(57)【要約】３つの変数（密度（ρ）、粘度（η）、及び弾性率（ｃ））のうちの２つに関する情報を提供するシステム及び方法。一つの変数が独立して分かれば、残りの２つの変数を単一のセンサで測定することができる。本発明は、ほぼせん断水平の音波デバイス（“準せん断水平”）と流体との相互作用に依存する。マルチモード共振器又は導波路の２以上の音響共振状態又は導波モードの相互作用での微妙な差異を測定し、そこから、所望の流体特性を導き出す。最良の実施形態は、一方の共振モードが高度の対称性を有し且つ他方が高度の反対称性を有するデュアルモード結合共振器フィルタージオメトリである。マルチモードの動作の追加の情報と、流体環境で動作する水平偏波準せん断水平音波デバイスの固有の能力との組み合わせによって、マルチモード準せん断水平（ＭＭＱＳＨ）共振器が得られる。【選択図】なし
2011510305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密度、粘度、及び弾性率から選択された２つの流体特性を測定するシステムであって、
前記流体特性の第三のものの関連情報が既知であるか又は仮定され、
前記システムは、
前記流体に接触する測定表面と、エネルギー入力ポート及びエネルギー出力ポートと、少なくとも第一領域及び第二領域及びその間に規定された分離エリアとを有するマルチモード準せん断水平（ＭＭＱＳＨＲ）共振器と、
前記エネルギー入力ポートに結合された励振回路を備え、
前記励振回路は、少なくとも２つの周波数成分を有するエネルギーを与えるように構成され、前記周波数は、前記共振器の少なくとも２つの音響モードに対応し、前記エネルギーは、前記表面に共振運動を与え、前記２つの音響モードは、前記の異なる音響モードの共振周波数で励振されたときに前記表面に垂直な、互いに異なる振幅運動を生じさせるように選択され、
ＭＭＱＳＨＲ共振器に入力されるか及び／又はＭＭＱＳＨＲ共振器から出力されたエネルギーの少なくとも一つのパラメータを測定するように構成された測定回路と、
前記測定回路に結合され且つ前記第三の流体特性が既知であるか又は仮定されたときに前記２つの流体特性を計算するように構成されたパラメータ計算プロセッサを備えるシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記エネルギー入力が電気的エネルギー源に結合されており、
前記分離エリアの変位を監視する光学的又は機械的モニターをさらに備え、前記モニターは、前記測定回路に結合されているシステム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のシステムであって、前記測定回路から得られた情報を利用して前記流体特性を計算するための計算機又はコンピュータ回路をさらに備えるシステム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１つに記載のシステムであって、前記ＭＭＱＳＨＲは、圧電モノリシック結晶フィルターを備えるシステム。
【請求項５】
請求項１〜３の何れか１つに記載のシステムであって、前記ＭＭＱＳＨＲは、圧電横結合共振器フィルターを備えるシステム。
【請求項６】
請求項１〜３の何れか１つに記載のシステムであって、前記ＭＭＱＳＨＲは、電磁音響トランスデューサを備えるシステム。
【請求項７】
密度、粘度、及び弾性率から選択された２つの流体特性を測定する方法であって、
前記流体特性の第三のものの関連情報が既知であるか又は仮定され、
前記方法は、エネルギー入力と、前記流体に接触する測定表面とを有するマルチモード準せん断水平共振器（ＭＭＱＳＨＲ）を提供し、前記測定表面は、少なくとも第一領域及び第二領域、及びその間に規定された分離エリアを有し、
それぞれ第一及び第二音響モードを励振させる第一及び第二周波数で前記エネルギー入力ポートを介して前記ＭＭＱＳＨＲに励振エネルギーを供給し、前記音響モードのそれぞれは、前記表面に水平せん断波運動成分を生じさせ、第一周波数での励振は、前記領域を同相で相対運動させ、第二周波数での励振は、前記分離エリアにおいて前記表面の面に垂直な変位を誘起するように前記領域を異相で相対運動させ、第一周波数及び第二周波数でエネルギー関連パラメータを測定し、
前記エネルギー関連パラメータ及び前記第三流体特性の関連情報を利用して前記流体特性の２つを計算する工程を備える方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、前記エネルギー関連パラメータは、挿入損失、周波数シフト、位相シフト、振幅、電流変化、等価直列抵抗、又はこの組み合わせからなるリストから選択される方法。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の方法であって、前記ＭＭＱＳＨＲは、圧電結晶を備え、前記入力は、入力トランスデューサを備える方法。
【請求項１０】
請求項７〜９の何れか１つに記載の方法であって、前記計算工程は、前記計算された流体特性のそれぞれに対して別々に行う方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の方法であって、前記ＭＭＱＳＨＲは、出力トランスデューサをさらに備え、前記入力トランスデューサ及び前記出力トランスデューサは、対向する接地電極を基準とする方法。
【請求項１２】
請求項７〜１１の何れか１つに記載の方法であって、前記ＭＭＱＳＨＲは、バルク音波共振器、平面型共振器、及びせん断水平面音波共振器からなる群から選択された構造を採用する方法。
【請求項１３】
請求項７〜１２の何れか１つに記載の方法であって、前記弾性率は、次の数式に従って計算される方法。
【数２０】
2011510305.tif 000022
【請求項１４】
請求項７〜１３の何れか１つに記載の方法であって、前記粘度は、次の数式に従って計算される方法。
【数２１】
2011510305.tif 000023
【請求項１５】
請求項７〜１４の何れか１つに記載の方法であって、前記密度は、次の数式に従って計算される方法。
【数２２】
2011510305.tif 000024
【請求項１６】
請求項７〜１５の何れか１つに記載の方法であって、前記表面は、波形であり、前記方法は、前記波形に捕捉された流体によるエネルギー関連パラメータの変化に応答して前記流体密度を計算する工程をさらに備える方法。
【請求項１７】
請求項７〜１６の何れか１つに記載の方法であって、前記供給工程は、前記表面を第一及び第二周波数よりも多くの周波数で共振させるように追加の周波数との組み合わせで励振エネルギーを提供することを備える方法。
【請求項１８】
請求項１０〜１７の何れか１つに記載の方法であって、前記圧電材料は、前記励振に応答した複数のせん断モードを可能にするように結晶から切り出される方法。
【請求項１９】
請求項７又は８に記載の方法であって、前記ＭＭＱＳＨＲは、導電性材料を備え、前記励振エネルギーは、電磁気である方法。
【請求項２０】
請求項７〜１９の何れか１つに記載の方法であって、前記供給工程は、前記表面が前記周波数のそれぞれで前記流体に対して種々のせん断速度を与えるように少なくとも２つの周波数で異なるパワーレベルの組み合わせで励振エネルギーを提供し、前記測定が、変化するせん断速度でなされることを可能にすることを備える方法。
【請求項２１】
流体パラメータ測定システムであって、
バイアス磁場と、
振動磁場と、
共振器とを備え、
前記共振器は、
少なくとも導電性表面領域と、
前記バイアス及び振動磁場内に配置されたエネルギー捕捉構造とを備え、前記振動磁場は、前記導電性表面領域内で渦電流を生じさせ、
