特表 2022-552068 超音波トランスデューサ及び超音波トランスデューサの動作方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-12-15

(54)【発明の名称】超音波トランスデューサ及び超音波トランスデューサの動作方法

(51)【国際特許分類】

   G01F 23/2962 20220101AFI20221208BHJP

【ＦＩ】

G01F23/2962

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022512763

(86)(22)【出願日】2021-05-26

(85)【翻訳文提出日】2022-04-19

(86)【国際出願番号】 EP2021064058

(87)【国際公開番号】W WO2021244919

(87)【国際公開日】2021-12-09

(31)【優先権主張番号】102020114777.5

(32)【優先日】2020-06-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】300002160

【氏名又は名称】ティーディーケイ・エレクトロニクス・アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＴＤＫ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＡＧ

【住所又は居所原語表記】Ｒｏｓｅｎｈｅｉｍｅｒ Ｓｔｒａｓｓｅ １４１ｅ， ８１６７１ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110002664

【氏名又は名称】弁理士法人相原国際知財事務所

(72)【発明者】

【氏名】ゴロスティアガ アルトゥナ， ミケル

(72)【発明者】

【氏名】ルカン， ペーター

【テーマコード（参考）】

2F014

【Ｆターム（参考）】

2F014AB02

2F014FB01

(57)【要約】

超音波トランスデューサ（１）は、ハウジング（４）を有する超音波ユニット（６）を有し、前記ハウジング（４）内には圧電素子（２）が配置されている。前記超音波ユニット（６）は、厚み振動モードでの動作のために構成されている。前記ハウジング（４）から、少なくとも１つの電気的な接続ケーブル（３）が外へ導かれおており、前記接続ケーブル（３）は、前記超音波ユニット（６）とは別個に配置された制御及び／又は評価電子機器（５）との接続のために構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波トランスデューサであって、
ハウジング（４）を有する超音波ユニット（６）を有し、
前記ハウジング（４）内には圧電素子（２）が配置されており、
前記超音波ユニット（６）は、厚み振動モードでの動作のために構成されており、
前記ハウジング（４）から外へ導かれた少なくとも１つの電気的な接続ケーブル（３）を有し、
前記接続ケーブル（３）は、前記超音波ユニット（６）とは別個に配置された制御及び／又は評価電子機器（５）との接続のために構成されている、超音波トランスデューサ。

【請求項2】

前記圧電素子（２）は、前記ハウジング（４）のカバープレート（７）に固定されており、前記超音波ユニット（６）は、圧電素子（２）及びカバープレート（７）から成る系の厚み振動モードにおいて共振状態で動作するように構成されている、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項3】

前記ハウジング（４）はカバープレート（７）を有し、前記圧電素子は前記カバープレート（７）に固定されており、前記接続ケーブル（３）は横方向に前記ハウジング（４）から外へ導かれている、請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項4】

前記ハウジング（４）は、円板状の外形形状を有する、請求項１～３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項5】

前記超音波ユニット（６）は、最大で前記圧電素子（２）の２倍の厚さである、請求項１～４のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項6】

前記接続ケーブル（３）は、同軸ケーブルの形態に構成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項7】

前記圧電素子は、前記ハウジング（４）のカバープレート（７）に固定されており、前記カバープレート（７）は、前記圧電素子（２）の厚み振動を外へ伝達するように構成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項8】

前記カバープレート（７）は、鋼板として構成されている、請求項１～７のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項9】

前記圧電素子（２）の厚さ（t2）及び前記カバープレート（７）の厚さ（t7）は、500kHz～3MHzの範囲の所定の動作周波数において厚み共振状態にある振動が生成されるよう、選択されている、請求項１～８のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項10】

前記圧電素子（２）の厚さ（t2）は、前記カバープレート（７）の厚さ（t7）よりも大きい、請求項１～９のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項11】

前記超音波ユニット（６）は、最大で5mmの厚さ及び最大で5cmの直径を有する、請求項１～１０のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項12】

容器（１５）内の液体の充填レベルの測定のための、請求項１～１１のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサの使用。

【請求項13】

前記超音波ユニット（６）が前記容器（１５）の下面（１６）に配置されている、請求項１～１２のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ及び容器（１５）の配置。

【請求項14】

制御及び／又は評価電子機器（５）が前記接続ケーブル（３）に接続されており、前記制御及び／又は評価電子機器（５）は、コンパクトな電子機器ユニットとして構成されていると共に、前記容器（１５）の側面（２２）に配置されている、請求項１３に記載の配置。

