(57)【要約】【課題】複数を同時に用いることが容易にでき、外乱影響を抑えて検出感度を向上させることなどをできるようにするとともに、回路構成を極めて簡単化できる水晶振動子を用いた物理／化学量測定装置を提供する。【解決手段】発振回路Ａ１として、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、抵抗素子Ｒ３及び水晶振動子Ｘ１をこの順に環状に直列接続して環状回路を形成するとともに、前記水晶振動子Ｘ１と抵抗素子Ｒ３との間の接続配線を回路コモンに接続し、前記抵抗素子Ｒ２と第２コンデンサＣ２との間の接続配線を差動増幅器Ａ１の一方の入力端子に接続し、前記水晶振動子Ｘ１と第１コンデンサＣ１との間の接続配線を差動増幅器Ａ２の他方の入力端子に接続し、前記第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との間の接続配線を差動増幅器Ａ１の出力端子に接続したものにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子を有する発振回路を具備してなり、試料ガスや試料溶液などに含まれる測定対象物が水晶振動子に与える影響によって前記発振回路の発振周波数が変化することを利用して、該測定対象物の物理量乃至化学量を測定するものであって、
前記発振回路が、
前記第１コンデンサ、第２コンデンサ、抵抗素子及び水晶振動子をこの順に環状に直列接続して環状回路を形成するとともに、
前記水晶振動子と抵抗素子との間の接続配線を回路コモンに接続し、
前記抵抗素子と第２コンデンサとの間の接続配線を差動増幅器の一方の入力端子に接続し、
前記水晶振動子と第１コンデンサとの間の接続配線を差動増幅器の他方の入力端子に接続し、
前記第１コンデンサと第２コンデンサとの間の接続配線を差動増幅器の出力端子に接続したものであることを特徴とする物理／化学量測定装置。
【請求項２】
水晶振動子を有する発振回路を具備してなり、試料ガスや試料溶液などに含まれる測定対象物が水晶振動子に与える影響によって前記発振回路の発振周波数が変化することを利用して、該測定対象物の物理量乃至化学量を測定するものであって、
前記発振回路が、
前記第１抵抗素子、第２抵抗素子、第３抵抗素子及び水晶振動子をこの順に環状に直列接続して環状回路を形成するとともに、
前記水晶振動子と抵抗素子との間の接続配線を回路コモンに接続し、
前記第３抵抗素子と第２抵抗素子との間の接続配線を差動増幅器の一方の入力端子に接続し、
前記水晶振動子と第１抵抗素子との間の接続配線を差動増幅器の他方の入力端子に接続し、
前記第１抵抗素子と第２抵抗素子との間の接続配線を差動増幅器の出力端子に接続したものであることを特徴とする物理／化学量測定装置。
【請求項３】
特性が等しい一対の発振回路を設け、一方の発振回路の水晶振動子のみを測定対象物の影響下におき得るように構成している請求項１又は２記載の物理／化学量測定装置。
【請求項４】
前記一方の発振回路の水晶振動子における回路コモン側の電極に、特定の物質に感応する感応膜を貼着している請求項３記載の物理／化学量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物が水晶振動子に与える影響によって水晶振動子の共振特性（固有振動数）が変化することを利用して、該測定対象物の物理量乃至化学量を測定する物理／化学量測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子は、水晶振動板と水晶振動板に電圧を印加するように設けられた一対の電極からなるもので、その表面に物質を付着させたり温度を変化させたりして、水晶振動子寸法、弾性率、密度等を変化させると、その変化量に応じて、共振周波数が変化する性質を有している。この性質を利用して、水晶振動子の一方の電極を作用電極として試料ガスや試料溶液に晒し、そのことによる温度変化や化学変化に伴う質量変化などを、共振周波数の変化として検知するようにした温度センサや化学センサ、質量センサ（ＱＣＭ）などが種々開発されている。
【０００３】
このようなセンサでは、前記共振周波数の変化を電気的に測定するために、水晶振動子を帰還素子に用いた発振回路を構成し、その発振回路の周波数を検出するようにしている。そのうちのひとつに、Meacham型の水晶発振回路がある。かかる発振回路の利点としては、水晶振動子の等価抵抗が高くなっても安定な短時間発振周波数安定性能を得ることができる点や、増幅器電源と水晶振動子周辺回路とがトランスにより絶縁されているので、例えば、複数のセンサにおける水晶振動子を接液しても、その接液中での相互干渉が無い点などが挙げられる。
