超聲波發送接收器及其制造方法以及超聲波流量計的制作方法

超聲波發送接收器及其制造方法以及超聲波流量計的制作方法
【專利摘要】超聲波發送接收器(50)具備：金屬板(16)、聲匹配體(15)、壓電體(17)、第一引線(18a)、第二引線(18b)以及減振構件(11)，其中，該減振構件(11)覆蓋金屬板(16)的另一個主表面(16b)的除固定有壓電體(17)的部分以外的部分、壓電體(17)的表面、金屬板(16)的端面(16c)、金屬板(16)的一個主表面(16a)的外周部、第一引線(18a)以及第二引線(18b)，含有熱塑性樹脂作為主要成分。
【專利說明】超聲波發送接收器及其制造方法以及超聲波流量計
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超聲波發送接收器及其制造方法以及超聲波流量計，特別是涉及一種超聲波發送接收器的減振結構。
【背景技術】
[0002]作為用于以往的超聲波流量計的超聲波發送接收器，已知通過壓電元件的伸縮來產生超聲波的超聲波振子、超聲波傳感器。在該超聲波振子中，例如在外殼的外壁面固定有聲匹配層，在外殼的內壁面固定有壓電體。外殼的開ロ被密封體封住，夕卜殼的側壁部被減振體覆蓋，外殼的端部(支承部)隔著振動傳遞抑制體進行安裝(現有例1:例如參照專利文獻I)。
[0003]另外，在超聲波傳感器中，例如在聲匹配層固定有壓電元件，以具有間隙地覆蓋壓電元件的方式將塑料制的外殼固定于聲匹配層。為了填充該壓電元件的周圍，在外殼內填充有硅樹脂等彈性樹脂(現有例2:例如參照專利文獻2)。
[0004]專利文獻1:日本特開2001-159551號公報
[0005]專利文獻2:日本特開平10-224895號公報

【發明內容】

_6] 發明要解決的問題
[0007]然而，在現有例I中，需要在固定有聲匹配層和壓電體的外殼分別安裝減振體和振動傳遞抑制體，由于費事而導致量產性存在問題。
[0008]并且，壓電體沒有直接接觸減振構件，因此不能充分地減輕在產生超聲波后壓電體和外殼等仍繼續振動的不需要的混響振動。該不需要的振動對所接收的超聲波脈沖造成影響，不能高精度地獲得信號。
[0009]另外，在現有例2中，在超聲波傳感器用于超聲波流量計等裝置的情況下，外殼被直接安裝于流路。于是，壓電體等的振動傳遞到流路，該振動與正在傳播的超聲波發生干擾，導致信號的精度下降。
[0010]本發明是為了解決這種問題而完成的，其目的在于提供一種能夠在所安裝的測量裝置中進行高精度的測量且與現有技術相比量產性優良的超聲波發送接收器及其制造方法以及超聲波流量計。
[0011]用于解決問題的方案
[0012]本發明的某個方式所涉及的超聲波發送接收器具備:金屬板；聲匹配體，其被固定于上述金屬板的ー個主表面；壓電體，其被固定于上述金屬板的固定有上述聲匹配體的部分的、上述金屬板的另ー個主表面；第一引線，其與上述壓電體的距上述金屬板遠的ー側的端部相連接，用于提供對該壓電體施加的電壓；第二引線，其與上述金屬板相連接，用于提供對該壓電體施加的電壓；以及減振構件，其一體地覆蓋上述金屬板的另ー個主表面的除固定有上述壓電體的部分以外的部分、上述壓電體的表面、上述金屬板的端面、上述金屬板的ー個主表面的外周部、上述第一引線以及上述第二引線，含有熱塑性樹脂作為主要成分。
[0013]發明的效果
[0014]本發明能夠發揮以下效果:能夠提供一種能夠在所安裝的測量裝置中進行高精度的測量且與現有技術相比量產性優良的超聲波發送接收器及其制造方法以及超聲波流量計。
[0015]通過參照附圖對以下的優選實施方式進行的詳細說明，能夠明確本發明的上述目的、其它目的、特征以及優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1A是表示本發明的實施方式I所涉及的超聲波發送接收器的正面的俯視圖。
[0017]圖1B是表示圖1A的超聲波發送接收器的截面圖。
[0018]圖1C是表示圖1A的超聲波發送接收器的背面的俯視圖。
[0019]圖2A是表不將圖1B的超聲波發送接收器中的聲匹配體和壓電體固定于金屬板而得到的接合體的截面圖。
[0020]圖2B是表示在圖2A的接合體上連接有引線的狀態的截面圖。
[0021]圖2C是表示將圖2B的接合體收納于模具的狀態的截面圖。
[0022]圖2D是表示圖2C的接合體上附有減振構件的狀態的截面圖。
[0023]圖3是示意性地表示安裝有圖1B的超聲波發送接收器的超聲波流量計的截面圖。
[0024]圖4是表示圖1B的被安裝于超聲波流量計的超聲波發送接收器的一部分的放大后的截面圖。
[0025]圖5A是表示本發明的實施方式2所涉及的超聲波發送接收器的正面的俯視圖。
[0026]圖5B是表示圖5A的超聲波發送接收器的截面圖。
[0027]圖5C是表示圖5A的超聲波發送接收器的背面的俯視圖。
[0028]圖6A是表不將圖5B的超聲波發送接收器中的聲匹配體和壓電體固定于金屬板而得到的接合體的截面圖。
[0029]圖6B是表示圖6A的接合體上連接有引線的狀態的截面圖。
[0030]圖6C是表示將圖6B的接合體收納于模具的狀態的截面圖。
[0031]圖6D是表示圖6C的接合體上附有減振構件的狀態的截面圖。
[0032]圖7是表示安裝有圖5B的超聲波發送接收器的超聲波流量計的一部分的放大后的截面圖。
