JP3481298B2 - 溶液センサ - Google Patents
溶液センサInfo
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- JP3481298B2 JP3481298B2 JP07636094A JP7636094A JP3481298B2 JP 3481298 B2 JP3481298 B2 JP 3481298B2 JP 07636094 A JP07636094 A JP 07636094A JP 7636094 A JP7636094 A JP 7636094A JP 3481298 B2 JP3481298 B2 JP 3481298B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は溶液の種類を識別する
溶液センサに係り、特に、すべり弾性表面波を用いた溶
液センサに関する。
溶液センサに係り、特に、すべり弾性表面波を用いた溶
液センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】溶液の種類は、人の味覚や臭覚によって
識別するのが一般的であるが、溶液の電気量を計測して
溶液を識別したり、溶液の特定成分のみを透過する選択
性有機薄膜を用いて溶液を識別する溶液センサが提案さ
れている。更には、すべりモードの板波を用いて溶液の
種類を識別する超音波溶液センサも提案されている。
識別するのが一般的であるが、溶液の電気量を計測して
溶液を識別したり、溶液の特定成分のみを透過する選択
性有機薄膜を用いて溶液を識別する溶液センサが提案さ
れている。更には、すべりモードの板波を用いて溶液の
種類を識別する超音波溶液センサも提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、溶液の電気
量を利用する溶液センサでは、トランスデューサの電気
機械結合係数によってセンサの最大検出感度が決定され
てしまうので、高感度のセンサを実現しにくい。
量を利用する溶液センサでは、トランスデューサの電気
機械結合係数によってセンサの最大検出感度が決定され
てしまうので、高感度のセンサを実現しにくい。
【０００４】また、有機薄膜を利用した溶液センサで
は、薄膜の寿命が短いので、センサも短寿命となってし
まい、然もセンサ感度も不安定となってしまう。
は、薄膜の寿命が短いので、センサも短寿命となってし
まい、然もセンサ感度も不安定となってしまう。
【０００５】更に、すべりモードの板波を利用した溶液
センサでは、板波が基板に沿って伝搬するが、上記板波
の伝搬速度が基板の板厚に依存してしまうので、特定の
周波数の板波を発生させるためには、基板の板厚をその
周波数毎に調整しなければならない。
センサでは、板波が基板に沿って伝搬するが、上記板波
の伝搬速度が基板の板厚に依存してしまうので、特定の
周波数の板波を発生させるためには、基板の板厚をその
周波数毎に調整しなければならない。
【０００６】この発明は、上述の事情を考慮してなされ
たものであり、溶液の種類を高感度に識別できるととも
に、構造の簡素化及び長寿命化を図ることができる溶液
センサを提供することを目的とする。
たものであり、溶液の種類を高感度に識別できるととも
に、構造の簡素化及び長寿命化を図ることができる溶液
センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明は、圧電素子の
表面に導体が固着して構成されたセンサ基板に、貫通孔
を備えたセンサセルが複数個並設されて上記貫通孔内に
液体が貯溜可能とされ、上記基板の表面にすべり弾性表
面波が伝搬可能とされ、上記基板の導体には、上記各セ
ンサセルの上記貫通孔に対応した位置に、圧電素子を露
出した開口が複数形成されるとともに、上記各センサセ
ルの両側に発信電極及び受信電極が複数組上記圧電素子
に直接固着され、これらの発信電極のそれぞれに高周波
発生器が個別に接続されるとともに、上記受信電極のそ
れぞれに伝搬特性計測器が個別に接続され、上記各高周
波発生器にて異なった励振周波数の高周波が出力可能に
構成され、各組の発信電極及び受信電極は、センサ基板
の開口に対応したセンシング用発信電極及びセンシング
用受信電極と、上記開口に対応しないレファレンス用発
信電極及びレファレンス用受信電極とから構成されたも
のである。
表面に導体が固着して構成されたセンサ基板に、貫通孔
を備えたセンサセルが複数個並設されて上記貫通孔内に
液体が貯溜可能とされ、上記基板の表面にすべり弾性表
面波が伝搬可能とされ、上記基板の導体には、上記各セ
ンサセルの上記貫通孔に対応した位置に、圧電素子を露
出した開口が複数形成されるとともに、上記各センサセ
ルの両側に発信電極及び受信電極が複数組上記圧電素子
に直接固着され、これらの発信電極のそれぞれに高周波
発生器が個別に接続されるとともに、上記受信電極のそ
れぞれに伝搬特性計測器が個別に接続され、上記各高周
波発生器にて異なった励振周波数の高周波が出力可能に
構成され、各組の発信電極及び受信電極は、センサ基板
の開口に対応したセンシング用発信電極及びセンシング
