KR20140077121A - 초음파 트랜스듀서 그리고 초음파를 발생 및/또는 흡수시키기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음파를 발생 및/또는 흡수시키기 위한 진동 몸체(swinging body)(12) 및 감쇠 몸체(backing)(14)를 갖는 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)(10)와 관련이 있으며, 상기 감쇠 몸체는 진동 몸체(12)의 재료에 매칭되는 음향 임피던스(acoustic impedance)를 갖는 제 1 재료로 이루어지고 상기 진동 몸체(12)의 후면에 배치된 제 1 부분 몸체(16) 및 음향 감쇠(acoustic damping)가 큰 제 2 재료로 이루어지고 상기 제 1 부분 몸체(16)에 배치된 제 2 부분 몸체(18)를 포함한다. 이 경우 상기 제 1 부분 몸체(16)는 원뿔 형태이면서 그 바닥면이 상기 진동 몸체(12)상에 배치되어 있다.
Description
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 초음파 트랜스듀서 및 청구항 15의 전제부에 따른 초음파를 발생 및/또는 흡수시키기 위한 방법과 관련이 있다.
초음파 트랜스듀서는 진동 운동이 가능한 멤브레인(membrane), 대개 세라믹을 구비한다. 상기 초음파 트랜스듀서에 의해서는 압전 효과(piezoeletric effect)를 토대로 전기 신호가 초음파로 변환되고 역으로 초음파가 전기 신호로 변환된다. 적용예에 따라 초음파 트랜스듀서는 음원(acoustic source), 음향 검출기(acoustic detector) 또는 두 가지 모두로서 작동한다.
초음파 트랜스듀서의 일 적용예는 이동 시간차 기법(differential transit time technique)에 따라 파이프 라인 내 유체의 유량을 측정하는 것이다. 이 경우 한 쌍의 초음파 트랜스듀서가 종방향(longitudinal direction)으로 상호 변위되어(mutually offset) 상기 파이프 라인의 외부 둘레에 장착되며, 상기 한 쌍의 초음파 트랜스듀서는 초음파 트랜스듀서들 사이에 설정된 측정 경로를 따라 흐르는 유동에 대하여 횡방향으로 서로 초음파 신호를 전송하고 기록한다. 유체를 통해 전송되는 상기 초음파 신호는 이동 방향에 따라서 유동에 의해 가속되거나 또는 제동된다. 결과로 얻어지는 이동 시간차는 기하학적 변수를 통해 유체의 평균 유동 속도로 산출된다. 이와 같은 산출에서 기하학적 변수로서 유동 횡단면을 통해서는 용적 유동 또는 유량이 얻어진다. 더욱 정확한 측정을 목표로, 하나 이상의 지점에서 유동 횡단면을 검출하기 위해서는 마찬가지로 다수의 측정 경로에 각각 한 쌍의 초음파 트랜스듀서가 제공될 수도 있다.
상기와 같은 유량 측정 시에는 초음파가 트랜스듀서에 의해 유체 내에 주입되어야 한다. 상기 목적을 위해서 초음파 트랜스듀서가 파이프 라인의 내부 공간 내에 규칙적으로 장착됨으로써, 결과적으로 멤브레인은 유체와 직접 접촉한다. 그러나 상기와 같이 유체 속에 잠기게 되는 트랜스듀서는 유체 그리고 상기 유체의 압력 및 온도에 노출되어 자칫하면 손상된다. 그와 반대로, 트랜스듀서는 유동을 방해하고 그 때문에 정확한 측정에 부정적인 영향을 줄 수 있다.
EP 1 378 272 B1호는 초음파를 발생시키는 구성 요소들을 벽부 외면에 제공하는 것을 제안한다. 이 경우 멤브레인은 상응하는 영역에서 나머지 벽부보다 현저히 더 작은 벽 두께를 갖는 상기 벽부의 부분이 된다.
상기와 같은 방식으로 장착된 트랜스듀서에서 초음파는 단순히 트랜스듀서와 유체 사이에서만 전달되지 않고, 세라믹에서 파이프 벽으로 그리고 추가로 유체로 음향 임피던스 점프(acoustic impedance jump)를 갖는 다수의 경계면을 똑같이 통과해야 한다. 상기 임피던스 점프는 매체 경계부에서 파 반사(wave reflection)를 야기하는데, 상기 파 반사는 시간 범위 내에 전달되어야 할 펄스 신호 형태에 크게 영향을 미치고 방사된 출력을 감소시킨다. 추가의 장애 요소는 멤브레인의 후면을 통과하여 유체 내로 입사하는 초음파의 반사에 의해 발생한다.
선행 기술에는 멤브레인과 매체 사이의 임피던스 점프를 매칭층(영문: Matching Layer)을 통해 포착하는 것이 공지되어 있다. 협대역 시스템(narrow-band system)에 있어서는 λ/4-두께 비에 의해 상대적으로 간단하게 우수한 매칭이 달성된다. 그에 따라 후면에서 방사된 출력도 작게 유지된다. 그러나 규정에 따라 λ/4-층은 파장에 의존하기 때문에, 상이한 두께의 적합한 매칭층들은 광대역 시스템(broadband system)의 경우 극히 어렵게 구현될 수 있다.
실제 방사 방향으로의 반사를 억제하기 위해서 종래의 초음파 트랜스듀서는 후면에 기계적인 감쇠 블록(영문: Backing)을 사용한다. 이러한 역반사는 정확히 멤브레인과 흡수 재료 사이에 단지 상대적으로 작은 음향 임피던스 점프가 존재할 경우에만 작게 유지된다. 그러므로 멤브레인에 가까운 음향 임피던스 및 강한 음향 감쇠 작용(acoustic damping)을 동시에 갖는 재료가 요구된다. 그러나 상기와 같은 재료 특성은 개별 물질에서는 재발견되지 않는다.
