CN108605186B - 层叠体、超声波收发器和超声波流量计 - Google Patents

层叠体、超声波收发器和超声波流量计 Download PDF

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Abstract

一种层叠体，具备压电体、和直接或经由其它层与所述压电体接触配置的第1声匹配层。第1声匹配层包含含有多个闭孔的塑料闭孔泡沫。闭孔的平均孔径为1μm以上且100μm以下。第1声匹配层的密度为10kg/m3以上且100kg/m3以下。

Description

层叠体、超声波收发器和超声波流量计
技术领域
本公开涉及包含压电体和声匹配层的层叠体、超声波收发器和超声波流量计。
背景技术
近年来，计测超声波在传播路径中传播的时间，并测定流体的移动速度从而计测流量的超声波流量计正在被用于燃气表等。超声波流量计通常具备压电振子，通过压电振子检测超声波。在流体为气体的情况下，气体与压电振子之间的声阻抗的差异大，因此在气体中传播的超声波容易在与压电振子的界面被反射。所以，为了使超声波更有效地入射压电振子，有时会在压电振子与气体的界面设置声匹配层。
专利文献1公开了能够用作声匹配层的材料。专利文献2公开了具备两个声匹配层的超声波收发器。
在先技术文献
专利文献1：日本特许第2559144号公报
专利文献2：日本特许第3552054号公报
发明内容
以往的超声波收发器用途中，由于声匹配层与超声波的放射介质的声阻抗的匹配性不充分，因此无法得到高的灵敏度。本公开提供包含声特性适当的声匹配层的层叠体、超声波收发器和超声波流量计。
本公开的一技术方案涉及的层叠体，具备压电体、和直接或经由其它层与所述压电体接触配置的第1声匹配层。第1声匹配层包含含有多个闭孔的塑料闭孔泡沫。闭孔的平均孔径为1μm以上且100μm以下。第1声匹配层的密度为10kg/m3以上且100kg/m3以下。再者，本公开的概括或具体的技术方案，可以通过层叠体、设备、装置、系统、方法或它们的组合来实现。
根据本公开的层叠体、超声波收发器和超声波流量计，由于包含声特性适当的声匹配层，因此能够实现高灵敏度的超声波收发器和超声波流量计。
附图说明
图1是表示本公开的超声波流量计的框图。
图2是表示本公开的层叠体和超声波收发器的第1实施方式的示意性端视图。
图3A是表示第1实施方式的超声波收发器的制造方法的工序剖视图。
图3B是表示第1实施方式的超声波收发器的制造方法的工序剖视图。
图4是表示本公开的层叠体和超声波送受波的第2实施方式的示意性端视图。
图5是表示塑料闭孔泡沫的表面的电子显微镜照片的图。
图6的左边是表示塑料闭孔泡沫的表面的电子显微镜照片的图，右边是其一部分的放大图。
具体实施方式
本公开的层叠体、超声波收发器和超声波流量计的概要如下所述。
[项目1]
一种层叠体，具备压电体和第1声匹配层，
所述第1声匹配层直接或经由其它层与所述压电体接触配置，并且包含塑料闭孔泡沫，
所述塑料闭孔泡沫包含多个闭孔，
所述闭孔的平均孔径为1μm以上且100μm以下，
所述第1声匹配层的密度为10kg/m3以上且100kg/m3以下。
[项目2]
根据项目1所述的层叠体，所述第1声匹配层的声阻抗在5×103kg/s·m2以上且350×103kg/s·m2以下的范围内。
[项目3]
根据项目1或2所述的层叠体，所述闭孔的平均相邻间距为50nm以上且1μm以下。
[项目4]
根据项目1～3的任一项所述的层叠体，所述第1声匹配层的声速为500m/s以上。
[项目5]
根据项目1～4的任一项所述的层叠体，所述塑料闭孔泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
[项目6]
根据项目1～5的任一项所述的层叠体，所述第1声匹配层的厚度是在所述第1声匹配层中传播的声波的波长λ的大致1/4。
[项目7]
根据项目1～6的任一项所述的层叠体，还具备位于所述压电体与所述第1声匹配层之间的第2声匹配层，
所述第2声匹配层的密度为50kg/m3以上且1500kg/m3以下，并且大于所述第1声匹配层的密度。
[项目8]
根据项目7所述的层叠体，所述第1声匹配层的声阻抗Za与所述第2声匹配层的声阻抗Zb的关系为Za<Zb。
[项目9]
根据项目7或8所述的层叠体，所述第2声匹配层的厚度是在所述第2声匹配层中传播的声波的波长λ的大致1/4。
[项目10]
根据项目1～6的任一项所述的层叠体，所述第1声匹配层与所述压电体直接接合。
[项目11]
根据项目7所述的层叠体，所述第2声匹配层，与所述第1声匹配层和所述压电体直接接触配置。
[项目12]
根据项目7所述的层叠体，还在所述第1声匹配层与所述第2声匹配层之间具备密度为1000kg/m3以上的结构支撑层。
