声匹配层、超声波发射接收器及超声波流量计制造技术

一种声匹配层（１），由密度小而声速慢的第１声匹配层（２）及密度高于第１声匹配层（２）且声速快的第２声匹配层（３）构成。将声阻抗与超声波发射媒体匹配的第１声匹配层（２）配置在发射媒体侧并将第２声匹配层（３）配置在压电体层侧。其结果是，可以使超声波发射接收器具有高的灵敏度。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用作超声波传感器的声匹配层的声匹配层、进行超声波发射接收的超声波发射接收器及该超声波发射接收器的制造方法、以及使用了该超声波发射接收器的超声波流量计。
技术介绍
近年来，对气量计等，正使用着通过测量超声波在传播路径上的传送时间并测定流体的移动速度而测量流量的超声波流量计。图12示出超声波流量计的测定原理。如图12所示，流体在管内以速度V沿图中所示的方向流动。在管壁103上，彼此相对地设置着一对超声波发射接收器101、102。超声波发射接收器101、102，作为电能/机械能变换元件，用压电陶瓷等压电体构成，因而呈现出与压电蜂鸣器、压电振荡器相同的谐振特性。这里，将超声波发射接收器101用作超声波发射器，将超声波发射接收器102用作超声波接收器。其动作方式为，当对压电振子施加频率接近超声波发射接收器101的谐振频率的交流电压时，超声波发射接收器101，作为超声波发射器而动作，沿该图中由L1表示的传播路径向其外部的流体中发射超声波，由超声波发射接收器102接收传播到的超声波并将其变换为电压。接着，反过来将超声波发射接收器102用作超声波发射器，将超声波发射接收器101用作超声波接收器。通过对压电振子施加频率接近超声波发射接收器102的谐振频率的交流电压，超声波发射接收器102，沿该图中由L2表示的传播路径向其外部的流体中发射超声波，由超声波发射接收器101接收传播到的超声波并将其变换为电压。按照上述方式，由于超声波发射接收器101、102既起着接收器的作用又起着发射器的作用，所以一般称为超声波发射接收器。另外，在这种超声波流量计中，如连续地施加交流电压，则将从超声波发射接收器连续地发射超声波，因而很难测定传播时间，所以，通常是将以脉冲信号作为传送波的脉冲串电压用作驱动电压。以下，对测定原理进行更详细说明。当对超声波发射接收器101施加驱动用的脉冲串电压而从超声波发射接收器101发射超声波脉冲串信号时，该超声波脉冲串信号沿距离为L的传播路径传播并在时间t后到达超声波发射接收器102。在超声波发射接收器102中，可以只将传送到的超声波脉冲串信号以高的S/N比变换为电脉冲串信号。将该电脉冲串信号电气放大后，施加于超声波发射接收器101而使其再次发射超声波脉冲串信号。将该装置称作回鸣装置，并将从超声波发射接收器101发射超声波脉冲串后沿传播路径传播而到达超声波发射接收器102所需要的时间称作回鸣周期，将其倒数称作回鸣频率。在图12中，假定在管中流动的流体的流速为V、流体中的超声波速度为C、流体流动的方向与超声波脉冲的传播方向的角度为θ。在将超声波发射接收器101用作超声波发射器、将超声波发射接收器102用作超声波接收器时，如设从超声波发射接收器101发出的超声波脉冲到达超声波发射接收器1 02的时间即回鸣周期为t1、回鸣频率为f1，则以下的式(1)成立。f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L …(1)相反，如设将超声波发射接收器102用作超声波发射器而将超声波发射接收器101用作超声波接收器时的回鸣周期为t2、回鸣频率为f2，则以下的式(2)成立。f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L…(2)因此，两个回鸣频率的频差Δf，为以下的式(3)，因而可以从超声波传播路径的距离L和频差Δf求出流体的流速V。Δf＝f1-f2＝2 Vcosθ/L…(3) 即，可以从超声波传播路径的距离L和频差Δf求出流体的流速V，从而可以根据该流速V检查流量。在这种超声波流量计中，要求具有一定的精度，为提高其精度，至关重要的是在构成向气体发射超声波或接收通过气体传播到的超声波的超声波发射接收器的压电振子的超声波发射接收面上形成的声匹配层的声阻抗。