用受信電極と、上記開口に対応しないレファレンス用発
信電極及びレファレンス用受信電極とから構成されたも
のである。
【０００８】
【作用】従って、この発明に係る溶液センサによれば、
すべり弾性表面波を用い、被測定溶液及び基準液等の液
体がすべり弾性表面波に及ぼす音響電気相互作用を利用
し、上記基準液及び同一種類の被測定液について、すべ
り弾性表面波を発生させる高周波の励振周波数を異なら
せて、上記すべり弾性表面波の伝搬特性（伝搬速度及び
伝搬減衰）を各励振周波数毎に測定し、これらの測定値
から、上記音響電気相互作用を引き起こす上記液体の比
誘電率及び導電率並びに上記励振周波数に関し非線形な
すべり弾性表面波の液体変化により生ずる伝搬速度変化
率及び伝搬減衰変化率を演算し、被測定溶液の種類を識
別したことから、被測定溶液を人間の知覚以上の高感度
で測定できる。
すべり弾性表面波を用い、被測定溶液及び基準液等の液
体がすべり弾性表面波に及ぼす音響電気相互作用を利用
し、上記基準液及び同一種類の被測定液について、すべ
り弾性表面波を発生させる高周波の励振周波数を異なら
せて、上記すべり弾性表面波の伝搬特性（伝搬速度及び
伝搬減衰）を各励振周波数毎に測定し、これらの測定値
から、上記音響電気相互作用を引き起こす上記液体の比
誘電率及び導電率並びに上記励振周波数に関し非線形な
すべり弾性表面波の液体変化により生ずる伝搬速度変化
率及び伝搬減衰変化率を演算し、被測定溶液の種類を識
別したことから、被測定溶液を人間の知覚以上の高感度
で測定できる。
【０００９】また、寿命の短い選択性有機薄膜を用いて
被測定溶液を識別せず、すべり弾性表面波を用いて識別
しているので、溶液センサの長寿命化を実現できる。
被測定溶液を識別せず、すべり弾性表面波を用いて識別
しているので、溶液センサの長寿命化を実現できる。
【００１０】更に、すべり弾性表面波を利用しているの
で、センサ基板の板厚に無関係に所望の周波数のすべり
弾性表面波を発生させることができる。この結果、すべ
り弾性表面波の周波数を所望の値に設定すべく、センサ
基板の板厚を調整する必要がなく、溶液センサを簡単な
構造に構成できる。
で、センサ基板の板厚に無関係に所望の周波数のすべり
弾性表面波を発生させることができる。この結果、すべ
り弾性表面波の周波数を所望の値に設定すべく、センサ
基板の板厚を調整する必要がなく、溶液センサを簡単な
構造に構成できる。
【００１１】
【実施例】以下、この発明の実施例を、図面に基づいて
説明する。図１は、この発明に係る溶液センサの一実施
例を示す平面図である。図２は、塩化カリウム水溶液の
導電率に対するすべり弾性表面波の伝搬速度変化率及び
伝搬減衰変化率を示すグラフである。図３は、被測定液
の種類を示すテーブルである。図４は、図３の被測定液
に関し主成分分析結果を示すグラフである。図５は、図
４の主成分分析結果の特定箇所を拡大して示すグラフで
ある。図６は、被測定溶液の判別分析結果を示すテーブ
ルである。
説明する。図１は、この発明に係る溶液センサの一実施
例を示す平面図である。図２は、塩化カリウム水溶液の
導電率に対するすべり弾性表面波の伝搬速度変化率及び
伝搬減衰変化率を示すグラフである。図３は、被測定液
の種類を示すテーブルである。図４は、図３の被測定液
に関し主成分分析結果を示すグラフである。図５は、図
４の主成分分析結果の特定箇所を拡大して示すグラフで
ある。図６は、被測定溶液の判別分析結果を示すテーブ
ルである。
【００１２】図１に示すように、溶液センサ１０は、セ
ンサプレート１１上に複数個、例えば３個のセンサブロ
ック１２が並設して構成され、各センサブロック１２の
基板は１枚の基板１３にて共通に構成される。上記セン
サプレート１１は、銅板にて形成される。
ンサプレート１１上に複数個、例えば３個のセンサブロ
ック１２が並設して構成され、各センサブロック１２の
基板は１枚の基板１３にて共通に構成される。上記セン
サプレート１１は、銅板にて形成される。
【００１３】各センサブロック１２は、上記基板１３の
他にセンサセル１４、発信電極１５、受信電極１６、高
周波発生器１７、伝搬特性計測器１８、送信側切換スイ
ッチ１９及び受信側切換スイッチ２０を有して構成され
る。上記発信電極１５は、センシング用発信電極１５Ａ
及びレファレンス用発信電極１５Ｂからなり、上記受信
電極１６は、センシング用受信電極１６Ａ及びレファレ
ンス用受信電極１６Ｂからなる。
他にセンサセル１４、発信電極１５、受信電極１６、高
周波発生器１７、伝搬特性計測器１８、送信側切換スイ
ッチ１９及び受信側切換スイッチ２０を有して構成され
る。上記発信電極１５は、センシング用発信電極１５Ａ
及びレファレンス用発信電極１５Ｂからなり、上記受信
電極１６は、センシング用受信電極１６Ａ及びレファレ
ンス用受信電極１６Ｂからなる。
【００１４】前記基板１３は、36度回転Ｙ板Ｘ伝搬Ｌi
Ｔa Ｏ3 等の圧電結晶から構成されたプレート形状の圧
電素子２１の表面を、金属等の導体２２によって覆って
構成される。この基板１３の導体２２には、各センサブ
ロック１２毎に開口２３が形成されて、この開口２３に
て圧電素子２１が露出される。後述のように、基板１３
