KR100359981B1 - 초음파 트랜스듀서 및 초음파 유량계 - Google Patents

초음파 트랜스듀서 및 초음파 유량계 Download PDF

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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 균일한 특성을 가진 초음파 트랜스듀서를 제공하는 것이다. 한 쌍의 초음파 트랜스듀서가 서로 균일하기 때문에, 초음파 유량계의 계측 정도(精度)를 향상시킬 수 있다. 압전체(壓電體)(11)의 전극면(電極面)(13)으로부터 외부 전극까지의 전기적 접속은 납땜이 아니고, 도전성(導電性) 탄성체(16)에 의해 성취된다. 결과적으로, 압전체(11)상의 열적 부하(負荷)로 인한 주파수 특성의 변동은 감소될 수 있고, 균일한 특성을 가진 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있으며, 한 쌍의 초음파 트랜스듀서를 사용하여 초음파 유량계의 계측 정도를 개선할 수 있다.

Description

초음파 트랜스듀서 및 초음파 유량계{ULTRASONIC TRANSDUCER AND ULTRASONIC FLOWMETER}
본 발명은 초음파 펄스를 송수신하는 초음파 트랜스듀서에 관한 것이며, 또한 초음파 트랜스듀서가 이용되는 계측 장치에 관한 것이다.
종래에는, 일본국 실원평(實願平) 제 7-1793호 공보에 나타낸 바와 같은 초음파 트랜스듀서가 일반적인 것이었다. 본 출원의 도 9에 나타낸 바와 같이, 본 초음파 트랜스듀서에서, 전기적 접속은 리드선(41)을 압전체(42)의 전극면(43)에 납땜을 함으로써 성취된다.
그러나, 종래 형식의 초음파 트랜스듀서의 전기적 접속 방법에서, 납땜으로 인한 다음의 문제점이 있었다.
(1) 열적 부하로 인해 압전 특성이 열화되고,
(2) 납땜 장소 또는 사용된 땜납의 양에 따라서 주파수 특성이 변동되고,
(3) 납땜으로 인한 환경 부하가 있었다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 것이다. 상기 과제를 해결하기 위하여, 압전체의 전극면의 하나를 도전성 탄성체를 경유하여 외부 전극에 전기적으로 접속시킨다.
따라서, 본 발명에 따르면, 탄성체는, 도전성 탄성체를 사이에 끼우고 압축함으로써 전기적 접속을 위해 사용된다. 결과적으로, 열적 부하가 압전체에 가해지지 않는다. 탄성체는 땜납보다 더 연하고 더 낮은 음향 임피던스를 가지며, 기계적 부하가 감소한다. 이것은 탄성체 특성의 변동을 감소시키고, 초음파 트랜스듀서의 특성을 균일화 시킬 수 있도록 한다. 특히, 한 쌍의 초음파 트랜스듀서를 사용하는 초음파 유량계와 같은 계측 장치에서, 초음파 트랜스듀서의 특성이 쉽게 균일화 될 수 있고, 이것은 계측 정도의 개선을 가져오게 된다. 더욱이, 납땜이 사용되지 않기 때문에 환경 부하를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제1형태에 따른 초음파 트랜스듀서는, 2개의 대향면상에서 전극면을 가지는 압전체, 및 전기적 신호를 압전체로 송신하는 외부 전극부를 포함하며, 압전체 전극면의 하나와 외부 전극부가 도전성 탄성체를 경유하여 전기적으로 접속됨으로써, 납땜으로 인한 열적 부하가 없기 때문에 주파수 특성이 균일화 되고, 환경 부하도 감소될 수 있다.
본 발명의 제2형태에 따르면, 본 발명은 상기한 바와 같은 제1형태의 초음파 트랜스듀서를 구성하며, 또한 2개의 외부 전극부를 구비하고, 압전체 전극면의 하나는 도전성 탄성체를 경유하여 외부 전극부의 하나에 전기적으로 접속되고, 압전체 전극면의 나머지가 외부 전극부의 나머지에 본딩에 의해 전기적으로 접속됨으로써, 납땜으로 인한 열적 부하가 없기 때문에 주파수 특성이 서로 균일하게 되고, 환경 부하도 감소된다.
본 발명의 제3형태에 따르면, 본 발명은 상기한 바와 같은 제1형태의 초음파 트랜스듀서를 구성하며, 또한 2개의 외부 전극부를 구비하고, 압전체 전극면의 각각은 도전성 탄성체를 경유하여 외부 전극부의 각각에 전기적으로 접속됨으로써, 납땜으로 인한 환경 부하가 감소되고, 접착제 두께의 변동으로 야기되는 주파수 특성 및 송수신 감도의 변동이 감소되며, 측정이 고(高) 정도(精度)로서 수행될 수 있다.
본 발명의 제4형태에 따르면, 본 발명은 상기한 바와 같은 제1형태 내지 제3형태중 하나의 초음파 트랜스듀서를 구성하며, 또한 압전체 전극면 및 외부 전극부는 도전성 탄성체를 사이에 끼우고 압축하여 전기적으로 접속시킴으로써, 납땜으로 인한 열적 부하가 없기 때문에 주파수 특성의 변동이 감소되고, 초음파 트랜스듀서가 용이하게 조립될 수 있다.
