JPH0618577A - 水晶振動子のq値測定装置 - Google Patents

水晶振動子のq値測定装置

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JPH0618577A
JPH0618577A JP17696392A JP17696392A JPH0618577A JP H0618577 A JPH0618577 A JP H0618577A JP 17696392 A JP17696392 A JP 17696392A JP 17696392 A JP17696392 A JP 17696392A JP H0618577 A JPH0618577 A JP H0618577A
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高道 中本
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 水晶振動子のQ値を実時間で測定できる水晶
振動子のQ値測定回路を提供する。 【構成】 本発明による水晶振動子のQ値測定装置は、
Q値測定されるべき水晶振動子(10)に、振幅が一定で周
波数が時間的に変化するLO信号を供給する発信回路
と、水晶振動子を流れる電流を電圧信号に変換する電流
−電圧変換器(14)と、この電圧−電流変換器からの出力
信号から水晶振動子に供給されるLO信号と同相の電圧
成分を検出する周波数変換回路(15)と、この周波数変換
回路の出力信号から低周波信号成分を取出すローパスフ
ィルタ(16)とを具え、水晶振動子を周波数掃引して共振
周波数における最大コンダクタンスを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、水晶振動子のQ値を実
時間で測定できる水晶振動子のQ値測定装置に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】従来、水晶振動子は種々の用途に使用さ
れており、例えばガスセンサとして使用されている。こ
の水晶振動子を用いたガスセンサは、水晶板の両面に電
極が形成され、これら電極に発振回路が接続されてい
る。そして、電極上にガス感応膜がそれぞれ形成され、
ガス感応膜へのガス分子の吸脱着に伴う発振周波数変化
に基づいて吸着物質の質量変化が測定されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述した水晶振動子ガ
スセンサは水晶板に吸着膜を塗布することにより容易に
製造でき、しかも動作が安定しているため広く実用化さ
れている。しかしながら、この既知のガスセンサは、吸
着分子の質量変化を正確に検出することができるが、に
おい情報の検出を行うことはできない。一方、生体細胞
膜の構成要素である脂質膜は、におい分子の吸着に伴い
その粘弾性が変化するため、脂質膜の粘弾性変化を検出
できれば、におい情報を検出でき臭覚センサとしての有
用性が達成される。
【0004】水晶振動子に形成した吸着膜ににおい分子
が吸着すると、吸着膜の粘性が変化し振動に対するエネ
ルギー損失に影響を及ぼし、水晶振動子のQ値も変化す
る。従って、水晶振動子のQ値変化を測定できれば、に
おい情報の識別が可能になり、しかもセンサから得られ
る情報の多様化を図ることも可能になる。
【0005】一方、水晶振動子のQ値を測定するものと
してインピーダンスアナライザが既知である。しかしな
がら、インピーダンスアナライザは価格が高価であるば
かりでなく、実時間測定に適合していない欠点がある。
従って、本発明の目的は、水晶振動子のQ値又はQ変化
を簡単な構成で測定できると共に、実時間測定すること
ができる装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明による水晶振動子
のQ値測定装置は、Q値測定されるべき水晶振動子に、
振幅が一定で周波数が時間的に変化する基本波信号を供
給する発信回路と、前記水晶振動子を流れる電流を電圧
信号に変換する電流−電圧変換器と、この電圧−電流変
換器からの出力信号から水晶振動子に供給される基本波
信号と同相の電圧成分を検出する周波数変換回路と、こ
の周波数変換回路の出力信号から低周波信号成分を取出
すローパスフィルタとを具え、水晶振動子を周波数掃引
して共振周波数における最大コンダクタンスを検出する
ことを特徴とするものである。
【0007】
【作用】図1に水晶板に吸着膜を形成した水晶振動子の
等価回路を示す。この水晶振動子のアドミタンスYは次
式で与えられる。
【数1】Y=Yd +Ymotd =jωCdmot =1/{R+j(ωL−1/ωCp ) ここで、Yd は制動アドミタンスを表わし、Ymot は動
アドミタンスを表わす。また、Cd は束縛容量(寄生容
