JP2010004388A - 圧電振動子及び感知センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】周波数安定性の高い圧電振動子及びこの圧電振動子を用いた感知センサを提供する。
【解決手段】圧電振動子１は、第１の発振周波数を取り出すために圧電片１００に設けられた第１の振動領域１０５と、第２の発振周波数を取り出すために、弾性的な境界領域１０７を介して第１の振動領域１０６とは異なる領域１０５に設けられた第２の振動領域と、を有し、これらの各振動領域１０５、１０６に、前記圧電片１００を挟んで一面側と他面側とに設けられた励振電極１０１〜１０３を備えており、第１の発振周波数と第２の発振周波数との周波数差は、これらの発振周波数の０．２％以上、２．２％以下である
【選択図】図６

Description

本発明は、良好な周波数温度特性を得ることのできる圧電振動子、及びこの圧電振動子を用いて感知対象物を感知する感知センサに関する。
溶液中や気体中の微量物質を感知する装置として圧電振動子、例えば水晶振動子からなる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、水晶振動子に感知対象物である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。本件出願人は、このような感知装置を開発しており、今後種々の分野、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を極低濃度、例えばｐｐｂ〜ｐｐｔレベルにて感知することも可能になると期待している。
感知装置に用いられる水晶振動子は温度によって発振周波数が変化することから、水晶振動子を利用した発振回路においては、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。この点に関し、従来利用されているＯＣＸＯ（恒温槽付水晶発振器：Oven Controlled Crystal Oscillator）のような大掛かりな装置構成を必要とせず、ＴＣＸＯ（温度補償水晶発振器：Temperature Compensated Crystal Oscillator）と同等に小型軽量でありながらＴＣＸＯよりも高い周波数安定性を備えた、いわゆるツインセンサ型の水晶振動子が提案されている（例えば特許文献１、特許文献２）。
図５は、本件出願人が開発している感知装置に搭載される水晶発振器１０の構成例であり、当該水晶発振器１０は、弾性的な境界領域である弾性境界層１０７によって弾性的に絶縁された２つの異なる振動領域（第１の振動領域１０５、第２の振動領域１０６）を有する水晶片１００に励振電極１０１〜１０３を設けて構成されるツインセンサ型の水晶振動子１と、これらの振動領域１０５、１０６から発振周波数を取り出すために、各振動領域１０５、１０６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１１１、１１２と、を備えている。そして例えば各励振電極１０１〜１０３の質量や大きさ、各発振回路１１１、１１２内の負荷容量を異ならせておくことにより、各々の振動領域１０５、１０６から異なる発振周波数を持つ周波数信号を得ることができる。
水晶片１００の一方の領域（例えば第２の振動領域１０６）の励振電極１０３には感知対象物を吸着可能な吸着層が設けられていて、微量物質を吸着可能に構成され、他方の領域（例えば第１の振動領域１０５）の励振電極１０１には感知対象物を吸着しないブロック層を設けてある。これら吸着層、ブロック層が形成された水晶片１００の表面に試料溶液を供給すると、感知対象物が吸着層に選択的に結合して当該吸着層の形成された第２の振動領域１０６側の発振周波数が変化する。そして以下、第１の振動領域１０５側の出力をチャンネル１、第２の振動領域１０６側の出力をチャンネル２と呼ぶと、感知対象物の吸着の影響を受けたチャンネル２側の発振周波数から、チャンネル１側の発振周波数を差し引き、その結果を吸着の前後で比較することにより、感知対象物の吸着による発振周波数の変化量を知ることができる。
ここで既述のように水晶振動子の発振周波数は、その周囲の温度変化に応じて変化するところ、ツインセンサ型の水晶振動子１にて温度変化に対する周波数安定性を得る原理について以下に説明する。図１８に示した周波数温度特性７ｂは、感知対象物を吸着していない状態の第２の振動領域１０６における温度変化に対する発振周波数の変化の様子を示している。第２の振動領域１０６の周波数温度特性７ｂがこのような変化を見せるとき、共通の水晶片１００上に設けられた第１の振動領域１０５の周波数温度特性７ａについても図１８に示すように発振周波数の変化量が第２の振動領域１０６側の周波数温度特性７ｂとほぼ揃った状態となる。
このため、周囲の温度変化によって第１の振動領域１０５、第２の振動領域１０６各々からの発振周波数が変化したとしても、両チャンネルの発振周波数の差（周波数差）はほぼ一定で変化しない。そこで、この周波数差を感知対象物の吸着の前後で比較することにより、当該吸着による発振周波数の変化量を周波数温度特性の影響を取り除いた高い精度で知ることが可能となる。
