浮遊粒子状物質(SPM)定量化のための圧電振動センサ(QCM)の開発

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14550221
• Research Institution: Akita Prefectural University
• Principal Investigator: 加川 幸雄 秋田県立大学, システム科学技術学部, 教授 (10019200)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 若槻 尚斗 秋田県立大学, システム科学技術学部, 助手 (40294433) ; 土屋 隆生 秋田県立大学, システム科学技術学部, 助教授 (20217334)
• Keywords: 浮遊粒子状物質 / QCM / センサ / 有限要素法 / シミュレーション / 水晶振動子 / 温度特性 / モード結合

Research Abstract

本年度は主に圧電振動センサ(QCM)の3次元有限要素解析に用いる数値シミュレータの改良、及びセンサの特性測定を行うための測定系の準備・予備実験を行った。
圧電振動解析プログラムの改良 水晶振動子をQCM用のセンサとして用いる場合、環境温度の変化により振動子の共振周波数が変化すると、それはそのまま測定誤差につながる。また、メインモードの温度特性が良好であっても高次輪郭振動などのスプリアスモードの共振周波数は温度に依存して変化し、特定の温度でメインモードと結合する場合がある。これはその温度において発振周波数ジャンプを引き起こし測定値線形性が悪化する。このような現象のシミュレーションなどを行うため、研究代表者らが従来開発した3次元圧電振動解析プログラムに温度特性の効果を含めるために新たなコードを開発し組み込んだ。
測定系の準備・予備実験 QCMによるSPM測定実験を行うために、測定系の準備を行った。測定系はセンサとなる水晶振動子、発振回路、発振周波数測定器、データ記録・解析装置、及び複素インピーダンス測定装置よりなる。振動子単体の共振特性測定は複素インピーダンス測定装置により行い、データ記録・解析装置に測定値を記録する。この測定は温度変化や質量負荷に対する共振周波数変化の測定及び振動モード分布の測定などに用いる。発振周波数変化の測定は、センサである振動子を組み込んだ発振回路の発振周波数を周波数カウンタで測定し、データ記録・解析装置に記録する。この測定系を用いた予備実験としてタバコの煙の検出実験を行った。タバコの煙を充満させた密閉箱にセンサを挿入し発振周波数変化を測定・記録したところ、センサ挿入直後より周波数変化が観測された。また一定環境下ではSPM測定装置開発を行うために必要とされる発振周波数安定度も得られていることが確認できた。