KR20020070874A - 초음파 송수파기, 초음파 송수파기의 제조방법 및 초음파유량계 - Google Patents

초음파 송수파기, 초음파 송수파기의 제조방법 및 초음파유량계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특성의 편차를 적게하여 정밀도를 안정화시킬 수 있는 동시에 내구성이 향상등을 도모할 수가 있는 초음파 송수파기, 초음파 송수파기의 제조방법 및 초음파 유량계를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 압전체와 음향정합층을 포함한 초음파 송수파기로서, 음향정합층이 무기산화물 또는 유기고분자의 건조겔로 이루어지고, 건조겔의 고체골격부가 소수화되어 이루어진 구성으로 하였다. 이 구성에 의해 소수화되어 있는 건조겔의 고체골격부에 의해 극히 경량으로 음향임피던스가 작은 음향정합층(3)을 가지는 초음파 송수파기를 얻는다. 또 건조겔의 균질성이 높기때문에 특성 편차가 적은 안정된 초음파 송수파기를 얻는다.

Description

초음파 송수파기, 초음파 송수파기의 제조방법 및 초음파 유량계{ULTRASONIC TRANSDUCER, METHOD FOR MANUFACTURING ULTRASONIC TRANSDUCER, AND ULTRASONIC FLOWMETER}
본 발명은 초음파의 송수신을 행하는 초음파 송수파기 및 그 초음파 송수파기의 제조방법 및 그 초음파 송수파기를 사용한 초음파 유량계에 관한 것이다.
근년에 초음파가 전반로로 전달되는 시간을 계측하여 유체의 이동속도를 측정하여 유량을 계측하는 초음파류계가 가스미터 등에 계속 이용되고 있다.
도 1은 초음파 유량계의 측정원리를 도시한 것이다. 도 1에 도시한 바와같이 관내에는 유체가 속도(V)로 도면에 도시한 방향으로 흐르고 있다. 관벽(103)에는 한쌍의 초음파 송수파기(101, 102)가 상대하여 설치되어 있다. 초음파 송수파기(101, 102)는 전기 에너지/기계에너지 변환소자로서 압전세라믹 등의 압전진동자를 사용하여 구성되어 있다. 여기서는 초음파 송수파기(101)를 초음파 송파기로서 사용하고, 초음파 수파기(102)를 초음파 수파기로서 사용한다.
그 동작은 초음파 송파기(101)의 공진주파수 근방의 주파수의 교류전압을 압전진동자에 인가하면, 초음파 송파기(101)는 외부의 유체중으로 동도중의 L1로 도시한 전반경로에 초음파를 방사하여, 초음파 수파기(101)가 전반하여 온 초음파를 받아서 전압으로 변환한다. 이어서 반대로 초음파 송수파기(102)를 초음파 송파기로서 사용하고, 초음파 송수파기(101)를 초음파 수파기로서 사용한다. 초음파 송파기(102)의 공진주파수 근방의 주파수의 교류전압을 압전진동자에 인가함으로써초음파 송파기(102)는 외부의 유체중에 동도중의 L2로 도시한 전반 경로로 초음파를 방사하고, 초음파 수파기(101)는 전반하여온 초음파를 받아서 전압으로 변환한다.
또 이와같은 초음파 유량계에서는 연속적으로 교류전압을 인가하면 초음파 송수파기에서 연속적으로 초음파가 방사되어서 전반시간을 측정하는 것이 곤란하게 되므로 통상은 펄스신호를 반송파로하는 버스트 전압신호를 구동전압으로서 사용한다. 이하 측정원리에 대하여 더 상세한 설명을 행한다. 구동용 버스트 전압신호를 초음파 송수파기(101)에 인가하여 초음파 송수파기(101)로부터 초음파 버스트 신호를 방사하면, 이 초음파 버스트 신호는 거리가 L의 전반경로(L1)를 전반하여 t시간후에 초음파 송수파기(102)에 도달한다. 초음파 송수파기(102)에서는 전달하여온 초음파 버스트 신호만을 높은 S/N비로 전기 버스트 신호로 변환할 수가 있다. 이 전기 버스트 신호를 트리거 신호로해서, 다시 초음파 송수파기(101)를 구동하여 초음파 버스트 신호를 방사한다. 이 장치를 싱·어라운드 장치라 부르며, 초음파 펄스가 초음파 송수파기(101)에서 방사되어 전반로를 전반하여 초음파 송수파기(102)에 도달하는데에 필요한 시간을 싱·어라운드 주기라고 말하며 그 역수를 싱·어라운드 주파수라고 한다.
