JPH09126861A - 超音波変換器 - Google Patents
超音波変換器Info
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- JPH09126861A JPH09126861A JP8256655A JP25665596A JPH09126861A JP H09126861 A JPH09126861 A JP H09126861A JP 8256655 A JP8256655 A JP 8256655A JP 25665596 A JP25665596 A JP 25665596A JP H09126861 A JPH09126861 A JP H09126861A
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-
- G—PHYSICS
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- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
- G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
- G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
- G01F23/296—Acoustic waves
- G01F23/2962—Measuring transit time of reflected waves
-
- 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
- B06B1/0662—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 with an electrode on the sensitive surface
- B06B1/0681—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 with an electrode on the sensitive surface and a damping structure
-
- G—PHYSICS
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- G01F23/2968—Transducers specially adapted for acoustic level indicators
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高い耐薬品性と小さな直径を有し、非常に幅
広い温度範囲で使用可能な超音波変換器を提供するこ
と。 【解決手段】 ダイヤフラムによってシールされている
ポット状のシングルピース形ケーシングと、前記ケーシ
ング内に配設された、超音波送受信のためのセンサ素子
と、前記ダイヤフラムとセンサ素子の間に配設された整
合層と、前記整合層に当接するフロント面以外でセンサ
素子を完全に囲繞する、エポキシ樹脂等の熱硬化性プラ
スチックからなる応力等化層と、前記整合層を同軸的に
囲繞するクランプリングと、前記クランプリング、応力
等化層、およびケーシングによって仕切られる、ケーシ
ング内に残る中空空間を満たす減衰層とを有するように
構成する。
広い温度範囲で使用可能な超音波変換器を提供するこ
と。 【解決手段】 ダイヤフラムによってシールされている
ポット状のシングルピース形ケーシングと、前記ケーシ
ング内に配設された、超音波送受信のためのセンサ素子
と、前記ダイヤフラムとセンサ素子の間に配設された整
合層と、前記整合層に当接するフロント面以外でセンサ
素子を完全に囲繞する、エポキシ樹脂等の熱硬化性プラ
スチックからなる応力等化層と、前記整合層を同軸的に
囲繞するクランプリングと、前記クランプリング、応力
等化層、およびケーシングによって仕切られる、ケーシ
ング内に残る中空空間を満たす減衰層とを有するように
構成する。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば容器内の充
填レベルの測定やコンベヤベルト上ないしはチャネル内
のレベル測定のための超音波変換器に関する。
填レベルの測定やコンベヤベルト上ないしはチャネル内
のレベル測定のための超音波変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】超音波変換器から送出される超音波パル
スは、充填媒体の表面で反射される。そしてセンサから
充填媒体表面までの超音波パルスの伝播時間と、充填媒
体表面からセンサまでの超音波パルスの伝播時間が求め
られ、そこから充填レベルや測定レベルが検出される。
スは、充填媒体の表面で反射される。そしてセンサから
充填媒体表面までの超音波パルスの伝播時間と、充填媒
体表面からセンサまでの超音波パルスの伝播時間が求め
られ、そこから充填レベルや測定レベルが検出される。
【０００３】この種の超音波変換器は、多くの工場セク
タ、例えば吸水セクタ、排水セクタ、化学工場等で使用
されている。特に化学工場では、耐薬品性が高く、広い
温度範囲で使用可能な超音波変換器が求められる。
タ、例えば吸水セクタ、排水セクタ、化学工場等で使用
