專利名稱：超聲波收發(fā)器及其制造方法、以及超聲波流量計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有聲匹配層的超聲波收發(fā)器及其制造方法。另外，本發(fā)明涉及備有該超聲波收發(fā)器的超聲波流量計。
背景技術：
近年來，正在將通過測量超聲波經(jīng)過傳輸路徑傳輸?shù)臅r間、測定流體的移動速度、測量流量的超聲波流量計用于煤氣表等中。圖1表示這種類型的超聲波流量計的主要部分剖面圖構成。在超聲波流量計中，以使要測定流量的被測定對象流體經(jīng)過管內(nèi)流動的方式進行配置。在管壁102上，相對地設置一對超聲波收發(fā)器101a、101b。超聲波收發(fā)器101a、b，將壓電陶瓷等的超聲波收發(fā)器用作電能/機械能變換元件而構成，與壓電蜂鳴器、壓電振子同樣表示出諧振特性。
此外，在圖1所示的狀態(tài)中，將超聲波收發(fā)器101a用作超聲波發(fā)送器，將超聲波收發(fā)器101b用作超聲波接收器。
當將持有超聲波收發(fā)器101a的諧振頻率附近的頻率的交流電壓加在超聲波收發(fā)器101a內(nèi)的壓電體(超聲波收發(fā)器)上時，超聲波收發(fā)器101a作為超聲波發(fā)送器起作用，將超聲波發(fā)射到流體中。發(fā)射的超聲波沿路經(jīng)L1傳輸，到達超聲波接收器101b。這時，超聲波收發(fā)器101b作為接收器起作用，接受超聲波并變換成電壓。
接著，這一次，超聲波收發(fā)器101b作為超聲波發(fā)送器起作用，超聲波收發(fā)器101a作為超聲波接收器起作用。即，通過將持有超聲波收發(fā)器101b的諧振頻率附近的頻率的交流電壓加在超聲波收發(fā)器101b內(nèi)的壓電體上，從超聲波收發(fā)器101b將超聲波發(fā)射到流體中。發(fā)射的超聲波沿路經(jīng)L2傳輸，到達超聲波收發(fā)器101a。超聲波收發(fā)器101a接受傳送過來的超聲波并變換成電壓。
這樣，超聲波收發(fā)器101a和101b，因為交替地作為發(fā)射器起作用和作為接收器起作用，所以一般總稱為超聲波收發(fā)器。
因為用圖1所示的超聲波流量計，通過連續(xù)加上交流電壓，從超聲波收發(fā)器連續(xù)發(fā)射超聲波，測定傳輸時間是困難的，所以通常將脈沖信號作為傳輸波的脈沖串(burst)電壓信號用作驅(qū)動電壓。
下面，我們更詳細地說明上述超聲波流量計的測定原理。
若通過將驅(qū)動用的脈沖串電壓信號加到超聲波收發(fā)器101a上，從超聲波收發(fā)器101a發(fā)射超聲波脈沖串信號時，超聲波脈沖串信號沿路徑L1傳輸，在t時間后到達超聲波收發(fā)器101b。令路徑L1的距離與路徑L2的距離相同為L。
超聲波收發(fā)器101b能夠以高SN比僅將傳輸過來的超聲波脈沖串信號變換成電脈沖串信號。電放大該電脈沖串信號，再加在超聲波收發(fā)器101a上發(fā)射超聲波脈沖串信號。我們將這種裝置稱為“聲循環(huán)(sing-around)型裝置”。
另外，將從超聲波收發(fā)器101a發(fā)射超聲波脈沖后，直到到達超聲波收發(fā)器101b的時間稱為“聲循環(huán)周期”。將“聲循環(huán)周期”的倒數(shù)稱為“聲循環(huán)頻率”。
在圖1中，令管中流動的流體的流速為V，流體中的超聲波的速度為C，流體流動方向和超聲波脈沖的傳輸方向的角度為θ。當將超聲波收發(fā)器101a用作超聲波發(fā)送器，將超聲波收發(fā)器101b用作超聲波接收器時，如果令作為從超聲波收發(fā)器101a發(fā)出的超聲波脈沖到達超聲波收發(fā)器101b的時間的聲循環(huán)周期為t1，聲循環(huán)頻率為f1，則下述的(式1)成立。
f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L…(式1)相反地，如果令當將超聲波收發(fā)器101b用作超聲波發(fā)送器，將超聲波收發(fā)器101a用作超聲波接收器時的聲循環(huán)周期為t2，聲循環(huán)頻率為f2，則下述的(式2)成立。
f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L…(式2)兩個聲循環(huán)頻率的頻率差Δf由下述的(式3)表示。
Δf＝f1-f2＝2Vcosθ/L …(式3)根據(jù)(式3)，能夠從超聲波傳輸路徑的距離L和頻率差Δf求得流體的流速V。而且能夠從該流速V決定流量。
用這種超聲波流量計能夠得到高的精度。為了提高精度，在超聲波收發(fā)器內(nèi)的壓電體的超聲波收發(fā)面上形成的聲匹配層的聲阻抗很重要。聲匹配層，特別是在超聲波收發(fā)器向氣體發(fā)射(發(fā)送)超聲波時；和接受經(jīng)過氣體傳輸過來的超聲波時起著重要的作用。
下面，我們一面參照圖2一面說明聲匹配層的作用。圖2表示已有的超聲波收發(fā)器103的剖面構成。圖示的超聲波收發(fā)器103備有固定在傳感器盒105內(nèi)側的壓電體106、和固定在傳感器盒105外側的聲匹配層104。用環(huán)氧樹脂系粘接劑將聲匹配層104粘接在傳感器盒105上。同樣，也將壓電體106粘接在傳感器盒上。
壓電體106的超聲波振動，經(jīng)過粘接層傳到傳感器盒105，進一步再經(jīng)過另一個粘接層傳到聲匹配層104。此后，作為聲波向與聲匹配層104相接的氣體(超聲波傳輸媒體)發(fā)射超聲波振動。
聲匹配層104的作用是將壓電體的振動高效率地傳輸?shù)綒怏w中。下面，我們更詳細地說明這一點。
物質(zhì)的聲阻抗Z，用該物質(zhì)中的聲速C和物質(zhì)的密度ρ由下述的(式4)來定義。
Z＝ρ×C…(式4)在本說明書中，用[kg/m3]和[m/秒]之積[kg/m2/秒]來表示聲阻抗Z的單位。
成為超聲波的發(fā)射對象的氣體的聲阻抗與壓電體的聲阻抗Z具有很大的不同。作為一般壓電體的PZT(鈦酸鋯酸鉛)等壓電陶瓷的聲阻抗Z1為2.9×107kg/m2/秒左右。與此相對，空氣的聲阻抗Z3為4.0×102kg/m2/秒左右。
