(57)【要約】　　　（修正有）【課題】複数の水晶発振器センサ（１０ａ−１０ｃ）を備える水晶発振器システムにおいて、センサから空気を介して伝達される電磁放射を防止することにより、センサが相互に干渉しあうことを防止する。【解決手段】各水晶発振器センサ（１０ａ−１０ｃ）は、外表面を接地された導電性シールド（２４ａ−２４ｃ）により個々に包囲する。【選択図】　　　図５
2004040139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ・システムにおいて、ガスケットまたはＯ−リングで取り付けられた２つ以上の水晶発振器センサ（１０ａ−１０ｃ）間の信号結合を防止する方法であって、
前記センサ（１０ａ−１０ｃ）の各々に、該センサを実質的に包囲する個々の独自の導電性シールド（２４ａ−２４ｃ）を設けるステップと、
前記導電性シールド（２４ａ−２４ｃ）を接地するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記センサ（１０ａ−１０ｃ）の各々に、該センサを実質的に包囲する個々の独自の導電性シールド（２４ａ−２４ｃ）を設ける前記ステップが、
非導電性材料からセンサ・セル（１８）を作るステップと、
前記センサ・セル（１８）の実質的に全ての外表面を導電性材料で覆うステップと、
を含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
ガスケットまたはＯ−リングで取り付けられた複数のセンサ（１０ａ−１０ｃ）を含む水晶発振器センサ・システムであって、
前記センサ（１０ａ−１０ｃ）の各々が導電性シールド（２４ａ−２４ｃ）により個々にシールドされ、
前記導電性シールド（２４ａ〜２４ｃ）が接地される
ことを特徴とする水晶発振器センサ・システム。
【請求項４】
複数のセル（１８）を備え、前記セル（１８ａ−１８ｃ）の各々の外表面が、導電性材料から作られた導電性シールド（２４ａ−２４ｃ）で覆われることを特徴とする、請求項３記載の水晶発振器センサ・システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
産業上の応用の技術分野
本発明は、複数の水晶発振器センサを備える水晶発振器センサ・システムに関するもので、特に、システムにおける水晶発振器センサ間を結合する電磁放射を防止する装置および方法に関する。
【０００２】
従来の技術
水晶発振器のような圧電型音波デバイスは、電極面に吸収された物質が被吸収物質の質量に比例して発振器の基本発振周波数を変化させるという原理に基いて、質量センサとして用いることができ、この変化がＳａｕｅｒｂｒｅｙ（Ｇ．ＳａｕｅｒｂｒｅｙのＺ．ｐｈｙｓ．１５５（１９５９）、ｐ．２０６−２２２）により提案された理論式と一致することが実験的に確認されている。この理論式により予測される高い検出感度により、このようなセンサを用いる微少測定法は、機械的天秤を用いる一般的な質量測定法よりもはるかに優れているので、この方法は、例えば、気相における臭気分子またはエアロゾルの定量測定において実用に供されてきた。
【０００３】
水晶発振器は、一般に、水晶の固有振動特性を生じるように特定の結晶面に沿って切断することにより整形された円形または矩形状の結晶板であり、蒸着金属の薄膜からなる電極が設けられる。切断角度に依存して、各結晶板はＡＴ、ＢＴ、ＣＴ、ＸあるいはＹカットと称される。水晶板は、対称的に平行に置かれた一対の薄膜金属電極間に配置される。電極間の誘導電界は、水晶の結晶中に歪みを生じることになり、歪みは電荷を生じる。このようないわゆる圧電現象は可逆的な定常発振を達成する。
【０００４】
通常、水晶板の表面積は電極の面積より大きい。水晶板にする圧電効果を持たない非電極領域は、電極領域に生じる弾性波を適度に減衰させながら伝播させるのを助ける。このように、非電極領領域は、いわゆる「閉込め効果」に寄与する領域である。このため、水晶発振器の設計においては、水晶板の端面反射などの悪影響により生じるスプリアス発振のような望ましくない派生発振を低減するために、水晶板の形状およびサイズの選定が最も重要である。
【０００５】
こうした水晶発振器をセンサとして用いるために取付けるには、機械的な固定手段が必要である。気相中で電子部品用途に用いられる水晶発振器素子は、通常は、水晶板の半径方向および厚さ方向における応力をできるだけ下げるために、支持用の金属リード線を用いることにより、水晶板端面の小さな接触領域によって支持されるように設計される。換言すれば、弾性波は端面近傍で減衰され、取付け力の影響は小さい。接触領域は、水晶板に対して取付け力を及ぼすことのないよう、面積をできるだけ低減するよう考慮される。
