CN112313968A - 超声波传感器 - Google Patents

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桥田昌道
桝田知树
信长贤辉
永原英知
石崎祐大
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Abstract

超声波传感器具备：具有平板部(4a)的金属制构件(4)、与平板部(4a)的一侧的第1面(4b)接合的压电元件(2)、与平板部(4a)的另一侧的第2面(4c)粘接的第1声匹配层(5)、和用于使第1声匹配层(5)与平板部(4a)粘接的粘接剂(3)。超声波传感器的第1声匹配层(5)具有：朝向与平板部(4a)的粘接面而开口的开口部(8a)、和与开口部(8a)连通的空隙(8)，空隙(8)中填充有粘接剂(3)，粘接剂(3)在空隙(8)内固化，从而可以得到锚固效果。

Description

超声波传感器
技术领域
本发明主要涉及进行超声波的发送和接收的传感器。
背景技术
通常，不同的物质间的声阻抗(各物质的密度与声速的乘积)的差异如果小，则超声波透过不同的物质的界面而传递，声阻抗差如果大，则超声波在不同的物质的界面反射。因此，随着声阻抗的差异变小，能量传递效率变高。
然而，压电元件通常由陶瓷(密度和声速高)构成，想要使超声波传递的对象即空气等气体的密度和声速大幅小于陶瓷的密度和声速。因此，从压电元件向气体的能量传递效率变得非常低。为了解决该问题，逐渐采用了如下对策：使声阻抗小于压电元件、且声阻抗大于气体的声匹配层夹设在压电元件与气体之间，来提高能量传递效率。
从声阻抗的观点出发，为了从压电元件经声匹配层向气体传递超声波，效率变得最高的情况下，为满足下式的情况，
Z22＝Z1×Z3···(1)。
此处，
Z1：压电元件的声阻抗
Z2：声匹配层的声阻抗
Z3：被传递物(气体)的声阻抗。
进而，为了使压电元件中产生的超声波以高效率向气体传播，必须较低地抑制声匹配层中传播的超声波的能量损失。声匹配层中传播的超声波的能量损失的主要因素在于，声匹配层中传播的超声波使声匹配层变形从而超声波的能量以热的形式会耗散。因此，用作声匹配层的物质不易变形(弹性模量大)成为条件。
然而，由式(1)判定，声匹配层的声阻抗Z2接近于气体的声阻抗Z3，因此，需要大幅小于固体的声阻抗。然而，声阻抗小的物质成为声速慢、密度小的物质，通常大多情况下为容易变形的物质。出于这种理由，满足作为声匹配层所需的特性的物质少。
即，包含固体的压电元件与气体的声阻抗相差5位数左右，因此，为了满足式(1)，必须使声匹配层的声阻抗比压电元件的声阻抗小3位数左右，因此，满足作为声匹配层的该特性的物质少。
因此，通过使用2层声匹配层，从而压电元件与第一层(第1声匹配层)的声阻抗、第一层的声阻抗与第二层(第2声匹配层(被传递物))的声阻抗中式(1)成立、且在第二层的声阻抗与气体之间式(1)成立的情况下，利用该情况传递效率变得最高，对于以充分的效率使超声波传递逐渐进行了尝试。
此处，对于第1声匹配层，为了向第2声匹配层效率良好地传播超声波，期望变形所导致的能量损失变小的硬质(弹性模量大)的材料，特别期望PEEK(Poly Ether EtherKetone聚醚醚酮)等硬质的树脂。
然而，通常硬质的树脂难以粘接，因此，由于与压电元件的热膨胀率的差异而有接合中产生不良情况的可能性。因此，逐渐采取用于抑制热膨胀率的差异所导致的接合的不良情况的对策(例如参照专利文献1)。
进而，有如下方案：通过在声匹配层中设置贯通孔，从而抑制粘贴时对接合面的气泡混入(例如参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4701059号公报
专利文献2：日本专利第3488102号公报
发明内容
