JPH0522172B2 - - Google Patents
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- JPH0522172B2 JPH0522172B2 JP63242994A JP24299488A JPH0522172B2 JP H0522172 B2 JPH0522172 B2 JP H0522172B2 JP 63242994 A JP63242994 A JP 63242994A JP 24299488 A JP24299488 A JP 24299488A JP H0522172 B2 JPH0522172 B2 JP H0522172B2
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- Japan
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- piezoelectric element
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は、化学、物理、材料およびそれらの
応用分野において、水晶振動子などの圧電素子を
検出素子とする計測を行なう場合に、その圧電素
子の発振強度を測定することによつて、圧電素子
の機械的損失を求め、圧電素子上における物理
的、化学的な現象の測定を行なう装置に関する。
応用分野において、水晶振動子などの圧電素子を
検出素子とする計測を行なう場合に、その圧電素
子の発振強度を測定することによつて、圧電素子
の機械的損失を求め、圧電素子上における物理
的、化学的な現象の測定を行なう装置に関する。
この発明の圧電発振素子の機械的損失の測定装
置は、圧電素子、発振回路、発振強度測定回路に
よつて、装置を構成することにより、圧電素子上
における物理的、化学的変化の計測を高速に行な
い、しかも安価に構成し得る測定装置を発明し
た。
置は、圧電素子、発振回路、発振強度測定回路に
よつて、装置を構成することにより、圧電素子上
における物理的、化学的変化の計測を高速に行な
い、しかも安価に構成し得る測定装置を発明し
た。
この発明の圧電発振素子の発振強度測定回路
は、発振回路中の圧電素子に対する入力側、出力
側のうち、入力側の信号を増幅し、この振幅の大
きさを直流信号に変換し、圧電素子の発振の強度
およびその変化の測定を可能にしようとするもの
である。この発明は、圧電素子特に、水晶振動子
のセンサー素子としての応用範囲を広げるもので
ある。
は、発振回路中の圧電素子に対する入力側、出力
側のうち、入力側の信号を増幅し、この振幅の大
きさを直流信号に変換し、圧電素子の発振の強度
およびその変化の測定を可能にしようとするもの
である。この発明は、圧電素子特に、水晶振動子
のセンサー素子としての応用範囲を広げるもので
ある。
本発明のうち発振強度測定回路は、少なくとも
バツフアアンプ、交流増幅器、交流→直流変換回
路とから構成される。また交流→直流変換回路と
しては、最大値検出回路か交流平滑回路が使用さ
れる。
バツフアアンプ、交流増幅器、交流→直流変換回
路とから構成される。また交流→直流変換回路と
しては、最大値検出回路か交流平滑回路が使用さ
れる。
従来、水晶振動子を計測に応用する場合、計測
の指標としては、主に発振周波数の変化が用いら
れてきた。水晶振動子の発振周波数は、温度や圧
力によつて変化することが知られているが、さら
に、水晶振動子の表面に、物質が付着することに
よつて、付着した重量に対応した発振周波数の変
化が起こることが知られている。また、水晶振動
子が、液体に接した場合には、液体の粘性と密度
に対応した周波数変化が起こることが知られてい
る。
の指標としては、主に発振周波数の変化が用いら
れてきた。水晶振動子の発振周波数は、温度や圧
力によつて変化することが知られているが、さら
に、水晶振動子の表面に、物質が付着することに
よつて、付着した重量に対応した発振周波数の変
化が起こることが知られている。また、水晶振動
子が、液体に接した場合には、液体の粘性と密度
に対応した周波数変化が起こることが知られてい
る。
これに加え、本発明者らは、水晶振動子の電気
的等価回路を直列の抵抗、コンデンサ、コイルと
それに並列のコンデンサとして表わした場合、こ
の抵抗成分が、水晶振動子が液体に接している場
