声音匹配部件、超声波换能器、超声波流量计及其制造方法

摘要

一种装入用于发射和接收超声波的超声波换能器内的声音匹配部件，包括：包括第一层和第二层的至少两个层，第一层和第二层具有不同的声音阻抗值。第一层由多孔部件和由多孔部件的空隙部分支撑的填充材料的复合材料制成，第二层由填充材料或多孔部件制成，第一层和第二层以上述的次序呈现。一压电部件置于声音匹配部件的第一层的一侧上，以形成一超声波换能器或一超声波流量计。该声音匹配部件的各层之间不具有独立的中间层，因此很难发生分层，可以避免与中间层相关的设计的困难。

说明书

发明背景

1.技术领域

本发明涉及用于超声波传感器的声音匹配层的声音匹配部件、用于发射/接收超声波的超声波换能器，用于制造它们的方法以及使用它们的超声波流量计。

2.背景技术

最近，超声波流量计已经被用作煤气表等，其中，对超声波沿着一个传播路径传播的时间和其中流体流动的速率进行测量，从而确定该流体的流率。图13示出该超声波流量计测量的原理。如图13所示，在包括一流动路径的测量管中，流体以速率V沿图中箭头表示的方向流动。在管壁103中，彼此相对地配置有一对超声波换能器101和102。该超声波换能器101和102具有一作为电/机械能量转换器的压电振动器，例如压电陶瓷，从而表现出象压电蜂鸣器和压电振荡器一样的共振特性。在这种情况下，超声波换能器101用作超声波发射器，超声波换能器102用作超声波接收器。

这些超声波换能器按照下述方式工作：当向压电振动器提供一AC电压，该电压的频率接近于超声波换能器101的共振频率时，该超声波换能器101作为超声波发射器工作，向在该管中流动的流体中的一个传输路径发射超声波，该路径由图中的L1标示，超声波换能器102接收到该传输的超声波，并将其转换为电压。然后，相反的，超声波换能器102作为超声波发射器工作，而超声波换能器101作为超声波接收器工作。即，通过向压电振荡器提供一AC电压，该电压的频率接近于超声波换能器102的共振频率时，该超声波换能器102向在该管中流动的流体中的一个传输路径发射超声波，该路径由图中的L2标示，超声波换能器101接收到该传输的超声波，并将其转换为电压。这样，超声波换能器101和102都可作为接收器和发射器，因此，总的来说它们被称为超声发射器/接收器。

在这样一个超声波流体计中，连续的施加AC电压将导致超声波换能器不断地发射超声波，这使得很难测量传输的时间。因此，通常使用短促脉冲(burst)电压信号作为驱动电压，其中脉冲信号用作为载波。下面将对该测量原理进行更详细的描述。通过施加一短促脉冲电压信号以驱动超声波换能器101并使超声波换能器101发射一超声波短促脉冲信号，该超声波短促脉冲信号沿长度为L的传输路径L1传输，并在时间t之后到达超声波换能器102。该超声波换能器102将该传输来的超声波短促脉冲信号转换为具有高S/N比的电短促脉冲信号。该电短促脉冲信号被电放大并再次提供给超声波换能器101，从而发射一超声波短促脉冲信号。该装置被称为声音循环(sound around)装置。超声波脉冲由超声波换能器101发射，并沿传输路径传输直到到达超声波换能器102所需的时间被称为声音循环周期，该声音循环周期的倒数被称为声音循环频率。

在图13中，V表示沿管流动的流体的流动速度，C(未图示)表示流体中超声波的速率，θ表示流体的流动方向和超声波脉冲的传输方向之间的角度。当超声波换能器101用作超声波发射器，且超声波换能器102用作超声波接收器时，将满足下面的公式(1)，其中t1表示声音循环周期，它是超声波换能器101发射的超声波脉冲到达超声波换能器102所需的时间，f1表示一声音循环频率：

f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L      ...(1)

相反的，当超声波换能器102用作超声波发射器，且超声波换能器101用作超声波接收器时，将满足下面的公式(2)，其中t2表示声音循环周期，f2表示一声音循环频率：

f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L    ...(2)

因此，这两个声音循环频率之间的频率差Δf将如公式(3)所示，从而可根据超声波的传输路径的长度L和频率差Δf来确定流体的流动速度V：

Δf＝f1-f2＝2Vcosθ/L    ...(3)

也就是说，流体的流动速度V可根据超声波的传输路径的长度L和频率差Δf来确定流体的流动速度V，并根据该速率V确定流率。

这样的超声波流量计需要高精度。为了提高精度，声音匹配层的声音阻抗变得很重要，其中该声音匹配层形成在压电振动器用于发射/接收超声波的表面上，该压电振动器构成超声波换能器，该超声波换能器用于向气体发射超声波或接收通过气体传输来的超声波。

图12为一截面图，示出传统的超声波换能器20的结构。附图标记10表示用作为声音匹配装置的声音匹配层，5表示一传感器壳体，4表示电极，3表示用作为振动装置的压电部件。利用一环氧粘合剂等将传感器壳体5和声音匹配层10或传感器壳体5和压电部件3结合在一起。图12的附图标记7表示若干驱动端子，它们分别被连接至压电部件3的电极4。附图标记6表示用于保证两驱动端子的电绝缘的绝缘密封。压电部件3振动产生的超声波以一特定的频率振荡，该振荡通过环氧粘合剂传递到壳体，并经该环氧粘合剂传递到声音匹配层10。该匹配的振荡作为声波通过空间中的气体作为介质来传输。

该声音匹配层10的作用在于使振动装置的振动通过气体有效传输。如公式(4)所示，可利用声音速度C和材料密度ρ对该声音阻抗Z进行定义：

Z＝ρ×C   ...(4)

