(57)【要約】【課題】環境測定装置及び環境測定方法において、同一地点におけるQCMセンサの腐食量と温度とを同時に測定すること。【解決手段】第１の水晶振動子３の表面に第１の電極５を設けてなり、第１の電極５の腐食量を測定する第１のQCMセンサ１と、第１のQCMセンサ１に近接して配置され、第１の水晶振動子３とはカットが異なる第２の水晶振動子４の表面に、第１の電極５と同じ材料の第２の電極６を設けてなる第２のQCM２センサとを有する環境測定装置による。【選択図】図１
2013029433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の水晶振動子の表面に第１の電極を設けてなり、前記第１の電極の腐食量を測定する第１のQCMセンサと、
前記第１のQCMセンサに近接して配置され、前記第１の水晶振動子とはカットが異なる第２の水晶振動子の表面に、前記第１の電極と同じ材料の第２の電極を設けてなる第２のQCMセンサと、
を有することを特徴とする環境測定装置。
【請求項２】
前記第１の水晶振動子のカットはATカットであり、前記第２の水晶振動子のカットはBTカットであることを特徴とする請求項１に記載の環境測定装置。
【請求項３】
温度変化と前記第１の電極の腐食に起因して生じる前記第１のQCMセンサの共振周波数の第１の変化量と、温度変化と前記第２の電極の腐食に起因して生じる前記第２のQCMセンサの共振周波数の第２の変化量とに基づいて、前記第１のQCMセンサと前記第２のQCMセンサの各々が設けられる環境の温度を算出する算出部を更に有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の環境測定装置。
【請求項４】
前記第１のQCMセンサと前記第２のQCMセンサを対にして複数設けると共に、
前記算出部が、前記環境内における前記温度の分布と、前記第１のQCMセンサで測定した前記腐食量の前記環境内における分布とを算出することを特徴とする請求項３に記載の環境測定装置。
【請求項５】
第１の水晶振動子の表面に第１の電極を設けてなる第１のQCMセンサを用いて前記第１の電極の腐食量を測定するステップと、
温度変化と前記第１の電極の腐食に起因して生じる前記第１のQCMセンサの共振周波数の第１の変化量を測定するステップと、
前記第１のQCMセンサに近接して配置され、前記第１の水晶振動子とはカットが異なる第２の水晶振動子の表面に、前記第１の電極と同じ材料の第２の電極を設けてなる第２のQCMセンサを用いて、温度変化と前記第２の電極の腐食に起因して生じる前記第２のQCMセンサの共振周波数の第２の変化量を測定するステップと、
前記第１の変化量と前記第２の変化量とに基づいて、前記第１のQCMセンサと前記第２のQCMセンサの各々が設けられる環境の温度を算出するステップと、
を有することを特徴とする環境測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境測定装置及び環境測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場やサーバルームには様々な電子機器が設置されるが、その電子機器が置かれる環境中には硫化水素ガスや塩素ガス等の腐食性ガスが含まれることがある。腐食性ガスは、電子機器を腐食してその特性を劣化させる原因となるので、電子機器が置かれる環境中の腐食ガスを監視するのが好ましい。
【０００３】
腐食ガスを監視するセンサとしてQCM(Quartz Crystal Microbalance)センサが知られている。QCMセンサは、水晶振動子の電極の質量が腐食により変化するとその腐食量に応じて共振周波数が減少する性質を利用し、極めて微量な質量変化を測定することができる質量センサである。
【０００４】
QCMセンサの共振周波数を測定すればリアルタイムに環境中の腐食ガスを監視できる。但し、腐食が進行する程度は、環境中の腐食ガスの濃度だけでなく、環境の温度にも依存するため、腐食ガスの監視と同時に環境の温度も測定できるのが好ましい。
【０００５】
更に、QCMセンサの共振周波数は環境の温度によって変化するため、QCMセンサに対して温度補正をするためにも環境の温度を測定するのが好ましい。
【０００６】
温度を測定してQCMセンサを補正する方法として様々な技術が提案されているが、いずれも改善の余地がある。
【０００７】
例えば、二つのQCMセンサを用意し、そのうちの一方を温度センサとして利用して、その温度センサの出力で他方のQCMセンサの測定値を補正する方法が提案されている。
【０００８】
このように温度センサとして使用するには、環境中でのQCMセンサの腐食を防止するために、温度センサ用のQCMセンサを密閉容器で囲う必要がある。但し、これでは密閉容器が邪魔で二つのQCMセンサを近接させることができず、環境中の同一地点における腐食ガスの量と温度とを測定することができない。
【０００９】
また、基本モードよりも周波数が高いオーバートーン周波数で水晶振動子を共振させて温度補正を行う方法も提案されている。しかし、電極が腐食したQCMセンサをオーバートーン周波数で使用するとその出力が不安定となるため、この方法は腐食量の検出には不向きである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−２６５４５９号公報
【特許文献２】特開２００４−１８４２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