본 발명의 제5형태에 따르면, 본 발명은 상기한 바와 같은 제2형태 내지 제4형태중 하나의 초음파 트랜스듀서를 구성하며, 또한 2개의 전기적으로 분리된 단자를 가진 단자 블록을 구비하여, 2개의 단자는 각각의 외부 전극부에 전기적으로 접속되어서, 리드선을 사용하는 외부 장치에 용이하게 접속될 수 있는 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명의 제6형태에 따르면, 본 발명은 상기한 바와 같은 제5형태의 초음파 트랜스듀서를 구성하며, 또한 도전성 탄성체가 횡방향으로 이동하는 것을 방지하는 수단을 구비하여, 도전성 탄성체의 이동으로 인한 단선(斷線)을 방지할 수 있으며, 고 신뢰성의 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명의 제7형태에 따르면, 본 발명은 상기한 바와 같은 제6형태의 초음파 트랜스듀서를 구성하며, 또한 이동 방지 수단은 단자 블록에 구성된 홈이고, 도전성 탄성체 및 외부 전극부의 하나가 홈의 내부측에 배열되어, 도전성 탄성체가 홈안으로 하향 이동한다면, 도전성 탄성체의 이동에 의한 불량 접속이 방지될 수 있어서, 고 신뢰성의 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 더욱이, 도전성 탄성체의 이동을 방지할 수 있기 때문에 조립이 용이한 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명의 제8형태에 따르면, 본 발명은 상기한 바와 같은 제6형태의 초음파 트랜스듀서를 구성하며, 또한 도전성 탄성체의 이동 방지 수단은 단자 블록에 구비된 돌기부(突起部)이고, 도전성 탄성체 및 외부 전극부의 하나가 돌기부의 내부측에 배열되어, 돌기부가 도전성 탄성체의 이동을 방지하도록 배열된다면, 횡방향에서 도전성 탄성체의 이동에 의한 불량 접촉이 방지될 수 있어서, 고 신뢰성의 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 더욱이, 돌기부에 의해서 도전성 탄성체의 이동을 방지할 수 있기 때문에 조립이 용이한 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명의 제9형태에 따르면, 본 발명은 상기한 바와 같은 제1형태 내지 제8형태중 하나의 초음파 트랜스듀서를 구성하며, 또한 도전성 탄성체는 도전부 및 절연부를 구비하고, 2개 외부 전극의 전기적 단락은 절연부에 의해 방지될 수 있어서, 고 신뢰성의 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명의 제10형태에 따르면, 본 발명은 상기한 바와 같은 제9형태의 초음파 트랜스듀서를 구성하며, 또한 도전부 및 절연부는 층으로서 교호(交互)로 배열되고, 양측의 최외곽층은 절연층이며, 2개 외부 전극의 전기적 단락은 절연부에 의해서 방지될 수 있어, 전기적 단락으로 야기되는 고장을 방지할 수 있고, 조립이 용이한, 고 신뢰성의 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명의 제11형태에 따르면, 본 발명은 상기한 바와 같은 제1형태 내지 제4형태중 하나의 초음파 트랜스듀서를 구성하며, 또한 적어도 외부 전극부의 하나는 벤딩부(bending)를 가져서, 이것은 외부 전극이 고정되는 장소에서 자유도를 증가시키고, 조립이 용이한 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명의 제12형태의 초음파 유량계는, 측정될 유체가 흐르는 유량 측정부와; 2개 대향면상에 전극면을 보유한 압전체, 및 상기 압전체에 전기적 신호를 송신하는 외부 전극부를 가지며, 압전체 전극면의 하나가 도전성 탄성체를 경유하여 외부 전극부에 전기적으로 접속되고, 상기 유량 측정부상에 배열되는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서와; 상기 초음파 트랜스듀서의 하나를 구동하는 구동 회로와; 상기 초음파 트랜스듀서의 나머지에 접속되어 초음파 펄스를 검지하는 수신 검지 회로와; 상기 초음파 펄스의 전파 시간을 측정하는 타이머와; 상기 타이머의 출력으로부터 유량을 연산하는 연산부를 구비한다. 결과적으로, 한 쌍의 초음파 트랜스듀서의 특성은 용이하게 균일화 되고, 높은 계측 정도를 가진 초음파 유량계를 얻을 수 있다.
이러한 및 기타 목적과 특징은 첨부한 도면과 관련한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 용이하게 명백해 질 것이다.
열적 부하가 압전체에 가해지지 않고, 기계적 부하를 감소시켜, 탄성체 특성의 변동을 감소시키며, 초음파 트랜스듀서의 특성을 균일화 시켜서, 초음파 트랜스듀서를 사용하는 초음파 유량계와 같은 계측 장치에 있어서, 초음파 트랜스듀서의 특성이 용이하게 균일화 되어 계측 정도의 개선을 도모하며, 납땜을 사용하지 않아서 환경 부하를 감소시킬 수 있는 초음파 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 있어서의 초음파 유량계의 블록도.
도 2a는 본 발명의 상기 실시예에 있어서의 초음파 트랜스듀서의 외관도.
도 2b는 본 발명의 상기 실시예에 있어서의 초음파 트랜스듀서의 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 있어서의 초음파 트랜스듀서의 단면도.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 있어서의 초음파 트랜스듀서의 단면도.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 있어서의 초음파 트랜스듀서의 단면도.
도 6은 본 발명의 이와 또다른 실시예에 있어서의 초음파 트랜스듀서의 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서의 도전성 탄성체의 단면도.
도 8은 본 발명의 실시예에 있어서의 초음파 트랜스듀서 변형예의 단면도.
도 9는 종래 형식의 초음파 트랜스듀서의 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명.
1: 유량 측정부 2, 3: 초음파 트랜스듀서
4: 구동부 5: 스위칭 회로
6: 수신 검지 회로 7: 타이머
8: 연산부 9: 제어부
11: 압전체 12, 13: 전극면
14: 정합층(整合層) 15: 케이스
16: 탄성체 17, 18: 단자
19: 단자 블록 20: 유리재
21: 외주부(外周部) 22: 중심부
36: 도전부(導電部) 37: 절연부
39: 도전층 40: 절연층
이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다. 부호에서, 동일 부호로 참조된 부품은 상기한 바와 같이 동일하며, 상세한 설명은 생략한다.
