CN202853668U - 超声波传感器及使用该超声波传感器的超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型的超声波传感器包括：有底筒状的壳体、设置于壳体底部内侧的压电体、设置于壳体底部外侧的匹配层、将壳体的开口封闭的且带有开口部的端子板、设置于端子板的开口部的绝缘部、由绝缘部支撑保持的第1电极端子、设置于第1电极端子和压电体之间的导电体、和安装于端子板的第2电极端子。其中，与第1电极端子连接地设有减振作用部。据此，通过减振作用部，可以抑制从压电体经由导电体传送至第1电极端子的混响。

Description

超声波传感器及使用该超声波传感器的超声波流量计

技术领域

本实用新型涉及用于超声波流量计上的超声波传感器的混响抑制技术。

背景技术

现有的混响抑制技术的一例如日本发明公开公报2011-15264(以下称为“专利文献1”)中公开的超声波传感器技术，通过图6作如下说明。图6是表示该现有超声波传感器的构造的截面图。

如图6所示，现有的超声波传感器101至少包括：有底筒状的壳体102、连接于壳体102的内底部的压电体103、连接于壳体102的外底部的匹配层104以及将壳体102的开口封闭的设有开口部的端子板107。在压电体103的底部侧(和端子板107相对的一侧)形成有第1电极105，在顶部侧(壳体102的底部一侧)的面上形成有第2电极106。因此，通过加在第1电极105和第2电极106之间的振动电压，压电体103产生超声波。并且相反，当电压体103接收到超声波时，压电体103的第1电极105和第2电极106之间会产生电压。

另外,如图6所示，端子板107封住有底的筒状壳体102的开口从而将壳体102封闭，具体来说，端子板107可以通过如焊接等方式与壳体102的边沿部位108连接，将壳体102的开口封闭。

设在端子板107的开口部的连接部附近部分109设有第1电极端子110，该第1电极端子110具有平面部112，例如为“T”字形状。以及，第1电极端子110通过设置在端子板107的开口部的玻璃绝缘部111被保持。并且，在第1电极端子110的平面部112和压电体103之间，设置有具有导电体113的导电橡胶114。

第1电极端子110通过导电橡胶114的导电体113与压电体103的第1电极105电连接。另外，在端子板107上连接有第2电极端子115，第2电极端子115通过端子板107和壳体102，与压电体103的第2电极106电连接。此时，导电橡胶114具备（比方说）导电异方性，即，在与导电体113平行的方向(纵方向)具有导电性，在与其垂直的方向没有导电性。

根据以上的构造，构成了专利文献1中公开的超声波传感器。

但是，在上述现有的超声波传感器的构造中，压电体103产生的振动会通过导电橡胶114直接传导到第1电极端子110，由于第1电极端子110的保持状态及连接状态等，压电体103较易产生混响的问题。

另外，在产生混响的情况下，通过超声波的传播时间差来计测流量的超声波流量计对超声波的传播时间的计测精度降低。由此，导致了不能对流体的流量进行高精度计测的问题。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型的超声波传感器包括：有底筒状的壳体、设置在该壳体底部内侧的压电体、设置在该壳体的底部外侧的匹配层、将壳体的开口封闭且带有开口部的端子板、设置在端子板的开口部的绝缘部、被绝缘部支撑保持的第1电极端子、设置在第1电极端子和压电体之间的导电体、和安装在端子板上的第2电极端子。此外，本实用新型的超声波传感器还包括与第1电极端子连接地设有减振作用部的结构。

据此，压电体的设置位置和减振作用部为可分离的，所以依靠不给压电体造成直接影响的构造能达到抑制混响的作用。从而，提高超声波传感器的设计自由度，同时，还可实现具有广泛适用性的超声波传感器。并且，能够通过与第1电极端子连接的减振作用部达到对压电体的混响的抑制。从而，可以实现一种提高了流体的流量计测精度的超声波流量计。

另外，本实用新型的超声波传感器包括：有底筒状的壳体、设在壳体底部内侧的压电体、设在该壳体的底部外侧的匹配层、将壳体的开口封闭的且带有开口部的端子板、设置在该端子板的开口部的绝缘部、依靠绝缘部支撑保持的第1电极端子、设置在第1电极端子和压电体之间的导电体、和安装在端子板上的第2电极端子。其中，在第1电极端子上形成有减振作用部。

