JP7573192B2 - 超音波送受波器並びに超音波流量計、超音波流速計、超音波濃度計、及び製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、超音波送受波器、及び、超音波送受波器を用いて気体の流量、流速及び濃度等を計測する計測器に関する。

特許文献１は、超音波の送受信の感度と、機械的強度、耐熱性が高い音響整合体を備える超音波送受波器５１を開示する。この超音波送受波器５１は、超音波発生源５４に接合される接合面５５と音波を放出する振動面５６が所定厚みの両面に形成された板状の基材と、少なくとも振動面５６に接合面５５に向けて部分的に設けられた密な部分５２と凹部５３と、からなる音響整合層を備える（図１５参照）。

特許文献２は、音響整合層６０の一方主面６１は、縁部６２が筒状のケース６３の上端面に固着され、音響整合層６０の他方主面６４は、第一の防水材６５に覆われ、音響整合層６０の側面６６は、第二の防水材６７に覆われ、第二の防水材６７は、音響整合層６０の他方主面６４の縁部付近６８において、第一の防水材６５に隙間なく接合されるとともに、ケース６３の側面６９において、ケース６３に隙間なく接合されていることを特徴とすることを開示する（図１６参照）。

特許文献３は、多孔質体７０における表面に積層され、熱硬化性樹脂および流動抑制粒子からなる緻密層７２を有する整合部材と、音波放射面７３および多孔質体７０の外周壁面に密着された側壁部材７５と、を有し、緻密層７２および側壁部材７５により多孔質体７４が封止されるとともに、側壁部材７５は音波放射方向に向かって径方向の厚みをほぼ均一設定したものであることを開示する（図１７参照）。

特開２０１９－１２９２１号公報 特開２００２－１３５８９４号公報 特開２０１０－２６８２６２号公報

本開示は、被計測流体が高温高湿流体であっても長期間、安定して、高精度に計測することができる超音波送受波器、及び、この超音波送受波器を用いた超音波流量計、超音波流速計、超音波濃度計を提供する。

本開示における超音波送受波器は、圧電体と前記圧電体の一つの面に配置した音響整合体とを備える超音波送受波器であって、前記音響整合体は、天板と底板と側壁によって形成された密閉空間と、前記密閉空間を分割するように、前記天板と底板とに密着して前記底板に対して略垂直方向に形成された垂直隔壁と、を備える。

本開示における超音波送受波器は、圧電体と前記圧電体の一つの面に配置した音響整合体とを備え、音響整合体が密閉空間を備え、かつ密閉空間が分割するように形成されているため、外周より腐食劣化が発生し、湿度が音響整合体内部に浸入しても、隔壁が複数あ
るため、すぐには計測性能が低下することが無い。そのため、この超音波送受波器を用いた超音波流量計、流速計、濃度計は、高温高湿流体を長期間、安定して、高精度に流量計測、流速計測、濃度計測することができる。

実施の形態１における超音波送受波器の断面図 （ａ）実施の形態１における音響整合体の断面図、（ｂ）（ａ）の線分Ｘ断面図 実施の形態１における音響整合体の製造手順を示す斜視図 実施の形態２における超音波流速流量計の構成を示すブロック図 実施の形態３における超音波濃度計の構成を示すブロック図 （ａ）実施の形態４における音響整合体の断面図、（ｂ）（ａ）の線分Ｘ断面図 実施の形態４における音響整合体の製造手順を示す斜視図 実施の形態５における音響整合体の厚み方向断面図 実施の形態５における他の音響整合体の厚み方向断面図 実施の形態６における超音波送受波器の断面図 実施の形態６における超音波送受波器の製造手順を示す断面図 （ａ）実施の形態６における超音波送受波器の断面図、（ｂ）実施の形態６における圧電体の接合投影面と側壁部接合投影面との関係を示す概略図 実施の形態７における超音波送受波器の断面図 実施の形態７における他の超音波送受波器の断面図 実施の形態７における他の超音波送受波器の製造手順を示す断面図 （ａ）実施の形態８における音響整合体の断面図、（ｂ）（ａ）の線分Ｘ断面図 （ａ）実施の形態８における他の音響整合体の断面図、（ｂ）（ａ）の線分Ｘ断面図 従来例の超音波送受波器を示す図 従来例の超音波送受波器を示す図 従来例の超音波送受波器を示す図

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、被計測流体として、可燃性ガス、空気等の乾燥空気の流速、流量、濃度を計測するため、被計測流体に効率よく超音波を伝搬させる必要がある。そのためには、被計測流体と圧電体との間に介在させる音響整合体の物性をコントロールする必要がある。

上記の音響整合体に関する物理的解釈を以下に示す。

まず、音響インピーダンスの定義である密度と音速の積は、その物質の微小単位要素を構成する物質の運動量を示す。すなわち、微小単位要素を構成する物質の運動量をΔＰ、質量をΔＭ、速度をＶとすると、運動量の定義より、
ΔＰ（運動量）＝ΔＭ×Ｖ（音響インピーダンス） （１）
となり、音響インピーダンスは微小単位要素を構成する物質の運動量であることが判る。

