KR20120099227A - 유체에 사용하기 위한 초음파 트랜스듀서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유체(116)에 사용하기 위한 초음파 트랜스듀서(110)에 관한 것이다. 상기 초음파 트랜스듀서(110)는 적어도 하나의 내부 공간(114)을 가진 적어도 하나의 하우징(112)을 포함하고, 상기 초음파 트랜스듀서(110)는 또한 상기 내부 공간(114) 내에 수용된 적어도 하나의 트랜스듀서 코어(122)를 포함하며, 상기 트랜스듀서 코어(122)는 적어도 하나의 전기-음향 트랜스듀서 소자(126)를 포함한다. 상기 하우징(112)은 상기 유체(116)를 향한 적어도 하나의 개구(118)를 포함하고, 상기 개구(118)은 적어도 하나의 밀봉 박막(142)에 의해 적어도 부분적으로 커버된다. 상기 밀봉 박막(142)의 가장자리는 적어도 하나의 밀봉 재료(164)에 의해 밀봉된다.
Description
본 발명은 유체에서 사용하기 위한 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.
선행기술에 유체에서 사용하기 위한 다양한 종류의 초음파 트랜스듀서가 공지되어 있다. 초음파 트랜스듀서란 초음파 신호를 유체로 송출하고 및/또는 초음파 신호를 유체로부터 수신하여 예컨대 전기 신호로 변환할 수 있는 소자가다. 상기 초음파 트랜스듀서는 재료 가공 기술에서는 예컨대 초음파 유량계에 사용되고 및/또는 자동차 분야에서는 예를 들어 특히 내연기관의 배기 매니폴드 및/또는 흡기 매니폴드 내의 유량계(Ultrasonic Flow Meter)에 초음파 트랜스듀서가 사용된다. 예컨대 상기의 초음파 트랜스듀서는 DE 10 2007 010 500 A1, DE 10 2007 037 088 A1 또는 이후에 공개된 본 특허 출원인의 독일 특허 출원 DE 10 2008 055 126.0호에 공개되어 있다. 상기 간행물에 기술된 초음파 트랜스듀서는 기본적으로 본 발명의 범주에서 사용될 수 있고 본 발명에 따라 변형될 수 있다.
초음파 트랜스듀서는 일반적으로 적어도 하나의 전기 음향 소자, 예컨대 압전 트랜스듀서 소자를 포함한다. 그러나 특히 공기 또는 다른 기체의 유량 측정시, 전기 음향 트랜듀서 소자와 공기 사이에 높은 음향 임피던스 차이가 기록되고, 상기 임피던스 차는 전기 음향 트랜스듀서 소자와 기체 사이의 초음파 신호들의 커플링시 높은 커플링 손실을 일으키는 문제점이 나타난다. 따라서 예컨대 트랜스듀서 신호로부터 유량 측정시 내연기관의 시스템 제어부 내의 공기 유량 신호가 유도되는 경우에 신호 편차가 약할 수 있다. 따라서 음향 방사 공명- 또는 조정 바디, 예컨대 금속 멤브레인 또는 λ/4 임피던스층을 가진 초음파 트랜스듀서가 공지되어 있다. 기본적으로 기하학적으로 임의로 형성될 수 있는 상기 임피던스 조정층은 예컨대 선행기술의 상기 간행물에 공지되어 있다.
공지된 초음파 트랜스듀서에서 일반적으로 하우징이 사용되고, 상기 하우징에 트랜스듀서 코어가 배치된다. 상기 하우징은 유체에 할당된 측면에 개구를 갖고, 상기 개구 내에 초음파 신호를 전달하거나 수신하는 트랜스듀서 코어의 방출면이 배치된다. 하우징의 내부 공간을 유체에 대해 매체 밀봉 및/또는 압력 밀봉 방식으로 폐쇄하기 위해, DE 10 2008 055 126.0에 상기 개구를 완전히 또는 부분적으로 밀봉 박막으로 커버하는 것이 공지되어 있다. 그러나 밀봉 박막의 가장자리에서 여전히 매체가 하우징의 내부 공간 내로 스며들 수 있고, 이는 예컨대 내연기관에서 유량 측정시 단점이 될 수 있는 기술적인 과제가 발생한다.
따라서 본 발명의 과제는 공지된 초음파 트랜스듀서 및 센서 장치의 단점들을 적어도 거의 방지하는, 유체에서 사용하기 위한 초음파 트랜스듀서 및 센서 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항에 따른 초음파 트랜스듀서 및 청구범위 제 10항에 따른 센서 장치에 의해 해결된다.
유체는 특히 기체, 예컨대 공기 또는 배기 가스일 수 있다. 따라서 초음파 트랜스듀서와 센서 장치는 예컨대 자동차 내연기관의 특히 초음파 유량계(UFM)에서 사용될 수 있다. 대안적인 응용 분야는 예컨대 재료 가공 기술에서 기체 또는 액체를 위한, 특히 공정 제어를 위한 센서, 예컨대 화학 및/또는 제약 산업에서 거리 센서, 충전 레벨 센서 또는 유량 센서와 같은 센서이다. 다른 이용 분야는 예컨대 호흡 가스 모니터링을 위한 의료 기술 또는 열량계와 같은 에너지 기술이다.
제안된 초음파 트랜스듀서는 적어도 하나의 내부 공간을 가진 적어도 하나의 하우징을 포함한다. 하우징이란 적어도 부분적으로 폐쇄된 소자를 의미하고, 상기 소자는 초음파 트랜스듀서의 외형을 규정할 수 있고, 초음파 트랜스듀서를 기계적 부하에 대해 적어도 부분적으로 보호할 수 있다. 하우징은 예컨대 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이 전체적으로 또는 부분적으로 플라스틱, 예컨대 열가소성 재료 및/또는 금속 재료로 제조될 수 있다.
다수의 내부 공간이 제공될 수도 있는 내부 공간란 일반적으로 적어도 부분적으로 폐쇄되고 적어도 부분적으로 하우징의 내부에 배치된 공간을 의미한다. 상기 내부 공간은 예컨대 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이 적어도 거의 원통형으로 형성될 수 있다.
