(57)【要約】 【課題】導電性を有する液体の粘度と導電率を、微少量の試料で測定することが可能な超音波粘度計を提供する。【解決手段】厚さ方向に大きな分極成分を有する短冊状圧電板の長さ方向のほぼ半分の領域に厚さ方向に対向する励振用対向電極対を形成した長さ方向縦振動モードの圧電センサ振動子を用い、無励振電極部側の端面から所定の長さの部分に、端面部分の厚さが最も薄くなるようなテーパ加工を施し、無励振電極部側の端面からおよそ圧電センサ振動子の全長の3分の1の位置に、試料液体の浸漬深さ検出用電極対を設けるとともに、無励振電極部側の前記浸漬深さ検出用電極対を形成した面と対向する面に導電率測定用電極対を設け、センサ振動子の支持固定部に、複数個の棒状、あるいは板状、あるいは枠状の圧電センサ振動子ガードを設ける。【選択図】  図12
2014081313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向に大きな分極成分を有する短冊状圧電板の長さ方向のほぼ半分の領域に厚さ方向に対向する励振用対向電極対を形成し、それぞれの対向電極からリード線を引き出すとともに、前記圧電板の長さ方向の中心部を支持固定した長さ方向縦振動モードの圧電センサ振動子を、この支持固定部を支持した状態で、前記短冊状圧電板の対向電極が形成されていない側の端面から所定の長さの部分を被測定試料液体に浸漬したときの、前記圧電センサ振動子の共振抵抗の変化量あるいは共振周波数の変化量から前記試料液体の粘度を測定する超音波粘度計用圧電センサ振動子、及びこれを用いた超音波粘度計
【請求項２】
前記圧電センサ振動子用の短冊状圧電板の対向電極が形成されていない側の端面から所定の長さの部分に、端面部分の厚さが最も薄くなるようなテーパ加工が施されている、特許請求項1に記載の超音波粘度計用圧電センサ振動子、及びこれを用いた超音波粘度計
【請求項３】
前記圧電センサ振動子用の短冊状圧電板の励振用対向電極対が形成されていない領域の少なくとも一方の面の先端からおよそ圧電センサ振動子の全長の3分の1の位置に、試料液体の深さを検出するための電極対を形成した、特許請求項1、及び特許請求項2に記載の超音波粘度計用圧電センサ振動子、及びこれを用いた超音波粘度計
【請求項４】
前記圧電センサ振動子用の短冊状圧電板の励振用対向電極対が形成されていない領域の、前記試料液体の深さを検出するための電極対が形成された面と対向する面に、試料液体の導電率を測定するため電極対を形成した、特許請求項1、特許請求項2、及び特許請求項3に記載の超音波粘度計用圧電センサ振動子、及びこれを用いた超音波粘度計
【請求項５】
前記圧電センサ振動子の支持固定部において、前記圧電センサ振動子の励振用対向電極対が形成された部分を有底のパイプに挿入、固定するとともに、前記圧電センサ振動子の支持固定部に、前記圧電センサ振動子の励振用対向電極対が形成されていない部分よりも長い、複数個の棒状、あるいは板状、あるいは枠状の圧電センサ振動子ガードを具備した、特許請求項1、特許請求項2、特許請求項3、及び特許請求項4に記載の超音波粘度計用圧電センサ振動子、及びこれを用いた超音波粘度計
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を用いて液体の粘度を測定することが可能な超音波粘度計に関し、特に、導電性を有する液体の粘度、及び導電率を極微小量の試料を用いて測定することが可能な超音波粘度計用圧電センサ振動子、及びこれを用いた超音波粘度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体の粘度を測定するために、回転式粘度計が一般的に広く使用されている。これに対して、測定が容易で比較的少量の試料により粘度の測定が可能な、超音波振動子を用いたいろいろなタイプの超音波粘度計が提案されており、その測定原理も非特許文献1に示されているようにほぼ解明されている。
