JP3041535B2 - 振動減衰特性計測方法及び計測装置 - Google Patents
振動減衰特性計測方法及び計測装置Info
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- JP3041535B2 JP3041535B2 JP2275639A JP27563990A JP3041535B2 JP 3041535 B2 JP3041535 B2 JP 3041535B2 JP 2275639 A JP2275639 A JP 2275639A JP 27563990 A JP27563990 A JP 27563990A JP 3041535 B2 JP3041535 B2 JP 3041535B2
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- vibration damping
- viscoelastic
- damping characteristic
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、化学、物理、物理化学、高分子化学、生化
学及び、医療、薬品、食品、化学工業における粘弾性的
物質の振動減衰特性を計測する方法及び装置に関するも
のである。
学及び、医療、薬品、食品、化学工業における粘弾性的
物質の振動減衰特性を計測する方法及び装置に関するも
のである。
［発明の概要］ 本発明は、圧電素子を検出素子とする計測方法及び計
測装置において、圧電素子の少なくとも片面を粘弾性的
物質に接触させ、前記圧電素子に接触している前記粘弾
性的物質の表面の前記圧電素子を接していない部分を、
１種類の粘性流体に接触させた状態で粘性を変化させた
とき、あるいは複数の粘性の異なる粘性流体に接触させ
たときの、前記圧電素子の共振周波数、共振抵抗のいず
れか一方、あるいは両方を測定し、その値の変化から、
前記圧電素子に接している前記粘弾性的物質内部での振
動の減衰特性を計測するものである。特に、前記粘弾性
的物質が薄膜状である場合に有効である。
測装置において、圧電素子の少なくとも片面を粘弾性的
物質に接触させ、前記圧電素子に接触している前記粘弾
性的物質の表面の前記圧電素子を接していない部分を、
１種類の粘性流体に接触させた状態で粘性を変化させた
とき、あるいは複数の粘性の異なる粘性流体に接触させ
たときの、前記圧電素子の共振周波数、共振抵抗のいず
れか一方、あるいは両方を測定し、その値の変化から、
前記圧電素子に接している前記粘弾性的物質内部での振
動の減衰特性を計測するものである。特に、前記粘弾性
的物質が薄膜状である場合に有効である。
［従来の技術］ 従来、粘弾性的な物質内部の振動の減衰は、振動リー
ド法や回転法などによって計測されてきた。振動リード
法は、試料を振動子に取り付け、低周波発振器によって
駆動して、共振振動数から複素弾性率を求めるものであ
る。また、回転法は回転モーメントを与えてクリープや
応力緩和を観察したり、回転振動を与えて試料の動的粘
弾性を求めたりするものである。しかし、これらの測定
法では感応膜のような粘弾性的薄膜の粘弾性や振動減衰
特性を測定することは困難であり、また、測定できる場
合でも、主に低周波領域の特性であり、水晶振動子など
の圧電素子の振動のような高周波領域の特性は測定でき
なかった。
ド法や回転法などによって計測されてきた。振動リード
法は、試料を振動子に取り付け、低周波発振器によって
駆動して、共振振動数から複素弾性率を求めるものであ
る。また、回転法は回転モーメントを与えてクリープや
応力緩和を観察したり、回転振動を与えて試料の動的粘
弾性を求めたりするものである。しかし、これらの測定
法では感応膜のような粘弾性的薄膜の粘弾性や振動減衰
特性を測定することは困難であり、また、測定できる場
合でも、主に低周波領域の特性であり、水晶振動子など
の圧電素子の振動のような高周波領域の特性は測定でき
なかった。
一方、簡便で応用性の広い水晶振動子などの圧電素子
を粘弾性的な測定に用いる方法があり、発酵槽内に水晶
振動子を設置して、発酵液の粘弾性変化を経時的に測定
したり、液晶物質や脂質の相転移に伴う粘弾性変化を測
定することなどに応用されている。また、水晶振動子な
