JP2009206792A - 圧電発振回路及び感知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共通の圧電片に互いに異なる周波数を出力するための第１及び第２の振動領域を備えた圧電振動子において、振動領域間における電気的結合あるいは弾性波の影響を抑えて、信頼性の高い発振を行うことのできる圧電発振回路を提供すること。
【解決手段】圧電片上に設けられた第１の振動領域及び第２の振動領域と、前記第１の振動領域に設けられ、当該第１の振動領域を励振させて当該第１の振動領域から第１の発振周波数を取り出すための第１の電極と、前記第２の振動領域に設けられ、当該第２の振動領域を励振させて当該第２の振動領域から第２の発振周波数を取り出すための第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極との間に接続され、これら電極間の容量成分と並列共振を起こさせるためのインダクタと、を備えるように圧電発振回路を構成し、第１の振動領域と第２の振動領域とを電気的に分離する。
【選択図】図３

Description

本発明は、共通の圧電片に第１の振動領域及び第２の振動領域を形成して夫々に電極を設けて構成した圧電発振回路及びこの圧電発振回路を用いて感知対象物を感知する感知装置に関する。

溶液中や気体中の微量物質を感知する装置として圧電片として主にＡＴカットされた水晶片により構成された圧電振動子である水晶振動子によるＱＣＭ（Quarts Crystal Microbalance ）を用いた感知装置が知られている。この種の感知装置は、水晶発振回路を構成する前記水晶振動子に微量物質を吸着させ、その発振周波数（共振周波数）の変化を捉えることにより当該微量物質を感知している。微量物質としては例えば環境汚染物質であるダイオキシンや、血液あるいは血清中の特定の抗原等があり、前記感知装置はこれらを極低濃度、例えばｐｐｂ〜ｐｐｔレベルにて感知する。

水晶振動子は温度によって周波数が変化することから、前記感知装置における水晶発振回路では温度に対する周波数安定性を得るための対策が必要になる。そこで、上記のような問題を解決するために、１枚の水晶片に２つの振動領域が設定され、各振動領域に対応するように当該水晶片に励振用の電極が形成された水晶振動子を用いて水晶発振回路を構成し、そして一方の振動領域を含む振動部にて感知対象の吸着及び温度変化の双方の影響を、他方の振動領域を含む振動部にて温度変化の影響のみを検出するように構成することが検討されている。つまり、この手法においては１つの水晶片から２つの水晶振動子の機能を有するように各振動部を構成しており、また前記各振動領域は共通の水晶片に形成されているため、周囲の温度が変化したときに夫々の振動領域から出力される発振周波数の変化量がほぼ揃った周波数温度特性を得ることができる。特許文献１にはこのような水晶発振回路が記載されている。

図１４は上記のように構成された水晶片１０を用いて形成した水晶発振回路１９を示している。図中１１、１２は水晶片１０の第１の振動領域１０ａ、第２の振動領域１０ｂに夫々対応する励振用の電極である。図中１３は振動領域１０ａ、１０ｂで共用される励振用の電極である。１５は上述の水晶振動子であり、水晶片１０及び電極１１、１３により構成される第１の振動部１８ａと、水晶片１０及び電極１２、１３により構成される第２の振動部１８ｂとから構成される。第１の振動領域１０ａは電極１１、１３により、第２の振動領域１０ｂは電極１２、１３により夫々独立して振動するように構成されている。

第１の振動領域１０ａ、第２の振動領域１０ｂの厚さや電極１１、１２の厚さは極めてミクロ的に見れば互いに異なるので、第１の振動領域１０ａ、第２の振動領域１０ｂの周波数は、極わずかに異なるが、例えば９ＭＨｚの水晶振動子であれば数十ｋＨｚオーダで異なる。このように互いの周波数が極めて接近していると、互いに引き寄せられてＱ値の低い周波数信号となってしまう。このため電極１１、１２の厚さを互いにわずかに変えて互いの周波数を少し離している。１６ａ、１６ｂは、各振動領域１０ａ、１０ｂを利用して発振周波数を取り出すために水晶振動子１０Ａに対して直列に接続された、２組のコルピッツ型の発振回路である。

ところで、ＱＣＭにおいては一方の振動領域の周波数の差分を、他方の振動領域の周波数の差分だけ補正して温度特性の影響を除き、これにより感知対象物の吸着に基づく周波数の変化分だけを取り出すようにしているため、上記の水晶発振回路において２つの振動領域１０ａ、１０ｂは互いに独立して振動する必要がある。このため、上述のように１つの水晶片１０から２つの振動領域１０ａ、１０ｂを有する水晶振動子１０Ａを構成した場合は振動領域１０ａ、１０ｂの間で互いの振動の影響を抑える必要がある。

