(57)【要約】      （修正有）【課題】  タンク内の液体と空気との境界部分の微生物の増殖度をモニタリングできる微生物測定装置を提供する。【解決手段】  タンク内で水平方向の移動が規制されたフロートと、フロートの、タンク内の貯留水に浸漬する領域に配置された複数の薄膜電極と、その薄膜電極間に交流電圧を印加する泳動電源と、薄膜電極間のインピーダンスを測定する測定部７、測定したインピーダンスに基づいて微生物の状態を示すデータを算出する演算部とを備え、演算部８は少なくとも測定したインピーダンスの時間変化を求め、求めた時間変化に基づいて微生物の状態を示すデータを算出する。【選択図】  図１
2006304625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンク内の微生物の状態を測定する微生物測定装置であって、
前記タンク内に配置され、水平方向の移動が規制されたフロートと、
前記フロートの、前記タンク内の液体に浸漬する領域に配置された複数の泳動用電極と、
前記泳動用電極間に交流電圧を印加する泳動用電源と、
前記泳動用電極間のインピーダンスを測定する測定部と、
前記測定したインピーダンスに基づいて、前記微生物の状態を示すデータを算出する演算部と、を備え、
前記演算部は、少なくとも前記測定したインピーダンスの時間変化を求め、求めた時間変化に基づいて前記微生物の状態を示すデータを算出する微生物測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の微生物測定装置であって、
前記演算部は、前記インピーダンスの時間変化が閾値を越えたことを示す信号を出力する微生物測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の微生物測定装置であって、
前記フロートは、前記液体の温度を測定する温度センサを有し、
前記演算部は、前記温度センサの測定結果によって前記閾値を変更する微生物測定装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれかに記載の微生物測定装置であって、
前記フロートは、前記タンク内に設けられたガイド部により前記タンクの壁面に規制される微生物測定装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれかに記載の微生物測定装置であって、
前記泳動用電極は、前記フロートと一体となった基板上の金属薄膜電極である微生物測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の微生物測定装置であって、
前記金属薄膜電極は、ギャップ長０．２〜３００μｍの櫛歯形状を有する微生物測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンク中の微生物の状態を測定する微生物測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、貯水タンク中の微生物の増殖をモニタリングするための装置として、タンク内の水位を監視するフロートに鮮度感応部を設けたモニタリング装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、タンク内の微生物の増殖を、殺菌状態測定センサによって間接的にモニタリングする装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】実開平１−１３４８７３号公報（第１図）
【特許文献２】特開昭６１−１１７３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の微生物測定装置においては、タンク内の微生物の増殖を直接測定する具体的な手段がなかった。また、タンク内で最も細菌の増殖が懸念されるタンク内の液体と空気とタンク壁面の境界部分の微生物の増殖度をモニタリングできなかった。
【０００５】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、タンク内の液体と空気との境界部分の微生物の増殖度をモニタリングできる微生物測定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】
