CN101095039B

CN101095039B - 感知装置

Info

Publication number: CN101095039B
Application number: CN2005800453585A
Authority: CN
Inventors: 大西直树; 盐原毅
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: US7555952B2; EP1832862A4; CN101095039A; WO2006070940A1; JP4134025B2; EP1832862A1; JP2006184260A; US20080156097A1

Abstract

本发明的目的在于，使用例如含有石英振子的多个石英传感器，能够避免基于相互接近的石英传感器之间的空间结合而引起的频率测定的不稳定性，该石英振子的固有振动频率由于感知对象物的吸附而发生变化。作为具体的解决方法，对于与各石英传感器(1)相对应的各振荡回路(51)，设置并依次切换连接用于测定频率变化的共用的测定部(200)，利用构成负荷切换部的开关(52)，将连接于测定部(200)的振荡回路(51)以外振荡回路(51)与终端负荷(54)连接，由此使连接于测定部(200)的沟槽中包含(与测定相关)的振荡回路51输出侧的负荷值不同于待机中的振荡回路51输出侧的负荷值，强制地使相互的振荡频率分离。

Description

感知装置

技术领域

本发明涉及一种感知装置，使用传感器用振子例如石英振子，检测该传感器用振子的固有振动频率的变化，对感知对象物进行感知，该传感器用振子的表面形成有用于吸附感知对象物的吸附层，固有振动频率由于感知对象物的吸附而发生改变。

背景技术

为了达到保护环境的目的，迫切需要把握河流和土壤中的各种环境污染物质的浓度，即使是极微量的污染物质对人体也会有很强的毒性，因此希望能够确立微量污染物质的测量技术。作为最近引起注目的污染物质之一有二噁英，作为测定该二噁英的方法，已知有使用气相色谱质量分析计的方法及ELISA法(适用酶联免疫测定法)。根据气相色谱质量分析计，能够进行10^-22g/ml数量级的高精度的微量分析，但装置价格极高，因此分析成本也会上升，且具有分析需要长时间的缺点。此外，ELISA法与气相色谱质量分析计相比，虽然装置价格、分析价格低，分析所需时间短，但存在有分析精度低至10^-9g/ml数量级的缺点。

因此，本发明者根据如果感知对象物吸附于水晶振子，其固有振动频率对应于其吸附量而变化，着眼于使用石英振子作为二噁英等污染物质的测定装置的石英传感器。而且，最近，广泛进行仅某特定分子进行化学结合的抗体的开发，预先在石英振子的表面(详细而言是电极的表面)，使对于检体引起抗体抗原反应的抗体形成为吸附层，能够进行各领域的分析和解析。

另一方面，在使用石英振子测定溶液中的污染物质或血液中的抗原的方法中，如果反复使用传感器部分，则必须进行清洗，并且抗体抗原反应有时需要长的时间等，因此通过测定大量检体，取得分布数据而进行统计性的评价，所以希望高效率的方法。据此，本发明者对于使用多个石英传感器同时测定进行了研究。使用多个石英传感器的技术在专利文献1中有记述，该文献公开了对大气中的腐蚀性物质的种类及其浓度等进行测定的技术。

然而，在使用多个石英传感器进行测定的情况下存在以下问题。即，石英振子的振荡频率由设计值而决定，但在实际的制品中，相互的振荡频率实质上不可能完全相同，而且，在石英振子的电极表面形成完全相同大小、厚度的吸附层实质上也是不可能的，所以会存在尽管很小的频率差。因此，如果各石英传感器之间的距离小、例如相互邻接的石英传感器之间的距离小，这些石英传感器彼此之间会形成空间结合，结果被相互的振荡频率所拉进，导致振荡频率不稳定。该现象与使天线接近时振荡频率变得不稳定的情况类似，因此，无法测定正确的频率，从而难以高精度地对感知对象物进行感知，即感知对象物的浓度测定和微量感知对象物的有无。图11表示了在相互接近的石英传感器之间，测定的谱与测定的谱重叠状态的一个示例。