環境測定装置及び環境測定方法において、同一地点におけるQCMセンサの腐食量と温度とを同時に測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以下の開示の一観点によれば、第１の水晶振動子の表面に第１の電極を設けてなり、前記第１の電極の腐食量を測定する第１のQCMセンサと、前記第１のQCMセンサに近接して配置され、前記第１の水晶振動子とはカットが異なる第２の水晶振動子の表面に、前記第１の電極と同じ材料の第２の電極を設けてなる第２のQCMセンサとを有する環境測定装置が提供される。
【００１３】
また、その開示の他の観点によれば、第１の水晶振動子の表面に第１の電極を設けてなる第１のQCMセンサを用いて前記第１の電極の腐食量を測定するステップと、温度変化と前記第１の電極の腐食に起因して生じる前記第１のQCMセンサの共振周波数の第１の変化量を測定するステップと、前記第１のQCMセンサに近接して配置され、前記第１の水晶振動子とはカットが異なる第２の水晶振動子の表面に、前記第１の電極と同じ材料の第２の電極を設けてなる第２のQCMセンサを用いて、温度変化と前記第２の電極の腐食に起因して生じる前記第２のQCMセンサの共振周波数の第２の変化量を測定するステップと、前記第１の変化量と前記第２の変化量とに基づいて、前記第１のQCMセンサと前記第２のQCMセンサの各々が設けられる環境の温度を算出するステップとを有する環境測定方法が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
以下の開示によれば、第１の水晶振動子と第２の水晶振動子の各々のカットが異なるため、第１のQCMセンサと第２のQCMセンサの各々の共振周波数の変化率が温度に対して異なる特性を示す。よって、第１のQCMセンサと第２のQCMセンサの共振周波数の変化率を利用することで、これらのQCMセンサが置かれている環境の温度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、第１実施形態に係る第１のQCMセンサと第２のQCMセンサの斜視図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る環境測定装置の構成図である。
【図３】図３は、第１実施形態に係る環境測定装置が備える第１の発振回路の回路図である。
【図４】図４は、第１実施形態において、第１のQCMセンサと第２のQCMセンサの各々の共振周波数の変化率と温度との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、第１実施形態の第１例に係る環境測定方法について説明するためのフローチャートである。
【図６】図６は、第１実施形態の第１例で使用する第１〜第３のグラフを示す図である。
【図７】図７は、第１実施形態の第２例に係る環境測定方法について説明するためのフローチャートである。
【図８】図８は、第１実施形態の第２例において、第１のQCMセンサと第２のQCMセンサの各々の周波数の変化量の一例を示すグラフである。
【図９】図９は、第２実施形態に係る環境測定装置の構成図である。
【図１０】図１０は、第２実施形態において、切り替え装置における切り替え手順を模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、第２実施形態において、第１のQCMセンサの共振周波数の第１の変化量と第２のQCMセンサの共振周波数の第２の変化量とを複数の時刻において測定し、その結果をセンサ対毎に表示したグラフである。
【図１２】図１２は、第２実施形態において、腐食量と環境の温度とをセンサ対毎に表示したグラフである。
【図１３】図１３は、第２実施形態において、環境中における各センサ対の配置例について模式的に示す図である。
【図１４】図１４は、第２実施形態において、各センサ対の測定結果をグラフ化した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
本実施形態では、工場やサーバルーム等の環境中の腐食ガスの濃度を推定するだけなく、その環境の温度をも測定できる環境測定装置について説明する。
【００１８】
図１は、その環境測定装置が備える第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２の斜視図である。
【００１９】
このうち、第１のQCMセンサ１は、第１の水晶振動子３の両面に第１の電極５を形成してなる。第１の水晶振動子３のサイズやカットは特に限定されない。本実施形態では、ATカットの水晶振動子を第１の水晶振動子３として使用すると共に、第１の水晶振動子３の平面形状を直径が約８mmの円形とする。
【００２０】
なお、ATカットの水晶振動子は、水晶の結晶軸のうちZ軸に対して約３５°１５′の角度で傾斜したカット面を有する水晶である。ATカットを特徴付けるパラメータとしては、上記の傾斜角（約３５°１５′）からのカット面のずれの角度もあり、当該角度は、２°４４′〜２°５４′程度の大きさである。
【００２１】
また、第１の電極５の材料は、検知の対象となる腐食ガスに応じて選択される。例えば、硫化水素を検出する場合には第１の電極５の材料として銀を使用し得る。また、塩素を検出する場合には、第１の電極５の材料として銅を使用し得る。
【００２２】
そして、第１の水晶振動子３の両面の各々の第１の電極５には、銅等を材料とする第１の導線７が電気的に接続される。その第１の導線７は、上記の第１の水晶振動子３を支持すると共に、樹脂等を材料とする第１の支持部１１に固定される。
【００２３】
一方、第２のQCMセンサは、第２の水晶振動子４の表面に第２の電極６を形成してなる。
【００２４】
