CN1839660B - 音响匹配体及其制造方法以及超声波传感器及超声波收发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供音响匹配体及其制造方法。通过将具有至少一种难烧结性的陶瓷粉末的含气泡陶瓷料浆在成形模具内凝胶化而获得凝胶状多孔成形体，将凝胶状多孔成形体干燥及脱脂，以及烧成凝胶状多孔成形体，来制造陶瓷多孔体，将该陶瓷多孔体直接作为超声波传感器的音响匹配层使用，或者将该陶瓷多孔体按照在其表面具有浅的凹部的方式成形，将在该凹部配置了密度小、音速小的其他的多孔体的复合体作为超声波传感器的音响匹配层使用。
Description
技术领域
本发明涉及用于使特别是利用振动机构产生的超声波在气体中有效地传播的或者用于有效地接收在气体中传播的超声波的、包括陶瓷多孔体的音响匹配体，和使用了该音响匹配体的超声波传感器及使用该超声波传感器进行超声波的收发处理的超声波收发装置。
背景技术
已知用多孔体来构成超声波传感器中所使用的音响匹配层(例如特开平6-327098号公报(专利文献1))。
如图16所示，超声波传感器101由被一对对置电极106夹持的压电体(也称作振子)102、与这些对置电极106连接的超声波信号发生装置105构成。
由压电体102产生的超声波穿过音响匹配层103而被向空中发射。该音响匹配层103例如是在环氧树脂中均匀地分散了微小中空球体的结构，其音速为1800m/s，密度为0.7×103kg/m3。
音响匹配层中所使用的多孔体有各种各样的形态。作为其代表性的一个形态，有如下制造的例子，即，将混合了陶瓷粉末和丙烯酸的微小球体的物质薄薄地涂布于薄片上，将在干燥后从薄片上剥下而得的薄膜层叠多张，将叠层体用电炉升温烧结，直至陶瓷粉末结合。因丙烯酸的微小球体被烧掉而形成空隙，形成多孔体。如此制造的多孔体的特征是，空隙微小，空隙被以相同的分布构成(参照特开2002-51398号公报(专利文献2))。
作为其他的音响匹配构件，有将多个微小片集合起来而将各个微小片的接触面相互地结合的构件(例如特开2001-346295号公报(参照专利文献3))。另外，还公布有使用了在树脂中混入了中空球体的音响匹配层材料的音响匹配层的制造方法(特开2002-58099号公报(专利文献4))。
另外，已知利用将中空球状体加热，将软化了的材料在模具中压缩的方法来制造音响匹配构件的方法(参照特开平2-177799号公报(专利文献5))。根据该方法，虽然中空球状体形成基体，在相邻的中空球状体的基体的接点上相互地结合，然而可以获得在中空球状体间存在有空隙的构造体。在特开平2-177799号公报中记载有，该构造体的音速约为900m/s，声阻抗约为4.5×105kg/m2s。由于声阻抗被定义为密度(ρ)和音速(C)的乘积(ρ·C)，因此可以算出该中空球状体的基体的密度约为0.5g/cm3。
另外，已知有由无机氧化物的干燥凝胶构成的音响匹配层(例如参照特开2002-262394号公报(专利文献6))。它也是多孔体构造，带有具有纳米量级的尺寸的孔。此种无机氧化物的干燥凝胶被作为密度为0.5g/cm3以下、音速为500m/s以下的材料获得。
将此种无机氧化物的干燥凝胶作为复合构造的音响匹配层而形成的技术已经由本申请人(美国的受让人)提出(2003年5月14日申请，日本国特愿2003-136327号)。该复合构造的音响匹配层具体来说，具有第1层和第2层，第1层的声阻抗Z1和第2层的声阻抗Z2满足Z1＞Z2的关系，第2层由无机氧化物的干燥凝胶构成。该复合构造的音响匹配层的第1层具体来说是如下制作的，即，在对混合了丙烯酸制微小球体和SiO2粉末和玻璃料的粉体加压后，利用400℃的热处理除去丙烯酸制微小球体，形成空隙，进而利用900℃的热处理进行烧结，在得到了多孔体后，将该多孔体研磨为合适的大小，例如直径达到12mm，厚度达到0.85mm。
所述申请中记载有如下的情况，即，在将音响匹配层利用声阻抗不同的多个构件，特别是不同的构件构成方面是具有实用性的。另外，在所述申请中记载有如下的情况，即，为了将其实现，在所述第1层的音响匹配层(多孔体)中，填充凝胶化及干燥前的具有流动性的无机氧化物材料后固形化，形成所述第2层的音响匹配层。在所述申请中，还记载有如下的情况，即，根据该制造方法，由于第1层和第2层在局部连续而一体化，因此产生物理的形状效应(锚定效应)而在层间难以产生剥离。
像这样，提出了各种各样的音响匹配构件。另外，虽然并未提及作为音响匹配层使用的情况，但是在特开2001-261463号公报(专利文献7) 中公布有如下的方法，即，对将具有难烧结性的陶瓷粉末的含气泡陶瓷料浆凝胶化而得的凝胶状多孔成形体进行干燥、脱脂、烧制，形成陶瓷多孔体。
专利文献1：特开平6-327098号公报
专利文献2：特开2002-51398号公报
专利文献3：特开2001-346295号公报
专利文献4：特开2002-58099号公报
专利文献5：特开平2-177799号公报
专利文献6：特开2002-262394号公报
专利文献7：特开2001-261463号公报
以往的音响匹配构件从其特性及制造的容易性的至少一方的观点考虑，并不能够一定满足。例如，当将音响匹配构件用树脂形成时，使用了它的超声波传感器会受到树脂的温度特性的影响，随温度不同而有时使超声波的收发波形的振幅及周期发生变化。此种由温度造成的变化并不适于用使用了超声波传感器的超声波接收装置进行气体流量测定。
如特开2002-51398号公报中所提出的那样，将含有陶瓷粉末和丙烯酸球的多张薄片层叠的方法虽然可以提供在空隙的大小的均匀性及空隙分布的均匀性方面优良的音响匹配构件，但是制造工序烦杂。另外，由于在利用该方法得到的音响匹配构件中，不残留丙烯酸球，因此形成浪费。所以，该方法在制造成本的方面也是不利的。
利用将多个微小片集合起来而制造多孔体的方法以及按照使中空球状体形成基体的方式制造将中空球状体相互地结合的多孔体的方法得到的音响匹配构件，在接点处的结合很弱，有超声波的传播损耗增大的倾向。
无机氧化物的干燥凝胶具有适于音响匹配构件的优良的特性。将其设为第2层而将其他的多孔体设为第1层的复合构造的音响匹配构件也同样地具有优良的特性。但是，根据作为第1层使用的多孔体，无机氧化物的干燥凝胶和第1层的多孔体之间的结合的强度有时并不充分。另外，特愿2003-140687号中具体记载的第1层的制造方法并不一定可以很容易地实施。例如，利用在对混合了丙烯酸制微小球体和SiO2粉末和玻璃料的粉体加压后，实施丙烯酸制微小球体的除去和烧结的制造方法，来得到的构件需要在烧结后研磨为适当的大小。此种研磨因烧结后所得的构件的尺寸收缩为烧结前的加压后的粉体的尺寸的大约三分之一、并且烧结后的构件中产生翘曲而必需进行。但是，为了使某个构件，特别是主表面达到给定面积，另外，为了使主表面的翘曲及凹凸的程度处于给定范围内而进行研磨的作业一般来说烦杂，需要花费很多时间。
