JP2016082490A - Ｓｃカット水晶振動子及びその製造方法及びこのｓｃカット水晶振動子を用いた圧電センサ及びその製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 液相中でも発振するＳＣカット水晶振動子及びその製造方法とこの振動子を用いた圧電センサ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 ＳＣカットした水晶片を片面コンベックスレンズ形状に研磨し、平面側の角部を面取り（ベベリング）し、全表面を鏡面仕上げして、等価抵抗値を可能な限り小さくした後、電極を固定してＳＣカット水晶振動子４とする。このＳＣカット水晶振動子４の一端部を、導電性接着剤１５により基板５に固定するとともに、外周部を防水性部材１７で被覆して、一方の電極面を気密に封止して乾燥状態とする。防水性部材１７に貫通孔１８を設けて、他方の電極面（測定面）を露出させ、この測定面に貫通孔１８から測定試料の液滴を滴下して圧電センサとして利用出来るようにする。
【選択図】 図５ｂ

Description

この発明は、ＳＣカット水晶振動子及びその製造方法及びこのＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサ及びその製造方法に関するものである。

一般に、水晶の圧電効果による歪みは、結晶の対称性、印加される電場の方向性、結晶軸に対する結晶基板の切り出し角度に依存するため、結晶軸に対して適当な角度で切り出された結晶だけが結晶表面に平行方向に振動する振動が発生する。非特許文献１に記載されているように、水晶は三方晶系に属する結晶である。図１１ａ〜図１１ｂに示すように、水晶の六角プリズムの中心軸をｚ軸として、ｚ軸に垂直な成分のうち、六角形の対角線方向をｘ軸、これらｘ軸、ｚ軸に垂直な成分をｙ軸とする。このように、３軸を定義した場合、ｙ軸に垂直に切り出した水晶片はＹカットと呼ばれ、このＹカットをｘ軸周りに回転し、ｚ軸とのなす角度を３５°１５′とした水晶片はＡＴカットと呼ばれる。ＡＴカットの水晶振動子の温度に対する変異点は、２５℃と常温付近であり、発振させるためには、この温度を一定にするための温度センサや恒温槽等が必要である。

このＡＴカットの水晶振動子は、振動数の温度依存性が極めて小さく、安定な振動数が得られることから、時計、携帯電話等の通信機器における基準周波数素子として、また、コンピュータ等の高速信号処理する分野の同期信号の発振素子として広く汎用されている。

一方、水晶の結晶から特定の角度で切り出した水晶片の両側に、金属薄膜の電極を取り付け、この２つの電極に交流電圧を印加すると、水晶振動子は一定の振動数で発振する。この時、金属薄膜の電極上に存在する物質の質量により振動数が変化する。そして、この振動数の変化量と附着物質の質量との関係は、下記（１）式に示すＳａｕｅｒｂｒｅｙ式により理論的に報告されている。
ΔＦ＝−２Δｍｎｆ_０ ^２／（Ａμ_ｑ ^1/2ρ_ｑ ^1/2）・・・・・（１）

（１）式において、ΔＦは水晶振動子の振動数変化量（Ｈｚ）、ｆ_０は基本振動数（Ｈｚ）、ｎは倍音数、Ａは水晶板に取り付けた金属薄膜電極の面積、μ_ｑ（＝２．９４７×１０^１３ｇｍ^−１ｓ^−２）は水晶の弾性率、ρ_ｑ（＝２．６４８ｇ ｃｍ^−３）は水晶の密度であり、Δｍは電極単位面積当たりに付着した物質の質量をそれぞれ表している。

そこで、（１）式において、Δｍ以外の各項は定数項であり、この定数項をＫとした場合、（１）式は下記（２）式で表される。
ΔＦ＝−ＫΔｍ・・・・・（２）

上記（２）式より、振動数の変化は、金属薄膜の電極上に存在する物質の質量に比例することがわかる。

このような方法論は、水晶振動子マイクロバランス（Quartz Crystal Microbalance：以下、単にＱＣＭと記す）と称され、微量天秤として化学分野、生化学分野、微生物分野、医療分野等にまで広く利用されている（非特許文献１参照）。

このように、水晶振動子は多くの分野で利用されており、例えば、ＱＣＭで用いられる水晶振動子は、常温付近で温度変化による振動数変化の比較的少ないＡＴカットの水晶振動子が利用されている。

当初、ＡＴカットの水晶振動子は、基本的には気相中で使用することが前提であった。その理由としては、液相中では、水晶片の振動が強く減衰されて発振することが出来ず、また、液相中では両電極が短絡してしまう等の問題があったためである。しかしながら、ＡＴカット水晶振動子は、近年、発振回路の改良、水晶振動子の片面（非測定面）を液に触れないようにする等の工夫が施された。その結果、液相中でも発振可能となり、液相中におけるＱＣＭとしての利用が広まり、化学、生化学、微生物学等の分野で広く利用されている。

一方、応力感度、熱衝撃特性、位相雑音性能、使用可能温度が高い等について優れた性能を有するＳＣカットの水晶振動子がある。このＳＣカット水晶振動子には、Ａモード、Ｂモード、Ｃモードの３つの振動モードがある。ＣモードはＡＴカットと同じ振動である厚みすべり振動、Ｂモードは厚みねじれ振動、Ａモードは厚みたて振動である。

これは、図１２に示すように、特許文献１にも記載されているように、２回回転の水晶振動子（θ、φ）として、水晶の結晶のｙ軸に直行する面を、ｘ軸を中心にして約３３°回転し、さらに、この回転した位置からｚ軸を中心にして約２２°回転した面から切り出した水晶片に電極を形成したものである。このようなＳＣカットの水晶振動子の振動数・温度特性は、９５℃付近に変極点を有する概略３次曲線状となる。即ち、９５℃付近では、ＳＣカット水晶振動子の周波数偏差は最小となる。

一方、ＡＴカット水晶振動子を用いた高安定度の水晶発振器として、一定温度に加熱して動作させる恒温槽型の水晶発振器があるが、このような発振器は、加熱用のヒータと温度センサを用いた温度制御回路とによりヒータの発熱量を制御して一定温度を維持している。しかしながら、ＳＣカットの水晶振動子は、９５℃付近に変極点を有するため、０℃〜９５℃の温度範囲迄は、温度変化に対して発振周波数偏差も少なく、安定した発振周波数が得られる。従って、ＳＣカットの水晶振動子は、０℃〜９５℃と使用可能温度範囲が広く、又、温度を一定に保持するための温度センサを用いた温度制御回路や恒温槽等は必要ない等の利点がある。

又、特許文献２に記載されているように、ＳＣカットの水晶振動子は、図１３に示すように、主振動であるＣモードの共振の近傍で、Ｂモード及びＡモードの副振動が発生する。Ａモードの振動に対する水晶振動子の等価抵抗値は、Ｃモードの振動に対する水晶振動子の等価抵抗値より大であるため、発振器としてはほぼ信号が出力されないので、Ｃモードの振動が問題となることはない。

又、Ｂモードの振動に対する水晶振動子の等価抵抗値は、Ｃモードの振動に対する水晶振動子の等価抵抗値に等しいかあるいは小さいこともあり、又、振動数もＣモードの振動の約１．０９倍に位置している。そのため、実際に発振器を製作した場合、副振動であるＢモードで発振してしまう場合がある。従って、Ｃモードで確実に発振させるために、水晶振動子の外形形状を、特殊な形状にカットし、加工することにより確実にＢモードの振動を抑圧することができるようにしたＳＣカット水晶振動子が提案されている。

