专利名称：超声波发送接收器及超声波流量计的制作方法
技术领域：
本发明是关于具有声匹配层的超声波发送接收器及其制造方法，以及设置有该超声波发送接收器的超声波流量计。
背景技术：
近年来，测量超声波传输流体流过的管内既定距离的时间，通过测定流体的移动速度，基于该流动速度决定流量的超声波流量计在气体仪表等中得到了利用。
图35是表示这种类型的超声波流量计的主要部分的截面结构。超声波流量计配置得使应测定流量的被测定对象流体能够在管内流动。在管壁102上，相对面设置有一对的超声波发送接收器101a、101b。超声波发送接收器101a、101b，使用作为电能/机械能转换元件的压电陶瓷等压电振子所构成，表现出与压电蜂鸣器及压电振荡器同样的共振特性。
在图35所示的状态下，超声波发送接收器101a被用作超声波发送器，超声波发送接收器101a被用作超声波接收器。
将具有与超声波发送接收器101a的共振频率附近频率的交流电压施加于超声波发送接收器101a内的压电体(压电振子)时，超声波发送接收器101a具有作为超声波发送器的功能，向流体中放射超声波。放射的超声波经路径L1传播，到达超声波发送接收器101b。此时，超声波发送接收器101b具有作为接收器的功能，接收超声波并变换为电压。
接着，这一次超声波发送接收器101b具有作为超声波发送器的功能，超声波发送接收器101a具有作为超声波接收器的功能。也就是说，通过将超声波发送接收器101b的共振频率附近的频率的交流电压施加于超声波发送接收器101b内的压电体，使得从超声波发送接收器101b向流体中放射超声波。放射的超声波经路径L2传播，到达超声波发送接收器101a。超声波发送接收器101a接收传播来的超声波并变换为电压。
这样，由于超声波发送接收器101a及101b能够交互起到作为发送器与接收器的功能，所以一般总称为超声波发送接收器(或超声波发送接收波器)。
在图35所示的超声波流量计中，由于在施加连续的交流电压时，从超声波发送接收器放射连续的超声波，难以测定传播的时间，所以通常使用以脉冲信号作为传播波的短脉冲群电压信号作为驱动电压。
以下对上述超声波流量计的测定原理进行更详细的说明。
通过将驱动用的短脉冲群电压信号施加于超声波发送接收器101a，在从超声波发送接收器101a放射超声波短脉冲群信号时，超声波短脉冲群信号经路径L1传播，t时间后到达超声波发送接收器101b。使路径L1的距离与路径L2的距离同样。
超声波发送接收器101b，能够以高的S/N比仅将传播来的超声波短脉冲信号变换为电气脉冲信号。对该电气脉冲信号进行电气增幅，再一次施加于超声波发送接收器101a，放射超声波短脉冲信号。将进行这样动作的装置称为“声循环型装置”。而且，将从超声波发送接收器101a放射超声波脉冲之后至到达超声波发送接收器102b的时间称为“声循环周期”。“声循环周期”的倒数称为“声循环频率”。
在图35中，设在管中流动的流体的流速为V，流体中的超声波的速度C、流体的流动方向与超声波脉冲的传播方向的夹角为θ。在使用超声波发送接收器101a作为超声波发送器，使用超声波发送接收器101b作为超声波接收器时，如果从超声波发送接收器101a发出的超声波脉冲到达超声波发送接收器101b的时间、即声循环周期为t1，声循环频率为f1，则有下式(1)成立。
f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L (1)反之，如果在使用超声波发送接收器101b作为超声波发送器、使用超声波发送接收器101作为超声波接收器时的声循环周期为t2，声循环频率为f2，则有下式(2)成立。
f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L (2)两声循环频率的频率差Δf，由以下的式(3)表示。
Δf＝f1-f2＝2Vcosθ/L (3)根据式(3)，能够从超声波传播的距离L及频率差Δf，求出流体的流速V。而且，从该流速V，能够决定流量。
在这样的超声波流量计中，能够求出高的精度。为了提高精度，在超声波发送接收器内的压电体的超声波发送接收面上形成的声匹配层的声阻抗是重要的。声匹配层，特别是在超声波发送接收器向气体放射超声波的情况下以及在接收由气体传播来的超声波的情况下，起着重要的作用。
以下，参照图36，对声匹配层的作用加以说明。图36表示历来的超声波发送接收器103的截面结构。
图示的超声波发送接收器103设置有在传感器盒105的内侧固定的压电体106，与在传感器盒105的外侧固定的声匹配层104。声匹配层104由环氧树脂系的粘结剂等与传感器盒105相粘结。同样，压电体106也与传感器盒105相粘结。
压电体106的超声波振动，通过粘结层传给传感器盒106，进而通过另一个粘结层传给声匹配层104。其后，超声波振动向与声匹配层104相接的气体(超声波传播介质)作为声波而放射。
声匹配层104的作用是将压电体的振动有效地传播到气体。以下对这一点进行更详细的说明。
物质的声阻抗Z，是使用该物质中的声速C与物质的密度ρ，由以下的式(4)所定义。
Z＝ρ×C (4)作为超声波放射对象的气体的声阻抗，与压电体的声阻抗有很大的不同。一般的压电体PZT(钛酸锆酸铅)等压电陶瓷的声阻抗Z1，约为30×106kg/m2/s。与此相比，空气的声阻抗Z3，约为400kg/m2/s。
在声阻抗不同的物质的境界面，声波容易发生反射，使透过境界面的声波的强度下降。因此，在压电体与气体之间，插入具有如式(5)所示声阻抗Z2的物质。
Z2＝(Z1×Z3)1/2(5)插入具有这样的声阻抗Z2的物质，能够抑制在境界面的反射，使声波的透过率提高。
在声阻抗Z1为30×106kg/m2/s、声阻抗Z3为400kg/m2/s的情况下，满足式(5)的声阻抗Z2约为11×104kg/m2/s。具有11×104kg/m2/s的值的物质，当然必须满足式(4)，即Z2＝ρ×C。在固体材料中找出这样的物质非常困难。其理由是由于要求是固体、密度ρ要充分的小、且声速C要充分的小。
现在，作为声匹配层的材料，广泛使用由树脂材料将玻璃球及塑料球等固定的材料。而且，作为这样的适合于声匹配层的材料的制作方法，将中空的玻璃球热压缩的方法及将熔融材料发泡的方法等，例如在特许第2559144号公报中有说明。
发明内容
然而，这些材料的声阻抗，大于50×104kg/m2/s，很难说能够满足式(5)。为了得到高灵敏度的超声波发送接收器，有必要由声阻抗更小的材料形成声匹配层。
为了满足这样的要求，本发明者发明了能够充分满足式(5)的声匹配材料，在特开平2001-056051号说明书中做了详细说明。这些材料是使用赋予了耐久性的干燥凝胶所制作，密度ρ更�。疑貱更低。
设置有由这样的声阻抗极低的干燥凝胶等材料所形成的声匹配层的超声波发送接收器，能够高灵敏度地与气体进行超声波的发送与接收，结果是得到能够对气体流量进行高精度测量的装置。
但是，干燥凝胶等声阻抗极低的材料，一般机械强度也低。特别是，干燥凝胶虽然对压缩方向上的应力比较强，但对拉伸及弯曲方向的应力极弱，受到弱的冲击力就容易被破坏。
而且，由于这样的材料的声速非常低，所以为了得到最大的发送接收灵敏度的适当的声匹配层厚度(发送接收波长的约1/4)就非常地薄。例如，如果材料的声速为60～400m/s，在进行500vHz左右的超声波的发送与接收的情况下，优选声匹配层的厚度为30～200μm。对于如此薄的声匹配层，将声匹配层作为一个部件操作就极为困难，对传感器盒及压电体等粘结声匹配层、制作超声波发送接收器几乎是不可能的，或者是即使可能，从制造成品率及成本的观点看，也难以实用化。
进而，由于声匹配层的机械强度低，所以在作为超声波发送接收器使用的过程中，超声波振动自身可能会诱发声匹配层的剥落等，有可能使可靠性下降。
本发明是鉴于上述问题而提出，其目的在于提供一种超声波发送接收器及其制造方法，能够在设置由干燥凝胶等机械强度低、声速低的材料所形成的声匹配层的同时，能够成品率高地制造，且可靠性高。
本发明的另一目的是提供设置有上述超声波发送接收器的超声波流量计。
本发明的超声波发送接收器，具有压电体，在所述压电体上设置的声匹配层，以及与所述声匹配层的侧面的至少一部分相接触、设置于对于所述压电体固定的位置的保护部。
在优选的实施方式中，所述保护部从与所述压电体的主面在同一水准的平面向超声波放射方向突出，以所述压电体的主面为基准的所述保护部的高度规定所述声匹配层的厚度。
在优选的实施方式中，所述保护部的所述高度为5μm以上2500μm以下。
在优选的实施方式中，所述声匹配层的厚度与所述保护部的所述高度大体相等。
在优选的实施方式中，所述声匹配层的厚度，是由所述压电体所发送及/或接收的超声波波长的约1/4。
在优选的实施方式中，所述声匹配层是由密度为50kg/cm3以上1000kg/cm3以下的材料所形成。
在优选的实施方式中，所述声匹配层是由声阻抗为2.5×103kg/m2/s以上1.0×106kg/m2/s以下的材料所形成。
在优选的实施方式中，所述声匹配层是由无机系材料所形成。
在优选的实施方式中，所述无机系材料是无机氧化物的干燥凝胶。
在优选的实施方式中，所述无机氧化物具有疏水化固体骨骼部。
在优选的实施方式中，所述声匹配层是在设置有所述保护部的所述压电体上由流动性状态而固化的物质。
在优选的实施方式中，具有在所述压电体的主面与所述声匹配层之间设置的下层声匹配层，所述保护部从所述第二声匹配层的主面突出，以所述声匹配层的主面为基准的所述保护部的高度规定位于最上层的所述声匹配层的厚度。
在优选的实施方式中，所述保护部由所述下层声匹配层的一部分所构成，与所述下层声匹配层一体化。
在优选的实施方式中，所述保护部的所述高度为5μm以上2500μm以下。
在优选的实施方式中，所述保护部的所述高度与位于最上层的所述声匹配层的厚度大体相等。
在优选的实施方式中，所述第一声匹配层和所述下层声匹配层，分别具有由所述压电体所发送及/或接收的超声波波长的约1/4的厚度。
在优选的实施方式中，所述第一声匹配层的密度为50kg/cm3以上1000kg/cm3以下。
在优选的实施方式中，所述下层声匹配层的声阻抗大于所述第一声匹配层的声阻抗，为2.5×103kg/m2/s以上3.0×107kg/m2/s以下。
在优选的实施方式中，所述保护部存在于位于最上层的所述声匹配层的外周。
在优选的实施方式中，所述保护部覆盖位于最上层的所述声匹配层的外周侧面的全体。
在优选的实施方式中，所述保护部配置于所述压电体的主面的外侧。
在优选的实施方式中，所述保护部设置在所述压电体的主面上。
在优选的实施方式中，所述保护部设置在所述下层声匹配层上。
在优选的实施方式中，所述保护部由所述下层声匹配层的一部分所形成，与所述下层声匹配层一体化。
在优选的实施方式中，进而设置有支撑所述压电体的结构支撑体。
在优选的实施方式中，进而设置有支撑所述压电体的结构支撑体，所述保护部设置在所述结构支撑体上。
在优选的实施方式中，所述结构支撑体由压力成形的金属所构成，所述保护部由通过所述结构支撑体的压力成形而弯曲的部分所构成。
在优选的实施方式中，所述保护部的所述高度为5μm以上2500μm以下。
在优选的实施方式中，所述声匹配层的厚度与所述保护部的所述高度大体相等。
在优选的实施方式中，所述声匹配层的厚度，是由所述压电体所发送及/或接收的超声波波长的约1/4。
在优选的实施方式中，所述声匹配层的密度为50kg/m3以上1000kg/m3以下。
在优选的实施方式中，所述声匹配层的声阻抗为2.5×103kg/m2/s以上1.0×106kg/m2/s以下。
在优选的实施方式中，进而设置有配置在所述压电体的背面的背面负荷部件，所述保护部件设置在所述背面负荷部件上。
在优选的实施方式中，所述保护部是由所述背面负荷部件的一部分所构成，与所述背面负荷部件一体化。
在优选的实施方式中，所述声匹配层与所述保护层的接触面的至少一部分接收赋予羟基的表面处理。
在优选的实施方式中，所述声匹配层与所述保护层的接触面的至少一部分接收粗面化处理。
在优选的实施方式中，所述声匹配层与所述保护层的接触面的至少一部分是多孔质。
在优选的实施方式中，在超声波发送接收器中与所述音响整合层相接触的部分，浸透所述音响整合层的一部分，并一体化。
本发明的另一种超声波发送接收器，具有进行超声波振动的压电体；由密度为50kg/m3以上1000kg/m3以下、且声阻抗为2.5×103kg/m2/s以上1.0×106kg/m2/s以下的材料所形成的上层声匹配层；在所述压电体与所述上层声匹配层之间设置的下层声匹配层；支撑所述下层声匹配层与所述压电体、并遮蔽所述压电体将其与超声波传播流体隔开的结构支撑体，其中设置有与所述上层匹配层的侧面的至少一部分相接触的保护部。
所述保护部由所述下层声匹配层的一部分所形成，与所述下层声匹配层一体化。
在优选的实施方式中，所述保护部的弹性模量与所述声匹配层的弹性模量大体相等。
