JP2006029873A - 水晶センサ及び感知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水晶片の他面側をべース体を用いて気密封止し、その一面に感知物質が吸着されて水晶片の固有振動数が変化する水晶センサにおいて、気密封止作業を容易にして、作業中における薄い水晶片の割れを防止するようにした。
【解決手段】 水晶片の一面側に一方の励振電極及び導出電極が、また他面側に他方の励振電極及び導出電極が形成されているが、水晶片の他面側の導出電極を一面側に回り込ませ、当該一面側において各導出電極に夫々一対の支持線部材を接続固着する。このような構成にすることで水晶片の他面側においては支持線部材が存在しなくなる。またベース体として、水晶片の収容領域を区画するように設けられた枠部と、前記収容領域の底面中央部に形成された前記凹部と、前記保持部材を受ける受け部をと、を備え、前記枠部が前記凹部内に励振電極が臨むように水晶片の周縁の位置を規制するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶片の一方の面が測定雰囲気に接触し、他方の面が気密空間に臨むように構成され、周波数の変化を検出して測定対象物を感知する水晶センサ及びこの水晶センサを用いた感知装置に関する。

微量物質、例えば環境汚染物質や疾病マーカーなどを感知するために水晶振動子を利用した水晶センサが一般的に知られている。例えば特許文献１には、疾病マーカー物質を反応容器内でラテック凝集反応により捕捉し、反応容器内に入れられている水晶振動子に、捕捉された疾病マーカー物質が付着し、そのときの水晶振動子の発振周波数変化を測定することで疾病マーカー物質を検出することが記載されている。また水晶振動子は、免疫ラテックス溶液中で安定に発振させるためには、水晶振動子の片面のみを溶液に接する構造が好ましいことが記載されている。

この種の水晶センサは、一般にランジュバン型の水晶振動子と呼ばれており、その構造について図１０に基づいて簡単に説明すると、図中１０は、円形板状の水晶片であり、その両面の中央部には夫々箔状の電極１１、１２が形成されている。これら電極１１、１２には、外部に電気信号を取り出すための支持線部材１３、１４例えば線径０．５ｍｍ程度のリード線が接続されている。前記水晶片１０の他面側には凹部１５が形成されたベース体１６が設けられており、接着剤１７によって前記水晶片１０とベース体１６とが固着され、これにより水晶片１０と前記凹部１５とで囲まれる気密空間を形成している。

しかし上述した水晶センサには以下のような問題がある。即ち、特許文献１にも記載されているが、精度のよい測定を目指すためには水晶振動子の発振周波数を例えば９ＭＨｚ程度にすることが好ましいが、このような高周波数の水晶片の等価厚みは１８５μｍとかなり薄いものになる。一方、水晶片１０の他方の面を接着剤１７を用いてベース体１６に固着するとき、固着面に支持線部材１４が盛り上がっている格好になるので、この部分を含めてケース体１６を用いて水晶片１０の他面側を気密に封止する作業がやりずらく、水晶片を割ってしまいやすいという問題がある。

特開２００１−８３１５４（段落０００９、段落００１９及び図１）

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、水晶片の他面側をべース体を用いて容易に気密封止することができる構造を備えた水晶センサ及びこの水晶センサを備えた感知装置を提供することにある。

本発明は、一面側及び他面側に夫々一方の励振電極及び他方の励振電極が設けられた水晶片と、凹部が形成されたベース体と、を備え、前記水晶片と前記凹部とで囲まれる空間が気密空間となるように且つ当該気密空間に水晶片の他面側の励振電極が臨むように前記ベース体に水晶片を固着してなり、水晶片の一面側が測定雰囲気に接触する水晶センサにおいて、
前記水晶片の一面側に形成され、前記一方の励振電極に接続された箔状の一方の導出電極と、
前記他方の励振電極に接続され、前記水晶片の他面側から一面側に回し込まれて形成された箔状の他方の導出電極と、
前記水晶片の一面側にて一方の導出電極及び他方の導出電極に夫々先端部が固着され、外部に電気信号を取り出すための一対の支持線部材と、を備えたことを特徴とする。

