JPH0735993B2 - 比重又は粘度測定装置における振動ユニット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は液体の比重，粘度測定装置、殊に該比重，粘度
測定装置における振動源として圧電振動子を用いて、被
測定液中に浸着される探触子を振動させ、該振動の変化
分にて粘度又は比重を検出するようにした振動ユニット
に関する。

従来技術 従来より被測定液の比重測定装置として電機−機械変換
機能を有する圧電素子を振動源たる振動子として用い、
探触子を被測定液中において振動させるようにしたもの
が知られている。

この圧電振動子としては振動板の厚み方向に縦振動する
厚み縦方向振動子が考えられている。この厚み縦方向振
動子では、液中における厚み縦方向振動による有害な液
圧抵抗を受け、又は縦波等を生起させ外乱要因となり、
又単なる厚み縦方向振動では被測定液の粘性抵抗又は慣
性モーメントの感知が正しくなされず、比重，粘度測定
の振動源としては適正とは言えない。

又小形で且つ微弱な振動力の圧電振動子の振動を検出子
に正しく伝達する機構がネックとなっており、振動子の
振動をいかに効率良く、適正に伝達し検出性能を向上さ
せるかが課題となっている。

問題点を解決するための手段 本発明は上記課題を有効且つ合理的に解決する円方向振
動モードを用いた比重又は粘度測定装置における振動ユ
ニットを提供するものであり、後述の実施例にて詳述す
るように、円方向圧電振動子を形成する振動板の一端に
被測定液探触子を円方向振動軸線が同一となるように剛
体結合する一端結合部を有すると共に、同他端に慣性質
量体を剛体結合する他端結合部を有し、該振動板の表面
に圧電材を貼り合せて上記円方向圧電振動子を形成して
おり、該振動板の上記他端結合部を上記慣性質量体を介
して外囲器に固定し同他端結合部における円方向振動の
伝達を封殺しつつ、上記一端結合部において自由な円方
向振動を生起させ、これに直結した被測定液探触子を直
接励振して円方向振動を行なわせるように構成したもの
である。

作用 本発明は上記の如く被測定液の比重又は粘度測定のため
の振動源として振動板と圧電材のバイモルフから成る円
方向圧電振動子を適用し、該円方向圧電振動子を上記他
端結合部を介し連結されたを慣性質量体で外囲器に固定
して円方向振動の伝達を封殺しつつ、上記一端結合部側
をフリーにして活性な円方向振動を生起させることがで
きると共に、これに直結した被測定液探触子を振動板に
て直接励振し円方向振動を集中して適正且つ効率良く伝
達することができる。

又探触子は被測定液中において円方向振動され、被測定
液の波動等の外乱発生を可及的に防止して、被測定液の
粘性抵抗又は慣性モーメントを正しく且つ鋭敏に感知
し、振動ユニット全体を小形且つ合理的な構造にして高
性能化を達成することができる。

実施例 以下本発明の実施例を図面を基いて詳述する。

前記のように本発明は電気機械変換機能を有する振動子
として円方向圧電振動子1Aを振動源として用いる。

該円方向圧電振動子1A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圧電振動子である。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圧電振動子
1Aを構成する振動板ｃの一端に小径の軸部２を介しその
円方向振動軸線Ｇが同一となるように探触子３を剛体結
合する一端結合部を有する。

上記軸部２は丸軸又は各軸状を呈して振動板ｃの円方向
振動軸線に直結され、円方向振動軸線Ｇにおいて円方向
圧電振動子1Aの振動を入力し、円方向振動子1Aから離間
した探触子３に伝達する。

実施に応じ該軸部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、円方向圧電振動子
1Aの共振周波数を調整する。

又実施に応じ上記軸部２に探触子３の被測定液中にける
円方向振動を検出する振動センサー1Bを取付ける。

該振動センサー1Bは圧電セラミック等の電気機械変換機
能を有する素子より成り、探触子３の被測定液中におけ
る機械的振動を軸部２を介して該振動センサー1Bに与
え、該振動センサー1Bの機能によって上記機械的振動を
電気信号に変換し、比重又は粘度を測定する。