【請求項15】

前記超音波ユニット（６）は、接着剤又は接着テープによって、前記容器（１５）に固定されている、請求項１３又は１４に記載の配置。

【請求項16】

前記超音波ユニット（６）は、前記容器（１５）の重量のみによってその位置に固定されている、請求項１３又は１４に記載の配置。

【請求項17】

前記超音波トランスデューサ（１）が厚み振動モードで駆動される、請求項１～１１のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサの動作方法。

【請求項18】

前記圧電素子（２）は、前記ハウジング（４）のカバープレート（７）に固定されており、前記超音波トランスデューサ（１）は、圧電素子（２）及びカバープレート（７）から成る系の共振状態で駆動される、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記超音波トランスデューサ（１）は、500kHz～3MHzの範囲の周波数で駆動される、請求項１７又は１８に記載の方法。

【請求項20】

超音波ユニットの製造方法であって、
動作周波数が予め定められ、厚み振動モードでの動作のための厚さ（t2）を有する圧電素子（２）が準備され、前記圧電素子（２）がカバープレート（７）に固定され、予め定められた前記動作周波数において共振状態にある厚み振動が達成されるまで、前記カバープレート（７）の厚さ（t7）が変えられる、方法。

【請求項21】

予め定められた前記動作周波数において圧電素子（２）及びカバープレート（７）から成る系の共振状態にある厚み振動が達成されるまで、前記カバープレート（７）の厚さ（t7）が変えられる、請求項２０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば容器内の液体の充填レベルを測定するために構成された、超音波トランスデューサに関する。

【背景技術】

【0002】

充填レベルの測定、したがって容器内の液体の残量の決定は、多くの分野にとって重要である。この例は、熱湯で満たされた家庭用ボイラー、醸造所のタンク、ガスボンベ、農場の貯水槽又は工業分野における化学物質の入ったタンクである。

【0003】

このような容器の多くは、既に一体化されたレベルゲージを含む。一体化されたレベルゲージのない容器では、最も単純な場合には、容器が開放され、充填レベルが、視認によって又は棒を挿入することによって、決定される。しかしながら、これは、しばしば不正確で時間がかかる。更に、このようにして充填レベルのリアルタイム監視は不可能であり、有毒で汚染に対して弱い液体では使用することができない。同様に、このような方法は、加圧容器には不可能である。

【0004】

超音波トランスデューサによって、液体と接触することなく、リアルタイムで、充填レベルを測定することが可能である。特許文献１及び特許文献２には、このような超音波トランスデューサが記載されている。

【0005】

例えば、超音波トランスデューサは、容器の外側に配置することができる。その際、電気信号が、超音波トランスデューサによって、音響信号に変換される。音響信号は、例えば、液面の上方の気体を通って液体の方向に、又は、下から液体を通って気体の方向に、送られる。その時、媒体の境界面では、音響インピーダンスの差に起因して、信号の反射が生じる。反射された信号部分は、次いで、超音波トランスデューサに戻り、電気信号に変換される。液体中の音響信号の伝播時間及び音速から、充填レベルを算出することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】独国特許出願公開第１０２０１５１１３９０８号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１２／０１６３１２６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の課題は、改良された超音波トランスデューサ及び超音波トランスデューサの動作方法を提示することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１の態様によれば、超音波トランスデューサは、ハウジング内に配置された圧電素子を備える超音波ユニットを有する。超音波トランスデューサは、更に、圧電素子の電気的な接続のための１つ又は複数の接続ケーブルを有し、接続ケーブルはハウジングから外へ導かれている。

【0009】

接続ケーブルは、超音波ユニットとは別に設けられた制御及び／又は評価電子機器との接続のために、接続されている。それは、例えば、コンパクトな電子機器ユニットであることができる。

【0010】

超音波ユニットと電子機器とを分離することにより、超音波ユニットのサイズを最小限に抑えることができる。したがって、超音波ユニットは、狭く限られた空間内にも配置することができる。更に、電子機器は、ユーザが容易にアクセス可能な場所に配置することができる。

【0011】

超音波ユニットは、例えば、液体で満たされた容器の充填レベルを測定するために使用される。超音波ユニットは、他の目的のためにも、特に、例えば距離を測定するために、液体中及び固体中で音響信号を生成及び受信するために、使用することができる。超音波ユニットは、特に、数MHzの周波数範囲の超音波を放射及び／又は受信するように構成されている。