[0033]圖8是表示安裝有本發明的實施方式3所涉及的超聲波發送接收器的超聲波流量計的一部分的放大后的截面圖。
[0034]圖9是表示安裝有本發明的實施方式4所涉及的超聲波發送接收器的超聲波流量計的一部分的放大后的截面圖。
[0035]圖10是表示安裝有本發明的實施方式5所涉及的超聲波發送接收器的超聲波流量計的一部分的放大后的截面圖。
[0036]圖11是表示安裝有本發明的實施方式6所涉及的超聲波發送接收器的超聲波流量計的一部分的放大后的截面圖。【具體實施方式】
[0037]本發明的第一發明所涉及的超聲波發送接收器具備:金屬板；聲匹配體，其被固定于上述金屬板的ー個主表面；壓電體，其被固定于上述金屬板的固定有上述聲匹配體的部分的、上述金屬板的另ー個主表面；第一引線，其與上述壓電體的距上述金屬板遠的ー側的端部相連接，用于提供對該壓電體施加的電壓；第二引線，其與上述金屬板相連接，用于提供對該壓電體施加的電壓；以及減振構件，其一體地覆蓋上述金屬板的另ー個主表面的除固定有上述壓電體的部分以外的部分、上述壓電體的表面、上述金屬板的端面、上述金屬板的ー個主表面的外周部、上述第一引線以及上述第二引線，含有熱塑性樹脂作為主要成分。
[0038]根據該結構，減振構件覆蓋壓電體，因此減振構件發揮抑制該壓電體和金屬板等的振動的減振功能。因此，能夠抑制在產生超聲波之后壓電體和金屬板等繼續振動的不需要的混響振動。由此，測量的精度提高。
[0039]另外，在超聲波發送接收器用于超聲波流量計等測量裝置的情況下，超聲波發送接收器隔著減振構件中的覆蓋金屬板的外周部的部分被安裝在流路中。因此，減振構件使從金屬板向流路傳遞的振動衰減，發揮防振功能。通過該防振功能能夠抑制對所接收的超聲波脈沖的影響，能夠在安裝有超聲波發送接收器的測量裝置中進行高精度的測量。
[0040]并且，減振構件含有熱塑性樹脂來作為主要成分，因此能夠通過樹脂成型來一體地形成減振構件。由此，超聲波發送接收器的量產性優良。
[0041]關于本發明的第二發明所涉及的超聲波發送接收器，也可以是在第一發明所涉及的超聲波發送接收器中，上述金屬板形成為平板狀。
[0042]關于本發明的第三發明所涉及的超聲波發送接收器，也可以是在第一發明所涉及的超聲波發送接收器中，上述金屬板形成為包括筒狀的周壁部、封閉該周壁部的一端的端壁部、形成于上述周壁部的另一端的凸緣部的帶凸緣的金屬容器狀，上述聲匹配體固定于上述端壁部的外表面，上述壓電體以位于上述筒狀的周壁部的內部空間的方式固定于上述端壁部的內表面，上述第二引線與上述金屬板相連接，上述減振構件一體地形成為填充到上述筒狀的周壁部的內部空間以覆蓋上述壓電體的表面、上述第一引線以及上述第二引線，并且覆蓋上述凸緣部的內表面、外周面及外表面和上述周壁部的外表面。
[0043]根據該結構，與用樹脂形成的情況相比，形成為帶凸緣的金屬容器狀的金屬板的尺寸精度高，因此能夠實現高精度的流量測量。
[0044]另外，除了減振構件以外，金屬板的周壁部介于流路與壓電體之間以使壓電體等的振動衰減。另外，通過從金屬板的端壁部向周壁部彎曲的彎曲部來減輕產生超聲波脈沖后的端壁部的不需要的振動。由此，抑制在產生超聲波脈沖之后從超聲波發送接收器向流路傳遞的振動，流量測量的精度提高。
[0045]關于本發明的第四發明所涉及的超聲波發送接收器，也可以是在第一?第三發明所涉及的超聲波發送接收器中，上述壓電體具有在其厚度方向上延伸的槽，上述減振構件進ー步被填充到上述槽中。
[0046]根據該結構，填充有減振構件的槽抑制相對于厚度方向垂直的方向上的振動。由此，能夠抑制向流路傳遞的混響振動，測量的精度提聞。[0047]關于本發明的第五發明所涉及的超聲波發送接收器，也可以是在第一?第四發明中的任一發明所涉及的超聲波發送接收器中，上述減振構件具有突出部，該突出部向從上述聲匹配體的基端朝向前端的方向突出。
[0048]根據該結構，即使在組裝時等對聲匹配體施加了應力、沖擊，也通過減振構件保護聲匹配體。因此，易于組裝超聲波發送接收器，超聲波發送接收器的量產性優良。
[0049]關于本發明的第六發明所涉及的超聲波發送接收器，也可以是在第一?第五發明中的任一發明所涉及的超聲波發送接收器中，上述減振構件與上述聲匹配體的外周面之間具有間隙。
[0050]根據該結構，通過間隙防止減振構件附著于聲匹配體。因此，能夠防止減振構件附著所引起的聲匹配體的特性變化，能夠實現高精度的流量測量。
[0051]本發明的第七發明所涉及的超聲波發送接收器的制造方法包括以下步驟:組裝步驟，制作組裝體，該組裝體具備:金屬板；聲匹配體，其被固定于上述金屬板的ー個主表面；壓電體，其被固定于上述金屬板的固定有上述聲匹配體的部分的、上述金屬板的另ー個主表面；第一引線，其與上述壓電體的距上述金屬板遠的ー側的端部相連接，用于提供對該壓電體施加的電壓；以及第二引線，其與上述金屬板相連接，用于提供對該壓電體施加的電壓；以及樹脂成型步驟，在將上述組裝體收容到模具內之后，通過向上述模具內注入熱塑性樹脂來形成由上述熱塑性樹脂構成的減振構件，以一體地覆蓋上述金屬板的另ー個主表面的除固定有上述壓電體的部分以外的部分、上述壓電體的表面、上述金屬板的端面、上述金屬板的ー個主表面的外周部、上述第一引線以及上述第二引線。
