特許 7584039 音響整合層、超音波送受信器、及びこれを用いた超音波流速計、超音波流量計及び超音波濃度計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-07

(45)【発行日】2024-11-15

(54)【発明の名称】音響整合層、超音波送受信器、及びこれを用いた超音波流速計、超音波流量計及び超音波濃度計

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/00 20060101AFI20241108BHJP

   G01N 29/07 20060101ALI20241108BHJP

   G01N 29/28 20060101ALI20241108BHJP

【ＦＩ】

H04R17/00 330J

G01N29/07

G01N29/28

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2020196517

(22)【出願日】2020-11-27

(65)【公開番号】P2022085040

(43)【公開日】2022-06-08

【審査請求日】2023-02-10

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】橋田 昌道

(72)【発明者】

【氏名】中野 慎

【審査官】川▲崎▼ 博章

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３４２６５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００５－２５７６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１５３７５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｒ １７／００

Ｇ０１Ｆ １／６６

Ｇ０１Ｎ ２９／０７

Ｇ０１Ｎ ２９／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

音波発生源と接合される接合部と、前記音波発生源の振動を気体へ伝播する放射部とを備えた中空構造体であり、前記接合部と前記放射部との間の外面を隔壁で覆い、前記放射部を膜状部材で形成し、前記中空構造体は、前記膜状部材と前記隔壁と前記接合部で囲まれる空間を有し、
前記膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に凹形状であることを特徴とする音響整合層。

【請求項2】

音波発生源と接合される接合部と、前記音波発生源の振動を気体へ伝播する放射部とを備えた中空構造体であり、前記接合部と前記放射部との間の外面を隔壁で覆い、前記放射部を膜状部材で形成し、前記中空構造体は、前記膜状部材と前記隔壁と前記接合部で囲まれる空間を有し、
前記膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略懸垂線形状であることを特徴とする音響整合層。

【請求項3】

音波発生源と接合される接合部と、前記音波発生源の振動を気体へ伝播する放射部とを備えた中空構造体であり、前記接合部と前記放射部との間の外面を隔壁で覆い、前記放射部を膜状部材で形成し、前記中空構造体は、前記膜状部材と前記隔壁と前記接合部で囲まれる空間を有し、
前記膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に凸形状であることを特徴とする音響整合層。

【請求項4】

前記膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略アーチ形状であることを特徴とする請求項２または３に記載の音響整合層。

【請求項5】

音波発生源と接合される接合部と、前記音波発生源の振動を気体へ伝播する放射部とを備えた中空構造体であり、前記接合部と前記放射部との間の外面を隔壁で覆い、前記放射部を膜状部材で形成し、前記中空構造体は、前記膜状部材と前記隔壁と前記接合部で囲まれる空間を有し、
前記接合部と前記膜状部材を接合する補強部材を有することを特徴とする音響整合層。

【請求項6】

音波発生源と接合される接合部と、前記音波発生源の振動を気体へ伝播する放射部とを備えた中空構造体であり、前記接合部と前記放射部との間の外面を隔壁で覆い、前記放射部を膜状部材で形成し、前記中空構造体は、前記膜状部材と前記隔壁と前記接合部で囲まれる空間を有し、
前記隔壁と前記膜状部材を接合する補強部材を有することを特徴とする音響整合層。

【請求項7】

前記補強部材が、音波の気体への伝播方向に対して略平行な面での断面形状が凹形状の板状部材からなることを特徴とする請求項５または６に記載の音響整合層。

【請求項8】

前記補強部材が、音波の気体への伝播方向に対して略平行な面での断面形状が凸形状の板状部材からなることを特徴とする請求項５または６に記載の音響整合層。

【請求項9】

音波発生源と接合される接合部と、前記音波発生源の振動を気体へ伝播する放射部とを備えた中空構造体であり、前記接合部と前記放射部との間の外面を隔壁で覆い、前記放射部を膜状部材で形成し、前記中空構造体は、前記膜状部材と前記隔壁と前記接合部で囲まれる空間を有し、
前記膜状部材の密度に対する引張強度の比が２０ｋＮ・ｍ／ｋｇ以上であることを特徴とする音響整合層。

【請求項10】

前記補強部材の密度に対する引張強度の比が２０ｋＮ・ｍ／ｋｇ以上であることを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載の音響整合層。

【請求項11】

音波発生源と接合される接合部と、前記音波発生源の振動を気体へ伝播する放射部とを備えた中空構造体であり、前記接合部と前記放射部との間の外面を隔壁で覆い、前記放射部を膜状部材で形成し、前記中空構造体は、前記膜状部材と前記隔壁と前記接合部で囲まれる空間を有し、
前記空間内が大気圧未満であることを特徴とする音響整合層。

【請求項12】

請求項１から１１のいずれか１項に記載の音響整合層と、前記音響整合層の接合部と接合された音波発生源とを備えたことを特徴とする超音波送受信器。

【請求項13】

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１２に記載の超音波送受信器と、前記超音波送受信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、流速を演算する演算手段と、を備える超音波流速計。

【請求項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１２に記載の超音波送受信器と、前記超音波送受信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、流量を演算する演算手段と、を備える超音波流量計。

【請求項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１２に記載の一対の超音波送受信器と、前記筐体内部に配置した温度センサと、前記超音波送受信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、伝播速度、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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、主に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層に関するものである。

【背景技術】

【0002】

一般に、超音波発生源から空気等の気体への（超音波の）エネルギー伝達効率は、これらの音響インピーダンス（それぞれの物質の密度と音速の積）が近いほど高くなる。

【0003】

しかし、超音波発生源はセラミックス（密度と音速が高い）により構成されるのが一般的であり、超音波を伝達させようとする対象である空気等の気体の密度と音速は、セラミックスのそれらより大幅に小さい。従って、超音波発生源から空気へのエネルギー伝達効率は非常に低くなる。この問題を解決するため、超音波発生源と気体の間に、超音波発生源より音響インピーダンスが小さく、空気より音響インピーダンスが大きい音響整合層を介在させ、エネルギー伝達効率を高める対策が行われてきた。

【0004】

金属やセラミックス等からなる板状部材に、音波の伝播方向に欠損部を設けることにより、音響インピーダンスを低減し、欠損部を膜状部材で被うことにより、空気との運動量交換効率を向上することがなされてきた（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１９－１２９２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、音波伝播方向に対して垂直方向の欠損部のスケールが大きくなると、膜状部材がたわむことにより、空気との運動量の交換効率が低減することが分かった。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記従来の課題を解決するために、本発明の音響整合層は、音波伝播方向に伸縮させる力による耐性を向上した中空構造とすることにより、気体との界面での運動量交換効率向上と、前記音響整合層の変形による伝播効率低減の抑制がなされ、音波発生源の振動を高効率で気体へ伝播することができる。

【0008】

上記の音響整合層により、高効率で気体へ音波を伝達できるメカニズムを以下に示す。

【0009】

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Ｖｍとすると、運動量の定義より、
ΔＰ（運動量）＝ΔＭ×Ｖｍ（音響インピーダンス）
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、音響整合層と気体の界面で起こる現象は、これらの運動量交換であり、運動量交換（伝播）を高効率で行える整合層が優れた特性を有している。更に、圧電素子と整合層の間でも高効率で運動量の交換がなされる整合層が優れた特性を有している。