されている。特に化学工場では、耐薬品性が高く、広い
温度範囲で使用可能な超音波変換器が求められる。
【０００４】超音波変換器は例えば容器や超音波誘導管
の開口部が小さくても済むように（この開口部内に超音
波変換器が組み付けられる）有利には小さな直径を有す
る。
の開口部が小さくても済むように（この開口部内に超音
波変換器が組み付けられる）有利には小さな直径を有す
る。
【０００５】超音波パルスの生成に対しては通常はポッ
ト状のケーシング内に配設されるディスク状圧電素子が
用いられる。この圧電素子が振動を励起する。ケーシン
グの底部はダイヤフラムの機能を有する。このダイヤフ
ラムに振動が伝達されそこから超音波パルスが送出され
る。
ト状のケーシング内に配設されるディスク状圧電素子が
用いられる。この圧電素子が振動を励起する。ケーシン
グの底部はダイヤフラムの機能を有する。このダイヤフ
ラムに振動が伝達されそこから超音波パルスが送出され
る。
【０００６】この圧電素子とダイヤフラムの間には、超
音波パルスを照射する媒体の音響インピーダンスに圧電
素子の音響インピーダンスを整合するための以下で整合
層と称すプラスチック層が設けられる。
音波パルスを照射する媒体の音響インピーダンスに圧電
素子の音響インピーダンスを整合するための以下で整合
層と称すプラスチック層が設けられる。
【０００７】ダイヤフラムから離れた側の円形面と圧電
素子の円筒状外套面によって仕切られるケーシング内に
残った中空空間は、例えばプラスチックからなる減衰層
で満たされる。この減衰層は、半径方向とダイヤフラム
から離れる方向での超音波エネルギの照射を最小化する
ために用いられる。
素子の円筒状外套面によって仕切られるケーシング内に
残った中空空間は、例えばプラスチックからなる減衰層
で満たされる。この減衰層は、半径方向とダイヤフラム
から離れる方向での超音波エネルギの照射を最小化する
ために用いられる。
【０００８】そのような超音波変換器は通常は７ｃｍ〜
２５ｃｍの直径を有し、１５ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの周波
数領域で作動される。圧電素子の寸法と超音波変換器の
寸法が小さければ小さいほど送信周波数は大きくなる。
２５ｃｍの直径を有し、１５ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの周波
数領域で作動される。圧電素子の寸法と超音波変換器の
寸法が小さければ小さいほど送信周波数は大きくなる。
【０００９】整合層、減衰層、圧電素子及びケーシング
の温度特性、特にこれらの構成要素の音響速度と音響イ
ンピーダンスの温度依存性に基づいて、それらの投入は
通常は−２０℃〜８０℃の温度範囲までに制限されてい
る。
の温度特性、特にこれらの構成要素の音響速度と音響イ
ンピーダンスの温度依存性に基づいて、それらの投入は
通常は−２０℃〜８０℃の温度範囲までに制限されてい
る。
【００１０】米国特許第４１３００１８号明細書から
は、以下のような超音波変換器が公知である。すなわ
ち、 −ポット状の積層形ダイヤフラムによってシールされて
いるケーシングと、 −ケーシング内に配設された、超音波送受信のためのセ
ンサ素子と、 −ダイヤフラムとセンサ素子の間に配設され、中空ガラ
ス球の埋め込まれたポリウレタンからなる整合層と、 −センサ素子のダイヤフラムとは離れた側の区分を取り
囲むポリウレタンからなる第１の減衰層と、；該第１の
減衰層のセンサ素子に直接続く領域に音響エネルギ吸収
のための鉛球が配設されており、 −整合層のダイヤフラムとは離れた側の区分を同軸的に
囲繞するポリウレタンからなる第２の減衰層と、 −ケーシング内に残る、第１の減衰層と第２の減衰層と
ケーシングによって仕切られる中空空間を満たすポリウ
レタンからなる第３の減衰層を有する、超音波変換器が
公知である。
は、以下のような超音波変換器が公知である。すなわ
ち、 −ポット状の積層形ダイヤフラムによってシールされて
いるケーシングと、 −ケーシング内に配設された、超音波送受信のためのセ
ンサ素子と、 −ダイヤフラムとセンサ素子の間に配設され、中空ガラ
ス球の埋め込まれたポリウレタンからなる整合層と、 −センサ素子のダイヤフラムとは離れた側の区分を取り
囲むポリウレタンからなる第１の減衰層と、；該第１の
減衰層のセンサ素子に直接続く領域に音響エネルギ吸収
のための鉛球が配設されており、 −整合層のダイヤフラムとは離れた側の区分を同軸的に
囲繞するポリウレタンからなる第２の減衰層と、 −ケーシング内に残る、第１の減衰層と第２の減衰層と
ケーシングによって仕切られる中空空間を満たすポリウ
レタンからなる第３の減衰層を有する、超音波変換器が
公知である。
【００１１】前記超音波変換器は、５０ｋＨｚの周波数
で作動され、相応の寸法を有している。このセンサは−
３０℃〜７０℃の温度範囲で使用可能である。
で作動され、相応の寸法を有している。このセンサは−
３０℃〜７０℃の温度範囲で使用可能である。
【００１２】ケーシングに積層されたダイヤフラムは整
合層と比べて非常に薄いために、ダイヤフラムによる、
センサ素子を機械的に負荷する付加的応力の実質的な発
生は温度を超えては生じない。しかしながらケーシング
とダイヤフラムの間の結合個所は、超音波変換器の耐薬
品性を低下させる。