これは、水晶片の外形形状を所定の形状に加工することによって、確実に、且つ再現性良くＢモードの共振を抑圧することのできるＳＣカットの水晶振動子である。このＢモード振動を抑圧可能なＳＣカット水晶振動子では、水晶の結晶のｙ軸に直行する面を、ｘ軸を中心にして３３°〜３５°回転し、この回転した位置からｚ軸を中心にして２２°〜２４°回転した面から切り出してｘ軸方向に細長い短冊状の水晶片を形成し、この水晶片のｚ軸に直交する端面を、ｘ軸を中心にして+７°〜+１３°または-７°〜-１３°回転した方向へ傾けて切り出している（特許文献２参照）。

このように、ＳＣカット水晶振動子では、Ｃモード振動の場合には、温度と発振周波数偏差（変化量）の特性が一致するとともに、Ｂモード振動の場合には、温度と発振周波数偏差（変化量）の特性が直線関係になるという利点がある。そのため、ＳＣカット水晶振動子は、測定装置等に使用する場合、１個のＳＣカット水晶振動子で、温度と被測定物体が付着した時の周波数変化量とを同時に測定することが出来ので、温度を検知するための温度センサを必要としない。なお、ＡＴカット水晶振動子の場合には、温度と発振周波数偏差（変化量）の特性が直線関係ではないので、温度センサが必要である。

又、水晶振動子の電極面の濡れを防止することにより、気相中では勿論の事、液相中でも発振させることの出来る水晶振動子としては、例えば、特許文献３〜特許文献６に記載されているものがある。いずれも水晶振動子を液相中に浸した時、電極面の濡れを防止するための各種の手段が施されている。

例えば、特許文献３に記載のものは、基板上又は圧電振動子上に凸部又は凹部を設けておくことにより、圧電振動子の外周部分に封止剤を塗布した際に、封止剤が圧電振動子と基板との間隙に流れ込む領域を制限するようにしている。しかしながら、液相の粘性が低い場合には、自然に濡れが拡散し、資料の塗布領域が圧電振動子の中心部へと浸透する。そのため、電気的特性のバラツキが発生し、安定した性能を得ることが出来ないという問題がある。

又、特許文献４に記載のものは、水晶振動子実装基板を作用極とし、アルカリ溶液中にて特定電位を印加した後、酸処理を含む洗浄工程を行ったＱＣＭセンサーチップを用い、測定対象物質と反応性を有する機能膜や生体物質にて電極を修飾している。しかしながら、洗浄工程で、界面活性剤や塩酸、硫酸、ビランハ等の薬品を用いて処理を実施するため、金の下地としてニッケル（Ｎｉ）を使用した場合、そのＮｉが侵される。その結果、水晶振動子としての周波数安定性が低下するという問題がある。

特許文献５に記載のものは、圧電振動子の電極センサ基板側接続電極との電気的接続に通常用いる導電性接着剤を用いずに、両電極間に微小な隙間を設けてコンデンサを形成して交流的に電気的接続を保った状態で、やわらかい接着剤だけを用いて圧電振動子をセンサ基板上に固定及び防水している。しかしながら、周波数ドリフトが発生する等の問題がある。

特許文献６に記載のものは、基板に設けられた圧電板の片面側を溶液に接するようにし、反対面側を溶液から隔離するようにしたセンサで、圧電板は両側に電極を備え、この電極が導電性接着剤を介して基板に設けられた配線と接続され、圧電板の溶液に接する側の面の外周縁部から基板に粘着テープを貼着することにより、圧電板を基板に固定するようにしたものである。しかしながら、圧電振動子の片面と資料溶液とを隔離する方法として、Ｏリングを使用する方法では、水晶板に加わる圧力の制御が困難であるとともに、Ｏリングの位置によって圧電振動子への圧力が異なる等の理由により、ノイズ発生の原因となっている。又、メンテナンス時に、Ｏリングをはずして再組み立てを行うと、組み立て前と性能が異なり、再現性がない。又、シリコン等で隔離する方法では、加工費がＯリングに比べ高くなる。又、粘性の低い封止剤を用いて隔離する場合には、液の浸透により電気的特性が悪化する等の問題がある。

特開平１１−１７７３７６号公報 特許第４５１６０２１号公報 特開２００５１２１６３２号公報 特開２００７−８５９７７号公報 特開２０８８−２４１５３９号公報 特開２０１３−３６８７７号公報

電気学会論文集 「水晶発振子マイクロバランス法を用いたバイオセンサ」、第１２３巻 ２００３年 タイトル「水晶発振子マイクロバランス法を用いたバイオセンサ」岡畑恵雄、古沢宏幸著

以上述べたように、従来、特許文献１〜特許文献６及び非特許文献１に記載の水晶振動子としては、いずれもＡＴカット水晶振動子が用いられており、ＳＣカット水晶振動子は一部提案されてはいるものの、ほとんど実用化されていない。そのため、使用可能温度が高く、応力感度、熱衝撃特性、位相雑音性能に優れ、ＡＴカット水晶振動子のように温度センサや恒温槽等の必要がない等、ＡＴカット水晶振動子に比べ、多くの優れた性能を有するＳＣカット水晶振動子を利用したいとの要望が多かった。

又、液相中で発振させる事例としては、上記特許文献３〜特許文献５に記載のように、ＱＣＭへの適用があるが、この場合の水晶振動子としては、上記したように、ＡＴカット水晶振動子が用いられているのみである。

一方、発明者等は、ＳＣカット水晶振動子の発振回路として、従来のＡＴカット水晶振動子の発振回路を用いて発振するか否かの実験をしたが、液相中では、全く発振させることが出来なかった。その原因として考えられることは、このＡＴカット水晶振動子の発振回路の等価抵抗値が高すぎるためではとの推量の下、多くの実験を試みた。

この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、気相中は勿論のこと、液相中でも発振させることが出来るとともに、液相中の物質の質量及び温度を単一の水晶振動子で測定することの出来るＳＣカット水晶振動子及びその製造方法を提供することを第１の目的とし、さらに、このＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサ及びその製造方法を提供することを第２の目的とするものである。

請求項１に係る発明は、水晶の結晶からＳＣカットした水晶片を切り出し、この水晶片の一方の面を研磨して片面コンベックスレンズ形状に形成し、この片面コンベックスレンズ形状の水晶片の他方の面（平面側）の角部を面取り（ベベリング）するとともに、この水晶片の全表面を鏡面仕上げして片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片を形成し、この片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、複数の電極を固定して片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を形成し、このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成した片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子の製造方法である。

請求項２に係る発明は、水晶の結晶からＳＣカットした水晶片を切り出し、この水晶片の両面を研磨して両面コンベックスレンズ形状に形成し、この両面コンベックスレンズ形状の水晶片の全表面を鏡面仕上げして両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片を形成し、この両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、複数の電極を固定して両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を形成し、このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成したことを特徴とするＳＣカット水晶振動子の製造方法である。

請求項３に係る発明は、請求項１〜請求項２の何れかに記載の発明において、ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値は、液相中で１５０Ω以下としたものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜請求項３の何れかに記載の発明において、ＳＣカット水晶片の電極面積と水晶片の表面積との関係（「電極面積」／「水晶片面積」）は、４０％以上としたものである。

請求項５に係る発明は、水晶の結晶からＳＣカットした水晶片と、この水晶片の一方の面を研磨して片面コンベックスレンズ形状に形成され、この水晶片の他方の面（平面側）の角部を面取り（ベベリング）するとともに、この水晶片の全表面を鏡面仕上げして形成した片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片と、この片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、固定された複数の電極を有する片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を備え、このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成したことを特徴とするＳＣカット水晶振動子である。

