JP6175434B2 - 圧電ユニット、圧電装置、圧電判定装置及び状態判定方法 - Google Patents
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Description
そのため、QCMセンサと他のセンサを一体化した一体化センサが求められていた。
本発明に係る圧電ユニットの第1の特徴は、厚み辷り振動を励起する圧電素子と、前記圧電素子の片面に備えられる第1電極と、前記圧電素子の前記片面と反対側の面に備えられる互いに電気的に絶縁された第2電極および第3電極と、を有する電極部と、前記第1電極、前記第2電極および前記第3電極に接続され、各々の電極の接続状態を切り替える切り替え器と、を有し、前記切り替え器が、前記圧電素子の厚み辷り振動を励起させることにより前記圧電素子に接触する物質の質量もしくは粘弾性を測定するための電極の接続状態である質量・粘弾性測定モードと、前記第2電極と前記第3電極との電極間における電気特性を測定するための電極の接続状態である電気特性測定モードと、の何れかの測定モードに切り替え可能であることを特徴とする。
係る圧電ユニットの特徴によれば、圧電素子を安定した厚み辷り振動が得られる水晶振動子とすることで、厚み辷り振動を利用した測定の安定度が高い複合センサを実現することができる。
係る圧電ユニットの特徴によれば、第2電極と第3電極を櫛歯状とすることで、第2電極と第3電極を一対の電極として(切り替え器を第2状態にして)物性の測定に利用する場合において、測定対象物を介して信号が流れる経路を増やすことで、測定を高感度に行うことができる。
係る圧電ユニットの特徴によれば、圧電素子の表裏の電極の面積比をより近づけることができるため、圧電素子を安定して振動させることができ、測定を高感度に行うことができる。
係る圧電ユニットの特徴によれば、切り替え器の切り替えをより簡略化することができるため、2つ以上の物性を取得する圧電ユニットをより容易に構成することができる。
係る圧電ユニットの特徴によれば、第2電極または第3電極の何れかと第1電極と接続させておくことにより、測定系の規制容量を排除することができ、特に高周波領域での測定を高精度に行うことができる。
係る圧電ユニットの特徴によれば、圧電素子をより安定的に振動させることができ、測定を高感度に行うことができる。
係る圧電ユニットの特徴によれば、圧電素子が特定の物質を付着させる感応膜を備えている場合には、厚み辷り振動を利用した測定を実施する際に、液体や気体中に含まれる特定の物質の濃度、密度、不溶粒子量、質量などを容易に測定することができる。また、極微量な物質と結合することで粘弾性が大きく変化する感応膜を備えている場合には、厚み辷り振動を利用した測定における測定感度を向上させることができる。
係る圧電装置の特徴によれば、第2電極と第3電極の両電極が、圧電素子に信号を印加する対電極の片面電極の機能と、第2電極と第3電極で一対の電極となる機能、の2つの機能を兼ねる構造を有する圧電ユニットを利用して圧電装置とすることで、圧電装置を物性の測定に使用した際に、厚み辷り振動への影響を与えにくい複合センサ装置を実現することができる。
前記第2回路ユニットが、前記第2信号印加回路により印加される前記第2入力信号に応じた第2出力信号を検出する第2信号検出回路を有し、当該第2出力信号に基づく第2物理量を測定可能であることを特徴とする。
係る圧電装置の特徴によれば、第1状態において、第1回路ユニットに含まれる第1信号印加回路により一体電極と第1電極との間に印加された第1入力信号が、圧電素子が接する物質の物性を反映した厚み辷り振動を圧電ユニット内の圧電素子に励起し、その厚み辷り振動状態を第1信号検出回路で測定することで、物質の第1物理量を測定する。
また、係る圧電装置における第1回路ユニット、第2回路ユニットにおいて、信号検出回路と信号印加回路を一体化すると、信号の入力時と出力時における双方の信号の位相制御や位相差検出がしやすくなり、より正確な測定装置を実現することができる。
係る圧電装置の特徴によれば、第1信号印加回路がオシレータ回路を有することにより、圧電素子に印加する交流電圧の周波数を任意に設定することができる。ゆえに、圧電素子の等価回路定数を容易に求めることができる。
