質量測定方法和質量測定用壓電振動片的激振電路以及質量測定裝置的製作方法
2023-10-09 19:17:54 1
專利名稱：質量測定方法和質量測定用壓電振動片的激振電路以及質量測定裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及質量測定方法，具體涉及適合於檢測石英振動片那樣的壓電振動片的振蕩頻率變化來測定微少質量的質量測定方法和質量測定用壓電振動片的激振電路以及質量測定裝置。
背景技術：
在食品、生物化學、醫療或者環境等的領域中，為了測定特定物質的有無和濃度等，利用使用石英振動器的石英振動器微量天平(QuartzCrystal MicrobalanceQCM)法。該QCM法具有把石英振動片作為主要構成要素的質量測定用石英振動器，該石英振動片是具有與特定物質結合的感應膜的壓電振動片。質量測定用石英振動器的感應膜具有針對成為檢測和濃度測定等的對象的特定物質的分子識別功能，覆蓋壓電振動片(石英振動片)的激勵電極來設置。在使用QCM法例如在液體中測定特定物質和測定濃度的情況下，按如下進行。
使設有感應膜的壓電振動片在規定液體中浸漬和振蕩(共振)，等待振蕩頻率(共振頻率)在液體中穩定。之後，把使液體中的物質吸附或沉澱在感應膜上、或者使感應膜上所附著的物質發生解析或分解反應的物質、或者要進行檢測的物質添加給液體，使壓電振動片上的感應膜和測定對象的特定物質反應。這樣，壓電振動片在激勵電極上的質量增加/減少，壓電振動片的共振頻率下降或上升。這樣，可求出液體中的測定對象物質的有無、濃度、感應膜上所附著的物質的質量等。
例如，在使感應膜吸附液中物質的情況下，液體中的測定對象物質的濃度越高，壓電振動片的共振頻率的下降速度就越快。因此，通過把握壓電振動片的共振頻率的下降速度，可測定液中的測定對象物質的濃度。並且，可根據共振頻率的下降量，求出通過感應膜附著在激勵電極上的測定對象物質的質量。
即，基於QCM法的激勵電極上的附著物的質量，可使用以下的索爾貝裡(Solberry)式求出。
ΔF＝-F02/A(ρ·μ)1/2Δm式中，ΔF是壓電振動片的共振頻率的變化量，F0是壓電振動片的初始共振頻率，A是激勵電極的面積，ρ是壓電振動片的密度，μ是壓電振動片的剪切應力，Δm是電極上所附著的物質的質量。
另外，在使質量測定用石英振動器在液體中共振的情況下，以往，如在特開平7-43284號公報中記載的那樣，使與振蕩電路連接的質量測定用石英振動器浸漬在液體中，使用振蕩電路使質量測定用石英振動器在液體中振蕩。
QCM法通常使如上所述構成質量測定用石英振動器的壓電振動片浸漬在液體中來進行測定。然而，當把壓電振動片浸漬在液體中時，晶體阻抗(CI)與空氣中相比較非常大。因此，構成用於使壓電振動片在液體中振蕩的振蕩電路是困難的，有時不能在液體中穩定振蕩，給測定造成障礙。
發明內容
本發明是為了消除上述以往技術的缺點而提出的，本發明的目的是可靠進行液體中的微少質量的測定。
為了達到上述目的，本發明的質量測定方法，根據質量測定用壓電振動片的振動頻率的變化檢測質量，其特徵在於，把激勵信號提供給上述壓電振動片進行激勵來求出上述壓電振動片的輸出信號和上述激勵信號的相位差；以及根據上述相位差調整上述激勵信號的頻率來求出上述壓電振動片的振動頻率。
這樣形成的本發明不是使用激振電路來使質量測定用壓電振動片(壓電振動片)激勵，而是把例如其他振蕩器輸出的信號作為激勵信號提供給壓電振動片，使壓電振動片強制激勵。因此，即使在壓電振動片浸漬在液體中而使CI值增大，或者使Q值下降的情況下，也能使壓電振動片穩定激勵，能可靠進行微少質量的測定。
並且，用於實現上述測定方法的質量測定用壓電振動片的激振電路，其特徵在於，具有電壓控制振蕩器，把激勵信號提供給質量測定用壓電振動片；相位檢測部，求出該電壓控制振蕩器輸出的上述激勵信號和上述壓電振動片的輸出信號的相位差；以及控制電壓輸出部，把與該相位檢測部所求出的上述相位差對應的電壓提供給上述電壓控制振蕩器，使頻率與上述壓電振動片的輸出信號的頻率相同的上述激勵信號輸出到上述電壓控制振蕩器。