の表面にすべり弾性表面波が伝搬されるが、上記開口２
３にて伝搬面が電気的に開放され、導体２２に覆われた
伝搬面は電気的に短絡された状態にある。上述のように
構成された基板１３が、センサプレート１１に固着され
る。
Ｔa Ｏ3 等の圧電結晶から構成されたプレート形状の圧
電素子２１の表面を、金属等の導体２２によって覆って
構成される。この基板１３の導体２２には、各センサブ
ロック１２毎に開口２３が形成されて、この開口２３に
て圧電素子２１が露出される。後述のように、基板１３
の表面にすべり弾性表面波が伝搬されるが、上記開口２
３にて伝搬面が電気的に開放され、導体２２に覆われた
伝搬面は電気的に短絡された状態にある。上述のように
構成された基板１３が、センサプレート１１に固着され
る。
【００１５】センサセル１４は合成樹脂にて構成され、
基板１３及びセンサプレート１１にビス固定される。こ
れらの各センサセル１４には貫通孔２４が形成される。
各センサセル１４の取付状態において、貫通孔２４が開
口２３を臨む位置に設置される。各センサセル１４の貫
通孔２４内に、被測定溶液や基準液等の液体が貯溜可能
とされる。この貯溜状態で、開口２３から露出した圧電
素子２１が、上記液体に直接接触する。
基板１３及びセンサプレート１１にビス固定される。こ
れらの各センサセル１４には貫通孔２４が形成される。
各センサセル１４の取付状態において、貫通孔２４が開
口２３を臨む位置に設置される。各センサセル１４の貫
通孔２４内に、被測定溶液や基準液等の液体が貯溜可能
とされる。この貯溜状態で、開口２３から露出した圧電
素子２１が、上記液体に直接接触する。
【００１６】センシング用発信電極１５Ａ及びレファレ
ンス用発信電極１５Ｂとセンシング用受信電極１６Ａ及
びレファレンス用受信電極１６Ｂとは、センシングセル
１４の両側にそれぞれ配置される。更に、センシング用
発信電極１５Ａ及びレファレンス用発信電極１５Ｂは、
センサセル１４の貫通孔２４の長手方向に沿って並置さ
れる。センシング用受信電極１６Ａ及びレファレンス用
受信電極１６Ｂも、貫通孔２４の長手方向に沿って並置
される。これらのセンシング用発信電極１５Ａ及びレフ
ァレンス用発信電極１５Ｂ並びにセンシング用受信電極
１６Ａ及びレファレンス用受信電極１６Ｂは櫛形状であ
り、基板１３の圧電素子２１に直接固着される。
ンス用発信電極１５Ｂとセンシング用受信電極１６Ａ及
びレファレンス用受信電極１６Ｂとは、センシングセル
１４の両側にそれぞれ配置される。更に、センシング用
発信電極１５Ａ及びレファレンス用発信電極１５Ｂは、
センサセル１４の貫通孔２４の長手方向に沿って並置さ
れる。センシング用受信電極１６Ａ及びレファレンス用
受信電極１６Ｂも、貫通孔２４の長手方向に沿って並置
される。これらのセンシング用発信電極１５Ａ及びレフ
ァレンス用発信電極１５Ｂ並びにセンシング用受信電極
１６Ａ及びレファレンス用受信電極１６Ｂは櫛形状であ
り、基板１３の圧電素子２１に直接固着される。
【００１７】センシング用発信電極１５Ａ及びレファレ
ンス用発信電極１５Ｂが高周波発生器１７から電気エネ
ルギーを印加されて、基板１３の表面上にすべり弾性表
面波を発生する。センシング用受信電極１６Ａ及びレフ
ァレンス用受信電極１６Ｂが、伝搬したすべり弾性表面
波を受信する。
ンス用発信電極１５Ｂが高周波発生器１７から電気エネ
ルギーを印加されて、基板１３の表面上にすべり弾性表
面波を発生する。センシング用受信電極１６Ａ及びレフ
ァレンス用受信電極１６Ｂが、伝搬したすべり弾性表面
波を受信する。
【００１８】センシング用発信電極１５Ａ及びセンシン
グ用受信電極１６Ａは一対のセンシング用電極を構成
し、レファレンス用発信電極１５Ｂ及びレファレンス用
受信電極１６Ｂが一対のレファレンス用電極を構成す
る。上記一対のセンシング用発信電極１５Ａ及びセンシ
ング用受信電極１６Ａが、基板１３の開口２３を伝搬す
るすべり弾性表面波を送受信し、上記一対のレファレン
ス用発信電極１５Ｂ及びレファレンス用受信電極１６Ｂ
が、基板１３の開口２３を伝搬しないすべり弾性表面波
を送受信する。
グ用受信電極１６Ａは一対のセンシング用電極を構成
し、レファレンス用発信電極１５Ｂ及びレファレンス用
受信電極１６Ｂが一対のレファレンス用電極を構成す
る。上記一対のセンシング用発信電極１５Ａ及びセンシ
ング用受信電極１６Ａが、基板１３の開口２３を伝搬す
るすべり弾性表面波を送受信し、上記一対のレファレン
ス用発信電極１５Ｂ及びレファレンス用受信電極１６Ｂ
が、基板１３の開口２３を伝搬しないすべり弾性表面波
を送受信する。
【００１９】高周波発生器１７は送信側切換スイッチ１
９を介し、リード線２５を用いてセンシング用発信電極
１５Ａ及びレファレンス用発信電極１５Ｂに接続され
る。この高周波発生器１７は、センシング用発信電極１
５Ａ及びレファレンス用受信電極１５Ｂ並びにセンシン
グ用受信電極１６Ａ及びレファレンス用受信電極１６Ｂ
の電極構造によって決定される圧電素子２１の周波数特
性に合致した周波数の高周波エネルギーをセンシング用
発信電極１５Ａ及びレファレンス用発信電極１５Ｂへ印
