JP2013518163A - 超音波センサ用の減衰材、および、減衰材の使用 - Google Patents

Abstract

本発明によれば、機関内で支配的な温度のもとでの温度耐性と、温度領域の全体にわたる必要な安定性とを示す減衰材が提供される。本発明の減衰材は、約１５０℃の温度のもとで継続使用でき、同時に、低温できわめて良好な超音波減衰率を有する。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、超音波センサ用の減衰材、および、減衰材の使用に関する。

液体の充填レベル測定のために、多数の測定手法が存在しているが、これらにはそれぞれ特有の利点および欠点がある。ローバストかつ多面的な測定手法の１つに超音波測定法が挙げられるが、ここでは、超音波パルスが送信機から所定の界面（例えば液体‐空気界面）へ達して受信機へ戻るまでの走行時間を測定し、媒体中の既知の音速もしくは求められた実際の音速から、走行距離が計算される。

多くの場合に、均等な超音波を形成するエレメント（たいていの場合、圧電トランスデューサ）が送信機および受信機の双方として用いられる。送受信エレメントが測定パルスの送信後にどれだけの速さで再び静止状態へ移行して、エコー信号をどれだけきちんと検出できるかに応じて、こうしたセンサによって測定可能な最小距離（遮断距離とも称される）が定められる。

ここでの減衰時間は、２つの主因子の影響を受ける。第１は測定媒体への音響結合度であり、第２はエレメントの機械的減衰率である。媒体への結合度が良好であれば、音波エネルギの大部分が放射され、送信エレメントにおいて内部摩擦もしくは他の損失機構による消失が起こらないので、減衰時間は短縮される。また、エレメントでの機械的減衰があれば、減衰材料内の残留エネルギが相殺ないし分散され、これによりエレメントそのものが迅速に静止状態へ移行する。このとき注意しなければならないのは、過度の機械的減衰が起こると、信号振幅および音波検出における感度の双方に悪影響があるということである。

車両内、特に内燃機関のオイルタンク内で、オイルの充填レベルを測定するために超音波センサが使用される場合、たいてい、遮断距離、すなわち、検出可能な最小のオイルレベルをできるだけ小さく保つことが要求される。このためには、きわめて広い温度範囲にわたって減衰が生じるよう、送受信エレメントの減衰を調整する必要がある。

利用されているパルスエコープロセスのために、特に減衰率が充分でない場合、センサの背面での反射から障害信号が発生する。この望ましくない信号を抑圧するには、超音波源の背面に減衰材を設けるとよい。この場合、成形材料が使用時にプラスティックケーシング内へ充填される。

独国公開第３４３１７４１号明細書から、液体の充填レベルを測定する方法および装置が公知である。ここでは、閉鎖されたタンクの外側に超音波センサが取り付けられ、この超音波センサは媒体を介して平坦なもしくは湾曲したタンク底部へ向かって平面状に結合されている。媒体として、有利には、エポキシ樹脂接着剤が用いられる。

なお、これまで、要求される温度領域すなわち−４０℃から＋１８０℃の範囲の全体にわたって必要な超音波減衰率を示す成形材料は知られていない。

したがって、本発明の課題は、−３０℃から＋１５０℃までの温度範囲で超音波センサの減衰を達成するための成形材料を提供することである。

この課題の解決手段を、以下に、図面および特許請求の範囲に示された本発明に則して説明する。

ここで、本発明の対象となっているのは、−３０℃から＋１５０℃までの温度範囲において軟性および安定性を有する減衰材であって、減衰材はエポキシ樹脂および充填物質を含み、充填物質はマルチモードの粒径分布で存在しており、これにより、樹脂母材における所定の粒子密度勾配が生じることを特徴としている。また、本発明は、こうした減衰材の超音波センサ内での使用も対象としている。

本発明の有利な実施形態によれば、１５０℃以上の温度まで安定なエポキシ樹脂は、室温のもとで低いガラス転移温度、すなわち、０℃より低いガラス転移温度を有する。例えば、エポキシ樹脂のガラス転移温度は−１０℃よりも低く、有利には−２０℃より低く、特に有利には−３５℃よりも低い。