[项目13]
根据项目12所述的层叠体，所述结构支撑层的厚度小于在所述结构支撑层中传播的声波的波长λ的1/8。
[项目14]
一种超声波收发器，具备项目1～13的任一项所述的层叠体。
[项目15]
一种超声波收发器，具备壳体和项目1～6的任一项所述的层叠体，
所述壳体具有主体和盖板，所述主体具备具有顶板的凸形状，所述盖板覆盖所述凸形状的开口，
所述压电体位于所述凸形状内，并固定在所述顶板的内表面，
所述第1声匹配层固定在所述顶板的外表面。
[项目16]
一种超声波收发器，具备壳体和项目7～9的任一项所述的层叠体，
所述壳体具有主体和盖板，所述主体具备具有顶板的凸形状，所述盖板覆盖所述凸形状的开口，
所述压电体位于所述凸形状内，并固定在所述顶板的内表面，
所述第2声匹配层固定在所述顶板的外表面，
所述第1声匹配层与所述第2声匹配层接触。
[项目17]
根据项目15或16所述的超声波收发器，所述壳体由金属材料构成。
[项目18]
一种超声波流量计，具备流路、时间计测部、运算部以及一对超声波收发器，所述超声波收发器是项目14～16的任一项所述的超声波收发器，
所述流路供被测定流体在其中流动，
所述一对超声波收发器配置于所述流路，并收发超声波信号，
所述时间计测部计测所述一对超声波收发器之间的超声波传播时间，
所述运算部基于来自所述时间计测部的信号，计算所述流路的流量。
以下，参照附图对本公开的层叠体、超声波收发器和超声波流量计的实施方式进行详细说明。
(第1实施方式)
以下，对本实施方式的超声波收发器和超声波流量计的一例进行详细说明。
[超声波流量计的结构]
图1表示本公开的超声波流量计的大致结构。如图1所示，超声波流量计具备供被测定流体流动的流路、配置于流路的一对超声波收发器11和12、时间计测部31、运算部32。在由管壁13规定的流路中，流体以流速V沿着图中所示的方向流动。测定在该流路中流动的流体的流量。一对超声波收发器(第1和第2超声波收发器)11、12相对向地设置于管壁13。超声波收发器11、12包含作为电能/机械能转换元件的压电陶瓷等压电振子，与压电蜂鸣器或压电振荡器同样地显示出共振特性。首先，使用超声波收发器11作为超声波发送器，使用超声波收发器12作为超声波接收器。如果时间计测部31向超声波收发器11的压电振子施加共振频率附近的频率的交流电压，则超声波收发器11在管内的流体中，沿着该图中的L1所示的传播路径放射超声波。超声波收发器12接收在流体中传播来的超声波并转换为电压。然后，相反地，使用超声波收发器12作为超声波发送器，使用超声波收发器11作为超声波接收器。时间计测部31向压电振子施加超声波收发器12的共振频率附近的频率的交流电压，由此，超声波收发器12在管内的流体中，沿着该图中的L2所示的传播路径放射超声波，超声波收发器11接收传播来的超声波并转换为电压。像这样，超声波收发器11、12发挥作为接收器的作用和作为发送器的作用。
这样的超声波流量计，如果连续地施加交流电压，则从超声波收发器连续地放射超声波，难以测定传播时间，因此通常利用将脉冲信号作为传播波的脉冲(突发)电压信号作为驱动电压。如果时间计测部31对超声波收发器11施加驱动用的脉冲电压信号并从超声波收发器11放射超声波脉冲信号，则该超声波脉冲信号在距离为L的传播路径L1中传播，在t时间后到达超声波收发器12。超声波收发器12，能够仅将传播来的超声波脉冲信号以高的S/N比转换为电脉冲信号。时间计测部31将该电脉冲信号进行电增幅，并再次向超声波收发器11施加，放射超声波脉冲信号。将该装置称为单程装置，将超声波脉冲从超声波收发器11放射、在传播路径中传播、到达超声波收发器12所需的时间称为单程周期，将其倒数称为单程频率。图1中，将在管中流动的流体的流速设为V，将流体中的超声波的速度设为C，将流体的流动方向与超声波脉冲的传播方向的角度设为θ。在使用超声波收发器11作为发送器、使用超声波收发器12作为接收器时，如果将从超声波收发器11放出的超声波脉冲到达超声波收发器12的超声波传播时间即单程周期设为t1，将单程频率设为f1，则下式(1)成立。
f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L (1)
相反地，在使用超声波收发器12作为发送器、使用超声波收发器11作为接收器时，如果将超声波传播时间即单程周期设为t2，将单程频率设为f2，则下式(2)的关系成立。
f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L (2)
因此，两个单程频率的频率差Δf成为下式(3)，可以根据超声波的传播路径的距离L和频率差Δf求出流体的流速V。
Δf＝f1-f2＝2Vcosθ/L (3)
