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

圧電ユニット、圧電装置、圧電判定装置及び状態判定方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧電素子の厚み辷り振動を利用して物性を測定するための圧電ユニット、圧電装置、圧電判定装置及び状態判定方法に関するものである。
厚み辷り振動を励起する水晶振動子を用いた物性の測定法として、水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）測定法が知られている（例えば、特許文献１）。ＱＣＭ測定法は、例えば、水晶板の両面にそれぞれ１つずつ電極を設けた一般的な水晶振動子の構造に加えて、特定の物質を選択的に吸着する有機ポリマー膜を付加することにより、特定物質の濃度を測定する方法である。このように、ＱＣＭ測定法を利用して測ることができる特性は様々なものがある。ただし、ＱＣＭセンサを利用して測定できる特性は、通常単一に限られる。
ところが測定対象に依っては、１つの特性では不十分であり、同時に２つ以上の特性を取得しなければ意味を為さない場合がある。例えば、液体の粘性を調べる場合、粘性は温度に依存するため、粘性と同一の測定点での温度が同時に測定される必要がある。よって従来のＱＣＭセンサを用いる場合、粘性を測定するためのＱＣＭセンサと共に温度センサを用意する必要がある。
さらに、従来のＱＣＭセンサと温度センサとを用いて粘性と温度とを測定する場合、粘性と温度の測定点が空間的に離れていると、液体の急激な温度変化や温度変動の際に双方の測定点に温度差が生じ、温度と粘性の不正確な測定値の組み合わせが得られてしまうという問題があった。
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。
そこで、このような一体化センサの例として、一般的な水晶振動子の構造に加え、水晶振動子の表面や下部に、別個の温度センサや容量式センサを付加したものが提案されている（例えば、特許文献２）。
特開２０１０−７１７１６号公報 特表２００６−５２２９１８号公報
ところで、ＱＣＭセンサは、厚み辷り振動を励起させた際の水晶振動子の振動特性が、水晶板に接する媒質の状態を反映することから、水晶振動子の共振周波数や等価回路定数を測定することで、媒質の物性情報を取得するセンサである。したがって、上記従来技術に示されるように、水晶板の表面や外周などに別個のセンサを設ける構造とした場合、別個のセンサを設けたことによる応力が厚み辷り振動へ影響を与え、ＱＣＭセンサによる測定を正確に実施できない可能性がある。
そこで、本発明はこのような事情を鑑みて成されたもので、測定対象の物性を同時に２つ以上取得すると共に、厚み辷り振動へ影響を与えにくい圧電ユニット、圧電装置、圧電判定装置及び状態判定方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、以下の手段を提供する。
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、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対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ことにより、圧電ユニットを物性の測定に使用した際に、厚み辷り振動を利用した測定と、第２電極と第３電極の対を利用した測定で、圧電素子上に別の測定デバイスを設けることなく、少なくとも２つの物性情報を取得することができる。ゆえに、厚み辷り振動へ影響を与えにくい複合センサを実現することができる。
本発明に係る圧電ユニットの第２の特徴は、前記圧電素子が、水晶振動子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。
本発明に係る圧電ユニットの第３の特徴は、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。
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。
本発明に係る圧電ユニットの第４の特徴は、前記質量・粘弾性測定モードが、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。
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。
本発明に係る圧電ユニットの第５の特徴は、前記質量・粘弾性測定モードが、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。
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。
本発明に係る圧電ユニットの第６の特徴は、前記電気特性測定モードが、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。
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。
本発明に係る圧電ユニットの第７の特徴は、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が同一の面積であり、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。