도 1에 있어서, 관중을 흐르는 액체의 유속을 V, 유체중의 초음파의 속도를 C, 유체가 흐르는 방향과 초음파 펄스의 전반방향의 각도를 θ로 한다. 초음파 송수파기(101)를 송파기, 초음파 송수파기(102)를 수파기로서 이용했을때에 초음파 송수파기(101)에서 나온 초음파 펄스가 초음파 송수파기(102)에 도달하는 시간인싱·어라운드 주기를 t1, 싱·어라운드 주파수를 f1이라하면 다음 수학식 1이 성립한다.
f1 = 1/t1 = (C + Vcosθ)/L
역으로 초음파 송수파기(102)를 송파기로서, 초음파 송수파기(101)를 수파기로서 사용했을때의 싱·어라운드 주기를 t2, 싱·어라운드 주파수를 f2라고 하면, 다음 수학식 2의 관계가 성립한다.
f2 = 1/t2 = (C + Vcosθ)/L
따라서 양 싱·어라운드 주파수의 주파수차(△f)는 다음 수학식 3이 되어 초음파의 전반경로의 거리(L)와 주파수차(△f)로부터 유체의 유속(V)를 구할 수가 있다.
△f = f1 - f2 = 2Vcosθ/L
즉, 초음파의 전반경로의 거리(L)와 주파수차(△f)로부터 유체의 유속(V)을 구할 수가 있으며, 그 유속(V)으로부터 유량을 조사할 수가 있다.
이와같은 초음파 유량계에서는 정밀도가 요구되나, 정밀도를 향상시키기 위해서는 기체에 초음파를 송파, 또는 기체를 전반하여온 초음파를 수파하는 초음파 송수파기를 구성하고 있는 압전 진동자에 있어서의 초음파의 송수파면에 형성되는 정합층의 음향임피던스가 중요하게 된다. 그 초음파 진동을 발행하는 압전진동자의 음향임피던스는 약 30×106정도이며, 공기의 음향임피던스는 400 정도로 음향정합층의 음향임피던스의 이상치는 0.11 × 106정도이다. 또 음향임피던스는 다음식 4로 정의된다.
음향임피던스 = (밀도) × (음속)
따라서 음향임피던스를 낮게 억제하는데에는 음향정합층에는 밀도가 작은 재료, 예컨대 유리발룬이나 플라스틱 발룬을 수지재료로 굳힌 재료가 사용되고 있다. 또 중공유리구를 열압축 혹은 용융재료를 발포시키는 등의 방법이 채용되고 있다. 이것은 예컨대 일본국 특허 제2559144호 공보등에서 알수가 있다.
그러나, 초음파 유량계에 사용하고 있는 종래의 초음파 송수파기에 사용하고 있는 음향정합층은 상술한 바와같이 중공유리구를 열압축하거나, 용융재료를 발포하는 등의 방법이 채용되어 있다. 이 때문에 압력에 의한 유리구의 파손, 압력부족에 의한 분리, 박리 용융재료의 발포 등의 원인에 의하여 매질이 불균질하게 되기 쉽고 특성에 편차가 생겨서, 이것이 기기정확도의 편차를 발생시키고 있다는 문제가 있었다. 또 음향정합층에 기체중에 노출하고 있기 때문에, 습도로 표면이 붕괴하거나, 화학활성물질에 의한 열화가 빨라서 내구성이 나쁘다는 문제 등도 있었다.
본 발명은 이와같은 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 목적은 특성의 편차를 적게하여 정밀도를 안정화시킬 수 있는 동시에 내구성의 향상등을 도모할 수 있는 고감도의 초음파 송수파기, 초음파 송수파기의 제조방법 및 초음파 유량계를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 초음파 유량계의 측정원리를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 제1 형태로서 도시한 초음파 수파기의 단면도,
도 3은 본 발명의 제2 형태로서 도시한 초음파 수파기의 단면도,
도 4는 본 발명의 제3 형태로서 도시한 초음파 수파기의 단면도,
도 5는 본 발명의 제4 형태로서 도시한 초음파 수파기의 단면도,
도 6은 본 발명의 초음파 수파기에 있어서의 제조방법의 제1 실시예를 설명하는 공정도,
도 7은 본 발명의 초음파 수파기내에 있어서의 제조방법의 제2 실시예를 설명하는 공정도,
도 8은 본 발명의 초음파 수파기내에 있어서의 제조방법의 제3 실시예를 설명하는 공정도,
도 9는 본 발명의 초음파 수파기에 있어서의 제조방법의 제3 실시예를 설명하는 공정도,
도 10은 본 발명의 초음파 송수파기를 사용한 초음파 유량계를 도시한 블록도이다.
