JPH0520693B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧電セラミツク等の振動子を駆動源と
して用いた粘度又は比重計に関する。

技術的背景 発明者らは圧電セラミツク等の振動子の電気機
械変換機能を利用し、その振動機能により被測定
液中に浸着した検出端子を振動させると共に、同
様に圧電セラミツク等の電気機械変換機能を利用
し、その電気信号変換機能により上記検出端子を
被測定液に浸着した時の振動の変化分を等価的電
気信号に変換し粘度又は比重を検出する装置につ
いて考えた。

上記駆動源たる振動子は検出端子を含めた振動
系の共振周波数で駆動され、粘度計の場合は被測
定液中における共振時の振動の大きさ、例えば電
圧レベルの変化を上記振動の変化分（電気信号）
として検出し、又比重計の場合は被測定液中にお
ける振動の共振周波数の変化を上記振動の変化分
（電気信号）として検出し、夫々粘度又は比重を
測定するものである。

又上記振動子として円方向振動、その一形態と
して捩れ振動する振動モードを生起する振動子を
創案した。これらは例えば特願昭61−299598号に
示される。

発明が解決しようとする問題点 而して、発明者らは上記基本発明の実施手段と
して駆動源と振動センサーとを一つの電気機械変
換素子に兼用させる場合について種々試行した
が、廉価タイプとしては可成りの検出精度が得ら
れたものの、安定動作の面で難点があり、誤差の
発生を禁じ得ず、より高精度の検出が要求される
検体に対する対応が望まれていた。

誤差の発生の一因として、例えば振動子の共振
周波数の変化（比重計）又は共振時の振動レベル
の変化（粘度計）を図る目的でブリツジ回路を組
み、該ブリツジ回路の一方の素子として上記振動
子を、同他方の素子としてコンデンサを夫々接続
してバランスさせその出力をみるのであるが、使
用環境条件（例えば温度差）等により上記バラン
スがくずれ、これが本来の出力と重畳して出され
るために正確性を欠く等があげられる。

問題点を解決するための手段 而して、本発明においては前掲の基本発明の実
施手段として被測定液中に浸着される検出端子を
振動する駆動源と、該検出端子の被測定液中にお
ける振動を検出する振動センサーとを切り離し、
振動子にてこれと直結する検出端子を振動させる
ようにしながら、振動子と検出端子とを結合する
振動伝達部材に上記振動センサーを設け、該振動
センサーにより上記検出端子の被測定液中におけ
る振動を検出するようにしてその振動の変化分に
応じ粘度又は比重を測定するようにしたものであ
る。再述すると圧電セラミツク等から成る円方向
振動子と被測定液中に浸着される検出端子とを振
動伝達部材を介して直結し、円方向振動子と振動
伝達部材と検出端子とを互いに円方向振動軸線が
同一となるように配置し、上記振動子の駆動によ
り上記検出端子を被測定液中において円方向振動
させる構成とすると共に、上記振動伝達部材に上
記検出端子の被測定液中における円方向振動を検
出する振動センサーを設け、該振動センサーを検
出端子と円方向振動子の間に位置し、且つ振動伝
達部材に対して軸対称となるように配置し、粘度
又は比重を検出する構成としたものである。

作 用 上記によつて種々の検体に対する試行を繰り返
したところ、上記の如き振動子の電気機械変換機
能を利用して検出子の駆動と検出子の液中におけ
る振動の検出とを同一素子にて行なうようにした
場合のような不安定動作（駆動信号と検出信号波
形の位相差の乱れ、即ち共振点の乱れ）が除去さ
れ、検出誤差が効果的に解消される結果を得た。

又上記によれば兼用素子による場合のようなブ
リツジ回路の組成を要件とせず、これによる上記
検出誤差の要因を取り除くことができた。又本発
明によれば検出端子を円方向振動子と同一振動軸
線において円方向振動させると同時に、検出端子
と同一振動軸線において上記軸対称配置の振動セ
ンサーを円方向振動させ検出するようにしたの
で、円方向振動子の円方向振動モードを有害な他
のモードの振動を惹起することなく検出端子の円
方向振動として正しく伝え、又この検出端子の円
方向振動モードを再現性良く振動センサーに伝え
て検出端子の液中における円方向振動の変化を正
確に検出し高精度の粘度又は比重の測定を行なう
ことができる。