据此，第1电极端子自身可抑制电压体的混响。从而，不需要另外设置减振作用部，也就不需要多余的部件。由此，可以通过比较简单的构造，得到有效抑制混响的超声波传感器。

另外，本实用新型的超声波流量计包括：对流经流道的流体流量测定的流量测定部、设置在流量测定部上的由本实用新型的一对超声波传感器构成的超声波发射/接收器、计测超声波发射/接收器间的超声波传播时间的计测电路、和基于计测电路的信号计算出流量的流量计算电路。

据此，通过使用具有较少混响的超声波传感器，使得能够准确测量超声波的传播时间。从而，可以实现一种以较高精度计测流体流量的超声波流量计。

附图说明

图1是表示本实用新型的实施例1的超声波流量计的简要构成图。

图2是表示本实用新型的实施例1的超声波传感器构造的截面图。

图3是说明本实用新型的实施例2的超声波传感器的第1电极端子附近结构的图。

图4是说明本实用新型的实施例3的超声波传感器的第1电极端子附近结构的图。

图5是说明本实用新型的实施例4的超声波传感器的第1电极端子附近结构的图。

图6是现有的超声波传感器构造的截面图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例参照图进行说明。同时，本实用新型不仅仅局限于实施例。另外，在以下实施例中，对相同或相近的构成要素使用相同的参照符号进行说明。

（实施例1）

关于在本实用新型的实施例1中的超声波流量计及超声波传感器，下面通过图1和图2进行说明。

图1是本实用新型的实施例1的超声波流量计的简要构成图。首先通过图1对本实施例中的超声波流量计的简要构成进行说明。

如图1所示，本实施例的超声波流量计由至少具有流道31的流量测定部32、夹持着流道31相对设置在流量测定部32中的一对构成超声波发射/接收器的超声波传感器33，34、计测电路35、以及计算电路36构成。

流道31构成供例如LP气体（液化石油气）或天然气等的流体流动的通道。流量测定部32通过超声波传感器33，34，对流经流道31的流体的流量进行测定。超声波33，34被相对地设置在流道31的上游和下游，通过驱动电路（未图示）产生的驱动电压，对产生的超声波信号进行发射/接收。计测电路35对一对构成该超声波发射/接收器的超声波传感器33，34间传播的超声波的传播时间进行计测。计算电路36根据计测电路35计测的超声波的传播时间的信号，按照以下说明的计算方法等计算出流经流道31的流体的流速及/或流量。

关于上述构成的具有流量测定部32的超声波流量计的动作、作用，作如下说明。

另外，如图1所示，超声波传感器33和超声波传感器34的中心间的直线距离为L，直线和作为流体流动方向的流道31的较长方向的夹角为θ，另外，音速为C，流道31的流体的流速为V。

首先，在流量测定部32的上游设置的超声波传感器33作为超声波发射器，向超声波传感器33输入驱动电压，发射超声波。从超声波传感器33发射的超声波斜穿过流道31，被设置在下游的作为超声波接收器的超声波传感器34接收。

此时，从超声波传感器33传播到超声波传感器34的超声波的传播时间t1，按照以下计算公式算出：

t1=L/（C+Vcosθ）···（1）

然后，超声波传感器34作为超声波发射器，从超声波传感器34发射超声波。从超声波传感器34发射的超声波斜穿过流道31，被设置在上游的作为超声波接收器的超声波传感器33接收。

