超声波发送接收器以及具备该超声波发送接收器的超声波流量计的制作方法
【专利摘要】超声波发送接收器(5、6、30)具备：金属板(16、31)；声匹配体(15)，其固定于上述金属板的一个面；压电体(17)，其固定于上述金属板的另一个面，用于产生振动；以及绝缘性减振部件(11、20)，其覆盖上述压电体的、与上述金属板固定的固定面的相反侧的面，其中，上述绝缘性减振部件的厚度尺寸被设定为在上述绝缘性减振部件中传播的上述振动的波长的n/2的长度尺寸。
【专利说明】超声波发送接收器以及具备该超声波发送接收器的超声波流量计
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发送和接收超声波脉冲的超声波发送接收器以及具备该超声波发送接收器的超声波流量计。
【背景技术】
[0002]以往，已知在使用压电元件来发送和接收超声波的超声波发送接收器中利用减振部件来抑制压电元件中的不需要的振动。例如，在图7所示的专利文献I的超声波传感器73中，在压电元件70的单面固定有声匹配层71。筒状壳体72以包围该压电元件70的方式固定于声匹配层71。而且，弹性树脂74以掩埋压电元件70的方式填充在筒状壳体72内。
[0003]专利文献1:日本特开平10-224895号公报
【发明内容】
[0004]发明要解决的问题
[0005]在上述超声波传感器73中，由压电元件70产生的机械振动传播至声匹配层71，作为超声波而从声匹配层71照射出来。但是，该机械振动还从压电元件70传递至弹性树脂74，在弹性树脂74中传播。而且，当机械振动被弹性树脂74的端面反射、因干涉而放大时，会产生混响噪声、传播噪声。由于这些噪声，超声波传感器73无法高精度地进行发射。
[0006]通过增大弹性树脂74的厚度尺寸而使反射的机械振动衰减，来实现该干涉的防止。然而，会导致超声波传感器73的尺寸变得大型化。
[0007]本发明是为了解决这样的问题而完成的，目的在于提供一种能够高精度地发射超声波脉冲的小型超声波发送接收器以及具备该超声波发送接收器的超声波流量计。
[0008]用于解决问题的方案
[0009]本发明的某一方式所涉及的超声波发送接收器具备:金属板；声匹配体，其固定于上述金属板的一个面；压电体，其固定于上述金属板的另一个面，用于产生振动；以及绝缘性减振部件，其覆盖上述压电体的、与上述金属板固定的固定面的相反侧的背面，其中，上述绝缘性减振部件的厚度尺寸被设定为在上述绝缘性减振部件中传播的上述振动的波长的n/2的长度尺寸。
[0010]发明的效果
[0011]本发明具有上述说明的结构，起到的效果是:能够提供一种能高精度地发射超声波脉冲的小型超声波发送接收器以及具备该超声波发送接收器的超声波流量计。
[0012]参照附图并根据以下的优选实施方式的详细说明来明确本发明的上述目的、其它目的、特征以及优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是表示本发明的实施方式I所涉及的超声波流量计的截面图。
[0014]图2是表示将图1的超声波流量计的超声波发送接收器安装于流路部件的状态的截面图。
[0015]图3是示意性地表示图2的超声波发送接收器的背面负载部的厚度与超声波强度的关系的曲线图。
[0016]图4是表示将本发明的实施方式2所涉及的超声波发送接收器安装于流路部件的状态的截面图。
[0017]图5是表示将本发明的实施方式3所涉及的超声波发送接收器安装于流路部件的状态的截面图。
[0018]图6是表示将本发明的实施方式4所涉及的超声波发送接收器安装于流路部件的状态的截面图。
[0019]图7是表示以往的超声波传感器的截面图。
【具体实施方式】
[0020]第一本发明所涉及的超声波发送接收器具备:金属板；声匹配体，其固定于上述金属板的一个面；压电体，其固定于上述金属板的另一个面，用于产生振动；以及绝缘性减振部件，其覆盖上述压电体的、与上述金属板固定的固定面的相反侧的背面，其中，上述绝缘性减振部件的厚度尺寸被设定为在上述绝缘性减振部件中传播的上述振动的波长的n/2的长度尺寸。
