JP2009150789A - 水晶振動子を用いた物理／化学量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水晶振動子を有する発振回路と、その発振回路の発振周波数を検知する周波数検知手段と、を具備してなり、測定対象物から水晶振動子に与えられる影響によって前記発振回路の発振周波数が変化することを利用して、前記測定対象物の物理量乃至化学量を測定する物理／化学量測定装置において、外乱影響（温度影響等）を抑えて検出感度を向上させ、なおかつ電源回路も含めた回路構成を極めて簡単化することを課題とする。
【解決手段】 前記発振回路１の構成を、第１コンデンサ１１、第２コンデンサ１２、第１反転素子１３、第２反転素子１５及び抵抗１６をこの順に環状に直列接続してループ回路を形成するとともに、前記水晶振動子１７の一方の電極１７ａを前記第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２との間の接続配線に接続し、他方の電極１７ｂを回路コモンに接続したものとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測定対象物が水晶振動子に与える影響によって水晶振動子の共振特性（固有振動数）が変化することを利用して、該測定対象物の物理量乃至化学量を測定する物理／化学量測定装置に関するものである。

水晶振動子は、水晶振動板と水晶振動板に電圧を印加するように設けられた一対の電極からなるもので、その表面に物質を付着させたり温度を変化させたりして、水晶振動体寸法、弾性率、密度等を変化させると、その変化量に応じて、共振周波数が変化する性質を有している。この性質を利用して、水晶振動子の一方の電極を作用電極として試料ガスや試料溶液に晒し、そのことによる温度変化や化学変化に伴う質量変化などを、共振周波数の変化として検知するようにした温度センサや化学センサ、質量センサ（ＱＣＭ）などが種々開発されている。

そしてこのようなセンサでは、前記共振周波数の変化を電気的に測定するために、水晶振動子を帰還素子に用いた発振回路を構成し、その発振回路の周波数を検出するようにしている。その代表的なものとしては、図６に示すように、コルピッツ型発振回路を応用したサバロフ回路が知られている。

ところで、この回路の問題点としては、
（１）例えば外乱影響（温度影響等）を排除するために、２つの同等なセンサを用意し、一方を検出用、他方を参照用としてその出力の差分をとることが考えられる。しかし、前述の構成では、特に溶液の成分測定を行う場合には、相互干渉を引き起こすなどのことから、相互に絶縁した電源を使用せざるを得ないが、そうすると、２つのセンサを同一環境下におくことが極めて難しくなり、結果として、検出感度を一定以上向上させることができない。
（２）測定対象物が溶液の場合であってその多成分測定を行うべく、例えばマルチチャンネル化した場合、水晶振動子の接液部分の電極が溶液を介して接続されてしまうために、前述の如く、同一の電源を用いると相互干渉を引き起こす。そのために相互に絶縁した電源を使用せざるを得ないが、電源間の浮遊容量での干渉等を考慮すると、図６の構成では、回路電源が複雑になって、実現性が低くなる。
（３）測定対象物が溶液の場合であって、その溶液が回路のコモンと接続されている場合には、図６の回路では安定動作が困難となる。
などが挙げられる。

これら問題点は、詳細に検討すると、図６から明らかなように、水晶振動子の各電極を回路コモンに接続できない構成となっていることに起因すると考えられる。そこで、水晶振動子の一方の電極を回路コモンに接続した状態で水晶振動子の特性変化を検出する回路として、本願発明者は、特許文献１や特許文献２に記載されたものを開発している。
特開２００４−３３３１４８号公報 特開２００６−１０４３１号公報

しかしながら、前述した特許文献１、２に記載の回路では、装置構成が複雑になるという新たな問題を生じる。

本発明はかかる問題点を一挙に解決すべく図ったものであって、その主たる所期課題は、外乱影響（温度影響等）を抑えて検出感度を向上させることができ、なおかつ電源回路も含めた回路構成を極めて簡単化できる水晶振動子を用いた物理／化学量測定装置を提供することにある。