또한 초음파 트랜스듀서는 내부 공간에 수용된 적어도 하나의 트랜스듀서 코어를 포함하고, 상기 트랜스듀서 코어는 적어도 하나의 전기 음향 트랜스듀서 소자를 갖는다. 전기 음향 트랜스듀서 소자란 기본적으로, 전기 신호를 음향 신호로, 특히 초음파 신호로 또는 그 반대로 변환하는 임의의 소자를 말한다. 예를 들어 상기 전기 음향 트랜스듀서 소자는 적어도 하나의 압전 트랜스듀서 소자를 포함할 수 있다. 따라서 전기 음향 트랜스듀서 소자의 다른 가능한 실시예의 제한 없이 하기에서 용어 "압전" 또는 "압전 트랜스듀서 소자" 또는 "압전 세라믹"은 전기 음향 트랜스듀서 소자에 대한 동의어로서 사용된다. 대안으로서 또는 추가로 전기 음향 트랜스듀서 소자는 상기 기능의 다른 소자를 포함할 수도 있다.
적어도 하나의 전기 음향 트랜스듀서 소자 외에 트랜스듀서 코어는 다른 소자를 포함할 수 있다. 특히 트랜스듀서 코어는 아래에서 자세히 설명되는 바와 같이 적어도 하나의 조정 바디를 포함할 수 있고, 상기 조정 바디는 전기 음향 트랜스듀서 소자와 유체 사이의 음향 커플링을 개선하기 위해 설치된다. 특히 임피던스 조정 바디일 수 있다. 상기 임피던스 조정 바디는 바람직하게, 전기 음향 트랜스듀서 소자의 음향 임피던스와 유체의 음향 임피던스 사이의 음향 임피던스, 바람직하게는 상기 음향 임피던스들의 기하학적 평균에 가까운 음향 임피던스를 갖는다. 실제 초음파 트랜스듀서 및 특히 가스 형태의 매체에서, 대개는 더 높은 음향 임피던스를 갖는 조정 바디가 사용될 수도 있다. 조정 바디는 상이한 음향 임피던스를 갖는 다수의 재료 및/또는 하나의 음향 임피던스 구배를 갖는 재료를 포함할 수도 있다. 예컨대 조정 층으로서 형성될 수 있는 상기 조정 바디의 가능한 실시예에 대해 상기 간행물 DE 10 2007 010 500 A1, DE 100 2007 037 088 A1 및 DE 10 2008 055 126.0호가 참조될 수 있다. 상기 간행물에서 사용된 조정 바디는 기본적으로 본 발명의 범주에서도 사용될 수 있다. 또한 트랜스듀서 코어는 다른 소자들을 포함할 수 있다. 예컨대 선택적 조정 바디와 전기 음향 트랜스듀서 소자 사이에 적어도 하나의 보상 바디, 특히 적어도 하나의 보상 층이 배치될 수 있다. 상기 보상 보상 바디의 열팽창계수가 예컨대 전기 음향 트랜스듀서 소자의 열팽창계수와 조정 바디의 열팽창 계수의 사이에서 선택됨으로써, 상기 조정 바디는 전기 음향 트랜스듀서 소자와 조정 바디의 상이한 열팽창계수로 인한 열역학 응력의 형성을 저지할 수 있다. 예컨대 상기 보상 바디는 적어도 하나의 접착층을 포함할 수 있다. 그러나 기본적으로 다른 실시예도 가능하다.
트랜스듀서 코어는 특히 적어도 하나의 방출면을 포함할 수 있다. 방출면이란 기본적으로, 트랜스듀서 코어로부터 유체로 음향 신호가 전달될 수 있고 및/또는 유체로부터 트랜스듀서 코어로 음향 신호가 수신될 수 있는 임의의 면을 말한다. 상기 적어도 하나의 방출면은 유체에 할당되고, 예컨대 하우징의 개구 내에 배치될 수 있다. 따라서 하우징은 예컨대 유체를 향한 적어도 하나의 개구를 포함할 수 있고, 예컨대 개구는 하우징의 하우징 가장자리로 완전히 또는 부분적으로 둘러싸인다. 상기 개구 내에 방출면이 배치될 수 있고, 상기 방출면은 바람직하게 하우징 가장자리와 동일 평면으로 배치된다. 다른 형상, 예컨대 하우징의 하우징 에지와 동일 평면이 아닌 배치도 가능하다.
예컨대 원형 또는 다각형으로 형성될 수 있는, 하우징의 적어도 하나의 개구는 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전히 적어도 하나의 밀봉 박막에 의해 커버된다. 밀봉 박막이란 기본적으로, 예컨대 압력 영향 및/또는 화학적 영향과 같은 유체의 영향을 적어도 부분적으로 내부 공간으로부터 저지하기 위해 사용되는 임의의 박막 형태의 소자다. 박막 형태의 소자란, 측면 폭이 그 두께를 적어도 팩터 10, 바람직하게는 적어도 팩터 100 또는 적어도 팩터 1000 만큼 넘는 소자를 의미한다. 밀봉 박막은 예컨대 플라스틱 박막 및/또는 금속 박막 및/또는 세라믹 박막을 포함할 수 있다. 예컨대 밀봉 박막은 열가소성 재료 또는 듀로 플라스틱 재료를 포함할 수 있다. 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있는 가능한 재료들은 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리이미드(특히 Kapton?), 액정 고분자(Liquid Crystal Polymers, LCP), 예컨대 테플론 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 또는 예컨대 불화에틸렌프로필렌 공중합체(FEP)같은 플루오르카본, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 또는 다른 플라스틱이다. 상기 재료들 및/또는 다른 재료들의 배합도 이용할 수 있다. 대안으로서 또는 추가로 얇은 금속 박막이 사용될 수도 있다. 또한, 예컨대 다른 박막층 또는 이와 유사한 같은 것을 포함하는 복합 재료도 사용될 수 있다. 또한 적어도 하나의 상기 박막층은 예컨대 금속, 세라믹 또는 플라스틱 재료로 이루어진 코팅으로서 제공될 수 있다. 또한 밀봉 박막은 플라스틱층을 포함할 수 있고, 상기 플라스틱층에 의해 특히 밀봉 재료와 무관하게 하우징에 대한 압력 끼워맞춤 방식 또는 재료 결합식 결합이 달성된다.