係る圧電装置の特徴によれば、第1信号印加回路を発振回路とすることで、圧電素子を容易に発振させることができる。
係る圧電装置の特徴によれば、第2信号印加回路がオシレータ回路を有することにより、第2電極と第3電極間に印加する交流電圧の周波数を任意に設定することができる。ゆえに、第2電極と第3電極間に介在する物質の電気的特性、電気化学的特性を容易に求めることができる。またさらに、測定できる特性に多様性を持たせることが可能になる。
係る圧電装置の特徴によれば、第1回路ユニットと第2回路ユニットを共通化することにより、圧電装置を小型化することが可能になる。
係る圧電装置の特徴によれば、信号印加回路を共通化することにより、圧電装置の構成を簡易化することができる。
係る圧電装置の特徴によれば、信号検出回路を共通化することにより、圧電装置の構成を簡易化することができる。
係る圧電装置の特徴によれば、圧電素子の厚み辷り振動における、アドミッタンス、コンダクタンス、サセプタンス、インダクタンス、リアクタンス、レジスタンス、インピーダンス、キャパシタンス、共振周波数の少なくともいずれか一つの第1出力値を取得することで、液体もしくは気体の物理量の測定に利用することができる。
係る圧電装置の特徴によれば、液体もしくは気体の粘性、弾性、粘弾性、濃度、密度、不溶粒子量、温度、質量の少なくともいずれか一つの物理量の測定装置、もしくはそれらの物理量を利用した測定装置や判定装置として利用することができる。
係る圧電装置の特徴によれば、第2電極と第3電極の一対の電極により、電位差、電流、インピーダンス、アドミッタンス、コンダクタンス、サセプタンス、インダクタンス、リアクタンス、レジスタンス、キャパシタンスの少なくともいずれか一つの第2出力値を取得することで、圧電装置を第2電極と第3電極間に介在する液体もしくは気体の物理量の測定に利用することができる。
係る圧電装置の特徴によれば、液体もしくは気体の電気伝導度、イオン伝導度、誘電率、イオン濃度、酸化還元電位、酸化還元物質濃度の少なくともいずれか一つの物理量の測定装置、もしくはそれらの物理量を利用した測定装置や判定装置として利用することができる。
係る圧電判定装置の特徴によれば、第2電極と第3電極の両電極が、圧電素子に信号を印加する電極の片面電極の機能と、第2電極と第3電極で一対の電極となる機能、の2つの機能を兼ねる構造を有する圧電ユニットを利用して圧電判定装置とすることで、厚み辷り振動への影響を与えにくい複合センサによる判定装置を実現することができる。
係る圧電判定装置の特徴によれば、判定器が表示部を有することにより、判定結果を容易に確認することができる。
係る圧電判定装置の特徴によれば、温度を計測しながら測定することにより、物質の状態をより正確に判定することができる。
係る圧電判定装置の特徴によれば、温度を制御しながら測定できることにより、同一温度条件下で判定することが可能であるため、温度依存性の高い物質や圧電素子であってもより正確に判定することができる。
係る特性状態判定方法の特徴によれば、第2電極と第3電極の少なくとも一方が、圧電素子に信号を印加する電極の片面電極の機能と、第2電極と第3電極で一対の電極となる機能、の2つの機能を兼ねる構造を有する圧電ユニットを利用して物質の特性、状態を判定することにより、物質の2つ以上の特性を基に、物質の特性、状態等を判定することができるため、より信頼性の高い判定結果を導くことができる。
係る状態判定方法の特徴によれば、第2電極と第3電極の少なくとも一方が、圧電素子に信号を印加する電極の片電極の機能と、第2電極と第3電極で一対の電極となる機能、の2つの機能を兼ねる構造を有する圧電ユニットを利用して液体の劣化状態を判定することにより、液体の2つ以上の特性を基に、液体の劣化状態を判定することができるため、より信頼性の高い液体の劣化判定を行うことができる。
以下、本発明に係る圧電装置と当該圧電装置による測定方法の第1実施形態を、図1から図5を参照して説明する。
図1は、本発明に係る圧電装置1の第1実施形態を示す構成図である。圧電装置1は、圧電ユニット4と、第1回路ユニット7と、第2回路ユニット10と、を備えている。