即，能够根据超声波的传播路径的距离L和频率差Δf求出流体的流速V，能够根据该流速V调查流量。
超声波流量计具备时间计测部31和运算部32。时间计测部31包括生成用于驱动超声波收发器11、12的脉冲电压信号的驱动电路、和将通过超声波收发器11、12转换的电脉冲信号进行电增幅的接收电路，通过上述步骤，求出超声波传播时间即单程周期t1和t2。运算部32根据求出的单程周期t1和t2与式(3)的关系，算出流体的流速和流量。时间计测部31和运算部32例如由微型计算机、存储器、以及存储于存储器的规定进行上述运算的步骤的程序构成。时间计测部31和运算部32的一部分可以由电子回路等构成。
[超声波收发器]
图2是表示本公开的超声波流量计所使用的超声波收发器11的一例的剖视图。超声波收发器12具备与超声波收发器11相同的结构。超声波收发器11具备层叠体28和壳体29。
层叠体28具备压电体21和第1声匹配层26。第1声匹配层26直接或经由其它层与压电体21接触。压电体21由压电陶瓷或单晶构成，在厚度方向上极化。另外，压电体21在厚度方向的上下表面具有电极，通过对电极施加电压，产生超声波振动。
壳体29包括盖板23和具备具有顶板22u的凸形状的主体22。主体22和盖板23由导电材料、例如相对于外部的流体能够确保可靠性的金属等材料形成。压电体21位于主体22的凸形状内，安装于顶板22u的内表面22a。位于主体22的凸形状的底部的开口，被盖板23覆盖，由此将主体22的内部空间密封。因此，壳体29具有气体阻隔性，即使超声波收发器11暴露于各种流体中，内部的压电体21也不会劣化，具备高的可靠性。在盖板23安装有驱动端子24a和24b。两个驱动端子24a和24b之中，一方的驱动端子24a经由盖板23和主体22而与压电体21的上表面电极电连接。另一方的驱动端子24b通过绝缘材料25而与盖板23电绝缘，并且在主体22内与压电体21的下表面电极电连接。
第1声匹配层26向流体发送超声波，或接收在流体中传播来的超声波。第1声匹配层26将通过驱动交流电压激起的压电体21的机械振动作为超声波，对外部的介质有效地输出，并将到达的超声波作为振动有效地传递给压电体21。由此，电压有效地转变为超声波，超声波有效地转变为电压。第1声匹配层26安装在主体22的顶板22u的外表面22b。
如果将压电体21和流体的声阻抗分别设为Z1、Z2，将第1声匹配层26所需求的理想的声阻抗设为Z3，则声阻抗Z3可通过Z3＝√(Z1·Z2)求出。压电体21的声阻抗大约为30×106kg/m2·s左右，氢的声阻抗为110kg/m2·s左右。将上述数值代入该式，求出Z3＝57×103(kg/m2·s)。另外，声阻抗由下式(4)定义。
声阻抗＝(密度)×(声速) (4)
本实施方式中，第1声匹配层26的密度为10kg/m3以上且100kg/m3以下。另外，在第1声匹配层26中传播的声速为500m/s以上，优选为500m/s以上且3500m/s以下。通过适当选择该范围的密度和声速，第1声匹配层26的声阻抗能够取得5×103kg/s·m2以上且350×103kg/s·m2以下的范围内的值。
作为适合于具备这样的物性的第1声匹配层26的材料，例如可举出硬质微孔体。例如，第1声匹配层26是硬质塑料闭孔(closed cell)泡沫。作为硬质塑料闭孔泡沫的例子，包括聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。聚甲基丙烯酰亚胺泡沫例如以商标名称为ROHACELL(R)由RoehmGmbh&Co KG发售，在日本国内可以从ダイセル·エボニック株式会社购入。ROHACELL的密度在目录中公开为10kg/m3以上且100kg/m3以下的范围内。
图5和图6中示出塑料闭孔泡沫的表面的SEM(扫描型电子显微镜)照片的一例。该照片中看起来比较白的是孔、即闭孔(独立气泡)，在闭孔与闭孔之间看起来比较黑的是隔壁(塑料)。因此，闭孔的相邻间距相当于隔壁的厚度中最薄的部分。
聚甲基丙烯酰亚胺泡沫中的闭孔的平均孔径优选为1μm以上且100μm以下。在此，孔径在电子显微镜的观察视场中，由闭孔的各自的内切圆的直径来定义(参照图5)。另外，平均孔径由包含至少100个闭孔的电子显微镜的观察视场中的闭孔的孔径的平均值来定义。
另外，闭孔的平均相邻间距，通过在包含至少10个闭孔的电子显微镜的观察视场中测定相邻间距并将其平均而得到(参照图6)。闭孔的相邻间距优选在50nm以上且1μm以下的范围内均匀分布。
根据计算得出的模拟和以下说明的实验结果，闭孔的平均孔径和闭孔的相邻间距会影响声传播特性。为了实现良好的声传播特性，它们的值优选为上述范围。闭孔的相邻间距相当于闭孔的隔壁的平均厚度。
另外，聚甲基丙烯酰亚胺泡沫具备刚直且牢固的分子结构，因此与其它硬质泡沫相比，机械强度和加工性优异。