這樣形成的本發明，相位檢測部求出電壓控制振蕩器輸出的激勵信號和由激勵信號強制激勵的壓電振動片的輸出信號的相位差，控制電壓輸出部把與該相位差對應的電壓提供給電壓控制振蕩器，使電壓控制振蕩器輸出的激勵信號的頻率與壓電振動片的輸出信號的頻率一致。即，電壓控制振蕩器、相位檢測部以及控制電壓輸出部構成作為相位同步電路的PLL電路。因此，可使電壓控制振蕩器輸出的激勵信號的相位與壓電振動片的輸出信號的相位一致，可使兩者的輸出信號的頻率一致。由於壓電振動片不構成自激共振電路，因而即使在使壓電振動片浸漬在液中的情況下，在CI值增高的情況下，也能使壓電振動片穩定激勵。因此，即使在液中也能可靠進行使用質量測定用壓電振動片的測定。作為電壓控制振蕩器，可使用電壓控制晶體振蕩器(VCXO)、電壓控制SAW振蕩器(VCSO)等。並且，相位檢測部可由相位比較器和相位檢測器等構成。而且，控制電壓輸出部可以由低通濾波器等形成。
壓電振動片最好與線圈並聯或串聯連接。在線圈與壓電振動片並聯連接的情況下，選擇具有與壓電振動片的等效電路的電極間電容並聯共振的電感的線圈。在此情況下，最好使並聯共振頻率與壓電振動片的串聯共振頻率調諧。並且，在使線圈與壓電振動片串聯連接的情況下，選擇具有在壓電振動片的共振頻率附近，在該線圈和壓電振動片之間不進行電氣串聯共振的電感的線圈。在此情況下，把包含壓電振動片和與其串聯連接的電感的阻抗特性調整成在共振頻率時使相位充分變化。這樣，在使壓電振動片浸漬在液中的情況下，即使在壓電振動片在串聯共振頻率時使相位不旋轉到0度的情況下，也能使壓電振動片穩定強制激勵，可進行液中的質量測定。
可在電壓控制振蕩器和相位檢測部之間設置使激勵信號的相位延遲或超前的移相器。當使壓電振動片浸漬在液中時，如前所述在共振頻率時相位不充分變化的情況下，使與該相位相比較的激勵信號的相位超前或延遲來進行調整。這樣，可在壓電振動片的串聯共振頻率附近使提供給壓電振動片的激勵信號和壓電振動片的輸出信號的相位一致，可使電壓控制振蕩器輸出的激勵信號的頻率和壓電振動片的輸出信號的頻率相同。因此，可檢測壓電振動片的振動頻率，可進行液中的質量測定。並且，為了更準確地檢測壓電振動片的串聯共振頻率，可使用該移相器校正由壓電振動器的並聯電容引起的相位零頻率和串聯共振頻率的差。
並且，在本發明中，可在電壓控制振蕩器的輸出側設置倍增器，並通過該倍增器把激勵信號提供給壓電振動片和相位檢測部。這樣，即使在壓電振動片的共振頻率是高頻的情況下，也能使用低頻用的電壓控制振蕩器把該輸出信號(激勵信號)在倍增器轉換成高頻來提供給壓電振動片，可使激振電路廉價。而且，在使用倍增器把電壓控制振蕩器的輸出轉換成高頻的情況下，可以在壓電振動片和上述相位檢測部之間、以及在上述倍增器和上述相位檢測部之間設置分頻器。通過使用分頻器把高頻激勵信號和壓電振動片的輸出信號轉換成低頻，可使相位檢測部和控制電壓輸出部採用低頻用的電路構成，可使激振電路廉價。並且，可減少高頻處理部分，可減少噪聲等的影響。
相位檢測部和控制電壓輸出部可由數字電路構成。這樣，電路的IC化變得容易，可實現小型化。在此情況下，可在相位檢測部和控制電壓輸出部之間設置充電泵。通過設置充電泵，可使相位檢測部的輸出信號高電壓化，控制電壓輸出部的輸出增大，可使電壓控制振蕩器可靠動作。並且，控制電壓輸出部可使用數位訊號處理器來構成。這樣，高速處理成為可能，可減少測定中的噪聲。
另外，壓電振動片可設置多個，可在這些壓電振動片和電壓控制振蕩器之間設置順次切換壓電振動片來提供激勵信號的切換部。這樣，可容易實現測定裝置的檢測部的多重化。並且，在設置多個壓電振動片的情況下，可以在壓電振動片和電壓控制振蕩器之間、以及在壓電振動片和相位檢測部之間設置切換部。這樣，在壓電振動片的激勵頻率是高頻的情況下，可消除激振電路的動作不穩定等的不利情況。而且，壓電振動片可以供僅在單側面具有感應膜的液中測定用，或者供在兩側面或單側面具有感應膜的氣中測定用。
