KR20100008357A - 초음파 변환기 - Google Patents

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KR20100008357A
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아리 휴이저
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Abstract

기기 하우징(1)에 설치하기 위한 초음파 변환기로서, 상기 초음파 변환기는 변환기 하우징(2)과 하우징 고정구(3a, 3b)를 포함하고, 상기 변환기 하우징(2)은 그것의 방출측 및/또는 수신측(4)에서 그것의 설치된 상태에서 매체 압력 하에 놓일 수 있는, 초음파 변환기가 기술 및 묘사된다.
본 발명의 목적은 초음파 신호들의 혼선을 회피하기 위한 다른 방법을 구현하고 종래 기술로부터 알려진 문제들을 적어도 부분적으로 회피하는, 기기 하우징에 설치하기 위한 초음파 변환기를 제공하는 것이다.
초음파 변환기는 상기 변환기 하우징(2)이 적어도 간접적으로 적어도 하나의 접촉 영역을 그것의 설치된 상태에서 상기 하우징 고정구(3a, 3b)와 함께 형성하고, 상기 변환기 하우징(2) 및 상기 하우징 고정구(3a, 3b)는 프리로딩 수단(pre-loading means; 14)에 의해 존재하지만 가능한 한 작은 표면 압력으로 제 1 접촉 영역(6)에서 서로에 대해 적어도 간접적으로 가압되는 것을 특징으로 한다.
초음파 변환기, 기기 하우징, 변환기 하우징, 하우징 고정구, 프리로딩 수단(pre-loading means)

Description

초음파 변환기{Ultrasonic Transducer}
본 발명은 기기 하우징(instrument housing)에 설치하기 위한 초음파 변환기에 관한 것이다. 여기서, 초음파 변환기는 변환기 하우징(transducer housing)과 하우징 고정구(housing fixture)를 포함하고, 초음파 변환기가 설치된 상태에서는 변환기 하우징이 그 방출측(emitting side) 및/또는 수신측(receiving side)에서 매체 압력(medium pressure) 하에 놓일 수 있다.
전술한 형태의 초음파 변환기들은 수년 동안 알려져 왔고, 예를 들어 음향 질량 유량계(acoustic mass flowmeter)들에서 넓은 범위에 걸쳐 사용되어 왔다. 음향 변환기는 변환기 하우징의 방출측 및/또는 수신측에 제공되는 멤브레인(membrane)의 발진(oscillation)으로 전기 에너지를 변환한다. 이 경우, 초음파 변환기는 초음파 방출기(ultrasonic emitter)로서 작용한다. 게다가, 또한 방출측 및/또는 수신측에 제공되는 멤브레인은 매체에서 발생하는 외부 압력 변동에 의해 발진되고 발진은 각각의 신호로 변환된다, 이 경우, 초음파 변환기는 초음파 수신기로서 작용하는 것이 가능하다. 몇몇 응용들에서, 예를 들어 충만도 측정(fill level measurement)에서, 이와 같은 초음파 변환기는 초음파 방출기 및 초음파 수 신기 모두로서 사용되고, 질량 흐름 측정 분야에서 초음파 변환기는 일반적으로 초음파 방출기 또는 초음파 수신기 중 어느 하나로서 사용된다.
음향 질량 흐름 측정에 있어서, 측정 튜브에서 운반되는 매체 내에서 음향 신호의 전파 속도가 매체의 공급 속도에 중첩(superimpose)되는 효과가 일반적으로 사용된다. 매체가 음향 신호 방향으로 운송될 때에는, 측정 튜브에 대한 음향 신호의 측정된 전파 속도는 매체가 정지된 경우보다 커진다. 매체가 음향 신호의 방출 방향 반대로 운송될 때에는, 측정 튜브에 대한 음향 신호의 측정된 전파 속도는 매체가 정지된 경우보다 작아진다. 측정 튜브에 대하여 - 따라서 이런 동반 효과(entrainment effect)로 인한 음향 방출기와 음향 수신기에 대하여 -, 음향 방출기와 음향 수신기 - 모두 초음파 변환기들 - 사이의 음향 신호의 진행 시간은 매체의 공급 속도에 의존한다.
변환기 하우징의 방출측 및/또는 수신측에 의하여 초음파 변환기에서 생성된 발진이 초음파 변환기의 주변 매체(surrounding medium)로 전달될 뿐 아니라 변환기 하우징을 통하여 - 경우에 따라서는, 그것이 기기 하우징과 다르지 않는 한, 하우징 고정구를 통하여 - 기기 하우징으로도 전달된다는 점은, 방출된 음향 또는 초음파 신호에 기초한 측정의 문제점이다. 물론 질량 유량 측정 분야에서만 문제되는 것은 아니다. 이것은 특정 환경들 하에서, 전달 파워(transmission power)의 상당 부분이 "손실(lost)"되기 때문에 문제가 될 뿐만 아니라 소위 혼선(crosstalk)에 의해 기기 하우징에 전달된 초음파는 상당한 수신측 간섭(receiving-side interference)으로 이어질 수 있기 때문에 문제가 된다. 이것은 예를 들면 수신된 초음파 신호가 매체를 통하여 수신된 것인지 - 즉, 원하는 신호가 됨 - 또는 기기 하우징으로 통하여 수신된 것인지 수신측에서는 식별할 수 없다는 점에서 설명된다. 여기서 기기 하우징을 통하여 전달된 초음파 신호는 다시 수신중인 초음파 변환기의 변환기 하우징에서 혼선을 일으킨다.
