JP2000180250A

JP2000180250A - 質量センサ及び質量検出方法

Info

Publication number: JP2000180250A
Application number: JP11059504A
Authority: JP
Inventors: Yukihisa Takeuchi; 幸久武内; Kosei Onishi; 孝生大西; Koji Kimura; 浩二木村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2000-06-30
Also published as: EP0992768A3; EP0992768A2; US6326563B1

Abstract

(57)【要約】【課題】細菌、ウイルス等の微生物や化学物質、蒸着
膜厚等のナノグラムオーダーの微小質量の測定を、簡単
に、かつ正確に行うことのできる質量センサ及び質量検
出方法を提供する。【解決手段】連結板３が振動板２と圧電素子６を配設
した検出板４に挟持されるように、それぞれの側面を接
合することで共振部が形成され、連結板３がセンサ基板
７に設けられた凹部８の側部側面に跨設され、かつ、検
出板４が少なくとも凹部８の底部と接合されてなる質量
センサ５０である。振動板２の質量変化に伴う共振部の
共振周波数の変化を測定することにより、振動板２の質
量変化を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ナノグラム（１
０^-9ｇ）オーダーの微小質量を測定する質量センサ、例
えば、細菌、ウィルス、原虫等の微生物を検出するため
の質量センサ（免疫センサ）や、水分や有毒物質あるい
は味覚成分等の化学物質の検出に使用される質量センサ
（水分計、ガスセンサ、味覚センサ）と質量検出方法に
関し、特に、これらの検出対象（被検出体）とのみ反応
して被検出体を捕捉する捕捉物質を塗布した振動板の質
量変化に基づく共振周波数の変化を測定することで、被
検出体の質量を測定する目的に好適に使用される質量セ
ンサ及び質量検出方法に関する。なお、本発明の質量セ
ンサは、上述のように、振動板に塗布された捕捉物質の
質量変化を測定する、即ち、間接的な振動板の質量変化
を測定することに限られず、振動板自体の質量変化に基
づく共振周波数の変化を検知することも、当然可能であ
るため、蒸着膜厚計や露点計としても用いることができ
る。また、直接的あるいは間接的に振動板の質量を変化
させることがなくとも、共振周波数の変化を起こさせる
環境に置く、即ち、真空度や粘性、温度等の異なる気体
や液体等の媒体環境下に置くことによって、真空計や粘
性計、温度センサとしても使用することができる。この
ように、本発明の質量センサは、その実施の形態によ
り、種々の用途があるが、振動板及び振動板を含む共振
部の共振周波数の変化を測定するという基本的な測定原
理は同じものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の科学技術、医療技術の進歩と、
抗生物質や化学薬品等の新たに開発される薬品により、
これまで治療が困難とされていた種々の病気についての
治療が可能となってきている。病気と呼ばれるもののう
ち、細菌やウィルス、原虫といった微生物に起因する病
気については、これらの病原体を見つけ出し、それがい
かなる種類のものかを明らかにし、更に、どのような薬
剤に感受性があるかを決定する微生物検査が、病気の治
療に必要不可欠である。

【０００３】現在では病状からおおよその原因、病原
体の種類を推測することが可能であるため、微生物検査
の第一段階では、病気の種類によって血液等の種々の検
体が選ばれ、検体中に存在する病原体を形態学的に、あ
るいは検体中に存在する抗原や病原体の特異代謝産物
（毒素や酵素等）を免疫化学的に確認している。この過
程は、細菌検査で行われている塗抹、染色、鏡検といっ
た作業であるが、最近は、蛍光抗体染色や酵素抗体染色
といった方法により、即時同定が可能となってきてい
る。

【０００４】また、近年、ウィルスの検出に用いられ
ているウィルス血清検査法は、患者の血清中に出現する
特異免疫抗体を証明する方法であり、例えば、試験血液
へ補体を加えることによって、補体がその血液中の抗原
もしくは抗体と反応して抗原もしくは抗体の細胞膜へ付
着するか、あるいは細胞膜を破壊することにより抗体も
しくは抗原の存在を決定する補体結合反応が例として挙
げられる。

【０００５】病状が従来に見られない新たなもので、
その病気がこれまでに未発見な新たな病原体によるもの
である極めて特殊な場合を除けば、微生物等による病気
の治療においては、上述した微生物検査により、早期に
病原体を発見することで、適当な処置を施すことがで
き、病状が悪化することなく病人を回復に導くことが可
能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述
した塗抹、染色、鏡検等の方法では、微生物の量により
検出が困難な場合が多々あり、必要に応じて検体を寒天
培地等で培養するといった時間を要する処理を行う必要
がある。また、ウィルス血清検査法においては、原則と
して、急性期と恢復期の両者について測定し、その抗体
量の動きから判定する必要があり、早期診断という観点
から時間的な問題がある。

【０００７】ところで、上述した補体結合反応にみら
れるように、被検出体たる特定の微生物とのみ反応して
被検出体を捕捉する捕捉物質と被検出体が反応した場合
には、非常に小さいが被検出体の質量の分だけ捕捉物質
の質量が増加する。このような質量増加は、特定のガス
物質や臭い成分等の化学物質とその捕捉物質（吸着物
質）との関係においても同様であり、更に、質量変化の
ない基板自体を捕捉物質と見立てて、その基板に特定物
質が析出、付加等した場合にもあてはまる。反対に、捕
捉物質等に捕捉されていた被検出体が脱離するような反
応が起こった場合には、捕捉物質等の質量が微小に減少
することとなる。

【０００８】このような微小質量の変化を検出する方
法として、例えば、米国特許Ｎｏ．４７８９８０４に
は、図２０に示されるように、水晶振動子８１の対向す
る面に電極８２・８３を形成し、この電極８２・８３に
何らかの物質が外部から付着したときの電極面の面方向
の水晶振動子８１の厚みすべり振動の共振周波数の変化
を利用して、その質量変化を検出する質量センサ８０が
開示されている。

【０００９】しかし、質量センサ８０にあっては、外
部からの物質の付着部と共振周波数の検出部とが同じ部
位となるため、例えば、検体の温度あるいは温度変化に
より質量センサ８０自体の圧電特性が変化した場合に
は、共振周波数が一定せず、また、検体が導電性溶液の
場合には質量センサ８０をそのまま検体に浸漬すると、
電極間の短絡を引き起こすために常に、樹脂コーティン
グ等の絶縁処理を施さなければならないといった不具合
が生ずる問題がある。

【００１０】そこで発明者らは、この質量センサ８０
の有する問題点を解決すべく、先に特願平９−３６１３
６８号において、振動板の質量を直接的もしくは間接的
に変化させて振動させたときの質量変化前後での共振周
波数の変化を測定する質量センサを種々開示した。一例
を図１９に示す。質量センサ３０は、振動板３１に連結
板３３を接合し、平板面上に圧電素子３５を配設した検
出板３２を連結板３３に接合して構成される共振部が、
直角な側面を有するセンサ基板３４の側面に接合された
構成を有している。この質量センサ３０においては、主
に振動板３１の質量変化にともなう共振部の共振周波数
の変化を測定することにより、簡単にしかも短時間にそ
の質量変化を知ることが可能である。

【００１１】しかしながら、このような質量センサ３
０においては、振動板３１の同質量の変化であっても、
質量が変化した位置が、例えば振動板３１の中央部であ
るか、あるいは端部であるかによって検出感度に差が生
ずる問題があり、この検出感度差をより小さくする改良
が望まれる。また、振動板３１をより揺れ易くすること
で検出感度の向上が図られる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上述した微小
質量センサの問題点に鑑みてなされたものであり、本発
明によれば、構造的に大別される以下の第一から第三の
質量センサが提供される。即ち本発明によれば、第一の
質量センサとして、連結板が振動板と少なくとも一方の
平板面の少なくとも一部に圧電素子を配設した検出板に
挟持されるように、それぞれの側面を接合して共振部が
形成され、当該連結板がセンサ基板に設けられた凹部の
側部側面に跨設され、かつ、当該検出板が少なくとも当
該凹部の底部と接合されてなることを特徴とする質量セ
ンサ、が提供される。

【００１３】この第一の質量センサにおいては、連結
板にスリット部を設けることも好ましい。また、連結板
の少なくとも一方の平板面に、少なくとも１枚のバネ板
もしくはキャビティ部を有する少なくとも１枚のバネ板
を貼合することも好ましく、この場合に、連結板のバネ
板が貼合されていない部分もしくはキャビティ部と相対
する部分の少なくとも一部にスリット部を設けることも
好ましい。この場合、連結板は、バネ板を貼合した厚み
の厚い部分と空洞部とを有するようになる。

【００１４】なお、凹部とは、対向する側面とそれら
側面を接続する底部側面とからなるものをいうが、本発
明においては、必ずしも底部側面は一平面である必要は
なく、底部側面に窪みを設けたり、あるいは逆に突起部
を設ける等、振動板の振動や共振周波数の測定に影響を
及ぼさない限りにおいて、種々に形状を変更することが
できるものをいう。また、本願において使用する「圧
電」という言葉には「電歪」の意味も含まれる。

【００１５】また、本発明によれば、第二の質量セン
サとして、少なくとも一方の平板面の少なくとも一部に
圧電素子を配設した検出板が第一の連結板と第二の連結
板に挟持され、かつ、当該第一の連結板が第一の振動板
と当該検出板に挟持され、かつ、当該第二の連結板が第
二の振動板と当該検出板に挟持されるようにそれぞれの
側面を一方向に接合して共振部が形成され、少なくとも
当該連結板が、センサ基板に設けられた対向する側面に
跨設されてなることを特徴とする質量センサ、が提供さ
れる。

【００１６】更に、本発明によれば、第三の質量セン
サとして、第一の検出板及び第二の検出板それぞれの少
なくとも一方の平板面の少なくとも一部に圧電素子が配
設され、干渉防止板が当該第一の検出板と当該第二の検
出板に挟持され、かつ、第一の連結板が当該第一の検出
板と第一の振動板とに挟持され、かつ、第二の連結板が
当該第二の検出板と第二の振動板に挟持されるように、
それぞれの側面を一方向に接合して共振部が形成され、
少なくとも当該連結板及び当該干渉防止板が、センサ基
板に設けられた対向する側面に跨設されてなることを特
徴とする質量センサ、が提供される。ここで、この第三
の質量センサにおいては、干渉防止板にバネ板を貼合す
ることが好ましい。

【００１７】これら第二及び第三の質量センサにおい
ては、第一の連結板及び／又は第二の連結板にスリット
部を設けることも好ましい。また、第一の連結板及び／
又は第二の連結板の少なくとも一方の平板面に、少なく
とも１枚のバネ板もしくはキャビティ部を有する少なく
とも１枚のバネ板を貼合することも好ましく、この場合
に、第一の連結板及び／又は第二の連結板のバネ板が貼
合されていない部分もしくはキャビティ部と相対する部
分の少なくとも一部にスリット部を設けることも好まし
い。つまり、連結板は、バネ板を貼合した厚みの厚い部
分と空洞部とを有することとなる。更に、第一の振動板
と第二の振動板の形状を異なるものとすることも好まし
い。

【００１８】さて、本発明の上記第一から第三の全て
の質量センサにおいては、振動板、連結板、検出板及び
センサ基板を一体的に形成し、かつ、連結板にバネ板を
貼合した場合にはこのバネ板もまた一体的に形成するこ
とが好ましい。このような一体的な構造を得るための手
段としては、連結板と振動板及び検出板を振動プレート
から一体的に形成し、かつ、センサ基板を振動プレート
とベースプレートを積層することで一体的に形成し、か
つ、連結板にバネ板を貼合した場合にはそのバネ板を中
間プレートから形成するとともに、中間プレートを振動
プレートとベースプレートとの間に嵌挿して一体的に形
成する方法が挙げられる。