請求項６に係る発明は、水晶の結晶からＳＣカットした水晶片と、この水晶片の両面を研磨して両面コンベックスレンズ形状に形成され、この水晶片の全表面を鏡面仕上げして形成した両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片と、この両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、固定された複数の電極を有する両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を備え、このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成したことを特徴とするＳＣカット水晶振動子である。

請求項７に係る発明は、請求項５〜請求項６の何れかに記載の発明において、ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値は、液相中で１５０Ω以下としたものである。

請求項８に係る発明は、請求項５〜請求項７の何れかに記載の発明において、ＳＣカット水晶片の電極面積と水晶片の表面積との関係（「電極面積」／「水晶片面積」）は、４０％以上としたものである。

請求項９に係る発明は、ＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサの製造方法において、水晶の結晶からＳＣカットした水晶片を切り出し、この水晶片の一方の面を研磨して片面コンベックスレンズ形状に形成し、この片面コンベックスレンズ形状の水晶片の他方の面（平面側）の角部を面取り（ベベリング）するとともに、この水晶片の全表面を鏡面仕上げして片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片を形成し、この片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、複数の電極を固定して片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を形成し、このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成し、基板の厚み方向に、ＳＣカット水晶振動子を固定するための凹部を形成し、この凹部に、導電性接着剤によりＳＣカット水晶振動子の一端を気密に封止するとともに、基板に固定し、少なくとも基板から突出するＳＣカット水晶振動子の外周部を防水性部材で被覆することにより、ＳＣカット水晶振動子の一方の電極面の防水処理を行い、次いで、基板から突出するＳＣカット水晶振動子の他方の電極面のみが測定面として露出するように、防水性部材に貫通孔を設けるとともに、この貫通孔の大きさを、ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値及び測定試料に基づいて調整することを特徴とするＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサの製造方法である。

請求項１０に係る発明は、ＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサの製造方法において、水晶の結晶からＳＣカットした水晶片を切り出し、この水晶片の両面を研磨して両面コンベックスレンズ形状に形成し、この両面コンベックスレンズ形状の水晶片の全表面を鏡面仕上げして両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片を形成し、この両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、複数の電極を固定して両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を形成し、このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成し、基板の厚み方向に、ＳＣカット水晶振動子を固定するための凹部を形成し、この凹部に、導電性接着剤によりＳＣカット水晶振動子の一端を気密に封止するとともに、基板に固定し、少なくとも基板から突出するＳＣカット水晶振動子の外周部を防水性部材で被覆することにより、ＳＣカット水晶振動子の一方の電極面の防水処理を行い、次いで、基板から突出するＳＣカット水晶振動子の他方の電極面のみが測定面として露出するように、防水性部材に貫通孔を設けるとともに、この貫通孔の大きさを、ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値及び測定試料に基づいて調整することを特徴とするＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサの製造方法である。

請求項１１に係る発明は、請求項９〜請求項１０の何れかに記載の発明において、ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値は、液相中で１５０Ω以下としたものである。

請求項１２に係る発明は、請求項９〜請求項１１の何れかに記載の発明において、ＳＣカット水晶片の電極面積と水晶片の表面積との関係（「電極面積」／「水晶片面積」）は、４０％以上としたものである。

請求項１３に係る発明は、請求項９〜請求項１２の何れかに記載の発明において、ＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサの製造方法において、基板の凹部底面に、封じ板を配設するとともに、この封じ板の上面に、導電性接着剤によりＳＣカット水晶振動子の一端を気密に封止するとともに、封じ板に固定したものである。

請求項１４に係る発明は、ＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサにおいて、水晶の結晶からＳＣカットした水晶片と、この水晶片の一方の面を研磨して片面コンベックスレンズ形状に形成され、この水晶片の他方の面（平面側）の角部を面取り（ベベリング）するとともに、この水晶片の全表面を鏡面仕上げして形成した片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片と、この片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、固定された複数の電極を有する片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を備え、このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成し、厚み方向に、ＳＣカット水晶振動子を固定するための凹部を形成した基板と、凹部に、ＳＣカット水晶振動子の一端を気密に封止するとともに、基板に固定するための導電性接着剤と、少なくとも基板から突出するＳＣカット水晶振動子の外周部を被覆することにより、ＳＣカット水晶振動子の一方の電極面の防水処理を行う防水性部材と、基板から突出するＳＣカット水晶振動子の他方の電極面のみを測定面として露出させるために、防水性部材に設けた貫通孔と備え、この貫通孔の大きさを、ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値及び測定試料に基づいて調整可能としたことを特徴とするＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサである。

請求項１５に係る発明は、ＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサにおいて、水晶の結晶からＳＣカットした水晶片と、この水晶片の両面を研磨して両面コンベックスレンズ形状に形成され、この水晶片の全表面を鏡面仕上げして形成した両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片と、この両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、固定された複数の電極を有する両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を備え、このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成し、厚み方向に、ＳＣカット水晶振動子を固定するための凹部を形成した基板と、凹部に、ＳＣカット水晶振動子の一端を気密に封止するとともに、基板に固定するための導電性接着剤と、少なくとも基板から突出するＳＣカット水晶振動子の外周部を被覆することにより、ＳＣカット水晶振動子の一方の電極面の防水処理を行う防水性部材と、基板から突出するＳＣカット水晶振動子の他方の電極面のみを測定面として露出させるために、防水性部材に設けた貫通孔と備え、この貫通孔の大きさを、ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値及び測定試料に基づいて調整可能としたことを特徴とするＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサである。

請求項１６に係る発明は、請求項１４〜請求項１５の何れかに記載の発明において、ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値は、液相中で１５０Ω以下としたものである。

請求項１７に係る発明は、請求項１４〜請求項１６の何れかに記載の発明において、ＳＣカット水晶片の電極面積と水晶片の表面積との関係（「電極面積」／「水晶片面積」）は、４０％以上としたものである。

請求項１８に係る発明は、請求項１４〜請求項１７の何れかに記載の発明において、ＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサにおいて、基板の凹部に配設し、上面に導電性接着剤によりＳＣカット水晶振動子の一端を気密に封止するとともに、固定するための封じ板を設けたものである。

請求項１及び請求項５に係る発明は、上記のように構成したので、気相中では勿論の事、液相中でも発振させることが出来るので、今までほとんど利用されていなかったＳＣカットした水晶振動子を利用することが出来る。
又、従来、液相中の物質重量の測定する場合、物質重量の測定用センサのほかに、測定環境における温度を測定するための温度センサが必要であったが、この発明によるＳＣカット水晶振動子は、従来品よりも高温度領域での使用・測定が可能となり、温度センサを必要としない。そのため、液相中の物質重量及び温度を、ひとつのＳＣカット水晶振動子で測定することができる。

請求項２及び請求項６に係る発明は、上記のように構成したので、請求項１及び請求項５に係る発明と同様な効果がある。その上、請求項１及び請求項５に係る発明に比べて、ベベリング工程を省略できるので、その分、製造コストが安くなる。その上、請求項１及び請求項５に係る発明と同様な効果がある。

請求項３〜請求項４及び請求項７〜請求項８に係る発明は、上記のように構成したので、請求項１〜請求項２及び請求項５〜請求項６に係る発明と同様な効果がある。その上、気相中は勿論の事、液相中においてもより確実な発振波形が得られる。

請求項９〜請求項１０及び請求項１４〜請求項１５に係る発明は、上記のように構成したので、請求項１、請求項２に記載の発明と同様な効果が得られるとともに、圧電センサとして物質質量等の測定に広く利用することが出来る。その上、導電性接着剤により、ＳＣカット水晶振動子の一端部を、基板に気密に封止するとともに、この基板に固定したので、遮蔽用のパッキング等は必要なくなり、部品点数を削減出来るので、全体としてコスト削減出来る。