合層と比べて非常に薄いために、ダイヤフラムによる、
センサ素子を機械的に負荷する付加的応力の実質的な発
生は温度を超えては生じない。しかしながらケーシング
とダイヤフラムの間の結合個所は、超音波変換器の耐薬
品性を低下させる。
【００１３】可及的に一定の音響速度と音響インピーダ
ンスを維持するために、米国特許第４１３００１８号明
細書に記載のように整合層をダイヤフラムの厚さよりも
約９倍厚く構成することが可能である。ダイヤフラムは
積層されるので僅かな厚さしか持たなくても可能であ
る。しかしながら例えば０.５ｍｍの厚さの熱硬化性プ
ラスチックからなる非常に薄いダイヤフラムは、拡散層
ではない。それ故に長期的にはダイヤフラムを通ってガ
スの拡散が生じ、整合層とダイヤフラムとの間の結合点
の損傷が生じ得る。
ンスを維持するために、米国特許第４１３００１８号明
細書に記載のように整合層をダイヤフラムの厚さよりも
約９倍厚く構成することが可能である。ダイヤフラムは
積層されるので僅かな厚さしか持たなくても可能であ
る。しかしながら例えば０.５ｍｍの厚さの熱硬化性プ
ラスチックからなる非常に薄いダイヤフラムは、拡散層
ではない。それ故に長期的にはダイヤフラムを通ってガ
スの拡散が生じ、整合層とダイヤフラムとの間の結合点
の損傷が生じ得る。
【００１４】整合層を通る最大のエネルギ移動を補償す
るために、ダイヤフラムと整合層は次のように構成され
る。すなわち整合層を通る超音波の伝播時間とダイヤフ
ラムを通る超音波の伝播時間の和が超音波の周期期間の
１／４か又は超音波の周期期間の１／４の奇数倍に等し
くなるように構成される。しかしながら整合層は超音波
の減衰を生ぜしめるので、実際の適用では周期期間の１
／４の伝播時間が求められ、超音波の周期期間の１／４
の奇数倍の伝播時間は求められない。
るために、ダイヤフラムと整合層は次のように構成され
る。すなわち整合層を通る超音波の伝播時間とダイヤフ
ラムを通る超音波の伝播時間の和が超音波の周期期間の
１／４か又は超音波の周期期間の１／４の奇数倍に等し
くなるように構成される。しかしながら整合層は超音波
の減衰を生ぜしめるので、実際の適用では周期期間の１
／４の伝播時間が求められ、超音波の周期期間の１／４
の奇数倍の伝播時間は求められない。
【００１５】ダイヤフラムの最低厚さは、適用の際の耐
薬品性と耐拡散性の要求によって決定するので、寸法に
関する前記２つの規定は周波数領域に対する情報の限界
と超音波変換器に対する下方の限界を与える。
薬品性と耐拡散性の要求によって決定するので、寸法に
関する前記２つの規定は周波数領域に対する情報の限界
と超音波変換器に対する下方の限界を与える。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高い
耐薬品性と小さな直径を有し、非常に幅広い温度範囲で
使用可能な超音波変換器を提供することである。
耐薬品性と小さな直径を有し、非常に幅広い温度範囲で
使用可能な超音波変換器を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】前記課題は本発明によ
り、ダイヤフラムによってシールされているポット状の
シングルピース形ケーシングと、前記ケーシング内に配
設された、超音波送受信のためのセンサ素子と、前記ダ
イヤフラムとセンサ素子の間に配設された整合層と、前
記整合層に当接するフロント面以外でセンサ素子を完全
に囲繞する、エポキシ樹脂等の熱硬化性プラスチックか
らなる応力等化層と、前記整合層を同軸的に囲繞するク
ランプリングと、前記クランプリング、応力等化層、お
よびケーシングによって仕切られる、ケーシング内に残
る中空空間を満たす減衰層とを有する構成により解決さ
れる。
り、ダイヤフラムによってシールされているポット状の
シングルピース形ケーシングと、前記ケーシング内に配
設された、超音波送受信のためのセンサ素子と、前記ダ
イヤフラムとセンサ素子の間に配設された整合層と、前
記整合層に当接するフロント面以外でセンサ素子を完全
に囲繞する、エポキシ樹脂等の熱硬化性プラスチックか
らなる応力等化層と、前記整合層を同軸的に囲繞するク
ランプリングと、前記クランプリング、応力等化層、お
よびケーシングによって仕切られる、ケーシング内に残
る中空空間を満たす減衰層とを有する構成により解決さ
れる。
【００１８】本発明の有利な実施例によれば、クランプ
リングは、半径方向で、クランプリングを通る超音波の
伝播速度とケーシングを通る超音波の伝播速度の和が超
音波の周期期間の半分の値と同じになるような厚みを有
する。
リングは、半径方向で、クランプリングを通る超音波の
伝播速度とケーシングを通る超音波の伝播速度の和が超
音波の周期期間の半分の値と同じになるような厚みを有
する。
【００１９】本発明の別の有利な実施例によれば、前記
クランプリングは、例えば１.７ｇ／ｃｍ３〜２.０ｇ／
ｃｍ３の高密度と、約４０・１０５ｋｇ／ｓｍ２の高い
音響インピーダンスと、約５０・１０−６１／Ｋの低い
熱膨張率を有する、エポキシ樹脂等の熱硬化性プラスチ
ックからなる。
クランプリングは、例えば１.７ｇ／ｃｍ３〜２.０ｇ／
ｃｍ３の高密度と、約４０・１０５ｋｇ／ｓｍ２の高い
音響インピーダンスと、約５０・１０−６１／Ｋの低い
熱膨張率を有する、エポキシ樹脂等の熱硬化性プラスチ
ックからなる。