【００１９】また、本発明の質量センサにおいては、
１箇所以上の凹部もしくは貫通孔をセンサ基板に形成
し、それぞれの凹部もしくは貫通孔の内周面のそれぞれ
に、共振部を形成することが好ましい。なお、貫通孔の
形状は任意であるが共振部の構造上、平行に対向する辺
を有するものであることが好ましい。また、凹部につい
ての基本的な定義は、前述した通りであるが、ここで、
例えば四角形状の貫通孔の一部は凹部とみなすことがで
きることから、逆に凹部は貫通孔の一部を利用するもの
であっても構わない。

【００２０】さて、本発明の全ての質量センサは、特
に微小質量の変化の測定に好適に用いられるものである
が、使用の一態様として、振動板に被検出体とのみ反応
して被検出体を捕捉する捕捉物質を塗布し、この捕捉物
質に被検出体が捕捉されていない状態及び捕捉物質に被
検出体が捕捉された後の状態における共振部の共振周波
数を圧電素子で測定し、測定された共振周波数の変化か
ら捕捉された被検出体の質量を測定する方法が挙げられ
る。このような質量センサの使用方法において、質量セ
ンサが複数の振動板を有する場合には、少なくとも１枚
の振動板には捕捉物質を塗布せず、参照用等として用い
ることができる。また、複数の振動板のそれぞれに、異
なる種類の捕捉物質を塗布することで、異なる種類の被
検出体を同時に検出する等することも可能である。

【００２１】上記使用態様によらず、本発明の質量セ
ンサにおいては、複数の振動板が形成されていると、振
動板の状態変化に起因するそれぞれの信号を積算してダ
イナミックレンジを大きくとることができ、好ましい。
ここで、「複数の振動板が形成されている場合」とは、
１枚の振動板を有する共振部がセンサ基板に２箇所以上
形成されている場合や、複数の振動板が形成された共振
部が１箇所以上形成されている場合を指す。また、共振
部に配設された圧電素子を２分割もしくは３分割するこ
とも好ましく、共振部に圧電素子を複数個配設すること
も、好ましい。この場合、分割された圧電素子、及び／
又は複数個の圧電素子のうち、少なくとも１個の圧電素
子を駆動用とし、少なくとも別の１個の圧電素子を検出
用として用いると、検出感度の向上が図られ、好まし
い。更に、１個の質量センサに、共振部を複数個配設す
ることも好ましい。なお、分極の方向を互いに逆向きと
する圧電素子を、検出板の両平板面にそれぞれ形成する
ことによっても検出感度の向上を図ることができる。

【００２２】本発明の質量センサは、その使用環境を
選ばないが、導電性溶液に浸漬して用いる場合には、振
動板は導電性溶液に浸漬されるが、圧電素子はその導電
性溶液に浸漬されないように、センサ基板上の振動板と
圧電素子との中間位置に一対の電極からなる位置センサ
が設けられていると、振動板に重点的に質量変化を起こ
させることができ、また、圧電素子の短絡を防止するこ
とができ、好ましい。一方、圧電素子及び圧電素子の電
極にそれぞれ導通する電極リードが、樹脂又はガラスか
らなる絶縁層により被覆されていると、加湿雰囲気や液
体中での使用に至便である。このとき、樹脂としては、
フッ素樹脂もしくはシリコーン樹脂が好適に用いられ
る。更に、少なくともこの絶縁層の一部の表面上に、導
電性部材からなるシールド層を形成すると、外部からの
ノイズが減少されて測定感度の向上が図られ、好まし
い。

【００２３】なお、本発明の質量センサにおけるセン
サ基板、振動板、連結板、検出板ならびバネ板を設けた
場合にはバネ板は、完全安定化ジルコニアあるいは部分
安定化ジルコニアを用いて好適に作製される。また、圧
電素子における圧電膜には、ジルコン酸鉛、チタン酸
鉛、マグネシウムニオブ酸鉛からなる成分を主成分とす
る材料が好適に用いられる。振動板、連結板、検出板の
少なくともいずれかの形状の寸法調整は、レーザ加工も
しくは機械加工によるトリミングにより好適に行われ
る。レーザ加工もしくは機械加工によるトリミングは、
圧電素子の電極の寸法調整にも好適に用いられ、こうし
て圧電素子の有効電極面積を容易に調整することができ
る。

【００２４】さて、本発明によれば、上述した本発明
の質量センサ、即ち、連結板が振動板と少なくとも一方
の平板面に圧電素子を配設した検出板に挟持されるよう
に、それぞれの側面を接合してなる共振部を有する質量
センサの質量検出方法であって、当該検出板と当該振動
板が当該連結板を挟持する方向に、当該振動板が平行に
往復振動する振動モードに基づく共振周波数を当該圧電
素子により測定することを特徴とする質量センサの質量
検出方法、もまた提供される。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の質量センサによれば、
振動板における質量変化位置に依存した感度差が小さ
く、また、振動板がより大きく揺れ易い構造となってい
るので、共振部の共振周波数の変化という具体的な数値
により、確実にしかも短時間の間に微小質量の変化を精
度良く知ることができる。従って、例えば、検体中にお
ける微生物や化学物質等の検出に好適に用いることがで
きる。以下、本発明の実施形態について、特定の被検出
体とのみ反応してその被検出体を捕捉する捕捉物質を振
動板に塗布した質量センサとその使用方法を中心に、図
面を参照しながら説明する。但し、本発明の質量センサ
には、前述したように、また後述するように質量変化の
測定以外にも多くの用途がある。従って、本発明は以下
の説明に限定されるものではない。

【００２６】図１（ａ）は、本発明の質量センサの一
実施形態を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）
中のＹ軸におけるＸ軸方向から見た断面図、即ちＹ軸に
おける厚み方向の断面図である。以下、このような断面
図を、単に「Ｙ軸における断面図」のように記すことと
する。質量センサ５０においては、連結板３が振動板２
と検出板４に挟持されるようにしてそれぞれの側面で接
合され、検出板４の一表面には圧電素子６が配設されて
いる。そして、振動板２、連結板３、検出板４及び圧電
素子６から共振部が形成され、連結板３がセンサ基板７
に設けられた凹部８の側部側面に跨設され、かつ、検出
板４が凹部８の底部に嵌合された構造を有している。な
お、質量センサ５０において、圧電素子６には、その電
極に導通するように電極リードが設けられるが、図１
（ａ）においてはこの電極リードは省略されており、後
述する図１（ｃ）についても同様である。

【００２７】ここで、振動板とは主に質量変化を起こ
させる場もしくは受ける場であって、後述する種々のモ
ードで振動する要素をいい、連結板とは振動板とセンサ
基板並びに検出板とを連結する要素をいい、検出板とは
振動板の動きによって歪みを生じ、表面に配設した圧電
素子等の検知素子にその歪みを伝達し、もしくはその逆
に圧電素子等の駆動素子が発生する歪みないし振動を振
動板に伝達する要素をいうものとする。また、センサ基
板は、共振部を保持すると共に測定装置へ取り付けるた
めの種々の電極端子を配設し、実際の使用においてハン
ドリングに供される要素をいう。

【００２８】質量センサ５０においては、振動板２と
連結板３及び検出板４は、必ずしも同一の厚みを有する
ことを必要としないが、振動板２と連結板３及び検出板
４は、好適には１枚の板（以下、このような板を「振動
プレート」という。）から一体的に形成されていること
が好ましい。この場合、振動板２と連結板３及び検出板
４は同一平板面を形成するように同じ厚みを有すること
となり、製造上も製造が容易となる利点がある。従っ
て、図１（ａ）では、振動板２と連結板３及び検出板４
のそれぞれの接合部に実線で境界が明示されているが、
実際には、また好ましくは、図１（ｃ）に示すように、
振動板２と連結板３及び検出板４は、構造的な境界のな
い一体構造とされる。

【００２９】また、連結板３及び検出板４は、センサ
基板７とも直接一体的に形成されることが好ましい。こ
のような構造を実現するために、センサ基板７は、後述
する本発明の質量センサの作製方法において詳述される
ように、振動プレートとベースプレートを積層して一体
的に形成することが好ましい。ここで、ベースプレート
を振動プレートよりも厚く形成し、質量センサ５０自体
の機械的強度の維持を図ると好ましい。なお、ベースプ
レートとは、センサ基板７の主要部を形成するために用
いられる板をいう。

【００３０】振動板２の厚みは３〜２０μｍ程度とす
ることが好ましく、好適には７〜１５μｍ程度に設定さ
れ、連結板３や検出板４についても同様である。このと
きのベースプレートの厚みは操作性を考慮し、適宜決め
られる。なお、検出感度向上のためには、振動板２と連
結板３の質量比（振動板２の質量／連結板３の質量）を
０．１以上とすることが好ましく、振動板２の厚みと面
積を考慮に入れつつ、この質量比の範囲内で適宜、好適
な比率に設定することが好ましい。後述するように、連
結板にバネ板を設けた場合には、振動板の質量を、連結
板とバネ板との合計の質量で除して、この質量比を検討
すればよい。

【００３１】このような振動板２と連結板３及び検出
板４並びにセンサ基板７は、好適にはセラミックスから
形成されていることが好ましく、例えば、完全安定化ジ
ルコニアや部分安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシ
ア、窒化珪素等を用いることができる。このうち、完全
安定化／部分安定化ジルコニアは、薄板においても機械
的強度が大きいこと、靭性が高いこと、圧電膜や電極材
との反応性が小さいことから最も好適に採用される。

【００３２】そして、センサ基板７等の材料として安
定化／部分安定化ジルコニアを使用する場合には、少な
くとも、検出板４にアルミナあるいはチタニア等の添加
物を含有した振動プレートを準備することが好ましい。
なお、センサ基板７を形成する振動プレートとベースプ
レートは、必ずしも同一の材料から構成される必要はな
く、設計に応じて前述した各種セラミックス材料を組み
合わせて用いることが可能である。しかし、同一の材料
系のものを用いて一体的に構成することが、各部の接合
部の信頼性の確保や製造工程の簡略化等の見地からは好
ましい。これらの材料は本発明の質量センサ全てに共通
して使用されるものであり、後述するバネ板、干渉防止
板といった部材にも適用される。

【００３３】さて、圧電素子６の形態としては、図２
に示すように、検出板８９上に第一電極８５、圧電膜８
６、第二電極８７が層状に形成された圧電素子８８、あ
るいは図３に示すような検出板８９上に圧電膜９０を配
し、圧電膜９０上部に第一電極９１と第二電極９２と
が、一定幅の間隙部９３を形成した櫛型構造を有する圧
電素子９４Ａが挙げられる。なお、図３における第一電
極９１と第二電極９２は、検出板８９と圧電膜９０と間
に挟まれるようにして形成されていてもかまわない。更
に、図４に示すように、櫛型の第一電極９１と第二電極
９２との間に圧電膜９０を埋設するようにして圧電素子
９４Ｂを形成してもよい。ここで、図３及び図４に示し
た櫛型電極を用いる場合には、ピッチＤを小さくするこ
とで、測定感度を上げることが可能となる。

【００３４】圧電素子６における圧電膜としては、圧
電セラミックスからなるものが好適に用いられるが、電
歪セラミックスあるいは強誘電体セラミックスを用いる
こともできる。また、分極処理が必要な材料あるいは必
要でない材料のいずれであってもよい。

【００３５】圧電セラミックスとしては、例えば、ジ
ルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、マ
グネシウムタンタル酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニ
オブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、
マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタ
ン酸バリウム等やこれらのいずれかを組み合わせた成分
を含有する複合セラミックスが挙げられるが、本発明に
おいては、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛及びマグネシウム
ニオブ酸鉛からなる成分を主成分とする材料が好適に用
いられる。これは、このような材料が高い電気機械結合
係数と圧電定数を有することに加え、圧電膜の焼結時に
おけるセンサ基板材料との反応性が小さく、所定の組成
のものを安定に形成することができることに基づく。

