JP6846218B2 - 圧電装置、圧電ユニット、測定装置、及び測定方法 - Google Patents
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Description
また、特許文献2では、QCM測定と電気特性測定との2つの測定回路を、コンデンサを介して圧電振動子に接続し、QCM測定と電気特性測定とを同時に測定することを可能にするが、分割した電極間に印加可能な信号が直流に限定される。そのため、特許文献2では、測定可能な電気特性測定が限定されるという問題があった。
このように、上述したような技術では、多様な電気特性測定に対応しつつ、QCM測定と電気特性測定とを同時に測定することが困難であった。
数の第2電極の電極間に存在する物質の物性に相関する電気的特性を測定する第2電気信号が、前記第2電極の電極間に印加され、前記第2電気信号に応じて前記第2電極の電極間に存在する前記物質の物性に相関する電気的特性が測定され、前記第1電気信号と前記第2電気信号とが混合されて前記少なくとも1つの電極を含む電極間に供給されることを特徴する圧電ユニットである。
図1は、第1の実施形態による圧電装置1の一例を示すブロック図である。
図1に示すように、圧電装置1は、圧電ユニット10と、測定部20とを備えている。
圧電ユニット10は、圧電素子としての圧電振動子2を備え、接続部C1〜C3を介して後述する測定部20に接続されている。
圧電振動子2は、例えば、水晶振動子であり、圧電板11と、第1電極T1と、複数の第2電極T2を備えている。圧電振動子2は、例えば、基本波による共振周波数(基本共振周波数)が9MHz(メガヘルツ)の水晶振動子である。
ここで、第1電極T1及び第2電極T2の詳細について、図2を参照して説明する。
図2(a)は、圧電板11の裏面F1(第1面)の外観を示している。図2(a)に示すように、圧電板11の裏面F1には、第1電極T1が形成されている。第1電極T1は、接続部C1を介して、後述する測定部20に接続される。
ここで、図3を参照して、櫛歯電極応答測定回路60における電流測定の回路例について説明する。
図3に示すように、櫛歯電極応答測定回路60は、抵抗61と、オペアンプ62と、電圧計測装置63とを備えている。
抵抗61は、第1端子がオペアンプ62の反転入力端子(“−”端子)に、第2端子がオペアンプ62の出力端子(ノードN1)に、それぞれ接続されている。
抵抗61及びオペアンプ62は、第2電極T2の電極間に流れる電流を電圧に変換する。
なお、一例として、櫛歯電極応答測定回路60が、上述した図3に示す電流測定回路を備える例を説明したが、QCM応答測定回路40に対しても同様の電流測定回路を備えるようにしてもよい。
圧電装置1は、測定対象物(例えば、気体や液体など)が、圧電ユニット10における圧電振動子2の表面F2(第2電極T2がある面)に接している状態において、QCM測定、及びその他の電気特性測定を同時に行う。
式(2)に示すように、圧電振動子2表面に付着した検出対象物の質量Δmと共振周波数の変化Δfとは、比例関係にあり、QCM応答測定回路40による測定結果に基づいて、共振周波数の変化Δfを測定することにより、圧電振動子2表面に付着した検出対象物の質量Δmを算出することが可能になる。
式(3)に示す関係により、QCM応答測定回路40による測定結果に基づいて、共振周波数の変化Δfを測定することにより、例えば、検出対象物の液体の粘度η1(粘性)又は密度ρ1(濃度)の変化を算出することが可能になる。
このように、櫛歯電極応答測定回路60は、例えば、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特性を、QCM測定と同時に測定することができる。
図4は、第1の実施形態による圧電装置1の第1変形例を示すブロック図である。
図4に示すように、本変形例の圧電装置1aは、圧電ユニット10と、測定部20aとを備えている。
なお、図4において、図1に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
なお、本変形例では、図4に示すように、QCM信号印加回路30と櫛歯電極信号印加回路50とが両者の信号が加算されるように直列に接続され、その出力が、第1電極T1と電極T21との間、及び、電極T21と電極T22との間に供給される。すなわち、QCM信号印加回路30と櫛歯電極信号印加回路50とは、少なくとも第1電極T1と第2電極T2のうちの少なくとも1つの電極(例えば、電極T21)との間、及び少なくとも1つの電極(例えば、電極T21)と複数の第2電極T2のうちの電極T21とは異なる電極である電極T22(第3電極)との間に、QCM測定信号と櫛歯電極測定信号とを加算した信号を供給する。つまり、QCM測定信号と櫛歯電極測定信号とが混合されて電極T21を含む電極間に供給される。
これにより、本変形例による圧電装置1aは、図1に示す圧電装置1と同様に、QCM測定による検出対象物の物理量(例えば、質量、粘性など)と第2電極T2の電極間に存在する物質(検出対象物)の物性に関わる電気的特性とを同時に測定することができる。
図5は、第1の実施形態による圧電装置1の第2変形例を示すブロック図である。
図5に示すように、本変形例の圧電装置1bは、圧電ユニット10と、測定部20bとを備えている。
なお、図5において、図1に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