본 발명의 초음파 송수파기는 압전체와 음향정합층을 포함하는 초음파 송수파기로서, 상기 음향정합층이 무기산화물 또는 유기고분자의 건조겔로부터 이루어지고, 상기 건조겔의 고체골격부가 소수화되어 이루어진 구성을 가지고 있다. 이 구성에 의하면, 소수화되어 있는 건조겔의 고체골격부에 의해 저음향 임피던스의 음향정합층을 가지는 초음파 송수파기를 얻을 수 있다. 또 상기 건조겔의 균질성이 높아서 특성 편차가 작아진다.
또, 본 발명의 초음파 송수파기는 다음과 같이 하여 구체화하면 보다 바람직한 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.
· 제 1로 상기 압전체와 상기 음향정합층이 화학결합한 구성으로 하는 것.
· 제 2로 상기 압전체가 밀폐용기의 내면에 배치되어 이루어지고, 상기 음향정합층이 상기 밀폐용기의 상기 압전체의 배치위치에 대향한 외면에 배치되어 이루어진 구성으로 하는 것.
· 제 3으로 상기 밀폐용기가, 상기 압전체의 배치위치에 대향한 외면의 위치에 초음파 발진파장의 4분의 1 깊이의 오목형상의 음향정합층 배치부를 가지고 이루어지며, 상기 음향정합층 배치부에 무기산화물 또는 유기고분자인 건조겔이 충전되어 이루어진 구성으로 하는 것.
· 제 4로 상기 밀폐용기와 상기 음향정합층이 화학결합하여 이루는 구성으로 하는 것.
· 제 5로 상기 밀폐용기가 전도성 재료인 구성으로 하는 것.
· 제 6으로 상기 전도성 재료가 금속재료인 구성으로 하는 것.
· 제 7로 상기 음향정합층을 구성하는 건조겔이, 밀도가 500kg/m3이하이며, 평균 세공 직경이 100nm이하인 구성으로 하는 것.
· 제 8로 상기 건조겔의 고체골격부가 적어도 산화규소 또는 산화 알류미늄을 성분으로서 가지는 구성으로 하는 것.
· 제 9로 상기 음향정합층의 표면에 밀도 800kg/m3이상이며, 두께가 10μm이하인 보호층이 형성되어 이루어진 구성으로 하는 것.
· 제 10으로 상기 보호층이 금속재료, 무기재료, 고분자 재료중 어느 하나의 구성으로 하는 것.
·제 11로 상기 보호층이 알루미늄, 산화규소, 산화알루미늄, 비정질 탄소, 폴리파라크실렌중 어느 하나인 구성으로 하는 것.
·본 발명의 초음파 송수파기의 제조방법은 고체골격부가 소수화된 무기산화물 또는 유기고분자의 건조겔로 이루어진 음향정합층과 압전체를 포함한 초음파 송수파기의 제조방법으로서, 상기 압전체 또는 상기 압전체를 내면에 배치한 기체 차폐성 용기에 상기 건조겔을 납땜하여 이루어지도록 한 것이다. 이 제조방법을 사용하여 얻어지는 초음파 송수파기는 저음향 임피던스의 음향정합층에 의해 고감도화 및 특성의 안정화를 도모할 수 있다.
본 발명의 초음파 송수파기의 제조방법은 고체골격부가 소수화된 무기산화물 또는 유기고분자의 건조겔로 이루어진 음향정합층과 압전체를 포함하는 초음파 송수파기의 제조방법으로서 압전체 또는 상기 압전체를 내면에 배치한 기체 차폐성 용기에 겔 원료액을 도포하는 성막공정, 상기 겔원료액에서 습윤겔을 얻는 고체화공정, 상기 습윤겔중의 용매를 제거하여 건조겔을 얻는 건조공정을 포함하여 상기 음향정합층을 형성하여 이루어지도록 한 것이다. 이 제조방법을 사용하여 얻어지는 초음파 송수파기는 저음향 임피던스의 음향정합층에 의해 고감도 및 특성의 안정화를 도모할 수가 있다.
또 본 발명의 초음파 송수파기의 제조방법은 다음과 같이하여 구체화하면 보다 바람직한 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.
· 제 1로, 상기 압전체가 밀폐용기의 내면에 배치되어 이루어진 초음파 송수파기에 있어서 상기 밀폐용기의 상기 압전체의 배치위치에 대향한 외면의 위치에 초음파 발진파장의 4분의 1 깊이의 오목형상의 음향정합층 배치부를 가지고 있으며, 상기 음향정합층 배치부에 겔 원료액을 도포하여 이루어지도록 하는 것.
· 제 2로 상기 음향정합층의 표면에 보호층을 건식성막법으로 형성하여 이루는 것.