第２の水晶振動子４は、その表面が第１の水晶振動子３の表面と平行になるように配される。そして、第２の水晶振動子４のサイズは第１の水晶振動子３と同一であり、第２の電極６の材料も第１の電極５の材料と同一である。
【００２５】
但し、第２の水晶振動子４のカットはBTカットであって、第１の水晶振動子３と異なる。なお、BTカットの水晶振動子は、水晶の結晶軸のうちZ軸に対して約−４９°の角度で傾斜したカット面を有する水晶である。
【００２６】
なお、第１の水晶振動子４と第２の水晶振動子４のカットは、互いに異なるものであれば上記に限定されず、ATカット、BTカット、CTカット、DTカット、GTカット、及びNTカットのいずれかであってもよい。これらのどのカットを選択するかは、測定対象の腐食ガスの種類や測定条件を考慮して決定し得る。
【００２７】
そして、第２の水晶振動子４の両面の各々の第２の電極６には、銅等を材料とする第２の導線８が電気的に接続される。その第２の導線８は、上記の第２の水晶振動子４を支持すると共に、樹脂等を材料とする第２の支持部１３に固定される。
【００２８】
第２の支持部１３は、振動吸収材１６によって第１の支持部１１に接着される。振動吸収材１６は、第１の水晶振動子３と第２の水晶振動子４の各々の振動を吸収し、これらの振動子同士が互いに干渉するのを防止するように機能する。そのような機能を有する材料としては、樹脂を材料とする接着剤がある。
【００２９】
ここで、第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２は、腐食ガスによる第１の電極５や第２の電極６の腐食量を測定するだけでなく、これらのセンサが置かれている環境の温度を測定するのにも使用される。
【００３０】
後述のように、その温度の測定は、第１の電極５と第２の電極６の腐食量が同じであることを前提にしている。そのため、第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２をなるべく近接させることにより、環境内において温度や腐食ガスの濃度が実質的に同一とみなせる領域内に第１の電極５と第２の電極６とを位置させ、これらの電極の腐食量を同一にするのが好ましい。
【００３１】
本実施形態では、第１の水晶振動子３と第２の水晶振動子４との間隔ｄを１mm以下とすることで、第１の電極５と第２の電極６の腐食量を実質的に同一にする。但し、間隔ｄが狭すぎると、第１の水晶振動子３と第２の水晶振動子４との間に環境内のダストが挟まったり、環境内の湿度が上昇したときにこれらの水晶振動子の間に水柱が形成されるおそれがあるので、間隔ｄは０．５mm以上とするのが好ましい。
【００３２】
図２は、本実施形態に係る環境測定装置の構成図である。
【００３３】
なお、図２において、図１で説明したのと同じ要素には図１におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００３４】
この環境測定装置１０は、上記した第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２の他に、第１及び第２の発振回路２１、２２、第１及び第２の周波数カウンタ２３、２４、及び制御部２５を有する。
【００３５】
第１及び第２の発振回路２１、２２は、それぞれ第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２を基本波モードで共振させるための回路である。
【００３６】
図３は、第１の発振回路２１の回路図である。なお、第２の発振回路２２の回路図もこれと同様なので、ここでは省略する。
【００３７】
図３に示すように、第１の発振回路２１は、インバータ２８と、第１及び第２の抵抗R1、R2と、第１及び第２のキャパシタC1、C2とを備える。
【００３８】
このような回路においては、インバータ２８が第１のQCMセンサ１と協働して並列共振回路を形成しており、第１及び第２のキャパシタC1、C2の容量値を適宜設定することで、第１のQCMセンサ１を発振させることができる。
【００３９】
なお、第１のQCMセンサ１を流れる水晶電流の大きさは第１の抵抗R1によって調節される。そして、インバータ２８には電源電圧Vddが印加されており、第２の抵抗R2がインバータ２８の帰還抵抗として機能する。
【００４０】
再び図２を参照する。
【００４１】
第１の周波数カウンタ２３と第２の周波数カウンタ２４は、それぞれ第１の発振回路２１と第２の発振回路２２に接続される。そして、第１の周波数カウンタ２３は第１のQCMセンサ１の共振周波数fATを測定し、第２の周波数カウンタ２４は第２のQCMセンサ２の共振周波数fBTを測定する。
【００４２】
制御部２５は、パーソナルコンピュータ等の計算機であって、CPU等の算出部２５ａと、ハードディスク等の記憶部２５ｂとを有する。このうち、算出部２５ａは、上記した各共振周波数fAT、fBTを用いて環境内の温度を算出する。
【００４３】
次に、この環境測定装置１０の動作原理について説明する。
【００４４】
硫化水素ガスや塩素ガス等の腐食ガスを含む環境中に第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２を置くと、その腐食ガスによって第１の電極５と第２の電極６（図１参照）の各々が腐食する。
【００４５】
上記のように、第１の電極５と第２の電極６は、材料とサイズが同一であると共に、間隔ｄを狭めたため実質的に同一の温度で同一濃度の腐食ガスに曝されるので、第１の電極５と第２の電極６の腐食量は同一とみなすことができる。
【００４６】
そのような腐食によって第１の電極５と第２の電極６の質量が変化し、第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２の各々の共振周波数fAT、fBTは変化することになる。
