KR20210025620A - 재료 검출용 1d 초음파 트랜스듀서 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 표면에 고정하기 위한 고정 수단 및 20㎑ 내지 400㎑의 일치하는 동작 주파수를 가진 음파를 기체 매질로 분리하도록 설계된 3개 이상의 개별 초음파 트랜스듀서(12)를 갖춘 하우징(14), 및 각각의 초음파 트랜스듀서(12)를 개별적으로 제어하도록 설계된 제어 유닛을 포함하는, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)에 관한 것으로, 이 경우 2개의 서로 직접 인접하는 초음파 트랜스듀서(12)는 각각 거리(A1)를 갖고, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)은 초음파 트랜스듀서(12) 당 각각 정확히 하나의 초음파 트랜스듀서에 할당된 입구 개구(24) 및 출구 개구(26)를 갖는 음향 채널(22)을 구비하며, 이때 출구 개구들(26)은 하나의 직선을 따라 배열되고, 직접 인접하는 출구 개구(26)로부터의 거리(A2)는 최대로는 기체 매질 내에서의 전체 파장 또는 반파장에 상응하고, 상응하는 거리(A1)보다 작으며, 입구 개구(24)의 면적에 대한 출구 개구(26)의 면적의 비는 0.30 내지 1.2이고, 각각의 음향 채널(22)은 적어도 입구 개구(24)의 직경에 상응하는 길이를 갖는다.

Description

재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛
본 발명은, 객체, 윤곽 또는 거리를 검출하기 위한, 분산형이면서 개별적으로 제어 가능한 3개 이상의 초음파 트랜스듀서를 구비한, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛에 관한 것이다.
초음파 또는 초음파 트랜스듀서는 매우 다양한 측정 장치에서 사용된다. 적용 분야에 따라, 초음파는 액체 또는 기체 매질 내로 분리된다.
WO 2008/135 004 A1호로부터, 기체 매질에 적용하기 위한 초음파 트랜스듀서 어레이가 공지되어 있다. 이 어레이는 2개의 전극 구조 사이에 있는 일렉트릿(electret)으로 이루어진 층으로 구성된 층 구조물을 구비하며, 이 경우 하나의 전극 구조는 독립적으로 어드레싱 가능한 복수의 전극 요소를 포함하고, 이로 인해 일렉트릿 층의 국부적인 두께 진동이 생성된다.
개선된 근거리장 해상도를 가진 초음파 트랜스듀서의 1.5D 어레이가 US 2013/0283918 A1호로부터 공지되어 있다. US 2014/0283611 A1호 및 US 6,310,831 B1호에는, 위상 제어 초음파 트랜스듀서 어레이 및 적응형 또는 보상형 제어 방법이 기술되어 있다.
산업 환경에서 사용하기 위해서는, 사용된 초음파 트랜스듀서가 -40℃ 내지 부분적으로 +100℃를 초과하는 측정의 온도 안정성 및 다른 기술적인 장치와의 전자기 호환성을 보장할 수 있어야 한다. 또한, 초음파 트랜스듀서는 먼지, 습기, 공격적인 화학 물질과 같은 거친 환경 영향에 대해, 그리고 기계적 충격 또는 기계적 긁힘에 대해 강해야 한다.
높은 검출 유효 범위에 도달하기 위하여, 석영, 일렉트릿 또는 PVFD와 같은 다른 압전 재료에 비해 높은 결합 계수(coupling factor)를 갖는, 예컨대 납-지르코늄-티탄산염(PZT)과 같은 압전 세라믹이 사용된다. 이때, 결합 계수는, 기계식으로 저장된 에너지와 전기식으로 저장된 에너지 간의 변환 효율에 대한 척도를 나타낸다. PZT의 경우, 이 변환 효율은 여기 방향에 따라 예를 들어 0.3 내지 약 0.75의 범위 내에 놓인다.
