JPH0989740A - 水晶式センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電極が被測定物によって侵されるのを防止し
て、機能の安定性の向上や長寿命化を図ることができ、
また、電極の製作制限を緩和して、製作の作業性を向上
でき、更には、センサーとしての感度も向上できる、水
晶式センサーを提供すること。 【解決手段】 水晶振動板４と水晶振動板４に電圧を印
加するよう設けられた第１電極５及び第２電極６とから
なる水晶振動子を電解液７中にて発振させて、変化した
固有振動数を求めるようになっている。水晶振動板４
は、一方の面のみが電解液７に接触するよう設けられて
おり、第１電極５は、水晶振動板４の他方の面に設けら
れており、第２電極６は、水晶振動板４の上記一方の面
以外の箇所に、電解液７に対して耐性を有する状態で設
けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、化学、物
理化学、生化学、食品化学、医学、工業化学等の分野に
おいて、液体の濃度、気体の濃度、固体薄膜の膜厚等を
検出するのに用いられる水晶式センサーに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来の水晶式センサーは、主としてＡＴ
カット等の厚みすべり振動する水晶振動板の両面にそれ
ぞれ１個の導電性薄膜電極を設けて水晶振動子を構成
し、水晶振動子の片面を被測定物に接触させた状態で増
幅・帰還回路により水晶振動子を発振させ、被測定物に
よる負荷に基づいて変化した水晶振動子の固有振動数を
求めることにより、被測定物の濃度等を求めるようにな
っていた。ちなみに、被測定物が液体である場合にはそ
の粘度と密度に応じて水晶振動子に負荷が掛かり、気体
である場合には水晶振動子の片面に予め設けた吸着膜に
被測定物が吸着されて水晶振動子に負荷が掛かる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の水晶式センサーでは、次のような不具合があった。 (1) 水晶振動板の両面間に高周波電場を印加するために
水晶振動板の両面にそれぞれ導電性薄膜電極を設けてい
るので、それぞれの電極から増幅・帰還回路への電気的
接続路を互いに絶縁した状態で設ける必要があった。一
方、被測定物が例えばイオン溶液のような導電性液体で
ある場合には、水晶振動板の両面が被測定物によって短
絡されるのを防止するために、水晶振動板の片面のみを
被測定物に接触させ、他面は隔壁によって被測定物から
隔離する必要がある。この２つの必要性を同時に満たす
ため、上記構成の水晶式センサーでは、被測定物に接触
する上記片面の薄膜電極からの電気的接続路を上記隔壁
を貫通させて設けなければならず、それは困難なことで
あった。しかも、この困難性が設計上の制約となり、電
極の寸法、形状等が限定され、製作の作業性が悪く、ま
た、信頼度の向上や製造工数の削減を妨げていた。更
に、同様の困難性は、被測定物が腐蝕性の気体及び液体
である場合や蒸着膜等の固体薄膜である場合にも、見ら
れ、やはり信頼度の向上や製造工数の削減を妨げてい
た。

【０００４】(2) 水晶振動板の両面にそれぞれ蒸着等に
よって導電性薄膜電極を設けるので、その分だけ確実に
製造工数が多かった。

【０００５】(3) 被測定物が薄膜電極を腐食する性質の
ものである場合には、被測定物に接触している薄膜電極
が被測定物によって侵され、薄膜電極の溶出や剥離が生
じ、その結果、センサーとしての機能が不安定となった
り寿命が短くなったりすることがあった。

【０００６】(4) 薄膜電極自体の重量は水晶振動板の振
動に対する負荷の一部となるので、薄膜電極の存在は、
センサーの感度の向上や感度のばらつき解消の点で障害
となるが、上記構成の水晶式センサーでは、その程度が
顕著であった。

【０００７】(5) 被測定物が、例えば鉛蓄電池の電解液
のように、導電性であり且つ電解液に接触する薄膜電極
と増幅・帰還回路との間の電位差が状況に応じて様々な
値を持ち得る場合には、この電位差を短絡しないため
に、増幅・帰還回路を、被測定物に接触する薄膜電極に
対して直流的にフローティング状態としなければならな
いという制約があった。