しかし、このような水晶振動子を電気的に見ると、一方の振動領域の励振用の電極と他方の振動領域の励振用の電極とが互いに図中点線で示す容量成分１７を介して結合している状態となり、これら励振用の電極間のインピーダンスが小さくなる。また振動領域１０ａ、１０ｂの各主モードにおける周波数が接近していることから、互いの周波数（振動）が引き寄せられる。その結果として各振動領域から出力される周波数信号中のＱ値が低くなったり、周波数ジャンプと呼ばれる急激な周波数の変動が出現したりする。このため信頼性の高い測定が困難になる。
特開２００６−３３１９５号公報：請求項１、第００１２段落〜第００１４段落、第００１８段落〜第００１９段落、図１、図４

本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、共通の圧電片に互いに異なる周波数を出力するための第１及び第２の振動領域を備えた圧電振動子において、振動領域間における電気的結合の影響あるいは弾性波の影響を抑えて、信頼性の高い発振を行うことのできる圧電発振回路を提供することにある。更に他の目的は、この圧電発振回路を感知装置に適用することにより、信頼性の高い測定を行うことができる感知装置を提供することである。

本発明の圧電発振回路は、圧電片上に設けられた第１の振動領域と、
前記圧電片上にて前記第１の振動領域とは異なる領域に設けられた第２の振動領域と、
前記第１の振動領域に設けられ、当該第１の振動領域を励振させて当該第１の振動領域から第１の発振周波数を取り出すための第１の電極と、
前記第２の振動領域に設けられ、当該第２の振動領域を励振させて当該第２の振動領域から第２の発振周波数を取り出すための第２の電極と、
前記第１の電極と第２の電極との間に接続され、これら電極間の容量成分と並列共振を起こさせるためのインダクタと、
を備えたことを特徴とする。

また、他の発明の圧電発振回路は、圧電片上に設けられた第１の振動領域と、
前記圧電片上にて前記第１の振動領域とは異なる領域に設けられた第１の振動領域と対になる第２の振動領域と、
前記第１の振動領域に設けられ、当該第１の振動領域を励振させて当該第１の振動領域から第１の発振周波数を取り出すための第１の電極と、
前記第２の振動領域に設けられ、当該第２の振動領域を励振させる第２の電極と、
を備え、
前記第２の電極は、第１の振動領域における第１の電極のレイアウトとは異なるレイアウトを有するように第２の振動領域に形成されたことを特徴とする。前記第２の電極は、例えば第１の電極と同じ形状を有し、第２の振動領域におけるその向きが、第１の振動領域における第１の電極の向きと異なるように形成されている。

また、第１の振動領域と第２の振動領域は、これらの振動領域間での弾性波の伝播を抑えるために、前記圧電片上に設けられた境界領域により区画されていてもよく、前記境界領域は例えば圧電片の幅よりも小さく形成された帯状の溝部であり、当該溝部は圧電片の縁部を除く領域に形成されている。また、その場合、第１の電極、第２の電極は、夫々第１、第２の振動領域において前記溝部をその幅方向に移動した領域に収まるように夫々形成されていてもよい。

本発明の感知装置は、上述の圧電発振回路の第１の振動領域を発振させるための第１の発振回路を含む発振部と、
その圧電振動子の第２の振動領域を発振させるための第２の発振回路を含む発振部と、を備え、
前記第１の電極または第２の電極には感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に設けられ、第１の発振周波数及び第２の発振周波数の変化に基づいて感知対象物を感知する手段を備えたことを特徴とする。

本発明の圧電発振回路は、圧電片に形成された互いに独立して振動する第１の振動領域、第２の振動領域を夫々励振させるための第１の電極及び第２の電極の間にインダクタを接続して、電極間の容量成分と並列共振させるようにしている。従って第１の振動領域と、第２の振動領域とが電気的に分離され、互いに影響し合うことが抑えられ、第１、第２の振動領域における発振動作が信頼性の高いものとなる。従ってこの圧電発振回路を感知装置に適用した場合、感知対象物の検知を高い信頼性をもって行うことができる。
他の発明の圧電発振回路は、第１の電極、第２の電極のレイアウトを互いに異ならせているため、第１の電極と第２の電極との距離を大きくすることができ、また、これら電極間における電気力線の形成を抑えることができるので、これら電極間の電気的な結合による容量成分を小さくすることができ、電極間のインピーダンスを大きくすることができるので、第１の振動領域と第２の振動領域との間における振動の影響を抑えることができる。