これにより、本変形例による圧電装置1bは、図1に示す圧電装置1と同様に、QCM測定による検出対象物の物理量(例えば、質量、粘性など)と第2電極T2の電極間に存在する物質(検出対象物)の物性に関わる電気的特性とを同時に測定することができる。
また、本実施形態による圧電装置1は、信号切替部やコンデンサを挿入する必要がなく、QCM測定信号と櫛歯電極測定信号とを供給することができるため、構成を簡略化できることに加え、信号の劣化や位相変化が生じることがなく、入力可能な信号の周波数が制限されることもない。
これにより、本実施形態による圧電装置1は、共振周波数の変化や圧電振動子2の等価回路定数を利用したQCM測定と、物性に関わる電気的特性とをより確実に同時に測定することができる。
これにより、本実施形態による圧電装置1は、QCM応答測定回路40が測定した電流に関する値に基づいて、圧電振動子2の共振周波数の変化や等価回路定数など、圧電振動子2の振動状態を反映しているパラメータの算出(QCM測定)による検出対象物の物理量(例えば、質量、粘性など)と、櫛歯電極応答測定回路60が測定した電流に関する値に基づいて、第2電極T2の電極間に存在する物質(検出対象物)の物性とを同時に測定することができる。
これにより、本実施形態による圧電装置1は、QCM測定信号と櫛歯電極測定信号との間の干渉を低減することができ、QCM測定と、物性に関わる電気特性測定とをより高精度に測定することができる。
これにより、本実施形態による圧電装置1では、QCM応答測定回路40で測定される電流に関する値から、圧電板11と接している物質の物性を取得することができる。
これにより、本実施形態による圧電装置1は、電極T21と電極T22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ができ、物性に関わる電気特性測定を高感度に行うことができる。
これにより、本実施形態による圧電装置1は、圧電板11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、QCM測定を高精度に行うことができる。
なお、第1電極T1及び第2電極T2の外形が囲む領域の形状は、任意(例えば、円形)であり、四角形に限定されるものではない。
これにより、本実施形態による圧電ユニット10は、上述した圧電装置1と同様の効果を奏する。例えば、本実施形態による圧電ユニット10は、上述した圧電装置1と同様に、圧電振動子2(圧電板11)の共振周波数の変化や等価回路定数など、圧電振動子2(圧電板11)の振動状態を反映しているパラメータの算出(QCM測定)による検出対象物の物理量(例えば、質量、粘性など)と、櫛歯電極応答測定回路60が測定した電流に関する情報に基づいて、第2電極T2の電極間に存在する物質(検出対象物)の物性に関わる電気的特性とを同時に測定することができる。
これにより、本実施形態による測定方法は、上述した圧電装置1と同様の効果を奏する。例えば、本実施形態による測定方法は、上述した圧電装置1と同様に、圧電振動子2(圧電板11)の共振周波数の変化や等価回路定数など、圧電振動子2(圧電板11)の振動状態を反映しているパラメータの算出(QCM測定)による検出対象物の物理量(例えば、質量、粘性など)と、櫛歯電極応答測定回路60が測定した電流に関する情報に基づいて、第2電極T2の電極間に存在する物質(検出対象物)の物性に関わる電気的特性とを同時に測定することができる。
これにより、本実施形態の圧電装置1aは、圧電装置1と同様に、簡易な手段により、共振周波数の変化や等価回路定数など、圧電振動子2の振動状態を反映しているパラメータの算出を利用したQCM測定と、物性に関わる電気特性測定とを同時に測定することができる。
これにより、本実施形態の圧電装置1bは、圧電装置1と同様に、簡易な手段により、共振周波数の変化や等価回路定数など、圧電振動子2の振動状態を反映しているパラメータを利用したQCM測定と、物性に関わる電気特性測定とを同時に測定することができる。
次に、図面を参照して、第2の実施形態による圧電装置1cについて説明する。
図6は、第2の実施形態による圧電装置1cの一例を示すブロック図である。
図6に示すように、圧電装置1cは、圧電ユニット10と、測定部20cとを備えている。
なお、図6において、図1に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態では、測定部20cがフィルタ部(71、72)を備える点が、第1の実施形態と異なる。
図7に示すように、フィルタ部71は、コンデンサ(711、712)と、抵抗(713、714)と、オペアンプ715とを備えている。
コンデンサ711は、QCM応答信号の信号線とノードN2との間に接続され、コンデンサ712は、ノードN2とノードN3との間に接続されている。
また、抵抗713は、ノードN3と電源GND(グランド)との間に接続され、抵抗714は、ノードN2とノードN4との間に接続されている。
なお、図7に示すサレン・キー型2次ハイパスフィルタ回路は、コンデンサ711の静電容量値をc1、コンデンサ712の静電容量値をc2、抵抗713の抵抗値をr1、抵抗714の抵抗値をr2とした場合に、カットオフ周波数fcは、以下の式(4)のように表される。ここで、カットオフ周波数fcとは、信号強度が一定レベル(例えば、−3dB(デシベル))減衰する周波数のことである。
本実施形態によるQCM応答測定回路40は、フィルタ部71によって、例えば、櫛歯電極測定信号の周波数成分が遮断された信号を用いてQCM測定を行う。
図8に示すように、フィルタ部72は、抵抗(721、722)と、コンデンサ(723、724)と、オペアンプ725とを備えている。
