專利名稱：聲匹配層、超聲波收發(fā)器及其制法以及超聲波流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及為了匹配(matching)聲阻抗而使用的聲匹配層、進(jìn)行超聲波的收發(fā)的超聲波收發(fā)器及它們的制造方法，以及利用了它們的超聲波流量計(jì)。
背景技術(shù)：
圖10是示意性地表示以往的超聲波發(fā)生器(也稱為“壓電振子”)10的構(gòu)成的剖面圖。超聲波發(fā)生器10由殼體1、壓電體層(振動(dòng)機(jī)構(gòu))2與聲阻抗匹配層(匹配機(jī)構(gòu)，以下稱為“聲匹配層”)構(gòu)成。殼體1與壓電體層2利用由粘接劑(例如環(huán)氧系)構(gòu)成的粘接層粘接。殼體1與聲匹配層100同樣利用粘接劑連接。壓電體層以約500kHz的頻率振動(dòng)，該振動(dòng)通過(guò)粘接層(圖中未示出)向殼體1傳輸，再通過(guò)粘接層向聲匹配層100傳輸。聲匹配層100的振動(dòng)在存在于空間內(nèi)的氣體中作為聲波傳播。而且，雖然為了簡(jiǎn)單而省略說(shuō)明，但在壓電體層2的兩面上設(shè)有用于使壓電體層2沿厚度方向極化的一對(duì)電極(未圖示)，超聲波發(fā)生器10利用壓電體層2，可以相互變換電能與機(jī)械能。殼體1具有形成內(nèi)包壓電體層2的凹部的上板1a和以密封凹部?jī)?nèi)的空間的方式配置的底板1b，壓電體層2被密封在凹部?jī)?nèi)。形成于壓電體層2的一對(duì)主面上的電極的一方，通過(guò)殼體1與端子5a連接，另一方與端子5b連接著。因此，殼體1一般由具有導(dǎo)電性的金屬形成。
聲匹配層100的作用是在氣體中有效地傳播壓電體層2的振動(dòng)。以物質(zhì)的聲速C與密度ρ如(1)式所示地定義的聲阻抗Z，在壓電體層2與氣體中大不相同。
Z＝ρ×C …(1)構(gòu)成壓電體層2的壓電體的聲阻抗Z1為30×106(kg/s·m2)，而氣體例如空氣的聲阻抗Z3為4.28×102(kg/s·m2)。壓電體與金屬的聲阻抗基本相等。這樣，在聲阻抗不同的邊界面上，聲音(振動(dòng))的傳播產(chǎn)生反射，結(jié)果透過(guò)的聲音的強(qiáng)度變?nèi)酢Ｈ欢?，?個(gè)聲阻抗不同的物質(zhì)之間，通過(guò)插入具有其他聲阻抗的物質(zhì)，可以減輕聲音的反射。
一般公知通過(guò)使具有滿足下述(2)式的聲阻抗Z2的物質(zhì)插入壓電體層2與空間(發(fā)出聲波側(cè)的氣體介質(zhì))之間，從而消除聲音的反射。
Z2＝(Z1·Z3)1/2…(2)若利用上述的Z1＝30×106(kg/s·m2)及Z3＝4.28×102(kg/s·m2)，則該Z2的值為0.11×106(kg/s·m2)。滿足該聲阻抗的物質(zhì)要求為固體、密度小且聲速慢的物質(zhì)。
即使在利用了PZT等壓電體的氣體用超聲波發(fā)生器中，一般也由于以PZT產(chǎn)生的超聲波在作為傳播介質(zhì)的氣體(空氣)中有效地放射，故在其振動(dòng)面上設(shè)置用于匹配其與空氣的聲阻抗的匹配層。在空氣中反射用PZT產(chǎn)生之超聲波的超聲波換能器(transducer)中，由于空氣(氣體)的聲阻抗Z1(約400kg/s·m2)相對(duì)于PZT(固體)的聲阻抗Z3(30×105kg/s·m2)大致小十萬(wàn)分之一的數(shù)量級(jí)，故為了有效地反射超聲波，聲匹配層的聲阻抗就極為重要。
以往，作為設(shè)于PZT(鈦酸鋯酸鉛)等壓電陶瓷構(gòu)成的壓電體層(也稱為“超聲波振子”)的振動(dòng)面上的聲匹配層，如圖11所示，公知由混入玻璃氣球(中空的微小玻璃球)110的環(huán)氧樹(shù)脂112構(gòu)成的聲匹配層100。聲匹配層100利用以環(huán)氧樹(shù)脂112固定微小的玻璃氣球110而減小密度。由于玻璃氣球110必須比聲匹配層傳播的聲音的波長(zhǎng)還要小，故使用直徑為100μm以下(“以下”的含義為“小于等于”，下同)的材料。
透過(guò)聲匹配層100而向氣體傳播的聲音強(qiáng)度與聲匹配層100的厚度(在聲匹配層中傳播聲波的距離)也有關(guān)系。來(lái)自壓電體層2的聲波分為透過(guò)的波和由聲匹配層100與氣體的邊界面反射的波。反射的波由聲匹配層100與壓電體層2的邊界面反射，這種情況下成為相位逆轉(zhuǎn)的波。該波的一部分成為在聲匹配層100與氣體的邊界面透過(guò)的波。通過(guò)合成這些波，若求解透過(guò)率T最大的厚度t，則t＝λ/4。
在利用了包含玻璃氣球110的聲匹配層時(shí)，由于其聲速為2000m/s，故在聲的頻率為500kHz的情況下，在聲匹配層100中傳播的聲的波長(zhǎng)λ為4mm。因此，聲匹配層100的厚度t的最佳值為1mm。
求解從在超聲波振子的振動(dòng)面上設(shè)置了聲匹配層時(shí)的超聲波振子向外部傳播介質(zhì)的超聲波能量透過(guò)率T的理論式，若將聲匹配層的厚度t設(shè)定為λ/4的整數(shù)倍，則可以如下述(3)式所示地簡(jiǎn)化表示。
T＝4·Z1·Z3·Z22/(Z1·Z3+Z22)2…(3)在利用了以往的混入玻璃氣球的環(huán)氧樹(shù)脂的聲匹配層100中，若研究相對(duì)空氣的超聲波能量透過(guò)率T與聲匹配層100的聲阻抗Z2的關(guān)系，則混入玻璃氣球的環(huán)氧樹(shù)脂的聲阻抗大約為1.2×106kg/s·m2，Z22＝1.44×1012，與此相對(duì)，在上述的示例中Z1·Z3為Z1·Z3＝400×1.2×106＝4.8×108，由于Z1·Z3＜＜Z22，故上述(3)式更近似于T＝4·Z1·Z3/Z22，知道超聲波能量透過(guò)率T與聲匹配層100的聲阻抗Z2的平方成反比。即，聲匹配層100的聲阻抗Z2越小，則超聲波能量透過(guò)率T越提高。
另外，圖9是示意性地表示具備上述超聲波發(fā)生器10的超聲波流量計(jì)的構(gòu)成的圖。在這里，將一對(duì)超聲波發(fā)生器10作為一對(duì)超聲波收發(fā)器101及102使用。
一對(duì)超聲波發(fā)生器101及102，如圖9所示，配置于規(guī)定氣體的通路51的管(管壁)52的內(nèi)部。由于若超聲波收發(fā)器101或102破裂，則氣體向管52的外部泄漏，故在超聲波收發(fā)器101及102的外殼(圖9的殼體1)的材料中，選擇陶瓷或樹(shù)脂等容易破裂的材料是困難的。因此，在外殼的材料中使用不銹鋼、鐵等金屬材料。