[0021]第二本发明所涉及的超声波发送接收器具备:金属板；声匹配体，其固定于上述金属板的一个面；压电体，其固定于上述金属板的另一个面，用于产生振动；绝缘性减振部件，其覆盖上述压电体的、与上述金属板固定的固定面的相反侧的背面；以及支承部，其具有比上述压电体的密度大的密度，与上述绝缘性减振部件的、覆盖上述压电体的面的相反侧的背面接触，其中，上述绝缘性减振部件的厚度尺寸被设定为在上述绝缘性减振部件中传播的上述振动的波长的(2n-l)/4的长度尺寸。
[0022]第三本发明所涉及的超声波发送接收器也可以是，在第一发明或者第二发明中，上述金属板形成为平板状。
[0023]第四本发明所涉及的超声波发送接收器也可以是，在第一或
【发明者】第二发明中，上述金属板形成为带凸缘的容器形状，该带凸缘的容器形状包括筒状的侧壁部、覆盖上述侧壁部的一端的开口的顶部以及从上述侧壁部的另一端向外侧突出的凸缘部，在上述顶部的一个面上固定有上述声匹配体，在上述侧壁部的内部空间内且上述顶部的另一个面上固定有上述压电体，上述绝缘性减振部件覆盖上述压电体的、与上述顶部固定的固定面的相反侧的背面。
[0024]第五本发明所涉及的超声波发送接收器也可以是，在第一发明?第四发明中的任一发明中，上述绝缘性减振部件除了覆盖上述压电体的背面以外，还一体地覆盖上述压电体的侧面以及上述金属板的除了与上述声匹配体固定的固定部分和与上述压电体固定的固定部分以外的部分。
[0025]第六本发明所涉及的超声波流量计具备:相互发送和接收超声波脉冲的、一对第一发明?第五发明中的任一发明中的超声波发送接收器；流路部件，一对上述超声波发送接收器相互分离地配置于该流路部件；传播时间测量部，其测量上述超声波脉冲在一对上述超声波发送接收器之间传播的时间；以及运算部，其根据由上述传播时间测量部测量出的时间来计算上述被测定流体的流量。
[0026](实施方式I)
[0027](超声波流量计的结构)
[0028]图1是示意性地表示安装有超声波发送接收器5、6的超声波流量计100的截面图。如图1所示，超声波流量计100是对流过流路的被测定流体的流量进行测量的装置，安装于流路部件3。流路部件3例如由圆筒形状的管形成，在其两端分别具有一方开口 I和另一方开口 2。流路部件3的内部空间被用作流路，该流路与一方开口 I以及另一方开口 2相连通。另外，在流路部件3设置有贯通其管壁的一方开口部4和另一方开口部4。各开口部4例如向流路部件3的外侧突出，具有圆柱形状的内部空间。一方开口部4设置于一方开口 I侧，另一方开口部4设置于另一方开口 2侧，它们相对置。因此，这些开口部4的中心轴一致，以与流路部件3的中心轴所成的角度Θ倾斜。
[0029]一对超声波发送接收器5、6在相互发送和接收超声波脉冲的位置处与流路部件3相抵接并被固定。也就是说，一方的超声波发送接收器5安装于一方开口部4，另一方的超声波发送接收器6安装于另一方开口部4。而且，这些超声波发送接收器5、6配置为各声匹配体15相对，各声匹配体15的发射面与开口部4的中心轴垂直。因此，各超声波发送接收器5、6沿着开口部4的中心轴发出超声波脉冲，即以与流路部件3的中心轴所成的角度Θ倾斜地发出超声波脉冲。另外，各超声波发送接收器5、6接收沿着开口部4的中心轴入射的超声波脉冲，即接收以与流路部件3所成的角度Θ倾斜地入射的超声波脉冲。
[0030]超声波传播时间测量部(以下称为“传播时间测量部”)7和运算部8由微型计算机等控制装置构成。微型计算机具备CPU等处理部以及ROM、RAM等存储部。此外，传播时间测量部7和运算部8可以由单个控制装置构成，也可以由相独立的控制装置构成。
[0031]传播时间测量部7测量超声波脉冲在一对超声波发送接收器5、6之间传播的时间。运算部8根据由传播时间测量部7测量出的时间来计算被测定流体的流量。
[0032](超声波发送接收器的结构)
[0033]图2是表示实施方式I所涉及的超声波发送接收器5的截面图。此外，超声波发送接收器6的结构与超声波发送接收器5的结构相同，因此省略其说明。如图2所示，超声波发送接收器5具备压电体17、声匹配体15、金属板16、两根引线18以及绝缘性减振部件11。