另外，无机氧化物的干燥凝胶强度小，容易破裂，在这一点上并不实用。这是因为，例如在使作为无机氧化物的干燥凝胶的第2层与作为其他的多孔体的第1层复合的音响匹配构件中，第2层的最佳厚度小。例如，当处理频率f为500kHz的超声波时，如果干燥凝胶的音速C为500m/s，则在干燥凝胶中传播的超声波的波长λ由C/f求得，达到1mm。
一般来说，由于音响匹配构件的最佳厚度为在其中穿过的超声波的波长的四分之一，因此由干燥凝胶构成的音响匹配构件的最佳的厚度将非常小，达到0.25mm。另外，由于音响匹配构件的最佳厚度随音速不同而各异，因此为了获得最佳的音响匹配构件，在组装完超声波接收装置后，需要在测定输出的同时，按照可以获得任意的输出的方式研磨第2层而调节厚度。但是，在第2层为干燥凝胶的情况下，在进行研磨之时，第2层的端部容易破损，一般来说难以实现此种厚度。
发明内容
本发明是鉴于以往的音响匹配构件所具有的问题而完成的，其目的在于，提供具有更为优良的特性的音响匹配体，提供有效地利用无机氧化物的干燥凝胶而具有优良的特性的复合构造的音响匹配体，以及提供能够简便地制造此种音响匹配体的制造方法。
为了达成所述目的而进行了研究，结果判明，音响匹配体的特性受到多孔体的孔径和孔径分布的影响，为了实现良好的特性，有效的方法是，使多孔体的孔径小，并且使孔径分布均匀化。另外，作为孔径小并且孔径分布均匀、具有高强度的多孔体的一个例子，着眼于特开2001-261463号公报中所公布的陶瓷多孔体，当将其作为音响匹配体使用时，发现可以获得优良的特性，从而完成了本发明。
另外，对能够在所述无机氧化物的干燥凝胶中不产生破裂等地制造及使用的可能性进行了研究。具体来说，研究了以下的做法，即，在将无机氧化物的干燥凝胶与其他的多孔体复合时，对该其他的多孔体的形状进行加工，形成保护第2层的端部的构成。所以，作为保护第2层的端部的构造，研究了如下的构造，即，在该其他的多孔体上形成凹部，在该凹部内配置无机氧化物的干燥凝胶，以保护端部。在实现此种构造时，为了形成凹部需要对该其他的多孔体进行切削加工等，然而一般的多孔体难以实施切削加工，由此在该作业中需要很多时间和费用。本发明人等发现，如果使用所述特定的陶瓷多孔体，则能够不进行切削加工，而利用成形来形成凹部，可以容易地获得无机氧化物的干燥凝胶的端部被该陶瓷多孔体保护的构成。
即，本发明在第1主旨中，提供如下的音响匹配体，是含有陶瓷多孔体的音响匹配体，该陶瓷多孔体含有构成陶瓷基体(ceramic matrix)的陶瓷粒子，该陶瓷基体规定多个孔部，在该陶瓷基体中形成有陶瓷粒子间空隙。构成该音响匹配体的陶瓷多孔体具有均匀的孔径分布。另外，该陶瓷多孔体除了陶瓷基体所规定的孔部以外，还具有在陶瓷基体中形成的陶瓷粒子间空隙。即，该陶瓷多孔体在作为整体具有高强度的状态下，形成具有很多的空隙的构造，其密度低。另外，因存在有孔部和陶瓷粒子间空隙，陶瓷基体的骨架就不会直线地延伸，而对超声波提供弯曲的路径。该结果会降低超声波的传送速度。所以，该音响匹配体成为具有低密度及低音速的特性的材料，将其作为音响匹配层使用的超声波传感器成为能够有意地提高了超声波的传播特性的装置。
这里，所谓「孔部」是指，在宏观地(例如用倍率20倍左右的显微镜)观察由多个陶瓷粒子构成的陶瓷基体时，被作为空孔识认的部分。所谓「陶瓷粒子间空隙」是指，在构成陶瓷基体的粒子和粒子之间形成的微小的空间，具体来说，是直径为10μm以下的小孔。或者，所谓「孔部」也可以指，通过依照后述的方法使陶瓷料浆发泡而形成的空孔，所谓「陶瓷粒子间空隙」也可以指，无论有无发泡，形成于陶瓷中的空孔。另外，「音响匹配体」这样的用语是为了指作为音响匹配层装入超声波传感器等中前的独立的构件而使用的，当其被装入超声波传感器等中时，就被称作「超声波匹配层」。即，「音响匹配体」和「音响匹配层」在其功能等方面 没有改变的地方，只是具有是否被装入超声波传感器等中的区别。
该音响匹配体的孔径分布的中心值优选处于从100μm到500μm的范围内。当孔径超过500μm时，则有时会给超声波的传播带来障碍。另一方面，当孔径小于100μm时，则虽然不会给超声波的传播带来障碍，但是会像后述所示，在制造由该音响匹配体和其他的音响匹配体构成的复合构造的音响匹配体的情况下有时带来障碍。特别是，在将该其他的音响匹配体如后述所示，通过将液体的原材料浸渍于该音响匹配体中而形成的情况下，当孔径小时，则由于表面的张力，浸渍无法进行，或者难以进行溶液置换。
构成该音响匹配体的陶瓷多孔体具有表层、与该表层连续的内层，该表层的密度最好大于该内层的密度。这里，「密度」这样的用语是指由某个构件或要素的质量和表观的体积求得的密度(即视密度)，在本说明书中，「密度」只要没有特别指出，都是指视密度。根据该构成，由于在表层中可以消除或使空隙更小，因此在将表层与气体面对地配置的情况下，可以将超声波更为有效地向气体传播，在将表层作为安装面的情况下，可以防止粘接剂的浸透，从而可以减少由粘接剂的浸透造成的超声波传感器间的超声波输出的不均。
该陶瓷基体最好含有难烧结性陶瓷。难烧结性陶瓷优选占陶瓷基体的80vol％，更优选占90vol％，进一步优选占100％。
另外，本发明在第2主旨中，提供如下的音响匹配体，是含有第1多孔体及第2多孔体的音响匹配体，
该第1多孔体是含有构成陶瓷基体的陶瓷粒子，该陶瓷基体规定多个孔部，在该陶瓷基体中，形成有陶瓷粒子间空隙的陶瓷多孔体，
第2多孔体是与该第1多孔体相比密度更小、音速更慢的多孔体。该音响匹配体因第2多孔体的存在，与气体的声阻抗的匹配变得更为良好。
该复合构造的音响匹配体最好在第1多孔体中，孔部具有其孔径分布的中心值处于从100μm到500μm的范围内的尺寸。当第1多孔体具有此种尺寸的孔部时，则如后述所示，在用浸渍第2多孔体的起始原料溶液的方法，将第2多孔体与第1多孔体复合一体化时，第2多孔体的原料溶液就容易被浸渍。另外，此种尺寸的孔部对例如频率为500kHz的超声波传播不会带来障碍。
在该复合构造的音响匹配体中，第2多孔体优选由无机氧化物的干燥凝胶形成。通过使用无机氧化物的干燥凝胶，就可以使第2多孔体与第1多孔体相比密度更小，并且可以增强第1多孔体和第2多孔体的接合。
在该复合构造的音响匹配体中，第2多孔体最好由第1多孔体将其外周部包围。即，第2多孔体的表面方向的轮廓(即，决定第2多孔体的表面积的轮廓)最好与第1多孔体接触。这样，就可以防止第2多孔体的外缘破损，例如可以通过研磨第2多孔体所处的表面来控制该复合构造的音响匹配体的厚度。
