JP2023053436A - 振動伝搬部材、およびこれを用いた振動送受波器、流量計、流速計、濃度計、及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、振動手段に接合して動作する振動伝搬部材およびこれを用いた振動送受波器、これを用いた計測器を提供する。【解決手段】振動手段１の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材２であって、振動伝搬部材２は、天板３と、側壁４と天板３に対し概垂直に配置した垂直隔壁５とで形成し、少なくとも振動伝搬方向と同一方向で振動する第一の振動（ｆ１）と、天板３と垂直隔壁５とで形成される膜構造で発生する第二の振動（ｆ２）とを用いた振動伝搬部材とした。【選択図】図２

Description

本開示は、振動手段に接合して動作する振動伝搬部材およびこれを用いた振動送受波器、流量計、流速計、濃度計などの計測器に関する。

従来、この種の振動伝搬部材は、エポキシ樹脂と微小ガラス球体との混合体からなる円板体として用いていた。この円板体を圧電体上に接合し、超音波送受波器、超音波計測器として用いていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４－１２５８０４号公報

しかしながら、前記従来の振動伝搬部材を用いた超音波送受波器では、被計測流体が腐食性流体、高温高湿環境、超高温環境である場合には、安定した動作が困難である。

さらに、振動伝搬部材の設計は、自由度が低く、厚み、外形寸法などでしか実施することができない。また、周波数設計の自由度も低い。このような課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、被計測流体が腐食性流体あるいは高温高湿の環境下において安定した動作が可能であり、かつ設計自由度の高い振動伝搬部材の提供を目的とする。

従来、振動手段と、前記振動手段の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材は、振動を伝搬する媒質に応じて、振動伝搬部材の密度、音速等を考慮に入れ材料選定し、振動伝搬部材の厚み、外径などの外径の寸法による設計を行っていた。また、単一材料であるため、振動伝搬部材の部分的な特性を制御することは困難であった。

本発明の振動伝搬部材は、天板と、側壁と底板と前記天板および底板に対し概垂直に配置した垂直隔壁とで構成される。そして、振動伝搬部材の構成要素である振動伝搬部材の厚み調整によって、振動伝搬方向と同一方向で振動する第一の振動（ｆ１）が制御でき、加えて、垂直隔壁の厚み、垂直隔壁間の距離、天板の厚みになどで形成される膜構造で励起される第二の振動（ｆ２）が個別に制御できる構成とした。その結果、本発明の振動伝搬部材は、設計自由度を高めることができ、本振動伝搬部材を圧電体に張り付けた振動送受波器は、送受信する振動の周波数を振動伝搬部材の厚み加え、垂直隔壁の厚み、垂直隔壁間の距離、天板の厚みになどで形成される膜構造により自在に制御することが可能となる。

また、本発明の振動伝搬部材は、天板と、底板と、垂直隔壁とで形成される空間を密閉空間とすることで、腐食環境、あるいは高温高湿環境に暴露された場合でも、安定した動作が可能となる。

実施の形態１における振動手段の一面に設けられた振動伝搬部材の断面図 （ａ）実施の形態１における振動伝搬部材の断面図、（ｂ）実施の形態１における振動伝搬部材の線分Ｘ断面図 実施の形態１における振動伝搬部材の製造手順を示す斜視図 実施の形態１における振動送受波器の断面図 実施の形態１における振動送受波器の製造手順を示す断面図 実施の形態１における振動伝搬部材の共振周波数計測結果を示す図 実施の形態１における共振周波数に及ぼす振動伝搬部材厚みの影響を示す図 実施の形態１における感度に及ぼす垂直隔壁間距離の影響を示す図 実施の形態１におけるｆ１，ｆ２の共振周波数差と受信波形の比較を示す図 実施の形態１における流量計、流速計の模式図 実施の形態１における濃度計の模式図 実施の形態２における振動手段の一面に設けられた振動伝搬部材の断面図 （ａ）実施の形態２における振動伝搬部材の断面図、（ｂ）実施の形態２における振動伝搬部材の線分Ｘ断面図 実施の形態２における内部圧力Ｐ１と振動伝搬媒質の圧力Ｐ２の定義を説明する断面図 実施の形態２における振動伝搬部材の断面一部拡大図 実施の形態２における振動伝搬部材の断面一部拡大図 実施の形態２における振動伝搬部材の断面一部拡大図 実施の形態２における振動伝搬部材の断面一部拡大図 実施の形態２における振動伝搬部材の側壁と垂直隔壁を含む断面一部拡大図 実施の形態２における振動伝搬部材の製造手順を示す斜視図 実施の形態３における振動手段の一面に設けられた振動伝搬部材の断面図 （ａ）実施の形態３における振動伝搬部材の断面図、（ｂ）実施の形態３における振動伝搬部材の線分Ｘ断面図 実施の形態３における振動伝搬部材の製造手順を示す斜視図 実施の形態４における振動送受波器の断面図 実施の形態４における振動送受波器の製造手順を示す断面図

（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などの振動を伝搬させる必要があることから、被計測流体と振動手段のひとつとして用いられる圧電体との間に介在させる振動伝搬部材の物性をコントロールする必要があった。

上記の振動伝搬部材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、上記音響整合層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。

このような振動伝搬部材は、密度を低減し、その伝搬方向の音速に基づいて、厚み、あるいは、外径等の形状寸法による設計を行っていた。また、用いる構成材料のほとんどは、単一材料、あるいは、ほぼ均一な複合材料を用いるため、振動伝搬部材の特性を部分的に制御することは困難であった。

また、従来構成では、振動伝搬媒質として、高温高湿の気体を想定する場合、振動伝搬部材の穴、あるいは貫通部に水分が混入し、振動伝搬部材の密度が、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、振動伝搬媒質への振動の伝搬効率が低下し、結果として、これを用いた流量計、濃度計等の計測器の性能が低下する、或いは、最悪の場合計測不能となってしまう課題がある。

本願発明者らは、従来技術におけるそのような問題を見出し、その問題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

本開示は、設計自由度が高く、振動伝搬媒質が高温高湿流体であっても長期間、安定して、高精度に振動を伝搬することができる振動伝搬部材を提供する。加えて、この振動伝搬部材を、振動手段の一面に接合して形成した振動送受波器、これを用いた流量計、流速計、濃度計などの計測器を提供する。

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で説明する実施の形態は、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、いずれも本開示の一例を示すものであり、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。

なお、以下の実施の形態では、便宜的に、本開示の構成要素の形状を示す図面にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸を示し、必要に応じて、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を用いて説明を行う。また、以下の実施の形態では、便宜的に、超音波送受波器を図１に示す向きに配置したときに、図１の紙面において左から右に向かう方向をＸ軸正方向とし、図１の紙面において下から上に向かう方向をＺ軸正方向とし、図１の紙面において表から裏に向かう方向をＹ軸正方向とする。また、構成要素におけるＺ軸に平行な大きさを「厚み」と呼び、Ｚ軸正方向を上または上方、Ｚ軸負方向を下または下方と呼ぶことがある。なお、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、上、下を用いた説明は本開示の理解を容易にするために便宜的に行うものに過ぎず、上下については本開示の超音波送受波器の設置の向きによって変化する相対的なものである。したがって、以下の実施の形態におけるこれらを用いた説明により本開示が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下、図１～１１を用いて、実施の形態１の振動伝搬部材、及び、この振動伝搬部材を用いた振動送受波器、並びに、この振動送受波器を用いた、流速計、流量計、濃度計を説明する。

［１－１．振動伝搬部材］
［１－１－１．振動伝搬部材の構成］
図１は、実施の形態１における振動伝搬部材２を振動手段１の一面に設けた構成の一例を模式的に示す断面図である。図１では、振動伝搬部材２を厚み方向（Ｚ軸に平行）に切断した断面図（Ｘ－Ｚ平面における断面図）を示す。図１に示すように、振動伝搬部材２は、振動手段１の一面に面接合され、振動手段１の振動に応じて振動する。振動伝搬部材２は、天板３と、側壁４と、天板３に対して概ね垂直に形成した垂直隔壁５で構成される。天板３と、垂直隔壁５と、振動手段１とで構成される空間は、密閉空間６とすることも可能で、目的に応じて密閉空間とし、振動を伝搬する媒質が、高温高湿等の液体成分を含まない場合においては、垂直隔壁５に貫通穴を設け、振動を伝搬する空間と同様の空間とすることもできる。