【0010】

ここで、圧電素子から整合層への運動量が交換されるということは、圧電素子を構成する物質が、整合層を構成する物質に加速度を与え、整合層を構成する物質の速度（運動量）が大きくなり、作用反作用の法則により、圧電素子を構成する物質の速度（運動量）が低減する現象である。

【0011】

一般に、中空構造の部材は、外部から加速度が加わった場合、中空部分が縮小するように変形しやすい。一方、中空構造である音響整合層は圧電素子の加速度により、変形（座屈）し難いことが求められる。このような特性を満たす物質の配置として、整合層を構成する物質は、圧電素子により音波伝播方向に加速された際、（例えば棒状の部材が長さ方向に音波伝播方向に略水平、或いは、板状部材の平面方向が音波伝播方向に略水平に配置されている場合のように）圧縮力が加わる配置となっている場合に、圧電素子と高効率で運動量を交換することができる。これは、一般に物質は、曲げ強度（弾性率）に比較して圧縮強度が著しく強いため、圧電素子の加速度が加わった場合、座屈することなく（あたかも、より低密度で密な物質からなる整合層のように）音波伝達面（放射面）へ運動量を伝播することができるためである。

【発明の効果】

【0012】

本発明によると、密度が高い樹脂、金属、セラミックス等、バルクでは、音響インピーダンスが大きいため、音響整合層として不利な物質であっても中空構造とすることにより音響整合層として用いることができる。従って、高温、高圧環境等、従来用いられてきた樹脂の適用が難しい場合であっても適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施の形態１における音波発生源が収縮状態の断面模式図

【図2】実施の形態１における音波発生源が収縮状態の斜視図

【図3】実施の形態２における音波発生源が収縮状態の断面模式図

【図4】実施の形態２における音波発生源が伸長状態の断面模式図

【図5】実施の形態２における音波発生源が収縮状態の斜視図

【図6】実施の形態３における音波発生源が収縮状態の断面模式図

【図7】実施の形態３における音波発生源が伸長状態の断面模式図

【図8】実施の形態４における音波発生源が収縮状態の断面模式図

【図9】実施の形態４における音波発生源が伸長状態の断面模式図

【図10】実施の形態５における音波発生源が収縮状態の断面模式図

【図11】実施の形態５における音波発生源が伸長状態の断面模式図

【図12】実施の形態６における音波発生源が収縮状態の断面模式図

【図13】実施の形態６における音波発生源が伸長状態の断面模式図

【図14】実施の形態７における音波発生源が収縮状態の断面模式図

【図15】実施の形態７における音波発生源が伸長状態の断面模式図

【図16】実施の形態８における音波発生源が収縮状態の断面模式図

【図17】実施の形態８における音波発生源が伸長状態の断面模式図

【図18】実施の形態９における超音波送受信器の断面図

【図19】実施の形態１０における超音波流速計の概念図

【図20】実施の形態１１における超音波流量計の概念図

【図21】実施の形態１２における超音波濃度計の断面図

【発明を実施するための形態】

【0014】

第１の発明は、音波発生源と接合される接合部と、前記音波発生源の振動を気体へ伝播する放射部とを備えた中空構造体であり、前記接合部と前記放射部との間の外面を隔壁で覆い、前記放射部を膜状部材で形成した音響整合層である。

【0015】

音響整合層の役割は、音響インピーダンスが大きい音波発生源と、音響インピーダンスが小さい気体の間の音波の伝播、即ち運動量の交換効率を向上することである。一方、音響整合層での伝播ロスを低く抑えることも必要である。

【0016】

前者の特性を満たすためには、固体から構成される音響整合層の音響インピーダンスを低減させ、気体の音響インピーダンスへ近づけることが必要である。

【0017】

一方、音の伝播ロスは音響整合層が非弾性変形をすることによる熱へのエネルギー変換が支配的であると考えられる。従って、音の伝播ロスを抑制するためには、整合層の弾性率を高くする、即ち硬くすることにより、弾性変形が支配的となるようにすることが必要である。

【0018】

一般に、音響インピーダンスを小さくするために材料を多孔質構造とする場合が多いが、この場合は、材料本来より硬度が低下するため、変形しやすくなるという相反する特性を有する。従って、音波発生源から気体への音の伝播と整合層での伝播ロスの低減のいずれをも満足することは困難である。

【0019】

中空構造体の密度は、接合部と隔壁と膜状部材の重量を、接合部と隔壁と膜状部材で囲まれる空間の体積で除した値で定義される。従って、接合部と隔壁と膜状部材を薄くすることにより、任意に小さくすることができる。一方、中空構造体の音速は、接合面と膜状部材即ち放射部をつなく隔壁の音速になる。従って、構造体の音響インピーダンスも任意に小さくすることができ、構造体と気体との運動量の交換効率を向上することができる。

【0020】

一方、隔壁や膜状部材が薄くなると、強度が低下し、非弾性変形しやすくなるが、隔壁と膜状部材の特性や配置を適正化することにより、非弾性変形を抑制し、音の伝播ロスを低減することができる。

【0021】

第２の発明は、第１の発明において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に凹形状であることを特徴とする音響整合層である。

【0022】

一般に、物質の引張や圧縮に対する変形のしにくさ、即ち強度は、曲げに対する耐性に比較して著しく高い。従って、中空構造体に音波伝播方向の力が加わった場合、接合部、隔壁、膜状部材に圧縮力あるいは引張力が加わるように配置することにより、中空構造体の強度を高くすることができる。接合部は音波発生源に密着しているため、音波発生源から加速度を加えられた際、音波伝播方向に圧縮或いは引張力が加わる。隔壁は接合部と略垂直に配置することで、音波発生源から加速度を加えられた際、音波伝播方向に圧縮或いは引張力が加わる。一方、膜状部材は音波を気体へ放射するため、音波伝播方向に対して略垂直を基本とした配置にならざるを得ない。そこで、予め膜状部材を音波伝播方向に凹形状としておくことにより、懸垂線の構造物と同様に、膜状部材の各部分には、その接線方向の引張力が加わることになる。

【0023】

以上のように、膜状部材を凹形状とすることにより、中空構造体に音波発生源から加速度が加わった際、膜状部材が変形しにくく、高効率で音波を伝播することができる。

【0024】

第３の発明は、第１または第２の発明において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略懸垂線形状であることを特徴とする音響整合層である。

【0025】

一般に（重力）加速度下で、ロープ、ワイヤー等、一次元状の部材を、加速度方向と垂直方向に離れた２点（以下、支点と記載）で固定した際、ロープ等は略懸垂線構造をとる
。懸垂線は、支点に近い程傾斜が急峻（加速度方向側に向く）であり、支点と支点の中央部付近では支点を結ぶ線分に平行な形状となる。これは、各微小部分には、『加速度方向に』加速度による力（重力下では重量）が作用するが、微小部分には支点側、中央部付近側から引張力が作用し、引張力の合力が、『加速度と逆方向に』引張力を作用させ、これらの力が釣り合う状態となる。

【0026】

ここで、各微小部分に作用する引張力（ベクトル）は次の通りとなる。まず、ロープなどは静止しているのであるから、支点間方向に働く力の成分は、各微小部分で同じである。一方、加速度方向の力の成分は、中央部付近では、その（一つ目の）微小部分に働く力を隣接する（二つ目）部分からの引張力で打ち消している。次に、二つ目の微小部分に作用する力は、当該部分に作用する加速度による力と、一つ目の部分から加わる力である（加速度方向の合力１）。更に、三つ目の微小部分に作用する力は、当該部分に作用する加速度による力と、加速度方向の合力の合計（加速度方向の合力２）となり、支点に近くなるに従って、各微小部分に加わる加速度方向の力が大きくなり、傾斜が急峻になる。

