JP2020153928A - 感知センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子の温度を上昇させて当該圧電振動子に付着した被感知物質を気体として脱離させ、当該圧電振動子の発振周波数の変化に基づいて前記被感知物質を感知するための感知センサについて、精度高く感知を行うこと【解決手段】圧電振動子７と、発振周波数を取得する下限温度に冷却された当該圧電振動子７の温度を上昇させて前記被感知物質を脱離させるための温度調整部９３、９４と、を備えるセンサモジュール３と、前記センサモジュール３を冷却する第１の冷却部２２、２３と、前記圧電振動子７が前記下限温度に冷却される前に当該下限温度以下の温度に冷却され、前記センサモジュール３が置かれる雰囲気の異物であるガスを固化させて捕集するための異物捕集部２４、２５と、を備えるように感知センサ２を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子の周波数変化により被感知物質を感知する感知センサに関する。

ガス中に含まれる物質を感知するための手法として、水晶振動子を用いたＱＣＭ（Quartz crystal microbalance）が知られている。このようなＱＣＭの一つとして、感知センサを真空容器内に配置し、当該感知センサを構成するセンサモジュールに含まれる水晶振動子を冷却して比較的低い温度とすると共に、ガス化した試料（試料ガス）を真空容器内に供給して当該水晶振動子に付着させた後、水晶振動子の温度を徐々に上げてガスを脱離させる測定手法が知られている。この測定手法によれば、試料ガスの脱離前後の周波数変化量を検出することで試料ガスの付着量が検出され、試料ガスが脱離する温度を検出することで試料ガスの成分を特定することができる。

上記のように真空容器内にて水晶振動子の温度を変化させて測定を行うＱＣＭとして、ＣＱＣＭ（Cryogenic QCM）が知られている。このＣＱＣＭに用いられる感知センサとしては、真空容器内にて例えば−１９６℃の極低温の液体窒素が供給される部材（シュラウド）に取り付け用金具を介してセンサモジュールが接続され、当該金具を介してセンサモジュールが冷却される構成とされる。しかし、そのような極低温の液体窒素を扱うことは手間がかかるし、感知センサの構成が大掛かりとなってしまう。

そこで手軽に測定を行うために、上記のＣＱＣＭに代りＴＱＣＭ（Thermoelectric QCM）と呼ばれる手法を用いることが検討されている。このＴＱＣＭに用いられる感知センサを構成するセンサモジュールには、水晶振動子の温度変更を能動的に行うためにペルチェ素子が内蔵される。特許文献１には、そのようにペルチェ素子を含むセンサモジュールについて記載されている。

２０１１−２１５０２４号公報

ところで、ＴＱＣＭ及びＣＱＣＭで測定を繰り返し行うにあたり、先の測定の試料ガスが、後の測定の開始直前に真空容器内に残留している懸念が有る。また、真空容器を開放したときに真空容器内に外部からガスが流入するおそれが有る。つまり、測定対象となる試料ガス以外のガス（説明の便宜上、異物ガスとする）が、測定開始直前に真空容器内に含まれた状態となるおそれが有る。ただし、ＣＱＣＭ用の感知センサについては、シュラウドに極低温の液体窒素が供給されるため、感知センサを構成する各部位のうちこのシュラウドの表面の温度が最低温度となる。そのため、上記の異物ガスはシュラウドに接すると固化物となって付着し、測定中はシュラウドに付着し続ける。

しかし、ＴＱＣＭ用の感知センサについては上記のシュラウドが設けられておらず、既述のように測定を行うために水晶振動子を冷却したときに、当該水晶振動子が当該感知センサにおいて最も温度が低い部位となるため、異物ガスが当該水晶振動子に接して固化物となって付着してしまう。そして、水晶振動子の温度を上昇させて測定を行うにあたり、この固化物が再度異物ガスとなって水晶振動子から脱離することで、試料のガスについての測定を正確に行えないおそれが有る。例えば、真空容器の内壁を液体窒素などで冷却して、水晶振動子よりも低い温度にすることによってそのような問題を解決することが考えられるが、手軽に測定を行えるというＴＱＣＭの利点が損なわれてしまう。上記の特許文献１には、このような問題の解決手法については記載されていない。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電振動子の温度を上昇させて当該圧電振動子に付着した被感知物質を気体として脱離させ、当該圧電振動子の発振周波数の変化に基づいて前記被感知物質を感知するための感知センサについて、精度高く感知を行うことである。

