KR20210027398A - 1d 초음파 트랜스듀서 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 3개 이상의 초음파 트랜스듀서 및 각각의 초음파 트랜스듀서를 개별적으로 제어하기 위한 제어 유닛을 구비한 1D 초음파 트랜스듀서 유닛에 관한 것으로, 상기 각각의 초음파 트랜스듀서는 하우징, 압전체, 및 음파를 기체 매질 내로 분리하기 위한 음향 분리 층을 각각 하나씩 구비하며, 하나의 공통 지지 구조 내에 삽입되어 있고, 각각 20㎑ 내지 400㎑의 동일한 주파수를 방출하고 그리고/또는 수신하며, 각각 2개의 인접하는 초음파 트랜스듀서는 최대 10㎝의 거리(A1)를 갖고, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)은 초음파 트랜스듀서 당 정확히 하나의 음향 분리 층(26)에 할당된 입구 개구(38) 및 출구 개구(40)를 갖는 하나의 음향 채널을 구비하며, 출구 개구들은 하나의 선을 따라 배열되고, 2개의 인접하는 출구 개구(40) 간의 거리(A2)는 최대로 음향 주파수의 전체 파장 또는 반파장에 상응하고, 입구 개구들(38) 간의 거리(A1)보다 작으며, 입구 개구의 면적에 대한 출구 개구의 면적의 비는 0.3 내지 1.2의 값을 갖는다.

Description

1D 초음파 트랜스듀서 유닛
본 발명은, 객체, 윤곽 또는 거리를 검출하기 위한, 분산형이면서 개별적으로 제어 가능한 3개 이상의 초음파 트랜스듀서를 구비한 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. 상이한 진동 형태를 위해, 재료 특유의 주파수 상수로부터, 사전 설정된 주파수에서의 공진 진동을 위해 필요한 압전체의 전형적인 치수가 추정될 수 있다.
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.
상기 거리 조건으로 인해, 개별 트랜스듀서의 구조적 크기 또는 초음파 트랜스듀서의 특정한 구조적 형태/크기로써 가능한 주파수 범위가 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 1D 초음파 트랜스듀서 유닛에 의해서 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 대상이다.
본 발명의 대상에 따라 1D 초음파 트랜스듀서 유닛이 제공된다.
1D 초음파 트랜스듀서 유닛은, 예를 들어 0.5m 이상의 거리에 있는 객체, 윤곽 또는 거리를 검출하기 위한 3개 이상의 초음파 트랜스듀서 및 하나의 제어 유닛을 포함한다.
제어 유닛은 각각의 초음파 트랜스듀서를 개별적으로 제어하도록 설계된다.
초음파 트랜스듀서는 하나의 공통 캐리어 구조 내에 삽입되며, 이 경우 각각의 초음파 트랜스듀서는 하우징, 하우징 내에 배열된 압전체, 및 음파를 기체 매질내로 분리하기 위해 하우징의 개방된 단부에 배치된 음향 분리 층, 예컨대 상응하게 배치된 압전체의 표면을 각각 하나씩 구비한다.
각각의 초음파 트랜스듀서는, 동일한 주파수를 방출하도록 그리고/또는 수신하도록 설계되고, 음파의 동작 주파수는 20㎑ 내지 400㎑의 범위 내에 놓인다.
2개의 서로 직접 인접하는 초음파 트랜스듀서는 각각 음향 분리 층의 중심에서 음향 분리 층의 중심까지 최대 10㎝ 또는 최대 5㎝ 또는 최대 2㎝의 거리를 갖는다.
1D 초음파 트랜스듀서 유닛은 또한 초음파 트랜스듀서 당 하나의 음향 채널을 구비하며, 이 경우 각각의 음향 채널은 제1 횡단면을 갖는 입구 개구 및 제2 횡단면을 갖는 출구 개구를 구비하고, 각각의 음향 분리 층에는 정확히 하나의 입구 개구가 할당된다.
