CN1522360A - 声匹配层、超声波发射接收器及超声波流量计 - Google Patents

声匹配层、超声波发射接收器及超声波流量计 Download PDF

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Abstract

一种声匹配层(1)，由密度小而声速慢的第1声匹配层(2)及密度高于第1声匹配层(2)且声速快的第2声匹配层(3)构成。将声阻抗与超声波发射媒体匹配的第1声匹配层(2)配置在发射媒体侧并将第2声匹配层(3)配置在压电体层侧。其结果是，可以使超声波发射接收器具有高的灵敏度。

Description

声匹配层、超声波发射接收器及超声波流量计
技术领域
本发明涉及用作超声波传感器的声匹配层的声匹配层、进行超声波发射接收的超声波发射接收器及该超声波发射接收器的制造方法、以及使用了该超声波发射接收器的超声波流量计。
背景技术
近年来，对气量计等，正使用着通过测量超声波在传播路径上的传送时间并测定流体的移动速度而测量流量的超声波流量计。
图12示出超声波流量计的测定原理。如图12所示，流体在管内以速度V沿图中所示的方向流动。在管壁103上，彼此相对地设置着一对超声波发射接收器101、102。超声波发射接收器101、102，作为电能/机械能变换元件，用压电陶瓷等压电体构成，因而呈现出与压电蜂鸣器、压电振荡器相同的谐振特性。这里，将超声波发射接收器101用作超声波发射器，将超声波发射接收器102用作超声波接收器。
其动作方式为，当对压电振子施加频率接近超声波发射接收器101的谐振频率的交流电压时，超声波发射接收器101，作为超声波发射器而动作，沿该图中由L1表示的传播路径向其外部的流体中发射超声波，由超声波发射接收器102接收传播到的超声波并将其变换为电压。接着，反过来将超声波发射接收器102用作超声波发射器，将超声波发射接收器101用作超声波接收器。通过对压电振子施加频率接近超声波发射接收器102的谐振频率的交流电压，超声波发射接收器102，沿该图中由L2表示的传播路径向其外部的流体中发射超声波，由超声波发射接收器101接收传播到的超声波并将其变换为电压。按照上述方式，由于超声波发射接收器101、102既起着接收器的作用又起着发射器的作用，所以一般称为超声波发射接收器。
另外，在这种超声波流量计中，如连续地施加交流电压，则将从超声波发射接收器连续地发射超声波，因而很难测定传播时间，所以，通常是将以脉冲信号作为传送波的脉冲串电压用作驱动电压。以下，对测定原理进行更详细说明。
当对超声波发射接收器101施加驱动用的脉冲串电压而从超声波发射接收器101发射超声波脉冲串信号时，该超声波脉冲串信号沿距离为L的传播路径传播并在时间t后到达超声波发射接收器102。在超声波发射接收器102中，可以只将传送到的超声波脉冲串信号以高的S/N比变换为电脉冲串信号。将该电脉冲串信号电气放大后，施加于超声波发射接收器101而使其再次发射超声波脉冲串信号。将该装置称作回鸣装置，并将从超声波发射接收器101发射超声波脉冲串后沿传播路径传播而到达超声波发射接收器102所需要的时间称作回鸣周期，将其倒数称作回鸣频率。
在图12中，假定在管中流动的流体的流速为V、流体中的超声波速度为C、流体流动的方向与超声波脉冲的传播方向的角度为θ。在将超声波发射接收器101用作超声波发射器、将超声波发射接收器102用作超声波接收器时，如设从超声波发射接收器101发出的超声波脉冲到达超声波发射接收器1 02的时间即回鸣周期为t1、回鸣频率为f1，则以下的式(1)成立。
f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L     …(1)
相反，如设将超声波发射接收器102用作超声波发射器而将超声波发射接收器101用作超声波接收器时的回鸣周期为t2、回鸣频率为f2，则以下的式(2)成立。
f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L    …(2)
因此，两个回鸣频率的频差Δf，为以下的式(3)，因而可以从超声波传播路径的距离L和频差Δf求出流体的流速V。
Δf＝f1-f2＝2 Vcosθ/L    …(3)
即，可以从超声波传播路径的距离L和频差Δf求出流体的流速V，从而可以根据该流速V检查流量。
在这种超声波流量计中，要求具有一定的精度，为提高其精度，至关重要的是在构成向气体发射超声波或接收通过气体传播到的超声波的超声波发射接收器的压电振子的超声波发射接收面上形成的声匹配层的声阻抗。
图10是表示现有的超声波发射接收器10’的结构的断面图。超声波发射接收器10’，具有压电体层(振动装置)4、声阻抗匹配层(声阻抗匹配装置，以下，称为「声匹配层」)1’、及壳体5。壳体5与声匹配层1’及壳体5与压电体层4之间利用由粘结剂(例如环氧类粘结剂)构成的粘结层粘合。由压电体层4振动产生的超声波，以特定的频率(例如500kHz)进行振动，该振动通过粘结层(图中未示出)传送到壳体，进一步通过粘结层传送到声匹配层1’。经匹配后的振动，作为声波在存在于空间的媒体即气体中传播。
该声匹配层1’的作用在于，使压电体层4的振动能以高的效率在气体中传播。由物质中的声速C和密度ρ按式(4)定义声阻抗Z。
Z＝ρ×C    …(4)
声阻抗，在压电体层4和作为超声波传播媒体的气体中相差很大。例如，构成压电体层4的一般压电体即PZT(锆钛酸铅)之类的压电陶瓷的声阻抗Z1为30×106kg/s·m2左右。而作为发射媒体的气体、例如空气的声阻抗Z3为400kg/s·m2左右。在声波的传播中，在这种声阻抗不同的界面上将产生反射，因而使透过的声波强度减弱。作为解决这种问题的方法，通常已知有一种相对于压电体和气体各自的声阻抗Z1、Z3而在两者之间插入其声阻抗具有式(5)的关系的物质从而减轻声的反射并使声波的透过强度提高的方法。
Z2＝(Z1×Z3)(1/2)    …(5)
满足该条件的声阻抗的匹配后的最佳值为11×104kg/s·m2左右。从式(4)可知，满足该声阻抗的物质，如果是固体则要求密度小而声速慢。作为一般使用的材料，在压电体层(也称「超声波振子」)的振动面上形成和使用着用树脂材料将玻璃空心球(中空的微小玻璃球)或塑料空心球固定后的材料。此外，也可以使用对玻璃空心球进行热压缩的方法、或使熔融材料发泡等方法，这些方法例如已由专利第2559144号公报等公开。
但是，这些材料的声阻抗值，大于50×104kg/s·m2，因此，为了与气体匹配而获得高的灵敏度，需寻求声阻抗更小的材料。
本申请人，在专利申请2001-56501号(申请日：2001年2月28日)中，公开了通过使用干燥凝胶形成声匹配层而使声阻抗比现有的加入玻璃空心球的环氧树脂类进一步减低的方法、及通过对干燥凝胶进行疏水处理而可以提高耐久性的方法。
