專(zhuān)利名稱(chēng)：聲匹配層、超聲波發(fā)射接收器及超聲波流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用作超聲波傳感器的聲匹配層的聲匹配層、進(jìn)行超聲波發(fā)射接收的超聲波發(fā)射接收器及該超聲波發(fā)射接收器的制造方法、以及使用了該超聲波發(fā)射接收器的超聲波流量計(jì)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，對(duì)氣量計(jì)等，正使用著通過(guò)測(cè)量超聲波在傳播路徑上的傳送時(shí)間并測(cè)定流體的移動(dòng)速度而測(cè)量流量的超聲波流量計(jì)。
圖12示出超聲波流量計(jì)的測(cè)定原理。如圖12所示，流體在管內(nèi)以速度V沿圖中所示的方向流動(dòng)。在管壁103上，彼此相對(duì)地設(shè)置著一對(duì)超聲波發(fā)射接收器101、102。超聲波發(fā)射接收器101、102，作為電能/機(jī)械能變換元件，用壓電陶瓷等壓電體構(gòu)成，因而呈現(xiàn)出與壓電蜂鳴器、壓電振蕩器相同的諧振特性。這里，將超聲波發(fā)射接收器101用作超聲波發(fā)射器，將超聲波發(fā)射接收器102用作超聲波接收器。
其動(dòng)作方式為，當(dāng)對(duì)壓電振子施加頻率接近超聲波發(fā)射接收器101的諧振頻率的交流電壓時(shí)，超聲波發(fā)射接收器101，作為超聲波發(fā)射器而動(dòng)作，沿該圖中由L1表示的傳播路徑向其外部的流體中發(fā)射超聲波，由超聲波發(fā)射接收器102接收傳播到的超聲波并將其變換為電壓。接著，反過(guò)來(lái)將超聲波發(fā)射接收器102用作超聲波發(fā)射器，將超聲波發(fā)射接收器101用作超聲波接收器。通過(guò)對(duì)壓電振子施加頻率接近超聲波發(fā)射接收器102的諧振頻率的交流電壓，超聲波發(fā)射接收器102，沿該圖中由L2表示的傳播路徑向其外部的流體中發(fā)射超聲波，由超聲波發(fā)射接收器101接收傳播到的超聲波并將其變換為電壓。按照上述方式，由于超聲波發(fā)射接收器101、102既起著接收器的作用又起著發(fā)射器的作用，所以一般稱(chēng)為超聲波發(fā)射接收器。
另外，在這種超聲波流量計(jì)中，如連續(xù)地施加交流電壓，則將從超聲波發(fā)射接收器連續(xù)地發(fā)射超聲波，因而很難測(cè)定傳播時(shí)間，所以，通常是將以脈沖信號(hào)作為傳送波的脈沖串電壓用作驅(qū)動(dòng)電壓。以下，對(duì)測(cè)定原理進(jìn)行更詳細(xì)說(shuō)明。
當(dāng)對(duì)超聲波發(fā)射接收器101施加驅(qū)動(dòng)用的脈沖串電壓而從超聲波發(fā)射接收器101發(fā)射超聲波脈沖串信號(hào)時(shí)，該超聲波脈沖串信號(hào)沿距離為L(zhǎng)的傳播路徑傳播并在時(shí)間t后到達(dá)超聲波發(fā)射接收器102。在超聲波發(fā)射接收器102中，可以只將傳送到的超聲波脈沖串信號(hào)以高的S/N比變換為電脈沖串信號(hào)。將該電脈沖串信號(hào)電氣放大后，施加于超聲波發(fā)射接收器101而使其再次發(fā)射超聲波脈沖串信號(hào)。將該裝置稱(chēng)作回鳴裝置，并將從超聲波發(fā)射接收器101發(fā)射超聲波脈沖串后沿傳播路徑傳播而到達(dá)超聲波發(fā)射接收器102所需要的時(shí)間稱(chēng)作回鳴周期，將其倒數(shù)稱(chēng)作回鳴頻率。
在圖12中，假定在管中流動(dòng)的流體的流速為V、流體中的超聲波速度為C、流體流動(dòng)的方向與超聲波脈沖的傳播方向的角度為θ。在將超聲波發(fā)射接收器101用作超聲波發(fā)射器、將超聲波發(fā)射接收器102用作超聲波接收器時(shí)，如設(shè)從超聲波發(fā)射接收器101發(fā)出的超聲波脈沖到達(dá)超聲波發(fā)射接收器1 02的時(shí)間即回鳴周期為t1、回鳴頻率為f1，則以下的式(1)成立。
f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L …(1)相反，如設(shè)將超聲波發(fā)射接收器102用作超聲波發(fā)射器而將超聲波發(fā)射接收器101用作超聲波接收器時(shí)的回鳴周期為t2、回鳴頻率為f2，則以下的式(2)成立。
f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L…(2)因此，兩個(gè)回鳴頻率的頻差Δf，為以下的式(3)，因而可以從超聲波傳播路徑的距離L和頻差Δf求出流體的流速V。
Δf＝f1-f2＝2 Vcosθ/L…(3)
即，可以從超聲波傳播路徑的距離L和頻差Δf求出流體的流速V，從而可以根據(jù)該流速V檢查流量。
在這種超聲波流量計(jì)中，要求具有一定的精度，為提高其精度，至關(guān)重要的是在構(gòu)成向氣體發(fā)射超聲波或接收通過(guò)氣體傳播到的超聲波的超聲波發(fā)射接收器的壓電振子的超聲波發(fā)射接收面上形成的聲匹配層的聲阻抗。
圖10是表示現(xiàn)有的超聲波發(fā)射接收器10’的結(jié)構(gòu)的斷面圖。超聲波發(fā)射接收器10’，具有壓電體層(振動(dòng)裝置)4、聲阻抗匹配層(聲阻抗匹配裝置，以下，稱(chēng)為「聲匹配層」)1’、及殼體5。殼體5與聲匹配層1’及殼體5與壓電體層4之間利用由粘結(jié)劑(例如環(huán)氧類(lèi)粘結(jié)劑)構(gòu)成的粘結(jié)層粘合。由壓電體層4振動(dòng)產(chǎn)生的超聲波，以特定的頻率(例如500kHz)進(jìn)行振動(dòng)，該振動(dòng)通過(guò)粘結(jié)層(圖中未示出)傳送到殼體，進(jìn)一步通過(guò)粘結(jié)層傳送到聲匹配層1’。經(jīng)匹配后的振動(dòng)，作為聲波在存在于空間的媒體即氣體中傳播。
該聲匹配層1’的作用在于，使壓電體層4的振動(dòng)能以高的效率在氣體中傳播。由物質(zhì)中的聲速C和密度ρ按式(4)定義聲阻抗Z。
Z＝ρ×C…(4)聲阻抗，在壓電體層4和作為超聲波傳播媒體的氣體中相差很大。例如，構(gòu)成壓電體層4的一般壓電體即PZT(鋯鈦酸鉛)之類(lèi)的壓電陶瓷的聲阻抗Z1為30×106kg/s·m2左右。而作為發(fā)射媒體的氣體、例如空氣的聲阻抗Z3為400kg/s·m2左右。在聲波的傳播中，在這種聲阻抗不同的界面上將產(chǎn)生反射，因而使透過(guò)的聲波強(qiáng)度減弱。作為解決這種問(wèn)題的方法，通常已知有一種相對(duì)于壓電體和氣體各自的聲阻抗Z1、Z3而在兩者之間插入其聲阻抗具有式(5)的關(guān)系的物質(zhì)從而減輕聲的反射并使聲波的透過(guò)強(qiáng)度提高的方法。
Z2＝(Z1×Z3)(1/2)…(5)滿(mǎn)足該條件的聲阻抗的匹配后的最佳值為11×104kg/s·m2左右。從式(4)可知，滿(mǎn)足該聲阻抗的物質(zhì)，如果是固體則要求密度小而聲速慢。作為一般使用的材料，在壓電體層(也稱(chēng)「超聲波振子」)的振動(dòng)面上形成和使用著用樹(shù)脂材料將玻璃空心球(中空的微小玻璃球)或塑料空心球固定后的材料。此外，也可以使用對(duì)玻璃空心球進(jìn)行熱壓縮的方法、或使熔融材料發(fā)泡等方法，這些方法例如已由專(zhuān)利第2559144號(hào)公報(bào)等公開(kāi)。
但是，這些材料的聲阻抗值，大于50×104kg/s·m2，因此，為了與氣體匹配而獲得高的靈敏度，需尋求聲阻抗更小的材料。
本申請(qǐng)人，在專(zhuān)利申請(qǐng)2001-56501號(hào)(申請(qǐng)日2001年2月28日)中，公開(kāi)了通過(guò)使用干燥凝膠形成聲匹配層而使聲阻抗比現(xiàn)有的加入玻璃空心球的環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)進(jìn)一步減低的方法、及通過(guò)對(duì)干燥凝膠進(jìn)行疏水處理而可以提高耐久性的方法。
如上所述，當(dāng)使聲匹配層的聲阻抗減小而改進(jìn)了與作為超聲波傳播媒體的氣體的匹配時(shí)，可以使作為超聲波發(fā)射接收器的靈敏度變得非常高。但是，如象在流量計(jì)中從超聲波測(cè)量傳播時(shí)間時(shí)那樣將脈沖信號(hào)作為傳送波進(jìn)行超聲波的發(fā)射接收，則信號(hào)的上升邊響應(yīng)性將會(huì)惡化，因而很難進(jìn)行到達(dá)時(shí)間的判定。即，通常是通過(guò)對(duì)超聲波的接收信號(hào)檢測(cè)超過(guò)了一定的到達(dá)檢測(cè)電平的波前信號(hào)而進(jìn)行到達(dá)的判定。因此，當(dāng)信號(hào)的上升邊靈敏時(shí)，超聲波的波前差大，因而可以很好地識(shí)別用于進(jìn)行到達(dá)判定的波前信號(hào)，并能以無(wú)誤差的方式進(jìn)行到達(dá)判定。與此相反，當(dāng)信號(hào)的上升邊不靈敏時(shí)，超聲波輸出的波前差變小，所以，很難識(shí)別用于進(jìn)行到達(dá)判定的波前信號(hào)，因而在檢測(cè)中很容易產(chǎn)生誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述課題而開(kāi)發(fā)的，其目的是提供一種聲阻抗足夠小因而可以與作為超聲波傳播媒體的氣體匹配而發(fā)射接收高靈敏度的超聲波、同時(shí)可以改進(jìn)信號(hào)上升邊響應(yīng)性的超聲波發(fā)射接收器用的聲匹配層。進(jìn)一步，提供一種采用了該聲匹配層的超聲波發(fā)射接收器及采用了該超聲波發(fā)射接收器的流量計(jì)。
