JPH0545338A - 弾性波素子とそれを用いた溶液物性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】温度による影響が小さい、弾性波を用いた溶液
物性測定装置を提供することを目的とする。 【構成】互いに特性の異なる主弾性波素子Ｃと副弾性波
素子Ｄとに、発信手段の発生させる信号を入力し、その
差分を差分検出手段１６より検出する。演算手段１８
は、この差分と両測定系の温度差との相関関係を示す温
度差依存性情報と、周波数を変えて測定した複数の差分
とに基づいて目的の物性値を算出する。 【効果】周囲と溶液との温度差による誤差を排除した測
定ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粘性や弾性等の溶液物
性を、弾性波素子を用いて測定する弾性波素子とそれを
用いた溶液物性測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の、弾性波素子を用いた溶液物性測
定装置について説明する。

【０００３】図５は従来の溶液物性測定用の弾性波素子
の斜視図である。

【０００４】該素子は、圧電基板１の一平面上に、信号
入力用のくし型電極２（以下、「ＩＤＴ２」という）
と、信号出力用のくし型電極３（以下、「ＩＤＴ３」と
いう）とが設けられている。また、このＩＤＴ２，３の
設けられている面と同一の面上には、このＩＤＴ２とＩ
ＤＴ３との間に測定用池４が設けられていた。この測定
用池４は、所定の形状の”枠”を、該圧電基板１上に接
着することにより形成されていた。

【０００５】なお、これ以降の説明においては、方向を
示すのに図５に示したＸ１，Ｘ２，Ｘ３の方向を基準と
して説明する。

【０００６】この従来素子を使用した装置で測定を行う
場合、まず、最初に測定用池４に測定対象である溶液を
入れておく。

【０００７】この状態で、ＩＤＴ２に測定用の信号を入
力すると、圧電基板１内に比較的大きなＸ２方向の成分
を持つ表面波（以下、「ＳＨ−ＳＡＷ」という。Shear
Horizontal-Surface Acoustic Wave）が励振される。

【０００８】そして、このＳＨ−ＳＡＷは、圧電基板１
の表面を伝搬し、ＩＤＴ３により検出される。

【０００９】該ＳＨ−ＳＡＷの伝搬経路上には、測定用
池４が存在するため、測定溶液の触れた圧電基板表面の
部分においては、上述のＳＨ−ＳＡＷの位相速度が、Ｖ
ｐから（Ｖｐ−ΔＶｐ）に変化する。そのため、この位
相速度の変化は、ＩＤＴ３の検出信号においては、位相
変化、Δθとして検出される。

【００１０】また、位相のみならず振幅も変化し、これ
は、減衰変化、Δαとして検出される。

【００１１】ところで、ＳＨ−ＳＡＷの位相速度Ｖｐ等
を変化させる要因としては、溶液の粘度や誘電率、さら
に周囲温度や測定溶液の温度に影響される基板の温度が
ある。

【００１２】そのため、例えば粘性を測定する際には、
この温度と誘電率による影響を取り除く必要がある。

【００１３】そのため従来は、図６に示すように、直
接、溶液を測定する測定系Ａとは別に、測定系Ａと同じ
特性を有する測定系Ｂを用意していた。そして、測定系
Ａの測定用池４には溶液を入れ、一方、測定系Ｂには溶
液を入れることなく、両測定系に発信器６の発生する同
一の信号を入力していた。そして、両測定系のＩＤＴ３
により検出される信号の位相差を位相差検出回路７で取
り出すことにより温度補償を図っていた。

【００１４】また、この両方の測定系Ａ，Ｂについて、
溶液のもつ誘電率が表面波の伝搬に影響を与えないよう
に、圧電基板１の裏表両面に接地導体（図示せず）を設
け、これを短絡させることにより、誘電率による影響を
排除していた。

【００１５】つまり、ある温度において、測定系Ａで検
出される位相変化は、

【００１６】

【数１】 Δθ_A＝Δθ_TA＋Δθη （数１） Δθ_A：測定系Ａにおける位相差の検出値 Δθ_TA：Δθ_A中の温度による位相差の成分 Δθη：Δθ_A中の溶液の粘度による位相差の成分 で示される。一方、同じ温度において、測定系Ｂで検出
される位相変化は、

