(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１箇所以上のスリット及び／又は孔部が形成され、及び／又は、薄肉部と厚肉部とが形成された連結板と、振動板とが互いの側面において接合され、
少なくとも一方の表面上の少なくとも一部に圧電素子が配設された検出板が、当該振動板と当該連結板との接合方向と直交する方向において、当該連結板と互いの側面において接合され、
当該連結板と当該検出板の少なくとも一部の側面が、センサ基板側面に接合されて、
当該振動板と当該連結板と当該検出板及び当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量センサ。
【請求項２】
１箇所以上のスリット及び／又は孔部が形成され、及び／又は、薄肉部と厚肉部とが形成された連結板と、振動板とが互いの側面において接合され、
２枚の検出板が当該振動板と当該連結板との接合方向と直交する方向において当該連結板を挟持するように当該連結板と側面において接合され、
少なくとも１枚の当該検出板の少なくとも一方の表面上の少なくとも一部に圧電素子が配設され、
当該連結板と当該検出板の少なくとも一部の側面がセンサ基板の側面の一部に接合されて、
当該振動板と当該連結板と当該検出板及び当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量センサ。
【請求項３】
１枚の当該検出板に、当該検出板と当該連結板との接合方向に垂直な方向に１箇所以上のスリットが形成されていることを特徴とする請求項２記載の質量センサ。
【請求項４】
当該２枚の検出板の同方向の表面にそれぞれ圧電素子を配設し、当該圧電素子の圧電膜の分極方向を互いに逆向きとしたことを特徴とする請求項２記載の質量センサ。
【請求項５】
１箇所以上のスリット及び／又は孔部が形成され、及び／又は、薄肉部と厚肉部とが形成された２枚の連結板によって、振動板を互いの側面で接合して挟持したものが、センサ基板に設けられた凹部の側部側面の間に跨設され、
少なくとも一方の表面の少なくとも一部に圧電素子を配設した検出板が、当該連結板と当該振動板との接合方向に垂直な方向において、当該連結板のそれぞれについて、当該凹部の底部側面と当該連結板の側面との間に跨設され、
当該振動板と当該連結板と当該検出板及び当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量センサ。
【請求項６】
１箇所以上のスリット及び／又は孔部が形成され、及び／又は、薄肉部と厚肉部とが形成された２枚の連結板によって、振動板を互いの側面で接合して挟持したものが、センサ基板に設けられた対向する凹部の底部側面の間に跨設され、
当該連結板のそれぞれについて、２枚の検出板が当該連結板と当該振動板との接合方向に垂直な方向において当該連結板を挟持するように互いに側面で接合されると共に、当該検出板は少なくとも当該凹部の側部側面と接合され、
当該連結板について対向する少なくとも１枚の当該検出板の少なくとも一方の表面上の少なくとも一部に圧電素子が配設されて、
当該振動板と当該連結板と当該検出板及び当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量センサ。
【請求項７】
当該圧電素子が配設されない検出板に、当該検出板と当該連結板との接合方向に垂直な方向に、１箇所以上のスリットが形成されていることを特徴とする請求項６記載の質量センサ。
【請求項８】
当該連結板を介して対向する２枚の検出板の同方向の表面にそれぞれ圧電素子を配設し、当該圧電素子の圧電膜の分極方向を互いに逆向きとしたことを特徴とする請求項６記載の質量センサ。
【請求項９】
第一の連結板及び第二の連結板が、１箇所以上のスリット及び／又は孔部を有し、及び／又は、薄肉部と厚肉部とから形成され、
第一の振動板と互いの側面において接合された当該第一の連結板と、第二の振動板と互いの側面において接合された当該第二の連結板との間に、少なくとも一方の表面上の少なくとも一部に圧電素子が配設された第一の検出板が跨設され、当該第一の連結板と当該第二の連結板における、当該第一の振動板と当該第二の振動板との接合側面の対向側面がセンサ基板の一側面に接合され、
当該振動板と当該連結板と当該検出板及び当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量センサ。
【請求項１０】
第二の検出板と当該第一の検出板が当該第一の連結板を挟持するように互いの側面において接合され、及び／又は、第三の検出板と当該第一の検出板が当該第二の連結板を挟持するように互いに側面において接合されて、当該第二の検出板と当該第三の検出板が、少なくとも当該連結板との接合方向において、当該センサ基板とも接合されていることを特徴とする請求項９記載の質量センサ。
【請求項１１】
当該第二の検出板及び／又は当該第三の検出板の少なくとも一方の表面上の少なくとも一部に圧電素子が配設され、若しくは、当該第二の検出板及び／又は当該第三の検出板に当該第一の検出板と当該第一の連結板との接合方向に垂直な方向に１箇所以上のスリットが形成されていることを特徴とする請求項１０記載の質量センサ。
【請求項１２】
当該第一の検出板上に配設された圧電素子における圧電膜の分極方向と、当該第二の検出板及び当該第三の検出板に配設された圧電素子の圧電膜との分極方向を、互いに逆向きとしたことを特徴とする請求項１１記載の質量センサ。
【請求項１３】
第一の連結板及び第二の連結板が、１箇所以上のスリット及び／又は孔部を有し、及び／又は、薄肉部と厚肉部とから形成され、
第一の振動板と互いの側面において接合された当該第一の連結板と、第二の振動板と互いの側面において接合された当該第二の連結板との間に、第一の検出板が跨設されるとともに、第二の検出板と当該第一の検出板が当該第一の連結板を挟持するように互いの側面において接合され、かつ、第三の検出板と当該第一の検出板が当該第二の連結板を挟持するように互いに側面において接合され、
当該第二の検出板と当該第三の検出板それぞれの少なくとも一方の表面上の少なくとも一部に圧電素子が配設され、
当該第一の連結板と当該第二の連結板における、当該第一の振動板と当該第二の振動板との接合側面の対向側面がセンサ基板に設けられた凹部の底部側面に接合されると共に、当該第二の検出板と当該第三の検出板が、少なくとも当該凹部の側部側面と接合されてなることを特徴とする質量センサ。
【請求項１４】
当該第一の検出板に、当該第一の検出板の跨設方向に垂直な方向に、１箇所以上のスリットが形成されていることを特徴とする請求項１３記載の質量センサ。
【請求項１５】
当該連結板が、１枚の薄平板と、１箇所以上のスリット及び／又は孔部が形成された別の平板あるいは柱状のバネ板とが貼合されてなることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項１６】
当該振動板と当該連結板と当該検出板及び当該センサ基板が、一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項１７】
当該連結板を形成する１枚の薄平板と当該振動板及び当該検出板が振動プレートから一体的に形成され、かつ、当該連結板を形成する別の平板あるいは柱状のバネ板が中間プレートから形成されると共に当該連結板が当該中間プレートと当該振動プレートを積層することで一体的に形成され、かつ、当該センサ基板が当該振動プレートと当該中間プレート及びベースプレートを積層することで一体的に形成されてなることを特徴とする請求項１５又は１６記載の質量センサ。
【請求項１８】
当該連結板の薄肉部の厚みが、当該振動板及び／又は検出板の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項１９】
当該連結板の薄肉部の厚みが、当該検出板と当該圧電素子とを加えた厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１８記載の質量センサ。
【請求項２０】
当該センサ基板に形成された１箇所以上の凹部若しくは任意形状の貫通孔の内周面のそれぞれに、当該共振部が形成されてなることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項２１】
当該振動板に被検出体とのみ反応して当該被検出体を捕捉する捕捉物質が塗布され、当該捕捉物質に当該被検出体が捕捉されていない状態及び当該捕捉物質に当該被検出体が捕捉された後の状態における当該共振部の共振周波数を当該圧電素子で測定し、測定された共振周波数の変化から捕捉された当該被検出体の質量を測定することを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項２２】
少なくとも複数の当該振動板を有し、少なくとも１枚の当該振動板には当該捕捉物質が塗布されていないことを特徴とする請求項２１記載の質量センサ。
【請求項２３】
少なくとも複数の当該振動板を有し、当該振動板のそれぞれに異なる種類の捕捉物質が塗布されていることを特徴とする請求項２１又は２２記載の質量センサ。
【請求項２４】
当該共振部が当該センサ基板に少なくとも２箇所以上設けられ、当該共振部からの信号を積算することで、ダイナミックレンジを大きくとることを特徴とする請求項１〜２３のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項２５】
少なくとも１つの当該圧電素子を２分割し、一方を駆動用、他方を検出用として用いることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項２６】
当該共振部に当該圧電素子を２個配設し、当該一方の圧電素子を駆動用として用い、当該他方の圧電素子を検出用として用いることを特徴とする請求項１〜２５のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項２７】
当該連結板の表面上に、検出用圧電素子が配設されていることを特徴とする請求項１〜２６のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項２８】
当該センサ基板上の当該振動板と当該圧電素子との中間位置に一対の電極からなる位置センサが設けられていることを特徴とする請求項１〜２７のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項２９】
当該圧電素子及び当該圧電素子の電極にそれぞれ導通する電極リードが、樹脂又はガラスからなる絶縁層により被覆されていることを特徴とする請求項１〜２８のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項３０】
当該樹脂がフッ素樹脂若しくはシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項２９記載の質量センサ。
【請求項３１】
当該絶縁層の少なくとも一部の表面上に、導電性部材からなるシールド層が形成されていることを特徴とする請求項２９又は３０記載の質量センサ。
【請求項３２】
当該センサ基板、当該振動板、当該連結板、当該検出板が、完全安定化ジルコニア若しくは部分安定化ジルコニアからなることを特徴とする請求項１〜３１のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項３３】
当該圧電素子における圧電膜が、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛からなる成分を主成分とする材料からなることを特徴とする請求項１〜３２のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項３４】
当該振動板、当該連結板、当該検出板の少なくともいずれかの形状が、レーザ加工若しくは機械加工によるトリミングにより寸法調整されたものであることを特徴とする請求項１〜３３のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項３５】
レーザ加工若しくは機械加工により、当該圧電素子の電極をトリミングして、当該圧電素子の有効電極面積を調整したことを特徴とする請求項１〜３４のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項３６】
１箇所以上のスリット及び／又は孔部が形成され、及び／又は薄肉部と厚肉部とが形成された連結板に、振動板と少なくとも１枚以上の検出板が互いに側面において接合され、
当該連結板と当該検出板の少なくとも一部の側面がセンサ基板の側面の一部に接合された、少なくとも１個以上の圧電素子を有する質量センサの質量検出方法であって、
当該振動板が、当該連結板と当該センサ基板との接合面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心として、当該振動板の表面に平行、かつ、当該垂直軸に垂直な方向に直線的に往復振動するνモード揺れ振動、若しくは、
当該振動板が、当該垂直軸を中心として、当該振動板の表面に平行かつ当該垂直軸に垂直な方向へ、当該振動板の表面に垂直な方向の移動を伴いながら振子状に往復振動するνｚモード揺れ振動、
の少なくともいずれかの振動モードに基づく共振周波数を当該圧電素子により測定することを特徴とする質量センサの質量検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノグラム（１０−９ｇ）オーダーの微小質量を測定する質量センサ、例えば、細菌、ウィルス、原虫等の微生物を検出するための質量センサ（免疫センサ）や、水分や有毒物質あるいは味覚成分等の化学物質の検出に使用される質量センサ（水分計、ガスセンサ、味覚センサ）と質量検出方法に関し、特に、これらの検出対象（被検出体）とのみ反応して被検出体を捕捉する捕捉物質を塗布した振動板の質量変化に基づく共振周波数の変化を測定することで、被検出体の質量を測定する目的に好適に使用される質量センサ及び質量検出方法に関する。
なお、本発明の質量センサは、上述のように、振動板に塗布された捕捉物質の質量変化を測定する、即ち、間接的な振動板の質量変化を測定することに限られず、振動板自体の質量変化に基づく共振周波数の変化を検知することも、当然可能であるため、蒸着膜厚計や露点計としても用いることができる。
また、直接的あるいは間接的に振動板の質量を変化させることがなくとも、共振周波数の変化を起こさせる環境に置く、即ち、真空度や粘性、温度等の異なる気体や液体等の媒体環境下に置くことによって、真空計や粘性計、温度センサとしても使用することができる。