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。
本発明に係る圧電ユニットの第８の特徴は、前記圧電素子が、表面に感応膜を備えてい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。
本発明に係る圧電装置の第１の特徴は、第１から第８の何れか一つの特徴を持つ圧電ユニットと、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、を含んでなる圧電装置であり、前記第１回路ユニットが、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回路ユニットが、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。
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。
本発明に係る圧電装置の第２の特徴は、前記第１回路ユニットが、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。
さらに、第２状態において、第２回路ユニットに含まれる第２信号印加回路により、第２電極と第３電極が、その間に介在する物質に第２入力信号を入力し、物質内を通った電気信号を第２信号検出回路で測定することにより、物質の第２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。
本発明に係る圧電装置の第３の特徴は、前記第１信号印加回路が、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。
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。
本発明に係る圧電装置の第４の特徴は、前記圧電素子が前記第１物理量または前記第２物理量を有する物質と接した状態において前記第２信号印加回路の印加する入力信号の周波数ｆIIが、前記物質と接した状態において前記第１信号検出回路が検出した前記第１出力信号に基づいて取得される共振周波数ｆを用いた条件式である（数式１）を満たすことを特徴とする。
Figure 0006175434
係る圧電装置の特徴によれば、第２電極と第３電極間に印加する印加周波数を圧電素子の共振周波数とオーバートーン振動の周波数の帯域としないことにより、第２物理量の測定値におけるノイズを低減することができ、測定を高精度に行うことができる。
本発明に係る圧電装置の第５の特徴は、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。
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。
本発明に係る圧電装置の第６の特徴は、前記第２信号印加回路が、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。
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。
本発明に係る圧電装置の第７の特徴は、前記第１回路ユニット及び前記第２回路ユニットが、同一の共通ユニットから成ることを特徴とする。
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。
本発明に係る圧電装置の第８の特徴は、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、共通信号印加回路が、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。
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。
本発明に係る圧電装置の第９の特徴は、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。
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。
本発明に係る圧電装置の第１０の特徴は、前記第１信号検出回路が、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。
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。
本発明に係る圧電装置の第１１の特徴は、前記第１物理量が、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。
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。
本発明に係る圧電装置の第１２の特徴は、前記第２信号検出回路が、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。
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。
本発明に係る圧電装置の第１３の特徴は、前記第２物理量が、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。
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。