【０００６】
本発明の微生物測定装置は、タンク内の微生物の状態を測定する微生物測定装置であって、前記タンク内に配置され、水平方向の移動が規制されたフロートと、前記フロートの、前記タンク内の液体に浸漬する領域に配置された複数の泳動用電極と、前記泳動用電極間に交流電圧を印加する泳動用電源と、前記泳動用電極間のインピーダンスを測定する測定部と、前記測定したインピーダンスに基づいて、前記微生物の状態を示すデータを算出する演算部と、を備え、前記演算部が、少なくとも前記測定したインピーダンスの時間変化を求め、求めた時間変化に基づいて前記微生物の状態を示すデータを算出するものである。
【０００７】
上記構成によれば、インピーダンスの時間変化は、微生物の量に対応したものとなり、タンク内の液体と空気との境界部分の微生物の増殖度をモニタリングできる。
【０００８】
また、本発明の微生物測定装置は、前記演算部が、前記インピーダンスの時間変化が閾値を越えたことを示す信号を出力するものである。
【０００９】
上記構成によれば、演算部から出力される信号に基づいて、微生物の増殖が進行していることを把握できる。
【００１０】
また、本発明の微生物測定装置は、前記フロートが、前記液体の温度を測定する温度センサを有し、前記演算部が、前記温度センサの測定結果によって前記閾値を変更するものである。
【００１１】
上記構成によれば、液体の温度により微生物の増殖しやすさは異なるが、液体の温度に応じて閾値を変更することにより、微生物の増殖が緩やかな低温時であっても、微生物の増殖の進行を見落とすことなく把握できる。
【００１２】
また、本発明の微生物測定装置は、前記フロートが、前記タンク内に設けられたガイド部により前記タンクの壁面に規制されるものである。
【００１３】
上記構成によれば、タンク内で最も微生物が増殖しやすい箇所であるタンク内の液体と空気とタンク壁面との境界部分における微生物の増殖度をより正確に測定できる。
【００１４】
また、本発明の微生物測定装置は、前記泳動用電極が、前記フロートと一体となった基板上の金属薄膜電極であるものである。
【００１５】
上記構成によれば、タンク内で最も微生物が増殖しやすい箇所であるタンク内の液体と空気とタンク壁面との境界部分等に前記泳動用電極を保持し、当該部分における微生物の増殖度をより正確に測定できる。
【００１６】
また、本発明の微生物測定装置は、前記金属薄膜電極が、ギャップ長０．２〜３００μｍの櫛歯形状を有するものである。
【００１７】
上記構成によれば、電極を微生物の大きさに合わせることができ、検出対象となる微生物を正確に測定できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、インピーダンスの時間変化が、微生物の量に対応したものとなり、タンク内の液体と空気との境界部分の微生物の増殖度をモニタリングできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態の微生物測定装置について、図面を用いて説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施の形態における微生物測定装置の全体構成図、図２は本発明の実施の形態における微生物測定装置の要部を拡大して示す断面図、図３は本発明の実施の形態における電極の構成を示す斜視図、図４は本発明の実施の形態における電極間の電界状態を示す説明図、図５は本発明の実施の形態における回路接続状態を示す説明図、図６は電極間の静電容量の計算方法を示す説明図、図７は電極間の静電容量の他の計算方法を示す説明図、図８は測定時間と電極間の静電容量Ｃの関係を示すグラフ、図９は測定時間と電極間の静電容量変化の割合ΔＣの関係を示すグラフである。
【００２１】
図１は、タンク内の微生物の状態を測定する微生物測定装置を示す。図１において、１は貯水タンク、２はフロートと電極基板が一体となったフロート電極、３はフロート電極２をタンク１の壁面に規制するためのガイド部、４はタンク１内に貯留水を供給する給水部、５はタンク１内から貯留水を外部に排水する排水部、６はフロート電極２間に交流電圧を印加する泳動電源、７はフロート電極２間のインピーダンスを測定する測定部、８は測定したインピーダンスに基づいて、微生物の状態を示すデータを算出する演算部、９は各部を制御する制御手段、１０はタンク内の貯留水である。