압전 재료의 분극 방향에 따라, 교류 전압을 사용하여 압전체 내에서 기계적인 공진 진동이 생성될 수 있으며, 이 기계적 공진 진동은 기하학적 전파에 따라 평면 진동, 두께 진동 또는 전단 진동이라고 지칭된다. 이와 같은 진동 형태를 위해, 재료 특유의 주파수 상수로부터, 사전 설정된 주파수에서의 공진 진동을 위해 필요한 압전체의 전형적인 치수가 추정될 수 있다. 이와 같은 주파수 상수는, PZT의 경우 진동 유형에 따라 전형적으로 1300㎑*㎜ 내지 2600㎑*㎜이다.
그에 따라, 센서 장치에 적합한 PZT로 이루어진 얇은 디스크는 평면 모드에서 20㎑ 내지 500㎑의 여기 주파수를 위해 약 4㎜ 내지 100㎜의 직경을 갖는다. 이와 같은 얇은 디스크의 용량성 특성으로 인해, 상응하는 분극 시 낮은 여기 전압이 잘 실현될 수 있다.
압전 디스크의 더 두꺼운 두께는 바람직하지 않다. 한 편으로는, 동일한 주파수 범위에 대해 압전 재료의 두께가 증가함에 따라 kV 범위 내에서도 더 높은 전압이 신속하게 제공되어야 하며, 이는 더 높은 안전 비용을 의미한다. 다른 한 편으로는, 압전체의 두께에 따라 압전체의 강성도 변화하고, 이는 음파를 수신하는 경우에 대해 직접적인 영향을 미친다.
또한, 위상 제어된 적어도 1차원의 어레이(위상 어레이)에 복수의 초음파 트랜스듀서를 적용하는 경우, 인접하는 초음파 트랜스듀서들의 거리가 초음파의 파장보다 크지 않아야 하는 점 또는 바람직하게는 반파장보다 크지 않아야 한다는 점에 유의해야 한다.
이와 같은 거리 조건으로 인해, 개별 트랜스듀서의 구조적 크기 또는 초음파 트랜스듀서의 특정 구조 형태/크기로써 가능한 주파수 범위가 상응하게 한정된다.
20㎑ 내지 500㎑의 주파수 범위 및 공기 중에서의 분리에 대해, 인접하는 트랜스듀서들 간 최대 거리는 예를 들어 약 8.5㎜ 내지 약 0.3㎜의 크기로 도출된다.
하지만, 센서 장치에 적합한 PZT로 이루어진 얇은 디스크를 갖는 전술한 트랜스듀서는, 이미 압전 디스크 직경으로 인해 평균적으로 10배 이상 더 큰 직경을 갖는다.
이에 근거하여 본 발명의 과제는 종래 기술을 개선하는 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는, 특허 청구항 1의 특징들을 갖는, 위험 식별을 위한 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 대상이다.
본 발명의 대상에 따르면, 하우징, 3개 이상의 초음파 트랜스듀서 및 제어 유닛을 포함하는, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛이 제공되며, 이 경우 제어 유닛은 각각의 초음파 트랜스듀서를 개별적으로 제어하도록 설계되고, 하우징은 표면에 고정하기 위한 고정 수단을 구비하며, 제어 유닛은 하우징 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 하우징은 통신 인터페이스를 구비하며, 각각의 초음파 트랜스듀서는 트랜스듀서 하우징, 이 트랜스듀서 하우징 내에 배치된 압전체 및 기체 매질로의 분리를 위해 트랜스듀서 하우징의 개방된 단부에 배치된 음향 분리 층을 각각 하나씩 구비하고, 하우징 내 고정된 위치에 배치되며, 각각의 초음파 트랜스듀서는, 일치하는 동작 주파수를 갖는 음파를 방출하도록 그리고/또는 수신하도록 설계되고, 음파의 동작 주파수는 20㎑ 내지 400㎑의 범위 내에 놓인다.