【０００６】
最初の液相弾性波要素センサは、Ｂａｓｓｔｉａａｎｓとその共同研究者により１９８０年に報告された（Ｐ．Ｌ．ＫｏｎａｓｈおよびＧ．Ｊ．Ｂａｓｓｔｉａａｎｓ、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．５２（１９８０）、ｐ．１９２９−１９３１）。最初のレポート以来、液相で動作する弾性波センサについて多くの研究が報告された。この技術は、通常は液相に溶解される薬剤、農業殺虫剤や食品添加物のような化学物質、ＤＮＡやＲＮＡなどの核酸に代表される生化学機能分子、液相でのみ機能する抗体、ホルモン・レセプタ、レクチンなどのタンパク質、ならびにバクテリアその他の細胞を含む、試験中のターゲットとしての物質の検出に適用し得る。
【０００７】
しかし、本来は気相において用いることを前提として設計された電気素子である水晶発振器が導電性溶液中でセンサとして用いられると、問題が生じる。即ち、電気的短絡が溶液中の電極間に生じる。従来の全ての研究においては、例外なく、このような短絡を防止する措置を取ることが必要であった。特に、液相の水晶発振器センサにおいては、１対の電極のうちの検出面として働く方の電極が液相に曝され、他方の電極はなんらかの方法で溶液とは接触しないように保護される。無論、水晶発振器は一定の安定した弾性振動という原理に基く要素であるから、水晶発振器の発振を阻害するような、電極の溶液との接触を阻止する任意の機械的構造は、断固避けられるべきである。
【０００８】
弾性波素子としての水晶発振器の高品質の周波数安定性は、高いＱ（Ｑ因子）で表わされる。このＱ値は、水晶発振器の発振の阻害度合が増すと共に著しく低減する。更に、気体に比して高い粘度を持つ液体に水晶板が曝される液相センサにおいては、液体と接触状態にあること自体が阻害効果を有し、結果として、Ｑ値は著しく低下する。Ｑ値は不適切な機械的構造に起因して最小値まで低下することもある。換言すれば、最悪の場合、発振が停止する。
【０００９】
例えば、水晶発振器を有するデバイスの開発についての研究レポート（例えば、Ｍ．Ｍａｓｓｏｎ等のＡｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６７（１９９５）、ｐ．２２１２−２２１５、米国特許第５１３５８５２号など）においてしばしば見出されるように、一対の電極のうちの一方が液体と接触することを許容され、円形の水晶発振器がその両側に配置された１対のゴム製のＯ−リングまたはガスケットにより取り付けられる方法がある。この方法においては、取付けは、発振がほとんど影響されない水晶板端面の近傍で水晶板の表面で行われ、水晶板は弾性ゴムを介して固定されるので、漏れに対する確実な保護ができ、しなやかな取付けを行うことができる。
【００１０】
２つ以上の水晶発振器センサがシステムにおいて用いられるときには、結合のリスクが存在する。換言すると、一つのセンサからの出力信号が別のセンサからの信号により影響されるリスクが存在する。これが生じ得る主な方法が４つ存在する。これらは、
ａ）導波路、例えば、センサを接続し且つ液体で充填された管を介しての弾性波の伝達、
ｂ）空気を介しての弾性波の伝達、
ｃ）導波路を介しての電磁波の伝達、および
ｄ）空気を介しての電磁波の伝達、
である。
【００１１】
実験により主モードが発見された。第１の実験においては、２つの水晶発振器センサが金属チャンバ内に５ｍｍ隔てて配置され、センサ間に緩衝液が流された。これらセンサが励振され、その信号が記録された。第１のセンサの励振が変えられると、第２のセンサの出力信号の変化が記録され、２つのセンサ間に結合が存在することが示された。
【００１２】
第２の実験では、２つのセンサが個別の金属チャンバ内に且つ１ｍ離れて配置された。この場合、第１のセンサの励振の変化は第２のセンサの信号に変化を生じることがなく、この例では、センサ間に結合がないこと、結合は電磁シールドに関連することが示された。
【００１３】
第３の実験においては、２つのセンサを取り囲む金属チャンバの壁面に接近してセンサを配置し、かつセンサ間を連絡する緩衝液を除いた。第１のセンサの信号の変化は、第２のセンサからの信号に反映され、センサ間に結合が存在することが示された。２つのセンサをチャンバ壁面から更に離れるよう移動させると、第１のセンサの信号における変化は第２のセンサからの信号に反映されず、導電性の壁面のように、電磁波に対する導波路として作動するものの存在によって結合が生じたことが示された。