第1声匹配层26的厚度优选为在第1声匹配层26中传播的声波的波长λ的大致1/4。由此，在第1声匹配层26的两个主面之间反射并向压电体21入射的声波，通过相位偏移1/2而被减弱。由此，能够减小由于不必要的反射而延迟入射压电体21的声波的强度，抑制反射波的影响。
本实施方式中，壳体29的顶板22u作为支撑层叠体28的结构支撑层发挥作用。顶板22u的密度优选为1000kg/m3以上。另外，顶板22u的厚度为在顶板22u传播的声波的波长λ的1/8以下。通过使顶板22u满足该条件，能够抑制顶板22u中的声波的反射等。
本实施方式的超声波收发器，例如可以通过以下步骤制造。首先，如图3A所示，准备壳体29、压电体21和第1声匹配层26。第1声匹配层26预先被加工成期望的厚度。通过接合剂等将压电体21贴附在壳体29的主体22中的顶板22u的内表面22a。另外，在顶板22u的外表面22b贴附第1声匹配层26。然后，如图3B所示，进行压电体21与驱动端子24b等的连接。最后，使用接合剂等由盖板23封闭主体22的开口，完成超声波收发器。
根据本实施方式的层叠体，通过使第1声匹配层26的密度为10kg/m3以上且100kg/m3以下，能够抑制由放射超声波的压电体与气体之间的声阻抗差导致的超声波的反射，使超声波有效地入射压电体。因此，能够实现高灵敏度的超声波收发器和超声波流量计。特别是通过第1声匹配层26由具有闭孔的结构体构成，闭孔的平均孔径为1μm以上且100μm以下，闭孔的相邻间距为50nm以上且1μm以下的范围内，能够实现优异的声特性。由此，能够实现灵敏度更高的超声波收发器和超声波流量计。另外，第1声匹配层26的具有闭孔的结构体包含聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。聚甲基丙烯酰亚胺泡沫具备低密度且高弹性这样的特征，因此对于制造过程中的冲击具有耐性，机械强度和加工性优异。因此，能够以高成品率制造层叠体和超声波收发器。因此，比较容易处理声匹配层，从而能够得到生产性优异、特性的参差变动小、并且能够使声波有效地从流体入射压电体的层叠体。另外，通过使用这样的层叠体，可实现能够以高灵敏度检测流体的超声波收发器和超声波流量计。
(第2实施方式)
图4示意性地表示本实施方式的超声波流量计所使用的超声波收发器的结构。图4中，对与图1所示的第1实施方式相同或同样的结构附带相同标记。关于与第1实施方式相同或同样的结构，有时会省略其说明。图4所示的超声波收发器，在具备包含压电体21、第1声匹配层26和第2声匹配层27的层叠体28’这一点上与第1实施方式不同。
第2声匹配层27位于压电体21与第1声匹配层26之间。本实施方式中，第2声匹配层27贴附在顶板22u的外表面22b，第1声匹配层26与第2声匹配层27接触。第2声匹配层27的密度为50kg/m3以上且1500kg/m3以下。另外，第2声匹配层27的密度大于第1声匹配层的密度。如果将第1声匹配层26的声阻抗设为Za，将第2声匹配层27的声阻抗设为Zb，则满足Za<Zb的关系。Zb小于压电体21的声阻抗。通过层叠体28’还包含具有这样的声特性的第2声匹配层27，能够使入射第1声匹配层26的声波更有效地入射压电体21。
第2声匹配层27是具有闭孔的材料。例如，第2声匹配层27由聚甲基丙烯酰亚胺等泡沫树脂或复合材料构成。复合材料例如可以是将玻璃微球(中空的微小玻璃球)或塑料微球用树脂材料粘固而成的材料。另外，这些泡沫树脂和复合材料可以具有其表面被阻气膜覆盖的结构。根据与第1实施方式同样的理由，第2声匹配层27的厚度也优选为在第2声匹配层27中传播的声波的1/4。
本实施方式中，第1声匹配层26与第2声匹配层27彼此直接接触。第2声匹配层27与壳体29的顶板22u的外表面22b接触。壳体29的顶板22u作为支撑层叠体28’的结构支撑层发挥作用。顶板22u的密度优选为1000kg/m3以上。另外，顶板22u的厚度是在顶板22u中传播的声波的波长λ的1/8以下。通过使顶板22u满足该条件，可抑制顶板22u中的声波的反射等。
根据本实施方式的层叠体，由于层叠体28’包含第2声匹配层27，因此能够使在流体中传播的声波更高效地入射压电体。因此，除了第1实施方式中说明的特征以外，可实现能够以更高灵敏度检测流体的超声波收发器和超声波流量计。
(实施例)
以下，制作第1和第2实施方式的超声波收发器和超声波流量计，并对调查特性得到的结果进行说明。
1.试料的制作
[参考例(A)]
(a)第2声匹配层(二氧化硅多孔体)的制造