【００２２】
また図２において、１１は貯留水の水面、１２はタンク側壁面（内壁面）、１３はフロート電極２の構成要素の一つである上記のフロート、１４はフロート電極２のもう一つの構成要素である上記の電極基板、１５は泳動電源供給ラインである。
【００２３】
また図３において、２０は薄膜電極（金属薄膜電極）、２１は薄膜電極２０に挟まれた微小なギャップ、２２はフロート電極２をガイド部３に通すためのガイド穴、２３は水温を測定するための温度センサである。
【００２４】
また図４において、３０は薄膜電極間に印加される交流電圧によって生じる電気力線である。
【００２５】
また図６の（ａ）において、５０は薄膜電極２０の一方の極、５１は薄膜電極２０の他方の極、５２は想定されるＣＲ並列等価回路を構成する静電容量、５３は想定されるＣＲ等価回路を構成する抵抗であり、図６（ｂ）において、５４は時間軸、５５は電圧もしくは電流軸、５６は電流、５７は電圧である。
【００２６】
図１及び図２に示すように、温水、冷水、浄水、純水、飲料水等の水もしくは他の液体を貯留するためのタンク１内に、貯留水１０が蓄えられている。貯留水１０はその使用目的に応じて給水部４及び排水部５から適宜給排水され、それに応じて水位が変動する。フロート電極２は、浮力を生じさせフロート電極２を常に水面１０上に保持するためのフロート１３及び水中で繁殖した微生物を検出するセンサの役割を担う電極基板１４が密着された構造を有し、フロート電極２を水中に浮かべた際に電極基板１４が水面直下に位置するように構成されている。
【００２７】
フロート１３は、上記条件を満足する十分な浮力を得られるものであればどのような材料でも適用可能であるが、本実施の形態では発泡スチロールを用いている。また、フロート電極２は常に水面１１とタンク側壁面１２の境界付近に位置するように、ガイド部３を通して設置されている。この境界付近にフロート電極２を位置させるのは、空気中からの養分あるいは酸素の溶存が気液界面において最も進行し易く、容器壁面への付着繁殖を考えたときに、タンク１内で最も細菌による汚染の可能性が高い部分だからである。以下、この水と空気とタンク壁面が交差する近傍の貯留水を境界貯留水と呼ぶ。また、図２の１５は泳動電源供給ラインを示している。
【００２８】
図３に示すように、フロート電極２の上部のフロート１３と下部の電極基板１４は一体構造になっており、両者を垂直方向に貫通するようにガイド穴２２が開けられている。電極基板１４上には誘電泳動によって貯留水１０中の微生物を所定位置に移動させるために、薄膜電極２０が微小なギャップ２１を介して対向して設けられている。本実施の形態においては、薄膜電極２０は二つの極からなり、図示のように櫛歯状の電極が互いに入れ子になるように配置されている。それぞれの電極はスパッタリングやスクリーン印刷、あるいは蒸着やメッキなどの方法によって電極基板１４上に密着して形成された導電体からなり、電極基板１４上で薄膜電極２０が密着している部分と基板表面がむき出しになっている部分の境界である端線を有している。
【００２９】
上記二つの極によって薄膜電極２０の端線間に構成されるギャップ２１は、本実施の形態においてはすべて同じ間隔である。誘電泳動のための電圧印加によってこのギャップ２１付近の電界がもっとも強くなるため、ギャップ２１が本実施の形態における電界集中部になる。詳細は後述するが、微生物はもっとも電界が集中するこのギャップ２１付近に向かって泳動される。また、電極基板１４上には境界貯留水の水温を測定するための温度センサ２３が備えられている。温度センサ２３としては、水温を測定できるものであればどのようなセンサも使用が可能であるが、本実施の形態では熱電対を用いている。
【００３０】
ここで、本実施の形態において検出対象としている微生物について説明する。この微生物は、一般に細菌、真菌、放線菌、リケッチア、マイコプラズマ、ウイルス、として分類されているいわゆる微生物学の対象となっている生物のほかに、原生動物や原虫のうちの小型のもの、生物体の幼生、分離または培養した動植物細胞、精子、血球、核酸、蛋白質等も含む広い意味での生体または生体由来の微粒子である。また本実施の形態では、測定対象として貯留水１０中の微生物を想定している。
