(57)【要約】【課題】振動子の発振周波数帯が数十ＭＨｚを超える高周波数帯になると、現在慣用されている廉価なＴＴＬＩＣをそのまま使用できないため、コスト増や設計上の問題が生じる。【解決手段】圧電発振子を利用した化学物質検出装置において、圧電発振子の共振周波数で発振する圧電発振回路７と、固定周波数で発振する固定周波数発振回路９とを設け、アナログミキシング回路１１で圧電発振回路の出力周波数と固定周波数発振回路の出力周波数を混合してうなり（共鳴）周波数を出力し、うなり抽出回路１３でうなり成分周波数を抽出して、これを周波数カウンタ回路１５に導いて周波数をカウントする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にガス吸着膜を設けた圧電発振子が配置されたセンサセルと、前記センサセルに測定対象ガスが供給されたときに前記圧電発振子の共振周波数で発振する圧電発振回路と、固定周波数で発振する固定周波数発振回路と、前記圧電発振回路の出力周波数と前記固定周波数発振回路の出力周波数を混合してうなり（共鳴）周波数を出力するアナログミキシング回路と、うなり周波数からうなり成分周波数を抽出するうなり抽出回路とを備え、うなり成分を吸着ガスを為す化学物質の検出信号として利用することを特徴とする発振周波数調整方式を利用した化学物質検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載した化学物質検出装置において、さらに、うなり成分周波数をカウントするカウンタ回路と、前記カウンタ回路で計測されたカウント数をそのまま差分周波数として利用して、ガスの種類と濃度を導出する演算処理部とを備えることを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載した化学物質検出装置において、固定周波数発振回路から出力される波数をうなり成分周波数の１波長の長さ分計測するカウンタ回路と、前記カウンタ回路で計測されたカウント数で固定周波数を除して差分周波数を導出し、導出された差分周波数に基づき、ガスの種類と濃度を導出する演算処理部とを備えることを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載した化学物質検出装置において、さらに、うなり成分の周波数を電圧に変換する周波数電圧変換回路とを備えることを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載した化学物質検出装置において、圧電発振子が水晶発振子であることを特徴とする化学物質検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中に存在するガス状化学物質を検出する検出装置に係り、特に、圧電振動子の共振周波数の変化を利用して検出する検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子と言った圧電振動子は質量が変化すると質量変化に比例して共振周波数が変化する圧電特性を有しており、従来からこの圧電特性を利用して空気中に存在するガス状化学物質を検出する検出装置はあり、作業環境等の測定に広く用いられている。
検出装置のセンサ素子として代表的な水晶振動子は、図６に示すように、水晶板３１を２枚の電極板３３で挟み、２枚の電極板３３上にそれぞれ感応膜３５（ガス分子吸着膜）を貼り付けた構造になっており、電極板３３にはリード３７がそれぞれ接続されている。水晶振動子はホルダー３９により保持された状態でセンサセル内に配置されている。ガス分子を吸着すると水晶振動子の質量が増大して共振振動数の減少を引き起こす。振動数変化と付着物質の質量との関係は、以下のSauerbrey 式と呼ばれる式（数１）で表される。すなわち、電極上での質量変化は振動数変化と比例関係にある。
【０００３】
【数１】
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【０００４】
現在市販されている水晶発振子の検出限界は数 ng cm-2 であり、原子の単分子層吸着をも測定できるほど高感度であることからＱＣＭ（Quartz-crystal microbalance）と呼ばれている。
臭い分子の殆どは吸着されることから、上記した装置を利用して臭いの検出が行われている。
【０００５】
従来の検出装置は、図７に示すような電気的構成をしており、上記した水晶振動子４１が配置されたＱＣＭ発振回路系（センサセル）４３の発振回路、即ちＱＣＭ発振回路４５で発振する共振周波数をそのまま高速カウンタ回路４７で計測し、計測されたカウント数に基づき演算部４９で演算（デジタル）処理して共振振動数の変化分、即ち差分周波数を導出していた。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−０９０１５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
水晶振動子の発振振動数は数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚと元々高かったが、最近では基本周波数の二乗に比例して分解能が上がることもあってより高速な振動子を用いる傾向が強まっている。
しかしながら、現在広く使用されているＴＴＬＩＣの動作速度の上限は数十ＭＨｚ程度なので、上記したより高速な振動子を使用するとなると従来の素子では対応できず、高速対応の高価な別の素子に使用を切り替えなければならない。また、高速を起因とする同期の取り難さ、発熱、回路基板上でのノイズの発生等の問題が新たに生じるため、回路設計が難しくなる。
