JPH0646177B2 - 円方向振動形比重検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧電セラミックの如き電気機械振動子を用いた
比重検出装置に係り、検出子を被測定液中において円方
向振動させ液の慣性モーメントに応じた該円方向振動子
の共振周波数と空気中での共振周波数の比から比重を測
定するようにした円方向振動形比重検出装置に関する。

従来技術 従来汎用の比重検出装置としては浮子形として音叉形が
代表例として掲げられる。浮子形は被測定液における浮
子の浮沈量を検知する方式であり、音叉形は音叉管内に
被測定液を閉じこめて音叉管の共振周波数の変化を検出
し比重を測定する方式である。

発明が解決しようとする問題点 然しながら浮子形は水平設置を要し、又充分な容量のサ
ンプル液が必要であり、使用条件が限定される。加えて
機械的に複雑で装置全体が大型となる欠点があり、高い
測定精度が期待できない短所がある。

又音叉形はＵ字形音叉管内にサンプル液を充満させなけ
ればならず、液量が充分でないと測定が正確でなく、又
音叉管を浸した容器内に音波が伝播し、反射するので容
器の大小による誤差を生ずる恐れがある。

発明者らはこれらの問題を解決するため、圧電形電気機
械振動子を用い、その機械的振動を検出子に伝え、該検
出子を被測定液中に浸漬し、該検出子に付加される液の
慣性モーメントに応じた上記振動子の共振周波数と空気
中における共振周波数の比から比重を測定する装置を考
えた。

例えば従来汎用の厚さ縦方向振動子を用い、検出子を被
測定液中において同方向に振動させる等であるが、厚さ
縦方向振動子を用い検出子をその表面と直交する方向に
振動させた場合、検出子の振動波が被測定液に伝播され
て波動を生じ比重測定の外乱要因となる。

問題点を解決するための手段 本発明は圧電形電気機械振動子から成る捩れ振動子等の
円方向振動子を用い、該円方向振動子にその円方向振動
子の駆動によって円方向振動する検出子を結合し、該検
出子に負荷される被測定液の慣性モーメントに応じた上
記円方向振動子の共振周波数と空気中における共振周波
数の比から比重を測定するようにした比重検出装置を提
供する。

作用 本発明は圧電形電気機械振動子から成る円方向振動子を
駆動源として用い、これに結合した検出子を被測定液中
において定軸円方向振動させ、比重を検出するものであ
るから、液中における厚み縦方向振動子を用いた場合の
如き有害な外乱要因の発生を効果的に防止し、精度が高
く且つ広範囲な測定が可能となる。

又従来の浮子形や音叉形等に比べ著しい小形軽量化が達
成でき、使用条件に制約されず、しかも極めて低廉な価
格で提供できる。

実施例 前記の如く本発明は電気機械振動子として円方向振動子
１を用いる。

該円方向振動子として例えば捩れ振動子を適用する。該
捩れ振動子は振動子の一端で時計方向に他端で反時計方
向に、互いに逆方向に円方向振動する振動子である。

第１図に示すように、上記の円方向振動子１の一端に伝
達軸２をその円方向振動軸線が同一となるように直結
し、更に該伝達軸２の先端にその円方向振動軸線が同一
となるように検出子３を直結する。即ち、円方向振動子
１に検出子３を伝達軸２を介して直結し一体なる検出構
体を形成する。伝達軸２は円柱又は角柱状を呈する。該
伝達軸２は検出子３の担体としての機能と、円方向振動
子１から離間した距離に支持する機能を有することに加
え、振動伝達媒体として機能しその長さ設定により伝達
軸における共振周波数の波長を設定する。

実施に応じ該伝達軸２には一定の慣性モーメントを有す
る質量体19を同芯にして一体に取付け、円方向振動子１
の共振周波数を調整可能な構造とする。

又検出子３は金属又は合成樹脂材等から成り、第10図
Ａ、Ｂに示すように比較的広い面積の鏡面仕上げした円
周面を有する中空又は無垢の真円柱体又は薄板を用い、
軸心に伝達軸２を直結する。一適例として同図Ａに示す
ような円筒体を検出子３として用いて検出子３が被測定
液中に浸漬された時、同液を導入する室3aを形成し、該
室3a内に一定体積の被測定液を保有させつつ円方向振動
させる構成とする。

更に適例として上記第１図、第10図Ｂに示すように、上
記室3aを隔壁3b、例えば円筒室を直径方向に分割する隔
壁3bで仕切り、隔壁3bを抵抗板とする。又無垢の円柱体
に軸方向の複数の室を形成して液を保有させることも可
能である。又検出子３は円錐形、紡錘形のものが適用可
能である。

上記によって円方向振動子１の円方向振動が伝達軸２を
介して検出子３に伝達され、第１図、第２図に矢印で示
すように該検出子３を被測定液中に浸漬して伝達軸２を
中心に円方向振動させる。この円方向振動に伴ない検出
子３に被測定液９の慣性モーメントが負荷され、検出子
３の回転モーメントを増加させる。この回転モーメント
の増加により円方向振動子１の共振周波数と空気中にお
ける共振周波数との比に応じた電気信号を得る。