本发明的超声波流量计，设置有被测定流体流过的流量测定部；设置于所述流量测定部、发送与接收超声波信号的一对超声波发送接收器；测量超声波在所述一对的超声波发送接收器之间传播时间的测量装置；以及基于所述测量装置的信号计算出流量的流量演算装置，所述一对的超声波发送接收器分别是上述任一种超声波发送接收器。
在优选的实施方式中，遮蔽所述超声波发送接收器的压电体，将其与所述被测定流体隔断。
本发明的装置的特征是设置有上述任一种超声波发送接收器。
本发明的超声波发送接收器的制造方法，包含准备具有主面与在所述主面上设置的凸部的压电体的工序(a)，及在所述压电体的主面上形成声匹配层、使所述声匹配层的侧面的至少一部分与所述凸部的侧面相接触的工序(b)。
在优选的实施方式中，所述工序(b)包含将凝胶原料供给到所述压电体元件的主面上的工序，及通过将所述凝胶原料的干燥与固化而形成所述声匹配层的工序。
在优选的实施方式中，所述工序(a)包含加工压电体的表面，形成所述主面及凸部的工序。
在优选的实施方式中，所述工序(a)包含在压电体的表面固定接合所述凸部的工序。
在优选的实施方式中，所述工序(a)包含将压电体固定接合于结构支撑体的工序。
本发明超声波发送接收器的方法，是制造设置有上层声匹配层，压电体，以及在所述上层声匹配层与所述压电体之间设置的下层声匹配层的超声波发送接收器的方法，该方法包含准备具有凹部、作为所述下层声匹配层功能的部件的工序(a)，对所述部件的凹部供给凝胶原料的工序(b)，以及通过将所述凝胶原料的干燥与固化而形成所述上层声匹配层的工序(c)。
在优选的实施方式中，所述工序(b)包含使所述凝胶原料浸透所述部件的工序。
在优选的实施方式中，所述凝胶原料浸透所述部件的全体。
在优选的实施方式中，所述工序(b)是在所述部件与所述压电体的配置关系固定之后进行。所述工序(b)也可以在所述部件与所述压电体的配置关系固定之前进行。
本发明的超声波发送接收器，设置有压电体，在所述压电体上设置的声匹配层，以及与所述声匹配层的外周面相接而配置的保护部。
本发明的超声波发送接收器，设置有结构支撑体，夹持所述结构支撑体、在对面位置设置的压电体及声匹配层，以及与所述声匹配层的外周面相接而配置的保护部。
本发明中进而其它的超声波发送接收器，是设置有具有进行超声波的发送及/或接收的主面的压电体，与在所述压电体的主面上设置的声匹配部件的超声波发送接收器，所述声匹配部件具有第一声匹配部分与平均密度低于所述第一声匹配部分的第二匹配部分，所述第一声匹配部分与所述第二匹配部分的侧面相接触。
在优选的实施方式中，所述第一声匹配部分比所述第二声匹配部分厚，从所述压电体的主面放射、透过第二声匹配部分、到达与所述第一声匹配部分的上面同一水准位置的超声波的相位，与从所述主面放射、透过所述第一声匹配部分而到达所述第一声匹配部分的上面的超声波的相位大体一致。
在优选的实施方式中，所述第一声匹配部分中超声波的波长为λ1时，所述第一声匹配部分的厚度有k1·λ1(k1为1/8以上、1/3以下)的大�。矣胨龅�21声匹配部分的厚度不同。
在优选的实施方式中，所述第二声匹配部分是由N层声匹配层(N是1以上的整数)所构成，N层的声匹配层各自具有各声匹配层中所述超声波的波长的k2倍的大小(k2为1/8以上、1/3以下)。
在优选的实施方式中，位于所述第二声匹配部分的最外层的声匹配层的厚度，约是位于位于所述第二声匹配部分的最外层的声匹配层中超声波波长的1/4。
在优选的实施方式中，所述第二声匹配部分中，在距离所述压电体的主面最近的位置所形成的声匹配层，是由与所述第一声匹配部分的材料相同的材料构成。
在优选的实施方式中，所述第二声匹配部分中，在距离所述压电体的主面最近的位置所形成的声匹配层，是与所述第一声匹配部分一体形成。
在优选的实施方式中，所述第二声匹配部分中所包含的至少一层声匹配层，是由干燥凝胶所形成。
在优选的实施方式中，所述干燥凝胶是由无机系材料所构成。
在优选的实施方式中，所述干燥凝胶具有疏水化固体骨骼部。
在优选的实施方式中，在构成声波发送接收器的部件中，与所述声匹配部分相接面的至少一部分，是粗面或多孔质。
在优选的实施方式中，在构成声波发送接收器的部件的与所述第二声匹配部分相接面的至少一部分中，所述第二声匹配部分的一部分向所述部件浸透一体化。
在优选的实施方式中，所述第二声匹配部分的至少一部分是由干燥凝胶所形成，所述第一声匹配部分是由机械强度比所述干燥凝胶高的材料所形成。
在优选的实施方式中，所述第一声匹配部分的至少一部分是由多孔陶瓷所形成。
在优选的实施方式中，所述第一声匹配部分的厚度对应于所述压电体的主面中的位置而变化。
在优选的实施方式中，所述第二声匹配部分的厚度对应于所述压电体的主面中的位置而变化。
本发明的超声波流量计，是设置有被测定流体流过的流量测定部，设置于所述流量测定部、发送与接收超声波信号的一对超声波发送接收器，测量超声波在所述一对的超声波发送接收器之间传播的时间的测量装置，以及基于所述测量装置的信号计算出流量的流量演算装置的超声波流量计，所述一对的超声波发送接收器分别是上述任一种超声波发送接收器。
在优选的实施方式中，将所述超声波发送接收器的压电体遮蔽，使其与所述被测定流体隔断。
在优选的实施方式中，所述被测定流体是气体。
本发明的装置设置有上述任一种超声波发送接收器。
本发明的超声波发送接收器的制造方法，包含(a)准备具有第一面及与所述第一面相反一侧的第二面、在所述第一面及第二面上形成了电极的压电体的工序，(b)在所述压电体的所述第一面及第二面的至少一方侧形成第二声匹配部分的工序，(c)向由所述压电体与第二声匹配部分所形成的空间内供给凝胶原料的工序，(d)将所述凝胶原料液凝胶化得到湿润凝胶的工序，以及(e)将得到的湿润凝胶干燥的工序。
在优选的实施方式中，所述工序(c)包含(c1)向所述空间供给第一凝胶原料的工序，(c2)将所述第一凝胶原料液凝胶化、形成第一湿润凝胶层的工序，(c3)在所述第一湿润凝胶层上供给第二凝胶原料的工序，以及(c4)将所述第二凝胶原料液凝胶化、形成第二湿润凝胶层的工序。所述(e)工序包含通过对所述第一及第二湿润凝胶层的干燥，由所述第一及第二湿润凝胶层分别形成第一声匹配层及第二声匹配层的工序。
在优选的实施方式中，在所述工序(c4)中，对所述第一湿润凝胶层改质，使所述第一声匹配层的声阻抗发生变化。
本发明的超声波发送接收器，是设置有具有进行超声波的发送及/或接收的主面的压电体，以及在所述压电体的主面上设置的声匹配部件的超声波发送接收器，所述声匹配部件具有第一声匹配部分，与有比第一声匹配部分的机械强度低的机械强度的第二声匹配部分，所述第一声匹配部分与所述第二声匹配部分的侧面相接触。
图1是表示本发明的第一实施方式中超声波发送接收器的截面图。
图2是本发明的第一实施方式中超声波发送接收器的俯视图。
图3(a)是表示本发明的第一实施方式中超声波发送接收器的发送接收波形的图，图3(b)是表示历来的超声波发送接收器的发送接收波形的图。
图4是表示本发明的第一实施方式中声匹配层收缩情况的模式截面图。
图5是本发明第二实施方式中超声波发送接收器的截面图。
图6是表示本发明第二实施方式中保护部的其它结构的截面图。
图7是表示本发明第二实施方式中保护部的其它结构的上面图。
图8是本发明第三实施方式中超声波发送接收器的截面图。
图9是本发明第四实施方式中超声波发送接收器的截面图。
图10是本发明第五实施方式中超声波发送接收器的截面图。
图11(a)是表示本发明的第五实施方式中超声波发送接收器的发送接收波形的图，图11(b)是表示历来的超声波发送接收器的发送接收波形的图。
图12是表示本发明第六实施方式中下层声匹配层的其他结构的图。
图13是本发明第七实施方式中超声波发送接收器的截面图。
图14是表示本发明的第七实施方式中超声波发送接收器的发送接收波形的图。
图15是本发明第七实施方式中其它结构的超声波发送接收器的截面图。
图16(a)到图16(c)是表示图12所示超声波发送接收器的制造方法的工序截面图。
图17(a)是在图16所示的工序中，表示凝胶浸透充分的情况下的声匹配层的截面图，(b)是表示凝胶浸透不充分的情况下的截面18(a)到图18(d)是表示图12所示超声波发送接收器的另一制造方法的工序截面图。
图19(a)及图19(b)是分别表示保护部的其它构成例的俯视图。
图20是本发明的超声波发送接收器的第十实施方式的截面图。
图21是本发明的超声波发送接收器的第十实施方式的俯视图。
图22是表示本发明的超声波发送接收器的第十实施方式中超声波干涉的模式图。
图23是在保护匹配层及声匹配层中传播的超声波的相位的模式截面图。
图24(a)到(c)是表示本发明的超声波发送接收器的第十实施方式的制造方法的工序截面图。
图25是本发明的超声波发送接收器的第十实施方式的发送接收波形图。
图26是本发明的超声波发送接收器的第十一实施方式的截面图。
图27是本发明的超声波发送接收器的第十一实施方式的发送接收波形图。
图28是本发明的超声波发送接收器的第十二实施方式的截面图。
图29(a)到(d)是表示本发明的超声波发送接收器的第十二实施方式的制造方法的工序截面图。
图30是本发明的超声波发送接收器的第十三实施方式的截面图。
图31(a)及(b)分别是本发明的超声波发送接收器的第十四实施方式的俯视图。
图32是本发明的超声波发送接收器的第十五实施方式的截面图。
图33是表示本发明的第十六实施方式中超声波流量计的方框图。
图34(a)及图21(b)是表示由本发明的超声波流量计所测定的波形的图。
图35是表示历来的超声波流量计的截面图。
图36是历来的超声波发送接收器截面图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式1)图1表示本发明的第一实施方式中超声波发送接收器(超声波振动振子)的一截面。图示的超声波发送接收器1具有压电体4，在压电体4上设置的声匹配层3，以及对于压电体4固定的保护部2。
压电体4由具有压电性能的材料所构成，在厚度方向上极化。在压电体4的上下面，设置有未图示的电极，基于对电极施加的电压而放射超声波。而且，在接收了超声波的情况下，在电极之间发生电压信号。在本发明中，压电体4的材料任意，也可以使用共知的材料。
以压电体4的主面(超声波发送接收面)S1为基准的保护部2的高度H规定了声匹配层3的厚度，在优选的形式中，保护部2的高度与声匹配层3的厚度大体相等。
图2是表示图1的超声波发送接收器1的上面。从图2可知，在本实施方式的超声波发送接收器1中，环状保护部2包围声匹配层3，声匹配层3的外周面(侧面)的全体与保护部2的内周面相接触。通过在压电体4的上面设置这样的保护部2，使声匹配层3不容易从压电体4剥离。而且，还能够防止声匹配层3的破损。结果是使超声波发送接收器1的制造阶段及使用阶段的可靠性显著提高。
还有，根据后面要叙述的制造方法，通过调整保护部2的高度H，能够高精度地控制声匹配层3的厚度。这样，由于能够高精度、稳定地形成声匹配层3，所以能够以高的成品率制造品质优异的超声波发送接收器。由于当声匹配层3的厚度随元件而发生偏差时，超声波发送接收器的特性(灵敏度等)会发生变动，所以再现性良好地形成具有既定厚度的声匹配层3是很重要的。如前面所述，为得到最大发送接收灵敏度的适当的声匹配层的厚度约为发送接收的超声波的波长的1/4。因此，在声匹配层中使用声速约为280m/s的干燥凝胶进行约500kHz的超声波的发送与接收的情况下，干燥凝胶的声匹配层的优选厚度有必要设定为140μm左右。该厚度有10％左右的不同时，发送接收灵敏度就有可能发生20％左右的变动。这样，由声匹配层3的厚度的微小变化，发送接收灵敏度就有大的变动，但根据本实施方式，能够以良好的再现性形成具有所希望厚度的声匹配层3。
本实施方式的超声波发送接收器1，例如可以由以下的方法制造。
首先，准备与发送接收超声波的波长相吻合的压电体4。作为压电体4，优选是压电陶瓷及压点单晶等压电性高的材料。作为压电陶瓷，可以使用钛酸锆酸铅、钛酸钡、钛酸铅、铌酸铅等。而且，作为压电单晶，可以使用钛酸锆酸铅单晶、铌酸锂、水晶等。
在本实施方式中，作为压电体4使用的是钛酸锆酸铅压电陶瓷，发送接收超声波的频率设定为500kHz。为了使压电体4能够高效率到发送接收这样的超声波，所以将元件的共振频率设计为500kHz。因此，在本实施方式中，使用了由直径12mm、厚度约3mm的圆柱形压电陶瓷所形成的压电体4。
对于这样的压电体4，接合外径12mm、内径11mm、厚度140μm的环状保护部2。在本实施方式中，作为保护部2，使用的是不锈钢制的金属环。不锈钢的保护部2与压电体4的接合可以由粘接剂的粘接进行。例如，使用环氧系树脂作为粘接剂，在施加0.2MPa的压力的同时，在150℃的恒温槽中放置2小时，使其硬化即可。
在本实施方式中，由干燥凝胶形成声匹配层3。由于由干燥凝胶形成的声匹配层3的声速约为280m/s，所以声匹配层3中超声波的波长约为640μm。因此，设定声匹配层3的厚度为140μm，等于声匹配层3中超声波的波长的1/4。为了形成该厚度的声匹配层3，在本实施方式中，设定保护部2的厚度为140μm。
