CN103562687A - 超声波发送接收器及超声波流量计 - Google Patents

Abstract

一种超声波发送接收器（5），其具有压电体支承板（11）、固定于压电体支承板（11）的一侧的表面的声匹配体（10）以及固定于压电体支承板（11）的另一侧的表面的压电体（12）。此外，该超声波发送接收器（5）还具有以覆盖压电体（12）和压电体支承板（11）的方式一体形成的绝缘性减振构件（15）以及在绝缘性减振构件（15）中到达压电体支承板（11）的孔部（18）。

Description

超声波发送接收器及超声波流量计

技术领域

本发明涉及一种用于向流体中发送超声波或者自流体中接收超声波的超声波发送接收器以及应用了该超声波发送接收器的超声波流量计。

背景技术

对以往的应用于超声波流量计的超声波发送接收器的结构进行说明。

图11是表示以往的超声波发送接收器的结构的剖视图。

在图11所示的例子中，超声波发送接收器100具有顶部60、侧壁部61、壳体63、压电体64、减振体65、保持部66以及振动传递抑制体67。

壳体63为有顶筒状，具有侧壁部61和自侧壁部61向外侧延伸的支承部62。压电体64固定于顶部60的内壁面。减振体65粘附并紧密接合于侧壁部61的外周，从而抑制侧壁部61的振动。

保持部66保持支承部62。振动传递抑制体67包括保持部66，该振动传递抑制体67将壳体63隔振地安装于流路68。

减振体65与振动传递抑制体67的保持部66形成为一体（例如，参照专利文献1）。

图12是表示以往的超声波发送接收器的另一结构的例子的剖视图。

在超声波发送接收器120的压电元件70的一面固定有具有超声波的波长λ的1／4的厚度的声匹配层（日文：音響整合層）71。

此外，以包围压电元件70的方式构成的筒状壳体72固定于声匹配层71，构成超声波传感器73。声匹配层71是通过使玻璃珠（日文：ガラスバルーン）分散于合成树脂而构成的。筒状壳体72是由声阻抗大于声匹配层71的塑料材料构成的。此外，在筒状壳体72内填充有弹性树脂74，而埋入压电元件70（例如，参照专利文献2）。

但是，对于超声波发送接收器100的结构，在安装于超声波流量计的情况下，当保持部66倾斜时，压电体64的发射面倾斜，而有可能会导致超声波的传输路径的方向发生偏移。在该情况下，存在对传输时间造成影响，也就是对测量精度造成影响这样的问题。

此外，像超声波发送接收器120那样，在填充弹性树脂74而埋入压电元件70的情况下，能够利用填充材料确保可靠性，并且容易确定超声波的发射面的位置。但是，对于将形成为上述那样的超声波发送接收器120以混响传输较少的状态安装于流路的方法，还残留有问题。

专利文献1：日本特开2001－159551号公报

专利文献2：日本特开平10－224895号公报

发明内容

本发明实现了一种超声波流量计，该超声波流量计能够以较高的精度设定超声波发送接收器的超声波发射面，能够进行高精度的流量测量。

本发明的超声波发送接收器具有压电体支承板、固定于压电体支承板的一侧的表面的声匹配体以及固定于压电体支承板的另一侧的表面的压电体。此外，该超声波发送接收器还具有以覆盖压电体和压电体支承板的方式一体形成的绝缘性减振构件以及在绝缘性减振构件中到达压电体支承板的孔部。

由此，在孔部处，借助设于外部构件的突出部来按压压电体支承板，从而能够以较高的精度设定超声波发送接收器的发射面。

此外，本发明的超声波发送接收器具有有顶筒状金属壳体以及压电体，该有顶筒状金属壳体具有顶部、侧壁部以及自侧壁部向外侧延伸的支承部，该压电体收纳于有顶筒状金属壳体的顶部的内表面。此外，该超声波发送接收器还具有设置于顶部的外表面的声匹配体、以覆盖压电体和有顶筒状金属壳体的方式一体形成的绝缘性减振构件以及在绝缘性减振构件中到达支承部的孔部。

由此，在孔部处，借助设于外部构件的突出部来按压有顶筒状金属壳体的端部，从而能够利用远离超声波发送接收器的压电体的部分固定超声波发送接收器。由此，能够使来自压电体的混响传输进一步衰减。

