JP3634479B2 - 水晶式センサー - Google Patents
水晶式センサー Download PDFInfo
- Publication number
- JP3634479B2 JP3634479B2 JP01173196A JP1173196A JP3634479B2 JP 3634479 B2 JP3634479 B2 JP 3634479B2 JP 01173196 A JP01173196 A JP 01173196A JP 1173196 A JP1173196 A JP 1173196A JP 3634479 B2 JP3634479 B2 JP 3634479B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- crystal
- electrode
- measured
- quartz
- thin film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Landscapes
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、化学、物理化学、生化学、食品化学、医学、工業化学等の分野において、液体の濃度、気体の濃度、固体薄膜の膜厚等を検出するのに用いられる水晶式センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水晶式センサーは、主としてＡＴカット等の厚みすべり振動する水晶振動板の両面にそれぞれ１個の導電性薄膜電極を設けて水晶振動子を構成し、水晶振動子の片面を被測定物に接触させた状態で増幅・帰還回路により水晶振動子を発振させ、被測定物による負荷に基づいて変化した水晶振動子の固有振動数を求めることにより、被測定物の濃度等を求めるようになっていた。ちなみに、被測定物が液体である場合にはその粘度と密度に応じて水晶振動子に負荷が掛かり、気体である場合には水晶振動子の片面に予め設けた吸着膜に被測定物が吸着されて水晶振動子に負荷が掛かる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の水晶式センサーでは、次のような不具合があった。(1) 水晶振動板の両面間に高周波電場を印加するために水晶振動板の両面にそれぞれ導電性薄膜電極を設けているので、それぞれの電極から増幅・帰還回路への電気的接続路を互いに絶縁した状態で設ける必要があった。一方、被測定物が例えばイオン溶液のような導電性液体である場合には、水晶振動板の両面が被測定物によって短絡されるのを防止するために、水晶振動板の片面のみを被測定物に接触させ、他面は隔壁によって被測定物から隔離する必要がある。この２つの必要性を同時に満たすため、上記構成の水晶式センサーでは、被測定物に接触する上記片面の薄膜電極からの電気的接続路を上記隔壁を貫通させて設けなければならず、それは困難なことであった。しかも、この困難性が設計上の制約となり、電極の寸法、形状等が限定され、製作の作業性が悪く、また、信頼度の向上や製造工数の削減を妨げていた。更に、同様の困難性は、被測定物が腐蝕性の気体及び液体である場合や蒸着膜等の固体薄膜である場合にも、見られ、やはり信頼度の向上や製造工数の削減を妨げていた。
【０００４】
(2) 水晶振動板の両面にそれぞれ蒸着等によって導電性薄膜電極を設けるので、その分だけ確実に製造工数が多かった。
【０００５】
(3) 被測定物が薄膜電極を腐食する性質のものである場合には、被測定物に接触している薄膜電極が被測定物によって侵され、薄膜電極の溶出や剥離が生じ、その結果、センサーとしての機能が不安定となったり寿命が短くなったりすることがあった。
【０００６】
(4) 薄膜電極自体の重量は水晶振動板の振動に対する負荷の一部となるので、薄膜電極の存在は、センサーの感度の向上や感度のばらつき解消の点で障害となるが、上記構成の水晶式センサーでは、その程度が顕著であった。
【０００７】
(5) 被測定物が、例えば鉛蓄電池の電解液のように、導電性であり且つ電解液に接触する薄膜電極と増幅・帰還回路との間の電位差が状況に応じて様々な値を持ち得る場合には、この電位差を短絡しないために、増幅・帰還回路を、被測定物に接触する薄膜電極に対して直流的にフローティング状態としなければならないという制約があった。
【０００８】
本発明は、上記不具合を解消できる、水晶式センサーを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、被測定物の物理的特性の変化に伴なって一価関数的に固有振動数が変化する水晶振動子を有する発振回路を備え、被測定物に接触させた状態で水晶振動子を発振させてその固有振動数を求めることによって、被測定物の物理的特性を検知する水晶式センサーにおいて、水晶振動子は、水晶振動板と、水晶振動板に電圧を印加するよう設けられた、第１電極及び第２電極とからなり、水晶振動板は、一方の面のみが被測定物に接触するよう設けられており、第１電極は、水晶振動板の他方の面に設けられており、第２電極は、水晶振動板の上記一方の面以外の箇所にて、被測定物に接触しないよう設けられていることを特徴としている。
【００１０】
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、被測定物が鉛蓄電池の電解液である。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、第２電極が、一方の面のみが被測定物に接触するよう設けられた誘電体薄膜の、他方の面に設けられており、誘電体薄膜が、被測定物に対して耐性を有する材料でできている。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、第２電極が、水晶振動板の上記他方の面に第１電極と並設されている。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の構成に加え、水晶振動板の上記一方の面に、導電性薄膜が形成されている。
【００１５】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、水晶振動板の上記一方の面が凹凸状に形成されている。
【００１６】
請求項７記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、水晶振動板の上記一方の面に、被測定物に接触する面が凹凸状に形成された薄膜が設けられている。
【００１７】
請求項８記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、水晶振動板の上記一方の面に、被測定物を吸着又は吸収する薄膜が設けられている。
【００１８】
尚、本発明の作用は以下の通りである。
本発明の水晶式センサーの基本的作動は次の如くである。
【００１９】
(1) 水晶振動子の発振について：
被測定物が例えば電解液である場合について説明する。測定対象である電解液はイオン電導機構により電導性を有しているので、発振回路において、第１電極から水晶振動板及び電解液を経て第２電極に至る直列素子群に加わる高周波電圧は、電解液の導電度が十分に大きければ、水晶振動板に加わる電圧と略等しくなる。
【００２０】
即ち、直列素子群が第１電極、水晶振動板、電解液、及び第２電極からなる場合には、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板自体に加わる電圧、電解液内のイオン電流に対応するオーミック電圧、水晶振動板近傍の電解液内に形成される二重層に加わる電圧、の総和に略等しくなる。この場合において、電解液の導電度が十分に大きければ、オーミック電圧及び二重層に加わる電圧は極めて小さくなるため、無視できる。従って、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板に加わる電圧と略等しくなる。
【００２１】
また、直列素子群が第１電極、水晶振動板、電解液、誘電体薄膜、及び第２電極からなる場合には、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板自体に加わる電圧、誘電体薄膜に加わる電圧、電解液内のイオン電流に対応するオーミック電圧、水晶振動板近傍及び誘電体薄膜近傍の電解液内にそれぞれ形成される二重層に加わる電圧、の総和に略等しくなる。この場合において、電解液の導電度が十分に大きければ、誘電体薄膜に加わる電圧、オーミック電圧、及び二重層に加わる電圧は極めて小さくなるため、無視できる。従って、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板に加わる電圧と略等しくなる。
【００２２】
