专利名称：超声波传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种提高超声波传感器的音响性能的耦合层。
背景技术：
以往，在超声波传感器等中使用的耦合层的制造方法有如下方法
例如，如图6 (a)所示，在容器19内混入微球20和树脂21后，如图 6 (b)所示，连同该容器19设置于离心分离器22内而使其驱动。然 后，如图6 (c)所示，在玻璃微球20和树脂21的混合物中，利用比 重差分离为主要成分为比重较小的玻璃微球的第一树脂层21a、和仅由 比重较大的树脂层组成的第二树脂层21b，在容器19内的下部形成由 仅由树脂层21组成的第二树脂层21b，在容器19内的上部形成主要成 分为玻璃微球20的第一树脂层21a，然后，仅取出主要成分为玻璃微 球20的第一树脂层2la而作为耦合部件，对其进行加工后作为耦合层 (参照专利文献1)。
并且，公知有如下的方法代替树脂21而使用氧化物类陶瓷等无 机材料，并代替玻璃微球而使用气泡，由此形成在陶瓷中具有多个气 孔的陶瓷多孔体(参照专利文献2)。
耦合层为了将超声波传播到空气中，需要降低耦合层的音响阻抗， 为此，为了在树脂层中稳定地保持气泡，考虑配合由玻璃组成形成的 中空球体，为了进而使音响阻抗降低而提高超声波的传播效率，考虑 形成空气气泡而制成耦合层的构想。
专利文献l:日本专利第2634161号公报
专利文献2:日本专利2001-261463号公报
但是，在现有的该制造方法中，由于形成在玻璃微球的周围附着 树脂的第一树脂层和主要成分仅为比重较大的树脂的第二树脂层时， 用于耦合部件的只是第一树脂层，剩下的第二树脂层被废弃，因而可 从制造出的耦合部件采取的部分有限，因而耦合部件的生产效率较低 的制造方法。
并且，为了在无机类材料中形成具有稳定的气泡直径的气泡，使 用混合器等在浆液中导入气泡，但在如耦合部件一样具有一定长度的 棒形状中注入浆液的情况下，因注入作业使好不容易导入的气泡消失， 耦合部件中的气泡直径分布变得不均，从而在从耦合部件取出一定厚 度的耦合层中，不能得到具有均匀的气泡直径的耦合层，作为耦合层 的空气的气泡直径不稳定，因而不能通过耦合层将超声波有效地传播 到空气中，因而存在作为超声波传感器的输出因各个耦合层而不同的 的问题。
发明内容
本发明用于解决上述现有的问题，提供一种作为耦合层而在无机 类材料中稳定地控制空孔直径(气泡直径)的耦合部件。
为了解决上述现有的问题，本发明的超声波传感器，在外壳内收 容压电体，该压电体通过从端子经由导电体施加电压而输出规定的超 声波，在上述外壳的顶部设置耦合层而可得到稳定的超声波的输出， 其中，在将无机粉末材料调整为主要成分的浆液中混合内包液化气体 的热膨胀性树脂，将由此得到的含中空球体树脂的浆液凝胶化后施行 规定的热处理，使浆液中的中空球体树脂膨胀而构成耦合部件，该耦 合部件形成了具有规定粒径的中空球状粒子，在该耦合部件的中空球 状粒子内形成有机玻璃的干燥凝胶，从而由内包均匀的玻璃球体的陶 瓷多孔体构成上述耦合层。
根据上述发明，通过提供实施第一加热工序和第二加热工序的2 阶段的加热工序，能够得到不破坏空孔而在耦合部件中含有空孔直径 均匀的空孔的陶瓷多孔体，所述第一加热工序，在耦合部件内部配合 因一定范围的加热膨胀而体积增加的热膨胀性中空球体，并且在制作 耦合部件时，使热膨胀性中空球体膨胀；所述第二加热工序，使无机 材料烧成硬化。