[0034]压电体17是由于被施加电压而在厚度方向上伸缩由此将电振动转换为机械振动的元件。压电体17形成为长方体状、圆柱状等柱状，在该实施方式中例如形成为短四棱柱状。压电体17具有一对电极以及压电部,这一对电极在厚度方向上夹持该压电部。优选对压电体17的压电部使用示出压电性的材料，例如钛酸钡、锆钛酸铅等。一方的电极通过粘接剂、导电糊剂等导电性材料与金属板16接合。另外，另一方的电极通过导电糊剂、焊锡等导电性材料与一方的引线18接合。
[0035]声匹配体15是将压电体17的声阻抗与被测定流体的声阻抗匹配以将由压电体17产生的机械振动作为超声波脉冲发射至被测定流体的元件。声匹配体15例如呈圆柱形状，其厚度尺寸被设定为在声匹配体15中传播的机械振动的波长λ的1/4的长度尺寸。通过在中空球体形状的玻璃的间隙中填充热固性树脂并使之固化来形成声匹配体15，或者通过在陶瓷多孔体的声波发射面设置音膜来形成声匹配体15。
[0036]金属板16是支承声匹配体15和压电体17的平板，例如呈圆板形状。金属板16由具有导电性的材料、例如铁、不锈钢、黄铜、铜、招、镀镍钢板等金属形成。在金属板16中，在其一个主面上固定有声匹配体15，在另一个主面上固定有压电体17。该金属板16在与其厚度垂直的方向上比声匹配体15和压电体17大。因此,金属板16的外周部相对于声匹配体15以及压电体17向与它们的厚度垂直的方向突出。而且，在该外周部的另一个主面上，通过焊锡等连接有另一方的引线18。另外，使用导电性材料并通过欧姆接触将金属板16与压电体17的一方的电极电连接。因此，压电体17的一方的电极与另一方的引线18经由金属板16而电连接。
[0037]两根引线18中的一方将压电体17的另一方的电极与传播时间测量部7(图1)相连接。另外，另一方的引线18经由金属板16而将压电体17的一方的电极与传播时间测量部7相连接。在这些连接中使用焊锡、导电糊剂等导电性材料。
[0038]绝缘性减振部件11 一体地覆盖金属板16的外周部、压电体17的外表面以及两根引线18。在此，“一体”是指绝缘性减振部件11是由连续的材料构成的一个部件。另外，对于金属板16的外周部，具体地说，由金属板16的除了与声匹配体15固定的固定部分以及与压电体17固定的固定部分以外的部分构成。并且，对于压电体17的外表面，具体地说，由与金属板16接合的接合面的相反侧的面(背面)以及处于该接合面与背面之间的侧面构成。覆盖该压电体17的背面的绝缘性减振部件11 (背面负载部20)的厚度尺寸M被设定为在绝缘性减振部件11中传播的机械振动的波长λ的1/2的长度尺寸。背面负载部20可以覆盖压电体17的整个背面，也可以覆盖背面的一部分。
[0039]绝缘性减振部件11由玻璃化转变点低的热塑性树脂、例如热塑性弹性体材料、结晶性聚酯等形成。关于热塑性弹性体材料，例如列举苯乙烯类弹性体、烯烃类弹性体、聚酯类弹性体等。例如，对于热塑性树脂的玻璃化转变点，优选的是，为进行流量测定的最低温度-30°C以下，例如是_50°C?_90°C。由此，在进行流量测定时，绝缘性减振部件11具有橡胶弹性，能够发挥减振功能。另外，对于热塑性树脂的熔点，优选的是，为流量测定的最高温度80°C以上，例如是100°C?200°C。并且，热塑性树脂的杨氏模量在从流量测定的最低温度至最高温度的范围内例如是0.1GPa?1.0GPa0由此，绝缘性减振部件11在进行流量测定时能够充分吸收金属板16、压电体17等的振动。
[0040](超声波发送接收器的安装)
[0041]如图2所示，各超声波发送接收器5以被按压于流路部件3侧的方式被环状的固定部件12固定于流路部件3。此时，金属板16的外周部中的声匹配体15侧的面经由绝缘性减振部件11与流路部件3的抵接面1a相抵接。另外，金属板16的端面经由绝缘性减振部件11与流路部件3的抵接面1b相抵接。并且，金属板16的外周部中的压电体17侧的面经由绝缘性减振部件11与固定部件12相抵接。因此，各超声波发送接收器5经由绝缘性减振部件11被固定于流路部件3。
[0042](超声波流量计的动作)