在该复合构造的音响匹配体中，第2多孔体最好将第1多孔体的孔部及陶瓷粒子间空隙的一部分或全部填充。这样，第2多孔体就会因锚定效应而利用第1多孔体牢固地结合。
本发明在第3主旨中提供如下的音响匹配体的制造方法，包括：将至少具有一种难烧结性的陶瓷粉末的含气泡陶瓷料浆在成形模具内凝胶化而获得凝胶状多孔成形体的工序、将凝胶状多孔成形体干燥及脱脂的工序、以及烧成凝胶状多孔成形体的工序。该方法在如下方面具有特征，即，利用难烧结性的陶瓷粉末及将含气泡陶瓷料浆凝胶化。根据该制造方法，可以简便地制造所述第1主旨中所提供的陶瓷多孔体。另外，根据该制造方法，还能够实现孔部的尺寸及空孔率的控制，由此可以实现所需的密度及音速。另外，根据该方法，由于通过烧成而最终得到的陶瓷多孔体的体积仅从烧成前的凝胶状多孔成形体的体积变化了数个百分点左右，因此可以减小烧成后产生的翘曲。
本发明的第4主旨中提供如下的音响匹配体的制造方法，包括：
利用如下的方法形成第1多孔体的工序，该方法包括如下步骤：将具有难烧结性的陶瓷粉末的含气泡陶瓷料浆在第1成形模具内凝胶化而获得具有1个或多个凹部的凝胶状多孔成形体、将凝胶状多孔成形体干燥及脱脂、以及烧成凝胶状多孔成形体，以及
利用如下的方法在该凹部中形成第2多孔体的工序，该方法包括如下步骤：将第1多孔体配置于第2成形模具内，向该第2成形模具内加入第2多孔体的起始原料溶液，使该起始原料溶液浸渍第1多孔体，以及将该起始原料溶液固体化。
该方法在如下方面具有特征，即，在烧成前的凝胶状多孔成形体中形成用于配置第2多孔体的1个或多个凹部。如前所述，由于第1多孔体可以通过使烧成前后的体积变化小来制造，因此即使预先形成了凹部时，在最终获得的第1多孔体中也可以高精度地得到所需的尺寸的凹部。另外，由于第1多孔体难以产生由烧成造成的翘曲，因此特别是凹部的深度在烧成前后难以变化。该结果使得以所需的并且均匀的厚度在凹部内形成要求尺寸精度的第2多孔体成为可能。所以，该制造方法能够获得将给定尺寸的第2多孔体与第1多孔体一体化了的构成。另外，该制造方法由于不需要为了形成凹部而对第1多孔体进行切削加工，因此根据该制造方法，可以容易地获得第2多孔体的外周部被第1多孔体包围了的构成。
另外，在该制造方法中，第1多孔体不仅具有由陶瓷基体规定的孔部，而且具有陶瓷粒子间空隙，在该孔部和空隙中浸透第2多孔体的起始原料溶液，形成第2多孔体。由此，最终得到的第2多孔体就会发挥更高的锚定效应，更为牢固地与第1多孔体结合。
在该制造方法中，最好将第1多孔体按照使第2成形模具的底面与该凹部相面对的方式配置于第2成形模具内。即，最好第1成形体的凹部与第2成形模具的底面一起形成密闭的空间。通过像这样将第1多孔体配置于第2成形模具中，使第2多孔体的起始原料溶液浸渍第1多孔体，就可以防止在多余的部分形成第2多孔体。
在该制造方法的第1多孔体的形成中，最好在该凝胶状多孔成形体的侧面、上面及下面当中的至少一个面将第1成形模具敞开，来实施由第1成形模具形成的凝胶状多孔成形体的干燥。这样，就可以更为有效地实施凝胶状多孔成形体的干燥。该干燥手法不仅可以很好地适用于获得复合构造的音响匹配体的情况，而且可以很好地适用于制造单层构造的音响匹配体(即第1主旨中所提供的音响匹配体)的情况。
另外，最好通过使第1成形模具的模具壁滑动来实施将第1成形模具敞开的操作。如果利用使成形模具的模具壁滑动的手法，则在干燥工序中，可以有效地抑制凝胶状多孔成形体变形的情况，另外可以不损伤凝胶状多孔成形体的表面的情况下使之露出。
在复合构造的音响匹配体的制造方法中，形成于第1多孔体中的凹部最好是在使含气泡陶瓷料浆流入第1成形模具中后形成。即，最好在使含气泡陶瓷料浆流入不具有用于形成凹部的凸部的第1成形模具内后，实施为了形成凹部而必需的压模等。当像这样在使含气泡陶瓷料浆流入尽可能平坦的状态的第1成形体后形成凹部时，在凹部中就难以产生气体的残留。
在复合构造的音响匹配体的制造方法中，作为第1多孔体的形成中所使用的第1成形模具，优选使用与凝胶状多孔成形体的至少一个表面接触的部分由树脂构成的成形模具。通过适当地选择与凝胶状多孔成形体接触的面的树脂的材料，就可以改变凝胶状多孔成形体的表面状态。使用与凝胶状多孔成形体接触的面由树脂构成的成形模具的做法不仅可以很好地适用于获得复合构造的音响匹配体的情况，而且还可以很好地适用于制造单层构造的音响匹配体(即第1主旨中所提供的音响匹配体)的情况。
在复合构造的音响匹配体的制造方法中，作为第1多孔体的形成中所使用的第1成形模具，优选使用与凝胶状多孔成形体的至少一个表面接触的部分由金属构成的成形模具。通过将与凝胶状多孔成形体接触的面设为金属，在凝胶状多孔成形体的表面就难以存在孔部(含气泡陶瓷料浆的气泡)，从而可以形成致密的表面层。使用与凝胶状多孔成形体接触的面由金属构成的成形模具的做法不仅可以很好地适用于获得复合构造的音响匹配体的情况，而且还可以很好地适用于制造单层构造的音响匹配体(即第1主旨中所提供的音响匹配体)的情况。
本发明在第5主旨中提供如下的超声波传感器，即，包括压电体及音响匹配层，所述单层构造的音响匹配体(即第1主旨中所提供的音响匹配体)或所述多层构造的音响匹配体(即第2主旨中所提供的音响匹配体)为音响匹配层。该超声波传感器因含有本发明的音响匹配体，而可以良好地并且可靠地收发超声波。
本发明在第6主旨中提供如下的超声波收发装置，即，包括压电体及音响匹配层，音响匹配层为所述单层构造的音响匹配体(即第1主旨中所提供的音响匹配体)或所述多层构造的音响匹配体(即第2主旨中所提供的音响匹配体)。该超声波收发装置因含有本发明的音响匹配体，而可以良好地并且可靠地收发超声波。
本发明的音响匹配体的特征在于，具有由陶瓷基体规定的孔部和形成于陶瓷基体中的粒子间空隙。由于该音响匹配体以无机材料为主原料，因此由温度造成的特性变化与树脂相比更小，当将其作为音响匹配层而装入超声波传感器时，超声波传感器即显示出良好的温度特性(即，由温度造成的性能变化小)。另外，该陶瓷多孔体由于可以容易地调整其密度及空隙率，因此本发明的音响匹配体就可以通过调整它们，而具有最适于装入给定的超声波传感器的特性。另外，本发明的复合构造的音响匹配体通过将陶瓷多孔体和无机氧化物的多孔体组合，可以进一步改善与气体的音响匹配。所以，通过将此种复合构造的音响匹配体作为超声波传感器的超声波匹配层装入，就可以提高超声波的收发效率。另外，如果将使用了该超声波传感器的超声波收发装置例如作为气体流量测定装置使用，则可以降低主信号和噪音信号的比率，可以提高该装置的计测精度，并且能够降低接收信号的放大率，因此可以将电路简单化。