如上所述，当使声匹配层的声阻抗减小而改进了与作为超声波传播媒体的气体的匹配时，可以使作为超声波发射接收器的灵敏度变得非常高。但是，如象在流量计中从超声波测量传播时间时那样将脉冲信号作为传送波进行超声波的发射接收，则信号的上升边响应性将会恶化，因而很难进行到达时间的判定。即，通常是通过对超声波的接收信号检测超过了一定的到达检测电平的波前信号而进行到达的判定。因此，当信号的上升边灵敏时，超声波的波前差大，因而可以很好地识别用于进行到达判定的波前信号，并能以无误差的方式进行到达判定。与此相反，当信号的上升边不灵敏时，超声波输出的波前差变小，所以，很难识别用于进行到达判定的波前信号，因而在检测中很容易产生误差。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而开发的，其目的是提供一种声阻抗足够小因而可以与作为超声波传播媒体的气体匹配而发射接收高灵敏度的超声波、同时可以改进信号上升边响应性的超声波发射接收器用的声匹配层。进一步，提供一种采用了该声匹配层的超声波发射接收器及采用了该超声波发射接收器的流量计。
本发明的声匹配层，用于使压电体层和气体的声阻抗相匹配，该声匹配层的特征在于：具有密度在50kg/m3以上500kg/m3以下的范围内的第1声匹配层、密度在400kg/m3以上1500kg/m3以下的范围内的第2声匹配层，且上述第1声匹配层的密度小于上述第2声匹配层的密度。
在某一实施形态中，上述第1声匹配层的密度，在50kg/m3以上400kg/m3以下的范围内，上述第2声匹配层的密度，在400kg/m3以上800kg/m3以下的范围内。
在某一实施形态中，上述第1声匹配层的声阻抗Za和上述第2声匹配层的声阻抗Zb的关系为Za＜Zb。
在某一实施形态中，上述第1声匹配层的厚度为在上述第1声匹配层中传播的声波波长λ的大约四分之一。
在某一实施形态中，上述第1声匹配层的声阻抗在5×104kg/s·m2以上20×104kg/s·m2以下的范围内。
在某一实施形态中，上述第2声匹配层的厚度为在上述第2声匹配层中传播的声波波长λ的大约四分之一。
在某一实施形态中，上述第1声匹配层和上述第2声匹配层都含有无机氧化物。
在某一实施形态中，上述第1声匹配层，含有干燥凝胶。
在某一实施形态中，上述第1声匹配层，含有干燥凝胶的粉末。
在某一实施形态中，上述干燥凝胶的固体骨架部含有无机氧化物。
在某一实施形态中，上述无机氧化物为氧化硅。
在某一实施形态中，对上述干燥凝胶的固体骨架部进行疏水处理。
在某一实施形态中，将上述第1声匹配层与上述第2声匹配层直接粘合。
在某一实施形态中，上述第1声匹配层与上述第2声匹配层之间还具有结构支承层，上述结构支承层的密度为1000kg/m3以上，上述结构支承层的厚度小于在上述结构支承层中传播的声波波长λ的八分之一。
本发明的超声波发射接收器，备有压体电层、设在上述压电体层上的上述任何一种声匹配层，将上述第2声匹配层配置在上述压电体层侧。
在某一实施形态中，将上述声匹配层直接粘结在上述压电体层上。
在某一实施形态中，还具有由形成了容纳上述压电体层的凹部的顶板及配置成将上述凹部内的空间密封的底板构成的壳体，上述压电体层，粘结于上述壳体顶板的内表面，上述声匹配层，粘结于上述顶板的上表面，使其隔着上述顶板与上述压电体层彼此相对。
在某一实施形态中，上述壳体由金属材料形成。
在某一实施形态中，将上述壳体的上述顶板与上述第2声匹配层形成为一体。
本发明的超声波发射接收器的制造方法，用于上述任何一种超声波发射接收器，该制造方法的特征在于：包括在上述压电体层上或在将上述压电体层粘结于上述内表面的上述顶板上形成上述第2声匹配层的工序、在这之后在上述第2声匹配层上形成由干燥凝胶构成的上述第1声匹配层的工序。或者，包括在上述第2声匹配层上形成由干燥凝胶构成的上述第1声匹配层从而得到上述声匹配层的工序、将上述声匹配层粘结在上述压电体层上或粘结在将上述压电体层粘结于上述内表面的上述顶板上的工序。
本发明的超声波流量计，备有使被测定流体流过的流量测定部、设在上述流量测定部内并用于发送接收超声波信号的一对超声波发射接收器、测量上述超声波发射接收器之间的超声波传播时间的测量电路、根据来自上述测量电路的信号计算流量的流量运算电路，该超声波流量计的特征在于：上述一对超声波发射接收器，分别由上述任何一种超声波发射接收器构成。
附图说明
图1是本发明实施形态的声匹配层的示意断面图。
图2是本发明实施形态的压电振子的示意断面图。
图3是作为本发明第3形态示出的超声波发射接收器的断面图。
图4是作为本发明第4形态示出的超声波发射接收器的断面图。
图5是示意地表示本发明实施形态的超声波发射接收器制造方法的工序(a)～(e)的图。
图6是示意地表示本发明另一实施形态的超声波发射接收器制造方法的工序(a)～(e)的图。
图7(a)和(b)是示意地表示含有适用于本发明实施形态的声匹配层的粉末干燥凝胶的第1声匹配层的结构的图。
图8(a)～(c)是表示本发明中使用的超声波发射接收器的接收输出特性的图，(a)是采用了单一声匹配层(环氧玻璃)时的特性图，(b)是采用了单一声匹配层(硅石干燥凝胶)时的特性图，(c)是采用了双层声匹配层(硅石干燥凝胶、硅多孔体)时的特性图。
图9(a)～(c)是表示本发明中使用的超声波发射接收器的振动位移频率特性的图，(a)是采用了单一声匹配层(环氧玻璃)时的特性图，(b)是采用了单一声匹配层(硅石干燥凝胶)时的特性图，(c)是采用了双层声匹配层(硅石干燥凝胶、硅多孔体)时的特性图。
图10是表示现有的超声波发射接收器的结构的断面图。
图11是表示使用了本发明的超声波发射接收器的超声波流量计的框图。
图12是用于说明一般的超声波流量计的测定原理的断面图。
具体实施方式
以下，边参照附图边说明本发明的实施形态。
本发明实施形态的声匹配层1，如图1所示，备有密度小而声速慢的第1声匹配层2、密度高于第1声匹配层2且声速快的第2声匹配层3。第1声匹配层2的密度，在50kg/m3以上500kg/m3以下的范围内，第2声匹配层3的密度，在400kg/m3以上1500kg/m3以下的范围内，且第1声匹配层2的密度小于第2声匹配层3的密度。例如，第1声匹配层2的密度，为50kg/m3以上400kg/m3以下，第2声匹配层3的密度为400kg/m3以上800kg/m3以下。
如图2所示，在本发明实施形态的压电振子8中，将第1声匹配层2配置在发射媒体侧，将第2声匹配层3配置在压电体层4侧。通过使用备有如上所述的本发明的声匹配层1的压电振子8，可以提高超声波发射接收器的灵敏度。