然而，压电元件与声匹配层由面状的粘接剂被接合。压电元件的周围由缓冲构件保持，但是距离缓冲构件远处的部分、即、压电元件的中央附近有这些热膨胀率所产生的应力变大的可能性。进而，具有通常作为声匹配层的优异的特性者的候补为弹性模量大的树脂。此处，作为弹性模量大的树脂，可以举出PEEK等超级工程塑料，但这些树脂可以为难粘接的树脂。
出于以上的理由，使用硬质树脂作为声匹配层的情况下，特别是有在中央附近产生剥离的可能性。另外，设置直径相当于声匹配层的程度以上的贯通孔的情况下，超声波会降低，从而有作为超声波传感器的性能会降低的可能性。
本发明的超声波传感器至少包含：压电元件、与压电元件粘接的第1声匹配层和用于将压电元件与第1声匹配层粘接的粘接剂，第1声匹配层具备具有向与压电元件的粘接面开口的开口部的空隙，空隙中填充有粘接剂。
通过该构成，本发明的超声波传感器中，用于将压电元件与第1声匹配层粘接的粘接剂与在空隙内固化的粘接剂成为一体，从而可以得到锚固效果，可以得到优异的耐久性。
声匹配层与压电元件、或为了确保电传导性而接合于压电元件的金属性的构件粘接。此处，通常压电元件由锆钛酸铅等陶瓷形成。
因此，本发明的超声波传感器中要粘接的对象为难粘接性的树脂、和相对容易粘接的陶瓷或金属。本发明中，声匹配层中具备与开口部连通的空隙，从而填充至空隙后固化的粘接剂与声匹配层通过化学接合而结合，此外通过机械接合、即锚固效应而接合。由此，即使为难粘接(基于化学键的接合脆弱)的声匹配层，也可以担保与压电元件或金属性的构件的牢固的接合。另一方面，粘接剂的反面与陶瓷或金属相对容易地接合。
通过以上的构成，通过将压电元件与声匹配层牢固地接合，从而即使在它们中产生基于热膨胀率的差异的应力的情况下，也不容易剥离，可以提供具有优异的耐久性的超声波传感器。
根据本发明，声匹配层中存在有向接合面开口的开口部和与该开口部连通的空隙，因此，声匹配层与粘接剂通过锚固效应可以得到牢固的接合。因此，声匹配层由难粘接性的材料形成的情况下，对于压电元件也可以得到牢固的接合。具有作为声匹配层的优异的特性的硬质树脂、例如PEEK等超级工程塑料为难粘接性，但通过锚固效应与压电元件进行牢固的接合，从而可以用作声匹配层。如以上，可以提供具有优异的特性和可靠性的超声波传感器。
附图说明
图1为第1实施方式中的超声波传感器的截面示意图。
图2为第2实施方式中的超声波传感器的截面示意图。
图3为第2实施方式中的第1声匹配层的俯视图。
图4为第3实施方式中的超声波传感器的截面示意图。
图5为第3实施方式中的第1声匹配层的俯视图。
图6A为示出第1实施方式中的另一实施例的超声波传感器的截面示意图。
图6B为示出第1实施方式中的另一实施例的超声波传感器的截面示意图。
图6C为示出第1实施方式中的另一实施例的超声波传感器的截面示意图。
具体实施方式
以下，对实施方式，边参照附图边进行说明。
(第1实施方式)
图1为第1实施方式中的超声波传感器的截面示意图。
图1中，超声波传感器1具备：压电元件2、粘接剂3、壳体4、第1声匹配层5、第2声匹配层6、电极7a、7b。
壳体4为有底筒状的金属制构件。压电元件2用导电性粘接剂9接合于作为壳体4的平板部的顶面4a的内侧即第1面4b。第1声匹配层5用粘接剂3接合于作为壳体4的顶面4a的外侧的第2面4c使其与压电元件2对置。进而，第2声匹配层6用粘接剂3接合于第1声匹配层5的未与壳体4对置的面。另外，电极7a连接于压电元件的电极2a，电极7b连接于壳体4。压电元件的电极2b用导电性粘接剂9接合于壳体4，因此，通过在电极7a、7b之间施加规定的电压，从而压电元件2振荡，产生超声波。产生的超声波经由壳体4、第1声匹配层5、第2声匹配层6最终传递至气体。需要说明的是，壳体4可以形成有底筒状的形状，但也可以为平板状。
此处，第1声匹配层5在与壳体4对置的表面具有多个开口部8a，在与壳体4的接合面平行的截面积在开口部8a附近变得最小的楔形或圆锥台形状的空隙8连续地设置于各开口部8a。