在聲阻抗不同的邊界面上容易反射聲波，使透過邊界面的聲波的強度降低。因此，在壓電體和氣體之間，插入持有(式5)所示的聲阻抗Z2的物質(zhì)。
Z2＝(Z1×Z3)1/2…(式5)若插入持有這樣的聲阻抗Z2的物質(zhì)，則能夠抑制邊界面上的反射，提高聲波的透過率，這是眾所周知的。
在設聲阻抗Z1為2.9×107kg/m2/秒，聲阻抗Z3為4.0×102kg/m2/秒時，滿足(式5)的聲阻抗Z2約為1.1×105kg/m2/秒。持有1.1×105kg/m2/秒的值的物質(zhì)，當然，必須滿足(式4)，即Z2＝ρ×C。要從固體材料中找到這種物質(zhì)是極其困難的。其理由是一面是固體材料一面又要求密度ρ十分小，并且聲速低的緣故。
目前，作為聲匹配層的材料，廣泛地使用用樹脂材料加固玻璃氣球和塑料氣球的材料。另外，作為制作適合于這種聲匹配層的材料的方法，例如在特許第2559144號專利公報說明書等中公開了熱壓縮中空玻璃球的方法或使熔融材料發(fā)泡等方法。
但是，這些材料的聲阻抗具有比5.0×105kg/m2/秒大的值，要說它滿足(式5)是困難的。為了得到高靈敏度的超聲波收發(fā)器，需要用聲阻抗更小的材料形成聲匹配層。
為了與這種要求相應，本專利申請人發(fā)明了充分滿足(式5)的聲匹配材料，并公開于日本特開2002-262394號專利公報中。該材料是用賦予了耐久性的干燥凝膠制作的，密度ρ小，并且聲速C也低。這樣，備有由聲阻抗極低的干燥凝膠等材料形成的聲匹配層的超聲波收發(fā)器，能夠在氣體之間高效率并且高靈敏度地發(fā)送接收超聲波。結果，實現(xiàn)了能夠高精度地測定氣體流量的裝置。
另外，本專利申請人，在日本特愿2003-136327號的說明書中公開了具有2層的聲匹配層的超聲波收發(fā)器的發(fā)明。該聲匹配層具有組合了干燥凝膠和多孔質(zhì)陶瓷等的多層結構，與具有單層的聲匹配層的超聲波收發(fā)器比較，能夠提供可以進行更高靈敏度、寬頻帶的超聲波的收發(fā)的超聲波收發(fā)器。而且，如果用這種超聲波收發(fā)器制作流量計，則可以高精度地測定氣體流量。
備有由干燥凝膠形成的聲匹配層的超聲波收發(fā)器，與已有的備有由用樹脂材料加固玻璃氣球和塑料氣球的材料形成的聲匹配層的超聲波收發(fā)器比較，能夠得到顯著高的收發(fā)靈敏度。但是，當收發(fā)脈沖或脈沖串狀的超聲波時，與已有的超聲波收發(fā)器比較，不一定適合于收發(fā)頻帶窄、時間短的超聲波。
此外，在為具有使干燥凝膠與其它材料粘接的2層聲匹配層的超聲波收發(fā)器的情況下，因為構成2層聲匹配層的材料不同，所以密接性惡化，又因為是不同的材料所以對熱的線膨脹率不同，要確保長期可靠性是困難的。進一步，需要分別準備好不同的部件，使2個部件耦合的工序，或者，在成形了的陶瓷等的多孔體上形成由干燥凝膠構成的聲匹配層的工序。因此，工序煩雜，從成品率和成本的觀點來看，都存在著問題。
而且，多孔陶瓷含有許多平均直徑為幾十μm左右的比較大的空穴。因此，若提高多孔陶瓷傳輸?shù)某暡ǖ念l率，使它的波長接近平均空穴直徑，則因為由空穴產(chǎn)生反射或衰減，所以作為聲匹配層的性能惡化。因此，在備有干燥凝膠和多孔陶瓷的2層聲匹配層的超聲波收發(fā)器中，存在著能夠使用的超聲波振子的頻帶受到限制那樣的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的超聲波收發(fā)器，是具有壓電體、和設置在上述壓電體上的聲匹配部件的超聲波收發(fā)器，上述聲匹配部件包含聲阻抗不同的至少2個聲匹配層，上述2個聲匹配層都是由干燥凝膠層形成的。
在某個優(yōu)選的實施方式中，上述各聲匹配層都具有2μm以上的厚度。
在某個優(yōu)選的實施方式中，上述由干燥凝膠形成的各聲匹配層都具有平均空穴直徑在1μm以下的多孔結構部分。
在某個優(yōu)選的實施方式中，上述各聲匹配層的聲阻抗從上述壓電體向著傳輸媒體順次地減小。
在某個優(yōu)選的實施方式中，上述聲匹配部件所包含的各聲匹配層的聲阻抗都在2.5×103kg/m2/秒以上、1.2×107kg/m2/秒以下。
在某個優(yōu)選的實施方式中，上述聲匹配部件所包含的聲匹配層的數(shù)量為2。
在某個優(yōu)選的實施方式中，上述聲匹配部件所包含的各聲匹配層的厚度在收發(fā)的超聲波的波長的1/8以上、1/3以下的范圍內(nèi)。
在某個優(yōu)選的實施方式中，上述聲匹配部件所包含的各聲匹配層是由無機系材料形成的。
在某個優(yōu)選的實施方式中，上述無機系材料是無機氧化物。
在某個優(yōu)選的實施方式中，上述無機氧化物具有經(jīng)過防水化處理的固體骨架部。
本發(fā)明的超聲波流量計，其中備有流過被測定流體的流量測定部；設置在上述流量測定部中，發(fā)送接收超聲波信號的一對超聲波收發(fā)器；測量超聲波在上述一對超聲波收發(fā)器之間傳輸?shù)臅r間的測量部；和根據(jù)來自上述測量部的信號，算出流量的流量運算機構；上述一對超聲波收發(fā)器中的各個是上述任何一個超聲波收發(fā)器。
在某個優(yōu)選的實施方式中，上述被測定流體是氣體。
本發(fā)明的裝置備有上述任何一個超聲波收發(fā)器。
本發(fā)明的超聲波收發(fā)器的制造方法，其中包含(a)準備具有第1面及與上述第1面相反側的第2面，并在上述第1和第2面上形成了電極的壓電體的工序；和(b)在上述壓電體中的上述第1和第2面的至少一方側，由干燥凝膠形成聲阻抗不同的至少2個聲匹配層的工序。
在某個優(yōu)選的實施方式中，上述工序(b)包含(b1)向上述壓電體的第1和第2面的至少一方供給第1凝膠原料的工序；(b2)使上述第1凝膠原料液凝膠化，以形成第1濕潤凝膠層的工序；(b3)將第2凝膠原料供給到上述第1濕潤凝膠層上的工序；(b4)使上述第2凝膠原料液凝膠化，以形成第2濕潤凝膠層的工序；和(b5)通過干燥上述第1和第2濕潤凝膠層，而從上述第1和第2濕潤凝膠層分別形成第1聲匹配層和第2聲匹配的工序。
在某個優(yōu)選的實施方式中，在上述工序(b4)中，以使上述第1聲匹配層的聲阻抗變化的方式，將上述第1濕潤凝膠層改性。