次に、図２を用いて振動伝搬部材２の内部構造を説明する。図２は、実施の形態１における振動伝搬部材２の構成の一例を示す断面図である。

なお、図２（ａ）には、振動伝搬部材２を厚み方向（Ｚ軸に平行）に切断した断面図（Ｘ－Ｚ平面における断面図）を示している。また、図２（ｂ）には、図２（ａ）におけるＩＩ－ＩＩ線分断面図、すなわち振動伝搬部材２を厚み方向に直交する方向（Ｘ－Ｙ平面に平行）に切断した断面図（Ｘ－Ｙ平面における断面図）、を示している。図中のＴは、矢印で示す振動伝達部材２（Ｚ軸に平行）の厚さを示す。なお、振動伝搬部材２を厚み方向に直交する方向の断面は、図２（ｂ）に示されているように、例えば、垂直隔壁５はハニカム状に形成されている。

［１－１－２．振動伝搬部材の製造手順］
次に、図３を用いて、振動伝搬部材２の製造手順を説明する。

図３は、実施の形態１における振動伝搬部材２の製造手順を示す斜視図である。振動伝搬部材２の製造工程は、図３に示す（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に進行する。

図３（ａ）に示すように、まず複数のパターン構造を取り出せる大きさの金属板１０、個別のパターン構造を取り出せる金属板１０を複数準備する。図３（ａ）には一枚の金属板１０を示す。次に、図３（ｂ）に示すように、金属板１０を天板３とするために円形状にパターニングした金属板１１、振動伝搬部材２の側壁４と垂直隔壁５とをパターン形成した金属板１２を示しており、個別、あるいは同時に作製する。

金属板１０のパターニングには、例えば、金属板１０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。なお、本開示では、天板３とするため円形状にパターニングした金属板１１、パターン形成した金属板１２が、上面視において（Ｚ軸に平行に見たときに）外形が円形（円盤状）になるように形成されている例を示す。しかし、これは単なる一例を示したものに過ぎず、本開示に示す天板３、パターン形成した金属板１２の外形の形状は何ら円形（円盤状）に限定されるものではなく、楕円形や多角形であってもよい。

次に、図３（ｃ）に示すように、複数のパターン形成した金属板１２と天板３とを、位置決めを実施しつつ順に積層する。具体的には、まず所定枚数のパターン形成した金属板
１２を積層する。次に、複数のパターン形成した金属板１２の最上面（Ｚ軸正方向における最も端に配置されたパターン形成した金属板１２のＺ軸正方向側の面）に天板３を積層する。次に、パターニングした金属板同士を、直接接合の一つとして例示する拡散接合によって一体的な材料となるように、加熱加圧、真空環境で接合する。加熱温度については、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℃程度であるので、相互に積層した複数の金属板１２、天板３がステンレス製であれば、それらを、真空中、この温度に加熱して加圧することで、母材を溶融させることなく接合界面の原子を拡散させ接合することが可能となる。拡散接合には、平面性が要求されるので、図３（ｃ）に示す加工方法によっては、図３（ｂ）に示す工程の後に、円形状にパターン形成した金属板１１、パターン形成した金属板１２のバリや変形を解消する後加工が必要となる場合がある。

加えて、直接接合方法として、母材を一部溶融させる、溶融溶接も想定される。その場合、ステンレスであれば１５００℃近傍まで加熱することで、複数の金属板同士を接合することも可能である。また、金属板同士の接合を行う方法として。金属板との間に接合材として想定される、エポキシ樹脂、シアノアクリレート系の接着剤を用いることも可能である。加えて、接合材として、無機材料を選定する場合、ろう付けを用いることも可能である。

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本実施の形態で例示した接合方法によって接合した、本実施の形態１における振動伝搬部材２を作ることができる。なお、本実施の形態では、振動伝搬部材が、円柱状の外形になるように形成されている例を示したが、これは単なる一例を示したものに過ぎず、本開示に示す振動伝搬部材の形状は何ら円柱状に限定されるものではなく、楕円柱や多角柱であってもよい。

［１－２．振動送受波器］
［１－２－１．振動送受波器構成］
図４は、実施の形態１における振動送受波器１４の構成の一例を模式的に示す断面図である。
図４では、振動送受波器１４を厚み方向（Ｚ軸に平行）に切断した断面図（Ｘ－Ｚ平面における断面図）を示す。

図４に示すように、振動送受波器１４は、一方の電極１５と、他方の電極１６とを備える振動手段１と、振動手段１の一面に接合された振動伝搬部材２と、振動手段１の電極１５、１６に電気的に接続されたリード線１８，１９とで構成されている。

［１－２－２．振動送受波器製造手順］
次に、図５を用いて、振動送受波器１４の製造手順を説明する。

図５は、実施の形態１における振動送受波器１４の製造手順を示す断面図である。振動送受波器１４の製造工程は、図５に示す（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に進行する。

図５（ａ）は、本実施の形態１で説明した振動伝搬部材２の断面図を示しており、図５（ｂ）は、一方の電極１５と、他方の電極１６とを備える振動手段１の一方の電極１５の面に接合体１７を塗布した断面を示している。この接合体１７は、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。接合材としては、例えば、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℃以下であれば使用可能である。

図５（ｃ）は、これら接合体１７を化学反応させることで、振動手段１と、振動伝搬部材２とが接合された状態を示している。図５（ｄ）は、振動手段１に備えられた一方の電極１５、他方の電極１６とリード線１８，１９とを、はんだ付けによって、電気的に接合し、本実施の形態１における、振動送受波器１４が完成した状態を示している。

［１－２－３．振動送受波器動作、作用効果］
振動送受波器１４の動作作用について説明する。なお、振動手段１は一例として、圧電振動子を用いる例を示す。

振動送受波器１４は、振動手段１として用いる圧電振動子の、一方のリード線１８、他方のリード線１９を介して、所定の周波数の正弦波、あるいは矩形波の電気パルスが加えられ、この電気パルスによって、振動手段１である圧電振動子が振動し、この振動が、振動伝搬部材２の垂直隔壁５を介して天板３に伝達される。この時、振動伝搬部材２に伝わった振動は、振動伝搬部材２の形状、振動伝搬部材２の天板３と、側壁４の内部空間に形成する垂直隔壁５の形状、垂直隔壁５の厚み、垂直隔壁５間の距離、側壁４の厚み、 振動伝搬部材２の厚みＴとを変更することで、振動伝搬部材２が大きく共振し、振動を伝えたい気体や、液体などの振動伝搬媒質に対して効率よく振動を伝えることが可能となる。結果として、振動送受波器１４の特性を、多くの設計パラメーター（振動伝搬部材２の形状、垂直隔壁５の形状、垂直隔壁５の厚み、垂直隔壁５間の距離、側壁４の厚み、振動伝搬部材２の厚みＴなど）で制御することが可能となり、振動伝搬部材２として、設計自由度が高いことがわかる。

［１－２－４．振動伝搬部材構造と振動送受波器特性との相関］
図６～９を用いて、振動伝搬部材構造と振動送受波器特性との相関に関して説明する。

図６（ａ）は、本発明の実施の形態１の振動送受波器１４の振動解析状態断面図、図６（ｂ）は、解析結果を示している。図６（ａ）を用いて、振動解析方法に関して簡単に説明する。振動手段１を所定の周波数で振動させた状態で、センサヘッド２０から振動伝搬部材２にレーザー光２１を照射し、振動伝搬部材２から反射されたレーザー光２２の周波数変化を検知することで、振動送受波器１４の振動速度と、変位（図には記載していない）を測定することができる。そして、図６（ｂ）は、解析結果として、振動伝搬部材２の周波数と振動速度を示している。