而且，本实施方式中，将液态的粘接剂3预先填充至空隙8，以填充至空隙8的粘接剂3湿润的状态使第1声匹配层5的具有开口部8a的表面与壳体4的第2面4c直接接触或间接地借助涂布的粘接剂3接触，粘接剂3固化，从而将壳体4与第1声匹配层5接合。
超声波传感器1所需的特性为，将压电元件2中产生的超声波以高效率传播至气体，因此，需要在确保充分的强度和环境耐久性的同时将压电元件2、壳体4、第1声匹配层5、第2声匹配层6之间接合。
通常，将不同的构件接合而制作的制品期望尽量使它们的热膨胀率近似。这是由于，如果对接合热膨胀率不同者而成的制品施加温度变化，则基于热膨胀率差的剪切力在接合界面发挥作用，防止在界面中产生不良情况。
从这些观点出发，关于压电元件与壳体4、壳体4与第1声匹配层5、第1声匹配层5与第2声匹配层6的接合，俯视时成为如下。
压电元件2通常由陶瓷形成、壳体4通常由金属形成。陶瓷、金属的粘接均相对容易，陶瓷与金属的热膨胀率较近似，因此，它们的接合相对容易。
第1声匹配层5由树脂形成，第2声匹配层6也由树脂形成的情况多，因此，第1声匹配层5与第2声匹配层6的热膨胀率近似，因此，粘接相对容易。
如上述，壳体4大多由金属形成，第1声匹配层5大多由树脂形成，壳体4与第1声匹配层5的热膨胀率通常大幅不同。进而，成为第1声匹配层5的树脂为PEEK等难粘接的可能性高，有时与粘接剂3发生界面剥离。
因此，为了从压电元件2向气体以高效率传播超声波，所需的因素在于确立粘接剂3与第1声匹配层5的接合。
本实施方式中，通过在开口部8a附近设置截面积变得最小的楔形或圆锥台形状的空隙8，从而在空隙8内部固化的粘接剂无法通过开口部8a，因此，可以得到强力的锚固效果，粘接剂3与第1声匹配层5的接合变牢固。因此，即使在粘接剂3与第1声匹配层5之间基于热膨胀率之差的剪切力发挥作用，粘接剂3与第1声匹配层5也不容易剥离。
通过以上的构成，从压电元件2至第2声匹配层可以得到优异的接合，因此，可以提供热冲击等对环境的耐久性优异的超声波传感器。
需要说明的是，本实施方式中，作为空隙8的形状，形成楔形或圆锥台形状，但当然只要在一部分中具有大于开口部8a的开口截面积的截面积即可。
需要说明的是，上述实施方式中，使超声波传感器1形成具有壳体4和第2声匹配层6的构成。然而，即使为如图6A所示的超声波传感器31那样不使用第2声匹配层的构成、如图6B所示的超声波传感器41那样不使用壳体的构成、或如图6C所示的超声波传感器51那样既不使用壳体也不使用第2声匹配层的构成，在不脱离本发明的主旨的范围内，也可以以各种方案实施。
(第2实施方式)
图2为第2实施方式中的超声波传感器的截面示意图，图3为图2所示的第1声匹配层的俯视图，图3所示的虚线表示图2中的截面的位置。
图2中，超声波传感器11包含：压电元件2、粘接剂3、壳体4、第1声匹配层15、第2声匹配层6、电极7a、7b，对于基本的构成，标注了与第1实施方式所示的符号相同的符号的构成要素具有与第1实施方式中的构成要素相同的构成，省略说明。本实施方式中的超声波传感器11与第1实施方式中的超声波传感器1不同之处为第1声匹配层15的结构。
图3中，第1声匹配层15的空隙18为圆筒型，作为从面向壳体4的表面至面向第2声匹配层6的表面贯通的贯通孔，通过将树脂进行注射成型而制作。
本实施方式中，对于壳体4、第1声匹配层15、第2声匹配层6，预先将液态的粘接剂3填充至空隙18，且以粘接剂3湿润的状态将壳体4、第1声匹配层15、和第2声匹配层6重叠。然后，通过使粘接剂3固化，从而壳体4、第1声匹配层15、和第2声匹配层6被接合。
本实施方式中，借助作为空隙18的贯通孔中填充的粘接剂3，将第1声匹配层15的两面的粘接剂结合，因此得到强力的锚固效果，粘接剂3与第1声匹配层15的接合变牢固。
因此，本实施方式中，即使基于热膨胀率之差的剪切力在粘接剂3与第1声匹配层15之间发挥作用，也能够防止不良情况。
根据以上的构成，从压电元件2至第2声匹配层6可以得到优异的接合，因此，可以提供热冲击等对环境的耐久性优异的超声波传感器。
