JPH1194726A - 音叉型圧電振動子 - Google Patents
音叉型圧電振動子Info
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- JPH1194726A JPH1194726A JP9273557A JP27355797A JPH1194726A JP H1194726 A JPH1194726 A JP H1194726A JP 9273557 A JP9273557 A JP 9273557A JP 27355797 A JP27355797 A JP 27355797A JP H1194726 A JPH1194726 A JP H1194726A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】音叉型振動子を用いた粘度計及び密度計の精度
を向上させる。 【解決手段】基部１１で結合された一対の振動部１２を
備えた断面Ｕ字状の音叉型圧電振動子において、前記振
動部が断面方向に延長したスリット１３により分離され
た固定部１８及び本体部１８を含み、前記固定部及び前
記本体部を一体形成し、各本体部に圧電体１４、１５を
接着する。
を向上させる。 【解決手段】基部１１で結合された一対の振動部１２を
備えた断面Ｕ字状の音叉型圧電振動子において、前記振
動部が断面方向に延長したスリット１３により分離され
た固定部１８及び本体部１８を含み、前記固定部及び前
記本体部を一体形成し、各本体部に圧電体１４、１５を
接着する。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液体の粘度及び密
度を同時に計測することができる液体性状センサとして
利用できる音叉型圧電振動子に関する。 【０００２】 【従来の技術】昨今、多くの分野で産業システムの自動
化が進んでいる。自動運転の正確性、安全性及び最適化
のためには、リアルタイムで様々な物性値の計測が必要
となり、このための種々の液体性状センサの重要性が益
々高まっている。 【０００３】この中でも、水晶振動子を用いた発振型の
粘度センサは、近年小型で高精度な液体性状センサとし
て開発され、また「粘度測定装置」（特開昭６４−４７
９３２号公報）に開示されている。 【０００４】この粘度測定装置は、発振周波数が粘度及
び密度の積の平方根に比例するという特性から、粘度及
び密度の乗算値のみを測定していた。従って、粘度或は
密度の一方の値が既知である場合にのみ、他方の値が特
定されるという測定上の制約があった。 【０００５】一方、図１は、従来の音叉振動子を用いた
液体性状センサの概略斜視図である。図において、振動
部１２は、下部に圧電体１４が接着されて、圧電体１４
に外部電圧が印加されて振動部１２が振動される。この
音叉センサは、振動周波数ｆと、二次側出力電圧の実効
値Ｖに関して、液体の粘度ηと密度ρとの間に以下の
（１）及び（２）式のような出力特性を有している。 ｆ＝ａηh ρ1 ＋ｂ ・・・（１） Ｖ＝ｃηj ρk ＋ｄ ・・・（２） 【０００６】ここで、（１）式の粘度指数ｈは、密度指
数ｉに比較して著しく小さく、具体的にｈ〜１、ｉ〜０
であった。（２）式においては、粘度指数ｊ及び密度指
数ｋが同程度であり、ｊ〜ｋ〜０．５であった。従っ
て、（１）式では、ｆが略ρと比例関係にあり、また比
例定数ａの値も密度の測定精度を得る上で十分に大きな
値であることから、密度に関してはかなり正確な測定値
が得られた。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、粘度に
ついては、ｆに関する粘度指数ｈの値が非常に小さいこ
とや、（２）式における粘度指数ｊの大きさが密度指数
ｋに比べて同程度の大きさであることと、比例定数ｃの
大きさが粘度の測定精度を得る上では十分に大きくない
ことから、検出値が多くのバラツキを含み、粘度測定精
度がやや劣るという欠点を有していた。 【０００８】本発明は、音叉振動子を用いた小型で安価
なセンサ素子にして、液体の粘度及び密度の物性値が同
時に高精度で測定できる粘度・密度センサを提供するこ
とを目的とする。 【０００９】 【課題を解決するための手段】本発明によれば、基部で
結合された一対の振動部を備えた断面Ｕ字状の音叉型圧
電振動子において、前記振動部は、断面方向に延長した
スリットにより分離された固定部及び本体部を含み、前
記固定部及び前記本体部が一体形成され、各本体部に圧
電体が接着されたことを特徴とする。 【００１０】前記スリットの深さは液体粘性浸入深さの
略１〜１０倍であり、前記圧電体の幅が前記本体部の奥
行に等しく、或いは前記固定部の厚さが１ｍｍ以上であ
る。また、前記圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛又はチ
タン酸バリウムから形成され、前記振動部は、鉄、コバ
ルト、ニッケル、クローム、モリブデンからなる群から
