(57)【要約】【課題】  振動子をケース内に密閉して使用し、高い安定度を維持してセンシングを行うことができ、しかも高いセンシング感度を得るセンシング装置を提供する。【解決手段】  固有の発振周波数を有する圧電振動子と発振ループの一部を回路の外に形成する外部接続端子とを有し、圧電振動子により電気的な発振を行う発振回路と、一対の導体板を有し、外部接続端子により発振回路に接続され、導体板間の容量の変化を検出する検出用外部ユニットと、を備え、検出用外部ユニットの電気的インピーダンスまたはアドミタンスの変化を発振ループ内に取り込み、発振回路から出力される位相または周波数の変化を測定する【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固有の発振周波数を有する圧電振動子と発振ループの一部を回路の外に形成する外部接続端子とを有し、前記圧電振動子により電気的な発振を行う発振回路と、
一対の導体板を有し、前記外部接続端子により前記発振回路に接続され、前記導体板間の容量の変化を検出する検出用外部ユニットと、を備え、
前記検出用外部ユニットの電気的インピーダンスまたはアドミタンスの変化を発振ループ内に取り込み、前記発振回路から出力される位相または周波数の変化を測定することを特徴とするセンシング装置。
【請求項２】
前記圧電振動子は、水晶振動子であることを特徴とする請求項１記載のセンシング装置。
【請求項３】
前記圧電振動子は、SAW振動子であることを特徴とする請求項１記載のセンシング装置。
【請求項４】
前記圧電振動子は、マイクロストリップラインまたはマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム技術により構成される振動子であることを特徴とする請求項１記載のセンシング装置。
【請求項５】
前記検出用外部ユニットに並列接続される、キャパシタンス要素またはインダクタンス要素をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のセンシング装置。
【請求項６】
前記検出用外部ユニットに直列接続される、キャパシタンス要素またはインダクタンス要素をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のセンシング装置。
【請求項７】
前記検出用外部ユニットは、前記導体板の一方が接地されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のセンシング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量のセンシングを行うセンシング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学・医学情報のセンシング装置には、QCM（=Quartz Crystal Microbalance）、即ち水晶振動子の電極面上に特定の物質の吸着膜を構成、発振回路と接続し発振させ発振周波数を測定、同吸着膜に吸着する物質量を周波数の変化量で予測する方法を用いたものがある。
【０００３】
同方法は1959年Sauerberyにより提案された。水晶振動子の厚みに対し十分に薄く均一な被膜によって質量変化：Δm[g]が生じた場合、共振周波数の変化：ΔF[Hz]は（1）式で与えられるとしている。
【０００４】
【数１】
2006322887.tif 000003
ここで、F0[MHz]は基本周波数、N[Hz・cm]は振動数定数、A[cm2]は電極面積、ρ[g・cm-3]は水晶の密度を表す。
【０００５】
このようなセンシング装置の中には、水晶振動子の共振周波数の変化から水晶振動子上の被着物の微量な質量変化を測定する水晶振動子マイクロバランス装置がある（たとえば特許文献１参照）。図１８は、特許文献１に記載されている水晶振動子マイクロバランス装置１００である。水晶振動子マイクロバランス装置１００は、オーバートーン発振器１１２、オーバートーンAt-Cut水晶振動子１１３、圧膜モニタ本体１１４、拡散真空ポンプ１１５、蒸着ボード１１６、ベルジャー１１７を備えている。
【０００６】
水晶振動子マイクロバランス装置１００は、真空装置での蒸着膜厚の実時間モニタを示すもので、高感度QCM法として、水晶振動子１１３をオーバートーン発振させ、検出周波数を高くすることにより感度を上げている。
【０００７】
水晶振動子１１３は、直径9mm、厚み0.083mmのAT-Cut水晶板の両面にクロム/金（厚さ500Å）の電極を蒸着したものである。このような水晶振動子１３においては、（1）式で示されるように、基本周波数：F0が高いほどその周波数変化が大きくなる、即ち検出感度が高くなる。基本周波数と振動子の厚みの関係は（2）式で示される。
【０００８】
【数２】
2006322887.tif 000004
ここで、nはオーバートーン次数、K［MHz・mm］は振動子のカットアングルによって決まる定数、ｔ[mm]は振動子板の厚みを表す。