[0043]例如，在从超声波发送接收器5发送超声波脉冲的情况下，如图1和图2所示，传播时间测量部7经由引线18向超声波发送接收器5的压电体17提供电(电压)信号。该电信号由频率接近压电体17的共振频率的矩形波形成，因此压电体17将电信号转换为机械振动而在厚度方向上振动。而且，机械振动从压电体17经由金属板16而施加于声匹配体15，声匹配体15与压电体17共振。由此，振幅被放大了的机械振动作为超声波脉冲而从声匹配体15的发射面发射出来。
[0044]如图1所示，从超声波发送接收器5发射出的超声波脉冲在传播路径LI中传播，到达超声波发送接收器6的声匹配体15。该超声波脉冲经由声匹配体15而使压电体17机械地振动。而且，压电体17将该机械振动转换为电信号，将电信号输出至传播时间测量部7。因此，传播时间测量部7根据向超声波发送接收器5的压电体17输出电信号的时刻与被超声波发送接收器6的压电体17输入电信号的时刻之差来求出超声波脉冲的传播时间
tlo
[0045]接着，从超声波发送接收器6发送超声波脉冲，超声波发送接收器5接收在传播路径L2中传播的超声波脉冲。而且，传播时间测量部7根据向超声波发送接收器6的压电体17输出电信号的时刻与被超声波发送接收器5的压电体17输入电信号的时刻之差来求出超声波脉冲的传播时间t2。这种情况也与从上述超声波发送接收器5发送超声波脉冲的情况相同，因此省略其说明。此外，发送超声波脉冲的顺序也可以是相反的，超声波发送接收器6先发送超声波脉冲，接着，超声波发送接收器5发送超声波脉冲。
[0046]然后，运算部8根据由传播时间测量部7求出的超声波脉冲的传播时间tl和t2来计算被测定流体的流量。具体地说，在流路部件3的流路中，被测定流体以流速V从一方开口 I向另一方开口 2流动。另外，开口部4的中心轴以与流路部件3的中心轴所成的角度Θ倾斜。因此，在传播路径LI中以速度C传播的超声波脉冲的传播时间tl与在传播路径L2中以速度C传播的超声波脉冲的传播时间t2不同。此外，传播路径LI以及L2的距离是超声波发送接收器5与超声波发送接收器6之间的距离L。另外，角度Θ是被测定流体的流动方向(流路部件3的中心轴)与超声波脉冲的传播方向(开口部4的中心轴)所成的角。
[0047]用以下公式(I)来表示沿着传播路径LI从超声波发送接收器5到达超声波发送接收器6的超声波脉冲的传播时间tl。
[0048]tl = L/(C+Vcos θ ) (I)
[0049]另外，用以下公式(2)来表示沿着传播路径L2从超声波发送接收器6到达超声波发送接收器5的超声波脉冲的传播时间t2。
[0050]t2 = L/ (C-Vcos θ ) (2)
[0051]根据这些公式⑴和公式(2)，用以下公式(3)来表示被测定流体的流速V。
[0052]V = L/2cos Θ (l/tl_l/t2) (3)
[0053]超声波脉冲的传播路径LI以及L2的距离L和被测定流体的流动方向与超声波脉冲的传播方向所成的角度Θ是已知的。另外，使用传播时间测量部7来测量超声波脉冲的传播时间tl和t2。由此，运算部8能够根据公式(3)来求出被测定流体的流速V。并且，运算部8能够对该流速V乘以流路部件3的截面面积S和校正系数K来求出流量Q。
[0054](作用、效果)
[0055]如图2所示，由压电体17产生的机械振动经由金属板16而传递至声匹配体15，作为超声波脉冲从声匹配体15的发射面发射出来。与此同时，由压电体17产生的机械振动传递至背面负载部20并朝向与压电体17接合的接合面的相反侧的面(背面负载部20的背面)传播。而且，机械振动在背面负载部20的背面反射而向与压电体17接合的接合面侧返回。
[0056]当所反射的该机械振动到达与压电体17接合的接合面时，其中一部分机械振动向压电体17内部传播。另外，其余的机械振动再次在与压电体17接合的接合面反射而在背面负载部20中向背面方向传播。而且，当在背面负载部20中向背面方向传播的机械振动与从压电体17向背面负载部20传递的机械振动相干涉而其振幅增大时，超声波流量计100难以准确地计量被测定流体。
[0057]S卩，例如在超声波发送接收器5发射超声波脉冲之后，当压电体17等由于放大了的机械振动而继续振动时，会成为混响噪声。因此，接着，在该超声波发送接收器5发射超声波脉冲时，混响噪声对在压电体17和/或声匹配体15中传播的机械振动带来影响。由此，超声波发送接收器5无法将该机械振动作为超声波脉冲而高精度地发射出去。