例如，图3所示的本发明实施形态的超声波发射接收器10A，具有图1中示出的本发明实施形态的声匹配层1，用以替代图10中示出的现有的超声波发射接收器10’的声匹配层。将声阻抗与超声波发射媒体匹配的第1声匹配层2配置在发射媒体侧。通过采用这种结构，可以得到声阻抗足够小因而可以与作为超声波传播媒体的气体匹配而发射接收高灵敏度的超声波、同时可以改进信号的上升边响应性的优良的超声波发射接收器。
以下，用图8(a)～(c)和图9(a)～(c)详细说明由本发明实施形态的超声波发射接收器的结构所取得的效果。
图8(a)～(c)是表示超声波发射接收器的超声波接收输出特性的图，图中示出各声匹配层的接收波形。
图8(a)和图8(b)，是采用了声匹配层为单层的图10所示现有结构的超声波发射接收器10’的特性图，图8(a)示出采用了玻璃空心球/环氧类声匹配层(厚度1.25mm、声速2500m/S、密度500kg/m3)的情况，图8(b)示出采用了硅石干燥凝胶声匹配层(厚度90μm、声速180m/S、密度200kg/m3)的情况。
图8(c)是表示图3所示的本发明实施形态的超声波发射接收器10A的特性的图。图中示出了采用硅石干燥凝胶声匹配层(厚度90μm、声速180m/S、密度200kg/m3)作为第1声匹配层2、采用硅多孔体声匹配层(厚度750μm、声速1500m/S、密度570kg/m3)作为第2声匹配层3的情况。
首先，从图8(a)与图8(b)的比较可以看出，通过将低密度的硅石干燥凝胶用作声匹配层，与采用了以往一般使用着的玻璃空心球/环氧类的情况相比，接收输出电压的振幅最大幅值(峰间电压)增大，因而使灵敏度提高。
但是，从图8(b)可以看出，与图8(a)相比，接收信号上升边变陲得迟缓。进一步，由于上升边的500kHz超声波信号的各个波前与其前后的波前的输出值差减小，所以根据到达检测电平检测传播时间的容许幅值减小而易于产生检测误差，因而很难进行检测。由此可见，在只将硅石干燥凝胶用作声匹配层的超声波发射接收器中，虽然提高了灵敏度，但必须改进上升边特性。
如图8(c)所示，通过采用由硅石干燥凝胶及将氧化硅焙烧而制成的硅多孔体构成的双层结构的声匹配层，在峰间电压增大因而使灵敏度提高的同时，还可以使上升边特性也取得良好的特性。其原因是，这种声匹配层，既可以由配置在气体侧的密度小而声速慢的第1声匹配层实现与作为超声波传播媒体的气体的声阻抗匹配而提高灵敏度，又可以由配置在压电体层侧的密度高且声速快的第2声匹配层确保良好的上升边特性。
用图9(a)～(c)进一步说明取得这种良好特性的原因。图9(a)～(c)是表示分别与图8(a)～(c)对应的超声波发射接收器的振动位移频率特性的图。
如图9(a)所示，在玻璃空心球/环氧类的声匹配层中，由于与气体的声阻抗匹配不够充分，所以呈现出双极值特性且频带较宽。因此，对超声波脉冲信号的响应良好，因而上升边特性较好。与此不同，在图9(b)所示的硅石干燥凝胶的声匹配层中，由于与气体的声阻抗相匹配，所以呈现出单极值特性而频带变窄。因此，虽然使灵敏度提高，但因很难响应比谐振频率快的变化所以对脉冲信号的上升边特性恶化。
与上述的由单层构成的声匹配层不同，当采用图9(c)所示的本发明的声匹配层的结构时，由于是第1声匹配层和第2声匹配层的双层结构，所以振动位移频率特性呈现出3极值特性，并使频带变宽。因此，既可以加快上升边的响应，又可以由面对着作为发射媒体的气体的第1声匹配层与其进行声阻抗匹配，因而可以减少衰减并使灵敏度提高。
通过采用本发明实施形态的具有双层结构的声匹配层，在向气体发射超声波而进行测量等时使用的超声波发射接收器中，能以在现有的单层声匹配层中不能达到的灵敏度且以良好的响应性进行超声波的发送和接收。进一步，通过使用这种超声波发射接收器，可以提高灵敏度且减小特性偏差，所以可以得到能使流量测量的稳定性提高的超声波流量计。此外，本发明实施形态的声匹配层，典型的结构为双层，但也可以配置3层以上的声匹配层，以便离压电体层越近使声匹配层的密度越高，离发射媒体的表面越近使声匹配层的密度越低。
以下，用附图说明本发明的具体实施形态。
(实施形态1)
在图1中，示意地示出本发明实施形态的声匹配层1的结构。
声匹配层1，具有将密度在50kg/m3～500kg/m3范围内的第1声匹配层2和密度在400kg/m3～1500kg/m3范围内的第2声匹配层3层叠在一起的结构。第2声匹配层3的密度，大于第1声匹配层的密度。
第1声匹配层2的作用在于，通过进行与作为超声波传播媒体的气体的声阻抗匹配而提高灵敏度。这时，第1声匹配层2的声阻抗Za与第2声匹配层3的声阻抗Zb的关系最好为Za＜Zb。作为该第1声匹配层2的声阻抗值，例如，最好是用于使空气和陶瓷压电体的声阻抗相匹配的值即大约为11×104kg/s·m2左右。但是，如以将采用了本发明的声匹配层的超声波发射接收器用于作为其他气体的可燃性气体的流量测量的情况为例，则作为该第1声匹配层的声阻抗值，例如，最好是具有从与氢气对应的5×104kg/s·m2左右的值到与丙烷对应的12×104kg/s·m2左右的值。此外，当还必需考虑其他气体或混合气体等时，声阻抗值在5×104kg/s·m2以上20×104kg/s·m2以下的范围内尤为理想。另外，即使在与对象气体的声阻抗匹配出现若干偏差的状态下，在由第1声匹配层2得到的声阻抗范围内也仍可以取得高的灵敏度，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以下的范围。
为使第1声匹配层2获得上述的声阻抗，应使用密度在50kg/m3以上500kg/m3以下的范围内且声速低于500m/S的声匹配层。这时，第2声匹配层3，最好是密度在400kg/m3以上1500kg/m3以下的范围内、且声速为500m/S以上。可是，应设定为使Za＜Zb的关系成立。此外，第2声匹配层3的声阻抗Zb，最好小于发送超声波的压电体层的声阻抗。
另外，使声阻抗相匹配而提高灵敏度，也与声匹配层的厚度有关。在根据透过声匹配层的超声波在声匹配层与超声波发射媒体的边界面上及声匹配层与超声波振子的边界面上的反射系数求得的超声波的反射率为最小的条件下、即当声匹配层的厚度为超声波波长的四分之一时，透过强度最大。因此，如在结构上使第1声匹配层2的厚度为在该声匹配层中通过的超声波振荡波长的大约四分之一，则在灵敏度的提高上是有效的。进一步，如在结构上使第2声匹配层3的厚度为在该声匹配层中通过的超声波振荡波长的大约四分之一，则也是有效的，使第1声匹配层2及第2声匹配层3的厚度都大约为四分之一波长，最为有效。而所谓超声波振荡波长的大约四分之一，指的是从八分之一到八分之三左右的范围。就是说，如比以上的值小则声匹配层不起作用，当比以上的值大时，因接近于反射率极大的二分之一波长，则反而将使灵敏度降低。
作为本发明的声匹配层1的材料，第1声匹配层2，最好是符合密度在50kg/m3以上500kg/m3以下的范围内且声速低于500m/S的条件的材料。进一步，第2声匹配层3，最好是符合密度在400kg/m3以上1500kg/m3以下的范围内且声速为500m/S以上的条件的材料。