在某個優(yōu)選的實施方式中，上述工序(b)進一步包含(b6)向上述第2濕潤凝膠層上供給第3凝膠原料的工序；和(b7)使上述第3凝膠原料液凝膠化，以形成第3濕潤凝膠層的工序；在上述工序(b5)中，通過干燥上述第3濕潤凝膠層而形成第3聲匹配層。
在某個優(yōu)選的實施方式中，在上述工序(b5)之前，對上述濕潤凝膠層進行防水化處理。


圖1是表示已有的超聲波流量計的剖面圖。
圖2是表示已有的超聲波收發(fā)器的剖面圖。
圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的超聲波收發(fā)器的第1實施方式的剖面圖。
圖4是示意性地表示通過進行凝膠化工序、第1聲匹配層的聲阻抗如何變化的曲線圖。
圖5(a)到圖5(f)是表示本發(fā)明的實施方式1中的超聲波收發(fā)器的制造方法的工序剖面圖。
圖6(a)是表示本發(fā)明的實施方式1中的超聲波收發(fā)器的發(fā)送接收波形的曲線圖，圖6(b)是表示比較例中的發(fā)送接收波形的曲線圖。
圖7(a)是示意性地表示本實施方式的聲匹配層的剖面圖，圖7(b)是表示由多孔陶瓷形成的第1聲匹配層和由干燥凝膠形成的第2聲匹配層的剖面圖。
圖8是表示本發(fā)明的超聲波收發(fā)器的第2實施方式的剖面圖。
圖9是表示根據(jù)本發(fā)明的超聲波流量計的實施方式的圖。
圖10(a)和圖10(b)是表示用圖5的超聲波流量計進行的傳輸時間測定方法的圖。
圖11(a)到圖11(c)是分別表示超聲波流量計中的V路徑、W路徑和I路徑的配置例的圖。
具體實施例方式
下面，我們一面參照附圖一面說明根據(jù)本發(fā)明的超聲波收發(fā)器的實施方式。
(實施方式1)圖3表示根據(jù)本發(fā)明的超聲波收發(fā)器的第1實施方式的剖面。本實施方式的超聲波收發(fā)器1備有壓電體2、設置在壓電體2的兩面上的一對電極4a、4b、經(jīng)過電極4a而設置在壓電體2的一個面上的第1聲匹配層3a、在第1聲匹配層3a上形成的第2聲匹配層3b。
壓電體2由具有壓電性的材料形成，在厚度方向極化。若在設置于壓電體2的上下面上的電極4a、4b上施加電壓，則根據(jù)電壓信號從壓電體2發(fā)射超聲波，經(jīng)過聲匹配層3a、3b發(fā)射到超聲波傳輸媒體(氣體等)5。另外，通過超聲波傳輸媒體5傳輸過來的超聲波經(jīng)過聲匹配層3a、3b傳播到壓電體2。由入射的超聲波使壓電體2變形，在電極4a和電極4b之間產(chǎn)生電壓信號。
壓電體2的材料是任意的，能夠用種種眾所周知的材料形成。也可以代替壓電體2用眾所周知的電致伸縮體。電極4優(yōu)選由金屬形成，但是也可以由金屬以外的導電材料形成。
2層的聲匹配層3a、3b具有高效率地將壓電體2中產(chǎn)生的超聲波振動傳輸?shù)絺鬏斆襟w5，還高效率地將經(jīng)過超聲波傳輸媒體5傳輸過來的超聲波傳送到壓電體2的功能。
本實施方式的聲匹配層3a、3b都是由干燥凝膠形成的，以使聲匹配層3a的聲阻抗和聲匹配層3b的聲阻抗表示出不同的值的方式進行調(diào)節(jié)。
干燥凝膠是通過可溶凝膠反應形成的多孔體，是可以使由密度ρ和聲速C之積(ρ×C)規(guī)定的聲阻抗極小的材料。因此，通過使用由干燥凝膠形成的聲匹配層3a、3b，從而能夠極大地提高相對空氣等氣體的超聲波的收發(fā)效率。
干燥凝膠是通過在形成濕潤凝膠后使?jié)駶櫮z干燥而得到的。濕潤凝膠是首先準備好凝膠原料液，然后通過該凝膠原料液的反應而制作出濕潤凝膠的。濕潤凝膠具有通過該凝膠原料液的反應而固體化的固體骨架部，該固體骨架部處于包含溶媒的狀態(tài)。
通過干燥濕潤凝膠而得到的干燥凝膠是多孔體，具有在幾nm～幾μm左右的固體骨架部的間隙中連續(xù)的氣孔。氣孔的平均大小為1nm～幾μm左右，是極小的。
若調(diào)節(jié)制作條件，以減小干燥凝膠的密度，則干燥凝膠的固體部分中的聲速極端地變小，并且使細孔內(nèi)的氣體部分中的聲速也極端地變小。因此，干燥凝膠的聲速在低密度狀態(tài)下表示出500m/秒以下的低值，表示出極低的聲阻抗。特別是持有固體骨架部和細孔直徑為幾nm左右的小尺寸的干燥凝膠表示出極低的聲速。另外，因為在毫微米大小的細孔部中，氣體的壓力損失大，所以當由干燥凝膠形成聲匹配層時，能夠以高聲壓發(fā)射聲波。
根據(jù)后述的制造方法，即便用相同的原料，通過調(diào)節(jié)制造工藝條件，從而也能夠在廣大的范圍內(nèi)將干燥凝膠的聲阻抗控制在任意值上。此外，也可以通過改變制造工藝條件，制作一面使密度具有大致相同的大小，一面只使聲速變化的聲匹配層。因此，通過層疊由干燥凝膠形成的聲匹配層，從而可以制作持有所要的聲阻抗分布的聲匹配部件。
在壓電體2和超聲波傳輸媒體5之間，存在著聲阻抗的不匹配。特別是，在超聲波傳輸媒體5是氣體時，因為該聲阻抗比通常的壓電體的聲阻抗顯著地小，所以存在著大的不匹配。若存在聲阻抗的不匹配，則因為發(fā)生聲波的內(nèi)部反射，所以妨礙高效率地收發(fā)超聲波。聲匹配層3a、3b提供減少這種聲阻抗不匹配的效果。通過設置聲匹配層3a、3b，從而能夠抑制聲波的內(nèi)部反射，更高效率地將超聲波從壓電體2發(fā)射到超聲波傳輸媒體5。
此外，當發(fā)送接收具有單一頻率的超聲波(連續(xù)的超聲波)時，只要設置1層具有根據(jù)該超聲波的波長決定的厚度的聲匹配層就足夠了。但是在通常的超聲波收發(fā)器中，一般發(fā)送接收脈沖或脈沖串狀的超聲波。脈沖或脈沖串狀的超聲波不是單一頻率成分，而包含廣大范圍的頻率成分。為了高靈敏度地進行這種超聲波的發(fā)送接收，優(yōu)選在壓電體2和超聲波傳輸媒體5之間逐漸改變聲匹配層的聲阻抗。為了逐漸改變聲阻抗，可以層疊多個聲匹配層，使每個聲匹配層中的聲阻抗逐漸變化。
聲匹配層的聲阻抗對超聲波收發(fā)器的性能具有大的影響。一般以滿足(式5)所示的關系的方式設定單層的聲匹配層中的聲阻抗，但是以滿足下述的(式6)和(式7)的關系的方式設定2層的聲匹配層中的各個聲阻抗。