【０００９】
ここでオーバートーン次数nは1・3・5・・の奇数をとることが可能であり、一般には5次までであれば、振動子は容易に発振可能である。なお、周波数によっては9次まで発振可能な場合もある。一般に良く使用されるAT-CutのK定数は(3)式で示される。
【００１０】
【数３】
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（3）式より10MHzの周波数でオーバートーン次数nを１として原発振で発振させた場合の厚みはt=0.166mmとなる。5次オーバートーン発振（n=5）では同一の厚みで約50MHzを得ることができる。このとき、質量変化に対する周波数変化量は（1）式より25倍となり、同検出感度も25倍となることを示している。
【００１１】
特許文献１では、At-Cut振動子を用いてオーバートーン発振を行い検出感度=0.023ng/cｍ2・Hzを得たことを示している。
【特許文献１】特許第３００３８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記のようなセンシング装置は、振動子の振動を促す電極面に測定物質を吸着させ、振動子を発振回路で発振させその周波数を測定することで微少物質量を測定し、気相中、液相中に振動子を裸のまま放置するため、振動子をケース内に密閉して使用する通信用振動子に比べ、極端にセンシングの安定度が低下する。
【００１３】
また、上記のようなセンシング装置では、振動子を消耗品として使用することになり、高コストとなってしまう。
【００１４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、振動子をケース内に密閉して使用し、高い安定度を維持してセンシングを行うことができ、しかも高いセンシング感度を得るセンシング装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するため、本発明のセンシング装置は、固有の発振周波数を有する圧電振動子と発振ループの一部を回路の外に形成する外部接続端子とを有し、前記圧電振動子により電気的な発振を行う発振回路と、一対の導体板を有し、前記外部接続端子により前記発振回路に接続され、前記導体板間の容量の変化を検出する検出用外部ユニットと、を備え、前記検出用外部ユニットの電気的インピーダンスまたはアドミタンスの変化を発振ループ内に取り込み、前記発振回路から出力される位相または周波数の変化を測定することを特徴としている。
【００１６】
また、本発明のセンシング装置において、前記圧電振動子は、水晶振動子であることが好適である。
【００１７】
また、本発明のセンシング装置において、前記圧電振動子は、SAW振動子であることが好適である。
【００１８】
また、本発明のセンシング装置において、前記圧電振動子は、マイクロストリップラインまたはマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム技術により構成される振動子であることが好適である。
【００１９】
また、本発明のセンシング装置は、前記検出用外部ユニットに並列接続される、キャパシタンス要素またはインダクタンス要素をさらに備えることが好適である。
【００２０】
また、本発明のセンシング装置は、前記検出用外部ユニットに直列接続される、キャパシタンス要素またはインダクタンス要素をさらに備えることが好適である。
【００２１】
また、本発明のセンシング装置において、前記検出用外部ユニットは、前記導体板の一方が接地されていることが好適である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のセンシング装置によれば、振動子をケース内に密閉して使用することにより、高い安定度を維持してセンシングを行うことができ、化学物質の分類及び質量また物理量を高い感度で検出することができる。
【００２３】
従来のセンシング装置では振動子そのものを裸のまま、測定する気体・液体中に置き、発振させ測定するため、振動子に与えるストレスも大きく測定の信頼性が落ちる。これに対し、本発明のセンシング装置は振動子を高い密封度でケース内に収納でき、インピーダンス測定用の金属等による外部ユニットを設け、同ユニットを発振ループと結合し、インピーダンスの変化を周波数変化とし測定する。このため、測定における振動子の信頼性を非常に高くすることができる。
【００２４】
外部ユニットを信頼性の高い金属等で構成することにより、センシング装置の信頼性を高めることができる。
【００２５】
また、外部ユニットは測定対象により自由に最適の構造を選択できる。これにより、従来のQCM測定方法に比べ測定対象を拡張できると共に高い精度で測定可能であり、これからの化学的・物理的測定分野に大きな発展を与えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００２７】