【０００８】本発明は、上記不具合を解消できる、水晶
式センサーを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、被測定物の物理的特性の変
化に伴なって一価関数的に固有振動数が変化する水晶振
動子を有する発振回路を備え、被測定物に接触させた状
態で水晶振動子を発振させてその固有振動数を求めるこ
とによって、被測定物の物理的特性を検知する水晶式セ
ンサーにおいて、水晶振動子は、水晶振動板と、水晶振
動板に電圧を印加するよう設けられた、第１電極及び第
２電極とからなり、水晶振動板は、一方の面のみが被測
定物に接触するよう設けられており、第１電極は、水晶
振動板の他方の面に設けられており、第２電極は、水晶
振動板の上記一方の面以外の箇所に、被測定物に対して
耐性を有する状態で設けられていることを特徴としてい
る。

【００１０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の構
成に加え、第２電極が、被測定物に対して耐性を有する
材料で構成されている。

【００１１】請求項３記載の発明は、請求項２記載の構
成に加え、被測定物が鉛蓄電池の電解液であり、第２電
極が鉛蓄電池の正極又は負極である。

【００１２】請求項４記載の発明は、請求項１記載の構
成に加え、第２電極が、一方の面のみが被測定物に接触
するよう設けられた誘電体薄膜の、他方の面に設けられ
ており、誘電体薄膜が、被測定物に対して耐性を有する
材料でできている。

【００１３】請求項５記載の発明は、請求項１記載の構
成に加え、第２電極が、水晶振動板の上記他方の面に第
１電極と並設されている。

【００１４】請求項６記載の発明は、請求項５記載の構
成に加え、水晶振動板の上記一方の面に、導電性薄膜が
形成されている。

【００１５】請求項７記載の発明は、請求項１記載の構
成に加え、水晶振動板の上記一方の面が凹凸状に形成さ
れている。

【００１６】請求項８記載の発明は、請求項１記載の構
成に加え、水晶振動板の上記一方の面に、被測定物に接
触する面が凹凸状に形成された薄膜が設けられている。

【００１７】請求項９記載の発明は、請求項１記載の構
成に加え、水晶振動板の上記一方の面に、被測定物を吸
着又は吸収する薄膜が設けられている。

【００１８】尚、本発明の作用は以下の通りである。本
発明の水晶式センサーの基本的作動は次の如くである。

【００１９】(1) 水晶振動子の発振について：被測定物
が例えば電解液である場合について説明する。測定対象
である電解液はイオン電導機構により電導性を有してい
るので、発振回路において、第１電極から水晶振動板及
び電解液を経て第２電極に至る直列素子群に加わる高周
波電圧は、電解液の導電度が十分に大きければ、水晶振
動板に加わる電圧と略等しくなる。

【００２０】即ち、直列素子群が第１電極、水晶振動
板、電解液、及び第２電極からなる場合には、直列素子
群に加わる高周波電圧は、水晶振動板自体に加わる電
圧、電解液内のイオン電流に対応するオーミック電圧、
水晶振動板近傍の電解液内に形成される二重層に加わる
電圧、の総和に略等しくなる。この場合において、電解
液の導電度が十分に大きければ、オーミック電圧及び二
重層に加わる電圧は極めて小さくなるため、無視でき
る。従って、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振
動板に加わる電圧と略等しくなる。

【００２１】また、直列素子群が第１電極、水晶振動
板、電解液、誘電体薄膜、及び第２電極からなる場合に
は、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板自体
に加わる電圧、誘電体薄膜に加わる電圧、電解液内のイ
オン電流に対応するオーミック電圧、水晶振動板近傍及
び誘電体薄膜近傍の電解液内にそれぞれ形成される二重
層に加わる電圧、の総和に略等しくなる。この場合にお
いて、電解液の導電度が十分に大きければ、誘電体薄膜
に加わる電圧、オーミック電圧、及び二重層に加わる電
圧は極めて小さくなるため、無視できる。従って、直列
素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板に加わる電圧
と略等しくなる。

【００２２】また、直列素子群が第１電極、水晶振動
板、電解液、水晶振動板、及び第２電極からなる場合に
は、直列素子群に加わる高周波電圧は、水晶振動板自体
に加わる電圧、電解液内のイオン電流に対応するオーミ
ック電圧、水晶振動板近傍の電解液内にそれぞれ形成さ
れる二重層に加わる電圧、の総和に略等しくなる。この
場合において、電解液の導電度が十分に大きければ、オ
ーミック電圧及び二重層に加わる電圧は極めて小さくな
るため、無視できる。従って、直列素子群に加わる高周
波電圧は、水晶振動板に加わる電圧と略等しくなる。従
って、水晶振動子は通常の水晶発振回路と同様に発振す
る。