すなわち本発明に係る物理／化学量測定装置は、水晶振動子を有する発振回路を具備してなり、試料ガスや試料溶液などの測定対象物が水晶振動子に与える影響によって前記発振回路の発振周波数が変化することを利用して、該測定対象物の物理量乃至化学量を測定するものであって、
前記発振回路が、前記第１コンデンサ、第２コンデンサ、第１反転素子、第２反転素子及び抵抗をこの順に環状に直列接続してループ回路を形成するとともに、前記水晶振動子の一方の電極を前記第１コンデンサと第２コンデンサとの間の接続配線に接続し、他方の電極を当該発振回路のコモン（以下、回路コモンとも言う）に接続したものであることを特徴とする。

安定な発振を可能とするには、前記発振回路中に、ループゲインを調節する調節器を設けておくことが好ましく、その調節器としては、ループゲインを減衰させる減衰器が特に望ましい。また、その配設箇所としては、例えば第１反転素子と第２反転素子との間を挙げることができる。

差分計測によるより精度の高い測定を可能とするには、同等の特性を有する一対の発振回路を設け、一方の発振回路の水晶振動子のみを測定対象物の影響下におき得るように構成しているものが好ましい。特に本発明によれば、溶液測定の場合であっても、各発振回路に共通の電源を用いることができるので、回路電源の複雑化や部品点数の増大を抑制することが可能となる。

具体的な態様としては、前記一方の発振回路の水晶振動子における他方の電極に、特定の物質に感応する感応膜を貼着しているものを挙げることができる。

上記構成の本発明によれば、水晶振動子の他方の電極が回路コモンに接続されているので、この部分のインピーダンスが低くなるうえ、この部分を用い測定に影響の出ない方法でシールドすることなども容易に可能であることから、大気中、液中に拘わらず、電気的ノイズに対して強い構成にできる。

また、特に測定対象物が溶液であって、一方を検出用、他方を参照用とした２つの発振回路を用いて差分測定する場合には、作用電極となる水晶振動子の他方の電極がいずれも発振回路のコモン電位であることから接続可能なので、共通の電源を用いても相互干渉が生じ難く、２つの発振回路を同一環境下においた差分測定が容易にできる。したがって、温度影響などの外乱を排除した、精度良い測定が容易にできるようになる

溶液の多成分測定などの目的で、本発明にかかる測定装置をマルチチャンネル化する場合にも、作用電極となる水晶振動子の他方の電極がいずれも回路コモン電位なので、相互干渉が生じ難く、共通の電源を用いることができる。したがって従来のように回路電源の複雑化を招来しないし、また、各発振回路の切替素子を一素子で構成することも可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

本実施形態に係る物理／化学量測定装置１００（図１参照）は、水晶振動子１７に外部から何らかの物理的変化を与えることによって該水晶振動子１７の共振周波数が変化することを利用したものであり、この共振周波数を測定することにより、その変化を与えた原因である物理量や化学量を測定するものである。測定できる物理量や化学量としては、例えば、微量物質の質量が挙げられる。水晶振動子１７の電極表面に微量物質が付着すれば、その物質の質量を共振周波数の変化として定量的に捉えることができるからである。また、水晶振動子１７の電極表面を感応膜で覆えば、その感応膜が感応対象物質との間で反応（分離、結合）することで質量が変化した場合などに、その反応を共振周波数の変化として測定することができる。その他に、温度によって水晶振動子１７の水晶振動体寸法、弾性率、密度等が変化してその共振周波数が変化するから、温度も測定することができる。

かかる物理／化学量測定装置１００について具体的に説明すると、このものは、図１に示すように、水晶振動子１７を有する発振回路１と、その発振回路１の発振周波数を検知する周波数検知手段２とを具備している。

発振回路１は、第１コンデンサ１１、第２コンデンサ１２、非反転増幅部３及び抵抗１６をこの順に環状に直列接続して閉ループ回路を構成するとともに、前記水晶振動子１７の一方の電極１７ａを、前記第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２との間の接続配線に接続し、他方の電極１７ｂを回路コモンに接続したものである。

