(57)【要約】【課題】圧電振動子を測定対象となる気体または液体中に直接暴露することなく測定可能で、液相中・気相中を問わず安定してセンシング可能なセンシング装置を提供する。【解決手段】所定の周波数で励振される圧電振動子１０と、圧電振動子１０を電気的に発振させる発振回路２０と、抵抗４０とインダクタンス素子５０とが並列接続または直列接続され、発振回路２０の一部を形成する外部容量検出ユニット３０と、を備え、発振回路２０が、圧電振動子１０と外部容量検出ユニット３０を介して接地され、液体または気体中の静電容量の変化を、位相または周波数の変化として出力する。このような構成により、圧電振動子１０を測定対象となる気体または液体中に直接暴露することなくセンシングを行うことができる。この特徴は種々のセンサに対し大きな効果を与える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数で励振される圧電振動子と、
前記圧電振動子を電気的に発振させる発振回路と、
抵抗とインダクタンス素子とが並列接続または直列接続され、前記発振回路の一部を形成する外部容量検出ユニットと、
を備え、
前記発振回路が、前記圧電振動子と前記外部容量検出ユニットを介して接地され、液体または気体中の静電容量の変化を、位相または周波数の変化として出力することを特徴とするセンシング装置。
【請求項２】
前記圧電振動子の発振周波数偏差を、前記外部検知ユニットの容量を変数に持つ多次関数で表したとき、前記多次関数が極大値をとる容量と極小値をとる容量との間で、容量に対する周波数偏差の変化率が３．８４ｐｐｍ／ｐＦ以上となる特性を有し、前記極大値をとる容量と極小値をとる容量との間の区間における前記外部検知ユニットの容量変化に対して極めて敏感な周波数変化を出力可能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、水晶振動子であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセンシング装置。
【請求項４】
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または請求項２記載のセンシング装置。
【請求項５】
前記圧電振動子は、ラム波振動子であることを特徴とする請求項１または請求項２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、物理量計測及び化学計測用のセンシング装置に係り、更に詳しくは、流速センサ、圧力センサ、温度センサ、振動センサ、ガスセンサ、浮遊微粒子、化学センサ、免疫センサ、等として好適なセンシング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電振動子である水晶振動子を用いた微量天秤と呼ばれる水晶振動子微量天秤（Quartz Crystal Microbalance：ＱＣＭ）が注目されている。このＱＣＭは、水晶振動子の電極に物質が付着して生ずる表面の質量を、水晶振動子など周波数変換素子の共振周波数変化として検出するものである。ＱＣＭは、ナノグラム（ng）以下の質量検出が可能であるところから、バイオセンサや化学センサなどとして医学や生化学、食品や環境測定などの広い分野において微量物質の検出に応用されている。
【０００３】
例えば、水晶振動子を気相中の有害化学物質監視装置として、水晶振動子表面に測定対象となる化学物質に特定的に結合する抗体を形成して使用する場合がある。（例えば、特許文献１）従来の水晶振動子を用いたセンシング装置用の発振回路として、センサとしての水晶振動子の基本固有振動数が高くなっても、安定な発振を長期的に持続する方法の一つに、高速ＣＭＯＳからなるインバータを用いて基本周波数の異なる複数の水晶振動子を同じ回路によって発振させる発振回路が提案されている（特許文献２）。
【０００４】
水晶振動子をセンサとして使用するためには、振動子表面へ対象物質の付着に起因する発振周波数変化に対して、広範な周波数可変領域を持つことが望まれる。発振周波数の可変領域を広げる方法の１つとして、ＶＣＸＯ（Voltage Controlled Crystal Oscillator）に見られるように水晶振動子に直列に可変容量素子を挿入し、外部からの電圧の調整により前記可変容量素子の静電容量を変動し、発振周波数を可変する方法がある。