このように、本発明の質量センサは、その実施の形態により、種々の用途があるが、振動板及び振動板を含む共振部の共振周波数の変化を測定するという基本的な測定原理は同じものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の科学技術、医療技術の進歩と、抗生物質や化学薬品等の新たに開発される薬品により、これまで治療が困難とされていた種々の病気についての治療が可能となってきている。病気と呼ばれるもののうち、細菌やウィルス、原虫といった微生物に起因する病気については、これらの病原体を見つけ出し、それがいかなる種類のものかを明らかにし、更に、どのような薬剤に感受性があるかを決定する微生物検査が、病気の治療に必要不可欠である。
【０００３】
現在では病状からおおよその原因、病原体の種類を推測することが可能であるため、微生物検査の第一段階では、病気の種類によって血液等の種々の検体が選ばれ、検体中に存在する病原体を形態学的に、あるいは検体中に存在する抗原や病原体の特異代謝産物（毒素や酵素等）を免疫化学的に確認している。この過程は、細菌検査で行われている塗抹、染色、鏡検といった作業であるが、最近は、蛍光抗体染色や酵素抗体染色といった方法により、即時同定が可能となってきている。
【０００４】
また、近年、ウィルスの検出に用いられているウィルス血清検査法は、患者の血清中に出現する特異免疫抗体を証明する方法であり、例えば、試験血液へ補体を加えることによって、補体がその血液中の抗原若しくは抗体と反応して抗原若しくは抗体の細胞膜へ付着するか、あるいは細胞膜を破壊することにより抗体若しくは抗原の存在を決定する補体結合反応が例として挙げられる。
【０００５】
病状が従来に見られない新たなもので、その病気がこれまでに未発見な新たな病原体によるものである極めて特殊な場合を除けば、微生物等による病気の治療においては、上述した微生物検査により、早期に病原体を発見することで、適当な処置を施すことができ、病状が悪化することなく病人を回復に導くことが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した塗抹、染色、鏡検等の方法では、微生物の量により検出が困難な場合が多々あり、必要に応じて検体を寒天培地等で培養するといった時間を要する処理を行う必要がある。また、ウィルス血清検査法においては、原則として、急性期と恢復期の両者について測定し、その抗体量の動きから判定する必要があり、早期診断という観点から時間的な問題がある。
【０００７】
ところで、上述した補体結合反応に見られるように、被検出体たる特定の微生物とのみ反応して被検出体を捕捉する捕捉物質と被検出体が反応した場合には、非常に小さいが被検出体の質量の分だけ捕捉物質の質量が増加する。このような質量増加は、特定のガス物質や臭い成分等の化学物質とその捕捉物質（吸着物質）との関係においても同様であり、更に、質量変化のない基板自体を捕捉物質と見立てて、その基板に特定物質が析出、付加等した場合にもあてはまる。反対に、捕捉物質等に捕捉されていた被検出体が脱離するような反応が起こった場合には、捕捉物質等の質量が微小に減少することとなる。
【０００８】
このような微小質量の変化を検出する方法として、例えば、米国特許Ｎｏ．４７８９８０４には、図２８に示されるように、水晶振動子８１の対向する面に電極８２・８３を形成し、この電極８２・８３に何らかの物質が外部から付着したときの電極面の面方向の水晶振動子８１の厚みすべり振動の共振周波数の変化を利用して、その質量変化を検出する質量センサ８０が開示されている。
【０００９】
しかし、質量センサ８０にあっては、外部からの物質の付着部と共振周波数の検出部とが同じ部位となるため、例えば、検体の温度あるいは温度変化により質量センサ８０自体の圧電特性が変化した場合には、共振周波数が一定せず、また、検体が導電性溶液の場合には質量センサ８０をそのまま検体に浸漬すると、電極間の短絡を引き起こすために常に、樹脂コーティング等の絶縁処理を施さなければならないといった不具合が生ずる問題がある。
【００１０】
そこで発明者らは、この質量センサ８０の有する問題点を解決すべく、先に特願平９−３６１３６８号において、振動板の質量を直接的若しくは間接的に変化させて振動させたときの質量変化前後での共振周波数の変化を測定する質量センサを種々開示した。一例を図２７に示す。質量センサ３０は、振動板３１に連結板３３を接合し、表面上に圧電素子３５を配設した検出板３２を連結板３３に接合して構成される共振部が、直角な側面を有するセンサ基板３４の側面に接合された構成を有している。この質量センサ３０においては、主に振動板３１の質量変化に伴う共振部の共振周波数の変化を測定することにより、簡単にしかも短時間にその質量変化を知ることが可能である。
【００１１】
しかしながら、このような質量センサ３０においては、振動板３１の同質量の変化であっても、質量が変化した位置が、例えば振動板３１の中央部であるか、あるいは端部であるかによって検出感度に差が生ずる問題があり、この検出感度差をより小さくする改良が望まれる。また、振動板３１をより揺れ易くすることで検出感度の向上が図られ、更に、振動板３１の大面積化が図れると、より微小なオーダーでの質量測定が可能となる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述した微小質量センサの問題点に鑑みてなされたものであり、本発明によれば、構造的に大別される以下の第一から第六の質量センサが提供される。
即ち、本発明によれば、第一の質量センサとして、１箇所以上のスリット及び／又は孔部が形成され、及び／又は、薄肉部と厚肉部とが形成された連結板と、振動板とが互いの側面において接合され、少なくとも一方の表面上の少なくとも一部に圧電素子が配設された検出板が、当該振動板と当該連結板との接合方向と直交する方向において、当該連結板と互いの側面において接合され、当該連結板と当該検出板の少なくとも一部の側面が、センサ基板側面に接合されて、当該振動板と当該連結板と当該検出板及び当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量センサ、が提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、第二の質量センサとして、１箇所以上のスリット及び／又は孔部が形成され、及び／又は、薄肉部と厚肉部とが形成された連結板と、振動板とが互いの側面において接合され、２枚の検出板が当該振動板と当該連結板との接合方向と直交する方向において当該連結板を挟持するように当該連結板と側面において接合され、少なくとも１枚の当該検出板の少なくとも一方の表面上の少なくとも一部に圧電素子が配設され、当該連結板と当該検出板の少なくとも一部の側面がセンサ基板の側面の一部に接合されて、当該振動板と当該連結板と当該検出板及び当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量センサ、が提供される。
この第二の質量センサにおいては、１枚の検出板のみに圧電素子を配設した場合には、圧電素子を配設しない他方の１枚の検出板に、検出板と連結板との接合方向に垂直な方向に１箇所以上のスリットを形成することが好ましい。また、２枚の検出板の同方向の表面にそれぞれ圧電素子を配設した場合には、それぞれの圧電素子の圧電膜の分極方向を互いに逆向きとすることも、検出感度の向上の点等から、好ましい。
【００１４】
更に、本発明によれば、第三の質量センサとして、１箇所以上のスリット及び／又は孔部が形成され、及び／又は、薄肉部と厚肉部とが形成された２枚の連結板によって、振動板を互いの側面で接合して挟持したものが、センサ基板に設けられた凹部の側部側面の間に跨設され、少なくとも一方の表面の少なくとも一部に圧電素子を配設した検出板が、当該連結板と当該振動板との接合方向に垂直な方向において、当該連結板のそれぞれについて、当該凹部の底部側面と当該連結板の側面との間に跨設され、当該振動板と当該連結板と当該検出板及び当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量センサ、が提供される。
ここで凹部とは、対向する側面とそれら側面を接続する底部側面とからなるものをいうが、本発明においては、必ずしも底部側面は一平面である必要はなく、底部側面に窪みを設けたり、あるいは逆に突起部を設ける等、振動板の振動や共振周波数の測定に影響を及ぼさない限りにおいて、種々に形状を変更することができるものをいう。
【００１５】
次に、本発明によれば、第四の質量センサとして、１箇所以上のスリット及び／又は孔部が形成され、及び／又は、薄肉部と厚肉部とが形成された２枚の連結板によって、振動板を互いの側面で接合して挟持したものが、センサ基板に設けられた対向する凹部の底部側面の間に跨設され、当該連結板のそれぞれについて、２枚の検出板が当該連結板と当該振動板との接合方向に垂直な方向において当該連結板を挟持するように互いに側面で接合されると共に、当該検出板は少なくとも当該凹部の側部側面と接合され、当該連結板について対向する少なくとも１枚の当該検出板の少なくとも一方の表面上の少なくとも一部に圧電素子が配設されて、当該振動板と当該連結板と当該検出板及び当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量センサ、が提供される。
この第四の質量センサにおいては、圧電素子を配設しない検出板がある場合、その検出板に、その検出板と連結板との接合方向に垂直な方向に、１箇所以上のスリットを形成することが好ましい。一方、連結板を介して対向する２枚の検出板の同方向の表面にそれぞれ圧電素子を配設した場合には、それらの圧電素子の圧電膜の分極方向を互いに逆向きとすることが好ましい。
【００１６】
また、本発明によれば、第五の質量センサとして、第一の連結板及び第二の連結板が、１箇所以上のスリット及び／又は孔部を有し、及び／又は、薄肉部と厚肉部とから形成され、第一の振動板と互いの側面において接合された当該第一の連結板と、第二の振動板と互いの側面において接合された当該第二の連結板との間に、少なくとも一方の表面上の少なくとも一部に圧電素子が配設された第一の検出板が跨設され、当該第一の連結板と当該第二の連結板における、当該第一の振動板と当該第二の振動板との接合側面の対向側面がセンサ基板の一側面に接合され、当該振動板と当該連結板と当該検出板及び当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量センサ、が提供される。
この第五の質量センサにおいては、第一の連結板を第二の検出板と第一の検出板で挟持するように互いの側面で接合し、及び／又は、第二の連結板を第三の検出板と第一の検出板で挟持するように互いに側面で接合し、第二の検出板と第三の検出板を少なくとも連結板との接合方向において、センサ基板とも接合した構造とすることも好ましい。つまり、各検出板と各連結板を接合してなる部分が、センサ基板に設けられた凹部に嵌合された構造とすることが好ましい。また、第二の検出板及び／又は第三の検出板の少なくとも一方の表面上の少なくとも一部に圧電素子を配設し、若しくは、第二の検出板及び／又は第三の検出板に、第一の検出板と第一の連結板との接合方向に垂直な方向に１箇所以上のスリットを形成することも好ましい。なお、第二の検出板と第三の検出板に圧電素子を配設した場合には、これらの圧電素子の圧電膜の分極方向と、第一の検出板上に配設された圧電素子の圧電膜における分極方向とを、互いに逆向きとすることが好ましい。
【００１７】
次に、本発明によれば、第六の質量センサとして、第一の連結板及び第二の連結板が、１箇所以上のスリット及び／又は孔部を有し、及び／又は、薄肉部と厚肉部とから形成され、第一の振動板と互いの側面において接合された当該第一の連結板と、第二の振動板と互いの側面において接合された当該第二の連結板との間に、第一の検出板が跨設されるとともに、第二の検出板と当該第一の検出板が当該第一の連結板を挟持するように互いの側面において接合され、かつ、第三の検出板と当該第一の検出板が当該第二の連結板を挟持するように互いに側面において接合され、当該第二の検出板と当該第三の検出板それぞれの少なくとも一方の表面上の少なくとも一部に圧電素子が配設され、当該第一の連結板と当該第二の連結板における、当該第一の振動板と当該第二の振動板との接合側面の対向側面がセンサ基板に設けられた凹部の底部側面に接合されると共に、当該第二の検出板と当該第三の検出板が、少なくとも当該凹部の側部側面と接合されてなることを特徴とする質量センサ、が提供される。
この第６の質量センサにおいては、第一の検出板に、第一の検出板の跨設方向に垂直な方向に、１箇所以上のスリットを形成することも好ましい。
【００１８】
さて、本発明の上記第一から第六の全ての質量センサにおいて、連結板は、１枚の薄平板と１箇所以上のスリット及び／又は孔部が形成された別の平板あるいは柱状のバネ板とが貼合されて形成されていることが好ましく、振動板、連結板、検出板及びセンサ基板は、一体的に形成されていることが好ましい。従って、連結板自体も一体的に形成されることが好ましい。
【００１９】
また、このような一体的な構成を得るために、連結板を形成する１枚の薄平板と振動板及び検出板が振動プレートから一体的に形成され、かつ、連結板を形成する別の平板あるいは柱状のバネ板が中間プレートから形成されると共に連結板が中間プレートと振動プレートを積層することで一体的に形成され、かつ、センサ基板が振動プレートと中間プレート及びベースプレートを積層することで一体的に形成すると、容易に一体構造の本発明の質量センサを得ることができる。
【００２０】
更に、連結板の薄肉部の厚みを、振動板及び／又は検出板の厚みよりも厚くすることも好ましく、特に、連結板の薄肉部の厚みを、検出板と圧電素子とを加えた厚みよりも厚いものとすると、感度の向上が図られ、より好ましい。なお、１箇所以上の凹部若しくは任意形状の貫通孔をセンサ基板に形成し、それぞれの凹部若しくは貫通孔の内周面のそれぞれに、共振部を形成することも好ましい。
【００２１】
本発明の全ての質量センサは、特に微小質量の変化の測定に好適に用いられるものであるが、使用の一態様として、振動板に被検出体とのみ反応して被検出体を捕捉する捕捉物質を塗布し、この捕捉物質に被検出体が捕捉されていない状態及び捕捉物質に被検出体が捕捉された後の状態における共振部の共振周波数を圧電素子で測定し、測定された共振周波数の変化から捕捉された被検出体の質量を測定する方法が挙げられる。このような質量センサを使用方法において、質量センサが少なくとも複数の振動板を有する場合には、少なくとも１枚の振動板には捕捉物質を塗布せず、参照用等として用いることができる。また、少なくとも複数の振動板のそれぞれに、異なる種類の捕捉物質を塗布することで、異なる種類の被検出体を同時に検出する等することも可能である。