目前，如圖9所示，在通路中，流體以速度V沿通路向用粗線箭頭表示方向流動(dòng)。在管壁52的內(nèi)側(cè)，互相相對(duì)地配置有一對(duì)超聲波收發(fā)器101及102。超聲波收發(fā)器101及102作為電能/機(jī)械能變換元件，用壓電陶瓷等壓電振子構(gòu)成，與壓電蜂鳴器、壓電振蕩器同樣，表現(xiàn)共振特性。在這里，例如將超聲波收發(fā)器101作為超聲波發(fā)波器，將超聲波收發(fā)器102作為超聲波收波器使用。另外，在超聲波發(fā)波器101與超聲波收波器102中，通過(guò)切換這些收發(fā)的切換電路55，連接著驅(qū)動(dòng)超聲波收發(fā)器101、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)間的定時(shí)器57、由定時(shí)器57的輸出而利用計(jì)算求解流量的運(yùn)算部58和向驅(qū)動(dòng)電路54及定時(shí)器57輸出控制信號(hào)的控制部59。
以下說(shuō)明超聲波流量計(jì)的動(dòng)作。
首先，若在超聲波送波器101的壓電體層上施加共振頻率附近的頻率的交流電壓，則超聲波送波器101沿該圖中的L表示的傳播路線向外部的流體中放射超聲波，超聲波收波器102接收可以傳播的超聲波并變換為電壓。
接著，相反將超聲波收發(fā)器102作為超聲波送波器使用，將超聲波收發(fā)器101作為超聲波收波器使用。通過(guò)在超聲波送波102的壓電體層上施加共振頻率附近的頻率的交流電壓，則超聲波送波器102沿該圖中的L表示的傳播路線向外部的流體中放射超聲波，超聲波收波器101接收可以傳播的超聲波并變換為電壓。這樣，由于超聲波送波器101及102完成收波器與送波器的任務(wù)，故一般稱為超聲波收發(fā)器。傳播路線L內(nèi)的超聲波傳播方向?yàn)閭鞑ヂ肪€L內(nèi)所示出的箭頭(雙向)。
在圖9中，使流經(jīng)管52中的流體的流速為V，流體中的超聲波速度為C，流體的流動(dòng)方向(粗線箭頭)與超聲波脈沖的傳播方向(L內(nèi)的箭頭)的角度為θ。在將超聲波收發(fā)器101作為送波器，將超聲波收發(fā)器102作為收波器使用時(shí)，若使作為從超聲波收發(fā)器101發(fā)出的超聲波脈沖到達(dá)超聲波收發(fā)器102的時(shí)間的聲循環(huán)周期為t1，聲循環(huán)頻率為f1，則下式(4)成立。
f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L …(4)相反，若使將超聲波收發(fā)器102作為送波器，將超聲波收發(fā) 101作為收波器使用時(shí)的聲循環(huán)周期為t2，聲循環(huán)頻率為f2，則下式(5)的關(guān)系成立。
f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L …(5)因此，兩聲循環(huán)頻率的頻率差Δf成為下式(6)，可以從超聲波的傳播路線的距離L與頻率差Δf求得流體的流速V。
Δf＝f1-f2＝2Vcosθ/L …(6)即，可以從超聲波的傳播路線的距離L與頻率差Δf求得流體的流速V，可以從該流速V調(diào)查流量。
在以往的超聲波發(fā)生器中，為了將聲匹配層的聲阻抗抑制為低，而利用密度小的材料，例如以樹(shù)脂材料等固定玻璃氣球或塑料氣球的材料來(lái)形成聲匹配層。再有，也可以利用熱壓縮玻璃氣球的方法或使熔融材料發(fā)泡等方法來(lái)形成聲匹配層。這些方法，例如在特許第2559144號(hào)公報(bào)等中揭示。
由于以往的聲匹配層，是通過(guò)在環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)混入粒徑比超聲波的波長(zhǎng)小的玻璃氣球(即，通過(guò)使不能漫反射超聲波的聲阻抗小的空氣間隙分散在環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi))，而使聲匹配層的聲阻抗Z2降低的，故雖然也考慮提高玻璃氣球相對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的混合比率，以達(dá)到聲阻抗的進(jìn)一步降低的目的，但若提高玻璃氣球的混合比率，則由于混入玻璃氣球的環(huán)氧樹(shù)脂劑的粘度升高，均勻地混合玻璃氣球與環(huán)氧樹(shù)脂劑變得困難，故提高玻璃氣球相對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的混合比率存在一定得界限。因此，用混入玻璃氣球的環(huán)氧樹(shù)脂制造聲阻抗更低的聲匹配層是困難的。
再有，由上述以往的混入玻璃氣球的環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成的聲匹配層的聲阻抗大約為1.2×106(kg/s·m2)，相對(duì)只由環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成的聲匹配層的聲阻抗大約為2/3，與使用只由環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成的聲匹配層的情況相比，超聲波能量透過(guò)率T改善為9/4倍。
盡管如此，然而若利用上述(3)式計(jì)算使用了由混入玻璃氣球的環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成的聲匹配層時(shí)的超聲波能量透過(guò)率T，則由于T＝3％，故知道是不足的。
另外，超聲波流量計(jì)使用的以往的超聲波收發(fā)器內(nèi)用的聲匹配層，如上所述，采用熱壓縮玻璃氣球或發(fā)泡熔融材料等方法。因此，存在壓力導(dǎo)致玻璃氣球的破損、壓力不足導(dǎo)致分離、剝離熔融材料的發(fā)泡等原因造成介質(zhì)易變得不均勻，在聲匹配層內(nèi)特性產(chǎn)生不均，這些使機(jī)器精度的不均產(chǎn)生等問(wèn)題。
還有，在上述以往的由混入玻璃氣球的環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成的聲匹配層的制造工序中，由于為了將混入玻璃氣球的環(huán)氧樹(shù)脂的固化物成為所希望的大小與/或厚度，而實(shí)施切斷與/或表面研磨等機(jī)械加工，故存在聲匹配層的厚度從優(yōu)選的值偏離，或者厚度變得不均，或者表面形成凹凸不平的問(wèn)題，不能得到作為超聲波收發(fā)器的充分的性能。
另一方面，本申請(qǐng)人，在特愿2001-56501號(hào)公報(bào)(申請(qǐng)日2001年2月28日)中記載著通過(guò)利用干燥凝膠體形成聲匹配層，從而與利用以往的混入玻璃氣球的環(huán)氧樹(shù)脂的情況相比，例如可以降低聲匹配層內(nèi)的特性不均。
然而，例如為了達(dá)成超聲波流量計(jì)等的新的高性能化，希望進(jìn)一步降低利用了干燥凝膠體的聲匹配層的特性的不均。