選択される合金である。 【００１１】 【実施例】以下に図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。 【００１２】音叉振動子の（１）及び（２）の特性方程
式を用いて粘度及び密度測定を行う場合において、粘度
測定値に関するバラツキを少なくするためには、ｆ或は
Ｖの粘度感度を高めることが重要になる。即ち、（１）
及び（２）式の各数値に関しては、定数ａ、ｃの値は大
きい方がよく、粘度指数ｈ、ｊの値は密度指数ｉ、ｋに
比較して大きくすることが重要である。 【００１３】音叉振動子が液体中で振動する場合には、
液体の粘度や密度が振動に対する抵抗を生じて、上記の
（ｌ）及び（２）式のｆ、Ｖを低下させる。この低下の
度合が粘度、密度に対する感度ということになるのであ
るから、粘度精度を向上させてその結果として粘度感度
を増加させるためには、音叉振動子が液体の粘性抵抗を
多く受けるような構造にすることが重要となる。 【００１４】本発明では、音叉振動子に生じる液体から
の粘性抵抗を、振動部分の両側に、振動方向と平行なス
リットを形成することで増加させている。 【００１５】図２は、本発明による音叉振動子の概略斜
視図である。この図において、図１に対応する部材には
同一の符号が付してある。図において、２つの振動部１
２が基部１１で結合されて、断面Ｕ字状の音叉振動子を
形成している。各振動部１２には、奥行方向の両側に、
各々が断面方向に延長した２つのスリット１３が切削さ
れて、本体部１６と２つの固定部１８が一体形成され
る。圧電体１４はこのスリット１３で挟まれた本体部１
６の基部１１近傍に位置して、本体部１６のみが振動す
る。 【００１６】液体は、スリット１３内にも侵入し、本体
部１６が固定部１８によって液体の粘性抵抗を受ける。
この粘性抵抗の大きさは以下に述べるように振動面に接
する液体の速度勾配に比例し、比例定数が液体の粘度に
なる。 Ｆ＝Ａ・η・（ｄＶ／ｄｚ） 【００１７】ここで、Ｆは振動面の受ける粘性抵抗であ
り、Ａは振動面の面積、ηは液体の粘度、ｄＶ／ｄｚは
振動面に接する液体の速度勾配であり、ｚは振動面から
の距離である。上式において、粘度ηが等しい同一液体
の場合には、振動面の面積Ａあるいは速度勾配（ｄＶ／
ｄｚ）が大きい程大きい値の粘性抵抗Ｆを得ることが理
解される。 【００１８】本発明による粘性抵抗の増加効果は、以下
に述べるように、速度勾配（ｄＶ／ｄｚ）をスリット構
造によって増大させることによって達成している。スリ
ット１３内の液体は振動面から振動方向への力を受け、
振動面に接する液体は振動面と同じ速度で移動する。 【００１９】一方、スリット１３外の固定部１８は構造
上静止しているので、この静止面に接する液体の場合に
は、振動方向と反対方向への力を受け、この部分で液体
が強制的に減速させられる。静止面での液体の減速率が
十分に大きい場合において、スリット１３内での液体の
速度勾配は、静止面が無い場合に比べて、即ちスリット
構造がない場合に比べてより大きくなることが予想でき
る。 【００２０】これらの結果として、スリット内における
液体の速度勾配は増加させられ、その結果、より大きな
粘性抵抗が得られる。以上のような原理によりスリット
構造を持つ本発明の音叉振動子は大きな粘度精度を有す
ることが期待できる。 【００２１】また、図１に示した従来の音叉振動子にお
いて、振動子がこのような大きな粘性抵抗を受けるため
には、振動子の旋断面積が増加させるか、振幅が増加さ
せるか、振動周波数が増加させるかのいずれかの変化が
あって達成されるものと思われるが、本発明では、これ
らの振動形態の変化を必要とすることなく粘度精度の向
上ができるという特長を有している。 【００２２】本体部１６及び固定部１８間のスリット１
３の幅も粘度感度に影響するので重要である。具体的に
は、スリット内部にある液体の速度分布と位相の状態に
ついて考慮することが必要となる。まず、液体の速度分
布については、静止液体中に振動面がある場合には、振
動面に接する液体は振動面と同方向、同速度で運動し、
振動面から離れた位置にある液体は振動面から離れるに
従って自己の粘性抵抗によって速度が低下する。次に、
液体の位相に関しては、振動面が往復振動している場合
には、液体中での運動には振動面から離れるに従って位
相遅れも生じてくる。 【００２３】この液体中での速度及び位相分布は、一般
的なニュートン流体で（Ｋ．Ｋｅｉｊｉ Ｋａｎａｚａ
ｗａ及びＪｏｓｅｐｈ Ｇ．Ｇｏｒｄｏｎ （ｂ）氏の
Ａｎａｌｙｔｉｃａ Ｃｈｅｍｉｃａ Ａｃｔａ、１７
５巻、１９８５年、９９〜１０５頁）によって解析され
ており、粘性液体中に伝わる振動波の減衰距離を意味す
る粘性侵入距離が次式のように示されている。 δ＝√（２η／ωρ） ここで、δは粘性侵入距離、ηとρは液体の粘度及び密
度、ωは振動面の角速度で周波数ｆを用いて表すとω＝
２πｆである。粘性侵入距離δは、ｆ＝１０ＫＨｚ、η
＝１０ｃＰ、ρ＝１ｇ／ｃｃの時に約１８μｍとなる
が、本発明の場合のスリット幅は、δの約１０倍以下の
大きさであることにより前記粘度感度の向上が大いに期
待でき、上記条件の場合では、約０．２ｍｍ以下のスリ