作为第1声匹配层2的具体材料，可供选择的是有机高分子、无机材料的纤维体、泡沫体、烧结多孔体、干燥凝胶等，但最好采用干燥凝胶。
这里，所谓「干燥凝胶」，指的是通过溶胶-凝胶反应形成的多孔体，即，使在凝胶原料液的反应中固化了的固体骨架部含有溶剂而构成湿润凝胶，在经过这一阶段后，通过干燥将溶剂除去而形成干燥凝胶。
作为从湿润凝胶除去溶剂以得到干燥凝胶的干燥方法，可采用超临界干燥、冻结干燥等特别条件下的干燥方法、或加热干燥、减压干燥、自然放置干燥等通常的干燥方法。
超临界干燥，是在使溶剂达到其临界点以上的温度、压力条件的超临界状态下将其除去的方法，由于不存在气液界面而且不对凝胶的固体骨架部施加干燥应力，所以不会发生收缩一类的情况，因而可以获得密度非常低的干燥凝胶。但从其相反的一面看，通过超临界干燥得到的干燥凝胶，有时也会受到使用环境的应力、例如结露或热应力、药品应力、机械应力等的影响。
与此不同，由通常的干燥方法得到的干燥凝胶的特征在于，由于可耐受干燥应力，所以对其后的使用环境中的应力也具有高的耐久性。为以这种通常的干燥方法获得低密度的干燥凝胶，在干燥前的湿润凝胶阶段，就必须使固体骨架部能够耐受应力。例如，可以通过对固体骨架部进行熟化而增加强度、或当进行疏水处理时采用能使固体骨架部增强的温度条件及易于聚合的多官能疏水剂、或控制细孔的大小等实现。特别是，当测量气体流量时，为能在各种各样的环境中使用，最好是用以通常的干燥方法获得的干燥凝胶形成声匹配层。此外，当采用通常的干燥方法时，无需进行象超临界干燥那样的高压过程，所以具有设备简单、操作也易于进行等优点。
由上述方法得到的干燥凝胶，是由毫微米大小的固体骨架部形成平均细孔直径在1nm～100nm范围内的连续气孔的毫微多孔体。因此，在密度为500kg/m3以下、最好是400kg/m3以下的低密度状态下，具有在形成干燥凝胶所具有的特异的网状骨架的固体部分中传播的声速极小、同时通过细孔而在多孔体内的气体部分中传播的声速也极小的性质。因此，作为声速显示出500m/S以下的非常慢的值，并具有可以得到低的声阻抗的特征。
另外，在毫微米大小的细孔部中，细孔尺寸等于或小于气体分子的平均自由行程，因而气体的压降很大，所以，当用作声匹配层时，还具有能以高的声压发射声波的特征。
作为干燥凝胶的材料，可采用无机材料、有机高分子材料等。无机氧化物干燥凝胶的固体骨架部，作为其成分可采用由氧化硅(硅石)或氧化铝(矾土)等通过溶胶-凝胶反应得到的一般的陶瓷。而作为有机高分子干燥凝胶的固体骨架部，可以由一般的热固化性树脂、热可塑性树脂构成。例如，可采用聚氨酯、聚脲、苯酚固化树脂、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等。
另外，也可以使用将这些干燥凝胶材料粉碎后得到的粉末(粉末干燥凝胶)。
作为第2声匹配层3的材料，可采用有机高分子、无机材料的纤维体、泡沫体、烧结多孔体、用树脂材料将玻璃空心球或塑料空心球固定后的材料、将玻璃空心球热压缩后的材料等。
第2声匹配层3，密度大于第1声匹配层2且声速快，因而可使声阻抗增大。更具体地说，采用密度在400kg/m3以上1500kg/m3以下的范围内的材料。该范围的密度，可以获得为发射接收超声波所需的足够的灵敏度而不会使与作为超声波传播媒体的气体的声阻抗匹配产生很大的偏差，同时，在响应性上也可以获得优良的特性。如密度大于以上的值，则因趋近于压电体的声阻抗而使本发明的声匹配层的结构具有的效果降低，所以，很难得到在灵敏度提高和响应性上都能满意的特性。第2声匹配层3的密度的上限也可以是800kg/m3。
作为第2声匹配层3，例如，可以适当地采用以热固化树脂将玻璃空心球成型的声匹配层、将氧化硅原料和高分子小珠混合焙烧并将高分子除去的氧化硅多孔体声匹配层、将玻璃空心球热粘结(热压缩)后成型的声匹配层等。
在第2声匹配层3具有连续气孔结构的情况下，特别是当形成由干燥凝胶构成的第1声匹配层2时，有时会发生原料液的浸透。在这种情况下，虽然在发生了浸透的状态下也能形成第1声匹配层2，但也可以在第2声匹配层3的表面上形成结构支承层，以避免这种浸透。可是，当第1声匹配层2部分地浸透了第2声匹配层3时，也具有使两者的密合性提高的效果。因此，结构可以由第1声匹配层2与第2声匹配层3的组合决定。
当第1声匹配层2和第2声匹配层3都是无机氧化物时，在耐湿可靠性和耐化学药品性上优良，同时在声阻抗的温度特性上也优良。即，如采用无机氧化物干燥凝胶，则可以得到在25℃以上70℃以下的范围内的声阻抗的温度变化率为-0.04％/℃以下(意味着绝对值在0.04％/℃以下)的声匹配层。与此不同，当采用有机高分子凝胶时，很难使上述声阻抗的温度变化率的绝对值在0.04％/℃以下。
如声阻抗的温度变化率小，则例如在后文所述的超声波流量计中使用时，可以在很宽的温度范围上获得高的测定精度。
另外，本发明的第1声匹配层和第2声匹配层最好是通过化学键合形成的结构。按照这种结构，对确保超声波振动下的密合性、操作的简易性、超声波发射接收器使用时的振动耐久性等是有效的。这时，如第1声匹配层的干燥凝胶的无机氧化物是氧化硅，则由于很容易通过溶胶-凝胶反应形成声匹配层所以是合乎要求的。进一步，如第2声匹配层3也使用氧化硅，则一般认为可以减低因材质的不同对特性的影响。当采用这种结构时，第2声匹配层3的氧化硅的表面羟基，很容易与通过溶胶-凝胶反应形成第1声匹配层2时存在的硅烷醇基化学键合，所以能取得很好的效果。
另外，当用无机氧化物形成声匹配层时，因吸湿而悬存着一个耐湿性的课题，所以最好是对无机氧化物的固体骨架部进行疏水处理(防水处理)。通过疏水处理，例如，当被测对象气体中存在水分或杂质时，可以防止受其吸附或附着的影响，所以，能够得到可靠性更高的声匹配层。
无机氧化物的固体骨架部的疏水处理，例如用有机硅烷耦合剂等表面处理剂进行。作为表面处理剂，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卤素类硅烷处理剂、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类硅烷处理剂、六甲基二硅氧烷、二甲基硅氧烷低聚物等聚硅氧烷类硅烷处理剂、六甲基二硅烷基胺等胺类硅烷处理剂、丙醇、丁醇、正己醇、辛醇、癸醇等醇类处理剂等。
另外，如采用将这些处理剂所具有的烷基中的氢的一部分或全部置换为氟后的氟化处理剂，则除疏水性(防水性)外还可以取得防油性、防污性等更为优良的效果。
(实施形态2)
在图2中，示意地示出在本发明实施形态的超声波发送接收器中使用的压电振子8的断面结构。压电振子8，在超声波流量计的超声波发送接收器中使用。