この結果より、振動手段１の振動に対して、振動伝搬部材２の振動は、複数存在することが分かる。これらの振動の中で、振動伝搬方向と同一の方向の振動を抽出すると、後述する解析結果から、第一の振動ｆ１は、振動伝搬部材２の厚み方向の振動形態を示しており、第二の振動ｆ２は、振動手段１の振動に対して、垂直隔壁５間の距離、天板３の厚みによって形成される膜構造７で誘発される固有振動を示していることが分かった。なお、その他の振動ピークがみられるが、伝搬媒質に伝わる振動伝搬方向とは異なる振動形態であったため詳細に関しては割愛する。

図７は、これら第一の振動ｆ１、第二の振動ｆ２の共振周波数に及ぼす振動伝搬部材厚みの影響を示している。第一の振動ｆ１は、振動伝搬部材の厚みに応じて、共振周波数が変化しており、振動伝搬方向の振動形態に由来することを示唆しており、振動伝搬部材厚みを調整することで、共振周波数を制御することが可能である。これに対し、第二の振動ｆ２は、振動伝搬部材厚みＴによっても、共振周波数が変化していない。

図８は、垂直隔壁５間の距離と、振動伝搬媒質への振動伝搬効率を示す感度との相関を示している。第二の振動ｆ２は、垂直隔壁５間の距離に応じて、振動伝搬効率が極大値を示している。これは、振動手段１として用いた、圧電体の振動周波数に対して、垂直隔壁５間の距離、天板３の厚みによって形成される膜構造７で誘発される固有振動であり、垂直隔壁５間の距離を変化させることで、振動手段１の振動に対して、膜構造７が大きく共振し、感度が極大を示したと推察される。即ち、この第二の振動ｆ２は、垂直隔壁５間の距離、天板の厚み、垂直隔壁の厚み等、垂直隔壁５と天板３で形成される膜構造７を制御することで共振周波数を制御することが可能である。

これまで述べたように、本実施の形態の振動伝搬部材は、第一の振動ｆ１と、第二の振動ｆ２とがそれぞれ異なる振動形態であり、振動送受波器１４の異なる構造因子を変更することで、独立して制御可能である。次に、この特性を活用し、これら２つの振動（第一の振動ｆ１と、第二の振動ｆ２）を組み合わせることによって、振動伝搬波形を制御できることを示す。

図９（ａ）は、振動伝搬波形計測方法の断面図を示している。送信波発生器より送信パルス波を振動送受波器１４ａに送信すると、振動送受波器１４ａの振動手段が送信パルスに応じた周波数で振動し、この振動に振動伝搬部材が共振して、振動が増幅し振動伝搬媒質に振動が伝搬する。伝搬した振動が一定の距離を置いて配置した振動送受波器１４ｂに到達したとき、振動送受波器１４ｂの振動伝搬部材が共振し、この振動が振動手段を振動させ、この振動手段によって電気信号に変換され、受信波計測器に振動伝搬媒質を伝搬した振動を、受信波計測器で計測することができる。

図９（ｂ）は、図９（ａ）の振動波形計測方法を用いた時の受信波形を示している。これは、本発明の振動伝搬部材２の構造を制御し、第一の振動ｆ１を４８５ｋＨｚ、第二の振動ｆ２を５１５ｋＨｚとしたときのとの共振周波数の差（ｆ２－ｆ１）が３０ｋＨｚとし、図９（ｃ）は、第一の振動ｆ１を４６０ｋＨｚ、第二の振動ｆ２を５４０ｋＨｚとしたときの共振周波数の差が８０ｋＨｚとしたときのそれぞれの受信波形を示している。様々な計測システムの中で、波形の大きさ（感度）が要求される場合は、図９（ｂ）に示す受信波となる設計とし、波形の波数が少ない方が要求される場合は、図９（ｃ）に示す受信波となる設計とすればよく、要求されるシステムに応じた、受信波形を想定し、振動伝搬部材２の構造を変えることで、様々な計測システムに対応することが可能となる。第一の振動ｆ１，第二の振動ｆ２の共振周波数は、本実施の形態の振動伝搬部材とすることで、独立して制御可能であるため、本実施の形態の振動伝搬部材２を用いることにより、振動伝搬波形の設計も、比較的に自由に行うことが可能となる。

［１－２－５．効果、作用］
以上のように、本実施の形態において、振動送受波器１４は、振動手段１と、振動手段１の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材２であって、振動伝搬部材２は、天板３と、側壁４と天板３に対し概垂直に配置した垂直隔壁５とで形成した振動伝搬部材２とすることにより、振動伝搬部材２の構成要素である振動伝搬部材２の厚み調整によって、振動伝搬方向と同一方向で振動する第一の振動（ｆ１）が制御でき、加えて、垂直隔壁の厚み、垂直隔壁間の距離、天板の厚みになどで形成される膜構造７で励起される第二の振動（ｆ２）が個別に制御でき、振動手段張り付けた振動送受波器１４とした場合に、送受信する振動の周波数を自在に制御することが可能で、設計自由度の高い振動伝搬部材２とすることができる。

また、天板３と、垂直隔壁５と、振動手段１で形成される空間を密閉空間６とすることで、腐食環境、あるいは高温高湿環境に暴露された場合でも、安定した動作が可能となる。

［１－３．流速計、または流量計］
［１－３－１．流速計、または流量計の構成］
次に、本実施の形態の流量計に関して、図１０を用いて説明する。なお、以下では流量計２３について説明するが、この流量計２３を流速計２４に置き換えることができる。その場合、以下の説明における流量は流速に読み替えればよい。あるいは、図１０に示す計測器は流量と流速の双方を測定できる計測器であってもよい。

図１０は、実施の形態１における流量計２３の構成の一例を模式的に示すブロック図である。

本実施の形態１の流量計２３では、送受信する振動周波数領域として、超音波領域を例示し、振動送受波器を、超音波を送受信する超音波送受波器とし、流量計を超音波流量計と呼ぶこととする。

図１０に示す様に、本実施の形態の流量計２３は、流体の流れる流路２５の上流と下流に、実施の形態１に示した振動送受波器の構成を用いた一対の超音波送受波器２６、２７が、対向配置された構成となっている。流路２５では流体の流れる向きを矢印で示す。図１０の紙面において左側が流路２５の上流であり右側が流路２５の下流である。図４において破線矢印で示すＬ１は、上流側に配置された超音波送受波器２６から超音波送受波器２７へ伝搬する振動の伝搬経路を示している。図４において破線矢印で示すＬ２は下流側に配置された超音波送受波器２７から超音波送受波器２６へ伝搬する振動の伝搬経路を示している。また、本実施の形態の流量計２３は、超音波送受波器２６、２７が接続され超音波送受波器２６、２７間の一方から他方への振動の到達時間を計時する計時装置２８と、計時装置２８が接続され計時装置２８により求められた超音波の到達時間より、流路２５を流れる流体の流量を演算する演算手段２９とを備えている。

なお、図１０に示す計測器を流速計２４とする場合、流速計２４は流量計２３と同様の構成であるが、演算手段２９は、計時装置２８により求められた超音波の到達時間から、流路２５を流れる流体の流速を演算する。なお、演算手段２９は、流路２５を流れる流体の流速および流量の双方を演算するように構成されていてもよい。

［１－３－２．流速計、または流量計の計測動作］
流路２５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振動の伝搬方向の角度をθとする。超音波送受波器２６を超音波送波器として用い、超音波送受波器２７を振動受波器として用いたときに、超音波送受波器２６から放出された振動が超音波送受波器２７に到達するまでの伝搬時間ｔ１は、以下の式（３）で示される
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） ・・・（３）
次に、超音波送受波器２７から放出された振動パルスが超音波送受波器２６に到達するまでの伝搬時間ｔ２は、以下の式（４）で示される。

ｔ２＝Ｌ／（Ｃ－Ｖｃｏｓθ） ・・・（４）
そして、式（３）と式（４）の両方の式から流体の音速Ｃを消去すると、以下の式（５）が得られる。

Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１－１／ｔ２） ・・・（５）
Ｌとθが既知であれば、計時装置２８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２９によって、この流速Ｖに断面積Ｓと補正係数Ｋとを乗じれば、流量Ｑを求めることができる。流量計２３における演算手段２９は、上記Ｑ＝ＫＳ
Ｖを演算するものである。