さらに、基板の表面から突出しているＳＣカット水晶振動子の外周部は、防水性部材で被覆されているので、ＳＣカット水晶振動子を保護するための保護用の容器等は必要なくなり、さらに部品点数を削減することが出来る。
又、防水性部材に貫通孔を設けることにより、ＳＣカット水晶振動子の測定面側の電極面を露出するように構成されているので、測定用の試料を測定面に誘導するための特別な容器等は必要なくなり、それだけ部品点数を削減することが出来る。
又、貫通孔の大きさにより、等価抵抗値Ｒ１（Ω）が１５０（Ω）以下となるように調整することが出来るので、測定する試料に応じて調整することにより、常に理想的な発振波形が得られる。

請求項１１〜請求項１２及び請求項１６〜請求項１７に係る発明は、上記のように構成したので、請求項９〜請求項１０及び請求項１４〜請求項１５に係る発明と同様な効果がある。その上、気相中は勿論の事、液相中おいてもより確実な発振波形が得られる。

請求項１３及び請求項１８に係る発明は、上記のように構成したので、請求項１、請求項２に記載の発明と同様な効果が得られるとともに、圧電センサとして物質質量等の測定に広く利用することが出来る。その上、凹部に封じ板を配設することにより、この封じ板１４の上面とＳＣカット水晶振動子４の一端部との間隙１９に、配線１６を配設する際の製造工程が容易になる効果がある。

この発明の実施例を示すもので、発明者等が水晶の結晶から切り出した２回回転の場合のＳＣカット水晶片（θ、φ）の切り出し角度を示す説明図である。 この発明の実施例を示すもので、発明者等が製造した片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片１の側面図である。 この発明の実施例を示すもので、この発明によるＳＣカット水晶振動子４の発振状態を測定するための減衰法を利用した測定装置２を示す概略図である。 この発明の実施例を示すもので、この発明によるＳＣカット水晶振動子４の発振状態を測定するためのアドミッタンス法を利用した測定装置３を示す概略図である。 この発明の実施例を示すもので、図３に示すリレー９をＯＦＦにした場合の波形図である。 この発明の実施例を示すもので、この発明によるＳＣカット水晶振動子４を用いた圧電センサ６の平面図である。 この発明の実施例を示すもので、図５ａに示すＡ−Ａ線断面図である。 この発明の実施例を示すもので、この発明による製造方法で製造したＳＣカット水晶振動子４の等価抵抗値Ｒ１（Ω）と「電極面積」/「水晶片面積」（％）との関係を示す図である。 この発明の実施例を示すもので、この発明による製造方法で製造したＳＣカット水晶振動子４の等価抵抗値Ｒ１（Ω）と発振強度（ｄＢｍ）との関係を示す図である。 この発明の実施例を示すもので、圧電センサ６のＳＣカット水晶振動子４の一方の電極４ａの電極面４ａａへの液滴の量を調整した状態を示す図である。 この発明の実施例を示すもので、防水性部材１７により防水処理をした状態を示す図である。 この発明の実施例を示すもので、この発明によるＳＣカット水晶振動子４の気相中における発振波形図である。 この発明の実施例を示すもので、この発明によるＳＣカット水晶振動子４の電極面４ａａに載せた液滴が大の場合の発振波形である。 この発明の実施例を示すもので、この発明によるＳＣカット水晶振動子４の電極面４ａａに載せた液滴が中の場合の発振波形である。 この発明の実施例を示すもので、この発明によるＳＣカット水晶振動子４の電極面４ａａに載せた液滴が小の場合の発振波形である。 この発明の実施例を示すもので、液滴の体積（ｍ^３）と等価抵抗値Ｒ１（Ω）との関係を示すグラフである。 この発明の第２の実施例を示すもので、発明者等が製造した両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片２１の側面図である。 三方晶系に属する水晶の結晶で、ＡＴカットする場合の結晶軸の取り方を説明する図である。 三方晶系に属する水晶の結晶で、ＡＴカットする場合の結晶軸の取り方を説明する図である。 ２回回転水晶振動子として、ＳＣカットの切り出し角度を説明するための図である。 ＳＣカットの水晶振動子の振動モードを示す波形図である。

水晶の結晶からＳＣカットした水晶片を切り出し、この水晶片の一方の面を研磨して片面コンベックスレンズ形状に形成するとともに、水晶片の他方の面（平面側）の角部を面取り（ベベリング）した後、この水晶片の全表面を鏡面仕上げした片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片１の表面に、複数の電極４ａ、４ｂ・・・を固定して片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子４を形成する。又、このＳＣカット水晶振動子４の等価抵抗値Ｒ１（Ω）を、１５０（Ω）以下として、その等価抵抗値Ｒ１（Ω）を可能な限り小さくし、又、「電極面積」／「水晶片面積」を、４０（％）以上として、液相中でも発振可能となるように片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子４を形成する。さらに、このＳＣカット水晶振動子４を用いて圧電センサ６を製造する。

圧電センサ６は、基板５の厚み方向に、ＳＣカット水晶振動子４を固定するための凹部１３を形成し、この凹部１３に封じ板１４を配設する。次いで、封じ板１４の上面に、導電性接着剤１５によりＳＣカット水晶振動子４の一端部を、封じ板１４に気密に封止するとともに、この一端部を固定する。さらに、防水性部材１７により、少なくとも基板５から突出しているＳＣカット水晶振動子４の外周部を被覆することにより、ＳＣカット水晶振動子４の一方の電極面４ａａの防水処理を行う。次いで、防水性部材１７に貫通孔１８を設けて、基板５の表面から突出するＳＣカット水晶振動子４の他方の電極面４ｂｂのみを測定面として露出させる。この際、貫通孔１８の大きさは、等価抵抗値Ｒ１（Ω）が１５０（Ω）以下となるように、及び測定試料の種類により調整する。このようにして、ＳＣカット水晶振動子４を用いた圧電センサ６として用いる。

この発明の第１の実施例を、図１〜図８に基づいて詳細に説明する。
図１は、発明者等が水晶の結晶から切り出した２回回転の場合のＳＣカット水晶片（θ、φ）の切り出し角度を示す説明図で、θ及びφを、３０°≦θ≦４０°、０°＜φ≦３０°の範囲内とした場合には、θは約３３°、φは約２２°となる。

図２は、発明者等が製造した片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片１の側面図、図３ａは、この発明によるＳＣカット水晶振動子の発振状態を測定するための減衰法による測定装置２を示す概略図、図３ｂは、アドミッタンス法による測定装置３を示す概略図である。図４は、図３ａに示すリレー９をＯＦＦにした場合の発振波形図である。

図５ａは、この発明によるＳＣカット水晶振動子４を用いた圧電センサ６の平面図である。図５ｂは、図５ａに示すＡ−Ａ線断面図で、この発明によるＳＣカット水晶振動子４を、基板５に固定した状態を示す要部断面図である。
図６ａは、この発明による製造方法で製造したＳＣカット水晶振動子４の等価抵抗値Ｒ１（Ω）と「電極面積」/「水晶片面積」（％）との関係を示す図である。図６ｂは、等価抵抗値Ｒ１（Ω）と発振強度（ｄＢｍ）との関係を示す図である。

図７ａは、この発明の圧電センサ６のＳＣカット水晶振動子４の一方の電極４ａの電極面４ａａへの液滴の量を調整した状態を示す図である。図７ｂは、防水性部材１７により防水処理をした状態を示す図である。