【0012】

超音波ユニットは、例えば、容器の下面に配置されるように構成されている。電子機器は、例えば、容器の側面に配置されるように構成されている。超音波ユニットは、容器の内部、例えば液体中に配置することもできる。

【0013】

接続ケーブルは、例えば、同軸ケーブル又はフレキシブルな導体テープの形態で構成されている。

【0014】

圧電素子は、ハウジングのカバープレートに固定することができる。カバープレートは、例えば鋼板である。カバープレートは、他の材料から形成することもできる。生成された音響信号のカバープレートとの境界面における反射を回避するために、カバープレートの音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスに可能な限り近いと、有利である。

【0015】

超音波ユニットは、厚み振動モード、特に厚み共振モードで動作するように構成されている。この場合、圧電素子及びカバープレートの幾何学的形状は、厚さ方向、すなわち、生成された音響信号の伝播方向に対して平行であり、したがって、圧電素子及びカバープレートの主面に対して垂直な方向における、圧電素子の音響振動が、動作中に効率的に使用され得るように、選択されている。音響振動は、カバープレートを介して外へ、例えば液体中に、伝達される。したがって、カバープレートは、音響振動を可能な限り変化させずに外へ伝達するように構成されている。特に、音響振動は、圧電素子からカバープレートを介して液体中に、平面波の形態で伝達される。

【0016】

特に、圧電素子及びカバープレートの全厚さは、所望の動作周波数において共振厚み振動が存在するように、選択することができる。特に、それは、半波共振の形態であり得る。

【0017】

生成すべき音響信号に関して適切な超音波トランスデューサの動作周波数は、レベルゲージとして使用される場合、例えば数MHz又は1MHzよりいくらか低い範囲にある。特に、超音波トランスデューサは、500kHz～3MHzの周波数で動作するように構成することができる。相応して、圧電素子及びカバープレートの幾何学的形状が選択されている。

【0018】

このような動作は、圧電素子の長さ共振周波数での動作のための設計と比較して、超音波ユニットの顕著な小型化を可能にする。

【0019】

しかしながら、カバープレートは、圧電活性材料を含まず、したがって、圧電送受信特性に寄与しないので、カバープレートの厚さは、可能な限り小さくあるべきである。これは、カバープレートの主な機能が、圧電素子を保護し保持することであるため、可能である。カバープレートは、超音波トランスデューサの特性に及ぼす影響が可能な限り小さくなければならず、例えば、共振周波数を微調整する際にのみ役割を果たすべきである。

【0020】

圧電素子の厚さは、特に、カバープレートの厚さよりも大きい。圧電素子の厚さのカバープレートの厚さに対する比は、例えば少なくとも5:1以上である。カバープレートの厚さは、ハウジングの構成要素としてのカバープレートの必要とされる堅牢性が与えられる程度まで、最小限に抑えることができる。例えば、カバープレートは、200μｍ以下の厚さを有する。

【0021】

カバープレートの厚さは、圧電素子及びカバープレートから成る系全体の厚み振動共振を微調整するために、使用することができる。この場合、超音波トランスデューサは、最適な効率で使用される。例えば、微調整のために所望の動作周波数が予め定められ、ほぼぴったりの厚さを有する圧電素子が選択される。カバープレートの厚さは、選択された動作周波数において、圧電素子及びカバープレートから成る系の厚み振動が共振状態で達成されるまで、変化させることができる。

【0022】

超音波ユニットは、非常に小さく構成することができる。例えば、超音波ユニットは、最大で5mmの厚さ及び最大で5cmの直径を有する。特に、超音波ユニットは、最大で2mmの厚さ及び最大で40mmの直径を有することができる。超音波ユニットは、例えばコインのような小さな円板の幾何学的形状及びサイズを有することができる。例えば、超音波ユニットは、圧電素子の厚さの最大で３倍の全厚さを有する。特に、超音波ユニットの全厚さは、圧電素子の厚さの最大で２倍であることができる。

【0023】

本発明の更なる態様は、前述した超音波トランスデューサの使用に関する。超音波トランスデューサは、例えば、容器内の液体の充填レベルを測定するために使用されるよう、構成されている。容器は、例えば、市販の大容量の容器であり、例えば数百リットル～数千リットルの容量を有する。

【0024】

超音波ユニットは安価に製造可能であり、その結果、多くの容器を装備するための大量生産品としても適している。

【0025】

本発明の更なる態様は、特に容器の充填レベルを測定するために使用される場合の、前述した超音波トランスデューサの配置に関する。その場合、超音波ユニットは、例えば大容量の容器のような容器の下面に配置することができる。

