JP2014139566A - Ｑｃｍセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】試料雰囲気中において試料の物理量を測定しようとする際に、外部圧力の変動にかかわらず、測定試料の微小な物理量を精度良く検出できるＱＣＭセンサを提供することを目的とする。
【解決手段】水晶振動子の表面で励振される電極に試料が接することにより前記試料の物理量を検出するＱＣＭセンサにおいて、検出対象となる測定試料が接触可能な第１電極１９と、第１電極が表面に形成される第１水晶基板８とを有する測定用水晶振動子１００と、測定試料の物理量を検出する際の基準となる基準試料が接触可能な第２電極２２と、第２電極が表面に形成される第２水晶基板９とを有する基準用水晶振動子２００と、基準電極を測定試料から隔離し、基準試料を内部に収容できる内部室３０を形成する筐体１０とを有し、筐体は、前記内部室の容積を変動可能な容積変動部３８を備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、水晶振動子の振動を利用して物性を測定するためのＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）センサに関するものである。

ＱＣＭセンサを使用して水晶振動子により対象となる測定試料の微小な物理量を測定しようとする場合、その絶対値が非常に小さいことから、その測定精度を確保することが困難となっていた。そこで、基準試料の測定値との比較により測定試料の物理量を把握する手段が知られている（特許文献１）。かかる特許文献１においては、測定試料を測定する水晶振動子と、基準試料を測定する水晶振動子とを同一の支持台に配置されたＱＣＭセンサを使用し、両者の測定値を比較している。

特開2004-205392号公報

ところで、かかる従来のＱＣＭセンサにおいては、測定用水晶振動子と基準用水晶振動子にかかる外圧変動するおそれがあり、そのような場合には比較測定の精度を確保するのが難しくなるおそれがある。

本発明は、上述のような事情を考慮してなされたもので、その目的は、試料中に浸漬する場合等の試料雰囲気中において試料の物理量を測定しようとする際に、外部圧力の変動にかかわらず、測定試料の微小な物理量を精度良く検出できるＱＣＭセンサを提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するために、以下の手段を提供する。
すなわち、本発明に係るＱＣＭセンサは、水晶振動子の表面で励振される電極に試料が接することにより前記試料の物理量を検出するＱＣＭセンサにおいて、検出対象となる測定試料が接触可能な第１電極と、前記第１電極が表面に形成される第１水晶基板とを有する測定用水晶振動子と、前記測定試料の物理量を検出する際の基準となる基準試料が接触可能な第２電極と、前記第２電極が表面に形成される第２水晶基板とを有する基準用水晶振動子と、前記基準電極を前記測定試料から隔離し、前記基準試料を内部に収容できる内部室を形成する筐体とを有し、前記筐体は、前記内部室の容積を変動可能な容積変動部を備えることを特徴とする。
かかる特徴により、第１水晶基板の第１電極と第２水晶基板の第２電極にかかる圧力を同等にすることができるため、測定用水晶振動子と基準用水晶振動子との間の不要な検出差が生じにくくなり、基準試料と測定試料との比較測定の精度を確保することができるようになる。

また、本発明に係るＱＣＭセンサは、前記第１水晶基板の前記第１電極が形成される表面とは反対側の表面に形成される第３電極と、前記第２水晶基板の前記第３電極が形成される表面とは反対側の表面に形成される第４電極と、第３電極と第４電極とを共に内部に収容し、前記内部室から区画される区画室を画定する区画壁とを有することを特徴とする。
かかる特徴により、第３電極と第４電極とを同じ環境におくことができるようになり、測定試料や基準試料が作用しない側の電極が同じ環境に置かれることとなる。よって、測定用水晶振動子と基準用水晶振動子との間の不要な検出差が生じにくくなり、比較測定の精度を確保することができるようになる。

また、本発明に係るＱＣＭセンサは、前記区画壁は、前記内部室と前記区画室とを連通する連通部を有することを特徴とする。
かかる特徴により、基準用水晶振動子が両面から受ける圧力差を低減することができ、比較測定の精度を確保することができるようになる。