次いで、圧電振動子2の詳細な構成について説明する。
図2(a)、(b)は、圧電板2aのおもて面と裏面をそれぞれ示した模式図である。圧電振動子2の圧電板2aは、厚み辷り振動を励起するようにカットされたものであり、特にATカットされた水晶が望ましい。つまり、圧電装置1は、圧電素子を水晶振動子とすることで、厚み辷り振動を利用した、測定の安定度が高い複合センサを実現することができる。
なお、圧電板2aの裏面側の構成は、図2(b)で図示したものに限定されるものではなく、例えば、図3のように構成してもよい。
次いで、切り替え器3の詳細な構成について説明する。
図4は、切り替え器3の構成を示した図である。切り替え器3は、状態A(質量・粘弾性測定モード)か状態B(電気特性測定モード)の何れかの接続状態に切り替えることができる機能を有している。
なお、切り替え器3の構成は、図4で図示したものに限定されるものではなく、図5に示すものであっても良い。
次いで、第1実施形態における圧電装置1の動作について説明する。はじめに、状態Aにおける圧電装置1の動作について説明する。ユーザは、圧電振動子2を液体試料に浸漬させ、測定の準備を行う。次に、ユーザは、切り替え器3を状態Aに設定する。その後、第1信号印加回路6は、接続部T4と接続部T5との間に任意の周波数の電圧を印加する。そして、切り替え器3及び接続部T1、T2、T3を介して、圧電振動子2に電圧が印加される。状態Aにおいては、圧電板2a上の第1電極11と、第2電極12と第3電極13の一体電極との間に電圧が印加される。これにより、液体試料の特性を反映して圧電振動子2は厚み辷り振動を起こす。その後、第1信号検出回路5は、厚み辷り振動している圧電振動子2から第1出力値を取得する。
次に、図6に基づいて圧電装置1の第2実施形態について説明する。本実施形態に係る圧電装置1は、第1回路ユニット7が第1実施形態と相異しており、それ以外は第1実施形態とほぼ同様である。なお、以下では、圧電装置1の各部構成のうち上述した第1実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
次いで、第2実施形態における圧電装置1の動作について説明する。はじめに、状態Aの動作について説明する。ユーザは、圧電振動子2を液体試料に浸漬させ、測定の準備を行う。次に、ユーザは、切り替え器3を状態Aに設定する。その後、発振回路19は、接続部T4と接続部T5との間に任意の周波数の電圧を印加する。そして、切り替え器3及び接続部T1、T2、T3を介して、圧電振動子2に電圧が印加される。状態Aにおいては、圧電板2a上の第1電極11と、第2電極12と第3電極13の一体電極との間に電圧が印加される。これにより、液体試料の特性を反映して圧電振動子2は厚み辷り振動を起こす。その後、第1信号検出回路5は、厚み辷り振動している圧電振動子2から第1出力値を取得する。
なお、状態Bの動作については、第1実施形態と同様である。
次に、図7から図8に基づいて圧電装置1の第3実施形態について説明する。本実施形態に係る圧電装置1は、切り替え器24および切り替え器24に接続される回路ユニットの構成について第1実施形態と相異しており、それ以外は第1実施形態とほぼ同様である。なお、以下では、圧電装置1の各部構成のうち上述した第1実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
次いで、第3実施形態における圧電装置1の動作について説明する。はじめに、状態A2における圧電装置1の動作について説明する。まず、ユーザは、圧電振動子2を液体試料に浸漬させ、測定の準備を行う。次に、ユーザは、切り替え器24を状態A2に設定する。その後、共通信号印加回路23は、接続部T8と接続部T9との間に任意の周波数の電圧を印加する。そして、切り替え器24及び接続部T1、T2、T3を介して、圧電振動子2に電圧が印加される。状態A2においては、圧電板2a上の第1電極11と、第2電極12と第3電極13の一体電極との間に電圧が印加される。これにより、液体試料の特性を反映して圧電振動子2は厚み辷り振動を起こす。その後、第1信号検出回路21は、厚み辷り振動している圧電振動子2から第1出力値を取得する。