【０００５】
また、水晶振動子を直接センサとして用いないセンシング装置として、ケースに密閉された水晶振動子と、発振回路と、発振ループの一部であり一対の導体板を備えた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センシング装置が提案されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開２００２−４８７９７号公報。
【特許文献２】特開２００１−２８９７６５号公報。
【特許文献３】特開２００６−３２２８８７号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のようなセンシング装置は、発振周波数源自体である振動子の表面に測定物質を吸着させ、振動子を気相中または液相中に直接暴露するため、金属パッケージやセラミックパッケージ内に振動子を密閉して使用する通信向け圧電振動子に比べ、発振周波数の安定度が極めて劣る。さらには、その振動子の劣化が避けられない。
【０００７】
また、上記のＶＣＸＯのような可変容量素子を挿入して発振周波数の可変域を広げる方法においては、センシング装置として利用するに充分に広範な可変領域が得られない。
【０００８】
特許文献２においては、実施例に気相中におけるセンシングのデータのみ掲載されており、特許文献２に示される発振回路を用いて充分に安定した発振が可能か確認できない。
【０００９】
特許文献３においては、発明を実施するために最良の形態にセンシング装置の等価回路のみ掲載され具体的な回路構成が明らかにされておらず、特許文献３に示されるセンシング装置で高精度なセンシングが可能か確認できない。
【００１０】
さらに特許文献３においては、実施例に使用した水晶振動子の発振周波数、周波数安定度、回路構成、回路定数が明確にされていない。また、実施例に検知対象として液体のエチルアルコール（比誘電率εs=25）と水（比誘電率εs=80）を使用した比誘電率変化を周波数変化として捉える実験結果が示されているが、この２つの液体は種々の液体の中でも極めて比誘電率が大きく検知が容易と考えられ、この実施例から特許文献３に示されるセンシング装置で高精度な誘電率測定が可能か確認できない。
【００１１】
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、振動子を対象物質の存在する気体中または液体中に直接露出することなくセンシング可能で、高い安定度を維持して発振可能な発振回路を備え、液相中、気相中を問わず使用できる高精度センシング装置が提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するため、本発明のセンシング装置は、所定の周波数で励振される圧電振動子と、前記圧電振動子を電気的に発振させる発振回路と、抵抗とインダクタンス素子とが並列接続または直列接続され、前記発振回路の一部を形成する外部容量検出ユニットと、を備え、前記発振回路が、前記圧電振動子と前記外部容量検出ユニットを介して接地され、液体または気体中の静電容量の変化を、位相または周波数の変化として出力することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明のセンシング装置において、前記圧電振動子の発振周波数偏差を、前記外部検知ユニットの容量を変数に持つ多次関数で表したとき、前記多次関数が極大値をとる容量と極小値をとる容量との間で、容量に対する周波数偏差の変化率が３．８４ｐｐｍ／ｐＦ以上となる特性を有し、前記極大値をとる容量と極小値をとる容量との間の区間における前記外部検知ユニットの容量変化に対して極めて敏感な周波数変化を出力可能であることが好適である。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【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、ラム波振動子であることが好適である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、圧電振動子を測定雰囲気中に暴露させることなく、金属パッケージやセラミックパッケージ内に密閉したまま使用することにより、高安定な周波数データを得ることができ、圧電振動子を用いた化学物質の識別及び物理量の測定の感度を飛躍的に向上させることができる。
