JP2007093548A - センサ及びこれを備えた測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水溶液及び有機溶媒を使用した溶液に浸漬しても精度の高い測定が可能なセンサ及びこれを用いた装置を提供する。
【解決手段】 圧電板と、この両面の内側に設けられた電極と、前記電極から前記圧電板の外側に引き出された端子とを備え、前記圧電板に設けられた両電極のうちの一方の電極は、空間を介して、被覆部材により被覆され、前記被覆部材は、前記圧電板に設けられた端子に接続できるように他の端子を備え、前記圧電板に設けられた端子と、前記被覆部材に設けられた端子とは、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂及びフェノール樹脂の何れかを主剤とする導電性接着剤により固定されることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液中に浸漬された状態で所定振動数の信号を発振する発振子を備えたセンサ及びこれを利用して液中の物質の量を計測する装置に関する。詳細には、水溶液及び有機溶媒を使用した溶液の何れにも使用することが可能なセンサ及びこれを使用した装置に関する。

従来、この種のセンサとして、例えば、特許文献１乃至３に示されるものが開示されている。
これらの文献に記載されるセンサは、圧電板に設けられた両電極の一方を、これと実質上密着することなく一定の絶縁空間を介して非脱イオン溶液が浸透しないようにバリヤー被覆するものである。
しかしながら、このセンサは、気体中、或いは、水溶液中に浸漬して測定することは可能であったが、有機溶媒を使用した溶液に浸漬して測定する場合には、圧電板を接着するための材料が、溶解又は膨潤してしまうことがあり、この変形に伴い圧電板に設けられた電極や端子を構成する金属製の部材や圧電板が破損して、或いは、接着剤が剥離して、発振することができず、測定できないという問題があった。

特許第２７５９６８３号公報 特許第２７５９６８４号公報 特許第２７５９６８９号公報

そこで、本発明は、水溶液及び有機溶媒を使用した溶液に浸漬しても精度の高い測定が可能なセンサ及びこれを用いた装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者等は、鋭意検討の結果、圧電板と被覆部材とを接着する材料に、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂及びフェノール樹脂の何れかを主剤とする導電性接着剤を使用すれば、有機溶媒を使用した溶液に浸漬した場合にも、溶媒により溶解したり、或いは、膨潤し過ぎずに、しかも、速やかに溶媒を吸収するので、発振子の発振が安定するまでの時間が短くて済むという知見に基づき、下記の通り解決手段を見いだした。
即ち、本発明のセンサは、請求項１に記載の通り、圧電板と、この両面の内側に設けられた電極と、前記電極から前記圧電板の外側に引き出された端子とを備え、前記圧電板に設けられた両電極のうちの一方の電極は、空間を介して、浸漬される溶液に対する寸法変化率が１０％以下の材料により構成された被覆部材により被覆され、前記被覆部材は、前記圧電板に設けられた端子に接続できるように他の端子を備え、前記圧電板に設けられた端子と、前記被覆部材に設けられた端子とは、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂及びフェノール樹脂の何れかを主剤とする導電性接着剤により固定されることを特徴とする。
また、請求項２に記載のセンサは、請求項１に記載のセンサにおいて、前記被覆部材は、対象となる溶液に対して、寸法変化率を１０％以下の材料により構成したことを特徴とする。
また、請求項３に記載のセンサは、請求項２に記載のセンサにおいて、前記被覆部材は、無機材料から構成されることを特徴とする。
また、本発明の測定装置は、請求項４に記載の通り、請求項１乃至３の何れかに記載のセンサを備えたことを特徴とする。

本発明のセンサは、上述の通り、圧電板の片側に設けられた電極と、被覆部材に設けられた端子とをエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂及びフェノール樹脂の少なくとも何れかを主剤とする導電性接着剤をにより接着することにより、有機溶媒を使用した溶液に浸漬した場合であっても、溶液が導電性接着剤に速やかに浸透して、発振子が安定して発振するまでの時間を短くすることができる。
また、被覆部材は、対象となる溶液に対して、寸法変化率を１０％以下の材料により構成したことにより、被覆部材を含む基板の形状の変化に伴う圧電板にかかるストレスを軽減することができ、精度の高い測定が可能となる。
また、本発明の測定装置は、上記センサを備えることにより、水溶液及び有機溶媒を使用した溶液の何れでも測定することができ、しかも、測定までの時間が短い測定装置とすることができる。

