(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング（２）および該ケーシング（２）内に配置されている超音波変換器（３）を備え、該超音波変換器（３）により超音波信号を形成および／または検出し、該超音波信号を前記超音波変換器（３）から前記ケーシング（２）の超音波窓（４）を介して送出および／または受信する、超音波流量計のための超音波センサにおいて、
前記超音波変換器（３）と前記ケーシング（２）の前記超音波窓（４）との間に薄くて比較的柔らかい固体中間層（５）が設けられており、該固体中間層（５）と接触する前記超音波窓（４）の表面は所定の粗さを有しており、前記超音波変換器（３）には力が加えられており、前記固体中間層（５）および前記超音波窓（４）の材料と、前記超音波窓（４）の表面の前記所定の粗さと、前記力とは、前記固体中間層（５）が少なくとも可塑性の変形によっても前記ケーシング（２）の前記超音波窓（４）に密着しているように相互に調整されており、
前記超音波変換器（３）と前記ケーシング（２）の前記超音波窓（４）との間のコンタクト面の塑性特性値（ψ）は０＜ψ≦８であり、
前記コンタクト面の前記塑性特性値（ψ）は、前記超音波窓（４）の表面の凹凸部の小さい標準偏差（σs）および／または大きい曲率半径（Ｒ）に基づき、可能な限り小さいことを特徴とする、超音波センサ。
【請求項２】
前記固体中間層（５）と前記ケーシング（２）の前記超音波窓（４）との間の前記コンタクト面は、前記固体中間層（５）の可塑性の変形に基づき可能な限り大きい、請求項１記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記固体中間層（５）は−２００℃から＋３００℃の温度領域において凝集状態「固体」にある、請求項１または２記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記固体中間層（５）は金属または金属合金から構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記固体中間層（５）は銀、金または白金から構成されている、請求項４記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記固体中間層（５）は前記超音波信号の伝播方向において、伝送すべき超音波信号の波長の１／１０よりも薄い、請求項１から５までのいずれか１項記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーシングおよびこのケーシング内に配置されている超音波変換器を備えた超音波センサ、殊に超音波流量計に関する。超音波変換器により超音波信号を形成および／または検出することができ、また超音波信号を超音波変換器からケーシングの超音波窓を介して送出および／または受信することができる。
【背景技術】
【０００２】
冒頭で述べた超音波センサは以前から公知のものであり、例えば超音波流量計の方法技術の分野において使用されている。本発明においては超音波センサのその分野への使用が重要なのではなく、むしろ以下において説明する本発明の教示は多数の種々の超音波センサに適用することができる。
【０００３】
ここで問題となる超音波センサにおいては、超音波変換器とケーシングの超音波窓との可能な限り良好な接続が決定的に重要である。「可能な限り良好な」接続とは、一方では超音波変換器の表面によって形成され、他方では超音波窓の表面によって形成されるコンタクト面が可能な限り大きいことにより、超音波変換器から送信されるべき超音波信号、もしくは超音波変換器によって受信されるべき超音波信号が可能な限り妨害なく前述のコンタクト面を伝播することができる、ということを意味している。コンタクト面が十分に形成されておらず、超音波変換器と超音波窓との間にエアポケットが存在する場合には、超音波変換器と超音波窓との間の音響的な結合が制限される。何故ならば、空気との境界面において超音波信号は実質的に反射され、したがって超音波変換器から超音波窓まで、また反対に超音波窓から超音波変換器まで伝送されない可能性があるからである。
【０００４】
従来技術からは例えば、接着剤を用いて超音波変換器と超音波窓を相互に接着させることが公知である。この場合、使用される公知の接着剤は熱の影響に対して僅かな安定性しか有していないことが多く、また熱の影響下では殊に気化し、その結果、接着剤の内部には不所望な空気境界面を有するエアポケットが生じ、これにより超音波信号の伝送能力に関して上述したような負の影響がもたらされることが問題である。さらには、超音波変換器は加熱の影響により接着剤の安定性が低下したことに基づき超音波窓ないしケーシングから完全に剥がれる可能性があることも欠点である。さらに、接着剤は非常に低い温度、例えばいわゆる低温用途においてもその機能を失うので、超音波変換器が接着されている超音波センサは頻繁に限定的な温度領域、例えば約−４０℃から＋１５０℃の温度領域でしか使用できないことが分かった。
【０００５】
