JP3298897B2 - 質量センサおよび質量検出方法 - Google Patents

質量センサおよび質量検出方法

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孝生 大西
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、ナノグラム（10-9g）オーダーの微小質量
を測定する質量センサ、例えば、細菌、ウィルス、原虫
等の微生物を検出するための質量センサ（免疫センサ）
や、水分や有毒物質あるいは味覚成分等の特定化学物質
の検出に使用される質量センサ（水分計、ガスセンサ、
味覚センサ）と質量検出方法に関し、特に、これら被検
出体とのみ反応して被検出体を捕捉する捕捉物質を塗布
した振動板の質量変化に基づく共振周波数の変化を測定
することで、被検出体の質量を測定する目的に好適に使
用される質量センサおよび質量検出方法に関する。
また、本発明の質量センサは、上述のように、振動板
に塗布された捕捉物質の質量変化を測定する、すなわ
ち、間接的な振動板の質量変化を測定することに限られ
ず、振動板自体の質量変化に基づく共振周波数の変化を
検知することも、当然可能であるため、蒸着膜厚計や露
点計としても用いられる。
さらに、直接的あるいは間接的に振動板の質量を変化
させることがなくとも、共振周波数の変化を起こさせる
環境に置く、すなわち、真空度や粘性、温度等の異なる
気体や液体等の媒体環境下に置くことによって、真空計
や粘性計、温度センサとしても使用することができる。
このように、本発明の重量センサは、その実施の形態
により、種々の用途があるが、振動板および振動板を含
む共振部の共振周波数の変化を測定するという基本的な
測定原理は同じものである。
背景技術 近年の科学技術、医療技術の進歩と、抗生物質や化学
薬品等の新たに開発される薬品により、これまで治療が
困難とされていた種々の病気についての治療が可能とな
ってきている。一方で、こうした医療文明に慣れた特に
先進国においては、人間の免疫抵抗力が低下し、従来、
人間に危害を及ぼすことのなかった物質や微生物により
種々の病気が発病するようになってきている。
病気と呼ばれるもののうち、細菌やウィルス、原虫と
いった微生物に起因する病気については、これらの病原
体を見つけ出し、それがいかなる種類のものかを明らか
にし、さらに、どのような薬剤に感受性があるかを決定
する微生物検査が、病気の治療に必要不可欠である。
現在では病状からおおよその原因、病原体の種類を推
測することが可能であるため、微生物検査の第一段階で
は、病気の種類によって血液等の種々の検体が選ばれ、
検体中に存在する病原体を形態学的にあるいは、検体中
に存在する抗原あるいは病原体の特異代謝産物（毒素や
酵素等）を免疫化学的に確認している。この過程は、細
菌検査で行われている塗抹、染色、鏡検の作業であり、
最近は、この段階で蛍光抗体染色や酵素抗体染色等によ
り、即時同定が可能となってきている。
また、近年、ウィルスの検出に用いられているウィル
ス血清検査法は、患者の血清中に出現する特異免疫抗体
を証明する方法であり、例えば、試験血液へ補体を加え
ることによって、補体がその血液中の抗原もしくは抗体
と反応して抗原もしくは抗体の細胞膜へ付着するか、あ
るいは細胞膜を破壊することにより抗体もしくは抗原の
存在を決定する補体結合反応が例として挙げられる。
病状が従来に見られない新たなもので、その病気がこ
れまでに未発見な新たな病原体によるものである極めて
特殊な場合を除けば、微生物等による病気の治療におい
ては、上述した微生物検査により、早期に病原体を発見
することで、適当な処置を施すことができ、病状が悪化
することなく病人を回復に導くことが可能となる。
しかしながら、上述した塗抹、染色、鏡検等の方法で
は、微生物の量により検出が困難な場合が多々あり、必
要に応じて検体を寒天培地等で培養するといった時間を
要する処理を行う必要がある。また、ウィルス血清検査
法においては、原則として、急性期と恢復期の両者につ
いて測定し、その抗体量の動きから判定する必要があ
り、早期診断という観点から時間的な問題がある。
ところで、上述した補体結合反応にみられるように、
被検出体たる特定の微生物とのみ反応して被検出体を捕
捉する捕捉物質と被検出体が反応した場合には、非常に
小さいが被検出体の質量の分だけ捕捉物質の質量が増加
する。このような質量増加は、特定のガス物質や臭い成
分等の化学物質とその捕捉物質との関係においても同様
であり、さらに、質量変化のない基板自体を捕捉物質と
見立てて、その基板に特定物質が析出、付加等した場合
にもあてはまる。反対に、捕捉物質等に捕捉されていた
被検出体が脱離するような反応が起こった場合には、捕
捉物質等の質量が微小に減少することとなる。
このような微小質量の変化を検出する方法として、例
えば、米国特許No.4789804には、図27に示されるよう
に、水晶振動子81の対向する面に電極82・83を形成し、
この電極82・83に何らかの物質が外部から付着したとき
の電極面の面方向の水晶振動子81の厚みすべり振動の共
振周波数の変化を利用して、その質量変化を検出する質
量センサ80が開示されている。そして、このような質量
センサ80は、基本的に、水晶振動子81の質量負荷の変化
に基づく共振周波数の変化を測定するものであるため、
例えば、蒸着膜の膜厚や膜成長を計測するための蒸着膜
厚計あるいは水分計等としても使用が可能と考えられ
る。
しかし、このような水晶振動子81を用いた場合には、
外部からの物質の付着部と共振周波数の検出部とは同じ
部位となるため、例えば、検体の温度あるいは温度変化
により質量センサ80自体の圧電特性が変化した場合に
は、共振周波数が一定せず、また、検体が導電性溶液の
場合には質量センサ80をそのまま検体に浸漬すると、電
極間の短絡を引き起こすために常に、樹脂コーティング
等の絶縁処理を施さなければならないといった不具合が
生ずる。
発明の開示 本発明は上述した微小質量センサの問題点に鑑みてな
されたものであり、本発明によれば、以下に記す第１か
ら第６の質量センサが提供される。
まず、第１の質量センサとして、検出板の少なくとも
一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設さ
れ、少なくとも１枚の薄板状の振動板の一側面が、当然
振動板の平板面と当該検出板の平板面とが互いに直交す
るように当該検出板の一側面に接合され、当該検出板の
他の一側面がセンサ基板に接合されて、当該検出板と当
該振動板および当該圧電素子から共振部が形成されてな
ることを特徴とする質量センサ、が提供される。
また、第２の質量センサとして、連結板と振動板とが
互いの側面において接合され、検出板が、当該振動板と
当該連結板との接合方向と直交する方向において、当該
連結板と互いの側面において接合され、当該検出板の少
なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が
配設され、当該連結板と当該検出板の少なくとも一部の
側面が、センサ基板側面に接合されて、当該振動板と当
該連結板と当該検出板および当該圧電素子から共振部が
形成されてなることを特徴とする質量センサ、が提供さ
れる。
さらに、第３の質量センサとして、連結板と振動板と
が互いの側面において接合され、２枚の検出板が、当該
振動板と当該連結板との接合方向と直交する方向におい
て、当該連結板を挟持するように当該連結板と互いの側
面において接合され、少なくとも一方の当該検出板の少
なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が
配設され、当該連結板と当該各検出板の少なくとも一部
の側面が、センサ基板の側面に接合されて、当該振動板
と当該連結板と当該各検出板および当該圧電素子から共
振部が形成されてなることを特徴とする質量センサ、が
提供される。
ここで、第３の質量センサにおいては、連結板を介し
て対向する各検出板において、一方の検出板の少なくと
も一方の平板面に圧電素子が配設され、他方の検出板に
は、この他方の検出板と当該連結板との接合方向に垂直
な方向に１以上、好ましくは複数のスリットが形成され
ていることが好ましい。また、連結板を介して対向する
各検出板の少なくとも同方向の平板面にそれぞれ圧電素
子が配設され、一方の検出板に配設された圧電素子にお
ける圧電膜の分極方向と、他方の検出板に配設された圧
電素子における圧電膜の分極方向とが、互いに連結板に
対して逆向きとすることが好ましい。
次に、第４の質量センサとして、直接には接合されな
い連結板と検出板とが、振動板との接合方向が互いに平
行となるように、当該振動板とそれぞれ側面において接
合され、当該連結板および当該検出板がセンサ基板の一
側面に接合され、当該検出板の少なくとも一方の平板面
上の少なくとも一部に圧電素子が配設されて、当該振動
板と当該連結板と当該検出板および当該圧電素子から共
振部が形成されてなることを特徴とする質量センサ、が
提供される。
第５の質量センサとして、２枚の連結板によって、振
動板を互いの側面で接合して挟持したものが、センサ基
板に設けられた凹部の側部側面の間に跨設され、２枚の
検出板が、当該各連結板が当該振動板を挟持する方向と
直交する方向において、それぞれ当該各連結板と当該凹
部の底部側面に跨設され、当該各検出板の少なくとも一
方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設され
て、当該振動板と当該各連結板と当該各検出板および当
該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴とす
る質量センサ、が提供される。
ここで凹部とは、対向する側面とそれら側面を接続す
る底部側面とからなるものをいうが、本発明において
は、必ずしも底部側面は一平面である必要はなく、底部
側面に窪みを設けたり、あるいは逆に突起部を設ける
等、振動板の振動や共振周波数の測定に影響を及ぼさな
い限りにおいて、種々に形状を変更することができるも
のをいう。
さらに、第６の質量センサとして、２枚の連結板によ
って、振動板を互いの側面で接合して挟持したものが、
センサ基板に設けられた貫通孔に跨設され、少なくとも
複数の検出板が、当該各連結板が当該振動板を挟持する
方向と直交する方向において、当該各連結板と当該貫通
孔の側面との間もしくは当該振動板と当該貫通孔の側面
との間に跨設され、少なくとも１枚の当該各検出板の少
なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が
配設されて、当該振動板と当該各連結板と当該各検出板
および当該圧電素子から共振部が形成されてなることを
特徴とする質量センサ、が提供される。
ここで第６の質量センサにあっては、連結板もしくは
振動板を介して対向する各対の検出板において、一方の
検出板の少なくとも一方の平板面に圧電素子を配設した
場合には、他方の検出板にはこの他方の検出板と連結板
との接合方向に垂直な方向に１以上、好ましくは複数の
スリットを形成することが好ましい。また、連結板もし
くは振動板を介して対向する各検出板の少なくとも同方
向の平板面にそれぞれ圧電素子を配設した場合には、一
方の検出板に配設された圧電素子における圧電膜の分極
方向と、他方の検出板に配設された圧電素子における圧
電膜の分極方向とを、互いに連結板もしくは振動板に対
して逆向きとすることが好ましい。
これら第２〜第６の質量センサにおいては、連結板と
振動板および検出板がお互いに接合されるときに同一板
平面を形成する、すなわち、これらの部材がほぼ同一の
厚みを有することが好ましい。また、検出板が、連結板
およびセンサ基板により形成される凹部に嵌合され、接
合されている構造とすることも好ましい。このため、振
動板と連結板および検出板が、１枚の振動プレートから
一体的に形成され、センサ基板が振動プレートとベース
プレートを積層して、一体的に形成されていることが好
ましい。
また、連結板における一方の平板面もしくは両平板面
に、バネ板が貼合され、そのバネ板が、センサ基板もし
くはバネ板補強部に接合されていることが好ましい。こ
のとき、このバネ板が、接着剤等を用いて貼合した構造
ではなく、振動プレートとベースプレートとの間に嵌挿
されて一体化される中間プレートと一体的に形成され、
もしくは、振動プレートと一体的に形成されるバネ板補
強部と一体的に形成され、さらに、連結板とも一体的に
形成されていることが好ましい。なお、このようなバネ
板は、連結板が複数枚あるときは、連結板とバネ板が接
合された形状が同じになるようにすることが好ましい。
また、バネ板に貼合され、かつ、センサ基板の側面に接
合された補強板を設けることも好ましく、ここで、補強
板は、バネ板およびセンサ基板と一体的に形成されてい
ることが好ましい。
次に、上述した本発明に係る全ての質量センサは、振
動板に被検出体とのみ反応して被検出体を捕捉する捕捉
物質を塗布し、捕捉物質に被検出体が捕捉されていない
状態、および捕捉物質に被検出体が捕捉された後の状態
における共振部の共振周波数の変化を圧電素子により測
定することにより、捕捉された被検出体の質量を測定す
る用途に好適に使用される。
そして、これらの質量センサには、共振部がセンサ基
板に少なくとも２箇所以上設けられ、１つの共振部にお
ける振動板には捕捉物質を塗布せずに参照用の共振部と
することが好ましく、他方、各共振部に種類の異なる捕
捉物質を塗布する、すなわち、１つのセンサ内に２種類
以上の異なる捕捉物質が別々に塗布された複数の共振部
を設けることもまた好ましい。ここで、共振部を２箇所
以上設けて各共振部からの信号を積算することによりダ
イナミックレンジを大きくすることもできる。そして、
このような共振部はセンサ基板内部に任意形状の貫通孔
を形成し、この貫通孔の内周面に形成してもよい。
また、１つの圧電素子を２分割し、一方を駆動用とし
て用い、他方を検出用として用いると、検出感度を高め
ることができ好ましい。さらに、圧電素子を１つの共振
部に対して２箇所配設し、一方の圧電素子を駆動用とし
て用い、他方の圧電素子を検出用として用いることによ
り検出感度を高めることも好ましい。したがって、１つ
の共振部に対して２箇所配設された圧電素子のそれぞれ
を、さらに２分割してもよく、この場合は、駆動用と検
出用とを組み合わせた圧電素子が、２箇所に配設される
こととなる。
さらに、検体が導電性溶液である場合には、質量セン
サを浸漬させた場合に、振動板はその溶液に浸漬される
が圧電素子はその溶液に浸漬されないように、センサ基
板上の振動板と圧電素子との中間位置に一対の電極から
なる位置センサを設けると、質量センサを好適な位置に
設置できるため、好ましい。また、この圧電素子および
圧電素子の電極とこの電極に接続する電極リードを樹脂
あるいはガラス等からなる絶縁コーティング層により被
覆することで、検体が導電性溶液である場合でも、電極
等の短絡を防止することも可能である。さらに、絶縁コ
ーティング層表面に、導電性部材からなるシールド層を
形成すると、外部からの電磁波等のノイズを減少させる
ことが可能となり、好ましい。
上述した本発明の質量センサを構成するセンサ基板、
振動板、連結板、検出板、バネ板は、安定化ジルコニア
あるいは部分安定化ジルコニアを用いて一体的に形成さ
れていることが好ましく、圧電素子の圧電膜としては、
ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛か
らなる成分を主成分とする材料が好適に使用される。ま
た、振動板、連結板、検出板もしくはバネ板の形状をレ
ーザ加工や機械加工によりトリミングして形状を調整す
ることにより、共振部の共振周波数の調整や共振部の感
度の調節、振動の検出に不要な他の振動モードの抑制が
行われる。さらに、圧電素子における電極を、レーザ加
工もしくは機械加工して、圧電素子の有効電極面積を調
整することも、好ましい。
なお、本願における圧電という語意は、圧電作用なら
びに電歪作用を含むものとし、例えば、圧電素子と称す
るものには電歪素子が含まれ、また、圧電セラミックス
には電歪セラミックスも含まれることを意味する。
次に、本発明によれば、上述した種々の質量センサの
構造に応じた質量検出方法が提供され、まず、少なくと
も１枚の薄板状の振動板の一側面が、当該振動板の平板
面を検出板の圧電素子を配した平板面に直交するように
して、当該検出板の一側面に接合され、当該検出板の他
の一側面がセンサ基板に接合されてなる質量センサにお
いて、当該振動板が、当該振動板と当該検出板との接合
面を固定面として、当該固定面の中心を垂直に貫通する
垂直軸を中心として、当該振動板の側面に垂直かつ当該
垂直軸に垂直な方向に振り子状に振動するθモード揺れ
振動、もしくは、当該垂直軸を中心として、当該振動板
の側面に垂直、かつ、当該垂直軸に垂直な方向への揺れ
が当該振動板の側面に平行な方向の揺れをともないなが
ら振り子状に振動するφモード揺れ振動、あるいは、当
該振動板の当該垂直軸方向における振動、の少なくとも
いずれかの振動に基づく共振周波数を、当該圧電素子に
より測定することを特徴とする質量センサの質量検出方
法、が提供される。
このような質量センサの質量検出方法は、その構成か
ら上述した本発明による第１の質量センサにおける質量
検出方法として好適に採用される。
また、本発明によれば、連結板と振動板とが互いの側
面において接合され、少なくとも１枚の検出板が当該振
動板と当該連結板との接合方向と直交する方向において
当該連結板と互いの側面において接合され、当該連結板
と当該検出板の少なくとも一部の側面が当該センサ基板
側面の一部に接合された、少なくとも１個以上の圧電素
子を有する質量センサにおいて、当該振動板が、当該連
結板と当該センサ基板との接合面を固定面として、当該
固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心として、当
該振動板の側面に垂直、かつ、当該垂直軸に垂直な方向
に振り子状に振動するθモード揺れ振動、もしくは、当
該垂直軸を中心として、当該振動板の側面に垂直かつ当
該垂直軸に垂直な方向への揺れが当該振動板の側面に平
行な方向の揺れを伴いながら振り子状に振動するφモー
ド揺れ振動、の少なくともいずれかの振動に基づく共振
周波数を当該圧電素子により測定することを特徴とする
質量センサの質量検出方法、が提供される。
このような質量センサの質量検出方法は、その構成か
ら上述した本発明による第２および第３の質量センサに
おける質量検出方法として好適に採用される。
さらに、本発明によれば、２枚の連結板によって、振
動板を互いの側面で接合して挟持したものが、センサ基
板に設けられた凹部の側部側面もしくは貫通孔に跨設さ
れ、少なくとも複数の検出板が、当該各連結板が当該振
動板を挟持する方向と直交する方向において、当該各連
結板と当該凹部の底部側面もしくは当該貫通孔の側面と
の間あるいは当該振動板と当該凹部の底部側面もしくは
当該貫通孔の側面との間に跨設されてなる少なくとも１
個の圧電素子を有する質量センサにおいて、当該振動板
が、当該連結板と当該センサ基板との接合面を固定面と
して、当該固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心
として、当該振動板の側面に垂直、かつ、当該垂直軸に
垂直な方向に振り子状に振動するθモード揺れ振動、も
しくは、当該垂直軸を中心として、当該振動板の側面に
垂直、かつ、当該垂直軸に垂直な方向への揺れが当該振
動板の側面に平行な方向の揺れをともないながら振り子
状に振動するφモード揺れ振動、もしくは、当該垂直軸
を中心として、当該振動板の側面に垂直な方向であっ
て、かつ、当該垂直軸に垂直な方向に平行に振動する揺
れ振動、または、当該振動板の平板面内における回転振
動、の少なくともいずれかの振動に基づく共振周波数を
当該圧電素子により測定することを特徴とする質量セン
サの質量検出方法、が提供される。
このような質量センサの質量検出方法は、その構成か
ら上述した本発明による第５および第６の質量センサに
おける質量検出方法として好適に採用されるが、検出板
が連結板としての機能をも有する構造である第４の質量
センサにおいても、好適に用いることができる。
上述の通り、本発明の質量センサによれば、質量セン
サ内に設けられた共振部の共振周波数の変化という具体
的な数値により、確実にしかも短時間の間に振動板に生
じた微小質量の変化を知ることができ、さらに、測定操
作が容易であるという利点を有している。したがって、
共振部の共振周波数を変化させる環境下におくことによ
って、種々の物理量や化学量を測定することが可能であ
る。例えば、振動板の直接の質量変化を利用する蒸着膜
厚計や露点計、振動板の置かれた真空度や粘性あるいは
温度といった環境を利用する真空計や粘性計あるいは温
度センサ、そして、特に、検体中における微生物や化学
物質等の被検出体と選択的に反応する捕捉物質を振動板
に塗布し、その質量変化を利用した被検出体の存在の有
無とその質量の測定に好適に用いることができる。
図面の簡単な説明 図１は、本発明の質量センサの一実施形態を示し、
（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ振動板の位置と配置数を変え
た実施形態の斜視図である。
図２は、本発明の質量センサに配設される圧電素子の
一実施形態を示す斜視図である。
図３は、本発明の質量センサに配設される圧電素子の
別の実施形態を示す斜視図である。
図４は、本発明の質量センサに配設される圧電素子の
さらに別の実施形態を示す斜視図である。
図５は、本発明の質量センサの別の実施形態を示し、
（ａ）は平面図であり、（ｂ）はθモード揺れ振動の説
明図であり、（ｃ）はφモード揺れ振動の説明図であ
る。
図６は、本発明の質量センサのさらに別の実施形態を
示す平面図である。
図７は、本発明の質量センサのさらに別の実施形態を
示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）〜（ｅ）は断面図
である。
図８は、本発明の質量センサの駆動に関する説明図で
ある。
図９は、本発明の質量センサのさらに別の実施形態を
示し、（ａ）、（ｂ）は平面図であり、（ｃ）は断面図
である。
図10は、本発明の質量センサのさらに別の実施形態を
示す平面図である。
図11は、本発明の質量センサのさらに別の実施形態の
外観を示す平面図である。
図12は、図11記載の質量センサにおけるセンサ部の構
造を示す平面図である。
図13は、図12記載の質量センサにおけるセンサ部の構
造を示す斜視図である。
図14は、図12記載の質量センサにおけるセンサ部の構
造を示す別の斜視図である。
図15は、本発明の質量センサのさらに別の実施形態を
示す平面図である。
図16は、本発明の質量センサのさらに別の実施形態を
示す平面図である。
図17は、本発明の質量センサのさらに別の実施形態を
示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。
図18は、本発明の質量センサのさらに別の実施形態を
示す平面図である。
図19は、本発明の質量センサのさらに別の実施形態を
示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は断面図
である。
図20は、本発明の質量センサのさらに別の実施形態を
示す平面図である。
図21は、本発明の質量センサのさらに別の実施形態を
示す平面図である。
図22は、本発明の質量センサのさらに別の実施形態を
示し、（ａ）〜（ｄ）および（ｆ）は検出板を連結板に
接合した種々の構造を示した平面図であり、（ｅ）は検
出板を振動板に接続した構造を示す平面図である。
図23は、本発明の質量センサの作製に用いられるセン
サ基板用のグリーンシートの加工例を示す平面図であ
る。
図24は、本発明の質量センサの作製の際に調整するこ
とが好ましい寸法形状を示す説明図である。
図25は、本発明の質量センサの圧電素子の加工方法の
一例を示す説明図である。
図26は、本発明の質量センサの作動特性を示す説明図
である。
図27は、従来の微小質量センサの基本構造を示す断面
図である。
図28は、従来の水晶摩擦真空計の水晶振動子の構造を
示す斜視図である。
発明を実施するための最良の形態 以下、本発明の実施形態について、特に、特定の被検
出体とのみ反応してその被検出体を捕捉する捕捉物質を
振動板に塗布して用いる質量センサを中心に、図面を参
照しながら説明する。
但し、本発明には上述したように他に多くの用途があ
るため、本発明が以下の説明に限定されるものではない
ことはいうまでもない。
図１（ａ）は本発明の質量センサ50Aの一実施形態を
表す斜視図であり、検出板51の少なくとも一方の平板面
上には、第一電極52、圧電膜53、第二電極54からなる圧
電素子55が設けられている。なお、圧電素子55は、検出
板51の両平面に設けてもよく、第一および第二電極52・
54は、周波数測定機器等に接続するために使用される電
極リード（図示せず）と接続される。
そして、薄板状の振動板56が、振動板56の平板面と検
出板51の平板面とが互いに直交するように検出板51の一
側面に接合される。ここで、検出板51の側面とは、圧電
素子55が配設される検出板51の平板面と垂直な平面、す
なわち厚み方向の平面をいい、一側面とはその側面の一
部をいう。さらに検出板51の他の側面、ここでは振動板
56が接合された反対側の側面がセンサ基板49に接合され
て、振動板56と検出板51および圧電素子55から共振部が
形成され、質量センサ50Aが形成されている。
ここで、振動板とは主に質量変化を起こさせる場もし
くは受ける場であって、後述する種々のモードで振動す
る要素をいい、連結板とは振動板とセンサ基板ならびに
検出板とを連結する要素をいい、検出板とは振動板の動
きよって歪みを生じ、表面に配設した圧電素子等の検知
素子にその歪みを伝達し、もしくはその逆に圧電素子等
の駆動素子が発生する歪みないし振動を振動板に伝達す
る要素をいうものとする。また、センサ基板は、共振部
を保持すると共に、測定装置へ取り付けるための種々の
電極端子を配設し、実際の使用においてハンドリングに
供される要素をいう。
このような質量センサ50Aの使用方法として、例え
ば、振動板56に被検出体とのみ反応してその被検出体を
捕捉する捕捉物質を塗布し、この振動板56を検体たる液
体に浸漬し、もしくは特定ガス等の気体雰囲気にさらし
て、圧電素子55により質量センサ50Aの共振周波数の変
化を測定する方法、もしくは振動板56を検体たる液体に
浸漬させた後に気体中で振動板56を乾燥させて共振周波
数を測定する方法等が挙げられる。なお、このような被
検出体の一例としては病気の原因となる抗原を、また、
捕捉物質としてはこの抗原に対する抗体をそれぞれ挙げ
ることができる。
ここで、質量センサ50Aの共振周波数は、共振部の質
量、特に振動板56の質量に依存して変化する。すなわ
ち、振動板56に被検出体が捕捉されていない状態での共
振部の共振周波数と、被検出体が捕捉された後での共振
部の共振周波数とは、捕捉された被検出体の質量の分に
依存して異なる値を示す。したがって、この共振周波数
の変化を圧電素子55を用いて測定することにより、振動
板56に塗布された捕捉物質に捕捉された被検出体の質量
を測定することが可能となる。
これと同じ原理により、質量センサ50Aは、振動板56
の質量が初期状態から減少するような場合において、そ
の減少量を測定するために使用することも可能である。
例えば、塗布した捕捉物質が何らかの原因で剥離したと
きや、振動板56の材料自体の微小腐食や特定溶液に対す
る微小溶解量を調べる場合、あるいは振動板56に捕捉物
質ではなく特定の化学物質を塗布して、その化学物質の
蒸発、溶解等による変化量を測定する目的にも好適に使
用することができる。
このような質量センサ50Aの構造は、簡単には、少な
くとも１枚の薄板状の振動板56の一側面が、振動板56の
平板面を検出板51の圧電素子55を配した平板面に直交す
るようにして、検出板51の一側面に接合され、検出板51
の他の一側面がセンサ基板49に接合されてなる、と表現
することができるが、ここで、質量センサ50Aにおいて
共振周波数の測定に用いられる振動板の振動モードとし
ては、図１（ａ）中の振動板56と検出板51との接合面を
固定面として、振動板56がこの固定面の中心を垂直に貫
通する垂直軸（Ｙ軸）を中心として、振動板56の側面に
垂直な方向であって、かつ、Ｙ軸に垂直な方向、すなわ
ちＸ軸方向に振り子状に振動するθモード揺れ振動（以
下、「θモード」という）、もしくは、Ｙ軸を中心とし
て、振動板56の側面に垂直かつＹ軸に垂直な方向、すな
わちＸ軸方向への振り子状の振動であって、しかも、Ｙ
軸から離れるにしたがって振動板56の側面に平行な方向
（Ｚ軸方向）へ大きくなる揺れを伴うφモード揺れ振動
（以下、「φモード」という）、あるいは、Ｙ軸方向に
おける振動のうち、少なくともいずれかの振動に基づく
共振部の共振周波数を測定することが好ましい。
なお、これらの各種の変位モードは、振動板56の変位
方向がそれぞれ前述した方向に支配的であることを意味
しているものであって、記された方向以外の方向成分を
完全に排除しているものではない。このことは、以下、
種々の実施の形態について説明する際に、変位モードに
ついて言及する場合にも同様に言えることである。
ところで、これらθモード、φモードについては、後
述する質量センサ30と同等であるので、質量センサ30に
関する説明において詳細に解説することとするが、これ
らの振動モードは、振動板56の側面を利用した剛体モー
ドであることから、特に、振動板56もしくは質量センサ
50A全体を液体に浸漬して用いる場合に好適に用いられ
る。
また、質量センサ50Aを気体中で用いる場合には上記
の振動モードに加え、さらに図１（ａ）中のＺ軸方向へ
の屈曲が支配的である曲げモードも有効に用いることが
できる。また、曲げモードにおいては、液体中での使用
にあっては液体からの粘性、密度の影響が上記θモー
ド、φモードに比べて大きいが、共振周波数を測定して
質量変化を知ることはできる。こうして、振動板56のこ
れら上述の起動に起因して圧電膜53に誘発される電圧を
検出することにより、振動板56の共振周波数変化、すな
わち質量変化を知ることが可能となる。
さて、上述した質量センサ50Aの作動原理を用い、図
１（ａ）と同様に機能する質量センサの実施形態とし
て、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すものを例示することがで
きる。図１（ｂ）に示した質量センサ50Bは、図１
（ａ）における１枚の振動板56を２枚平行に検出板51の
一側面に取り付たものであり、このように振動板56を複
数枚配設することで、ダイナミックレンジを向上させる