本発明者らは、このようなツインセンサ型の水晶振動子１を利用し、例えば温度変化に対する安定性の高い感知装置を実用化すべく種々の検討を行ったところ、２つのチャンネルの周波数差が小さすぎる場合や大きすぎる場合には以下のような問題が顕在化することを見出した。即ち、第１の振動領域１０５、第２の振動領域１０６の発振周波数を近づけ、これらの周波数差を小さくした場合には、例えば図１９に示すように第１の周波数領域の周波数温度特性７１ａと、第２の周波数領域の周波数温度特性７１ｂとの周波数差が一定ではなくなり、周囲の温度の変化に対して前記の周波数差が不安定に変化することが分かった。これは、第１の振動領域１０５、第２の振動領域１０６の発振周波数を近づけ、両チャンネルの周波数差を小さくしていくと、弾性境界層１０７を設けているにも係らず、２つの振動領域１０５、１０６が弾性的に結合した状態となってしまうためではないかと考えられる。このように周波数差が不安定に変動すると、感知対象物の吸着による発振周波数の変化量を正確に取り出すことが困難となるばかりでなく、２つの振動領域１０５、１０６の弾性結合が生じることによって、感知対象物を吸着したことによる第２の振動領域１０６側の振動状態の変化が、感知対象物を感知しない第１の振動領域１０５側の発振周波数をも変化させてしまい、感知対象物の吸着に基づく発振周波数の変化量を正確に把握する機能が低下してしまう。
また第１の振動領域１０５、第２の振動領域１０６の発振周波数を互いに遠ざけ、周波数差を大きくした場合には、例えば図２０に示すように第１の振動領域１０５の周波数温度特性７２ａと第２の振動領域１０６の周波数温度特性７２ｂとの周波数差が次第に大きくなる傾向見られ、この場合においても、両チャンネルの発振周波数の差を取ることによって周波数温度特性の影響を取り除く手法が適用できなくなってしまう。既述の特許文献１、特許文献２においては、ツインセンサ型の水晶振動子が有するこれらの諸問題は見出されておらず、その解決策についての言及もない。
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 特開２００６−３１４４号公報：第００１４段落〜第００１５段落、第００１９段落、図２、図４
本発明はこのような事情に基づいて行われたものであり、その目的は、周波数安定性の高い圧電振動子及びこの圧電振動子を用いた感知センサを提供することにある。
本発明に係わる圧電振動子は、予め定めた基準温度雰囲気下にて第１の発振周波数を取り出すために圧電片に設けられた第１の振動領域と、前記基準温度雰囲気下にて第１の発振周波数とは異なる第２の発振周波数を取り出すために、当該圧電片に設けられた弾性的な境界領域を介して前記第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、を有し、これらの各振動領域に、前記圧電片を挟んで一面側と他面側とに設けられた励振電極を備えた圧電振動子において、
第１の発振周波数と第２の発振周波数との周波数差が、これらの発振周波数の０．２％以上、２．２％以下であることを特徴とする。
前記の各発振周波数は、４．０ＭＨｚ以上、２００ＭＨｚ以下である場合が好適である。
また前記第１の発振領域と第２の発振領域とで（ｉ）前記第１の振動領域、第２の振動領域の各々において前記圧電片を挟んで一面側と他面側とに設けられた励振電極の質量、（ｉｉ）前記第１の振動領域、第２の振動領域の各々における前記圧電片の厚さ、の少なくとも一方の値を異ならせることにより、前記周波数差を調節することが好ましい。
次に本発明に係わる感知センサは、圧電片の一面側及び他面側に各々励振電極が設けられると共に、一面側の励振電極には試料溶液中の感知対象物を吸着する吸着層が形成され、他面側の励振電極は気密空間に臨む圧電振動子を備え、感知対象物が前記吸着層に吸着されることによる圧電振動子の発振周波数の変化に基づいて感知対象物を感知する感知センサにおいて、
前記圧電振動子として前述したいずれかの圧電振動子を用い、前記第１の振動領域または第２の振動領域のいずれか一方の一面側に設けられた励振電極に前記吸着層を形成し、前記感知対象物を感知する雰囲気における前記第１の発振周波数と第２の発振周波数との周波数差が、これらの発振周波数の０．２％以上、２．２％以下であることを特徴とする。
本発明によれば、ツインセンサ型の圧電振動子に設けられた２つの振動領域の発振周波数の差がこれらの発振周波数の０．２％〜２．２％の値となっている。かかる発振周波数差の範囲においては２つの振動領域間の弾性結合による発振周波数の相互干渉が小さく、各々の領域の発振周波数を正確に取り出すことができる。またこの範囲では２つの領域の周波数温度特性が揃っているので、これらの発振周波数の差をとることにより当該周波数温度特性の影響を効果的に取り除くことができる。この結果、例えば当該圧電振動子を感知センサに適用した場合などに信頼性の高い感知結果を得ることができる。
以下、本実施の形態に係わる水晶振動子１を備えた感知装置２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２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２は発振回路ユニット４０と装置本体６０とを備えており、発振回路ユニット４０はケーブル例えば同軸ケーブル５０を介して装置本体６０に対して着脱自在に接続されている。装置本体６０の筐体６１前面に設けられた表示部６０８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４０には、図２に外観構成を示した感知センサである水晶センサ３が着脱自在に接続される。水晶センサ３は、一端側が接続端子をなすプリント基板３０１の上にゴムシート３０２を重ね、このゴムシート３０２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１を設け、更にゴムシート３０２の上から上蓋ケース３０３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１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３０３には試料溶液の注入口３０４と試料溶液の観察口３０５とが設けられており、注入口３０４から試料溶液を注入することによって水晶振動子１の上面側の空間に試料溶液を満たすことができる。