根據(jù)本發(fā)明人的研究結(jié)果，聲匹配層的厚度偏差雖然比以往小，但在利用了干燥凝膠體的情況下也發(fā)生。再有，知道若通過(guò)使?jié)駶?rùn)凝膠體干燥而形成干燥凝膠體，存在起因于干燥過(guò)程的不均勻的特性不均。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述課題，其主要目的在于，提供一種比以往還能降低特性的不均的聲匹配層，及提供一種具備這種聲匹配層的超聲波收發(fā)器以及超聲波流量計(jì)。另外，提供這種聲匹配層及超聲波收發(fā)器的制造方法。
本發(fā)明的第1方案的聲匹配層含有干燥凝膠體的粉末。
在某實(shí)施方式中，上述干燥凝膠體的密度為500kg/m3以下，平均細(xì)孔直徑為100μm以下。
在某實(shí)施方式中，上述干燥凝膠體的粉末的平均粒徑處于1μm以上(“以上”的含義為“大于等于”，下同)100μm以下的范圍內(nèi)。
在某實(shí)施方式中，上述干燥凝膠體的固體骨架部含有無(wú)機(jī)氧化物。上述固體骨架部?jī)?yōu)選進(jìn)行疏水化。
在某實(shí)施方式中，上述無(wú)機(jī)氧化物為氧化硅或氧化鋁。
在某實(shí)施方式中，含有整體的40質(zhì)量％以下的熱粘結(jié)性高分子的粉末。
在某實(shí)施方式中，上述熱粘結(jié)性高分子的粉末，其平均粒徑處于0.1μm以上50μm以下的范圍內(nèi)。
在某實(shí)施方式中，聲阻抗處于5×104kg/s·m2以上20×104kg/s·m2以下的范圍內(nèi)。
在某實(shí)施方式中，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(絕對(duì)值為0.04％/℃以下)。
在某實(shí)施方式中，上述聲匹配層具有在其中傳播的聲波波長(zhǎng)的約四分之一的厚度。
本發(fā)明的第1方案的超聲波收發(fā)器具備壓電體層和設(shè)于上述壓電體層上的上述任何一種聲匹配層。
在某實(shí)施方式中，上述聲匹配層直接結(jié)合在上述壓電體層上。
在某實(shí)施方式中，還具備殼體，其具有形成內(nèi)包上述壓電體層的凹部的上板和以密閉上述凹部?jī)?nèi)的空間的方式進(jìn)行配置的底板，上述壓電體層與上述殼體的上述上板內(nèi)面粘接，上述聲匹配層與上述上板的上面直接結(jié)合，以便隔著上述上板與上述壓電體層相對(duì)。
本發(fā)明的第1方案的超聲波流量計(jì)，具備流過(guò)被測(cè)定流體的流量測(cè)定部；設(shè)于上述流量測(cè)定部并收發(fā)超聲波信號(hào)的一對(duì)超聲波收發(fā)器；測(cè)量上述超聲波收發(fā)器間的超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量電路；和根據(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，上述一對(duì)超聲波收發(fā)器分別由上述任何一種記載的超聲波收發(fā)器構(gòu)成。
本發(fā)明的第1方案的聲匹配層的制造方法，包含準(zhǔn)備干燥凝膠體的粉末與熱粘結(jié)性高分子的粉末之混合粉末的工序；和加壓成型上述混合粉末的工序。
在某實(shí)施方式中，準(zhǔn)備上述混合粉末的工序包含；準(zhǔn)備上述干燥凝膠體的工序；準(zhǔn)備上述熱粘結(jié)性高分子的粉末的工序；和一邊混合上述干燥凝膠體與上述熱粘結(jié)性高分子的粉末，一邊進(jìn)行粉碎的工序。
在某實(shí)施方式中，加壓成型上述混合粉末的工序包含加熱上述混合粉末的工序。
在某實(shí)施方式中，加壓成型上述混合粉末的工序包含將利用加壓成型得到的上述混合粉末的成型體的厚度控制為所定厚度的工序。
在某實(shí)施方式中，加壓成型上述混合粉末的工序包含向下側(cè)成型面上供給所定量的上述混合粉末的工序；和平坦化向上述下側(cè)成型面上供給的上述混合粉末所形成的層的上面的工序。
本發(fā)明的第1方案的超聲波收發(fā)器的制造方法，是制造具備壓電體層與設(shè)于上述壓電體層上的聲匹配層的超聲波收發(fā)器的制造方法，包含利用上述任何一種制造方法形成上述聲匹配層的工序。
在某實(shí)施方式中，上述聲匹配層直接接合在上述壓電體層上。
在某實(shí)施方式中，上述超聲波收發(fā)器還具有殼體，該殼體具有形成內(nèi)包上述壓電體層的凹部的上板和以密閉上述凹部?jī)?nèi)的空間的方式進(jìn)行配置的底板，上述聲匹配層與上述殼體的上述上板上面直接接合。
本發(fā)明的第2方案的超聲波收發(fā)器的制造方法，是制造具備壓電體層與設(shè)于上述壓電體層上的聲匹配層的超聲波收發(fā)器的制造方法，形成上述聲匹配層的工藝包含(a)調(diào)制凝膠原料液體的工序；(b)在形成上述聲匹配層的面上設(shè)置具有所定高度的厚度限制部件的工序；(c)向上述面上提供上述凝膠原料液體的工序；(d)使向上述面上提供的上述凝膠原料液體所形成的液層的厚度與上述厚度限制部件的高度基本一致的工序；(e)從上述凝膠原料液體形成濕潤(rùn)凝膠體的固體化工序；和(f)通過(guò)除去上述濕潤(rùn)凝膠體中所含的溶劑，從而形成干燥凝膠體的干燥工序。根據(jù)第2方案的超聲波收發(fā)器的制造方法，由于將聲匹配層的厚度控制為所定的厚度，故能抑制起因于厚度的不均的特性偏差。
在某實(shí)施方式中，上述聲匹配層具有配置于上述壓電體層側(cè)的第1聲匹配層和設(shè)于上述第1聲匹配層上的第2聲匹配層，形成上述第2聲匹配層的工藝包含上述工序(a)～(f)。
在某實(shí)施方式中，上述厚度限制部的高度約為對(duì)應(yīng)的聲匹配層中傳播的聲波波長(zhǎng)的四分之一。
用于本發(fā)明的聲匹配層中的干燥凝膠體可以是以無(wú)機(jī)氧化物為固體骨架部的干燥凝膠體，也可以是以有機(jī)高分子為固體骨架部的干燥凝膠體。


圖1(a)及(b)是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施方式的聲匹配層的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2是說(shuō)明本發(fā)明的第1實(shí)施方式的超聲波收發(fā)器的制造方法的工序圖。
圖3是說(shuō)明本發(fā)明的第2實(shí)施方式的超聲波收發(fā)器的制造方法的工序圖。
圖4是說(shuō)明本發(fā)明的第3實(shí)施方式的超聲波收發(fā)器的制造方法的工序圖。
圖5是說(shuō)明本發(fā)明的第4實(shí)施方式的超聲波收發(fā)器的制造方法的工序圖。
圖6是說(shuō)明本發(fā)明的第5實(shí)施方式的超聲波收發(fā)器的制造方法的工序圖。
圖7是說(shuō)明本發(fā)明的第6實(shí)施方式的超聲波收發(fā)器的制造方法的工序圖。
圖8是本發(fā)明的超聲波收發(fā)器的剖面圖。
圖9是示意性地表示利用了以往的超聲波收發(fā)器的超聲波流量計(jì)的構(gòu)成的框圖。