非反転増幅部３は、第１反転素子１３、調節器たる減衰器１４、第２反転素子１５をこの順で直列に接続したものである。この実施形態では、前記各反転素子１３、１５に、例えばＣＭＯＳ論理素子を用いているが、その他に、オペアンプやコンパレータ、トランジスタ等を用いた高周波増幅器、伝送素子等を用いることも可能である。また、減衰器１４は、ＬＣＲ素子のみで形成した、例えばＴ型やπ型と称される回路であるが、これに限定されるものではない。

周波数検知手段２は、詳細は図示しないが、例えば、一定周波数で動作するクロック素子を利用したカウンタ回路である。

次に、前記発振回路１について解析した結果を説明する。解析に用いた等価回路は図２に示すとおりであり、ここでは水晶振動子１７の等価回路Ｘ１７と、第１反転素子１３の入力部等価回路Ｘ１３とを含めたものである。

解析に用いた水晶振動子１７の等価定数は２０ＭＨｚ品を用い、水晶振動子１７の等価直列抵抗Ｘ_Ｒ１は、接液状態での解析とするために、大気中の値より大きな値（約２０倍）の２２０Ωとした。その他の符号の意味と値は以下の通りである。
Ｘ_Ｌ１（等価直列インダクタンス）＝２．８９・１０^−３（Ｈ）
Ｘ_Ｃ１（等価直列容量） ＝２３．６１・１０^−１５（Ｆ）
Ｘ_Ｃ０（並列容量） ＝５．３５２・１０^−１２（Ｆ）
また、この等価回路Ｘ１７での水晶振動子１７の直列（主）共振周波数ｆ_０は、
ｆ_０＝１／｛２π（Ｘ_Ｌ１・Ｘ_Ｃ１）^１／２｝
＝１．９２６７４０７６・１０^７（Ｈｚ）
である。

解析結果は周囲の回路定数により異なるが、発振の位相条件を満足する定数での結果を図３に示す。図３の結果を見ると、発振回路１に重要な位相条件（同位相）は、水晶振動子１７の共振周波数付近と、それよりも低い１ＭＨｚ以下で満足している。したがって、図２の等価回路に、仮に、直列させた２つの反転素子のみで形成した非反転増幅部を接続して閉ループを形成すると、どちらの周波数で発振するか不確定となる。実際の実験でもそれが原因と思われる異常発振が生じている。この原因は、２段の反転素子のみで非反転増幅部を構成したことから増幅ゲインが高くなりすぎ、共振周波数より低い周波数で発振が生じることにある。
そこで、この実施形態では、前述したように非反転増幅部３に減衰器１４を設けてループゲインを調節（低減）し、発振条件であるループゲイン条件（同位相時のループゲインが１以上）が共振周波数近傍で満足され、それより低い周波数ではループゲインが１より下回るように構成している。つまり、このことによって共振周波数近傍でのみ安定な発振を可能としている。

しかして、この物理／化学量測定装置１００を用いて測定する場合には、水晶振動子１７の他方の電極１７ｂ、すなわちコモン側電極を作用電極とし、その作用電極１７ｂに物質を付着させるようにする。例えば溶液中の所望成分を測定する場合には、作用電極１７ｂに感応膜を被覆して化学的吸着を生じせしめるなどする。

次に、本発明の他の実施形態につき説明する。なお、この実施形態において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととしている。

この実施形態に係る物理／化学量測定装置１００は、図４に示すように差分測定やマルチチャンネル測定をすべく、発振回路１を複数（図４では２つ）並列に設けた構成としている。また、それに応じて周波数検知手段２も複数設けている。そして測定の場合は、前記実施形態同様、各水晶振動子１７のコモン側電極１７ｂを作用電極とする。