本發(fā)明的聲匹配層，用于使壓電體層和氣體的聲阻抗相匹配，該聲匹配層的特征在于具有密度在50kg/m3以上500kg/m3以下的范圍內(nèi)的第1聲匹配層、密度在400kg/m3以上1500kg/m3以下的范圍內(nèi)的第2聲匹配層，且上述第1聲匹配層的密度小于上述第2聲匹配層的密度。
在某一實(shí)施形態(tài)中，上述第1聲匹配層的密度，在50kg/m3以上400kg/m3以下的范圍內(nèi)，上述第2聲匹配層的密度，在400kg/m3以上800kg/m3以下的范圍內(nèi)。
在某一實(shí)施形態(tài)中，上述第1聲匹配層的聲阻抗Za和上述第2聲匹配層的聲阻抗Zb的關(guān)系為Za＜Zb。
在某一實(shí)施形態(tài)中，上述第1聲匹配層的厚度為在上述第1聲匹配層中傳播的聲波波長(zhǎng)λ的大約四分之一。
在某一實(shí)施形態(tài)中，上述第1聲匹配層的聲阻抗在5×104kg/s·m2以上20×104kg/s·m2以下的范圍內(nèi)。
在某一實(shí)施形態(tài)中，上述第2聲匹配層的厚度為在上述第2聲匹配層中傳播的聲波波長(zhǎng)λ的大約四分之一。
在某一實(shí)施形態(tài)中，上述第1聲匹配層和上述第2聲匹配層都含有無(wú)機(jī)氧化物。
在某一實(shí)施形態(tài)中，上述第1聲匹配層，含有干燥凝膠。
在某一實(shí)施形態(tài)中，上述第1聲匹配層，含有干燥凝膠的粉末。
在某一實(shí)施形態(tài)中，上述干燥凝膠的固體骨架部含有無(wú)機(jī)氧化物。
在某一實(shí)施形態(tài)中，上述無(wú)機(jī)氧化物為氧化硅。
在某一實(shí)施形態(tài)中，對(duì)上述干燥凝膠的固體骨架部進(jìn)行疏水處理。
在某一實(shí)施形態(tài)中，將上述第1聲匹配層與上述第2聲匹配層直接粘合。
在某一實(shí)施形態(tài)中，上述第1聲匹配層與上述第2聲匹配層之間還具有結(jié)構(gòu)支承層，上述結(jié)構(gòu)支承層的密度為1000kg/m3以上，上述結(jié)構(gòu)支承層的厚度小于在上述結(jié)構(gòu)支承層中傳播的聲波波長(zhǎng)λ的八分之一。
本發(fā)明的超聲波發(fā)射接收器，備有壓體電層、設(shè)在上述壓電體層上的上述任何一種聲匹配層，將上述第2聲匹配層配置在上述壓電體層側(cè)。
在某一實(shí)施形態(tài)中，將上述聲匹配層直接粘結(jié)在上述壓電體層上。
在某一實(shí)施形態(tài)中，還具有由形成了容納上述壓電體層的凹部的頂板及配置成將上述凹部?jī)?nèi)的空間密封的底板構(gòu)成的殼體，上述壓電體層，粘結(jié)于上述殼體頂板的內(nèi)表面，上述聲匹配層，粘結(jié)于上述頂板的上表面，使其隔著上述頂板與上述壓電體層彼此相對(duì)。
在某一實(shí)施形態(tài)中，上述殼體由金屬材料形成。
在某一實(shí)施形態(tài)中，將上述殼體的上述頂板與上述第2聲匹配層形成為一體。
本發(fā)明的超聲波發(fā)射接收器的制造方法，用于上述任何一種超聲波發(fā)射接收器，該制造方法的特征在于包括在上述壓電體層上或在將上述壓電體層粘結(jié)于上述內(nèi)表面的上述頂板上形成上述第2聲匹配層的工序、在這之后在上述第2聲匹配層上形成由干燥凝膠構(gòu)成的上述第1聲匹配層的工序?；蛘?，包括在上述第2聲匹配層上形成由干燥凝膠構(gòu)成的上述第1聲匹配層從而得到上述聲匹配層的工序、將上述聲匹配層粘結(jié)在上述壓電體層上或粘結(jié)在將上述壓電體層粘結(jié)于上述內(nèi)表面的上述頂板上的工序。
本發(fā)明的超聲波流量計(jì)，備有使被測(cè)定流體流過(guò)的流量測(cè)定部、設(shè)在上述流量測(cè)定部?jī)?nèi)并用于發(fā)送接收超聲波信號(hào)的一對(duì)超聲波發(fā)射接收器、測(cè)量上述超聲波發(fā)射接收器之間的超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量電路、根據(jù)來(lái)自上述測(cè)量電路的信號(hào)計(jì)算流量的流量運(yùn)算電路，該超聲波流量計(jì)的特征在于上述一對(duì)超聲波發(fā)射接收器，分別由上述任何一種超聲波發(fā)射接收器構(gòu)成。


圖1是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的聲匹配層的示意斷面圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的壓電振子的示意斷面圖。
圖3是作為本發(fā)明第3形態(tài)示出的超聲波發(fā)射接收器的斷面圖。
圖4是作為本發(fā)明第4形態(tài)示出的超聲波發(fā)射接收器的斷面圖。
圖5是示意地表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的超聲波發(fā)射接收器制造方法的工序(a)～(e)的圖。
圖6是示意地表示本發(fā)明另一實(shí)施形態(tài)的超聲波發(fā)射接收器制造方法的工序(a)～(e)的圖。
圖7(a)和(b)是示意地表示含有適用于本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的聲匹配層的粉末干燥凝膠的第1聲匹配層的結(jié)構(gòu)的圖。
圖8(a)～(c)是表示本發(fā)明中使用的超聲波發(fā)射接收器的接收輸出特性的圖，(a)是采用了單一聲匹配層(環(huán)氧玻璃)時(shí)的特性圖，(b)是采用了單一聲匹配層(硅石干燥凝膠)時(shí)的特性圖，(c)是采用了雙層聲匹配層(硅石干燥凝膠、硅多孔體)時(shí)的特性圖。
圖9(a)～(c)是表示本發(fā)明中使用的超聲波發(fā)射接收器的振動(dòng)位移頻率特性的圖，(a)是采用了單一聲匹配層(環(huán)氧玻璃)時(shí)的特性圖，(b)是采用了單一聲匹配層(硅石干燥凝膠)時(shí)的特性圖，(c)是采用了雙層聲匹配層(硅石干燥凝膠、硅多孔體)時(shí)的特性圖。
圖10是表示現(xiàn)有的超聲波發(fā)射接收器的結(jié)構(gòu)的斷面圖。
圖11是表示使用了本發(fā)明的超聲波發(fā)射接收器的超聲波流量計(jì)的框圖。
圖12是用于說(shuō)明一般的超聲波流量計(jì)的測(cè)定原理的斷面圖。
具體實(shí)施例方式
以下，邊參照附圖邊說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)。
本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的聲匹配層1，如圖1所示，備有密度小而聲速慢的第1聲匹配層2、密度高于第1聲匹配層2且聲速快的第2聲匹配層3。第1聲匹配層2的密度，在50kg/m3以上500kg/m3以下的范圍內(nèi)，第2聲匹配層3的密度，在400kg/m3以上1500kg/m3以下的范圍內(nèi)，且第1聲匹配層2的密度小于第2聲匹配層3的密度。例如，第1聲匹配層2的密度，為50kg/m3以上400kg/m3以下，第2聲匹配層3的密度為400kg/m3以上800kg/m3以下。
如圖2所示，在本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的壓電振子8中，將第1聲匹配層2配置在發(fā)射媒體側(cè)，將第2聲匹配層3配置在壓電體層4側(cè)。通過(guò)使用備有如上所述的本發(fā)明的聲匹配層1的壓電振子8，可以提高超聲波發(fā)射接收器的靈敏度。
例如，圖3所示的本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的超聲波發(fā)射接收器10A，具有圖1中示出的本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的聲匹配層1，用以替代圖10中示出的現(xiàn)有的超聲波發(fā)射接收器10’的聲匹配層。將聲阻抗與超聲波發(fā)射媒體匹配的第1聲匹配層2配置在發(fā)射媒體側(cè)。通過(guò)采用這種結(jié)構(gòu)，可以得到聲阻抗足夠小因而可以與作為超聲波傳播媒體的氣體匹配而發(fā)射接收高靈敏度的超聲波、同時(shí)可以改進(jìn)信號(hào)的上升邊響應(yīng)性的優(yōu)良的超聲波發(fā)射接收器。
以下，用圖8(a)～(c)和圖9(a)～(c)詳細(xì)說(shuō)明由本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的超聲波發(fā)射接收器的結(jié)構(gòu)所取得的效果。
