JP2007064970A - 濃度センサー及び濃度検出装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電片例えば水晶片を用いた濃度センサーにおいて、電極間容量による発振エネルギーの消費を抑えながら、粘性の異なる種々の被測定流体に対応でき、また共通の発振回路を用いながら複数の種別の濃度センサーに対応することができるようにすること。
【解決手段】圧電片に対して並列にインダクタを接続し、そのインダクタンス値は、圧電片の共振周波数において電極間容量をキャンセルするインダクタンス値Ｌmaxと圧電片を被測定流体中に浸漬した状態で発振可能なインダクタンス値の最小値であると評価したインダクタンス値Ｌminとの間における、インダクタンス値と発振ループゲインとの関係に基づいて決定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、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圧電片例えば水晶片を用い、この圧電片の固有振動数の変化分を検出して感知対象物の濃度を検出する装置の技術分野に関する。

微量な物質を感知する手法として水晶振動子を用いた濃度検出装置が知られている。この濃度検出装置は、水晶振動子の表面に感知対象物を吸着するための吸着層を形成して水晶センサー（濃度センサー）を構成し、感知対象物が吸着層に付着するとその固有振動数がその付着量に応じて変化することを利用して感知対象物の濃度を測定するものであり、より具体的には、水晶センサーに発振回路を接続すると共に発振回路の発振周波数を計測する測定部を設けて主要部が構成される。このような手法によれば、その応用範囲が広く、装置としても簡易な構成である上、感度が高いことから極微量な物質でも測定できるといった利点がある。

例えば特許文献１では、血液、尿などに含まれる疫病マーカ物質の分析を行うにあたって、水晶センサーを用いれば、高価で大型の自動分析装置を必要とする免疫ラテックスキットに代わる有効な手法であることが記載されている。このように水晶センサーをバイオセンサーとして用いる場合には、水晶振動子に感知対象物質に対して抗体抗原反応を起こす抗体からなる吸着層が形成される。

ところで水晶センサーが液体中に浸漬されると、水晶片の等価直列抵抗の値が例えば数百Ωのレベルで増加し、例えば純水であれば１５０Ω程度増加する。このため水晶片に大きなエネルギーを与えるように設計されるが、水晶振動子の電極間容量Ｃ0がこのエネルギーを消費してエネルギーロスになってしまう。このため発振回路側にて電極間容量Ｃ0をキャンセルさせる必要があるが、ある水晶センサーについて発振回路側にてインダクタにより電極間容量Ｃ0をキャンセルさせていても、電極間容量Ｃ0の異なる水晶センサーに交換する場合には、発振回路側においてインダクタのインダクタンス値をその都度調整する必要がある。この操作は、ユーザ側で水晶センサーの種別毎に電極間容量Ｃ0をＬＣＲメータなどで測定し、その測定値に基づいて計算した上で該当するインダクタンス値を有するインダクタと交換するという、煩雑で時間のかかる作業を強いられることになる。またインダクタを交換する代わりに、使用する水晶センサーの種別に対応して発振回路を用意しておくことも考えられるが、その場合には高価なシステムになってしまう。
なお特許文献２には、水晶振動子に並列にインダクタンスを接続して電極間容量を打ち消す必要があることが記載されているが、技術分野が全く異なる上、本発明の課題を解決できるものでもない。

特開２００１−８３１５４号公報：段落０００２、０００４ 実開昭６１−８５９２０号公報：第１図

本発明はこのような事情の下になされたものであり、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電片を用いた濃度センサー及びこれを使用した濃度検出装置において、共通の発振回路を用いながら複数の種別の濃度センサーに対応することができる技術を提供することにある。