공지된 일 문제 해결 접근 방법은, 멤브레인에 대한 임피던스 매칭을 위해 음향적으로 강성인 금속 및 음향 감쇠를 위해 음향적으로 연성인 에폭시 수지로 이루어진 합성물을 사용하는 것이었다. 그와 동시에 원하는 임피던스 및 음향 감쇠가 용적 혼합율을 통해 조합된다. 이런 경우 기포 형성에 의한 공기 봉입을 방지하기 위해 구조가 상대적으로 높은 압력하에서 오랜 시간에 걸쳐 제조되어야 하기 때문에 제조가 단점 적이다. 또한, 이론적으로 요구되는 임피던스 및 음향 감쇠를 위한 혼합율을 재현 가능하게 설정하는 것에서 실질적인 어려움이 야기된다. 특히 높은 임피던스 및 높은 음향 감쇠의 조합의 경우에는 요구되는 층 두께도 신속히 확대되어 센티미터(centimeter)의 크기에 도달한다. 그에 따라 이와 같은 합성물 층은 밀리미터(millimeter) 범위의 전체 치수를 갖는 구조적으로 작은 시스템에 더 이상 적합하지 않다. 하나의 추가 단점은 상기 합성물 내에서 수지의 열적 변형이 나타내는데, 이때 열적으로 변형된 수지의 점도는 노화로 인한, 초음파 트랜스듀서의 전송 특성 변화를 가져온다. 온도는 상이한 매칭층들 상호 간의 접착 그리고 멤브레인에의 접착에도 영향을 미친다. 상기 상황은 유체 온도가 높고 그리고 예를 들어 금속성 파이프 라인 내에서 열전달이 효과적으로 이루어지는 경우에서 특히 문제점으로 작용한다.
US 2005/00775571 A1호에는 흡음(sound absorbing) 표면을 갖는 감쇠 블록을 구비한, 음향 에너지와 전기 에너지 사이에서 변환을 야기하기 위한 초음파 트랜스듀서가 공지되어 있다. 상기 흡음 표면은 금속성 블록과 음향 감쇠 작용하는 에폭시 수지 몸체 사이의 경계면이다. 상기 경계면은 피크와 밸리(peaks and valleys)로 이루어진 영역을 형성하며, 상기 피크와 밸리에서는 초음파가 다중 반사에 의해 약화 된다. 그러나 의학 공학 분야에 제안되는 상기 초음파 트랜스듀서는 높은 측정 정확도를 갖는 구조적으로 작은 유량계(flowmeter)에 적합하지 않다.
따라서 본 발명의 과제는 개선된 방사 특성을 갖는 콤팩트한 초음파 트랜스듀서를 제시하는 것이다.
상기 과제는 청구항 1에 따른 초음파 트랜스듀서 및 청구항 15에 따른 초음파를 발생 및/또는 흡수시키기 위한 방법에 의해 해결된다. 이 경우 본 발명은 초음파의 역방향 방사를 감쇠 몸체(영문: Backing)를 이용하여 억제하다는 기본 개념에서 출발한다. 상기 감쇠 몸체는 진동 몸체의 음향 임피던스에 적합하게 조정된 제 1 재료 및 큰 음향 감쇠 작용을 하는 제 2 재료를 포함한다. 두 가지 재료는 각자의 부분 몸체를 형성하는데, 더 상세히 말하면 일반적으로 상기 부분 몸체 재료들의 소정의 오염이 받아들여질 수 있음에도 불구하고 하나의 합성물로 혼합되지 않았다. 감쇠 작용은 제 1 부분 몸체가 원뿔 형태이면서 그 바닥면이 진동 몸체상에 배치되어 있는 구조로 인해 발생한다. 그럼으로써 원뿔 구조의 내부 표면의 경계면이 초음파에 나타나고, 상기 경계면은 상기 원뿔 구조 내에서 다중 반사의 토대로서 전방 분산에 대하여 충분히 비스듬하게 존재한다. 다수 회의 반사 작용 이후에 초음파가 재차 진동 몸체 방향으로 되돌아가는 경우, 음향 에너지의 대부분은 상기 제 2 부분 몸체 내에 흡수된다.
본 발명의 장점은 우수한 감쇠 특성이 달성된다는 것이다. 단지 소수의 초음파만이 중첩 방식으로 후면으로부터 전방으로 방사되고, 때문에 특히 초음파 펄스 이후 경우에 따라 계속해서 짧은 사후 펄스 진동(post-pulse oscillation)이 야기된다. 매칭층과는 달리 초음파 트랜스듀서의 매칭은 큰 대역폭에서 이루어지고, 감쇠 몸체가 과도하게 큰 두께를 요구하지 않는다. 그에 따라 짧은 구조적인 형상을 갖는 광대역 초음파 트랜스듀서가 제조된다. 동시에 제조가 상대적으로 더 간단하고 더욱 경제적인 비용으로 이루어지는데, 그 이유는 조정층 및 합성물과는 달리 복잡한 제조 공정과 복합적인 재료가 필요하지 않기 때문이다.