この図４の構成と、従来のサバロフ回路を２つ並列に用いた構成を示す図５とを比較すれば明らかなように、図４に係る物理／化学量測定装置１００では、相互干渉は考えられないが、図５に示す従来のものであれば、２つの発振回路で電源を共通に用いた場合、水晶振動子のどちらの電極を接液面としても相互干渉が生じ、差分測定やマルチチャンネル測定において不具合が生じることがわかる。

すなわち、このように構成した各実施形態に係る物理／化学量測定装置１００によれば、作用電極となる水晶振動子１７の他方の電極１７ｂがコモンに接続されているので、この部分のインピーダンスが低くなるうえ、この部分を用い測定に影響の出ない方法でシールドすることなども容易に可能であることから、大気中、液中に拘わらず、電気的ノイズに対して強い構成にできる。

また、特に測定対象物が溶液の場合に、２つの発振回路１を用いて差分測定したり、マルチチャンネル測定する場合に、水晶振動子１７の作用電極１７ｂがいずれもコモン電位なので、各発振回路１に共通の電源を用いても相互干渉が生じ難い。したがって、各発振回路１を同一環境下においた差分測定が容易にできるし、あるいは、マルチチャンネル測定する場合において、回路電源を独立化するといった複雑な構成が不要となる。また、各発振回路１の切替素子を一素子で構成することも可能となる。

さらに前記実施形態では、既存のＣＭＯＳインバータで反転素子を構成し、これを２段にするとともに、抵抗素子のみからなる減衰器１４を付帯させて非反転増幅部３を構成しているので、非反転増幅部３を、ループゲインなども考慮した単体素子として新たに開発した場合と比べて、コストを抑制することができる。また、位相調整することなく、減衰器１４でのゲイン調整のみによって異常発振を抑制することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えばコンデンサは、非常に小さい容量でよいので、単体素子を用いることなく、プリント基板の積層パターン間容量などを用いることにより形成することも可能である。
また減衰器はループゲインを調整できればよいので、発振回路の閉ループ内に配置すればよく、配設部位を前記実施形態の部位に特に限定されるものではないし、場合によって省略も可能である。

その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る物理／化学量測定装置の電気回路図。 同実施形態における物理／化学量測定装置の部分等価回路図。 前記等価回路でシミュレーションした結果を示す位相特性及びゲイン特性。 本発明の他の実施形態に係る物理／化学量測定装置の電気回路図。 従来のサバロフ回路を並列構成した場合の電気回路図。 従来のサバロフ回路を示す電気回路図。

符号の説明

１００・・・物理／化学量測定装置
１・・・発振回路
１１・・・第１コンデンサ
１２・・・第２コンデンサ
１３・・・第１反転素子
１４・・・調節器（減衰器）
１５・・・第２反転素子
１６・・・抵抗
１７・・・水晶振動子
１７ａ・・・水晶振動子の一方の電極
１７ｂ・・・水晶振動子の他方の電極

Claims (4)

1. 水晶振動子を有する発振回路を具備してなり、試料ガスや試料溶液などに含まれる測定対象物が水晶振動子に与える影響によって前記発振回路の発振周波数が変化することを利用して、該測定対象物の物理量乃至化学量を測定するものであって、
   前記発振回路が、前記第１コンデンサ、第２コンデンサ、第１反転素子、第２反転素子及び抵抗をこの順に環状に直列接続してループ回路を形成するとともに、前記水晶振動子の一方の電極を前記第１コンデンサと第２コンデンサとの間の接続配線に接続し、他方の電極を当該発振回路のコモンに接続したものであることを特徴とする物理／化学量測定装置。
2. 前記発振回路中にループゲインを調節する調節器をさらに設けている請求項１記載の物理／化学量測定装置。
3. 一対の同じ発振回路を設け、一方の発振回路の水晶振動子のみを測定対象物の影響下におき得るように構成している請求項１又は２記載の物理／化学量測定装置。
4. 前記一方の発振回路の水晶振動子におけるコモン側電極に、特定の物質に感応する感応膜を貼着している請求項３記載の物理／化学量測定装置。