保护部2的作用，首先是在超声波发送接收器1的制造阶段及使用阶段，能够保护声匹配层3不受来自外部的机械冲击或热冲击。第二，在作为超声波发送接收器1的动作(使用)时，对于保护超声波发送接收器1不受发送接收的超声波的振动也有重要的作用。
为了使声匹配层3发挥其作用，重要的是，要使压电体4和声匹配层3紧密接合。在压电体4和声匹配层3之间即使发生很微小的剥离，也不能发挥作为声匹配层3的作用。
本发明者为了保持压电体4与声匹配层3的紧密接合性，发现了如图2所示，在声匹配层3的外周部设置保护部2的结构是极为投效的。在没有保护部2的情况下，超声波发送接收器1的制造时及使用时等，其特性大幅度恶化，有使超声波发送接收器1不能够实用化的可能性。
本实施方式的声匹配层3，是由密度ρ与声速C的积(ρ×C)所规定的声阻抗非常小的材料所构成。因此，对于空气等气体的超声波的发送接收效率能够提高到非常高。作为声阻抗特别小的材料，在本实施方式中使用了上述干燥凝胶。
通过由干燥凝胶形成声匹配层3，与由树脂材料固定玻璃球及塑料球等历来的材料所形成的声匹配层的情况相比，由于气体压电体之间的声匹配非�：茫阅芄皇钩ǚ⑺徒邮招矢裢馓岣�。
本说明书中的所谓“干燥凝胶”，是指由溶胶-凝胶反应所形成的多孔质体，是由凝胶原料液的反应所固体化的固体骨架部，经过包含溶剂所构成的湿润凝胶，通过干燥除去溶剂而形成的物质。该干燥凝胶是由纳米尺寸的固体骨架部形成了平均细孔直径约数nm到数μm的连续气孔的纳米多孔质体。
由于是具有这样微细结构的多孔质体，所以具有通过固体部分传播的声速能够极小、同时通过由细孔构成的多孔体内的气体部分而传播的声速也极小的性质。因此，作为声速表示出500m/s以下程度的非常小的值，能够得到与历来的声匹配层完全不同的低的声阻抗。而且，在纳米尺寸的细孔部，为了增大气体压力损失而作为声匹配层使用的情况下，还具有能够以高的声压放射声波的特征。
作为这样的干燥凝胶的材质，可以使用无机材料、有机高分子材料等各种各样的材料。作为无机材料的固体骨架部，可以使用氧化硅、氧化铝、氧化钛等。而且，作为有机高分子材料的固体骨架部，可以使用一般的热固性树脂、热塑性树脂等，例如，可以使用聚氨酯、聚脲、酚硬化树脂、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等。
在本实施方式中，预先在压电体4与保护部2所形成的凹型空间P1(参照图1)的内部由上述干燥凝胶形成声匹配层3。也就是说，在液体状的凝胶原料液流入由压电体4与保护部2所形成的凹型空间P1后，通过进行凝胶化、疏水化、以及干燥，形成作为声匹配层3的干燥凝胶。还有，在本实施方式中，使用了具有氧化硅的固体骨架的干燥凝胶作为声匹配层3。
具体地，通过按以下顺序进行以下所示的工序1～4，能够形成声匹配层3。
1.准备将四乙氧基硅烷、乙醇、以及氨水溶液(规定0.1)按摩尔比1∶3∶4调制的凝胶原料液(溶胶)。
2.用滴管将该凝胶原料液滴入由压电体与保护部所形成的凹型空间。此时，滴下比凹型空间P1体积过量的凝胶原料液。接着，通过使用特氟纶(注册商标)制的平板(未图示)进行切断操作，使凹型空间P1内所存留的凝胶原料液的高度与保护部的高度H相同，之后，由特氟纶板覆盖。
3.在室温放置约一天，在原料液凝胶化(形成湿润凝胶)之后，取下特氟纶板。其后，在三甲基乙氧基硅烷为5wt％的正己烷溶液中进行疏水化处理。
4.导入超临界干燥槽，在二氧化碳气氛、压力12MPa、温度50℃的条件下进行超临界干燥。这样，形成干燥凝胶。
由以上的1～4工序，例如，可以形成密度ρ为0.3×103kg/m3，声速C为280m/s，厚度为140μm的声匹配层4。
本发明在由密度为50kg/m3以上1000kg/m3以下，且声阻抗为2.5×103kg/m2/s以上1.0×106kg/m2/s以下的材料所形成声匹配层的情况下能够显著地发挥其效果，根据上述方法，能够顺利地制作出这样的声匹配层。
根据上述方法，由于能够使声匹配层3的厚度与保护部2的高度H大体相等，所以能够由保护部2而高精度地控制声匹配层3的厚度。保护部2在制造工序的某些阶段还可以说具有凝胶原料液的导向功能。
根据上述方法，由于能够以高的成品率形成厚度偏差小的声匹配层3，所以能够抑制超声波发送接收器的特性的偏差。还有，在本发明中，保护部2的高度与声匹配层3的厚度相等也并非不可缺少。在保护部2的高度比声匹配层3的厚度大的情况下，能够抑制声匹配层3的收缩，充分发挥保护不受机械冲击的功能。反之，在保护部2的高度比声匹配层3的厚度小的情况下，与不设置保护部2的情况相比，也能够抑制声匹配层3的收缩，高度发挥保护不受机械冲击的功能。
关于设置有由上述方法制作的声匹配层4的超声波发送接收器，对其发送接收波形进行了测定。由测定所得到的波形图示于图3(a)。为了进行比较，将由环氧树脂固化玻璃球的材料使用于声匹配层情况下的发送接收波形图示于图3(b)。这里所使用的玻璃球的声匹配层，密度为0.52g/cm3，声速为2500m/s，厚度为1.25mm。
还有，如在以往技术中所述，优选声匹配层的声阻抗表示出式(5)所规定的值。在本实施方式中，在压电体4中使用钛酸锆酸铅压电陶瓷，设定空气作为传播超声波的传播介质。所以，由于压电体4的密度为7.7×103kg/m3，声速为3800m/s，故声阻抗约为29×106kg/m2/s。另一方面，由于空气的密度为0.00118kg/m3，声速为340m/s，所以其声阻抗约为0.0004×106kg/m2/s。因此，根据式(5)，声匹配层的优选声阻抗，理论上约为0.1×106kg/m2/s。
本实施方式的超声波发送接收器1中声匹配层3的声阻抗，由于密度为0.3×103kg/m3，声速为280m/s，所以其声阻抗值约为0.084×106kg/m2/s，与理论上的理想值极为接近。
由图3可知，根据本实施方式，与历来的传感器相比能够得到3倍以上的灵敏度。而且，在本实施方式中，由于设置了保护层2，所以即使是由具有机械强度低、容易损坏的干燥凝胶所形成的声匹配层的超声波发送接收器，也能够以高的成品率制造，而且在使用时，也能够进行长时间高可靠性的工作。进行了外部振动试验、热冲击试验，连续振动试验等，在苛刻的条件下对声匹配层3是否从压电体4剥离进行了评价，确认了超声波发送接收器的性能没有恶化，能够进行极为稳定的工作。
在本实施方式中，在上述工序4中，干燥湿润凝胶得到干燥凝胶时，虽然使用的是超临界干燥法，但也可以在通常的大气中进行干燥。在这种情况下，在从湿润凝胶向干燥凝胶变化的过程中发生收缩，会发生10～20％的体积变化。发生这样的体积收缩时，在历来的结构中，声匹配层3就会从压电体4剥离。但在本实施方式的情况下，由于如图4所示存在有保护部2，所以干燥凝胶的收缩主要是仅在厚度方向上发生。也就是说，在压电体4与声匹配层3的界面上，几乎不发生面内方向的应力，所以具有防止声匹配层3剥离的效果。所以，即使是采用比超临界干燥法简便的大气干燥法，也能够制作高灵敏度、高可靠性的超声波发送接收器1，并能够减低制造成本。
还有，考虑到干燥凝胶的收缩率，优选将保护部2的厚度设定得使最终的声匹配层3的厚度具有最佳的尺寸。还有，收缩的程度过大，声匹配层3的最薄部分的厚度减少到平均厚度的90％以下时，声匹配层3的特性恶化，所以是不理想的。由超临界干燥法，能够将声匹配层3的最薄部分的厚度维持在平均厚度的98％以上。
对于与声匹配层3的下面相接的压电体4的上面，及与声匹配层3的侧面相接的保护部2的内侧面，优选预先进行等离子体清洗及酸处理等表面处理。由这样的处理在接触面形成羟基，能够使干燥凝胶与压电体4及保护部2之间由化学结合而强固。
为了实现声匹配层3与压电体4及保护部2之间的强固结合，可以在压电体4及保护部2的表面中与声匹配层3结合的区域进行粗面化处理。作为粗面化的方法，可以有效地利用通常的锉、喷砂处理、物理或化学的腐蚀操作等方法。
为了提高声匹配层3和保护部2的紧密接合性，使用多孔质材料作为保护部2的材料也是有效的。通过由多孔质材料形成保护部2，由于能够使声匹配层3的一部分浸透到保护部2的内部而一体化，所以能够得到更强固的接合状态。
作为在保护部2中可能使用的多孔质体，可以列举出由发泡法等制造的金属、陶瓷、树脂等。作为多孔质金属，可以使用不锈钢、镍、铜等，作为陶瓷可以使用氧化铝、钛酸钡等，作为树脂可以使用环氧树脂、尿烷等各种各样的材料。
还有，在本说明书中，“保护声匹配层”，不仅是保护声匹配层不受机械振动及冲击等，而且还包含在由形成时收缩的材料制作声匹配层的工序中抑制声匹配层的剥离。通过采用这样的保护声匹配层的保护部件，即使由机械强度弱、具有收缩性的材料形成声匹配层，声匹配层的功能(由声的匹配使压电体与超声波的传播介质之间的超声波的发送接收能够高效率地进行的功能)也能够持续实用水准。
(第二实施方式)参照图5对本发明的第二实施方式加以说明。在本实施方式中，保护部与压电体是一体化。具体地，在压电体5的主面中央部形成凹部5a，压电体5的一部分5b作为保护部而使用。换言之，压电体5的一部分5b具有作为保护部功能，保护部与压电体一体形成。
图5的超声波发送接收器是由以下的方法制作。
首先，在准备了做了极化处理的压电体5之后，对压电体5的一侧的面(主面)加工，形成凹部5a。为形成凹部5a的加工，可以由立铣刀及喷砂设备进行。凹部5a的深度与保护部(5b)的高度相对应。其后，在形成了凹部5a的面上形成电极，在与压电体的凹部相反的面也形成电极。电极例如可以由电镀、溅射等方法形成金、镍等金属膜而制作。
根据本实施方式，由于对压电体5加工，使其主面的周围部具有保护部的功能，所以不需要将另外制作的保护部接合于压电体的工序。在保护部的接合中使用粘接剂的情况下，必须考虑由于粘接层的存在而引起的保护层高度的变化，但根据本实施方式，由于由高精度规定高度的保护部能够高精度地调节声匹配层3的厚度，所以能够提供稳定、高性能的超声波发送接收器。
在本实施方式中，还优选对于压电体5的表面中与声匹配层3接触的部分实行形成羟基的处理。而且，在进行在压电体5形成凹部5a的加工时，如果对压电体5进行粗面化处理，还能够进一步提高声匹配层3与压电体5的紧密接合性。
在上述第一实施方式及第二实施方式中，作为保护部功能的部分，是形成具有与压电体5的主面相垂直侧面的环状。但是，该保护部的侧面，也可以具有如图6所示的圆锥状。而且，如图7所示，没有必要与声匹配层3的外周侧面的全部相接触也可以是具有分割为多个部分的结构，及一部分形成缺口的结构等。
根据上述第一实施方式或第二实施方式，即使是在声匹配层中使用干燥凝胶等密度低、声速小的材料的情况下，保护部也能够强固声匹配层与压电体的结合，发挥高的发送接收灵敏度，同时使在超声波发送振子的制造工序阶段的处理变得容易，能够以高的成品率提供高性能的超声波发送振子。而且，还能够实现在超声波发送振子的使用阶段不容易因机械振动及伴随超声波的发送接收的振动而引起特性恶化的、可靠性优异的元件。
(第三实施方式)参照图8对本发明的第三实施方式加以说明。
本实施方式的特征点是具有结构支撑体6。图8所示的支撑体6，设置有固定声匹配层3等的圆板状支撑部6a，与从该圆板状支撑部向轴向连续延伸的圆筒部6b。圆筒部的端部截面弯折成“L”型，以便于能够容易地固定在用于遮蔽的板60及其它的装置上。
在结构支撑体6的支撑部6a的表面，配置有声匹配层3与保护部2，在支撑部6a的背面配置有压电体4。也就是说，压电体4及声匹配层3分别设置在夹持结构支撑体6而相对的位置。通过使用这样的结构支撑体6，超声波发送接收器的操作使用就极为容易。
结构支撑体6可以由可密闭的容器(传感器箱)所构成。在这种情况下，如果结构支撑体6的圆筒部6b的开放端由遮蔽用板60所堵塞，且结构支撑体6内充满惰性气体，则能够将压电体4与流速测定对象的流体隔断。为了向压电体4施加电压，如果用可燃性气体围绕压电体4，则有施加于可燃气体的危险性。但是，由于结构支撑体6是由密闭性容器所构成，通过将内部与外部隔断，能够防止这样的引火，所以即使是对于可燃性气体，也能够安全地放射超声波。而且，即使外部的气体不是可燃性，在与压电体4反应，可能使压电体4的特性恶化的气体中放射超声波的情况下，也能够通过将压电体4与外部的气体隔断，抑制压电体4的恶化，能够在长时间内实现可靠性高的工作。
还有，在图8的例中，保护部2配置在压电体4的超声波发送接收面的外侧周边部。由于一般地保护部2不能起到声匹配层4的作用，所以在压电体4的主面上配置保护部2时，该部分就成为对超声波的发送接收没有贡献的部分，使发送接收的灵敏度下降。
为了使结构支撑体6不成为阻碍声的要因，优选压电体4接触的圆板状支撑部6a的厚度为发送接收超声波波长的1/8以下。通过将该厚度设定为波长的约1/8以下，结构支撑体6能够不阻碍超声波的传播。
在本实施方式中，是使用不锈钢作为结构支撑体6的材料，结构支撑体6的厚度设定为0.2mm。由于不锈钢中的声速约为5500m/s，所以0.2mm相当于频率为500kHz的超声波中波长的1/55。由于由这样薄的不锈钢形成结构支撑体6，所以即使是结构支撑体6存在于超声波的传播路径内，也几乎不成为声的障碍。