또 본 발명의 초음파 유량계는 피측정 유체가 흐르는 유량측정부와, 상기 유량측정부에 설치되어 초음파 신호를 송수신하는 한쌍의 초음파 송수파기와, 상기 초음파 송수파기 사이의 초음파 전반시간을 계측하는 계측회로와, 상기 계측회로로부터의 신호에 의거하여 유량을 산출하는 유량연산 수단을 갖추어 이루어지고, 상기 초음파 송수파기가 상기 측정유체와 압전체를 차단한 밀폐용기로 구성되어 이루어진 구성으로 한 것이다. 이 초음파 유량계는 상기 초음파 송수파기가 고감도 및 특성편차가 적기 때문에 유량계측의 안정성의 향상을 도모할 수 있다.
이상 본 발명은 음향정합층이 무기산화물 또는 유기고분자의 건조겔로 이루어지고, 건조겔의 고체골격부가 소수화되어 이루어지는 구성을 가지고 있기때문에 소수화되어 있는 건조겔의 고체골격부에 의해 극히 경량으로 음향 임피던스가 작은 음향정합층을 가지는 초음파 송수파기를 얻을 수 있다. 또 건조겔의 균질성이 높기 때문에 특성 편차가 적은 안정된 초음파 송수파를 얻을 수 있다. 더욱이 무기산화물 또는 유기고분자의 건조겔 형성시에 압전체 표면 또는 용기(케이스) 표면의 OH기와 원료의 성분이 반응하여 화학적으로 결합되어 첨부되기 때문에 접착층이 없는 소위 접착층레스의 초음파 소수파기를 얻는 우수한 효과도 기대할 수 있다.
이러한 본 발명의 목적 및 이점은 첨부도면을 참조하여 설명되는 이하의 실시의 형태에 의해 한층 더 명백하게 될 것이다.
(제1 실시형태)
도 2는 본 발명의 제1 실시형태로 초음파 유량계에 사용되는 초음파 송수파기의 압전진동자의 단면도이다. 도 2에 있어서 전기-초음파 상호 변환을 행하는 압전진동자(1)는 압전체(2)와 음향정합층(3)으로 구성되어 있다. 압전체(2)는 초음파진동을 발생하는 것으로, 압전 세라믹이나 압전 단결정 등으로 이루어지고, 두께 방향으로 분극되어, 상하면에 전극을 가지고 있다. 음향정합층(3)은 기체에 초음파를 송파, 또는 기체를 전반하여 온 초음파를 수파하기 위한 것으로, 구동교류전압에 의해 여진되는 압전체(2)의 기계적 진동이 외부의 매체에 초음파로서 효율좋게 나가고, 도래한 초음파가 효율좋게 전압으로 변환되는 역할을 가지며, 압전체(2)에 있어서의 초음파의 송수파면을 형성하는 상태로하여 압전체(2)의 한쪽측에 화학결합에 의해서 첨부되어 있다. 또, 음향정합층(3)은 무기산화물 또는 유기고분자의 건조겔로 이루어지고, 건조겔의 고체골격부가 소수화되어 그 밀도가 500kg/m3이하에서, 평균 세공직경이 100nm이하인 나노 다공체 건조겔(나노의 다공성 건조겔)로서 형성되어 있다. 또한 무기산화물의 건조겔의 고체골격부는 적어도 산화규소(실리카) 또는 산화알루미늄(알루미나)를 성분으로 하고 있다. 또 유기고분자인 건조겔의 고체골격부는 일반적으로 열경화성수지, 열가소성 수지에 의해 구성할 수가 있다. 예컨대 폴리우레탄, 폴리우레아, 페놀 경화수지, 폴리아크릴아미드, 폴리메타크릴산 메틸 등을 적용할 수가 있다.
(제2 실시형태)
도 3은 본 발명의 제2 실시형태로 도 2의 압전진동자(1)를 사용한 초음파 송수파기의 단면도이다. 도 3에 있어서 도 2와 동일 부호를 붙인 것은 도 2와 동일의 재료로 또 같은 역할을 가지고 형성된 것을 표시하고 있다. 압전진동자(1)는 개략 통상을 한 전도재재료, 예컨대 외부의 유체에 대하여 신뢰성을 확보할 수 있는 금속등의 재료로 만들어져 있는 케이스(4)의 내측에 첨부되어 있다. 그 케이스(4)의 상면개구는 압전진동자(1)에 있어서의 음향정합층(3)의 윗면과 함께 보호층(5)으로 덮혀져서 외부유체와 차단된 상태로 되어 있는 동시에 밑면은 같은금속등의 전도재료로 만들어져 있는 덮개판(7)으로 덮혀져서 완전하게 봉지되고, 케이스(4)는 덮개판(7)과 함께 기체 차폐성 용기로서 만들어져 있다. 또, 덮개판(7)에는 구동단자(6a, 6b)가 부착되어 있다. 2개의 구동단자(6a, 6b)중, 한쪽의 구동단자(6a)는 덮개판(7) 및 케이스(4)를 통하여 압전체(2)의 윗면 전극에 전기적으로 접속되어 있다. 다른쪽의 구동단자(6b)는 절연재(8)로 덮개판(7)과 전기적으로 절연되어 있는 동시에 케이스(4)내에서 압전체(2)의 밑면 전극에 전기적으로 접속되어 있다.