圖10是示意性地表示以往的超聲波收發(fā)器的構(gòu)成的剖面圖。
圖11(a)及(b)是示意性地表示以往的超聲波收發(fā)器的聲匹配層的構(gòu)成的圖，(a)為剖面圖，(b)為從上面看的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的第1方案的聲匹配層含有干燥凝膠體的粉末。通過(guò)利用干燥凝膠體的粉末形成聲匹配層，從而可以抑制起因于濕潤(rùn)凝膠體的干燥過(guò)程的不均的特性偏差。
圖1(a)及(b)中示意性地表示本發(fā)明的第1方案的實(shí)施方式的聲匹配的結(jié)構(gòu)。
圖1(a)中所示的聲匹配層3A由干燥凝膠體的粉末(以下也稱為“粉末干燥凝膠體”)3a與添加劑3b構(gòu)成。
本說(shuō)明書(shū)中的“干燥凝膠體”是指通過(guò)溶膠-凝膠反應(yīng)而形成的多孔體，經(jīng)由通過(guò)凝膠原料液體的反應(yīng)而固體化了的固體骨架部包含溶劑構(gòu)成的濕潤(rùn)凝膠體，干燥并除去溶劑，從而形成的材料。
為了得到干燥凝膠體，作為從濕潤(rùn)凝膠體除去溶劑并進(jìn)行干燥的方法，可以利用超臨界干燥、凍結(jié)干燥等特別條件的干燥方法或者加熱干燥、減壓干燥、自然放置干燥等通常的干燥方法。
超臨界干燥是在成為溶劑的臨界點(diǎn)以上的溫度、壓力條件的超臨界狀態(tài)下除去溶劑的方法，由于沒(méi)有氣體液體界面，不會(huì)向凝膠體的固體骨架部提供干燥應(yīng)力，故不會(huì)產(chǎn)生收縮等現(xiàn)象，可以得到非常低密度的干燥凝膠體。相反，用超臨界干燥得到的干燥凝膠體，也會(huì)受到使用環(huán)境中的應(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。
與此相對(duì)，利用通常的干燥方法得到的干燥凝膠體具有由于能經(jīng)受干燥應(yīng)力，故對(duì)之后的使用環(huán)境中的應(yīng)力的耐久性也高的特征。為了用這種通常的干燥方法得到低密度的干燥凝膠體，在干燥之前，在濕潤(rùn)凝膠體的階段中必須使固體骨架部能經(jīng)受應(yīng)力。例如，可以將固體骨架部成熟，以增加強(qiáng)度，或者在疏水化時(shí)適用溫度條件或易聚合的多官能疏水化劑，以增強(qiáng)固體骨架部，或者通過(guò)控制細(xì)孔的大小等而實(shí)現(xiàn)。尤其是，在測(cè)量氣體的流量時(shí)，為了可以在各種各樣的環(huán)境中使用，優(yōu)選利用以通常的干燥方法制造出的干燥凝膠得到聲匹配層。另外，在適用通常的干燥方法的情況下，由于不利用超臨界干燥等高壓的工藝，也存在設(shè)備簡(jiǎn)易，處理也容易進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)。
用上述方法得到的干燥凝膠體是利用納米尺寸的固體骨架部而形成有平均細(xì)孔直徑處于從1nm到100nm范圍內(nèi)的連續(xù)氣孔的納米多孔體。因此，在密度為500kg/m3以下，優(yōu)選400kg/m3以下的低密度的狀態(tài)下，具有在使形成干燥凝膠體所具有的特異網(wǎng)狀骨架的固體部分傳播的聲速極端地減小的同時(shí)，由細(xì)孔形成的多孔體內(nèi)的氣體部分所傳播的聲速也極端地減小的性質(zhì)。因此，具有作為聲速表現(xiàn)500m/s以下的非常慢的值，可以得到低的聲阻抗的特征。
再有，在納米尺寸的細(xì)孔部中，由于細(xì)孔尺寸成為與氣體分子的平均自由行程相同程度以下，氣體的壓損大，故在作為聲匹配層使用的情況下，也有可以在高的聲壓下放射聲波的特征。
粉末干燥凝膠體的平均粒徑優(yōu)選為1μm以上100μm以下。若比該下限值還小，則由于粉末中的細(xì)孔數(shù)減少，干燥凝膠體的特征性效果降低，同時(shí)成型時(shí)的添加劑的必需量增加，故不易得到低密度的聲匹配層。若粉末干燥凝膠體的平均粒徑比上限值還大，則聲匹配層的厚度控制變難，不易形成厚度均勻性及表面的平坦性充分的聲匹配層。
干燥凝膠體的固體骨架部可以是無(wú)機(jī)氧化物或有機(jī)高分子。另外，固體骨架部?jī)?yōu)選進(jìn)行疏水化。通過(guò)進(jìn)行疏水化，例如在測(cè)量對(duì)象的氣體中存在水分或雜質(zhì)的情況下，由于可以不易受到這些的吸附或附著的影響，故可以得到可靠性更高的聲匹配層。
無(wú)機(jī)氧化物的干燥凝膠體的固體骨架部的疏水化，例如利用有機(jī)硅烷偶合劑等表面處理劑進(jìn)行。作為表面處理劑，可以利用三甲基一氯硅烷、二甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷、乙基三氯硅烷等鹵素系硅烷處理劑、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系硅烷處理劑、六甲基二硅醚、二甲基硅氧烷低聚物等聚硅氧烷系硅烷處理劑、六甲基環(huán)三硅氧烷等胺系硅烷處理劑、丙醇、丁醇、正己醇、辛醇、癸醇等醇系處理劑等。
再有，若使用將這些處理劑所具有的烷基的氫的一部分或全部置換為氟的氟化處理劑，在疏水化的基礎(chǔ)上，還能得到疏油性、防污性等更優(yōu)越的效果。
而且，無(wú)機(jī)氧化物的干燥凝膠體的固體骨架部，可以優(yōu)選使用至少以氧化硅(silica)或氧化鋁(alumina)為成分的材料。另外，有機(jī)高分子的干燥凝膠體的固體骨架部可以由一般的熱固化性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂構(gòu)成。例如，也可以適用聚亞胺酯、聚脲、酚醛固化樹(shù)脂、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等。
特別是，具有無(wú)機(jī)氧化物的固體骨架部的干燥凝膠體，耐濕可靠性或耐化學(xué)藥品性優(yōu)越，同時(shí)聲阻抗的溫度特性也優(yōu)越。即，若使用無(wú)機(jī)氧化物的干燥凝膠，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(指絕對(duì)值為0.04％/℃以下)的聲匹配層。與此相對(duì)，若使用以往的環(huán)氧/玻璃氣球類或有機(jī)高分子凝膠體，則不易使上述聲阻抗的溫度變化率的絕對(duì)值為0.04％/℃以下。
若聲阻抗的溫度變化率小，則例如在用于后述的超聲波流量計(jì)時(shí)，可以涉及寬的溫度范圍，以得到高的測(cè)定精度。
作為用于互相結(jié)合粉末干燥凝膠體3a，以提高聲匹配層3A的機(jī)械強(qiáng)度的添加劑(粘合劑binder)3b，可以適當(dāng)?shù)乩镁哂袩嵴辰Y(jié)性的高分子粉末。若利用液狀的材料，則由于浸透到干燥凝膠體的細(xì)孔內(nèi)部，從而改變聲特性，使成型性降低，故優(yōu)選利用固體形態(tài)材料，特別是粉末。