结构支撑体6的材料并不限于金属材料，也可以根据目的从陶瓷、玻璃、树脂等中选择得到。在本实施方式中，为了可靠地将压电体与外部流体分离、并给予即使是对结构支撑体6施加某些机械冲击也能够防止压电体与外部流体接触的强度，由金属材料制作了结构支撑体6。由此，例如即使是以可燃性及具有爆炸性的气体为对象而进行超声波的发送接收，也能够确保高的安全性。
在对于安全性气体进行超声波的发送接收的情况下，以减低成本为目的，也可以由树脂等材料形成结构支撑体6。
为了提高结构支撑体6与声匹配层3的紧密接合性，优选在结构支撑体6的表面中与声匹配层3相接触的部分，预先进行附加羟基的等离子体处理及氧处理等。而且，也可以通过锉及喷砂处理、化学及/或物理的腐蚀等方法，对该部分进行粗化处理。
(第四实施方式)接着，参照图9对本发明的第四实施方式加以说明。
在本实施方式的超声波发送接收器中，结构支撑体7的一部分7a具有作为保护部的功能，结构支撑体7与保护部一体化。例如在由不锈钢等金属材料的压力加工而制作结构支撑体7时，在其圆板状支撑部上形成凹部7b，凹部7b的周边(由结构支撑体7的压力成形而弯折的部分7a)能够作为保护部而使用。
通过采用这样的结构，能够省去将保护部接合于结构支撑体的工序。而且，与第一实施方式同样，由于没有由粘结层所引起的保护部的高度的偏差，所以能够以良好的成品率制作高灵敏度的超声波发送接收器。
还有，在图9中，没有记述为了密闭结构支撑体7的板，但根据需要，这样的板也可以接合于结构支撑体7或与其一体化。以下说明的其它实施方式也是同样。
(第五实施方式)参照图10及图11对本发明的第五实施方式加以说明。
本实施方式的超声波发送接收器，在声匹配层3与压电体4之间设置有其它的声匹配层(下层声匹配层)8。除了下层声匹配层8的插入之外，本实施方式的结构与第二实施方式的结构同样。
声匹配层抑制由声阻抗的不匹配所引起的声波的内部反射，起到高效率地将超声波从压电体向介质(超声波传播介质)放射的作用。这样的声匹配层，在发送或接受具有单一频率的超声波(连续波的超声波)的情况下，有一层就足够。
与此相比，在通常的超声波发送接收器中，是发送接收脉冲或爆发(burst)状的超声波。脉冲或爆发状的超声波不是单一的频率成分，而是包含宽频带的频率范围。为了对这样的超声波进行高灵敏度的发送接收，优选在压电体与超声波传播介质之间声匹配层的声阻抗能够缓慢地变化。为了使声阻抗这样缓慢地变化，将声匹配层多层化，使构成层的声阻抗缓慢变动即可。
在本实施方式中，如图10所示，声匹配层为两层。具体地，作为下层声匹配层8，使用了由陶瓷构成的多孔质烧结体。该下层声匹配层8的表观密度约0.64×103kg/m3，声速为2000m/s，声阻抗约1.28×106kg/m2/s。作为陶瓷材料，使用的是钛酸钡系的材料。
所谓“表观密度”，是指包含多孔体内空间部分的密度。多孔质陶瓷其体积的约80％是空间部分(空穴)，陶瓷的实体部是全体的约20vol％。这样的多孔质陶瓷，是将树脂制的球与陶瓷粉末混合，加压成形后，在陶瓷的烧结过程中对树脂球加热，将其燃烧去除而形成的。烧结时如果加热过于急剧，由于树脂球发生膨胀或急剧汽化会使陶瓷结构体遭到破坏，所以优选进行缓慢的加热。
在本实施方式中，在将这样的下层声匹配层8对于压电体4(直接是结构支撑体6)固定后，该声匹配层8中，对于与压电体4相反一侧的面接合保护部2。保护部2与第一实施方式中所使用的保护部2同样，可以使用由不锈钢制的环所制作的部件。接合可以全部由环氧树脂系的粘结剂而进行。
在这样由下层声匹配层8与保护部2所形成的凹部内，与第一实施方式同样，形成作为声匹配层3的干燥凝胶层。
在本实施方式中，在与第一实施方式的工序1同样的工序1中，通过改变凝胶化反应催化剂的氨的浓度，调整干燥凝胶的密度，形成作为声匹配层的密度为0.2×103kg/m3，声速为160m/s，声阻抗约为0.032×106kg/m2/s的干燥凝胶层。由于声匹配层的声速为160m/s，所以保护部2的高度设定为80μm，使声匹配层中超声波波长的1/4。优选能够对保护部2的内侧面由等离子体腐蚀实行赋予羟基的处理。
图11(a)是表示本实施方式中超声波发送接收器的发送接收波形。在图11的图中，纵坐标是信号振幅，横坐标是时间。坐标轴上的数值是指数标记，例如“2.0E0-4”含义是2.0×10-4。其它的图中也是同样。
在测定所使用的超声波发送接收器中，设定作为下层声匹配层8的多孔质陶瓷的厚度为1mm，保护部2及第一声匹配层(干燥凝胶层)2的厚度为80μm。
为了进行比较，在图10的超声波发送接收器中，使用由环氧树脂固化玻璃球的历来的声匹配层取代两层的声匹配层3、8而制作超声波发送接收器，对该超声波发送接收波形进行了测定。测定结果示于图11(b)。
通过将声匹配层设为两层，与历来的超声波传感器相比，得到了约20倍的高的灵敏度。而且，即使是与第一实施方式的超声波传感器相比，在实现高灵敏度的同时，还实现了宽频带化(短脉冲化)。这样，由声匹配层的两层化，能够提供非常适合于发送接收脉冲及爆发波的超声波发送接收器。
(第六实施方式)参照图12对本发明的第六实施方式加以说明。
在本实施方式中，下层的声匹配层9的一部分具有保护部的功能，声匹配层9与保护部一体化。在该例中，对声匹配层9加工，在其主面上形成凹部。成为上层的声匹配层3的干燥凝胶层，在下层的声匹配层9的凹部内形成。
通过采用这样的结构，能够省去将保护部接合于声匹配层9的工序。而且，由粘结层所引起的保护部高度偏差的问题也能够得到解决，所以能够以高的成品率制造在宽的频带范围内高灵敏度工作的超声波发送接收器。
在本实施方式中，下层的声匹配层9是由多孔质体所形成。因此，与上层的声匹配层3的结合强，能够确保高灵敏度，及高的稳定性。为了进一步提高该紧密接合性，优选预先对上层的声匹配层3与下层的声匹配层9的接触面进行赋予羟基的等离子体处理或酸处理。
在本实施方式及所述的第五实施方式中，声匹配层都具有两层的结构，但本发明的超声波振子并不限于这样的结构，也可以具有三层以上的多层结构。通过声匹配层的多层化，能够进一步提高灵敏度，扩大频带。但是，由于为了由多层化来提高灵敏度，必须形成由声阻抗极低的材料组成最外层的声匹配层，所以实用上采用两层的结构是现实的。
(第七实施方式)参照图13～15对本发明的第七实施方式加以说明。
如图13所示，本实施方式的超声波发送接收器在压电体4的背面侧接合有背面负荷部件10，保护部2在背面负荷部件10的上部形成。其它方面都与第三实施方式具有相同的结构。
背面负荷部件10具有减衰从压电体4向背面侧放射的超声波的功能，如果是能够发挥这样的功能的材料，由什么样的材料形成都可以。
保护部2由筒状金属形成、与背面负荷部件10的主面相接合。保护部2的厚度与压电体4、下层的声匹配层8、以及上层的声匹配层3的合计厚度相等。在本实施方式中，由于压电体4的厚度设定为3mm、声匹配层8的厚度为1mm、声匹配层3的厚度为0.08mm，所以保护部2的厚度为4.08mm。
本实施方式的背面负荷部件10是由铁氧体橡胶所构成，铁氧体橡胶是在橡胶中分散有铁粉的材料，声波的减衰率高。通过将这样的背面负荷部件10接合于压电体4的背面，能够减衰从压电体4的背面侧所放射的超声波，能够发送接收宽频带的(脉冲宽度短)超声波。
图14是表示对具有图13结构的超声波发送接收器测定的发送接收波形。与第三实施方式的超声波发送接收器相比，本实施方式的超声波发送接收器的发送接收灵敏度虽有降低，但能够实现在更宽的频带的工作，能够构成适合于短宽度脉冲发送接收的超声波发送接收器。
还可以使用图15所示的背面负荷部件11取代图13所示的背面负荷部件10。图15所示的背面负荷部件11，其一部分具有作为保护部的功能，保护部与背面负荷部件一体化。背面负荷部件11具有在除了主面的周边部的区域形成凹部的结构，压电体4被插入凹部内，与背面负荷部件11的凹部内面相接合。设置于背面负荷部件11的凹部的深度，设定得比压电体4的高度大，如果在插入后的压电体4的上面形成作为声匹配层的干燥凝胶层，就得到图15的结构。通过背面负荷部件11的采用，能够达到与图13的超声波发送接收器同样的宽频带化。
(第八实施方式)参照图16对图12所示的本发明的第八实施方式加以说明。
首先，如图16(a)所示，压电体4与下层声匹配层9接合于结构支撑体6。接合中可以使用粘结剂。如前所述，压电体4由压电陶瓷所形成，结构支撑体6由不锈钢所形成。下层声匹配层9由上面具有凹部的多孔陶瓷所形成。该凹部是由车床对平板状的多孔质陶瓷的上面加工而形成。
接着，如图16(b)所示，对于接合于结构支撑体6的状态的下层声匹配层9的凹部形成作为上层声匹配层的干燥凝胶。干燥凝胶的形成可以由第一实施方式中说明的方法进行。
为了使由多孔陶瓷形成的声匹配层9中充分浸透凝胶原料，优选在凝胶原料流入后配置于真空或减压气氛中。这样，在本实施方式中，凝胶原料不仅有作为声匹配层9的保护部的功能部分，而且还能够浸透声匹配层9的内部全体。通过这样做，能够使干燥凝胶与下层声匹配层9牢固地接合，于是能够使声匹配层9的特性均匀(图16(c))。以下，参照图17对这一点加以说明。
图17(a)是表示在下层声匹配层9中凝胶原料充分浸透的状态。为此，下层声匹配层9具有作为单一声层的功能，声阻抗，从声匹配层9的相对高的值，向上层的声匹配层的相对低的值台阶状地减少。
另一方面，在凝胶原料的浸透不充分的情况下，如图17(b)所示，实际上形成了三层结构的声匹配层。在这种情况下，由于凝胶原料的浸透不充分的最下层(第一层)的声阻抗比设定值�。灾屑洳�(第二层)的声阻抗就最大。声阻抗的分布呈如图17(b)所示时，从配置在图中下方的压电体(未图示)向成为超声波传播介质的气体，声阻抗就不是台阶状变�。嵋鸪ǚ⑺徒邮掌鞯奶匦远窕杂叛〕浞纸心涸系慕�。
在上述实施方式中，如图16所示，在将下层声匹配层9固定于结构支撑体6的工序之后，进行形成第一声匹配层3的工序。但这些工序的顺序也可以相反。参照图18(a)～(d)，对其它制造方法加以说明。
首先，如图18(a)所示，准备具有作为保护部功能部分的声匹配层9。接着，如图18(b)所示，在声匹配层9的凹部中滴入凝胶原料平满，使凹部内凝胶原料的高度与保护部的高度一致，将凝胶材料浸透到声匹配层9的全体。在凝胶材料的硬化、疏水化之后，由超临界干燥法对凝胶原料进行干燥，如图18(c)所示，在下层的声匹配层9上形成由干燥凝胶所构成的声匹配层3。
其后，如图18(d)所示，在固定有压电体4状态的结构支撑体6上接合声匹配层。还有，也可以不使用结构支撑体6，而将图18(c)的声匹配层直接接合于压电体4。
还有，在接合时为了不因加压而使干燥凝胶遭到破坏，优选选择最佳的加压条件。由于对于干燥凝胶的压缩方向的应力的强度较高，所以在上述接合工序中几乎没有制造成品率的下降。
还有，优选选定声匹配层3及声匹配层9的材料，使上层的声匹配层3的弹性模量及下层的声匹配层9的弹性模量表现出相互接近的值。二者的弹性模量接近时，能够对于接合面的全体给予均匀的压力，容易以高成品率制造灵敏度高的超声波发送接收器。
在图18(a)～(d)所示的方法中，在声匹配层9上形成干燥凝胶的工序中，由于没有必要对压电体及结构支撑体等进行处置，所以能够使干燥装置等设备小型化，能够以低成本制造超声波发送接收器。
在干燥凝胶的形成工序中，虽然有对粘结层等有机物施加化学负荷的可能性，但通过在干燥凝胶形成后进行接合工序，能够使接合部分不恶化。
(第九实施方式)参照图19对本发明的其它实施方式加以说明。
本实施方式的特征点在于，保护部2不仅在形成了声匹配层3的区域的外周部形成，而且在该区域内部也形成。
在从凝胶原料经湿润凝胶形成干燥凝胶层时，有在干燥凝胶层的上面形成凹凸的情况。而且，在不使用超临界干燥而由通常的干燥方法对湿润凝胶进行干燥的情况下，由于发生干燥凝胶的收缩，所以容易在干燥凝胶上形成如图4所示的凹部。
在超声波发送接收波面宽的情况下，上述凹凸容易变大，即使是将声匹配层的厚度设定为最佳值，实际上根据场所等，声匹配层的厚度会从最佳值发生大的变动。
由于干燥凝胶层中声速非常�。司哂凶魑ヅ洳愕氖实钡墓δ埽枰纬傻眉。院穸鹊脑市砦蟛畹姆段б残�。
如果形成了具有如图19(a)或图19(b)所示的布置的保护部，则声匹配层厚度的误差能够被抑制在目标值的约±5％以内。
如图19(a)或图19(b)所示，若在超声波发送接收器的超声波放射面的内部也设置保护部2，虽然能够将声匹配层3的厚度变动抑制到最�。柚迷诔ǚ派涿娴哪诓嗟谋；げ�2会成为对于超声波发送接收的阻碍要因。为了防止由保护部2而引起的声特性的恶化，优选将保护部2的大�。谀芄环⒒幼魑；げ�2的作用的范围内尽量地减小。
在图19(a)的构成例中，是随机配置截面为圆形的保护部2，但保护部2的截面并不限于圆形，也可以是矩形及多边形等。而且，配置也不限于随机。
在图19(b)的构成例中，是设置有同心的两个圆形保护部2。在该构成例中，在超声波发送接收器的超声波放射面的内部也存在保护部2，能够防止超声波发送接收器的特性恶化。图19(b)的结构，对于在超声波发送接收器的中心轴上从超声波放射面向仅离开近距离L的位置发送超声波的情况下是有效的。