附图说明
图1(a)是表示构成本发明的实施方式1的音响匹配体的陶瓷多孔体的剖面的显微镜照片，(b)是表示构成本发明的实施方式1的音响匹配体的陶瓷多孔体的剖面的示意图。
图2(a)是将构成本发明的实施方式1的音响匹配体的陶瓷多孔体的剖面放大表示的显微镜照片，(b)是将构成本发明的实施方式1的音响匹配体的陶瓷多孔体的剖面放大表示的示意图。
图3是表示本发明的实施方式1的音响匹配体的制造方法的工序图。
图4是示意性地表示本发明的实施方式1的音响匹配体的剖面图。
图5(a)及(b)分别是示意性地表示将本发明的实施方式1的音响匹配体作为音响匹配层的超声波传感器的一个例子的剖面图。
图6(a)是示意性地表示本发明的实施方式2的音响匹配体的剖面图，(b)是示意性地表示将本发明的实施方式2的音响匹配体作为音响匹配层的超声波传感器的一个例子的剖面图。
图7是表示构成本发明的实施方式2的音响匹配体的第2多孔体的制造方法的一个例子的工序图。
图8作为本发明的实施方式3，是表示本发明的实施方式2的音响匹配体的制造方法的示意图。
图9是示意性地表示依照本发明的实施方式3制造的音响匹配体的一部分的剖面图。
图10是表示在作为本发明的实施方式4的制造构成本发明的音响匹配体的第1多孔体的方法中所实施的一个工序的示意图。
图11是表示在实施了图10所示的工序后所实施的工序的示意图。
图12是表示在实施了图11所示的工序后所实施的工序的示意图。
图13是表示在实施了图12所示的工序后所实施的工序的示意图。
图14是表示本发明的实施方式5的超声波流量计的构造的方框图。
图15是利用本发明的实施方式5的超声波流量计得到的波形图。
图16是示意性地表示以往的超声波传感器的剖面图。
其中，1...陶瓷多孔体，2...陶瓷基体，3...孔部，4...表层，5...内层，6...陶瓷粒子，7...陶瓷粒子间空隙，17...振子，18...振子安装机构，19...粘接机构，21...盖，22...端子，23...导电性橡胶，24...端子，20...气体，25...表层，26...内层，40...孔部，41...陶瓷基体，42...第1多孔体，43...第2多孔体，44...音响匹配体，61...第2成形模具，62...容器，63...凹部，64...起始原料溶液，65...陶瓷基体，66...孔部，70...成形模具，71...上面部，72...导引部，73...侧面部，74...固定底面部，75...移动底面部，76...隔块，77...含气泡陶瓷料浆，81...流路，82...超声波传感器A，83...超声波传感器B，84...发送机构，85...接收机构，86...计时机构，87...切换机构，88...超声波收发装置(流量测定装置)，89...运算机构
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的实施方式进行说明，然而应当注意，本发明并不限定于这些实施方式。
(实施方式1)
作为本发明的实施方式1，对由特定的陶瓷多孔体构成的音响匹配体进行说明。图1中，(a)是表示构成本发明的音响匹配体的陶瓷多孔体的剖面的显微镜照片，(b)是表示构成本发明的音响匹配体的陶瓷多孔体的 剖面的示意图。图1中，1表示陶瓷多孔体(音响匹配体)，2表示陶瓷基体，3表示由陶瓷基体2规定的孔部，4表示表层，5表示内层。图2是将陶瓷基体2的局部放大了的图，(a)是将陶瓷基体的剖面放大了的显微镜照片，(b)是表示陶瓷基体的放大剖面的示意图。图2中，6表示陶瓷粒子，7表示陶瓷粒子间空隙。
陶瓷基体2由公知的氧化物类或非氧化物类的陶瓷或粘土矿物等构成。陶瓷基体是将这些陶瓷成分单独使用或组合2种以上而构成的。作为氧化物类陶瓷，可以举出氧化铝类、莫来石类及氧化锆类，作为非氧化物类陶瓷，可以举出碳化硅类、氮化硅类、氮化铝类、氮化硼类及石墨类。
陶瓷基体2是规定多个孔部3的骨架，该骨架的一部分或全部由陶瓷粒子构成。陶瓷基体2例如具有陶瓷粒子(例如碳化硅粒子)相互结合在一起的构造，此种构造被认为是通过将陶瓷粒子借助氧结合而获得的。这里，所谓「陶瓷粒子结合在一起」是指按照能够将声波在陶瓷粒子间传播的方式相互接触的意思。陶瓷粒子一般来说是在烧成工序中被结合的。构成陶瓷基体的粒子的平均粒径优选10μm以下，更优选5μm以下，进一步优选1μm以下，最优选0.6μm以下。当构成陶瓷基体的陶瓷粒子的平均粒径超过10μm时，则在依照后述的方法制造音响匹配体时，就会有料浆中的粒子的分散性降低的情况。
由陶瓷基体2规定的孔部3相当于在依照后述的方法制造音响匹配体时，在陶瓷料浆中由发泡剂生成的气泡。如前所述，该孔部是在将音响匹配体的剖面放大20倍左右观察时，被作为空孔识认的部分。为了使该陶瓷多孔体作为超声波传感器等的音响匹配层发挥作用，需要适当地选择孔部3的大小。具体来说，孔部3的大小与在该音响匹配体中传播的超声波的波长相比，需要充分小。
当将超声波的频率f设为500kHz，将音响匹配体的音速C设为2000m/s时，在音响匹配体中传播的超声波的波长λ为λ＝c/f＝4mm＝4000μm。此时，当音响匹配体的孔部的大小在300μm以上时，则孔部3对于超声波传播的影响变大，从音响匹配体输出的超声波的能量减少。所以，在使此种超声波传播的情况下，本发明的音响匹配体最好被制成使孔部3的孔径分布的中心值达到300μm以下的尺寸。另外，如果考虑一般的超声波的频率(150kHz～1500kHz)，则孔部3最好被制成具有使其孔径分布的中心值处于从100μm到500μm的范围内的尺寸。孔部3的孔径是根据陶瓷多孔体的剖面照片，将连结孔部的轮廓的任意的2点的线段当中的最长的线段作为孔径来决定的。在多个孔部连结在一起的情况下，按照使相连结的各孔部成为独立的圆形剖面或椭圆形剖面的孔部的方式引出辅助线，求得引出辅助线后的孔部的孔径。孔部的孔径分布最好通过对任意的100～10000个孔部测定孔径来求得。
在该音响匹配体中，在陶瓷粒子6之间存在有微小的陶瓷粒子间空隙7。该空隙是微观的空隙，其孔径小于10μm。陶瓷粒子6间既可以被局部地夹隔玻璃而结合，或者陶瓷粒子6间也可以被不夹隔玻璃地结合。
由于此种具有孔部3和陶瓷粒子间空隙7的陶瓷多孔体1，具有约为0.4～0.8g/cm3的密度，音速C达到2000m/s～约3000m/s左右，因此可以作为音响匹配体发挥作用。该陶瓷多孔体1的综合了孔部3和陶瓷粒子间空隙7的空孔率优选60vol％以上，更优选90vol％以上。