圖8(a)～(c)是表示超聲波發(fā)射接收器的超聲波接收輸出特性的圖，圖中示出各聲匹配層的接收波形。
圖8(a)和圖8(b)，是采用了聲匹配層為單層的圖10所示現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的超聲波發(fā)射接收器10’的特性圖，圖8(a)示出采用了玻璃空心球/環(huán)氧類(lèi)聲匹配層(厚度1.25mm、聲速2500m/S、密度500kg/m3)的情況，圖8(b)示出采用了硅石干燥凝膠聲匹配層(厚度90μm、聲速180m/S、密度200kg/m3)的情況。
圖8(c)是表示圖3所示的本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的超聲波發(fā)射接收器10A的特性的圖。圖中示出了采用硅石干燥凝膠聲匹配層(厚度90μm、聲速180m/S、密度200kg/m3)作為第1聲匹配層2、采用硅多孔體聲匹配層(厚度750μm、聲速1500m/S、密度570kg/m3)作為第2聲匹配層3的情況。
首先，從圖8(a)與圖8(b)的比較可以看出，通過(guò)將低密度的硅石干燥凝膠用作聲匹配層，與采用了以往一般使用著的玻璃空心球/環(huán)氧類(lèi)的情況相比，接收輸出電壓的振幅最大幅值(峰間電壓)增大，因而使靈敏度提高。
但是，從圖8(b)可以看出，與圖8(a)相比，接收信號(hào)上升邊變陲得遲緩。進(jìn)一步，由于上升邊的500kHz超聲波信號(hào)的各個(gè)波前與其前后的波前的輸出值差減小，所以根據(jù)到達(dá)檢測(cè)電平檢測(cè)傳播時(shí)間的容許幅值減小而易于產(chǎn)生檢測(cè)誤差，因而很難進(jìn)行檢測(cè)。由此可見(jiàn)，在只將硅石干燥凝膠用作聲匹配層的超聲波發(fā)射接收器中，雖然提高了靈敏度，但必須改進(jìn)上升邊特性。
如圖8(c)所示，通過(guò)采用由硅石干燥凝膠及將氧化硅焙燒而制成的硅多孔體構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)的聲匹配層，在峰間電壓增大因而使靈敏度提高的同時(shí)，還可以使上升邊特性也取得良好的特性。其原因是，這種聲匹配層，既可以由配置在氣體側(cè)的密度小而聲速慢的第1聲匹配層實(shí)現(xiàn)與作為超聲波傳播媒體的氣體的聲阻抗匹配而提高靈敏度，又可以由配置在壓電體層側(cè)的密度高且聲速快的第2聲匹配層確保良好的上升邊特性。
用圖9(a)～(c)進(jìn)一步說(shuō)明取得這種良好特性的原因。圖9(a)～(c)是表示分別與圖8(a)～(c)對(duì)應(yīng)的超聲波發(fā)射接收器的振動(dòng)位移頻率特性的圖。
如圖9(a)所示，在玻璃空心球/環(huán)氧類(lèi)的聲匹配層中，由于與氣體的聲阻抗匹配不夠充分，所以呈現(xiàn)出雙極值特性且頻帶較寬。因此，對(duì)超聲波脈沖信號(hào)的響應(yīng)良好，因而上升邊特性較好。與此不同，在圖9(b)所示的硅石干燥凝膠的聲匹配層中，由于與氣體的聲阻抗相匹配，所以呈現(xiàn)出單極值特性而頻帶變窄。因此，雖然使靈敏度提高，但因很難響應(yīng)比諧振頻率快的變化所以對(duì)脈沖信號(hào)的上升邊特性惡化。
與上述的由單層構(gòu)成的聲匹配層不同，當(dāng)采用圖9(c)所示的本發(fā)明的聲匹配層的結(jié)構(gòu)時(shí)，由于是第1聲匹配層和第2聲匹配層的雙層結(jié)構(gòu)，所以振動(dòng)位移頻率特性呈現(xiàn)出3極值特性，并使頻帶變寬。因此，既可以加快上升邊的響應(yīng)，又可以由面對(duì)著作為發(fā)射媒體的氣體的第1聲匹配層與其進(jìn)行聲阻抗匹配，因而可以減少衰減并使靈敏度提高。
通過(guò)采用本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的具有雙層結(jié)構(gòu)的聲匹配層，在向氣體發(fā)射超聲波而進(jìn)行測(cè)量等時(shí)使用的超聲波發(fā)射接收器中，能以在現(xiàn)有的單層聲匹配層中不能達(dá)到的靈敏度且以良好的響應(yīng)性進(jìn)行超聲波的發(fā)送和接收。進(jìn)一步，通過(guò)使用這種超聲波發(fā)射接收器，可以提高靈敏度且減小特性偏差，所以可以得到能使流量測(cè)量的穩(wěn)定性提高的超聲波流量計(jì)。此外，本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的聲匹配層，典型的結(jié)構(gòu)為雙層，但也可以配置3層以上的聲匹配層，以便離壓電體層越近使聲匹配層的密度越高，離發(fā)射媒體的表面越近使聲匹配層的密度越低。
以下，用

本發(fā)明的具體實(shí)施形態(tài)。
(實(shí)施形態(tài)1)在圖1中，示意地示出本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的聲匹配層1的結(jié)構(gòu)。
聲匹配層1，具有將密度在50kg/m3～500kg/m3范圍內(nèi)的第1聲匹配層2和密度在400kg/m3～1500kg/m3范圍內(nèi)的第2聲匹配層3層疊在一起的結(jié)構(gòu)。第2聲匹配層3的密度，大于第1聲匹配層的密度。
第1聲匹配層2的作用在于，通過(guò)進(jìn)行與作為超聲波傳播媒體的氣體的聲阻抗匹配而提高靈敏度。這時(shí)，第1聲匹配層2的聲阻抗Za與第2聲匹配層3的聲阻抗Zb的關(guān)系最好為Za＜Zb。作為該第1聲匹配層2的聲阻抗值，例如，最好是用于使空氣和陶瓷壓電體的聲阻抗相匹配的值即大約為11×104kg/s·m2左右。但是，如以將采用了本發(fā)明的聲匹配層的超聲波發(fā)射接收器用于作為其他氣體的可燃性氣體的流量測(cè)量的情況為例，則作為該第1聲匹配層的聲阻抗值，例如，最好是具有從與氫氣對(duì)應(yīng)的5×104kg/s·m2左右的值到與丙烷對(duì)應(yīng)的12×104kg/s·m2左右的值。此外，當(dāng)還必需考慮其他氣體或混合氣體等時(shí)，聲阻抗值在5×104kg/s·m2以上20×104kg/s·m2以下的范圍內(nèi)尤為理想。另外，即使在與對(duì)象氣體的聲阻抗匹配出現(xiàn)若干偏差的狀態(tài)下，在由第1聲匹配層2得到的聲阻抗范圍內(nèi)也仍可以取得高的靈敏度，所以，可以是50×104kg/s·m2以下、最好是0.5×104kg/s·m2以上50×104kg/s·m2以下的范圍。
為使第1聲匹配層2獲得上述的聲阻抗，應(yīng)使用密度在50kg/m3以上500kg/m3以下的范圍內(nèi)且聲速低于500m/S的聲匹配層。這時(shí)，第2聲匹配層3，最好是密度在400kg/m3以上1500kg/m3以下的范圍內(nèi)、且聲速為500m/S以上?？墒?，應(yīng)設(shè)定為使Za＜Zb的關(guān)系成立。此外，第2聲匹配層3的聲阻抗Zb，最好小于發(fā)送超聲波的壓電體層的聲阻抗。
另外，使聲阻抗相匹配而提高靈敏度，也與聲匹配層的厚度有關(guān)。在根據(jù)透過(guò)聲匹配層的超聲波在聲匹配層與超聲波發(fā)射媒體的邊界面上及聲匹配層與超聲波振子的邊界面上的反射系數(shù)求得的超聲波的反射率為最小的條件下、即當(dāng)聲匹配層的厚度為超聲波波長(zhǎng)的四分之一時(shí)，透過(guò)強(qiáng)度最大。因此，如在結(jié)構(gòu)上使第1聲匹配層2的厚度為在該聲匹配層中通過(guò)的超聲波振蕩波長(zhǎng)的大約四分之一，則在靈敏度的提高上是有效的。進(jìn)一步，如在結(jié)構(gòu)上使第2聲匹配層3的厚度為在該聲匹配層中通過(guò)的超聲波振蕩波長(zhǎng)的大約四分之一，則也是有效的，使第1聲匹配層2及第2聲匹配層3的厚度都大約為四分之一波長(zhǎng)，最為有效。而所謂超聲波振蕩波長(zhǎng)的大約四分之一，指的是從八分之一到八分之三左右的范圍。就是說(shuō)，如比以上的值小則聲匹配層不起作用，當(dāng)比以上的值大時(shí)，因接近于反射率極大的二分之一波長(zhǎng)，則反而將使靈敏度降低。
作為本發(fā)明的聲匹配層1的材料，第1聲匹配層2，最好是符合密度在50kg/m3以上500kg/m3以下的范圍內(nèi)且聲速低于500m/S的條件的材料。進(jìn)一步，第2聲匹配層3，最好是符合密度在400kg/m3以上1500kg/m3以下的范圍內(nèi)且聲速為500m/S以上的條件的材料。
作為第1聲匹配層2的具體材料，可供選擇的是有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)材料的纖維體、泡沫體、燒結(jié)多孔體、干燥凝膠等，但最好采用干燥凝膠。
這里，所謂「干燥凝膠」，指的是通過(guò)溶膠-凝膠反應(yīng)形成的多孔體，即，使在凝膠原料液的反應(yīng)中固化了的固體骨架部含有溶劑而構(gòu)成濕潤(rùn)凝膠，在經(jīng)過(guò)這一階段后，通過(guò)干燥將溶劑除去而形成干燥凝膠。
作為從濕潤(rùn)凝膠除去溶劑以得到干燥凝膠的干燥方法，可采用超臨界干燥、凍結(jié)干燥等特別條件下的干燥方法、或加熱干燥、減壓干燥、自然放置干燥等通常的干燥方法。