该声音阻抗在作为振动装置的压电部件和作为超声波发射进入的介质(下文中称为“发射介质”)的气体之间具有显著的不同。例如，象作为常用的压电部件的PZT(锆钛酸铅)的压电陶瓷的声音阻抗大约为30×10⁶kg/m²/s。然而，对于作为发射介质的气体，空气的声音阻抗(Z3)例如大约为400kg/m²/s。在具有不同声音阻抗的物质之间的边界表面上，会在声波传输中发生反射，以使通过他们的声波的强度会变弱。作为解决的方法，在作为振动装置的压电部件和作为超声波发射介质的气体之间插入一物质，其中被插入的物质的声音阻抗与压电部件和气体的声音阻抗Z0和Z3之间具有如公式(5)所示的关系，这种方法是通过减少声音的反射来提高传播通过的声波强度的常用方法。

Z＝(ZO×Z3)^(1/2)    ...(5)

满足声音阻抗彼此匹配这一条件的最佳值大约为11×10⁴kg/m²/s。从公式(4)可以看出符合该声音阻抗的物质应当为具有较小密度和较低声音速度的固体。通常使用的材料可通过在树脂材料中封装入玻璃气球或塑料气球来获得。然后将该材料形成在压电部件制成的超声波振荡器的一个表面上。另外，还使用了对中空玻璃珠进行热压的方法，以及使熔化的材料泡沫化的方法。这些方法都已经公开，例如在JP2559144B中。

但是，这些材料的声音阻抗大于50×10⁴kg/m²/s，需要具有较小声音阻抗的材料来与气体匹配以获得较高的灵敏度。

上述的声音匹配层并不局限于单独一个层，通常本领域公知声音匹配层最好由多个具有不同声音阻抗的材料层构成，以使它们的声音阻抗在作为振动装置的压电部件和作为超声波发射介质的气体的声音阻抗范围之间逐渐地改变。

大家都知道将多个声音匹配层叠置是增加超声波换能器的带宽的有效方法，其中各声音匹配层的厚度都被调节为超声波发射波长的大约1/4，该超声波穿过该声音匹配层，这些层具有不同的声音阻抗。最好的，将多个匹配层构成使从压电部件的声音阻抗Z0到作为发射介质的气体的声音阻抗Z3(Z0＞Z3)，它们的声音阻抗逐渐减小(见1999.8.30由Maruzen公开的“超声波手册”中的108页和115页)。例如，如图14A所示，可认为在声音匹配层10的密度在压电部件3一侧增加，在作为发射介质的气体一侧减小。

从原理来说，声音匹配层可具有多个层。但是，从工业的角度，具有两个层结构的声音匹配层是有效的。就是说，当考虑到有多个层组成的声音匹配层的效果和与这种结构相关的成本的增加时，具有两个层结构的声音匹配层是有效的。作为具有两个不同层的声音匹配层的例子，例如，JP61(1986)-169100A公开了下面的内容：将一层叠的聚合体多孔薄膜粘接在具有较低密度的第一匹配层的一超声波发射表面上，该第一匹配层是通过将微小的中空材料固化成为双层结构来获得的，因此可有效地执行声音阻抗匹配，同时可提高超声波换能器的灵敏度。

在声音匹配层具有双层结构的情况下，如图14B所示，理想的方法是在压电部件3一侧设置作为第一层的具有较高密度的匹配部件11，在气体一侧设置作为第二层的具有较低密度的匹配部件12，并使这些层集成在一起。

如上所述，声音匹配层包括多个具有不同声音阻抗的部件，特别具有两个不同部件(层)，这种声音匹配层在原理上很有效。但是，实际上并没有很多应用采用这种结构。

本发明的发明人对传统的由多个不同部件组成的声音匹配部件进行了深入的研究。从而发现传统部件具有以下三个问题：

传统的声音匹配部件经常通过分别准备不同材料并将它们彼此相连的方法或相似方法(例如，在表面上提供一涂层)来制造。因此，(1)这些层之间的连接面物理特性很脆弱，这样，由于振动，在发射和接收超声波期间就容易发生分层，导致声音匹配部件发生故障，并进一步导致使用该声音匹配部件的超声波换能器和超声波流量计发生故障。(2)当利用第三部件例如粘接剂连接不同部件时，该声音匹配部件实际上具有三层结构。因此，很难优化地设计该声音匹配层。就是说，不能忽视作为中间层的结合材料的物理属性(密度和声音的速度)以及结合后的形状(中间层的厚度)，因此设计变得很难。即使当完成了设计，也不能避免对结合材料的有限选择以及对中间层的厚度的复杂控制的问题。(3)这种分别制备不同部件并将其连接的复杂制造方法将导致超声波换能器及超声波流量计的制造成本的增加。

特别的，当根据上面的原理，选择多孔部件作为低密度部件用于该连接的声音匹配部件时，该结合的表面并非平坦表面而是存在很多空隙，这意味着实际有效的结合区域很小。由于有效结合区域减小导致粘接性能降低，上述问题(1)将变得更为明显。

另外，即使完成了结合，该使用的结合材料会渗透入该多孔部件，因此，如图15所示，将在粘接剂渗透进入的部分形成中间层13，该中间层为局部形成的高密度部分。由于该中间层13是由多孔部件的空隙浸透粘接剂形成的，因此该层必然具有比第一层11和第二层12高的密度。因此，该结构脱离了上述的理想结构“具有多个匹配层以使它们的声音阻抗从压电部件的声音阻抗Z0逐步减小到作为发射介质的气体的声音阻抗Z3(Z0＞Z3)”，从而使上述的问题(2)变得更加显著。而且在向作为第一层的多孔部件提供液态材料，随后干燥并固化以形成第二层的情况下，液态材料渗透入多孔部件形成的中间层不可避免，因此会发生相似的问题。在任一情况中，上述的问题(1)和(2)变得更为显著。

发明概述

因此，鉴于上述，本发明的一个目的是提供一个声音匹配部件，使用它的超声波换能器、超声波流量计以及制造它们的方法，该声音匹配部件中不会发生分层，因此故障较少。

为了实现上述的目的，根据本发明的可被装在用于发射和接收超声波的超声波换能器中的声音匹配部件包括：包括第一层和第二层的至少两个层，第一层和第二层具有不同的声音阻抗值。在该声音匹配部件中，第一层由多孔部件和由多孔部件的空隙部分支撑的填充材料的复合材料制成，第二层由填充材料或多孔部件制成，第一层和第二层以上述的次序呈现(present)。