此外，本发明的超声波流量计具有用于测量在流路流动的流体的流量的流量测量部以及设置于流量测量部的、一对本发明的超声波发送接收器。此外，该超声波流量计还具有用于在孔部处保持超声波发送接收器的突出部、用于测量一对超声波发送接收器之间的超声波传输时间的测量部以及能够基于来自测量部的信号求出流体的流量的运算部。

由此，能够以较高的精度设定超声波发送接收器的超声波发射面的位置和倾斜度，能够实现高精度的流量测量。

如上所述，采用本发明的超声波发送接收器和超声波流量计，能够以较高的精度设定超声波的发射面，能够实现高精度的流量测量。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的超声波流量计的剖视图。

图2是表示本发明的第1实施方式的超声波发送接收器的结构和该超声波发送接收器的用于向流路安装的部分的结构的剖视图。

图3是将图2的区域P这部分放大后的剖视图。

图4A是图2的4A－4A剖面图。

图4B是图2的4B－4B剖面图。

图5A是本发明的第1实施方式的固定构件的俯视图。

图5B是本发明的第1实施方式的固定构件的侧视图。

图6是表示本发明的第2实施方式的超声波发送接收器的结构和该超声波发送接收器的用于向流路安装的部分的结构的剖视图。

图7是将图6的区域Q这部分放大后的剖视图。

图8是图6的8－8剖面图。

图9A是本发明的第2实施方式的固定构件的俯视图。

图9B是本发明的第2实施方式的固定构件的侧视图。

图10是表示本发明的第3实施方式的超声波发送接收器的结构和该超声波发送接收器的用于向流路安装的部分的结构的剖视图。

图11是表示以往的超声波发送接收器的结构的剖视图。

图12是表示以往的超声波发送接收器的另一结构的例子的剖视图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施方式。需要说明的是，本发明并不限定于本实施方式。

（第1实施方式）

图1是本发明的第1实施方式的超声波流量计1的剖视图。

如图1所示，超声波流量计1的流量测量部2具有流路3。

在与该流路3倾斜的方向上设有用于传输超声波的开口部4a、4b，而能够收发超声波。在开口部4a、4b各自的端部，以彼此相面对的方式固定有超声波发送接收器5、6。

在图1中，L1表示自超声波发送接收器5传输的超声波的传输路径，L2表示自超声波发送接收器6传输的超声波的传输路径。

在这里，将在流路3中流动的流体的流速设为V，将流体中的音速设为C，将流体的流动方向与超声波的传输方向所成的角度设为θ。

这样的话，在将超声波发送接收器6用作发送器，将超声波发送接收器5用作接收器时，自超声波发送接收器6发出的超声波到达超声波发送接收器5的传输时间t1用下式表示。

t1＝L／（C＋Vcosθ）         （1）

接着，自超声波发送接收器5发出的超声波脉冲到达超声波发送接收器6的传输时间t2用下式表示。

t2＝L／（C－Vcosθ）          （2）

于是，自式（1）和式（2）消去流体的音速C而得到如下关系式。

V＝L／（2cosθ（（1／t1）－（1／t2）））    （3）

在这里，要是已知超声波发送接收器5和超声波发送接收器6之间的距离L以及上述的角度θ，则通过利用由测量部7得到的传输时间t1、t2的测量值，就能够借助运算部8求出流速V。该流速V与流路3的截面积S和校正系数K相乘（Q＝KSV），能够求出流量Q。运算部8也执行该运算。

在这样的测量系统中，若超声波发送接收器5、6的超声波发射面安装精度不高，则超声波的传输路径会偏离规定的传输路径L1、L2。其结果，会在开口部4a、4b的内部产生反射等，而有可能无法测量出准确的传输时间。

在这里，详细说明超声波发送接收器5、6的用于向流路3安装的结构和超声波发送接收器5、6的结构。

图2是表示本发明的第1实施方式的超声波发送接收器5的结构和该超声波发送接收器5的用于向流路3安装的部分的结构的剖视图。图3是将图2的区域P这部分放大后的剖视图。图4A是图2的4A－4A剖面图，图4B是图2的4B－4B剖面图。

需要说明的是，因为超声波发送接收器5、6的用于向流路3安装的结构是相同的，所以在这里，对超声波发送接收器5进行说明，而省略对超声波发送接收器6的说明。

在图2中，超声波发送接收器5以在流路3的开口部4a处被固定构件9向流路3按压的方式进行安装。

超声波发送接收器5利用粘接剂或导电糊等将声匹配体10和压电体支承板11在该声匹配体10与压电体支承板11之间的接触平面粘接起来，将压电体支承板11和压电体12在该压电体支承板11与压电体12之间的接触平面粘接起来。