2개의 서로 직접 인접하는 초음파 트랜스듀서는 각각 하우징 내에서 음향 분리 층의 중심에서 음향 분리 층의 중심까지 최대 10㎝ 또는 최대 5㎝ 또는 최대 2㎝의 거리를 갖는다. 1D 초음파 트랜스듀서 유닛은 초음파 트랜스듀서 당 하나의 음향 채널을 구비하며, 이 경우 각각의 음향 채널은 입구 개구 및 출구 개구를 구비하고, 각각의 음향 분리 층에는 입구 개구들 중 정확히 하나의 입구 개구가 할당되며, 출구 개구들은 하나의 직선을 따라 배열되고, 출구 개구들이 각각 하우징의 벽에 배열되거나 음향 채널들이 하우징 벽을 관통한다. 출구 개구들 중 일 출구 개구의 중심에서부터 직접 인접하는 출구 개구의 중심까지의 거리는 최대로 기체 매질 내에서의 파장 또는 기체 매질 내에서의 반파장에 상응하며, 이 경우 직접 인접하는 2개 출구 개구 간의 거리는 각각 상응하는 입구 개구에 할당된 초음파 트랜스듀서의 거리보다 짧고, 입구 개구의 면적에 대한 출구 개구의 면적의 비는 0.30 내지 1.2의 값을 가지며, 각각의 음향 채널은 적어도 입구 개구의 직경에 상응하는 길이를 갖는다.
1D 초음파 트랜스듀서 유닛의 초음파 트랜스듀서가 개별적인 분산형 부품이라는 것은 자명한 사실이며, 이 경우 각각의 초음파 트랜스듀서는 하우징 내에 배치되어 하우징과 연결되어 있으며, 이로써 모든 또 다른 초음파 트랜스듀서에 대해 고정된 거리를 갖는다. 이때, 서로 나란히 배치되고, 그들 사이에 또 다른 초음파 변환기가 배치되지 않은 2개의 초음파 트랜스듀서가 서로 직접 인접하는 초음파 트랜스듀서이다.
또한, 개별 음향 채널들이 관 형태로 또는 봉 형태로 형성되는 점도 자명하며, 이 경우 예를 들어 관 직경이 감소하고, 그리고/또는 횡단면의 형태가 변하며, 그리고/또는 채널의 프로파일이 원호형으로 형성된다. 바람직한 방식으로, 음향 채널은 음향 분리 층으로부터 음향 분리 층의 출구 개구까지 이르는 전체 길이에 걸쳐 에지를 갖지 않는다.
음향 채널은 개별 초음파 트랜스듀서들에 의해 생성된 음파를 하우징 밖으로 안내하거나, 반사된 음파를 역으로 초음파 트랜스듀서들로 안내한다. 이로써, 하우징 벽에 있는 출구 개구들에서 또는 하우징 외부에서 중첩에 의해 파면(wave front)이 생긴다.
개별적으로 제어 가능한 복수의 초음파 트랜스듀서를 사용하여, 시간 오프셋 방식 또는 위상 오프셋 방식의 제어를 통해 조정 가능한 주 전파 방향을 갖는 파면이 생성될 수 있다. 이로 인해, 하나 이상의 차원에서 단 하나의 1D 초음파 트랜스듀서 유닛만으로 더 큰 측정 범위를 스캐닝하는 것이 가능하다. 또한, 객체 표면의 구조 및/또는 객체의 형태가 검출될 수 있다. 이로써, 예를 들어 재료 및/또는 객체의 종류가 결정될 수 있다.
개별적인 초음파 트랜스듀서 앞에 음향 채널들을 배치함으로써, 개별 음원들이 중첩 시 또는 하나의 공통 파면으로 중첩되기 위해 음향 채널의 개별 단부로 또는 출구 개구로 옮겨진다. 이는, 개별 음원들 간의 거리를 예컨대 개별 초음파 트랜스듀서의 직경과 같은 크기와 무관하게 또는 개별 초음파 트랜스듀서들 간의 거리와 무관하게 설정할 수 있게 한다. 특히, 개별 트랜스듀서들 간의 거리 대비 음원들 간의 거리를 줄일 수 있다.