この機能は円方向振動子、例えば圧電セラミックの電気
−機械エネルギー変換効果によるものである。

該円方向振動は縦方向振動等と異なって外乱要因となる
液の波動を抑止し、液を静的状態に保ち慣性抵抗のみを
感知する。

第２図に示すように、測定回路として円方向振動子１を
電気的に駆動する駆動回路５と振動子１の測定液中と空
気中における共振周波数の比を電気信号として検出する
周波数検出回路６と、上記周波数の変化量に応動し、比
重を表示する表示回路７とを有し、各回路は上記円方向
振動子１と接続する。

第３図に示すように、上記円方向振動子１及び伝達軸２
はハンドグリップ形の外囲器８内に内蔵し、検出子３を
伝達軸２の末端部分と共に該外囲器８の先端より露出状
態とし、第２図に示すように検出子３のみを被測定液９
中に浸漬できるようにし、該検出部10と上記回路装置を
内蔵した測定機11とをコネクタケーブル12にて接続す
る。

前記の如く上記円方向振動子の適材として新規な捩れ振
動子を適用する。第５図、第６図はその一例を示してい
る。同図に示すように、表裏面に電極Ｖを施した外形が
矩形の圧電セラミック1A、1Bを四象限単位の分極領域に
区分して一方の対角となるコーナを占有する二象限に正
方向分極領域P2、P3を、他方の対角となるコーナを占有
する二象限に負方向分極領域P1、P4を夫々配置し、該四
分極圧電セラミック1A、1B相互の貼り合せ体を形成し、
各四分極圧電セラミック1A、1Bの各分極領域P1乃至P4を
電圧印加時の長さ振動方向が逆方向となるように対向さ
せる。

並列接続の場合には第５図に示すように、二枚の四分極
圧電セラミック1A、1Bの正方向分極領域P2同志及びP3同
志を対向させ、且つ負方向分極領域P1同志及びP4同志を
対向させ、電圧印加方向が逆方向となるように貼り合せ
る。

又直列接続の場合には第６図に示すように、二枚の四分
極圧電セラミック1A、1Bを一方の正方向分極領域P2、P3
と他方の負方向分極領域P1、P4を対向させ、一方の負方
向分極領域P1、P4と他方の正方向分極領域P2、P3とを対
向させ、分極方向が逆方向となるように貼り合せる。

四分極圧電セラミック1A、1Bを上記の如き約束に従い貼
り合せた場合には、各対向する一組の分極領域において
は一方では伸びを他方では縮みを生じ、又他の組の分極
領域では一方では縮みを、他方では伸びを生じ、前者に
おいては厚み方向の一方へ屈曲し、後者においては厚み
方向の他方へ屈曲することとなる。斯くして同様に複屈
曲振動、即ち捩れを誘起する。

即ち、例えば第７図に示すように、一組の正方向分極領
域P2、P3において、一方の四分極圧電セラミック1Aが伸
びX1を生じた時、他方の四分極圧電セラミック1Bが縮み
X2を生じ、従って該一組の正方向分極領域P2、P3を厚み
方向の一方に屈曲Y1する。

他方、他の一組の負方向分極分極領域P1、P4において、
一方の四分極電圧セラミック1Aが縮みX2を生じた時、他
方の四分極圧電セラミック1BがX1を生じ、従って該一組
の負方向分極領域P1、P4は厚み方向の他方に屈曲Y2し、
振動子の一端で時計方向に、同他端で反時計方向に円方
向振動し、全体として捩れ振動を来す。

上記円方向振動子１たる捩れ振動子の一端を第１図、第
４図Ａに示すように慣性質量体13に一体に固着し、該慣
性質量体13を外囲器８内面に振動吸収用の緩衝材14を介
して固定し、同他端に前記の如くして伝達軸２及び検出
子３を直結する。円方向振動子１及びこれに直結する伝
達軸２及び検出子３の組立体（検出構体）は上記によっ
て外囲器８内に緩衝材14を介して架装状態とされる。緩
衝材14は外囲器８内壁面へ緊密に挿入し摩擦保持させる
と共に、緩衝材14を外囲器８内面に形成した受部15で支
承し、移動を阻止し、定位置に保持する。

又、第４図Ｂに示すように円方向振動子１を伝達軸上に
おいて節（振動零）を有するような波形16で共振させ、
例えば該節17を外囲器８の先端に位置させ、該節17にお
いて外囲器先端面を閉鎖するシール18を設けて伝達軸２
を支持し、よって検出構体の支持を強化し、外囲器８内
への被測定液９の浸入を防止する。