而且，本發明的測定裝置，其特徵在於，具有上述的質量測定用壓電振動片的激振電路。這樣，可獲得具有上述效果的質量測定裝置。
圖1是本發明的實施方式的測定裝置的說明圖。
圖2是壓電振動片的相位-頻率特性圖。
圖3是壓電振動片的電抗-頻率特性圖。
圖4是第2實施方式的激振電路的說明圖。
圖5是第3實施方式的激振電路的說明圖。
圖6是示出第2和第3實施方式的電抗-頻率特性的圖。
圖7是第4實施方式的激振電路的方框圖。
圖8是第5實施方式的激振電路的方框圖。
圖9是第6實施方式的激振電路的方框圖。
圖10是第7實施方式的激振電路的方框圖。
圖11是第8實施方式的激振電路的方框圖。
圖12是第9實施方式的激振電路的方框圖。
圖13是第10實施方式的激振電路的方框圖。
圖14是第11實施方式的激振電路的方框圖。
圖15是實施方式的測定方法的一例的說明圖。
圖16是第12實施方式的激振電路的要部方框圖。
圖17是第13實施方式的激振電路的方框圖。
具體實施例方式
參照附圖對根據本發明的質量測定方法和質量測定用壓電振動片的激振電路以及質量測定裝置的優選實施方式進行詳細說明。
圖1是本發明的第1實施方式的具有質量測定用壓電振動片的激振電路的質量測定裝置的說明圖。在圖1中，質量測定裝置10具有質量測定用壓電振動片12；激振電路14，激勵該質量測定用壓電振動片12；以及信號處理部16，根據激振電路14的輸出信號，求出質量測定用壓電振動片12的共振(振蕩)頻率，或者求出質量測定用壓電振動片12上所附著的物質的質量。
質量測定用壓電振動片(以下簡稱為壓電振動片)12由石英等的壓電材料形成，並由AT切割振動片、AT切割倒臺面型振動片、SAW(SurfaceAcoustic Wave表面聲波)振動元件等構成。並且，壓電振動片12使與測定對象物質選擇性結合的感應膜(未作圖示)覆蓋激勵電極來設置。而且，壓電振動片12在由例如AT切割振動片構成的情況下，在液中測定用時，僅在單側面的激勵電極上設置感應膜，在氣中測定用時，在兩側面的激勵電極上設置感應膜。當然，在單側面具有感應膜的壓電振動片12也可供氣中測定用。
激振電路14由PLL(Phase Locked Loop鎖相環)電路20和分配器22構成。而且，PLL電路20由電壓控制振蕩器(Voltage ControlledCrystal OscillatorVCO)24、相位比較器26以及環路濾波器28構成。電壓控制振蕩器24用於把激勵信號提供給壓電振動片12，可在壓電振動片12的共振頻率振蕩，由電壓控制晶體振蕩器(Voltage ControlledCrystal OscillatorVCXO)和VCSO(電壓控制SAW振蕩器)、或者採用電感元件(L)、電容元件(C)以及電阻元件(R)構成的VCO振蕩器等構成，把激勵信號輸出到在輸出側所設置的分配器22。分配器22把電壓控制振蕩器24輸出的激勵信號分配和輸出到與輸出側連接的壓電振動片12、相位比較器26以及輸出用的放大器30。
構成PLL電路20的相位比較器26使輸入側與壓電振動片12和分配器22連接。而且，相位比較器26成為相位檢測部，求出從壓電振動片12輸出的信號和從分配器22輸出的信號(激勵信號)的相位差，並輸出與該相位差對應的信號。在相位比較器26的輸出側所設置的環路濾波器28由低通濾波器構成，成為控制電壓輸出部。即，環路濾波器28把相位比較器26輸出的信號變成直流電壓並作為控制電壓提供給電壓控制振蕩器24。電壓控制振蕩器24使振蕩頻率根據從環路濾波器28輸入的直流電壓來變化。
輸出用的放大器30把從分配器22所輸入的激勵信號放大並輸出到在輸出側所設置的信號處理部16。信號處理部16由微計算機和個人計算機等構成，根據從放大器30輸入的信號，使用預先提供的處理程序對激勵信號的頻率進行計數，以及運算和求出通過感應膜附著在壓電振動片12上的物質的質量等。而且，顯示裝置32、印表機34、硬碟等的存儲裝置36與信號處理部16的輸出側連接，信號處理部16求出的結果可顯示在顯示裝置32上，可由印表機34列印成硬拷貝，或者可存儲在存儲裝置36內。