[0052]根據該結構，與現有技術相比能夠以優良的量產性制造上述第一發明中的具有減振功能和防振功能的超聲波發送接收器。
[0053]關于本發明的第八發明所涉及的超聲波發送接收器的制造方法，也可以是在第七發明所涉及的超聲波發送接收器的制造方法中，在上述樹脂成型步驟中，將上述組裝體以上述金屬板的ー個主表面朝向下方且通過上述模具的環狀的支承部來支承該ー個主表面的上述聲匹配體的周圍的部分的方式收容到上述模具的內部空間，通過對上述模具的內部空間的上述環狀的支承部的外側區域注入上述熱塑性樹脂，以與上述聲匹配體的外周面之間具有間隙的方式形成上述減振構件。
[0054]根據該結構，與現有技術相比，能夠以優良的量產性制造能夠防止減振構件附著于聲匹配體的超聲波發送接收器。
[0055]本發明的第九發明所涉及的超聲波流量計具備:一對根據第一?第六發明中的任一發明所涉及的超聲波發送接收器，其用于相互發送和接收超聲波脈沖；流路，在該流路中ー對上述超聲波發送接收器相互分離地配置；傳播時間測量部，其測量上述超聲波脈沖在ー對上述超聲波發送接收器之間進行傳播的時間；以及運算部，其基于由上述傳播時間測量部測量出的時間來計算上述被測量流體的流量。
[0056]根據該結構，能夠發揮與上述第一至第六各方面相同的作用和效果。
[0057]以下，ー邊參照附圖ー邊具體地說明本發明的實施方式。
[0058]此外，以下，在所有附圖中對相同或者相當的要素附加同一附圖標記而省略其重復說明。
[0059](實施方式I)[0060](超聲波發送接收器的結構)
[0061]圖1A是表示實施方式I所涉及的超聲波發送接收器5、6的正面的俯視圖。圖1B是表示超聲波發送接收器5、6的截面圖。圖1C是表示超聲波發送接收器5、6的背面的俯視圖。
[0062]超聲波發送接收器5、6分別具備金屬板16、聲匹配體15、壓電體17、第一引線18a、第二引線18b以及減振構件11。
[0063]金屬板16是支承聲匹配體15和壓電體17的平板狀的圓板。設定金屬板16的厚度以具備期望的剛度。期望的剛度是支承聲匹配體15和壓電體17的剛度，是傳播聲匹配體15與壓電體17之間的超聲波脈沖卻抑制該超聲波脈沖的混響的剛度。
[0064]金屬板16的一個主表面16a上固定聲匹配體15,其另一個主表面16b上固定壓電體17。金屬板16的外周部從聲匹配體15和壓電體17突出。
[0065]金屬板16由具有導電性的材料、例如鉄、不銹鋼、黃銅、銅、鋁、鍍鎳鋼板等金屬形成。金屬板16的另ー個主表面16b例如使用粘接劑通過歐姆接觸與壓電體17的一個電極17a相連接。另外，金屬板16的另ー個主表面16b通過焊料等與第二引線18b相連接。因此，金屬板16將壓電體17的一個電極17a與第二引線18b之間電連接。
[0066]聲匹配體15是為了將由壓電體17產生的超聲波脈沖傳播到被測量流體而對壓電體17的聲阻抗與被測量流體的聲阻抗進行匹配的元件。聲匹配體15例如形成為圓柱形狀。聲匹配體15例如利用粘接劑粘接并固定于金屬板16的ー個主表面16a。
[0067]對于聲匹配體15，使用以熱固性樹脂填充中空球體的間隙并固化而得到的玻璃，或者，聲匹配體15使用在聲波放射面形成有聲學膜的陶瓷多孔體等。聲匹配體15的厚度例如被設定為超聲波脈沖的波長、的1/4。
[0068]壓電體17是通過被施加電壓而進行伸縮由此將電振動變換為機械振動而產生超聲波脈沖的元件。對于壓電體17，如果是示出壓電性的材料則能夠使用任何材料，特別是優選使用鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。
[0069]壓電體17形成為長方體狀、圓柱狀等柱狀，在該實施方式中例如形成為短四棱柱狀。壓電體17具有一個電極17a、另ー個電極17b以及在厚度方向上被它們夾持的壓電部17c。因此，壓電體17構成為在金屬板16的固定有聲匹配體15的部分的厚度方向上伸縮。壓電體17的一個電極17a通過導電糊劑、焊料等與金屬板16的另ー個主表面16b接合，由此ー個電極17a與金屬板16電連接,并且壓電體17被固定于金屬板16。另外,壓電體17的另ー個電極17b通過焊料、導電糊劑等導電性材料與第一引線18a接合。
[0070]第一引線18a和第二引線18b是將壓電體17的電極連接到傳播時間測量部(圖3)等的導線。對于各引線18a、18b，使用金屬線、用涂層、鍍膜等絕緣體覆蓋金屬線而得到的引線。第一引線18a與壓電體17的另ー個電極17b相連接，第二引線18b經由金屬板16與壓電體17的一個電極17a相連接。
[0071]減振構件11是具有防振功能的構件，防止將超聲波脈沖向被測量流體傳播時產生的振動傳遞到流路3。另外，減振構件11是具有減振功能的構件，使用于產生超聲波脈沖的壓電體17的振動和接收該振動而產生的金屬板16的振動立即衰減。減振構件11 一體地覆蓋金屬板16的另ー個主表面16b的除固定有壓電體17的部分以外的部分、壓電體17的表面、金屬板16的端面16c、金屬板16的ー個主表面16a的外周部、第一引線18a以及第ニ引線18b。在此所謂“一體地”，意味著減振構件11是由連續的材料構成的ー個構件。
[0072]減振構件11在金屬板16的ー個主表面16a以空出距聲匹配體15的外周面15c規定的寬度的未形成部19的方式覆蓋金屬板16的外周部。這樣，在聲匹配體15上沒有形成減振構件11，因此能夠防止由減振構件11引起的聲匹配體15的特性變化。