前記渦電流は、前記バイアス磁場と相互作用し、前記共振器内に時間調和力場を形成し、前記力場は、前記共振器の表面で準せん断水平音波を与え、前記音波は、少なくとも第一及び第二周波数を有し、
第一周波数は、少なくとも前記表面の第一領域及び前記表面の第二領域に同相で相対運動させるように選択され、第一及び第二領域は、その間に設けられた第一分離エリアを有し、
第二周波数は、前記表面の第三の領域と前記表面の第四の領域に異相で相対運動させ、前記第一及び第二領域は、その間に設けられた第二分離エリアを有し、
エネルギーを与えて第二周波数で共振を生じさせて第二分離エリアでの垂直変位を誘起し、
前記システムは、前記表面の選択領域の垂直変位を追跡するように構成された追跡器をさらに備えるシステム。
【請求項２２】
請求項２２に記載のシステムであって、第一分離エリアは、第二登録エリアと共に登録されているシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、センサに関連し、さらに詳しくは、流体の粘度、弾性率、及び密度用のセンサに関連する。
【背景技術】
【０００２】
流体特性の測定は、多くの産業及び民生機械及びプロセスにおいて重要である。多くの分野に適用可能であるが、流体特性の測定はミネラルオイル及び関連する合成品に基づいている潤滑及びパワートランスファー装置において重要な関心事である。これらの流体の機能性損失は、関連する装置の早期劣化や、ときには、壊滅的な故障に繋がる。
【０００３】
現在、このような流体の特徴解析は、主に、流体サンプルの実験室での解析を用いて達成される。連続モニタリングのためにセンサ装置内に直接配置するという要望が高まっている。
【０００４】
米国特許5,708,191,5,886,250,6,082,180及び6,082,181では、Greenwoodらは、音波が臨界入射角の近くで反射したときのその反射信号強度の変化を測定する入力及び出力トランスデューサを採用する濃度計センサデザインのファミリーを示す。これらの粘度計は、トランスデューサをサポートしている固体材料の液体ロード面からの音波の反射に基づいて粘度−密度積又は弾性−密度積を測定する。このセンサは、パルス又は連続波信号の少数の反射イベントで、固液境界からの波の反射係数を測定する。このような方法は、共振マルチ反射又は表面生成音波デバイスよりも測定量の感度及び解像度が低い。音波と固液界面との連続的な相互作用から、後者の方が感度が高い。個別反射の方法は、連続音波相互作用表面のような製造又は動作の簡潔さがなく、感度及び解像度も劣っている。個別反射の方法は、センサの測定された応答から密度情報を抽出するために、より一般的な圧縮波バージョンについては弾性率が固定されていることを仮定し、これより一般的でないせん断波バージョンについては粘度が固定されていることを仮定する。
【０００５】
密度−粘度積の測定は、圧電基材上に製造され且つ共振の横せん断モード共振をサポートする共振器（典型的には、ＡＴカットの石英結晶のディスク又はほぼＹカットのランガサイト）を液体に浸漬させ、共振周波数のシフト又は共振でのパワー損失を測定することによって行われる。さらに、せん断波音響モードを用いたマルチポール共振器に基づく２ポートデバイスが知られている。このようなデバイスとして、例えば、２０００年３月７日にAndleらに発行された米国特許6,033,852で説明されている、ＳＨ−ＳＡＷ（せん断水平面音波）、ＳＨＡＰＭ（せん断水平音響板モード）、ＭＰＳ（モノリシック圧電センサ）がある。
【０００６】
Martinらの米国特許5,741,961及び米国特許5,798,452は、表面処理が互いに異なる２つの音波センサが、粘度−密度積に対して実質的に同じ応答を示すが、密度に対して異なる応答を示す方法を開示する。参照センサは、粘度と密度の積に関するデータを提供し、平滑面を採用する。第二センサは、故意に粗くした表面を有する。この表面は、典型的には、ある量の流体を捕捉するために表面に溝又は穴を有する。追加された質量は、粘性的に同伴された液体のパワー損失及び周波数シフトとは別に、パワー損失がほとんど又は全く無い有限の周波数シフトをもたらす。密度−粘度積は、コモンモード周波数シフトにより入手可能である。この方法は魅力的であるが、特に２つのセンサが異なる基材上に製造される場合にセンサ−センサ間再現性において困難がある。
【０００７】
一対のせん断水平面音波（ＳＨ−ＳＡＷ、Ｌｏｖｅ波、表面横波などとしても知られている。）センサの一方にこのような溝を追加することも開示されている（Herrmanら  米国特許6,543,274）。このアプローチのＳＨＡＰＭセンサへの拡張がここでは意図される。この方法は、製造の複雑さ及び達成可能なダイナミックレンジを犠牲にしてより高い周波数、より小さいサイズ、及び改良された感度をもたらす。しかし、Herrmannは、両方のパラメータの測定に必要な２つの完全に分離されているが（波形以外について）同一のセンサ素子の使用を発見し、従って、これは、Martinデバイスのセンサ−センサ間の制限を克服しない。また、動作周波数がより高いので、粘度測定の精度が低下する。これは、レオロジーの分野で既知のせん断粘性低下(shear thinning)及びマックスウェル粘弾性問題を悪化させる。
【０００８】
２００６年３月７日に発行された米国特許7,007,546（タイトル「音波センサでの、測定、補償及び等価せん断速度の制御」）（その全体がここに参照によって取り込まれる。）では、本願の発明者は、粘度及びせん断速度の測定方法を開示した。その測定は、音波センサを利用し、流体に伝えられた所定パワーに応答した流体運動の特性速度の関数としてせん断速度と流体の粘度を計算することによって行われる。音波デバイスは、入力パワー、出力パワー、及び入力及び出力トランスデューサの間の選択領域での音波振幅の間の特性関係を有する。音波デバイスは、測定される流体に結合される。高調波信号の所定のパワーレベルＰｉｎが入力トランスデューサに加えられ、選択領域に音波を発生させる。出力パワーレベルＰｏｕｔは、出力トランスデューサで測定される。特性関係と入力及び出力パワーレベルを用いて、流体に与えた平均音波の振幅が計算される。選択領域での測定粘度を得るために流体の粘度を測定することは、周波数、粘度測定、及び音波振幅を用いて選択領域での流体のせん断速度を計算することを可能にする。この発明は、以下で説明する本発明と共に有益に利用可能である。
【０００９】
２００７年２月１４日に提出され且つUS-2007-0144240-A1として公開された米国特許出願No.10/597,487では、出願人は、測定される流体（例：液体又はガス）と接触している凹凸取り込み層を有する２ポートの二極結合共振器を説明した。この共振器は、流体の粘度及び密度の測定が可能である。しかし、凹凸取り込み層の製造は、このようなデバイスの複雑さを増大させる。それにも関わらず、10/597,487で開示されている構造及び方法は、本発明と共に実行可能である。凹凸面の採用は、本発明の種々の観点を具現化するために必要ではないことは注目される。
【００１０】
従って、できるだけ多くの流体のパラメータを測定可能で且つ単一のデバイスに統合されたセンサ及び測定方法には明らかな利点がある。このようなデバイスが考えられてきたが、これは、種々の不利益（例：製造複雑さ、予測不可能性、低精度など）に苦しんでいる。第三のパラメータが既知であるか又は仮定されたときに、３つのパラメータ（粘度、密度、及び弾性率）のうちの少なくとも２つを推測可能なセンサを提供することが本発明の目標である。センサを用いてこのような測定を行うシステム及び方法を提供することは、本発明の別の目標である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、粘度測定に関して当該技術で周知であるように、ほぼせん断水平の音波デバイス（“準せん断水平”）と流体との相互作用に依存する。より詳しくは、本発明は、マルチモード共振器又は導波路の２以上の音響共振状態又は導波モードの相互作用の微妙な差に依存する。最良の実施形態は、一方の共振モードが高度の対称性を有し且つ他方が高度の反対称性を有するデュアルモード結合共振器フィルタージオメトリである。マルチモード動作の追加の情報と、流体環境で動作する水平偏波準せん断水平音波デバイスの固有の能力との組み合わせによって、マルチモード準せん断水平（ＭＭＱＳＨ）共振器が得られる。