【特許文献１】特開２００７−７１７２２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、このような回路では、部品点数が多くなるうえに、トランスのように小型化が困難な部品もあり、センサ周辺回路としての必要条件である高集積化、小型化が難しい。
【０００５】
一方、トランスを用いず、小型化可能な発振回路として、コルピッツ型発振回路を応用したサバロフ回路が知られている。しかし、かかる回路では、水晶振動子の各電極を回路コモンに接続できない構成となっており、例えばこの回路で接液センサを構成すると、複数のセンサを接液した場合にその接液中での相互干渉が生じる、同様の理由から環境ノイズ除去のための差分回路を構成しにくい、溶液が回路コモンと接続されている場合には安定動作が困難になる、などの不具合が生じ得る。
【０００６】
本発明はかかる問題点を一挙に解決すべく図ったものであって、その主たる所期課題は、複数を同時に用いることが容易にでき、その結果、外乱影響（温度影響等）を抑えて検出感度を向上させることなどをできるようにするとともに、回路構成を極めて簡単化できる水晶振動子を用いた物理／化学量測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係る物理／化学量測定装置は、水晶振動子を有する発振回路を具備してなり、試料ガスや試料溶液などに含まれる測定対象物が水晶振動子に与える影響によって前記発振回路の発振周波数が変化することを利用して、該測定対象物の物理量乃至化学量を測定するものであって、
前記発振回路が、前記第１コンデンサ、第２コンデンサ、抵抗素子及び水晶振動子をこの順に環状に直列接続して環状回路を形成するとともに、前記水晶振動子と抵抗素子との間の接続配線を回路コモンに接続し、前記抵抗素子と第２コンデンサとの間の接続配線を差動増幅器の一方の入力端子に接続し、前記水晶振動子と第１コンデンサとの間の接続配線を差動増幅器の他方の入力端子に接続し、前記第１コンデンサと第２コンデンサとの間の接続配線を差動増幅器の出力端子に接続したものであることを特徴とする。
なお、前記各コンデンサの代わりに、抵抗素子を用いてもよい。
【０００８】
差分計測によるより精度の高い測定を可能とするには、特性が等しい一対の発振回路を設け、一方の発振回路の水晶振動子のみを測定対象物の影響下におき得るように構成しているものが好ましい。特に本発明によれば、溶液測定の場合であっても、各発振回路に共通の電源を用いることができるので、回路電源の複雑化や部品点数の増大をも抑制することが可能となる。
【０００９】
具体的な態様としては、前記一方の発振回路の水晶振動子における回路コモン側の電極に、特定の物質に感応する感応膜を貼着しているものを挙げることができる。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成の本発明によれば、水晶振動子を除いた周辺回路素子を、作動増幅器とコンデンサや抵抗素子など、せいぜい数個の簡単な素子で構成することが可能となる。また、コンデンサを用いる場合のコンデンサ容量は非常に小さい値でよいので、コンデンサに単体素子を用いることなく、例えばプリントパターンを利用したり、ダイオードにおけるＰＮ接合の端子間容量を利用したりすることができ、周辺回路素子のＩＣ化による小型化も容易に可能となる。作動増幅器にしても、発振理論から言って増幅度の安定は必要ないため、高速差動デジタルインタフェースレシーバなど、ローコストなものを用いることができる。
【００１１】
さらに、水晶振動子の一方の電極が回路コモンに接続されているので、この部分のインピーダンスが低くなるうえ、この部分を用い測定に影響の出ない方法でシールドすることなども容易に可能であることから、大気中、液中に拘わらず、電気的ノイズに対して強い構成にできる。
【００１２】
また、特に測定対象物が溶液であって、一方を検出用、他方を参照用とした２つの発振回路を用いて差分測定する場合には、作用電極となる水晶振動子の電極がいずれも発振回路のコモン電位であることから接続可能なので、共通の電源を用いても相互干渉が生じ難く、２つの発振回路を同一環境下においた差分測定が容易にできる。したがって、温度影響などの外乱を排除した、精度良い測定が容易にできるようになる
【００１３】
