JP2001289765A - 化学計測用の水晶振動子を駆動する高周波発振回路 - Google Patents
化学計測用の水晶振動子を駆動する高周波発振回路Info
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- JP2001289765A JP2001289765A JP2000103709A JP2000103709A JP2001289765A JP 2001289765 A JP2001289765 A JP 2001289765A JP 2000103709 A JP2000103709 A JP 2000103709A JP 2000103709 A JP2000103709 A JP 2000103709A JP 2001289765 A JP2001289765 A JP 2001289765A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】化学センサー用の重さセンサーとしての水晶振
動子の基本周波数が高くなっても、それに容易に対応し
て安定な高周波発振を持続することができ、しかも簡便
で安価に作製し得る高周波発振回路を提供する。 【解決手段】本発明の高周波発振回路は、高速応答の論
理素子を用いて閉回路を作り、その中に高周波数の水晶
振動子を組み込んだものである。水晶振動子の基本周波
数が、１ＭＨｚから２ＧＨｚまでに対応し、各振動子の
基本発振周波数で安定に発振する。
動子の基本周波数が高くなっても、それに容易に対応し
て安定な高周波発振を持続することができ、しかも簡便
で安価に作製し得る高周波発振回路を提供する。 【解決手段】本発明の高周波発振回路は、高速応答の論
理素子を用いて閉回路を作り、その中に高周波数の水晶
振動子を組み込んだものである。水晶振動子の基本周波
数が、１ＭＨｚから２ＧＨｚまでに対応し、各振動子の
基本発振周波数で安定に発振する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、化学計測用の水晶
振動子を発振させるための高周波発振回路に関するもの
であり、更に詳しくは、ガスセンサー、浮遊微粒子、化
学センサー、免疫センサー、粘度センサーとして用いら
れている各種測定器の測定感度を高めるために有用な高
周波発振回路に関する。
振動子を発振させるための高周波発振回路に関するもの
であり、更に詳しくは、ガスセンサー、浮遊微粒子、化
学センサー、免疫センサー、粘度センサーとして用いら
れている各種測定器の測定感度を高めるために有用な高
周波発振回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、水晶子を重さセンサー、化学セン
サー、バイオセンサー、粘度センサー、膜厚計などとし
て用いる各種測定器が多数開発されているが、検出物質
の多様化、検出物質の精密な定量化などの要請に対応し
て、高精度で高感度測定機器の開発が急務とされつつあ
る。ところで、周知のように、水晶振動子に用いる水晶
のウエハは、その両面に薄膜電極を取り付け電圧を加え
るとひずみを生じ（圧電効果）、除くともとに戻るとい
う性質を有する。この性質の結果、水晶振動子は厚さで
決まる固有の周波数で発振する。すなわち、水晶のウエ
ハは物質が吸着すると、厚さが変わり発振周波数が変化
する。
サー、バイオセンサー、粘度センサー、膜厚計などとし
て用いる各種測定器が多数開発されているが、検出物質
の多様化、検出物質の精密な定量化などの要請に対応し
て、高精度で高感度測定機器の開発が急務とされつつあ
る。ところで、周知のように、水晶振動子に用いる水晶
のウエハは、その両面に薄膜電極を取り付け電圧を加え
るとひずみを生じ（圧電効果）、除くともとに戻るとい
う性質を有する。この性質の結果、水晶振動子は厚さで
決まる固有の周波数で発振する。すなわち、水晶のウエ
ハは物質が吸着すると、厚さが変わり発振周波数が変化
する。
【０００３】この発振周波数変化Δｆは、厚さの変化と
比例関係にあるが、厚さの変化を質量変化Δｍに置き換
えるとサーブレの式と呼ばれる次式が導かれる。
比例関係にあるが、厚さの変化を質量変化Δｍに置き換
えるとサーブレの式と呼ばれる次式が導かれる。
【数１】 ここでｆ0は基本周波数、ρqとμqは水晶の密度と弾性