「ベース体に水晶片を固着してなり、」とは、凹部の口縁部と水晶片の他面側とが接着剤を介して固着される場合、あるいは接着剤を用いずに凹部の口縁部と水晶片とが密接している場合のいずれの構造であってもこれに含まれる。一方の導出電極は、前記水晶片の一面側から他面側に回し込まれて形成され、水晶片の両面において励振電極及び導出電極の配置レイアウトが同様である構成とすることが好ましい。

本発明のより具体的な構成としては、
一対の支持線部材の基端側は保持部材に支持され、前記ベース体は、水晶片の収容領域を区画するように設けられた枠部と、前記収容領域の底面中央部に形成された前記凹部と、前記保持部材を受ける受け部をと、を備え、前記枠部は、前記凹部内に励振電極が臨むように水晶片の周縁の位置を規制するものである構成、
水晶片の一面側の励振電極が露出するようにかつ当該一面側の全周に亘って水晶片とベース体との間に接着剤を塗布して当該水晶片をベース体に固定した構成などを挙げることができる。

他の発明は、一面側及び他面側に夫々一方の励振電極及び他方の励振電極が設けられた水晶片と、凹部が形成されたベース体と、を備え、前記水晶片と前記凹部とで囲まれる空間が気密空間となるように且つ当該気密空間に水晶片の他面側の励振電極が臨むように前記ベース体に水晶片を固着してなり、水晶片の一面側が測定雰囲気に接触する水晶センサにおいて、
前記水晶片に形成され、前記一方の励振電極及び他方の励振電極に夫々接続された一方の導出電極及び他方の導出電極と、
これら一方の導出電極及び他方の導出電極に夫々先端部が固着され、外部に電気信号を取り出すための一対の支持線部材と、
これら一対の支持線部材の基端側を保持する保持部材と、を備え、
前記ベース体は、水晶片の収容領域を区画するように設けられた枠部と、前記収容領域の底面中央部に形成された前記凹部と、前記保持部材を受ける受け部をと、を備え、
前記枠部は、前記凹部内に励振電極が臨むように水晶片の周縁の位置を規制するものであり、
水晶片の一面側の励振電極が露出するようにかつ当該一面側の全周に亘って水晶片とベース体との間に接着剤を塗布して当該水晶片をベース体に固着したことを特徴とする。この発明の一例としては、一対の支持線部材は、先端部にクリップ部が設けられており、このクリップ部により水晶片の周縁部を挟持して水晶片に固定されている構造を挙げることができる。

本発明は、以上の水晶センサを用いた感知装置としても成り立つものであり、その感知装置は、感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる水晶センサと、この水晶センサを発振させる発振回路と、基準周波数信号を出力する基準周波数発生部と、前記発振回路からの周波数と基準周波数発生部からの周波数との差に相当する周波数信号を取り出す手段と、この手段により取り出された周波数差に基づいて感知対象物を感知する手段とこの手段により取り出された周波数差をカウントするカウント部とを備えている。

本発明における水晶センサによれば、水晶片の他面側の導出電極を、水晶片の一面側に回し込み、当該一面側にて一対の支持線部材を導出電極に接続しているので、水晶片の他面側においては支持線部材が存在しない。従って水晶片の他面側において支持線部材による盛り上がり部分がなくなるので、薄い水晶片をベース体に装着して気密性を確保する作業を容易に行うことができ、水晶片を割るといった不手際を低減できる。また、一方の導出電極についても水晶片の一面側から他面側に回し込むことにより水晶片の両面において励振電極及び導出電極の配置レイアウトを同様なものとすれば、当該水晶センサの製造工程において、水晶片の表裏面を気にすることなく装着作業を行うことができる。

更に前記ベース体は水晶片の収容領域を区画するように枠部を設けて前記凹部内に励振電極が臨むように水晶片の周縁の位置を規制するようにすれば、水晶片の位置を固定するために無理に押さえつけるといったことをしなくて済むので、水晶片の装着作業がより一層容易になる。