ことが可能となる。
なお、複数の振動板56と検出板51との接合位置は、検
出板51におけるセンサ基板49と検出板51との接合側面以
外の側面であれば特に限定されない。また、少なくとも
１枚の振動板56が配設されていればよいので、例えば、
図１（ｃ）に示す質量センサ50Cのように、振動板56を
検出板51の側面のうち検出板51とセンサ基板49との接合
側面に垂直な側面において接合してもよく、さらに、図
１（ｄ）に示す質量センサ50Dのように対向する一対の
側面に各１計２枚の振動板56を設けて、質量センサ50B
と同様にダイナミックレンジの向上を図ることもでき
る。
このとき、振動板56の検出板51との接続位置を、検出
板51のセンサ基板49からなるべく離れた端部近傍とする
と、θモード、φモードのＱ値（尖鋭値、以下、「Ｑ
値」と記す）を大きくとることができる、すなわち、振
動板56の振幅を大きくとることができ、検出感度が向上
するので、好ましい。なお、上記図１（ａ）〜図１
（ｄ）の質量センサ50A〜50Dの実施形態を任意に組み合
わせることができることはいうまでもない。
上述した質量センサ50A〜50Dに配設される圧電素子55
の形態としては、図２に示す第一電極52、圧電膜53、第
二電極54が層状に形成された積層型が代表的であるが、
図３に示すような検出板57上に圧電膜58を配し、圧電膜
58上部に第一電極59と第二電極60とが、一定幅の隙間部
61を形成した櫛型構造を有する圧電素子62Aを用いるこ
ともできる。なお、図３における第一電極59と第二電極
60は、検出板57と圧電膜58との接続面の間に形成されて
もかまわない。さらに、図４に示すように、櫛型の第一
電極59と第二電極60との間に圧電膜58を埋設するように
した圧電素子62Bも好適に用いられる。
ここで、図３および図４に示した櫛型電極を用いる場
合には、ピッチ63を小さくすることで、測定感度を上げ
ることが可能となる。このような図２〜図４記載の圧電
素子は、後述する本発明の質量センサ全てに適用するこ
とができる。
さて、質量センサ50A〜50Dを用いて、上述したように
質量測定等を行うことが可能であるが、このような構造
では、振動板56の面積が小さくならざるを得ず、このた
め捕捉物質を塗布する面積が小さくなり、また、蒸着膜
厚の測定するときには質量変化が小さい等、検出感度を
高める点で限界がある。さらに、振動板56に反りや湾曲
が生ずる可能性があり、加えて、振動板56のみが振動す
るモードが強く現れるおそれもある。そこで、図５
（ａ）に示す構造に変形して用いると、これらの問題が
解決され、好ましい。
すなわち、図５（ａ）は本発明の質量センサの別の実
施形態を示す平面図であり、質量センサ30においては、
振動板31と連結板33とが互いの側面において接合され、
検出板32が振動板31と連結板33との接合方向であるＹ軸
方向と直交する方向、すなわちＸ軸方向において、連結
板33と互いの側面において接合されている。そして、検
出板32の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に
は圧電素子35が配設されて、検出部36が構成され、振動
板31が、センサ基板34と直接に接合されることなく、連
結板33と検出板32の少なくとも一部の側面が、センサ基
板34側面に接合されている。こうして、振動板31と連結
板33と検出板32および圧電素子35から共振部が形成され
て、質量センサ30が形成されている。
ここで、振動板31と連結板33および検出板32は、必ず
しも同一の厚みを有することを必要としないが、好まし
くは、同一平板面を形成するように同じ厚みを有し、さ
らに好ましくは一体的に形成される。そして、このよう
な振動板31と連結板33および検出板32の厚みや接合に関
する条件は、後述する全ての本発明に係る質量センサに
おいても同様に適用される。さらに、連結板33および検
出板32の側面は、センサ基板34と好ましくは一体的に形
成される。
このような質量センサ30の構造は、簡単には、連結板
33と振動板31とが互いの側面において接合され、少なく
とも１枚の検出板32が、当該動板31と連結板33との接合
方向と直交する方向において、連結板33と互いの側面に
おいて接合され、連結板33と検出板32の少なくとも一部
の側面が、センサ基板34側面の一部に接合された、少な
くとも１個以上の圧電素子を有する質量センサ、と表現
することができ、質量センサ30においては、振動板31が
Ｘ軸とＹ軸の両方に垂直なＺ軸方向（図示せず）に屈曲
するように振動する曲げモード、あるいはＹ軸を基軸と
して回転するように振動する軸回転モード、もしくは、
振動板31が振動板31の平板面内においてＹ軸を中心とし
てＹ軸と一定角度θをなすようにＸ軸方向に振り子状に
振動するθモード、さらには、Ｙ軸を中心としたＸ軸方
向への振り子状の振動であり、かつ、Ｙ軸から離れるに
したがって振動板31の側面に平行なＺ軸方向（図示せ
ず）の揺れの成分が大きくなるように振動するφモード
の少なくともいずれかの振動モードを利用することがで
きる。
ここで、上記θモードおよびφモードについてさらに
詳細に説明する。図５（ｂ）は、θモードの説明図であ
り、図５（ａ）の質量センサ30を図５（ａ）中の矢視A
A、すなわち、Ｘ軸上Ｙ軸方向からみた振動板31の位置
の変化の様子を示している。ここで、振動板31の上部端
面31Fは、振動していない状態では位置P1にあるが、前
述の通り、θモードにおいては、振動板31は振動板31の
平板面内、すなわち、Ｘ−Ｙ平面内においてＹ軸を中心
としてＹ軸と一定角度θをなすようにＸ軸方向に振り子
状に振動する。このとき、矢視AAにおいては、振動板31
の上部端面31Fの動きは、Ｘ軸上の位置P2と位置P3との
間を往復移動する振動として表すことができ、この振動
運動をθモードと定義する。
次に、図５（ｃ）はφモードの説明図であり、図５
（ｂ）同様に、図５（ａ）中の矢視AAから見た振動板31
の位置の変化の様子を示している。ここでも振動板31の
上部端面31Fは、振動していない状態では位置P1にあ
る。前述の通り、φモードにおいては、振動板31は、Ｙ
軸を中心としてＸ軸方向へ振り子状に振動するととも
に、Ｙ軸から離れるにしたがって振動板31の側面に平行
なＺ軸方向の揺れの成分が大きくなるように振動する。
すなわち、矢視AAにおける振動板31の上部端面31Fの動
きは、Ｚ軸上の一点を中心Ｏとし、位置P1を通る円弧軌
道Ｓ上の位置P4と位置P5間を往復する振動として表され
る。このときの、振動板31と中心Ｏとを結ぶ直線とＺ軸
とのなす角がφであり、上記振動モードをφモードと定
義する。
さて、これらの各種モードの振動により、圧電素子35
の圧電膜に伸縮応力あるいは撓み応力がかかり、その応
力の大きさに応じた電圧が発生する。このときの振動板
31と連結板33および検出部36からなる共振部の共振周波
数を圧電素子35により測定する。ここで共振部の共振周
波数は、主に振動板31の質量の変化に伴って変化するこ
とから、振動板31に何らかの物質が付着し、あるいは離
脱等して振動板31の質量が変化した場合に、前述した質
量センサ50A〜50Dと同様にして、その質量変化を共振部
の共振周波数の変化から求めることができる。なお、圧
電素子35を検出板32の両平板面にそれぞれ配設し、これ
らの検出する信号を比較演算処理することにより、ダイ
ナミックレンジを大きくとることが可能となる。さら
に、この場合、一方の圧電素子35を振動板31の駆動用
（励振用）に用い、他方の圧電素子35を検出用（受振
用）に用いることにより、検出感度を向上させることが
できる。
ここで、さらに、図５（Ａ）において、１つの圧電素
子35を、Ｙ軸方向に２つの圧電素子35A・35Bが形成する
ように配設し、圧電素子35Aを駆動用に使用し、圧電素
子35Bを検出用に用いると、検出感度を向上させること
ができ、好ましい。なお、このような圧電素子35の分割
形成は、１つの圧電素子35を配設した後に、レーザ加工
等により分割する方法、あるいは圧電素子35を配設する
際に、最初から分割して配設する方向のいずれを用いて
もよい。これら複数の圧電素子の配設とそれぞれの圧電
素子35の分割および使用方法は、本発明に係る全ての質
量センサに適用することができる。
さて、前述の曲げモードを利用して振動板31を液体に
浸漬して共振周波数を測定する場合には、振動板31は振
動板31の面積の大きさに応じて液体からの抵抗を受け、
振動板31の微小質量変化をとらえ難くなる欠点がある。
しかし、検体が気体の場合にはこの抵抗が小さいために
曲げモードを用いることができるが、このときには、振
動板31のＹ軸方向の長さとＸ軸方向の長さを短くとるこ
とが好ましい。
また、Ｙ軸を中心軸とする回転モードにおいては、連
結板33の幅（Ｘ軸方向の幅）を振動板31へ延長した部分
の振動板31のＹ軸近傍での振動板31の質量変化は、振動
板31の回転振動にほとんど影響をおよぼさず、また、振
動板31の左右端における同じ質量変化よりも回転振動に
寄与しないことから、振動板31において質量変化が起こ
る位置によって測定感度に問題が生ずる。この場合、図
６に示す質量センサ30Aのように、振動板31の形状を凹
型とし、Ｙ軸近傍の面積を小さくすることで測定誤差を
小さくすることができる。ここで、質量変化が同じで、
付着位置での測定誤差を小さくするためには、寸法H1を
短くし、ダイナミックレンジを上げるためには寸法H2を
長くすることが好ましい。
これに対し、θモードもしくはφモードを用いた場合
には、検体が液体、気体であるかの別を問わず、図５に
示した寸法H3、H4を短くすることで、付着物質の振動板
31への付着位置による影響を小さくすることができ、し
かも、振動板31の厚みが薄いために密度や粘性等の影響
が小さく、また、振動板31は剛体モードとして動作する
ために温度変化に強く、最も検出感度と対環境性に優れ
たものとなる。したがって、本発明の質量センサにおい
てはθモードもしくはφモードを用いることが好まし
い。
次に、本発明においては、連結板における一方の平板
面もしくは両平板面に、バネ板が貼合され、このバネ板
がセンサ基板もしくはバネ板補強部に接合されている構
造も好適に採用できる。図７（ａ）は、前述した質量セ
ンサ30にバネ板38およびバネ板補強部39を配設した実施
形態たる質量センサ40Aの平面図である。また、図７
（ｂ）〜（ｅ）は、バネ板38およびバネ板補強部39の配
設例を示すＹ軸におけるＸ軸方向から見た種々の断面図
を示している。
バネ板38は連結板33の少なくとも一方の平板面に接合
されるが、その幅は、図７（ａ）に示されるように連結
板33よりも狭くともよいが、連結板33の幅と同じとする
ことが好ましい。また、連結板33の両平板面に同じ材質
からなるバネ板38を配設するときにはそれらの形状を同
じくすることが好ましいが、バネ板38の材質を連結板33
の各平板面で異ならしめるときには、各バネ板38を同形
状とする必要はなく、各バネ板38のヤング率等を考慮し
て、適宜好適な形状に設定することができる。
このようなバネ板38は、原則としてセンサ基板34とも
接合されるが、このとき連結板33のセンサ基板34との接
合位置により、バネ板補強部39の配設の必要性の有無が
判断される。すなわち、図７（ｂ）・（ｃ）に示すよう
に、バネ板38が直接にセンサ基板34に接合できるような
位置に連結板33が接合されている場合には、センサ基板
34がバネ板補強部39の機能を兼ねるためにバネ板補強部
39を別途設ける必要はない。またこのとき、バネ板38
は、連結板33の一方の平板面にのみ配設してもよい。
しかしながら、図７（ｄ）に示されるように、連結板
33がセンサ基板34の端部に接合されている場合には、バ
ネ板38Aについてはセンサ基板34がバネ板補強部39の機
能を兼ねるが、バネ板38Bについては、バネ板38Bを支持
する部位としてバネ板補強部39を設けることが好まし
い。なお、図７（ｅ）に示すように、連結板33がセンサ
基板12端部に接合されている場合であっても、センサ基
板12に接合することができるバネ板38Aのみを設け、バ
ネ板38Bを設けない場合には、バネ板補強部39は必要で
はない。
こうして、バネ板38を設けることにより、共振部の機
械的強度が高められる。また、これにより連結板33およ
び振動板31の薄肉化が図れ、液体中での測定における共
振ピークの減衰が少なくなるといった利点がある。さら
に、連結板33の両平板面にバネ板38を設けた場合には、
圧電素子35により振動板31を励振させるときに、連結板
33とバネ板38から構成されるバネ部の重心点を励振でき
るため、振動板31がθモードに揺れやすくなり、好まし
い。
ここで、図７（ｃ）、（ｄ）に示した実施形態におけ
るＸ軸上Ｙ軸方向から見た断面図をそれぞれ図８
（ａ）、（ｂ）に示すが、図８（ａ）においては、圧電
素子35は、バネ板38Aとバネ板38Bおよび連結板33の中心
ＯをＸ軸方向に励振できるために、振動板31および共振
部全体がＸ軸方向のθモードに揺れやすくなる。これに
対し、図８（ｂ）の場合には、バネ板38Aとバネ板38Bお
よび連結板33の中心Ｏが連結板33上にないために、バネ
板38A自体の有する剛性に起因して回転モードが抑制さ
れているにもかかわらず、圧電素子35によるＸ軸方向の
駆動力（矢印S1）は、中心Ｏに対して回転力（矢印S2）
として加わり、回転モードが生じ易くなる。
前述のように、バネ板38を設けた場合には、さらに図
９の質量センサ40Bに示すように、バネ板38に貼合さ
れ、かつ、センサ基板34の側面に接合されるような補強
板41を設けることも好ましい。なお、図９（ａ）、
（ｂ）は、質量センサ40Bを表裏それぞれの面からみた
正面図を示し、図９（ｃ）は、図９（ｂ）中のＸ軸にお
けるＹ軸方向から見た断面図を示したものである。ここ
で、補強板41は、連結板33に取り付けられたバネ板38A
に貼合され、かつ、センサ基板34の直角に切り欠けられ
た側面に接合されている。さらに、補強板41は、バネ板
38およびセンサ基板34と一体的に形成されていることが
好ましい。
このような構造とすることにより、振動板31はθモー
ドおよびφモードにおいて共振し易くなるため、Ｑ値の
減衰が小さくなり、検出感度が向上するといった利点が
ある。そのため、特に、液体中での測定に好適に使用す
ることができる。
なお、上述したバネ板は、連結板が構成部材として使
用されている本発明に係る全ての質量センサに適用され
るものであることはいうまでもなく、このバネ板は後述
する本発明の質量センサの製造方法に記されるように、
振動プレートとベースプレートとの間に嵌挿されて一体
化される中間プレートと一体的に形成され、もしくは、
振動プレートと一体的に形成されるバネ板補強部と一体
的に形成され、さらに、各連結板とも一体的に形成され
ていることが好ましい。
また、上述した質量センサ30等における振動板31の平
板面の形状は図５（ａ）や図７（ａ）、図９に示したよ
うな長方形に限定されるものではなく、図10（ａ）〜
（ｃ）の質量センサ30B〜30Dに示されるように、円形、
三角形、逆凹型をはじめ、多角形や楕円形、長円形等の
種々の任意の形状のものを用いることが可能である。そ
して振動板31は、図10（ｄ）の質量センサ30Eに示され
るように、Ｙ軸について対称となるように連結板33と接
合されなくともよい。このように振動板31の形状を任意
に選択することができることもまた、本発明の全ての質