为了避免这种现象，通过增大石英传感器相互之间的距离能够与其对应，但导致装置大型化。本发明者研究了使用振荡频率的设计值相同的例如8个石英传感器，对于含有感知对象物的试样溶液中分别以8个稀释率稀释的8个试样溶液，测定感知对象物的浓度，对该浓度进行统计评价，但如果石英传感器的数目增多，若不尽量紧凑配置，就不能达到装置小型化的目的，不能满足市场的要求。

专利文献1：日本专利特开2001-99777号公报，图1和图24

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种使用多个传感器用振子的感知装置，并提供能够稳定地进行感知对象物的感知(浓度测定或感知对象物有无的测定)的技术，该传感器用振子的表面形成有用于吸附感知对象物的吸附层，含有固有振动频率由于感知对象物的吸附而发生改变的石英板等压电板。

本发明为一种感知装置，其特征在于：使用传感器用振子，根据该传感器用振子的固有振动频率的变化，对感知对象物进行感知，该传感器用振子在其表面形成有用于吸附感知对象物的吸附层，并含有固有振动频率由于感知对象物的吸附而发生改变的压电板，该感知装置包括：多个传感器用振子；多个振荡回路，用于使上述多个传感器用振子分别振荡；测定部，对于这些多个振荡回路共用设置，用于测定关于振荡回路频率的信号；信号切换部，用于将上述多个振荡回路依次与上述测定部切换连接；负荷切换部，强制地使连接于上述测定部的振荡回路与未连接于测定部的振荡回路的各振荡频率相互分离，设置于各上述多个振荡回路与上述信号切换部之间，用于使各振荡回路输出侧的负荷在第一值与第二值之间切换；和切换控制部，向信号切换部输出控制信号，以使上述多个振荡回路分别依次连接于上述测定部，并向上述负荷切换部输出控制信号，以使连接于测定部的振荡回路的输出侧的负荷为第一值，而选自未连接于测定部的振荡回路中的振荡回路的输出侧的负荷为第二值。

负荷切换部包括：分别设在例如上述多个振荡回路终端的多个具有第二值的终端负荷；和开关，该开关设置在各上述多个振荡回路与上述信号切换部之间，用于使各振荡回路的输出侧在上述信号切换部与上述具有第二值的终端负荷之间进行切换连接。

上述切换控制部构成为，向上述开关输出控制信号，使选自未连接于测定部的振荡回路中的振荡回路分别与终端负荷连接。并且，进一步具体而言，还可以列举在各振荡回路与信号切换部之间设置缓冲回路，上述开关设置于各振荡回路与各缓冲回路之间的结构。选自未连接于测定部的振荡回路中的振荡回路，可以是未连接于测定部的全部振荡回路，也可以是一部分的振荡回路。此外，本发明还可以构成为，包括：传感器部，包含用于保持各传感器用振子而设置于每个传感器用振子的保持部件和该传感器用振子的电极的连接端子；和测定器本体，可装拆上述传感器部的连接端子，并且包含各振荡回路和测定部。

根据本发明构成为，使用多个固有振动频率由于感知对象的吸附而发生改变的传感器用振子，例如石英振子，对于与各传感器用振子相对应的各振荡回路设置并依次切换连接用于测定频率变化的共用的测定部，使连接于测定部的振荡回路的终端负荷为第一值，而选自未连接于测定部的振荡回路中的振荡回路，例如未连接于测定部的全部振荡回路的终端负荷为第二值。因此，能够强制地使传感器用振子相互的振荡频率分离，避免相互的谱重叠。所以能够稳定地进行感知对象物的感知(浓度测定和感知对象物有无的测定)。而且，由于使测定部共用于多个传感器用振子，所以能够简化电路结构、降低成本。