【００４７】
また、第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２の各々の共振周波数fAT、fBTは、第１の電極５と第２の電極６の質量の変化だけでなく、これらのセンサが置かれている環境の温度によっても変化する。
【００４８】
ここで、仮に、第１の水晶振動子３と第２の水晶振動子４のカットが同一であれば、温度変化が原因の共振周波数の変化量は第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２とで同一になる。
【００４９】
しかし、本実施形態では、第１の水晶振動子３のカットをATカットにし、第２の水晶振動子４のカットをBTカットにしたため、温度変化が原因の共振周波数の変化量は第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２とで違った値となる。
【００５０】
図４は、そのような共振周波数の変化量の違いについて説明するための図である。
【００５１】
上記のようにQCMセンサの共振周波数は温度によって変動する。以下では、温度が基準温度T0からTに増加したときの共振周波数fの変化量をΔTf表す。また、温度が基準温度T0のときのQCMセンサの共振周波数をf0で表す。そして、ΔTfとf0との比（ΔTf／f0）を共振周波数の変化率を呼ぶ。
【００５２】
図４では、第１のQCMセンサ１の共振周波数の変化率と温度との関係を示す第１のグラフAと、第２のQCMセンサ２の共振周波数の変化率と温度との関係を示す第２のグラフBとを併記してある。なお、基準温度T0は２７℃としている。
【００５３】
また、実線で示す第１のグラフAは、ATカットのカット面とZ軸との角度が、上記の３５°１５′から２°５４′だけずれた水晶振動子３を備えた第１のQCMセンサ１で測定としたときのグラフである。
【００５４】
図４に示すように、カット面の相違が原因で第１のグラフAと第２のグラフBは異なる曲線となる。このうち、第１のグラフAは、基準温度T0に変曲点が位置する温度Tの３次関数となり、第２のグラフBは、基準温度T0で最大値をとる温度Tの二次関数となる。
【００５５】
ここで、温度がTのときの第１のグラフAの値をδAT、温度がTのときの第２のグラフBの絶対値をδBTとすると、これらの和δAT+δBTは、温度Tが基準温度T0以上の領域で温度Tと一対一に対応している。
【００５６】
よって、和δAT+δBTの値が分かれば、その値に対応する温度Tを図４から読み取ることで、環境の温度Tが測定できることになる。
【００５７】
なお、上記のδBTは、温度Tの変化のみを考慮した場合の第１のQCMセンサ１の共振周波数の変化率の絶対値であるが、後述の式（７）のように、電極の質量変化を考慮した場合はその変化率はδATの１．４９７倍となる。そのため、実使用下においては、このような電極の質量変化も考慮して温度Tを測定するのが好ましい。
【００５８】
また、第１のグラフAの形状は、ATカットのカット面とR面との角度に依存する。例えば、当該角度を２°５４′程度に大きくすると、温度上昇に伴う共振周波数の増加が大きくなり温度Tが基準温度T0以上の領域で第１のグラフAと第２のグラフBとの乖離が大きくなって、和δAT+δBTを利用した温度Tの測定精度が向上する。
【００５９】
一方、温度Tが基準温度T0以下の領域において温度Tの測定精度を向上させたい場合には、ATカットのカット面とZ軸との角度が、既述の３５°１５′から２°４４′だけずれた水晶振動子３を備えた第１のQCMセンサ１で測定するのがよい。
【００６０】
図４の点線は、カット面がこのように２°４４′だけずれた第１のQCMセンサ１で測定した場合の第１のグラフAである。これに示すように、この角度では、温度Tが基準温度T0以下の領域で第１のグラフAと第２のグラフBとの乖離が大きくなるため、温度Tの測定精度が向上する。
【００６１】
上記したような原理に基づく温度Tの測定方法について以下に説明する。
【００６２】
上記のように、QCMセンサの共振周波数は、温度Tだけでなく、第１の電極５や第２の電極６の質量変化によっても変化する。これらの電極の質量が腐食によってMfだけ増加したときの共振周波数fの変化をΔMfで表す。ΔMfは、式（１）のSaurbreyの式によって表現できる。
【００６３】
【数１】
2013029433.tif 000003
但し、fqは基本共振周波数、ρqは水晶振動子の密度、Nはカットに依存する定数、Sは電極の表面積である。
【００６４】
ここで、第１のQCMセンサ１の共振周波数と基本共振周波数をそれぞれfAT、fATqとし、第２のQCMセンサ２の共振周波数と基本共振周波数をそれぞれfBT、fBTqとする。既述のように、腐食による電極の質量変化量Mfは第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２で同一とみなせるので、電極の腐食に伴う共振周波数の変化量ΔMfAT、ΔMfBTは式（１）から次のように表される。
【００６５】
【数２】
2013029433.tif 000004
【００６６】
【数３】
2013029433.tif 000005
但し、
【００６７】
【数４】
2013029433.tif 000006
なお、式（２）、（３）において、第１のQCMセンサ１に固有の量には添え字ATを付し、第２のQCMセンサ２に固有の量には添え字BTを付してある。これらの値は次のようになる。
【００６８】
NAT＝１．６７×１０5Hz・cm
NBT＝２．５×１０5Hz・cm
