KR20050005291A - 초음파 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로써, 특히 고주파 진동모드 방식을 이용하여 센서의 빔폭을 좁게하고 탐지거리를 증대시킴으로써 지향각 및 고주파의 송수신 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 기술을 개시한다. 이를 위해 본 발명은 초음파 센서의 진동판의 직경과 두께의 비율을 25배 이상으로 제작하고, 다차원 진동모드를 이용한 진동판을 하우징과 일체로 가공하거나 접착하여 설계한다. 이에 따라, 본 발명은 기존의 초음파 센서와 동일한 주파수에서 사용할 경우 초음파의 방사면적이 넓어지게 되어 초음파 센서의 전방향으로 전달되는 초음파 에너지의 지향각 및 송수신 감도를 향상시킴으로써 원거리 측정이 가능하도록 한다.

Description

초음파 센서 및 그 제조 방법{Ultrasonic sensor and manufacturing method thereof}

본 발명은 초음파 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 고주파 진동모드 방식을 이용하여 센서의 빔폭을 좁게하고 탐지거리를 증대시킴으로써 지향각 및 고주파의 송수신 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 기술이다.

일반적으로, 초음파 센서는 압전 및 전왜 특성을 갖는 세라믹 소자를 진동원으로 이용하여 높은 주파수의 전기 에너지를 인가하면 그 주파수와 동일한 횟수의 빠른 진동이 발생한다. 이때, 인가된 주파수가 20[Khz] 이상일 경우에 압전 세라믹 소자는 진동에 의해서 인간이 들을 수 없는 특정 주파수 대역을 갖는 초음파(Ultrasonic wave)를 발생하게 된다.

이와 같은 일반적인 초음파 센서는 압전 세라믹 소자를 매개로 사용하여 초음파의 송·수신에 의하여 피검물의 형상 또는 거리를 측정하는 감지 장치 등에 폭넓게 이용되고 있다. 즉, 초음파 센서의 사용 주파수와 동일한 주파수의 전압신호를 센서에 인가하면 압전 세라믹의 진동에 의해 초음파가 발생되고, 센서의 전 방향으로 전파된 초음파가 전방의 물체에 반사되어 되돌아오는 것을 수신하여 거리를 측정하게 된다.

아래의 설명은 종래의 초음파 센서의 개념을 설명하면 아래와 같다. 먼저,초음파센서의 공진주파수는 [수학식 1]에 의해 결정된다.

[수학식 1]

여기서, h는 금속 하우징 밑면의 두께, D는 금속 하우징의 단면적, Y는 재료의 영율, ρ는 밀도,는 포아손비, β는 벳셀함수, n은 차원을 나타낸다.

또한, 금속하우징의 밑면 부위 단면적은 센서의 정전용량, 허용 입력전압, 절연내력 등을 고려하여 압전 세라믹의 단면적보다 넓어야 한다.

종래의 초음파 센서의 지향각은 [수학식 2]에 의해서 결정된다.

[수학식 2]

지향각 :

여기서, D는 진동판의 직경, f는 초음파 주파수, υ는 공기 중 음속, λ 는 파장을 나타낸다.

그런데, 종래의 초음파 센서는 센서의 지향 특성 및 금속하우징 밑면의 단면적 크기에 따라 [수학식 2]와 같이 지향각이 결정되므로 금속하우징의 단면적 크기를 설정하는데 많은 제약이 따른다. 이에 따라, 초음파 센서의 진동판의 단면적 D와 금속 하우징 밑면의 두께 h 의 비율(D/h)을 20배 이상으로 제작하는데 많은 어려움이 있다.

이러한 공진 주파수를 이용하는 종래의 초음파 센서는 금속박판과 압전 세라믹에 의한 굴곡 진동모드를 사용하는 방식과, 압전 세라믹의 고유 진동수를 사용하는 방식 등이 주로 이용된다.

도 1은 상술된 굴곡 진동모드를 사용하는 종래의 초음파 센서에 대한 분리 사시도이다.