超臨界干燥，是在使溶劑達(dá)到其臨界點(diǎn)以上的溫度、壓力條件的超臨界狀態(tài)下將其除去的方法，由于不存在氣液界面而且不對(duì)凝膠的固體骨架部施加干燥應(yīng)力，所以不會(huì)發(fā)生收縮一類(lèi)的情況，因而可以獲得密度非常低的干燥凝膠。但從其相反的一面看，通過(guò)超臨界干燥得到的干燥凝膠，有時(shí)也會(huì)受到使用環(huán)境的應(yīng)力、例如結(jié)露或熱應(yīng)力、藥品應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等的影響。
與此不同，由通常的干燥方法得到的干燥凝膠的特征在于，由于可耐受干燥應(yīng)力，所以對(duì)其后的使用環(huán)境中的應(yīng)力也具有高的耐久性。為以這種通常的干燥方法獲得低密度的干燥凝膠，在干燥前的濕潤(rùn)凝膠階段，就必須使固體骨架部能夠耐受應(yīng)力。例如，可以通過(guò)對(duì)固體骨架部進(jìn)行熟化而增加強(qiáng)度、或當(dāng)進(jìn)行疏水處理時(shí)采用能使固體骨架部增強(qiáng)的溫度條件及易于聚合的多官能疏水劑、或控制細(xì)孔的大小等實(shí)現(xiàn)。特別是，當(dāng)測(cè)量氣體流量時(shí)，為能在各種各樣的環(huán)境中使用，最好是用以通常的干燥方法獲得的干燥凝膠形成聲匹配層。此外，當(dāng)采用通常的干燥方法時(shí)，無(wú)需進(jìn)行象超臨界干燥那樣的高壓過(guò)程，所以具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作也易于進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)。
由上述方法得到的干燥凝膠，是由毫微米大小的固體骨架部形成平均細(xì)孔直徑在1nm～100nm范圍內(nèi)的連續(xù)氣孔的毫微多孔體。因此，在密度為500kg/m3以下、最好是400kg/m3以下的低密度狀態(tài)下，具有在形成干燥凝膠所具有的特異的網(wǎng)狀骨架的固體部分中傳播的聲速極小、同時(shí)通過(guò)細(xì)孔而在多孔體內(nèi)的氣體部分中傳播的聲速也極小的性質(zhì)。因此，作為聲速顯示出500m/S以下的非常慢的值，并具有可以得到低的聲阻抗的特征。
另外，在毫微米大小的細(xì)孔部中，細(xì)孔尺寸等于或小于氣體分子的平均自由行程，因而氣體的壓降很大，所以，當(dāng)用作聲匹配層時(shí)，還具有能以高的聲壓發(fā)射聲波的特征。
作為干燥凝膠的材料，可采用無(wú)機(jī)材料、有機(jī)高分子材料等。無(wú)機(jī)氧化物干燥凝膠的固體骨架部，作為其成分可采用由氧化硅(硅石)或氧化鋁(礬土)等通過(guò)溶膠-凝膠反應(yīng)得到的一般的陶瓷。而作為有機(jī)高分子干燥凝膠的固體骨架部，可以由一般的熱固化性樹(shù)脂、熱可塑性樹(shù)脂構(gòu)成。例如，可采用聚氨酯、聚脲、苯酚固化樹(shù)脂、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等。
另外，也可以使用將這些干燥凝膠材料粉碎后得到的粉末(粉末干燥凝膠)。
作為第2聲匹配層3的材料，可采用有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)材料的纖維體、泡沫體、燒結(jié)多孔體、用樹(shù)脂材料將玻璃空心球或塑料空心球固定后的材料、將玻璃空心球熱壓縮后的材料等。
第2聲匹配層3，密度大于第1聲匹配層2且聲速快，因而可使聲阻抗增大。更具體地說(shuō)，采用密度在400kg/m3以上1500kg/m3以下的范圍內(nèi)的材料。該范圍的密度，可以獲得為發(fā)射接收超聲波所需的足夠的靈敏度而不會(huì)使與作為超聲波傳播媒體的氣體的聲阻抗匹配產(chǎn)生很大的偏差，同時(shí)，在響應(yīng)性上也可以獲得優(yōu)良的特性。如密度大于以上的值，則因趨近于壓電體的聲阻抗而使本發(fā)明的聲匹配層的結(jié)構(gòu)具有的效果降低，所以，很難得到在靈敏度提高和響應(yīng)性上都能滿(mǎn)意的特性。第2聲匹配層3的密度的上限也可以是800kg/m3。
作為第2聲匹配層3，例如，可以適當(dāng)?shù)夭捎靡詿峁袒瘶?shù)脂將玻璃空心球成型的聲匹配層、將氧化硅原料和高分子小珠混合焙燒并將高分子除去的氧化硅多孔體聲匹配層、將玻璃空心球熱粘結(jié)(熱壓縮)后成型的聲匹配層等。
在第2聲匹配層3具有連續(xù)氣孔結(jié)構(gòu)的情況下，特別是當(dāng)形成由干燥凝膠構(gòu)成的第1聲匹配層2時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生原料液的浸透。在這種情況下，雖然在發(fā)生了浸透的狀態(tài)下也能形成第1聲匹配層2，但也可以在第2聲匹配層3的表面上形成結(jié)構(gòu)支承層，以避免這種浸透?？墒?，當(dāng)?shù)?聲匹配層2部分地浸透了第2聲匹配層3時(shí)，也具有使兩者的密合性提高的效果。因此，結(jié)構(gòu)可以由第1聲匹配層2與第2聲匹配層3的組合決定。
當(dāng)?shù)?聲匹配層2和第2聲匹配層3都是無(wú)機(jī)氧化物時(shí)，在耐濕可靠性和耐化學(xué)藥品性上優(yōu)良，同時(shí)在聲阻抗的溫度特性上也優(yōu)良。即，如采用無(wú)機(jī)氧化物干燥凝膠，則可以得到在25℃以上70℃以下的范圍內(nèi)的聲阻抗的溫度變化率為-0.04％/℃以下(意味著絕對(duì)值在0.04％/℃以下)的聲匹配層。與此不同，當(dāng)采用有機(jī)高分子凝膠時(shí)，很難使上述聲阻抗的溫度變化率的絕對(duì)值在0.04％/℃以下。
如聲阻抗的溫度變化率小，則例如在后文所述的超聲波流量計(jì)中使用時(shí)，可以在很寬的溫度范圍上獲得高的測(cè)定精度。
另外，本發(fā)明的第1聲匹配層和第2聲匹配層最好是通過(guò)化學(xué)鍵合形成的結(jié)構(gòu)。按照這種結(jié)構(gòu)，對(duì)確保超聲波振動(dòng)下的密合性、操作的簡(jiǎn)易性、超聲波發(fā)射接收器使用時(shí)的振動(dòng)耐久性等是有效的。這時(shí)，如第1聲匹配層的干燥凝膠的無(wú)機(jī)氧化物是氧化硅，則由于很容易通過(guò)溶膠-凝膠反應(yīng)形成聲匹配層所以是合乎要求的。進(jìn)一步，如第2聲匹配層3也使用氧化硅，則一般認(rèn)為可以減低因材質(zhì)的不同對(duì)特性的影響。當(dāng)采用這種結(jié)構(gòu)時(shí)，第2聲匹配層3的氧化硅的表面羥基，很容易與通過(guò)溶膠-凝膠反應(yīng)形成第1聲匹配層2時(shí)存在的硅烷醇基化學(xué)鍵合，所以能取得很好的效果。
另外，當(dāng)用無(wú)機(jī)氧化物形成聲匹配層時(shí)，因吸濕而懸存著一個(gè)耐濕性的課題，所以最好是對(duì)無(wú)機(jī)氧化物的固體骨架部進(jìn)行疏水處理(防水處理)。通過(guò)疏水處理，例如，當(dāng)被測(cè)對(duì)象氣體中存在水分或雜質(zhì)時(shí)，可以防止受其吸附或附著的影響，所以，能夠得到可靠性更高的聲匹配層。
無(wú)機(jī)氧化物的固體骨架部的疏水處理，例如用有機(jī)硅烷耦合劑等表面處理劑進(jìn)行。作為表面處理劑，可采用三甲基一氯硅烷、二甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷、乙基三乙氧基硅烷等鹵素類(lèi)硅烷處理劑、三甲基甲氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷等烷氧基類(lèi)硅烷處理劑、六甲基二硅氧烷、二甲基硅氧烷低聚物等聚硅氧烷類(lèi)硅烷處理劑、六甲基二硅烷基胺等胺類(lèi)硅烷處理劑、丙醇、丁醇、正己醇、辛醇、癸醇等醇類(lèi)處理劑等。
另外，如采用將這些處理劑所具有的烷基中的氫的一部分或全部置換為氟后的氟化處理劑，則除疏水性(防水性)外還可以取得防油性、防污性等更為優(yōu)良的效果。
(實(shí)施形態(tài)2)在圖2中，示意地示出在本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的超聲波發(fā)送接收器中使用的壓電振子8的斷面結(jié)構(gòu)。壓電振子8，在超聲波流量計(jì)的超聲波發(fā)送接收器中使用。
進(jìn)行電氣-超聲波相互變換的壓電振子8，由壓電體層4和在實(shí)施形態(tài)1中說(shuō)明過(guò)的聲匹配層1構(gòu)成。壓電體層4，用于產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，它由壓電陶瓷或壓電單晶體等構(gòu)成，在厚度方向上極化，并在上下表面上具有電極(圖中未示出)。聲匹配層1，如上所述，用于向氣體發(fā)射超聲波、或接收通過(guò)氣體傳播到的超聲波，它具有將由交流驅(qū)動(dòng)電壓激勵(lì)的壓電體層4的機(jī)械振動(dòng)作為超聲波以高的效率向外部媒體發(fā)射和以高的效率將傳播到的超聲波變換為電壓的作用，并以形成壓電體層4的超聲波發(fā)射接收面的狀態(tài)在壓電體層4的一側(cè)形成。
