生命科学関連特許情報
| タイトル： | 特許公報(B2)_トランスデューサ用共振構造 |
| 出願番号： | 2000531837 |
| 年次： | 2008 |
| IPC分類： | G01N 11/16 |
特許情報キャッシュ
ガラガー、ジョン ジェラード JP 4106181 特許公報(B2) 20080404 2000531837 19990210 トランスデューサ用共振構造 ハイドラモーション リミテッド 500375291 鈴江 正二 100087653 木村 俊之 100121474 ガラガー、ジョン ジェラード GB 9802907.7 19980212 20080625 G01N 11/16 20060101AFI20080605BHJP JPG01N11/16 Z G01N 11/00-13/04 特開昭６３−０８１２３５（ＪＰ，Ａ） 特開平０８−２４７９１７（ＪＰ，Ａ） 特開平０７−０７２０６３（ＪＰ，Ａ） 6 GB1999000421 19990210 WO1999041735 19990819 2002503819 20020205 10 20031121 森 竜介 【０００１】 本発明はトランスデューサおよびトランスデューサ用の共振構造に関するものであり、特に、振動駆動される第１部材と、検出素子を保持し、媒体の中に入れられる第２部材とからなる構造であって、その媒体の特性を測定する構造に関する。【０００２】 この一般的な性質の構造を含む種々のトランスデューサが知られている。既知の装置では、第１部材と第２部材は逆位相で振動するようになされていて、連結部には通常‘０’移動の振動節がありこれにより振動構造が支持されている。この種の既知の装置が米国特許第3,712,117号および英国特許第2,281,621号に開示されている。この種の設計では、上記の節が機械的データム(基準水平面)に可撓性手段により接続されており、この可撓性手段は上記第１部材および上記第２部材よりしなやかである。理論的には、これらの装置では、第１部材のねじれ方向、横方向あるいは長手方向の振動の振幅および周波数は、気体、液体あるいは固体である媒体に浸漬させた検出素子を保持する第２部材のものと同じである。【０００３】 本発明の１つの重要な特徴は、第１部材と第２部材との連結部と支持体との間に半硬質連結部材を用いていることである。この半硬質連結部材は、第１部材と第２部材の動きにかなりの影響を及ぼすとともにそれを制御するのが好ましい硬さを持っている。第１部材および第２部材よりも硬い節を設けることが好ましい。この種の部材によると、多くの産業的応用において経験する高圧および大きい力には通常耐えることができない非常にしなやかな取付という短所を回避できる。更に、連結部材あるいは連結手段の硬さは、トランスデューサが一部をなしている測定器具の感度を制御するよう選択できる。【０００４】 本発明の更にもう１つの特徴は、検出素子に内包されているくぼみ部材あるいは共振器の使用である。この共振器は第２部材の一部を形成するのが好ましいが、上記の半硬質連結部材とは別個の用途を有する。そのようなくぼみ部材は検出素子と相対的に振動するようになされていて、バネ−質量により構成せられるが検出素子が浸漬している媒体によっては影響されない。そのような要素あるいは追加の共振器はトランスデューサの特性を簡単且つ確実に変更することができる。 本発明のその他の特徴は以下の明細書から明白である。【０００５】 図１、図２および図３は、各々、媒体の特性の測定用トランスデューサの一部を形成する共振構造体を示し、この構造体は慣性体(１１)およびシャフト(２１)から構成される第１部材(１１)、(２１)を含む。【０００６】 第２部材の慣性体は、パドルのような形状に形成した検出素子(１２)によって構成されるのが好ましい。そして第２部材は第２シャフト(２２)を含む。シャフト(２１)、(２２)は連結域を有し、以下、これを連結部(１３)と言う。この連結部(１３)は、それ自体、この例では、取付ベース(１０)に固定した筒体(２３)である連結部材によって支持されている。【０００７】 上記取付ベースと連結部材は、一方が取付部材の上方に、他方がその下方にと２つの異なる領域を形成するのが好ましく、例えば検出素子(１２)を測定する媒体内に配置し、第１部材(電磁的に駆動されるものでもよい)が空中で振動するという具合である。