合、液体の粘性と密度を反映した値を示すことを
明らかにしている。（日本化学会第54秋季年会予
稿集205頁「水晶振動子のバイオセンサーへの応
用とその解折」）また、この抵抗成分の値は、水
晶振動子上に弾性的な物質の付着があつた場合に
は、変化しないことが明らかとなつている。
的等価回路を直列の抵抗、コンデンサ、コイルと
それに並列のコンデンサとして表わした場合、こ
の抵抗成分が、水晶振動子が液体に接している場
合、液体の粘性と密度を反映した値を示すことを
明らかにしている。（日本化学会第54秋季年会予
稿集205頁「水晶振動子のバイオセンサーへの応
用とその解折」）また、この抵抗成分の値は、水
晶振動子上に弾性的な物質の付着があつた場合に
は、変化しないことが明らかとなつている。
発振周波数変化は、水晶振動子など圧電素子振
動子の表面の重量、粘性、弾性の変化によつて変
化するが、周波数変化からでは、これらのそれぞ
れの寄与について知ることはできなかつた。ま
た、場合によつては、相殺されて周波数変化が得
られない場合もあつた。
動子の表面の重量、粘性、弾性の変化によつて変
化するが、周波数変化からでは、これらのそれぞ
れの寄与について知ることはできなかつた。ま
た、場合によつては、相殺されて周波数変化が得
られない場合もあつた。
さらに、発振周波数の測定は、一定のゲートタ
イムを必要とするため、高速の測定には、不向き
であつた。
イムを必要とするため、高速の測定には、不向き
であつた。
また、水晶振動子の電気的等価回路中の抵抗成
分の測定は、インピーダンス測定と演算によつて
求めるため、測定時間に少なくとも数秒間を必要
としている。
分の測定は、インピーダンス測定と演算によつて
求めるため、測定時間に少なくとも数秒間を必要
としている。
このような背景から、圧電素子を用いた計測の
うち、粘性的な成分のみに着目し、この変化を連
続的な信号として測定し得る装置を提供しようと
いうのが、本発明の課題である。
うち、粘性的な成分のみに着目し、この変化を連
続的な信号として測定し得る装置を提供しようと
いうのが、本発明の課題である。
上記課題を解決するために本発明では、少なく
とも片面に試料を直接接触させた圧電素子と、圧
電素子を連続的に駆動する発振回路と、その圧電
素子が発振回路によつて駆動される際、試料の粘
性および密度によつて生じる機械的な摩擦損失に
相当する、当該圧電素子の等価回路中の抵抗成分
の大きさの逆数に比例した振幅を有する圧電素子
の出力が入力される発振強度測定回路からなり、
試料の粘性の変化を連続的に測定する構成とし
た。
とも片面に試料を直接接触させた圧電素子と、圧
電素子を連続的に駆動する発振回路と、その圧電
素子が発振回路によつて駆動される際、試料の粘
性および密度によつて生じる機械的な摩擦損失に
相当する、当該圧電素子の等価回路中の抵抗成分
の大きさの逆数に比例した振幅を有する圧電素子
の出力が入力される発振強度測定回路からなり、
試料の粘性の変化を連続的に測定する構成とし
た。
圧電発振子は、圧電効果を利用したデバイスで
あり、電気的な振動とともに機械的な振動も生じ
ている。この機械的な振動は、表面の粘性的な成
分によつて、摩擦力を受け、これが、電気的に
は、等価回路中の抵抗成分に反映されてくること
が本発明者らによつて明らかにされている。発振
回路において、圧電素子に入力される信号の振幅
は、一定であるため、圧電素子の出力信号は、等
価回路中の抵抗成分を反映した振幅の信号とな
る。すなわち、抵抗の大きい場合には、振幅は小
さくなつてくる。この関係は、（出力の振幅）∝
１／（抵抗）として表わされると考えられる。
あり、電気的な振動とともに機械的な振動も生じ
ている。この機械的な振動は、表面の粘性的な成
分によつて、摩擦力を受け、これが、電気的に
は、等価回路中の抵抗成分に反映されてくること
が本発明者らによつて明らかにされている。発振
回路において、圧電素子に入力される信号の振幅
は、一定であるため、圧電素子の出力信号は、等
価回路中の抵抗成分を反映した振幅の信号とな
る。すなわち、抵抗の大きい場合には、振幅は小
さくなつてくる。この関係は、（出力の振幅）∝
１／（抵抗）として表わされると考えられる。
以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明
する。第１図は、本発明の圧電発振素子の機械的
損失の測定装置の回路図を示したものである。第