また、直列素子群が第１電極、水晶振動板、電解液、水晶振動板、及び第２電極からなる場合には、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板自体に加わる電圧、電解液内のイオン電流に対応するオーミック電圧、水晶振動板近傍の電解液内にそれぞれ形成される二重層に加わる電圧、の総和に略等しくなる。この場合において、電解液の導電度が十分に大きければ、オーミック電圧及び二重層に加わる電圧は極めて小さくなるため、無視できる。従って、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板に加わる電圧と略等しくなる。
従って、水晶振動子は通常の水晶発振回路と同様に発振する。
【００２３】
(2) 水晶式センサーによる測定について：
被測定物が、液体、気体、固体薄膜である場合とに分けて、説明するが、いずれの場合においても発振周波数は、増幅・帰還回路の影響も含めて、水晶振動子のその状態での固有振動数に応じて決まるものである。
【００２４】
(i)被測定物が液体である場合：
片面が電解液に接触した状態の水晶振動子は、電解液の密度ρ及び粘性率ηの影響を受けるため、その固有振動数が変化する。空中でのフリーな状態における水晶振動子の固有振動数をＦa 、片面が電解液に接触した状態における水晶振動子の固有振動数をＦl 、固有振動数の変化分をΔＦl とすると、Ｆa 、Ｆl 、ΔＦl 、ρ、及びηの間には、次の式(I),(II)が成り立つ。なお、この式は簡単なモデルからも導き出されている。
【００２５】
Ｆl ＝Ｆa ＋ΔＦl …式(I)
ΔＦl ＝−Ｋ・√（ρ・η） …式(II)
【００２６】
式(II)において、Ｋは、定数であり、ρ及びηが既知である幾つかの試料から実験的に求めることができる。従って、予めＫを求めておけば、未知の試料であっても、ΔＦl を求めて逆算することによって、ρとηとの積を求めることができる。ρとηとの積は、その電解液の固有の関数Ｆ(X) に従って電解液の濃度ｃと一対一の関係にある。従って、予め関数Ｆ(X) を求めておけば、ΔＦl を求めて逆算することによって、濃度ｃを求めることができる。
【００２７】
(ii)被測定物が気体である場合：
被測定物が気体である場合には、感度や選択性を増すために、水晶振動子の片面に被測定物である気体を吸着する性質を有する吸着膜を塗布等により設けておくのが、一般的である。そして、吸着膜が被測定物を吸着していない状態での固有振動数をＦn 、吸着した状態での固有振動数をＦg 、固有振動数の変化分をΔＦg 、吸着膜の単位面積当りの被測定物の吸着量をＧとすると、Ｆn 、Ｆg 、ΔＦg 、及びＧの間には、次の式(III) の関係が成り立つ。
【００２８】
ΔＦg ＝Ｆg −Ｆn ＝−Ｊ・Ｇ …式(III)
【００２９】
式(III) において、Ｊは、定数であり、吸着膜と被測定物との組合せに応じて予め実験的に求めることができる。一方、被測定物の濃度Ｃg と上記Ｇとは一対一の関係にあるので、この関数関係を予め実験的に求めておけば、ΔＦg を求めて逆算することによって、濃度Ｃg を求めることができる。
【００３０】
なお、吸着膜は、被測定物が液体である場合においても、溶質濃度に対する感度や選択性を増すために、用いることができる。
【００３１】
(iii)被測定物が固体薄膜である場合
被測定物が例えば金属蒸着膜のような固体薄膜であり、その膜厚を求める場合には、次のようになる。即ち、単純に被測定物の重量が水晶振動子に対する負荷となり、上記(i)，(ii)と同様に被測定物がない場合の水晶振動子の固有振動数Ｆv が被測定物がある場合の固有振動数Ｆw へ変化する。その変化分ΔＦw は、被測定物の単位面積当り重量に比例するので、ΔＦw を求めて逆算することによって、被測定物の単位面積当り重量、ひいては膜厚を求めることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を参考例を参照しながら図に基づいて説明する。
【００３３】
（参考例１）
図１は本参考例の水晶式センサーの構成図、図２はそのセンサーの電気的等価回路図、図３はセンサー要部の構成模式図である。センサー１は、増幅・帰還回路２と、センサー容器３と、水晶振動板４と、第１電極５と、第２電極６とで構成されている。水晶振動板４、第１電極５、及び第２電極６により、水晶振動子が構成されており、水晶振動子及び回路２により、発振回路が構成されている。７は被測定物である電解液、８はサンプル容器である。
【００３４】
センサー容器３は下端が閉じた水密構造の筒体である。容器３の下端部側壁には貫通孔３１が形成されている。水晶振動板４は、貫通孔３１を外側から塞ぎ且つ水密的に、接着等の方法によって容器３に取付けられている。
【００３５】
水晶振動板４の、貫通孔３１側の面即ち内面には、導電性薄膜からなる第１電極５が蒸着等の方法によって取付けられている。第１電極５にはリード線５１が接続されており、リード線５１は、容器３内を延び、容器３上面の貫通孔３２を通り、回路２の高インピーダンス端子２１に接続されている。
【００３６】
第２電極６は、電解液７に対して耐性を有する材料、例えばカーボンでできており、リード線６１により、回路２の低インピーダンス端子２２に接続されている。
【００３７】
回路２において、コンデンサ２３は、回路２のグラウンドに対して第２電極６を交流的に接続したまま直流的にはフローティング状態とするために、設けられている。Ｑ１，Ｑ２はトランジスタ、２８は出力端子である。
【００３８】
図２の電気的等価回路において、７ａは電解液７のインピーダンスを等価的に抵抗で表わしたものである。図２の等価回路即ち発振回路の形式は、コルピッツ回路として公知である。
【００３９】
次に作動について説明する。まず、水晶振動子を電解液７中に浸漬する。この状態では、水晶振動板４の外面及び第２電極６のみが電解液７に接触している。次に、両電極５，６間に回路２を接続し、直流電圧を加える。これにより、水晶振動子は発振する。即ち、水晶振動子は、電解液７中にその粘度を通して横波を励起し、その反作用として電解液７は水晶振動子の負荷となるため、水晶振動子の固有振動数が低下する。そして、低下した固有振動数を求めれば、電解液７の濃度が求まることとなる。
【００４０】
上記構成のセンサーにおいては、第１電極５は全く電解液７に接触しない。また、第２電極６は、電解液７に接触するが、電解液７に対して耐性を有する材料でできている。従って、両電極５，６が電解液７によって侵されることはなく、センサーとしての機能の安定性は向上し、寿命も長くなる。
【００４１】
また、水晶振動板４の一方の面のみに第１電極５を設けるので、両面に設ける場合に比して、製作制限が緩和され、製作の作業性、ひいては生産性が向上する。例えば、従来のような、一方の電極から増幅・帰還回路へのリード線を隔壁を貫通させて設けなければならないという困難性は解消される。
【００４２】
しかも、第２電極６については、寸法、形状等についての製作制限が大幅に緩和されるので、この点からも、製作の作業性が向上する。
【００４３】
更に、水晶振動板４は電極を介することなく直接に電解液７に接触するので、センサーとしての感度が向上する。
【００４４】
（参考例２）
被測定物が鉛蓄電池の電解液であり、鉛蓄電池の電槽に使用する場合には、第２電極６として鉛蓄電池の正極又は負極を用いてもよい。なお、その他の構成は参考例１と同じである。
【００４５】
この場合、第２電極６は鉛蓄電池の正極、負極に対して等電位にはならない。しかし、第２電極６は、コンデンサ２３により、回路２のグラウンドに対して交流的に接地されてはいるが、直流的にはフローティング状態となっているので、回路２の電源電圧を鉛蓄電池自体から取出すことが可能である。
【００４６】
本参考例のセンサーでは、参考例１のセンサーに比して、構成が更に簡素となり、生産性が向上して安価となる。
【００４７】
（実施形態１）
図４は本実施形態の水晶式センサーの構成図、図５はそのセンサーの電気的等価回路図、図６はセンサー要部の構成模式図である。これらの図において、参考例１を示す図１ないし図３と同一符号は同じ又は相当するものを示す。９は誘電体薄膜である。誘電体薄膜９は、電解液７に対して耐性を有する材料でできており、例えば多種類のプラスチックスから任意に選定された材料でできている。回路２はコンデンサ２３を有していない。
【００４８】
センサー容器３は下端が閉じた水密構造の筒体である。容器３の下端部両側壁には貫通孔３１，３３が形成されている。水晶振動板４は、貫通孔３１を外側から塞ぎ且つ水密的に、接着等の方法によって容器３に取付けられている。誘電体薄膜９は、貫通孔３３を外側から塞ぎ且つ水密的に、接着等の方法によって容器３に取付けられている。
【００４９】
水晶振動板４の、貫通孔３１側の面即ち内面には、導電性薄膜からなる第１電極５が蒸着等の方法によって取付けられている。誘電体薄膜９の、貫通孔３３側の面即ち内面には、導電性薄膜からなる第２電極６が蒸着等の方法によって取付けられている。第１電極５にはリード線５１が接続されており、リード線５１は、容器３内を延び、容器３上面の貫通孔３２を通り、回路２の高インピーダンス端子２１に接続されている。第２電極６にはリード線６１が接続されており、リード線６１は、容器３内を延び、容器３上面の貫通孔３４を通り、回路２の低インピーダンス端子２２に接続されている。