又上記円方向振動する振動子と振動センサーの
併備と各要素の上記配置によつて、従来原理的に
困難とされていた粘度測定機能と比重の測定機能
を併備した装置の提供が可能となつた。

又仮に測定器に有害な横方向の振動（外乱）が
加わつたとしても、軸対称に配されている振動セ
ンサーはその軸対称性によつて上記外乱を相殺し
検出を健全に遂行できる。又上記各要素の配置に
より、振動センサー及び振動子を液中に置かずに
（液の悪影響を受けることなく）検出端子のみを
液中に浸着して健全に作動させることができる。

実施例 実施例においては電気機械変換機能を有する振
動子として円方向振動子１Ａを駆動源として用い
た場合を示している。

該円方向振動子として例えば捩れ振動子を適用
する。該捩れ振動子は振動軸線を中心とする振動
子両端において時計方向と反時計方向に交互に繰
り返し振動する、即ち円方向振動する振動子であ
る。換言すれば円方向振動とは振動軸線を中心と
する振動子両端において互いに逆厚み方向へ振動
を繰り返す振動モードである。

第１図に示すように、上記駆動源たる円方向振
動子１Ａの一端に振動伝達部材２をその円方向振
動軸線が同一となるように直結し、更に該伝達部
材２の先端にその円方向振動軸線が同一となるよ
うに検出端子３を直結する。即ち、円方向振動子
１Ａに検出端子３を振動伝達部材２を介して直結
し一体なる検出構体を形成する。伝達部材２は丸
軸又は角軸状を呈する。該伝達部材２は検出端子
３の担体としての機能と、同検出端子３を円方向
振動子１Ａから離間した距離に支持する機能を有
することに加え、振動伝達媒体として機能する 実施に応じ該伝達部材２には一定の慣性モーメ
ントを有する質量体５を同芯にして一体に取付け
た検出構体とし、円方向振動子１Ａの共振周波数
を調整可能な構造とする。

上記振動伝達部材２に検出端子３の被測定液中
における円方向振動を検出する振動センサ−１Ｂ
を同伝達部材２と一体に設け、前記検出構体を組
成する。振動センサー１Ｂは振動子１Ａと検出端
子３間の所定位置を選択し軸装する。該振動セン
サー１Ｂは圧電セラミツク等の電気機械変換機能
を有する素子より成り、検出端子３の被測定液中
における機械的振動を伝達部材２を介して該振動
センサー１Ｂに与え、該振動センサー１Ｂの機能
によつて上記機械的振動を電気信号に変換する。

比重計の場合について説明すると、上記検出端
子３として比較的広い面積の鏡面仕上げした円周
面を有する中空又は無垢の真円柱体又は薄板を用
い、円方向振動子１Ａの円方向振動を伝達部材２
を介して検出端子３に伝達し、該検出端子３を被
測定液中に浸着して伝達部材２を中心に円方向振
動させる。この円方向振動に伴ない検出端子３に
被測定液９の慣性モーメントが負荷され、検出端
子３の回転モーメントを増加させる。この回転モ
ーメントの増加により円方向振動子１Ａを含めた
検出構体全体（振動系全体）の共振周波数を変化
させ振動センサー１Ｂにより共振周波数の変化量
に応じた電気信号を得る。

即ち、検出端子３を液中に浸着すると共振周波
数が変化し、その共振点にずれを生ずる。比重計
においてはこの振動の共振点における共振周波数
のシフト（周波数の変化）を観察し比重を測定す
るものである。

この機能は振動センサー１Ｂを構成する圧電セ
ラミツクの機械→電気エネルギー変換効果による
ものである。該円方向振動は縦方向振動等と異な
つて外乱要因となる液の波動を抑止し、液を静的
状態に保ち慣性抵抗のみを感知する。

又粘度計の場合について説明すると、検出端子
３として比較的広い面積の鏡面仕上げした円周面
を有する無垢又は中空の真円柱体又は円盤を用
い、その端面の中心に伝達部材２を直結する。