[0073]減振構件11包括第一突起Ila和第二突起lib。第一突起Ila從金屬板16的一個主表面16a側突出。另外，第二突起Ilb從金屬板16的端面16c側突出。
[0074]減振構件11由玻璃化轉變點低的熱塑性樹脂、例如熱塑性弾性體材料、結晶性聚酷等形成。對于熱塑性弾性體材料，例如列舉出苯こ烯類弾性體、烯烴類弾性體、聚酯類彈性體等。作為結晶性聚酯，例如列舉出日本特開2006-57043號的專利公開公報所記載的粘接劑組合物、東洋紡制的バイロショッ卜(注冊商標)GM-920、GM-913等。熱塑性樹脂的玻璃化轉變點例如優選為進行流量測量的最低溫度的_30°C以下。由此，在流量測量時，減振構件11具有橡膠彈性，能夠發揮減振功能。另外，熱塑性樹脂的熔點優選為流量測量的最高溫度的80°C以上。并且，熱塑性樹脂的貯存弾性率在從流量測量的最低溫度至最高溫度的范圍內例如是4MPa?300MPa。由此，減振構件11能夠在流量測量時充分地吸收金屬板16、壓電體17等的振動。
[0075]減振構件11所使用的熱塑性樹脂具有易于吸附于金屬板16、壓電體17的材料的官能團。因此，減振構件11通過與金屬板16、壓電體17緊密接合而發揮抑制金屬板16的振動的減振功能。另外，減振構件11所使用的熱塑性樹脂通過加熱而熔化，通過冷卻而固化，由此如后所述，能夠短時間形成減振構件11。并且，減振構件11所使用的熱塑性樹脂具有電絕緣性。因此，減振構件11防止從第一引線18a、第二引線18b以及金屬板16等放電。另外，減振構件11使壓電體17的一個電極17a與壓電體17的另ー個電極17b電絕緣。由此，即使在這些電極17a與電極17b之間存在導電體等異物，壓電體17也能夠穩定地動作。
[0076](超聲波發送接收器的制法)
[0077]圖2A是表不將超聲波發送接收器5、6中的聲匹配體15和壓電體17固定于金屬板16而得到的接合體20的截面圖。圖2B是表示接合體20上連接有各引線18a、18b的狀態的截面圖。圖2C是表示將接合體20收納于模具22的狀態的截面圖。圖2D是表示接合體20上附有減振構件11的狀態的截面圖。
[0078]如圖2A所示，聲匹配體15通過粘接劑粘接于金屬板16的ー個主表面16a，由此被固定于金屬板16。另外，壓電體17通過導電糊劑等而一個電極17a粘接于金屬板16的另ー個主表面16b,由此被固定于金屬板16。由此,壓電體17的一個電極17a與金屬板16電連接。而且，形成聲匹配體15和壓電體17與金屬板16接合而成的接合體20。
[0079]如圖2B所示，在接合體20中，在壓電體17的另ー個電極17b上通過導電構件21接合有第一引線18a。另外，第二引線18b通過導電構件21與金屬板16的另ー個主表面16b接合。由此，第二引線18b經由金屬板16與壓電體17的一個電極17a電連接。而且，第一引線18a和第二引線18b與接合體20連接。由此，形成連接有各引線18a、18b的接合體20 (組裝體)。
[0080]如圖2C所示，連接有各引線18a、18b的接合體20 (組裝體)被配置在模具22內。該模具22的內部具有與連接有各引線18a、18b的接合體20大致相似的形狀。但是，模具22具有與減振構件11的未形成部19對應的支承部24。支承部24具有圓筒形狀，朝向模具22的內部突出。支承部24的內表面的直徑被設定為比聲匹配體15的直徑稍大。此外，支承部24是環狀即可。另外，在模具22中設置有使減振構件11所使用的熱塑性樹脂流入的流入ロ 23，流入ロ 23貫穿模具22。并且，在模具22中設置有與第一突起Ila對應的凹部和與第二突起Ilb對應的凹部。
[0081]通過將聲接合體20收納于圓筒形狀的內部而將接合體20收容在模具22的內部。此時，金屬板16的ー個主表面16a朝向下方,且金屬板16的ー個主表面16a被支承部24支承。而且，將接合體20相對于模具22定位，以使模具22的內表面相對于接合體20和各引線18a、18b的表面隔開規定寬度的間隔地大致平行地設置。而且，金屬板16的一個主表面16a的一部分與支承部24相抵接,金屬板16的另ー個主表面16b與模具的一部分的固定部(未圖示)相抵接。由此，接合體20在模具內以放入的方式被固定。
[0082]在減振構件11的成型中，例如一邊對熱塑性樹脂施加180°C的熱和5MPa?16MPa的壓力，一邊使熔化的熱塑性樹脂從模具22的流入ロ 23流入內部。此時，熱塑性樹脂填充到接合體20和各引線18a、18b與模具22內表面之間。此時，熱塑性樹脂的官能團吸附于金屬板16的金屬表面和壓電體17的表面，熱塑性樹脂與這些表面緊密接合。另外，支承部24與金屬板16的ー個主表面16a接觸，由此熱塑性樹脂不能侵入支承部24及其內部。因此，聲匹配體15的表面15a和外周面15c上不會附著熱塑性樹脂。而且，例如當經過I分鐘左右的時間時，熱塑性樹脂在模具內被冷卻而固化，形成減振構件11。
[0083]如圖2D所示，從模具22取出由形成構件形成的接合體20，從而完成超聲波發送接收器5、6。在該超聲波發送接收器5、6的減振構件11中，在支承部24所在的金屬板16的ー個主表面16a上形成未形成部19。由此，在位干支承部24的內表面的聲匹配體15上沒有形成減振構件11，聲匹配體15露出到外部。另外，減振構件11覆蓋除了未形成部19和聲匹配體15以外的接合體20的表面和各引線18a、18b。
