多重モードを用いる液体の物性計測用圧電センサの創成に関する研究

本研究の目的は単一圧電デバイスの複数の振動モードを利用して液体の密度と粘度を測定するセンサを創成することである.一つの素子で液体の二つの物性値である密度及び粘度を同時に測定する研究は世界でも数少なく,本研究を実施する意義がある.また,本研究は数多くの産業界における検査装置の小型化・多機能化・低コストの需要を満たす上で重要である.具体的な計測手法は,センサの先端を液体に浸け,センサ板の表面を液体対して法線及び接線方向の2方向に振動させ,空気中でのモード周波数との差を計測することで密度と粘度を測定する.本年度は昨年度導出した計測理論に基づき設計したセンサを用いて,密度及び粘度の計測精度を実験により明らかにした.本計測理論は構造体であるセンサを単振動系とみなしているが,密度及び粘度を計測するには,センサの等価的な質量を求める必要がある.そこで,一自由度感応法により接線及び法線方向の振動における等価質量の校正を試みた.校正の結果,本手法で想定される液体の付加質量の領域においてセンサ自身の等価質量が一定であり,振動モードが変化していないことを確認した.またその定量的な値も算出した.粘度および密度が未知である食用油を計測対象として粘度及び密度を共振周波数の計測から算出した.その結果,市販用の粘度計及び密度計により計測した結果に比べて密度は1%粘度は10%の差で計測することに成功している.市販の粘度計及び密度計の要求される正確さは粘度において1%,密度において0.1%程度となっており,本実験においてその要求は満たすことが出来なかったが,単一圧電素子の複数の振動形態を利用して粘度及び密度計測ができることがわかった.

本研究の目的は単一圧電デバイスの複数の振動モードを利用して液体の密度と粘度を測定するセンサを創成することである.一つの素子で液体の二つの物性値である密度及び粘度を同時に測定する研究は世界でも数少なく,本研究を実施する意義がある.また,本研究は数多くの産業界における検査装置の小型化・多機能化・低コストの需要を満たす上で重要である.具体的な計測手法は,センサの先端を液体に浸け,センサ板の表面を液体対して法線及び接線方向の2方向に振動させ,空気中でのモード周波数との差を計測することで密度と粘度を測定する.本年度は昨年度導出した計測理論に基づき設計したセンサを用いて,密度及び粘度の計測精度を実験により明らかにした.本計測理論は構造体であるセンサを単振動系とみなしているが,密度及び粘度を計測するには,センサの等価的な質量を求める必要がある.そこで,一自由度感応法により接線及び法線方向の振動における等価質量の校正を試みた.校正の結果,本手法で想定される液体の付加質量の領域においてセンサ自身の等価質量が一定であり,振動モードが変化していないことを確認した.またその定量的な値も算出した.粘度および密度が未知である食用油を計測対象として粘度及び密度を共振周波数の計測から算出した.その結果,市販用の粘度計及び密度計により計測した結果に比べて密度は1%粘度は10%の差で計測することに成功している.市販の粘度計及び密度計の要求される正確さは粘度において1%,密度において0.1%程度となっており,本実験においてその要求は満たすことが出来なかったが,単一圧電素子の複数の振動形態を利用して粘度及び密度計測ができることがわかった.