【００２３】(2) 水晶式センサーによる測定について：
被測定物が、液体、気体、固体薄膜である場合とに分け
て、説明するが、いずれの場合においても発振周波数
は、増幅・帰還回路の影響も含めて、水晶振動子のその
状態での固有振動数に応じて決まるものである。

【００２４】被測定物が液体である場合：片面が電解
液に接触した状態の水晶振動子は、電解液の密度ρ及び
粘性率ηの影響を受けるため、その固有振動数が変化す
る。空中でのフリーな状態における水晶振動子の固有振
動数をＦa 、片面が電解液に接触した状態における水晶
振動子の固有振動数をＦl 、固有振動数の変化分をΔＦ
l とすると、Ｆa 、Ｆl 、ΔＦl 、ρ、及びηの間に
は、次の式(I),(II)が成り立つ。なお、この式は簡単な
モデルからも導き出されている。

【００２５】Ｆl ＝Ｆa ＋ΔＦl …式(I) ΔＦl ＝−Ｋ・√（ρ・η） …式(II)

【００２６】式(II)において、Ｋは、定数であり、ρ及
びηが既知である幾つかの試料から実験的に求めること
ができる。従って、予めＫを求めておけば、未知の試料
であっても、ΔＦl を求めて逆算することによって、ρ
とηとの積を求めることができる。ρとηとの積は、そ
の電解液の固有の関数Ｆ(X) に従って電解液の濃度ｃと
一対一の関係にある。従って、予め関数Ｆ(X) を求めて
おけば、ΔＦl を求めて逆算することによって、濃度ｃ
を求めることができる。

【００２７】被測定物が気体である場合：被測定物が
気体である場合には、感度や選択性を増すために、水晶
振動子の片面に被測定物である気体を吸着する性質を有
する吸着膜を塗布等により設けておくのが、一般的であ
る。そして、吸着膜が被測定物を吸着していない状態で
の固有振動数をＦn 、吸着した状態での固有振動数をＦ
g 、固有振動数の変化分をΔＦg 、吸着膜の単位面積当
りの被測定物の吸着量をＧとすると、Ｆn 、Ｆg 、ΔＦ
g 、及びＧの間には、次の式(III) の関係が成り立つ。

【００２８】 ΔＦg ＝Ｆg −Ｆn ＝−Ｊ・Ｇ …式(III)

【００２９】式(III) において、Ｊは、定数であり、吸
着膜と被測定物との組合せに応じて予め実験的に求める
ことができる。一方、被測定物の濃度Ｃg と上記Ｇとは
一対一の関係にあるので、この関数関係を予め実験的に
求めておけば、ΔＦg を求めて逆算することによって、
濃度Ｃg を求めることができる。

【００３０】なお、吸着膜は、被測定物が液体である場
合においても、溶質濃度に対する感度や選択性を増すた
めに、用いることができる。

【００３１】被測定物が固体薄膜である場合 被測定物が例えば金属蒸着膜のような固体薄膜であり、
その膜厚を求める場合には、次のようになる。即ち、単
純に被測定物の重量が水晶振動子に対する負荷となり、
上記，と同様に被測定物がない場合の水晶振動子の
固有振動数Ｆvが被測定物がある場合の固有振動数Ｆw
へ変化する。その変化分ΔＦw は、被測定物の単位面積
当り重量に比例するので、ΔＦw を求めて逆算すること
によって、被測定物の単位面積当り重量、ひいては膜厚
を求めることができる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図に基
づいて説明する。

【００３３】（実施形態１）図１は本実施形態の水晶式
センサーの構成図、図２はそのセンサーの電気的等価回
路図、図３はセンサー要部の構成模式図である。センサ
ー１は、増幅・帰還回路２と、センサー容器３と、水晶
振動板４と、第１電極５と、第２電極６とで構成されて
いる。水晶振動板４、第１電極５、及び第２電極６によ
り、水晶振動子が構成されており、水晶振動子及び回路
２により、発振回路が構成されている。７は被測定物で
ある電解液、８はサンプル容器である。

【００３４】センサー容器３は下端が閉じた水密構造の
筒体である。容器３の下端部側壁には貫通孔３１が形成
されている。水晶振動板４は、貫通孔３１を外側から塞
ぎ且つ水密的に、接着等の方法によって容器３に取付け
られている。