【0027】

ここで、懸垂線を表す方程式は下記の通りである。中央部の高さを０、中央部から隔壁方向への座標をｘ、ａを定数とすると、下記の通りである。

【0028】

ｙ＝ａ（ｅｘｐ（ａｘ）＋ｅｘｐ（－ａｘ））／２ ・・・（１）
式（１）から判るように、懸垂線は中央部から隔壁方向へ対称的な形状である。ここで、ａは定数であるため、緩やかな形状から急峻な形状までとることができる。

【0029】

膜のように二次元状の材料では、上記の支点に相当する部分（隔壁と膜状材料の接合部）に近づくに従って、一次元状の部材は太くなるが、作用する力は引張力が支配的となる状況は同じである。

【0030】

以上のように、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略懸垂線形状であることにより、膜状部材には、曲げ応力ではなく、引張力が加わるため、変形を抑えることができる。

【0031】

以上より、中空構造体に音波発生源から加速度が加わった際、変形しにくく高い効率で音波を伝播することができる。

【0032】

第４の発明は、第１の発明において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に凸形状であることを特徴とする音響整合層である。

【0033】

予め膜状部材を音波伝播方向に凸形状としておくことにより、第２の発明と同様に、膜状部材の各部分には、その接線方向の圧縮力が加わることになる。即ち、アーチ形状の構造物と同様に、膜状部材の各部分には圧縮力が加わることになる。

【0034】

以上より、中空構造体に音波発生源から加速度が加わった際、変形しにくく高い効率で音波を高効率で伝播することができる。

【0035】

第５の発明は、第３または第４の発明において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略アーチ形状であることを特徴とする音響整合層である。

【0036】

構造力学において、アーチは懸垂線を加速度方向が逆となるようにしたものであり、懸垂線での部材の各微小部分に作用する引張力が、圧縮力となるものである。従って、加速度による変形を小さく抑えることができ、第４の発明同様に中空構造体に音波発生源から
加速度が加わった際、変形しにくく高い効率で音波を高効率で伝播することができる。

【0037】

第６の発明は、第１から第５のいずれか１つの発明において、接合部と膜状部材を接合する補強部材を有することを特徴とする音響整合層である。

【0038】

膜状部材は、音波を放射する必要があるため、平面或いは曲率が一定した形状である必要がある。これに対し、音波を放射する部材以外であれば、任意の形状をとることができる。そこで、補強部材として、音波放射面を支える部材を用いることで、中空構造体に音波発生源から加速度が加わった際、変形しにくく高い効率で音波を高効率で伝播することができる。

【0039】

第７の発明は、第１から第５のいずれか１つの発明において、隔壁と膜状部材を接合する補強部材を有することを特徴とする音響整合層である。

【0040】

隔壁は、音波発生源と略垂直の配置とすることができるため、その加速度に対して引張と圧縮の応力が加わるため、変形し難い。そこで、隔壁と膜状部材を補強部材で接合することにより、膜状部材の変形、即ち音波発生源の加速度によるたわみを抑制することができる。

【0041】

第８の発明は、第６または第７の発明において、補強部材が、音波の気体への伝播方向に対して略平行な面での断面形状が凹形状の板状部材からなることを特徴とする音響整合層である。

【0042】

第２の発明と同様に、凹形状の部材は、音波伝播方向の加速度に対して変形し難い特徴がある。そこで、膜状部材が非常に薄く、凹形状での成型が難しい、即ち平面状の場合であっても、補強部材により支えることで、膜状部材のたわみを抑制することができる。

【0043】

第９の発明は、第６または第７の発明において、補強部材が、音波の気体への伝播方向に対して略平行な面での断面形状が凸形状の板状部材からなることを特徴とする音響整合層である。

【0044】

第４の発明と同様に、凸形状の部材は、音波伝播方向の加速度に対して変形し難い特徴がある。そこで、膜状部材が非常に薄く、凸形状での成型が難しい、即ち平面状の場合であっても、補強部材により支えることで、膜状部材のたわみを抑制することができる。

【0045】

第１０の発明は、第１から第９のいずれか１つの発明において、膜状部材あるいは補強部材の密度に対する引張強度の比が２０ｋＮ・ｍ／ｋｇ以上であることを特徴とする音響整合層である。

【0046】

第１から第９の発明では、膜状部材や補強部材に引張力や圧縮力が加わるようにして変形を抑制している。膜状部材に引張力が加わった場合、その力を弾性率で除した割合で、僅かではあるが伸長する。そこで、引張強度が大きい材料を用いることにより、伸長を抑えることができる。ここで、膜状部材に加わる引張力は、音波発生源の加速度に膜の自重を加えたものである。即ち、密度が小さい程自重が小さくなるため、加わる引張力が小さくなる。そこで、密度に対する引張強度の比が大きい材料程、音波発生源の加速度による変形が小さくなる。従って、高効率で空気に運動量を伝播することができる音響整合層を得ることができる。

【0047】

第１１の発明は、第１から第１０のいずれか１つの発明において、音波発生源と隔壁と放射部からなる空間内が大気圧未満であることを特徴とする音響整合層である。

【0048】

音波発生源と隔壁と放射部からなる空間内が大気圧未満であることにより、これらの空間の圧力と大気圧の差により、放射部を構成する膜状部材或いは、補強部材に対して、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に凹形状となる力が加わる。従って、膜状部材や補強部材として平面状の部材を用いることができる。従って、低価格で、高効率で空気に運動量を伝播することができる音響整合層を得ることができる。

【0049】

第１２の発明は、第１から１１のいずれか１つの発明の音響整合層と、前記音響整合層の接合部と接合された音波発生源を備えたことを特徴とする超音波送受信器である。

【0050】

第１から第１１の発明の音響整合層金属等、耐熱性や耐衝撃性などの耐久性に優れた材料で作製することができる。従って、高温環境等、厳しい環境で使用可能な超音波送受信器を得ることができる。

【0051】

第１３の発明は、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第１２の発明の超音波送受信器と、前記超音波送受信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、流速を演算する演算手段と、を備える超音波流速計である。

【0052】

流速を計測する気体は、流路と超音波送受信器に接触する。ここで、流路はその耐久性を満たすため、金属等、耐久性が高い材料で作製することができる。一方、音響整合層は密度（音響インピーダンス）が小さい材料であること必要であるが、金属を中空構造とすることにより、低密度で耐久性に優れた音響整合層を得ることができる。この音響整合層を用いた超音波送受信器を用いることで、耐久性が必要な高温の気体の流速の測定が可能になる。

【0053】

第１４の発明は、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第１２の発明の超音波送受信器と、前記超音波送受信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、流量を演算する演算手段と、を備える超音波流量計である。

【0054】

流量を計測する気体は、流路と超音波送受信器に接触する。ここで、流路はその耐久性を満たすため、金属等、耐久性が高い材料で作製することができる。一方、音響整合層は密度（音響インピーダンス）が小さい材料であること必要であるが、金属を中空構造とすることにより、低密度で耐久性に優れた音響整合層を得ることができる。この音響整合層を用いた超音波送受信器を用いることで、耐久性が必要な高温の気体の流量の測定が可能になる。

