(57)【要約】【課題】高感度で感知対象物の感知を行うことができ、大型化及び製造コストの増加を防ぐことができる感知装置を提供すること。【解決手段】圧電振動子に第１の振動変位分布が形成されるように第１の振動モードで振動させて第１の発振周波数を出力するための第１の発振回路と、一部の特定領域のみが振動されない第２の振動変位分布が形成されるように、前記圧電振動子を第２の振動モードで振動させて第２の発振周波数を出力する第２の発振回路と、第２の発振周波数に基づいて前記圧電振動子の温度を推定し、基準温度に対する前記推定された温度のずれに基づく第１の発振周波数のずれが補償されるように前記第１の発振回路を制御する温度補償部と、特定領域に設けられ、前記試料流体に含まれる感知対象物を吸着して前記第１の発振周波数を変化させるための吸着膜とを備えるように装置を構成する。【選択図】図５
2014021018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その一面側及び他面側に励振電極が形成される圧電片を備え、前記一面側に試料流体が供給される圧電振動子と、
前記圧電振動子に第１の振動変位分布が形成されるように第１の振動モードで前記圧電振動子を振動させて第１の発振周波数を出力するための第１の発振回路と、
前記圧電片の一面側の前記第１の振動モードで振動される領域が振動変位の節となる第２の振動変位分布が形成されるように、前記圧電振動子を第２の振動モードで振動させて第２の発振周波数を出力するための第２の発振回路と、
前記第１の発振周波数と、前記第２の発振周波数とを互いに切り替えて取り出すために、前記励振電極を前記第１の発振回路または第２の発振回路に切り替えて接続する切り替え部と、
前記振動変位の節に設けられ、前記試料流体に含まれる第１の感知対象物を吸着して前記第１の発振周波数を変化させるための第１の吸着膜と、
前記第１の発振回路の発振周波数及び第２の発振回路の発振周波数を測定し、その測定結果に基づいて前記第１の感知対象物を検出するために測定データを処理する計測手段と、を備え、
前記第２の発振回路の発振周波数は、第１の発振回路の発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するために使用されるものであることを特徴とする感知装置。
【請求項２】
第１の振動モードは厚みすべり振動の主振動であり、第２の振動モードはインハーモニックオーバトーンであることを特徴とする請求項１記載の感知装置。
【請求項３】
第１の振動モード及び第２の振動モードは厚みすべり振動のインハーモニックオーバトーンであることを特徴とする請求項１記載の感知装置。
【請求項４】
前記第１の吸着膜は第１の振動モードの振動変位が最大となる位置を含む位置に設けられていることを特徴とする請求項２または３記載の感知装置。
【請求項５】
前記圧電片において、前記第１の振動モード及び第２の振動モードで振動される領域の外側に第３の振動モードで振動される圧電振動子が形成され、
当該圧電振動子を前記第３の振動モードで振動させて第３の発振周波数を出力するための第３の発振回路と、
前記試料流体に含まれる第２の感知対象物を吸着して前記第３の発振周波数を変化させるための第２の吸着膜と、を備え、
前記計測手段は、更に第３の発振回路の発振周波数を測定し、その測定結果に基づいて前記第２の感知対象物を検出するために測定データを処理する手段を含み
前記第２の発振回路の発振周波数は、更に第２の発振回路の発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するために使用されるものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の感知装置。
【請求項６】
前記圧電片はＡＴカットされた水晶片であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の感知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感知対象物が圧電振動子に形成された吸着膜に吸着することにより変化する周波数を検出して前記感知対象物を感知する感知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＱＣＭ（Quarts Crystal Microbalance）による微量な感知対象物の感知が行われている。この技術は、圧電振動子である水晶振動子の電極に感知対象物と吸着反応する吸着膜を設けて当該感知対象物のセンサとして構成する。そして、前記吸着膜への感知対象物の吸着反応により起こる質量付加効果により、当該水晶振動子の発振周波数が低下する。この発振周波数の変化を利用して水晶振動子表面に供給した試料液中の感知対象物の感知が行われる。
【０００３】
このＱＣＭでは、単一の電極対を設けた水晶片からなる水晶振動子をセンサとして上記の感知を行う場合があるが、測定精度を高くするために１枚の水晶片に２つの電極対を設け、前記水晶片から２つの水晶振動子を構成してセンサとする場合もある。その場合、一方の水晶振動子の電極対を構成する電極には前記吸着膜が形成され、当該一方の水晶振動子は前記感知対象物の検出用として構成される。他方の水晶振動子の電極対を構成する電極には、前記吸着膜が設けられず、当該水晶振動子は参照用の水晶振動子として構成される。そして、前記各水晶振動子の電極を共に試料液に曝して各水晶振動子の周波数差を検出し、この周波数差を、温度などの影響がキャンセルされた感知対象物の吸着分だけからなる水晶振動子の周波数変化量として取り扱うように感知装置を構成する。この感知装置によって、感知対象物の高感度な感知が行われている。
【０００４】
ところが、このように共通の水晶片に２つの水晶振動子を形成する場合、各水晶振動子の弾性的な結合を防ぐ必要がある。そのために、前記電極対間の距離を十分に離す、前記水晶片の電極対同士の間に溝などの境界層を形成して水晶振動子間における振動の伝搬を抑える、各水晶振動子を構成する水晶片の厚みや各電極対の膜厚を変えて各水晶振動子からの出力周波数の差を大きくするなどの対処がなされている。しかし、電極対間の距離を大きくすれば水晶振動子が大型化してしまう。また、前記境界層を設けたり、水晶片及び電極対の膜厚を水晶振動子間で変える場合は、水晶振動子の加工に多くの工数が掛かる。  
【０００５】
特許文献１には水晶振動子において主振動の共振周波数とインハーモニックモードの共振周波数とを離す技術について記載されている。また、特許文献２には圧電フィルタにおいて複数の振動モードが励振されることについて記載されているが、これらの特許文献の技術は上記の問題を解決できるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２０５０７５
【特許文献２】特開２００１−２４４７９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、高精度で感知対象物の感知を行うことができ、圧電振動子の製造工程の簡素化を図ることができる感知装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の感知装置は、その一面側及び他面側に励振電極が形成される圧電片を備え、前記一面側に試料流体が供給される圧電振動子と、
前記圧電振動子に第１の振動変位分布が形成されるように第１の振動モードで前記圧電振動子を振動させて第１の発振周波数を出力するための第１の発振回路と、
前記圧電片の一面側の前記第１の振動モードで振動される領域が振動変位の節となる第２の振動変位分布が形成されるように、前記圧電振動子を第２の振動モードで振動させて第２の発振周波数を出力するための第２の発振回路と、
前記第１の発振周波数と、前記第２の発振周波数とを互いに切り替えて取り出すために、前記励振電極を前記第１の発振回路または第２の発振回路に切り替えて接続する切り替え部と、
