KR20130032864A - 초음파 센서를 위한 감쇠 매스， 에폭시 수지의 사용 - Google Patents

Abstract

처음으로, 본 발명은 감쇠 매스를 제공하고, 상기 감쇠 매스는 전체 온도 범위에 걸쳐서 요구되는 안정성 그리고 모터 내에서 지배적인 온도들에서의 온도 안정성을 드러낸다. 처음으로, 대략 150℃의 온도들에서의 지속적인 사용을 가능케 하고 그리고 동시에 저온들에서 매우 우수한 초음파 감쇠를 갖는 감쇠 매스가 이용가능하다.

Description

초음파 센서를 위한 감쇠 매스， 에폭시 수지의 사용{ATTENUATING MASS FOR AN ULTRASONIC SENSOR， USE OF AN EPOXY RESIN}

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에서 청구되는 바와 같은 초음파 센서를 위한 감쇠 매스(attenuating mass), 그리고 감쇠 매스의 사용에 관한 것이다.

유체들 내의 충전 레벨을 측정하기 위해 모든 종류들의 측정 방법들이 존재하고, 각각의 측정 방법은 특정한 장점들 및 단점들을 갖는다. 견고하고 그리고 다목적의 측정 방법은 초음파를 사용하여 측정하는 것을 동반하고, 여기서 초음파 펄스의 실행 시간은 이미터로부터 경계면(예컨대, 경계면 유체-공기)으로 그리고 다시 수신기로 측정되고 그리고 그 코스(course)는 매체 내에서의 알려지거나 또는 현재 결정된 음속으로부터 계산된다.

많은 사례들에서, 초음파를 발생시키는 동일한 엘리먼트 ― 대부분의 경우들에서, 압전(piezoelectric) 컨버터임 ― 가 전송기로서 그리고 또한 수신기로서 양쪽 모두로 사용된다. 측정 펄스들을 방출한 이후에 얼마나 빨리 전송 및 수신 엘리먼트가 다시 멈추는지에 의해, 이러한 센서를 이용하여 최소로 측정될 수 있는 코스(블로킹 거리로서 또한 알려짐)가 결정되고, 그래서 에코 신호가 명확하게 검출될 수 있다.

이러한 페이딩(fading) 시간은 두 개의 주요 인자들에 의해 영향받는다: 한편으로, 측정 매체에 대한 음향 결합, 다른 한편으로 엘리먼트의 기계적 감쇠. 음에너지(sound energy)의 대부분이 방사될 수 있도록 그리고 내부 마찰 또는 다른 손실 메커니즘들에 의해 전송 엘리먼트 내에서 흩어질 필요가 없도록, 매체에 대한 우수한 결합은 페이딩 시간을 단축시킨다. 엘리먼트의 기계적 감쇠는 감쇠 물질 내의 잔여 에너지를 소실시키거나 또는 없애고, 그래서 엘리먼트 자체는 더욱 빨리 멈춘다. 여기서, 과도한 기계적 감쇠가 또한 신호 진폭 그리고 음 검출의 민감성에 악영향을 끼칠 수 있다는 것이 주의되어야 한다.

차량들 내에서 사용될 때, 특히 연소 기관의 오일 팬 내의 오일 레벨을 측정할 때, 대부분의 경우들에서, 블로킹 거리 및 그에 따른 최소 검출가능 오일 레벨이 가능한 한 낮게 유지되는 것이 요청된다. 이를 위해, 전송 및 수신 엘리먼트의 페이딩 시간을 상당히 감쇠시키는 것이 필요하고, 여기서 이러한 감쇠는 매우 넓은 온도 범위에 걸쳐서 기능해야 한다.

센서의 후면 상에서의 반사로부터 생성되는 간섭 신호들은, 특히 부적절한 감쇠의 경우에, 도입되는 펄스/에코 방법으로 인해 발전한다. 이들 원치않는 신호들을 억제하기 위하여, 초음파 소스의 후면에는 감쇠 매스가 제공된다. 플라스틱 하우징 안으로 충전되는 캐스팅 화합물(casting compound)들이 여기서 사용된다.

DE 3431741 A1은 액체들의 충전 레벨을 측정하기 위한 장치 및 방법을 기재하고, 여기서 닫힌 컨테이너들 내에서, 외부로부터 적용되는 초음파 센서가 매체를 통해 평평한 또는 만곡된 컨테이너 베이스에 평면 방식으로 결합된다. 에폭시 수지 접착제가 바람직하게 매체로서 사용된다.