通过为上述密度，从而关于压电元件2、第2声匹配层6，容易使式(1)成立，可以提供具有优异的特性的超声波传感器。
需要说明的是，第1声匹配层15的空隙18(贯通孔)可以通过将树脂进行注射成型而制作，也可以通过机械加工在金属制的圆板上形成贯通孔。
(第3实施方式)
图4为第3实施方式中的超声波传感器的截面示意图，图5为图4所示的第1声匹配层的俯视图。
图4中，超声波传感器21包含：压电元件2、粘接剂3、壳体4、第1声匹配层25、第2声匹配层6、电极7a、7b，基本的构成与第1实施方式所示的符号相同的构成要素表示同一构成，省略说明。本实施方式中的超声波传感器21与第1实施方式中的超声波传感器1不同在于，第1声匹配层25的结构。
图4中，对于第1声匹配层25，通过边将树脂的粉末加热边进行加压而成型从而形成多孔。
粉末例如为大致球形且大小统一，它们如最密填充那样配置的情况下，未以粉末充满的空间相当于第1声匹配层25的空隙28。
此时，空隙28的开口部由配置于最表面附近的粉末形成，表明，空隙28具有至少一处以上与该开口部相比具有同等以上的面积的部分。
以具有这种特征的空隙28中填充有液态的粘接剂3的状态，使壳体4、第1声匹配层25和第2声匹配层6重叠并使浸润展开的状态的粘接剂3固化，从而实现牢固的接合，可以提供具有优异的可靠性的超声波传感器。
需要说明的是，作为第1声匹配层25的空隙28(多孔)的制成方法，通过边将金属的粉末加热边进行加压，从而也可以进行成型。
(实施例)
以下，根据实施例，对本发明更详细地进行说明。
实施例中，作为超声波传感器的第1声匹配层的粘接强度的比较方法，在-40℃和80℃的温度下，使用施加了100次热冲击前后的传感器特性的变化作为指标。
作为超声波传感器的特性的评价指标，将成为基准的超声波传感器设置在距离各实施例中评价的超声波传感器100mm的位置，从各实施例中评价的超声波传感器发出的超声波传播至成为基准的传感器，使用在成为基准的传感器中产生的电动势。
成为基准的传感器如下：使用厚度3.8mm、直径10mm的圆板状的锆钛酸铅作为压电元件，使用厚度0.2mm的SUS304制的材料作为壳体。进而，声匹配层仅形成一层，使用在环氧树脂中添加玻璃球从而使密度为0.5g/cm3者、并使用厚度1.2mm、直径10mm者。
如上述，各实施例中使用的超声波传感器的特性可由从成为基准的超声波传感器中产生的电动势得知。
对于超声波传感器的粘接强度，可认为热冲击试验后的电动势除以热冲击试验前的电动势，其值(灵敏度保持率)大者具有优异的粘接强度。
(第1实施例)
图2所示的第2实施方式中，如下述进行了评价。
使用厚度3.8mm、直径10mm的圆板状的锆钛酸铅作为压电元件2。作为粘接剂3，使用在常温下为液态、通过加热而固化的环氧系的粘接剂。使用厚度0.2mm的由SUS304形成的材料作为壳体4。
作为第1声匹配层15，使用的是：厚度1mm、直径10mm的由PEEK树脂形成、壳体4侧的面的开口部的直径为300μm，第2声匹配层6侧的面的开口部成型有400μm的贯通孔作为空隙8。孔间距离在开口部的直径为400μm的一侧为100μm。
作为第2声匹配层6，使用的是：将聚甲基丙烯酰亚胺树脂发泡而形成包含独立气泡的成型物，并使密度为0.07g/cm3，将其加工成厚度0.8mm、直径10mm的圆板状的材料。
超声波传感器11的组装如下述进行。首先，在常温下使第1声匹配层15浸渍于粘接剂3中，自下方起依次配置壳体4、第1声匹配层15、第2声匹配层6，从第2声匹配层6的上部施加了100g载荷。在该状态下，粘接剂3在第1声匹配层15与壳体4、第1声匹配层15与第2声匹配层6之间浸润展开。
之后，以150℃加热60分钟，从而使粘接剂3固化，自壳体4进行第2声匹配层6的接合。进而，壳体4与压电元件2通过导电性粘接剂接合，壳体4与电极7b、压电元件2与电极7a通过焊料接合。
如上述制作的超声波传感器的电动势为100mV、热冲击试验后的超声波传感器的电动势为98mV。因此，超声波传感器的灵敏度保持率为98％。