以下、図面を参照し、本発明の一実施の形態について説明する。尚、本発明は、この実施の形態に制限されるものではない。
本実施の形態のセンサは、図１に示されるように、平面形状が矩形状の基板１の一端側に、発振子２を設けている。発振子２は、円形状に形成された圧電板３とその両面の内側（略中央部）に同じく円形状に形成された電極４，５とを備えている。各電極４，５からは、互いに反対方向となるように、圧電板３の外周方向に向かってリード線６，７が設けられており、リード線６，７の外縁部には円弧状に形成された接続端子８，９が形成されている。尚、図示されるように、圧電板３の表側のリード線６は、裏側に回り込み、接続端子８は圧電板３の裏側に配置されている。

また、圧電板３の裏側の電極５は、所定の空間１０を有するようにして、基板１により被覆されている。詳細には、図２に図１のＡ−Ａ断面に示されるように、基板１の一端側の端部に、圧電板３をはめ込むことができる程度の円形状の凹部１１が設けられており、この凹部１１の内周面は階段状に形成されて、圧電板３の裏側の電極５が基板１に接触しないようになっている。
前記凹部１１の内周面の階段の平坦部１２にも接続端子１３，１４が設けられ、これらと、圧電板３に設けられた接続端子８，９は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂及びフェノール樹脂の何れかを主剤とする導電性接着剤１５を介して接着されることになる。これらの樹脂は、水溶液や有機溶媒を使用した溶液において、溶解や膨潤に対して耐性を有するためである。尚、前記樹脂には、導電性フィラーが混入されるが、導電性フィラーとしては導電性を有するものであれば特に制限はなく、例えば、金属やカーボン等を使用することができる。また、フィラーの混入率については、導電性接着剤として、必要な導電性能及び接着性能を有するものであれば特に制限するものではない。導電性接着剤１５としては、銀をフィラーとしたエポキシ樹脂が好ましい。
このように、導電性接着剤１５により、圧電板３に設けられた接続端子８，９と、基板１に設けられた接続端子１３，１４とを接着するようにしたので、有機溶媒を使用した溶液に浸漬した際に、膨潤して大きく変形することがない。従って、圧電板３又は基板１に設けられた接続端子８，９，１３，１４の剥離を防止することができる。
尚、基板１に設けられた接続端子８，９は、基板１内部に設けられた配線１６を介して、圧電板３とは反対側の端部において、外部電源に接続されることになる。

また、前述の通り、圧電板３は、基板１の凹部１１により囲繞されており、図２に示すように、圧電板３と基板１の凹部１１の内周面との間にはシール剤１７が設けられている。このシール剤１７は、圧電板３の端面と凹部１１の内周面との隙間、通常、０．２〜２．０ｍｍの隙間をシールすることができる程度のシール性を有するものであれば特に制限はないが、シリコーン樹脂により構成することが好ましい。有機溶媒を使用した溶液が速やかに染み込むことができるからである。

また、本実施の形態では、被覆部材は、基板１の一部により構成しているが、被覆部材を構成する材料は、寸法変化率が１０％以下の材料とすることが好ましい。また、単一の部材であっても、単一の部材に対して溶液が浸透したりすることがないようにコーティングが施されたものであってもよい
寸法変化率が１０％を超える材料では、有機溶媒を使用した溶液中において、被覆部材が膨潤するまでの間、発振周波数が安定しないことによる測定開始までの時間がかかることや導電性接着剤の剥離等の不都合が生じるからである。

また、基板１を構成する材料としては、ガラス、セラミック、金属、カーボン、水晶等の硬質な無機材料、これらの中でも、セラミックを使用することが好ましい。従来は、シリコーン樹脂等の柔軟な材料を使用しないと、早期に発振周波数を安定させることができないとされていたが、セラミック等の無機材料であっても早期に発振周波数を安定させることを発見したためである。

尚、本明細書において、寸法変化率は、以下のように定義される。
基板１を構成する材料からなる試験片（縦辺１ｃｍ、横辺１ｃｍ、厚さ５ｍｍ）を、温度２５±０．１℃、常圧に設定された恒温槽内に２４時間放置して、精密測長機により、縦辺と横辺の長さを測定して、これらを、それぞれ、ａ，ｂとする。
そして、常圧下において、対象となる溶液中に前記試験片を浸漬して、３時間後に取り出し、上記と同様に、縦辺と横辺の長さを測定し、これらを、それぞれ、ａ'，ｂ'とする。尚、溶液への浸漬に際しては、常温常圧下で、溶液の温度を２５℃±０．１℃に設定する。
そして、下記式により、当該試験片の寸法変化率を算出する。合計５個の試験片に対して寸法変化率を得、その平均値を、本明細書でいう寸法変化率とした。
寸法変化率（％）＝｜（（ｂ'−ｂ）＋（ａ'−ａ））／２｜／（ａ＋ｂ）×１００