【0055】

第１５の発明は、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第１２の発明の一対の超音波送受信器と、前記筐体内部に配置した温度センサと、前記超音波送受信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、伝播速度、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である。

【0056】

濃度を計測する気体は、流路と超音波送受信器に接触する。ここで、流路はその耐久性を満たすため、金属等、耐久性が高い材料で作製することができる。一方、音響整合層は密度（音響インピーダンス）が小さい材料であること必要であるが、金属を中空構造とすることにより、低密度で耐久性に優れた音響整合層を得ることができる。この音響整合層を用いた超音波送受信器を用いることで、耐久性が必要な高温の気体の濃度の測定が可能になる。

【0057】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

【0058】

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における音波発生源が収縮状態の断面模式図である。図２は、本発明の実施の形態１における音波発生源が収縮状態の斜視図である。

【0059】

図１において、音響整合層１は、膜状部材２、隔壁３、接合部４からなる中空構造体５からなり、接合部４が音波発生源６に接合されている。そして、膜状部材２は、音波発生源６の振動を気体へ伝播する放射部として機能する。

【0060】

図１において、膜状部材２は、厚さ１００μｍ、直径８ｍｍのＳＵＳ３０４箔からなる箔である。隔壁３は、内径７ｍｍ厚さ０．５ｍｍ、高さ２．９ｍｍのＳＵＳ３０４からなる円筒である。接合部４は、厚さ０．３ｍｍ、直径８ｍｍのＳＵＳ３０４からなる板である。音波発生源６は、電圧の印加により伸縮して超音波を発生する圧電素子である。

【0061】

図１に示す通り、中空構造体５は、膜状部材２、隔壁３、接合部４により構成されている。以下、中空構造体５が、音響整合層１として機能するメカニズムを示す。

【0062】

まず、音波発生源６が収縮状態にある場合を説明する。

【0063】

音波発生源６が収縮状態の場合、振り子やバネの運動と同様に接合部４の速度は最小である０であり、図１に示す上向きの加速度方向（音波伝播方向）の加速度は最大になる。接合部４の加速度は隔壁３に対して音波伝播方向に対して平行方向、即ち隔壁３を圧縮する方向に作用する。ＳＵＳ３０４は圧縮に対して非常に強度が高いため、加速度による変形は非常に小さく、膜状部材２は、隔壁３と接合されている接合部分２ａの加速度は接合部４の加速度とほぼ同等になる。同時に、隔壁３は膜状部材２に対して音波伝播方向に加速度を加えるが、この際、膜状部材２は音波伝播方向に対して略垂直な面に対して平行になっている。

【0064】

このため、図２に示す通り、膜状部材２は、隔壁３との接合部分２ａに近い部分は隔壁３に追従し、隔壁３との接合部分２ａから遠い部分を音波伝播方向に加速するため、同方向に力を加える。この際、作用反作用の法則により、接合部分２ａに近い部分は、隔壁３から遠い部分の方向から引張力を受ける。従って、膜状部材２は、図２に示すようにたわむことになる。この結果、膜状部材２から空気へは運動量を伝播することができるが、それは隔壁３から近い部分を介してが支配的になる。

【0065】

しかし、隔壁３は円筒型であるため、隔壁３の伸縮により膜状部材２へ加えられる加速度は対称的である。このため、膜状部材２は、対称性を保ちつつ変形するため、たわみの影響を少なくすることができ、（隔壁３が多角形である場合に想定される）しわも発生し難い。従って、放射面である膜状部材２から発生する音波の対称性も保たれ、高効率で音波を気体に伝播させることができる。

【0066】

以上の理由により、隔壁３の直径が小さい程、音響整合層の面積に対して気体へ運動量の伝播に寄与する面積の割合が高くなり、より多くの運動量を伝播することができる。一方、隔壁３の直径が小さくなると、音響整合層に占める隔壁３の割合が大きくなるため、見かけの密度の低減には限界がある。

【0067】

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における音波発生源が収縮状態の断面模式図である。図４は本発明の実施の形態２における音波発生源が伸長状態の断面模式図である。図５は本発明の実施の形態２における音波発生源が収縮状態の斜視図である。

【0068】

図３において、音響整合層１は、膜状部材２、隔壁３、接合部４からなる中空構造体５からなり、接合部４が音波発生源６に接合されている。

【0069】

図３において、膜状部材２は、厚さ１００μｍ、直径８ｍｍのＳＵＳ３０４箔からなり、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に凹形状になっている。隔壁３は、内径７ｍｍ厚さ０．５ｍｍ、高さ２．９ｍｍのＳＵＳ３０４からなる円筒である。接合部４は、厚さ０．３ｍｍ、直径８ｍｍのＳＵＳ３０４からなる板である。音波発生源６は電圧の印加により伸縮して超音波を発生する圧電素子である。

【0070】

図３に示す通り、中空構造体５は、膜状部材２、隔壁３、接合部４により構成されている。以下、中空構造体５が、音響整合層１として機能するメカニズムを示す。

【0071】

まず、音波発生源６が収縮状態にある場合を説明する。
音波発生源６が収縮状態の場合、振り子やバネの運動と同様に接合部４の速度は最小である０であり、図３に示す上向きの加速度方向（音波伝播方向）の加速度は最大になる。接合部４の加速度は隔壁３に対して音波伝播方向に対して平行方向、即ち隔壁３を圧縮する方向に作用する。ＳＵＳ３０４は圧縮に対して非常に強度が高いため、加速度による変形は非常に小さく、膜状部材２と接合されている接合部分２ａの加速度は接合部４の加速度とほぼ同等になる。同時に、隔壁３は膜状部材２に対して音波伝播方向に加速度を加えるが、この際、膜状部材２は音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に凹形状になっている為、膜状部材２の各部分には引張力が加わった状態となっている。この現象は、ロープ等、細長い部材が懸垂線となっている場合、各部分には引張力が加わるのと同様の現象である。

【0072】

従って、隔壁３から加えられた加速度により膜状部材２に発生する引張力による膜状部材２の変形量は図１に示す膜状部材２が平面の場合よりも小さくなり、膜状部材２は、ほぼ全面が気体へ運動量を伝播することに寄与しうる。従って、気体に対して音、即ち運動量を高効率で伝播することができる。

【0073】

次に、音波発生源６が伸長状態にある場合を説明する。

【0074】

音波発生源６が伸長状態の場合、振り子やバネの運動と同様に接合部４の速度は最小である０であり、図４に示す下向きの加速度方向（音波発生源方向）の加速度は最大になる。接合部４の加速度は隔壁３に対して音波伝播方向に対して平行方向、即ち隔壁３を伸長する方向に作用する。ＳＵＳ３０４は引張に対しても非常に強度が高いため、加速度による変形は非常に小さく、膜状部材２と接合されている部分の加速度は接合部４の加速度とほぼ同等になる。

【0075】

図５に示す通り、膜状部材２は隔壁３に接合されており、隔壁３から距離が大きくなるに従って凹形状になっているため、隔壁３が伸長すると、膜状部材２に引張力を加える。引張力の加わり方は、図３で説明した通りである。ここで、図２では引張力が隔壁３付近には強く加わるため、隔壁３から遠い部分へは力が伝わり難いため、膜状部材の２の中心部の振動が小さくなるが、図５では膜状部材２には、中心部付近まで引張力が伝わるため、より効率的に空気に運動量を伝えることができる。