设保护部2与超声波放射面的中心之间的距离为r时，优选距离r能够满足以下的式(6)。
n2λ24+nλL≤r≤(n+1)2λ24+(n+1)λL,(n=1,3,5,7···)---(6)]]>式中，λ是超声波在传播气体中的波长，L是从超声波发送接收器的超声波放射面的距离。例如，在频率为50kHz，超声波传播介质为空气(声速340m/s)，测定距离为10mm的情况下，由式(6)可知，优选在距离中心的半径r为2.6～3.7mm、4.6～5.4mm、6.1～6.7mm……的位置设置保护部2。在这些位置设置保护部2，能够防止由声的干涉所引起的场的紊乱，对于防止近距离超声波的灵敏度恶化是有效的。
将超声波发送接收器的声波放射面的各点分别视为点声源，则由各点声源所放射的球面波合成为发送的超声波。在距离超声波放射面近的情况下，由于相位不同的超声波会发生抵消，所以存在有不能够发送高输出超声波的位置。为了从超声波放射面仅放射相位相同的超声波，在放射相位不同的超声波的区域设置保护部2是有效的。在这样的区域设置保护部2，由于能够抑制相位不同的超声波的放射，所以能够防止近距离声场的紊乱，能够进行高输出的超声波发送。
(第十实施方式)图20是本发明的超声波发送接收器的第十实施方式的截面图。本实施方式的超声波发送接收器21，设置有压电体22，在压电体22的两面设置的电极23a、23b，在压电体22上通过电极23a而设置的保护匹配层(第一声匹配层)4，以及在压电体22上通过电极23a而设置的声匹配层(第二声匹配层)25。
图21是图20所示的超声波发送接收器21的俯视图。由图21可知，本实施方式的超声波发送接收器，具有厚度(高度)不同的保护匹配层24与声匹配层25交互配置为同心圆状的结构。
本实施方式中的压电体22，由具有压电性的材料所构成，在厚度方向上极化。如果对设置于压电体22上下面的电极23a、23b施加电压，基于电压信号在压电体22中产生超声波，通过保护匹配层24及声匹配层25向超声波传播介质(气体等)26放射。而且，传播到声波传播介质26的超声波，通过保护匹配层24及声匹配层25向压电体22传播。由入射超声波使压电体22变形，在电极23a与电极23b之间发生电压信号。
压电体22的材料为任意，可以使用由各种共知的材料所构成的压电体。还可以使用共知的电应变体取代压电体22。优选电极23a、23b由金属所形成，但也可以是由金属以外的导电体材料所构成。
保护匹配层24及声匹配层25能够将压电体22所发生的超声波振动高效率地向声波传播介质26传播，而且，还具有将传播到声波传播介质26的超声波高效率地向压电体22传播的功能。
优选本实施方式的声匹配层25由干燥凝胶所形成。干燥凝胶是由溶胶-凝胶反应所形成的多孔质体，是由密度ρ与声速C的乘积(ρ×C)所规定的声阻抗能够极小的材料。因此，通过使用由干燥凝胶所形成的声匹配层25，能够使对于空气等气体的超声波的发送接收效率极高。
干燥凝胶是在形成湿润凝胶之后，通过对该湿润凝胶进行干燥而得到的。湿润凝胶是首先准备凝胶原料液，能够通过该凝胶原料液的反应而制作湿润凝胶。湿润凝胶具有由凝胶原料液的反应而固化的固体骨架部，该固体骨架部是含有溶剂的状态。
由湿润凝胶的干燥而得到的干燥凝胶是多孔质体，在固体骨架部的间隙具有数nm～数μm的连续气孔。气孔的平均尺寸极�。�1nm～数μm。
调节制作条件使干燥凝胶的密度减小时，干燥凝胶的固体部分的声速也变得极�。毕缚啄谄宀糠值纳僖布�。因此，在低密度状态下，干燥凝胶的声速表现出500m/s以下的低值，表示出极低的声阻抗。特别是具有数nm的小尺寸的固体骨架部及细孔径的干燥凝胶，显示出更低的声速。而且，由于纳米尺寸的细孔部中气体的压力损失大，所以在由干燥凝胶形成声匹配层的情况下，能够以高的声压放射声波。
根据后述的制造方法，即使使用同样的原料，通过调节工艺条件，也能够在宽的范围内将干燥凝胶的声阻抗控制为任意的值。而且，通过改变制造工艺条件，还能够制作密度大体相同，仅声速变化的声匹配层。
干燥凝胶虽然具有这样的有利特征，但其机械强度低。因此，提高制造时的成品率就困难，使用时的可靠性也不高。通过设置对这样的机械强度低的干燥凝胶进行保护的部件，能够提高制造的成品率及可靠性，这些在第一到第九实施方式中给予了说明。
第一到第九实施方式的保护部，对于提高超声波发送接收器的制造成品率，或提高使用时的可靠性都是极为有效的，进而，由于能够对声匹配层的厚度进行高精度的控制，所以对于超声波发送接收器的性能稳定化也是有效的。但是，如上所述，在压电体发送或接收超声波的面(主面)上设置保护部，该保护部会成为声的障碍。而且，这是由于，在第一到第九实施方式中，将由不同于声匹配层材料的材料所形成的上层保护部的厚度设定得与声匹配层的厚度大体相等，所以保护部与声匹配层之间的声速不同，与声匹配层的厚度大体相等的保护部不能发挥声匹配层的作用。因此，为了不成为对超声波的发送接收构成阻碍的要因，优选第一到第九实施方式的保护部配置在压电体主面的外侧。
但是，由于为了确保对于更为苛刻环境条件的可靠性，及超声波发送接收器外径的限制等，也有在压电体的上部不得不设置保护部的情况。
在本实施方式中，采用了在压电体的主面上具有起保护声匹配层25的功能的保护部(由密度相对高、机械强度比声匹配层25高的材料所构成)，同时，不损害作为超声波发送接收器功能的结构。
在本实施方式中，将设置于压电体22主面上的保护部的厚度设定为发送接受超声波波长的约1/4。由此，机械强度相对高的保护部也能够具有作为声匹配层的功能。因此，在本说明书有些情况下将这样的保护部称为“保护匹配层”。通过采用这样的结构，由于保护声匹配层的保护部也能够起到声匹配层的作用，所以能够实现高灵敏度的超声波发送接收器。
最好地发挥作为声匹配层的作用的厚度是超声波波长的1/4。另一方面，保护匹配层24中的声速与声匹配层25中的声速不同。因此，保护匹配层24的厚度L3与声匹配层25的厚度L1，如图20所示，具有不同的大小(L3＞L1)。
如果将保护匹配层24的厚度及声匹配层25的厚度都设置约为声速的1/4，由于保护匹配层24的厚度及声匹配层25的厚度不同，所以就有从保护匹配层25的上面所放射的超声波与从保护匹配层24的上面所放射的超声波发生干涉的情况。为了实现高灵敏度的超声波发送接收器，各自放射的超声波的相位关系是极为重要的。
图22(a)是表示保护匹配层24的上面的超声波的波形，图22(b)是表示在保护匹配层25的上方，与保护匹配层24的上面同一水平的超声波的波形。还有，图22(b)中的符号“ta”，是表示超声波在声波传播介质26传播的时间。在超声波的频率为500kHz时，各图中横坐标的一个刻度是大约3μs。
从声匹配层25的上面所放射的超声波，通过气体等超声波传播介质26，到达与保护匹配层24的上面相同的水准。因此，在声匹配层25的上方，与保护匹配层24的上面相同水准的超声波波形的相位关系随传播介质26中的声速及传播介质26的尺寸L2而变化。
还有，图22(a)及(b)中的信号波形，是在假定从保护匹配层24及声匹配层25所放射的超声波的波长及振幅相等而求出的结果。
保护匹配层24的厚度L3及声匹配层25的厚度L1分别为各层中超声波波长的1/4时，超声波在保护匹配层24的下面与上面之间传播所需要的时间与在声匹配层25的下面与上面之间传播所需要的时间相等。所以，从声匹配层25的上面所放射的超声波到达与保护匹配层24的上面同一水准的超声波的相位，与传播过保护匹配层24而到达保护匹配层24的上面的超声波的相位相比要迟缓。该相位的迟缓与从声匹配层25的上面所放射的超声波仅传播了声波传播介质26中距离L2的时间相对应。
设发送接收超声波的频率为f(秒-1)，则超声波传播与超声波的一个波长相等距离所需要的时间为1/f(秒)。超声波通过本实施方式的保护匹配层24所需要的时间t3为1/4f(秒)。另一方面，超声波通过本实施方式的声匹配层25所需要的时间t2也为1/4f(秒)。这里，设超声波仅通过声波传播介质26中L2的距离所需要的时间为t2(＝ta)，则从保护匹配层24的上面所放射的超声波与从声匹配层25的上面所放射的超声波之间会依存于时间t2而发生干涉。超声波的波形及灵敏度由该干涉而变化。
图22(c)是在时间t2为1/2f(秒)的情况下所观测的超声波波形，图22(d)是在时间t2为1/f(秒)的情况下所观测的超声波波形。从图22(c)及(d)可知，观测的超声波的灵敏度因时间t2的值而有很大的差异。时间t2等于1/2f(秒)时，相位的偏离为超声波的半波长，观测的超声波的灵敏度下降。另一方面，时间t2等于1/f(秒)时，由于相位的偏离为超声波振子的波长的整数倍，所以观测的超声波的灵敏度升高。在时间为1/2f～1/f(秒)的范围时，随着t2从1/2f(秒)向1/f(秒)接近，超声波的发送接收灵敏度上升。
从声匹配层25所放射的超声波传播过声波传播介质26，到达与保护匹配层24的上面相同的水准时，调节声匹配层25及保护匹配层24的厚度，使该超声波的相位与传播过保护匹配层24而来的超声波的相位大体一致，能够提供高灵敏度的超声波发送接收器。还有，本说明书中“相位差大体一致”，意味着超声波的相位差为超声波波长的1/4以下，优选相位差越小越好。
图23是表示在时间t2为1/f(秒)的情况下的超声波的相位的模式截面图。在该图中，保护匹配层24上面的超声波的相位，与声匹配层25上方的与保护匹配层同一水准的超声波的相位相一致。产生这样的相位一致时，超声波的发送接收灵敏度达到最大化。还有，即使是在不能产生这样的相位完全一致的情况下，在设定相位的偏离小时，超声波的发送接收灵敏度也比以往有充分的提高。优选相位的偏离能够调节到超声波传播介质中超声波波长的1/4以下，更优选能够调节到1/8以下。
仅从将声匹配层25的厚度L1及保护匹配层24的厚度L3分别控制在声匹配层25及保护匹配层24的超声波波长的1/4左右来看，由于L2大小是由(L3-L1)所单值决定，所以不能对t2进行任意的设定。因此，为了使时间t2达到所希望的大�。唤鍪嵌陨ヅ洳�25及保护匹配层24的厚度，而且对声匹配层25及保护匹配层24中的声速也必须进行适当的控制。在本发明所优选的实施方式中，由声速的控制容易的干燥凝胶形成声匹配层25。
接着，参照图24(a)到(c)，对本实施方式中超声波发送接收器21的制造方法的实施方式加以说明。在本实施方式中，作为超声波传播介质26考虑了空气(密度为1.18kg/m3，声速约为340m/s，声阻抗约为4.0×102kg/m2/s)。
首先，如图24(a)所示，准备与发送接收超声波的波长相吻合的压电体22。在该阶段的压电体22上，不设置图24(a)所示的保护匹配层24。作为压电体22，优选是压电陶瓷及压电单晶等压电性高的材料。作为压电陶瓷，可以使用钛酸锆酸铅、钛酸钡、钛酸铅、铌酸铅等。而且，作为压电单晶，可以使用钛酸锆酸铅单晶、铌酸锂、水晶等。
在本实施方式中，作为压电体22使用的是钛酸锆酸铅陶瓷，发送接收超声波的波长设定为500kHz。为了压电体22能够高效率地发送接收这样的超声波，所以将压电体22的共振频率设计为500kHz。因此，在本实施方式中，使用了由直径12mm、厚度约3.8mm的圆柱形压电陶瓷所形成的压电体22。在压电体22的两面由银的烘烤形成电极23a、23b，在该方向上实施极化处理。
接着，准备具有作为保护匹配层24的功能的三个环状部件，如图24(a)所示接合于压电体22的主面。此时，如图21所示，环状部件的各中心与压电体22的中心一致。具有作为保护匹配层24的功能的三个环状部件，分别是外径12mm、内径11mm、厚度1.0mm的第一环状部件，外径8mm、内径7mm、厚度1.0mm的第而环状部件，以及外径4mm、内径3mm、厚度1.0mm的第三环状部件。
在本实施方式的保护匹配层24中，不仅能够得到机械强度高、能够保护声匹配层的功能，而且能够得到为了发挥声匹配层的功能具有比较低的声阻抗。作为这样的材料，在本实施方式中是使用多孔质陶瓷。多孔质陶瓷的表观密度约0.64×103kg/m3，声速为2000m/s，声阻抗约1.28×106kg/m2/s。作为陶瓷，使用的是钛酸钡系的材料。还有所谓“表观密度”，是指包含多孔体内空间部分的密度。多孔质陶瓷是体积的约80％是空间，陶瓷的实体是全体的约20vol％。
如上所述，由于保护匹配层24中的声速约为2000m/s，所以500kHz中波长的1/4的厚度相当于1.0mm。因此，在本实施方式中将作为保护匹配层24的功能的环状部件厚度设定为1.0mm。
本实施方式中所使用的多孔质陶瓷，是由以下的制作而得到的。
首先，将树脂制的微小球与陶瓷粉末混合，加压成形。其后，对陶瓷进行烧结，在该烧结过程中，树脂球被加热、燃烧去除。烧结时如果加热过于急剧，由于树脂球发生膨胀或急剧汽化会使陶瓷结构体遭到破坏，所以优选通过缓慢的加热来进行烧结。
