(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏板の表面に形成された絶縁層とその裏面に形成された電極とを有する当該裏板と、この裏板の上に超音波発生器として取り付けられた振動板とを備えたセンサヘッドから構成され、平面方向の応力が、前記振動板に印加されている超音波トランスデューサにおいて、
前記振動板は、少なくとも１つのリングに溶接されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記振動板は、２つのリング間で押圧されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記振動板の材料が、ニッケル・クロム合金、オーステナイト鋼、フェライト鋼又は「超合金」のグループから選択されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記振動板は、少なくとも１６％のクロム含有量を有し且つ少なくとも１％のアルミニウム含有量を有する材料から成ることを特徴とする請求項３に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記絶縁層は、アモルファス構造を有する材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記絶縁層は、複数のアモルファス層から成ることを特徴とする請求項５に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記裏側は、多層構造を有し、このとき、少なくとも１つの層が、前記裏板の母材に対する拡散隔膜を形成し、及び、当該外層が、白金から成ることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記センサヘッドは、前記超音波トランスデューサのその他の部品に関係なく交換可能な部品として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
超音波放射面用の加熱装置が設けられていることを特徴とする請求項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】
前記振動板の上面の領域と下面の領域とが、前記超音波トランスデューサ内の複数の電気接続路を通じて接続されていることを特徴とする請求項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】
フィルタが、前記電気接続路に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１２】
前記センサヘッドの前記裏板の当該電気接触は、ばね式ピンによって実現されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１３】
金属製の中間板が、前記ピンと前記裏板との間に差し込まれていることを特徴とする請求項１２に記載の超音波トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、裏板の表面に形成された絶縁層とその裏面に形成された電極とを有する当該裏板を備えたセンサヘッドから構成される静電容量型超音波トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日では、主に２種類の超音波トランスデューサが、大気環境又は気体環境内の用途に対して使用される。これらの超音波トランスデューサとは、圧電型超音波トランスデューサ及び／又は静電容量型超音波トランスデューサである。これらの２つの種類の超音波トランスデューサは、その機能原理及び音響特性は別として、適度な温度で且つ過酷でない媒体のときにだけ使用され得る。
【０００３】
実際には、より高い温度を呈する用途が存在する。当該用途では、例えば、内燃機関の設計・開発では、従来の測定技術が使用できなかった。この場合には、排気温度が、排気系統内の流量センサの稼働状況及び位置に応じて、（例えば、人口気候室内のエンジンのコールドスタート時の）−４０℃から約１０００℃まで達し得る。また、例えば、全負荷時のエンジン動作から牽引動作に負荷変動するときに、内燃機関の排気温度が、突然に且つ激しく変化しうるという事実も重要である。使用されるセンサは、当該温度変動負荷に耐えなければならない。
【０００４】
圧電型超音波トランスデューサ（最近開発されたものは、例えば、独国特許第１００４０３４４号明細書、独国特許第４４３４６９２号明細書、独国特許第１０２００６０２６６７４号明細書、独国特許第１０２００８０２７９７０号明細書、独国特許第１０２００９０３２８０９号明細書及び独国特許第２０２００４００２１０７号明細書に開示されている）は、３５０℃未満の温度のときだけで使用され得る。この制約は、使用される圧電性結晶のキュリー温度から生じる。当該圧電性結晶は、このキュリー温度を超えた後にその圧電特性を失う。持続する温度変動負荷が、当該センサで材料疲労を引き起こしうる（圧電性結晶の経年劣化）。