【0026】

接続ケーブルは、下面から外へ導かれ、そこで電子機器、特にコンパクトな電子機器ユニットに接続することができる。例えば、電子機器ユニットは、容器の側面に取り付けられている。

【0027】

超音波ユニットは、接着によって、例えば適切な音響インピーダンスを有する接着剤を使用することによって、又は、接着テープを使用することによって、容器に取り付けることができる。超音波ユニットを、容器の重量のみによって、その位置に固定することも可能である。この固定は、特に、超音波ユニットに僅かな重量しか加えない、比較的小さな容器に適している。このような配置の場合、超音波ユニットを組み替える必要なく、容器を迅速に交換することができる。

【0028】

超音波ユニットは、このように固定された場合、損傷又は紛失の際に容易に取り替えることができる。特に、容器への労力を要する取り付けは、必要とされない。ここでは、容器は、超音波ユニットのための受容装置を設ける必要もない。

【0029】

本発明の更なる態様は、前述した超音波トランスデューサの動作方法に関する。その場合、超音波トランスデューサは、厚み振動モードで、特に厚み共振周波数で駆動される。その場合、例えば、超音波トランスデューサは、500kHz～3MHzの周波数で駆動される。この周波数範囲は、液体中を伝播することを意図された音波に、特に好適である。例えば、超音波トランスデューサは、容器の充填レベルの測定方法において、使用される。

【0030】

本発明の更なる態様は、特に超音波ユニットを微調整するための、超音波ユニットの製造方法に関する。それは、前述した超音波ユニットであることができる。ここでは、電子機器ユニットも、別個に構成しなくてもよい。当該方法によれば、例えば500kHz～3MHzの範囲の所望の動作周波数が予め定められ、厚み共振振動を達成するのにほぼぴったりの厚さを有する圧電素子が提供される。カバープレートが準備され、当該カバープレートの厚さは、選択された動作周波数において、圧電素子及びカバープレートから成る系の厚み振動が共振状態で達成されるまで、変えられる。

【0031】

本発明は、複数の態様、特に部品及び方法を包含する。態様のうちの１つについて説明した実施形態は、相応して他の態様にも適用される。

【0032】

更に、本明細書で提示された主題の説明は、個々の特定の実施形態に限定されない。むしろ、個々の実施形態の特徴は、技術的に意味のある限り、互いに組み合わせられ得る。

【0033】

以下において、本明細書で説明された主題が、概略的な実施例に基づいて、詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】超音波トランスデューサの一実施形態を、断面図で示す。

【図2】超音波トランスデューサの一実施形態を、分解図で示す。

【図3】超音波トランスデューサの一実施形態を、概略的な原理図で示す。

【図4】圧電素子及びカバープレートの配置を、概略的な断面図で示す。

【図5】液体容器の充填レベルを測定するためのトランスデューサの使用を、概略的な原理図で示す。

【図6A】超音波トランスデューサ及び容器の配置の一実施形態を、側面図で示す。

【図6B】超音波トランスデューサ及び容器の配置の一実施形態を、詳細な側面図で示す。

【図6C】超音波トランスデューサ及び容器の配置の一実施形態を、下面図で示す。

【図7】超音波トランスデューサ及び容器の配置の別の実施形態を、側面図で示す。

【図8】超音波トランスデューサ及び容器の配置の別の実施形態を、側面図で示す。

【図9A】超音波トランスデューサ及び容器の配置の別の実施形態を、側面図で示す。

【図9B】超音波トランスデューサ及び容器の配置の別の実施形態を、下面図で示す。

【発明を実施するための形態】

【0035】

好ましくは、以下の図面においては、同一の参照符号が、種々の実施形態の機能的に又は構造的に対応する部分を参照している。

【0036】

図１は、超音波トランスデューサ１の一実施形態を。断面図で示している。超音波トランスデューサ１は、電気信号から超音波を生成するための、及び／又は、受信した超音波から電気信号を生成するための、圧電素子２を有する。圧電素子２は、特に圧電セラミック素子、例えばＰＺＴセラミックである。例えば、圧電素子２は、円板の形態で構成されている。それは、他の幾何学的形状を有する小さなプレートであってもよい。

【0037】

圧電素子２は、１つ又は複数の接続ケーブル３に接続されている。接続ケーブル３は、電極（ここでは図示せず）、例えば、圧電素子２の対向する主面上に配置された２つの平坦な電極に接続されている。電極間に電圧が印加されると、圧電素子２は振動状態に移行することができ、その結果、超音波領域の音波が生成される。