【００２０】別の有利な実施例によれば、応力等化層
は、例えば１.５ｇ／ｃｍ３の高密度と、約３５・１０
５ｋｇ／ｓｍ２の高い音響インピーダンスと、約５０・
１０−６１／Ｋの低い熱膨張率を有する、エポキシ樹脂
等の熱硬化性プラスチックからなる。
は、例えば１.５ｇ／ｃｍ３の高密度と、約３５・１０
５ｋｇ／ｓｍ２の高い音響インピーダンスと、約５０・
１０−６１／Ｋの低い熱膨張率を有する、エポキシ樹脂
等の熱硬化性プラスチックからなる。
【００２１】本発明の別の有利な実施例によれば、整合
層は、例えば０.４ｇ／ｃｍ３〜０.６ｇ／ｃｍ３の高密
度と、約１１・１０５ｋｇ／ｓｍ２の高い音響インピー
ダンスと、約２５・１０−６１／Ｋの低い熱膨張率を有
する、中空ガラス球で満たされるエポキシ樹脂からな
る。
層は、例えば０.４ｇ／ｃｍ３〜０.６ｇ／ｃｍ３の高密
度と、約１１・１０５ｋｇ／ｓｍ２の高い音響インピー
ダンスと、約２５・１０−６１／Ｋの低い熱膨張率を有
する、中空ガラス球で満たされるエポキシ樹脂からな
る。
【００２２】さらに本発明の別の有利な実施例によれ
ば、整合層とダイヤフラムの厚さは、整合層内の超音波
の伝播時間とダイヤフラム内の超音波の伝播時間の和が
超音波の周期期間の１／４の値に等しくなるように定め
られている。
ば、整合層とダイヤフラムの厚さは、整合層内の超音波
の伝播時間とダイヤフラム内の超音波の伝播時間の和が
超音波の周期期間の１／４の値に等しくなるように定め
られている。
【００２３】別の有利な実施例によれば、減衰層は、シ
リコンエラストマからなる。
リコンエラストマからなる。
【００２４】さらに本発明の別の有利な実施例によれ
ば、応力等化層は、超音波変換器の使用可能な温度領域
のほぼ中心温度にそのガラス転移点があるような材料か
らなる。
ば、応力等化層は、超音波変換器の使用可能な温度領域
のほぼ中心温度にそのガラス転移点があるような材料か
らなる。
【００２５】
【発明の実施の形態】次に本発明を図面に基づき詳細に
説明する。
説明する。
【００２６】図１に示されている超音波変換器の実施例
は、ポット状のシングルピース形ケーシング１を有す
る。このケーシング１は、中空円筒体１１を含んでい
る。この中空円筒体１１は、片側がダイヤフラム１２に
よってシールされている。このケーシング１は、有利に
は高い耐薬品性を備えた熱硬化性プラスチック（例えば
ポリビニルディフルオリド（ＰＶＤＦ），ポリプロピレ
ン（ＰＰ））からなる。ダイヤフラム１２は２ｍｍの厚
さを有する。これにより高い耐薬品性と高い機械抵抗が
保証される。
は、ポット状のシングルピース形ケーシング１を有す
る。このケーシング１は、中空円筒体１１を含んでい
る。この中空円筒体１１は、片側がダイヤフラム１２に
よってシールされている。このケーシング１は、有利に
は高い耐薬品性を備えた熱硬化性プラスチック（例えば
ポリビニルディフルオリド（ＰＶＤＦ），ポリプロピレ
ン（ＰＰ））からなる。ダイヤフラム１２は２ｍｍの厚
さを有する。これにより高い耐薬品性と高い機械抵抗が
保証される。
【００２７】ケーシング１にはセンサ素子２が配設され
ている。このセンサ素子２は、超音波パルスの交互の送
受信のために用いられる。このセンサ素子は例えばチタ
ン酸鉛−ジルコン酸塩からなる円筒状の圧電素子であ
る。この圧電素子の円形面に電極（例えば圧電素子上に
被着された銀−金属被覆部）が配設される。この電極に
は電線２１,２２が接続される（例えばろう付けによっ
て」）。
ている。このセンサ素子２は、超音波パルスの交互の送
受信のために用いられる。このセンサ素子は例えばチタ
ン酸鉛−ジルコン酸塩からなる円筒状の圧電素子であ
る。この圧電素子の円形面に電極（例えば圧電素子上に
被着された銀−金属被覆部）が配設される。この電極に
は電線２１,２２が接続される（例えばろう付けによっ
て」）。
【００２８】センサ素子２は、図には示されていない電
子回路によってパルス状の振動を励起される。超音波パ
ルスの各送信に応じてセンサ素子２は受信素子としても
用いられる。例えば充填媒体の表面から反射された超音
波パルスによってセンサ素子２は、振動を励起される。
結果として生じる圧電電圧は、接続線路２１,２２を介
して図には示されていないさらなる電子回路に供給され
る。この電子回路は超音波パルスの伝播時間を求める。
そこから例えば充填レベルが検出され、この充填レベル
に相応する信号がさらに別の処理回路及び（又は）表示
部にアクセスされる。
子回路によってパルス状の振動を励起される。超音波パ
ルスの各送信に応じてセンサ素子２は受信素子としても
用いられる。例えば充填媒体の表面から反射された超音
波パルスによってセンサ素子２は、振動を励起される。
結果として生じる圧電電圧は、接続線路２１,２２を介
して図には示されていないさらなる電子回路に供給され
る。この電子回路は超音波パルスの伝播時間を求める。
そこから例えば充填レベルが検出され、この充填レベル
に相応する信号がさらに別の処理回路及び（又は）表示
部にアクセスされる。
【００２９】センサ素子２の音響インピーダンスと、超
音波パルスの照射される媒体の音響インピーダンスとの
整合に対しては、センサ素子２とダイヤフラム１２との
間にプラスチックからなる整合層３が配設される。有利
にはこのプラスチックはエポキシ樹脂である。ポリウレ
タン又はシリコンエラストマとの比較においてはエポキ