本発明に係る圧電判定装置の第１の特徴は、第２〜第１３の特徴の何れかを備える圧電装置と、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、前記判定器が、前記第１物理量と前記第２物理量を利用して物質の状態を判定することを特徴とする。
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。
本発明に係る圧電判定装置の第２の特徴は、前記判定器が、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。
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。
本発明に係る圧電判定器の第３の特徴は、前記判定器が、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。
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。
本発明に係る圧電判定器の第４の特徴は、前記温度管理部が、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。
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。
本発明に係る状態判定方法の第１の特徴は、第１または第２の特徴を備える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物質の状態を判定することを特徴とする。
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。
本発明に係る状態判定方法の第２の特徴は、前記物質が液体であり、前記状態が前記液体の特性の劣化状態であることを特徴とする。
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。
本発明による圧電ユニットによれば、測定対象の物性を同時に２つ以上取得すると共に、厚み辷り振動へ影響を与えにくい圧電ユニット、圧電装置、圧電判定装置及び状態判定方法を提供することができる。
本発明に係る圧電装置の第１実施形態を示す構成図である。 第１実施形態における圧電板の（ａ）おもて面と（ｂ）裏面をそれぞれ示した模式図である。 第１実施形態における圧電板の裏面の他の例を示した模式図である。 第１実施形態における切り替え器を示した図である。 第１実施形態におけるスイッチを利用した切り替え器を示した図である。 第２実施形態における圧電装置を示した構成図である。 第３実施形態における圧電装置を示した構成図である。 第３実施形態における切り替え器を示した図である。 第４実施形態における切り替え器を示した図である。 第５実施形態における圧電板のおもて面を示した図である。 第５実施形態における圧電板の裏面を示した図である。 本発明に係る圧電判定装置の実施形態を示す構成図である。 判定器により判定結果を導くプロセスを示したフローチャートである。 ＱＣＭ測定による油脂試料の共振周波数測定結果を示したグラフである。 櫛形電極による油脂試料のキャパシタンス測定結果を示したグラフである。 第７実施形態における切り替え器を示した図である。 第１実施形態における圧電振動子を液体試料に浸漬させた状態で第１信号回路により取得した圧電振動子の周波数特性を示した図である。 第８実施例における圧電判定装置を示した図である。
「第１実施形態」
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。
圧電ユニット４は、圧電素子としての圧電振動子２と、接続部Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３により圧電振動子２に接続された切り替え器３と、から構成される。圧電振動子２は、第１電極１１〜第３電極１３と、おもて面に第１電極１１が備わるとともに裏面に第２電極１２及び第３電極１３が電気的に絶縁された状態で備えられた圧電板２ａと、からなる。なお、上記第１電極１１〜第３電極１３からなる構成部を便宜上電極部と称する。切り替え器３は、圧電振動子２上の各電極と回路ユニットの接続状態を任意に切り替えることができる機能を有している。なお、圧電振動子２と切り替え器３の詳細な構成については後述する。
第１回路ユニット７は、第１信号検出回路５と第１信号印加回路６から成り、接続部Ｔ４、Ｔ５により圧電ユニット４（切り替え器３）に接続される。一方、第２回路ユニット１０は、第２信号検出回路８と第２信号印加回路９から成り、接続部Ｔ６、Ｔ７により圧電ユニット４（切り替え器３）に接続される。ここで、第１信号印加回路６及び第２信号印加回路９は、それぞれオシレータ回路１７、１８を備えており、接続部Ｔ４と接続部Ｔ５との間、または接続部Ｔ６と接続部Ｔ７との間に任意の周波数、任意の振幅の電圧を印加することができる。つまり、第１信号印加回路６及び第２信号印加回路９は、上記オシレータ回路１７、１８を有することにより、圧電素子に印加する信号の周波数を任意に設定することができる。また、第１信号検出回路５及び第２信号検出回路８は、電極間に形成された電位差に基づく出力信号を検出する。
（圧電振動子の構成について）
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。