【００２２】
上記使用態様によらず、本発明の質量センサにおいては、共振部がセンサ基板に少なくとも２箇所以上設けられていると、各共振部からの信号を積算してダイナミックレンジが大きく取れ、好ましい。また、２枚の検出板の同方向の表面にそれぞれ圧電素子を配設し、各圧電素子における圧電膜の分極方向を互いに逆向きとすることも好ましい。更に、圧電素子の少なくとも１個を２分割し、一方を駆動用、他方を検出用として用いることも可能であり、検出感度の向上に寄与する。更に、１箇所の共振部に圧電素子を２個配設し、一方の圧電素子を駆動用として用い、他方の圧電素子を検出用として用いても同様の効果を得ることができる。加えて、連結板の表面上に、検出用圧電素子を配設することも好ましい。
【００２３】
本発明の質量センサは、その使用環境を選ばないが、導電性溶液に浸漬して用いる場合には、振動板は導電性溶液に浸漬されるが、圧電素子はその導電性溶液に浸漬されないように、センサ基板上の振動板と圧電素子との中間位置に一対の電極からなる位置センサが設けられていると、振動板に重点的に質量変化を起こさせることができ、また、圧電素子の短絡を防止することができ、好ましい。一方、圧電素子及び圧電素子の電極にそれぞれ導通する電極リードが、樹脂又はガラスからなる絶縁層により被覆されていると、加湿雰囲気や液体中での使用に至便である。このとき、樹脂としては、フッ素樹脂若しくはシリコーン樹脂が好適に用いられる。更に、この絶縁層の少なくとも一部の表面上に、導電性部材からなるシールド層を形成すると、ノイズを減少させて測定感度の向上が図られ、好ましい。
【００２４】
なお、本発明の質量センサにおけるセンサ基板、振動板、連結板、検出板は、完全安定化ジルコニアあるいは部分安定化ジルコニアを用いて好適に作製される。また、圧電素子における圧電膜には、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛からなる成分を主成分とする材料が好適に用いられる。振動板、連結板、検出板の少なくともいずれかの形状の寸法調整は、レーザ加工若しくは機械加工によるトリミングにより好適に行われる。レーザ加工若しくは機械加工によるトリミングは、圧電素子の電極の寸法調整にも好適に用いられ、こうして圧電素子の有効電極面積が容易に調整される。
【００２５】
さて、本発明によれば、上述した本発明の質量センサ、即ち、１箇所以上のスリット及び／又は孔部が形成され、及び／又は薄肉部と厚肉部とが形成された連結板に、振動板と少なくとも１枚以上の検出板が互いに側面において接合され、当該連結板と当該検出板の少なくとも一部の側面がセンサ基板の側面の一部に接合された、少なくとも１個以上の圧電素子を有する質量センサの質量検出方法であって、当該振動板が、当該連結板と当該センサ基板との接合面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心として、当該振動板の表面に平行、かつ、当該垂直軸に垂直な方向に直線的に往復振動するνモード揺れ振動、若しくは、当該振動板が、当該垂直軸を中心として、当該振動板の表面に平行かつ当該垂直軸に垂直な方向へ、当該振動板の表面に垂直な方向の移動を伴いながら振子状に往復振動するνｚモード揺れ振動、の少なくともいずれかの振動モードに基づく共振周波数を当該圧電素子により測定することを特徴とする質量センサの質量検出方法、が提供される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の質量センサによれば、振動板における質量変化位置に依存した感度差が小さく、また、連結板の構造が振動板がより大きく揺れ易い構造となっているので、共振部の共振周波数の変化という具体的な数値により、確実にしかも短時間の間に微小質量の変化を精度良く知ることができる。従って、例えば、検体中における微生物や化学物質等の検出に好適に用いることができる。
以下、本発明の実施形態について、特定の被検出体とのみ反応してその被検出体を捕捉する捕捉物質を振動板に塗布した質量センサとその使用方法を中心に、図面を参照しながら説明する。
但し、本発明の質量センサには、前述したように、また後述するように質量変化の測定以外にも多くの用途がある。従って、本発明は以下の説明に限定されるものではない。
【００２７】
図１（ａ）は、本発明の質量センサの一実施形態を示す平面図及び平面図中の破線ＡＡにおける断面図（破線ＡＡを通り紙面に垂直な面における断面図をいい、以下同様とする。）である。質量センサ１は、振動板２と、１箇所のスリット５が形成された連結板３とが、互いの側面において接合され、２枚の検出板４Ａ・４Ｂが振動板２と連結板３との接合方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｘ軸方向）において、連結板３を挟持するように連結板３と側面において接合され、また、検出板４Ａ・４Ｂの一方の表面上に圧電素子６Ａ・６Ｂがそれぞれ配設され、振動板２がセンサ基板７と直接に接合されることなく、連結板３と検出板４Ａ・４Ｂの少なくとも一部の側面が、センサ基板７の側面の一部に接合（この場合にはセンサ基板７に設けられた凹部に嵌合する形で接合）されて、形成されている。そして、振動板２と連結板３と検出板４Ａ・４Ｂ及び圧電素子６Ａ・６Ｂから共振部が形成されている。
【００２８】
ここで、スリット５は、連結板３の長手方向中央部に形成されているが、このような位置に限定されるものではない。しかし、スリット５は連結板３の長手方向の中心線について対称な位置に形成されていることが好ましい。また、センサ基板７と接合される連結板３と検出板４Ａ・４Ｂの少なくとも一部の側面とは、基本的に、連結板３については、連結板３における振動板２との接合側面に対向する側面をいい、検出板４Ａ・４Ｂについては、検出板４Ａ・４Ｂにおける連結板３との接合側面に対向する側面をいう。従って、検出板４Ａ・４Ｂは、センサ基板７の凹部底面とは必ずしも接合される必要はないが、凹部の側面と接合されていることが好ましい。このような連結板３と検出板４Ａ・４Ｂのセンサ基板７との接合の形態は、後述する本発明の質量センサにも適用される。
【００２９】
なお、振動板とは主に質量変化を起こさせる場若しくは受ける場であって、後述する種々のモードで振動する要素をいい、連結板とは振動板とセンサ基板並びに検出板とを連結する要素をいい、検出板とは振動板の動きよって歪みを生じ、表面に配設した圧電素子等の検知素子にその歪みを伝達し、若しくはその逆に圧電素子等の駆動素子が発生する歪みないし振動を振動板に伝達する要素をいうものとする。また、センサ基板は、共振部を保持すると共に、測定装置へ取り付けるための種々の電極端子を配設し、実際の使用においてハンドリングに供される要素をいう。
【００３０】
質量センサ１においては、振動板２と連結板３及び検出板４Ａ・４Ｂは、必ずしも同一の厚みを有することを必要としないが、好ましくは同一平面を形成するように同じ厚みを有していることが好ましい。このため、振動板２と連結板３及び検出板４Ａ・４Ｂは、好適には１枚の板（以下、このような板を「振動プレート」という。）から一体的に形成されていることが好ましく、この場合、製造上も製造が容易となる利点がある。従って、図１（ａ）では、振動板２と連結板３及び検出板４Ａ・４Ｂのそれぞれの接合部に実線で境界が明示されているが、実際には、また好ましくは、図１（ｂ）に示すように、振動板２と連結板３及び検出板４Ａ・４Ｂの構造的な境界のない一体構造とされる。
【００３１】
また、連結板３及び検出板４Ａ・４Ｂは、センサ基板７とも直接一体的に形成されることが好ましい。このような構造を実現するために、センサ基板７は、後述する本発明の質量センサの作製方法において詳述されるように、振動プレートとベースプレートを積層して一体的に形成することが好ましい。ここで、ベースプレートは振動プレートよりも厚く形成され、質量センサ１自体の機械的強度の維持を図ると好ましい。なお、ベースプレートとは、センサ基板７の主要部を形成するために用いられる板をいう。
【００３２】
振動板２の厚みは３〜２０μｍ程度とすることが好ましく、好適には７〜１５μｍ程度に設定され、連結板３や検出板４Ａ・４Ｂについても同様である。このときのベースプレートの厚みは操作性を考慮し、適宜決められる。
【００３３】
このような振動板２と連結板３及び検出板４Ａ・４Ｂ並びにセンサ基板７は、好適にはセラミックスから形成されていることが好ましく、例えば、安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア、窒化珪素等を用いることができる。このうち、安定化／部分安定化ジルコニアは、薄板においても機械的強度が大きいこと、靭性が高いこと、圧電膜や電極材との反応性が小さいことから最も好適に採用される。そして、センサ基板７等の材料として安定化／部分安定化ジルコニアを使用する場合には、少なくとも、検出板４Ａ・４Ｂにアルミナあるいはチタニア等の添加物が含有されるように、振動プレートを準備することが好ましい。なお、これらの材料は、本発明の質量センサ全てに共通して使用されるものである。
【００３４】
なお、センサ基板７を形成する振動プレートとベースプレートは、必ずしも同一の材料から構成される必要はなく、設計に応じて前述した各種セラミックス材料を組み合わせて用いることが可能である。しかし、同一の材料系のものを用いて一体的に構成することが、各部の接合部の信頼性の確保や製造工程の簡略化等の見地からは好ましい。
【００３５】
さて、圧電素子６Ａ・６Ｂの形態としては、図２に示すように、検出板８９上に、第一電極８５、圧電膜８６、第二電極８７が層状に形成された圧電素子８８、あるいは図３に示すような検出板８９上に圧電膜９０を配し、圧電膜９０上部に第一電極９１と第二電極９２とが、一定幅の間隙部９３を形成した櫛型構造を有する圧電素子９４Ａが挙げられる。なお、図３における第一電極９１と第二電極９２は、検出板８９と圧電膜９０と間に挟まれるようにして形成されていても構わない。更に、図４に示すように、櫛型の第一電極９１と第二電極９２との間に圧電膜９０を埋設するようにして圧電素子９４Ｂを形成してもよい。ここで、図３及び図４に示した櫛型電極を用いる場合には、ピッチＤを小さくすることで、測定感度を上げることが可能となる。なお、質量センサ１において、圧電素子６Ａ・６Ｂには、その電極に導通するように電極リードが設けられるが、図１（ａ）においてはこの電極リードは省略されている。
【００３６】
圧電素子６Ａ・６Ｂにおける圧電膜としては、圧電セラミックスからなるものが好適に用いられるが、電歪セラミックスあるいは強誘電体セラミックスを用いることもできる。また、分極処理が必要な材料あるいは必要でない材料のいずれであってもよい。
【００３７】
圧電セラミックスとしては、例えば、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウム等やこれらのいずれかを組み合わせた成分を含有する複合セラミックスが挙げられるが、本発明においては、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛からなる成分を主成分とする材料が好適に用いられる。これは、このような材料が高い電気機械結合係数と圧電定数を有することに加え、圧電膜の焼結時におけるセンサ基板材料との反応性が小さく、所定の組成のものを安定に形成することができることに基づく。
【００３８】
更に、上記圧電セラミックスに、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズ等の酸化物、若しくはこれらいずれかの組み合わせ、又は他の化合物を適宜、添加したセラミックスを用いてもよい。例えば、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛を主成分とし、これにランタンやストロンチウムを含有するセラミックスを用いることもまた好ましい。
【００３９】
一方、圧電素子６Ａ・６Ｂにおける第一電極及び第二電極は、室温で固体であって導電性の金属で構成されていることが好ましく、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、鉛等の金属単体あるいはこれらのいずれかを組み合わせた合金が用いられ、更に、これらに圧電膜あるいは検出板と同じ材料を分散させたサーメット材料を用いてもよい。
【００４０】
なお、実際の第一電極及び第二電極の材料選定は、圧電膜の形成方法に依存して決定される。例えば、前述した圧電素子８８を形成する場合に、先ず、検出板４Ａ・４Ｂ上に第一電極８５を形成した後、第一電極８５上に圧電膜８６を焼成により形成する場合には、第一電極８５は、圧電膜８６の焼成温度においても変化しない白金等の高融点金属を使用する必要がある。これに対し、圧電膜８６を形成した後に圧電膜８６上に形成される第二電極８７は、低温での形成が可能なことから、アルミニウム等の低融点金属を使用することができる。
【００４１】
また、圧電素子８８を一体焼成して形成することもできるが、この場合には、第一電極８５及び第二電極８７の両方を圧電膜８６の焼成温度に耐える高融点金属としなければならない。一方、図３に示したように、圧電膜９０上に第一及び第二電極９１・９２を形成する場合には、双方を同じ低融点金属を用いて形成することができる。このように、第一電極及び第二電極は、圧電膜の焼成温度や圧電素子の構造に依存して、適宜、好適なものを選択すればよい。
【００４２】
なお、圧電膜の面積を広げると出力電荷が増加するために感度が上がるが、センササイズが大きくなる問題が生ずるため、適宜、好適な大きさに設定することが好ましい。また、圧電膜の厚みを薄くすると感度が向上するが、その一方で、剛性が低下するといった問題が生ずる。このため、好ましくは、検出板４Ａ・４Ｂと圧電膜との厚みの合計は、好適には、１５〜５０μｍとなるように設定される。上述した圧電素子の構造、使用される材料は、本発明の質量センサの全てに共通して用いられる。
【００４３】
質量センサ１においては、連結板３にスリット５を設け、これにより連結板３の質量を減少させ、振動板２と連結板３との質量比（振動板の質量／連結板の質量）を大きくして検出感度の向上を図り、更に振動板２を後述するνモードにおいて揺れ易くして、振動板２内での感度ばらつきを小さくしている。
【００４４】
この質量比（振動板２の質量／連結板３の質量）は０．１以上とすることが好ましく、更に、振動板２の厚みと面積を考慮に入れつつ、この質量比の範囲内で適宜、好適な比率に設定することが好ましい。
【００４５】