更に他の発明の水晶センサによれば、ベース体の上に水晶片を載せて支持線部材を受け部に入れることにより支持線部材及び水晶片からなる組み立て体の姿勢が既述のように安定し、その状態で接着剤を上から全周に亘って塗布することにより水晶片の他面側を容易に封止できる。

（第１の実施の形態）
本発明に係る水晶センサの第１の実施の形態について図１から図３を用いて説明する。図中２０は例えば等価厚みが１μｍ〜３００μｍ、好ましくは１８５μｍの円形板状の水晶片であり、この水晶片２０の一面側及び他面側には箔状の一方の励振電極２１及び他方の励振電極２２が夫々貼着して当該水晶片２０よりも小径の円形状に形成されている。また前記水晶片２０の一面側には、箔状の一方の導出電極２３の一端側が前記一方の励振電極２１に接続されて形成されている。この導出電極２３は励振電極２１から帯状に外方側に少し引き出され、更に水晶片２０の周縁に沿って円弧状に広がった形状になっている。そして当該導出電極２３の他端側は水晶片２０の端面に沿って屈曲され、水晶片２０の他面側に回し込まれ、当該他面の周縁に沿って円弧状に広がった形状として形成されている。

さらに水晶片２０の他面側には、箔状の他方の導出電極２４の一端側が前記他方の励振電極２２に先の一方の導出電極２３と同様のレイアウトで接続されて形成されている。そしてこの他方の導出電極２４の他端側は水晶片２０の端面に沿って屈曲され、水晶片２０の一面側に回し込まれて形成されている。即ちこの例では水晶片の両面において、励振電極２１（２２）及び導出電極２３（２４）のレイアウトが同じ（一面を見たときと他面を見たときとにおいて同じ形状）になっている。

前記励振電極２１、２２及び導出電極２３、２４の等価厚みは例えば０．２μｍであり、電極材料としては、金あるいは銀などが好適であるが、流体中での周波数安定性の高さと使用前の空気中保存下での電極表面の酸化に強いことから金が好ましい。

水晶片２０の一面側にて、水晶片２０の周縁部に形成されている一方の導出電極２３及び他方の導出電極２４には、外部に電気信号を取り出すために、一対の支持線部材３１、３２の先端部が夫々固着されている。一対の支持線部材３１、３２は平行状に伸びており、その基端側は一旦内側に折り曲げられた後、互いの距離が狭くなった状態で平行状に伸びていて、共通の横長の保持部材（ホルダ）３３に保持されている。

一方、前記水晶片２０の下方側には、上面が開口している箱形状の例えば樹脂からなるベース体４が設けられている。このベース体４は三方が枠部４１により囲まれてその中を水晶片２０の収容領域４０として区画形成している。この収容領域４０の底面４２の中央部には、円形状の凹部４３が形成されている。この凹部４３は、水晶片２０の他面側に形成された励振電極２２の外径よりも大きくかつ水晶片２０の外径よりも小さく形成されている。

更にベース体４における前記底面４２の一縁側には、前記保持部材３３が受容されるように横長の凹状の受け部４４が形成され、更に当該受け部４４における水晶片２０の前記収容領域４０とは反対部位に、支持線部材３１、３２が収まるように矩形状の切り欠き部４５が形成されている。水晶片２０は、前記収容領域４０内で多少動くことができるが、枠部４１により位置が規制され、更に受け部４４による保持部材３３の位置規制の作用によって、水晶片２０を収容領域４０内に位置させると、励振電極２２が凹部４３内に位置するようになっている。

そして水晶片２０は、他面側と前記凹部４３の口縁部とが接着剤４６を介して密着固着され、このため他面側の励振電極２２が凹部４３内に臨む状態で凹部４３内の空間は気密空間になっている。なお水晶センサを感知対象物を感知する感知センサとして利用する場合には、励振電極２１の表面に感知対象物を吸着する例えば抗体からなる吸着層が形成される。

この第１の実施の形態によれば、水晶片２０の他方の導出電極２４を、水晶片２０の他面側から一面側に回し込み、水晶片２０の一面側にて一対の支持線部材３１、３２を導出電極２３、２４に固着接続しているので、水晶片２０の他面側においては支持線部材３１、３２が存在しない。従って水晶片２０の他面側において支持線部材３１、３２による盛り上がり部分がなくなるので、薄い水晶片２０を接着剤４６によりベース体４に貼り着けて気密性を確保する作業を容易に行うことができ、水晶片２０を割るといった不手際を低減できる。