특히 매체가 가스로 구성되는 가스 응용들에서, 전체 생성된 발진 에너지에 비해 초음파 변환기로부터 기체 매체로 전달되는 발진 에너지의 부분은 매우 낮고 그 결과 혼선의 문제가 특히 여기서 악화된다.
변환기 하우징내의 실제 발진기들로부터 변환기 하우징으로 및 추가로 기기 하우징으로의 초음파 발진의 혼선을 감소시키기 위해 다른 방법들이 종래 기술로부터 알려져 있다. 이들 방법들 중 몇몇은 초음파 발생기, 예컨대 변환기 하우징의 방출측 및/또는 수신측 상의 피에조 소자(piezo element)로부터 구조적으로 길어져 있는 기기 하우징에서의 전달수단(transfer)까지의 전달 경로에 기초하고 있다. 다른 방법들은 불량한 임피던스 정합을 낳고 따라서 낮은 에너지 영역의 전달을 일으키는, 예를 들어 재료들로 음향 전달을 생성함으로써 초음파 변환기의 나머지 및/또는 기기 하우징으로부터 초음파 소스를 음향적으로 디커플링하는 시도들을 포함한다. 많은 방법들이 종종 서로 조합된다.
가스 응용들에서는 기체 매체로 직접 전달된 에너지의 부분이 압력 따라서 매체의 밀도에 크게 의존한다는 추가의 문제가 있다. 압력 변동들은 혼선 신호 에너지에 대한 원하는 신호 에너지의 비가 크게 변하게 하고, 그것에 의해 신호 레벨들 또는 신호 레벨비율들에 기초한 초음파 신호들의 분석을 더 어렵게 한다.
본 발명의 목적은 초음파 신호들의 혼선을 회피하기 위한 다른 방법을 구현하고 종래 기술로부터 알려진 문제들을 적어도 부분적으로 회피하는, 기기 하우징에 설치하기 위한 초음파 변환기를 제공하는 것이다.
앞서서 언급된 목적과 부합하는 본 발명에 따른 음향 초음파 변환기는 최초이며 필연적으로 변환기 하우징은 적어도 간접적으로 적어도 하나의 접촉 영역을 그것의 설치된 상태에서 하우징 고정구와 함께 형성하고, 변환기 하우징 및 하우징 고정구는 프리로딩 수단(pre-loading means)에 의해 존재하지만 가능한 한 작은 표면 압력으로 제 1 접촉 영역에서 서로에 대해 적어도 간접적으로 가압되는 것을 특징으로 한다. 하우징 고정구에 가능한 한 낮은 표면 압력으로 변환기 하우징을 장착함으로써, 미해결의 음향 디커플링이 한쪽의 변환기 하우징과 다른 쪽의 하우징 고정구 사이에서 달성되어 초음파 혼선이 효과적으로 감소된다. 결국, - 가능한 한 작을지라도 - 하우징 고정구와 변환기 하우징 사이에서 적어도 간접 표면 압력(surface pressure)이 구현되므로, 하우징 고정구들과 변환기 하우징이 서로에 대해 규정되어 장착되므로 초음파 변환기는 그것이 매체로부터의 압력하에 놓이지 않을 경우에도 규정된 외부 형상을 가진다.
본 발명에 따른 방법은 음향 및 따라서 2개의 고체 보디들 사이의 초음파 전달은 재료 특성 및 형상에 의존할 뿐만 아니라 고체 보디들 사이의 접합이 어떻게 형성되는 지에도 의존한다는 지식에 기초하고 있다. 고체 보디로부터 인접 고체 보디로의 음향 전달은 또한 예를 들면 이들 인접한 고체 보디들이 서로에 대해 가압되는지의 여부에 의존하고, 어떤 힘에 의해 이들이 서로 가압되고, 또는 각각 어떤 표면 압력이 접촉 영역에서 구현되고, 또는 이들 인접한 고체 보디들이 단지 어떠한 힘을 받지 않고 서로 인접하여 놓이는가에 의존한다. 표면 압력이 증가하면, 2개의 고체 보디들 사이의 음향 전달이 향상된다. 따라서, 가능한 한 작은 초기 표면 압력 및 그것과 함께 초음파 변환기에서의 음향 전달 능력이 하우징 고정구와 변환기 하우징의 규정된 위치에서 서로 관련하여 실현되는 것이 프리로딩 수단의 구성으로 달성된다.