在本实施方式中，将由这样的多孔质陶瓷所形成的保护匹配层24与压电体22，由粘结剂等进行接合。例如，作为粘结剂使用环氧系树脂，在施加0.1MPa的压力的同时，在150℃的恒温槽中放置约2小时，树脂硬化，保护匹配层24与压电体22相接合。
接着，在由这样形成的压电体22/保护匹配层24所构成的复合体上，如图24(b)所示，设置声匹配层25。在本实施方式中，声匹配层25是由干燥凝胶所形成。
在本实施方式中，首先，在形成如图24(b)所示厚度的声匹配层25之后，如图24(c)所示将声匹配层25减薄。此时，设定保护匹配层24的厚度L3与声匹配层的厚度L1，使图20所示的距离L2(＝L3-L1)等于空气中超声波的一个波长。具体地，由于发送接受超声波的频率为500kHz，所以该超声波在空气中的一个波长为0.62mm。另一方面，由于保护匹配层24的厚度L3为1.0mm，所以声匹配层25的厚度L1为0.32mm(＝1.0mm-0.62mm)。而且，为了使声匹配层25适当地具有作为声匹配层的功能，优选该厚度L1(＝0.32mm)为传播过声匹配层25的超声波波长的1/4。因此，必备具有使0.32mm成为发送接收超声波波长1/4的声速的材料特性。根据计算，由声速为640m/s的干燥凝胶形成厚度为0.32mm的声匹配层25即可。
还有，虽然优选保护匹配层24的厚度为保护匹配层24中超声波波长的1/4，但并不限于该大小。在超声波波长的1/8以上1/3以下的范围内即可，在超声波波长的1/6以上1/4以下的范围内更好。在该超声波具有波长分布的情况下，优选能够以峰值波长为基准决定厚度。在本说明书中具有波长分布的情况下，所谓“波长的1/4”意味着“峰值波长的1/4”。
在声匹配层25为单层的情况下，也优选声匹配层25的厚度为声匹配层25中超声波波长的1/4，但并不限于该大小。在超声波波长的1/8以上1/3以下的范围内即可，在超声波波长的1/6以上1/4以下的范围内更好。在声匹配层为多层的情况下，优选各构成层都具有上述厚度。具有声匹配层为多层结构的超声波发送接收器，作为第二实施方式在后面叙述。
作为构成声匹配层25的干燥凝胶的材质，可以使用无机材料、有机高分子材料等各种各样的材料。作为无机材料的固体骨架部，可以使用氧化硅、氧化铝、氧化钛等。而且，作为有机高分子材料的固体骨架部，可以使用一般的热固性树脂、热塑性树脂等，例如，可以使用聚氨酯、聚脲、酚树脂、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等。
在本实施方式中，作为声匹配层25的材料，从成本、环境稳定性、制造的难易、超声波发送接收器的稳定的温度特性等方面考虑，采用了具有作为固体骨架部的氧化硅的干燥凝胶。
640m/s的声速作为干燥凝胶的声速是比较高的值。因此，在本实施方式中，形成作为声匹配层25的干燥凝胶层时，不是采用在凝胶化工序(以下称“第一凝胶化工序”)之后接着进行干燥工序的历来的方法，而是采用在第一凝胶化工序之后进行第二凝胶化工序的方法。
在不进行第二凝胶化工序而仅进行第一凝胶化工序的情况下，难以得到表示出高声速的干燥凝胶，还有，由于干燥凝胶的密度大体与声速成比例地增大，所以“高声速”也意味着“高密度”。如果以提高凝胶的声速为目的，增加凝胶原料液中凝胶原料的浓度，凝胶化反应不能够均匀地进行，形成具有声速随机分布的湿润凝胶。通过将该湿润凝胶干燥而得到的干燥凝胶也会具有随机的密度分布。因此，凝胶原料液中凝胶原料的浓度增高时，声速的均匀化极为困难。
在本实施方式中，为了避免凝胶的不均匀化，在第一凝胶化工序中将形成的干燥凝胶的声速调节在约200m/s以下，由第二凝胶化工序使密度进一步上升，均匀地上升声速。在第二凝胶化工序中，进行将在第一凝胶化工序中所得到的湿润凝胶再一次浸渍在凝胶原料液(第二凝胶原料液)中的浸渍处理。而且，在第二凝胶化工序中，将作为第二凝胶原料液中催化剂的氨的浓度调整得较低。因此，第一凝胶化工序中所得到的湿润凝胶的外部不会发生凝胶化。但是，在第一凝胶化工序中所得到的湿润凝胶的内部，在第一凝胶化工序中所形成的骨架中会有第二凝胶原料液的粘附成长。因此，即使是在凝胶原料液自身不发生凝胶化的条件下，该反应也进行。这样，凝胶的声速、密度的变化都是可能的。
具体地，通过实施以下所示的工序，由干燥凝胶形成声匹配层25。
工序1第一凝胶化凝胶原料液的准备将四乙氧基硅烷/乙醇/水/氯化氢按摩尔比1∶2∶1∶0.00078混合，放置65℃的恒温槽中3小时，进行四乙氧基硅烷的加水分解。进而，按2.5/0.0057的比例(对于四乙氧基硅烷的摩尔比)添加混合水/NH3，准备凝胶原料液。
工序2第一凝胶化工序将上述调制的凝胶原料液(第一凝胶化原料液)滴入由压电体22与保护匹配层24所形成的空间内。此时，在最外侧的保护匹配层24的外周卷附有特氟纶制的薄片，形成不使凝胶原料液溢出的框。
将滴入了凝胶原料液的试样在50℃的恒温槽中水平保持约一天。这样，供给到压电体22与保护匹配层24所形成的空间内的凝胶原料液凝胶化，形成湿润凝胶。
工序3第二凝胶化工序(声速、密度的调整)对于在第一凝胶化工序中所得到的声匹配层原封不动地进行干燥工序的情况下，密度约为2.0×102kg/m3，声速为200m/s。在本实施方式中，以进一步提高声速、密度为目的而进行第二凝胶化工序。
首先，用乙醇将在第一凝胶化工序中所得到的湿润凝胶洗净，准备第二凝胶化原料液，作为第二凝胶化原料液，使用了将四乙氧基硅烷/乙醇/0.1规定氨水按体积比60∶35∶5混合的原料液。
将由第一凝胶化工序中所得到的压电体22/湿润凝胶/保护匹配层24所构成的复合体浸渍在密闭容器中的第二凝胶化原料液中，在70℃的恒温槽中放置约48小时。由该第二凝胶化工序使在第一凝胶化工序所得到的凝胶骨架成长，提高密度、声速。
工序4疏水化工序疏水化工序虽然并非是必须，但由于吸湿能够引起性能的恶化，所以优选实行。疏水化工序是在第二凝胶化工序之后，用乙醇对湿润凝胶内所残留的第二凝胶化原料液进行置换、洗净后，在将二甲基二甲氧基硅烷/乙醇/10％氨水按重量比45∶45∶10混合而得到的疏水化液中，在40℃浸渍约一天，进行疏水化工序。
工序5干燥工序为了从由以上的工序所得到湿润凝胶得到干燥凝胶，进行干燥工序。在本实施方式中，作为干燥方法，使用了超临界干燥法。如上所述，干燥凝胶是非常小的纳米尺寸的多孔体，由骨架部分的粗细、结合的强度、孔隙的大小，使从湿润凝胶到干燥凝胶的溶剂干燥时，存在由溶剂表面的张力而引起破坏的情况。
因此，利用表面张力不起作用的超临界干燥法是有用的。具体地，在用乙醇置换上述疏水化液之后，将由以上工序所得到的压电体22/湿润凝胶/声匹配层25的复合体装入耐压容器，由液态二氧化碳置换湿润凝胶内的乙醇。
进而，通过将液态二氧化碳用泵送入容器，使容器内的压力上升到10MPa。其后，升温到50℃，使容器内处于超临界状态。接着在保持50℃的状态下，缓慢释放压力以完成干燥。
工序6厚度调整工序将这样形成的干燥凝胶层在车床上磨削形成厚度为0.32mm的声匹配层25。
这样得到的形成声匹配层25的干燥凝胶的密度约为0.6×103kg/m3，声速为640m/s。而且，虽然保护匹配层24的一部分也被成为声匹配层25的干燥凝胶所浸透，但并不影响保护匹配层24的声速。
在由干燥凝胶形成声匹配层的工序之前，优选能够对电极23b的表面进行处理，使电极23b与声匹配层25之间具有良好的紧密接合性。由表面处理增加电极23b与声匹配层25之间的紧密接合性，能够进一步提高可靠性。作为这样的表面处理，可以采用与干燥凝胶容易化学结合的在压电体表面的电极赋予羟基的等离子体处理等。或者是，通过在电极23b的表面形成凹凸以赋予固定效果也是有效的。具体地，可以采用适当的化学和/或物理腐蚀处理。
在本实施方式中，在形成成为声匹配层25的凝胶后，由车床进行磨削，调整干燥凝胶的厚度。厚度的调节也可以通过调整在第一凝胶化工序中滴下的第一凝胶化原料液的量(高度)来进行。在这种情况下，为了形成声匹配层最终有约0.32mm的厚度，由微量吸液管正确地量取33.9μL的凝胶原料液，滴到压电体22上。由于保护匹配层24是具有80％孔隙的多孔质体，所以有必要根据多孔质体所吸收的体积计算滴下的量。
这样制造的超声波发送接收器的发送接收波形示于图25。在图25中，实线表示本实施方式的超声波发送接收波形，具有相同厚度的保护部与声匹配层25的超声波发送接收器(比较例)的超声波发送接收波形由虚线所示。由图25可知，本实施方式的信号振幅增加。使用本发明的结构能够达到高灵敏度化。
在本实施方式中，为了在与保护匹配层24的上面同一水准的位置上对齐超声波的相位，传播过声匹配层25及传播介质26而来的超声波，与传播过保护匹配层24而来的超声波相比，恰好发生一个波长部分的相位延迟。在由具有更大的声速的材料形成保护匹配层24的情况、及将保护匹配层24的厚度L3设定得大等情况下，也可以由传播介质26将相位延迟设定为超声波的两个波长以上。
(第十一实施方式)接着，参照图26对本发明的超声波发送接受器的第十一实施方式加以说明。本实施方式的主要特点是，具有声匹配层包含下层的第一声匹配层25a、与上层的第二声匹配层25b的叠层结构。
在声匹配层25具有两层结构的情况下，也优选各声匹配层25a、25b的厚度，分别设定为各自声匹配层中超声波波长的约1/4。
在本实施方式中，与第十实施方式同样，为了在与保护匹配层24的上面同一水准的位置上对齐超声波的相位，传播过声匹配层25及传播介质26而来的超声波，与传播过保护匹配层24而来的超声波相比，发生超声波波长约整数倍的相位延迟。
在图25所示的结构中，超声波传播过保护匹配层24而到达保护匹配层24的上面时，与该超声波同相位的超声波到达第一声匹配层与第二声匹配层25b的境界面。这是由于第一声匹配层25a的声速比保护匹配层24的声速小的缘故。超声波从第一声匹配层25a的上面到达第二声匹配层25b的下面，进而需要1/4f(秒)的时间。因此，若将从第二声匹配层25b的上面传播过声波传播介质26而到达与保护匹配层24的上面同一水准的时间设定为3/4f(秒)，就能够以保护匹配层24的上面水准将相位对齐。采用这样的结构，透过声匹配层25a及25b而放射的超声波，与透过保护匹配层24而放射的超声波之间，发生一个波长部分的延迟，由于两超声波相互干涉而加强，使超声波的振幅增大。
下面对本实施方式中声匹配层25a及25b的制造方法加以说明。
首先，与第十实施方式中声匹配层25的制造方法同样，制作保护匹配层24。作为保护匹配层24的材料使用多孔质陶瓷，其厚度(L7)设定为1.0mm。
在本实施方式中，将从第二声匹配层25b的上面到保护匹配层24的上面水准的距离(L6)设定为0.51mm，使在空气等传播介质26中的传播时间为3/4f(秒)。其结果是第一声匹配层25a与第二声匹配层25b的合计厚度(L4+L5)等于0.49mm。
在本实施方式中，设定第二声匹配层25b的声速为200m/s时，优选能够将第二声匹配层25b的厚度(L5)设定为0.10mm。L5＝0.10mm时，第一声匹配层25a的厚度(L4)为0.39mm(0.49mm-0.10mm)。为了使第一声匹配层25a的厚度相当于第一声匹配层25a中超声波波长的1/4，必须使第一声匹配层25a中的声速为780m/s。
接着，对上述两层的声匹配层25a、25b的制作方法加以说明。该方法的特征点在于，实行两次第十实施方式中所实现的第二凝胶化工序。也就是说，在本实施方式中，进行在由第一凝胶化工序中形成的湿润凝胶的外侧不进行凝胶化的第二凝胶化工序(第2-1凝胶化工序)之后，在湿润凝胶的外侧也实行凝胶化产生的第二凝胶化工序(第2-2凝胶化工序)。
在本实施方式中，首先，通过实施与第十实施方式中所实行的工序1～工序6同样的工序，形成第一声匹配层25a。但是，此时的第二凝胶化工序是第2-1凝胶化工序。
预测在随后实行的第2-2凝胶化工序中声阻抗的增加，在第2-1凝胶化工序中，能够节约使第一声匹配层25a的密度约为0.5×103kg/m3，声速为500m/s左右的处理时间。在本实施方式中，处理时间比第十实施方式中第二凝胶化的处理时间要短，设定为约36小时。
接着，通过实行第2-2凝胶化工序，在增加第一声匹配层25a的声阻抗的同时，在第一声匹配层25a的上部形成第二声匹配层25b。该第2-2凝胶化工序，具体地如下进行。
第2-2凝胶化工序首先，作为第2-2凝胶化原料液，准备将四乙氧基硅烷/乙醇/0.05规定氨水按摩尔比1∶4∶3混合的液体。将该第2-2凝胶化原料液，填充于由第一声匹配层25a与保护匹配层24所形成的空间内。接着，通过原封不动地在室温放置24小时，完成凝胶化。这样，在调整第一声匹配层25a的声阻抗的同时，形成作为第二声匹配层25b的湿润凝胶。
随后，与第十实施方式同样，通过实行疏水化工序、干燥工序、以及厚度调整工序，完成声匹配层25a、25b。本实施方式中的声匹配层25a、25b具有以下特征。
第一声匹配层25a