［１－３－３．流速計、または流量計の効果］
以上のように、本実施の形態において、本実施の形態の振動送受波器１４は、振動手段１と、前記振動手段の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材であって、振動伝搬部材２は、天板３と、
側壁４と天板３に対し概垂直に配置した垂直隔壁５とで形成した振動伝搬部材２とすることにより、振動伝搬部材の構成要素である、振動伝搬部材２の厚み調整によって、振動伝搬方向と同一方向で振動する第一の振動（ｆ１）が制御でき、加えて、垂直隔壁の厚み、垂直隔壁間の距離、天板の厚みになどで形成される膜構造７で励起される第二の振動（ｆ２）が個別に制御でき、振動手段張り付けた振動送受波器１４とした場合に、送受信する振動の周波数を自在に制御することが可能で、設計自由度の高い振動伝搬部材２とすることができるため、流速計、流量計として適した振動送受波器とすることが容易に可能となるため、結果として、高精度、安定した流速、流量計測が可能となる。

また、天板３と、垂直隔壁５と、振動手段１で形成される空間を密閉空間６とすることで、計測対象として、腐食性流体、あるいは高温高湿流体に対しても、流速、流量を直接計測することが可能となる。

［１－４．濃度計］
［１－４－１．濃度計の構成、計測原理］
図１１を用いて、超音波を用いた気体の濃度計の動作について説明する。

図１１は、本発明の実施形態における濃度計３０の断面模式図を示している。
濃度計３０は、送受信する振動周波数領域として、超音波領域を例示し、振動送受波器１４を、超音波を送受信する超音波送受波器３３，３４とした超音波濃度計である。

濃度計３０は、気体濃度を測定するための空間を有する筐体３１を備えており、筐体３１には、被計測流体を通気するための通気孔３２が設けられている。筐体３１における濃度測定空間の形状は、例えば、直方体形状、円筒形状等とする。濃度測定空間は、必ずしも筐体３１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３１の一部を欠損させ、その欠損部において濃度測定空間が外部に開放されていてもよい。

濃度計３０は、筐体３１内に、一対の超音波送受波器３３、３４を対向するように配置し、さらに、温度センサ３５を収容し、計時装置３６および演算手段３７に接続されている。超音波送受波器３３を超音波送波器として用いる場合、計時装置３６の動作に基づいて超音波を送信する。超音波送受波器３４は、超音波受波器として機能し、超音波送受波器３３から送信された超音波は、筐体３１内部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３４は、超音波を受信する。計時装置３６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Ｖ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播速度Ｖ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及び絶対温度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。

Ｖ＝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及び伝播速度Ｖ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ガス，ｂガス
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）
ｍａ及びｍｂはそれぞれａガス及びｂガスの分子量を表す。

［１－４－２．濃度計の効果］
以上のように、本実施の形態の振動送受波器１４は、振動手段１と、振動手段１の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材２であって、振動伝搬部材２は、天板３と、側壁４と天板３に対し概垂直に配置した垂直隔壁５とで形成した振動伝搬部材２とすることにより、振動伝搬部材２の構成要素である振動伝搬部材２の厚み調整によって、振動伝搬方向と同一方向で振動する第一の振動（ｆ１）が制御でき、加えて、垂直隔壁の厚み、垂直隔壁間の距離、天板の厚みになどで形成される膜構造７で励起される第二の振動（ｆ２）が個別に制御でき、振動手段張り付けた振動送受波器１４とした場合に、送受信する振動の周波数を自在に制御することが可能で、設計自由度の高い振動伝搬部材２とすることができるため、濃度計して適した振動送受波器とすることが容易に可能となるため、結果として、高精度、安定した流速、流量計測が可能となる。

また、天板３と、垂直隔壁５と、振動手段１で形成される空間を密閉空間６とすることで、計測対象として、腐食性流体、あるいは高温高湿流体に対しても、濃度を直接計測することが可能となる。

（実施の形態２）
以下、図１２から図２０を用いて、実施の形態２の振動伝搬部材、及び、この振動伝搬部材を用いた振動送受波器を説明する。

［２－１．振動伝搬部材］
［２－１－１．振動伝搬部材の構成］
図１２は、実施の形態２における振動伝搬部材４２を振動手段４１の一面に設けた構成の一例を模式的に示す断面図である。図１２では、振動伝搬部材４２を厚み方向（Ｚ軸に平行）に切断した断面図（Ｘ－Ｚ平面における断面図）を示す。図１２に示すように、振動伝搬部材４２は、振動手段４１の一面に面接合され、振動手段４１の振動に応じて振動する。振動伝搬部材４２は、天板４３と、側壁４４と、天板４３に対して概ね垂直に形成した垂直隔壁４５で構成される。天板４３と、垂直隔壁４５と、振動手段４１とで構成される空間は、密閉空間４６とすることも可能で、目的に応じて密閉空間４６とし、振動を伝搬する媒質が、高温高湿等の液体成分を含まない場合においては貫通穴を設け、振動を伝搬する空間と同様の空間とすることもできる。

次に、図１３を用いて振動伝搬部材４２の内部構造を説明する。図１３は、実施の形態２における振動伝搬部材４２の構成の一例を示す断面図である。

なお、図１３（ａ）には、振動伝搬部材４２を厚み方向（Ｚ軸に平行）に切断した断面図（Ｘ－Ｚ平面における断面図）を示している。また、図１３（ｂ）には、図１３（ａ）におけるＩＩ－ＩＩ線分断面図、すなわち振動伝搬部材４２を厚み方向に直交する方向（Ｘ－Ｙ平面に平行）に切断した断面図（Ｘ－Ｙ平面における断面図）、を示している。図中のＴは、矢印で示す振動伝達部材２（Ｚ軸に平行）の厚さを示す。なお、振動伝搬部材４２を厚み方向に直交する方向の断面は、図２（ｂ）に示されているように例えば、ハニカム状に形成されている。

以下、本実施の形態２における振動伝搬部材４２の天板４３と側壁４４と天板４３に対して概ね垂直に形成した垂直隔壁４５で構成される密閉空間４６に関して図１４を用いて
説明する。

図１４は、本実施の形態２における振動伝搬部材４２の断面図、図１４（ａ）は、振動伝搬部材４２の密閉空間４６の内部圧力Ｐ_１と、振動伝搬媒質の圧力Ｐ_２とが概ね同一であるときの振動伝搬部材２の一部拡断面大図、図１４（ｂ）は、密閉空間４６内部圧力Ｐ_１が、振動伝搬媒質の圧力Ｐ_２よりも高い時の振動伝搬部材２の一部断面拡大図、図１４（ｃ）は、密閉空間４６内部圧力Ｐ_１が、振動伝搬媒質の圧力Ｐ_２よりも低い時の振動伝搬部材２の一部断面拡大図を示している。

図１４（ａ）で示したＰ_１＝Ｐ_２とした場合、膜構造４８の振動は、圧力によって規制されず、高感度とすることができる。例えば、振動伝達媒質の圧力、高圧配管内部などのあらかじめ伝搬媒質の対象が明らかな場合、振動伝搬部材４２の密閉空間４６の内部圧力を、伝搬媒質と同一にすることで、振動伝搬媒質への振動伝搬効率が向上でき、安定した振動伝搬性能が確保される。

図１４（ｂ）で示したＰ_１＞Ｐ_２とした場合、天板が凸形状となるため、高温高湿流体を計測する場合、湿度による結露でも、天板の振動面に液滴がたまりにくく、高湿環境でも安定して、振動伝搬媒質への振動伝搬効率が向上でき、安定した振動伝搬性能が確保される。

図１４（ｃ）で示したＰ_１＜Ｐ_２とした場合、天板が凹形状となるため、集音効果で振動伝搬媒質への振動伝搬効率が向上する。なお、振動伝搬部材４２内部を真空とすることも可能で、天板の撓みを抑制することができる。天板４３が圧力によって規制されるため、振動伝搬部材４２の振動が残存する残響課題を低減することが可能となる。

この密閉空間４６内部に、アルゴンガス（Ａｒ）、窒素ガス（Ｎ_２），ヘリウムガス（Ｈｅ）などの不活性ガスを充填することも可能で、振動伝搬部材４２の内部からの腐食を抑制することが可能となる。