进行电气-超声波相互变换的压电振子8，由压电体层4和在实施形态1中说明过的声匹配层1构成。压电体层4，用于产生超声波振动，它由压电陶瓷或压电单晶体等构成，在厚度方向上极化，并在上下表面上具有电极(图中未示出)。声匹配层1，如上所述，用于向气体发射超声波、或接收通过气体传播到的超声波，它具有将由交流驱动电压激励的压电体层4的机械振动作为超声波以高的效率向外部媒体发射和以高的效率将传播到的超声波变换为电压的作用，并以形成压电体层4的超声波发射接收面的状态在压电体层4的一侧形成。
为提高声匹配层的机械强度并使其易于处理，也可以在第1声匹配层2与第2声匹配层3之间设置结构支承层。作为结构支承层，密度为800kg/m3以上、最好是1000kg/m3以上，该结构支承层的厚度，最好是小于在结构支承层中传播的声波波长λ的八分之一。即，由于结构支承层密度高且声速快，所以当其厚度远小于超声波振荡波长时对超声波的发射接收的影响极小。作为形成结构支承层的材料，可采用金属材料、陶瓷、玻璃之类的无机薄层、塑料薄层等保护覆盖层。在将第1声匹配层2和第2声匹配层3通过粘结层(粘结剂或粘结薄层)粘合时，粘结层可以起到结构支承层的作用。
当采用将压电体层4粘结于壳体内表面而将声匹配层1粘结于壳体外表面的结构时，介于压电体层4和声匹配层1之间的构成壳体的顶板，可以起到结构支承层的作用。
进一步，也可以在第1声匹配层2的表面(气体侧)上形成结构支承层。由于用密度高的材料支承，所以可以取得使声匹配层的使用可靠性提高、密合性提高从而使耐久性也得到提高的理想效果。
(实施形态3)
在图3中，示出本发明实施形态的超声波发射接收器的示意断面图。
图3所示的超声波发射接收器10A，是用实施形态1的声匹配层1和压电体层4构成了压电振子的超声波发射接收器。
超声波发射接收器10A，还具有由形成了容纳压电体层4的凹部的顶板5a及配置成将凹部内的空间密封的底板5b构成的壳体(密闭容器)5。压电体层4，粘合(粘结)于壳体5内表面，声匹配层1，粘合(粘结)于顶板5a的上表面，使其隔着顶板5a与压电体层4彼此相对。
介于压电体层4和声匹配层1之间的顶板5a，也起着结构支承层的作用。顶板5a的厚度，最好远小于超声波振荡波长，理想的情况是小于在上述顶板5a中传播的声波波长λ的八分之一。此外，顶板5a的密度，最好为800kg/m3以上，而1000kg/m3以上尤为理想。
通过用导电性材料(例如，金属材料)制作壳体5，使壳体5在具有结构支承层的作用的同时还可以起到用于使压电体层4振荡或检测接收到的超声波的电极(配线)的作用。在压电体层4的一对主面上形成的电极(图中未示出)，一个通过壳体5与一个端子7连接，另一个通过导线等与另一个端子7连接。因此，壳体5，一般由具有导电性的金属形成。此外，另一个端子7，由绝缘体6将其与壳体5绝缘。
配置成隔着壳体5的顶板5a与压电体层4相对的声匹配层1，从压电体层4侧起沿着向媒体发射超声波的方向按其顺序层叠着第2声匹配层3和第1声匹配层2。通过按上述方式配置声匹配层1，如以上参照图8(c)和图9(c)所述，可以得到灵敏度高、响应性良好的超声波发射接收器10A。
在将可燃性气体作为检测对象时，由于将压电体层4收放在壳体5内，所以可以使压电体层4与该气体隔离。最好是用氮气等惰性气体吹洗着壳体5的内部(凹部)。如采用这种结构，则当用于以可燃性气体为对象的超声波流量计时，具有安全性高的优点。此外，与可燃性气体接触的声匹配层的构成材料，最好是不能与气体起反应或引起燃烧的材料。从这个观点考虑，最好是用无机氧化物构成声匹配层。
在按如上所述方式构成的超声波发射接收器10A中，当在驱动端子7上施加具有频率接近超声波发射接收器的谐振频率的交流信号分量的脉冲串信号电压时，压电体层4以厚度振动模式进行振动，并向气体或液体等流体中发射脉冲串状的超声波。
(实施形态4)
在图4中，示出本发明一实施形态的超声波发射接收器的断面图。
图4所示的超声波发射接收器10B，壳体15的一部分由第2声匹配层13形成，并将压电体层4配置在该壳体15的第2声匹配层13的内表面上，将第1声匹配层12配置在该第2声匹配层13的与压电体层4的配置位置相对的外表面上。第2声匹配层13，也起着结构支承层的作用。因此，第2声匹配层13最好由密度较高的材料构成，如只用第2声匹配层13则很难实现与作为超声波传播媒体的气体的声阻抗匹配。但是，如图4所示，由于采用在第2声匹配层13上进一步层叠第1声匹配层12的结构，所以可以实现与气体的声阻抗匹配，从而使灵敏度提高。
(实施形态5)
在图5中，示出本发明实施形态的超声波发射接收器制造方法的说明图。
本实施形态的超声波发射接收器制造方法，是包含着在压电体层上或将压电体层配置于内表面的壳体上形成第2声匹配层后层叠由干燥凝胶构成的第1声匹配层的工序的方法。
工序(a)：准备第2声匹配层3。
工序(b)：准备压电体层4和壳体5。
工序(c)：用粘结剂等将压电体层4和第2声匹配层3粘合在壳体5上，
工序(d)：在第2声匹配层3上，形成由干燥凝胶构成的第1声匹配层。
工序(e)：安装电极、端子板(壳体5的底板)5b后制成超声波发射接收器。
形成第1声匹配层2的工序(d)，包括在第2声匹配层3上涂敷凝胶原料液的成膜工序、由该凝胶原料液制得湿润凝胶的固化工序、将所制得的湿润凝胶层中的溶剂除去而得到干燥凝胶层的干燥工序。此外，也可以预先形成由干燥凝胶构成的第1声匹配层2，然后将其用粘结剂等粘合在第2声匹配层3上，但当采用上述方法时，最好是能将第1声匹配层2与第2声匹配层3直接粘结(不通过粘结层粘合)。
为提高第1声匹配层2与第2声匹配层3的层叠结构的耐久性，也可以使第1声匹配层2与第2声匹配层3之间进行化学键合。例如，如由无机氧化物构成第2声匹配层3并通过对第2声匹配层3进行清洗处理等而使其表面存在着羟基，则当由无机氧化物的干燥凝胶形成第1声匹配层2时，可以形成化学键。作为在表面上生成羟基的处理方法，可以通过酸洗或减洗等清洗、水洗、紫外线照射、臭氧处理、氧等离子体处理等进行。
另外，当第2声匹配层3为连续气孔体时，由用于形成第1声匹配层2的凝胶原料液进行浸透，可以形成更为强固的化学键。这时，第1声匹配层2和第2声匹配层3最好由相同的无机氧化物形成。通过使第1声匹配层2与第2声匹配层3进行化学键合，可以使声的耦合增强因而提高了灵敏度，同时也有利于提高特性的稳定性和可靠性。
(实施形态6)
在图6中，示出本发明另一实施形态的超声波发射接收器制造方法的说明图。
本实施形态的超声波发射接收器制造方法，是包含着在形成了将由干燥凝胶构成的第1声匹配层2层叠在第2声匹配层3的一个面上的声匹配层1后将声匹配层1粘贴在压电体层4上或粘贴在将压电体层4配置于内表面的壳体5上的工序的制造方法。
工序(a)：准备第2声匹配层3。