本発明は、発振回路を備えた測定器本体に着脱自在に接続され、感知対象物の濃度を検出するための濃度センサーにおいて、
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圧電片と、この圧電片の両面に夫々設けられた電極と、を含む圧電振動子と、
前記圧電振動子に対して並列に接続されたインダクタと、
を備えたことを特徴とする濃度センサーである。
他の発明は、発振回路を備えた測定器本体に着脱自在に接続され、感知対象物の濃度を検出するための濃度センサーにおいて、
前記測定器本体に着脱自在に接続され、その一端側が測定器本体側の端子に接続される端子をなす一対の導電路を備えた配線基板と、
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圧電片と、この圧電片の両面に夫々設けられた電極と、を含み、前記配線基板上に設けられた圧電振動子と、
この圧電振動子との間に流体の収容空間を形成し、この収容空間に連通する流体注入口を有する上蓋ケースと、
前記圧電振動子に対して並列に接続され、前記配線基板の一対の導電路の間に設けられたインダクタと、を備えたことを特徴とする濃度センサーである。

前記インダクタのインダクタンス値は、前記圧電振動子の共振周波数にて当該圧電振動子の電極間容量をキャンセルするインダクタンス値と圧電振動子を被測定流体中に浸漬した状態で発振可能なインダクタンス値の最小値との平均値を中心値とし、この中心値に対して±２０％の値に設定されていることが好ましい。
また前記配線基板には開口部が設けられ、前記圧電振動子は、前記開口部側に形成された凹部に下面側が面している構造を採用することが好ましい。
本発明の濃度センサーは、例えば圧電片として水晶片を用いたランジュバン型の水晶センサーとして構成され、基板上に水晶振動子を装着すると共に水晶振動子の電極に例えば導電性接着剤を介して基板上の導電路をなすプリント配線を接続し、プリント配線間にインダクタを接続して構成される。

また本発明の濃度検出装置は、上記の濃度センサーと、この濃度センサーの着脱端子、前記圧電片を発振させるための発振回路及び発振回路からの発振出力に基づいて感知対象物の濃度を検出する測定部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、濃度センサーを構成する圧電片に対して並列にインダクタを接続しているため、そのインダクタンス値を適切な値に決定することにより、電極間容量による発振エネルギーの消費を抑えながら、粘性の異なる種々の被測定流体（試料流体）中にて発振停止することがない。そして濃度センサーにインダクタを設けていることから、種々の濃度センサーに対して発振回路側を調整しなくて済むので、即ち共通の発振回路でありながら種々の濃度センサーに対応することができるので、ユーザ側で発振回路側を調整するという煩雑で手間のかかる作業が不要になる。

以下に本発明に係る濃度検出装置の実施の形態を説明する。先ず濃度検出装置の全体構造について簡単に説明しておく。この濃度検出装置は図１に示すように、複数例えば８個の濃度センサー（水晶センサー）１と、これら濃度センサー１が着脱自在に装着される測定器本体１００とを備えている。濃度センサー１は、図１及び図２に示すように配線基板例えばプリント基板２１を備えており、このプリント基板２１には、開口部２３ａが形成されている。前記プリント基板２１の表面側にはゴムシート２２が重ねられ、このゴムシート２２には、凹部２３が設けられている。ゴムシート２２の下面側において、この凹部２３に対応する部位は突出しており、その突出部位は前記開口部２３に嵌合している。そして前記凹部２３を塞ぐように圧電振動子である水晶振動子２４が設けられている。即ち、水晶振動子２４の一面側（下面側）は前記開口部２３側に向いていることになり、水晶振動子２４の下面側は前記凹部２３により気密空間とされ、これによってランジュバン型の濃度センサーが構成される。

更にゴムシート２２の上から上蓋ケース２５が装着されている。上蓋ケース２５には、被測定流体である試料溶液を注入するための注入口２５ａと試料溶液の観察口２５ｂとが形成され、注入口２５ａから試料溶液が注入され、水晶振動子２４の上面側の空間に試料溶液が満たされることになる（水晶片が試料溶液に浸漬されることになる）。
なお、濃度センサー１の構造としては、水晶振動子２４を、前記開口部２３ａを塞ぐようにプリント基板２１の表面に載置するように設け、水晶振動子２４の周縁部をゴムシート２２により押さえつける構造であってもよい。