【００３１】
本実施の形態における薄膜電極２０の膜厚は約５ｎｍである。この５ｎｍという膜厚は後述するギャップ２１の間隔１００μｍに比較しても、また検出対象である微生物と比較しても大変小さいので、薄膜電極２０は事実上厚みの無視できる２次元的な広がりのみをもつ電極と考えることができる。そこで、本実施の形態では電極基板１４上で電極の密着している部分と基板がむき出しになっている部分の境界を端線としている。このとき、薄膜電極２０における電界集中部であるギャップ２１付近の電界分布は図４に示すようなものとなる。薄膜電極２０の膜厚は約５ｎｍと薄いため、図４に示すように二つの極５０、５１（図６参照）の端線に挟まれた部分にもっとも電界が集中する。図中の３０は電気力線を示している。また、薄膜電極２０の膜厚は５ｎｍであるが、異なる膜厚の電極を用いても良く、測定対象となる微生物の大きさ等の影響を受けるため必要に応じて調節される。
【００３２】
次に、微生物の誘電泳動現象について説明する。高周波の交流電圧の印加によって発生する交流電界の作用で、薄膜電極１４近傍の微生物はその誘電的な性質によって最も電場が強くかつ不均一な部分、すなわち電界集中部に泳動される。本実施の形態では、薄膜電極１４のギャップ２１付近が電界集中部にあたり、中でも最も電界が集中するのはギャップ２１である。したがって、ギャップ２１部分にもっとも強く微生物が泳動される。図３に示すギャップ２１は平行な電極に挟まれた部分であり、電極の伸びる方向すなわち、薄膜電極１４の断面を描いた図３の紙面に垂直な方向については電界の分布は均一である。しかしながら、基板面に垂直な方向では図３に示すような電界の分布が生じ、電極のエッジ同士を結んだ長さ方向の面がもっとも電界が集中することになる。
【００３３】
ギャップ２１付近に浮遊する微生物は、薄膜電極１４間に生じる上記のような電界作用によってギャップ２１に引き寄せられ、電気力線３０に沿って整列する。このとき、ギャップ２１付近の微生物の移動状態は、薄膜電極１４近傍に存在する微生物数とギャップ２１の間隔に依存するが、十分に微生物数が多いときにはギャップ２１が微生物から構成される鎖によって架橋されるほどになる。その際、当初からギャップ２１付近に浮遊していた微生物は直ちにギャップ２１部分へ移動し、ギャップ２１から離れたところに浮遊していた微生物は距離に応じて所定時間経過後にギャップ２１部に至るため、一定時間後にギャップ２１付近の所定領域に集まる微生物の数は薄膜電極２０近傍の微生物数に比例する。
【００３４】
薄膜電極２０は、極端に抵抗が高くない限りどのような材料から構成されても良いが、液体中での使用、特に本実施の形態のように水中で使用されることを想定すると、なるべくイオン化傾向が低い金属が望ましい。誘電泳動時には電極間に強い電界が生じるため、印加する周波数と水中の電解質濃度によっては電気分解が生じることがある。電気分解が生じるとイオン化傾向の大きな金属から構成された電極では、電極の溶解が生じて電極形状の崩れや極端な場合には電極の破断等が生じてしまう。このようなことを鑑み、本実施の形態では電極の主材料としてクロムを使用している。
【００３５】
電極基板１４は、薄膜電極２０を保持でき、かつ絶縁性の高いものであればどのような材料から構成されても良いが、誘電率は低いほうが望ましい。すなわち、低誘電率基板を使用するのが望ましい。これは、薄膜電極２０間の電界は図４には詳細に示していないが、基板内部にも分布するからである。基板内部の電界と基板外部に広がる電界、すなわち誘電泳動のための電界との強度の比率は誘電率の比によって決まる。本実施の形態では平滑性が高く、また微細加工が行いやすく、誘電率も比較的低いことから、低誘電率基板としてホウ珪酸ガラス基板を使用している。
【００３６】
また、本実施の形態においては、電極基板１４上への薄膜電極２０の作製は一般的なフォトリソグラフィーを用いた方法で行っている。このフォトリソグラフィーによる電極作製について、以下に簡単に説明する。
【００３７】