[0058]另外，当在超声波发送接收器5中放大了的机械振动经由流路部件3等而向超声波发送接收器6传播时，成为传播噪声。因此，在超声波发送接收器6发射超声波脉冲时，传播噪声对在压电体17和/或声匹配体15中传播的机械振动带来影响。由此，超声波发送接收器6无法将该机械振动作为超声波脉冲而高精度地发射出去。
[0059]此外，在此说明了超声波发送接收器5发送超声波脉冲而超声波发送接收器6接收该超声波脉冲的情况。与此相对，在调换超声波发送接收器5与超声波发送接收器6的情况下也相同。
[0060]对此，将背面负载部20的厚度尺寸M设定为λ/2，因此抑制了由混响噪声、传播噪声引起的影响。其结果，如图3所示，不会使超声波发送接收器5、6大型化而防止了超声波脉冲的强度降低。图3是示意性地表示背面负载部(厚度)与超声波强度的关系的曲线图。对于该背面负载部(厚度)，示出了超声波发送接收器5、6的背面负载部20的厚度尺寸Μ。另外，对于超声波强度，示出了超声波发送接收器5、6发射出的超声波脉冲的大小。
[0061]具体地说，如图2所示，背面负载部20的一个面(与压电体17接合的接合面)与压电体17接触，其另一个面(背面)与空气接触。因此，压电体17、背面负载部20以及空气按该顺序排列，它们的密度按该顺序变小。因此，以密度与声速的积来定义的声阻抗也按该顺序变小。
[0062]在处于这种声阻抗的关系的情况下，在背面负载部20中传播的机械振动(传播振动)在与压电体17接合的接合面反射时，传播振动的相位会偏移该传播振动的半波长度。另一方面，在该传播振动在背面负载部20的背面反射时，传播振动的相位不偏移。因此，如以下(公式12)所示，在背面负载部20的厚度尺寸M成为半波长(λ/2)的整数倍时，传播振动的振幅由于干涉而变为最小。此外，在(公式12)中，η表示整数。另外，λ表示在背面负载部20中传播的机械振动的波长。
[0063]M = η.λ /2 (公式 12)
[0064]其结果，在如(公式12)所示那样背面负载部20的厚度尺寸M为半波长的整数倍的情况下，抑制了传播振动的影响(混响噪声、传播噪声)。因此，如图3所示，抑制了超声波发送接收器5、6所发射的超声波脉冲的强度受传播振动影响而降低，能够确保超声波脉冲的强度大。
[0065]特别是，在(公式12)中，在η = I的情况下，能够降低在背面负载部20中传播的机械振动的大小，并且能够将背面负载部20的厚度尺寸M抑制为最小。因此，在背面负载部20的厚度尺寸M是λ/2的情况下，能够使超声波发送接收器5、6的尺寸最小，并且能够确保超声波脉冲的强度大。
[0066]另外，除了将背面负载部20的厚度尺寸M设定为λ/2以外，还能够设定为满足(公式12)的长度尺寸。在这种情况下，厚度尺寸M比λ/2时大。但是，该厚度尺寸M比能够通过衰减来降低传播振动的厚度尺寸小。因此，能够使超声波发送接收器5、6小型化。另外，在将背面负载部20的厚度尺寸M设为λ/2以外且满足(公式12)的长度尺寸的情况下，对于超声波脉冲的强度也能够示出与λ/2时相同的作用效果。
[0067]此外，在背面负载部20的厚度尺寸M满足用以下(公式13)表示的关系时，在背面负载部20中传播的机械振动(传播振动)由于干涉而被放大。因此，在厚度尺寸M满足用以下(公式13)表示的关系时，如图3所示，超声波发送接收器5、6所发射的超声波脉冲的强度受传播振动的影响而降低。与此相对，厚度尺寸M越大则传播振动越衰减，因此，如图3所示，超声波脉冲的强度变大。然而，厚度尺寸M越大，则超声波发送接收器5、6的尺寸越大型化。
[0068]M = (2η-1) λ /4 (公式 13)
[0069]另外，在背面负载部20使传播振动衰减的功能优异的情况下，即使将背面负载部20的厚度尺寸M设为比λ/2小，也能够使背面负载部20中的传播振动小。在这种情况下，背面负载部20变薄，因此进一步实现超声波发送接收器5、6的小型化。