工序(b)：将第1声匹配层2层叠在第2声匹配层3的一个面上。该层叠方法，包括在第2声匹配层3上涂敷凝胶原料液的成膜工序、由该凝胶原料液制得湿润凝胶的固化工序、将所制得的湿润凝胶层中的溶剂除去而得到干燥凝胶层的干燥工序。此外，也可以预先形成由干燥凝胶构成的第1声匹配层2，然后将其用粘结剂等粘合在第2声匹配层3上，但当采用上述方法时，最好是能将第1声匹配层2与第2声匹配层3直接粘结(不通过粘结层粘合)。此外，为提高第1声匹配层2与第2声匹配层3的层叠结构的耐久性，可采用与实施形态5相同的方法。
工序(c)：准备压电体层4和壳体5。
工序(d)：用粘结剂等将层叠了第1声匹配层2和第2声匹配层3的声匹配层1、压电体层4和壳体5(c)粘合在一起，
工序(e)：安装电极、端子板(壳体5的底板)5b后制成超声波发射接收器。
(实施形态7)
也可以用干燥凝胶的粉末形成第1声匹配层2。图7(a)所示的第1声匹配层2A，由干燥凝胶的粉末(以下，也称为「粉末干燥凝胶」)2a和添加剂2b构成。通过用干燥凝胶的粉末形成第1声匹配层2A，可以抑制因湿润凝胶干燥过程的不均匀性引起的偏差。此外，当使用粉末干燥凝胶2a时，由于可以预先制作粉末干燥凝胶2a，所以还具有可以提高超声波发射接收器的生产率的优点。即，在上述的超声波发射接收器的制造过程中，由于可以预先执行使凝胶原料液固化而制得湿润凝胶的工序及将其干燥的工序，所以可以提高超声波发射接收器的制造生产率。
粉末干燥凝胶2a的平均粒径，最好在1μm以上100μm以下。当小于该下限值时，将使粉末中的细孔数减少，因而使作为干燥凝胶的特征的效果减低，同时使成形时的添加剂需要量增加，所以，有时很难得到低密度的声匹配层。当粉末干燥凝胶2a的平均粒径大于上限值时，将使对声匹配层的控制变得困难，因此有时很难形成具有足够的厚度均匀性及表面平坦性的声匹配层。
作为用于使粉末干燥凝胶2a相互粘结而提高声匹配层2A的机械强度的添加剂(粘结剂)2b，可以适当地采用具有热粘结性的高分子粉末。当采用液态的材料时，由于浸透到干燥凝胶的细孔内部而使声特性发生变化或使成形性减低，所以最好采用固态材料、特别是粉末。
这里，所谓「热粘结性高分子」，指的是在室温下为固态、而加热后熔融或软化然后固化的高分子。热粘结性高分子，不仅可以采用一般的热可塑性树脂(例如，聚乙烯或聚丙烯等工程塑料)，而且可采用例如在室温下为固态而加热后暂时软化、然后交联固化的热固化性树脂(例如，酚醛树脂、环氧树脂、氨基甲酸乙酯树脂)。而当热固化性树脂包含主剂和固化剂时，也可以将其作为不同的粉末分别添加。当然，也可以将热可塑性树脂和热固化性树脂混合使用。热粘结性高分子粉末的熔融(软化)温度，最好在80℃以上250℃以下的范围内。
在将热粘结性高分子用作添加剂时，典型地，如后文所述起着以下的作用，即当一边将粉末干燥凝胶2a与添加剂的混合粉末加热一边进行加压成形时，通过使熔融(软化)的添加剂随着冷却而固化、和/或通过交联固化，使粉末干燥凝胶2a粘结在一起。
热粘结性高分子粉末的平均粒径，最好在1μm以上50μm以下。当小于该下限值时，由于接近于粉末干燥凝胶2a的细孔直径，因而使粘结性减低。而当大于上限值时，将使成形所需的添加量增加，所以有时很难得到低密度的声匹配层。
另外，热粘结性高分子粉末的添加量，最好在总体的40质量％以下。如超过总体的40质量％，则有时将使成形时的密度增大。此外，为获得足够的机械强度，添加量例如最好在总体的5质量％以上。
为增强上述添加剂(有时称为「添加剂A」)与粉末干燥凝胶的粘结，如图7(b)中示意地示出的声匹配层2B所示，也可以进一步添加纤维(无机纤维(例如玻璃纤维)或有机纤维)或单结晶体短纤维(有时称为「添加剂B」)。在图7(b)的声匹配层2B中，添加剂2b是与上述相同的热粘结性高分子粉末，添加剂2c是短纤维。短纤维的最佳直径范围，最好是大小与上述热粘结性高分子粉末的平均粒径相等。纤维的长度，最好为几μm～几mm左右。
两种添加剂的添加量，相对于总体，最好在40质量％以下，配合比率则根据需要适当设定。
采用了粉末干燥凝胶的声匹配层，还具有易于调整声阻抗的优点。例如，通过将相互间具有不同密度的多种粉末干燥凝胶混合，即可对声阻抗进行调整。进一步，通过调节上述添加剂A(根据需要调节添加剂B)的量，可以调整声阻抗。当然，添加剂A和B的添加量，最好是考虑成形性等而设定在上述范围内。
含有粉末干燥凝胶的第1声匹配层2B，例如，用以下的方法形成。
工序(a)：准备由多孔体构成的低密度的粉末干燥凝胶(密度约为200kg/m3～400kg/m3)和10质量％左右(相对于总体)的添加剂A和添加剂B。这里要准备的干燥凝胶也不一定必须是粉末。也可以是块状。干燥凝胶，例如是平均细孔直径为20nm的硅石干燥凝胶，添加剂A是丙烯粉末，添加剂B是纤维直径为10μm左右的玻璃纤维。
工序(b)：将上述材料放入同一容器内，通过混合粉碎制作微细的粉末。典型地可以用碾磨机执行。这里，调整粉碎条件，以便得到上述的所需平均直径的粉末干燥凝胶。此外，也可以根据需要按粒度大小分级。当然，也可以用另外的方法进行干燥纤维的粉碎工序、混合工序。
工序(c)：将由低密度的粉末干燥凝胶、添加剂A和添加剂B组成的混合粉末称量出所需的量，并一边加热一边进行加压成形。这时，通过在第2声匹配层3的表面上直接进行加压成形，可以将第1声匹配层2与上述第2声匹配层3直接粘合。
另外，在将粉末干燥凝胶与添加剂A和B的混合粉末加压成形之前，最好对混合粉末层施加振动，以使混合粉末层的上表面变得平坦。按照这种方式，可以使所制得的第1声匹配层2A的特性更加均匀。
(实施形态8)
在图11中，示出使用了本发明实施形态的超声波发射接收器的超声波流量计的框图。
图11中的超声波流量计，设置成使被测定流体以速度V在作为流量测定部51的管内沿图示的方向流动。在该流量测定部51的管壁52上，以彼此相对的方式配置着作为本发明的超声波发射接收器的压电振子101及102。这里，将压电振子101用作超声波发射器，将压电振子102用作超声波接收器。此外，在超声波发射器101和超声波接收器102上，通过切换其发射接收的切换电路55，连接着驱动超声波发射接收器101和102的驱动电路54、检测超声波脉冲的接收检测电路56、测量超声波脉冲的传播时间的计时器57、根据计时器57的输出计算流量的计算电路58、对驱动电路54和计时器57输出控制信号的控制电路59。
以下，说明按上述方式构成的超声波流量计的动作。假定被测定流体例如为LP(液化石油)气、超声波发射接收器101和102的驱动频率大约为500kHz。在由控制电路59向驱动电路54输出发送开始信号的同时，开始计时器57的时间测量。当驱动电路54接收到发送开始信号时，驱动超声波发射器101，并发送超声波脉冲。所发送的超声波脉冲在流量测定部内传播，并由超声波接收器102接收。所接收的超声波脉冲，由超声波接收器102变换为电气信号，并输出到接收检测电路56。在接收检测电路56中，确定接收信号的接收计时，在使计时器57停止后，由计算电路58计算传播时间t1。