次に図9に基づいて圧電装置1の第4実施形態について説明する。本実施形態に係る圧電装置1は、回路ユニットの構成が第3実施形態と相異しており、それ以外は第1実施形態とほぼ同様である。なお、以下では、圧電装置1の各部構成のうち上述した第3実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
このように、共通回路ユニット33内の信号印加回路と信号検出回路を共に単一回路化することで、圧電装置1は簡素化される。
次いで、第4実施形態における圧電装置1の動作について説明する。はじめに、状態A2における圧電装置1の動作について説明する。まず、ユーザは、圧電振動子2を液体試料に浸漬させ、測定の準備を行う。次に、ユーザは、切り替え器24を状態A2に設定する。その後、共通信号印加回路35は、接続部T8と接続部T9との間に任意の周波数の電圧を印加する。そして、切り替え器24及び接続部T1、T2、T3を介して、圧電振動子2に電圧が印加される。状態A2においては、圧電板2a上の第1電極11と、第2電極12と第3電極13の一体電極との間に電圧が印加される。これにより、液体試料の特性を反映して圧電振動子2は厚み辷り振動を起こす。その後、共通信号検出回路34は、厚み辷り振動している圧電振動子2から第1出力値を取得する。
次に図10、11に基づいて圧電装置1の第5実施形態について説明する。本実施形態に係る圧電装置1は、圧電振動子2が第1実施形態と相異しており、それ以外は第1実施形態とほぼ同様である。なお、以下では、圧電装置1の各部構成のうち上述した第1実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
これにより、圧電装置1は、厚み辷り振動を利用した測定における測定感度を向上させることができる。
次に図12、13に基づいて圧電判定装置26の第6実施形態について説明する。本実施形態に係る圧電判定装置26は、第1実施形態とほぼ同様の構成からなる圧電装置1を備える。なお、圧電装置1は、第1実施形態の構成と同様のものに限られず、上述した第1実施形態から第5実施形態の何れの圧電装置を用いても良い。なお、以下の説明では、上述した圧電装置1の各部構成のうち第1実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
次に図16に基づいて圧電装置1の第7実施形態について説明する。本実施形態に係る圧電装置1は、切り替え器40の構成が第1実施形態と相異しており、それ以外は第1実施形態とほぼ同様である。なお、以下では、圧電装置1の各部構成のうち上述した第1実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
次に図18に基づいて圧電判定装置26の第8実施形態について説明する。本実施形態に係る圧電判定装置26は、圧電装置43と判定器29の構成が第6実施形態と相異しており、それ以外は第6実施形態とほぼ同様である。なお、以下では、圧電判定装置26の各部構成のうち上述した第6実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
参考までに、実際に液体試料の2つの物理量を測定した測定例を示す。
測定する油脂試料として、油脂A、油脂B、油脂Cを用意し、それぞれについて200℃、8時間の加熱処理を繰り返した際の、一体電極と第1電極11と同等の値であるQCM測定による共振周波数変化と、第2電極12と第3電極13と同等の値である櫛形電極によるキャパシタンス変化を測定した。
図14は、水晶振動子によるQCM測定の共振周波数測定結果を示したものである。
横軸に油脂試料の加熱処理回数を並べ、縦軸は共振周波数[Hz]を示している。この図より、油脂A、油脂B、油脂Cの何れの油脂試料においても、加熱処理を長時間加えるにつれて、共振周波数が低下することがわかる。一般的に、液体の粘性が大きくなると、共振周波数が低下することがわかっている。今回、加熱処理を繰り返すことにより油脂の酸化劣化が進んだと推測できるが、その結果として共振周波数の低下、すなわち粘性の増大がみられたといえる。