【００５０】
図５の電気的等価回路において、９ａは電解液７と第２電極６とに挾まれた状態の誘電体薄膜９を等価的にコンデンサで表わしたものである。図５の等価回路即ち発振回路の形式は、コルピッツ回路として公知である。
【００５１】
上記構成のセンサーの発振作動は、参考例１と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まることとなる。
【００５２】
上記構成のセンサーにおいては、水晶振動子を電解液７に浸漬した状態では、水晶振動板４の外面及び誘電体薄膜９の外面のみが電解液７と接触しており、両電極５，６は電解液７に接触していない。従って、両電極５，６が電解液７によって侵されることはなく、センサーとしての機能の安定性は向上し、寿命も長くなる。
【００５３】
また、水晶振動板４の一方の面のみに第１電極５を設けるので、両面に設ける場合に比して、製作制限が緩和され、製作の作業性、ひいては生産性が向上する。
【００５４】
更に、水晶振動板４は電極を介することなく直接に電解液７に接触するので、センサーとしての感度が向上する。
【００５５】
（実施形態２）
図７は本実施形態の水晶式センサーの構成図、図８はそのセンサーの電気的等価回路図、図９はセンサー要部の構成模式図である。これらの図において、参考例１を示す図１ないし図３と同一符号は同じ又は相当するものを示す。２ａは増幅・帰還回路であり、回路２ａにおいて、２５ａは発振用のＣＭＯＳインバーター、２５ｂは出力用のＣＭＯＳインバーター、２６ａ，２６ｂは帰還回路のコンデンサ、２７ａ，２７ｂは帰還回路の抵抗である。水晶振動子及び回路２ａにより発振回路が構成されている。
【００５６】
センサー容器３は下端が閉じた水密構造の筒体である。容器３の下端部側壁には貫通孔３１が形成されている。水晶振動板４は、貫通孔３１を外側から塞ぎ且つ水密的に、接着等の方法によって容器３に取付けられている。
【００５７】
水晶振動板４の、貫通孔３１側の面即ち内面には、導電性薄膜からなる第１電極５及び第２電極６が蒸着等の方法によって並設されている。第１電極５にはリード線５１が接続され、第２電極６にはリード線６１が接続されており、リード線５１，６１は、容器３内を延び、容器３上面の貫通孔３２を通り、回路２ａのコンデンサ２６ａ，２６ｂにそれぞれ接続されている。
【００５８】
図８の電気的等価回路において、７ｂ，７ｃは水晶振動板４近傍の電解液７内に形成される電気二重層を等価的にコンデンサで表わしたものであり、第１電極５下と第２電極６下の２箇所に存在している。図８の等価回路即ち発振回路の形式は公知である。
【００５９】
上記構成のセンサーの発振作動は、参考例１と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まることとなる。即ち、上記構成のセンサーでは、第１電極５と水晶振動板４と電解液７とからなる水晶振動子と、第２電極６と水晶振動板４と電解液７とからなる水晶振動子とが、電気回路的には直列接続されて帰還回路を構成し、圧電分極的には逆並列となっているが、この２個の水晶振動子は、全く同じプロセスで作製されているので、その固有振動数は極めて接近しており、単一の周波数で発振する。そして、電解液７から掛かる負荷は２個の水晶振動子に対して全く同等に作用するので、固有振動数は共に低い周波数へ変化し、単一の周波数で発振する。従って、固有振動数の変化分から、電解液７の濃度が求まることとなる。
【００６０】
上記構成のセンサーにおいては、水晶振動子を電解液７に浸漬した状態では、水晶振動板４の外面のみが電解液７と接触しており、両電極５，６は電解液７に接触していない。従って、両電極５，６が電解液７によって侵されることはなく、センサーとしての機能の安定性は向上し、寿命も長くなる。
【００６１】
また、水晶振動板４の片面のみに一度の工程で両電極５，６が設けられるので、両面に設ける場合に比して、その分だけ製造工数が低減される。
【００６２】
また、両電極５，６から回路２ａへのリード線５１，６１を設ける作業は、全てセンサー容器３内の加工作業で行なえるので、製作の作業性、ひいては生産性が向上する。
【００６３】
また、水晶振動板４は電極を介することなく直接に電解液７に接触するので、センサーとしての感度は向上し、ばらつきも解消される。
【００６４】
更に、両電極５，６は電解液７に対して直流的にフローティング状態となっているので、フローティング状態としなければならないという制約は解消される。
【００６５】
（実施形態３）
図１０は本実施形態の水晶式センサーの構成図、図１１はそのセンサーの電気的等価回路図、図１２はセンサー要部の構成模式図である。これらの図において、参考例１及び実施形態２を示す図１ないし図３及び図７ないし図９と同一符号は同じ又は相当するものを示す。このセンサーは、水晶振動板４の、電解液７側の面即ち外面に、導電性薄膜７０が設けられている点以外は、実施形態２と同じである。薄膜７０は、金属、金属酸化物、又は導電性高分子を蒸着等することにより形成されている。
【００６６】
上記構成のセンサーの発振作動は、実施形態２と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まることとなる。
【００６７】
上記構成のセンサーにおいては、実施形態２と同様の作用効果に加え、次のような作用効果を奏する。薄膜７０が水晶振動板４の外面に設けられているので、被測定物がアドミタンスの小さいものであっても、満足できる精度でその物理的特性を測定可能である。
【００６８】
また、薄膜７０は直流的にフローティング状態にあるので、その電位がどの値にあるかに拘らず、被測定物の物理的特性を測定可能である。
【００６９】
更に、薄膜７０は、水晶振動板４自身を介して回路２ａに接続されているので、薄膜７０から回路２ａへの電気的接続路を設ける必要はなく、そのための困難性がない。
【００７０】
（実施形態４）
図１３は本実施形態の水晶式センサーの構成図である。図において、実施形態２を示す図７ないし図９と同一符号は同じ又は相当するものを示す。このセンサーは、水晶振動板４の、電解液７側の面即ち外面が、凹凸状に形成されている点以外は、実施形態２と同じである。
【００７１】
上記構成のセンサーの発振作動は、実施形態２と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まることとなる。
【００７２】
上記構成のセンサーにおいては、実施形態２と同様の作用効果に加え、次のような作用効果を奏する。即ち、水晶振動板４の外面が凹凸状であるので、振動の際に電解液７から水晶振動板４に掛かる負荷は増大する。このため、センサーとしての感度が向上する。
【００７３】
（実施形態５）
図１４は本実施形態の水晶式センサーの構成図である。図において、実施形態２を示す図７ないし図９と同一符号は同じ又は相当するものを示す。このセンサーは、水晶振動板４の、電解液７側の面即ち外面に、電解液７に接触する面が凹凸状に形成されている薄膜８０が設けられている点以外は、実施形態２と同じである。
【００７４】
上記構成のセンサーの発振作動は、実施形態２と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まることとなる。
【００７５】
上記構成のセンサーにおいては、実施形態２と同様の作用効果に加え、次のような作用効果を奏する。即ち、薄膜８０の電解液７に接触する面が凹凸状であるので、振動の際に電解液７から薄膜８０及び水晶振動板４に掛かる負荷は増大する。このため、センサーとしての感度が向上する。
【００７６】
（実施形態６）
本実施形態の水晶式センサーは、水晶振動板４の、電解液７に接触する面即ち外面に、電解液７を吸収する薄膜が設けられている点以外は、実施形態２と同じである。薄膜は、例えば、ポリピロールのような高分子吸着膜からなっている。
【００７７】
上記構成のセンサーの発振作動は、実施形態２と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まることとなる。
【００７８】
上記構成のセンサーにおいては、実施形態２と同様の作用効果に加え、次のような作用効果を奏する。即ち、電解液７を吸収する薄膜があるので、水晶振動板４の負荷となる電解液７の量が増大する。このため、センサーとしての感度が向上する。
【００７９】
（別の実施形態）
（１）上記実施形態３の水晶式センサーは、被測定物が電解液以外の液体や気体及び固体薄膜の場合にも適用でき、液体の濃度、気体の濃度、固体薄膜の膜厚等を求めることができる。
【００８０】
（２）実施形態４における水晶振動板４の外面を凹凸状に形成する構成、実施形態５における薄膜８０を設ける構成、実施形態６における電解液７を吸収する薄膜を設ける構成は、参考例１及び実施形態１の水晶振動子にも適用でき、その場合、同様の作用効果が発揮される。
【００８１】
（３）増幅・帰還回路２，２ａは、これらに限るものではなく、また、いずれの実施形態に用いてもよい。