密度0.7×103kg/m3，声速780m/s声阻抗5.46×105kg/m2/s厚度0.39mm第二声匹配层25b密度0.2×103kg/m3，声速200m/s声阻抗4.0×104kg/m2/s厚度0.10mm本实施方式的超声波发送接收器的发送接收波形示于图27。在图27中，本实施方式的超声波发送接收器的超声波发送接收波形由实线表示，具有相同厚度的声保护层与声匹配层的超声波发送接收器(比较例)的超声波发送接收波形由虚线所示。由图27可知，根据本实施方式的超声波发送接收器能够实现高灵敏度化。
在本实施方式中，声匹配层25是由两层所构成但也可以是三层以上，通过设计，使相位在保护匹配层24的上面相一致，可以得到同样的效果。
(第十二实施方式)参照图28对本发明的第十二实施方式加以说明。本实施方式的特征点在于，第一声匹配层25a与保护匹配层24是由相同的材料一体形成。在第一声匹配层25a的上部形成由干燥凝胶所形成的第二声匹配层25b。
在本实施方式中，第一声匹配层25a与保护匹配层24中的超声波声速与波长相等，而且，保护匹配层24的厚度L11设定为超声波波长的1/4。因此，第一声匹配层25a的厚度L8比超声波的1/4波长小。第一声匹配层25a的厚度L8，由第二声匹配层25b的厚度L9、与从第二声匹配层25b的上面到保护匹配层24的上面水准的距离L10所决定。
在本实施方式中，也采用透过声匹配层25a及25b而放射的超声波，与透过保护匹配层24而放射的超声波之间，产生超声波波长整数倍的相位延迟的结构。因此，在保护匹配层24的上面水准，传播过声匹配层25a、25b及声波传播介质26而到达的超声波，其相位相一致。
为了提高透过声匹配层25a及25b而来的超声波的灵敏度，与第一声匹配层25a的厚度相比，第二声匹配层25b的厚度更为重要。在本实施方式中，将第二声匹配层25b的厚度设定为发送接收超声波波长的约1/4。第一声匹配层25a的厚度虽然也对灵敏度有影响，但其影响更多的是对频率的比频带。
因此，在本实施方式中，首先从材质的机械强度等观点，决定可构成第二声匹配层25b的干燥凝胶层的特性。接着，决定由与保护匹配层24相同材料所形成的第一声匹配层25a的厚度L8与声波传播介质的厚度L10。
在本实施方式中，作为保护匹配层24的材料，与上述实施方式同样地使用多孔质陶瓷，将其厚度(L11)设定为超声波波长的1/4。就是将L11设定为1.0mm。在该情况下，由上述多孔质陶瓷所形成的第一声匹配层25b的声速为200m/s，密度0.2×103kg/m3。为了将由干燥凝胶形成的第二声匹配层25b的厚度设定为超声波波长的1/4，设定L9为0.10mm。
此时，有以下的式(6)成立。
L8+L10＝0.9(mm)(6)式(6)是由L11设定为1.0mm，L9设定为0.1mm所导出的。
为了能够发挥优异的特性，优选有以下的式(7)成立。
L8/1+L10/(17/25)＝1(波长) (7)在本实施方式中，由于是发送接收频率为500kHz的超声波，所以声匹配层25a中超声波的一个波长为1.0mm，声波传播介质26中超声波的一个波长为17/25mm。式(7)是第一声匹配层25a的厚度L8与超声波1个波长的比值，及传播介质26的厚度L10与超声波1个波长的比值之和。满足式(8)，意味着超声波透过第一声匹配层25a与声波传播介质26时仅前进了一个波长。换言之，感受超声波的第一声匹配层25a与声波传播介质26的实效厚度为一个波长。
计算出满足式(6)及式(7)L8及L10，得出L8＝约0.69mm，L10＝0.21mm。
接着，参照图29(a)～(d)，对本实施方式的超声波发送接收器的制造方法加以说明。
首先，如图29(a)所示，准备由多孔质陶瓷构成、厚度为1.0mm的圆片，该圆片如图29(b)所示加工。在本实施方式中，在圆片的上面形成沟槽，将沟槽底部的厚度调节为0.69mm。该沟槽底部是作为第一声匹配层25a的功能的部分。沟槽形成如图21所示的环状。
接着，如图29(c)所示，在沟槽内部形成第二声匹配层25b。第二声匹配层25b的厚度为0.1mm。如图29(d)所示，将保护匹配层24/声匹配层25a、25b的复合体接合于压电体22，形成超声波发送接收器21。
第一声匹配层25b，是使用将四甲氧基硅烷/乙醇/0.05规定氨水按摩尔比1∶7∶4的比例混合的液体，与第一实施方式同样，通过实行第一凝胶化工序而形成。
由保护匹配层24/声匹配层25a、25b所构成的复合体与压电体的接合，与第一实施方式同样，由环氧系粘结剂进行。
根据本实施方式，由于保护匹配层24与声匹配层25a能够一起形成，所以可简化制造工序，降低制造成本。
(第十三实施方式)参照图30对本发明的第十三实施方式加以说明。本实施方式的特征点在于，具有结构支撑体。
本实施方式的超声波发送接收器，除了在压电体22与第一声匹配层25及保护匹配层24之间有结构支撑体7之外，与第一实施方式的超声波发送接收记录载体具有相同的结构。
结构支撑体7设置有固定声匹配层25等的圆盘状支撑部，与从该圆盘状支撑部向轴方向连续延伸的圆筒部。圆筒部的端面，其截面弯曲成“L”型，形成容易固定在用于遮蔽压电体22的板(未图示)及其它的装置等上的形状。
在结构支撑体7的表面配置有声匹配层25及保护匹配层24，在支撑部背面配置有压电体22。通过使用这样的结构支撑体13，使超声波发送接收器的操作极为容易。
结构支撑体可以由可密闭的容器(传感器箱)所构成。在这种情况下，如果结构支撑体27的圆筒部的开放端由遮蔽用板所堵塞，且结构支撑体27内部充满惰性气体，则能够将压电体22从流速测定对象的流体隔断。
为了向压电体22施加电压，如果压电体接触可燃性气体，则有可燃气体引火的危险性。但是，由于结构支撑体27是由密闭性容器所构成，通过将压电体22的一些内部与外部流体的隔断，能够防止这样的引火，所以即使是对于可燃性气体，也能够安全地发送接收超声波。
而且，即使外部的气体不是可燃性气体，在与压电体22反应、可能使压电体22的特性恶化的气体中发送接收超声波的情况下，优选将压电体22与外部气体隔断。由此，防止压电体22的劣化，能够在长时间内实现可靠性高的工作。
结构支撑体27中，位于压电体22与声匹配层25、保护匹配层24之间的部分不具有作为声匹配层的功能。因此，为了使结构支撑体27不对声构成障碍，优选结构支撑体27中，位于压电体22与声匹配层25、保护匹配层24之间的部分的厚度，能够在发送接收超声波波长的约1/8以下。
在本实施方式中，结构支撑体27由不锈钢形成，上述部分的厚度设定为0.2mm。
不锈钢中的声速约为5500m/s，500kHz的超声波的波长约为11mm。由于0.2mm的厚度相当于波长的约1/55，所以结构支撑体27的存在几乎不会成为声阻碍的要因。
结构支撑体27的材料并不限于不锈钢等金属材料，可以根据目的选择陶瓷、玻璃、树脂等。在本实施方式中，为了可靠地将外部的流体与压电体分离，使即使是对结构支撑体施加某些机械冲击时也能够给予防止压电体与外部流体接触的强度，由金属材料制作了结构支撑体27。由此，例如即使是以具有可燃性及爆炸性的气体为对象进行超声波的发送接收，也能够确保高的安全性。
还有，在对于安全性气体进行超声波的发送接收的情况下，以减低成本为目的，也可以由树脂等材料形成结构支撑体。
(第十四实施方式)参照图31(a)及(b)，对本发明中超声波发送接收器的第十四实施方式加以说明。图31(a)及(b)是本实施方式的俯视图。
在图21所示的例中，使用作为保护匹配层24功能的多孔陶瓷制的环(相同宽度不同直径的三个环状部件)，其中心一致地配置在压电体的主面上，但也可以如图31(a)所示，使用宽度不同的环形成保护匹配层24。而且，还可以如图31(b)所示，将岛状的保护匹配层24随机配置。
在保护匹配层24与声匹配层25规则地排列配置在超声波发送接收器的主面上的情况下，在对于其主面呈角度的方向上超声波的相位一致，振幅加强。这被称为“旁瓣”，成为超声波测量上的阻碍要因。但是，如图31所示，通过采用保护匹配层24的排列不具有周期性的结构，能够抑制旁瓣，能够进行高精度及高可靠性的超声波测量。
(第十五实施方式)参照图32对本发明中超声波发送接收器的第十五实施方式加以说明。
本实施方式的超声波发送接收器的第一特征在于保护匹配层24的厚度在面内具有分布。在上述各实施方式中，保护匹配层24的厚度在面内都设定为一样，但在本实施方式中，在面内有意识地给予分布。而且，本实施方式的第二特征在于，在压电体22上设置的保护匹配层24是由两种不同的材料所构成。
根据本实施方式的结构，通过采用不同的材料及/或给予不同厚度的面内分布，能够抑制旁瓣，变化发送接收超声波的频率，实现宽频带化。
还有，优选各保护匹配层24的厚度包含在超声波波长的1/8以上、1/3以下的范围内，更优选的是包含在超声波波长的1/6以上、1/4以下的范围内。但是，具有不同厚度的保护匹配层24的一部分的厚度也可以不在上述范围之外。由于具有上述范围之外厚度的保护匹配层24不具有声匹配层的功能，所以是超声波发送接收的灵敏度下降。但是，通过将不具有声匹配层的功能的保护层(已经不称为“保护匹配层”)放置于压电体上的适当位置，能够防止近距离超声波场的紊乱，实现良好的超声波测量。
(第十六实施方式)参照图33对本发明中超声波流量计的实施方式加以说明。
本实施方式的超声波流量计，设置被测定流体以速度V流过具有作为流量测定部51的功能的管内。在流量测定部51的管壁52上，相对面配置有由本发明的超声波发送接收器所构成的超声波发送接收器1a及1b。
在某一时刻，超声波发送接收器1a具有作为超声波发送器的功能，超声波发送接收器1b具有作为超声波接收器的功能，但在另一时刻，超声波发送接收器1a具有作为超声波接收器的功能，超声波发送接收器1b具有作为超声波发送器的功能。这样的切换是由切换线路53而进行。
超声波发送接收器1a、1b通过切换线路53与驱动超声波发送接收器1a、1b的驱动线路54、检测超声波脉冲的接收检测线路55相连接。接收检测线路55的输出，送到检测超声波脉冲传播时间的记时器56。记时器56的输出，送到计算流量的演算部57。在演算部57，基于测定的超声波脉冲的传播时间，计算流过流量测定部51内流体的流速V，求出流量。驱动线路54及记时器56与控制部58相连接，由控制部58输出的控制信号所控制。
以下，对该超声波流量计的工作进行更详细的说明。
作为被测定流体，考虑LP气体流过流量测定部51的情况。设超声波发送接收器1a及1b的驱动频率约为500kHz。控制部58向驱动线路54输出开始发送信号的同时，开始记时器56的记时。驱动线路54接收到开始发送信号时，驱动超声波发送接收器1a，发送超声波脉冲。发送的超声波脉冲经流量测定部51内而传播，被超声波发送接收器1b所接收。接受的超声波脉冲在超声波发送接收器1b变换为电信号，输出到接收检测线路55。
接收检测线路55决定接收信号的接收时刻，停止记时器56。演算部57计算传播时间t1。
接着，由切换线路53将连接于驱动线路54及接收检测线路55的超声波发送接收器1a及1b进行切换。而且，再一次，控制部59向驱动线路54输出开始发送信号的同时，开始记时器56的记时。与传播时间t1的测定相反，由超声波发送接收器1b发送超声波脉冲，超声波发送接收器1a接收，演算部57计算传播时间t2。
这里，设连接超声波发送接收器1a与超声波发送接收器1b的中心的距离为L，LP气体的无风状态的声速为C，流量测定部51内的流速为V，被测定流体的流动方向、与超声波发送接收器1a与超声波发送接收器1b的中心的连线所成的角度为θ。
传播时间t1、t2分别由测定求出。由于距离L为已知，所以测定时间t1与t2，可求出流速V，由该流速V能够决定流量。
在这样的超声波流量计中，传播时间t1、t2是由被称为零交叉的方法所测定的。在该方法中，对于如图21(a)所示的接收波形，设定适当的阀电平，测定超过该阀电平下一个振幅为零的点的时间。在接收信号的S/N不好的情况下，由于振幅为零的点由噪音水准而随时间变动，所以存在有不能正确地测定t1、t2，难以正确地测定流量的情况。
作为这样的超声波流量计的超声波发送接收器，如果使用本发明的超声波发送接收器，能够使接收信号的S/N提高，高精度地测定t1、t2。
如图21b所示，与图21(a)的情况相比，如果接收信号的启动迟缓(窄频带)，则测定t1、t2的接收信号的峰的位置会对于阀电平设定值而变动，可能会产生测定误差，但是，由于本发明的超声波发送接收器能够在宽频带内适当地工作，所以接收信号的启动良好，能够稳定地进行正确的流量测定。还有，作为t1、t2的值，优选使用由多次测定所得到的值的平均值。
所谓能够发送接收宽频带超声波，意味着信号的结束也快。因此，即使是在快速进行重复测定的情况下，也不会受到以前的发送接收信号的影响。其结果是，即使提高重复测定的频率，也可以进行瞬时的测定，所以可用于气体的泄漏等瞬时检测。
在以上的各实施方式中，最上层的声匹配层(第一声匹配层)的上面是露出，但也可以在其上面覆盖厚度为10μm以下的保护膜。这样的保护膜能够避免大气与声匹配层的直接接触，对于长期保持声匹配层的特性是有益的。保护膜例如可以由铝、氧化硅、低熔点玻璃、高分子等材料所形成的膜(并不限于单层)所构成。保护膜可以由溅射法、CVD法所形成。