超音波粘度計に用いられる圧電振動子には板状の圧電素子(以下、圧電板という)が用いられ、主要な振動変位が圧電板の面に平行である必要があり、圧電板の対向する二つの面が、面に平行な方向に互いに逆向きに変位する厚みすべり振動モードや、薄い圧電円板の直径が伸縮するように変位する面拡がり振動モードなどが利用されている。
【０００３】
特許文献1には、厚みすべり振動子を用いた粘弾性評価用弾性振動センサが開示されている。ここで用いられている圧電センサ振動子は、図1に示すように、XカットLiTiO3の単結晶からなる短冊状圧電板の両面に、長さ方向の中央部で対向し、互いに異なる端部に引き出された電極が形成されている。
図1に示された圧電センサ振動子の寸法は、共振周波数を4MHzとした場合であり、共振周波数を高くすることにより、さらに小形にすることも可能である。
【０００４】
図1の圧電センサ振動子の互いに異なる端部に引き出された電極にリード線を取り付け、図2に示すように、液体試料中に浸漬したときの圧電センサ振動子の共振抵抗の変化あるいは共振周波数の変化のいずれか、または、両方の特性から試料液体の粘弾性特性を求めることができる。
【０００５】
しかしながら、図2において、液体試料が導電性を有する場合、圧電センサ振動子の対向する電極端子間が電気的に一定の抵抗を介して短絡された状態となり、その抵抗値が液体試料の導電率により大きく変化することから、液体試料の粘度を正しく測定することが困難であった。
【０００６】
超音波粘度計により導電性液体の粘度を測定する方法として、特許文献2には、「測定溶液の導電率が高く、圧電振動子が安定に発振しない場合は圧電振動子の片面だけを測定溶液に接するようにするのが好ましい。」として、図3に示すように、圧電振動子の一方の面を板状部材3とシリコン樹脂部材4により封止する方法が開示されている。しかしながら、図3に示されるように、寸法が等しい対向電極を用いてエネルギー閉じ込め厚みすべり振動を励振する場合、液体試料の導電性のために液体試料と接触する面の電極面積が圧電振動子と液体試料とが接触する面積まで大きくなったように作用し、液体試料の導電率により圧電体の対向電極部の電界分布が変化し、その結果センサ振動子の特性が変化して液体試料の粘度を正確に測定することが困難になるという問題があった。
【０００７】
以上に説明した、特許文献1、及び特許文献2に開示されている超音波粘度計では、圧電振動子の振動モードとして厚みすべり振動モードが利用されているが、非特許文献2には、薄い圧電円板の面拡がり振動モードを利用することにより粘度の測定が可能であることが報告されている。
しかしながら、薄い圧電円板の面拡がり振動モードを利用する場合、圧電円板の両面には電極が形成され、圧電円板振動子の支持は、圧電円板の中心で行われるため、そのままの状態で圧電センサ振動子を、導電性を有する試料液体に浸漬すると、次の段落で詳しく説明するように、試料液体の導電率の影響により試料液体の粘度を正確に測定することができない。
【０００８】
一般に、超音波粘度計用圧電センサ振動子の電気的等価回路は、注目する共振周波数の近傍で図4のように表される。L1、C1、R1、Cdは粘度計用の圧電センサ振動子を大気中で測定した場合の等価回路定数であり、圧電センサ振動子を液体試料に浸漬した場合、液体試料の粘弾性特性によりL2とR2が付加されて共振周波数が低下するとともに共振周波数における抵抗値、いわゆる共振抵抗が大きくなる。超音波粘度計においては、このときの共振周波数の変化あるいは共振抵抗の変化のいずれか、または、両方から、液体試料の粘弾性特性を測定している。
しかしながら、圧電センサ振動子を、導電性を有する液体試料に浸漬すると、2つの電気端子に導電性液体が接触することになり、圧電センサ振動子の等価回路は、図4に示すように、圧電センサ振動子の端子間に、導電性液体の導電率による抵抗R0と導電性液体の誘電率による静電容量C0が並列に挿入された回路となり、圧電センサ振動子の共振抵抗や共振周波数が、これらの抵抗R0と静電容量C0抗により変化するため、導電性を有する液体の粘度を正しく測定することができなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2005-265576