どの圧電素子は電極上の重量変化が共振周波数変化と比
例するとして微量天秤としても知られ、この原理を応用
して、真空計や水晶振動子の電極上に感応膜を被覆して
ガスや臭い物質の強度を測定するセンサーなどにも応用
されている。
を粘弾性的な測定に用いる方法があり、発酵槽内に水晶
振動子を設置して、発酵液の粘弾性変化を経時的に測定
したり、液晶物質や脂質の相転移に伴う粘弾性変化を測
定することなどに応用されている。また、水晶振動子な
どの圧電素子は電極上の重量変化が共振周波数変化と比
例するとして微量天秤としても知られ、この原理を応用
して、真空計や水晶振動子の電極上に感応膜を被覆して
ガスや臭い物質の強度を測定するセンサーなどにも応用
されている。
［発明が解決しようとする課題］ 水晶振動子など圧電素子の共振周波数は、圧電素子の
振動が伝わっている部分の物質の重量や粘弾性などが反
映されるので、圧電素子の電極上に感応膜などを被覆し
た場合など、圧電素子の振動が感応膜内部でどの様に減
衰しているかを知ることは基礎的な検討を行う上で重要
である。しかし、これまでに水晶振動子など圧電素子に
接している粘弾性的な物質の内部摩擦等による振動の減
衰特性を測定する簡便な方法はなかった。
振動が伝わっている部分の物質の重量や粘弾性などが反
映されるので、圧電素子の電極上に感応膜などを被覆し
た場合など、圧電素子の振動が感応膜内部でどの様に減
衰しているかを知ることは基礎的な検討を行う上で重要
である。しかし、これまでに水晶振動子など圧電素子に
接している粘弾性的な物質の内部摩擦等による振動の減
衰特性を測定する簡便な方法はなかった。
［課題を解決するための手段］ 本発明はこれら課題を解決するために、例えば、ATカ
ットの水晶振動子上の粘弾性的物質の振動の減衰特性を
求める場合には、ATカット水晶振動子の少なくとも片面
を粘弾性的物質に接触させ、前記水晶振動子に接触して
いる前記粘弾性的物質の表面の前記水晶振動子に接して
いない部分を、１種類の粘性流体に接触させた状態で粘
性を変化させたとき、あるいは複数の粘性の異なる粘性
流体に接触させたときの、前記水晶振動子の共振周波
数、共振抵抗のいずれか一方、あるいは両方を測定し、
その値の変化から前記水晶振動子に接している前記粘弾
性的物質内部での振動の減衰特性を見積もるものであ
る。
ットの水晶振動子上の粘弾性的物質の振動の減衰特性を
求める場合には、ATカット水晶振動子の少なくとも片面
を粘弾性的物質に接触させ、前記水晶振動子に接触して
いる前記粘弾性的物質の表面の前記水晶振動子に接して
いない部分を、１種類の粘性流体に接触させた状態で粘
性を変化させたとき、あるいは複数の粘性の異なる粘性
流体に接触させたときの、前記水晶振動子の共振周波
数、共振抵抗のいずれか一方、あるいは両方を測定し、
その値の変化から前記水晶振動子に接している前記粘弾
性的物質内部での振動の減衰特性を見積もるものであ
る。
［作用］ 圧電素子は、共振点付近の周波数の電圧を印加するこ
とによって、機械的な振動を起こす。この振動はきわめ
て微小であるが、例えば水晶振動子では、粘性を持つ物
質と接した状態で物質と水晶振動子の表面との間のせん
断応力による抵抗を受ける。この機械的抵抗の抵抗係数
は、水晶振動子の機械的な振動と電気的な振動とを対応
づけて考えると、電気的抵抗と同等であると考えること
ができる。従って、水晶振動子の共振点における共振抵
抗は、水晶振動子の接している物質の内部摩擦を反映し
た値と考えられ、この共振抵抗を測定することによって
水晶振動子と接している物質の粘性を計測することがで
きる。また、水晶振動子のせん断応力が水晶振動子の弾
性体として振動する力と釣りあうことから、共振周波数
もまた水晶振動子と接している物質の粘性を反映した値
となる。
とによって、機械的な振動を起こす。この振動はきわめ
て微小であるが、例えば水晶振動子では、粘性を持つ物
質と接した状態で物質と水晶振動子の表面との間のせん
断応力による抵抗を受ける。この機械的抵抗の抵抗係数
は、水晶振動子の機械的な振動と電気的な振動とを対応
づけて考えると、電気的抵抗と同等であると考えること
ができる。従って、水晶振動子の共振点における共振抵
抗は、水晶振動子の接している物質の内部摩擦を反映し