在本实施方式中，压电体支承板11形成为圆盘状，声匹配体10形成为圆柱状，压电体12形成为长方体状，但本发明并不限定于这些形状。例如，也可以在压电体12形成有用于防止纵向振动的乱真信号（日文：スプリアス）的狭缝。

在压电体12的上下两表面形成有电极。此外，声匹配体10的敞开侧端面成为超声波的发射面13。

一对导线14中的一根导线与压电体12的一侧电极连接，另一根导线与压电体支承板11连接，该压电体支承板11与压电体12的另一侧电极相接合。在将粘接剂用作接合用具的情况下，压电体支承板11与压电体12的另一侧电极通过欧姆接触电连接在一起。

此外，绝缘性减振构件15以覆盖压电体12和压电体支承板11的方式一体形成。

在这里，使用图3详细说明图2的区域P这部分。绝缘性减振构件15在其外周面16a具有外周突起部16b。外周突起部16b与设于流路3的内周的抵接面17a相抵接。此外，如图4A所示，外周突起部16b形成于绝缘性减振构件15的外周面16a的整周。利用该结构，外周突起部16b能够发挥这样的作用：以较高的精度对超声波发送接收器5进行径向上的定位。由此，通过在绝缘性减振构件15的外周设置外周突起部16b，能够准确地对超声波发送接收器5的中心进行定位。

此外，在图3中，在绝缘性减振构件15的面部16c形成有轴线方向突起部16d。轴线方向突起部16d与流路3的轴线方向抵接面17b相抵接。此外，如图4B所示，轴线方向突起部16d形成于绝缘性减振构件15的面部16c的整周。利用该结构，轴线方向突起部16d能够发挥这样的作用：以较高的精度对超声波发送接收器5进行中心轴线方向上的定位。由此，通过在绝缘性减振构件15的轴线方向设置轴线方向突起部16d，能够准确地对超声波发送接收器5进行轴线方向上的定位。

需要说明的是，在本实施方式中，虽然示出了外周突起部16b以及轴线方向突起部16d均设于整周的例子，但本发明并不限定于该例子。只要能以较高的精度对超声波发送接收器5、6的位置进行定位，也可以是这样的结构，即，在周向上的适当位置设置至少3处以上的外周突起部16b和至少3处以上的轴线方向突起部16d。

如图4A所示，在绝缘性减振构件15形成有3处孔部18。如图3所示，孔部18构成为在压电体支承板11的靠压电体12这一侧自绝缘性减振构件15的外部贯穿并到达压电体支承板11。通过形成至少3处这样的孔部18，而至少在3点进行按压，由此能够实现面的固定。此外，由于孔部18形成于压电体12侧，因此能够自流路3的外侧按压超声波发送接收器3。由此，能够实现容易配置固定构件9的结构。

图5A是本发明的第1实施方式的固定构件9的俯视图。此外，图5B是本发明的第1实施方式的固定构件9的侧视图。

在固定构件9设有3处突出部19。如图3所示，这些突出部19插入于绝缘性减振构件15的孔部18。由此，能够将超声波发送接收器5的压电体支承板11直接按压于流路3。因此，能够使超声波发送接收器5的超声波发射面不倾斜地固定超声波发送接收器5。

声匹配体10例如能够以用热固性树脂填充玻璃中空球体的间隙并进行固化而得到的结构来实现。或者，声匹配体10也能够以在陶瓷多孔体的声波发射面形成声音膜的结构来实现。声匹配体10均调整为λ／4的厚度（λ：超声波的波长），从而能够高效地将超声波传输到被测量流体。

作为压电体支承板11，例如能够采用铁、不锈钢、黄铜、铜、铝、镀镍钢板等金属材料。

作为压电体12，只要是显示出压电特性的材料，无论是什么样的材料都能够利用，作为一例，优选钛酸钡、锆钛酸铅等。

压电体12与导线14之间的接合以及压电体支承板11与导线14之间的接合能够利用锡焊、导电糊等来实现。

说明如上述那样构成的超声波发送接收器5的动作和作用。

在图2中，压电体12通过导线14被测量部7（参照图1）以接近压电体12的共振频率的频率的信号驱动。当电信号施加于压电体12时，在压电体12中，电信号被转换为机械振动。压电体12和声匹配体10进行共振，由此更大的超声波脉冲经由开口部4a传输到被测量流体。