【００１８】
従来のセンシング装置では、振動子を暴露した状態で発振させ測定するため、振動子に与える外的ストレスが無視できず、周波数測定データに外的ストレスに起因する周波数変動が含まれてしまいデータの信頼性が低かった。これに対し、本発明のセンシング装置はパッケージで高密封度に封止された振動子を使用でき、高信頼度の材料により構成されるインピーダンス測定用の外部検知ユニットを備え、同ユニットより発振ループに取り込んだインピーダンスの変化を周波数変化として測定するため、測定の信頼性を劇的に向上させることが可能である。
【００１９】
また、外部検知ユニットの構造は測定対象に応じた自由に最適の構造を選択できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は本発明の実施形態に関わるセンシング装置１００の一例を示す図である。センシング装置１００は、圧電振動子１０と、発振回路２０と、外部検知ユニット３０と、抵抗４０と、インダクタンス素子５０と、を備えたセンシング装置である。発振回路２０は圧電振動子１０と外部検知ユニット３０を介して接地され、外部検知ユニット３０は抵抗４０およびインダクタンス素子５０と並列接続されている。このように、抵抗とインダクタンス素子とが外部検知ユニット３０と並列接続または直列接続されているため、簡易に発振回路２０を構成することができる。
【００２１】
また、図１の発振回路２０は一般的なコルピッツ型トランジスタ発振回路により構成されている。Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４はそれぞれコンデンサであり、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５はそれぞれ抵抗であり、ＴＲ１１とＴＲ１２はｎｐｎ型トランジスタである。発振回路２０は、圧電振動子１０と外部容量検出ユニット３０を介して接地され、液体または気体中の静電容量の変化を、位相または周波数の変化として出力する。これにより、測定の信頼性を劇的に向上させることが可能である。発振回路２０はピアース型トランジスタ発振回路、クラップ型トランジスタ発振回路、バトラー型トランジスタ発振回路、ハートレー型トランジスタ発振回路、ゲート型インバーター発振回路のいずれであってもよく、発振回路として安定した動作が可能であればよい。発振回路２０は、これらの型式の回路のみに限定するものではなく図１に示す発振回路は単なる実施形態にすぎない。なお、Ｖｃｃは電源電圧を示しており、ＯＵＴは出力端子を示している。
【００２２】
図２は本発明の実施形態に関わるセンシング装置１００の等価回路２００を示す図である。圧電振動子１０は等価直列インダクタンスＬ１と等価直列容量Ｃ１と等価直列抵抗Ｒ１と電極間容量Ｃ０とを備える。等価直列インダクタンスＬ１と等価直列容量Ｃ１と等価直列抵抗Ｒ１とが直列接続され、さらにこれらは電極間容量Ｃ０に並列接続される。発振回路２０の等価回路は負性抵抗Ｒｃｉと直列接続される負荷容量Ｃｃｉで示される。
【００２３】
図３は等価回路２００の外部検知ユニット３０と、抵抗４０と、インダクタンス素子５０と、を等価回路変換した等価回路３００を示す図である。合成直列抵抗Ｒｘと直列接続された合成直列容量Ｃｘはそれぞれ、外部検知ユニット３０と、抵抗４０と、インダクタンス素子５０と、を直列等価回路変換して得られている。ＲｘとＣｘはそれぞれ（１）式、（２）式で示される。
【数１】
2008275504.tif 000003
【数２】
2008275504.tif 000004
【００２４】
（１）式と（２）式内のＱａとωａはそれぞれ（３）式、（４）式、で示される。
【数３】
2008275504.tif 000005
【数４】
2008275504.tif 000006
【００２５】
（１）式〜（４）式内のωは圧電振動子１０の角周波数、Ｌａはインダクタンス素子５０のインダクタンス、Ｒａは抵抗４０の抵抗、Ｃａは外部検知ユニット３０の容量である。さらに合成容量性インピーダンスＣＬは合成直列抵抗Ｒａと合成直列容量Ｃａと負荷容量Ｃｃｉを合成して得た。ＣＬは（５）式で示される。
【数５】
2008275504.tif 000007
【００２６】