개별 초음파 트랜스듀서의 하우징 직경이 예를 들어 7㎜인 경우, 2개의 트랜스듀서 간 거리는 적어도 14㎜다. 이에 상응하게, 음향 채널이 없으면 최대 22㎑(λ ≥ 14㎜)까지의 또는 최대 11㎑(λ/2 ≥ 14㎜)까지의 주파수를 갖는 파면만 실현될 수 있다. 더 높은 주파수, 즉, 더 작은 파장을 갖는 파면의 생성은 동일한 초음파 트랜스듀서를 사용했을 때 본 발명에 따른 음향 채널을 이용해서만 비로소 가능한데, 그 이유는 중첩 시 개별 "음원들" 간의 거리가 트랜스듀서 하우징의 크기에 의해서 결정되는 것이 아니라, 오히려 음향 채널 출구 개구들의 크기 및 거리에 의해서만 결정되기 때문이다.
또한, 음향 채널들에 의해 정밀한 지향성 검출이 보장된다.
압전 트랜스듀서의 방사 애퍼처, 예컨대 압전체에 의해 사전 설정된 직경을 갖는 원형 애퍼처는 음향 채널들에 의해, 적어도 하나의 차원에서 원하는 어레이 장치의 조건을 충족하도록 변화한다. 이는, 위상 어레이 장치에서 견고하고 신뢰성 있고, 그리고/또는 비용 효율적인 분산형 초음파 트랜스듀서의 사용을 가능하게 한다. 위상 어레이 장치는 단 하나의 1D 초음파 트랜스듀서 유닛만으로 큰 시야각(angle of view)을 가능하게 하고, 이로써 예를 들어 충전 레벨의 신뢰성 있는 모니터링을 가능하게 한다. 표면 구조물 및/또는 객체 또는 객체 형태의 인식도 가능하다.
MEMS와 같이 매우 소형의, 예컨대 집적된 초음파 트랜스듀서를 사용할 필요는 없다. 또한, 복수의 트랜스듀서 유닛을 부착하고, 판독 출력하고, 필요에 따라 서로 매칭시킬 필요성이 적다.
일 개선예에 따르면, 하우징은 가동형 커버 장치를 구비하며, 이 경우 커버 장치는 모든 음향 채널의 출구 개구를 폐쇄하도록 설계된다. 커버 장치에 의해, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛이 사용되지 않는 동안 음향 채널들이 폐쇄될 수 있으며, 이로 인해 이물질/불순물의 침투가 방지될 수 있다. 음향 채널을 개방하고 폐쇄하기 위해 또는 커버 장치를 이동시키기 위해, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛은 예를 들어 조정 수단을 포함한다.
일 개선예에 따라, 제2 횡단면의 면적과 제1 횡단면의 면적 간의 비는 0.5 내지 1.5, 또는 0.9 내지 1.1의 값을 갖는다. 본 발명에 따라 입구면의 면적이 확대, 축소 또는 그대로 유지될 수 있으며, 이 경우 동시에 입구 개구 대비 적어도 출구 개구의 폭이 감소할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 각각의 음향 채널은 각각의 초음파 트랜스듀서의 음향 분리 층으로부터 관련 음향 채널의 출구 개구까지 이르는 길이를 가지며, 상기 길이는 음향 주파수의 파장의 8분의 1의 정수 배수이거나 음향 주파수의 반파장의 정수 배수이다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 모든 음향 채널의 출구 개구는 공통의 평면에 또는 곡면에 놓인다. 하나의 곡면에, 예컨대 오목한 면에 배열함으로써, 예를 들어 포커싱된 파면이 생성될 수 있다.
또 다른 일 실시예에서, 각각의 음향 채널은 금속 또는 플라스틱으로 이루어진다. 대안적으로, 각각의 음향 채널은 금속 또는 플라스틱을 포함한다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 각각의 초음파 트랜스듀서는 음향 분리 층과 트랜스듀서 하우징 사이에 음향 디커플링 층을 구비한다.
또 다른 일 실시예에서, 제어 유닛은 하우징 내에 완전히 또는 부분적으로 배치된다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛의 하우징은 적어도 IP 40 보호 등급에 상응하게 설계된다.