また、ρqの値は２．６５kg／cm3であり、第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２の各々において同一の値である。
【００６９】
式（２）の辺々の比をとると、次の式（５）が得られる。
【００７０】
【数５】
2013029433.tif 000007
ここで、本実施形態では、基準温度T0（２７℃）の場合における第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２の各々の基本共振周波数fATq、fBTqが同一の値f0になるように、これらのQCMセンサを設計する。
【００７１】
このようにすると、式（５）は次の式（６）のようになる。
【００７２】
【数６】
2013029433.tif 000008
これにより次の式（７）が得られる。
【００７３】
【数７】
2013029433.tif 000009
式（７）の左辺は、基準温度T0において、第１の電極５の質量が変動したときの第１のQCMセンサ１の共振周波数の変化率を表す。そして、式（７）の右辺の定数（１．４９７）を除く項は、基準温度T0において、第２の電極６の質量が変動したときの第２のQCMセンサ２の共振周波数の変化率を表す。
【００７４】
式（７）に示されるように、第１のQCMセンサ１の共振周波数の変化率（ΔMfAT／f0）と第２のQCMセンサ２の共振周波数の変化率（ΔMfBT／f0）は同一ではなく、前者は後者の１．４９７倍となる。
【００７５】
このような違いは第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２のカットの違いによって生じたものであり、以下では１．４９７のことをカット補正定数と呼ぶ。
【００７６】
ここで、上記のように、QCMセンサの共振周波数は、環境の温度と電極の質量の両方に依存する。
【００７７】
以下では、第１のQCMセンサ１において、温度と質量の両方の変化を加味した共振周波数の変化量をΔfATと書く。同様に、第２のQCMセンサ２において、温度と質量の両方の変化を加味した共振周波数の変化量をΔfBTと書く。
【００７８】
この場合、ΔfATは、第１の電極５の質量変化が原因の変化量ΔMfATと、温度変化が原因の共振周波数の変化量ΔTfATとの和として近似できる。図４より、温度変化が原因の共振周波数の変化量はδAT・f0に等しいので、次の式（８）が成立する。
【００７９】
【数８】
2013029433.tif 000010
同様に、第２のQCMセンサについては、次の式（９）が成り立つ。
【００８０】
【数９】
2013029433.tif 000011
なお、式（８）、（９）において、δATとδBTの前の符号を逆にしたのは、温度が基準温度T0以上の領域で第１のグラフA（図４参照）が正の値をとるのに対し、当該領域において第２のグラフBが負の値をとることによる。
【００８１】
そして、式（８）より次の式（１０）が得られ、式（９）より次の式（１１）が得られる。
【００８２】
【数１０】
2013029433.tif 000012
【００８３】
【数１１】
2013029433.tif 000013
式（１０）、（１１）を式（７）に代入すると次の式（１２）になる。
【００８４】
【数１２】
2013029433.tif 000014
これを整理すると、式（１３）となる。
【００８５】
【数１３】
2013029433.tif 000015
これより、式（１４）が得られる。
【００８６】
【数１４】
2013029433.tif 000016
ここで、δAT、δBTは、それぞれ次の式（１５）、（１６）で表されることが知られている。
【００８７】
【数１５】
2013029433.tif 000017
【００８８】
【数１６】
2013029433.tif 000018
但し、α、β、γ、λは水晶板の切断角度によって一意に定まる定数であって、αは１次周波数温度係数、βは２次周波数温度係数、γは３次周波数温度係数と呼ばれる。そして、λは、BTカットの温度係数と呼ばれる。
【００８９】
式（１５）、（１６）を式（１４）に代入することにより、次の式（１７）が得られる。
【００９０】
【数１７】
2013029433.tif 000019
式（１７）はTに関する３次方程式である。よって、ΔfATとΔfBTとを求め、この３次方程式の解を数値計算により求めることで、温度Tを測定することができる。
【００９１】
以下に、上記の原理を利用した本実施形態に係る環境測定方法について説明する。その環境測定方法は、式（１７）を数値計算で解く方法（第１例）と、図４のようにグラフを利用する方法（第２例）とがある。
【００９２】
・第１例
図５は、第１例に係る環境測定方法について説明するためのフローチャートである。
【００９３】
最初のステップＳ１では、算出部２５ａ（図２参照）が、第１のQCMセンサ１の共振周波数の第１の変化量ΔfATを算出する。
【００９４】
第１の変化量ΔfATは、第１の周波数カウンタ２３から第１の時刻t1における共振周波数fAT(t1)を取得し、更にそれから所定時間経過した第２の時刻t2における共振周波数fAT(t2)を第１の周波数カウンタ２３から取得し、それらの差（fAT(t2)−fAT(t1)）をとることで算出し得る。
【００９５】
また、これと共に、算出部２５ａが、第２のQCMセンサ２の共振周波数の第２の変化量ΔfBTを算出する。
【００９６】
第２の変化量ΔfBTは、上記の第１の時刻t1における共振周波数fBT(t1)と第２の時刻t2における共振周波数fBT(t2)を第２の周波数カウンタ２４から取得し、それらの差（fBT(t2)−fBT(t1)）をとることで算出し得る。