量センサに適用される。
次に、上述した質量センサ30にバネ板を一枚のみ貼合
し、センサ基板内に組み込んだ質量センサの実施形態を
図11に示す。ここで、質量センサ１において、上述した
バネ板とバネ板補強部および補強板を形成することや、
振動板の形状を任意に変更することが可能なことはいう
までもない。
図11は、質量センサ１を振動プレート３側からみた平
面図であり、質量センサ１は左右対称の形状となるよう
に設計されている。なお、振動プレート３は後述するベ
ースプレート15および中間プレート17とともにセンサ基
板２を構成している。そして、センサ基板２に設けられ
た孔部８は質量センサ１のパッケージングおよび製造工
程において利用されるアライメントマークとして設けら
れるものであり、後述する振動板19と連結板20および検
出板21と圧電素子25、さらにバネ板18からなる共振部26
が、一方を参照用等として使用する目的から２箇所に設
けられている。なお、１つの質量センサ１に形成される
共振部26の数を参照用を含めて２箇所以上とすることに
より、各共振部26からの信号を積算してダイナミックレ
ンジを大きくとることが可能となる。
また、位置センサ電極４・５は、質量センサ１を水溶
液等の導電性を有する検体に浸漬させたときに、検体に
よって導通し、質量センサ１の浸漬位置を検出するもの
である。検体が導電性を有する場合には、位置センサ電
極４・５の水平方向に形成されたパターンから上部を検
体に浸漬させ、位置センサ電極４・５が応答した位置よ
り深くは質量センサ１を検体に浸漬させないようにする
ことにより、後述する圧電素子25（図11には示さず）に
おける第二電極24および第一電極22とこれらの電極から
それぞれ引き出される電極リード９・10の短絡を防止す
ることができる。なお、位置センサ電極４・５の一端部
には端子部６・７が、電極リード９・10の一端部には端
子部11・12がそれぞれ設けられており、これら端子部が
それぞれの検出装置の端子等に接続される。
但し、圧電素子25および電極リード９・10を絶縁樹脂
等でコーティングした場合には、質量センサ１を導電性
の検体に浸漬させた場合でも圧電素子25および電極リー
ド９・10が短絡することがないので、位置センサ電極４
・５および端子部６・７は設けなくともよい。
図12は図11におけるセンサ部13のベースプレート15
側、つまり、図11における振動プレート３の裏面側から
みた拡大平面図であり、また、図13は図12に示した切欠
部16近傍の斜視図である。なお、センサ部13とは、質量
センサ１内に設けられた共振部26とその周辺のセンサ基
板２からなる質量センサ部分を指す。
図12および図13に示されるように、ベースプレート15
には凹型形状の切欠部16を有する貫通孔14が設けられて
いる。また、ベースプレート15と重なる中間プレート17
にも同様の切欠部16が形成されているが、中間プレート
17においては、切欠部16の底辺の中央部から貫通孔14の
中心に向かう略角柱状のバネ板18が形成されている。た
だし、この中間プレート17およびバネ板18は、必ずしも
必要ではなく、共振部26の強度や質量センサ１の検出感
度の調整といった必要性に応じて質量センサ１を構成す
る部材として用いられるものである。
振動プレート３の切欠部16には、バネ板18に接合され
る連結板20と、連結板20の上端辺部に接合され、バネ板
18とは接合されない振動板19が形成されている。さら
に、振動プレート３の切欠部16において、検出板21が連
結板20の一方の側面と切欠部16の対向する側面との間に
跨設されている。
図14には図12に示した切欠部16近傍を振動プレート３
側からみた斜視図を示す。検出板21の振動プレート３側
の表面には、第一電極22、圧電膜23、第二電極24をこれ
らの順に積層して形成した圧電素子25が配設され、さら
に、第二電極24は電極リード９と、第一電極22は電極リ
ード10と接続されている。こうして、検出板21と圧電素
子25とから検出部29が構成され、バネ板18、振動板19、
連結板20および検出部29から共振部26が構成される。
ここで、質量センサ１においては、検出板21の一方の
平板面上に圧電素子25が配設されているだけであるが、
圧電素子25は検出板21の両平板面に配設してもよく、こ
の場合には、検出部29の構造が対称性を有するようにな
るので、検出板21の剛性を合わせることができる。
また、質量センサ１においては、図13に示されている
ように、検出板21と振動プレート19における切欠部16の
下辺部に間隙部27が形成されているが、図15に示される
質量センサ42のように、この間隙部27を形成しないよう
にして検出板21を、振動プレート16における切欠部16の
下辺部に接合された構造とする、すなわち、検出板21
が、連結板20およびセンサ基板２により形成される凹部
に嵌合され、接合されている構造とすると、連結板20お
よび／またはバネ板18から構成されるバネ部の屈曲を抑
制でき、圧電素子25に加わる応力を大きくすることがで
きるので好ましい。
さて、上述した質量センサ１においては、センサ基板
２内に設けた貫通孔14の周囲を利用してセンサ部13を設
けているが、センサ部13は、もちろん、センサ基板２の
外周部、例えば、図11における上辺部に設けても構わな
い。しかしながら、図11〜14に示したセンサ部13の構造
から明らかなように、薄板状の振動板19は切欠部16から
突出した位置に設けられることが多いことから、質量セ
ンサ１の取り扱い時に振動板19を破損しないようにする
等、外的な衝撃から共振部26を保護することを考え、図
11に示したように、センサ基板２の内部にセンサ部13を
設ける構造を採用することが好ましい。また、このよう
な構造は後述する質量センサ１の製造工程を容易にする
ことからも好ましい。
次に、上述した質量センサ１におけるセンサ部13に代
替することのできる種々の質量センサの実施形態につい
て説明する。図16（ａ）は本発明の別の実施形態である
質量センサ43Aを示す平面図である。質量センサ43Aは、
連結板20と振動板19とが互いの側面において接合され、
２枚の検出板21A・21Bが、振動板19と連結板20との接合
方向と直交する方向において、連結板20を挟持するよう
にして連結板20と互いの側面において接合され、さらに
各検出板21A・21Bが、図15に示した質量センサ42におけ
る検出板21と同様に、センサ基板２とも接合されて３辺
で支持・固定された構造を有しており、この３辺支持に
より高感度化が図られている。但し、各検出板21A・21B
は、連結板20とセンサ基板２により形成される凹部の下
辺とは、必ずしも接合される必要はない。
そして、少なくとも一方の検出板の少なくとも一方の
平板面上の少なくとも一部に、第一電極と圧電膜および
第二電極からなる圧電素子が配設されるが、図16におい
ては、検出板21A・21Bの両平板面に、圧電素子25A〜25D
が配設されており、振動板19と連結板20と検出板21A・2
1Bおよび圧電素子25A〜25Dから共振部が形成される。但
し、圧電素子25A〜25Dは、全てを配設しなければならな
いものではなく、検出板21Aもしくは21Bの任意の場所に
任意の数だけ設けてもよい。
この質量センサ43Aのように、複数の圧電素子25A〜25
Dを設けると、各検出板21A・21Bにおける剛性を合わせ
ることができるのみでなく、各圧電素子25A〜25Dからの
信号を積算、演算等することにより、θモード、φモー
ドのＱ値を上げ、回転モードのＱ値を下げることができ
るので、共振周波数の測定をより高精度に行うことがで
きるようになる。さらに、各圧電素子25A〜25Dのうち、
少なくとも２つを配設した場合には、一方を駆動用とし
て用い、他方を検出用として用いると、検出感度を向上
させることができる。ここで、質量センサ30において圧
電素子35を圧電素子35A・35Bに分割したように、これら
の圧電素子25A〜25Dを、それぞれ同様に分割して用いる
と、検出感度の向上が図られ、好ましい。
また、検出板21A・21Bの同じ向きの平板面に、例え
ば、それぞれ圧電素子25A・25Cが配設され、これら圧電
素子25Aと25Cにおける圧電膜の分極方向を、互いに逆向
きとする構成をとることも、出力電荷の向上に寄与し、
好ましい。もちろん、検出板21A・21Bの両方の平板面に
おいてこのような構成とすることも好ましい。さらに、
図16（ｂ）に示す質量センサ43Bのように、圧電素子25A
〜25Dの少なくとも一つ、例えば、圧電素子25C・25Dの
少なくとも一方向を３辺支持の一辺もしくは二辺に重ね
る構造とすると、高感度化でき、好ましい。但し、この
場合でも、圧電素子25A〜25Dは、連結板20およびバネ板
を設けた場合のそのバネ板には重ならないようにするこ
とが必要である。
ここで、質量センサ43A・43Bにバネ板を貼合した場合
においては、質量センサ40Bのようにバネ板補強部ある
いは補強板を設けることが可能であり、例えば、補強板
については、バネ板に貼合され、かつ、補強板の側面
が、検出板21A・21Bとセンサ基板２との接合面たるセン
サ基板２の側面（切欠部16の横側面）、および連結板20
とセンサ基板２との接合面たるセンサ基板２の側面（切
欠部16の底部側面）の３辺において接合されるように形
成する。これにより、θモードのＱ値を向上させること
ができ、かつ、圧電素子の屈曲モード（センサ基板と連
結板との間で曲がるモード）の共振周波数を高くするこ
とができ、さらに、θモードの高周波数化が図れ、高感
度化が図れるので、好ましい。
また、図16（ｃ）に示した質量センサ43Cは、質量セ
ンサ43Aにおける連結板20の長手方向中央部にスリット4
8を設けた実施形態を示したものである。スリット48は
空洞であり、振動板19のθモード、φモードでの振動を
起こり易くし、共振周波数の認識を容易にする機能を有
する。また後述するように、連結板20の質量を減少さ
せ、検出感度を向上させる機能をも有する。さらに、バ
ネ板を設ける際に、バネ板をこのような空洞を有する形
として連結板と一体化してもよい。
さて、図16（ａ）に示すように１箇所の共振部に検出
板を２箇所設ける場合には、図17（ａ）に示すように、
各検出板21A・21Bの長さN1とN2ならびに幅M1とM2とを変
えて、一方の面積を広く取ることで振動板19の駆動力を
上げ、一方を狭く取ることで、θモード、φモードのＱ
値を上げることができる。さらに、図17（ｂ）は図17
（ａ）のＸ軸におけるＹ軸方向から見た断面図である
が、各検出板21A・21Bの幅M1とM2を変えることにより、
圧電素子25A・25Bと検出板21A・21Bとで決定される検出
板21A・21Bの屈曲変位振動（図17（ｂ）中の矢印Ｇ）の
固有振動数をそれぞれf1、f2と変え、例えば、一方を駆
動用圧電素子、他方を検出用圧電素子とすることによ
り、θモード、φモードのＱ値を大きくさせたり、感度
を上げることができる。また、固有振動数f1とf2のいず
れか小さい方の圧電素子を駆動用に、大きい方の圧電素
子を故障診断用に用いることも可能となる。
図16あるいは図17に示したように、１箇所の共振部に
検出板を２箇所ほど設けた場合には、さらに、図18に示
すように、一方の検出板、例えば、検出板21Bに圧電素
子25C・25Dの少なくとも１つを設け、他方の検出板21A
において、検出板21Aと連結板20との接合方向に垂直な
方向にスリット28が形成されている構造とすることもま
た、好ましい。このような構造とすることで、回転モー
ドの振動を抑えることができ、θモード、φモードのＱ
値を大きく取ることができるようになると共に、共振点
のずれを大きくして共振周波数の変化幅の絶対値を大き
くとることができるようになる。なお、スリット28は１
箇所のみ設けてもよいが、複数箇所設けると前述した効
果が顕著に得られ、好ましい。
次に、図19（ａ）は、図16（ａ）記載の質量センサ43
Aの形態を、センサ基板２の貫通孔14に形成した実施形
態である質量センサ43Dの平面図を示しており、図19
（ｂ）は、図19（ａ）中の破線AAにおける断面図を示し
ている。質量センサ43Dにおいては、２個の圧電素子25A
・25Cが配設されており、圧電素子25A・25Cにはそれぞ
れ電極リード９・10が設けられている。そして圧電素子
25A・25Cおよび電極リード９・10を覆うように絶縁コー
ティング層65が形成されている。この絶縁コーティング
層65により、質量センサ43Dの共振部を導電性の検体に
浸透させた場合であっても、圧電素子25A・25Cおよび電
極リード９・10の短絡が防止される。
また、質量センサ43Dには、絶縁コーティング層65を
覆うように、導電性部材からなるシールド層66が形成さ
れており、シールド層66はスルーホール67を通じてセン
サ基板２の両面に形成されている。0.1ngオーダーの微
小質量を検出する場合においては、外部からの電磁波を
遮断し、共振周波数の判定誤差を小さくする上で、セン
サ基板２から計測器への配線は勿論のこと、センサ基板
２上の配線部分（圧電素子25A・25C、電極リード９・1
0）についてもシールドすることが好ましい。
シールド層66の配設の形態としては、図19（ｂ）に示
されるように、センサ基板２を挟み込むように形成する
形態の他、図19（ｃ）の断面図に示されるように、セン
サ基板２上の配線部分のみを囲う形態や、図19（ｄ）に
示すように、配線部分を上部片側のみでシールドする形
態が挙げられるが、中でも、図19（ｂ）、（ｃ）に示す
ような配線部分全体をシールドする形態が好ましい。な
お、図19（ａ）においては、スルーホール67を用いてセ
ンサ基板２の各面に形成されたシールド層66が導通して
いるが、センサ基板２の側面を利用して、この導通を図
ってもよい。これら、絶縁コーティング層65およびシー
ルド層66の形成に好適に用いられる材料の詳細について
は、質量センサに使用される材料について後述する際、
併せて説明することとする。
図20は、本発明のさらに別の質量センサの実施形態を
示す平面図であり、図20（ａ）に示す質量センサ44Aに
おいては、連結板20と検出板21とは直接に接合されるこ
となく、連結板20と検出板21が、それぞれ振動板19との
接合方向が互いに平行となるようにして、振動板19とそ
れぞれ側面において接合され、振動板19がセンサ基板２
に接合されることなく、連結板20および検出板21が、セ
ンサ基板２の側面に接合されている。すなわち、検出板
21は連結板20としての機能をも有する。
そして、検出板21の少なくとも一方の平板面上の少な
くとも一部に圧電素子25が配設されて、振動板19と連結
板20と検出板21および圧電素子25から共振部が形成され
ている。これに対し、図20（ｂ）に示した質量センサ44
Bは、２枚の検出板21A・21Bを連結板20の両側に配し、
各検出板21A・21Bのそれぞれに圧電素子25A・25Bを配設
している。
このような質量センサ44A・44Bにおいては、振動板19
の振動は、振動板19の平板面内で起こりやすくなるた
め、θモードでの測定に適し、振動板19の回転モードの
振動が抑えられる。また、振動板19の振動が直接に検出
板を介して圧電素子25に伝達されるため、検出感度が高
くなる利点がある。
続いて、図21（ａ）〜（ｃ）は、本発明のさらに別の
質量センサの実施形態を示す平面図である。先ず、図21
（ａ）に示す質量センサ45Aにおいては、振動板72が２
枚の連結板74A・74Bにより挟持されるようにして互いの