이러한 점에 있어서 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서는 예컨대 후에 공개된 독일 특허 DE 10 2008 055 126.0에 설명된 초음파 트랜스듀서와 유사하게 형성될 수 있다. 상기 간행물에 제시된 초음파 트랜스듀서 및 전술한 밀봉 문제의 해결책과 달리 본 발명에 따라 밀봉 박막의 가장자리를 적어도 하나의 밀봉 재료로 밀봉하는 것이 제안된다. 밀봉 박막의 가장자리란 밀봉 박막의 경계, 밀봉 박막의 측면 길이를 의미할 수 있다. 그러나 가장자리는 상기 경계를 넘어서 적어도 하나의 밀봉 재료로 커버될 수도 있다.
밀봉 재료란 기본적으로 변형 가능한 상태에서, 예컨대 액체, 반액체 또는 페이스트 상태 또는 다른 방식으로 변형 가능한 상태에서 밀봉 박막에 제공될 수 있는 임의의 재료이다. 따라서 밀봉 재료는 밀봉 박막의 가장자리의 형태에 맞게 조정될 수 있다. 특히 밀봉 재료는 전체적으로 또는 부분적으로 하우징과 밀봉 박막의 가장자리 사이의 갭 내로 스며들 수 있고 및/또는 밀봉 박막의 가장자리와 하우징 사이의 갭을 폐쇄할 수 있다. 밀봉이란 일반적으로 내부 공간이 밀봉 재료에 의해 유체의 작용, 예컨대 화학적 작용 및/또는 압력 작용에 대해 적어도 부분적으로 보호되는 상태이다.
밀봉 재료는 특히 적어도 하나의 접착제를 포함할 수 있다. 특히 밀봉 재료는 에폭시드 및/또는 고온틱소트로픽 접착제를 포함할 수 있다. 밀봉 재료는 예컨대 적어도 부분적으로 비드 형태로, 특히 접착 비드로서 형성될 수 있다. 따라서 밀봉 재료는 접착 비드로서 환형으로 또는 적어도 부분적으로 환형으로 밀봉 박막의 가장자리에 제공될 수 있다.
하우징은 특히 유체에 할당되는, 적어도 부분적으로 개구를 둘러싸는 하우징 가장자리를 포함할 수 있다. 밀봉 박막은, 밀봉 박막의 가장자리가 하우징 가장자리 상에 놓이도록 적어도 부분적으로 상기 하우징 가장자리에 놓인다. 상기 "놓인다" 라는 표현은 직접적인 또는 간접적인 지지를 의미할 수 있고, 후자는 예컨대 적어도 하나의 추가 접착층 및/또는 적어도 하나의 접착 라이닝에 의한 것이고, 상기 접착층 또는 접착 라이닝은 밀봉 박막과 하우징 가장자리 사이에 삽입될 수 있고 밀봉 박막과 하우징 가장자리 간의 결합을 제공할 수 있다.
예컨대 밀봉 박막은 하우징 가장자리에 재료 결합식으로 및/또는 압력 끼워맞춤 및/또는 형상 끼워맞춤 방식으로 결합될 수 있다. 또한 전술한 바와 같이 밀봉 박막의 가장자리는 적어도 하나의 밀봉 재료에 의해 밀봉되고, 이 경우 바람직하게 밀봉 박막과 하우징 가장자리 사이의 갭 및/또는 간극이 밀봉된다.
하우징 가장자리는 예컨대 평평한 플랜지 또는 휘어진 플랜지를 포함할 수 있다. 밀봉 박막은 하우징의 형상을 따를 수 있고, 예컨대 평평하게 또는 구부러져 형성될 수 있다. 밀봉 박막의 가장자리는 예컨대 실질적으로 하우징의 하우징 가장자리와 함께 끝나므로, 밀봉 박막의 가장자리는 적어도 대동소이하며, 즉 특히 하우징 가장자리 위로 1 mm 미만으로 돌출한다. 이러한 경우에 예컨대 적어도 하나의 밀봉 재료는 밀봉 박막의 가장자리에 그리고 하우징의 하우징 가장자리 또는 그 에지에 동시에 제공될 수 있다.
하우징은 하나의 부분으로 또는 다수의 부분으로도 형성될 수 있다. 하우징이 다수의 부분으로 형성되는 경우에, 상기 하우징은 예컨대 적어도 하나의 제 1 하우징 부분과 적어도 하나의 제 2 하우징 부분을 포함하고, 이 경우 밀봉 재료는 동시에 제 1 하우징 부분과 제 2 하우징 부분 사이의 재료 결합식 결합도 형성할 수 있다. 또한 선택적으로 제 1 하우징 부분과 제 2 하우징 부분은 적어도 하나의 다른 결합에 의해 서로 결합될 수 있고, 상기 결합은 기본적으로 예컨대 재료 결합식 및/또는 압력 끼워맞춤 및/또는 형상 끼워맞춤 방식일 수 있다. 이 경우 제 1 하우징 부분과 제 2 하우징 부분 사이의 초음파 용접 또는 록킹이 특히 바람직하다.
하나 또는 다수의 전술한 실시예의 초음파 트랜스듀서 외에 또한 센서 장치가 제안된다. 상기 센서 장치는 특히, 유체의 적어도 하나의 특성, 예컨대 충전 레벨 및/또는 체적 유량 및/또는 유체의 질량 흐름을 검출하기 위해 제공된다. 다른 실시예도 가능하다. 센서 장치는 하나 또는 다수의 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서를 포함한다. 예를 들어 음향 검출 동안 유체의 흐름을 추론하기 위해, 센서 장치는 2개 이상의 2개 이상의 초음파 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 상기와 같은 센서 장치는 기본적으로 선행기술에 공지되어 있다. 또한 센서 장치는 적어도 하나의 센서 하우징을 포함하고, 이 경우 초음파 트랜스듀서는 센서 하우징에 연결된다.