(제1실시예)
도 1은 본 발명의 실시예를 나타낸 초음파 유량계의 블록도이다. 도 1에 나타낸 초음파 유량계는, 측정될 유체가 흐르는 유량 측정부(1)와, 각각 유량 측정부(1)에 대향하는 위치에서 배열되어 초음파를 송수신하기 위해 사용되는 초음파 트랜스듀서(2 및 3)와, 초음파 트랜스듀서를 구동하는 구동부와, 초음파 트랜스듀서(2 및 3)를 절환하는 스위칭 회로(5)와, 수신 검지 회로(6)와, 초음파 펄스의 전파 시간을 측정하는 타이머(7)와, 타이머(7)의 출력으로부터 유량을 연산하는 연산부(8), 및 구동 회로(6)와 타이머(7)에 제어 신호를 출력하는 제어부(9)를 구비한다.
우선, 동작 및 기능을 설명한다. 여기서, 예를 들어 측정될 유체를 LP 가스로 하고, 초음파 트랜스듀서(2 및 3)의 구동 주파수를 약 500 kHz로 한다. 제어부(9)에서 구동부(4)로 송신 개시 신호가 출력되고, 동시에 타이머(7)에 의해서 시간 계측이 개시된다. 구동부(4)가 전송 개시 신호를 수신할 때, 구동부는 초음파 트랜스듀서(3)를 구동하고, 초음파 펄스가 전송된다. 따라서 전송된 초음파 펄스는 유량 측정부에서 전파되어, 초음파 트랜스듀서(2)에 의해 수신된다. 초음파 펄스가 수신될 때, 펄스는 초음파 트랜스듀서(2)에 의해 전기적 신호로 변환되어, 수신 검지 회로(6)로 출력된다. 수신 검지 회로(6)는 수신 신호를 수신하는 타이밍을 결정한다. 타이머(7)가 정지되고, 전파 시간 t1이 연산부(8)에서 연산된다.
그러면, 구동부(4) 및 수신 검지 회로(6)에 접속된 초음파 트랜스듀서(2 및 3)가 절환된다. 제어부(9)에서, 전송 개시 신호가 구동부(4)로 출력되고, 타이머(7)에 의한 시간 계측이 개시된다. 전파 시간 t1의 계측과 반대로, 초음파 펄스는 초음파 트랜스듀서(2)에 의해 전송되어, 초음파 트랜스듀서(3)에 의해 수신된다. 그러면, 전파 시간 t2는 연산부(8)에서 연산된다.
여기서, 초음파 트랜스듀서(2 및 3)의 중심간의 거리를 L, 무풍 상태일 때의 LP 가스의 음속을 C, 유량 측정부(1)내의 유속을 V, 측정될 유체의 흐름 방향과 초음파 트랜스듀서(2 및 3) 중심사이의 각도를 θ로 가정한다. 그러면, 전파 시간 t1 및 t2의 값을 방정식 (1) 및 (2)로써 나타낼 수 있다. 방정식 (1) 및 (2)로부터 측정될 유체의 음속 C를 소거하면, 유속 V는 방정식 (3)에 의해 얻어진다. L의 값이 이미 공지되었기 때문에, t1 및 t2의 값을 측정하면 유속 V를 연산할 수 있다.
.......(1)
........(2)
......(3)
그러나, 유속 V가 느릴 때, t1 및 t2간의 차이가 매우 작으며, 정확하게 계측하기가 어렵다. 이러한 이유로, t1 또는 t2와 같은 전파 시간의 측정 정도를 향상시키고자 N회 측정을 반복하는 평균법 또는 싱어라운드법(sing-around method)이 채용되며, 유속 측정의 정도가 향상된다. 여기서, 유량 측정부(1)의 면적을 S, 보정 계수를 K라 하면, 유량 Q는 방정식 (4)에 의해 연산된다.
Q = KSV .................(4)
다음, 초음파 유량계에 사용되는 초음파 트랜스듀서에 대하여 설명한다. 유량 측정 정도를 향상시키기 위하여, 한 쌍의 초음파 트랜스듀서의 특성이 서로에 대해 균일화 되는 것이 바람직하다. 그러나, 전기적 접속을 위해 일반적으로 공지된, 리드선을 납땜하는 방법이 채용될 때는, 주파수 특성 또는 송수신 감도는 열적 부하 또는 사용된 땜납의 양에 의해 영향을 받을 수도 있다. 이점에서, 주파수 특성 또는 송수신 감도의 변동을 감소시킬 목적으로, 도 2에 나타낸 바와 같은 초음파 트랜스듀서를 채용한다. 도 2에서, 초음파 트랜스듀서(10)는, 전극면(12 및 13)을 가진 압전체(11), 정합층(14), SUS(스테인레스강)로 제조되고 천정이 있는 원통형의 케이스(15), 도전성 탄성체(16), 및 2개의 단자(17 및 18)를 가진 단자 블록(19)으로 구성된다. 각각의 전극면(12 및 13)은 각각의 측면이 약 7.6mm인 정사각형 형상으로서 설계된다. 정합층(14)은 직경이 약 11mm이고, 천정 부근 케이스(15)의 직경은 약 11mm이다.
우선, 정합층(14) 및 압전체(11)의 전극면(12)은, SUS(스테인레스강)로서 제조된 케이스(15)의 천정에 에폭시 형태의 접착제를 사용하여 0.2mm의 두께를 가지고 본딩된다. 접착제의 두께를 감소시킴으로써, 본딩을 성취하고 또한 전극면(12) 및 케이스(15)간의 전기적 접속을 얻을 수 있다. 다음, 도전성 탄성체(16)(예로, 실리콘 고무로 제조된 도전성 고무)는, 압전체(11)의 전극면(13) 및 단자 블록(19)의 단자(17) 사이에 끼워지고 압축된다. 이 상태하에서, 단자 블록(19)의 외주 부분(23)은 케이스(15)의 외주 부분(24)에 전기 용접으로써 접속된다.