모든 음향 채널의 출구 개구들은 하나의 선을 따라 배열되고, 출구 개구들 중 하나의 중심으로부터 직접 인접하는 출구 개구의 중심까지의 거리는 최대로 음향 주파수의 파장이거나 음향 주파수의 반파장에 상응하며, 이 경우 직접 인접하는 출구 개구들 간의 거리는 상응하는 입구 개구들의 거리보다 짧다.
입구 개구의 면적에 대한 출구 개구의 횡단면 면적의 비는 0.30 내지 1.2, 또는 0.35 내지 1.0, 또는 0.4 내지 0.8의 값을 갖는다.
1D 초음파 트랜스듀서 유닛의 초음파 트랜스듀서가 개별적인 분산형 부품이라는 것은 자명한 사실이며, 이 경우 각각의 초음파 트랜스듀서는 지지 구조, 예컨대 하우징 내로 삽입됨으로써 고정된 위치를 가지며, 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 또는 s자 형상으로 형성된다.
바람직한 방식으로, 음향 분리 층과 출구 개구 사이에 있는 음향 채널들은 매끄러운 내벽을 가지며, 특히 에지를 갖지 않는다.
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.
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.
이로 인해, 개별 트랜스듀서들 간의 거리에 비해 음원 간의 거리를 감소시키는 것, 특히 개별 음원들 간의 거리를 예컨대 개별 초음파 트랜스듀서의 직경과 같은 크기와 무관하게 또는 개별 초음파 트랜스듀서들 간의 거리와 무관하게 설정하는 것이 가능해진다.
따라서, 본 발명의 한 가지 장점은, 압전 트랜스듀서의 방사 애퍼처, 예컨대 압전체에 의해 사전 설정된 직경을 갖는 원형 애퍼처가 음향 채널들에 의해, 적어도 하나의 차원에서 원하는 어레이 장치의 조건을 충족하도록 그리고 이러한 구성이 위상 어레이 장치를 형성할 수 있게 하도록 변화한다는 점이다.
특히, 개별 음향 채널들의 출구 면적이 큰 경우, 다시 말해 비율이 0.3보다 큰 경우에는, 음압 및 이와 더불어 장치의 검출 범위가 단일 초음파 트랜스듀서의 검출 범위에 비해 거의 유지된다. 두 가지 차원에서 비율이 더 작아지거나 면적이 축소되면, 장치의 유효 범위는 단일 초음파 트랜스듀서의 검출 범위에 비해 줄어든다.
특히, MEMS 기반의 초음파 트랜스듀서와 달리 훨씬 더 큰 출력이 달성될 수 있고, 이로 인해 특히 0.5m를 초과하는 거리에 있는 객체 또는 구조물도 신뢰성 있게 검출될 수 있다.
또한, 음향 채널의 프로파일 및 출구 개구의 치수 설계는, 하나의 차원에서 파면의 진행 방향을 바꾸는 것 그리고 상기 차원에 직교하는 또 다른 차원에서 파면의 확장을 공간적으로 포커싱하는 것도 가능하게 한다.
놀랍게도, 상기 직교 차원에서의 포커싱은 오직 1차원 음향 트랜스듀서 및 그와 관련된 음향 채널을 이용해서만 달성되는 것으로 나타났다.
이와 관련하여, 다차원 어레이 장치들을 이용하는 해결안은 훨씬 더 많은 초음파 트랜스듀서 및 제어 유닛에서의 추가적인 복잡성을 필요로 할 것이다. 신뢰성은 다차원 음향 트랜스듀서에서 훨씬 더 낮다.
상기와 동일한 내용은 반대로, 전술한 어레이 센서 시스템의 수신 감도에 대해서도 적용된다. 수신 감도는, 초음파 트랜스듀서의 입구 면적의 0.3배 이상의 수신 면을 획득함으로써 유지된다.
본 발명의 해결책의 한 가지 장점은, 전술한 센서 시스템이 상기 주파수 범위 내에서 기체 매질 내 어레이 조건 하에서는 송신도 할 수 있고 수신도 할 수 있다는 것이다.