【０００５】
従来の静電容量型超音波トランスデューサも、希望した耐熱性を有しない。当該静電容量型超音波トランスデューサの、導電基板によって押圧された金属被覆振動板が、同時に静電容量の絶縁層を形成する。この場合、例えば、Ｄ．Ａ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓ，Ｄ．Ｗ．Ｓｃｈｉｎｄｅｌ，Ａ．Ｇ．Ｂａｓｈｆｏｒｄ，ａｎｄ  Ｗ．Ｍ．Ｄ．Ｗｒｉｇｈｔ，“Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎ”，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３６，１９９８で説明されているように、振動板の誘電体材料として一般に使用される合成樹脂フォルム又は窒化珪素から成る振動板が、温度要求を満足し得ない。純粋な金属の振動板を使用しても、酸化が、３００℃より高い温度で既に発生する。トランスデューサの振動板の厚さが薄い場合、当該酸化は、その振動板を早く劣化させる。
【０００６】
当該振動板の耐熱性に加えて、上記の従来の絶縁層及び電極の耐熱性も、十分に高くない。特に、絶縁層中の絶縁破壊が、高い温度によって促進される。当該絶縁破壊は、センサの経年劣化を引き起こす。当該絶縁層の、その温度による再編成つまり再結晶化が、当該センサの経年劣化の原因である。裏側電極の場合には、シリコン結晶中への金属層の拡散が、当該高い温度によって加速される。この拡散は、一定の期間後に当該電極を完全に消失させる。熱変動負荷が印加されると、それらの熱膨張係数の不整合によって、絶縁層が、支持材から剥離する、又は、振動板が、センサケースから抜け出る。このことは、センサの劣化を意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】独国特許第１００４０３４４号明細書
【特許文献２】独国特許第４４３４６９２号明細書
【特許文献３】独国特許第１０２００６０２６６７４号明細書
【特許文献４】独国特許第１０２００８０２７９７０号明細書
【特許文献５】独国特許第１０２００９０３２８０９号明細書
【特許文献６】独国特許第２０２００４００２１０７号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｄ．Ａ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓ，Ｄ．Ｗ．Ｓｃｈｉｎｄｅｌ，Ａ．Ｇ．Ｂａｓｈｆｏｒｄ，ａｎｄ  Ｗ．Ｍ．Ｄ．Ｗｒｉｇｈｔ，“Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎ”，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３６，１９９８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、超音波トランスデューサの構造を改良することにある。数百℃まで上昇した耐熱性が、当該改良された超音波トランスデューサの構造によって、強酸化性溶媒及び強還元性溶媒の中でも達成され得る。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題は、本発明によれば：
裏板の表面に形成された絶縁層とその裏面に形成された電極とを有する当該裏板と、この裏板の上に超音波発生器として取り付けられた振動板とを備えたセンサヘッドから構成され、平面方向の応力が、前記振動板に印加されている超音波トランスデューサにおいて、
前記振動板は、少なくとも１つのリングに溶接されていることによって解決される。
【００１１】
したがって、第１の実施の形態によれば、前記振動板は、２つのリング間で押圧されている。
【００１２】
一方、別の実施の形態は、前記振動板は、少なくとも１つのリングに溶接されていることを特徴とする。
【００１３】
特に、前記振動板の材料が、ニッケル・クロム合金、オーステナイト鋼、フェライト鋼又は「超合金」のグループから選択されていることが提唱されている。
【００１４】
この場合、特に、前記振動板が、少なくとも１６％のクロム含有量を有し且つ少なくとも１％のアルミニウム含有量を有する材料から成るときに、当該材料は有益である。
【００１５】
上記の課題を解決するため、前記絶縁層が、アモルファス構造を有する材料から成る実施の形態も適する。
【００１６】
特に、前記絶縁層が、複数のアモルファス層から成ることが提唱されている。
【００１７】