图示的陶瓷多孔体1具有表层4及与之连续的内层5。表层4未形成孔部3，或孔部3的比例与内层5相比更小，是致密的层，提供平滑的表面。表层4最好具有内层的密度的2.5倍以上、8.5倍以下的密度。表层4最好具有10～30μm左右的厚度。当表层4的厚度超过30μm时，则表层4对超声波传播造成的影响变大。另外，一般来说不容易使表层4的厚度小于10μm。具有表层4和内层5的音响匹配体如后述所示，在超声波传感器等中，表层4配置于气体侧即可。表层4虽然密度高，但是由于薄，因此不会对声阻抗造成大的影响，然而当配置于气体侧时，由于将气体用平滑的表面推压，因此可以有效地将超声波向气体20传播。或者，也可以将表层4按照与振子安装构件(即容器)面对的方式配置。该情况下，没有孔部或较少的表层4将有效地防止粘接剂向音响匹配体1内部浸透。
另外，为了使之作为音响匹配体发挥作用，陶瓷多孔体1的陶瓷粒子间的结合需要充分地牢固。在陶瓷粒子间的结合弱的陶瓷多孔体1中，超声波难以传递，另外，多孔体变脆。
形成有具有如上所述的尺寸的孔部3及陶瓷粒子间空隙7，并且陶瓷粒子间的结合十分牢固的陶瓷多孔体例如可以如下制造，即，对将具有难烧结性的陶瓷粉末的含气泡陶瓷料浆凝胶化而得的凝胶状多孔成形体，实施干燥、脱脂及烧成工序。参照图3对其制造方法进行说明。
如图3所示，本发明的音响匹配体的制造方法大致分为混合料浆的烧成(步骤11)、含气泡料浆的调制(步骤12)、成形工序(步骤13)、干燥工序(步骤14)、脱脂·烧成工序(步骤15)及切割工序(步骤16)。将各工序中被具体实施的工序在图中右侧作为流程图表示。另外，在图中的正中的列中记载有各工序中所使用的材料。
步骤11包括：将作为投入材料的陶瓷粉末(例如碳化硅和玻璃)及水(根据需要还混合有机溶剂)例如用球磨混合及粉碎而制作混合料浆的混合·粉碎工序、将所得的混合料浆脱泡的脱泡工序。陶瓷粉末至少具有一种难烧结性的陶瓷粉末。难烧结性的陶瓷粉末例如为碳化硅。难烧结性陶瓷优选占陶瓷粉末整体的80vol％，更优选占90vol％，进一步优选占100vol％。难烧结性陶瓷的比例越大，则在后面的烧成工序中，就可以越加减小体积变化，另外也越加难以产生翘曲。粉碎是被按照使粒子的大小统一的方式实施的。脱泡是在填充了氮的手套等中进行的。由此，在脱泡工序之前，实施脱气·氮置换工序。
步骤12是在氮气气氛中向混合料浆中添加表面活性剂(起泡剂)及凝胶化剂后用搅拌机将其混合的起泡工序。该工序中，表面活性剂的种类、陶瓷粉末的种类、搅拌机速度、搅拌时间及温度成为决定含气泡(即在陶瓷多孔体中由陶瓷基体规定的孔部)的大小及分布的参数。所以，为了获得所需的孔部，需要适当地选择这些参数。该工序是决定多孔构造的重要的工序。
步骤13是将所得的含气泡陶瓷料浆转移至任意形状的成形模具，使之凝胶化，形成凝胶状多孔成形体的工序。凝胶化是通过将料浆在被密闭了的成形模具中放置数十分钟而进行的。成形模具例如也可以是直径10～20mm左右的圆筒形，特别是10.8mm的圆筒形。
步骤14是为了将凝胶状多孔成形体从模具中取出，将水分及一部分的有机成分除去而实施的工序。凝胶状多孔成形体由于结实(被固化)得能够用手来持握，因此处理十分容易。或者在步骤14中，也可以通过使成形模具的模具壁的一部分滑动，使凝胶状多孔成形体的上面、下面及侧 面当中的至少一个面露出来实施。这样，由于不需要从成形模具中将凝胶状多孔成形体取出，因此能够减小凝胶状多孔成形体损伤的可能性。
实施干燥时最好使得凝胶状多孔成形体中所含的气泡不分解、移动及集聚等。例如，最好在20℃以上30℃以下的温度下，花费48小时以上的时间，慢慢地使凝胶状多孔成形体干燥。
步骤15包括：为了将干燥后的多孔成形体中所含的多余的有机成分除去而加热至必需的温度的脱脂工序、为了使陶瓷粉末结合形成基体而在高温下实施烧成的烧成工序。具体来说，脱脂的温度及时间根据所使用的有机成分的种类及量来决定，例如为了烧掉凝胶化剂，在400～700℃下实施24～48小时处理即可。烧成温度要根据所使用的陶瓷粉末(即玻璃或难烧结性陶瓷粉末)来决定。例如，作为陶瓷粉末，在使用碳化硅及比其熔点更低的玻璃的情况下，烧成例如是在800℃左右下进行的。烧成时间例如设为12～48小时即可。当使用含有碳化硅和玻璃的陶瓷粉末时，在该烧成工序中，一部分的碳化硅粒子将借助玻璃被相互结合，大部分的碳化硅粒子将借助氧而被相互结合。另外，作为陶瓷粉末，也可以仅使用碳化硅，该情况下，将烧成温度设为900℃～1350℃，将烧成时间设为例如12～48小时即可。
步骤16是将所得的烧成体(陶瓷多孔体)切削为其作为音响匹配体发挥作用所必需的尺寸的工序。音响匹配体的最佳的厚度t是将陶瓷多孔体的音速设为C，将超声波的频率设为f，根据t＝C/(4f)的式子求得的。所以，例如在所得的陶瓷多孔体的音速C约为2000m/s，所使用的超声波的频率f为500kHz的情况下，最好按照使t＝1mm的方式进行切削加工。
在如图1所示的一个陶瓷多孔体中，具有表层4及内层5的构造可以在图3所示的步骤12的含气泡陶瓷料浆的调制工序中所含的气泡工序及步骤13的成形工序中，利用使气泡倾斜取向的方法来形成。具体来说，使气泡倾斜取向的操作，在步骤11中，是通过调整混合料浆的固形成分率或粘度来实施的。
或者，更为简便的方法是，在步骤13的成形工序中，当使用与含气泡料浆接触的部分(即，与固化后的凝胶状多孔成形体的至少一个表面接触的面)由特定的树脂或金属构成的成形模具时，则在与成形模具的界面上，气泡就无法存在于陶瓷料浆中。该气泡无法存在的部分被作为表层4形成。作为树脂，例如当选择PET树脂时，则可以形成致密的表层4。作为金属，例如可以选择不锈钢。因含气泡料浆与金属面接触而形成的表层有比因与树脂面接触而形成的表层更厚的倾向。另外，在成形模具的表面例如由特富龙(注册商标)构成的情况下，与之接触的凝胶状多孔体的表面就无法形成致密的表层，容易形成具有孔部的面。
如此制造的陶瓷多孔体成为具有其孔径分布的中心值处于从100μm到500μm的范围内的孔部3、空孔率约为60vol％以上、视密度约为0.4g/cm3～0.8g/cm3的构造体。另外，在陶瓷多孔体中，多个孔部3连结在一起，形成连通孔。由于该构造体的音速如前所述，达到约为2000m/s～约3000m/s左右，因此该构造体能够作为音响匹配层使用。
图4中示意性地用剖面图表示本发明的音响匹配体。图4表示直径10.8mm的圆柱形状的音响匹配体，是厚度被加工为达到约1mm～约1.5mm的音响匹配体。图4中，虽然表示有不具有表层的形态，但是也可以在一方的主表面(与厚度方向垂直的表面)上形成如图1所示的表层。表层虽然也可以被形成于两方的主表面上，但是该情况下，实施了图13的步骤15之后所得的成形体的厚度需要具有所需的厚度。这是因为，当要利用切削来研磨主表面而得到所需的厚度时，一方的表层将被削掉。如图4所示，在获得表层不位于任意的表面上的构造体的情况下，通过适当地选择构成成形模具的露出表面的材料，不形成表层即可。或者在设为烧成后的陶瓷多孔体上所形成的给定的厚度时将表层削掉即可。