前記振動変位の節に設けられ、前記試料流体に含まれる第１の感知対象物を吸着して前記第１の発振周波数を変化させるための第１の吸着膜と、
前記第１の発振回路の発振周波数及び第２の発振回路の発振周波数を測定し、その測定結果に基づいて前記第１の感知対象物を検出するために測定データを処理する計測手段と、を備え、
前記第２の発振回路の発振周波数は、第１の発振回路の発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するために使用されるものであることを特徴とする。
【０００９】
本発明の具体的な態様は例えば下記の通りである。
（ａ）第１の振動モードは厚みすべり振動の主振動であり、第２の振動モードはインハーモニックオーバトーンである。
（ｂ）第１の振動モード及び第２の振動モードは厚みすべり振動のインハーモニックオーバトーンである。
（ｃ）前記第１の吸着膜は第１の振動モードの振動変位が最大となる位置を含む位置に設けられている。
（ｄ）前記圧電片において、前記第１の振動モード及び第２の振動モードで振動される領域の外側に第３の振動モードで振動される圧電振動子が形成され、
当該圧電振動子を前記第３の振動モードで振動させて第３の発振周波数を出力するための第３の発振回路と、
前記試料流体に含まれる第２の感知対象物を吸着して前記第３の発振周波数を変化させるための第２の吸着膜と、を備え、
前記計測手段は、更に第３の発振回路の発振周波数を測定し、その測定結果に基づいて前記第２の感知対象物を検出するために測定データを処理する手段を含み
前記第２の発振回路の発振周波数は、更に第２の発振回路の発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するために使用されるものであることを特徴とする。
（ｅ）前記圧電片はＡＴカットされた水晶片である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の感知装置は、圧電振動子を第１及び第２の発振回路に切り替えて接続して互いに振動分布が異なる第１及び第２の振動モードで発振させている。そして第２の振動モードで振動され且つ第１の振動モードで振動される領域に感知対象物の吸着膜を設け、第１の振動モードの周波数変化に基づいて感知対象物を感知すると共に、第１の振動モードの周波数の温度変化による感知対象物の測定誤差を少なくするために第２の振動モードの周波数を利用している。従って温度変動に対して高い精度で感知対象物の測定を行なうことができる。また共通の圧電片に複数の圧電振動子を構成する必要がなくなるので、圧電振動子に溝などの境界層を設けたり、圧電振動子の励振電極を互いに大きく離したり、前記各圧電振動子を構成する圧電片や励振電極の厚さの調整を行う必要がなくなる。従って、圧電振動子の大型化を防ぐと共に当該圧電振動子の加工に要する工数の増加を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る感知装置の概略構成図である。
【図２】水晶振動子のＳ０モードの振動変位の分布を示す説明図である。
【図３】水晶振動子と発振回路との接続を示す配線図である。
【図４】水晶振動子のＡ０モードの振動変位の分布を示す説明図である。
【図５】水晶振動子と発振回路との接続を示す配線図である。
【図６】水晶振動子と発振回路との接続を示す配線図である。
【図７】水晶振動子の各振動モードのアドミッタンスと周波数との関係を示すグラフ図である。
【図８】前記感知装置の構成図である。
【図９】水晶振動子の温度と発振周波数との関係を示すグラフ図である。
【図１０】発振回路の制御電圧と発振周波数との関係を示すグラフ図である。
【図１１】感知対象物の吸着により発振周波数が変化することを示すグラフ図である。
【図１２】他の感知装置の例を示す構成図である。
【図１３】他の感知装置の例を示す構成図である。
【図１４】他の水晶振動子の側面及びＳ０モードの振動分布を示す説明図である。
【図１５】前記水晶振動子と発振回路との接続を示す配線図である。
【図１６】前記水晶振動子と発振回路との接続を示す配線図である。
【図１７】水晶振動子のＡ０モードの振動分布を示す説明図である。
【図１８】前記水晶振動子と発振回路との接続を示す配線図である。
【図１９】前記水晶振動子と発振回路との接続を示す配線図である。
【図２０】感知装置の概略構成図である。
【図２１】前記感知装置に用いられる水晶振動子の側面図である。
【図２２】前記水晶振動子と発振回路との接続を示す配線図である。
【図２３】上記の各水晶振動子からなる複合水晶振動子の上面図である。
【図２４】前記複合水晶振動子を構成する水晶振動子の側面図である。
【図２５】前記水晶振動子の振動モードと各振動モードに対応する反応膜を示す説明図である。
【図２６】前記水晶振動子の振動モードと各振動モードに対応する反応膜を示す説明図である。
【図２７】前記水晶振動子の振動モードと各振動モードに対応する反応膜を示す説明図である。
【図２８】前記複合水晶振動子を用いた感知装置の概略構成図である。
【図２９】前記複合水晶振動子に用いる水晶振動子の他の構成例を示す説明図である。
【図３０】他の複合水晶振動子の上面図である。
【図３１】前記複合水晶振動子を用いたさらに他の感知装置の概略構成図である。
【図３２】前記複合水晶振動子を構成する水晶振動子の反応膜と各振動モードとの対応を示す説明図である。
【図３３】前記複合水晶振動子を構成する水晶振動子の他の構成例を示す側面図である。
【図３４】水晶振動子の水晶片を模式的に示した斜視図である。
【図３５】前記水晶片がＳ０モードで振動する状態を示す模式図である。
【図３６】前記水晶片がＡ０モードで振動する状態を示す模式図である。
【図３７】前記水晶片がＡ１モードで振動する状態を示す模式図である。
【図３８】Ａ１モードで振動時の水晶片の縦断側面の模式図である。
【図３９】Ａ１モードで振動時の水晶片の縦断側面の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
本実施の形態に係る感知装置１について説明する。この感知装置１には試料液が供給され、当該感知装置１は、この試料液中に含まれる感知対象物の有無を例えば１０−６〜１０−９ｇ程度まで検出することを目的とする。前記感知対象物としては、後述の反応膜の種類に応じて決定されるが、ここでは一例としてインフルエンザウイルスの検出を行うように構成されるものとする。図１は感知装置１の概略説明図であり、この図１に示すように感知装置１はセンサーユニット２と発振制御部４とデータ処理部６とを備えている。
【００１３】
センサーユニット２は水晶振動子３を備え、前記試料液が供給されるユニットである。発振制御部４は前記水晶振動子３の発振を制御し、後述するＳ０モードでの発振を後段に出力するユニットである。データ処理部６は、発振制御部４から出力された発振周波数を表示して、感知装置１のユーザが前記ウイルスの検出を行うことができるようにするためのユニットである。
【００１４】
センサーユニット２について詳しく説明する。センサーユニット２は、平面視長方形状の前記水晶振動子３と、水晶振動子３を支持する基板２２と、これら基板２２及び水晶振動子３を囲うユニット本体２３とを備えている。ユニット本体２３は、ユニット上部２３Ａ及びユニット下部２３Ｂからなる。ユニット下部２３Ｂには凹部２４が設けられ、この凹部２４には段部２５が形成されており、この段部２５により凹部２４は上方側に比べて下方側が狭く形成されている。段部２５に前記基板２２の周縁部が支持される。基板２２には貫通孔２２Ａが設けられ、この貫通孔２２Ａを塞ぐように基板２２上に水晶振動子３の周縁部が支持される。
【００１５】
前記凹部２４内には水晶振動子３の上方を覆うように板状の弾性部材からなる流路形成部材２６が設けられる。流路形成部材２６はその下側に凹部をなす液体の流通空間２７を備えている。ユニット上部２３Ａは、凹部２４を塞ぐようにユニット下部２３Ｂ上に設けられ、前記流路形成部材２６を介して水晶振動子３の周縁部を前記段部２５に押圧して固定する。またユニット上部２３Ａには試料液の供給路形成部材２８と廃液路形成部材２９とが設けられる。これら形成部材２８、２９は前記流通空間２７に連通する試料液の流路を備えている。