また、密閉空間４６内部の一部に、高粘性の液体を挿入することで、液体の粘度を変更することで、所定の周波数の振動を抑制するダンピング効果が期待でき、目的の振動周波数のみの振動伝搬効率だけを向上することも可能となる。

以下、本実施の形態２における振動伝搬部材４２の垂直隔壁４５の断面形状の違いと効果についていくつか例示して説明する。

図１５は、本実施の形態２における事例１として振動伝搬部材４２ａのＡ部の断面拡大図を示している。図１５において、振動伝搬部材４２ａの天板４３に対して、垂直隔壁４５は、パターン形成した金属板５２を積層した構造となっており、この積層するパターン形成した金属板５２の壁厚を例えば、ｔ１からｔ２まで変化させることもできる。これにより、振動伝搬部材４２ａの内部構造の中で、部分的に強度の強い部分と弱い部分を形成することが可能である。

図１５に示すように、振動伝搬部材４２ａの垂直隔壁４５の壁厚を、底板４７近傍は厚く、天板４３近傍は、薄くすることで、振動伝搬部材４２ａの底板４７付近は、振動手段４１の振動を効率よく伝え、振動手段４１の振動を効率よく伝搬させることが可能となる。加えて、垂直隔壁４５の壁厚を天板４３近傍は薄く（壁厚ｔ_１）、底面に向かって厚く（壁厚ｔ_２）することで、天板４３の膜構造４８の振動が効率よく行われ、伝搬媒質への振動伝搬効率が向上する。

図１６は、本実施の形態２における事例２の振動伝搬部材４２ｂのＢ部の断面拡大図を示している。この図に示すように、 垂直隔壁４５の壁厚が振動伝搬方向で異なり、壁厚が徐々に変化し、壁厚が振動伝搬方向で異なり、壁厚が徐々に変化し、壁厚の厚みの大小を繰り返すことも可能である。

振動伝搬部材４２の垂直隔壁４５を伝わる振動で、抑制したい振動の腹となる部分の壁厚を厚くすることで、目的とする周波数振動のみを抑制することができる。加えて、垂直隔壁４５は、振動伝搬部材４２ｂの振動を伝える非常に重要な柱となり、振動伝搬部材４２ｂの壁厚において、一部弱い部分（壁厚ｔ_３）を作ることによって、振動伝搬部材４２ｂの振動の減衰率が高くなり、結果として、残響が素早く収まるという効果が期待できる。加えて、振動が素早く立ち上がる効果も期待できる。

図１７は、実施の形態２における事例３の振動伝搬部材４２ｃのＣ部の断面拡大図を示している。この図に示すように、 垂直隔壁４５を形成するパターン形成した金属板５２をすこしずつずらしてパターン形成し、積層することも可能で、結果として、垂直隔壁４５が斜めに形成することができるため、振動の伝達経路が長くなり、振動到達時間を遅らせることが可能となり、音速をコントロールすることが可能となる。

図１８は、実施の形態２における事例４の振動伝搬部材４２ｄのＤ部の断面拡大図を示している。この図に示すように、
また、垂直隔壁４５を形成するパターン形成した金属板５２をすこしずつずらしてパターン形成し、屈曲部５５を設けることで、振動伝搬部材４２ｄに柔軟性が付与され、振動伝搬部材４２ｄの振動の減衰率が高くなり、結果として、残響が素早く収まるという効果が期待できる。

図１９は、実施の形態２における事例５の振動伝搬部材の側壁と垂直隔壁を含む断面一部拡大図を示している。

図１９（ａ）に示す振動伝搬部材４２ｅは、側壁４４とつながる垂直隔壁５７で構成されているのに対し、図１９（ｂ）に示す振動伝搬部材４２ｆは、側壁４４とつながる垂直隔壁５７と、側壁４４とつながらない垂直隔壁５８とが混在する。このような構造とすることで、振動伝搬方向と垂直方向の不要振動を発生する要因となる垂直隔壁５７と側壁４４との振動伝搬経路を減らすことで、不要振動が低減する。

［２－１－２．振動伝搬部材の製造手順］
次に、図２０を用いて、振動伝搬部材の製造手順を説明する。上記説明では、垂直隔壁の形状の違いから振動伝搬部材の符号を４２ａ～４２ｆとして区別して説明したが、以下では、区別の必要が無いた為、振動伝搬部材４２として説明する。

図２０は、実施の形態２における振動伝搬部材４２の製造手順の斜視図である。振動伝搬部材４２の製造工程は、図２０に示す（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に進行する。

図２０の（ａ）に示すように、まず複数のパターン構造を取り出せる大きさの金属板５０、個別のパターン構造を取り出せる金属板５０を複数準備する。図２０（ａ）には一枚の金属板５０を示す。次に、図２０（ｂ）に示すように、金属板５０を天板４３とするために円形状にパターニングした金属板５１、振動伝搬部材４２の側壁４４と垂直隔壁４５とをパターニングした金属板５０を示しており、個別、あるいは同時に作製する。金属板５０のパターニングには、例えば、金属板５０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。なお、本開示では、天板４３とするため円形状にパターニングした金属板５１、パターン形成した金属板５２が、上面視において（Ｚ軸に平行に見たときに）外形が円形（円盤状）になるように形成されている例を示す。しかし、これは単なる一例を示したものに過ぎず、本開示に示す天板４３、パターン形成した金属板５２の外形の形状は何ら円形（円盤状）に限定されるものではなく、楕円形や多角形であってもよい。

次に、図２０（ｃ）に示すように、複数のパターン形成した金属板５２と天板４３とを、位置決めを実施しつつ順に積層する。具体的には、まず所定枚数のパターン形成した金属板５２を積層する。次に、複数のパターン形成した金属板１２の最上面（Ｚ軸正方向における最も端に配置されたパターン形成した金属板５２のＺ軸正方向側の面）に天板４３を積層する。次に、パターニングした金属板同士を、直接接合の一つとして例示する拡散接合によって一体的な材料となるように、加熱加圧、真空環境で接合する。加熱温度については、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℃程度であるので、相互に積層した複数の金属板５２、天板４３がステンレス製であれば、それらを、真空中、この温度に加熱して加圧することで、母材を溶融させることなく接合界面の原子を拡散させ接合することが可能となる。拡散接合には、平面性が要求されるので、図１４（ｃ）に示す加工方法によっては、図２０（ｂ）に示す工程の後に、円形状にパターン形成した金属板５１、パターン形成した金属板５２のバリや変形を解消する後加工が必要となる場合がある。加えて、直接接合方法として、母材を一部溶融させる、溶融溶接も想定される。その場合、ステンレスであれば１５００℃近傍まで加熱することで、複数の金属板同士を接合することも可能である。また、金属板同士の接合を行う方法として。金属板との間に接合材として想定される、エポキシ樹脂、シアノアクリレート系の接着剤を用いることも可能である。加えて、接合材として、無機材料を選定する場合、ろう付けを用いることも可能である。

以上の製造手順によって、図２０（ｄ）に示すように、各金属パターニングを本実施の形態で例示した接合方法によって接合した、本実施の形態１における振動伝搬部材２を作ることができる。なお、本実施の形態では、振動伝搬部材が、円柱状の外形になるように形成されている例を示したが、これは単なる一例を示したものに過ぎず、本開示に示す振動伝搬部材の形状は何ら円柱状に限定されるものではなく、楕円柱や多角柱であってもよい。

［２－１－３．振動伝搬部材の効果］
以上のように、本実施の形態の振動伝搬部材４２は、振動手段４１と、前記振動手段４１の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材４２であって、前記振動伝搬部材は、天板４３と、底板４７と、側壁４４と前記天板４３および底板４７に対し概垂直に配置した垂直隔壁４５とで形成した振動伝搬部材４２としたものである。

これにより、振動伝搬部材４２の構成要素である、振動伝搬部材４２の厚み調整によって、振動伝搬方向と同一方向で振動する第一の振動（ｆ１）が制御でき、加えて、垂直隔壁の厚み、垂直隔壁間の距離、天板の厚みになどで形成される膜構造４８で励起される第二の振動（ｆ２）が個別に制御でき、振動手段張り付けた振動送受波器とした場合に、送受信する振動の周波数を自在に制御することが可能で、設計自由度の高い振動伝搬部材４２とすることができる。