특히, 현재의 MEMS-구조는 기체 매질과 관련하여 마이크로폰으로서만 사용될 수 있다.
그런데, 개별 초음파 트랜스듀서의 하우징 직경이 예를 들어 7㎜인 경우, 2개의 트랜스듀서 간 거리는 적어도 14㎜다.
그렇기 때문에, 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.
또 다른 장점은, 위상 제어된 어레이 내에서 특정 크기를 갖는, 특히 신뢰성 있고 하우징 내장형인 개별 초음파 트랜스듀서가 공기와 같은 기체 매질 내에서 센서에 대해 이격된 객체를 검출하는 데 사용될 수 있다는 것이다.
일 개선예에 따라, 제2 횡단면의 면적과 제1 횡단면의 면적 간의 비는 0.35 내지 1.0, 또는 0.40 내지 0.8의 값을 갖는다.
음향 채널의 출구 면의 면적에 비해 입구 면의 면적이 증가하거나 감소하거나 유지될 수 있는데, 이 경우 모든 실시예에서 입구 개구의 폭에 비해 적어도 출구 개구의 폭의 감소가 실행된다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 각각의 초음파 트랜스듀서의 음향 분리 층으로부터 관련 음향 채널의 출구 개구까지 이르는 길이는 음향 주파수의 파장의 8분의 1의 정수 배수이거나 음향 주파수의 절반 파장의 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 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, 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.
바람직하게, 각각의 초음파 트랜스듀서의 하우징은, 원통형 금속 컵을 포함하고, 또 다른 일 개선예에서는 분리 층과 금속 컵 사이에 음향 디커플링 층을 구비한다.
본 실시예의 일 개선예에 따르면, 음향 분리 층의 표면, 금속 컵의 가장자리 및 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.
각각의 초음파 트랜스듀서의 하우징은 또 다른 일 실시예에 따라 적어도 IP 40 보호 등급에 상응하게 설계된다.
또 다른 일 실시예에서, 각각의 음향 채널은 0.5㎜ 이상 또는 1㎜ 이상의 벽 두께를 갖는다.
또 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 실시예에서, 지지 구조는 지지 구조의 제1 단부면에 제1 평면을 구비하고, 지지 구조의 제2 단부면에 제2 평면을 구비하며, 이 경우 제1 단부면은 제2 단부면에 평행하게 형성된다.
이를 위해, 입구 개구에 있는 초음파 센서는 제1 직선을 따라 배열되고, 음향 채널의 출구 개구는 제2 직선을 따라 배열된다. 바람직한 방식으로, 상기 두 직선은 서로 평행하게 형성된다. 제2 직선의 길이가 제1 직선의 길이보다 훨씬 더 작다는 것은 자명하다. 한 가지 장점은, 2개의 평행한 단부면을 갖는 지지 구조를 수용 장치 내에 장착하는 작업이 훨씬 간소해진다는 것이다.
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 1은 1D 초음파 트랜스듀서 유닛의 본 발명에 따른 제1 실시예의 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 단 하나의 초음파 트랜스듀서의 본 발명에 따른 제1 실시예의 도면이다.
도 3은 음향 채널의 본 발명에 따른 제2 실시예의 도면이다.
도 4는 음향 채널의 본 발명에 따른 제3 실시예의 도면이다.
도 5는 단 하나의 음향 채널의 또 다른 일 실시예의 도면이다.
도 6은 음향 채널의 출구 면의 다양한 실시예의 도면이다.
도 1의 이미지는, 객체, 윤곽 또는 거리를 검출하기 위해 하나의 직선을 따라 배열된 5개의 초음파 트랜스듀서(12) 및 제어 유닛(14)을 구비한, 본 발명에 따른 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)의 제1 실시예의 도면을 보여주며, 제어 유닛(14)은 각각의 초음파 트랜스듀서(12)를 개별적으로 제어하도록 설계되어 있다.