図８ａは、この発明によるＳＣカット水晶振動子４の気相中（大気中）の発振波形図である。
図８ｂ、図８ｃ、図８ｄは、この発明によるＳＣカット水晶振動子４の液相中の発振波形図で、図８ｂは、ＳＣカット水晶振動子４の電極面４ａａに載せた液滴が大の場合、図８ｃは、ＳＣカット水晶振動子４の電極面４ａａに載せた液滴が中の場合、図８ｄは、ＳＣカット水晶振動子４の電極面４ａａに載せた液滴が小の場合を示している。
図８ａ〜図８ｄの発振波形図において、αは信号強度、βは位相を示している。
図９は等価抵抗値（Ω）と液滴体積（ｍｍ^３）との関係を示す図である。

発明者等は、まず、表１に示すように、ＳＣカット水晶振動子４の試作品Ａ（Ａ１〜Ａ４）及び試作品Ｂ（Ｂ１〜Ｂ３）を、下記の製造方法で製造した。

図１、表１に示すように、水晶の結晶から外径φが８．７ｍｍのＳＣカットした円盤型の水晶片を４個（試作品Ａ１〜Ａ４）、外径φが１４．０ｍｍの円盤型の水晶片を３個（試作品Ｂ１〜Ｂ３）それぞれ切り出した。いずれの試作品（Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ３）も２回回転の水晶片（θ、φ）で、上記したように、θは約３３°、φは約２２°となる。従って、発明者等は、この条件の下で水晶の結晶からＳＣカットした水晶片を切り出した。

次に、このＳＣカットした水晶片の一方の面(凸面となる側)を研磨して、曲率半径１００Ｒ〜２００Ｒの範囲内の片側コンベックスレンズ形状（一方の面は凸面、他方の面は平面となっている凸レンズの形状）に形成した。

次いで、この片面コンベックスレンズ形状の水晶片の他方の面(平面側)の角部を面取り（ベベリング：Beveling）した後、この水晶片の全表面を鏡面仕上げ（ポリッシュ仕上げ）して片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片１を形成した。

なお、この実施例１の場合には、単に、研磨装置に研磨剤を入れて回転させてベベリングしたが、ボールベアリングを用いた方法であってもよい。又、ベベリングするための研磨装置は、内壁の曲率半径が例えば、２０Ｒ、３０Ｒ、１００Ｒ、２００Ｒ等と各種あり、必要に応じて選択する。

このようにして形成した片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片１の表面に、２つの電極４ａ、４ｂを固定して片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子４を形成した。電極４ａ、４ｂの材料としては、金、プラチナが主として用いられ、下地としては、クロムＣｒ、チタンＴｉ、マンガンＭｎ等が用いられる。

なお、この際、表１に示すように、片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子４の試作品Ａ（Ａ１〜Ａ３）について、試作品Ａ１には、電極径が６．０ｍｍの電極を、試作品Ａ２には、電極径が４．５ｍｍの電極を、試作品Ａ３には、電極径３が．６ｍｍの電極をそれぞれ固定した。又、試作品Ｂ１〜試作品Ｂ３には、すべて電極径が８．７ｍｍの電極を固定した。

又、各ＳＣカット水晶振動子４の試作品Ａ（Ａ１〜Ａ３）、試作品Ｂ（Ｂ１〜Ｂ３）に取り付けた「電極面積」と「水晶片面積」との比率を表１に示す。等価抵抗値（Ω）と「電極面積」／「水晶片面積」（％）との関係は、表１及び後述する図６ａに示す。

このようにして形成した多くの試作品（片面及び両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子）について、気相中及び液相中で発振するか否かの実験を行った。この実験手法としては、図３ａに示す減衰法による測定装置２、あるいは、図３ｂに示すアドミッタンス法による測定装置３が用いられるが、発明者等は、通常、水晶振動子の性能測定に用いられるアドミッタンス法により行った。

減衰法では、図３ａに示すように、片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子４（試作品Ａ、Ｂ）は、駆動用のシグナルジェネレータ８により駆動し、ＳＣカット水晶振動子４の共振周波数で発振させた後、リレー９をオフにしてＳＣカット水晶振動子４をシグナルジェネレータ８から切り離す。このリレー９を切り離すことにより、図４に示すように、時間（横軸）の経過とともに、減衰する発振波形の振幅(縦軸)を、オシロスコープ１０で測定し、下記式(１)により減衰カーブを非線形回帰分析（カーブフィッティング）することにより、減衰率ρを算出する。

Ｋ（ｔ）＝Ｋ_０ｅｘｐ（−ρｔ）ｓｉｎ（ωｔ＋φ）＋定数・・・・・（３）

ここで、ＦをＳＣカット水晶振動子の振動数（周波数）とすると、角周波数ω＝２πＦである。Ｋ_０は発振の最大振幅であり、発振エネルギーのパラメータＤは、減衰率ρと共振角周波数ω_０（あるいは共振周波数Ｆ_０）を用いて、下記式（４）により算出することが出来る。

Ｄ＝２ρ/ω_０＝ρ/πＦ_０・・・・・（４）

一方、アドミッタンス法では、ＳＣカット水晶振動子の発振周波数は、ネットワークアナライザ１１を介してパソコン１２に入力すれば、時間（横軸）の経過に対する発振周波数(縦軸)の変化を測定することが出来る。

そこで、多くの試作品について、発明者等は、図３ｂに示すアドミッタンス法による測定装置３を用いて、気相中（大気中）及び液相中（純水中）における発振の有無を測定した。代表的な試作品（ＳＣカット水晶振動子４）として、水晶片面積の外径（直径）が１４ｍｍで、負荷時の等価抵抗値が７０Ωの素子を使用した。ネットワークアナライザ１１を用いて発振周波数を測定するとともに、発振波形（共振波形）を観測した。

まず、ＳＣカット水晶振動子４をπ冶具に固定した。気相中（大気中）の場合には、ＳＣカット水晶振動子４の両電極４ａ、４ｂのそれぞれ電極面４ａａ、電極面４ｂｂは、いずれも乾燥状態となっている。

なお、ＳＣカット水晶振動子４の一方の電極面４ａａのみが乾燥した状態の場合、片側コンベックスレンズ形状に形成したもの、あるいは、ベベリングを行ったもの等、発明者等の製造したすべてのＳＣカット水晶振動子４が発振することが観測された。なお、この時の等価抵抗値Ｒ１は５４Ωであった。

次いで、液相中（この実施例では純水中で行った）で発振するか否かの実験を行った。ＳＣカット水晶振動子４全体を液相中に浸した場合、すなわち、両電極面４ａａ、４ｂｂが完全に濡れた状態となった場合には、発振波形は全く観測出来なかった。又、ＳＣカット水晶振動子４の一部分、あるいは、１/２部分が液相中にある場合も、発振波形は全く観測出来なかった。

そこで、ＳＣカット水晶振動子４の２つの電極面４ａａ、４ｂｂを一旦完全に乾燥させた後、ＳＣカット水晶振動子４をπ冶具に固定し、次いで、他方の電極面４ｂｂのみに純水の液滴２０を載せた状態で発振波形を観測した。その結果を図８ｂ〜図８ｄに示す。

ここで、測定に使用したＳＣカット水晶振動子４としては、水晶面の直径φ（ｍｍ）＝１４（ｍｍ）、電極面の直径φ（ｍｍ）＝８．７（ｍｍ）のものを使用したので、このＳＣカット水晶振動子４の「電極面積」／「水晶片面積」）（％）≒４０（％）である。