图5(a)及(b)中，表示使用了如此制造的陶瓷多孔体的音响匹配体的超声波传感器的剖面图。图5(a)及(b)中，1表示陶瓷多孔体(音响匹配层)，17表示振子，18表示振子安装构件，19表示粘接机构，20表示气体。图示的陶瓷多孔体1是具有表层25及内层26的构造。图5(a)表示表层25被配置于气体侧的超声波传感器，图5(b)表示表层25被与粘接机构19接触地配置的超声波传感器。
粘接机构例如为环氧树脂粘接剂。振子安装构件18由金属制成，通过安装盖21，振子17就被配置于密闭空间中。
盖21由金属制成，通过在其上安装端子22，设于振子17的上下的振子电极的上侧的电极和该端子22就成为被电连接的状态。另外，振子17的下侧的电极被借助导电性橡胶23与另一方的端子24电连接。端子24被与盖21绝缘。
通过向端子22、24施加来自超声波信号发生装置的电信号，振子17即产生纵向振动，该振动向陶瓷多孔体(音响匹配层)1传递。陶瓷多孔体(音响匹配层)1以大于振子17的振幅振动，该振动可以被有效地向气体20传递。
陶瓷多孔体(音响匹配层)1具有可以区分出表层25和内层26的构成。如参照图1所说明的那样，表层25是与内层26相比更为致密的构造，是孔部极少或者不存在孔部的层。表层25的厚度为10～30μm左右。具有表层25和内层26的陶瓷多孔体的制造方法由于如前面参照图3所说明的那样，因此在这里将其说明省略。
在陶瓷多孔体(音响匹配层)1和振子安装构造18的接合中，使用粘接机构19，例如环氧树脂粘接剂。当在陶瓷多孔体(音响匹配层)1的粘接面上存在有孔部时，有时环氧树脂的粘接剂浸透而产生粘接不均。当产生粘接不均时，在相同的规格的超声波传感器中，就会有在超声波输出中产生偏差的问题。为了避免此种问题，如图5(b)所示，将表层25的表面设为与振子安装构件18的接合面即可。
(实施方式2)
图6(a)中，作为本发明的实施方式2，表示了复合构造的音响匹配体，图6(b)中，表示了将该音响匹配体作为音响匹配层的超声波传感器。图6(a)所示的音响匹配体44是直径10.8mm、厚度1.8mm的圆盘型，具有如下的复合构造，即，作为第1多孔体42具有前面所说明的陶瓷多孔体，在形成于第1多孔体42中的凹部中填充有第2多孔体43。
图6(a)中，虽然第1多孔体42被作为具有成为骨架的陶瓷基体41，由陶瓷基体41来规定孔部40的构造体而图示，但是在陶瓷基体41中形成有陶瓷粒子间空隙的情况如参照图1所说明的那样。另外，陶瓷多孔体42与实施方式1的多孔体相同，是对将具有难烧结性的陶瓷粉末(例如碳化硅粉末)的含气泡陶瓷料浆凝胶化而得的凝胶状多孔成形体，进行干燥、脱脂、烧成而制作的。该第1多孔体42中，与实施方式1的音响匹配相同，多个孔部40连结在一起而形成连通孔。
第2多孔体43是与第1多孔体42相比密度更小、音速更小的多孔体。通过使第2多孔体的密度及音速较小，实施方式2的音响匹配体与实施方式1的音响匹配体相比就可以增大超声波输出。具体来说，第2多孔体43优选二氧化硅之类的无机氧化物的干燥凝胶。以下，将参照图7对制造二氧化硅的干燥凝胶的方法进行说明。
如图7所示，二氧化硅的干燥凝胶被大致分为原料准备工序(步骤51)、凝胶化工序(步骤52)、密度调整工序(步骤53)、疏水化处理工序(步骤54)及干燥工序(步骤55)。图7中，将在各工序中被具体实施的工序在图中的正中的列中作为流程图表示。另外，将各工序中所投入的材料表示于图中右侧的列中。
步骤51是在作为主原料的四乙氧基硅烷中添加用于将其水解的水、乙醇、盐酸而调制混合溶液的工序。
步骤52是向所准备的混合溶液中添加氨而制作凝胶的工序。该工序中，二氧化硅作为单体被聚合，形成多孔的凝胶。
步骤53是增强所得的凝胶的骨架而形成任意的密度的工序。该工序中，通过添加四乙氧基硅烷、水、乙醇及氨，再次进行水解反应，来增强凝胶的骨架。该工序中通过控制反应时间及温度来使凝胶达到所需的密度。通过将溶液置换为异丙基醇，用于凝胶的骨架增强的反应即被停止。
步骤54是用于使最终得到的干燥凝胶不吸湿的处理。该工序中，在将凝胶投入硅烷耦合处理液中而进行了硅烷耦合反应后，将溶液置换为异丙基醇，使硅烷耦合反应停止。
步骤55是使异丙基醇蒸发而得到干燥凝胶的最终工序。
由于经过此种制造工序而制作的干燥凝胶具有纳米量级的气孔，密度被调整为从0.2g/cm3到0.5g/cm3，其音速达到300m/s到500m/s，因此该干燥凝胶的声阻抗与作为第1多孔体的陶瓷多孔体的声阻抗相比可以更小。
第2多孔体43被配置于形成于第1多孔体42中的凹部内。像这样，通过将第2多孔体43按照使其外缘与第1多孔体42接触的方式配置，第2多孔体43的边缘就被第1多孔体42保护。所以，由于通过采用该复合构造，可以有效地防止第2多孔体的边缘破损的情况，因此例如就可以研磨第2多孔体43的表面，将其厚度D容易地设为所需的厚度。在第2多孔体43例如由二氧化硅的干燥凝胶构成的情况下，被按照具有直径达到大约8mm、厚度达到0.15～0.4mm的形状的方式，形成于直径约为10.8mm的第1多孔体42中。此种尺寸的第2多孔体43是利用如下的方法获得的，即，在第1多孔体42上，形成具有所述直径的浅的凹部，在该凹部中利用后述的方法配置了第2多孔体43后，将第1多孔体42和第2多孔体的表面一起研磨。在该实施方式的变形例中，在第1多孔体上形成多个凹部(例如直径不同的多个环状的凹部)，将第2多孔体32在多个部位(例如成直径不同的环状地)配置即可。
图6(b)表示使用了复合型的音响匹配层44的超声波传感器的构造。图6(b)所示的超声波传感器具有与图5(a)所示的超声波传感器相同的构造，与图5(a)中所使用的符号相同的符号表示相同的要素或构件。图6(b)所示的超声波传感器由于音响匹配层为复合构造，第2多孔体43具有比第1多孔体41更小的密度，因此与使用了实施方式1的音响匹配体的超声波传感器相比，可以增大超声波输出。
(实施方式3)
图8中，作为本发明的实施方式3，示意性地表示了制造复合构造的音响匹配体的方法。图8表示将形成了用于将第2多孔体配置于其内部的凹部63的第1多孔体42，使凹部63朝下地放置在成形模具61中，收纳于容器62中的状态。为了区别在这里所使用的成形模具61和为了形成第1多孔体42而使用的成形模具，在本说明书中，为了方便起见，有时将形成第2成形体的成形模具称作第2成形模具，将形成第1成形体的成形模具称作第1成形模具。这样，成形模具61为第2成形模具。在容器62中，充满了与实施方式2关联地说明了的图7所示的步骤51中所准备的起始原料溶液64。当在该溶液64中浸渍成形模具61时，溶液64即浸透作为陶瓷多孔体的第1多孔体42的连通孔，其结果是，凹部63被溶液64充满。然后，就在该状态下，进行图7所示的步骤52。这里，第1多孔体42的连通孔是因由陶瓷基体规定的孔部之间的连结、孔部和粒子间空隙的连结、粒子间空隙之间的连结而产生的连续气泡。