側面において接合され、各連結板74A・74Bの側面が、セ
ンサ基板70の凹部76の側面に跨設されている。ここで凹
部76は、例えば、質量センサ１において形成されている
切欠部16と同様のものであり、したがって、図11に示し
たセンサ基板２の外周部やセンサ基板２に設けられた貫
通孔14と同様にして、センサ基板70側面等に形成されて
もよい。
そして、検出板73A・73Bが、各連結板74A・74Bが振動
板72を挟持する方向、すなわちＹ軸方向と直交する方向
において、それぞれ各連結板74A・74Bと凹部76の底部側
面に跨設され、さらに、各検出板73A・73Bの少なくとも
一方の平板面上に圧電素子75A・75Bが配設されて、振動
板72と各連結板74A・74Bと各検出板73A・73Bおよび圧電
素子75A・75Bから共振部が形成されている。
質量センサ45Aの構造は、簡単には、振動板72が２枚
の連結板により挟持されるようにして互いの側面におい
て接合され、各連結板74A・74Bの側面が、センサ基板70
に設けられた貫通孔もしくは間隙の側面に跨設され、少
なくとも複数の検出板73A・73Bが、各連結板74A・74Bが
振動板72を挟持する方向と直交する方向において、各連
結板74A・74Bと貫通孔もしくは間隙との側面に跨設され
てなる少なくとも１個の圧電素子を有する質量センサ、
と表すことができる。
このような質量センサ45Aにおいては、各連結板74A・
75Bとセンサ基板70との接合面を固定面として、振動板7
2がその固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸、すなわ
ちＹ軸を中心として、振動板72の側面に垂直かつＹ軸に
垂直な方向、すなわちＸ軸方向に振り子状に振動するθ
モード揺れ振動、もしくは、振動板72がＹ軸を中心とし
てＸ軸方向への揺れが振動板72の側面に平行な方向、す
なわちＺ軸方向（図示せず）の揺れをともないながら振
り子状に振動するφモード揺れ振動、もしくはＹ軸を中
心としてＸ軸方向に振動する揺れ振動、もしくは、振動
板72の平板面内における回転振動、の少なくともいずれ
かの振動に基づく共振部の共振周波数を、検出板73A・7
3Bに設けた圧電素子75A・75により測定することが可能
である。
なお、後述する質量センサ46A〜46Fの構造も、簡単に
は、質量センサ45A〜45Cと同様に表現され、質量センサ
46A〜46Fにおける質量検出方法も、質量センサ45A〜45C
と同様である。但し、質量センサ46A〜46Fでは、検出板
の数を４枚と多くし、また、実施形態として、少なくと
も複数の検出板73A〜73Dが、各連結板74A・74Bが振動板
72を挟持する方向と直交する方向において、振動板72と
貫通孔もしくは間隙の側面に跨設される構造等が追加さ
れる。
したがって、振動板72および検出板73A・73Bは、図21
中の矢印Ｋの方向、すなわち、Ｙ軸を中心として振動板
72の平板面に平行な方向であって、かつ、Ｙ軸に垂直な
方向、すなわちＸ軸方向で振動させるため、振動板72の
θモードと同様に剛体モードとして、振動板72は安定的
に矢印Ｋの方向に振れるようになる。また、振動板72の
曲げモードが抑制される利点もある。なお、振動板72の
形状は図21（ａ）〜（ｃ）に示した長方形に限定され
ず、図10に示した任意形状の振動板を採用することがで
き、また、図21（ｂ）に示される質量センサ45Bのよう
に振動板72は、任意の位置において各連結板74A・74Bと
接合されていてもよい。さらに、図21（ｃ）に示される
質量センサ45Cのように、各検出板73A・73Bは、図15に
示した質量センサ42における検出板21と同様に、各連結
板74A・75Bとセンサ基板70によって３辺で支持・固定さ
れていてもよい。なお、質量センサ45Bには、質量セン
サ１の位置センサ電極４・５と同様の位置センサ77が設
けられている。
次に、図22（ａ）〜（ｆ）の平面図に示す本発明のさ
らに別の実施形態である質量センサ46A〜46Fにおいて
は、振動板72が２枚の連結板74A・74Bにより挟持される
ようにして互いの側面において接合され、各連結板74A
・74Bの側面が、貫通孔を有するセンサ基板70の貫通孔7
1の側面に跨設され、少なくとも複数の検出板、ここで
は検出板73A〜73Dが、各連結板74A・74Bが振動板72を挟
持する方向と直交する方向において、各連結板74A・74B
と貫通孔71との側面もしくは振動板72と貫通孔71との側
面に跨設されている。
さらに、少なくとも１枚の検出板73A〜73Dの少なくと
も一方の平板面上に圧電素子75A〜75Dが配設されて、振
動板72と各連結板74A・74Bと各検出板73A〜73Dおよび圧
電素子75A〜75Dから共振部が形成されている。
図22（ａ）〜（ｆ）の各図について質量センサ46A〜4
6Fをみてみると、図22（ａ）に示した質量センサ46Aに
おいては、図21に示した質量センサ45A〜45Cの構造と比
較して、振動板72のＹ軸回りの回転が、検出板73A・73B
により抑制される。また、検出板73A・73Bに図17と同様
のスリット28を設けると、振動板72は矢印Ｋ方向へ振動
しやすくなり、好ましい。
図22（ｂ）の質量センサ46Bは、図22（ａ）における
各検出板73A〜73Dの全ての同一方向を向いている面に、
圧電素子75A〜75Dを配設したものである。これにより、
振動板72のＫ方向への振幅を増大させ、粘性の小さい物
質はもちろん、粘性の高い物質中での測定に好適に用い
ることができるようになる。なお、このとき圧電素子75
Aと75C、75Bと75Cの各圧電膜の分極方向は互いに逆とす
る方がよい。さらに、圧電素子75A〜75Dは、各検出板73
A〜73Dの両面に設けてもよい。
図22（ｃ）の質量センサ46Cは、図22（ａ）、（ｂ）
における検出板73A〜73Dのセンサ基板70と対向する一辺
がセンサ基板70と接合されるように形成されている実施
形態を示している。このような構造とすると、図15に示
した質量センサ42の構造で得られる効果を図22（ａ）、
（ｂ）の効果に付与することができるようになる。
また、図22（ｄ）の質量センサ46Dは、振動板72の中
心であるＸ軸とＹ軸の交点について点対称な位置にある
検出板73B・73Cにそれぞれ圧電素子75B・75Cを配設した
ものである。ここでの共振周波数の検出は、Ｘ軸とＹ軸
の交点を中心としたη方向（図22（ｄ）中の矢印の方
向）への振動が支配的な剛体モードを利用するため、検
出板73A・73Dは必ずしも形成しなくともよい。また、検
出板73A・73Dを形成した場合には、検出板73A・73Dにス
リットあるいは圧電素子73A・73Dを設けても良い。この
ときには、圧電素子75Aと75D、75Bと75Cの各組におい
て、各圧電膜の分極方向を同一とすることが好ましい。
図22（ｅ）の質量センサ46Eは、振動板72に検出板73A
〜73Dを接合させたものであり、圧電素子75A〜75Dの配
置状態は、図22（ｂ）の場合と同様である。このような
構造としても、矢印Ｋ方向への振動板72の振動を検知す
ることが可能である。さらに、図22（ｆ）に示した質量
センサ46Fは、各連結板74A・74Bの一方の幅を広くし、
他方の幅を狭くすることで、θモードとφモードで揺れ
やすくなる構造を有している。
このように、本発明の質量センサにおいては、種々の
形状を選択することができるが、質量センサの作製に使
用される材料については、これら個々の質量センサにお
いて変わるところはない。そこで、次に、上述した質量
センサ１を例に、本発明の質量センサを構成する各部材
ならびに形状について説明する。先ず、センサ基板２、
振動板19、連結板20、検出板21、バネ板18は、好適には
セラミックからなることが好ましく、例えば、安定化も
しくは部分安定化されたジルコニア、アルミナ、マグネ
シア、窒化珪素等を用いることができる。このうち、安
定化もしくは部分安定化ジルコニアは、薄板においても
機械的強度が大きいこと、靭性が高いこと、圧電膜や電
極材との反応性が小さいことから最も好適に採用され
る。
なお、センサ基板２の材料等として、前記安定化もし
くは部分安定化ジルコニアを使用する場合には、少なく
とも、検出板にアルミナあるいはチタニア等の添加物を
含有させて構成すると好ましい。
センサ基板２における振動プレート３、中間プレート
17、ベースプレート15、および振動板19、連結板20、バ
ネ板18、検出板21のそれぞれについては、必ずしも同一
の材料から構成される必要はなく、設計に応じて前述し
た各種セラミック材料を組み合わせて用いることが可能
ではあるが、同一の材料系のものを用いて一体的に構成
することが、各部の接合部の信頼性の確保や製造工程の
簡略化等の見地から好ましい。
但し、バネ板18を連結板20の両平板面に形成する場合
には、圧電素子25が配設される面側に形成されるバネ板
については、圧電素子25と同じ構造を有するものをバネ
板として形成して用いることもできる。この場合には、
バネ板を圧電素子25と同時に形成することができるの
で、製造工程上、好ましい。但し、バネ板として形成さ
れた圧電素子については、電極を電極として用いない。
さて、質量センサ１は、0.1ナノグラム（ng）オーダ
ーの質量検出を主な目的としているが、この目的のため
には、振動板19の厚みは３〜20μｍ程度とすることが好
ましく、好適には５〜15μｍ程度に設定され、このとき
のベースプレート15の厚みは操作性を考慮し、適宜決め
られる。
バネ板18を設ける場合には、連結板20の片面あるいは
両面に貼合するいずれの場合であっても、厚さは10〜22
0μｍ、幅100〜500μｍが好適であり、バネ板18のアス
ペクト比（幅／厚み）は、0.4〜50の範囲とすることが
好ましい。さらに、液体中での質量センサ１の使用によ
る振動振幅の減衰を考慮すると、厚みが10〜70μｍで幅
が100〜500μｍ、アスペクト比が1.4〜50とすることが
好ましい。さらに好ましい設定範囲は、厚みは10〜70μ
ｍ、幅が100〜300μｍ、アスペクト比が1.4〜30であ
る。なお、バネ板補強部を必要とする場合のバネ板補強
部の厚さは、そのバネ板補強部に接合されるバネ板の厚
さと同じとすることが好ましい。
これに対し、バネ板18を設けずに連結板20をバネ板と
して利用することも可能である。この場合には、中間プ
レート17を設けなくともよいが、センサ基板２の機械的
強度を保つために、中間プレート17の厚み分ほどベース
プレート15を厚くするとよい。
圧電素子25における圧電膜23としては、膜状に形成さ
れた圧電セラミックスが好適に用いられるが、電歪セラ
ミックスあるいは強誘電体セラミックスであってもよ
い。また、分極処理が必要な材料でも、必要でない材料
であってもよい。
圧電膜23として用いるセラミックスとしては、例え
ば、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸
鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニ
オブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン
酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウムが挙げら
れるが、これらは単独で、あるいは、これらのいずれか
を組み合わせた成分を含有するセラミックスとして用い
てもよい。本発明においては、ジルコン酸鉛とチタン酸
鉛およびマグネシウムニオブ酸鉛からなる成分を主成分
とする材料が好適に用いられるが、これは、このような
材料が高い電気機械結合係数と圧電定数を有することに
加え、後述する圧電膜の焼結時におけるセンサ基板部材
との反応性が小さく、所定の組成のものを安定に形成す
ることができることによる。
さらに、上記圧電セラミックスに、ランタン、カルシ
ウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バ
リウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウ
ム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、
イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズ等
の酸化物を単独で、もしくはこれらいずれかを組み合わ
せて、あるいはこれら元素の他の化合物を適宜、添加し
たセラミックスを用いてもよい。例えば、ジルコン酸鉛
とチタン酸鉛およびマグネシウムニオブ酸鉛を主成分と
し、これにランタンやストロンチウムを含有するセラミ
ックスを用いることもまた好ましく、さらに、マンガン
を加えたものは圧電材料の機械的品質係数が大きく、セ
ンサの構造面からだけでなく、材料面からもＱ値を大き
くすることができ、好ましい。
一方、圧電素子25における第一電極22および第二電極
24は、室温で固体であって導電性の金属で構成されてい
ることが好ましく、例えば、アルミニウム、チタン、ク
ロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モ
リブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、ス
ズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、
鉛等の金属単体あるいはこれらのいずれかを組み合わせ
た合金が用いられ、さらに、これらに圧電膜23あるいは
検出板21と同じ材料を分散させたサーメット材料を用い
てもよい。
なお、実際の第一電極22および第二電極24の材料選定
は、圧電膜23の形成方法に依存して決定される。例え
ば、検出板21上に第一電極22を形成した後、第一電極22
上に圧電膜23を焼成により形成する場合には、第一電極
22は、圧電膜23の焼成温度においても変化しない白金等
の高融点金属を使用する必要があるが、圧電膜23を形成
した後に圧電膜23上に形成される第二電極は、低温で電
極形成を行うことができるので、アルミニウム等の低融
点金属を使用することができる。
また、圧電素子25を一体焼成して形成することもでき
るが、この場合には、第一電極22および第二電極24の両
方を圧電膜23の焼成温度に耐える高融点金属としなけれ
ばならない。一方、図３に示した圧電素子62Aのよう
に、圧電膜58上に第一および第二電極59・60を圧電膜58
の形成後に形成する場合には、双方を同じ低融点金属を
用いて形成することができるが、圧電素子62Aを同時焼
成する場合には、やはり第一電極22および第二電極24の
両方を高融点金属としなければならない。このように、
第一電極22および第二電極24は、圧電膜23の焼成温度に
代表される圧電膜23の形成温度、圧電素子25の構造に依
存して、適宜、好適なものを選択すればよい。なお、電
極リード９・10の形成材料や形成方法は、圧電素子25の
第一電極22および第二電極24と同様である。
ところで、圧電膜23の面積を広げると出力電荷が増加
するために感度が上がるが、センササイズが大きくなる
という問題を生ずるため、適宜、好適な大きさに設定す
ることが好ましい。また、圧電膜23の厚みを薄くすると
感度が向上するが、その一方で、剛性が低下するといっ
た問題が生ずるため、好ましくは、検出板21と圧電膜23
との厚みの合計は、15〜50μｍとなるように設定され
る。
続いて、圧電素子25ならびに電極リード９・10上に、
