(57)【要約】本発明は、チップ状水晶振動子に関する。本発明に係るチップ状水晶振動子Ｓの実施の形態においては、一方の面に検出電極３を、他方の面に非検出電極を有する水晶振動子２が基板１に固定され、それぞれの電極が基板１上の端子４、４’と電気的に接続される。非検出電極を基板１と接触させながら、水晶振動子２を、の全周に沿って側壁２’’’を弾性接着剤５を用いて基板１の表面に柔軟に接着して、水晶振動子２を基板１に固定する。これにより、水晶振動子２の振動面が基板１の表面に面接触的且つ非接着的に分散支持される。
2004523150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁（２’’’；６’’’）によって結合された第１の面（２’；６’）と第２の面（２’’；６’’）とを有し、前記第１の面（２’；６’）に検出電極（３；７）を、前記第２の面（２’’；６’’）に非検出電極（３’’；７’’）を有する水晶振動子（２；６）を備えるチップ状水晶振動子であって、前記水晶振動子が基板（１）に柔軟に固定されることを特徴とするチップ状水晶振動子。
【請求項２】
側壁（２’’’；６’’’）によって結合された第１の面（２’；６’）と第２の面（２’’；６’’）とをそれぞれ有する複数の水晶振動子（２；６）を備え、それぞれの水晶振動子が前記第１の面（２’；６’）に検出電極（３；７）を、前記第２の面（２’’；６’’）に非検出電極（３’’；７’’）を更に備え、それぞれの水晶振動子が基板（１４）に柔軟に固定されることを特徴とするチップ状水晶振動子。
【請求項３】
前記及びそれぞれの水晶振動子の側壁（２’’’；６’’’）を前記基板（１）に取り付けている弾性接着剤（５）によって前記水晶振動子を前記基板（１；１４）に柔軟に固定することを特徴とする、請求項１又は２に記載のチップ状水晶振動子。
【請求項４】
前記弾性接着剤（５）が前記側壁（２’’’；６’’’）の実質的に全周に沿って延びることを特徴とする、請求項３に記載のチップ状水晶振動子。
【請求項５】
前記弾性接着剤（５）が前記水晶振動子（Ｓ）を前記基板（１；１４）に密閉的に取り付けする、請求項３又は４に記載のチップ状水晶振動子。
【請求項６】
前記水晶振動子（Ｓ）の前記基板（１；１４）に対向する面（２’’；６’’）が前記基板（１；１４）に接触するが、前記基板（１；１４）に接着されない、請求項１〜５のいずれか一つに記載のチップ状水晶振動子。
【請求項７】
前記弾性接着剤（５）が、塗布されたとき、流動的であって拡がるが、前記振動子と支持体との間の接触部へ進入しないことを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一つに記載のチップ状水晶振動子。
【請求項８】
前記水晶振動子を発振させ、前記水晶振動子の発振周波数に関係する信号を出力させるための水晶発振回路部（ＯＳＣ）と、
前記水晶発振回路部からの出力を外部装置へ伝えるためのフォトカプラ部（ＰＣ）と、
バッテリを含み、前記水晶発振回路部（ＯＳＣ）及び前記フォトカプラ部（ＰＣ）に電圧を供給するための電源部（ＰＳ）と、
前記水晶発振回路部、前記フォトカプラ部及び前記電源部を絶縁して、外部ノイズにより生じる発振周波数の変動を防止するためのシールドと、
を少なくとも備え得ることと特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載のチップ状水晶振動子。
【請求項９】
容器（３４）内に位置する請求項１〜８のいずれか一つに記載のチップ状水晶振動子を備え、前記容器が試料溶液を保持することができ、前記検出電極（３；７）が前記試料溶液に曝されることを特徴とする回分式液相水晶振動子センサ。
【請求項１０】
試料溶液が流れることができる検出フローセルを有する通液式液相水晶振動子センサ（３９）であって、請求項１〜８のいずれか一つに記載のチップ状水晶振動子を備え、前記水晶振動子（２；６）が前記フローセルを有する固体容器中において前記基板（１；１４）と接触するＯリング又はガスケット（４９）等の弾性体によって取り付けられ、前記水晶振動子が取り付けられている前記基板の面のみが前記試料溶液に曝されることを特徴とする通液式液相水晶振動子センサ。
【請求項１１】
水晶振動子センサを製作するための方法であって、
基板（１）上に、側壁（２’’’；６’’’）によって結合された第１の面（２’；６’）と第２の面（２’’；６’’）とを有すると共に前記第１の面に検出電極（３；７）を、前記第２の面に非検出電極（３’’；７’’）を有する水晶振動子（Ｓ）を配置するステップと、
前記側壁（２’’’；６’’’）を前記基板（１）に接着することができる弾性接着剤（５）によって、前記水晶振動子を前記基板（１；１４）に柔軟に取り付けるステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１２】
液体中の特異な分子の存在を検出するための、請求項１〜８のいずれか一つに記載のチップ状水晶振動子の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
産業上の応用の技術分野
本発明は、水晶振動子等の弾性波素子を液体媒質中に浸漬して検出器として用いる液相センサのための水晶振動子センサならびに発振回路に関する。
【０００２】
従来技術
水晶振動子のような圧電音響波素子は、電極の表面上に吸着した物質が、被吸着物質の質量に比例して振動子の基本発振周波数を変化させるという原理に基づいて質量センサとして利用されている。この変化が、Ｓａｕｅｒｂｒｅｙにより提案された理論式(Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ、Ｇ．、Ｚ．ｐｈｙｓ．１５５（１９５９）、ｐ．２０６−２２２)と一致することは、実験的に証明されている。この実験式によって予測される高い検出感度により、こうしたセンサを用いた微量測定方法は、機械式天秤を用いた一般的な質量測定法よりも遥かに優れており、例えば、気相中の匂い分子やエアロゾルの定量測定等において実用化されている。
【０００３】
一般に、水晶振動子は、水晶結晶体の固有特性振動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成形された円形或いは矩形の結晶板であり、蒸着された金属の薄い層からなる電極が設けられる。各結晶板は、切断角度の違いに依存して、ＡＴカット、ＢＴカット、ＣＴカット、Ｘカット、Ｙカットと称される。水晶板は対称且つ平行に設置された一対の薄層金属電極間に位置する。これら電極間の誘導電場により水晶結晶に歪みを生じさせ、一方、歪みにより電荷を誘起させる。いわゆる圧電現象によって可逆的且つ安定な発振を実現する。
【０００４】
通常、水晶板の面積は電極のそれよりも大きい。水晶板上の圧電効果のない非電極領域は、電極領域で生じた弾性波を適度に減衰させながら伝播させるのを助ける。つまり、いわゆる「閉じ込め効果」に関与する領域である。そこで、水晶振動子を設計する際には、結晶板の端面反射等の悪影響で生じるスプリアス振動等の不要な副振動を低減するために、水晶板の形状や大きさの選定が極めて重要である。
【０００５】