酸性、すなわちルイス酸性もしくはブレンステッド酸性の機能基、特に酸性のエステル基を含むエポキシ樹脂により、高いガラス転移温度が得られることが判明している。

エポキシ樹脂混合物の成分となる"酸性エステル"として、１つの分子に２つの機能基すなわちエステルおよびカルボン酸を含む半エステルが挙げられる。当該成分は例えば事前反応によって形成され、例えば、エポキシ化合物に無水物を加えた系において反応性柔軟化成分として用いられる。このようにして、例えば、硬化成分として用いられる長鎖の柔軟なジカルボン酸が形成される。

別の有利な実施形態によれば、エポキシ樹脂は柔軟化成分として"酸性エステル"を含有した成分を含む。特に有利には、ここでの柔軟化成分は、２成分のエポキシ樹脂では、Ａ成分（例えばエポキシ樹脂）およびＢ成分（例えば無水物成分）の双方に含まれる。

２成分のケースでエポキシ樹脂に"酸性エステル"が存在する場合、有利には、ＡとＢとの混合物が硬化された後、ゴム弾性を有する成形材料が得られる。例えば、エポキシ樹脂は、例えば１００℃以上の広い温度範囲で所定の機械的減衰率を有する。例えばEpoxonic 251^(R)では−４０℃から１５０℃までの温度範囲が得られる。

ここから、硬化後にＡ，Ｂの混合物が得られる。

無充填の柔軟なすべてのエポキシ樹脂が適しており、高柔軟性で応力が小さく、粘性の低い樹脂までも適している。例えば、エポキシ樹脂の粘度は２５℃で約４０００ｍＰａｓから９０００ｍＰａｓの範囲にある。有利には、エポキシ樹脂の粘度は約５０００ｍＰａｓから８５００ｍＰａｓの範囲にあり、特に有利には、７０００ｍＰａｓ±１５００ｍＰａｓの範囲にある。

当該樹脂は、１２０℃から１９０℃までの範囲で、有利には１４０℃から１８０℃までの範囲で、特に有利には１５０℃で、持続的温度耐性を有する。

使用されるエポキシ樹脂の硬度は、２５℃で２０ショアＡから７０ショアＡの範囲にあり、有利には３０ショアＡから５０ショアＡの範囲にあり、特に有利には３５ショアＡから４５ショアＡの範囲にある。

一般的には、高密度の樹脂によって背面での減衰が達成されることが所望される。特に、本発明によれば、超音波源（ふつう高密度のセラミック）から意図しない方向へ放射され反射によって本来の測定方向に混入してくる信号が回避され、これにより測定信号の擾乱が回避される。

無充填のエポキシ樹脂の密度は約０．８ｇ／ｃｍ^３から１．８ｇ／ｃｍ^３の範囲、有利には１．０ｇ／ｃｍ^３から１．５ｇ／ｃｍ^３の範囲にあり、特に有利には１．１ｇ／ｃｍ^３である。エポキシ樹脂の密度は充填物質によって適合化され、これにより所望の減衰率が達成される。つまり、エポキシ樹脂の充填された減衰材の密度は、１．５ｇ／ｃｍ^３から４ｇ／ｃｍ^３の範囲、有利には２．０ｇ／ｃｍ^３から３．０ｇ／ｃｍ^３の範囲へ、特に有利には２．５ｇ／ｃｍ^３へ高められる。こうして、減衰材料の密度が超音波源の密度に最適に適合化される。

硬化は１５０℃で約１時間行われる。エポキシ樹脂の硬化は、樹脂の充填が行われた後に、硬化中に充填物質の沈降が生じて樹脂母材内に所望の密度勾配が形成されるように行われる。

エポキシ樹脂は、有利には、１５０℃のもとで１５００ｈ経過した後にも１５％より小さい質量損失しか有さない。この場合の質量損失は特には１２％より小さく、特に有利には１０％より小さい。

有利な実施形態によれば、エポキシ樹脂は、２５℃で、８０％から１２０％の範囲、有利には９０％から１１０％の範囲の摩擦膨張度を有する。この摩擦膨脹度は、特に有利には約１００％である。