此时，从超声波传感器34传播到超声波传感器33的超声波的传播时间t2，按照以下计算公式算出：

t2=L/（C-Vcosθ）···（2）

因此，t1的计算式（1）和t2的计算式（2）合并，消去音速C，得到以下公式（3）：

V=L/（2cosθ（1/t1-1/t2）···（3）

此时，如果已知超声波传感器33和超声波传感器34之间的距离L和角度θ，通过计测电路35测定的传播时间t1和传播时间t2，可以计算出流经流道31的流体的流速V。

以及，将流速V换算成平均流速的系数为k,流道31的流道横截面积为S，流量Q可以通过以下公式（4）计算出。

Q=kVS···（4）

即，通过将以上的计算处理加载到计算电路36中，可以求出流经流道31的流体的流量Q。

接下来，关于使用了通过上述说明的动作原理进行流体的流量计测的超声波流量计的超声波传感器1的构造，通过图2进行说明。

图2是本实用新型的实施例1的超声波传感器构造的截面图。

如图2所示，本实施例的超声波传感器1至少包括：有底筒状的壳体2、连接于壳体2的底部内侧2a的压电体3、为了使发生的超声波在气体（流体）中有效传播而连接于壳体2的底部外侧2b的匹配层4、将壳体2的开口封闭的带有开口部的端子板7。在压电体3的底部侧（和端子板7相对的一侧）形成有第1电极5，顶部侧（和壳体2的底部侧2a相对的面）的面上形成有第2电极6。因此，通过在第1电极5和第2电极6之间输入如500kHz，10V的脉冲状的振动电压，压电体3产生超声波。另外，反之，压电体3接收超声波时，压电体3的第1电极5和第2电极6之间产生电压。以此，超声波的发射信号及接收信号的两种功能通过一个压电体3即可实现。

另外，如图2所示，通过将有底的筒状壳体2的开口2c封闭，将如由不锈钢等的金属制成的壳体2封闭。例如由不锈钢等的金属做成端子板7，通过如焊接等方式和壳体2的边缘部8连接在一起，将壳体2的开口2c封闭。

另外，在设在端子板7的开口部7a上的连接部附近部分9，设有第1电极端子10。第1电极端子10具有平面部12，例如成“T”字形。第1电极端子10被设在端子7的开口部7a上的作为减振作用部发挥作用的树脂绝缘部11保持。据此，通过导电体13传播到第1电极端子10的平面部12的压电体3的混响，被作为减振作用部的树脂绝缘部11吸收，得以抑制。

另外，在第1电极端子10的平面部12和压电体3之间，设置具有导电体13的导电橡胶14。

另外，第1电极端子10通过导电体13，与压电体3的第1电极5导通连接。端子板107上连接有第2电极端子15，第2电极端子15通过端子板7和壳体2，与压电体3的第2电极6导通连接。此时，导电橡胶14，比如具备导电异方性，在与导电体13平行的方向(纵方向)具有导电性，在与其垂直的方向没有导电性。

根据上述结构形成了本实施例的超声波传感器1。另外，图2的超声波传感器1相当于图1中的超声波传感器33，34。

以下对具有上述结构的超声波传感器的动作进行简要说明。

首先，向发射端的超声波传感器的压电体输入例如脉冲状的驱动电压，发射端的超声波传感器就会发射超声波。

其次，接收端的超声波传感器的压电体对发射端的超声波传感器发射的、被流经流道的流动的流体调制的超声波进行接收。

然后，接收到超声波的、接收端的超声波传感器的压电体，依靠超声波的振动，在第1电极端子10和第2电极端子15之间产生电压。此时，产生的电压例如以接收电压的波动被提取出，如图1所示，通过计测电路35输入到计算电路36，计算出流体的流量。

如上述说明，本实施例的超声波传感器，设在端子板7的中央部的开口部的第1电极端子10，通过与具有减振作用部机能的树脂绝缘部11连接，得以保持。因此，通过树脂绝缘部11的减振作用，经由第1电极端子10传播的压电体3上产生的不需要的混响振动被吸收。从而，通过与第1电极端子10连接的减振作用部，抑制了压电体3的混响，实现了一种对超声波传播时间有较高计测精度的超声波传感器。

另外，通过使用上述超声波传感器构成超声波流量计，用超声波传感器可对超声波的传播时间进行高精度计测。因此，可实现一种提高了流体流量的计测精度的超声波流量计。

（实施例2）

以下，关于本实用新型的实施例2中的超声波流量计及超声波传感器，通过图3进行说明。同时，省略与实施例1中的超声波流量计及超声波传感器相同的构成要素与作用等的说明。另外，图3仅图示出了本实施例的超声波传感器的主要构成部分的第1电极端子附近的结构。