(第2实施例)
图2所示的第2实施方式中，如下述进行了评价。
使用厚度3.8mm、直径10mm的圆板状的锆钛酸铅作为压电元件2。使用在常温下为液态、通过加热而固化的环氧系的粘接剂作为粘接剂3。作为壳体4，使用厚度0.2mm的由SUS304形成的材料。
作为第1声匹配层15，使用的是：厚度1mm、直径10mm的由PEEK树脂形成，直径为300μm的贯通孔以空隙18进行成型。孔间距离为100μm。
作为第2声匹配层6，使用的是：将聚甲基丙烯酰亚胺树脂发泡而形成包含独立气泡的成型物，并使密度为0.07g/cm3，将其加工成厚度0.8mm、直径10mm的圆板状的材料。
超声波传感器11的组装如下述进行。首先，在常温下使第1声匹配层15浸渍于粘接剂3中，自下方起依次配置壳体4、第1声匹配层15、第2声匹配层6，从第2声匹配层6的上部施加了100g载荷。在该状态下，粘接剂3在第1声匹配层15与壳体4、第1声匹配层15与第2声匹配层6之间浸润展开。
之后，以150℃加热60分钟，从而使粘接剂3固化，自壳体4进行第2声匹配层的接合。进而，壳体4与压电元件2通过导电性粘接剂接合，壳体4与电极7b、压电元件2与电极7a通过焊料接合。
如上述制作的超声波传感器的电动势为100mV、热冲击试验后的超声波传感器的电动势为98mV。因此，超声波传感器的灵敏度保持率为98％。
与第1实施例相比，判定，超声波传感器的特性、粘接强度均与第1实施例等同。
(第3实施例)
图2所示的第2实施方式中，如下述进行了评价。
使用厚度2.8mm、直径10mm的圆板状的锆钛酸铅作为压电元件2。使用在常温下为液态、通过加热而固化的环氧系的粘接剂作为粘接剂3。使用厚度0.2mm的由SUS304形成的材料作为壳体4。
作为第1声匹配层15，使用的是：厚度1mm、直径10mm的由铝形成，直径为2mm的贯通孔以空隙8成型。孔间距离为200μm。作为第2声匹配层，使用的是：将聚甲基丙烯酰亚胺树脂发泡而形成包含独立气泡的成型物，并使密度为0.07g/cm3，将其加工成厚度0.8mm、直径10mm的圆板状的材料。
超声波传感器11的组装如下述进行。首先，在常温下使第1声匹配层1 5浸渍于粘接剂3中，自下方起依次配置壳体4、第1声匹配层5、第2声匹配层6，从第2声匹配层6的上部施加了100g载荷。在该状态下，粘接剂3在第1声匹配层15与壳体4、第1声匹配层15与第2声匹配层6之间浸润展开。
之后，以150℃加热60分钟，从而使粘接剂3固化，自壳体4进行第2声匹配层的接合。进而，壳体4与压电元件2通过导电性粘接剂接合，壳体4与电极7a、压电元件2与电极7b通过焊料接合。
如上述制作的超声波传感器的电动势为95mV、热冲击试验后的超声波传感器的电动势为95mV。因此，超声波传感器的灵敏度保持率为100％。
认为：与第2实施例相比，超声波传感器的电动势为稍小的值，但基本等同。认为：第2实施例中第1声匹配层的平均密度是：密度为1.3g/cm3的PEEK树脂与密度为1.0g/cm3的环氧树脂的平均值的1.2左右，而第3实施例中，同样地为第1声匹配层的平均密度大至1.6g/cm3左右是因素之一。
另一方面，灵敏度维持率为100％，与第2实施例相比，判定进一步改善。可以判断这是由于，铝与PEEK树脂相比，与由SUS304形成的壳体的热膨胀率之差小，因此，热冲击试验中的剪切力降低。
(第4实施例)
图4所示的第3实施方式中，如下述进行了评价。
使用厚度2.8mm、直径10mm的圆板状的锆钛酸铅作为压电元件2。使用在常温下为液态、通过加热而固化的环氧系的粘接剂作为粘接剂3。使用厚度0.2mm的由SUS304形成的材料作为壳体4。
作为第1声匹配层25，使用的是：边将粉碎PEEK树脂使平均粒径为100μm的粉末加热边进行加热，从而成型为厚度1mm、直径10mm的材料。