【0038】

圧電素子２は、ハウジング４内に配置されている。ハウジング４は、水密に構成することができる。例えば、ハウジング４は、外へ向かって円板状であり、特に、幾何学的形状及びサイズにおいてコインと同様に構成されている。超音波ユニット６のサイズが小さいため、超音波トランスデューサ１は、特に良好に事後的にも、容器に取り付けることができる。

【0039】

接続ケーブル３は、ハウジング４の開口１２を通って導かれ、制御及び／又は評価電子機器５（図３）に接続されるように構成されている。それは、特に、コンパクトな電子機器ユニットであることができる。それは、ここでは特に、制御及び／又は評価電子機器である。制御及び／又は評価電子機器は、必ずしもコンパクトなユニットとして構成されている必要はなく、ユーザによって柔軟に選択され得る。したがって、超音波トランスデューサ１は、柔軟に使用され得る小さなサイズの超音波ユニット６を有している。

【0040】

圧電素子２は、ハウジング４のカバープレート７の下面に固定されている。圧電素子２は、例えば接着層９によって、カバープレート７に固定されている。接着層９は、妨害的な反射を阻止するために、可能な限り薄く構成されている。例えば、接着層９は、15μｍ以下の厚さを有する。

【0041】

カバープレート７は、例えば鋼板として構成されている。カバープレート７は、他の材料から形成することもできる。特に、カバープレート７は、圧電素子２の音響インピーダンスに可能な限り近い音響インピーダンスを適合させることができる。このようにして、カバープレート７との境界面での望ましくない反射を回避することができ、カバープレート７は、圧電素子２の音響振動を外へ向かって可能な限り変化させずに放出する。

【0042】

したがって、圧電素子２の振動は、カバープレート７の膜状の機械的な振動、すなわち例えば強固にクランプされた端部領域を有する弦の振動を発生させるために機能するのではなく、正に外へ向かって放出されることを意図された音響信号である。特に、音響振動は、カバープレートを介して液体中に伝達される平面波の形態で生成される。

【0043】

したがって、カバープレート７及び圧電素子２の直径は、同様に構成することができる。なぜなら、カバープレート７は、機械的に膜振動可能であるように構成されている必要はなく、したがって、圧電素子２も、カバープレート７の機械的な膜状の振動を可能にする必要がないからである。

【0044】

例えば、圧電素子２の音響インピーダンスは35MRaylであり、鋼製カバープレートの音響インピーダンスは45MRaylである。

【0045】

カバープレート７は、超音波ユニット６の放射面８を形成している。音波１７は、放射面８から放射されるか、又は、放射面８を介して受信される。特に、カバープレート７は、ハウジング４の一部であり、別のハウジング部分に例えば接着されている。カバープレート７は、圧電素子２の保護に寄与し、支持体として機能する。

【0046】

圧電素子２の下面とハウジング４の下面との間には、背面構造（いわゆる「エアバッキング」）１１が配置されている。背面構造は、装置のロバスト性の向上に寄与するが、圧電素子２の振動に及ぼす影響は可能な限り小さくなければならない。構造１１は、例えば鋭いパルスが必要とされる用途のために、トランスデューサの帯域幅が増大されるように構成することもできる。

【0047】

例えば、超音波ユニット６の機械的な補強のために、又は、超音波ユニット６を信号源及び接続ケーブル３に電気的に適合させるためにも、１つ又は複数の付加的な要素１３を、ハウジング４の側縁領域に配置することができる。例えば、付加的な要素１３によって歪み時間（Klirrzeit）を短縮することができ、又は、パルス励起のための帯域幅を増大させることができる。例えば、付加的な要素１３は、漏れ抵抗及び／又は電気的な適合のための構造であることができる。例えば、構造は、接続ケーブル３が接続された回路基板（PCB、「Printed Circuit Board」）に配置することができる。付加的な要素１３は、ハウジング４の側部又は回路基板であってもよい。

【0048】

図２は、超音波トランスデューサ１の超音波ユニット６の一実施形態を、分解図で示している。超音波ユニット６は、実質的に、図１に示された超音波ユニット６と同様に構成されている。

【0049】

ハウジング４は、カバープレート７と、側部２５と、下面１０とを有する。特に、ハウジング４は、これら３つの構成要素から成ることができる。付加的に、ハウジング４は、絶縁材料で封止することができる。