１図に示す装置の構成は、圧電発振素子１の両端
が、発振回路２の入力端子及び出力端子に接続さ
れており、発振回路の入力端子は、発振強度測定
回路３に接続され、発振強度測定回路の出力は、
電圧記録装置４に接続されている。
する。第１図は、本発明の圧電発振素子の機械的
損失の測定装置の回路図を示したものである。第
１図に示す装置の構成は、圧電発振素子１の両端
が、発振回路２の入力端子及び出力端子に接続さ
れており、発振回路の入力端子は、発振強度測定
回路３に接続され、発振強度測定回路の出力は、
電圧記録装置４に接続されている。
第２図は、発振回路２及び発振強度測定回路３
の詳細な回路図を示したものである。第２図にお
いて、圧電発振素子Ｑ１は、発振回路の出力端子
Ｐ１および入力端子Ｐ２に接続されている。発振
回路の構成は、入力端子を短絡したNAND回路
Ｎ１を抵抗Ｒ１と並列に接続され、NAND回路
Ｎ１の出力端子は、コンデンサＣ１を介して、発
振回路の出力端子に接続されている。NAND回
路Ｎ１の入力端子は、コンデンサＣ２を介して、
抵抗Ｒ２とコンデンサＣ３と並列で、入力端子が
短絡されたNAND回路Ｎ２に接続されている。
NAND回路Ｎ２の入力端子は、発振回路の入力
端子Ｐ２に接続されている。次に、入力端子Ｐ２
から出力端子Ｐ５までは、発振強度測定回路３の
回路図を示したものである。Ｐ２点からＰ３点
は、バツフアアンプ５であり、Ｐ２点は、オペア
ンプ１（以下OP１）の＋端子に接続され、OP１
の−端子は、OP１の出力端子及びＰ３点に接続
されている。Ｐ３点からＰ４点は、交流増幅回路
６であり、Ｐ３点は、コンデンサＣ４を介してオ
ペアンプ２（以下OP２）の＋端子に接続され、
OP２の出力端子は、抵抗Ｒ３を介して接続され
ている。OP２の−端子は、抵抗Ｒ４を介して接
続されるとともに、抵抗Ｒ５を介して、OP２の
出力端子に接続されＰ４点に接続されている。Ｐ
４点から出力端子Ｐ５は最大値検出回路７を示し
たものである。Ｐ４点は、オペアンプ３（以下
OP３）の＋端子に接続され、OP３の−端子は、
抵抗Ｒ６を介して、オペアンプ４（以下OP４）
の出力端子及びOP４の−端子の接続されている
とともに、順方向のダイオード１（以下Ｄ１）を
介して、OP３の出力端子に接続されている。OP
３の出力端子は、ともに順方向で直列のダイオー
ド２（以下Ｄ２）、ダイオード３（以下Ｄ３）を
介してOP４の＋端子の接続されている。Ｄ２と
Ｄ３の中間点は、抵抗Ｒ９を介して接地されると
ともに、直列の抵抗Ｒ８、コンデンサＣ５を介し
ても接地されており、さらに、抵抗Ｒ７を介し
て、OP４の出力端子に接続されている。OP４の
出力端子は、発振強度測定回路の出力端子Ｐ５に
接続されている。
の詳細な回路図を示したものである。第２図にお
いて、圧電発振素子Ｑ１は、発振回路の出力端子
Ｐ１および入力端子Ｐ２に接続されている。発振
回路の構成は、入力端子を短絡したNAND回路
Ｎ１を抵抗Ｒ１と並列に接続され、NAND回路
Ｎ１の出力端子は、コンデンサＣ１を介して、発
振回路の出力端子に接続されている。NAND回
路Ｎ１の入力端子は、コンデンサＣ２を介して、
抵抗Ｒ２とコンデンサＣ３と並列で、入力端子が
短絡されたNAND回路Ｎ２に接続されている。
NAND回路Ｎ２の入力端子は、発振回路の入力
端子Ｐ２に接続されている。次に、入力端子Ｐ２
から出力端子Ｐ５までは、発振強度測定回路３の
回路図を示したものである。Ｐ２点からＰ３点
は、バツフアアンプ５であり、Ｐ２点は、オペア
ンプ１（以下OP１）の＋端子に接続され、OP１
の−端子は、OP１の出力端子及びＰ３点に接続
されている。Ｐ３点からＰ４点は、交流増幅回路
６であり、Ｐ３点は、コンデンサＣ４を介してオ
ペアンプ２（以下OP２）の＋端子に接続され、
OP２の出力端子は、抵抗Ｒ３を介して接続され
ている。OP２の−端子は、抵抗Ｒ４を介して接
続されるとともに、抵抗Ｒ５を介して、OP２の
出力端子に接続されＰ４点に接続されている。Ｐ
４点から出力端子Ｐ５は最大値検出回路７を示し
たものである。Ｐ４点は、オペアンプ３（以下
OP３）の＋端子に接続され、OP３の−端子は、
抵抗Ｒ６を介して、オペアンプ４（以下OP４）
の出力端子及びOP４の−端子の接続されている
とともに、順方向のダイオード１（以下Ｄ１）を
介して、OP３の出力端子に接続されている。OP
３の出力端子は、ともに順方向で直列のダイオー