フォトリソグラフィーによる電極作製には多くの方法があるが、本実施の形態では、まずホウ珪酸ガラスからなる電極基板１４の片面全面にスパッタリングや蒸着によってクロムを強固に付着させた物を作製する。次いで、この薄膜上に感光性樹脂をスピンコーティングによって均一に塗布し、感光性樹脂の硬化を促すために熱を加えてプリベークする。これに電極のパターンをあらかじめ形成したマスクを密着させて感光性樹脂を露光する。マスクによって光を遮られた部分の感光性樹脂は変化しないが、光が当たった部分の感光性樹脂は軟化し、洗浄によって容易に剥離してクロム蒸着面がむき出しになる。
【００３８】
次に、上記の基板を反応性のガス雰囲気下においてエッチングする。このとき、基板上でクロムがむき出しになっている部分はエッチングによって侵されてクロムが除去されるが、感光性樹脂が残っている部分、すなわち電極のパターン部分は樹脂によって保護されているため、何ら影響を受けることがない。エッチング終了後、基板を硬化した感光性樹脂を除去する洗浄液に浸すことによって感光性樹脂を取り去る。基板上には感光性樹脂で保護されていた部分、すなわち電極のパターンが残る。
【００３９】
上記の例では、マスクを使った作製法を説明した。なお、このマスクは作製したい電極と同一形状のガラス基板上の遮光性薄膜からなるいわゆる「型」であり、ガラス基板上の遮光性物質を電子ビーム等によって電極のパターンに合わせて除去することで作製される。作製する電極が少数の場合にはクロム蒸着基板上に直接電子ビームによって電極パターンを描画しても良いが、同じ物を複数作製するときには、一般に上記のフォトリソグラフィーの方が効率的である。
【００４０】
以上、簡単にフォトリソグラフィーによる電極作製法を説明したが、これはあくまで一例であり、本実施の形態で使用されている電極を作製する方法はほかにも多数考えられ、上記の方法以外の方法によって電極が作製されることを妨げるものではない。
【００４１】
本実施の形態におけるギャップ２１の間隔は１００μｍに設定されているが、ギャップ２１の間隔は測定対象となる微生物の大きさ等の影響を受けるため、必要に応じて調節される。例えば、酵母や単離細胞のような大きなものでは広く、リケッチアのように小さなものについては狭くする必要がある。また、ギャップ２１の間隔は、広いほど大量の微生物を濃縮することができ、測定のダイナミックレンジも広くなるが、測定までの時間が長く必要になり、誘電泳動のために必要な電力も大きくなる。逆にギャップ２１を狭くすると、電力と測定のために必要となる時間は少なくなるが、測定のダイナミックレンジは狭くなってしまう。以上のような理由から、本実施の形態においてはギャップ２１の間隔を１００μｍとしているが、この値は検出対象とする微生物に合わせて０．２〜３００μｍの範囲で適宜調節されることが望ましい。
【００４２】
泳動電源６は、誘電泳動を起こすための交流電流を薄膜電極２０間に供給するものである。泳動電源６からの電源供給は図５に示す通り、泳動電源供給ライン１５を介して電極基板１４上の薄膜電極２０の対向する二つの極に対してそれぞれなされる。図２には図示していないが、泳動電源供給ライン１５から薄膜電極２０までの間は、フロート１３及び電極基板１４内部で銅線など好適な導体によって結合されている。また、この泳動電源部６は制御手段９によって制御される。
【００４３】
制御手段９は、図示しないマイクロプロセッサと、予め設定されたプログラムを保存するためのメモリ、タイマー等から構成され、予め設定されたプログラムに従って泳動電源部６を制御し、薄膜電極２０へ特定の周波数と電圧をもった交流電圧を印加する。さらに、制御手段９は測定部７と演算部８と信号の送受信を行い適宜制御を行うことで、測定動作全般の流れを管理する。
【００４４】
測定部７は、インピーダンスを調べるために必要となる薄膜電極２０間にかかる電圧と、それによって薄膜電極２０を流れる電流と、その電圧と電流の位相の差とを測定するための回路等から構成される。測定部７は、誘電泳動によって微生物が移動し、電界集中部近傍に濃縮されることに起因する薄膜電極２０のインピーダンスの変化を測定する。インピーダンスを調べるために必要となる薄膜電極２０間にかかる電圧と、それにより薄膜電極２０を流れる電流と、その電圧と電流の位相の差と、は演算部８に渡され、後述する手順によって演算が行われる。本実施の形態では、測定部７は制御手段９によって制御されており、予め設定されたプログラムに従って一連の測定動作を連携して円滑に進めることができる。