シ樹脂は、僅かな熱膨張率しか有していない。
音波パルスの照射される媒体の音響インピーダンスとの
整合に対しては、センサ素子２とダイヤフラム１２との
間にプラスチックからなる整合層３が配設される。有利
にはこのプラスチックはエポキシ樹脂である。ポリウレ
タン又はシリコンエラストマとの比較においてはエポキ
シ樹脂は、僅かな熱膨張率しか有していない。
【００３０】エポキシ樹脂はその他にも、−５０℃〜１
２０℃の非常にワイドな温度範囲に亘ってほぼ一定の音
響速度特性と音響インピーダンスを有している。この２
つの値の偏差は、−５０℃〜１２０℃の全ての温度範囲
に亘って４.５％以下である。
２０℃の非常にワイドな温度範囲に亘ってほぼ一定の音
響速度特性と音響インピーダンスを有している。この２
つの値の偏差は、−５０℃〜１２０℃の全ての温度範囲
に亘って４.５％以下である。
【００３１】圧電素子の音響インピーダンスと、超音波
パルスの照射される媒体の音響インピーダンスとの整合
に対しては整合層２内部に例えばガラスからなる中空球
が設けられる。
パルスの照射される媒体の音響インピーダンスとの整合
に対しては整合層２内部に例えばガラスからなる中空球
が設けられる。
【００３２】整合層３を貫通して最大のエネルギ移動を
保障するために、ダイヤフラム１２と整合層３は次のよ
うに構成される。すなわち整合層３内の超音波の伝播時
間とダイヤフラム１２内の超音波の伝播時間の和が当該
超音波の１／４の周期期間に等しくなるように構成され
る。
保障するために、ダイヤフラム１２と整合層３は次のよ
うに構成される。すなわち整合層３内の超音波の伝播時
間とダイヤフラム１２内の超音波の伝播時間の和が当該
超音波の１／４の周期期間に等しくなるように構成され
る。
【００３３】送信周波数が７０ｋＨｚで、厚さ２ｍｍの
ポリビニルディフルオリド（ＰＶＤＦ）からなるダイヤ
フラム１２の場合、２２００ｍ／ｓの音響速度特性を有
するエポキシ樹脂からなる整合層３に対して整合層の厚
さは３〜４ｍｍとなる。相応に整合層３の厚さをさらに
薄くすれば１００ｋＨｚまでのさらに高い周波数が実現
可能である。同じ材料を選択しダイヤフラムの厚さも同
じにするならば、整合層の厚さは１００ｋＨｚの周波数
で約１.５ｍｍとなる。
ポリビニルディフルオリド（ＰＶＤＦ）からなるダイヤ
フラム１２の場合、２２００ｍ／ｓの音響速度特性を有
するエポキシ樹脂からなる整合層３に対して整合層の厚
さは３〜４ｍｍとなる。相応に整合層３の厚さをさらに
薄くすれば１００ｋＨｚまでのさらに高い周波数が実現
可能である。同じ材料を選択しダイヤフラムの厚さも同
じにするならば、整合層の厚さは１００ｋＨｚの周波数
で約１.５ｍｍとなる。
【００３４】整合層３は、例えばエポキシ接着剤を用い
てセンサ素子２と結合されている回転パーツである。こ
の整合層は切欠３１を有しており、この切欠３１を通っ
て接続線路２２がケーシング１内部に案内される。
てセンサ素子２と結合されている回転パーツである。こ
の整合層は切欠３１を有しており、この切欠３１を通っ
て接続線路２２がケーシング１内部に案内される。
【００３５】ダイヤフラム１２が整合層３よりも大きな
熱膨張率を有していることによって生じる応力は、整合
層３を通ってセンサ素子２に伝達される。それにより温
度が高い場合にはセンサ素子２は実質的に圧力負荷を受
け、温度が低い場合には実質的に引張応力の負荷を受け
る。圧電素子は圧力負荷に対しては比較的頑強である。
しかしながらそれとは反対に引張応力負荷は非常に僅か
な程度でしかセンサ素子２には受容できない。それ故に
特に温度が非常に低い場合にはこの熱応力はセンサ素子
２にひび割れや破壊を引き起こす。このようなことは整
合層３の厚さがダイヤフラム１２の厚さよりも薄ければ
薄いほど発生しやすくなる。しかしながら周波数が高い
場合には前述した理由から薄い整合層３と厚いダイヤフ
ラム１２が必要となる。
熱膨張率を有していることによって生じる応力は、整合
層３を通ってセンサ素子２に伝達される。それにより温
度が高い場合にはセンサ素子２は実質的に圧力負荷を受
け、温度が低い場合には実質的に引張応力の負荷を受け
る。圧電素子は圧力負荷に対しては比較的頑強である。
しかしながらそれとは反対に引張応力負荷は非常に僅か
な程度でしかセンサ素子２には受容できない。それ故に
特に温度が非常に低い場合にはこの熱応力はセンサ素子
２にひび割れや破壊を引き起こす。このようなことは整
合層３の厚さがダイヤフラム１２の厚さよりも薄ければ
薄いほど発生しやすくなる。しかしながら周波数が高い
場合には前述した理由から薄い整合層３と厚いダイヤフ
ラム１２が必要となる。
【００３６】それ故にセンサ素子２は、整合層３に当接
するフロント面以外は、例えば１.５ｇ／ｃｍ３の高密
度と、約３５・１０５ｋｇ／ｓｍ２の高い音響インピー
ダンスと、約５０・１０−６１／Ｋの低い熱膨張率を有
するエポキシ樹脂等の熱硬化性プラスチックからなる応
力等化層５で囲繞される。
するフロント面以外は、例えば１.５ｇ／ｃｍ３の高密
度と、約３５・１０５ｋｇ／ｓｍ２の高い音響インピー
ダンスと、約５０・１０−６１／Ｋの低い熱膨張率を有
するエポキシ樹脂等の熱硬化性プラスチックからなる応
力等化層５で囲繞される。
【００３７】この応力等化層５は、発生した応力からセ
ンサ素子２を保護することに用いられる。この応力等化