在這里，所謂“熱粘結(jié)性高分子”是指在室溫中為固體形態(tài)，由加熱而熔融或軟化，然后凝固的高分子。熱粘結(jié)性高分不只是一般的熱塑性樹(shù)脂(例如聚乙烯或聚丙稀等工程塑料)，例如可以利用在室溫中為固體形態(tài)，由加熱而暫時(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、尿烷樹(shù)脂)。再有，在熱固化性樹(shù)脂含有主劑與固化劑的情況下，也可以將其分別作為其他粉末添加。當(dāng)然，也可以混合利用熱塑性樹(shù)脂與熱固化性樹(shù)脂。熱粘結(jié)性高分子粉末的熔融(軟化)溫度優(yōu)選為80℃以上250℃以下的范圍。
作為添加劑，若利用熱粘結(jié)性高分子，則典型地如后所述，在一邊加熱粉末干燥凝膠體3a與添加劑的混合粉末，一邊加壓成型時(shí)，熔融(軟化)了的添加劑通過(guò)伴隨冷卻固化，與/或通過(guò)交聯(lián)固化，從而完成結(jié)合粉末干燥凝膠體3a之間的任務(wù)。
熱粘結(jié)性高分子粉末的平均粒徑優(yōu)選為0.1μm以上50μm以下。若比該下限值還小，則由于與粉末干燥凝膠體的細(xì)孔直徑接近，故會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)性降低，成型性降低的現(xiàn)象。此外，若比上限值還大，則由于成型所需的添加量增加，故不易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?jī)?yōu)選為整體的40質(zhì)量％以下。若超過(guò)整體的40質(zhì)量％，則成型時(shí)的密度變高。再有，為了得到充分的機(jī)械強(qiáng)度，優(yōu)選例如添加整體質(zhì)量的5％以上。
為了強(qiáng)化上述添加劑(稱為“添加劑A”)與粉末干燥凝膠體的結(jié)合，如圖1(b)中示意性地示出的聲匹配層3B所示，還可以添加纖維{無(wú)機(jī)纖維(例如玻璃棉)或有機(jī)纖維}或金屬須等(稱為“添加劑B”)。在圖1(b)的聲匹配層3B中，添加劑3b是與上述相同的熱粘結(jié)性高分子的粉末，添加劑3c為短纖維。短纖維的優(yōu)選直徑范圍為與上述的熱粘結(jié)性高分子粉末的平均粒徑相同的程度，纖維的長(zhǎng)度優(yōu)選為幾μm～幾mm左右。
兩種添加劑的添加量，相對(duì)整體來(lái)說(shuō)，優(yōu)選為40質(zhì)量％以下，配合比根據(jù)需要適當(dāng)?shù)卦O(shè)定。
本發(fā)明的利用了粉末干燥凝膠體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)混合具有互不相同的密度的多種粉末干燥凝膠體，從而可以調(diào)整聲阻抗。再有，通過(guò)調(diào)節(jié)上述添加劑A(根據(jù)需要，為添加劑B)的量，從而可以調(diào)整聲阻抗。當(dāng)然，添加劑A及B的添加量，考慮成型性等，則優(yōu)選處于上述的范圍內(nèi)。
而且，聲匹配層3A及3B的厚度，優(yōu)選做成在各聲匹配層中傳播的聲波波長(zhǎng)λ的約四分之一的厚度。
本發(fā)明的第2方案的實(shí)施方式的超聲波收發(fā)其的制造方法，是具備了壓電體層和設(shè)于壓電體層的聲匹配層的超聲波收發(fā)器的制造方法，形成聲匹配層的工藝包含(a)調(diào)制凝膠原料液體的工序；(b)在形成聲匹配層的面上設(shè)置具有所定高度的厚度限制部件的工序；(c)向面上提供上述凝膠原料液體的工序；(d)使向面上提供的凝膠原料液體所形成的液層的厚度與厚度限制部件的高度基本一致的工序；(e)從凝膠原料液體形成濕潤(rùn)凝膠體的固體化工序；和(f)通過(guò)除去濕潤(rùn)凝膠體中所含的溶劑，從而形成干燥凝膠體的干燥工序。因此，由于可以將聲匹配層的厚度控制為所定的厚度，故可以抑制起因于厚度不均的特性偏差。
當(dāng)然，通過(guò)利用上述粉末干燥凝膠體來(lái)形成聲匹配層，從而可以進(jìn)一步抑制特性的偏差。另外，若使用粉末干燥凝膠體，則由于可以預(yù)先制作粉末干燥凝膠體，故也能得到可以提高超聲波收發(fā)器的生產(chǎn)率的優(yōu)點(diǎn)。即，在上述超聲波收發(fā)器的制造工藝中，由于可以預(yù)先執(zhí)行固體化凝膠原料液體、得到濕潤(rùn)凝膠體的工序及干燥其的工序，故可以提高超聲波收發(fā)器的制造的生產(chǎn)能力。
以下，說(shuō)明本發(fā)明的更具體的實(shí)施方式。而且，除了聲匹配層及其接合結(jié)構(gòu)，由于超聲波收發(fā)器的基本構(gòu)成與圖10所示的以往的超聲波收發(fā)器10相同，故省略重復(fù)的說(shuō)明。
接著，利用從圖2到圖7，對(duì)制造圖8中示出的聲匹配層100，將其粘在壓電體層2或殼體1上，以制造超聲波收發(fā)器的方法的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
(第1實(shí)施方式)圖2是說(shuō)明本發(fā)明的第1實(shí)施方式的具備了聲匹配層的超聲波收發(fā)器的制造方法的工序圖。按照工序1～工序4的順序說(shuō)明本圖。
·工序1準(zhǔn)備由多孔體構(gòu)成的低密度粉末干燥凝膠體(密度約200kg/m3～400kg/m3)與10質(zhì)量％左右(相對(duì)于整體)的添加劑A及添加劑B。在這里準(zhǔn)備的干燥凝膠體并不一定是粉末。也可以是塊狀。干燥凝膠體例如是平均細(xì)孔直徑為20nm的二氧化硅干燥凝膠體，添加劑A是聚丙烯粉末，添加劑B是纖維直徑為10μm左右的玻璃棉。
·工序2將這些材料放入同一容器內(nèi)，混合粉碎，制作微細(xì)的粉末。典型的是利用粉碎機(jī)(mill)來(lái)執(zhí)行。在這里，調(diào)整粉碎條件，以便得到上述所希望的平均粒徑的粉末干燥凝膠體。另外，也可以根據(jù)需要來(lái)分級(jí)。當(dāng)然，也可以分別進(jìn)行干燥凝膠體的粉碎工序和混合工序。
·工序3稱量所期望的量的由低密度粉末干燥凝膠體、添加劑A與添加劑B構(gòu)成的混合粉末，并向已粘接了壓電體層2的殼體1上供給。
·工序4在此基礎(chǔ)上控制混合粉末3的成型體的厚度，設(shè)置厚度顯示部件(控制部)4，以使其成為約λ/4的厚度，并加熱加壓成型。這樣，通過(guò)添加劑A先熔融，之后冷卻固化，從而將低密度粉末干燥凝膠體固定化。再有，添加劑B作用，以進(jìn)一步提高粉末干燥凝膠體之間的結(jié)合強(qiáng)度，可以得到硬的聲匹配層。
還有，利用這樣的處理，由粉末干燥凝膠體、添加劑A與添加劑B構(gòu)成的聲匹配層3不使用粘接劑，即可粘接在殼體1上。