本发明的超声波传感器，由于能够将耦合层内的空孔直径控制在 一定范围内，因而能够简单且稳定地实施向无机材料导入空孔的方法， 并且使耦合部件中的空孔直径在一定范围内，因而还可以提高由此取 出的耦合层的生产率。搭载有在该耦合层中形成有机玻璃来使音响阻 抗进一步降低的耦合层的超声波传感器，耦合层内的空孔直径均匀， 因而在耦合层内传播的超声波音速一定，音响阻抗稳定，由此耦合层 的不同引起的超声波输出的不同也较少，能够使超声波传感器输出的 可靠性提高，在搭载该超声波传感器的流体计测装置中也能够显著提 高其生产稳定性。
第一发明的超声波传感器，在外壳内收容压电体，该压电体通过 从端子经由导电体施加电压而输出规定的超声波，在上述外壳的顶部 设置耦合层而可得到稳定的超声波的输出，其特征在于，在将无机粉 末材料调整为主要成分的浆液中混合内包液化气体的热膨胀性树脂， 将由此得到的含中空球体树脂的浆液凝胶化后施行规定的热处理，使 浆液中的中空球体树脂膨胀而构成形成了具有规定的粒径的中空球状 粒子的耦合部件，在该耦合部件的中空球状粒子内形成有机玻璃的干 燥凝胶，从而由内包均匀的玻璃球体的陶瓷多孔体构成上述耦合层。
通过提供实施第一加热工序和第二加热工序的2阶段的加热工 序，能够得到不破坏空孔而在耦合部件中含有空孔直径均匀的空孔的 陶瓷多孔体，所述第一加热工序，在耦合部件内部配合因一定范围的 加热膨胀而体积增加的热膨胀性中空球体，并且在制作耦合部件时，使热膨胀性中空球体膨胀；所述第二加热工序，使无机材料烧成硬化。
第二发明的超声波传感器，其特征在于，耦合部件，在使含中空 球体树脂的浆液凝胶化后，经过施加形成中空球体树脂的聚合物壳不 会破坏的程度的温度而使其热膨胀至规定的粒径的第一加热工序后， 在施加比上述第一加热工序高的温度的第二加热工序中破坏上述聚合 物壳，形成具有规定大小的空孔。
然后，第一加热工序，由于使用气氛加热单元对混合物进行加热， 使上述混合物内的热膨胀性树脂的至少一部分热膨胀而在上述混合物 内形成中空球状粒子，因而可通过第一加热工序在无机材料的烧成硬 化前充分地对中空球体实施膨胀反应，能够比由混合器等搅拌无机材 料来导入空孔直径的工序稳定且可靠地在无机材料中内包空孔。并且， 由于在达到无机材料的烧成温度之前形成空孔，因而空孔不会在烧成 之前消失。
并且，第二加热工序中，由于对包含加热膨胀的中空球体树脂的 混合物使用比第一加热工序高的温度下的气氛加热单元进行加热，在 上述混合物内形成多个空孔，上述混合物烧成硬化而形成成形物，从 而形成含有上述空孔的陶瓷多孔体，因而能够在无机材料的加热烧成 中不使空孔消失而得到具有所控制的空孔直径的陶瓷多孔体。
第三发明的超声波传感器，其特征在于，耦合层或耦合部件，使 用具有规定容积的收容室而形成规定的形状后，切断为规定的厚度以
确保所需的尺寸。
由于内包于无机材料基体中的空孔直径在一定范围内，因而能够 将密度控制在一定范围内，并且能够提高生产率。
第四发明的超声波传感器，其特征在于，耦合层或耦合部件，使
用预先设定了必要的尺寸、形状的收容室形成，在一侧端以外的面上 不形成空孔。
由于在一侧端以外的面上不形成空孔，因而不会扰乱从耦合层面 传播的声波的波长，能够确保输出不降低的稳定的输出。
第五发明的超声波传感器，其特征在于，用作流量计测单元。
耦合层能够有效地将来自压电体的振动作为声波在气体中传播， 通过瞬时测定流体的速度，根据流速考虑流路的截面积等要素进行运 算，还能够测定流量。
图1是在本发明的第一实施方式中的收容室填充浆液的简图。
图2是本发明的第一实施方式中的耦合部件的第一加热工序中产 生中空粒子的简图。