層はセンサ素子２を対称的に囲繞するので、センサ素子
には対称的な応力しか作用しない。特にノッチ効果は生
じない。有限要素計算が示すように最大応力は、応力等
化層５内に生じ、センサ素子２内部にはもはや生じな
い。それによりセンサ素子２の組み込まれた状態での交
番応力強さは一段と高められ、センサ素子２のひび割れ
や破壊はもはや生じなくなる。これにより超音波変換器
は−５０℃までの非常に低い温度のもとでも使用可能と
なる。
ンサ素子２を保護することに用いられる。この応力等化
層はセンサ素子２を対称的に囲繞するので、センサ素子
には対称的な応力しか作用しない。特にノッチ効果は生
じない。有限要素計算が示すように最大応力は、応力等
化層５内に生じ、センサ素子２内部にはもはや生じな
い。それによりセンサ素子２の組み込まれた状態での交
番応力強さは一段と高められ、センサ素子２のひび割れ
や破壊はもはや生じなくなる。これにより超音波変換器
は−５０℃までの非常に低い温度のもとでも使用可能と
なる。
【００３８】応力等化層５の材料のガラス転移点は例え
ば超音波変換器の使用される温度範囲の中心にある（例
えば−５０℃〜１２０の温度範囲の場合は３０℃〜４０
の間にある）。それにより低い温度のもとでもセンサ素
子２の常時クランプ力が存在する。
ば超音波変換器の使用される温度範囲の中心にある（例
えば−５０℃〜１２０の温度範囲の場合は３０℃〜４０
の間にある）。それにより低い温度のもとでもセンサ素
子２の常時クランプ力が存在する。
【００３９】高い温度の場合では、センサ素子２の常時
クランプ力はしいて必要ない。この温度領域、すなわち
応力等化層５の材料のガラス転移点の上方では、応力等
化層がより弾性的になり、それに伴って温度に起因する
応力には不感となる。ガラス転移点の前述したような選
択によれば、超音波変換器を−５０℃〜１２０℃の非常
に広い温度範囲で使用することができる。
クランプ力はしいて必要ない。この温度領域、すなわち
応力等化層５の材料のガラス転移点の上方では、応力等
化層がより弾性的になり、それに伴って温度に起因する
応力には不感となる。ガラス転移点の前述したような選
択によれば、超音波変換器を−５０℃〜１２０℃の非常
に広い温度範囲で使用することができる。
【００４０】さらに応力等化層５の高い音響インピーダ
ンス（例えば３５・１０５ｋｇ／ｓｍ２）によって、半
径方向と、ダイヤフラムから離れる方向で照射された超
音波の減衰が生ぜしめられる。
ンス（例えば３５・１０５ｋｇ／ｓｍ２）によって、半
径方向と、ダイヤフラムから離れる方向で照射された超
音波の減衰が生ぜしめられる。
【００４１】応力等化層５の被着のために、センサ素子
２と整合層３から形成される結合振動部が例えば液状エ
ポキシ樹脂を満たすことのできるような形状で埋め込ま
れる。結合振動部へのそのような形状での固定のため
に、整合層３はセンサ素子に対向する側にオフセットリ
ング３２を有する。エポキシ樹脂は多くの材料に非常に
良好に付着する利点を有する。
２と整合層３から形成される結合振動部が例えば液状エ
ポキシ樹脂を満たすことのできるような形状で埋め込ま
れる。結合振動部へのそのような形状での固定のため
に、整合層３はセンサ素子に対向する側にオフセットリ
ング３２を有する。エポキシ樹脂は多くの材料に非常に
良好に付着する利点を有する。
【００４２】送信すべき超音波パルスの方向特性を改善
するために、整合層を同軸的に囲繞する環状のクランプ
リング４がダイヤフラム１２に配設される。このクラン
プリングは有利には１.７ｇ／ｃｍ３〜２ｇ／ｃｍ３の
高密度のエポキシ樹脂からなる熱硬化性プラスチックか
らなり、ケーシング１内で整合層３の常時クランプ力を
生ぜしめる。それによりダイヤフラムにおける振幅上昇
を抑圧し、送出された音波エネルギの成分を高める。
するために、整合層を同軸的に囲繞する環状のクランプ
リング４がダイヤフラム１２に配設される。このクラン
プリングは有利には１.７ｇ／ｃｍ３〜２ｇ／ｃｍ３の
高密度のエポキシ樹脂からなる熱硬化性プラスチックか
らなり、ケーシング１内で整合層３の常時クランプ力を
生ぜしめる。それによりダイヤフラムにおける振幅上昇
を抑圧し、送出された音波エネルギの成分を高める。
【００４３】所定の周波数で測定信号を形成するために
得られる音波エネルギの成分は、それにより著しく高め
られる。これは特に周波数が高い場合に利点となる。な
ぜなら高周波な超音波は、低周波なものに比べて空気中
で著しい減衰を被るからである。
得られる音波エネルギの成分は、それにより著しく高め
られる。これは特に周波数が高い場合に利点となる。な
ぜなら高周波な超音波は、低周波なものに比べて空気中
で著しい減衰を被るからである。
【００４４】同時にクランプリング４にれば半径方向の
超音波エネルギの照射が低減される。このためにはクラ
ンプリング４は、例えば４０・１０５ｋｇ／ｓｍ２の高
い音響インピーダンスを有し、さらに半径方向で次のよ
うな厚さを有する。すなわち半径方向でクランプリング
４を通る超音波の伝播時間とケーシング１を通る超音波
の伝播時間の和が超音波の周期期間の１／２に等しくな
るように選定された厚さを有する。
超音波エネルギの照射が低減される。このためにはクラ
ンプリング４は、例えば４０・１０５ｋｇ／ｓｍ２の高
い音響インピーダンスを有し、さらに半径方向で次のよ