그러나, 지금까지, -40℃ 내지 180℃의 요구되는 온도 범위를 초과하여 요구되는 초음파 감쇠를 표시하는 캐스팅 화합물들은 알려지지 않았다.

그러므로, 본 발명의 목적은 -30℃ 내지 150℃의 온도 범위 내에서 초음파 센서들을 감쇠시키기 위한 캐스팅 화합물을 특정하는 것이다.

상기 목적에 대한 해결책은 본 설명, 도면 그리고 청구항들에서 기재되는 본 발명에 의해 특정된다.

따라서, 본 발명의 청구 대상은, -30℃ 내지 150℃의 온도 인터벌 내에서 부드럽고(soft) 그리고 안정적인 감쇠 매스 ― 상기 감쇠 매스는 에폭시 수지 및 충전제를 포함함 ― 이고, 여기서 충전제는 멀티모달 입도 분포(multimodal grain size distribution)로 존재하고, 그래서 입자의 밀도 경사(density gradient)가 수지 매트릭스(matrix) 내에 존재한다. 부가하여, 본 발명의 청구 대상은 초음파 센서 내에서의 감쇠 매스의 사용이다.

유리한 실시예에 따라, 150℃의 온도 또는 그보다 더 높은 온도까지 안정적인 에폭시 수지는 실온 미만, 특히 0℃ 미만, 바람직하게 (마이너스) -10℃ 미만, 바람직하게 (마이너스) -20℃ 미만 그리고 특히 바람직하게 (마이너스) -35℃에서의 낮은 유리 전이 온도를 갖는다.

산성, 다시 말해 루이스 산 또는 브뢴스테드 산 중 어느 한 쪽의 작용기(functional group)들, 특히 산 에스테르기(acid ester group)들을 갖는 에폭시 수지들이 더 높은 유리 전이 온도를 갖는다는 것이 밝혀졌다.

"하프-에스테르들"은, 에폭시 수지 혼합물의 일체로 된 부분(integral part)을 형성하는 "산성 에스테르들"로서 지칭되고, 상기 하프-에스테르들은 양쪽 모두의 기능(functionality)들, 다시 말해 에스테르산과 카복실산을 하나의 분자 상에 갖는다. 이들 성분(component)들은, 예컨대 예비-반응(pre-reaction)을 통해 생성되고 그리고 차례로 예컨대 에폭시 시스템 더하기 무수물(anhydride) 내에서 반응성 유연화 성분(reactive flexibilizing component)들로서 사용된다. 그러므로, 긴-사슬(long-chain)의 그리고 유연한 다이카복실산(dicarboxylic acid)이 예컨대 생성될 수 있고, 상기 다이카복실산은 경화 촉매 성분(hardening agent component)으로서 사용된다.

유리한 실시예에 따라, 에폭시 수지는 유연화 성분으로서 "산성 에스테르"를 갖는 성분을 포함한다. 여기서, 2-성분 에폭시 수지 내의 유연화 성분이 A 성분, 다시 말해 예컨대 에폭시 성분 내에 그리고 또한 B 성분, 다시 말해 예컨대 무수물 성분 내에 양쪽 모두에 존재하는 것이 특히 바람직하다.

A와 B의 혼합물을 경화시킨 이후, 에폭시 수지 내의 두 개의 성분들의 경우에 "산성 에스테르들"의 존재를 이용하여, 고무-탄력적(rubbery-elastic)인 몰딩 물질이 바람직하게 야기된다. 예컨대, 기계적 감쇠를 이용하여, 이들 에폭시 수지들은 또한, Epoxonic 251의 예에서 나타난 바와 같은 예컨대 100℃ 또는 그 초과, 다시 말해 -40℃로부터 150℃까지의 넓은 온도 범위를 갖는다.

경화 이후, 상기 경화로부터 A와 B의 혼합물이 야기된다.

매우 유연하기까지 한, 모든 충전되지 않은 유연한 저-스트레스의 에폭시 수지들 ― 상기 에폭시 수지들은 낮은 점성임 ― 이 적절하다. 예컨대, 대략 4000 mPas 내지 9000 mPas, 특히 5000 mPAs 내지 8500 mPAs의 25℃에서의 에폭시 수지의 점성(viscosity), 그리고 특히 바람직하게 7000 +/- 1500 mPas의 점성을 갖는 에폭시 수지가 사용된다.