附图说明

图1是表示本发明的感知装置的实施方式的外观和石英传感器的立体图。

图2是表示上述实施方式中使用的石英传感器的纵截面图。

图3是表示石英传感器中使用的石英振子和连接端子的立体图。

图4是表示上述实施方式的全体回路结构的电路框图。

图5是表示上述实施方式的回路中使用的振荡输出部的回路图。

图6是表示简化上述实施方式的全体电路、且终端负荷切换部的切换状态的电路框图。

图7是表示上述实施方式中8个石英传感器的各频率变化量与试样溶液的稀释率关系的特性图。

图8是表示本发明适用例的框图。

图9是表示图8所示的回路模块的一部分的结构图。

图10是表示选取自图8所示框图的旋转矢量的说明图。

图11是表示在相互接近的石英传感器之间，测定的谱与测定的谱重叠状态的特性图。

具体实施方式

下面详细说明本发明的感知装置的实施方式。该实施方式在振荡回路的后段电路中有主要部分，首先对整体结构进行简单说明。如图1所示，该感知装置包括：多个例如8个作为传感器部的石英传感器1，和能够自由地装拆这些石英传感器1的测定器本体100。石英传感器1构成为，如图1和图2所示，在作为配线基板的印刷基板21上重叠橡胶片22，设置石英振子24以堵住设置于该橡胶片22上的凹部23，并且从橡胶片22的上方安装上盖壳25。印刷基板21和橡胶片22构成保持部件，石英振子24相当于传感器用振子。在上盖壳25上，形成有试样溶液的注入口25a和试样溶液的观察口25b，试样溶液从注入口25a注入，石英振子24上面侧的空间充满试样溶液。石英振子24下面侧由上述凹部23构成密闭空间，由此构成朗之万型的石英传感器。

如图3所示，石英振子24例如在圆形石英板20的两面设置有电极24a、24a(背面侧的电极看不到)，这些电极24a、24a通过导电性接合剂26与设置在印刷基板21上的连接端子27电连接。并且，在石英振子24的一面例如电极24a的表面上，形成有用于吸附感知对象物的吸附层(未图示)。而且，各石英传感器1的连接端子27直接装拆于测定器本体100的连接端子侧，连接时形成各石英传感器1排列为横的一列、且注入口25a向上的状态。其中，在本例中，石英板20相当于固有振动频率由于感知对象物的吸附而发生改变的压电板。

测定器本体100内置有用于使石英传感器1振荡的振荡回路和用于测定来自振荡回路的频率信号的频率的测定部。参照图4对测定器本体100的内部回路进行说明。在本例中，准备了8沟槽(channel)的振荡输出部，以安装8个石英传感器1，这些8沟槽的振荡输出部用符号31～38表示。在振荡输出部31～38的后段，通过信号切换部4，连接有用于测定关于振荡回路频率的信号的测定部200。信号切换部4构成为，组合开关SW1～SW7，使振荡输出部31～38中的任意一个即检测端一侧的8个沟槽的一个与测定部200连接。

该测定部200，可以是例如测定振荡回路的频率、根据其测定结果求出其变化量的装置，也可以是如后所述直接求出振荡回路的频率变化量的装置。在本例中，测定部200包括：模拟/数字(A/D)转换器201，将从振荡输出部31～38中的任意一个发送的频率信号(模拟信号)变换为数字信号；和计量回路部202，对来自A/D转换器201的数字信号进行处理，计量频率或直接计量频率的变化量。

这里，参照图5，对振荡输出部31的结构进行说明，代表振荡输出部31～38。振荡输出部31包括：振荡回路51，使石英振子24振荡，例如由科耳皮兹回路等构成；开关52，构成连接于该振荡回路51输出侧的负荷切换部；缓冲回路53，连接于该开关52一个切换接点A一侧；和终端负荷54，连接于开关52另一个切换接点B一侧，例如由电容器C1与电阻R1的并联回路构成。C2～C5是电容器。