また、天板３と、垂直隔壁５と、底板４７とで形成される空間を密閉空間４６とすることで、計測対象として、腐食性流体、あるいは高温高湿流体に対しても、濃度を直接計測することが可能となる。

また、底板４７と、振動手段４１との接合部材による接合性が向上し、振動送受波器としたときに、安定した特性とすることが可能となる。

また、振動伝搬部材４２の密閉空間４６内部圧力Ｐ_１と、振動伝搬媒質の圧力Ｐ_２とが概ね同一であるとき、振動伝搬部材４２の密閉空間４６の内部圧力を、伝搬媒質と同一にすることで、振動伝搬媒質への振動伝搬効率が向上でき、安定した振動伝搬性能が確保される。

また、振動伝搬部材４２の密閉空間４６内部圧力Ｐ_１が、振動伝搬媒質の圧力Ｐ_２よりも高い時、天板が凸形状となるため、高温高湿流体を計測する場合、湿度による結露でも、 天板の振動面に液滴がたまりにくく、高湿環境でも安定して、振動伝搬媒質への振動伝搬効率が向上でき、安定した振動伝搬性能が確保される。

また、振動伝搬部材４２の密閉空間４６内部圧力Ｐ_１が、振動伝搬媒質の圧力Ｐ_２よりも低い時、天板が凹形状となるため、集音効果で振動伝搬媒質への振動伝搬効率が向上する。 なお、振動伝搬部材内部を真空とすることも可能で、天板の撓みを抑制することができる。天板が圧力によって規制されるため、振動伝搬部材４２の振動が残存する、残響課題を低減することが可能となる。

また、この密閉空間４６内部に、アルゴンガス（Ａｒ）、窒素ガス（Ｎ_２），ヘリウムガス（Ｈｅ）などの不活性ガスを充填することも可能で、振動伝搬部材４２の内部からの腐食を抑制することが可能となる。

また、密閉空間４６内部の一部に、高粘性の液体を挿入することで、液体の粘度を変更することで、所定の周波数の振動を抑制するダンピング効果が期待でき、目的の振動周波数のみの振動伝搬効率だけを向上することも可能となる。

また、振動伝搬部材４２ａとして例示したように、垂直隔壁４５の壁厚を、底板４７近傍は厚く、天板４３近傍は、薄くすることで、振動伝搬部材４２ａの底板４７付近は、振動手段４１の振動を効率よく伝え、振動手段４１の振動を効率よく伝搬させることが可能となる。加えて、垂直隔壁４５の壁厚を天板４３近傍は薄く（壁厚ｔ_１）、底面に向かって厚く（壁厚ｔ_２）することで、天板４３の膜構造４８の振動が効率よく行われ、伝搬媒質への振動伝搬効率が向上する。

また、振動伝搬部材４２ｂとして例示したように、垂直隔壁４５の壁厚が振動伝搬方向で異なり、壁厚が徐々に変化し、壁厚が振動伝搬方向で異なり、壁厚が徐々に変化し、壁厚の厚みの大小を繰り返すことも可能であり、振動伝搬部材４２ｂの垂直隔壁４５を伝わる振動で、抑制したい振動の腹となる部分の壁厚を厚くすることで、目的とする周波数振動のみを抑制することができる。加えて、垂直隔壁４５は、振動伝搬部材４２ｂの振動を伝える非常に重要な柱となり、振動伝搬部材４２ｂの壁厚において、一部弱い部分（壁厚ｔ_３）を作ることによって、振動伝搬部材４２の振動の減衰率が高くなり、結果として、残響が素早く収まるという効果が期待できる。加えて振動が素早く立ち上がる効果も期待できる。

また、振動伝搬部材４２ｃとして例示したように、垂直隔壁４５を形成するパターン形成した金属板５２をすこしずつずらしてパターン形成し、積層することも可能で、垂直隔壁４５が斜めに形成することができるため、振動の伝達経路が長くなり、振動到達時間を遅らせることが可能となり、音速をコントロールすることが可能となる。

また、振動伝搬部材４２ｄして例示したように、垂直隔壁４５を形成するパターン形成
した金属板５２をすこしずつずらしてパターン形成し、屈曲部５５を設けることで、振動伝搬部材４２ｄに柔軟性が付与され、振動伝搬部材４２ｄの振動の減衰率が高くなり、結果として、残響が素早く収まるという効果が期待できる。

また、振動伝搬部材４２ｆとして例示したように、側壁とつながらない垂直隔壁５８を一部備える構造とすることで、不要振動を発生する要因となる、垂直隔壁５７と側壁４４との振動伝搬経路を減らすことで、不要振動が低減する。

（実施の形態３）
以下、図２１から２３を用いて、実施の形態３の振動伝搬部材、及び、この振動伝搬部材を用いた振動送受波器を説明する。

［３－１．振動伝搬部材］
［３－１－１．振動伝搬部材の構成］
図２１は、実施の形態３における振動伝搬部材６２を振動手段６１の一面に設けた構成の一例を模式的に示す断面図である。

図２１では、振動伝搬部材６２厚み方向（Ｚ軸に平行）に切断した断面図（Ｘ－Ｚ平面における断面図）を示す。図２１に示すように、振動伝搬部材６２は、振動手段６１の一面に面接合され、振動手段６１の振動に応じて振動する。振動伝搬部材６２は、天板６３と底板６７と側壁６４と、天板６３および底板に対して概ね垂直に形成した垂直隔壁６５と、天板６３と底板６７に対して概ね平行に形成した水平隔壁６８で構成される。

天板６３と垂直隔壁６５と水平隔壁６８とで構成される空間と、対向する水平隔壁６８と垂直隔壁６５とで構成される空間と、水平隔壁６８と垂直隔壁６５と底板とで構成される空間とは、その一部、あるいはすべてを密閉空間６６とすることも可能であり、目的に応じて密閉空間６６とし、振動を伝搬する媒質が、高温高湿等の液体成分を含まない場合においては垂直隔壁６５や水平隔壁６８に貫通穴を設け、振動伝搬媒質と貫通孔を介して連続した空間とすることもできる。

次に、図２２を用いて振動伝搬部材６２の内部構造を説明する。図２２は、実施の形態３における振動伝搬部材６２の構成の一例を示す断面図である。

なお、図２２（ａ）には、振動伝搬部材６２を厚み方向（Ｚ軸に平行）に切断した断面図（Ｘ－Ｚ平面における断面図）を示している。また、図２２（ｂ）には、図２２（ａ）におけるＩＩ－ＩＩ線分断面図、すなわち振動伝搬部材６２を厚み方向に直交する方向（Ｘ－Ｙ平面に平行）に切断した断面図（Ｘ－Ｙ平面における断面図）、を示している。図中のＴは、矢印で示す振動伝達部材６２（Ｚ軸に平行）の厚さを示す。なお、振動伝搬部材６２を厚み方向に直交する方向の断面は、図２２（ｂ）に示されているように例えば、ハニカム状に形成されている。

図２２（ａ）に示した、振動伝搬部材６２の密閉空間内の圧力をＰ１、振動伝搬媒質の圧力をＰ２としたとき、Ｐ１，Ｐ２の圧力に応じた効果は、実施の形態２と同様のため省略する。

［３－１－２．振動伝搬部材の製造手順］
次に、図２３を用いて、振動伝搬部材６２の製造手順を説明する。

図２３は、実施の形態３における振動伝搬部材６２の製造手順の斜視図である。振動伝搬部材６２の製造工程は、図２３に示す（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に進行する
。

図２３（ａ）に示すように、まず複数のパターン構造を取り出せる大きさの金属板７０、個別のパターン構造を取り出せる金属板７０を複数準備する。図３（ａ）には一枚の金属板７０を示す。次に、図３（ｂ）に示すように、金属板７０を天板６３および底板６７および水平隔壁６８とするために円形状にパターニングした金属板７１、振動伝搬部材６２の側壁６４と垂直隔壁６５とをパターニングした金属板７２を示しており、個別、あるいは同時に作製する。金属板７０のパターニングには、例えば、金属板７０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。なお、本開示では、円形状にパターニングした金属板７１、パターン形成した金属板７２が、上面視において（Ｚ軸に平行に見たときに）外形が円形（円盤状）になるように形成されている例を示す。しかし、これは単なる一例を示したものに過ぎず、本開示に示す円形状にパターンニングした金属板７１、パターン形成した金属板７２の外形の形状は何ら円形（円盤状）に限定されるものではなく、楕円形や多角形であってもよい。

