JPH05322736A - Plate wave ultrasonic device and viscosity sensor with it - Google Patents
Plate wave ultrasonic device and viscosity sensor with itInfo
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- JPH05322736A JPH05322736A JP4148642A JP14864292A JPH05322736A JP H05322736 A JPH05322736 A JP H05322736A JP 4148642 A JP4148642 A JP 4148642A JP 14864292 A JP14864292 A JP 14864292A JP H05322736 A JPH05322736 A JP H05322736A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、圧電基板の一方の板面
上に少なくとも2組のすだれ状電極を設けて成り、前記
圧電基板に接触する液体の粘度に対応して、前記圧電基
板を伝搬する板波の零次対称モード(以後Soモードと
略す)のSH(shear horizontal)波の速度が変化する
板波超音波デバイスに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention comprises at least two sets of interdigital electrodes provided on one plate surface of a piezoelectric substrate, and the piezoelectric substrate is adapted to correspond to the viscosity of a liquid in contact with the piezoelectric substrate. The present invention relates to a plate wave ultrasonic device in which the velocity of an SH (shear horizontal) wave of a zero-order symmetric mode (hereinafter referred to as So mode) of a propagating plate wave changes.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の液体の粘性を測定する装置として
は、毛管粘度計、落球粘度計、回転粘度計、その他の粘
度計が挙げられる。毛管粘度計は、ある圧力で毛管中に
液体を押し流し、圧力と流出液量との関係から粘度を求
めるものであり、オストワルドの粘度計、キャノン・フ
ェンスケ粘度計などがこれに属する。落球粘度計は液体
中に球を落下させ、その落下速度から粘度を算出するも
のであり、ラワチェック粘度計、ヘプラー粘度計などが
これに属する。回転粘度計は軸のまわりに回転する二重
円筒内に液体を入れておき、外筒を回転させ液体の粘性
により内筒が受ける力を測定して粘度を算出するもので
ある。クエット・ハチェック粘度計、マックミケール粘
度計などがこれに属する。その他の粘度計としては、平
行板プラストメータや針入度計が挙げられる。平行板プ
ラストメータは2枚の板の間に試料をはさみ、押しつぶ
すときの速度から粘度を算出するものである。針入度計
は試料に針状、円錐状、円板状物体を押し込むときの浸
入速度から粘度を算出するものである。これら従来の粘
度計は、試料である液体を押し流したり、液体中に球を
落下させるなど液体に直接物理的な力を加えるものであ
ることから、試料量も数mlから数十mlという比較的
多くの量を要する。その上、装置も概して大型で、測定
に手間がかかり、測定時間が長い。そして何よりも測定
精度に大きな問題があり、指示値の±10%という粘度
計も市販されていて、微妙な粘度の変化などをとらえる
ことはほとんど不可能であった。2. Description of the Related Art Capillary viscometers, falling ball viscometers, rotational viscometers, and other viscometers are examples of conventional devices for measuring the viscosity of liquids. A capillary viscometer is a device for flowing a liquid into a capillary at a certain pressure to obtain the viscosity from the relationship between the pressure and the amount of effluent, and the Ostwald viscometer and the Canon-Fenske viscometer belong to this. The falling ball viscometer is one in which a ball is dropped into a liquid and the viscosity is calculated from the falling speed, and a Lawacheck viscometer, a Heppler viscometer and the like belong to this. The rotational viscometer is a method in which a liquid is placed in a double cylinder that rotates around an axis, the outer cylinder is rotated, and the force received by the inner cylinder due to the viscosity of the liquid is measured to calculate the viscosity. The Couette-Hachek viscometer and the MacMichel viscometer belong to this category. Other viscometers include parallel plate plastometers and penetrometers. The parallel plate plastometer sandwiches a sample between two plates and calculates the viscosity from the speed of crushing. The penetration meter calculates the viscosity from the penetration speed when a needle-shaped, conical or disk-shaped object is pushed into a sample. Since these conventional viscometers apply physical force directly to the liquid, such as flowing away the sample liquid or dropping a sphere into the liquid, the sample volume is relatively small, from several ml to several tens of ml. Requires a large amount. In addition, the device is generally large in size, and the measurement is troublesome and the measurement time is long. Above all, there is a big problem in measurement accuracy, and viscometers of ± 10% of the indicated value are also on the market, and it was almost impossible to catch a slight change in viscosity.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】従来の粘度計は、試料
である液体に直接物理的な力を加えるものであることか
ら、試料量も数mlから数十mlという比較的多くの量
を要するばかりでなく、装置も概して大型で、測定に手
間がかかり、測定時間が長い。その上、測定精度に大き
な問題があり指示値の±10%という粘度計もあって、
微妙な粘度の変化などをとらえることはほとんど不可能
であった。Since the conventional viscometer applies a physical force directly to a liquid as a sample, the sample amount also requires a relatively large amount of several ml to several tens of ml. Not only that, the device is also generally large, and the measurement is troublesome and the measurement time is long. Besides, there is a big problem with the measurement accuracy, and there is a viscometer with ± 10% of the indicated value,
It was almost impossible to detect subtle changes in viscosity.
【0004】超音波デバイスを応用した遅延線発振器
は、圧力センサやバイオセンサなどの各種センサへの応
用が検討されている。有能なセンサとしての条件の1つ
に感度が大きいことが挙げられる。すなわち、センシン
グの対象となる因子(圧力や温度など)の変化に対し、
入力に対する遅延出力信号の変化量がより大きいことが
望まれる。A delay line oscillator to which an ultrasonic device is applied is being studied for application to various sensors such as pressure sensors and biosensors. One of the conditions for an effective sensor is high sensitivity. That is, with respect to changes in the factors to be sensed (pressure, temperature, etc.),
It is desired that the amount of change in the delayed output signal with respect to the input is larger.
【0005】本発明の目的は、微量の試料で測定が可能
で、操作が簡単で、測定時間が短く、小型軽量で、試料
に対する電気的影響(誘電性や導伝性など)および機械
的影響(密度や体積弾性率など)を排除することがで
き、感度が良く微妙な粘性変化も検知できる粘性センサ
(たとえば板波遅延線発振器などの計測系)に応用さ
れ、液体の粘度に対応して板波の速度が変化する板波超
音波デバイスを提供することにある。The object of the present invention is that it is possible to measure with a small amount of sample, the operation is simple, the measurement time is short, the size is small and the weight is small, and the electrical effect (dielectric property or conductivity) and mechanical effect on the sample are obtained. It is applied to a viscosity sensor (for example, a measurement system such as a plate wave delay line oscillator) that can eliminate (density, bulk modulus, etc.) and can detect subtle viscosity changes with high sensitivity. An object is to provide a plate wave ultrasonic device in which the speed of the plate wave changes.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の板波超
音波デバイスは、互いに平行な2つの板面を有する圧電
基板の一方の板面上に少なくとも2組のすだれ状電極を
設けて成り、前記2つの板面のうちの少なくとも一方の
少なくとも一部分が金属薄膜で覆われている板波超音波
デバイスにおいて、前記すだれ状電極は、零次対称モー
ドSH波の波長にほぼ等しい電極周期長を有し、前記圧
電基板における前記金属薄膜で覆われた部分は、少なく
とも前記板面における前記SH波の伝搬路上にあり、前
記2つの板面の一方かまたは両方に液体が接触されるこ
とを特徴とする。A plate wave ultrasonic device according to claim 1 is provided with at least two sets of interdigital electrodes on one plate surface of a piezoelectric substrate having two plate surfaces parallel to each other. In the plate wave ultrasonic device in which at least a part of at least one of the two plate surfaces is covered with a metal thin film, the interdigital transducer has an electrode period length substantially equal to the wavelength of the zero-order symmetric mode SH wave. And a portion of the piezoelectric substrate covered with the metal thin film is at least on the propagation path of the SH wave on the plate surface, and one or both of the two plate surfaces is in contact with a liquid. Characterize.
