超声波发送接收器及超声波流量计制造技术

本发明专利技术的超声波发送接收器，具有进行超声波振动的压电体（４），由密度为５０ｋｇ／ｍ↑［３］以上１０００ｋｇ／ｍ↑［３］以下且声阻抗为２．５×１０↑［３］ｋｇ／ｍ↑［２］／ｓ以上１．０×１０↑［６］ｋｇ／ｍ↑［２］／ｓ以下的材料所形成的声匹配层（３），在压电体（４）和声匹配层（３）之间设置的下层声匹配层（９），支撑下层匹配层（９）和压电体（４）、遮蔽压电体（４）将其与超声波传播流体隔开的结构支撑体（６）。具有与声匹配层（４）的侧面的至少一部分相接触的保护部，该保护部是由下层声匹配层（９）的一部分所形成，并与下层声匹配层（９）一体化。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于具有声匹配层的超声波发送接收器及其制造方法，以及设置有该超声波发送接收器的超声波流量计。
技术介绍
近年来，测量超声波传输流体流过的管内既定距离的时间，通过测定流体的移动速度，基于该流动速度决定流量的超声波流量计在气体仪表等中得到了利用。图35是表示这种类型的超声波流量计的主要部分的截面结构。超声波流量计配置得使应测定流量的被测定对象流体能够在管内流动。在管壁102上，相对面设置有一对的超声波发送接收器101a、101b。超声波发送接收器101a、101b，使用作为电能/机械能转换元件的压电陶瓷等压电振子所构成，表现出与压电蜂鸣器及压电振荡器同样的共振特性。在图35所示的状态下，超声波发送接收器101a被用作超声波发送器，超声波发送接收器101a被用作超声波接收器。将具有与超声波发送接收器101a的共振频率附近频率的交流电压施加于超声波发送接收器101a内的压电体(压电振子)时，超声波发送接收器101a具有作为超声波发送器的功能，向流体中放射超声波。放射的超声波经路径L1传播，到达超声波发送接收器101b。此时，超声波发送接收器101b具有作为接收器的功能，接收超声波并变换为电压。接着，这一次超声波发送接收器101b具有作为超声波发送器的功能，超声波发送接收器101a具有作为超声波接收器的功能。也就是说，通过将超声波发送接收器101b的共振频率附近的频率的交流电压施加于超声波发送接收器101b内的压电体，使得从超声波发送接收器101b向流体中放射超声波。放射的超声波经路径L2传播，到达超声波发送接收器101a。超声波发送接收器101a接收传播来的超声波并变换为电压。这样，由于超声波发送接收器101a及101b能够交互起到作为发送器与接收器的功能，所以一般总称为超声波发送接收器(或超声波发送接收波器)。在图35所示的超声波流量计中，由于在施加连续的交流电压时，从超声波发送接收器放射连续的超声波，难以测定传播的时间，所以通常使用以脉冲信号作为传播波的短脉冲群电压信号作为驱动电压。以下对上述超声波流量计的测定原理进行更详细的说明。通过将驱动用的短脉冲群电压信号施加于超声波发送接收器101a，在从超声波发送接收器101a放射超声波短脉冲群信号时，超声波短脉冲群信号经路径L1传播，t时间后到达超声波发送接收器101b。使路径L1的距离与路径L2的距离同样。超声波发送接收器101b，能够以高的S/N比仅将传播来的超声波短脉冲信号变换为电气脉冲信号。对该电气脉冲信号进行电气增幅，再一次施加于超声波发送接收器101a，放射超声波短脉冲信号。将进行这样动作的装置称为“声循环型装置”。而且，将从超声波发送接收器101a放射超声波脉冲之后至到达超声波发送接收器102b的时间称为“声循环周期”。“声循环周期”的倒数称为“声循环频率”。在图35中，设在管中流动的流体的流速为V，流体中的超声波的速度C、流体的流动方向与超声波脉冲的传播方向的夹角为θ。在使用超声波发送接收器101a作为超声波发送器，使用超声波发送接收器101b作为超声波接收器时，如果从超声波发送接收器101a发出的超声波脉冲到达超声波发送接收器101b的时间、即声循环周期为t1，声循环频率为f1，则有下式(1)成立。f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L (1)反之，如果在使用超声波发送接收器101b作为超声波发送器、使用超声波发送接收器101作为超声波接收器时的声循环周期为t2，声循环频率为f2，则有下式(2)成立。