（第１の実施形態）
以下、本実施の形態に係わる圧電振動子である水晶振動子を備えた感知装置として、例えば血液あるいは血清中の特定の抗原を感知する機能を備えた感知装置５について説明する。図１の外観構成図に示すように、感知装置５は発振回路ユニット４と装置本体６とを備えており、発振回路ユニット４はケーブル例えば同軸ケーブル５１を介して装置本体６に対して着脱自在に接続されている。装置本体６の筐体６１前面に設けられた表示部６２は、例えば周波数あるいは周波数の変化分等の測定結果を表示する役割を果たし、例えばＬＥＤ表示画面や液晶表示画面により構成されている。

発振回路ユニット４には、図２に外観構成を示す水晶センサ３が着脱自在に接続される。水晶センサ３は後述のように圧電発振回路である水晶発振回路４０を構成し、一端側が接続端子をなすプリント基板３１の上にゴムシート３２を重ね、このゴムシート３２に設けられた不図示の凹部を塞ぐように後述の水晶振動子２４を設け、更にゴムシート３２の上から上蓋ケース３３を装着した構成となっている。当該構成により水晶振動子２４の下面側の前記凹部が気密空間となってランジュバン型の水晶センサが構成される。上蓋ケース３３には試料溶液の注入口３４と試料溶液が注入されたことを確認する確認口３５とが設けられており、注入口３４から試料溶液を注入することによって水晶振動子２４の上面側の空間に試料溶液を満たすことができる。

水晶センサ３に設けられた水晶振動子２４は背景技術の欄で説明したように、例えばＡＴカットにより形成された円形の水晶片２と、例えば金からなる電極２１、２２、２３とから構成されている。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は水晶振動子２４の夫々表面、裏面、側面を示している。水晶片２の表面側にはその直径方向に沿って帯状の凹部２６が形成されている。また、当該水晶片２において凹部２６及び当該凹部２６の延長領域を挟む半円状の２つの領域は第１の振動領域２５ａ及び第２の振動領域２５ｂであり、この例ではこれらの振動領域２５ａ、２５ｂは互いに対となっている。

第１の振動領域２５ａの表面、第２の振動領域２５ｂの表面には夫々半円状の前記電極２１、２２が形成されており、水晶片２の裏面側には振動領域２５ａ、２５ｂにより共用される円形の電極２３が設けられている。そして電極２１、２３により第１の振動領域２５ａが、電極２２、２３により第２の振動領域２５ｂが夫々個別に振動し、周波数信号を出力することができる。背景技術の項目で述べたように、電極２１、２２は、周波数温度特性を揃えるという目的を逸脱しない範囲において、互いの厚さをわずかに変えて主モードの発振周波数を例えば５０ｋＨｚ異ならせている。以下、第１の振動領域２５ａからの出力をチャンネル１、第２の振動領域２５ｂからの出力をチャンネル２とする。

前記凹部２６は振動領域２５ａ、２５ｂにおいて一方の振動領域から発生した弾性波が他方の振動領域に伝播することを抑え、その他方の領域における振動に影響を与えることを抑える役割を有する。この各振動領域間における振動の影響をより確実に抑えるために、第１の振動領域２５ａ、第２の振動領域２５ｂ間における水晶片２の縁部に掛かるように凹部２６を形成してもよいが、そのように前記縁部に凹部２６が形成されると水晶片２の強度が低下して当該水晶片２が破損するおそれがあることから、図３（ａ）に示すように水晶片２の縁部を除く領域に凹部２６を形成することが好ましい。

そして、このように第１の振動領域２５ａ、第２の振動領域２５ｂ間の縁部に凹部２６が形成されない場合、当該縁部及び縁部の周囲の第１の振動領域、第２の振動領域の配列方向においては、一方の振動領域の振動が他方の振動領域の振動に影響を与えやすくなっている。従って、電極２１、２２は振動領域２５ｂ、２５ａからの弾性波の影響を受けて互いの周波数信号が干渉し合わないようにするために、図４に斜線で示すように凹部２６を当該凹部２６の幅方向に移動した領域５３、５４に夫々含まれるような形状及び大きさに形成することが好ましい。

図２、図３に示すように励振用の電極２１、２２はプリント基板３１上に延伸された電極である接続端３３ａ、３３ｂと各々接続されており、また励振用の電極２３は同じくプリント基板３１上に設けられた電極である接続端３３ｃと接続されている。そして基板３１上にはインダクタ２７が設けられており、インダクタ２７は接続端３３ａと接続端３３ｂとに接続されている。