水晶振動子１は、例えば図３（ａ）、図３（ｂ）に上方側及び下方側から見た斜視図を示すように、例えば円形の水晶片１００の一面側である表面、即ち、試料溶液と接する面の直径方向に弾性境界層１０７を成す溝部が形成され、当該弾性境界層１０７にて水晶片１００の表面が半円状に２分割されている。各半円状の領域のほぼ中央部には、例えば金からなる円形の励振電極１０１、１０３が既述の弾性境界層１０７を介して離間して設けられており、これらの励振電極１０１、１０３は弾性境界層１０７と直交する方向に互いに対向するように配置されている。図３（ｂ）に示すように、水晶片１００の他面側である裏面側の周縁部には、前記の励振電極１０１、１０３と同じ方向に対向するように、２つの端子１１３、１１４が互いに離間して設けられており、各励振電極１０１、１０３は、これらの端子１１３、１１４と各々接続されている。
さらに水晶片１００の裏面側には、表面側に形成された励振電極１０１、１０３の当該裏面への投影面（図３（ｂ）中に破線で示してある）を結んだ領域に例えば金からなる励振電極１０２が形成されている。励振電極１０２は、例えば水晶片１００の裏面側周縁部であって、既述の２つの端子１１３、１１４の中間の位置に配置された端子１１５と接続されている。以上に説明した構成を備えた水晶片１００において、表裏両面に設けられた一方側の励振電極１０１、１０２に挟まれた領域が第１の振動領域１０５に相当し、他方側の励振電極１０３、１０２に挟まれた領域が第２の振動領域１０６に相当する。なお本例において弾性境界層１０７は、例えば水晶片１００の片面に溝部を形成することにより２つの振動領域１０５、１０６を弾性的に絶縁した構成となっているが、弾性境界層１０７の構成例はこれに限られるものではなく、上述の溝部を水晶片１００の両面に設けてもよいし、水晶片１００の両面に亘って例えば金属膜からなる導電層を形成することにより絶縁してもよい。
この水晶振動子１の一方側の領域、例えば第１の振動領域１０５に設けられた励振電極１０１の表面には、例えば図４の左側に示すように試料溶液中に含まれる感知対象物８１と反応しない抗体（タンパク質）からなるブロック層８２が形成されている。ブロック層８２は、励振電極１０１表面への感知対象物８１の吸着を防ぐ役割を果たす。ここで励振電極１０１への感知対象物８１の吸着を抑えるためには励振電極１０１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８１とする場合などには、血液中のなんらかの成分が励振電極１０１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８２として設けることが好ましい。
一方、水晶振動子１の他方側の領域、例えば第２の振動領域１０６に設けられた励振電極１０３には、例えば図４の右側に示すように抗原である感知対象物８１と選択的に反応して結合する抗体からなる吸着層８３が設けられている。吸着層８３は抗原抗体反応により試料溶液中の吸着層８３を励振電極１０３上に固定する役割を果たしている。
かかる構成を備えた水晶振動子１は、図２に示した水晶センサ３の本体内に予め決めた方向に格納され、これにより各振動領域１０５、１０６の表面に設けられた励振電極１０１、１０３は、各端子１１３、１１４を介して、水晶センサ３本体のプリント基板３０１上に延伸された接続線１１６、１１７に接続される。また裏面側の励振電極１０２は、端子１１５を介して、プリント基板３０１上に延伸された接地線１１８に接続されるようになっている。
図１に示すように水晶振動子１を格納した水晶センサ３は、発振回路ユニット４０の筐体４１に接続されることにより、図５に示す当該水晶振動子１を含んだ水晶発振器１０が構成されるが、その構成については既に背景技術にて説明してあるので再度の説明は省略する。例えば所定の基準温度雰囲気下において、感知対象物８１を含まない試料溶液を水晶センサ３に供給した状態、即ちブロック層８２、吸着層８３のいずれにも感知対象物８１が吸着していない状態で水晶発振器１０を発振させた場合には、第１の振動領域１０５からは第１の発振周波数「Ｆ０」を持つ周波数信号が取り出されてチャンネル１より出力され、第２の振動領域１０６からは第２の発振周波数「Ｆ１」を持つ周波数信号が取り出されてチャンネル２より出力される。
一方、試料溶液中に感知対象物８１が含まれる場合には、当該感知対象物８１が吸着層８３と結合して現れる質量負荷効果により、第２の発振周波数「Ｆ１」の値が低下するため、この発振周波数の変化量に基づいて試料溶液中の感知対象物８１の量を算出することができる。
ここで、感知対象物８１の吸着による発振周波数の変化量を取得するにあたっては、周囲の温度変化の影響を取り除くために第１の発振周波数と第２の発振周波数との差から前記の発振周波数の変化量を求める処理が行われる。