将直径为几十μm的球状丙烯酸树脂和直径为1μm以下的烧结二氧化硅粉末混合之后，进行加压成型。将该成型体干燥之后，以900℃进行烧成而形成二氧化硅多孔体。然后，进行调制使得二氧化硅多孔体的厚度成为超声波振荡波长的1/4，得到第2声匹配层。在第2声匹配层中传输的大约500kHz的超声波的声速为1500m/s。密度为570kg/m3，厚度为750μm。
(b)第2声匹配层与第1声匹配层的层叠
将四甲氧基硅烷、乙醇和氨水溶液(0.1当量)以摩尔比计调制成1:3:4，将得到的凝胶原料液以90μm的厚度涂布在预先通过等离子清洁进行清洗而使羟基露出表面的第2声匹配层上。然后，使涂布的凝胶原料液固化，得到二氧化硅湿润凝胶层。将形成有该二氧化硅湿润凝胶层的第2声匹配层在三甲基乙氧基硅烷为5重量％的己烷溶液中进行疏水处理之后，利用二氧化碳进行超临界干燥(12MPa，50℃)，得到二氧化硅干燥凝胶与第2声匹配层层叠而成的声匹配层。第2声匹配层上的羟基与四甲氧基硅烷的烷氧基反应而形成化学键，因此得到密合性良好的第1声匹配层。在第1声匹配层中传播的大约500kHz的超声波的声速为180m/s，密度为200kg/m3。
(c)声匹配层与壳体、压电体层的接合
将环氧系接合片暂时粘结于壳体29的主体22的顶板22u的两侧之后，利用压电体21和第2声匹配层27对顶板22u夹压并且加热，从而进行固化接合。
(d)超声波收发器的形成
将盖板23、驱动端子24a、24b等安装于主体22，得到超声波收发器。
[实施例(B)]
(a)第1声匹配层的加工
作为第1声匹配层26，使用聚甲基丙烯酰亚胺硬质塑料泡沫ROHACELL(R)(密度为30kg/m3)。将该材料加工成平均孔径为60μm、平均壁厚为80nm、直径为10.8mm的圆柱形状。在第1声匹配层26中传播的大约500kHz的超声波的速度为1200m/s。第1声匹配层26的厚度调制为600μm。
(b)声匹配层与壳体、压电体层的接合
将环氧系接合片暂时粘结于壳体29的主体22的顶板22u的两侧之后，利用压电体21和第1声匹配层26对顶板22u夹压并且加热，从而进行固化接合。
(c)超声波收发器的形成
将盖板23、驱动端子24a、24b等安装于主体22，得到超声波收发器。
[实施例(C)]
(a)第1声匹配层的加工
作为第1声匹配层26，使用聚甲基丙烯酰亚胺硬质塑料泡沫ROHACELL(R)(密度为50kg/m3)。将该材料加工成平均孔径为40μm、平均壁厚为200nm、直径为10.8mm的圆柱形状。在第1声匹配层26中传播的大约500kHz的超声波的速度为2000m/s。第1声匹配层26的厚度调制为1000μm。
(b)声匹配层与壳体、压电体层的接合
将环氧系接合片暂时粘结于壳体29的主体22的顶板22u的两侧之后，利用压电体21和第1声匹配层26对顶板22u夹压并且加热，从而进行固化接合。
(c)超声波收发器的形成
将盖板23、驱动端子24a、24b等安装于主体22，得到超声波收发器。
[实施例(D)]
(a)第1声匹配层的加工
作为第1声匹配层26，使用聚甲基丙烯酰亚胺硬质塑料泡沫ROHACELL(R)(密度为70kg/m3)。将该材料加工成平均孔径为25μm、平均壁厚为400nm、直径为10.8mm的圆柱形状。在第1声匹配层26中传播的大约500kHz的超声波的速度为3000m/s。第1声匹配层26的厚度调制为1500μm。
(b)声匹配层与壳体、压电体层的接合
将环氧系接合片暂时粘结于壳体29的主体22的顶板22u的两侧之后，利用压电体21和第1声匹配层26对顶板22u夹压并且加热，从而进行固化接合。
(c)超声波收发器的形成
将盖板23、驱动端子24a、24b等安装于主体22，得到超声波收发器。
[参考例(E)]
(a)第1声匹配层的加工
作为第1声匹配层26，使用聚甲基丙烯酰亚胺硬质塑料泡沫ROHACELL(R)(密度为70kg/m3)。将该材料加工成平均孔径为200μm、平均壁厚为2000nm、直径为10.8mm的圆柱形状。在第1声匹配层26中传播的大约500kHz的超声波的速度为400m/s。第1声匹配层26的厚度调制为200μm。
(b)声匹配层与壳体、压电体层的接合
将环氧系接合片暂时粘结于壳体29的主体22的顶板22u的两侧之后，利用压电体21和第1声匹配层26对顶板22u夹压并且加热，从而进行固化接合。
(c)超声波收发器的形成
将盖板23、驱动端子24a、24b等安装于主体22，得到超声波收发器。
[参考例(F)]
(a)第1声匹配层的加工
作为第1声匹配层26，使用聚甲基丙烯酰亚胺硬质塑料泡沫ROHACELL(R)(密度为70kg/m3)。将该材料加工成平均孔径为300μm、平均壁厚为3250nm、直径为10.8mm的圆柱形状。在第1声匹配层26中传播的大约500kHz的超声波的速度为460m/s。第1声匹配层26的厚度调制为230μm。
(b)声匹配层与壳体、压电体层的接合