うな厚さを有する。すなわち半径方向でクランプリング
４を通る超音波の伝播時間とケーシング１を通る超音波
の伝播時間の和が超音波の周期期間の１／２に等しくな
るように選定された厚さを有する。
【００４５】送信周波数が７０ｋＨｚで、１.８ｇ／ｃ
ｍ３の密度と２３００ｍ／ｓの音響速度特性を有するエ
ポキシ樹脂からなるクランプリングに対しては、壁厚が
２ｍｍのポリビニルディフルオリド（ＰＶＤＦ）からな
るケーシング１のもとでは、クランプリングの厚さは半
径方向で約４〜５ｍｍとなる。センサ素子２とケーシン
グ１との間の５ｍｍの間隔は問題なく維持される。それ
によりセンサ素子２の振動特性は、ケーシング１におけ
る機械的な結合によって損なわれない。超音波変換器の
寸法は、クランプリング４によって不変に保たれる。超
音波変換器は７０ｋＨｚの周波数の場合は、３.８ｃｍ
の直径を有する。１００ｋＨｚの周波数の場合では、直
径は約２.５ｃｍとなる。この超音波変換器は−５０℃
〜１２０℃の温度範囲の中で使用可能である。
ｍ３の密度と２３００ｍ／ｓの音響速度特性を有するエ
ポキシ樹脂からなるクランプリングに対しては、壁厚が
２ｍｍのポリビニルディフルオリド（ＰＶＤＦ）からな
るケーシング１のもとでは、クランプリングの厚さは半
径方向で約４〜５ｍｍとなる。センサ素子２とケーシン
グ１との間の５ｍｍの間隔は問題なく維持される。それ
によりセンサ素子２の振動特性は、ケーシング１におけ
る機械的な結合によって損なわれない。超音波変換器の
寸法は、クランプリング４によって不変に保たれる。超
音波変換器は７０ｋＨｚの周波数の場合は、３.８ｃｍ
の直径を有する。１００ｋＨｚの周波数の場合では、直
径は約２.５ｃｍとなる。この超音波変換器は−５０℃
〜１２０℃の温度範囲の中で使用可能である。
【００４６】ケーシング１内に残る、クランプリング４
と応力等化層５とケーシング１によって仕切られる中空
空間は、プラスチックからなる減衰層６で満たされる。
この減衰層は、半径方向とダイヤフラムから離れる方向
での音波エネルギの照射を最小化することに用いられ
る。減衰層６は有利にはシリコンエラストマからなる。
と応力等化層５とケーシング１によって仕切られる中空
空間は、プラスチックからなる減衰層６で満たされる。
この減衰層は、半径方向とダイヤフラムから離れる方向
での音波エネルギの照射を最小化することに用いられ
る。減衰層６は有利にはシリコンエラストマからなる。
【図１】本発明による超音波変換器を示した図である。
１ ケーシング ２ センサ素子 ３ 整合層 ４ クランプリング ５ 応力等化層 ６ 減衰層 １１ 中空円筒体 １２ ダイヤフラム ２１,２２ 接続線路
Claims (8)
- 【請求項１】 ダイヤフラム（１２）によってシールさ
れているポット状のシングルピース形ケーシング（１）
と、 前記ケーシング（１）内に配設された、超音波送受信の
ためのセンサ素子（２）と、 前記ダイヤフラム（１２）とセンサ素子（２）の間に配
設された整合層（３）と、 前記整合層（３）に当接するフロント面以外でセンサ素
子（２）を完全に囲繞する、エポキシ樹脂等の熱硬化性
プラスチックからなる応力等化層（５）と、 前記整合層（３）を同軸的に囲繞するクランプリング
（４）と、 前記クランプリング（４）、応力等化層（５）、および
ケーシング（１）によって仕切られる、ケーシング
（１）内に残る中空空間を満たす減衰層（６）とを有し
ていることを特徴とする、超音波変換器。 - 【請求項２】 前記クランプリング（４）は、半径方向
で、クランプリング（４）を通る超音波の伝播速度とケ
ーシング（１）を通る超音波の伝播速度の和が超音波の
周期期間の半分の値と同じになるような厚みを有してい
る、請求項１記載の超音波変換器。 - 【請求項３】 前記クランプリング（４）は、例えば
１.７ｇ／ｃｍ３〜２.０ｇ／ｃｍ３の高密度と、約４０
・１０５ｋｇ／ｓｍ２の高い音響インピーダンスと、約
５０・１０−６１／Ｋの低い熱膨張率を有する、エポキ
シ樹脂等の熱硬化性プラスチックからなる、超音波変換
器。 - 【請求項４】 前記応力等化層（５）は、例えば１.５
ｇ／ｃｍ３の高密度と、約３５・１０５ｋｇ／ｓｍ２の
高い音響インピーダンスと、約５０・１０−６１／Ｋの
低い熱膨張率を有する、エポキシ樹脂等の熱硬化性プラ
スチックからなる、請求項１記載の超音波変換器。 - 【請求項５】 前記整合層（３）は、例えば０.４ｇ／
ｃｍ３〜０.６ｇ／ｃｍ３の密度と、約１１・１０５ｋ
ｇ／ｓｍ２の音響インピーダンスと、約２５・１０−６
１／Ｋの低い熱膨張率を有する、中空ガラス球で満たさ
れるエポキシ樹脂からなる、請求項１記載の超音波変換
器。 - 【請求項６】 前記整合層（３）とダイヤフラム（１
２）の厚さは、整合層（３）内の超音波の伝播時間とダ
イヤフラム（１２）内の超音波の伝播時間の和が超音波
の周期期間の１／４の値に等しくなるように定められて
いる、請求項１記載の超音波変換器。 - 【請求項７】 前記減衰層（６）は、シリコンエラスト
マからなる、請求項１記載の超音波変換器。 - 【請求項８】 前記応力等化層（５）は、超音波変換器
の使用可能な温度領域のほぼ中心温度にそのガラス転移
点があるような材料からなる、超音波変換器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP95115281A EP0766071B1 (de) | 1995-09-28 | 1995-09-28 | Ultraschallwandler |