そして水晶片２０をベース体４の収容領域４０に収納させることにより、枠部４１によりいわば自動的に位置設定されるので、水晶片２０の位置を固定するために無理に押さえつけるといったことがなくなり、水晶片２０の装着作業がより一層容易になり、水晶片２０の割れを一層防止できる。更にまた水晶片２０の両面において励振電極２１、２２及び導出電極２３、２４の配置レイアウトを同様なものとしているので、水晶センサの製造工程において、水晶片２０の表裏面を気にすることなく装着作業を行うことができ、スムーズな作業を行える。
（第２の実施の形態）
この第２の実施の形態は、第１の実施の形態において接着剤４６を用いずに、図４及び図５に示すようにベース体４及び水晶片２０の上からこれらに跨って水晶片２０の全周に亘ってかつ水晶片２０の一面側の励振電極２１が露出するように接着剤５例えばシリコーン接着剤を塗布して構成している。なお図５では、図面を見やすくするために接着剤５の塗布領域の外縁及び内縁を点線で表すにとどめている。

このような構成によれば、接着剤５の密着作用により結果として前記凹部４３が気密な空間になる。また水晶片２０における一面側の励振電極２１の周囲は、接着剤５により覆われた構造となるので、つまりモールドされるので、水晶センサを電解質溶液などの導電性液体に浸漬してもショートしない。このため水晶センサを導電性液体中で使用することが可能であるし、また感知センサとして使用するために、感知物質を選択的に捕獲する抗体などの吸着層を励振電極２１の表面に形成するときにもショートしない。即ち、生理食塩水などの電解質溶液を用いて電解質溶液中の抗体を例えば金からなる励振電極２１の表面に吸着させるようにしているが、このときに支持線部材３１、３２間でショートしないので、水晶センサを組み立てた後、当該水晶センサを電解液に浸漬させることで吸着層を形成できるので、作業が容易である。

更にまた励振電極２１を囲む凹部（接着剤５により囲まれた凹部）が形成されるので、つまり水晶センサの上部に励振電極２１が露出する凹部が形成されるので、この凹部の容積を予め設定しておけば、この凹部内に感知対象物質が含まれている液体を収容することにより、その収容液体の体積が決まってくる。このため感知対象物質の吸着量を検出すれば、当該溶液中における感知対象物資の濃度を求めることができる。この凹部については、予め容積を設定しておかなくても、製造後に当該凹部内に液体を入れてその液量を図ることにより凹部の容積を求めるようにしてもよい。なおこのように接着剤５によりモールドする構成は、第１の実施の形態において適用してもよい。
（第３の実施の形態）
この第３の実施の形態は、第２の実施の形態において、水晶片２０に対する支持線部材３１、３２の固着構造が異なり、その構成については図６〜図８に示す。この例では、支持線部材３１、３２における保持部材３３から先端側部分は、帯状部材により構成され、更にその帯状部材の先端部にて上下両縁から互いに平行に横に突出する一対の突片３４、３５が形成されている。この突片３４、３５は、この間に水晶片２０の周縁部を挟持して固着するためのクリップ部を構成している。このため水晶片２０をベース体４の収容領域４０内に置くと、支持線部材３１、３２を構成する帯状部材の高さが水晶片２０の厚さよりも大きいことから、支持線部材３１、３２は収容領域４０の底面に付いているが、水晶片２０は浮いている状態になっている（図８参照）。従ってベース体４及び水晶片２０の上側及び水晶片２０の横側に位置する接着剤５の密着作用により、前記凹部４３が気密な空間になる。

このような実施の形態においても、ベース体４の上に水晶片２０を載せて支持線部材３１、３２を受け部に入れることにより支持線部材３１、３２及び水晶片２０からなる組み立て体の姿勢が既述のように安定し、そして水晶片２０の位置が規制されるので、接着剤５を上から全周に亘って塗布する作業がやりやすくなり、このため水晶片の他面側の封止作業が容易になる。