【０００８】
それ故、本発明は、高速な振動子を使用しても、コストや回路設計上の問題が生じない化学物質検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、表面にガス吸着膜を設けた圧電発振子が配置されたセンサセルと、前記センサセルに測定対象ガスが供給されたときに前記圧電発振子の共振周波数で発振する圧電発振回路と、固定周波数で発振する固定周波数発振回路と、前記圧電発振回路の出力周波数と前記固定周波数発振回路の出力周波数を混合してうなり（共鳴）周波数を出力するアナログミキシング回路と、うなり周波数からうなり成分周波数を抽出するうなり抽出回路とを備え、うなり成分を吸着ガスを為す化学物質の検出信号として利用することを特徴とする発振周波数調整方式を利用した化学物質検出装置である。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載した化学物質検出装置において、さらに、うなり成分周波数をカウントするカウンタ回路と、前記カウンタ回路で計測されたカウント数をそのまま差分周波数として利用して、ガスの種類と濃度を導出する演算処理部とを備えることを特徴とする化学物質検出装置である。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１に記載した化学物質検出装置において、固定周波数発振回路から出力される波数をうなり成分周波数の１波長の長さ分計測するカウンタ回路と、前記カウンタ回路で計測されたカウント数で固定周波数を除して差分周波数を導出し、導出された差分周波数に基づき、ガスの種類と濃度を導出する演算処理部とを備えることを特徴とする化学物質検出装置である。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１に記載した化学物質検出装置において、さらに、うなり成分の周波数を電圧に変換する周波数電圧変換回路とを備えることを特徴とする化学物質検出装置である。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかに記載した化学物質検出装置において、圧電発振子が水晶発振子であることを特徴とする化学物質検出装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の化学物質検出装置によれば、振動子の発振周波数帯が数十ＭＨｚを超える高周波数帯にあっても、現在慣用されている廉価なＴＴＬＩＣをそのまま使用できるため、上記したコストや設計上の問題を解消できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の第１の実施の形態に係る化学物質検出装置１の電気的構成を図１に示す。
水晶振動子３をセンサ素子とするＱＣＭ発振回路系５（センサセル）では、ＱＣＭ発振回路７が図示しない電源と接続されており、水晶振動子３がセンサセル５に供給されたサンプルガスのガス分子（一例）を吸着すると、ＱＣＭ発振回路７が吸着量に応じて変化した共振周波数で発振する。固定周波数発振回路９も図示しない電源と接続されており、化学物質濃度が０（ゼロ）、即ち水晶振動子３に臭いガス分子が全く吸着していない状態の固定周波数を発振する。
【００１６】
ＱＣＭ発振回路７、固定周波数発振回路９のそれぞれの出力端は、アナログミキシング回路１１と接続されており、アナログミキシング回路１１は、図２の出力波形に示すように、ＱＣＭ発振回路７の出力するＱＣＭ発振周波数と固定発振回路の出力する固定周波数をアナログ的に混合してうなり（共鳴）周波数を出力する。
うなり抽出回路１３は、アナログミキシング回路１１から出力されたうなり周波数を受取り、そこからうなり成分周波数を抽出する。ガス分子の吸着によりＱＣＭ発振周波数が３００Ｈｚ下がっていると、図３に示すように、うなり成分周波数は３００Ｈｚの正弦波となる。
【００１７】
低速カウンタ回路１５は現在広く使用されている動作速度の上限が数十ＭＨｚ程度のカウンタ回路である。うなり成分周波数を低速カウンタ回路１５にそのまま導いて周波数を１秒間計測する。ＱＣＭ発振周波数が３００Ｈｚ下がっていると、カウンタ回路数は３００となる。
【００１８】
そして、低速カウンタ回路１５で計測されたカウント数をそのまま差分周波数として利用して、演算処理部１７では、従来と同様に、差分周波数に基づいて吸着量を演算し、センサセルを通過するガス量に基づいて化学物質の濃度を算出する。
具体的には、低速カウンタ回路１５で計測された共振周波数の変化から、図示しない記憶素子に予め分析対象（吸着対象）とする化学物質の種類と濃度についてのデータと比較しながら、吸着した化学物質の種類と濃度を推定する。
そして、推定結果を表示部１９に表示する。
【００１９】
パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２１はデータの収集・解析を実行するためのＣＰＵや記憶素子、液晶モニタのような表示部、カウンタ回路のような計測装置との接続が可能なインターフェースを具備しており、この実施の形態では、パーソナルコンピュータ２１により演算処理部１７と表示部１９が構成されている。
計測装置とパーソナルコンピュータ２１の間は、ＲＳ−２３２Ｃの規格に基づいた転送方式に基づき、データ転送を行っている。