상기 감쇠 몸체는 바람직하게 원통형(cylindrical)인데, 상기 감쇠 몸체에서 제 2 부분 몸체는 제 1 부분 몸체를 수용하기 위한 원뿔형 공동부 및 원통형 외부 윤곽을 갖는다. 본 경우에 "원통형"이라는 표현은, 좁은 의미에서 특히 직선형 원기둥(straight circular cylinder)으로 이해된다. 이 경우 상기 제 2 부분 몸체는 중공 원뿔(hollow cone) 구조를 갖는 실린더이며, 상기 중공 원뿔 구조는 그 내부에 제 1 부분 몸체를 수용하기 위해 상기 제 1 부분 몸체의 대응부(counterpart)를 형성한다. 따라서 전체적으로는 사용이 용이한 원통형의 초음파 트랜스듀서가 생성된다.
진동 몸체, 제 1 부분 몸체 및 제 2 부분 몸체는 바람직하게 원뿔축을 따라 작용하는 압력을 통해, 특히 상기 제 2 부분 몸체에 작용하는 탄성력 또는 상기 제 2 부분 몸체상에 나사 연결된 하우징 커버에 의해 결합된다. 상기 초음파 트랜스듀서는 감쇠 몸체로 인해 접착 지점 없이도 원뿔 형태의 제 1 부분 몸체 및 보조적인 제 2 부분 몸체로 구성될 수 있고 상응하는 압력에서 상기 구조로 인해 자동으로 중심점이 맞추어진다. 순전히 압력에 의한 이러한 제조는 극도로 간단하고 접착제가 없는 결합으로 인해 예를 들어 온도 변화에 대하여 큰 안정성을 갖는다.
원뿔 구조의 표면은 바닥면과 바람직하게 60˚내지 70°의 각도를 형성한다. 60˚이상의 각도는 초음파가 경계면에 입사할 때 계속해서 원뿔 구조 내부로 전방 분산이 발생하고 그에 따라 다중 반사가 발생하도록 보증한다. 그러나 70°이하의 과도하게 큰 각도의 경우에는 경계면들의 모드 결합은 음향 감쇠를 더 이상 우수하게 지원하지 않는다. 그 밖에 60˚내지 70°의 상기와 같은 각도가 형성되면 구조 높이(design height) 또한 커진다. 특히 우수한 음향 감쇠는 65°의 각도에서 야기된다. 그러나 상기 최적의 조건(optimum)이 소정의 허용 오차를 갖도록 조정하는 것으로도 충분한데, 그 이유는 작은 범위의 편차는 지나치게 큰 영향을 미치지는 않기 때문이다.
상기 제 1 부분 몸체는 바람직하게 원뿔 구조의 바닥면보다 더 큰 반지름을 갖는 원통형 소켓(socket)을 갖는다. 더 상세히 말하면 상기 제 1 부분 몸체는, 약간 더 큰 소켓상에서 약간 뒤로 배치되어 그곳에서 주변을 둘러싸는 돌출부를 노출시키는 원뿔 구조를 형성한다. 이러한 원뿔 구조 형성은, 보완적인 제 2 부분 몸체가 상기와 같은 방식으로 주변을 둘러싸는 예리한 에지를 가져야만 하는 것이 아니라, 오히려 상기 돌출부에 상응하는 소정의 두께를 가질 수 있기 때문에 유용하다. 이러한 제 2 부분 몸체는 그에 사용되는 재료에 따라서 더 간단하게 제조된다.
상기 제 2 부분 몸체는 바람직하게 원뿔 구조를 둘러싸지만, 상기 제 1 부분 몸체의 원통형 소켓은 둘러싸지 않는다. 그에 따라 소켓의 어느 정도의 높이까지는 제 1 재료가, 나머지 높이에 대해서는 제 2 재료가 감쇠 몸체의 외부 표면을 형성한다. 그럼으로써 상기 제 1 재료는 외부로부터 접촉할 수 있다. 그 밖에 소켓 영역 내 경계면에는 더욱이 초음파가 입사되지 않음으로써, 결과적으로 상기 경계면에서는 제 2 부분 몸체가 감쇠량을 갖지 않는다.
상기 진동 몸체의 재료는 바람직하게 세라믹이다. 이러한 재료는 자유롭게 이용될 수 있으며 요구되는 압전 특성을 갖고 있다. 예를 들어 35 MRayl 범위의 음향 임피던스를 갖는 PZT(티탄산 지르콘산 연, lead zirconate titanate)가 사용된다.
상기 제 1 재료는 바람직하게 황동(brass), 특히 CuZn39Pb2이다. 황동은 세라믹에 적합한 음향 임피던스를 갖는다. 그 밖에 황동은 제조 기술상 장점들을 제공하는데, 그 이유는 상기 황동이 비교적 간단히 회전에 의해서 요구되는 원뿔 형태를 형성하기 때문이다.
상기 제 2 재료는 바람직하게 플라스틱, 특히 PTFE이다. 플라스틱은 초음파를 강하게 감쇠시킨다. PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌, polytetrafluorethylene) 자체가 큰 감쇠 작용을 하고, 그럼으로써 상대적으로 낮은 구조 높이를 허용하는 동시에 기계적 안정성 및 온도 저항성을 갖는다.
상기 진동 몸체는 바람직하게 후면에 마주 놓인 전면에서 제 1 전극을 갖고 상기 후면에서는 제 2 전극을 가지며, 이때 상기 제 1 전극의 부분 영역은 후면까지 상기 진동 몸체의 둘레를 돌아 연장되고 상기 후면에서 접촉되며, 그리고 상기 제 2 전극은 상기 제 1 부분 몸체를 통해 접촉된다. 상기 전면은 초음파 트랜스듀서의 장착시 다른 재료상에서 직접 접근할 수 없다. 때문에 본 실시예에서는 상기 제 1 전극이 후면 방향으로부터 접근 가능하고 접촉 가능하도록 형성된다. 상기 제 2 전극은 더욱이 균일한 금속성의 제 1 부분 몸체와 결합되어 있음으로써, 결과적으로 상기 제 2 전극은 상기 제 1 부분 몸체 어딘가에 접촉될 수 있다.