また、本発明に係るＱＣＭセンサは、前記筐体は、前記第２電極と対向する対向壁と、前記対向壁に接続され前記基準試料を側方から覆う側壁とを有し、前記側壁は、少なくとも一部が前記容積変動部により形成されていることを特徴とする。
かかる特徴により、基準試料が収容される筐体の剛性が確保され、高圧時の試料雰囲気においても、基準試料が不要な外圧を受けにくくすることができる。

また、本発明に係るＱＣＭセンサは、前記容積変動部は、前記側壁と同じ材質の蛇腹部により形成されていることを特徴とする。また、本発明に係るＱＣＭセンサは、前記容積変動部は、高分子材料で形成されていることを特徴とする。
以上のような特徴により本発明は、基準試料にかかる過大な圧力を逃がすことができるようになり、基準試料の変化が抑制され、基準試料と測定試料との比較測定の精度を確保することができるようになる。

また、本発明にかかるＱＣＭセンサは、前記容積変動部が、前記基準試料に向けて進退可能なプランジャ部材により構成されることを特徴とする。
かかる特徴により、外部からの圧力に対して弾性力などの反発力を発生させずに外部の圧力と同等の力を第２水晶基板の第２電極面に伝えることができる。よって、第１水晶基板の第１電極と第２水晶基板の第２電極にかかる圧力を同等にすることができるため、測定用水晶振動子と基準用水晶振動子との間の不要な検出差が生じにくくなり、基準試料と測定試料との比較測定をより精度よく実施することができる。

本発明の第１実施形態におけるＱＣＭセンサの全体構成図である。 本発明の第１実施形態におけるＱＣＭセンサ本体の断面図である。 本発明の第２実施形態におけるＱＣＭセンサ本体の断面図である。 本発明の第３実施形態におけるＱＣＭセンサ本体の断面図である。

以下、本発明に係るＱＣＭセンサの第１実施形態を、図１および図２を参照して説明する。
図１は、本実施形態のＱＣＭセンサ１の第１実施形態を示す全体構成図であり、図２は、ＱＣＭセンサ本体の断面図である。ＱＣＭセンサ１は、ＱＣＭセンサ本体２と、第１発振器３と、第１カウンタ４と、第２発振器５と、第２カウンタ６と、比較部７と、を備えている。ＱＣＭセンサ１は、第１水晶基板８を有する測定用水晶振動子と第２水晶基板９を有する基準用水晶振動子を備えており、測定用水晶振動子は、第１発振器３と接続されている。また、基準用水晶振動子は、第２発振器５と接続されている。第１発振器３は第１カウンタ４と、第２発振器５は、第２カウンタ６とそれぞれ接続されている。第１カウンタ４と第２カウンタ６は、共に比較部７に接続されており、測定用水晶振動子と基準用水晶振動子からの出力値を比較することで振動特性を比較できるようになっている。

ＱＣＭセンサ本体２は、測定試料を測定するための測定用水晶振動子１００と、測定試料の物理量を検出する際の基準となる基準試料を測定するための基準用水晶振動子２００とが筐体１０の内部に収容される構成となっている。測定用水晶振動子１００は、第１水晶基板８と、その両面に形成される第１電極１９と第３電極２０とで構成される。また、基準用水晶振動子２００は、第１水晶基板９と、その両面に形成される第２電極２２と第４電極２１とで構成される。第１水晶基板８、第２水晶基板９は、厚み辷り振動を励起するようにカットされたＡＴカット水晶により構成される。

測定用水晶振動子１００は、第１電極１９に接続される第１リード電極１４と、第３電極２０に接続される第３リード電極１５とを介して、ＱＣＭセンサ本体２外部の第１発振器３と接続されている。また、基準用水晶振動子２００は、第２電極２２に接続される第２リード電極１６と、第４電極２１に接続される第４リード電極１７とを介して、ＱＣＭセンサ本体２外部の第２発振器５と接続されている。