図19に示した質量センサ43Dのような絶縁コーティング
層65を形成する場合には、その材料として、絶縁性のガ
ラスもしくは樹脂が用いられるが、質量センサ１の性能
を上げるためには、絶縁コーティング材としてガラスよ
りも樹脂を用いることが好ましく、化学的安定性に優れ
たフッ素樹脂、例えば、四フッ化エチレン樹脂系テフロ
ン（デュポン（株）製のテフロンPTFE）、四フッ化エチ
レン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂系テフロン（テ
フロンFEP）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキル
ビニルエーテル共重合体樹脂系テフロン（テフロンPF
A）、PTFE/PFA複合テフロン等が好適に用いられる。ま
た、これらのフッ素樹脂よりも耐食性、耐候性等に劣る
が、シリコーン樹脂（中でも熱硬化型のシリコーン樹
脂）も好適に用いられる他、エポキシ樹脂、アクリル樹
脂等も目的に応じて使用することができる。なお、圧電
素子25ならびにその近傍と、電極リード９・10ならびに
その近傍とで、それぞれ異なる材料を用いて、絶縁コー
ティング層65を形成することも好ましい。さらに、絶縁
性樹脂に無機・有機充填材を添加し、共振部の剛性を調
整することも好ましい。
絶縁コーティング層65を形成した場合に、絶縁コーテ
ィング層65上に形成されるシールド層66の材料として
は、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム等の種々の金
属が好適に用いられるが、他にも上述した圧電素子25に
おける第一電極22等に用いられる全ての金属材料を用い
ることができる。また、金属粉末を樹脂と混合してなる
導電性ペーストを用いることもできる。
次に、本発明の質量センサの使用方法について、質量
センサ１を免疫センサとして用いた場合を例に説明す
る。２箇所に設けられたセンサ部13の一方を検出センサ
部13Dとし、検出センサ部13Dの振動板には、検出したい
病原体ウィルス等の被検出体とのみ反応して被検出体を
捕捉する捕捉物質を塗布する。例えば、被検出体として
抗原、捕捉物質として抗体の組み合わせが挙げられ、ヒ
ト血清アルブミン／抗ヒト血清アルブミン抗体、ヒト免
疫グロブリン／抗ヒト免疫グロブリン抗体等を例示する
ことができる。これに対し、他方のセンサ部13は参照セ
ンサ部13Rとして、その振動板には捕捉物質を塗布しな
いものとする。
そして、各センサ部13D・13Rのいずれも、同じ検体中
に浸漬あるいは載置されることとなる。したがって、検
体は多くの場合、液体や気体といった流体であるため、
各センサ部13D・13Rからの信号を比較することで、流体
の種類や流れ、温度といった検体の物理的特性あるいは
検査環境の影響を受けることなく、検査を行うことが可
能となる。
また、この質量センサ１を、例えば、導電性を有する
液体の検体に浸漬した場合には、位置センサ電極４・５
が短絡する位置まで質量センサ１を検体に浸漬すると、
各センサ部13D・13Rにおける振動板19は検体に浸漬され
るが、検出部29は検体により短絡することがない。但
し、圧電素子25と電極リード９・10が絶縁性の樹脂やガ
ラスにより、絶縁コーティングされている場合には、質
量センサ１の端子部11・12等以外の部分を検体に浸漬さ
せることができる。
こうして、検体中の被検出体が捕捉物質と反応して捕
捉されると、検出センサ部13Dの振動板19の質量が大き
くなり、この振動板19の質量増加にともなって共振部26
の共振周波数が変化する。したがって、反対に、共振部
26の共振周波数の変化を調べることによって、振動板19
に被検出体が捕捉されたか否か、すなわち、被検出体が
検体中に存在したか否かを判断し、増加した質量の大き
さを測定することができるようになる。
なお、このような２箇所に設けられたセンサ部13をそ
れぞれ検出センサ部13D、参照センサ部13Rとして用いる
使用方法においては、場合によって参照センサ部13Rに
おける共振部、すなわち、振動板と連結板、検出板、圧
電素子、バネ板にテフロンコーティングを行うと、参照
センサ部13Rへの被検出体の付着を防止することがで
き、より高精度な測定が可能となる。また、同様に検出
センサ部13Dにおいても、振動板19以外にテフロンコー
ティングすることで、振動板19上のみで被検出体を確実
に捕らえることができ、高感度化が図れ、好ましい。さ
らに、高価な抗体等の捕捉物質を必要な箇所だけに塗布
するために、振動板19を除くセンサ基板２全体へテフロ
ンコーティングをすると、コスト面で好ましい。
また、質量センサ１においては、質量センサ１を液体
等の検体に浸漬して用いる場合、あるいは振動板19に捕
捉物質を塗布するために振動板を捕捉物質に浸漬させる
場合には、２つのセンサ部13が両方同時に検体に浸漬さ
れ易いように、２つのセンサ部13が、図11中、センサ基
板２の横方向（水平方向）に配置された構造を取ってい
る。
しかし、２つのセンサ部13をセンサ基板２の縦方向
（上下方向）に配設する、つまり、検出センサ部13Dが
先に液体等に浸漬され、参照センサ部13Rが液体等に浸
漬されないような位置に配設すると、検出センサ部13D
の部分のみを捕捉物質に浸漬して塗布する一方、参照セ
ンサ部13Rについては、テフロンコーティング等せずに
温度補正センサ等のセンサとして使用し、捕捉物質に浸
漬せず、つまり捕捉物質を塗布しないように処理するこ
とが簡単に行える。
但し、こうして検出センサ部13Dにのみ捕捉物質を塗
布した質量センサ１であっても、実際の質量測定にあた
っては、各センサ部13D・13Rを同じ環境下におくことが
必要である。また、質量センサ１全体を導電性の液体に
浸漬して用いる場合には、各センサ部13R・13Dにおける
圧電素子25と電極リード９・10を絶縁コーティングして
おく必要があることはいうまでもない。
なお、同一捕捉物質を各センサ13D・13Rの各振動板に
塗布して、各センサ部13D・13Rの信号を積算すること
で、ダイナミックレンジを大きくするような使用方法も
可能である。さらに、参照センサ部13Rを参照用とせず
に、検出センサ部13Dと異なる捕捉物質を塗布して使用
することも可能である。
こうした各使用方法での質量センサ１における共振周
波数の変化の測定に当たっては、前述したように、θモ
ードもしくはφモードの共振周波数を検出することが好
ましい。つまり、例えば、図14に示したように、振動板
19が、振動板19の平板面内においてバネ板18および連結
板20を軸としたθモードの揺れ振動を起こすときに、そ
の動きは検出板21へ伝達され、検出板21に屈曲振動が生
じ、検出板21表面上の圧電素子25における平板状の圧電
膜23には伸縮振動が生じて圧電膜23の電気機械結合係数
k31（圧電定数d31）に基づく一定の電圧が発生する。な
お、圧電素子25が、櫛型電極構造を有するものの場合に
は、k33（d33）に基づいて一定の電圧が発生する。な
お、φモードを用いた場合も同様である。
逆に、第二電極24および第一電極22を通して圧電膜23
に交流電圧をかけた場合には、圧電膜23にはd31あるい
はd33により伸縮振動が生じて検出板22が屈曲運動を起
こし、振動板19の質量に応じて振動板19の振動角θが変
化して、ある周波数のときに共振減少が生ずる。したが
って、この共振周波数の変化を調べることは振動板19の
質量変化の有無を調べることとなり、振動板19に被検出
体が捕捉されたか否かを判断することが可能となる。な
お、圧電素子25を検出板21の両平板面に２箇所設けて、
得られる信号を比較演算することにより、ノイズを減少
させ、他の振動モードの影響を排除し、検出精度を向上
させることが可能となる。
ここで、質量センサ１の検出感度をより向上させるた
めには、共振部26の共振周波数の変化を大きくすること
が必要であるが、このための１の手段として、振動板19
とバネ板18との質量比を制御する方法が挙げられる。バ
ネ板18を薄くして質量を軽くし、振動板19との質量比
（振動板19の質量／バネ板18の質量）が大きくなるほど
検出感度が向上する。
しかしながら、バネ板18を薄くして軽量化するにした
がって、バネ板18の剛性が低下するため、振動板19の厚
みと面積を考慮に入れつつ、バネ板18および連結板20の
剛性が確保される範囲内で、この質量比（振動板19の質
量／（バネ板18の質量＋連結板20の質量））が0.1以上
が好ましいが、振動板19の面積を考慮し、適宜、好適な
比率にすることが好ましい。但し、これらの質量比は、
前述したバネ板18についての厚さと幅およびアスペクト
比の条件を満たす範囲内で設定されることが好ましい。
なお、前述した図16（ｃ）記載の質量センサ43Cは、こ
の１つの例である。
また、検出感度を向上させる別の手段として、振動板
19を薄くして被検出体との質量比（被検出体の質量／振
動板19の質量）を大きくする、すなわち、振動板19の質
量変化割合を大きくする方法が挙げられる。さらに、振
動板19を薄くするときに、質量を変えず表面積が大きく
なるようにすると、捕捉物質を塗布する面積が大きくな
りより多くの被検出体を捕捉することができるようにな
り、検出感度を向上させることができる。
続いて、本質量センサ１の他の用途について説明す
る。まず、振動板19に塗布する捕捉物質として、水分吸
着材を用いた場合には、質量センサ１を水分計として使
用することができる。また、振動板19に捕捉物質として
特定のガス成分や有機物質、無機物質を吸着する吸着材
を塗布することにより、ガスセンサ、臭気センサ、味覚
センサ等として使用することができる。さらに、振動板
19の温度を制御して結露させると、振動板19の質量が増
大したときの温度から露点を計測する露点計としても使
用することができる。
また、本質量センサ１は、膜厚計として使用すること
ができる。対象となる膜には、真空中等で形成されるス
パッタ膜やCVD膜、気体中で形成されるLB膜や液体中で
形成される電着膜等が含まれる。すなわち、これらの膜
形成を行う際に、質量センサ１の振動板19もしくは共振
部26を同じ膜形成環境に置くと、振動板19もしくは共振
部26に膜が形成されることによって質量が変化し、共振
周波数が変化するので、形成された膜厚や膜の成長速度
を計測することが可能となる。
従来、このような膜厚計としては、図27に示したもの
と同等の水晶振動子80の膜厚変化時のすべり方向共振周
波数の変化を検出する水晶蒸着膜厚計が知られている
が、振動子自体を蒸着雰囲気中で使用するため、温度変
化や不純物の緩衝等によるノイズ、真空圧の変化の影響
を大きく受けるという問題がある。
これに対し、蒸着膜厚計として質量センサ１をθモー
ドにより使用すると、検出部29が剛体モードであるため
に温度変化に強く、振動板19が３〜20μｍと薄いために
不純物が衝突する確率が小さくなる利点があり、さらに
検出部29とバネ板18および連結板20を一定雰囲気に保ち
易い構造を採ることができるため、水晶振動子80を用い
た場合と比較して、測定精度の向上を図ることが可能と
なる。
さらに、質量センサ１は、振動板19を液体に浸漬させ
たときに、流体に横波のずれ波を引き起こして粘性波の
進入長の部分の質量負荷を受ける粘性計としても使用す
ることができる。
これに対し、このような粘性計としてもまた、水晶振
動子80のすべり方向共振周波数の変化を検出する水晶粘
性計が用いられているが、水晶振動子80自体を液体中に
浸漬させるため、温度変化や液体中の不純物の衝突等の
ノイズの影響を受け易い欠点がある。
一方、粘性計として質量センサ１をθモードにより用
いた場合には、検出部29とバネ板18および連結板20を液
体に浸漬させる必要がなく、また、検出部29が剛体モー
ドであるために温度変化に強く、振動板19が３〜20μｍ
と薄いために不純物が衝突する確率が小さくなることか
ら、測定精度の向上が図られる。
さらにまた、水晶振動子は、真空中では気体分子の摩
擦や気体の粘性摩擦により電気抵抗が変化するため、摩
擦真空計として用いられるが、この真空計は結果的に水
晶振動子の質量負荷効果による周波数変化を測定するも
のであるので、基本的な測定原理が同じである本発明の
質量センサ１もまた、真空計として用いることができ
る。
水晶振動子を用いた摩擦真空計においては、図28に示
すように、音叉型に形成した振動子90をＸ軸方向に振動
させたときの抵抗値の変化を検出するものであるが、振
動子90の厚みd1を薄くすることが困難であり、したがっ
て、検出感度の向上が困難であるという問題がある。こ
れに対し、質量センサ１においては、振動板19の厚みを
３〜20μｍとする薄膜化が容易であり、θモードを利用
することで、検出感度の向上を図ることが可能となる。
加えて、質量センサ１は、振動板19の曲げモードを用
いる、すなわち、曲げモード時のヤング率変化を共振周
波数の変化として検出することにより、温度センサとし
ても使用することが可能である。
このように、質量センサ１は多種多様なセンサとして
使用することができるが、その基本的な測定原理は、振
動板19への質量負荷に基づく共振部26の共振周波数の変
化を測定しているというものである。そのため、異なる
機能を有するセンサ部13を１つの質量センサ１内に複数
設けることが容易であり、例えば、温度センサや真空
計、粘性センサとしての機能を質量センサ１としての使
用に併用すること、すなわち、質量センサ１へ温度補正
や真空度または粘性補正を行うための参照用センサを組
み込むことが容易であり、このような場合には、形状の
異なる複数の各用途別のセンサを集合させて用いる必要
がないため、測定位置へのセンサの組み込み、取扱いや
測定のための計測機器等の設備コスト等の点においても
有利である。
次に、質量センサ１を例として、本発明の質量センサ
の作製方法について説明する。センサ基本材料としては
ジルコニア等のセラミックスが好適に使用され、セラミ
ックス粉末にバインダ、溶剤、分散材等を添加混合して
スラリーを作製し、これを脱泡処理後、リバースロール
コーター法、ドクターブレード法等の方法により所定の
厚みを有する振動プレート用、中間プレート用およびベ
ースプレート用のそれぞれのグリーンシートあるいはグ
リーンテープを作製する。
次に、それぞれのグリーンシート等を金型あるいはレ
ーザ等を用いて、例えば、図23に示すように、中間プレ
ート17には貫通孔14とバネ板18が形成され、ベースプレ
ート15には貫通孔14が形成された所定形状に打ち抜き加
工し、作製した振動プレート３、中間プレート17および
ベースプレート15用グリーンシートをこれらの順序で少
なくとも各１枚ずつ積層、焼成により一体化してセンサ
基板を作製する。ここで、これらのグリーンシート等の
積層を行うに際して、積層位置決めのために各グリーン
シートには孔部８が形成される。なお、図23に示したグ
リーンシートの形状は、図11に示した質量センサ１のセ
ンサ部13の形成を分かりやすいように簡略化したもので
ある。
ここで、振動プレート３についても、貫通孔14や振動
板19等をグリーンの状態で形成することは可能である
が、一般に、振動プレート３は20μｍ以下と薄いため
に、振動プレート３内に形成する振動板19と連結板20お
よび検出板21の焼結後の平坦性、寸法精度等を確保する
ためには、後述するレーザ加工等でセンサ基板２の形成
および圧電素子25の配設後に所定形状とすることが好ま
しい。
振動プレート３上の検出板21が形成される部分に第一