【００３５】水晶振動板４の、貫通孔３１側の面即ち内
面には、導電性薄膜からなる第１電極５が蒸着等の方法
によって取付けられている。第１電極５にはリード線５
１が接続されており、リード線５１は、容器３内を延
び、容器３上面の貫通孔３２を通り、回路２の高インピ
ーダンス端子２１に接続されている。

【００３６】第２電極６は、電解液７に対して耐性を有
する材料、例えばカーボンでできており、リード線６１
により、回路２の低インピーダンス端子２２に接続され
ている。

【００３７】回路２において、コンデンサ２３は、回路
２のグラウンドに対して第２電極６を交流的に接続した
まま直流的にはフローティング状態とするために、設け
られている。Ｑ１，Ｑ２はトランジスタ、２８は出力端
子である。

【００３８】図２の電気的等価回路において、７ａは電
解液７のインピーダンスを等価的に抵抗で表わしたもの
である。図２の等価回路即ち発振回路の形式は、コルピ
ッツ回路として公知である。

【００３９】次に作動について説明する。まず、水晶振
動子を電解液７中に浸漬する。この状態では、水晶振動
板４の外面及び第２電極６のみが電解液７に接触してい
る。次に、両電極５，６間に回路２を接続し、直流電圧
を加える。これにより、水晶振動子は発振する。即ち、
水晶振動子は、電解液７中にその粘度を通して横波を励
起し、その反作用として電解液７は水晶振動子の負荷と
なるため、水晶振動子の固有振動数が低下する。そし
て、低下した固有振動数を求めれば、電解液７の濃度が
求まることとなる。

【００４０】上記構成のセンサーにおいては、第１電極
５は全く電解液７に接触しない。また、第２電極６は、
電解液７に接触するが、電解液７に対して耐性を有する
材料でできている。従って、両電極５，６が電解液７に
よって侵されることはなく、センサーとしての機能の安
定性は向上し、寿命も長くなる。

【００４１】また、水晶振動板４の一方の面のみに第１
電極５を設けるので、両面に設ける場合に比して、製作
制限が緩和され、製作の作業性、ひいては生産性が向上
する。例えば、従来のような、一方の電極から増幅・帰
還回路へのリード線を隔壁を貫通させて設けなければな
らないという困難性は解消される。

【００４２】しかも、第２電極６については、寸法、形
状等についての製作制限が大幅に緩和されるので、この
点からも、製作の作業性が向上する。

【００４３】更に、水晶振動板４は電極を介することな
く直接に電解液７に接触するので、センサーとしての感
度が向上する。

【００４４】（実施形態２）被測定物が鉛蓄電池の電解
液であり、鉛蓄電池の電槽に使用する場合には、第２電
極６として鉛蓄電池の正極又は負極を用いてもよい。な
お、その他の構成は実施形態１と同じである。

【００４５】この場合、第２電極６は鉛蓄電池の正極、
負極に対して等電位にはならない。しかし、第２電極６
は、コンデンサ２３により、回路２のグラウンドに対し
て交流的に接地されてはいるが、直流的にはフローティ
ング状態となっているので、回路２の電源電圧を鉛蓄電
池自体から取出すことが可能である。

【００４６】本実施形態のセンサーでは、実施形態１の
センサーに比して、構成が更に簡素となり、生産性が向
上して安価となる。

【００４７】（実施形態３）図４は本実施形態の水晶式
センサーの構成図、図５はそのセンサーの電気的等価回
路図、図６はセンサー要部の構成模式図である。これら
の図において、実施形態１を示す図１ないし図３と同一
符号は同じ又は相当するものを示す。９は誘電体薄膜で
ある。誘電体薄膜９は、電解液７に対して耐性を有する
材料でできており、例えば多種類のプラスチックスから
任意に選定された材料でできている。回路２はコンデン
サ２３を有していない。

【００４８】センサー容器３は下端が閉じた水密構造の
筒体である。容器３の下端部両側壁には貫通孔３１，３
３が形成されている。水晶振動板４は、貫通孔３１を外
側から塞ぎ且つ水密的に、接着等の方法によって容器３
に取付けられている。誘電体薄膜９は、貫通孔３３を外
側から塞ぎ且つ水密的に、接着等の方法によって容器３
に取付けられている。