【0076】

従って、隔壁３から加えられた加速度により膜状部材２に発生する圧縮力による膜状部
材２の変形量は小さくなり、膜状部材２は、ほぼ全面が気体へ運動量を伝播することに寄与しうる。従って、気体に対して音波、即ち運動量を高効率で伝播することができる。

【0077】

以上のように、本実施の形態によると、膜状部材２を凹形状とすることにより、中空構造体に音波発生源から加速度が加わった際、膜状部材２が変形しにくく、高効率で音波を気体に伝播することができる。

【0078】

なお、本実施の形態において、膜状部材２、隔壁３、接合部４の接合方法は溶接、ロウ付け、拡散接合等を用いることができるがこれらに限定するものではない。

【0079】

（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３における音波発生源が収縮状態の断面模式図である。図７は本発明の実施の形態３における音波発生源が伸長状態の断面模式図である。

【0080】

実施の形態３では、実施の形態２における膜状部材２の凹形状を、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略懸垂線形状として実施した。その他は、実施の形態２と同様である。

【0081】

そして、膜状部材２が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略懸垂線形状であることにより、膜状部材２には、曲げ応力ではなく、引張力が加わるため、より変形を抑えることができる。

【0082】

ここで、ＳＵＳ３０４からなる膜状部材２の引張と圧縮による変形に関して考察する。

【0083】

上記のメカニズムで、膜状部材２が音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略懸垂線形状である場合、材料が引張や圧縮により伸縮しない場合、膜状部材の中心は隔壁の伸縮に完全に追従すると考えられるが、実際には僅かではあるが伸縮するため、中心の伸縮度合いは、隔壁３の伸縮度合いより小さくなる。一般に、密な材料であれば、圧縮による変形は非常に小さい。従って、膜状部材２は、引張強度が大きく、密度が小さい材料（比強度が大きい）が望ましい。

【0084】

例えば、ＳＵＳ３０４の引張強度は５００ＭＰａ、密度は７．９５ｇ／ｃｍ^３程度であるから、密度に対する引張強度の大きさ、即ち比強度は６２．９ｋＮ・ｍ／ｋｇ程度である。アルミニウム（Ａ１０５０）の引張強度は７８ＭＰａ、密度は２．７ｇ／ｃｍ^３程度であるから、比強度は２８．９ｋＮ・ｍ／ｋｇ程度、アルミニウム合金の引張強度は６００ＭＰａ、密度は２．７ｇ／ｃｍ^３程度であるから、比強度は２２２．２ｋＮ・ｍ／ｋｇ程度である。また、チタンの引張強度は３９３ＭＰａ、密度は４．５１ｇ／ｃｍ^３程度であるから、比強度は８７．１ｋＮ・ｍ／ｋｇ程度である。

【0085】

更に、ガラス繊維の引張強度は３５００ＭＰａ、密度は２．５ｇ／ｃｍ^３程度であるから、比強度は１４００ｋＮ・ｍ／ｋｇ程度であり、炭素繊維の引張強度は４０００ＭＰａ、密度は１．７ｇ／ｃｍ^３程度であるから、比強度は２３５２ｋＮ・ｍ／ｋｇ程度となり、金属と比較しても著しく大きな値を示す。これらの材料（ガラス繊維や炭素繊維）では膜状部材を形成することは困難であるが、これらにより強化した樹脂との複合材料で膜状部材を作製することにより、優れた特性が期待できる。

【0086】

上記の通り、主な金属材料の比強度は２０ｋＮ・ｍ／ｋｇ以上である。これに対し、ゴムの引張強度は１５ＭＰａ、密度は０．９２ｇ／ｃｍ^３程度であるから、比強度は１６．３ｋＮ・ｍ／ｋｇ程度である。

【0087】

柔軟な材料であるゴムを膜状部材として用いた場合は、整合層としての特性を得るのは難しい。これらを鑑みると、整合層としての特性を得るための比強度は２０ｋＮ・ｍ／ｋｇ以上必要であると考えられる。

【0088】

（実施の形態４）
図８は本発明の実施の形態４における音波発生源が収縮状態の断面模式図である。図９は本発明の実施の形態４における音波発生源が伸長状態の断面模式図である。

【0089】

図８において、音響整合層１は、膜状部材２、隔壁３、接合部４からなる中空構造体５からなり、接合部４が音波発生源６に接合されている。そして、膜状部材２は、音波発生源６の振動を気体へ伝播する放射部として機能する。

【0090】

図８において、膜状部材２は、厚さ１００μｍ、直径８ｍｍのＳＵＳ３０４箔からなり、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に凸形状になっている。隔壁３は、内径７ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、高さ２．９ｍｍのＳＵＳ３０４からなる円筒である。接合部４は、厚さ０．３ｍｍ、直径８ｍｍのＳＵＳ３０４からなる板である。音波発生源６は、電圧の印加により伸縮して超音波を発生する圧電素子である。

【0091】

図８に示す通り、中空構造体５は、膜状部材２、隔壁３、接合部４により構成されている。以下、中空構造体５が、音響整合層として機能するメカニズムを示す。

【0092】

まず、音波発生源６が収縮状態にある場合を説明する。

【0093】

音波発生源６が収縮状態の場合、接合部４の加速度は隔壁３に対して音波伝播方向に対して平行方向、即ち隔壁３を圧縮する方向に作用する。ＳＵＳ３０４は圧縮に対して非常に強度が高いため、加速度による変形は非常に小さく、膜状部材２と接合されている接合部分２ａの加速度は接合部４の加速度とほぼ同等になる。同時に、隔壁３は膜状部材２に対して音波伝播方向に加速度を加えるが、この際、膜状部材２は音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に凸形状になっている為、膜状部材２の各部分には圧縮力が加わった状態となっている。この現象は、アーチ形状の構造の各部分には圧縮力が加わるのと同様の現象である。

【0094】

従って、隔壁３から加えられた加速度により膜状部材２に発生する圧縮力による膜状部材２の変形量は図１に示す膜状部材２が平面の場合よりも小さくなり、気体に対して音波、即ち運動量を高効率で気体に伝播することができる。

【0095】

次に、音波発生源が伸長状態にある場合を説明する。

【0096】

音波発生源６が伸長状態の場合、図９に示す下向きの加速度方向（音波発生源方向）の加速度は最大になる。接合部４の加速度は隔壁３に対して音波伝播方向に対して逆方向、即ち隔壁３を引張る方向に作用する。ＳＵＳ３０４は引張に対して非常に強度が高いため、加速度による変形は非常に小さく、膜状部材２と接合されている接合部分２ａの加速度は接合部４の加速度とほぼ同等になる。同時に、隔壁３は、膜状部材２に対して音波発生源方向に加速度を加えるが、この際、膜状部材２は音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に凸形状になっている為、膜状部材２の各部分には引張力が加わった状態となっている。この現象は、ロープ等、細長い部材が懸垂線となっている場合、各部分には引張力が加わるのと同様の現象である。

【0097】

従って、隔壁３から加えられた加速度により膜状部材２に発生する引張力による膜状部材２の変形量は図１に示す膜状部材２が平面の場合よりも小さくなり、気体に対して音波
、即ち運動量を高効率で伝播することができる。