このような水晶振動子をセンサとして用いるために固定するには、機械的固定手段が必要である。通常、気相中で用いられる電子部品として用いられる水晶振動子素子は、水晶板の半径方向及び厚み方向の応力をできる限り低減するように、支持金属リードを用いて水晶板端面の微小な接点領域で支持するように設計される。換言すれば、弾性波は端面の近傍で減衰し、固定力による影響は小さい。接点領域は、取り付け応力を水晶板に伝えないように、できるだけ小さくするよう考慮される。
【０００６】
最初の液相弾性波素子センサは、１９８０年にＢａｓｔｉａａｎｓ等により報告された(Ｋｏｎａｓｈ、Ｐ．Ｌ．及びＢａｓｔｉａａｎｓ、Ｇ．Ｊ．、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．５２、（１９８０）、ｐ．１９２９−１９３１)。それ以降、液相で動作する弾性波素子センサについての多くの研究が報告されている。この技術は、液相に通常溶解している医薬品、農薬や食品添加物等の化学物質、液相でのみ機能する、ＤＮＡやＲＮＡ等の核酸によって表される生体機能分子、抗体、ホルモン受容体、レクチン等の蛋白質を含む物質を試験対象として検出することに応用することができるものと期待されている。
【０００７】
しかしながら、本来は気相中で使用することを前提に設計されている電気素子である水晶振動子を導電性溶液中でセンサとして使用するとき、問題が生じる。即ち、溶液中で電極間に電気的短絡が生じる。これまでの全ての研究においては、例外なく、この電気的短絡を防止する対策を取ることが必要であった。特に、液相水晶振動子センサでは、一対の電極のうち検出面として動作する電極が液相中に露出され、他方の電極は何らかの方法で溶液との接触が防止される。勿論、水晶振動子は一定の安定した弾性振動という原理に基づく素子であるから、電極が溶液と接触することを防ぐための何等かの機械的構成は水晶振動子の振動を阻害することになり、絶対に回避されねばならない。
【０００８】
弾性波素子としての水晶振動子の高品質周波数安定性は、高いＱ値(品質係数)によって表される。水晶振動子の振動に対する干渉の度合いが増すにつれ、Ｑ値は著しく減少する。更に、気体に比べて比較的粘性の高い液体に水晶板が曝される液相センサの場合には、液体との接触そのものが干渉効果を持つため、Ｑ値は大幅に低下する。また、不適切な機械的構成に起因して、Ｑ値は最小値まで小さくなる。つまり、最悪の場合には振動が停止する。
【０００９】
例えば、水晶振動子を用いた装置の開発についての研究報告（例えば、Ｍａｓｓｏｎ、Ｍ．その他、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．、６７（１９５５）、ｐ．２２１２−２２１５、米国特許第５１３５８５２号等）に頻繁に見られるように、一対の電極のうちの一方のみが液体と接触することが許容され、円形の水晶振動子が、その両側に設置された一対のゴム製のＯリング又はガスケットにて固定される方法がある。図１４及び図１５は、典型的な従来例における水晶振動子センサでの水晶板とＯリングとの位置関係を示している。図１４は上からの平面図であり、図１５は図１４の線Ｇ−Ｈに沿う断面図である。これらの図において、両面に一対の電極を有する円形の水晶振動子４８は、一対のＯリング又はガスケット４９の間に位置し、図１６に示すように、通液型液相水晶振動子センサ５０に設置される。図１６は、液流入口５１、液排出口５２及び回路基板５３を含む。
【００１０】
図１４〜図１６において、Ｏリング又はガスケット４９は、非検出電極が存在する空洞へ溶液が流入するのを阻止すると共に、溶液を収容している測定セルの内壁に水晶振動子を固定するよう作用する。従来例において採用された当該方法においては、振動がほとんど干渉を受けず且つ水晶板が弾性ゴムによって固定されて、漏れに対する安全な保護と柔軟な取り付けとを生じる取り付け点が、水晶板の端面の近傍で水晶板の表面において選択される。しかしながら、Ｏリング又はガスケット４９の締め付け圧力の調整は微妙であるため、再現性を期待することはできない。また、水晶板を狭いフローセルにおいてＯリング又はガスケット４９の間に置かれているとき、水晶板そのものは直接取り扱われるため、脆弱な水晶板を破損するリスクがある。例え堅く固定されたとしても、被試験溶液の圧力変動に起因して水晶振動子は歪まされる。これは水晶板に影響し、水晶板の非検出電極の側には通常は空洞があるので、水晶板の中央部を空洞に対して前後に歪めることになる。また、容器が温度変化や液圧の変化によって微小な変形を起こした場合には、そうした変形によって水晶板に直接に力が加えられる。いずれにしろ、水晶振動子のこうした変形は、Ｑ値の著しい低下と液相センサにおける不安定な発振を生じた。多くの例は最悪の場合には発振が停止することを示している。
【００１１】
例えば、日本国特許第２７５９６５９号、第２７５９６８３号及び第２７５９６８４号は、弾性材料及びプラスティック材料により被覆された片面の上にバリアを設けた水晶振動子の液相センサにおける応用を開示している。この例においては、上述のＯリング及び水晶振動子の接触位置と同様の接触位置において被覆材を接着固定するため、水晶板は構造における取り付け力をほとんど受けない。しかし、こうした大きな構造体（即ち、被覆材を有する水晶振動子）を試料溶液に浸漬することが可能である場合であっても、測定には比較的大量の試料溶液を必要とする。当然、このことは液相センサによって被試験対象の範囲を限定するので、先に述べた生体機能性分子を含む物質の検出に小量の試料しか利用できない測定には不適切である。センサを通液型センサに変えることは、試料溶液の量の見かけ上の増加に起因して生じる見かけ上の感度低下を有効に改善し、必要とする試料溶液の実際の量を著しく低減する。しかし、水晶振動子を上記特許に開示されたような構成要素と共にフローセル（通液セル）に設置することは困難であり、例え可能であるとしても、水晶振動子自身が固定容器からの変形力を受けない装置を設計するよう、一層の努力が必要である。
【００１２】
液相水晶振動子センサの理論的な感度は、基本発振周波数及び電極面積を変数とする、先に述べたＳａｕｅｒｂｒｅｙの式に従って一義的に決定される。しかしながら、液相水晶振動子センサの実用上の実効感度は、理論的感度に基づいて定義されるものの、水晶振動子の電極の質量の増加に対する正常な応答に依存する。すなわち、実効感度は、如何にして信号周波数の時間的変化（減少）の最小の変化を有為の変化として検出できるかに依存する。換言すれば、上記実効感度は、信号周波数の小さな時間的変化を隠すノイズやドリフト等の無為の信号の存在と影響度に大きく依存する。
【００１３】
先に述べたように、水晶振動子を溶液中に配置すると、エネルギ消散率が大きくなり、実効インピーダンスが増加し、Ｑ値は水晶振動子を気相中に配置したときと比べて大きく減少する。この特性は溶液中への応用では不可避である。これは、印加電圧等の電気的負荷の変動に対する、又は、装置と接触する溶液の物性（圧力、粘性等）の変化から生じる機械的負荷の変動に対する、水晶振動子が本来有する周波数維持能力又は高い緩衝作用の減損を意味する。水晶振動子を気相に配置した場合に比べて、液相で動作するセンサは、上記のような負荷変動に対して容易に出力信号が変化するので、多くのノイズ及び／又はドリフトを示す。したがって、気相で発振が生じるとの前提で開発された通常の水晶振動子回路を修正せずに液相センサに用いたときには、安定した発振を達成することが不可能な場合が多かった。