このとき第１の発振周波数と第２の発振周波数との周波数差が大きすぎる場合には、各チャンネルからの発振周波数の周波数温度特性が揃わなくなり、両チャンネルの発振周波数の差を取っても、温度変化の影響を十分に取り除くことができなくなってしまうことは背景技術にて既に説明した。またこれとは反対に、前記の周波数差が小さすぎる場合にも、第１の振動領域１０５と第２の振動領域１０６との弾性結合により、双方の発振周波数が互いに干渉し合って感知対象物８１の吸着に基づく発振周波数の変化量を正確に取り出すことができなくなってしまうことも本発明者は把握している。
これらの問題に対して本発明者らは、水晶振動子１の各領域１０５、１０６から取り出す周波数信号の発振周波数を種々変更し、上述した諸問題の影響を無視できる程度に抑えることの可能な条件を見出した。即ち、予め決めた基準温度雰囲気下であり、且つ第１の振動領域１０５側には感知対象物８１を吸着していない状態において、第１の振動領域１０５から取り出される第１の発振周波数と第２の振動領域１０６から取り出される第２の発振周波数との周波数差が、これら第１、第２の発振周波数の好ましくは０．２％以上、２．２％以下、さらに好ましくは０．５％以上、１．１％以下の範囲である場合に、２つの領域１０５、１０６の周波数温度特性がほぼ揃い、またこれらの領域１０５、１０６間の弾性結合も効果的に抑えられることが分かった。
例えば本件出願人は、基準温度雰囲気が例えば２５℃であり、各発振領域１０５、１０６からの発振周波数がおよそ９．１ＭＨｚである水晶発振器１０を開発しているが、この場合には第１、第２の周波数差は好ましくは２０ｋＨｚ以上、２００ｋＨｚ以下、さらに好ましくは５０ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ以下の範囲内の例えば５０ｋＨｚである場合に前述の諸問題の影響が効果的に抑えられ、信頼性の高い計測結果を得られることを確認した。そこで本実施の形態に係わる水晶振動子１においては、例えば図６の縦断面図に示すように例えば厚さの異なる励振電極１０１、１０３、即ち質量の異なる励振電極１０１、１０３を各振動領域１０５、１０６に形成して質量負荷効果を変化させることにより、第１、第２の発振周波数を調節している。例えば本例においては、第１の振動領域１０５の励振電極１０１を厚くして第１の発振周波数Ｆ０を低くする一方、第２の振動領域１０６の励振電極１０３を薄くして第２の発振周波数Ｆ１を高くすることによりこれらの領域１０５、１０６から取り出される発振周波数の差を５０ｋＨｚとする調節を行っている。
厚さの異なる励振電極１０１、１０３を形成する手法としては、例えば水晶片１００が切り出される水晶基板の表面に例えば励振電極１０３に相当する厚さのＡｕ膜をスパッタリング等によって成膜し、このＡｕ膜状上にレジストを塗布してフォトリソグラフィにより励振電極１０１、１０３の輪郭に相当する部分のＡｕ膜を露出させる。次に、例えばＫＩ溶液により、露出したＡｕ膜を除去してこの部分の水晶を露出させることにより各励振電極１０１、１０３を形成した後、例えば第２の振動領域１０６側の励振電極１０３をレジストで覆う一方、第１の振動領域１０５側の励振電極１０１の表面は露出させておく。この状態で当該水晶基板をＫＩ溶液に予め定めた時間だけ浸漬し、励振電極１０１の一部を削り取ることによって厚さの異なる励振電極１０１、１０３を形成することができる。また、裏面側についても、スパッタリングとフォトリソグラフィ及び例えばＫＩ溶液によるエッチングにより図３（ｂ）に示す形状の励振電極１０２が形成され、また水晶片１００の形状や弾性境界層１０７については、フォトリソグラフィと例えばフッ酸によるエッチングを組み合わせて形成することができる。
このようにして各振動領域１０５、１０６に質量の異なる励振電極１０１、１０３を形成することにより、例えば２５℃の基準温度雰囲気下、且つ感知対象物８１を吸着していない状態において第２の振動領域１０６からは第２の発振周波数、例えば「９．１７６ＭＨｚ」を含む周波数信号を発振し、この信号をチャンネル２から出力することができる。一方、第１の振動領域１０５からは同様に、第１の発振周波数、例えば「９．１２６ＭＨｚ」を含む周波数信号をチャンネル１から出力することができる。ここで質量負荷効果は、質量の大きな励振電極１０１、１０３を設けた振動領域１０５、１０６の発振周波数が低下するため、当該水晶振動子１においては、図６に例示したものとは左右が反対に、第１の振動領域１０５の励振電極１０１の方が厚くなっている。
図７は感知装置２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１と発振回路ユニット４０内の各発振回路１１１、１１２とは水晶発振器１０を構成しており、水晶振動子１はこれら発振回路１１１、１１２を介して装置本体６０に接続されている。水晶発振器１０と装置本体６０との接続部には測定回路部６０２が設けられていて、測定回路部６０２は例えば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６０２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６０２に取り込むためのスイッチ部６０１が設けられており、スイッチ部６０１は、各チャンネルの発振周波数を並行して求めるために、２つの発振回路１１１、１１２からの周波数信号を時分割して取り込む役割を果たす。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６０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）６０４、データ処理プログラム６０５を格納した記憶手段、第１メモリ６０６、第２メモリ６０７及び既述の測定回路部６０２がデータバス６０３を介して互いに接続された構成となっている。更にデータバス６０３には、モニタ等の既述の表示部６０８やキーボード等の入力手段６０９が接続され、また図７には示していないが装置本体６０はパーソナルコンピュータ等に接続された構成となっている。