단자 블록(19)의 외주부(21) 및 중심부(22)는 예를 들어 철로서 제조된다. 단자(18)는 외주부(21)에 구비되고, 단자(17)는 중심부(22)에 구비된다. 외주부(21)는 유리재(20)로써 중심부(22)로부터 전기적으로 절연된다. 결과적으로, 전극면(13) 및 단자(17)는 서로 전기적으로 접속되어 있다. 전극면(12)은, 또한 외부 전극으로서 사용되는 케이스(15)를 경유하고, 단자 블록(19)의 외주부(21)를 경유하여 단자(18)에 전기적으로 접속되어 있다.
상기 구성으로 된 초음파 트랜스듀서(10)에서, 열적 영향 및 기계적 부하는 압전체(11)로 주어지지 않는다. 따라서, 압전체(11), 케이스(15) 및 정합층(14)의특성 및 치수가 잘 제어된다면, 특성의 변동은 감소될 수 있고, 동일한 특성을 가진 한 쌍의 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 결과적으로, 초음파 유량계의 측정 정도가 향상될 수 있다. 더욱이, 리드선이 사용되지 않기 때문에 단선으로 인한 고장이 감소될 수 있으며, 땜납으로 야기되는 환경 문제도 피할 수 있다.
상기한 바와 같은 실시예에서, 실리콘 고무로서 제조된 도전성 고무가 탄성체(16)로서 사용되며, 한편 도전성을 가진 탄성 재료라면, NBR 고무, 액정 폴리머등과 같은 기타 형태의 탄성재가 사용될 수도 있다. 상기에서, LP 가스가 측정될 유체로서 사용되었으나, 도시 가스, 공기와 같은 기타 형태의 가스 또는 물과 같은 액체가 사용될 수도 있다. 상기에서, 초음파 트랜스듀서(2 및 3)의 주파수는 500kHz로 설정되었으나, 500 kHz 이외의, 및 측정될 유체의 측정에 적합한 주파수가 사용될 수도 있다. 상기에서, 초음파 트랜스듀서(2 및 3)는 흐름의 방향에 대하여 비스듬히 배치되었으나, 흐름에 평행하게 배치될 수도 있으며, 유량 측정부(1)의 내벽면으로부터의 반사가 이용될 수 있는 위치에 배치될 수도 있다. 상기에서, 외주부(21) 및 중심부(22)는 유리재(20)로써 전기적으로 절연되었으나, 절연재라면 유리 이외의 재료가 사용될 수도 있다. 예를 들면 에폭시 수지와 같은 수지를 사용할 수도 있다. 또한, 상기에서, 압전체(11)는 원통형으로 설계된 케이스(15)의 천정에 본딩되었으나, 상기 상태로 제한되는 것은 아니다. 케이스(15)는 천정이 있는 원통형 이외의 어떤 형태로 설계될 수도 있으며, 또한 유량 측정부(1)의 외벽면에 본딩으로써 배치될 수도 있다. 케이스(15)는 초음파를 송수신하는 방향에서 사용되었으나, 송수신 방향의 반대 방향에서 사용될 수도 있다. 상기에서, 초음파 트랜스듀서(2 및 3)가 초음파 유량계에 사용되는 것으로 설명하였으나, 흐름 탐지용 초음파 트랜스듀서, 의료용 초음파 프로브(probe), 거리 측정용 초음파 트랜스듀서, 수중 측정용 초음파 소나(sonar)등과 같은 기타 응용에 사용될 수도 있다. 더욱이, 케이스(15) 및 단자 블록(19)에 의해 형성되는 공간의 공기를 질소, 또는 불활성 가스로 교체한다면, 전극면(12 및 13)의 산화 및 탄성체의 열화를 방지할 수 있으며, 이는 추가적인 신뢰성의 향상을 가져오게 된다.
(제2실시예)
다음에서, 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 설명한다. 도 3은 본 발명의 초음파 트랜스듀서의 단면도이다. 참조 번호 (25)는 초음파 트랜스듀서를 나타내고, 이것은, 전극면(12 및 13)을 가진 압전체(11), 정합층(14), 케이스(15), 2개의 단자(17 및 18)를 가진 단자 블록(19), 및 단자(18)를 단자(17)로부터 전기적으로 절연하는 유리재(20)로서 구성된다. 이 구성은 도 2에 나타낸 바와 동일하다. 도전성 탄성체(26 및 27)가 압전체(11)의 2개의 전극면(12 및 13)을 전기적으로 접속하기 위해 사용된다는 점에서 도 2에 나타낸 구성과 상이하다. 초음파 유량계의 동작 및 기능은 제1실시예의 것과 동일하며, 여기서 상세한 설명은 하지 않는다.