Z1＝(Z04×Z33)1/7…(式6)Z2＝(Z0×Z36)1/7…(式7)在(式6)和(式7)中，Z0是壓電體的聲阻抗，Z1是第1聲匹配層的聲阻抗，Z3是第2聲匹配層的聲阻抗，Z3是傳輸媒體的聲阻抗。
在這里，考慮假定傳輸媒體是空氣，發(fā)送接收超聲波的情形。因為在約20℃，空氣密度約為1.18kg/m3，聲速約為340m/秒，所以空氣的聲阻抗Z3約為4.0×102kg/m2/秒。
另外，因為當用鈦酸鋯酸鉛系的陶瓷作為壓電體2時，其密度約為7.7×103kg/m3，聲速約為3800m/秒，所以壓電體2的聲阻抗Z0約為9×107kg/m2/秒。
通過將以上的值代入(式6)算出Z1和Z2，Z1約為2.40×105kg/m2/秒，Z2為1.98×103kg/m2/秒。
用持有這種聲阻抗的材料形成2層的聲匹配層是理想的，但是在第2聲匹配層3b中求得的上述聲阻抗值Z2，作為固體材料是非常低的。這樣，為了實現(xiàn)低的聲阻抗值Z2，例如，需要從密度為5×10kg/m3、聲速為40m/秒那樣的固體材料形成聲匹配層。但是，一般認為很難找到顯示上述密度和聲速的已有的固體材料，即便假定找到了，它的強度也極低，不適合于實用。因此，作為顯示接近上述聲阻抗值的材料，在本實施方式中用密度為150kg/m3、聲速為100m/秒、聲阻抗為1.5×104kg/m2/秒的干燥凝膠，形成第2聲匹配層3b。
此外，作為第1聲匹配層3a，用密度約為800kg/m3、聲速為1000m/秒、聲阻抗為8.0×105kg/m2/秒的干燥凝膠。根據(jù)1維的計算機模擬，將第1聲匹配層3a的聲阻抗值設定為收發(fā)靈敏度高的聲阻抗值。
第1聲匹配層3a優(yōu)選的聲阻抗值根據(jù)壓電體2、第2聲匹配層3b及傳輸媒體5的各聲阻抗值而不同。因為越降低用于第2聲匹配層3b的干燥凝膠的聲阻抗值，干燥凝膠的機械強度就越低，所以在某個值以下是不能令人滿意的。因此，在本實施方式中，將第2聲匹配層3b的聲阻抗設定在比理想值大的值上。與此相對，第1聲匹配層3a的聲阻抗值的設定范圍從機械強度的觀點來看沒有制約，相對地較寬。
根據(jù)后述的制造方法，從寬范圍中將干燥凝膠的聲阻抗設定為任意的大小。因此，在本實施方式中，可以如設計的那樣將所要的性能給予超聲波收發(fā)器。
下面，我們說明具有上述聲匹配層的超聲波收發(fā)器1的制造方法的一個例子。
首先，準備與收發(fā)的超聲波的波長相符的壓電體2。壓電體2優(yōu)選由壓電陶瓷或壓電單晶體等壓電性高的材料形成。作為壓電陶瓷，能夠用鈦酸鋯酸鉛、鈦酸鋇、鈦酸鉛、鈮酸鉛等。此外，作為壓電單晶體，能夠用鈦酸鋯酸鉛單晶體、鈮酸鋰、水晶等。
在本實施方式中，作為壓電體2用鈦酸鋯酸鉛系陶瓷，將收發(fā)的超聲波的頻率設定在500kHz上。為了使壓電體2能夠高效率地收發(fā)這種超聲波，將壓電體2的諧振頻率設定在500kHz上。
可知當壓電體2的聲速如上所述為3800m/秒，將壓電體2的厚度設定為超聲波的波長的1/2時，發(fā)生強的諧振。在本實施方式中，為了得到適合于收發(fā)500kHz的超聲波的壓電體2，從壓電陶瓷制作具有直徑為12mm、厚度為3.8mm的圓柱狀的壓電體2，并使用它。在沿壓電體2的厚度方向離開的2個面(上面和底面)上，通過燒結設置銀制的電極4，沿厚度方向?qū)弘婓w2進行極化處理。
在本實施方式中，與這種壓電體2的一個面相對，形成由干燥凝膠構成的聲匹配層3a、3b。如上所述，因為將第1聲匹配層3a的聲速設定為1000m/秒，第2聲匹配層3b的聲速設定為100m/秒，所以第1聲匹配層3a中的超聲波的波長為2mm，第2聲匹配層3b中的超聲波的波長為0.2mm。
當令聲匹配層3a、3b的厚度分別為波長的1/4時，可知超聲波的內(nèi)部反射最少，靈敏度最高。因此，將第1聲匹配層3a的厚度設定為500μm，將第2聲匹配層3b的厚度設定為50μm。
此外，聲匹配層的優(yōu)選厚度不一定限定于超聲波的波長的1/4。為了擴展頻帶，令聲匹配層的厚度小于超聲波的波長的1/4是有效的。聲匹配層的特別優(yōu)選的厚度范圍為超聲波波長的1/8以上、1/3以下，更優(yōu)選的厚度范圍為1/8以上、1/4以下。此外，為了作為聲匹配層起作用，需要2μm以上的厚度。
構成聲匹配層3a、3b的干燥凝膠能夠用無機材料、有機高分子材料等來形成。作為無機材料的固體骨架部，能夠用氧化硅、氧化鋁、氧化鈦等。另外，作為有機材料的固體骨架部，能夠用一般的熱固化性樹脂、熱塑性樹脂，例如，聚氨基甲酸脂、聚脲、酚醛固化樹脂、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等。
在本實施方式中，從成本、環(huán)境穩(wěn)定性和制造容易性等考慮，采用持有氧化硅的干燥凝膠作為固體骨架部。順次地在壓電體2的主面上直接形成由這種干燥凝膠構成的第1聲匹配層3a和第2聲匹配層3b。
下面，我們說明這些聲匹配層3a、3b的制造方法。
由于形成2層以上的聲阻抗不同的干燥凝膠，在本實施方式中，與從通常的凝膠化工序經(jīng)過干燥工序的已有方法不同，在通常的凝膠化工序(以下，稱為“第1凝膠化工序”。)后進行第2凝膠化工序。
在第2凝膠化工序中，在包含由第1凝膠化工序形成的濕潤凝膠的固體骨架部的區(qū)域中，一面聚合凝膠原料液一面形成新的固體骨架。通過這樣地形成新的凝膠骨架，從而可以改變濕潤凝膠的密度和聲速，即聲阻抗。
在第2凝膠化工序中，可以大致分成下面說明的2個工序。
(1)第2-1凝膠化工序在第1凝膠化工序中形成的濕潤凝膠的外側，以凝膠原料液不凝膠化的方式調(diào)整凝膠原料液的配比，以改變第1凝膠化工序中形成的濕潤凝膠的密度和聲速的工序(以下，稱為“第2-1凝膠化工序”)。
在第2-1凝膠化工序中，在濕潤凝膠的外側，沒有凝膠原料液自身的凝膠化。但是，在第1凝膠化工序中形成的凝膠的內(nèi)部，凝膠原料液以附著在第1凝膠化工序中形成的骨架上的方式成長。因此，即便在凝膠原料液自身不凝膠化的條件下，也進行該反應。
該第2-1凝膠化工序，沒有改變第1凝膠化工序中得到的濕潤凝膠的形狀，對于需要特別提高密度和聲速的情形是有效的。
(2)第2-2凝膠化工序即使在第1凝膠化工序中形成的濕潤凝膠的外側，也以凝膠原料液凝膠化的方式調(diào)整原料液的配比。以下，將該工序稱為“第2-2凝膠化工序”。