또 다른 일 개선예에서, 통신 인터페이스는 무선 데이터 전송을 하도록, 예컨대 블루투스 인터페이스로서 설계된다. 이로써, 예를 들어 제어 신호 및/또는 측정 신호가 1D 초음파 트랜스듀서 유닛과 예컨대 외부 제어 유닛 또는 평가 유닛 사이에서 무선으로 교환될 수 있다. 대안적으로, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛은 케이블을 통해서, 예컨대 버스 시스템 또는 프로토콜을 이용해서 통신 인터페이스와 통신한다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 각각의 초음파 트랜스듀서는 음향 분리 층과 함께 먼저 관련 입구 개구 내부로 돌출하며, 이 경우 일 개선예에서는 각각의 음향 채널이 관련 초음파 트랜스듀서의 적어도 하나의 부분을 딱 맞게 수용한다. 달리 표현하면, 본 실시예에 따른 입구 개구 영역에서 음향 채널의 내부 형상은 개별 초음파 트랜스듀서의 외부 형상에 가급적 정확하게 상응한다.
또 다른 일 실시예에서, 각각의 초음파 트랜스듀서의 하우징은 7㎜ 이상의 직경을 갖는다. 각각의 초음파 트랜스듀서의 하우징은 예를 들어 원통형 금속 컵으로서 형성된다. 본 실시예의 일 개선예에 따르면, 음향 분리 층의 표면, 금속 컵의 가장자리 및 예를 들어 그 사이에 배치된, 각각의 개별 초음파 트랜스듀서의 음향 디커플링 층이 각각 하나의 평면을 형성한다.
또 다른 일 실시예에서, 각각의 초음파 트랜스듀서는 기준 전위에 놓여 있는 전자기 차폐부를 구비한다. 전자기 차폐부가 하우징에 의해, 특히 하우징으로서 이용되는 금속 컵에 의해 완전히 또는 적어도 부분적으로 형성될 수 있다는 점은 자명한 사실이다. 대안적으로, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛은 모든 초음파 트랜스듀서에 대해 공통 차폐부, 예컨대 공통 하우징을 구비할 수도 있다.
또 다른 일 실시예에서, 각각의 음향 채널은 0.5㎜ 이상 또는 1㎜ 이상의 벽 두께를 갖는다. 다른 일 개선예에 따르면, 각각 2개의 음향 채널은 상기 두 음향 채널의 전체 길이에 걸쳐 서로 0.5㎜ 이상 또는 1㎜ 이상의 거리를 갖는다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 하우징은 평탄한 후방 벽 및 이 후방 벽에 대해 평행하게 연장되는 전방 벽을 포함한다. 이로 인해, 일 표면에서의 1D 초음파 트랜스듀서 유닛의 부착 및 정렬이 특히 간단하고 신뢰성 있게 가능하다. 초음파 트랜스듀서는 바람직하게 후방 벽에 부착되고, 음향 채널들은 바람직하게 전방 벽 상에서 또는 전방 벽 내에서 종결된다. 특히 바람직하게는, 음향 채널들의 출구 개구뿐만 아니라 초음파 트랜스듀서들 그리고 음향 채널들의 입구 개구들도 하나의 직선을 따라 배열된다. 음향 채널들의 입구들에 의해 형성된 직선은 예를 들어 출구 개구들에 의해 형성된 직선보다 훨씬 더 길다.
본 발명은, 도면부를 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 설명된다. 도면부에서 동일한 유형의 부분들은 동일한 참조 부호로 표시된다. 도시된 실시예들은 매우 개략화되어 있는데, 다시 말해 거리, 가로 연장부 및 수직 연장부는 비율에 맞지 않으며, 달리 명시되지 않는 한 추론 가능한 상호 간 기하학적 관계도 없다.
도 1a는 충전 레벨 검출을 위한 1D 초음파 트랜스듀서 유닛의 본 발명에 따른 제1 실시예의 도면이다.
도 1b는 객체 검출을 위한 1D 초음파 트랜스듀서 유닛의 본 발명에 따른 제2 실시예의 도면이다.
도 2는 1D 초음파 트랜스듀서 유닛의 하우징의 본 발명에 따른 일 실시예의 횡단면도이다.
도 3은 음향 채널의 본 발명에 따른 또 다른 일 실시예의 도면이다.