【００１７】

【数２】 Δθ_B＝Δθ_TB （数２） Δθ_B：測定系Ｂにおける位相差の検出値 Δθ_TB：Δθ_B中の温度による位相差の成分 で示される。

【００１８】この場合、測定系Ａと測定系Ｂとは、同じ
温度で行っているから

【００１９】

【数３】 Δθ_TA＝Δθ_TB （数３） である。

【００２０】従って、数１、数２、数３を連立させて計
算し、粘度による位相差の成分Δθηだけを算出してい
た。

【００２１】ところで、位相差Δθηと粘度ηとの間に
は、数４のような関係が成り立っていることが分かって
いる。

【００２２】

【数４】

【００２３】この場合、ＳＨ−ＳＡＷは圧倒的にＸ２方
向の成分が大きく、他の方向の成分は無視することがで
きるため、数４は数５のように近似することができ、

【００２４】

【数５】

【００２５】となる。

【００２６】従って、この数５に、上記算出したΔθη
と、予め測定しておいた溶液の密度ρを代入して、粘度
を得ていた。

【００２７】次に、溶液の誘電率を測定する場合につい
て図７を用いて説明する。

【００２８】誘電率を測定する場合にも、上記粘度を測
定する場合と同じように二つの測定系Ａ’，Ｂ’を用い
て行っていた。

【００２９】測定系Ａ’は、ＩＤＴ２ａ，３ａからな
り、測定系Ｂ’はＩＤＴ２ｂ，３ｂから成る。また、両
測定系は、測定対象の溶液を入れるための測定用池４’
を共有するように、圧電基板１’上に並べて配置されて
いた。

【００３０】そして、測定系Ａ’には、その弾性波の伝
搬経路上に接地導体５を設けているのに対し、測定系
Ｂ’にはこのような接地導体を設けていない。そのた
め、測定系Ａ’の検出結果は、測定用池４’内の溶液の
誘電率の影響を受けないのに対し、測定系Ｂ’の検出結
果は影響を受ける。なお、温度や、溶液の粘度の影響は
両測定系とも同じように受けている。

【００３１】従って、この場合も上述の粘度の測定の場
合と同様に両測定系の位相差を取り出すことにより、粘
度、温度の影響をなくして、誘電率を算出していた。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
においては、周囲温度による影響を、上述のとおり温度
補償用の測定系Ｂとの位相差を検出することによって除
去していたが、測定溶液の温度は周囲温度と必ずしも一
致するものではなく、温度補償が十分に行われていなか
った。言い替えれば、上記した数３の条件が成り立って
いない場合があった。

【００３３】そのため、正確な測定を行おうとすると、
溶液温度が周囲温度と同じになるまで測定を開始するこ
とができなかった。

【００３４】本発明の目的は、溶液温度や周囲温度によ
る影響を小さくし、測定を正確かつ迅速に行うことので
きる弾性波素子とそれを用いた溶液物性測定装置を提供
することを目的とする。

【００３５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたもので、弾性波素子を利用し溶液の
物性を測定する溶液物性測定装置であって、測定に際
し、溶液の所望の物性の影響を受ける主弾性波素子と、
該物性の影響を受けないこと以外は主弾性波素子と同一
の特性を有する副弾性波素子と、複数種類の交流信号を
発信可能で、発信した交流信号を、上記主弾性波素子と
上記副弾性波素子とに同時に入力する発信手段と、上記
発信手段が入力した信号についての、上記主弾性波素子
と上記副弾性波素子との出力信号の差分を検出する差分
検出手段と、上記差分と両測定系の温度差との相関関係
を示す温度差依存性情報を有する記憶手段と、上記発信
手段の発信する複数種類の交流信号に対応して上記差分
検出手段の検出する複数の差分と上記温度差依存性情報
とを用いて、上記物性に依存する項と、上記温度差に依
存する項とを含む連立方程式をたて、これを解くことに
より上記主弾性波素子と上記副弾性波素子との温度差に
よる影響を排した上記物性値を算出する演算手段とを備
えたことを特徴とする溶液物性測定装置が提供される。

【００３６】なお、上記差分は、上記出力信号の位相
差、あるいは減衰量の差であってもよい。

【００３７】他の態様としては、測定の目的とする溶液
物性および温度の影響を受ける主測定系と、温度の影響
は受けるが該溶液物性の影響を受けない副測定系とを有
し、両測定系の測定値を比較して、温度補償を行う溶液
物性測定方法であって、複数の上記比較結果と、両測定
系の温度差との相関関係とに基づいて、両測定系の温度
差を排除する溶液物性測定方法が提供される。

【００３８】

【作用】発信手段により、主弾性波素子と、副弾性波素
子とに同時に信号を入力する。そして、両素子の出力信
号の差分、例えば、位相差や減衰量の差を差分検出手段
により検出する。これを、弾性波の周波数を変更して、
複数回、繰り返す。