【特許文献２】特開H04-32767
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】根岸勝雄、“振動で粘度を計る”、1995年、超音波テクノ、Vol.7,No.2,p15-18
【非特許文献２】今野和彦、他、”圧電横効果振動子を用いた液体の粘度測定実験”、計測自動制御学会東北支部第183回研究集会(1993,7,23)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、以上に示した従来の超音波粘度計用圧電センサ振動子の欠点を除去し、導電性を有する液体試料の粘度、及び導電率を微小量の試料で測定可能な超音波粘度計用圧電センサ振動子、及びこれを用いた超音波粘度計を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、厚さ方向に大きな分極成分を有する短冊状圧電板の長さ方向のほぼ半分の領域に厚さ方向に対向する励振用電極対を形成し、それぞれの対向電極からリード線を引き出すとともに、前記短冊状圧電板の長さ方向の中心部を支持固定した長さ方向縦振動モードの圧電センサ振動子を、この支持固定部を支持した状態で、前記短冊状圧電板の励振用対向電極対が形成されていない側の端面から所定の長さの部分を被測定試料液体に浸漬したときの、前記圧電センサ振動子の共振抵抗の変化量あるいは共振周波数の変化量から前記試料液体の粘度を測定する超音波粘度計用圧電センサ振動子、及びこれを用いた超音波粘度計が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、前記圧電センサ振動子用短冊状圧電板の励振用対向電極対が形成されていない側の端面から所定の長さの部分に、端面部分の厚さが最も薄くなるようなテーパ加工が施されている超音波粘度計用圧電センサ振動子、及びこれを用いた超音波粘度計が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、前記圧電センサ振動子用短冊状圧電板の励振用対向電極対が形成されていない領域の少なくとも一方の面の先端からおよそ圧電センサ振動子の全長の3分の1の位置に、試料液体の深さを検出するための電極対を形成した超音波粘度計用圧電センサ振動子、及びこれを用いた超音波粘度計が得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、前記圧電センサ振動子用短冊状圧電板の励振用対向電極対が形成されていない領域の、前記試料液体の深さを検出するための電極対が形成された面と対向する面に、試料液体の導電率を測定するため電極対を形成した、超音波粘度計用圧電センサ振動子、及びこれを用いた超音波粘度計が得られる。
【００１６】
さらに、本発明によれば、前記圧電センサ振動子用短冊状圧電板の支持固定部において、前記圧電センサ振動子の励振用対向電極対が形成された部分を有底のパイプに挿入、固定するとともに、前記圧電センサ振動子の支持固定部に、前記圧電センサ振動子の励振用対向電極対が形成されていない部分よりも長い、複数個の棒状、あるいは板状、あるいは枠状の圧電センサ振動子ガードを具備した超音波粘度計用圧電センサ振動子、及びこれを用いた超音波粘度計が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の圧電センサ振動子は、超音波粘度計の圧電センサ振動子として、短冊状圧電板の長さ方向縦振動モード振動子を用い、長さ方向縦振動を励振するための励振用対向電極対をこの短冊状圧電板の長さ方向の約半分の領域だけに形成しているため、残りの半分の領域の励振用対向電極対が形成されていない部分を被測定試料液体に浸漬することにより、導電性液体の導電率に影響されることなく、導電性液体試料の粘度を測定することができる。