超声波传感器21的组装如下述进行。首先，在常温下使第1声匹配层25浸渍于粘接剂3中，自下方起依次配置壳体4、第1声匹配层25、第2声匹配层6，从第2声匹配层6的上部施加了100g载荷。在该状态下，粘接剂3在第1声匹配层25与壳体4、第1声匹配层25与第2声匹配层6之间浸润展开。
之后，以150℃加热60分钟，从而使粘接剂3固化，从而自壳体4进行第2声匹配层的接合。进而，壳体4与压电元件2通过导电性粘接剂接合，壳体4与电极7a、压电元件2与电极7b通过焊料接合。
如上述制作的超声波传感器的电动势为85mV、热冲击试验后的超声波传感器的电动势为85mV。因此，超声波传感器的灵敏度保持率为100％。
与实施方式1～3相比，电动势稍变小。认为这是由于，第1声匹配层成为由PEEK树脂形成的多孔和用环氧树脂填充了其空隙的结构，因此，超声波传播时声阻抗近似，但通过稍重复反射而使效率稍降低。
另一方面，灵敏度保持率与第2实施例相比也得到改善。认为这是由于，第2实施例中，作为第1声匹配层的一部分的PEEK树脂面向壳体，因此是轻微的，但受到了基于热冲击的剪切力所产生的影响，而第4实施例中，颗粒状的PEEK树脂以点接触状面向壳体，即，几乎整面面向由环氧树脂形成的粘接剂。
(第1比较例)
第1实施例中，将空隙8的开口部8a的直径为400μm的面作为壳体侧接合，制作超声波传感器，进行了评价。
如上述制作的超声波传感器的电动势为100mV、热冲击试验后的超声波传感器的电动势为60mV。因此，超声波传感器的灵敏度保持率为60％。
判定制作后的超声波传感器的电动势与第1实施例等同。另一方面，判定，灵敏度保持率与第1实施例相比降低。认为这是由于，通过热冲击试验，如果施加壳体与第1声匹配层中产生的剪切力，则第1声匹配层的空隙内的粘接剂在远离与面方向垂直方向的方向上产生力的分力，因此，变得容易剥离。
(第2比较例)
第2实施例2中，以在第1声匹配层中不设置贯通孔、即不设置空隙的方式制作超声波传感器。
如上述制作的超声波传感器的电动势为100mV、热冲击试验后的超声波传感器的电动势为20mV。因此，超声波传感器的灵敏度保持率为20％。
热冲击试验后的超声波传感器中，壳体和声匹配层容易剥离。进而判定，剥离后，粘接剂基本全部残留于壳体。由此，判断这是因为，由于热冲击试验中产生的壳体与第一整合层的热膨胀率所引起的剪切力而使PEEK树脂界面的接合劣化。
由以上的实施例、比较例判定，将声匹配层与热膨胀率之差较大的材料粘接的情况下，存在有具有与声匹配层的开口部为等同以上的面积的部分的空隙，因此，具有粘接剂的锚固效果更优异的粘接强度，从而得到能改善环境耐久性的超声波传感器。
如以上说明，第1发明的超声波传感器至少包含：压电元件、与压电元件粘接的第1声匹配层和用于将压电元件与第1声匹配层粘接的粘接剂，第1声匹配层具有朝向与压电元件的粘接面而开口的开口部、和与开口部连通的空隙，空隙中填充有粘接剂。
通过以上的构成，第1发明的超声波传感器中，用于将压电元件与第1声匹配层粘接的粘接剂与空隙内固化的粘接剂成为一体，从而可以得到锚固效果，可以得到优异的耐久性。
从压电元件向第1声匹配层以高效率传播超声波，因此，需要确保充分的接合强度。
第1声匹配层为单层的情况下，需要使从压电元件传播的超声波向气体以高效率传播，其如第1声匹配层、第2声匹配层那样由多个声匹配层构成的情况下，需要从第1声匹配层向第2声匹配层、从第2声匹配层向气体以高效率传播。
而且，作为第1声匹配层所需的特性，除式(1)所示的声阻抗特性之外，有时需要抑制第1声匹配层变形所产生的能量损耗(高传播特性)。通常，具有高传播特性的物质硬(高弹性)。进而，满足式(1)且为高弹性的物质大多为PEEK等超级工程塑料。
然而，通常超级工程塑料有难以粘接这样的特性。因此，第1声匹配层具有面向压电元件、或与压电元件接合的构件的开口部，从而填充至空隙后固化的粘接剂与声匹配层不仅通过化学接合进行接合，还通过机械接合、即锚固效应进行接合。由此，即使为难粘接(基于化学键的接合脆弱)，也可以担保牢固的接合。另一方面，粘接剂的反面相对容易与陶瓷或金属接合。