上記のような等価回路を用いて、本発明の実施形態に関わるセンシング装置１００のＣａを可変した際の周波数偏差ＤＬの特性をシミュレーションした結果を図４に示す。シミュレーションの周波数偏差ＤＬは式（６）を用いて算出した。シミュレーション条件はＲａ＝１．５ｋΩ、Ｌａ＝８．２μＨ、Ｃ０＝１．５ｐＦ、Ｃ１＝４．６ｆＦ、ω＝２π×４．９１５ＭＨｚ、Ｃｃｉ＝７０ｐＦ、とした。
【数６】
2008275504.tif 000008
【００２７】
式（６）内のγは式（７）で示される。
【数７】
2008275504.tif 000009
【００２８】
続いて、シミュレーション結果と実際の回路を用いた特性を比較した。実際の回路を用いて本発明の実施形態に関わるセンシング装置１００のＣａを可変した際の周波数偏差ＤＬの特性を測定した結果を図４に併せて示す。回路定数は、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子について４．９１５ＭＨｚ：Ｃ０＝１．５ｐＦ、Ｃ１＝４．６ｆＦ、Ｒ１＝４５Ω、Ｌ１＝２３０ｍＨとし、Ｒａ＝１．５ｋΩ、Ｌａ＝８．２μＨ、Ｃ１１＝Ｃ１４＝０．１μＦ、Ｃ１２＝Ｃ１３＝１３１ｐＦ、Ｒ１１＝Ｒ１５＝８２０Ω、Ｒ１２＝７．５ｋΩ、Ｒ１３＝６．８ｋΩ、Ｒ１４＝２．４ｋΩとした。圧電振動子１０は、シミュレーションにより圧電振動子１０の発振周波数偏差を、外部検知ユニット３０の容量を変数に持つ多次関数で表したとき、多次関数が極大値をとる容量と極小値をとる容量との間で、容量に対する周波数偏差の変化率が３．８４ｐｐｍ／ｐＦ以上となる特性を有している。前記容量に対する周波数偏差の変化率は、抵抗４０の抵抗Ｒａに依存するため、Ｒａを可変することにより周波数偏差の変化率を調整することが可能である。これにより、圧電振動子１０は、極大値をとる容量と極小値をとる容量との間の区間における外部検知ユニット３０の容量変化に対して極めて敏感な周波数変化を出力可能である。
【００２９】
測定の結果、本発明の実施形態にかかるセンシング装置１００のＣａを可変した際の周波数偏差ＤＬは、Ｃａが１００ｐＦ以上１５０ｐＦ以下で極めて急峻な変化することが確認された。特に実際の回路はＣａが１１１ｐＦ以上１２０ｐＦ以下で周波数偏差ＤＬが極めて急峻な変化をすることが判り、この部分を用いてセンシングを行うことで高精度測定が可能になることが確認された。
【実施例１】
【００３０】
以下に、本発明のセンシング装置としての有効性を、図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは、特定的な記載が無い限り、発明の範囲をそれのみに限定せず、単なる実施例にすぎない。また、圧電振動子は、ＡＴカット水晶振動子、逆メサ型ＡＴカット水晶振動子、ＳＣカット水晶振動子、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）振動子、ラーメモード（輪郭振動モード）水晶振動子またはラム波水晶振動子のいずれであってもよい。
【００３１】
図５に、実施例に用いたガスセンシング実験装置図を示す。ガスセンシング実験装置４００はガス集気瓶６１と、センシングセル６２と、検知対象ガス６３と、ガス発生器６４と、ガスフロー用窒素ガスボンベ６５と、周波数カウンター６６と、パーソナルコンピューター６７と、センシング装置１００と、を備えたガスセンシング実験装置である。窒素ガスボンベ６５から配管チューブを介してガス発生器６４に導入した窒素ガスは、検知対象ガス６３の液体をバブリング法により気化させる。発生した気体の検知対象ガス６３は配管チューブを介してセンシングセル６２に導入される。
【００３２】
センシング装置１００により測定された測定データは、周波数カウンター６６を介してパーソナルコンピューター６７で記録される。センシングセル６２から排出された窒素と検知対象ガスの混合気体は、ガス集気瓶６１を介してろ過され排気される。センシング装置１００は圧電振動子１０と、発振回路２０と抵抗４０とインダクタンス素子５０とから構成される発振回路２１と、外部検知ユニット３０と、を備えたセンシング装置である。外部検知ユニット３０は２枚のアルミ板（９０ｍｍ×１５０ｍｍ）を並行に並べた並行平板コンデンサである。２枚のアルミ板の極板間距離を適切に調整することにより、空気中での外部検知ユニット３０の静電容量を１１５ｐＦに設定した。検知対象ガス６３にはアセトアルデヒドを選択し、窒素ガスは１０２ｍＬ/ｍｉｎでフローした。実験装置内温度は常に２１℃で一定に保持した。