초음파 트랜스듀서와 센서 하우징 사이의 결합을 형성하기 위해, 예컨대 다시 압력 끼워맞춤 및/또는 형상 끼워맞춤 및/또는 재료 결합식 결합이 이용될 수 있다. 예컨대 초음파 트랜스듀서의 하우징은 센서 하우징 내로 접착되거나 상기 센서 하우징 상에 접착될 수 있다. 초음파 트랜스듀서의 밀봉 재료가 두 가지 기능으로 사용되는 동시에 초음파 트랜스듀서와 센서 장치의 하우징 소자 사이의 재료 결합식 결합을 형성하는 것이 특히 바람직하다.
전술한 센서 장치에서 밀봉 재료는 특히, 센서 장치 위로, 예컨대 유체에 할당된 하우징 가장자리 위로 조금도 돌출하지 않거나 약간만 돌출하도록 제공될 수 있다. 특히 센서 하우징 및/또는 초음파 트랜스듀서의 하우징은, 밀봉 재료가 적어도 하나의 리세스에 수용되도록 형성될 수 있다. 상기 리세스는 전체적으로 또는 부분적으로 센서 하우징 내에 및/또는 전체적으로 또는 부분적으로 하우징 내에 및/또는 하우징과 센서 하우징 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어 상기 리세스는 홈, 특히 환형 홈을 포함할 수 있다. 상기 환형 홈에 밀봉 재료가 수용될 수 있다. 따라서 예컨대 밀봉 박막의 가장자리는 적어도 하나의 리세스 내로 휘어져 들어갈 수 있으므로, 거기에서 적어도 하나의 밀봉 재료에 의해 밀봉될 수 있다.
센서 하우징은 특히 적어도 하나의 수용부를 포함할 수 있다. 초음파 트랜스듀서의 하우징은 적어도 부분적으로 상기 수용부 내에 수용될 수 있다. 예를 들어 상기 수용부는 센서 하우징 내에서 원통형 형상, 특히 원통형 리세스를 포함할 수 있다. 하우징은, 실질적으로 유체에 의한 센서 하우징의 압축 하중시 밀봉 박막 및/또는 밀봉 재료에 인장 하중이 나타나지 않도록 수용부에 수용될 수 있다. 이는 예컨대 전술한 바와 같이 밀봉 재료 및/또는 밀봉 박막의 가장자리가 적어도 부분적으로 적어도 하나의 리세스, 예컨대 환형 홈 내에 수용되도록 실행될 수 있다. 따라서 예를 들어 하우징의 비드가 제공될 수 있고, 이 경우 밀봉 박막의 가장자리 및/또는 밀봉 재료는 비드 상에 또는 비드에 제공될 수 있고, 비드는 센서 하우징에, 예컨대 센서 하우징의 리세스 내에 놓인다. 유체에 의한 역압 부하시 비드는 센서 하우징에 대해 가압되므로, 밀봉 박막의 가장자리 및/또는 밀봉 재료, 예컨대 접착부의 인장 부하가 발생하지 않거나 약간의 인장 부하만 발생한다. 그러나 약간의 인장 부하는 감수할 수 있다. 예컨대 초음파 트랜스듀서의 내부가 약간 느슨하고 및/또는 한정적인 높은 탄성 계수를 갖는 경우에, 특히 밀봉 박막이 인장되거나 또는 적어도 완전히 직선으로 배치된 경우에, 물리학적인 관점에서 센서 장치의 압력 부하시 예컨대 밀봉 박막은 항상 인장될 수 있다. 그러나 이러한 부하는 어느 정도 허용될 수 있고, "실질적으로 인장 부하가 가해지지 않는" 다는 표현도 허용될 수 있다.
제안된 초음파 트랜스듀서 및 제안된 센서 장치는 공지된 초음파 트랜스듀서와 센서 장치에 비해 여러 장점들을 갖는다. 특히 이러한 방식으로 매체 밀봉 방식의 초음파 트랜스듀서가 제공될 수 있고, 상기 초음파 트랜스듀서는 특히 내연기관 및/또는 다른 부식성 환경에서 사용될 수 있다. 상기 밀봉 박막 및/또는 밀봉부가 없다면 초음파 트랜스듀서의 내부 공간, 예컨대 초음파 트랜스듀서 내의 댐핑부 또는 고체음 디커플링부는 때때로 부식성 매체, 예를 들어 차량 흡기 시스템에 포함된 매체인 습기, 오일, 배기가스 성분, 탄소, 산 또는 이와 유사한 것에 노출될 수 있다. 하우징에 대한 트랜스듀서 코어의 디커플링을 위해 일반적으로 연질 실리콘이 필요하고, 상기 실리콘은 상기 매체들에 대해 약간의 내성을 갖는다.
그러나 밀봉 박막은 특히 압력 변화 및/또는 온도 변화로 인해 일반적으로 비교적 높은 부하에 노출된다. 상기 부하의 원인은 특히 초음파 트랜스듀서의 재료, 예컨대 플라스틱의 열팽창이다. 따라서 종래 구조에서 밀봉 박막의 가장자리는 매체를 통해 들어갈 수 있다. 그와 달리 초음파 트랜스듀서는 박막 가장자리의 밀봉에 의해 기계적으로 및 그 밀봉력과 관련해서 안정화된다.
또한 상기 초음파 트랜스듀서의 제조도 간단하게 실시될 수 있다. 적어도 하나의 밀봉 소자는 동시에 초음파 트랜스듀서를 센서 하우징 내에 고정하고 및/또는 초음파 트랜스듀서를 센서 하우징에 대해 밀봉하는데 이용된다. 밀봉부 및 고정부 및/또는 밀봉부를 동시에 동시에 제조하는 것은 제조시 공정 순서를 현저히 간단하게 한다.