도 4는 음향 채널의 본 발명에 따른 또 다른 일 실시예의 도면이다.
도 5는 단 하나의 음향 채널의 또 다른 일 실시예의 도면이다.
도 6은 음향 채널의 출구 면의 다양한 실시예들의 개략도이다.
도 1a의 이미지는, 충전 레벨 검출을 위한 본 발명에 따른 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)의 제1 실시예의 도면을 보여준다. 1D 초음파 트랜스듀서 유닛은, 대량 자재(104)용 컨테이너(102)의 커버(102)에 고정 수단(11)에 의해 부착된 하우징(14)을 구비한다. 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)에 의해서 음파(11)가 생성된다. 음파(11)는 주 전파 방향을 가지며, 이 경우 주 전파 방향은 초평면 내에서 피벗 가능하며(파선, 점선 또는 일점쇄선), 이로 인해 컨테이너(102)가 신뢰성 있게 스캐닝될 수 있다. 대량 자재(104) 및/또는 컨테이너(102)의 바닥 및/또는 컨테이너(102)의 측벽이 음파(11)를 반사한다. 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)에 의해, 대량 자재(104)의 높이 또는 양뿐만 아니라 대량 자재(104)의 표면 구조까지도 검출될 수 있으며, 이로 인해 대량 자재(104)의 종류에 대한 추론이 가능하다.
도 1b의 이미지에는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)의 본 발명에 따른 제2 실시예가 도시되어 있다. 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)이 고정 수단(11)에 의해 컨베이어 벨트(108) 상부의 건물 천장(106)에 부착됨으로써, 초음파를 이용하여 컨베이어 벨트 상의 객체(110)가 검출될 수 있다. 송출된 초음파의 피벗에 의해, 컨베이어 벨트(108)의 더 큰 영역을 모니터링할 수 있고, 컨베이어 벨트(108) 상에 있는 객체(110)의 형태 또는 표면 구조를 검출할 수 있다.
도 2의 이미지에는, 초음파 트랜스듀서 유닛(10)의 하우징(14)의 횡단면도가 도시되어 있다. 하우징(14) 내에는, 5개의 개별 초음파 트랜스듀서(12)가 하우징(14)의 평탄한 후방 벽(16)을 따라 배열되어 있다. 각각의 초음파 트랜스듀서(12)는 고유의 트랜스듀서 하우징(18) 및 음향 분리 층(20)을 구비한다. 각각의 초음파 트랜스듀서(12)는 직접 인접하는 초음파 트랜스듀서(들)(12)에 대해 음향 분리 층(20)의 중심으로부터 음향 분리 층(20)의 중심까지 거리(A1)를 갖는다.
각각의 초음파 트랜스듀서(12)에는 음향 채널(22)이 할당되며, 이 경우 각각의 음향 채널(22)은 입구 개구(24) 및 출구 개구(26)를 구비한다. 입구 개구들(24)은, 개별 초음파 트랜스듀서(12)가 음향 채널(22) 내로 방사하도록, 초음파 트랜스듀서들(12) 중 하나의 전방에 또는 둘레에 각각 배치된다. 음향 채널(22)의 출구 개구들(26)은 후방 벽에 마주 놓여 있는 하우징(14)의 평탄한 전방 벽(30)을 따라 배열되거나 전방 벽(30)을 관통한다.
2개의 인접하는 출구 개구(26)는 각각 출구 개구(26)의 중심으로부터 출구 개구(26)의 중심까지 거리(A2)를 갖는다. 본 발명에 따르면, 출구 개구들(26)의 거리(A2)는 각각 관련 또는 해당 초음파 트랜스듀서(12)의 거리(A1)보다 작거나 같다.
각각의 음향 분리 층(20)으로부터 해당 음향 채널(22)의 출구 개구(26)까지의 길이(L1)는 음향 주파수의 파장의 8분의 1의 정수 배수이다.
하우징(14)은 그 밖에도 가동형 커버 장치(32)를 포함한다. 커버 장치(32)는 도시된 실시예에서 닫힌 상태에 있다.