초음파 변환기의 변환기 하우징은 수직으로 길이방향으로 배향되고, 여기서 실제 초음파 소스는 통상 피에조-크리스탈(piezo-crystal)의 형태로 이러한 길이방향으로 배향된 변환기 하우징의 단부에 위치한다. 이러한 피에조-크리스탈은 멤브레인(membrane)을 발진시키고, 그것에 의해 초음파들은 변환기 하우징의 축방향으로 배향된 방향으로 방출된다.
게다가, 이것은 변환기 하우징의 외부에 존재하는 주위 매체의 압력이 변환기 하우징에 영향을 미치고, 결과적인 압력 부하 및 그것과 함께 힘의 결과적인 작용이 단지 변환기 하우징의 길이방향 배향의 이러한 축방향에서, 즉 방출 및/또는 수신측에 제공된 멤브레인 위에서 발생한다는 것을 의미한다. 따라서, 존재하는 매체 압력은 보통의 구성에서, 변환기 하우징의 축방향에서, 변환기 하우징에 대해 힘 P의 결과적인 작용을 일으킨다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 변환기 하우징이 압력 로딩된 설치 상태에서 하우징 고정구에 대해 적어도 간접적으로 가압되는 힘은 매체에 의한 변환기 하우징의 결과적인 압력 부하(resulting pressure load)에 의존하고, 따라서, 힘 및 따라서 제 1 표면 영역에서의 표면 압력은 또한 매체 압력이 증가함에 따라 증가하는 것이 제공된다. 상기 지식은 고체 보디로부터 다른 고체 보디로의 초음파의 전달이 양 고체 보디들 - 여기서는 변환기 하우징과 하우징 고정구 - 사이의 접촉 영역에서의 표면 압력이 증가되면 고무되는 이러한 방법에 사용된다.
동시에, 하우징 고정구와 변환기 하우징 사이의 표면 압력은 또한 하우징 고정구와 변환기 하우징 사이에서 발견되는 고체 보디를 통해 간접적으로 전달되고, 이후 상기 제 1 접촉 영역은 한편에서는 하우징 고정구와 전달 고체 보디 사이, 다른 한편에서는 전달 고체 보디와 변환기 하우징 사이에 형성되고, 이것은 그것이 말하여 질 때 변환기 하우징이 설치된 상태에서 하우징 고정구와 함께 간접적으로 제 1 접촉 영역을 형성하고 이후 불가피하게 제 2 접촉 영역이 생기는 것을 의미한다는 것이다.
매체의 압력이 없는 즉 상압(normal pressure) 상태에서, 변환기 하우징 및 하우징 고정구는 가능한 한 작은 표면 압력으로 본 발명의 스펙으로 인하여, - 적어도 간접적으로 - 서로 접촉하고, 실제로 초음파들은 변환기 하우징으로부터 하우징 고정구로 전달되지 않는다. 하우징 고정구에서의 변환기 하우징의 전술한 장착에 있어서, 변환기 하우징이 하우징 고정구에 가압되는 힘은 - 결과적인 압력 부하(pressure load)의 방향에서 - 매체 압력이 증가함에 따라 증가한다. 그것에 의 해, 변환기 하우징으로부터 하우징 고정구로의 초음파의 혼선이 한쪽에서는 고무되지만, 한편에서는 음향 에너지의 증가하는 부분이 매체로 방출된다.
주로 기체 매체에 있어서, 매체 압력은 매체의 밀도가 증가함에 따라 같이 증가하여 가고 그 결과 어느 정도 매체 압력이 증가하고 변환기 하우징으로부터 하우징 고정구로의 초음파의 혼선이 고무되고, 변환기 하우징의 방출측 및/또는 수신측으로부터의 초음파의 전달이 또한 매체내에서 고무된다. 그 결과, 이러한 방법은 원하는 신호 파워 대 혼선 파워의 비가 어떤 비율로 동일하게 유지되고, 매체 압력이 변할 때, 공지된 구성들의 경우, 특히 이와 같은 구성들의 경우 - 이와 같은 구성에서 프리로딩 수단에 의해 생성된 표면 압력은 매체에 생성된 부하의 결과인 제 1 접촉 영역에서의 표면 압력보다 훨씬 크고 - 에서보다 덜 강하게 변하게 한다.
본 발명에 따른 초음파 변환기들이 바람직하고 프리로딩 수단에 의해 - 적어도 간접적으로 - 발생된 표면 압력은 제 1 접촉 영역에서 10 MPa 이하, 특히 7 MPa 이하, 바람직하게는 6 MPa 이하, 가장 바람직하게는 5 MPa 이하이도록 설계된다. 이러한 상황에서, 그것은 - 적어도 간접적으로 - 프리로딩 수단에 의해 발생된 표면 압력이 제 1 접촉 영역에서 0.001 MPa 이상, 특히 0.005 MPa 이상, 바람직하게는 0.01 MPa 이상, 가장 바람직하게는 0.05 MPa 이상일 경우 유리한 것으로 입증되었다. 0.05 MPa와 5 MPa 사이의 제 1 접촉 영역에서의 표면 압력을 가진 초음파 변환기들이 제조시 용이하게 구현될 수 있다는 것을 보였다.