【００３３】
以下の実験手順を行った。センシング装置１００を動作させた状態で、窒素ガスを単独で２０分間センシングセル６２に導入した。その後に、再度窒素ガスをガス発生器６４に導入して発生させたアセトアルデヒドをセンシングセル６２に１０分間導入した。その後再度窒素ガスを単独で３０分間センシングセル６２に導入した。
【００３４】
図６にガスセンシング実験の結果のグラフを示す。窒素ガス単独ではセンシング装置１００は応答していないが、アセトアルデヒドが導入されると敏感に応答し最大６．１ｐｐｍ（３０Ｈｚ）の周波数変化を記録した。アセトアルデヒド導入から２０分後に再度窒素ガスを単独で導入されると、アセトアルデヒドがセンシングセル６２から排出され発振周波数が元に戻っていく様子が観測された。
【００３５】
本実験で用いたアセトアルデヒド（気体）の比誘電率は２０℃で１．０２１３であり、窒素（気体）の比誘電率は２０℃で１．０００５４８である。この２つのガスの比誘電率の差は０．０２０８にすぎず、上記の実験結果は極めて微小な比誘電率の差を本発明のセンシング装置が検知可能なことを示している。特許文献３においては、液体のエチルアルコール（比誘電率εs=25）と水（比誘電率εs=80）を使用した比誘電率変化を周波数変化として捉えた実験の結果、液体のエチルアルコールとの比誘電率の差が５５であるのに対し周波数変化が約２５００Ｈｚであることが示されている。しかし、上記のように本発明のセンシング装置は、特許文献３に記載の測定された比誘電率の差と比較して約2650分の1も小さい比誘電率の差を検出可能であり、極めて高いセンシング能力を持つことが示された。
【００３６】
以上に示す様なセンシング装置の構成を行うことにより、液中、気体中を問わず高精度の比誘電率測定を容易に行うことができる。これらの特徴は、採用する水晶振動子がＱＣＭ（水晶振動子を用いる微少質量測定）一辺倒のセンサ分野に対し大きな効果を与え、これらの分野の技術発展に期待を与えるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係るセンシング装置を表す回路図である。
【図２】本発明に係るセンシング装置を表す等価回路図である。
【図３】本発明に係るセンシング装置を表す等価回路図の一部を等価回路変換した回路図である。
【図４】本発明に係るセンシング装置の外部検知ユニットの容量を変化させた時の圧電振動子の発振周波数の変化をシミュレーションした結果と、外部検知ユニットの容量を変化させた時の実験結果と、を示す図である。
【図５】本発明に係るセンシング装置を用いたガスセンシング実験の実験装置図である。
【図６】ガスセンシング実験を行った時の発振周波数の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  圧電振動子
２０  発振回路
２１  発振回路
３０  外部検知ユニット
４０  抵抗
５０  インダクタンス素子
６１  ガス集気瓶
６２  センシングセル
６３  検知対象ガス
６４  ガス発生器
６５  ガスフロー用窒素ガスボンベ
６６  周波数カウンター
６７  パーソナルコンピューター
１００  センシング装置
２００、３００  センシング装置の等価回路
４００  ガスセンシング実験装置
Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４  コンデンサ
Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５  抵抗
ＴＲ１１とＴＲ１２  ｎｐｎ型トランジスタ
Ｖｃｃ  電源電圧
ＯＵＴ  出力端子
Ｌａ  インダクタンス素子のインダクタンス
Ｒａ  抵抗（合成直列抵抗）
Ｃａ  外部検知ユニットの容量（合成直列容量）
Ｌ１  等価直列インダクタンス
Ｃ１  等価直列容量
Ｒ１  等価直列抵抗
Ｃ０  電極間容量
Ｒｃｉ  負性抵抗
Ｃｃｉ  負荷容量
Ｒｘ  合成直列抵抗
Ｃｘ  合成直列容量
ω  圧電振動子の角周波数
ＣＬ  合成容量性インピーダンス
ＤＬ  周波数偏差
【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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