ット幅が望ましいと考えられる。 【００２４】このようにして作製された音叉振動子の粘
度感度の評価は、前記（１）及び（２）式における粘度
指数ｈ、ｊと比例定数ａ、ｃによって行うことができ、
具体的には以下の（３）及び（４）式のようなｆ及びＶ
の粘度感度式によって評価できる。ここでは特にη＝１
ｃＰ、ρ＝１ｇ／ｃｃの時の粘度感度ということで簡略
化した値になっている。また、形状の異なる音叉振動子
の比較を行うときには、空気中で無負荷の時のｆ、Ｖ出
力を各々ｆ ａｉｒ、Ｖ ａｉｒとすると、これらの値
で（３）及び（４）式を割った相対粘度感度を用いるこ
とで評価できる。 （δｆ／δη）＝ａ・ｈ ・・・（３） （δＶ／δη）＝ｃ・ｊ ・・・（４） 【００２５】実際の粘度・密度測定に際しては、音叉振
動子の各出力が持つ温度特性についても考慮が必要であ
る。まず、共振周波数ｆは、温度特性が基本的に音叉振
動子の形状又は材料特性によって決まり、これらが温度
変化によって変化しないことが望ましい。従って、音叉
振動子は、具体的に材料の熱膨張係数が重要であり、エ
リンバー合金、エルコロイ合金、Ｎｉ−Ｓｐａｎ Ｃ等
の熱膨張係数が０（／℃）に近い材料で作製されてい
る。 【００２６】次に、音叉振動子を駆動する圧電体の接着
方法も重要であり、接着部分の強度、熱歪みなどの機械
的特性や、誘電率、絶縁抵抗などの電気的特性などが温
度変化によって変化しないような接着材料及び接着方法
を選定することも重要である。これらのｆ温度特性対策
を施した上で、さらに僅かに残るｆ温度特性に関して
は、本発明において液体性状センサの近傍に設置せられ
ている温度センサを用いた温度補正処理を行えば、実用
上ｆの温度特性がセンサ出力に与える影響は無視できる
ほどに小さいものとなる。 【００２７】音叉振動子を用いた粘度センサを構成する
上で、振動子として図２のような幅が被検液体の粘性侵
入距離の約１０倍以下である２本のスリットを有する音
叉振動子を用い、振動周波数ｆと音叉振動子の二次側出
力電圧の実効値Ｖとを検出する方式を用いることによ
り、液体の粘度及び密度が同時に測定可能なセンサとす
ることができる。 【００２８】特に、本発明では、図１に示される従来の
音叉振動子に比べると、液体の粘度検出精度が大幅に向
上した粘度・密度センサを構成することができる。 【００２９】本発明による音叉振動子は図２のような構
造をしている。音叉振動子の両腕即ち振動部１２には、
上記２つのスリット１３、１３を有し、圧電体１４はこ
のスリットの間に配置せられ、スリットに挟まれた部分
を振動させる。圧電体１４は、外部からの入力信号によ
り駆動するものと、音叉振動子の振動を外部に出力する
ためのものの１対が図のように設置されている。本セン
サは小型、安価であると共に、構造が簡単であることか
ら機械的な強度にも優れ、内燃機関、インプラント内の
小空間、振動環境にも設置できる粘度・密度センサであ
る。 【００３０】本発明による液体性状センサは、以下のよ
うに評価した。図３は、液体性状センサを用いた粘度、
密度の測定システムの概略図である。まず、音叉振動子
は振動数が約１０ＫＨｚのものを図２のような形状で作
成した。音叉振動子は以下に述べる数種類の被検液体に
入れられ、発振回路により自走発振し、この発振周波数
ｆと音叉振動子の二次側出力電圧の実効値Ｖを各々周波
数カウンタとデジタルマルチメータで測定した。 【００３１】被検液体としては、軽油２号と特３号、灯
油、プロパノール、トリクレン、フロリナートＦＣ８４
とＦＣ７５の計７種類の液体を測定した。これらの液体
の粘度及び密度はあらかじめ別途計測用の粘度計と密度
計で測定しておき、さらに、上記の測定時の液体温度に
よって温度補正した粘度・密度の値を各々の測定時点で
の被検液体の粘度・密度の値であるとした。 【００３２】上記のように、７種類の液体にセンサを入
れたときの（ｆ、Ｖ）出力を測定し、（f１、η１、ρ
１）〜（ｆ７、η７、ρ７）と（Ｖ１、η１、ρ１）〜
（Ｖ７、η７、ρ７）という形式でｆ、Ｖに関して各々
７組のデータを採取した。次に、これらのデータより、
（１）及び（２）式のような形式で最も相関係数の高い
回帰式を求めて各々ｆ、Ｖに関する特性方程式とした。
下式は、このようにして求められた燃料性状センサの特
性方程式の一例である。 ｆ＝−１０３９η０．０３ρ０．７１＋１０９７６ ・・・（６） Ｖ＝−０．９９７η０．２７ρ０．１０＋１．８０２ ・・・（７） 【００３３】（６）及び（７）式において、（粘度指数
値）／（密度指数値）の値と、（３）及び（４）式で表
された粘度感度の値について、図１に示されるような通
常の音叉振動子の形状の場合での値と比べた結果を次の
表１に示す。ここで示されているように、本発明による
スリット音叉の粘度指数値の大きさと粘度感度はどちら
も通常音叉の場合よりも大きな値を有しており、本発明
によるスリット音叉の粘度感度は改善されていることが
わかる。 【００３４】 【表１】 【００３５】本発明によるスリット音叉及び通常音叉の
粘度・密度測定精度の評価を次のような実験方法により
行った。即ち、まず、前記方法により音叉の精度特性を