본 발명에 따른 초음파 변환기의 가장 바람직한 실시예에 있어서, 프리로딩 수단이 변환기 하우징과 하우징 고정구 사이에서 작동하여 프리로딩 수단이 매체 압력이 증가함에 따라 더욱 더 언로딩되는 것이 제공된다. 이 실시 예 및 프리로딩 수단의 배열은 초음파 전달의 관점에서 추가의 보상 효과로 이어진다. 따라서, 하우징 고정구와 변환기 하우징 사이에 - 적어도 간접적으로 작용하는 - 표면 압력을 가하기 위해, 프리로딩 수단은 - 직접적이 아니면, 기계적으로 간접적으로 - 하우징 고정구와 변환기 하우징과 접촉해야 하고, 그 결과 음향 브리지(acoustic bridge)가 또한 변환기 하우징과 하우징 고정구 사이에서 형성되는 것이 명백하다. 프리로딩 수단과 변환기 하우징 사이 또는 각각 프리로딩 수단과 하우징 고정구 사이의 접촉 영역들은 표면 압력이 증가하면 음향 전달 능력이 증가하는 동일 원리의 지배를 받는다. 그러나, 프리로딩 수단이 상기한 바와 같이 배열되고 설치되면, 변환기 하우징으로부터 하우징 고정구로의 음향 전달은 매체 압력의 증가시 향상되지만, 프리로딩 수단의 음향 전달 능력은 거기서의 표면 압력의 감소로 인해 동시에 감소한다.
본 발명에 따른 음향 변환기의 일 변형 예에 있어서, 하우징 고정구는 제 1 고정구 요소와 제 2 고정구 요소를 포함하고, 제 1 고정구 요소와 제 2 고정구 요소는 변환기 하우징의 섹션이 장착되는 조립된 상태에서 자유 공간을 형성하고, 변환기 하우징의 섹션은 제 1 고정구 요소 상 및 제 2 고정구 요소 상에서 결과적인 압력 부하의 방향 및 반대 방향에서 직접적으로 또는 간접적으로 지지되고, 즉 제 1 하우징 고정구와 제 2 하우징 고정구는 상기 섹션을 실질적으로 클램프하고, 따라서 대체로 변환기 하우징을 꼭 고정하는 것이 제공된다. 이러한 변형예에 기초하여, 특히 제 1 고정구 요소는 요부(recess)가 제공된 기기 하우징의 섹션에 의해 형성되고, 변환기 하우징은 기기 하우징의 요부에 삽입될 수 있고, 제 2 고정구 요소는 기기 하우징의 섹션의 요부에 삽입될 수 있고 기기 하우징의 섹션과 접속될 수 있는 슬리브(sleeve)에 의해 형성되는 것이 제공된다.
제 2 고정구 요소가 제 1 고정구 요소에 나사결합될 수 있고 프리로딩 수단이 제 2 고정구 요소의 나사산과 제 1 고정구 요소의 대응하는 피치의 상호작용에 의해 구현되면, 접촉 압력은 마지막에 언급한 변형예에서 특히 용이하게 조정될 수 있다.
초음파 전달 억제의 또 다른 개선은, 변환기 하우징 및 하우징 고정구가 결과적인 압력의 방향에서 설치된 상태에서 일정 갭(gap) 만큼 서로 이격되어 있고, 적어도 하나의 음향 디커플링 요소는 갭에 배치되고, 특히 디커플링 요소의 재료 및/또는 치수는 가능한 한 낮은 가능한 결과적인 음향 임피던스 정합이 변환기 하우징과 디커플링 요소 사이 및/또는 디커플링 요소와 하우징 고정구 사이에서 구현되도록 선택되는 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 달성된다. 불량한 임피던스 정합은 초음파 에너지의 작은 부분만이 접촉 영역으로 전달되게 하고, 사실 초음파 에너지의 더 많은 부분이 반사되고, 어떤 경우에는 하우징 고정구들 또는 각각 하우징에 도달하지 않는다.
상세에 있어서, 본 발명에 따른 초음파 변환기를 설계하고 더욱 더 발전시키기 위한 다른 가능성들이 있다. 이점에 있어서, 특허 청구항 1에 종속하는 특허 청구항들 및 도면과 관련한 최선의 실시예들의 상세한 설명을 참조하라.
도 1 내지 도 4은 본 발명에 따른 초음파 변환기의 종단면도의 개략도이고, 이 초음파 변환기는 기기 하우징(instrument housing; 1)에 설치하기 위해 제공되고, 기기 하우징(1)은 도 1 내지 3에만 도시된다. 초음파 변환기는 변환기 하우징(transducer housing) 및 하우징 고정구(housing fixture)를 포함하고, 설치된 상태에서 변환기 하우징은 그것의 방출측 및/또는 수신측에서 매체 압력(medium pressure) 하에 놓일 수 있고, 매체(medium)는 도면들에 명확히 도시되어 있지 않다.