[0070]另外，绝缘性减振部件11与金属板16以及压电体17分别一体形成。因此，不需要安装绝缘性减振部件11的劳力和时间，超声波发送接收器5、6的批量生产性优异。
[0071]并且，金属板16与树脂板相比尺寸精度高，能够将超声波发送接收器5、6高精度地安装于流路3。因此，能够降低测量时的超声波脉冲的发送和接收损失而能够实现高精度的流量测量。
[0072](实施方式2)
[0073]在实施方式I所涉及的超声波发送接收器5、6中使用了平板状的金属板16，而在实施方式2所涉及的超声波发送接收器30中将带凸缘的容器形状的金属板31用作金属板。图4是表示实施方式2所涉及的超声波发送接收器30的截面图。
[0074]如图4所示，金属板31形成为包括侧壁部33、顶部32以及凸缘部34的带凸缘的容器形状。侧壁部33呈圆筒形状，其一端与顶部32相连接，另一端与凸缘部34相连接。顶部32呈圆板形状，覆盖侧壁部33的一端开口。凸缘部34呈环形状，从侧壁部33向径向外侧延伸。
[0075]在金属板31中，在顶部32的顶面固定有声匹配体15，在顶部32的背面固定有压电体17。侦彳壁部33的内径尺寸大于压电体17的长度尺寸，因此压电体17位于筒状的侧壁部33的内部空间，在压电体17与侧壁部33的内表面之间形成有间隙35。
[0076]使用具有导电性的材料、例如铁、不锈钢、黄铜、铜、铝、镀镍钢板等金属，通过深拉加工来形成金属板31。因此，使用导电性材料并通过欧姆接触将金属板31的顶部32与压电体17的电极电连接。另外，使用焊锡等导电性材料将金属板31的凸缘部34与引线18相连接。由此，压电体17的电极与引线18经由金属板31而电连接。
[0077]绝缘性减振部件11 一体地覆盖金属板31的侧壁部33的外表面、金属板31的凸缘部34、压电体17与侧壁部33的内表面之间的间隙35、压电体17的背面以及两根引线18。另外，覆盖压电体17的背面的绝缘性减振部件11 (背面负载部20)的厚度尺寸M被设定为由压电体17产生并在绝缘性减振部件11中传播的机械振动的波长λ的1/2的长度尺寸。背面负载部20可以覆盖压电体17的整个背面，也可以覆盖背面的一部分。
[0078]在这种超声波发送接收器30中，声匹配体15位于开口部4侧，以被按压于流路部件3的方式被环状的固定部件12固定于流路部件3。此时，金属板31的凸缘部34中的声匹配体15侧的面经由绝缘性减振部件11与流路部件3的抵接面1a相抵接。另外，金属板31的凸缘部34中的端面经由绝缘性减振部件11与流路部件3的抵接面1b相抵接。并且，金属板31的凸缘部34中的压电体17侧的面经由绝缘性减振部件11与固定部件12相抵接。因此，各超声波发送接收器30经由绝缘性减振部件11被固定于流路部件3。
[0079]根据上述结构，背面负载部20的厚度尺寸M被设定为在背面负载部20中传播的机械振动的波长λ的1/2或者η/2的长度尺寸。因此，具有与实施方式I相同的作用效果。
[0080](实施方式3)
[0081]在实施方式I所涉及的超声波发送接收器5、6中，使用环状的固定部件12来固定金属板16的外周部。与此相对，如图5所示，在实施方式3所涉及的超声波发送接收器5、6中，使用带凸缘的容器形状的固定部件112来固定金属板16的外周部和压电体17。图5是表示实施方式3所涉及的超声波发送接收器5的截面图。此外，超声波发送接收器6的结构与超声波发送接收器5的结构相同，因此省略其说明。
[0082]如图5所示，固定部件112形成为包括外周部、支承部112a以及安装部的带凸缘的容器形状。对于外周部，针对短四棱柱状的压电体17为截面呈四边形的筒形状。对于支承部112a，针对短四棱柱状的压电体17为四边形的平板形状，覆盖外周部的一端开口。对于安装部，呈环形状，从外周部的另一端向径向外侧延伸。固定部件112由铝等金属形成。
[0083]利用固定部件112的安装部将超声波发送接收器5的金属板16的外周部按压于流路部件3侧并将安装部安装于流路部件3。由此，将超声波发送接收器5固定于流路部件3。另外，支承部112a的内表面与背面负载部20的背面接触，支承部112a经由背面负载部20而支承压电体17。因此，利用支承部112a来保护压电体17。