測定用水晶振動子１００と基準用水晶振動子２００とは、さらに筺体１０の内部に形成される区画壁３４の内側に収容される。区画壁３４は、その内側に第１水晶基板８と第２水晶基板とを固定することで、測定用水晶振動子１００と基準用水晶振動子２００を収容している。なお、第１リード電極１４と第３リード電極１５とを介して第１水晶基板８を固定してもよく、第２リード電極１６と第４リード電極１７とを介して第２水晶基板９を固定してもよい。その場合は、各リード電極が、外部との導通や振動子の励振に作用するだけでなく、測定用水晶振動子１００と基準用水晶振動子２００とを区画壁３４に固定する役目も担うことになる。ここで、区画壁３４の内部であって、測定用水晶振動子１００と基準用水晶振動子２００とに挟まれた空間は区画室２６と称し、この区画室２６には測定用水晶振動子１００の第３電極２０と基準用水晶振動子２００の第４電極２１とが面している。なお、図示しないが、測定用水晶振動子１００と基準用水晶振動子２００との間にスペーサを介装して、区画室２６の容量を規定してもよい。

筺体１０は、上述の各リード線が貫通固定される蓋部２４と、蓋部２４に接続され筐体１０の側面を構成する側壁４２と、側壁４２に接続され蓋部２４と反対側の面に構成される対向壁４０とにより構成される。対向壁４０は、第２電極２２に対向する位置に配置される。蓋部２４には、さらに、区画壁３４も接続される。これら、蓋部２４、側壁４２、対向壁４０、区画壁３４により囲まれる空間が内部室３０となっている。この内部室３０に基準試料２５が充填される。なお、測定用水晶振動子１００と蓋部２４の内部との間にはＯリング１２ａが介装されており、試料雰囲気中の測定用試料と、筺体１０内部との液密が保たれている。基準用水晶振動子２００と区画壁３４の内部との間には同じくＯリング１２ｂが介装されており、内部室３０内の基準試料２５と隔離壁３４内部との液密が保たれている。

ここで、本実施形態においては、区画壁３４においては、区画壁３４内側の区画室２６と区画壁３４外側の内部室３０とを連通する連通部３６が形成されている。連通部３６は、区画壁３４を貫通する貫通孔として形成されており、その断面は第１水晶基板８や第２水晶基板９に重ならない大きさに形成されている。この貫通孔としての連通部３６により、内部室３０内に充填された基準試料２５が、連通部を介して、図２の矢印Ｒのように、区画室２６と自由に移動できるようになっている。つまり、内部室３０と区画室２６との内部圧力はほぼ等しくなっている。ここで、基準試料２５が絶縁体ではない場合、４つの電極１９〜２２と４つのリード電極１４〜１７は絶縁体薄膜でコーティングしておくことが望ましい。

また、筺体１０の側壁４２には、容積変動部３８が形成されている。本実施形態においては、容積変動部３８はベローズ構造の蛇腹部により弾性構造となっている。このような弾性構造は、基準用水晶振動子にかかる圧力を変動および／または調整することができる圧力変動部、圧力調整部として機能する。この蛇腹部により、側壁４２はその面方向に伸縮可能に形成されている。筐体１０は、この側壁４２のみが伸縮可能に形成されている。よって、内部室３０の基準試料２５に圧力変化が生じても、測定用水晶振動子１００と基準用水晶振動子２００とが収容されている区画壁３４外部の内部室３０において、かかる圧力変化を吸収できるようになる。また、試料雰囲気中において、第１水晶基板８の第１電極１９に圧力変化が生じても、同様の圧力変化が容積変動部３８の伸縮により内部室３０に生じることになる。ゆえに、第１水晶基板８の表裏および第２水晶基板９の表裏にかかるすべての圧力差を低減することができる。なお、容積変動部３８は、側壁４２と同じ材質の部材でもよく、特別な高分子材料で形成してもよい。圧力変動部３８の変動に寄与する弾性率は、低弾性率であることが望ましい。低弾性率であることにより、弾性力による圧力伝達損失を抑えることができるため、外部より与えられる圧力をよりダイレクトに伝えることができる。すなわち、対向壁４０の外部からの圧力がP、対向壁４０の外面の面積がS（容積変動部３８の変動方向にかかる圧力を受ける面積）、容積変動部３８の弾性率（容積変動部３８が複数箇所の場合は総和）がk、圧力による容積変動部３８の変位量最大値がx、である場合に、k<<（PS/x）であればよい。