图3中，(a)是陶瓷多孔体的密度测定方法的简图，(b)是表 示本发明的第一实施方式中的陶瓷多孔体层的密度分布的图，(c)、 (d)是表示比较例中陶瓷多孔体层的密度分布的图。
图4是耦合部件的简图。
图5是使用本发明的第一实施方式中的耦合层的超声波传感器的 剖视图。
图6中，(a) 、 (b) 、 (c)是现有的耦合部件的制造工序图。
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。其中，本发明不 限于该实施方式。
(第一实施方式)
图1以简要工序图表示本发明的第一实施方式中的耦合部件以及耦合层的制造方法的流程。
在图1所示的收容体1内有具有规定容积的收容室2，在上述收
容室2内，收容含中空球体树脂的浆液3，所述浆液3，配合由碳化硅 等氧化物类陶瓷组成的无机材料和水或有机溶剂以及胶凝剂而制成浆 液，并且在上述桨液中含有内包液化气体的树脂的中空球体(粒子) 而成。将注入该收容体1内的含中空球体树脂的衆液3成形为收容室2 形状，在加热工序之后，经对浆液进行氧化烧成的烧成工序得到陶瓷 多孔体。
本发明的含中空球体树脂的浆液的制造方法为将无机材料粉末 和低熔点玻璃、与水或有机溶剂、且与交联剂和中空球体树脂混合。
无极粉末材料是氧化物类陶瓷材料，以碳化硅、氧化铝、氧化锆、 氧化硅堇青石等、或配合组合多种氧化物类陶瓷材料而成的复合氧化 物类作为主要成分。充分细致地粉碎该无机材料粉末和低熔点玻璃。 使粒径在10um以下。进行混合以使该粉碎后的粉体更均匀地分散在 水或有机溶剂中。有机溶剂使用乙醇或甲醇。作为胶凝剂，可使用甲 基丙烯酰胺、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯等。以上，只要是到此使浆液 烧成硬化而得到的无机材料类陶瓷材料的配合构成，可以是任意构成。
在如上所述地形成的浆液中混合内包液化气体的树脂粒子4。该 树脂粒子由内包液化气体的聚合物壳形成。所述球体的平均粒径大约 为10 15 ti m。
对形成陶瓷多孔体6的方法进行说明。在收容体1中的收容室2 注入含有树脂粒子4的浆液3。经过一定时间使浆液凝胶化而成固态后， 将上述收容体1置于进行气氛加热的恒温槽中，对浆液3进行作为第 一加热工序的加热干燥。加热温度大约为5CTC 8(TC。如图2 (a)、 (b)所示，通过该加热工序，收容室2中的固态物(凝胶体)中的树脂粒子4的壳内部气压增加，热可塑性塑料的壳软化而使体积迅速增 加，从而变化为中空球粒子5。
由此，可在浆液3固态化的过程中，在中空球粒子5保持中空形 状的状态下对浆液3进行加热烧成。作为导入空孔的方法，有利用搅 拌机使浆液3含有空气气泡的方式。但是，如图1所示，由于注入收 容室2时，浆液3内的气泡因注入作业中对浆液3的冲击而引起消泡， 或注入收容室2后，浆液3上部的重量使收容室3下部中的气泡消泡， 因而以收容室2的形状，不能将气泡量保持在一定量。
通过第一加热工序，在浆液3的固态物中产生中空粒子5后，从 收容室2脱模，并作为第二加热工序，以1000'C 150(TC的温度对上 述浆液3的固态物进行规定时间的加热。由此，通过对构成中空球粒 子5的热可塑性塑料进行烧散(焼S飛(i' LO而形成空孔后，对陶瓷 多孔体进行烧成。空孔还存在烧散时形成连通孔的情况、或作为独立 空孔存在的情况。并且，收容体1中的收容室2只描述了 1个，考虑 生产率时收容室2也可以是多个。并且，在第一加热工序中连同收容 体1进行了加热，但也可以对注入收容室2的浆液3以规定温度、时 间进行干燥后，仅对脱模后的浆液3的固态物在第一加热工序后实施 第二加热工序。