将环氧系接合片暂时粘结于壳体29的主体22的顶板22u的两侧之后，利用压电体21和第1声匹配层26对顶板22u夹压并且加热，从而进行固化接合。
(c)超声波收发器的形成
将盖板23、驱动端子24a、24b等安装于主体22，得到超声波收发器。
[实施例(G)]
(a)第2声匹配层(环氧玻璃)27的制造
可以使用将有机高分子、无机材料的纤维体、泡沫体、烧结多孔体、玻璃微球或塑料微球用树脂材料粘固而成的材料，对玻璃微球进行热压缩而得到的材料等。在此，将玻璃微球填充于夹具之后使其浸渗环氧溶液，在120℃进行热固化。将该固化的成型体的厚度切削成超声波震荡波长的1/4，得到第2声匹配层27。在第2声匹配层27中传播的大约500kHz的超声波的声速为2500m/s。密度为520kg/m3，厚度为1250μm。
(b)第2声匹配层与壳体、压电体层的接合
将环氧系接合片暂时粘结于壳体29的主体22的顶板22u的两侧之后，利用压电体21和第2声匹配层27对顶板22u夹压并且加热，从而进行固化接合。
(c)第2声匹配层27与第1声匹配层26的层叠
作为第1声匹配层26，使用聚甲基丙烯酰亚胺硬质塑料泡沫ROHACELL(R)(密度为30kg/m3)。将该材料加工成平均孔径为60μm、平均壁厚为80nm、直径为10.8mm的圆柱形状。在第1声匹配层26中传播的大约500kHz的超声波的速度为1200m/s，厚度为600μm。在第2声匹配层27的表面以大约50μm的厚度涂布环氧树脂，并在其上方配置所述第1声匹配层26，通过热加压进行接合。
(d)超声波收发器的形成
将盖板23、驱动端子24a、24b等安装于主体22，得到超声波收发器。
[实施例(H)]
(a)第2声匹配层(环氧玻璃)27的制造
可以使用将有机高分子、无机材料的纤维体、泡沫体、烧结多孔体、玻璃微球或塑料微球用树脂材料粘固而成的材料，对玻璃微球进行热压缩而得到的材料等。在此，将玻璃微球填充于夹具之后使其浸渗环氧溶液，在120℃进行热固化。将该固化的成型体的厚度切削成超声波震荡波长的1/4，得到第2声匹配层27。在第2声匹配层27中传播的大约500kHz的超声波的声速为2500m/s。密度为520kg/m3，厚度为1250μm。
(b)第2声匹配层与壳体、压电体层的接合
将环氧系接合片暂时粘结于壳体29的主体22的顶板22u的两侧之后，利用压电体21和第2声匹配层27对顶板22u夹压并且加热，从而进行固化接合。
(c)第2声匹配层27与第1声匹配层26的层叠
作为第1声匹配层26，使用聚甲基丙烯酰亚胺硬质塑料泡沫ROHACELL(R)(密度为30kg/m3)。将该材料加工成平均孔径为60μm、平均壁厚为80nm、直径为10.8mm的圆柱形状。在第1声匹配层26中传播的大约500kHz的超声波的速度为1200m/s，厚度为600μm。在第2声匹配层27的表面以大约150μm的厚度涂布环氧树脂，并在其上方配置所述第1声匹配层26，通过热加压进行接合。
(d)超声波收发器的形成
将盖板23、驱动端子24a、24b等安装于主体22，得到超声波收发器。
[实施例(I)]
(a)第2声匹配层(环氧玻璃)27的制造
可以使用将有机高分子、无机材料的纤维体、泡沫体、烧结多孔体、玻璃微球或塑料微球用树脂材料粘固而成的材料，对玻璃微球进行热压缩而得到的材料等。在此，将玻璃微球填充于夹具之后使其浸渗环氧溶液，在120℃进行热固化。将该固化的成型体的厚度切削成超声波震荡波长的1/4，得到第2声匹配层27。在第2声匹配层27中传播的大约500kHz的超声波的声速为2500m/s。密度为520kg/m3，厚度为1250μm。
(b)第2声匹配层与壳体、压电体层的接合
将环氧系接合片暂时粘结于壳体29的主体22的顶板22u的两侧之后，利用压电体21和第2声匹配层27对顶板22u夹压并且加热，从而进行固化接合。
(c)第2声匹配层27与第1声匹配层26的层叠
作为第1声匹配层26，使用聚甲基丙烯酰亚胺硬质塑料泡沫ROHACELL(R)(密度为50kg/m3)。将该材料加工成平均孔径为40μm、平均壁厚为200nm、直径为10.8mm的圆柱形状。在第1声匹配层26中传播的大约500kHz的超声波的速度为2000m/s，厚度为100μm。在第2声匹配层27的表面以大约50μm的厚度涂布环氧树脂，并在其上方配置所述第1声匹配层26，通过热加压进行接合。
(d)超声波收发器的形成
将盖板23、驱动端子24a、24b等安装于主体22，得到超声波收发器。
[实施例(J)]
(a)第2声匹配层(环氧玻璃)27的制造