図４は水晶センサ３の等価回路を示している。背景技術の欄で説明したように水晶振動子２４は互いに共通の水晶片２により構成されているため、水晶片２の各振動領域２５ａ，２５ｂの振動時にこれら各振動領域２５ａ，２５ｂの振動が互いに影響し合い、電気的に見れば電極２１と電極２２とが互いに容量結合した状態となる。図中２９はこの容量結合成分である。インダクタ２７は、第１の振動領域２５ａの主振動モードの周波数Ｆ１あるいは第２の振動領域の主振動モードの周波数Ｆ２の近傍、例えば周波数Ｆ１からＦ２の間の周波数において、容量成分２９と共に並列回路を構成して並列共振を起こすようにインダクタンスの値が設定されている。従って電極２１、２２間のインピーダンスがいわば無限大になり、各振動領域２５ａ、２５ｂが電気的に分離される。図中２ａで示す容量結合成分はアース間の浮遊容量である。

図６は縦軸、横軸に夫々周波数、発振出力電圧をとり、水晶振動子２４が後述のように水晶発振回路４０として構成されたときにおける第１の振動領域２５ａ側のチャンネル１、第２の振動領域２５ｂ側のチャンネル２の共振曲線を表したグラフである。また、第１の振動領域２５ａに対応する設計周波数（主振動モードの周波数）を第１の発振周波数Ｆ１、第２の振動領域２５ｂに対応する設計周波数（主振動モードの周波数）を第２の発振周波数Ｆ２としており、ｆ１、ｆ２は夫々振動領域２５ｂ、２５ａからの弾性波の影響を受けて生じる不要成分である。前記インダクタ２７を設けないとした場合、点線で示すように不要成分ｆ１、ｆ２の出力が大きくなるが、インダクタ２７を設けることにより実線で示すように不要成分ｆ１、ｆ２の出力を抑えることができる。

前記水晶振動子２４の第１の振動領域２５ａに設けられた電極２１には、例えば図７（ａ）に示すように既述の注入口３４に注入される試料溶液中に含まれる感知対象物７１と反応しない抗体（タンパク質）からなるブロック層７２が形成されている。ブロック層７２は、電極２１表面への感知対象物７１の吸着による第１の発振周波数「Ｆ１」の変化を防ぐ役割を果たす。即ち、第１の振動領域２５ａからは第１の発振周波数「Ｆ１」に対して、温度変化のみの影響を受けた発振周波数「Ｆ１’」を取り出すことができる。

ここで電極２１への感知対象物７１の吸着を抑えるためには電極２１を被覆せずに剥き出しの状態としてもよい。但し、本実施の形態のように血液あるいは血清中の抗原を感知対象物７１とする場合等には、血液中の成分が電極２１に吸着されてしまうことを防止するために、これらの成分を吸着させないある種のタンパク質をブロック層７２として設けることが好ましい。

一方、水晶振動子２４の他方側の領域、例えば第２の振動領域２５ｂに設けられた電極２２には、例えば図７（ｂ）に示すように抗原である感知対象物７１と選択的に反応して結合する抗体からなる吸着層７３が設けられている。吸着層７３に対して感知対象物７１が抗原抗体反応を起こして吸着されることによる質量負荷効果を利用して、第２の発振周波数「Ｆ２」を変化させることができる。この結果、チャンネル２からは、第２の発振周波数「Ｆ２」に対して、抗体の吸着及び温度変化の双方の影響を受けた発振周波数「Ｆ２’」を取り出すことができる。

ここで水晶振動子２４に設けられた第１の振動領域２５ａ及び第２の振動領域２５ｂは、同じ水晶センサ３内にて共通の試料溶液中に浸漬されるため、各々の領域２５ａ、２５ｂが置かれる温度条件はほぼ一致する。またこれらの領域２５ａ、２５ｂは共通の水晶片２上に設けられているので、第１の発振周波数「Ｆ１」と、第２の発振周波数「Ｆ２」とは互いにほぼ一致した周波数温度特性を示すようになっている。

このような水晶振動子２４を備えた水晶センサ３は、発振回路ユニット４の筐体４１に接続されることにより水晶発振回路４０を構成する。図８の概略構成図に示すように水晶発振回路４０は、水晶振動子２４の既述の接続端３３ａ、３３ｂを第１、第２の発振回路（増幅器）４１ａ、４１ｂを夫々備えた第１、第２の発振部４２ａ、４２ｂと夫々接続することにより、第１、第２の振動領域２５ａ、２５ｂの振動に夫々対応した第１、第２の発振周波数を持つ周波数信号を出力することができる。水晶発振部４２ａ、４２ｂにおいて発振回路４１ａ、４１ｂにはフィルタ４３ａ、４３ｂが夫々設けられている。これらフィルタ４３ａ、４３ｂはチャンネル１、２から出力されたＦ１’、Ｆ２’を含む所定の周波数帯域以外の帯域の出力を抑制する。