在图3 (a)记载将所完成的陶瓷多孔体切断为一定厚度后测定其 各个密度的结果。将如发明的第一实施方式那样制成的陶瓷多孔体6 切断为一定的厚度。此时的陶瓷多孔体6的形状为圆柱形，将1张陶 瓷的厚度切断为0， 75mm，从1个陶瓷多孔体采取60个陶瓷多孔体层。
此时，注入浆液3时，将在圆柱的最下部形成的陶瓷多孔体层命 名为1号，将接着切断为一定厚度的陶瓷多孔体层命名为2号，通过 这种方法向上部依次命名，将在陶瓷多孔体的最上部切断的层作为60 号。
用图3的(b) 、(C) 、(d)的图表表示其结果。图3 (b)是由
本发明的第一实施方式制作的陶瓷多孔体层的密度，图3(c) 、 (d) 是为进行比较，用混合器对浆液进行搅拌而导入气泡的以现有方法制 作的陶瓷多孔体层的密度。
从图中的密度分布可知，本发明的陶瓷多孔体层中，所完成的陶 瓷多孔体层的密度无论哪个部分都稳定，但用混合器导入气泡的比较 例的陶瓷多孔体层的密度，密度因陶瓷多孔体6的位置发生变化。这 是因为，由于通过现有方法在陶瓷多孔体6中形成的空孔直径(气泡 直径)不稳定，从而整体制作的陶瓷多孔体层的密度存在偏差。认为 随着编号变大而陶瓷多孔体层的密度变小的原因在于，在收容室2注 入浆液时陶瓷多孔体中的气泡集中在上部，或注入到收容室2后，收 容室2下部的气泡经不住浆液3的重量而消泡。并且，认为随着编号 变大而陶瓷多孔体层的密度变大的原因在于，在注入作业中处于收容 室2上部的浆液3中的气泡消泡而密度变大。
如上所述，在本发明的实施方式的陶瓷多孔体的制造方法中，无 论取哪个位置都能够得到空孔直径一定、密度稳定的陶瓷多孔体层。
接着对有机玻璃7的形成进行说明。作为耦合层的有机玻璃7， 要求音速较小，密度较低。在利用催化剂使乙氧基硅烷或甲氧基硅烷 等玻璃原料具有充分活性的状态下，使其分散在甲醇或乙醇等醇类溶 剂中。对该溶液添加氨水等催化剂并使其浸入充分脱气后的陶瓷多孔 体6中而进行玻化，由此得到含较多溶剂的有机玻璃的湿润凝胶。该 湿润凝胶形成于陶瓷多孔体6的内部，特别是上述生成的气泡中。这 样形成的有机玻璃牢固地与陶瓷多孔体6紧密接触，从而可作为可靠 性高的耦合部件发挥作用。对该湿润凝胶的内部溶剂进行千燥而得到 有机玻璃的干燥体。由此，形成音速较小、密度较低的有机玻璃7。有 机玻璃7也可以由氧化硅、氧化钛、氧化锆或氧化铝等形成。
将由此制作的耦合部件8切断为规定的厚度而供于用作超声波传 感器的耦合层9。
并且，如果预先决定收容室2的尺寸、形状，以使耦合部件8或
耦合层9的尺寸、形状成为用在超声波传感器时的尺寸、形状，则将 制成时收容室2的上部以外的面与收容室2的内表面接触而不会形成
空孔，因具有不形成空孔的面，不会扰乱从耦合层面传播的声波的波 长，能够确保输出不降低的稳定的输出。
(第二实施方式)
图5是使用由上述实施方式得到的耦合层9的超声波传感器的剖 视图。
在导电性材料制的筒状的外壳IO上具有顶部11，在该顶部11的 内壁面粘接有压电体12，在外壁面粘接有耦合层9。
筒状外壳10的下方开放部被连接一侧端子13的端子板14封闭、 另一侧端子15通过电绝缘材料16贯穿端子板14，并与导电体17相连 接，所述导电体17与压电体12的下表面接触。在压电体12上形成有 多个纵槽18。
从端子13、 15经由导电体17向压电体12施加电压时，该压电体 12因压电现象振动。
图5的压电体12以大约500KHz振动，该振动从外壳10传到耦 合层9，耦合层9的振动作为声波而向气体传播。
通常耦合层9和顶部11用粘接剂进行粘接，但存在耦合层9内部 中的内包有机玻璃7的空孔的大小在耦合层9内部不同时从耦合层9