従って、ある物質（超音波発生源）から隣接する物質への効率的なエネルギー伝播は、音響インピーダンスが近いことが望ましいことが判る。

これらを踏まえて、上記音響整合体にて起こる現象を記述する。

一般に物質の音速は、
Ｖ＝（κ／ρ）^１／２ （２）
と表される。ここでκは体積弾性率、ρは密度である。即ち、物質の音速は体積弾性率と密度により一意的に決まることから、音速を意図的に制御することは困難であることが判る。

従って、音響インピーダンスを低減するためには密度を低減することが有効である。

本開示の音響整合体では、天板、底板、側壁によって密閉空間が形成され、前記密閉空間内部に、天板、底板に対して概垂直に形成された垂直隔壁と、を備え、前記垂直隔壁は、前記密閉空間を分割するように、前記天板、底板とに密着して形成し、見かけの密度を低減する方法を採用している。

また、従来構成では、被計測流体に、高温高湿の気体を計測する場合、貫通部に水分が混入し、音響整合体の密度が、見かけ上大きくなるため、音響整合体の音響インピーダンスが大きくなってしまい、被計測流体への超音波の伝搬効率が低下し、結果として、流量計測性能が低下する、或いは、最悪の場合は計測不能となってしまう課題がある。

その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

そこで本開示は、被計測流体が高温高湿流体であっても長期間、安定して、高精度に計測することができる流量計、流速計、濃度計を提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１～図３を用いて、実施の形態１の超音波送受波器を説明する。

［１－１．構成］
図１において、超音波送受波器１は、音響整合体２と、圧電体３と、圧電体の電極４、５に接続されたリード線６、７とを備える。圧電体３の電極４と音響整合体２とは接合体で接合され、例えばエポキシ接着剤、フェノール接着剤、シアノアクリレート接着剤等の一般的な接着剤で接合することができる。

次に、図２を用いて音響整合体２の内部構造を説明する。図２（ａ）は、音響整合体の断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の線分Ｘ断面図である。

音響整合体２は、天板８と底板９とが側壁１０で接合されて密閉空間１１が形成され、かつ、密閉空間１１を分割するように、垂直隔壁１２が形成され、垂直隔壁１２は、天板８、底板９と概垂直に一体的に接合されている。

［１－２．音響整合体の製造手順］
次に、図３を用いて、音響整合体２の製造手順を説明する。

図３の（ａ）から（ｄ）は、実施の形態１における音響整合体２の製造手順の斜視図を示している。

図３（ａ）は、金属板１３を準備し、図３（ｂ）は、金属板１３を円形状にパターニングした金属板１４ａと、音響整合体２の側壁１０と垂直隔壁１２とをパターニングした金属板１４ｂを示している。パターニングは、例えば、金属板１３のプレスによる打ち抜き加工、フォトリソグラフィによるエッチング加工、レーザー加工、或いは、放電ワイヤーを利用した加工等を用いることができる。

図３（ｃ）は、金属板１４ａ，１４ｂを複数枚、位置決めを実施しつつ積層する状態を示しており、金属板１４ｂを所定枚数積層し、最上面に天板８として金属板１４ａを、最底面に底板９として金属板１４ａを積層する。パターニングした金属板同士の接合は、拡散接合によって一体的な材料となるように加熱加圧環境で接合する。加熱温度は、例えばステンレスの場合、融点約１５００℃に対し、拡散接合時の温度はおよそ１０００℃程度に加熱し行う。拡散接合には、平面性が要求され、図３（ｃ）の加工方法によっては、バリや変形を解消する後加工が必要となる。

以上の製造手順によって、図３（ｄ）に示すように、各金属パターニングを拡散接合によって接合した本実施の形態１における超音波送受波器１の音響整合体２を作ることができる。

［１－３．効果］
以上のように、本実施の形態において、超音波送受波器１は、圧電体３と圧電体３の一つの面に配置した音響整合体２とを備える超音波送受波器１であって、音響整合体２は、天板８、底板９、側壁１０によって密閉空間１１を形成され、密閉空間１１内部に、天板８、底板９に対して概垂直に形成された垂直隔壁１２とを備え、垂直隔壁１２は、密閉空間１１を分割するように、天板８、底板９とに密着して形成された音響整合体２を備える。

これにより、本開示の超音波送受波器１を、高温高湿流体、或いは高温高湿環境で使用した場合、音響整合体が外周より腐食劣化し、音響整合体２の外周部より密閉空間１１内部に水分が浸入しても、垂直隔壁１２により密閉空間１１が複数に区画されているため、すぐには計測性能が低下することが無い。そのため、高温高湿流体、或いは高温高湿環境で使用した場合でも、長期間、安定して動作する。

また、本実施の形態において、音響整合体２の製造方法は、金属板１３にパターンを形成する工程と、パターン形成した金属板１４ａ、１４ｂを積層する工程と、積層した金属板１４ａ、１４ｂを高温で荷重を加え複数の金属板を接合する工程とが順に施されるようにしたものである。

これにより、音響整合体２を精度よくパターニングでき、かつ、金属板同士を強固に、隙間なく接合することができ、音響整合体２を安定して精度よく作ることができる。結果として、ばらつきが少ない超音波送受波器１とすることができる。