同様に従来技術からは、超音波変換器とケーシングの超音波窓との間の湿式の結合を例えばオイルベースの液体を使用して確立できることが公知である。その種の湿式の結合でも高温用の途および低温の用途に関しては、実質的に前述の接着剤による結合の場合と同様のことが該当する。使用される液体は高温では安定性がなく、例えば気化し、また非常に低い温度においては接触を仲介する機能を失う。
【０００６】
例えば特許文献１からは、超音波変換器が超音波導波体によって熱的に分離され、したがって超音波変換器と超音波導波体の接続個所も熱的に分離されることにより、超音波センサを高温の用途および低温の用途にも使用できることが公知である。しかしながら超音波導波体を使用することにより、測定の付加的な不正確性をもたらす付加的な信号伝播時間を超音波センサにおいて考慮しなければならないという問題が生じる。殊に低温の用途においては、超音波導波体を介して測定媒体に不所望な熱が加えられ、測定に部分的に著しい影響を及ぼす媒体の変化が生じる可能性がある。例えば、大気圧下では沸点温度が約−１９６℃である液体窒素と接触する場合には、超音波窓ないし超音波導波体の媒体と対向する端部において非常に急速に泡が発生し、これによって超音波信号の伝送はやはり著しく低減される。
【特許文献１】DE 100 21 117 C1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、上記のような公知の超音波センサにおける欠点を少なくとも部分的に回避することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、超音波変換器とケーシングの超音波窓との間に薄くて比較的柔らかい固体中間層が設けられており、固体中間層と接触する超音波窓の表面は所定の粗さを有しており、超音波変換器には力が加えられており、固体中間層および超音波窓の材料と、超音波窓の表面の所定の粗さと、力とは、固体中間層が少なくとも可塑性の変形によってもケーシングの超音波窓に密着しているように相互に調整されていることにより解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
超音波変換器に力が加えられるということだけで、薄くて比較的柔らかい固体中間層は超音波変換器とケーシングの内側にある超音波窓の表面とを仲介する媒体として固定されるので、固体中間層に関して適切な材料が選択されれば、超音波変換器と超音波窓の表面との間の接着接続部または液体接続部の公知の温度感度は低減される。しかしながらこの措置だけでは、固体中間層と超音波窓の表面との間に生じるコンタクト面が実際に可能な限り大きいこと、したがって超音波伝送に殊に良好に適していることは保証されていない。何故ならば、残存する固体と空気の接触面、すなわち固体中間層から空気への移行部または超音波窓の表面から空気への移行部は可能な限り小さいからである。
【００１０】
種々の材料特性（ヤング率、硬度）および幾何学的な表面特性（粗さ）を有する異なる材料から構成されている２つの境界面の間のコンタクト面の形成に関する従来技術から公知の知識によれば、この種の材料間のコンタクト面を形成するための傾向は例えば塑性特性値ψによって表すことができる。塑性特性値ψは例えば、粗い表面間の接触に関して既知のモデルにしたがい次式により定義することができる。
【数１】
0005300386.tif 000002
【００１１】
上記の塑性特性値ψの定義において、Ｅはヤング率であり、Ｋは柔らかい材料のポアソン比に依存する硬度定数であり、Ｒは表面の凹凸部の曲率半径であり、またσsは表面の凹凸部の標準偏差を表す。上記の関係のより詳細な説明は、例えばKogut, L.らの論文「An improved elastic-plastic model for the contact ofrough surfaces」3rd Aimeter International Tribology Conference, 2002に記載されている。
【００１２】
塑性特性値ψは、専ら材料の大きさに依存する第１項、すなわちパラメータＥ，ＫおよびＨと、幾何学的な表面の特性指数に依存する第２項、すなわちσsおよびＲとによって表される。所定の材料特性指数を有する材料によって形成され、また所定の幾何学的な表面特性を有する表面の１つのコンタクト面への組み合わせは、２つの表面を相互に押し合う所定の力が加えられた際にこれら２つの表面間に得られるコンタクト面の比率を表す塑性特性値ψを表す。
【００１３】
小さい塑性特性値ψを有する表面組み合わせにおいては、表面を相互に押し合う力が高められた際に得られるコンタクト面は非常に増加し、これに対し比較的大きい塑性特性値ψを有する表面組み合わせにおいては、表面を相互に押し合う力が同様に高められた際の表面間の実際のコンタクト面は僅かにしか増加しない。８を上回る塑性特性値の値に関しては、表面間のコンタクトが完全に可塑性であり、またこの塑性特性値に依存しない。
【００１４】