【００１６】
このセンサーユニット２には前記試料液を供給する前に、当該試料液供給時の液圧による水晶振動子３の発振周波数の変動を防ぐために参照液が供給される。前記参照液には感知対象物が含まれない。前記供給路形成部材２８の上流側には図示しないポンプやバルブが設けられており、前記参照液及び前記試料液が互いに切り替えられて供給路形成部材２８の流路を介して流通空間２７に供給され、水晶振動子３の表面をその長さ方向に流通させることができるように構成される。流通空間２７に供給された液体は、後から当該流通空間２７に供給される液体により廃液路形成部材２９の流路に押し出されて廃液される。
【００１７】
圧電振動子である前記水晶振動子３に前記発振制御部４が接続される。発振制御部４は、水晶振動子３を後述のＳ０モード及びＡ０モードで互いに切り替えて発振させることができるように、第１の発振回路４０１及び第２の発振回路４０２を含んでいる。第１の発振回路４０１がＳ０モードで発振できるように構成された回路であり、第２の発振回路４０２がＡ０モードで発振できるように構成された回路である。
【００１８】
図２は水晶振動子３の側面図である。水晶振動子３はＡＴカットされた水晶片３１を備えている。ＡＴカットされた水晶片３１は、主面（ＹＺ面）が水晶の結晶軸であるＹ軸に対して、Ｘ軸を中心としてＺ軸からＹ軸方向に３５度１５分傾斜されている。各図ではこのようにカットされた水晶片３１の幅方向、厚さ方向、長さ方向を夫々Ｘ軸方向、Ｙ’軸方向、Ｚ’軸方向として示している。つまり、Ｙ’軸、Ｚ’軸はＹ軸、Ｚ軸に対して夫々３５度程度傾いた軸である。水晶片３１の表面（上面）には、その長さ方向に互いに離れて励振用の電極３０１、３０３が設けられ、水晶片３１の裏面（下面）には励振用の電極３０２、３０４が互いに離れて設けられる。電極３０１、３０２は互いに重なるように形成され、電極３０３、３０４は互いに重なるように形成されている。なお、実際には電極３０１〜３０４から水晶片３１の周縁に向けて接続用の電極が形成され、当該接続用の電極が基板２１に設けられた導電路に接続される。この導電路を介して、電極３０１〜３０４は発振制御部４に電気的に接続される。
【００１９】
水晶片３１の表面の長さ方向の中央部において、前記電極３０１、３０３間には反応膜３１１が形成されている。反応膜３１１は感知対象物である前記インフルエンザウイルスを抗原とする抗体を備え、抗原抗体反応により当該ウイルスを特異的に吸着する吸着膜をなす。電極３０２、３０４及び反応膜３１１が前記流通空間２７に面するように水晶振動子３はセンサーユニット２に設けられる。電極３０２、３０４は、前記基板２２の貫通孔２２Ａに面するように構成される。
【００２０】
水晶振動子３の各電極３０１〜３０４と発振回路４０１、４０２との間の配線を切り替えることにより、水晶振動子３は上記のＳ０モードまたはＡ０モードで発振することができる。Ｓ０モードは厚みすべり振動の主振動であり、感知対象物の感知に利用する。図２は水晶振動子３における振動変位の分布を示している。この変位分布のグラフは、上下方向に見て水晶振動子３の横方向（Ｚ’軸方向）の中心部から離れるほど振動変位が小さく、水晶振動子の横方向（Ｚ’軸方向）の中心に近づくほど振動変位が大きくなる（振動の腹になる）ことを示している。後に他の各モードの振動分布を示すときもこのＳ０モードと同様に示す。
【００２１】
このＳ０モードの振動分布について説明すると、水晶片３１を横方向から見て電極間の中央部が比較的振動が大きく、その中央部から各電極側に向かうにつれて振動が小さくなる。つまり、水晶片３１において反応膜３１１は、振動変位が極大となる部分、いわゆる振動の腹に設けられている。これによってＳ０モードによる発振周波数は、反応膜３１１への感知対象物の吸着による質量付加効果により、比較的大きく変化することになるので、高い検出感度が得られる。
【００２２】
図３は前記Ｓ０モードで水晶振動子３を発振させるための配線を示したものである。この図３に示すように水晶片３１の上部側の電極３０１、３０３が互いに接続されており、これら電極３０１及び３０３が第１の発振回路４０１の入力側及び出力側のうちの一方に直列に接続されている。また、水晶片３１の下部側の電極３０２、３０４が互いに接続されており、これら電極３０２及び３０４が第１の発振回路４０１の入力側及び出力側のうちの他方に直列に接続されている。
【００２３】
続いてＡ０モードについて説明する。このＡ０モードは厚みすべり振動のインハーモニックオーバトーンであり、水晶振動子３の温度を検出するために用いられる。図４は水晶振動子３における前記Ａ０モードの振動変位の分布を示している。この図４に示すようにこの振動変位は水晶片３１を横方向から見て、電極３０１、３０２間の中央部が振動変位の節であり、水晶片３１を電極３０１側、３０３側に向かうにつれて、振動変位が次第に大きくなる。電極３０１側と３０３側とで、水晶片３１のＸ軸方向（図４では紙面に垂直な方向）の互いに反対向きに振動する。その振動変位は、電極３０１、３０３上で最大となり、さらに水晶片３１を外側に向かうと次第に小さくなる。つまり、前記反応膜３１１が設けられる水晶片３１の中央部は振動変位の節となり、振動が起こらない。このような振動変位分布であるため水晶振動子３は、Ａ０モードでは反応膜３１１と感知対象物との吸着に影響されずに発振する。
【００２４】
図５または図６に示すように水晶振動子３を第２の発振回路４０２に接続することで、水晶振動子３を前記Ａ０モードで発振させることができる。図５に示す例では電極３０１、３０４が互いに接続され、これら電極３０１、３０４が第２の発振回路４０２の入力側及び出力側のうちの一方に直列に接続されている。また、電極３０３、３０２が互いに接続され、これら電極３０３、３０２が第２の発振回路４０２の入力側及び出力側のうちの他方に直列に接続されている。図６に示す例では電極３０２、３０４が互いに接続されており、電極３０１、３０３が第２の発振回路４０２の入力側、出力側に夫々直列に接続されている。また、図示していないが各図において例えば水晶片３１の上側の電極３０１、３０３は接地される。
【００２５】
Ｓ０モード、Ａ０モードについて、図７を参照しながらさらに説明する。この図７は、横軸に周波数、縦軸にアドミッタンスを夫々設定した各モードのグラフである。Ａ０モードはＳ０モードの近傍の周波数で励振され、Ａ０モードの共振周波数及び反共振周波数は、Ｓ０モードの共振周波数及び反共振周波数よりも高い。なお、この第１の実施形態では使用しないＳ１モードについても図７に示しているが、このＳ１モードについては後述する。
【００２６】
続いて、発振制御部４及びデータ処理部６の構成を詳しく示した図８についても参照しながら感知装置１の説明を続ける。発振制御部４は、上記の発振回路４０１、４０２と、接続切り替え部４１と、周波数測定部４１１、４１２と、温度推定部４３と、温度補償電圧演算部４４と、加算部４５とを備えている。前記接続切り替え部４１の後段に前記第１の発振回路４０１及び第２の発振回路４０２が設けられている。温度推定部４３、温度補償電圧演算部４４及び加算部４５は温度補償部を構成する。
【００２７】
この発振制御部４の役割を説明するために、ＡＴカットの水晶振動子の周波数温度特性について一例として図９を参照しながら説明する。この図９において、グラフの縦軸は、反応膜３１１に感知対象物が吸着されていない場合に目標とする（発振させたい）設定周波数ｆ０と、温度Ｔにおいて実際に得られる周波数ｆと、の間における周波数偏差（Δｆ／ｆ０、Δｆ＝ｆ−ｆ０）を示しており、横軸は水晶振動子３の温度Ｔを示している。Ｔ０は基準温度例えば２９℃であり、この温度Ｔ０で設定周波数ｆ０が得られるように第１の発振回路４０１の制御電圧が設定される。ＡＴカットの水晶片３１を用いて発振させる場合には、周波数偏差Δｆ／ｆ０は、温度Ｔの３次関数である（１）式で近似される。
