[发明专利]声匹配材料和超声波振动器和超声波流量计

说明书

技术领域

本发明涉及用于在流体(特别是气体)中发送超声波和接收在流体 中传播的超声波的声匹配体、使用所述声匹配体的超声波振动器以及 使用所述超声波振动器的超声波流量计。

背景技术

超声波振动器50通常具有图16所示的构造。在图16中，使用结 合装置55将压电材料51与壳体53结合。壳体由金属材料如不锈钢形 成。声匹配层52经结合装置54进一步结合到壳体53上。

压电材料51将电信号转化成机械振动。这种机械振动通过声匹配 层55作为超声波传送进气体中。为了使压电材料51中产生的所述振 动有效地传送进气体中，需要考虑声阻抗。

材料的声阻抗Z由声速(C)和密度(ρ)定义，如式(10)。

Z＝ρ×C    (10)

作为振动产生装置的压电材料51的声阻抗Z_P是30×10⁶kg/(m²s)。另一方面，作为超声波的辐射介质的气体例如空气的声阻抗 约400kg/(m²s)。如上所述，压电材料51和空气的声阻抗实际上是不 同的。

当压电材料和辐射介质的声阻抗不同时，超声波易于在其间的界 面处反射。当超声波反射时，由于空气传播的超声波的强度弱，因此 存在超声波不能有效地传送到预定对象的问题。

为了解决该问题，使用声匹配层(也称作声匹配部件)，并在压电材 料和辐射介质之间形成。形成声匹配部件，使得部件的声阻抗Z_M满 足下式(11)，由此确保超声波有效传播进辐射介质中。

Z_M＝(Z_p×Z_A)^(1/2)        (11)

最佳值约为11×10⁴kg/(m²s)。从式(11)可以理解，声匹配层需要 是固体，并具有低密度和低声速。干燥凝胶经常用作满足这些要求的 材料。制造这种干燥凝胶的方法公开在例如日本专利公开特许公报特 开No.2005-8424中。日本专利公开特许公报特开No.2002-262394公 开了使用干燥硅胶的超声波振动器。

发明公开

发明所要解决的问题

在图16所示构造的超声波振动器中，壳体53由金属材料如不锈 钢形成。不锈钢的热膨胀系数例如为约17.8ppm/℃，相对较高。另一 方面，用作声匹配层52的干燥凝胶的热膨胀系数为几个ppm/℃或更小。 因此，当干燥凝胶与壳体53结合且壳体53随环境温度的变化膨胀或 收缩时，干燥凝胶不以与壳体53相同的方式膨胀或收缩，因为干燥凝 胶不易于膨胀或收缩。结果使得干燥凝胶破裂。因此，超声波振动器 的操作不稳定。此外，由于压电材料的热膨胀系数例如为7.5ppm/℃， 因此当干燥凝胶与压电材料51结合时也出现相同的问题。

本发明的目的是解决上述问题，并提供由干燥凝胶形成的针对使 用环境的温度变化可稳定操作的声匹配体、使用所述声匹配体的超声 波振动器以及超声波流量计。

解决问题的方式

为解决上述问题，本发明提供一种声匹配体，其包括通过聚合含 有可聚合有机硅化合物的单体形成的干燥凝胶，所述有机硅化合物其 中不可水解的有机基团与硅直接结合。通过聚合含有这种特定有机硅 化合物的单体形成的干燥凝胶比被提出作为声匹配体的常规干燥凝胶 更柔软。

这里，术语″声匹配体″用于指作为声匹配层被引入超声波振动器 等之前的独立部件，并且在引入超声波振动器之后其可被称作″声匹配 层″。即，″声匹配体″和″声匹配层″在功能上没有不同，它们的不同之 处在于是否被引入超声波振动器等中。

本发明的声匹配体可以是仅由干燥凝胶形成的单层结构，或者可 以是由干燥凝胶和另一种多孔体形成的叠层结构。叠层结构的声匹配 体优选由干燥凝胶和陶瓷多孔体形成。

本发明还提供一种包括压电材料和声匹配层的超声波振动器，其 中所述声匹配层是本发明的声匹配体。

此外，本发明提供一种包括超声波振动器的超声波流量计，所述 超声波振动器包括压电材料和声匹配层，在所述振动器中所述声匹配 层是本发明的声匹配体。

发明效果