這樣形成的第1實施方式的測定裝置10使用激振電路14按如下使壓電振動片12強制激勵來共振。構成PLL電路20的電壓控制振蕩器24可在包含壓電振動片12的共振頻率的任意頻率範圍內振蕩，把規定頻率的信號作為激勵信號輸入到分配器22。分配器22把所輸入的激勵信號進行分配並輸入到壓電振動片12、相位比較器26以及放大器30。輸入到壓電振動片12的激勵信號把振動能量提供給壓電振動片12。然後，從壓電振動片12所輸出的信號被輸入到相位比較器26。
由石英構成的壓電振動片12在不在共振狀態的情況下，可在電氣上視為電容器。因此，在所輸入的激勵信號的頻率不在壓電振動片12的串聯共振頻率附近的情況下，從壓電振動片12輸出的信號，如圖2所示，電壓相位相對電流相位延遲90度。即，從壓電振動片12輸出的電壓相對所輸入的激勵信號，相位延遲90度。
另外，圖2是示出壓電振動片12的頻率和相位的關係的圖，橫軸表示與壓電振動片12的串聯共振頻率的偏差率(單位ppm)，縱軸表示壓電振動片12的輸出信號相對輸入信號的相位(單位度)。而且，壓電振動片12，如圖2所示，激勵信號的頻率從低於串聯共振頻率的狀態逐漸增高，當達到串聯共振頻率時，相位為0。並且，當要輸入的激勵信號的頻率高於串聯共振頻率時，壓電振動片12成為電感性，相位超前90度，當頻率進一步增高而超過反共振頻率時，再次成為電容性，相位延遲90度。
並且，當要輸入的激勵信號從低於串聯共振頻率的頻率變化成超過串聯共振頻率的頻率時，壓電振動片12，如圖3所示，等效電抗從電容性的負變化成電感性的正。而且，在串聯共振頻率時，電抗為0，可視為電阻。
相位比較器26求出從壓電振動片12輸入的信號和從分配器22輸入的激勵信號的相位差，並輸出與該相位差對應的信號。相位比較器26輸出的信號通過由低通濾波器構成的環路濾波器28而成為直流電壓，並作為控制信號被提供給電壓控制振蕩器24。電壓控制振蕩器24使要輸出的激勵信號的頻率根據從環路濾波器28輸入的控制電壓來變化，並輸出與壓電振動片12輸出的信號之間沒有相位差的頻率的激勵信號。因此，輸入到壓電振動片12的激勵信號和從壓電振動片12輸出的信號的相位差為0，可使壓電振動片12振蕩。然後，當從壓電振動片12輸入到相位比較器26的信號和來自分配器22的激勵信號的相位差為0時，電壓控制振蕩器24使振蕩頻率鎖定在其頻率。因此，壓電振動片12穩定，激勵狀態持續。
電壓控制振蕩器24輸出的激勵信號通過分配器22被輸出到放大器30，由放大器30放大之後，輸入到信號處理部16。信號處理部16對所輸入的激勵信號的頻率進行計數來求出壓電振動片12的激勵頻率(共振頻率)。因此，在信號處理部16，通過把測定開始前的壓電振動片12的共振頻率f0存儲在存儲器和抽樣保持電路等內，並求出測定後的共振頻率f，可求出由壓電振動片12上附著有測定對象物質、或者壓電振動片12上所附著的物質解析引起的頻率變化量Δf(＝f0-f)，並可檢測其質量。並且，由于振蕩頻率容易跟蹤壓電振動片12的共振頻率變化而變化，因而電壓控制振蕩器24容易地跟蹤測定途中的壓電振動片12的共振頻率變化輸出激勵信號。因此，根據在信號處理部16所獲得的壓電振動片12的共振頻率變化，可求出基於物質在壓電振動片12上的附著速度的物質濃度、物質從壓電振動片12的解析速度等。
圖15是示出使用實施方式的測定裝置10的質量測定方法的一例的圖，是液中測定的例。圖15(1)所示的壓電振動片12是AT切割倒臺面型壓電振動片，在兩面的臺面部(凹部)38形成有激勵電極(未作圖示)。而且，在壓電振動片12的一個激勵電極的表面設置有感應膜，並使該感應膜露出地收納在水密殼體100內，以防止在兩面所設置的激勵電極在液中短路。並且，該水密殼體100內收納有激振電路14和放大器30(本圖未作圖示)。