[0084]在这种情况下，压电体17、背面负载部20以及固定部件112的支承部112a按该顺序层叠。该压电体17和支承部112a的密度大于背面负载部20的密度，因此压电体17和支承部112a的声阻抗大于背面负载部20的声阻抗。
[0085]在处于这种声阻抗的关系的情况下，在背面负载部20中传播的机械振动(传播振动)在与压电体17接合的接合面反射的情况以及在背面负载部20的背面反射的情况下，传播振动的相位均偏移该传播振动的半波长度。因此，在满足以下(公式14)所示的关系时，传播振动的振幅由于干涉而变为最小。此外，在(公式14)中，η表示整数。另外，λ表不在背面负载部20中传播的机械振动的波长。
[0086]M = (2η-1).λ /4 (公式 14)
[0087]其结果，在背面负载部20的厚度尺寸M满足(公式14)所示的关系的情况下，抑制了传播振动的影响(混响噪声、传播噪声)。因此，抑制了超声波发送接收器5、6所发射的超声波脉冲的强度受传播振动的影响而降低，能够确保超声波脉冲的强度大。
[0088]特别是，在(公式14)中，在η = I的情况下，能够降低在背面负载部20中传播的机械振动的大小，并且能够将背面负载部20的厚度尺寸M抑制为最小。因此，在背面负载部20的厚度尺寸M是λ /4的情况下，能够使超声波发送接收器5、6的尺寸最小，并且能够确保超声波脉冲的强度大。
[0089]另外，背面负载部20的厚度尺寸M除了设定为λ/4以外，还能够设定为满足(公式14)的长度尺寸。在这种情况下，厚度尺寸M比λ/4时大。但是，该厚度尺寸M比能够通过衰减来降低传播振动的厚度尺寸小。因此，能够使超声波发送接收器5、6小型化。另夕卜，在将背面负载部20的厚度尺寸M设为λ/4以外且满足(式14)的长度尺寸的情况下，对于超声波脉冲的强度也能够示出与λ /4时相同的作用效果。
[0090]并且，在背面负载部20使传播振动衰减的功能优异的情况下，即使将背面负载部20的厚度尺寸M设为比λ/4小，也能够使背面负载部20中的传播振动小。在这种情况下，背面负载部20变薄，因此进一步实现超声波发送接收器5、6的小型化。
[0091](实施方式4)
[0092]在实施方式2所涉及的超声波发送接收器30中，使用环状的固定部件12来固定金属板31的凸缘部34。与此相对，如图6所示，在实施方式4所涉及的超声波发送接收器30中，使用平板状的固定部件212来固定凸缘部34和压电体17。图6是表示实施方式4所涉及的超声波发送接收器30的截面图。
[0093]如图6所示，固定部件212形成为覆盖金属板31的凸缘部34和压电体17的平板形状。在压电体17与凸缘部34相比向背面侧突出的情况下，固体部件212的支承部212a与其突出量相应地从其外周部凹下。固定部件212由铝等金属形成。
[0094]利用固定部件212的外周部将金属板31的凸缘部34按压于流路部件3侧，并将固定部件212的外周部安装于流路部件3。由此，将超声波发送接收器30固定于流路部件3。另外，固定部件212的支承部212a的表面与背面负载部20的背面接触，支承部212a经由背面负载部20而支承压电体17。因此，利用支承部212a来保护压电体17。
[0095]在这种情况下，压电体17、背面负载部20以及固定部件212按该顺序层叠。该压电体17和固定部件212的密度大于背面负载部20的密度，因此压电体17和固定部件212的声阻抗大于背面负载部20的声阻抗。
[0096]因此，与实施方式3同样地，在背面负载部20中的与压电体17接合的接合面以及背面负载部20的背面，传播振动的相位发生变化并反射。在背面负载部20的厚度尺寸M满足上述(公式14)的关系时，背面负载部20中的传播振动变得最小，能够降低混响噪声和电波噪声。由此，超声波发送接收器30能够防止大型化并且抑制由噪声引起的影响，能够高精度地发射超声波脉冲。
[0097]另外，背面负载部20的厚度尺寸M除了设定为λ/4以外，还能够设定为满足(公式14)的长度尺寸。在这种情况下，厚度尺寸M比λ/4时大。但是，该厚度尺寸M比能够通过衰减来降低传播振动的厚度尺寸小。因此，能够使超声波发送接收器5、6小型化。另夕卜，在将背面负载部20的厚度尺寸M设为λ/4以外且满足(公式14)的长度尺寸的情况下，对于超声波脉冲的强度也能够示出与λ/4时相同的作用效果。