바람직하게, 수지는 120℃ 내지 190℃, 바람직하게 140℃ 내지 180℃, 그리고 특히 150℃에서 지속적인 온도 안정성을 갖는다.

사용된 에폭시 수지의 경도(hardness)는 25℃에서 20 Shore A 내지 70 Shore A 사이, 바람직하게 30 Shore A 내지 50 Shore A 사이 그리고 특히 35 Shore A 내지 45 Shore A 사이에 놓인다.

수지의 고밀도는 매우 일반적으로 추구되는데, 그 이유는 후면 감쇠가 달성되기 때문이다. 이는, 특히, 흔한데, 그 이유는 본 발명에 따라, 초음파 소스(일반적으로, 고밀도를 갖는 세라믹)로부터 원치 않는 방향으로 조사(irradiate)되고, 그런 다음에 반사되고 그리고 마지막으로 원하는 방향으로 진행되고 그리고 따라서 실제 측정 신호를 간섭하는 신호들이 방지되기 때문이다.

충전된 에폭시 수지의 밀도는 대략 0.8 g/㎤ 내지 1.8 g/㎤, 바람직하게 1.0 g/㎤ 내지 1.5 g/㎤ 그리고 특히 바람직하게 1.1 g/㎤에 놓인다. 충전제를 이용하여 에폭시 수지의 밀도는 조절되고, 그래서 원하는 감쇠가 달성된다. 감쇠 매스, 다시 말해 충전된 에폭시 수지의 밀도는 1.5 g/㎤ 내지 4 g/㎤, 바람직하게 2.0 g/㎤ 내지 3.0 g/㎤ 그리고 특히 2.5 g/㎤에 놓이고, 그래서 감쇠 물질의 밀도는 초음파 소스의 밀도에 대해 최적으로 조절된다.

경화는 대략 1 시간 이후에 150℃에서 수행되어야 한다. 초기에, 수지를 충전시킨 이후에 에폭시 수지의 경화가 이루어지고, 그래서 경화 프로세스 동안, 충전제의 침강(sedimentation)이 이루어지고 그리고 수지 매트릭스 내의 원하는 밀도 경사가 생성된다.

바람직하게, 에폭시 수지는 150℃에서 1500 H 이후 15% 미만, 바람직하게 12% 미만 그리고 특히 바람직하게 10% 미만의 매스 손실을 갖는다.

바람직한 실시예에 따라, 에폭시 수지는 80% 내지 120%, 바람직하게 90% 내지 110% 그리고 특히 바람직하게 대략 100%의 범위 내의 25℃에서의 최고의 신장(elongation)을 갖는다.

상업적으로 이용가능한 에폭시 수지 ― 상기 에폭시 수지는 명칭 Epoxonic? 251 하에서 이용가능함 ― 의 사용이 특히 유리하다.

글리스시딜 에테르(glycsidyl ether)들과 싸이클로알리파틱 에폭시드(cycloaliphatic epoxide)들을 포함하는 혼합물들에 관하여, 가능한 발암성(carcinogenicity)이 참조되고, 그러므로 이러한 타입의 혼합물들은 바람직하지 않다.

옥사이드(oxide), 특히 바람직하게 알루미늄 옥사이드 또는 티타늄 옥사이드가 충전제로서 바람직하게 사용된다. 특히, 감쇠 매스의 밀도를 증가시키기 위하여, 과립형 충전제(granulated filler)가 보존되었다.

입도 분포는 임의적이고, 여기서 유리한 실시예에 따라, 입도 분포는 파장의 치수 정도(order of magnitude) 내에 있고, 그래서 감쇠에 부가하여, 산란(scattering)이 또한 달성된다.

본 발명은 몇몇의 예시적 실시예들을 이용하여 더욱 상세하게 다시 설명된다.

에폭시 수지 공식화

감쇠 매스의 밀도를 증가시키기 위하여, 과립형 알루미늄 옥사이드가 충전제로서 에폭시 수지에 부가된다. 충전제 입자들은, 경화 프로세스 동안 수지 매트릭스 내에서의 입자의 침강을 보장하는 입도 분포를 갖는다. 이를 위해, 상이한 입도 분포들의 혼합물들이 또한 사용된다.