본 발명의 실시예가 도면에 도시되며 이하의 설명에서 상세히 설명된다.
도 1은 종래의 초음파 트랜스듀서의 실시예.
도 2a 내지도 2b는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서 및 본 발명에 따른 센서 장치의 실시예.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서 및 본 발명에 따른 센서 장치의 변형 실시예.
도 5 내지 도 7은 다수 부분으로 이루어진 하우징을 구비한 초음파 트랜스듀서의 여러 실시예.
도 1은 종래의 초음파 트랜스듀서의 실시예.
도 2a 내지도 2b는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서 및 본 발명에 따른 센서 장치의 실시예.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서 및 본 발명에 따른 센서 장치의 변형 실시예.
도 5 내지 도 7은 다수 부분으로 이루어진 하우징을 구비한 초음파 트랜스듀서의 여러 실시예.
도 1에는 선행 기술에 따른 초음파 트랜스듀서(110)의 실시예가 단면도로 도시된다. 초음파 트랜스듀서(110)는 예컨대 실질적으로 DE 10 2008 055 126.0 에 도시된 초음파 트랜스듀서에 상응한다. 물론, 다른 실시예들도 가능하다. 초음파 트랜스듀서(110)는 하우징(112)을 포함하고, 상기 하우징(112)은 도시된 실시예에서 부분적으로만 도시된다. 상기 하우징(112)은 실질적으로 슬리브형으로 형성되고 내부 공간(114)을 갖는다. 상기 내부 공간(114)은 유체(116)를 향한 그 측면에 예컨대 원형 또는 다각형 횡단면을 가질 수 있는 개구(118)를 포함한다. 상기 개구(118)는 하우징 가장자리(120)에 의해 링형으로 둘러싸이고, 상기 하우징 가장자리는 도시된 실시예에서 후방으로, 즉 유체(116)로부터 멀리 휘어진다.
도시된 실시예에서, 내부 공간(114) 내부에 트랜스듀서 코어(122)가 예컨대 초음파 트랜스듀서(110)의 축(124)에 대해 동심으로 수용된다. 트랜스듀서 코어(122)는 전기-음향 트랜스듀서 소자(126), 예컨대 압전 트랜스듀서 소자를 포함한다. 또한, 트랜스듀서 코어(122)는 유체(116)를 향한 그 측면에 조정 바디(128)를 포함하고, 상기 조정 바디는 전술한 바와 같이 트랜스듀서 코어(122) 및/또는 전기-음향 트랜스듀서 소자(126) 및 유체(116) 사이의 음향 결합을 개선하기 위해 사용된다. 예컨대 λ/4 임피던스 조정 층으로서 형성될 수 있는 조정 바디(128)의 실시예에 대해, DE 10 2007 037 088 A1, DE 10 2007 010 500 A1 또는 DE 10 2008 055 126.0 이 참조된다. 다른 실시예도 가능하다. 선택적 조정 바디(128)와 전기-음향 트랜스듀서 소자(126) 사이에 다른 소자, 예컨대 열 팽창 계수를 조정하기 위한 보상층이 수용될 수 있다. 또한, 트랜스듀서 코어(122)가 추가의 소자를 포함할 수 있다.
트랜스듀서 코어(122)와 하우징(112) 사이에 사이 공간(130)이 제공될 수 있다. 상기 사이 공간(130)은 도 1에 도시된 바와 같이, 디커플링 소자(132)로 완전히 또는 부분적으로 채워질 수 있다. 상기 디커플링 소자(132)는 하우징(112)과 트랜스듀서 코어(122) 사이의 고체음 전달을 댐핑하기 위해 사용되며, 상기 고체음 전달은 예컨대 센서 장치 내의 다수의 초음파 트랜스듀서들 사이의 기생 초음파 경로를 야기할 수 있다. 이러한 디커플링 소자(132)의 예는 실리콘 재료를 가진 디플링이다. 디커플링 소자(132)는 예컨대 주입품으로서 형성되거나 또는 완전히 또는 부분적으로 인서트로서 형성될 수 있다. 또한, 도시된 실시예에서 트랜스듀서 코어(122)의 후면에 선택적으로 댐핑 재료(134)가 제공된다. 상기 댐핑 재료(134)는 예컨대 댐핑 주입물로서 후면으로 하우징(112) 내로 삽입될 수 있고 트랜스듀서 코어(122)의 감쇠 특성을 촉진하기 위해 사용된다.
트랜스듀서 코어(122)는 유체(116)를 향한 측면 상에 방출면(136), 즉 초음파 신호를 유체(116)로 전달하고 및/또는 초음파 신호를 유체(116)로부터 수신하게하는 면을 포함한다. 방출면(136)은 도시된 실시예에서 하우징 가장자리(120)의 단부면(138)을 가진 평면 내에 배치된다. 디커플링 소자(132)는 바람직하게 상기 평면에서 끝난다. 유체(116)을 향한, 초음파 트랜스듀서(110)의 전체 측면은 도시된 실시예에서 개구(118)를 커버하는 밀봉 박막(142) 형태의 밀봉 소자(140)에 의해 형성된다. 밀봉 박막(142)은 예컨대 방출면(136) 및/또는 하우징 가장자리(120)와 접착될 수 있다.