表面传播的声波的波长紊乱，输出降低的现象，并且在搭载其他耦合 层9的超声波传感器之间也产生该问题，从而不能得到产生均匀的输 出的超声波传感器。
相对于此，从由本发明的实施方式的制造方法制成的耦合部件8 采取的耦合层9，由于具有一定的空孔直径，并且在该空孔中均匀地形
成有有机玻璃，因而不会产生各耦合层9的输出不一致的超声波传感
器，能够稳定地制造输出稳定的超声波传感器。
并且使用该耦合层9的超声波传感器可用在流体的流动测定装置 中。即，在流路的流体流动方向上游侧和下游侧至少配置一对超声波 传感器，检测从一方超声波传感器发送的超声波被另一方超声波传感 器接收的时间，即超声波传播时间，然后可测定流体的流速。
并且，通过根据上述流速综合考虑流路的截面积等要素进行运算， 还能够测定流量。
并且，如上所述，由于超声波传感器输出稳定且为高性能，因而 能够高精度地进行流速和/或流量的计测。
工业实用性
本发明的超声波传感器，由于能够将耦合层内的空孔直径控制为 一定，能够在该空孔中均匀地生成有机玻璃，因而能够消除使用该耦 合层的超声波传感器的输出不稳定的振荡输出，从而可适用于搭载超 声波传感器的气体、液体的流量测定装置等。
权利要求
1.一种超声波传感器，包括压电体、收容所述压电体的外壳和设在所述外壳的顶部的耦合层，其中，所述耦合层由空孔内内包均匀玻璃球体的陶瓷多孔体构成，所述玻璃球体由有机玻璃的干燥凝胶形成。
2. 根据权利要求l所述的超声波传感器，其中，所述陶瓷多孔体 的空孔，使内包液化气体的树脂粒子膨胀形成的中空球状粒子在进行 陶瓷烧成时烧散而形成。
3. 根据权利要求l所述的超声波传感器，其中，所述陶瓷多孔体如下形成在以粉体化的无机材料作为主要成分的浆液中混合内包液化气体 的树脂粒子而制成含树脂的浆液，使所述含树脂的浆液凝胶化而形成固态物，并进行规定的热处理，所述规定的热处理为，对所述固态物进行 加热，使所述固态物中的所述树脂粒子膨胀而变成中空球状粒子后， 由所述中空球状粒子保持中空而形成空孔并进行烧成。
4. 根据权利要求3所述的超声波传感器，其中，所述规定的热处 理包括第一加热工序和第二加热工序来形成所述陶瓷多孔体，所述第一加热工序，将凝胶化的所述固态物加热至不会破坏所述 固态物中的形成所述树脂粒子的聚合物壳程度的温度，从而使所述中 空球状粒子热膨胀至规定的粒径，所述第二加热工序，加热至比所述第一加热工序高的温度，以破 坏所述聚合物壳，形成具有规定大小的所述空孔。
5. 根据权利要求l所述的超声波传感器，其中，所述耦合层，利 用具有规定容积的收容室形成规定的形状后，切断为规定的厚度而制
6. 根据权利要求l所述的超声波传感器，其中，所述耦合层，利 用预先设定了尺寸、形状的收容室形成，在一个端面以外的面上不形 成空孔。
7. —种流体计测装置，其中，使用权利要求1至6中任一项所述的超声波传感器。
8. —种陶瓷多孔体的制造方法，其中，在以粉体化的无机材料作为主要成分的浆液中混合内包液化气体 的树脂粒子而制成含树脂的浆液，使所述含树脂的浆液凝胶化而形成固态物，并进行规定的热处理，所述规定的热处理为，对所述固态物进行 加热，使所述固态物中的所述树脂粒子膨胀而变成中空球状粒子后， 由所述中空球状粒子保持中空而形成空孔并进行烧成。
9. 根据权利要求8所述的陶瓷多孔体的制造方法，其中，进而在 所述空孔内形成有机玻璃的干燥凝胶而内包玻璃球体。