抵抗721は、櫛歯電極応答信号の信号線とノードN5との間に接続され、抵抗722は、ノードN5とノードN6との間に接続されている。
また、コンデンサ723は、ノードN6と電源GNDとの間に接続され、コンデンサ724は、ノードN5とノードN7との間に接続されている。
なお、図8に示すサレン・キー型2次ローパスフィルタ回路は、抵抗721の抵抗値をr3、抵抗722の抵抗値をr4、コンデンサ723の静電容量値をc3、コンデンサ724の静電容量値をc4、とした場合に、カットオフ周波数fcは、以下の式(5)のように表される。
本実施形態による櫛歯電極応答測定回路60は、フィルタ部72によって、例えば、櫛QCM測定信号の周波数成分が遮断された信号を用いて、櫛歯電極間の電気的特性を測定する。
これにより、本実施形態による圧電装置1cは、QCM測定と、物性に関わる電気的特性の測定を行う際に、互いの入力信号(QCM測定信号又は櫛歯電極測定信号)の干渉(影響)を低減することができる。よって、本実施形態による圧電装置1cは、QCM測定と、物性に関わる電気特性測定とをより高精度に測定することができる。
次に、図面を参照して、第3の実施形態による圧電装置1dについて説明する。
図9は、第3の実施形態による圧電装置1dの一例を示すブロック図である。
図9に示すように、圧電装置1dは、圧電ユニット10と、測定部20dとを備えている。
なお、図9において、図1に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態では、測定部20dが信号印加制御部73を備える点が、第1の実施形態と異なる。
図10は、第3の実施形態による圧電装置1dの第1変形例を示すブロック図である。
図10に示すように、本変形例の圧電装置1eは、圧電ユニット10と、測定部20eとを備えている。
なお、図10において、図4に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
なお、本変形例では、図10に示すように、QCM信号印加回路30と櫛歯電極信号印加回路50とが両者の信号が加算されるように直列に接続され、その出力が、第1電極T1と電極T21との間、および、電極T21と電極T22との間に供給される。そして、信号印加制御部73は、QCM信号印加回路30及び櫛歯電極信号印加回路50に制御信号を出力し、QCM測定信号及び櫛歯電極測定信号を供給するタイミング又は信号レベルを制御する。
図11は、第3の実施形態による圧電装置1dの第2変形例を示すブロック図である。
図11に示すように、本変形例の圧電装置1fは、圧電ユニット10と、測定部20fとを備えている。
なお、図11において、図5に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
信号印加制御部73aは、信号ミキサー回路70に制御信号を出力し、QCM測定信号及び櫛歯電極測定信号を供給するタイミング又は信号レベルを制御する。
これにより、本実施形態による圧電装置1d(1e、1f)は、QCM測定と物性に関わる電気的測定とを最適に行えるように、QCM測定信号と櫛歯電極測定信号とのタイミング又は信号レベルを制御することができる。そのため、本実施形態による圧電装置1d(1e、1f)は、QCM測定と、その他の電気特性測定とをより高精度に測定することができる。
次に、図面を参照して、第4の実施形態による圧電装置1gについて説明する。
図12は、第4の実施形態による圧電装置1gの一例を示すブロック図である。
図12に示すように、圧電装置1gは、圧電ユニット10と、測定部20gとを備えている。
なお、図12において、図1に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態では、測定部20gが複数の櫛歯電極信号印加回路50と、複数の櫛歯電極応答測定回路60とを備える場合の一例について説明する。
複数の櫛歯電極信号印加回路50のそれぞれは並列に接続されて、生成した各櫛歯電極測定信号は第2電極T2間に供給される。
複数の櫛歯電極応答測定回路60のそれぞれは、並列に接続されて、複数の櫛歯電極信号印加回路50が生成した各櫛歯電極測定信号に応じて第2電極T2の電極間における電気的特性を測定する。
図13は、第4の実施形態による圧電装置1gの第1変形例を示すブロック図である。
図13に示すように、本変形例の圧電装置1hは、圧電ユニット10と、測定部20hとを備えている。
なお、図13において、図1及び図12に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
なお、本変形例では、図13に示すように、QCM信号印加回路30と複数の櫛歯電極信号印加回路50とが直列に接続され、その出力が、第1電極T1と電極T21との間、及び電極T21と電極T22との間に供給される。なお、複数の櫛歯電極信号印加回路50のそれぞれは、上述した図12に示す測定部20gと同様に、並列に接続されている。
なお、図13において、複数の櫛歯電極信号印加回路50を並列に接続しているが、これらを直列に接続するようにしてもよい。
図14は、第4の実施形態による圧電装置1gの第2変形例を示すブロック図である。
図14に示すように、本変形例の圧電装置1iは、圧電ユニット10と、測定部20iとを備えている。
なお、図14において、図5及び図12に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