由于振荡频率和输出水平被输出侧的负荷值所左右，所以振荡回路51隔着缓冲回路53与测定部200侧连接，使负荷值不发生变动。本发明就是利用振荡回路51的振荡频率和输出水平随输出侧负荷的大小而敏感地变化，使得在振荡回路51未连接于测定部200时，利用开关52的切换，使振荡回路51的输出侧连接于终端负荷54，具有与连接于缓冲回路53时的振荡频率不同的振荡频率。即，如果振荡回路51连接于缓冲回路53时输出侧的负荷为第一值，切换到终端负荷54侧时的输出侧的负荷则为第二值。并且，设定该第二值的大小，使其能够强制地使8个沟槽中连接于测定部200的沟槽中的振荡回路51与未连接于测定部200的沟槽中的振荡回路51的振荡频率分离，避免互相的谱重叠。并且，通过减小输出水平，同时能够降低结合的绝对量。具体而言，例如设定终端负荷54的值(第二值)，使得将开关52切换到终端负荷54时的振荡频率与将开关52切换到缓冲回路53时的振荡频率有数百ppm左右的偏差。进一步举出具体例，例如，如果是31.1MHz的振荡回路，则设定25kHz的偏差。

如上所述，对于相互的振荡回路51的输出，为了避免谱的重叠，即为了避免被相互的振荡频率所拉进而导致振荡频率不稳定的现象，振荡频率的偏差量越大越优选，但是若偏差过大，将从测定部200切断的沟槽连接于测定部200时，至振荡频率恢复到原来大小并稳定就需要较长的时间，于是沟槽的切换速度减慢，测定的时间延长，所以应该兼顾二者而决定。

图6是表示8沟槽中各自的振荡回路51、构成负荷切换部的开关52与切换控制部40相关联的回路图。切换控制部40具有以下功能：向信号切换部4输出控制信号，使各个振荡回路51依次一个个地连接于上述测定部200，即成为8个沟槽依次一个个地连接的状态；并且向开关52输出控制信号，使连接于测定部200的沟槽的振荡回路51以外的振荡回路分别连接于终端负荷54。

下面，对上述实施方式的作用进行说明。首先将石英传感器1插入测定器本体100，例如在石英振子1为空的状态下，利用信号切换部4将包含振荡回路51的各沟槽依次连接于测定部200。在测定部200中，通过A/D转换器201将来自各振荡回路51的振荡频率读入计量回路部202，例如求出此时的各振荡频率(空白值)。其中，为了求出空白值，也可以向石英传感器1内注入纯水或其它溶液。接着准备检体试样溶液的稀释率彼此变化的8个测定用试样溶液，将它们分别注入8个石英传感器1，利用信号切换部4将各沟槽依次连接于测定部200，求出各振荡频率，求出由于将试样溶液加入每个沟槽而引起的振荡频率的变化量。此外，在这种情况下，除了石英振子24的吸附层吸附有感知对象物质之外，再加上由于石英振子24与液体接触而引起的变化量，所以，例如预先求出将纯水注入石英传感器1时的振荡频率的变化量，就能够将消去了该变化量的值作为频率变化量的计量值进行处理。而且，也可以在将试样溶液注入石英传感器1之前，注入纯水进行振荡频率的测定，然后进行以试样溶液取代纯水注入石英传感器1等操作。

而且，与上述沟槽的切换连接动作同期，利用作为负荷切换部的开关52进行振荡回路51的切换。即，通过将图4所示的开关SW1、SW5和SW7切换到接点A一侧，使振荡输出部31连接于测定部200时，将振荡输出部31的开关52切换到接点A一侧，作为其它沟槽的振荡输出部32～38的开关52切换到接点B一侧，这些振荡回路51的输出侧与终端负荷54连接。这样，能够依次同期进行振荡输出部32与测定部200的切换连接以及振荡回路51的输出侧的负荷的切换连接。

图7根据如上所述对于8沟槽进行测定的测定结果，表示试样溶液的稀释率与频率变化量(频率差)的关系。例如根据该关系进行试样溶液中感知对象物质浓度的评价。其中，作为感知装置的使用方法，不限于向各石英传感器1中注入与原来的试样溶液相同、各种改变了稀释率的试样溶液，也适用于向石英传感器1中注入检体本身不同的试样溶液的情况。

根据上述实施方式，对于与各石英传感器1对应的各振荡回路51，设置并依次连接用于测定频率变化的共用的测定部200。而且，利用构成负荷切换部的开关52使连接于测定部200的振荡回路51以外的振荡回路51连接于终端负荷54，由此能够使连接于测定部200的沟槽中所含(与测定相关)的振荡回路51的输出侧的负荷值不同于待机中的振荡回路51的输出侧的负荷值，强制地使相互的振荡频率分离，所以能够避免相互的谱重叠。因此，能够避免由于二者的振荡频率相互拉进而导致振荡频率的不稳定的情况，结果能够稳定地进行感知对象物的感知(浓度的测定和感知对象物有无的测定)。