上記対象となる溶液とは、本発明のセンサが浸漬される溶液のことで、各測定毎に異なる。尚、測定に使用される溶液の例を挙げると、アセチレン、アセトアルデヒド、アセトニトリル、アセトン、アニリン、イソブチルアルコール、イソプロピルアルコール、ジエチルエーテル、エタノールアミン、エチルアルコール、エチルベンゼン、エチレングリコール、塩化エチル、塩化メチル、キシレン、グリセリン、クロロトルエン、クロロナフタリン、クロロホルム、ジエチルエーテル、ジエチレングリコール、四塩化炭素、ジオキサン、シクロヘキサン、ジクロロベンゼン、ジブチルエーテル、ジメチルスホキシド、ジメチルホルムアミド、テトラクロロエタン、テトラヒドロフラン、トリエタノールアミン、トリクロロエチレン、トルエン、パークロルエチレン、ピリジン、フェノール、ブチルアルコール、ブチルセルソルブ、プロピルアルコール、フロロベンゼン、ヘキサアルデヒド、ヘキサン、ベンジルアルコール、ベンズアルデヒド、ベンゼン、ホルムアルデヒド及びメチルアルコールの何れか又はこれらのうちの少なくとも２種の混合物等がある。

また、本発明の測定装置は、圧電板３の電極４，５に対して交流電圧を印加して振動させ、この振動周波数等の変化を測定することができるものであれば、特に制限はなく、単に発振回路とセンサ３０の周波数等の電気的特性を測定できるものや、ネットワークアナライザ、インピーダンスアナライザを使用したものも当然含まれる。

上記した圧電板３も、公知のものを使用することができ、例えば、水晶以外にも、チタン酸バリウム、ＰＺＴ（登録商標）等を使用することができる。また、その形状についても特に制限はなく、上記説明した円板形状の他に、矩形状等のものも使用することができる。
また、基板１に設けられる接続端子１３，１４や、圧電板３に設けられる電極４，５や接続端子８，９についても、同様に公知のものであり、金等の金属製材料を蒸着等して設けられる。

次に、本発明の以下の構成の実施例のセンサと、比較例のセンサを作製して比較実験を行った。
（実施例１）
図２に示すように、基板１をセラミックにより構成し、圧電板３として厚さ０．１４７５ｍｍ、半径４．３５ｍｍのＡＴカット２７ＭＨｚの水晶を用い、圧電板３の両面の略中央部には、金を厚さ０．５μｍ、半径２．５ｍｍの円形状に蒸着して電極４，５を形成した。そして、圧電板３に設けられた接続端子１３，１４と、基板１に設けられた接続端子８，９とを、銀分散エポキシ樹脂１４により接着して本実施例のセンサとした。

（比較例１）
銀分散エポキシ樹脂を、銀分散シリコーン樹脂に変更した以外は、実施例１のセンサと同じ構成として、比較例１のセンサとした。

液温が、２５±０．１℃に保たれた恒温ヒートブロック内に、８ｍｌのクロロホルムを注入し、そこに、発振回路から基本周波数２７ＭＨｚで水晶を発振させた上記実施例１及び比較例１のセンサを浸漬して、周波数の変動を測定した。図３及び図４に、経時的な周波数変化を示す。
図３は、実施例１のセンサの測定結果であるが、ノイズやうねり等がなく安定して測定をすることができることがわかった。図４は、比較例１のセンサの測定結果であるが、５分で配線又は電極に障害が生じて発振しなくなることがわかった。

本発明は、水溶液及び有機溶媒を使用した溶液を使用した測定においても利用することができる。

本発明の一実施の形態のセンサの平面図 同Ａ−Ａ断面図 実施例１の測定試験結果のグラフ 比較例１の測定試験結果のグラフ

符号の説明

１ 基板
２ 発振子
３ 圧電板
４ 電極
５ 電極
６ リード線
７ リード線
８ 接続端子
９ 接続端子
１０ 空間
１１ 凹部
１２ 平坦部
１３ 接続端子
１４ 接続端子
１５ 導電性接着剤
１６ 配線
１７ シール剤
３０ センサ

Claims (4)

1. 圧電板と、この両面の内側に設けられた電極と、前記電極から前記圧電板の外側に引き出された端子とを備え、前記圧電板に設けられた両電極のうちの一方の電極は、空間を介して、被覆部材により被覆され、前記被覆部材は、前記圧電板に設けられた端子に接続できるように他の端子を備え、前記圧電板に設けられた端子と、前記被覆部材に設けられた端子とは、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂及びフェノール樹脂の何れかを主剤とする導電性接着剤により固定されることを特徴とするセンサ。
2. 前記被覆部材は、対象となる溶液に対して、寸法変化率を１０％以下の材料により構成したことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記被覆部材は、無機材料から構成されることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のセンサを備えたことを特徴とする測定装置。