| DE95115281.8 | 1995-09-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09126861A true JPH09126861A (ja) | 1997-05-16 |
| JP2918102B2 JP2918102B2 (ja) | 1999-07-12 |
Family
ID=8219662
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8256655A Expired - Fee Related JP2918102B2 (ja) | 1995-09-28 | 1996-09-27 | 超音波変換器 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5664456A (ja) |
| EP (1) | EP0766071B1 (ja) |
| JP (1) | JP2918102B2 (ja) |
| CA (1) | CA2185073C (ja) |
| DE (1) | DE59510158D1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE19714973C2 (de) * | 1997-04-10 | 1999-02-11 | Endress Hauser Gmbh Co | Verfahren und Anordnung zur Feststellung einer Überfüllung bei der Messung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter nach dem Impulslaufzeitverfahren |
| DE19744229A1 (de) * | 1997-10-07 | 1999-04-29 | Bosch Gmbh Robert | Ultraschallwandler |
| DE19811982C5 (de) * | 1998-03-19 | 2011-02-03 | Microsonic Gesellschaft für Mikroelektronik und Ultraschalltechnik mbH | Ultraschall-Luftfederanordnung |
| ATE510189T1 (de) * | 1999-04-01 | 2011-06-15 | Panametrics | Aufsteckbarer ultraschall-durchflussaufnehmer für flüssigkeiten niedriger dichte |
| FR2800229B1 (fr) * | 1999-10-22 | 2002-04-05 | Thomson Marconi Sonar Sas | Transducteur acoustique sous-marin a large bande |
| WO2001037609A1 (fr) * | 1999-11-12 | 2001-05-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Materiau d'adaptation acoustique, son procede de fabrication, et emetteur utilisant ce materiau |
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| DE10017760C1 (de) * | 2000-04-10 | 2001-08-16 | Festo Ag & Co | Piezokeramischer Biegewandler sowie Verwendung des piezokeramischen Biegewandlers |
| JP3538708B2 (ja) * | 2000-06-12 | 2004-06-14 | 株式会社村田製作所 | 圧電共振子及び圧電部品 |
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| DE10133395A1 (de) * | 2001-07-13 | 2003-01-23 | Flowtec Ag | Messkopf für ein Ultraschall-Durchflussmessgerät |
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| DE102005017008A1 (de) * | 2005-04-07 | 2006-10-12 | Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh | Vorrichtung mit einem Sender, einem Empfänger und einem den Sender und den Empfänger aufnehmenden Gehäuse |
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