また、複数の櫛歯電極応答測定回路60については、上述した本実施形態の第1変形例と同様であるのでその説明を省略する。
これにより、本実施形態による圧電装置1g(1h、1i)は、QCM測定と、物性に関わる複数種類の電気特性測定とを同時に行うことができる。すなわち、本実施形態による圧電装置1g(1h、1i)は、QCM測定を行うとともに、多様な物性測定に対応することができる。
次に、図面を参照して、第5の実施形態による測定装置100について説明する。
本実施形態では、上述した圧電装置1(1a〜1i)を利用した測定装置100について説明する。本実施形態では、一例として、圧電装置1を利用した、液体中に含まれる物質濃度と物質の同定とを同時に行う測定装置100について説明する。
図15に示すように、測定装置100は、例えば、液体クロマトグラフィー装置であり、カラム110と、フローセル120と、測定部20と、測定制御部130とを備えている。
フローセル120は、上述した圧電ユニット10が備えられており、圧電ユニット10が、カラム110から流れてきた液体に含まれる試料の測定を行う。
測定部20は、カラム110で分離した試料が圧電振動子2に吸着する量をQCM測定により測定する。また、同時に、測定部20は、櫛歯電極(第2電極T2)により電気的インピーダンスや電気伝導度を測定する。
測定制御部130は、測定部20によるQCM測定の結果に基づいて、試料の濃度を測定すると同時に、櫛歯電極(第2電極T2)による測定結果(電気的インピーダンスや電気伝導度など)に基づいて、圧電振動子2に吸着した試料の種類(物質種類)を同定する。
これに対して、上述した圧電装置1を備えた本実施形態による測定装置100では、データの欠落が生じることなく、物質濃度と物質の同定とを同時に行うことが可能である。
なお、図15に示す一例では、測定装置100が、圧電装置1を備える例を説明したが、圧電装置1の代わりに、上述した圧電装置1a〜1iのいずれかを備えるようにしてもよい。
これにより、本実施形態による測定装置100は、上述した圧電装置1(1a〜1i)と同様の効果を奏する。すなわち、本実施形態による測定装置100は、多様な電気特性測定に対応しつつ、共振周波数の変化や等価回路定数など、圧電振動子2の振動状態を反映しているパラメータの算出を利用したQCM測定と、物性に関わる電気特性測定とを同時に測定することができる。
例えば、上記の各実施形態は、単独で実施される例を説明したが、これに限定されるものではなく、上記の各実施形態を複数組み合わせて実施してもよい。
また、上記の各実施形態において、第1電極T1と第2電極T2(電極T12及び電極T22)とは、図2に示す形状に限定されるものではなく、他の形状の電極であってもよい。
図16(a)は、4つの第2電極T2を備える圧電板11の裏面F1(第1面)の外観を示している。この例における圧電板11の裏面F1は、図2(a)に示す例と同様であるのでその説明を省略する。
また、図16(b)は、4つの第2電極T2を備える圧電板11の表(おもて)面F2(第2面)の外観を示している。図16(b)に示すように、圧電板11の表面F2には、4つの第2電極T2が互いに電気的に絶縁されて形成されている。この4つの第2電極T2(電極T21〜電極T24)は、それぞれが櫛歯状の形状に形成されており、櫛歯状の櫛歯の間に隣接する他の第2電極T2の櫛歯が配置されるように表面F2に形成されている。また、電極T21は、接続部C2を介して測定部20(20a〜20i)に接続され、電極T22は、接続部C3を介して測定部20(20a〜20i)に接続される。また、電極T23は、接続部C4を介して測定部20(20a〜20i)に接続され、電極T24は、接続部C5を介して測定部20(20a〜20i)に接続される。なお、図16(b)では、4つの電極(T21〜T24)がすべて電気的に独立している例を示しているが、そのうちの2つ(例えばT22とT24)を電気的に接続した構成としてもよい。
図17は、本発明に係る実施形態における圧電板11の別の一例を示す第2の図である。なお、図17において、図2に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
また、図17(b)は、図2(b)に示す例と同様であるのでその説明を省略する。
なお、図17に示す圧電板11を使用する場合には、測定部20(20a〜20i)は、複数の櫛歯電極信号印加回路50と、複数の櫛歯電極応答測定回路60とを備え、例えば、電極T21と電極T22との間と、電極T11と電極T12との間とで異なる電気的特性を測定するようにしてもよい。この場合、圧電装置1(1a〜1i)は、2つの第1電極T1及び2つの第2電極T2を利用して、複数種類(2種類)の電気的特性を同時に測定することができる。
なお、図17では、4つの電極(T11、T12,T21,T22)がすべて電気的に独立している例を示しているが、表裏面のそれぞれ1つ(例えば、電極T11と電極T21)が電気的に接続した構成としてもよい。
また、図18(b)は、図16(b)に示す例と同様であるのでその説明を省略する。
なお、図18では、8つの電極(T11〜T14,T21〜T24)がすべて電気的に独立している例を示しているが、任意の2つから4つの電極(例えば、電極T12と電極T14と、あるいは、電極T12と電極T14と電極T22と電極T24となど)が電気的に接続した構成としてもよい。
図19は、水晶振動子の等価回路を示している。図19に示す等価回路では、抵抗81と、コイル82と、コンデンサ83とが直列に接続されるとともに、コンデンサ84が並列に接続されている。