上記の関係に応じれば、２つの表面間、すなわち本発明においては固体中間層の表面と超音波窓の表面との間においてこれらの表面に所定の、すなわち差し当たり自由に選択可能であるが、一定である力を加えた際に可能な限り大きいコンタクト面を達成するために、塑性特性値が可能な限り小さく調整されなければならない。すなわち、一方では可能な限り小さいヤング率を有し、他方では可能な限り高い硬度を有する材料を選択することによって、ならびに表面の可能な限り小さい粗さ、すなわち表面の凹凸部の可能な限り低い標準偏差および表面の凹凸部の可能な限り大きい曲率半径を有する材料を選択することによって調整されなければならない。すなわちここで考察するケースに転用する場合には、ケーシング内部における超音波窓の表面は可能な限り平坦でなければならず、また固体中間層の材料は可能な限り低い弾性を有していなければならない。
【００１５】
しかしながら本発明の教示によれば、ケーシング内部における超音波窓の表面が可能な限り僅かな粗さを有しているのではなく、所定の予め設定された粗さを有する場合には、より大きなコンタクト面、したがって固体中間層と超音波窓との間の超音波伝送のための良好の能力を実現できることが分かった。通常の場合には、この粗さ、すなわち薄くて比較的柔らかい固体中間層よりも硬い材料から製造されている超音波窓の表面における所定の凹凸部の存在により、超音波窓の表面のとがった凹凸部は所定の力が加えられると固体中間層内に応力が生じ、この応力は比較的柔らかい固体中間層の降伏点を上回るので、この比較的柔らかい固体中間層を可塑性の変形によって超音波窓の凹凸部に適合させることができ、その結果固体中間層は少なくとも可塑性の変形によってもケーシングの超音波窓に密着している。
【００１６】
超音波変換器に最大限加えることができる力は、超音波変換器材料の安定性によって規定される。すなわち超音波変換器に最大限加えられる力により、超音波変換器の内部においては、超音波変換器に使用される材料の破壊限界を下回る応力しか生じないようにしなければならない。超音波変換器は通常の場合、圧電結晶から製造されている。固体中間層および通常比較的硬い超音波窓のための所定の材料では超音波窓の表面が粗くされており、この粗さは従来技術から公知の教示のように最小の値を有しているのではなく、本発明によれば比較的大きい値を有しているが、この値は固体中間層と超音波窓との間の比較的大きいコンタクト面を生じさせる。
【００１７】
これらの全ての周辺条件を考慮すると、本発明の有利な実施形態における超音波変換器とケーシングの超音波窓との間のコンタクト面の塑性特性値ψはインターバル［０〜８］にある。すなわち塑性特性値ψは、所定の力が加えられた際に２つの表面間において得られたコンタクト面が塑性特性値ψの変化と共にさらに変化する領域にある。
【００１８】
本発明の別の有利な実施形態によれば、超音波変換器とケーシングの超音波窓との間の塑性特性値ψは可能な限り小さく、このことは殊に超音波窓の表面の僅かな粗さによって達成され、すなわち殊に超音波窓の表面の凹凸部の僅かな標準偏差によって、および／または、大きい曲率半径に基づき達成される。しかしながら粗さを任意に低減させることはできない。何故ならば、本発明によれば最大のコンタクト面、したがって可能な限り良好な超音波伝送を保証するために、所定の最小粗さが維持されたままでなければならないからである。
【００１９】
本発明の別の有利な実施形態によれば、固体中間層とケーシングの超音波窓との間のコンタクト面は、所定の力が加えられることにより達成される固体中間層の可塑性の変形に基づき可能な限り大きい、殊に有利には最大である。ここでは、従来技術による表面の構成（「可能な限り平坦な」一定の表面、「可能な限り柔らかい」対応材料）において考えられるものよりも大きいコンタクト面が達成されるのではなく、２つの表面間のコンタクト面の最適な構成が達成される。
【００２０】
本発明の別の殊に有利な実施形態によれば、固体中間層は、例えば−２００℃から＋３００℃の温度領域において凝集状態「固体」に留まる材料から構成されている。この温度領域は、超音波変換器とケーシングの超音波窓との間にあり、また接着剤または液体からなる公知の中間層が超音波信号の伝送に関して機能しなくなる温度領域に対応する。この関係において、固体中間層が金属または金属合金、殊に銀、金または白金からなる場合には殊に有利であることが分かった。総合的に見て金は超音波信号を伝送するための良好なコンタクト面を達成するために殊に適している。
【００２１】
本発明の別の有利な実施形態によれば、固体中間層が超音波信号の伝播方向において、伝送すべき超音波信号の波長の１／１０よりも薄く、これによってエネルギ損失は固体中間層を介する超音波信号の伝送によって非常に少ない、また信号伝送に関して全体的に殆ど重要でない。
【００２２】
詳細には、本発明による超音波センサを構成し発展させる種々の可能性が存在する。これは、請求項１に従属する請求項および図面を参照する以下の有利な実施例の説明に記載されている。
【実施例】
【００２３】