振動板２の振動モードとしては、振動板２が、Ｘ軸方向に揺れるνモード、若しくは振動板２が、紙面に垂直な方向であるＺ軸方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方に垂直な方向）の成分を伴ってＸ軸方向に揺れるνｚモードが好適に用いられ、これらの振動モードを用いることで、振動板２における質量変化位置の違いによる検出感度の差を小さくすることができる。また、これらの振動モードは振動板２の側面を利用した剛体モードであって、振動板２の厚みが薄いために密度や粘性等の外部環境の影響を受け難く、従って温度変化に強く、最も検出感度が良好で対環境性に優れたものとなる。このような特性から、質量センサ１は振動板２若しくは質量センサ１全体を液体に浸漬しても用いることができる。
【００４６】
ここで、νモード及びνｚモードについて詳しく説明する。図５は、νモードの説明図であり、図１（ａ）の質量センサ１を図１（ａ）のＸ軸上Ｙ軸方向から見た振動板２の動きを示している。ここで、振動板２の上部側面２Ｆは振動していない状態では位置Ｐ１にあるが、νモードでは、振動板２は振動板２の面内方向においてＸ軸方向に揺れ、Ｙ軸方向の揺れの成分をほとんど含まない。従って、振動板２の上部側面２Ｆの動きは、Ｘ軸上の位置Ｐ２と位置Ｐ３との間を往復移動する振動として表すことができる。本発明においては、この振動運動をνモードと定義する。
【００４７】
次に、図６はνｚモードの説明図であり、図５と同様に、図１（ａ）中のＸ軸上Ｙ軸方向から見た振動板２の動きを示している。ここでも振動板２の上部側面２Ｆは、振動していない状態では位置Ｐ１にある。νｚモードにおいては、振動板２はＸ軸方向に揺れるが、このときＹ軸方向の成分をほとんど伴うことなく、Ｚ軸方向の成分を伴って揺れるため、振動板２の上部側面２Ｆの動きは、Ｚ軸上の一点を回転中心Ｏとし、位置Ｐ１を通る円弧軌道上の位置Ｐ４と位置Ｐ５間を往復する振動として表される。本発明においては、この振動運動をνｚモードと定義する。
【００４８】
なお、これらの各種の変位モードは、振動板２の変位方向がそれぞれ前述した方向に支配的であることを意味しているものであって、記された方向以外の方向成分を有することを完全に排除しているものではない。このことは、以下、種々の実施の形態について説明する際に、変位モードについて言及する場合にも同様に言えることである。
【００４９】
質量センサ１においては、上記νモード、νｚモードの他、振動板２がＺ軸方向に振り子様に振動する曲げモード、あるいはＹ軸を基軸として回転するように振動する軸回転モードを利用することもできる。但し、曲げモードは振動板２の表面が外部からの抵抗を受け易く、その影響が大きいという問題があり、また、軸回転モードでは、振動板２の質量変化位置の違い、例えば中央部と左右端部とでは、慣性モーメントに差が生ずるため検出誤差を生じ易いといった欠点がある。
【００５０】
さて、質量センサ１において、一方の圧電素子、例えば、圧電素子６Ａを用い、その電極を通して圧電膜に交流電圧をかけた場合には、圧電膜にはｄ３１あるいはｄ３３により伸縮振動が生じて検出板４Ａに屈曲運動が生じる。この運動が振動板２に伝達されて、振動板２が圧電膜にかけた交流電圧と同じ周波数で振動し、その交流電圧の周波数がある周波数のときに、上記νモード等の共振現象が生ずる。その共振周波数の変化を圧電素子６Ａ自身で測定することにより、振動板２の質量変化の有無を調べることができる。なお、圧電素子６Ａと圧電素子６Ｂの両方から振動板２を励振するとともに、共振周波数を圧電素子６Ａと圧電素子６Ｂのそれぞれで測定することも可能である。
【００５１】
一方、振動板２が外部からの励振力等で振動すると、検出板４Ａ・４Ｂに屈曲／撓み振動が生じ、これにより圧電素子６Ａ・６Ｂが圧電素子８８のような構造を有する場合には、平板状の圧電膜８６には伸縮振動が生じて、圧電膜８６の電気機械結合係数ｋ３１（圧電定数ｄ３１）に基づく電圧が発生する。なお、圧電素子６Ａ・６Ｂが、櫛型電極構造を有する圧電素子９４Ａ・９４Ｂの場合には、ｋ３３（ｄ３３）に基づいて一定の電圧が発生する。このような電圧値のＰ−Ｐ値を検出し、Ｐ−Ｐ値の極大となる周波数を検知することで、νモード、νｚモードそれぞれの共振周波数を検出し、質量変化を知ることが可能となる。この共振周波数の測定は、圧電素子６Ａ・６Ｂの両方を用いることが好ましいが、一方のみを用いて行うこともできる。
【００５２】
また、本発明においては、圧電素子として前述したｄ３１、ｋ３１に表される電界誘起歪みの横効果、又はｄ３３、ｋ３３に表される電界誘起歪みの縦効果を利用する素子で構成することが好ましいが、ｄ１５、ｋ１５に表される電界誘起歪みのすべり効果（ｓｈｅａｒ  ｍｏｄｅ）等を利用する素子で構成することもできる。
【００５３】
なお、前述した各種の振動モードの検出に当たっては、一次モードの共振周波数を用いた検出のみならず、二次、三次といった高次モードの共振周波数を用いて検出を行うことも好ましい。例えば、一次の共振周波数に対して、設計段階でνモード或いはνＺモードではない他の振動モードと、検出に用いたいνモード或いはνＺモードの共振周波数が接近することが予想される場合には、他の次数で接近しないモードの共振周波数で検出すると、判定精度の向上が図られる。
【００５４】
さて、質量センサ１に示されるように、検出板４Ａ・４Ｂの同一方向の表面上に、それぞれ１個の圧電素子６Ａ・６Ｂを配設した場合には、一方の検出板４Ａに配設された圧電素子６Ａの圧電膜の分極方向と、他方の検出板４Ｂに配設された圧電素子６Ｂの圧電膜の分極方向とを互いに逆向きとすることが、検出感度向上の点から好ましい。また、一方の圧電素子６Ａを振動板２の駆動用（励振用）に用い、他方の圧電素子６Ｂを検出用（受振用）として用いることにより、検出感度を向上させることもできる。更に、圧電素子６Ａ・６Ｂの検出する信号を比較演算処理することにより、ダイナミックレンジを大きくとることが可能となる。
【００５５】
ところで、本発明の質量センサにおいては、圧電素子は少なくとも１個が、２枚の検出板のいずれかの表面上に形成されていればよい。この場合でも、検出感度の向上を図ることができ、例えば、質量センサ１において、圧電素子６Ａのみを配設した場合に、圧電素子６ＡをＹ軸方向に２個の圧電素子が形成されるように分割して配設すると、一方を駆動用に使用し、他方を検出用に用いることができるようになる。ここで、このような圧電素子６Ａの分割形成は、１個の圧電素子６Ａを配設した後に、レーザ加工等により分割加工する方法、あるいは圧電素子６Ａを配設する際に、最初から分割して配設する方法のいずれを用いてもよい。
【００５６】
また、１つの質量センサ内に２個の圧電素子を設ける場合には、１枚の検出板の両表面上の少なくとも一部に圧電素子をそれぞれ１箇所、計２箇所設けて、得られる信号を比較演算することにより、ノイズを減少させ、他の振動モードの影響を排除し、検出精度を向上させることも可能である。
【００５７】
更に、２枚の検出板の両表面上に圧電素子を配設してもよく、この場合には圧電素子の配設数は４個となる。更に、これら４個の圧電素子のうちの任意のものを、前述したように更にＹ軸方向に分割してもよい。この場合、信号演算や駆動／検出等、各圧電素子に役割分担をさせることでより高精度な測定が可能となるが、製造工程（圧電素子の形成工程）が複雑になるといった問題も生ずる。つまり、圧電素子の配設数は、検出する質量のオーダーや精度、製造コスト等を考慮して決定すればよい。
【００５８】
なお、検出感度の調節については、上述した振動板と連結板の質量比の調節や圧電素子の使用方法の選択といった方法以外にも、振動板を薄くすることによって被検出体の質量と振動板の質量との比（被検出体の質量／振動板の質量）を大きくする方法も好適に用いられる。
【００５９】
次に、質量センサ１の使用の態様について説明する。質量センサ１の一使用態様として、振動板２に被検出体とのみ反応して被検出体を捕捉する捕捉物質を塗布して用いる場合が挙げられる。この場合、振動板２の捕捉物質に被検出体が捕捉されていない状態での共振部の共振周波数と、被検出体が捕捉された後での共振部の共振周波数とは、捕捉された被検出体の質量の分に依存して異なる値を示すことから、この共振周波数の変化を圧電素子６Ａ・６Ｂにより測定することで、逆に、捕捉物質に捕捉された被検出体の質量を測定することが可能となる。被検出体の一例としては病気の原因となる抗原を、また捕捉物質してはこの抗原に対する抗体を挙げることができる。
【００６０】
測定方法としては、この場合、より具体的には、振動板２に捕捉物質を塗布し、この振動板２を検体たる液体に浸漬し、若しくは特定ガス等の気体雰囲気にさらして、被検出体を捕捉物質に捕捉させて振動板２の質量を変化させ、圧電素子６Ａ・６Ｂにより共振部の共振周波数の変化を測定する方法がある。また、捕捉物質を塗布した振動板２を液体に浸漬させて被検出体を捕捉させた後、気体中で振動板２を乾燥させて共振周波数を測定することもできる。ここで、上述した振動モード及び圧電素子の種々の使用形態が用いられることはいうまでもない。
【００６１】
なお、質量センサ１は、振動板２の質量が初期の状態から減少するような場合に、その減少量を測定するために使用することも可能である。例えば、塗布した捕捉物質が何らかの原因で剥離したときや、振動板２に塗布された物質の微小腐食量や特定溶液に対する微小溶解量の測定、あるいは振動板２に捕捉物質ではなく特定の化学物質を塗布して、その化学物質の蒸発、溶解等の変化量を測定する目的にも好適に使用することができる。
【００６２】
上述の通り、質量センサ１を共振部の共振周波数を変化させる環境下におくという測定原理を応用すれば、種々の物理量や化学量の測定に用いることが可能となる。詳しくは後述することとするが、例えば、振動板上に付着する質量変化を利用する蒸着膜厚計や露点計、振動板の置かれた真空度や粘性あるいは温度といった環境を利用する真空計や粘性計あるいは温度センサとして用いることができる。
【００６３】
次に、上述した質量センサ１を用いた別の実施形態である質量センサ１０の平面図を図７に示す。質量センサ１０内には、質量センサ１と同様の共振部が２箇所（共振部１１Ａ・１１Ｂ）形成されている。これら共振部１１Ａ・１１Ｂの詳細な構成については質量センサ１と同等であるので、この場での説明は割愛する。また、共振部１１Ａ・１１Ｂの使用方法は、前述した質量センサ１の使用方法に準ずるが、質量センサ１０のように、１個のセンサ内に形成される共振部の数を２箇所以上とすることにより、各共振部からの信号を積算してダイナミックレンジを大きくとることが可能となる他、少なくとも１つの共振部を参照用、あるいは他の物理量の測定のために用いることができるようになる。
【００６４】
センサ基板１７に設けられた基準孔１８は質量センサ１０のパッケージング及び製造工程において利用されるアライメントマークとして設けられるものであり、センサ基板１７は、質量センサ１と同様に振動プレート及びベースプレートを積層して、好ましくは一体的に形成される。また共振部１１Ａ・１１Ｂにおける振動板１２Ａ・１２Ｂ、検出板１４Ａ〜１４Ｄ、連結板１３Ａ・１３Ｂは、振動プレートから一体的に形成されていることが好ましく、連結板１３Ａ・１３Ｂには、それぞれスリット１５Ａ・１５Ｂが形成されている。検出板１４Ａ〜１４Ｄの表面に設けられた一対の電極を有する圧電素子１６Ａ〜１６Ｄからは、センサ基板１７下部へ電極リード１９Ａ〜１９Ｄが引かれており、電極リード１９Ａ〜１９Ｄの末端が測定プローブ等の測定装置側の端子等と接続される。
【００６５】
更に、質量センサ１０には、一対の電極からなる位置センサ２０が設けられている。この位置センサ２０は、質量センサ１０を水溶液等の導電性を有する検体に浸漬させたときに検体によって導通し、質量センサ１０の浸漬位置を検出するものである。即ち、検体が導電性を有する場合には、位置センサ２０の水平方向に形成されたパターンから上部を検体に浸漬させ、位置センサ２０が応答した位置より深くは質量センサ１０を検体に浸漬させないようにすると、圧電素子１６Ａ〜１６Ｄ及び電極リード１９Ａ〜１９Ｄの短絡を防止することができる。このような位置センサ２０は、前述した質量センサ１において、そのセンサ基板７にも形成することができることはいうまでもない。但し、圧電素子１６Ａ〜１６Ｄ及び電極リード１９Ａ〜１９Ｄを絶縁樹脂等でコーティングした場合には、質量センサ１０を導電性の検体に浸漬させた場合でも、圧電素子１６Ａ〜１６Ｄと電極リード１９Ａ〜１９Ｄの短絡を防止することができるので、位置センサ２０は、必ずしも設けなくともよい。また、液体中に浸漬させ、液中でのセンサ深さを制御するときは、この位置センサ２０により、容易にセンサ深さを制御することができる。
【００６６】
さて、質量センサ１０においては、センサ基板１７内に設けた貫通孔２１Ａ・２１Ｂの周囲を利用して共振部１１Ａ・１１Ｂを設けている。このように本発明の質量センサにおいては、１箇所以上の任意形状の貫通孔をセンサ基板に形成し、それぞれの貫通孔に２枚の検出板並びに連結板が嵌合されるようにして共振部を形成した構造とすることが好ましい。
【００６７】
一方、共振部をセンサ基板の外周部に設けても構わない。例えば図７の質量センサ１０の上辺部に凹部を設けて、この凹部に共振部を配設する形態が考えられる。しかしながら、この場合、薄板状の振動板１２Ａ・１２Ｂはセンサ基板１７の外周から突出するように設けられることから、質量センサ１０の取り扱い時に振動板１２Ａ・１２Ｂを破損しないように注意しなければならない。従って、外的な衝撃から共振部１１Ａ・１１Ｂを保護することを考えれば、図７に示したように、センサ基板１７の内部に共振部１１Ａ・１１Ｂを設ける構造を採用することが好ましい。また、このような構造は後述する質量センサの製造方法を簡潔なものとすることからも好ましい。更に、振動板１２Ａ・１２Ｂと貫通孔２１Ａ・２１Ｂの上側側面との距離を長くし、センサ振動の反射波の影響を小さくしてノイズを低減することも可能である。このようなノイズ低減のためには、振動板１２Ａ・１２Ｂをセンサ基板１７外部へ突出させて設けることが好ましい。
【００６８】
なお、センサ振動の反射波によるノイズについては、質量センサ自体の構造を考慮する他、例えば、液体中で使用する際には、その液体を入れる容器の材質、形状をも考慮して低減を図ることが好ましい。例えば、容器壁面からの反射を低減するために、容器材質として柔軟な樹脂等を使用したり、容器内壁面にゴム状若しくはゲル状のシリコーン樹脂や弾性エポキシ樹脂等の可撓性樹脂をコーティングすることが好ましい。また、このときに音波の周波数帯域を考慮して材質を選択することも好ましい。更に、容器の形状についても、振動板の振動モードに応じて壁面形状を変更し、反射波が振動板に戻って来ないような形状とすることも好ましい。
【００６９】