図２（ａ）に示すように、圧電板２ａのおもて面には、べた電極である第１電極１１が備えられている。また、第１電極１１は、接続部Ｔ１を介して切り替え器３に接続されている。一方、図２（ｂ）に示すように、圧電板２ａの裏面には、第２電極１２及び第３電極１３が電気的に絶縁された状態で備えられている。また、第２電極１２と第３電極１３は、一対の櫛形電極からなる。このように、第２電極１２と第３電極１３を櫛歯状とすることにより、第２電極と第３電極を一対の電極とした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。さらに、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、圧電板２ａの表裏面の電極の外形が囲む領域はほぼ同じ面積であり、圧電板２ａを挟んだ相対位置がほぼ同じであるように形成されている。このように、圧電装置１は、表裏の電極の面積、相対位置を同じであるように形成することにより、圧電板２ａの厚み辷り振動から得られる信号を安定化させることができるため、測定を好感度に行うことができる。また、第２電極１２は接続部Ｔ２を介して、第３電極１３は接続部Ｔ３を介して、それぞれ切り替え器３と接続される。ここで、第１電極１１、第２電極１２、第３電極１３は、金、白金、炭素などの変質しにくい材質が望ましいが、使用環境において変質が生じないのであれば、これに限定されない。例えば、第１電極１１、第２電極１２、第３電極１３は、使用状況に応じて、ITO（Indium Tin Oxide）などを用いてもよい。また、第１電極１１、第２電極１２、第３電極１３は、圧電板２ａに設置される際に圧電板２ａとの密着性を向上させるため、クロムやチタンなどの他の材料を介していても構わない。
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。
図３は、上記圧電板２ａの裏面側の他の構成例を示した模式図である。ここで、図３に係る圧電板２ａにおいて、それぞれ、符号１４は第２電極、符号１５は第３電極、を示唆する。当該第２電極１４及び第３電極１５は、少なくとも一部が互いに対向するように配設された一対の電極である。つまり、図３に示すように、第２電極１４と第３電極１５とは、必ずしも櫛形電極である必要はなく、電気的に絶縁された状態で、且つ対向する部分を有する一対の電極でありさえすれば良い（第２電極１４と第３電極１５の形状は任意でよい）。
（切り替え器の構成について）
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。
ここで、状態Ａは、接続部Ｔ２と接続部Ｔ３を短絡させ、図２に示した第２電極１２と第３電極１３を等電位に保つことで疑似的な一体電極を形成するための接続状態である。つまり、切り替え器３は、第２電極１２と第３電極１３を電気的に短絡させて等電位とすることで、容易に状態Ａを実現することができる。また、状態Ａは、切り替え器３がこの一体電極と接続部Ｔ４とを接続し、かつ接続部Ｔ１と接続部Ｔ５を接続している状態である。切り替え器３は、このようにして一体電極と第１電極との間に電位差を形成させる。つまり、第１信号印加回路６は、当該状態Ａにおいて、接続部Ｔ４と接続部Ｔ５を介して圧電板２ａと信号の入出力を行うことで、圧電板２ａに厚み辷り振動を励起させる。そして、第１信号検出回路５は、その際の圧電板２ａ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、共振周波数などの電気特性を測定することができる。そのため、図１に示した第１信号検出回路５は、これらの少なくともいずれか一つの出力値（第１出力値）を取得し、第１出力値に基づき、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。
一方、状態Ｂは、接続部Ｔ２と接続部Ｔ３を絶縁させた状態で、接続部Ｔ２と接続部Ｔ６を接続し、かつ接続部Ｔ３と接続部Ｔ７とを接続させた状態である。このように、切り替え器３は、状態Ｂに切り替えることにより、第２電極と第３電極との間に電位差を形成させる。つまり、第２信号印加回路９が、当該状態Ｂにおいて接続部Ｔ６と接続部Ｔ７間で信号をやり取りすることにより、第２信号検出回路８は、第２電極１２と第３電極１３の間に存在する物質のインピーダンス、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、電気伝導度、イオン電導度、誘電率、イオン濃度、酸化還元電位、酸化還元物質濃度などの電気特性を測定することができる。そのため、図１に示した第２信号検出回路８は、これらの少なくともいずれか一つの出力値（第２出力値）を取得し、第２出力値に基づき、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第２物理量を測定することができる。
このように、圧電装置１は、図２に示すような第２電極１２と第３電極１３の両電極が、圧電素子に信号を印加する電極対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と、の２つの機能を兼ねる構造を有することにより、圧電素子上に別の測定デバイスを設けることなく、少なくとも２つの物性情報を取得することができる。ゆえに圧電装置１は、厚み辷り振動へ影響を与えにくい複合センサを実現することができる。