상기 제 1 부분 몸체는 바람직하게 리세스를 포함한다. 상기 리세스는 상기 제 1 전극 부분의 둘레를 둘러싸는 부분에 적어도 부분적으로 상응함으로써, 여기에서 접속 라인에 의해 접촉이 가능해지고 상기 두 개의 전극의 단락은 금속성의 제 1 부분 몸체에 의해서 방지된다.
바람직한 개선예에서는 파이프 라인 내 유체의 유동 속도를 측정하기 위한 초음파 유량 측정 장치가 제시되고, 상기 초음파 유량 측정 장치는, 상기 파이프 라인 내에 삽입될 수 있고 이러한 방식으로 파이프 라인의 섹션을 형성하는 그리고 그 내부에 배치되는 본 발명에 따른 적어도 한 쌍의 초음파 트랜스듀서를 구비한 측정 몸체 및 유동과 같은 방향으로 그리고 유동과 반대 방향으로 전달 및 수신되는 초음파의 이동 시간차로부터 유동 속도를 측정하기 위한 측정 유닛을 포함한다. 측정될 유체는 식품 산업, 제약 산업 또는 정확성 및 위생에 대한 요구 수준이 높은 유사 적용예에서 사용되는 것과 같은, 예를 들어 물과 유사한 음향 임피던스를 갖는 액체이다. 이 경우 종종 안정적이고 우수하게 세척되는 특수강(high-grade steel)으로 이루어진 파이프 라인이 사용됨으로써, 결과적으로 상기 측정 몸체 또한, 상기 파이프 라인과 맞추기 위해 바람직하게 강철(steel)로 제조된다. 강철은 한편으로 우수한 열 전달성을 가짐으로써, 결과적으로 접착 없이 이루어지는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 설계는 특히 바람직하다. 제 1 부분 몸체의 리세스를 갖는 실시예에서 상기 리세스는 바람직하게 파이프 벽 방향으로 배치되어 있다. 그 이유는 상기 리세스가 비대칭적인 음향 전송을 보증하고, 언급된 배치에서는 장애 요소들이 이러한 비대칭 효과에 의해 감소되기 때문이다.
상기 측정 몸체는 바람직하게 박벽(thin-walled) 영역들을 가지며, 일 박벽 영역이 초음파 트랜스듀서의 진동 운동이 가능한 멤브레인으로서 진동 몸체와 함께 작용하도록 상기 박벽 영역들에는 초음파 트랜스듀서가 외부로부터 장착되어 있다. 더 상세히 말하면 상기 초음파 트랜스듀서는 일 박벽 파이프 라인 섹션을 진동 운동이 가능한 멤브레인으로서 진동 몸체와 함께 사용한다. 그에 따라 상기 초음파 트랜스듀서는 특히 간단하게 장착될 수 있다. 동시에 초음파 유량 측정 장치는 내부를 향하여 완전히 평형으로 유지되고 상기 초음파 트랜스듀서에 대한 또는 초음파 트랜스듀서와 파이프 라인의 내벽 사이의 결합부에 대한 침전물 생성 가능성을 제공하지 않는다. 이러한 침전물은 특히 위생 관련 적용예에서 방지되어야 한다. 역으로 상기 초음파 트랜스듀서 또한 상기 파이프 라인 내부의 영향으로부터 보호된다. 위생 분야 자체에서는 예컨대 증기 세척시 10 내지 15bar의 압력 및 140°까지의 온도가 추가 사항 없이도 달성된다.
박벽 영역과 진동 몸체 사이에는 바람직하게 특히 파릴렌(parylene) 또는 이산화규소(silicon dioxide, SiO2)로 이루어진 절연층이 배치되어 있다. 전도성 파이프 라인에 대한 상기 진동 몸체의 전기적인 절연 공정은 압전기적으로 발생된 신호를 검출하기 위하여 필요하다. 파릴렌은 스퍼터링 공정(sputter process)에 의해 단지 마이크로미터(micrometer)에 따라 측정되는 층 두께만 구현하는데, 상기 층 두께는 전기적으로 절연되지만 음향적으로는 전반적으로 영향을 받지 않는 상태로 유지된다. 이산화규소의 경우에도CVD-공정(chemical vapor deposition process)에서 매우 얇은 층 두께가 달성될 수 있으며 그리고 전기 절연도 충분히 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 유사한 방식으로 개선될 수 있으며 동시에 유사한 장점들을 나타낸다. 상기와 같은 바람직한 특징들은 예시적으로 기술되었을 뿐, 독립 청구항들에 후속하는 종속 청구항들에서 확정적으로 기술되지 않았다.
본 발명은 아래에서 마찬가지로 추가의 특징들 및 장점들과 관련하여서도 예시적으로 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명된다.
도 1은 다중 반사시 감쇠 몸체 내에서 예시적인 음파 경로를 갖는 초음파 트랜스듀서의 개략적인 단면도이고;
도 2a는 원통형 소켓을 갖는 초음파 트랜스듀서의 개략적인 단면도이며;
도 2b는 돌출된 원통형 소켓을 갖는 초음파 트랜스듀서의 개략적인 단면도이고,
도 3a는 후면을 통한 접촉을 위한 두 개의 전극을 갖는 진동 몸체에 대한 평면도이며,
도 3b는 진동 몸체의 일 전극을 접촉시키기 위한 리세스를 갖는 감쇠 몸체의 원뿔 형태의 부분 몸체에 대한 3차원도이고, 그리고
도 4는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서를 갖는 유량 측정기의 개략적인 단면도이다.