도 1에 따른 초음파 트랜스듀서(110)는 가상 초음파 트랜스듀서이고, 이 트랜스듀서가 본 발명에 전제되지만, 이 트랜스듀서는 여전히 통상적이지 않거나 또는 그 밖의 방식으로 공지되거나 보급된다. 도 1에 따른 초음파 트랜스듀서(110)는 하기에 상세히 설명되는 바와 같이 다양한 방식으로 본 발명에 따라 변형될 수 있다. 도 1에 따른 초음파 트랜스듀서(110)는 많은 관점에서 변형될 수 있다. 예컨대, 조정 바디(128)는 다양한 방식으로 형성될 수 있고 특히 캐비티를 가진 재료를 가진 임피던스 조정층, 예컨대 다공성 세라믹, 발포된 플라스틱, 특히 듀로 플라스틱 또는 열가소성 수지 또는 일반적으로 폴리머, 또는 일반적으로 중공체를 가진 플라스틱을 포함할 수 있다. 중공체로는 특히 플라스틱 중공체 또는 유리 중공체, 바람직하게는 유리 중공 구가 있다. 플라스틱이 기본 재료로 사용되면, 예컨대 유리 중공 구로 채워진 에폭시 재료가 사용될 수 있다. 대안으로서, 폴리이미드, 예컨대 발포된 및/또는 소결된 또는 다공성 폴리이미드, 예컨대 DuPont 사의 켑톤 Kapton? 또는 재료 베스펠 Vespel?가 제공된다. 조정 바디(128)는, 예컨대 전기-음향 트랜스듀서 소자(126), 예컨대 피에조로부터 유체(116), 예컨대 공기로 다수의 단계로 임피던스 조정을 가능하게 하거나 또는 그 열 팽창 특성, 그 유연성 또는 전압을 강하시키는 능력과 관련해서 트랜스듀서 코어(122)의 전체 결합 및 특히 전기-음향 트랜스듀서 소자를 고정으로부터 보하기 위해 사용되는, 다른 재료 또는 영역을 포함한다.
대안으로서, 트랜스듀서 코어(122) 또는 상기 트랜스듀서 코어(122)의 커플링 어셈블리가 다른 방식으로 음 방출하는 공진 바디 또는 조정 바디, 멤브레인 또는 멤브레인을 가진 금속 바디를 포함할 수 있다. 이 경우, 임피던스 조정은 예컨대 피에조 소자의 작은 진폭 및 큰 힘의 레이디얼 또는 벤딩 운동을 공기 또는 다른 가스로 커플링을 위해 필요한 바와 같은 작은 힘 및 큰 진폭을 가진 진동 운동으로 변환함으로써 이루어질 수 있다. 트랜스듀서 코어(122), 즉 피에조 세라믹 및 커플링 어셈블리는 디커플링 소자(132)를 통해 하우징(112)에 고정된다. 디커플링 소자(132)는 바람직하게 실리콘 형태로 형성될 수 있다. 디커플링 소자는 입자 또는 중공 챔버 또는 중공 바디로 채워진 재료, 예컨대 실리콘 재료를 포함한다. 하우징(112) 자체는 예컨대 플라스틱 재료 및/또는 금속 재료로 제조될 수 있다. 유체(116)의 방향으로 밀봉 박막(142)은 초음파 트랜스듀서(110)를 폐쇄한다. 전술한 바와 같이, 상기 밀봉 박막(142)에는 다수의 재료, 예컨대 PEEK, PPS, 폴리이미드(예컨대 Kapton?), LCP, PTFE, FEP, PEN 또는 다른 플라스틱 또는 금속 박막, 금속, 세라믹 또는 플라스틱 코팅을 가진 박막, 플라스틱 층을 가진 박막 또는 상기 재료 및/또는 다른 재료의 조합이 사용된다. 밀봉 박막(142)은 바람직하게 100 μm 이하, 바람직하게는 25 μm 이하의 두께를 갖는다.
전방의 슬리브 영역은 도시된 실시예에서 전술한 바와 같이 예시적으로 "플랜지"(144)로 형성되고 후방으로 휘어진다. 상기 실시예는 하우징 가장자리(110)가 역압 하중시 (도 1에 도시되지 않은) 센서 하우징에 접촉함으로써, 이 경우 거기에 제공된 접착의 인장 하중이 발생하지 않는다는 장점을 갖는다. 하우징(112)의 플랜지 구조 및 센서 하우징의 구조는 접착을 위해 하나의 홈 및 하나의 스프링이 주어지도록 형성될 수 있다. 고온 틱소트로픽 접착제를 사용하는 경우, 이것이반드시 필요하지는 않다. 접착제로는 예컨대 에폭시 재료가 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 초음파 트랜스듀서(110)는 본 발명의 출발점을 형성한다. 따라서, 도 1에 따른 초음파 트랜스듀서(110)의 전술한 특징들은 선택적으로 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서(110)에도 주어진다. 도 2a 및 도 2b에는 도 1에 따른 초음파 트랜스듀서(110)의 본 발명에 따른 변형이 도시된다. 동시에 거기에 도시된 초음파 트랜스듀서(110)는 센서 장치(148)의 센서 하우징(146)에 수용됨으로써, 도면은 동시에 본 발명에 따른 센서 장치(148)의 실시예를 도시한다. 센서 장치(148)는 예컨대 다수의 초음파 트랜스듀서(110), 예컨대 유체(116)에서 전파 시간 측정에 사용되는 다수의 초음파 트랜스듀서(110)를 포함한다. 도 2a는 초음파 트랜스듀서의 개략도를 도시하는 한편, 도 2b는 도 2a에 도면 부호 150으로 표시된, 초음파 트랜스듀서(110)와 센서 하우징(146) 사이의 전이 영역의 확대도를 도시한다. 도 2a에 나타나는 바와 같이 초음파 트랜스듀서(110)는 도시된 실시예에서 센서 하우징(146) 내의 수용부(160) 내에 수용된다. 예컨대, 상기 수용부(160)는 원통형 리세스일 수 있다. 수용부(160)는 예컨대 초음파 트랜스듀서(110)가 유체(116)의 측면에서 센서 하우징(146)과 일직선으로 끝난다. 그러나, 다른 실시예도 가능하다. 수용부(160) 또는 센서 하우징(146)은 바람직하게 초음파 트랜스듀서(110)의 하우징 가장자리(120)의 영역에 리세스(162)를 갖는다. 하우징 가장자리(120)의 플랜지(144)는 바람직하게 상기 리세스(122) 내에 수용된다. 예컨대, 밀봉 박막(142)은 하우징(112)의 하우징 가장자리(120)와 일직선으로 끝난다.