本发明用于发射和接收超声波的超声波换能器包括上述的声音匹配部件和压电部件。在该超声波换能器中，该压电部件置于声音匹配部件的第一层的一侧上。

本发明的超声波流量计包括上述的超声波换能器。该超声波流量计还包括：一测量管，该测量管包括待被测量液体流经其的一流动路径，其中一对超声波换能器置于该测量管中相对于被测量的液体流动的上流侧和下流侧以使彼此相对；用于使超声波换能器发射超声波的发射电路；用于处理由超声波换能器接收的超声波的接收电路；用于在该对超声波换能器的发射和接收之间进行转换的发射/接收转换电路；用于测量超声波在这对超声波换能器之间传输所需的时间的电路；将传输时间转换为将被测量的液体的流率的计算单元。

本发明用于制造声音匹配部件的第一方法，其中该声音匹配部件包括至少两层，这些层包括具有不同声音阻抗值的第一层和第二层，该第一层由多孔部件和由多孔部件的空隙部分支撑的填充材料的复合材料制成，第二层由填充材料或多孔部件制成，第一层和第二层以上述的次序呈现，该方法的步骤为：

(a)用液体填充材料填充多孔部件的空隙，该材料固化后的体积不小于多孔部件的空隙的体积；和

(b)空隙中的液态填充材料和剩余的液态填充材料同时固化。

本发明用于制造声音匹配部件的第二方法，其中该声音匹配部件包括至少两层，这些层包括具有不同声音阻抗值的第一层和第二层，该第一层由多孔部件和由多孔部件的空隙部分支撑的填充材料的复合材料制成，第二层由填充材料或多孔部件制成，第一层和第二层以上述的次序呈现，该方法的步骤为：

(a)用液体填充材料填充一多孔部件的空隙的至少一部分；和

(b)空隙中的液态填充材料固化。

本发明制造超声波换能器的第一方法，其中该用于发射和接收超声波的超声波换能器包括上述的声音匹配部件和一压电部件，该方法的步骤为：将声音匹配部件的第一层的一侧与压电部件的一个表面或一个封闭容器的一个外表面的某一位置连接，其中该位置与压电部件的放置位置相对。

本发明制造超声波换能器的第二方法，其中该用于发射和接收超声波的超声波换能器包括上述的声音匹配部件和一压电部件，该方法的步骤为：

(a)将不包含填充材料的多孔部件连接在压电部件的一个表面上或连接在一个封闭容器的一个外表面的某一位置上，该位置与压电部件的放置位置相对；和

(b)然后用液态填充材料填充该多孔部件并固化该液态填充材料。

附图说明

图1为示意性截面图，示出本发明实施例1的声音匹配部件。

图2为示意性截面图，示出本发明实施例2的声音匹配部件。

图3为示意性截面图，示出本发明实施例3的超声波换能器。

图4为示意性截面图，示出本发明实施例4的超声波换能器。

图5为一方块图，示出本发明实施例5的超声波流量计的操作。

图6A-C示意性的示出根据本发明实施例6制造声音匹配部件的方法。

图7A-C示意性的示出根据本发明实施例7制造声音匹配部件的方法。

图8A-D示意性的示出根据本发明实施例8制造超声波换能器的方法。

图9A-E示意性的示出根据本发明实施例9制造超声波换能器的方法。

图10A示出根据本发明例子1的超声波换能器的响应波形，图10B示出同一超声波换能器的频率特性。

图11A示出根据本发明例子2的超声波换能器的响应波形，图11B示出同一超声波换能器的频率特性。

图12为一截面图，示意性的示出传统的超声波换能器。

图13为用于说明传统超声波流量计的原理的示意图。

图14为一截面图，示意性的示出传统的超声波换能器。

图15为一截面图，示意性的示出现有技术中的超声波换能器。

图16为一截面图，示意性的示出现有技术中的声音匹配部件。

具体实施方式

本发明的声音匹配部件包括至少两个层，这些层包括具有不同声音阻抗值的第一层和第二层。第一层由多孔部件和由多孔部件的空隙部分支持的填充材料的复合材料制成，第二层由填充材料或多孔部件制成。因此，可以组合成具有所需声音阻抗值的物质。另外，第一层和第二层的材料是连续的从而被整体化，因此几乎不会发生层之间的分层，而且声音匹配部件也很少发生故障。另外，在没有粘接剂等时，层之间没有气泡，也不会发生粘接剂被吸收到多孔部件中的现象。

由于物理上不存在导致上述问题的任何中间层，因此可以实现具有理想结构的匹配部件，且其设计也变得简单。

最好的结构是第一层由多孔部件和填充材料的复合材料制成，第二层由填充材料制成，第二层的填充材料与第一层的填充材料具有连续性。或者，结构最好是这样，第一层由多孔部件和填充材料的复合材料制成，第二层由多孔部件制成，第二层的多孔部件与第一层中的多孔部件具有连续性。

本发明声音匹配部件的最佳实施例如下：

首先，第一层和第二层被构成为第一层的声音阻抗Z1和第二层的声音阻抗Z2具有下面的关系：

Z1＞Z2

第二，第一层的表观密度ρ1和第二层的表观密度ρ2具有下面的关系：

ρ1＞ρ2

第三，多孔部件和填充材料中的至少一个由无机物材料制成。

第四，多孔部件可为烧结的陶瓷多孔部件或陶瓷和玻璃的混合体。

第五，填充材料可为无机氧化物制成的干燥凝胶体。

另外，本发明超声波换能器的密封容器最好由金属材料制成。

下面将参照附图说明本发明最佳实施例。

实施例1

本发明的实施例1为如图1所示由第一层11和第二层12构成的声音匹配部件100。第一层11由多孔部件1和填充材料2的复合材料制成，其中多孔部件1的空隙部分充满填充材料，填充材料在其中固化并由空隙部分支撑。第二层12由与第一层中的填充材料相同的材料制成。第一层11中的填充材料和第二层12的材料之间存在至少一个连续结合的部分。就是说，构成第二层12的填充材料2和第一层11中的填充材料2通过同时固化形成，因此它们具有物理连续性。