評価し、ｆ（η、ρ）及びＶ（η、ρ）の特性式を決定
した後、この式を用いて、あらためて各種液体の粘度と
密度の測定を行った。そして、測定精度としては、別途
計測器により測定した粘度及び密度の値を各々の真値と
した上で、図中の式にあるような方法で測定精度を算出
した。 【００３６】音叉振動子を用いた液体性状センサで、通
常音叉と本発明によるスリット音叉の粘度及び密度の測
定精度の評価結果を図４及び図５に示す。図中、従来音
叉とは通常形状の音叉のことである。図に示されている
ように、粘度、密度共に、測定精度はスリット音叉を用
いることで大幅に改善されていることがわかる。具体的
には、粘度測定精度で、約±２０％の測定精度であった
ものが約±５％に改善され、密度測定精度では、約±１
％の測定精度であったものが約±０．５％にまで改善さ
れている。これらの測定精度の改善の中で、特に粘度測
定精度の改善の程度は非常に大きいことが示されている
がこれは、表１に示した粘度感度の改善による結果であ
ったと考えられる。 【００３７】 【発明の効果】本発明により作製された粘度・密度セン
サは、構造が簡単、堅牢で、さらに小型の音叉振動子を
用いて作製できることから、ガソリンエンジン、ジーゼ
ルエンジンなどの内燃機関内の狭小空間内にも設置でき
る。さらには、携帯用の粘度・密度センサ、液体性状セ
ンサとしても利用できる。本発明による本体部１６の両
側にスリットを有する構造の音叉振動子を用いた粘度・
密度センサでは、通常形状の音叉振動子を用いた粘度・
密度センサに比べて高い粘度精度を有しており、その結
果、粘度測定精度が大幅に向上した粘度・密度センサと
して利用できる。
度を同時に計測することができる液体性状センサとして
利用できる音叉型圧電振動子に関する。 【０００２】 【従来の技術】昨今、多くの分野で産業システムの自動
化が進んでいる。自動運転の正確性、安全性及び最適化
のためには、リアルタイムで様々な物性値の計測が必要
となり、このための種々の液体性状センサの重要性が益
々高まっている。 【０００３】この中でも、水晶振動子を用いた発振型の
粘度センサは、近年小型で高精度な液体性状センサとし
て開発され、また「粘度測定装置」（特開昭６４−４７
９３２号公報）に開示されている。 【０００４】この粘度測定装置は、発振周波数が粘度及
び密度の積の平方根に比例するという特性から、粘度及
び密度の乗算値のみを測定していた。従って、粘度或は
密度の一方の値が既知である場合にのみ、他方の値が特
定されるという測定上の制約があった。 【０００５】一方、図１は、従来の音叉振動子を用いた
液体性状センサの概略斜視図である。図において、振動
部１２は、下部に圧電体１４が接着されて、圧電体１４
に外部電圧が印加されて振動部１２が振動される。この
音叉センサは、振動周波数ｆと、二次側出力電圧の実効
値Ｖに関して、液体の粘度ηと密度ρとの間に以下の
（１）及び（２）式のような出力特性を有している。 ｆ＝ａηh ρ1 ＋ｂ ・・・（１） Ｖ＝ｃηj ρk ＋ｄ ・・・（２） 【０００６】ここで、（１）式の粘度指数ｈは、密度指
数ｉに比較して著しく小さく、具体的にｈ〜１、ｉ〜０
であった。（２）式においては、粘度指数ｊ及び密度指
数ｋが同程度であり、ｊ〜ｋ〜０．５であった。従っ
て、（１）式では、ｆが略ρと比例関係にあり、また比
例定数ａの値も密度の測定精度を得る上で十分に大きな
値であることから、密度に関してはかなり正確な測定値
が得られた。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、粘度に
ついては、ｆに関する粘度指数ｈの値が非常に小さいこ
とや、（２）式における粘度指数ｊの大きさが密度指数
ｋに比べて同程度の大きさであることと、比例定数ｃの
大きさが粘度の測定精度を得る上では十分に大きくない
ことから、検出値が多くのバラツキを含み、粘度測定精
度がやや劣るという欠点を有していた。 【０００８】本発明は、音叉振動子を用いた小型で安価
なセンサ素子にして、液体の粘度及び密度の物性値が同
時に高精度で測定できる粘度・密度センサを提供するこ
とを目的とする。 【０００９】 【課題を解決するための手段】本発明によれば、基部で
結合された一対の振動部を備えた断面Ｕ字状の音叉型圧
電振動子において、前記振動部は、断面方向に延長した
スリットにより分離された固定部及び本体部を含み、前
記固定部及び前記本体部が一体形成され、各本体部に圧
電体が接着されたことを特徴とする。 【００１０】前記スリットの深さは液体粘性浸入深さの
略１〜１０倍であり、前記圧電体の幅が前記本体部の奥
行に等しく、或いは前記固定部の厚さが１ｍｍ以上であ
る。また、前記圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛又はチ
タン酸バリウムから形成され、前記振動部は、鉄、コバ
ルト、ニッケル、クローム、モリブデンからなる群から
選択される合金である。 【００１１】 【実施例】以下に図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。 【００１２】音叉振動子の（１）及び（２）の特性方程