為提高聲匹配層的機(jī)械強(qiáng)度并使其易于處理，也可以在第1聲匹配層2與第2聲匹配層3之間設(shè)置結(jié)構(gòu)支承層。作為結(jié)構(gòu)支承層，密度為800kg/m3以上、最好是1000kg/m3以上，該結(jié)構(gòu)支承層的厚度，最好是小于在結(jié)構(gòu)支承層中傳播的聲波波長(zhǎng)λ的八分之一。即，由于結(jié)構(gòu)支承層密度高且聲速快，所以當(dāng)其厚度遠(yuǎn)小于超聲波振蕩波長(zhǎng)時(shí)對(duì)超聲波的發(fā)射接收的影響極小。作為形成結(jié)構(gòu)支承層的材料，可采用金屬材料、陶瓷、玻璃之類(lèi)的無(wú)機(jī)薄層、塑料薄層等保護(hù)覆蓋層。在將第1聲匹配層2和第2聲匹配層3通過(guò)粘結(jié)層(粘結(jié)劑或粘結(jié)薄層)粘合時(shí)，粘結(jié)層可以起到結(jié)構(gòu)支承層的作用。
當(dāng)采用將壓電體層4粘結(jié)于殼體內(nèi)表面而將聲匹配層1粘結(jié)于殼體外表面的結(jié)構(gòu)時(shí)，介于壓電體層4和聲匹配層1之間的構(gòu)成殼體的頂板，可以起到結(jié)構(gòu)支承層的作用。
進(jìn)一步，也可以在第1聲匹配層2的表面(氣體側(cè))上形成結(jié)構(gòu)支承層。由于用密度高的材料支承，所以可以取得使聲匹配層的使用可靠性提高、密合性提高從而使耐久性也得到提高的理想效果。
(實(shí)施形態(tài)3)在圖3中，示出本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的超聲波發(fā)射接收器的示意斷面圖。
圖3所示的超聲波發(fā)射接收器10A，是用實(shí)施形態(tài)1的聲匹配層1和壓電體層4構(gòu)成了壓電振子的超聲波發(fā)射接收器。
超聲波發(fā)射接收器10A，還具有由形成了容納壓電體層4的凹部的頂板5a及配置成將凹部?jī)?nèi)的空間密封的底板5b構(gòu)成的殼體(密閉容器)5。壓電體層4，粘合(粘結(jié))于殼體5內(nèi)表面，聲匹配層1，粘合(粘結(jié))于頂板5a的上表面，使其隔著頂板5a與壓電體層4彼此相對(duì)。
介于壓電體層4和聲匹配層1之間的頂板5a，也起著結(jié)構(gòu)支承層的作用。頂板5a的厚度，最好遠(yuǎn)小于超聲波振蕩波長(zhǎng)，理想的情況是小于在上述頂板5a中傳播的聲波波長(zhǎng)λ的八分之一。此外，頂板5a的密度，最好為800kg/m3以上，而1000kg/m3以上尤為理想。
通過(guò)用導(dǎo)電性材料(例如，金屬材料)制作殼體5，使殼體5在具有結(jié)構(gòu)支承層的作用的同時(shí)還可以起到用于使壓電體層4振蕩或檢測(cè)接收到的超聲波的電極(配線(xiàn))的作用。在壓電體層4的一對(duì)主面上形成的電極(圖中未示出)，一個(gè)通過(guò)殼體5與一個(gè)端子7連接，另一個(gè)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)等與另一個(gè)端子7連接。因此，殼體5，一般由具有導(dǎo)電性的金屬形成。此外，另一個(gè)端子7，由絕緣體6將其與殼體5絕緣。
配置成隔著殼體5的頂板5a與壓電體層4相對(duì)的聲匹配層1，從壓電體層4側(cè)起沿著向媒體發(fā)射超聲波的方向按其順序?qū)盈B著第2聲匹配層3和第1聲匹配層2。通過(guò)按上述方式配置聲匹配層1，如以上參照?qǐng)D8(c)和圖9(c)所述，可以得到靈敏度高、響應(yīng)性良好的超聲波發(fā)射接收器10A。
在將可燃性氣體作為檢測(cè)對(duì)象時(shí)，由于將壓電體層4收放在殼體5內(nèi)，所以可以使壓電體層4與該氣體隔離。最好是用氮?dú)獾榷栊詺怏w吹洗著殼體5的內(nèi)部(凹部)。如采用這種結(jié)構(gòu)，則當(dāng)用于以可燃性氣體為對(duì)象的超聲波流量計(jì)時(shí)，具有安全性高的優(yōu)點(diǎn)。此外，與可燃性氣體接觸的聲匹配層的構(gòu)成材料，最好是不能與氣體起反應(yīng)或引起燃燒的材料。從這個(gè)觀點(diǎn)考慮，最好是用無(wú)機(jī)氧化物構(gòu)成聲匹配層。
在按如上所述方式構(gòu)成的超聲波發(fā)射接收器10A中，當(dāng)在驅(qū)動(dòng)端子7上施加具有頻率接近超聲波發(fā)射接收器的諧振頻率的交流信號(hào)分量的脈沖串信號(hào)電壓時(shí)，壓電體層4以厚度振動(dòng)模式進(jìn)行振動(dòng)，并向氣體或液體等流體中發(fā)射脈沖串狀的超聲波。
(實(shí)施形態(tài)4)在圖4中，示出本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的超聲波發(fā)射接收器的斷面圖。
圖4所示的超聲波發(fā)射接收器10B，殼體15的一部分由第2聲匹配層13形成，并將壓電體層4配置在該殼體15的第2聲匹配層13的內(nèi)表面上，將第1聲匹配層12配置在該第2聲匹配層13的與壓電體層4的配置位置相對(duì)的外表面上。第2聲匹配層13，也起著結(jié)構(gòu)支承層的作用。因此，第2聲匹配層13最好由密度較高的材料構(gòu)成，如只用第2聲匹配層13則很難實(shí)現(xiàn)與作為超聲波傳播媒體的氣體的聲阻抗匹配。但是，如圖4所示，由于采用在第2聲匹配層13上進(jìn)一步層疊第1聲匹配層12的結(jié)構(gòu)，所以可以實(shí)現(xiàn)與氣體的聲阻抗匹配，從而使靈敏度提高。
(實(shí)施形態(tài)5)在圖5中，示出本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的超聲波發(fā)射接收器制造方法的說(shuō)明圖。
本實(shí)施形態(tài)的超聲波發(fā)射接收器制造方法，是包含著在壓電體層上或?qū)弘婓w層配置于內(nèi)表面的殼體上形成第2聲匹配層后層疊由干燥凝膠構(gòu)成的第1聲匹配層的工序的方法。
工序(a)準(zhǔn)備第2聲匹配層3。
工序(b)準(zhǔn)備壓電體層4和殼體5。
工序(c)用粘結(jié)劑等將壓電體層4和第2聲匹配層3粘合在殼體5上，工序(d)在第2聲匹配層3上，形成由干燥凝膠構(gòu)成的第1聲匹配層。
工序(e)安裝電極、端子板(殼體5的底板)5b后制成超聲波發(fā)射接收器。
形成第1聲匹配層2的工序(d)，包括在第2聲匹配層3上涂敷凝膠原料液的成膜工序、由該凝膠原料液制得濕潤(rùn)凝膠的固化工序、將所制得的濕潤(rùn)凝膠層中的溶劑除去而得到干燥凝膠層的干燥工序。此外，也可以預(yù)先形成由干燥凝膠構(gòu)成的第1聲匹配層2，然后將其用粘結(jié)劑等粘合在第2聲匹配層3上，但當(dāng)采用上述方法時(shí)，最好是能將第1聲匹配層2與第2聲匹配層3直接粘結(jié)(不通過(guò)粘結(jié)層粘合)。
為提高第1聲匹配層2與第2聲匹配層3的層疊結(jié)構(gòu)的耐久性，也可以使第1聲匹配層2與第2聲匹配層3之間進(jìn)行化學(xué)鍵合。例如，如由無(wú)機(jī)氧化物構(gòu)成第2聲匹配層3并通過(guò)對(duì)第2聲匹配層3進(jìn)行清洗處理等而使其表面存在著羥基，則當(dāng)由無(wú)機(jī)氧化物的干燥凝膠形成第1聲匹配層2時(shí)，可以形成化學(xué)鍵。作為在表面上生成羥基的處理方法，可以通過(guò)酸洗或減洗等清洗、水洗、紫外線(xiàn)照射、臭氧處理、氧等離子體處理等進(jìn)行。
另外，當(dāng)?shù)?聲匹配層3為連續(xù)氣孔體時(shí)，由用于形成第1聲匹配層2的凝膠原料液進(jìn)行浸透，可以形成更為強(qiáng)固的化學(xué)鍵。這時(shí)，第1聲匹配層2和第2聲匹配層3最好由相同的無(wú)機(jī)氧化物形成。通過(guò)使第1聲匹配層2與第2聲匹配層3進(jìn)行化學(xué)鍵合，可以使聲的耦合增強(qiáng)因而提高了靈敏度，同時(shí)也有利于提高特性的穩(wěn)定性和可靠性。
(實(shí)施形態(tài)6)在圖6中，示出本發(fā)明另一實(shí)施形態(tài)的超聲波發(fā)射接收器制造方法的說(shuō)明圖。
本實(shí)施形態(tài)的超聲波發(fā)射接收器制造方法，是包含著在形成了將由干燥凝膠構(gòu)成的第1聲匹配層2層疊在第2聲匹配層3的一個(gè)面上的聲匹配層1后將聲匹配層1粘貼在壓電體層4上或粘貼在將壓電體層4配置于內(nèi)表面的殼體5上的工序的制造方法。
工序(a)準(zhǔn)備第2聲匹配層3。
工序(b)將第1聲匹配層2層疊在第2聲匹配層3的一個(gè)面上。該層疊方法，包括在第2聲匹配層3上涂敷凝膠原料液的成膜工序、由該凝膠原料液制得濕潤(rùn)凝膠的固化工序、將所制得的濕潤(rùn)凝膠層中的溶劑除去而得到干燥凝膠層的干燥工序。此外，也可以預(yù)先形成由干燥凝膠構(gòu)成的第1聲匹配層2，然后將其用粘結(jié)劑等粘合在第2聲匹配層3上，但當(dāng)采用上述方法時(shí)，最好是能將第1聲匹配層2與第2聲匹配層3直接粘結(jié)(不通過(guò)粘結(jié)層粘合)。此外，為提高第1聲匹配層2與第2聲匹配層3的層疊結(jié)構(gòu)的耐久性，可采用與實(shí)施形態(tài)5相同的方法。