又上記振動センサー1Bを用いずに、円方向圧電振動子1A
をその機械一電気変換機能によりセンサーとして兼用し
ても上記と同一の原理により粘度及び比重の検出が可能
である。

更に上記の如くした上記円方向圧電振動子1Aを構成する
振動板ｃの他端にその円方向振動軸線Ｇ部位において軸
部2aを介し慣性質量体13に剛性結合する他端結合部を有
する。斯くして振動板ｃの一端に探触子３を、他端に慣
性質量体13を夫々剛体結合した三者の振動ユニットを構
成する。

上記円方向振動子1Aの振動板ｂと慣性質量体13と探触子
３の剛体結合例として各部位を切削加工によって一体物
によって構成するか、又は第１図Ｃに示すように各部位
をいくつかの部品に分けて切削加工し、螺合又は込接
着等によって結合する。

斯くして形成された振動ユニット10を上記慣性質量体13
を固定担体としてハンドグリップ形の外囲器８内に内蔵
する。即ち、慣性質量体13を外囲器８内面に振動吸収用
の緩衝材14を介して固定する等して、上記振動ユニット
10を外囲器８内に慣性質量体13を固定担体として架装状
態に内蔵し、探触子３側をフリーにし、これを外囲器８
の先端より露出状態にし被測定液９中に浸着できるよう
にする。

上記慣性質量体13はその慣性モーメントにより固定側
（振動板他端側）への振動の伝達を封殺し、円方向振動
の減衰を防止して一端側の探触子３への振動の伝達を安
定且つ効率的に行なわせる。又、外囲器８側からの外乱
要因は上記緩衝材14にて吸収され、上記円方向振動を適
正に惹起させる。

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。

円方向圧電振動子1Aは上記の如くその振動板ｃの一端を
固定することによって、同一端への振動伝達を封殺し、
他端において自由な円方向振動を生起させ、該円方向振
動を同他端に直結された探触子３に伝え、これを軸部２
を中心として円方向振動させ、該探触子３の液中におけ
る振動を振動センサー1Bに与え、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。

次に上記円方向圧電振動子1Aの具体例として捩れ振動子
に付き説明する。

圧電材として、強誘電セラミックに分極処理（ボーリン
グ処理）を施して圧電性を付与した圧電セラミックを用
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、その分極方向によっ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ックa,b間に振動板ｃを介在し積
層して成る振動子であって、振動板ｃの片面側と他面側
の両長さ振動圧電セラミック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ック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、一対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ックa,bを準備し、
一方の細長圧電セラミック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ック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ック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
電セラミックｂを振動板ｃの他方の対角線上に配置し、
両細長圧電セラミックa,bの長さ振動方向が交叉するよ
うに配置する。各圧電セラミック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
ミック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
ラミック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。

上記によって、第７図に示すように各圧電セラミックa,
bの振動モードが、一方の圧電セラミックａで伸びx₁を
生じた時、他方の圧電セラミックｂでも伸びx₂を生じ、
逆に一方の圧電セラミックａで縮みを生じた時、他方の
圧電セラミック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。従っ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即ち、円方向振動
を誘起する。

次に上記振動センサー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は圧電セラミックのバイモルフ、又は圧電セ
ラミックと振動板（金属板）のバイモルフである。

該振動素子S₁，S₂を前記軸部２の適所に軸対称となるよ
うに取付け、軸部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
に軸部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って両振動素子S₁，S₂の自由端に図
中W₁，W₁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、他方に負電圧が
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っては出力を生じない。

他方、振動素子S₁，S₂の中心に配された軸部２を介して
同振動素子S₁，S₂に同軸部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って同様の動
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、軸部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っ
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って添設し、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。
軸部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。