式(7)に示す関係により、QCM応答測定回路40による測定結果に基づいて、圧電振動子2の等価回路における抵抗Rを測定することにより、例えば、検出対象物の液体の粘度η1(粘性)又は密度ρ1(濃度)を算出することが可能になる。なお、上述した圧電装置1(1a〜1i)は、これ以外にも、圧電振動子2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、振幅、共振周波数、及びこれらの情報から求められる等価回路定数などの電気的特性の測定により、圧電振動子2が接している物質の特性を得ることができる。
図20に示す例では、圧電装置1jは、圧電ユニット10aと、測定部20jとを備えている。ここでは、上述した第1の実施形態に、第1電極T1と第3電極(電極T22)とを接続して、QCM測定を行う変形例を示している。
なお、図20において、図1に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
測定部20jは、接続部C1及び接続部C2を介して圧電ユニット10aに接続され、圧電ユニット10aを利用して各種測定を実行する。測定部20jは、QCM信号印加回路30と、QCM応答測定回路40と、櫛歯電極信号印加回路50と、櫛歯電極応答測定回路60とを備えている。
櫛歯電極信号印加回路50は、接続部C1及び接続部C2を介して、電極T21と電極T22との間に、櫛歯電極測定信号を供給し、櫛歯電極応答測定回路60は、接続部C1及び接続部C2を介して、電極T21と電極T22との間に流れる電流に関する値を測定する。
これにより、圧電装置1jは、第1の実施形態と同様に、多様な電気特性測定に対応しつつ、圧電振動子の共振周波数の変化や等価回路定数を利用したQCM測定と、圧電振動子が接している物質の物性に相関する電気特性測定とを同時に測定することができる。
なお、図20に示す例は、上述した第1の実施形態の圧電装置1に圧電ユニット10aを適用しているが、他の実施形態の圧電装置1a〜1iに圧電ユニット10aを適用してもよい。また、図20に示す例では、第1電極T1と第3電極(電極T22)とが、圧電ユニット10a内にて接続される例を説明したが、圧電ユニット10に対して、第1電極T1と第3電極(電極T22)とが外部で接続されるようにしてもよい。
図21〜図24は、本発明に係る実施形態におけるQCM信号印加回路30の具体例を示す回路図である。
図21に示す発振回路31は、例えば、CMOS(Complementary Metal−Oxide−Semiconductor)ゲート発振回路である。発振回路31は、インバータゲート311と、抵抗(312、313)と、コンデンサ(314、315)とを備えている。
図22に示す発振回路32は、例えば、コルピット発振回路である。発振回路32は、抵抗(321、322、325、327)と、コンデンサ(323、324、328)と、トランジスタ326とを備えている。
トランジスタ326は、例えば、NPNトランジスタであり、コレクタ端子がノードN36に、ベース端子がノードN34に、エミッタ端子が、コンデンサ323及びコンデンサ324の中点であるノードN35に、それぞれ接続されている。
抵抗327は、第1端子がノードN35に、第2端子が電源GNDに、それぞれ接続されている。
このように、コルピット発振回路である発振回路32では、圧電振動子2の第1電極T1と第2電極T2(電極T21又は電極T22)とに接続することにより、圧電振動子2を発振させ、Output信号の信号線から圧電振動子2の発振信号を出力する。
図23に示す周波数掃引回路33は、例えば、VCO(Voltage Controlled Oscillator)回路330を利用して、周波数を変化させて(周波数掃引させて)圧電振動子2に印加する。
可変容量ダイオード333は、アノード端子がノードN332に、カソード端子がノードN331に接続されている。可変容量ダイオード333は、制御電圧Vctrlの変化に応じて静電容量が変化する。
コンデンサ336は、第1端子がノードN331に、第2端子がノードN333に、それぞれ接続されている。また、コンデンサ337は、第1端子がノードN333に、第2端子が電源GNDに、それぞれ接続されている。また、コイル338は、第1端子がノードN333に、第2端子が電源GNDに、それぞれ接続されている。
図24に示す周波数掃引回路36は、例えば、DDS(Direct Digital Synthesizer)362を利用して、周波数を変化させて(周波数掃引させて)圧電振動子2に印加する。
DDS362は、コントローラ361から入力された制御信号に基づいて、周波数を変更した信号を出力するデジタルシンセサイザ回路である。
バッファアンプ364は、ローパスフィルタ363によって成形された信号を圧電振動子2に印加する。なお、周波数掃引回路36において、バッファアンプ364の出力が、第1電極T1と、電極T21(第2電極T2)との間に印加される。
このように、周波数掃引回路36は、DDS362によって生成された信号を、ローパスフィルタ363によって波形形成し、バッファアンプ364により出力することにより、印加する信号の周波数を掃引させて、圧電振動子2に印加する。
なお、QCM信号印加回路30は、図21〜図24に示す回路に限定されるものではなく、他の回路が利用されてもよい。
図25及び図26は、本発明に係る実施形態におけるQCM応答測定回路40の具体例を示す回路図である。