上記によつて円方向振動子１Ａの円方向振動が
伝達部材２を介して検出端子３に伝達され、該検
出端子３は伝達部材２を中心に円方向振動し、そ
の円方向振動面において被測定液の粘性抵抗を感
知する。該円方向振動は縦方向振動等と異なつて
外乱要因となる液の波動を生じさせず、液を静的
状態に保ち粘性抵抗のみを捕捉する。該粘性抵抗
の感知により検出構体全体の共振周波数を変化さ
せ、該共振周波数にて上記振動センサー１Ｂを励
振させる。

上記検出端子３による粘性抵抗の感知により粘
性抵抗に応じて上記共振周波数で励振した時の振
動系全体の機械的インピーダンスを変化させ、該
共振時における振動セサー１Ｂの振動レベル（電
圧レベル）に変化を生ずる。即ち粘度計において
はこの振動のレベルを観察し粘度を測定するので
ある。この機械は振動センサー１Ｂの機械→電気
エネルギー変換効果によるものである。

上記円方向振動子１Ａ、振動センサー１Ｂ、伝
達部材２はハンドグリツプ形の外囲器８内に内蔵
し、検出端子３を伝達部材２の端末部分と共に該
外囲器８の先端より露出状態とし、検出端子３の
みを被測定液９中に浸着できるようにし、該検出
部１０と回路装置を内蔵した測定機１１とをコネ
クケーブル１２にて接続する。

次に上記円方向振動子１Ａの適例として示した
捩れ振動子に付き説明する。

圧電素子として、強誘電セラミツクに分極処理
（ポーリング処理）を施して圧電性を付与した圧
電セラミツクを用いる。分極処理は分極方向を一
方向に固定する処理であり、その分極方向によつ
て正電圧又は負電圧に対する伸び又は縮み方向
（長さ振動方向）が逆方向となる。

第３図乃至第７図に示すように、本捩れ振動子
は上記長さ振動する圧電セラミツクａ，ｂ間に振
動板ｃを介在し積層して成る振動子であつて、振
動板ｃの片面側と他面側の両長さ振動圧電セラミ
ツクａ，ｂをその長さ振動方向が交叉するように
配置し、両長さ振動圧電セラミツクａ，ｂが振動
板ｃの片面側と他面側において同時に伸び又は縮
みを生ずるように長さ振動させ、上記振動板ｃの
捩れ振動を得る構成としたものである。

これを具体的に説明すると、一体の長手方向に
長さ振動する短冊形を呈する細長圧電セラミツク
ａ，ｂを準備し、一方の細長圧電セラミツクａを
方形の振動板ｃの片面側に貼付し、他方の細長圧
電セラミツクｂを同振動板ｃの他面側に貼付し
て、一方の細長圧電セラミツクａを振動板ｃの一
方の対角線上に配置すると共に、他方の細長圧電
セラミツクｂを振動板ｃの他方の対角線上に配置
し、両細長圧電セラミツクａ，ｂの長さ振動方向
が交叉するように配置する。各圧電セラミツク
ａ，ｂは方形の振動板ｃの中心部において交叉
し、夫々の両端部が対角線上にある振動板ｃの各
コーナ部分に位置する。

第６図Ａに示すように並列接続の場合、両細長
圧電セラミツクａ，ｂを夫々の分極方向Ｐが互い
に逆方向となるように振動板ｃの片面側と他の片
面側に張り合せ、前記交叉状態を形成する。

又第６図Ｂに示すように、直列接続の場合、細
長圧電セラミツクａ，ｂを互いに同一分極方向と
なるように、各々振動板ｃに前記交叉配置で積層
する。

上記圧電セラミツクａ，ｂは単層構造のものを
示したが、これを前記説明の如く長さ振動する圧
電セラミツクの特性を利用した複数枚のセラミツ
クバイモルフを用い、ベンデイング運動を生起さ
せるようにしたものを用いても良い。

