방향과 교차하는 직경 방향으로 수축 및 팽창하는 제2 압전 세라믹층(124)을 포함한다.
이때, 제1 압전 세라믹층(122)은 중앙부(H)에 배치되고, 제2 압전 세라믹층(124)은 가장자리부(L)에 배치된다.
이러한 제1 압전 세라믹층(122)은 원통 형상을 갖고, 제2 압전 세라믹층(124)은 링 형상을 갖는다. 이때, 링 형상을 갖는 제2 압전 세라믹층(124) 2개, 즉 제2-1 압전 세라믹층(124a) 및 제2-2 압전 세라믹층(124b)이 직경 방향으로 적층 결합된 것으로 도시하였으나, 이는 예시적인 것으로 그 수는 다양하게 적용할 수 있다.
즉, 제2 압전 세라믹층(124)은 적어도 하나 이상으로 설계되며, 제1 압전 세라믹층(122)의 외주면에 강제 끼움 결합 형태로 결합된다. 또한, 압전소자(120)는 세라믹 성형단계에서부터 적층공정을 적용하여 일체화된 단일소자로 제작될 수 있다.
이를 위해, 제2-1 압전 세라믹층(124a) 및 제2-2 압전 세라믹층(124b)은 서로 다른 직경을 가지며, 강제 끼움 결합 방식 등에 의해 상호 간이 직렬 형태로 결합된다.
제2-1 압전 세라믹층(124a) 및 제2-2 압전 세라믹층(124b)은 중심부(H)로부터 가장자리부(L)로 갈수록 직경이 점진적으로 커지도록 설계된다. 이에 따라, 제2-1 압전 세라믹층(124a) 및 제2-2 압전 세라믹층(124b)은 직경 방향을 따라 나이테 형상으로 결합되어 고정된다. 이때, 제2 압전 세라믹층(124)은 모두 동일한 폭을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전소자(120)는 두께 방향으로 수축 및 팽창하는 제1 압전 세라믹층(122)에 의해 두께 방향으로 진동이 일어나고, 두께 방향과 교차하는 직경 방향으로 수축 및 팽창하는 제2 압전 세라믹층(124)에 의해 직경 방향으로 진동이 일어나게 된다. 즉, 도 5의 화살표가 분극 방향을 의미한다.
이에 따라, 제1 압전 세라믹층(122)이 고주파수의 초음파를 발생하고, 제2 압전 세라믹층(124)이 저주파수의 초음파를 발생하는 단일 압전소자(120)를 구성하게 된다.
이때, 고주파수의 초음파는 100 KHz 이상을 갖고, 저주파수의 초음파는 40 ~ 60 KHz를 갖는다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압전소자(120)는 두께 방향으로 수축 및 팽창하는 제1 압전 세라믹층(122)이 중앙부(H)에서 고주파수의 초음파를 발생시키고, 두께 방향과 교차하는 직경 방향으로 수축 및 팽창하는 제2 압전 세라믹층(124)이 가장자리부(L)에서 저주파수의 초음파를 발생시키게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 압전소자(120)는 단일 압전소자를 사용하여 고주파수의 초음파 및 저주파수의 초음파를 발생시킬 수 있는 2가지의 동작모드를 구현하는 것이 가능해질 수 있다.
한편, 도 6은 도 3의 제1 압전 세라믹층을 확대하여 나타낸 사시도이고, 도 7은 도 3의 제2 압전 세라믹층을 확대하여 나타낸 사시도이며, 도 8은 도 7의 Ⅷ-Ⅷ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 압전 세라믹층(122)은 상면에 배치된 제1 전극(122a)과, 상면에 반대되는 하면에 배치된 제2 전극(122b)과, 제1 및 제2 전극(122a, 122b) 사이에 배치된 제1 압전층(122c)을 포함한다.
이에 따라, 제1 압전 세라믹층(122)은 두께 방향으로 수축 및 팽창하는 두께 모드로 작동한다.
이때, 제1 및 제2 전극(122a, 122b)은 단자 부분을 제외하고 절연체(미도시)에 의해 피복되어 있을 수 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(122a, 122b)으로는 전도성이 우수한 금속 재질이 이용될 수 있으며, 일 예로 구리가 이용될 수 있다. 그리고, 압전층(122c)은 PZT계, NKN계, BZT-BCT계, BNT계 및 BNBN계 압전소재 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 압전 세라믹층(124)은 제2-1 압전 세라믹층(124a) 및 제2-2 압전 세라믹층(124b)을 포함할 수 있다.