次に、図２３（ｃ）に示すように、天板６３および底板６７および水平隔壁６８とするために円形状にパターニングした金属板、パターン形成した金属板７２とを、位置決めを実施しつつ、交互に積層する。具体的には、水平隔壁６８として円形状にパターンニングした金属板７１を、垂直隔壁６５および側壁６４としてパターン形成した金属板７２を積層する。そして、交互に積層した複数の円形状にパターニングした金属板７１、パターン形成した金属板７２の最上面（Ｚ軸正方向における最も端に配置されたパターン形成した金属板７２のＺ軸正方向側の面）に、天板６３として円形状にパターニングした金属板７１を積層する。次に、交互に積層した複数の金属板７１，７２の最底面（Ｚ軸負方向における最も端に配置されたパターン形成した金属板７２のＺ軸負方向側の面）に底板６７として円形状にパターンニングした金属板７１を積層する。

次に、パターニングした金属板同士を、直接接合の一つとして例示する拡散接合によって一体的な材料となるように、加熱加圧、真空環境で接合する。加熱温度については、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℃程度であるので、相互に積層した複数の円形状にパターニングした金属板７１、パターン形成した金属板７２、天板６３、底板６７がステンレス製であれば、それらを、真空中、この温度に加熱して加圧することで、母材を溶融させることなく接合界面の原子を拡散させ接合することが可能となる。拡散接合には、平面性が要求されるので、図２３（ｃ）に示す加工方法によっては、図２３（ｂ）に示す工程の後に、円形状にパターニングした金属板７１、パターン形成した金属板７２のバリや変形を解消する後加工が必要となる場合がある。加えて、直接接合方法として、母材を一部溶融させる、溶融溶接も想定される。その場合、ステンレスであれば１５００℃近傍まで加熱することで、複数の金属板同士を接合することも可能である。また、金属板通しの接合を行う方法として。金属板との間に接合材として想定される、エポキシ樹脂、シアノアクリレート系の接着剤を用いることも可能である。加えて、接合材として、無機材料を選定する場合、ろう付けを用いることも可能である。

以上の製造手順によって、図２３（ｄ）に示すように、各金属パターニングを本実施の形態で例示した接合方法によって接合した、本実施の形態３における振動伝搬部材６２を作ることができる。なお、本実施の形態では、振動伝搬部材６２が、円柱状の外形になるように形成されている例を示したが、これは単なる一例を示したものに過ぎず、本開示に示す振動伝搬部材の形状は何ら円柱状に限定されるものではなく、楕円柱や多角柱であってもよい。

［３－１－３．振動伝搬部材の効果］
以上のように、本実施の形態の振動伝搬部材６２は、振動手段６１と、振動手段６１の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材６２であって、振動伝搬部材６２は、天板６３と、底板６７と、振動伝搬部材６２の側壁６４と天板６３および底板６７に対し概垂直に配置した垂直隔壁６５と天板６３および底板６７に対し概水平に配置した水平隔壁６８とで形成した振動伝搬部材としたものである。

そして、水平隔壁６８によって、垂直隔壁６５の振動伝搬ロスも軽減され、伝搬媒質への振動伝搬効率も向上する。

また、天板６３と垂直隔壁６５と水平隔壁６８とで構成される空間と、対向する水平隔壁６８と垂直隔壁６５とで構成される空間と、水平隔壁６８と垂直隔壁６５と底板６７とで構成される空間とは、その一部、あるいはすべてを密閉空間６６とすることで、高温高湿流体中でも安定に動作する振動伝搬部材６２となる。加えて、密閉空間６６が、より多くの密閉空間に分割されており、垂直隔壁６５、水平隔壁６８のいずれにおいても腐食等で浸水する速度が低下するため、信頼性の高い振動伝搬部材６２とすることができる。

また垂直隔壁６５、水平隔壁６８の一部、あるいはすべてに貫通穴があってよく、貫通穴によって、
超高圧流体でも、圧力によって変形することがないため、安定して機能する振動伝搬部材となる。

（実施の形態４）
以下、図２４を用いて、実施の形態４を説明する。

［４－１．振動送受波器］
［４－１－１．振動送受波器の構成］
図２４は、実施の形態４における振動送受波器７５の構成の一例を示す断面図である。図２４には、振動送受波器７５を厚み方向（Ｚ軸に平行）に切断した断面図（Ｘ－Ｚ平面における断面図）を示している。

図２４に示すように、振動送受波器７５は、有天筒状金属ケース７６と、有天筒状金属ケース７６の天部内壁面７７に配置された振動手段７８と、有天筒状金属ケース７６の天部外壁面７９に配置された、実施の形態１で説明した振動伝搬部材２、または実施の形態２で説明した振動伝搬部材４２、または、実施の形態３で説明した振動伝搬部材６２のいずれかを配置する。

天部内壁面７７は有天筒状金属ケース７６内側の天面（Ｚ軸負方向側の表面）であり、天部外壁面７９は有天筒状金属ケース７６外側の天面（Ｚ軸正方向側の表面）である。

振動手段７８は、振動手段７８の振動伝搬方向に対し平行に溝８０を備え、振動伝搬部材４２の垂直隔壁４５と、振動手段７８の溝８０とが概平行であるように配置する。

端子８１は金属材料で形成され、端子板８２、有天筒状金属ケース７６を介して、振動手段７８の一方の電極８３に電気的に接続されている。端子８４は、端子８１とは、絶縁シール材８５を介して絶縁され、振動手段７８の他方の電極８７と、導電ゴム導電部８６を介して電気的に接続されている。導電ゴム導電部８６は概ね円筒状であり、外周には導電ゴム絶縁部８８を備え、導電ゴム導電部８６と端子８１および端子８４とは電気的に絶縁されている。

導電ゴム導電部８６および、導電ゴム絶縁部８８は端子板８２によって上方向（Ｚ軸正方向）に押圧されている。なお、以降の説明では、有天筒状金属ケース７６の天部外壁面７９に振動伝搬部材４２が接合されているものとして説明する。

［４－１－２．振動送受波器の製造手順］
次に、図２５を用いて、振動送受波器７５の製造手順を説明する。

図２５は、実施の形態４における振動送受波器７５の製造手順を示す断面図である。

図２５（ａ）に示すように、まず、実施の形態２で説明した振動伝搬部材４２を用意する。並行して、図２５（ｂ）に示すように、振動手段４１の上面（Ｚ軸正方向側の面）に接合体９０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７６の天部外壁面７９にも同様の接合体９１を塗布形成する。次に、図２５（ｃ）に示すように、振動手段７８の上に有天筒状金属ケース７６を重ねて振動手段７８の上面（Ｚ軸正方向側の面）と有天筒状金属ケース７６の天部内壁面７７とを接合体９０を間に挟んで貼り合わせる。また、有天筒状金属ケース７６の上に振動伝搬部材４２を重ねて有天筒状金属ケース７６の天部外壁面７９と振動伝搬部材４２の底板４７（Ｚ軸負方向側の面）とを接合体９１を間に挟んで貼り合わせる。このとき、振動伝搬部材４２、有天筒状金属ケース７６、および振動伝搬部材４２に、約２ｋｇ／ｃｍ＾２から１０ｋｇ／ｃｍ＾２の圧力を加えた状態で加熱を行い、熱硬化性接着剤を硬化させる。これにより、有天筒状金属ケース７６に振動伝搬部材４２と振動手段７８とが固着される。

次に、図２５（ｄ）に示すように、以上の工程によって加熱硬化され相互に接合された振動伝搬部材４２と有天筒状金属ケース７６と振動手段７８との接合物の開口端に、導電ゴム９２を挿入した端子板８２を下から重ね合わせ、有天筒状金属ケース７６のフランジと端子板８２の周縁部とを溶接する。この溶接時に、端子板８２と有天筒状金属ケース７６とで囲まれた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する。これにより、振動手段７８の電極の劣化、振動手段７８と有天筒状金属ケース７６との接合部分の劣化を軽減することができる。