【0050】

開口１２は、ハウジング４の下面１０を通り、ハウジング４の環状の側部２５を通って延びている。側部２５は、一方では、下面１０とカバープレート７との間のスペーサとして機能する。更に、側部２５は、回路基板（「PCB」）として構成されていてもよく、そこには、圧電素子２を接続ケーブル３及び電子機器５に適合させるための付加的な要素が組み込まれている。

【0051】

超音波ユニット６を製造するために、カバープレート７は、例えば箔、特に鋼箔から切り出すことができる。これは、より厳しい公差（±3μｍ）での製造を可能にする。箔及びそれから製造されたカバープレート７は、例えば200μｍ以下の厚さを有する。特に、厚さは、100μｍ以下であることができる。例えば、50μｍの厚さは更に良好に製造可能である。このように小さな厚さにより、共振周波数の確実な調整が可能になり、カバープレート７が超音波ユニット６の特性に与える影響が低減される。

【0052】

続いて、圧電素子２が、カバープレート７に接着により固定される。例えば、圧電素子２は、900μｍの厚さを有する。接着層９は、可能な限り薄く構成されている。例えば、接着層９は、15μｍ以下の厚さを有し、その結果、超音波ユニット６の特性に及ぼす影響は可能な限り小さくなる。

【0053】

続いて、環状の側部２５が、カバープレート７に固定され、例えば接着される。環状の側部２５は、金属部品又は回路基板であってもよい。接続ケーブル３は、圧電素子２又は回路基板に、例えばはんだ付けにより固定される。回路基板は、例えば150μｍの厚さを有する。圧電素子２は、例えば一方の面の上に、接続ケーブル３を固定するためのスパッタリングされた銀層を有する。

【0054】

最後に、背面構造１１が配置され、ハウジング４が、下面１０、特にベースプレートを固定することにより、外へ向かって閉じられる。背面構造１１は、例えば、200μｍの厚さの多孔ポリマー又は金属プレートとして構成されている。背面構造１１は、とりわけ超音波ユニット６の機械的な安定化に寄与するが、可能な限り小さな音響インピーダンス、特に空気と同様のインピーダンス（「エアバッキング」）を有するべきである。下面１０は、例えば、300μｍの厚さのプレートとして構成されている。ハウジング４は、全体として、平坦なボタン電池の形状を有することができる。短絡を防止するために、例えば更に絶縁も意図されている。

【0055】

例えば、ハウジング４全体は、1.5mmの外厚t及び20mmの直径Dを有する。ハウジング４の厚さは、超音波ユニット６の全厚さに対応する。動作のために使用される共振周波数は、例えば2MHzである。

【0056】

超音波トランスデューサ１は、例えば、超音波ユニット６及びそれに接続された接続ケーブル３の形態で製造される。電子機器５は、この場合、顧客自身によって準備され、簡単な方法で接続ケーブル３に接続することができる。したがって、超音波ユニット６の電気的な接続は、例えば、同軸ケーブル又はフレキシブルケーブルの形態の接続ケーブル３によって良好に規定され、電気的な寄生効果による動作特性の悪化が防止される。

【0057】

図３の原理図に示されているように、例えば電子機器ユニットの形態の制御及び／又は評価電子機器５は、ハウジング４とは別個に設けることができる。接続ケーブル３の長さは、柔軟に、例えば0.1m～2mの長さで選択することができ、その結果、超音波トランスデューサ１は、電子機器５から空間的に分離して配置することができる。接続ケーブルは、特に、少なくとも0.5mの長さを有することができる。接続ケーブル３は、例えば、同軸ケーブル又はフレキシブル回路基板であることができる。

【0058】

したがって、超音波トランスデューサ１は、測定位置に、特に狭い空間内に、柔軟に配置することができる。電子機器５は、同様に、特にユーザが容易にアクセス可能な場所に、柔軟に配置することができる。

【0059】

このような超音波ユニット１は、製造コストが安価であり、その結果、測定対象の容器が多数の場合であっても、各容器に超音波ユニット１を装着することができる。電子機器５は、この場合、必要に応じて接続及び再び分離することができる。

【0060】

図４は、例えば図１～３の超音波トランスデューサ１の超音波ユニット６における、圧電素子２とカバープレート７との例示的な厚さ比を、概略的な断面図で示している。

【0061】

圧電素子２は、例えば0.9mmの厚さt2を有する。直径D2は、例えば15mmである。カバープレート７は、例えば0.1mmの厚さt7を有する。直径D7は、例えば20mmである。接着層９は、ここでは無視される。直径は、ここでは縮尺通りに示されていない。