図１は、本発明のセンシング装置１ａのブロック図である。センシング装置１ａは、発振器１および外部ユニット３から構成されている。発振器１の内部には、発振回路２が設けられている。発振回路２には、外部より電源（VCC）、接地（GND）、と発振器出力（OUT）が接続されている。
【００２８】
発振回路２は、所定の発振周波数で発振が行われるように、圧電振動子（図示せず）を備えている。圧電振動子とは、水晶を代表とする結晶材料の特定の結晶軸方向に圧力を加えると、特定の軸方向に電荷が発生する現象を持つ振動子である。圧電振動子としては、水晶振動子、ＳＡＷ振動子、またはマイクロストリップラインもしくはマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム技術（MEMS= Micro Electro Mechanical Systems）により構成される振動子を用いるのが好適である。
【００２９】
水晶振動子とは、上記圧電振動子の一つで、水晶の圧電素子を専用容器に組み込んだものである。ＳＡＷ振動子とは圧電体の表面に電極が正負交互に並べられた構造を持ち、表面が波状の振動をする（表面弾性波）振動子である。マイクロストリップラインとはマイクロ波を用いたユニット内の、回路、部品の接続に用いられるもので、プリント基板上の片面がグラウンド、上面が信号ラインとなっているものである。ＭＥＭＳとはマイクロ（マイクロは100万分の１）メートルサイズまで微細化する技術によって加工された電気系、機械系の部品や機構である。
【００３０】
圧電振動子の周辺には、ケースが設けられ、外部の影響を受け難いように保護されている。このように、圧電振動子をケース内に密閉して使用することにより、高い安定度を維持してセンシングを行うことができ、化学物質の分類及び質量また物理量を高い感度で検出することができる。
【００３１】
発振回路２には発振ループより２つの出力が設けられ、発振器１の外部接続端子４に接続されている。外部接続端子４により、発振器１は、インピーダンスまたはアドミタンス測定用の外部ユニット３（検出用外部ユニット）に接続されている。
【００３２】
図２は、外部ユニット３の構造を示す概念図である。外部ユニット３は、各外部接続端子４に接続され、容量を形成する一対の導体板により構成されている。外部ユニット３は、その内部の気体あるいは液体の誘電率および導伝率によるインピーダンスまたはアドミタンスによる周波数の変化を測定し、物質の種類、同物質の質量、また物理量を検出する。
【００３３】
このように外部ユニット３により検出を行うため、発振の機能を有する圧電振動子そのものを裸のまま、測定対象の気体または液体中に置いて測定する必要がなくなるため、ケース等を設けて圧電振動子に与えるストレスを小さくし、測定の信頼性を向上することができる。具体的には、圧電振動子を高い密封度でケース内に収納でき、インピーダンス測定用の金属等による外部ユニットを設け、同ユニットを発振ループと結合し、インピーダンスの変化を周波数変化として測定する。このため、測定における振動子の信頼性を非常に高くすることができる。
【００３４】
なお、外部ユニット３を信頼性の高い金属等で構成することにより、センシング装置１ａの信頼性を高めることができる。また、外部ユニット３は測定対象により自由に最適の構造を選択できる。これにより、従来のQCM測定方法に比べ測定対象を拡張できると共に高い精度で測定可能であり、これからの化学的・物理的測定分野に大きな発展を与えることができる。
【００３５】
図３は、外部接続端子４の一端を接地（アース）とするセンシング装置１ｂのブロック図である。センシング装置１ｂは、接地と端子間のインピーダンスまたはアドミタンスによる周波数の変化を測定し、物質の分類、同物質の質量、また物理量を検出する。
【００３６】
図１および図２のブロック図の等価回路として、図4に、センシング装置の等価回路を示す。
【００３７】
（4）式は、インダクタンスL1を有する振動子直列インダクタンス要素７および容量C1を有する振動子直列容量要素６からなる回路の共振周波数である。（４）式は、直列共振周波数からの発振周波数偏差DLを示し、（5）式は単位容量当りの変化量ｄDL/ｄCxを示す。
【００３８】
【数４】
2006322887.tif 000006
【００３９】
【数５】
2006322887.tif 000007
（５）式のC0は振動子並列容量要素８の容量、Caは付加容量要素１０の容量、Ccは発振回路容量要素の容量要素9の容量、Cxは外部ユニット３の電極間容量要素５の容量である。
【００４０】
図5に（5）式のシミュレーション結果を示す。図5より、外部ユニット３の静電容量を小さくすることによって、周波数変化が大きくなり、センシング感度が高まることがわかる。
【００４１】
即ち、周波数を26MHzとし、At-Cut振動子：γ容量比(=196)、C0=3.15pF、を用いた発振回路２で、回路容量をCc=30pFとすると、外部ユニット容量が10pFの場合に素子感度=‐20ppm/pF、1pFで素子感度=‐110ppm/pFを得ることができる。
