超声波收发器及其制造方法、以及超声波流量计技术

一种超声波收发器，其中具有压电体、和与所述压电体声耦合的声匹配部件，其特征在于，所述声匹配部件包含声阻抗不同的至少２个声匹配层，所述２个声匹配层都是由干燥凝胶形成的。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有声匹配层的超声波收发器及其制造方法。另外，本专利技术涉及备有该超声波收发器的超声波流量计。
技术介绍
近年来，正在将通过测量超声波经过传输路径传输的时间、测定流体的移动速度、测量流量的超声波流量计用于煤气表等中。图1表示这种类型的超声波流量计的主要部分剖面图构成。在超声波流量计中，以使要测定流量的被测定对象流体经过管内流动的方式进行配置。在管壁102上，相对地设置一对超声波收发器101a、101b。超声波收发器101a、b，将压电陶瓷等的超声波收发器用作电能/机械能变换元件而构成，与压电蜂鸣器、压电振子同样表示出谐振特性。此外，在图1所示的状态中，将超声波收发器101a用作超声波发送器，将超声波收发器101b用作超声波接收器。当将持有超声波收发器101a的谐振频率附近的频率的交流电压加在超声波收发器101a内的压电体(超声波收发器)上时，超声波收发器101a作为超声波发送器起作用，将超声波发射到流体中。发射的超声波沿路经L1传输，到达超声波接收器101b。这时，超声波收发器101b作为接收器起作用，接受超声波并变换成电压。接着，这一次，超声波收发器101b作为超声波发送器起作用，超声波收发器101a作为超声波接收器起作用。即，通过将持有超声波收发器101b的谐振频率附近的频率的交流电压加在超声波收发器101b内的压电体上，从超声波收发器101b将超声波发射到流体中。发射的超声波沿路经L2传输，到达超声波收发器101a。超声波收发器101a接受传送过来的超声波并变换成电压。这样，超声波收发器101a和101b，因为交替地作为发射器起作用和作为接收器起作用，所以一般总称为超声波收发器。因为用图1所示的超声波流量计，通过连续加上交流电压，从超声波收发器连续发射超声波，测定传输时间是困难的，所以通常将脉冲信号作为传输波的脉冲串(burst)电压信号用作驱动电压。下面，我们更详细地说明上述超声波流量计的测定原理。若通过将驱动用的脉冲串电压信号加到超声波收发器101a上，从超声波收发器101a发射超声波脉冲串信号时，超声波脉冲串信号沿路径L1传输，在t时间后到达超声波收发器101b。令路径L1的距离与路径L2的距离相同为L。超声波收发器101b能够以高SN比仅将传输过来的超声波脉冲串信号变换成电脉冲串信号。电放大该电脉冲串信号，再加在超声波收发器101a上发射超声波脉冲串信号。我们将这种装置称为“声循环(sing-around)型装置”。另外，将从超声波收发器101a发射超声波脉冲后，直到到达超声波收发器101b的时间称为“声循环周期”。将“声循环周期”的倒数称为“声循环频率”。在图1中，令管中流动的流体的流速为V，流体中的超声波的速度为C，流体流动方向和超声波脉冲的传输方向的角度为θ。当将超声波收发器101a用作超声波发送器，将超声波收发器101b用作超声波接收器时，如果令作为从超声波收发器101a发出的超声波脉冲到达超声波收发器101b的时间的声循环周期为t1，声循环频率为f1，则下述的(式1)成立。f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L…(式1)相反地，如果令当将超声波收发器101b用作超声波发送器，将超声波收发器101a用作超声波接收器时的声循环周期为t2，声循环频率为f2，则下述的(式2)成立。f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L…(式2)两个声循环频率的频率差Δf由下述的(式3)表示。