ド２（以下Ｄ２）、ダイオード３（以下Ｄ３）を
介してOP４の＋端子の接続されている。Ｄ２と
Ｄ３の中間点は、抵抗Ｒ９を介して接地されると
ともに、直列の抵抗Ｒ８、コンデンサＣ５を介し
ても接地されており、さらに、抵抗Ｒ７を介し
て、OP４の出力端子に接続されている。OP４の
出力端子は、発振強度測定回路の出力端子Ｐ５に
接続されている。
本実施例では、ATカツト、9MHzの水晶振動
子を使用し、各種の液体に接触させた場合につい
て測定を行なつた。インピーダンスアナライザー
を使用して測定した水晶振動子の電気的等価回路
に含まれる抵抗成分の逆数に対して、出力電圧値
をプロツトしたのが、第３図である。第３図の出
力電圧は、増幅率を11として、電源電圧±15Vで
測定したものである。出力電圧は、抵抗の小さい
場合には、飽和して、一定電圧となるが、その他
は、かなり直線に近い関係を示している。抵抗の
小さい場合は、回路の増幅率を下げることによつ
て、測定が可能であつた。
子を使用し、各種の液体に接触させた場合につい
て測定を行なつた。インピーダンスアナライザー
を使用して測定した水晶振動子の電気的等価回路
に含まれる抵抗成分の逆数に対して、出力電圧値
をプロツトしたのが、第３図である。第３図の出
力電圧は、増幅率を11として、電源電圧±15Vで
測定したものである。出力電圧は、抵抗の小さい
場合には、飽和して、一定電圧となるが、その他
は、かなり直線に近い関係を示している。抵抗の
小さい場合は、回路の増幅率を下げることによつ
て、測定が可能であつた。
また、ATカツト水晶振動子は、1MHzから
20MHzのものについて、測定が可能であつた。
20MHzのものについて、測定が可能であつた。
この他、GTカツト水晶振動子、音叉型水晶振
動子、SAWデバイスについても、測定が可能で
あつた。
動子、SAWデバイスについても、測定が可能で
あつた。
さらに、表面に高分子（ポリエチリングリコー
ル）薄膜を形成させた圧電素子に水蒸気を導入し
たところ、出力電圧の変化が観測され、湿度測定
に利用できることがわかつた。
ル）薄膜を形成させた圧電素子に水蒸気を導入し
たところ、出力電圧の変化が観測され、湿度測定
に利用できることがわかつた。
また、液晶分子を圧電素子にコートし、温度を
変化させたところ、相転移点において、出力電圧
が急激に変化することがわかつた。この際の、発
振周波数変化との比較から、相転移における弾性
的な変化についての考察を行なうことが可能とな
つた。
変化させたところ、相転移点において、出力電圧
が急激に変化することがわかつた。この際の、発
振周波数変化との比較から、相転移における弾性
的な変化についての考察を行なうことが可能とな
つた。
この他、フイブリノーゲンによる血液凝固のゲ
ル化反応に適用したところ、数秒で終了する短時
間の反応を精度良く測定できることが示された。
ル化反応に適用したところ、数秒で終了する短時
間の反応を精度良く測定できることが示された。
以上のように、本発明の圧電発振素子の機械的
損失の測定装置は、圧電発振素子上の粘性的な変
化を連続的に測定することを可能にしたもので、
計測分野に幅広い応用を可能にした。
損失の測定装置は、圧電発振素子上の粘性的な変
化を連続的に測定することを可能にしたもので、
計測分野に幅広い応用を可能にした。
第１図は本発明の圧電発振素子の機械的損失測
定装置の模式図、第２図は発振回路及び発振強度
測定回路の回路図、第３図は増幅率11の場合の本
装置の出力電圧と水晶振動子の等価回路中の抵抗
成分の逆数との関係を示した説明図である。 １……圧電発振素子、２……発振回路、３……
発振強度測定回路、４……電圧記録装置。
定装置の模式図、第２図は発振回路及び発振強度
測定回路の回路図、第３図は増幅率11の場合の本
装置の出力電圧と水晶振動子の等価回路中の抵抗
成分の逆数との関係を示した説明図である。 １……圧電発振素子、２……発振回路、３……
発振強度測定回路、４……電圧記録装置。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも片面に試料を直接接触させた圧電
素子と、前記圧電素子を連続的に駆動する発振回
路と、前記発振回路によつて駆動される際、前記
試料の粘性および密度によつて生じる機械的な摩
擦損失に相当する前記圧電素子の等価回路中の抵
抗成分の大きさの逆数に比例した振幅を有する前