图10是表示现有的超声波发射接收器10’的结构的断面图。超声波发射接收器10’，具有压电体层(振动装置)4、声阻抗匹配层(声阻抗匹配装置，以下，称为「声匹配层」)1’、及壳体5。壳体5与声匹配层1’及壳体5与压电体层4之间利用由粘结剂(例如环氧类粘结剂)构成的粘结层粘合。由压电体层4振动产生的超声波，以特定的频率(例如500kHz)进行振动，该振动通过粘结层(图中未示出)传送到壳体，进一步通过粘结层传送到声匹配层1’。经匹配后的振动，作为声波在存在于空间的媒体即气体中传播。该声匹配层1’的作用在于，使压电体层4的振动能以高的效率在气体中传播。由物质中的声速C和密度ρ按式(4)定义声阻抗Z。Z＝ρ×C…(4)声阻抗，在压电体层4和作为超声波传播媒体的气体中相差很大。例如，构成压电体层4的一般压电体即PZT(锆钛酸铅)之类的压电陶瓷的声阻抗Z1为30×106kg/s·m2左右。而作为发射媒体的气体、例如空气的声阻抗Z3为400kg/s·m2左右。在声波的传播中，在这种声阻抗不同的界面上将产生反射，因而使透过的声波强度减弱。作为解决这种问题的方法，通常已知有一种相对于压电体和气体各自的声阻抗Z1、Z3而在两者之间插入其声阻抗具有式(5)的关系的物质从而减轻声的反射并使声波的透过强度提高的方法。Z2＝(Z1×Z3)(1/2)…(5)满足该条件的声阻抗的匹配后的最佳值为11×104kg/s·m2左右。从式(4)可知，满足该声阻抗的物质，如果是固体则要求密度小而声速慢。作为一般使用的材料，在压电体层(也称「超声波振子」)的振动面上形成和使用着用树脂材料将玻璃空心球(中空的微小玻璃球)或塑料空心球固定后的材料。此外，也可以使用对玻璃空心球进行热压缩的方法、或使熔融材料发泡等方法，这些方法例如已由专利第2559144号公报等公开。但是，这些材料的声阻抗值，大于50×104kg/s·m2，因此，为了与气体匹配而获得高的灵敏度，需寻求声阻抗更小的材料。本申请人，在专利申请2001-56501号(申请日2001年2月28日)中，公开了通过使用干燥凝胶形成声匹配层而使声阻抗比现有的加入玻璃空心球的环氧树脂类进一步减低的方法、及通过对干燥凝胶进行疏水处理而可以提高耐久性的方法。如上所述，当使声匹配层的声阻抗减小而改进了与作为超声波传播媒体的气体的匹配时，可以使作为超声波发射接收器的灵敏度变得非常高。但是，如象在流量计中从超声波测量传播时间时那样将脉冲信号作为传送波进行超声波的发射接收，则信号的上升边响应性将会恶化，因而很难进行到达时间的判定。即，通常是通过对超声波的接收信号检测超过了一定的到达检测电平的波前信号而进行到达的判定。因此，当信号的上升边灵敏时，超声波的波前差大，因而可以很好地识别用于进行到达判定的波前信号，并能以无误差的方式进行到达判定。与此相反，当信号的上升边不灵敏时，超声波输出的波前差变小，所以，很难识别用于进行到达判定的波前信号，因而在检测中很容易产生误差。
技术实现思路
本专利技术是鉴于上述课题而开发的，其目的是提供一种声阻抗足够小因而可以与作为超声波传播媒体的气体匹配而发射接收高灵敏度的超声波、同时可以改进信号上升边响应性的超声波发射接收器用的声匹配层。进一步，提供一种采用了该声匹配层的超声波发射接收器及采用了该超声波发射接收器的流量计。本专利技术的声匹配层，用于使压电体层和气体的声阻抗相匹配，该声匹配层的特征在于具有密度在50kg/m3以上500kg/m3以下的范围内的第1声匹配层、密本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种声匹配层，用于使压电体层和气体的声阻抗相匹配，该声匹配层的特征在于：具有密度在５０ｋｇ／ｍ↑［３］以上５００ｋｇ／ｍ↑［３］以下的范围内的第１声匹配层、密度在４００ｋｇ／ｍ↑［３］以上１５００ｋｇ／ｍ↑［３］以下的范围内的第２声匹配层，且上述第１声匹配层的密度小于上述第２声匹配层的密度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：铃木正明，桥田卓，桥本和彦，桥本雅彦，永原英知，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]