根据本发明，使用了由声阻抗极低、机械强度小的材料所形成的薄层声匹配层的高性能的超声波发送接收器，能够实用化。还能够提高使用时的可靠性。在本发明的第一形式中，由于设置了保护声匹配层的同时，还能够用于规定声匹配层的厚度的保护部，所以能够高精度、再现性良好地形成机械强度低、薄的声匹配层。其结果是能够提供能够以高的灵敏度发送接收宽频带的超声波、可靠性高的超声波发送接收器。而且，在本发明的第二形式中，具有声匹配层功能的保护部(保护部兼声匹配层＝保护匹配层)可以在压电体的主面内任意的位置设置。通过调节两种声匹配层的声速及厚度，能够使从厚度不同的两种声匹配层所放射的超声波的相位一致，能够提高超声波的发送接收灵敏度。
权利要求
1.一种超声波发送接收器，其特征在于具有压电体，在所述压电体上设置的声匹配层，以及与所述声匹配层的侧面的至少一部分相接触、设置在对于所述压电体固定的位置的保护部。
2.根据权利要求1所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部从与所述压电体的主面在同一水准的平面向超声波放射方向突出，以所述压电体的主面为基准的所述保护部的高度规定所述声匹配层的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部的所述高度为5μm以上2500μm以下。
4.根据权利要求3所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层的厚度与所述保护部的所述高度大体相等。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的超声波发送接收器，所述声匹配层的厚度，是由所述压电体所发送和/或接收的超声波波长的约1/4。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层是由密度为50kg/m3以上1000kg/m3以下的材料所形成。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层是由声阻抗为2.5×103kg/m2/s以上1.0×106kg/m2/s以下的材料所形成。
8.根据权利要求6或7所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层是由无机系材料所形成。
9.根据权利要求8所述的超声波发送接收器，其特征在于所述无机系材料是无机氧化物的干燥凝胶。
10.根据权利要求9所述的超声波发送接收器，其特征在于所述无机氧化物具有疏水化固体骨架部。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层是在设置有所述保护部的所述压电体上由流动性状态而固化的物质。
12.根据权利要求1所述的超声波发送接收器，其特征在于具有在所述压电体的主面与所述声匹配层之间设置的下层声匹配层，所述保护部从所述下层声匹配层的主面突出，以所述声匹配层的主面为基准的所述保护部的高度规定位于最上层的所述声匹配层的厚度。
13.根据权利要求12所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部由所述下层声匹配层的一部分所构成，与所述下层声匹配层一体化。
14.根据权利要求12或13所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部的所述高度为5μm以上2500μm以下。
15.根据权利要求14所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部的所述高度与位于最上层的所述声匹配层的厚度大体相等。
16.根据权利要求12～15中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层和所述下层声匹配层分别具有由所述压电体发送接收的超声波波长的约1/4的厚度。
17.根据权利要求12～16中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层的密度为50kg/cm3以上1000kg/cm3以下。
18.根据权利要求12～17中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述下层声匹配层的声阻抗，比所述第一声匹配层的声阻抗更大，是2.5×103kg/m2/s以上3.0×107kg/m2/s以下。
19.根据权利要求1～18中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部存在于位于最上层的所述声匹配层的外周。
20.根据权利要求19所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部覆盖存在于位于最上层的所述声匹配层的外周侧面的全体。
21.根据权利要求19或20所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部配置于所述压电体的主面的外侧。
22.根据权利要求1～11中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部设置在所述压电体的主面上。
23.根据权利要求12～18中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部设置在所述下层声匹配层上。
24.根据权利要求1～11中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部由所述压电体的一部分所形成，与所述压电体一体化。
25.根据权利要求1～24中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于进而设置有支撑所述压电体的结构支撑体。
26.根据权利要求1所述的超声波发送接收器，其特征在于进而设置有支撑所述压电体的结构支撑体，所述保护部设置在所述结构支撑体上。
27.根据权利要求26所述的超声波发送接收器，其特征在于所述结构支撑体由压力成形的金属所构成，所述保护部由所述结构支撑体的压力成形而弯曲的部分所构成。
28.根据权利要求26或27所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部的所述高度为5μm以上2500μm以下。
29.根据权利要求28所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层的厚度与所述保护部的所述高度大体相等。
30.根据权利要求28或29所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层的厚度，是由所述压电体所发送接收的超声波波长的约1/4。
31.根据权利要求26～30中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层的密度为50kg/cm3以上1000kg/cm3以下。
32.根据权利要求25～30中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层的声阻抗为2.5×103kg/m2/s以上1.0×106kg/m2/s以下。
33.根据权利要求1所述的超声波发送接收器，其特征在于进而设置有配置在所述压电体的背面、将从所述压电体向背面方向放射的超声波减衰的背面负荷部件，所述保护部件设置在所述背面负荷部件上。
34.根据权利要求33所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部是由所述背面负荷部件的一部分所构成，与所述背面负荷部件一体化。
35.根据权利要求1～34中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层与所述保护层的接触面的至少一部分接收赋予羟基的表面处理。
36.根据权利要求1～34中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层与所述保护层的接触面的至少一部分接收粗面化处理。
37.根据权利要求1～34中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述声匹配层与所述保护层的接触面的至少一部分是多孔质。
38.根据权利要求1～34中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于在超声波发送接收器中与所述声匹配层相接触的部分，浸透所述声匹配层的一部分，并一体化。
39.一种超声波发送接收器，其特征在于具有进行超声波振动的压电体，由密度为50kg/cm3以上1000kg/cm3以下、且声阻抗为2.5×103kg/m2/s以上1.0×106kg/m2/s以下的材料所形成的上层声匹配层，在所述压电体与所述上层声匹配层之间设置的下层声匹配层，支撑所述下层声匹配层与所述压电体、并遮蔽所述压电体使该压电体与声波传播流体隔开的结构支撑体；其中设置有与所述上层声匹配层的侧面的至少一部分相接触的保护部。
40.根据权利要求39所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部由所述下层声匹配层的一部分所形成，与所述下层声匹配层一体化。
41.根据权利要求1～40中任一项所述的超声波发送接收器，其特征在于所述保护部的弹性模量与所述声匹配层的弹性模量大体相等。
42.一种超声波流量计，其特征在于设置有被测定流体流过的流量测定部，设置于所述流量测定部、发送与接收超声波信号的一对超声波发送接收器，测量超声波在所述一对的超声波发送接收器之间传播时间的测量装置，以及基于所述测量装置的信号计算出流量的演算装置；其中所述一对超声波发送接收器分别是权利要求1～41中任一项所述的超声波发送接收器。
43.根据权利要求42所述的超声波流量计，其特征在于遮蔽所述超声波发送接收器的压电体，将该压电体与所述被测定液体隔开。
44.设置有权利要求1～41中任一项所述的超声波发送接收器的装置。
45.一种超声波发送接收器的制造方法，其特征在于具有准备具有主面与在所述主面上设置的凸部的压电体的工序(a)，及在所述压电体的主面上形成声匹配层、使所述声匹配层的侧面的至少一部分与所述凸部的侧面相接触的工序(b)。
46.根据权利要求45所述的制造方法，其特征在于所述工序(b)包含将凝胶原料供给到所述压电体元件的主面上的工序，及通过将所述凝胶原料的干燥与固化而形成所述声匹配层的工序。
47.根据权利要求45所述的制造方法，其特征在于所述工序(a)包含加工压电体的表面，形成所述主面及凸部的工序。
48.根据权利要求45所述的制造方法，其特征在于所述工序(a)包含在压电体的表面固定接合所述凸部的工序。
49.根据权利要求45所述的制造方法，其特征在于所述工序(a)包含将压电体固定接合于结构支撑体的工序。
50.一种超声波发送接收器的制造方法，其特征在于所述超声波发送接收器设有上层声匹配层、压电体、以及在所述上层声匹配层与所述压电体之间设置的下层声匹配层，该方法包含准备具有凹部、作为所述下层声匹配层功能的部件的工序(a)，对所述部件的凹部供给凝胶原料的工序(b)，以及通过将所述凝胶原料的干燥与固化而形成所述上层声匹配层的工序(c)。
51.根据权利要求50所述的制造方法，其特征在于所述工序(b)包含在所述部件中浸透所述凝胶原料的工序。
52.据权利要求51所述的制造方法，其特征在于所述凝胶原料浸透到所述部件的全体中。
53.根据权利要求50所述的制造方法，其特征在于所述工序(b)是在所述部件与所述压电体的配置关系固定之后进行。
54.根据权利要求50所述的制造方法，其特征在于所述工序(b)是在所述部件与所述压电体的配置关系固定之前进行。
55.一种超声波发送接收器，其特征在于设置有压电体、在所述压电体上设置的声匹配层、以及与所述声匹配层的外周面相接而配置的保护部。
56.一种超声波发送接收器，其特征在于设置有结构支撑体，夹持所述结构支撑体、在对面位置设置的压电体及声匹配层，以及与所述声匹配层的外周面相接而配置的保护部。
全文摘要
本发明的超声波发送接收器，具有进行超声波振动的压电体(4)，由密度为50kg/m
文档编号G01F1/66GK1578900SQ03801370
公开日2005年2月9日 申请日期2003年1月27日 优先权日2002年1月28日
发明者永原英知, 桥本雅彦, 铃木正明, 桥本和彦, 桥田卓, 白石诚吾, 高原范久 申请人:松下电器产业株式会社
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