但しその他の形態も可能である。【０００８】 図１、図２、図３間の相違点は各構造体が異なるモードの振動を受ける点にある。図１に示す構造体はねじれ方向に振動するようになされており、第１部材は矢印(１)で示すようにねじれ、下方部材(第２部材)は矢印(１Ａ)で示すように反対方向にねじれる。図２の構造体では、両部材は、部材(１１)の上方の双方向矢印(２)で示すように、長手方向に振動するようになされている。図３で示す構造体では、両部材は、双方向矢印(３)で示すように横方向に振動するようになされている。駆動端は種々の手段で刺激され、検出される。その手段は電磁力および電磁界、圧電応力および圧電ひずみ、音圧あるいは静電力および静電界である。【０００９】 後述するように、構造体はまたくぼみ型の共振器を含む。図１において、検出素子(１２)は中空のパドル状あるいはシリンダーであり、この検出素子内に、この検出素子を取り囲んでいる媒体からは物理的に離れされ、シャフト(２４)によって検出素子に連結された質量部材(１４)を有している。図１、図２および図３の各々には、同様の共振器が示されており、本質的には同様に振動するようになされており、各システムの他の部分が振動するにつれ、ねじれ方向、長手方向、横方向に振動する。【００１０】 図示されているトランスデューサは、図１(Ｂ)に示されているように連結された３つ、好ましくは４つの別個のねじれたバネ−質量システムからなる。長手方向および横方向の振動に対する等価システムが図２(Ｂ)および図３(Ｂ)に示されている。便宜上以下の説明は主としてねじれ方向の振動に関して行う。【００１１】 以下の説明では、第１部材の慣性質量と硬さをＪ１およびＫ１とで示し、第２部材の慣性質量および硬さをＪ２及びＫ２とで示している。 Ｊ２、Ｋ２およびＪ４、Ｋ４により形成されたバネ−質量システムは同一位相である一方、システムＪ１、Ｋ１は１８０°異なった位相である。各システムの慣性質量とシャフトの硬さＫが適切に選択されると、最小振動点が慣性質量Ｊ３に形成され、この慣性質量Ｊ３が硬さＫ３の要素に連結される。Ｊ１の振動周波数(ω１)がＪ４の振動周波数(ω４)に等しいと、バランスのとれた節条件が達成される。【００１２】 数学的にこれを表わすと Ｊ１、Ｋ１に対し【数１】 あるいは振動の高調和状態。【００１３】 Ｊ２、Ｋ２及びＪ４、Ｋ４に対し【数２】 あるいは振動の高調和状態。ここでα＝Ｋ２/(Ｋ１＋Ｋ２)である。【００１４】 節のバランスの取れた条件はω１＝ω４で得られる。なお、Ｊは慣性極質量モーメント、Ｋはねじれ方向の硬さ、ωはバネ体システムの共振周波数である。【００１５】 図２および図３におけるシステムでは、 Ｍ１、Ｋ１に対し、【数３】 あるいは振動の高調和状態。【００１６】 Ｍ２、Ｋ２およびＭ４、Ｋ４に対し、【数４】 あるいは振動の高調和状態であり、ここでα＝Ｋ２/(Ｋ１＋Ｋ２)である。 節のバランスの取れた条件はω１＝ω４で、Ｍは質量、Ｋは硬さ、ωはバネ体システムの共振周波数。【００１７】 前述のように、他の設計では、節点が特定の大きさがない非常にしなやかな手段によって機械的固定点に接続した逆位相システムを含む。だが、ここに記載の本出願にはそのような非常に弾性的な点はない。その理由はそのような点があれば構造的に弱い場所を生じ、多くの産業上の応用に見られる高圧および大きな力に耐えられないからである。その代わりにその弾性的な点が特定の半硬質部材(２３)で代替されている。【００１８】 この半硬質部材(２３)は節領域での何らかの残留移動を調節するようになされている。節領域では、流体を慣性質量に乗せることおよび温度による硬さの変化によって、周波数の釣り合いというバランスの取れた条件がなくなるため大体の定義しかない。すなわちω１＝ω４の条件が器具の作動寿命において保証できない。【００１９】 半硬質部材(２３)の硬さは、産業的に利用する際、大きな構造上の強さならびにトランスデューサの構成要素の心合わせの安定性を生じる。