【００３６】更に、上記圧電セラミックスに、ランタ
ン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タング
ステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガ
ン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチ
モン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマ
ス、スズ等の酸化物、もしくはこれらいずれかの組み合
わせ、又は他の化合物を適宜、添加したセラミックスを
用いてもよい。例えば、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛及び
マグネシウムニオブ酸鉛からなる成分を主成分とし、こ
れにランタンやストロンチウムを添加したセラミックス
を用いることもまた好ましい。

【００３７】一方、圧電素子６における第一電極及び
第二電極は、室温で固体であって導電性の金属で構成さ
れていることが好ましく、例えば、アルミニウム、チタ
ン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオ
ブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、
銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白
金、金、鉛等の金属単体あるいはこれらのいずれかを組
み合わせた合金が用いられ、更に、これらに圧電膜ある
いは検出板と同じ材料を分散させたサーメット材料を用
いてもよい。

【００３８】なお、実際の第一電極及び第二電極の材
料選定は、圧電膜の形成方法に依存して決定される。例
えば、前述した圧電素子８８を形成する場合に、先ず、
検出板４Ａ・４Ｂ上に第一電極８５を形成した後、第一
電極８５上に圧電膜８６を焼成により形成する場合に
は、第一電極８５は、圧電膜８６の焼成温度においても
変化しない白金等の高融点金属を使用する必要がある。
これに対し、圧電膜８６を形成した後に圧電膜８６上に
形成される第二電極８７は、低温での形成が可能なこと
から、アルミニウム等の低融点金属を使用することがで
きる。

【００３９】また、圧電素子８８を一体焼成して形成
することもできるが、この場合には、第一電極８５及び
第二電極８７の両方を圧電膜８６の焼成温度に耐える高
融点金属としなければならない。一方、図３に示したよ
うに、圧電膜９０上に第一及び第二電極９１・９２を形
成する場合には、双方を同じ低融点金属を用いて形成す
ることができる。このように、第一電極及び第二電極
は、圧電膜の焼成温度や圧電素子の構造に依存して、適
宜、好適なものを選択すればよい。

【００４０】なお、圧電膜の面積を広げると出力電荷
が増加するために感度が上がるが、センササイズが大き
くなる問題が生ずるため、適宜、好適な大きさに設定す
ることが好ましい。また、圧電膜の厚みを薄くすると感
度が向上するが、その一方で、剛性が低下するといった
問題が生ずる。このため、好ましくは、検出板４Ａ・４
Ｂと圧電膜との厚みの合計は、好適には、１５〜５０μ
ｍとなるように設定される。上述した圧電素子の構造、
使用される材料は、本発明の質量センサの全てに共通し
て用いられる。

【００４１】質量センサ５０において、共振周波数の
測定に好適に用いられる振動板２の振動モードとして
は、検出板４と振動板２が連結板３を挟持する方向であ
るＹ軸方向に、振動板２が平行に往復振動する振動モー
ド（以下、このような振動モードを「一軸振動モード」
という。）が挙げられる。この一軸振動モードにおける
振動板２の動きは、図１（ａ）のＸ軸方向から見た場合
には、図５（ａ）に示されるように、静止状態では実線
位置にあり、振動時には点線位置間を往復運動する運動
として表される。この一軸振動モードに基づく共振周波
数を圧電素子６により測定すると、振動板２内での質量
変化位置による感度差を低減することができ、好まし
い。また、一軸振動モードは、振動板２の側面を利用し
た剛体モードであって、振動板２の厚みが薄いために密
度や粘性等の外部環境の影響を受け難く、従って温度変
化に強く、最も検出感度が良好で対環境性に優れたもの
となる。このような特性から、質量センサ５０は振動板
２もしくは質量センサ５０全体を液体に浸漬しても用い
ることができる。

【００４２】その他に質量センサ５０において用いら
れる振動モードとしては、図５（ｂ）に示されるよう
に、振動板２が、Ｘ軸方向から見た場合に、Ｘ軸とＹ軸
の双方に垂直なＺ軸方向（紙面に垂直な方向）に撓むよ
うに曲がる曲げモードや、図５（ｃ）に示されるよう
に、振動板２が、Ｘ軸方向から見た場合に、連結板３の
中心を通るＸ軸回りに回転するＸ軸回転モード、及び図
５（ｄ）に示されるように、振動板２をＹ軸方向から見
た場合に、振動板２がＹ軸を中心軸として回転するＹ軸
回転モードが挙げられる。これらの振動モードは液体中
での測定には、振動板２の平板面が振動の際に環境から
受ける抵抗が大きくなり、好ましくないが、気体中での
測定においては十分に質量センサとして使用可能であ
る。

【００４３】なお、図５（ｂ）〜（ｄ）において、実
線は振動板２の静止状態の位置を示し、点線は振動状態
の静止位置以外の位置を示している。また、これらの各
種の変位モードは、振動板２の変位方向がそれぞれ前述
した方向に支配的であることを意味しているものであっ
て、記された方向以外の方向成分を有することを完全に
排除しているものではない。このことは、以下、種々の
実施の形態について説明する際に、変位モードについて
言及する場合にも同様に言えることである。

【００４４】さて、質量センサ５０において、圧電素
子６の圧電膜に交流電圧をかけた場合には、圧電膜には
ｄ₃₁あるいはｄ₃₃により伸縮振動が生じて検出板４に屈
曲運動が生じる。この運動が振動板２に伝達されて、振
動板２が圧電膜にかけた交流電圧と同じ周波数で振動
し、その交流電圧の周波数がある周波数のときに、上記
一軸振動モード等の共振現象が生ずる。その共振周波数
の変化を圧電素子６自身で測定することにより、振動板
２の質量変化の有無を調べることができる。

【００４５】一方、振動板２が外部からの励振力等で
振動すると、検出板４に屈曲／撓み振動が生じ、これに
より圧電素子６が圧電素子８８のような構造を有する場
合には、平板状の圧電膜８６には伸縮振動が生じて、圧
電膜８６の電気機械結合係数ｋ₃₁（圧電定数ｄ₃₁）に基
づく電圧が発生する。なお、圧電素子６が櫛型電極構造
を有する圧電素子９４Ａ・９４Ｂの場合には、ｋ₃₃（ｄ
₃₃）に基づいて一定の電圧が発生する。このような電圧
値のＰ−Ｐ値を検出し、Ｐ−Ｐ値の極大となる周波数を
検知することで、一軸振動モード等の共振周波数を検出
し、質量変化を知ることが可能となる。

【００４６】なお、本発明においては、圧電素子とし
て前述したｄ₃₁、ｋ₃₁に表される電界誘起歪みの横効
果、又はｄ₃₃、ｋ₃₃に表される電界誘起歪みの縦効果を
利用する素子で構成することが好ましいが、ｄ₁₅、ｋ₁₅
に表される電界誘起歪みのすべり効果（ｓｈｅａｒｍ
ｏｄｅ）等を利用する素子で構成することもできる。

【００４７】さて、質量センサ５０においては、検出
板４の一方の平板面にのみ圧電素子６が配設されている
が、圧電素子６は検出板４の両平板面にそれぞれ形成し
ても良い。この場合、一方の圧電素子を振動板２の駆動
用（励振用）に用い、他方の圧電素子を検出用（受信
用）として用いると、検出感度の向上が図られ、好まし
い。また、圧電素子における圧電膜の分極方向を互いに
逆向きとすることによっても検出感度の向上が図られ、
好ましい。なお、両方の圧電素子で同時に振動板２を駆
動しつつ、それぞれの圧電素子で共振周波数の検出を行
っても構わない。こうしてそれぞれの圧電素子の検出す
る信号を比較演算処理することにより、ノイズを減少さ
せ、他の振動モードの影響を排除し、検出精度を向上さ
せつつ、ダイナミックレンジを大きくとることが可能と
なる。

【００４８】また、検出板４の一方の平板面に圧電素
子６を配設した場合であっても、図６（ａ）の平面図に
示すように、圧電素子６をＹ軸を中心としてＸ軸方向に
２個の圧電素子（圧電素子６Ａ・６Ｂ）が形成されるよ
うに分割して配設し、圧電素子６Ａ・６Ｂを同時に駆動
して連結板３の中央部が撓むことなく振動板２を駆動す
ると、振動板２内の検出感度差を低減することができ、
好ましい。更に、図６（ｂ）の平面図に示すように、圧
電素子６をＹ軸方向に３個の圧電素子（圧電素子６Ａ・
６Ｂ・６Ｃ）に分割して配設し、中央に位置する圧電素
子６Ｂを駆動用として用い、外側の圧電素子６Ａ・６Ｃ
を検出用として用いると、応力の集中する連結板３と検
出板４との接合部並びにセンサ基板７と検出板４との接
合部に近いところに、検出用の圧電素子６Ａ・６Ｃが配
設されているため、共振時の波形が安定して検出精度が
向上できる利点がある。

【００４９】このような圧電素子６の分割形成は、１
個の圧電素子６を配設した後に、レーザ加工等により分
割加工する方法、あるいは圧電素子６を配設する際に、
最初から分割して配設する方法のいずれを用いてもよ
い。なお、圧電素子６を上述の通り３分割する場合に
は、圧電素子の形態として、図２に示した層状構造のも
のを用いることが好ましく、下部電極（第一電極８５）
は共通とし、上部電極（第二電極８７）のみをレーザ等
によるパターニングにより形成すると作製が容易であ
る。上述した圧電素子の配設についての種々の形態は、
後述する本発明の他の質量センサにも好適に用いられ
る。

【００５０】こうして配設する圧電素子の数を多くす
ると、検出感度の向上等の効果を得ることができるが、
反対に、製造工程（圧電素子の形成工程）が複雑になる
といった問題も生ずる。従って、圧電素子の配設数は、
検出する質量のオーダーや精度、製造コスト等を考慮し
て決定すればよい。なお、質量センサの検出感度を上げ
る方法としては、上述した圧電素子の配設数によるもの
の他にも、振動板を薄くして、被検出体の質量と振動板
の質量との比（被検出体の質量／振動板の質量）を大き
くする方法も好適に用いられる。

【００５１】次に、質量センサ５０の使用の態様につ
いて説明する。質量センサ５０の一使用態様として、振
動板２に被検出体とのみ反応して被検出体を捕捉する捕
捉物質を塗布して用いる場合が挙げられる。この場合、
振動板２の捕捉物質に被検出体が捕捉されていない状態
での共振部の共振周波数と、被検出体が捕捉された後で
の共振部の共振周波数とは、捕捉された被検出体の質量
の分に依存して異なる値を示すことから、この共振周波
数の変化を圧電素子６により測定することで、逆に、捕
捉物質に捕捉された被検出体の質量を測定することが可
能となる。被検出体の一例としては病気の原因となる抗
原を、また捕捉物質してはこの抗原に対する抗体を挙げ
ることができる。

【００５２】測定方法としては、この場合より具体的
には、振動板２に捕捉物質を塗布して、この振動板２を
検体たる液体に浸漬し、もしくは特定ガス等の気体雰囲
気にさらして、被検出体を補足物質に補足させて振動板
２の質量を変化させ、圧電素子６により共振部の共振周
波数の変化を測定する方法が挙げられる。また、捕捉物
質を塗布した振動板２を液体に浸漬させて被検出体を捕
捉させた後、気体中で振動板２を乾燥させて共振周波数
を測定することもできる。ここで、上述した種々の振動
モードが用いられ、圧電素子の構造や配設数についても
種々の形態を適宜選択して用いることができることはい
うまでもない。

【００５３】なお、質量センサ５０は、振動板２の質
量が初期の状態から減少するような場合に、その減少量
を測定するために使用することも可能である。例えば、
塗布した捕捉物質が何らかの原因で剥離したときや、振
動板２に塗布された物質の微小腐食量や特定溶液に対す
る微小溶解量の測定、あるいは振動板２に捕捉物質では
なく特定の化学物質を塗布して、その化学物質の蒸発、
溶解等の変化量を測定する目的にも好適に使用すること
ができる。