【0007】請求項2に記載の板波超音波デバイスは、
前記圧電基板がLiNbO3 で成り、該圧電基板の板面
は該LiNbO3 のZカット面であって、前記SH波の
伝搬方向は該Zカット面のX軸方向か、または該X軸±
60°の方向であることを特徴とする。The plate wave ultrasonic device according to claim 2 is
The piezoelectric substrate is made of LiNbO 3 , the plate surface of the piezoelectric substrate is a Z-cut surface of the LiNbO 3 , and the SH wave is propagated in the X-axis direction of the Z-cut surface, or the X-axis ±
It is characterized in that the direction is 60 °.
【0008】請求項3に記載の板波超音波デバイスは、
前記圧電基板が圧電セラミックで成り、該圧電基板の分
極軸の方向は前記すだれ状電極の電極指に平行であるこ
とを特徴とする。The plate wave ultrasonic device according to claim 3 is
The piezoelectric substrate is made of piezoelectric ceramic, and the direction of the polarization axis of the piezoelectric substrate is parallel to the electrode fingers of the interdigital transducer.
【0009】請求項4に記載の板波超音波粘性センサ
は、請求項1、2または3に記載の板波超音波デバイス
を備え、該板波超音波デバイスにおける前記2組のすだ
れ状電極を介して入出力される電気信号の位相差を検出
し、前記2組のすだれ状電極間を伝搬する前記SH波の
速度変化を該位相差で表す板波超音波粘性センサであっ
て、前記位相差から前記液体の粘度を算出することを特
徴とする。A plate wave ultrasonic viscous sensor according to a fourth aspect comprises the plate wave ultrasonic device according to the first, second or third aspect, wherein the two sets of interdigital electrodes in the plate wave ultrasonic device are provided. A plate wave ultrasonic viscous sensor that detects a phase difference between electric signals input and output via the pair of electrodes and represents the velocity change of the SH wave propagating between the two sets of interdigital electrodes by the phase difference. It is characterized in that the viscosity of the liquid is calculated from the phase difference.
【0010】請求項5に記載の板波超音波粘性センサ
は、請求項1、2または3に記載の板波超音波デバイス
を遅延素子または共振子とする発振器を構成し、前記2
組のすだれ状電極間を伝搬する前記SH波の速度を、前
記発振器の発振周波数で表す板波超音波粘性センサであ
って、該発振周波数から前記液体の粘度を算出すること
を特徴とする。A plate wave ultrasonic viscous sensor according to a fifth aspect constitutes an oscillator using the plate wave ultrasonic device according to the first, second or third aspect as a delay element or a resonator, and
A plate-wave ultrasonic viscous sensor that expresses the velocity of the SH wave propagating between the pair of interdigital electrodes by the oscillation frequency of the oscillator, wherein the viscosity of the liquid is calculated from the oscillation frequency.
【0011】[0011]
【作用】本発明の板波超音波デバイスは、圧電基板と、
少なくとも2組のすだれ状電極とから成る簡単な構造を
有し、その上、前記圧電基板を伝搬する板波のSoモー
ドSH波の伝搬経路上に負荷された液体の粘度に対応し
て、前記圧電基板を伝搬する板波SH波の速度を変化さ
せることができる。なお、前記圧電基板と前記液体との
間に予め金属薄膜を被覆しておくことにより、前記液体
が負荷された圧電基板の板面を電気的に短絡状態にする
ことができる。従って、SH波の速度に及ぼすとみられ
る液体の電気的影響(誘電性や導伝性など)を排除する
ことができる。また、SH波の速度に及ぼすとみられる
粘性以外の機械的影響(密度や体積弾性率など)はSH
波のSoモードを使用することにより排除することがで
きる。SoモードSH波は液中への超音波の損失分が小
さいこともあり、粘性デバイスとしての機能をさらに高
めることができる。このようにして、本発明の板波超音
波デバイスを用いれば、感度の優れた粘性センサを構成
することができる。たとえば、本発明の板波超音波デバ
イスから、粘性センサとしての液体負荷板波遅延線を構
成することができる。1組の入力用すだれ状電極と1組
の出力用すだれ状電極とを備えた板波遅延線の駆動時、
入力用すだれ状電極にrfパルス信号を入力すると、該
入力用すだれ状電極の周期と対応する中心周波数と同じ
周波数のパルス信号が板波に変換されて圧電基板を伝搬
し、出力用すだれ状電極に至る。このとき、板波のうち
のSH波に注目し、SH波の伝搬経路上に液体を負荷さ
せると、その液体の粘度に応じてSH波の伝搬速度に差
異を生じる。しかも、該変化量は液体の粘度に対し良好
な相関性を示す。従って、基準となる参照試料と被測定
試料の伝搬速度の差から、被測定試料の速度変化量が算
出されるから、該速度変化量より被測定試料の粘度が検
出される。The plate wave ultrasonic device of the present invention comprises a piezoelectric substrate and
It has a simple structure composed of at least two sets of interdigital electrodes, and further, in accordance with the viscosity of the liquid loaded on the propagation path of the So mode SH wave of the plate wave propagating in the piezoelectric substrate, The velocity of the plate wave SH wave propagating through the piezoelectric substrate can be changed. By coating a metal thin film between the piezoelectric substrate and the liquid in advance, the plate surface of the piezoelectric substrate loaded with the liquid can be electrically short-circuited. Therefore, it is possible to eliminate the electrical influence of the liquid (dielectricity, conductivity, etc.) that seems to affect the velocity of the SH wave. In addition, mechanical effects other than the viscosity that are considered to affect the velocity of SH waves (such as density and bulk modulus) are SH
It can be eliminated by using the So mode of waves. Since the So-mode SH wave has a small loss of ultrasonic waves into the liquid, the function as a viscous device can be further enhanced. In this way, by using the plate wave ultrasonic device of the present invention, a viscous sensor having excellent sensitivity can be constructed. For example, a liquid load plate wave delay line as a viscosity sensor can be constructed from the plate wave ultrasonic device of the present invention. When driving a plate wave delay line having a pair of input interdigital transducers and a pair of output interdigital transducers,
When the rf pulse signal is input to the input interdigital transducer, the pulse signal having the same frequency as the center frequency corresponding to the period of the input interdigital electrode is converted into a plate wave and propagates through the piezoelectric substrate to output the interdigital electrode. Leading to. At this time, if attention is paid to the SH wave of the plate waves and a liquid is loaded on the propagation path of the SH wave, a difference occurs in the propagation speed of the SH wave depending on the viscosity of the liquid. Moreover, the amount of change has a good correlation with the viscosity of the liquid. Therefore, the amount of change in velocity of the sample to be measured is calculated from the difference in propagation velocity between the reference sample serving as a reference and the sample to be measured, and the viscosity of the sample to be measured is detected from the amount of change in velocity.
【0012】前記液体を板波の伝搬経路上、つまり前記
圧電基板上の2組のすだれ状電極の間に負荷することに
より、前記液体自身の特性が、2組の該すだれ状電極間
を伝搬する板波の速度に効率よく反映される。従って、
液体の粘性の差異に対する前記速度の変化率を増大でき
るから、デバイスとしての感度を向上できる。また、前
記液体を前記圧電基板の裏側の、前記すだれ状電極間に
相応する部分に負荷することによっても、同様な効果を
示す。さらに、前記液体を前記圧電基板の両板面におけ
る、前記すだれ状電極間および前記すだれ状電極間に相
応する部分に負荷することにより、デバイスの感度をさ
らに向上させることができる。By loading the liquid on the propagation path of the plate wave, that is, between two sets of interdigital electrodes on the piezoelectric substrate, the characteristic of the liquid itself propagates between the two sets of interdigital electrodes. Effectively reflected in the velocity of the plate wave. Therefore,
Since the rate of change of the speed with respect to the difference in the viscosity of the liquid can be increased, the sensitivity as a device can be improved. The same effect can be obtained by loading the liquid on the back side of the piezoelectric substrate corresponding to the space between the interdigital electrodes. Furthermore, the sensitivity of the device can be further improved by applying the liquid to portions of the plate surfaces of the piezoelectric substrate corresponding to the space between the interdigital electrodes and between the interdigital electrodes.