在該第2-2凝膠化工序中，能夠一面改變第1凝膠化工序中得到的凝膠的密度和聲速，一面在其外側部分同時形成其它凝膠層。
為了形成多層干燥凝膠層，第2-2凝膠化工序是不可欠缺的，根據(jù)需要相應地進行第2-1凝膠化工序。在第1凝膠化工序中得到的層(第1層)和在該層外側在第2凝膠化工序中形成的層(第2層)之間不存在明確的界面。通過化學偶合該第1層和第2層而連續(xù)。另外，第1層和第2層的熱膨脹率極其接近，提高了兩者的密接性。因此，與在下層使用多孔陶瓷等材料構成的聲匹配層的情形比較，能夠提高長期可靠性。
此外，在本說明書中，將“第2-1凝膠化工序”和“第2-2凝膠化工序”總稱為“第2凝膠化工序”。
在本實施方式中，通過在第1凝膠化工序后進行第2凝膠化工序，從而將2層以上的聲匹配層的各聲阻抗設定為優(yōu)選的大小。
在本實施方式中，通過進行下面的工序，從而形成由2層干燥凝膠構成的聲匹配層。將2層聲匹配層中的各層的聲阻抗設定如下。
密度800kg/m3聲速1000m/秒聲阻抗8.0×105kg/m2/秒[第2聲匹配層3b]密度150kg/m3聲速100m/秒聲阻抗1.5×104kg/m2/秒本實施方式的超聲波收發(fā)器中的聲匹配層中，第1聲匹配層3a的聲阻抗比較高，又與第2聲匹配層3b的聲阻抗有很大不同。因此，只用第1凝膠化工序和第2-2凝膠化工序形成上述聲匹配層是困難的。
在由干燥凝膠形成聲匹配層時，可以在2.5×103kg/m2/秒以上1.2×107kg/m2/秒以下的范圍內(nèi)將各聲匹配層的聲阻抗設定為任意值。
以第1凝膠化工序形成的干燥凝膠和以第2-2凝膠化工序新形成的干燥凝膠的聲阻抗，從凝膠化反應的穩(wěn)定性等觀點出發(fā)，希望約在2×105kg/m2/秒以下。只進行第1凝膠化工序和第2-2凝膠化工序，成為第1聲匹配層3a的干燥凝膠的聲阻抗不會上升到需要的大小。
因此，在本實施方式中，在第1凝膠化工序后，首先，通過進行第2-1凝膠化工序，來提高第1聲匹配層3a的聲阻抗。此后，通過進行第2-2凝膠化工序，來提高第1聲匹配層3a的聲阻抗，并且形成第2聲匹配層3b。這樣一來，能夠形成表示出適當?shù)穆曌杩沟?層的聲匹配層3a、3b。
圖4示意性地表示通過進行凝膠化工序、第1聲匹配層的聲阻抗如何變化。如從圖4可以看到的那樣，通過此后進行的第2凝膠化工序，增加由第1凝膠化工序形成的層的聲阻抗。另外，在第1凝膠化工序后進行的第2-1凝膠化工序的條件是將由第2-2凝膠化工序生成的聲阻抗的增加估計在內(nèi)而進行設定。
此外，在不需要對2層的聲匹配層的聲阻抗設置大的差別的情形等中，也可以省略第2-1凝膠化工序，使工序簡化。
下面，我們一面參照圖5(a)到(f)，一面具體說明本實施方式中的干燥凝膠的形成方法。
工序1第1凝膠化工序(準備凝膠原料液)以摩爾比1/2/1/0.00078混合四乙氧基硅烷/乙醇/水/氯化氫，在65度的恒溫槽中進行3小時的四乙氧基硅烷的加水分解。進一步，對四乙氧基硅烷加入摩爾比2.5/0.0057比例的水/NH3，得到第1凝膠原料液。
工序2第1凝膠化工序(形成第1聲匹配層)將用上述方法準備過的第1凝膠原料液滴到壓電體2的一個面上。具體地說，首先如圖5(a)所示，在壓電體2的外周設置規(guī)定第1聲匹配層3a的厚度的筒狀框體6a。其次，將凝膠原料液滴下到由壓電體2和框體6a包圍的空間內(nèi)。此后，用特氟隆(Teflon)(氟樹脂)板7刮切除去多余的凝膠原料液，原封不動地用特氟隆板7蓋住。
通過設置這種框體6a，從而可以高精度地控制聲匹配層3a的厚度。因為聲匹配層3a的厚度對超聲波收發(fā)器的特性給予很大的影響，所以高精度的控制對提高特性有貢獻。
使上述狀態(tài)原封不動地在50℃的溫度中放置約1日。由此，在由壓電體2和框體6a形成的空間內(nèi)使凝膠原料液凝膠化，形成濕潤凝膠。這樣一來，如圖5(b)所示，形成由壓電體2和濕潤凝膠8構成的結構體。
設定從壓電體2的上面突出的框體6a的大小，以使它成為第1聲匹配層中的超聲波(頻率500kHz)波長的約1/4。在本實施方式的情形中，因為成為第1聲匹配層3a的干燥凝膠的聲速約為100m/秒，所以設定從壓電體2的上面突出的框體6a的大小為500μm。
工序3第2-1凝膠化工序(調(diào)整第1聲匹配層的聲阻抗)用乙醇洗凈在工序2中得到的濕潤凝膠，準備第2-1凝膠原料液。作為第2-1凝膠原料液，使用以體積比60/35/5混合四乙氧基硅烷/乙醇/0.1當量氨水的混合液。
將由圖5(b)所示的壓電2、框體6a和濕潤凝膠構成的結構體，如圖5(c)所示，浸漬在密封容器10的第2-1凝膠原料液中。將該密封容器10放置在70℃的恒溫槽中約1日。通過這種處理，能夠增加第1聲匹配層的聲阻抗。
工序4第2-2凝膠化工序(形成第2聲匹配層)下面，如圖5(d)所示，從第2-1凝膠原料液中取出結構體，除去框體6a。此后，安裝上規(guī)定第2聲匹配層3b的厚度的筒狀框體6b?？蝮w6b是用于在第1聲匹配層3a上進一步形成第2聲匹配層3b的框體。將框體6b中、從第1聲匹配層3a的上面向上突出的部分的大小設定為規(guī)定第2聲匹配層3b的厚度的大小。在本實施方式中，因為作為第2聲匹配層3b起作用的干燥凝膠的聲速約為100m/秒，所以第2聲匹配層3b中的超聲波波長約為200μm。因此，設定第2聲匹配層3b的厚度約為該波長的1/4、即50μm。
接著，在由第1聲匹配層3a和框體6a形成的空間中，填充第2-2凝膠原料液。因為第2-1凝膠化工序中使用的凝膠原料液殘留在成為第1聲匹配層3a的濕潤凝膠中，所以在填充第2-2凝膠原料液前，最好先用乙醇/水的混合液加以洗凈。
作為第2-2凝膠原料液，能夠使用以摩爾比1/4/3的比例混合了四乙氧基硅烷/乙醇/0.05當量氨水的混合液。將第2-2凝膠原料液填充到上述空間內(nèi)直到框體6a的上端。通過這種填充，由第2-2凝膠原料液置換了成為第1聲匹配層3a的濕潤凝膠內(nèi)的乙醇。
此后，用特氟隆板刮切除去多余的凝膠原料液后，用該特氟隆板蓋住。在原封不動的狀態(tài)中，在室溫中放置約1日，在由壓電體2和框體6a形成的空間中使凝膠原料液凝膠化，形成濕潤凝膠。