【００８２】
【発明の効果】
（１）請求項１記載の水晶式センサーによれば、水晶振動子を発振させて変化した固有振動数を求めることにより、被測定物の物理的特性、例えば液体の濃度、気体の濃度、固体薄膜の膜厚等を求めることができる。
【００８３】
また、第１電極及び第２電極が被測定物に接触していないので、両電極が被測定物によって侵されるのを防止できる。従って、センサーとしての機能が不安定となるのを防止でき、長寿命化を図ることができる。
【００８４】
また、電極を水晶振動板の両面に設けるということはしないので、電極の製作制限を緩かなものにでき、製作の作業性を向上できる。例えば、水晶振動子から増幅・帰還回路に接続される２本の電気的接続路（リード線）の内の１本を、隔壁を貫通させて設けなければならないという困難性を、解消できる。
【００８５】
更に、水晶振動板を電極を介することなく直接に被測定物に接触させることができるので、センサーとしての感度を向上できるとともに感度のばらつきも低減できる。
【００８６】
【００８７】
（２）請求項２記載の水晶式センサーによれば、鉛蓄電池の電解液の濃度を求めることができる。
【００８８】
【００８９】
（３）請求項３記載の水晶式センサーによれば、第１電極及び第２電極を共に被測定物に接触しないよう設けているので、両電極が被測定物によって侵されるのを確実に防止できる。
【００９０】
また、誘電体薄膜を選定の容易な材料を用いて製作できるので、第２電極についての寸法、形状等の製作制限を緩和でき、製作の作業性、ひいては生産性を向上できる。
【００９１】
（４）請求項４記載の水晶式センサーによれば、第１電極及び第２電極を共に被測定物に接触しないよう設けているので、両電極が被測定物によって侵されるのを確実に防止できる。
【００９２】
また、水晶振動板の片面のみに一度の工程で第１電極及び第２電極を設けることができるので、その分だけ製造工数を低減でき、生産性を向上できる。
【００９３】
また、両電極から増幅・帰還回路への２本の電気的接続路を設ける作業を、全てセンサー容器内の加工作業で行なうことができるので、製作の作業性、ひいては生産性を向上できる。
【００９４】
更に、被測定物が鉛蓄電池の電解液である場合には、第１電極及び第２電極は電解液に対して直流的にフローティング状態となっているので、フローティング状態としなければならないという制約を解消できる。
【００９５】
（５）請求項５記載の水晶式センサーによれば、導電性薄膜が設けられているので、被測定物がアドミタンスの小さいものであっても、その物理的特性を測定することができる。
【００９６】
また、導電性薄膜が直流的にフローティング状態にあるので、その電位がどの値にあるかに拘らず、被測定物の物理的特性を測定することができる。
【００９７】
更に、導電性薄膜は水晶振動板自身を介して高周波的に増幅・帰還回路に接続されているので、導電性薄膜から増幅・帰還回路への電気的接続路を設ける必要はなく、そのための困難性がない。
【００９８】
（６）請求項６記載の水晶式センサーによれば、水晶振動板の被測定物に接触する面が凹凸状となっているので、被測定物から水晶振動子に掛かる負荷は増大する。従って、センサーとしての感度を向上できる。
【００９９】
（７）請求項７記載の水晶式センサーによれば、簡単な、構成及び製作作業で、請求項６と同じ効果を奏することができる。
【０１００】
（８）請求項８記載の水晶式センサーによれば、被測定物を吸着又は吸収する薄膜が設けられているので、水晶振動子の負荷となる被測定物の量は増大する。従って、センサーとしての感度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例１の水晶式センサーの構成図である。
【図２】図１のセンサーの電気的等価回路図である。
【図３】図１のセンサー要部の構成模式図である。
【図４】実施形態１の水晶式センサーの構成図である。
【図５】図４のセンサーの電気的等価回路図である。
【図６】図４のセンサー要部の構成模式図である。
【図７】実施形態２の水晶式センサーの構成図である。
【図８】図７のセンサーの電気的等価回路図である。
【図９】図７のセンサー要部の構成模式図である。
【図１０】実施形態３の水晶式センサーの構成図である。
【図１１】図１０のセンサーの電気的等価回路図である。
【図１２】図１０のセンサー要部の構成模式図である。
【図１３】実施形態４の水晶式センサーの構成図である。
【図１４】実施形態５の水晶式センサーの構成図である。
【符号の説明】
１ センサー
２，２ａ 増幅・帰還回路
４ 水晶振動板
５ 第１電極
６ 第２電極
９ 誘電体薄膜
７０ 導電性薄膜
８０ 薄膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、化学、物理化学、生化学、食品化学、医学、工業化学等の分野において、液体の濃度、気体の濃度、固体薄膜の膜厚等を検出するのに用いられる水晶式センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水晶式センサーは、主としてＡＴカット等の厚みすべり振動する水晶振動板の両面にそれぞれ１個の導電性薄膜電極を設けて水晶振動子を構成し、水晶振動子の片面を被測定物に接触させた状態で増幅・帰還回路により水晶振動子を発振させ、被測定物による負荷に基づいて変化した水晶振動子の固有振動数を求めることにより、被測定物の濃度等を求めるようになっていた。ちなみに、被測定物が液体である場合にはその粘度と密度に応じて水晶振動子に負荷が掛かり、気体である場合には水晶振動子の片面に予め設けた吸着膜に被測定物が吸着されて水晶振動子に負荷が掛かる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の水晶式センサーでは、次のような不具合があった。(1) 水晶振動板の両面間に高周波電場を印加するために水晶振動板の両面にそれぞれ導電性薄膜電極を設けているので、それぞれの電極から増幅・帰還回路への電気的接続路を互いに絶縁した状態で設ける必要があった。一方、被測定物が例えばイオン溶液のような導電性液体である場合には、水晶振動板の両面が被測定物によって短絡されるのを防止するために、水晶振動板の片面のみを被測定物に接触させ、他面は隔壁によって被測定物から隔離する必要がある。この２つの必要性を同時に満たすため、上記構成の水晶式センサーでは、被測定物に接触する上記片面の薄膜電極からの電気的接続路を上記隔壁を貫通させて設けなければならず、それは困難なことであった。しかも、この困難性が設計上の制約となり、電極の寸法、形状等が限定され、製作の作業性が悪く、また、信頼度の向上や製造工数の削減を妨げていた。更に、同様の困難性は、被測定物が腐蝕性の気体及び液体である場合や蒸着膜等の固体薄膜である場合にも、見られ、やはり信頼度の向上や製造工数の削減を妨げていた。
【０００４】
(2) 水晶振動板の両面にそれぞれ蒸着等によって導電性薄膜電極を設けるので、その分だけ確実に製造工数が多かった。
【０００５】
(3) 被測定物が薄膜電極を腐食する性質のものである場合には、被測定物に接触している薄膜電極が被測定物によって侵され、薄膜電極の溶出や剥離が生じ、その結果、センサーとしての機能が不安定となったり寿命が短くなったりすることがあった。
【０００６】
(4) 薄膜電極自体の重量は水晶振動板の振動に対する負荷の一部となるので、薄膜電極の存在は、センサーの感度の向上や感度のばらつき解消の点で障害となるが、上記構成の水晶式センサーでは、その程度が顕著であった。
【０００７】
(5) 被測定物が、例えば鉛蓄電池の電解液のように、導電性であり且つ電解液に接触する薄膜電極と増幅・帰還回路との間の電位差が状況に応じて様々な値を持ち得る場合には、この電位差を短絡しないために、増幅・帰還回路を、被測定物に接触する薄膜電極に対して直流的にフローティング状態としなければならないという制約があった。
【０００８】
本発明は、上記不具合を解消できる、水晶式センサーを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、被測定物の物理的特性の変化に伴なって一価関数的に固有振動数が変化する水晶振動子を有する発振回路を備え、被測定物に接触させた状態で水晶振動子を発振させてその固有振動数を求めることによって、被測定物の物理的特性を検知する水晶式センサーにおいて、水晶振動子は、水晶振動板と、水晶振動板に電圧を印加するよう設けられた、第１電極及び第２電極とからなり、水晶振動板は、一方の面のみが被測定物に接触するよう設けられており、第１電極は、水晶振動板の他方の面に設けられており、第２電極は、水晶振動板の上記一方の面以外の箇所にて、被測定物に接触しないよう設けられていることを特徴としている。
【００１０】