（実施の形態２）
次に、本実施の形態の超音波流量計（または、超音波流速計）に関して、図４を用いて説明する。

［２－１．構成］
図４に示す様に、本実施の形態の超音波流量計は、流体の流れる流路１５の上流と下流に実施の形態１の超音波送受波器１の構成を用いた超音波送受波器１６、１７が一対、対向配置された構成となっている。Ｌ１は、上流側に配置された超音波送受波器１６から伝搬する超音波の伝搬経路を示しており、Ｌ２は下流側に配置された超音波送受波器１７の超音波の伝搬経路を示している。また、超音波送受波器１６，１７間の超音波の到達時間を計時する計時装置１８と、計時装置１８により求めた到達時間より、流速または流量を演算する演算手段１９とを備えている。

［２－２．流速、流量計の計測動作］
流路１５の中を流れる流体の流速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ（図示せず）、流体の流れる方向と超音波の伝搬方向の角度をθとする。超音波送受波器１６を超音波送波器、超音波送受波器１７を超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器１６から出た超音波が超音波送受波器１７に到達する伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （３）
で示される。

次に、超音波送受波器１７から出た超音波パルスが超音波送受波器１６に到達する伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ－Ｖｃｏｓθ） （４）
で示される。

そして、（３）と（４）の式から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１－１／ｔ２） （５）
の式が得られる。

Ｌとθが既知なら、計時装置１８にてｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖを求めることができる。加えて、演算手段１９によって、この流速Ｖに断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じれば、流量Ｑを求めることができる。演算手段１９は、上記Ｑ＝ＫＳＶを演算するものである。

［２－３．効果］
以上に様に、本実施の形態において、超音波流量計、または、超音波流速計は、被計測流体を通じる流路１５と、流路１５の上流と下流に対向配置された一対の超音波送受波器１６，１７と、超音波送受波器１６，１７間の超音波信号の到達時間を計時する計時装置１８と、計時装置１８により求めた超音波の到達時間より、流速、流量を演算する演算手段１９とを備える。

これにより、本開示の超音波流量計、または、超音波流速計は、高温高湿流体、或いは高温高湿環境で使用した場合、外周より腐食劣化が発生し、音響整合体の外周部より密閉空間内部に水分が浸入しても、垂直隔壁により密閉空間が複数に分割されているため、すぐには計測性能が低下することが無い。そのため、高温高湿流体を長期間使用しても、安定して、高精度に流量、流速、気体濃度を計測することができる。

（実施の形態３）
次に、本実施の形態の超音波を用いた気体の濃度計について図５を用いて説明する。

［３－１．構成］
図５は、本実施の形態における気体濃度計の断面模式図を示している。本開示の気体濃度計は、気体濃度を測定するための濃度測定空間３７を有する筐体３０を備えており、筐体３０には、被計測流体を通気するための通気孔３１が設けられている。筐体３０におけ
る濃度測定空間３７の形状は、例えば、直方体形状、円筒形状等とする。濃度測定空間３７は、必ずしも筐体３０の壁によって全方向が囲まれていなくてもよく、少なくとも超音波を送受信できる空間であればよい。例えば、筐体３０の一部を欠損させ、その欠損部において濃度測定空間３７が外部に開放されていてもよい。

濃度測定空間３７内に、実施の形態１で説明した超音波送受波器１の構成を用いた一対の超音波送受波器３２、３３を対向するように配置し、さらに、温度センサ３４を収容し、計時装置３５および演算手段３６に接続されている。

［３－２．濃度計測の動作］
超音波送受波器３２を超音波送波器として用いる場合、計時装置３５の動作に基づいて超音波を送信する。超音波送受波器３３は、超音波受波器として機能し、超音波送受波器３２から送信された超音波は、濃度測定空間３７に満たされた被計測流体中を伝搬し、超音波受波器として用いた超音波送受波器３３は、超音波を受信する。計時装置３５は、超音波が送信されてから受信されるまでの伝搬時間と、予め定められた超音波の伝搬距離Ｌに基づいて、超音波の伝搬速度Ｖｓを求める。

この被計測流体である混合ガス中を伝搬する超音波の伝搬速度Ｖｓは、式（６）で表されるように、混合ガスの平均分子量Ｍ、比熱比γ、気体定数Ｒ及びガス温度Ｔ（Ｋ）によって決まる。音速及び温度を測定すれば平均分子量が求まる。

Ｖｓ＝γ・Ｒ・Ｔ／Ｍ （６）
混合ガス中のガス成分が既知のときは、ガス温度Ｔ及び伝搬速度Ｖｓを測定して平均分子量Ｍを求め、平均分子量Ｍから求めるガス濃度を演算できる。濃度演算式はａ，ｂからなる２種混合理想気体の場合、式（７）のごとくなる。

ａガスの濃度（％）＝Ｍ－ｍｂ ／ ｍａ－ｍｂ×１００ （７）
ここで、ｍａ及びｍｂはそれぞれａガス及びｂガスの分子量を表す。

［３－３．効果等］
以上の様に、本実施の形態において、超音波濃度計は、被計測流体を通じる通気口を備える筐体３０と、筐体３０内部に所定の距離をはなし対向して配置した１対の超音波送受波器３２，３３と、筐体３０内部に配置した温度センサ３４と、超音波送受波器３２，３３間の超音波信号の到達時間を計時する計時装置３５と、計時装置３５により求めた到達時間より、伝搬速度、混合ガスの平均分子量、ガス濃度を演算する演算手段３６とを備える。