【0098】

以上のように、実施の形態４で、音波発生源が収縮状態の場合、実施の形態２で音波発生源が伸長状態の場合と同様の力が膜状部材２に加わる。一方、音波発生源が伸長状態の場合、膜状部材２には実施の形態２で音波発生源が収縮状態と同様の力が加わる。しかし、予め膜状部材２を音波伝播方向に凸形状としておくことにより、音波発生源から加速度が加わった際、変形しにくく高効率で音波を気体に伝播することができる。

【0099】

なお、本実施の形態において、膜状部材２、隔壁３、接合部４の接合方法は溶接、ロウ付け、拡散接合等を用いることができるがこれらに限定するものではない。

【0100】

（実施の形態５）
図１０は本発明の実施の形態５における音波発生源が収縮状態の断面模式図である。図１１は本発明の実施の形態５における音波発生源が伸長状態の断面模式図である。

【0101】

実施の形態５では、実施の形態３における膜状部材２の凸形状を、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略アーチ形状として実施した。その他は、実施の形態３と同様である。

【0102】

図１０において、音響整合層１は、膜状部材２、隔壁３、接合部４からなる中空構造体５からなり、接合部４が音波発生源６に接合されている。

【0103】

実施の形態５で、音波発生源６が収縮状態の場合、実施の形態３での音波発生源が伸長状態の場合に相当し、実施の形態５で音波発生源６が伸長状態の場合、実施の形態３で音波発生源６が収縮状態の場合に相当する。そして、膜状部材２は、音波発生源６の振動を気体へ伝播する放射部として機能する。

【0104】

そして、膜状部材２の形状を音波伝播方向に略アーチ形状することにより、加速度による変形を小さく抑えることができ、中空構造体５に音波発生源６から加速度が加わった際、変形しにくく、高効率で音波を気体に伝播することができる
（実施の形態６）
図１２は本発明の実施の形態６における音波発生源が収縮状態の断面模式図である。図１３は本発明の実施の形態６における音波発生源が伸長状態の断面模式図である。

【0105】

図１２において、音響整合層１は、膜状部材２、隔壁３、接合部４からなる中空構造体５からなり、接合部４が音波発生源６に接合されている。更に、中空構造体５の内部には、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に凸形状である補強部材７が内包されており、補強部材７の外周部７ａは、隔壁３と接合部４との部分で接合され、頂点部分７ｂは、膜状部材２が接合されている。そして、膜状部材２は、音波発生源６の振動を気体へ伝播する放射部として機能する。

【0106】

図１２において、膜状部材２は、厚さ２０μｍ、直径８ｍｍの、平面状のアルミ箔からなる。隔壁３は、内径７ｍｍ厚さ０．５ｍｍ、高さ２．９ｍｍのアルミニウムからなる円筒である。接合部４は、厚さ０．３ｍｍ、直径８ｍｍのＳＵＳ３０４からなる板である。音波発生源６は、電圧の印加により伸縮して超音波を発生する圧電素子である。

【0107】

以下、膜状部材２と中空構造体５が、音響整合層１として機能するメカニズムを示す。

【0108】

まず、音波発生源６が収縮状態にある場合を説明する。

【0109】

音波発生源６が収縮状態にある場合、接合部４の加速度は隔壁３と補強部材７に対して圧縮力を加える。補強部材７へ圧縮力が加わる現象は、アーチ形状の構造の各部分には圧縮力が加わるのと同様の現象である。従って、補強部材７の変形は小さく、補強部材７に接合された膜状部材２の中央部２ｂ付近の変形も小さくなる。一方、膜状部材２と隔壁３の接合部分２ａから、膜状部材２の中間部２ｃ付近には音波発生源方向へ曲げ応力が加わる。ここで、膜状部材２と隔壁３の接合部分２ａから中間部２ｃ付近へのスパンが短いため、膜状部材２の変形は小さくなる。

【0110】

以上より、隔壁３から加えられた加速度による膜状部材２の変形は小さく、気体に対して音波、即ち運動量を高効率で伝播することができる。

【0111】

次に、音波発生源が伸長状態にある場合を説明する。

【0112】

音波発生源が伸長状態にある場合、隔壁３は補強部材７に対して音波発生源方向に加速度を加えるが、この際、補強部材７は音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に凸形状になっている。

【0113】

従って、補強部材７の各部分には引張力が加わる。この現象は、ロープ等、細長い部材が懸垂線となっている場合、各部分には引張力が加わるのと同様の現象である。

【0114】

従って、補強部材７の変形は小さく、補強部材７に接続された膜状部材２の中央部２ｂ付近の変形も小さくなる。一方、膜状部材２と隔壁３の接合部分２ａから、膜状部材２の中間部２ｃ付近には音波伝播方向へ曲げ応力が加わる。ここで、膜状部材２と隔壁３の接合部分２ａから中間部２ｃへのスパンが短いため、膜状部材２の変形は小さくなる。

【0115】

以上より、膜状部材２を補強部材７で補強することで、膜状部材２の変形を防止することができ、薄いアルミ箔のように、曲げ加工による成型が難しい材料であっても、膜状部材として用いることができるようになる。

【0116】

なお、本実施の形態において、膜状部材２、隔壁３、接合部４、補強部材７の接合方法は溶接、ロウ付け、拡散接合、接着剤等を用いることができるがこれらに限定するものではない。

【0117】

（実施の形態７）
図１４は本発明の実施の形態７における音波発生源が収縮状態の断面模式図である。図１５は本発明の実施の形態７における音波発生源が伸長状態の断面模式図である。

【0118】

実施の形態７では、実施の形態３において、膜状部材２と接合部４を、円筒状の補強部材７で接合したものである。ここで、補強部材７の中心部は、膜状部材２の中央部に配置されている。その他は、実施の形態３と同様である。

【0119】

図１４に示すように、音波発生源６が収縮状態の場合は膜状部材２には、引張力が加わるため、僅かではあるが伸びにることにより、中央部付近は隔壁３の加速度方向と逆方向に延びる。ここで、補強部材７は、膜状部材２に対して隔壁３と同じ方向に加速度を加える。従って、膜状部材２の伸びによる変形を抑えることができ、より高効率で気体へ運動量を伝播させることができる。

【0120】

一方、図１５に示すように、音波発生源６が収縮伸長状態の場合は膜状部材２には、圧縮力が加わるため、僅かではあるが縮むことになる。ここで、補強部材７は、膜状部材２に対して隔壁３と同じ方向に加速度を加える。従って、膜状部材２の収縮による変形を抑
えることができ、より高効率で気体へ運動量を伝播させることができる。

【0121】

以上のように、音波発生源６が収縮状態、伸長状態いずれの状態にある場合でも、補強部材７により膜状部材２の変形を抑えることができ、より高性能な音響整合層を得ることができる。

【0122】

（実施の形態８）
図１６は本発明の実施の形態８における音波発生源が収縮状態の断面模式図である。図１７は本発明の実施の形態８における音波発生源が伸長状態の断面模式図である。

【0123】

図１６において、音響整合層１は、膜状部材２、隔壁３、接合部４からなる中空構造体５からなり、接合部４が音波発生源６に接合されている。そして、膜状部材２は、音波発生源６の振動を気体へ伝播する放射部として機能する。

【0124】

図１７において、膜状部材２は、厚さ５０μｍ、直径８ｍｍのＳＵＳ３０４箔からなり、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に凹形状になっている。隔壁３は、内径７ｍｍ厚さ０．５ｍｍ高さ２．９ｍｍのＳＵＳ３０４からなる円筒である。接合部４は厚さ０．３ｍｍ、直径８ｍｍのＳＵＳ３０４からなる板である。音波発生源６は電圧の印加により伸縮して超音波を発生する圧電素子である。