加する。これにより、センシング用発信電極１５Ａ及び
レファレンス用発信電極１５Ｂから、上記周波数のすべ
り弾性表面波が発生する。
９を介し、リード線２５を用いてセンシング用発信電極
１５Ａ及びレファレンス用発信電極１５Ｂに接続され
る。この高周波発生器１７は、センシング用発信電極１
５Ａ及びレファレンス用受信電極１５Ｂ並びにセンシン
グ用受信電極１６Ａ及びレファレンス用受信電極１６Ｂ
の電極構造によって決定される圧電素子２１の周波数特
性に合致した周波数の高周波エネルギーをセンシング用
発信電極１５Ａ及びレファレンス用発信電極１５Ｂへ印
加する。これにより、センシング用発信電極１５Ａ及び
レファレンス用発信電極１５Ｂから、上記周波数のすべ
り弾性表面波が発生する。
【００２０】各センサブロック１２のそれぞれの高周波
発生器１７は、各センシング用発信電極１５Ａ及びレフ
ァレンス用発信電極１５Ｂへ励振周波数の異なった高周
波が出力するよう出力エネルギーが調整される。例え
ば、図１の最上位のセンサブロック１２の高周波発生器
１７は30MHz の励振周波数の高周波を、同図中央部のセ
ンサブロック１２における高周波発生器１７は50MHz の
励振周波数の高周波を、同図最下位のセンサブロック１
２における高周波発生器１７は100MHzの励振周波数の高
周波をそれぞれ出力するよう構成される。
発生器１７は、各センシング用発信電極１５Ａ及びレフ
ァレンス用発信電極１５Ｂへ励振周波数の異なった高周
波が出力するよう出力エネルギーが調整される。例え
ば、図１の最上位のセンサブロック１２の高周波発生器
１７は30MHz の励振周波数の高周波を、同図中央部のセ
ンサブロック１２における高周波発生器１７は50MHz の
励振周波数の高周波を、同図最下位のセンサブロック１
２における高周波発生器１７は100MHzの励振周波数の高
周波をそれぞれ出力するよう構成される。
【００２１】送信側切換スイッチ１９は、高周波発生器
１７から出力された電気エネルギーを、センシング用発
信電極１５Ａ又はレファレンス用発信電極１５Ｂへ選択
的に印加するためのスイッチである。また、受信側切換
スイッチ２０は、センシング用受信電極１６Ａ又はレフ
ァレンス用受信電極１６Ｂにてそれぞれ受信されたすべ
り弾性表面波を、選択的に伝搬特性計測器１８へ出力さ
せるスイッチである。送信側切換スイッチ１９の切換に
より、センシング用発信電極１５Ａにてすべり弾性表面
波が発生されたとき、基板１３の開口２３を通り伝搬し
たすべり弾性表面波が、受信側切換スイッチ２０の操作
によりセンシング用受信電極１６Ａにて受信される。ま
た、レファレンス用発信電極１５Ｂにてすべり弾性波が
発生したときには、基板１３の開口２３を通らないで伝
搬したすべり弾性表面波が、受信側切換スイッチ２０の
操作によりレファレンス用受信電極１６Ｂにて受信され
る。
１７から出力された電気エネルギーを、センシング用発
信電極１５Ａ又はレファレンス用発信電極１５Ｂへ選択
的に印加するためのスイッチである。また、受信側切換
スイッチ２０は、センシング用受信電極１６Ａ又はレフ
ァレンス用受信電極１６Ｂにてそれぞれ受信されたすべ
り弾性表面波を、選択的に伝搬特性計測器１８へ出力さ
せるスイッチである。送信側切換スイッチ１９の切換に
より、センシング用発信電極１５Ａにてすべり弾性表面
波が発生されたとき、基板１３の開口２３を通り伝搬し
たすべり弾性表面波が、受信側切換スイッチ２０の操作
によりセンシング用受信電極１６Ａにて受信される。ま
た、レファレンス用発信電極１５Ｂにてすべり弾性波が
発生したときには、基板１３の開口２３を通らないで伝
搬したすべり弾性表面波が、受信側切換スイッチ２０の
操作によりレファレンス用受信電極１６Ｂにて受信され
る。
【００２２】伝搬特性計測器１８は上記受信側切換スイ
ッチ２０を介し、リード線２５を用いてセンシング用受
信電極１６Ａ及びレファレンス用受信電極１６Ｂに接続
される。この伝搬特性計測器１８は、例えばベクトル電
圧計であり、センシング用受信電極１６Ａとレファレン
ス用受信電極１６Ｂからの出力信号を比較し、両信号の
位相変化からすべり弾性表面波の伝搬速度の変化量を求
めて伝搬速度Ｖを算出し、更に、両信号の振幅変化から
すべり弾性表面波の伝搬減衰の変化量を求めて伝搬減衰
αを算出する。これらの伝搬速度Ｖ及び伝搬減衰αがす
べり弾性表面波の伝搬特性である。
ッチ２０を介し、リード線２５を用いてセンシング用受
信電極１６Ａ及びレファレンス用受信電極１６Ｂに接続
される。この伝搬特性計測器１８は、例えばベクトル電
圧計であり、センシング用受信電極１６Ａとレファレン
ス用受信電極１６Ｂからの出力信号を比較し、両信号の
位相変化からすべり弾性表面波の伝搬速度の変化量を求
めて伝搬速度Ｖを算出し、更に、両信号の振幅変化から
すべり弾性表面波の伝搬減衰の変化量を求めて伝搬減衰
αを算出する。これらの伝搬速度Ｖ及び伝搬減衰αがす
べり弾性表面波の伝搬特性である。
【００２３】次に、作用を説明する。３つのセンサブロ
ック１２におけるセンサセル１４のそれぞれの貫通孔２
４に同一種類の液体、例えば純水等の基準液や被測定溶
液をそれぞれ貯溜し、３つのセンサブロック１２におけ