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、被測定物が鉛蓄電池の電解液である。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、第２電極が、一方の面のみが被測定物に接触するよう設けられた誘電体薄膜の、他方の面に設けられており、誘電体薄膜が、被測定物に対して耐性を有する材料でできている。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、第２電極が、水晶振動板の上記他方の面に第１電極と並設されている。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の構成に加え、水晶振動板の上記一方の面に、導電性薄膜が形成されている。
【００１５】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、水晶振動板の上記一方の面が凹凸状に形成されている。
【００１６】
請求項７記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、水晶振動板の上記一方の面に、被測定物に接触する面が凹凸状に形成された薄膜が設けられている。
【００１７】
請求項８記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、水晶振動板の上記一方の面に、被測定物を吸着又は吸収する薄膜が設けられている。
【００１８】
尚、本発明の作用は以下の通りである。
本発明の水晶式センサーの基本的作動は次の如くである。
【００１９】
(1) 水晶振動子の発振について：
被測定物が例えば電解液である場合について説明する。測定対象である電解液はイオン電導機構により電導性を有しているので、発振回路において、第１電極から水晶振動板及び電解液を経て第２電極に至る直列素子群に加わる高周波電圧は、電解液の導電度が十分に大きければ、水晶振動板に加わる電圧と略等しくなる。
【００２０】
即ち、直列素子群が第１電極、水晶振動板、電解液、及び第２電極からなる場合には、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板自体に加わる電圧、電解液内のイオン電流に対応するオーミック電圧、水晶振動板近傍の電解液内に形成される二重層に加わる電圧、の総和に略等しくなる。この場合において、電解液の導電度が十分に大きければ、オーミック電圧及び二重層に加わる電圧は極めて小さくなるため、無視できる。従って、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板に加わる電圧と略等しくなる。
【００２１】
また、直列素子群が第１電極、水晶振動板、電解液、誘電体薄膜、及び第２電極からなる場合には、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板自体に加わる電圧、誘電体薄膜に加わる電圧、電解液内のイオン電流に対応するオーミック電圧、水晶振動板近傍及び誘電体薄膜近傍の電解液内にそれぞれ形成される二重層に加わる電圧、の総和に略等しくなる。この場合において、電解液の導電度が十分に大きければ、誘電体薄膜に加わる電圧、オーミック電圧、及び二重層に加わる電圧は極めて小さくなるため、無視できる。従って、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板に加わる電圧と略等しくなる。
【００２２】
また、直列素子群が第１電極、水晶振動板、電解液、水晶振動板、及び第２電極からなる場合には、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板自体に加わる電圧、電解液内のイオン電流に対応するオーミック電圧、水晶振動板近傍の電解液内にそれぞれ形成される二重層に加わる電圧、の総和に略等しくなる。この場合において、電解液の導電度が十分に大きければ、オーミック電圧及び二重層に加わる電圧は極めて小さくなるため、無視できる。従って、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板に加わる電圧と略等しくなる。
従って、水晶振動子は通常の水晶発振回路と同様に発振する。
【００２３】
(2) 水晶式センサーによる測定について：
被測定物が、液体、気体、固体薄膜である場合とに分けて、説明するが、いずれの場合においても発振周波数は、増幅・帰還回路の影響も含めて、水晶振動子のその状態での固有振動数に応じて決まるものである。
【００２４】
(i)被測定物が液体である場合：
片面が電解液に接触した状態の水晶振動子は、電解液の密度ρ及び粘性率ηの影響を受けるため、その固有振動数が変化する。空中でのフリーな状態における水晶振動子の固有振動数をＦa 、片面が電解液に接触した状態における水晶振動子の固有振動数をＦl 、固有振動数の変化分をΔＦl とすると、Ｆa 、Ｆl 、ΔＦl 、ρ、及びηの間には、次の式(I),(II)が成り立つ。なお、この式は簡単なモデルからも導き出されている。
【００２５】
Ｆl ＝Ｆa ＋ΔＦl …式(I)
ΔＦl ＝−Ｋ・√（ρ・η） …式(II)
【００２６】
式(II)において、Ｋは、定数であり、ρ及びηが既知である幾つかの試料から実験的に求めることができる。従って、予めＫを求めておけば、未知の試料であっても、ΔＦl を求めて逆算することによって、ρとηとの積を求めることができる。ρとηとの積は、その電解液の固有の関数Ｆ(X) に従って電解液の濃度ｃと一対一の関係にある。従って、予め関数Ｆ(X) を求めておけば、ΔＦl を求めて逆算することによって、濃度ｃを求めることができる。
【００２７】
(ii)被測定物が気体である場合：
被測定物が気体である場合には、感度や選択性を増すために、水晶振動子の片面に被測定物である気体を吸着する性質を有する吸着膜を塗布等により設けておくのが、一般的である。そして、吸着膜が被測定物を吸着していない状態での固有振動数をＦn 、吸着した状態での固有振動数をＦg 、固有振動数の変化分をΔＦg 、吸着膜の単位面積当りの被測定物の吸着量をＧとすると、Ｆn 、Ｆg 、ΔＦg 、及びＧの間には、次の式(III) の関係が成り立つ。
【００２８】
ΔＦg ＝Ｆg −Ｆn ＝−Ｊ・Ｇ …式(III)
【００２９】
式(III) において、Ｊは、定数であり、吸着膜と被測定物との組合せに応じて予め実験的に求めることができる。一方、被測定物の濃度Ｃg と上記Ｇとは一対一の関係にあるので、この関数関係を予め実験的に求めておけば、ΔＦg を求めて逆算することによって、濃度Ｃg を求めることができる。
【００３０】
なお、吸着膜は、被測定物が液体である場合においても、溶質濃度に対する感度や選択性を増すために、用いることができる。
【００３１】
(iii)被測定物が固体薄膜である場合
被測定物が例えば金属蒸着膜のような固体薄膜であり、その膜厚を求める場合には、次のようになる。即ち、単純に被測定物の重量が水晶振動子に対する負荷となり、上記(i)，(ii)と同様に被測定物がない場合の水晶振動子の固有振動数Ｆv が被測定物がある場合の固有振動数Ｆw へ変化する。その変化分ΔＦw は、被測定物の単位面積当り重量に比例するので、ΔＦw を求めて逆算することによって、被測定物の単位面積当り重量、ひいては膜厚を求めることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を参考例を参照しながら図に基づいて説明する。
【００３３】
（参考例１）
図１は本参考例の水晶式センサーの構成図、図２はそのセンサーの電気的等価回路図、図３はセンサー要部の構成模式図である。センサー１は、増幅・帰還回路２と、センサー容器３と、水晶振動板４と、第１電極５と、第２電極６とで構成されている。水晶振動板４、第１電極５、及び第２電極６により、水晶振動子が構成されており、水晶振動子及び回路２により、発振回路が構成されている。７は被測定物である電解液、８はサンプル容器である。
【００３４】
センサー容器３は下端が閉じた水密構造の筒体である。容器３の下端部側壁には貫通孔３１が形成されている。水晶振動板４は、貫通孔３１を外側から塞ぎ且つ水密的に、接着等の方法によって容器３に取付けられている。
【００３５】
水晶振動板４の、貫通孔３１側の面即ち内面には、導電性薄膜からなる第１電極５が蒸着等の方法によって取付けられている。第１電極５にはリード線５１が接続されており、リード線５１は、容器３内を延び、容器３上面の貫通孔３２を通り、回路２の高インピーダンス端子２１に接続されている。
【００３６】
第２電極６は、電解液７に対して耐性を有する材料、例えばカーボンでできており、リード線６１により、回路２の低インピーダンス端子２２に接続されている。
【００３７】
回路２において、コンデンサ２３は、回路２のグラウンドに対して第２電極６を交流的に接続したまま直流的にはフローティング状態とするために、設けられている。Ｑ１，Ｑ２はトランジスタ、２８は出力端子である。
【００３８】
図２の電気的等価回路において、７ａは電解液７のインピーダンスを等価的に抵抗で表わしたものである。図２の等価回路即ち発振回路の形式は、コルピッツ回路として公知である。