可以使用将有机高分子、无机材料的纤维体、泡沫体、烧结多孔体、玻璃微球或塑料微球用树脂材料粘固而成的材料，对玻璃微球进行热压缩而得到的材料等。在此，将玻璃微球填充于夹具之后使其浸渗环氧溶液，在120℃进行热固化。将该固化的成型体的厚度切削成超声波震荡波长的1/4，得到第2声匹配层27。在第2声匹配层27中传播的大约500kHz的超声波的声速为2500m/s。密度为520kg/m3，厚度为1250μm。
(b)第2声匹配层与壳体、压电体层的接合
将环氧系接合片暂时粘结于壳体29的主体22的顶板22u的两侧之后，利用压电体21和第2声匹配层27对顶板22u夹压并且加热，从而进行固化接合。
(c)第2声匹配层27与第1声匹配层26的层叠
作为第1声匹配层26，使用聚甲基丙烯酰亚胺硬质塑料泡沫ROHACELL(R)(密度为70kg/m3)。将该材料加工成平均孔径为25μm、平均壁厚为400nm、直径为10.8mm的圆柱形状。在第1声匹配层26中传播的大约500kHz的超声波的速度为3000m/s，厚度为1500μm。在第2声匹配层27的表面以大约50μm的厚度涂布环氧树脂，并在其上方配置所述第1声匹配层26，通过热加压进行接合。
(d)超声波收发器的形成
将盖板23、驱动端子24a、24b等安装于主体22，得到超声波收发器。
[参考例(K)]
(a)第2声匹配层(环氧玻璃)27的制造
可以使用将有机高分子、无机材料的纤维体、泡沫体、烧结多孔体、玻璃微球或塑料微球用树脂材料粘固而成的材料，对玻璃微球进行热压缩而得到的材料等。在此，将玻璃微球填充于夹具之后使其浸渗环氧溶液，在120℃进行热固化。将该固化的成型体的厚度切削成超声波震荡波长的1/4，得到第2声匹配层27。在第2声匹配层27中传播的大约500kHz的超声波的声速为2500m/s。密度为520kg/m3，厚度为1250μm。
(b)第2声匹配层与壳体、压电体层的接合
将环氧系接合片暂时粘结于壳体29的主体22的顶板22u的两侧之后，利用压电体21和第2声匹配层27对顶板22u夹压并且加热，从而进行固化接合。
(c)第2声匹配层27与第1声匹配层26的层叠
作为第1声匹配层26，使用聚甲基丙烯酰亚胺硬质塑料泡沫ROHACELL(R)(密度为70kg/m3)。将该材料加工成平均孔径为200μm、平均壁厚为2000nm、直径为10.8mm的圆柱形状。在第1声匹配层26中传播的大约500kHz的超声波的速度为400m/s，厚度为200μm。在第2声匹配层27的表面以大约50μm的厚度涂布环氧树脂，并在其上方配置所述第1声匹配层26，通过热加压进行接合。
(d)超声波收发器的形成
将盖板23、驱动端子24a、24b等安装于主体22，得到超声波收发器。
[参考例(L)]
(a)第2声匹配层(环氧玻璃)27的制造
可以使用将有机高分子、无机材料的纤维体、泡沫体、烧结多孔体、玻璃微球或塑料微球用树脂材料粘固而成的材料，对玻璃微球进行热压缩而得到的材料等。在此，将玻璃微球填充于夹具之后使其浸渗环氧溶液，在120℃进行热固化。将该固化的成型体的厚度切削成超声波震荡波长的1/4，得到第2声匹配层27。在第2声匹配层27中传播的大约500kHz的超声波的声速为2500m/s。密度为520kg/m3，厚度为1250μm。
(b)第2声匹配层与壳体、压电体层的接合
将环氧系接合片暂时粘结于壳体29的主体22的顶板22u的两侧之后，利用压电体21和第2声匹配层27对顶板22u夹压并且加热，从而进行固化接合。
(c)第2声匹配层27与第1声匹配层26的层叠
作为第1声匹配层26，使用聚甲基丙烯酰亚胺硬质塑料泡沫ROHACELL(R)(密度为70kg/m3)。将该材料加工成平均孔径为300μm、平均壁厚为3250nm、直径为10.8mm的圆柱形状。在第1声匹配层26中传播的大约500kHz的超声波的速度为460m/s，厚度为230μm。在第2声匹配层27的表面以大约50μm的厚度涂布环氧树脂，并在其上方配置所述第1声匹配层26，通过热加压进行接合。
(d)超声波收发器的形成
将盖板23、驱动端子24a、24b等安装于主体22，得到超声波收发器。
2.特性的评价
对制作的超声波收发器的灵敏度进行测定。使制作的一对超声波收发器相对，将一方作为发送器，将另一方作为接收器，进行超声波的发送和接收。将参考例(A)的测定结果作为基准，求出标准化的值。另外，通过体积弹性模量评价第1声匹配层的脆性·加工性。具体而言，对于第1声匹配层采用的材料的目录所示的体积弹性模量，求出以参考例(A)的材料的体积弹性模量进行标准化得到的值。表1中归纳示出这些值以及第1声匹配层26和第2声匹配层27的特性。
表1中的性能评价一栏中的标记×、△、〇、◎按照以下范围分类。
(灵敏度)
×：小于1
△：1以上且小于1.5
○：1.5以上且小于2
◎：2以上
(脆性·加工性)
×：1以下
△：2以上且小于5
○：5以上且小于30
◎：30以上
表1
Figure BDA0001753210150000201