도시된 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(12)는 일정한 거리(A1)를 두고 공통의 지지 구조(16) 내에 삽입되어 있으며, 이 경우 각각의 초음파 트랜스듀서는 압전체(18), 압전체(18)를 둘러싸는 하우징(22)을 구비한다. 각각의 초음파 트랜스듀서(12)는, 동일한 주파수를 방출하도록 그리고/또는 수신하도록 설계되어 있으며, 이 경우 주파수는 20㎑ 내지 100㎑의 범위 내에 놓인다.
도 2a의 이미지에는, 초음파 트랜스듀서(12) 중 일 초음파 트랜스듀서의 본 발명에 따른 제1 실시예의 평면도가 도시되어 있다. 각각의 초음파 트랜스듀서(12)의 하우징(22)은 7㎜ 이상의 외경(D1)을 갖는 원통형 금속 컵(24)을 구비한다. 하우징(22)은 압전체(18)를 위해 기준 전위에 놓여 있는 차폐부(20)를 형성한다.
금속 컵(24)의 개방 단부에는, 음파를 기체 매질 내로 분리하기 위한 음향 분리 층(26)이 배치되어 있다. 분리 층(26)과 금속 컵(24) 사이에는 음향 디커플링 층(28)이 배치되어 있다.
음향 분리 층(26)의 표면, 금속 컵(24)의 가장자리 및 그 사이에 배치된 각각의 초음파 트랜스듀서(12)의 음향 디커플링 층(28)이 각각 하나의 공통 평면에 놓여 있다.
1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)의 2개의 인접하는 초음파 트랜스듀서(12) 간의 거리(A1)는, 하나의 초음파 트랜스듀서(12)의 음향 분리 층(26)의 중심으로부터 다른 초음파 트랜스듀서(12)의 음향 분리 층(26)의 중심까지의 거리를 나타낸다. 이 거리는 최대 10㎝ 또는 최대 5㎝ 또는 최대 2㎝이다.
도 2b의 이미지에는, 초음파 트랜스듀서(12) 중 하나의 하우징(22)의 후면도가 도시되어 있다. 금속 컵(24)의 바닥은 2개의 관통 홀(30)을 구비하며, 이들 관통 홀을 통해 각각 전기 접속 콘택(32)이 하우징 내부로부터 외부로 안내된다. 전기 접속 콘택(32)은 봉합용 컴파운드(34)에 의해 금속 컵(24)에 대해 전기 절연된다.
1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)은 초음파 트랜스듀서 당 하나의 음향 채널(36)을 구비하며, 이 경우 각각의 음향 채널은 입구 개구(38), 출구 개구(40) 및 3㎝ 이상 20㎝의 이의하 길이(L1)를 갖는다. 입구 개구들은, 개별 초음파 트랜스듀서(12)가 채널(36) 내부로 방사하도록, 초음파 트랜스듀서들(12) 중 하나의 전방에 또는 둘레에 각각 배치된다.
이를 위해, 도시된 실시예에서는 각각 하나의 초음파 트랜스듀서(12)가 적어도 부분적으로 각각 할당된 음향 채널(36) 내로 연장됨으로써, 음향 분리 층(26)이 완전히 개별 음향 채널(36) 내부에 있게 된다. 또한, 도시되지 않은 일 실시예에서는, 음향 분리 층(26) 전방에 약간의 간격을 두고 또는 예를 들어 금속 컵의 가장자리에 인접해서 입구 개구를 위치시키는 것도 가능하다.
각각 2개의 인접하는 출구 개구는, 출구 개구의 중심으로부터 출구 개구의 중심까지 최대 5㎝ 또는 최대 2㎝ 또는 최대 0.5㎝의 거리(A2)를 갖는다. 본 발명에 따르면, 출구 개구들(40)의 거리(A2)는 각각 입구 개구들(38)의 거리(A1)보다 작거나 같다.
각각의 음향 분리 층(26)으로부터 관련 음향 채널(36)의 출구 개구(40)까지의 길이(L1)는 음향 주파수 파장의 8분의 1의 정수 배수이다.