上記によつて、第７図に示すように各圧電セラ
ミツクａ，ｂの振動モードが、一方の圧電セラミ
ツクａで伸びx₁を生じた時、他方の圧電セラミツ
クｂでも伸びx₂を生じ、逆に一方の圧電セラミツ
クａで縮みを生じた時、他方の圧電セラミツクｂ
でも縮みを生じ、互いに同方向の伸縮振動モード
が交叉軸線上において同時に生ずるようにする。
従つてこれに張り合せられた振動板ｃは、交叉す
る一方の長さ振動圧電素子ａの両端部分において
厚み方向の一方に屈曲y₁し、同時に交叉する他方
の長さ振動圧電素子ｂの両端部分において厚み方
向の他方に屈曲y₂することとなる。この逆厚み方
向振動を交互に生ずることにより、所謂複屈曲振
動（捩れ振動）ｚを誘起する。

上記円方向振動子１Ａたる捩れ振動子の一端を
第１図に示すように慣性質量体１３に一体に固着
し、該慣性質量体１３を外囲器８内面に振動吸収
用の緩衝材１４を介して固定し、同他端に前記の
如くして伝達部材２を介して検出端子３を直結す
る。円方向振動子１Ａ及びこれに直結する伝達部
材２及び検出端子３及び振動センサー１Ｂの組立
体（検出構体）は上記によつて外囲器８内に緩衝
材１４を介して架装状態とされる。緩衝材１４は
外囲器８内壁面へ緊密に挿入保持させる。

上記慣性質量体１３は棒状にし、上記振動子１
Ａの端部に細径にした伝達部材２と同芯の軸部２
ａを介して連結し、図示のように振動軸線に対し
交叉する方向に延在させその慣性モーメントによ
り固定側への振動の伝達を封殺し、検出端子３へ
の振動の伝達が安定になされるようにした。

上記振動系の固定担体たる慣性質量体１３は振
動軸線方向に延在させ外囲器８に固定しても良
い。

円方向振動子１Ａたる捩れ振動子は上記の如く
一端を固定することによつて、他端において円方
向振動し、該円方向振動を同他端に連結された伝
達部材２を介し検出端子３に伝え、これを伝達部
材２を中心として円方向振動させ、該検出端子３
の液中における振動を振動センサー１Ｂに与え、
前記の如くして被測定液の比重又は粘度に比例し
た振動の変化分から等価的電気信号として比重又
は粘度の検出を行なう。

次に上記の如き振動センサー１Ｂの具体構造例
について説明する（第８図乃至第１０図参照）。

振動センサー１Ｂとしては加速度センサーを用
い、適例として図示の如き左右一対の圧電バイモ
ルフ形の振動素子S₁，S₂にて構成した角加速度セ
ンサーを用いる。該振動素子S₁，S₂は圧電セラミ
ツクのバイモルフ、又は圧電セラミツクと振動板
（金属板）のバイモルフである。

該振動素子S₁，S₂を前記振動伝達部材２の適所
に軸対称となるように取付け、振動伝達部材２を
中心とする円方向振動が与えられた時、両振動素
子S₁，S₂に同位相の電圧を生じ出力されるように
配置する。

第１０図Ａは圧電バイモルフ形振動素子S₁，S₂
を互いに並列接続した場合を示し、各振動素子と
して分極方向P₁，P₂を同一方向にして積層した
バイモルフを用い、これを両振動子間において分
極方向が互いに逆向きとなるように振動伝達部材
２に取付け、且つ内部電極相互、外部電極相互を
夫々接続し、一方の接続端を正電圧端子（又は負
電圧端子）、他方を負電圧端子（又は正電圧端子）
とする。

而して上記構成によつて両振動素子S₁，S₂の自
由端に図中W₁，W₂の同一厚み方向振動が加わる
場合には両振動素子S₁，S₂の内部電極の一方に正
電圧が、他方の負電圧が生じ互いに相殺され、同
様に振動素子S₁，S₂の一方の外部電極に正電圧
が、他方の外部電極に負電圧が生じ互いに相殺さ
れ、結果として正電圧端子＋と負電圧端子−間の
出力が零となる。即ち、上記振動センサー１Ｂは
円方向振動以外の振動によつては出力を生じな
い。