图9是将放置于图8所示的成形模具61上的第1多孔体42的一部分放大了的图。形成于第1多孔体42中的凹部63由于被浸透了第1多孔体42的连通孔的溶液充满，因此在第1多孔体的连通孔内也形成凝胶(该凝胶将最终形成第2多孔体43)。另外，形成于凹部63中的凝胶与成形模具61接触。图9中，仅表示了由陶瓷基体65规定的孔部66，表示了它们所形成的连通孔，然而应当注意，在孔部66和陶瓷粒子间空隙、陶瓷粒子间空隙之间也形成有连通孔。
由于就在该配置之下作为步骤53实施密度调整，因此新添加的四乙氧基硅烷、水、氨及乙醇的混合溶液也穿过形成于第1多孔体42的孔部66中的凝胶而到达在凹部63中生成的凝胶，增强凹部63及孔部66内的凝胶的骨架。其后，直至步骤54，一直在该配置下实施。
在各工序中所使用的溶液及溶剂穿过形成于第1多孔体42的孔部66的凝胶而到达凹部63。即，穿过了形成于孔部66中的凝胶的溶液等使形成于凹部63内的凝胶的骨架增强，或者使在凝胶中进行着的反应停止。所以，当第1多孔体42的孔部66过小时，溶液的浸透将变得不充分，从而产生难以到达形成于凹部63内的凝胶43的问题。另外，当第1多孔体42的孔部66过大时，就会给超声波的传播带来障碍。由此，第1多孔体42最好按照使由陶瓷基体规定的孔部66的孔径分布的中心值处于从100μm到500μm之间的方式来形成。该第1多孔体42的孔部66的尺寸的调整如实施方式1中所述，是在作为图3的步骤12的含气泡料浆的调制工序中实施的。
像这样，根据如下所述地形成第2多孔体的方法，即，按照穿过由作为第1多孔体的陶瓷多孔体的基体规定的孔部等所形成的连通孔的方式浸渍必需的材料，则可以在形成于第1多孔体中的凹部和成形模具的表面形成了密闭的空间的状态下，一直实施到用于获得第2多孔体的干燥工序。其结果是，在第2多孔体的形成中，在凝胶中难以产生龟裂。即，虽然在依照图7的制造方法作为凝胶单体来制造无机氧化物的凝胶的情况下，由于凝胶的表面处于露出的状态，因此容易产生在凝胶中易出现龟裂的问题，但是根据该制造方法，由于成为第2多孔体的部分被第1多孔体保护，难以受到应力，因此就可以不出现龟裂。另外，由于第2多孔体如图9所 示，被以与成形模具接触的状态形成，因此其表面在成形模具的表面平滑的情况下就变得极为光滑。
利用该制造方法得到的音响匹配体具有如下的构造，即，由第1多孔体的基体规定的孔部及基体中的陶瓷粒子间空隙的至少一部分被第2多孔体填充。所以，第1多孔体就会具有比实施方式1中所说明了的音响匹配体更高的密度。在复合构造的音响匹配体中，第1多孔体由于其声阻抗最好处于第2多孔体的声阻抗和振子的声阻抗之间，因此第1多孔体有时需要具有比以单体作为音响匹配体使用的情况更大的密度。此种情况下，利用第2多孔体的填充来使第1多孔体的视密度上升的做法从构成适于超声波传播的复合构造的音响匹配体的观点考虑是理想的。另外，由于作为第1多孔体的陶瓷多孔体的密度可以通过调节其空孔率而容易地调整，因此按照与第2多孔体的种类对应地具有所需的声阻抗的方式来制造第1多孔体将十分容易。
(实施方式4)
图10到图13中，作为本发明的实施方式4，示意性地表示有制造复合构造的音响匹配体的第1多孔体的方法。这些图表示了将具有难烧结性的陶瓷粉末的含气泡料浆凝胶化而制造凝胶状多孔成形体的工序及为了实施该工序而使用的成形模具(即，第1成形模具)。图10所示的成形模具70由成为模具壁的上面部71、侧面部73、移动底面部75及固定底面部74以及导引部72及隔块76构成。
首先，向由侧面部73、固定底面部74及移动底面部75包围的部分注入含气泡陶瓷料浆77。此时，移动底面部75被隔块76提升，底面部24和25成为同一平面。所以，当从中心部慢慢地注入含气泡陶瓷料浆77时，料浆就会到达成形模具内的各个角落，不残留气体地将由侧面部73、固定底面部74及移动底面部75包围的部分充满。当从该状态开始，如图11所示地去除隔块76时，则侧面部73和移动底面部75向下方滑动，这样，固定底面部74就被向陶瓷料浆压入，这样就形成用于形成第2多孔体的圆形的凹部。更理想的做法是，在移动底面部75和固定底面部74之间涂布油脂，使气体难以从外部侵入。
含气泡陶瓷料浆因侧面部73及移动底面部75发生了滑动，而成为隆起的状态。该隆起了的料浆77如图12所示，因上面部21向下方移动以将剩余量从模具内挤出，从而被去除而平坦化。在该状态下，将含气泡陶瓷料浆77凝胶化。凝胶化结束后，如图11所示，使侧面部73向上方滑动，将凝胶状多孔成形体的侧面设为开放状态。这样，凝胶状多孔成形体中所含的水分就容易蒸发，干燥时间被缩短。另外，通过使侧面部73向上方滑动而使凝胶状多孔成形体的表面露出，就可以不损伤凝胶的表面地将凝胶干燥。
在凝胶状多孔成形体完全地干燥后，使上面部71向上方移动，将干燥了的凝胶状多孔成形体77取出。其后，烧成凝胶状多孔成形体而得到陶瓷多孔体。该陶瓷多孔体例如被制成直径10.8mm、厚度1.8mm的圆盘形。陶瓷多孔体的含气泡陶瓷料浆中的气泡部分在烧成后形成连通孔的情况如前面说明所示。如此获得的陶瓷多孔体在图6(a)所示的复合构造的音响匹配体中，将形成第1多孔体42。
图13中，与上面部71接触的第1多孔体的面成为被用粘接剂接合在图6(b)中所示的超声波传感器的振子安装构件18上的面。所以，当在该面上存在有孔部时，则会在组装超声波传感器时产生粘接剂浸透的问题。为了避免此种问题，如前所述，通过将上面部71的与第1多孔体接触的面设为例如由PET树脂或金属制成的面，在成形模具和含气泡料浆的界面上就难以存在气泡，这样就可以形成不存在孔部或孔部很少的致密且较薄的表层。该表层如前所述，提供致密的表面，防止粘接剂的浸透，形成可靠的粘接。
如前所述，在成形模具的表面由特富龙(注册商标)构成的情况下，则无法形成致密的表层，容易形成具有孔部的面。所以，当将固定底面部74、移动底面部75及侧面部73用特富龙(注册商标)形成时，则在含气泡陶瓷料浆的凝胶化的过程中，在与它们接触的面上就会存在孔部。当将在表面具有孔部的陶瓷多孔体作为第1多孔体使用时，则可以用所述的图8所示的制造方法形成第2多孔体。即，当使用上面部77由PET树脂或金属制成、其他的部分由特富龙(注册商标)制成的成形模具时，则第1多孔体42的不存在第2多孔体的面就成为孔部少的致密的面，侧面和底面成为存在有孔部的面。所以，当利用图8所示的制造方法形成第2多孔 体时，溶液64穿过第1多孔体42的侧面的孔部而在凹部及孔部内被凝胶化，在图8中，不与第2成形模具接触的第1多孔体的表面在组装超声波传感器时可以作为接合面使用。