도 3 및 도 4의 이미지에는, 음향 채널의 본 발명에 따른 또 다른 실시예들이 개략적으로 도시되어 있다. 이하에서는, 도 1 또는 도 3의 실시예들에 대한 차이점이 각각 설명된다.
도 3에 도시된 실시예에서, 음향 채널들(36)은, 모든 음향 채널(36)의 출구 개구들(40)이 하나의 공통 평면(E1)에 놓이도록 연장된다.
각각의 음향 채널(36)의 입구 개구(38)에 연결되는 개별 음향 채널(36)의 영역은, 각각 할당된 초음파 트랜스듀서(12)가 음향 채널(36)에 딱 맞도록 설계된다. 이를 위해, 각각의 음향 채널(38)은 이 영역에 외경(D1)에 상응하는 내경 및 스토퍼로서 이용되는 에지(42)를 구비한다.
초음파 트랜스듀서(12)를 갖는 입구 개구들(38)은, 출구 개구들(40)이 평면(E1) 내에 놓이도록 그리고 각각의 음향 분리 층(18)으로부터 관련 출구 개구들까지의 길이(L1)가 음향 주파수 파장의 8분의 1의 배수가 되도록, 지지 구조물(16) 내에 각각 배열되어 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(36)이 개략적으로 도시되어 있으며, 이하에서는 도 1 내지 도 4에 대한 차이점이 설명된다.
입구 개구(38)는 폭(x1) 및 높이(y1)를 갖는 횡단면을 가지며, 출구 개구(40)는 폭(x2) 및 높이(y2)를 갖는 횡단면을 갖는다.
입구 개구는 원형으로 형성되며, 다시 말해 횡단면의 폭(x1)과 높이(y1)가 동일한 값을 갖는다. 그와 달리, 출구 개구는 타원 형상을 가짐으로써, 횡단면의 폭(x2)이 폭(y2)보다 작다.
바람직하게, 출구 개구(40)의 폭(x2)은 입구 개구(38)의 폭(x1)보다 작다. 그와 달리, 출구 개구(40)의 높이(y2)는 바람직하게 입구 개구(38)의 높이(yl)보다 크다.
특히 바람직하게, 음향 채널(36)의 높이 증가는, 입구 개구(38)의 횡단면 면적이 출구 개구(40)의 횡단면 면적에 상응하도록, 음향 채널(36)의 폭의 감소를 보상한다.
출구 개구(40)의 중심에서부터 직접 인접하는 출구 개구(40)의 중심까지의 거리를 음향 주파수의 최대 파장에 상응하게 실현할 수 있기 위해, 각각의 출구 개구(40)의 폭(x2)이 음향 주파수의 파장보다 작아야 한다는 점은 자명하다.
도 6의 이미지에는, 출구 개구(40)의 횡단면의 본 발명에 따른 복수의 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 출구 개구(40)의 횡단면 면적이 입구 개구(38)의 횡단면 면적에 상응하도록 하기 위해, 특히 폭(x2) 대 높이(y2)의 비가 대략 1.5인 형태가 적합하다.