【0013】前記圧電基板がZカットX軸方向伝搬、ま
たはX軸±60°方向伝搬のLiNbO3 で成ることに
より、液体の粘性の差異に対する前記速度の変化率を増
大できるから、デバイスとしての感度を向上できる。さ
らに、前記圧電基板を伝搬する種々のモードの板波SH
波のうち、SoモードのSH波を対象とすることによ
り、デバイスの感度をさらに向上させることができる。
これは、SoモードのSH波の速度変化量(参照試料に
対する被測定試料の速度変化量)が、被測定試料の粘度
の平方根と広い範囲にわたって比例関係にあるからであ
る。Since the piezoelectric substrate is made of LiNbO 3 propagating in the Z-cut X-axis direction or propagating in the X-axis ± 60 ° direction, the rate of change of the velocity with respect to the difference in the viscosity of the liquid can be increased, so that the sensitivity as a device is increased. Can be improved. Further, plate waves SH of various modes propagating through the piezoelectric substrate
The sensitivity of the device can be further improved by targeting the SH wave of the So mode among the waves.
This is because the velocity change amount of the SH wave in the So mode (the velocity change amount of the measured sample with respect to the reference sample) is proportional to the square root of the viscosity of the measured sample over a wide range.
【0014】前記圧電基板が圧電セラミックで成り、し
かも該圧電基板の分極軸の方向が、前記すだれ状電極の
電極指に平行であることにより、液体の粘性の差異に対
する板波の速度の変化率を増大することができるから、
デバイスの感度を向上させることができる。さらに、前
記圧電基板を伝搬する種々のモードの板波SH波のう
ち、SoモードのSH波を解析の対象とすることによ
り、デバイスの感度をさらに向上させることができる。
これは、SoモードのSH波の速度変化量が、被測定試
料の粘度の平方根と広い範囲にわたって比例関係にある
からである。Since the piezoelectric substrate is made of piezoelectric ceramic and the direction of the polarization axis of the piezoelectric substrate is parallel to the electrode fingers of the interdigital transducer, the rate of change of the velocity of the plate wave with respect to the difference in the viscosity of the liquid is high. Can be increased,
The sensitivity of the device can be improved. Further, the sensitivity of the device can be further improved by selecting the So mode SH wave among the plate wave SH waves of various modes propagating through the piezoelectric substrate.
This is because the velocity change amount of the SH wave in the So mode is proportional to the square root of the viscosity of the sample to be measured over a wide range.
【0015】[0015]
【実施例】図1は本発明の板波超音波デバイスの一実施
例を示す斜視図である。本実施例は圧電セラミック1
と、すだれ状電極2と、すだれ状電極3と、金属薄膜4
とから成る。圧電セラミック1は、長さ35mm、幅1
5mm、厚さ150μmのTokin製NEPEC−1
0で成り、圧電セラミック1の分極軸の方向はすだれ状
電極2および3の電極指に平行である。すだれ状電極2
および3は、アルミニウム薄膜で成る。金属薄膜4はア
ルミニウムで成り、長さLが10mm、幅が10mm
で、板波の伝搬経路上に設けられている。FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a plate wave ultrasonic device of the present invention. In this embodiment, the piezoelectric ceramic 1
, The interdigital electrode 2, the interdigital electrode 3, and the metal thin film 4
It consists of and. The piezoelectric ceramic 1 has a length of 35 mm and a width of 1.
5mm, 150 μm thick Tokin NEPEC-1
0, and the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic 1 is parallel to the electrode fingers of the interdigital electrodes 2 and 3. Interdigital electrode 2
And 3 are aluminum thin films. The metal thin film 4 is made of aluminum and has a length L of 10 mm and a width of 10 mm.
And is provided on the propagation path of the plate wave.
【0016】図2は本発明の板波超音波デバイスを用い
て形成した液体負荷板波遅延線の第1の実施例を示す平
面図である。本実施例は、圧電セラミック11と、すだ
れ状電極12と、すだれ状電極13と、すだれ状電極1
4と、金属薄膜15と、金属薄膜16と、信号発生器1
7と、ベクトルボルトメータ18と、コンピュータ19
とから成る。圧電セラミック11は、長さ60mm、幅
15mm、厚さ150μmのTokin製NEPEC−
10で成り、圧電セラミック11の分極軸の方向はすだ
れ状電極12、13、14の電極指に平行である。すだ
れ状電極12、13、14は、アルミニウム薄膜で成
る。金属薄膜15、16は、アルミニウムで成り、長さ
Lがともに15mm、幅がともに5mmで、板波の伝搬
経路上に設けられている。すだれ状電極12、13、1
4は同じ形状で、それぞれ10対の電極指を有する正規
型のものであり、電極周期長は480μm、中心周波数
は4MHzである。すだれ状電極13は入力用に、すだ
れ状電極12および14は出力用に用いられる。すだれ
状電極12と13、およびすだれ状電極13と14との
離間距離は、ともに20mmである。なお、本実施例の
使用時、金属薄膜15および16上にはそれぞれ参照試
料および被測定試料としての液体が負荷される。金属薄
膜15および16は前記液体が負荷された圧電セラミッ
ク11の表面を電気的に短絡状態にするために設けられ
ている。参照試料および被測定試料は5mmの厚さに負
荷される。FIG. 2 is a plan view showing a first embodiment of a liquid load plate wave delay line formed by using the plate wave ultrasonic device of the present invention. In this embodiment, the piezoelectric ceramic 11, the interdigital electrode 12, the interdigital electrode 13, and the interdigital electrode 1 are provided.
4, metal thin film 15, metal thin film 16, and signal generator 1
7, vector voltmeter 18, computer 19
It consists of and. The piezoelectric ceramic 11 has a length of 60 mm, a width of 15 mm and a thickness of 150 μm made by Tokin NEPEC-.
10 and the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic 11 is parallel to the electrode fingers of the interdigital electrodes 12, 13, 14. The interdigital electrodes 12, 13, 14 are made of aluminum thin film. The metal thin films 15 and 16 are made of aluminum, have a length L of 15 mm and a width of 5 mm, and are provided on the propagation path of the plate wave. Interdigital electrodes 12, 13, 1
Reference numeral 4 is a normal type having the same shape and 10 pairs of electrode fingers, the electrode period length is 480 μm, and the center frequency is 4 MHz. The interdigital electrodes 13 are used for input, and the interdigital electrodes 12 and 14 are used for output. The distance between the interdigital electrodes 12 and 13 and the interdigital electrodes 13 and 14 is 20 mm. When the present embodiment is used, the liquids serving as the reference sample and the sample to be measured are loaded on the metal thin films 15 and 16, respectively. The metal thin films 15 and 16 are provided to electrically short-circuit the surface of the piezoelectric ceramic 11 loaded with the liquid. The reference sample and the sample to be measured are loaded to a thickness of 5 mm.