이를 위해, 커버 장치가 하우징(14)의 전방 벽(30) 앞에 출구 개구들(26)과 함께 배치되어 있고, 그럼으로써 음향 채널(22)이 폐쇄되어 있다. 열린 상태에서는, 커버 장치(32)가 예를 들어 접힘 또는 슬라이딩에 의해 더는 전방 하우징 벽(30) 및 출구 개구(26) 앞에 있지 않게 되고, 출구 개구들(26)이 노출된다.
도 3에 도시된 실시예에서, 음향 채널들(22)은, 모든 음향 채널(22)의 출구 개구들(26)이 하나의 공통 평면(E1)에 놓이도록 연장된다. 도시된 실시예에서, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)의 하우징(14)의 전방 벽(30)은 평면(E1) 내부에서 연장된다. 계속해서 각각의 음향 채널(22)의 입구 개구(24) 앞에 있는 개별 음향 채널(22)의 영역(34)은, 각각 할당된 초음파 트랜스듀서(12)가 음향 채널(22)에 딱 맞도록 설계된다. 이를 위해, 각각의 음향 채널(22)은 이 영역에 외경(D1)에 상응하는 내경 및 스토퍼로서 이용되는 에지(36)를 구비한다.
도시되지 않은 제어 유닛은, 각각의 초음파 트랜스듀서(12)를 개별적으로 제어하도록 설계된다. 개별 초음파 트랜스듀서(12)의 시간 오프셋 방식 또는 위상 오프셋 방식의 제어를 통해, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)은 주 전파 방향(화살표)을 갖는 평평한 초음파를 생성하며, 이 경우 개별 음향 채널의 출구 개구(26)로부터 방출되는 음파들 간의 위상 오프셋을 이용하여 주 전파 방향 또는 상기 주 전파 방향과 제1 평면(E1) 사이의 각도가 조정될 수 있다.
도 4에 도시된 실시예에서, 모든 음향 채널(36)의 출구 개구들(40)이 오목하게 만곡된 면(F1)에 놓여 있다.
도 5의 이미지에는, 단 하나의 음향 채널(22)이 개략적으로 도시되어 있으며, 이하에서는 도 1 내지 도 4에 대한 차이점이 설명된다.
입구 개구(24)는 폭(x1) 및 높이(y1)를 갖는 횡단면을 가지며, 출구 개구(26)는 폭(x2) 및 높이(y2)를 갖는 횡단면을 갖는다.
입구 개구(24)는 원형으로 형성되며, 다시 말해 횡단면의 폭(x1)과 높이(y1)가 동일한 값을 갖는다. 그와 달리, 출구 개구(26)는 타원 형상을 가짐으로써, 횡단면의 폭(x2)이 폭(y2)보다 작다.
바람직하게, 출구 개구(26)의 폭(x2)은 입구 개구(26)의 폭(x1)보다 작다. 그와 달리, 출구 개구(26)의 높이(y2)는 바람직하게 입구 개구(24)의 높이(y1)보다 크다. 특히 바람직하게, 음향 채널(22)의 높이 증가는, 입구 개구(24)의 횡단면 면적이 출구 개구(26)의 횡단면 면적에 상응하도록, 음향 채널(22)의 폭의 감소를 보상한다.
출구 개구(26)의 중심에서부터 직접 인접하는 출구 개구(26)의 중심까지의 거리를 최대로는 음향 주파수의 파장에 상응하게 실현할 수 있기 위해, 각각의 출구 개구(26)의 폭(x2)이 음향 주파수의 파장보다 작아야 한다는 점은 자명하다.
도 6의 이미지에는, 출구 개구(26)의 횡단면의 본 발명에 따른 복수의 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 출구 개구(26)의 횡단면 면적이 입구 개구(24)의 횡단면 면적에 상응하도록 하기 위해, 특히 폭(x2) 대 높이(y2)의 비가 대략 1.5인 형태가 적합하다.