これにより、本開示の超音波送受波器を搭載した超音波濃度計は高温高湿流体、或いは高温高湿環境で使用した場合、外周より腐食劣化が発生し、音響整合体の外周部より密閉空間内部に水分が浸入しても、垂直隔壁により密閉空間が複数に分割されているため、すぐには計測性能が低下することが無い。そのため、高温高湿流体を長期間使用しても、安定して、高精度に流量、流速、気体濃度を計測することができる。

（実施の形態４）
以下、図６～９を用いて、実施の形態４の超音波送受波器を説明する。

［４－１．構成］
本実施の形態において、実施の形態１と異なるのは音響整合体の内部構造のみであり、超音波送受波器としての構成は、実施の形態１と同様のため説明を省略し、図６を用いて音響整合体の内部構造を説明する。図６（ａ）は、本実施の形態における音響整合体の断
面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の線分Ｘ断面図を示している。

図６において、本開示の音響整合体２０は、天板８、底板９、側壁１０によって密閉空間１１が形成され、密閉空間１１内部に、天板８、底板９に対して概垂直方向に形成された垂直隔壁１２と、密閉空間１１内部に、天板８、底板９に対して概水平方向に形成された水平隔壁３９とを備え、垂直隔壁は、密閉空間１１を分割するように、天板８、底板９とに密着して形成され、水平隔壁３９は、密閉空間１１を分割するように、側壁１０と密着して形成されている。

［４－２．音響整合体の製造手順］
次に、図７を用いて、音響整合体２０の製造手順を説明する。図７の（ａ）から（ｄ）は、本実施の形態２における音響整合体２０の製造手順斜視図を示している。

図７（ａ）は金属板１３を準備し、図７（ｂ）は、金属板１３を円形状にパターニングした金属板１４ａと、音響整合体２０の天板８、底板９に対して概垂直方向に形成された垂直隔壁１２と側壁とをパターニングした金属板１４ｂを示しており、ここでは、図２（ｂ）と同じとしている。パターニングは、例えば、金属板のプレスによる打ち抜き加工、フォトリソグラフィによるエッチング加工、レーザー加工、或いは、放電ワイヤーを利用した加工等を用いることができる。

図７（ｃ）は、金属板１４ａ，１４ｂを複数枚、位置決めを実施しつつ、交互に積層する状態を示しており、水平隔壁３９として金属板１４ａ、垂直隔壁１２として金属板１４ｂを積層し、最上面に天板８として金属板１４ａを、最底面に底板９として金属板１４ａを積層する。パターニングした金属板同士の接合は、拡散接合によって一体的な材料となるように加熱加圧環境で接合する。加熱温度は、例えばステンレスの場合、融点約１５００℃に対し、拡散接合時の温度はおよそ１０００℃程度に加熱し行う。拡散接合には、平面性が要求され、図７（ｃ）の加工方法によっては、バリや変形を解消する後加工が必要となる。

以上の製造手順によって、図７（ｄ）に示すように、各金属パターニングを拡散接合によって接合した本実施の形態２における音響整合体２０を作ることができる。

［４－３．効果］
以上のように、本実施の形態の超音波送受波器の音響整合体２０は、天板８、底板９、側壁１０によって密閉空間１１を形成され、密閉空間１１内部に、天板８、底板９に対して概垂直方向に形成された垂直隔壁１２と、密閉空間１１内部に、天板８、底板９に対して概水平方向に形成された水平隔壁３９とを備え、垂直隔壁１２は、密閉空間１１を分割するように、天板８、底板９とに密着して形成され、水平隔壁３９は、密閉空間１１を分割するように、側壁１０と密着して形成されたものである。

これにより、本開示の超音波送受波器を、高温高湿流体、或いは高温高湿環境で使用した場合、音響整合体が外周より腐食劣化し、音響整合体の外周部より密閉空間１１内部に水分が浸入しても、垂直隔壁１２と水平隔壁３９により密閉空間１１が複数に分割されているため、すぐには計測性能が低下することが無い。また、本開示の超音波送受波器に用いる音響整合体２０は、密閉空間１１を垂直隔壁１２と水平隔壁３９で区画している為、実施の形態１の音響整合体２よりも、更に、長期間、安定して動作する。

また、本実施の形態において、音響整合体２０の製造方法は、金属板１３にパターンを形成する工程と、パターン形成した金属板１４ａ、１４ｂを積層する工程と、積層した金属板１４ａ、１４ｂを高温で荷重を加え接合する工程とが順に施されるようにしたもので
ある。

これにより、音響整合体を精度よくパターニングでき、かつ、金属板同士を強固に、隙間なく接合することができ、音響整合体を安定して精度よく作ることができる。結果として、ばらつきが少ない超音波送受波器とすることができる。

また、本実施の形態による超音波送受波器は、実施の形態２で説明した超音波流量計、流速計、或いは、実施の形態３で説明した超音波濃度計の超音波送受波器として用いることができる。

（実施の形態５）
次に、超音波送受波器に用いる音響整合体の垂直隔壁の形状について、実施の形態５として説明する。

［５－１．垂直隔壁のパターン］
実施の形態５における垂直隔壁のパターンに関して、図７と異なるパターンを例示する。なお、本実施の形態における、垂直隔壁のパターンを限定することを意図していない。