【0017】図2の液体負荷遅延線の駆動時、すだれ状
電極13に信号発生器17からrfパルスを入力する
と、すだれ状電極13から、すだれ状電極12および1
4の両方向にSH波が励振される。金属薄膜15上には
参照試料としての純水が、金属薄膜16上には被測定試
料の液体が負荷されている。SH波の伝搬速度の変化量
は純水および被測定試料では異なり、また前記変化量は
液体の粘度と相関することから、純水および被測定試料
の間の遅延位相の差を検出することにより、被測定試料
の粘度を測定できる。図2の液体負荷遅延線では、この
速度差をすだれ状電極12および14における遅延出力
信号の位相差という形で、ベクトルボルトメータ18に
よって検出し、コンピュータ19によって解析してい
る。なお、SH波の伝搬速度は温度と相関することか
ら、参照試料を負荷した場合の伝搬速度と温度との相関
性に関する情報を予めコンピュータ19に入力しておく
ことにより、液体の粘度に対する温度の影響を排除する
ことができる。このようにして、温度変化による粘度の
補正が行われるので、被測定試料の粘度を正確に測定で
きる。When the liquid load delay line of FIG. 2 is driven, when an rf pulse is input to the interdigital transducer 13 from the signal generator 17, the interdigital electrode 13 is interleaved with the interdigital electrodes 12 and 1.
The SH wave is excited in both directions of 4. Pure water as a reference sample is loaded on the metal thin film 15, and liquid of the sample to be measured is loaded on the metal thin film 16. Since the amount of change in the propagation velocity of the SH wave differs between pure water and the sample to be measured, and since the amount of change correlates with the viscosity of the liquid, it is possible to detect the difference in delay phase between the pure water and the sample to be measured. The viscosity of the sample to be measured can be measured. In the liquid load delay line of FIG. 2, this velocity difference is detected by the vector voltmeter 18 in the form of the phase difference of the delayed output signals at the interdigital electrodes 12 and 14 and analyzed by the computer 19. Since the propagation speed of the SH wave correlates with temperature, information about the correlation between the propagation speed and the temperature when a reference sample is loaded is input to the computer 19 in advance, so that the temperature with respect to the viscosity of the liquid The influence can be eliminated. In this way, since the viscosity is corrected by the temperature change, the viscosity of the sample to be measured can be accurately measured.
【0018】図3は圧電セラミック11を伝搬するSH
波の速度分散曲線を示す特性図であり、SH波の周波数
fと圧電セラミック11の厚さdとの積に対する各モー
ドの位相速度を示す図である。但し、圧電セラミック1
1は両方の板面がともに電気的に短絡状態にあるものを
用いた。すなわち、圧電セラミック11のすだれ状電極
を有しない方の板面にも金属薄膜を設けることによって
その板面を電気的に短絡状態にしている。本図におい
て”short”は短絡状態を示す。板波としてのSH
波には複数個のモードがあり、Soモードを除く他のモ
ードは大きな速度分散性を有する。Soモードはfd値
が零から存在し、他のモードに比べると分散性が低いと
いう特徴を有する。FIG. 3 shows SH propagating through the piezoelectric ceramic 11.
It is a characteristic diagram showing a velocity dispersion curve of a wave, and is a diagram showing a phase velocity of each mode with respect to a product of a frequency f of an SH wave and a thickness d of the piezoelectric ceramic 11. However, piezoelectric ceramic 1
In No. 1, both plate surfaces were electrically short-circuited. That is, a metal thin film is also provided on the plate surface of the piezoelectric ceramic 11 that does not have the interdigital electrode to electrically short the plate surface. In the figure, "short" indicates a short circuit state. SH as a plate wave
The wave has a plurality of modes, and the modes other than the So mode have large velocity dispersion. The So mode has a characteristic that the fd value exists from zero and the dispersibility is low as compared with other modes.
【0019】図4は圧電セラミック11の異なる2つの
電気的境界条件の下でのSoモードSH波の速度差から
算出した電気機械結合係数k2 とfd値との関係を示す
特性図である。本図において”open”は電気的に開
放状態であることを示す。本図から明かなように、すだ
れ状電極(IDT)を含まない方の板面が電気的に開放
状態にある方が電気機械結合係数が大きいことが分か
る。fd値が1MHz・mmの場合にはk2 値は約46
%、fd値が8MHz・mmの場合にはk2 値は20%
以上である。このようにして、fd値の広い範囲にわた
って大きな電気機械結合係数を示していることが分か
る。電気機械結合係数が大きいことはSN比を増大さ
せ、従って、測定精度を向上させることができるばかり
でなく、安定な液体負荷遅延線を構成することができ
る。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the electromechanical coupling coefficient k 2 calculated from the velocity difference of the So mode SH wave and the fd value under two different electrical boundary conditions of the piezoelectric ceramic 11. In the figure, "open" indicates that it is in an electrically open state. As is clear from this figure, the electromechanical coupling coefficient is larger when the plate surface that does not include the interdigital transducer (IDT) is in an electrically open state. When the fd value is 1 MHz · mm, the k 2 value is about 46.
%, Fd value is 8 MHz · mm, k 2 value is 20%
That is all. In this way, it can be seen that a large electromechanical coupling coefficient is exhibited over a wide range of fd values. A large electromechanical coupling coefficient increases the signal-to-noise ratio and, therefore, not only can the measurement accuracy be improved, but a stable liquid load delay line can be constructed.
【0020】図5は圧電セラミック11の一方の板面に
粘度が既知の液体を負荷した場合における、4種類の電
気的境界条件下でのSoモードSH波の速度変化量ΔV
/Vと、粘度αの平方根との関係を示す特性図である。
但し、速度変化量ΔV/Vは、粘度0mPa・sの純水
の速度Vを基準としたものであり、ΔVは前記液体の負
荷状態での速度VL から純水負荷での速度Vを差し引い
たものである。速度変化量は圧電セラミック11の板面
が短絡か開放かの状態に大きく依存する。本図におい
て、S/Oは液体負荷側の板面が短絡でもう一方の板面
が開放であることを示す。同様にして、S/Sは両板面
が短絡、O/Sは液体負荷側が開放、O/Oは両板面が
開放であることを示す。液体負荷側の板面が短絡状態に
ある場合、つまりS/OおよびS/Sの場合には、速度
変化量は粘度の平方根と比例する。このようにして、S
/OおよびS/Sのようなデバイスを構成することによ
り、液体の電気的影響を排除することができるから、液
体の粘度の精密な測定が可能となる。FIG. 5 shows the velocity variation ΔV of the So-mode SH wave under four types of electrical boundary conditions when one plate surface of the piezoelectric ceramic 11 is loaded with a liquid of known viscosity.
It is a characteristic view which shows the relationship between / V and the square root of viscosity alpha.
However, the velocity change amount ΔV / V is based on the velocity V of pure water having a viscosity of 0 mPa · s, and ΔV is the velocity V L when the liquid is loaded minus the velocity V when the pure water is loaded. It is a thing. The amount of change in speed greatly depends on whether the plate surface of the piezoelectric ceramic 11 is short-circuited or open. In this figure, S / O indicates that the plate surface on the liquid load side is short-circuited and the other plate surface is open. Similarly, S / S indicates that both plate surfaces are short-circuited, O / S indicates that the liquid load side is open, and O / O indicates that both plate surfaces are open. When the plate surface on the liquid load side is in a short circuit state, that is, in the case of S / O and S / S, the amount of change in speed is proportional to the square root of viscosity. In this way, S
By configuring a device such as / O and S / S, it is possible to eliminate the electrical influence of the liquid, thus enabling a precise measurement of the viscosity of the liquid.
【0021】図6は圧電セラミック11の一方の板面ま
たは両板面に液体を負荷した場合におけるSoモードS
H波の速度変化量ΔV/Vと、粘度αの平方根との関係
を示す特性図である。但し、圧電セラミック11はS/
Sの状態である。被測定試料としては8種類のグリセリ
ン水溶液を用いた。本図において、○印は実測値を示
し、実線は計算値を示す。速度変化量は粘度の平方根に
比例し、実測値と計算値はよく一致していることが分か
る。また、圧電セラミック11の両板面に液体を負荷す
ることによって、検出感度がほぼ2倍になることがわか
る。FIG. 6 shows the So mode S when the liquid is loaded on one plate surface or both plate surfaces of the piezoelectric ceramic 11.