図25に示す交流増幅回路41は、非反転増幅回路を利用して、圧電振動子2から出力される交流信号を増幅し、Output信号として出力する。交流増幅回路41は、オペアンプ(411、414)と、コンデンサ412と、抵抗(413、415、416)とを備えている。
コンデンサ412は、第1端子がノードN41に、第2端子がノードN42に、それぞれ接続され、オペアンプ411の出力信号の内の交流成分をノードN42に伝達する。
なお、オペアンプ411と、抵抗415及び抵抗416とは、抵抗415と抵抗416との抵抗比により、ノードN42に入力された信号を増幅する非反転増幅回路を形成している。
図26に示す交流増幅ピークホールド回路42は、上述した交流増幅回路41とピークホールド回路420とを利用して、圧電振動子2から出力される交流信号のピーク電圧をOutput信号として出力する。交流増幅ピークホールド回路42は、交流増幅回路41と、ピークホールド回路420とを備えている。
ピークホールド回路420は、交流信号のピーク値を検出し、平滑化したピーク値を出力する。ピークホールド回路420は、オペアンプ(421、430)と、コンデンサ429と、ダイオード(422、423、426)と、抵抗(424、425、427、428)とを備えている。
ダイオード426は、アノード端子がノードN45に、カソード端子がノードN48に、それぞれ接続されている。
なお、QCM応答測定回路40は、図25及び図26に示す回路に限定されるものではなく、他の回路が利用されてもよい。例えば、図25及び図26に示す交流増幅回路41において、非反転増幅回路を用いているが、反転増幅回路を用いてもよい。また、ピークホールド回路420は、図26に示す回路に限定されるものではなく、他の方式のピークホールド回路であってもよい。
図27及び図28は、本発明に係る実施形態における櫛歯電極信号印加回路50の具体例を示す回路図である。
図27に示す電圧印加回路51は、非反転増幅回路であり、入力されたInput信号を増幅して、圧電振動子2の電極T21と電極T22との間に印加する。電圧印加回路51は、オペアンプ511と、抵抗(512、513)とを備えている。
このように、電圧印加回路51は、Input信号に入力された信号を増幅した信号を櫛歯電極間(電極T21と電極T22との間)に印加する。
図28に示す周波数可変交流電圧印加回路52は、上述したVCO回路330を利用して、周波数を変更した交流信号を圧電振動子2の電極T21と電極T22との間に印加する。周波数可変交流電圧印加回路52は、VCO回路330と、ボルテージフォロアに構成されたオペアンプ521とを備えている。
オペアンプ521は、非反転入力端子(“+”端子)がVCO回路330の出力線に、反転入力端子(“−”端子)が出力端子に、それぞれ接続されている。オペアンプ521は、制御電圧Vctrlに応じて周波数が変更された交流信号を出力する。
櫛歯電極応答測定回路60の具体例は、例えば、上述した図3に示す電流測定回路を利用して櫛歯電極間(電極T21と電極T22との間)に流れる電流を計測する。この場合、オペアンプ62は、例えば、非反転入力端子(“+”端子)が圧電振動子2の電極T21に接続され、反転入力端子(“−”端子)が圧電振動子2の電極T22及び電源GNDに接続される。図3に示す電流測定回路は、櫛歯電極間(電極T21と電極T22との間)に流れる電流を電圧に変換してノードN1に出力する。
図29及び図30は、本発明に係る実施形態における信号ミキサー回路70の具体例を示す回路図である。
図29に示す加算回路74は、反転加算回路であり、入力されたInput1信号〜Input4信号を加算して、反転した信号を、Output信号として出力する。加算回路74は、抵抗(741〜744、746)と、オペアンプ745とを備えている。
抵抗(741〜744、746)は、例えば、同一の抵抗値であり、この場合、加算回路74は、Input1信号〜Input4信号を加算して反転した信号を、Output信号として出力する。
図30に示す加算回路75は、ゲイン調整付きの反転加算回路であり、入力されたInput1信号〜Input4信号をゲイン調整して加算して、反転した信号を、Output信号として出力する。加算回路75は、抵抗(741〜744、746)と、オペアンプ745と、可変抵抗(751〜754)とを備えている。
なお、図30において、図29と同一の構成には同一の符号を付与し、その説明を省略する。
また、信号ミキサー回路70は、図29及び図30に示す加算回路(74、75)に限定されるものではなく、他の回路が利用されてもよい。
(A)直流電圧信号(例えば、図27の電圧印加回路51を使用)
(B)単一周波数の交流電圧信号(例えば、図27の電圧印加回路51を使用)
(C)周波数を掃引した交流電圧信号(例えば、図28の周波数可変交流電圧印加回路52、図24に示す周波数掃引回路36を利用した周波数可変交流電圧印加回路などを使用)
(a)大きさ(例えば、図26に示す交流増幅ピークホールド回路42を利用した回路などを使用)
(b)周波数(例えば、図25に示す交流増幅回路41を利用した回路などを使用)
(c)位相(例えば、図25に示す交流増幅回路41を利用した回路などを使用)
また、上記の各実施形態を、圧電装置1(1a〜1j)上に、測定対象中の特定成分が化学反応により不溶性分を析出する(メッキのような電気化学的反応を含む)ような系に適用することで、圧電装置1(1a〜1j)は、析出した不溶性粒子の量やその物性に関わる電気的特性などを測定できる。
同様に、上記の各実施形態を、圧電装置1(1a〜1j)上の電極材料と測定対象中の特定成分が化学反応を生じるような系に適用することで、圧電装置1(1a〜1j)は、反応した物質量や反応性生物の物性に関わる電気的特性などを測定できる。