円方向振動子１たる捩れ振動子は上記の如く一端を固定
することによって、第１図、第２図に矢印で示す如く他
端において円方向振動し、該円方向振動を同他端に連結
された伝達軸２を介し検出子３に伝え、これを伝達軸２
を中心として円方向振動させ、前記の如くして被測定液
の比重に比例した共振周波数と空気中における共振周波
数の比から等価的電気信号を得て比重の検出を行う。

第８図、第９図は上記円方向振動子１たる捩れ振動子の
他例を示す。該振動子１は円筒形の圧電セラミックによ
って構成されている。該円筒形圧電セラミックは直径線
上を境に二分割され、一方の圧電セラミック1Aと他方の
圧電セラミック1Bにその内外周面の電極面Ｖと平行な分
極処理（ポーリング処理）を施し、矢印で示すように夫
々の分極方向20a、20bを互いに逆方向にし、これを円筒
形に組立て、内周面又は外周面側の一方を固定し他方を
フリーにすると電気駆動によりフリー側において円方向
振動するこの円方向振動側に伝達軸２を介し検出子３を
連結する。例えば円筒形円方向振動子１を内周面側にお
いて円方向振動させ、図示の如く同内周面側に伝達軸２
の一端を嵌挿し固定する。

斯くして円筒形円方向振動子１が円方向振動し、これに
結合された検出子３を被測定液中において円方向振動
し、前記の如く液の慣性モーメントに応じた振動子１の
共振周波数と空気中における共振周波数の比から比重を
検知する。

前記の如く第１図において、慣性質量体13に固定された
円方向振動子１は伝達軸２との結合端側で図中矢印で示
す如く円方向振動し、伝達軸２を介して検出子３を図中
矢印で示す如く円方向振動させ、この円方向振動時にお
ける空気中と液中の共振周波数と空気中における共振周
波数の比から比重を検出する。

第11図は振動子１の周波数に対する空気中と液中での円
方向振動の振幅の変化を表わす曲線図であり、同図に示
すように空気中における上記円方向振動の共振周波数を
fo、比重ρの被測定液中における同共振周波数をｆとす
ると、 の関係にあり、ｆを測定することによりρを求めること
ができる。尚、は検出子３の容積や質量等で定まる定
数である。

上記共振周波数foは、捩れ振動部の捩れバネ定数をＫと
し、捩れ振動部の質量要素（回転モーメント要素）をＭ
とした場合、下記の式で表わされる。

発明の効果 本発明は以上説明したように、圧電形電気機械振動子か
ら成る円方向振動子を駆動源として用い、これに円方向
振動軸線が同一となるように結合した検出子を被測定液
中において定軸円方向振動させ、比重を検出するように
したものであるから、液中における厚み縦方向振動子を
用いた場合の如き有害な外乱要因の発生を効果的に防止
し、高精度で且つ広範囲な測定が可能となる。

又、従来の浮子形や音叉形に比べ著しい小形、軽量化が
達成でき、使用条件に殆ど制約を伴なわない。本発明に
よれば上記目的達成手段としての検出子の円方向振動が
容易に得られ、円方向振動する検出構体が極めて簡素に
構成でき、低廉な価格で提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す検出構体の側面図、第２
図はその外観と検出回路を示す図、第３図は上記検出構
体を内蔵せる検出部と測定機の外観を表す斜視図、第４
図Ａは同検出部の断面図、同図Ｂは伝達軸上における波
形を示す図、第５図Ａは円方向振動子たる捩れ振動子の
一例を示す分解斜視図、同図Ｂは貼り合せ体とした同振
動子の断面図、第６図Ａは同方向振動子たる捩れ振動子
の他例を示す分解斜視図、同図Ｂは貼り合せ体とした同
振動子の断面図、第７図は第５図、第６図における円方
向振動子の捩れ振動動作を説明する斜視図、第８図は同
方向振動子の他例たる円筒形捩れ振動子の他例を示す横
断面図、第９図は同円筒形捩れ振動子を用いた検出構体
側面図、第10図Ａは検出子の構造を例示する一部切欠側
面図、同図Ｂは検出子の他の構造例を示す横断面図、第
11図は円方向振動子の周波数に対する振幅の変化を表わ
す曲線図である。 １……円方向振動子、２……伝達軸、３……検出子、3a
……室、８……外囲器、９……被測定液、10……検出
部、11……測定機。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸線を中心に円方向振動する圧電形電気機
   械振動子から成る円方向振動子に、該円方向振動子の駆
   動によって円方向振動される検出子を円方向振動軸線が
   同一となるように結合し、該検出子に付加される被測定
   液の慣性モーメントに応じた上記円方向振動子の共振周
   波数と空気中での共振周波数との比から比重を測定する
   構成とした円方向振動形比重検出装置。
2. 【請求項２】上記検出子が被測定液中に浸漬された時、
   同液を導入する室を有することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の円方向振動形比重検出装置。
3. 【請求項３】上記円方向振動子の共振周波数を調整する
   一定の慣性モーメントを有する質量体を具備することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の円方向振動形比
   重検出装置。