【００１２】
本発明は、３つの変数（密度（ρ）、粘度（η）、及び弾性率（ｃ））のうちの２つに関する情報を提供するものであり、一つの変数が独立して分かれば、残りの２つの変数を単一のセンサで測定することができる。
【００１３】
従って、密度、粘度、及び弾性率から選択された２つの流体特性を測定する方法であって、
前記流体特性の第三のものの関連情報が既知であるか又は仮定され、
前記方法は、エネルギー入力と、前記流体に接触する測定表面とを有するマルチモード準せん断水平共振器（ＭＭＱＳＨＲ）を提供し、前記測定表面は、少なくとも第一領域及び第二領域、及びその間に規定された分離エリアを有し、
それぞれ第一及び第二音響モードを励振させる第一及び第二周波数で前記エネルギー入力ポートを介して前記ＭＭＱＳＨＲに励振エネルギーを供給し、前記音響モードのそれぞれは、前記表面に水平せん断波運動成分を生じさせ、
第一周波数での励振は、前記領域を同相で相対運動させ、第二周波数での励振は、前記分離エリアにおいて垂直な変位を誘起するように前記領域を異相で相対運動させ、第一モード及び第二モードでエネルギー関連パラメータを測定し、
前記エネルギー関連パラメータと前記第三流体特性の関連情報を利用して前記流体特性の２つを計算する。
【００１４】
前記領域は、デバイス構造において物理的に線引きされている必要がなく、むしろ各モードでのデバイスの音響エネルギープロファイルによって規定可能である。
【００１５】
エネルギー関連パラメータは、例えば挿入損失、周波数シフト、位相シフト、振幅、電流変化、等価直列抵抗、この組み合わせなどから選択可能である。好ましい実施形態では、ＭＭＱＳＨＲは、圧電結晶と、入力トランスデューサを備える入力とを備える。最良の実施形態は、出力トランスデューサと、入力及び出力トランスデューサの基準となる接地電極とをさらに備える。しかし、非圧電材料や、ＭＭＱＳＨＲにエネルギーを与える他の方法も意図される。ＭＭＱＳＨＲが都合のいい構造（例：バルク音波共振器、平面型共振器、及びせん断水平面音波共振器）を採用可能であることは、注目される。
【００１６】
ある実施形態では、測定表面は、波形であってもよく、前記方法は、前記波形に捕捉された流体によるエネルギー関連パラメータの変化に応答して前記流体密度を計算する工程をさらに備える。
【００１７】
密度、粘度、及び弾性率から選択された２つの流体特性を測定するシステムであって、
前記流体特性の第三のものの関連情報が既知であるか又は仮定され、
前記システムは、
前記流体に接触する測定表面と、エネルギー入力ポート及びエネルギー出力ポートと、少なくとも第一領域及び第二領域及びその間に規定された分離エリアと、を有するマルチモード準せん断水平（ＭＭＱＳＨＲ）共振器と、
前記エネルギー入力ポートに結合され且つ前記表面に対して共振運動の２つの音響モードを与えるように構成された励振回路と、
ＭＭＱＳＨＲ共振器に入力されるか及び／又はＭＭＱＳＨＲ共振器から出力されたエネルギーの少なくとも一つのパラメータを測定するように構成された測定回路を備え、
前記２つの音響モードは、前記表面の表面の種々の領域で種々の極性関係を有する水平運動成分を生じさせるように選択される。
【００１８】
前記システムは、前記分離エリアの変位を監視する光学的又は機械的モニターをさらに備えてもよい。前記システムは、前記測定回路から得られた情報を利用して前記流体特性を計算するための計算機又はコンピュータ回路をさらに備えてもよい。
【００１９】
好ましい実施形態では、ＭＭＱＳＨは、圧電モノリシック結晶フィルターを備える。しかし、他の構造（例：圧電横結合共振器フィルター、及び電磁音響トランスデューサ）も意図される。
【００２０】
本発明は、前記表面が前記周波数のそれぞれで前記流体に対して種々のせん断速度を与えるように少なくとも２つの周波数で異なるパワーレベルの組み合わせで励振エネルギーを提供し、前記測定が、変化するせん断速度でなされることを可能にすることをさらに意図する。
【００２１】
本発明のさらに別の付加的な観点では、捕捉エネルギーの領域を規定する追加された質量の領域を備え、前記領域は、複数の横閉じ込めモードをサポートし、前記モードは、少なくとも一つのトランスデューサと相互作用し、前記トランスデューサは、横閉じ込め捕捉エネルギー共振器でのエネルギー損失に関連した電気的インピーダンスを提供する共振器が提供される
【図面の簡単な説明】
【００２２】
上記の要旨及び次の詳細な説明は、好ましい実施形態の詳細を示す添付図面に照らしてよりよく理解されるであろう。しかし、本発明は、図面に示したそのままの構成に限定されず、図面は、単に例として提供されることは注目すべきである。
【００２３】
【図１】図１は、理想的な条件下での選択された運動ベクトルを示すセンサ構造の基本的な実施形態である。
【００２４】
【図２】図２は、横方向に境界のない面での単純化した波伝搬を示す。
【００２５】
【図３】図３は、所定幅での単純化した波伝搬を示す。
【００２６】
【図４】図４は、対称及び反対称波プロファイルを示す、いくつかの励振モードでの単純化した波伝搬を示す。
【００２７】
【図５】図５は、好ましい実施形態の平面図を示す。
【００２８】
【図６】図６は、図５の実施形態の切り出し側面図を示す。
【００２９】
【図７】図７は、好ましい実施形態による、液体がある状態とない状態での動作モードの間の挿入損失の差を示す。
【００３０】
【図７ｂ】図７ｂは、付加的な波形に捕捉された液体によって生じる追加の周波数変化を示す。
【００３１】
【図８】図８は、２ポートＭＭＱＳＨ共振器の等価回路を示す。
【００３２】
【図９】図９は、ＭＭＱＳＨセンサを用いた、流体の粘度及び弾性率測定の単純化したフロー図である。
【００３３】
【図１０】図１０は、ＭＭＱＳＨセンサを用いた、流体の密度及び粘度測定の単純化したフロー図である。
【００３４】
【図１１】図１１は、ＭＭＱＳＨセンサを用いた、流体の密度及び弾性率測定の単純化したフロー図である。
【００３５】
【図１２】図１２は、流体パラメータの測定にＭＭＳＱＨを利用するシステムの単純化したブロック図である。
【００３６】
【図１３】図１３は、非圧電共振器を利用したシステムの単純化した機略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
専門家でない人の用語では、好ましい実施形態は、音波エネルギーが閉じ込められるエリアを取り囲む表面を有する圧電プレートを提供する。音響共振器の種々の複数の共振モードは、前記表面上の種々の場所において種々の極性関係を有する振動の運動を有する。共振モードは、最も好ましくは、単一の音波タイプの単一の厚さ高調波の、横方向に捕捉されたエネルギー非調和から全て導き出される。一般に、どのようなデバイスジオメトリであっても、３つのバルク音波タイプ及び少なくとも一つの表面波タイプが存在する。バルク波の１つは、準圧縮波であり、その他２つは、準せん断波である。最も好ましいケースは、可能な限り最高の圧電結合及び可能な限り最高度の水平偏波を有する準せん断波を用いることである。しかし、少なくとも２つの共振モードで２つの準せん断波タイプの基本的な非調和を用いて本発明を実施することが可能である。