在使用壓電振動片12的液中測定的情況下，把水密殼體100浸漬在容器102內所貯存的規定液體104內，使壓電振動片12與液體104接觸。然後，等待液體104中的壓電振動片12的共振穩定。當共振穩定時，把該共振頻率作為基準頻率存儲在信號處理部16內。之後，把包含測定對象物質的試樣(液體)106按規定量添加給液體104，使之擴散。試樣106中的測定對象物體附著(結合)在壓電振動片12的感應膜上。因此，壓電振動片12的重量變化，共振頻率隨時間如該圖(2)所示變化。因此，通過在信號處理部16檢測該共振頻率的變化速度，可求出試樣中的測定對象物質的濃度。並且，在試樣添加後，使共振頻率穩定，可根據該共振頻率和基準頻率的差，求出感應膜上所附著的測定對象物質的質量。
另外，可以按如下進行測定。首先，準備好2個容器102，一個容器僅放入不含測定對象物質的液體(例如，水或酒精)，另一容器放入使測定對象物質在水或酒精中溶解或分散後的試樣。然後，求出在一個容器中壓電振動片12在液中的基準頻率。之後，使壓電振動片浸漬在另一容器的試樣中，進行測定對象物質的測定。通過這樣做，可更準確和簡易地求出測定對象物質的濃度等。另外，在壓電振動片12供氣中測定用的情況下，期望的是在兩側的激勵電極上設置感應膜。在此情況下，壓電振動片12不收容在氣密容器內。這樣，可使壓電振動片12上的附著量增多，可進行更準確的測定。
圖4是第2實施方式的激振電路的說明圖，圖5是第3實施方式的激振電路的說明圖。圖4所示的第2實施方式的激振電路40，如該圖(1)所示，在分配器22和相位比較器26之間具有與壓電振動片12並聯連接的線圈42。即，線圈42，如該圖(2)所示，與壓電振動片12的等效電路的電極間電容C0並聯連接。其他構成與圖1所示的第1實施方式相同。
第3實施方式的激振電路44，如圖5(1)所示，在分配器22和相位比較器26之間，使線圈46與壓電振動片12串聯連接。該圖(2)示出該等效電路。其他構成與圖1所示的第1實施方式相同。
壓電振動片12，如前所述，液體中的CI值與氣體中的CI值相比較非常大。因此，即使壓電振動片12使振蕩電路調整成在氣體中共振，當把壓電振動片12浸漬在液體中時，如圖6的曲線a所示，在串聯共振頻率時也呈現電容性的電抗，並且相位不旋轉，因而在零相位時，PLL不鎖定。
因此，在第2實施方式的激振電路40中，使線圈42與壓電振動片12並聯連接，在該線圈42和電極間電容C0之間進行共振。因此，當在線圈42和電極間電容C0之間發生共振時，該共振電路的阻抗非常大，從外部看不到C0。因此，壓電振動片12的電抗如圖6的直線b所示變化，並在壓電振動片12的共振頻率附近通過相位零。即，壓電振動片12由電壓控制振蕩器24輸出的激勵信號激勵，激勵信號和壓電振動片12輸出的信號的相位差在壓電振動片的零相位附近一致，兩者的頻率一致。
並且，如圖5所示的第3實施方式的激振電路40那樣，當使線圈46與壓電振動片12串聯連接時，在壓電振動片12的共振頻率附近的電抗如圖6的曲線c所示變化。因此，通過使線圈46與壓電振動片12串聯連接，使得由兩者形成的電路在串聯共振頻率附近成為電感性，相位變化通過零相位。這樣，電壓控制振蕩器24輸出的激勵信號的相位和壓電振動片12的相位在相位差零時一致，兩者的輸出信號的頻率一致。
圖7是第4實施方式的方框圖。根據該第4實施方式的激振電路50在分配器22和PLL電路20的相位比較器26之間設置有移相器52。該移相器52使分配器22輸出的信號的相位超前或延遲來進行調整並輸入到相位比較器26。其他構成與第1實施方式相同。
如前所述，有時，當壓電振動片12浸漬在液體中時，CI值增大，相位不旋轉到0度，PLL不鎖定。因此，在該第4實施方式中，在分配器22和相位比較器26之間設置調整相位的移相器52，以便即使在壓電振動片12的共振頻率時的相位變化小的情況下，PLL電路也能使壓電振動片12輸出的信號和電壓控制振蕩器24輸出的激勵信號的相位一致。這樣，即使在從壓電振動片12輸出的信號的相位不旋轉到0度的情況下，也能使經由電壓控制振蕩器24的移相器52的輸出信號和壓電振動片12輸出的信號的相位差為零，可使兩者的頻率可靠一致，可測定壓電振動片12上所附著的物質的質量、從壓電振動片12脫落的物質的質量等。