【００４９】水晶振動板４の、貫通孔３１側の面即ち内
面には、導電性薄膜からなる第１電極５が蒸着等の方法
によって取付けられている。誘電体薄膜９の、貫通孔３
３側の面即ち内面には、導電性薄膜からなる第２電極６
が蒸着等の方法によって取付けられている。第１電極５
にはリード線５１が接続されており、リード線５１は、
容器３内を延び、容器３上面の貫通孔３２を通り、回路
２の高インピーダンス端子２１に接続されている。第２
電極６にはリード線６１が接続されており、リード線６
１は、容器３内を延び、容器３上面の貫通孔３４を通
り、回路２の低インピーダンス端子２２に接続されてい
る。

【００５０】図５の電気的等価回路において、９ａは電
解液７と第２電極６とに挾まれた状態の誘電体薄膜９を
等価的にコンデンサで表わしたものである。図５の等価
回路即ち発振回路の形式は、コルピッツ回路として公知
である。

【００５１】上記構成のセンサーの発振作動は、実施形
態１と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まる
こととなる。

【００５２】上記構成のセンサーにおいては、水晶振動
子を電解液７に浸漬した状態では、水晶振動板４の外面
及び誘電体薄膜９の外面のみが電解液７と接触してお
り、両電極５，６は電解液７に接触していない。従っ
て、両電極５，６が電解液７によって侵されることはな
く、センサーとしての機能の安定性は向上し、寿命も長
くなる。

【００５３】また、水晶振動板４の一方の面のみに第１
電極５を設けるので、両面に設ける場合に比して、製作
制限が緩和され、製作の作業性、ひいては生産性が向上
する。

【００５４】更に、水晶振動板４は電極を介することな
く直接に電解液７に接触するので、センサーとしての感
度が向上する。

【００５５】（実施形態４）図７は本実施形態の水晶式
センサーの構成図、図８はそのセンサーの電気的等価回
路図、図９はセンサー要部の構成模式図である。これら
の図において、実施形態１を示す図１ないし図３と同一
符号は同じ又は相当するものを示す。２ａは増幅・帰還
回路であり、回路２ａにおいて、２５ａは発振用のＣＭ
ＯＳインバーター、２５ｂは出力用のＣＭＯＳインバー
ター、２６ａ，２６ｂは帰還回路のコンデンサ、２７
ａ，２７ｂは帰還回路の抵抗である。水晶振動子及び回
路２ａにより発振回路が構成されている。

【００５６】センサー容器３は下端が閉じた水密構造の
筒体である。容器３の下端部側壁には貫通孔３１が形成
されている。水晶振動板４は、貫通孔３１を外側から塞
ぎ且つ水密的に、接着等の方法によって容器３に取付け
られている。

【００５７】水晶振動板４の、貫通孔３１側の面即ち内
面には、導電性薄膜からなる第１電極５及び第２電極６
が蒸着等の方法によって並設されている。第１電極５に
はリード線５１が接続され、第２電極６にはリード線６
１が接続されており、リード線５１，６１は、容器３内
を延び、容器３上面の貫通孔３２を通り、回路２ａのコ
ンデンサ２６ａ，２６ｂにそれぞれ接続されている。

【００５８】図８の電気的等価回路において、７ｂ，７
ｃは水晶振動板４近傍の電解液７内に形成される電気二
重層を等価的にコンデンサで表わしたものであり、第１
電極５下と第２電極６下の２箇所に存在している。図８
の等価回路即ち発振回路の形式は公知である。

【００５９】上記構成のセンサーの発振作動は、実施形
態１と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まる
こととなる。即ち、上記構成のセンサーでは、第１電極
５と水晶振動板４と電解液７とからなる水晶振動子と、
第２電極６と水晶振動板４と電解液７とからなる水晶振
動子とが、電気回路的には直列接続されて帰還回路を構
成し、圧電分極的には逆並列となっているが、この２個
の水晶振動子は、全く同じプロセスで作製されているの
で、その固有振動数は極めて接近しており、単一の周波
数で発振する。そして、電解液７から掛かる負荷は２個
の水晶振動子に対して全く同等に作用するので、固有振
動数は共に低い周波数へ変化し、単一の周波数で発振す
る。従って、固有振動数の変化分から、電解液７の濃度
が求まることとなる。