【００３８】
最良の実施形態では、前記表面に対する接線方向（面内）運動が誘起される少なくとも２つの隣接領域がある。第一共振周波数では、２つの領域での接線方向運動は、同相（０°）であり、主に前記領域の外側エッジ（中心から離れたエリア）で垂直運動が誘起される。第二共振周波数では、前記領域での接線方向運動は、異相（１８０°）であり、前記領域の間のエリアは、第一共振周波数の場合よりもかなり大きい振幅の垂直運動を経験する。後述するように、これらの運動タイプの組み合わせを利用すれば、第三の特性が既知であるか又は仮定されたときに、測定される３つの流体特性（つまり、粘度、弾性率、及び密度）のうちの２つの測定が可能になる。サポートされている種々のモードの自然共振周波数以外の周波数での共振器を励振させると、種々の位相関係を有するエネルギー分布が得られ、このエネルギー分布は、面外の運動分布が異なる近接した周波数での音響共振の重なりを生成する事を当業者は、認識するであろう。複数の周波数でのこのような励振をさせた場合、程度が異なる面外運動が生じるが、自然共振周波数又はその近くので励振させることの利点は、当業者に明らかであるであろう。
【００３９】
これらの明細書では、垂直運動及び垂直変位という用語は、面外の運動又は変位、つまり、プレートのアクティブ面／表面に垂直な運動に関連する。
【００４０】
図１は、圧電プレート１を備え且つ領域２及び３においてプレート面に対してせん断水平運動を生じさせることによって結合共振器を形成する単純化したセンサを通る概略断面を表す。このような運動を誘起することは、当該技術で周知であり、例えば、トランスデューサ５及び６のそれぞれによって達成可能である。図１は、ある瞬間でのプレート運動をさらに示し、水平矢印９及び１０で示すように、領域２及び３が同相で運動している。２つの領域を分離する領域間スペース４には垂直運動がほとんど全く生じず、領域の端には、プレート面の「座屈」運動の結果として矢印７及び８で示す垂直運動が生じることが注目される。しかし、プレート領域２及び３が矢印９’及び１０’で示すように反対位相で運動するとき、分離スペース４には、大きな垂直運動が生じ、領域の端には、反対方向の垂直運動が生じる。後で明らかになるように、これらの２つの振動モードは、適切なデザインの単一のトランスデューサで励振可能であり、図面は、限定的なものと解釈すべきでない。
【００４１】
ほぼ純粋な水平せん断波励振は、最も好ましい実施形態である。しかし、所望の特性を有する多数の「傾いた」せん断波基材が知られている。非限定的な例としては、ＳＣカット石英は、傾いた準せん断水平モードを有し、振動及び加速度を感知しない点で優れている。周波数制御用途において、異なる面外成分を有する２つの波タイプを同時に励振させるために慣用されていることは注目される。この明細書では、単に例示的な目的で、本発明の理解を高めるために、純粋な水平偏波に集中しているが、同様の機能を生み出すために当業者によって認識されるであろうこのような基材の使用を本発明が含むことに注意すべきである。
【００４２】
本発明は、境界のない平面波と、有限のビーム幅を有する捕捉エネルギー波の間の周知の差を利用する。図２に概略的に示す単純化した例では、Ｙに沿った厚さがｔで波変位がＵＸ＝ＡＸｓｉｎ（ｎπＹ／ｔ）である単純なプレートを示す。プレートは、ｎが奇数の整数倍のときに共振をサポートする。しかし、図示のように、実用的には、ｎ＝１が好ましい。ｎが偶数の場合、ｃｏｓ（ｎπＹ／ｔ）依存性が必要である。しかし、ｎが偶数の場合、係属中の米国特許出願１１／８１４、０７４に開示の複合共振器を用いない場合には、厚さ電界励振に結合しない。このように，Ｙ＝０が中心であるＹ軸に沿った厚さｔであり且つＹに沿った電界がバルク結晶内にせん断Ｘ，Ｙ応力をもたらす圧電材料からなる材料の有限のプレートを検討する。音響変位ＵＸ（Ｙ）＝ＡＸｓｉｎ（ｎπＹ／ｔ）を有することによって応力のない境界条件を満足する共振条件が生じる。波は、Ｘ及びＺには境界を有さず、平坦面に対する接線方向（水平）偏波を有する純粋なせん断変位を有する。波は、波ベクトルＫｙ＝ｎπ／ｔを有する。変位及び波ベクトルのスカラー内積Ｕ・Ｋがゼロというせん断波条件が満足される。デバイスは、Ｙ方向の電界に電気的に結合された３つのバルク波タイプのそれぞれのｎ次周波数高調波のファミリーをサポートする。説明の明確さのために、この電界は、単一の準せん断水平バルク波にのみ結合し、単一シリーズの高調波が存在するということが仮定される。
【００４３】
このような理想的な共振器は、理想的な非粘性流体と相互作用を有さない。なぜなら、基材の純粋なせん断モードと、理想的な（非粘性）流体に存在しうる圧縮波の間に結合が存在しないからである。流体中のニュートン粘度η及び密度ρを考慮すると、流体内へのせん断波のエネルギー移動があるであろう。粘性効果がコヒーレントな音響振動からのエネルギーを熱に変換するからである。しかし、理想的な共振器の場合、圧縮波の放射がないであろう。
【００４４】
一次元のみに拘束される理想的な共振器は、現実的ではなく、実際の共振器は、有限の横方向の寸法を有する。Ｚに沿った有限の寸法ｗを導入することは、Ｕｘ（Ｙ，Ｚ）に横変動を導入する。Ｕｘ（Ｙ，Ｚ）は、単純にＵＸ（Ｙ，Ｚ）＝ＡＸｓｉｎ（ｎπＹ／ｔ）ｃｏｓ（ｍπＺ／ｗ）又はＡＸｓｉｎ（ｎπＹ／ｔ）ｓｉｎ（ｍπＺ／ｗ）として見積ることができる。ｃｏｓ（）を用いた数式は、奇数ｍと関連し、ｓｉｎ（）を用いた数式は、偶数ｍと関連する。
【００４５】
図３は、Ｙに沿った厚さがｔで、Ｚに沿ったエネルギー捕捉幅がｗで、波変位ＵＸ＝ＡＸｓｉｎ（ｎπＹ／ｔ）ｃｏｓ（ｍπＺ／ｗ）である単純なプレートを示す。プレートは、ｎ及びｍの整数倍について共振をサポートする。しかし、実際上は、図示のように、ｎ＝１が好ましい。実際には、捕捉は不完全であり、電界は、電極幅を超えてリークする。このような現実の共振器では、ｍの値は、各整数よりもわずかに小さい（Ｍ−δ）。分かりやすくするために、電極のＸ寸法の長さは示していない。
【００４６】
波ベクトルは、Ｚ成分Ｋｚ＝ｍπ／ｗを得る。しかし、Ｕ・Ｋ＝０というせん断波条件は、純粋なＸ偏波（純粋なせん断水平波）について、依然として満足されている。純粋なせん断解は、平面の境界の全ての点に接線方向偏波を有する。
【００４７】
図４は、Ｙに沿った厚さがｔで、Ｘに沿った有限の長さがｌ（エル）である単純なプレートを示す。モードプロファイル４０は、ｎ＝１及びｊ＝１に対する波変位をＵＸ＝ＡＸｓｉｎ（πＹ／ｔ）ｃｏｓ（πＸ／ｌ）、ｎ＝１及びｊ＝２に対する波変位をＵＸ＝ＡＸｓｉｎ（πＹ／ｔ）ｓｉｎ（２πＸ／ｌ）として示す。実際には、波には、電極を超えた有限の広がりがあり、ｊ＝Ｊ−δ。である。また、対応する振幅成分は、ｊ＝１に対してはＵＹ（Ｘ，Ｙ）＝（ｔ／ｌ）ＡＸｓｉｎ（πＸ／ｌ）ｓｉｎ（πＹ／ｔ）、ｊ＝２に対してはＵＹ（Ｘ，Ｙ）＝（２ｔ／ｌ）ＡＸｃｏｓ（２πＸ／ｌ）ｓｉｎ（πＹ／ｔ）で示される。
【００４８】