【００１４】
このことは、センサがチャンバ壁面から同じ距離に維持したとしても、銅テープによってセンサ同士を接続することによって結合が再誘発されることで確認された。
【００１５】
発明が解決しようとする課題
複数の水晶発振器センサを備えるシステムにおける水晶発振器センサ間の信号結合が問題である。特に、空気を介する電磁波の伝達は、このようなシステムにおける信号結合の最たる原因となることが証明されてきた。本発明の目的は、空気を介しての電磁波の伝達により生じる信号結合の問題を克服する水晶発振器センサ・システムを提供することにある。
【００１６】
発明の開示
本願において、従来技術では解決されなかったこれらの問題を克服しようとする新たな設計が提示される。
【００１７】
このため、本発明の目的は、空気を介しての電磁波の伝達による結合が低減あるいは防止される、複数の水晶発振器センサを備える水晶発振器システムを提供することである。これは、空気を介しての電磁波の伝達をシールドを用いて阻止する請求項１による装置および請求項３による方法によって達成される。
【００１８】
本発明は、本発明の実施の形態および図面により例示的に以下説明される。
本発明の記述
図１および図２は、水晶発振器２と、典型的な従来技術形式の水晶発振器センサにおけるその取付けＯ−リング８との間の位置的関係を示している。図１は平面図、図２は図１における線Ｇ−Ｈに沿う断面図である。これらの図面において、形状が円形であり一対の電極４、６をその両側に持つ水晶発振器２が、一対のＯ−リングまたはガスケット８間に配置され、図３に示されるようなフロー型液相水晶発振器センサ１０に設置される。Ｏ−リング８は、非検出電極が存在する空洞部へ溶液が流入することを阻止すると共に、分析対象の溶液を含むフロー・スルー・セルの内壁に対して水晶発振器を固定するように働く。水晶発振器センサ１０は、Ｏ−リングで取り付けられた水晶発振器２と、液流入口１２と、液流出ポート１４と、回路基板１６とを含む中空のセル１８を有する。
【００１９】
図４に示すような複数の水晶発振器センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを用いるフロー・スルー・システムにおいては、第１の水晶発振器センサ１０ａの液流出ポート１４ａは、第２の水晶発振器センサ１０ｂの液流入口１２ａへ接続される。第２の水晶発振器センサ１０ｂの流出ポート１４ｂは、第３の水晶発振器センサ１０ｃの液流入口１２ｃへ接続される。水晶発振器センサ１０ｃの液流出ポート１４ｃは廃棄される。使用中、分析されるべき液体は、ポンプ２０（あるいは、注射器型送液装置（シリンゲ）または（重力送液のための）液貯留器（リザーバ）のような他の入力装置）によって第１の水晶発振器センサ１０ａの液流入口１２ａへ供給される。次いで、この液体は全ての水晶発振器センサ１０ａ−１０ｃを通過して水晶発振器２ａ−２ｃと接触し、その後、最後の水晶発振器センサ１０ｃの液流出ポート１４ｃを経てシステムを出て、廃棄あるいは収液容器２２へ入る。
【００２０】
実験は、２つ以上の水晶発振器センサがシステム内に用いられるとき、結合のリスクが生じることを示している。換言すると、一つのセンサからの出力信号が別のセンサからの信号により影響されるというリスクが存在する。これが生じ得る主な方法が４つ存在する。これらは、
ａ）導波路、例えば、センサを接続し且つ液体で充填された管を介しての弾性波の伝達、
ｂ）空気を介しての弾性波の伝達、
ｃ）導波路を介しての電磁波の伝達、および
ｄ）空気を介しての電磁波の伝達、
である。
【００２１】
実験によって主モードが発見された。第１の実験においては、２つの水晶発振器センサが金属チャンバ内で５ｍｍ離れて配置され、これらセンサ間に緩衝液が流れている。これらセンサが励振され、その信号が記録された。第１のセンサの励振が変化させられると、第２のセンサの出力信号における変化が記録され、２つのセンサ間に結合が存在することを示した。
【００２２】
第２の実験においては、２つのセンサが個別の金属チャンバ内に１ｍ離れて配置された。この場合、第１のセンサの励振における変化は第２のセンサの信号における変化を生じず、この例ではセンサ間に結合が存在しなかったこと、および結合が電磁シールドに関連することを示した。
【００２３】