又、電極面４ｂｂに滴下する液滴２０が大の場合、液滴直径Ｄ（ｍｍ）＝５．２（ｍｍ）、液滴体積Ｖ（ｍｍ^３）＝７３．６（ｍｍ^３）である。液滴２０が中の場合、液滴直径Ｄ（ｍｍ）＝３．２（ｍｍ）、液滴体積Ｖ（ｍｍ^３）＝１７．１（ｍｍ^３）である。液滴２０が小の場合、液滴直径Ｄ（ｍｍ）＝１．９（ｍｍ）、液滴体積Ｖ（ｍｍ^３）＝３．６（ｍｍ^３）である。

又、図９に示すように、発明者等は、さらに、等価抵抗値Ｒ１（Ω）と液滴２０の体積（ｍｍ^３）との関係を測定した。この結果、液滴２０が大きくなるほど、等価抵抗値Ｒ１（Ω）は大となる比例関係にあることが判明した。等価抵抗値Ｒ１（Ω）は、液滴大の場合、等価抵抗値Ｒ１（Ω）＝５０００（Ω）、液滴中の場合、等価抵抗値Ｒ１（Ω）＝１７００（Ω）、液滴小の場合、等価抵抗値Ｒ１（Ω）＝９００（Ω）であった。

図８ｂ、図８ｃ、図８ｄは、この発明によるＳＣカット水晶振動子４の発振波形図で、図８ｂは、ＳＣカット水晶振動子４の電極面４ｂｂに載せた液滴２０が大の場合、図８ｃは、ＳＣカット水晶振動子４の電極面４ｂｂに載せた液滴２０が中の場合、図８ｄは、ＳＣカット水晶振動子４の電極面４ｂｂに載せた液滴２０が小の場合を示している。

図８ｂ、図８ｃから明らかであるように、液滴２０が大の場合と中の場合には、発振しなかったが、図８ｄに示すように、液滴２０が小の場合には、シャープな状態ではないが、なんとか発振波形が得られた。

以上のことから、発明者等は、液滴２０の大きさ、即ち、その液滴体積は、液滴小の場合よりさらに小さくするとともに、等価抵抗値Ｒ１（Ω）を９００（Ω）よりさらに小さくすれば、シャープな発振波形が得られるのではないかと推量した。

そこで、発明者等は、図６ａに示すように、この発明による製造方法で製造したＳＣカット水晶振動子４の等価抵抗値Ｒ１（Ω）と「電極面積」/「水晶片面積」（％）との関係を測定した。図中、■は水晶片の外径（水晶面の直径）φ（ｍｍ）＝１４．０（ｍｍ）の試作品Ｂの場合を示し、◆は水晶片の外径（水晶面の直径）φ（ｍｍ）＝８．７（ｍｍ）の試作品Ａの場合を示している。なお、図６ａに示すように、試作品Ａ（Ａ１〜Ａ３）の測定結果を示す相関式は、Ｙ＝４６．３５５Ｘ^{１．１５１}となった。

又、発明者等は、図８ａに示すように、この発明によるＳＣカット水晶振動子４の気相中における発振波形から発振強度（ｄＢｍ）としては、１５（ｄＢｍ）程度の強度があれば、振動子として十分使用可能であると判断した。そこで、発明者等は、図６ｂに示すように、等価抵抗値（Ω）と発振強度（ｄＢｍ）との関係を測定した。図中、◆は試作品Ａの場合を示す。なお、相関式はＹ＝４５８４ε^{-０．２３９ｘ}となった。

この図から明らかなように、発振強度（ｄＢｍ）が１５（ｄＢｍ）の時、等価抵抗値Ｒ１（Ω）は１５０（Ω）となった。一方、等価抵抗値Ｒ１（Ω）が１５０（Ω）の時、図６ａに示すように、「電極面積」／「水晶片面積」（％）は、約４０％であった。従って、等価抵抗値Ｒ１（Ω）≒１５０（Ω）以下、「電極面積」／「水晶片面積」（％）＝４０（％）以上であれば、理想的な発振波形が得られると推量した。

なお、ベベリングした面の曲率半径２０Ｒである試作品Ｂ２（水晶片の外径φ＝１４．０（ｍｍ））の場合、図６ａ中に▲印で示すように、理想的な発振状態は、「電極面積」／「水晶片面積」（％）＝４０（％）、等価抵抗値Ｒ１（Ω）＝５０（Ω）となっている。

このように、発明者等は、多くの試作品について施行錯誤を行った結果、以下のような結論に達した。

ＳＣカット水晶振動子４の両電極面４ａａ、４ｂｂが濡れた状態（液相中）では、ＳＣカット水晶振動子４は全く発振しないが、一方の電極面４ａａが乾燥した状態の場合には発振する事。又、「表１」に示すように、発振回路の負荷時の等価抵抗値Ｒ１（Ω）が大きい場合にも十分発振させることは出来ないが、図６ａに示すように、「電極面積」／「水晶片面積」（％）が４０（％）以上であって、その時の等価抵抗値Ｒ１（Ω）≒１５０（Ω）以下の場合には、気相中の場合は勿論の事、液相中の場合でもこの発明によるＳＣカット水晶振動子４を確実に発振させることが出来るとの結論に達した。
なお、気相中では、等価抵抗値Ｒ１（Ω）が、２００〜３００（Ω）未満の場合に良好な発振波形が得られるとの結論にも達した。

上記結論に基づいて、図５ａ〜図５ｂに示すように、例えば、ＱＣＭのセンサ(圧電センサ)として使用するために、発明者等は、この発明によるＳＣカット水晶振動子４を用いた圧電センサ６を試作した。

図５ａは、この発明によるＳＣカット水晶振動子４を用いた圧電センサ６の平面図である。図５ｂは、図５ａに示すＡ−Ａ線断面図であり、この発明によるＳＣカット水晶振動子４を用いた圧電センサ６の要部断面図で、ＳＣカット水晶振動子４を基板５に固定するとともに、一方の電極面４ｂｂが防水処理された状態を示している。

図５ａ〜図５ｂにおいて、基板５の上面には、ＳＣカット水晶振動子４を搭載するための凹部１３が形成されている。凹部１３の内部には、封じ板１４が配設されており、この封じ板１４の上面には、導電性接着剤１５によりＳＣカット水晶振動子４の一端部が気密に封止されているとともに、封じ板１４に固定される。この状態で、ＳＣカット水晶振動子４は、基板５の上面から突出した状態となっている。１６は配線で、この配線１６の一端部は、導電性接着剤１５によりＳＣカット水晶振動子４の電極４ａ、４ｂに電気的及び機械的に接続され、配線１６の他端部は、外部装置（図示せず）への出力端となっている。

なお、凹部１３に封じ板１４を配設した場合、この封じ板１４の上面とＳＣカット水晶振動子４の一端部との間隙１９に、配線１６を配設する際、製造工程が容易になる効果がある。しかしながら、この実施例では、封じ板１４を設けているが、封じ板１４は必ずしも必要ではない。従って、封じ板１４を用いない場合には、基板５の凹部１３の深さ方向を浅く形成するとともに、ＳＣカット水晶振動子４を基板５の凹部１３の底面に、導電性接着剤１５により直接固定される。

次に、図７ａに示すように、少なくとも基板５から突出しているＳＣカット水晶振動子４の外周部と導電性接着剤１５で基板５に固定されている固定箇所を、例えば、防水効果のあるシリコン系樹脂等の防水性部材１７で被覆することにより、ＳＣカット水晶振動子４の一方の電極４ａの電極面４ａａの防水処理を行っている。なお、図７ｂに示すように、防水性部材１７により、ＳＣカット水晶振動子４及び基板５迄も含んで全体的に被覆してもよい。