【００４２】
次に、外部ユニット３の電極を２枚の金属板で構成するとき、電極板５ａと電極板５ｂとの間の容量は（6）式で示される。
【００４３】
【数６】
2006322887.tif 000008
ここで、ε0は真空の誘電率、εsは比誘電率、dは極板間距離、Sは極板面積をあらわす。
【００４４】
たとえば、図６に示すように、外部ユニット３を、電極板の一辺の長さW=0.1m電極板面積S=W×Ｗ＝0.1×0.1=0.01ｍ2、極版間距離ｄ＝0.05ｍ、ε0＝8.85pF/mである構造とすると、電極間容量Ｃｘは（7）式で与えられる。
【００４５】
【数７】
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また、比誘電率に対する周波数変化は（5）式及び（7）式より（8）式で示される。
【００４６】
【数８】
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（8）式のシミュレーション結果を図７に示す。
【００４７】
図８は、主要な物質の比誘電率を示す表である。図８の比誘電率表より、比誘電率εs=１近傍ではdDL/dεs≒130ppmとなる。即ち気体を対象とした場合、気体の分類による変化量はΔεs≒0.0001となり、その変化量はΔDL≒0.013ppmであり、周波数換算で約0.3Hzである。この周波数の変化量は、測定可能範囲であることがわかる。
【００４８】
また、液体では比誘電率が2より大きく、その分類による変化量はΔεs≒0.1程度である。その変化量はΔDL≒13ppmであり、周波数換算≒340Hzである。したがって、この周波数の変化量であれば、測定が容易であることがわかる。
【００４９】
次に、外部ユニット３の変化に素子感度を上げる方法として、図9に示す様に外部接続端子と並列にインダクタLaのインダクタ要素１１を挿入する手段がある。
【００５０】
周波数偏差は（9）式で与えられ、外部ユニット３の容量変化に対する素子感度：dDL/dCxは（11）式で与えられる。
【００５１】
【数９】
2006322887.tif 000011
ωaは（10）式で与えられる。また、ω0は共振角周波数である。
【００５２】
【数１０】
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【００５３】
【数１１】
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また、外部ユニット３内の比誘電率対周波数偏差の関係は（12）式に示される。
【００５４】
【数１２】
2006322887.tif 000014
図11に、（12）式のシミュレーション結果を示す。
【００５５】
外部接続端子に接続するインダクタ要素のインダクタLaが7μHで比誘電率がεs=１近傍ではdDL/dεs≒50000ppmとなり、インダクタ要素を挿入することにより素子感度を非常に大きくすることができる。
【００５６】
例えば、気体を対象とした場合、気体の分類による変化量はΔεs≒0.0001となり、その変化量がΔDL≒5ppm、周波数換算が約130Hzで容易に測定可能となることがわかる。
【００５７】
図12に、外部ユニットに容量Caの付加容量要素１０を並列接続し、回路にインダクタLcのインダクタ要素１１ａを接続したセンシング装置の等価回路を示す。
【００５８】
（13）式は直列共振周波数からの発振周波数偏差を示し、（14）式は単位容量当りの変化量を示す。
【００５９】
【数１３】
2006322887.tif 000015
【００６０】
【数１４】
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図13に、（14）式のシミュレーション結果を示す。外部ユニット３の容量が1pFの場合に、素子感度‐200ppm/pFを得ることができることが示されている。
【００６１】
また、外部ユニット３内の比誘電率対周波数偏差の関係は（15）式に示される。
【００６２】
【数１５】
2006322887.tif 000017
図14に、（15）式のシミュレーション結果を示す。
【００６３】
外部接続端子４に接続するインダクタ要素１１ａのインダクタLaが8μHで比誘電率がεs=１近傍では、dDL/dεs≒550ppmとなり、インダクタ要素を挿入することにより素子感度を大きくすることができるのがわかる。
【００６４】
例えば、気体を対象とした場合、気体の分類による変化量はΔεs≒0.0001となり、その変化量がΔDL≒0.055ppmで、周波数換算が約1.43Hzとなり、容易に測定可能であることがわかる。
【実施例】
【００６５】
図１の外部ユニット３を電極間容量の値があらかじめ分かっているセラミックコンデンサに置き換え、容量変化に伴う水晶振動子の発振周波数を測定した。図１５は、実験装置の概略図である。
【００６６】