3.结果的考察
如表1所示，可知聚甲基丙烯酰亚胺泡沫与二氧化硅多孔体相比，脆性·加工性优异。另外，由实施例B～F的平均气泡直径与灵敏度的关系可知，平均气泡直径为100μm以下、隔壁的平均厚度为1μm以下则灵敏度良好。根据本申请发明人的详细的实验的结果，通过使平均气泡直径为1μm以上且100μm以下、隔壁的平均厚度为50nm以上且1μm以下，超声波收发器的灵敏度提高。另外，可知第1声匹配层的声速大于500m/s则能够得到高的灵敏度。
由实施例G～L与实施例B～F的比较可知，通过层叠体还具备第2声匹配层27，与仅具备第1声匹配层26的情况相比，灵敏度进一步提高。
产业可利用性
本公开的层叠体和超声波收发器，适合用于各种流体的测定用流量计。另外，也适合用于探测目标对象物的探测装置、测定到目标对象物的距离的测距装置等具有声纳性能的各种装置。
附图标记说明
11、12 超声波收发器
22 主体
22u 顶板
22a 内表面
22b 外表面
23 盖板
24a、24b 驱动端子
25 绝缘材料
26 第1声匹配层
27 第2声匹配层
28、28’ 层叠体
29 壳体
31 时间计测部
32 运算部

Claims (19)

1.一种层叠体，具备压电体和第1声匹配层，
所述第1声匹配层直接或经由其它层与所述压电体接触配置，并且包含塑料闭孔泡沫，
所述塑料闭孔泡沫包含多个闭孔，
所述闭孔的平均孔径为1μm以上且100μm以下，
所述第1声匹配层的密度为10kg/m3以上且100kg/m3以下。
2.根据权利要求1所述的层叠体，所述第1声匹配层的声阻抗在5×103kg/s·m2以上且350×103kg/s·m2以下的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的层叠体，所述闭孔的平均相邻间距为50nm以上且1μm以下。
4.根据权利要求1或2所述的层叠体，所述第1声匹配层的声速为500m/s以上。
5.根据权利要求1或2所述的层叠体，所述塑料闭孔泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
6.根据权利要求1或2所述的层叠体，所述第1声匹配层的厚度是在所述第1声匹配层中传播的声波的波长λ的大致1/4。
7.根据权利要求1或2所述的层叠体，还具备位于所述压电体与所述第1声匹配层之间的第2声匹配层，
所述第2声匹配层的密度为50kg/m3以上且1500kg/m3以下，并且大于所述第1声匹配层的密度。
8.根据权利要求7所述的层叠体，所述第1声匹配层的声阻抗Za与所述第2声匹配层的声阻抗Zb的关系为Za<Zb。
9.根据权利要求7所述的层叠体，所述第2声匹配层的厚度是在所述第2声匹配层中传播的声波的波长λ的大致1/4。
10.根据权利要求8所述的层叠体，所述第2声匹配层的厚度是在所述第2声匹配层中传播的声波的波长λ的大致1/4。
11.根据权利要求1或2的任一项所述的层叠体，所述第1声匹配层与所述压电体直接接合。
12.根据权利要求7所述的层叠体，所述第2声匹配层，与所述第1声匹配层和所述压电体直接接触配置。
13.根据权利要求7所述的层叠体，还在所述压电体与所述第2声匹配层之间具备密度为1000kg/m3以上的结构支撑层。
14.根据权利要求13所述的层叠体，所述结构支撑层的厚度小于在所述结构支撑层中传播的声波的波长λ的1/8。
15.一种超声波收发器，具备权利要求1～14的任一项所述的层叠体。
16.一种超声波收发器，具备壳体和权利要求1～6的任一项所述的层叠体，
所述壳体具有主体和盖板，所述主体具备具有顶板的凸形状，所述盖板覆盖所述凸形状的开口，
所述压电体位于所述凸形状内，并固定在所述顶板的内表面，
所述第1声匹配层固定在所述顶板的外表面。
17.一种超声波收发器，具备壳体和权利要求7～10的任一项所述的层叠体，
所述壳体具有主体和盖板，所述主体具备具有顶板的凸形状，所述盖板覆盖所述凸形状的开口，
所述压电体位于所述凸形状内，并固定在所述顶板的内表面，
所述第2声匹配层固定在所述顶板的外表面，
所述第1声匹配层与所述第2声匹配层接触。
18.根据权利要求16或17所述的超声波收发器，所述壳体由金属材料构成。
19.一种超声波流量计，具备流路、时间计测部、运算部以及一对超声波收发器，所述超声波收发器是权利要求15～17的任一项所述的超声波收发器，
所述流路供被测定流体在其中流动，
所述一对超声波收发器配置于所述流路，并收发超声波信号，
所述时间计测部计测所述一对超声波收发器之间的超声波传播时间，
所述运算部基于来自所述时间计测部的信号，计算所述流路的流量。
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