It is a characteristic view which shows the relationship between the amount VV of velocity changes of H wave, and the square root of viscosity alpha. However, the piezoelectric ceramic 11 is S /
It is in the S state. Eight types of glycerin aqueous solutions were used as the samples to be measured. In this figure, the open circles indicate measured values, and the solid lines indicate calculated values. It can be seen that the amount of change in velocity is proportional to the square root of the viscosity, and the measured and calculated values are in good agreement. Further, it can be seen that the detection sensitivity is almost doubled by loading the liquid on both plate surfaces of the piezoelectric ceramic 11.
【0022】図7は本発明の板波超音波デバイスを用い
て形成した液体負荷遅延線の第2の実施例を示す側面図
である。本実施例は、圧電基板21と、すだれ状電極2
2と、すだれ状電極23と、コンピュータ24とから成
る。本図においてX、Y、Z軸はデバイスでの座標系に
対応している。圧電基板21は、長さ35mm、幅15
mm、厚さ200μmのZカットX伝搬LiNbO3 で
成り、すだれ状電極22および23は、アルミニウムで
成る。すだれ状電極22および23は同じ形状で、それ
ぞれ10対の電極指を有する正規型のものであり、電極
周期長は480μm、中心周波数は約8.4MHzであ
る。すだれ状電極22は入力用に、すだれ状電極23は
出力用に用いられる。すだれ状電極22と23との離間
距離は20mmである。なお、本実施例の使用時、板波
の伝搬経路上には参照試料または被測定試料としての液
体が負荷される。参照試料および被測定試料は5mmの
厚さに負荷され、その伝搬経路上の長さLは15mm、
幅は10mmである。FIG. 7 is a side view showing a second embodiment of the liquid load delay line formed by using the plate wave ultrasonic device of the present invention. In this embodiment, the piezoelectric substrate 21 and the interdigital transducer 2 are provided.
2, the interdigital transducer 23, and the computer 24. In this figure, the X, Y, and Z axes correspond to the coordinate system of the device. The piezoelectric substrate 21 has a length of 35 mm and a width of 15
The Z-cut X-propagation LiNbO 3 having a thickness of 200 μm and the interdigital electrodes 22 and 23 are made of aluminum. The interdigital electrodes 22 and 23 have the same shape and are regular types each having 10 pairs of electrode fingers, and have an electrode cycle length of 480 μm and a center frequency of about 8.4 MHz. The interdigital electrode 22 is used for input, and the interdigital electrode 23 is used for output. The distance between the interdigital electrodes 22 and 23 is 20 mm. When using the present embodiment, a liquid as a reference sample or a sample to be measured is loaded on the propagation path of the plate wave. The reference sample and the sample to be measured are loaded to a thickness of 5 mm, and the length L on the propagation path thereof is 15 mm,
The width is 10 mm.
【0023】図7の液体負荷遅延線の駆動時、すだれ状
電極22にrfパルスを入力すると、すだれ状電極22
からすだれ状電極23の方向にSH波が励振される。S
H波は液体が負荷された圧電基板21を伝搬する。SH
波の伝搬経路上には、参照試料としての純水または被測
定試料の液体が負荷される。SH波の伝搬速度の変化量
は純水および被測定試料では異なり、また前記変化量は
液体の粘度と相関することから、純水および被測定試料
の間の伝搬速度の差を検出することにより、被測定試料
の粘度を測定できる。測定の際、SH波の伝搬速度は温
度と相関することから、参照試料を負荷した場合の伝搬
速度と温度との相関性に関する情報を予めコンピュータ
24(本図には描かれていない)に入力しておくことに
より、液体の粘度に対する温度の影響を排除することが
できる。When an rf pulse is input to the interdigital transducer 22 when driving the liquid load delay line shown in FIG.
SH waves are excited in the direction of the interdigital transducer 23. S
The H wave propagates through the piezoelectric substrate 21 loaded with the liquid. SH
Pure water as the reference sample or the liquid of the sample to be measured is loaded on the wave propagation path. The amount of change in the propagation velocity of the SH wave differs between pure water and the sample to be measured, and since the amount of change correlates with the viscosity of the liquid, it is possible to detect the difference in the velocity of propagation between the pure water and the sample to be measured. The viscosity of the sample to be measured can be measured. At the time of measurement, since the SH wave propagation velocity correlates with temperature, information relating to the correlation between the propagation velocity and temperature when a reference sample is loaded is input to the computer 24 (not shown in the figure) in advance. By doing so, the influence of temperature on the viscosity of the liquid can be eliminated.
【0024】図8は圧電基板21を伝搬するSH波の速
度分散曲線を示す特性図であり、粘度0の純水と945
mPa・sのグリセリン水溶液をそれぞれ圧電基板21
のすだれ状電極を有する板面に負荷した場合の、周波数
に対するSH波の各モードの伝搬速度を示す図である。
但し、圧電基板21は両方の板面がともに電気的に短絡
状態にあるものを用いた。すなわち、圧電基板21のす
だれ状電極を有する方と有しない方の両方の板面におい
て、液体と圧電基板21との間に金属薄膜を設けること
によってその板面を電気的に短絡状態にしている。板波
としてのSH波には複数個のモードがあり、Soモード
を除く他のモードは大きな速度分散性を有する。この場
合のSoモードは周波数の値が零から存在し、他のモー
ドに比べると分散性が低いという特徴を有する。FIG. 8 is a characteristic diagram showing a velocity dispersion curve of SH waves propagating through the piezoelectric substrate 21. Pure water having a viscosity of 0 and 945 are shown.
The glycerin aqueous solution of mPa · s is applied to each piezoelectric substrate 21.
It is a figure which shows the propagation velocity of each mode of SH wave with respect to a frequency when it loads on the board surface which has a comb-shaped electrode.
However, the piezoelectric substrate 21 used had both plate surfaces electrically short-circuited. That is, by providing a metal thin film between the liquid and the piezoelectric substrate 21 on both plate surfaces of the piezoelectric substrate 21 with and without the interdigital electrodes, the plate surfaces are electrically short-circuited. .. The SH wave as a plate wave has a plurality of modes, and other modes except the So mode have large velocity dispersion. In this case, the So mode has a feature that the frequency value exists from zero and the dispersibility is lower than that of the other modes.
【0025】図9は圧電基板21のすだれ状電極(ID
T)を有しない方の板面のみが金属被膜され短絡状態に
あるときの、圧電基板21を伝搬するSH波の波数kと
圧電基板21の厚さdとの積と、SH波の各モードの電
気機械結合係数k2 との関係を示す特性図である。本図
においては液体を負荷した場合と、しない場合の両方が
示されている。Soモードでは、kd=1.5で最大値
は5.0%となる。Aoモードでは、kd=4.0〜
9.0の領域で4%を超える値を示している。このよう
にしてSoモードのkd=1.5付近、およびAoモー
ドのkd=4.0〜9.0において電気機械結合係数が
大きいことがわかる。FIG. 9 shows a comb-shaped electrode (ID
T), when only the plate surface having no T is metal-coated and in a short circuit state, the product of the wave number k of the SH wave propagating in the piezoelectric substrate 21 and the thickness d of the piezoelectric substrate 21 and each mode of the SH wave. FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship with the electromechanical coupling coefficient k 2 . In this figure, both the case where the liquid is loaded and the case where the liquid is not loaded are shown. In the So mode, the maximum value is 5.0% when kd = 1.5. In Ao mode, kd = 4.0-
A value exceeding 4% is shown in the region of 9.0. Thus, it can be seen that the electromechanical coupling coefficient is large in the vicinity of kd = 1.5 in the So mode and kd = 4.0 to 9.0 in the Ao mode.