[0098]并且，在背面负载部20使传播振动衰减的功能优异的情况下，即使将背面负载部20的厚度尺寸M设为比λ/4小，也能够使背面负载部20中的传播振动小。在这种情况下，背面负载部20变薄，因此进一步实现超声波发送接收器30的小型化。
[0099]此外，对于上述全部实施方式，只要相互不排斥对方，也可以相互组合。
[0100]根据上述说明，对于本领域技术人员而言，本发明的很多改进、其它实施方式是显而易见的。因而，上述说明应该被解释为仅为例示，是以向本领域技术人员指导执行本发明的优选方式的目的而提供的。在不脱离本发明的精神的范围内能够实质地变更其构造和/或功能的详细内容。
[0101]产业h的可利用件
[0102]本发明的超声波发送接收器以及具备该超声波发送接收器的超声波计量计作为与现有技术相比能够高精度地发射超声波脉冲的小型超声波发送接收器以及具备该超声波发送接收器的超声波流量计等是有用的。
[0103]附图标记说明
[0104]3:流路部件；5、6、30:超声波发送接收器；7:超声波传播时间测量部(传播时间测量部)；8:运算部；11:绝缘性减振部件；15:声匹配体；16:金属板；17:压电体；20:背面负载部(绝缘性减振部件)；31:金属板；32:顶部；33:侧壁部；34:凸缘部；100:超声波流量计；112a:支承部；212a:支承部。
【权利要求】
1.一种超声波发送接收器，具备: 金属板； 声匹配体，其固定于上述金属板的一个面； 压电体，其固定于上述金属板的另一个面，用于产生振动；以及绝缘性减振部件，其覆盖上述压电体的、与上述金属板固定的固定面的相反侧的背面，其中，上述绝缘性减振部件的厚度尺寸被设定为在上述绝缘性减振部件中传播的上述振动的波长的n/2的长度尺寸。
2.一种超声波发送接收器，具备: 金属板； 声匹配体，其固定于上述金属板的一个面； 压电体，其固定于上述金属板的另一个面，用于产生振动； 绝缘性减振部件，其覆盖上述压电体的、与上述金属板固定的固定面的相反侧的背面；以及 支承部，其具有比上述压电体的密度大的密度，与上述绝缘性减振部件的、覆盖上述压电体的面的相反侧的背面接触， 其中，上述绝缘性减振部件的厚度尺寸被设定为在上述绝缘性减振部件中传播的上述振动的波长的(2n-l)/4的长度尺寸。
3.根据权利要求1或者2所述的超声波发送接收器，其特征在于， 上述金属板形成为平板状。
4.根据权利要求1或者2所述的超声波发送接收器，其特征在于， 上述金属板形成为带凸缘的容器形状，该带凸缘的容器形状包括筒状的侧壁部、覆盖上述侧壁部的一端的开口的顶部以及从上述侧壁部的另一端向外侧突出的凸缘部， 在上述顶部的一个面上固定有上述声匹配体， 在上述侧壁部的内部空间内且上述顶部的另一个面上固定有上述压电体， 上述绝缘性减振部件覆盖上述压电体的、与上述顶部固定的固定面的相反侧的背面。
5.根据权利要求1?4中的任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于， 上述绝缘性减振部件除了覆盖上述压电体的背面以外，还一体地覆盖上述压电体的侧面以及上述金属板的除了与上述声匹配体固定的固定部分和与上述压电体固定的固定部分以外的部分。
6.一种超声波流量计，具备: 相互发送和接收超声波脉冲的、一对根据权利要求1?5中的任一项所述的超声波发送接收器； 流路部件，一对上述超声波发送接收器相互分离地配置于该流路部件； 传播时间测量部，其测量上述超声波脉冲在一对上述超声波发送接收器之间传播的时间；以及 运算部，其根据由上述传播时间测量部测量出的时间来计算上述被测定流体的流量。
【文档编号】H04R17/00GK104365118SQ201380028344
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2012年6月5日
【发明者】佐藤真人, 永原英知, 藤井裕史, 足立明久, 渡边葵 申请人:松下知识产权经营株式会社