また、図４の状態Ａにおいて、図１の第１回路ユニット７は、第２電極１２と第３電極１３による一体電極と第１電極１１との間に入力信号を印加する第１信号印加回路６を有する。また、図４の状態Ｂにおいて、図１の第２回路ユニット１０は、第２電極１２と第３電極１３との間に入力信号を印加する第２信号印加回路９を有する。このように、圧電装置１は、第２電極１２と第３電極１３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た圧電装置であるので、物性の測定に使用された際に、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。
また、図４の状態Ａにおいて、図１の第１回路ユニット７は、第２電極１２と第３電極１３による一体電極と第１電極１１との間に形成された電位差に基づく出力信号を検出する第１信号検出回路５を有する。また、図４の状態Ｂにおいて、図１の第２回路ユニット１０は、第２電極１２と第３電極１３との間に形成された電位差に基づく出力信号を検出する第２信号検出回路８を有する。そして、第１信号検出回路５と第２信号検出回路８は、それぞれ物質の第１物理量と第２物理量を測定するために用いられる。このように、状態Ａにおいて、第１回路ユニット７に含まれる第１信号印加回路６により、第２電極１２と第３電極１３による一体電極と第１電極１１との間に印加された入力信号は、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４内の圧電素子に励起する。そして、第１信号検出回路５は、その厚み辷り振動状態を測定することで、物質の第１物理量を測定する。さらに、図４の状態Ｂにおいて、図１の第２回路ユニット１０に含まれる第２信号印加回路９により、第２電極１２と第３電極１３は、その間に介在する物質に電気信号を入力する。そして、第２信号検出回路８は、物質内を通った電気信号を測定することにより、物質の第２物理量を測定する。また、圧電装置１は、第１回路ユニット７、第２回路ユニット１０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。
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。
ここで、図５は、スイッチ１６を用いる切り替え器３を示した図である。図５に示すように、状態Ａと状態Ｂの切り替えは、スイッチ１６を用いて実施されてもよい。状態Ａにおいては、Ｔ２とＴ４はＴ３に電気的に接続される。また状態Ｂにおいては、Ｔ３とＴ７が電気的に接続される。また、切り替え器３は、複数のスイッチを用いて、状態Ａの際のＴ２とＴ６の接続や、状態Ｂの際のＴ２とＴ４の接続が絶縁されるように回路が設計されてもよい。
（圧電装置１の動作）
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。
次いで、状態Ｂ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Ｂに設定する。その後、第２信号印加回路９は、接続部Ｔ６と接続部Ｔ７との間に電圧を印加する。ここでの印加電圧の周波数については後述にて詳しく説明する。そして、切り替え器３及び接続部Ｔ２、Ｔ３を介して、圧電振動子２に電圧が印加される。状態Ｂにおいては、圧電板２ａ上の第２電極１２と第３電極１３との間に電圧が印加される。その後、第２信号検出回路８は、液体試料の特性を反映した電気特性である第２出力値を取得する。
ここで、接続部Ｔ６とＴ７に印加する周波数について図１７を用いて詳しく説明する。図１７は、圧電振動子２を液体試料に浸漬させた状態で第１信号検出回路５により取得した圧電振動子２の周波数特性を示した図である。この時の圧電振動子２の共振周波数もしくはそのオーバートーン振動の周波数をｆとする。第２信号印加回路９により、接続部Ｔ６と接続部Ｔ７との間に印加する電圧の周波数ｆIIは、図１７に示すｆの±５％の周波数領域を除いた斜線部の領域に設定されることが望ましい（つまりｆIIは、（数式１）の条件式を満たすことが望ましい）。これにより、圧電装置１は、第２信号検出回路８にて得られる第２出力値のノイズを低減することができるので、より精度よく測定を行うことができる。
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「第２実施形態」
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。
図６は、本実施形態における圧電装置１を示した構成図である。本実施形態における圧電装置１は、圧電ユニット４と、圧電ユニット４に接続される第１回路ユニット７と、圧電ユニット４に接続される第２回路ユニット１０と、から成る。また、第１回路ユニット７は、第１信号検出回路５と発振回路１９から成っている。
このように、本実施形態に係る圧電装置１では、第１実施形態に係る第１信号印加回路を、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１９とすることにより、圧電素子を容易に発振させることができる。
（圧電装置１の動作）
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。
「第３実施形態」
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。