なお、第１電極１９と第３電極２０は共に同じ形状をしており、円形状に長方形状を付加した形状をしており、第１水晶基板８を挟んで同じ位置に形成されている。本実施形態においては、長方形状の部分はそれぞれ反対方向に引き伸ばされている。第１電極１９と第３電極２０とは、チタン薄膜を下地とした金膜で形成されている。これら電極の構成材料はこれに限らずＡＴカット水晶振動子を安定して振動させることができる金属膜であればよい。同様に、第２水晶基板９は、片面に第２電極２２と、その反対側の面に第４電極２１を備えており、両電極間に電圧を印加することで、第２水晶基板９を振動させることができるようになっている。

なお、第１リード電極１４は測定用水晶振動子を厚さ方向の両面から挟みこむコの字状に形成されており、同様に、第２リード電極は基準用水晶振動子を厚さ方向の両面から挟みこむコの字状に形成されている。第１リード電極１４と第３リード電極１５とにより、測定用水晶振動子がその左右の両側面から挟みこむように支持されている。そして、測定用水晶振動子１００が区画壁３４に対して測定用水晶振動子１００に結線されるこれらリード電極により支持されているので、特別な支持部材を配置することなく、測定用水晶振動子１００を筐体１０（区画壁３４）に対して支持することができる。よって、測定用水晶振動子の振動を可能な限り阻害しないようにできるとともに、測定用水晶振動子の電気的導通を安定して確保できる。基準用水晶振動子２００も同様である。

次に、本実施形態におけるＱＣＭセンサ１の動作について説明する。初めに、ＱＣＭセンサ本体２を測定試料に浸漬させ、または、試料雰囲気中に設置し、測定の準備を行う。測定試料は液体や気体の試料雰囲気として存在しており、本実施形態のＱＣＭセンサ本体２はこのような試料雰囲気中で使用される。このとき、基準試料２５はすでに内部室３０の第２水晶基板９の第２電極２２に接した状態で密閉されており、測定試料と基準試料とは完全に隔離されている。よって、試料雰囲気中であっても、測定試料と基準試料とが混合することがないので、両者の比較測定を精度よく行うことができる。測定試料は、蓋部２４の開口部２４ａから第１水晶基板８の第１電極１９のある面へ侵入し、測定試料と第１電極１９は接した状態になっている。ただし、Ｏリング１２ａにより、測定試料は筐体１０（隔離壁３４）のさらに内側へ侵入することはない。次に、第１発振器３と第２発振器５により、第１水晶基板８と第２水晶基板９にそれぞれ交流電圧を印加する。電圧を印加して得られた第１水晶基板８と第２水晶基板９のそれぞれの第１出力値と第２出力値を比較部７により比較し、比較値を得る。

本実施形態においては、基準試料２５を充填する筐体１０の容積変動部３８の伸縮により基準試料にかかる圧力変化を吸収することができるので、基準試料と測定試料との比較測定の精度を確保することができるようになる。

また、区画壁３４で区画室２６を画定することにより、第３電極２０と第４電極２１とを同じ環境におくことができるようになり、測定試料や基準試料が作用しない側の電極が同じ環境に置かれることとなる。よって、測定用水晶振動子１００と基準用水晶振動子２００との間の不要な検出差が生じにくくなり、比較測定の精度を確保することができるようになる。