【００１８】
また、本発明の圧電センサ振動子は、圧電センサ振動子の厚さを可能な限り薄く加工するとともに、圧電センサ振動子の励振用対向電極対が形成されていない部分の端面にテーパ加工が施されているので、圧電センサ振動子の振動する端面が試料液体から受ける振動の反作用による測定誤差を最小限に抑えることができる。
【００１９】
また、本発明の圧電センサ振動子は、導電性を有する試料液体に圧電センサ振動子が浸漬される深さが所定の深さに達したかどうかを検出するための浸漬深さ検出用電極対を具備しているため、常に一定の浸漬深さにおいて粘度の測定が可能になり、浸漬深さの変動による測定誤差を極力抑えることができる。
【００２０】
また、本発明の圧電センサ振動子は、導電性を有する試料液体の導電率を測定するための導電率測定用電極対を具備しており、前記浸漬深さ検出用電極対により、浸漬深さを一定の値に管理した状態での
導電率検出用電極対間の電気抵抗を測定することにより、試料液体の導電率を高精度に測定することができる。
【００２１】
さらに、本発明の圧電センサ振動子は、薄い短冊状圧電板の破壊を防ぐために、短冊状圧電板の被測定試料液体に浸漬する部分を囲むように、しかも試料液体と圧電センサ振動子の接触に影響を与えないように構成された圧電センサ振動子ガードを具備しているため、この圧電センサ振動子が、試料液体の容器やそのほかの物に当たったりした場合でも、圧電センサ振動子が簡単には壊れないため、測定が容易になる。しかも、圧電センサ振動子の寸法を、例えば、1mm×10mm×0.2mmとした場合、試料液体の量は、1ミリリットル以下あれば十分であり、極微小量の試料液体での粘度の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】特許文献1に開示されているLiTiO3すべり波振動子の構造図と形状である。
【図２】特許文献1に開示されているLiTiO3すべり波振動子を用いた液体の粘度測定状態の説明図である。
【図３】特許文献2に開示されている、被測定溶液の導電率が高い場合の圧電振動子保持構造の説明図である。
【図４】液体試料が導電性を有する場合の圧電センサ振動子の電気的等価回路である。
【図５】短冊状圧電板を用いた長さ方向縦振動子50の構造を示す斜視図である。
【図６】短冊状圧電板の長さ方向縦振動の1次共振モードにおける振動変位分布と応力分布を、下側に示した短冊状圧電板と対応してそれぞれ実線と破線で示した図である。
【図７】短冊状圧電板の長さ方向縦振動の2次共振モードにおける振動変位分布と応力分布を、下側に示した短冊状圧電板と対応してそれぞれ実線と破線で示す図である。
【図８】本発明の1つの超音波粘度計用圧電センサ振動子80の構造例を示す斜視図である。
【図９】本発明の別の超音波粘度計用圧電センサ振動子90の構造例を示す斜視図である。
【図１０】本発明のさらに別の超音波粘度計用圧電センサ振動子100の構造例を示す斜視図である。
【図１１】本発明のさらに別の超音波粘度計用圧電センサ振動子110の構造例を示す斜視図である。
【図１２】本発明のさらに別の超音波粘度計用圧電センサ振動子120の構造例を示す斜視図である。
【図１３】本発明の超音波粘度計用圧電センサ振動子を支持、固定するための支持固部材の構造例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図5は、短冊状圧電板を用いた長さ方向縦振動子50の構造を示す斜視図である。図5において、51は厚さ方向に分極処理された圧電セラミックスの細い板、すなわち短冊状圧電板で、厚さ方向に対向する2つの面のほぼ全面に励振用対向電極対52、53が形成されている。図5において、共振時の波長に比べて厚さと幅が十分に小さい場合に、厚さ方向に対向するように形成された励振用対向電極対に交流電圧を印加した場合には、主に図5の白い両矢印で示すような長さが伸び縮みするような振動が発生し、幅方向や厚さ方向の振動を無視することができる。