圖8是第5實施方式的方框圖。該實施方式的激振電路54在電壓控制振蕩器24和分配器22之間設置有倍增器56。並且，輸出用的放大器30連接在電壓控制振蕩器24和倍增器56之間。其他構成與第1實施方式相同。在這樣形成的第5實施方式中，即使壓電振動片12是高頻用，也能使用振蕩頻率低的電壓控制振蕩器24，可實現廉價。即，電壓控制振蕩器24輸出的低頻激勵信號由倍增器56轉換成高頻，並通過分配器22作為高頻激勵信號被提供給壓電振動片12。
並且，由於放大器30與倍增器56的輸入側連接，因而沒有必要將高頻信號放大，可實現廉價。而且，與放大器30的輸出側連接的本圖未作圖示的信號處理部16(參照圖1)把電壓控制振蕩器24輸出的激勵信號的頻率按照倍增器56倍增的部分成為整數倍來求出壓電振動片12的共振頻率。另外，放大器30可以與倍增器56的輸出側，即分配器22連接。
圖9是第6實施方式的方框圖。該第6實施方式的激振電路60在壓電振動片12和相位比較器26之間、以及在分配器22和相位比較器26之間設置有分頻器62、64。其他構成與圖8所示的第5實施方式相同。
這樣形成的激振電路60使倍增器56把電壓控制振蕩器24輸出的低頻激勵信號進行倍增而成為高頻。然後，倍增器56輸出的高頻激勵信號通過分配器22被提供給壓電振動片12。從壓電振動片12輸出的信號由分頻器62返回到低頻之後，被輸入到相位比較器26。另一方面，從分配器22輸入到相位比較器26的高頻激勵信號由分頻器64返回到低頻信號。這樣，即使壓電振動片12是高頻用，由電壓控制振蕩器24、相位比較器26以及環路濾波器28構成的PLL電路20也能供低頻信號用，可實現廉價，並且難以受到幹擾等的影響，可進行高精度測定。
圖10是第7實施方式的方框圖。該第7實施方式的激振電路66在分配器22和壓電振動片12之間設置放大器68，把分配器22的輸出信號放大來提供給壓電振動片12。其他構成與第1實施方式相同。即使在壓電振動片12的電阻值增大的情況下，以及在Q值下降的情況下，這樣形成的激振電路66可把足以使壓電振動片12強制激勵的強的信號提供給壓電振動片12。
圖11是第8實施方式的方框圖。根據該第8實施方式的激振電路70在分配器22和壓電振動片12之間設置有可變增益放大器72。並且，在壓電振動片12的輸出側，在與相位比較器26之間設置有第2分配器74。相位比較器26和振幅檢測器76與該第2分配器74的輸出側連接。而且，振幅檢測器76輸入有基準電壓設定部78輸出的基準電壓，並把輸出信號輸出到可變增益放大器72。
這樣形成的激振電路70使電壓控制振蕩器24輸出的激勵信號由分配器22分配，使提供給壓電振動片12的信號由可變增益放大器72放大。而且，從壓電振動片12輸出的信號由第2分配器74分配，並被輸入到相位比較器26和振幅檢測器76。振幅檢測器76把通過第2分配器74輸入的壓電振動片12的輸出信號的振幅(強度)與基準電壓設定部78輸出的基準電壓的振幅進行比較，並把與兩者的偏差對應的信號提供給可變增益放大器72。在壓電振動片12的輸出信號的振幅小於基準電壓的振幅的情況下，可變增益放大器72根據該小的程度(偏差)改變放大率。即，偏差越大，可變增益放大器72把輸入信號放大得就越大來提供給壓電振動片12。這樣，可使壓電振動片12強制激勵來可靠共振。並且，由於去往該可變增益放大器72的振幅檢測器76的輸出信號與壓電振動片的阻抗變化成比例，因而通過對此進行測定，可知道振動器表面的液狀接觸物質的粘度變化。