次に、上述した水晶センサを用いた感知装置の一例について図９を用いて簡単に説明する。図９は、感知装置の一例を示すブロック図であって、この図において、５０は本発明の水晶センサである。この水晶センサ５０は例えばダイオキシンなどの汚染物質の検査対象となる流体例えば溶液が入った容器５１の中に浸漬されており、既述の水晶片の一面側に感知対象物質例えばダイオキシンを選択的に吸着する吸着層である抗体が付着されている。５２は、水晶センサ５０の水晶片を発振させる発振回路、５３は基準周波数信号を発生する基準クロック発生部、５４は例えばヘテロダイン検波器からなる周波数差検出手段であり、発振回路５２からの周波数信号及び基準クロック発生部５３からのクロック信号に基づいて両者の周波数差に対応する周波数信号を取り出す。５５は増幅部、５６は増幅部５５からの出力信号の周波数をカウントするカウンタ、５７はデータ処理部である。

水晶センサ５０の周波数としては例えば９ＭＨｚが選ばれ、また基準クロック発生部５３の周波数としては例えば１０ＭＨｚが選ばれる。感知対象物質である例えばダイオキシンが水晶片に吸着していないときには、周波数差検出手段５４では、水晶センサ５０側からの周波数と基準クロックの周波数との差である１ＭＨｚの周波数信号（周波数差信号）が出力されるが、ダイオキシンが水晶片に吸着すると、固有振動数が変化し、このため周波数差信号も変化するので、カウンタ５６におけるカウント値が変化する。

もう少し詳しく述べると、例えば容器５１内に純水を入れておき、このときカウンタ５６にてカウントした周波数をデータ処理部５７の記憶部に記憶しておく。そして例えばダイオキシンの検査を行うべき溶液を前記容器５１内に入れて同様にカウンタ５６にて周波数をカウントする。すると前記溶液中にダイオキシンが含まれている場合には、先のカウント値と異なるため、データ処理部５７にて記憶されている周波数との変化分が取り出され、その変化分と例えば予め求めておいて検量線とに基づいてダイオキシンの濃度が求められ、図示しない表示手段に表示される。あるいはダイオキシンの濃度を表示しなくとも、その周波数の変化分に対する閾値を設定しておいて、ダイオキシンの有無を判断するようにしてもよい。

また水晶センサ５０からの発振周波数である９ＭＨｚをカウンタ５６によりカウントし、その周波数の変化分を求めるようにしてもよい。この例では、カウンタ５６と、データ処理部５７においてカウント値に基づいて周波数の変化分を求める手段と、が発振回路の発振周波数の変化分を測定する手段に相当し、データ処理部５７において周波数の変化分に基づいてダイオキシンの濃度を求める手段あるいはダイオキシンの有無を判断する手段が、発振周波数の変化分に基づいて感知対象物を感知する手段に相当する。

なお感知対象物質は、ダイオキシンに限られるものではなく、例えば伝染病の細菌及び疫病マーカータンパク質などであってもよい。本発明の水晶センサは、測定雰囲気が液体に限られるものではなく、気体雰囲気中に置かれて所定のガス成分例えば有毒ガスを感知するためのものであってもよい。

本発明に係る水晶センサの第１の実施の形態を示す分解斜視図である。 上記の第１の実施の形態に用いられる水晶片を示す側面図である。 上記の第１の実施の形態を示す縦断側面図である。 本発明に係る水晶センサの第２の実施の形態を示す縦断側面図である。 本発明に係る水晶センサの第２の実施の形態を示す平面図である。 本発明に係る水晶センサの第３の実施の形態に用いられる支持線部材の先端部の構造を示す斜視図である。 本発明に係る水晶センサの第３の実施の形態の水晶片と支持線部材との接続構造を示す縦断側面図である。 本発明に係る水晶センサの第３の実施の形態を示す縦断側面図である。 本発明に係る水晶センサを感知装置に適用した一例を示すブロック図である。 従来の水晶センサを示す縦断側面図である。