【００６０】上記構成のセンサーにおいては、水晶振動
子を電解液７に浸漬した状態では、水晶振動板４の外面
のみが電解液７と接触しており、両電極５，６は電解液
７に接触していない。従って、両電極５，６が電解液７
によって侵されることはなく、センサーとしての機能の
安定性は向上し、寿命も長くなる。

【００６１】また、水晶振動板４の片面のみに一度の工
程で両電極５，６が設けられるので、両面に設ける場合
に比して、その分だけ製造工数が低減される。

【００６２】また、両電極５，６から回路２ａへのリー
ド線５１，６１を設ける作業は、全てセンサー容器３内
の加工作業で行なえるので、製作の作業性、ひいては生
産性が向上する。

【００６３】また、水晶振動板４は電極を介することな
く直接に電解液７に接触するので、センサーとしての感
度は向上し、ばらつきも解消される。

【００６４】更に、両電極５，６は電解液７に対して直
流的にフローティング状態となっているので、フローテ
ィング状態としなければならないという制約は解消され
る。

【００６５】（実施形態５）図１０は本実施形態の水晶
式センサーの構成図、図１１はそのセンサーの電気的等
価回路図、図１２はセンサー要部の構成模式図である。
これらの図において、実施形態１，４を示す図１ないし
図３及び図７ないし図９と同一符号は同じ又は相当する
ものを示す。このセンサーは、水晶振動板４の、電解液
７側の面即ち外面に、導電性薄膜７０が設けられている
点以外は、実施形態４と同じである。薄膜７０は、金
属、金属酸化物、又は導電性高分子を蒸着等することに
より形成されている。

【００６６】上記構成のセンサーの発振作動は、実施形
態４と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まる
こととなる。

【００６７】上記構成のセンサーにおいては、実施形態
４と同様の作用効果に加え、次のような作用効果を奏す
る。薄膜７０が水晶振動板４の外面に設けられているの
で、被測定物がアドミタンスの小さいものであっても、
満足できる精度でその物理的特性を測定可能である。

【００６８】また、薄膜７０は直流的にフローティング
状態にあるので、その電位がどの値にあるかに拘らず、
被測定物の物理的特性を測定可能である。

【００６９】更に、薄膜７０は、水晶振動板４自身を介
して回路２ａに接続されているので、薄膜７０から回路
２ａへの電気的接続路を設ける必要はなく、そのための
困難性がない。

【００７０】（実施形態６）図１３は本実施形態の水晶
式センサーの構成図である。図において、実施形態４を
示す図７ないし図９と同一符号は同じ又は相当するもの
を示す。このセンサーは、水晶振動板４の、電解液７側
の面即ち外面が、凹凸状に形成されている点以外は、実
施形態４と同じである。

【００７１】上記構成のセンサーの発振作動は、実施形
態４と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まる
こととなる。

【００７２】上記構成のセンサーにおいては、実施形態
４と同様の作用効果に加え、次のような作用効果を奏す
る。即ち、水晶振動板４の外面が凹凸状であるので、振
動の際に電解液７から水晶振動板４に掛かる負荷は増大
する。このため、センサーとしての感度が向上する。

【００７３】（実施形態７）図１４は本実施形態の水晶
式センサーの構成図である。図において、実施形態４を
示す図７ないし図９と同一符号は同じ又は相当するもの
を示す。このセンサーは、水晶振動板４の、電解液７側
の面即ち外面に、電解液７に接触する面が凹凸状に形成
されている薄膜８０が設けられている点以外は、実施形
態４と同じである。

【００７４】上記構成のセンサーの発振作動は、実施形
態４と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まる
こととなる。

【００７５】上記構成のセンサーにおいては、実施形態
４と同様の作用効果に加え、次のような作用効果を奏す
る。即ち、薄膜８０の電解液７に接触する面が凹凸状で
あるので、振動の際に電解液７から薄膜８０及び水晶振
動板４に掛かる負荷は増大する。このため、センサーと
しての感度が向上する。

【００７６】（実施形態８）本実施形態の水晶式センサ
ーは、水晶振動板４の、電解液７に接触する面即ち外面
に、電解液７を吸収する薄膜が設けられている点以外
は、実施形態４と同じである。薄膜は、例えば、ポリピ
ロールのような高分子吸着膜からなっている。