水晶振動子２４は、図３に示すように例えば円形の水晶片２０の両面に夫々電極２４ａ、２４ｂ（裏面側の電極２４ｂは表面側の周縁部に連続形成されている）が設けられ、これら電極２４ａ、２４ｂは導電性接着剤２６を介して基板２１に設けられている一対の導電路であるプリント配線２７ａ、２７ｂに夫々電気的に接続されている。また水晶振動子２４の一面例えば電極２４ａの表面には、感知対象物を吸着するための吸着層（図示せず）が形成されている。

更に図２〜図４に示すように、プリント配線２７ａ、２７ｂ間には、例えば個別部品からなるインダクタ３が接続されており、このインダクタ３は配線基板２１上に実装されて、上蓋ケース２５により覆われている。なおインダクタ３は、プリントパターンにより形成されていてもよい。
このインダクタ３のインダクタンス値の決定方法について説明する。濃度センサーは、特殊な吸着膜に付着する感知物質の質量に応じた発振周波数の変化量に基づいて、被測定流体例えば被測定溶液中の感知物質の濃度を検出するものであるから、被測定流体中において発振停止してはならない。しかしながら実験によれば、水晶片２０を液体試料中に浸漬すると、水晶片２０の等価直列抵抗Ｒ１が飛躍的に増大し、３１ＭＨｚで水晶片２０を駆動させる場合を例にとると、水晶片２０を気体中に置いたときには１０Ωであるのに対して５００Ωにもなり、非常に発振しにくい状態となる。

これを打開するために、本発明では水晶片２０に対して並列にインダクタ３を接続し、水晶片２０の位相をコントロールして発振防止を図ろうとしている。しかしインダクタ３のインダクタンス値を電極間容量Ｃ0をキャンセルする値に設定すると次ぎのような不具合が生じる。
図５は、インダクタ３のインダクタンス値とループゲインとの関係を計算により求めた関係図である。ここでは水晶片３の等価直列抵抗Ｒ１を６．８Ω、１００Ω及び５００Ωの３通りに設定している。このように３通り設定した理由は、インダクタンス値と発振ループゲインとの関係が等価直列抵抗Ｒ１をパラメータとしてどのように変化するかを調べるためであり、また濃度センサーの被測定溶液の中で粘性が最も大きい溶液を想定し、その溶液に水晶片３を浸漬したときの等価直列抵抗Ｒ１を５００Ωと見積もって、過酷条件下における上記関係を把握するためである。この例では、水晶片２０の共振周波数Ｆｒが３１ＭＨｚ、電極間容量Ｃ0が７．０５ｐＦであるため、水晶片２０の直列共振点Ｆｒにて電極間容量Ｃ0をキャンセルするインダクタンス値はおよそ３、８μＨとなる。このインダクタンス値は、前記共振周波数Ｆｒの角速度をωとすると、１／（Ｃ0・ω^２ ）で表される。

しかし、等価直列抵抗Ｒ１が５００Ωである場合には、３、８μＨという値は発振ループゲインが１に近付いていることから適切な値ではない。インダクタンス値を設定するときにこのインダクタンス値を越えることはあり得ないので、ここではこのインダクタンス値をＬmax（設定限界の最大値）と称することにしている。

一方、いずれの等価直列抵抗Ｒ１においても、インダクタンス値を小さくしていくと、電極間容量Ｃ0の影響を打ち消すことができなくなって発振しなくなり、その限界値はおよそ２．０μＨ程度である。ここでこの限界値である２．０μＨを求める手法について述べる。発振回路の発振条件は、意図した発振ループとなる回路を信号が一巡したときにゲインが１以上であり、かつ位相が３６０度の整数倍になることである。後者の条件である位相条件を満足するインダクタンス値の最小値が２．０μＨである。
これら条件の求め方について具体例を挙げると、意図した発振ループの一箇所を切断し、接点Ａと接点Ｂとを形成する。そして回路が線形で動作する程度の小信号の信号源を接点Ａに接続し、ドライブする。このとき接点Ｂの信号を観測し、接点Ａと接点Ｂとにおける信号の比を取り、発振ループを一巡したときのゲインと位相とを調べる。従ってインダクタのインダクタンス値を変えていったときに、位相条件を満足しなくなるインダクタンス値の最小値を得ることができる。そして水晶振動子に並列に接続されるインダクタのインダクタンス値をパラメータとしてゲインをプロットすると、図５に示す結果が得られる。