るそれぞれの周波数発生器１７にて異なった励振周波数
のエネルギーをそれぞれのセンシング用発信電極１５
Ａ、レファレンス用発信電極１５Ｂに印加すると、これ
らの発信電極１５Ａ、１５Ｂのそれぞれからセンサ基板
１３上に周波数の異なったすべり弾性表面波が発生す
る。例えば、図１の最上位のセンサブロック１２におけ
るセンシング用発信電極１５Ａ、レファレンス用発信電
極１５Ｂにて30MHz の周波数の高周波に対応したすべり
弾性表面波が発生し、同図の中央部のセンサブロック１
２におけるセンシング用発信電極１５Ａ、レファレンス
用発信電極１５Ｂにて50MHz の周波数の高周波に対応し
たすべり弾性表面波が発生し、同図最下位のセンサブロ
ック１２におけるセンシング用発信電極１５Ａ、レファ
レンス用発信電極１５Ｂにて100MHzの周波数の高周波に
対応したすべり弾性表面波が発生する。
ック１２におけるセンサセル１４のそれぞれの貫通孔２
４に同一種類の液体、例えば純水等の基準液や被測定溶
液をそれぞれ貯溜し、３つのセンサブロック１２におけ
るそれぞれの周波数発生器１７にて異なった励振周波数
のエネルギーをそれぞれのセンシング用発信電極１５
Ａ、レファレンス用発信電極１５Ｂに印加すると、これ
らの発信電極１５Ａ、１５Ｂのそれぞれからセンサ基板
１３上に周波数の異なったすべり弾性表面波が発生す
る。例えば、図１の最上位のセンサブロック１２におけ
るセンシング用発信電極１５Ａ、レファレンス用発信電
極１５Ｂにて30MHz の周波数の高周波に対応したすべり
弾性表面波が発生し、同図の中央部のセンサブロック１
２におけるセンシング用発信電極１５Ａ、レファレンス
用発信電極１５Ｂにて50MHz の周波数の高周波に対応し
たすべり弾性表面波が発生し、同図最下位のセンサブロ
ック１２におけるセンシング用発信電極１５Ａ、レファ
レンス用発信電極１５Ｂにて100MHzの周波数の高周波に
対応したすべり弾性表面波が発生する。
【００２４】これらの各センサブロック１２毎に発生し
たすべり弾性表面波は、それぞれセンシング用受信電極
１６Ａ、レファレンス用受信電極１６Ｂへの伝搬過程に
おいて、センサ基板１３の各開口２３にて上記液体か
ら、この液体の比誘電率εr 及び導電率σに起因する音
響電気相互作用を受ける。すべり弾性表面波に音響電気
相互作用を及ぼす液体の比誘電率εr と導電率σとの間
には、液体の複素誘電率をεt 、真空中の誘電率をε
0 、高周波発生器１７にて発生した高周波の励振周波数
をωとして、 εt ＝εr ε0 −ｊσ/ ω … の関係がある。ここで、基準液は、σ＝0 の液体である
ため、上式は εt ＝εr ε0 … となり、被測定溶液では、上式は εt'＝εr'ε0 −ｊσ'/ω … となる。ここで、εt'、εr'、σ' が、被測定溶液の複
素誘電率、比誘電率、導電率をそれぞれ示す。
たすべり弾性表面波は、それぞれセンシング用受信電極
１６Ａ、レファレンス用受信電極１６Ｂへの伝搬過程に
おいて、センサ基板１３の各開口２３にて上記液体か
ら、この液体の比誘電率εr 及び導電率σに起因する音
響電気相互作用を受ける。すべり弾性表面波に音響電気
相互作用を及ぼす液体の比誘電率εr と導電率σとの間
には、液体の複素誘電率をεt 、真空中の誘電率をε
0 、高周波発生器１７にて発生した高周波の励振周波数
をωとして、 εt ＝εr ε0 −ｊσ/ ω … の関係がある。ここで、基準液は、σ＝0 の液体である
ため、上式は εt ＝εr ε0 … となり、被測定溶液では、上式は εt'＝εr'ε0 −ｊσ'/ω … となる。ここで、εt'、εr'、σ' が、被測定溶液の複
素誘電率、比誘電率、導電率をそれぞれ示す。
【００２５】３つのセンサブロック１２におけるそれぞ
れのセンシング用受信電極１６Ａ、レファレンス用受信
電極１６Ｂに受信され、それぞれの伝搬特性計測器１８
にて計測されたすべり弾性表面波の伝搬特性（伝搬速度
Ｖ及び伝搬減衰α）は、式及び式に示すように、上
記液体の比誘電率εr 及びεr'、導電率σ' 及び励振周
波数ωにて非線形に決定される。
れのセンシング用受信電極１６Ａ、レファレンス用受信
電極１６Ｂに受信され、それぞれの伝搬特性計測器１８
にて計測されたすべり弾性表面波の伝搬特性（伝搬速度
Ｖ及び伝搬減衰α）は、式及び式に示すように、上
記液体の比誘電率εr 及びεr'、導電率σ' 及び励振周
波数ωにて非線形に決定される。
【００２６】
δＶ/ Ｖ＝−Ｋs 2/2・{( σ'/ω)2＋ε0 ( εr'−εr )(εr'ε0 ＋εP T)}
/{( σ'/ω)2＋( εr'ε0 ＋εP T)2} …
δα/ Ｋ＝Ｋs 2/2・{( σ'/ω)(εr ε0 ＋εP T )}
/{( σ'/ω)2＋( εr'ε0 ＋εP T)2} …
ここで、Ｋs は基準液がセンサセル１４の貫通孔２４に
貯溜されているときの基板１３の電気機械結合係数であ
り、εP Tは実効誘電率である。また、δＶは、基準液と
被測定溶液とのすべり弾性表面波の伝搬速度の変化量で
あり、δαは、基準液と被計測溶液とのすべり弾性表面
波の伝搬減衰の変化量を示す。更に、Ｋは波長定数であ
る。