電極22、圧電膜23、第二電極24からなる圧電素子25を配
設する方法としては、金型を用いたプレス成形法または
スラリー原料を用いたテープ成形法等によって圧電膜23
を成形し、この焼成前の圧電膜23を振動プレート３上の
検出板21が形成される部分に熱圧着で積層し、同時に焼
結してセンサ基板２と圧電膜23とを同時に作製する方法
がある。但し、この場合には、電極22・24は後述する膜
形成法により、センサ基板２あるいは圧電膜23に予め形
成しておく必要がある。
圧電膜23の焼成温度は、これを構成する材料によって
適宜定められるが、一般には、800℃〜1400℃であり、
好ましくは1000℃〜1400℃である。この場合、圧電膜23
の組成を制御するために、圧電膜23の材料の蒸発源の存
在化に焼結することが好ましい。なお、圧電膜23の焼成
とセンサ基板２との焼成を同時に行う場合には、両者の
焼成条件をマッチングすることが必要となる。
一方、膜形成法を用いた場合には、焼結したセンサ基
板２における検出板21形成位置に、スクリーン印刷法、
ディッピング法、塗布法等の厚膜形成法、イオンビーム
法、スパッタリング法、真空蒸着、イオンプレーティン
グ法、化学気相蒸着法（CVD）、メッキ等の各種薄膜形
成法により、圧電素子25を配設することができる。この
うち、本発明においては、圧電膜23を形成するにあた
り、スクリーン印刷法やディッピング法、塗布法等によ
る厚膜形成法が好適に採用される。これは、これらの手
法は、平均粒径0.01〜５μｍ、好ましくは0.05〜３μｍ
の圧電セラミックスの粒子を主成分とするペーストやス
ラリーを用いて圧電膜23を形成することができ、良好な
圧電作動特性が得られる。
例えば、作製したセンサ基板２を所定条件にて焼成し
た後、振動プレート３の表面の所定位置に第一電極22を
印刷、焼成し、次いで圧電膜23を印刷、焼成し、さら
に、第二電極24を印刷、焼成して圧電素子25を配設す
る。そして、形成された各電極22・24を測定装置に接続
するための電極リード９・10を印刷、焼成する。ここ
で、例えば、第一電極22として白金（Pt）を、圧電膜23
としては、ジルコン酸チタン酸鉛（PZT）を、第二電極2
4としては金（Au）を、さらに電極リード９・10として
銀（Ag）等の材料を使用すると、焼成工程における焼成
温度が逐次低くなるように設定されるので、ある焼成段
階において、それより以前に焼成された材料の再焼結が
起こらず、電極材等の剥離や凝集といった不具合の発生
を回避することが可能となる。
なお、適当な材料を選択することにより、圧電素子25
の各部材と電極リード９・10を逐次印刷して、一回で一
体焼成することも可能であり、圧電膜23を形成した後に
低温で各電極等を設けることもできる。また、圧電素子
25の各部材と電極リード９・10はスパッタ法や蒸着法等
の薄膜法によって形成してもかまわず、この場合には、
必ずしも熱処理を必要としない。
こうして圧電素子25を膜形成法によって形成すること
により、接着剤を用いることなく圧電素子25と検出板21
とを一体的に接合、配設することができるため、信頼
性、再現性に優れ、集積化が容易であることから、特に
好ましい。ここで、さらに圧電膜23に適当なパターンを
形成してもよく、その形成方法としては、例えば、スク
リーン印刷法やフォトリソグラフィー法、あるいはレー
ザ加工法、またはスライシング、超音波加工等の機械加
工法を用いることができる。
次に、作製されたセンサ基板の所定位置に振動板19等
を形成する。ここで、YAGレーザの第４次高調波を用い
た加工により、振動プレート３を切り出し加工して不要
部分を除去することが好ましい。こうして、例えば、図
11あるいは図12に示されるような振動板19や検出板21と
いったセンサ基板２と一体的に接合される部位を残しな
がら貫通孔14を形成することができ、このとき、振動板
19等の形状を調整することで、所定の共振周波数に調整
し、検出できる被検出体の質量範囲を定めることが可能
である。
ここで、図24に示すように、振動板19の長さをL0から
L1へ短くするように振動板19の一部を切削、削除する
と、共振点を高くすることができ、一方、バネ板18およ
び連結板20の幅をt0からt1へ狭くすると、共振点を下げ
ることが可能となる。したがって、これらの組み合わせ
により、共振点の調整を行うことができる。さらに、振
動板19の幅をW0からW1へ狭めることにより、回転モード
を抑制し、θモードのＱ値を大きくすること、および付
着質量が同じ場合でも付着位置による共振周波数の変動
差を小さくすることが可能となる。
さらに、図25に示すように、第一電極22を上部電極、
第二電極24を下部電極として、その中間に圧電膜23を形
成した圧電素子25を一度配設した後、上部電極をYAG第
４次高調波レーザ、機械加工等により除去して圧電素子
の有効電極面積を調整して、検出感度の調整を行うこと
ができる。なお、圧電素子25の構造が、図３あるいは図
４に示されるような櫛型構造である場合には、一方のあ
るいは両方の電極の一部を除去すればよい。
こうした共振部の加工においては、上記のYAG第４次
高調波レーザを用いた加工以外にも、YAGレーザおよびY
AGレーザの第２次または第３次高調波、エキシマレー
ザ、CO2レーザ等によるレーザ加工、電子ビーム加工、
ダイシング加工（機械加工）など、共振部の大きさと形
状に適した種々の加工方法を適用することができる。
また、センサ基板２は、上述したグリーンシートを用
いた作製方法の他に、成形型を用いた加圧成形法や鋳込
成形法、射出成形法等を用いて作製することもできる。
これらの場合においても、焼成前後において、切削や研
削加工、レーザ加工、プレス加工による打ち抜き、ある
いは超音波加工等の機械加工により加工が施され、所定
形状の質量センサ１が得られる。
こうして作製された質量センサ１における圧電素子25
ならびに電極リード９・10上に、図19に示した質量セン
サ43Dのように絶縁コーティング層65を形成する場合に
は、ガラスもしくは樹脂を用いて、スクリーン印刷法、
塗布法、スプレー法等によって形成することができる。
ここで、材料としてガラスを用いる場合には、質量セン
サ１自体をガラスの軟化温度程度まで昇温する必要があ
り、また硬度が大きいので振動を阻害するおそれがある
が、樹脂は柔らかく、しかも乾燥程度の処理で済むこと
から、樹脂を用いることが好ましい。なお、絶縁コーテ
ィング層65として用いられる樹脂として、フッ素樹脂あ
るいはシリコーン樹脂が好適に用いられる旨は既に述べ
たが、これらの樹脂を用いる場合には、下地のセラミッ
クスとの密着性を改善する目的で、使用する樹脂とセラ
ミックスとの種類に応じたプライマー層を形成し、その
上に絶縁コーティング層65を形成することが好ましい。
次に、絶縁コーティング層65上に形成されるシールド
層66の形成は、絶縁コーティング層65が樹脂からなる場
合には、焼成処理を行うことが困難なため、導電性部材
として種々の金属材料を用いる場合には、スパッタ法等
の加熱を要しない方法を用いて行われ、一方、金属粉末
と樹脂からなる導電性ペーストを用いる場合には、スク
リーン印刷法、塗布法等を好適に用いることができる。
なお、絶縁コーティング層65をガラスで形成した場合に
は、ガラスが流動しない温度以下で、金属ペーストをス
クリーン印刷等し、焼成することも可能である。
最後に、振動板19もしくは共振部26全体に捕捉物質等
を塗布して質量センサ１が完成する。そして、共振周波
数の測定は、インピーダンスアナライザやネットワーク
アナライザを用いて行ったり、あるいはSINSWEEP方式
や、外部から超音波等で加振して伝達関数測定をするこ
とで行う。さらに、共振周波数値の変化を見れば、振動
板19等における質量変化を測定することができる。
以下、本発明を実施例により説明するが、本実施例が
本発明を限定するものではないことはいうまでもない。
図11に示される構造の質量センサを作製するにあた
り、酸化イットリウムで部分安定化したジルコニアを用
いて、厚みの異なる振動プレートと中間プレートおよび
ベースプレートのグリーンシートを作製し、所定形状に
加工した後、これらの順に積層、熱圧着して1450℃で一
体焼結した。次に、検出板が形成される振動プレート上
の所定位置に、第一電極、圧電膜、第二電極からなる圧
電素子およびこれらの電極に接続する電極リードをスク
リーン印刷法により形成した。なお、第一電極としては
白金を、圧電膜にはジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネ
シウムニオブ酸鉛を主成分とする材料を、第二電極には
金を、電極リードには銀を使用した。
続いて、図12に示されるセンサ部13における貫通孔、
振動板、検出板が形成されるようにYAGレーザ（第４次
高調波、波長:266nm）を用いて加工し、質量センサ１を
作製した。ここで、振動プレートの厚みは７μｍ、中間
プレートの厚みは65μｍ、ベースプレートの厚みは150
μｍであり、振動板の大きさは、0.5mm×0.3mmとした。
振動板上の質量変化は、振動板の片面全体に金を0.3
μｍの厚さで形成した後、前記YAGレーザで10μｍφの
スポットパターンを複数個形成することによって質量を
減少させる方向に変化させた。このときの共振周波数を
加工前後で観測し、図26に示した結果を得た。本結果よ
り、本発明による質量センサは、ナノオーダーの質量の
変動に応じた共振周波数の変化を示すことが確認され
た。
以上、本発明の質量センサについて、共振部の振動を
検出し、電気信号に変換する装置として、圧電作用を利
用する圧電膜を用いた圧電変換装置を中心に説明してき
た。しかしながら、このような振動の信号変換装置は、
圧電作用を利用するものには限定されず、電磁誘導作用
を利用するもの、静電容量変化を利用するもの、光の入
射変化を利用するもの、電気抵抗変化を利用するもの、
焦電作用を利用するもの等で構成してもよい。
例えば、電磁誘導を利用するものとしては、検出板に
設けられるコイルと、このコイルに流れる電気信号を検
出する電気回路と、当該コイルに磁場を形成する磁石
（電磁石であってもよい）とを有するものが挙げられ
る。この場合、共振部とともにコイルが振動する際に、
電磁誘導によりコイルに電流が流れ、この電流を電気回
路が検出する。また、静電容量変化を利用するものは、
検出板の表面に設けた一対の電極と、この電極に挟まれ
た誘電体と、電極に接続する電子回路を有し、この特定
の空間に荷電される静電容量を電気回路により検出する
ものが挙げられる。
光の入射変化を利用するものには、光ダイオード等の
共振部に投光するデバイスと、共振部で反射した光量を
測定するデバイス（受光部）とを有するものがある。こ
の受光部には光センサ等を用いることができ、共振部が
振動するにしたがって共振部で反射する光量が変化し、
その受光部でその入射光量の変化が測定される。
また、電気抵抗変化を利用するものには、大きく分け
て導体を使用するもの、半導体を使用するものが挙げら
れる。このうち、導体を使用するものは、共振部の表面
に設けた導体と、この導体に接続する電気回路を有し、
共振部とともに導体が振動する際に振動により導体が歪
み、抵抗が変化するので、電気回路でこの抵抗変化を検
出するものである。一方、半導体を使用するものは、こ
の導体の代わりに半導体を用いたものである。
焦電作用を利用するものは、検出板の表面に設けた一
対の電極とその間に形成された焦電体ならびに電極に接
続する電子回路および熱源からなり、振動による焦電流
を電子回路により検出するものが挙げられる。
これらの振動の信号変換装置は、前述した圧電素子の
代わりに設置される他、共振部の励振と受振とを異なる
信号変換装置、例えば、励振を圧電変換装置、受振を静
電容量式変換装置で構成することも可能である。また、
励振・受振装置の配置は、設けた検出板の数によっても
適宜、好適な配置を選択することができ、例えば、検出
板が１枚の場合にはその平面内に、検出板を２枚設けた
場合には各検出板の両平面、あるいは各検出板に分けて
励振・受振装置を配置させてもよい。
産業上の利用可能性 上述の通り、本発明の質量センサおよび質量検出方法
によれば、振動板上で起こる種々の微小質量の変化、す
なわち、振動板への質量負荷の変化を簡単に、正確に、
しかも短時間で行うことができるという優れた効果を奏
する。したがって、種々の被検出体を捕捉する物質を振
動板に塗布した場合には、多様な化学物質や細菌、ウィ
ルス等の微生物の検出を簡単に短時間で行うことができ
るガスセンサ、味覚センサ、臭気センサ、免疫センサ、
水分計として使用することができ、このような捕捉物質
を塗布しない場合においては、膜厚計、粘性計、真空
計、温度計等として用いることが可能である。しかも、
染色法に代わる免疫センサとして、あるいは臭気セン
サ、味覚センサとして使用した場合には、人間の感覚に
依存して判断されることがないので、検査の信頼性を向
上させることができる。
また、本発明の質量センサは、共振周波数の検出にお
いて、検体の温度や検体温度による質量センサ自体の材
料の特性変化による変化の影響が小さく、その構成によ
り、0.1ナノグラム（ng）の微小量まで測定することが
可能であり、微量物質の検出に効果を発揮する。
さらに、本発明の質量センサは、上述した多種多様な
用途に使用することができるにもかかわらず、質量負荷
を受ける振動板を含む共振部の共振周波数の変化を測定
するという基本的な測定原理に基づいて測定が行われる
ため、異なる機能を有する共振部を１つの質量センサ内
に複数設けることが容易に行える特徴を有する。したが
って、各種の別個の複数をセンサを用いる必要がないた
め、測定位置へのセンサの組み込み、取扱いや測定のた
めの計測機器等の設備コスト、さらには、製造設備の集
約と共有による低コスト化が図れるといった極めて優れ
た効果を奏する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−231419（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−200028（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−64934（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開614087（ＥＰ，Ａ ２) 欧州特許出願公開152700（ＥＰ，Ａ ２) 英国特許出願公開2236855（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01G 3/13 G01G 3/16 G01N 5/02

Claims (35)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】検出板の少なくとも一方の平板面上の少な
    くとも一部に圧電素子が配設され、 少なくとも１枚の薄板状の振動板の一側面が、当該振動
    板の平板面と当該検出板の平板面とが互いに直交するよ
    うに当該検出板の一側面に接合され、 当該検出板の他の一側面がセンサ基板に接合されて、 当該検出板と当該振動板および当該圧電素子から共振部
    が形成されてなることを特徴とする質量センサ。
  2. 【請求項２】連結板と振動板とが互いの側面において接
    合され、 検出板が、当該振動板と当該連結板との接合方向と直交
    する方向において、当該連結板と互いの側面において接