【００２４】
図6は、短冊状圧電板の長さ方向縦振動の1次共振モードにおける振動変位分布と応力分布を、下側に示した短冊状圧電板と対応してそれぞれ実線と破線で示しており、図6(a)は、短冊状圧電板の対向する面のほぼ全面に電極が形成されている場合、図6(b)は、短冊状圧電板の対向する面の半分の面に電極が形成されている場合である。  
圧電振動子においては、印加電界の分布に対応して応力が発生する。短冊状圧電板の長さ方向縦振動の1次共振モードにおいては、図6に示すように、短冊状圧電板の全体にわたって同一符号の応力が発生する。したがって、図6 (a)のように、短冊状圧電板の全面に対向電極が形成されている場合には、短冊状圧電板の長さ方向縦振動の1次共振モードを効率良く励振することができる。また、図6 (b)に示すように、短冊状圧電板の対向する面の半分の面に電極が形成されている場合には、図6 (a) と比較してちょうど半分の電極だけが応力分布と対応しているため、図6 (a)の場合と比較して半分の効率で励振できることがわかる。
【００２５】
図7は、短冊状圧電板の長さ方向縦振動の2次共振モードにおける振動変位分布と応力分布を、下側に示した短冊状圧電板と対応してそれぞれ実線と破線で示しており、図7(a)は、短冊状圧電板の対向する面のほぼ全面に電極が形成されている場合、図7(b)は、短冊状圧電板の対向する面の半分の面に電極が形成されている場合である。  
短冊状圧電板の長さ方向縦振動の2次共振モードにおいては、図7に示すように、短冊状圧電板の右半分と左半分の領域の応力の符号が互いに逆極性になる。したがって、図7 (a)のように、短冊状圧電板の全面に対向電極が形成されている場合には、発生する応力が打ち消され、短冊状圧電板の長さ方向縦振動の2次共振モードを励振することができない。一方、図7 (b)に示すように、短冊状圧電板の対向する面の半分の面に電極が形成されている場合には、電極の領域が応力の分布が同符号の領域と重なるため、短冊状圧電板の長さ方向縦振動の2次共振モードを効率良く励振することができる。
【００２６】
前に述べたように、圧電振動子においては、印加電界の分布に対応して応力が発生し、その応力分布が、圧電振動子が有する固有振動モードにおける応力分布に一致する割合の大きさにより、その固有振動モードすなわちその共振モードを励振する効率が定まる。したがって、一般的に、励振効率の高い圧電振動子を得る場合には、図6、及び図7について説明したように、その共振モードにおける応力分布に合わせて電極の配置、及び接続方法が決定される。
【００２７】
図8は、本発明の1つの超音波粘度計用圧電センサ振動子80の構造例を示す斜視図である。図8において、81は厚さ方向に分極軸成分を有する短冊状圧電板、82、83は短冊状圧電板81の長さ方向の概略半分の領域の両面に形成された励振用対向電極対、84は短冊状圧電板81の励振用対向電極対が形成されていない部分(以下単に無励振電極部という)である。無励振電極部84の領域は、以下に示す本発明の別の構造例を含めて必ずしも厚さ方向の分極軸成分を有している必要はない。
【００２８】
図8の短冊状圧電板81の励振用対向電極対82、83間に、短冊状圧電板81の長さ方向縦振動の共振周波数に等しい周波数の交流電圧を印加すると、短冊状圧電板81は、図5で説明したように、長さが伸縮するように振動する。今、印加する交流電圧の周波数を短冊状圧電板81の長さ方向縦振動の1次の共振周波数とすると、図7に示すように、短冊状圧電板81は、長さ方向の中央部を共振の節とし、両端部が共振の腹となるように振動する。ここで、短冊状圧電板81の長さ方向の中央部の共振の節の位置を支持した状態で、無励振電極部84の領域を試料液体に浸漬すると、短冊状圧電板81の無励振電極部84の表面と面に平行な振動に対する試料液体の反作用すなわち、試料液体の粘度による反作用により、圧電センサ振動子の共振抵抗、及び共振周波数が変化し、この共振抵抗の変化あるいは共振周波数の変化から、試料液体の粘度を測定することができる。