【００４５】
演算部８は、図示しないマイクロプロセッサ、メモリ等から構成され、詳細は後述するが、測定部７にて測定された結果から薄膜電極２０のインピーダンスを解析し、薄膜電極２０間の静電容量を演算する。そして、必要に応じて演算結果をメモリに格納したり、予め保存されているデータを読み出して比較を行うなどして、最終的に薄膜電極２０近傍の境界貯留水中の微生物数及び微生物数変化量を算出する。なお、このマイクロプロセッサは制御手段９と演算部８とで共用することができる。また、演算部８も測定部７と同様制御手段９によって制御されており、予め設定されたプログラムに従って一連の測定動作を連携して円滑に進めることができる。
【００４６】
また演算部８は、上記のように境界貯留水中の微生物数及び微生物数増加量を算出するが、予め保存されている微生物数増加量以上の算出結果が得られた場合は、インピーダンスの時間変化が閾値を越えたことを示す信号を出力する。出力された信号は、殺菌装置を制御するとか、アラームを発するなど、適宜必要な処置のためのトリガとして使用できる。
【００４７】
次に、境界貯留水中の微生物数増加量を算出するまでの一連の流れについて説明する。貯水タンク内微生物モニタリングが開始されると、泳動電源部６は制御手段９の指令に従って、薄膜電極２０間に周波数１００ｋＨｚ、電圧７Ｖｐ−ｐの正弦波交流電圧を印加する。測定部７は、そのときの電流及び電圧と電流の位相の差とを測定する。ここで、印加される測定のための交流の周波数と電圧とは、後述するようにあらかじめ濃度が明らかな微生物を含む試料による校正時に最適なものを選択すれば良く、１００ｋＨｚ、７Ｖｐ−ｐという値にとらわれる必要はない。なお、ここで交流電圧というのは、正弦波のほか、ほぼ一定の周期で流れの向きを変える電圧のことであり、かつ両方向の電流の平均値が等しいものである。
【００４８】
上記の測定結果は演算部８に送られる。演算部８は得られた測定結果から、薄膜電極２０間のインピーダンス、薄膜電極２０間に想定される等価回路を後述する抵抗と静電容量からなるＣＲの並列回路であるとみなしたときの静電容量値を算出する。インピーダンスは印加電圧と電流の除算で、また静電容量はそれぞれインピーダンスと電圧と電流の位相の差を角周波数ωの角度差で表現した値（以下、位相角という）を用いて計算されるリアクタンスとレジスタンスの値を、想定されるＣＲ並列回路の合成インピーダンスを表す式に代入し、連立方程式を解くことによってＲと共に算出することができる。以下、インピーダンスをＺ、静電容量をＣ、リアクタンスをｘ、レジスタンスをｒとして、図６及び図７と次の（式１）〜（式５）を用いて詳細に説明する。
【００４９】
【数１】
2006304625.tif 000003
【００５０】
【数２】
2006304625.tif 000004
【００５１】
【数３】
2006304625.tif 000005
【００５２】
【数４】
2006304625.tif 000006
【００５３】
【数５】
2006304625.tif 000007
【００５４】
（式１）はＣＲ並列等価回路の合成インピーダンスを表す式、（式２）はＣＲ並列等価回路のレジスタンス表す式、（式３）はＣＲ並列等価回路のリアクタンスを表す式、（式４）はＣＲ並列等価回路の抵抗値を表す式、（式５）はＣＲ並列等価回路の静電容量値を表す式である。
【００５５】
図６の（ａ）は、電極間の電気的状態を等価回路で示したものである。一方の極５０と他方の極５１の間には微生物を含んだ水が存在しており、誘電泳動によって微生物が電極間のギャップ２１に移動する前には、水を電極間誘電体として構成される静電容量Ｃ５２と水による電気伝導抵抗Ｒ５３が並列に電極５０と５１間を結んでいると考えられる。また、誘電泳動によって微生物が移動した後も、後述するように微生物体が誘電体微粒子としてふるまうため、静電容量Ｃ５２と抵抗Ｒ５３の絶対値は変化しても等価回路の接続形態は変わらないと考えることができる。以下、この等価回路をＣＲ並列回路と呼ぶ。
【００５６】