上記の課題は、前記裏側が多層構造を有し、このとき、少なくとも１つの層が前記裏板の母材に対する拡散隔膜を形成し、及び、当該外層が白金から成るという本発明の振動板によっても解決される。
【００１８】
好ましくは、前記センサヘッドは、前記超音波トランスデューサのその他の部品に関係なく交換可能な部品として形成されていることがさらに提唱されている。
【００１９】
本発明の超音波トランスデューサの好適な実施の形態は、超音波放射面用の加熱装置が設けられていることを特徴とする。
【００２０】
本発明の超音波トランスデューサの別の好適な実施の形態は、前記振動板の上面の領域と下面の領域とが、この超音波トランスデューサ内の複数の電気接続路を通じて接続されていることを特徴とする。
【００２１】
したがって、好ましくは、フィルタが、当該電気接続路に設けられている。
【００２２】
本発明の別の特徴は、前記センサヘッドの前記裏板の当該電気接触は、ばね式ピンによって実現されている点にある。
【００２３】
したがって、好ましくは、金属製の中間板が、前記ピンと前記裏板との間に差し込まれている。
【００２４】
上記の特徴及び材料の適切な選択によって、数百℃までの耐熱性が、強酸化性溶媒及び強還元性溶媒の中でも達成され得る。低い温度範囲内では、超音波トランスデューサの機能性が、結露を阻止するために超音波トランスデューサ用の加熱装置を使用することによって保証される。流通ルートを通じて入手可能な従来の技術では、超音波トランスデューサの使用に限界があったあらゆる場所でも、本発明の超音波トランスデューサは、上記の特別な特性に起因して使用され得る。当該超音波トランスデューサに対する例は、化学工業若しくは食品工業におけるプロセス制御のための超音波流量計、沖合のパイプライン向けの正確なガス流量測定のためのセンサでもよく、又は内燃機関の開発でもよい。
【００２５】
以下の説明において、本発明を例示的に且つ好適な実施の形態の添付図面を参照して詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の超音波トランスデューサの断面図である。
【図２】当該超音波トランスデューサ用の加圧された振動板の本発明の実施の形態の投影図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下で説明されている超音波トランスデューサは、耐熱性、耐酸化性及び耐腐食性を特徴とし、高い機械的負荷、熱負荷及び化学的負荷を呈する使用分野における様々な製品に対して応用されている。図１で分かるように、センサヘッドが、ケース上部１とケース下部２とから構成される。当該両部材１，２は、互いにねじ止めされていて、必要ならば、ねじ止めせずに互いに結合されてもよい。裏板３が、その表面に形成された絶縁層４と、その裏面に形成された裏側電極５とを有する。また、当該絶縁層４は、アモルファス構造を成す材料から形成されている、特に複数のアモルファス層から形成されている。裏側電極５自体が、多層構造を有してもよい。この場合、少なくとも１つの層が、裏板３の母材に対する拡散隔膜を形成する。さらに、白金から成る外層が設けられてもよい。
【００２８】
図２で分かるように、本発明の超音波トランスデューサの当該振動板６は、押圧リング７内に固定されている。この方式の、振動板６の押圧によって、平面方向の応力が、この振動板６に印加され得る。具体的には、例えば、２つのリングが設けられ得る。振動板６が、これらのリング２間で押圧されている。また、少なくとも１つのリング７に溶接された振動板６を有する実施の形態も提唱され得る。当該振動板は、一般にはニッケル・クロム合金、オーステナイト鋼、フェライト鋼又は「超合金」から形成される。この場合、クロム含有量は、少なくとも１６％になり、アルミニウム含有量は、少なくとも１％になる。
【００２９】
低温下での稼働時の結露を阻止するため、超音波トランスデューサのケース上部１を包囲する加熱装置８が設けられている。この加熱装置８は、特に超音波放射面を希望した温度に維持する。
【００３０】
特にフィルタ１０を有する電気接続路９が、振動板６の上面の領域と下面の領域とを接続するために、ケース内、特にケース下部２内と、裏板３及び裏側電極５の裏側の後方接触板１２内とに設けられている。センサヘッドの裏板３の電気接触を実現するため、ばね式ピン１１が、この後方接触板１２に接触している。
【００３１】
好ましくは、当該センサヘッドは、超音波トランスデューサのその他の部品に関係なく交換可能な部品として形成されている。
【符号の説明】
【００３２】
１    ケース上部
２    ケース下部
３    裏板
４    絶縁層
５    裏側電極
６    振動板
７    押圧リング
８    加熱装置
９    電気接続路
１０  フィルタ
１１  ばね式ピン
１２  後方接触板
【図１】
0005847930.tif 000002
【図２】
0005847930.tif 000003