唯一の図には、ケーシング２およびこのケーシング２内に配置されている超音波変換器３を備えた本発明による超音波センサ１が示されている。この超音波変換器３により超音波信号を形成および／または検出することができ、また超音波変換器３からの超音波信号はケーシング２の超音波窓４を介して送出および／または受信することができる。ケーシング２の超音波窓４は、ケーシング２が接している（図示されていない）媒体に超音波信号を伝送する単なるケーシング２の領域である。超音波窓は材料に応じてまたは幾何学的に特別なやり方で構成されていなければならないのではなく、例えば図示されている実施例においては、この超音波窓を超音波変換器３とケーシング２に接している媒体との間の幾何学的な接続区間に簡単に構成することができる。図示されている超音波センサ１においては、超音波変換器３とケーシング２の超音波窓４との間に、薄くて比較的柔らかい固体中間層５が設けられている。固体中間層５と接触している超音波窓４の表面は所定の粗さを有しており、また超音波変換器３には力が加えられているので、超音波変換器３は固体中間層５をケーシングの内部において超音波窓４に押し付ける。
【００２４】
超音波窓４ならびに固体中間層５に使用される材料と、超音波窓４の表面の所定の粗さと、超音波変換器３に加えられている力とは、固体中間層５が少なくとも可塑性の変形によってもケーシング２の超音波窓４に密着しているように相互に調整されている。
【００２５】
従来技術から公知である、超音波変換器３と超音波窓４との間の乾式の接続とは異なり、超音波窓４の表面の粗さは可能な限り小さく構成されているのではなく、超音波変換器３に所定の力が加えられている場合には、固体中間層５が少なくとも可塑性の変形によってもケーシング２の超音波窓４に密着していることを保証する所定の粗さが設けられており、これによって超音波変換器３と超音波窓４との間に、ケーシング２の超音波窓４の表面が可能な限り平坦である場合よりも大きいコンタクト面を形成することができる。このことは、所定の力が加えられている場合に固体中間層５の内部において、固体中間層５を構成している材料の降伏点を上回る機械的な応力を生じさせるためには超音波窓４の表面の所期の粗さが必要であることに起因する。
【００２６】
図示されている超音波センサ１においては、超音波変換器３とケーシング２の超音波窓４との間のコンタクト面の上述の塑性特性値ψが約１、したがってインターバル［０〜８］にある。
【００２７】
すなわち図示されている実施例においては、超音波変換器３の表面の凹凸部の標準偏差σsが可能な限り小さくされていることによって超音波変換器３とケーシング２の超音波窓４との間のコンタクト面の塑性特性値ψは可能な限り小さく設計されており、このことは凹凸部の高さが値的に相互に非常に近く、また小さい範囲でしか相互に偏差しないことを意味している。ここでは図示しない別の実施例においては、超音波窓４の表面の凹凸部の曲率半径Ｒが可能な限り大きくされることによって可能な限り小さい塑性特性値ψが達成される。この際、表面の凹凸部は全体的に、固体中間層５をいずれにせよ可塑性にも変形させる状態にもはやない程に粗さが低減されてはならない。
【００２８】
薄くて比較的柔らかい固体中間層５のための材料、超音波窓４の表面の粗さおよび超音波変換器３を固体中間層５に押し付ける力を選択する際には、この力により図示されている例では圧電結晶である超音波変換器３が破壊されないようにすることを考慮しなければならない。さらには、確かに超音波変換器３とケーシング２の超音波窓４との間の可能な限り低い塑性特性値ψは有利であるが、柔らかい固体中間層５の可塑性の変形は、殊に微視的な規模で、もはや不可能である程に超音波窓４の表面の粗さが低減されてはならないことを考慮しなければならない。
【００２９】
図示されている実施例においては固体中間層５が金から構成されており、これによりこの固体中間層５が例えば−２００℃から＋３００℃の温度領域においては凝集状態「固体」に留まることが保証されている。金は公知のように３００℃を遥かに上回ってもこの凝集状態に留まる。したがって超音波センサ１の図示されている構成によって、超音波変換器３と超音波窓４の表面との間に公知の構成のコンタクト面よりも大きいコンタクト面が形成されていることが達成される。さらに、公知のような接着された接続層または液性の接続層の欠点を回避することができ、同様に超音波導波体の使用と不可避に結びついている測定精度の欠点も回避することができる。
【００３０】
さらに図示されている実施例においては、固体中間層５が超音波信号の伝播方向において、伝送すべき超音波信号の波長の１／１０よりも薄く、これによって伝送すべき超音波信号のエネルギ損失が非常に低いことが保証される。
【００３１】
図示されている超音波センサ１においては、超音波変換器３に加えられる力がばね素子６によって形成される。本発明においてこのばね素子６は複数の皿ばねから構成されている。この措置によって、装置全体の熱膨張に対する所期の許容範囲も達成される。この図示されている実施例においては、ばね素子６は予圧可能である。すなわち、超音波センサ１のケーシング２に螺入可能であり、ばね素子６を加圧するねじ素子７によって予圧可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による超音波センサを示す。
【符号の説明】
【００３３】
１  超音波センサ、  ２  ケーシング、  ３  超音波変換器、  ４  超音波窓、  ５  固体中間層、  ６  ばね素子、  ７  ねじ素子
【図１】
0005300386.tif 000003