また、区画壁３４に、内部室３０と区画室２６とを連通する連通部３６を有することにより、基準用水晶振動子２００が両面から受ける圧力差を低減することができ、比較測定の精度を確保することができるようになる。

また、基準試料２５を収容する筺体１０の側壁４２のみに容積変動部３８が形成されることにより、容積変動部３８が形成されない対向壁４０においては筐体の剛性が確保され、高圧時の試料雰囲気においても、基準試料が不要な外圧を受けにくくすることができるとともに、第１水晶板８の第１電極１９にかかる圧力変化と同様の圧力変化を、内部室３０や区画室２６に存在する基準試料２５に生じさせることができるため、測定試料のみに接している第１水晶板８の第１電極１９面と、基準試料２５に接している第１水晶板８の第３電極２０面、第２水晶板９の第２電極面２２および第４電極面２１との圧力差を低減することができる。

また、容積変動部３８が側壁と同じ材質の蛇腹部により形成されていることにより、複雑な構成を排除することができる。

次に、図３に基づき、本発明の第２実施形態について説明する。図３は、本実施形態のＱＣＭセンサ本体２の断面図である。なお、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態が第１実施形態と異なる点は２点ある。１点は、区画壁の一部である側方の壁が筐体１０と一体化されており、第１水晶板８と第２水晶板９との空間を保つ部分のみ別部材のスペーサ１１を用いている点である。よって、区画室２６は第１水晶板８の第３電極２０とスペーサ１１（区画壁）と第２水晶板９の第４電極２１とに囲まれ閉じた空間となっている。言い換えれば、区画壁が存在せず、第１水晶板８と第２水晶板９との空間を保つ部分が筐体の一部となるスペーサ１１で形成されている。よって、区画室２６は第１水晶板８の第３電極２０とスペーサ１１（筐体）と第２水晶板９の第４電極２１とに囲まれ閉じた空間となっている。

また第１実施形態と異なるもう１点は、 本実施形態においては、基準試料２５が封入される内部室３０が、筐体１０の対向壁５０をくり抜いて形成されており、基準試料２５を最小の容量で済むようになっている。内部室３０は、対向壁５０の内側に形成され、第２電極２２で一方が閉止され、他方が容積変動部４８を挟んでフランジ蓋１３により閉止されている。フランジ蓋１３はフランジリング２３により対向壁５０に固定されている。

容積変動部４８はフランジ蓋１３と筐体１０の間のシール材の役割を兼ね備えている。 このようにシール材を外圧に対して伸縮可能な材料とすることにより、外部環境の液体の浸入および基準試料の流出を防ぐとともに、フランジ蓋１３を介して伝えられる外部環境の圧力変化を第２水晶基板９の第２電極２２面に伝達することができる。すなわち、第１水晶基板８の第１電極１９が備えられる面に圧力変化が生じても、同試料雰囲気中に晒されるフランジ蓋１３にかかる圧力を、容積変動部４８が基準試料２５を介してその圧力変化を第２水晶基板９の第２電極２２面に伝えるため、第１水晶基板８と第２水晶基板９においてそれぞれ試料を測定する側の電極である第１電極１９と第２電極２２の負圧を同等にすることができる。よって、比較測定の測定値比較計算の際に外圧による影響を相殺することができ、比較測定を精度よく行うことができるようになる。圧力変形部４８は、外圧とフランジ蓋１３の外面の面積に対して十分弾性率の小さい低弾性材料であるとよい。また、圧力変形部４８のつぶしシロは通常よりも大きく確保できるように、本来使用するよりも厚くする。また、つぶしシロの余裕を残した状態でフランジリング２３が締まるように設計する。