构成第二层12的填充材料2进入第一层11中的多孔部件的空隙部分内部，并在其中固化。这样，由于物理形状产生的效果(锚定效果)，第一层11和第二层12牢固地结合在一起，第一层11和第二层12之间再没有其他层(中间层)。

由于本发明的声音匹配部件具有上述结构，因此构成声音匹配部件的两个层之间很少发生分层，而且不包含任何中间层也方便了声音匹配部件的设计。

在上面的描述中，至少一个具有连续性的部分意味着由于制造过程中产生的裂纹等，在某个部分还存在一些不连续性。

实施例2

如图2所示，本发明的实施例2为包括第一层11和第二层12的两个层构成的声音匹配部件100。第一层11为多孔部件1和填充材料2构成的复合材料，其中多孔部件1的空隙部分中充满填充材料，该填充材料在其中固化并由空隙部分支撑。第二层12由具有空隙的多孔部件1的一部分构成，该多孔部件构成第一层。通过在一个多孔部件1的较下层填充填充材料2，可实现实施例2的具有两层的声音匹配部件。就是说，声音匹配部件具有第一层和第二层，该第一层由复合材料制成，该复合材料由充满填充材料2的多孔部件1的骨架和空隙部分组成，该填充材料2在其中固化，第二层仅由多孔部件1的骨架构成。

在第一层11中，多孔部件1的空隙部分充满填充材料2，从而彼此结合，第二层12由多孔部件1构成。因此，基本上，这两个层之间没有中间层。另外，这些层之间也不会发生分层，从而可实现具有较高可靠性的声音匹配层。

由于本发明的声音匹配部件具有上述的结构，因此构成声音匹配部件的两个层之间不会发生分层，而且不需要中间层也方便了声音匹配部件的设计。

在实施例1和2中，为了制造的原因，第一层的空隙部分中的一些部分可被保持不充满填充材料。尽管不特别限定未充满水平，实践中小于体积百分比10％的水平将不会有任何问题。

而且，在实施例1和2中，最好的，第一层的声音阻抗Z1和第二层的声音阻抗Z2之间具有Z1＞Z2的关系。根据这个原则，匹配层的结构最好为使声音阻抗从压电部件的声音阻抗Z0逐渐减小到作为发射介质的气体的声音阻抗Z3(Z0＞Z3)。

另外，在实施例1和2中，最好的，第一层的表观密度ρ1和第二层的表观密度ρ2具有ρ1＞ρ2的关系。这里，表观密度是指重量除以包括空隙的体积得到的值。如上面的公式(4)所示，声音阻抗被定义为密度和声音速度的乘积。这样，如果声音速度不变，则表观密度越大声音阻抗也越大。在实施例1和2中，声音匹配部件具有第一层和第二层，该第一层由充满填充材料的多孔部件的骨架和空隙部分组成，该填充材料在其中固化，第二层仅由填充材料或多孔部件构成。因此，在本发明的声音匹配部件中，第一层的表观密度ρ1和第二层的表观密度ρ2具有ρ1＞ρ2的关系。根据这一原则，最好使第一层在压电部件一侧，使第二层在发射介质一侧。

另外，在实施例1和2中，多孔部件和填充材料中的至少一个最好由无机物构成。由于使用该声音匹配部件的超声波换能器的特性(输出和阻抗)的变化相对于外部温度变化而减小，因此声音匹配部件最好采用无机氧化物构成，该无机氧化物的物理特性(密度、声音速度和尺寸)相对于温度变化的变化率小于有机物。最好使多孔部件和填充材料都由无机物构成。

在实施例1和2中，多孔部件最好采用陶瓷或陶瓷和玻璃的混合物制成的烧结多孔部件。虽然任何具有可充满填充材料并支撑填充材料的空隙的材料都可用作为本发明中使用的多孔部件，但根据上述的物理特性稳定性、特别是化学稳定性(相对于测量气体的稳定性)的原则，最好采用陶瓷或陶瓷和玻璃的混合物制成的烧结多孔部件。虽然并没有特别的限定，但根据与作为发射介质的气体匹配的原则，多孔部件最好具有0.4g/cm³-0.8g/cm³的表观密度，骨架的材料最好为SiO₂粉末或SiO₂粉末和玻璃粉末的烧结体。

另外，在实施例1和2中，填充材料最好采用无机氧化物的干燥凝胶体。当使用该干燥凝胶体作为填充材料时，考虑到可靠性，最好使干燥凝胶体的固态骨架部分具有疏水性。

对于填充材料，当多孔部件的空隙中充满填充材料时，需要实现注入的流动性。另外，在注入后，填充材料应具有可通过特定处理(聚合、热固化、烘干、脱水等)固化的特性，从而可被支撑在多孔部件的空隙中。

可以考虑选用高聚合有机物、干燥凝胶体等，根据声音阻抗，无机氧化物的干燥凝胶体特别好，因为它具有很低的表观密度，而且因为最好使用无机物。这里，干燥凝胶体是通过溶胶-凝胶体反应形成的多孔部件，其中，凝胶体原材料液体的反应可使骨架部分固化，从而可以制成包含溶剂的湿凝胶体，然后干燥该湿凝胶体以去除溶剂。该干燥凝胶体为极微小的多孔部件，其中毫微米级的固态骨架部分形成多个具有1nm-100nm范围内的平均尺寸的微小气孔。通过这种结构，在0.4g/cm³或更小的低密度状态，由于这些微小的孔，通过固体部分传输的声音的速率将变得非常小，多孔部件中的气体部分传输的声音的速度也变得非常小。这样，声音速度变为500m/s或更小，这个速度非常缓慢，因此可以获得低声音阻抗。另外，由于这些毫微米剂的小孔使气体的压力损失很大，因此采用它们作为声音阻抗层可发出高声压的声波。作为干燥凝胶体的材料，无机材料，高聚合有机材料等也可使用，较佳地可使用通过溶胶-凝胶体反应获得的普通陶瓷，如二氧化硅(硅石)和氧化铝(矾土)作为无机氧化物的干燥凝胶体的固态骨架部分的组分。