このとき、短冊状圧電板81の厚さをできるだけ薄くすることにより、短冊状圧電板81の振動する端面が試料液体から受ける振動の反作用が少なくなり、試料液体の粘度をより高精度に測定することができる。
【００２９】
図9は、本発明の別の超音波粘度計用圧電センサ振動子90の構造例を示す斜視図である。図9において、91は厚さ方向に分極軸成分を有する短冊状圧電板、92、93は短冊状圧電板91の長さ方向の概略半分の領域の両面に形成された励振用対向電極対、94は短冊状圧電板91の無励振電極部、95は短冊状圧電板91の無励振電極部94の端面近傍に形成されたテーパ加工部である。
【００３０】
前の段落で説明したように、短冊状圧電板の長さ方向縦振動モードを利用した超音波粘度計用圧電センサ振動子においては、振動端面の影響を少なくするために、圧電センサ振動子の厚さをできるだけ薄くすることが要求される。しかしながら、圧電板の材料は、セラミックスや単結晶など、いずれも比較的に脆い材料であるため、板の厚さを薄くすると壊れやすくなるという問題がある。図9に示す圧電センサ振動子90は、このような問題を解決する構造を有するものであり、短冊状圧電板91の無励振電極部94の端面近傍に先端部の厚さを最も薄くするようなテーパ加工部95が形成されている。このような構造とすることにより、短冊状圧電板91の厚さをより厚くしても、短冊状圧電板91の無励振電極部94の領域を試料液体に浸漬した場合に、短冊状圧電板91の振動する端面が試料液体から受ける振動の反作用が少なくなり、試料液体の粘度をより高精度に測定することができる。
【００３１】
図10は、本発明のさらに別の超音波粘度計用圧電センサ振動子100の構造例を示す斜視図である。図10において、101は厚さ方向に分極軸成分を有する短冊状圧電板、102、103は短冊状圧電板101の長さ方向の概略半分の領域の両面に形成された励振用対向電極対、104は短冊状圧電板101の無励振電極部、105は短冊状圧電板101の無励振電極部104の端面近傍に形成されたテーパ加工部、106、107は導電性を有する試料液体に対する浸漬深さ検出用電極である。  
【００３２】
図8、図9に示した本発明の超音波粘度計圧電センサ振動子を用いて試料液体の粘度を測定する場合、原理的に、圧電センサ振動子先端からの試料液体が浸漬されている深さにより測定される粘度の値が変化する。試料液体の表面が短冊状圧電板101の中央付近に近づくほど、短冊状圧電板101の中央部分の振動変位量が小さいため、浸漬深さの変動に対する測定される粘度の変化の割合は小さくなるが、浸漬深さが浅い場合には、浸漬深さの変動に対する測定される粘度の変化の割合が大きくなるため、浸漬深さの管理が重要になる。
図10において、浸漬深さ検出用電極106、107は、短冊状圧電板101の無励振電極部104の、端面から短冊状圧電板101の全長のおよそ3分の1の位置から短冊状圧電板101のほぼ中央部まで延びて、互いに短冊状圧電板101の無励振電極部104の一方の面内で幅方向に対向して形成されている。
短冊状圧電板101に印加する交流電圧の周波数を短冊状圧電板101の長さ方向縦振動の1次の共振周波数とすると、振動振幅は、図6に示すように、短冊状圧電板101の両端部で最大、中央部でゼロとなり、その間の位置では正弦波的に変化している。したがって、端面から短冊状圧電板101の全長のおよそ3分の1の位置の位置まで部分を試料液体に浸漬すれば、圧電センサ振動子100は試料液体による反作用の大部分を検出することが可能となるとともに、前述したように、この深さでは、深さのばらつきの影響が比較的小さくなるので、浸漬深さを検出するのに適した位置になる。短冊状圧電板101の長さ方向の中央部の共振の節の位置を支持した状態で、無励振電極部104の領域を試料液体に徐々に浸漬し、試料液体が浸漬深さ検出用電極106、107に接触すると、浸漬深さ検出用電極106と107間が電気的に導通状態になるため、この位置で粘度の測定を行うことにより、より高精度の測定が可能になる。