10. 根据权利要求8所述的陶瓷多孔体的制造方法，其中，所述 规定的热处理包括第一加热工序和第二加热工序，所述第一加热工序，将凝胶化的所述固态物加热至不会破坏所述 固态物中的形成所述树脂粒子的聚合物壳程度的温度，从而使所述中 空球状粒子热膨胀至规定的粒径，所述第二加热工序，加热至比所述第一加热工序高的温度，以破 坏所述聚合物壳，形成具有规定大小的所述空孔。
11. 根据权利要求8所述的陶瓷多孔体的制造方法，其中，所述 陶瓷多孔体，将所述含树脂的浆液注入收容室而形成规定形状的固态物。
12. 根据权利要求8所述的陶瓷多孔体的制造方法，其中，所述 陶瓷多孔体，利用预先设定了所需尺寸、形状的收容室形成，在一个 端面以外的面上不形成所述空孔。
13. 根据权利要求IO所述的陶瓷多孔体的制造方法，其中，所述固态物注入收容室而形成规定的形状，在将所述固态物收容于所述收容室的状态下，在恒温槽中通过5(TC 8(TC的气氛加热来进行所述第 一加热工序的加热。
14. 根据权利要求13所述的陶瓷多孔体的制造方法，其中，所述 固态物，在所述第一加热工序后，从所述收容室脱模，以1000°C 1500 'C的温度施行第二加热处理。
15. 根据权利要求IO所述的陶瓷多孔体的制造方法，其中，所述 树脂粒子由内包液化气体的热可塑性树脂形成，在所述第一加热工序中，使所述聚合物壳软化膨胀而形成所述中 空球状粒子，在所述第二加热工序中，将所述中空球状粒子烧散而形成空孔。
16. —种超声波传感器的制造方法，所述超声波传感器将压电体 收容于外壳内，在所述外壳的顶部设有耦合层，其中，将通过权利要求9所述的制造方法制造出的陶瓷多孔体切断为规 定的厚度而形成耦合层。
17. —种陶瓷多孔体，在空孔内内包由有机玻璃的干燥凝胶形成 的均匀玻璃球体。
18. 根据权利要求17所述的陶瓷多孔体，其中，所述空孔是通过使内包液化气体的树脂粒子膨胀形成的中空球状粒子在进行陶瓷烧成 时烧散而形成的。
19. 根据权利要求17所述的陶瓷多孔体，所述陶瓷多孔体如下形成在以粉体化的无机材料作为主要成分的浆液中混合内包液化气体 的树脂粒子而制成含树脂的浆液，使所述含树脂的浆液凝胶化而形成固态物，并进行规定的热处理，所述规定热处理为，对所述固态物进行加 热，使所述固态物中的所述树脂粒子膨胀而变成中空球状粒子后，由 所述中空球状粒子保持中空而形成空孔并进行烧成。
20. 根据权利要求17所述的陶瓷多孔体，其中，所述规定的热处 理包括第一加热工序和第二加热工序，所述第一加热工序，将凝胶化的所述固态物加热至不会破坏所述 固态物中的形成所述树脂粒子的聚合物壳程度的温度，从而使所述中 空球状粒子热膨胀至规定的粒径，所述第二加热工序，加热至比所述第一加热工序高的温度，以破 坏所述聚合物壳，形成具有规定大小的所述空孔。
全文摘要
本发明的目的在于控制由陶瓷多孔体和有机玻璃形成的耦合层内的空孔直径。提供一种超声波传感器，包括压电体、收容所述压电体的外壳和设在所述外壳的顶部的耦合层，其中，耦合层由空孔内内包均匀玻璃球体的陶瓷多孔体构成，所述玻璃球体由有机玻璃的干燥凝胶形成。所述超声波传感器，在使用无机类材料的浆液(3)中添加内包液化气体的树脂粒子(4)，通过第一加热工序使上述树脂粒子(4)发泡而制成中空球状粒子(5)，在第二加热工序对陶瓷多孔体进行烧成，在所控制的空孔中形成有机玻璃(7)，制作内部的密度稳定、音响阻抗一定的耦合层(9)，由此提供输出稳定的超声波传感器。
文档编号G01F1/66GK101196415SQ20071019335
公开日2008年6月11日 申请日期2007年12月6日 优先权日2006年12月6日
发明者伊藤雅彦 申请人:松下电器产业株式会社