KR20170108374A - 액체 레벨 측정용 초음파 트랜스듀서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탱크 내부 액체의 레벨을 측정하기 위해 초음파를 생성하고 액체의 표면에서 반사되는 반사파를 검출하는 트랜스듀서에 관한 것으로서, 상부하우징(110)과 하부하우징(120)의 결합으로 이루어져 내부공간을 형성하는 하우징부(100); 상기 하우징부(100)의 내부공간에 부착되며 전기적 신호에 따라 초음파를 발생시키고 액면에서 되돌아온 반사파를 수신하여 전기적 신호를 발생시키는 압전변환소자(200); 및, 일측은 상기 압전변환소자(200)와 연결되고 타측은 상기 하우징부(100)의 외부로 돌출되어 외부회로와 상기 압전변환소자(200) 사이에서 전기적 신호를 송수신하는 단자(300);를 포함하여 구성되고, 상기 상부하우징(110)과 하부하우징(120)은 수밀성을 유지하도록 밀봉접합되며, 상기 하우징부(100)와 상기 단자(300) 사이의 틈새공간은 내화학성 절연물 충진제(330)로 밀봉되어 액체가 하우징부(100) 내부로 침투할 수 없는 구조인 것을 특징으로 한다.

Description

액체 레벨 측정용 초음파 트랜스듀서{Fluid Level Measuring Ultrasonic Transducer}
본 발명은 액체(예컨데 연료나 오일, 유기물등)의 레벨을 측정하기 위한 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로, 압전변환소자가 장착되는 하우징부의 내부로 액체가 유입되지 않도록 완벽한 밀봉 구조로 결합되는 것을 특징으로 한다.
초음파 트랜스듀서는 액체 탱크 내부의 액체 레벨 측정 장치에 사용되며, 일반적으로 액체 탱크들은 내부에 저장된 액체의 레벨을 측정할 수 있도록 센싱 구조가 갖추어져 있다. 액체 레벨 센싱 장치는 초음파 센서와 전기적 제어 장치를 포함하며, 초음파 센서로 사용되는 초음파 트랜스듀서는 탱크 바닥에 부착되거나 탱크 내부에 장착되는 형태로 배치된다.
초음파 트랜스듀서가 탱크 바닥에 부착되는 경우, 탱크 바닥 외벽에서 발생하는 반사파로 인해 초음파의 투과율이 떨어져 수신 감도가 낮아지게 된다. 또한 탱크 내부 액면의 레벨이 낮을 경우 탱크의 외벽으로부터의 반사파와 액면으로부터의 반사파가 서로 중첩되어 측정 정밀도가 떨어져 측정 가능 레벨 범위의 제약을 가져올 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 JP 2004-333256에서는 초음파 트랜스듀서의 공진 주파수를 7 단계(step)로 가변하여 투과율이 가장 높은 주파수를 찾아내고, 해당 주파수로 초음파 트랜스듀서를 구동하는 방법을 제시하고 있다. 그러나 투과율이 높은 최적의 구동 주파수를 사용한다고 해도 탱크 외벽에 의한 반사파가 완전히 제거되지는 않는다.
US 6,993,967의 경우 차량용 연료 탱크 내부에 초음파 트랜스듀서가 장착되는데, 압전 변환 소자와 에폭시를 포함한 모든 부품들이 연료에 노출되어 있다. 이 경우 고분자 재료인 기구물과 접착제에 연료가 침투하여 장기적으로 압전 변환 소자와 기구물 간의 접착을 떨어뜨릴 수 있고, 압전 변환 소자와 기구물과의 접착이 떨어질 경우 구동 잔향 파형이 증가하여 레벨 측정에 오류를 일으킬 수 있으며, 초음파의 송수신이 불가능하게 될 수 있다.
다른 예로는(US 7,861,587 B2) 압전 변환 소자가 전자 부품(ASIC)과 함께 패키징된 레벨 센서에 관한 것으로, 패키징 기술이 사용되어 액체로부터의 밀폐성은 우수하나, 하우징(패키징) 재료가 플라스틱이나 고분자로써 장기적인 내구성 측면에서는 불리한데, 하우징이 플라스틱이나 고분자일 경우 액체의 침투를 100% 방지할 수는 없기 때문이다. 특히 액체가 가솔린일 경우 침투가 매우 심하다고 보고되고 있는데, 가솔린에 대한 내구성이 가장 강하다고 알려져 있는 폴리 페닐렌 설파이드(PPS)에 대한 가솔린 연료의 침투율은 CE10(가솔린 90% + 에탄올 10%)의 경우, 0.1 ~ 0.3 (g-mm/m2-day)으로 보고되고 있다.