Ｘに有限の寸法を導入することは、Ｕｘに別の横変動を導入する。Ｕｘは、長さｌに対して、単純に、ＵＸ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝ＡＸｃｏｓ（ｊπＸ／ｌ）ｓｉｎ（ｎπＹ／ｔ）ｃｏｓ（ｍπＺ／ｗ）として見積もられる。波ベクトルは、Ｘ成分Ｋｘ＝ｊπ／ｌ。を得る。この場合、Ｕ・Ｋ＝０というせん断波条件は、追加の音響振幅ＵＹ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝ｊｔ／ｎｌ ＡＸｓｉｎ（ｊπＸ／ｌ）ｓｉｎ（ｎπＹ／ｔ）ｃｏｓ（ｍπＺ／ｗ）が無い限りは、もはや満足されない。振動方向に沿った有限の広がりがせん断垂直成分を生じさせ、純粋なせん断解は、もはや、デバイス表面で接線方法に偏波されない。これは、流体とこれに関連するエネルギー放射の間の界面の局所的垂直運動を生じさせ、流体中に圧縮波を放射させる。実際のデバイスでは、この効果は、純粋なせん断水平基材を選択し、モード数ｊを小さくし、長さに対する厚さの比が小さい電極を採用することによって最小化される。このように、一般的な知恵は、圧縮波放射を最小化するために大きい電極エリアを使用することを教示するが、これは，非調和モードを追加した場合に要求される周波数分離によって制限される。
【００４９】
ｊ＝２に関連する理想的なモードプロファイルは、電極長さに渡って積分された振幅がゼロであり、伝統的なＱＣＭ（石英結晶マイクロバランス）電極構造への結合が非常に弱いことが注目される。次のモードｊ＝３は、固体電極に対して非ゼロ結合を有し、既に提案したように単一のトランスデューサを有するＱＣＭで本発明を実施するために使用可能である。
【００５０】
モノリシック結晶フィルター（ＭＣＦ）に基づく実施形態では、少なくとも一つの表面が対向する接地電極を基準とする、入力及び出力電極に分割された電極を有する。このような２つのトランスデューサデバイスでは、ｊ＝１及びｊ＝２に関連する共振が結合され、マルチモードバンドパスフィルター応答を形成する。このような結合共振器構造は、好ましい実施形態である。なぜなら、この構造では、入力及び出力ポートが分離されており、これによって、電気移送機能が規定され、このようなデバイスの計装設計が単純化されるからである。
【００５１】
このように、要約すると、面に垂直な小さな運動が、図１において矢印７及び８で示すように、有限の寸法の全ての共振器で起こる。この運動は、面内運動９及び１０に定数ｋを掛けたものに比例しているとして見積もることができる。ｋは、プレートのアクティブエリアの、長さに対する厚さ（ｔ／ｌ）の比に比例しており、かつモード数の比ｊ／ｎにも比例している。上記の説明から、各モードがプレートの選択領域において異なる面外運動を誘起し、面外運動振幅が全ての実施形態においてｊに比例していることが導かれる。モード数ｊに比例して増大する面外運動は、ｊ２に比例したパワー損失ｔを生じさせる。
【００５２】
ＱＣＭに基づく実施形態では、ｎ及びｍの値が同じであるがｊの値が異なる奇数である少なくとも２つの共振周波数がＱＣＭ結晶を励振させるために使用可能である。主に粘性によって引き起こされるパワー損失は、少なくともこれら２つの共振周波数について同じであるが、運動垂直成分に関連するパワー損失は、ｊ値の二乗に比例して異なるであろう。電気的効率を考慮すると、ｎ＝１、ｍ＝１であり、２つの共振周波数モードに対するｊの値は１及び３であることが好ましい。冗長データを得て測定誤差を最小化するために追加の奇数ｊを用いることにも利点がある。より高いｊ次のモードの電気的結合は、典型的には１／ｊで減じられるので、モード数は、実際的な値に制限される。
【００５３】
本明細書では、モードという用語は、共振周波数又はその近くの周波数で結晶を動作させることによって得られる格納された音響エネルギーのパターンに関連する。実際の用途では、反対称的というラベルは、偶数値ｊにのみ適用され、本発明の最良の実施形態では、ｊ＝２から生じる。現在の教示に照らすと、当業者は、ｊの値が異なる任意の２つのモードが（デバイスの中心について対称的であろうとなかろうと）開示された発明の実施を可能にし、冗長データを得るために２つより多くのモードが採用可能であることを認識するであろう。モード選択の文脈では、「対称的」は、当該領域において、参照面の何れかのサイドへの同じ方向の面内運動を有するモードに関連し、「反対称的」は、前記領域において、反対の方向への面内運動を有するモードに関連する。
【００５４】
ＭＣＦに基づく好ましい実施形態は、分割された電極を有し、この実施形態では、接地電極１３に対して、入力電極１０及び出力電極１１の間でエネルギー移送が行われる。好ましい実施形態では、入力及び出力電極は、捕捉された音波エネルギーの大部分を集合的に含む２つの領域を組み込む。さらに、この２つの電極に関連する領域は、一つの選択されたモードについては、ギャップを挟む領域を接続する軸に基本的に平行な基本的に等しい横運動と、第二の選択されたモードについては、前記軸に平行な反対の横運動を有する。このタイプの運動は、結合された共振の厚させん断モードとして知られている。別の設計では、いわゆる厚さねじれモードが採用される。このモードでは、横運動軸が電極の間のギャップに平行である。これらの２つの条件の間の条件が存在するように電極及び結晶の位置合わせを行うことは可能である。運動軸がギャップに垂直である度合いが本発明によって呈される効果の度合いを決定する。
【００５５】
別の好ましい実施形態であるマルチモード構造は、ＴＣＲＦとして一般に知られている横結合共振器フィルターを採用し、最も好ましくは、せん断水平面−ガイド音波で実施される。ＴＣＲＦは、ＭＣＦに酷似しているが、表面音波（ＳＡＷ）デバイスでは周知なように波がトランスデューサ表面に捕捉され、Ｚ方向に周期的な変化を有する。この周期は、波を生成するために採用される櫛状トランスデューサ（ＩＤＴ）の周期に対応する。当業者は、準せん断水平ＴＣＲＦ導波路構造の偶数及び奇数のモードがＭＣＦのｊ＝１及びｊ＝２モードに類似していることを理解するであろう。
【００５６】
図５及び６は、本発明のシンプルな実施形態を示す。図５は、電極１０及び１１が堆積された圧電ディスク１２を示す平面図である。好ましくは、接地電極１３は、プレートの反対側に堆積される。しかし、いくつかの実施形態では、接地電極は、電極と櫛状にからみ合っており（interdigitated）、横電界励振の場合には、存在しない。図６は、側面図を示す。エネルギーＥが、自然共振周波数Ｆ１で電極１０及び／又は１１によってディスクに提供される（この場合、電極１０及び電極１１下での横運動が同相（０°））とき、面外の（垂直運動の）波振幅成分は、曲線Ｓで示される。エネルギーＥが、自然共振周波数Ｆ２で電極１０及び１１に提供される（この場合、電極１０及び電極１１下での横運動が異相（矢印１６及び１７で示すように１８０°））とき、面外運動は、曲線Ａで示される。従って、エッジ領域１４及び１４ａの垂直運動が対称及び反対称モードの両方に存在するが、領域間スペース４上の垂直運動１５の方がはるかに大きく、これは、ｊ＞１であるモードにのみ誘起されることが分かる。このような領域の数及び正確な場所は、ｊに依存し、ｊが偶数である場合にのみ、このような垂直運動領域が前記デバイスの中心に配置される。自然共振周波数そのもの以外の周波数で入力電極１０を励振させることが可能であるが、周波数の実質的なズレは、２つの自然共振モードの重なりを通じて電極１０及び１１下での横運動間に異なる位相関係を与えるであろうということを当業者は、認識するであろう。この開示に照らして、当業者は、再現可能で十分に小さいオフセット周波数の使用は、所望の流体特性を得るために解くことができる再現可能な因子を生じさせることをさらに理解する。従って、Ｆ１及びＦ２という記述は、好ましい実施形態を表すものであり、これらそのものが限定条件ではない。当業者は、構造の共振特性は表面の負荷の変化、温度、圧力及び他の環境影響と共に変化することを理解するであろう。さらに、説明では、エネルギーを電極１０に供給したが、これは、１つの任意的な動作モードに過ぎず、ここで提供される原理と本発明は、接地電極１３に対して電極１０及び１１の両方にエネルギーを供給するような等価な動作モードにまで及ぶ。
【００５７】