また重要なことには、半硬質部材(２３)は流体分割の１方の側、すなわちシャフト(２１)から、他方の側のシャフト(２２)に出されるねじれトルクの量を制御し、そうすることにおいて、２つのシャフトの相対移動を制御する手段を形成する。【００２０】 最適結果として、構造上の強さおよび良好な感度が、Ｋ３が、シャフト(２１)の硬さであるＫ１の１０倍にほぼ等しい場合に得られる。この硬さの構造部材は、高張力ステンレス鋼をシステムの振動要素および検出器取付体に全溶接することにより得られる。これにより高い構造上の強度が得られると共に、全ての溶接構成は衛生学的利用(材料欠陥がない)および積極的な環境(腐敗するシールがなく耐食性合金の使用が容易である)で便利である。【００２１】 半硬質部材(２３)の存在により、検出装置の主な形式の応答を１つの共振ピークＦ１(図５)から２つの共振ピークＦ１およびＦ２へ変化させる。１つのピークは、本質的には、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ４の望ましい相互作用(およびそれらの質量)から形成されるが第２ピークは、またこれらのシステムと相互作用するＫ３のかなりの硬さの結果である。この第２の共振ピークは望ましくなく、フィルターすることにより簡単に除去される。検出装置取付時に緩衝を増加するとその除去の助けとなるし、方法プラントあるいは何かその他の固定器具に取付けることにより容易になる。また、弾性連結よりも金属連結を用いる方が好ましく、その理由は金属はエラストマーよりはるかに低い緩衝能力を持つよう選択できるので、その結果、より高い品質の共振器が得られることになる。【００２２】 通常、検出素子を形成する１つの組み合わせバネ体を設ける。この要素は流体の粘度効果を受ける。すなわち、流体の粘度を高めると、検出装置の緩衝性が高まり、その結果システムの振動率が減少する。トランスデューサの性能は振動率、あるいはＱ因子によって強く影響され、粘度が高くなるにつれ性能が悪化する(図４の曲線(４１) (４２)参照)。大きなＱ因子はノイズ率、感度および共振周波数以外の機械的振動を自然に除去して、プラントのノイズから免がれる率が高いことを示すものである。【００２３】 この新規な設計ではＱ因子が粘度に関係なく維持でき、最高の流体粘度(数ミリオンセンティポアズ)で非常に高い振動率(５０００以上)を生じる。これを達成するため、この設計では、検出素子内に取り付けた組み合わせバネ−質量共振器(１４)、(２４)を用いている。この共振器は周囲の流体の緩衝効果の影響をうけず、流体の状態に関係なくそのねじれ歪エネルギーを維持する。【００２４】 湿ったシャフト(２１)と軸(２４)との相対的硬さを選択することにより、検出素子に与えられる振動の粘度が制御でき、検出装置の感度を決めることができる。その結果、検出装置は標準設計で製造でき、検出素子(１２)の硬さ(すなわち直径)を少し変えるだけで、どの流体粘度の範囲にも合うよう調節できる。これは、殆どの場合共振周波数が、(Ｋ２＞＞Ｋ４である限り)Ｋ２よりもＪ１、Ｋ１およびＪ４、Ｋ４により決定されるので、節におけるバランスの取れた条件(同じ周波数)に殆ど影響なく行うことができる。１つの要素の簡単な調節により、トランスデューサの性能を特性づけることにより製造効率を改善するので商業的にも有利である。【００２５】 通常シャフトに固定された鉄棒を用いてねじりモーメントを与えることによって、図１に示されている共振器の駆動端(１１)が刺激されてねじれ振動する。回転の中心から少し離れて位置する電磁石が鉄棒に電磁力を与えて、鉄棒を角運動させる。電磁石への電流は、バネ−質量システムの共振周波数にスイッチが入れられあるいは調整されて、装置は共振周波数で振動する。この周波数で連続して振動させるため、再生駆動が用いられる。その再生駆動では、例えば、電磁ピックアップが上記角移動を検出する。このピックアップからの信号が増幅されて、相が調節せられて、フィードバックされ電磁石の駆動信号を構成する。駆動およびピックアップ・アセンブリを用いて、駆動シャフトをその共振周波数で振動させることにより、システムの検出端がねじれ振動をする。【００２６】 半硬質連結部材(２３)は、高流体圧力および高流体温度に耐えることができるかなりな流体障壁を形成する。