有天筒状金属ケース７６を形成する材料は、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の導電性を有する材料であれば良い。

接合体９０、９１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よく、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、ガラス転移点が振動送受波器７５の使用温度の上限として定められた温度である高温使用温以上（例えば、７０℃以上）であれば、接着剤として使用できる。

このようにして、図２５（ｅ）に示すように、振動送受波器７５は完成状態となる。

［４－１－３．振動送受波器の効果］
以上のように、本実施の形態において、振動送受波器７５は、有天筒状金属ケース７６と、有天筒状金属ケース７６の天部内壁面７７に配置された振動手段７８と、有天筒状金属ケース７６の天部外壁面７９に配置された、実施の形態１から３で説明した振動伝搬部材のいずれか一つを備える構成とする。これにより、本開示の振動送受波器７５を、振動伝搬部材の構成要素である、振動伝搬部材の厚み調整によって、振動伝搬方向と同一方向で振動する第一の振動（ｆ１）が制御でき、加えて、垂直隔壁の厚み、垂直隔壁間の距離、天板の厚みになどで形成される膜構造で励起される第二の振動（ｆ２）が個別に制御で
き、振動手段張り付けた振動送受波器７５とした場合に、送受信する振動の周波数を自在に制御することが可能で、設計自由度の高い振動伝搬部材とすることができる。

また、振動送受波器の内部構造によって形成される空間を密閉空間とすることで、計測対象として、腐食性流体、あるいは高温高湿流体に対しても、濃度を直接計測することが可能となる。

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 振動手段
２ 振動伝搬部材
３ 天板
４ 側壁
５ 垂直隔壁
６ 密閉空間
７ 膜構造
１０ 金属板
１１ 金属板
１２ 金属板
１４、１４ａ、１４ｂ 振動送受波器
１５ 電極
１６ 電極
１７ 接合体
１８ リード線
１９ リード線
２３ 流量計
２４ 流速計
２５ 流路
２６ 超音波送受波器
２７ 超音波送受波器
２８ 計時装置
２９ 演算手段
３０ 濃度計
３１ 筐体
３２ 通気孔
３３ 超音波送受波器
３４ 超音波送受波器
３５ 温度センサ
３６ 計時装置
３７ 演算手段
４１ 振動手段
４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ 振動伝搬部材
４３ 天板
４４ 側壁
４５ 垂直隔壁
４６ 密閉空間
４７ 底板
４８ 膜構造
５０ 金属板
５１ 金属板
５２ 金属板
５５ 屈曲部
５７ 垂直隔壁
５８ 垂直隔壁
６１ 振動手段
６２ 振動伝搬部材
６３ 天板
６４ 側壁
６５ 垂直隔壁
６６ 密閉空間
６７ 底板
６８ 水平隔壁
６９ 膜構造
７０ 金属板
７１ 金属板
７２ 金属板
７５ 振動送受波器
７６ 有天筒状金属ケース
７７ 天部内壁面
７８ 振動手段
７９ 天部外壁面
８０ 溝
８１ 端子
８２ 端子板
８３ 電極
８４ 端子
８５ 絶縁シール材
８６ 導電ゴム導電部
８７ 電極
８８ 導電ゴム絶縁部
９０ 接合体
９１ 接合体
９２ 導電ゴム

Claims (26)

1. 振動手段の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材であって、
   前記振動伝搬部材は、天板と、側壁と、前記天板に対し概垂直に配置した垂直隔壁とで形成した振動伝搬部材。
2. 前記振動伝搬部材は、前記天板と、前記垂直隔壁と、前記振動手段の接合面とで少なくとも一部を密閉空間とした請求項１記載の振動伝搬部材。
3. 振動手段の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材であって、
   前記振動伝搬部材は、天板と、底板と、側壁と、前記天板および底板に対し概垂直に配置した垂直隔壁とで形成した振動伝搬部材。
4. 前記天板と、前記底板と、垂直隔壁とで形成される空間の少なくとも一部を密閉空間とした請求項３に記載の振動伝搬部材。
5. 振動手段の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材であって、
   前記振動伝搬部材は、天板と、底板と、前記振動伝搬部材の側壁と、前記天板および前記底板に対し概垂直に配置した垂直隔壁と、前記天板および前記底板に対し概水平に配置した水平隔壁とで形成した振動伝搬部材。
6. 前記天板と前記垂直隔壁と前記水平隔壁と前記底板のいずれかの面で形成される空間の少なくとも一部を密閉空間とした請求項５に記載の振動伝搬部材。
7. 少なくとも振動伝搬方向と同一方向で振動する第一の振動（ｆ１）と、前記天板と前記垂直隔壁とで形成される膜構造で発生する第二の振動（ｆ２）とを用いた請求項１から６のいずれか１項に記載の振動伝搬部材。
8. 第一の振動（ｆ１）と、第二の振動（ｆ２）とが概同一の周波数である請求項７記載の振動伝搬部材。
9. 第一の振動（ｆ１）と、第二の振動（ｆ２）とが異なる周波数とした請求項７記載の振動伝搬部材。
10. 前記垂直隔壁は、前記側壁とつながらない部分を有する構造とした、請求項１から９のいずれか１項に記載の振動伝搬部材。
11. 前記密閉空間圧力（Ｐ１）は、振動伝搬空間（Ｐ２）と概同一とすることを特徴とする請求項２、４、６のいずれか１項に記載の振動伝搬部材。
12. 前記密閉空間圧力（Ｐ１）は、振動伝搬空間（Ｐ２）よりも高いことを特徴とする請求項２、４、６のいずれか１項に記載の振動伝搬部材。
13. 前記密閉空間圧力（Ｐ１）は、振動伝搬空間（Ｐ２）よりも低いことを特徴とする請求項２、４、６のいずれか１項に記載の振動伝搬部材。
14. 前記垂直隔壁、あるいは前記水平隔壁のいずれか一方あるいは両方に対し貫通穴が存在することを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の振動伝搬部材。
15. 前記垂直隔壁は、壁厚が振動伝搬方向で異なることを特徴とする請求項１から１４のいず
    れか１項に記載の振動伝搬部材。
16. 前記垂直隔壁は、壁厚が振動伝搬方向で異なり、壁厚が徐々に変化することを特徴とする請求項１５に記載の振動伝搬部材。
17. 前記垂直隔壁は、壁厚が振動伝搬方向で異なり、壁厚が徐々に変化し、壁厚の厚みの大小を繰り返すことを特徴とする請求項１５記載の振動伝搬部材。
18. 前記垂直隔壁は、壁厚が厚み方向で積層する位置をずらすことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の振動伝搬部材。
19. 同一材料の複数のパターン形成した板材を積層し、層間を直接接合したことを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の振動伝搬部材。
20. 複数のパターン形成した板材を積層し、層間を接合材で接合したことを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の振動伝搬部材。
21. 前記振動伝搬部材の製造方法であって、前記振動伝搬部材は、金属板にパターンを形成する工程と、パターン形成した金属板を積層する工程と、前記積層した金属板を高温で荷重を加え複数の金属板を直接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１９に記載の振動伝搬部材の製造方法。
22. 振動手段と、前記振動手段の一つの面に接合した請求項１から２０のいずれか１項に記載の振動伝搬部材とを備える振動送受波器。
23. 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、請求項１から２０のいずれか１項に記載の振動伝搬部材と前記有天筒状金属ケースの天部内壁面に、振動手段を備える振動送受波器。
24. 前記振動手段は圧電体とし、前記圧電体の振動伝搬方向に対し平行に溝形成し、前記振動伝搬部材の垂直隔壁と、前記圧電体の溝とは概平行であることを特徴とする請求項２２または２３に記載の振動送受波器。
25. 被計測流体を通じる流路と、前記流路に対向するように取り付けられた請求項２２から２４のいずれか１項に記載の一対の振動送受波器と、前記振動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流量計、流速計。
26. 被計測流体である混合ガス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２２から２４のいずれか１項に記載の一対の振動送受波器と、前記筐体内部に配置した温度センサと、前記振動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濃度計。

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