【0026】図10は圧電基板21のすだれ状電極(I
DT)を有しない方の板面のみが金属被膜され短絡状態
にあるときの、圧電基板21を伝搬するSH波の波数k
と圧電基板21の厚さdとの積と、SH波の各モードの
減少率(液体中への超音波の損失分)との関係を示す特
性図である。Soモードでは、kd=3.0以下ではほ
とんど零である。一方、Aoモードではkd=3.4の
とき減少率は最大値の13%を示し、液中への超音波の
損失分が大きいことを示す。このようにして、図9にお
ける特性も考え併せると、Soモードのkd=1.5付
近では、電気機械結合係数が大きくしかも液中への超音
波の損失分が少ないので、粘性センサとしての測定精度
を向上させることができるばかりでなく、安定な液体負
荷遅延線を構成することができる。FIG. 10 shows a comb-shaped electrode (I
The wave number k of the SH wave propagating through the piezoelectric substrate 21 when only the plate surface having no DT) is metal-coated and in a short-circuited state.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a product of the thickness d of the piezoelectric substrate 21 and a reduction rate of each mode of SH waves (a loss amount of ultrasonic waves in a liquid). In the So mode, it is almost zero when kd = 3.0 or less. On the other hand, in the Ao mode, the reduction rate is 13% of the maximum value when kd = 3.4, indicating that the loss of ultrasonic waves into the liquid is large. Thus, considering the characteristics in FIG. 9 as well, in the vicinity of kd = 1.5 in the So mode, the electromechanical coupling coefficient is large and the loss of ultrasonic waves in the liquid is small. Not only can the accuracy be improved, but also a stable liquid load delay line can be constructed.
【0027】図11は圧電基板21の一方の板面に粘度
が既知の液体を負荷した場合における、4種類の電気的
境界条件下でのSoモードSH波の速度変化量ΔV/V
および損失(減少量)と、粘度αの平方根との関係を示
す特性図である。但し、速度変化量ΔV/Vは、粘度0
mPa・sの純水負荷での速度Vを基準としたものであ
って、ΔVは前記液体負荷での速度VL から純水負荷で
の速度Vを差し引いたものである。減少量は圧電基板2
1の板面が短絡か開放かの状態にはほとんど依存しない
が、速度変化量は圧電基板21の板面が短絡か開放かの
状態に大きく依存する。液体負荷側の板面が短絡状態に
ある場合には、速度変化量は粘度の平方根と比例する。
このようにして、圧電基板21の片方または両板面を短
絡させるようなデバイスを構成することにより、液体の
電気的影響を排除することができるから、液体の粘度の
精密な測定が可能となる。FIG. 11 shows the velocity change amount ΔV / V of the So mode SH wave under four kinds of electrical boundary conditions when a liquid having a known viscosity is loaded on one plate surface of the piezoelectric substrate 21.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between a loss (amount of decrease) and a square root of viscosity α. However, the velocity change amount ΔV / V is 0
It is based on the speed V under a pure water load of mPa · s, and ΔV is a value obtained by subtracting the speed V under a pure water load from the speed V L under the liquid load. Piezoelectric substrate 2
Although the plate surface of No. 1 hardly depends on whether the plate surface of the piezoelectric substrate 21 is short-circuited or open, the amount of change in speed greatly depends on the state of the plate surface of the piezoelectric substrate 21 being short-circuited or open. When the plate surface on the liquid load side is in a short circuit state, the amount of change in speed is proportional to the square root of viscosity.
In this way, by constructing a device in which one or both plate surfaces of the piezoelectric substrate 21 are short-circuited, the electrical influence of the liquid can be eliminated, so that the viscosity of the liquid can be precisely measured. ..
【0028】図12は圧電基板21の一方の板面に粘度
が既知の液体を負荷した場合における、SoモードSH
波の速度変化量ΔV/Vおよび損失(減少量)と、粘度
αの平方根との関係を示す特性図である。周波数が15
MHz以下では速度変化量は粘度の平方根と比例関係に
あり、速度差から粘度を検出できることがわかる。FIG. 12 shows the So mode SH when one surface of the piezoelectric substrate 21 is loaded with a liquid of known viscosity.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the wave velocity change amount ΔV / V and the loss (reduction amount), and the square root of the viscosity α. Frequency is 15
It can be seen that the velocity change amount is proportional to the square root of the viscosity below MHz, and the viscosity can be detected from the velocity difference.
【0029】図13は圧電基板21の一方の板面または
両板面に液体を負荷した場合における、SoモードSH
波の速度変化量ΔV/Vおよび損失(減少量)と、粘度
αの平方根との関係を示す特性図である。但し、圧電基
板21はS/Sの状態である。圧電基板21の両板面に
液体を負荷することによって、速度変化量による検出感
度がほぼ2倍になることがわかる。このようにして、板
波を利用することにより、圧電基板の両板面を使用でき
るので、検出感度の向上をもたらすことができる。FIG. 13 shows the So mode SH when liquid is loaded on one plate surface or both plate surfaces of the piezoelectric substrate 21.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the wave velocity change amount ΔV / V and the loss (reduction amount), and the square root of the viscosity α. However, the piezoelectric substrate 21 is in the S / S state. It can be seen that by loading the liquid on both plate surfaces of the piezoelectric substrate 21, the detection sensitivity due to the amount of change in speed is almost doubled. In this way, by utilizing the plate wave, both plate surfaces of the piezoelectric substrate can be used, so that the detection sensitivity can be improved.
【0030】図14はfd=1.0MHz・mmのSo
モードの4種類の電気的境界条件下での位相速度と、Z
面内での伝搬方向φとの関係を示す特性図である。但
し、fは位相速度の周波数を示す。伝搬方向に対する位
相速度は、4種類の電気的境界条件において同様な傾向
を示していて、30°、90°(X軸方向に対応)、1
50°のときに最大値を示し、60°ごとに同じ変化を
繰り返している。FIG. 14 shows So of fd = 1.0 MHz · mm.
Phase velocities under four kinds of electrical boundary conditions of modes, and Z
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship with an in-plane propagation direction φ. However, f shows the frequency of the phase velocity. The phase velocities with respect to the propagation direction show similar tendencies in four types of electrical boundary conditions, and are 30 °, 90 ° (corresponding to the X-axis direction), 1
The maximum value is shown at 50 °, and the same change is repeated every 60 °.
【0031】図15はfd=1.0MHz・mmのSo
モードの4種類の電気的境界条件下での電気機械結合係
数k2 および減少率Cと、伝搬方向φとの関係を示す特
性図である。伝搬方向に対する電気機械結合係数および
減少率は、4種類の電気的境界条件において同様な傾向
を示していて、30、90、150°のときに最大値を
示し、60°ごとに同じ変化を繰り返している。また、
減少率は最大値でも0.02%以下と小さいので、粘性
センサとしてはほとんど無視できるほど小さい。このよ
うにして、粘性センサとしての利用を考えた場合、圧電
基板21はLiNbO3 のZ板において伝搬方向が90
°、つまりSH波の伝搬方向がX軸方向になるように用
いるか、または伝搬方向が30°および150°になる
ように用いるのがよいことがわかる。FIG. 15 shows So of fd = 1.0 MHz · mm
And the electromechanical coupling coefficient k 2 and reduction rate C in four electrical boundary conditions mode, which is a characteristic diagram showing the relationship between the propagation direction phi. The electromechanical coupling coefficient and the reduction rate with respect to the propagation direction show the same tendency in four kinds of electrical boundary conditions, showing the maximum values at 30, 90, and 150 °, and repeating the same change every 60 °. ing. Also,
The reduction rate is as small as 0.02% or less even at the maximum value, so that it is almost negligible as a viscosity sensor. In this way, when the use as a viscosity sensor is considered, the piezoelectric substrate 21 has a propagation direction of 90% in the LiNbO 3 Z plate.