도 1은 다중 반사시 감쇠 몸체 내에서 예시적인 음파 경로를 갖는 초음파 트랜스듀서의 개략적인 단면도이고;
도 2a는 원통형 소켓을 갖는 초음파 트랜스듀서의 개략적인 단면도이며;
도 2b는 돌출된 원통형 소켓을 갖는 초음파 트랜스듀서의 개략적인 단면도이고,
도 3a는 후면을 통한 접촉을 위한 두 개의 전극을 갖는 진동 몸체에 대한 평면도이며,
도 3b는 진동 몸체의 일 전극을 접촉시키기 위한 리세스를 갖는 감쇠 몸체의 원뿔 형태의 부분 몸체에 대한 3차원도이고, 그리고
도 4는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서를 갖는 유량 측정기의 개략적인 단면도이다.
도 1은 초음파 트랜스듀서(10)를 개략적인 단면도로 도시한다. 이 경우 접속 및 신호 처리와 같은 초음파 트랜스듀서의 추가의 특징들은, 전극에 의한 음향 여기 및 음향 발생을 통한 또는 반대로 초음파 진동에 의한 전기적 발생을 통한 초음파 트랜스듀서의 압전기적 기본 개념과 같이 공지된 것으로 가정되며 추가로 설명되지 않는다.
상기 초음파 트랜스듀서(10)는 진동 운동이 가능한 멤브레인을 포함하거나 압전기적 재료, 예를 들어 35 MRayl 범위의 음향 임피던스를 갖는 PZT(티탄산 지르콘산 연)와 같은 세라믹으로 이루어진 진동 몸체(12)를 포함한다. 예정된 초음파 방사 방향은 상기 진동 몸체(12)의 전면에 대하여 수직이고 도 1의 도시에서는 아래 방향으로 향한다. 마주 놓인 후면에서 초음파는, 이 초음파가 재차 아래 방향으로 역반사될 경우 장애를 야기할 수 있다. 때문에 상기 진동 몸체(12)의 후면에는 전체적으로 도면 부호 14로 표시되어 있는 감쇠 몸체(영문: Backing)가 배치되어 있다.
후면 매칭 공정은 두 개의 상이한 재료의 조합에 의해서 이루어진다. 상기 목적을 위해서는 예를 들어 황동 그리고 특히 CuZn39Pb2와 같은 금속으로 이루어진 제 1 부분 몸체(16)가 상기 진동 몸체(12)의 후면에 배치되어 진동 몸체(12)의 압전 세라믹에 면하여 폐쇄된다. 제 1 부분 몸체(16)의 재료가 매칭 선택됨으로써 매우 낮은 임피던스 점프가 야기되는데, 다시 말해 후면에서 방사된 파장은 상기 진동 몸체(12)의 세라믹으로부터 거의 완전히 디커플링 된다.
상기 제 1 부분 몸체(16)에는 플라스틱 및 특히 PTFE(폴리테트라플루오르에틸렌)와 같은 재료로 이루어진 제 2 부분 몸체(18)가 배치되어 있다. 상기 제 2 부분 몸체(18)의 재료는 상기 제 1 부분 몸체의 재료보다 음향 임피던스가 현저히 더 작음에도 높은 음향 감쇠 작용을 하는데, 예를 들어 PTFE로 이루어진 경우 4.4 MRayl의 음향 감쇠 작용을 한다. 상기 재료의 높은 음향 감쇠 작용은 초음파 트랜스듀서의 구조적인 길이를 결정하는데, 그 이유는 파장의 진폭이 전파 방향을 따라 급격하게 감쇠되기 때문이다.
상기 후면 감쇠 몸체(14)의 제 1 부분 몸체(16)와 제 2 부분 몸체(18) 사이의 경계면으로부터 상기 진동 몸체로의 역반사를 작게 유지하기 위해서는 구조적으로 상기 제 1 부분 몸체(16) 및 제 2 부분 몸체(18)의 두 재료 사이에 가능한 한 큰 경계면이 제공된다. 상기 목적을 위하여 상기 제 1 부분 몸체(16)는 원뿔 형태로 형성되었고 자체 베이스에서 상기 진동 몸체(12)의 후면과 60°내지 70°의 각도를 형성한다.
이러한 특수한 구조는 제 1 부분 몸체(16)로부터 오는 음파가 수직으로 입사하는 것이 아니라, 오히려 전반사와 다르게 특수한 각도로 비스듬히 제 2 부분 몸체(18)의 표면상에 입사되도록 한다. 그에 따라 수직 입사의 경우보다 제 2 부분 몸체(18)의 재료 내부로 높은 투과율이 달성된다. 원인은 종방향 모드(longitudinal mode)와 횡방향 모드(transversal mode)의 결합인데, 그 이유는 본 경우에서 진동 몸체(12)로서 사용된 두꺼운 진동기(oscillator)에 있어서 종방향 모드가 더 중요하기 때문이다.