圖12是第9實施方式的方框圖。該實施方式的激振電路80使PLL電路82數位化。而且，PLL電路82在由數字電路構成的相位比較器26和環路濾波器28之間設置有充電泵84。充電泵84使相位比較器26的輸出信號高電壓化來輸入到環路濾波器28。這樣，使電壓控制振蕩器24可靠動作的直流電壓從環路濾波器28被輸出。這樣通過使PLL電路82數位化，可使IC化變得容易，可使電路容易小型化。另外，分配器22與電壓控制振蕩器24的輸出側連接。壓電振動片12和相位比較器26以及輸出用的放大器30與該分配器22的輸出側連接。
圖13是第10實施方式的方框圖。該實施方式的激振電路86使PLL電路88與第9實施方式一樣數位化。而且，在相位比較器26的輸出側設置有DSP(Digital Signal Processor數位訊號處理器)89，取代環路濾波器。並且，DSP89與微機(微計算機)90連接，並在輸出側與數字/模擬轉換器(D/A)92連接。DSP89和D/A92構成控制電壓輸出部，D/A92的輸出側與電壓控制振蕩器24連接。電壓控制振蕩器24的輸出側通過分配器22與壓電振動片12、相位比較器26以及放大器30連接。
這樣形成的PLL電路88使DSP89輸出相當於與相位比較器26所檢測的相位差對應的電壓的數位訊號。D/A92把DSP89的輸出信號轉換成模擬直流電壓，並提供給電壓控制振蕩器24。並且，微機90檢測DSP89的輸出信號來進行數據處理，並變更DSP89的濾波常數。這樣，可減少測定所需要的響應時間中的噪聲。
圖14是第11實施方式的方框圖。該實施方式的激振電路94使分配器22的輸出側與相位比較器26和輸出用的放大器30連接，並通過切換部96與多個壓電振動片12(12a～12n)的一端並聯連接。這些壓電振動片12的另一端與相位比較器26連接。其他構成與第1實施方式相同。這樣形成的激振電路94使切換部96順次切換多個壓電振動片12來與分配器22連接。這樣，可容易進行壓電振動片12，即質量測定裝置的檢測部的多重化。
圖16是示出第12實施方式的要部的方框圖，是示出圖14所示的第11實施方式的變形例的圖。該第12實施方式在各壓電振動片12(12a～12n)和分配器22之間、以及在各壓電振動片12和相位比較器26之間設置有切換部96、97。即，各壓電振動片12通過切換部96與分配器22並聯連接，並通過切換部97與相位比較器26並聯連接。因此，各壓電振動片12可由切換部96、97與電路可靠切斷。其他構成與圖14相同。這樣，可容易進行壓電振動片12，即質量測定裝置的檢測部的多重化。
圖17是示出第13實施方式的要部的方框圖，是示出圖11所示的第8實施方式的變形例的圖。在本實施方式中，壓電振動片12的輸出信號由分配器201分配，該輸出信號被輸入到振幅檢測器A203。並且，電壓控制振蕩器24輸出的激勵信號經過分配器22和分配器202來分配，該輸出信號被輸入到振幅檢測器B204。比較電路205把振幅檢測器A203的輸出信號和振幅檢測器B204的輸出信號進行比較。即，把電壓控制振蕩器24輸出的激勵信號的振幅和壓電振動片12的輸出信號的振幅進行比較，按照該差(偏差)進行可變增益放大器72的增益調整。結果，能以電壓控制振蕩器24輸出的激勵信號的電壓為基準，檢測壓電振動片12的阻抗變化，即壓電振動片12的損失部分，通過可變增益放大器72的增益調整，調整成使壓電振動片12的輸出信號和電壓控制振蕩器24輸出的激勵信號的振幅相同。其他構成與圖11所示的第8實施方式相同。
在本實施方式中，通過未作圖示的放大器測定比較電路205的輸出信號，即可變增益放大器72的增益調整信號，從而可計測壓電振動片12的電阻值，通過計測該電阻值，可知道振動器表面的液狀接觸物質的粘度變化。
另外，根據各實施方式的測定裝置10可供例如液體中存在的蛋白質和汙染物質的檢測等的生物傳感器和環境測定裝置、以及粘度計、離子傳感器、或者氣味傳感器等使用。在作為粘度計使用的情況下，使壓電振動片12與被測定流體接觸。在此情況下，隨著被測定流體的粘度增加，壓電振動片的阻抗增加，共振頻率變化。因此，可檢測被測定流體的粘度。另一方面，在作為離子傳感器使用的情況下，可以塗敷離子吸附物質作為感應膜。並且，在作為氣味傳感器使用的情況下，可以塗敷氣味成分吸附物質作為感應膜。