따라서, 최근 차량용 부품에 대해 높은 장기 내구 신뢰성이 요구되고 있는 만큼, 액체의 침투 방지에 대한 대책이 절실히 필요한 실정이다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 액체 탱크 내부에 장착되며, 액체의 침투가 완벽하게 차단된 밀봉 구조의 초음파 트랜스듀서 제공을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 발명의 기술적 구성은 다음과 같다.
본 발명은 탱크 내부 액체의 레벨을 측정하기 위해 초음파를 생성하고 액체의 표면에서 반사되는 반사파를 검출하는 트랜스듀서에 관한 것으로서, 상부하우징(110)과 하부하우징(120)의 결합으로 이루어져 내부공간을 형성하는 하우징부(100); 상기 하우징부(100)의 내부공간에 부착되며 전기적 신호에 따라 초음파를 발생시키고 액면에서 되돌아온 반사파를 수신하여 전기적 신호를 발생시키는 압전변환소자(200); 및, 일측은 상기 압전변환소자(200)와 연결되고 타측은 상기 하우징부(100)의 외부로 돌출되어 외부회로와 상기 압전변환소자(200) 사이에서 전기적 신호를 송수신하는 단자(300);를 포함하여 구성되고, 상기 상부하우징(110)과 하부하우징(120)은 수밀성을 유지하도록 밀봉접합되며, 상기 하우징부(100)와 상기 단자(300) 사이의 틈새공간은 내화학성 절연물 충진제(330)로 밀봉되어 액체가 하우징부(100) 내부로 침투할 수 없는 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구성에 따르면 다음과 같은 기술적 효과를 도모할 수 있다.
첫째, 액체 레벨을 측정하기 위한 초음파 트랜스듀서의 하우징부(100)의 재료를 금속 또는 세라믹을 사용하고, 하우징부(100)와 단자(300) 사이의 틈새 공간을 내화학성을 가진 절연물 충진제(330)로 밀봉/절연함으로써 하우징부(100) 내부로 액체가 침투하는 것을 완벽하게 차단하여 하우징부(100) 내부에 장착되는 초음파 트랜스듀서를 액체의 침투로부터 보호하고, 탱크 내부에 장착되어 액체에 노출된 형태로 사용되는 구조에서도 높은 내구성을 확보할 수 있다.
둘째, 하우징부(100) 내부에 댐핑재료(400)를 채움으로써 압전변환소자(200)의 진동을 제어하고 반사파 수신시 잔향 시간을 감소시켜 측정 정밀도를 높일 수 있다.
셋째, 압전변환소자(200)가 부착되는 하우징부(100)의 초음파 방사면 두께를 구동 주파수에 따라 최적화하여 높은 수준의 측정 정밀도를 확보할 수 있다.
도1은 본 발명의 구체적 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 조립 단면도이다.
도2는 본 발명의 구체적 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 하부하우징(120)과 압전변환소자(200)의 부착 예시도이다.
도3은 본 발명의 구체적 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 하부하우징(120)의 분해도와 조립도이다.
도4는 본 발명의 구체적 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 하부하우징(120)과 단자(300) 접합부의 세부 조립도이다.
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 조립 단면도로서 하부하우징(120)이 다양한 형태로 제작될 수 있음을 보여준다.
도6은 본 발명의 또 다른 구체적 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 하부하우징(120)과 단자(300) 접합부의 세부 조립도이다.
도7은 본 발명의 또 다른 구체적 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 조립 단면도로서 단자(300)는 상부하우징(110)에 장착되고, 압전변환소자(200)는 하부하우징(120)에 부착되는 경우를 도시한다.
이하에서는 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 탱크 내부 액체의 레벨을 측정하기 위해 초음파를 생성하고 액체의 표면에서 반사되는 반사파를 검출하는 트랜스듀서에 관한 것이다.
하우징부(100)는 도1에 도시된 바와 같이 상부하우징(110)과 하부하우징(120)의 결합으로 이루어져 내부공간을 형성하게 된다.