【００３９】
次に作動について説明する。まず、水晶振動子を電解液７中に浸漬する。この状態では、水晶振動板４の外面及び第２電極６のみが電解液７に接触している。次に、両電極５，６間に回路２を接続し、直流電圧を加える。これにより、水晶振動子は発振する。即ち、水晶振動子は、電解液７中にその粘度を通して横波を励起し、その反作用として電解液７は水晶振動子の負荷となるため、水晶振動子の固有振動数が低下する。そして、低下した固有振動数を求めれば、電解液７の濃度が求まることとなる。
【００４０】
上記構成のセンサーにおいては、第１電極５は全く電解液７に接触しない。また、第２電極６は、電解液７に接触するが、電解液７に対して耐性を有する材料でできている。従って、両電極５，６が電解液７によって侵されることはなく、センサーとしての機能の安定性は向上し、寿命も長くなる。
【００４１】
また、水晶振動板４の一方の面のみに第１電極５を設けるので、両面に設ける場合に比して、製作制限が緩和され、製作の作業性、ひいては生産性が向上する。例えば、従来のような、一方の電極から増幅・帰還回路へのリード線を隔壁を貫通させて設けなければならないという困難性は解消される。
【００４２】
しかも、第２電極６については、寸法、形状等についての製作制限が大幅に緩和されるので、この点からも、製作の作業性が向上する。
【００４３】
更に、水晶振動板４は電極を介することなく直接に電解液７に接触するので、センサーとしての感度が向上する。
【００４４】
（参考例２）
被測定物が鉛蓄電池の電解液であり、鉛蓄電池の電槽に使用する場合には、第２電極６として鉛蓄電池の正極又は負極を用いてもよい。なお、その他の構成は参考例１と同じである。
【００４５】
この場合、第２電極６は鉛蓄電池の正極、負極に対して等電位にはならない。しかし、第２電極６は、コンデンサ２３により、回路２のグラウンドに対して交流的に接地されてはいるが、直流的にはフローティング状態となっているので、回路２の電源電圧を鉛蓄電池自体から取出すことが可能である。
【００４６】
本参考例のセンサーでは、参考例１のセンサーに比して、構成が更に簡素となり、生産性が向上して安価となる。
【００４７】
（実施形態１）
図４は本実施形態の水晶式センサーの構成図、図５はそのセンサーの電気的等価回路図、図６はセンサー要部の構成模式図である。これらの図において、参考例１を示す図１ないし図３と同一符号は同じ又は相当するものを示す。９は誘電体薄膜である。誘電体薄膜９は、電解液７に対して耐性を有する材料でできており、例えば多種類のプラスチックスから任意に選定された材料でできている。回路２はコンデンサ２３を有していない。
【００４８】
センサー容器３は下端が閉じた水密構造の筒体である。容器３の下端部両側壁には貫通孔３１，３３が形成されている。水晶振動板４は、貫通孔３１を外側から塞ぎ且つ水密的に、接着等の方法によって容器３に取付けられている。誘電体薄膜９は、貫通孔３３を外側から塞ぎ且つ水密的に、接着等の方法によって容器３に取付けられている。
【００４９】
水晶振動板４の、貫通孔３１側の面即ち内面には、導電性薄膜からなる第１電極５が蒸着等の方法によって取付けられている。誘電体薄膜９の、貫通孔３３側の面即ち内面には、導電性薄膜からなる第２電極６が蒸着等の方法によって取付けられている。第１電極５にはリード線５１が接続されており、リード線５１は、容器３内を延び、容器３上面の貫通孔３２を通り、回路２の高インピーダンス端子２１に接続されている。第２電極６にはリード線６１が接続されており、リード線６１は、容器３内を延び、容器３上面の貫通孔３４を通り、回路２の低インピーダンス端子２２に接続されている。
【００５０】
図５の電気的等価回路において、９ａは電解液７と第２電極６とに挾まれた状態の誘電体薄膜９を等価的にコンデンサで表わしたものである。図５の等価回路即ち発振回路の形式は、コルピッツ回路として公知である。
【００５１】
上記構成のセンサーの発振作動は、参考例１と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まることとなる。
【００５２】
上記構成のセンサーにおいては、水晶振動子を電解液７に浸漬した状態では、水晶振動板４の外面及び誘電体薄膜９の外面のみが電解液７と接触しており、両電極５，６は電解液７に接触していない。従って、両電極５，６が電解液７によって侵されることはなく、センサーとしての機能の安定性は向上し、寿命も長くなる。
【００５３】
また、水晶振動板４の一方の面のみに第１電極５を設けるので、両面に設ける場合に比して、製作制限が緩和され、製作の作業性、ひいては生産性が向上する。
【００５４】
更に、水晶振動板４は電極を介することなく直接に電解液７に接触するので、センサーとしての感度が向上する。
【００５５】
（実施形態２）
図７は本実施形態の水晶式センサーの構成図、図８はそのセンサーの電気的等価回路図、図９はセンサー要部の構成模式図である。これらの図において、参考例１を示す図１ないし図３と同一符号は同じ又は相当するものを示す。２ａは増幅・帰還回路であり、回路２ａにおいて、２５ａは発振用のＣＭＯＳインバーター、２５ｂは出力用のＣＭＯＳインバーター、２６ａ，２６ｂは帰還回路のコンデンサ、２７ａ，２７ｂは帰還回路の抵抗である。水晶振動子及び回路２ａにより発振回路が構成されている。
【００５６】
センサー容器３は下端が閉じた水密構造の筒体である。容器３の下端部側壁には貫通孔３１が形成されている。水晶振動板４は、貫通孔３１を外側から塞ぎ且つ水密的に、接着等の方法によって容器３に取付けられている。
【００５７】
水晶振動板４の、貫通孔３１側の面即ち内面には、導電性薄膜からなる第１電極５及び第２電極６が蒸着等の方法によって並設されている。第１電極５にはリード線５１が接続され、第２電極６にはリード線６１が接続されており、リード線５１，６１は、容器３内を延び、容器３上面の貫通孔３２を通り、回路２ａのコンデンサ２６ａ，２６ｂにそれぞれ接続されている。
【００５８】
図８の電気的等価回路において、７ｂ，７ｃは水晶振動板４近傍の電解液７内に形成される電気二重層を等価的にコンデンサで表わしたものであり、第１電極５下と第２電極６下の２箇所に存在している。図８の等価回路即ち発振回路の形式は公知である。
【００５９】
上記構成のセンサーの発振作動は、参考例１と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まることとなる。即ち、上記構成のセンサーでは、第１電極５と水晶振動板４と電解液７とからなる水晶振動子と、第２電極６と水晶振動板４と電解液７とからなる水晶振動子とが、電気回路的には直列接続されて帰還回路を構成し、圧電分極的には逆並列となっているが、この２個の水晶振動子は、全く同じプロセスで作製されているので、その固有振動数は極めて接近しており、単一の周波数で発振する。そして、電解液７から掛かる負荷は２個の水晶振動子に対して全く同等に作用するので、固有振動数は共に低い周波数へ変化し、単一の周波数で発振する。従って、固有振動数の変化分から、電解液７の濃度が求まることとなる。
【００６０】
上記構成のセンサーにおいては、水晶振動子を電解液７に浸漬した状態では、水晶振動板４の外面のみが電解液７と接触しており、両電極５，６は電解液７に接触していない。従って、両電極５，６が電解液７によって侵されることはなく、センサーとしての機能の安定性は向上し、寿命も長くなる。
【００６１】
また、水晶振動板４の片面のみに一度の工程で両電極５，６が設けられるので、両面に設ける場合に比して、その分だけ製造工数が低減される。
【００６２】
また、両電極５，６から回路２ａへのリード線５１，６１を設ける作業は、全てセンサー容器３内の加工作業で行なえるので、製作の作業性、ひいては生産性が向上する。
【００６３】
また、水晶振動板４は電極を介することなく直接に電解液７に接触するので、センサーとしての感度は向上し、ばらつきも解消される。
【００６４】
更に、両電極５，６は電解液７に対して直流的にフローティング状態となっているので、フローティング状態としなければならないという制約は解消される。
【００６５】
（実施形態３）
図１０は本実施形態の水晶式センサーの構成図、図１１はそのセンサーの電気的等価回路図、図１２はセンサー要部の構成模式図である。これらの図において、参考例１及び実施形態２を示す図１ないし図３及び図７ないし図９と同一符号は同じ又は相当するものを示す。このセンサーは、水晶振動板４の、電解液７側の面即ち外面に、導電性薄膜７０が設けられている点以外は、実施形態２と同じである。薄膜７０は、金属、金属酸化物、又は導電性高分子を蒸着等することにより形成されている。
【００６６】
上記構成のセンサーの発振作動は、実施形態２と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まることとなる。
【００６７】