た値と考えられ、この共振抵抗を測定することによって
水晶振動子と接している物質の粘性を計測することがで
きる。また、水晶振動子のせん断応力が水晶振動子の弾
性体として振動する力と釣りあうことから、共振周波数
もまた水晶振動子と接している物質の粘性を反映した値
となる。
そこで、水晶振動子の少なくとも片面を粘弾性的物質
に接触させ、前記水晶振動子に接触している前記粘弾性
的物質の表面の前記水晶振動子に接していない部分を、
粘性流体に接触させたとする。簡略化したモデルとし
て、水晶振動子の片面に粘弾性的物質が膜状に接し、そ
の外側に粘性流体が接していると考え、このとき前記粘
弾性的物質の膜内部では前記水晶振動子による振動が完
全に減衰することはないとする。水晶振動子の共振周波
数、共振抵抗には、前記粘弾性的物質の膜の粘性と、前
記粘弾性的物質の膜内の振動の減衰の度合いに応じて、
前記粘性流体の粘性が反映される。このとき前記粘性流
体を、前記粘性流体の粘性とは異なる粘性を持っている
粘性流体に替えることによって、前記粘弾性的物質の膜
に接している粘性流体の粘性を変化させたときの前記水
晶振動子の共振周波数、共振抵抗変化から、前記粘弾性
的物質の膜に接している粘性流体の粘性の変化が反映さ
れている度合いを求め、前記粘弾性的物質の膜内部での
振動の減衰の度合いを見積もることができる。さらに、
水晶振動子の替わりに他の圧電素子を用いた場合でも同
様に測定を行うことが可能である。
に接触させ、前記水晶振動子に接触している前記粘弾性
的物質の表面の前記水晶振動子に接していない部分を、
粘性流体に接触させたとする。簡略化したモデルとし
て、水晶振動子の片面に粘弾性的物質が膜状に接し、そ
の外側に粘性流体が接していると考え、このとき前記粘
弾性的物質の膜内部では前記水晶振動子による振動が完
全に減衰することはないとする。水晶振動子の共振周波
数、共振抵抗には、前記粘弾性的物質の膜の粘性と、前
記粘弾性的物質の膜内の振動の減衰の度合いに応じて、
前記粘性流体の粘性が反映される。このとき前記粘性流
体を、前記粘性流体の粘性とは異なる粘性を持っている
粘性流体に替えることによって、前記粘弾性的物質の膜
に接している粘性流体の粘性を変化させたときの前記水
晶振動子の共振周波数、共振抵抗変化から、前記粘弾性
的物質の膜に接している粘性流体の粘性の変化が反映さ
れている度合いを求め、前記粘弾性的物質の膜内部での
振動の減衰の度合いを見積もることができる。さらに、
水晶振動子の替わりに他の圧電素子を用いた場合でも同
様に測定を行うことが可能である。
［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第
１図は本発明の振動減衰特性計測装置の模式図を示した
ものである。第１図においてATカット水晶振動子１は、
片側だけが粘弾性的薄膜２、その外側に粘性流体３と接
するようにセル４に固定され、粘性流体３に浸漬されて
いる。また、ATカット水晶振動子１は測定周波数が任意
に設定できるインピーダンスアナライザー５に接続さ
れ、インピーダンスアナライザー５はコンピューター６
に接続されている。
１図は本発明の振動減衰特性計測装置の模式図を示した
ものである。第１図においてATカット水晶振動子１は、
片側だけが粘弾性的薄膜２、その外側に粘性流体３と接
するようにセル４に固定され、粘性流体３に浸漬されて
いる。また、ATカット水晶振動子１は測定周波数が任意
に設定できるインピーダンスアナライザー５に接続さ
れ、インピーダンスアナライザー５はコンピューター６
に接続されている。
（測定例） 9MHz、ATカットの水晶振動子の水晶板上にLB法で、第
２図に示した構造を持つ合成脂質2C18OHを50層累積し
た。この脂質膜被覆水晶振動子を20℃および70℃に保っ
たスクロース0wt％、スクロース50wt％水溶液に浸漬
し、そのときの共振周波数をインピーダンスアナライザ
ーで測定した。また、何も被覆していない水晶振動子を
20℃および70℃に保ったスクロース0wt％、スクロース5
0wt％水溶液に浸漬したときの共振周波数も同様に測定
した。
２図に示した構造を持つ合成脂質2C18OHを50層累積し
た。この脂質膜被覆水晶振動子を20℃および70℃に保っ
たスクロース0wt％、スクロース50wt％水溶液に浸漬