其中，在本例中，对于连接于测定部200的沟槽以外的全部沟槽，使振荡回路51的输出侧连接于终端负荷54，但是对于距测定沟槽的石英传感器1离开一定程度、不可能发生空间结合的沟槽，也可以不与终端负荷54侧连接，例如也可以仅对于含有与测定的石英传感器1相邻的石英传感器1的沟槽，进行开关52的切换控制，使其与终端负荷54侧连接。

以上，测定部200可以测定各石英传感器1的振荡频率，例如计数空白值和注入了试样溶液时的振荡频率，存储这些计数值并求出二者的差，即频率的变化量；还可以进一步基于根据该变化量预先取得的检量线，求出并表示感知对象物的浓度；或者决定对于频率变化量的阈值，判定感知对象物的有无。而且，测定部200不限于对于振荡回路51的振荡频率进行计数，也可以是直接求得振荡频率的变化量。

作为直接求得振荡频率变化量的方法，可以列举出以下的方法。由基准时钟信号对来自振荡回路51的频率信号进行取样，由A/D转换器将该取样值变换为数字信号，对于与该数字信号相对应的频率信号，进行由数字信号的垂直检波，取出以复数形式表示的以相当于该频率信号的频率变化量的速度旋转的旋转矢量时的实数部分和虚数部分，同时基于该实数部分和虚数部分的各时系列数据，求出频率信号的频率变化量。

对实现该方法的例子进行描述。在图8中，6是基准时钟发生部，为了对来自振荡回路51的高频信号进行取样，输出作为频率稳定性极高的频率信号的时钟信号。61是A/D(模拟/数字)转换器，由来自基准时钟发生部6的时钟信号对来自振荡回路51的高频信号进行取样，将该取样值作为数字信号输出。由该数字信号特定的高频信号也包括基波以外的高次谐波。即对具有高次谐波失真的正弦波进行取样的情况下，该高次谐波成分受到折回的影响，根据情况，假定频率谱的频率轴上基波的频率与高次谐波的频率重叠的情况。因此，需要避免这种重叠，得到正确的感知动作。

通常而言，在由频率fs的时钟信号对频率f1的正弦波信号进行了取样的情况下，其取入结果的频率f2由(1)式表示。其中，mod(，)表示modulo函数。

f2＝|mod(f1+fs/2，fs)-fs/2|……(1)

在该取入结果中，相对于基波，n次高次谐波的频率表示为n×(基波频率)，所以如果将其作为f2代入上述(1)式，则能够计算高次谐波以怎样的频率取入。通过使用该计算，能够设定来自振荡回路51的高频信号的频率fc和取样频率(时钟信号的频率)fs，使基波的频率与高频波的频率不重叠。例如fc设定为11MHz，fs设定为12MHz。在这种情况下，由作为来自A/D转换器61的数字信号的输出信号所特定的频率信号的基波为1MHz的正弦波。其中，如果fc/fs为11/12，则基波的频率与高次谐波的频率不重叠，但fc/fs并不限于该值。

在A/D转换器61的后段，依次设置有载波移动器7和低通滤波器8。载波移动器7和低通滤波器8，在使由来自A/D转换器61的数字信号所特定的1MHz的正弦波信号为Acos(ω0t+θ)时，相当于取出与该正弦波信号的频率变化量相对应的旋转矢量的装置，进一步具体而言，相当于取出用复数表示旋转矢量时的实数部分与虚数部分的装置。

即，如图9所示，载波移动器7具有对于上述正弦波信号乘以cos(ω0t)的乘法计算部71a和对于上述正弦波信号乘以-sin(ω0t)的乘法计算部71b。乘法计算部71a的输出和乘法计算部71b的输出分别由(2)式与(3)式表示。