在实施例1和2中，第一层和第二层的外围尺寸可能彼此不同。就是说，在本发明的声音匹配部件中，只要声音匹配部件具有两个层，并符合上述结构要求，一个层的外围尺寸可大于另一层的外围尺寸。

另外，在实施例1和2中，为了通过利用声音匹配部件匹配声音阻抗，从而提高超声波换能器的灵敏度，声音匹配层的厚度也是一个重要因素。就是说，当超声波的反射率变的最小时，以及当声音匹配层的厚度等于超声波的发射波长的四分之一时，传输强度变为最大，这里反射率是以对超声波反射系数的考虑来确定的，该超声波通过声音匹配层和发介质之间的边界表面以及声音匹配层和超声波振动器之间的边界表面处的声音匹配层。该厚度并不特别限定为下面的一个，使第一层的厚度大约为通过声音匹配层的超声波的发射波长的四分之一，可以有效的提高灵敏度。相似的，使第二层的厚度大约为通过声音匹配层的发射波长的四分之一也是有效的，而使第一和第二层的厚度都为波长的四分之一是最有效的。这里，超声波的发射波长的大约四分之一是指从波长的八分之一到八分之三的范围。如果厚度小于该范围，则该层不能实现声音匹配层的功能，如果厚度大于该范围，则由于该厚度接近于波长的一半，而此时反射率最大，因此灵敏度反而会降低。

实施例3

图3示出根据本发明实施例3的超声波换能器的截面图。图3中的超声波换能器200由本发明实施例1或2中所描述的声音匹配部件10，压电部件3和电极4构成。如上所述，声音匹配部件10具有双层结构，包括第一层11和第二层12，压电部件3置于声音匹配部件的第一层侧上。该压电部件3产生超声波振动，该压电部件3由压电陶瓷、压电单晶体等构成。压电部件3沿厚度方向偏振，且在其上表面和下表面具有电极4。声音匹配部件10可工作以向气体中发射超声波或接收通过气体传输的超声波，它可以有效的使AC驱动电压激发的压电部件3的机械振动作为超声波通过外界介质传输，还可以有效的使进入的超声波转换为电压。该声音匹配部件10在作为发射/接收超声波的表面的压电部件3的一侧上形成。

由于根据本实施例的超声波换能器利用具有双层结构的声音匹配部件作为它的声音匹配层，因此这些层之间的结合表面物理上非常坚固，很难发生分层，因此可以获得具有更少故障的超声波换能器。

实施例4

图4示出本发明实施例4的超声波换能器的截面图。图4中的超声波换能器201由本发明实施例1或2中所描述的声音匹配部件10，压电部件3、电极4和一封闭容器5构成。

压电部件3产生超声波振动，该压电部件3由压电陶瓷、压电单晶体等构成。压电部件3沿厚度方向偏振，且在其上表面和下表面具有电极4。在实施例4的超声波换能器中，压电部件3置于封闭容器5中，并与该封闭容器5的内表面结合。如上所述，该声音匹配部件10具有双层结构，包括第一层11和第二层12，声音匹配部件10的第一层11置于封闭容器5的外表面上，且其位置相对于压电部件的放置位置。图4中的附图标记7表示驱动端子，它们分别与压电部件3的电极4连接。附图标记6表示一绝缘密封，用于确保两个驱动端子的电绝缘。

具有实施例4所述结构的超声波换能器由于具有封闭容器5，因此与实施例3所述的结构相比，操作更为简单。另外，该封闭容器5可机械支撑该结构。

最好使封闭容器5的密度为0.8g/cm³或更大，用于支撑该结构的层的厚度小于通过该层的超声波的发射波长的八分之一。当选择这些密度和厚度时，用于支撑该结构的层的密度很大，因此声音速度也变大，且厚度大大小于超声波发射波长。此时，封闭容器对超声波的发射/接收的影响变得非常小。

封闭容器5的材料可选用无机材料如金属、陶瓷、玻璃，有机材料如塑料。特别的，当选择导电材料，特别是金属材料作为制造该封闭容器的材料时，该材料还可用于振动压电部件3和检测接收的超声波的电极。当检测到可燃气体时，该封闭容器5可使压电部件3与该气体隔离。最好利用例如氮气的惰性气体对同期内部进行清吹。

实施例5

图5示出根据本发明实施例5的超声波流量计的一个例子的截面图以及它的方块图。该超声波流量计包括：包括一流动路径51的一测量管52，被测流体流过该流动路径；一对上述的超声波换能器101和102，它们彼此相对地分别放置在被测流体流过的上流侧和下流侧；一发射电路53，用于使超声波换能器发射超声波；一接收电路54，用于处理由超声波换能器接收的超声波；一发射/接收转换电路55，用于在这对超声波换能器的发射和接收之间进行转换；一超声波传输时间测量电路56，它由一计数电路和一时钟脉冲发生电路构成；以及一计算单元57，用于将传输时间转换为被测流体的流率。附图标记58表示时钟脉冲发生电路，59表示计数电路。