【００１４】
また、液相水晶振動子センサは、化学センサ又はバイオセンサとして用いられる場合が多いので、通常は試料溶液は電解質物質を含む導電性の液体であり、その検出電極はこうした導電性の液体に常時曝される。このことは液相水晶振動子センサの開発者には認識されており、この問題を解決するための幾つかの対策が提案されている。更に、分子生物学及び分析化学の技術の最近の進展によって、一層高感度で高スループット性能を持つセンサが要求されている。センサにおける検出装置の複数化は同時多重測定を身近なものとしてきている。検出装置の複数化の傾向は、センサを駆動する発振回路における単一の水晶振動子の一対の電極間の短絡という前記の問題に加えて、別の形式の短絡に対する対策を要求する。特に、複数の電極が同時に導電性溶液中に浸漬された場合に、各電極に対応する発振回路によって共有される共通の接地に起因する短絡の問題に対処する必要がある。
【００１５】
例えば、特開平１１―１６３６３３号公報は、増幅回路に３個のインバータを直列に接続することにより、液体中の水晶発振に必要な増幅度を得る例を開示している。これは、液相中へのエネルギ消散分を増幅で得たエネルギによって補うエネルギ補償の設計に基づいている。Ｂａｒｎｅｓらの報告（Ｂａｒｎｅｓ．、Ｃ．、Ｓｅｎｓ．Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａ、２９（１９９１）、ｐ．５９−６９）或いは米国特許第４７８８４６６号にも、同様に設計された回路が提案されている。これらの公知の技術は、エネルギが著しく消散くて水晶振動子が停止してしまう場合の有効な方策と言えるが、この方策によって水晶振動子のＱ値を改善することができるものではない。このため、付随装置からのノイズ、例えば、交流ラインからの電力の整流及び降圧のための直流電源又は出力信号処理システムから直接伝えられるノイズや、水晶振動子の周辺での放射ノイズに起因する印加電源電圧の変動には有効でない。したがって、この方法によっては実効感度の改善は達成され得ない。そのうえ、検出装置の複数化、特に、単一の装置中での複数の発振回路の配置は、上記の開示された技術においては想定されてこなかった。
【００１６】
電池及びフォトカップラを用いる回路の例が  Ｂｒｕｃｋｅｎｓｔｅｉｎらの報告（Ｂｒｕｃｋｅｎｓｔｅｉｎ、Ｓ．Ｓｈａｙ、Ｍ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａ  Ａｃｔａ、３０（１９８５）、ｐ．１２９５−１３００）において提案されている。しかし、本例はデバイス複数化のために設計されたものではなく、試料測定用と基準測定用との一対の差動動作の水晶振動子センサからの信号が閉回路内で直接接続される。このため、一対の水晶振動子センサを同一の溶液中に浸漬させたときに生じる、発振回路間の短絡という問題が存在する。また、米国特許第３５６１２５３号には、電源として電池を使用し、信号系にトランスを挿入した回路の例が提案されている。この回路例では、トランスの使用により絶縁が達成されるので、外部信号処理システムからのノイズ又は負荷変動の影響に対しては若干の効果があるものの、高周波ノイズ等の交流ノイズ成分を除去することはできない。
【００１７】
発明が解決しようとする課題
上記のように、水晶振動子等の弾性波素子を液相センサとして使用する場合には、用途上不可避である、液体との接触によって機械的負荷が増大するので、低Ｑ値（例えば、気相で用いられる水晶振動子に対して達成され得る１０００００までのＱ値と比較して２０００以下）での発振を予測しなければならない。低Ｑ値という条件下で動作せざるを得ないセンサの高性能、高機能且つ高信頼性を達成するためには、以下の点、即ち、
（１）水晶振動子をセルに固定することから生じる振動子への機械的応力負荷を最小に保持することによって、Ｑ値の更なる低下を避けること、
（２）安定な信号周波数を出力するために必要な自律的緩衝機能（負荷変動に対する許容限度）を欠いた、水晶振動子に対して不要な外的負荷変動を伝えてはならないこと、換言すると、水晶振動子からの安定した発振周波数を保証するためには、水晶振動子に供給される電圧は一定でなければならない。水晶振動子に印加される例えば５Ｖの直流電圧が１ｍＶよりも小さく変動しても、周波数安定性は大きく失われる結果になるからである。したがって、水晶振動子への電力供給は、入力電圧に依存する不要な周波数変動を防止するために何が生じようとも、電圧は１ｍＶの精度まで一定であるかそれより良好であるように構成されねばならない。
（３）ノイズを伝えてはならないこと、
を考慮することにより、電気的・物理的構成を設計することが必要である。加えて、この構成においては、単一の水晶振動子の電極間における絶縁が保証されなければならないばかりでなく、各発振システムの電気的絶縁の要件が、溶液を介しての電極間の短絡や、水晶振動子が存在する場合に共通接地や静的接続を介して液体及び他のデバイスと接触する導電材料間の短絡を防止することにより、満足されなければならない。従来技術においてこうした条件を満たすことが課題であり、本発明の目的は、そうした課題の一部又は全部を克服する水晶振動子を提供することである。
【００１８】
発明の開示
本願の発明において、従来技術によっては解決されなかった課題を克服しようとする新たな設計が提示される。
【００１９】
こうして、本発明の目的は、水晶振動子を外的変形力により歪ませないようにしたチップ状水晶振動子を提供することである。これは、弾性接着剤を用いることによって水晶振動子を基板に柔軟に固定する請求項１による装置によって達成される。
【００２０】
本発明の他の目的は、複数個のチップ状水晶振動子を共通の固定用基板に配置し得る複合水晶振動子素子を提供することである。これは、請求項２の特徴を有する装置によって達成される。
【００２１】
本発明の別の目的は、水晶振動子のサイズの変動に容易に適応することができる手段によって、柔軟な固定の対策を提供するチップ状水晶振動子を提供することである。これは、請求項３の特徴を有する装置によって達成される。
【００２２】
本発明の他の目的は、水晶振動子固定力が水晶振動子の周囲に均等に分散されるチップ状水晶振動子を提供することである。これは、請求項４の特徴を有する装置によって達成される。
【００２３】
本発明の追加の目的は、液体が水晶振動子の非検出電極と接触しないようにするチップ状水晶振動子を提供することである。これは、請求項５の特徴を有する装置によって達成される。
【００２４】
本発明の他の目的は、水晶振動子の振動が基板から影響されることのないよう水晶振動子が基板によって支持されるチップ状水晶振動子を提供することである。これは、請求項６の特徴を有する装置によって達成される。
【００２５】
本発明の更なる目的は、水晶振動子の振動が固定手段の剛性によって悪化されることがないチップ状水晶振動子を提供することである。これは、請求項７の特徴を有する装置によって達成される。
【００２６】