如以上，通过压电元件与第1声匹配层牢固地接合，从而即使在它们中产生基于热膨胀率之差的应力的情况下也不容易剥离，可以提供具有优异的耐久性的超声波传感器。
第2发明的超声波传感器至少包含：具有平板部的金属制构件、与平板部的一侧的第1面接合的压电元件、与平板部的另一侧的第2面粘接的第1声匹配层、和用于将第1声匹配层与平板部粘接的粘接剂。第1声匹配层具有：朝向与平板部的粘接面而开口的开口部、和与开口部连通的空隙，空隙中填充有粘接剂。
通过该构成，第2发明的超声波传感器通过使用于将接合于压电元件的平板部与第1声匹配层粘接的粘接剂与在空隙内固化的粘接剂成为一体，从而可以得到锚固效果，可以得到优异的耐久性。
第3发明的超声波传感器中，第1或第2中的任一个发明中，开口部的开口面积可以为空隙的截面积以下。
通过该构成，可以得到进一步大的锚固效果。
第4发明的超声波传感器中，第1～第3中的任一个发明中，可以具有用粘接剂粘接于第1声匹配层的第2声匹配层，空隙可以具有与第2声匹配层连通的开口部。
第5发明的超声波传感器中，第1～第4中的任一个发明中，第1声匹配层的至少一部分可以为树脂。
在具有空隙的物质中填充液态的粘接剂，固化后的物质的密度成为基于这些物质的密度的存在比率的平均值。
另一方面，声匹配层为压电元件侧的第1声匹配层和层叠于其的第2声匹配层这2层的情况下，第2声匹配层的密度为0.05g/cm3左右时，第一声匹配层的密度(声速的树脂依赖性小，因此声阻抗的密度的依赖性大)基于式(1)时，成为1g/cm3左右。该密度相当于一般的树脂的密度。进而，环氧系等的粘接剂的密度为1g/cm3左右。因此，声匹配层为树脂制，从而在其空隙中填充有密度为1g/cm3左右的粘接剂时的平均密度也成为1g/cm3左右。
因此，通过使声匹配层为树脂，从而可以提供具有优异的特性的超声波传感器。
第6发明的超声波传感器中，第1～第4中的任一个发明中，第1声匹配层的至少一部分可以为无机物或金属。
无机物、金属的耐热性高，因此，通过使用由合金形成的钎焊材料等作为粘接剂，从而可以提供耐热性优异的超声波传感器。
第7发明的超声波传感器中，第1～第6中的任一个发明中，空隙的至少一部分可以为大致圆筒形状。
从工业生产率的观点出发，一部分为大致圆筒形状的声匹配层适于生产。例如，制成大致圆筒形状，在声匹配层的、与压电元件或与压电元件接合的构件相对的面跟与压电元件或与压电元件接合的构件不相对的面之间的贯通孔相当于该空隙。例如声匹配层为热塑性树脂的情况下，这种形状能实现基于注射成型、以机械加工在板状的构件中形成贯通孔的生产。另一方面，声匹配层为金属的情况下，可以实现压铸成型、以机械加工在板状的构件中形成贯通孔。
进而，空隙中填充粘接剂并经固化的状态下，基于声匹配层跟压电元件或与压电元件接合的构件的热膨胀率之差的应力几乎垂直地施加于空隙内的粘接材料，因此，抑制这些界面中产生的不良情况的效果也充分。
第8发明的超声波传感器中，第1～第6中的任一个发明中，空隙的至少一部分可以通过将粉末成型而得到。
通常将粉末成型而得到的构件具备具有比开口部更宽广的面积的空隙。进而，能进行这种成型的物质遍及无机物、金属、树脂等。因此，可以形成具有密度、弹性模量、耐热温度等适当的物性的声匹配层，可以提供具有优异特性的超声波传感器。
第9发明的超声波传感器中，第1～第8中的任一个发明中，粘接剂的固化时的平均密度可以为0.8g/cm3以上且1.5g/cm3以下。
声匹配层为2层、第2声匹配层的密度为0.05g/cm3左右的情况下，第1声匹配层的密度(声速的树脂依赖性小，因此，声阻抗的密度的依赖性大)基于式(1)时，成为1g/cm3左右。该密度相当于一般的树脂的密度。进而，环氧系等的粘接剂的密度为1g/cm3左右。因此，声匹配层为树脂制，从而该空隙中填充密度为1g/cm3左右的粘接剂时的平均密度也成为1g/cm3左右。进而，第2声匹配层的密度大于0.05g/cm3的情况、小于0.05g/cm3的情况下，能得到作为超声波传感器的最大的效率的第1声匹配层的密度分别不同，0.8g/cm3以上且1.5g/cm3以下左右的情况成为最佳。