【００５４】上述の通り、質量センサ５０を共振部の
共振周波数を変化させる環境下におくという測定原理を
応用すれば、種々の物理量や化学量の測定に用いること
が可能となる。詳しくは後述することとするが、例え
ば、振動板上に付着する質量変化を利用する蒸着膜厚計
や露点計、振動板の置かれた真空度や粘性あるいは温度
といった環境を利用する真空計や粘性計あるいは温度セ
ンサとして用いることができる。

【００５５】次に、上述した質量センサ５０を用いた
別の実施形態である質量センサ５１の平面図を図７に示
す。質量センサ５１内には、質量センサ５０と同様の共
振部が２箇所（共振部１１Ａ・１１Ｂ）形成されてい
る。これら共振部１１Ａ・１１Ｂの詳細な構成について
は質量センサ５０と同等であるので、この場での説明は
割愛する。また、共振部１１Ａ・１１Ｂの使用方法は、
前述した質量センサ５０の使用方法に準ずるが、質量セ
ンサ５１のように、１個のセンサ内に形成される共振部
の数を２箇所以上とすることにより、各共振部からの信
号を積算してダイナミックレンジを大きくとることが可
能となる他、少なくとも１つの共振部を参照用、あるい
は他の物理量の測定のために用いることができるように
なる。

【００５６】センサ基板１７に設けられた基準孔１８
は質量センサ５１のパッケージング及び製造工程におい
て利用されるアライメントマークとして設けられるもの
であり、センサ基板１７は、質量センサ５０と同様に振
動プレート及びベースプレートを積層して、好ましくは
一体的に形成される。また共振部１１Ａ・１１Ｂにおけ
る振動板１２Ａ・１２Ｂ、検出板１４Ａ・１４Ｂ、連結
板１３Ａ・１３Ｂは、振動プレートから一体的に形成さ
れていることが好ましい。検出板１４Ａ・１４Ｂの表面
に設けられた一対の電極を有する圧電素子１６Ａ・１６
Ｂからは、センサ基板１７下部へ電極リード１９Ａ・１
９Ｂが引かれており、電極リード１９Ａ・１９Ｂの末端
が測定プローブ等の測定装置側の端子等と接続される。

【００５７】更に、質量センサ５１には、一対の電極
からなる位置センサ２０が設けられている。この位置セ
ンサ２０は、質量センサ５１を水溶液等の導電性を有す
る検体に浸漬させたときに検体によって導通し、質量セ
ンサ５１の浸漬位置を検出するものである。即ち、検体
が導電性を有する場合には、位置センサ２０の水平方向
に形成されたパターンから上部を検体に浸漬させ、位置
センサ２０が応答した位置より深くは質量センサ５１を
検体に浸漬させないようにすると、圧電素子１６Ａ・１
６Ｂ及び電極リード１９Ａ・１９Ｂの短絡を防止するこ
とができる。このような位置センサ２０は、前述した質
量センサ５０において、そのセンサ基板７にも形成する
ことができることはいうまでもない。但し、圧電素子１
６Ａ・１６Ｂ及び電極リード１９Ａ・１９Ｂを絶縁樹脂
等でコーティングした場合には、質量センサ５１を導電
性の検体に浸漬させた場合でも、圧電素子１６Ａ・１６
Ｂと電極リード１９Ａ・１９Ｂの短絡を防止することが
できるので、位置センサ２０は、必ずしも設けなくとも
よい。また、液体中に浸漬させ、液中でのセンサ深さを
制御するときは、この位置センサ２０により、容易にセ
ンサ深さを制御することができる。

【００５８】さて、質量センサ５１においては、セン
サ基板１７内に設けた貫通孔２１Ａ・２１Ｂの周囲を利
用して共振部１１Ａ・１１Ｂを設けている。つまり、貫
通孔２１Ａ・２１Ｂの周囲の一部を質量センサ５０にお
けるセンサ基板７の凹部８とみなして共振部１１Ａ・１
１Ｂを配設している。このように本発明の質量センサに
おいては、１箇所以上の任意形状の貫通孔をセンサ基板
に形成し、それぞれの貫通孔に２枚の検出板並びに連結
板が嵌合されるようにして共振部を形成した構造とする
ことも好ましい。

【００５９】一方、共振部をセンサ基板の外周部に設
けても構わない。例えば図７の質量センサ５１の上辺部
に凹部を設けて、この凹部に共振部を配設する形態が考
えられる。しかしながら、この場合、薄板状の振動板１
２Ａ・１２Ｂはセンサ基板１７の外周から突出するよう
に設けられることから、質量センサ５１の取り扱い時に
振動板１２Ａ・１２Ｂを破損しないように注意しなけれ
ばならない。従って、外的な衝撃から共振部１１Ａ・１
１Ｂを保護することを考えれば、図７に示したように、
センサ基板１７の内部に共振部１１Ａ・１１Ｂを設ける
構造を採用することが好ましい。また、このような構造
は後述するように、質量センサの製造を容易にすること
からも好ましい。更に、振動板１２Ａ・１２Ｂと、対向
する貫通孔２１Ａ・２１Ｂの上側側面との距離を長くし
て、センサ振動の反射波の影響を小さくしてノイズを低
減することも可能である。このようなノイズ低減のため
には、貫通孔２１Ａ・２１Ｂの面積を共振部の面積の数
倍以上とすることが好ましい。

【００６０】なお、センサ振動の反射波によるノイズ
については、質量センサ自体の構造を考慮する他、例え
ば、液体中で使用する際には、その液体を入れる容器の
材質、形状をも考慮して低減を図ることが好ましい。例
えば、容器壁面からの反射を低減するために、容器材質
として柔軟な樹脂等を使用したり、容器内壁面にゴム状
或いはゲル状のシリコーン樹脂や弾性エポキシ樹脂等の
可撓性樹脂をコーティングすることが好ましい。また、
このときに音波の周波数帯域を考慮して材質を選択する
ことも好ましい。更に、容器の形状についても、振動板
の振動モードに応じて壁面形状を変更し、反射波が振動
板に戻って来ないような形状とすることも好ましい。

【００６１】次に、質量センサ５１の使用方法につい
て、質量センサ５１を免疫センサとして用いた場合を例
に説明する。２箇所に設けられた共振部１１Ａ・１１Ｂ
の一方（１１Ａ）を検出共振部１１Ａとし、検出共振部
１１Ａの振動板１２Ａには、検出したい病原体ウィルス
等の被検出体とのみ反応して被検出体を捕捉する捕捉物
質を塗布する。例えば、被検出体として抗原、捕捉物質
として抗体の組み合わせが挙げられ、ヒト血清アルブミ
ン／抗ヒト血清アルブミン抗体、ヒト免疫グロブリン／
抗ヒト免疫グロブリン抗体等を例示することができる。
これに対し、他方の共振部１１Ｂは参照共振部１１Ｂと
して、その振動板１２Ｂには捕捉物質を塗布しないもの
とする。

【００６２】そして、共振部１１Ａ・１１Ｂのいずれ
をも同じ検体中に浸漬あるいは載置する。こうして検体
中の被検出体が捕捉物質と反応して捕捉されると、検出
共振部１１Ａの振動板１２Ａの質量が大きくなり、この
振動板１２Ａの質量増加に伴って共振部１１Ａの共振周
波数が変化する。これにより、共振部１１Ａの共振周波
数の変化を調べることによって、振動板１２Ａに被検出
体が捕捉されたか否か、即ち、被検出体が検体中に存在
したか否かを判断し、増加した質量の大きさを測定する
ことができる。検体は多くの場合、液体や気体といった
流体であるが、共振部１１Ａ・１１Ｂからの信号を比較
することで、流体の種類や流れ、温度といった検体の物
理的特性あるいは検査環境の影響を受けることなく、検
査を行うことが可能となる。

【００６３】なお、共振部１１Ａ・１１Ｂをそれぞれ
検出共振部１１Ａ、参照共振部１１Ｂとして用いる場合
には、参照共振部１１Ｂにテフロンコーティングを行う
と、参照共振部１１Ｂへの被検出体の付着を低減もしく
は防止することができ、より高精度な測定が可能とな
る。また、検出共振部１１Ａにおいても、振動板１２Ａ
以外の部分にテフロンコーティングすることで、振動板
１２Ａ上のみにおいて被検出体を選択的に捕らえること
ができ、高精度化が図れ、好ましい。更に、高価な抗体
等の捕捉物質を必要な最小限部分にのみ塗布するだけで
済むため、コスト面でも好ましい。

【００６４】その一方で、同一の捕捉物質を共振部１
１Ａ・１１Ｂの振動板１２Ａ・１２Ｂに塗布して、共振
部１１Ａ・１１Ｂの信号を積算することで、ダイナミッ
クレンジを大きくするような使用方法も可能である。更
に、参照共振部１１Ｂを参照用とせずに検出共振部１１
Ａと異なる捕捉物質を塗布して、異なる種類の被検出体
を同時に検出するように使用することも可能である。

【００６５】さて、質量センサ５１においては、質量
センサ５１を液体等の検体に浸漬して用いる場合、ある
いは振動板１２Ａ・１２Ｂに捕捉物質を塗布するために
振動板１２Ａ・１２Ｂを捕捉物質に浸漬させる場合に、
２箇所の共振部１１Ａ・１１Ｂが両方同時に検体に浸漬
されるように、図７中、センサ基板１７の横方向（水平
方向）に配置された構造を取っている。

【００６６】これに対し、２箇所の共振部１１Ａ・１
１Ｂをセンサ基板１７の縦方向（上下方向）に配設す
る、つまり、検出共振部１１Ａが先に液体等に浸漬さ
れ、参照共振部１１Ｂが液体等に浸漬されないような位
置に配設すると、検出共振部１１Ａのみを捕捉物質等に
浸漬して塗布する一方、参照共振部１１Ｂについては、
いかなる物質の塗布等もせずに温度補正センサ等のセン
サとして使用するように処理することが簡単に行える。

【００６７】続いて、本発明の質量センサのその他の
実施形態について説明する。図８（ａ）の平面図に示し
た質量センサ５２は、前述した質量センサ５０におい
て、圧電素子６及び圧電素子６に通ずる電極リード９を
絶縁部材でコーティングして保護した後、更にこの絶縁
層３６を導電性部材で覆い、シールドしたものである。
なお、図８（ｂ）は図８（ａ）中の破線ＡＡにおける断
面図の一例である。

【００６８】絶縁層３６により共振部全体を液体に浸
漬して用いることが可能となり、シールド層３７により
外部からの電磁波等のノイズを減少させることが可能と
なって検出感度並びに精度の向上が図られる。このよう
な絶縁層３６とシールド層３７の形成が、本発明の全て
の質量センサに適用できることはいうまでもない。な
お、シールド層３７はスルーホール３８を通じて導通す
るように、センサ基板７の両平板面に形成されている
が、センサ基板７の側面を利用してセンサ基板７の両平
板面のシールド層３７を導通させてもよい。また、シー
ルド層３７は、図８に示すように、絶縁層３６をはじ
め、センサ基板７の裏面並びに側面をも覆う、即ち、セ
ンサ基板７上の配線部を周囲から覆うようにすることが
最も好ましいが、少なくとも絶縁層３６の一部の表面上
に形成すれば効果は認められる。