本発明の更に別の目的は、安定な発振が達成されて溶液の圧力変動によって影響されない回分式液相水晶振動子センサを提供することである。これは、試料溶液を保持することができる槽状容器の内壁に水晶振動子が設置される請求項９の特徴を有する装置によって達成される。
【００２７】
本発明の他の目的は、固定された水晶振動子に対して実装による不要な圧力が印加されず、水晶振動子の電極間の絶縁が保証される通液式液相水晶振動子センサを提供することである。該センサは被試験液体のための検出セルを有しており、流動液体に浸漬された水晶振動子表面上の検出電極だけが検出動作する。安定な発振が達成され、流量の変動によって生じる溶液の圧力変動によっては影響されない。
【００２８】
本発明の更に他の目的は、外部ノイズによる電源電圧の変動に起因する発振周波数の変動を防止して安定に発振を達成すると共に液相センサの実効感度を向上させる手段を有する水晶発振器装置を提供することである。これは、請求項８による装置によって本発明にしたがって達成され、該装置においては、検出電極を液体の中に浸漬することに起因してＱ値が低下したチップ状水晶振動子を含む発振回路部からの出力が、フォトカプラ部を介して外部装置に伝送され、電力が電池によって供給される。回路全体は、発振回路部、フォトカプラ部及び電源部からなる検出用電気的構成要素を外部の電気的構成要素から絶縁するようシールドされる。
【００２９】
本発明の他の目的は、本発明に係る水晶振動子を作成するための方法を提供することである。こうした方法は請求項１１による。
以下、本発明を、発明の実施の形態及び図面により説明する。
【００３０】
発明の詳細な説明
以下、図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施の形態を詳細に説明する。ただし、理解されるとおり、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって包含される全ての変形及び修正を含むものとする。なお、図面において、同一の参照数字及び記号は同じ又は同様の構成要素を指すものとする。
【００３１】
図１は、本発明のチップ状水晶振動子の第１の実施の形態を概略的に示す上面図であり、図２は、図１に示す線Ａ−Ｂに沿う断面図である。これらの図において、チップ状水晶振動子Ｓは、基板１の上面１’上に載置された矩形の水晶振動子２を備える。基板１は、堅く、非導電性の又は非導電性の被覆を保持することができ、被試験液体中で不溶性であり、望ましくは安価で加工の容易な任意の物質から作られる。この使用のためには、多くのエンジニアリングプラスチック、金属及びセラミックが適しており、回路基板の作成に使用される種類のものが特に適している。水晶振動子２は、第１の面２’に検出電極３を、対向する第２の面２’’、即ち、この場合には基板１の上面１’に対向する側に非検出電極３’’を有する。本発明の一つの実施の形態の例においては、水晶振動子２は長さ４ｍｍ、幅１．６ｍｍ、厚さ６０μｍであるが、他の大きさ及び形状も可能である。つまり、第１の面及び第２の面は６．４ｍｍ２の面積を持ち、水晶振動子の側壁２’’’は６０μｍの厚さである。
【００３２】
基板１の対応する部分との電気的接続のために、薄層金属で作られたリード電極３’（部分電極とも呼ばれる）が検出電極３と接続される。リード電極３’は水晶振動子の面を横切ってその端部に至り、該端部を越えて水晶振動子２の側壁に沿って下に延び、側壁の下端を回って水晶振動子の底面へ延び、そこで、少量の導電性接着剤（図示せず）を好ましくは用いて、基板２上に薄い金属層で作られることが望ましい第１の端子４と接続される。同様に、水晶振動子２の対向面上の非検出電極３’’は、導電性接着剤（図示せず）を好ましくは用いることによって、基板１の上面上でリード電極３’’’によって第２の端子４’と電気的に接続される。端子４、４’のそれぞれは、基板２を通るバイア等の電気的接続を用いることにより、基板２の背面（即ち、水晶振動子２を有する面に対向する面）に配置された外部端子と電気的に接続される。こうした構成により、水晶振動子２が配置されている面に対向する基板１の面から、検出電極３及び非検出電極３’’へ電圧を印加することができる。
【００３３】
水晶振動子２の背面に配置された非検出電極と導電性の液体との接触によって検出電極３と非検出電極３’’との間が電気的に短絡されるのを防止するために、水晶振動子２の側壁２’’’は、その全周にわたって、弾性接着剤５により基板１に柔軟に接着され且つシールされる。この接着剤は被試験液体に溶けないことが望ましく、例えばシリコン樹脂接着剤であり得る。好ましくは、接着剤は、水晶振動子と支持体との間の接触領域に浸入しないほど粘性がありながら容易に拡がるよう、チップに塗布されたときに充分流動性を持たねばならない。図２の丸で囲った部分の拡大図である図３に示すように、弾性接着剤５は水晶振動子２の側壁２’’’を基板１に固定するために使用される。水晶振動子と支持体の上面（検出電極３のある面）と底面（非検出電極３’’のある面）とを接着剤に接触しないように保つために、可能な最小量の接着剤が使用される。これは、さもないと、水晶振動の動作に悪影響を与えるからである。
【００３４】
このような構成を有するチップ状水晶振動子Ｓにおいては、水晶振動子２を弾性接着剤により基板１に柔軟に固定したので、基板１への取り付けに起因する抵抗力を最小にし、ＡＴカット水晶振動子等におけるバルク波モード厚み剪断変形に対してＱ値の低下を最小限に保つことができる。更に、水晶振動子２が基板１に固定されると、即ち、接着剤が固まると、基板は全ての固定力を吸収し、したがって、水晶振動子チップには固定力が加わらないので、チップを装置に取り付けたときにも振動子には何ら固定力は与えられない。これにより、繰り返して使用しても発振状態の再現性が高いという利点が得られ、これは、Ｏリング或いはガスケットを用いる機械的な締め付けという従来の方法によって水晶振動子を固定するのと比較して重要な利点である。
【００３５】
先に延べたとおり、従来の液相センサにおいては、水晶振動子の背面に気体空洞が配置されており、その端点に水晶板が支持されていたため、試料液体の液圧の変動によって水晶板が歪んでしまうという欠点があった。これにより、液圧に依存してＱ値が著しく低減される結果、発振が不安定になり或いは停止する。しかしながら、本発明では、水晶振動子２の基板１に対向する振動面を基板１の面と非接着的且つ分散的に支持するので、水晶振動子２の歪みが防止され、安定な発振を維持することができる。これは、流量の変化に対し敏感で、液体の流れにおける脈動による大きな圧力変動を生じる中程度又は大きな流量の条件の下では実質的に使用できず、大きな脈動流を生成する往復式ポンプの使用を制限する傾向にある従来型の水晶振動子に対して大いに有利な点である。これらの問題は、本発明のチップ状水晶振動子Ｓによって実質的に回避され得る。
【００３６】
上記の用語「非接着的」とは、基板１に対向する水晶振動子の面が基板１に接着されてもいないし、故意に基板１から離して浮かばせてもいないことを意味しており、したがって、水晶振動子の背面は横方向に自由に振動することができる。「分散的」は、固定力が基板１と水晶振動子との間の接触領域において分散される、望ましくは接触領域において均等に分散されることを意味する。