上記のインダクタンス値２．０μＨの値は、水晶片２０を被測定流体中に浸漬した状態で発振可能なインダクタンス値の最小値であると評価したインダクタンス値Ｌminということになる。図５から分かるように、濃度センサーにおいては、前記インダクタンス値は、電極間容量Ｃ0をキャンセルするインダクタンス値Ｌmaxに設定することは適切ではなく、水晶片２０を被測定液に浸漬した状態でのインダクタンス値ＬminとＬmaxとの間におけるインダクタンス値と発振ループゲインとの関係から、発振停止領域に近すぎず、十分な発振ループゲインが得られる値に決定することが適切である。この例では、インダクタンス値ＬminとＬmaxとの平均値２．９μＨを中心として±２０％の２．３μＨ〜３．５μＨの範囲をインダクタ３のインダクタンス値の最適範囲として取り扱っている。このようにインダクタンス値を設定すれば、濃度センサーを量産する場合において、量産品の特性が安定する。

ここで等価直列抵抗Ｒ１が大きくなるほど、インダクタ３のインダクタンス値の増大に伴う発振ループゲインの低下の程度が大きいことから、濃度センサーが使用される被測定流体の中で最も粘度が大きい流体、例えば気液両用の濃度センサーであれば、被測定液のなかで最も粘度が大きいときの等価直列抵抗Ｒ１について、インダクタンス値ＬminとＬmaxとを求め、そしてその間におけるインダクタンス値と発振ループゲインとの関係に基づいてインダクタ３のインダクタンス値の適切な値を決定すればよいことになる。

続いて測定器本体１００の内部回路について図６を用いて簡単に説明しておく。図６中、４は濃度センサー１の水晶振動子２４を発振させるための発振回路であり、この発振回路４の後段には、バッファアンプ５を介して測定部６が接続されている。発振回路４はコルピッツ型発振回路として構成されており、Ｔｒは、発振増幅素子としてのトランジスタ、４０、４１は分割容量成分をなすコンデンサ、Ｖｃは電源である。その他の部位については、４２〜４４はコンデンサ、４５〜４８は抵抗である。また４９は濃度センサー１が着脱自在に接続される端子部であり、図１に示す測定器本体１００に設けられている。
測定部６は、発振回路４の発振出力の周波数に関する信号を測定する例えば周波数カウンタ、そのカウント数の変化分を演算する演算部などを備えている。
なおこの例では濃度センサー１が８個取り付けられる８チャンネル構成になっていて、図６に示す回路が８チャンネル用意され、各チャンネルの出力が切り替えられて測定部６に接続される構成となっている。

続いてこの実施の形態の作用について述べる。先ず濃度センサー１（図１参照）を測定器本体１００に差込み、例えばブランク値を求めるために感知対象物が含まれない溶液を濃度センサー１内に満たし、水晶振動子２４を発振させる。この溶液は純水であってもよいし、あるいはその他の溶液であってもよい。発振回路３における発振出力はバッファアンプ５を介して測定部６に入力され、例えば発振出力の周波数が測定される。次いで感知対象物の感知を行うために検体である被測定溶液を濃度センサー１に注入し、被測定溶液を入れたことによる発振周波数の変化分を測定部６により求め、例えば予め作成した検量線によりその変化分に基づいて感知対象物の濃度を検出する。