検出素子は異なる端部部材をもっていてもよいし、その端部にいかなる部材も取り付けなくてもよい。駆動端は種々の手段、電磁力および電磁界、圧電応力および圧電歪、音圧、あるいは静電力および静電界によって刺激され、検出される。【００２７】 図１に示された実施例では、全ての構成要素はステンレス鋼から形成せられている。プロセス流体への接続が必要な場合、トランスデューサ本体は、ネジ固定された取付具あるいはフランジのような従来のプロセス連結部へネジで固定するか溶接できる。もう１つの形態は２つの駆動電磁石と２つの電磁ピックアップを用いてねじれ振動を改善し、シャフトの横振動を阻止している。駆動シャフトは、シャフト(１１)の端部に固定した端部ウェイトを用いて検出素子であるシャフト(２２)の振動周波数に合うよう釣り合わせるのが好ましい。このようにして、節点は所望の位置にうまく設定され、トランスデューサは、アセンブリーに加えられる外からの応力とは関係なく振動する。【００２８】 検出素子(１２)、(２２)が液体に浸漬せられると角移動が流体に剪断力を生じさせる。流体が粘性であれば、要素の表面積、角速度および流体の粘度の組み合わせが振動システムに牽引力を生じさせ、エネルギーが流体に消失する。エネルギーの損失の程度は、Ｋ４に対するＫ２の割合で決定され、検出素子に許される振動量に比例する。【００２９】 Ｑ因子、すなわち共振ピークの鋭さは、各振動サイクルで共振システムにインプットされたエネルギーに対する消失エネルギーの量を示す。粘度が高まって、エネルギー損失が増えるにつれ、システムのＱ因子は減少する。【００３０】 Ｑ因子は共振ピークの電力半値幅を測定することによって決定され、次いで測定されたＱ因子を従来のユニットで量って流体の粘度を読み取る。【００３１】 シャフトの硬さ、検出素子の慣性質量モーメントおよび表面積からなるパラメータを調節することによって、最適粘度幅に合わせて選択的に形成できる。【００３２】 検出端部部材を、流体が共振している間移動するように幾何学的に形成すれば、検出素子に質量負荷作用が生じる。システムの共振周波数は、検出端部要素の慣性質量モーメントの関数であるので、共振周波数は流体の密度により調整される。よって、流体の密度は、システムの共振周波数と相関できる。【００３３】 従来の温度検出技術を用いてトランスデューサの共振周波数と流体温度とを測定し、温度によるシャフトの弾性の変化に修正因子を与えることによって、流体の密度が決定される。【００３４】 トランスデューサの共振周波数は、シャフトの端部に質量を加えるにつれ減少する(これが硬さを増加させない限りであるが)。追加する質量が回転軸から遠のくにつれ、慣性極質量モーメントが増加するので、周波数は更に減少する。【００３５】 検出端部要素が、例えば、直径６０mm、厚さ０.５mmの広くて薄い円板で形成してあると、振動周波数は円盤上の質量の小さな変化に非常に鋭敏になる。質量の変化による周波数の小さな変化と、温度による変化とを区別できるように、第２の共振器が用いられる。両検出装置は同じ温度を受けるが、一方のみが質量測定に用いられるので、各トランスデューサからの周波数の分割により、質量のみにより変化するが、温度とは独立した係数を生じる。【００３６】 そのような器具は、円板上に置いた物体あるいは円板それ自体の以下の活動による質量の変化を検出することができる。 (ａ)蒸発 (ｂ)イオン化 (ｃ)霧化 (ｄ)吸収 (ｅ)蒸着 (ｆ)磨耗 (ｇ)円板あるいは円板上に置いた物体の質量の変化を生じさせるその他の物理的あるいは科学的作用【００３７】 化学的あるいは物理的方法における、気相、液相あるいは固相、あるいはこれらの組み合わせ相の物体に対しそのような測定ができる。例えば、液体ラッカーの乾燥工程においては気体状溶媒の蒸気を放散するのでその質量の損失を測定でき、よって、液体ラッカーの質量、気体状溶媒の質量および残存する固体樹脂が分かる。【００３８】 質量測定に加えて、システムのＱ因子が測定され、円板状の物体の粘度あるいは流動学的行動を決定する。これにより物理的あるいは化学的工程における物体の動力学的行動を理解するための分析データが得られる。【００３９】 この方法は、流体中に検出装置を完全に浸漬させる場合よりむしろ、一滴の流体の粘度を決定するのに有用である。