Δｆ／ｆ０＝α(Ｔ−Ｔ０)3＋β(Ｔ−Ｔ０)＋γ・・・（１）
この（１）式において、α、β、γは夫々水晶振動子毎に個別に求められる定数である。
【００２８】
このように上記のＳ０モードの発振周波数は水晶片３１の温度によって変化するのでＳ０モードによる周波数は反応膜３１１への吸着と、水晶振動子３の温度の変化との両方の要因によって変化する。そして、図示していないがＡ０モードについても発振周波数が水晶振動子３の温度に応じて変化する。そこで、前記発振制御部４は、Ａ０モードの発振周波数から前記温度を検出し、その検出温度に応じて、基準温度Ｔ０と前記温度とのずれによる設定周波数ｆ０からの周波数のずれΔｆが補償されるように、第１の発振回路４０１に供給する制御電圧Ｖｃを制御する。第１の発振回路４０１における発振周波数ｆは、図１０に示すように制御電圧Ｖｃに比例する。つまり、Ａ０モードの発振周波数を温度に対するリファレンス用、Ｓ０モードの発振周波数をＡ０モードの発振周波数を利用した感知対象物の検出用として使用する。
【００２９】
図８の説明に戻る。前記接続切り替え部４１は図３で示したように各電極３０１〜３０４と第１の発振回路４０１が接続された状態と、図５で示したように電極３０１〜３０４と第２の発振回路４０２が接続された状態とを互いに切り替える。それによって第１の発振回路４０１、第２の発振回路４０２からは夫々Ｓ０モード、Ａ０モードの発振周波数が時分割で交互に取り出されるようになっている。各接続状態の切り替えは高速に行われ、それによってこれらの発振周波数は実質同時に出力される。なお、Ａ０モードの発振出力を取り出すために、図５のように配線が形成されるようにする代わりに図６のように配線が形成されるように接続切り替え部４１を構成してもよい。
【００３０】
ところで、図８中５１は第１の発振回路４０１の基準電圧供給用の端子である。図中基準電圧をＶ０として表している。基準電圧Ｖ０は加算部４５に入力され、この基準電圧Ｖ０に基づいて制御電圧Ｖｃが演算される。第１の発振回路４０１には接地されたバリキャップダイオード５２が接続され、このバリキャップダイオード５２を介して前記制御電圧Ｖｃが第１の発振回路４０１に印加され、発振周波数が制御される。前記加算部４５について更に述べると、下記の（２）式に示すように基準電圧Ｖ０から第２の発振回路４０２の出力に基づいて演算された温度補償電圧ΔＶを減算（ΔＶの符号の取り方によっては加算と言える）することにより、上記の制御電圧Ｖｃが生成されるように構成されている。
Ｖｃ＝Ｖ０−ΔＶ ・・・（２）
【００３１】
この基準電圧Ｖ０とは、基準温度Ｔ０例えば２９℃において第１の発振回路４０１から設定周波数ｆ０が出力される時の制御電圧である。ところで、上記のように第１の発振回路４０１の発振周波数ｆは、制御電圧Ｖｃに比例する。そのように比例関係にあることから、温度補償電圧ΔＶは（３）式のように表され、（４）式が成り立つことから、ΔＶは（５）式として表される。尚、Ｔは温度推定部４３において検出された温度、Δｆ＝ｆ−ｆ０である。
ΔＶ＝Ｖ０（Δｆ／ｆ０）・・・（３）
Δｆ／ｆ０＝α１(Ｔ−Ｔ０)3＋β１(Ｔ−Ｔ０)＋γ１・・・（４）
ΔＶ＝Ｖ０｛α１(Ｔ−Ｔ０)3＋β１(Ｔ−Ｔ０)＋γ１｝・・・（５）
α１、β１及びγ１は第１の発振回路４０１に固有の定数である。第１の発振回路４０１の後段には、前記周波数測定部４１１が設けられている。この周波数測定部４１１は周波数カウンタからなり、第１の発振回路４０１の発振周波数ｆを計測し、その計測値のデータがデータ処理部６に出力される。
【００３２】
図中５３は第２の発振回路４０２に制御電圧Ｖ１０を供給するための端子である。第２の発振回路４０２には接地されたバリキャップダイオード５４が接続されており、このバリキャップダイオード５４を介して前記電圧供給端子５３から制御電圧Ｖ１０が第２の発振回路４０２へ供給される。また、第２の発振回路４０２には、前記周波数測定部４１２、温度推定部４３、温度補償電圧演算部４４がこの順に接続されている。
【００３３】
周波数測定部４１２は例えば周波数カウンタにより構成され、測定された周波数を前記温度推定部４３に出力する。温度推定部４３には、予め周波数測定部４１２で測定される周波数と水晶振動子３の温度との対応関係（温度特性）が記憶されている。この温度特性と周波数測定部４１２から出力された発振周波数とに基づいて、温度推定部４３において水晶振動子３の温度Ｔが推定され、前記温度Ｔに対応する信号が後段に出力される。また、補償電圧演算部４４は、既述の（５）式及び温度Ｔに基づいて温度補償電圧ΔＶを求め、このΔＶが既述の加算部４５に出力される。
【００３４】
第１の発振回路４０１の発振周波数ｆは、上記のように制御電圧Ｖｃに比例する。従って、温度がＴ０からＴ１になったときに温度補償電圧演算部４４において、周波数ｆ１と設定周波数ｆ０との差分であるΔｆを補償するために、Δｆに相当する補償電圧ΔＶだけ制御電圧Ｖｃを高くするようにコントロールされる。温度補償電圧ΔＶは、上記の（５）式の温度Ｔに温度Ｔ１を代入することにより求められる。これにより温度の影響により第１の発振回路４０１の発振周波数ｆがΔｆだけ高くなろうとし、温度Ｔ１になっていることにより発振周波数ｆがΔｆだけ低くなろうとする作用を打ち消す。それによって反応膜３１１に感知対象物が吸着されないときには、発振周波数ｆが設定周波数ｆ０に維持されることになる。
【００３５】
続いてコンピュータであるデータ処理部６について説明する。図８中６１はバスであり、前記周波数測定部４１１が接続される。また、バス６１にはＣＰＵ６２と、周波数記憶部６３と、表示部６４とが接続されている。周波数記憶部６３は周波数測定部４１１から出力される周波数データを時系列で記憶する。表示部６４は、周波数記憶部６３に記憶されたデータに基づいて周波数の時間による変化を表示する。表示例については後述する。図中６５はプログラムであり、このプログラム６５及びＣＰＵ６２は、上記の記憶動作、表示動作などのデータ処理部６の動作を制御する。
【００３６】
次に、上述の感知装置１の作用について説明する。図１１は、第１の発振回路４０１から出力される周波数ｆが変化する様子を示したグラフであり、このグラフも参照しながら説明する。このグラフの縦軸は周波数を、横軸は時間を示している。このようなグラフが前記表示部６４に表示され、装置のユーザが周波数の変化を把握できるようになっている。装置の不図示の電源がオンになり、切り替え部４１により水晶振動子３が第１の発振回路４０１及び第２の発振回路４０２に交互に接続され、Ｓ０モード、Ａ０モードが互いに切り替えられて後段に出力される。
【００３７】
Ａ０モードの発振周波数から温度推定部４３により水晶振動子３の温度が推定され、基準温度Ｔ０の発振周波数ｆ０になるように温度補償電圧演算部４４が補償電圧ΔＶを出力し、制御電圧Ｖｃ＝Ｖ０−ΔＶが第１の発振回路４０１に出力されて、Ｓ０モードの発振周波数がｆ０に維持される。続いて、センサーユニット２の供給路形成部材２８から流通空間２７に例えば純水からなる参照液を供給する。上記のように参照液は感知対象物であるインフルエンザウイルスを含まない。参照液の質量不可効果により第１の発振回路４０１の発振周波数は低下する（図１１中時刻ｔ１）。このように低下した発振周波数をグラフ中ｆ０’としている。前記参照液は流通空間２７から廃液路形成部材２９に流れ込んで排液される。
【００３８】
続いて、供給路形成部材２８の上流側で流路を切り替えて、供給路形成部材２８に試料液を供給し（図１１中時刻ｔ２）、当該試料液が参照液に続いて流通空間２７に供給され、流通空間２７内が参照液から試料液に置換される。この試料液に前記ウイルスが含まれているとした場合について説明すると、試料液が流通空間２７を通過するときにウイルスが反応膜３１１に吸着され、質量付加効果によりＳ０モードの発振周波数が低下する。上記したように、反応膜３１１は振動が大きい電極３０１、３０３間の中央部に設けられているため、この吸着によってｆ０’から比較的大きく発振周波数が低下する。