工序(c)準(zhǔn)備壓電體層4和殼體5。
工序(d)用粘結(jié)劑等將層疊了第1聲匹配層2和第2聲匹配層3的聲匹配層1、壓電體層4和殼體5(c)粘合在一起，工序(e)安裝電極、端子板(殼體5的底板)5b后制成超聲波發(fā)射接收器。
(實(shí)施形態(tài)7)也可以用干燥凝膠的粉末形成第1聲匹配層2。圖7(a)所示的第1聲匹配層2A，由干燥凝膠的粉末(以下，也稱(chēng)為「粉末干燥凝膠」)2a和添加劑2b構(gòu)成。通過(guò)用干燥凝膠的粉末形成第1聲匹配層2A，可以抑制因濕潤(rùn)凝膠干燥過(guò)程的不均勻性引起的偏差。此外，當(dāng)使用粉末干燥凝膠2a時(shí)，由于可以預(yù)先制作粉末干燥凝膠2a，所以還具有可以提高超聲波發(fā)射接收器的生產(chǎn)率的優(yōu)點(diǎn)。即，在上述的超聲波發(fā)射接收器的制造過(guò)程中，由于可以預(yù)先執(zhí)行使凝膠原料液固化而制得濕潤(rùn)凝膠的工序及將其干燥的工序，所以可以提高超聲波發(fā)射接收器的制造生產(chǎn)率。
粉末干燥凝膠2a的平均粒徑，最好在1μm以上100μm以下。當(dāng)小于該下限值時(shí)，將使粉末中的細(xì)孔數(shù)減少，因而使作為干燥凝膠的特征的效果減低，同時(shí)使成形時(shí)的添加劑需要量增加，所以，有時(shí)很難得到低密度的聲匹配層。當(dāng)粉末干燥凝膠2a的平均粒徑大于上限值時(shí)，將使對(duì)聲匹配層的控制變得困難，因此有時(shí)很難形成具有足夠的厚度均勻性及表面平坦性的聲匹配層。
作為用于使粉末干燥凝膠2a相互粘結(jié)而提高聲匹配層2A的機(jī)械強(qiáng)度的添加劑(粘結(jié)劑)2b，可以適當(dāng)?shù)夭捎镁哂袩嵴辰Y(jié)性的高分子粉末。當(dāng)采用液態(tài)的材料時(shí)，由于浸透到干燥凝膠的細(xì)孔內(nèi)部而使聲特性發(fā)生變化或使成形性減低，所以最好采用固態(tài)材料、特別是粉末。
這里，所謂「熱粘結(jié)性高分子」，指的是在室溫下為固態(tài)、而加熱后熔融或軟化然后固化的高分子。熱粘結(jié)性高分子，不僅可以采用一般的熱可塑性樹(shù)脂(例如，聚乙烯或聚丙烯等工程塑料)，而且可采用例如在室溫下為固態(tài)而加熱后暫時(shí)軟化、然后交聯(lián)固化的熱固化性樹(shù)脂(例如，酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、氨基甲酸乙酯樹(shù)脂)。而當(dāng)熱固化性樹(shù)脂包含主劑和固化劑時(shí)，也可以將其作為不同的粉末分別添加。當(dāng)然，也可以將熱可塑性樹(shù)脂和熱固化性樹(shù)脂混合使用。熱粘結(jié)性高分子粉末的熔融(軟化)溫度，最好在80℃以上250℃以下的范圍內(nèi)。
在將熱粘結(jié)性高分子用作添加劑時(shí)，典型地，如后文所述起著以下的作用，即當(dāng)一邊將粉末干燥凝膠2a與添加劑的混合粉末加熱一邊進(jìn)行加壓成形時(shí)，通過(guò)使熔融(軟化)的添加劑隨著冷卻而固化、和/或通過(guò)交聯(lián)固化，使粉末干燥凝膠2a粘結(jié)在一起。
熱粘結(jié)性高分子粉末的平均粒徑，最好在1μm以上50μm以下。當(dāng)小于該下限值時(shí)，由于接近于粉末干燥凝膠2a的細(xì)孔直徑，因而使粘結(jié)性減低。而當(dāng)大于上限值時(shí)，將使成形所需的添加量增加，所以有時(shí)很難得到低密度的聲匹配層。
另外，熱粘結(jié)性高分子粉末的添加量，最好在總體的40質(zhì)量％以下。如超過(guò)總體的40質(zhì)量％，則有時(shí)將使成形時(shí)的密度增大。此外，為獲得足夠的機(jī)械強(qiáng)度，添加量例如最好在總體的5質(zhì)量％以上。
為增強(qiáng)上述添加劑(有時(shí)稱(chēng)為「添加劑A」)與粉末干燥凝膠的粘結(jié)，如圖7(b)中示意地示出的聲匹配層2B所示，也可以進(jìn)一步添加纖維(無(wú)機(jī)纖維(例如玻璃纖維)或有機(jī)纖維)或單結(jié)晶體短纖維(有時(shí)稱(chēng)為「添加劑B」)。在圖7(b)的聲匹配層2B中，添加劑2b是與上述相同的熱粘結(jié)性高分子粉末，添加劑2c是短纖維。短纖維的最佳直徑范圍，最好是大小與上述熱粘結(jié)性高分子粉末的平均粒徑相等。纖維的長(zhǎng)度，最好為幾μm～幾mm左右。
兩種添加劑的添加量，相對(duì)于總體，最好在40質(zhì)量％以下，配合比率則根據(jù)需要適當(dāng)設(shè)定。
采用了粉末干燥凝膠的聲匹配層，還具有易于調(diào)整聲阻抗的優(yōu)點(diǎn)。例如，通過(guò)將相互間具有不同密度的多種粉末干燥凝膠混合，即可對(duì)聲阻抗進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)一步，通過(guò)調(diào)節(jié)上述添加劑A(根據(jù)需要調(diào)節(jié)添加劑B)的量，可以調(diào)整聲阻抗。當(dāng)然，添加劑A和B的添加量，最好是考慮成形性等而設(shè)定在上述范圍內(nèi)。
含有粉末干燥凝膠的第1聲匹配層2B，例如，用以下的方法形成。
工序(a)準(zhǔn)備由多孔體構(gòu)成的低密度的粉末干燥凝膠(密度約為200kg/m3～400kg/m3)和10質(zhì)量％左右(相對(duì)于總體)的添加劑A和添加劑B。這里要準(zhǔn)備的干燥凝膠也不一定必須是粉末。也可以是塊狀。干燥凝膠，例如是平均細(xì)孔直徑為20nm的硅石干燥凝膠，添加劑A是丙烯粉末，添加劑B是纖維直徑為10μm左右的玻璃纖維。
工序(b)將上述材料放入同一容器內(nèi)，通過(guò)混合粉碎制作微細(xì)的粉末。典型地可以用碾磨機(jī)執(zhí)行。這里，調(diào)整粉碎條件，以便得到上述的所需平均直徑的粉末干燥凝膠。此外，也可以根據(jù)需要按粒度大小分級(jí)。當(dāng)然，也可以用另外的方法進(jìn)行干燥纖維的粉碎工序、混合工序。
工序(c)將由低密度的粉末干燥凝膠、添加劑A和添加劑B組成的混合粉末稱(chēng)量出所需的量，并一邊加熱一邊進(jìn)行加壓成形。這時(shí)，通過(guò)在第2聲匹配層3的表面上直接進(jìn)行加壓成形，可以將第1聲匹配層2與上述第2聲匹配層3直接粘合。
另外，在將粉末干燥凝膠與添加劑A和B的混合粉末加壓成形之前，最好對(duì)混合粉末層施加振動(dòng)，以使混合粉末層的上表面變得平坦。按照這種方式，可以使所制得的第1聲匹配層2A的特性更加均勻。
(實(shí)施形態(tài)8)在圖11中，示出使用了本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的超聲波發(fā)射接收器的超聲波流量計(jì)的框圖。
圖11中的超聲波流量計(jì)，設(shè)置成使被測(cè)定流體以速度V在作為流量測(cè)定部51的管內(nèi)沿圖示的方向流動(dòng)。在該流量測(cè)定部51的管壁52上，以彼此相對(duì)的方式配置著作為本發(fā)明的超聲波發(fā)射接收器的壓電振子101及102。這里，將壓電振子101用作超聲波發(fā)射器，將壓電振子102用作超聲波接收器。此外，在超聲波發(fā)射器101和超聲波接收器102上，通過(guò)切換其發(fā)射接收的切換電路55，連接著驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射接收器101和102的驅(qū)動(dòng)電路54、檢測(cè)超聲波脈沖的接收檢測(cè)電路56、測(cè)量超聲波脈沖的傳播時(shí)間的計(jì)時(shí)器57、根據(jù)計(jì)時(shí)器57的輸出計(jì)算流量的計(jì)算電路58、對(duì)驅(qū)動(dòng)電路54和計(jì)時(shí)器57輸出控制信號(hào)的控制電路59。
以下，說(shuō)明按上述方式構(gòu)成的超聲波流量計(jì)的動(dòng)作。假定被測(cè)定流體例如為L(zhǎng)P(液化石油)氣、超聲波發(fā)射接收器101和102的驅(qū)動(dòng)頻率大約為500kHz。在由控制電路59向驅(qū)動(dòng)電路54輸出發(fā)送開(kāi)始信號(hào)的同時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)器57的時(shí)間測(cè)量。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路54接收到發(fā)送開(kāi)始信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器101，并發(fā)送超聲波脈沖。所發(fā)送的超聲波脈沖在流量測(cè)定部?jī)?nèi)傳播，并由超聲波接收器102接收。所接收的超聲波脈沖，由超聲波接收器102變換為電氣信號(hào)，并輸出到接收檢測(cè)電路56。在接收檢測(cè)電路56中，確定接收信號(hào)的接收計(jì)時(shí)，在使計(jì)時(shí)器57停止后，由計(jì)算電路58計(jì)算傳播時(shí)間t1。