f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L (2)两声循环频率的频率差Δf，由以下的式(3)表示。Δf＝f1-f2＝2Vcosθ/L (3)根据式(3)，能够从超声波传播的距离L及频率差Δf，求出流体的流速V。而且，从该流速V，能够决定流量。在这样的超声波流量计中，能够求出高的精度。为了提高精度，在超声波发送接收器内的压电体的超声波发送接收面上形成的声匹配层的声阻抗是重要的。声匹配层，特别是在超声波发送接收器向气体放射超声波的情况下以及在接收由气体传播来的超声波的情况下，起着重要的作用。以下，参照图36，对声匹配层的作用加以说明。图36表示历来的超声波发送接收器103的截面结构。图示的超声波发送接收器103设置有在传感器盒105的内侧固定的压电体106，与在传感器盒105的外侧固定的声匹配层104。声匹配层104由环氧树脂系的粘结剂等与传感器盒105相粘结。同样，压电体106也与传感器盒105相粘结。压电体106的超声波振动，通过粘结层传给传感器盒106，进而通过另一个粘结层传给声匹配层104。其后，超声波振动向与声匹配层104相接的气体(超声波传播介质)作为声波而放射。声匹配层104的作用是将压电体的振动有效地传播到气体。以下对这一点进行更详细的说明。物质的声阻抗Z，是使用该物质中的声速C与物质的密度ρ，由以下的式(4)所定义。Z＝ρ×C (4)作为超声波放射对象的气体的声阻抗，与压电体的声阻抗有很大的不同。一般的压电体PZT(钛酸锆酸铅)等压电陶瓷的声阻抗Z1，约为30×106kg/m2/s。与此相比，空气的声阻抗Z3，约为400kg/m2/s。在声阻抗不同的物质的境界面，声波容易发生反射，使透过境界面的声波的强度下降。因此，在压电体与气体之间，插入具有如式(5)所示声阻抗Z2的物质。Z2＝(Z1×Z3)1/2(5)插入具有这样的声阻抗Z2的物质，能够抑制在境界面的反射，使声波的透过率提高。在声阻抗Z1为30×106kg/m2/s、声阻抗Z3为400kg/m2/s的情况下，满足式(5)的声阻抗Z2约为11×104kg/m2/s。具有11×104kg/m2/s的值的物质，当然必须满足式(4)，即Z2＝ρ×C。在固体材料中找出这样的物质非常困难。其理由是由于要求是固体、密度ρ要充分的小、且声速C要充分的小。现在，作为声匹配层的材料，广泛使用由树脂材料将玻璃球及塑料球等固定的材料。而且，作为这样的适合于声匹配层的材料的制作方法，将中空的玻璃球热压缩的方法及将熔融材料发泡的方法等，例如在特许第2559144号公报中有说明。
技术实现思路
然而，这些材料的声阻抗，大于50×104kg/m2/s，很难说能够满足式(5)。为了得到高灵敏度的超声波发送接收器，有必要由声阻抗更小的材料形成声匹配层。为了满足这样的要求，本专利技术者专利技术了能够充分满足式(5)的声匹配材料，在特开平2001-056051号说明书中做了详细说明。这些材料是使用赋予了耐久性的干燥凝胶所制作，密度ρ更小，且声速C更低。设置有由这样的声阻抗极低的干燥凝胶等材料所形成的声匹配层的超声波发送接收器，能够高灵敏度地与气体进行超声波的发送与接收，结果是得到能够对气体流量进行高精度测量的装置。但是，干燥凝胶等声阻抗极低的材料，一般机械强度也低。特别是，干燥凝胶虽然对压缩方向上的应力比较强，但对拉伸及弯曲方向的应力极弱，受到弱的冲击力就容易被破坏。而且，由于这样的材料的声速非常低，所以为了得到最大的发送接收灵敏度的适当的声匹配层厚度(发送接收波长的约1/4)就非常地薄。例如，如果材料的声速为60～400m/s，在进行500vHz左右的超声波的发送与接收的情况下，优选声匹配层的厚度为3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波发送接收器，其特征在于：具有压电体，在所述压电体上设置的声匹配层，以及与所述声匹配层的侧面的至少一部分相接触、设置在对于所述压电体固定的位置的保护部。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：永原英知，桥本雅彦，铃木正明，桥本和彦，桥田卓，白石诚吾，高原范久，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]