도면들은 초음파 변환기의 관심 구성들만을 개략적으로 도시한다. 예를 들면, 실시예들에서 피에조-소자(piezo-element)로서 구현되는 실제 초음파 익사이터(ultrasonic excitor; 5)의 배선(wiring)은 도시되지 않는다. 변환기 하우징(2)이 하나 또는 2개의 부분들로 구성되는지의 여부, 초음파 변환기의 헤드(head)가 구성되는 상세 방법, 및 예를 들면 초음파 변환기가 그것의 방출측 및/또는 수신측(4)에서 어느 재료로 구성되는지는 현재 중요하지 않고, 이것은 또한 다음에는 예시되지 않는다.
도시된 초음파 변환기들은 전부 변환기 하우징(2)이 적어도 간접적으로 하우징 고정구(3a, 3b)와 함께 그것의 설치된 상태에서 접촉 영역(contact area)을 형성하는 것을 특징으로 한다. 변환기 하우징(2) 및 하우징 고정구(3a, 3b)는 프리로딩 수단(preloading means; 14)에 의해 존재하지만 가능한 한 작은 표면 압력으로 제 1 접촉 영역(6)에서 서로에 대해 적어도 간접적으로 가압되고 있다. 그것에 의해, 하우징 고정구(3a, 3b)와 마주하는 변환기 하우징(2)의 규정된 위치를 가짐과 동시에 상기한 바와 같이 변환기 하우징(2)과 하우징 고정구(3a, 3b) 사이의 불량한 음향 전달의 실현이 달성된다.
초음파 변환기의 방출측 및 수신측(4)은 매체에 노출될 수 있고, 그 결과 매체에서 우세한 압력에 노출되는 것을 도면들에서 알 수 있다. 도시된 실시예들에서, 이 매체 압력은 P로 나타낸 방향으로 결과적인 압력 부하를 생기게 한다.
변환기 하우징(2) 및 하우징 고정구(3a, 3b)가 존재하지만 가능한 한 작은 표면 압력으로 서로에 대해 가압된다고 할 경우, 이때 이것은 프리로딩 수단(14)의 사용시 구조적으로 부수하는 표면 압력에 적용되나 외부 영향들, 즉, 예를 들면 하우징 고정구(3a, 3b) 상의 변환기 하우징(2)으로부터 작용하는 중량 또는 압력에 기인하는 힘의 작용에는 적용되지 않는다.
그것에 의해, 변환기 하우징(2)과 하우징 고정구(3a, 3b)는 프리로딩 수단(14)에 의해 서로에 대해 가능한 한 작은 표면 압력으로, - 특히 가능한 한 결과적인 압력 부하의 방향 P로 - 가압되고, 높은 표면 압력에 의해 내부적으로 형성될 초음파 전달에 필요한 제 1 접촉 영역(6)의 결핍 때문에 변환기 하우징(2)로부터 하우징 고정구(3a, 3b)로의 초음파 신호들의 혼선이 가능한 한 멀리 회피되는 것이 달성된다. 낮은 표면 압력만이 낮은 초음파 전달을 허용한다.
변환기 하우징(2)이 적어도 간접적으로 매체-유도 압력-로딩된 설치 상태(medium-induced pressure-loaded installed state)에서 제 1 접촉 영역(6)에서 하우징 고정구(3a, 3b)에 가압되는 힘은 매체에 의한 변환기 하우징(2) 상의 결과적인 압력에 의존하고, 상기 힘, 따라서 제 1 접촉 영역에서의 표면 압력도 매체 압력이 증가함에 따라 증가하는 것이 모든 실시예에서 유리하다. 위에서 언급한 것과 같이, 이것은 하우징 고정구(3a, 3b)에 대해 직접 또는 간접으로 변환기 하우징(2)의 접촉 압력을 증가시킴에 따라, 즉 표면 압력을 증가시킴에 따라, 초음파 신호들로부터의 혼선이 증가될 수도 있지만, 그러나, 동시에, 초음파 변환기로부터 매체로의 초음파의 더 양호한 전달이 가능하여, 원하는 신호 파워 대 혼선 파워의 비가 단지 작거나 심지어 변경되지 않는 기체 매체에서 특히 유리하다.
도면들에 도시된 실시예들에서, 프리로딩 수단(14)에 의해 생기는 제 1 접촉 영역(6)에서의 적어도 간접 표면 압력은 정밀도 및 구성의 면에서 용이하게 관리 가능한 값인 약 2MPa이다.