【００９７】
次いで、ステップＳ２に移り、ステップＳ１で取得した変化量ΔfAT、ΔfBTを利用して、算出部２５ａが、第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２が設けられている環境の温度Tを算出する。
【００９８】
その温度Tは、式（１７）に変化量ΔfAT、ΔfBTを代入し、数値計算により算出部２５ａが式（１７）の解を求めることで算出される。
【００９９】
次に、ステップＳ３に移り、第１のQCMセンサ１の第１の電極５の腐食量Mfを算出する。
【０１００】
腐食量Mfの算出にあたっては、まず、算出部２５ａが上記の式（１５）に温度Tを代入してδATを算出する。
【０１０１】
そして、このδATとステップＳ１で求めたΔfATとを式（１０）に代入してΔMfATを算出する。更に、次の式（１８）のように、既述のSaurbreyの式にΔMfATの値を代入することで、腐食量Mfが算出される。
【０１０２】
【数１８】
2013029433.tif 000020
この腐食量Mfは、式（１５）を介して温度Tが反映されたδATを利用して算出されたため温度補正がなされており、温度Tを考慮した正確な値となる。
【０１０３】
その後、ステップＳ４に移り、ステップＳ２で求めた温度Tと、ステップＳ３で求めた腐食量Mfとを、記憶部２５ｂに格納する。
【０１０４】
以上により、本例に係る環境測定方法の基本ステップを終了する。
【０１０５】
・第２例
図６は、本例で使用する第１〜第３のグラフA〜Cを示す図である。
【０１０６】
これらのグラフのうち、第１のグラフAは、図４の第１のQCMセンサ１の共振周波数の変化率を示す第１のグラフAと同一である。そして、第２のグラフBは、図４の第２のQCMセンサ２の共振周波数の変化率を示す第２のグラフBと同一である。
【０１０７】
また、第３のグラフCは、第２のグラフBにカット補正定数（１．４９７）を乗じて得られたグラフである。この場合、温度Tにおける第２のグラフBの値の絶対値がδBTのとき、その温度Tにおける第３のグラフCの値の絶対値は１．４９７δBTとなる。
【０１０８】
更に、温度Tのときの第１のグラフAの値はδATであるから、当該温度Tにおける第１のグラフAと第３のグラフCの差Dは、δAT＋１．４９７δBTに等しくなる。
【０１０９】
この値（δAT＋１．４９７δBT）は、式（１４）によれば、（ΔfAT−１．４９７ΔfBT）／f0に等しい。
【０１１０】
よって、ΔfATとΔfBTからDを求め、第１のグラフAと第３のグラフCとの差がDとなるような温度Tを見つけることで、温度Tを算出することができる。例えば、図６の例では、温度Tが６０℃であると算出できる。
【０１１１】
特に、第３のグラフCは上に凸の２次関数を表し、第１のグラフAは基準温度T0（２７℃）以上の領域において増加する３次関数を表すため、当該領域において第１のグラフAと第３のグラフCは互いに大きく乖離する。その乖離の程度は、第１の水晶振動子３（図１参照）第２の水晶振動子４の各々のカットを同一にする場合の凡そ４倍になるため、この方法では温度Tを精度よく測定できることになる。
【０１１２】
本例では、第１のグラフA〜第３のグラフCが予め記憶部２５ｂに格納されており、これらのグラフを参照することで次のように算出部２５ａが温度Tを算出する。
【０１１３】
図７は、本例に係る環境測定方法のフローチャートである。
【０１１４】
最初のステップＳ１０では、第１例のステップＳ１（図５参照）と同じ方法を用いて、算出部２５ａが第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２の各々の共振周波数の変化量ΔfAT、ΔfBTを算出する。
【０１１５】
図８は、変化量ΔfAT、ΔfBTの一例を示すグラフである。このグラフの横軸は、時刻t1において測定を開始してからの経過時間を示し、縦軸は変化量ΔfAT、ΔfBTを示す。
【０１１６】
図８の例では、時刻t2における第１の変化量ΔfATは３８００Hzであり、時刻t2における第２の変化量ΔfBTは１０００Hzである。
【０１１７】
次に、ステップＳ１１に移り、算出部２５ａが式（１４）の左辺に各変化量ΔfAT、ΔfBTを代入することにより、第１のグラフAと第３のグラフCの間隔D（＝δAT＋１．４９７δBT）を算出する。
【０１１８】
例えば、温度が基準温度T0（２７℃）のときの第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２の共振周波数f0が２０×１０6Hzであるとする。この場合、各変化量ΔfAT、ΔfBTが図８に示される値のとき、間隔Dは１１５×１０-6（３８００−１．４９７×１０００）／（２０×１０6）となる。
【０１１９】
次いで、ステップＳ１２に移り、算出部２５ａが第１のグラフAと第３のグラフCを参照し、これらのグラフの間隔が上記のDとなるような温度Tを求める。本例では、上記のように温度Tは６０℃となる。
【０１２０】
その後、ステップＳ１３に移り、第１例のステップＳ３と同じ方法で第１のQCMセンサ１の第１の電極５の腐食量Mfを算出する。その腐食量Mfを基にして、ユーザは、環境内における腐食ガスの凡その濃度を推定できる。
【０１２１】
そして、ステップＳ１４に移り、ステップＳ１２で求めた温度Tと、ステップＳ１３で求めた腐食量Mfとを記憶部２５ｂに格納し、本例に係る環境測定方法の基本ステップを終了する。
【０１２２】
上記した本実施形態によれば、第１例と第２例のいずれにおいても、カットが異なる第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２を利用することで、第１の電極５の腐食量Mfだけでなく、その電極と同一地点における温度をも測定できる。