量)を表わし、Cp は圧電容量を表わす。図1から明ら
かなように、水晶振動子の共振角周波数ω0 は次式で表
わされる。
【数2】 従って、この水晶振動子のQ値は次式で与えられる。
【数3】Q=1/ω0 p R =ω0 L/R 水晶振動子へのガス分子吸着に伴う質量変化により、L
が増加し直列共振周波数が減少する。一方、吸着膜に粘
弾性がある場合には、L以外にRも大きな影響を受け、
ω0 Lの変化よりもRの方が一層大きく変化する。従っ
て、Q値は1/Rに比例すると考えることができる。こ
れらの検討に基づき、本発明では、共振角周波数ω0
おける最大コンダクタンスGを求め、求めた最大コンダ
クタンスからQ値を求める。
【0008】水晶振動子のアドミタンス軌跡を図2に示
す。水晶振動子のQ値は充分に大きいためアドミタンス
軌跡は円となる。よって、周波数を掃引することにより
最大コンダクタンスが求められ、その値が1/Rとな
る。従って、本発明では、周波数を掃引することによっ
てQ値に比例した最大コンダクタンス値を求める。
【0009】実際にQ値を求める場合、基準材料につい
て本発明による装置を用いて測定すると共にインピダン
スアナライザを用いて最大コンダクタンスを測定し、こ
れらの結果についての対応関係を予め求めておく。そし
て、次式に基づいてQ値を求める。
【数4】 ここで、Pq は水晶の密度、dは水晶の厚さ、ε35は水
晶の圧電定数、A は水晶の面積である。
【0010】
【実施例】図3は本発明による水晶振動子の一例の構成
を示す線図的断面図である。水晶板1の両側に電極膜2
a及び2bを形成し、これら電極膜上にガス感応膜3a
及び3bをそれぞれ形成する。本例では、水晶板として
ATカットで表示周波数10MHz の振動子を用いる。ま
た、ガス反応膜として、人間の細胞膜に多く含まれてい
るレシチンの膜を用いる。このレシチン膜3a及び3b
を塗布した後の共振周波数シフトは13.659kHz であ
る。
【0011】図4は本発明による水晶振動子のQ値測定
装置の一例の構成を示す回路図である。Q値測定される
べき水晶振動子10に2個の抵抗R及びrから成る分圧器
11を介して電圧制御型水晶発振器(VCXO)12を接続
し、このVCXOに関数発生器13を接続する。関数発生
器13は、図5に示すように、VCXOを掃引駆動するた
めの鋸歯波状の電圧信号(0〜20V)と後述するピーク
ホールド回路のリセットパルス及びサンプルホールド回
路のサンプルパルスを発生させる矩形波(5V)を発生
する。関数発生器13から出力される鋸波の周波数は2H
z とする。この理由は、より高い周波数に設定すると水
晶振動子ガスセンサの共振出力が減少してしまうからで
ある。また、VCXO12の発振周波数は約10MHz と
し、その周波数掃引範囲は30kHz とする。VCXO12
から振幅が一定で周波数が波間と共に変化する信号が出
力され、この出力信号を分圧器11を介して水晶振動子10
に供給する。水晶振動子10を流れる電流を電流−電圧変
換器14により電圧信号に変換し、この出力信号を周波数
変換器(D.B.M.)15に供給する。水晶振動子10の
共振時のインピダンスが変化すると位相遅延が起こり、
その位相遅延の大きさもインピダンスの大きさによって
変化する。この結果、電流−電圧変換器14からの出力信
号はVCXO12から出力される基本波に対して位相のず
れが生じてしまう。このため、本発明では、周波数変換
15を用いて電流−電圧変換器から出力される基本波信号
のうちVCXOから出力される基本波(LO信号)と同
相の信号成分だけを取り出す。電流−電圧変換器からの
出力信号は、水晶振動子の制動アドミタンスYd により
VCXOからの出力信号に対して位相差φを生ずるか
ら、VCXOから出力信号をV1 cos ωtで表わすと電
流−電圧変換器からの出力信号はV2 cos (ωt+φ)
で表わすことができる。一方、この周波数変換器15は乗
算器としての機能を有しているから、その出力信号Sは
次式で与えられる。
【数5】 上式から明らかなように、周波数変換器15からの出力信
号はLO信号とRF信号の高周波数関係の和の成分と差
の成分とに変換され、上式の第1項は高調波成分を示
し、第2項は差の成分を表わす。この第2項はRF信号
のうちLO信号と同相の成分であり、水晶振動子のコン
ダクタンス成分である。
【0012】周波数変換器15からの出力信号をローパス
フィルタ16に供給して高調波成分をカットする。ローパ
スフィルタ16の出力信号をピークホールド回路17に供給
し、掃引周波数の中で最大出力電圧をピークホールド
し、その後サンプルホールド回路18を通して最大コンダ
クタンスGに対応した出力電圧を形成してレコーダ19に
記録する。尚、ピークホールド回路17及びサンプルホー
ルド回路18は、図5に示す関数発生器13から供給される