他方、振動素子S₁，S₂の中心に配された振動伝
達部材２を介して同振動素子S₁，S₂に同振動伝達
部材２を振動軸とする円方向振動が加わると、振
動素子S₁，S₂の一方自由端が厚み方向の一方W₁
に振動した時、他方自由端が厚み方向の他方W₂
に振動するというように、互いに逆厚み方向へ振
動し（円方向振動し）、内部電極に同位相の正電
圧（又は負電圧）が生じ、同外部電極に同位相の
負電圧（又は正電圧）が生じ、結果として正電圧
端子＋と負電圧端子−間に電圧出力を生ずる。

第１０図Ｂは上記振動素子S₁，S₂の一方が互い
に外向きの分極方向を有し、他方が内向きの分極
方向を有するようにバイモルフを形成し、直列接
続形にした場合を示し、図示のように一方の外部
電極相互を接続して正電圧端子＋（又は負電圧端
子）とし、他方の外部電極相互を接続して負電圧
端子−（又は正電圧端子）とする。この場合も第
１０図Ａの場合と同様の動作結果となる。上記配
置に従いその他の圧電バイモルフ接続形態を採つ
て同様の動作を得ることができることは勿論であ
る。

上記振動センサー１Ｂを構成する振動素子S₁，
S₂の軸対称配置としては第８図，第９図に示すよ
うに、振動伝達部材２に矩形台座１５を一体に形
成し、該台座１５の対向する一方の側面に一方の
振動素子S₁の基端を電極面と平行な面を以つて添
設すると共に、同他方の側面に他方の振動素子S₂
の基端を電極面と平行な面を以つて添設し、両振
動素子S₁，S₂が互いに逆方向に延びるように配置
する。

又第９図に仮想線で示すように、両振動素子
S₁，S₂を同一直線上において軸対称となるように
配置しても良い。振動伝達部材２と上記振動素子
S₁，S₂の結合機構は上記配置条件に従い他の結合
手段を用いることができる。

上記によつて被測定液中における検出端子３の
円方向振動が同振動センサー１Ｂに与えられ、こ
れを同方向に励振して前記した動作原理に従い正
負電圧端子間に振動に応じた電圧出力を生ずる。
該電圧出力を検出信号として上記比重又は粘度表
示を行うものである。

本発明は同時に該検出信号を上記振動子１Ａの
制御信号として用い、該振動子１Ａを常に振動系
の共振周波数で駆動するように制御する検出シス
テムを採るものである。

第１１図は比重計における場合の検出制御回路
をフローチヤートを以つて示し、第１２図は上記
粘度計における場合の検出制御回路をフローチヤ
ートを以つて示している。両回路は振動子１Ａを
常に振動系の共振周波数で駆動するように制御
し、例えば検出端子３を被測定液中に浸着したこ
とにより共振周波数に変化を生じた時、該共振周
波数を見出しその周波数で上記振動子１Ａを駆動
するように制御するものである。

同時に比重計の場合は検出制御回路（第１１
図）により空気中における共振周波数と被測定液
中における共振周波数とを比較し、その差を検出
し、これを所定の比重の値に換算し表示する機能
を有し、又粘度計の場合は検出制御回路（第１２
図）により空気中における振動レベル（電圧レベ
ル）と液中における振動レベルとを比較し、その
差を検出しこれを所定の粘度の値に換算し表示す
る機能を有する。上記各検出信号の位相情報にて
駆動信号の周波数を制御し振動子１Ａが常に共振
周波数で駆動するように制御するものである。

両回路に従い詳述すれば、振動センサー１Ｂか
ら検出信号として角加速度に比例した電気信号
（電圧）が得られ、これを前置増幅器AMP₁及び
増幅器AMP₂を経て位相比較器PCの一方の入力
とする。

他方、電圧／周波数変換器VCOの出力を駆動
増幅器AMP₃を介し振動子１Ａに印加するような
回路を形成しつつ、電圧／周波数変換器VCOの
上記信号を上記位相比較器PCの他方の入力とす
るようにループを組む。

斯くして位相比較器PCにおいて上記両入力信
号の位相差を比較し該位相差が90゜である時、電
圧／周波数変換器VCOより共振周波数の電気信
号を発振し、増幅器AMP₃を介し振動子１Ａを駆
動し、これを常に共振周波数で振動するように制
御する。