貯溜されているときの基板１３の電気機械結合係数であ
り、εP Tは実効誘電率である。また、δＶは、基準液と
被測定溶液とのすべり弾性表面波の伝搬速度の変化量で
あり、δαは、基準液と被計測溶液とのすべり弾性表面
波の伝搬減衰の変化量を示す。更に、Ｋは波長定数であ
る。
【００２７】例えば、図２に示すように、塩化カリウム
水溶液の導電率σ' を変化させたときには、すべり弾性
表面波の伝搬速度の変化率δＶ／Ｖ及び伝搬減衰の変化
率δα／Ｋは、非線形を示す。図２中の実線が式及び
式から求めた理論値であり、図２中の○は励振周波数
が30MHz 、●は励振周波数が100MHzの各場合を示す。理
論値及び実験値とも、伝搬速度の変化率δＶ／Ｖ及び伝
搬減衰δα／Ｋが、導電率及び励振周波数ωに関し非線
形であることが分かる。
水溶液の導電率σ' を変化させたときには、すべり弾性
表面波の伝搬速度の変化率δＶ／Ｖ及び伝搬減衰の変化
率δα／Ｋは、非線形を示す。図２中の実線が式及び
式から求めた理論値であり、図２中の○は励振周波数
が30MHz 、●は励振周波数が100MHzの各場合を示す。理
論値及び実験値とも、伝搬速度の変化率δＶ／Ｖ及び伝
搬減衰δα／Ｋが、導電率及び励振周波数ωに関し非線
形であることが分かる。
【００２８】従って、３つのセンサブロック１２のそれ
ぞれにおいて、センサセル１４の貫通孔２４に基準液或
いは同一種類の被測定溶液を貯溜し、伝搬特性計測器１
８にてすべり弾性表面波の伝搬速度Ｖ及び伝搬減衰αを
求め、これらの測定値から、液体変化により生ずるすべ
り弾性表面波の伝搬速度の変化率δＶ／Ｖ及び伝搬減衰
の変化率δα／Ｋを演算する。この演算値から、多変量
解析手法（田中他編「パソコン統計解析ハンドブックII
多変量解析編」（１９８４年共立出版））を用いて主成
分分析をして被測定溶液の比誘電率εr'及び導電率σ'
を特定し、判別分析をして被測定溶液を識別する。
ぞれにおいて、センサセル１４の貫通孔２４に基準液或
いは同一種類の被測定溶液を貯溜し、伝搬特性計測器１
８にてすべり弾性表面波の伝搬速度Ｖ及び伝搬減衰αを
求め、これらの測定値から、液体変化により生ずるすべ
り弾性表面波の伝搬速度の変化率δＶ／Ｖ及び伝搬減衰
の変化率δα／Ｋを演算する。この演算値から、多変量
解析手法（田中他編「パソコン統計解析ハンドブックII
多変量解析編」（１９８４年共立出版））を用いて主成
分分析をして被測定溶液の比誘電率εr'及び導電率σ'
を特定し、判別分析をして被測定溶液を識別する。
【００２９】具体例として、図３に示す濃縮還元果汁ジ
ュースの識別を示す。先ず、溶液センサ１０の各センサ
ブロック１２におけるセンサセル１４の貫通孔２４に基
準液を貯溜し、このセンサセル１０の各センサブロック
１２において30MHz 、50MHz、100MHzの中心周波数の、
高周波を発生させて、それぞれのセンサブロック１２に
てすべり弾性表面波を発生させ、基準液に対するすべり
弾性表面波の伝搬速度Ｖ及び伝搬減衰αを計測する。
ュースの識別を示す。先ず、溶液センサ１０の各センサ
ブロック１２におけるセンサセル１４の貫通孔２４に基
準液を貯溜し、このセンサセル１０の各センサブロック
１２において30MHz 、50MHz、100MHzの中心周波数の、
高周波を発生させて、それぞれのセンサブロック１２に
てすべり弾性表面波を発生させ、基準液に対するすべり
弾性表面波の伝搬速度Ｖ及び伝搬減衰αを計測する。
【００３０】次に、溶液センサ１０の各センサブロック
１２におけるセンサセル１４の貫通孔２４に、同一種類
の果実ジュースを貯溜し、上述と同様に、この果実ジュ
ースに対するすべり弾性表面波の伝搬速度Ｖ及び伝搬減
衰αを計測し、基準液と上記果実ジュースとのすべり弾
性表面波の伝搬速度の変化率δＶ／Ｖ及び伝搬減衰の変
化率δα／Ｋを算出する。全ての果実ジュースについ
て、同様の操作をして、各果実ジュース毎に基準液と果
実ジュースとのすべり弾性表面波の伝搬速度の変化率δ
Ｖ／Ｖ及び伝搬減衰の変化率δα／Ｋを算出する。
１２におけるセンサセル１４の貫通孔２４に、同一種類
の果実ジュースを貯溜し、上述と同様に、この果実ジュ
ースに対するすべり弾性表面波の伝搬速度Ｖ及び伝搬減
衰αを計測し、基準液と上記果実ジュースとのすべり弾
性表面波の伝搬速度の変化率δＶ／Ｖ及び伝搬減衰の変
化率δα／Ｋを算出する。全ての果実ジュースについ
て、同様の操作をして、各果実ジュース毎に基準液と果
実ジュースとのすべり弾性表面波の伝搬速度の変化率δ
Ｖ／Ｖ及び伝搬減衰の変化率δα／Ｋを算出する。
【００３１】その後、得られた伝搬速度の変化率δＶ／
Ｖ及び伝搬減衰の変化率δα／Ｋを多変量解析手法を用
いて主成分分析する。その結果を図４及び図５に示す。
図４及び図５における横軸は第１主成分（ＰＣ１）であ
り、縦軸は第２主成分（ＰＣ２）である。図４では、５
種類のオレンジジュースがほぼ同一位置にあるが、図５
ではこれらのオレンジジュースはそれぞれ異なった位置
にあり、判別可能であることが示されている。上記主成
分分析結果に基づいて判別分析を実施し、テストに供し
た濃縮還元果実ジュースを識別する。図６に示すよう
に、この識別は100 ％正確であることが分かる。