图3是本实用新型的实施例2的超声波传感器的第1电极端子附近结构的说明图。

同时，本实施例中的超声波传感器与实施例1中的超声波传感器基本上是同样的结构。但是，本实施例中的超声波传感器的第1电极端子10被设置在端子板7的开口部的玻璃绝缘部16保持，并且在玻璃绝缘部16的外侧附近设置有树脂17，这点与实施例1不同。

即，如图3所示，端子板7的中心附近设置的第1电极端子10被为了将端子板7的开口部封闭而设置的玻璃绝缘部16保持。以及，第1电极端子10的玻璃绝缘部16的附近，通过如涂布等方式设有将玻璃绝缘部16覆盖的构成减振作用部的树脂17。同时，树脂17与第1电极端子10连接。此时，树脂17至少使第1电极端子10的一部分露出。

同时，在本实施例的超声波传感器中，第1电极端子10的周围由于有坚硬的玻璃绝缘部16支撑保持，压电体3的混响能够被传播。

但是，在本实施例的超声波传感器中，在玻璃绝缘部16的外部，以与第1电极端子10连接的方式，涂布有具有减振作用部机能的树脂17。因此，通过树脂17的减振作用，经由第1电极端子10传播的压电体3发生的不需要的混响振动通过树脂17被吸收。从而，通过与第1电极端子10连接的减振作用部，抑制了压电体3的混响，实现了一种对超声波传播时间有较高计测精度的超声波传感器。

另外，通过使用上述超声波传感器构成超声波流量计，用超声波传感器可对超声波的传播时间进行高精度计测。因此，可实现一种提高了流体流量的计测精度的超声波流量计。

（实施例3）

以下，关于本实用新型的实施例3中的超声波流量计及超声波传感器，通过图4进行说明。同时，省略与实施例1中的超声波流量计及超声波传感器同样的构成要素与作用等的说明。另外，图4仅图示出了本实施例的超声波传感器的主要构成部分的第1电极端子附近结构。

图4是本实用新型的实施例3的超声波传感器的第1电极端子附近结构的说明图。

同时，本实施例中的超声波传感器与实施例1中的超声波传感器基本上是同样的结构。但是，本实施例中的超声波传感器的第1电极端子10被设置在端子板7的开口部的玻璃绝缘部16保持，并且第1电极端子10的引线连接部18和引线19在端子接头20的内部通过焊接部21连接保持，这点与实施例1不同。

即，如图4所示，设置在端子板7的中心附近的第1电极端子10被用于将端子板7的开口部封闭而设置的玻璃绝缘部16保持。以及，第1电极端子10的引线连接部18和引线19在端子接头20的内部，依靠例如通过焊接等方式形成的焊接部21连接和保持。焊接部21构成减振部件。此时，由于在第1电极端子10的引线连接部18设置了由减振部件构成的焊接部21，前端部附近的重量增加，以及相当的第1电极端子10长度的变更，避免了和压电体3的混响频率发生共振。从而，焊接部21作为减振作用部发挥作用。

在本实施例的超声波传感器中，第1电极端子10的引线连接部18的周围与引线19一起在端子接头20的内部，通过焊接部21连接保持，以构成减振作用部。据此，设置有焊接部21等的第1电极端子10作为整体，针对压电体3的接收频率，形成不易产生共振的结构。从而，该不易产生共振的结构作为减振作用部发挥作用，抑制压电体的混响，实现了一种对超声波传播时间有较高计测精度的超声波传感器。

另外，通过使用上述超声波传感器构成超声波流量计，用超声波传感器可对超声波的传播时间进行高精度计测。因此，可实现一种提高了流体流量的计测精度的超声波流量计。

（实施例4）

以下，关于本实用新型的实施例4中的超声波流量计及超声波传感器，通过图5进行说明。同时，省略与实施例1中的超声波流量计及超声波传感器同样的构成要素与作用等的说明。另外，图5仅图示出了本实施例的超声波传感器的主要构成部分的第1电极端子附近的结构。

图5是本实用新型的实施例4的超声波传感器的第1电极端子附近结构的说明图。

同时，本实施例中的超声波传感器与实施例1中的超声波传感器基本上是同样的结构。但是，在本实施例的超声波传感器中，第1电极端子10的引线部10a的直径d比实施例1的第1电极端子的引线部的直径小,以第1电极端子自身在压电体的接收信号频率不易产生共振的结构,构成减振作用部,这点与实施例1不同。此时，直径d以外的尺寸与实施例1的第1电极端子10的尺寸相同。