當(dāng)然，如上所述，在利用粉末干燥凝膠體來(lái)形成聲匹配層的過(guò)程中，雖然優(yōu)選控制聲匹配層的厚度，但只利用粉末干燥凝膠體，即可以得到特性偏差比以往還小的聲匹配。此外，若利用上述方法，則由于不需利用粘接劑，即可將聲匹配層3直接接合在殼體1上，故不需以往的環(huán)氧系粘接劑，即可提高化學(xué)的穩(wěn)定性(例如相對(duì)含硫的氣體的穩(wěn)定性)。然而，根據(jù)用途等，也可以利用粘接劑將預(yù)先形成了的聲匹配層接合在殼體上。
另外，此時(shí)，也可以使壓電體與形成由粉末干燥凝膠體構(gòu)成的聲匹配層的加壓加熱成型時(shí)同時(shí)地粘接。
根據(jù)本實(shí)施方式，可以形成低密度、硬的、聲阻抗低的、厚度精度高的、高精度的聲匹配層，通過(guò)利用其，從而可以得到高靈敏度的、可靠性高的、穩(wěn)定的超聲波收發(fā)器。
而且，在這里，雖然示出采用了具有形成內(nèi)包壓電體層2的凹部的上板1a和以密閉凹部?jī)?nèi)的空間的方式進(jìn)行配置的底板1b之殼體1的示例，但并未限于此。例如，也可以將聲匹配層3直接接合在壓電體層2上的結(jié)構(gòu)密閉在圓筒狀的殼體內(nèi)。
(第2實(shí)施方式)圖3是說(shuō)明本發(fā)明的第2實(shí)施方式的具備了聲匹配層的超聲波收發(fā)器的制造方法的工序圖。按照工序1～工序5的順序說(shuō)明本圖。
·工序1準(zhǔn)備由多孔體構(gòu)成的低密度粉末干燥凝膠體和10質(zhì)量％左右的添加劑A。在這里，作為添加劑A，利用環(huán)氧樹(shù)脂(主劑)的粉末(添加劑A1)和成為該環(huán)氧樹(shù)脂的固化劑的聚酰胺樹(shù)脂的粉末(添加劑A2)。
·工序2將這些放入同一容器內(nèi)，混合粉碎，以制作微細(xì)的粉末。
·工序3稱量所期望量的由低密度粉末干燥凝膠體、添加劑A1與添加劑A2構(gòu)成的混合粉末，并向已粘接了壓電體層2的殼體1之上供給。
直至該工序，可以與上述實(shí)施方式1同樣地執(zhí)行。
·工序4利用勵(lì)振器等將已投入該混合粉末3的殼體1增加振動(dòng)，進(jìn)行已投入的混合粉末3的層的平坦化。
·工序5在此基礎(chǔ)上控制混合粉末3的成型體的厚度，設(shè)置厚度顯示部件(控制部)4，以使其成為約λ/4的厚度，并加熱加壓成型。這樣，添加劑A1與添加劑A2發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，將低密度粉末干燥凝膠體固定化，可以得到硬的(機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)越)聲匹配層。
這樣，由粉末干燥凝膠體、添加劑A與添加劑B構(gòu)成的聲匹配層3不使用粘接劑，即可粘接在殼體1上。
根據(jù)本實(shí)施方式，由于在利用加壓成型以形成混合粉末的成型體之前，還包含將混合粉末層的上表面平坦化的工序，故特性的偏差比實(shí)施方式1得到的聲匹配層還小。
(第3實(shí)施方式)
圖4是說(shuō)明本發(fā)明的第3實(shí)施方式的具備了聲匹配層的超聲波收發(fā)器的制造方法的工序圖。按照工序1～工序4的順序說(shuō)明本圖。
·工序1將壓電體層2粘接在殼體1上。粘接可以利用公知的粘接劑等來(lái)進(jìn)行。
·工序2為了控制聲匹配層的厚度，成為約λ/4的厚度，作為厚度限制部件(控制部)，而在該殼體1上設(shè)置有機(jī)膜等構(gòu)成的O-環(huán)31。
·工序3在設(shè)置了該O-環(huán)31的殼體1之上，作為凝膠溶液，滴下pH9～10的硅酸水溶液，將硅酸水溶液的pH值調(diào)整為5.5。之后，從上面用平板32按壓，形成濕潤(rùn)凝膠體33。在凝膠化該硅酸水溶液時(shí)，殼體1表面的OH基與原料的硅烷醇基反應(yīng)，并進(jìn)行化學(xué)結(jié)合，在殼體1的表面上形成濕潤(rùn)凝膠膜。
·工序4用三甲基一氯硅烷(TMSC)的丙酮溶液對(duì)所得到的濕潤(rùn)凝膠體進(jìn)行疏水化，進(jìn)行脫水處理。另外，溶劑置換為己烷后，在維持于100℃的容器中干燥，形成二氧化硅的二氧化硅干燥凝膠膜34。這樣，低密度的干燥凝膠膜被固定化，可以得到聲匹配層。
通過(guò)這樣的處理，由干燥凝膠體構(gòu)成的聲匹配層不需使用粘接劑，即可與殼體1粘接。
而且，此時(shí)也可以在形成了由干燥凝膠體構(gòu)成的聲匹配層后，使壓電體粘接。
如上所述，可以形成低密度、硬的、聲阻抗低的、厚度精度高的、高精度的聲匹配層，通過(guò)利用其，從而可以得到高靈敏度的、可靠性高的、穩(wěn)定的超聲波收發(fā)器。
(第4實(shí)施方式)圖5是說(shuō)明本發(fā)明的第4實(shí)施方式的具備了聲匹配層的超聲波收發(fā)器的制造方法的工序圖。按照工序1～工序4的順序說(shuō)明本圖。
·工序1使壓電體層2粘接在殼體1上。
·工序2為了控制聲匹配層的厚度，成為約λ/4的厚度，作為厚度限制部件(控制部)，而在該殼體1上設(shè)置金屬等構(gòu)成的金屬線41。
·工序3在設(shè)置了該金屬線41的殼體1之上，作為凝膠溶液，滴下pH9～10的硅酸水溶液，將硅酸水溶液的pH值調(diào)整為5.5。之后，從上面用平板32按壓，形成濕潤(rùn)凝膠體33。在凝膠化該硅酸水溶液時(shí)，殼體1表面的OH基與原料的硅烷醇基反應(yīng)，并進(jìn)行化學(xué)結(jié)合，在殼體1的表面上形成濕潤(rùn)凝膠膜。
·工序4用三甲基一氯硅烷(TMSC)的丙酮溶液對(duì)所得到的濕潤(rùn)凝膠體進(jìn)行疏水化，進(jìn)行脫水處理。另外，溶劑置換為己烷后，在維持于100℃的容器中干燥，形成二氧化硅的二氧化硅干燥凝膠膜34。這樣，低密度的干燥凝膠膜被固定化，可以得到聲匹配層。
通過(guò)這樣的處理，由干燥凝膠體構(gòu)成的聲匹配層不需使用粘接劑，即可與殼體1粘接。
而且，此時(shí)也可以在形成了由干燥凝膠體構(gòu)成的聲匹配層后，使壓電體粘接。
如上所述，可以形成低密度、硬的、聲阻抗低的、厚度精度高的、高精度的聲匹配層，通過(guò)利用其，從而可以得到高靈敏度的、可靠性高的、穩(wěn)定的超聲波收發(fā)器。
(第5實(shí)施方式)圖6是說(shuō)明本發(fā)明的第5實(shí)施方式的具備了聲匹配層的超聲波收發(fā)器的制造方法的工序圖。按照工序1～工序4的順序說(shuō)明本圖。
·工序1使壓電體層2粘接在殼體1上。
·工序2為了控制聲匹配層的厚度，成為約λ/4的厚度，作為厚度限制部件(控制部)，而在該殼體1上設(shè)置空心小球(beads)51。作為空心小球51，例如可以是在下一工序的處理中不溶解或不變質(zhì)的物質(zhì)，可以利用由玻璃等無(wú)機(jī)材料或已交聯(lián)的高分子等有機(jī)材料等形成的空心小球。