【００３３】
図11は、本発明のさらに別の超音波粘度計用圧電センサ振動子110の構造例を示す斜視図である。図11において、111は厚さ方向に分極軸成分を有する短冊状圧電板、112、113は短冊状圧電板111の長さ方向の概略半分の領域の両面に形成された励振用対向電極対、114は短冊状圧電板111の無励振電極部、115は短冊状圧電板111の無励振電極部114の端面近傍に形成されたテーパ加工部、116、117は導電性を有する試料液体に対する浸漬深さ検出用電極対、118、119は導電性を有する試料液体の導電率検出用電極対である。
【００３４】
図11に示す構造では、短冊状圧電板111の無励振電極部に形成された導電性を有する試料液体に対する浸漬深さ検出用電極対116、117と対向する面に、導電性を有する試料液体の導電率を検出するための導電率検出用電極対118、119が形成されている。導電率検出用電極対118、119は、浸漬深さ検出用電極対116、117よりも所定の長さだけ端面側に長く形成されている。
【００３５】
短冊状圧電板111の長さ方向の中央部の共振の節の位置を支持した状態で、無励振電極部114の領域を試料液体に徐々に浸漬し、試料液体が導電率検出用電極対に接触すると導電率検出用電極対118と119の間に試料液体の導電率による電気抵抗が発生し、その抵抗値は、試料液体の浸漬深さが増えるにしたがって小さくなる。試料液体が浸漬深さ検出用電極対116、117に接触した位置における導電率検出用電極対118と119の間の電気抵抗の値を測定することにより、導電率検出用電極対118と119の試料液体への接触深さが一定となるので、試料液体の導電率を高精度に求めることができる。
【００３６】
図12は、本発明のさらに別の超音波粘度計用圧電センサ振動子120の構造例を示す斜視図である。図12において、121は厚さ方向に分極軸成分を有する短冊状圧電板、122、123は短冊状圧電板121の長さ方向の概略半分の領域の両面に形成された励振用対向電極対、124は短冊状圧電板121の無励振電極部、125は短冊状圧電板121の無励振電極部124の端面近傍に形成されたテーパ加工部、126は支持固定部材、127は圧電センサ振動子ガード、128は有底中空ケース、129は外部接続端子である。
前述したように、短冊状圧電板の長さ方向縦振動モードを利用した超音波粘度計用圧電センサ振動子においては、振動端面の影響を少なくするために、圧電センサ振動子の厚さをできるだけ薄くすることが要求される。そのため、圧電センサ振動子が試料液体の容器などに触れた場合に壊れやすくなるという問題があった。
【００３７】
図12の圧電センサ振動子120の構造は、薄い圧電素子を用いた場合でも、圧電センサ振動子の破壊を防ぎ、測定作業を容易にすることが可能な圧電センサ振動子を提供するものである。
図12において、短冊状圧電板121の長さ方向の中央部は支持固定部材126により、長さ方向縦振動1次共振モードの振動にほとんど影響を与えない状態で支持固定されている。短冊状圧電板121に形成された励振用対向電極対、及び浸漬深さ検出用電極からは、外部接続端子129が引き出されている。
短冊状圧電板121の励振用対向電極対が形成された側は、短冊状圧電板121を含むように有底中空ケース128が支持部材126に固定されて、短冊状圧電板121が異物に当たるのを防ぐ構造になっている。
短冊状圧電板121の無励振電極側、すなわち、試料液体に浸漬する側には、枠状の圧電センサ振動子ガード127が支持部材126に固定されて装着され、短冊状圧電板121の無励振電極部124が異物に当たるのを防ぐとともに、短冊状圧電板121の無励振電極部124が試料液体と良好な接触を行うような構造となっている。
【００３８】