압전체(11)의 전극면(12)과 케이스(15) 사이의 전기적 접속을 위한 본딩 대신에, 도전성 탄성체(26)를 사용하는 초음파 트랜스듀서(25)를 조립하는 방법의 예를 설명한다. 우선, 예를 들면 정합층(14)을, SUS(스테인레스강)로 제조된 케이스(15)의 천정에 에폭시 형태의 접착제를 사용하여 0.2mm의 두께로서 본딩시킨다. 다음, 도전성 탄성체(26)(예로, 실리콘 고무로 제조된 도전성 고무)를, 압전체(11)의 전극면(12)이 탄성체(26)와 접촉되도록 케이스(15)의 내측에 배치한다. 그 다음, 탄성체(27)(예로, 실리콘 고무로 제조된 도전성 고무)를, 압전체(11)의 전극면(13)에 접촉시킨다. 탄성체(27)를, 단자 블록(19) 단자의 중심부(22) 및 전극면(13)으로써 사이에 끼워 압축한다. 이 상태하에서, 단자 블록(19)의 외주부(23) 및 케이스(15)의 외주부(24)를 전기 용접으로써 접속시킨다. 예를 들어, 단자 블록(19)의 외주부(21) 및 중심부(22)는 철(鐵)로서 제조된다. 단자(18) 및 단자(17)는 각각 외주부(21) 및 중심부(22)에 배치된다. 외주부(21)는 유리재(20)로써 중심부(22)로부터 전기적으로 절연된다. 결과적으로, 전극면(13)은 단자(17)에 전기적으로 접속되어 있고, 전극면(12)은 단자 블록(19)의 외주부(21)를 경유하여 단자(18)에 전기적으로 접속되어 있다.
상기에 설명한 초음파 트랜스듀서(25)에서, 탄성체(11)의 전극면(12) 및 케이스(15)간의 전기적 접속은 본딩에 의하지 않고 탄성체(26 및 27)를 이용한 압축 접속에 의한다. 결과적으로, 접착제 두께의 변동에 의해 야기되는 주파수 특성 및 송수신 감도의 변도이 감소될 수 있고, 이는 고 정도의 계측을 얻을 수 있도록 한다.
본 실시예에서, 실리콘 고무로 제조된 도전성 고무가 탄성체(26 및 27)로서 사용되었으나, 도전성을 가진 탄성 재료라면, NBR 고무, 액정 폴리머등과 같은 어떤 형태의 탄성재가 사용될 수도 있다.
(제3실시예)
다음에서, 도면을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예를 설명한다. 도 4는 본 실시예의 초음파 트랜스듀서의 단면도이다. 참조 번호 (28)은 초음파 트랜스듀서를 나타내고, 이것은, 전극면(12 및 13)을 가진 압전체(11), 정합층(14), 케이스(15), 및 도전성 탄성체(16)로서 구성되며, 이 구성은 도 2에 나타낸 바와 동일하다. 이 구성은, 탄성체(16)의 횡방향 이동을 방지하는 수단으로서 홈(30)이 2개의 단자(17 및 18)를 가진 단자 블록(29)에 구비된다는 점에서 도 2의 그것과 상이하다. 초음파 유량계의 동작 및 기능은 제1실시예의 그것과 동일하며, 여기서 상세한 설명은 하지 않는다.
우선, 단자 블록(29)의 구성을 설명한다. 단자 블록(29)의 외주부(21) 및 중심부(22)는, 예를 들어 철로서 제조되고, 중심부(22)의 두께는 외주부(21)의 두께보다 얇아서 단자 블록(29)의 중심 부근에 홈(30)이 형성된다. 외주부(21)는 유리재(20)로써 중심부(22)로부터 전기적으로 절연되며, 유리재(20)의 두께는 외주부(21)의 두께와 대략 동일하다. 단자(18)는 외주부(21)에 구비되고, 단자(17)는 중심부(22)에 구비된다.
상기 구성으로 단자 블록(29)을 사용하는 초음파 트랜스듀서(28)를 조립하는 방법의 예를 설명한다. 우선, 예를 들면, 정합층(14) 및 압전체(11)의 전극면(12)을, SUS(스테인레스강)로 제조된 케이스(15)의 천정에 에폭시 형태의 접착제를 사용하여 0.2mm의 두께로서 본딩시킨다. 이 경우, 접착제의 두께를 감소시킴으로써, 전극면(12) 및 케이스(15)간의 전기적 접속이 본딩처럼 동시에 성취된다. 다음, 도전성 고무로 제조된 탄성체(16)를 홈(30)안으로 하향 이동시킨다. 이 탄성체(16)를, 전극면(13)과 중심부(22)로써 사이에 끼워 압축한다. 이 상태하에서, 단자 블록(29)의 외주부(23)를 케이스(15)의 외주부(24)에 전기 용접으로써 접속시킨다.
상기 구성의 초음파 트랜스듀서(28)에서, 탄성체(16)의 횡방향 이동은 홈(30)에 의해 방지되고, 이것은, 탄성체(16)의 이동으로 야기되는 접촉 불량을 방지하는 데 기여하며, 신뢰성이 향상된다. 더욱이, 탄성체(16)가 단자 블록(29)의 홈(30)안으로 하향 이동되어, 단자 블록(29)이 고정될 때, 탄성체(16)의 이동을 방지할 수 있게 하고, 또한 조립 공정을 용이하게 한다.
상기 실시예에서, 외주부(21)의 두께는 유리재(20)의 두께와 대략 동일하다. 외주부(21) 및 중심부(22)가 탄성체(16)에 의해 전기적으로 단락되지 않는다면, 두께를 동일하게 할 필요는 없다. 상기에서, 홈(30)은 외주부(21)의 두께보다 중심부(22)의 두께를 더 감소시킴으로써 형성되며, 한편 홈은 중심부(22)에 구비될 수도 있다.
(제4실시예)
다음에서, 도면을 참조하여 본 발명의 아직 또 다른 실시예를 설명한다. 도 5는 본 실시예의 초음파 트랜스듀서의 단면도이다. 참조 번호 (31)은 초음파 트랜스듀서를 나타내고, 이것은, 전극면(12 및 13)을 가진 압전체(11), 정합층(14), 케이스(15), 및 도전성 탄성체(16)로서 구성된다. 이 구성은 도 2에 나타낸 바와 동일하다. 이 구성은, 탄성체(16)의 횡방향 이동을 방지하는 수단으로서 돌기부(33)가 2개의 단자(17 및 18)를 가진 단자 블록(32)에 구비된다는 점에서 도 2a 및 도 2b의 구성과 상이하다. 초음파 유량계의 동작 및 기능은 제1실시예의 그것과 동일하며, 여기서 설명하지 않는다.