特に有利には、市販されているエポキシ樹脂、特にEpoxonic 251^(R)なる名称のエポキシ樹脂を利用可能である。

グリシジルエーテルと脂環式エポキシ化合物とを含む混合物では、発がん性を有するおそれが示唆されているので、こうした混合物は有利でない。

充填物質として、有利には、酸化物、特にアルミニウム酸化物もしくはチタン酸化物が用いられる。これらにより、減衰材の密度を高めるための粒子状の充填物質が得られる。

粒径分布は任意であるが、有利な実施形態によれば、１波長のオーダーにあり、これにより減衰に加えて分散も達成される。

以下に本発明を幾つかの実施例に則して詳細に説明する。

エポキシ樹脂に対して、減衰材の密度を高めるために、粒子状のアルミニウム酸化物が充填物質として添加される。ここでの充填物質粒子は、硬化プロセス中に樹脂母材での粒子の沈降が保証される粒径分布を有する。このために、種々の粒径分布を有する混合物も使用される。

なお、本発明によれば、シリコーンエラストマー粒子の添加は不要である。なぜなら、反応樹脂は低温で幾分脆くなるのみであり、それ以外の場合にはゴム弾性を有するため、付加的な耐衝撃性についての改質が必要ないからである。

超音波センサの構造を示す概略図である。

例えば鋼から成る浸漬管１が示されている。浸漬管１とは、その名称から明らかな通り、測定すべき液体、例えば油のなかへ浸漬される管である。波線２は油の充填レベルを表している。浸漬管１は、信号走行時間の基準として、浸漬管１の同じ高さに位置する２つの刻み３を有する。当該浸漬管１はプラスティックケーシング４上に載置される。プラスティックケーシング４は、例えば、３０％のガラスファイバを含んだＰＡ６６，ＧＦ３０，ＰＡ６，ＰＢＴ，ＰＥＴ，ＰＰＳ，ＰＳＵ，ＰＥＳから成る。

プラスティックケーシング４の中央には支持体７が配置されており、この支持体７上に本発明の減衰材６が配置されている。減衰材６上には、超音波信号を測定する超音波センサ５が存在しており、超音波信号の走行時間によって充填レベル２を計算することができる。

所望の減衰率を達成するために、まず超音波信号が入力される。この入力は充填物質の選定によって達成される。充填物質は、一方ではその密度値が１．５ｇ／ｃｍ^３から４ｇ／ｃｍ^３へ高められるように、他方では沈降の際に充填レベルまでの高さ全体にわたって所定の密度勾配が形成されるように、選定される。１波長と同じオーダーにある粒径分布によって、機械的減衰に加えて分散も達成される。

機械的減衰が温度領域全体にわたって達成されるという特徴により、減衰率が温度に依存して変化するという問題が解決される。

本発明によれば、機関内で支配的な温度のもとで温度耐性を有し、温度領域の全体にわたって必要な軟性および安定性（すなわち減衰能力）を示す減衰材が提供される。また、広い温度範囲において利用可能であり、約１５０℃の温度のもとで継続使用でき、同時に、低温できわめて良好な超音波減衰率を有する減衰材が提供される。

Claims (7)

1. −３０℃から＋１５０℃までの温度範囲において軟性および安定性を有する減衰材であって、
   該減衰材はエポキシ樹脂および充填物質を含み、
   該充填物質はマルチモードの粒径分布で存在しており、これにより、樹脂母材における所定の粒子密度勾配が生じる
   ことを特徴とする減衰材。
2. 前記エポキシ樹脂は０℃より低いガラス転移温度を有する、請求項１記載の減衰材。
3. 前記エポキシ樹脂の粘度は２５℃で約４０００ｍＰａｓから９０００ｍＰａｓである、請求項１または２記載の減衰材。
4. 前記減衰材の密度は前記充填物質によって１．５ｇ／ｃｍ^３から４ｇ／ｃｍ^３の範囲へ高められている、請求項１から３までのいずれか１項記載の減衰材。
5. 前記エポキシ樹脂は酸性の機能基を含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の減衰材。
6. 前記エポキシ樹脂はエステル基を含む、請求項１から５までのいずれか１項記載の減衰材。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の減衰材の、超音波センサにおける使用。

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