【００７７】上記構成のセンサーの発振作動は、実施形
態４と同じであり、同様にして電解液７の濃度が求まる
こととなる。

【００７８】上記構成のセンサーにおいては、実施形態
４と同様の作用効果に加え、次のような作用効果を奏す
る。即ち、電解液７を吸収する薄膜があるので、水晶振
動板４の負荷となる電解液７の量が増大する。このた
め、センサーとしての感度が向上する。

【００７９】（別の実施形態） （１）上記実施形態１〜８の水晶式センサーは、被測定
物が電解液以外の液体や気体及び固体薄膜の場合にも適
用でき、液体の濃度、気体の濃度、固体薄膜の膜厚等を
求めることができる。

【００８０】（２）実施形態５における導電性薄膜７０
を設ける構成、実施形態６における水晶振動板４の外面
を凹凸状に形成する構成、実施形態７における薄膜８０
を設ける構成、実施形態８における薄膜９０を設ける構
成は、実施形態１，３の水晶振動子にも適用でき、その
場合、同様の作用効果が発揮される。

【００８１】（３）増幅・帰還回路２，２ａは、これら
に限るものではなく、また、いずれの実施形態に用いて
もよい。

【００８２】

【発明の効果】

（１）請求項１記載の水晶式センサーによれば、水晶振
動子を発振させて変化した固有振動数を求めることによ
り、被測定物の物理的特性、例えば液体の濃度、気体の
濃度、固体薄膜の膜厚等を求めることができる。

【００８３】また、第１電極を被測定物に接触しないよ
う設け、第２電極を被測定物に対して耐性を有する状態
で設けているので、両電極が被測定物によって侵される
のを防止できる。従って、センサーとしての機能が不安
定となるのを防止でき、長寿命化を図ることができる。

【００８４】また、電極を水晶振動板の両面に設けると
いうことはしないので、電極の製作制限を緩かなものに
でき、製作の作業性を向上できる。例えば、水晶振動子
から増幅・帰還回路に接続される２本の電気的接続路
（リード線）の内の１本を、隔壁を貫通させて設けなけ
ればならないという困難性を、解消できる。

【００８５】更に、水晶振動板を電極を介することなく
直接に被測定物に接触させることができるので、センサ
ーとしての感度を向上できるとともに感度のばらつきも
低減できる。

【００８６】（２）請求項２記載の水晶式センサーによ
れば、第２電極についての寸法、形状等の製作制限を大
幅に緩和でき、製作の作業性、ひいては生産性を向上で
きる。

【００８７】（３）請求項３記載の水晶式センサーによ
れば、第２電極を改めて設ける必要がないので、構成を
簡素にできる。

【００８８】また、第２電極についての製作制限がない
ので、製作の作業性、ひいては生産性を大幅に向上でき
る。

【００８９】（４）請求項４記載の水晶式センサーによ
れば、第１電極及び第２電極を共に被測定物に接触しな
いよう設けているので、両電極が被測定物によって侵さ
れるのを確実に防止できる。

【００９０】また、誘電体薄膜を選定の容易な材料を用
いて製作できるので、第２電極についての寸法、形状等
の製作制限を緩和でき、製作の作業性、ひいては生産性
を向上できる。

【００９１】（５）請求項５記載の水晶式センサーによ
れば、第１電極及び第２電極を共に被測定物に接触しな
いよう設けているので、両電極が被測定物によって侵さ
れるのを確実に防止できる。

【００９２】また、水晶振動板の片面のみに一度の工程
で第１電極及び第２電極を設けることができるので、そ
の分だけ製造工数を低減でき、生産性を向上できる。

【００９３】また、両電極から増幅・帰還回路への２本
の電気的接続路を設ける作業を、全てセンサー容器内の
加工作業で行なうことができるので、製作の作業性、ひ
いては生産性を向上できる。

【００９４】更に、被測定物が鉛蓄電池の電解液である
場合には、第１電極及び第２電極は電解液に対して直流
的にフローティング状態となっているので、フローティ
ング状態としなければならないという制約を解消でき
る。

【００９５】（６）請求項６記載の水晶式センサーによ
れば、導電性薄膜が設けられているので、被測定物がア
ドミタンスの小さいものであっても、その物理的特性を
測定することができる。

【００９６】また、導電性薄膜が直流的にフローティン
グ状態にあるので、その電位がどの値にあるかに拘ら
ず、被測定物の物理的特性を測定することができる。

【００９７】更に、導電性薄膜は水晶振動板自身を介し
て高周波的に増幅・帰還回路に接続されているので、導
電性薄膜から増幅・帰還回路への電気的接続路を設ける
必要はなく、そのための困難性がない。