【０１２３】
一般に、腐食性ガスは、温度が高いほど金属を腐食する性質が強くなる。そのため、本実施形態のように温度が分かれば、腐食量Mfが上昇したときにその原因の一つに温度の高温化があると判断でき、環境内の温度の高低を勘案して電子機器等の腐食防止の対策を講ずることが可能となる。
【０１２４】
更に、QCMセンサとは別に温度計を設けて環境内の温度を測定することも考えられるが、高濃度の腐食ガスが存在する環境中や、腐食ガスの濃度が低濃度であっても環境の温度が高い場合には、腐食ガスによって温度計自身が腐食してしまう。本実施形態では、第１のQCMセンサと第２のQCMセンサの各々の電極が腐食することを利用して環境内の温度を測定するため、これらのQCMセンサの腐食を気にする必要がない。
【０１２５】
しかも、図２に示したように、環境測定装置１０に設けられる二つの発振回路２１、２２と周波数カウンタ２３、２４は、QCMセンサの腐食量を測定するのに使用するものを流用できるため、温度を測定するための大掛かりな装置が不要となる。
【０１２６】
（第２実施形態）
本実施形態では、以下のようにして、環境内における温度の分布と、第１のQCMセンサ１の第１の電極５の腐食量の分布を測定する。
【０１２７】
図９は、本実施形態に係る環境測定装置の構成図である。
【０１２８】
なお、図９において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０１２９】
この環境測定装置３０は、第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２とを対にしてなるn個のセンサ対Q1、Q2、・・・Qnを備える。更に、環境測定装置３０には、切り替え装置３１と、周波数カウンタ３２と、制御部２５とが設けられる。
【０１３０】
切り替え装置３１は、複数のセンサ対Q1、Q2、・・・Qnのうちのいずれかを選択し、選択したセンサ対に対応する第１の発振回路２１と第２の発振回路２２の出力を後段の周波数カウンタ３２に接続する。
【０１３１】
周波数カウンタ３２は、切り替え装置３１により選択されたセンサ対Qi（i=１、２、…n）の第１のQCMセンサ１と第２のQCMセンサ２の各々の共振周波数fAT、fBTを測定する。
【０１３２】
そして、制御部２５は、これらの共振周波数fAT、fBTを利用して、第１実施形態の第１例（図５）と第２例（図７）のいずれかのフローチャートに従い、選択されたセンサ対Qiが設置された位置における温度Tと腐食量Mfとを測定する。
【０１３３】
図１０は、切り替え装置３２による切り替え手順を模式的に示す図である。
【０１３４】
図１０の例では、１番目のセンサ対Q1から順に、Q2、Q3、・・・Qnと切り替えていき、最後のセンサ対Qnでの測定が終了したら、再び１番目のセンサ対Q1に切り替える。
【０１３５】
図１１は、第１のQCMセンサ１の共振周波数の第１の変化量ΔfATと第２のQCMセンサ２の共振周波数の第２の変化量ΔfBTとを複数の時刻において測定し、その結果をセンサ対Q1、Q2、・・・Qn毎に表示したグラフである。このグラフは、算出部２５ａ（図９参照）が第１の変化量ΔfATと第２の変化量ΔfBTを算出した後に、制御部２５の制御下で記憶部２５ｂに格納される。
【０１３６】
図１２は、図１１の変化量ΔfAT、ΔfBTを利用して算出部２５ａが第１実施形態に従って腐食量Mfと環境の温度Tとを算出し、その算出結果をセンサ対Q1、Q2、・・・Qn毎に表示したグラフである。このグラフは、算出部２５ａ（図９参照）が腐食量Mfと温度Tとを算出した後に、制御部２５の制御下で記憶部２５ｂに格納される。
【０１３７】
図１２に示すように、本実施形態では、複数のセンサ対Q1、Q2、・・・Qnを設けることで、環境中の異なる地点における温度Tと腐食量Mfとを測定でき、環境中の温度Tの分布と腐食量Mfとを把握することが可能となる。
【０１３８】
図１３は、環境中における各センサ対Q1、Q2、・・・Qnの配置例について模式的に示す図である。
【０１３９】
この例では、工場等の測定エリア４０内の水平面内に、各センサ対Q1、Q2、・・・Qnを行列状に配置している。図１３におけるx軸とy軸はその水平面内における座標軸を表し、z軸は鉛直方向の座標軸を表す。
【０１４０】
図１４は、各センサ対Q1、Q2、・・・Qnの測定結果をグラフ化した図であって、図１２で算出した温度Tと腐食量Mfとを利用して算出部２５ａ（図９参照）が作成するものである。
【０１４１】
この例では、図１３のセンサ対Q1、Q2、・・・Qnの各々に一つの棒グラフを対応させ、そのグラフの高さで温度を表し、グラフの色彩で腐食量を表している。なお、図１４におけるx軸とy軸は、図１３におけるのと同一である。
【０１４２】
環境中で電子機器が腐食する要因には温度と腐食ガスの濃度とがあり、温度が高く且つ腐食ガスの濃度が高いほど電子機器が腐食され易くなる。また、腐食ガスの濃度が高くても温度が低ければ電子機器の腐食は進行し難くなる。
【０１４３】
図１４のように環境中における温度と腐食量の分布を同時に可視化すれば、環境中において腐食が進行し易い場所をユーザが簡単に見つけることができる。
【０１４４】
例えば、地点Aにおいては腐食量が他の場所よりも高く、地点Bにおいては他の場所よりも温度が高い。よって、ユーザは、地点Aと地点Bにおいて電子機器の腐食が進行すると判断でき、これに基づいて腐食を防止する対策を講ずることが可能となる。
【０１４５】
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１４６】