次いで、基板５から突出しているＳＣカット水晶振動子４の他方の電極４ｂの電極面４ｂｂ（測定面）が、一部分露出するように、防水性部材１７に貫通孔１８を設ける。従って、一方の電極面４ａａは完全に乾燥した状態に保持され、他方の電極面４ｂｂの一部分は、貫通孔１８を介して露出した状態となり、この露出した部分が、測定面として利用される。なお、貫通孔１８の大きさは、等価抵抗値Ｒ１（Ω）が１５０（Ω）となるように測定試料の種類により調整することが出来る。即ち、測定面に滴下される液滴２０の大小（体積の大小）を調整することが出来る。このようにして、ＳＣカット水晶振動子４を用いた圧電センサ６を形成することが出来る。

なお、導電性接着剤１５及び防水性部材１７としては、粘度４０Ｐａ・Ｓ以上のものが適している。又、導電性接着剤１５としては、導電性が良く、表面張力の大きな材料が適している。

このように構成されているので、ＳＣカット水晶振動子４の一端部は、導電性接着剤１５により、封じ板１４に気密に封止されているとともに、この封じ板１４に固定されている。従って、気密に取り付けるための遮蔽用のパッキング等は不必要となり、そのぶん部品点数及び製造工程数を削減することが出来る。

又、基板５の上面から突出しているＳＣカット水晶振動子４の外周部は、防水性部材１７で被覆されているので、この防水性部材１７がＳＣカット水晶振動子４を保護するための容器としての役割を果たすので、保護容器等は不必要である。その上、防水性部材１７に貫通孔１８を設けることにより、ＳＣカット水晶振動子４の測定面となる電極面４ｂｂを露出させる構成となっているので、測定試料等を測定面に導くための特別な容器等も不必要である。又、貫通孔１８の大きさを調整することにより、等価抵抗値Ｒ１（Ω）が１５０（Ω）以下となるように調整することが出来る。従って、測定試料の性質に応じて貫通孔１８の大きさを調整することが出来るので、常に理想的な発振波形が得られる。

次いで、発明者等は、図５ａ及び図５ｂに示す構造のＳＣカット水晶振動子４を用いた圧電センサ６を用いて、気相中及び液相中における発振波形を観測した。その結果を図８ａ〜図８ｄに示す。

図８ａは、大気中（気相中）における測定結果を示す発振波形図である。使用したＳＣカット水晶振動子４は、水晶片の外径１４．０（ｍｍ）、等価抵抗値Ｒ１（Ω）は５４（Ω）で、一方の電極面４ａａ及び他方の電極面４ｂｂ（測定面）は、いずれも完全に乾燥した状態となっている。図８ａから明らかであるように、気相中では、完全な発振波形が得られた。

図８ｂは、液相中における発振波形を示すもので、貫通孔１８から液滴２０として液滴大（体積７３．６ｍｍ^３、直径５．２ｍｍ）を測定面に滴下した場合を示す。この時の等価抵抗値Ｒ１（Ω）は５０００（Ω）で、一方の電極面４ａａは、完全に乾燥した状態となっているが、他方の電極面４ｂｂ（測定面）は、液滴大により完全に濡れた状態となっている。この場合には、図８ｂに示すように、液相中では、全く発振していない。

図８ｃは、液相中における発振波形を示すもので、貫通孔１８から液滴２０として液滴中（体積１７．１ｍｍ^３、直径３．２ｍｍ）を測定面に滴下した場合を示す。この時の等価抵抗値Ｒ１（Ω）は１７００（Ω）であり、一方の電極面４ａａは、完全に乾燥した状態となっているが、他方の電極面４ｂｂ（測定面）は、液滴中により完全に濡れた状態となっている。この場合には、図８ｃに示すように、液相中では、全く発振していない。

図８ｄは、液相中における発振波形を示すもので、貫通孔１８から液滴２０として液滴小（体積３．６ｍ^３、直径１．９ｍｍ）を測定面に滴下した場合を示す。この時の等価抵抗値Ｒ１（Ω）は９００（Ω）であり、一方の電極面４ａａは、完全に乾燥した状態となっているが、他方の電極面４ｂｂ（測定面）は、液滴小により濡れた状態となっている。図８ｄに示すように、液相中で発振することが判明した。なお、液滴２０の量を調整して等価抵抗値Ｒ１（Ω）を１５０（Ω）とすると、発振波形は、気相中の場合と同様に、シャープになった。

図８ａ〜図８ｄ及び図９に示す測定結果から、発明者等は、液相中で発振させるためには、等価抵抗値Ｒ１（Ω）は１５０（Ω）以下であることが望ましく、又、ＳＣカット水晶片の電極面積と水晶片の表面積との関係（「電極面積」／「水晶片面積」）（％）は、４０（％）以上であることが望ましとの結論に達した。

この発明の第２の実施例を、図１０に基づいて説明する。
実施例１では、片面コンベックレンズ形状のＳＣカット水晶振動子４であるが、この実施例２の場合には、ＳＣカット水晶振動子２４は両面コンベックスレンズ形状である。

まず、発明者等は、上記実施例１の場合と同様に、水晶の結晶からＳＣカットした水晶片を切り出した。次いで、この切り出したＳＣカットした水晶片の両面を研磨して両面コンベックスレンズ形状に形成した。

次いで、図１０に示すように、両面コンベックスレンズ形状の水晶片の全表面を鏡面仕上げして両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片２１を形成した。このようにして形成した両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片２１の表面に、２つの電極(図示せず)を固定して両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子２４を形成した。

次に、両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片２１の表面に、２つの電極を固定して両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子２４を形成した。なお、電極等の材料等については、実施例１と同様である。又、ＳＣカット水晶振動子２４の等価抵抗値は、実施例１の場合と同様に、可能な限り小さくした。このようにすることにより、液相中でも発振可能な両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子２４を形成した。

発明者等は、このようにして形成した両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子２４の試作品について、実施例１と同様に、発振波形の観測を行った結果、ほぼ実施例１と同様な結果が得られた。

この発明による水晶振動子４は、水晶発振回路として時計、通信機器、コンピュータなどに広く利用することが出来るとともに、液相中でも発振するので、バイオセンサーとしても有用である。従って、医療診断システムを構築する際、電解質分析装置や血液ガス分析装置等に用いることが出来る。又、水晶振動子マイクロバランサ（ＱＣＭ）として、さらに、酵素センサーシステム、微生物センサーシステム、免疫センサーシステム等を構築する際、水晶振動子をトランスジューサとしてＱＣＭ法に用いることが出来る等幅広い利用分野がある。

１、２１ ＳＣカット水晶片
４、２４ ＳＣカット水晶振動子
４ａ、４ｂ ＳＣカット水晶振動子４の電極
４ａａ、４ｂｂ 電極４ａ、４ｂの電極面
５ 基板
６ 圧電センサ
１３ 基板５の凹部
１４ 封じ板
１５ 導電性接着剤
１７ 防水性部材
１８ 貫通孔

Claims (18)