横軸に油脂試料の加熱処理回数、縦軸にキャパシタンス[pF]を示している。この図より、測定データにバタつきがあるものの、油脂A、油脂B、油脂Cの何れの油脂も、徐々にキャパシタンスが上昇していく傾向にあることがわかる。キャパシタンスは、物質の誘電率を反映しているので、加熱処理の繰り返しによる酸化劣化では、油脂の誘電率が変化していることが推測できる。
2:圧電振動子
2a:圧電板
3、24、40:切り替え器
4:圧電ユニット
5、21:第1信号検出回路
6:第1信号印加回路
7:第1回路ユニット
8、22:第2信号検出回路
9:第2信号印加回路
10:第2回路ユニット
11:第1電極
12、14:第2電極
13、15:第3電極
16:スイッチ
17、18、32、36:オシレータ回路
19:発振回路
20、33:共通回路ユニット
23、35:共通信号印加回路
34:共通信号検出回路
26:圧電判定装置
27、29:判定器
28:表示部
41:温度管理部
42:アジャスター
44:温度制御機構
45:温度計測端子
30、31:感応膜
T1〜T13:接続部
Claims (27)
- 厚み辷り振動を励起する圧電素子と、
前記圧電素子の片面に備えられる第1電極と、前記圧電素子の前記片面と反対側の面に備えられる互いに電気的に絶縁された第2電極および第3電極と、を有する電極部と、
前記第1電極、前記第2電極および前記第3電極に接続され、各々の電極の接続状態を切り替える切り替え器と、を有し、
前記切り替え器は、前記圧電素子の厚み辷り振動を励起させることにより前記圧電素子に接触する物質の質量もしくは周辺環境の粘弾性を測定するための電極の接続状態である質量・粘弾性測定モードと、前記第2電極と前記第3電極との電極間における電気特性を測定するための電極の接続状態である電気特性測定モードと、の何れかの測定モードに切り替え可能であることを特徴とする圧電ユニット。 - 前記圧電素子は、水晶振動子であることを特徴とする請求項1に記載の圧電ユニット。
- 前記第2電極と前記第3電極の形状が櫛歯状であることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電ユニット。
- 前記質量・粘弾性測定モードは、前記第2電極と前記第3電極を等電位に保つことで擬似的な一体電極を形成し、前記一体電極と前記第1電極との間に電位差を形成する接続状態であることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の圧電ユニット。
- 前記質量・粘弾性測定モードは、前記第1電極と、前記第2電極または前記第3電極の何れか一方と、の間に電位差を形成する接続状態であることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の圧電ユニット。
- 前記電気特性測定モードは、前記第1電極と、前記第2電極または前記第3電極の何れか一方と、を短絡させた状態で、前記第2電極と前記第3電極との間に電位差を形成する接続状態であることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の圧電ユニット。
- 前記第1電極の外形に囲まれた領域と、前記第2電極および前記第3電極を併せた外形に囲まれた領域とは同一の面積であり、かつ、前記圧電素子を挟んだ表裏の相対位置が一致していることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の圧電ユニット。
- 前記圧電素子は、表面に感応膜を備えていることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の圧電ユニット。
- 請求項1〜8の何れか一項に記載の圧電ユニットと、前記圧電ユニットに接続される第1回路ユニットと、前記圧電ユニットに接続される第2回路ユニットと、を含む圧電装置であり、
前記第1回路ユニットは、前記質量・粘弾性測定モードの接続状態において前記電極部に第1入力信号を印加する第1信号印加回路を有し、