이러한 내부공간에는 압전변환소자(200)가 장착되는데, 경우에 따라서는 압전변환소자(200)를 작동시키는 구동회로 및 측정 결과를 외부로 주고 받기 위한 회로가 함께 내장될 수도 있다.
상부하우징(110)과 하부하우징(120)은 동일한 재질로 제작되어야 하며, 금속 재질 또는 세라믹 재질로 제작될 수 있는데, 금속 재질로 제작될 경우 상부하우징(110)과 하부하우징(120)은 용접(welding), 브레이징(brazing) 또는 솔더링(soldering) 방식으로 서로 맞닿는 테두리를 따라 밀봉되도록 결합되고, 세라믹 재질로 제작될 경우 상부하우징(110)과 하부하우징(120)은 브레이징(brazing) 또는 솔더링(soldering) 방식으로 서로 맞닿는 테두리를 따라 밀봉되도록 결합된다.
이와 같이 상부하우징(110)과 하부하우징(120)의 재질이 금속 내지 세라믹으로 내화학성이 우수하고, 결합 부위가 용접(welding), 브레이징(brazing) 또는 솔더링(soldering) 방식으로 밀봉됨으로써 외부의 액체가 하우징부(100) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 하우징부(100)를 구성하는 상부하우징(110)이나 하부하우징(120)의 구체적인 형상은 원형, 타원형, 모서리가 완만하게 처리된 사각형 등 다양한 형태로 제작될 수 있으며, 밀봉 결합이 완벽하게 이루어질 수 있도록 도1에 도시된 단면에서 확인할 수 있듯이 상부하우징(110)과 하부하우징(120)이 맞닿는 테두리에는 상호 면접촉이 이루어질 수 있도록 플랜지가 형성됨이 바람직하다.
하우징부(100)를 구성하는 상부하우징(110)과 하부하우징(120)의 두께는 주파수에 따라 0.03 내지 3.0 mm 로 제작될 수 있다.
도1 내지 도4에 도시된 것처럼 압전변환소자(200)가 부착되는 상기 하부하우징(120)의 초음파 방사면(130) 부위는 압전변환소자(200)에 대응하는 형태와 크기로 함몰된 형태가 될 수도 있는데, 이러한 초음파 방사면(130) 부위의 깊이는 0.5 내지 5.0 mm 가 되고 해당 부분의 하부하우징(120) 두께는 0.03 내지 3 mm 가 되도록 한다.
압전변환소자(200)는 하우징부(100)의 내부공간에 부착되며 전기적 신호에 따라 초음파를 발생시키고 액면에서 되돌아온 반사파를 수신하여 전기적 신호를 발생시키는 역할을 수행한다.
이러한 압전변환소자(200)는 현재 개발되어 상용화된 다양한 제품 가운데 선택될 수 있다. 압전변환소자(200)의 사이즈는 일반적으로 요구되는 측정 액체 레벨이 클수록 외경이 커지고 두께는 두꺼워진다. 다만 높은 수준의 측정 정밀도가 요구될 경우에는 해상도를 높이기 위하여 높은 주파수의 초음파를 사용해야 하는 바 1 mm 이하의 두께를 가지는 것이 유리한데, 본 발명의 구체적 실시예에서는 외경 1 내지 20 mm, 두께 0.03 내지 4 mm 인 것을 사용한다.
초음파를 발생시키기 위해서는 외부에서 압전변환소자에 전기적 신호를 주어야 하고, 액체의 표면에서 반사된 반사파를 감지하기 위해서는 압전변환소자(200)에서 발생된 전기적 신호를 외부로 보낼 수 있어야 한다. 이를 위해 도2에 도시된 바와 같이 압전변환소자(200)의 상면과 하면 각각으로부터 전기적 신호를 송수신하는 와이어(320)를 끌어와 단자(300)의 상부에 납땜 혹은 와이어 본딩으로 연결한다.
즉, 단자(300)의 일측은 전기 신호선을 통하여 압전변환소자(200)와 연결되고 타측은 하부하우징(120)의 외부로 돌출되어 외부회로와 압전변환소자(200) 사이에서 전기적 신호를 송수신하는 역할을 수행하며 도2와 같이 2개의 단자만 필요할 수도 있고 통신을 위한 별도의 단자가 추가될 수도 있다.