上記によって被測定液中における探触子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なうものである。

比重計の場合について説明すると、上記被測定液探触子
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、円方向圧電
振動子1Aの円方向振動を振動板ｃに剛体結合した軸部２
を介して探触子３に伝達し、該探触子３を被測定液中に
浸着して軸部２を中心に、即ち振動板ｃの円方向振動軸
線Ｇを中心に円方向振動させる。この円方向振動に伴な
い探触子３に被測定液９の慣性モーメントが負荷され、
探触子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圧電振動子1Aを含めた振動ユ
ニット10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、探触子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ックの
機械→電気エネルギー変換効果によるものである。該円
方向振動は厚み縦方向振動等と異なって外乱要因となる
液の波動を抑止し、液を静的状態に保ち慣性抵抗を良好
に感知する。

又粘度計の場合について説明すると、被測定液探触子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
心に軸部２を介し振動板ｃの一端に剛体結合する。

上記によって円方向圧電振動子1Aの円方向振動が軸部２
を介して探触子３に伝達され、該探触子３は軸部２を中
心に、即ち円方向振動軸線Ｇ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って外乱要因と
なる液の波動を抑制し、、液を静的状態に保ち粘性抵抗
を良好に捕捉する。該粘性抵抗の感知により共振周波数
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。

上記探触子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ン
サー1Bの振動のレベル（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
測定するものである。この機能は振動センサー1Bの機械
→電気エネルギー変換効果によるものである。

上記の如き振動センサー1Bの機能を円方向圧電振動子1A
に担わせても良いことは前述の通りである。

発明の効果 本発明は上記の如く被測定液の比重又は粘度測定のため
の振動源として振動板と圧電材のバイモルフから成る円
方向圧電振動子を適用し、該円方向圧電振動子を前記他
端結合部を介し連結されたを慣性質量体で外囲器に固定
して円方向振動の伝達を封殺しつつ、前記一端結合部側
をフリーにして活性な円方向振動を生起させることがで
きると共に、これを直結した被測定液探触子を振動板に
て直接励振し円方向振動を健全に伝達することができ
る。

本発明によれば一端側を慣性質量体に剛体結合すること
により円方向振動子の振動の減衰を効果的に防止しつ
つ、振動板の他端において直接的且つ集中的に探触子に
振動を与え励振させることができ、適正且つ効率の良い
振動伝達を行なうことができ、探触子を常に正確な共振
周波数で円方向振動させ、粘度及び比重の測定精度を高
め信頼性を向上する。

又探触子は被測定液中において円方向振動され、被測定
液の波動等の外乱発生を可及的に防止して、被測定液の
粘性抵抗又は慣性モーメントを正しく且つ鋭敏に感知す
ることができ、この探触子の円方向振動をこれに剛体結
合した円方向圧電振動子で惹起させる前記構成により振
動ユニット全体を小形且つ合理的な構造にして高性能化
を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは本発明の実施例たる粘度又は比重測定装置を
構成する振動ユニットを示す側面図、同図Ｂは同正面
図、同図Ｃは同断面図、第２図は同粘度又は比重測定装
置の外観を示す斜視図、第３図は円方向圧電振動子の斜
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
を表す振動ユニットの斜視図、第９図は振動センサー部
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である。 1A…円方向圧電振動子、a,b…圧電セラミック、ｃ…振
動板、２…軸部、３…被測定液探触子、13…慣性質量
体、Ｇ…円方向振動軸線。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動板に圧電材を貼り合せて円方向圧電振
   動子を形成し、該円方向圧電振動子を形成する振動板の
   一端にその円方向振動軸線が同一となるように被測定液
   探触子を剛体結合する一端結合部を有すると共に、同他
   端に慣性質量体を剛体結合する他端結合部を有し、該慣
   性質量体を外囲器に対し固定して上記円方向圧電振動子
   の円方向振動を上記振動板の上記一端結合部を介して被
   測定液探触子に伝達する構成とした比重又は粘度測定装
   置における振動ユニット。
2. 【請求項２】上記被測定液探触子を上記振動板の一端に
   円方向振動軸線が同一となるように配した軸部を介し剛
   体結合したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の比重又は粘度測定装置における振動ユニット。
3. 【請求項３】上記慣性質量体を振動吸収用の緩衝材を介
   して外囲器に固定したことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の比重又は粘度測定装置における振動ユニッ
   ト。