進一步，即便在成為第1聲匹配層的部分的濕潤凝膠內(nèi)，也發(fā)生新的凝膠化，也使該部分的聲阻抗增高。
這樣一來，如圖5(e)所示，在壓電體2的上面形成聲阻抗不同的2層的濕潤凝膠層。
工序5疏水化工序疏水化工序不是必需的工序，但是因為存在著由于吸濕使性能惡化的情形，所以最好進行疏水化工序。疏水化工序如下進行。首先，在進行第2-2凝膠化工序后，用乙醇置換·洗凈殘留在成為聲匹配層的濕潤凝膠內(nèi)的第2-2凝膠原料。其次，將上述結構體浸漬在40℃的以重量比為45/45/10的比例混合了二甲基二甲氧基硅烷/乙醇/10重量％氨水得到的疏水化液中約1日。
工序6干燥工序為了從由以上工序得到的濕潤凝膠得到干燥凝膠，進行干燥工序。在本實施方式中，作為干燥方法，使用超臨界干燥法。如上所述，干燥凝膠是非常小的約毫微米大小的多孔體。存在著根據(jù)骨架部分的粗細、偶合的強弱、空穴的大小，在進行從濕潤凝膠到干燥凝膠的溶媒干燥時，由于溶媒表面張力而被破壞的情形。
為了防止這種破壞，最好使用表面張力不起作用的超臨界干燥法。具體地說，用乙醇置換疏水化液后，如圖5(f)所示，將壓電體/濕潤凝膠的結構體放入耐壓容器中，用液化二氧化碳置換凝膠內(nèi)的乙醇。進一步，通過用泵將液化二氧化碳送入到容器內(nèi)，從而使耐壓容器中的壓力上升到10MPa。此后，使溫度上升到50℃，使耐壓容器內(nèi)形成超臨界狀態(tài)。接著，使溫度保持在50℃不變，慢慢地降低壓力，完成干燥。
下面，我們評價具有這樣得到的2層的聲匹配層的超聲波收發(fā)器的聲特性。我們一面參照圖3(a)和圖3(b)，一面說明評價結果。
圖6(a)表示本實施方式的超聲波收發(fā)器的收發(fā)波形。與此相對，圖6(b)表示將用環(huán)氧樹脂模制了玻璃氣球的材料用作聲匹配層的比較例的收發(fā)波形。在這些曲線圖中，橫軸是時間(Time)，縱軸是信號振幅(Amplitude)。橫軸的例如“3.E-0.5”的數(shù)值意味著“3.0×10-5”，單位為秒(s)。
比較例和本實施方式的差異是聲匹配層的構成，除此以外的點是相同的。此外，比較例中的用環(huán)氧樹脂模制了玻璃氣球的材料，密度為520kg/m3，聲速為2500m/秒，聲阻抗為1.3×106kg/m2/秒。
如圖6(a)和(b)所示，根據(jù)本實施方式的超聲波收發(fā)器，與采用已有匹配層的超聲波收發(fā)器比較，能夠得到50倍以上的收發(fā)靈敏度。
此外，在本實施方式的超聲波收發(fā)器中，因為2層的聲匹配層是由相同的氧化硅形成的，所以具有不容易發(fā)生剝離等不良情況，可以成品率良好地進行制造的優(yōu)點。又，使用時長期可靠性優(yōu)越，能夠持續(xù)進行穩(wěn)定的工作。
根據(jù)本實施方式的制造方法，通過一面使用相同的原料，一面調(diào)節(jié)凝膠原料液的配比、處理溫度或時間，從而能夠得到所要的聲阻抗。因此，能夠容易地制作具有所求特性的聲匹配層，在探索滿足設計上的要求的材料方面不會花費很多時間。
此外，本實施方式的超聲波收發(fā)器，具有2層的聲匹配層，但是也可以備有3層以上的聲匹配層。即便在這種情形中，也能夠用同樣的制造方法制作聲匹配層。但是，3層以上的聲匹配層，不需要全部由干燥凝膠形成。在設計上，也可以由干燥凝膠只形成能夠用干燥凝膠制作得到優(yōu)選的聲特性的層。
在本實施方式的制造方法中，相對壓電體2順次地形成第1聲匹配層3a和第2聲匹配層3b，但是也可以分別形成第1聲匹配層3a和第2聲匹配層3b，然后相對壓電體2粘接起來。
再有，在本實施方式中，在形成于壓電體上的電極上形成聲匹配層，但是聲匹配層不限于在電極上，也可以形成在電極的側面一側。另外，聲匹配層不需要與壓電體直接接觸，也能夠以與壓電體聲耦合的方式進行配置。這里所謂的“聲耦合”意味著具有在聲匹配層和壓電體之間能夠傳輸超聲波振動的配置關系。因此，也可以在壓電體和聲匹配層之間插入不會成為阻礙聲波的收發(fā)的主要原因的部件。這種部件中包含著以后說明的實施方式2的結構支撐體(盒)。
下面，我們一面參照附圖一面說明在本實施方式中使用的2層聲匹配層的結構。
圖7(a)是示意性表示本實施方式的聲匹配層3a、3b的剖面圖，圖7(b)是示意性表示由多孔陶瓷形成的第1聲匹配層3a和由干燥凝膠形成的第2聲匹配層3b的剖面圖。
在圖7(b)的結構中，因為由多孔陶瓷形成的第1聲匹配層3a的空穴直徑大，所以當傳輸超聲波時容易在第1聲匹配層3a的內(nèi)部發(fā)生反射或衰減。因此，由多孔陶瓷形成的聲匹配層的特性不好。多孔陶瓷，通常是通過燒結平均粒子直徑在1μm以上的粉末粒子而制作的，平均空穴直徑在幾十μm以上。
另一方面，在圖7(a)所示的本實施方式的構成中，構成各聲匹配層3a、3b的干燥凝膠是持有約幾nm～幾μm的微細的空穴部分的多孔體。因此，因為即便是頻率比較高的超聲波，它的波長也比空穴部分充分地大，所以難以在內(nèi)部發(fā)生超聲波的反射或衰減，超聲波的傳輸性能高。
為了不發(fā)生由空穴引起的超聲波的反射或衰減，使平均空穴直徑在超聲波波長的約十分之一以下是優(yōu)選的。在多孔陶瓷的情形中，要形成毫微米量級的小的空穴直徑幾乎是不可能的。若使多孔陶瓷的聲速為2000m/秒左右，平均空穴直徑為50μm左右，則可以高效率地收發(fā)4MHz以下的超聲波，但是收發(fā)頻率超過4MHz的超聲波是沒有實用性的。與此相對，因為干燥凝膠的平均空穴直徑為幾nm，所以可以高效率地收發(fā)頻率超過4MHz的超聲波。
(實施方式2)我們一面參照圖8，一面說明根據(jù)本發(fā)明的超聲波收發(fā)器的第2實施方式。
本實施方式的超聲波收發(fā)器，如果除去壓電體2和第1聲匹配層3a之間具有結構支撐體這點外，則具有與實施方式1的超聲波收發(fā)記錄媒體的構成相同的構成。
結構支撐體13備有固定聲匹配層3a等的圓盤狀支撐部、和從該圓盤狀支撐部沿軸方向連續(xù)地伸展的圓筒部。圓筒部的端面，其剖面彎折成L字型，容易固定在用于遮蔽壓電體2的平板(圖中未示出)和其它裝置等上。
在結構支撐體13的表面上配置聲匹配層3a、3b，在支撐部里面配置壓電體2。通過用這種結構支撐體13，從而超聲波收發(fā)器的處理變得極其容易。