下面将一步步的描述本发明超声波流量计的操作。

被测量的流体，例如LP气体从图页的左边流向右边(该方向由图中的箭头表示)，发射电路53以固定间隔发射一发射信号。首先发射/接收转换电路55将该发射的信号传输到超声波换能器101，从而驱动该超声波换能器101。例如，驱动频率被设为大约500kHz。被驱动的超声波换能器101发射超声波，相对的超声波换能器102接收该超声波。将该接收的信号通过发射/接收转换电路55输入到接收电路54中。发射电路53发射的发射信号(T)和接收电路54接收的接收信号(R)输入到超声波传输时间测量电路56中，该电路56由时钟脉冲发生电路58和计数电路59构成，用于测量传输时间t1。然后，以测量传输时间t1的相反方式，通过利用发射/接收转换电路55，从超声波换能器102发射超声波脉冲，超声波换能器101接收该发射的超声波脉冲，然后超声波传输时间测量电路56计算传输时间t2。

这里，假设超声波换能器101和102的中心之间的距离为L，非盘旋(no-wind)状态的LP气体中的声音速度为C，在该流动路径51中的流动速度为V，被测流体的流动方向和超声波换能器101和102的中心连线之间的夹角为θ，则可根据已知值的距离L、角度θ、声音速度C以及测量出的传输时间t1和t2确定流动速度V，而且可根据流动速度V确定流率，从而可实现流量计。

实施例6

实施例6示出用于制造一声音匹配部件的方法，将参照图6A-6C进行说明。首先，制备具有空隙的多孔部件(图6A)。任何无机材料、有机材料以及无机材料和有机材料的合成材料，只要具有可以在后面处理中填入填充材料的孔，就可以用作多孔部件。但是，如前所述，陶瓷多孔部件在声音匹配中最佳。详细的说，该多孔部件可这样制造：将陶瓷粉末和玻璃粉末的混合粉末、具有适当微粒尺寸的有机球粒以及含有粘合树脂的水溶液搅拌混合，将其成型为需要的形状，经过加热处理去除有机球粒、粘合树脂和水，从而只剩下陶瓷粉末和玻璃粉末的烧结体。

然后，制备液体填充材料，其量不小于多孔部件的空隙部分的体积。如图6B中所述，将多孔部件1置于一培养皿(petri dish)之类的容器8中，空隙部分填充准备好的液体条注材料21。

然后，空隙中的液体填充材料和剩余的液体填充材料同时固化。最后，从容器8中取出固化后的部件，并将其成型为所需的形状，从而可制造图6C所示的声音匹配部件100。

至于填充材料，当向多孔部件的空隙中注入填充材料时，该填充材料需要具有可进行注入的流度。另外，在注入后，该填充材料应当具有可通过特定处理(聚合、固化、干燥、脱水等)固化的特性，从而可支撑在多孔部件的空隙中。

根据本发明的制造方法，注入空隙部分中的固化前的液体填充材料和空隙部分外的剩余的液体填充材料同时固化。因此，可以制造图1所示的具有双层结构的声音匹配部件，其中构成第二层的填充材料2和注入第一层的填充材料2具有物理连续性。另外，不像传统制造方法那样分别制造第一层和第二层然后利用不同材料使它们结合，本发明的制造方法中，第一层和第二层之间没有其他层(中间层)，因此层的设计也变得容易。

这样，利用实施例6的制造方法，可以很容易的制造实施例1中所述的优良的声音匹配部件。实施例7

实施例7示出用于制造声音匹配部件的方法。该实施例基本上与上述实施例6相似，都是在空隙部分中填充入液体填充材料，然后填充材料固化以形成具有两层的声音匹配部件。而且，也可以使用与实施例6中相同的材料。下面将参照图7A-7C说明该实施例。

根据本实施例的制造方法，按照上述实施例6中相似的方法制备具有空隙的多孔部件1(图7A)和液体填充材料21。然后，如图7B所示，利用该液体填充材料21填充空隙的至少一部分，然后固化空隙中的液体填充材料。最后，从容器8中取出固化后的部件，并将其成型为所需的形状，从而制造出具有由多孔部件和填除材料的复合材料构成的第一层和只由多孔部件构成的第二层的声音匹配部件100。

如图2所示，利用本发明制造方法制造出的声音匹配部件的第一层由多孔部件和填充材料的复合材料构成，其中多孔部件的空隙部分填充有填充材料，该填充材料在里面固化。第二层由第一层的多孔部件的一部分构成，且第一层的多孔部件的骨架和构成第二层的多孔部件的骨架具有连续性。因此，根据本制造方法，第一层和第二层之间没有产生不同层(中间层)，因此根据实施例6中所描述的相似的理由，很难发生分层，与传统方法那种先制备独立的几个层然后将它们彼此连接的方法相比，可以获得高可靠性的声音匹配部件，并可很容易的进行层的设计。

这样，利用实施例7的制造方法，可以很容易的制造实施例2的优良声音匹配部件。    

实施例8

实施例8示出用于制造超声波换能器的方法，将参照图8A-8D进行说明。首先，制备利用本发明制造方法制造的声音匹配部件100、封闭容器5的盖部以及一压电部件3(图8A和8B)，声音匹配部件的第一层侧连接在压电部件的一表面或封闭容器的外表面，其位置与压电部件的位置对应(图8C)。虽然并不特别限定这种连接的方法，但最好使用基于环氧树脂粘合剂或环氧树脂片材，将其施加或置于封闭容器5、压电部件3和声音匹配部件之间，然后施加压力或加热从而使其固化并结合。最后，通过形成所需的接线或驱动端子，即可制成图8D所示的超声波换能器201。

虽然图8D示出使用封闭容器的情况，但声音匹配部件的第一层侧也可直接连接至压电部件。此时，可制成图3所示的超声波换能器。

根据这种制造方法，由于使用具有双层结构的声音匹配部件作为声音匹配层，因此这些层之间的结合表面物理上非常强，很难发生分层，因此可以获得更少故障的超声波换能器。

实施例9

实施例9示出制造超声波换能器的另一方法，参照图9A-9E说明。根据该制造方法，首先如图9A和9B所示，只制备不包括填充材料的多孔部件1，并将其连接至压电部件3的一个表面或封闭容器5的外表面上，其位置相对于压电部件的位置(图9C)。然后，利用液体填充材料21填充该多孔部件的空隙部分，该液体填充材料随后固化(图9D)，从而获得整体地包括声音匹配部件100的超声波换能器201(图9E)。