図８、９は、実施の形態５における音響整合体の厚み方向断面図を示している。

図８、９はそれぞれ、側壁１０と音響整合体２の天板８、底板９に対して概垂直方向に形成された垂直隔壁１２が示されている。この垂直隔壁１２のパターンは、格子形状およびハニカム形状など、使用する環境、求められる強度に応じて選択することができる。その他にも、円形を敷き詰めた形状も選択可能である。

［５－２．隔壁の厚み］
音響整合体の密閉空間内部に形成した、垂直隔壁は、側壁よりも薄くなるように形成するのが好ましい。音響整合体は、より軽量とすることで被計測流体へ超音波を効率よく伝達するとが可能となるため、天板、底板に対して垂直隔壁はより薄く、隔壁が少ないほうが好ましい。しかしながら、高温高湿環境で使用する場合、劣化は側壁から腐食が進行するため、側壁の厚みはより厚くすることで腐食耐性は向上する。

以上を鑑み、音響整合体の密閉空間内部に形成した垂直隔壁は、側壁よりも薄くなるように形成することで、超音波の伝搬効率を下げることなく、高温高湿の腐食環境に対する耐性を向上することができる。

［５－３．隔壁による超音波伝搬効率］
また、垂直隔壁は密閉空間を区切る機能と、圧電体で発生した超音波振動に対して共振する骨格としても機能する。垂直隔壁と天板８とは拡散接合によって強固に接合されているが、垂直隔壁１２で区切られた領域の面積が大きくなると、天板８にたわみが発生するため、目的と異なる振動が発生し、結果として被計測流体への超音波の伝搬効率が低下する。

表１は、音響整合体の垂直隔壁で区切られた領域および垂直隔壁の投影面積比と超音波伝搬効率との関係を示している。表１より、垂直隔壁で区切られた領域は０．２ｍｍ^２以上で好ましく、より好ましくは、０．３０ｍｍ^２から１．０ｍｍ^２の範囲でより好ましい。垂直隔壁の投影面積比は１５％以下で、超音波伝搬効率が高く、より好ましくは、８～１３％の範囲内でより好ましいことが分かる。

また、音響整合体の天板８の厚みは、パターンを形成した金属板１枚あたりの厚みよりも薄くすることで被計測流体への超音波伝搬効率をより高くすることができる。

［５－４．効果等］
また、本実施の形態において、音響整合体の密閉空間内部に形成した垂直隔壁は、側壁よりも薄くなるように形成したものである。

これにより、被計測流体への超音波の伝搬効率を下げることなく、高温高湿の腐食環境に対する耐性を向上することができる。

また、本実施の形態において、垂直隔壁で区切られた領域の面積が１ｍｍ^２以下とし、垂直隔壁の投影面積が音響整合体の側壁を除く投影面積の１０％以下としたものである。

これにより、被計測流体への超音波の伝搬効率をより向上することができる。

また、本実施の形態において、音響整合体は、パターンを計測した金属板を複数重ね合わせて形成したものである。

これにより、より複雑な形状を、高精細に作ることができ、結果として、音響整合体のバラツキを低減することができ、結果として、流量計、流速計、濃度計としたときに、高精度な計測が可能となる。

また、本実施の形態において、音響整合体の天面の厚みは、パターンを形成した金属板１枚あたりの厚みよりも薄いとしたものである。

これにより、被計測流体への超音波伝搬効率をより高くすることができる。

また、本実施の形態による超音波送受波器は、実施の形態２で説明した超音波流量計、超音波流速計、或いは、実施の形態３で説明した超音波濃度計の超音波送受波器として用いることができる。

（実施の形態６）
以下、図１０～１２を用いて、実施の形態６を説明する。

［６－１．構成］
図１０において、超音波送受波器２１は、有天筒状金属ケース４２と有天筒状金属ケース４２の天部内壁面４２ａに配置した圧電体３と、有天筒状金属ケース４２の天部外壁面４２ｂに配置した、実施の形態１で述べた音響整合体２、或いは、実施の形態４で述べた音響整合体２０を備える。なお、以降の説明では、音響整合体２を用いて説明するが音響整合体２０でも同様である。有天筒状金属ケース４２と音響整合体２と圧電体３とは例えば、有機接着剤、低融点ガラス、半田、ロウ付け等が想定される。

［６－２．超音波送受波器の製造手順］
次に、図１１を用いて、超音波送受波器２１の製造手順を説明する。

図１１の（ａ）から（ｅ）は、実施の形態６における超音波送受波器２１の製造手順断面図を示している。

図１１（ａ）は、音響整合体２を示しており、図１１（ｂ）は、圧電体３に接合体４０として用いる熱硬化性接着剤を塗布形成し、有天筒状金属ケース４２においても同様に接合体４１を塗布形成する。図６（ｃ）において、圧電体３と有天筒状金属ケース４２、音響整合体２を貼り合わせる。このとき、圧電体３、有天筒状金属ケース４２、および音響整合体２に、約２から１０ｋｇ／ｃｍ^２の加圧を加えた状態で、熱硬化性接着剤を硬化させる目的で、加熱を行う。

図６（ｄ）は、以上の工程によって加熱硬化し接合された音響整合体２と有天筒状金属ケース４２と圧電体３とを接合した状態を図示しており、導電ゴム４７を挿入した端子板４３をフランジで溶接する。この溶接時に、密閉空間にアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスを封入し、圧電体３の電極の劣化、圧電体３と有天筒状金属ケース４２との接合部分の劣化を軽減する役割を果たす。