(实施方式5)
作为本发明的实施方式5，参照图14对包括具有本发明的音响匹配体的超声波传感器的超声波收发装置进行说明。图14是表示将本发明的超声波收发装置装入测定气体的流量的流量测定装置88中的状态的电路方框图。在气体所流过的流路81中配置有超声波传感器A82、超声波传感器B83。超声波传感器A、B被按照使超声波的传播路径与气体的流路形成角度Φ的方式配置。从发送机构84向超声波传感器A81及超声波传感器B83传送发送信号。另外，超声波传感器的接收信号向接收机构85传送。发送和接收被利用切换机构87进行选择。当利用切换机构87选择将超声波传感器A82与发送机构84连接时，则超声波传感器B83就与接收机构85连接。
如图14所示，当气体在图中从左向右流动时，超声波传感器A82所发送的超声波在传播时间T1后到达超声波传感器B83。相反，超声波传感器B83所发送的超声波在传播时间T2后到达超声波传感器A82。此时，由于气体的流动的方向为从左向右，因此T1＜T2。这些时间T1、T2被利用计时机构86计测。该时间与气体的流速有关。另外，由于气体的流量可以根据流速和流路截面积算出，因此根据时间T1、T2，可知流速，从而可以求出流量。运算机构89基于来自计时机构86的数据求出流量。
图15是表示了超声波传感器的发送信号接收信号的波形的波形图。图15中，超声波传感器A82发送超声波、超声波传感器B83接收超声波时的向超声波传感器A的发送信号被用a-1表示，超声波传感器B83的接收信号被用a-2表示。另外，在图15中，超声波传感器B83发送超声波、超声波传感器A82接收超声波时的向超声波传感器B的发送信号被用b-1表示，超声波传感器A82的接收信号被用b-2表示。
接收机构85将接收信号放大。由此，当使用如实施方式2那样的复合构造的音响匹配层组装超声波传感器时，由于可以获得很大的接收信号，因此可以将放大电路机构设为小规模的电路机构。当将超声波传感器的接收信号称作主信号，与之相对地将利用放大电路机构产生的无用信号及从外部侵入的无用信号称作噪音时，则所获得的主信号越大，就可以越加降低放大度，并且还可以越加降低放大电路机构的噪音。另外，由于主信号相对于来自外部的噪音的比率变大，因此看起来就难以受到噪音的影响。这些将带来计测精度的提高。
由于接收信号的最初的波很小，因此难以检测。由此，接收机构85例如将第3波的P1及P2的点用利用比较器的电路机构来检测。由此，当因温度使波形变化时，计测误差就增大。所以，当将超声波传感器A及B的音响匹配层用无机物构成时，则由于无机物难以因温度变化使其音响特性改变，因此对波形造成的影响变小，从而可以提高计测精度。本发明的音响匹配体由于含有作为无机物的陶瓷多孔体，因此可以抑制由温度造成的波形变形，有助于计测精度的提高。
另外，作为实施方式2所说明的复合形态的音响匹配体，被利用作为第2多孔体使用无机氧化物的干燥凝胶，将成为其原料的混合溶液浸渍于作为第1多孔体的陶瓷多孔体中而制造干燥凝胶的方法，作为在由第1多孔体的陶瓷基体规定的孔部、形成于陶瓷基体中的陶瓷粒子间空隙中填充了第2多孔体的构造体而获得。此种构造体中，填充于孔部及陶瓷粒子间空隙双方之中的第2多孔体发挥锚定效应，在第2多孔体和第1多孔体之间可以获得很高的结合强度。由此，即使将很大的发送信号从发送机构84提供给超声波传感器，使音响匹配体以很大的振幅振动，在第1多孔体和第2多孔体之间也不会产生剥离。所以，本发明的超声波收发装置特别是在与复合形态的音响匹配层使用的情况下，可以增大发送信号而增大接收信号，这样就能提高计测精度。另外，在复合形态的音响匹配层中，第2多孔体带来良好的音响匹配，并且决定第1多孔体所接收的信号的波形，形成有利于特定的点(图15的P1、P2)的计测的较大的振幅的信号。所以，本发明的复合形态的音响匹配层作为整体在音响匹配及波形成形两方面都很优良。
工业上的利用可能性
如上所述，本发明的音响匹配体能够形成气体和振子的声阻抗的匹配，提高来自超声波发生装置的超声波输出，另外能够提高接收在气体中传播的超声波的超声波接收装置的接收信号输出。所以，本发明的音响配体适用于测定天然气及液化石油气的流量的专业用及家庭用的超声波式气体流量测定装置(例如气体流量计)以及测定像氢那样音速很大、难以取得与振子的声阻抗的匹配的气体的流量的超声波式的流量测定装置。
Claims (12)
1.一种音响匹配体，是含有陶瓷多孔体的音响匹配体，其中，该陶瓷多孔体含有构成陶瓷基体的陶瓷粒子，该陶瓷基体规定多个孔部，在该陶瓷基体中，形成有陶瓷粒子间空隙，
该陶瓷粒子的平均粒径为10μm以下，
该陶瓷粒子间空隙的孔径小于10μm，
所述孔部的孔径分布的中心值处于从100μm到500μm的范围内。
2.根据权利要求1所述的音响匹配体，其中，所述陶瓷多孔体具有表层、与该表层连续的内层，该表层的密度大于该内层的密度。
3.根据权利要求1所述的音响匹配体，其中，所述陶瓷基体含有难烧结性陶瓷。
4.一种音响匹配体，是含有第1多孔体及第2多孔体的音响匹配体，其中，
该第1多孔体是含有构成陶瓷基体的陶瓷粒子、该陶瓷基体规定多个孔部、在该陶瓷基体中形成有陶瓷粒子间空隙、该陶瓷粒子的平均粒径为10μm以下、该陶瓷粒子之间空隙的孔径小于10μm的陶瓷多孔体，
第2多孔体是与该第1多孔体相比密度更小、音速更慢的多孔体，
所述孔部的孔径分布的中心值处于从100μm到500μm的范围内。
5.根据权利要求4所述的音响匹配体，其中，所述第2多孔体为无机氧化物的干燥凝胶。
6.根据权利要求4所述的音响匹配体，其中，所述第2多孔体由所述第1多孔体将其外周部包围。
7.根据权利要求4所述的音响匹配体，其中，第2多孔体将所述第1多孔体的孔部及陶瓷粒子间空隙的一部分或全部填充。
8.根据权利要求4所述的音响匹配体，其中，所述陶瓷基体含有难烧结性陶瓷。
9.一种超声波传感器，其中，包括压电体及音响匹配层，音响匹配层由权利要求1所述的音响匹配体构成。
10.一种超声波传感器，其中，包括压电体及音响匹配层，音响匹配层由权利要求4所述的音响匹配体构成。
11.一种超声波收发装置，其中，包括权利要求9所述的超声波传感器。
12.一种超声波收发装置，其中，包括权利要求10所述的超声波传感器。
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