図９は感知装置５のブロック図である。既述のように水晶センサ３内の水晶振動子２４と発振回路ユニット４内の第１の発振部４２ａ、４２ｂとが水晶発振回路４０を構成し、装置本体６に接続されている。装置本体６において水晶発振回路４０との接続部には測定回路部６３が設けられている。本例では測定回路部６３は入力信号である周波数信号をディジタル処理して、各チャンネルの発振周波数を測定する役割を果たす。

また測定回路部６３の前段には、各チャンネルからの出力信号を順次当該測定回路部６３に取り込むためのスイッチ部６４が設けられている。スイッチ部６４は、２つの発振回路４１ａ、４１ｂからの周波数信号を時分割して取り込む役割を果たし、各チャンネルの発振周波数を並行して求めることが可能となる。例えば１秒間をｎ分割（ｎは偶数）し、各チャンネルの発振周波数を１／ｎ秒の処理で順次求めることにより、厳密には完全に同時に測定しているわけではないが、１秒間に少なくとも１回以上周波数を取得しているため、実質同時に各チャンネルの周波数を取得することが可能となる。

装置本体６はデータバス６５を備えており、データバス６５にはＣＰＵ（中央演算処理装置）６６、データ処理プログラム６７を格納した記憶手段、第１メモリ６８、第２メモリ６９及び既述の測定回路部６３が接続されている。更にデータバス６５にはモニタ等の既述の表示部６２やキーボード等の入力手段６Ａが接続され、また図８には示していないが装置本体６はパーソナルコンピュータ等に接続されている。

データ処理プログラム６７は測定回路部６３から出力される信号に基づいて各チャンネルの発振周波数に係わる時系列データを取得し、第１メモリ６８に格納する役割を果たす。またこのデータ取得動作と同時に、同一の時間帯におけるチャンネル１から取得した発振周波数「Ｆ１’」、チャンネル２から取得した発振周波数「Ｆ２’」の各時系列データの差分「Ｆ１’−Ｆ２’」を夫々演算し、当該差分データの時系列データを取得して第２メモリ６９に格納する機能も備えている。また、ユーザの選択に応じてこれらのデータを表示部６２に表示することができるようにも構成されている。これらの機能を実現するＣＰＵ６６やデータ処理プログラム６７及び各メモリ６８、６９は発振周波数の変化分を測定する手段をなしている。

次に上述の構成を備えた感知装置５の作用について、血液あるいは血清中のある種の抗原の濃度を求める手法を例に挙げて説明する。まず装置本体６を起動し、水晶センサ３を発振回路ユニット４の差込み口に差し込むと、各振動領域２５ａ、２５ｂが発振を開始する。振動領域２５ａ、２５ｂに夫々設けられた励振用の電極２１、２２間は、インダクタ２７の介在により電気的に分離されているので、電極２１、２２からは互いに近い周波数でありながら周波数が引き寄せられることなく高いＱ値をもって夫々の周波数に対応する周波数信号が取り出されて、各チャンネルから出力される。そしてこれら周波数信号は時分割されて、測定回路部６３に取り込まれ、Ａ／Ｄ変換された後、各ディジタル値が信号処理される。そして２つのチャンネルの周波数信号から、前記周波数「Ｆ１’、Ｆ２’」が取り出され、これらの周波数が略同時に（例えば１／２秒ずつ、ずれて）第１メモリ６８に記憶される動作が継続される。

次いでユーザが水晶センサ３に例えば食塩水を希釈液として注入すると、水晶振動子２４の振動領域２５ａ、２５ｂの環境雰囲気が気相から液相に変わり、各チャンネルの周波数が低くなる。一方人体から採取した血清を例えば食塩水等の希釈液で例えば１００倍に希釈した試料溶液を用意しておき、これを水晶センサ３に注入する。この結果、吸着層７３の形成された第２の振動領域２５ｂ側の電極２２にて抗原抗体反応が進行する場合には、質量負荷効果により周波数「Ｆ２’」の値がさらに低下する。一方、第１の振動領域２５ａ側のチャンネル１からは、試料溶液の温度に応じて変化する周波数「Ｆ１’」が出力される。