本発明の感知センサは、圧電振動子の温度を上昇させて当該圧電振動子に付着した被感知物質を気体として脱離させ、当該圧電振動子の発振周波数の変化に基づいて前記被感知物質を感知するための感知センサにおいて、
前記圧電振動子と、前記発振周波数を取得する下限温度に冷却された当該圧電振動子の温度を上昇させて前記被感知物質を脱離させるための温度調整部と、を備えるセンサモジュールと、
前記センサモジュールを冷却する第１の冷却部と、
前記圧電振動子が前記下限温度に冷却される前に当該下限温度以下の温度に冷却され、前記センサモジュールが置かれる雰囲気の異物であるガスを固化させて捕集するための異物捕集部と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、感知センサを構成する圧電振動子が置かれる雰囲気の異物であるガスが、冷却された当該圧電振動子に付着することが抑制される。従って、感知センサによる感知精度を高くすることができる。

本発明の実施形態に係る感知センサを含む感知装置の側面図である。 感知センサの上面図である。 前記感知センサにおける熱の移動を示す模式図である。 前記感知センサに含まれるセンサモジュールの縦断側面図である。 前記センサモジュールの分解斜視図である。 前記センサモジュールを構成する水晶振動子の概略縦断側面図である。 前記センサモジュールにおける熱の移動を示す模式図である。 前記感知装置のブロック図である。 前記感知装置による測定手順を示す工程図である。 前記感知装置による測定手順を示す工程図である。 前記感知装置による測定手順を示す工程図である。 前記感知装置による測定手順を示す工程図である。 感知センサの他の構成例を示す側面図である。

本発明の一実施形態であるＴＱＣＭを行うための感知装置１について、縦断側面図である図１を参照しながら説明する。感知装置１は、真空容器１１と、セル１２と、感知センサ２と、制御機器４と、を備えており、真空容器１１内にセル１２及び感知センサ２が設けられている。真空容器１１内は排気機構１３により排気され、内部が所望の圧力の真空雰囲気となる。真空容器１１内の上部側にセル１２が設けられており、セル１２には感知対象（測定対象）である固体の試料が貯留されている。セル１２は当該試料を加熱して気化させて試料ガスとして、感知センサ２に供給できるように構成されている。

続いて感知センサ２について、図２の平面図も参照しながら説明する。感知センサ２は、取り付け用金具２１、ペルチェ素子２２、冷却プレート２３、積層ペルチェ素子２４、トラッププレート２５及びセンサモジュール３を備えている。センサモジュール３については、背景技術の項目で述べたように水晶振動子と、当該水晶振動子の温度を変更するためのペルチェ素子と、が含まれている。取り付け用金具２１、ペルチェ素子２２、冷却プレート２３、積層ペルチェ素子２４、トラッププレート２５については、この順に下方から上方に積層されている。

取り付け用金具２１は真空容器１１内に水平に設けられた矩形板であり、その一端部はペルチェ素子２２の冷却面である下面に接している。また、取り付け用金具２１の他端部には開口部２１Ａが設けられており、センサモジュール３は後述の突起５７がこの開口部２１Ａに差し込まれて、当該取り付け用金具２１上に設置されている。

そして、ペルチェ素子２２の放熱面である上面に接するように、ヒートシンクである冷却プレート２３が水平に設けられている。当該冷却プレート２３内には、冷媒として例えば冷却水が通流する流路が形成されている。図中２１Ａ、２１Ｂは各々冷却プレート２３に一端が接続される冷却水の供給管、冷却水の排出管であり、これら供給管２３Ａ、排出管２３Ｂの各他端は、真空容器１１の外側に設けられた図示しない冷却水温調機構に接続されている。当該冷却水温調機構、冷却プレート２３、供給管２３Ａ、排出管２３Ｂはチラーを構成しており、従ってこれらの各部材によって形成される循環路を冷却水が流通する。冷却プレート２３の流路には冷却水温調機構により、例えば−２０℃に冷却された冷却水が供給され、当該冷却プレート２３の表面が同様に−２０℃に冷却される。