·工序3在設(shè)置了該空心小球51的殼體1之上，作為凝膠溶液，滴下pH9～10的硅酸水溶液，將硅酸水溶液的pH值調(diào)整為5.5。之后，從上面用平板32按壓，形成濕潤(rùn)凝膠體33。在凝膠化該硅酸水溶液時(shí)，殼體1表面的OH基與原料的硅烷醇基反應(yīng)，并進(jìn)行化學(xué)結(jié)合，在殼體1的表面上形成濕潤(rùn)凝膠膜。
·工序4用三甲基一氯硅烷(TMSC)的丙酮溶液對(duì)所得到的濕潤(rùn)凝膠體進(jìn)行疏水化，進(jìn)行脫水處理。另外，溶劑置換為己烷后，在維持于100℃的容器中干燥，形成二氧化硅的二氧化硅干燥凝膠膜34。這樣，低密度的干燥凝膠膜被固定化，可以得到聲匹配層。
通過(guò)這樣的處理，由干燥凝膠體構(gòu)成的聲匹配層不需使用粘接劑，即可與殼體1粘接。
而且，此時(shí)也可以在形成了由干燥凝膠體構(gòu)成的聲匹配層后，使壓電體粘接。
如上所述，可以形成低密度、硬的、聲阻抗低的、厚度精度高的、高精度的聲匹配層，通過(guò)利用其，從而可以得到高靈敏度的、可靠性高的、穩(wěn)定的超聲波收發(fā)器。
(第6實(shí)施方式)圖7是說(shuō)明本發(fā)明的第6實(shí)施方式的具備了聲匹配層的超聲波收發(fā)器的制造方法的工序圖。按照工序1～工序4的順序說(shuō)明本圖。
·工序1使壓電體層2及陶瓷61粘接在殼體1上。陶瓷61作為第1聲匹配層作用。例如，作為陶瓷61，可以適當(dāng)?shù)夭捎枚趸?、氧化鋁、氧化鋯等。
·工序2為了控制聲匹配層的厚度，成為約λ/4的厚度，作為厚度限制部件(控制部)，而在該殼體1上的陶瓷61上的周邊部分設(shè)置有機(jī)膜等構(gòu)成的O-環(huán)31。
·工序3在設(shè)置了該O-環(huán)31的陶瓷61之上，作為凝膠溶液，滴下pH9～10的硅酸水溶液，將硅酸水溶液的pH值調(diào)整為5.5。之后，從上面用平板32按壓，形成濕潤(rùn)凝膠體33。在凝膠化該硅酸水溶液時(shí)，殼體1表面的OH基與原料的硅烷醇基反應(yīng)，并進(jìn)行化學(xué)結(jié)合，在殼體1的表面上形成濕潤(rùn)凝膠膜。
·工序4用三甲基一氯硅烷(TMSC)的丙酮溶液對(duì)所得到的濕潤(rùn)凝膠體進(jìn)行疏水化，進(jìn)行脫水處理。另外，在維持于50℃的容器中干燥，形成二氧化硅的二氧化硅干燥凝膠膜34。這樣，低密度的干燥凝膠膜被固定化，可以得到聲匹配層。然后，若安裝殼體1的底板(蓋板)、驅(qū)動(dòng)端子等，則可以形成壓電振子10。
通過(guò)這樣的處理，由干燥凝膠體構(gòu)成的聲匹配層不需使用粘接劑，即可與陶瓷61粘接，還可以達(dá)成雙層聲匹配層的高靈敏度化。
而且，此時(shí)也可以在形成了由干燥凝膠體構(gòu)成的聲匹配層后，使壓電體粘接。
在采用雙層結(jié)構(gòu)的聲匹配層(使壓電體層側(cè)為第1聲匹配層，氣體側(cè)為第2聲匹配層)的情況下，優(yōu)選第2聲匹配層聲阻抗Zb比第1聲匹配層的聲阻抗Za還小。另外，優(yōu)選第2聲匹配層的密度處于400kg/m3以上1500kg/m3以下的范圍內(nèi)，第2聲匹配層的密度處于50kg/m3以上500kg/m3以下的范圍內(nèi)，且第2聲匹配層的密度比第1聲匹配層的密度還小。例如，第1聲匹配層的密度處于400kg/m3以上800kg/m3的范圍內(nèi)，第2聲匹配層的密度處于50kg/m3以上400kg/m3以下的范圍內(nèi)。
第1聲匹配層可以利用這里所例示過(guò)的陶瓷或無(wú)機(jī)材料的纖維體、燒結(jié)多孔體、用樹(shù)脂矩陣固定玻璃氣球或塑料氣球的材料等公知的材料來(lái)形成。另一方面，通過(guò)利用干燥凝膠體，可以得到滿足上述條件的第2聲匹配層。
根據(jù)本實(shí)施方式，由于可以形成低密度、聲阻抗低的、厚度精度高的第2聲匹配層，故可以進(jìn)一步提高雙層結(jié)構(gòu)的聲匹配層的特性。因此，通過(guò)使用本實(shí)施方式的聲匹配層，可以得到高靈敏度的、可靠性高的、穩(wěn)定的超聲波收發(fā)器。
(第7實(shí)施方式)圖8是用于本發(fā)明的超聲波流量計(jì)的超聲波收發(fā)器的壓電振子的剖面圖。在本圖中，進(jìn)行電-超聲波相互變換的壓電振子10，由壓電體層2與聲匹配層100構(gòu)成。壓電體層2是產(chǎn)生超聲波振動(dòng)的部件，由壓電陶瓷或壓電單晶體等構(gòu)成，沿厚度方向分極，在上下面上具有電極。聲匹配層100向氣體中送波，或接收氣體中傳播來(lái)的超聲波，具有將由驅(qū)動(dòng)交流電壓勵(lì)振的壓電體層2的機(jī)械振動(dòng)作為超聲波有效地向外部的介質(zhì)放射，將來(lái)到的超聲波有效地變換為電壓的作用，利用上述實(shí)施方式形成，成為形成壓電體層2中的超聲波的收發(fā)波面的狀態(tài)，利用化學(xué)結(jié)合粘合在殼體1的外側(cè)。
再有，通過(guò)利用厚度控制部101而嚴(yán)格地規(guī)定聲匹配層100的厚度，從而也不存在表面凹凸。
在這樣構(gòu)成的超聲波收發(fā)器中，若在驅(qū)動(dòng)端子上施加具有超聲波收發(fā)器的共振頻率附近的頻率的交流信號(hào)成分的脈沖串信號(hào)電壓，則壓電振子10以厚度振動(dòng)模式振動(dòng)，向氣體或液體等流體中放射脈沖串狀的超聲波。
(工業(yè)上的可利用性)本發(fā)明的第1方案的聲匹配層，由于含有干燥凝膠體的粉末，故能抑制起因于濕潤(rùn)凝膠體的干燥過(guò)程的不均的特性偏差。
根據(jù)本發(fā)明的第2方案，在聲匹配層的制造工藝中，聲匹配層的厚度被控制。因此，能抑制起因于聲匹配層的厚度不均或表面凹凸的特性偏差。
再有，在無(wú)機(jī)氧化物或有機(jī)高分子的干燥凝膠的形成時(shí)，由于壓電體表面或容器(殼體)表面的OH基與原料的成分反應(yīng)，化學(xué)地結(jié)合并粘附，故也可以得到?jīng)]有粘接層即所謂的無(wú)粘接層的超聲波收發(fā)器的優(yōu)良效果。
此外，通過(guò)在以往的聲匹配層的上層形成該厚度精度高且由無(wú)機(jī)氧化物或有機(jī)高分子的干燥凝膠體構(gòu)成的聲匹配層，從而可以進(jìn)一步得到高靈敏度的超聲波收發(fā)器。
權(quán)利要求
1.一種聲匹配層，其中，含有干燥凝膠體的粉末。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲匹配層，其中，上述干燥凝膠體的密度小于等于500kg/m3，平均細(xì)孔直徑小于等于100μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲匹配層，其中，上述干燥凝膠體的粉末的平均粒徑在大于等于1μm且小于等于100μm的范圍內(nèi)