有天筒状金属ケース４２は、鉄、真鍮、銅、アルミ、ステンレスあるいは、これらの合金、あるいはこれらの金属の表面にめっきを施した金属など導電性を有す材料であれば良い。

接合体４０、４１として用いた熱硬化性接着剤は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、メラミン樹脂など熱硬化性樹脂であれば特に限定されない。場合によっては、熱可塑性樹脂であっても、ガラス点移転が高温使用温である７０℃以下であれば接着剤として使用できる。

図６（ｅ）は、超音波送受波器２１の完成状態である。

［６－３．圧電体の接合投影面と側壁部接合投影面との関係］
図１２を用いて、音響整合体２と圧電体３との接合面積に関して関係性を説明する。

図１２（ａ）は、本実施の形態における超音波送受波器２１の断面図、図１２（ｂ）実施の形態３における圧電体の接合投影面と側壁部接合投影面との関係概略図を示している。

圧電体３は、超音波信号によって所定の周波数に振動し、この振動に音響整合体２が共振し、大きな振幅を発生させ、被計測流体に超音波が伝搬する。本開示においては、被計測流体が高温高湿の流体であることを想定しており音響整合体２は、天板８、底板９、側壁１０によって密閉空間１１を形成され、密閉空間１１内部に、天板８、底板９に対して概垂直方向に形成された垂直隔壁１２とを備え、この垂直隔壁１２と、側壁１０とで密閉空間１１を分割するように、天板、底板とに密着して形成されている。側壁１０は、耐湿性をより向上するため、０．３ｍｍ以上の厚みとすることが好ましく、結果として、音響整合体２をより重くすることになり、被計測流体への超音波の伝搬効率が低下することになる。

そこで、図１２（ｂ）に示すように、圧電体３の有天筒状金属ケース４２への接合投影面（以降、圧電体接合投影面４８と称す。）は、音響整合体２の側壁部接合投影面４９に内包されるように形成することで、被計測流体への超音波伝搬効率を低減させることなく
、耐湿性をより向上することが可能となる。

なお、本実施の形態における超音波送受波器２１を用いた、超音波流量計、超音波流速計の動作、超音波濃度計の動作は実施の形態２，３と同様のため説明を省略する。

［６－４．効果等］
以上のように、本実施の形態において、超音波送受波器２１は、有天筒状金属ケース４２と有天筒状金属ケース４２天部内壁面４２ａに配置した圧電体３と、有天筒状金属ケース４２の天部外壁面４２ｂに配置し、実施の形態１で述べた音響整合体２、或いは、実施の形態４で述べた音響整合体２０を備える構成としたものである。

これにより、本開示の超音波送受波器２１を、高温高湿流体、或いは高温高湿環境で使用した場合、音響整合体が外周より腐食劣化し、音響整合体の外周部より密閉空間内部に水分が浸入しても、垂直隔壁或いは水平隔壁で密閉空間１１が複数に区画されているため、すぐには計測性能が低下することが無い。そのため、高温高湿流体、或いは高温高湿環境で使用した場合でも、長期間、安定して動作する。さらに、有天筒状金属ケース４２と端子板４３とで密閉されているため、圧電体３の電極の腐食、接合体４０の劣化が阻害されるため長期信頼性が確保される。

また、本実施の形態において、圧電体接合投影面４８は、音響整合体２、或いは、音響整合体２０の側壁部接合投影面４９に内包されるように形成するとしたものである。これにより、被計測流体への超音波伝搬効率を低減させることなく、耐湿性をより向上することが可能となる。

また、本実施の形態による超音波送受波器は、実施の形態２で説明した超音波流量計、超音波流速計、或いは、実施の形態３で説明した超音波濃度計の超音波送受波器として用いることができる。

（実施の形態７）
以下、図１３Ａを用いて、実施の形態７を説明する。

［７－１．構成］
図１３Ａにおいて、超音波送受波器２３は、圧電体３と圧電体３の一つの面に配置した有天筒状金属ケース４２と、有天筒状金属ケース４２の天部外壁面４２ｂに配置した音響整合体２２とを備え、音響整合体２２は、天板８、側壁１０と、有天筒状金属ケース４２の天部外壁面４２ｂとによって密閉空間１１を形成され、密閉空間１１内部に、音響整合体２２の天板８、有天筒状金属ケース４２の天面に対して概垂直に形成された垂直隔壁１２とを備え、垂直隔壁１２は、密閉空間１１を分割するように、音響整合体２２の天板８と有天筒状金属ケース４２に密着して形成されている。

これによって、実施の形態６の音響整合体２に比べて、底板９を排除する構成となっており、音響整合体２をより軽量化することが可能となり、より超音波伝搬効率を向上することができる。

本実施の形態における、超音波送受波器２３の製造手順は実施の形態６と同様のため省略する。また、本実施の形態の超音波送受波器２３を搭載した超音波流量計、超音波流速計の動作、超音波濃度計の動作は実施の形態２，３と同様のため省略する。