前記第2回路ユニットは、前記電気特性測定モードの接続状態において前記電極部に第2入力信号を印加する第2信号印加回路を有することを特徴とする圧電装置。 - 前記第1回路ユニットは、前記第1信号印加回路により印加される前記第1入力信号に応じた第1出力信号を検出する第1信号検出回路を有し、当該第1出力信号に基づく第1物理量を測定可能であって、
前記第2回路ユニットは、前記第2信号印加回路により印加される前記第2入力信号に応じた第2出力信号を検出する第2信号検出回路を有し、当該第2出力信号に基づく第2物理量を測定可能であることを特徴とする請求項9に記載の圧電装置。 - 前記第1信号印加回路は、印加する信号の周波数を任意に設定可能なオシレータ回路を含むことを特徴とする請求項10に記載の圧電装置。
- 前記第1信号印加回路が、前記圧電素子の基本波あるいは倍振動での共振周波数において発振を励起する発振回路であることを特徴とする請求項10に記載の圧電装置。
- 前記第2信号印加回路は、印加する信号の周波数を任意に設定可能なオシレータ回路を含むことを特徴とする請求項10〜12に記載の圧電装置。
- 前記第1回路ユニット及び前記第2回路ユニットは、同一の共通ユニットから成ることを特徴とする請求項9又は10に記載の圧電装置。
- 前記第1信号印加回路及び前記第2信号印加回路が単一の共通信号印加回路から成り、
前記共通信号印加回路は、周波数を任意に設定可能なオシレータ回路を含むことを特徴とする請求項15に記載の圧電装置。 - 前記第1信号検出回路及び前記第2信号検出回路が単一の共通信号検出回路から成ることを特徴とする請求項15又は16に記載の圧電装置。
- 前記第1信号検出回路は、検出した前記第1出力信号に基づき、前記圧電素子の辷り振動時のアドミッタンス、コンダクタンス、サセプタンス、インダクタンス、リアクタンス、レジスタンス、インピーダンス、キャパシタンス、共振周波数のいずれか一つの第1出力値を取得することを特徴とする請求項10〜17の何れか一項に記載の圧電装置。
- 前記第1物理量は、前記第1出力値に基づく、粘性、弾性、粘弾性、濃度、密度、不溶粒子量、温度、質量の少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項18に記載の圧電装置。
- 前記第2信号検出回路は、検出した前記第2出力信号に基づき、電流、電位差、インピーダンス、アドミッタンス、コンダクタンス、サセプタンス、インダクタンス、リアクタンス、レジスタンス、キャパシタンスの少なくともいずれか一つの第2出力値を取得することを特徴とする請求項10〜19の何れか一項に記載の圧電装置。
- 前記第2物理量は、前記第2出力値に基づく、電気伝導度、イオン伝導度、誘電率、イオン濃度、酸化還元電位、酸化還元物質濃度の少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項20に記載の圧電装置。
- 請求項10〜21の何れか一項に記載の圧電装置と、
前記第1信号検出回路および前記第2信号検出回路に接続される判定器と、を有し、
前記判定器は、前記第1物理量と前記第2物理量を利用して前記物質の特性、状態を判定することを特徴とする圧電判定装置。 - 前記判定器は、当該判定器による判定結果を表示する表示部を有することを特徴とする請求項22に記載の圧電判定装置。
- 前記判定器は、前記物質の温度を測定する温度管理部を備えることを特徴とする請求項22又は23に記載の圧電判定装置。
- 前記温度管理部は、前記物質の温度を制御する温度制御部を備えることを特徴とする請求項24に記載の圧電判定装置。
- 請求項22〜25の何れか一項に記載の圧電判定装置を用いて、物質の状態を判定する状態判定方法であり、
前記第1物理量と前記第2物理量とを測定し、
前記第1物理量と前記第2物理量の双方を利用して前記物質の状態を判定することを特徴とする状態判定方法。 - 前記物質は液体であり、
前記状態は前記液体の特性の劣化状態であることを特徴とする請求項26に記載の状態判定方法。
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