Claims (16)

  1. 객체, 윤곽 또는 거리를 검출하기 위한 3개 이상의 초음파 트랜스듀서(12) 및 하나의 제어 유닛을 포함하는 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)으로서,
    - 제어 유닛(14)은 각각의 초음파 트랜스듀서(12)를 개별적으로 제어하도록 설계되고,
    - 각각의 초음파 트랜스듀서(12)는 하우징(22), 하우징(22) 내에 배치된 압전체(18) 및 음파를 기체 매질 내로 분리하기 위해 하우징(22)의 개방된 단부에 배치된 음향 분리 층(26)을 각각 하나씩 구비하며,
    - 초음파 트랜스듀서들(12)은 하나의 공통 지지 구조(16) 내에 삽입되고,
    - 각각의 초음파 트랜스듀서(12)는, 동일한 주파수를 방출하도록 그리고/또는 수신하도록 설계되며,
    - 초음파 트랜스듀서(12)의 주파수가 20㎑ 내지 400㎑의 범위 내에 놓이는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10)에 있어서,
    - 서로 직접 인접하는 2개의 초음파 트랜스듀서(12)가 각각 음향 분리 층(26)의 중심에서부터 음향 분리 층(26)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(36)을 구비하며,
    - 각각의 음향 채널(36)은 제1 횡단면을 갖는 입구 개구(38) 및 제2 횡단면을 갖는 출구 개구(40)를 구비하고,
    - 각각의 음향 분리 층(26)에는 입구 개구들(38) 중 정확히 하나의 입구 개구가 할당되며,
    - 출구 개구들은 하나의 선을 따라 배열되고,
    - 출구 개구들(40) 중 일 출구 개구의 중심에서부터 직접 인접하는 출구 개구(40)의 중심까지의 거리(A2)는 최대로 기체 매질 내에서의 파장 또는 기체 매질 내에서의 반파장에 상응하며,
    - 이때 직접 인접하는 2개 출구 개구(40) 간의 거리(A2)는 각각 상응하는 입구 개구들(38)의 거리(A1)보다 작고,
    - 입구 개구(38)의 면적에 대한 출구 개구(40)의 면적의 비가 0.30 내지 1.2의 값을 가지며,
    - 각각의 음향 채널(36)이 적어도 입구 개구(38)의 직경의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  2. 제1항에 있어서, 입구 개구(38)의 면적 대 출구 개구(40)의 면적의 비가 0.35 내지 1.0 또는 0.4 내지 0.8의 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 초음파 트랜스듀서(12)의 음향 분리 층(26)에서부터 관련 음향 채널(36)의 출구 개구(40)까지 이르는 길이(L1)가 기체 매질 내에서의 파장의 8분의 1의 정수 배수이거나, 기체 매질 내에서의 반파장의 정수 배수인 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 음향 채널(36)의 출구 개구들(40)이 하나의 공통 평면(E1) 내에 또는 곡면(F1) 내에 놓이는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 음향 채널(36)이 금속 또는 플라스틱으로 이루어지거나, 금속 또는 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 초음파 트랜스듀서(12)가 음향 분리 층(26)과 함께 먼저 관련 입구 개구(38) 내부로 돌출하는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  7. 제6항에 있어서, 각각의 음향 채널(36)이 관련 초음파 트랜스듀서(12)의 적어도 일부분을 딱 맞게 수용하는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 초음파 트랜스듀서(12)의 하우징(22)이 5㎜ 이상의 직경(D1)을 갖는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 부재 개수가 증가하며, 4개 또는 5개 또는 6개 또는 8개 또는 16개의 초음파 트랜스듀서가 하나의 선 상에 있는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 개별 음향 채널들(36)이 동일한 길이(L1)를 갖는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 초음파 트랜스듀서들(12)이 하나의 공통 평면 내에 놓이고, 이로써 개별 음향 채널들(36)이 동일하지 않은 길이(L1)를 갖는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 초음파 트랜스듀서(12)의 하우징(22)이 원통형 금속 컵(24)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  13. 제9항에 있어서, 각각의 초음파 트랜스듀서(12)의 하우징(22)이 분리 층(26)과 금속 컵(24) 사이에 음향 디커플링 층(28)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  14. 제10항에 있어서, 음향 분리 층(26)의 표면, 금속 컵(24)의 가장자리 및 이들 사이에 배치된, 각각의 개별 초음파 트랜스듀서(12)의 음향 디커플링 층(28)이 각각 하나의 평면을 형성하는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  15. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 초음파 트랜스듀서(12)가 기준 전위에 놓여 있는 전자기 차폐부(20)를 구비한 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
  16. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 초음파 트랜스듀서(12)의 하우징(22)이 적어도 IP 40 보호 등급에 상응하게 설계되는 것을 특징으로 하는, 1D 초음파 트랜스듀서 유닛(10).
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