式を用いて粘度及び密度測定を行う場合において、粘度
測定値に関するバラツキを少なくするためには、ｆ或は
Ｖの粘度感度を高めることが重要になる。即ち、（１）
及び（２）式の各数値に関しては、定数ａ、ｃの値は大
きい方がよく、粘度指数ｈ、ｊの値は密度指数ｉ、ｋに
比較して大きくすることが重要である。 【００１３】音叉振動子が液体中で振動する場合には、
液体の粘度や密度が振動に対する抵抗を生じて、上記の
（ｌ）及び（２）式のｆ、Ｖを低下させる。この低下の
度合が粘度、密度に対する感度ということになるのであ
るから、粘度精度を向上させてその結果として粘度感度
を増加させるためには、音叉振動子が液体の粘性抵抗を
多く受けるような構造にすることが重要となる。 【００１４】本発明では、音叉振動子に生じる液体から
の粘性抵抗を、振動部分の両側に、振動方向と平行なス
リットを形成することで増加させている。 【００１５】図２は、本発明による音叉振動子の概略斜
視図である。この図において、図１に対応する部材には
同一の符号が付してある。図において、２つの振動部１
２が基部１１で結合されて、断面Ｕ字状の音叉振動子を
形成している。各振動部１２には、奥行方向の両側に、
各々が断面方向に延長した２つのスリット１３が切削さ
れて、本体部１６と２つの固定部１８が一体形成され
る。圧電体１４はこのスリット１３で挟まれた本体部１
６の基部１１近傍に位置して、本体部１６のみが振動す
る。 【００１６】液体は、スリット１３内にも侵入し、本体
部１６が固定部１８によって液体の粘性抵抗を受ける。
この粘性抵抗の大きさは以下に述べるように振動面に接
する液体の速度勾配に比例し、比例定数が液体の粘度に
なる。 Ｆ＝Ａ・η・（ｄＶ／ｄｚ） 【００１７】ここで、Ｆは振動面の受ける粘性抵抗であ
り、Ａは振動面の面積、ηは液体の粘度、ｄＶ／ｄｚは
振動面に接する液体の速度勾配であり、ｚは振動面から
の距離である。上式において、粘度ηが等しい同一液体
の場合には、振動面の面積Ａあるいは速度勾配（ｄＶ／
ｄｚ）が大きい程大きい値の粘性抵抗Ｆを得ることが理
解される。 【００１８】本発明による粘性抵抗の増加効果は、以下
に述べるように、速度勾配（ｄＶ／ｄｚ）をスリット構
造によって増大させることによって達成している。スリ
ット１３内の液体は振動面から振動方向への力を受け、
振動面に接する液体は振動面と同じ速度で移動する。 【００１９】一方、スリット１３外の固定部１８は構造
上静止しているので、この静止面に接する液体の場合に
は、振動方向と反対方向への力を受け、この部分で液体
が強制的に減速させられる。静止面での液体の減速率が
十分に大きい場合において、スリット１３内での液体の
速度勾配は、静止面が無い場合に比べて、即ちスリット
構造がない場合に比べてより大きくなることが予想でき
る。 【００２０】これらの結果として、スリット内における
液体の速度勾配は増加させられ、その結果、より大きな
粘性抵抗が得られる。以上のような原理によりスリット
構造を持つ本発明の音叉振動子は大きな粘度精度を有す
ることが期待できる。 【００２１】また、図１に示した従来の音叉振動子にお
いて、振動子がこのような大きな粘性抵抗を受けるため
には、振動子の旋断面積が増加させるか、振幅が増加さ
せるか、振動周波数が増加させるかのいずれかの変化が
あって達成されるものと思われるが、本発明では、これ
らの振動形態の変化を必要とすることなく粘度精度の向
上ができるという特長を有している。 【００２２】本体部１６及び固定部１８間のスリット１
３の幅も粘度感度に影響するので重要である。具体的に
は、スリット内部にある液体の速度分布と位相の状態に
ついて考慮することが必要となる。まず、液体の速度分
布については、静止液体中に振動面がある場合には、振
動面に接する液体は振動面と同方向、同速度で運動し、
振動面から離れた位置にある液体は振動面から離れるに
従って自己の粘性抵抗によって速度が低下する。次に、
液体の位相に関しては、振動面が往復振動している場合
には、液体中での運動には振動面から離れるに従って位
相遅れも生じてくる。 【００２３】この液体中での速度及び位相分布は、一般
的なニュートン流体で（Ｋ．Ｋｅｉｊｉ Ｋａｎａｚａ
ｗａ及びＪｏｓｅｐｈ Ｇ．Ｇｏｒｄｏｎ （ｂ）氏の
Ａｎａｌｙｔｉｃａ Ｃｈｅｍｉｃａ Ａｃｔａ、１７
５巻、１９８５年、９９〜１０５頁）によって解析され
ており、粘性液体中に伝わる振動波の減衰距離を意味す
る粘性侵入距離が次式のように示されている。 δ＝√（２η／ωρ） ここで、δは粘性侵入距離、ηとρは液体の粘度及び密
度、ωは振動面の角速度で周波数ｆを用いて表すとω＝
２πｆである。粘性侵入距離δは、ｆ＝１０ＫＨｚ、η
＝１０ｃＰ、ρ＝１ｇ／ｃｃの時に約１８μｍとなる
が、本発明の場合のスリット幅は、δの約１０倍以下の
大きさであることにより前記粘度感度の向上が大いに期
待でき、上記条件の場合では、約０．２ｍｍ以下のスリ
ット幅が望ましいと考えられる。 【００２４】このようにして作製された音叉振動子の粘