【００３９】また、記憶手段に、該差分と、主弾性波素
子と副弾性波素子との温度差との相関関係を予め測定し
温度差依存性情報として記憶しておく。

【００４０】演算手段は、温度差依存性情報と、上記複
数回の測定によりえられた結果と、該物性値について予
め分かっている所定の関係式に基づいて、連立方程式を
たて、これを解くことにより目的とする物性値を算出す
る。

【００４１】この連立方程式は、温度差に依存する項
と、該物性に依存する項とを含む示す式からなるもので
ある。

【００４２】なお、該物性値についての予め分かってい
る関係式とは、例えば、粘性と位相差については、上述
の数４、数５である。また、粘性と減衰量の差について
は、後述の数１５、数１６である。ただし、これに限定
されるものではなく、他の関係式を用いても構わない。

【００４３】

【実施例】本発明の一実施例を、図１を用いて説明す
る。

【００４４】本実施例の溶液物性測定装置の概略図を図
１に示す。

【００４５】該溶液物性測定装置は、液体の粘度の測定
を目的としたもので、発信器１０、発信器１０’、スイ
ッチ１２、弾性波素子センサ１４、位相差検出回路１
６、演算部１８、メモリ２０から主に構成される。

【００４６】発信器１０、発信器１０’は、測定に使用
する弾性波を生じさせるための電気信号を発生させるた
めのものである。

【００４７】本実施例においては、発生させる弾性波に
ついて図２、図３を用いて説明する。

【００４８】図２は圧電基板の両面を短絡した場合のＩ
ＤＴの伝搬特性を示したものである。縦軸は、挿入損失
であり、この数値が０ｄＢに近いほど、損失が少なく、
モ−ドの感度が大きい。横軸は周波数である。

【００４９】図３は、Ｘ２成分が比較的大きい場合の圧
電基板内の粒子変位分布を示したものである。横軸は、
規格化厚さであり、基板の両面を±１にとっている。縦
軸は、相対粒子変位であり、最も大きい変位成分を１と
している。

【００５０】弾性波には図２に示すように基板の厚さと
周波数によって決まる様々な弾性波が存在するが、本実
施例においてはその中で図３に示すような圧電基板の両
面においてＸ２方向成分が比較的大きく励振される周波
数の弾性波を使用して測定するようになっている。

【００５１】本実施例においては、発信器１０、１０’
の信号は、弾性波（本明細書中、表面波以外の弾性波を
「弾性波」という。）を発生させる周波数に設定されて
いる。そして、この発信器１０、発信器１０’の発生す
る信号は、スイッチ１２を切り替えることにより、いず
れか一方のみが、弾性波素子センサ１４に出力される構
成と成っている。

【００５２】なお、本実施例においては、発信器１０と
発信器１０’の二種類の周波数を用いることとしている
が、これに限定されるものではなく、後述するように測
定する物性や測定値の範囲に応じて、更に多くの弾性波
を使用する構成としても構わないことは言うまでもな
い。

【００５３】弾性波素子センサ１４は、内部に二つの測
定系を有した構成と成っている。なお、この弾性波素子
センサ１４の詳細については、図４を用いて後ほど詳細
に説明する。

【００５４】位相差検出回路１６は、上述した弾性波素
子センサ１４の二つの測定系から出力される信号の位相
差を検出するためのものである。この位相差は、従来技
術の説明において述べたとおり、測定対象となっている
溶液、つまり、圧電基板表面に付着している溶液の粘
度、誘電率、温度等により発生するものである。

【００５５】演算部１８は、位相差検出回路１６の検出
した位相差および、メモリ２０に予め記憶されているデ
−タに基づいて、所望の物性値を算出する機能を有して
いる。なお、この算出した値は、図には示していない表
示装置や記録装置、あるいは他のデ−タ処理装置に出力
する構成となっている。この演算処理の内容について
は、動作説明と併せて、のちほど詳細に説明する。

【００５６】メモリ２０には、発信器１０、発信器１
０’により発生される弾性波について、位相差検出回路
１６により検出される位相変化量と温度との関係を示す
デ−タ等の演算部１８の必要とする各種デ−タが予め記
憶されている。

【００５７】図４を用いて弾性波素子センサ１４を詳細
に説明する。

【００５８】図４はその回路構成を示している。

【００５９】弾性波素子センサ１４内の回路構成は、図
５、図６に示した従来技術と基本的には同じである。つ
まり、測定対象の溶液を入れる測定用池１４０を有する
測定系Ｃと、測定用池を有さない参照用の測定系Ｄとか
ら成る。そして、各測定系は、圧電基板１４４上に設け
られた入力用と出力用のＩＤＴ１４６により構成されて
いる。また図には示していないが、両測定系とも、その
圧電基板１４４の裏表両面に接地導体を設けさらに、両
面を短絡させることにより、溶液の誘電率による影響を
除去している点も同様である。