【００６９】なお、絶縁層３６に好適に使用される絶
縁部材としては、絶縁性樹脂もしくはガラスが挙げられ
るが、共振部の振動減衰の観点から特に絶縁性樹脂を用
いることが好ましい。特に好適に用いられる絶縁性樹脂
としてはフッ素樹脂が挙げられ、具体的には、四フッ化
エチレン樹脂系テフロン（テフロンＰＴＦＥ）、四フッ
化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂系テフロ
ン（テフロンＦＥＰ）、四フッ化エチレン・パーフロロ
アルキルビニルエーテル共重合体樹脂系テフロン（テフ
ロンＰＦＡ）、ＰＴＦＥ／ＰＦＡ複合テフロンが挙げら
れるが、その他にもシリコーン樹脂（特に熱硬化性シリ
コーン樹脂）も好適に用いられ、更にアクリル樹脂やエ
ポキシ樹脂等も用途に応じて用いることが可能である。
なお、圧電素子６並びにその近傍と、電極リード９並び
にその近傍とで、それぞれ異なる材料を用いて、絶縁層
３６を形成することも好ましい。更に、絶縁性樹脂に無
機・有機充填材を添加し、共振部の剛性を調整すること
も好ましい。

【００７０】一方、シールド層３７用の導電性部材と
しては、金属が最も好適に用いられ、アルミニウム、ニ
ッケル、銅、パラジウム、銀、スズ、タングステン、白
金、金等の金属単体や合金といった、スパッタ法等の低
温で膜形成が可能な材料が挙げられるが、これらの金属
の粉末を含有する導電性接着剤等の導電性ペーストを用
いることもできる。

【００７１】次に、図９に、上述した質量センサ５０
の検出板４と凹部８の側部側面との間に間隙部１０を形
成した質量センサ６０の平面図を示す。このように、検
出板４は少なくとも凹部８の底部と接合されていればよ
く、液体中で使用する場合に、共振波形の減衰を抑える
ことができる利点がある。

【００７２】続いて、質量センサ５０の連結板３にバ
ネ板４１を貼合した質量センサ５３の平面図を図１０
（ａ）に、図１０（ａ）中のＹ軸における断面図を図１
０（ｂ）に示す。ここで、バネ板とは、連結板を補強す
る役割と所定のモードで振動しやすくするために連結板
の剛性を調整する要素である。従って、連結板３にバネ
板４１を貼合することにより、連結板の剛性を上げるこ
とができ、また、共振周波数を上げて、振動板２のＸ軸
回転モード並びにＹ軸回転モードを減衰させて、一軸振
動モードを支配的とすることが可能となり、好ましい。
なお、このようなバネ板４１は、後述する本発明の質量
センサの作製方法において説明されるように、振動プレ
ートとベースプレートの間に嵌挿されて一体化される中
間プレートを所定形状に加工することにより、容易に連
結板３と一体的に形成することが可能である。

【００７３】さて、質量センサ５３では、１枚のバネ
板４１が連結板３の一方の表面に貼合されているが、図
１１（ａ）の平面図及び図１１（ａ）のＹ軸における断
面図である図１１（ｂ）に示される質量センサ５４のよ
うに、連結板３の両表面にバネ板４１Ａ・４１Ｂを配設
することも可能である。ここで、圧電素子６が配設され
る面側に形成されるバネ板４１Ｂとしては、圧電素子６
と同じ構造を有するものを用いると、バネ板４１Ｂと圧
電素子６とを同時に形成することができるので、製造工
程上好ましい。但し、バネ板４１Ｂにおける電極は、電
極として用いない。

【００７４】また、圧電素子６側のバネ板４１Ｂは、
その端面がセンサ基板７の凹部側面と直接に連結される
か、もしくはセンサ基板７に貼合されたバネ板補強部４
２の側面と連結されるように、形成されることが好まし
い。バネ板補強部４２の材料は、センサ基板７もしくは
圧電素子６のいずれかと同じものとすることが好まし
い。

【００７５】バネ板を設ける場合には、連結板の片面
あるいは両面に貼合するいずれの場合であっても、その
厚さは１０〜２２０μｍ、幅５０〜５００μｍが好適で
あり、バネ板のアスペクト比（幅／厚み）は、０．２〜
５０の範囲とすることが好ましい。更に、液体中での本
発明の質量センサの使用による振動振幅の減衰を考慮す
ると、その厚みは１０〜７０μｍで幅が５０〜５００μ
ｍ、アスペクト比が０．７〜５０とすることが好まし
い。更に好ましい設定範囲は、厚みが１０〜７０μｍ、
幅が５０〜３００μｍ、アスペクト比が０．７〜３０で
ある。なお、バネ板補強部を配設する場合、バネ板補強
部の厚さは、そのバネ板補強部に接合されるバネ板の厚
さと同等とすることが好ましい。

【００７６】さて、このように連結板にバネ板を貼合
する場合には、図１２（ａ）の平面図並びに図１２
（ａ）中のＹ軸における断面図である図１２（ｂ）に示
される質量センサ５５のように、２枚のバネ板４１Ａと
４１Ｂを、溝部４３が形成されるように連結板３に貼合
することも好ましい。このような構造は、Ｘ軸回転モー
ド並びにＹ軸回転モードでの振動を抑制しつつ共振周波
数を上げ、しかも連結板３とバネ板４１Ａ・４１Ｂとの
合計質量を減少させることができる点で好ましい。ま
た、圧電素子６からの駆動力を連結板３全体、つまり連
結板３とバネ板４１Ａ・４１Ｂからなる部分に伝達する
ことができる点からも好ましい形態となる。

【００７７】なお、この溝部４３の底に当たる連結板
３の部分、即ち、連結板３のバネ板４１Ａ・４１Ｂが貼
合されていない部分に、スリット、即ち、空間部を設け
ることも、連結板の質量を減少させることができ、好ま
しい。このようにバネ板４１Ａ・４１Ｂを貼合すること
は、連結板３の両平板面において行ってもよく、バネ板
補強部を設けることも好ましいことはいうまでもない。

【００７８】さて、次に、図１３（ａ）に、連結板３
にキャビティ部４４を有するバネ板４１を貼合した実施
形態である質量センサ５６の平面図、及び図１３（ｂ）
に平面図中のＹ軸における断面図を示す。このような構
造とすることで、圧電素子６の駆動力が、質量センサ５
５と比較して、更に連結板３全体に伝わり易くなること
で、振動板２の振動振幅が大きくなり、共振周波数の検
出が容易となる利点がある。

【００７９】なお、質量センサ５６においては、連結
板３がキャビティ部４４の底を形成しているが、この連
結板３のキャビティ部４４の底に相当する部分にスリッ
トを設け、つまり、キャビティ部４４を完全な空洞とし
ても構わない。質量センサ５６では、３箇所のキャビテ
ィ部４４が形成されているが、このうち、少なくとも１
つを空洞化させれば、連結板３全体の質量を低減するこ
とができ、検出感度の向上が図られる。但し、この空洞
の形成は振動モードを考慮して、適宜選択的に形成され
る。

【００８０】続いて、図１４には、連結板３にスリッ
ト４５を設け、スリット４５両端の連結板３平板面上に
バネ板４６を設けた質量センサ５７の平面図を示す。バ
ネ板４６は連結板３の両平板面上に設けることが可能で
ある。このような構造とすることにより、振動板２の一
軸振動モードを支配的とすることができ、共振周波数の
認識が容易となり、Ｓ／Ｎ比の向上が図られ、好まし
い。

【００８１】このように、本発明の質量センサにおい
ては、連結板の構造を種々に変えることによって、種々
の効果を質量センサに付与することができる。このよう
な連結板の種々の形態は、後述する本発明の別の実施形
態においても、好適に用いられるものである。

【００８２】次に、本発明の質量センサの更に別の実
施形態について説明する。図１５の平面図に示す質量セ
ンサ５８は、圧電素子６を配設した検出板４が第一の連
結板（第一連結板）３Ａと第二の連結板（第二連結板）
３Ｂに挟持され、かつ、第一連結板３Ａが第一の振動板
（第一振動板）２Ａと検出板４に挟持され、かつ、第二
連結板３Ｂが第二の振動板（第二振動板）２Ｂと検出板
４に挟持されるようにそれぞれの側面を一方向に接合し
て共振部が形成され、検出板４及び各連結板３Ａ・３Ｂ
が、センサ基板７に設けられた貫通孔２１における対向
する側面に跨設された構造を有している。ここで、検出
板４は、センサ基板７と接合されているが、必ずしも接
合されている必要はない。つまり、検出板４は、センサ
基板７と接合されることなく、第一連結板３Ａと第二連
結板３Ｂとの間に跨設されるように接合された構造とし
ても構わない。

【００８３】なお、質量センサ５８においては、第一
連結板３Ａにはバネ板４１が貼合されており、一方、第
二連結板にはスリット４５が形成されるとともにバネ板
４６が貼合されているが、これらは必ずしも必要なもの
ではないことは前述した質量センサ５３〜５７に関する
説明から明らかである。

【００８４】第一振動板２Ａと第二振動板２Ｂを、同
じ形状とすることは必要とされない。こうして、２枚の
振動板を配設した場合には、所望する検出感度に合わせ
て各振動板の大きさや形を決定することで、感度を下げ
ることなく、測定レンジの拡大を図ることができる利点
がある。

【００８５】図１６は、本発明の質量センサの更に別
の実施形態を示す平面図である。質量センサ５９は、圧
電素子６Ａの配設された第一の検出板（第一検出板）４
Ａ及び圧電素子６Ｂの配設された第二の検出板（第二検
出板）４Ｂによって、干渉防止板４７が挟持され、か
つ、第一の連結板（第一連結板）３Ａが第一検出板４Ａ
と第一の振動板（第一振動板）２Ａとに挟持され、か
つ、第二の連結板（第二連結板）３Ｂが第二検出板４Ｂ
と第二の振動板（第二振動板）２Ｂに挟持されるよう
に、それぞれの側面を一方向に接合して共振部が形成さ
れ、各検出板４Ａ・４Ｂ及び各連結板３Ａ・３Ｂが、セ
ンサ基板７に設けられた貫通孔２１の対向する側面に跨
設された構造を有している。なお、各連結板３Ａ・３Ｂ
には、バネ板４１Ａ・４１Ｂがそれぞれ貼合されている
が、必ずしも必要なものではない。また、干渉防止板４
７と各連結板３Ａ・３Ｂは、センサ基板７と接合されて
いることが必要であるが、各検出板４Ａ・４Ｂはセンサ
基板７と必ずしも接合されている必要はない。

【００８６】質量センサ５９は、干渉防止板４７を介
して、共振部が２箇所設けられた構造であることから、
この干渉防止板４７に更に、バネ板を貼合して肉厚とす
ることにより、各共振部の振動の干渉を更に効果的に低
減することが可能である。また、共振部を２箇所有する
点から、前述した質量センサ４１と同様にして用いるこ
とが可能である。更に、各振動板２Ａ・２Ｂの大きさを
変え、各振動板２Ａ・２Ｂで質量感度を変えて使用する
ときには、それぞれの振動が干渉するが、各振動板２Ａ
・２Ｂにそれぞれ対応する圧電素子６Ａ・６Ｂを配設
し、干渉防止板４７を配設することで、この振動干渉を
抑制し、検出精度の向上が図られる。

【００８７】さて、図２２の平面図（ａ）及び平面図
中のＹ軸における断面図（ｂ）に示した質量センサ６１
は、先に図９に示した質量センサ６０における検出板４
及び圧電素子６の形状を、圧電素子６に駆動電圧が印加
されていない状態において、検出板４側に凸状に湾曲さ
せて構成したものである。この場合の圧電素子６として
は、図２に示したｄ₃₁を利用する型の圧電素子８８を配
設することが好ましい。なお、質量センサ６１において
は、連結板３は連結板２よりも肉厚に形成されている。