도 4에 따른 초음파 변환기는 프리로딩 수단(14)이 변환기 하우징(2)과 하우징 고정구(3a, 3b) 사이에 전체적으로 작동하여 프리로딩 수단(14)이 매체 압력이 증가함에 따라 더욱 더 언로딩되는 것을 특징으로 한다. 이것은 하우징 고정구(3a, 3b)가 제 1 고정구 요소(3a) 및 제 2 고정구 요소(3b)를 포함하고, 여기서 변환기 하우징(2)은 제 1 고정구 요소(3a)를 통과하고, 제 1 고정구 요소(3a)의 하나의 숄더(shoulder; 11)와 제 2 고정구 요소(3b)의 하나의 숄더(12)는 제 1 고정구 요소(3a)의 일측에서 서로 대향하고 제 1 고정구 요소(3a)의 다른 측의 영역에서, 제 2 고정구 요소(3b)가 변환기 하우징(2)에 연결되고 제 1 고정구 요소(3a)로부터 로킹 방식(locking manner)으로 대향하고, 특히 제 2 고정구 요소(3b)가 포지티브-로킹 고정 링(positive-locking retaining ring)인 도 4에 따른 초음파 변환기에서 달성된다.
프리로딩 수단(14)은 도 4에 따른 초음파 변환기에서 제 1 고정구 요소(3a)와 제 2 고정구 요소(3b)와 직접 접촉하고, 여기서, 제 2 고정구 요소(3b)는 프리로딩 수단(14)에 의해 발생된 힘을 변환기 하우징(2)에 공급한다. 변환기 하우징(2)이 증가하는 압력으로 인해 하우징 고정구(3a)에 더욱 더 가압되면, 프리로딩 수단(14)이 제 1 고정구 요소(3a)와 제 2 고정구 요소(3b) 사이에 배치되는 갭이 더 커지고 그 결과 프리로딩 수단(14)에 의해 작용하는 힘은 더 작아진다. 그것에 의해, 프리로딩 수단(14)과 제 1 고정구 요소(3a)와 제 2 고정구 요소(3b) 사이의 표면 압력도 더 작아져서 매체 압력이 증가함에 따라, 프리로딩 수단(14)은 변환기 하우징(2)으로부터 하우징 고정구(3a, 3b)로 초음파를 전달할 수 있는 능력이 연속하여 작아진다.
프리로딩 수단(14)이 제 1 고정구 요소(3a)와 제 2 고정구 요소(3b) 사이에 제공되는 다른 변형예에서, 프리로딩 수단(14)은 한쪽에서 제 1 고정구 요소(3a)에 의해 지지되고, 다른 쪽에서는 변환기 하우징(2)에 의해 직접 지지되지만, 이것은 도시되어 있지 않다. 도 4에 있어서, 프리로딩 수단(14)은 스프링 워셔(spring washer)로서, 특히 반구형 또는 굽은 스프링 워셔(domed or curved spring washer)로서 형성된다.
도 1 내지 도 3에 도시된 초음파 변환기에 있어서, 하우징 고정구(3a, 3b)는 또한 제 1 고정구 요소(3a) 및 제 2 고정구 요소(3b)를 포함하고, 여기서 제 1 고정구 요소(3a) 및 제 2 고정구 요소(3b)는 변환기 하우징(2)의 섹션(10)이 장착되는 자유 공간(9)을 형성하고, 여기서, 변환기 하우징(2)의 섹션(10)은 제 1 고정구 요소(3a) 위 및 제 2 고정구 요소(3b) 위의 결과적인 압력 부하의 방향 P 및 반대 방향 P에서 직접 또는 간접적으로 지지된다. 제 1 고정구 요소(3a)는 요부(recess)가 제공된 기기 하우징(1)의 섹션에 의해 형성되고, 여기서 변환기 하우징(2)은 기기 하우징(1)의 요부에 삽입된다. 제 2 고정구 요소(3b)는 기기 하우징(1)의 섹션의 요부에 삽입될 수 있고 기기 하우징(1)의 섹션과 접속될 수 있는 슬리브(sleeve)에 의해 형성된다. 제 2 고정구 요소(3b)는 제 1 고정구 요소(3a)에 나사결합될 수 있고 프리로딩 수단(14)은 제 1 고정구 요소(3a)의 대응하는 피치와 제 2 고정구 요소(3b)의 나사산과의 상호작용에 의해 구현된다. 슬리브가 조여질 때의 토크를 측정하여, 축방향으로 작용하는 힘들 및 그것에 의해 전체 유효 표면 압력이 용이하게 식별 및 결정될 수 있어, 요구되고 있는 존재하지만 가능한 한 작은 표면 압력이 용이하게 조정될 수 있다.
제 1 고정구 요소(3a)와 제 2 고정구 요소(3b) 사이의 나사산은 나사산 접촉 표면들이 약 7 MPa의 프리로딩 수단(14)에 의해 생기는 최대 표면 압력을 가지도록 설계된다.
도 3 및 도 4에 따른 실시예들에 있어서, 변환기 하우징(2) 및 하우징 고정구(3a, 3b)는 설치된 상태에서 결과적인 압력의 방향 P으로 갭(15)만큼 서로 이격되고, 여기서 적어도 하나의 음향 디커플링 요소(7a)는 갭(15)에 배치되고, 여기서, 특히 디커플링 요소(7a)의 재료 및/또는 치수는 가능한 한 낮은 결과적인 음향 임피던스 정합이 변환기 하우징(2)과 디커플링 요소(7a) 및/또는 디커플링 요소(7a)와 하우징 고정구(3a, 3b) 사이에서 구현되도록 선택된다.