データ処理プログラム６０５は測定回路部６０２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６０６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「Ｆ０」、チャンネル２から取得した発振周波数「Ｆ１」の各時系列データの差分「Ｆ１−Ｆ０」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６０７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６０８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ＣＰＵ６０４やデータ処理プログラム６０５及び各メモリ６０６、６０７は発振周波数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２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６０を起動し、水晶センサ３を発振回路ユニット４０の差込み口に差し込むと、各発振回路１１１、１１２が発振を開始する。各チャンネルから出力される周波数信号はスイッチ部６０１を介して順次、測定回路部６０２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て２つのチャンネルの周波数信号から気相雰囲気における発振周波数「Ｆ０、Ｆ１」が取り出され、これらの周波数をほぼ同時に（例えば１／２秒ずつ、ずれて）第１メモリ６０６に記憶する動作を継続する。
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１の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に注入すると、吸着層８３の形成された第２の振動領域１０６側の励振電極１０３にて抗原抗体反応が進行し、質量負荷効果により周波数「Ｆ１」の値がさらに低下する。またこの間、試料溶液の温度が変化した場合には、周波数「Ｆ１」の値は当該温度変化に合わせて上昇し、または低下することになる。一方、第１の振動領域１０５側のチャンネル１からは、試料溶液の温度に応じて変化し、感知対象物８１の濃度に依存しない周波数「Ｆ０」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６０６に記憶されると共に、チャンネル２の周波数「Ｆ１」とチャンネル１の周波数「Ｆ０」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６０７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「Ｆ０」を取り込み、次いでチャンネル２の周波数「Ｆ１」を取り込んだ後、「Ｆ１」から「Ｆ０」を差し引いて、その差分を第２メモリ６０７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。
これら一連のデータ処理を実行するにあたり、２５℃の基準温度雰囲気下、且つ第１の振動領域１０５側に感知対象物８１を吸着していない状態で第１の振動領域１０５、第２の振動領域１０６から取り出される発振周波数の周波数差が２０ｋＨｚ以上、好ましくは５０ｋＨｚ以上の値である、例えば５０ｋＨｚに調節されとなっていることにより、後述の実験結果に示すようにこれら２つの領域１０５、１０６間の弾性結合を抑え、感知対象物８１の吸着に基づく発振周波数の正確な変化量が取り出される。
続いて、例えばユーザが入力手段６０９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６０７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６０８にグラフ化して表示する。こうした一連の動作の過程で周囲の温度が変化して各チャンネルからの周波数「Ｆ０、Ｆ１」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１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６０７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１への抗原の吸着のみに起因するものであるといえる。