이때, 제2-1 압전 세라믹층(124a) 및 제2-2 압전 세라믹층(124b) 각각은 외측 측면에 배치된 제3 전극(124a-1)과, 외측 측면에 반대되는 내측 측면에 배치된 제4 전극(124a-1)과, 제3 및 제4 전극(124a-1, 124a-2) 사이에 배치된 제2 압전층(124a-3)을 포함한다.
이에 따라, 제2 압전 세라믹층(124)은 두께 방향과 교차하는 직경 방향으로 수축 및 팽창하는 횡 모드(radial mode)로 작동한다.
제3 및 제4 전극(124a-1, 124a-2)은 단자 부분을 제외하고 절연체(미도시)에 의해 피복되어 있을 수 있다. 이러한 제3 및 제4 전극(124a-1, 124a-2)으로는 전도성이 우수한 금속 재질이 이용될 수 있으며, 일 예로 구리가 이용될 수 있다. 그리고, 제2 압전층(124a-3)은 PZT계, NKN계, BZT-BCT계, BNT계 및 BNBN계 압전소재 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
여기서, 제1 압전 세라믹층(122)의 제1 전극(122a)과 제2 압전 세라믹층(124)의 제3 전극(124a-1) 상호 간은 서로 연결되며, 제1 리드선(도 1의 130)과 전기적으로 접속된다. 그리고, 제1 압전 세라믹층(122)의 제2 전극(122b)과 제2 압전 세라믹층(124)의 제4 전극(124a-2) 상호 간은 서로 연결되며, 전도성 케이스(도 1의 110)를 매개로 제2 리드선(도 1의 140)과 전기적으로 접속된다.
한편, 도 9는 본 발명의 일 변형예에 따른 압전소자를 확대하여 나타낸 결합 평면도이고, 도 10은 본 발명의 다른 변형예에 따른 압전소자를 확대하여 나타낸 결합 평면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 변형예에 따른 압전소자(120)는 중앙부에 배치된 제1 압전 세라믹층(122)과 가장자리부에 배치된 제2 압전 세라믹층(124)을 포함한다.
이때, 제2 압전 세라믹층(124)은 복수개로 설계되며, 중심부로부터 가장자리부로 갈수록 폭이 점진적으로 감소할 수 있다.
일 예로, 제2 압전 세라믹층(124)은 제2-1 압전 세라믹층(124a), 제2-2 압전 세라믹층(124b) 및 제2-3 압전 세라믹층(124c)을 포함할 수 있다.
이때, 제1 압전 세라믹층(122)은 제1 폭(W1)을 갖는다. 그리고, 제2-1 압전 세라믹층(124a)은 제2 폭(W2)을 갖고, 제2-2 압전 세라믹층(124b)은 제2 폭(W2)보다 작은 제3 폭(W3)을 갖고, 제2-3 압전 세라믹층(124c)은 제3 폭(W3)보다 작은 제4 폭(W4)을 갖는다.
여기서, 제1 폭(W1)은 제2 폭(W2), 제3 폭(W3) 및 제4 폭(W4)의 합산 길이와 동일할 수 있다. 이와 달리, 제1 폭(W1)은 제2 폭(W2), 제3 폭(W3) 및 제4 폭(W4)의 합산 길이보다 작을 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 변형예에 따른 압전소자(120)는 중앙부에 배치된 제1 압전 세라믹층(122)과 가장자리부에 배치된 제2 압전 세라믹층(124)을 포함한다.
이때, 제2 압전 세라믹층(124)은 복수개로 설계되며, 중심부로부터 가장자리부로 갈수록 폭이 점진적으로 증가할 수 있다.
일 예로, 제2 압전 세라믹층(124)은 제2-1 압전 세라믹층(124a), 제2-2 압전 세라믹층(124b) 및 제2-3 압전 세라믹층(124c)을 포함할 수 있다.
이때, 제1 압전 세라믹층(122)은 제1 폭(W1)을 갖는다. 그리고, 제2-1 압전 세라믹층(124a)은 제2 폭(W2)을 갖고, 제2-2 압전 세라믹층(124b)은 제2 폭(W2)보다 큰 제3 폭(W3)을 갖고, 제2-3 압전 세라믹층(124c)은 제3 폭(W3)보다 큰 제4 폭(W4)을 갖는다.