[0084](超聲波流量計的結構)
[0085]圖3是示意性地表示安裝有超聲波發送接收器5、6的超聲波流量計的截面圖。圖4是表示被安裝于超聲波流量計的超聲波發送接收器5、6的一部分的放大后的截面圖。
[0086]超聲波流量計是對流經流路3的被測量流體的流量進行測量的裝置。超聲波流量計具備流路3、一對超聲波發送接收器5、6、傳播時間測量部7以及運算部8。
[0087]流路3由被測量流體在其內部流過的例如圓筒形狀的管形成。流路3包括設置于一端的第一開ロ I和設置于另一端的第二開ロ 2。另外,流路3包括第一開ロ部4a和與第一開ロ部4a對置的第二開ロ部4b。第一開ロ部4a和第二開ロ部4b分別由從流路3的內表面向流路3的直徑的外側突出的圓筒形狀的凹部形成。第一開ロ部4a的中心軸與第二開ロ部4b的中心軸一致。該第一開ロ部4a和第二開ロ部4b的中心軸以相對于流路3的中心軸形成的角0傾斜。
[0088]—對超聲波發送接收器5、6在相互發送和接收超聲波脈沖的位置處被抵接固定在流路3中。也就是說，一個超聲波發送接收器(以下稱為“第一超聲波發送接收器”。)5被安裝于第一開ロ部4a，另ー個超聲波發送接收器(以下稱為“第二超聲波發送接收器”。)6被安裝于第二開ロ部4b。此時，各超聲波發送接收器5、6的聲匹配體15相對置。而且，各超聲波發送接收器5、6以相對于各開ロ部4a、4b的中心軸平行且相對于流路3形成的角0傾斜的方式產生超聲波脈沖。另外，各超聲波發送接收器5、6接收以相對于各開ロ部4a、4b的中心軸平行且相對于流路3形成的角0傾斜地入射的超聲波脈沖。
[0089]如圖4所示，在各超聲波發送接收器5、6中，減振構件11的外周部被嵌入流路3的凹部，第一突起Ila和第二突起Ilb與流路3的抵接部10抵接。另外，減振構件11的與配置有第一突起Ila的面相反的面接觸固定構件。固定構件12以向流路3按壓第一突起Ila的方式緊貼減振構件11，從而將其固定于流路3。因此，減振構件11利用第一突起11a、第ニ突起Ilb以及第一突起Ila的相反面被流路3和固定構件支承。由此，超聲波發送接收器5、6被配置在各開ロ部4a、4b中的規定的位置處。
[0090]如圖1所示，傳播時間測量部7和運算部8由微計算機等的控制裝置構成。微計算機具備CPU等處理部和ROM、RAM等存儲部。此外，傳播時間測量部7和運算部8既也可以由ー個控制裝置構成，也可以由不同的控制裝置構成。
[0091]傳播時間測量部7測量超聲波脈沖在一對超聲波發送接收器5、6之間進行傳播的時間。運算部8基于由傳播時間測量部7測量出的時間來計算被測量流體的流量。
[0092](超聲波流量計的動作)
[0093]如圖3所示，傳播時間測量部7經由各引線18a、18b將電(電壓)信號提供給各超聲波發送接收器5、6的壓電體17。該電信號由頻率接近壓電體17的共振頻率的矩形波形成。由此，壓電體17將電信號變換為機械振動。通過該機械振動，如圖4所示那樣使壓電體17和聲匹配體15共振，從而產生更大的超聲波脈沖。
[0094]如圖3所示，由第一超聲波發送接收器5產生的超聲波脈沖在傳播路徑LI中傳播，并由第二超聲波發送接收器6接收。由第二超聲波發送接收器6產生的超聲波脈沖在傳播路徑L2中傳播，并由第一超聲波發送接收器5接收。在接收到超聲波脈沖的各超聲波發送接收器5、6中，壓電體17將超聲波脈沖的機械振動變換為電振動，并輸出到傳播時間測量部7。因此,傳播時間測量部7基于向壓電體17輸出電信號的時刻與從壓電體17輸入電信號的時刻之差來求出超聲波脈沖的傳播時間tl和t2。
[0095]接著，運算部8基于由傳播時間測量部7求出的超聲波脈沖的傳播時間tl和t2來計算被測量流體的流量。具體地說，在流路3中被測量流體以流速V從第一開ロ I流向第二開ロ 2的情況下，以速度C傳播了各傳播路徑LI和L2的距離L的超聲波脈沖的傳播時間tl和t2不同。此外，超聲波脈沖的傳播路徑LI和L2的距離L是第一超聲波發送接收器5與第二超聲波發送接收器6之間的距離。另外，角度9是被測量流體的流動方向與超聲波脈沖的傳播方向形成的角。
[0096]經由傳播路徑LI從第一超聲波發送接收器5到達第二超聲波發送接收器6的超聲波脈沖的傳播時間tl用tl=L/(C+Vcos 0 ) (I)表示
[0097]另外，經由傳播路徑L2從第二超聲波發送接收器6到達第一超聲波發送接收器5的超聲波脈沖的傳播時間t2用t2=L/ (C-Vcos 0 ) (2)表示
[0098]根據這兩個公式(I)和(2)，被測量流體的流速V用V=L/2cos 0 (l/tl_l/t2) (3)表不。
[0099]超聲波脈沖的傳播路徑LI和L2的距離L以及被測量流體的流動方向與超聲波脈沖的傳播方向形成的角度e是已知的。另外，通過傳播時間測量部7來測量超聲波脈沖的傳播時間tl和t2。由此，運算部8求出被測量流體的流速V。而且，運算部8將該流速V與流路3的斷面積S和校正系數K相乘來求出流量Q。[0100](作用和效果)