また、上記の第5の実施形態において、測定制御部130の処理を圧電装置1の測定部20が行うようにしてもよい。
また、「コンピュータシステム」は、インターネットやWAN、LAN、専用回線等の通信回線を含むネットワークを介して接続された複数のコンピュータ装置を含んでもよい。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。このように、プログラムを記憶した記録媒体は、CD−ROM等の非一過性の記録媒体であってもよい。
2 圧電振動子
10、10a 圧電ユニット
11 圧電板
20、20a〜20j 測定部
30 QCM信号印加回路
31、32 発振回路
33、36 周波数掃引回路
40 QCM応答測定回路
41 交流増幅回路
42 交流増幅ピークホールド回路
50、50−1、50−2、50−3 櫛歯電極信号印加回路
51 電圧印加回路
52 周波数可変交流電圧印加回路
60、60−1、60−2、60−3 櫛歯電極応答測定回路
61、81、312、313、321、322、325、327、332 抵抗
334、340、343、348、413、415、416、424、425 抵抗
427、428、512、513、713、714、721、722 抵抗
741〜744、746 抵抗
62、411、414、421、430、511、521 オペアンプ
715、725、745 オペアンプ
63 電圧計測装置
70 信号ミキサー回路
71、72 フィルタ部
73、73a 信号印加制御部
74、75 加算回路
82、338、347 コイル
83、84、314、315、323、324、328、331 コンデンサ
335〜337、339、341、344〜346、349、351 コンデンサ
352、412、429、711、712、723、724 コンデンサ
100 測定装置
110 カラム
120 フローセル
130 測定制御部
330 VCO回路
311 インバータゲート
326、342、350 トランジスタ
333 可変容量ダイオード
422、423、426 ダイオード
361 コントローラ
362 DDS
363 ローパスフィルタ
364 バッファアンプ
420 ピークホールド回路
751〜754 可変抵抗
F1 裏面
F2 表面
T1 第1電極
T2 第2電極
Claims (15)
- 振動を励起する圧電素子と、
前記圧電素子の第1面に形成された第1電極と、
前記圧電素子の前記第1面の反対側の面である第2面に互いに電気的に絶縁されて形成された複数の第2電極と、
前記複数の第2電極のうちの少なくとも1つの電極と少なくとも前記第1電極との間に、前記圧電素子に振動を励起させる第1電気信号を供給する第1信号印加部と、
前記第1電気信号に応じて前記圧電素子が振動することにより、前記圧電素子に接触する物質の物性に相関する前記圧電素子の電気的特性を測定する第1応答測定部と、
前記複数の第2電極の電極間に存在する物質の物性に相関する電気的特性を測定する第2電気信号を、前記第2電極の電極間に供給する第2信号印加部と、
前記第2電気信号に応じて前記第2電極の電極間に存在する前記物質の物性に相関する電気的特性を測定する第2応答測定部と
を備え、
前記複数の第2電極のそれぞれは、櫛歯状の形状であり、互いに一定の間隔を介して相互に噛み合うように前記第2面に配置されており、
前記第1電極と、前記複数の第2電極とは、前記圧電素子を挟んでそれぞれの外形が囲む領域が同様の面積であると共に、相対位置が一致するように形成されており、
前記第1電気信号と前記第2電気信号とが混合されて前記少なくとも1つの電極を含む電極間に供給される
ことを特徴する圧電装置。 - 前記第2信号印加部は、少なくとも前記第1電気信号によって前記圧電素子に振動を励起させている間に前記第2電気信号を前記第2電極の電極間に供給する
ことを特徴とする請求項1に記載の圧電装置。 - 前記第1信号印加部は、少なくとも前記第1電極と前記少なくとも1つの電極との間に前記第1電気信号を供給し、
前記第1応答測定部は、少なくとも前記第1電極と前記少なくとも1つの電極との間に流れる電流に関する測定が可能に接続され、
前記第2信号印加部は、前記少なくとも1つの電極と、前記複数の第2電極のうちの前記少なくとも1つの電極とは異なる電極である第3電極との間に、前記第2電気信号を供給し、
前記第2応答測定部は、前記少なくとも1つの電極と前記第3電極との間に流れる電流に関する測定が可能に接続されている
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の圧電装置。 - 前記第1信号印加部と前記第2信号印加部とは、
前記第1電極と前記少なくとも1つの電極との間、及び前記少なくとも1つの電極と前記複数の第2電極のうちの前記少なくとも1つの電極とは異なる電極である第3電極との間に、前記第1電気信号と前記第2電気信号とを加算した信号を供給し、
前記第1応答測定部は、前記第1電極と前記少なくとも1つの電極との間に流れる電流に関する測定が可能に接続され、
前記第2応答測定部は、前記少なくとも1つの電極と前記第3電極との間に流れる電流に関する測定が可能に接続されている
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の圧電装置。 - 前記第1電気信号と前記第2電気信号とを混合した信号を生成し、前記第1電極と前記少なくとも1つの電極との間、及び前記少なくとも1つの電極と前記複数の第2電極のうちの前記少なくとも1つの電極とは異なる電極である第3電極との間に当該信号を供給する信号混合部を備え、