次に、図４に基づき、本発明の第３実施形態について説明する。図４は、本実施形態のＱＣＭセンサ本体２の断面図である。本実施形態は第２実施形態と同様の形態であり、基準試料２５を封止する構造において、第２実施形態と異なっている。なお、第１実施形態および第２実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態においては、基準試料２５を封止する構成は、Ｏリング１２ｃを保持した進退可能なプランジャ４９により成っている。内部室３０は、対向壁５０の内側に形成され、第２電極２２で一方が閉止され、他方がプランジャ４９により閉止されている。また、プランジャ４９の側面外周は一部窪みが設けてあり、Ｏリング１２ｃが備えられるようになっている。これにより、外部環境の液体の浸入および基準試料の流出を防ぐことができる。このように、基準試料２５の封止部をプランジャ４９とすることにより、外部環境の圧力が変化し、第１水晶基板８の第１電極１９が備えられる面に圧力変化が生じても、同試料雰囲気中に晒されるプランジャ４９にかかる圧力によりプランジャ４９が押し引きされ、基準試料２５を介してその圧力変化を第２水晶基板９の第２電極２２面に伝えることができる。よって、第１水晶基板８と第２水晶基板９においてそれぞれ試料を測定する側の電極である第１電極１９と第２電極２２とが受ける圧力を同等にすることができる。その結果、比較測定の測定値比較計算の際に外圧による影響を相殺することができ、比較測定を精度よく行うことができるようになる。

本願発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。

１ ＱＣＭセンサ
２ ＱＣＭセンサ本体
８ 第１水晶基板（測定用水晶振動子）
９ 第２水晶基板（基準用水晶振動子）
１０ 筐体
１１ スペーサ（区画壁）（筐体）
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ Ｏリング
１３ フランジ蓋
１４ 第１リード電極
１５ 第３リード電極
１６ 第２リード電極
１７ 第４リード電極
１９ 第１電極
２０ 第３電極
２１ 第４電極
２２ 第２電極
２３ フランジリング
２４ 蓋部
２４ａ 開口部
２５ 基準試料
２６ 区画室
３０ 内部室
３４ 区画壁
３６ 連通部
３８、４８ 容積変動部
４９ プランジャ
４０、５０ 対向壁（筐体）
４２ 側壁（筐体）
１００ 測定用水晶振動子
２００ 基準用水晶振動子

Claims (7)

1. 水晶振動子の表面で励振される電極に試料が接することにより前記試料の物理量を検出するＱＣＭセンサにおいて、
   検出対象となる測定試料が接触可能な第１電極と、前記第１電極が表面に形成される第１水晶基板とを有する測定用水晶振動子と、
   前記測定試料の物理量を検出する際の基準となる基準試料が接触可能な第２電極と、前記第２電極が表面に形成される第２水晶基板とを有する基準用水晶振動子と、
   前記基準電極を前記測定試料から隔離し、前記基準試料を内部に収容できる内部室を形成する筐体とを有し、
   前記筐体は、前記内部室の容積を変動可能な容積変動部を備えることを特徴とするＱＣＭセンサ。
2. 前記第１水晶基板の前記第１電極が形成される表面とは反対側の表面に形成される第３電極と、
   前記第２水晶基板の前記第３電極が形成される表面とは反対側の表面に形成される第４電極と、
   第３電極と第４電極とを共に内部に収容し、前記内部室から区画される区画室を画定する区画壁とを有することを特徴とする請求項１に記載のＱＣＭセンサ。
3. 前記区画壁は、前記内部室と前記区画室とを連通する連通部を有することを特徴とする請求項２に記載のＱＣＭセンサ。
4. 前記筐体は、前記第２電極と対向する対向壁と、前記対向壁に接続され前記基準試料を側方から覆う側壁とを有し、
   前記側壁は、少なくとも一部が前記容積変動部により形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＱＣＭセンサ。
5. 前記容積変動部は、前記側壁と同じ材質の蛇腹部により形成されていることを特徴とする請求項４に記載のＱＣＭセンサ。
6. 前記容積変動部は、高分子材料で形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載のＱＣＭセンサ。
7. 前記容積変動部は、前記基準試料に向けて進退可能なプランジャ部材により構成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のＱＣＭセンサ。

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