測定手順を以下に示す。
【００６７】
（ａ）金属等を使用した、二枚の電極板１９を平行にし、外部ユニット３を作製する。（ｂ）電極板１９と外部接続端子４を配線する。（ｃ）図16のように、周波数測定装置２１、電極板１９、発振器１を配線する。（ｄ）液体２０を入れた容器１８に（a）で配置した電極板１９を挿入する。（ｅ）周波数測定装置２１で、周波数変化を測定する。
【００６８】
周波数測定装置２１、発振器１についての詳しい説明を記述する。周波数測定装置２１とは周波数カウンタ、インピーダンスアナライザーのことである。
【００６９】
図１６に上記の測定結果を示す。図１６より静電容量が小さいほど、発振周波数が指数関数的に増加していることが分かる。したがって、より静電容量が小さい状態を達成できる外部ユニット３を作製すれば、より高分解能・高感度の測定が可能になる。
【００７０】
これらの結果を元に、実験を行い作製した電極板１９を用いて液体２０の種類を判別可能であること示した。
【００７１】
実験手順を以下に示す。
【００７２】
図１５の実験系を用いて、液体２０に蒸留水、メタノールの二種類をそれぞれ用いて、電極板１９を液体２０に浸したときの発振周波数を測定し、物質による発振周波数の違いがあるか検討した。
【００７３】
実験結果を図１７に示す。図１７より明らかに液体２０の違いにより発振周波数が異なることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係るセンシング装置のブロック図である。
【図２】外部ユニットの構造図である。
【図３】本発明に係るセンシング装置のブロック図である。
【図４】本発明に係るセンシング装置の等価回路図である。
【図５】本発明に係るセンシング装置の等価回路のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】外部ユニットの構造例を示す斜視図である。
【図７】比誘電率対周波数変化量の関係についてのシミュレーション結果を示す図である。
【図８】各物質の誘電率表である。
【図９】本発明に係るセンシング装置の等価回路図である。
【図１０】本発明に係るセンシング装置の等価回路のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】本発明に係るセンシング装置の等価回路のシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】本発明に係るセンシング装置の等価回路図である。
【図１３】本発明に係るセンシング装置の等価回路のシミュレーション結果を示す図である。
【図１４】本発明に係るセンシング装置の等価回路のシミュレーション結果を示す図である。
【図１５】実験装置の概略図である。
【図１６】外部ユニットの容量変化に対する周波数を測定した測定結果を示す図である。
【図１７】メタノールおよび蒸留水の周波数降下測定結果を示す図である。
【図１８】従来のセンシング装置を示す構成図である。
【符号の説明】
【００７５】
１ａ、１ｂ  センシング装置
１  発振器
２  発振回路
３  外部ユニット
４  外部接続端子
５  電極間容量要素
５ａ  電極板
５ｂ  電極板
６  振動子直列容量要素
７  振動子直列インダクタンス要素
８  振動子並列容量要素
9  発振回路容量要素
１０  付加容量要素
１１  インダクタ要素
１１ａ  インダクタ要素
１８  容器
１９  電極板
２０  液体
２１  周波数測定装置
C1  振動子直列容量要素の容量
Ca  付加容量要素の容量
Ｃｘ  電極間容量
ｄDL/ｄCx  単位容量当りの発振周波数偏差の変化量
DL  発振周波数偏差
L1  振動子直列インダクタンス要素のインダクタンス
La  外部接続端子に接続するインダクタ要素のインダクタ
Lc  インダクタ要素のインダクタ
εs  比誘電率
【図１】
2006322887.tif 000018
【図２】
2006322887.tif 000019
【図３】
2006322887.tif 000020
【図４】
2006322887.tif 000021
【図５】
2006322887.tif 000022
【図６】
2006322887.tif 000023
【図７】
2006322887.tif 000024
【図８】
2006322887.tif 000025
【図９】
2006322887.tif 000026
【図１０】
2006322887.tif 000027
【図１１】
2006322887.tif 000028
【図１２】
2006322887.tif 000029
【図１３】
2006322887.tif 000030
【図１４】
2006322887.tif 000031
【図１５】
2006322887.tif 000032
【図１６】
2006322887.tif 000033
【図１７】
2006322887.tif 000034
【図１８】
2006322887.tif 000035