Acos(ω0t+θ)·cos(ω0t)＝1/2·Acosθ+1/2{cos(2ω0t)·cosθ+sin(2ω0t)·sinθ}

……(2)

Acos(ω0t+θ)·-sin(ω0t)＝1/2·Asinθ-1/2{sin(2ω0t)·cosθ+cos(2ω0t)·sinθ}

……(3)

因此，乘法计算部71a的输出和乘法计算部71b的输出分别通过低通滤波器72a和72b，能够去除2ω0t的频率信号，所以，结果能够从低通滤波器72取出1/2·Acosθ和1/2·Asinθ。其中，低通滤波器72由低通滤波器72a和72b构成。低通滤波器72中实际的数字处理为，计算与从载波移动器71输出的时系列数据连续的多个数据、例如6个数据的移动平均。

并且，如果由Acos(ω0t+θ)表示的正弦波信号的频率发生变化，Acos(ω0t+θ)就会成为Acos(ω0t+θ+ω1t)。因此，1/2·Acosθ成为1/2·Acos(θ+ω1t)，1/2·Asinθ成为1/2·Asin(θ+ω1t)。即，从低通滤波器72所得到的输出是与正弦波信号[Acos(ω0t+θ)]的频率变化量(ω1t)相对应的信号，具体而言，是用复数表示以该频率变化量的速度旋转的矢量时的实数部分(I)和虚数部分(Q)。

图10是表示该旋转矢量的图，该旋转矢量的长度为A，旋转速度为ω1t。所以，如果上述正弦波信号的频率不发生变化，则ω1t为零，该旋转矢量的旋转速度为零，但如果石英振子24吸附有感知对象物质，石英振子24的频率变化，由此引起上述正弦波信号的频率发生变化，则以对应于该变化量的旋转速度旋转。所以，基于从低通滤波器72输出的、用复数表示旋转矢量时的实数部分(I)和虚数部分(Q)，通过由频率差计算部9计算该速度，就能够得到频率差，即频率的变化量。此外，该计算还可以采用例如求出某一时刻的旋转矢量的相位与下一个由时钟决定的时刻的该旋转矢量的相位，求出该相位差的方法。

Claims

1.一种感知装置，其特征在于：

使用传感器用振子，根据该传感器用振子的固有振动频率的变化，对感知对象物进行感知，该传感器用振子在其表面形成有用于吸附感知对象物的吸附层，并含有固有振动频率由于感知对象物的吸附而发生改变的压电板，该感知装置包括：

多个传感器用振子；

多个振荡回路，用于使所述多个传感器用振子分别振荡；

测定部，对于这些多个振荡回路共用设置，用于测定关于振荡回路频率的信号；

信号切换部，用于将所述多个振荡回路的输出端依次与所述测定部切换连接；

负荷切换部，设置于各所述多个振荡回路与所述信号切换部之间，用于使各振荡回路的输出侧在所述信号切换部和一端接地的终端负荷的另一端之间切换；和

切换控制部，向信号切换部输出控制信号，以使所述多个振荡回路分别依次连接于所述测定部，并向所述负荷切换部输出控制信号，以使连接于测定部的振荡回路的输出侧与所述信号切换部连接，而未连接于测定部的振荡回路中的、至少与连接于所述测定部的振荡回路相邻的振荡回路的输出侧与所述终端负荷连接，其中，

设置有所述终端负荷，用于强制地使连接于所述测定部的振荡回路与未连接于测定部的振荡回路的各振荡频率相互分离，避免彼此的频谱重合。

2.如权利要求1所述的感知装置，其特征在于：

在所述多个振荡回路与信号切换部之间分别设置有缓冲回路，所述负荷切换部设置于各振荡回路与各缓冲回路之间。

3.如权利要求1所述的感知装置，其特征在于：

未连接于测定部的全部振荡回路的输出侧与所述终端负荷连接。

4.如权利要求1所述的感知装置，其特征在于，包括：

传感器部，包含用于保持各传感器用振子而设置于每个传感器用振子的保持部件和该传感器用振子的电极的连接端子；和

测定器本体，可装拆所述传感器部的连接端子，并且包含各振荡回路和测定部。