同時に比重計である場合には、第１１図に示す
ように、上記振動センサー１Ｂで検出された液中
における共振周波数を上記回路にて見出し、これ
を周波数カウンターFCでカウントし、処理器PR
にて比重値に換算してこれを表示装置Ｄにより表
示せしめる。

同様に粘度計である場合には、第１２図に示す
ように上記振動センサー１Ｂで検出された液中に
おける振動レベル（角加速度出力信号）をレベル
検出器Ｌにて検出し、処理器PRにて粘度値に換
算し、これを表示装置Ｄにより表示せしめる。

発明の効果 以上説明したように、本発明によれば振動子に
て検出端子を振動させる共に、両者を直結する振
動伝達部材に設けた振動センサーにて検出端子の
被測定液中における振動を検出し、粘度又は比重
を検出するようにしたので、前記の如き振動子を
振動センサーに兼用した場合のような不安定動作
（共振点の乱れ等）が除去され、検出誤差を有効
に解消することができる。

又本発明によれば上記兼用素子による場合のよ
うなブリツジ回路の組成を要件とせずに検出制御
回路を組成でき、これによる検出誤差の要因を効
果的に取り除くことができる。

又本発明によれば検出端子を円方向振動子によ
り同一振動軸線において円方向振動させると同時
に、検出端子と同一振動軸線において上記軸対称
配置の振動センサーを円方向振動させ検出するよ
うにしたので、円方向振動子の円方向振動モード
を有害な他のモードの振動を惹起することなく検
出端子の円方向振動として正しく伝え、又この検
出端子の円方向振動モードを再現性良く振動セン
サーに伝えて検出端子の液中における円方向振動
の変化を正確に検出し高精度の粘度又は比重の測
定を行なうことができる。又上記円方向振動する
振動子と振動センサーの併備と各要素の上記配置
によつて、従来原理的に困難とされていた粘度測
定機能と比重の測定機能を併備した装置の提供が
可能となつた。

又仮に測定器に有害な横方向の振動（外乱）が
加わつたとしても、軸対称に配されている振動又
上記各要素の配置により、振動センサー及び振動
子を液中に置かずに検出端子のみを液中に浸着し
て検出作業を健全に遂行させることができる。

又振動センサーとして加速度センサーを用いる
ことにより、非常に微小振幅の振動まで鋭敏に検
出することができる。

更に振動子として円方向振動子を用いつつ、振
動センサーとして円方向振動のみを検出する角加
速度センサーを用いることにより、円方向振動以
外の外乱振動の影響を受けず、液中における円方
向振動のみを適正に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例たる粘度又は比重計検
出構体の基本構造を示す側面図、第２図は同粘度
又は比重計の外観を示す斜視図、第３図は振動子
の斜視図、第４図は同側面図、第５図は同平面
図、第６図Ａ，Ｂは同振動子の接続例を示す側面
図、第７図は同振動子の捩れ振動を説明する斜視
図、第８図は振動センサー部を表す比重計又は粘
度計斜視図、第９図は同平面図、第１０図Ａ，Ｂ
は同振動センサー（角加速度センサー）の接続例
を示す側面図、第１１図は比重計における検出制
御回路図、第１２図は粘度計における検出制御回
路図である。 １Ａ……振動子、１Ｂ……振動センサー、２…
…振動伝達部材、３……検出端子、S₁，S₂……振
動素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧電セラミツク等から成る円方向振動子と被
   測定液中に浸着される検出端子とを振動伝達部材
   を介して直結し、円方向振動子と振動伝達部材と
   検出端子とを互いに円方向振動軸線が同一となる
   ように配置し、上記振動子の駆動により上記検出
   端子を被測定液中において円方向振動させる構成
   とすると共に、上記振動伝達部材に上記検出端子
   の被測定液中における円方向振動を検出する振動
   センサーを設け、該振動センサーを検出端子と円
   方向振動子の間に位置し、且つ振動伝達部材に対
   して軸対称となるように配置し、粘度又は比重を
   検出する構成としたことを特徴とする粘度又は比
   重計。 ２ 上記振動センサーの検出信号にて上記振動子
   を振動系の共振周波数で駆動するように制御する
   構成としたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の粘度又は比重計。 ３ 上記振動センサーとして加速度センサーを用
   いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の粘度又は比重計。