そしてこの場合においても、２５℃の基準温度雰囲気下、且つ第１の振動領域１０５側に感知対象物８１を吸着していない状態での第１の振動領域１０５、第２の振動領域１０６から取り出される発振周波数の周波数差が既述のように例えば５０ｋＨｚに調節され、上記周波数差が２０ｋＨｚ以上、２００ｋＨｚ以下、好ましくは５０ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ以下の値となっていることにより、試料溶液の温度が変化した場合であっても各領域１０５、１０６から取り出される発振周波数の周波数温度特性がほぼ揃った状態となっている。このため、これらの周波数の差分を計算することにより温度変化の影響を良好な精度で取り除くことができる。また当該ツインセンサ型の水晶発振器１０を用いて低減する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８１の濃度との関係式（検量線）を用いて感知対象物８１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８１の濃度の決定は、感知装置２にて自動的に行ってもよいしユーザが例えば表示部６０８に表示されたデータを読み取って行ってもよい。
本実施の形態に係わるツインセンサ型の水晶振動子１によれば以下の効果がある。ツインセンサ型の圧電振動子１に設けられた２つの振動領域１０５、１０６の発振周波数の差がこれらの発振周波数の０．２％〜２．２％の値、例えば各発振周波数が４．０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚの範囲の例えば約９．１ＭＨｚ（Ｆ０＝９．１２６ＭＨｚ、Ｆ１＝９．１７６ＭＨｚ）であり、周波数差が２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲の例えば５０ｋＨｚとなっている。かかる周波数差の範囲においては２つの振動領域１０５、１０６間の弾性結合による発振周波数の相互干渉が小さく、各々の領域１０５、１０６の発振周波数を正確に取り出すことができる。またこの範囲では２つの領域１０５、１０６の周波数温度特性が揃っているので、これらの発振周波数の差をとることにより当該周波数温度特性の影響を効果的に取り除くことができる。この結果、例えば当該水晶振動子１を水晶センサ３に適用した場合などに信頼性の高い感知結果を得ることができる。
ここで第１の振動領域１０５、第２の振動領域１０６から取り出される発振周波数の周波数差を調節する手法は、図６に示したように水晶片１００の表面に形成された励振電極１０１、１０３の厚さを異ならせる方法に限定されない。例えば図８に示す水晶振動子１ａのように、厚さが等しく面積の異なる励振電極１０１、１０５を各振動領域１０５、１０６に形成することにより発振周波数を調節してもよい。また図９に示す水晶振動子１ｂのように第１の振動領域１０５と第２の振動領域１０６とで水晶片１００の厚さを異ならせることにより各領域１０５、１０６から取り出される発振周波数を調節してもよい。
さらにこれらの方法は水晶振動子１の表面側から励振電極１０１、１０３の厚さや大きさ、水晶片１００の厚さを調節するだけでなく、例えば図１０（ａ）に示す水晶振動子１ｃのように２つの振動領域の表面、裏面に夫々独立した励振電極１０１〜１０４を設け、表裏両面の励振電極１０１〜１０４の厚さを第１の振動領域１０５と第２の振動領域１０６との間で異ならせてもよい。また図示は省略したが既述の図８の場合と同様に、表裏双方の励振電極１０１〜１０４の大きさを変更してもよく、この他、図１０（ｂ）に示す水晶振動子１ｄのように表裏両面から例えば水晶片１００をエッチングして第１の振動領域１０５と第２の振動領域１０６との水晶片１００の厚さを異ならせてもよい。
ここで２つの振動領域１０５、１０６を形成するにあたっては、弾性的な境界領域を設けなくともよい。しかし例えば９．１２６ＭＨｚの周波数を発振させるために厚さが調整されたＡＴカットの水晶片を用いかつ例えば励振電極の厚さを調整して振動領域１０５、１０６の間で発振周波数に差を持たせる場合には、周波数差を１０ｋＨｚ以上２ＭＨｚ未満とし、更に図１１（ａ）、（ｂ）に示すように振動領域１０５、１０６の離間距離、即ち励振電極１０１、１０３の間の距離ｄを０．１ｍｍ以上で２ｍｍ未満とすることが好ましい。その理由は次の通りである。
図１２（ａ）、（ｂ）は、夫々振動領域１０５のアドミッタンス特性及び、振動領域１０６のアドミッタンス特性であり、一方の振動領域１０５の高調波による副振動の周波数ｆ１２と他方の振動領域１０６の主振動の周波数ｆ２１とが接近する場合がある。この場合には前記主振動と副振動とが互いに結合して周波数ジャンプが起こる懸念がある。周波数ジャンプが起こると、感知センサーとして水晶振動子を使用するときに、周波数の計測値が不安定になり、精度の良い測定が阻害される。なお図１２中、Ａ１、Ｂ１は主振動に対応する特性部分を示し、Ａ２〜Ａ４及びＢ２〜Ｂ４は副振動に対応する特性部分を示している。
図１３は、振動領域１０５及び１０６のうちの一方の周波数温度特性を示しており、周波数ジャンプが起こっている様子を示す図である。なお周波数ジャンプが起こっている温度は室温領域である。そこでこのような一方の主振動の周波数と他方の副振動の周波数との接近に基づく周波数ジャンプを発生させないためには、前記周波数差を１０ｋＨｚ以上とすることが好ましく、より好ましくは先の実施の形態で記載したように２０ｋＨｚ以上とすることである。また周波数差が２ＭＨｚ以上になると振動領域１０５、１０６間の周波数温度特性が揃わなくなるので、２ＭＨｚを越えるような設計はなすべきではなく、例えば先の実施の形態で記載したように１００ｋＨｚ以下であることが望ましい。
そしてまた励振電極１０１、１０３の間の距離ｄを０．１ｍｍ以下とすることは、励振電極１０１、１０３の間に浮遊容量が発生してしまうし、また前記距離ｄを２．０ｍｍ以上にすると励振電極１０１、１０３の離間距離が大きくなり、互いの温度特性の一致度を高めるという観点では得策ではない。従って距離ｄは、０．１ｍｍ以上で２ｍｍ未満とすることが好ましい。
（実験１）