［７－２．効果等］
以上のように、本実施の形態において、超音波送受波器２３は、圧電体３と圧電体３の
一つの面に配置した有天筒状金属ケース４２と、有天筒状金属ケース４２の天部外壁面４２ｂに配置した音響整合体２とを備え、音響整合体２は、天板８、側壁１０と、有天筒状金属ケース４２の天部外壁面４２ｂとによって密閉空間１１を形成され、密閉空間１１内部に、音響整合体２２の天板８、有天筒状金属ケース４２の天板８に対して概垂直に形成された垂直隔壁１２とを備え、垂直隔壁１２は、密閉空間１１を分割するように、音響整合体２２の天板８、有天筒状金属ケース４２とに密着して形成したものである。

これにより、実施の形態６に比べて、底板９を排除する構成となっており、音響整合体をより軽量化することが可能となり、より超音波伝搬効率を向上することができる。

なお、本実施の形態では、音響整合体２２を接合体４１で有天筒状金属ケース４２に接合しているが、接合体４１を用いず、図１３Ｂに示す様に、有天筒状金属ケース４２を音響整合体２４の底板９と一体に構成した超音波送受波器２５としても良い。

図１３Ｃは、この超音波送受波器２５の製造手順を示しており、図３を用いて説明した音響整合体２の底板９を有天筒状金属ケース４２の形状に合わせた大きさで作成し（図１３Ｃ（ａ））、その後、プレス加工により、底板９を有天筒状金属ケース４２の形状に成形している（図１３Ｃ（ａ’））。図１３Ｃ（ｂ）は、圧電体３である。図１３Ｃ（ｃ）から図１３Ｃ（ｅ）は、図１１（ｃ）から図１１（ｅ）と同様であり、説明は省略する。

（実施の形態８）
以下、図１４Ａ，図１４Ｂを用いて、実施の形態８を説明する。

［８－１．構成］
本実施の形態において、実施の形態１と異なるのは音響整合体の内部構造のみであり、超音波送受波器としての構成は、実施の形態１，６，７と同様のため説明を省略する。

次に、図１４Ａを用いて音響整合体の内部構造を説明する。

図１４Ａ（ａ）は、本実施の形態８における音響整合体２６の断面図、図１４Ａ（ｂ）は、図１４Ａ（ａ）の線分Ｘ断面図を示している。

図１４Ａにおいて、本開示の音響整合体２６は、天板８、底板９、側壁１０によって密閉空間１１が形成され、密閉空間１１内部に、天板８、底板９に対して概垂直方向に形成された垂直隔壁１２と、密閉空間１１内部に、天板８、底板９に対して概水平方向に形成された水平隔壁３９とを備え、垂直隔壁１２は、密閉空間１１を分割するように、天板８、底板９とに密着して形成され、水平隔壁３９は、密閉空間１１を分割するように、側壁１０と密着して形成されている。加えて、垂直隔壁１２は、音響整合体の底面部２９よりも天面部２８が薄くなるように形成した構成となっている。

本実施の形態における音響整合体の製造手順は、実施の形態４と同様のため省略する。また、本実施の形態における超音波送受波器の製造手順は、実施の形態４と同様のため省略する。また、本実施の形態における、超音波流量計、超音波流速計の動作、超音波濃度計の動作は実施の形態２，３と同様のため省略する。

［８－２．効果等］
以上のように、本実施の形態において、音響整合体２６は、天板８、底板９、側壁１０によって密閉空間１１が形成され、密閉空間１１内部に、天板８、底板９に対して概垂直方向に形成された垂直隔壁１２と、密閉空間１１内部に、天板８、底板９に対して概水平方向に形成された水平隔壁３９とを備え、垂直隔壁１２は、密閉空間１１を分割するよう
に、天板８、底板９とに密着して形成され、水平隔壁３９は、密閉空間１１を分割するように、側壁１０と密着して形成されている。加えて、垂直隔壁１２は、音響整合体２の底面部２９よりも天面部２８の隔壁が薄くなるように形成した構成としたものである。

これにより、本開示の基礎となった知見等で述べたとおり、被計測流体に超音波を効率よく伝搬させるには、音響整合体２の音響インピーダンス（密度×音速）を音波伝搬方向に向かって連続的に小さくするのが最も効率がよい。本実施の形態５においては、金属板を自由にパターニングし、積層する製造方法を選択することで、垂直方向に向かって形成された垂直隔壁１２の厚みをコントロールすることが可能となり、狙った音響インピーダンスを、理論値により近づけることが可能となるため、結果として、超音波伝搬効率を向上することができる。これにより、被計測流体への超音波の伝搬効率を下げることなく、高温高湿の腐食環境に対する耐性を向上することができる。

また、図１４Ｂに示す様に水平隔壁３９を削除し、垂直隔壁１２のみとした音響整合体としても同様の効果を得ることができる。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、気体の流量、流速及び濃度を計測する超音波流量計、流速計、濃度計に適用可能である。具体的には、家庭用流量計、医療用麻酔ガス濃度計、燃料電池用水素濃度計などに本開示は適用可能である。

１、１６、１７、２１、２３、２５、３２、３３ 超音波送受波器
２、２０、２２、２４、２６ 音響整合体
３ 圧電体
８ 天板
９ 底板
１０ 側壁
１１ 密閉空間
１２ 垂直隔壁
１３、１４ａ、１４ｂ 金属板
１５ 流路
１８ 計時装置
１９ 演算手段
３９ 水平隔壁
３０ 筐体
３１ 通気孔
３４ 温度センサ
３５ 計時装置
３６ 演算手段
４２ 有天筒状金属ケース
４８ 圧電体接合投影面（圧電体の接合投影面）
４９ 側壁部接合投影面（側壁部の接合投影面）