【0125】

ここで、膜状部材２、隔壁３、接合部４は真空中で拡散接合により接合されていることにより、中空構造体５の内部は真空になっている。このため、膜状部材２には音波発生源方向に曲げ応力が加わった結果、凹形状になっている。従って、実施の形態２と同様に、音響整合層としての特性が得られる。

【0126】

なお、本実施の形態において、中空構造体５内を真空にできる接合方法であれば、膜状部材２、隔壁３、接合部４、補強部材７の接合方法は溶接、ロウ付け、拡散接合、接着剤等を用いることができるがこれらに限定するものではない。

【0127】

（実施の形態９）
図１８は本発明の実施の形態９における超音波送受信器の断面図である。

【0128】

図１８に示す通り、超音波送受信器８は、実施の形態１～７で説明した音響整合層１が、音波発生源６に接合部４を介して接合されている。音波発生源６は、圧電素子からなり、接合面側の電極に接続された信号線９と対面側の電極に接続された信号線１０が接続されている。そして、信号線９と信号線１０に電圧を加えることにより、圧電素子はその周波数に応じた頻度で伸縮し、音響整合層１に加速度を与える。ここで、隔壁３は音波発生源６の周囲より内側にあることにより、隔壁３へは音波発生源の伸縮を高効率で伝播することができる。従って、優れた特性を有する超音波送受信器を得ることができる。

【0129】

（実施の形態１０）
図１９は本発明の実施の形態１０における超音波流速計の概念図である。

【0130】

図１９に示す通り、超音波流速計１１は、流路１２に対して、超音波送受信器１３、超音波送受信器１４が斜めに取り付けられている。更に、超音波送受信器１３と１４は計時装置１５に接続され、計時装置１５は演算手段１６が接続されている。

【0131】

流路１２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播方向の角度をθとする。超音波送受信器１３を超音波送信器、超音波送受信器１４を超音波受信器として用いたときに、超音波送受信器１３から出た
超音波が超音波送受信器１４に到達する伝播時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） ・・・（２）
で示される。

【0132】

次に、超音波送受信器１３から出た超音波パルスが超音波送受信器１４に到達する伝播時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ－Ｖｃｏｓθ） ・・・（３）
で示される。

【0133】

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

【0134】

Ｌとθが既知であれば、計時装置１５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１６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１６は、上記Ｑ＝ＫＳＶを演算するものである。

【0135】

超音波送受信器は流体に暴露されるため、流体が高温である場合、耐熱性が必要とされ、腐食性を有する場合は耐食性が必要とされるように、耐久性が必要となる場合、これらは金属等、耐熱性や耐食性等の耐久性を有する材料であることが必要である。ここで、音波発生源はステンレス等の耐久性を有する材料で被うことにより、耐久性を確保することができるが、音響整合層は流体へ超音波を伝播させる必要があることから、何らかの部材で被うことは困難である。ここで、音響整合層が耐久性を有する金属等であるため、優れた耐久性を有する超音波流速計を得ることができる。

【0136】

（実施の形態１１）
図２０は本発明の実施の形態１１における超音波流量計の概念図である。

【0137】

図２０に示す通り、超音波流量計１７は、流路１２に対して、超音波送受信器１３、超音波送受信器１４が斜めに取り付けられている。更に、超音波送受信器１３と１４は計時装置１５に接続され、計時装置１５は演算手段１８が接続されている。

【0138】

実施の形態９と同様の方法で算出した流速と、流路１２の面積をかけることにより、流量が算出される。

【0139】

超音波流速計と同様に、優れた耐久性を有する超音波流量計を得ることができる。

【0140】

（実施の形態１２）
図２１は本発明の実施の形態１２における超音波濃度計の断面図である。

【0141】

図２１に示す通り、超音波濃度計１９は、気体濃度を測定するための濃度測定空間２０を有する筐体２１を備えており、筐体２１には被計測流体を通すための通気孔２２が設けられている。筐体２１における濃度測定空間２０の形状は例えば直方体や円筒型が可能である。濃度測定空間２０は、必ずしも筐体２１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２１の一部を欠損させ、その欠損部において濃度測定空間２０が外部に開放されていてもよい。

【0142】

濃度測定空間２０内に、実施の形態８で説明した超音波送受信器８の構成を用いた一対の超音波送受信器２３、２４を対向するように配置し、さらに、温度センサ２５を収容し
、計時装置２６および演算手段２７に接続されている。

【0143】

次に、気体濃度計の動作を説明する。

【0144】

超音波送受信器２３を超音波送信器として用いる場合、計時装置２６の動作に基づいて超音波を送信する。超音波送受信器２４は、超音波受信器として機能し、超音波送受信器２３から送信された超音波は、濃度測定空間２０に満たされた被計測流体中を伝播し、超音波受信器として用いた超音波送受信器２４は、超音波を受信する。計時装置２６は、超音波が送信されてから受信されるまでの伝播時間と、予め定められた超音波の伝播距離Ｌに基づいて、超音波の伝播速度Ｖｓを求める。
この被計測流体である混合ガス中を伝播する超音波の伝播速度Ｖｓは、式（５）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。

【0145】

Ｖｓ＝γ・Ｒ・Ｔ／Ｍ ・・・（５）
混合ガス中のガス成分が既知のときは、ガスの絶対温度Ｔ及び伝播速度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（６）のようになる。

【0146】

ガスａの濃度（％）＝Ｍ－ｍｂ ／ ｍａ－ｍｂ×１００ ・・・（６）
ｍａ及びｍｂはそれぞれａガス及びｂガスの分子量を表す。

【0147】

超音波送受信器は流体に暴露されるため、流体が高温である場合、腐食性を有する場合など、耐久性が必要となる場合、これらは金属等の耐久性を有する材料であることが必要である。ここで、音波発生源はステンレス等の耐久性を有する材料で被うことにより、耐久性を確保することができるが、音響整合層は流体へ超音波を伝播させる必要があることから、何らかの部材で被うことは困難である。ここで、音響整合層が耐久性を有する金属等であるため、優れた耐久性を有する超音波濃度計を得ることができる。

【0148】

以下、実施例により、本発明を更に詳しく説明する。実施例では音響整合層の特性の評価指標として、音波発生源として用いる圧電素子に接合した音響整合層を対にして１００ｍｍ離して設置し、一方の超音波発生源から発した超音波が、他方の音響整合層から、圧電素子に伝播して起電力が発生するようにする。更に、オシロスコープによりこの起電力を測定する。起電力は、音響整合層の伝播特性の増加関数であることから、起電力により、音響整合層の伝播特性が明らかとなる。

【実施例】

【0149】

（実施例１）
実施の形態２において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が０．２ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は１０ｍＶであった。

【0150】

（実施例２）
実施の形態２において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が０．４ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は２０ｍＶであった。

【0151】

（実施例３）
実施の形態２において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が０．６ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は３５ｍＶであった。

【0152】

（実施例４）
実施の形態２において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が０．８ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は４０ｍＶであった。

【0153】

（実施例５）
実施の形態２において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が１．０ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は４０ｍＶであった。

【0154】

（実施例６）
実施の形態２において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が１．２ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は３７ｍＶであった。

【0155】

（実施例７）
実施の形態２において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が１．４ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は３２ｍＶであった。