冷却プレート２３上の積層ペルチェ素子２４については、例えば３段に積み重ねられたペルチェ素子により構成されている。つまり、上段側のペルチェ素子の放熱面と下段側のペルチェ素子の吸熱面とが接するように３つのペルチェ素子が互いに積層されて構成されているが、図中では積層ペルチェ素子２４を構成する各個のペルチェ素子の表示は省略している。積層ペルチェ素子２４の放熱面、吸熱面は夫々下方、上方に向けられている。より詳しく述べると、積層ペルチェ素子２４を構成する３つのペルチェ素子のうちの最下段のペルチェ素子の放熱面は下方に向けられ、積層ペルチェ素子２４を構成する３つのペルチェ素子のうちの最上段のペルチェ素子の吸熱面は上方に向けられている。

トラッププレート２５については水平に設けられた矩形状の板であり、既述の異物ガスを冷却して付着させるための部材である。トラッププレート２５の一端部が、上記のように積層ペルチェ素子２４上に積層されている。そして、トラッププレート２５の他端部には開口部２６が形成されており、当該開口部２６はセンサモジュール３上に位置すると共にセル１２の下方に配置されている。上記のように開口部２６が設けられることで、平面で見ると、センサモジュール３は周囲をトラッププレート２５に囲まれている。そのような構成とすることで、センサモジュール３の周囲に亘って異物ガスをトラッププレート２５に付着させることができるようにし、異物ガスのセンサモジュール３への付着が、より確実に抑制されるようにしている。

図中２９はネジであり、積層される取り付け用金具２１、ペルチェ素子２２、冷却プレート２３、積層ペルチェ素子２４、トラッププレート２５を互いに密着するように固定している。そのように各部材を密着させることで、当該部材間での伝熱が効率良くなされるようにしている。図３は、感知センサ２における熱の流れを矢印で示す模式図である。トラッププレート２５は積層ペルチェ素子２４により冷却され、その積層ペルチェ素子２４の放熱面は冷却プレート２３により冷却される。

この積層ペルチェ素子２４は、上記のように３つのペルチェ素子の積層体であるために高い冷却作用を有している。さらに冷却プレート２３により冷却されることで、当該積層ペルチェ素子２４の冷却面の温度は非常に低い温度となる。周波数が取得されて測定が行われる水晶振動子の温度範囲を測定温度範囲とすると、上記のように積層ペルチェ素子２４によって冷却されるトラッププレート２５の温度は、この測定温度範囲の下限温度よりも低い温度、例えば−９０℃になる。なお、この例では測定温度範囲は−８０℃〜１２５℃として、測定を行う前に予め設定されている。上記のように冷却されるトラッププレート２５は、センサモジュール３が置かれる真空容器１１内の雰囲気の異物ガスを固化させて捕集する捕集部本体をなし、積層ペルチェ素子２４は、当該トラッププレート２５を冷却するための第２のペルチェ素子をなす。

また、取り付け用金具２１はペルチェ素子２２により冷却され、ペルチェ素子２２は冷却プレート２３により冷却される。それにより、取り付け用金具２１は例えば−４０℃と、比較的低い温度に冷却される。それにより、後述のように水晶振動子７を冷却するためにセンサモジュール３で発生する熱を、この取り付け用金具２１を介して放熱させることができる。このように第３のペルチェ素子をなすペルチェ素子２２及び冷却流路形成部をなす冷却プレート２３は、接続部材である取り付け用金具２１を介してセンサモジュール３を冷却する第１の冷却部をなす。