第３の実験においては、２つのセンサを取り囲む金属チャンバの壁面に近接してセンサを配置し、かつセンサ間を連絡する緩衝液を除いた。第１のセンサの信号における変化が第２のセンサからの信号に反映され、これらセンサ間に結合が存在することを示した。センサがチャンバ壁面から離れるよう更に移動されると、第１のセンサの信号における変化は第２のセンサからの信号に反映されず、導電性の壁面のように、電磁波に対する導波路として作動するものの存在によって結合が生じたことが示された。このことは、センサがチャンバ壁面から同じ距離に維持したとしても、銅テープによってセンサ同士を接続することによって結合が再誘発されることで確認された。
【００２４】
緩衝液が２つのセンサ間を連絡する第４の実験においては、接地された銅テープで各センサを覆うことによって結合が阻止された。このことにより、驚くべきことに、結合の主な根源がシステム内の導電性液体（緩衝液）を介しての電磁波の伝達ではなく、１つのセンサから他のセンサへの空気を介しての電磁波の伝達であることが示された。
【００２５】
図５は、本発明の第１の実施の形態によるフロー・スルー・センサ・システムを示している。図４のシステムの諸要素に類似する当該システムの諸要素には、同じ参照番号が付されている。センサ１０ａ−１０ｃ間の空気を介しての電磁波の伝達を低減するために、各センサ１０ａ−１０ｃは、それ自体の導電性シールド２４ａ−２４ｃによって個々にシールドされている。シールド２４ａ−２４ｃは、それぞれ金属テープで作られ、実質的に完全にセンサ１０ａ−１０ｃの各々を包囲している。各シールド２４ａ−２４ｃは接地されている。各シールド２４ａ−２４ｃは、電磁波放射が各センサ１０ａ−１０ｃに出入りすることを阻止し、これにより、空気を介してのセンサ間の電磁波の伝達を阻止する。
【００２６】
シールド２４ａ−２４ｃは、任意の適宜の導電性材料で作ることができる。本発明の一つの実施の形態においては、各センサのハウジングは、金属のような導電性材料で被覆されたプラスチックなどの絶縁材料で作られる。このプラスチック／金属の複合ハウジングは、センサにおいて液体に曝される表面がプラスチックで作られていて非導電性であるが、ハウジングの他の表面は金属であるように構成される。この構成においては、プラスチック材料が、センサにおける液体を介してのセンサ表面と振動回路との間の電気的短絡を阻止する。
【００２７】
本発明の更に別の実施の形態においては、前記シールドは、金属のような導電性材料を各センサ・ハウジングの外表面に蒸着することによって提供される。
上記の実施の形態は、水晶発振器を支持し封止するためのＯ−リングの使用を示しているが、その代わりに、水晶発振器をガスケットにより支持することも考え得る。
【００２８】
上記の実施の形態は本発明を例示するためのものであり、特許請求の範囲により請求される保護の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】円形の水晶発振器をＯ−リングで支持するための従来の方法を示す概略図である。
【図２】図１に示された線Ｇ−Ｈに沿う断面図である。
【図３】図１に示されたチップ水晶発振器が設置されたフロー型液相水晶発振器センサの断面図である。
【図４】図３に示された形式の複数のフロー型液相水晶発振器センサを備える従来のフロー・スルー・センサ・システムの断面図である。
【図５】本発明によるフロー・スルー・センサ・システムの断面図である。
【符号の説明】
２：水晶発振器、　４、６：電極、　８：Ｏ−リングまたはガスケット、　１０：水晶発振器センサ、　１２：液流入口、　１４：液流出口、　１６：回路基板、　１８：中空セル、　２０：ポンプ、　２２：収液容器、　２４：シールド
【図１】
2004040139.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年10月29日(2002.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】円形の水晶発振器をＯ−リングで支持するための従来の方法を示す概略図である。
【図２】図１に示された線Ｇ−Ｈに沿う断面図である。
【図３】図１に示された水晶発振器が設置されたフロー型液相水晶発振器センサの断面図である。
【図４】図３に示された形式の複数のフロー型液相水晶発振器センサを備える従来のフロー・スルー・センサ・システムの断面図である。
【図５】本発明によるフロー・スルー・センサ・システムの断面図である。




【外国語明細書】
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2004040139.tif 000009
2004040139.tif 000010
2004040139.tif 000011
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