이와 같이 단자(300)가 하부하우징(120)을 통과하여 외부로 돌출되기 위해서는 하부하우징(120)에 단자(300)가 통과하는 홀(hole)이 천공되어야만 하고, 이러한 홀이 천공될 경우 하부하우징(120)의 홀(hole)과 단자(300) 사이의 틈새공간을 통하여 액체가 하우징부(100) 내부로 침투할 가능성이 있다. 따라서 이러한 틈새공간을 내화학성 절연물 충진제(330)로 밀봉하여 액체가 하우징부(100) 내부로 침투할 수 없는 구조로 제작하는 것이 필요하다.
이 때 하우징부(100)를 구성하는 하부하우징(120)의 두께가 얇을 경우, 내화학성을 가진 절연물 충진제(330)를 하부하우징의 홀(hole)에 삽입하여 밀봉(sealing) 공정을 수행하는 것이 불가능하므로 상기 단자(300)가 통과하도록 천공된 하부하우징(120)의 홀(hole)에 플랜지가 구비된 부싱(flanged bushing) 형태의 단자장착용튜브(310)를 먼저 브레이징(brazing) 또는 솔더링(soldering)으로 밀봉접합시킨다.
단자장착용튜브(310)에 삽입되는 내화학성 절연물 충진제(330)는 도3 또는 도4에 도시된 바와 같이 단자(300)가 중심을 통과할 수 있도록 튜브 형태의 유리관으로 제작되며, 고온(섭씨 1,000도 내외)의 열처리 과정에서 유리관이 녹으면서 단자(300)와 단자장착용튜브(310) 사이의 틈새 공간을 완벽하게 채우면서 접합된다.
경우에 따라서는 첨부도면에 별도로 도시하지 않았으나 이러한 단자장착용튜브(310)를 별도로 접합시키지 않고 하부하우징(120)의 홀(hole)을 성형하는 과정에서 버링(burring) 공정을 수행하여 단자(300)를 장착할 수 있는 높이를 확보할 수도 있다.
도5의 경우는 하부하우징(120)의 두께가 단자(300) 설치에 충분할 정도로 두꺼워 별도로 단자장착용튜브(310)를 설치하지 않고 하부하우징(120)의 홀(hole)에 직접 내화학성 절연물 충진제(330)를 밀봉 접합한 경우를 예시적으로 도시한다.
아울러 하부하우징(120)의 형태도 단순 평면 형태로 제작될 수 있음을 보여주는데, 이럴 경우 하우징부(100)의 내부공간 확보를 위하여 상부하우징(110)은 용기 형태로 제작되어야만 한다.
댐핑재료(400)는 상부하우징(110)과 하부하우징(120)으로 이루어진 하우징부(100)의 내부공간을 채우면서 압전변환소자(200)의 진동을 제어하여 반사파 수신시 잔향 시간을 감소시켜 측정 정밀도를 높이는 역할을 한다.
댐핑재료(400)로는 연질 실리콘, 연질 에폭시 또는 연질 우레탄이 사용되며, 폼(foam) 형태를 띄기도 하는데, 이러한 댐핑재료(400)는 상부하우징(110)과 하부하우징(120)을 접합하기 전에 채워 넣는다.
도6의 경우 하부하우징(120)을 전기적으로 (-)극 및 접지로 사용하는 경우를 도시하는데, 전도성 접착제를 이용하여 압전변환소자(200)를 금속 재질의 하부하우징(120)에 직접 부착할 경우 압전변환소자(200)와 하부하우징(120)은 전기적으로 연결되어 있어, 2개의 단자(300) 중 1개는 하부하우징(120)에 직접 연결할 수 있다. 이 경우 내화학성을 가지는 절연물 충진제(330)와 전기적 신호 송수신을 위한 와이어(320)는 1개씩만 필요하게 되어 제조 공정상 많은 이점을 가질 수 있다.
도7은 단자(300)와 초음파 방사면(130)이 서로 반대 방향에 있는 경우이며, 단자(300)가 장착되는 상부하우징(110)의 두께가 두꺼워 단자장착용튜브(310)를 별도로 부착하지 않고 내화학성을 가지는 절연물 충진제(330)를 이용하여 단자(300)를 장착할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하였으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치한정 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.