도 4에 따른 초음파 변환기에 있어서, 3개의 음향 디커플링 요소(7a, 7b, 7c)가 자유 공간(15), 즉 결과적인 압력 부하의 방향 P에서 서로 인접하여 배치되고, 여기서 디커플링 재료(7a, 7b, 7c)의 재료 및/또는 치수는 가능한한 낮은 음향 임피던스 정합이 디커플링 요소들(7a, 7b, 7c) 사이에서 일어나도록 선택된다.
디커플링 요소들(7a, 7b, 7c)의 재료는 그것이 매체로부터 예측된 압력 부하만큼 압축될 수 있어, 부하가 걸린 상태에서 앞서 설명된 프리로딩 요소(14)의 언로딩이 발생하도록 그 탄성의 관점에서 선택된다.
도시된 실시예들 모두에서, 변환기 하우징(2)은 밀봉 링들(8a, 8b; sealing ring)과 함께 결과적인 압력 부하의 방향 P에 필연적으로 수직인 하우징 고정구(3a, 3b) 내에 이격되어 장착된다. 밀봉 링들(8a, 8b)은 변환기 하우징(2)과 밀봉 링들(8a, 8b)과 밀봉 링들(8a, 8b)과 하우징 고정구(3a, 3b) 사이의 가능한 작은 결과적인 음향 임피던스 정합이 실현되도록 재료와 치수의 관점에서 선택된다.
도 4에 따른 초음파 변환기에 있어서, 제 1 고정구 요소(3a)는 그 주위에 밀봉 링들(13a, 13b)을 가지며, 이 밀봉 링들에 의해 초음파 변환기의 설치된 상태에서 제 1 고정 요소(3a)는 도시하지 않은 기기 하우징에 대하여 밀봉된다.
도 1은 설치 상태의 본 발명에 따른 초음파 변환기의 단면도.
도 2는 도 1에 따른 변환기 하우징으로부터 하우징 고정구까지의 연결부의 상세도.
도 3은 추가적인 디커플링 요소를 갖춘 본 발명에 따른 초음파 변환기의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 4는 다수의 디커플링 요소들을 가진 본 발명에 따른 초음파 변환기의 다른 실시예를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 기기 하우징
2 : 변환기 하우징
4 : 방출측 및/또는 수신측
3a, 3b : 하우징 고정구
6 : 제 1 접촉 영역
14 : 프리로딩 수단

Claims (15)

  1. 기기 하우징(1; instrument housing)에 설치하기 위한 초음파 변환기로서, 상기 초음파 변환기는 변환기 하우징(2; transducer housing)과 하우징 고정구(3a, 3b; housing fixture)를 포함하고, 설치된 상태에서 상기 변환기 하우징(2)은 방출측 및/또는 수신측(4)에서 매체 압력 하에 놓일 수 있는, 초음파 변환기에 있어서,
    상기 변환기 하우징(2)은 설치된 상태에서 적어도 간접적으로 적어도 하나의 접촉 영역을 상기 하우징 고정구(3a, 3b)와 함께 형성하고,
    상기 변환기 하우징(2) 및 상기 하우징 고정구(3a, 3b)는 프리로딩 수단(pre-loading means; 14)에 의해 존재하지만 가능한 한 작은 표면 압력으로 제 1 접촉 영역(6)에서 서로에 대해 적어도 간접적으로 가압되는 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환기 하우징(2)이 매체-유도 압력 로딩된 설치 상태(medium-induced pressure-loaded installed state)에서 상기 제 1 접촉 영역(6)에서 상기 하우징 고정구(3a, 3b)에 대해 적어도 간접적으로 가압되는 힘은, 상기 매체에 의한 상기 변환기 하우징(2)상의 결과적인 압력에 의존하고,
    상기 힘 및 따라서, 상기 제 1 접촉 영역(6)에서의 상기 표면 압력도 매체 압력이 증가함에 따라 필연적으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 접촉 영역(6)에서 상기 프리로딩 수단(14)에 의해 적어도 간접적으로 발생된 표면 압력은 10 MPa 이하, 특히 7 MPa 이하, 바람직하게는 6 MPa 이하, 가장 바람직하게는 5 MPa 이하인 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 접촉 영역(6)에서 상기 프리로딩 수단(14)에 의해 적어도 간접적으로 발생된 표면 압력은 0.001 MPa 이상, 특히 0.005 MPa 이상, 바람직하게는 0.01 MPa 이상, 가장 바람직하게는 0.05 MPa 이상인 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리로딩 수단(14)이 상기 변환기 하우징(2)과 상기 하우징 고정구(3a, 3b) 사이에서 전체적으로 작동하고 그 결과 상기 프리로딩 수단(14)은 매체 압력이 증가함에 따라 더욱 더 언로딩되는 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징 고정구(3a, 3b)는 제 1 고정구 요소(3a)와 제 2 고정구 요소(3b)를 포함하고,
    상기 변환기 하우징(2)은 상기 제 1 고정구 요소(3a)를 통과하고, 상기 제 1 고정구 요소(3a)의 하나의 숄더(shoulder; 11)와 상기 제 2 고정구 요소(3b)의 하나의 숄더(12)는 상기 제 1 고정구 요소(3a)의 일측에서 서로 대향하고,