（付記１）  第１の水晶振動子の表面に第１の電極を設けてなり、前記第１の電極の腐食量を測定する第１のQCMセンサと、
前記第１のQCMセンサに近接して配置され、前記第１の水晶振動子とはカットが異なる第２の水晶振動子の表面に、前記第１の電極と同じ材料の第２の電極を設けてなる第２のQCMセンサと、
を有することを特徴とする環境測定装置。
【０１４７】
（付記２）  前記第１の水晶振動子のカットはATカットであり、前記第２の水晶振動子のカットはBTカットであることを特徴とする付記１に記載の環境測定装置。
【０１４８】
（付記３）  温度変化と前記第１の電極の腐食に起因して生じる前記第１のQCMセンサの共振周波数の第１の変化量と、温度変化と前記第２の電極の腐食に起因して生じる前記第２のQCMセンサの共振周波数の第２の変化量とに基づいて、前記第１のQCMセンサと前記第２のQCMセンサの各々が設けられる環境の温度を算出する算出部を更に有することを特徴とする付記１又は付記２に記載の環境測定装置。
【０１４９】
（付記４）  前記算出部は、前記第１のQCMセンサの共振周波数の変化率と温度との関係を示す第１のグラフと、前記第２のQCMセンサの共振周波数の変化率と温度との関係を示す第２のグラフの値を１．４９７倍して得られた第３のグラフとの差とを参照して、前記第１のグラフと前記第３のグラフの値の差が（ΔfAT−１．４９７ΔfBT）／f0（但し、f0は基準温度における第１のQCMセンサと第２のQCMセンサの共振周波数、ΔfATは前記第１の変化量、ΔfBTは前記第２の変化量）に等しくなる温度を前記環境の前記温度として算出することを特徴とする付記３に記載の環境測定装置。
【０１５０】
（付記５）  前記算出部は、数値計算により、
【０１５１】
【数１９】
2013029433.tif 000021
（但し、α、β、γ、λは定数、T0は基準温度、ΔfATは前記第１の変化量、ΔfBTは前記第２の変化量）で表される式（１９）の解Tを前記温度として求めることを特徴とする付記３に記載の環境測定装置。
【０１５２】
（付記６）  前記第１のQCMセンサと前記第２のQCMセンサを対にして複数設けると共に、
前記算出部が、前記環境内における前記温度の分布と、前記第１のQCMセンサで測定した前記腐食量の前記環境内における分布とを算出することを特徴とする付記３に記載の環境測定装置。
【０１５３】
（付記７）  前記第１の電極に接続されて前記第１の水晶振動子を支持する第１の導線と、
前記第２の電極に接続されて前記第２の水晶振動子を支持する第２の導線と、
前記第１の導線が固定される第１の支持部と、
前記第２の導線が固定される第２の支持部とを更に有し、
前記第１の支持部と前記第２の支持部とが振動吸収材を介して接着されたことを特徴とする付記１乃至付記６のいずれかに記載の環境測定装置。
【０１５４】
（付記８）  前記第１の水晶振動子の前記表面と、前記第２の水晶振動子の前記表面とが平行であることを特徴とする付記１乃至付記７のいずれかに記載の環境測定装置。
【０１５５】
（付記９）  第１の水晶振動子の表面に第１の電極を設けてなる第１のQCMセンサを用いて前記第１の電極の腐食量を測定するステップと、
温度変化と前記第１の電極の腐食に起因して生じる前記第１のQCMセンサの共振周波数の第１の変化量を測定するステップと、
前記第１のQCMセンサに近接して配置され、前記第１の水晶振動子とはカットが異なる第２の水晶振動子の表面に、前記第１の電極と同じ材料の第２の電極を設けてなる第２のQCMセンサを用いて、温度変化と前記第２の電極の腐食に起因して生じる前記第２のQCMセンサの共振周波数の第２の変化量を測定するステップと、
前記第１の変化量と前記第２の変化量とに基づいて、前記第１のQCMセンサと前記第２のQCMセンサの各々が設けられる環境の温度を算出するステップと、
を有することを特徴とする環境測定方法。
【０１５６】
（付記１０）  前記第１の水晶振動子としてATカットの水晶振動子を使用し、前記第２の水晶振動子としてBTカットの水晶振動子を使用することを特徴とする付記９に記載の環境測定方法。
【符号の説明】
【０１５７】
１…第１のQCMセンサ、２…第２のQCMセンサ、３…第１の水晶振動子、４…第２の水晶振動子、５…第１の電極、６…第２の電極、７…第１の導線、８…第２の導線、１０、３０…環境測定装置、１１…第１の支持部、１３…第２の支持部、１６…振動吸収材、２１…第１の発振回路、２２…第２の発振回路、２３…第１の周波数カウンタ、２４…第２の周波数カウンタ、２５…制御部、２５ａ…算出部、２５ｂ…記憶部、２８…インバータ、３１…切り替え装置、３２…周波数カウンタ、Q1〜Qn…第１〜第nのセンサ対、R1…第１の抵抗、R2…第２の抵抗、C1…第１のキャパシタ、C2…第２のキャパシタ。
【図１】
2013029433.tif 000022
【図２】
2013029433.tif 000023
【図３】
2013029433.tif 000024
【図４】
2013029433.tif 000025
【図５】
2013029433.tif 000026
【図６】
2013029433.tif 000027
【図７】
2013029433.tif 000028
【図８】
2013029433.tif 000029
【図９】
2013029433.tif 000030
【図１０】
2013029433.tif 000031
【図１１】
2013029433.tif 000032
【図１２】
2013029433.tif 000033
【図１３】
2013029433.tif 000034
【図１４】
2013029433.tif 000035