【００６０】粘度の測定について説明する。

【００６１】まず、測定用池１４０に測定対象となる溶
液を入れる。

【００６２】この状態で、スイッチ１２を発信器１０に
接続すると、弾性波ｐが発生し、測定系Ｃと測定系Ｄと
の間の位相差Δθｐ_(C-D)を、位相差検出回路１６が検
出する。続いて、スイッチ１２を発信器１０’に切換え
ると、弾性波ｑが発生し、測定系Ｃと測定系Ｄとの間の
位相差Δθｑ_(C-D)を、位相差検出回路１６が同様に検
出する。

【００６３】弾性波は、圧電基板１４４の内部を伝搬す
るため、この位相差Δθｐ_(C-D)、Δθｑ_(C-D)は、温度
だけでなく、粘度の影響を受ける。従って、Δθｐ
_(C-D)、Δθｑ_(C-D)は、下記の数６、数７のように表す
ことができる。

【００６４】

【数６】 Δθｐ_(C-D)＝Δθｐ_T(C-D)＋Δθｐη_(C-D) （数６） Δθｐ_(C-D)：弾性波ｐを使用した場合に検出される測
定系Ｃと測定系Ｄとの位相差 Δθｐ_T(C-D)：Δθｐ_(C-D)中の温度による位相差成分 Δθｐη_(C-D)：Δθｐ_(C-D)中の粘度による位相差成分

【００６５】

【数７】 Δθｑ_(C-D)＝Δθｑ_T(C-D)＋Δθｑη_(C-D) （数７） Δθｑ_(C-D)：弾性波ｑを使用した場合に検出される測
定系Ｃと測定系Ｄとの位相差 Δθｑ_T(C-D)：Δθｑ_(C-D)中の温度による位相差成分 Δθｑη_(C-D)：Δθｑ_(C-D)中の粘度による位相差成分 なお、両測定系とも、上述の接地導体により溶液の誘電
率による影響は排除されているため、誘電率に依存する
項は含んでいない。

【００６６】また、数６、数７の第２項であるΔθｐη
_(C-D)、Δθｑη_(C-D)は、上述の数５より、

【００６７】

【数８】

【００６８】

【数９】

【００６９】となる。

【００７０】この中で、Ｐp、Ｐq、Ｖｐ₂、Ｖｑ₂は、そ
れぞれ各弾性波固有のもので、測定前に予め知られてい
るものである。ここで、一般に、非ニュ−トン溶液の粘
度は、周波数によって変化する性質をもつので、この場
合に使用する二つの弾性波は、数８と数９の中の周波数
ω_p、ω_qが近似した周波数のものを使用する必要があ
る。なお、ニュ−トン溶液の場合、粘度は周波数に依存
しないので、このかぎりではない。

【００７１】一方、数６、数７の第１項は、測定系Ｃと
測定系Ｄとの間における、温度差と位相差との相関関係
より、

【００７２】

【数１０】 Δθｐ_T(C-D)＝Ｂ₁・ΔＴ_C-D （数１０） Ｂ₁：定数 ΔＴ_C-D：測定系Ｃと測定系Ｄとの温度差

【００７３】

【数１１】 Δθｑ_T(C-D)＝Ｂ₂・ΔＴ_C-D （数１１） Ｂ₂：定数 ΔＴ_C-D：測定系Ｃと測定系Ｄとの温度差 とすることができる。

【００７４】数１０、数１１において、Δθｐ_T(C-D)、
Δθｑ_T(C-D)は、温度の絶対的な値にほとんど依存しな
いことが分かっている。例えば、Ｔ_C＝２０、Ｔ_D＝３５
の場合のΔθと、Ｔ_C＝５０、Ｔ_D＝６５の場合のΔθと
は、同じ値を示す。つまり、Ｔ_C，Ｔ_Dといった絶対的な
温度を必要せず、これらの式を利用する際にはΔＴ_{C- D}
のみを考慮すればよい。