上記構成のセンサーにおいては、実施形態２と同様の作用効果に加え、次のような作用効果を奏する。薄膜７０が水晶振動板４の外面に設けられているので、被測定物がアドミタンスの小さいものであっても、満足できる精度でその物理的特性を測定可能である。
【００６８】
また、薄膜７０は直流的にフローティング状態にあるので、その電位がどの値にあるかに拘らず、被測定物の物理的特性を測定可能である。
【００６９】
更に、薄膜７０は、水晶振動板４自身を介して回路２ａに接続されているので、薄膜７０から回路２ａへの電気的接続路を設ける必要はなく、そのための困難性がない。
【００７０】
（実施形態４）
図１３は本実施形態の水晶式センサーの構成図である。図において、実施形態２を示す図７ないし図９と同一符号は同じ又は相当するものを示す。このセンサーは、水晶振動板４の、電解液７側の面即ち外面が、凹凸状に形成されている点以外は、実施形態２と同じである。
【００７１】
上記構成のセンサーの発振作動は、実施形態２と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まることとなる。
【００７２】
上記構成のセンサーにおいては、実施形態２と同様の作用効果に加え、次のような作用効果を奏する。即ち、水晶振動板４の外面が凹凸状であるので、振動の際に電解液７から水晶振動板４に掛かる負荷は増大する。このため、センサーとしての感度が向上する。
【００７３】
（実施形態５）
図１４は本実施形態の水晶式センサーの構成図である。図において、実施形態２を示す図７ないし図９と同一符号は同じ又は相当するものを示す。このセンサーは、水晶振動板４の、電解液７側の面即ち外面に、電解液７に接触する面が凹凸状に形成されている薄膜８０が設けられている点以外は、実施形態２と同じである。
【００７４】
上記構成のセンサーの発振作動は、実施形態２と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まることとなる。
【００７５】
上記構成のセンサーにおいては、実施形態２と同様の作用効果に加え、次のような作用効果を奏する。即ち、薄膜８０の電解液７に接触する面が凹凸状であるので、振動の際に電解液７から薄膜８０及び水晶振動板４に掛かる負荷は増大する。このため、センサーとしての感度が向上する。
【００７６】
（実施形態６）
本実施形態の水晶式センサーは、水晶振動板４の、電解液７に接触する面即ち外面に、電解液７を吸収する薄膜が設けられている点以外は、実施形態２と同じである。薄膜は、例えば、ポリピロールのような高分子吸着膜からなっている。
【００７７】
上記構成のセンサーの発振作動は、実施形態２と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まることとなる。
【００７８】
上記構成のセンサーにおいては、実施形態２と同様の作用効果に加え、次のような作用効果を奏する。即ち、電解液７を吸収する薄膜があるので、水晶振動板４の負荷となる電解液７の量が増大する。このため、センサーとしての感度が向上する。
【００７９】
（別の実施形態）
（１）上記実施形態３の水晶式センサーは、被測定物が電解液以外の液体や気体及び固体薄膜の場合にも適用でき、液体の濃度、気体の濃度、固体薄膜の膜厚等を求めることができる。
【００８０】
（２）実施形態４における水晶振動板４の外面を凹凸状に形成する構成、実施形態５における薄膜８０を設ける構成、実施形態６における電解液７を吸収する薄膜を設ける構成は、参考例１及び実施形態１の水晶振動子にも適用でき、その場合、同様の作用効果が発揮される。
【００８１】
（３）増幅・帰還回路２，２ａは、これらに限るものではなく、また、いずれの実施形態に用いてもよい。
【００８２】
【発明の効果】
（１）請求項１記載の水晶式センサーによれば、水晶振動子を発振させて変化した固有振動数を求めることにより、被測定物の物理的特性、例えば液体の濃度、気体の濃度、固体薄膜の膜厚等を求めることができる。
【００８３】
また、第１電極及び第２電極が被測定物に接触していないので、両電極が被測定物によって侵されるのを防止できる。従って、センサーとしての機能が不安定となるのを防止でき、長寿命化を図ることができる。
【００８４】
また、電極を水晶振動板の両面に設けるということはしないので、電極の製作制限を緩かなものにでき、製作の作業性を向上できる。例えば、水晶振動子から増幅・帰還回路に接続される２本の電気的接続路（リード線）の内の１本を、隔壁を貫通させて設けなければならないという困難性を、解消できる。
【００８５】
更に、水晶振動板を電極を介することなく直接に被測定物に接触させることができるので、センサーとしての感度を向上できるとともに感度のばらつきも低減できる。
【００８６】
【００８７】
（２）請求項２記載の水晶式センサーによれば、鉛蓄電池の電解液の濃度を求めることができる。
【００８８】
【００８９】
（３）請求項３記載の水晶式センサーによれば、第１電極及び第２電極を共に被測定物に接触しないよう設けているので、両電極が被測定物によって侵されるのを確実に防止できる。
【００９０】
また、誘電体薄膜を選定の容易な材料を用いて製作できるので、第２電極についての寸法、形状等の製作制限を緩和でき、製作の作業性、ひいては生産性を向上できる。
【００９１】
（４）請求項４記載の水晶式センサーによれば、第１電極及び第２電極を共に被測定物に接触しないよう設けているので、両電極が被測定物によって侵されるのを確実に防止できる。
【００９２】
また、水晶振動板の片面のみに一度の工程で第１電極及び第２電極を設けることができるので、その分だけ製造工数を低減でき、生産性を向上できる。
【００９３】
また、両電極から増幅・帰還回路への２本の電気的接続路を設ける作業を、全てセンサー容器内の加工作業で行なうことができるので、製作の作業性、ひいては生産性を向上できる。
【００９４】
更に、被測定物が鉛蓄電池の電解液である場合には、第１電極及び第２電極は電解液に対して直流的にフローティング状態となっているので、フローティング状態としなければならないという制約を解消できる。
【００９５】
（５）請求項５記載の水晶式センサーによれば、導電性薄膜が設けられているので、被測定物がアドミタンスの小さいものであっても、その物理的特性を測定することができる。
【００９６】
また、導電性薄膜が直流的にフローティング状態にあるので、その電位がどの値にあるかに拘らず、被測定物の物理的特性を測定することができる。
【００９７】
更に、導電性薄膜は水晶振動板自身を介して高周波的に増幅・帰還回路に接続されているので、導電性薄膜から増幅・帰還回路への電気的接続路を設ける必要はなく、そのための困難性がない。
【００９８】
（６）請求項６記載の水晶式センサーによれば、水晶振動板の被測定物に接触する面が凹凸状となっているので、被測定物から水晶振動子に掛かる負荷は増大する。従って、センサーとしての感度を向上できる。
【００９９】
（７）請求項７記載の水晶式センサーによれば、簡単な、構成及び製作作業で、請求項６と同じ効果を奏することができる。
【０１００】
（８）請求項８記載の水晶式センサーによれば、被測定物を吸着又は吸収する薄膜が設けられているので、水晶振動子の負荷となる被測定物の量は増大する。従って、センサーとしての感度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例１の水晶式センサーの構成図である。
【図２】図１のセンサーの電気的等価回路図である。
【図３】図１のセンサー要部の構成模式図である。
【図４】実施形態１の水晶式センサーの構成図である。
【図５】図４のセンサーの電気的等価回路図である。
【図６】図４のセンサー要部の構成模式図である。
【図７】実施形態２の水晶式センサーの構成図である。
【図８】図７のセンサーの電気的等価回路図である。
【図９】図７のセンサー要部の構成模式図である。
【図１０】実施形態３の水晶式センサーの構成図である。
【図１１】図１０のセンサーの電気的等価回路図である。
【図１２】図１０のセンサー要部の構成模式図である。
【図１３】実施形態４の水晶式センサーの構成図である。
【図１４】実施形態５の水晶式センサーの構成図である。
【符号の説明】
１ センサー
２，２ａ 増幅・帰還回路
４ 水晶振動板
５ 第１電極
６ 第２電極
９ 誘電体薄膜
７０ 導電性薄膜
８０ 薄膜
Claims (8)
- 被測定物の物理的特性の変化に伴なって一価関数的に固有振動数が変化する水晶振動子を有する発振回路を備え、被測定物に接触させた状態で水晶振動子を発振させてその固有振動数を求めることによって、被測定物の物理的特性を検知する水晶式センサーにおいて、
水晶振動子は、水晶振動板と、水晶振動板に電圧を印加するよう設けられた、第１電極及び第２電極とからなり、
水晶振動板は、一方の面のみが被測定物に接触するよう設けられており、
第１電極は、水晶振動板の他方の面に設けられており、
第２電極は、水晶振動板の上記一方の面以外の箇所にて、被測定物に接触しないよう設けられていることを特徴とする水晶式センサー。 - 被測定物が鉛蓄電池の電解液である請求項１記載の水晶式センサー。