It can be seen that it is preferable to use so that the propagation direction of the SH wave is the X-axis direction or the propagation directions are 30 ° and 150 °.
【0032】[0032]
【発明の効果】本発明の板波超音波デバイスを用いれ
ば、感度の優れた粘性センサを構成することができる。
すなわち、微量の試料でも測定が可能で、操作が簡単
で、測定時間が短く、小型軽量で、微妙な粘性変化も検
知できる測定系(たとえば板波遅延線発振器のようなセ
ンサ)を構成することが可能である。圧電基板を伝搬す
る板波SH波の伝搬経路上に被測定試料の液体を負荷す
ると、その液体の粘度に応じて板波SH波の伝搬速度が
変化する。参照試料を基準とした被測定試料の液体負荷
での速度変化量から、被測定試料の粘度を算出できる。
この際、SH波の伝搬速度は温度と相関することから、
参照試料を負荷した場合の伝搬速度と温度との相関性に
関する情報を予めコンピュータに入力しておくことによ
り、液体の粘度に対する温度の影響を排除することがで
きる。このようにして、温度変化による粘度の補正が行
われるので、被測定試料の粘度を正確に測定できる。By using the plate wave ultrasonic wave device of the present invention, a viscous sensor having excellent sensitivity can be constructed.
In other words, configure a measurement system (for example, a sensor such as a plate wave delay line oscillator) that can measure even a small amount of sample, is easy to operate, has a short measurement time, is small and lightweight, and can detect subtle changes in viscosity. Is possible. When the liquid of the sample to be measured is loaded on the propagation path of the plate wave SH wave propagating through the piezoelectric substrate, the propagation speed of the plate wave SH wave changes according to the viscosity of the liquid. The viscosity of the sample to be measured can be calculated from the amount of change in velocity of the sample to be measured with reference to the reference sample under the liquid load.
At this time, since the propagation velocity of the SH wave correlates with temperature,
The influence of temperature on the viscosity of the liquid can be eliminated by previously inputting information on the correlation between the propagation velocity and the temperature when the reference sample is loaded into the computer. In this way, since the viscosity is corrected by the temperature change, the viscosity of the sample to be measured can be accurately measured.
【0033】圧電基板と液体との間に金属被膜を被覆す
る構造を採用することにより、粘度に及ぼす電気的影響
を排除することができる。また、SoモードSH波を利
用することにより、粘度に及ぼす機械的定数の影響を排
除することができる。By adopting the structure in which the metal film is coated between the piezoelectric substrate and the liquid, it is possible to eliminate the electrical influence on the viscosity. Further, by using the So mode SH wave, it is possible to eliminate the influence of mechanical constants on the viscosity.
【0034】液体を圧電基板上に負荷する際に、その圧
電基板の両板面に負荷する構造を採用することにより、
デバイスとしての感度を片面負荷の場合のほぼ2倍に向
上できる。When a liquid is loaded on the piezoelectric substrate, by adopting a structure of loading both plate surfaces of the piezoelectric substrate,
The sensitivity of the device can be improved almost twice as much as that of a single-sided load.
【0035】圧電基板としてZカットX軸方向伝搬、ま
たはX軸±60°方向伝搬のLiNbO3 を採用するこ
とにより、液体の粘性の差異に対する速度変化率を増大
できるから、デバイスとしての感度を向上できる。さら
に、LiNbO3 を伝搬する種々のモードの板波SH波
のうち、SoモードのSH波を使用することにより、デ
バイスの感度をさらに向上させることができる。これ
は、SoモードのSH波の速度変化量が、被測定試料の
粘度の平方根と広い範囲にわたって比例関係にあるから
である。By adopting LiNbO 3 that propagates in the Z-cut X-axis direction or propagates in the X-axis ± 60 ° direction as the piezoelectric substrate, the rate of change in velocity with respect to the difference in the viscosity of the liquid can be increased, so the sensitivity as a device is improved. it can. Furthermore, by using the SH wave of the So mode among the plate wave SH waves of various modes propagating in LiNbO 3 , the sensitivity of the device can be further improved. This is because the velocity change amount of the SH wave in the So mode is proportional to the square root of the viscosity of the sample to be measured over a wide range.
【0036】圧電基板としてその分極軸の方向がすだれ
状電極の電極指に平行であるような圧電セラミックを採
用することにより、液体の粘性の差異に対する速度変化
率を増大できるから、デバイスとしての感度を向上でき
る。さらに、圧電基板を伝搬する種々のモードの板波S
H波のうち、SoモードのSH波を対象とすることによ
り、デバイスの感度をさらに向上させることができる。
これは、SoモードのSH波の速度変化量が、被測定試
料の粘度の平方根と広い範囲にわたって比例関係にある
からである。By adopting a piezoelectric ceramic in which the direction of the polarization axis is parallel to the electrode fingers of the interdigital transducer as the piezoelectric substrate, the rate of change in speed with respect to the difference in the viscosity of the liquid can be increased, and therefore the sensitivity as a device. Can be improved. Furthermore, plate waves S of various modes propagating through the piezoelectric substrate
By targeting the SH wave of the So mode among the H waves, the sensitivity of the device can be further improved.
This is because the velocity change amount of the SH wave in the So mode is proportional to the square root of the viscosity of the sample to be measured over a wide range.
【0037】一般に、重量濃度の等しい溶液の比較では
分子量の大きい溶質ほど粘度の増加が大きいことが知ら
れているので、本発明の板波超音波デバイスを用いて構
成した液体負荷板波遅延線を用いれば、おおよその分子
量を経験的な関係式をもとに得ることも可能となる。ま
た、粘性は溶質有機分子の大きさや構造によっても異な
るので、溶質有機分子の構造についての手がかりを得る
ことも可能である。このようにして、有機化合物につい
ての情報を得ることも可能である。In general, it is known that solutes having a higher molecular weight have a larger increase in viscosity when comparing solutions having the same weight concentration. Therefore, a liquid load plate wave delay line constructed by using the plate wave ultrasonic device of the present invention is known. By using, it is possible to obtain an approximate molecular weight based on an empirical relational expression. Further, since the viscosity varies depending on the size and structure of the solute organic molecule, it is possible to obtain a clue about the structure of the solute organic molecule. In this way it is also possible to obtain information about organic compounds.
【図1】本発明の板波超音波デバイスの一実施例を示す
平面図。FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a plate wave ultrasonic device of the present invention.
【図2】本発明の板波超音波デバイスを用いて形成した
液体負荷遅延線の第1の実施例を示す平面図。FIG. 2 is a plan view showing a first embodiment of a liquid load delay line formed using the plate wave ultrasonic device of the present invention.
【図3】圧電セラミック11を伝搬するSH波の速度分
散曲線を示す特性図。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a velocity dispersion curve of SH waves propagating in the piezoelectric ceramic 11.
【図4】圧電セラミック11の異なる2つの電気的境界
条件の下での電気機械結合係数k2 とfd値との関係を
示す特性図。FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between an electromechanical coupling coefficient k 2 and an fd value of the piezoelectric ceramic 11 under two different electrical boundary conditions.
【図5】圧電セラミック11の4種類の電気的境界条件
下でのSoモードSH波の速度変化量ΔV/Vと、粘度
αの平方根との関係を示す特性図。FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the velocity change amount ΔV / V of the So mode SH wave and the square root of the viscosity α of the piezoelectric ceramic 11 under four types of electrical boundary conditions.