ツインセンサ型の水晶振動子１を製作し、第１の振動領域１０５、第２の振動領域１０６から取り出される発振周波数の周波数差を変化させてその温度特性を比較した。
Ａ．実験条件
周波数差を調節する手法としては、図３、図６を用いて説明したように、水晶片１００の表面に形成する励振電極１０１、１０３の厚さを異ならせる手法を採用した。具体的には第２の振動領域１０６の励振電極１０３の厚さを一定とし、当該励振電極１０３に対して第１の振動領域１０５の励振電極１０１を厚くすることで周波数差を大きくし、第２の振動領域１０６側の厚さに近づけていくことで周波数差を小さくする調節を行った。なお２つの励振電極１０１、１０３の面積は等しく、水晶片１００の厚さ及び裏面側の励振電極１０２の厚さについても２つの領域１０５、１０６間で等しくなるようにした。各励振電極１０１〜１０３を図５に示したコルピッツ型の発振回路１１１、１１２に接続し、水晶センサ３に緩衝溶液である食塩水を満たした状態にて水晶センサ３の置かれている周囲の温度を−２０℃〜６０℃の範囲で変化させて各チャンネルから出力された周波数信号の周波数特性を調べた。
（実施例１）
基準温度２５[℃]における発振周波数が以下のように設定された水晶振動子１の周波数温度特性を調べた。
第１の発振周波数Ｆ０：９．１２６［ＭＨｚ］
第２の発振周波数Ｆ１：９．１７６［ＭＨｚ］
周波数差ΔＦ＝｜Ｆ１−Ｆ０｜＝５０［ｋＨｚ］（各発振周波数の約０．５４％）
（比較例１）
基準温度２５[℃]における発振周波数が以下のように設定された水晶振動子１の周波数温度特性を調べた。
第１の発振周波数Ｆ０：９．１７６［ＭＨｚ］
第２の発振周波数Ｆ１：９．１７６［ＭＨｚ］
周波数差ΔＦ＝｜Ｆ１−Ｆ０｜＝０［ｋＨｚ］（各発振周波数の０％）
（比較例２）
基準温度２５[℃]における発振周波数が以下のように設定された水晶振動子１の周波数温度特性を調べた。
第１の発振周波数Ｆ０：９．１６１［ＭＨｚ］
第２の発振周波数Ｆ１：９．１７６［ＭＨｚ］
周波数差ΔＦ＝｜Ｆ１−Ｆ０｜＝１５［ｋＨｚ］（各発振周波数の約０．１６％）
（比較例３）
基準温度２５[℃]における発振周波数が以下のように設定された水晶振動子１の周波数温度特性を調べた。
第１の発振周波数Ｆ０：８．９２６［ＭＨｚ］
第２の発振周波数Ｆ１：９．１７６［ＭＨｚ］
周波数差ΔＦ＝｜Ｆ１−Ｆ０｜＝２５０［ｋＨｚ］（各発振周波数の約２．７％）
Ｂ．実験結果
（実施例１）、（比較例１）〜（比較例３）の結果を各々図１４〜図１７に示す。各図の横軸は水晶センサ３の置かれている雰囲気の温度を示し、縦軸は基準温度２５[℃]に対して、周囲の温度を変化させたときの発振周波数の変化量を、基準温度における発振周波数に対する百万分率（[ｐｐｍ]）で表示した結果（以下、周波数変化率という）を示している。各図中、第１の発振周波数の周波数変化率を黒塗りのひし形「◆」でプロットし、第２の発振周波数を黒塗りの四角「■」でプロットしてある。ここで図１５〜図１７のグラフにおいては、第１、第２の発振周波数の周波数変化率が重なり合って判別しにくくなることを避けるため、便宜上、第２の発振周波数の周波数変化率を実際のデータよりも２ｐｐｍだけ高い位置にプロットしてある。
図１１に示した（実施例１）の結果によれば、第１の発振周波数と第２の発振周波数の周波数差ΔＦを５０［ｋＨｚ］としたとき、第１の発振周波数及び第２の発振周波数の周波数変化率は、温度変化に対して互いにほぼ一致する曲線を描いて変化した。これは、第１の発振周波数と第２の発振周波数とが、周囲の温度の変化に対してほぼ一致した周波数温度特性を有していることを示しており、これらの周波数差は温度の変化に依存しないほぼ一定の値となっている。発明者らは、第２の発振周波数Ｆ１を９．１７６[ＭＨｚ]（基準温度２５［℃］）にて固定し、周波数差ΔＦを２０（各発振周波数の約０．２２％）、１００（各発振周波数の約１．１％）［ｋＨｚ］と変化させた場合についても同様の追加実験を行ったところ、これら水晶振動子１においても第１、第２の発振周波数の周波数温度特性は互いにほぼ一致し、周波数差を取ることで周波数温度特性の影響を取り除くことのできる周波数安定性の高い水晶振動子１であることを確認した。
一方、周波数差ΔＦを０［ｋＨｚ］とした（比較例１）においては、図１５に示すように各発振周波数の周波数変化率が温度変化に対して不安定で互いに一致しておらず周波数差も一定とはならず、ツインセンサ型の水晶センサ３を用いても周波数温度特性の影響を取り除くことは困難であった。このように、２つの発振周波数が不安定に変化する周波数温度特性を示すのは、例えば第１、第２の振動領域１０５、１０６を各々独立に発振させて発振周波数を取り出した場合には、互いに一致した温度特性を示すものの、これらを同時に発振させると第１、第２の振動領域１０５、１０６が弾性的に結合して相互干渉してしまうためではないかと考えられる。また図１６に示すように、周波数差ΔＦを１５［ｋＨｚ］とした（比較例２）においては、（比較例１）と比べて２つの温度特性が次第に一致した変化を示す傾向が見られるが、実用上は更なる温度特性の一致が要求される。
また周波数差ΔＦを２５０［ｋＨｚ］とした（比較例３）の結果を見てみると、図１７に示すように第１、第２の発振周波数の周波数変化率は、温度変化に対して互いに異なる曲線を描いて変化しており、この場合にも温度変化に対して一定の周波数差を得ることはできない。（比較例１、２）と比べ、当該（比較例３）においては各発振周波数の周波数変化率が不安定に変化するといった現象は見られず、きれいな曲線を描いて変化している。このことは、２つの発振領域１０５、１０６の周波数差を大きくしていくと、各領域１０５が互いに異なった周波数温度特性を示すようになり、その結果、周波数差が一定でなくなるのではないかと考えられる。