次に、質量センサ１０の使用方法について、質量センサ１０を免疫センサとして用いた場合を例に説明する。２箇所に設けられた共振部１１Ａ・１１Ｂの一方（１１Ａ）を検出共振部１１Ａとし、検出共振部１１Ａの振動板１２Ａには、検出したい病原体ウィルス等の被検出体とのみ反応して被検出体を捕捉する捕捉物質を塗布する。例えば、被検出体として抗原、捕捉物質として抗体の組み合わせが挙げられ、ヒト血清アルブミン／抗ヒト血清アルブミン抗体、ヒト免疫グロブリン／抗ヒト免疫グロブリン抗体等を例示することができる。これに対し、他方の共振部１１Ｂは参照共振部１１Ｂとして、その振動板１２Ｂには捕捉物質を塗布しないものとする。
【００７０】
そして、共振部１１Ａ・１１Ｂのいずれをも同じ検体中に浸漬あるいは載置する。こうして検体中の被検出体が捕捉物質と反応して捕捉されると、検出共振部１１Ａの振動板１２Ａの質量が大きくなり、この振動板１２Ａの質量増加に伴って共振部１１Ａの共振周波数が変化する。これにより、共振部１１Ａの共振周波数の変化を調べることによって、振動板１２Ａに被検出体が捕捉されたか否か、即ち、被検出体が検体中に存在したか否かを判断し、増加した質量の大きさを測定することができる。検体は多くの場合、液体や気体といった流体であるが、共振部１１Ａ・１１Ｂからの信号を比較することで、流体の種類や流れ、温度といった検体の物理的特性あるいは検査環境の影響を受けることなく、検査を行うことが可能となる。
【００７１】
なお、共振部１１Ａ・１１Ｂをそれぞれ検出共振部１１Ａ、参照共振部１１Ｂとして用いる場合には、参照共振部１１Ｂにテフロンコーティングを行うと、参照共振部１１Ｂへの被検出体の付着を防止することができ、より高精度な測定が可能となる。また、検出共振部１１Ａにおいても、振動板１２Ａ以外の部分にテフロンコーティングすることで、振動板１２Ａ上のみにおいて被検出体を確実に捕らえることができ、高感度化が図れ、好ましい。更に、高価な抗体等の捕捉物質を必要な最小限部分にのみ塗布するだけで済むため、コスト面でも好ましい。
【００７２】
その一方で、同一の捕捉物質を共振部１１Ａ・１１Ｂの振動板１２Ａ・１２Ｂに塗布して、共振部１１Ａ・１１Ｂの信号を積算することで、ダイナミックレンジを大きくするような使用方法も可能である。更に、参照共振部１１Ｂを参照用とせずに検出共振部１１Ａと異なる捕捉物質を塗布して、異なる種類の被検出体を同時に検出するように使用することも可能である。
【００７３】
さて、質量センサ１０においては、質量センサ１０を液体等の検体に浸漬して用いる場合、あるいは振動板１２Ａ・１２Ｂに捕捉物質を塗布するために振動板１２Ａ・１２Ｂを捕捉物質に浸漬させる場合に、２箇所の共振部１１Ａ・１１Ｂが両方同時に検体に浸漬されるように、図７中、センサ基板１７の横方向（水平方向）に配置された構造を取っている。
【００７４】
これに対し、２箇所の共振部１１Ａ・１１Ｂをセンサ基板１７の縦方向（上下方向）に配設する、つまり、検出共振部１１Ａが先に液体等に浸漬され、参照共振部１１Ｂが液体等に浸漬されないような位置に配設すると、検出共振部１１Ａのみを捕捉物質等に浸漬して塗布する一方、参照共振部１１Ｂについては、いかなる物質の塗布等もせずに温度補正センサ等のセンサとして使用するように処理することが簡単に行える。
【００７５】
続いて、本発明の質量センサのその他の実施形態について説明する。図８に示した質量センサ２２は、前述した質量センサ１において、圧電素子６Ａ・６Ｂ及び圧電素子６Ａ・６Ｂに通ずる電極リード９Ａ・９Ｂを絶縁部材でコーティングして保護した後、更にこの絶縁層３６を導電性部材で覆い、シールドしたものである。このシールド層３７により、外部からの電磁波等のノイズを減少させることが可能となり、検出精度の向上が図られる。このような絶縁層３６とシールド層３７の形成が、本発明の全ての質量センサに適用できることはいうまでもない。なお、シールド層３７は、スルーホール３８を通じて導通するようにして、センサ基板７の両表面に形成されている。
【００７６】
なお、絶縁層３６に好適に使用される絶縁部材としては、絶縁性樹脂若しくはガラスが挙げられるが、成形性から特に絶縁性樹脂を用いることが好ましい。特に好適に用いられる絶縁性樹脂としてはフッ素樹脂が挙げられ、具体的には、四フッ化エチレン樹脂系テフロン（テフロンＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂系テフロン（テフロンＦＥＰ）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂系テフロン（テフロンＰＦＡ）、ＰＴＦＥ／ＰＦＡ複合テフロンが挙げられるが、その他にもシリコーン樹脂（特に熱硬化性シリコーン樹脂）も好適に用いられ、更にアクリル樹脂やエポキシ樹脂等も用途に応じて用いることが可能である。なお、圧電素子６Ａ・６Ｂ並びにその近傍と、電極リード９Ａ・９Ｂ並びにその近傍とで、それぞれ異なる材料を用いて、絶縁層３６を形成することも好ましい。更に、絶縁性樹脂に無機・有機充填材を添加し、共振部の剛性を調整することも好ましい。
【００７７】
一方、シールド層３７用の導電性部材としては、金属が最も好適に用いられ、アルミニウム、ニッケル、銅、パラジウム、銀、スズ、タングステン、白金、金等の金属単体や合金といった、スパッタ法等の低温で膜形成が可能な材料が挙げられるが、これらの金属の粉末を含有する導電性接着剤等の導電性ペーストを用いることもできる。
【００７８】
次に、図９（ａ）、（ｂ）は、質量センサ１において、スリット５の形状や配置位置を種々に異ならしめた実施形態を示す平面図である。図９（ａ）の質量センサ２３に示すように、スリット５をセンサ基板７との接続部側の位置に形成すると、振動板２が剛体モード（νモード、νｚモード）で揺れ易くなるため、好ましい。また、図９（ｂ）の質量センサ２４は、圧電素子６Ａ・６Ｂによる駆動力が連結板３に形成されたスリット５によって吸収されることを防止した構造を有する。これにより、振動板２はνモードで揺れ易くなり、共振周波数の認識が容易となる。
【００７９】
図１０（ａ）、（ｂ）の平面図に示した質量センサ２５、２６は、スリットに加えて、孔部８を形成した実施形態を示しており、孔部８の形成によって連結板３の質量を減少させて、質量比（振動板２の質量／連結板３の質量）を大きくし、検出感度の向上を図っている。なお、本発明において、スリット５とは連結板３の一方向に長い形状を有する空間部を指し、一方、孔部８は点対称若しくは略点対称な形状の空間部を指しているが、両者は形状的な違いはあっても、機能的な違いはない。
【００８０】
図１１（ａ）〜（ｃ）の平面図に示す質量センサ２７〜２９は、スリット５に代えて複数の孔部８を形成した実施形態を示しており、孔部８の形成により連結板３の質量の減少を図っている。孔部８の形状は、質量センサ２７に形成されている四角形状に限定されず、質量センサ２８・２９に形成されている円形の他、多角形や楕円、長円といった形状のものを用いても構わない。孔部８の形成位置は連結板３内であればよいが、連結板３の長手方向の中心線について対称な位置に形成することが好ましく、長手方向中央部であれば更に好ましい。なお、上述した質量センサ２３〜２９を示した図９〜図１１においては、質量センサ２３〜２９の一部の構成要素については符号を記していない。しかし、質量センサ１との対応から、その構造は明確である。
【００８１】
以上、連結板にスリット及び／又は孔部を設けた本発明の質量センサの実施形態について説明してきたが、これらの質量センサにあっては、連結板と振動板の厚みが同じである。従って、検出感度を上げることを目的として振動板の厚みを薄くすると、連結板の強度不足により破損し易くなるという問題を生ずる。また、共振周波数の低下やνモード、νｚモード等の剛体モードで振動させようとしても、曲げモードや回転モードが混在し易くなるといった問題も生ずる。
【００８２】
そこで、本発明においては、このような問題を解決する質量センサとして、図１２に示す質量センサ４０が提供される。図１２（ａ）の平面図及び平面図中の破線ＡＡにおける断面図においては、質量センサ４０の構成要素が明瞭となるように、各要素ごとに境界を明示しているが、図１２（ｂ）に示すように、前述した質量センサ１等と同様、好ましくは一体構造を有する。
【００８３】
質量センサ４０は、振動板２と、薄肉部と厚肉部とからなる連結板３９とが、互いの側面において接合され、２枚の検出板４Ａ・４Ｂが振動板２と連結板３９との接合方向と直交する方向において連結板３９を挟持するように連結板３９と側面において接合され、振動板２がセンサ基板７と直接に接合されることなく、連結板３９と検出板４Ａ・４Ｂの少なくとも一部の側面がセンサ基板７の側面の一部に接合された構造を有する。なお、質量センサ４０においても、検出板４Ａ・４Ｂ上にそれぞれ圧電素子６Ａ・６Ｂが配設され、振動板２と連結板３９と検出板４Ａ・４Ｂ及び圧電素子６Ａ・６Ｂから共振部が形成される。
【００８４】
質量センサ４０の構造的特徴は連結板３９の構造であり、連結板３９においては、その長手方向中央部の少なくとも一部が長手方向左右部より薄肉に形成されている。このような連結板３９は、振動板２と同じ厚みを有する薄状連結板の表面の左右部に、柱状のバネ板４１Ａ・４１Ｂを貼合することで形成される。従って、連結板３９の長手方向中央部は、振動板２と同じ厚みを有する。その他の質量センサ４０の構成要素は、前述した質量センサ１に準ずる。なお、薄状連結板とバネ板４１Ａ・４１Ｂとは一体構造を有していることが好ましく、後述するように、セラミックスグリーンシートを用いた積層成形により、容易に作製することが可能である。
【００８５】
ところで、連結板３９における薄肉の部分は長手方向中央部に限定されるものではなく、連結板３９の長手方向の中心線に対して、対称な位置に形成されればよい。
【００８６】
このような連結板３９の構造を採用することにより、連結板の機械的強度を確保しつつ、その質量を減少させることができるので、検出感度の向上が図られ、また、回転モードが抑制され、かつνモード、νｚモードの共振周波数が増加し、更に機械的に破損しなくなり好ましい。また、圧電素子６Ａ・６Ｂによる振動板２の駆動を行う場合にも、スリットを設けた場合のようなスリットによる力の吸収がないため、駆動力を連結板全体に伝えることができるようになる。従って、このような特性から、質量センサ４０は、特に、液体中での測定に好適に用いることができる。
【００８７】
次に、図３４に示した質量センサ４９は、バネ板４１Ａ・４１Ｂを用いた別の実施形態を表しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図（ａ）中の破線ＡＡにおける断面図、（ｃ）は平面図（ａ）中の破線ＢＢにおける断面図をそれぞれ示している。質量センサ４９は、バネ板４１Ａ・４１Ｂを有する連結板３９における薄肉の部分は、検出板４Ａ・４Ｂ及び振動板２よりもその厚みを厚くした構造を有しており、この点で図１２に示した質量センサ４０と形態が異なる。
【００８８】
このような構造の連結板３９を用いた場合には、例えば、大きな振動板を有する質量センサであっても、バネ板４１Ａ・４１Ｂ間の間隔を大きく取り、νモード若しくはνｚモードの振動を優位に発生させることが容易となる。これは、圧電素子６Ａ・６Ｂが振動板２を駆動する力が、離れたバネ板４１Ａ・４１Ｂ間の空間部で吸収され難い為に、所定の振動モードが得られ易くなることによる。また、連結板３９に薄肉の部分のみを検出板４Ａ等に比して厚くすることにより、検出板４Ａ等も併せて厚くした場合と比較して、検出感度を向上させることも可能となる。
【００８９】
なお、質量センサ４９の連結板３９にあっては、特に、連結板３９における薄肉の部分の厚みを、検出板４Ａ（又は４Ｂ）と圧電素子６Ａ（又は６Ｂ）とを足した厚みよりも、厚くすることが好ましい。この場合には、連結板３９の剛性が有効に維持され、振動モード及び感度の両面で更に優れた効果が得られる。質量センサ４９における上述した連結板３９の構造は、本発明の全ての質量センサに適用することができる。
【００９０】
なお、バネ板を図１３に示す質量センサ４２のように、薄状連結板の両表面に形成することも可能である。この場合、圧電素子６Ａ・６Ｂが配設される面側に形成されるバネ板４１Ｃ・４１Ｄとして、圧電素子６Ａ・６Ｂと同じ構造を有するものを用いると、バネ板４１Ｃ・４１Ｄと圧電素子６Ａ・６Ｂとを同時に形成することができるので、製造工程上好ましい。但し、バネ板４１Ｃ・４１Ｄにおける電極は、電極として用いない。
【００９１】
また、圧電素子６Ａ・６Ｂ側のバネ板４１Ｃ・４１Ｄは、その底辺がセンサ基板７の側面と直接に連結されるか、若しくはセンサ基板７に貼合されたバネ板補強部４３の側面と連結されるように、形成されることが好ましい。バネ板補強部４３の材料は、センサ基板７若しくは圧電素子６Ａ・６Ｂのいずれかと同じものとすることが好ましい。
【００９２】
バネ板４１Ａ〜４１Ｄを設ける場合には、薄状連結板の片面あるいは両面に貼合するいずれの場合であっても、その厚さは１０〜２２０μｍ、幅５０〜５００μｍが好適であり、バネ板４１Ａ〜４１Ｄのアスペクト比（幅／厚み）は、０．２〜５０の範囲とすることが好ましい。更に、液体中での質量センサ４０・４２の使用による振動振幅の減衰を考慮すると、その厚みは１０〜７０μｍで幅が５０〜５００μｍ、アスペクト比が０．７〜５０とすることが好ましい。更に好ましい設定範囲は、厚みが１０〜７０μｍ、幅が５０〜３００μｍ、アスペクト比が０．７〜３０である。なお、バネ板補強部４３を配設する場合、バネ板補強部４３の厚さは、そのバネ板補強部４３に接合されるバネ板４１Ｃ・４１Ｄの厚さと同等とすることが好ましい。
【００９３】
図１４（ａ）〜（ｃ）は、バネ板を用いた質量センサの別の実施形態を示す平面図である。質量センサ４５は、質量センサ４０における連結板３９の長手方向中央部の薄状連結板部分にスリット５を設けた構造を有している。このようなスリット５の形成は、連結板３９の質量を低減して検出感度を向上させ、かつ、振動板のνモード、νｚモードでの振動を容易として、振動板２内における質量変化位置の違いによる感度差を低減することができるので、より高精度な測定が可能となる。
【００９４】
また、質量センサ４６は、バネ板４１Ａ・４１Ｂどうしを一部で連結した構造を有するバネ板４４を有しており、振動板２をより剛体モードで揺れ易くすることができる。更に、質量センサ４７は、質量センサ４６における連結板３９の薄状連結板部分にスリット５を設けた構造を有しており、スリット５を設けることで、よりνモード及びνｚモードでの振動を起こり易くしたものである。
【００９５】
図１５（ａ）〜（ｅ）に示す質量センサ５１〜５５は、質量センサ４０におけるバネ板４１Ａ・４１Ｂを１箇所又は複数箇所で連結した構造を有するバネ板４８を有し、また、必要に応じてスリット５若しくは孔部８を設けた実施形態を示している。これらの質量センサ５１〜５５は、圧電素子６Ａ・６Ｂが振動板２を駆動する力が、バネ板４８中央部に形成された空間部によって吸収されないようにすると共に、振動板２の剛体モードでの振動を容易ならしめ、共振周波数の認識を容易とするものである。