【００３７】
加えて、本発明に係るチップ状水晶振動子Ｓにおいては、水晶振動子２がその周囲を耐水性の弾性接着剤５により基板１に水密的に接着されているので、導電性の試料溶液中であっても検出電極３と非検出電極とを絶縁状態に維持することができる。また、従来は、実装時にワイヤを水晶振動子の表面電極へ直接接続することが必要であった。しかし、本発明においては、上側電極のための外部電気接続を、下側電極に対する接続と共に、基板１の背面に配置することができるので、チップ状水晶振動子Ｓは容易に交換することが可能なユニットであり、有利なことに簡便な取り付けを達成することができる。本発明にあっては、チップ状水晶振動子Ｓをチップ単位で取り扱い又は交換することができるので、即ち、脆弱な水晶振動子との接触を回避することができるので、脆弱な水晶振動子を機械的損傷から保護することができるという効果もある。
【００３８】
本発明にしたがって水晶振動子を作成する方法は、以下のステップを含み得る。
検出電極、非検出電極及びリード電極を水晶振動子に蒸着するステップ、
適宜の形状と大きさを有する基板に、水晶振動子に対向すべき面に電極を設けると共に、これらの電極を基板の対向面へ導くスルーホールを設けるステップ、
基板の表面上の電極からの導体をスルーホールに設けるステップ、
導電性接着化合物を基板上の電極に塗布し、リード電極が導電性接着化合物と接触するように水晶振動子を基板上に配置するステップ、
導電性接着化合物を硬化させるステップ、
硬化時にも柔軟な接着化合物を、例えば、顕微鏡で観察しながら薄いピンで手動により又はロボットによって自動的に、水晶振動子の周囲に塗布し、水晶振動子の側壁を基板の表面に接着するステップ、
水晶振動子の上面上の余分な接着化合物を除去するステップ。
【００３９】
これまでは、矩形の水晶振動子２の例であるが、本発明によれば、チップ状水晶振動子Ｓは他の形状の水晶振動子を用いても実現可能である。図４は、本発明のチップ状水晶振動子の第２の実施の形態を概略的に示す上面図であり、図５は、図４に示す線Ｃ−Ｄに沿う断面図である。
【００４０】
第２の実施の形態のチップ状水晶振動子Ｓにおいては、基板１の上に円形の水晶振動子６が配置される。水晶振動子６は、例えば、基板１に対向する第１の面６’に円形の検出電極７を有する。蒸着された金属の薄い層で作られたリード電極７’が、検出電極７の適宜の部分から配線され、水晶振動子６の面６’上でその半径方向に延び、水晶振動子６の側壁６’’’に沿って下降し、基板１に面する背面６’’の方へ延びる。水晶振動子６のリード電極７’の背部は、確実な接続をも両立するように、好ましくは、最小の面積及び厚さを用いて、導電性接着剤により基板１上の端子４と電気的に接続される。同様に、水晶振動子６の他方の面上の非検出電極７’’が、導電性接着剤（図示せず）により最小面積及び厚さで、水晶振動子の直径方向において端子４と対向する、基板１上の端子４’と電気的に接続される。これは、チップに作用する力を最小にするためである。第１の実施の形態と同じに、端子４、４’のそれぞれは、基板２を貫くバイア等の電気接続を用いて、基板２の背面（即ち、水晶振動子２を有する面に対向する面）に設けられた外部端子と電気的に接続される。こうした構成により、基板１の水晶振動子６が配置されていない乾燥した背面から検出電極３及び非検出電極へ電圧を印加することができる。
【００４１】
第２の実施の形態においても、弾性接着剤５を用いて水晶振動子６の側面を基板１の表面に接着することにより、水晶振動子６は基板１に対して柔軟に固定される。これにより、第１の実施の形態と同様に、水晶振動子６の振動面の基板１表面への所望の面接触的、非接着的且つ分散的な支持を達成することができる。
【００４２】
ここで、本発明のチップ状水晶振動子Ｓに関して、若干の応用例について説明する。図６は、図１〜図５を参照することにより説明した第１の実施の形態又は第２の実施の形態のチップ状水晶振動子Ｓを用いる通液式液相水晶振動子センサの例を示す断面図である。試料溶液が容器８に流入して通液式液相水晶振動子センサＴの内部においてチップ状水晶振動子Ｓの検出電極と接触することができるよう、容器８には流入口９と排出口１０とが設けられる。チップ状水晶振動子Ｓの基板は、Ｏリング或いは可撓性ガスケット等の弾性体のような緩衝材１１と、平ばね又は減衰ピン等の弾性金属のような好ましくは弾性のある電気的接合１２との間に固定される。緩衝材１１は、チップ状水晶振動子Ｓの背面の周囲の領域へ試料溶液が流れ込むのを防止するのに用いられ、電気的接合１２は、チップ状水晶振動子Ｓの基板１の背面に配置された電極の端子を液相センサ内に好都合にも設けられた回路基板１３と電気的に接続するのに用いられる。回路基板１３は、水晶振動子を含む発振回路と基板に配置された適宜の回路部品から成る回路レイアウトを備える。
【００４３】
チップ状水晶振動子Ｓの温度は、誤差の発生源を少なくするために、ペルチェ素子（図示せず）等の適宜の加熱又は冷却素子を用いることによって一定に適切に保持される。
従来の技術においては、弾性体を介して固定力が水晶振動子に直接加えられる。しかし、図６に示すように、本発明においては、チップ状水晶振動子Ｓは、緩衝材１１である弾性体と電気的接合１２とを用いることによって容器８に柔軟に固定される。しかも、基板１が容器８に固定されるので、固定力が水晶振動子２又は６に加わることは防止される。これに加えて、動作中における温度や流量の小さな変化に起因して容器８の微小変形が生じたときであっても、こうした微小変形は緩衝材１１と電気的接合１２とで吸収される。通液式液相水晶振動子センサＴが高い再現性で使用可能である条件の範囲を拡大することができるので、こうした構成の特徴は高い信頼性を備えた液相センサの実現に貢献する。
【００４４】
Ｏリング或いはガスケット等の緩衝材１１はチップ状水晶振動子Ｓを交換するという便宜のために使用されているので、他の機能的等価物、例えば、緩衝材と容器８の内面との一体的な組み合わせと置換可能である。同様に、弾性的な電気的接合１２は必須ではない。例えば、電気的接合を省略して、回路基板１３上の可撓性の接点をチップ状水晶振動子Ｓの基板１の背面上の端子と直接接続するようにしてもよい。また、必要により、通液式液相水晶振動子センサＴの流入口９及び排出口１０の一方又は両方に流管を接続することが望ましい。
【００４５】
図７は、図１に示す形式の水晶振動子２の複数個のユニットを単一ユニットの基板１４上に配置したチップ状水晶振動子Ｓを示す上面図である。これは、本発明の第１の及び第２の実施の形態の複数個のユニットを単一の基板１４上に格子状に配置したものを示している。この場合においても、基板１４の水晶振動子２又は６が配置されている面に対向する単一の面から、水晶振動子２又は６のそれぞれに対して電力を供給することが可能である。水晶振動子２又は６のそれぞれのユニットは基板１４に独立に接着され、本発明の第１の及び第２の実施の形態について前に述べたと同じように電気的に接続される。
【００４６】