[0101]根據如上所述的結構，減振構件11覆蓋金屬板16的另ー個主表面16b的除固定有壓電體17的部分以外的部分、壓電體17的表面、金屬板16的端面16c、金屬板16的ー個主表面16a的外周部、第一引線18a以及第ニ引線18b。由此，抑制在產生了超聲波脈沖之后壓電體17和金屬板16等繼續進行不需要的振動。因此，超聲波發送接收器5、6能夠在聲匹配體15、壓電體17衰減的狀態下接收超聲波脈沖，能夠高精度地獲得由所接收到的超聲波脈沖產生的信號。并且，通過使壓電體17等的振動衰減，能夠縮短到接下來產生超聲波脈沖為止的時間，能夠提高流量測量的精度。
[0102]另外，與流路3和固定構件抵接的減振構件11通過其彈性而使向流路3傳遞的振動衰減。另外，與流路3接觸的減振構件11的第一突起Ila和第二突起Ilb通過發生變形而使向流路3傳遞的振動衰減。因此，能夠抑制超聲波發送接收器5、6的振動向流路3傳遞，從而能夠防止由流路3的振動產生的噪聲干擾進行傳播的超聲波脈沖，能夠提高流量測量的精度。
[0103]并且，減振構件11具備抑制壓電體17等的振動的減振功能和防止振動傳播到流路3等的防振功能。由此，具有這兩個功能的減振構件11 一體地形成。
[0104]另外，通過在減振構件11中使用熱塑性樹脂，能夠通過射出成型來短時間形成減振構件11。在此基礎上，減振構件11 一體地形成在金屬板16的表面和壓電體17的表面的各表面，不需要安裝減振構件11的麻煩。由此，超聲波發送接收器5、6的量產性優良。
[0105]并且，減振構件11所使用的熱塑性樹脂與金屬板16和壓電體17的緊密接合性高，由此減振構件11能夠發揮優良的減振功能。另外，通過抑制金屬板16等的振動，從金屬板16等向流路3傳遞的振動的強度也降低。因此，能夠防止流路3的混響振動，能夠實現高精度的流量測量。
[0106]另外，與樹脂板相比，金屬板16的尺寸精度高，能夠將超聲波發送接收器5、6高精度地安裝到流路3。因此，能夠減少測量時的超聲波脈沖的發送接收損失，因此能夠實現高精度的流量測量。
[0107]并且，通過形成在聲匹配體15周圍的未形成部19來防止減振構件11附著于聲匹配體15。因此，能夠防止由減振構件11引起的聲匹配體15的特性變化，能夠實現高精度的
流量測量。
[0108](實施方式2)
[0109]在實施方式I中，在平板狀的金屬板16上安裝有聲匹配體15和壓電體17。與此相對地，在實施方式2中，在形成為帶凸緣的金屬容器狀的金屬板31上安裝聲匹配體15和壓電體17。
[0110](超聲波發送接收器的制法)
[0111]圖5A是表示實施方式2所涉及的超聲波發送接收器30的正面的俯視圖。圖5B是表示超聲波發送接收器30的截面圖。圖5C是表示超聲波發送接收器30的背面的俯視圖。
[0112]金屬板31形成為帶凸緣的金屬容器狀，包括筒狀的周壁部33、封閉周壁部33的一端的端壁部32以及形成于周壁部33的另一端的凸緣部34。端壁部32是圓板形狀，具有內表面和外表面。周壁部33是圓筒形狀，其一端與端壁部32相連接，另一端與凸緣部34相連接。凸緣部34從周壁部33向徑向的外側延伸。
[0113]在金屬板31上,在端壁部32的外表面固定聲匹配體15,在端壁部32的內表面固定壓電體17。周壁部33的內徑比壓電體17的長度大，因此壓電體17位于筒狀的周壁部33的內部空間，在壓電體17與周壁部33的內表面之間形成間隙。
[0114]金屬板31是利用具有導電性的材料，例如鉄、不銹鋼、黃銅、銅、鋁、鍍鎳鋼板等金屬通過深拉加工而形成的。金屬板31的端壁部32的內表面使用導電性材料通過歐姆接觸與壓電體17的電極相連接。另外，金屬板31的周壁部33的內表面通過焊料等導電性材料與第二引線18b相連接。因此，具有導電性的金屬板31將壓電體17的電極與第二引線18b之間電連接。
[0115]減振構件11被填裝到筒狀的周壁部33的內部空間使得覆蓋壓電體17的表面、第ー引線18a以及第ニ引線18b，并且覆蓋凸緣部34的內表面、外周面以及外表面。減振構件11空出規定的寬度的未形成部19地包圍聲匹配體15的外周面15c。
[0116](超聲波發送接收器的制法)
[0117]圖6A是表示將聲匹配體15和壓電體17固定于金屬板31而得到的接合體20的截面圖。圖6B是表示接合體20上連接有引線的狀態的截面圖。圖6C是表示將接合體20收納于模具22的狀態的截面圖。圖6D是表示接合體20上附有減振構件11的狀態的截面圖。
[0118]圖6A?圖6D所示的實施方式2所涉及的超聲波發送接收器30的制法與圖2A?圖2D所示的實施方式I所涉及的超聲波發送接收器30的制法大致相同。但是，圖6C所示的模具22的形狀與圖2C所示的模具22的形狀不同。
[0119]如圖6C所示，模具22的內部具有與圖6B所示的連接有各引線18a、18b的接合體20大致相似的形狀。但是，模具22具有與減振構件11的未形成部19對應的支承部24。支承部24具有圓筒形狀，朝向模具22的內部突出。支承部24的內表面的直徑被設定為比聲匹配體15的直徑稍大。
[0120](超聲波流量計的結構)
[0121]圖7是表示安裝有超聲波發送接收器30的超聲波流量計的一部分的放大后的截面圖。
[0122]圖7所示的實施方式2所涉及的超聲波流量計的結構與圖4所示的實施方式I所涉及的超聲波流量計的結構大致相同。
[0123](作用和效果)