【００９６】
図１６に示す質量センサ５６は、質量センサ５５の連結板の表面上に更に検出用圧電素子６Ｃを配設したものである。この場合、検出板４Ａ・４Ｂ上に設けられた圧電素子６Ａ・６Ｂを用いて振動板２を駆動し、検出用圧電素子６Ｃで検出することで、Ｓ／Ｎ比の向上が図られ、好ましい。なお、上述した質量センサ４２・４５〜４７・５１〜５５を示した図１２〜図１６においては、一部の構成要素については符号を記していない。しかし、質量センサ４０との対応から、その構造は明確である。
【００９７】
図１７に示す質量センサ５７は、質量センサ１における検出板４Ａに圧電素子６Ａを配設せず、代わりにスリット７０を形成した実施形態を示している。ここで、スリット７０は連結板３と検出板４Ａの接合方向に垂直な方向、即ちＹ軸方向に平行に形成されている。このような構造とすることで、νモード、νｚモードのＱ値を大きく取ることができるようになる。
【００９８】
なお、このようなスリットは、連結板を挟持するように検出板を２枚配設した本発明の質量センサ全てに適用される。また、本発明において、検出板内に形成されるスリットは、連結板内に形成されるスリットのような広い空間を有することは必ずも必要でなく、例えば、線状の切り込みでも構わず、少なくとも１箇所設ければよいが、好ましくは複数を形成すると前記効果が大きい。
【００９９】
次に、図１８に検出板を１枚のみ用いた質量センサ５８の平面図を示す。連結板３内には、連結板３の長手方向の中心線であるＹ軸を対称軸とする２つのスリット５Ａ・５Ｂが形成されている。そして、質量センサ５８は、連結板３と振動板２とが互いの側面において接合され、一方の表面上に圧電素子６Ａが配設された検出板４Ａが、振動板２と連結板３との接合方向と直交する方向において、連結板３と互いの側面において接合され、連結板３と検出板４Ａの一側面がセンサ基板７の側面に接合された構造を有しており、振動板２と連結板３と検出板４Ａ及び圧電素子６Ａから共振部が形成されている。ここで、連結板３と検出板４Ａのセンサ基板７との接合の形態（接合側面の位置関係）は、前述した質量センサ１の場合と同様であることは、図１と図１８との比較から明らかであろう。
【０１００】
なお、質量センサ５８においては、センサ基板７と連結板３及び検出板４Ａから囲まれる間隙部６９が形成されている。このような間隙部６９を形成することで、液体中での測定において、測定波形の減衰を防ぐことが可能となる。但し、このような効果を必要としない場合等には、間隙部６９を設けずに、検出板４Ａをセンサ基板７と２辺で接合させても構わない。
【０１０１】
続いて、図１９に振動板を２枚用いた質量センサ５９の平面図を示す。第一の連結板（第一連結板）３Ａと第二の連結板（第二連結板）３Ｂのそれぞれにスリット５Ａ・５Ｂがそれぞれ形成されている。そして、質量センサ５９は、第一の振動板（第一振動板２Ａ）と互いの側面において接合された第一連結板３Ａと、第二振動板２Ｂと互いの側面において接合された第二連結板３Ｂとの間に、圧電素子６Ａを配した第一の検出板（第一検出板）４Ａが跨設され、第一連結板３Ａと第二連結板３Ｂの少なくとも一部の側面、即ち振動板との接合側面に対向する側面、がセンサ基板７の側面に接合されて構成されている。共振部は、振動板２Ａ・２Ｂ、連結板３Ａ・３Ｂ、第一検出板４Ａ並びに圧電素子６Ａから構成される。質量センサ５９においても、間隙部６９が設けられているが、検出板４Ａを直接センサ基板７に接合した構造としてもよい。
【０１０２】
質量センサ５９のようにスリット５Ａ・５Ｂを入れることで、２枚の振動板２Ａ・２Ｂを配設する構造としても、振動板２Ａ・２Ｂ内の質量変化位置の違いによる感度差を低減することができ、また、振動板２Ａ・２Ｂの揺れ量が大きくなり、検出感度の向上が図られる。
【０１０３】
これら質量センサ５７〜５９においては、スリットを形成した連結板に代えて、薄肉部と厚肉部からなる連結板を用いることができることはいうまでもない。また、質量センサ５７〜５９のように、圧電素子を配設する検出板を１枚しか有しない構造においては、検出板の両表面にそれぞれ圧電素子を配設して、一方を駆動用、他方を検出用として用いることが、検出感度の向上の点から好ましい。また、検出板の一方の表面に形成した１つの圧電素子を、Ｙ軸方向に２分割して、振動板側の圧電素子を駆動用として用い、他方を検出用として用いることも好ましい。このような１つの圧電素子の分割は、後述するレーザ加工等により、容易に行うことができる他、最初から、分割された圧電素子を配設することによっても、形成することができる。
【０１０４】
さて、質量センサ５９には、更に第二の検出板（第二検出板）と第三の検出板（第三検出板）を配設することも可能であり、その実施形態を示す質量センサ６０の平面図を図２０に示す。質量センサ６０においては、第二検出板４Ｂと第一検出板４Ａが第一連結板３Ａを挟持し、第三検出板４Ｃと第一検出板４Ａが第二連結板４Ｂを挟持しており、第二検出板４Ｂと第三検出板４Ｃがそれぞれセンサ基板７に接合されている。
【０１０５】
ここで、第二検出板４Ｂと第三検出板４Ｃの一方のみを配設した構造としてもよい。圧電素子は全ての検出板に形成することができるが、複数の圧電素子を配設した場合には、少なくとも１つを駆動用、少なくとも１つを検出用として用いることが好ましい。更に、第二検出板４Ｂと第三検出板４Ｃには、圧電素子を配設せず、質量センサ５７のように、スリット７０を形成することも好ましい。
【０１０６】
次に、図２１は、本発明の更に別の実施形態である質量センサ６１の平面図であり、簡潔に言えば、質量センサ６１の構造は、前述した質量センサ６０における第一検出板４Ａに圧電素子６Ａに代えてスリット７０を形成したものである。より詳しくは、質量センサ６１においては、第一連結板３Ａ及び第二連結板３Ｂは、それぞれスリット５Ａ、スリット５Ｂを有し、第一振動板２Ａと互いの側面において接合された第一連結板３Ａと、第二振動板２Ｂと互いの側面において接合された第二連結板３Ｂとの間に、第一検出板４Ａが跨設されるとともに、第二検出板４Ｂと第一検出板４Ａが第一連結板３Ａを挟持し、かつ、第三検出板４Ｃと第一検出板４Ａが第二連結板３Ｂを挟持するように、互いに側面において接合されている。また、第二検出板４Ｂと第三検出板４Ｃそれぞれの少なくとも一方の表面上に圧電素子６Ｂ・６Ｃが配設され、第一連結板３Ａと第二連結板３Ｂにおける、第一振動板２Ａと第二振動板２Ｂとの接合側面の対向側面がセンサ基板７に設けられた凹部５８の底部側面に接合されると共に、第二検出板４Ｂと第三検出板４Ｃが、凹部６８の側部側面と接合された構造を有している。
【０１０７】
第一検出板４Ａには、第一検出板４Ａの跨設方向に垂直な方向、即ちＹ軸方向にスリット７０が形成されており、前述した質量センサ５７と同様に、νモード、νｚモードのＱ値を大きく取ることができるようになる特徴を有する。スリット７０は、少なくとも１箇所あればよいが、好ましくは複数ほど形成することが好ましい。しかしながら、スリット７０が形成されていなくとも、十分に使用に供することが可能である。このスリット７０を設けた質量センサ６１においては、２枚の振動板２Ａ・２Ｂの感度差を小さく抑えるため、Ｙ軸に対して対称となる構造とすることが好ましい。
【０１０８】
続いて、図２２に本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図を示す。質量センサ６２においては、スリット５Ａ・５Ｂがそれぞれ形成された２枚の連結板３Ａ・３Ｂが、振動板２を、互いの側面で接合して挟持してなる部分が、センサ基板７に設けられた凹部６８の側部側面の間に跨設され、圧電素子６Ａ・６Ｂをそれぞれ配設した検出板４Ａ・４Ｂが、連結板３Ａ・３Ｂのそれぞれについて、連結板３Ａ・３Ｂと振動板２との接合方向に垂直な方向、即ちＸ軸方向において、凹部６８の底部側面と連結板３Ａ・３Ｂの側面との間に跨設されて形成されている。共振部は、振動板２と連結板３Ａ・３Ｂと検出板４Ａ・４Ｂ及び圧電素子６Ａ・６Ｂから形成される。
【０１０９】
質量センサ６２においては、Ｘ軸方向の一軸方向振動における振幅を大きく取ることができ、検出感度の向上が図られる。しかしながら、Ｙ軸を中心とする回転モードをもまた取り易いという問題がある。そこで、次に図２３に示すように、連結板３Ａ・３Ｂを挟持するように、検出板４Ａ〜４Ｄを配置すると、回転モードを抑制することができ、好ましい。
【０１１０】
即ち、図２３の平面図に示す質量センサ６３においては、先ず、２枚の連結板３Ａ・３Ｂには、連結板３Ａ・３Ｂの長手方向中央部にスリット５Ａ・５Ｂが形成されている。ここで、スリット５Ａ・５Ｂに代えて孔部を形成してもよく、及び／又は、薄肉部と厚肉部とからなる連結板を用いてもよい。そして、連結板３Ａ・３Ｂが振動板２を挟持するようにして互いに側面で接合され、連結板３Ａ・３Ｂのそれぞれの側面がセンサ基板７に設けられた対向する凹部６８の側面に跨設されている。そして、連結板３Ａ・３Ｂのそれぞれについて、２枚の検出板（４Ａ・４Ｂ）・（４Ｃ・４Ｄ）が、連結板３Ａ・３Ｂと振動板２との接合方向に垂直な方向において連結板３Ａ・３Ｂを挟持するようにして互いに側面で接合されると共に、少なくとも連結板３Ａ・３Ｂを挟持する方向において凹部６８の側面に跨設されている。また、検出板４Ａ〜４Ｄの一方の表面上にはそれぞれ圧電素子６Ａ〜６Ｄが配設されて、振動板２と連結板３Ａ・３Ｂと検出板４Ａ〜４Ｄ及び圧電素子６Ａ〜６Ｄから共振部が形成されている。
【０１１１】
このような質量センサ６３の構造においては、振動板２が、よりＸ軸方向に揺れ易くなる。つまり、前述したνモードにおいてほぼ完全にＹ軸方向の成分を排除した振動モードで揺れ易くなり、振動板２内の質量変化位置の違いに基づく感度分布を小さくすることができることと同様に、質量センサ６３でもセンサとして使用できる振動板面積を増大させることができる。
【０１１２】
なお、検出板４Ａと４Ｃに圧電素子６Ａ・６Ｃを配設し、検出板４Ｂと４Ｄには、圧電素子を配設せずに、質量センサ５８のようにスリット７０を設けることも好ましい。このようなスリット７０の配設は、検出板４Ａと４Ｄに圧電素子６Ａ・６Ｄを配設し、検出板４Ｂと４Ｃにスリット７０を配設する形態としても構わない。また、共振部は、凹部６８の代わりに、センサ基板７に貫通孔を設け、その側面に跨設するように形成してもよい。検出板４Ａ〜４Ｄへの圧電素子の配設の形態には、既に述べた種々の圧電素子の配設の形態を適用することができる。
【０１１３】
さて、図３０の平面図（ａ）及び平面図中の破線ＡＡにおける断面図（ｂ）に示した質量センサ６４は、先に図１２に示した質量センサ４０における検出板４Ａ・４Ｂ及び圧電素子６Ａ・６Ｂの形状を、圧電素子６Ａ・６Ｂに駆動電圧が印加されていない状態において、検出板４Ａ・４Ｂ側に凸状に湾曲させて構成したものである。この場合の圧電素子６Ａ・６Ｂとしては、図２に示したｄ３１を利用する型の圧電素子８８を配設することが好ましい。
【０１１４】
図３１の平面図（ａ）及び平面図中の破線ＡＡにおける断面図（ｂ）に示した質量センサ６５は、図１に示した質量センサ１における連結板３にスリット５を設けず、かつ、質量センサ１における検出板４Ａ・４Ｂ及び圧電素子６Ａ・６Ｂの形状を、圧電素子６Ａ・６Ｂに駆動電圧が印加されていない状態において、圧電素子６Ａ・６Ｂ側に凸状に湾曲させて構成したものである。この場合には、図３又は図４に示したｄ３３を利用する型の圧電素子９４Ａ・９４Ｂを配設することが好ましい。
【０１１５】
続いて、図３２は、先に図２０に示した質量センサ６０において、検出板４Ａ〜４Ｃ及び圧電素子６Ａ〜６Ｃの形状を、圧電素子６Ａ〜６Ｃに駆動電圧が印加されていない状態において、検出板４Ａ〜４Ｃ側に凸状に湾曲させて構成した質量センサ６６の平面図（ａ）及び平面図中の破線ＡＡにおける断面図（ｂ）である。検出板４Ａ〜４Ｃ側に凸状に湾曲させた場合には、前述した質量センサ６４と同様に、圧電素子４Ａ〜４Ｃとしては、図２に示したｄ３１を利用する型の圧電素子８８を配設することが好ましい。
【０１１６】
図３３は、質量センサ６７の概略構造を示す平面図（ａ）及び平面図中の破線ＡＡにおける断面図（ｂ）である。質量センサ６７は、先に図１９に示した質量センサ５９における連結板３Ａ・３Ｂにスリット５Ａ・５Ｂを形成せず、かつ、圧電素子６Ａに駆動電圧が印加されていない状態で、検出板４Ａ及び圧電素子６Ａを、検出板４Ａ側に凸状に湾曲させて構成した構造を有している。この場合の圧電素子６Ａとしては、質量センサ６４と同様に、図２に示したｄ３１を利用する型の圧電素子８８を配設することが好ましい。
【０１１７】
このように、本発明の質量センサにおいては、質量センサ６４〜６７に示されるように、検出板及び圧電素子の形状を予め湾曲させておくことが好ましい場合がある。また、複数の検出板及び圧電素子を有するデバイスにおいては、必ずしも個々の検出板及び圧電素子を同一方向に湾曲させる必要はなく、配設する圧電素子の形態等を考慮して、適宜、湾曲方向を選択することができる。
【０１１８】
以上、本発明に係る質量センサの種々の実施形態について説明してきたが、次に、質量センサ４０を例に、その製造方法について説明する。センサ基板７の材料としてのジルコニア等のセラミックス粉末にバインダ、溶剤、分散剤等を添加混合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、リバースロールコーター法、ドクターブレード法等の方法により所定の厚みを有する振動プレート用、中間プレート用及びベースプレート用のそれぞれのグリーンシートあるいはグリーンテープを作製する。なお、バネ板４１Ａ・４１Ｂを設けない質量センサ１のような場合には、中間プレート用のグリーンテープを作製する必要はない。
【０１１９】
次に、それぞれのグリーンシート等を金型あるいはレーザ等を用いて打ち抜き加工等し、図２４に示すような、基準孔７４と貫通孔７５及びバネ板７６が形成された中間プレート用グリーンシート７２Ａ、基準孔７４と貫通孔７５が形成されたベースプレート用グリーンシート７１Ａ、基準孔７４が形成された振動プレート用グリーンシート７３Ａを作製する。
【０１２０】
ここで、振動プレート用グリーンシート７３Ａにおいて、貫通孔７５や振動板２となる部分等を形成することは可能であるが、一般に、振動プレート用グリーンシート７３Ａの厚みは１０μｍ程度と薄いために、焼結後に振動プレート７３Ｂ内に形成される振動板２や連結板３９あるいは検出板４Ａ・４Ｂの平坦性、寸法精度等を確保するためには、センサ基板７の形成及び圧電素子６Ａ・６Ｂの配設後に、レーザ加工等を用いて、所定形状を得ることが好ましい。なお、振動プレート７３Ｂとは、振動プレート用グリーンシート７３Ａを焼成して得られたものである。
【０１２１】