Δf＝f1-f2＝2Vcosθ/L …(式3)根据(式3)，能够从超声波传输路径的距离L和频率差Δf求得流体的流速V。而且能够从该流速V决定流量。用这种超声波流量计能够得到高的精度。为了提高精度，在超声波收发器内的压电体的超声波收发面上形成的声匹配层的声阻抗很重要。声匹配层，特别是在超声波收发器向气体发射(发送)超声波时；和接受经过气体传输过来的超声波时起着重要的作用。下面，我们一面参照图2一面说明声匹配层的作用。图2表示已有的超声波收发器103的剖面构成。图示的超声波收发器103备有固定在传感器盒105内侧的压电体106、和固定在传感器盒105外侧的声匹配层104。用环氧树脂系粘接剂将声匹配层104粘接在传感器盒105上。同样，也将压电体106粘接在传感器盒上。压电体106的超声波振动，经过粘接层传到传感器盒105，进一步再经过另一个粘接层传到声匹配层104。此后，作为声波向与声匹配层104相接的气体(超声波传输媒体)发射超声波振动。声匹配层104的作用是将压电体的振动高效率地传输到气体中。下面，我们更详细地说明这一点。物质的声阻抗Z，用该物质中的声速C和物质的密度ρ由下述的(式4)来定义。Z＝ρ×C…(式4)在本说明书中，用和之积来表示声阻抗Z的单位。成为超声波的发射对象的气体的声阻抗与压电体的声阻抗Z具有很大的不同。作为一般压电体的PZT(钛酸锆酸铅)等压电陶瓷的声阻抗Z1为2.9×107kg/m2/秒左右。与此相对，空气的声阻抗Z3为4.0×102kg/m2/秒左右。在声阻抗不同的边界面上容易反射声波，使透过边界面的声波的强度降低。因此，在压电体和气体之间，插入持有(式5)所示的声阻抗Z2的物质。Z2＝(Z1×Z3)1/2…(式5)若插入持有这样的声阻抗Z2的物质，则能够抑制边界面上的反射，提高声波的透过率，这是众所周知的。在设声阻抗Z1为2.9×107kg/m2/秒，声阻抗Z3为4.0×102kg/m2/秒时，满足(式5)的声阻抗Z2约为1.1×105kg/m2/秒。持有1.1×105kg/m2/秒的值的物质，当然，必须满足(式4)，即Z2＝ρ×C。要从固体材料中找到这种物质是极其困难的。其理由是一面是固体材料一面又要求密度ρ十分小，并且声速低的缘故。目前，作为声匹配层的材料，广泛地使用用树脂材料加固玻璃气球和塑料气球的材料。另外，作为制作适合于这种声匹配层的材料的方法，例如在特许第2559144号专利公报说明书等中公开了热压缩中空玻璃球的方法或使熔融材料发泡等方法。但是，这些材料的声阻抗具有比5.0×105kg/m2/秒大的值，要说它满足(式5)是困难的。为了得到高灵敏度的超声波收发器，需要用声阻抗更小的材料形成声匹配层。为了与这种要求相应，本专利申请人专利技术了充分满足(式5)的声匹配材料，并公开于日本特开2002-262394号专利公报中。该材料是用赋予了耐久性的干燥凝胶制作的，密度ρ小，并且声速C也低。这样，备有由声阻抗极低的干燥凝胶等材料形成的声匹配层的超声波收发器，能够在气体之间高效率并且高灵敏度地发送接收超声波。结果，实现了能够高精度地测定气体流量的装置。另外，本专利申请人，在日本特愿2003-136327号的说明书中公开了具有2层的声匹配层的超声波收发器的专利技术。该声匹配层具有组合了干燥凝胶和多孔质陶瓷等的多层结构，与具有单层的声匹配层的超声波收发器比较，能够提供可以进行更高灵敏度、宽频带的超声波的收发的超声波收发器。而且，如果用这种超声波收发器制作流量计，则可以高精度地测定气体流量。备有由干燥凝胶形成的声匹配层的超声波收发器，与已有的备有由用树脂材料加固玻璃气球和塑料气球的材料形成的声匹配层的超声波收发器比较，能够得到显著高的收发灵敏度。但是，当收发脉冲或脉冲串状的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：永原英知，桥田卓，铃木正明，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：