【００３９】
そして、上記のように反応膜３１１が設けられている前記中央部はＡ０モードによる振動が起こらず、前記吸着によりＡ０モードの発振周波数は変化しない。従って、水晶振動子３の温度に高い精度で対応したＡ０モードの発振周波数が出力され続けることにより、水晶振動子３の基準温度からの温度変化に応じて、高い精度で第１の発振回路４０１からの発振周波数の前記温度変化分のずれが補償される。それによって、ウイルスの吸着量と発振周波数ｆ０’からの低下量が高い精度で対応する。グラフ中、前記時刻ｔ２以降にｆ０’から低下して、安定した周波数をｆ１として示している。
【００４０】
試料液中にインフルエンザウイルスが含まれていない場合は時刻ｔ２以降、周波数はｆ０’ほとんど変化しない。つまり時刻ｔ２以降の周波数ｆ１はｆ０’と略等しい。ユーザは、グラフから周波数ｆ０’とｆ１との差分を読み取り、その差分が予め設定した基準値以上であれば試料液中にインフルエンザウイルスが含まれ、基準値より小さければ試料液中にインフルエンザウイルスが含まれていないと判定する。ところで、予め実験により前記周波数ｆ０’とｆ１との差分値と、前記ウイルスの質量との対応関係を求めておき、上記のようにグラフから読み取った差分値からウイルスの質量を求めてもよい。つまり、この感知装置１は感知対象物の感知及び定量を行うことができる。
【００４１】
この感知装置１によれば、共通の水晶振動子３を、接続切り替え部４１により第１の発振回路４０１、第２の発振回路４０２に交互に接続して水晶振動子３をＳ０モード、Ａ０モードで夫々発振させ、反応膜３１１を前記Ａ０モードの振動の節に配置し、前記Ｓ０モードによる発振を水晶振動子３の反応膜３１１への感知対象物の検出に利用し、前記Ａ０モードによる発振を水晶振動子３の温度の変化の検出及びＳ０モードによる出力周波数の補正に利用している。これによって、Ｓ０モードは前記温度の影響を受けないように発振するため、感知対象物の吸着量に応じてその発振周波数の低下量が高い精度で対応するため、感知対象物の検出を高い感度で行うことができる。また、背景技術の項目で説明した水晶片３１の異なる領域に各々水晶振動子を形成し、各水晶振動子のうち一つだけに吸着膜を設けて各水晶振動子の発振周波数の差分に基づいて感知対象物の検出を行う場合に比べて、各水晶振動子の弾性的な結合を防ぐ必要が無い。従って水晶片３１に溝などの境界層を形成したり、電極対を大きく離したりする必要が無くなるので、水晶振動子３の小型化を図ることができるため、感知装置１が大型化することを防ぐことができる。また、そのように水晶片３１に境界層を形成したり、水晶振動子ごとに水晶片の厚さや電極の厚さが異なるように加工する必要が無い。従って、感知装置１の製造コストを抑えることができる。
上述の例では、発振回路４０１、４０２に対して夫々周波数測定部４１１、４１２を用いているが、周波数測定部を共通化し（周波数測定部を１個用い）、スイッチにより発振回路４０１、４０２の発振周波数を交互に周波数測定部に取り込むようにしてもよい。
以上において、前記第２の発振回路４０２の発振周波数は、第１の発振回路４０１の発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するために使用されるものであり、その一態様として、上述の実施形態では、Ａ０モードの発振周波数（第２の発振回路４０２の発振周波数）を温度検出値として取り扱い、この温度検出値に基づいて第１の発振回路４０１の制御電圧の設定値の補償値を求めている。
しかしながらＡ０モードの発振周波数は、Ｓ０モードの発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するための使い方としてこの手法に限らない。例えばＳ０モードの発振周波数とＡ０モードの発振周波数との差分を求め、この差分周波数に基づいて感知対象物を感知するようにしてもよい。この場合、感知対象物が吸着膜に吸着されることでＳ０モードの発振周波数が低下するが、Ａ０モードの発振周波数は低下しない。このため差分周波数は、感知対象物が吸着膜に吸着されることにより変化し、その変化分に基づいて感知対象物の吸着量を求めることができる。そしてＳ０モードの発振周波数が温度変化により変化したときに、Ａ０モードの発振周波数も同様の傾向で変動することから、両者の差分をとることにより、測定結果に対する温度変化の影響が抑えられる。この場合のように、両発振周波数の差分を測定し、差分周波数に基づいて感知対象物を感知する場合であっても、この明細書では「第１の発振回路４０１の発振周波数及び第２の発振回路４０２の発振周波数を測定し、その測定結果に基づいて」というステップに相当するものとする。
【００４２】
（第２の実施形態）
続いて、図１２を参照しながら第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態では、第１の実施形態と比べて水晶振動子３から各発振回路４０１、４０２に至るまでの配線が異なっている。発振回路４０１、４０２の間での接続の切り替えは接続切り替え部をなすスイッチ７１、７２により行われる。さらにこの配線について説明すると、電極３０２及び３０４が互いに接続され、また電極３０１が接地されずにこれら電極３０２、３０４にショートされるように構成される。そして、これら電極３０１、３０２、３０４がスイッチ７１の切り替えにより発振回路４０１、４０２のうちいずれか一方に直列に接続される。また、電極３０３がスイッチ７２の切り替えにより発振回路４０１、４０２のうちいずれか一方に直列に接続される。スイッチ７１、７２は同期して切り替わり、電極３０１〜３０４が同時に発振回路４０１または４０２に接続される。
【００４３】
第１の実施形態と同様に、各電極が第１の発振回路４０１に接続されたときにはＳ０モードで発振し、各電極が第２の発振回路４０２に接続されたときにはＡ０モードで発振する。つまり、スイッチ７１、７２から電極に至るまでの配線は各Ｓ０モードの発振時及びＡ０モードの発振時に共用される。この第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様の効果を得られる他に、配線の簡素化を図り、装置の製造コストをより低下させることができる。
【００４４】
（第３の実施形態）
図１３には、前記第２の実施形態と略同様に構成された第３の実施形態について示している。この第３の実施形態は、電極３０１、３０３の代わりに、電極３０２、３０４に対向するように１枚の分割されていない電極３０５が設けられている。前記電極３０５は接地される。そして、この電極３０５上において、電極３０２、３０４間の中央部に前記反応膜３１１が設けられている。発振制御部４は図中一部の構成要素を省略して示しているが第２の実施形態と同様に構成されており、スイッチ７１、７２を介して水晶振動子３が発振回路４０１または４０２に接続される。
【００４５】
このように水晶振動子を構成しても、Ｓ０モード及びＡ０モードの振動分布は第１及び第２の実施形態と同様になる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、第２の実施形態と同様にＳ０モード及びＡ０モードで、各電極３０５、３０２、３０４からスイッチ７１、７２までの配線が共用されるので、装置の構成が簡略化される利点もある。また、水晶振動子３において、互いに電気的に分離されれば水晶片３１の上側に互いに分割された電極３０１、３０３を配置し、下側にこれら電極に対向するように電極３０５を設けて、電極３０１、３０３を接地せず、前記電極３０５を接地した構成としてもよい。反応膜は第１の実施形態と同様に電極３０１、３０３間に設ける。
【００４６】
（第４の実施形態）