Ｖ及び伝搬減衰の変化率δα／Ｋを多変量解析手法を用
いて主成分分析する。その結果を図４及び図５に示す。
図４及び図５における横軸は第１主成分（ＰＣ１）であ
り、縦軸は第２主成分（ＰＣ２）である。図４では、５
種類のオレンジジュースがほぼ同一位置にあるが、図５
ではこれらのオレンジジュースはそれぞれ異なった位置
にあり、判別可能であることが示されている。上記主成
分分析結果に基づいて判別分析を実施し、テストに供し
た濃縮還元果実ジュースを識別する。図６に示すよう
に、この識別は100 ％正確であることが分かる。
【００３２】上記実施例によれば、各センサブロック１
２のセンシング用発信電極１５Ａ及びレファレンス用発
信電極１５Ｂから発生したすべり弾性表面波を用い、各
センサブロック１２のセンサセル１４に貯溜された被測
定溶液及び基準液等の液体がすべり弾性表面波に及ぼす
音響電気相互作用を利用し、基準液及び同一種類の被測
定溶液について、各センサブロック１２の高周波発生器
１７から出力される高周波の励振周波数を異ならせて、
各センサブロック１２の伝搬特性計測器１８にて上記す
べり弾性表面波の伝搬特性（各伝搬速度Ｖ及び伝搬減衰
α）を各励振周波数毎に測定し、これらの測定値から、
多変量解析手法に基づく主成分分析及び判別分析によっ
て被測定溶液の種類を識別したことから、被測定溶液を
人間の知覚以上の高感度で識別できる。
２のセンシング用発信電極１５Ａ及びレファレンス用発
信電極１５Ｂから発生したすべり弾性表面波を用い、各
センサブロック１２のセンサセル１４に貯溜された被測
定溶液及び基準液等の液体がすべり弾性表面波に及ぼす
音響電気相互作用を利用し、基準液及び同一種類の被測
定溶液について、各センサブロック１２の高周波発生器
１７から出力される高周波の励振周波数を異ならせて、
各センサブロック１２の伝搬特性計測器１８にて上記す
べり弾性表面波の伝搬特性（各伝搬速度Ｖ及び伝搬減衰
α）を各励振周波数毎に測定し、これらの測定値から、
多変量解析手法に基づく主成分分析及び判別分析によっ
て被測定溶液の種類を識別したことから、被測定溶液を
人間の知覚以上の高感度で識別できる。
【００３３】また、寿命の短い選択性有機薄膜を用いて
被測定液を識別せず、すべり弾性表面波を利用して識別
しているので、溶液センサ１０の長寿命化を達成でき
る。
被測定液を識別せず、すべり弾性表面波を利用して識別
しているので、溶液センサ１０の長寿命化を達成でき
る。
【００３４】更に、すべり弾性表面波を利用しているの
で、センサ基板１３の板厚に無関係に所望の周波数のす
べり弾性表面波を発生させることができる。この結果、
すべり弾性表面波の周波数を所望の値に設定すべく、基
板１３の板厚を調整する必要がなく、基板１３を共通の
板厚に構成できるので、溶液センサ１０を簡単な構造に
することができる。
で、センサ基板１３の板厚に無関係に所望の周波数のす
べり弾性表面波を発生させることができる。この結果、
すべり弾性表面波の周波数を所望の値に設定すべく、基
板１３の板厚を調整する必要がなく、基板１３を共通の
板厚に構成できるので、溶液センサ１０を簡単な構造に
することができる。
【００３５】
【発明の効果】以上のように、この発明に係る溶液セン
サによれば、溶液の種類を高感度に識別できるととも
に、センサの構造を簡素化でき、更にセンサの長寿命化
を達成できる。
サによれば、溶液の種類を高感度に識別できるととも
に、センサの構造を簡素化でき、更にセンサの長寿命化
を達成できる。
【図１】図１は、この発明に係る溶液センサの一実施例
を示す平面図である。
を示す平面図である。
【図２】図２は、塩化カリウム水溶液の導電率に対する
すべり弾性表面波の伝搬速度変化率及び伝搬減衰変化率
を示すグラフである。
すべり弾性表面波の伝搬速度変化率及び伝搬減衰変化率
を示すグラフである。
【図３】図３は、被測定液の種類を示すテーブルであ
る。
る。
【図４】図４は、図３の被測定液に関し主成分分析結果
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図５】図５は、図４の主成分分析結果の特定箇所を拡
大して示すグラフである。
大して示すグラフである。
【図６】図６は、被測定溶液の判別分析結果を示すテー
ブルである。
ブルである。
１０ 溶液センサ
１２ センサブロック
１３ 基板
１４ センサセル
１５ 発信電極
１６ 受信電極
１７ 高周波発生器
１８ 伝搬特性計測器
２１ 圧電素子
２２ 導体
２３ 開口
２４ 貫通孔
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平５−256753（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−45338（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−227661（ＪＰ，Ａ)
近藤淳、塩川祥子，ＳＨ−ＳＡＷデバ
イスの味覚センサへの応用，1993年秋季
第54回応用物理学会学術講演会予稿集Ｎ
ｏ．３，日本，1993年 ９月27日，ｐ.