종래의 초음파 센서(1)는 금속하우징(2), 압전 세라믹(3), 리드 와이어(4), 흡음제(5) 및 기판(6)을 구비한다.

원통형 모양의 금속하우징(2)의 밑면에 압전 세라믹(3)이 접착되고, 압전 세라믹(3)은 리드 와이어(4)와 연결된다. 그리고, 흡음재(5)는 금속하우징(2)의 내부에 삽입되어 금속하우징(5)의 중앙부 홈에 끼워지게 되고, 기판(6)은 리드 와이어(4)의 연결 통로를 위한 홀들을 구비하여 금속 하우징(2)의 상부에 덮여지게 된다.

도 2는 상술된 금속 하우징(2)의 구조를 나타낸다.

종래의 금속 하우징(2)은 도 2에 도시된 바와 같이 금속 하우징(2)의 상부직경이 하부의 직경보다 넓게 설계하여 상부 걸림부에 기판(6)이 안착되는 구조를 갖는다. 이러한 구성을 갖는 종래의 초음파 센서는 금속 하우징(2)의 진동판 크기와 압전세라믹(3)의 특성에 따라 결정된 주파수와 동일한 주파수의 전압신호를 센서에 인가함으로써 압전세라믹(3)에 부착된 금속판이 진동하여 초음파가 발생한다. 또한, 종래의 초음파 센서의 주파수는 금속하우징(2)의 밑면에 구비된 금속판의 직경, 두께, 재질의 특성에 따라서 달라지게 된다.

그런데, 1차 진동모드 방식의 초음파 센서는 동일한 금속재료를 사용하여 동일한 주파수를 갖는 초음파를 발생시키기 위해 다차원 진동모드 방식을 사용하는초음파센서에 비해 진동판의 직경을 작게 설계하고, 진동판의 두께가 두꺼워지도록 설계해야 한다. 이에 따라, 종래의 초음파 센서는 초음파 빔의 각도가 넓어지고, 기계적 임피던스가 높아지며, 초음파 송수신효율이 떨어지게 되어 원거리 측정용 감지 센서로 사용되기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로써, 초음파 센서의 진동판의 직경과 두께의 비율을 25배 이상으로 제작하고, 다차원 진동모드를 이용한 진동판을 하우징과 일체로 가공하거나 접착하여 설계함으로써 초음파의 방사면적이 넓어지게 되어 초음파 센서의 전방향으로 전달되는 초음파 에너지의 지향각 및 송수신 감도를 향상시키도록 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 초음파 센서에 관한 분리 사시도.

도 2는 종래의 초음파 센서의 금속하우징 구조를 나타낸 도면.

도 3a,3b는 본 발명에 따른 초음파 센서의 개념을 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 초음파 센서의 분리 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 초음파 센서의 조립 단면도.

도 6a 및 도 6b는 본발명의 하우징 구조를 나타낸 실시예들.

도 7은 본발명의 고무수지에 관한 구조를 나타낸 사시도.

도 8은 본발명의 PCB 기판 구조를 나타낸 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11: 진동판 12: 압전세라믹