接著，由切換電路55對(duì)與驅(qū)動(dòng)部54和接收檢測(cè)電路56連接的超聲波發(fā)射接收器101和102進(jìn)行切換，并再次由控制電路59向驅(qū)動(dòng)電路54輸出發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)器57的時(shí)間測(cè)量。與傳播時(shí)間t1的測(cè)定相反，由超聲波發(fā)射器102發(fā)送超聲波脈沖，由超聲波發(fā)射器101接收，并由計(jì)算電路58計(jì)算傳播時(shí)間t2。
這里，如假定連接超聲波發(fā)射器101和超聲波接收器102的中心的距離為L(zhǎng)、LP氣的無(wú)風(fēng)條件下的聲速為C、流量測(cè)定部51內(nèi)的流速為V、被測(cè)定流體的流向與超聲波發(fā)射接收器101和102的中心連接線(xiàn)所成的角度為θ，則可以分別求得傳播時(shí)間t1和t2。而由于距離L已知，所以只要測(cè)定出時(shí)間t1和t2即可求得流速V，并可以根據(jù)該流速V檢查流量。
以下，講述本發(fā)明的具體實(shí)施例。
(實(shí)施例1)按如下方法制造了本發(fā)明的超聲波發(fā)射接收器。
(a)第2聲匹配層(環(huán)氧玻璃)的制造在模具中充填了玻璃空心球后浸含環(huán)氧溶液，并在120℃下進(jìn)行了熱固化。將該固化成型體切削成等于超聲波振蕩波長(zhǎng)的四分之一的厚度。
相對(duì)于大約500kHz的超聲波，聲速為2500m/S、密度為500kg/m3、厚度為1.25mm。
(b)第2聲匹配層和壓電體及殼體的粘合在殼體頂部的兩側(cè)表面上涂刷粘結(jié)劑，并在壓電體層的一個(gè)面及第2聲匹配層的一個(gè)面上涂刷粘結(jié)劑。在該狀態(tài)下，一邊將壓電體、第2聲匹配層和殼體貼合加壓，一邊通過(guò)加熱而進(jìn)行了固化粘結(jié)。
(c)第1聲匹配層的層疊首先，進(jìn)行硅酸鈉的電滲析，配制pH9～10的硅酸水溶液(水溶液中的硅石組分濃度為14重量％)。將該硅酸水溶液的pH值調(diào)整為5.5后，在預(yù)先在紫外線(xiàn)照射下進(jìn)行了使其表面生成羥基的清洗的第2聲匹配層上涂敷到90μm的厚度。然后使涂膜凝膠化而制得固化了的硅石濕潤(rùn)凝膠層。通過(guò)使用二氧化碳在12Mpa、50℃下在容器中進(jìn)行超臨界干燥，制成形成了將硅石干燥凝膠第1聲匹配層與環(huán)氧玻璃第2聲匹配層層疊后的聲匹配層的壓電振子殼體。
由硅石干燥凝膠構(gòu)成的第1聲匹配層，相對(duì)于大約500kHz的超聲波，聲速為180m/S、密度為200kg/m3。
(d)超聲波發(fā)射接收器的形成在形成了聲匹配層的殼體上組裝蓋板、驅(qū)動(dòng)端子等后制成超聲波發(fā)射接收器。
(實(shí)施例2)按如下方法制造了本發(fā)明的超聲波發(fā)射接收器。
(a)第2聲匹配層(硅石多孔體)的制造將幾十μm直徑的球狀丙烯樹(shù)脂與直徑在1μm以下的燒結(jié)硅石粉末混合后進(jìn)行了加壓成型。將該成型體進(jìn)行干燥后，在900℃下進(jìn)行焙燒而形成了硅石多孔體。然后，調(diào)制成使其厚度為超聲波振蕩波長(zhǎng)的四分之一。
相對(duì)于大約500kHz的超聲波，聲速為1500m/S、密度為570kg/m3、厚度為750μm。
(b)第2聲匹配層與第1聲匹配層的層疊將按1∶3∶4克分子比調(diào)制四甲氧基硅烷、乙醇、氨的水溶液(0.1當(dāng)量)后的凝膠原料液在預(yù)先通過(guò)等離子清洗而進(jìn)行了使其表面生成羥基的清洗的第2聲匹配層上涂敷到90μm的厚度。然后使涂膜凝膠化而制得固化了的硅石濕潤(rùn)凝膠層。
將形成了該硅石濕潤(rùn)凝膠層的第2聲匹配層在三甲基乙氧基硅烷的5重量％己烷溶液中進(jìn)行了疏水處理后，通過(guò)用二氧化碳進(jìn)行超臨界干燥(12Mpa、50℃)，制成了將硅石干燥凝膠與第2聲匹配層層疊后的聲匹配層。
另外，由于第2聲匹配層上的羥基與四甲氧基硅烷的烷氧基通過(guò)反應(yīng)而進(jìn)行化學(xué)鍵合，所以可以提供密合性良好的聲匹配層。
由硅石干燥凝膠構(gòu)成的第1聲匹配層，相對(duì)于大約500kHz的超聲波，聲速為180m/S、密度為200kg/m3。
(c)聲匹配層和殼體、壓電體層的粘合在殼體頂部的兩側(cè)表面上臨時(shí)粘結(jié)了環(huán)氧類(lèi)粘結(jié)薄層后，一邊將壓電體層的一個(gè)面及第2聲匹配層的面和殼體貼合加壓，一邊通過(guò)加熱而進(jìn)行了固化粘結(jié)。
(d)超聲波發(fā)射接收器的形成在殼體上組裝蓋板、驅(qū)動(dòng)端子等后制成超聲波發(fā)射接收器。
(實(shí)施例3)按如下方法制造了本發(fā)明的超聲波發(fā)射接收器。
(a)第2聲匹配層(硅石多孔體)的制造對(duì)粒徑為幾μm～幾十μm的燒結(jié)硅石粉末進(jìn)行成型處理，并將所得到的成型體在900℃下進(jìn)行焙燒而形成了厚度約為超聲波振蕩波長(zhǎng)的四分之一的硅石多孔體。由該硅石多孔體構(gòu)成的第2聲匹配層，相對(duì)于超聲波(約500kHz)，聲速為4000m/S、密度為1200kg/m3、厚度約為2mm。
在該第2聲匹配層(硅石多孔體)的一個(gè)面上形成了厚度為3μm的玻璃層(密度約為3000kg/m3)，用作結(jié)構(gòu)支承層。該玻璃層的聲速大約為5000m/S以上，所以，相對(duì)于大約500kHz的超聲波，傳播聲速的波長(zhǎng)大于1cm。由于所形成的玻璃層的厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的八分之一，因此對(duì)聲匹配沒(méi)有任何影響。
(b)第2聲匹配層與第1聲匹配層的層疊一邊在40℃～70℃下將按照與實(shí)施例2相同的方式在(a)中形成的硅石多孔體的玻璃層表面上形成的硅石濕潤(rùn)凝膠加熱，一邊進(jìn)行了疏水處理，然后，通過(guò)在氮?dú)鈿饬飨乱?0℃進(jìn)行加熱干燥，制成了將由硅石干燥凝膠構(gòu)成的第1聲匹配層與第2聲匹配層層疊后的聲匹配層。
由硅石干燥凝膠構(gòu)成的第1聲匹配層，相對(duì)于大約500kHz的超聲波，聲速為180m/S、密度為200kg/m3。
(c)聲匹配層和殼體、壓電體層的粘合在殼體頂部的兩側(cè)表面上臨時(shí)粘結(jié)了環(huán)氧類(lèi)粘結(jié)薄層后，一邊將壓電體層的一個(gè)面及第2聲匹配層的面和殼體貼合加壓，一邊通過(guò)加熱而進(jìn)行了固化粘結(jié)。
(d)超聲波發(fā)射接收器的形成在殼體上組裝蓋板、驅(qū)動(dòng)端子等后制成超聲波發(fā)射接收器。
(比較例1)形成了只采用在實(shí)施例1中制作的第2聲匹配層(環(huán)氧玻璃)的超聲波發(fā)射接收器。
(比較例2)僅將按實(shí)施例1所述的方法制得的硅石干燥凝膠在壓電振子的殼體上用作聲匹配層而制作了超聲波發(fā)射接收器。
以下，對(duì)上述實(shí)施例1～3及比較例1和2在超聲波為500kHz時(shí)的發(fā)射接收特性臨行了比較。將在各實(shí)施例、比較例中制作的超聲波發(fā)射接收器作為相對(duì)配置的一對(duì)而形成了超聲波流量計(jì)。這時(shí)，對(duì)由其中一個(gè)超聲波發(fā)射接收器接收到從另一個(gè)超聲波發(fā)射接收器發(fā)射的聲波時(shí)的輸出波形進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
圖8(a)～(c)，示出其一例(比較例1、比較例2、實(shí)施例2)。
靈敏度(實(shí)施例2)≈(實(shí)施例3)＞(實(shí)施例1)＞(比較例2)》(比較例1)上升邊響應(yīng)性(實(shí)施例1)≈(實(shí)施例2)≈(實(shí)施例3)≥(比較例1)》(比較例2)如上所述，關(guān)于靈敏度，與以往一般使用著的比較例1的聲匹配層相比，在實(shí)施例1中呈現(xiàn)出約為10倍、實(shí)施例2和實(shí)施例3中約為20倍的優(yōu)良特性。此外，關(guān)于上升邊響應(yīng)性，相對(duì)于以往一般使用著的比較例1的聲匹配層，在實(shí)施例1、2和3中呈現(xiàn)出同等、或與其相比有若干改進(jìn)的特性。即，在圖8(a)的比較例1中，超聲波的波前在第5個(gè)波達(dá)到峰值，與此不同，在圖8(c)的實(shí)施例2中，超聲波的波前在第4個(gè)波已達(dá)到了峰值。因此，可以看出，實(shí)施例中制作的本發(fā)明的超聲波發(fā)射接收器，在靈敏度及上升邊響應(yīng)性上都獲得了比以往優(yōu)良的特性。
(實(shí)施例4)按如下方法制造了本發(fā)明的超聲波發(fā)射接收器。
(a)第2聲匹配層(硅石多孔體)的制造按照與實(shí)施例3相同的方式，對(duì)粒徑為幾μm～幾十μm的燒結(jié)硅石粉末進(jìn)行成型處理，并將所得到的成型體在900℃下進(jìn)行焙燒而形成了厚度約為超聲波振蕩波長(zhǎng)的四分之一的硅石多孔體。由該硅石多孔體構(gòu)成的第2聲匹配層，相對(duì)于大約500kHz的超聲波，聲速為4000m/S、密度為1200kg/m3、厚度約為2mm。