[0124]根據如上所述的結構，減振構件11被填裝到筒狀的周壁部33的內部空間使得覆蓋壓電體17的表面、第一引線18a以及第ニ引線18b，并且覆蓋凸緣部34的內表面、外周面以及外表面。由此，減振構件11發揮抑制壓電體17等的振動的減振功能和防止振動傳播到流路3等的防振功能。因此，與實施方式I同樣地，提高流量測量的精度并且量產性優良。
[0125]另外，與用樹脂形成的情況相比，形成為帶凸緣的金屬容器狀的金屬板31的尺寸精度高，能夠實現高精度的流量測量。
[0126]并且，通過形成在聲匹配體15的周圍的未形成部19能夠實現高精度的流量測量。
[0127]另外，通過除了減振構件11以外還將金屬板31的周壁部33介于流路3與壓電體17之間來使壓電體17等的振動衰減。另外,通過從金屬板31的端壁部32向周壁部33彎曲的彎曲部來減輕產生超聲波脈沖后的端壁部32的不需要的振動。通過這些方式來抑制在產生超聲波脈沖后從超聲波發送接收器30向流路3傳遞的振動，流量測量的精度提高。
[0128](實施方式3)
[0129]關于實施方式3所涉及的超聲波發送接收器35，是在實施方式2所涉及的超聲波發送接收器30中的壓電體17上形成有槽36。
[0130]圖8是表示實施方式3所涉及的被安裝于超聲波流量計的超聲波發送接收器35的一部分的放大后的截面圖。
[0131]壓電體17具有在壓電部17c的厚度方向上延伸的槽36。減振構件11被填裝到該槽36中。
[0132]根據如上所述的結構，將減振構件11填裝到在壓電部17c的厚度方向上延伸的槽36中。因此，能夠抑制相對于壓電部17c的厚度方向垂直的方向上的壓電體17的振動。由此，能夠抑制向朝向流路3的方向的振動，能夠減輕流路3的混響振動。因而，流量測量的精度進一步提尚。
[0133]此外，在實施方式3中，是在具有金屬板31的實施方式2所涉及的超聲波發送接收器30中在壓電體17上設置有槽36。與此相對地，在具有金屬板16的實施方式I所涉及的超聲波發送接收器5、6中，也可以在壓電體17上設置有槽36。
[0134](實施方式4)
[0135]關于實施方式4所涉及的超聲波發送接收器40，是在實施方式I所涉及的超聲波發送接收器5、6中的減振構件11上形成有突出部41。
[0136]圖9是表示實施方式4所涉及的被安裝于超聲波流量計的超聲波發送接收器40的一部分的放大后的截面圖。
[0137]減振構件11具有向聲匹配體15的厚度方向突出的突出部41。突出部41是圓筒形狀，其內徑比聲匹配體15的直徑大。因此，突出部41空出間隙地包圍聲匹配體15的外周面15c。該間隙形成減振構件11的未形成部19。
[0138]根據如上所述的結構，例如即使在組裝時等對聲匹配體15施加應力、沖擊，也能夠通過減振構件11保護聲匹配體15。因此，易于組裝超聲波發送接收器40，超聲波發送接收器的量產性優良。
[0139]此外，在實施方式4中，是在具有金屬板16的實施方式I所涉及的超聲波發送接收器5、6中在減振構件11上設置有突出部41。與此相對地，在具有金屬板31的實施方式2所涉及的超聲波發送接收器30中，也可以在減振構件11上設置突出部41。
[0140](實施方式5)
[0141]關于實施方式5所涉及的超聲波發送接收器50，是在實施方式2所涉及的超聲波發送接收器30中在壓電體17上形成有實施方式3的槽36且在減振構件11上形成有實施方式4的突出部41。
[0142]圖10是表示安裝有實施方式5所涉及的超聲波發送接收器50的超聲波流量計的一部分的放大后的截面圖。
[0143]此外，在實施方式5中，是在具有金屬板31的實施方式2所涉及的超聲波發送接收器30中在壓電體17上設置有槽36且在減振構件11上設置有突出部41。與此相對地，在具有金屬板16的實施方式I所涉及的超聲波發送接收器5、6中，也可以在壓電體17上設置槽36且在減振構件11上設置突出部41。
[0144](實施方式6)
[0145]關于實施方式6所涉及的超聲波發送接收器60，是在實施方式2所涉及的超聲波發送接收器30中的減振構件11上形成有貫通孔11c。
[0146]圖11是表示安裝有實施方式6所涉及的超聲波發送接收器60的超聲波流量計的一部分的放大后的截面圖。
[0147]貫通孔Ilc在減振構件11中被設置在與金屬板31的凸緣部34相對置的位置處。貫通孔Ilc貫穿減振構件11直到凸緣部34，凸緣部34經由貫通孔Ilc露出到外部。貫通孔Ilc被配置在與固定構件12的突出部12c對應的位置處。因此，在超聲波發送接收器60被安裝在流路3中時，突出部12a通過貫通孔Ilc而與凸緣部34相抵接。由此，金屬板31被向流路3按壓，從而將超聲波發送接收器60安裝于流路3的規定的位置處。因此，超聲波發送接收器60能夠高精度地發送和接收超聲波脈沖，超聲波流量計的測量精度提高。
[0148]此外，在實施方式6中，是在實施方式2所涉及的超聲波發送接收器30中在減振構件11上設置有貫通孔11c。與此相對地，在實施方式1、3?5所涉及的超聲波發送接收器中，也可以在減振構件11上設置貫通孔11c。
[0149](實施方式7)
[0150]在上述所有實施方式中，第二引線18b經由金屬板16、31與壓電體17的一個電極17a相連接。與此相對地，第二引線18b也可以直接與壓電體17的一個電極17a相連接。
[0151](實施方式8)