图9D的容器8用于支持在形成填充材料时容纳固化前的液体填充材料21，从而防止填充材料的流动，因此最好将容器8从完成的产品上移除。但是，为了提高超声波换能器的机械强度，也可将容器保留在成品中。

当选择固化后具有低表面密度和低机械强度的材料作为填充材料时，该制造方法可有效地提高生产力。就是说，根据该制造方法，机械强度大于固化后的填充材料的多孔部件预先与封闭容器或压电部件结合，从而最后形成具有较低机械强度的填充材料。如实施例8中所述，最好使用环氧树脂粘合剂来结合匹配部件等，施加压力是为了确保足够的粘结力。特别当如图1所示的声音匹配部件中，填充材料21暴露于超声波发射介质侧的表面外时，在施加用于结合的压力时，填充材料可能会破裂，这将导致很难制造超声波换能器。另一方面，根据本发明的制造方法，由于在部件结合后形成填充材料，因此在形成填充材料后不施加压力。这样就可很容易的制造超声波换能器。

根据本发明的声音匹配部件，虽然结构包括多个层，但各层之间并没有独立的中间层，因此层之间很难发生分层，与中间层相关的设计也可省略。另外，根据本发明的制造方法，可以很容易的制造上述的声音匹配部件，因此制造成本可以降低。

另外，由于本发明声音匹配部件具有上述的优点，因此使用本发明声音匹配部件的超声波换能器和超声波流量计具有优良的性能和更少的故障。另外，根据本发明，制造方法很简单，因此可以降低与制造方法复杂程度相关的制造成本。例子

下面将说明本发明的具体例子。例子1

在例子1中，利用上述实施例6和实施例9中所述的制造方法制造实施例1所述的声音匹配部件和实施例4中所述的超声波换能器，下面将参照图9A-9E进行说明。(1)多孔部件的形成

将平均颗粒直径为0.9um的SiO₂粉末和平均颗粒直径为5.0um的基于CaO-BaO-SiO₂的玻璃料以1∶1的重量比混合，利用一球磨机将混合物搅拌为平均颗粒直径为0.9um的陶瓷混合粉末，从而形成制造多孔部件的骨架的材料。该获得的陶瓷混合粉末和由丙烯酸(类)树脂(“Chemisnow”；由SokenChemical&Engineering Co.，Ltd.生产的商品名)制成的微小颗粒以体积比1∶9混合。然后，加入主要包含聚乙烯醇的粘结剂，并进行搅拌，从而制造出颗粒直径为0.1-1mm的颗粒粉末。将该颗粒粉末放入盘型模压夹具中，然后施加10,000N/cm²的压力1分钟，从而获得直径为20mm且厚度为2mm的干燥成型盘。然后，对该干燥圆盘进行4小时的400℃的加热处理，以烘烤和去除丙烯酸(类)树脂球粒和粘结剂，随后以900℃烘烤2小时以获得作为多孔部件1的陶瓷多孔部件。该获得的陶瓷多孔部件的表面密度为0.65g/cm³且空隙容量占体积比的80％，它可实现1800米/秒的声音速度，这相当于1.2×10⁶千克/米³秒的声音阻抗。将所获得的多孔部件研磨并调整为直径12mm、厚度1.85mm。(2)压电部件和容器

在具有所需尺寸的锆钛酸铅(PZT)陶瓷部件的上表面和下表面上形成电极，该陶瓷部件被偏振以形成一振动器。所获得的振动器可用作压电部件3。由不锈钢制成的不锈钢壳体可制成为封闭容器5。(3)多孔部件的结合

通过将25um厚的环氧树脂粘结片(产品号，T2100，由Hitachi ChemicalCo.，Ltd.生产的)插入作为多孔部件1的所获得的陶瓷多孔部件、作为封闭容器5的不锈钢壳体和作为压电部件3的振动器之间，可使它们如图9C所示的那样排列并层叠。然后，从图中较高和较低的两个方向施加100N/cm²的负载，随后进行2个小时150℃的加热，从而使这些层结合并整体化。(4)填充材料的形成

在这样结合并整体化的部件的声音匹配层部分，配合一个由聚四氟乙烯制成的内直径为12mm，高度为1.5mm，壁厚为0.5mm的环形物作为容器8。然后，将大约0.1cm³的凝胶体原材料液体作为液体填充材料21从陶瓷多孔部件的上方注入容器8中，并注意不在多孔部件的空隙中留下空气泡，该凝胶体原材料液体包含四甲基硅(tetramethoxysilane)、乙醛、和氢氧化铵溶液(0.1正常溶液)，它们按照1∶3∶4的摩尔比被提供。这样，作为液体填充材料注入的凝胶体溶液变为作为二氧化硅湿凝胶体的将要固化的凝胶体。对这样获得的湿凝胶体在二氧化碳环境中以12Mpa和50℃进行非常关键的干燥，从而形成作为填充材料2的二氧化硅干燥凝胶体。声音匹配部件的第二层，即仅由填充材料2制成的部分的厚度为0.085mm。该二氧化硅干燥凝胶体自身，即第二层部分的密度为0.2g/cm³，声音速度为180m/s。(5)超声波换能器的形成

去除聚四氟乙烯制成的作为容器8的环形物，从而最终获得图9E中所示的超声波换能器201。

如上所述，例子1的超声波换能器是根据上述的实施例9所述的制造方法获得的，它对应于上述实施例4描述的超声波换能器。该超声波换能器使用上述实施例1描述的声音匹配部件，该声音匹配部件是按照上述实施例6的制造方法获得的。

对于这样获得的超声波换能器，它的发射/接收特性由500kHz的超声波来估算。通过将一对这样制造的超声波换能器对置形成一超声波流量计。然后，当从一个超声波换能器发出500kHz的矩形波而另一超声波换能器接收到该矩形波时，估算出输出波形。图10A和10B示出该估算的一个例子。图10A示出例子1的超声波换能器的响应波形，它具有陡峭上升沿和适用于在作为流量计的应用中进行测量的波形。图10B示出频率特性的结果，其中超声波换能器具有以500kHz为中心的很宽的频率带宽。