여기서, 제1 폭(W1)은 제2 폭(W2), 제3 폭(W3) 및 제4 폭(W4)의 합산 길이와 동일할 수 있다. 이와 달리, 제1 폭(W1)은 제2 폭(W2), 제3 폭(W3) 및 제4 폭(W4)의 합산 길이보다 작을 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서는 중앙부에서 두께 방향으로 수축 및 팽창하는 제1 압전 세라믹층과 가장자리부에서 두께 방향과 교차하는 직경 방향으로 수축 및 팽창하는 제2 압전 세라믹층을 갖는 단일 압전소자를 구비한다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서는 중앙부에 배치된 제1 압전 세라믹층이 두께 모드로 동작하여 상대적으로 고주파수의 초음파를 발생시키고, 가장자리부에 배치된 제2 압전 세라믹층이 횡 모드로 동작하여 상대적으로 저주파수의 초음파를 발생시키게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서는 단일 압전소자를 사용하여 고주파수의 초음파 및 저주파수의 초음파를 발생시킬 수 있는 2가지의 동작모드를 구현하는 것이 가능해질 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 초음파 센서 110 : 전도성 케이스
120 : 압전소자 122 : 제1 압전 세라믹층
124 : 제2 압전 세라믹층 124a : 제2-1 압전 세라믹층
124b : 제2-2 압전 세라믹층 124c : 제2-3 압전 세라믹층
130 : 제1 리드선 140 : 제2 리드선
150 : 기판 160 : 충진재

Claims (15)

  1. 전도성 케이스;
    상기 전도성 케이스의 일면에 부착된 압전소자;
    상기 압전소자와 전기적으로 연결된 제1 리드선; 및
    상기 전도성 케이스와 전기적으로 연결된 제2 리드선;을 포함하며,
    상기 압전소자는 두께 방향으로 수축 및 팽창하는 제1 압전 세라믹층과, 상기 두께 방향과 교차하는 직경 방향으로 수축 및 팽창하는 제2 압전 세라믹층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압전 세라믹층은 중앙부에 배치되고,
    상기 제2 압전 세라믹층은 가장자리부에 배치된 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압전 세라믹층은 원통 형상을 갖고,
    상기 제2 압전 세라믹층은 링 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 압전 세라믹층은
    상면에 배치된 제1 전극;
    상기 상면에 반대되는 하면에 배치된 제2 전극; 및
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치된 종모드(d33)로 분극된 제1 압전층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 압전 세라믹층은
    적어도 하나 이상으로 설계되며, 상기 제1 압전 세라믹층의 외주면에 강제 끼움 결합 형태로 결합된 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자는
    세라믹 성형단계에서부터 적층공정을 적용하여 일체화된 단일소자로 제작된 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2 압전 세라믹층은
    외측 측면에 배치된 제3 전극;
    상기 외측 측면에 반대되는 내측 측면에 배치된 제4 전극; 및
    상기 제3 및 제4 전극 사이에 배치된 종모드(d33)로 분극된 제2 압전층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  8. 제4항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 압전층 각각은
    PZT계, NKN계, BZT-BCT계, BNT계 및 BNBN계 압전소재 중 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제2 압전 세라믹층은
    상호 간이 직렬 형태로 끼움 결합되며, 분극방향은 번갈아 교대로 구성된 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제2 압전 세라믹층은
    모두 동일한 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 제2 압전 세라믹층은
    복수개로 설계되며, 중심부로부터 가장자리부로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 제2 압전 세라믹층은
    복수개로 설계되며, 중심부로부터 가장자리부로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압전 세라믹은 고주파수의 초음파를 발생하고,
    상기 제2 압전 세라믹은 저주파수의 초음파를 발생하는 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 고주파수의 초음파는 100 KHz 이상을 갖고,
    상기 저주파수의 초음파는 40 ~ 60 KHz를 갖는 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 리드선의 일부가 돌출되도록 상기 전도성 케이스를 덮어 밀봉하는 기판; 및
    상기 전도성 케이스의 내부에 충진된 충진재;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중주파수를 갖는 단일 압전소자를 적용한 초음파 센서.
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