図７は、第３実施形態における圧電装置１を示した構成図である。本実施形態における圧電装置１は、圧電ユニット４と共通回路ユニット２０から構成される。圧電ユニット４は、第１実施形態に示す構成と同様の圧電振動子２および接続部Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と、接続部Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３により圧電振動子２と接続される切り替え器２４とから成る。
このように、本実施形態に係る圧電装置１では、第１実施形態に係る第１回路ユニット及び第２回路ユニットが、同一の共通ユニットである共通回路ユニット２０から成る。つまり、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１は小型化が可能になる。ここで、共通回路ユニット２０は、第１信号検出回路２１と第２信号検出回路２２と共通信号印加回路２３により構成される。また、共通信号印加回路２３はオシレータ回路３２を備えている。つまり、第１実施形態では回路ユニットごとに設けられていた信号印加回路を共通信号印加回路２３として共通化することにより、圧電装置１の構成は簡易化される。また、回路ユニット２０は接続部Ｔ８とＴ９により切り替え器２４に接続される。
図８は、第３実施形態における切り替え器２４の構成を示した図である。本実施形態における切り替え器２４は、状態Ａ２（質量・粘弾性測定モード）か状態Ｂ２（電気特性測定モード）の何れかの状態に接続を切り替えることができる機能を有している。ここで、状態Ａ２は、接続部Ｔ２と接続部Ｔ３を短絡させた状態で接続部Ｔ８と接続し、かつ接続部Ｔ１と接続部Ｔ９を接続している状態である。一方、状態Ｂ２は、接続部Ｔ２、接続部Ｔ３および接続部Ｔ１同士を絶縁させた状態で、接続部Ｔ２と接続部Ｔ８を接続し、かつ接続部Ｔ３と接続部Ｔ９を接続している状態である。
ここで、図示しないが、図７に示した共通信号印加回路２３は、第２電極１２と第３電極１３の電極間に信号を印加する印加回路と、第１電極１１と第２電極１２、もしくは第１電極１１と第３電極１３との組み合わせにより圧電振動子２の両面に信号を印加する印加回路を兼ねている。そして、共通信号印加回路２３は、切り替え器２４を状態Ａ２としたときには、接続部Ｔ２およびＴ３とを電気的に接続することにより、第２電極１２と第３電極１３の電極間に信号を印加する。また、共通信号印加回路２３は、切り替え器２４を状態Ｂ２としたときに圧電振動子２の両面に信号を印加する印加回路として動作する。
（圧電装置１の動作）
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。
次いで、状態Ｂ２における圧電装置１の動作について説明する。はじめに、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Ｂ２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Ｔ２、Ｔ３を介して、圧電振動子２に電圧が印加される。状態Ｂ２においては、圧電板２ａ上の第２電極１２と第３電極１３との間に電圧が印加される。その後、第２信号検出回路２２は、液体試料の特性を反映した電気特性である第２出力値を取得する。
「第４実施形態」
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。
図９は、本実施形態における圧電装置１を示した構成図である。本実施形態における圧電装置１は、圧電ユニット４と、共通回路ユニット３３と、から成る。圧電ユニット４は、第３実施形態に示す構成と同様の圧電振動子２と、接続部Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と、接続部Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３により圧電振動子２と接続される切り替え器２４とからなる。共通回路ユニット３３は、共通信号検出回路３４と共通信号印加回路３５により構成される。また共通信号印加回路３５はオシレータ回路３６を備えている。また、共通回路ユニット３３は接続部Ｔ８とＴ９により切り替え器２４に接続される。
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。
（圧電装置１の動作）
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。
次いで、状態Ｂ２における圧電装置１の動作について説明する。はじめに、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Ｂ２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Ｔ２、Ｔ３を介して、圧電振動子２に電圧が印加される。状態Ｂ２においては、圧電板２ａ上の第２電極１２と第３電極１３との間に電圧が印加される。その後、共通信号検出回路３４は、液体試料の特性を反映した電気特性である第２出力値を取得する。
「第５実施形態」
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。