100:하우징부
110:상부하우징
120:하부하우징
130:초음파 방사면
200:압전변환소자
300:단자
310:단자장착용튜브
320:와이어
330:절연물 충진제
400:댐핑재료

Claims (9)

  1. 탱크 내부 액체의 레벨을 측정하기 위해 초음파를 생성하고 액체의 표면에서 반사되는 반사파를 검출하는 트랜스듀서에 관한 것으로서,
    상부하우징(110)과 하부하우징(120)의 결합으로 이루어져 내부공간을 형성하는 하우징부(100);
    상기 하우징부(100)의 내부공간에 부착되며 전기적 신호에 따라 초음파를 발생시키고 액면에서 되돌아온 반사파를 수신하여 전기적 신호를 발생시키는 압전변환소자(200); 및,
    일측은 상기 압전변환소자(200)와 연결되고 타측은 상기 하우징부(100)의 외부로 돌출되어 외부회로와 상기 압전변환소자(200) 사이에서 전기적 신호를 송수신하는 단자(300);
    를 포함하여 구성되고,
    상기 상부하우징(110)과 하부하우징(120)은 수밀성을 유지하도록 밀봉접합되며,
    상기 하우징부(100)와 상기 단자(300) 사이의 틈새공간은 내화학성 절연물 충진제(330)로 밀봉되어 액체가 하우징부(100) 내부로 침투할 수 없는 구조인 것을 특징으로 하는 액체 레벨 측정용 초음파 트랜스듀서.
  2. 제1항에서,
    상기 하우징부(100)의 내부공간을 채우면서 상기 압전변환소자(200)의 진동을 제어하여 반사파 수신시 잔향 시간을 감소시켜 측정 정밀도를 높이는 댐핑재료(400);
    가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 액체 레벨 측정용 초음파 트랜스듀서.
  3. 제2항에서,
    상기 하우징부(100)의 하부하우징(120)과 상부하우징(110)은
    금속 재질인 경우 용접(welding), 브레이징(brazing) 또는 솔더링(soldering)으로 밀봉결합되고,
    세라믹 재질인 경우 브레이징(brazing) 또는 솔더링(soldering)으로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 액체 레벨 측정용 초음파 트랜스듀서.
  4. 제2항에서,
    상기 하우징부(100)와 상기 단자(300) 사이의 틈새공간에 밀봉되는 내화학성 절연물 충진제(330)는 유리인 것을 특징으로 하는 액체 레벨 측정용 초음파 트랜스듀서.
  5. 제2항에서,
    상기 댐핑재료(400)는 연질의 실리콘, 연질의 에폭시 또는 연질의 우레탄인 것을 특징으로 하는 액체 레벨 측정용 초음파 트랜스듀서.
  6. 제1항 내지 제5항 가운데 어느 한 항에서,
    상기 압전변환소자(200)가 부착되는 상기 하우징부(100)의 초음파 방사 면(130) 두께는 0.03 내지 3 mm 이고,
    상기 압전변환소자(200)는 직경 1 내지 20 mm, 두께 0.03 내지 4 mm 인 것을 특징으로 하는 액체 레벨 측정용 초음파 트랜스듀서.
  7. 제6항에서,
    상기 압전변환소자(200)가 부착되는 상기 하우징부(100)의 초음파 방사면(130) 부위는 상기 압전변환소자(200)에 대응하는 형태와 크기로 함몰된 형태인 것을 특징으로 하는 액체 레벨 측정용 초음파 트랜스듀서.
  8. 제6항에서,
    상기 단자(300)가 통과하도록 천공된 상기 하우징부(100)의 홀에는 플랜지가 구비된 부싱(flanged bushing) 형태의 단자장착용튜브(310)가 브레이징(brazing) 또는 솔더링(soldering)으로 밀봉결합되거나, 상기 단자(300)가 통과하는 홀을 천공하는 과정에서 버링(burring) 공정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 레벨 측정용 초음파 트랜스듀서.
  9. 제6항에서,
    상기 하우징부(100)의 내부에 초음파의 송수신이 이루어지도록 상기 압전변환소자(200)를 작동시키는 구동회로 및 측정 결과를 외부로 주고 받을 수 있는 회로가 함께 내장되는 것을 특징으로 하는 액체 레벨 측정용 초음파 트랜스듀서.
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