続いて、センサモジュール３について図４の縦断側面図及び図５の分解斜視図を参照して説明する。センサモジュール３は、ベース５、回路基板６、ペルチェ素子９３、ペルチェ素子９４、水晶振動子７を備えるセンサ部８及びカバー９を備えている。センサモジュール３の構造の概略を述べると、ベース５に第１のペルチェ素子であるペルチェ素子９３、９４、センサ部８、カバー９が各々支持され、カバー９によってベース５上のペルチェ素子９３、９４及びセンサ部８が覆われる。カバー９は開口しており、水晶振動子７にガスを供給可能に構成されている。

また、水晶振動子７を発振させる発振回路７５を備える回路基板６は、ベース５の内部に収納されることで、水晶振動子７と発振回路７５との距離が短くなるようにしている。それにより、発振回路７５の負性抵抗を大きくし、水晶振動子７の発振余裕度を大きくすると共に、発振回路７５と水晶振動子７との間の寄生容量を低減させて水晶振動子７の質量変化と発振周波数の変化とが精度高く対応するようにしている。

上記のベース５について説明する。ベース５は、例えばニッケル鍍金がされた銅により構成されており、互いに嵌合されるベース本体５１と蓋部５２とにより構成されている。ベース本体５１は例えば一体成形された、平面視円形のブロックとして構成されている。当該ベース本体５１の一面側の中央部は当該一面側に向けて突出し、平面視円形の突起部５３として構成されており、当該突起部５３の一面は平坦面５３Ａを形成している。この平坦面５３Ａの周縁部から一面側に向けて４つの円筒部５４が突出しており、円筒部５４は平坦面５３Ａの周方向に沿って間隔を空けて設けられている。

また、この平坦面５３Ａには２つの長穴５０が平面視左右に離れ、各々左右に直交して伸びるように開口している。ベース本体５１の他面側の中央部には凹部が形成されており、上記の長穴５０は当該凹部内に開口している。ところで以下の説明では特に記載無い限り、突起部５３の突出方向を上方向、２つの長穴５０の配列方向を左右方向、当該長穴５０の長さ方向を前後方向とする。ただしこの方向については説明の便宜上付すものであり、ここで示す方向となるように使用時のセンサモジュール３の方向が限られるものでは無い。

ベース５を構成する蓋部５２は、ベース本体５１の下方側から上記の凹部を塞いで、上記の回路基板６などを収納する密閉された収納空間５５を形成する円形の板状体５６と、当該板状体５６の下方に突出する突起５７と、を備えている。突起５７には、図示しない電極が設けられている。また、上記の板状体５６の上面側の左右に離れた各位置は隆起し、前後に細長で扁平な支持突起５９を形成している。なお図４中、上記の凹部の底面を、収納空間５５から見た天井面５５Ａとして示している。ベース本体５１が下方側に凹部を備え、下方側から当該凹部をベース本体５１により塞いで収納空間５５が形成されるようにすることで、天井面５５Ａと平坦面５３Ａとの間の壁部を肉厚にして熱容量を高くすると共に、この肉厚の壁部から上記の凹部の側壁への伝熱が良好になされるようにしている。それにより、後述のように平坦面５３Ａ上に配置されるペルチェ素子９３、９４からベース５の下方側への放熱が効率良く行われるようにしている。

続いて、回路基板６について説明する。回路基板６は上面側の中央部、下面側の中央部に各々集積回路６２を備えている。回路基板６の上面側の左右の各端部には、上下方向に伸びる筒状のソケット６３が複数ずつ、前後方向に並べて形成される。ソケット６３は導電性であり、回路基板６に設けられる電極に電気的に接続されている。

上記のベース５の収納空間５５には、回路基板６と共に、２つのスペーサー６５及び２つのガイド部材６７が収納されている。スペーサー６５及びガイド部材６７は、ベース５から回路基板６への伝熱を抑制するために、熱伝導率が低い材料例えばテフロン（登録商標）により構成される。スペーサー６５は回路基板６の下面の左右の各端部と支持突起５９とに挟まれ、これら回路基板６の端部、支持突起５９に各々密着している。ガイド部材６７は回路基板６の上面の左右の各端部と、収納空間５５を形成する天井面５５Ａとに挟まれる共に、これら回路基板６の端部、天井面５５Ａに各々密着している。そのようにスペーサー６５及びガイド部材６７に密着することで回路基板６の上下の位置が固定され、回路基板６の上面側の集積回路６２、下面側の集積回路６２は、天井面５５Ａ、ベース５の蓋部５２から夫々離れている。また、回路基板６の側面は収納空間５５を形成する側壁から離れている。