우선, 단자 블록(32)의 구성을 설명한다. 단자 블록(32)의 외주부(21) 및 중심부(22)는, 예를 들어 철로서 제조되고, 외주부(21)는 유리재(20)로써 중심부(22)로부터 전기적으로 절연된다. 유리재(20)는, 돌기부(33)가 단자 블록(32)에 구비될 수 있도록 외주부(21) 및 중심부(22)의 두께보다 더 작은 두께를 갖는다. 단자(18)는 외주부(21)에 배치되고, 단자(17)는 중심부(22)에 배치된다.
상기 구성으로 단자 블록(32)을 사용하는 초음파 트랜스듀서(31)를 조립하는 방법의 예를 설명한다. 우선, 예를 들면, 정합층(14) 및 압전체(11)의 전극면(12)을, SUS(스테인레스강)로 제조된 케이스(15)의 천정에 에폭시 형태의 접착제를 사용하여 0.2mm의 두께로 본딩시킨다. 이 경우, 접착제의 두께를 감소시킴으로써, 전극면(12) 및 케이스(15)간의 전기적 접속이 본딩처럼 동시에 성취된다. 다음, 도전성 고무로 제조된 탄성체(16)를 단자 블록(32)의 돌기부(33) 내측에 배치시킨다. 이 탄성체(16)를, 전극면(13)과 중심부(22)로써 사이에 끼워 압축한다. 이 상태하에서, 단자 블록(32)의 외주부(23)를 케이스(15)의 외주부(24)에 전기 용접으로써 접속시킨다.
상기 구성의 초음파 트랜스듀서(31)에서, 탄성체(16)의 횡방향 이동은 돌기부(33)에 의해 방지된다. 이것은, 탄성체(16)의 이동으로 야기되는 접촉 불량을 방지할 수 있도록 하며, 신뢰성을 향상시킨다. 더욱이, 탄성체(16)가 단자 블록(32)의 돌기부(33)로 하향 이동되기 때문에, 단자 블록(32)이 고정될 때, 탄성체(16)의 이동이 방지되고, 이것이 조립 공정을 용이하게 한다.
상기 실시예에서, 돌기부는 유리재(20)위에 형성되나, 돌기부는 중심부(22)의 외주에 구비될 수도 있으며, 중심부(22)는 외주부(21)로부터 절연될 수도 있다.
(제5실시예)
다음에서, 도면을 참조하여 본 발명의 아직 다른 실시예를 설명한다. 도 6은 본 실시예의 초음파 트랜스듀서의 단면도이다. 참조 번호 (34)는 초음파 트랜스듀서를 나타내고, 이것은, 전극면(12 및 13)을 가진 압전체(11), 정합층(14), 케이스(15), 및 2개의 단자(17 및 18)를 가진 단자 블록(19)으로서 구성된다. 이 구성은 도 2에 나타낸 바와 동일하다. 이 구성은, 도전성 탄성체(35)상에 도전부(36) 및 절연부(37)가 배치된다는 점에서 도 2의 구성과 상이하다. 초음파 유량계의 동작 및 기능은 제1실시예의 그것과 동일하며, 여기서 설명하지 않는다.
우선, 도면을 참조하여 도전성 탄성체(35)의 구성을 설명한다. 도 7은 도전성 탄성체(35)의 단면도이다. 도전부(36)는 도전성 실리콘 고무로서 제조되고, 절연 실리콘 고무로서 제조된 절연부(37)는 도전부(36)를 감싸도록 배치된다.
상기한 바와 같은 탄성체(35)를 사용하는 초음파 트랜스듀서(34)를 조립하는 방법의 예를 설명한다. 우선, 예를 들면, 정합층(14) 및 압전체(11)의 전극면(12)을, SUS(스테인레스강)로 제조된 케이스(15)의 천정에 에폭시 형태의 접착제를 사용하여 0.2mm의 두께로 본딩시킨다. 이 경우, 접착제의 두께를 감소시킴으로써, 전극면(12) 및 케이스(15)간의 전기적 접속이 본딩처럼 동시에 성취될 수 있다. 다음, 도전성 탄성체(35)를 압전체(11)의 전극면(13)과 단자 블록(19)의 중심부(22)로써 사이에 끼워 압축한다. 이 상태하에서, 단자 블록(19)의 외주부(23)를케이스(15)의 외주부(24)에 전기 용접으로써 접속시킨다. 단자 블록(19)의 외주부(21) 및 중심부(22)는 예를 들어, 철로서 제조된다. 단자(18)는 외주부(21)에 배치되고, 단자(17)는 중심부(22)에 배치된다. 외주부(21)는 유리재(20)로써 중심부(22)로부터 전기적으로 절연된다. 결과적으로, 전극면(13)은 단자(17)에 전기적으로 접속되어 있고, 전극면(12)은, 또한 외부 전극으로서 사용되는 케이스(15)를 경유하고, 단자 블록(19)의 외주부(21)를 경유하여, 단자(18)에 전기적으로 접속되어 있다.
상기 구성의 초음파 트랜스듀서(34)에서, 절연부(37)는 전기적 접속으로 사용되는 탄성체(35)의 외부 주변에 구비되고, 이것은 조립 공정에서 탄성체(35)의 위치에서 편차가 있을 때일지라도 2개의 외부 전극의 전기적 단락을 방지할 수 있도록 한다. 이것은 전기적 단락에 의해 야기되는 고장을 감소시키며, 조립을 용이하게 하고, 신뢰성을 향상시킨다.