さらにまた発明者らは、第２の発振周波数Ｆ１を３１．０[ＭＨｚ]（基準温度２５［℃］）に固定して同様の実験を行ったところ、周波数差ΔＦを７０（各発振周波数の約０．２３％）、１７０（各発振周波数の約０．５５％）、３４０（各発振周波数の約１．１％）［ｋＨｚ］とした場合に、図１１に示した（実施例１）と同様の周波数変化率の温度特性が確認された。一方、周波数差ΔＦを０（各発振周波数の約０％）、５０（各発振周波数の約０．１６％）［ｋＨｚ］とした場合には、図１５、図１６に示した（比較例１、２）と同様の温度特性が確認され、周波数差ΔＦを８４０（各発振周波数の約２．７％）［ｋＨｚ］とした場合には、図１７に示した（比較例３）同様の温度特性が確認された。このことから発振周波数を変化させても、周波数差が当該発振周波数の０．２％〜２．２％の範囲であれば、温度変化によらず一定の周波数差を得られることが確認された。
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外観を示す斜視図である。 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。 前記水晶振動子の縦断面図である。 上記感知装置の構成を示すブロック図である。 上記水晶振動子の変形例を示す平面図である。 上記水晶振動子の第２の変形例を示す縦断面図である。 上記水晶振動子の第３、第４の変形例を示す縦断面図である。 上記水晶振動子における２つの振動領域の離間距離を記載した側面図である。 ２つの振動領域におけるアドミッタンス特性を示す特性図である。 水晶振動子の周波数温度特性を示す特性図である。 実施例に係わる水晶振動子の周波数変化率の温度特性を示す特性図である。 比較例に係わる水晶振動子の周波数変化率の温度特性を示す特性図である。 比較例に係わる水晶振動子の周波数変化率の温度特性を示す第２の特性図である。 比較例に係わる水晶振動子の周波数変化率の温度特性を示す第３の特性図である。 従来のツインンサ型の水晶振動子の周波数温度特性を示す特性図である。 従来のツインンサ型の水晶振動子の周波数温度特性を示す第２の特性図である。 従来のツインンサ型の水晶振動子の周波数温度特性を示す第３の特性図である。
符号の説明
１、１ａ〜１ｄ
水晶振動子
２ 感知装置
３ 水晶センサ
７ａ、７ｂ
周波数温度特性
１０ 水晶発振器
４０ 発振回路ユニット
４１ 筐体
５０ 同軸ケーブル
６０ 装置本体
６１ 筐体
８１ 感知対象物
８２ ブロック層
８３ 吸着層
１００ 水晶片
１０１〜１０４
励振電極
１０５ 第１の振動領域
１０６ 第２の振動領域
１０７ 弾性境界層
１１１、１１２
発振回路
１１３〜１１５
端子
１１６、１１７
接続線
１１８ 接地線
３０１ プリント基板
３０２ ゴムシート
３０３ 上蓋ケース
３０４ 注入口
３０５ 観察口
６０１ スイッチ部
６０２ 測定回路部
６０３ データバス
６０４ 中央演算処理装置（ＣＰＵ）
６０５ データ処理プログラム
６０６ 第１メモリ
６０７ 第２メモリ
６０８ 表示部
６０９ 入力手段

Claims (4)

  1. 予め定めた基準温度雰囲気下にて第１の発振周波数を取り出すために圧電片に設けられた第１の振動領域と、前記基準温度雰囲気下にて第１の発振周波数とは異なる第２の発振周波数を取り出すために、当該圧電片に設けられた弾性的な境界領域を介して前記第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、を有し、これらの各振動領域に、前記圧電片を挟んで一面側と他面側とに設けられた励振電極を備えた圧電振動子において、
    第１の発振周波数と第２の発振周波数との周波数差が、これらの発振周波数の０．２％以上、２．２％以下であることを特徴とする圧電振動子。
  2. 前記の各発振周波数は、４．０ＭＨｚ以上、２００ＭＨｚ以下でることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
  3. 前記第１の発振領域と第２の発振領域とで下記（ｉ）、（ｉｉ）の少なくとも一方の値を異ならせることにより、前記周波数差を調節したことを特徴とする圧電振動子。
    （ｉ）前記第１の振動領域、第２の振動領域の各々において前記圧電片を挟んで一面側と他面側とに設けられた励振電極の質量。
    （ｉｉ）前記第１の振動領域、第２の振動領域の各々における前記圧電片の厚さ。
  4. 圧電片の一面側及び他面側に各々励振電極が設けられると共に、一面側の励振電極には試料溶液中の感知対象物を吸着する吸着層が形成され、他面側の励振電極は気密空間に臨む圧電振動子を備え、感知対象物が前記吸着層に吸着されることによる圧電振動子の発振周波数の変化に基づいて感知対象物を感知する感知センサにおいて、
    前記圧電振動子として請求項１ないし３のいずれか一つに記載の圧電振動子を用い、前記第１の振動領域または第２の振動領域のいずれか一方の一面側に設けられた励振電極に前記吸着層を形成し、前記感知対象物を感知する雰囲気における前記第１の発振周波数と第２の発振周波数との周波数差が、これらの発振周波数の０．２％以上、２．２％以下であることを特徴とする感知センサ。
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