続いてセンサ部８について説明する。図６は当該センサ部８を構成する圧電振動子である水晶振動子７の概略縦断側面図であり、水晶振動子７は、例えばＡＴカットされた圧電片である円板状の水晶片７０を備えている。水晶片７０の上面側には励振電極７１、７２が離間して設けられ、水晶片７０の下面側には励振電極７３、７４が離間して設けられる。励振電極７１〜７４は円形であり、例えば金（Ａｕ）により構成されている。励振電極７１、７３は対をなし、水晶片７０を挟んで互いに重なり、これらの励振電極７１、７３を第１の励振電極とする。励振電極７２、７４は対をなし、水晶片７０を挟んで互いに重なり、これらの励振電極７２、７４を第２の励振電極とする。水晶片７０の一面側における第１の励振電極７１、第２の励振電極７２は、夫々ガスを付着させる反応電極、ガスを付着させない参照電極である。励振電極７１〜７４の周の一部は水晶片７０の縁部へ引き出されて、図示しない引き出し電極を形成している。

センサ部８は、その中央部に上記の水晶振動子７を保持する基板８０を備えている。当該基板８０の上面には、水晶振動子７の下面側の第１の励振電極７３及び第２の励振電極７４を収納する凹部８１が形成されており、水晶振動子７の周縁部は、当該凹部８１の開口縁部に支持されている。また、基板８０の上面には、水晶振動子７の温度を検出するための温度検出部８２が設けられている（図４、図５参照）。

この温度検出部８２及び上記の各励振電極７１〜７４から延出される引き出し電極については、基板８０に形成される図示しない配線パターンや基板８０に設けられる図示しない導電性クリップなどの導電性部材を介して、導電性のピン８３の上端部に電気的に接続されている。ピン８３は、基板８０の左右の端部に複数ずつ設けられて、前後方向に配列されており、基板８０の下方に伸び出している。そして、当該ピン８３は、ベース５の長穴５０、ガイド部材６７に形成される孔、ソケット６３の孔、基板３１に形成される孔、スペーサー６５に形成される孔６６に順に挿通されており、その下端はベース５の蓋部５２の支持突起５９の側方に位置する。

このようにピン８３が各部材に挿通されることで、センサ部８、ガイド部材６７、回路基板６、スペーサー６５の各々の横方向における位置が固定され、且つセンサ部８を構成する各部と、回路基板６に設けられる電極とが、ピン８３及びソケット６３を介して電気的に接続されている。なお、当該回路基板６に設けられる電極は、図示しない配線によりベース５の突起５７に設けられる電極に接続されている。当該突起５７の電極は配線を介して例えば真空容器１１の外側に設けられる制御機器４に接続されており、後述するように制御機器４により、水晶振動子７の温度調整及び水晶振動子７の周波数の測定を行うことができる。また、上記のようにピン８３が差し込まれた基板８０は、上記のベース５の円筒部５４に支持され、ベース５の平坦面５３Ａに対向する。なお、図５中８４は基板８０を、ベース５の円筒部５４に固定するためのねじである。

続いてカバー９について説明する。このカバー９は、有天井の起立した円筒として構成されており、当該カバー９の下端部はベース５の突起部５３の側周面を囲み、当該ベース５に係合されている。カバー９の天井部には、水晶振動子７の第１の励振電極７１に重なるように開口部９１が設けられ、当該第１の励振電極７１にガスを導入することができる。開口部９１の開口縁は下方へと延伸され、筒状のガイド９２を形成しており、ガイド９２の下端は水晶振動子７から僅かに離間している。