【0062】

圧電素子２は、この場合、圧電素子２及びカバープレート７から成る系の厚み振動モードで、特に厚み共振周波数で動作するよう、構成されている。したがって、厚さ方向、すなわちここに示された垂直方向における圧電素子２の伸張は、厚さ方向に対して平行な電界強度を有する電圧が印加される場合に、利用される（ｄ３３効果）。圧電素子２及びカバープレート７に、カバープレート７の主面に対して垂直に伝播する音響平面波が生成される。

【0063】

カバープレート７と圧電素子２の音響インピーダンスが同様である場合、カバープレート７は圧電素子の延長部のように作用するが、圧電特性はない。したがって、カバープレート７の厚さt7は、超音波ユニット６の最終共振周波数を微調整するために使用される。特に、例えば2MHzの所望の動作周波数が意図され得る。圧電素子２及びカバープレート７の全厚さは、厚み振動が共振状態にあるように選択される。この場合、超音波ユニットは、特に効率的に、特に厚み共振周波数で動作する。

【0064】

均質な材料については、音速v、生成された音響振動の周波数f及び波長λの間の以下の関係を導出することができる：v=f*λ。圧電素子２の圧電材料及びカバープレート７の材料から成る複合構造については、系全体の等価音速から波長λを決定することができる。例えば、2MHzの動作周波数において、圧電素子２及びカバープレート７から成る系全体における等価音速v=4000m/sの場合、波長はλ=4mmである。したがって、圧電素子２及びカバープレート７の全厚さは、最適な場合、λ/2=2mmである。

【0065】

例えば、選択された厚さ（圧電素子0.9mm；カバープレート0.1mm）の場合、共振周波数は2MHzである。厚さが、例えば2mmの全厚さまで増大される場合、共振周波数は、例えば1MHzである。

【0066】

可能な限り明確な共振周波数を得るために、圧電素子２の直径D2のその厚さt2に対する比は、例えば10:1又は15:1以上、例えば20:1に選択される。したがって、15:1の比率では、1mmの厚さでは直径は例えば15mmであり、2mmの厚さでは直径は30mmである。

【0067】

カバープレート７の厚さは、最小限に抑えることができる。例えば、カバープレート７の厚さの圧電素子の厚さに対する比は、1:5以下である。図示された実施形態では、厚さは1:9である。特に、超音波トランスデューサ１の圧電特性に及ぼす影響を可能な限り小さくし、かつ、音響振動を可能な限り妨害されることなく外へ向かって伝達するために、厚さは、必要とされるロバスト性に応じて、50μｍ以下であることができる。しかしながら、選択された厚さが0.1mmの場合であっても、装置は、2MHzで明確に規定された共振周波数を示す。これは、特に、カバープレート７の厚さを小さくし、相応して圧電素子２の厚さを減少させることによりカバープレート７の厚さを補償することによって、達成される。

【0068】

超音波ユニット６の共振周波数は、妨害の影響を僅かしか受けない。特に、共振周波数は、特に、力が超音波ユニット６の側面又は下面に作用する場合、選択された取り付け方法によって変化しない。音響信号は、超音波ユニット６の表面のみを起点として外へ向かって伝達され、他の面は、音響的にパッシブに構成されている。

【0069】

図５は、容器１５内の液体１４の充填レベルを測定するための超音波トランスデューサ１の使用を示している。

【0070】

超音波ユニット６は、容器１５の下面１６に固定することができる。例えば、超音波ユニット６は、音響結合材料としても機能し得る接着剤又は接着テープによって、容器に固定される。特に接着テープを使用する場合、音響振動の伝達を改善するために、超音波ユニット６と容器１５との間に音響適合材料、例えばゲルを配置することができる。超音波ユニット６は、電気信号を、液体１４を通って上方に移動する音響信号１７に変換する。特に、超音波ユニット６は、圧電素子２及びカバープレート７から成る系の厚み共振周波数に対応する周波数で駆動される。圧電素子２及びカバープレート７の幾何学的形状に応じて、共振周波数は、例えば500kHz～3MHzである。

【0071】

液体１４の上方にある気体１９、例えば空気との境界面１８において、信号１７の一部が反射される。反射された信号２０は、超音波ユニット６に戻り、そこで電気信号に変換される。液体１４内の信号伝播時間及び音速から、液体レベル、すなわち境界面１８の位置を決定することができる。制御及び評価のための電子機器５は、ユーザが容易にアクセス可能な場所にあり、接続ケーブル３によって超音波ユニット６に接続されている。