好ましい実施形態は、二極圧電デバイスを利用する。入力及び出力共振器は、基材を介して互いに結合され、相互に結合される。つまり、入力共振器を起源とする摂動は、出力共振器に到達し、その逆も成り立つ。これによって、所望の二極周波数移送機能が提供される。このような密結合を達成するために、入力及び出力トランスデューサの間の距離は、特定の共振器ジオメトリに特有であり且つ文献で広く公開されている方法によって計算又は近似可能である。一般に、計算は、最初に、一方の共振器の外側であって他方の共振器の方向にあるエバネッセント又は漏れ機械場(fringing mechanical field)の程度を見積もり、次に、一方の共振器の漏れ場(fringing field)と他方の共振器の漏れ場の重なりを評価することによって行う。相互作用の度合いが、前記共振器の間の結合因子を表す。計算の好ましい方法は、断面構造を、機械的振幅の連続性及び機械的ストレスの連続性の領域間での境界条件を有する複数領域の一次元導波路として扱うことである。このような境界値解析は、結合された微分方程式を生じさせ、この微分方程式は、結合構造及びこれに関連する周波数の対称及び反対称モードに対して解くことができる。この計算方法は、当業者に知られた多くのものの一つに過ぎず、都合のいいどんな方法でも使用可能である。前述の開示では、製造の簡単さのために略円形ジオメトリを採用したが、同様に適用可能な長方形、円形、楕円形、双曲線、放物線及び他の共振器形状が知られており、用途によっては好ましい。
【００５８】
図７に示すように、負荷のない動作モードと、液体をロードした状態の動作モードの間での挿入損失の差がある。これは、Ｆ１（ΔＳ）及びＦ２（ΔＡ）で又はその近くの周波数で測定される。低い方の周波数でのワット損ΔＳは、主に、デバイスと液体の間の境界でのせん断波エネルギー消散によるものである。しかし、高い方の周波数でのパワー損失ΔＡは、主に、粘性損失と、流体に放射された圧縮エネルギーによる追加の損失ΔＰからなる。ワット損は、典型的には、２ポートデバイス（例：ＭＣＦ又はＴＣＲＦ）に対する挿入損失として特徴付けられる。単一のポートＡＷＤ（例：ＱＣＭ又は横電界共振器）に対しては、損失エネルギーは、インピーダンス対周波数関数における抵抗項として観察される。抵抗の上昇は、より高い損失及びより低いＱ値(quality factor)の共振を表す。２ポート挿入損失は、図８での等価抵抗値に変換可能であり、これによって、解析の共通の基礎が得られる。
【００５９】
図８は、好ましい実施形態に従って動作する２ポートＭＭＱＳＨ共振器センサ用の等価回路を説明する。この現象のモデルは、２つのトランスデューサの、グラウンドに対する物理的電極静電容量を規定し、０°（Ｆ２での直列共振）及び１８０°（Ｆ１での直列共振）伝送位相を有する機械的共振によってこれらを結合させる。電極静電容量は、入力電極及び出力電極の物理的静電容量を表す。ＭＣＦの平行プレートについては、ＣｏをεＡ／ｔとして表現可能である。Ａは電極重なりエリアであり、ｔは厚さであり、εは誘電定数である。櫛形トランスデューサ及び横電界電極に対しては、より多くの完全な数式が知られている。一般には、材料の圧電結合係数ｋ２に基づく静電容量比を導入して、静電容量の観点から直列共振回路の運動静電容量を得る。別の方法では、上記の幾何学的因子及び圧電定数ｅ２６の観点から音響及び電気的回路の間の実効変圧器の電気機械的な巻数比を以下のように定義することも可能である。
【数１】
2011510305.tif 000003
この比を用いて、以下のように、共振器のｎ次高調波での運動静電容量Ｃｍｏｔを結晶の実効弾性定数Ｃ６６に関連させることが可能である。
【数２】
2011510305.tif 000004
運動インダクタンスＬｍは、所望の自然共振周波数に設定してもよく、以下のように結晶密度ρ及び厚さｔに近似的に関連させてもよい。
【数３】
2011510305.tif 000005
ＣｍｏｔとＬｍｏｔは、どちらも、有限の横方向の寸法やいわゆる非調和数ｍ又はｊを適切に説明しない。従って、Ｃｍｏｔを見積もり、次に、測定された自然共振周波数からＬｍｏｔを計算することがより好ましい。何れにしても、これらのパラメータは、デバイスを自然共振周波数以外の周波数で励起する場合にのみ必要とされる。この場合、インピーダンスは、複数の素子によって決定される。狭い共振幅及び中程度の損失を有するデバイスについては、共振での電気的性質は、純粋に、関連する運動抵抗によって決定される。なぜなら、自然周波数は、その定義により、インダクタンス及び静電容量が、その関連する伝送経路での直列共振を通じて打ち消される周波数を意味するからである。運動抵抗の結晶項は、モード数ｍ又はｊからほぼ独立しており、結晶粘度η６６の観点から次のように記述可能である。
【数４】
2011510305.tif 000006
これらのパラメータは、流体負荷が無い状態でのＭＣＦを記述する。低ＭＨｚ周波数バンドでの典型的なデバイスについては、Ｃｍｏｔは、フェムトファラッド、Ｌｍｏｔは、ミリヘンリー、Ｒｍｏｔは、単一のオームである。結果として生じる直列共振は、Ｑ値が以下のようになることが直感的に満足のいくものである。これは、結晶共振器の周知の周波数−Ｑ積である。
【数５】
2011510305.tif 000007
流体負荷の粘性効果は、Martinによって導出され、機械的なインダクタンス及び抵抗の増大によってモデル化可能である。これらの項は、以下のように記述可能である。ηＦ及びρＦは、それぞれ、流体のせん断粘度及び質量密度である。
【数６】
2011510305.tif 000008
【００６０】
抵抗について、見積りが必要な１つの追加の項が存在する。この項は、圧縮波放射抵抗を記述し、粗く近似すると以下のようになる。
【数７】
2011510305.tif 000009
この項がモード数ｊに依存し、ｊ値が異なる１つ以上のモードで抵抗測定を行うことが容易であるので、（ρＦηＦ）１／２及び（ρＦｃＦ）１／２の見積もりが可能である。
【００６１】
ΔＳ及びΔＡの間の差異は、
【数８】
2011510305.tif 000010
に関連する。特に、挿入損失は、流体負荷を加える前後での、ｊ＝１に関連した共振を見積もるために使用可能である。この場合、抵抗変化として表現されるΔＳは、以下の式を与える。
【数９】
2011510305.tif 000011
ｊ＝２に対する共振での抵抗変化ΔＡ（抵抗変化として表現される。）は、以下の式を与える。
【数１０】
2011510305.tif 000012
この式において、Ｋ２〜４Ｋ１である。また、その他のｊの値に対しては、
【数１１】
2011510305.tif 000013
である。ｊ＝１、２、３…に対して、Ｋｊ〜ｊ２Ｋ１であり、Ｋｏは、ｊに独立であると仮定される。εは、他の損失の合計を誤差項として表すが、これは、残りの議論を通じてゼロと仮定されるか又は黙示的に除かれる。現実のデバイスでは、Ｋｏは、モード数にわずかに依存し、平均が解析的に使用される。
因子４は、ｊ＝２の二乗に対応する。抵抗変化として表現される差を取ると、以下のように
【数１２】
2011510305.tif 000014
及び
【数１３】
2011510305.tif 000015
が得られる。
この連立方程式を解くには、３つの変数の一つが既知であるか又は仮定されていることが必要であり、このことは、これを用いたデバイス及び方法が２つの流体パラメータを測定することを可能にする。現実のデバイスでは、ｊの値は、正確には整数ではなく、その関連する項Ｋｊは、センサ較正を通じて得ることが最良であることに注意する。
【００６２】