接着，由切换电路55对与驱动部54和接收检测电路56连接的超声波发射接收器101和102进行切换，并再次由控制电路59向驱动电路54输出发送开始信号，同时开始计时器57的时间测量。与传播时间t1的测定相反，由超声波发射器102发送超声波脉冲，由超声波发射器101接收，并由计算电路58计算传播时间t2。
这里，如假定连接超声波发射器101和超声波接收器102的中心的距离为L、LP气的无风条件下的声速为C、流量测定部51内的流速为V、被测定流体的流向与超声波发射接收器101和102的中心连接线所成的角度为θ，则可以分别求得传播时间t1和t2。而由于距离L已知，所以只要测定出时间t1和t2即可求得流速V，并可以根据该流速V检查流量。
[实施例]
以下，讲述本发明的具体实施例。
(实施例1)
按如下方法制造了本发明的超声波发射接收器。
(a)第2声匹配层(环氧玻璃)的制造
在模具中充填了玻璃空心球后浸含环氧溶液，并在120℃下进行了热固化。将该固化成型体切削成等于超声波振荡波长的四分之一的厚度。
相对于大约500kHz的超声波，声速为2500m/S、密度为500kg/m3、厚度为1.25mm。
(b)第2声匹配层和压电体及壳体的粘合
在壳体顶部的两侧表面上涂刷粘结剂，并在压电体层的一个面及第2声匹配层的一个面上涂刷粘结剂。在该状态下，一边将压电体、第2声匹配层和壳体贴合加压，一边通过加热而进行了固化粘结。
(c)第1声匹配层的层叠
首先，进行硅酸钠的电渗析，配制pH9～10的硅酸水溶液(水溶液中的硅石组分浓度为14重量％)。将该硅酸水溶液的pH值调整为5.5后，在预先在紫外线照射下进行了使其表面生成羟基的清洗的第2声匹配层上涂敷到90μm的厚度。然后使涂膜凝胶化而制得固化了的硅石湿润凝胶层。通过使用二氧化碳在12Mpa、50℃下在容器中进行超临界干燥，制成形成了将硅石干燥凝胶第1声匹配层与环氧玻璃第2声匹配层层叠后的声匹配层的压电振子壳体。
由硅石干燥凝胶构成的第1声匹配层，相对于大约500kHz的超声波，声速为180m/S、密度为200kg/m3。
(d)超声波发射接收器的形成
在形成了声匹配层的壳体上组装盖板、驱动端子等后制成超声波发射接收器。
(实施例2)
按如下方法制造了本发明的超声波发射接收器。
(a)第2声匹配层(硅石多孔体)的制造
将几十μm直径的球状丙烯树脂与直径在1μm以下的烧结硅石粉末混合后进行了加压成型。将该成型体进行干燥后，在900℃下进行焙烧而形成了硅石多孔体。然后，调制成使其厚度为超声波振荡波长的四分之一。
相对于大约500kHz的超声波，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
将按1∶3∶4克分子比调制四甲氧基硅烷、乙醇、氨的水溶液(0.1当量)后的凝胶原料液在预先通过等离子清洗而进行了使其表面生成羟基的清洗的第2声匹配层上涂敷到90μm的厚度。然后使涂膜凝胶化而制得固化了的硅石湿润凝胶层。
将形成了该硅石湿润凝胶层的第2声匹配层在三甲基乙氧基硅烷的5重量％己烷溶液中进行了疏水处理后，通过用二氧化碳进行超临界干燥(12Mpa、50℃)，制成了将硅石干燥凝胶与第2声匹配层层叠后的声匹配层。
另外，由于第2声匹配层上的羟基与四甲氧基硅烷的烷氧基通过反应而进行化学键合，所以可以提供密合性良好的声匹配层。
由硅石干燥凝胶构成的第1声匹配层，相对于大约500kHz的超声波，声速为180m/S、密度为200kg/m3。
(c)声匹配层和壳体、压电体层的粘合
在壳体顶部的两侧表面上临时粘结了环氧类粘结薄层后，一边将压电体层的一个面及第2声匹配层的面和壳体贴合加压，一边通过加热而进行了固化粘结。
(d)超声波发射接收器的形成
在壳体上组装盖板、驱动端子等后制成超声波发射接收器。
(实施例3)
按如下方法制造了本发明的超声波发射接收器。
(a)第2声匹配层(硅石多孔体)的制造
对粒径为几μm～几十μm的烧结硅石粉末进行成型处理，并将所得到的成型体在900℃下进行焙烧而形成了厚度约为超声波振荡波长的四分之一的硅石多孔体。由该硅石多孔体构成的第2声匹配层，相对于超声波(约500kHz)，声速为4000m/S、密度为1200kg/m3、厚度约为2mm。
在该第2声匹配层(硅石多孔体)的一个面上形成了厚度为3μm的玻璃层(密度约为3000kg/m3)，用作结构支承层。该玻璃层的声速大约为5000m/S以上，所以，相对于大约500kHz的超声波，传播声速的波长大于1cm。由于所形成的玻璃层的厚度远小于波长的八分之一，因此对声匹配没有任何影响。
(b)第2声匹配层与第1声匹配层的层叠
一边在40℃～70℃下将按照与实施例2相同的方式在(a)中形成的硅石多孔体的玻璃层表面上形成的硅石湿润凝胶加热，一边进行了疏水处理，然后，通过在氮气气流下以80℃进行加热干燥，制成了将由硅石干燥凝胶构成的第1声匹配层与第2声匹配层层叠后的声匹配层。
由硅石干燥凝胶构成的第1声匹配层，相对于大约500kHz的超声波，声速为180m/S、密度为200kg/m3。
(c)声匹配层和壳体、压电体层的粘合
在壳体顶部的两侧表面上临时粘结了环氧类粘结薄层后，一边将压电体层的一个面及第2声匹配层的面和壳体贴合加压，一边通过加热而进行了固化粘结。
(d)超声波发射接收器的形成
在壳体上组装盖板、驱动端子等后制成超声波发射接收器。
(比较例1)
形成了只采用在实施例1中制作的第2声匹配层(环氧玻璃)的超声波发射接收器。
(比较例2)
仅将按实施例1所述的方法制得的硅石干燥凝胶在压电振子的壳体上用作声匹配层而制作了超声波发射接收器。
以下，对上述实施例1～3及比较例1和2在超声波为500kHz时的发射接收特性临行了比较。将在各实施例、比较例中制作的超声波发射接收器作为相对配置的一对而形成了超声波流量计。这时，对由其中一个超声波发射接收器接收到从另一个超声波发射接收器发射的声波时的输出波形进行了评价。
图8(a)～(c)，示出其一例(比较例1、比较例2、实施例2)。
灵敏度：(实施例2)≈(实施例3)＞(实施例1)＞(比较例2)》(比较例1)
上升边响应性：(实施例1)≈(实施例2)≈(实施例3)≥(比较例1)》(比较例2)
如上所述，关于灵敏度，与以往一般使用着的比较例1的声匹配层相比，在实施例1中呈现出约为10倍、实施例2和实施例3中约为20倍的优良特性。此外，关于上升边响应性，相对于以往一般使用着的比较例1的声匹配层，在实施例1、2和3中呈现出同等、或与其相比有若干改进的特性。即，在图8(a)的比较例1中，超声波的波前在第5个波达到峰值，与此不同，在图8(c)的实施例2中，超声波的波前在第4个波已达到了峰值。因此，可以看出，实施例中制作的本发明的超声波发射接收器，在灵敏度及上升边响应性上都获得了比以往优良的特性。