【００８８】また、図２３の平面図（ａ）及び平面図
中のＹ軸における断面図（ｂ）に示した質量センサ６２
は、図１６に示した質量センサ５９に類似した構造を有
している。即ち、質量センサ６２は、検出板４Ａ・４Ｂ
が基板７と直接に接合しないように間隙部１０が形成さ
れ、また検出板４Ａ・４Ｂによって挟持される干渉防止
板４７が検出板４Ａ・４Ｂよりも肉厚に形成されるとと
もに、連結板３Ａ・３Ｂにバネ板４１Ａ〜４１Ｄが貼合
され、更に検出板４Ａ・４Ｂ及び圧電素子６Ａ・６Ｂ
が、圧電素子６Ａ・６Ｂに駆動電圧が印加されていない
状態において、圧電素子６Ａ・６Ｂ側に凸状に湾曲した
形状を有している。質量センサ６２においては、圧電素
子６Ａ・６Ｂとして、図３又は図４に示したｄ₃₃を利用
する型の圧電素子９４Ａ・９４Ｂを配設することが好ま
しい。

【００８９】このように、本発明の質量センサにおい
ては、質量センサ６１・６２に示されるように、検出板
及び圧電素子の形状を予め湾曲させておくことが好まし
い場合がある。また、複数の検出板及び圧電素子を有す
るデバイスにおいては、必ずしも個々の検出板及び圧電
素子を同一方向に湾曲させる必要はなく、配設する圧電
素子の形態等を考慮して、適宜、湾曲方向を選択するこ
とができる。

【００９０】以上、本発明に係る質量センサの種々の
実施形態について説明してきたが、次に、質量センサ５
３を例に、その製造方法について説明する。センサ基板
７等の材料としてのジルコニア等のセラミックス粉末に
バインダ、溶剤、分散剤等を添加混合してスラリーを作
製し、これを脱泡処理後、リバースロールコーター法、
ドクターブレード法等の方法により所定の厚みを有する
振動プレート用、中間プレート用及びベースプレート用
のそれぞれのグリーンシートあるいはグリーンテープを
作製する。なお、バネ板４１を設けない質量センサ５０
のような場合には、中間プレート用のグリーンテープを
作製する必要はない。

【００９１】次に、それぞれのグリーンシート等を金
型あるいはレーザ等を用いて打ち抜き加工等し、図１７
に示すような、基準孔７４と貫通孔７５Ａ・７５Ｂ及び
バネ板７６が形成された中間プレート用グリーンシート
７２Ａ、基準孔７４と貫通孔７５が形成されたベースプ
レート用グリーンシート７１Ａ、基準孔７４が形成され
た振動プレート用グリーンシート７３Ａを作製する。

【００９２】ここで、振動プレート用グリーンシート
７３Ａにおいて、貫通孔７５や振動板２となる部分等を
形成することは可能であるが、一般に、振動プレート用
グリーンシート７３Ａの厚みは２０μｍ程度以下と薄い
ために、焼結後に振動プレート７３Ｂ内に形成される振
動板２や連結板３あるいは検出板４の平坦性、寸法精度
等を確保するためには、センサ基板７の形成及び圧電素
子６の配設後に、レーザ加工等を用いて、所定形状を得
ることが好ましい。なお、振動プレート７３Ｂとは、振
動プレート用グリーンシート７３Ａを焼成して得られた
ものを指す。

【００９３】こうして作製したグリーンシート７１Ａ
〜７３Ａを、振動プレート用／中間プレート用／ベース
プレート用の順序で少なくとも各１枚ずつ基準孔７４の
位置が重複するように積層し、熱圧着等により一体化し
た後、焼成する。こうして、グリーンシート７１Ａ〜７
３Ａが全て積層された外周部分が一体的に形成されたセ
ンサ基板７となり、また、振動プレート７３Ｂと中間プ
レート７２Ｂのバネ板７６部分との積層部分により連結
板３が一体的に形成される。なお、中間プレート７２Ｂ
とは、中間プレート用グリーンシート７２Ａを焼成して
得られたものを指す。

【００９４】次に、振動プレート７３Ｂ上の所定位置
に、第一電極、圧電膜、第二電極からなる圧電素子６を
配設する方法について説明する。圧電素子６の形態につ
いては既に、図２〜図４に示した。圧電素子６の配設
は、グリーンシート７１Ａ〜７３Ａの焼成前後で、その
状態に応じた各種の成形方法により行うことができる。
まず、各グリーンシート７１Ａ〜７３Ａの焼成前に形成
する方法としては、金型を用いたプレス成形法又はスラ
リー原料を用いたテープ成形法等によって圧電膜を成形
し、この焼成前の圧電膜を振動プレート用グリーンシー
ト７３Ａ上の所定位置に熱圧着して積層し、その他のグ
リーンシート７１Ａ・７２Ａと同時に一体的に焼結する
方法が挙げられる。この場合には、電極は後述する膜形
成法により、振動プレート用グリーンシート７３Ａある
いは圧電膜に予め形成しておく必要がある。

【００９５】圧電膜の焼成温度は、これを構成する材
料によって適宜定められるが、一般には、８００℃〜１
４００℃であり、好ましくは１０００℃〜１４００℃で
ある。この場合、圧電膜の組成を制御するために、圧電
膜の材料の蒸発源の存在下に雰囲気調整して焼結するこ
とが好ましい。そして、特に後述する焼成後のセンサ基
板を用いる場合に圧電膜の焼成応力を緩和し、より高い
材料特性を引き出すための前記雰囲気調整は、焼成後の
圧電膜を電子顕微鏡等で観察し、成分の分布をモニタす
ることで制御することが好ましい。

【００９６】例えば、本発明で好適に採用される圧電
セラミックスであるジルコン酸鉛とチタン酸鉛及びマグ
ネシウムニオブ酸鉛を主成分とする材料のように、ジル
コン酸鉛を含有する材料を使用する場合には、焼成した
圧電膜においてジルコニウム成分が偏析するように雰囲
気を調整し、焼成することが好ましい。更に好ましく
は、圧電膜表面にはジルコニウム成分の偏析が認めら
れ、圧電膜内部ではその偏析がほとんど認められないよ
うな雰囲気とすることが望ましい。このような成分分布
を有する圧電膜は、偏析のない圧電膜と比較すると、振
動特性に優れ、即ち振動振幅が大きく、また、ジルコニ
ウム成分の偏析によって焼成応力が緩和されているの
で、圧電粉末の本来有する材料特性が大きく低下するこ
となく、維持される特徴を有する。

【００９７】従って、本発明の質量センサでは、この
ような圧電膜となるように圧電素子を形成することが最
も好ましい。また、前記圧電膜組成にするとともに、圧
電膜焼成後、質量センサの各部材、例えば連結板、バネ
板、センサ基板等に、圧電材料の成分、特に前記酸化チ
タンを含む圧電材料の場合には酸化チタンが含有される
ように雰囲気焼成することも好ましい。そして、圧電膜
の焼成とセンサ基板との焼成を同時に行う場合には、両
者の焼成条件をマッチングすることが必要である。な
お、このような圧電膜は、質量センサのみならず、膜型
の圧電素子を構成要素とするアクチュエータ、センサ等
のデバイスにも、もちろん好適に適用できる。

【００９８】一方、焼結後のセンサ基板７に圧電素子
６を配設する方法としては、種々の膜形成法を用いるこ
とができる。例えば、スクリーン印刷法、ディッピング
法、塗布法、電気泳動法等の厚膜形成法や、イオンビー
ム法、スパッタリング法、真空蒸着、イオンプレーティ
ング法、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、メッキ等の各種薄
膜形成法を用いることができる。このうち、本発明にお
いては、圧電膜を形成するにあたり、スクリーン印刷法
やディッピング法、塗布法、電気泳動法等による厚膜形
成法が好適に採用される。これらの手法は、平均粒径
０．０１〜５μｍ、好ましくは０．０５〜３μｍの圧電
セラミックスの粒子を主成分とするペーストやスラリ
ー、又はサスペンションやエマルション、ゾル等を用い
て圧電膜を形成するものであり、簡便な方法であるが、
良好な圧電作動特性が得られるという特徴を有する。ま
た、特に電気泳動法は、膜を高い密度で、かつ、高い形
状精度で形成できることをはじめ、技術文献「「ＤＥＮ
ＫＩＫＡＧＡＫＵ」、５３，Ｎｏ．１（１９８５）ｐ
６３〜６８、安斎和夫著」に記載されているような特徴
を有する。従って、要求精度や信頼性等を考慮して、適
宜、手法を選択して用いると良い。

【００９９】具体的には、焼成して得たセンサ基板７
の振動プレート７３Ｂ表面の所定位置に第一電極を印
刷、焼成し、次いで圧電膜を印刷、焼成し、更に、第二
電極を印刷、焼成して圧電素子６を配設することができ
る。そして、形成された各電極を測定装置に接続するた
めの電極リード９を印刷、焼成し、分極処理が必要なも
のは分極を行う。ここで、例えば、第一電極として白金
（Ｐｔ）を、圧電膜としてはジルコン酸チタン酸鉛（Ｐ
ＺＴ）を、第二電極としては金（Ａｕ）を、更に電極リ
ードとして銀（Ａｇ）等の材料を使用すると、焼成工程
における焼成温度が逐次低くなるように設定されるの
で、ある材料の焼成段階において、それより以前に焼成
された材料の再焼結や凝集が起こらず、電極材等の剥離
や凝集による電極切れといった不具合の発生を回避する
ことが可能となる。

【０１００】なお、適当な材料を選択することによ
り、圧電素子６の各部材とリードを逐次印刷して、一回
で圧電素子６を一体焼成することも可能である。また、
圧電素子６Ａ・６Ｂの各部材と電極リードの逐次印刷を
未焼成の振動プレート用グリーンシート７３Ａに施し、
他のグリーンシート７１Ａ・７２Ａとともに一体的に焼
成することも可能である。更に、圧電膜を形成した後に
低温で各電極等を設けることもできる。なお、圧電素子
６の各部材と電極リードはスパッタ法や蒸着法等の薄膜
法によって形成してもかまわず、この場合には、必ずし
も熱処理を必要としない。

【０１０１】こうして圧電素子６を上述した種々の膜
形成法、その中でも特に厚膜形成法によって形成する
と、接着剤を用いることなく圧電素子６と検出板４とを
一体的に接合、配設することができるので、信頼性、再
現性に優れ、集積化が容易となり、特に好ましい。ここ
で、更に圧電膜を適当なパターンに形成してもよく、そ
の形成方法としては、例えば、スクリーン印刷法やフォ
トリソグラフィー法、あるいはレーザ加工法、又はスラ
イシング、超音波加工等の機械加工法を用いることがで
きる。

【０１０２】次に、作製されたセンサ基板の所定位置
に振動板２、検出板４等を形成する。ここでは、ＹＡＧ
レーザの第４次高調波を用いたトリミングにより、振動
板２や検出板４Ａ・４Ｂといったセンサ基板７と一体的
に接合される部位を残しながら振動プレート７３Ｂの不
要部分を除去する方法が好適に用いられる。このとき、
振動板２等の形状を調整することで、共振部の共振周波
数を所定値となるように調整し、検出できる被検出体の
質量範囲を定めることが可能である。また、スリット４
５の形成を容易に行うことも可能である。

【０１０３】なお、振動板２の形状は、長方形に限定
されるものではない。形状加工の際に、円形や逆三角
形、多角形等の種々の形状となるようにトリミングを行
っても構わない。つまり、本発明の質量センサにおい
て、振動板２の形状は特に限定されるものではなく、振
動板２の配設空間を無駄なく使用して振動板２の面積を
大きく取れるように、適宜、形状を設定すればよい。

【０１０４】更に、図１８に示すように、図２に示し
た積層型の圧電素子８８を配設した場合には、配設後
に、上部の第二電極８７をＹＡＧ第４次高調波レーザに
よりトリミングして圧電素子８８の有効電極面積を調整
し、検出感度の調整を行うことができる。なお、圧電素
子の構造が、図３あるいは図４に示されるような櫛型構
造である場合には、一方のあるいは両方の電極の一部を
トリミングすればよい。