上記の等式は、近似的であり、且つ好ましい実施形態に対する例示的なものに過ぎず、類似の等式及び方法では、異なる係数が用いられるであろうことに注意が必要である。共通の観点は、２つのモードの間の損失の差が流体密度と弾性定数の積に関する情報の推測を可能にし、圧縮放射がゼロになるように外挿することによって粘度と密度の積に関する情報の推測が可能になることである。
【００６３】
当業者は、この方法がモード数に対する損失項の線形曲線フィットを含み、このフィットの傾きから流体密度と弾性定数の積が得られ、モード数ゼロへの外挿によって粘度と密度の積に関する情報が得られることを認識するであろう。従って、２つより多くのモードの測定を行ってもよいことと、Ｋｊに関連する未知の流体特性項を得るために、上記の直接解の代わりに、最小二乗誤差フィットが有利に利用可能であることが明らかである。
【００６４】
従って、測定又は仮定された密度（ρＦ）が与えられたときに、流体の粘度（ηＦ）及び弾性率（ｃＦ）を測定するための方法が提供される。この方法は、図９に示され、Ｘ軸に沿った波振幅の複数の速度変化（モード数ｊｎ）に対応する複数の自然周波数を有するＭＭＱＳＨ共振器を提供することを含む。モード数ｊ１に対応し且つ傾きＫ１を有する第一自然共振周波数Ｆ１においてエネルギーＥでＡＷＤを励振させること（この場合、２つの異なる領域が同相で運動する。）９００、次に、モード数ｊ２に対応し且つ傾きＫ２を有する第二自然共振周波数Ｆ２においてエネルギーＥでＡＷＤを励振させること（この場合、２つの異なる領域が反対の位相で運動する。）９１０、対称挿入損失を測定すること９０５、反対称挿入損失を測定すること９１５、次に、流体が無い場合の既知の損失から損失の変化を計算すること。ここでは、Ｋ１及びＫ２は、ｊの第一及び第二の値に対する２つの既知の傾きを表し、必ずしも、前述の例のようにｊ＝１及びｊ＝２に関連している必要はない。
【００６５】
この明細書では、対称性及び反対称性は、２つの領域の相対運動を示し、デバイスの幾何学的中心についての特定の対称性を示すものではない。最良の実施形態では、運動の対称性及びジオメトリの対称性が等価であるが、多数の別の実装及び実施形態がある。
【００６６】
流体密度（ρＦ）を測定、見積、又は仮定９２０することによって、以下の式によって弾性率（ｃＦ）が計算可能であり、
【数１４】
2011510305.tif 000016
粘度（ηＦ）は、以下の式によって導出可能である。
【数１５】
2011510305.tif 000017
【００６７】
類似のセンサを用いて、弾性率（ｃＦ）が測定又は仮定された場合に流体の粘度（ηＦ）及び密度（ρＦ）を測定するための方法も提供される。この方法は、図１０に示され、モード数ｊｎの値に対応するＸ軸に沿った波振幅の複数の速度変化に対応する複数の自然周波数を有する圧電センサを提供することを備える。第一自然共振周波数Ｆ１においてエネルギーＥでＡＷＤを励振させること（この場合、２つの異なる領域が同相で運動する。）９４０、次に、第二自然共振周波数においてエネルギーＥでＡＷＤを励振させること（この場合、２つの異なる領域が反対の位相で運動する。）９５０、対称挿入損失を測定すること９４５５、反対称挿入損失を測定すること９５５、次に、流体が無い場合の既知の損失から損失の変化を計算すること。流体弾性率（ｃＦ）を測定、見積、又は仮定１０１０することによって、以下の式によって密度（ρＦ）が計算可能であり、
【数１６】
2011510305.tif 000018
粘度（ηＦ）は、以下の式によって導出可能である。
【数１７】
2011510305.tif 000019
【００６８】
さらに同様に、粘度（ηＦ）が測定又は仮定された場合に流体の密度（ρＦ）及び弾性率（ｃＦ）を測定するための方法も提供される。この方法は、図１１に示され、モード数ｊｎの値に対応するＸ軸に沿った波振幅の複数の速度変化に対応する複数の自然周波数を有する圧電センサを提供することを備える。第一自然共振周波数Ｆ１においてエネルギーＥでＡＷＤを励振させること（この場合、２つの異なる領域が同相で運動する。）９７０、次に、第二自然共振周波数においてエネルギーＥでＡＷＤを励振させること（この場合、２つの異なる領域が反対の位相で運動する。）９８０、対称挿入損失を測定すること９７５、反対称挿入損失を測定すること９８５、次に、流体が無い場合の既知の損失から損失の変化を計算すること。流体粘度（ηＦ）を測定、見積、又は仮定９９０することによって、以下の式によって中間項が計算可能であり、
【数１８】
2011510305.tif 000020
密度（ρＦ）は、以下の式によって計算可能である。
【数１９】
2011510305.tif 000021
及び弾性率（ｃＦ）は、中間項を二乗したものを密度で割ることによって計算可能である。
【００６９】
上述したように、米国特許出願No.10/597,487は、感知表面の基本的に全エリアに渡って液体を捕捉する波形の表面を利用して流体密度を測定することを教示する。この凹凸面は、本願に開示されている種々の観点を損なうことなくこれらの観点と共に実施可能であるので、‘487出願と本願の教示を組み合わせもさらに意図され、‘487出願で説明されている発明は、測定された流体密度を見積もるために使用され、これによって、単一のセンサによって得られる測定から密度、粘度及び弾性率の３つの特性パラメータを計算することが可能になる。図７ｂは、波形に捕捉された液体によって、周波数に追加の変化ΔＦが生じることを示す。当業者に十分に知られているように、この変化に加えて、粘度によって他の変化も生じうる。周波数シフトを知ることによって、必要な第三のピースの情報が得られる。これは、測定された密度を弾性及び粘度の解析で採用することを可能にする。‘４８７特許の方法を本発明に組み込む場合に考慮する必要があることは、波形に捕捉された流体の密度による質量負荷シフトΔＦｎを適切に説明するために、モード数ｊｎに対応して変化する周波数Ｆｎを適切に選択することである。
【００７０】
好ましい実施形態は挿入損失を測定されたパラメータとして利用するが、当業者は、直列等価抵抗、共振Ｑ、及び他の測定が流体による負荷によって同様に変化し、これらは挿入損失又は等価直列抵抗について説明した方法と等価に使用可能であることを認識するであろう。従って、挿入損失、抵抗、Ｑの変化、及び他の同様に生じたセンサパラメータのようなパラメータの使用は等価であると考えるべきであり、請求項と説明の両方は、これにまで及ぶ。
【００７１】
放射エネルギーの性質及び大きさは、流体弾性率ｃＦ及び流体密度ρＦ、及び表面に垂直な運動成分の平均二乗振幅｜ＵＹ｜２に依存する。放射エネルギーは、ｊ２に従って変化し、ｊ＝２とｊ＝１の間では、公称上４：１の差があり、ｊ＝３とｊ＝１の間では、公称上９：１の差がある。
【００７２】
さらに、明細書及び図面は、厚さ電界を通じた電気的励振を示しているが、横電界励振は、周知であり、等しく適用可能である。実際、本発明の範囲は、プレート１の面の運動がどのように励振されるかによって限定されず、圧電材料を使用することですら本発明の範囲の中心ではない。流体と接触した固体材料に閉じ込められる音波と電子回路を相互作用させる多数の他の手段が周知である。例えば、電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）は、このような別の実施形態の一つである。これは、バイアス磁場と相互作用する、基材上に堆積された導電ワイヤを使用するからである。当業者は、本発明の範囲がこのような励振方法にも及ぶこと認識するであろう。準せん断水平変位の軸に沿った横閉じ込めから生じる複数のモードを有する波をサポートする固体材料の少なくとも一つの表面が本発明の主に観点を可能にすることは当業者にとって明らかになるであろう。エネルギー捕捉は、非圧電材料でさえ音響共振器の質量負荷を通じて生じうる。せん断波は、磁気相互作用及び他の周知の方法を用いて非圧電材料上に励振可能である。従って、本発明は、このような共振器を用いることにまで及ぶ。追加された質量は、捕捉エネルギーの領域を規定し、その領域は、複数の横閉じ込めモードをサポートする。そのモードは、少なくとも一つのトランスデューサと相互作用する。このトランスデューサは、横閉じ込め捕捉エネルギー共振器でのエネルギー損失に関連した電気的インピーダンスを提供する。