13: 흡음재 14: 단차부

15: 하우징 16: 단차

17: 고무수지 18: 와이어 삽입 틈

19: PCB 기판 20: (+)와이어

21: (-)와이어 22: 콘덴서

23: 리드와이어 24: 납땜부

25: 기판삽입용 홈

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초음파센서는, 고주파 공진을 수행하여 초음파를 발생하는 다차원 진동모드 방식의 진동판; 진동판의 상부에 형성되어 진동판과 일체화된 원통형의 하우징; 진동판의 상부에 접착되어 리드 와이어가 연결되고, 하우징의 중공부 밑면으로부터 전압신호가 인가되는 압전 세라믹; 및 하우징의 내부에 삽입되어 압전세라믹에 누름압력 이상의 힘이 가해지지 않도록 방지하는 고무수지를 구비함을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초음파센서 제조 방법은 원통형의 하우징과 다차원 진동모드를 가지는 진동판을 일체화시키는 단계; 진동판의 내면에 리드 와이어가 결합된 압전세라믹을 접착하는 단계; 압전세라믹의 후미방향으로 발생되는 초음파 에너지를 효과적으로 흡수하기 위하여 압전세라믹의 상부에 흡음재를 삽입하는 단계; 초음파 에너지가 후미 방향으로 전달되는 것을 방지하고 하우징의 진동을 억제하기 위한 고무수지를 하우징의 내부 단차부에 삽입하는 단계; 압전세라믹에 연결된 (+)와이어와 하우징에 접착되어 전기적으로 도통되는 (-)와이어의 연결을 용이하게 하기 위한 PCB기판을 고무수지의 상면에 형성된 홈에 끼워 넣는 단계; 및 외부 리드와이어 단자와 (+)와이어 및 (-)와이어를 PCB기판에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 초음파 센서의 개념을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a는 기본진동모드 방식의 동작원리를 나타내고 있으며, 도 3b는 고주파 진동모드 방식을 설명하고 있다. 특히 진동판의 직경과 두께의 비율을 조정하여 다차원 진동모드 방식의 초음파센서를 설계할 수 있다.

본 발명은 다차원 고주파 진동모드 방식을 이용하여 초음파 센서의 진동판의 단면적 D와 금속 하우징 밑면의 두께 h 의 비율(D/h)을 25배 이상으로 제작할 수 있게 된다. 이에 따라, 초음파 센서의 전방향으로 전파되는 초음파 에너지의 빔 각도와 송수신 감도를 효율적으로 제어할 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 센서의 분리 사시도이며, 도 5는 도 4의 조립 단면도이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 고주파 진동이 가능하도록 설계된 진동판(11)을 원통형상을 갖는 하우징(15)과 일체화시켜 가공하거나 접착시킨다. 하우징(15)은 고무수지(17)의 위치를 결정하기 위한 단차부 홈을 형성하여 고무수지(17)가 내부에 삽입되도록 한다. 그리고, 상술된 진동판(11)의 내면에 납땜(24)에 의해 (-)와이어(21)가 연결되고, 압전세라믹(12)의 상면에는 (+)와이어(20)가 연결되며, 압전세라믹(12)은 접착제에 의해 진동판(11) 상부에 접착시킨다. 또한, 압전세라믹(12)은 하우징(15)의 중공부 밑면으로부터 전압신호가 인가되어 초음파를 발생하게 된다.

흡음재(13)는 압전세라믹(12)의 직경 크기보다 0.5~1.5배의 크기를 가지며 하우징(15)의 내부의 압전세라믹(12) 후면에 삽입되어, 진동판(11)의 떨림시 후면으로 발생되는 초음파를 흡수하고, 남아 있는 초음파가 센서의 후면으로 전달되는 것을 방지한다. 하우징(15)의 안쪽 측면에는 고무수지(17)의 단차(16) 위치를 고정시키기 위한 단차부(14)를 구비한다.