    상기 제 1 고정구 요소(3a)의 타측의 영역에서는, 상기 제 2 고정구 요소(3b)가 상기 변환기 하우징(2)에 연결되고 상기 고정구 요소(3a)로부터 로킹 방식(locking manner)으로 대향하고, 상기 제 2 고정구 요소(3b)는 포지티브-로킹 고정 링(positive-locking retaining ring)인 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 프리로딩 수단(14)은 상기 제 1 고정구 요소(3a)와 상기 제 2 고정구 요소(3b) 사이에 제공되고, 한편에서는 상기 제 1 고정구 요소(3a) 상에서 지지되고, 다른 한편에서는 상기 제 2 고정구 요소(3b) 또는 상기 변환기 하우징(2) 중 어느 하나상에서 지지되는 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리로딩 수단(14)은 스프링 워셔(spring washer)로서 형성되고,
    상기 스프링 워셔는 반구 형상(domed)이나 굽은 형상(curved)인 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징 고정구(3a, 3b)는 제 1 고정구 요소(3a)와 제 2 고정구 요소(3b)를 포함하고,
    상기 제 1 고정구 요소(3a)와 상기 제 2 고정구 요소(3b)는 상기 변환기 하우징(2)의 섹션(10)이 장착되는 조립된 상태에서 자유 공간(9)을 형성하고,
    상기 변환기 하우징(2)의 상기 섹션(10)은 상기 제 1 고정구 요소(3a) 및 상기 제 2 고정구 요소(3b) 상에서 상기 결과적인 압력 부하의 방향 P 및 반대 방향 P에서 직접적이거나 간접적으로 지지되는 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 고정구 요소(3a)는 요부(recess)가 제공된 상기 기기 하우징(1)의 섹션에 의해 형성되고, 상기 변환기 하우징(2)은 상기 기기 하우징(1)의 상기 요부에 삽입될 수 있고,
    상기 제 2 고정구 요소(3b)는 상기 기기 하우징(1)의 상기 섹션의 상기 요부에 삽입될 수 있고 상기 기기 하우징(1)의 상기 섹션과 접속될 수 있는 슬리브(sleeve)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 고정구 요소(3b)는 상기 제 1 고정구 요소(3a)에 나사결합될 수 있고, 상기 프리로딩 수단(14)은 상기 제 2 고정구 요소(3b)의 나사산과 상기 제 1 고정구 요소(3a)의 대응하는 피치의 상호작용에 의해 구현되는 것을 특징으로 하 는, 초음파 변환기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 고정구 요소(3a)와 상기 제 2 고정구 요소(3b) 사이의 상기 나사산은 상기 나사산의 상기 접촉 표면이 10 MPa 이하, 특히 7 MPa 이하, 바람직하게는 6 MPa 이하, 가장 바람직하게는 5 MPa 이하의 상기 프리로딩 수단(14)에 의해 발생되는 최대 표면 압력을 가지며,
    상기 나사산의 상기 접촉 표면이 적어도 0.001 MPa, 특히 적어도 0.005 MPa, 바람직하게는 적어도 0.01 MPa, 가장 바람직하게는 적어도 0.05 MPa의 상기 프리로딩 수단에 의해 발생되는 최소 표면 압력을 가지도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환기 하우징(2) 및 상기 하우징 고정구(3a, 3b)는 설치된 상태에서 상기 결과적인 압력 부하의 방향 P으로 갭(15)에 의해 서로 이격되고,
    적어도 하나의 음향 디커플링 요소(7a)는 상기 갭(15)에 배치되고,
    상기 디커플링 요소(7a)의 재료 및/또는 치수는, 상기 변환기 하우징(2)과 상기 디커플링 요소(7a) 사이 및/또는 상기 디커플링 요소(7a)와 상기 하우징 고정구(3a, 3b) 사이에서의 결과적인 음향 임피던스 정합이 가능한 한 낮게 구현되도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    적어도 2개의 음향 디커플링 요소들(7a, 7b, 7c)은 상기 자유 공간(15)에서 상기 결과적인 압력 부하의 방향 P로 서로 인접하게 배치되고,
    상기 디커플링 요소들(7a, 7b, 7c)의 재료 및/또는 치수는, 상기 디커플링 요소들(7a, 7b, 7c) 사이에서의 음향 임피던스 정합이 가능한 낮게 발생하도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
  15. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환기 하우징(2)은 밀봉 링들(8a, 8b)을 이용하여 상기 하우징 고정구(3a, 3b)에서 떨어져서 상기 결과적인 압력 부하의 방향 P에 본질적으로 수직하게 장착되는 것을 특징으로 하는, 초음파 변환기.
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