結構支撐體13能夠由可以密封的容器(傳感器盒)構成。這時，如果用遮蔽平板等塞住結構支撐體13的圓筒部的開放端，并且，在結構支撐體13的內(nèi)部充滿惰性氣體，則能夠使壓電體2從作為流量測定對象的流體隔開。
因為在壓電體2上施加電壓，所以當壓電體2與可燃性氣體等接觸時，也存在著引起可燃性氣體著火的危險性。但是通過由密封性容器構成結構支撐體13，使壓電體2的內(nèi)部與外部流體等隔開，從而能夠防止這種著火，即便對于可燃性氣體等也能夠安全地收發(fā)超聲波。
另外，即便在不是可燃性氣體，但也可能與壓電體2發(fā)生反應，使壓電體2的特性惡化的某種氣體之間收發(fā)超聲波的情況下，也最好使壓電體2與外部氣體隔開。通過這樣做，從而可以防止壓電體2的惡化，長時間實現(xiàn)可靠性高的工作。
位于結構支撐體13中、壓電體2和第1聲匹配層3a之間的部分不作為聲匹配層起作用。因此，為了使結構支撐體13不起對聲的阻礙作用，希望使位于結構支撐體13中、壓電體2和第1聲匹配層3a之間的部分的厚度約在收發(fā)的超聲波的波長的1/8以下。
在本實施方式中，由不銹鋼形成結構支撐體13，設定上述部分的厚度為0.2mm。
不銹鋼的聲速約為5500m/秒，超聲波的500kHz中的波長約為11mm。因為0.2mm的厚度與波長的約1/55相當，所以結構支撐體13的存在幾乎不會成為聲的阻礙要因。
結構支撐體13的材料不限定于不銹鋼等金屬材料，可以從陶瓷、玻璃、樹脂等中選擇與目的相應的材料。在本實施方式中，為了確實地分離外部流體和壓電體，給予即便在結構支撐體上施加某些機械沖擊，也能夠防止壓電體和外部流體的接觸的強度，用金屬材料制作結構支撐體13。因此，例如即便將具有可燃性和爆炸性的氣體作為對象進行超聲波的收發(fā)，也能夠確保高的安全性。
此外，當對安全的氣體進行超聲波的收發(fā)時，將降低成本作為目的，也可以用由樹脂等材料構成的結構支撐體。
(實施方式3)我們一面參照圖9，一面說明根據(jù)本發(fā)明的超聲波流量計的實施方式。
以使被側定流體以速度V流過作為流量測定部51起作用的管內(nèi)的方式設置本實施方式的超聲波流量計。在流量測定部51的管壁52上相對地配置由本發(fā)明的超聲波收發(fā)器形成的超聲波收發(fā)器1a和1b。
在某個時刻，使超聲波收發(fā)器1a作為超聲波發(fā)送器起作用，使超聲波收發(fā)器1b作為超聲波接收器起作用；但在其它時刻，使超聲波收發(fā)器1a作為超聲波接收器起作用，使超聲波收發(fā)器1b作為超聲波發(fā)送器起作用。由切換電路53進行這種切換。
超聲波收發(fā)器1a和1b，經(jīng)過切換電路53，與驅(qū)動超聲波收發(fā)器1a和1b的驅(qū)動電路54和檢測超聲波脈沖的接收檢測電路55連接。將接收檢測電路55的輸出發(fā)送到測量超聲波脈沖的傳輸時間的定時器56。
將定時器56的輸出發(fā)送給運算流量的運算部57。在運算部57中，根據(jù)測定的超聲波脈沖的傳輸時間，計算流過流量測定部51內(nèi)的流體的速度V，求得流量。驅(qū)動電路54及定時器56與控制部58連接，由從控制部58輸出的控制信號進行控制。
下面，我們更詳細地說明該超聲波流量計的工作。
作為被測定流體，例如考慮LP氣體流過流量測定部51的情形。設超聲波收發(fā)器1a和1b的驅(qū)動頻率約為500kHz?？刂撇?8將發(fā)送開始信號輸出到驅(qū)動電路54，同時使定時器56開始測量時間。
當驅(qū)動電路54接受發(fā)送開始信號時，驅(qū)動超聲波收發(fā)器1a，發(fā)送超聲波脈沖。發(fā)送的超聲波脈沖在流量測定部51內(nèi)傳輸，被超聲波收發(fā)器1b接收。由超聲波收發(fā)器1b將接收的超聲波脈沖變換成電信號，輸出到接收檢測電路55。
在接收檢測電路55中決定接收信號的接收定時，使定時器56停止。運算部57運算傳輸時間t1。
接著，通過切換電路53，切換與驅(qū)動電路54及接收檢測電路55連接的超聲波收發(fā)器1a及1b。而且，再次，控制部59在將發(fā)送開始信號輸出到驅(qū)動電路54的同時使定時器56開始測量時間。
與傳輸時間t1的測定流程相反，由超聲波收發(fā)器1b發(fā)送超聲波脈沖，由超聲波收發(fā)器1a進行接收，由運算部57運算傳輸時間t2。
在這里，設連結超聲波收發(fā)器1a和超聲波收發(fā)器Ib的中心的距離為L，LP氣體的無風狀態(tài)中的聲速為C，在流量測定部51內(nèi)的流速為V，非測定流體的流動方向與連結超聲波收發(fā)器1a和1b的中心的連線的角度為θ。
傳輸時間t1、t2，分別通過測定求得。因為距離L是已知的，所以如果測定了時間t1和t2，則可以求得流速V，能夠從該流速V決定流量。
在這種超聲波流量計中，用稱為零交叉法的方法測定傳輸時間t1、t2。在該方法中，對圖10(a)所示的接收波形設定適當?shù)拈撝惦娖?，測量超過該閾值電平，下一個振幅成為0的點的時間。
當接收信號的S/N惡劣時，因為由于噪聲電平，振幅成為0的點在時間上發(fā)生變動，所以不能夠正確地測定傳輸時間t1、t2，要測定正確的流量是困難的。
作為這種超聲波流量計的超聲波收發(fā)器，若采用本發(fā)明的超聲波收發(fā)器時，則可以提高接收信號的S/N，高精度地測定t1、t2。
如圖10(b)所示，與圖10(a)的情形比較，若接收信號的上升沿上升慢(窄頻帶)，則對于閾值電平的設定值，測定t1、t2的接收信號的峰值位置變動，可能成為測定誤差。
但是，因為根據(jù)本發(fā)明的超聲波收發(fā)器適宜在寬頻帶中工作，所以接收信號的上升沿上升快，可以穩(wěn)定地測定正確的流量。此外，作為t1、t2的值，最好用多次測定得到的值的平均值。
能夠收發(fā)寬頻帶的超聲波意味著信號的下降沿也很快。因此，當很快地進行重復測定時，也不會受到前面的收發(fā)信號的影響。結果，可以提高測定的重復頻率，可以進行瞬時測量，可以實現(xiàn)瞬時測量氣體泄漏等的流量計。