【０１０５】このような共振部や圧電素子６の形成加
工においては、上記ＹＡＧ第４次高調波レーザを用いた
加工以外にも、ＹＡＧレーザ及びＹＡＧレーザの第２次
又は第３次高調波、エキシマレーザ、ＣＯ₂レーザ等に
よるレーザ加工、電子ビーム加工、ダイシング加工（機
械加工）など、共振部等の大きさと形状に適した種々の
加工方法を適用することができる。なお、センサ基板７
は、上述したグリーンシートを用いた作製方法の他に、
成形型を用いた加圧成形法や鋳込成形法、射出成形法等
を用いて作製することもできる。これらの場合において
も、焼成前後において、切削や研削加工、レーザ加工、
超音波加工等の機械加工により加工が施され、所定形状
の質量センサを得ることができる。

【０１０６】こうして作製された質量センサ５３の圧
電素子６並びに電極リード９を絶縁する場合、絶縁層３
６は、スクリーン印刷法、塗布法、スプレー法等によっ
て形成することができる。ここで、絶縁材料としてガラ
スを用いた場合には、質量センサ５３全体をガラスの軟
化温度程度まで昇温する必要があり、また、ガラスは硬
度が大きいので振動を阻害するおそれがあるが、樹脂は
柔らかく、しかも乾燥程度の処理で済むため、作製工程
上及び振動特性上、樹脂を用いることが好ましい。本発
明において好適に用いられるフッ素樹脂あるいはシリコ
ーン樹脂を用いた絶縁層３６の形成にあっては、下地の
セラミックス（センサ基板７）との密着性を改善する目
的で、使用する樹脂とセラミックスとの種類に応じたプ
ライマー層を形成し、その上に絶縁層３６を形成するこ
とが好ましい。

【０１０７】更に、絶縁層３６上に更に導電性部材か
らなるシールド層３７を設ける場合には、絶縁層３６が
樹脂からなる場合には、焼成処理を行うことが困難なた
め、導電性部材として種々の金属材料を用いる場合に
は、スパッタ法等の加熱を要しない方法を用いて行わ
れ、一方、金属粉末と樹脂からなる導電性ペーストを用
いる場合には、スクリーン印刷法、塗布法等を好適に用
いることができる。なお、絶縁層３６をガラスで形成し
た場合には、ガラスが流動しない温度以下で、導体ペー
ストをスクリーン印刷等し、焼成することも可能であ
る。

【０１０８】こうして作製した質量センサ５３の振動
板２もしくは共振部全体に捕捉物質等を塗布することで
質量センサが完成する。そして、共振周波数の測定は、
インピーダンスアナライザやネットワークアナライザを
用いて行ったり、あるいはＳＩＮＳＷＥＥＰ方式や、外
部から超音波等で加振して伝達関数測定をすることで行
う。更に、共振周波数値の変化を見れば、振動板２等に
おける質量変化を測定することができる。

【０１０９】以上、本発明の質量センサについて詳述
してきたが、前述したように、本発明の質量センサは、
その測定原理を応用することにより、他の用途にも使用
することが可能である。以下、これらの用途について説
明する。まず、振動板に塗布する捕捉物質として、水分
吸着材を用いた場合には、質量センサを水分計として使
用することができる。また、振動板に捕捉物質として特
定のガス成分や有機物質、無機物質を吸着する吸着材を
塗布することにより、ガスセンサ、臭気センサ、味覚セ
ンサ等として使用することができる。更に、振動板の温
度を制御して結露させると、振動板の質量が増大したと
きの温度から露点を計測する露点計としても使用するこ
とができる。

【０１１０】また、本質量センサは、膜厚計として使
用することができる。対象となる膜には、真空中等で形
成されるスパッタ膜やＣＶＤ膜、気体中で形成されるＬ
Ｂ膜や液体中で形成される電着膜等が含まれる。即ち、
これらの膜形成を行う際に、質量センサの振動板もしく
は共振部を同じ膜形成環境に置くと、振動板もしくは共
振部に膜が形成されることによって質量が変化し、共振
周波数が変化するので、形成された膜厚や膜の成長速度
を計測することが可能となる。

【０１１１】従来、このような膜厚計としては、図２
０に示したものと同等の水晶振動子８１の膜厚変化時の
すべり方向共振周波数の変化を検出する水晶蒸着膜厚計
が知られているが、水晶振動子８１自体を蒸着雰囲気中
で使用するため、温度変化や不純物の衝突等によるノイ
ズ、真空圧の変化の影響を大きく受けるという問題があ
る。

【０１１２】これに対し、蒸着膜厚計として本発明の
質量センサを一軸振動モードにより使用すると、振動板
の剛体モードで揺れるために温度変化に強く、また、振
動板が３〜２０μｍと薄いために不純物が衝突する確率
が小さくなる利点があり、更に共振部を一定雰囲気に保
ち易い構造を採ることができるため、水晶振動子７９を
用いた場合と比較して、測定精度の向上を図ることが可
能となる。

【０１１３】更に、質量センサは、振動板を液体に浸
漬させたときに、流体に横波のずれ波を引き起こして粘
性波の進入長の部分の質量負荷を受ける粘性計としても
使用することができる。ここで、一軸振動モードを用い
て測定した場合には、振動板以外の部分を液体に浸漬さ
せる必要がなく、また、振動モードが剛体モードである
ために温度変化に強く、更に振動板１９が３〜２０μｍ
と薄いために不純物が衝突する確率が小さくなることか
ら、測定精度の向上が図られる。なお、従来、このよう
な粘性計としてもまた、水晶振動子のすべり方向共振周
波数の変化を検出する水晶粘性計が用いられているが、
この場合、水晶振動子自体を液体中に浸漬させるため、
温度変化や液体中の不純物の衝突等のノイズの影響を受
け易い欠点がある。

【０１１４】更にまた、水晶振動子は、真空中では気
体分子の摩擦や気体の粘性摩擦により電気抵抗が変化す
るため、摩擦真空計として用いられるが、この真空計は
結果的に水晶振動子の質量負荷効果による周波数変化を
測定するものであるので、基本的な測定原理が同じであ
る本発明の質量センサもまた、真空計として用いること
ができる。

【０１１５】水晶振動子を用いた摩擦真空計において
は、図２１に示すように、音叉型に形成した振動子７９
をＸ軸方向に振動させたときの抵抗値の変化を検出する
ものであるが、振動子７９の厚みｄ１を薄くすることが
困難であり、従って、検出感度の向上が困難であるとい
う問題がある。これに対し、質量センサにおいては、振
動板の厚みを３〜２０μｍとする薄膜化が容易であり、
一軸振動モードを利用することで、検出感度の向上を図
ることが可能となる。

【０１１６】加えて、本発明の質量センサは、振動板
の曲げモードを用いる、即ち、曲げモード時のヤング率
変化を共振周波数の変化として検出することにより、温
度センサとしても使用することが可能である。

【０１１７】このように、質量センサは多種多様なセ
ンサとして使用することができるが、その基本的な測定
原理は、振動板への質量負荷に基づく共振部の共振周波
数の変化を測定しているというものである。そのため、
異なる機能を有する共振部を１個の質量センサ内に複数
設けることが容易であり、例えば、温度センサや真空
計、粘性センサとしての機能を質量センサとしての使用
に併用すること、即ち、１個の質量センサへ温度補正や
真空度又は粘性補正を行うための参照用センサを組み込
むことが容易であり、このような場合には、形状の異な
る複数の各用途別のセンサを集合させて用いる必要がな
いため、測定位置へのセンサの組み込み、取扱いや測定
のための計測機器等の設備コスト等の点においても有利
である。

【０１１８】上述した本発明の質量センサ並びにその
他の用途におけるセンサにおいては、共振部の振動を検
出し、電気信号に変換する装置として、圧電作用を利用
する圧電膜を用いた圧電変換装置を用いたものである。
しかしながら、振動板の振動に基づいて発生する信号変
換装置は、圧電作用を利用するものには限定されず、電
磁誘導作用を利用するもの、静電容量変化を利用するも
の、光の入射変化を利用するもの、電気抵抗変化を利用
するもの、焦電作用を利用するもの等で構成してもよ
い。

【０１１９】例えば、電磁誘導を利用するものとして
は、検出板に設けられるコイルと、このコイルに流れる
電気信号を検出する電気回路と、当該コイルに磁場を形
成する磁石（電磁石であってもよい）とを有するものが
挙げられる。この場合、共振部とともにコイルが振動す
る際に、電磁誘導によりコイルに電流が流れ、この電流
を電気回路が検出する。また、静電容量変化を利用する
ものは、検出板の表面に設けた一対の電極と、この電極
に挟まれた誘電体と、電極に接続する電子回路を有し、
この特定の空間に荷電される静電容量を電子回路により
検出するものが挙げられる。

【０１２０】光の入射変化を利用するものには、光ダ
イオード等の共振部に投光するデバイスと、共振部で反
射した光量を測定するデバイス（受光部）とを有するも
のがある。この受光部には光センサ等を用いることがで
き、共振部が振動するに従って共振部で反射する光量が
変化し、その受光部でその入射光量の変化が測定され
る。

【０１２１】また、電気抵抗変化を利用するものに
は、大きく分けて導体を使用するもの、半導体を使用す
るものが挙げられる。このうち、導体を使用するもの
は、共振部の表面に設けた導体と、この導体に接続する
電気回路を有し、共振部とともに導体が振動する際に振
動により導体が歪み、抵抗が変化するので、電気回路で
この抵抗変化を検出するものである。一方、半導体を使
用するものは、この導体の代わりに半導体を用いたもの
である。

【０１２２】焦電作用を利用するものは、検出板の表
面に設けた一対の電極とその間に形成された焦電体並び
に電極に接続する電子回路及び赤外線等の熱源からな
り、振動による焦電流を電子回路により検出するものが
挙げられる。

【０１２３】これらの振動の信号変換装置は、前述し
た圧電素子の代わりに設置される他、共振部の駆動と検
出とを異なる信号変換装置、例えば、駆動を圧電変換装
置、検出を静電容量式変換装置で構成することも可能で
ある。また、駆動・検出装置の配置は、設けた検出板の
数によっても適宜、好適な配置を選択することができ、
例えば、検出板が１枚の場合にはその平面内に、検出板
を２枚設けた場合には各検出板の両平面、あるいは各検
出板に分けて駆動・検出装置を配置させてもよい。

【０１２４】以上、本発明の質量センサの実施の形態
について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限
定されるものでないことはいうまでもない。従って、各
実施形態の有する特徴を互いに組み合わせた実施形態が
存在することはいうまでもなく、また、本発明の趣旨を
逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて種々
の変更、修正、改良等を加え得るものであることが理解
されるべきである。

【０１２５】

【発明の効果】上述の通り、本発明の質量センサ及び
質量検出方法によれば、主に振動板上で起こる種々の微
小質量の変化、即ち、質量負荷の変化を簡単に、正確
に、しかも短時間で測定することができるという優れた
効果を奏し、検体の温度や検体温度による質量センサ自
体の材質の特性変化による変化の影響が小さいため、そ
の構成により、０．１ナノグラム（ｎｇ）の微小量まで
測定することが可能であるという優れた特徴を有する。
また、剛体モードの採用と、好適な連結板の形状設計に
より、検出感度の向上と共振周波数の認識が容易となる
利点がある。従って、種々の被検出体を捕捉する物質を
振動板に塗布した場合には、多様な化学物質や細菌等の
検出に好適に用いられるガスセンサ、味覚センサ、臭気
センサ、免疫センサ、水分計として使用することがで
き、このような捕捉物質を塗布しない場合においても、
膜厚計や粘性計、真空計、温度計等として用いることが
可能である。しかも、免疫センサ、臭気センサ、味覚セ
ンサとして使用した場合には、人間の感覚に依存して判
断されることがないので、検査の信頼性を向上させるこ
とができる。更に、本発明の質量センサは、異なる物理
量、化学量の検出に用いる共振部を１個の質量センサ内
に複数設けることが容易に行える特徴を有する。従っ
て、各種別個の複数のセンサを用いる必要がないため、
測定位置へのセンサの組み込み、取扱いや測定のための
計測機器等の設備コスト、更には、製造設備の集約と共
有による低コスト化が図れるといった極めて優れた効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の質量センサの一実施形態を示す平面
図及び断面図である。