記圧電素子の出力が入力される発振強度測定回路
からなり、前記試料の粘性の変化を連続的に測定
する構成であることを特徴とする圧電発振素子の
機械的損失の測定装置。 ２ 前記発振強度測定回路が、少なくとも、バツ
フアアンプ、交流増幅器、交流−直流変換回路よ
り構成される特許請求の範囲第１項記載の圧電発
振素子の機械的損失の測定装置。 ３ 前記交流−直流変換回路が、最大値検出回路
または交流平滑回路である特許請求の範囲第１項
記載の圧電発振素子の機械的損失の測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24299488A JPH0290036A (ja) | 1988-09-28 | 1988-09-28 | 圧電発振素子の機械的損失の測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24299488A JPH0290036A (ja) | 1988-09-28 | 1988-09-28 | 圧電発振素子の機械的損失の測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0290036A JPH0290036A (ja) | 1990-03-29 |
| JPH0522172B2 true JPH0522172B2 (ja) | 1993-03-26 |
Family
ID=17097312
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24299488A Granted JPH0290036A (ja) | 1988-09-28 | 1988-09-28 | 圧電発振素子の機械的損失の測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0290036A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9413403B2 (en) | 2013-09-20 | 2016-08-09 | The Regents Of The University Of Michigan | Wake-up receiver with automatic interference rejection |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61145434A (ja) * | 1984-12-20 | 1986-07-03 | Nissan Motor Co Ltd | 流体特性測定装置 |
| JPS6275331A (ja) * | 1985-09-27 | 1987-04-07 | カウンシル フオ ミネラル テクノロジ | 液体またはスラリ−、エマルジヨン若しくは分散液の密度または粘弾性を測定又はモニタリングする方法および装置 |
-
1988
- 1988-09-28 JP JP24299488A patent/JPH0290036A/ja active Granted
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61145434A (ja) * | 1984-12-20 | 1986-07-03 | Nissan Motor Co Ltd | 流体特性測定装置 |
| JPS6275331A (ja) * | 1985-09-27 | 1987-04-07 | カウンシル フオ ミネラル テクノロジ | 液体またはスラリ−、エマルジヨン若しくは分散液の密度または粘弾性を測定又はモニタリングする方法および装置 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9413403B2 (en) | 2013-09-20 | 2016-08-09 | The Regents Of The University Of Michigan | Wake-up receiver with automatic interference rejection |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0290036A (ja) | 1990-03-29 |
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