即，如图5所示，第1电极端子10的引线部10a的直径d与图1所示实施例1等的第1电极端子10的直径相比，较细。据此，使第1电极端子10的引线部10a的共振频率比压电体3的接收频率低，形成了不易产生共振的结构。因此，第1电极端子10自身可作为减振作用部发挥作用。

根据本实施例的超声波传感器，第1电极端子10的直径d较细，第1电极端子10自身构成了减振作用部。据此，相对压电体3的接收频率，第1电极端子10自身形成了不易发生共振的构造。从而，第1电极端子10自身作为减振作用部发挥作用，以抑制压电体的不需要的混响，实现了一种对超声波传播时间有较高计测精度的超声波传感器。

另外，通过使用上述超声波传感器构成超声波流量计，用超声波传感器可对超声波的传播时间进行高精度计测。因此，可实现一种提高了流体流量的计测精度的超声波流量计。

同时，本实施例中对将第1电极端子的直径d变细的实施例进行了说明，但不局限于该例。例如，将第1电极端子做成曲线状也可以，或者，用柔软的材料制作也可以。据此，将第1电极端子10做成不易与压电体3的接收频率产生共振的构造，能够对压电体的混响有效的抑制。

另外，作为不易与压电体的接收频率产生共振的形状，本实施例对第1电极端子的直径d变细的实施例进行了说明，但不局限于该例。例如，变更第1电极端子的引线部的长度，做成不易与压电体的接收频率产生共振的形状也可以。此时，要以高于压电体的接收频率，使之不易产生共振的话，将第1电极端子的引线部的长度变短；要以低于压电体的接收频率，使之不易产生共振的话，将第1电极端子的引线部的长度变长。

同时，本实用新型不局限于上述各实施例，各种变更均有可能。因此，对于通过不同的实施例和多种变形例与各种公开的技术手段的适当的组合得到的实施例也包含在本实用新型的技术范围内。据此，可以有效地发挥对压电体的混响的抑制效果。

例如，在实施例2和实施例3中，对第1电极端子10用玻璃绝缘部16保持的实施例进行了说明，但不局限于该例，实施例1中，用树脂绝缘部来保持第1电极端子10当然也可以。

如上述说明，本实用新型的超声波传感器包括：有底筒状的壳体、设置于该壳体底部内侧的压电体、设置于该壳体底部外侧的匹配层、将该壳体的开口封闭的且带有开口部的端子板、设置于端子板的开口部的绝缘部、被绝缘部支撑保持的第1电极端子、设置在第1电极端子和压电体之间的导电体、安装于端子板的第2电极端子。另外，本实用新型的超声波传感器具有连接于第1电极端子、设有减振作用部的结构。据此，由于压电体的设置构造与减振作用部为可分离结构，能够以对压电体不造成直接影响结构抑制混响。从而，提高了超声波传感器的设计自由度，同时，还可实现具有广泛适用性的超声波传感器。

另外，在本实用新型的超声波传感器中，减振作用部设置于第1电极端子的端子板的连接部附近部分。据此，能够依靠和超声波传感器本体邻近的部分抑制混响。从而，不受与引线等连接的限制，可以提高设计的自由度。

另外，在本实用新型的超声波传感器中，减振作用部的绝缘部由树脂构成。据此，绝缘部可兼任减振作用部。从而，作为减振作用部，不需要使用特殊的部件，可抑制压电体的混响。

另外，本实用新型的超声波传感器的减振作用部由涂布在第1电极端子的端子板的连接部的减振部件构成。据此，仅仅对端子板连接部涂布减振部件，即可抑制压电体的混响。从而，作为减振作用部，不需要使用特殊的部件，通过简单的结构即可实现抑制压电体的混响。

另外，在本实用新型的超声波传感器中，还设有将引线连接于第1电极端子上的引线连接部，将减振作用部设置于引线连接部。据此，在与超声波传感器的本体无关的情况下，可抑制压电体的混响。从而，超声波传感器的制造较容易进行，可提高其生产性。