도 2b의 확대도에 나타나는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예에서 밀봉 박막(142)의 가장자리는 밀봉 재료(164)로 밀봉된다. 상기 밀봉 재료(164)는 예컨대 접착제를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 밀봉 재료(164)는 예컨대 접착 비드(166)의 형태로 형성된다. 이 경우, 접착 비드(166)의 2개의 가능한 직경이 도시되며, 도면 부호 168로 제 1의 작은 직경을 가진 접착 비드가 그리고 도면 부호 170으로 제 2의 큰 직경을 가진 접착 비드가 표시된다. 접착 비드(170)는 파선으로 표시되는 한편, 접착 비드(168)는 실선으로 표시된다. 상기 직경들은 대안으로 사용될 수 있다. 예컨대, 접착 비드(168)는 0.89 ㎜의 직경을 갖는 한편, 접착 비드(170)는 2 ㎜의 직경을 가지며 예컨대 하우징(112)의 하우징 가장자리(120)를 더 넓은 범위로 은폐할 수 있다. 도 2 내의 모든 치수 표시는 예시적이며, 밀리미터로 표시된다. 바람직하게 접착 비드(166)는 센서 하우징(146)의 선택적 리세스(162) 내에 완전히 수용되는 치수로 설계된다.
도 2a 및 도 2b에는 2개의 상이한 접착 비드 직경을 가진 특별한 구조의 실시예가 예시적으로 도시된다. 초음파 트랜스듀서(110)의 조립이 도시된 실시예에서와는 다른 방식으로, 예컨대 반대 구조 " 머리 위로" 이루어져야 하면, 접착 비드(166)용 접착제로서 바람직하게는 특정 온도 이상에서, 즉 경화시 그 형상을 유지하는 고온 틱소트로픽 접착제가 사용될 수 있다. 하우징 가장자리(120)의 플랜지(144)는 밀봉 박막(142)의 가장자리와 함께 바람직하게는 접착 비드(166)의 접착제 베드 내로 완전히 삽입된다. 밀봉 박막(142)은 트랜스듀서 제조시 예컨대 딥 드로잉 프로세스에 의해 플랜지(144)의 윤곽 둘레로 딥 드로잉된다. 접착제 양 및 접착제 위치 설정은 접착 비드(166)의 제공시 예컨대 디스펜서 프로세스에 의해, 한편으로는 박막 단부가 접착제에 의해 완전히 둘러싸이고 다른 한편으로는 바람직하게는 동시에 하우징(112)이 센서 하우징(146)에 대해 영구 밀봉되도록 설계된다.
도 3에는 도 2B에서와 유사하게 도 2a 및 도 2b에 따른 실시예의 변형예가 도시된다. 리세스(163)를 가진 센서 하우징(146)이 도시되며, 상기 리세스 내에 하우징(110)을 가진 초음파 트랜스듀서(110)가 삽입된다. 이 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(110)는 유체(116)의 측면 상에서 센서 하우징(162)과 일직선으로 끝나야 할 필요가 없으며, 예컨대 센서 하우징(146) 내로 오프셋되어 깊이 수용부(160) 내에 수용될 수 있다.
또한, 도 3에는 플랜지(144)가 반드시 후방으로 휘어질 필요가 없으며, 예컨대 평평하게 형성될 수 있는 것이 나타난다.
도 2a 및 도 2b의 실시예와는 달리, 도 3에 따른 실시예에서는 2개의 접착 비드(166)가 제공된다. 예컨대, 상기 접착 비드들(166) 중 하나는 밀봉 박막(142)의 가장자리를 밀봉할 과제를 수행하는 한편, 상기 접착 비드들(166) 중 다른 하나나는 초음파 트랜스듀서(110)를 센서 하우징(146)과 결합하고 및/또는 하우징(112)과 센서 하우징(146) 사이의 밀봉을 보장할 수 있다. 이 실시예는 상기 과제가 다수의 소자들에 의해, 예컨대 다수의 접착 비드에 의해 선택적으로 실행될 수 있는 것을 나타낸다. 접착 비드들(166)은 예컨대 0.89의 직경을 가질 수 있다. 도 3에 나타난 표시는 밀리미터이다.
도 4에는 도 3에 따른 센서 장치(148)의 변형이 도시된다. 여기서는 단 하나의 접착 비드(166)만이 제공된다. 상기 접착 비드(166)는 도시된 실시예에서 밀봉 박막(142)의 가장자리를 밀봉하는 기능을 한다. 또한, 이는 다중 기능으로 센서 하우징(160)에 대한 하우징(112)의 밀봉 및/또는 수용부(160) 내의 센서 하우징(112)의 접착 기능을 한다. 도 3과는 달리, 선택적으로 리세스(164)가 센서 하우징(146) 내에 라운딩되어 형성될 수 있다. 접착 비드(166)는 예컨대 0.89 mm의 직경을 가질 수 있다. 그러나, 일반적으로 이 실시예 및 다른 실시예에서도 접착 비드(166)의 구조 및/또는 그 위치는 특별한 접착제 특성에 심하게 의존하므로, 상기 치수와의 심한 편차도 가능하다.
지금까지의 실시예에서, 센서 하우징(112)이 실질적으로 일체형으로 형성될 수 있는 것으로 나타났다. 도 5 내지 도 6에는 하우징(112)이 여러 부분으로 형성될 수 있는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서(110)의 실시예가 도시된다. 도시된 초음파 트랜스듀서(110)는 센서 장치(148)의 구성 부분일 수 있다.
도 5 및 도 6에는 하우징(112)이 제 1 하우징 부분(172) 및 제 2 하우징 부분(174)을 포함하는 실시예가 도시된다. 예컨대, 하우징(112)은 2중 트랜스듀서 슬리브로서 형성될 수 있다. 밀봉 박막(142)이 하우징(112)과 결합된, 유체(116)을 향한 영역에서 선택적으로 리세스(162)가 제공될 수 있으며, 상기 리세스는 예컨대 제 1 하우징 부분(172) 및/또는 제 2 하우징 부분 내에 형성될 수 있다. 상기 리세스(162) 내에 밀봉 재료(164)가 완전히 또는 부분적으로 수용될 수 있다. 밀봉 재료(164)는 예컨대 접착제로서, 예컨대 접착 비드(166)로서 형성될 수 있다. 따라서, 밀봉 재료(164)는 도시된 실시예에서 다중 기능을 위해 사용된다. 즉, 밀봉 재료가 밀봉 박막(142)의 가장자리를 밀봉할 뿐만 아니라, 하우징 부분의 벽들(172, 174) 사이도 밀봉한다.