前記第1応答測定部は、前記第1電極と前記少なくとも1つの電極との間に流れる電流に関する測定が可能に接続され、
前記第2応答測定部は、前記少なくとも1つの電極と前記第3電極との間に流れる電流に関する測定が可能に接続されている
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の圧電装置。 - 前記第1電極と前記第3電極とが接続されており、
前記第1信号印加部は、前記第1電極及び前記第3電極と、前記少なくとも1つの電極との間に、前記第1電気信号を供給する
ことを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか一項に記載の圧電装置。 - 前記第1応答測定部及び前記第2応答測定部による前記電流に関する測定には、電流の大きさ、周波数、及び位相のうちの少なくとも1つの測定が含まれる
ことを特徴とする請求項3から請求項6のいずれか一項に記載の圧電装置。 - 前記第2信号印加部は、前記第2応答測定部が前記第2電極の電極間に存在する前記物質の物性に相関する電気的特性を測定する際に、周波数、位相、及び信号の有無のタイミングのうちの少なくとも1つに、前記第1電気信号との差異を設けることで、前記第1信号印加部が供給する前記第1電気信号と干渉しないように、前記第2電気信号を供給する
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の圧電装置。 - 前記第2信号印加部は、前記圧電素子の基本共振周波数から所定の範囲以上離れた周波数の交流信号、及び、前記基本共振周波数のオーバートーンの共振周波数から所定の範囲以上離れた周波数の交流信号を、前記第2電気信号として前記第2電極の電極間に供給する
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の圧電装置。 - 前記圧電素子は、前記第1電気信号によって厚み辷り振動を励起する
ことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の圧電装置。 - 前記第1電気信号及び前記第2電気信号は、無信号状態を含む任意の波形、任意の信号レベル、及び任意の周波数である
ことを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の圧電装置。 - 前記第1電気信号及び前記第2電気信号を供給するタイミング又は信号レベルを制御する制御部を備える
ことを特徴とする請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の圧電装置。 - 振動を励起する圧電素子と、
前記圧電素子の第1面に形成された第1電極と、
前記圧電素子の前記第1面の反対側の面である第2面に互いに電気的に絶縁されて形成された複数の第2電極と
を備え、
前記複数の第2電極のそれぞれは、櫛歯状の形状であり、互いに一定の間隔を介して相互に噛み合うように前記第2面に配置されており、
前記第1電極と、前記複数の第2電極とは、前記圧電素子を挟んでそれぞれの外形が囲む領域が同様の面積であると共に、相対位置が一致するように形成されており、
前記複数の第2電極のうちの少なくとも1つの電極と少なくとも前記第1電極との間に、前記圧電素子に振動を励起させる第1電気信号が印加され、
前記第1電気信号に応じて前記圧電素子が振動することにより、前記圧電素子に接触する物質の物性に相関する前記圧電素子の電気的特性が測定され、
前記複数の第2電極の電極間に存在する物質の物性に相関する電気的特性を測定する第2電気信号が、前記第2電極の電極間に印加され、
前記第2電気信号に応じて前記第2電極の電極間に存在する前記物質の物性に相関する電気的特性が測定され、
前記第1電気信号と前記第2電気信号とが混合されて前記少なくとも1つの電極を含む電極間に供給される
ことを特徴する圧電ユニット。 - 請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の圧電装置を備える測定装置。
- 振動を励起する圧電素子と、前記圧電素子の第1面に形成された第1電極と、前記圧電素子の前記第1面の反対側の面である第2面に互いに電気的に絶縁されて形成された複数の第2電極とを備える圧電ユニットの測定方法であって、
前記複数の第2電極のそれぞれは、櫛歯状の形状であり、互いに一定の間隔を介して相互に噛み合うように前記第2面に配置されており、
前記第1電極と、前記複数の第2電極とは、前記圧電素子を挟んでそれぞれの外形が囲む領域が同様の面積であると共に、相対位置が一致するように形成されており、
前記複数の第2電極のうちの少なくとも1つの電極と少なくとも前記第1電極との間に
、前記圧電素子に振動を励起させる第1電気信号が印加し、
前記第1電気信号に応じて前記圧電素子が振動することにより、前記圧電素子に接触する物質の物性に相関する前記圧電素子の電気的特性が測定し、
前記複数の第2電極の電極間に存在する物質の物性に相関する電気的特性を測定する第2電気信号が、前記第2電極の電極間に印加し、
前記第2電気信号に応じて前記第2電極の電極間に存在する前記物質の物性に相関する電気的特性が測定し、
前記第1電気信号と前記第2電気信号とが混合されて前記少なくとも1つの電極を含む電極間に供給される
ことを特徴とする測定方法。
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