보호층(5)은 밀도가 800kg/m3이상, 두께가 10μm 이하로, 금속재료, 무기재료, 고분자 재료등을 사용하여 이루어진 층이며 구체적으로는 알루미늄, 산화규소, 산화알루미늄, 저융점 유리, 비정질 탄소, 고분자(폴리파라크실렌, 폴리이미드) 등의 외에 코팅수지, UV(자외선) 경화수지, 열경화 수지등이 사용된다. 또 알루미늄을 사용한 경우는 증착 혹은 스퍼터 처리로 설치되어, 산화규소, 산화알루미늄을 사용한 경우는 증착처리 혹은 스퍼터처리 CVD (Chemical Vapor Deposition: 화학적 기상 성장법) 처리등으로 설치된다. 저 융점 유리를 사용한 경우에는 코팅처리로 준비되고, 비정질 탄소를 사용한 경우는 플라스마 CVD 처리로 준비되고, 고분자(폴리 파라크실렌, 폴리이미드)를 사용한 경우는 증착중합 처리등으로 준비된다.
이와같이 구성되어 있는 초음파 송수파기에서는 구동단자(6a, 6b)에 초음파 송수파기의 공진주파수 근방의 주파수의 교류신호 성분을 가진 버스트 신호 전압을 인가하면 압전진동자(1)는 두께 진동모드로 진동하여 기체 또는 액체중 등의 유체중에 버스트상의 초음파를 방사하게 된다.
(제3 실시형태)
도 4는 본 발명의 제 3 실시형태로, 도 2의 압전진동자(1)에 약간의 변경을 가하여, 그 압전진동자(1)를 케이스(14)에 조립한 초음파 송수파기의 단면도이다. 도 4에 있어서 도 2 및 도 3과 동일부호를 부여한 것은 도 2와 동일의 재료로 또 같은 역할을 가지고 형성되어 있는 것이므로 그 중복 설명은 생략하고, 다른 점만을 설명한다. 케이스(14)는 윗면(14a)에 음향정합층 배치부로서의 오목부(15)를 설치하여 윗면(14a)의 전체가 닫혀져서, 개략 통상을 한 케이스로서 형성되어 있는 동시에 밑면은 덮개판(7)으로 닫혀져서, 기체 차폐성 용기로서 형성되어 있다. 또한 오목부(15)의 깊이는 초음파 발진파장의 4분의 1의 깊이로 형성되어 있으며, 그 케이스(14)는 제1 실시형태의 케이스(4)와 마찬가지로 전도재재료, 예컨대 외부의 유체에 대하여 신뢰성을 확보할 수 있는 금속등의 재료로 만들어져 있다. 그리고 압전진동자(1)는 케이스(14)의 내부에서 윗면(14a)에 압전체(2)를 첨부하고, 외부의 오목부(15)내에 음향정합층(3)을 첨부한 구조로 되어 있다. 이와같이 구성되어 있는 초음파 송수파기에서도, 구동단자(6a, 6b)에 초음파 송수파기의 공진주파수 근방의 주파수의 교류신호 성분을 갖는 버스트 신호 전압을 인가하면 압전진동자(1)는 두께 진동모드로 진동하여 기체 또는 액체 중등의 유체중에 버스트 상의 초음파를 반사하게 된다.
(제4 실시형태)
도 5는 본 발명의 제4의 실시형태로 도 4에 도시한 초음파 송수파기에 있어서의 음향정합층(3)의 윗면 전체를 덮은 상태로 하여 보호층(5)을 설치하고, 음향정합층(3)을 음향층 배치부인 오목부(15)내에 봉지한 구조로 한 것으로, 그 이외의 구조는 도 4에 도시한 제3 실시형태의 초음파 송수파기의 구조와 같다. 이와같이 구성되어 있는 초음파 송수파기에도 구동단자(6a,6b)에 초음파 송수파기의 공진주파수 근방의 주파수의 교류신호성분을 가진 버스트신호 전압을 가압하면 압전진동자(1)는 두께 진동모드로 진동하여 기체 또는 액체중 등의 유체중에 버스트 형상의 초음파를 방사하게 된다.
다음에 도 2 내지 도 5에 도시한 음향정합층(3)을 제조하여 그것을 압전체(2) 혹은 케이스(14)에 첨부하는 방법의 실시예에 대하여 설명한다.