溶液の多成分測定などの目的で、本発明にかかる測定装置をマルチチャンネル化する場合にも、作用電極となる水晶振動子の電極がいずれも回路コモン電位なので、相互干渉が生じ難く、共通の電源を用いることができる。したがって従来のように回路電源の複雑化を招来しないし、また、各発振回路の切替素子を一素子で構成することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
本実施形態に係る物理／化学量測定装置１００（図１参照）は、水晶振動子Ｘ１に外部から何らかの物理的変化を与えることによって該水晶振動子Ｘ１の共振周波数が変化することを利用したものであり、この共振周波数を測定することにより、その変化を与えた原因である物理量や化学量を測定するものである。測定できる物理量や化学量としては、例えば、微量物質の質量が挙げられる。水晶振動子Ｘ１の電極表面に微量物質が付着すれば、その物質の質量を共振周波数の変化として定量的に捉えることができるからである。また、水晶振動子Ｘ１の電極表面を感応膜で覆えば、その感応膜が感応対象物質との間で反応（分離、結合）することで質量が変化した場合などに、その反応を共振周波数の変化として測定することができる。その他に、温度によって水晶振動子Ｘ１の水晶振動子寸法、弾性率、密度等が変化してその共振周波数が変化するから、温度も測定することができる。
【００１６】
かかる物理／化学量測定装置１００について具体的に説明すると、このものは、図１に示すように、水晶振動子Ｘ１を有する発振回路１と、その発振回路１の発振周波数を検知する周波数検知手段２とを具備している。
【００１７】
発振回路１は、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、抵抗素子Ｒ３、水晶振動子Ｘ１及び差動増幅器Ａ１を具備したものであり、差動増幅部Ａ１には、ここでは、ローコストな高速差動デジタルインタフェースレシーバを用いている。
【００１８】
詳述すると、前記第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、抵抗素子Ｒ３及び水晶振動子Ｘ１がこの順に環状に直列接続してある。そして、前記水晶振動子Ｘ１と抵抗素子Ｒ３との間の接続配線が回路コモンに、抵抗素子Ｒ３と第２コンデンサＣ２との間の接続配線が差動増幅器Ａ１のプラス入力端子に、水晶振動子Ｘ１と第１コンデンサＣ１との間の接続配線が差動増幅器Ａ１のマイナス入力端子に、さらに、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との間の接続配線が差動増幅器Ａ１の出力端子にそれぞれ接続してある。なお、差動増幅器Ａ１の各入力端子への接続は、コンデンサを介したＡＣカップリングでも構わない。
【００１９】
一方、周波数検知手段２は、詳細は図示しないが、例えば、一定周波数で動作するクロック素子を利用したカウンタ回路である。このような構成にしておけば、Ａ／Ｄコンバータを用いることなく、対象物を測定することができる。
【００２０】
次に、前記発振回路１について解析した結果を説明する。解析に用いた等価回路は図２に示すとおりである。
【００２１】
解析に用いた水晶振動子Ｘ１の等価定数は２０ＭＨｚ品を用い、水晶振動子Ｘ１の等価直列抵抗ＸＲ１は、接液状態での解析とするために、大気中の値より大きな値（約２０倍）の２２０Ωとした。その他の符号の意味と値は以下の通りである。
ＸＬ１（等価直列インダクタンス）＝２．８９・１０−３（Ｈ）
ＸＣ１（等価直列容量）          ＝２３．６１・１０−１５（Ｆ）
ＸＣ０（並列容量）              ＝５．３５２・１０−１２（Ｆ）
この等価回路での水晶振動子Ｘ１の直列（主）共振周波数ｆ０は以下の通りとなる。
ｆ０＝１／｛２π（ＸＬ１・ＸＣ１）１／２｝
＝１．９２６７４０７６・１０７（Ｈｚ）
【００２２】
また、各コンデンサＣ１、Ｃ２の容量は４０ｐＦ、抵抗素子の抵抗値は２５０Ωとした。
【００２３】
かかる条件下で解析すると、同位相になる周波数ｆｓは、
ｆｓ＝１．９２６２・１０７（Ｈｚ）
ｆｓ時のゲイン（ｅｉ＝１とした場合のｅｏｕｔ）は、
ｅｏｕｔ（ｆｓ）＝ｅｏｕｔＢ＋（ｆｓ）−ｅｏｕｔＡ−（ｆｓ）
＝０．０７２
位相傾きａは、
ａ（ｆｓ）＝−３６．４５３
となる。したがって、差動増幅器のゲインが、１／０．０７２≒１４以上で発振可能となる。
参考のために、図３に、共振周波数近傍でのゲイン特性と位相特性を掲げておく。
なお、ｅｏｕｔＢ＋は差動増幅器Ａ１のプラス入力端子での電圧、ｅｏｕｔＡ−は差動増幅器Ａ１のマイナス入力端子での電圧、ｅｉは差動増幅器Ａ１の出力端子での電圧である。