1084
近藤淳、塩川祥子 ，ＳＨ−ＳＡＷデ
バイスの味覚センサへの応用，第14回超
音波エレクトロニクスの基礎と応用に関
するシンポジウム講演予稿集 平成５年
12月７日〜９日，ｐ．13−14
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 29/00 - 29/28
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (2)
- 【請求項１】 圧電素子の表面に導体が固着して構成さ
れたセンサ基板に、貫通孔を備えたセンサセルが複数個
並設されて上記貫通孔内に液体が貯溜可能とされ、上記
基板の表面にすべり弾性表面波が伝搬可能とされ、上記
基板の導体には、上記各センサセルの上記貫通孔に対応
した位置に、圧電素子を露出した開口が複数形成される
とともに、上記各センサセルの両側に発信電極及び受信
電極が複数組上記圧電素子に直接固着され、これらの発
信電極のそれぞれに高周波発生器が個別に接続されると
ともに、上記受信電極のそれぞれに伝搬特性計測器が個
別に接続され、上記各高周波発生器にて異なった励振周
波数の高周波が出力可能に構成され、 各組の発信電極及び受信電極は、センサ基板の開口に対
応したセンシング用発信電極及びセンシング用受信電極
と、上記開口に対応しないレファレンス用発信電極及び
レファレンス用受信電極とから構成された ものである溶
液センサ。 - 【請求項２】 上記圧電素子は、36度回転Ｙ板Ｘ伝搬Ｌ
iＴaＯ3 から構成された請求項１に記載の溶液センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07636094A JP3481298B2 (ja) | 1994-03-24 | 1994-03-24 | 溶液センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07636094A JP3481298B2 (ja) | 1994-03-24 | 1994-03-24 | 溶液センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07260746A JPH07260746A (ja) | 1995-10-13 |
| JP3481298B2 true JP3481298B2 (ja) | 2003-12-22 |
Family
ID=13603198
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07636094A Expired - Lifetime JP3481298B2 (ja) | 1994-03-24 | 1994-03-24 | 溶液センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3481298B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007141972A1 (ja) * | 2006-06-08 | 2007-12-13 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 液中物質検出方法及び液中物質検出センサ |
| WO2007145108A1 (ja) * | 2006-06-16 | 2007-12-21 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 液中物質検出センサ |
| WO2007145011A1 (ja) * | 2006-06-15 | 2007-12-21 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 液中物質検出センサ |
| WO2009066640A1 (ja) | 2007-11-20 | 2009-05-28 | Japan Radio Co., Ltd. | 弾性表面波素子及び液状物特性測定装置 |
| JP2009281801A (ja) * | 2008-05-21 | 2009-12-03 | Japan Radio Co Ltd | 被測定物特性測定装置 |
| JP2010029123A (ja) * | 2008-07-30 | 2010-02-12 | Japan Radio Co Ltd | 細胞特性測定装置 |
| WO2013094531A1 (ja) | 2011-12-22 | 2013-06-27 | 日本無線株式会社 | 被測定物特性測定装置 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001153781A (ja) * | 1999-11-26 | 2001-06-08 | Maruyasu Industries Co Ltd | 液体の特性値を測定するための弾性表面波装置 |
| JP3780197B2 (ja) * | 2001-10-30 | 2006-05-31 | マルヤス工業株式会社 | 弾性表面波デバイスを用いた液体の特性値測定装置 |
| US7053524B2 (en) * | 2003-12-09 | 2006-05-30 | P.J. Edmonson Ltd. | Surface acoustic wave sensor or identification device with biosensing capability |
| WO2005066622A1 (en) * | 2003-12-30 | 2005-07-21 | 3M Innovative Properties Company | Estimating propagation velocity through a surface acoustic wave sensor |
-
1994
- 1994-03-24 JP JP07636094A patent/JP3481298B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 近藤淳、塩川祥子 ，ＳＨ−ＳＡＷデバイスの味覚センサへの応用，第１４回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム講演予稿集 平成５年１２月７日〜９日，ｐ．１３−１４ |
| 近藤淳、塩川祥子，ＳＨ−ＳＡＷデバイスの味覚センサへの応用，１９９３年秋季第５４回応用物理学会学術講演会予稿集Ｎｏ．３，日本，１９９３年 ９月２７日，ｐ．１０８４ |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7803632B2 (en) | 2006-06-08 | 2010-09-28 | Murata Manufacturing Co., Ltd | Method for detecting substance in liquid and sensor for detecting substance in liquid |
| WO2007141972A1 (ja) * | 2006-06-08 | 2007-12-13 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 液中物質検出方法及び液中物質検出センサ |
| CN101467034B (zh) * | 2006-06-15 | 2011-07-27 | 株式会社村田制作所 | 液体中物质检测传感器 |
| US7762124B2 (en) | 2006-06-15 | 2010-07-27 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Sensor for detecting substance in liquid |
| WO2007145011A1 (ja) * | 2006-06-15 | 2007-12-21 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 液中物質検出センサ |
| JP4702452B2 (ja) * | 2006-06-15 | 2011-06-15 | 株式会社村田製作所 | 液中物質検出センサ |
| WO2007145108A1 (ja) * | 2006-06-16 | 2007-12-21 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 液中物質検出センサ |
| US8658097B2 (en) | 2006-06-16 | 2014-02-25 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Sensor for detecting substance in liquid |
| WO2009066640A1 (ja) | 2007-11-20 | 2009-05-28 | Japan Radio Co., Ltd. | 弾性表面波素子及び液状物特性測定装置 |
| JP2009281801A (ja) * | 2008-05-21 | 2009-12-03 | Japan Radio Co Ltd | 被測定物特性測定装置 |
| JP2010029123A (ja) * | 2008-07-30 | 2010-02-12 | Japan Radio Co Ltd | 細胞特性測定装置 |
| WO2013094531A1 (ja) | 2011-12-22 | 2013-06-27 | 日本無線株式会社 | 被測定物特性測定装置 |
| US9645116B2 (en) | 2011-12-22 | 2017-05-09 | Japan Radio Co., Ltd. | Object characteristics measurement apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07260746A (ja) | 1995-10-13 |
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