こうして作製した各グリーンシート７１Ａ〜７３Ａを、振動プレート用／中間プレート用／ベースプレート用の順序で少なくとも各１枚ずつ基準孔７４の位置が重複するように積層し、熱圧着等により一体化した後、焼成する。こうして、各グリーンシート７１Ａ〜７３Ａが全て積層された外周部分が一体的に形成されたセンサ基板７となり、また、振動プレート７３Ｂと中間プレート７２Ｂのバネ板７６部分との重複部分により連結板３９が一体的に形成される。
【０１２２】
なお、前述した質量センサ４９のように、連結板３９の薄肉の部分を、検出板４Ａ等より厚く形成するためには、振動プレート用グリーンシート７３Ａと中間プレート用グリーンシート７２Ａとの間に、同じく図２４中に示されるような、連結板３９の幅ほどの凸部７７が形成された中間プレート用グリーンシート７８Ａを挟み込んで、積層、一体化して焼成すればよい。
【０１２３】
次に、振動プレート上の所定位置に、第一電極、圧電膜、第二電極からなる圧電素子６Ａ・６Ｂを配設する方法について説明する。圧電素子６Ａ・６Ｂの形態については既に、図２〜図４に示した。圧電素子６Ａ・６Ｂの配設は、グリーンシート７１Ａ〜７３Ａの焼成前後で、その状態に応じた各種の成形方法により行うことができる。先ず、グリーンシート７１Ａ〜７３Ａの焼成前に形成する方法としては、金型を用いたプレス成形法又はスラリー原料を用いたテープ成形法等によって圧電膜を成形し、この焼成前の圧電膜を振動プレート用グリーンシート７３Ａ上の所定位置に熱圧着して積層し、その他のグリーンシート７１Ａ・７２Ａと同時に一体的に焼結する方法が挙げられる。この場合には、電極は後述する膜形成法により、振動プレート用グリーンシート７３Ａあるいは圧電膜に予め形成しておく必要がある。
【０１２４】
圧電膜の焼成温度は、これを構成する材料によって適宜定められるが、一般には、８００℃〜１４００℃であり、好ましくは１０００℃〜１４００℃である。この場合、圧電膜の組成を制御するために、圧電膜の材料の蒸発源の存在下に雰囲気調整して焼結することが好ましい。そして、特に後述する焼成後のセンサ基板を用いる場合に圧電膜の焼成応力を緩和し、より高い材料特性を引き出すための前記雰囲気調整は、焼成後の圧電膜を電子顕微鏡等で観察し、成分の分布をモニタすることで制御することが好ましい。
【０１２５】
例えば、本発明で好適に採用される圧電セラミックスであるジルコン酸鉛とチタン酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛からなる成分を主成分とする材料のように、ジルコン酸鉛を含有する材料を使用する場合には、焼成した圧電膜においてジルコニウム成分が偏析するように雰囲気を調整し、焼成することが好ましい。更に好ましくは、圧電膜表面にはジルコニウム成分の偏析が認められ、圧電膜内部ではその偏析がほとんど認められないような雰囲気とすることが望ましい。このような成分分布を有する圧電膜は、偏析のない圧電膜と比較すると、振動特性に優れ、即ち振動振幅が大きく、また、ジルコニウム成分の偏析によって焼成応力が緩和されているので、圧電粉末の本来有する材料特性が大きく低下することなく、維持される特徴を有する。
【０１２６】
従って、本発明の質量センサでは、このような圧電膜となるように圧電素子を形成することが最も好ましい。また、前記圧電膜組成にすると共に、圧電膜焼成後、質量センサの各部材、例えば連結板、バネ板、センサ基板等に、圧電材料の成分、特に前記酸化チタンを含む圧電材料の場合には酸化チタンが含有されるように雰囲気焼成することも好ましい。そして、圧電膜の焼成とセンサ基板との焼成を同時に行う場合には、両者の焼成条件をマッチングすることが必要である。なお、このような圧電膜は、質量センサのみならず、膜型の圧電素子を構成要素とするアクチュエータ、センサ等のデバイスにも、もちろん好適に適用できる。
【０１２７】
一方、焼結後のセンサ基板７に圧電素子６Ａ・６Ｂを配設する方法としては、種々の膜形成法を用いることができる。例えば、スクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、電気泳動法等の厚膜形成法や、イオンビーム法、スパッタリング法、真空蒸着、イオンプレーティング法、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、メッキ等の各種薄膜形成法を用いることができる。このうち、本発明においては、圧電膜を形成するにあたり、スクリーン印刷法やディッピング法、塗布法、電気泳動法等による厚膜形成法が好適に採用される。これらの手法は、平均粒径０．０１〜５μｍ、好ましくは０．０５〜３μｍの圧電セラミックスの粒子を主成分とするペーストやスラリー、又はサスペンションやエマルション、ゾル等を用いて圧電膜を形成するものであり、簡便な方法であるが、良好な圧電作動特性が得られるという特徴を有する。また、特に電気泳動法は、膜を高い密度で、かつ、高い形状精度で形成できることをはじめ、技術文献「「ＤＥＮＫＩ  ＫＡＧＡＫＵ」、５３，Ｎｏ．１（１９８５）ｐ６３〜６８、安斎和夫著」に記載されているような特徴を有する。従って、要求精度や信頼性等を考慮して、適宜、手法を選択して用いるとよい。
【０１２８】
具体的には、焼成して得たセンサ基板７の振動プレート７３Ｂ表面の所定位置に第一電極を印刷、焼成し、次いで圧電膜を印刷、焼成し、更に、第二電極を印刷、焼成して圧電素子６Ａ・６Ｂを配設することができる。そして、形成された各電極を測定装置に接続するための電極リード（９Ａ・９Ｂ）を印刷、焼成する。ここで、例えば、第一電極として白金（Ｐｔ）を、圧電膜としてはジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を、第二電極としては金（Ａｕ）を、更に電極リードとして銀（Ａｇ）等の材料を使用すると、焼成工程における焼成温度が逐次低くなるように設定されるので、ある材料の焼成段階において、それより以前に焼成された材料の再焼結や凝集が起こらず、電極材等の剥離や凝集による電極切れといった不具合の発生を回避することが可能となる。
【０１２９】
なお、適当な材料を選択することにより、圧電素子６Ａ・６Ｂの各部材とリードを逐次印刷して、一回で圧電素子６Ａ・６Ｂを一体焼成することも可能である。また、圧電素子６Ａ・６Ｂの各部材と電極リードの逐次印刷を未焼成の振動プレート用グリーンシート７３Ａに施し、他のグリーンシート７１Ａ・７２Ａと共に一体的に焼成することも可能である。更に、圧電膜を形成した後に低温で各電極等を設けることもできる。なお、圧電素子６Ａ・６Ｂの各部材と電極リードはスパッタ法や蒸着法等の薄膜法によって形成しても構わず、この場合には、必ずしも熱処理を必要としない。
【０１３０】
こうして圧電素子６Ａ・６Ｂを上述した種々の膜形成法によって形成すると、接着剤を用いることなく圧電素子６Ａ・６Ｂと検出板４Ａ・４Ｂとを一体的に接合、配設することができるので、信頼性、再現性に優れ、集積化が容易となる。ここで、更に圧電膜に適当なパターンを形成してもよく、その形成方法としては、例えば、スクリーン印刷法やフォトリソグラフィー法、あるいはレーザ加工法、又はスライシング、超音波加工等の機械加工法を用いることができる。
【０１３１】
次に、作製されたセンサ基板の所定位置に振動板２、検出板４Ａ・４Ｂ等を形成する。ここでは、ＹＡＧレーザの第４次高調波を用いたトリミングにより、振動板２や検出板４Ａ・４Ｂといったセンサ基板７と一体的に接合される部位を残しながら振動プレート７３Ｂの不要部分を除去する方法が好適に用いられる。このとき、振動板２等の形状を調整することで、共振部の共振周波数を所定値となるように調整し、検出できる被検出体の質量範囲を定めることが可能である。また、スリット５や孔部８の形成を容易に行うことも可能である。
【０１３２】
なお、振動板２の形状は、長方形に限定されるものではない。形状加工の際に、円形や逆三角形、多角形等の種々の形状となるようにトリミングを行っても構わない。つまり、本発明の質量センサにおいて、振動板２の形状は特に限定されるものではなく、振動板２の配設空間を無駄なく使用して振動板２の面積を大きく取れるように、適宜、形状を設定すればよい。
【０１３３】
さて、ここで、図２５に示すように、振動板２の長さをＬ０からＬ１へ短くするように振動板２の一部を切削、削除すると、共振点を高くすることができ、一方、連結板３の幅をｔ２からｔ１へ狭くすると、共振点を下げることが可能となる。従って、これらの組み合わせにより、共振点の調整を行うことができる。更に、振動板２の幅をＷ０からＷ１へ狭めることにより、回転モードを抑制し、νモードやνｚモードのＱ値を大きくすること、及び付着質量が同じ場合でも付着位置による共振周波数の変動差を小さくすることが可能となる。
【０１３４】
また、同じく図２５に示すように、振動形態は、連結板３の長さＮ並びに振動板２と検出板４Ａ・４Ｂとの距離Ｍにも依存する。一般に、Ｍ及びＮ共に長くなる方向で設計すると、νモード若しくはνｚモードでの振動を支配的とすることができ、かつ、その振動モードでのＱ値の向上が図られ、好ましいが、一方で共振周波数が低下することにもなる。従って、この連結板３の形状設定と、前述した振動板２の形状設定とを組み合わせることによって、用途に応じた感度に調整することが好ましい。
【０１３５】
更に、図２６に示すように、図２に示した圧電素子８８を配設した場合には、配設後に、上部の第二電極８７をＹＡＧ第４次高調波レーザによりトリミングして圧電素子８８の有効電極面積を調整し、検出感度の調整を行うことができる。なお、圧電素子の構造が、図３あるいは図４に示されるような櫛型構造である場合には、一方のあるいは両方の電極の一部をトリミングすればよい。
【０１３６】
このような共振部や圧電素子６Ａ・６Ｂの形成加工においては、上記ＹＡＧ第４次高調波レーザを用いた加工以外にも、ＹＡＧレーザ及びＹＡＧレーザの第２次又は第３次高調波、エキシマレーザ、ＣＯ２レーザ等によるレーザ加工、電子ビーム加工、ダイシング加工（機械加工）など、共振部等の大きさと形状に適した種々の加工方法を適用することができる。なお、センサ基板７は、上述したグリーンシートを用いた作製方法の他に、成形型を用いた加圧成形法や鋳込成形法、射出成形法等を用いて作製することもできる。これらの場合においても、焼成前後において、切削や研削加工、レーザ加工、超音波加工等の機械加工により加工が施され、所定形状の質量センサを得ることができる。
【０１３７】
こうして作製された質量センサ４０の圧電素子６Ａ・６Ｂ並びに電極リード（９Ａ・９Ｂ）を絶縁する場合、絶縁層３６は、スクリーン印刷法、塗布法、スプレー法等によって形成することができる。ここで、絶縁材料としてガラスを用いた場合には、質量センサ４０全体をガラスの軟化温度程度まで昇温する必要があり、また、ガラスは硬度が大きいので振動を阻害するおそれがあるが、樹脂は柔らかく、しかも乾燥程度の低温処理で済むため、作製工程上及び振動特性上、樹脂を用いることが好ましい。本発明において好適に用いられるフッ素樹脂あるいはシリコーン樹脂を用いた絶縁層３６の形成にあっては、下地のセラミックス（センサ基板７）との密着性を改善する目的で、使用する樹脂とセラミックスとの種類に応じたプライマー層を形成し、その上に絶縁層３６を形成することが好ましい。
【０１３８】
更に、絶縁層３６上に更に導電性部材からなるシールド層３７を設ける場合には、絶縁層３６が樹脂からなる場合には、焼成処理を行うことが困難なため、導電性部材として種々の金属材料を用いる場合には、スパッタ法等の加熱を要しない方法を用いて行われ、一方、金属粉末と樹脂からなる導電性ペーストを用いる場合には、スクリーン印刷法、塗布法等を好適に用いることができる。なお、絶縁層３６をガラスで形成した場合には、導体ペーストをスクリーン印刷等し、ガラスが流動しない温度以下で焼成することも可能である。
【０１３９】
こうして作製した質量センサ４０の振動板２若しくは共振部全体に捕捉物質等を塗布することで質量センサが完成する。そして、共振周波数の測定は、インピーダンスアナライザやネットワークアナライザを用いて行ったり、あるいはＳＩＮＳＷＥＥＰ方式や、外部から超音波等で加振して伝達関数測定をすることで行う。更に、共振周波数値の変化を見れば、振動板２等における質量変化を測定することができる。
【０１４０】
以上、本発明の質量センサについて詳述してきたが、前述したように、本発明の質量センサは、その測定原理を応用することにより、他の用途にも使用することが可能である。以下、これらの用途について説明する。先ず、振動板に塗布する捕捉物質として、水分吸着材を用いた場合には、質量センサを水分計として使用することができる。また、振動板に捕捉物質として特定のガス成分や有機物質、無機物質を吸着する吸着材を塗布することにより、ガスセンサ、臭気センサ、味覚センサ等として使用することができる。更に、振動板の温度を制御して結露させると、振動板の質量が増大したときの温度から露点を計測する露点計としても使用することができる。
【０１４１】
また、振動板に捕捉物質として膜状に磁性材料を形成すれば、その磁性を利用して選択的に物質を吸着することができる各種の吸着センサが実現される。ここで、磁性材料としては、一般にＭ１Ｏ・Ｆｅ２Ｏ３で表されるフェライト系材料（Ｍ１：Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｌｉ、Ｙ、Ｇｄ等の金属元素又はこれらの混合物（Ｍｎ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｚｎ、Ｍｇ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｌｉ−Ｚｎ、Ｍｇ−Ｚｎ等）や、Ｆｅ−Ｎｉ若しくはＦｅ−Ｎｉ−Ｍ２で表されるパーマロイ系材料（Ｍ２：Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ等の金属元素又はこれらの混合物、更にＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ（センダスト）系材料、Ｆｅ−（Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ）−Ｘ系材料（Ｘ：Ｎ、Ｃ、Ｏ）、Ｆｅ−Ｃｏ系材料、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系材料、Ｃｏ−Ｃｒ系材料、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｍｎ−Ｐ系材料、Ｆｅ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｔｉ−Ｃｕ系材料、その他、ＳｍＣｏ５合金、Ｓｍ２Ｔ１７合金（Ｔ：３ｄ遷移元素）、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ合金等の希土類系材料が挙げられる。これらの材料は、真空蒸着、メッキ、スパッタリング、ＣＶＤ等の方法によって、膜状に形成することができる。