図１０は、第５実施形態における圧電板２ａのおもて面を示した図である。本実施形態における圧電板２ａは、その表面に感応膜３０が成膜してある。感応膜３０はその用途に合わせて適切な膜が利用される。例えば、感応膜３０に測定試料である液体や気体中の特定の物質を選択的に付着させることによって、圧電板２ａの厚み辷り振動状態が変化する。つまり、圧電装置１は、その変化から、付着した物質の質量、密度、液体中や気体中での濃度を測定することが出来る。また、圧電装置１は、測定試料が化学反応により不溶性分を析出するようなものであった場合、析出した不溶性粒子量などを測定できる。ここで、感応膜３０としては、酸化物半導体、有機ポリマー感応膜、抗原抗体反応等を利用する生体材料含有感応膜など、測定対象となる物質に応じて適切なものを選定して利用することが望ましい。また、感応膜３０は、微量な物質が付着することで粘弾性が大きく変化する材料が用いられることで、水晶板２の厚み辷り振動状態の変化を増幅させるために用いられてもよい。
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。
図１１は、圧電板２ａの裏面を示した図である。図１０の圧電板２ａでは、おもて面のみに感応膜３１を成膜している例を示したが、図１１に示すように裏面のみに成膜してもよい。あるいは、圧電板２ａは、おもて面、裏面の両面に感応膜が成膜されてもよい。
「第６実施形態」
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。
図１２は、本実施形態に係る圧電判定装置２６の構成を示す構成図である。圧電判定装置２６は、第１実施形態に示す構成と同様の圧電装置１と、接続部Ｔ１０、Ｔ１１により圧電装置１の第１信号検出回路５および第２信号検出回路８（図１参照）に接続される判定器２７から成る。判定器２７は、圧電装置１から得られる第１物理量と第２物理量を利用して物質の状態を判定する。
このように、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た圧電判定装置２６は、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。
また、判定器２７は、表示部２８を有しており、判定器２７により判定された判定結果や圧電装置１により測定した物理量、圧電振動子２の共振周波数や等価回路定数、圧電判定装置２６の設定条件などを当該表示部２８に表示することができる。つまり、ユーザは、判定器２７が表示部２８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。
図１３は、図１２に示す圧電判定装置２６の判定器２７が判定結果を導くプロセスを示したフローチャートである。まず、判定器２７は、圧電装置１により物質の粘性Ｖと誘電率εの２つの物理量が入力される（Ｓ−１）。ここで粘性Ｖは、第１出力値である共振周波数から得られる第１物理量である。また、誘電率εは、第２出力値であるインピーダンスから得られる第２物理量である。ただし、粘性Ｖや誘電率εは、他の出力値から求めることが可能であるため、各物理量を求めるための各出力値はこの限りではない。次に、判定器２７は、粘性Ｖをあらかじめ設定されている粘性閾値Ｖｃと比較し、また同様に誘電率εをあらかじめ設定されているインピーダンス閾値εｃと比較する（Ｓ−２）。次に、判定器２７は、（Ｓ−２）の比較結果を反映した出力値を表示部２８に出力する（Ｓ−３）。最後に、表示部２８は、出力値または出力値を反映したメッセージを表示する（Ｓ−４）。
このように、圧電判定装置２６は、圧電装置１から得られる第１物理量と第２物理量とを測定し、第１物理量と第２物理量の両者を利用して物質の状態を判定する。つまり、圧電判定装置２６は、第２電極１２と第３電極１３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１２と第３電極１３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。その結果、圧電判定装置２６は、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。
ここで、判定の具体例として、油脂の劣化を圧電判定装置２６により判定する場合を示す。なお、油脂は、粘性閾値Ｖｃの上限と誘電率閾値εｃの下限を超えるとその特性が劣化したと判断されるものであるとする。判定器２７は、Ｖ／Ｖｃ≧１、又は、ε／εｃ≦１であれば１、それ以外の場合は０と出力値を出力する。さらに、判定器２７は、出力値１を得たときに「判定結果：劣化」、０を得たときに「判定結果：正常」と表示するように表示部２８に信号を送る。このようにすることで、油脂の粘性と誘電率の何れか一方、もしくは両方の特性が基準である閾値を超えた場合、油脂が劣化したと判定することができる圧電判定装置２６が実現される。
「第７実施形態」
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。
図１６は、第７実施形態における切り替え器４０の構成を示した図である。本実施形態における切り替え器４０は、状態Ａ３か状態Ｂ３の何れかの状態に接続を切り替えることができる機能を有している。状態Ａ３は、接続部Ｔ２と接続部Ｔ４を接続し、かつ接続部Ｔ１と接続部Ｔ５を接続している状態である。すなわち、切り替え器４０は、櫛形電極の片方の電極である第２電極１２と第１電極１１の間に電位差を生じさせ、圧電振動子２が厚み辷り振動を起こす接続状態を形成する。ここで、櫛形電極の片方は、必ずしも第２電極１２である必要はなく、第３電極１３を同様の要領で接続した状態を状態Ａ３としてもよい。一方、状態Ｂ３は、接続部Ｔ２と接続部Ｔ１を短絡させた状態で接続部Ｔ６と接続し、かつ接続部Ｔ３と接続部Ｔ７を接続している状態である。