【図6】圧電セラミック11のSoモードSH波の速度
変化量ΔV/Vと、粘度αの平方根との関係を示す特性
図。FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the velocity change amount ΔV / V of the So mode SH wave of the piezoelectric ceramic 11 and the square root of the viscosity α.
【図7】本発明の板波超音波デバイスを用いて形成した
液体負荷遅延線の第2の実施例を示す側面図。FIG. 7 is a side view showing a second embodiment of a liquid load delay line formed using the plate wave ultrasonic device of the present invention.
【図8】圧電基板21を伝搬するSH波の速度分散曲線
を示す特性図。8 is a characteristic diagram showing a velocity dispersion curve of SH waves propagating in the piezoelectric substrate 21. FIG.
【図9】圧電基板21を伝搬するSH波の波数kと圧電
基板21の厚さdとの積と、電気機械結合係数k2 との
関係を示す特性図。9 is a characteristic diagram showing the relationship between the product of the wave number k of SH waves propagating in the piezoelectric substrate 21 and the thickness d of the piezoelectric substrate 21 and the electromechanical coupling coefficient k 2. FIG.
【図10】圧電基板21を伝搬するSH波の波数kと圧
電基板21の厚さdとの積と、減少率との関係を示す特
性図。FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the product of the wave number k of SH waves propagating in the piezoelectric substrate 21 and the thickness d of the piezoelectric substrate 21 and the reduction rate.
【図11】4種類の電気的境界条件下でのSH波の速度
変化量ΔV/Vおよび損失と、粘度αの平方根との関係
を示す特性図。FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the velocity change amount ΔV / V and loss of SH waves under four types of electrical boundary conditions and the square root of the viscosity α.
【図12】SH波の速度変化量ΔV/Vおよび損失と、
粘度αの平方根との関係を示す特性図。FIG. 12 shows SH wave velocity variation ΔV / V and loss,
The characteristic view which shows the relationship with the square root of viscosity (alpha).
【図13】SH波の速度変化量ΔV/Vおよび損失と、
粘度αの平方根との関係を示す特性図。FIG. 13 is an SH wave velocity change amount ΔV / V and loss;
The characteristic view which shows the relationship with the square root of viscosity (alpha).
【図14】4種類の電気的境界条件下での位相速度と、
伝搬方向φとの関係を示す特性図。FIG. 14 shows phase velocities under four kinds of electrical boundary conditions,
The characteristic view which shows the relationship with the propagation direction (phi).
【図15】4種類の電気的境界条件下での電気機械結合
係数k2 および減少率Cと、伝搬方向φとの関係を示す
特性図。FIG. 15 is a characteristic diagram showing the relationship between the electromechanical coupling coefficient k 2 and the reduction rate C and the propagation direction φ under four kinds of electrical boundary conditions.
1 圧電セラミック 2 すだれ状電極 3 すだれ状電極 4 金属薄膜 11 圧電セラミック 12 すだれ状電極 13 すだれ状電極 14 すだれ状電極 15 金属薄膜 16 金属薄膜 17 信号発生器 18 ベクトルボルトメータ 19 コンピュータ 21 圧電基板 22 すだれ状電極 23 すだれ状電極 24 コンピュータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 piezoelectric ceramic 2 interdigital electrode 3 interdigital electrode 4 metal thin film 11 piezoelectric thin film 12 interdigital electrode 13 interdigital electrode 14 interdigital electrode 15 metal thin film 16 metal thin film 17 signal generator 18 vector voltmeter 19 computer 21 piezoelectric substrate 22 interdigital Electrode 23 Interdigital electrode 24 Computer
Claims (5)
板の一方の板面上に少なくとも2組のすだれ状電極を設
けて成り、前記2つの板面のうちの少なくとも一方の少
なくとも一部分が金属薄膜で覆われている板波超音波デ
バイスにおいて、 前記すだれ状電極は、零次対称モードSH波の波長にほ
ぼ等しい電極周期長を有し、 前記圧電基板における前記金属薄膜で覆われた部分は、
少なくとも前記板面における前記SH波の伝搬路上にあ
り、 前記2つの板面の一方かまたは両方に液体が接触される
ことを特徴とする板波超音波デバイス。1. A piezoelectric substrate having two plate surfaces parallel to each other, wherein at least two sets of interdigital electrodes are provided on one plate surface, and at least a part of at least one of the two plate surfaces is made of metal. In the plate wave ultrasonic device covered with a thin film, the interdigital electrode has an electrode period length substantially equal to a wavelength of a zero-order symmetric mode SH wave, and a portion of the piezoelectric substrate covered with the metal thin film is ,
A plate wave ultrasonic device, wherein the liquid is in contact with at least one of the two plate surfaces and is on at least the propagation path of the SH wave on the plate surface.
圧電基板の板面は該LiNbO3 のZカット面であっ
て、前記SH波の伝搬方向は該Zカット面のX軸方向
か、または該X軸±60°の方向であることを特徴とす
る請求項1に記載の板波超音波デバイス。2. The piezoelectric substrate is made of LiNbO 3 , the plate surface of the piezoelectric substrate is a Z-cut surface of the LiNbO 3 , and the propagation direction of the SH wave is the X-axis direction of the Z-cut surface, or The plate wave ultrasonic device according to claim 1, wherein the X-axis is in the direction of ± 60 °.
該圧電基板の分極軸の方向は前記すだれ状電極の電極指
に平行であることを特徴とする請求項1に記載の板波超
音波デバイス。3. The piezoelectric substrate is made of piezoelectric ceramic,
The plate wave ultrasonic device according to claim 1, wherein a direction of a polarization axis of the piezoelectric substrate is parallel to an electrode finger of the interdigital transducer.
波デバイスを備え、該板波超音波デバイスにおける前記
2組のすだれ状電極を介して入出力される電気信号の位
相差を検出し、前記2組のすだれ状電極間を伝搬する前
記SH波の速度変化を該位相差で表す板波超音波粘性セ
ンサであって、前記位相差から前記液体の粘度を算出す
ることを特徴とする板波超音波粘性センサ。4. The plate wave ultrasonic device according to claim 1, 2 or 3, wherein a phase difference between electric signals input and output via the two sets of interdigital electrodes in the plate wave ultrasonic device is provided. A plate-wave ultrasonic viscous sensor for detecting and changing the velocity change of the SH wave propagating between the two sets of interdigital electrodes, wherein the viscosity of the liquid is calculated from the phase difference. Plate wave ultrasonic viscous sensor.
波デバイスを遅延素子または共振子とする発振器を構成
し、前記2組のすだれ状電極間を伝搬する前記SH波の
速度を、前記発振器の発振周波数で表す板波超音波粘性
センサであって、該発振周波数から前記液体の粘度を算
出することを特徴とする板波超音波粘性センサ。5. An oscillator using the plate wave ultrasonic device according to claim 1, 2 or 3 as a delay element or a resonator, wherein the velocity of the SH wave propagating between the two sets of interdigital electrodes is set. A plate wave ultrasonic viscous sensor represented by an oscillation frequency of the oscillator, wherein the viscosity of the liquid is calculated from the oscillation frequency.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4148642A JPH05322736A (en) | 1992-05-15 | 1992-05-15 | Plate wave ultrasonic device and viscosity sensor with it |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP4148642A JPH05322736A (en) | 1992-05-15 | 1992-05-15 | Plate wave ultrasonic device and viscosity sensor with it |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05322736A true JPH05322736A (en) | 1993-12-07 |
Family
ID=15457365
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP4148642A Pending JPH05322736A (en) | 1992-05-15 | 1992-05-15 | Plate wave ultrasonic device and viscosity sensor with it |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05322736A (en) |
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1992
- 1992-05-15 JP JP4148642A patent/JPH05322736A/en active Pending
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