상기 실시예에서, 실리콘 고무로서 제조된 도전성 고무는 도전부(36)를 위한 재료로서 사용되나, 도전성 탄성 재료라면, NBR 고무, 액정 폴리머등과 같은 어떤 형태의 탄성 재료도 사용될 수 있다. 또한, 상기에서, 절연 성질을 가진 실리콘 고무가 절연부(37)의 재료로서 사용되었으나, 다른 형태의 절연 재료가 사용될 수도 있다. 상기에서, 절연부(37)가 도전성 탄성체(35)내에서 도전부(36)를 감싸는 것으로 설계되었으나, 도 8에 나타낸 바와 같이, 즉 도전층(39) 및 절연층(40)이 탄성을 유지하기 위해 교호(交互)로 배치되는, 탄성체(38)를 설계할 수도 있다. 더욱이, 도 8에 나타낸 바와 같이, 탄성체(38)의 최외곽층은 절연층(40)으로서 설계되어, 유리재(20)의 두께가 외주부(21)의 두께보다 더 감소될 때일지라도, 2개의 외부 전극의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
상기 제1실시예 내지 제5실시예에서, 정합층(14)이 케이스(15)에 배치되었으나, 측정될 유체의 형태에 따라 정합층(14)을 구비할 필요가 없을 수도 있다. 상기에서, 케이스(15)는 SUS(스테인레스강)로서 제조 되었으나, 철, 알루미늄, 황동, 동(銅)등과 같은 다른 금속을 사용할 수도 있으며, 표면에 전극을 가진 에폭시 수지와 같은 수지를 사용할 수도 있다. 상기에서, 단자 블록의 외주부(21) 및 중심부(22)는 철로서 제조 되었으나, SUS(스테인레스강), 알루미늄, 황동, 동등과 같은 다른 금속을 사용할 수도 있으며, 표면에 전극을 가진 에폭시 수지와 같은 수지를 사용할 수도 있다. 상기에서, 단자 블록의 외주부(23)는 케이스의 외주부(24)에 전기적으로 용접되었으나, 전기 용접 이외의 용접 또는 본딩이 채용될 수도 있다.
상기 설명에서 명백한 바와 같이, 본 발명에 의해 다음의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따라 초음파를 송수신하는 초음파 트랜스듀서는, 2개의 대향면상에서 전극면을 가지는 압전체, 및 전기적 신호를 압전체로 송신하는 외부 전극부를 포함하며, 압전체 전극면의 하나와 외부 전극부가 도전성 탄성체를 경유하여 전기적으로 접속된다. 결과적으로, 납땜으로 인한 열적 부하가 없기 때문에 주파수 특성이 서로 균일화 되고, 환경 부하도 감소될 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따른 초음파 트랜스듀서는, 2개의 외부 전극부를 구비하고, 압전체 전극면의 하나는 도전성 탄성체를 경유하여 외부 전극부의 하나에 전기적으로 접속되고, 압전체 전극면의 나머지가 외부 전극부의 나머지에 본딩에 의해 전기적으로 접속됨으로써, 납땜으로 인한 열적 부하가 없기 때문에 주파수 특성이 서로 균일하게 되고, 환경 부하도 감소된다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 초음파 트랜스듀서는 2개의 외부 전극부를 구비하고, 압전체 전극면의 각각은 도전성 탄성체를 경유하여 외부 전극부의 각각에 전기적으로 접속됨으로써, 납땜으로 인한 환경 부하가 감소되고, 접착제 두께의 변동으로 야기되는 주파수 특성 및 송수신 감도의 변동이 감소되며, 측정이 고 정도로서 수행될 수 있다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 초음파 트랜스듀서에서, 압전체의 전극면 및 외부 전극부는 도전성 탄성체를 사이에 끼우고 압축하여 전기적으로 접속시킴으로써, 납땜으로 인한 열적 부하가 없기 때문에 주파수 특성의 변동이 감소되고, 초음파 트랜스듀서가 용이하게 조립될 수 있다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 초음파 트랜스듀서는 전기적으로 분리된 2개의 단자를 가진 단자 블록을 구비하며, 2개의 단자는 각각의 외부 전극부에 전기적으로 접속되어서, 리드선을 사용하는 외부 장치에 용이하게 접속될 수 있는 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 초음파 트랜스듀서는 도전성 탄성체가 횡방향으로 이동하는 것을 방지하는 수단을 구비하여, 도전성 탄성체의 이동으로 인한 단선(斷線)을 방지할 수 있으며, 고 신뢰성의 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 초음파 트랜스듀서에서, 이동 방지 수단은 단자 블록에 구성된 홈이고, 외부 전극부의 하나 및 도전성 탄성체가 홈의 내부측에 배열되며, 도전성 탄성체가 홈안으로 하향 이동한다면, 도전성 탄성체의 이동에 의한 불량 접속이 방지될 수 있어서, 고 신뢰성의 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 더욱이, 도전성 탄성체의 이동을 방지할 수 있기 때문에 조립이 용이한 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 초음파 트랜스듀서에서, 도전성 탄성체의 이동 방지 수단은 단자 블록에 구비된 돌기부(突起部)이고, 외부 전극부의 하나 및 도전성 탄성체가 돌기부의 내부측에 배열되어, 돌기부가 도전성 탄성체의 이동을 방지하도록 배열된다면, 횡방향에서 도전성 탄성체의 이동에 의한 불량 접촉이 방지될 수 있어서, 고 신뢰성의 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 더욱이, 돌기부에 의해서 도전성 탄성체의 이동을 방지할 수 있기 때문에 조립이 용이한 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 초음파 트랜스듀서에서, 도전성 탄성체는 도전부 및 절연부를 구비하고, 2개 외부 전극의 전기적 단락이 절연부에 의해서 방지될 수 있어, 고 신뢰성의 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 초음파 트랜스듀서에서, 도전부 및 절연부는 층으로서 교호(交互)로 배열되고, 양측의 최외곽층은 절연층이며, 2개 외부 전극의 전기적 단락이 절연부에 의해서 방지될 수 있어, 전기적 단락으로 야기되는 고장을 방지할 수 있고, 조립이 용이한, 고 신뢰성의 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 초음파 트랜스듀서에서, 적어도 외부 전극부의 하나는 벤딩부를 가지며, 이것은 외부 전극이 고정되는 장소에서 자유도가 증가되어, 조립이 용이한 초음파 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 유량계는, 측정될 유체가 흐르는 유량 측정부와; 2개 대향면상에 전극면을 보유한 압전체, 및 상기 압전체에 전기적 신호를 송신하는 외부 전극부를 가지며, 압전체 전극면의 하나가 도전성 탄성체를 경유하여 외부 전극부에 전기적으로 접속되고, 상기 유량 측정부상에 배열되는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서와; 초음파 트랜스듀서의 하나를 구동하는 구동 회로와; 초음파 트랜스듀서의 나머지에 접속되어 초음파 펄스를 검지하는 수신 검지 회로와; 초음파 펄스의 전파 시간을 측정하는 타이머; 및 타이머의 출력을 근거하여 유량을 연산하는 연산부를 구비한다. 결과적으로, 한 쌍의 초음파 트랜스듀서의 특성이 용이하게 균일화 될 수 있어, 높은 계측 정도를 가진 초음파 유량계를 얻을 수 있다.