【0156】

（実施例８）
実施の形態３において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略懸垂線形状とした。更に、中央部付近の窪みを０．２ｍｍとして評価を行った。
上記の場合、起電力は２０ｍＶであった。

【0157】

（実施例９）
実施の形態３において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略懸垂線形状とした。更に、中央部付近の窪みを０．４ｍｍとして評価を行った。
上記の場合、起電力は３０ｍＶであった。

【0158】

（実施例１０）
実施の形態３において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略懸垂線形状とした。更に、中央部付近の窪みを０．６ｍｍとして評価を行った。
上記の場合、起電力は３５ｍＶであった。

【0159】

（実施例１１）
実施の形態３において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波
伝播方向に略懸垂線形状とした。更に、中央部付近の窪みを０．８ｍｍとして評価を行った。
上記の場合、起電力は４５ｍＶであった。

【0160】

（実施例１２）
実施の形態３において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略懸垂線形状とした。更に、中央部付近の窪みを１．０ｍｍとして評価を行った。
上記の場合、起電力は５０ｍＶであった。

【0161】

（実施例１３）
実施の形態３において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略懸垂線形状とした。更に、中央部付近の窪みを１．２ｍｍとして評価を行った。
上記の場合、起電力は５０ｍＶであった。

【0162】

（実施例１４）
実施の形態３において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略懸垂線形状とした。更に、中央部付近の窪みを１．４ｍｍとして評価を行った。
上記の場合、起電力は５０ｍＶであった。

【0163】

実施例１～１４から判る通り、膜状部材の曲率が小さい場合、起電力が小さいが、中央部付近の変形が大きくなるに従って、起電力が大きくなる。これは、曲率が小さい程、膜状部材に対して曲げ応力が加わる度合いが大きいためであると考えられる。

【0164】

更に、実施例１から７、と実施例８から１４それぞれの中央部付近の窪みが同じもので起電力を比較すると、実施例８から１４の方が起電力が大きいことが判る。これは膜状部材が、懸垂線構造であることにより、音波発生源の加速度へ追従する効果が高まったためであると考えられる。

【0165】

（実施例１５）
実施の形態４において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が０．２ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は１０ｍＶであった。

【0166】

（実施例１６）
実施の形態４において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が０．４ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は２０ｍＶであった。

【0167】

（実施例１７）
実施の形態４において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が０．６ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は３５ｍＶであった。

【0168】

（実施例１８）
実施の形態４において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が０．８ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は４０ｍＶであった。

【0169】

（実施例１９）
実施の形態４において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が１．０ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は４０ｍＶであった。

【0170】

（実施例２０）
実施の形態４において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が１．２ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は３７ｍＶであった。

【0171】

（実施例２１）
実施の形態４において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が１．４ｍｍのものである。
上記の場合、起電力は３２ｍＶであった。

【0172】

（実施例２２）
実施の形態５において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略アーチ形状とした。更に、中央部付近の変形を０．２ｍｍとして評価を行った。
上記の場合、起電力は２０ｍＶであった。

【0173】

（実施例２３）
実施の形態５において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略アーチ形状とした。更に、中央部付近の変形を０．４ｍｍとして評価を行った。
上記の場合、起電力は３０ｍＶであった。

【0174】

（実施例２４）
実施の形態５において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略アーチ形状とした。更に、中央部付近の変形を０．６ｍｍとして評価を行った。
上記の場合、起電力は３５ｍＶであった。

【0175】

（実施例２５）
実施の形態５において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略アーチ形状とした。更に、中央部付近の変形を０．８ｍｍとして評価を行った。
上記の場合、起電力は４５ｍＶであった。

【0176】

（実施例２６）
実施の形態５において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略アーチ形状とした。更に、中央部付近の変形を１．０ｍｍとして評価を行っ
た。
上記の場合、起電力は５０ｍＶであった。

【0177】

（実施例２７）
実施の形態５において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略アーチ形状とした。更に、中央部付近の変形を１．２ｍｍとして評価を行った。
上記の場合、起電力は５０ｍＶであった。

【0178】

（実施例２８）
実施の形態５において、膜状部材が、音波伝播方向に対して略垂直な面に対して、音波伝播方向に略アーチ形状とした。更に、中央部付近の変形を１．４ｍｍとして評価を行った。
上記の場合、起電力は５０ｍＶであった。

【0179】

実施例１５から２１、と実施例２２から２８それぞれの中央部付近の変形が同じもので起電力を比較すると、実施例２２から２８の方が起電力が大きいことが判る。これは膜状部材が、アーチ構造であることにより、音波発生源の加速度へ追従する効果が高まったためであると考えられる。

【0180】

更に、各実施例から判る通り、膜状部材の曲率が小さい場合、起電力が小さいが、中央部付近の変形が大きくなるに従って、起電力が大きくなる。これは、曲率が小さい程、膜状部材に対して曲げ応力が加わる度合いが大きいためであると考えられる。更に、実施の形態２と４、実施の形態３と５それぞれの中央部付近の変形が同じ場合、起電力は同じになる。これは、実施の形態で説明した通り、実施の形態２での音波発生源が収縮状態の場合と、実施の形態４で音波発生源が伸長状態の場合では、膜状部材に同一の力が加わっているためであると考えられる。同様に、実施の形態３で音波発生源が伸長状態の場合と実施の形態５で音波発生源が収縮状態の場合、膜状部材には同一の力が加わっているためであると考えられる。
（実施例２９）
実施の形態６において、下記の通り起電力の評価を行った。
隔壁３の膜状部材２との接合部が含まれる面を基準面として、中央部付近の変形が２．７ｍｍのものである。中央部付近の変形と補強部材の厚さ（０．２ｍｍ）の合計が隔壁の高さと同一になるため、隔壁と膜状部材の接合部と、膜状部材が同一面になる。
上記の場合、起電力は２８ｍＶであった。

【0181】

補強部材の形状は、実施例１１、実施例１２の膜状部材とほぼ同じ形状であるにも関わらず、起電力が小さくなっているがこれは、膜状部材の中央部付近と、隔壁との接合部材間では補強されていないため、音響整合層の加速度によりたわんだためであると考えられる。

【0182】

以上のように、本発明によると従来は密度（音響インピーダンス）が大きいため、整合層としては不適な材料を音響整合層として用いることが可能となる。更に、複雑な構成をとる必要がないため、安価に高性能な音響整合層を得ることができる。

【産業上の利用可能性】

【0183】

以上のように、本発明にかかる音響整合層は、金属やセラミックス等、耐熱性や耐熱性に優れた材料を用いることができる。従って、自動車、発電、航空機の熱機関等、高温に対する耐久性が必要であるため、従来は適用が難しかった分野への適用も可能である。

【符号の説明】

【0184】

１ 音響整合層
２ 膜状部材（放射部）
３ 隔壁
４ 接合部
５ 中空構造体
６ 音波発生源
７ 補強部材
８ 超音波送受信器
９ 信号線
１０ 信号線
１１ 超音波流速計
１２ 流路
１３ 超音波送受信器
１４ 超音波送受信器
１５ 計時装置
１６ 演算手段
１７ 超音波流量計
１８ 演算手段
１９ 超音波濃度計
２０ 濃度測定空間
２１ 筐体
２２ 通気孔
２３ 超音波送受信器
２４ 超音波送受信器
２５ 温度センサ
２６ 計時装置
２７ 演算手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】