감쇠 몸체(14)의 원뿔형 구조에서 이러한 모드 결합은 도 1에서 화살표에 의해 명확하게 도시된다. 상기 비스듬한 입사에 의해서는 제 1 부분 몸체(16)로부터 방사되는 파장이 상기 제 1 부분 몸체(16)와 제 2 부분 몸체(18) 사이의 경계면을 따라서 전파(propagate)되는데, 다시 말해 상기 경계면을 따라 발생되는 다중 반사는 음파를 형성된 감쇠 쐐기 구조(damping wedge structure) 또는 감쇠 원뿔 구조 내부로 더 깊이 분산시킨다. 이 경우 전방 분산을 보증하기 위해 상기 작용은 기본적으로 60°보다 커야하는 경계면의 경사각에 좌우된다. 입사하는 음파의 제 1 반사에서 철자 d 및 s는 종방향 모드 및 횡방향 모드를 표시한다. 제 2 부분 몸체(18)의 흡음기 내에 입사하지 않는 종방향 모드만 장애 요소로 작용하고 이는 다중 반사의 추가 반사 지점에 화살표로 도시된다.
그러므로 쐐기 또는 원뿔 형태의 경계면이 공동으로 제공되는 제 1 부분 몸체(16)의 쐐기 또는 원뿔 형태와 제 2 부분 몸체(18)의 보완적인 형태는 한편으로 상대적으로 큰 경계면을 야기하고, 다른 한편으로는 제 2 부분 몸체(18)의 감쇠 작용하는 재료 내부로 모드들의 분산을 야기한다. 따라서 마지막에 장애 요소가 되는 수직 입사 파장은 매우 크게 감소한다.
이미 설명한 바와 같이, 제 1 부분 몸체(16)의 베이스와 진동 몸체(12)의 후면 사이의 각도는 적어도 60°이여야 한다. 이에 반해 모드 결합의 이론적인 모델은 65°의 범위에서 역분산된 에너지의 현저한 감소가 달성되고 그에 따라 65°의 각도가 최적의 조건(optimum)임을 나타낸다. 필수적이지는 않으나 상기 최적의 조건은 정확하게 유지될 수 있는데, 예를 들어 63°내지 67°또는 64°내지 66°의 각도 범위 또한 적합하다. 모드 결합의 상기 이론적인 모델로부터 60°의 하한값과 더불어 70°각도의 상한값이 도출되어야 하며, 이때 휠씬 더 큰 각도는 그 밖에 요구되는 구조적인 높이와 관련하여 단점적으로 작용할 것이다. 다른 재료들의 경우에는 각도 범위 및 최적의 각도가 변동될 수 있으며, 이때 상기 재료는 요구되는 매칭 공정으로 인해 유사한 음향 임피던스를 갖고 그에 따라 또한 유사한 각도도 필요로 한다. 때문에 제시된 각도는 특수한 재료 혼합물을 위해 결정되었음에도 불구하고 다른 재료들에도 적용된다.
특정 파장 범위에 맞춰진 통상적인 매칭층과는 반대로, 감쇠 몸체(14)는 예를 들어 50kHz 내지 20MHz의 대역폭 또는 10MHz의 평균 주파수에서 10MHz의 6dB-대역폭 △f를 갖는 광대역 초음파 트랜스듀서에 대해서도 우수한 감쇠 작용을 허용한다.
도 2a는 초음파 트랜스듀서(10)의 추가 실시예를 단면도로 도시한다. 이 경우 본 도면에서 그리고 이하의 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 또는 서로 상응하는 특징들을 표시한다. 바람직한 실시예를 위해 초음파 트랜스듀서(10)의 이미지는 축척에 맞게 도시되었으며, 이때 본 발명은 이와 같은 상호 크기 비율로 한정되어 있지 않다. 이 경우 외부 치수, 더 상세히 말하면 전체적으로 바람직하게 원통형 초음파 트랜스듀서(10)의 구조적인 높이 및 반지름은 예를 들어 1 센티미터 내지 몇 밀리미터에 달한다.
도 2a에 따른 초음파 트랜스듀서(10)는 제 1 부분 몸체(16)의 원통형 소켓(20)에 의해 도 1과 관련하여 설명된 초음파 트랜스듀서(10)와 구별된다. 상기 소켓(20)은 바람직하게 제 2 부분 몸체(18)에 의해서 둘러싸이지 않았다. 이러한 사실은 제조 기술상 장점을 제공하고, 진동 몸체(12)와 제 2 부분 몸체(18)의 직접적인 접촉을 방지하며 그리고 외부로부터 제 1 부분 몸체(16)의 접촉을 가능하게 한다.
도 2b는 초음파 트랜스듀서(10)의 추가 실시예를 도시한다. 상기 도 2a와 관련하여 설명된 초음파 트랜스듀서(10)와는 다르게, 소켓(20)은 제 1 부분 몸체(16)의 원뿔 형태 부분보다 더 큰 반지름을 갖는다. 그럼으로써 둘레를 둘러싸는 돌출부(22)가 생성된다. 그럼으로써 보완적인 제 2 부분 몸체(18)가 상기 제 1 부분 몸체(16) 방향으로 둘레를 둘러싸는 예리한 에지를 갖도록 제조되는 것이 방지된다. 상기 상황은, 예를 들어 PTFE로 이루어진 제 2 부분 몸체(18)의 경우 제조 기술적으로 단지 어렵게만 달성될 수 있다.
진동 몸체(12)를 구동 제어할 목적으로 또는 초음파 여기에 의해 신호를 검출할 목적으로 접촉을 위한 전극들이 제공되어야 한다. 그러나 바람직한 실시예에서 초음파 트랜스듀서(10)는 후속하여 아래 도 4와 관련하여서도 설명되는 바와 같이, 진동 몸체(12)의 전면을 이용해 파이프 라인에 직접 장착된다. 그에 따라 상기 진동 몸체(12)의 전면은 접근 불가능하다.