上記のようなＣＲ並列回路に交流電圧を印加すると、回路に流れる電流５６と印加した電圧５７の間に図６の（ｂ）に示すような位相の差が現れることが一般に知られている。この位相差を印加した電圧の周波数を角周波数ωであらわしたときの角度差θを用いて複素平面上に極座標表示すると、電圧、電流、位相角の間には図７に示す関係がある。
【００５７】
インピーダンスＺは測定される印加電圧と電流の除算で得られ、図７に示すベクトルの絶対値に相当する。このとき、インピーダンスＺはＺ＝ｒ＋ｊｘ（ｊは虚数単位）の形で表わすことができ、レジスタンスｒはｒ＝Ｚｓｉｎθとして図６の（ａ）に示すＣＲ並列回路の合成インピーダンスの抵抗性成分、リアクタンスｘはｘ＝Ｚｃｏｓθとして同回路の容量性成分の逆数に関連付けられる。
【００５８】
一方、図６の（ａ）のＣＲ等価回路の合成インピーダンスは（式１）で表現され、（式１）をＺ＝ｒ＋ｊｘの関係からレジスタンスｒとリアクタンスｘに分解して（式２）と（式３）を得る。（式２）と（式３）を連立させて変形すると（式４）と（式５）を得る。（式４）及び（式５）に測定のための電圧値、そのときの電流値、電圧と電流の位相角の測定値から演算したｒ、ｘ、ωを代入することにより、抵抗Ｒ５３と静電容量Ｃ５２を知ることができる。
【００５９】
上記の説明は煩雑であるが、演算部８は図示しないマイクロプロセッサを備えており、一連の演算は一瞬のうちに終了する。
【００６０】
演算部８は、算出された静電容量Ｃの値を初期値としてメモリに格納し、初期値の測定が終了したことを制御手段９に伝える。以降、制御手段９と測定部７、演算部８は必要に応じて適宜信号のやり取りを行い、予め設定されたプログラムに従った円滑な動作を行う。
【００６１】
以降、あらかじめ設定された時間毎に、制御手段９と測定部７は連携して測定を繰り返し、演算部８は算出された静電容量を都度メモリに格納する。このように、誘電泳動による微生物のギャップ２１付近への移動と薄膜電極２０のインピーダンス測定を繰り返すことによって、薄膜電極２０間の静電容量の時間変化、すなわち、微生物の増殖度を調べることができる。
【００６２】
ここで、静電容量の時間変化を測定することで微生物数を算出することができる理由について説明する。微生物は、イオンリッチで比較的電気伝導率が大きな細胞壁と、リン脂質からなるとともに、電気伝導率の小さな細胞膜に囲まれており、微小な誘電体粒子とみなすことができる。そして、誘電体微粒子としてみた微生物の誘電率は一般的な液体と比較して、さらに液体としては高い誘電率を持つ水と比較しても大きな値を持っている。したがって、誘電泳動によってギャップ２１に移動する微生物の数が増えるに連れて、ギャップ２１付近の見かけの誘電率は上昇していく。電極の条件を固定した状態で、その間の媒体の誘電率を変化させると静電容量Ｃが変化するのは周知の事実である。そこで、薄膜電極２０間の静電容量Ｃの変化を通じて薄膜電極２０間の誘電率の変化を測定すれば、その値はギャップ２１付近に移動してきた微生物数、ひいては境界貯留水中に存在する微生物数に相関した測定結果を得ることができる。このような静電容量Ｃの時間変化の一例を図８に示す。
【００６３】
また、貯留水１０の中には活性のある微生物だけでなく、活性を失いこれ以上増殖が不可能な微生物の死骸や、その他微生物とその電気的特性や形状やサイズが同等なゴミ等が含まれることが考えられる。その場合、それら挟雑物にも誘電泳動力が働いて薄膜電極２０のギャップ２１に捕捉され、バックグラウンドノイズとして静電容量の増加を検出してしまう。
【００６４】
そこで、演算部８は、前回算出した静電容量と今回算出した静電容量の差、すなわち静電容量の単位時間当たりの変化量を演算し、その都度メモリに格納する。この静電容量の変化量ΔＣが予め設定された閾値以上に達すると、制御手段９は殺菌装置を制御するとか、アラームを発するなど、適宜必要な処置のためのトリガを発生する。
【００６５】