此时，超声波发送接收器5由上述的结构在径向和轴线方向上被以较高的精度固定。因此，超声波发送接收器5的超声波的发射面13不会自规定角度发生倾斜。因此，超声波能够在不产生不应有的反射的情况下进行传输，从而能够实现精度较高的传播时间测量。

此外，超声波发送接收器5的固定是利用固定构件9的突出部19以点接触的方式来实现的。因此，能将压电体12的混响流路3的传输限制在最小限度。该效果与绝缘性减振构件15自身使混响的振动衰减的效果相结合，从而有助于缩短混响时间。

（第2实施方式）

接着，说明本发明的第2实施方式。

图6是表示本发明的第2实施方式的超声波发送接收器5的结构和该超声波发送接收器5的用于向流路3安装的部分的结构的剖视图。此外，图7是将图6的区域Q这部分放大后的剖视图。图8是图6的8－8剖面图。

如图6所示，被绝缘性减振构件20所覆盖的超声波发送接收器5以在流路3的开口部4a处被固定构件21向流路3按压的方式进行安装，这与第1实施方式相同。

采用图7详细说明图6的区域Q这部分。在绝缘性减振构件20的靠声匹配体10这一侧形成有自绝缘性减振构件20的外部贯穿并到达压电体支承板11的孔部22。此外，在流路3形成有突出部23。这样，通过在声匹配体10侧形成孔部22，能够更准确地确定压电体12的位置。

如图8所示，绝缘性减振构件20的孔部22形成有3处。此外，突出部23也设有3处，且是设于与该孔部22相对应的位置。

如图7所示，这些突出部23插入于绝缘性减振构件20的孔部22。由此，超声波发送接收器5的压电体支承板11由突出部23以更高的精度在固定构件21的按压方向上进行定位。因此，能够使超声波发送接收器5的发射面13不倾斜地固定超声波发送接收器5。

图9A是本发明的第2实施方式的固定构件21的俯视图。图9B是本发明的第2实施方式的固定构件21的侧视图。如图9A和图9B所示，本实施方式的固定构件21为环状的圆板。

除上述结构以外的结构与第1实施方式类似，故此省略其说明。

如上述那样构成的本实施方式的超声波发送接收器5是通过使用固定构件21按压绝缘性减振构件20来进行安装的。由此，压电体支承板11由突出部23以较高的精度在该按压方向上进行定位。因此，能够不使超声波发送接收器5的超声波的发射面13自规定角度发生倾斜地固定该超声波发送接收器5。因此，超声波能够在不产生不应有的反射的情况下进行传输，从而能够实现精度较高的传播时间测量。

此外，超声波发送接收器5的固定是利用突出部23以点接触的方式来实现的。因此，能将压电体12产生的混响流路3的传输限制在最小限度。该效果与绝缘性减振构件20自身使超声波脉冲的振动衰减的效果相结合，从而有助于缩短混响时间。

（第3实施方式）

接着，说明本发明的第3实施方式。

图10是表示本发明的第3实施方式的超声波发送接收器24的结构和该超声波发送接收器24的用于向流路3安装的部分的结构的剖视图。

在图10中，超声波发送接收器24以在流路3的开口部4a处被固定构件9向流路3按压的方式进行安装。

本实施方式的超声波发送接收器24是与第1实施方式所说明的超声波发送接收器5相比将压电体支承板11替换为有顶筒状金属壳体25而成的超声波发送接收器。

有顶筒状金属壳体25具有顶部26、侧壁部27以及自侧壁部27向外侧延伸的支承部28。压电体12与顶部26的内侧相接合，声匹配体10与顶部26的外侧相接合。

导线14中的一根导线与压电体12的一侧电极连接，另一根导线与有顶筒状金属壳体25连接，该有顶筒状金属壳体25与压电体12的另一侧电极相接合。在将粘结剂用作接合用具的情况下，有顶筒状金属壳体25与压电体12的另一侧电极通过欧姆接触电连接在一起。

绝缘性减振构件29以覆盖有顶筒状金属壳体25的包含压电体12的外周在内的内部和有顶筒状金属壳体25的外部的方式，以一定强度的粘接力一体形成。

在本实施方式中，固定构件9的突出部19构成为直接按压有顶筒状金属壳体25的支承部28。

除上述结构以外的结构与第1实施方式相同，故此省略说明。

如上述那样，在本实施方式中，形成为利用有顶筒状金属壳体25的支承部28固定超声波发送接收器24的结构。因此，能在距压电体12更远的位置固定超声波发送接收器24，从而进一步抑制混响的传递。