그리고, PCB기판(19)은 고무수지(17)의 윗면에 형성된 홈(25)에 삽입되고, 압전세라믹(12)과 연결된 (+)와이어(20) 및 진동판(11)과 연결된 (-)와이어(21)를 통과시키기 위한 홀(30)들을 구비한다. PCB기판(19)은 (+)와이어(20)와 (-)와이어(21)를 납땜 방식 또는 도전성 접착방식으로 홀에 고정한다. 여기서, PCB기판(19)에 온도 보상을 위한 콘덴서(22)를 납땜 또는 도전성 접착 방식으로 고정한 이후에, 고무수지(17)의 후미 방향으로 실링제를 충진하는 순서로 조립된다. 고무수지(17)의 상부에는 (+)와이어(20)와 (-)와이어(21)를 삽입하기 위한 틈(18)이 형성된다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 초음파 센서는 고주파 진동모드를 갖도록 설계되어 초음파 센서의 전면으로 초음파를 발생하는 진동판(11)을 구비한다. 여기서, 종래 기술의 초음파센서와 동일한 주파수를 사용할 경우, 본 발명에서 사용되는 진동판(11)의 두께는 매우 얇아지며 진동판의 직경은 크게 설계된다. 이에 따라, 진동판(11)의 두께가 얇아질 경우 초음파 센서의 구동시 진동판(11)의 기계적 임피던스가 작아지게 되어 진동 효과가 커지므로 초음파의 송/수신 감도(overall sensitivity)가 비약적으로 커지는 효과를 제공할 수 있다. 또한, 진동판(11)의 넓이가 넓어질 경우 상술된 [수학식 2]에 의해서 빔의 각도를 줄일 수 있게 된다.

결국, 본 발명은 원거리 측정이 가능하게 되며, 좁은 빔의 특성을 갖기 때문에 종래 기술에 의한 초음파센서로는 적용이 불가능한 영역의 거리 측정이 가능해진다.

또한, 본 발명의 초음파센서 제작의 경제성과 균일성을 고려하여, 진동판(11)을 하우징(15)과 일체화시켜 가공할 경우(도6b), 기설정된 주파수 특성이 출력되도록 미리 제작된 일정한 두께를 갖는 금속판을 소정의 크기로 절단하여 하우징(15)과 접착하여 제작한다.

그리고, 고무수지(17)는 하우징(15)의 진동을 효과적으로 제진하기 위하여 삽입된다. 하지만, 이러한 고무수지(17)의 삽입 높이에 따라 흡음재(13)와 압전세라믹(12) 및 진동판(11)에 가해지는 압력이 불균일하게 되어 초음파 센서의 균일성이 떨어지게 된다.

이에 따라, 하우징(15)의 안쪽 내벽에 고무수지(17)를 끼워 넣을 수 있는 단차부(14)를 형성한다. 단차부(14)는 고무수지(17) 내경의 0.9~1.5배 크기를 갖고 20~90도의 경도를 가지며, 고무수지(17)가 삽입될 경우, 흡음재(13), 압전세라믹(12) 및 진동판(11)에 항상 균일한 압력이 가해질 수 있도록 함으로써 균일성을 향상시킬 수 있도록 한다.

도 6a 및 도 6b는 상술된 하우징(15)의 구조에 대한 실시예들이다.

하우징(15)의 단차부(14)는 도 6a에서와 같이 하우징(15)의 몸체 하부에 몸체보다 직경이 넓은 걸림부를 구비하여 고무수지(17)가 끼워지는 단면홈을 갖도록 설계할 수 있다. 또한, 도 6b에서와 같이 하우징(15)의 중간 부분에 단차부(14)의 양면홈을 구비하여 고무수지(17)가 양면의 홈에 결착되도록 설계할 수도 있다.

또한, 도 7은 본 발명의 고무수지(17)에 관한 구성을 나타낸 사시도이다.

고무수지(17)는 그 상면에 압전세라믹(12)에서 납땜(24)된 리드와이어들(21, 22)을 끼울 수 있을 정도로 얇게 커팅(틈)된 와이어 끼움 틈(18) 또는 미세한 홀을 구비한다. 와이어의 통과를 위한 와어어 끼움 틈(18)을 얇게 커팅하여 와이어를 끼울 경우, 초음파센서의 진동시 리드와이어(23)를 따라 전달되는 진동을 막을 수 있기 때문에 초음파센서의 링다운(Ringdown Time) 타임을 줄일 수 있게 된다.

또한, 와이어 끼움 틈(18)은 압전세라믹(12)과 연결된 (+)와이어(20)와 하우징(15)의 내면에서 납땜(24) 또는 도전성 접착재로 연결된 (-)와이어(21)를 외부 리드와이어(23)와 연결하는 작업을 용이하게 한다.