도 5에서 간단 2중 벽 슬리브가 하우징(112)으로서 제공되는 한편, 도 6은 초음파 트랜스듀서(110)를 예컨대 센서 장치의 센서 하우징(146) 내에 설치할 수 있는 가능성을 나타낸다. 이러한 목적을 위해, 예컨대 도 6에는 하우징(112)의 록킹(176)이 센서 하우징(146)의 수용부(160) 내에 제공될 수 있다. 록킹(176)은 예컨대 다른 밀봉 접착(178)에 의해 보완될 수 있는 예비 고정을 위해 사용될 수 있다. 후자는 그 기능과 관련해서 밀봉 재료(164)에 의해 박막 밀봉으로부터 분리될 수 있다.
도 7에는 초음파 트랜스듀서(110) 및 센서 장치(148)의 도 6에 비해 변형된 실시예가 도시된다. 디커플링 소자(132)는 도 7에 도시되지 않지만 선택적으로 추가로 제공될 수 있다. 여기서도 하우징(112)의 2개의 하우징 부분(172, 174)가 제공되고, 상기 하우징 부분들은 밀봉 재료(164)에 의해 서로 결합될 수 있다. 그러나, 하우징(112)이 다수의 부분으로 형성될 때도 하우징 부분들(172, 174) 사이의 결합이 완전히 또는 부분적으로 다른 결합에 의해 보장될 수 있다. 예컨대, 밀봉 재료(164)에 대한 대안으로서 또는 추가로 하나 또는 다수의 결합이 제공될 수 있다. 예컨대, 2개의 하우징 부분들(172, 174)은 압력 끼워맞춤 결합 및/또는 형상 끼워맞춤 결합식으로 서로 결합될 수 있다. 도 7에는 예시적으로 초음파 용접(180)이 예컨대 상응하는 숄더(182) 및/또는 이러한 결합을 가능하게 하는 다른 상응하는 윤곽에 제공된다. 다른 가능한 세부 사항에 대해서는 상기 설명이 참조될 수 있다.
110 초음파 트랜스듀서
112 하우징
114 내부 공간
116 유체
118 개구
122 트랜스듀서 코어
126 트랜스듀서 소자
142 밀봉 박막
164 밀봉 재료
112 하우징
114 내부 공간
116 유체
118 개구
122 트랜스듀서 코어
126 트랜스듀서 소자
142 밀봉 박막
164 밀봉 재료
Claims (13)
- 유체(116)에 사용하기 위한 초음파 트랜스듀서(110)로서, 상기 초음파 트랜스듀서(110)는 적어도 하나의 내부 공간(114)을 가진 적어도 하나의 하우징(112)을 포함하고, 상기 초음파 트랜스듀서(110)는 또한 상기 내부 공간(114) 내에 수용된 적어도 하나의 트랜스듀서 코어(122)를 포함하며, 상기 트랜스듀서 코어(122)는 적어도 하나의 전기-음향 트랜스듀서 소자(126)를 포함하고, 상기 하우징(112)은 상기 유체(116)를 향한 적어도 하나의 개구(118)를 포함하고, 상기 개구(118)은 적어도 하나의 밀봉 박막(142)에 의해 적어도 부분적으로 커버되고, 상기 밀봉 박막(142)의 가장자리는 적어도 하나의 밀봉 재료(164)에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
- 제 1항에 있어서, 상기 밀봉 재료(164)는 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 밀봉 재료(164)는 에폭시드 및/또는 고온 틱소트로픽 접착제를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밀봉 재료(164)는 적어도 부분적으로 비드 형태로, 특히 접착 비드(166)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징(112)은 상기 유체(116)를 향한, 적어도 부분적으로 상기 개구(118) 둘레로 연장된 하우징 가장자리(120)를 포함하고, 상기 밀봉 박막(142)은 적어도 부분적으로 상기 하우징 가장자리(120) 상에 놓이는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징 가장자리(120)는 평평한 플랜지(144) 또는 휘어진 플랜지(144)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밀봉 박막(142)의 가장자리는 실질적으로 상기 하우징(112)의 상기 하우징 가장자리(120)와 함께 끝나는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
- 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징(112)은 적어도 하나의 제 1 하우징 부분(173) 및 적어도 하나의 제 2 하우징 부분(174)을 포함하고, 상기 밀봉 재료(164)는 동시에 상기 제 1 하우징 부분(172) 및 상기 제 2 하우징 부분(174) 사이의 재료 결합식 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
- 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 하우징 부분(172) 및 상기 제 2 하우징 부분(174)는 적어도 하나의 다른 결합, 특히 초음파 용접(180) 및/또는 록킹(176)에 의해 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
- 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서(110)를 구비한 센서 장치(148)로서, 상기 센서 장치(148)는 적어도 하나의 센서 하우징(146)을 포함하고, 상기 초음파 변환기(110)가 상기 센서 하우징(146)과 결합되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
- 제 10항에 있어서, 상기 밀봉 재료(164)는 동시에 상기 초음파 트랜스듀서(110)와 상기 센서 하우징(146) 사이의 재료 결합식 결합을 야기하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
- 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 센서 하우징(146) 및/또는 상기 하우징(112)은 상기 밀봉 재료(146)가 적어도 하나의 리세스(162) 내로 수용되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
- 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 하우징(146)은 적어도 하나의 수용부(160)을 포함하고, 상기 하우징(112)은 적어도 부분적으로 상기 수용부(112) 내에 수용됨으로써, 상기 유체(116)에 의한 상기 센서 장치(148)의 압축 하중시 실질적으로 인장 하중이 상기 밀봉 박막 및/또는 상기 밀봉 재료(146)에 생기지 않는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
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