図７に示す構成において、水晶振動子２又は６の複数個のユニットばかりでなく、電極３の複数個のユニットがマトリクス状に配列されるので、各検出電極上に異なる分子リガンドを配置することによって、マトリクスと接触する溶液における異なる種類の目標物の同時検出を可能にする。そのうえ、単一のユニットである基板１４のみを取り扱うことによって、チップ状水晶振動子を移動させ又は交換することができ、したがって、検出のための操作効率を向上させることができる。様々な目的のために、複数個の通液式液相水晶振動子センサを使用することができ、その個数及び配置に制限はない。
【００４７】
図８は、本発明のチップ状水晶振動子Ｓの複数個のユニットを有する回分型液相水晶振動子センサＵの例を示す平面図であり、図９は、図８に示す線Ｅ−Ｆに沿う断面図である。これらの図において、上側に開口を有する絶縁体製の枠１５が隔離板１６によって縦横に、例えば、耐水性の相互接続された壁の形で仕切られ、格子状に配置された槽状容器１７の複数のユニットを形成する。各槽状容器１７は、その中に試料溶液の試料を保持することができ、そこに配置されたチップ状水晶振動子Ｓの検出電極３又は７が試料溶液に曝される。
【００４８】
図８及び図９に示す構成から理解できるように、バッチ型液相水晶振動子センサＵにおいては、どの槽状容器１７にもチップ状水晶振動子Ｓの単一のユニットを配置し得るので、複数の被試験溶液の同時測定を実現するばかりでなく、検出のための操作効率を向上させることができる。また、それぞれの槽状容器１７が他から切り離されているので、槽状容器の単一のユニットのみで検出を行なうことが可能である。つまり、図６に示すような通液型の容器によっては検出が困難な試料（例えば、高粘性の試料や、検出容器中比較的長い反応時間の後に検出され得る試験物質を含む試料）に対して有用である。
【００４９】
回分型液相水晶振動子センサＵは多くの目的に使用することができ、その配置や個数には制限がない。槽状容器１７の形状は図に示すような矩形に限られるものではなく、チップ状水晶振動子Ｓを容器内に保持することができる限り、任意の形状が許容可能である。そのうえ、検出電極３又は７が試料溶液に曝され、且つ、基板１の背面上の端子と各水晶振動子１２の対応する回路との間の電気的な接続が保証される限り、槽状容器１７におけるチップ状水晶振動子Ｓの任意の配置が許容可能である。例えば、チップ状水晶振動子Ｓを枠１５の側面に取り付けることができる。また、チップ状水晶振動子Ｓの検出電極が上側に配置されて試料溶液と接するよう、試料溶液と気相との間でチップ状水晶振動子Ｓの上下を逆に配置することも可能である。また、各チップ状水晶振動子Ｓの基板１を省略すると共に、枠１５の底面又は側面が基板１と等価であると仮定することによって、水晶振動子２又は６を枠１５の底部の面に取り付けることが可能である。
【００５０】
図１０は、本発明に係る水晶振動子装置の構成の一例を概略的に示す回路図で、上述のチップ状水晶振動子Ｓを構成要素として含む。この図に示すように、水晶発振装置Ｖは発振回路部ＯＳＣ、フォトカプラ部ＰＣ、駆動部ＤＲ及び電源部ＰＳを備える。
【００５１】
発振回路部ＯＳＣはインバータ１８、抵抗１９、チップ状水晶振動子２０、抵抗２１及びコンデンサ２２、２３からなり、インバータ１８はＮＯＴ回路を構成する。インバータ１８の出力端子と入力端子との間に結線された抵抗１９はフィードバック素子である。抵抗２１はチップ状水晶振動子２０へ流入する電流を制限するための素子であり、チップ状水晶振動子２０は抵抗２１と共にインバータ１８の入力端子と出力端子との間に接続される。センサとして動作するチップ状水晶振動子２０の検出電極は試料液体と接触する。コンデンサ２２はチップ状水晶振動子２０の検出電極とアースとの間に接続され、コンデンサ２３はチップ状水晶振動子２０の非検出電極とアースとの間に接続される。
【００５２】
発振回路部ＯＳＣの出力は駆動部ＤＲを介してフォトカプラ部ＰＣに供給される。駆動部ＤＲは、インバータ２４に直列接続された抵抗２５、２６、２７と抵抗２６に並列に接続されたコンデンサ２８とからなる。抵抗２７の一端はフォトカプラ部ＰＣの発光素子と接続される。フォトカプラ部ＰＣの発光素子のアノードは抵抗２９を介して電源電圧ＶＣＣに接続される。水晶発振装置Ｖの出力はフォトカプラ部ＰＣの受光素子から出力される。
【００５３】
幹線ノイズを低減するために、水晶振動子装置Ｖの各構成要素へ電源電圧を供給する電源部ＰＳは、バッテリ３０と、バッテリ３０に並列に接続されたコンデンサ３１と、定電圧回路３２と、定電圧回路３２の出力端子をアースに接続するのに必要なコンデンサ３３とから構成されることが望ましい。
【００５４】
水晶発振装置Ｖを構成する各部及びチップ状水晶振動子を試料溶液と接触状態に維持する手段を提供する部分は望ましくは金属容器３４内に配置され、これにより、金属容器３４内の各構成要素は電気的にシールドされる。金属容器３４は取り外し自在に作られることが望ましく、例えば、バッテリの交換は金属容器３４を取り外した後に行なうことができる。バッテリの端子Ｍ、Ｎ間に配置された素子を、バッテリ３０とリレー３６と外部スイッチ３５と駆動直流電源電圧ＶＤＤとからなる切り替え回路ＳＷの端子ｍ、ｎ間に配置された素子と置換し、外部スイッチ３５を容器３４の外部に配置し且つ外部スイッチ３５をリレー３６を介して発振回路部ＯＳＣと接続して電気的シールドを有効に保つことを行えば、操作性を改善することができる。
【００５５】
こうして、発振回路部ＯＳＣの出力はフォトカプラ部ＰＣを用いることにより周波数カウンタ等の外部装置から電気的に絶縁され、電源電圧がバッテリ３０により各回路部へ供給され、全体を金属容器内に配置してシールドすることにより、外部ノイズに起因する電源電圧の変動によって生じる発振周波数の変動を防止して安定な発振周波数が実現される。また、図１０に示す構成は、水晶振動子装置が他の装置から電気的に絶縁されねばならないとき、例えば、図７で示すように、複数個の水晶振動子を基板上にマトリクス状に設置するとき、試料溶液に対して複数の検出電極を曝すとき、又は、試料溶液を介して他の電気的装置（例えば温調器）との誘電的接続或いは直接の電気的連続性を確立することができる位置に配置されているとき、特に有益であり、顕著な効果を奏する。
【００５６】
通常、水晶振動子は５Ｖの直流電源によって動作される。液相に浸漬された場合等においてＱ値が著しく低下したとき、水晶振動子は印加電源電圧のわずかな変動にさえ応答して発振周波数を変化させる傾向が認識されている。例えば、２７ＭＨｚのＡＴカット水晶振動子の場合、印加電圧の１ｍＶの変動は１０Ｈｚ前後の発振周波数の変化を引き起こした。Ｈｚのオーダー又はサブＨｚのオーダーでの発振周波数出力安定性を実現するためには、電源電圧はマイクロボルトのオーダーの精度を持たねばならない。これは、配線を介して水晶振動子装置に到来する外部誘導性ノイズや、電源回路等の外部回路から発生するノイズによる微小電圧変動が存在することを無視できないことを意味する。しかし、このような微小変動を補償器を用いることによって打ち消すことは容易ではない。こうした技術的背景を考慮することにより、本発明の水晶発振回路においては、完全な電気的絶縁を、バッテリその他の所要の回路素子をシールド内に配置すると共に、発振出力をフォトカプラを介して取り出す構成を設計することにより達成している。こうして、本発明により、到来する外部ノイズの可能性を大幅に低減することができ、発振周波数出力の高度な安定化を実現することができる。