第４の実施形態においては、水晶振動子３に代わり水晶振動子３００を用いる。水晶振動子３００は、図１４に示すように水晶片３１の長さ方向に互いに離れて形成された３つの励振用の電極対を備える。各電極対を構成する電極は水晶片３１の表裏で対向しており、水晶片３１の表面側において前記長さ方向に順に３つの電極を３２１、３２３、３２５とする。そして、裏面側の電極を同じ長さ方向に沿って３２２、３２４、３２６として示している。電極３２１、３２５間の中央部に電極３２３が設けられ、電極３２２、３２６間の中央部に電極３２４が設けられている。表面側の電極３２１、３２３、３２５は各々接地される。このように３つの電極対を水晶片３１に形成した場合にも既述の各実施形態のようにＳ０モードまたはＡ０モードで発振を行うことができる。
【００４７】
図１４には水晶振動子３００におけるＳ０モードの振動分布を示している。この振動分布は水晶振動子３の振動分布と同様であり、反応膜３２１はＳ０モードの振動が最大となる電極３２３上に設けられている。図１５には、Ｓ０モードで振動させるための水晶振動子３００と第１の発振回路４０１との配線を示している。この図に示すように電極３２１、３２３、３２５が互いに接続されると共にこれら電極が第１の発振回路４０１に対して直列に接続される。また、電極３２２、３２４、３２６が互いに接続されると共にこれら電極が第１の発振回路４０１に対して直列に接続される。図１６にはＳ０モードで発振させるための図１５に示した例とは異なる配線を示している。この図１６に示す例では電極３２３、３２４だけが第１の発振回路４０１の入力側、出力側に夫々接続される。
【００４８】
図１７にはＡ０モードでの振動変位分布を示している。この振動変位分布は水晶振動子３の振動変位分布と同様であり、前記反応膜３１１が設けられる電極３２１、３２５間中央部において振動変位の節となる。図１８及び図１９には、Ａ０モードで振動させるための水晶振動子３００と第２の発振回路４０２との間の配線を示している。図１８に示す例では電極３２１、３２６が互いに接続され、これら電極３２１、３２６が第２の発振回路４０２に直列に接続されている。また、電極３２２、３２５が互いに接続され、これら電極３２２、３２５が第２の発振回路４０２に直列に接続されている。図１９に示す例では電極３２２、３２６が互いに接続されており、電極３２１、３２５が各々第２の発振回路４０２に直列に接続されている。
【００４９】
この水晶振動子３００を第１の実施形態の感知装置１に適用することができる。その場合、水晶振動子３００をＳ０モード及びＡ０モードで交互に発振できるようにするために、図１５、図１６のうちのいずれか一方の接続状態と、図１８、図１９のうちのいずれか一方の接続状態とが互いに切り替わるように接続切り替え部４１が構成される。それによって第１の実施形態と同様に測定を行うことができる。
【００５０】
図２０には水晶振動子３００の感知装置１への適用例を示している。この例では第１の発振回路４０１と電極３２３、３２４との間にスイッチ７３、７３が介在すると共に、電極３２１、３２５との間にスイッチ７４、７４が介在する。各スイッチ７３、７４により図１６に示した状態と図１９に示した状態とで接続が切り替わる。つまり、各スイッチ７３、７４が接続切り替え部４１に相当する。水晶振動子３００において発振回路４０１、４０２に接続される電極が互いに異なるので、必要なスイッチの数が抑えられ、装置構成の簡素化を図ることができる。
【００５１】
（第５の実施形態）
前記水晶振動子３００は、Ｓ１モードによる発振を行うことができる。このＳ１モードは、厚みすべり振動のインハーモニックオーバトーンであり、図７のグラフに示したようにその共振周波数及び反共振周波数は、Ｓ０モード及びＡ０モードの各共振周波数及び反共振周波数よりも大きい。図２１にはＳ１モードの振動分布を示している。図２１に示すようにＳ１モードの振動分布は電極３２３上で極大となるため、当該電極３２３に設けた反応膜３１１への感知対象物の吸着により大きく周波数が変化する。つまりＳ０モードと同様に、反応膜３１１が設けられる電極３２１、３２５間の中央部が振動の腹となっている。また、水晶片３１を電極３２３上から電極３２１、３２５に向かう従ってその振動変位が低下し、電極３２１、３２５に差し掛かると振動変位の節になり、さらに水晶片３１を外方へ向かうと振動方向が電極３２３上とは逆になる。この第５の実施形態では、水晶振動子３００をＳ０モードの代わりに、Ｓ１モードで発振させる点で第４の実施形態と異なる。
【００５２】
図２２には水晶振動子３００をＳ１モードで発振させるための配線を示している。Ｓ１モードでの発振を行うために、水晶振動子３００は第３の発振回路４０３に接続される。この接続について説明すると、電極３２１、３２５、３２４が互いに接続され、これらの電極が第３の発振回路４０３の入力側及び出力側のうちの一方に直列に接続される。また、電極３２２、３２３、３２６が互いに接続され、これらの電極が第３の発振回路４０３の入力側及び出力側のうちの他方に直列に接続される。この第５の実施形態の水晶振動子３００を第１の実施形態の感知装置１に適用する場合、水晶振動子３００を発振回路４０１または４０３に切り替えて接続するように接続切り替え部４１が構成される。つまり、図１５の接続状態と、図１８または図１９の接続状態とが互いに切り替わるように構成される。
これまで述べた実施の形態においても、第１の実施の形態の最後の部分で記載したように、Ｓ０モードの発振周波数とＡ０モードの発振周波数との差分を求め、この差分周波数に基づいて感知対象物を感知するようにしてもよい。
【００５３】
（第６の実施形態）
この第６の実施形態においては、上記の水晶振動子３と水晶振動子３００とが組み合わされて、共通の水晶片３１に形成された振動子を用いる。この水晶振動子３、３００をまとめて複合水晶振動子７と記載する。図２３は複合水晶振動子７の表面（上面）を示している。図中のＸは水晶片３１の結晶のＸ軸方向を示しており、水晶振動子３、３００は前記Ｘ軸方向に配列されている。なお図中のＺ’は結晶のＺ軸から３５度程度傾いた方位を示している。図中の水晶振動子３、３００が個別に発振する。
【００５４】
この第６の実施形態では、水晶振動子３００を上記のようにＳ０モード、Ａ０モード及びＳ１モードで発振させ、水晶振動子３を上記のようにＳ０モード及びＡ０モードで発振させる。共通の水晶片３１に形成されているので、水晶振動子３、３００は互いに同じ温度になる。そこで、この複合水晶振動子７を適用した感知装置１では、水晶振動子３の前記Ａ０モードに基づいて第１の実施形態で説明したように水晶振動子３、３００の温度を推定し、その温度に基づいて水晶振動子３のＡ０モードの発振周波数及び水晶振動子３００の前記３つの各発振モードの発振周波数を、基準温度からの温度変化によるずれが補償されるように制御する。そして、これら温度変化による変動が補償された発振周波数の変化をモニタすることで試料液における４種類の感知対象物の検出を行う。つまり、水晶片３１において水晶振動子３が形成される領域の外側に水晶振動子３００が形成されており、水晶振動子３のＡ０モードの出力を水晶振動子３のＳ０モードの発振制御の他に水晶振動子３００の各モードの発振制御にも用いる。この水晶振動子３００を各モードで発振させる各発振回路が第３の発振回路に相当する。
【００５５】
上記のように検出を行うために、複合水晶振動子７の表面には互いに異なる感知対象物を吸着する４種類の反応膜３１１、３１２、３１３、３１４が設けられている。図２４は、複合水晶振動子７を水晶振動子３００側から見た側面図である。反応膜３１１は既述の実施形態で説明した電極３２３上に設けられる。反応膜３１２は、電極間３２１、３２３間及び電極３２３、３２５間に設けられている。反応膜３１３は、電極３２３、３２５上に設けられている。反応膜３１４は、水晶振動子３において、第１の実施形態で反応膜３１１が設けられている電極３０１、３０３間に当該反応膜３１１の代わりに設けられている。
【００５６】