1. 水晶の結晶からＳＣカットした水晶片を切り出し、
   この水晶片の一方の面を研磨して片面コンベックスレンズ形状に形成し、
   この片面コンベックスレンズ形状の水晶片の他方の面（平面側）の角部を面取り（ベベリング）するとともに、この水晶片の全表面を鏡面仕上げして片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片を形成し、
   この片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、複数の電極を固定して片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を形成し、
   このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成したこと
   を特徴とするＳＣカット水晶振動子の製造方法。
2. 水晶の結晶からＳＣカットした水晶片を切り出し、
   この水晶片の両面を研磨して両面コンベックスレンズ形状に形成し、
   この両面コンベックスレンズ形状の前記水晶片の全表面を鏡面仕上げして両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片を形成し、
   この両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、複数の電極を固定して両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を形成し、
   このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成したこと
   を特徴とするＳＣカット水晶振動子の製造方法。
3. 前記ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値は、液相中で１５０（Ω）以下としたこと
   を特徴とする請求項１〜請求項２の何れかに記載のＳＣカット水晶振動子の製造方法。
4. 前記ＳＣカット水晶片の電極面積と水晶片の表面積との関係（「電極面積」／「水晶片面積」）は、４０（％）以上としたこと
   を特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のＳＣカット水晶振動子の製造方法。
5. 水晶の結晶からＳＣカットした水晶片と、
   この水晶片の一方の面を研磨して片面コンベックスレンズ形状に形成され、この水晶片の他方の面（平面側）の角部を面取り（ベベリング）するとともに、この水晶片の全表面を鏡面仕上げして形成した片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片と、
   この片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、固定された複数の電極を有する片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を備え、
   このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成したこと
   を特徴とするＳＣカット水晶振動子。
6. 水晶の結晶からＳＣカットした水晶片と、
   この水晶片の両面を研磨して両面コンベックスレンズ形状に形成され、この水晶片の全表面を鏡面仕上げして形成した両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片と、
   この両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、固定された複数の電極を有する両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を備え、
   このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成したこと
   を特徴とするＳＣカット水晶振動子。
7. 前記ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値は、液相中で１５０（Ω）以下としたこと
   を特徴とする請求項５〜請求項６の何れかに記載のＳＣカット水晶振動子。
8. 前記ＳＣカット水晶片の電極面積と水晶片の表面積との関係（「電極面積」／「水晶片面積」）は、４０（％）以上としたこと
   を特徴とする請求項５〜請求項７の何れかに記載のＳＣカット水晶振動子。
9. ＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサの製造方法において、
   水晶の結晶からＳＣカットした水晶片を切り出し、
   この水晶片の一方の面を研磨して片面コンベックスレンズ形状に形成し、
   この片面コンベックスレンズ形状の水晶片の他方の面（平面側）の角部を面取り（ベベリング）するとともに、この水晶片の全表面を鏡面仕上げして片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片を形成し、
   この片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、複数の電極を固定して片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を形成し、
   このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成し、
   基板の厚み方向に、ＳＣカット水晶振動子を固定するための凹部を形成し、
   この凹部に、導電性接着剤により前記ＳＣカット水晶振動子の一端を気密に封止するとともに、前記基板に固定し、
   少なくとも前記基板から突出する前記ＳＣカット水晶振動子の外周部を防水性部材で被覆することにより、ＳＣカット水晶振動子の一方の電極面の防水処理を行い、
   次いで、前記基板から突出する前記ＳＣカット水晶振動子の他方の電極面のみが測定面として露出するように、前記防水性部材に貫通孔を設けるとともに、この貫通孔の大きさを、前記ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値及び測定試料に基づいて調整すること
   を特徴とするＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサの製造方法。
10. ＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサの製造方法において、
    水晶の結晶からＳＣカットした水晶片を切り出し、
    この水晶片の両面を研磨して両面コンベックスレンズ形状に形成し、
    この両面コンベックスレンズ形状の前記水晶片の全表面を鏡面仕上げして両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片を形成し、
    この両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、複数の電極を固定して両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を形成し、
    このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成し、
    基板の厚み方向に、ＳＣカット水晶振動子を固定するための凹部を形成し、
    この凹部に、導電性接着剤により前記ＳＣカット水晶振動子の一端を気密に封止するとともに、前記基板に固定し、
    少なくとも前記基板から突出する前記ＳＣカット水晶振動子の外周部を防水性部材で被覆することにより、ＳＣカット水晶振動子の一方の電極面の防水処理を行い、
    次いで、前記基板から突出する前記ＳＣカット水晶振動子の他方の電極面のみが測定面として露出するように、前記防水性部材に貫通孔を設けるとともに、この貫通孔の大きさを、前記ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値及び測定試料に基づいて調整すること
    を特徴とするＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサの製造方法。
11. 前記ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値は、液相中で１５０（Ω）以下としたこと
    を特徴とする請求項９〜請求項１０の何れかに記載のＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサの製造方法。
12. 前記ＳＣカット水晶片の電極面積と水晶片の表面積との関係（「電極面積」／「水晶片面積」）は、４０（％）以上としたこと
    を特徴とする請求項９〜請求項１１の何れかに記載のＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサの製造方法。
13. ＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサの製造方法において、
    前記基板の凹部底面に、封じ板を配設するとともに、この封じ板の上面に、前記導電性接着剤により前記ＳＣカット水晶振動子の一端を気密に封止するとともに、前記封じ板に固定したこと
    を特徴とする請求項９〜請求項１２の何れかに記載のＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサの製造方法。
14. ＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサにおいて、
    水晶の結晶からＳＣカットした水晶片と、
    この水晶片の一方の面を研磨して片面コンベックスレンズ形状に形成され、この水晶片の他方の面（平面側）の角部を面取り（ベベリング）するとともに、この水晶片の全表面を鏡面仕上げして形成した片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片と、
    この片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、固定された複数の電極を有する片面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を備え、
    このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成し、
    厚み方向に、ＳＣカット水晶振動子を固定するための凹部を形成した基板と、
    前記凹部に、前記ＳＣカット水晶振動子の一端を気密に封止するとともに、前記基板に固定するための導電性接着剤と、
    少なくとも前記基板から突出する前記ＳＣカット水晶振動子の外周部を被覆することにより、前記ＳＣカット水晶振動子の一方の電極面の防水処理を行う防水性部材と、
    前記基板から突出する前記ＳＣカット水晶振動子の他方の電極面のみを測定面として露出させるために、前記防水性部材に設けた貫通孔と備え、
    この貫通孔の大きさを、前記ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値及び測定試料に基づいて調整可能としたこと
    を特徴とするＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサ。
15. ＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサにおいて、
    水晶の結晶からＳＣカットした水晶片と、
    この水晶片の両面を研磨して両面コンベックスレンズ形状に形成され、この水晶片の全表面を鏡面仕上げして形成した両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片と、
    この両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶片の表面に、固定された複数の電極を有する両面コンベックスレンズ形状のＳＣカット水晶振動子を備え、
    このＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値を、液相中でも発振可能となるように形成し、
    厚み方向に、ＳＣカット水晶振動子を固定するための凹部を形成した基板と、
    前記凹部に、前記ＳＣカット水晶振動子の一端を気密に封止するとともに、前記基板に固定するための導電性接着剤と、
    少なくとも前記基板から突出する前記ＳＣカット水晶振動子の外周部を被覆することにより、前記ＳＣカット水晶振動子の一方の電極面の防水処理を行う防水性部材と、
    前記基板から突出する前記ＳＣカット水晶振動子の他方の電極面のみを測定面として露出させるために、前記防水性部材に設けた貫通孔と備え、
    この貫通孔の大きさを、前記ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値及び測定試料に基づいて調整可能としたこと
    を特徴とするＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサ。
16. 前記ＳＣカット水晶振動子の等価抵抗値は、液相中で１５０（Ω）以下としたこと
    を特徴とする請求項１４〜請求項１５の何れかに記載のＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサ。
17. 前記ＳＣカット水晶片の電極面積と水晶片の表面積との関係（「電極面積」／「水晶片面積」）は、４０（％）以上としたこと
    を特徴とする請求項１４〜請求項１６の何れかに記載のＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサ。
18. ＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサにおいて、
    前記基板の凹部に配設し、上面に前記導電性接着剤により前記ＳＣカット水晶振動子の一端を気密に封止するとともに、固定するための封じ板を設けたこと
    を特徴とする請求項１４〜請求項１７の何れかに記載のＳＣカット水晶振動子を用いた圧電センサ。

Images