【００９８】（７）請求項７記載の水晶式センサーによ
れば、水晶振動板の被測定物に接触する面が凹凸状とな
っているので、被測定物から水晶振動子に掛かる負荷は
増大する。従って、センサーとしての感度を向上でき
る。

【００９９】（８）請求項８記載の水晶式センサーによ
れば、簡単な、構成及び製作作業で、請求項７と同じ効
果を奏することができる。

【０１００】（９）請求項９記載の水晶式センサーによ
れば、被測定物を吸着又は吸収する薄膜が設けられてい
るので、水晶振動子の負荷となる被測定物の量は増大す
る。従って、センサーとしての感度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態１の水晶式センサーの構成図であ
る。

【図２】 図１のセンサーの電気的等価回路図である。

【図３】 図１のセンサー要部の構成模式図である。

【図４】 実施形態３の水晶式センサーの構成図であ
る。

【図５】 図４のセンサーの電気的等価回路図である。

【図６】 図４のセンサー要部の構成模式図である。

【図７】 実施形態４の水晶式センサーの構成図であ
る。

【図８】 図７のセンサーの電気的等価回路図である。

【図９】 図７のセンサー要部の構成模式図である。

【図１０】 実施形態５の水晶式センサーの構成図であ
る。

【図１１】 図１０のセンサーの電気的等価回路図であ
る。

【図１２】 図１０のセンサー要部の構成模式図であ
る。

【図１３】 実施形態６の水晶式センサーの構成図であ
る。

【図１４】 実施形態７の水晶式センサーの構成図であ
る。

【符号の説明】

１ センサー ２，２ａ 増幅・帰還回路 ４ 水晶振動板 ５ 第１電極 ６ 第２電極 ９ 誘電体薄膜 ７０ 導電性薄膜 ８０ 薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐野 茂 大阪府高槻市城西町６番６号 株式会社ユ アサコーポレーション内 (72)発明者 石神 純幸 東京都大田区中央五丁目６番11号 東京電 波株式会社内 (72)発明者 佐藤 充 東京都大田区中央五丁目６番11号 東京電 波株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の物理的特性の変化に伴なって
   一価関数的に固有振動数が変化する水晶振動子を有する
   発振回路を備え、被測定物に接触させた状態で水晶振動
   子を発振させてその固有振動数を求めることによって、
   被測定物の物理的特性を検知する水晶式センサーにおい
   て、 水晶振動子は、水晶振動板と、水晶振動板に電圧を印加
   するよう設けられた、第１電極及び第２電極とからな
   り、 水晶振動板は、一方の面のみが被測定物に接触するよう
   設けられており、 第１電極は、水晶振動板の他方の面に設けられており、 第２電極は、水晶振動板の上記一方の面以外の箇所に、
   被測定物に対して耐性を有する状態で設けられているこ
   とを特徴とする水晶式センサー。
2. 【請求項２】 第２電極が、被測定物に対して耐性を有
   する材料で構成されている請求項１記載の水晶式センサ
   ー。
3. 【請求項３】 被測定物が鉛蓄電池の電解液であり、第
   ２電極が鉛蓄電池の正極又は負極である請求項２記載の
   水晶式センサー。
4. 【請求項４】 第２電極が、一方の面のみが被測定物に
   接触するよう設けられた誘電体薄膜の、他方の面に設け
   られており、誘電体薄膜が、被測定物に対して耐性を有
   する材料でできている請求項１記載の水晶式センサー。
5. 【請求項５】 第２電極が、水晶振動板の上記他方の面
   に第１電極と並設されている請求項１記載の水晶式セン
   サー。
6. 【請求項６】 水晶振動板の上記一方の面に、導電性薄
   膜が形成されている請求項５記載の水晶式センサー。
7. 【請求項７】 水晶振動板の上記一方の面が凹凸状に形
   成されている請求項１記載の水晶式センサー。
8. 【請求項８】 水晶振動板の上記一方の面に、被測定物
   に接触する面が凹凸状に形成された薄膜が設けられてい
   る請求項１記載の水晶式センサー。
9. 【請求項９】 水晶振動板の上記一方の面に、被測定物
   を吸着又は吸収する薄膜が設けられている請求項１記載
   の水晶式センサー。