【００２４】
しかして、この物理／化学量測定装置１００を用いて測定する場合には、水晶振動子Ｘ１のコモン側の電極を作用電極とし、その作用電極に物質を付着させるようにする。例えば溶液中の所望成分を測定する場合には、作用電極に感応膜を被覆して化学的吸着を生じせしめるなどする。このことにより、水晶振動子Ｘ１の共振周波数が変化し、その変化を周波数検知手段２で捉えることにより、前記成分を測定することができる。
【００２５】
なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではない。
【００２６】
例えば、図４に示すように差分測定やマルチチャンネル測定をすべく、発振回路１を複数（図４では２つ）並列に設けた構成としても構わない。ここでは、それに応じて周波数検知手段２も複数設けている。そして測定の場合は、前記実施形態同様、各水晶振動子Ｘ１のコモン側電極を作用電極とする。
【００２７】
また、図５に示すように、コンデンサの代わりに抵抗素子を用いても構わない。ここで、符号Ｒ１は請求項２における第１抵抗素子、符号Ｒ２は請求項２における第２抵抗素子、符号Ｒ３は請求項２における第３抵抗素子に相当する。
なお、各図において、前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付している。
【００２８】
しかして、このように構成した各実施形態に係る物理／化学量測定装置１００によれば、作用電極となる水晶振動子Ｘ１の一方の電極が回路コモンに接続されているので、この部分のインピーダンスが低くなるうえ、この部分を用い測定に影響の出ない方法でシールドすることなども容易に可能であることから、大気中、液中に拘わらず、電気的ノイズに対して強い構成にできる。
【００２９】
また、特に測定対象物が溶液の場合に、２つの発振回路１を用いて差分測定したり、マルチチャンネル測定する場合に、水晶振動子Ｘ１の作用電極がいずれもコモン電位なので、各発振回路１に共通の電源を用いても相互干渉が生じ難い。したがって、各発振回路１を同一環境下においた差分測定が容易にできるし、あるいは、マルチチャンネル測定する場合において、回路電源を独立化するといった複雑な構成が不要となる。また、各発振回路１の切替素子を一素子で構成することも可能となる。
【００３０】
さらに、水晶振動子Ｘ１を除いた周辺回路素子を、作動増幅器Ａ１とコンデンサＣ１、Ｃ２や抵抗素子Ｒ３など、せいぜい数個の簡単な素子で構成できるうえ、図１におけるコンデンサＣ１、Ｃ２の容量は非常に小さい値でよいので、コンデンサＣ１、Ｃ２に単体素子を用いることなく、例えばプリントパターンの層間容量を利用したり、ダイオードにおけるＰＮ接合の端子間容量を利用したりすることができ、周辺回路素子のＩＣ化による小型化も容易に可能となる。作動増幅器Ａ１にしても、発振理論から言って増幅度の安定は必要ないため、前述した高速差動デジタルインタフェースレシーバを利用するなど、ローコストなものを用いることができるし、もちろん、計装アンプやコンパレータなどを用いて構わない。
【００３１】
図５の回路であれば、ブリッジ平衡をより安定に保つために、第２抵抗素子にランプ抵抗を用いることがより好ましい。図１の回路であれば、第２コンデンサの容量を可変にすれば、ブリッジ平衡の点で好ましいが、回路の複雑化を招く恐れがあるため、その兼ね合いで定めればよい。
【００３２】
その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係る物理／化学量測定装置の電気回路図。
【図２】同実施形態における物理／化学量測定装置の部分等価回路図。
【図３】前記等価回路でシミュレーションした結果を示す位相特性及びゲイン特性線図。
【図４】本発明の他の実施形態に係る物理／化学量測定装置の電気回路図。
【図５】本発明のさらに他の実施形態に係る物理／化学量測定装置の電気回路図。
【符号の説明】
【００３４】
１００・・・物理／化学量測定装置
１・・・発振回路
Ｃ１・・・第１コンデンサ
Ｃ２・・・第２コンデンサ
Ａ１・・・差動増幅器
Ｒ１・・・第１抵抗素子
Ｒ２・・・第２抵抗素子
Ｒ３・・・抵抗素子（第３抵抗素子）
Ｘ１・・・水晶振動子
【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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