信号に基づいて制御する。尚、サンプルホールド回路の
後段に演算処理によりQ値を決定する信号処理回路を接
続してサンプルホールド回路からの出力電圧に基づいて
Q値を表示することもできる。
【0013】次に、上述したQ値測定装置を用いて種々
のガス感応膜が形成されている水晶振動子について測定
した実験結果について説明する。ガス感応膜としてレシ
チン、コレステロール、ポリエチレングリコールを用
い、インピダンスアナライザを用いて共振周波数におけ
る最大コンタクダンスを測定すると共に、上述したQ値
測定装置を用いて最大コンダクタンスを測定した。この
比較結果を図6に示す。図6において、縦軸は本発明に
よるQ値値測定装置の測定結果(回路出力電圧)を示
し、横軸はインピダンスアナライザで測定した最大コン
ダクタンスG(mS)を示す。図6から明らかなよう
に、本発明による装置の測定結果とインピダンスアナラ
イザによる測定結果とは、ほぼ線形な対応関係が認めら
れる。
【0014】次に、におい分子吸着によるQ変化測定の
測定結果について説明する。におい分子として、エタノ
ール、アップルフレーバ及びグレープフレーバを用い、
ガス感応膜としてレシチン膜を用いた。測定に際し、フ
ロー系を用い、30秒間乾燥空気を流し、次に30秒間試料
を流し、これを交互に繰り返す。これらの測定結果を図
7に示す。図7において、横軸は時間を表わし、縦軸は
測定した回路出力(最大コンダクタンス)を示す。乾燥
空気を流したときの回路出力は 1.0Vであることから、
最大コンダクタンスは約30mSであり、Q値は約20000
であった。これに対して、エタノールを流したときは最
大コンダクタンスが6mSまで変化し、Q値は約4500と
なった。また、アップルフレーバ及びグレープフレーバ
は共に12mSまで変化し、Q値は約9000であった。これ
らの結果より、本発明によるQ値測定装置によってQ変
化測定できることが確認された。
【0015】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、水
晶振動子のQ値を実時間で測定することができる。しか
も簡単な回路で装置を構築できるので、測定装置の製造
コストを安価にすることができる。さらに動アドミタン
ス法により最大コンダクタンス値を測定するため、水晶
振動子の寄生容量の影響を受けにくい効果が達成され
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は水晶振動子の等価回路を示す回路図であ
る。
【図2】図2は水晶振動子のアドミタンス軌跡を示す線
図である。
【図3】図3は水晶振動子の一例の構造を示す線図的断
面図である。
【図4】図4は本発明による水晶振動子のQ値測定装置
の回路構成を示す回路図である。
【図5】図5は関数発生器からの出力信号を示す線図で
ある。
【図6】図6は回路出力とインピダンスアナライザによ
る測定値との対応関係を示すグラフである。
【図7】図7は各種試料についての測定結果を示すグラ
フである。
【符号の説明】
10 水晶振動子 11 分圧器 12 電圧制御型水晶発振器 13 関数発生器 14 電流−電圧変換器 15 周波数変換器 16 ローパスフィルタ 17 ピークホールド回路 18 サンプルホールド回路 19 表示装置

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Q値測定されるべき水晶振動子に、振幅
    が一定で周波数が時間的に変化する基本波信号を供給す
    る発信回路と、水晶振動子を流れる電流を電圧信号に変
    換する電流−電圧変換器と、この電圧−電流変換器から
    の出力信号から前記水晶振動子に供給される基本波信号
    と同相の電圧成分を検出する周波数変換回路と、この周
    波数変換回路の出力信号から低周波信号成分を取出すロ
    ーパスフィルタとを具え、水晶振動子を周波数掃引して
    共振周波数における最大コンダクタンスを検出すること
    を特徴とする水晶振動子のQ値測定装置。
  2. 【請求項2】 前記ローパスフィルタの後段にピークホ
    ールド回路及びサンプルホールド回路を接続したことを
    特徴とする水晶振動子のQ値測定装置。
  3. 【請求項3】 前記発信回路と水晶振動子との間に分圧
    器を接続して発信回路の出力電圧を分圧することを特徴
    とする請求項1又は2に記載の水晶振動子のQ値測定装
    置。
  4. 【請求項4】 前記発信回路が、低周波の鋸歯波状の電
    圧信号を発生する関数発生器と電圧制御型発振器とを有
    することを特徴とする請求項1から3までのいずれか1
    項に記載の水晶振動子のQ値測定装置。
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