    合され、 当該検出板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一
    部に圧電素子が配設され、 当該連結板と当該検出板の少なくとも一部の側面が、セ
    ンサ基板側面に接合されて、 当該振動板と当該連結板と当該検出板および当該圧電素
    子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量セ
    ンサ。
  3. 【請求項３】連結板と振動板とが互いの側面において接
    合され、 ２枚の検出板が、当該振動板と当該連結板との接合方向
    と直交する方向において、当該連結板を挟持するように
    当該連結板と互いの側面において接合され、 少なくとも一方の当該検出板の少なくとも一方の平板面
    上の少なくとも一部に圧電素子が配設され、 当該連結板と当該各検出板の少なくとも一部の側面が、
    センサ基板の側面に接合されて、 当該振動板と当該連結板と当該各検出板および当該圧電
    素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量
    センサ。
  4. 【請求項４】一方の検出板の少なくとも一方の平板面に
    当該圧電素子が配設され、他方の検出板には当該他方の
    検出板と当該連結板との接合方向に垂直な方向に１以上
    のスリットが形成されていることを特徴とする請求の範
    囲第３項記載の質量センサ。
  5. 【請求項５】当該各検出板の少なくとも同方向の平板面
    にそれぞれ当該圧電素子が配設され、一方の検出板に配
    設された当該圧電素子における圧電膜の分極方向と、他
    方の検出板に配設された当該圧電素子における圧電膜の
    分極方向とが、互いに逆向きであることを特徴とする請
    求の範囲第３項または第４項記載の質量センサ。
  6. 【請求項６】直接には接合されない連結板と検出板と
    が、振動板との接合方向が互いに平行となるように、当
    該振動板とそれぞれ側面において接合され、 当該連結板および当該検出板がセンサ基板の一側面に接
    合され、 当該検出板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一
    部に圧電素子が配設されて、 当該振動板と当該連結板と当該検出板および当該圧電素
    子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量セ
    ンサ。
  7. 【請求項７】２枚の連結板によって、振動板を互いの側
    面で接合して挟持したものが、センサ基板に設けられた
    凹部の側部側面の間に跨設され、 ２枚の検出板が、当該各連結板が当該振動板を挟持する
    方向と直交する方向において、それぞれ当該各連結板と
    当該凹部の底部側面に跨設され、 当該各検出板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも
    一部に圧電素子が配設されて、 当該振動板と当該各連結板と当該各検出板および当該圧
    電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質
    量センサ。
  8. 【請求項８】２枚の連結板によって、振動板を互いの側
    面で接合して挟持したものが、センサ基板に設けられた
    貫通孔に跨設され、 少なくとも複数の検出板が、当該各連結板が当該振動板
    を挟持する方向と直交する方向において、当該各連結板
    と当該貫通孔の側面との間もしくは当該振動板と当該貫
    通孔の側面との間に跨設され、 少なくとも１枚の当該各検出板の少なくとも一方の平板
    面上の少なくとも一部に圧電素子が配設されて、 当該振動板と当該各連結板と当該各検出板および当該圧
    電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質
    量センサ。
  9. 【請求項９】当該各連結板もしくは当該振動板を介して
    対向する各対の当該各検出板において、一方の検出板の
    少なくとも一方の平板面に当該圧電素子が配設され、他
    方の検出板には、当該他方の検出板と当該各連結板もし
    くは当該振動板との接合方向に垂直な方向に、１以上の
    スリットが形成されていることを特徴とする請求の範囲
    第８項記載の質量センサ。
  10. 【請求項１０】当該各連結板もしくは当該振動板を介し
    て対向する各対の当該各検出板の少なくとも同方向の平
    板面にそれぞれ当該圧電素子が配設され、 一方の検出板に配設された当該圧電素子における圧電膜
    の分極方向と、他方の検出板に配設された当該圧電素子
    における圧電膜の分極方向とが、互いに逆向きであるこ
    とを特徴とする請求の範囲第８項または第９項記載の質
    量センサ。
  11. 【請求項１１】当該振動板と当該連結板および当該検出
    板が、互いの接合により同一平板面を形成していること
    を特徴とする請求の範囲第２〜10項のいずれか一項に記
    載の質量センサ。
  12. 【請求項１２】当該検出板が、当該連結板および当該セ
    ンサ基板により形成される凹部に嵌合され、接合されて
    いることを特徴とする請求の範囲第２〜11項のいずれか
    一項に記載の質量センサ。
  13. 【請求項１３】当該振動板と当該各連結板および当該各
    検出板が、１枚の振動プレートから一体的に形成され、
    当該センサ基板が当該振動プレートとベースプレートを
    積層して、一体的に形成されてなることを特徴とする請
    求の範囲第２〜12項のいずれか一項に記載の質量セン
    サ。
  14. 【請求項１４】当該連結板の一方の平板面もしくは両平
    板面に、バネ板が貼合され、当該バネ板が、当該センサ
    基板もしくはバネ板補強部に接合されてなることを特徴
    とする請求の範囲第２〜13項のいずれか一項に記載の質
    量センサ。
  15. 【請求項１５】当該バネ板が、当該振動プレートと当該
    ベースプレートとの間に嵌挿されて一体化される中間プ
    レートと一体的に形成され、もしくは当該振動プレート
    と一体的に形成されるバネ板補強部と一体的に形成され
    つつ、当該各連結板と一体的に形成されてなることを特
    徴とする請求の範囲第14項記載の質量センサ。
  16. 【請求項１６】当該バネ板に貼合され、かつ、当該セン
    サ基板の側面に接合された補強板を有することを特徴と
    する請求の範囲第14項または第15項記載の質量センサ。
  17. 【請求項１７】当該補強板が、当該バネ板および当該セ
    ンサ基板と一体的に形成されてなることを特徴とする請
    求の範囲第16項記載の質量センサ。
  18. 【請求項１８】当該振動板の少なくとも一部に被検出体
    とのみ反応して当該被検出体を捕捉する捕捉物質が塗布
    され、当該捕捉物質に当該被検出体が捕捉されていない
    状態および当該捕捉物質に当該被検出体が捕捉された後
    の状態における当該共振部の共振周波数を、当該圧電素
    子で測定し、 測定された共振周波数の変化から捕捉された当該被検出
    体の質量を測定することを特徴とする請求の範囲第１〜
    17項のいずれか一項に記載の質量センサ。
  19. 【請求項１９】当該共振部が当該センサ基板に少なくと
    も２箇所以上設けられ、少なくとも１箇所の共振部にお
    ける振動板には当該捕捉物質が塗布されていないことを
    特徴とする請求の範囲第18項記載の質量センサ。
  20. 【請求項２０】当該共振部が当該センサ基板に少なくと
    も２箇所以上設けられ、当該共振部の振動板の少なくと
    も一部に、それぞれ異なる当該捕捉物質を塗布してなる
    ことを特徴とする請求の範囲第18項または第19項記載の
    質量センサ。
  21. 【請求項２１】当該共振部が当該センサ基板に少なくと
    も２箇所以上設けられ、当該各共振部からの信号を積算
    することで、ダイナミックレンジを大きくとることを特
    徴とする請求の範囲第１〜20項のいずれか一項に記載の
    質量センサ。
  22. 【請求項２２】当該センサ基板内部に任意形状の貫通孔
    を形成し、当該貫通孔の内周面に当該共振部を形成した
    ことを特徴とする請求の範囲第１〜21項のいずれか一項
    に記載の質量センサ。
  23. 【請求項２３】１つの当該圧電素子を２分割し、一方を
    駆動用として用い、他方を検出用として用いることを特
    徴とする請求の範囲第１〜22項のいずれか一項に記載の
    質量センサ。
  24. 【請求項２４】当該圧電素子を１つの共振部に対して２
    箇所配設し、当該一方の圧電素子を駆動用として用い、
    当該他方の圧電素子を検出用として用いることを特徴と
    する請求の範囲第１〜23項のいずれか一項に記載の質量
    センサ。
  25. 【請求項２５】当該センサ基板上の当該振動板と当該圧
    電素子との中間位置に一対の電極からなる位置センサが
    設けられていることを特徴とする請求の範囲第１〜24項
    のいずれか一項に記載の質量センサ。
  26. 【請求項２６】当該圧電素子および当該圧電素子の電極
    に導通する電極リードが、樹脂またはガラスからなる絶
    縁コーティング層により被覆されていることを特徴とす
    る請求の範囲第１〜25項のいずれか一項に記載の質量セ
    ンサ。
  27. 【請求項２７】当該樹脂がフッ素樹脂もしくはシリコー
    ン樹脂であることを特徴とする請求の範囲第26項記載の
    質量センサ。
  28. 【請求項２８】当該絶縁コーティング層の表面上に、さ
    らに導電性部材からなるシールド層が形成されているこ
    とを特徴とする請求の範囲第26項または第27項記載の質
    量センサ。
  29. 【請求項２９】当該センサ基板、当該振動板、当該連結
    板、当該検出板および当該バネ板が、安定化ジルコニア
    あるいは部分安定化ジルコニアからなることを特徴とす
    る請求の範囲第１〜28項のいずれか一項に記載の質量セ
    ンサ。
  30. 【請求項３０】当該圧電素子における圧電膜が、ジルコ
    ン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛からなる
    成分を主成分とする材料からなることを特徴とする請求
    の範囲第１〜29項のいずれか一項に記載の質量センサ。
  31. 【請求項３１】当該振動板、当該連結板、当該検出板も
    しくは当該バネ板の少なくともいずれかの形状が、レー
    ザ加工もしくは機械加工によりトリミングして寸法調整
    されたものであることを特徴とする請求の範囲第１〜30
    項のいずれか一項に記載の質量センサ。
  32. 【請求項３２】当該圧電素子における電極がレーザ加工
    もしくは機械加工され、当該圧電素子の有効電極面積が
    調整されたものであることを特徴とする請求の範囲第１
    〜31項のいずれか一項に記載の質量センサ。
  33. 【請求項３３】少なくとも１枚の薄板状の振動板の一側
    面が、当該振動板の平板面を検出板の圧電素子を配した
    平板面に直交するようにして、当該検出板の一側面に接
    合され、当該検出板の他の一側面がセンサ基板に接合さ
    れてなる質量センサにおいて、 当該振動板が、当該振動板と当該検出板との接合面を固
    定面として、当該固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸
    を中心として、当該振動板の側面に垂直かつ当該垂直軸
    に垂直な方向に振り子状に振動するθモード揺れ振動、
    もしくは、 当該垂直軸を中心として、当該振動板の側面に垂直、か
    つ、当該垂直軸に垂直な方向への揺れが当該振動板の側
    面に平行な方向の揺れをともないながら振り子状に振動
    するφモード揺れ振動、あるいは、 当該振動板の当該垂直軸方向における振動、 の少なくともいずれかの振動に基づく共振周波数を、当
    該圧電素子により測定することを特徴とする質量センサ
    の質量検出方法。
  34. 【請求項３４】連結板と振動板とが互いの側面において
    接合され、少なくとも１枚の検出板が当該振動板と当該
    連結板との接合方向と直交する方向において当該連結板
    と互いの側面において接合され、当該連結板と当該検出
    板の少なくとも一部の側面が当該センサ基板側面の一部
    に接合された、少なくとも１個以上の圧電素子を有する
    質量センサにおいて、 当該振動板が、当該連結板と当該センサ基板との接合面
    を固定面として、 当該固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心とし
    て、当該振動板の側面に垂直、かつ、当該垂直軸に垂直
    な方向に振り子状に振動するθモード揺れ振動、もしく
    は、 当該垂直軸を中心として、当該振動板の側面に垂直かつ
    当該垂直軸に垂直な方向への揺れが当該振動板の側面に
    平行な方向の揺れを伴いながら振り子状に振動するφモ
    ード揺れ振動、 の少なくともいずれかの振動に基づく共振周波数を当該
    圧電素子により測定することを特徴とする質量センサの
    質量検出方法。
  35. 【請求項３５】２枚の連結板によって、振動板を互いの
    側面で接合して挟持したものが、センサ基板に設けられ
    た凹部の側部側面もしくは貫通孔に跨設され、少なくと
    も複数の検出板が、当該各連結板が当該振動板を挟持す
    る方向と直交する方向において、当該各連結板と当該凹
    部の底部側面もしくは当該貫通孔の側面との間あるいは
    当該振動板と当該凹部の底部側面もしくは当該貫通孔の
    側面との間に跨設されてなる少なくとも１個の圧電素子
    を有する質量センサにおいて、 当該振動板が、当該連結板と当該センサ基板との接合面
    を固定面として、 当該固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心とし
    て、当該振動板の側面に垂直、かつ、当該垂直軸に垂直
    な方向に振り子状に振動するθモード揺れ振動、もしく
    は、 当該垂直軸を中心として、当該振動板の側面に垂直、か
    つ、当該垂直軸に垂直な方向への揺れが当該振動板の側
    面に平行な方向の揺れをともないながら振り子状に振動
    するφモード揺れ振動、もしくは、 当該垂直軸を中心として、当該振動板の側面に垂直な方
    向であって、かつ、当該垂直軸に垂直な方向に平行に振
    動する揺れ振動、または、 当該振動板の平板面内における回転振動、 の少なくともいずれかの振動に基づく共振周波数を当該
    圧電素子により測定することを特徴とする質量センサの
    質量検出方法。
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