【００７５】なお、この比例定数Ｂ₁、Ｂ₂は、あらかじ
めメモリ２０に記憶しているものである。

【００７６】ここで、数６および数７に、数８、数９、
数１０、数１１を代入すると、

【００７７】

【数１２】

【００７８】

【数１３】

【００７９】となる。

【００８０】従って、この数１２と数１３を連立する
と。

【００８１】

【数１４】

【００８２】が得られる。

【００８３】そして、数１４に、予め求めておいた、溶
液の密度ρと、測定値Δθｐ_(C-D)、Δθｑ_(C-D)等を代
入すると粘度が得られる。

【００８４】以上説明したとおり、本実施例において
は、二つの弾性波を用いて測定を行うことにより、周囲
と溶液との温度差の影響を排除した粘度の測定を行うこ
とができる。さらに、溶液のずり弾性Ｇが無視できない
ような場合でも、３種類の弾性波を使用することによ
り、周囲と溶液との温度差を排した測定が可能となる。
つまり、利用する弾性波の種類を増やすことにより、変
数の種類の増加に対応することができる。

【００８５】なお、測定には、弾性波だけでなく、いず
れかは表面波でもよい。

【００８６】上記実施例においては、粘度の測定につい
てのみ説明したが、粘度以外の物性値、例えば誘電率の
測定にも適用可能である。

【００８７】また、上記実施例においては、位相差Δθ
を検出することにより測定を行っているが、減衰量Δα
を検出することによっても、同様に粘度等の測定が可能
である。その場合には、数５、数６に代わって、下記の
数１５と、数１６を使用することになる。

【００８８】

【数１５】

【００８９】

【数１６】

【００９０】また、演算部１８の行う具体的な計算は、
上述したものには限られず、他の演算方法により行って
も構わない。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、複
数の弾性波を用いて測定することにより、溶液と周囲と
の温度差の影響を除去した測定ができる。そのため、溶
液温度が周囲の温度と等しくなるのを待つことなく、す
みやかに正確な測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概要を示す斜視図である。

【図２】弾性波の存在を示すグラフである。

【図３】圧電基板内の粒子変位分布を示すグラフであ
る。

【図４】弾性波素子の回路構成を示す説明図である。

【図５】測定用池を有する弾性波素子センサの斜視図で
ある。

【図６】従来技術による粘度測定用の回路構成を示す説
明図である。

【図７】従来技術による誘電率測定用の素子の平面図で
ある。

【符号の説明】

１：圧電基板、２：くし型電極（ＩＤＴ）、３：くし型
電極（ＩＤＴ、）、４：測定用池、５：接地導体、６：
発信器、１０：発信器、１２：スイッチ、１４：弾性波
素子センサ、１６：位相差検出回路、１８：演算部、２
０：メモリ、１４０：測定用池、１４２：支持板、１４
４：圧電基板、１４６：ＩＤＴ、Ａ：測定系、Ｂ：測定
系、Ｃ：測定系、Ｄ：測定系。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弾性波素子を利用し溶液の物性を測定する
   溶液物性測定装置であって、 測定に際し、溶液の所望の物性の影響を受ける主弾性波
   素子と、 該物性の影響を受けないこと以外は主弾性波素子と同一
   の特性を有する副弾性波素子と、 複数種類の交流信号を発信可能で、発信した交流信号
   を、上記主弾性波素子と上記副弾性波素子とに同時に入
   力する発信手段と、 上記発信手段が入力した信号についての、上記主弾性波
   素子と上記副弾性波素子との出力信号の差分を検出する
   差分検出手段と、 上記差分と両測定系の温度差との相関関係を示す温度差
   依存性情報を有する記憶手段と、 上記発信手段の発信する複数種類の交流信号に対応して
   上記差分検出手段の検出する複数の差分と上記温度差依
   存性情報とを用いて、上記物性に依存する項と、上記温
   度差に依存する項とを含む連立方程式をたて、これを解
   くことにより上記主弾性波素子と上記副弾性波素子との
   温度差による影響を排した上記物性値を算出する演算手
   段と、 を備えたことを特徴とする溶液物性測定装置。
2. 【請求項２】上記差分は、上記出力信号の位相差である
   ことを特徴とする請求項１記載の溶液物性測定装置。
3. 【請求項３】上記差分は、上記出力信号の減衰量の差で
   あることを特徴とする請求項１記載の溶液物性測定装
   置。
4. 【請求項４】測定の目的とする溶液物性および温度の影
   響を受ける主測定系と、温度の影響は受けるが該溶液物
   性の影響を受けない副測定系とを有し、両測定系の測定
   値を比較して、温度補償を行う溶液物性測定方法であっ
   て、 複数の上記比較結果と、 両測定系の温度差との相関関係と、 に基づいて、両測定系の温度差を排除する溶液物性測定
   方法。