【００５７】
図１１は、本発明のチップ状水晶振動子Ｓが一体化されている通液式液相水晶振動子センサＴの実用のための構成の例を示した概略図であり、周辺装置が含まれている。通液式液相水晶振動子センサ装置３９は、図６を参照して上で説明した通液式液相水晶振動子センサＴと、センサの温度を一定に保つためのペルチェ素子等の加熱又は冷却素子と、断熱された外側容器とからなる。図１０により上記で説明した電気的シールドは、通液式液相水晶振動子センサＴに対する外側容器として電気的絶縁の可能な金属容器を用いることにより、又は、通液式液相水晶振動子センサＴを図１１に示す別の金属容器で囲むことにより達成される。試料溶液４２を供給するために容器内に入れられた後、試料溶液は、脈動流無しに一定の流量を提供することができるポンプ４１を用いることによって、流管４５を通って流れることができ、溶液はインジェクタ４３付きの弁を通過して流入口９から通液式液相水晶振動子センサＴに供給される。溶液は排出口１０を通って廃液容器４７へ排出される。流管４５が通液式液相水晶振動子センサ装置３９から取り外されたとき、チップ状水晶振動子Ｓの検出電極３が試料溶液を介して外部と通じるようになり、その結果、金属容器による電気的シールドが働かなくなる。しかし、通常は、試料溶液の実効抵抗が大きいので、流管４５として小さな内外径（例えば、外径が約１ｍｍで、内径が０．２５ｍｍ以下）の非導電性のプラスチック管を用いるとき、実際にはその導通効果は無視し得るものであり、シールド効果が保証される。
【００５８】
被試験物質を含む溶液は、注入用注射器を用いることによってインジェクタ４３付きの弁を通して試験溶液のための管４０へ注入され得る。次いで、インジェクタ４３付きの弁のスイッチを切り替えることにより、溶液を通液式液相水晶振動子センサＴへ供給することができる。通液式液相水晶振動子センサＴの出力発振周波数は同軸ケーブル４６を介して周波数カウンタ３８へ伝えられ、カウンタ３８によって一定間隔で又は連続的に計測され、ＧＰＩＢ又はＲＳ２３２Ｃ等のインターフェースにより通信ケーブル４４を介してコンピュータ３７へ伝送される。ＧＰＩＢ又ＲＳ２３２Ｃ等のインターフェースを有するコンピュータ３７は、通信ケーブル４４を介してポンプ４１及びインジェクタ４３付きの弁を制御することができることが望ましい。計測を実行する手順は、電力を通液式液相水晶振動子センサ装置３９に供給して発振を開始させるステップと、液相水晶振動子センサ３９の温調器を作動させるステップと、同時にポンプ４１により一定流量で液体を流すステップと、インジェクタ４３付きの弁を切り替えて、通液式液相水晶振動子センサＴにおいて出力発振周波数が安定になったときに通液式液相水晶振動子センサＴに試料溶液を流すステップと、を含む。出力発振周波数は、チップ状水晶振動子Ｓの検出電極３での試料の吸着及び解離によって生じる質量の微小変化に比例して変化する。この変化は周波数カウンタで計測することができ、そのデータはコンピュータ３７において一定間隔で又は連続的に捕捉し記録することができる。下記の例は、このシステム構成と通液式液相水晶振動子センサ装置と周辺装置Ｗとを用いて計測されたものである。
【００５９】
図１２は、試料溶液の流量に対する出力信号の安定性の実験結果を示しており、図１４及び図１５に示す用にＯリングで直接支持された従来のチップ状水晶振動子が、図１６に示す通液式液相水晶振動子センサに配置され、また図１及び図２に示す本発明によるチップ状水晶振動子Ｓが通液式液相水晶振動子センサＴに配置され、２つの種類のセンサから得られた結果がこの図で相互に対比される。いずれの場合も、水晶振動子は図１０に示す水晶振動子２０の位置に配置され、縦軸は、上記のように設定された水晶振動子の相対発振周波数を示し、横軸は時間を示す。試料として純水が用いられた。即ち、被試験物質を含む溶液を注入しないので、計測期間に電極上で吸着・解離現象が生じることはない。したがって、計測期間では、発振周波数の変化は質量変化によっては起きないと理解される。
【００６０】
図１２において、曲線ａ、ｂ、ｃ及びｄは、Ｏリングによる従来型の直接支持を用いた通液式液相水晶振動子センサの出力周波数応答を示しており、曲線α、β、γ及びδは、本発明によるチップ状水晶振動子Ｓを有する通液式液相水晶振動子センサＴの出力周波数応答を示している。試料溶液の流量は、曲線ａ及びαの場合は０マイクロリッタ／分、曲線ｂ及びβの場合は１０マイクロリッタ／分、曲線ｃ及びγの場合は５０マイクロリッタ／分、曲線ｄ及びδの場合には１００マイクロリッタ／分である。
【００６１】
図１２の曲線ａ〜ｄは、Ｏリングで直接支持された従来の型の水晶振動子の場合には流量の増加とともに周波数変動が増すことを示している。これは、Ｏリングで直接支持された水晶振動子は試料溶液の圧力によって容易に歪まされるためである。しかし、本発明に係るチップ状水晶振動子Ｓは、曲線α〜δにより示されるように、液圧の上昇によって殆ど影響されず、その結果、発振周波数の変動は極めて小さい。
【００６２】
図１３は、図１０に示す水晶発振装置Ｖによって得られた出力発振周波数の安定性を、ＡＣ電源で駆動される通常の水晶発振装置によって得られた出力発振周波数の安定性と比較した実験結果を示すグラフであり、縦軸は周波数（Ｈｚ）、横軸は時間（秒）を示す。計測は、図６に示す本発明のチップ状水晶振動子Ｓを有する通液式液相水晶振動子センサＴを用いることによって実行された。上述の例と同様に、純水を試料溶液として使用し、試験すべき物質を含む溶液は注入されなかった。ＡＣ電源で駆動される通常の水晶発振装置においては、電力は（例えば１００Ｖの）商用ＡＣ線からの電圧を整流して降圧することによって水晶振動子に供給され、発振出力は周波数カウンタに直接接続される。そのため、曲線ｅから分かるように、ＡＣ電源で駆動される通常の水晶発振装置の出力周波数は、配線を通して混入する外部ノイズや電源回路からのノイズに依存して大きく変動する。しかし、曲線εから分かるように、図１０に示す水晶発振装置においては、発振装置の出力はフォトカプラを介して外部装置と接続され、電力はバッテリから供給され、発振装置全体は金属容器で囲まれてシールドされるため、装置は外部装置から電気的に絶縁される。こうして、電源回路でのノイズに起因する発振周波数の変動は極めて小さく、安定な発振が達成され得る。
【００６３】
若干の実施の形態及び応用例についてのこれまでの説明から理解されるように、本発明においては、水晶発振子の側面が基板の表面に柔軟に取り付けられ、基板に対向する振動子の面は基板面に取り付けられないよう設計されるので、基板による水晶発振子の面接触的、非接着的且つ分散的支持を実現することができる。この設計は、水晶発振子に接触する試料溶液の特性の変化や試料溶液の流れ等の装置動作によって生じる変形力が加わった場合でも水晶振動子は殆ど歪まず、その結果、安定な発振を実現するという格別の効果を奏する。そのうえ、本発明は、基板を把持することによって操作することができ、水晶発振子を直接操作することなく水晶振動子の移設や交換を行なうことができるので、水晶発振子を機械的損傷から保護するという利点を有する。