根据该例子的超声波换能器包括具有两层结构的声音匹配部件，这两层之间没有中间层，因此很难发生分层，因此可以很容易设计并制造优良的超声波换能器。例子2

在例子2中，将参照图7A-7C和图8A-8C说明通过上述实施例7和实施例8的制造方法制造实施例2所述的声音匹配部件和实施例4所述的超声波换能器。

(1)声音匹配部件的形成

按照上述例子1所述的制造方法，通过将多孔部件研磨为厚度为1.25mm可获得作为多孔部件1的陶瓷多孔部件。如图7A所示，将获得的多孔部件置入由聚四氟乙烯制成的作为容器8的培养皿中，如图7B所示，在陶瓷多孔部件的空隙部分的一部分中注入所需量的环氧树脂，该环氧树脂包含一种填充物(氧化铝(Al₂O₃)粉末，平均颗粒直径大约为1um)，作为液体填充材料21，然后通过加热固化环氧树脂。填充是在略微减小的压力的情况下进行的，从而可使填充材料充分地流入空隙部分。作为填充材料2的只包含一种填充物的热固环氧树脂的密度为4.5g/cm³，声音速度为2500m/s。

然后，将陶瓷多孔部件的空隙外的多余的环氧树脂研磨并去除，从而获得本发明实施例2所描述的图2中的声音匹配部件100。

通过这些操作，可以获得具有第一层和第二层的声音匹配部件，其中第一层由多孔部件1的骨架和填充有后来固化在其中的填充材料2的空隙部分构成的合成材料制成，第二层仅由多孔部件1的骨架构成。第一层的厚度为0.4mm，第二层的厚度为0.85mm。

(2)压电部件和容器

使用与上述实施例1中相同的压电部件和容器。

(3)声音匹配部件的结合

通过将厚度为25um的环氧树脂粘结片(产品号，T2100，由HitachiChemical Co.，Ltd.生产的)插入所获得的声音匹配部件、作为封闭容器5的不锈钢壳体和作为压电部件3的振动器之间，使它们如图8C所示的那样排列并层叠。然后，从图中较高和较低的两个方向向其施加100N/cm²的负载，随后进行2个小时150℃的加热，从而使这些层结合并整体化。

(4)超声波换能器的形成

最后，获得图8D所示的超声波换能器201。

如上所述，例子2的超声波换能器是根据上述的实施例8所述的制造方法获得的，它对应于上述实施例4描述的超声波换能器。该超声波换能器使用上述实施例2描述的声音匹配部件，该声音匹配部件是按照上述实施例7的制造方法获得的。

与上述例子1相似，这样获得的超声波换能器的发射/接收特性由500kHz的超声波来估算。图11A和11B示出该估算的一个例子。图11A示出例子2的超声波换能器的响应波形，它具有陡峭上升沿和适用于在作为流量计的应用中进行测量的波形。图11B示出频率特性的结果，其中超声波换能器具有以500kHz为中心的很宽的频率带宽。

与上述例子1相似，根据例子2的超声波换能器使用双层构成的声音匹配部件，两层之间没有中间层，因此很难发生分层，因此可以很容易设计和制造优良的超声波换能器。比较例子1

比较例子示出根据传统技术制造的声音匹配部件的例子，参见图16说明。(1)第一层的形成

使用与例子1中相似的方法获得的多孔部件作为第一层。就是说，将表面密度为0.65g/cm³、空隙容量为体积比的80％的陶瓷多孔部件研磨并调节为直径为12mm且厚度为1.2mm，从而形成第一层。(2)第二层的形成

与例子1相似，将凝胶体原材料液体置于自然条件的室温下24小时变为凝胶体，从而获得湿凝胶体，该凝胶体原材料液体包含四甲基硅、乙醛、和氢氧化铵溶液(0.1正常溶液)，它们按照1∶3∶4的摩尔比配制。将该湿凝胶体切割为直径大约为12mm且厚度大约为3mm的尺寸，然后放在作为第一层的陶瓷多孔部件的一个表面上，然后在12Mpa、50℃的二氧化碳中进行非常严格的干燥，从而形成作为第二层的二氧化硅干凝胶体。

根据上述方法，可以尝试制造具有两层结构的声音匹配部件，该部件包括作为第一层的陶瓷多孔部件和作为第二层的二氧化硅干凝胶体。

根据相似的方法，可以尝试制造五个声音匹配部件。但是，在这五个的三个中，在干燥后第一层和第二层分开或在第二层出现裂缝，因此不能获得具有两层结构的声音匹配部件。可以设想是因为作为第一层的陶瓷多孔部件没有平整的表面，因此没有获得十分有效的结合区域以实现有效的结合。

至于剩下的两个，当观察它们的截面结构时，发现在第一层11和第二层12之间存在大约0.050-0.100mm尺寸的中间层13，其中多孔部件的空隙部分中注有二氧化硅干凝胶体。由于它是通过在表面密度为0.65g/cm³的多孔部件的空隙部分(空隙度：80体积％)中注入表面密度为0.2g/cm³的二氧化硅干凝胶体，因此可以估算该中间层13的表面密度为0.81g/cm³(＝0.65+(0.2×0.8))。

因此，该中间层的表面密度大于第一层的表面密度ρ1(0.65g/cm³)，这偏离了前面说明的理想结构，“形成多个匹配层，使它们的声音阻抗从压电部件的声音阻抗Z0逐渐减低为作为发射介质的气体的声音阻抗Z3(Z0＞Z3)”。

在不脱离本发明精神和本质特征的前提下可以以其他形式实现本发明。本申请中描述的实施例仅是示例性的、并不进行限定。本发明的范围由附加权利要求限定而不是前述的说明书限定，所有在权利要求的内涵和范围内的变化都被认为落入本发明保护范围内。