상기한 실시예들은 본 발명의 예이고, 따라서 본 발명의 범주는 이 실시예에 한정되는 것이 아니며, 당업자에게는 청구 내용으로써 한정되는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고서도 각종 변형 및 변경을 할 수 있음이 명백하다.
초음파 트랜스듀서를 사용하는 초음파 유량계와 같은 계측 장치에 있어서, 초음파 트랜스듀서의 특성이 용이하게 균일화 되어서 계측 정도의 개선을 도모하며, 납땜을 사용하지 않고, 또한 도전성 탄성체의 횡방향 이동이 방지되어서, 고 신뢰성이고, 조립이 용이하며, 환경 부하를 감소시킬 수 있는 초음파 트랜스듀서를얻을 수 있다.

Claims (12)

  1. 초음파를 송수신하는 초음파 트랜스듀서에 있어서,
    2개 대향면상에 전극면을 가진 압전체; 및
    압전체의 전극면의 하나가 도전성 탄성체를 경유하여 외부 전극부에 전기적으로 접속된, 전기 신호를 상기 압전체로 송신하는 외부 전극부를 포함하는 초음파 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 외부 전극부는 2개의 외부 전극을 포함하고, 상기 압전체의 전극면의 하나는 상기 외부 전극에 도전성 탄성체를 경유하여 전기적으로 접속되고, 상기 압전체의 전극면의 나머지는 상기 외부 전극에 본딩으로써 전기적으로 접속되는 초음파 트랜스듀서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 외부 전극부는 2개의 외부 전극을 포함하고, 상기 압전체의 각각의 전극면은 각각의 상기 외부 전극에 도전성 탄성체를 경유하여 전기적으로 접속되는 초음파 트랜스듀서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 압전체의 전극면 및 상기 외부 전극부는 도전성 탄성체를 사이에 끼우고 압축하여서 전기적으로 접속되는 초음파 트랜스듀서.
  5. 제2항에 있어서, 상기 외부 전극부에 각각 전기적으로 접속되는 2개의 전기적 분리 단자를 가진, 단자 블록을 추가로 포함하는 초음파 트랜스듀서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 도전성 탄성체가 횡방향에서 이동하는 것을 방지하는 수단을 추가로 포함하고, 상기 수단은 상기 단자 블록에 구비되는 초음파 트랜스듀서.
  7. 제6항에 있어서, 도전성 탄성체의 이동을 방지하는 상기 수단은 상기 단자 블록상에 배열된 홈이며, 상기 도전성 탄성체 및 상기 외부 전극부의 하나가 상기 홈의 내부측상에 구비되는 초음파 트랜스듀서.
  8. 제6항에 있어서, 도전성 탄성체의 이동을 방지하는 상기 수단은 상기 단자 블록상에 배열된 돌기부이며, 상기 도전성 탄성체 및 상기 외부 전극부의 하나가 상기 돌기부의 내부측상에 구비되는 초음파 트랜스듀서.
  9. 제2항에 있어서, 상기 도전성 탄성체는 도전부 및 절연부를 포함하며, 2개의 외부 전극은 상기 절연부에 의해서 전기적으로 단락되는 것이 방지되는 초음파 트랜스듀서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 도전부 및 상기 절연부는 층으로서 교호로 배열되고,양측의 최외곽층은 절연층인 초음파 트랜스듀서.
  11. 제1항에 있어서, 상기 외부 전극부는 2개의 외부 전극을 포함하고, 적어도 상기 외부 전극의 하나는 벤딩부를 가지는 초음파 트랜스듀서.
  12. 측정될 유체가 흐르는 유량 측정부와;
    2개 대향면상에 전극면을 보유한 압전체, 및 상기 압전체에 전기적 신호를 송신하는 외부 전극부를 가지며, 압전체 전극면의 하나가 도전성 탄성체를 경유하여 외부 전극부에 전기적으로 접속되고, 상기 유량 측정부상에 배열되는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서와;
    상기 초음파 트랜스듀서의 하나를 구동하는 구동 회로와;
    상기 초음파 트랜스듀서의 나머지에 접속되어 초음파 펄스를 검지하는 수신 검지 회로와;
    상기 초음파 펄스의 전파시간을 측정하는 타이머; 및
    상기 타이머의 출력으로부터 유량을 연산하는 연산부를 포함하는 초음파 유량계.
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