(b)第2聲匹配層與第1聲匹配層的層疊在(a)中形成的硅石多孔體上，將四乙氧基硅烷的聚硅氧烷低聚物作為原料，在異丙醇溶劑中以氨為觸媒形成了硅石濕潤(rùn)凝膠。在70℃下將濕潤(rùn)凝膠熟化后，用二甲基二甲氧基硅烷進(jìn)行了疏水處理。在這之后，通過(guò)自然放置將溶劑干燥除去，制成了將由硅石干燥凝膠構(gòu)成的第1聲匹配層與第2聲匹配層層疊后的聲匹配層。
由硅石干燥凝膠構(gòu)成的第1聲匹配層，相對(duì)于超聲波(約500kHz)，聲速為300m/S、密度約為420kg/m3。將該第1聲匹配層的一部分加工成150μm的厚度，制得了最終的聲匹配層。
(c)聲匹配層和殼體、壓電體層的粘合在具有凹部結(jié)構(gòu)的殼體頂板的兩側(cè)表面上涂敷環(huán)氧類(lèi)粘結(jié)劑后，將壓電體層的一個(gè)面與聲匹配層的第2聲匹配層側(cè)的面通過(guò)粘結(jié)劑粘合，并一邊加壓一邊將粘結(jié)劑加熱而固化。
(d)超聲波發(fā)射接收器的形成在殼體上組裝蓋板(底板)、驅(qū)動(dòng)端子等后制成超聲波發(fā)射接收器。
對(duì)按這種方法制作的超聲波發(fā)射接收器，也用一對(duì)進(jìn)行了發(fā)射接收特性的評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在靈敏度、上升邊響應(yīng)性上也獲得了優(yōu)于比較例1、比較例2的特性。
按照本發(fā)明，提供一種將密度小而聲速慢的第1聲匹配層與密度大于第1聲匹配層且聲速快的第2聲匹配層層疊而構(gòu)成的聲匹配層。將其應(yīng)用于超聲波發(fā)射接收器，并將聲阻抗與超聲波發(fā)射媒體匹配的第1聲匹配層配置在發(fā)射媒體側(cè)，從而可以得到聲阻抗足夠小因而可以與作為超聲波傳播媒體的氣體匹配而發(fā)射接收高靈敏度的超聲波、同時(shí)可以改進(jìn)信號(hào)的上升邊響應(yīng)性的優(yōu)良的超聲波發(fā)射接收器。
另外，采用本發(fā)明的制造方法制成的超聲波發(fā)射接收器，可以利用聲阻抗低的聲匹配層提高靈敏度并獲得穩(wěn)定的特性。
進(jìn)一步，本發(fā)明的超聲波流量計(jì)，由于本發(fā)明的超聲波發(fā)射接收器靈敏度高且特性偏差小，所以能使流量測(cè)量的穩(wěn)定性提高。另外，由于用無(wú)機(jī)氧化物構(gòu)成聲匹配層，所以可以獲得流量測(cè)量的溫度特性?xún)?yōu)良的特性，同時(shí)，通過(guò)對(duì)聲匹配層進(jìn)行疏水處理，可以提供在耐濕性上優(yōu)良的可靠性高的超聲波流量計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種聲匹配層，用于使壓電體層和氣體的聲阻抗相匹配，該聲匹配層的特征在于具有密度在50kg/m3以上500kg/m3以下的范圍內(nèi)的第1聲匹配層、密度在400kg/m3以上1500kg/m3以下的范圍內(nèi)的第2聲匹配層，且上述第1聲匹配層的密度小于上述第2聲匹配層的密度。
2.如權(quán)利要求1所述的聲匹配層，其特征在于上述第1聲匹配層的密度，在50kg/m3以上400kg/m3以下的范圍內(nèi)，上述第2聲匹配層的密度，在400kg/m3以上800kg/m3以下的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的聲匹配層，其特征在于上述第1聲匹配層的聲阻抗Za和上述第2聲匹配層的聲阻抗Zb的關(guān)系為Za＜Zb。
4.如權(quán)利要求1～3的任何一項(xiàng)所述的聲匹配層，其特征在于上述第1聲匹配層的厚度為在上述第1聲匹配層中傳播的聲波波長(zhǎng)λ的大約四分之一。
5.如權(quán)利要求1～4的任何一項(xiàng)所述的聲匹配層，其特征在于上述第1聲匹配層的聲阻抗在5×104kg/s·m2以上20×104kg/s·m2以下的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1～5的任何一項(xiàng)所述的聲匹配層，其特征在于上述第2聲匹配層的厚度為在上述第2聲匹配層中傳播的聲波波長(zhǎng)λ的大約四分之一。
7.如權(quán)利要求1～6的任何一項(xiàng)所述的聲匹配層，其特征在于上述第1聲匹配層和上述第2聲匹配層都含有無(wú)機(jī)氧化物。
8.如權(quán)利要求1～7的任何一項(xiàng)所述的聲匹配層，其特征在于上述第1聲匹配層，含有干燥凝膠。
9.如權(quán)利要求8所述的聲匹配層，其特征在于上述第1聲匹配層，含有干燥凝膠的粉末。
10.如權(quán)利要求8或9所述的聲匹配層，其特征在于上述干燥凝膠的固體骨架部含有無(wú)機(jī)氧化物。
11.如權(quán)利要求10所述的聲匹配層，其特征在于上述無(wú)機(jī)氧化物為氧化硅。
12.如權(quán)利要求10或11所述的聲匹配層，其特征在于對(duì)上述干燥凝膠的固體骨架部進(jìn)行疏水處理。
13.如權(quán)利要求1～12的任何一項(xiàng)所述的聲匹配層，其特征在于將上述第1聲匹配層與上述第2聲匹配層直接粘合。
14.如權(quán)利要求1～12的任何一項(xiàng)所述的聲匹配層，其特征在于上述第1聲匹配層與上述第2聲匹配層之間還具有結(jié)構(gòu)支承層，上述結(jié)構(gòu)支承層的密度為1000kg/m3以上，上述結(jié)構(gòu)支承層的厚度小于在上述結(jié)構(gòu)支承層中傳播的聲波波長(zhǎng)λ的八分之一。
15.一種超聲波發(fā)射接收器，其特征在于備有壓體電層及設(shè)在上述壓電體層上的權(quán)利要求1～14的任何一項(xiàng)所述的聲匹配層，將上述第2聲匹配層配置在上述壓電體層側(cè)。
16.如權(quán)利要求15所述的超聲波發(fā)射接收器，其特征在于將上述聲匹配層直接粘結(jié)在上述壓電體層上。
17.如權(quán)利要求15所述的超聲波發(fā)射接收器，其特征在于還具有由形成了容納上述壓電體層的凹部的頂板及配置成將上述凹部?jī)?nèi)的空間密封的底板構(gòu)成的殼體，上述壓電體層，粘結(jié)于上述殼體的上述頂板的內(nèi)表面，上述聲匹配層，粘結(jié)于上述頂板的上表面，使其隔著上述頂板與上述壓電體層彼此相對(duì)。
18.如權(quán)利要求17所述的超聲波發(fā)射接收器，其特征在于上述殼體由金屬材料形成。
19.如權(quán)利要求17所述的超聲波發(fā)射接收器，其特征在于將上述殼體的上述頂板與上述第2聲匹配層形成為一體。
20.一種超聲波發(fā)射接收器的制造方法，用于權(quán)利要求15～19的任何一項(xiàng)所述的超聲波發(fā)射接收器，該制造方法的特征在于包括在上述壓電體層上或在將上述壓電體層粘結(jié)于上述內(nèi)表面的上述頂板上形成上述第2聲匹配層的工序、在這之后在上述第2聲匹配層上形成由干燥凝膠構(gòu)成的上述第1聲匹配層的工序。
21.一種超聲波發(fā)射接收器的制造方法，是權(quán)利要求15～19的任何一項(xiàng)所述的超聲波發(fā)射接收器的制造方法，該制造方法的特征在于包括在上述第2聲匹配層上形成由干燥凝膠構(gòu)成的上述第1聲匹配層從而得到上述聲匹配層的工序、將上述聲匹配層粘結(jié)在上述壓電體層上或粘結(jié)在將上述壓電體層粘結(jié)于上述內(nèi)表面的上述頂板上的工序。
22.一種超聲波流量計(jì)，備有使被測(cè)定流體流過(guò)的流量測(cè)定部、設(shè)在上述流量測(cè)定部?jī)?nèi)并用于發(fā)送接收超聲波信號(hào)的一對(duì)超聲波發(fā)射接收器、測(cè)量上述超聲波發(fā)射接收器之間的超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量電路、根據(jù)來(lái)自上述測(cè)量電路的信號(hào)計(jì)算流量的流量運(yùn)算電路，該超聲波流量計(jì)的特征在于上述一對(duì)超聲波發(fā)射接收器，分別由權(quán)利要求15～19的任何一項(xiàng)所述的超聲波發(fā)射接收器構(gòu)成。
全文摘要
一種聲匹配層(1)，由密度小而聲速慢的第1聲匹配層(2)及密度高于第1聲匹配層(2)且聲速快的第2聲匹配層(3)構(gòu)成。將聲阻抗與超聲波發(fā)射媒體匹配的第1聲匹配層(2)配置在發(fā)射媒體側(cè)并將第2聲匹配層(3)配置在壓電體層側(cè)。其結(jié)果是，可以使超聲波發(fā)射接收器具有高的靈敏度。
文檔編號(hào)G10K11/00GK1522360SQ03800578
公開(kāi)日2004年8月18日 申請(qǐng)日期2003年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月28日
發(fā)明者鈴木正明, 橋田卓, 橋本和彥, 橋本雅彥, 永原英知, 白石誠(chéng)吾, 高原范久, 久, 吾, 彥, 知 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社