第10发明的超声波传感器中，第1～第9中的任一个发明中，粘接剂可以以液态填充至空隙后固化而进行接合。
作为一例，为了在声匹配层的空隙中填充液态的粘接剂，与空隙的总体积相比涂布过量的粘接剂的情况下，在声匹配层的表面至少残留有相当于涂布量与空隙的总体积的差值的液态的粘接剂。在这种状态下，压电元件或与压电元件接合的构件跟声匹配层接触时，粘接剂在它们的界面液态浸润展开。
通常，压电元件或与压电元件接合的构件由无机物、金属形成，因此，接合相对容易。因此，液态的粘接剂固化，从而跟压电元件或与压电元件接合的构件由以化学键为主的结合力接合，与声匹配层由以锚固效果为主的结合力接合。通过这些一系列的效果，压电元件或与压电元件接合的构件跟声匹配层被牢固接合，可以提供具有优异可靠性的超声波传感器。
产业上的可利用性
如以上，本发明涉及的超声波传感器适合用于各种流体的测定用流量计。特别适合用于使用环境与室温相比为高温、低温环境下需要优异的耐久性的用途。
附图标记说明
1、11、21、31、41、51 超声波传感器
2 压电元件
3 粘接剂
4 壳体(金属制构件)
4a 顶面(平板部)
5、15、25 第1声匹配层
6 第2声匹配层
8、18、28 空隙

Claims (10)

1.一种超声波传感器，其至少包含：压电元件、与所述压电元件粘接的第1声匹配层和用于将所述压电元件与所述第1声匹配层粘接的粘接剂，
所述第1声匹配层具有：朝向与所述压电元件的粘接面而开口的开口部、和与所述开口部连通的空隙，所述空隙中填充有所述粘接剂。
2.一种超声波传感器，其至少包含：具有平板部的金属制构件、与所述平板部的一侧的第1面接合的压电元件、与所述平板部的另一侧的第2面粘接的第1声匹配层、和用于使所述第1声匹配层与所述平板部粘接的粘接剂，
所述第1声匹配层具有：朝向与所述平板部的粘接面而开口的开口部、和与所述开口部连通的空隙，
所述空隙中填充有所述粘接剂。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的超声波传感器，其中，所述开口部的开口面积为所述空隙的截面积以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的超声波传感器，其中，具有用所述粘接剂粘接于所述第1声匹配层的第2声匹配层，
所述空隙具有与第2声匹配层连通的开口部。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的超声波传感器，其中，所述第1声匹配层的至少一部分为树脂。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的超声波传感器，其中，所述第1声匹配层的至少一部分为无机物或金属。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的超声波传感器，其中，所述空隙的至少一部分为大致圆筒形状。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的超声波传感器，其中，所述空隙的至少一部分是将粉末成型而得到的。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的超声波传感器，其中，所述粘接剂的固化时的平均密度为0.8g/cm3以上且1.5g/cm3以下。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的超声波传感器，其特征在于，所述粘接剂以液态被填充至所述空隙后进行固化，从而进行接合。
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