도 3a는 후면에 두 개의 전극(24, 26)을 갖는 진동 몸체(12)의 실시예에 대한 평면도를 도시한다. 이와 관련하여 전면을 위한 전극(26)은 작은 영역에서 진동 몸체(12)의 후면을 둘러싼다.
도 3b는 도 3a에 따른 전극 배치에 적합한 실시예로 된 제 1 부분 몸체(16)의 3차원도를 도시한다. 접속 라인은 예를 들어 땜납점에 의해 둘레를 둘러싸는 전극(26)에 고정될 수 있기 위해서, 상기 제 1 부분 몸체(16)에는 리세스(28)가 제공되어 있는데, 더 상세히 말하면 쐐기 형태가 상기 전극(26)에 상응하는 영역에서 절단된다. 후면의 다른 전극(24)은 상기 리세스(28)까지 상기 제 1 부분 몸체(16)에 의해 완전히 접촉됨으로써, 결과적으로 여기서 접속 라인이 제 1 부분 몸체(16)의 어딘가에서 납땜될 수 있다. 상기 접촉은 제 2 부분 몸체(18)에 의해서 둘러싸이지 않는 소켓(20)에서 이루어지거나, 또는 상기 제 2 부분 몸체(18) 내 접속 케이블을 위한 상응하는 관통구가 제공된다. 그 밖에 도 3b에 따른 제 1 부분 몸체(16)의 3차원도에서는 도 2b와 관련하여 설명된, 원뿔 구조에 비해 약간 더 확대된 소켓(20)의 돌출부(22)가 재차 충분히 인식될 수 있다.
도 4는 파이프 라인(104) 내 유체(102)의 유동 속도 또는 유동 용적을 측정하기 위한, 본 발명에 따른 한 쌍의 초음파 트랜스듀서(10a-b)를 갖는 유량계(100)를 개략적인 단면도로 도시한다. 유동 속도의 측정은, 예를 들어 본 도면에는 도시되지 않은 측정 유닛에서 유동과 같은 방향으로 또는 역으로 흐르는, 쌍으로 이루어진 상기 초음파 트랜스듀서(10a-b) 간 초음파 신호 전송 및 검출시 이동 시간을 측정하는 도입부에 기술된 이동 시간 방법을 이용하여 이루어진다.
상기 유량계(100)는 측정 몸체(106)를 갖고, 상기 측정 몸체는 결합 지점(108)에서 파이프 라인 내부로 삽입되고 그에 따라 장착된 상태에서 결과적으로 파이프 라인(104)의 부분을 형성한다. 상기 측정 몸체(106) 내에는 팽창부 또는 박벽 부분 영역(110)들이 제공되어 있고, 상기 박벽 부분 영역들에는 초음파 트랜스듀서(10a-b)가 장착되어 있다. 따라서 상기 박벽 부분 영역(110)들은 유체측 매칭층이면서 동시에 진동 운동이 가능한 시스템의 부분이다. 예를 들어 15bar의 예상되는 채널 내부 압력에 견디기 위해서 상기 박벽 부분 영역(110)들은 충분히 두껍게 유지되고 바람직하게는 상기 박벽 부분 영역이 시스템의 넓은 대역을 지원할 정도로 얇다.
금속성 박벽 부분 영역(110)들의 진동 몸체(12)가 트랜스듀서 멤브레인으로서 이용되기 때문에, 상기 진동 몸체(12)의 압전 세라믹과 상기 박벽 부분 영역(110)들의 직접적인 접촉이 전기 절연층(32)에 의해서 방지되어야 한다. 그러나 실제로 전기적으로 절연 작용하는 모든 재료는 압전 세라믹보다 현저히 작은 음향 임피던스를 갖고 그에 따라 장애가 되는 임피던스 점프를 야기한다. 상기 작용은 가능한 한 작은 절연층(32) 두께가 달성될 때 감소한다. 상기 목적을 위해서는 이미 소수의 마이크로미터 층 두께에서 대략 백 볼트(volt)가 절연되는 파릴렌 또는 SiO2가 특히 적합하다. 층 두께는 스퍼터링 공정 또는 VCD-공정으로 절연층(32)을 증착함으로써 간단하게 제어되고 마이크로미터 범위로 구현될 수 있으며, 결과적으로 유효한 임피던스 점프가 전체적으로 가능한 한 작게 유지된다.
상기 파이프 라인(104)은 예를 들어 약 10cm의 표준 폭을 갖고 위생 분야 적용예에 대하여 약 35 MRayl인 진동 몸체(12)의 음향 임피던스보다 약간 더 높은 42 MRayl의 음향 임피던스를 갖는 특수강으로 이루어진다. 그에 비해 유체는 물 그리고 물을 기본으로 하는 액체에 대해 일반적으로 예를 들어 1.5 MRayl의 현저히 더 작은 음향 임피던스를 갖는다.
진동 몸체(12), 제 1 부분 몸체(16) 및 제 2 부분 몸체(18)로 층을 이루어 설계된 초음파 트랜스듀서(10a-b)는 후방으로부터, 더 상세히 말하면 원뿔축상에서 상기 진동 몸체(12) 방향으로 스프링에 의해서 그리고/또는 특히 미세 피치(fine pitch) 나사선을 갖고 나사 연결되는 커버(30)에 의해서 박벽 채널 영역에 압착된다. 그에 따라 접착 결합부가 전혀 필요하지 않다. 원뿔 또는 쐐기 형태의 구조에 의해서는 상기 두 개의 부분 몸체(16, 18)가 자동으로 상호 정렬된다.