【0072】

容器１５の外側に超音波ユニット６を配置することに代えて、超音波ユニット６を容器１５の内部の底に、特に液体１４内に配置することも可能である。このために、超音波ユニット６は、液密に封止されている。

【0073】

本発明による超音波トランスデューサは、約1MHz、例えば800kHz～3MHzの範囲の共振周波数で動作する場合、音響信号１７が液体１４を通って進み、気体１９との境界面１８で反射されるような動作に、特に適している。

【0074】

図６Ａ～６Ｃは、超音波トランスデューサ１及び容器１５の配置の一実施形態を示している。図６Ａは、容器１５の側面図における配置を示している。図６Ｂは、容器１５の下面近傍の、図６Ａの詳細図を示している。図６Ｃは、容器１５の下面１６を見た詳細図を示している。

【0075】

容器１５は、例えば、標準的な形状の、例えば、210リットルの容積を有するバレルである。容器１５は、例えばプラスチックから成る。容器１５は、キャリア２３、特にパレット２１の上に配置されている。

【0076】

超音波ユニット６の寸法が小さく、電子機器５から分離されているため、超音波ユニット６は、容器の下面に配置することができ、その場合、狭い空間領域、例えば小さな窪みに配置することができる。図６Ｃに見られるように、超音波ユニット６はパレットのボード間に配置されている。

【0077】

接続ケーブル３は、薄く形成されており、その結果、パレット２１の隙間を通って電子機器５に導かれている。電子機器５は、容器１５の側面２２に配置されており、したがって、ユーザが容易にアクセス可能である。

【0078】

図７は、ここではいわゆるＩＢＣ容器（「Intermediate Bulk Container」）である容器１５への超音波トランスデューサ１の同様の配置を示している。このような容器１５は直方体に構成されており、例えば500～3000リットルの容積を有する。容器１５は、プラスチック内壁を有し、金属プロファイルフレームによって取り囲まれている。容器１５は、同様にパレット２１の上に配置されている。

【0079】

図８は、容器１５への超音波トランスデューサ１の別の配置を示している。容器１５は、キャリア２３の上に配置されている。キャリア２３は、例えば、容器１５のための受容部を有する。それは、単にプレートであってもよい。超音波ユニット６は、容器１５の下面に配置されており、容器１５の重量のみによってその位置に固定されている。

【0080】

接続ケーブル３は、容器１５の下面及び側面において、電子機器５へ導かれている。

【0081】

この配置は、比較的小さな容器１５、例えば数リットルの容積を有する容器に好適である。容器１５が空である場合、当該容器は単に満たされた容器と交換することができ、超音波ユニット６は、交換の際、キャリア２３の上に載ったままである。

【0082】

図９Ａ及び９Ｂは、超音波トランスデューサ１及び容器１５の配置の別の実施形態を示している。これは、例えば210リットルの容積を有する、標準形状の市販のバレルである。

【0083】

この配置では、容器１５は、キャリアの上に配置されておらず、単に平坦な床の上に置かれている。容器１５は、その下面１６において、その内壁に窪み２４を有する。この窪みに超音波ユニット６が配置されており、例えば、容器１５に接着されている。窪み２４は、わずか数ミリメートルの深さであることができるが、これは、小さな超音波ユニット６を完全に窪み２４の中に配置するのに十分であり、その結果、容器１５が超音波ユニット６に重力を及ぼすことはない。

【0084】

接続ケーブル３は、窪み２４を通って下面１６に沿って容器１５の側面２２に導かれ、そこに取り付けられた電子機器５に接続されている。

【0085】

超音波ユニット６を容器１５に固定する場合、超音波ユニット６のエミッタ側と容器１５の表面との間の音響結合は、良好な音響結合を有するゲル、接着剤又はポリマーマットを使用することにより、最適化することができる。

【符号の説明】

【0086】

１ 超音波トランスデューサ
２ 圧電素子
３ 接続ケーブル
４ ハウジング
５ 制御及び／又は評価電子機器
６ 超音波ユニット
７ カバープレート
８ 放射面
９ 接着層
１０ 下面
１１ 背面構造
１２ 開口
１３ 付加的な要素
１４ 液体
１５ 容器
１６ 容器の下面
１７ 波
１８ 境界面
１９ 気体
２０ 反射された波
２１ パレット
２２ 側面
２３ キャリア
２４ 窪み
２５ 側部
t 容器の厚さ
D 容器の直径
t7 カバープレートの厚さ
t2 圧電素子の厚さ
D7 カバープレートの直径
D2 圧電素子の直径

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【国際調査報告】