反応膜３１１〜３１３に対応する各感知対象物の検出手法について図２５〜図２７を用いて説明する。これらの図は、感知対象物が吸着された反応膜と当該吸着により大きくその周波数が変化する振動モードとを対応付けて示したものである。図２５に示すように感知対象物が反応膜３１１に吸着されると、各実施形態で説明したようにＳ０モード及びＳ１モードの振動の腹がこの反応膜３１１が設けられている電極３２１、３２５間であるため、Ｓ０モード及びＳ１モードの発振周波数が大きく低下する。しかし、この反応膜３１１が設けられている箇所は水晶振動子３００のＡ０モードの振動の節であるため、Ａ０モードの発振周波数は低下しない。
【００５７】
図２６に示すように反応膜３１２に感知対象物が吸着されると、反応膜３１２はＳ０モードの振動の腹の近くに設けられているので、当該Ｓ０モードの発振周波数は比較的大きく低下する。しかし、この反応膜３１２は、Ａ０モード及びＳ１モードの振動の節の近くに設けられていることから、これらＡ０モード、Ｓ１モードの発振周波数は若干の低下に留まる。
【００５８】
図２７に示すように反応膜３１３に感知対象物が吸着されると、反応膜３１３はＡ０モード及びＳ１モードの振動の腹の近くに設けられていることから、Ａ０モード及びＳ１モードの発振周波数は比較的大きく低下する。しかし、この反応膜３１３は、Ｓ０モードの振動の腹からは離れた位置に設けられるので、Ｓ０モードの発振周波数は若干の低下に留まる。
【００５９】
このように水晶振動子３００において、どの反応膜に感知対象物が吸着するかによって各振動モードは異なる周波数変化を示すので、この周波数変化に基づいて試料液中の感知対象物の検出を行うことができる。また、水晶振動子３の反応膜３１４に感知対象物が吸着された場合は、第１の実施形態などで説明したように、同じ水晶振動子３のＡ０モードの発振周波数は変動せずにＳ０モードの発振周波数が低下する。
【００６０】
ところで、試料液中において反応膜３１１〜３１３のうちどれか一つとだけ反応する物質が含まれる場合は、上記のように各モードの周波数変化に基づいて検出を行うことができる。反応膜３１１、３１２に対して夫々に感知対象物が吸着される場合を考えると、Ｓ０モード及びＳ１モードの周波数が共に低下し、Ａ０モードはほとんど周波数が変化しない。上記のように反応膜３１１だけに感知対象物が吸着された場合もＳ０モード及びＳ１モードの周波数が低下するが、反応膜３１１、３１２の両方に感知対象物が吸着される場合はＳ０モードの周波数は、反応膜３１１、３１２の両方の吸着の影響を受けるので、当該Ｓ０モードの周波数の低下が、反応膜３１１だけに感知対象物が吸着される場合に比べて大きくなる。これによって、反応膜３１１に吸着される感知対象物だけが含まれるか、反応膜３１１、３１２の夫々に吸着される複数の感知対象物が含まれるかを識別することができる。しかし、反応膜３１１、３１３に夫々に感知対象物が吸着された場合及び反応膜３１２、３１３に共に感知対象物が吸着された場合は、Ｓ０モード、Ａ０モード、Ｓ１モードの各発振周波数が全て低下するので、試料液中に含まれる感知対象物の検出は困難となる。そのことを踏まえて水晶振動子３００における各反応膜の選択を行う。
【００６１】
図２８は、上記の複合水晶振動子７を用いた感知装置１の概略構成を示している。この図２８では便宜上水晶振動子３、３００が離れて示されているが、これら水晶振動子は上記のように１枚の水晶片によって構成されている。水晶振動子３００は、スイッチ８２、８３により第１の発振回路４０１、第２の発振回路４０２及び第３の発振回路４０３のいずれかに切り替えて接続される。それによって、水晶振動子３００は上記のようにＳ０、Ａ０、Ｓ１の各振動モードにより時分割で発振されるように構成されている。水晶振動子３は、スイッチ８４、８５により第４の発振回路４０４、第５の発振回路４０５のいずれかに接続されるようにその接続が切り替えられる。それによって上記のようにＳ０、Ａ０の各振動モードにより時分割で発振されるように構成されている。第４の発振回路４０４、第５の発振回路４０５は、第１の実施形態における第１の発振回路４０１、第２の発振回路４０２に相当する。
【００６２】
図２８に示した水晶振動子３００と各発振回路４０１〜４０３との間の配線を説明すると、水晶片３１の下側の３つの電極３２２、３２４、３２６と図中水晶片３１の上側中央の電極３２３と、図中水晶片３１の上側左の電極３２１とを互いに接続し、これら互いに接続された電極が、前記スイッチ８３により発振回路４０１〜４０３の入力側及び出力側の一方に接続される。そして、電極３２５が、前記スイッチ８２により発振回路４０１〜４０３の入力側及び出力側の他方に接続される。なお、この配線は３pole ＭＣＦの周波数調整の結線と同様である。また、各スイッチ８２、８３の前段で電極３２１の代わりに電極３２５が他の電極と接続され、電極３２５の代わりに電極３２１がスイッチ８２を介して各発振回路に接続される構成であってもよい。水晶振動子３は第２の実施形態として説明した図１２と同様に、スイッチ８４、８５を介して発振回路４０４、４０５のうち一方に切り接続される。スイッチ８４、８５は第２の実施形態のスイッチ７１、７２に相当する。
【００６３】
上記のようにこの実施形態では第５の発振回路４０５から出力された水晶振動子３のＡ０モードの発振により水晶振動子３、３００の温度を推定する。そして、その温度に基づいて、発振回路４０１〜４０４の制御電圧を制御し、各発振回路から出力される周波数の温度による変化を補償する。各発振回路４０１〜４０４の出力は夫々の発振回路４０１〜４０４に接続された図示しない周波数測定部に送信され、各周波数測定部で測定された周波数がデータ処理部６に取り込まれる。温度を推定するための構成及び発振回路の前記制御電圧を制御するための構成の詳細は既述の実施形態で説明しているため、ここでは詳細な説明を省略するが第１の実施形態で説明したように各発振回路には、夫々個別の加算部４５、温度補償電圧演算部４４、基準電圧制御端子５１が接続され、温度推定部４３で推定された温度に基づいて制御電圧が供給されるものとする。発振回路４０１〜４０３に接続されるこれら加算部４５及び温度補償電圧演算部４４は、第３の発振回路用の温度補償部を構成する。
【００６４】
そして、データ処理部６は、各発振回路４０１〜４０４からの発振周波数を個別に周波数記憶部６３に記憶し、第１の実施形態で説明したように表示部６４にグラフ表示する。ユーザは表示されたグラフから、各発振回路４０１〜４０４の発振周波数を読み取り、試料液中における反応膜３１１〜３１４と反応する各物質の検出を行うことができる。
【００６５】
この第６の実施形態は上記の各実施形態と同様の効果を有し、１つの水晶振動子３００で複数の感知対象物の感知を行うことができるので、装置の運用コストを低下させることができる。ところで、この第６の実施形態及び他の実施形態において、感知対象物の感知は、このように表示部６４の表示に基づいてユーザが行ってもよいし、記憶部に記憶される周波数の時系列データに基づいてプログラム６５が自動で行い、前記表示部６４において反応膜への感知対象物の吸着の有無を表示させてもよい。
なお、第６の実施形態のように、３つの振動モードあるいはそれ以上の数の振動モードの周波数の変化を組み合わせて感知対象物を判断する場合には、Ａ０モードを温度補償用の周波数として活用しなくともよい。
更にまたＡ０モードの発振周波数を、Ｓ０モードやＳ１モードの発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するために用いる手法としては、第１の実施形態の最後に記載したと同様の考え方により、Ｓ０モードの発振周波数とＡ０モードの発振周波数との差分周波数、及びＳ１モードの発振周波数とＡ０モードの発振周波数との差分周波数を求めるようにしてもよい。感知対象物が吸着膜に吸着されることでＳ０モードやＳ１モードの発振周波数が低下するが、Ａ０モードの発振周波数は低下しない。このため差分周波数は、感知対象物が吸着膜に吸着されることにより変化し、その変化分に基づいて感知対象物の吸着量を求めることができる。
【００６６】