図13は、本発明の超音波粘度計用圧電センサ振動子を支持、固定するための支持固部材の構造例を示す斜視図である。図13において、支持固定部材130は、プラスチック製の枠状支持部材132と、シリコンゴムなどの軟弾性材料により成形された角リング状軟弾性支持部材133により構成されており、角リング状軟弾性支持部材133の中央部には、本発明の短冊状圧電板131の断面寸法にほぼ等しい開口部134が形成され、中央部の開口部134の少なくとも一方から、角リング状の支持部材133の開口部に向けて、開口部が広がっている構造になっている。この中央部の開口部134から、角リング状の支持部材133の開口部に向けて広がっている開口部は、短冊状圧電板121を前記支持固定部材130にセットした後で、シリコンゴムなどの軟弾性接着剤を注入して、前記短冊状圧電板131を前記支持固定部材130に接着固定するために使用される。
【００３９】
図13において点線で示しているのは本発明の圧電センサ振動子を構成する短冊状圧電板であり、図13からわかるように、プラスチック製の枠状支持部材132と軟弾性材料からなる角リング状軟弾性支持部材133はいずれも金型を用いて成形されているため、寸法精度が高く、短冊状圧電板131は、枠状支持部材122、及び角リング状軟弾性支持部材133の開口面に対して垂直に位置決めされている。
また、図12においては、本発明の短冊状圧電板131が長さ方向縦振動の1次共振モードで共振するときの振動の節の部分を、軟弾性体のシリコンゴムで支持しているため、支持、固定により、共振振動が減衰される割合が極めて小さくなり、高精度の粘度の測定が可能になる。また、135は枠状支持部材132に一体に成形された外部接続端子であり、短冊状圧電板131の励振用対向電極対、及び浸漬深さ検出用電極からのリード線を前記中央部の開口部134から前記角リング状軟弾性支持部材133の開口部において、これらの外部接続端子135と接続し、端子接続完了後に接着性を有するシリコンゴムなどにより接着固定することにより、より信頼性の高い圧電センサ振動子を得ることができる。
【００４０】
本発明の圧電センサ振動子に用いる短冊状圧電板の材質としては、PZTに代表される圧電セラミックスはもちろん、水晶、LiTaO3(タンタル酸リチウム)やLiNbO3(ニオブ酸リチウム)などの圧電単結晶を用いることができる。
また、本発明の圧電センサ振動子に用いる短冊状圧電板に形成した、励振用対向電極対、浸漬深さ検出用電極対、及び導電率測定用電極対は、いずれもリード線の取り付けを短冊状圧電板の長さ方向縦振動の1次共振における共振の節の位置で行うために、それぞれの電極対からリード線取り付け電極が前記共振の節の位置に引き出されている。
また、本発明の圧電センサ振動子の振動モードとして、短冊状圧電板の長さ方向縦振動の2次共振モードあるいは3次共振モードを利用することも、励振用対向電極対を含むそれぞれの電極の配置を、各共振モードにおける応力分布に合わせるとともに、支持固定を共振の節の位置で行うなどの配慮を行うことにより比較的容易に可能である。
【符号の説明】
【００４１】
50: 短冊状圧電板を用いた長さ方向縦振動子
80,90,100,110:圧電センサ振動子
51,81,91,101,111,121,131:短冊状圧電板
52,53,82,83,92,93,102,103,112,113,122,123:励振用対向電極対
84,94,104,114,124:短冊状圧電板の無励振電極部
95,105,115,125:無励振電極端面近傍のテーパ加工部
106,107,116,117: 浸漬深さ検出用電極対
118,119:導電率測定用電極対
126,130:支持固定部
127:枠状の圧電センサ振動子ガード
128:有底中空ケース
129,135:外部接続端子
132: 枠状支持部材
133: 角リング状軟弾性支持部材
134: 中央部の開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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