(제1 실시예)
도 6은 제1의 실시예로 음향정합층(3)을 제조하여 그것을 압전자(2)에 첨부하는 방법을 공정순으로 도시하고 있는 설명도이다. 그 제1 실시예를 공정 1 내지 공정 6의 순으로 설명한다.
·공정 1: 규산소다의 전기투석을 행하여, pH 9 ∼ pH 10의 규산수용액을 제조한다.
·공정 2: 상기 규산수용액을 pH5.5 소다로 조정하여 그것을 형에 흘려넣는다. 그리하면 규산수용액이 시간과 함께 겔화된 수성습윤겔 블록을 얻는다.
·공정 3: 겔화된 규산수용액을 트리메틸클로로실란(TMSC)의 아세톤용액으로 소수화하고, 탈수처리를 행하여, 습윤겔블록을 제조한다.
·공정 4: 습윤겔블록을 이산화탄소를 사용하여 초임계 건조시켜 실리카 건조겔 블록을 제조한다.
·공정 5: 실리카 건조겔 블록을 λ/4의 두께로 컷팅하여 소정의 음향정합층(3)을 형성한다.
·공정 6: 공정 5에서 컷팅된 음향정합층(3)을 압전체(2)의 일면 혹은 케이스(14)의 윗면(14a)에 은납땜 혹은 접착제로 첨부하면 압전진동자(1)가 만들어 진다.
(제2 실시예)
도 7은 제2 실시예로 음향정합층(3)을 제조하여 그것을 금속밀봉형 케이스(14)에 첨부하는 방법을 공정순으로 도시하고 있는 설명도이다. 그 제2 실시예를 공정 1 내지 공정 7의 순으로 설명한다.
·공정 1: 테트라 에톡시 실란과 알루미늄 -sec- 부톡시드, 엔탄올로 졸용액으로 형성한다.
·공정 2: 졸용액에 겔화촉매, 또는 산 또는 염기를 가하여, 케이스(14)에 증점상태에서 도포하기 위한 겔화 개시전의 도포원료액을 제조한다.
·공정 3: 케이스(14)의 도포면에 도포원료액을 도포하여 케이스 (밀폐용기) (14)와의 복합화를 도모한다.
·공정 4: 도포 원료액의 도포 후, 겔화될때에 케이스(14)의 표면의 OH기와 원료의 알콕시기가 반응하여 화학결합하여 케이스(14)의 표면에 습윤겔막을 형성한다.
·공정 5: 에탄올로 세정하고, 세정후에 초임계 건조한 후에 트리메틸클로로실란의 증기로 소수 처리하여 케이스(14)의 표면에 알루미노 실리카 건조겔 막을 형성한다.
·공정 6: 케이스(14)의 표면에 만들어진 알루미노 실리카 건조겔막의 위에 진공중에서 건식의 보호막(보호층 5)을 형성한다. 이 보호막(5)은 산화규소의 증착, 스퍼터링 혹은 CVD 등에 의해서 형성한다.
·공정 7: 그후 케이스(14)에 압전체(2), 덮개판(7), 구동단자(6a,6b)등을 조립하면 압전진동자(1)가 만들어진다.
(제3 실시예)
도 8은 제3 실시예로 음향정합층(3)을 제조하여, 그것을 금속밀봉형 케이스(14) 특히 그 케이스(14)를 스테인레스제의 케이스로한 경우에 그 케이스(14)에 음향정합층(3)을 첨부하는 방법을 공정순으로 도시하고 있는 설명도이다. 그 제3 실시예를 공정 1 내지 공정 6의 순으로 설명한다.
·공정 1: 규산소다의 전기투석을 행하여 pH9 ∼ pH10의 규산 수용액을 만든다.
·공정 2: 상기 규산 수용액을 pH5.5로 조정하고, 그것을 케이스(14)위에 적하하여 도포하여 규산수용액과 케이스(14)와의 복합화를 꾀한다.
·공정 3: 도포원료액의 도포후, 그 도포원료액이 겔화될 때에 케이스(14)의 표면의 OH기와 원료의 알콕시기가 반응하여 화학 결합하여 케이스(14)의 표면에 습윤겔막이 형성된다.
·공정 4: 겔화된 규산수용액을 트리메틸클로로실란(TMSC)의 아세톤용액으로소수화하여, 탈수처리를 행한다. 또 핵산에 용매치환후, 100℃로 유지한 공기중에서 건조하여, 산화규소의 실리카건조겔막을 형성한다.
·공정 5: 케이스(14)의 표면에 만들어진 실리카 건조겔막상에 고주파 플라스마 CVD에 의한 비결정탄소(다이아몬드 라이크카본)막의 보호막(보호층(5)) 형성한다. 이 보호막(5)은 단단하고 상처나기 힘들고, 내약품성이 높다. 또 가스 배리어성에 우수하여 저수착성을 가지고 있어서 화학물질이 부착하기 힘들다.