このようにして各チャンネルから出力された周波数の時系列データは第１メモリ６８に記憶されると共に、チャンネル２の周波数「Ｆ２’」とチャンネル１の周波数「Ｆ１’」との差分が演算され、これら差分の時系列データが第２メモリ６９に記憶される。差分の周波数は、各チャンネルの周波数を順次取り込むタイミングの中で求めるようにしてもよく、例えばチャンネル１の周波数「Ｆ１’」を取り込み、次いでチャンネル２の周波数「Ｆ２’」を取り込んだ後、「Ｆ１’」から「Ｆ２’」を差し引いて、その差分を第２メモリ６９に書き込むといった手法でもよいし、各チャンネルの周波数の時系列データを取得した後、これらデータの時間軸を合わせて、差分の時系列データを作成してもよい。

続いて、例えばユーザが入力手段６Ａにより、各チャンネルの差分データを表示するコマンドを選択すると、第２メモリ６８の時系列データの中から、選択された差分データを表示部６２にグラフ化して表示する。こうした一連の動作の過程で環境温度が変化して各チャンネルからの周波数「Ｆ１’、Ｆ２’」が変化する場合であっても、この温度変化は共通の水晶振動子２４に同じ条件で発生する。このため、これらの周波数の差分をとることにより温度変化の影響が相殺されるので、第２メモリ６９に記憶されている差分データにおける周波数の低下は、水晶振動子２Ａ、２Ｂへの抗原の吸着のみに起因するものであるといえる。また水晶発振回路４０を用いて取り除くことの可能な変動要因は温度変化に限られず、例えば外部から振動が加わった場合や試料溶液（血液や血清）の粘度が変化した場合等にも有効である。

このようにして表示された差分データの変化量に基づき、ユーザは予め求めていた発振周波数の変化量と感知対象物の濃度との関係式（検量線）を用いて感知対象物の濃度を求めることができる。ここで差分データの変化量の決定や検量線を用いた感知対象物の濃度の決定は感知装置５にて行ってもよいし、ユーザが例えば表示部６２に表示されたデータを読み取って行ってもよい。

本発明に係わる水晶センサ３により構成される水晶発振回路４０によれば、水晶振動子２４の第１の振動領域２５ａ、２５ｂに設けられた励振用の電極２１、２２に接続された接続端３２ａ，３２ｂにインダクタ２７を夫々接続し、電極２１、２２間の容量と並列共振させるようにして、電極２１，２２間のインピーダンスがいわば無限大になるように設定している。従って第１の振動領域２５ａと、第２の振動領域２５ｂとが電気的に分離され、互いに影響し合うことが抑えられ、第１、第２の振動領域における発振動作が信頼性の高いものとなる。従って、水晶発振回路４０において、２つのチャンネルより取り出された各周波数信号中には一方の振動領域が他方の振動領域の振動の影響を受けることで発生する不要成分の出力が抑えられた状態となっている。このため感知装置５は、これらの周波数信号から周波数「Ｆ１’、Ｆ２’」を時系列データとして取得し、またこれらの周波数の差分の時系列データを演算する際の誤差要因が取り除かれて信頼性の高い測定結果を出力することができる。

また、水晶片２には凹部２６が形成され、第１の振動領域２５ａと第２の振動領域２５ｂとの間で弾性波が伝わることが抑えられているので、一方の振動領域の振動が他方の振動領域の振動に影響を与えることが抑えられるので、第１、第２の振動領域における発振動作がより信頼性の高いものとなる。

（第２の実施形態）
続いて水晶振動子の他の実施の形態について説明する。前記水晶振動子２４と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。図１０に示した水晶振動子８においては、第１の振動領域２５ａに電極２１の代わりに電極８１が、第２の振動領域２５ｂに電極２２の代わりに電極８２が、夫々設けられている。これらの電極８１、８２は例えば蒸着により同時に形成され、例えば金により構成されている。また、電極８１、８２は同じ厚さ及び同じ長方形状に形成されているが、各電極の長さ方向が９０°異なるように水晶片２に配置されている。

このように互いに凹部２６を挟んで互いに対となるように形成された第１の振動領域２５ａ、第２の振動領域２５ｂにて、これら振動領域２５ａ、２５ｂに互いに向きが異なるように電極８１、８２を形成することで、第１の振動領域２５ａの各部と、それに対応する第２の振動領域２５ｂの各部とで機械的に加えられる圧力分布が異なり、これら振動領域２５ａ、２５ｂが夫々異なった質量負荷効果を受けるので第１の周波数F１、第２の周波数F２間の差を大きくすることができる。

以下、第１の振動領域２５ａ、第２の振動領域２５ｂを重ね合わせたときに、これらの振動領域に形成された各電極が互いに重なり合わないように形成されている場合を電極のレイアウトが異なるものとして説明する。互いに対となる振動領域に形成された各電極のレイアウトが同じである場合、既述のように周波数温度特性を揃えるという目的を逸脱しない範囲において、各振動領域の電極の厚さを僅かに変えることで、図６に示すように第１の周波数Ｆ１と第２の周波数Ｆ２とを僅かに離すことができるが、この水晶振動子８のように互いに対となる振動領域に形成された各電極のレイアウトが互いに異なる場合、上記のように各振動領域が電極から受ける質量負荷効果の差が大きくなり、第１の周波数と第２の周波数とをより大きく離すことができる。