그리고, 고무수지(17)의 상부에 형성된 홈(25)으로 접착재에 의해PCB기판(19)이 가로방향 또는 세로방향으로 끼울 수 있도록 삽입되어 접착된다. 이에 따라, 센서의 와이어 작업의 효율을 향상시킬 수 있으며, 외부 리드와이어(23)에 의해 발생된 인장 또는 압축력이 내부 와이어에 직접 전달되지 않도록 하여 특성의 변화를 감소시키고 인장강도를 향상시킬 수 있기 때문에 신뢰성이 높은 초음파센서의 제작이 가능하게 된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 초음파 센서의 제작방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 원통형의 하우징(15)을 형성하고, 사용하고자 하는 초음파의 주파수와 빔각도 및 진동판(11)의 물성을 고려하여 진동판(11)이 다차원 진동모드를 가질 수 있도록 설계한다. 그리고, 진동판(11)을 하우징(15)과 일체화시키거나 접착하게 된다. 이때, 진동판(11)의 직경과 두께의 비가 적어도 25배 이상이 되도록 한다.

다음에, 하우징(15)과 일체화된 진동판(11)의 내면에 리드 와이어(20)가 결합된 압전세라믹(12)을 접착한다. 그리고, 압전세라믹(12)의 후미방향으로 발생되는 초음파 에너지를 효과적으로 흡수하기 위하여 압전세라믹(12)의 직경보다 0.5~1.5배 되는 하나 이상의 흡음재(13)를 삽입한다.

또한, 흡음재(13)에서 미처 흡수하지 못한 잔류 초음파 에너지가 후미 방향으로 전달되는 것을 방지하고 하우징(15)의 진동을 억제하기 위한 고무수지(17)를 하우징(15)의 내부 단차부(14)에 삽입한다. 여기서, 단차부(14)는 고무수지(17)에 의해 압전세라믹(12)에 일정한 누름 압력 이상의 힘이 가해지지 않도록 하는 역할도 수행한다. 이때, 고무수지(17)는 하우징의 내경 크기보다 0.9~1.5배의 크기를갖도록 한다.

이어서, 압전세라믹(12)의 (+)와이어(20)와 하우징(15)에 도전성 접착제로 접착되어 전기적으로 도통되는 (-)와이어(21)의 연결을 용이하게 하기 위한 PCB기판(19)을 고무수지(17)의 상면 또는 상면에 형성된 홈(25)에 끼워넣고 수지용 접착재로 접착시킨다.

다음에, 초음파 센서의 외부 리드와이어(23) 단자와 (+)와이어(20) 및 (-)와이어(21)를 PCB기판(19)에 납땜 연결한다. 또한, 필요한 경우 온도 보상용 콘덴서(22)를 PCB기판(19)에 납땜하고 고무수지(17)의 후미 방향으로 실링제를 충진하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 고주파 공진을 수행할 수 있는 금속진동판을 설계하여 탐지길이가 길고 그 용도에 따라 감지 폭을 조절할 수 있는 초음파 센서의 제작이 가능하다. 즉, 진동판의 두께가 얇아지게 되어 초음파 센서의 구동시 진동판의 기계적 임피던스가 작아져 초음파의 송수신 감도가 커진다. 또한, 진동판의 넓이가 넓어지므로 빔 각도의 크기를 좁게 제어하는 것이 가능하다.

둘째, 하우징 및 진동판을 일체로 가공하여 기계가공에 의한 센서 특성의 편차를 최소화시키고, 나아가 작업 효율성이 높은 초음파센서를 제작하는 것이 가능하다.

셋째, 하우징의 내부 벽면에 고무수지를 끼워 넣을 수 있는 단차부를 형성하여 흡음재, 압전세라믹 및 진동판의 눌림 압력을 일정하게 만드는 것이 가능해진다. 이에 따라, 진동판에서 발생된 진동이 하우징을 따라 센서후면으로 전파되는 효과를 감소시킴으로써 초음파 센서의 링다운(Ringdown) 타임을 줄이는 효과를 제공한다.