另外，在本实用新型的超声波传感器中，减振作用部通过第1电极端子和引线接合成一体而形成。据此，通过引线连接部也可兼有对压电体的混响抑制效果。从而，作为减振作用部，不需要使用特殊的材料，即可抑制压电体的混响。

另外，在本实用新型的超声波传感器中，第1电极端子和引线通过焊接部接合成一体。据此，通过由焊接形成的焊接部这样的一般的连接方式能够抑制混响。从而，能够较低成本地抑制压电体的混响。

另外，本实用新型的超声波传感器包括：有底筒状的壳体、设置于该壳体底部内侧的压电体、设置于该壳体底部外侧的匹配层、带有将该壳体的开口封闭的开口部的端子板、设置于端子板的开口部的绝缘部、由绝缘部支撑保持的第1电极端子、设置于第1电极端子和压电体之间的导电体、安装于端子板的第2电极端子，在第1电极端子上形成有减振作用部。据此，通过第1电极端子自身可抑制压电体的混响。从而，由于不需要另行设置减振作用部，没有多余的部件，通过简单的构造即可达到抑制混响的效果。

另外，在本实用新型的超声波传感器中，第1电极端子具有在压电体的驱动频率不易形成共振的形状。据此，例如由于可以将第1电极端子的直径变细，可以使用较少的材料实现抑制混响。

另外，本实用新型的超声波流量计包括：对流经流道的流体流量进行测定的流量测定部、设置在该流量测定部的上述本实用新型的由一对超声波传感器构成的超声波发射/接收器、计测超声波发射/接收器间的超声波传播时间的计测电路、以及依靠来自计测电路的信号计算出流量的流量计算电路。据此，使用混响较少的超声波传感器，可以准确测定传播时间，从而可以实现一种以较高精度计测流体流量的超声波流量计。

Claims (10)

1.一种超声波传感器，其特征在于包括： 

有底筒状的壳体； 

设置于所述壳体底部内侧的压电体； 

设置于所述壳体底部外侧的匹配层； 

将所述壳体的开口封闭且带有开口部的端子板； 

设置于所述端子板的所述开口部的绝缘部； 

被所述绝缘部支撑保持的第1电极端子； 

设置于所述第1电极端子和所述压电体之间的导电体；和 

安装于所述端子板的第2电极端子， 

与所述第1电极端连接地设有减振作用部。 

2.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于：所述减振作用部设置于所述第1电极端子的所述端子板的连接部附近部分。 

3.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于：所述绝缘部由树脂构成，所述绝缘部兼任所述减振作用部。 

4.如权利要求2所述的超声波传感器，其特征在于：所述减振部件由涂布在所述第1电极端子的所述端子板的连接部上的减振部件构成。 

5.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于：还设有将引线连接于所述第1电极端子上的引线连接部，在所述引线连接部上设有所述减振作用部。 

6.如权利要求5所述的超声波传感器，其特征在于：所述减振作用部由所述第1电极端子和所述引线接合成一体构成。 

7.如权利要求5所述的超声波传感器，其特征在于：所述第1电极端子和所述引线通过焊接部接合成一体。 

8.一种超声波传感器，其特征在于包括： 

有底筒状的壳体； 

设置于所述壳体底部内侧的压电体； 

设置于所述壳体底部外侧的匹配层； 

将所述壳体的开口封闭且带有开口部的端子板； 

设置于所述端子板的所述开口部的绝缘部； 

由所述绝缘部支撑保持的第1电极端子； 

设置于所述第1电极端子和所述压电体之间的导电体；和 

安装于所述端子板的第2电极端子， 

在所述第1电极端子上形成有减振作用部。 

9.如权利要求8所述的超声波传感器，其特征在于：所述第1电极端子以不易与所述压电体的接收频率产生共振的形状形成。 

10.一种超声波流量计，其特征在于包括： 

测定流经流道的流体流量的流量测定部； 

设置在流量测定部上的、至少一对由权利要求1或8的任一项所述的超声波传感器构成的超声波发射/接收器； 

计测所述超声波发射/接收器间的超声波传播时间的计测电路； 

基于所述计测电路测定的信号计算出流量的流量计算电路。 

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