上述の実施の形態によれば、水晶片２０に対して並列にインダクタ３を接続し、水晶片２０を被測定溶液に浸漬した状態での発振可能なインダクタンス値の最小値であると評価した値Ｌminと電極間容量Ｃ0をキャンセルする値Ｌmaxとを求め、これらの間において、インダクタンス値と発振ループゲインとの関係を見据えた上でそのインダクタンス値を適切な値に決定しているため、電極間容量Ｃ0による発振エネルギーの消費を抑えることができ、また粘性の異なる種々の被測定流体に用いても発振停止することがない。そして測定器本体に着脱できる濃度センサー１にインダクタ３を設けていることから、試料流体の粘度に見合ったインダクタ３を備えた濃度センサー１を用いることにより、適切な測定を行うことができる。従って種々の濃度センサーに対して発振回路４側を調整しなくて済むので、即ち共通の発振回路４でありながら種々の濃度センサーに対応することができるので、ユーザ側で発振回路４側を調整するという煩雑で手間のかかる作業が不要になる。
更に上述の濃度センサー１によれば、測定器本体１００に対してプリント基板２１を着脱することにより濃度センサー１を交換できるので、交換作業が容易である。またプリント基板２１に形成した開口部２３ａを利用して水晶振動子２４の下面側に気密空間を形成してランジュバン型の濃度センサーを構成しているので、前記気密空間を形成する構造が簡単である。

なお本発明の濃度センサーは、感知対象物の濃度を求めることに限定されるものではなく、感知対象物の有無センサーも含むものとする。

本発明に係る濃度センサーを含む濃度検出装置の実施の形態の外観を示す斜視図である。 上記実施の形態に用いられる濃度センサーを示す縦断面図である。 上記実施の形態に用いられる水晶振動子及び周辺の配線を示す説明図である。 上記実施の形態に用いられる濃度センサー基板及び配線を示す平面図である。 上記実施の形態に用いられる濃度センサーに設けられるインダクタのインダクタンス値を決めるためのデータを示す説明図である。 上記実施の形態の濃度検出装置を示すブロック回路図である。

符号の説明

１ 濃度センサー
２０ 水晶片
２４ 水晶振動子
２４ａ、２４ｂ 電極
２７ａ、２７ｂ 導電路をなすプリント配線
３ インダクタ
４ 発振回路
４９ 端子部
５ バッファアンプ
６ 測定部
１００ 測定器本体

Claims (5)

1. 発振回路を備えた測定器本体に着脱自在に接続され、感知対象物の濃度を検出するための濃度センサーにおいて、
   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圧電片と、この圧電片の両面に夫々設けられた電極と、を含む圧電振動子と、
   前記圧電振動子に対して並列に接続されたインダクタと、
   を備えたことを特徴とする濃度センサー。
2. 発振回路を備えた測定器本体に着脱自在に接続され、感知対象物の濃度を検出するための濃度センサーにおいて、
   前記測定器本体に着脱自在に接続され、その一端側が測定器本体側の端子に接続される端子をなす一対の導電路を備えた配線基板と、
   感知対象物を吸着するための吸着層が設けられ、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電片と、この圧電片の両面に夫々設けられた電極と、を含み、前記配線基板上に設けられた圧電振動子と、
   この圧電振動子との間に流体の収容空間を形成し、この収容空間に連通する流体注入口を有する上蓋ケースと、
   前記圧電振動子に対して並列に接続され、前記配線基板の一対の導電路の間に設けられたインダクタと、を備えたことを特徴とする濃度センサー。
3. 前記インダクタのインダクタンス値は、前記圧電振動子の共振周波数にて当該圧電振動子の電極間容量をキャンセルするインダクタンス値と圧電振動子を被測定流体中に浸漬した状態で発振可能なインダクタンス値の最小値との平均値を中心値とし、この中心値に対して±２０％の値に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の濃度センサー。
4. 前記配線基板には開口部が設けられ、前記圧電振動子は、前記開口部側に形成された凹部に下面側が面していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の濃度センサー。
5. 請求項１ないし４のいずれ一つに記載された濃度センサーと、この濃度センサーが着脱自在に接続される端子部、前記圧電振動子を発振させるための発振回路及び発振回路からの発振出力に基づいて感知対象物の濃度を検出する測定部と、を備えたことを特徴とする濃度検出装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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