また、上記のセンサ部８の基板８０の下面とベース５の平坦面５３Ａとの間には、上方（他方）から下方（一方）に向けて熱伝導シート９５、ペルチェ素子９３、ペルチェ素子９４、熱伝導シート９６が、この順番で互いに密着して設けられている。また、熱伝導シート９５、９６は、基板８０の下面、平坦面５３Ａに夫々密着している。温度調整部であるペルチェ素子９３、９４については、その上面及び下面が放熱面及び冷却面をなし、供給される電流の方向が切り替えられることで、この放熱面と冷却面とが互いに切り替えられる。具体的に述べると、センサ部８を冷却する際にはペルチェ素子９３、９４共にその上面が冷却面となり、その下面が放熱面となる。センサ部８を加熱する際にはペルチェ素子９３、９４共にその上面が放熱面となり、その下面が冷却面となる。

図７は、以上に述べたセンサモジュール３において水晶振動子７を冷却する際の熱の流れを、矢印で示している。上段側のペルチェ素子９３の冷却面（上面）の温度が低下する一方で、当該ペルチェ素子９３の放熱面（下面）を冷却するためにペルチェ素子９４の放熱面（下面）の温度が上昇する。そして、このペルチェ素子９４からベース５の下方側へと伝熱され、この熱は既述した取り付け用金具２１へと向かって放熱される。ペルチェ素子９３、９４により冷却されること、及び上記のようにペルチェ素子９４からベース５の下方への伝熱が効率良く行われることで、上記したように水晶振動子７の温度を−８０℃という低い温度に低下させることができる。なお、このようにベース５への放熱が行われる際に、回路基板６とベース５の収納空間５５の壁部との間には断熱部であるスペーサー３５及びガイド部材３７が介在しているため、ベース５の熱が回路基板６に伝導することが抑制される。従って、回路基板６の温度上昇が抑制され、当該温度上昇に起因する出力の変化が抑制される。

続いて、図８を用いて上記の回路基板６についてさらに説明すると共に、制御機器４について説明する。回路基板６の集積回路６２は、発振回路７５、及び発振回路７５に供給される電圧を調整するためのレギュレータ７６と、スイッチ７７、７８と、を含む。水晶振動子７における上面側の第１の励振電極７１及び第２の励振電極７２が、集積回路６２に設けられたスイッチ７７を介して発振回路７５に接続され、水晶振動子７における下面側の第１の励振電極７３及び第２の励振電極７４が、集積回路６２に設けられたスイッチ７８を介して発振回路７５に接続される。なお、図中７９は回路基板６に設けられるヒーター抵抗である。制御機器４から供給される電力によって発熱して、回路基板６の温度を調整し、回路基板６を構成する半導体素子が機能し得る温度とする役割を有する。

制御機器４は、上記のレギュレータ７６及びヒーター抵抗７９が並列に接続される電源部４１を備えている。電源部４１により、発振回路７５にレギュレータ７６を介して駆動電圧が印加される。また制御機器４は、周波数測定部４２、制御部４３、及び出力調整部４４を備えている。周波数測定部４２は発振回路７５に接続され、発振回路７５から出力される周波数を測定し、周波数測定部４２にて測定された周波数についてのデータ信号が、制御部４３に入力される。出力調整部４４は温度検出部８２に接続され、当該温度検出部８２にて検出された水晶振動子７の温度に基づいて、ペルチェ素子９３、９４へ供給される電流の向き及び供給電力を調整して、水晶振動子７の温度を調整する。この出力調整部４４の動作は制御部４３により制御され、後述のように水晶振動子７の温度を所定の温度から所定の速度で昇温させることができる。また、出力調整部４４により、ペルチェ素子２２、積層ペルチェ素子２４への給電が制御される。

上記のスイッチ７７、７８が切り替えられることで、発振回路７５に接続される励振電極を、反応電極（第１の励振電極７１、７３）と、参照電極側（第２の励振電極７２、７４）との間で切り替える。この切り替えにより周波数測定部４２においては、反応電極側の第１の発振周波数Ｆ１と、参照電極側の第２の発振周波数Ｆ２とが夫々測定される。また上記の制御部４３は、例えば第１の発振周波数Ｆ１、第２の発振周波数Ｆ２、Ｆ１とＦ２との差分の各々についての経時変化を示すグラフを、制御機器４に設けられる表示部（図示は省略している）に表示する。つまり、装置のユーザーが被感知物質の検出を行うことができるように、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ１−Ｆ２についての各時系列データが表示される。