度感度の評価は、前記（１）及び（２）式における粘度
指数ｈ、ｊと比例定数ａ、ｃによって行うことができ、
具体的には以下の（３）及び（４）式のようなｆ及びＶ
の粘度感度式によって評価できる。ここでは特にη＝１
ｃＰ、ρ＝１ｇ／ｃｃの時の粘度感度ということで簡略
化した値になっている。また、形状の異なる音叉振動子
の比較を行うときには、空気中で無負荷の時のｆ、Ｖ出
力を各々ｆ ａｉｒ、Ｖ ａｉｒとすると、これらの値
で（３）及び（４）式を割った相対粘度感度を用いるこ
とで評価できる。 （δｆ／δη）＝ａ・ｈ ・・・（３） （δＶ／δη）＝ｃ・ｊ ・・・（４） 【００２５】実際の粘度・密度測定に際しては、音叉振
動子の各出力が持つ温度特性についても考慮が必要であ
る。まず、共振周波数ｆは、温度特性が基本的に音叉振
動子の形状又は材料特性によって決まり、これらが温度
変化によって変化しないことが望ましい。従って、音叉
振動子は、具体的に材料の熱膨張係数が重要であり、エ
リンバー合金、エルコロイ合金、Ｎｉ−Ｓｐａｎ Ｃ等
の熱膨張係数が０（／℃）に近い材料で作製されてい
る。 【００２６】次に、音叉振動子を駆動する圧電体の接着
方法も重要であり、接着部分の強度、熱歪みなどの機械
的特性や、誘電率、絶縁抵抗などの電気的特性などが温
度変化によって変化しないような接着材料及び接着方法
を選定することも重要である。これらのｆ温度特性対策
を施した上で、さらに僅かに残るｆ温度特性に関して
は、本発明において液体性状センサの近傍に設置せられ
ている温度センサを用いた温度補正処理を行えば、実用
上ｆの温度特性がセンサ出力に与える影響は無視できる
ほどに小さいものとなる。 【００２７】音叉振動子を用いた粘度センサを構成する
上で、振動子として図２のような幅が被検液体の粘性侵
入距離の約１０倍以下である２本のスリットを有する音
叉振動子を用い、振動周波数ｆと音叉振動子の二次側出
力電圧の実効値Ｖとを検出する方式を用いることによ
り、液体の粘度及び密度が同時に測定可能なセンサとす
ることができる。 【００２８】特に、本発明では、図１に示される従来の
音叉振動子に比べると、液体の粘度検出精度が大幅に向
上した粘度・密度センサを構成することができる。 【００２９】本発明による音叉振動子は図２のような構
造をしている。音叉振動子の両腕即ち振動部１２には、
上記２つのスリット１３、１３を有し、圧電体１４はこ
のスリットの間に配置せられ、スリットに挟まれた部分
を振動させる。圧電体１４は、外部からの入力信号によ
り駆動するものと、音叉振動子の振動を外部に出力する
ためのものの１対が図のように設置されている。本セン
サは小型、安価であると共に、構造が簡単であることか
ら機械的な強度にも優れ、内燃機関、インプラント内の
小空間、振動環境にも設置できる粘度・密度センサであ
る。 【００３０】本発明による液体性状センサは、以下のよ
うに評価した。図３は、液体性状センサを用いた粘度、
密度の測定システムの概略図である。まず、音叉振動子
は振動数が約１０ＫＨｚのものを図２のような形状で作
成した。音叉振動子は以下に述べる数種類の被検液体に
入れられ、発振回路により自走発振し、この発振周波数
ｆと音叉振動子の二次側出力電圧の実効値Ｖを各々周波
数カウンタとデジタルマルチメータで測定した。 【００３１】被検液体としては、軽油２号と特３号、灯
油、プロパノール、トリクレン、フロリナートＦＣ８４
とＦＣ７５の計７種類の液体を測定した。これらの液体
の粘度及び密度はあらかじめ別途計測用の粘度計と密度
計で測定しておき、さらに、上記の測定時の液体温度に
よって温度補正した粘度・密度の値を各々の測定時点で
の被検液体の粘度・密度の値であるとした。 【００３２】上記のように、７種類の液体にセンサを入
れたときの（ｆ、Ｖ）出力を測定し、（f１、η１、ρ
１）〜（ｆ７、η７、ρ７）と（Ｖ１、η１、ρ１）〜
（Ｖ７、η７、ρ７）という形式でｆ、Ｖに関して各々
７組のデータを採取した。次に、これらのデータより、
（１）及び（２）式のような形式で最も相関係数の高い
回帰式を求めて各々ｆ、Ｖに関する特性方程式とした。
下式は、このようにして求められた燃料性状センサの特
性方程式の一例である。 ｆ＝−１０３９η０．０３ρ０．７１＋１０９７６ ・・・（６） Ｖ＝−０．９９７η０．２７ρ０．１０＋１．８０２ ・・・（７） 【００３３】（６）及び（７）式において、（粘度指数
値）／（密度指数値）の値と、（３）及び（４）式で表
された粘度感度の値について、図１に示されるような通
常の音叉振動子の形状の場合での値と比べた結果を次の
表１に示す。ここで示されているように、本発明による
スリット音叉の粘度指数値の大きさと粘度感度はどちら
も通常音叉の場合よりも大きな値を有しており、本発明
によるスリット音叉の粘度感度は改善されていることが
わかる。 【００３４】 【表１】 【００３５】本発明によるスリット音叉及び通常音叉の
粘度・密度測定精度の評価を次のような実験方法により
行った。即ち、まず、前記方法により音叉の精度特性を