【図２】本発明の質量センサに配設される圧電素子の
一実施形態を示す斜視図である。

【図３】本発明の質量センサに配設される圧電素子の
別の実施形態を示す斜視図である。

【図４】本発明の質量センサに配設される圧電素子の
更に別の実施形態を示す斜視図である。

【図５】本発明の質量センサにおいて好適に用いられ
る振動板の振動モードの説明図である。

【図６】本発明の質量センサにおける圧電素子の分割
の形態の一例を示す平面図である。

【図７】本発明の質量センサの別の実施形態を示す平
面図である。

【図８】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示
す平面図及び断面図である。

【図９】本発明の質量センサの更に別の実施形態を示
す平面図である。

【図１０】本発明の質量センサの更に別の実施形態を
示す平面図及び断面図である。

【図１１】本発明の質量センサの更に別の実施形態を
示す平面図及び断面図である。

【図１２】本発明の質量センサの更に別の実施形態を
示す平面図及び断面図である。

【図１３】本発明の質量センサの更に別の実施形態を
示す平面図及び断面図である。

【図１４】本発明の質量センサの更に別の実施形態を
示す平面図である。

【図１５】本発明の質量センサの更に別の実施形態を
示す平面図である。

【図１６】本発明の質量センサの更に別の実施形態を
示す平面図である。

【図１７】本発明の質量センサの作製に用いられるセ
ンサ基板用のグリーンシートの加工例を示す平面図であ
る。

【図１８】本発明の質量センサの圧電素子の加工方法
の一例を示す説明図である。

【図１９】微小質量センサの基本構造を示す断面図で
ある。

【図２０】従来の質量センサの基本構造を示す断面図
である。

【図２１】従来の水晶摩擦真空計の水晶振動子の構造
を示す斜視図である。

【図２２】本発明の質量センサの更に別の実施形態を
示す平面図及び断面図である。

【図２３】本発明の質量センサの更に別の実施形態を
示す平面図及び断面図である。

【符号の説明】

２・２Ａ・２Ｂ…振動板、３・３Ａ・３Ｂ…連結板、４
・４Ａ・４Ｂ…検出板、６・６Ａ・６Ｂ・６Ｃ…圧電素
子、７…センサ基板、８…凹部、９…電極リード、１０
…間隙部、１１Ａ・１１Ｂ…共振部、１２Ａ・１２Ｂ…
振動板、１３Ａ・１３Ｂ…連結板、１４Ａ・１４Ｂ…検
出板、１６Ａ・１６Ｂ…圧電素子、１７…センサ基板、
１８…基準孔、１９Ａ・１９Ｂ…電極リード、２０…位
置センサ、２１・２１Ａ・２１Ｂ…貫通孔、３０…質量
センサ、３１…振動板、３２…検出板、３３…連結板、
３４…センサ基板、３５…圧電素子、３６…絶縁層、３
７…シールド層、３８…スルーホール、４１・４１Ａ〜
４１Ｄ…バネ板、４２…バネ板補強部、４３…溝部、４
４…キャビティ部、４５…スリット、４６…バネ板、４
７…干渉防止板、５０〜６２…質量センサ、７１Ａ…ベ
ースプレート用グリーンシート、７２Ａ…中間プレート
用グリーンシート、７２Ｂ…中間プレート、７３Ａ…振
動プレート用グリーンシート、７３Ｂ…振動プレート、
７４…基準孔、７５・７５Ａ・７５Ｂ…貫通孔、７６…
バネ板、７９…水晶振動子、８０…質量センサ、８１…
水晶振動子、８２…電極、８３…電極、８５…第一電
極、８６…圧電膜、８７…第二電極、８８…圧電素子、
８９…検出板、９０…圧電膜、９１…第一電極、９２…
第二電極、９３…間隙部、９４Ａ・９４Ｂ…圧電素子、
Ｄ…ピッチ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】連結板が振動板と少なくとも一方の平板
面の少なくとも一部に圧電素子を配設した検出板に挟持
されるように、それぞれの側面を接合して共振部が形成
され、当該連結板がセンサ基板に設けられた凹部の側部側面に
跨設され、かつ、当該検出板が少なくとも当該凹部の底
部と接合されてなることを特徴とする質量センサ。
【請求項２】当該連結板にスリット部が設けられてい
ることを特徴とする請求項１記載の質量センサ。
【請求項３】当該連結板の少なくとも一方の平板面
に、少なくとも１枚のバネ板もしくはキャビティ部を有
する少なくとも１枚のバネ板が貼合されていることを特
徴とする請求項１又は２記載の質量センサ。
【請求項４】当該連結板の当該バネ板が貼合されてい
ない部分もしくは当該キャビティ部と相対する部分の少
なくとも一部にスリット部が設けられていることを特徴
とする請求項３記載の質量センサ。
【請求項５】少なくとも一方の平板面の少なくとも一
部に圧電素子を配設した検出板が第一の連結板と第二の
連結板に挟持され、かつ、当該第一の連結板が第一の振
動板と当該検出板に挟持され、かつ、当該第二の連結板
が第二の振動板と当該検出板に挟持されるようにそれぞ
れの側面を一方向に接合して共振部が形成され、少なくとも当該連結板が、センサ基板に設けられた対向
する側面に跨設されてなることを特徴とする質量セン
サ。
【請求項６】第一の検出板及び第二の検出板それぞれ
の少なくとも一方の平板面の少なくとも一部に圧電素子
が配設され、干渉防止板が当該第一の検出板と当該第二の検出板に挟
持され、かつ、第一の連結板が当該第一の検出板と第一
の振動板とに挟持され、かつ、第二の連結板が当該第二
の検出板と第二の振動板に挟持されるように、それぞれ
の側面を一方向に接合して共振部が形成され、少なくとも当該連結板及び当該干渉防止板が、センサ基
板に設けられた対向する側面に跨設されてなることを特
徴とする質量センサ。
【請求項７】当該干渉防止板にバネ板が貼合されてい
ることを特徴とする請求項６記載の質量センサ。
【請求項８】当該第一の連結板及び／又は当該第二の
連結板にスリット部が設けられていることを特徴とする
請求項５〜７のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項９】当該第一の連結板及び／又は当該第二の
連結板の少なくとも一方の平板面に、少なくとも１枚の
バネ板もしくはキャビティ部を有する少なくとも１枚の
バネ板が貼合されていることを特徴とする請求項５〜８
のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項１０】当該第一の連結板及び／又は当該第二
の連結板の当該バネ板が貼合されていない部分もしくは
当該キャビティ部と相対する部分の少なくとも一部にス
リット部が設けられていることを特徴とする請求項９記
載の質量センサ。
【請求項１１】当該第一の振動板と当該第二の振動板
の形状が異なることを特徴とする請求項５〜１０のいず
れか一項に記載の質量センサ。
【請求項１２】当該振動板と当該連結板と当該検出板
及び当該センサ基板が一体的に形成され、かつ、当該連
結板に当該バネ板を貼合した場合には当該バネ板もまた
一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜１
１のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項１３】当該連結板と当該振動板及び当該検出
板が振動プレートから一体的に形成され、かつ、当該セ
ンサ基板が当該振動プレートとベースプレートを積層す
ることで一体的に形成され、かつ、当該連結板に当該バ
ネ板を貼合した場合には当該バネ板が中間プレートから
形成されるとともに、当該中間プレートが当該振動プレ
ートと当該ベースプレートとの間に嵌挿されて一体的に
形成されていることを特徴とする請求項１２記載の質量
センサ。
【請求項１４】当該センサ基板に形成された１箇所以
上の凹部もしくは貫通孔の内周側面を用いて、当該共振
部が形成されていることを特徴とする請求項１〜１３の
いずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項１５】当該振動板に被検出体とのみ反応して
当該被検出体を捕捉する捕捉物質が塗布され、当該捕捉
物質に当該被検出体が捕捉されていない状態及び当該捕
捉物質に当該被検出体が捕捉された後の状態における当
該共振部の共振周波数を当該圧電素子で測定し、測定さ
れた共振周波数の変化から捕捉された当該被検出体の質
量を測定することを特徴とする請求項１〜１４のいずれ
か一項に記載の質量センサ。
【請求項１６】複数の当該振動板を有している場合
に、少なくとも１枚の当該振動板には当該捕捉物質が塗
布されていないことを特徴とする請求項１５記載の質量
センサ。
【請求項１７】複数の当該振動板を有している場合
に、当該振動板のそれぞれに異なる種類の捕捉物質が塗
布されていることを特徴とする請求項１５又は１６記載
の質量センサ。
【請求項１８】複数の当該振動板が形成されている場
合に、当該振動板の状態変化に起因するそれぞれの信号
を積算することで、ダイナミックレンジを大きくとるこ
とを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の
質量センサ。
【請求項１９】当該共振部の当該圧電素子を２分割も
しくは３分割したことを特徴とする請求項１〜１８のい
ずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項２０】当該共振部に当該圧電素子を複数個配
設したことを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項
に記載の質量センサ。
【請求項２１】当該分割された圧電素子、及び／又は
当該複数個の圧電素子のうち、少なくとも１個の圧電素
子を駆動用とし、少なくとも別の１個の圧電素子を検出
用として用いることを特徴とする請求項１９又は２０記
載の質量センサ。
【請求項２２】当該共振部を複数個配設したことを特
徴とする請求項１〜２１のいずれか一項に記載の質量セ
ンサ。
【請求項２３】分極の方向を互いに逆向きとする当該
圧電素子が、当該検出板の両平板面にそれぞれ形成され
ていることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか一項
に記載の質量センサ。
【請求項２４】当該センサ基板上の当該振動板と当該
圧電素子との中間位置に一対の電極からなる位置センサ
が設けられていることを特徴とする請求項１〜２３のい
ずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項２５】当該圧電素子及び当該圧電素子の電極
にそれぞれ導通する電極リードが、樹脂又はガラスから
なる絶縁層により被覆されていることを特徴とする請求
項１〜２４のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項２６】当該樹脂がフッ素樹脂もしくはシリコ
ーン樹脂であることを特徴とする請求項２５記載の質量
センサ。
【請求項２７】少なくとも当該絶縁層の一部の表面上
に、導電性部材からなるシールド層が形成されているこ
とを特徴とする請求項２５又は２６記載の質量センサ。
【請求項２８】当該センサ基板、当該振動板、当該連
結板、当該検出板並びに当該バネ板を設けた場合には当
該バネ板が、完全安定化ジルコニアもしくは部分安定化
ジルコニアからなることを特徴とする請求項１〜２７の
いずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項２９】当該圧電素子における圧電膜が、ジル
コン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛からな
る成分を主成分とする材料からなることを特徴とする請
求項１〜２８のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項３０】当該振動板、当該連結板、当該検出板
の少なくともいずれかの形状が、レーザ加工もしくは機
械加工によるトリミングにより寸法調整されたものであ
ることを特徴とする請求項１〜２９のいずれか一項に記
載の質量センサ。
【請求項３１】レーザ加工もしくは機械加工により、
当該圧電素子の電極をトリミングして、当該圧電素子の
有効電極面積を調整したことを特徴とする請求項１〜３
０のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項３２】連結板が振動板と少なくとも一方の平
板面に圧電素子を配設した検出板に挟持されるように、
それぞれの側面を接合してなる共振部を有する質量セン
サの質量検出方法であって、当該検出板と当該振動板が当該連結板を挟持する方向
に、当該振動板が平行に往復振動する振動モードに基づ
く共振周波数を当該圧電素子により測定することを特徴
とする質量センサの質量検出方法。