符号の説明

２０ 水晶片
２１、２２ 励振電極
２３、２４ 導出電極
３１、３２ 支持線部材
３３ 保持部材
４ ベース体
４０ 収容領域
４２ 底面
４３ 凹部
４４ 受け部
４６ 接着剤
５ 接着剤
３０ 凹部
３１ ケース体
４０ 接着部材
４１ 開口部

Claims (8)

1. 一面側及び他面側に夫々一方の励振電極及び他方の励振電極が設けられた水晶片と、凹部が形成されたベース体と、を備え、前記水晶片と前記凹部とで囲まれる空間が気密空間となるように且つ当該気密空間に水晶片の他面側の励振電極が臨むように前記ベース体に水晶片を固着してなり、水晶片の一面側が測定雰囲気に接触する水晶センサにおいて、
   前記水晶片の一面側に形成され、前記一方の励振電極に接続された箔状の一方の導出電極と、
   前記他方の励振電極に接続され、前記水晶片の他面側から一面側に回し込まれて形成された箔状の他方の導出電極と、
   前記水晶片の一面側にて一方の導出電極及び他方の導出電極に夫々先端部が固着され、外部に電気信号を取り出すための一対の支持線部材と、を備えたことを特徴とする水晶センサ。
2. 一方の導出電極は、前記水晶片の一面側から他面側に回し込まれて形成され、水晶片の両面において励振電極及び導出電極の配置レイアウトが同様であることを特徴とする請求項１記載の水晶センサ。
3. 前記凹部の口縁部と水晶片の他面側とが接着剤を介して固着されていることを特徴とする請求項１または２記載の水晶センサ。
4. 一対の支持線部材の基端側は保持部材に支持され、
   前記ベース体は、水晶片の収容領域を区画するように設けられた枠部と、前記収容領域の底面中央部に形成された前記凹部と、前記保持部材を受ける受け部をと、を備え、
   前記枠部は、前記凹部内に励振電極が臨むように水晶片の周縁の位置を規制するものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の水晶センサ。
5. 水晶片の一面側の励振電極が露出するようにかつ当該一面側の全周に亘って水晶片とベース体との間に接着剤を塗布して当該水晶片をベース体に固定したことを特徴とする請求項１または２に記載の水晶センサ。
6. 一面側及び他面側に夫々一方の励振電極及び他方の励振電極が設けられた水晶片と、凹部が形成されたベース体と、を備え、前記水晶片と前記凹部とで囲まれる空間が気密空間となるように且つ当該気密空間に水晶片の他面側の励振電極が臨むように前記ベース体に水晶片を固着してなり、水晶片の一面側が測定雰囲気に接触する水晶センサにおいて、
   前記水晶片に形成され、前記一方の励振電極及び他方の励振電極に夫々接続された一方の導出電極及び他方の導出電極と、
   これら一方の導出電極及び他方の導出電極に夫々先端部が固着され、外部に電気信号を取り出すための一対の支持線部材と、
   これら一対の支持線部材の基端側を保持する保持部材と、を備え、
   前記ベース体は、水晶片の収容領域を区画するように設けられた枠部と、前記収容領域の底面中央部に形成された前記凹部と、前記保持部材を受ける受け部をと、を備え、
   前記枠部は、前記凹部内に励振電極が臨むように水晶片の周縁の位置を規制するものであり、
   水晶片の一面側の励振電極が露出するようにかつ当該一面側の全周に亘って水晶片とベース体との間に接着剤を塗布して当該水晶片をベース体に固着したことを特徴とする水晶センサ。
7. 一対の支持線部材は、先端部にクリップ部が設けられており、このクリップ部により水晶片の周縁部を挟持して水晶片に固定されていることを特徴とする請求項６記載の水晶センサ。
8. 感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成された水晶センサと、この水晶センサを発振させる発振回路と、この発振回路の発振周波数の変化分を測定する手段と、この手段により測定された発振周波数の変化分に基づいて感知対象物を感知する手段と、を備えた感知装置において、
   前記水晶センサとして請求項１ないし７のいずれか一に記載の水晶センサを用いたことを特徴とする感知装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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