Claims (15)

1. 圧電体と、前記圧電体の一つの面に配置した音響整合体と、を備える超音波送受波器であって、
   前記音響整合体は、
   天板と底板と側壁によって形成された密閉空間と、
   前記密閉空間を分割するように、前記天板と底板とに密着して前記底板に対して略垂直方向に形成された垂直隔壁と、
   を備える超音波送受波器。
2. 圧電体と、前記圧電体の一つの面に配置した音響整合体と、を備える超音波送受波器であって、
   前記音響整合体は、
   天板と底板と側壁によって形成された密閉空間と、
   前記密閉空間を分割するように、前記天板と底板とに密着して前記底板に対して略垂直方向に形成された垂直隔壁と、
   前記密閉空間を分割するように、前記側壁と密着して前記底板に略水平方向に形成された水平隔壁と、
   を備える超音波送受波器。
3. 有天筒状金属ケースと、前記有天筒状金属ケースの天部内壁面に配置した圧電体と、前記有天筒状金属ケースの天部外壁面に配置した音響整合体と、を備える超音波送受波器であって、
   前記音響整合体は、
   天板と底板と側壁によって形成された密閉空間と、
   前記密閉空間を分割するように、前記天板と底板とに密着して前記底板に対して略垂直方向に形成された垂直隔壁と、
   を備える超音波送受波器。
4. 有天筒状金属ケースと、前記有天筒状金属ケースの天部内壁面に配置した圧電体と、前記有天筒状金属ケースの天部外壁面に配置した音響整合体と、を備える超音波送受波器であって、
   前記音響整合体は、
   天板と底板と側壁によって形成された密閉空間と、
   前記密閉空間を分割するように、前記天板と底板とに密着して前記底板に対して略垂直方向に形成された垂直隔壁と、
   前記密閉空間を分割するように、前記側壁と密着して前記底板に略水平方向に形成された水平隔壁と、
   を備える超音波送受波器。
5. 圧電体と、前記圧電体の一つの面に配置した有天筒状金属ケースと、前記有天筒状金属ケースの天部外壁面に配置した音響整合体と、を備える超音波送受波器であって、
   前記音響整合体は、
   天板と側壁とで形成された内部空間と、
   前記内部空間を前記有天筒状金属ケースの天部外壁面に密着することによって形成された密閉空間を分割するように、前記天板と前記有天筒状金属ケースの天部外壁面とに密着して形成された垂直隔壁と、
   を備える超音波送受波器。
6. 前記圧電体の接合投影面は、前記音響整合体の側壁部の接合投影面に内包されることを
   特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
7. 前記垂直隔壁は、前記音響整合体の側壁よりも薄くなるように形成した請求項１から６のいずれかに１項に記載の超音波送受波器。
8. 前記垂直隔壁で分割された各領域の面積は２ｍｍ^２以下とし、前記垂直隔壁の投影面積は前記側壁を除く投影面積の１５％以下とする請求項１から７のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
9. 前記垂直隔壁は、前記音響整合体の底板側よりも天板側の方が薄くなるように形成した請求項１から８のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
10. 前記音響整合体の前記側壁及び前記垂直隔壁は、パターンを形成した金属板を複数重ね合わせてなる請求項１から９のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
11. 前記音響整合体の前記天板厚みは、前記パターンを形成した金属板１層あたりの厚みよりも薄いことを特徴とする請求項１０に記載の超音波送受波器。
12. 金属板にパターンを形成する工程と、
    複数の前記金属板及び天板と底板を積層する工程と、
    前記積層した金属板及び天板と底板を高温で荷重を加え接合する工程と、が順に施されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の超音波送受波器に用いる音響整合体の製造方法。
13. 圧電体と前記圧電体の一つの面に配置した有天筒状金属ケースと、前記有天筒状金属ケースの天面外壁面に配置した音響整合体とを備える超音波送受波器の製造方法であって、
    金属板に垂直隔壁が構成されるようにパターンを形成する工程と、
    複数の前記金属板及び天板と底板を積層する工程と、
    前記積層した金属板及び天板と底板を高温で荷重を加えて接合する工程と、
    前記底板をプレス加工し有天筒状ケースとする工程と、
    前記有天筒状ケースの天部内壁面に圧電体を配置する工程と、
    が順に施されることを特徴とする、超音波送受波器の製造方法。
14. 被計測流体を通じる流路と、
    超音波を送受信する前記流路の上流と下流に取り付けられた請求項１から１０のいずれか１つの一対の超音波送受波器と、
    前記超音波送受波器により送信された信号の到達時間を計時する計時装置と、
    前記計時装置により求めた到達時間より、流速、流量を演算する演算手段と、
    を備える超音波流量計または超音波流速計。
15. 被計測流体を通じる通気口を備える筐体と、
    前記筐体内部に所定の距離を離し対向して配置した請求項１から１０のいずれか１つの一対の超音波送受波器と、
    前記筐体内部に配置した温度センサと、
    前記超音波送受波器により送信された信号の到達時間を計時する計時装置と、
    前記計時装置により求めた到達時間より、伝搬速度、混合ガスの平均分子量、ガス濃度を演算する演算手段と、
    を備える超音波濃度計。