Claims (10)

  1. 하우징(14), 3개 이상의 초음파 트랜스듀서(12) 및 제어 유닛을 포함하는 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)으로서,
    - 제어 유닛은 각각의 초음파 트랜스듀서(12)를 개별적으로 제어하도록 설계되고,
    - 하우징(14)은 표면에 고정하기 위한 고정 수단(11)을 구비하며,
    - 제어 유닛은 하우징(14) 내에 적어도 부분적으로 배치되고,
    - 하우징은 통신 인터페이스를 구비하며,
    - 각각의 초음파 트랜스듀서(12)는 트랜스듀서 하우징(18), 트랜스듀서 하우징(18) 내에 배치된 압전체(18) 및 기체 매질로의 분리를 위해 트랜스듀서 하우징(18)의 개방된 단부에 배치된 음향 분리 층(20)을 각각 하나씩 구비하고, 하우징(14) 내 고정된 위치에 배치되며,
    - 각각의 초음파 트랜스듀서(12)는, 일치하는 동작 주파수를 갖는 음파를 방출하도록 그리고/또는 수신하도록 설계되며,
    - 음파의 동작 주파수는 20㎑ 내지 400㎑의 범위 내에 놓이는, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)에 있어서,
    - 서로 직접 인접하는 2개의 초음파 트랜스듀서(12)가 각각 하우징(14) 내에서 음향 분리 층(20)의 중심으로부터 음향 분리 층(20)의 중심까지 최대 10㎝ 또는 최대 5㎝ 또는 최대 2㎝의 거리(A1)를 갖고,
    - 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)이 초음파 트랜스듀서(12) 당 하나의 음향 채널(22)을 구비하며,
    - 각각의 음향 채널(22)은 입구 개구(24) 및 출구 개구(26)를 구비하고,
    - 각각의 음향 분리 층(20)에는 입구 개구들(24) 중 정확히 하나의 입구 개구(24)가 할당되며,
    - 출구 개구들이 하나의 직선을 따라 배열되고,
    - 출구 개구들이 각각 하우징의 벽에 배열되거나, 음향 채널들이 하우징 벽을 관통하며,
    - 출구 개구들(26) 중 일 출구 개구의 중심으로부터 직접 인접하는 출구 개구(26)의 중심까지의 거리(A2)는 최대로 기체 매질 내에서의 파장 또는 기체 매질 내에서의 반파장에 상응하며,
    - 이때, 직접 인접하는 2개의 출구 개구(26) 간의 거리(A2)는 각각 상응하는 입구 개구(24)에 할당된 초음파 트랜스듀서들(12) 간의 거리(A1)보다 작고,
    - 입구 개구(24)의 면적에 대한 출구 개구(26)의 면적의 비가 0.30 내지 1.2의 값을 가지며,
    - 각각의 음향 채널(22)이 적어도 입구 개구(24)의 직경에 상응하는 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 가동형 커버 장치(32)를 구비하며, 커버 장치(32)는 모든 음향 채널(22)의 출구 개구(26)를 폐쇄하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입구 개구(24)의 면적 대 출구 개구(26)의 면적의 비가 0.5 내지 1.5, 또는 0.9 내지 1.1의 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 음향 채널(22)이 각각의 초음파 트랜스듀서(12)의 음향 분리 층(20)으로부터 관련 음향 채널(22)의 출구 개구(26)까지 이르는 길이(L1)를 가지며, 이 길이(L1)는 음향 주파수의 파장의 8분의 1의 정수 배수이거나, 음향 주파수의 반파장의 정수 배수인 것을 특징으로 하는, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 음향 채널(36)의 출구 개구들(26)이 공통의 평면(E1)에 또는 곡면(F1)에 놓인 것을 특징으로 하는, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 음향 채널(22)이 금속 또는 플라스틱으로 이루어지거나, 금속 또는 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 초음파 트랜스듀서(12)가 음향 분리 층(20)과 트랜스듀서 하우징(22) 사이에 음향 디커플링 층을 구비하는 것을 특징으로 하는, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 유닛이 하우징(14) 내에 완전히 또는 부분적으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)의 하우징(14)이 적어도 IP 40 보호 등급에 상응하게 설계되는 것을 특징으로 하는, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 통신 인터페이스가 무선 데이터 전송을 하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 재료 검출용 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
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