【００６４】
また、本発明は発振装置の安定な動作を保証するという大きな利点を有する。導電性の液体に浸漬されながら複数の水晶振動子が同時に動作するときでさえ、水晶振動子をそれぞれ含む水晶発振装置間に短絡のような電気的干渉が発生しない。これは、それぞれの水晶振動子が基板の一方の面に固定され、水晶振動子と電気的に接続される回路要素が基板の他方の側に配置されるからである。
【００６５】
更に、本発明によれば、チップ状水晶振動子を有する水晶発振回路が、その回路に必要な電源部と共に、金属容器内に配置されて電気的にシールドされるので、水晶発振装置に必要な全部の電気的要素を、他の電気的要素から切り離して絶縁することができる。更に、発振回路の出力はフォトカプラを介して外部装置と接続されるよう設計されている。したがって、これにより、外部ノイズに起因する電源電圧の変動によって生じる発振周波数の変動を除去するので、液相センサの安定な発振を保証すると共に、液相センサの実効感度を向上させることになる。
【００６６】
図１７は、タンパク質どうしの相互作用の特定の検出のために使用される、本発明によるチップ状水晶振動子から得られた実験結果を表示するグラフを示している。グラフのｘ軸は秒を単位とする時間を表し、ｙ軸は振動子の発振周波数の変化を示す。この実験には、それぞれ２７ＭＨｚの公称発振周波数を有する２つのチップ状水晶振動子が用いられた。第１の振動子は、マウス・抗ミオグロビン抗体（ビアコア製）が予め固定されたセンサ面を、金検出電極上に付着された３、３’ジチオジプロピオン酸の自己集合化単層を介して構築することにより準備され、第２の振動子は、ウシ血清アルブミン（アマシャム・ファルマシア・バイオテク製のＢＳＡ）が予め固定されたセンサ面を、金検出電極上に付着された３、３’ジチオジプロピオン酸の自己集合化単層を介して構築することにより準備された。
【００６７】
５．０μｇ／ｍｌ（０．３μＭ）のヒツジ・ミオグロビン（ＭＷ．１６，９２３、ビアコア製）溶液の５０μｌの試料を、流動緩衝液として０．２Ｍ  ＮａＣｌを含む５０ｍＭ  ＨＥＰＥＳ緩衝液（ｐＨ７．４）を用いて各振動子に注入した。流量は１００μｌ／分であり、動作温度は２５．００°Ｃであった。
【００６８】
時間Ａにおいてミオグロビン溶液を注入すると、ミオグロビン抗体を予め固定された表面を有するチップ状水晶振動子は、比較的大きな周波数減少を生じる（曲線Ｃ）よう応答して、ミオグロビンの検出電極への吸着が起こったことを示すと共に、特異なタンパク質間の相互作用を適切に準備されたセンサによって計測することができることを証明した。非特異の表面（ＢＳＡが予め固定された表面）を持つ振動子は被分析物質に対して小さな応答を示したのみであり（曲線Ｂ）、これは主に、溶液の注入時における緩衝液の密度の微小変化に起因するものであった。これは、本発明に係るチップ状水晶振動子が、該振動子の検出電極と接触する液体内に存在する特異な分子の存在を検出するのに用いることができることを示している。
【００６９】
上述の実施の形態は本発明を説明することを目的とするものであり、請求項によって請求される保護範囲を限定することを意図してはいない。
【００７０】
参照数字の説明
１：基板、  １’：基板の上面、  ２：矩形水晶振動子、  ２’：第１の面、  ２’’：第２の面、  ２’’’：側壁、  ３：検出電極、  ３’：リード電極、  ３’’：非検出電極、  ３’’’：リード電極、  ４：端子、  ４’：端子、  ５：弾性接着剤、  ６：円形水晶振動子、  ６’：第１の面、  ６’’：第２の面、  ６’’’：側壁、  ７：検出電極、  ７’：リード電極、  ８：容器、  ９：流入口、  １０；排出口、  １１：緩衝材、  １２；電気的接合、  １３：回路基板、  １４：基板、  １５：枠、  １６：隔離板、  １７：槽状容器、１８；インバータ、  １９；抵抗、  ２０：チップ状水晶振動子、  ２１；抵抗、  ２２：コンデンサ、  ２３：コンデンサ、  ２４：インバータ、  ２５：抵抗、  ２６：抵抗、  ２７：抵抗、  ２８：コンデンサ、  ２９：抵抗、  ３０：バッテリ、  ３１：コンデンサ、  ３２：定電圧回路、  ３３：コンデンサ、  ３４：金属容器、  ３５：外部スイッチ、  ３６：リレー、  ３７：コンピュータ、  ３８：周波数カウンタ、  ３９：通液式液相水晶振動子センサ装置、  ４０：被試験溶液のための管、  ４１：ポンプ、  ４２：試料溶液を供給するための容器、  ４３：インジェクタ付きの弁、  ４４：通信ケーブル、  ４５：流管、  ４６：同軸ケーブル、  ４７：廃液容器、  ４８：水晶振動子、  ４９：Ｏリング又はガスケット、  ５０：容器、  ５１：流入口、  ５２：排出口、  ５３：回路基板、  Ｓ：チップ状水晶振動子、  Ｔ：通液式液相水晶振動子センサ、  Ｗ：通液式液相水晶振動子センサ装置及び周辺装置、  Ｕ：回分式液相水晶振動子センサ、  Ｖ：水晶発振装置、  ＯＳＣ：発振回路部、  ＰＣ：フォトカプラ部、  ＤＲ：駆動部、  ＰＳ：電源部、  ＳＷ：切り替え回路
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係るチップ状水晶振動子の第１の実施の形態を概略的に示す上面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ｂに沿う断面図である。
【図３】図２の丸で囲った部分の拡大図である。
【図４】本発明に係るチップ状水晶振動子の第２の実施の形態を概略的に示す上面図である。
【図５】図４の線Ｃ−Ｄに沿う断面図である。
【図６】本発明に係るチップ状水晶振動子が配置された通液式液相水晶振動子センサの断面図である。
【図７】図１に示す形式の複数の水晶振動子を同一の基板上に配置したチップ状水晶振動子の上面図である。
【図８】本発明に係るチップ状水晶振動子を、試料溶液を収容する各槽状容器に配置した回分式液相水晶振動子センサの上面図である。
【図９】図８の線Ｅ−Ｆに沿う断面図である。
【図１０】本発明の水晶発振装置の電気的構成を示す回路図である。
【図１１】本発明に係るチップ状水晶振動子が配置された通液式液相水晶振動子センサ装置のブロック図である。
【図１２】本発明のチップ状水晶振動子とＯリングで支持された従来型のチップ状水晶振動子と比較する、通液式液相水晶振動子センサにおける流量に依存する出力信号の安定性の実験結果を示すグラフである。
【図１３】本発明に係る水晶発振装置とＡＣ電源で動作する通常の水晶発振装置とを比較する、発振周波数出力の安定性の実験結果を示すグラフである。
【図１４】円形の水晶振動子をＯリングにより支持する従来の方法を説明するための図である。
【図１５】図１４の線Ｇ−Ｈに沿う断面図である。
【図１６】図１４に示すチップ状水晶振動子が配置された通液式液相水晶振動子センサの断面図である
【図１７】本発明に係るチップ状水晶振動子への分子の吸着に起因する発振周波数の変化を示す実験結果を示すグラフである。
【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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