評価し、ｆ（η、ρ）及びＶ（η、ρ）の特性式を決定
した後、この式を用いて、あらためて各種液体の粘度と
密度の測定を行った。そして、測定精度としては、別途
計測器により測定した粘度及び密度の値を各々の真値と
した上で、図中の式にあるような方法で測定精度を算出
した。 【００３６】音叉振動子を用いた液体性状センサで、通
常音叉と本発明によるスリット音叉の粘度及び密度の測
定精度の評価結果を図４及び図５に示す。図中、従来音
叉とは通常形状の音叉のことである。図に示されている
ように、粘度、密度共に、測定精度はスリット音叉を用
いることで大幅に改善されていることがわかる。具体的
には、粘度測定精度で、約±２０％の測定精度であった
ものが約±５％に改善され、密度測定精度では、約±１
％の測定精度であったものが約±０．５％にまで改善さ
れている。これらの測定精度の改善の中で、特に粘度測
定精度の改善の程度は非常に大きいことが示されている
がこれは、表１に示した粘度感度の改善による結果であ
ったと考えられる。 【００３７】 【発明の効果】本発明により作製された粘度・密度セン
サは、構造が簡単、堅牢で、さらに小型の音叉振動子を
用いて作製できることから、ガソリンエンジン、ジーゼ
ルエンジンなどの内燃機関内の狭小空間内にも設置でき
る。さらには、携帯用の粘度・密度センサ、液体性状セ
ンサとしても利用できる。本発明による本体部１６の両
側にスリットを有する構造の音叉振動子を用いた粘度・
密度センサでは、通常形状の音叉振動子を用いた粘度・
密度センサに比べて高い粘度精度を有しており、その結
果、粘度測定精度が大幅に向上した粘度・密度センサと
して利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の音叉振動子の概略斜視図である。
【図２】本発明による両側スリット構造を有する音叉振
動子の概略斜視図である。 【図３】本発明による液体性状センサを用いた粘度密度
測定システムの概略図である。 【図４】本発明による液体性状センサの粘度の測定精度
を示す図である。 【図５】本発明による液体性状センサの密度の測定精度
を示す図である。 【符号の説明】 １１ 基部 １２ 振動部 １３ スリット １４ 入力側圧電体（圧電素子） １５ 出力側圧電体 １６ 本体部 １８ 固定部
動子の概略斜視図である。 【図３】本発明による液体性状センサを用いた粘度密度
測定システムの概略図である。 【図４】本発明による液体性状センサの粘度の測定精度
を示す図である。 【図５】本発明による液体性状センサの密度の測定精度
を示す図である。 【符号の説明】 １１ 基部 １２ 振動部 １３ スリット １４ 入力側圧電体（圧電素子） １５ 出力側圧電体 １６ 本体部 １８ 固定部
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項ｌ】基部で結合された一対の振動部を備えた断
面Ｕ字状の音叉型圧電振動子において、 前記振動部は、断面方向に延長したスリットにより分離
された固定部及び本体部を含み、前記固定部及び前記本
体部が一体形成され、各本体部に圧電体が接着されたこ
とを特徴とする音叉型圧電振動子。 【請求項２】前記スリットの深さは、液体粘性浸入深さ
の略１〜１０倍である請求項１に記載の音叉型圧電振動
子。 【請求項３】前記圧電体の幅が前記本体部の奥行に等し
い請求項１又は２に記載の音叉型圧電振動子。 【請求項４】前記固定部の厚さが１ｍｍ以上である請求
項１又は２に記載の音叉型圧電振動子。 【請求項５】前記圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛又は
チタン酸バリウムから形成される請求項１〜４のいずれ
かに記載の音叉型圧電振動子。 【請求項６】前記振動部は、鉄、コバルト、ニッケル、
クローム、モリブデンからなる群から選択される合金で
ある請求項ｌ〜５のいずれかに記載の音叉型圧電振動
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9273557A JPH1194726A (ja) | 1997-09-19 | 1997-09-19 | 音叉型圧電振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9273557A JPH1194726A (ja) | 1997-09-19 | 1997-09-19 | 音叉型圧電振動子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1194726A true JPH1194726A (ja) | 1999-04-09 |
Family
ID=17529475
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9273557A Pending JPH1194726A (ja) | 1997-09-19 | 1997-09-19 | 音叉型圧電振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1194726A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006520906A (ja) * | 2003-03-21 | 2006-09-14 | サイミックス テクノロジーズ， インコーポレイテッド | 流体解析の制御用特定用途向け集積回路 |