し、そのときの共振周波数をインピーダンスアナライザ
ーで測定した。また、何も被覆していない水晶振動子を
20℃および70℃に保ったスクロース0wt％、スクロース5
0wt％水溶液に浸漬したときの共振周波数も同様に測定
した。
脂質を累積した水晶振動子をスクロース0wt％、スク
ロース50wt％水溶液に浸漬したときの各々の共振周波数
と基本周波数との差は、脂質膜内部の振動している部分
の重量と各々の濃度のスクロース水溶液の振動している
部分の重量の和であると考えられる。このとき、脂質膜
内部の振動している部分の重量はスクロース水溶液の濃
度、つまり粘度に拘らず一定であるとすると、脂質を累
積した水晶振動子をスクロース0wt％、スクロース50wt
％水溶液に浸漬したときの各々の共振周波数と基本周波
数との差から、脂質膜内部の振動している部分の重量に
相当する周波数の変化量を引いた値の比は、何も被覆し
ていない水晶振動子をスクロース0wt％、スクロース50w
t％水溶液に浸漬したときの各々の共振周波数と基本周
波数との差の比と一致する。このことから、各スクロー
ス水溶液に起因する周波数変化の比を、各々スクロース
水溶液について考慮すると、脂質膜内部の振動している
部分の重量に相当する周波数の変化量を求めることがで
きる。20℃における2C18OH脂質膜が弾性的であり、水晶
振動子の振動が100％表面に伝わっているとした場合、7
0℃において、この2C18OH脂質膜は全体の87.82％が振動
していることが求められた。なお本実施例では、脂質膜
内部の振動している部分の重量はスクロース水溶液の濃
度、つまり粘度に拘らず一定であると仮定したが、実際
には粘度によって若干変化する。そこで、これを補正し
てやれば、より正確な値を求めることも可能である。
ロース50wt％水溶液に浸漬したときの各々の共振周波数
と基本周波数との差は、脂質膜内部の振動している部分
の重量と各々の濃度のスクロース水溶液の振動している
部分の重量の和であると考えられる。このとき、脂質膜
内部の振動している部分の重量はスクロース水溶液の濃
度、つまり粘度に拘らず一定であるとすると、脂質を累
積した水晶振動子をスクロース0wt％、スクロース50wt
％水溶液に浸漬したときの各々の共振周波数と基本周波
数との差から、脂質膜内部の振動している部分の重量に
相当する周波数の変化量を引いた値の比は、何も被覆し
ていない水晶振動子をスクロース0wt％、スクロース50w
t％水溶液に浸漬したときの各々の共振周波数と基本周
波数との差の比と一致する。このことから、各スクロー
ス水溶液に起因する周波数変化の比を、各々スクロース
水溶液について考慮すると、脂質膜内部の振動している
部分の重量に相当する周波数の変化量を求めることがで
きる。20℃における2C18OH脂質膜が弾性的であり、水晶
振動子の振動が100％表面に伝わっているとした場合、7
0℃において、この2C18OH脂質膜は全体の87.82％が振動
していることが求められた。なお本実施例では、脂質膜
内部の振動している部分の重量はスクロース水溶液の濃
度、つまり粘度に拘らず一定であると仮定したが、実際
には粘度によって若干変化する。そこで、これを補正し
てやれば、より正確な値を求めることも可能である。
［発明の効果］ 本発明の、振動減衰特性計測方法及び計測装置によっ
て、圧電素子上の粘弾性的な物質、特に薄膜状の物質内
部での振動の減衰の度合いを見積もることが可能となっ
た。
て、圧電素子上の粘弾性的な物質、特に薄膜状の物質内
部での振動の減衰の度合いを見積もることが可能となっ
た。
第１図は本発明の振動減衰特性計測装置の模式図、第２
図は実施例で用いた合成脂質の構造式を示す図である。 １……ATカット水晶振動子 ２……粘弾性的薄膜 ３……粘性流体 ４……セル ５……インピーダンスアナライザー ６……コンピューター
図は実施例で用いた合成脂質の構造式を示す図である。 １……ATカット水晶振動子 ２……粘弾性的薄膜 ３……粘性流体 ４……セル ５……インピーダンスアナライザー ６……コンピューター
Claims (8)
- 【請求項１】圧電素子の少なくとも片面を粘弾性的物質
に接触させ、前記圧電素子に接触している前記粘弾性的
物質の表面の前記圧電素子に接していない部分を、１種