[0152]在上述所有實施方式中，壓電體17的一個電極17a與金屬板16、31分開地設置。與此相對地，金屬板16、31也可以兼用作壓電體17的一個電極17a。
[0153]此外，只要不彼此排斥對方，也可以將上述所有實施方式相互組合。
[0154]對于本領域技術人員來說，根據上述說明，本發明的很多改良、其它實施方式是顯而易見的。因而，應該理解為上述說明僅作為例示，以教給本領域技術人員執行本發明的優選方式為目的而被提供。在不脫離本發明的精神的范圍內，能夠對其結構和/或功能的詳細內容進行實質性地變更。
[0155]產業卜.的可利用件
[0156]本發明的超聲波發送接收器及其制造方法以及具備超聲波發送接收器的超聲波流量計作為與現有技術相比量產性優良、能夠在所安裝的測量裝置中進行高精度的測量的超聲波發送接收器及其制造方法以及具備超聲波發送接收器的超聲波流量計等是有用的。
[0157]附圖標記說明
[0158]3:流路;5、6、30、35、40、50、60:超聲波發送接收器；7:傳播時間測量部；8:運算部；11:減振構件；15:聲匹配體；16:金屬板；17:壓電體；18a:第一引線；18b:第二引線；31:金屬板；32:端壁部；33:周壁部；34:凸緣部；36:槽；41:突出部。
【權利要求】
1.ー種超聲波發送接收器，具備: 金屬板； 聲匹配體，其被固定于上述金屬板的ー個主表面； 壓電體，其被固定于上述金屬板的固定有上述聲匹配體的部分的、上述金屬板的另ー個主表面； 第一引線，其與上述壓電體的距上述金屬板遠的ー側的端部相連接，用于提供對該壓電體施加的電壓； 第二引線，其與上述金屬板相連接，用于提供對該壓電體施加的電壓；以及減振構件，其一體地覆蓋上述金屬板的另ー個主表面的除固定有上述壓電體的部分以外的部分、上述壓電體的表面、上述金屬板的端面、上述金屬板的ー個主表面的外周部、上述第一引線以及上述第二引線，含有熱塑性樹脂作為主要成分。
2.根據權利要求1所述的超聲波發送接收器，其特征在干， 上述金屬板形成為平板狀。
3.根據權利要求1所述的超聲波發送接收器，其特征在干， 上述金屬板形成為包括筒狀的周壁部、封閉該周壁部的一端的端壁部、形成于上述周壁部的另一端的凸緣部的帶凸緣的金屬容器狀， 上述聲匹配體固定于上述端壁部的外表面， 上述壓電體以位于上述筒狀的周`壁部的內部空間的方式固定于上述端壁部的內表面， 上述第二引線與上述金屬板相連接， 上述減振構件一體地形成為填充到上述筒狀的周壁部的內部空間以覆蓋上述壓電體的表面、上述第一引線以及上述第二引線，并且覆蓋上述凸緣部的內表面、外周面及外表面和上述周壁部的外表面。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的超聲波發送接收器，其特征在干， 上述壓電體具有在上述金屬板的厚度方向上延伸的槽， 上述減振構件進ー步被填充到上述槽中。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的超聲波發送接收器，其特征在干， 上述減振構件在上述金屬板的覆蓋上述金屬板的ー個主表面的部分具有突出部，該突出部向從上述聲匹配體的基端朝向前端的方向突出。
6.根據權利要求1至5中的任一項所述的超聲波發送接收器，其特征在干， 上述減振構件與上述聲匹配體的外周面之間具有間隙。
7.一種超聲波發送接收器的制造方法，包括以下步驟: 組裝步驟，制作組裝體，該組裝體具備?.金屬板;聲匹配體，其被固定于上述金屬板的ー個主表面；壓電體，其被固定于上述金屬板的固定有上述聲匹配體的部分的、上述金屬板的另ー個主表面；第一引線，其與上述壓電體的距上述金屬板遠的ー側的端部相連接，用于提供對該壓電體施加的電壓；以及第二引線，其與上述金屬板相連接，用于提供對該壓電體施加的電壓；以及 樹脂成型步驟，在將上述組裝體收容到模具內之后，通過向上述模具內注入熱塑性樹脂來形成由上述熱塑性樹脂構成的減振構件，以一體地覆蓋上述金屬板的另ー個主表面的除固定有上述壓電體的部分以外的部分、上述壓電體的表面、上述金屬板的端面、上述金屬板的ー個主表面的外周部、上述第一引線以及上述第二引線。
8.根據權利要求7所述的超聲波發送接收器的制造方法，其特征在干， 在上述樹脂成型步驟中，將上述組裝體以上述金屬板的ー個主表面朝向下方且通過上述模具的環狀的支承部來支承該ー個主表面的上述聲匹配體的周圍的部分的方式收容到上述模具的內部空間， 通過對上述模具的內部空間的上述環狀的支承部的外側區域注入上述熱塑性樹脂，以與上述聲匹配體的外周面之間具有間隙的方式形成上述減振構件。
9.一種超聲波流量計，具備: ー對根據權利要求1至6中的任一項所述的超聲波發送接收器，其用于相互發送和接收超聲波脈沖； 流路，在該流路中ー對上述超聲波發送接收器相互分離地配置； 傳播時間測量部，其測量上述超聲波脈沖在ー對上述超聲波發送接收器之間進行傳播的時間；以及 運算部，其基于由上述傳 播時間測量部測量出的時間來計算上述被測量流體的流量。
【文檔編號】H04R17/00GK103608648SQ201280025731
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年5月25日 優先權日:2011年5月27日
【發明者】中野慎, 森花英明, 佐藤真人, 足立明久 申請人:松下電器產業株式會社