·공정 6: 그후 케이스(14)에 압전체(2), 덮개판(7) 구동단자(6a, 6b) 등을 조립하면 압전진동자(1)가 만들어진다.
(제4 실시예)
도 9는 제4 실시예로 음향정합층(3)을 제조하여 그것을 금속밀봉형 케이스(14) 특히 그 케이스(14)를 알루미늄제의 케이스로 한 경우에 그 케이스(14)에 음향정합층(3)을 첨부하는 방법을 공정순으로 도시하고 있는 설명도이다. 그 제4실시예를 공정 1 내지 공정 7의 순으로 설명한다.
·공정 1: 톨루엔 디이소시아네이트(TDI)와 톨루엔 디아민(TDA)를 아세톤이나 테트라 히드로푸란등의 비프로톤계 용매중에서 혼합하여 폴리우레아 구조를 갖는 수용액을 만든다. 이 경우의 용매는 원료와 반응하지 않는 용매를 준비하는 것이 중요하다.
·공정 2: 수용액을 케이스(14)위에 적하하여 도포하고, 케이스(14)와의 복합화를 도모한다.
·공정 3: 도포원료액의 도포후, 그 도포원료액이 겔화될 때에 케이스(14)의표면의 OH기와 원료가 반응하여 화학결합하여 케이스(14)의 표면에 습윤겔막이 형성된다.
·공정 4: 겔화된 도포원료액을 tert-부틸알코올로 용매치환후, 25℃ 이하에서 동결하고, 그후 41 Torr이하로 감압상태에서 가열하여 건조하고, 유기건조겔막을 형성한다. 이 유기건조겔막은 발수성을 가진다.
·공정 5: 케이스(14)의 표면에 만들어진 유기 건조겔막위에 우레탄계 자외선(UV) 경화 수지를 코팅하여 경화하여 보호막(보호층5)을 형성한다.
·공정 6: 그후 케이스(14)에 압전체(2), 덮개판(7), 구동단자(6a,6b)등을 조립해 붙이면 압전진동자(1)가 만들어진다.
도 10은 본 발명의 초음파 송수파기를 사용한 초음파 유량계를 도시한 블록도이다. 도 10에 있어서의 초음파 유량계는 유량측정부(51)인 관내를 피측정유체가 속도(V)로 도면에 도시한 방향으로 흐르도록 설치된다. 그 유량측정부(51)의 관벽에는 본 발명의 초음파 송수파기로서의 압전진동자(1)(1a, 1b)가 상대하여 배치되어 있다. 여기서는 압전진동자(1a)를 초음파 송파기(이하 "초음파 송파기 1a"라함)로서 사용하고, 압전진동자(1b)를 초음파 수파기(이하, "초음파 수파기 1b"라 말함)로서 사용하고 있다. 또 초음파 송파기(1a)와 초음파 수파기(1b)에는 이들의 송수신을 전환하는 전환회로(55)를 통하여, 초음파 송수파기(1a, 1b)를 구동하는 구동회로(54)와 초음파 펄스를 검지하는 수신검지회로(56), 초음파 펄스의 전반시간을 계측하는 타이머(57), 그 타이머(57)의 출력으로부터 유량을 연산하는 연산부(58), 구동회로(54)와 타이머(57)에 제어신호를 출력하는 제어부(59)가 접속되어 있다.
이와같이 구성된 초음파 유량계의 작동을 다음에 설명하는, 비측정 유체를 예를들면 LP가스, 초음파 송수파기(1d, 1b)의 구동주파수를 500kHz로 하는 제어부(59)에서는 구동회로(54)로 송신개시신호를 출력하는 것과 동시에 타이머(57)의 시간계측을 개시시킨다. 구동회로(54)는 송신개시신호를 받으면 초음파 송수파기(1a)를 구동하여 초음파펄스를 송신한다. 송신된 초음파 펄스는 유량측정내를 전반하여 초음파 송수파기(1b)에서 수신된다. 수신된 초음파펄스는 초음파 송수파기(1b)에서 전기신호로 변환되어 수신검지회로(56)에 출력된다. 수신검지회로(56)에서는 수신신호의 수신타이밍을 결정하고, 타이머(57)를 정지시켜 연산부(58)에서 전반시간(t1)을 연산한다.
이어서 전환회로(55)에서 구동부(54)와 수신검지회로(56)에 접속하는 초음파 송수파기(1a, 1b)를 전환하고, 다시 제어부(59)에서는 구동회로(54)에 송신개시신호를 출력하는 동시에 타이머(57)의 시간계측을 개시시킨다. 전반시간(t1)의 측정과 반대로 초음파 송수파기(1b)로 초음파 펄스를 송신하고 초음파 송수파기(1a)에서 수신하여 연산부(58)에서 전반시간(t2)을 연산한다.