| WO2008081181A1 (en) * | 2006-12-28 | 2008-07-10 | Highland Biosciences Limited | Biosensor |
| JP2009174930A (ja) * | 2008-01-23 | 2009-08-06 | Seiko Eg & G Co Ltd | 粘度測定装置及び粘度測定方法 |
| US7578172B2 (en) | 2006-10-18 | 2009-08-25 | Hyundai Motor Company | Symmetrical viscosity sensor |
| CN102353612A (zh) * | 2011-07-01 | 2012-02-15 | 北京航空航天大学 | 一种压电激励压电检测的谐振式音叉液体密度传感器 |
| CN102507369A (zh) * | 2011-10-10 | 2012-06-20 | 北京航空航天大学 | 一种电磁激励检测的谐振式音叉液体密度传感器 |
| US8689614B2 (en) | 2007-08-24 | 2014-04-08 | Highland Biosciences Limited | Apparatus and method for determining the results of assays |
| CN110208142A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-09-06 | 朝阳市加华电子有限公司 | 音叉式密度计 |
| CN114942055A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-08-26 | 国家石油天然气管网集团有限公司华南分公司 | 一种音叉液位开关及液位检测方法 |
-
1997
- 1997-09-19 JP JP9273557A patent/JPH1194726A/ja active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006520906A (ja) * | 2003-03-21 | 2006-09-14 | サイミックス テクノロジーズ， インコーポレイテッド | 流体解析の制御用特定用途向け集積回路 |
| US7578172B2 (en) | 2006-10-18 | 2009-08-25 | Hyundai Motor Company | Symmetrical viscosity sensor |
| WO2008081181A1 (en) * | 2006-12-28 | 2008-07-10 | Highland Biosciences Limited | Biosensor |
| US8845968B2 (en) | 2006-12-28 | 2014-09-30 | Highland Biosciences Limited | Biosensor |
| US9034264B2 (en) | 2006-12-28 | 2015-05-19 | Highland Biosciences Limited | Biosensor |
| US8689614B2 (en) | 2007-08-24 | 2014-04-08 | Highland Biosciences Limited | Apparatus and method for determining the results of assays |
| JP2009174930A (ja) * | 2008-01-23 | 2009-08-06 | Seiko Eg & G Co Ltd | 粘度測定装置及び粘度測定方法 |
| CN102353612A (zh) * | 2011-07-01 | 2012-02-15 | 北京航空航天大学 | 一种压电激励压电检测的谐振式音叉液体密度传感器 |
| CN102507369A (zh) * | 2011-10-10 | 2012-06-20 | 北京航空航天大学 | 一种电磁激励检测的谐振式音叉液体密度传感器 |
| CN110208142A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-09-06 | 朝阳市加华电子有限公司 | 音叉式密度计 |
| CN114942055A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-08-26 | 国家石油天然气管网集团有限公司华南分公司 | 一种音叉液位开关及液位检测方法 |
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