ところで、第１の振動領域２５ａの電極と第２の振動領域２５ｂの電極との電気的な結合が起きると説明したが、更に詳しく説明すると、各振動領域の電極はコンデンサとして働き、これらの電極間には、例えば上昇した後下降する弧を描くように不必要な電気力線が形成される。例えばこの水晶振動子８の場合は、各振動領域２５ａ、２５ｂの電極８１、８２間に電気力線が形成される。このように電極８１、８２がコンデンサとして機能することから、電極８１、８２間において発生する容量成分の大きさは、電極８１，８２の面積に比例し、電極８１，８２間の距離に反比例する。従って、容量成分を小さくするためにこれらの電極８１、８２の面積を小さくすることが考えられる。しかし、そのように電極８１、８２の面積を小さくすると、観測される周波数特性の波形が小さくなってしまい、センサとしての機能が維持できなくなることから、電極８１、８２の面積は所定の大きさよりも小さくできず、しかも電極８１、８２の面積は互いに一定に構成される必要がある。

そこで、電極間の距離を大きくして、結合を抑えることが考えられるが、水晶片の大型化を抑えるために小さく形成された振動領域において、所定の大きさの電極を配置しなければならないので、互いの電極の距離を大きくすることが難しい。そのような条件の下で、上記の水晶振動子８のような電極のレイアウトにすることが有効な理由を、図１１（ａ）（ｂ）の水晶振動子８Ａと比較して説明する。水晶振動子８Ａは、水晶振動子８の電極８１、８２の向きを同じにそろえ、さらにこれら電極８１、８２間の距離を水晶振動子８の電極８１、８２間の距離と同じに構成した水晶振動子であり、図１１（ａ）、図１１（ｂ）はその水晶振動子８Ａの上面、側面を夫々示している。また、図１１（ｃ）には図１１（ｂ）と形成される電気力線８０を比較するために前記水晶振動子８の側面を示している。電極間の電気力線は、電極８１、８２の各部から発せられるが、平均して電極の中心から電極の中心へ向かうと考えると、水晶振動子８Ａよりも中心間の距離が長い水晶振動子８の方が、形成される電気力線８０が弱くなるため、電極８１、８２間の結合が弱くなる。

また、水晶振動子８においては以下のような理由で電極間の結合が弱くなることも考えられる。水晶振動子８及び８Ａにおいて電極８１、８２間の中心線（図１１（ｄ）の点線）で水晶片２を折って電極８１、８２を互いに重ね合わせたとした場合、水晶振動子８Ａでは電極８１、８２全体が重なり合うが、水晶振動子８では図１１（ｄ）に示すように重なりは斜線部分のみになる。電気力線は、一方の電極から他方の電極に向かって上記のように弧状に形成されるので、各電極において主にこのように斜線を付した互いに重なり合う部分で電気力線８０が形成されることになる。従ってこのような電極の重なりが小さいほど、電極間での電気力線の形成が抑えられることになるので、水晶振動子８のように互いの電極の向きを変えた構成とすることで電極８１，８２間における結合を抑えて、インピーダンスを大きくすることができ、第１の振動領域２５ａと、第２の振動領域２５ｂとが電気的に分離され、互いに影響しあうことが抑えられるので、不要成分の出力を抑えることができる。

図１２は、このように各電極が形成された振動領域２５ａ、２５ｂからの周波数信号の共振曲線の一例であり、このグラフに示すように周波数信号が出力され、第１の周波数Ｆ１と第２の周波数Ｆ２との差が大きくなり且つ不要成分ｆ１、ｆ２の出力が抑えられていれば、第１の実施形態と同様に測定精度を高くすることができる。

振動領域２５ａ、２５ｂの電極の形状としては、各振動領域２５ａ、２５ｂの質量負荷効果が互いに異なっていれば、例えば半円、楕円、正方形であってもよく、図に示した長方形であることに限られず、各振動領域２５ａ、２５ｂ間で振動の影響が有効に抑えられるように適切なものが選択される。また、電極８１、８２の向きも９０°異なることに限られない。また互いに異なる形状の電極を振動領域２５ａ、２５ｂに設けてもよい。また、電極８１、８２の厚さも互いに異なっていてよい。