【００７３】
実際、本発明のある実施形態は、伝統的なバルク音波共振器を採用する必要がなく、バルク音波共振器について上述した要件を満足させる結合波条件（つまり、第一及び第二モードがせん断表面振幅の極性(polarization)によって規定された軸に沿った、異なる横方向の振幅プロファイルを有すること。）が得られるならば音響プレートモード、せん断水平面音波などに基づく平面型共振器を用いて実施可能である。例えば、２つのこのような表面生成音波デバイスの導波構造を近接配置させることによって横結合共振器フィルターが形成される。運動の方向は、一方の結合モードに対しては両方の導波路で同じであり、他方に対しては逆平行である。
【００７４】
このように、例えば、さらに別の付加的な実施形態では、図１３は、このような金属共振器１３００とバイアス磁場１３１０を利用して動作するシステムの単純な概略図を示す。変化する周波数及び／又はパワーレベルで電流を提供可能なコントローラは、電磁石励磁器１３２０及び１３３０に対して振動エネルギーを供給する。共振器（例：金属ディスク１３００）は、少なくとも部分的にバイアス磁場及び振動磁場励磁器１３２０及び１３３０内に配置される。共振器１３００は、横閉じ込め用のエネルギー捕捉構造を有する。振動場によって引き起こされた渦電流は、金属ディスク内に時間調和の力場(time-harmonic force fields)を生成する。バイアス磁場の極性及び電磁石導体の方向を慎重に定めることにより、これらの力は、横閉じ込めが可能にする種々のモードに対応する数多くの自然周波数を有する準せん断水平音波を生じさせる。隣接した流体の粘度、密度、及び弾性によって生じる、運動に対する金属共振器の抵抗は、コイル間の移送損失の変化又は単一コイル内での抵抗損失の変化として観察される。これは、コイルと共振器の間の結合メカニズムの相互関係によって起こる。別の実施形態では、検出メカニズム（例：光学トランスミッター１３４０及びレシーバー１３５０）は、領域間に形成された分離エリアの運動を追跡し、所望の流体パラメータの計算に利用される情報を提供する。一つのモードで励振される領域又はその間の分離ゾーンが第二のモードのものと同じである必要がないことは注目されるが、好ましい実施形態は、計算を単純化し、共振器の非均一性の効果を最小化するようにこれらの領域が登録されている(in registration)ことを要求する。図１３が単なる単純化した非限定的な例示であって、他の実施形態が本発明の範囲内ありかつ当業者の範囲内であることを理解することは重要である。図面では、バイアス場及び駆動場の実際的な配置を描写する努力はなされていない。
【００７５】
本明細書で意図される流体パラメータを導出する好ましい最も単純なサポート回路は、図１２のブロック図のサブセットを用いる。共振周波数ＦＡは、ゼロ位相増幅器５２０のフィードバック素子としてセンサ素子５１０を採用することによって追跡される。ゼロ位相共振ＦＡでは、増幅器ゲインがセンサ素子損失を超え、ループの純位相が実質的にゼロ又は３６０°の倍数である場合に、このループ内で発振が起こるであろう。周波数は、周波数感知装置（例：周波数カウンタ５２５）によって測定される。
【００７６】
粘度及び密度を測定するために、共振周波数ＦＳは、１８０°増幅器５３０のフィードバック素子として、センサ素子５１０と周波数感知回路（例：周波数カウンタ５３５）を採用することによって追跡される。図示はしていないが、当業者は、周波数ミキシングなどのようなコモンモード周波数シフトを感知するために異なる回路が等価に適用可能であることを理解するであろう。米国特許出願公開2007-0144240-A1で教示された方法を用いて、ここで提供される数式と組み合わせて、例えばパワーレベルＰＩＮＡ及びＰＯＵＴＡ又はＰＩＮＳ及びＰＯＵＴＳの合計及び差異をそれぞれ用いて、上記提供された数式を利用することによって第三のパラメータが既知であるか又は仮定されれば、粘度、密度、及び弾性率からなる群の何れか２つのパラメータが計算可能である。
【００７７】
本発明のさらに別の観点は、入力及び出力と、ＭＭＱＳＨ共振器を少なくとも２つのモードで共振させるようにＭＭＱＳＨ共振器を励振させる回路と、ＭＭＱＳＨ共振器に入力されるか又はＭＭＱＳＨ共振器から出力されたエネルギーの少なくとも一つのパラメータを測定する回路とを有する圧電ＭＭＱＳＨ共振器を備えるシステムに及ぶ。２つのモードは、ＭＭＱＳＨ共振器の表面の種々の領域で異なる極性を有する接線方向運動を生じさせるように選択される。測定されるパラメータは、例えば、挿入損失、周波数シフト、位相シフト、振幅などである。
【００７８】
米国特許7,181,957及び7,219,537の教示は、本発明と共に有利に用いることができ、両方の特許は、ここに参照によって取り込まれることが注目される。
【００７９】
最良の実施形態は、入力及び出力電気ポート用の分離されたトランスデューサを有する。しかし、共通のポートを介して電気信号を入力及び出力することは同様に許可される。このようなデバイスは、入力及び出力を有するとみなされる。信号を電気的に生成し、ワット損の変化を検出するために光学的又は機械的に振幅を監視することも望ましい。これらの変形は、全て、準せん断水平ＡＷＤの複数のモードの複数のパワー損失を測定することの範囲内である。
【００８０】
単一の音波タイプに関連する複数のモードを採用することが好ましく、モード数ｎ及びｍが単一の値であることがさらに好ましく、ｎ＝ｍ＝１に対する準せん断水平波タイプを用いることが最も好ましい。ｎ及びｍのより高次のモードも適用可能である。両方の波タイプの励振を電気的にサポートする結晶カットにおいて、せん断波の２つの異なる偏波（例：Ｘ及びＺ偏波）を用いることも可能である。例えばＳＣ−石英及び類似の二重回転カットは、２つのせん断モードの励振を可能にする。当業者は、これらの２つのモードが、圧縮波生成のための損失寄与が異なる複数のモードを励振させる目的に適合し、本発明の基本的な教示を達成することに気付くであろう。
【００８１】
本発明は、単なる例示によってここまで説明してきたものに限定されないことは理解されるであろう。本発明の好ましい実施形態であると現在考えられているものを説明してきたが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、種々の他の実施形態、変更、及び修正が可能であり、従って、全てのこのような変更及び修正は、特許証が適用される本発明の本当の精神及び範囲内にあるものとして、カバーされることが意図されることは、当業者にとって明らかであろう。
【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７ｂ】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成22年7月14日(2010.7.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２２】
請求項２１に記載のシステムであって、第一分離エリアは、第二分離エリアと共に登録されているシステム。
【国際調査報告】
2011510305.tif 000039
2011510305.tif 000040