この第６の実施形態の水晶振動子３００において、接地される側の電極３２１、３２２、３２５の代わりに図２９に示すように接地される１枚の電極３２７を電極３２２、３２３、３２６に対向するように設けてもよい。この電極３２７上に各反応膜３１１、３１２、３１３が設けられる。反応膜３１１は電極３２４に対向する位置に設けられ、反応膜３１２は電極３２２、３２４間と、電極３２４、３２６間とに夫々対向する位置に設けられ、反応膜３１３は電極３２２、３２５に夫々対向する位置に設けられる。なお、互いに電気的に分離されれば、水晶片３１の上側に互いに分割された電極３２１、３２３、３２５を配置し、下側にこれらの上側の電極に対向するように前記電極３２７を設けて、当該電極３２７を接地してもよい。また、水晶振動子３においても第３の実施形態として説明したように、水晶片３１の上側または下側の電極を互いに分割されていない１枚の電極として構成してもよい。また、このように複合水晶振動子８における水晶振動子３、３００を各振動モードで振動させるためには、図２８、２９に示したような配線とする以外に、既述の各図で示した配線とすることができる。
【００６７】
（第７の実施形態）
この第７の実施形態は、第６の実施形態と同様に１枚の水晶片３１に複数の水晶振動子が形成された複合水晶振動子８を用いて、複数の感知対象物の検出を行う。図３０はこの複合水晶振動子８の上面図であり、水晶振動子３が前記Ｘ軸方向に２つ配列されている。説明の便宜上、一方の水晶振動子３を３３１、他方の水晶振動子３を３３２とする。水晶振動子３３１に反応膜３１１、３１２を設け、水晶振動子３３２に反応膜３１３を設ける。図３１はこの複合水晶振動子８を適用した感知装置１の概略図であり、水晶振動子３３１、３３２の側面を示している。この図３１に示すように水晶振動子３３１において、反応膜３１１は第１の実施形態と同様に電極３０１、３０３間に設けられ、反応膜３１２は電極３０１、３０３上に設けられる。水晶振動子３３２において、反応膜３１３は前記反応膜３１１と同様に電極３０１、３０３間に設けられる。
【００６８】
この第７の実施形態の感知装置１においては、水晶振動子３３１に対応する第１の発振回路４０１、第２の発振回路４０２（便宜上図中で４２１、４２２としている）が設けられており、第２の実施形態と同様にスイッチ７１、７２により、水晶振動子３３１は、第１の発振回路４２１と、第２の発振回路４２２との間でその接続が切り替えられる。また、水晶振動子３３２に対応する第１の発振回路４０１、第２の発振回路４０２（便宜上図中で４２３、４２４としている）が設けられている。第２の実施形態と同様にスイッチ７１、７２により、水晶振動子３３２は、第１の発振回路４２３と、第２の発振回路４２４との間でその接続が切り替えられる。それによって、水晶振動子３３１、３３２は、上記の各実施形態で説明したように、夫々Ｓ０モード及びＡ０モードで発振する。このような差異点を除いて第７の実施形態の感知装置１は、第６の実施形態の感知装置１と同様に構成される。
【００６９】
水晶振動子３３２のＡ０モードの発振周波数に基づいて水晶振動子３３１、３３２の温度が検出され、検出温度に基づいて水晶振動子３３２のＳ０モードの発振出力、水晶振動子３３１の各Ａ０モード、Ｓ０モードの発振出力が制御される。反応膜３１１に感知対象物が吸着された場合、上記のように水晶振動子３３１のＡ０モードの発振周波数は変化せずに、水晶振動子３３１のＳ０モードの発振周波数が低下する。反応膜３１３に感知対象物が吸着した場合、上記のように水晶振動子３３２のＡ０モードの発振周波数は変化せずに、水晶振動子３３２のＳ０モードの発振周波数が低下する。
【００７０】
ところで、図３２には水晶振動子３３１の反応膜３１１、３１２の位置と振動モードとの関係とを示している。反応膜３１２はＡ０モードにおける振動の腹に近い位置に設けられ、且つＳ０モードの振動の腹から比較的離れた位置に設けられている。反応膜３１２に感知対象物が吸着した場合、水晶振動子３３１のＡ０モードの発振周波数が比較的大きく低下するが、水晶振動子３３１のＳ０モードの発振周波数の低下は若干量に留まる。これらのように水晶振動子３３１のＳ０モード及びＡ０モードの周波数と、水晶振動子３３１のＳ０モードの周波数とが変化することから、試料液中に反応膜３１１、３１２、３１３に吸着される各感知対象物が含まれているか否かを判定することができる。
【００７１】
また、水晶振動子３３１、３３２の構成や発振回路までの配線としては、Ｓ０モード及びＡ０モードの出力が取り出せればよいので、図３１に示した例の他に既述の各例を用いることができる。例えば第３の実施形態で説明したように、水晶片３１の上側及び下側のいずれか一方を１枚の電極３０５として構成することができる。上側を前記電極３０５とする場合、水晶振動子３３１においては、図３３に示すように電極３０２、３０４に対向する位置に夫々反応膜３１２を設ける。
【００７２】
ところで、上記の各実施形態の水晶片３１としてはＡＴカットされたものに限られず、他の形式でカットされた水晶片についても用いることができる。なお、上記した２９℃は基準温度の一例であり、水晶振動子に応じて個別にその値を設定することができる。例えば水晶振動子３、３００について個別に設定された基準温度からの温度のずれ量に基づいて各水晶振動子３、３００に接続される制御電圧の制御を行うことができる。
【００７３】
水晶片３１の各モードでの振動と、上記の反応膜３１１、３１２を設ける位置との関係をより明確に説明するために図３４〜図３７を示す。図３４〜図３７は水晶片３１を模式的に示した斜視図である。図３４の水晶片３１は、振動していない静止状態を示している。図３５の水晶片３１はＳ０モードで振動している状態を示す。また、図３６の水晶片３１はＡ０モードで振動している状態を示し、図３７の水晶片３１はＳ１モードで振動している状態を示す。水晶片３１は厚みすべり振動モードで振動するため、図示したようにＸ軸方向に振動する。
【００７４】
図３５〜３７の水晶片３１中の矢印は、図３４の前記静止状態に対する水晶片３１の上面側の変位方向を示している。この上面側の変位について、Ｓ０モードにおいては上記したように水晶片３１のＺ’軸方向の中心部の振動変位が、前記Ｚ’軸方向の周縁部の振動変位に対して大きい。Ａ０モードでは、上記のようにＺ’軸方向に向かうにつれて振動変位の方向が逆になる。Ｓ１モードでは、Ａ０モードと同様にＺ’軸方向の中心部の振動変位が、Ｚ’軸方向の周縁部の振動変位に対して大きく、周縁部に向かうに従って前記中心部とは振動変位が逆方向になる。
【００７５】
また、図３８、３９は、図３７のＳ１モードの振動時における水晶片３１の矢視断面図である。図３８が前記水晶片３１のＺ’方向における両端部側のＡ−Ａ矢視断面及びＣ−Ｃ矢視断面を示し、図３９が水晶片３１の前記水晶片３１のＺ’方向における中央部のＢ−Ｂ矢視断面を示している。各断面図はＺ’方向から見て水晶片３１をＸ方向に切断した断面図である。これらの断面図に示すように水晶片３１の厚さ方向の中心（厚さ方向についての振動の節）を境にして上面側と下面側とで水晶片３１は逆方向に変位する。図示は省略しているが、Ａ０モード、Ｓ０モードの各振動時でも同様である。上面側、下面側について夫々水晶片３１のＸ軸についての変位方向が繰り返し逆になるように変化して水晶片３１が振動する。図３６中の点Ｐは、水晶片３１の上面において前記Ａ０モードでの振動時に変位しない振動変位の節であり、当該点Ｐ上に図２などに示した上記の反応膜３１１が設けられる。図３７中の点Ｑは、水晶片３１の上面においてＳ１モードで振動する時に変位しない振動変位の節であり、当該点Ｑ付近に図２４などに示した上記の反応膜３１２が上記の検出を行えるように設けられる。
【符号の説明】
【００７６】
１  感知装置
２  センサーユニット
２７      流通空間
３、３００  水晶振動子
３１        水晶片
３０１〜３０４、３２１〜３２６    電極
３１１        反応膜
４０１、４０２    発振回路
４  発振制御部
６  データ処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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