(实施例4)
按如下方法制造了本发明的超声波发射接收器。
(a)第2声匹配层(硅石多孔体)的制造
按照与实施例3相同的方式，对粒径为几μm～几十μm的烧结硅石粉末进行成型处理，并将所得到的成型体在900℃下进行焙烧而形成了厚度约为超声波振荡波长的四分之一的硅石多孔体。由该硅石多孔体构成的第2声匹配层，相对于大约500kHz的超声波，声速为4000m/S、密度为1200kg/m3、厚度约为2mm。
(b)第2声匹配层与第1声匹配层的层叠
在(a)中形成的硅石多孔体上，将四乙氧基硅烷的聚硅氧烷低聚物作为原料，在异丙醇溶剂中以氨为触媒形成了硅石湿润凝胶。在70℃下将湿润凝胶熟化后，用二甲基二甲氧基硅烷进行了疏水处理。在这之后，通过自然放置将溶剂干燥除去，制成了将由硅石干燥凝胶构成的第1声匹配层与第2声匹配层层叠后的声匹配层。
由硅石干燥凝胶构成的第1声匹配层，相对于超声波(约500kHz)，声速为300m/S、密度约为420kg/m3。将该第1声匹配层的一部分加工成150μm的厚度，制得了最终的声匹配层。
(c)声匹配层和壳体、压电体层的粘合
在具有凹部结构的壳体顶板的两侧表面上涂敷环氧类粘结剂后，将压电体层的一个面与声匹配层的第2声匹配层侧的面通过粘结剂粘合，并一边加压一边将粘结剂加热而固化。
(d)超声波发射接收器的形成
在壳体上组装盖板(底板)、驱动端子等后制成超声波发射接收器。
对按这种方法制作的超声波发射接收器，也用一对进行了发射接收特性的评价，结果发现在灵敏度、上升边响应性上也获得了优于比较例1、比较例2的特性。
按照本发明，提供一种将密度小而声速慢的第1声匹配层与密度大于第1声匹配层且声速快的第2声匹配层层叠而构成的声匹配层。将其应用于超声波发射接收器，并将声阻抗与超声波发射媒体匹配的第1声匹配层配置在发射媒体侧，从而可以得到声阻抗足够小因而可以与作为超声波传播媒体的气体匹配而发射接收高灵敏度的超声波、同时可以改进信号的上升边响应性的优良的超声波发射接收器。
另外，采用本发明的制造方法制成的超声波发射接收器，可以利用声阻抗低的声匹配层提高灵敏度并获得稳定的特性。
进一步，本发明的超声波流量计，由于本发明的超声波发射接收器灵敏度高且特性偏差小，所以能使流量测量的稳定性提高。另外，由于用无机氧化物构成声匹配层，所以可以获得流量测量的温度特性优良的特性，同时，通过对声匹配层进行疏水处理，可以提供在耐湿性上优良的可靠性高的超声波流量计。

Claims (22)

1.一种声匹配层，用于使压电体层和气体的声阻抗相匹配，该声匹配层的特征在于：具有密度在50kg/m3以上500kg/m3以下的范围内的第1声匹配层、密度在400kg/m3以上1500kg/m3以下的范围内的第2声匹配层，且上述第1声匹配层的密度小于上述第2声匹配层的密度。
2.如权利要求1所述的声匹配层，其特征在于：上述第1声匹配层的密度，在50kg/m3以上400kg/m3以下的范围内，上述第2声匹配层的密度，在400kg/m3以上800kg/m3以下的范围内。
3.如权利要求1或2所述的声匹配层，其特征在于：上述第1声匹配层的声阻抗Za和上述第2声匹配层的声阻抗Zb的关系为Za＜Zb。
4.如权利要求1～3的任何一项所述的声匹配层，其特征在于：上述第1声匹配层的厚度为在上述第1声匹配层中传播的声波波长λ的大约四分之一。
5.如权利要求1～4的任何一项所述的声匹配层，其特征在于：上述第1声匹配层的声阻抗在5×104kg/s·m2以上20×104kg/s·m2以下的范围内。
6.如权利要求1～5的任何一项所述的声匹配层，其特征在于：上述第2声匹配层的厚度为在上述第2声匹配层中传播的声波波长λ的大约四分之一。
7.如权利要求1～6的任何一项所述的声匹配层，其特征在于：上述第1声匹配层和上述第2声匹配层都含有无机氧化物。
8.如权利要求1～7的任何一项所述的声匹配层，其特征在于：上述第1声匹配层，含有干燥凝胶。
9.如权利要求8所述的声匹配层，其特征在于：上述第1声匹配层，含有干燥凝胶的粉末。
10.如权利要求8或9所述的声匹配层，其特征在于：上述干燥凝胶的固体骨架部含有无机氧化物。
11.如权利要求10所述的声匹配层，其特征在于：上述无机氧化物为氧化硅。
12.如权利要求10或11所述的声匹配层，其特征在于：对上述干燥凝胶的固体骨架部进行疏水处理。
13.如权利要求1～12的任何一项所述的声匹配层，其特征在于：将上述第1声匹配层与上述第2声匹配层直接粘合。
14.如权利要求1～12的任何一项所述的声匹配层，其特征在于：上述第1声匹配层与上述第2声匹配层之间还具有结构支承层，上述结构支承层的密度为1000kg/m3以上，上述结构支承层的厚度小于在上述结构支承层中传播的声波波长λ的八分之一。
15.一种超声波发射接收器，其特征在于：备有压体电层及设在上述压电体层上的权利要求1～14的任何一项所述的声匹配层，将上述第2声匹配层配置在上述压电体层侧。
16.如权利要求15所述的超声波发射接收器，其特征在于：将上述声匹配层直接粘结在上述压电体层上。
17.如权利要求15所述的超声波发射接收器，其特征在于：还具有由形成了容纳上述压电体层的凹部的顶板及配置成将上述凹部内的空间密封的底板构成的壳体，上述压电体层，粘结于上述壳体的上述顶板的内表面，上述声匹配层，粘结于上述顶板的上表面，使其隔着上述顶板与上述压电体层彼此相对。
18.如权利要求17所述的超声波发射接收器，其特征在于：上述壳体由金属材料形成。
19.如权利要求17所述的超声波发射接收器，其特征在于：将上述壳体的上述顶板与上述第2声匹配层形成为一体。
20.一种超声波发射接收器的制造方法，用于权利要求15～19的任何一项所述的超声波发射接收器，该制造方法的特征在于：包括在上述压电体层上或在将上述压电体层粘结于上述内表面的上述顶板上形成上述第2声匹配层的工序、在这之后在上述第2声匹配层上形成由干燥凝胶构成的上述第1声匹配层的工序。
21.一种超声波发射接收器的制造方法，是权利要求15～19的任何一项所述的超声波发射接收器的制造方法，该制造方法的特征在于：包括在上述第2声匹配层上形成由干燥凝胶构成的上述第1声匹配层从而得到上述声匹配层的工序、将上述声匹配层粘结在上述压电体层上或粘结在将上述压电体层粘结于上述内表面的上述顶板上的工序。
22.一种超声波流量计，备有使被测定流体流过的流量测定部、设在上述流量测定部内并用于发送接收超声波信号的一对超声波发射接收器、测量上述超声波发射接收器之间的超声波传播时间的测量电路、根据来自上述测量电路的信号计算流量的流量运算电路，该超声波流量计的特征在于：上述一对超声波发射接收器，分别由权利要求15～19的任何一项所述的超声波发射接收器构成。
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