Claims (15)
- 초음파를 발생 및/또는 흡수시키기 위한 진동 몸체(swinging body)(12) 및 감쇠 몸체(backing)(14)를 갖는 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)(10)로서,
상기 감쇠 몸체는 상기 진동 몸체(12)의 재료에 매칭되는 음향 임피던스(acoustic impedance)를 갖는 제 1 재료로 이루어지고 상기 진동 몸체(12)의 후면에 배치된 제 1 부분 몸체(16) 및 음향 감쇠(acoustic damping)가 큰 제 2 재료로 이루어지고 상기 제 1 부분 몸체(16)에 배치된 제 2 부분 몸체(18)를 포함하고,
상기 제 1 부분 몸체(16)는 원뿔 형태이면서 바닥면이 상기 진동 몸체(12)상에 배치된,
초음파 트랜스듀서. - 제 1항에 있어서,
상기 감쇠 몸체(14)는 원통형(cylindrical)이며, 상기 제 2 부분 몸체(18)는 상기 제 1 부분 몸체(16)를 수용하기 위한 원통형 외부 윤곽 및 원뿔형 공동부를 포함하는,
초음파 트랜스듀서. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
진동 몸체(12), 제 1 부분 몸체(16) 및 제 2 부분 몸체(18)는 원뿔축을 따라 압력, 특히 상기 제 2 부분 몸체(18)에 작용하는 스프링력 또는 상기 제 2 부분 몸체(18)상에 나사 연결된 하우징 커버(30)에 의해 결합되는,
초음파 트랜스듀서. - 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
원뿔의 표면이 바닥면과 60°내지 70°, 특히 약 65°의 각도를 형성하는,
초음파 트랜스듀서. - 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 부분 몸체(16)는 원뿔 구조의 바닥면보다 더 큰 반지름을 갖는 원통형 소켓(socket)(20)을 갖는,
초음파 트랜스듀서. - 제 5항에 있어서,
상기 제 2 부분 몸체(18)는 원뿔 구조를 둘러싸지만, 상기 제 1 부분 몸체(16)의 원통형 소켓(20)은 둘러싸지 않는,
초음파 트랜스듀서. - 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동 몸체(12)의 재료는 세라믹인,
초음파 트랜스듀서. - 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 재료는 황동(brass), 특히 CuZn39Pb2인,
초음파 트랜스듀서. - 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 재료는 플라스틱, 특히 PTFE(polytetrafluorethylene)인,
초음파 트랜스듀서. - 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동 몸체(12)는 후면에 마주 놓인 전면에 제 1 전극(26)을 포함하고 상기 후면에는 제 2 전극(24)을 포함하며, 상기 제 1 전극(26)의 일 부분 영역은 상기 진동 몸체(12)의 후면까지 둘러싸고 그곳에서 접촉되며, 그리고 상기 제 2 전극(24)은 상기 제 1 부분 몸체(16)를 통해 접촉되는,
초음파 트랜스듀서. - 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 부분 몸체(16)는 리세스(28)를 포함하는,
초음파 트랜스듀서. - 파이프 라인(104) 내 유체(102)의 유동 속도를 측정하기 위한 초음파 유량 측정 장치(100)로서,
상기 초음파 유량 측정 장치는, 상기 파이프 라인(104) 내에 삽입될 수 있고 이러한 방식으로 파이프 라인(104)의 섹션을 형성하며, 그 내부에 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 적어도 한 쌍의 초음파 트랜스듀서(10a-b)가 배치된 측정 몸체(103) 및 유동과 같은 방향으로 또는 역으로 전달 및 수신되는 초음파의 이동 시간차로부터 유동 속도를 측정하기 위한 측정 유닛을 포함하는,
초음파 유량 측정 장치. - 제 12항에 있어서,
상기 측정 몸체(106)는 박벽(thin-walled) 영역(110)들을 포함하며, 일 박벽 영역(110)이 초음파 트랜스듀서(10a-b)의 진동 운동이 가능한 멤브레인(mambrane)으로서 진동 몸체(12)와 함께 작용하도록 상기 박벽 영역들에 상기 초음파 트랜스듀서(10a-b)가 외부로부터 장착되어 있는,
초음파 유량 측정 장치. - 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
박벽 영역(110)과 진동 몸체(12) 사이에는 특히 파릴렌(parylene) 또는 SiO2(silicon dioxide)로 이루어진 절연층(32)이 배치되어 있는,
초음파 유량 측정 장치 - 진동 몸체(12)를 이용하여 초음파를 발생 및/또는 흡수시키기 위한 방법으로서,
초음파가 상기 진동 몸체(12)의 후면에서 감쇠 몸체(14)에 의해 억제되고, 상기 감쇠 몸체는 상기 진동 몸체(12)의 재료에 매칭되는 음향 임피던스를 갖는 제 1 재료로 이루어진 제 1 부분 몸체(16) 및 음향 감쇠가 큰 제 2 재료로 이루어지고 상기 제 1 부분 몸체(16)에 배치된 제 2 부분 몸체(18)를 포함하고,
상기 감쇠 몸체(14)로부터 상기 진동 몸체(12)로 역반사된 초음파는 원뿔 형태로 형성되고 바닥면이 상기 진동 몸체(12)상에 배치되어 있는 제 1 부분 몸체(16)와 원뿔 구조의 표면을 둘러싸는 제 2 부분 몸체(18) 사이의 경계면에서의 다중 반사에 의해 그리고 상기 제 2 부분 몸체(18) 내에서의 흡수에 의해 적어도 부분적으로 억제되는,
진동 몸체를 이용하여 초음파를 발생 및/또는 흡수시키기 위한 방법.
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