權利要求
1.一種質量測定方法，根據質量測定用壓電振動片的振動頻率的變化檢測質量，其特徵在於，把激勵信號提供給所述壓電振動片使其激振，求出所述壓電振動片的輸出信號與所述激勵信號的相位差；根據所述相位差調整所述激勵信號的頻率，求出所述壓電振動片的振動頻率。
2.一種質量測定用壓電振動片的激振電路，其特徵在於，具有電壓控制振蕩器，用於把激勵信號提供給質量測定用壓電振動片；相位檢測部，求出該電壓控制振蕩器輸出的所述激勵信號與所述壓電振動片的輸出信號的相位差；以及控制電壓輸出部，把與該相位檢測部所求出的所述相位差對應的電壓提供給所述電壓控制振蕩器，把頻率與所述壓電振動片的輸出信號的頻率相同的所述激勵信號輸出到所述電壓控制振蕩器。
3.根據權利要求2所述的質量測定用壓電振動片的激振電路，其特徵在於，所述壓電振動片與線圈並聯或串聯連接。
4.根據權利要求2所述的質量測定用壓電振動片的激振電路，其特徵在於，在所述電壓控制振蕩器與所述相位檢測部之間設置有對所述激勵信號的相位的延遲和超前進行控制的移相器。
5.根據權利要求2至4中任意一項所述的質量測定用壓電振動片的激振電路，其特徵在於，在所述電壓控制振蕩器的輸出側設置倍增器，通過該倍增器把所述激勵信號提供給所述壓電振動片和所述相位檢測部。
6.根據權利要求5所述的質量測定用壓電振動片的激振電路，其特徵在於，在所述壓電振動片與所述相位檢測部之間、以及在所述倍增器與所述相位檢測部之間設置分頻器。
7.根據權利要求2至6中任意一項所述的質量測定用壓電振動片的激振電路，其特徵在於，所述相位檢測部和所述控制電壓輸出部由數字電路構成。
8.根據權利要求7所述的質量測定用壓電振動片的激振電路，其特徵在於，在所述相位檢測部和所述控制電壓輸出部之間設置充電泵。
9.根據權利要求7所述的質量測定用壓電振動片的激振電路，其特徵在於，所述控制電壓輸出部具有數位訊號處理器。
10.根據權利要求2至9中任意一項所述的質量測定用壓電振動片的激振電路，其特徵在於，所述壓電振動片設置有多個，在這些壓電振動片與所述電壓控制振蕩器之間具有依次切換所述壓電振動片來提供所述激勵信號的切換部，或者在壓電振動片與所述電壓控制振蕩器之間、以及在壓電振動片與相位檢測部之間具有切換部。
11.根據權利要求2至10中任意一項所述的質量測定用壓電振動片的激振電路，其特徵在於，所述壓電振動片用於在僅在單側面具有感應膜的液體中的測定。
12.根據權利要求2至10中任意一項所述的質量測定用壓電振動片的激振電路，其特徵在於，所述壓電振動片用於在兩側面或單面上具有感應膜的氣體中的測定。
13.根據權利要求2所述的質量測定用壓電振動片的激振電路，其特徵在於，在所述電壓控制振蕩器與所述壓電振動片之間設置可變增益放大器，把供給相位比較器的輸入電壓控制成恆定。
14.一種質量測定裝置，其特徵在於，具有權利要求2至13中任意一項所述的質量測定用壓電振動片的激振電路。
全文摘要
本發明能可靠進行質量測定。質量測定裝置(10)具有使壓電振動片(12)強制激勵的激振電路(14)。激振電路(14)具有PLL電路(20)。PLL電路(20)的電壓控制振蕩電路(24)輸出激勵信號。激勵信號通過分配器(22)被提供給壓電振動片(12)和相位比較器(26)。相位比較器(26)輸出與壓電振動片(12)的輸出信號和激勵信號的相位差對應的信號。該信號通過環路濾波器(28)被變成直流電壓，並作為控制電壓被提供給電壓控制振蕩器(24)。電壓控制振蕩器(24)使振蕩頻率根據控制電壓來變化，輸出與壓電振動片(12)的輸出信號不產生相位差的激勵信號，使壓電振動片(12)共振。信號處理部(16)對電壓控制振蕩器(24)的輸出頻率進行計數來求出壓電振動片(12)的共振頻率。
文檔編號G01N11/10GK1705863SQ20048000137
公開日2005年12月7日 申請日期2004年3月24日 優先權日2003年3月25日
發明者小林祥宏 申請人:精工愛普生株式會社