以下、既述した感知装置１を用いた測定について説明する。真空容器１１内が排気され、所定の圧力の真空雰囲気とされる。このとき図９に示すように、真空容器１１内には、既述した異物ガス１０１が残留している。そして、冷却プレート２３に冷却水が供給された状態で、ペルチェ素子２２及び積層ペルチェ素子２４が動作し、既述したようにトラッププレート２５の温度が設定温度である−９０℃となり、取り付け用金具２１の温度が−４０℃となる。

異物ガス１０１は、このように冷却されたトラッププレート２５に接すると固化し、その固化物はトラッププレート２５に付着する（図１０）。その後、図６で説明したようにペルチェ素子９３、９４の作用により水晶振動子７の温度が低下する。この水晶振動子７の降温中も、トラッププレート２５の温度の方が水晶振動子７の温度よりも低いため、異物ガス１０１はトラッププレート２５に接して固化物となり、当該トラッププレート２５に付着する。従って、異物ガス１０１が触れると当該異物ガス１０１が固化する温度にまで水晶振動子７の温度が達するときには、真空容器１１内の異物ガス１０１は既に固化物となり、トラッププレート２５に付着した状態となっている。従って、水晶振動子７に異物ガス１０１が付着することが抑制される。

水晶振動子７の温度が測定温度範囲の下限である−８０℃に達すると、セル１２中の試料が試料ガス１０２として放出されて水晶振動子７、より詳しくは水晶振動子７の第１の励振電極７１にて冷却されて固化物として付着する（図１１）。そして、回路基板６のスイッチ７７、７８が高速で切り替えられ、制御部４３により反応電極（第１の励振電極７１、７３）の発振周波数Ｆ１と、参照電極側（第２の励振電極７２、７４）の発振周波数Ｆ２と、が交互に時分割で取得される。この発振周波数Ｆ１、Ｆ２の取得を行いながらペルチェ素子９３、９４の作用により、水晶振動子７の温度を例えば１℃／分の速度で上昇させる。

水晶振動子７の昇温により、第１の励振電極７１に付着した固化物が試料ガス１０２となって脱離すると（図１２）、この脱離した試料ガス１０２の量に対応する分、発振周波数Ｆ１が変化する。一方で、参照電極側の第２の励振電極７２においては試料ガス１０２が付着していないため、このような脱離による質量変化が起こらないので第２の発振周波数Ｆ２はほとんど変化しない。水晶振動子７が測定温度範囲の上限である１２５℃に達すると、昇温が停止する。このように水晶振動子７の昇温する間、トラッププレート２５の温度は−９０℃に保たれ、異物ガス１０１の固化物は当該トラッププレート２５に付着したままとなっている。ユーザーは、この水晶振動子７の昇温中に取得された第１の発振周波数Ｆ１と第２の発振周波数Ｆ２との差分の時系列データに基づき、試料ガス１０２の付着量、試料ガスの成分の特定を行う。

この感知センサ２によれば、センサモジュール３における水晶振動子７の温度を測定温度範囲の下限温度に低下させて測定を開始する前に、当該下限温度よりも低い設定温度とされるトラッププレート２５を設けて、異物ガス１０１を当該トラッププレート２５にて固化させて付着させることにより、当該水晶振動子７における異物ガス１０１の固化及び付着を抑制することができる。従って、水晶振動子７を昇温させて測定を行うにあたり、水晶振動子７から試料ガス１０２以外のガスの脱離が抑制されるため、精度高く測定を行うことができる。なお、トラッププレート２５の設定温度は、例えば水晶振動子７の測定温度範囲の下限温度と同じ−８０℃であってもよいが、この下限温度よりも低い温度とすることで、より確実に異物ガス１０１をトラッププレート２５に付着させることができる。

ところで図１３には、感知センサ２の変形例である感知センサ２０を示している。感知センサ２０について、感知センサ２との差異点を中心に説明すると、感知センサ２０は、冷却プレート２３、ペルチェ素子２２、取り付け用金具２１、積層ペルチェ素子２４、トラッププレート２５が下方から上方に向けてこの順に積層されて構成されている。