率で、Ａは圧電応答している部分の面積である。
率で、Ａは圧電応答している部分の面積である。
【０００４】この式から感度Δｆは基本周波数ｆ0の２
乗に比例するから、ｆ0の大きな水晶振動子の使用が望
ましいことが判る。しかし、あまりｆ0が大きくなると
薄くなり壊れやすいので、通常の雰囲気下では５〜１０
ＭＨｚの水晶振動子を一般的であり、また溶液中の場合
においても最大周波数が３０ＭＨzの水晶振動子が使用
されているに過ぎず、汎用水晶振動子の検出限界を超え
る測定には至っていない。また、９ＭＨｚの水晶振動子
の７次のオーバートーンのモード（６３ＭＨｚ）を用い
た測定例もあるが、その検出限界は０．１ｎｇとされて
おり、従来法の１ｎｇに比べ顕著な検出感度の向上は見
られなかった（「最新の分離・精製・検出法」ｐ４４
１、エヌ・ティー・エス出版、１９９７年５月２６日発
行）。
乗に比例するから、ｆ0の大きな水晶振動子の使用が望
ましいことが判る。しかし、あまりｆ0が大きくなると
薄くなり壊れやすいので、通常の雰囲気下では５〜１０
ＭＨｚの水晶振動子を一般的であり、また溶液中の場合
においても最大周波数が３０ＭＨzの水晶振動子が使用
されているに過ぎず、汎用水晶振動子の検出限界を超え
る測定には至っていない。また、９ＭＨｚの水晶振動子
の７次のオーバートーンのモード（６３ＭＨｚ）を用い
た測定例もあるが、その検出限界は０．１ｎｇとされて
おり、従来法の１ｎｇに比べ顕著な検出感度の向上は見
られなかった（「最新の分離・精製・検出法」ｐ４４
１、エヌ・ティー・エス出版、１９９７年５月２６日発
行）。
【０００５】一方、このような状況に対して、水晶振動
子をセンサーとしてではなく、発振回路の周波数制御用
の用途とする高周波発振回路も提示されてはいる。しか
しこれらの回路は、トランジスタ、カップリングトラン
ス、インダクタンスなど多数の部品を使用する複雑で、
調整が困難なアナログ回路が多く、各種センサーの計測
器として使用するには相応しくなく高価なものであっ
た。
子をセンサーとしてではなく、発振回路の周波数制御用
の用途とする高周波発振回路も提示されてはいる。しか
しこれらの回路は、トランジスタ、カップリングトラン
ス、インダクタンスなど多数の部品を使用する複雑で、
調整が困難なアナログ回路が多く、各種センサーの計測
器として使用するには相応しくなく高価なものであっ
た。
【０００６】また、低周波発振回路として、その一部に
論理素子を用いたものも知られているが（特開平３−４
１６５２３６号、特公平５−３７６５３号）このもの
は、振動子として低周波数のものしか使用していないた
め、高感度化の要請に対応することができず、また安定
な高周波数の発振回路とすることが困難であった。更に
は、発振させる水晶振動子やその周波数に合わせて発振
回路を設計・構成する必要があった。（特願２０００−
３１５１３号）。本発明は、従来の発振回路の常識を覆
すものである。
論理素子を用いたものも知られているが（特開平３−４
１６５２３６号、特公平５−３７６５３号）このもの
は、振動子として低周波数のものしか使用していないた
め、高感度化の要請に対応することができず、また安定
な高周波数の発振回路とすることが困難であった。更に
は、発振させる水晶振動子やその周波数に合わせて発振
回路を設計・構成する必要があった。（特願２０００−
３１５１３号）。本発明は、従来の発振回路の常識を覆
すものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、センサーと
しての水晶振動子の基本固有振動数が高くなっても、そ
れに容易に対応して、同じ回路で安定な高周波発振を長
期間持続することができ、しかも製作が簡便で安価な高
周波発振回路を提供することを目的とする。
しての水晶振動子の基本固有振動数が高くなっても、そ
れに容易に対応して、同じ回路で安定な高周波発振を長
期間持続することができ、しかも製作が簡便で安価な高
周波発振回路を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者は上記課題を解
決するため、鋭意検討した結果、簡単に手に入れること
ができる論理素子を使い、その入出力をコンデンサと抵
抗と高周波基本振動数を有する水晶振動子で閉ループを
作ると、意外にも論理素子の応答速度およびコンデンサ
と抵抗の時定数などにより安定な高周波発振の持続が可
能な発振回路が得られることを知見し、本発明を完成す
るに至った。
決するため、鋭意検討した結果、簡単に手に入れること
ができる論理素子を使い、その入出力をコンデンサと抵
抗と高周波基本振動数を有する水晶振動子で閉ループを
作ると、意外にも論理素子の応答速度およびコンデンサ
と抵抗の時定数などにより安定な高周波発振の持続が可
能な発振回路が得られることを知見し、本発明を完成す
るに至った。
【０００９】すなわち、本発明によれば、高周波ＣＭＯ
Ｓ（Complementary Metal OxidSemiconductor）論理
素子を用いて閉回路を作り、その中に高周波数の基本周
波数を持った水晶振動子を組み込んだことを特徴とする
高周波発振回路が提供される。本発振回路は全く新規の
回路内容・構成であり、従来の電子回路からは予測・予
想のできない形式のものである。
Ｓ（Complementary Metal OxidSemiconductor）論理
素子を用いて閉回路を作り、その中に高周波数の基本周
波数を持った水晶振動子を組み込んだことを特徴とする
高周波発振回路が提供される。本発振回路は全く新規の
回路内容・構成であり、従来の電子回路からは予測・予
想のできない形式のものである。
【００１０】本発明では、論理素子を用いて閉ループを
作製するが、論理素子としては従来公知のもの、例えば
ＮＡＮＤ，ＮＯＲ、インバータなどの簡単に入手できる
ものを利用すればよいが、高周波に対応するために応答
速度の早い論理素子ＣＭＯＳを使用する。
作製するが、論理素子としては従来公知のもの、例えば
ＮＡＮＤ，ＮＯＲ、インバータなどの簡単に入手できる
ものを利用すればよいが、高周波に対応するために応答
速度の早い論理素子ＣＭＯＳを使用する。
【００１１】また高周波数の基本周波数を持った水晶振
動子としては、例えば１ＭＨｚ〜２ＧＨｚ、好ましくは
１５０ＭＨｚ以上の周波数を有する水晶振動子が用いら
れる。本発明における閉ループは、このような論理素子
の入出力をコンデンサ、抵抗及び高周波の基本振動数を
有する水晶振動子を用い、該論理素子の応答速度、水晶
振動子の周波数、コンデンサと抵抗の時定数を調製する
ことにより作製される。
動子としては、例えば１ＭＨｚ〜２ＧＨｚ、好ましくは
１５０ＭＨｚ以上の周波数を有する水晶振動子が用いら
れる。本発明における閉ループは、このような論理素子
の入出力をコンデンサ、抵抗及び高周波の基本振動数を
有する水晶振動子を用い、該論理素子の応答速度、水晶
振動子の周波数、コンデンサと抵抗の時定数を調製する
ことにより作製される。
【００１２】具体的な閉ループ回路構成としては、安定
な高発振周波数の持続発振性などからみて、その閉回路
に組み込んだ水晶振動子の高周波の基本振動数に対応で
きる応答速度の論理素子ＣＭＯＳを選定するような態様
とすることが望ましい。
な高発振周波数の持続発振性などからみて、その閉回路
に組み込んだ水晶振動子の高周波の基本振動数に対応で
きる応答速度の論理素子ＣＭＯＳを選定するような態様
とすることが望ましい。
【００１３】
【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
する。論理素子インバータを使った高周波発振回路を図
１に示す。図１は、基本周波数２０ＭＨｚから１５５Ｍ
Ｈｚの水晶振動子を対象とした発振回路を示す。
する。論理素子インバータを使った高周波発振回路を図
１に示す。図１は、基本周波数２０ＭＨｚから１５５Ｍ
Ｈｚの水晶振動子を対象とした発振回路を示す。
【００１４】図１において、ＩＣ１、ＩＣ２は論理素子
インバータ、Ｘは水晶振動子、Ｃはコンデンサ、Ｒは抵
抗器である。具体的なコンデンサＣ、抵抗Ｒの値および
論理素子ＩＣ名は図中に示す。また、ＩＣ２は発振回路
の出力を外部に取り出すためのバッファーである。
インバータ、Ｘは水晶振動子、Ｃはコンデンサ、Ｒは抵
抗器である。具体的なコンデンサＣ、抵抗Ｒの値および
論理素子ＩＣ名は図中に示す。また、ＩＣ２は発振回路
の出力を外部に取り出すためのバッファーである。
【００１５】この発振回路においては、インバータＩＣ
１の入出力を結ぶ閉ループを構成する。この閉ループの
中に水晶振動子Ｘを入れる。水晶振動子Ｘは持っている
基本振動数のところで最もインピーダンスが低くなる。
このため水晶振動子Ｘのこの基本振動数で発振する。例
えばその基本周波数は、１〜１９ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、
３３ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、１５５ＭＨｚでも図１の回路
で可能である。なお、この値と論理素子名、は限定的な
ものではなく、その近くであれば回路のインピーダンス
が十分低いので水晶振動子Ｘの基本振動数で発振するこ
とになる。更には、論理素子はこの周波数範囲に対応で
きる論理素子ＣＭＯＳを選定することが望ましい。
１の入出力を結ぶ閉ループを構成する。この閉ループの
中に水晶振動子Ｘを入れる。水晶振動子Ｘは持っている
基本振動数のところで最もインピーダンスが低くなる。
このため水晶振動子Ｘのこの基本振動数で発振する。例
えばその基本周波数は、１〜１９ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、
３３ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、１５５ＭＨｚでも図１の回路
で可能である。なお、この値と論理素子名、は限定的な
ものではなく、その近くであれば回路のインピーダンス
が十分低いので水晶振動子Ｘの基本振動数で発振するこ
とになる。更には、論理素子はこの周波数範囲に対応で
きる論理素子ＣＭＯＳを選定することが望ましい。
【００１６】また、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、
基本周波数の２０ＭＨｚ、３３ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、１
５５ＭＨｚの水晶振動子Ｘを、図１の回路に使用した場
合のオシロスコープで測定した出力波形である。各図か
ら明らかなように、当該回路定数での波形は、矩形から
正弦波の間の形をしている。１５５ＭＨｚにおいてはほ
ぼ正弦波を示す。これらの波形を示す発振回路の発振周
波数は、通常の周波数カウンタで十分測定可能なもので
ある。
基本周波数の２０ＭＨｚ、３３ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、１
５５ＭＨｚの水晶振動子Ｘを、図１の回路に使用した場
合のオシロスコープで測定した出力波形である。各図か
ら明らかなように、当該回路定数での波形は、矩形から
正弦波の間の形をしている。１５５ＭＨｚにおいてはほ
ぼ正弦波を示す。これらの波形を示す発振回路の発振周
波数は、通常の周波数カウンタで十分測定可能なもので
ある。
【００１７】このように、各種の１ＭＨｚ〜２ＧＨｚの
基本振動数を持つ水晶振動子Ｘに対して、同じ回路で、
それぞれの水晶振動子の基本周波数で発振させることが
できる。従来は、水晶振動子毎に発振回路を最適なもの
を設計・構成するのが常識とされていた。本発明は、従
来の発振回路の常識を覆すものである。図３（ａ）と
（ｂ）は図１の発振回路を用い、同一のアセトンガス濃
度に対して、同一の重量のスチレンプラズマ重合膜を被
覆した水晶振動子のガス吸着に対する周波数応答を示
す。各周波数でのガス吸着の平衡値は、９ＭＨｚ（●）
では３０Ｈｚ、５０ＭＨ（○）ｚでは１２００Ｈｚ、１
５５ＭＨｚ（▼）では２５００Ｈｚの周波数応答をそれ
ぞれ示す。ガス吸着に使用する水晶振動子の基本周波数
が高い程、ガス吸着により、より大きな応答量を示すこ
とが明らかである。
基本振動数を持つ水晶振動子Ｘに対して、同じ回路で、
それぞれの水晶振動子の基本周波数で発振させることが
できる。従来は、水晶振動子毎に発振回路を最適なもの
を設計・構成するのが常識とされていた。本発明は、従
来の発振回路の常識を覆すものである。図３（ａ）と
（ｂ）は図１の発振回路を用い、同一のアセトンガス濃
度に対して、同一の重量のスチレンプラズマ重合膜を被
覆した水晶振動子のガス吸着に対する周波数応答を示
す。各周波数でのガス吸着の平衡値は、９ＭＨｚ（●）
では３０Ｈｚ、５０ＭＨ（○）ｚでは１２００Ｈｚ、１
５５ＭＨｚ（▼）では２５００Ｈｚの周波数応答をそれ
ぞれ示す。ガス吸着に使用する水晶振動子の基本周波数
が高い程、ガス吸着により、より大きな応答量を示すこ
とが明らかである。
【００１８】
【発明の効果】本発明の論理素子を使った高周波発振回
路は安価な部品を使い、簡単な回路でありながら、高い
基本振動数を持った水晶振動子により高安定な発振を続
ける。更には、基本振動数に対応して回路定数を変える
必要がない。従って、本発明の高周波発振回路によれ
ば、従来、困難であった計測目的によりセンサーとして
の水晶振動子を変更して基本振動数を変えても、そのま
ま対応できる。このものを用いれば超高感度のガスセン
サーや浮遊粒子量などの測定に好適な精密高感度測定器
具を簡単に作製することができる。
路は安価な部品を使い、簡単な回路でありながら、高い
基本振動数を持った水晶振動子により高安定な発振を続
ける。更には、基本振動数に対応して回路定数を変える
必要がない。従って、本発明の高周波発振回路によれ
ば、従来、困難であった計測目的によりセンサーとして
の水晶振動子を変更して基本振動数を変えても、そのま
ま対応できる。このものを用いれば超高感度のガスセン
サーや浮遊粒子量などの測定に好適な精密高感度測定器
具を簡単に作製することができる。
【図１】本発明の高周波基本波発振回路を示す。
【図２】（ａ）は、基本周波数２０ＭＨｚの水晶振動子
を図１の回路に用いた場合のオシロスコープで測定した
発振波形、（ｂ）は、基本周波数３３ＭＨｚの水晶振動
子を図１の回路に用いた場合のオシロスコープで測定し
た発振波形、（ｃ）は、基本周波数５０ＭＨｚの水晶振
動子を図１の回路に用いた場合のオシロスコープで測定
した発振波形、（ｄ）は、基本周波数１５５ＭＨｚの水
晶振動子を図１の回路に用いた場合のオシロスコープで
測定した発振波形をそれぞれ示す図である。
を図１の回路に用いた場合のオシロスコープで測定した
発振波形、（ｂ）は、基本周波数３３ＭＨｚの水晶振動
子を図１の回路に用いた場合のオシロスコープで測定し
た発振波形、（ｃ）は、基本周波数５０ＭＨｚの水晶振
動子を図１の回路に用いた場合のオシロスコープで測定
した発振波形、（ｄ）は、基本周波数１５５ＭＨｚの水
晶振動子を図１の回路に用いた場合のオシロスコープで
測定した発振波形をそれぞれ示す図である。
【図３】（ａ）は、図１の発振回路を用い、同一の重量
のプラズマ重合スチレン膜被覆（放電出力１００Ｗ、モ
ノマー圧力１００Ｐａ、重合時間は１分）の水晶振動子
（９ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、１５５ＭＨｚ）に同一濃度
（アセトン溶液のヘッドスペースを２ｍｌ採取し、１０
００ｍｌのガス吸着測定容器に注入して測定）の飽和ア
セトン蒸気を吸着された際の発振周波数の経時変化を示
す。（●）は、基本周波数９ＭＨｚの水晶振動子を、
（○）は、基本周波数５０ＭＨｚの水晶振動子を、
（▼）は、基本周波数１５５ＭＨｚの水晶振動子を用い
て測定したガス吸着応答である。水晶の基本周波数の増
加に伴い、同一濃度のアセトン蒸気に応答する周波数変
化量は著しく増加する。（ｂ）は、図３（ａ）での９Ｍ
Ｈｚの水晶による測定結果の拡大図である。
のプラズマ重合スチレン膜被覆（放電出力１００Ｗ、モ
ノマー圧力１００Ｐａ、重合時間は１分）の水晶振動子
（９ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、１５５ＭＨｚ）に同一濃度
（アセトン溶液のヘッドスペースを２ｍｌ採取し、１０
００ｍｌのガス吸着測定容器に注入して測定）の飽和ア
セトン蒸気を吸着された際の発振周波数の経時変化を示
す。（●）は、基本周波数９ＭＨｚの水晶振動子を、
（○）は、基本周波数５０ＭＨｚの水晶振動子を、
（▼）は、基本周波数１５５ＭＨｚの水晶振動子を用い
て測定したガス吸着応答である。水晶の基本周波数の増
加に伴い、同一濃度のアセトン蒸気に応答する周波数変
化量は著しく増加する。（ｂ）は、図３（ａ）での９Ｍ
Ｈｚの水晶による測定結果の拡大図である。
Claims (4)
- 【請求項１】論理素子の入出力を結ぶ閉回路の中に高周
波の基本周波数を示す水晶振動子を組み込んだことを特
徴とする高周波発振回路。 - 【請求項２】論理素子が高速のＣＭＯＳであることを特
徴とする請求項１に記載の高周波発振回路。 - 【請求項３】同一の回路構成で基本周波数１ＭＨｚから
５００ＭＨｚ以上の水晶振動子で発振する請求項１乃至
２に記載の高周波発振回路。 - 【請求項４】化学計測に用いる請求項１〜３のいずれか
に記載の高周波発振回路。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000103709A JP2001289765A (ja) | 2000-04-05 | 2000-04-05 | 化学計測用の水晶振動子を駆動する高周波発振回路 |
| CA002328813A CA2328813C (en) | 2000-02-09 | 2000-12-18 | High-frequency oscillation circuit |
| NZ508983A NZ508983A (en) | 2000-02-09 | 2000-12-19 | High frequency crystal oscillator in a closed circuit configuration with logic gate feedback elements |
| AU72381/00A AU767454B2 (en) | 2000-02-09 | 2000-12-19 | High-frequency oscillation circuit |
| EP00127908A EP1146634B8 (en) | 2000-02-09 | 2000-12-20 | High frequency oscillation circuit |
| US09/739,812 US6798306B2 (en) | 2000-02-09 | 2000-12-20 | High-frequency oscillation circuit and measuring device |
| DE60044021T DE60044021D1 (de) | 2000-02-09 | 2000-12-20 | Hochfrequenzoszillatorschaltung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000103709A JP2001289765A (ja) | 2000-04-05 | 2000-04-05 | 化学計測用の水晶振動子を駆動する高周波発振回路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001289765A true JP2001289765A (ja) | 2001-10-19 |
Family
ID=18617365
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000103709A Pending JP2001289765A (ja) | 2000-02-09 | 2000-04-05 | 化学計測用の水晶振動子を駆動する高周波発振回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001289765A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7046096B2 (en) | 2003-03-17 | 2006-05-16 | Seiko Epson Corporation | Oscillator circuit, oscillator circuit adjusting method, and mass measuring apparatus using oscillator circuit |
-
2000
- 2000-04-05 JP JP2000103709A patent/JP2001289765A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7046096B2 (en) | 2003-03-17 | 2006-05-16 | Seiko Epson Corporation | Oscillator circuit, oscillator circuit adjusting method, and mass measuring apparatus using oscillator circuit |
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