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的聲匹配層，其中，上述干燥凝膠體的固體骨架部含有無(wú)機(jī)氧化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聲匹配層，其中，上述無(wú)機(jī)氧化物為氧化硅或氧化鋁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)所述的聲匹配層，其中，含有整體的40質(zhì)量％以下的熱粘結(jié)性高分子的粉末。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的聲匹配層，其中，上述熱粘結(jié)性高分子的粉末，平均粒徑在大于等于0.1μm且小于等于50μm的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)所述的聲匹配層，其中，聲阻抗在大于等于5×104kg/s·m2且小于等于20×104kg/s·m2的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8中任一項(xiàng)所述的聲匹配層，其中，在大于等于25℃且小于等于70℃的范圍內(nèi)的聲阻抗的溫度變化率，小于等于-0.04％/℃。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～9中任一項(xiàng)所述的聲匹配層，其中，具有在上述聲匹配層中傳播的聲波波長(zhǎng)的約四分之一的厚度。
11.一種超聲波收發(fā)器，其中，具備壓電體層；和設(shè)于上述壓電體層上的權(quán)利要求1～10中任一項(xiàng)所述的聲匹配層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超聲波收發(fā)器，其中，上述聲匹配層直接結(jié)合在上述壓電體層上。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超聲波收發(fā)器，其中，還具備殼體，其具有形成內(nèi)包上述壓電體層的凹部的上板和以密閉上述凹部?jī)?nèi)的空間的方式進(jìn)行配置的底板，上述壓電體層與上述殼體的上述上板內(nèi)面粘接，上述聲匹配層與上述上板的上面直接結(jié)合，以便隔著上述上板與上述壓電體層相對(duì)。
14.一種超聲波流量計(jì)，其具備流過(guò)被測(cè)定流體的流量測(cè)定部；設(shè)于上述流量測(cè)定部并收發(fā)超聲波信號(hào)的一對(duì)超聲波收發(fā)器；測(cè)量上述超聲波收發(fā)器間的超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量電路；和根據(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，其特征在于，上述一對(duì)超聲波收發(fā)器分別由權(quán)利要求11～13中任一項(xiàng)所述的超聲波收發(fā)器構(gòu)成。
15.一種聲匹配層制造方法，其中，包含準(zhǔn)備干燥凝膠體的粉末與熱粘結(jié)性高分子的粉末之混合粉末的工序；和加壓成型上述混合粉末的工序。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的聲匹配層的制造方法，其中，準(zhǔn)備上述混合粉末的工序包含準(zhǔn)備上述干燥凝膠體的工序；準(zhǔn)備上述熱粘結(jié)性高分子的粉末的工序；和一邊混合上述干燥凝膠體與上述熱粘結(jié)性高分子的粉末，一邊進(jìn)行粉碎的工序。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的聲匹配層的制造方法，其中，加壓成型上述混合粉末的工序包含加熱上述混合粉末的工序。
18.根據(jù)權(quán)利要求15～17中任一項(xiàng)所述的聲匹配層的制造方法，其中，加壓成型上述混合粉末的工序包含將利用加壓成型得到的上述混合粉末的成型體的厚度控制為所定厚度的工序。
19.根據(jù)權(quán)利要求15～18中任一項(xiàng)所述的聲匹配層的制造方法，其中，加壓成型上述混合粉末的工序包含向下側(cè)成型面上供給所定量的上述混合粉末的工序；和對(duì)供給到上述下側(cè)成型面上的上述混合粉末所形成的層的上面進(jìn)行平坦化的工序。
20.一種超聲波收發(fā)器的制造方法，其具備壓電體層和設(shè)于上述壓電體層上的聲匹配層，其特征在于，包含利用權(quán)利要求15～18中任一項(xiàng)所述的制造方法形成上述聲匹配層的工序。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的超聲波收發(fā)器的制造方法，其中，上述聲匹配層直接接合在上述壓電體層上。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的超聲波收發(fā)器的制造方法，其中，上述超聲波收發(fā)器還具有殼體，該殼體具有形成內(nèi)包上述壓電體層的凹部的上板和以密閉上述凹部?jī)?nèi)的空間的方式進(jìn)行配置的底板，上述聲匹配層與上述殼體的上述上板上面直接接合。
23.一種超聲波收發(fā)器的制造方法，其具備壓電體層及設(shè)于上述壓電體層上的聲匹配層，其特征在于，形成上述聲匹配層的工藝包含(a)調(diào)制凝膠原料液體的工序；(b)在形成上述聲匹配層的面上設(shè)置具有所定高度的厚度限制部件的工序；(c)向上述面上提供上述凝膠原料液體的工序；(d)使向上述面上提供的上述凝膠原料液體所形成的液層的厚度與上述厚度限制部件的高度基本一致的工序；(e)從上述凝膠原料液體形成濕潤(rùn)凝膠體的固體化工序；和(f)通過(guò)除去上述濕潤(rùn)凝膠體中所含的溶劑，從而形成干燥凝膠體的干燥工序。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的超聲波收發(fā)器的制造方法，其中，上述聲匹配層具有配置于上述壓電體層側(cè)的第1聲匹配層和設(shè)于上述第1聲匹配層上的第2聲匹配層，形成上述第2聲匹配層的工藝包含上述工序(a)～(f)。
25.根據(jù)權(quán)利要求22或23中任一項(xiàng)所述的超聲波收發(fā)器的制造方法，其中，上述厚度限制部的高度約為對(duì)應(yīng)的聲匹配層中傳播的聲波波長(zhǎng)的四分之一。
全文摘要
本發(fā)明的聲匹配層包含干燥凝膠體的粉末。優(yōu)選干燥凝膠體的密度小于等于500kg/m
文檔編號(hào)G10K11/00GK1568421SQ0380129
公開(kāi)日2005年1月19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)明者橋本和彥, 橋田卓, 鈴木正明, 橋本雅彥, 永原英知, 白石誠(chéng)吾, 高原范久 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社