類の粘性流体に接触させた状態で粘性を変化させたと
き、あるいは複数の粘性の異なる粘性流体に接触させた
ときの、前記圧電素子の共振周波数、共振抵抗のいずれ
か一方、あるいは両方を測定し、その値の変化から、前
記圧電素子に接している前記粘弾性的物質内部での振動
の減衰特性を計測することを特徴とする振動減衰特性計
測方法。 - 【請求項２】少なくとも圧電素子の共振周波数を測定す
る回路、圧電素子の共振抵抗を測定する回路のいずれか
一方、あるいは両方と、圧電素子とより構成されて、前
記圧電素子の少なくとも片面を粘弾性的物質に接触さ
せ、前記圧電素子に接触している前記粘弾性物質の表面
の前記圧電素子に接していない部分を、１種類の粘性流
体に接触させた状態で粘性を変化させたとき、あるいは
複数の異なる粘性の粘性流体に接触させたときの、前記
圧電素子の共振周波数、共振抵抗の値の変化から、前記
圧電素子に接している前記粘弾性的物質内部での振動の
減衰特性を計測することを特徴とする振動減衰特性計測
装置。 - 【請求項３】前記粘弾性的物質が有機薄膜であることを
特徴とする請求項１記載の振動減衰特性計測方法。 - 【請求項４】前記粘弾性的物質が有機薄膜であることを
特徴とする請求項２記載の振動減衰特性計測装置。 - 【請求項５】前記圧電素子が水晶振動子であることを特
徴とする請求項１記載の振動減衰特性計測方法。 - 【請求項６】前記圧電素子が水晶振動子であることを特
徴とする請求項２記載の振動減衰特性計測装置。 - 【請求項７】前記水晶振動子がATカット水晶振動子であ
ることを特徴とする請求項５記載の振動減衰特性計測方
法。 - 【請求項８】前記水晶振動子がATカット水晶振動子であ
ることを特徴とする請求項６記載の振動減衰特性計測装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2275639A JP3041535B2 (ja) | 1990-10-15 | 1990-10-15 | 振動減衰特性計測方法及び計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2275639A JP3041535B2 (ja) | 1990-10-15 | 1990-10-15 | 振動減衰特性計測方法及び計測装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04151538A JPH04151538A (ja) | 1992-05-25 |
| JP3041535B2 true JP3041535B2 (ja) | 2000-05-15 |
Family
ID=17558267
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2275639A Expired - Lifetime JP3041535B2 (ja) | 1990-10-15 | 1990-10-15 | 振動減衰特性計測方法及び計測装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3041535B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3686698B2 (ja) * | 1995-03-20 | 2005-08-24 | オリンパス株式会社 | 触覚センサプローブ |
| 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 |
| WO2016031138A1 (ja) * | 2014-08-26 | 2016-03-03 | 株式会社アルバック | 膜厚モニタおよび膜厚測定方法 |
-
1990
- 1990-10-15 JP JP2275639A patent/JP3041535B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04151538A (ja) | 1992-05-25 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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