【０１４２】
更に、本質量センサは、膜厚計として使用することができる。対象となる膜には、真空中等で形成されるスパッタ膜やＣＶＤ膜、気体中で形成されるＬＢ膜や液体中で形成される電着膜等が含まれる。即ち、これらの膜形成を行う際に、質量センサの振動板若しくは共振部を同じ膜形成環境に置くと、振動板若しくは共振部に膜が形成されることによって質量が変化し、共振周波数が変化するので、形成された膜厚や膜の成長速度を計測することが可能となる。
【０１４３】
従来、このような膜厚計としては、図２８に示したものと同等の水晶振動子８１の膜厚変化時のすべり方向共振周波数の変化を検出する水晶蒸着膜厚計が知られているが、水晶振動子８１自体を蒸着雰囲気中で使用するため、温度変化や不純物の衝突等によるノイズ、真空圧の変化の影響を大きく受けるという問題がある。
【０１４４】
これに対し、蒸着膜厚計として本発明の質量センサをνモードにより使用すると、振動板の剛体モードで揺れるために温度変化に強く、また、振動板が３〜２０μｍと薄いために不純物が衝突する確率が小さくなる利点があり、更に共振部を一定雰囲気に保ち易い構造を採ることができるため、水晶振動子７９を用いた場合と比較して、測定精度の向上を図ることが可能となる。
【０１４５】
更に、質量センサは、振動板を液体に浸漬させたときに、流体に横波のずれ波を引き起こして粘性波の進入長の部分の質量負荷を受ける粘性計としても使用することができる。ここで、νモードを用いて測定した場合には、振動板以外の部分を液体に浸漬させる必要がなく、また、振動モードが剛体モードであるために温度変化に強く、更に振動板１９が３〜２０μｍと薄いために不純物が衝突する確率が小さくなることから、測定精度の向上が図られる。なお、従来、このような粘性計としてもまた、水晶振動子のすべり方向共振周波数の変化を検出する水晶粘性計が用いられているが、この場合、水晶振動子自体を液体中に浸漬させるため、温度変化や液体中の不純物の衝突等のノイズの影響を受け易い欠点がある。
【０１４６】
更にまた、水晶振動子は、真空中では気体分子の摩擦や気体の粘性摩擦により電気抵抗が変化するため、摩擦真空計として用いられるが、この真空計は結果的に水晶振動子の質量負荷効果による周波数変化を測定するものであるので、基本的な測定原理が同じである本発明の質量センサ１もまた、真空計として用いることができる。
【０１４７】
水晶振動子を用いた摩擦真空計においては、図２９に示すように、音叉型に形成した振動子７９をＸ軸方向に振動させたときの抵抗値の変化を検出するものであるが、振動子７９の厚みｄ１を薄くすることが困難であり、従って、検出感度の向上が困難であるという問題がある。これに対し、質量センサにおいては、振動板の厚みを３〜２０μｍとする薄肉化が容易であり、νモードを利用することで、検出感度の向上を図ることが可能となる。
【０１４８】
加えて、本発明の質量センサは、振動板の曲げモードを用いる、即ち、曲げモード時のヤング率変化を共振周波数の変化として検出することにより、温度センサとしても使用することが可能である。
【０１４９】
このように、質量センサは多種多様なセンサとして使用することができるが、その基本的な測定原理は、振動板への質量負荷に基づく共振部の共振周波数の変化を測定しているというものである。そのため、異なる機能を有する共振部を１個の質量センサ内に複数設けることが容易であり、例えば、温度センサや真空計、粘性センサとしての機能を質量センサとしての使用に併用すること、即ち、１個の質量センサへ温度補正や真空度又は粘性補正を行うための参照用センサを組み込むことが容易であり、このような場合には、形状の異なる複数の各用途別のセンサを集合させて用いる必要がないため、測定位置へのセンサの組み込み、取扱いや測定のための計測機器等の設備コスト等の点においても有利である。
【０１５０】
上述した本発明の質量センサ並びにその他の用途におけるセンサにおいては、共振部の振動を検出し、電気信号に変換する装置として、圧電作用を利用する圧電膜を用いた圧電変換装置を用いたものである。しかしながら、振動板に振動に基づいて発生する信号変換装置は、圧電作用を利用するものには限定されず、電磁誘導作用を利用するもの、静電容量変化を利用するもの、光の入射変化を利用するもの、電気抵抗変化を利用するもの、焦電作用を利用するもの等で構成してもよい。
【０１５１】
例えば、電磁誘導を利用するものとしては、検出板に設けられるコイルと、このコイルに流れる電気信号を検出する電気回路と、当該コイルに磁場を形成する磁石（電磁石であってもよい）とを有するものが挙げられる。この場合、共振部と共にコイルが振動する際に、電磁誘導によりコイルに電流が流れ、この電流を電気回路が検出する。また、静電容量変化を利用するものは、検出板の表面に設けた一対の電極と、この電極に挟まれた誘電体と、電極に接続する電子回路を有し、この特定の空間に荷電される静電容量を電子回路により検出するものが挙げられる。
【０１５２】
光の入射変化を利用するものには、光ダイオード等の共振部に投光するデバイスと、共振部で反射した光量を測定するデバイス（受光部）とを有するものがある。この受光部には光センサ等を用いることができ、共振部が振動するに従って共振部で反射する光量が変化し、その受光部でその入射光量の変化が測定される。
【０１５３】
また、電気抵抗変化を利用するものには、大きく分けて導体を使用するもの、半導体を使用するものが挙げられる。このうち、導体を使用するものは、共振部の表面に設けた導体と、この導体に接続する電気回路を有し、共振部と共に導体が振動する際に振動により導体が歪み、抵抗が変化するので、電気回路でこの抵抗変化を検出するものである。一方、半導体を使用するものは、この導体の代わりに半導体を用いたものである。
【０１５４】
焦電作用を利用するものは、検出板の表面に設けた一対の電極とその間に形成された焦電体並びに電極に接続する電子回路及び赤外線等の熱源からなり、振動による焦電流を電子回路により検出するものが挙げられる。
【０１５５】
これらの振動の信号変換装置は、前述した圧電素子の代わりに設置される他、共振部の駆動と検出とを異なる信号変換装置、例えば、駆動を圧電変換装置、検出を静電容量式変換装置で構成することも可能である。また、駆動・検出装置の配置は、設けた検出板の数によっても適宜、好適な配置を選択することができ、例えば、検出板が１枚の場合にはその平面内に、検出板を２枚設けた場合には各検出板の両平面、あるいは各検出板に分けて駆動・検出装置を配置させてもよい。
【０１５６】
以上、本発明の質量センサの実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものでないことはいうまでもない。従って、各実施形態の有する特徴を互いに組み合わせた実施形態が存在することはいうまでもなく、また、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて種々の変更、修正、改良等を加え得るものであることが理解されるべきである。
【０１５７】
【発明の効果】
上述の通り、本発明の質量センサ及び質量検出方法によれば、主に振動板上で起こる種々の微小質量の変化、即ち、質量負荷の変化を簡単に、正確に、しかも短時間で測定することができるという優れた効果を奏し、検体の温度や検体温度による質量センサ自体の材質の特性変化による変化の影響が小さいため、その構成により、０．１ナノグラム（ｎｇ）の微小量まで測定することが可能であるという優れた特徴を有する。また、剛体モードの採用と、好適な連結板の形状設計により、検出感度の向上と共振周波数の認識が容易となる利点がある。従って、種々の被検出体を捕捉する物質を振動板に塗布した場合には、多様な化学物質や細菌等の検出に好適に用いられるガスセンサ、味覚センサ、臭気センサ、免疫センサ、水分計として使用することができ、このような捕捉物質を塗布しない場合においても、膜厚計や粘性計、真空計、温度計等として用いることが可能である。しかも、免疫センサ、臭気センサ、味覚センサとして使用した場合には、人間の感覚に依存して判断されることがないので、検査の信頼性を向上させることができる。
更に、本発明の質量センサは、異なる物理量、化学量の検出に用いる共振部を１個の質量センサ内に複数設けることが容易に行える特徴を有する。従って、各種別個の複数のセンサを用いる必要がないため、測定位置へのセンサの組み込み、取扱いや測定のための計測機器等の設備コスト、更には、製造設備の集約と共有による低コスト化が図れるといった極めて優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の質量センサの一実施形態を示す平面図及び断面図である。
【図２】本発明の質量センサに配設される圧電素子の一実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の質量センサに配設される圧電素子の別の実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明の質量センサに配設される圧電素子の更に別の実施形態を示す斜視図である。
【図５】本発明の質量センサにおける振動板のνモード揺れ振動の説明図である。
【図６】本発明の質量センサにおける振動板のνｚモード揺れ振動の説明図である。
【図７】本発明の質量センサの別の実施形態を示す平面図である。
【図８】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図９】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図１０】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図１１】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図１２】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図及び断面図である。
【図１３】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図及び断面図である。
【図１４】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図１５】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図１６】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図１７】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図１８】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図１９】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図２０】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図２１】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図２２】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図２３】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図２４】本発明の質量センサの作製に用いられるセンサ基板用のグリーンシートの加工例を示す平面図である。
【図２５】本発明の質量センサの作製の際に調整することが好ましい寸法形状を示す説明図である。
【図２６】本発明の質量センサの圧電素子の加工方法の一例を示す説明図である。
【図２７】微小質量センサの基本構造を示す断面図である。
【図２８】従来の微小質量センサの基本構造を示す断面図である。
【図２９】従来の水晶摩擦真空計の水晶振動子の構造を示す斜視図である。
【図３０】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図及び断面図である。
【図３１】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図及び断面図である。
【図３２】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図及び断面図である。
【図３３】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図及び断面図である。
【図３４】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示す平面図及び断面図である。
【符号の説明】
１…質量センサ、２・２Ａ・２Ｂ…振動板、２Ｆ…振動板の上部側面、３・３Ａ・３Ｂ…連結板、４・４Ａ〜４Ｄ…検出板、５・５Ａ・５Ｂ…スリット、６・６Ａ〜６Ｄ…圧電素子、７…センサ基板、８…孔部、９…電極リード、１０…質量センサ、１１Ａ・１１Ｂ…共振部、１２Ａ・１２Ｂ…振動板、１３Ａ・１３Ｂ…連結板、１４Ａ〜１４Ｄ…検出板、１５Ａ・１５Ｂ…スリット、１６Ａ〜１６Ｄ…圧電素子、１７…センサ基板、１８…基準孔、１９Ａ〜１９Ｄ…電極リード、２０…位置センサ、２１Ａ・２１Ｂ…貫通孔、２２〜２９…質量センサ、３０…質量センサ、３１…振動板、３２…検出板、３３…連結板、３４…センサ基板、３５…圧電素子、３６…絶縁層、３７…シールド層、３８…スルーホール、３９…連結板、４０…質量センサ、４１Ａ〜４１Ｄ…バネ板、４２…質量センサ、４３…バネ板補強部、４４…バネ板、４５〜４７…質量センサ、４８…バネ板、４９…質量センサ、５１〜６７…質量センサ、６８…凹部、６９…間隙部、７０…スリット、７１Ａ…ベースプレート用グリーンシート、７１Ｂ…ベースプレート、７２Ａ…中間プレート用グリーンシート、７２Ｂ…中間プレート、７３Ａ…振動プレート用グリーンシート、７３Ｂ…振動プレート、７４…基準孔、７５…貫通孔、７６…バネ板、７７…凸部、７８Ａ…中間プレート用グリーンシート、７９…水晶振動子、８０…質量センサ、８１…水晶振動子、８２…電極、８３…電極、８５…第一電極、８６…圧電膜、８７…第二電極、８８…圧電素子、８９…検出板、９０…圧電膜、９１…第一電極、９２…第二電極、９３…間隙部、９４Ａ・９４Ｂ…圧電素子、Ｐ１〜Ｐ５…振動板の位置、Ｄ…ピッチ。
【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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