第１の実施形態の電極２１、２２の形状も同様に半円であることに限られず上述のように、楕円や矩形であってもよい。また第１の実施形態、第２の実施形態において、各振動領域の電極間に凹部２６を設けなくてもよいが、設けることでより確実に各振動領域間の弾性波の影響を抑えることができる。第２の実施形態においてインダクタ２７を設けてもよいし、第１の実施形態において、電極２１、２２の向き、形状を互いに異なるように形成してもよい。

図１３は、第１の実施形態の変形例であり、電極２１、２２は夫々振動領域２５ａ、２５ｂの中心に設けられている。このように電極を設けることでエネルギーとじこめ効果により、良好なＱ値を得ることができるため好ましいが、そのように振動領域の中心に電極を形成することに限られない。第２の実施形態においても電極８１、８２を各振動領域２５ａ、２５ｂの中心に設けてもよい。

実施の形態に係わる感知装置の外観構成図である。 上記感知装置に接続される水晶センサの外観構成図である。 上記水晶センサに組み込まれる水晶振動子の平面図及び側面図である。 水晶片における好ましい電極の形成領域を示した説明図である。 前記水晶振動子の等価回路を示した回路図である。 前記水晶振動子の各振動領域から発振される周波数と出力の関係を示したグラフ図である。 前記水晶振動子にて抗原を感知する仕組みを表した説明図である。 上記水晶センサを組み込んだ水晶発振回路の概略構成図である。 上記水晶発振回路の構成例を示す回路図である。 別の実施の形態にかかる水晶振動子の平面図及び側面図である。 水晶振動子の電極のレイアウトによる作用を説明するための説明図である。 前記水晶振動子の各振動領域から発振される周波数と出力との関係を示したグラフ図である。 水晶振動子の他の構成例を示した構成図である。 従来の水晶振動子を含む水晶発振回路の概略構成図である。

符号の説明

２ 水晶片
２０ 水晶振動子
２１、２２、２３ 電極
２５ａ、２５ｂ 振動領域
２６ 凹部
２７ インダクタ
２９ 容量結合成分
３ 水晶センサ
４０ 水晶発振回路
５ 感知装置

Claims (7)

1. 圧電片上に設けられた第１の振動領域と、
   前記圧電片上にて前記第１の振動領域とは異なる領域に設けられた第２の振動領域と、
   前記第１の振動領域に設けられ、当該第１の振動領域を励振させて当該第１の振動領域から第１の発振周波数を取り出すための第１の電極と、
   前記第２の振動領域に設けられ、当該第２の振動領域を励振させて当該第２の振動領域から第２の発振周波数を取り出すための第２の電極と、
   前記第１の電極と第２の電極との間に接続され、これら電極間の容量成分と並列共振を起こさせるためのインダクタと、
   を備えたことを特徴とする圧電発振回路。
2. 圧電片上に設けられた第１の振動領域と、
   前記圧電片上にて前記第１の振動領域とは異なる領域に設けられた第１の振動領域と対になる第２の振動領域と、
   前記第１の振動領域に設けられ、当該第１の振動領域を励振させて当該第１の振動領域から第１の発振周波数を取り出すための第１の電極と、
   前記第２の振動領域に設けられ、当該第２の振動領域を励振させる第２の電極と、
   を備え、
   前記第２の電極は、第１の振動領域における第１の電極のレイアウトとは異なるレイアウトを有するように第２の振動領域に形成されたことを特徴とする圧電発振回路。
3. 前記第２の電極は、第１の電極と同じ形状を有し、第２の振動領域におけるその向きが、第１の振動領域における第１の電極の向きと異なるように形成されたことを特徴とする請求項２記載の圧電発振回路。
4. 第１の振動領域と第２の振動領域は、これらの振動領域間での弾性波の伝播を抑えるために、前記圧電片上に設けられた境界領域により区画され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圧電発振回路。
5. 前記境界領域は圧電片の幅よりも小さく形成された帯状の溝部であり、当該溝部は圧電片の縁部を除く領域に形成されていることを特徴とする請求項４記載の圧電発振回路。
6. 第１の電極、第２の電極は、夫々第１、第２の振動領域において前記溝部をその幅方向に移動した領域に収まるように夫々形成されていることを特徴とする請求項５記載の圧電発振回路。
7. 請求項１ないし６のいずれか一に記載の圧電発振回路の第１の振動領域を発振させるための第１の発振回路を含む発振部と、
   前記圧電発振回路の第２の振動領域を発振させるための第２の発振回路を含む発振部と、を備え、
   前記第１の電極または第２の電極には感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に設けられ、第１の発振周波数及び第２の発振周波数の変化に基づいて感知対象物を感知する手段を備えたことを特徴とする感知装置。

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