실리콘 엘라스토머(silicon elastomer) 입자들의 부가는 필요하지 않은데, 그 이유는 본 발명에 따른 반응 수지가 저온에서만 잘 부러지게 되고 그리고 그렇지 않으면 고무-탄력적이며 그리고 그에 따라 어떠한 부가적인 강한 수정도 요구하지 않기 때문이다.

도 1은 초음파 센서의 구조의 개략도를 나타낸다.

예컨대 스틸로 만들어진 이머전(immersion) 파이프(1)가 보인다. 이러한 이머전 파이프(1)는, 명칭이 이미 시사하는 바대로, 측정될 액체, 다시 말해 예컨대 오일 안으로 이머징(immersing)된다. 여기서, 주름이 잡힌 라인(2)이 오일 레벨을 표시한다. 신호 지연 시간에 대한 기준 신호로서, 이머전 파이프(1)는 이머전 파이프(1) 내에 동일한 높이에 두 개의 노치(notch)들(3)을 갖는다. 이머전 파이프(1)는 플라스틱 하우징(4) 상에 놓이고, 상기 플라스틱 하우징(4)은 예컨대 30% 유리 섬유들과 함께 예컨대 PA 66, GF30, PA 6, PBT, PET, PPS, PSU 및 PES로 만들어진다.

하우징(4) 내에 캐리어(7)가 중심에 배열되고, 상기 캐리어(7) 상에 본 발명에 따른 감쇠 매스(6)가 놓인다. 초음파 전송기(5)는 감쇠 매스(6) 상에 있고, 상기 초음파 전송기는 신호를 측정하고, 상기 신호의 실행 시간을 통해, 충전 레벨(2)의 높이가 계산될 수 있다.

원하는 감쇠를 달성하기 위하여, 초음파 신호가 초기에 주입(inject)된다. 이는, 충전제를 선택함으로써 달성되고, 상기 충전제는 한편으로 밀도를 1.5 g/㎤ 내지 4 g/㎤의 값들까지 증가시키고, 그리고 침강과 동시에, 충전 높이를 초과하는 밀도 경사를 생성한다. 기계적 감쇠에 부가하여, 파장의 치수 정도 내에 놓이는 입도 분포를 이용하여, 스캐터들이 또한 달성될 수 있다.

기계적 감쇠 ― 전체 온도 범위를 초과하여 연장됨 ― 의 특징(feature)은 온도-의존 감쇠의 문제점을 해결한다.

먼저, 본 발명은 감쇠 매스를 특정하고, 상기 감쇠 매스는 모터 내에서 지배적인 온도들에서의 온도 안정성 그리고 부드러움 그리고 전체 온도 범위에 걸쳐서 요구되는 안정성, 즉 감쇠시킬 능력을 나타낸다. 먼저, 감쇠 매스는 이러한 타입의 넓은 온도 인터벌과 함께 이용가능하고, 상기 감쇠 매스는 대략 150℃의 온도들에서의 지속적인 사용을 가능케 하고 그리고 동시에 저온들에서 매우 우수한 초음파 감쇠를 갖는다.

Claims (7)

1. 감쇠 매스(attenuating mass)로서,
   상기 감쇠 매스는 -30℃ 내지 150℃의 온도 인터벌 내에서 부드럽고(soft) 그리고 안정적이고,
   상기 감쇠 매스는 에폭시 수지 및 충전제를 포함하고,
   여기서, 입자의 밀도 경사(density gradient)가 수지 매트릭스(matrix) 내에 존재하도록, 상기 충전제는 멀티모달 입도 분포(multimodal grain size distribution)로 존재하는,
   감쇠 매스.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 에폭시 수지는 0℃ 미만의 유리 전이 온도를 갖는,
   감쇠 매스.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 감쇠 매스는, 대략 4000 mPAS 내지 9000 mPAS의 25℃에서의 상기 에폭시 수지의 점성을 갖는,
   감쇠 매스.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 감쇠 매스의 밀도는 상기 충전제에 의해 1.5 g/㎤ 내지 4 g/㎤로 증가되는,
   감쇠 매스.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 에폭시 수지는 산성 작용기(acidic functional group)들을 갖는,
   감쇠 매스.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 에폭시 수지는 에스테르기(ester group)들을 갖는,
   감쇠 매스.
7. 초음파 센서 내에서의 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 감쇠 매스의 사용.

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