このように各部材が積層されているため、ペルチェ素子２２及び積層ペルチェ素子２４の各々について可能な範囲内で最大の電圧を印加し、トラッププレート２５を冷却可能な範囲内で最も低い温度としたときには、取り付け用金具２１の温度についても冷却可能な範囲内で最も低い温度とされる。従って、これらのトラッププレート２５及び取り付け用金具２１の各々を最も低い温度となるように制御して感知装置１を運用するにあたり、トラッププレート２５及び取り付け用金具２１の温度のいずれか一方を温度センサで計測してその温度を管理すればよいので、温度センサの数を抑えて、装置構成が簡単になる利点が有る。ただし、積層ペルチェ素子２４の熱が取り付け用金具２１を介してセンサモジュール３へ移動してしまい、水晶振動子７の温度を十分に低下させることができなくなるおそれがあるため、水晶振動子７の温度をより低い温度にする観点からは、上記の感知センサ２の構成が好ましい。なお、図１３では、図３と同様に各部材における熱の流れを矢印で示している。

なお、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。また、水晶振動子について上記の構成例では検出精度を高めるために反応電極及び参照電極を設けて発振周波数Ｆ１、Ｆ２が取得できる構成とし、当該発振周波数Ｆ１、Ｆ２に基づいて検出を行っているが、参照電極を設けずに反応電極のみを設けて発振周波数Ｆ１のみを取得し、当該発振周波数Ｆ１のみに基づいて検出を行ってもよい。また、トラッププレート２５の形状も既述した例には限られないし、異物捕集部をなす捕集部本体を板状とすることにも限られない。

２ 感知センサ
２１ 取り付け用金具
２２ ペルチェ素子
２３ 冷却プレート
２４ 積層ペルチェ素子
２５ トラッププレート
３ センサモジュール
７ 水晶振動子
９３、９４ ペルチェ素子

Claims (7)

1. 圧電振動子の温度を上昇させて当該圧電振動子に付着した被感知物質を気体として脱離させ、当該圧電振動子の発振周波数の変化に基づいて前記被感知物質を感知するための感知センサにおいて、
   前記圧電振動子と、前記発振周波数を取得する下限温度に冷却された当該圧電振動子の温度を上昇させて前記被感知物質を脱離させるための温度調整部と、を備えるセンサモジュールと、
   前記センサモジュールを冷却する第１の冷却部と、
   前記圧電振動子が前記下限温度に冷却される前に当該下限温度以下の温度に冷却され、前記センサモジュールが置かれる雰囲気の異物であるガスを固化させて捕集するための異物捕集部と、
   を備えることを特徴とする感知センサ。
2. 前記温度調整部は、第１のペルチェ素子を含むことを特徴とする請求項１記載の感知センサ。
3. 前記異物捕集部は、異物が固化される捕集部本体と、
   前記捕集部本体を冷却する第２のペルチェ素子と、を含むことを特徴とする請求項１または２記載の感知センサ。
4. 前記第１の冷却部は、
   前記センサモジュールを冷却するための第３のペルチェ素子と、
   前記第３のペルチェ素子を冷却するための冷媒の流路を備えた冷却流路形成部と、
   を備える請求項３記載の感知センサ。
5. 前記センサモジュール、前記第３のペルチェ素子に各々接続される接続部材が設けられ、
   前記接続部材、前記第３のペルチェ素子、前記冷却流路形成部、前記第２のペルチェ素子、前記捕集部本体の順で積層されていることを特徴とする請求項４記載の感知センサ
6. 前記センサモジュール、前記第３のペルチェ素子に各々接続される接続部材が設けられ、
   前記冷却流路形成部、前記第３のペルチェ素子、前記接続部材、前記第２のペルチェ素子、前記捕集部本体の順で積層されていることを特徴とする請求項４記載の感知センサ
7. 前記捕集部本体は、前記第３のペルチェ素子に重なる位置から離れた位置に、前記センサモジュールに重なる開口部を備えることを特徴とする請求項５または６記載の感知センサ。

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