여기서 초음파 송수파기(1a)와 초음파 송수파기(1b)의 중심을 잇는 거리를 L, LP가스의 무풍상태에서의 음속을 C, 유량측정부(51)내에서의 유속을 V, 비측정 유체의 흐름의 방향과 초음파 송수파기(1a,1b)의 중심을 잇는 선과의 각도를 θ라고 하면, 전반시간(t1, t2)는 각각 구하여진다. 또 거리(L)는 이미 알고 있으므로 시간(t1)과 (t2)를 측정하면 유속(V)이 구해지고, 그 유속(V)으로부터 유량을 조사할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시한 바람직한 실시예에 의거하여 설명하여 왔으나, 당업자라면 이 발명을 용이하게 변경 및 개변할 수 있는 것은 명백하며 그와 같은 변경부분도 발명의 범위에 포함되는 것이다.

Claims (18)

  1. 압전체와 음향정합층을 포함한 초음파 송수파기로서, 상기 음향정합층이 무기산화물 또는 유기고분자의 건조겔로 이루어지고, 상기 건조겔의 고체골격부가 소수화되어 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체와 상기 음향정합층이 화학결합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체가 밀폐용기의 내면에 배치되어 이루어지고, 상기 음향정합층이 상기 밀폐용기의 상기 압전체의 배치위치에 대향한 외면에 배치되어 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 밀폐용기가 상기 압전체의 배치위치에 대향한 외면의 위치에 초음파 발진파장의 4분의 1 깊이의 오목형상의 음향정합층 배치부를 가지고 이루어지고, 상기 음향정합층 배치부에 무기산화물 또는 유기고분자의 건조겔이 충전되어 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 밀폐용기와 상기 음향정합층이 화학결합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 밀폐용기가 전도성 재료인 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전도성 재료가 금속재료인 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 음향정합층을 구성하는 상기 건조겔이 밀도가 500kg/m3이하이며, 평균 세공직경이 100nm이하인 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 건조겔의 고체골격부가 적어도 산화규소 또는 산화알루미늄을 성분으로서 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 음향정합층의 표면에 밀도, 800kg/m3이상이며, 두께가 10μm이하인 보호층이 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 보호층이 금속재료, 무기재료, 고분자 재료중 하나인 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 보호층이 알루미늄, 산화규소, 산화알루미늄, 비정질탄소, 폴리파라크실렌중 하나인 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
  13. 고체골격부가 소수화된 무기산화물, 또는 유기고분자의 건조겔로 이루어진 음향정합층과 압전체를 포함한 초음파 송수파기의 제조방법으로서, 상기 압전체 또는 상기 압전체를 내면에 배치한 기체 차폐성 용기에 상기 건조겔을 납땜하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기의 제조방법.
  14. 고체골격부가 소수화된 무기산화물 또는 유기고분자의 건조겔로 이루어진 음향정합층과 압전체를 포함한 초음파 송수파기의 제조방법으로서, 상기 압전체 또는 상기 압전체를 내면에 배치한 기체 차폐성 용기겔 원료액을 도포하는 성막공정, 상기 겔 원료액으로부터 습윤겔을 얻는 고체화공정, 상기 습윤겔내의 용매를 제거하여 건조겔을 얻는 건조공정을 포함하여 상기 음향정합층을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 압전체가 밀폐용기의 내면에 배치되어 이루어진 초음파 송수파기에서, 상기 밀폐용기의 상기 압전체의 배치위치에 대향한 외면의 위치에 초음파 발진파장의 4분의 1 깊이의 오목형상의 음향정합층 배치부를 가지고이루어지고 상기 음향정합층 배치부에 겔 원료액을 도포하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기의 제조방법.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 음향정합층의 표면에 보호층을 건식 성막법으로 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기의 제조방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 음향정합층의 표면에 보호층을 건식성막법으로 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기의 제조방법.
  18. 음향정합층이 무기산화물 또는 유기고분자의 건조겔로 이루어지고, 상기 건조겔의 고체 골격부가 소수화되어 이루어진, 압전체와 음향정합층을 포함한 초음파 송수파기를 사용한 초음파 유량계로서, 피측정 유체가 흐르는 유량측정부와, 상기 유량측정부에 설치되어 초음파 신호를 송수신하는 한쌍의 초음파 송수파기와, 상기 초음파 송수파기 사이의 초음파 전반시간을 계측하는 계측회로와, 상기 계측회로로부터의 신호에 의거하여 유량을 산출하는 유량연산수단을 구비하여 이루어지고 상기 초음파 송수파기가 상기 측정유체와 압전체를 차폐한 밀폐용기로 구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
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