此外，在本實施方式中，如圖9所示，在稱為所謂的“Z路徑”的形態(tài)中配置超聲波收發(fā)器。本發(fā)明不限定于上述配置，也可以采用圖11(a)～(c)所示的各種配置。圖11(a)～(c)分別表示稱為“V路徑”、“W路徑”和“I路徑”的配置方式。通過這些配置，本發(fā)明的超聲波收發(fā)器都能夠發(fā)揮上述的效果。
在以上的各實施方式中，露出最上層的聲匹配層(第1聲匹配層)的上面，但是也可以用厚度約10μm以下的保護膜覆蓋這個面。這種保護膜避免聲匹配層與大氣直接接觸，對長期保持聲匹配層的特征作出貢獻。保護膜，例如可以由氧化鋁、氧化硅、低熔點玻璃、高分子等材料形成的膜(不限定于單層)構成。保護膜可以用例如濺射和CVD法等堆積起來。
(產(chǎn)業(yè)上的可利用性)根據(jù)本發(fā)明，通過持有由干燥凝膠構成的多層的聲匹配層，從而可以實現(xiàn)高靈敏度寬頻帶的超聲波收發(fā)器。另外，因為由相同材料構成多層的聲匹配層，所以在各層中不會發(fā)生剝離，提高了制造時的成品率和使用的可靠性。
此外，因為用相同材料形成具有任意聲阻抗的聲匹配層，所以能夠?qū)崿F(xiàn)符合設計的超聲波收發(fā)器，又能夠得到可以節(jié)省聲匹配層的材料開發(fā)·探索那樣的有利效果。
權利要求
1.一種超聲波收發(fā)器，其中具有壓電體、和與所述壓電體聲耦合的聲匹配部件，其特征在于，所述聲匹配部件包含聲阻抗不同的至少2個聲匹配層，所述2個聲匹配層都是由干燥凝膠形成的。
2.根據(jù)權利要求1所述的超聲波收發(fā)器，其特征在于，所述至少2個聲匹配層在界面上化學偶合。
3.根據(jù)權利要求1所述的超聲波收發(fā)器，其特征在于，所述各聲匹配層都具有2μm以上的厚度。
4.根據(jù)權利要求1到3中任何一項所述的超聲波收發(fā)器，其特征在于，所述由干燥凝膠形成的各聲匹配層都具有平均空穴直徑在1μm以下的多孔結構部分。
5.根據(jù)權利要求1到4中任何一項所述的超聲波收發(fā)器，其特征在于，所述各聲匹配層的聲阻抗從所述壓電體向著傳輸媒體順次地減小。
6.根據(jù)權利要求1到5中任何一項所述的超聲波收發(fā)器，其特征在于，所述聲匹配部件所包含的各聲匹配層的聲阻抗都在2.5×103kg/m2/秒以上、1.2×107kg/m2/秒以下。
7.根據(jù)權利要求1到6中任何一項所述的超聲波收發(fā)器，其特征在于，所述聲匹配部件所包含的聲匹配層的數(shù)量為2。
8.根據(jù)權利要求1到7中任何一項所述的超聲波收發(fā)器，其特征在于，所述聲匹配部件所包含的各聲匹配層的厚度在收發(fā)的超聲波波長的1/8以上、1/3以下的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權利要求1到8中任何一項所述的超聲波收發(fā)器，其特征在于，所述聲匹配部件所包含的各聲匹配層是由無機系材料形成的。
10.根據(jù)權利要求9所述的超聲波收發(fā)器，其特征在于，所述無機系材料是無機氧化物。
11.根據(jù)權利要求10所述的超聲波收發(fā)器，其特征在于，所述無機氧化物具有經(jīng)過防水化處理的固體骨架部。
12.根據(jù)權利要求1所述的超聲波收發(fā)器，其特征在于，進一步備有覆蓋所述壓電體的結構支撐體；所述聲匹配部件固定在所述結構支撐體上。
13.一種超聲波流量計，其中備有流過被測定流體的流量測定部；設置在所述流量測定部中，發(fā)送接收超聲波信號的一對超聲波收發(fā)器；測量超聲波在所述一對超聲波收發(fā)器之間傳輸?shù)臅r間的測量部；和根據(jù)來自所述測量部的信號算出流量的流量運算機構，其特征在于，所述一對超聲波收發(fā)器中的各個是權利要求1到12中任何一項所述的超聲波收發(fā)器。
14.根據(jù)權利要求13所述的超聲波流量計，其特征在于，所述超聲波收發(fā)器的壓電體從所述被測定流體被隔開。
15.根據(jù)權利要求13或14所述的超聲波流量計，其特征在于，所述被測定流體是氣體。
16.一種裝置，其特征在于，備有權利要求1到12中任何一項所述的超聲波收發(fā)器。
17.一種超聲波收發(fā)器的制造方法，其特征在于，包括(a)準備具有第1面和與所述第1面相反側的第2面，并在所述第1和第2面上形成了電極的壓電體的工序；和(b)在所述壓電體中的所述第1和第2面的至少一方側，由干燥凝膠形成聲阻抗不同的至少2個聲匹配層的工序。
18.根據(jù)權利要求17所述的制造方法，其特征在于，所述工序(b)包括(b1)向所述壓電體的第1和第2面的至少一方供給第1凝膠原料的工序；(b2)使所述第1凝膠原料液凝膠化形成第1濕潤凝膠層的工序；(b3)將第2凝膠原料供給到所述第1濕潤凝膠層上的工序；(b4)使所述第2凝膠原料液凝膠化形成第2濕潤凝膠層的工序；和(b5)通過干燥所述第1和第2濕潤凝膠層，從所述第1和第2濕潤凝膠層分別形成第1聲匹配層和第2聲匹配的工序。
19.根據(jù)權利要求18所述的制造方法，其特征在于，在所述工序(b4)中，以使所述第1聲匹配層的聲阻抗變化的方式，將所述第1濕潤凝膠層改性。
20.根據(jù)權利要求19所述的制造方法，其特征在于，所述工序(b)進一步包括(b6)向所述第2濕潤凝膠層上供給第3凝膠原料的工序；和(b7)使所述第3凝膠原料液凝膠化形成第3濕潤凝膠層的工序；在所述工序(b5)中，干燥所述第3濕潤凝膠層而形成第3聲匹配層。
21.根據(jù)權利要求17到20中任何一項所述的制造方法，其特征在于，在所述工序(b5)之前，對所述濕潤凝膠層進行防水化處理。
全文摘要
本發(fā)明的超聲波收發(fā)器具有進行超聲波的發(fā)送與接收的壓電體(2)；和由干燥凝膠構成的聲匹配層(3a、3b)。聲匹配層(3a、3b)是由聲阻抗不同的多個干燥凝膠層形成的。
文檔編號G01F1/66GK1729716SQ200380106979
公開日2006年2月1日 申請日期2003年12月3日 優(yōu)先權日2002年12月20日
發(fā)明者永原英知, 橋田卓, 鈴木正明 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社