Claims (11)

1. 압전및 전왜특성을 갖는 세라믹 소라를 진동원으로 이용하는 초음파센서에 있어서,

   초음파를 발생하는 다차원 진동모드 방식의 진동판;

   상기 진동판의 상부에 형성되어 상기 진동판과 결합된 원통형의 하우징;

   상기 진동판의 상부에 접착되어 리드 와이어가 연결되고, 상기 하우징의 중공부 밑면으로부터 전압신호가 인가되는 압전 세라믹; 및

   상기 하우징의 내부에 삽입되어 상기 압전세라믹에 누름압력 이상의 힘이 가해지지 않도록 방지하는 단차를 갖는 고무수지가 포함된 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 진동판의 단면적과 상기 하우징 밑면의 두께의 비율은 25배 이상임을 특징으로 하는 초음파 센서.
3. 제 1항에 있어서, 하우징은 진동판과 일체로 가공하거나 접착하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
4. 제 1항에 있어서, 상기 하우징과 상기 압전세라믹 사이에 구비되어 상기 압전 세라믹의 후미방향으로 발생되는 초음파 에너지를 흡수하기 위한 흡음재를 더구비함을 특징으로 하는 초음파 센서.
5. 제 1항에 있어서, 상기 고무수지는 상기 하우징의 진동을 흡수하기 위하여 그 중앙부에 상기 고무수지의 직경보다 큰 직경을 갖는 양면 단차를 더 구비함을 특징으로 하는 초음파 센서.
6. 제 5항에 있어서, 상기 하우징은 상기 고무수지의 위치를 고정시키기 위하여 상기 양면단차가 끼워지는 단차부를 더 구비함을 특징으로 하는 초음파 센서.
7. 제 1항에 있어서, 상기 고무수지는 그 양면에 진동판과 연결된 (-)와이어와 상기 압전세라믹과 연결된 (+)와이어의 연결 통로를 형성하기 위하여 얇게 커팅된 와이어 끼움 틈새를 구비하고, 상기 고무수지의 상부에 흠이 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
8. 제 1항에 있어서, 상기 리드 와이어가 통과되는 홀들을 구비하고, 상기 고무수지의 상부에 형성된 홈에 가로 또는 세로로 삽입되는 PCB기판을 더 구비함을 특징으로 하는 초음파 센서.
9. 제 8항에 있어서, 상기 PCB기판의 상부에 접착되어 온도를 보상하는 콘덴서를 더 구비함을 특징으로 하는 초음파 센서.
10. 원통형의 하우징과 다차원 진동모드를 가지는 진동판을 일체화시키는 단계;

    상기 진동판의 내면에 리드 와이어가 결합된 압전세라믹을 접착하는 단계;

    상기 압전세라믹의 후미방향으로 발생되는 초음파 에너지를 효과적으로 흡수하기 위하여 상기 압전세라믹의 상부에 흠음재를 삽입하는 단계;

    상기 초음파 에너지가 후미 방향으로 전달되는 것을 방지하고 상기 하우징의 진동을 억제하기 위한 고무수지를 상기 하우징의 내부 단차부에 삽입하는 단계;

    상기 압전세라믹에 연결된 (+)와이어와 상기 하우징에 접착되어 전기적으로 도통되는 (-)와이어의 연결을 용이하게 하기 위한 PCB기판을 상기 고무수지의 상면에 형성된 홈에 끼워 넣는 단계; 및

    외부 리드와이어 단자와 상기 (+)와이어 및 상기 (-)와이어를 상기 PCB기판에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서의 제조 방법.
11. 제 10항에 있어서, 온도 보상용 콘덴서를 상기 PCB기판의 상부에 연결하고, 상기 고무수지의 후미 방향으로 실링제를 충진하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서의 제조 방법.