需要说明的是，本实施方式的超声波发送接收器24是作为与第1实施方式所说明的超声波发送接收器5相比将压电体支承板11替换为有顶筒状金属壳体25而成的超声波发送接收器来进行说明的，但本发明并不限定于该例子。例如，超声波发送接收器24也可以是与第2实施方式所说明的超声波发送接收器5相比将压电体支承板11替换为有顶筒状金属壳体25而成的超声波发送接收器。

如上述那样，使用第1实施方式～第3实施方式所说明的超声波发送接收器来形成超声波流量计。即，构成一种超声波流量计，该超声波流量计具有用于测量在流路流动的流体的流量的流量测量部、设置于该流量测量部的一对超声波发送接收器、用于在孔部处保持该超声波发送接收器的突出部、用于测量该超声波发送接收器之间的超声波传输时间的测量部以及能够基于来自该测量部的信号求出流量的运算部。由此，能够以较高的精度设定超声波发送接收器的超声波发射面的位置和倾斜度，能够实现高精度的流量测量。

需要说明的是，也可以将第1实施方式、第2实施方式以及第3实施方式所记载的超声波发送接收器组合起来构成一对超声波发送接收器。

产业上的可利用性

如上述那样，本发明的超声波发送接收器和超声波流量计能够发挥如下特别的效果：能够以较高的精度设定超声波发送接收器的超声波发射面，能实现能够进行高精度的流量测量的超声波流量计。因此，能够实现精度较高的传播时间测量，能够适用于需要高精度的流量测量的燃气表、工业用流量计等用途，是有用的。

附图标记说明

1  超声波流量计

2  流量测量部

3  流路

4a、4b  开口部

5、6、24  超声波发送接收器

7  测量部

8  运算部

9、21  固定构件

10  声匹配体

11  压电体支承板

12  压电体

13  发射面

14  导线

15、20、29  绝缘性减振构件

16a  外周面

16b  外周突起部

16c  面部

16d  轴线方向突起部

17a  抵接面

17b  轴线方向抵接面

18、22  孔部

19、23  突出部

25  有顶筒状金属壳体

26  顶部

27  侧壁部

28  支承部

Claims (8)

1.一种超声波发送接收器，其中，

该超声波发送接收器具有：

压电体支承板；

声匹配体，其固定于上述压电体支承板的一侧的表面；

压电体，其固定于上述压电体支承板的另一侧的表面；

绝缘性减振构件，其以覆盖上述压电体和上述压电体支承板的方式一体形成；以及

孔部，其在上述绝缘性减振构件中到达压电体支承板。

2.一种超声波发送接收器，其中，

该超声波发送接收器具有：

有顶筒状金属壳体，其具有顶部、侧壁部以及自上述侧壁部向外侧延伸的支承部；

压电体，其收纳于上述有顶筒状金属壳体的上述顶部的内表面；

声匹配体，其设置于上述顶部的外表面；

绝缘性减振构件，其以覆盖上述压电体和上述有顶筒状金属壳体的方式一体形成；以及

孔部，其在上述绝缘性减振构件中到达上述支承部。

3.根据权利要求1或2所述的超声波发送接收器，其中，

形成至少3处上述孔部。

4.根据权利要求1或2所述的超声波发送接收器，其中，

上述孔部形成于上述压电体侧。

5.根据权利要求1或2所述的超声波发送接收器，其中，

上述孔部形成于上述声匹配体侧。

6.根据权利要求1或2所述的超声波发送接收器，其中，

在上述绝缘性减振构件的外周设有外周突起部。

7.根据权利要求1或2所述的超声波发送接收器，其中，

在上述绝缘性减振构件的轴线方向设有轴线方向突起部。

8.一种超声波流量计，其中，

该超声波流量计具有：

流量测量部，其用于测量在流路流动的流体的流量；

一对超声波发送接收器，它们设置于上述流量测量部，该一对超声波发送接收器是权利要求1～权利要求7中任一项所述的超声波发送接收器；

突出部，其用于在上述孔部处保持上述超声波发送接收器；

测量部，其用于测量上述一对超声波发送接收器之间的超声波传输时间；以及

运算部，其能够基于来自上述测量部的信号求出上述流体的流量。

Images