- 第２電極が、一方の面のみが被測定物に接触するよう設けられた誘電体薄膜の、他方の面に設けられており、誘電体薄膜が、被測定物に対して耐性を有する材料でできている請求項１記載の水晶式センサー。
- 第２電極が、水晶振動板の上記他方の面に第１電極と並設されている請求項１記載の水晶式センサー。
- 水晶振動板の上記一方の面に、導電性薄膜が形成されている請求項４記載の水晶式センサー。
- 水晶振動板の上記一方の面が凹凸状に形成されている請求項１記載の水晶式センサー。
- 水晶振動板の上記一方の面に、被測定物に接触する面が凹凸状に形成された薄膜が設けられている請求項１記載の水晶式センサー。
- 水晶振動板の上記一方の面に、被測定物を吸着又は吸収する薄膜が設けられている請求項１記載の水晶式センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01173196A JP3634479B2 (ja) | 1995-07-17 | 1996-01-26 | 水晶式センサー |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7-180020 | 1995-07-17 | ||
| JP18002095 | 1995-07-17 | ||
| JP01173196A JP3634479B2 (ja) | 1995-07-17 | 1996-01-26 | 水晶式センサー |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0989740A JPH0989740A (ja) | 1997-04-04 |
| JP3634479B2 true JP3634479B2 (ja) | 2005-03-30 |
Family
ID=26347240
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP01173196A Expired - Lifetime JP3634479B2 (ja) | 1995-07-17 | 1996-01-26 | 水晶式センサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3634479B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4095994B2 (ja) | 2005-03-30 | 2008-06-04 | 株式会社東芝 | 濃度計測装置 |
| JP4594162B2 (ja) * | 2005-05-11 | 2010-12-08 | 日本電波工業株式会社 | 感知装置 |
| JP4796825B2 (ja) * | 2005-11-30 | 2011-10-19 | 京セラキンセキ株式会社 | 微少質量測定用センサ |
| JP5057060B2 (ja) * | 2007-08-27 | 2012-10-24 | セイコーエプソン株式会社 | 流体センサおよび音叉型センサ素子 |
| JP5656890B2 (ja) * | 2012-01-25 | 2015-01-21 | 京セラドキュメントソリューションズ株式会社 | 濃度検出装置、およびこれを備えた画像形成装置 |
| JP5656891B2 (ja) * | 2012-01-25 | 2015-01-21 | 京セラドキュメントソリューションズ株式会社 | 濃度検出装置、およびこれを備えた画像形成装置 |
-
1996
- 1996-01-26 JP JP01173196A patent/JP3634479B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0989740A (ja) | 1997-04-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Beck et al. | Impedance analysis of quartz oscillators, contacted on one side with a liquid | |
| US5455475A (en) | Piezoelectric resonant sensor using the acoustoelectric effect | |
| Olthuis et al. | Theoretical and experimental determination of cell constants of planar-interdigitated electrolyte conductivity sensors | |
| JPS60169719A (ja) | 物理量検出装置 | |
| Bockris et al. | Dielectric relaxation in the electric double layer | |
| JP3717696B2 (ja) | Ｑｃｍセンサデバイス | |
| JP2003057092A (ja) | 水位センサ | |
| JP6175434B2 (ja) | 圧電ユニット、圧電装置、圧電判定装置及び状態判定方法 | |
| JP3094190B2 (ja) | 化学計測装置 | |
| JP2004304766A (ja) | 発振回路およびその調整方法並びにそれを用いた質量測定装置 | |
| JP3634479B2 (ja) | 水晶式センサー | |
| JP2019109224A (ja) | 導電率センサ | |
| Olthuis et al. | A new probe for measuring electrolytic conductance | |
| JPH04215052A (ja) | 脂質膜型化学物質センサ | |
| JP3340028B2 (ja) | ガスセンサ | |
| JP4387603B2 (ja) | 測定装置及び測定方法 | |
| JP4500993B2 (ja) | 絶縁ガス分解検出装置及び分解ガス検出方法 | |
| JPS59176662A (ja) | 半導体センサ | |
| JP2006322887A (ja) | センシング装置。 | |
| JP2017220854A (ja) | 圧電振動子及び質量センサ | |
| El Sana et al. | Rate limiting steps of charge transfer at conducting polymers | |
| JPH07209163A (ja) | ガス検出用センサ | |
| JPH03277961A (ja) | 電気化学式ガスセンサ | |
| JP2004020518A (ja) | 静電容量式液体センサ | |
| JP4288547B2 (ja) | 圧電素子用発振回路 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040407 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040831 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20041029 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20041130 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20041224 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080107 Year of fee payment: 3 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080107 Year of fee payment: 3 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090107 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090107 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100107 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100107 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110107 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120107 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130107 Year of fee payment: 8 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |