JP2003344352A

JP2003344352A - イオン濃度測定装置

Info

Publication number: JP2003344352A
Application number: JP2002151435A
Authority: JP
Inventors: Shuji Takamatsu; 修司高松
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2003-12-03

Abstract

(57)【要約】【課題】ＩＳＦＥＴを用いた小型かつコンパクトであ
り、しかも、イオン感応部を凹凸部分や微小な平面に確
実に密着させることができ、それらの部分におけるイオ
ン濃度をも確実に測定することのできるイオン濃度測定
装置を提供すること。【解決手段】センサボディ２の下端部に球面状または
曲面状の微小なイオン感応部５Ａを備えたＩＳＦＥＴよ
りなるイオン測定電極５を設ける一方、前記センサボデ
ィ２の内部かつ前記イオン測定電極５の上方に筒体１０
を設け、この筒体１０の外表面１０ａに内極１０Ａを形
成するとともに前記センサボディ２と筒体１０との間に
内部液１１を収容し、さらに、前記イオン測定電極５と
前記センサボディ２との間に液絡部１２を形成して比較
電極１３を構成し、センサボディ２内にイオン測定電極
５と比較電極１３とを一体的に設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ｐＨなどのイオ
ン濃度を測定する装置に関し、特に、ＩＳＦＥＴを用い
たイオン濃度測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術およびその問題点】例えば、水溶液におけ
るｐＨを測定するｐＨ測定装置においては、水素イオン
に感応するｐＨ測定電極と比較電極とが必要である。近
年、前記ｐＨ測定電極として、ＩＳＦＥＴを用いるとと
もに、このＩＳＦＥＴを比較電極と一体的に構成したも
のが開発されている。このｐＨ測定装置は、ｐＨガラス
電極を中心に配置し、その外側を比較電極で包むように
した従来の複合電極タイプからの類推で、センサボディ
内に設けたロッドのセンサボディから突出した部分をロ
ッドの中心線と平行になるように切削して平面部を形成
し、このロッドと平行な平面部にＩＳＦＥＴを載置して
ｐＨ測定電極とする一方、前記センサボディ内のロッド
の周囲に比較電極を形成してなるもので、工業用水等の
水質を測定するように構成したものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来のｐＨ測定装置は、そのセンサボディの外径が約３０
ｍｍもあるなどかなり太めであるとともに、ｐＨ測定電
極がセンサボディの端部から突出した角柱部分に形成さ
れているため、表面が１〜数ｍｍ程度の小さい凹凸があ
るような歯におけるｐＨ測定や、窪んだ小さい領域にお
けるｐＨ測定には用いることができなかった。また、上
記従来のｐＨ測定装置では、マイクロプレートなどにお
けるｐＨ測定に応用することが困難であった。

【０００４】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、ＩＳＦＥＴを用いた小型かつコ
ンパクトであり、しかも、イオン感応部を凹凸部分や微
小な平面に確実に密着させることができ、それらの部分
におけるイオン濃度をも確実に測定することのできるイ
オン濃度測定装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明のイオン濃度測定装置は、センサボディの
下端部に球面状または曲面状の微小なイオン感応部を備
えたＩＳＦＥＴよりなるイオン測定電極を設ける一方、
前記センサボディの内部かつ前記イオン測定電極の上方
に筒体を設け、この筒体の外表面に内極を形成するとと
もに前記センサボディと筒体との間に内部液を収容し、
さらに、前記イオン測定電極と前記センサボディとの間
に液絡部を形成して比較電極を構成し、センサボディ内
にイオン測定電極と比較電極とを一体的に設けたことを
特徴としている（請求項１）。

【０００６】そして、センサボディの下端部に球面状ま
たは曲面状の微小なイオン感応部を備えたＩＳＦＥＴよ
りなるイオン測定電極を設けるのに代えて、センサボデ
ィの下端部の当該センサボディの長手方向と直交する平
面内にフラットかつ微小なイオン感応部を備えたＩＳＦ
ＥＴよりなるイオン測定電極を設けるようにしてもよい
（請求項２）。

【０００７】上記いずれの構成のイオン濃度測定装置に
おいても、イオン測定電極と比較電極とが一体化され、
その状態でセンサボディ内に収容されているので、従来
のＩＳＦＥＴを用いたイオン濃度測定装置に比べて、構
成がコンパクトであり小型となる。そして、イオン測定
電極と比較電極との距離を可及的に小さくすることが可
能であり、イオン測定電極を小さく形成することができ
るので、微小領域や微小量の試料を確実に測定すること
ができる。

【０００８】そして、請求項１に記載してあるように、
ＩＳＦＥＴを例えば直径が１ｍｍ程度のボールセミコン
ダクタの表面に形成するなどして、そのイオン感応部が
球面状または曲面状である場合、細かな凹凸がある表面
や湾曲した微小な領域に密着させることができ、これら
の部分における例えばｐＨ測定を容易に行うことができ
る。

【０００９】また、請求項２に記載してあるように、Ｉ
ＳＦＥＴとして１〜２ｍｍ角程度のＩＳＦＥＴチップを
用いるなどして、そのイオン感応部が微小かつフラット
な平面に形成してある場合においても、上記請求項１に
記載のものと同様に、細かな凹凸がある表面や湾曲した
微小な領域に密着させることができ、これらの部分にお
ける例えばｐＨ測定を容易に行うことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。図１〜図３は、この発明の第１の実施
の形態を示す。まず、図１は、この発明のイオン濃度測
定装置におけるセンサ部１の構成を示す縦断面図で、こ
の図において、２はセンサボディで、例えばガラスやプ
ラスチックなどよりなる上下両端に開口を有する例えば
円筒体で、特に下端部はテーパ状に末窄まりとなってい
る。このセンサボディ２は、後述する内部液１１の残量
を目視で確認できるように透明に形成されるとともに、
その上端側には、内部液１１を補充するための孔３が開
設されており、この孔３には栓体４が着脱自在に設けら
れている。

【００１１】５はセンサボディ２の下端部に設けられる
イオン測定電極としてのＩＳＦＥＴである。このＩＳＦ
ＥＴ５は、直径が例えば１ｍｍ程度のシリコンボール
（ボールセミコンダクタ）６の下部側の表面６ａに、例
えば水素イオンに感応する測定電極（ｐＨ−ＩＳＦＥＴ
センサ）として形成されている。

【００１２】前記ｐＨ−ＩＳＦＥＴ５は、例えば次のよ
うにして形成される。すなわち、シリコンボール６の下
部側の表面６ａに、図２に示すように、ゲート７Ｇ、ソ
ース７Ｓおよびドレイン７ＤよりなるＭＯＳＦＥＴ７を
設け、このＭＯＳＦＥＴ７のゲート部７ＧにＳｉＯ
₂膜、Ｓｉ₃Ｎ₄膜、Ｔａ₂Ｏ₅膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜より
なるＨ⁺に感応する水素イオン感応部を形成したもので
ある。以下、前記ゲート部７Ｇを含むシリコンボール６
の下部側の表面６ａのことを、特にセンサ面（イオン感
応部）５Ａという。８，９はシリコンボール６の表面６
ａに形成される導電部である。なお、前記センサ面５Ａ
以外のシリコンボール表面６ａには酸化膜等が形成さ
れ、測定対象試料（例えば唾液など）や内部液１１によ
って冒されないようにしてある。

【００１３】１０はセンサボディ２の内部かつｐＨ−Ｉ
ＳＦＥＴ５の上方に設けられる円筒などの筒体で、その
上端は例えばセンサボディ２の上端部より高く突出し、
下端はセンサボディ２の下方より突出しないように設け
られている。特に、この筒体１０の下端部は、シリコン
ボール６の表面６ａと密着し、その内部に内部液１１が
浸入しないように、適宜の接着剤で接着されている。前
記筒体１０は、内部液１１に冒されたり、内部液１１と
反応しない電気絶縁性素材、例えば、塩ビやポリエチレ
ンやガラスエポキシなどよりなる。また、この筒体１０
の外表面１０ａには、Ａｇメッキが施され、さらにその
外面にＡｇＣｌが被覆されて比較電極内極１０Ａが構成
されている。そして、１１はセンサボディ２と筒体１０
との間の空間内に収容される内部液で、例えばＫＣｌ溶
液である。さらに、１２はｐＨ−ＩＳＦＥＴ５が形成さ
れたシリコンボール６とセンサボディ２の下端部との間
に形成される液絡部で、比較電極内極１０Ａおよび内部
液１１とともに比較電極１３を構成する。

【００１４】なお、前記Ａｇメッキは、筒体１０の全長
にわたって形成されていることが好ましい。このように
した場合、後述するロッド１４の表面に形成される導電
部１６に対するシールドが良好に行われる。

【００１５】１４は筒体１０の内部に設けられるロッド
で、このロッド１４の下端にｐＨ−ＩＳＦＥＴ５がバン
プ１５によって保持される。そして、このロッド１４の
表面には、信号取り出し用導電部１６が形成されてお
り、接続用バンプ１５ａを介してｐＨ−ＩＳＦＥＴ５側
の導電部８，９と電気的に接続されている。なお、バン
プ１５，１５ａは樹脂モールド等により内部液１１が浸
透しないようにしてある。

【００１６】そして、１７はセンサボディ２の上部開口
を液密に封止するためのキャップで、合成樹脂など適宜
の素材よりなり防水構造に構成されている。このキャッ
プ１７の内面には、筒体外表面に係止されたＡｇメッキ
部に連設されたＡｇシールド接触部１８が形成されてい
る。また、１９はシールド付きコネクタで、ロッド１４
の表面に形成された信号取り出し用導電部１６の上端部
をシールドケーブル２０と接続するもので、このシール
ドケーブル２０の他端側は、装置本体（図示していな
い）に接続されている。そして、この装置本体には、そ
の内部には演算制御部が設けられ、外部には操作部およ
びディスプレイが設けられている。

【００１７】上記構成よりなるイオン濃度測定装置にお
いては、センサ部１を例えば患者の口内に挿入し、歯の
表面にセンサ面５Ａを当接させることができる。このセ
ンサ面５Ａの当接により、歯の表面におけるｐＨが検出
され、そのときの検出信号に基づいて演算制御部で所定
の演算が行われ、その演算結果がディスプレイにｐＨ値
として表示される。この場合、ｐＨ−ＩＳＦＥＴ５は直
径がせいぜい１ｍｍというように小さく、しかもセンサ
面５Ａが丸みを帯びているので、前記歯の表面に多少の
凹凸があったり、歯の窪みの表面や削った後の微細な穴
の奥などの表面にセンサ面５Ａを密着させることがで
き、したがって、それらの部分におけるｐＨ測定を容易
に行うことができる。

【００１８】そして、前記イオン濃度測定装置において
は、センサ面５Ａに丸みがつけられているので、センサ
面５Ａが口内の他の部位に当たってもこれを傷つけたり
するおそれがなく、違和感を生ずることもないととも
に、センサ面５Ａが割れるなど破損することもない。

【００１９】また、上記構成のイオン濃度測定装置にお
いては、ｐＨ−ＩＳＦＥＴよりなるイオン測定電極５と
比較電極１３とが一体化され、その状態でセンサボディ
２内に収容されているので、従来のＩＳＦＥＴを用いた
イオン濃度測定装置に比べて、構成がコンパクトであり
小型となる。そして、イオン測定電極５と比較電極１３
との距離を可及的に小さくすることが可能であり、イオ
ン測定電極５を小さく形成することができるので、微小
領域や微小量の試料を確実に測定することができる。

【００２０】なお、シリコンボール６は、必ずしも真球
でなくてもよく、センサ面５Ａが楕円や放物面など他の
曲面であってもよい。

【００２１】上記第１の実施の形態においては、センサ
面５Ａが球面状または曲面状であったが、必ずしも球面
状または曲面状でなく、フラットな平面状であってもよ
い。以下、これを第２の実施の形態として図４および図
５を参照しながら説明する。なお、図４および図５にお
いて、図１〜図３に示した符号と同一のものは同一部材
である。

【００２２】図４において、２１は例えばｐＨ測定電極
としてのｐＨ−ＩＳＦＥＴで、この実施の形態において
は、フラットかつ微小な平面形状を呈している。このｐ
Ｈ−ＩＳＦＥＴ２１は、例えば次のように構成されてい
る。すなわち、図５（Ａ）に示すように、フレキシブル
な基板（フレキ基板）２２の表面に導電部２３を適宜形
成し、この導電部２３を形成したフレキ基板の表面部２
２ａの端部に連なる部分２２ｂに、例えば１〜２ｍｍ角
の大きさのＩＳＦＥＴチップ２４をイオン測定電極とし
て取り付ける。このＩＳＦＥＴチップ２４は、前記ｐＨ
−ＩＳＦＥＴ５と同様に、ゲート部が水素イオンに感応
するように構成されており、図中の符号２１Ａはセンサ
面（イオン感応部）を示している。

【００２３】そして、前記フレキ基板２２を表面部２２
ａと２２ｂの円弧状の境界線２５に沿って折り曲げる
と、フレキ基板２２は、同図（Ｂ）に示すように、湾曲
するとともに、その下端部には、ＩＳＦＥＴチップ２４
を取り付けた表面部２２ｂがその上部の表面部２２ａに
対して直交するように折れ曲がり、その水平な平面内に
前記センサ面２１Ａが位置することになる。

【００２４】そして、同図（Ｃ）に示すように、前記湾
曲したフレキ基板２２の湾曲部の曲率とほぼ等しい曲率
半径を有する円柱状の補強材２６を湾曲した凹面部に沿
わせ、その状態で、前記ＩＳＦＥＴチップ２４を導電性
のバンプ２７によって円柱状補強材２６の下端に保持さ
せる。

【００２５】上記構成のように、水平な平面状のセンサ
面２１Ａを有するフレキ基板２２を補強材２６とともに
筒体１０内に装填することにより、図４に示すように、
センサボディ２の下端部に、当該センサボディ２の長手
方向と直交する平面内にフラットかつ微小なセンサ面２
１Ａを、センサボディ２の下端部から突出しないか、ご
く僅かに突出した状態で形成したセンサ部１が得られ
る。特に、センサ面２１Ａがセンサボディ２の長手方向
と直交する平面内においてフラットでありしかも微小
（例えば１〜２ｍｍ角）であるので、凹凸面や微小な面
に対して、センサ面２１Ａを密着させることができる。
したがって、この第２の実施の形態のセンサ部１も、前
記第１の実施の形態におけるセンサ部１と同様の作用効
果を奏することができる。

【００２６】この発明は、上記実施の形態のほかに、種
々変形して実施することができ、例えば、筒体１０を銀
の管で形成し、これの外表面にＡｇＣｌを被覆してもよ
い。そして、内部液１１としては、ゲル化ＫＣｌを用い
てもよい。また、ロッド１４に代えて、例えば電気絶縁
性の筒体を設け、この筒体内に信号取り出し用の信号線
（導電部１６に代わるもの）を配置してもよい。また、
シールドケーブル２０に代えて、演算制御部やディスプ
レイを設け、センサ部１と信号処理部とを一体的に構成
してあってもよい。さらに、ｐＨなどを測定する場合、
測定結果を温度補償する必要があるが、このための温度
センサや補償回路をＩＳＦＥＴ５また２４内あるいはロ
ッド１４や補強材２６内に設けてもよい。

【００２７】さらに、図６に示すように、センサ部１
を、演算制御部やディスプレイを備えた本体部に対して
自在に着脱できる構成としてもよい。すなわち、図６
は、図１または図４に示したセンサ部１を組み込んだｐ
Ｈ測定装置の構成の一例を示すもので、この図におい
て、３１は本体部で、例えば適宜の合成樹脂よりなり、
その一端側には適宜長さのスティック部３１ａが延設さ
れている。このスティック部３１ａの先端側には、セン
サ部１を電気的並びに機械的に着脱自在に装着できるよ
うに構成されている。そして、本体部３１の内部には、
演算制御部や電源部などが設けられ、その表面には演算
制御部で演算処理された測定結果などを表示する表示部
３２が設けられている。なお、３３は電源オンオフボタ
ンで、このボタン３３を１回押すと電源がオンになって
測定可能状態となり、測定可能状態で１回押すと電源オ
フになり、待機状態となる。また、本体部３１は、測定
しながら表示部３２の表示内容を目視で確認できるよう
に、片手で握りやすく操作しやすいように形成されてい
る。

【００２８】上記図６に示すように構成されたｐＨ測定
装置によれば、そのスティック部３１ａの先端側のセン
サ部１を患者の口内に挿入して、歯３４の表面にセンサ
面５Ａを容易に当接させることができ、歯３４における
ｐＨを容易に、しかも、患者に苦痛などを与えることな
く測定することができる。

【００２９】そして、前記図６に示したｐＨ測定装置に
おいては、センサ部１と本体部３１とが着脱自在である
ので、例えば一つの本体部３１に対して複数のセンサ部
１を複数用意しておくことにより、患者ごとにセンサ部
１を用いることができる。そして、本体部３１から外さ
れているセンサ部１については、適宜の消毒液などに浸
漬して、次の測定に待機させることができる。

【００３０】そして、上述の各実施の形態では、イオン
濃度測定装置は、ｐＨを測定するように構成されていた
が、他のイオン濃度を測定できるようにしてもよい。す
なわち、ＩＳＦＥＴ５やＩＳＦＥＴチップ２４のゲート
部に、例えばＮａ⁺やＣａ⁺など他のイオンに感応する
感応膜を形成するようにしてもよい。また、前記ゲート
部に複数のイオン、例えばＨ⁺、Ｎａ⁺、Ｃａ⁺にそれ
ぞれ感応する感応膜を形成し、これらのイオンを同時に
検出できるようにし、これらのイオン分布を同時に測定
できるようにしてもよい。また、この発明のイオン濃度
測定装置は、上記歯のみならず、各種の微小領域や微小
量の試料におけるイオン濃度測定に用いてもよいことは
言うまでもない。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明のイオン
濃度測定装置は、イオン測定電極と比較電極とが一体化
され、その状態でセンサボディ内に収容されているの
で、従来のＩＳＦＥＴを用いたイオン濃度測定装置に比
べて、構成がコンパクトであり小型となる。そして、イ
オン測定電極と比較電極との距離を可及的に小さくする
ことが可能であり、イオン測定電極を小さく形成するこ
とができるので、微小領域や微小量の試料を確実に測定
することができる。

【００３２】そして、前記イオン濃度測定装置によれ
ば、例えば歯の窪みの表面や削った後の微細な穴の奥な
どの表面にセンサ面を密着させることができ、したがっ
て、それらの部分における例えばイオン濃度測定を容易
に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態におけるイオン濃度測定装置
の要部の構成を示す縦断面図である。

【図２】前記イオン濃度測定装置におけるセンサ部を拡
大して示す斜視図である。

【図３】前記センサ部の拡大横断面図である。

【図４】第２の実施の形態におけるイオン濃度測定装置
の要部の構成を示す縦断面視図である。

【図５】前記イオン濃度測定装置におけるセンサ部の構
成を説明するための図である。

【図６】前記センサ部を着脱自在に組み込んだイオン濃
度測定装置の一例を示す斜視図である。

【符号の説明】

２…センサボディ、５…イオン測定電極（ＩＳＦＥ
Ｔ）、５Ａ…イオン感応部、１０…筒体、１０ａ…外表
面、１０Ａ…内極、１１…内部液、１２…液絡部、１３
…比較電極、２１…イオン測定電極（ＩＳＦＥＴ）、２
１Ａ…イオン感応部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】センサボディの下端部に球面状または曲
面状の微小なイオン感応部を備えたＩＳＦＥＴよりなる
イオン測定電極を設ける一方、前記センサボディの内部
かつ前記イオン測定電極の上方に筒体を設け、この筒体
の外表面に内極を形成するとともに前記センサボディと
筒体との間に内部液を収容し、さらに、前記イオン測定
電極と前記センサボディとの間に液絡部を形成して比較
電極を構成し、センサボディ内にイオン測定電極と比較
電極とを一体的に設けたことを特徴とするイオン濃度測
定装置。
【請求項２】センサボディの下端部の当該センサボデ
ィの長手方向と直交する平面内にフラットかつ微小なイ
オン感応部を備えたＩＳＦＥＴよりなるイオン測定電極
を設ける一方、前記センサボディの内部かつ前記イオン
測定電極の上方に筒体を設け、この筒体の外表面に内極
を形成するとともに前記センサボディと筒体との間に内
部液を収容し、さらに、前記イオン測定電極と前記セン
サボディとの間に液絡部を形成して比較電極を構成し、
センサボディ内にイオン測定電極と比較電極とを一体的
に設けたことを特徴とするイオン濃度測定装置。