このように、圧電装置１は、櫛形電極の片方の第２電極１２と表面の第１電極１１とを短絡させておくことにより、測定系の規制要領を低減できる。そのため、圧電装置１は、櫛形電極間で得られる第２出力値を安定して取得することができ、圧電装置１による測定をより精度よく行うことができる。
「第８実施形態」
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。
図１８は、本発明に係る圧電判定装置２６の実施形態を示す構成図である。本実施形態における判定器２９は、物質の温度を測定、制御することができる温度管理部４１を備えている。温度管理部４１は、判定器２９の内部において、判定器２９及び表示部２８と電気的に接続されている。また、温度管理部４１は、物質の温度を外部から調整することができるアジャスター４２を備えている。
また、本実施形態における圧電装置４３は、圧電振動子２の測定試料となる物質とその物質の温度を計測する温度計測端子４５とを共に収容できると同時に、外部からの電気信号により内部の物質の温度を制御できる温度制御機構４４を備えている。ここで、温度制御機構４４は、圧電装置４３と電気的に接続されており、圧電装置４３と温度管理部４１は判定器２９を介して、接続部Ｔ１２とＴ１３により接続されている。
温度計測端子４５による物質の温度の電気信号は、接続部Ｔ１２を介して温度管理部４１へ入力される。温度管理部４１より出力される温度値は、表示部２８に表示される。そのため、ユーザは、外部から物質の温度を表示部２８を介して確認することができる。一方、アジャスター４２により外部入力される設定温度の電気信号は、接続部Ｔ１３を介して温度制御機構４４へ入力される。
このように、圧電判定装置２６は、物質の温度を制御しながら物質の第１物理量や第２物理量を測定することにより、同一温度条件下で物質の状態を判定することが可能である。そのため、圧電判定装置２６は、温度依存性の高い物質や圧電振動子を用いたとしても、より正確に状態の判定を行うことができる。
「液体試料の２つの物理量を測定した測定例」
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。
以下に、油脂の酸化劣化とＱＣＭ測定による結果との関係、および櫛形電極により電気特性を測定した結果との関係をそれぞれ示す。
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。
図１５は、櫛形電極によるキャパシタンス測定の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、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。
以上より、水晶振動子などの圧電振動子の電気特性に加えて、櫛形電極などによる一対の電極による物質の電気特性を測定することにより、複数の物性値を取得することができた。これにより、今回のようにどちらか一方の物性値が何らかの理由によって安定したデータを取得できなかった場合でも、より安定して測定できたデータを利用して物質の判定を行うことにより、信頼性の高い物質状態の判定を行うことができることがわかる。また、複数のデータの交点などを利用して判定基準を設定する場合においても、有効である。
特に、物質が液体で、かつ液体の特性の劣化を測定することがより好ましい。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。
１、４３：圧電装置
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 前記圧電素子が前記第１物理量または前記第２物理量を有する物質と接した状態において前記第２信号印加回路の印加する入力信号の周波数ｆIIは、前記物質と接した状態において前記第１信号検出回路が検出した前記第１出力信号に基づいて取得される共振周波数ｆを用いた条件式である（数式１）を満たすことを特徴とする請求項１０〜１３の何れか一項に記載の圧電装置。
    Figure 0006175434
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 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。
  20. 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。
  21. 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。
  22. 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。
  23. 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。
  24. 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。
  25. 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。
  26. 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。
  27. 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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