質量バランス技術は存在する流体の量を決定し、粘性エネルギー損失の読み取りと組み合わせて流体の粘性を決定する。【００４０】 また、物体のスキン厚さに関する情報も得ることができる。スキン厚さとは、システムの追加質量に寄与する振動表面近くの流体量である。そのスキン厚さは、密度、粘度および振動周波数の関数である。流体の粘性が高くなる(より固体に近づく)につれ、そのスキン厚さは増加する。例えば、樹脂が測定面で乾燥していると、その粘性は増加し、従って、スキン厚さの増加により質量が明かに増加する。【００４１】 多くの化学反応は、反応における構成要素間の質量の交換である。ねじれたトランスデューサの検出面が、特定の化学反応における構成要素で形成せられていると、反応の進行が表面の質量の増加あるいは減少によってモニターできる。この質量の交換は、気相、液相あるいは固相の反応物により生じる。【００４２】 こうして、用いられる化学的表面の種類と、それとその他の化学物質との反応により決定される化学反応のオンライン測定ができる。【００４３】 質量測定と、酸化還元電位のようなその他の反応指示体および電解理論とを組み合わせることにより、反応の性質および未知の反応物質を決定することができる。例えば、ファラデーの電解法によれば、電解蒸着した物質の質量は、時間、電流、ならびに原子量および原子価の関数である。質量、時間および電流が分かっていれば、蒸着した原子は、原子の重さ／原子価の推定値から決定できる。【００４４】 適切な化学組成物で作成された円板を用いることにより、上記器具を空気および水の汚染物質の連続的なオンライン測定に用いることができる。化学組成物で感光されていない第２の基準共振器を用いることにより、温度あるいは汚れによる周波数変化をなくす。放射性崩壊による質量変化も同様にして測定できる。【００４５】 上記器具は、例えば、バクテリア培養の成長を促進し得る生化学基質で被覆された円板と共に用いて、培養の成長率を感度よく決定できる。 気体相、液体相あるいは固体相の無機、有機、生化学物質の流動学的行動あるいは質量の変化は時間をかけて測定できる。【図面の簡単な説明】【図１】 図１は、本発明による共振構造体を示し、図１(Ａ)はその機械的構造、図１(Ｂ)はその構造の模式図である。【図２】 図２は、図１に示すものに類似であるが振動の仕方が異なる構造体を示し、図２(Ａ)は機械的構造、図２(Ｂ)は模式図である。【図３】 図３は、図１に示すものに類似であるが振動の仕方が異なる構造体を示し、図３(Ａ)はその機械的構造、図３(Ｂ)は模式図をである。【図４】図４は周波数による振動の振幅の変化を示すグラフである。【図５】図５は周波数に対する振幅のグラフであって、連結部材の効果を示す。【符号の説明】 １０…取付手段、１１・２１…第１部材、１２・２２…第２部材(検出素子)、２３…連結手段、１３…連結部、１４・２４…振動共振器。 第１部材(１１，２１)および第２部材(１２，２２)ならびに連結手段(２３)からなる共振構造体を含み、上記第１部材および第２部材はその中間の連結部(１３)に対し逆位相で振動するように構成されており、上記連結手段(２３)は上記連結部を支持可能な硬さに構成してあり、前記第２部材(１２，２２)は検出素子(１２)と、検出素子(１２)内に配されている振動共振器(１４，２４)とを含む構成としたトランスデューサ。 上記連結手段(２３)と組み合って２つの異なる領域を分離させる取付手段(１０)を含み、各領域は上記第１部材及び第２部材の一方を含む請求項１に記載のトランスデューサ。 上記連結手段(２３)が、上記第１部材(１１，２１)よりも硬く構成してある請求項１または２に記載のトランスデューサ。 上記連結手段が、上記取付手段(１０)から延びる金属製筒状部材からなる請求項２に記載のトランスデューサ。 上記検出素子(１２)が中空のパドル形状あるいは筒状で、振動共振器がシャフト(２４)で検出素子に連結された慣性体(１４)からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載のトランスデューサ。 第２部材(１２)の硬さ(Ｋ２)がシャフト(２４)の硬さ(Ｋ４)よりも硬い請求項５に記載のトランスデューサ。