【００２０】
この検出装置１によれば、計測されたカウンタ回路数を差分周波数としてそのまま利用できるので、その後特別な（デジタル）演算処理をする必要はない
【００２１】
本発明の第２の実施の形態に係る化学物質検出装置を説明する。
この化学物質検出装置の計測原理は化学物質検出装置１と同じであり、低速カウンタ回路１５における計測方法等が異なっている。従って相違点のみ説明する。
図３に示すようなうなり成分周波数（波形）を出力するまでは、第１の実施の形態と同じであるが、第１の実施の形態ではうなり成分周波数を低速カウンタ回路１５でそのまま計測していたのに対して、この第２の実施の形態では、固定周波数の出力を利用して計測する。
【００２２】
具体的に言えば、図４に示すように、うなり成分周波数の波が０から立ち上がると同時に固定周波数、例えば２０ＭＨｚの方形波数の計測を開始し、１波長が過ぎたところで計測を停止する。
次に、演算処理部でまず差分周波数を算出する。
カウント数が６６，６６７であったとすると、差分周波数は
２０ＭＨｚ÷６６，６６７＝２９９．９９９Ｈｚと推定され、
カウント数が６６，６６６であったとすると、差分周波数は、
２０ＭＨｚ÷６６，６６６＝３００．００３Ｈｚと推定される。
この後は、第１の実施の形態と同様にデータを取り扱える。
【００２３】
上記したように、この検出装置を使用した場合には低速カウンタ回路１５での計測時間はうなり成分の１波長分となるので、１／３００秒しかかからない。第１の実施の形態に係る検出装置１を使用した場合には１秒かかっていたことから、計測時間を大幅に短縮することができる。
また、測定誤差も±１Ｈｚであったものが±０．００３Ｈｚ以下となり、非常に高精度となる。
【００２４】
本発明の第３の実施の形態に係る化学物質検出装置２５を説明する。
この化学物質検出装置２５の電気的構成の一部は化学物質検出装置１と同じであるが、うなり抽出回路１３は低速カウンタ回路１５に接続されずに、周波数電圧変換回路２７に接続されている。
すなわち、うなり抽出回路１３から出力されたうなり成分周波数は、周波数電圧変換回路２７に導かれ、周波数に比例したアナログの電圧信号に変換される。うなり成分周波数はサンプルガスの濃度変化に対応して連続的に変化しているため、その連続的な電圧信号を警報装置（警報灯、警報ブザー）の警報信号や、開閉装置の制御信号として利用できる。例えば、電圧が一定以上になった場合に警報を発動したり、開閉扉を閉めたりする。
【００２５】
以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的構成は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても発明に含まれる。
例えば、測定対象ガスが１つの成分からなることは少ないことから、従来は特性の少しずつ異なる感応膜を貼り付けたＱＣＭ発振回路系を複数個組みにし、複数のＱＣＭ発振回路系から出力された周波数をそれぞれ高速カウンタ回路でカウントし、演算処理部がそれらのデータを収集した上で、測定対象ガスの組成を同定し、その後に構成ガスの濃度を算出していたが、そのような複数のＱＣＭ発振回路系を配置する場合には、本発明の分析装置では、１つの固定周波数発振回路を共用すればよい。
電圧電号の出力は、第３の実施の形態のアナログ出力に限定されず、第１、２の実施の形態に示すように、演算処理部からオン−オフ信号としてデジタル出力し、開閉装置、通知装置やホームエレクトリック装置の制御信号して利用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の化学物質検出装置は、高速な振動子を利用しても慣用のＴＴＬＩＣで対応できるので、検出性能の向上の要求に直ぐに答えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る化学物質検出装置の電気的構成を示す。
【図２】図１の検出装置における出力波形を示す。
【図３】図１の検出装置における周波数の計測方法の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る化学物質検出装置における周波数の計測方法の説明図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る化学物質検出装置の電気的構成を示す。
【図６】水晶振動子の構造図である。
【図７】従来の化学物質検出装置の電気的構成を示す。
【符号の説明】
【００２８】
１‥‥化学物質検出装置
３‥‥水晶振動子                      ５‥‥ＱＣＭ発振回路系
７‥‥ＱＣＭ発振回路                  ９‥‥固定周波数発振回路
１１‥‥アナログミキシング回路        １３‥‥うなり抽出回路
１５‥‥低速カウンタ回路              １７‥‥演算処理
１９‥‥表示部
２５‥‥化学物質検出装置              ２７‥‥周波数電圧変換回路
３１‥‥水晶板                        ３３‥‥電極板
３５‥‥感応膜                        ３７‥‥リード
３９‥‥ホルダー                      ４１‥‥センサセル
【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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