次に、単位時間当たりの静電容量の変化量を測定することで微生物の増殖をモニタリングできる理由について説明する。微生物は、分裂により好適な環境下では指数関数的にその数を増やす。挟雑物のように水中に一定の割合で粒子が存在する場合、ギャップ２１に単位時間当たりに捕捉される数は一定であり、その結果測定される静電容量の変化量も一定の値をとる。一方、境界貯留水中など活発に分裂を繰り返す微生物が存在する場合、ギャップ２１に捕捉される微生物数もそれに応じて指数関数的に増加し、単位時間当たりの静電容量の増加量は、すなわち微生物数の増加量を示すことになり、ひいては微生物増殖度のモニタリング結果となる。このような静電容量の単位時間当たりの変化量ΔＣの一例を図９に示す。
【００６６】
このように、本実施の形態では、「インピーダンスの時間変化」を測定しているが、これは、本質的には微生物の量そのものを示す。つまり、分析を行えば、インピーダンスから微生物の量を求められる。そして、「インピーダンスの時間変化」をモニタすれば、微生物の状態（増殖度）がわかる。
【００６７】
また、図８に示すように、水温が３０〜４０℃程度で微生物が最も好適に増殖する高温時と、それ以下の水温で微生物の増殖が比較的抑えられる低温時では、測定される静電容量Ｃもそれに応じて変化する。すなわち、高温時は急激に静電容量が変化するのに対し、低温時は緩やかな増加となる。
【００６８】
このとき、単位時間当たりの静電容量の変化量ΔＣは、高温時に比べ低温時の変化が低く、同じ閾値設定では低温時の細菌増殖を見逃してしまう結果となる。
【００６９】
そこで、水温に応じた閾値の対応関係を予めメモリに格納しておき、実際の測定時には制御手段９が測定部７を介して温度センサ２３から水温の測定結果を取得し、その水温に応じた閾値をメモリから取得する。この動作を単位時間当たりの静電容量の変化量ΔＣを演算する毎に行うことによって、水温に応じた最適な閾値を設定し、低温時であっても微生物の増殖度を正しくモニタリングすることができる。
【００７０】
このように、本実施の形態では、小型、簡易な構造で、タンク内で最も細菌の増殖が懸念されるタンク内の液体と空気とタンク壁面の境界部分の微生物の増殖度をモニタリングできる。すなわち、タンク内の微生物の増殖を電極間の静電容量の変化量を測定することで検出でき、小型、簡易な構造でありながら、測定感度が高く、また自動測定も可能で、メンテナンスフリーな貯水タンク内微生物モニタリングを実現することができる。
【００７１】
なお、本実施形態の微生物測定装置は、給水タンク等（微生物が存在しないはずのタンク）の監視という用途だけでなく、微生物の数を制御する必要がある用途等にも利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように、本発明は、タンク内の液体と空気との境界部分の微生物の増殖度をモニタリングできるという効果を有し、タンク中の微生物の状態を測定する微生物測定装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態における微生物測定装置の全体構成図
【図２】本発明の実施の形態における微生物測定装置の要部を拡大して示す断面図
【図３】本発明の実施の形態における電極の構成を示す斜視図
【図４】本発明の実施の形態における電極間の電界状態を示す説明図
【図５】本発明の実施の形態における回路接続状態を示す説明図
【図６】本発明の実施の形態における電極間の静電容量の計算方法を示す説明図
【図７】本発明の実施の形態における電極間の静電容量の他の計算方法を示す説明図
【図８】本発明の実施の形態における測定時間と電極間の静電容量の関係を示すグラフ
【図９】本発明の実施の形態における測定時間と電極間の静電容量変化の関係を示すグラフ
【符号の説明】
【００７４】
１  タンク
２  フロート電極
３  ガイド部
４  給水部
５  排水部
６  泳動電源
７  測定部
８  演算部
９  制御手段
１０  貯留水
１１  水面
１２  タンク側壁面
１３  フロート
１４  電極基板
１５  泳動電源供給ライン
２０  薄膜電極
２１  ギャップ
２２  ガイド穴
２３  温度センサ
３０  電気力線
５０  一方の極
５１  他方の極
５２  静電容量
５３  抵抗
５４  時間軸
５５  電圧または電流軸
５６  電流
５７  電圧
【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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