JP4376258B2

JP4376258B2 - 感知装置

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Publication number: JP4376258B2
Application number: JP2006269226A
Authority: JP
Inventors: 直樹大西; 啓行茎田; 俊一若松
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: EP2071315A1; JP2008089371A; US20090273335A1; EP2071315A4; WO2008038829A1; CN101523188A; US7982451B2; CN101523188B

Description

本発明は、感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電振動子例えば水晶振動子を用い、この圧電振動子の固有振動数の変化分を検出して感知対象物を感知する感知装置に関する。

微量な物質を感知する手法として水晶振動子を用いた感知装置が知られている。この感知装置は、水晶振動子の表面に感知対象物を吸着するための吸着層を形成して水晶センサを構成し、感知対象物が水晶振動子、詳しくは吸着層に付着するとその固有振動数がその付着量に応じて変化することを利用して感知対象物の有無あるいはその濃度を測定するものであり、その応用範囲が広く、装置としても簡易な構成である上、感度が高いことから極微量な物質でも測定できるといった利点がある。例えば特許文献１では、血液、尿などに含まれる疫病マーカ物質の分析を行うにあたって、水晶センサを用いれば、高価で大型の自動分析装置を必要とする免疫ラテックスキットに代わる有効な手法であることが記載されている。

そして本発明者は、水晶センサの適用対象として、例えば環境汚染物質であるダイオキシンやＰＣＢあるいは血液中の疫病マーカなどを検討しているが、この手法により高精度に対象物質を測定できれば画期的である。何故なら現状では例えばダイオキシンを測定する手法としては、ガスクロマトグラフ質量分析計を用いる方法及びＥＬＩＳＡ法（適用酵素免疫測定法）が知られているが、ガスクロマトグラフ質量分析計は装置価格が極めて高く、このため分析コストもかなり高いものになっており、更に分析に長い期間を必要とするとするし、ＥＬＩＳＡ法は、ガスクロマトグラフ質量分析計に比べて装置価格、分析価格が低く、分析に要する時間も短いが、分析精度が低いという課題がある。
水晶振動子を用いた感知装置は、水晶振動子に感知対象物質を吸着する、例えば抗体抗原反応を起こす抗体からなる吸着層を形成し、この水晶振動子に発振回路を接続すると共に発振回路の発振周波数を測定する周波数計測部を設けて主要部が構成される。一方水晶振動子の発振周波数の適切な領域を決めるために種々の感知対象物について実験を重ねたところ、ある種の感知対象物については適切な周波数領域であっても、別の感知対象物では適切でない場合があることが分かり、このため水晶振動子の発振周波数を１つに決めずに、複数の発振周波数の中から、例えば少なくとも２つの発振周波数の中から発振周波数を選択できるようにすることが実製品として好ましい。

また、周波数を測定する手法としては、特許文献２に記載されているように、水晶振動子の発振周波数そのものを測定するよりも基準周波数との差をとってその差周波数の周波数変化を測定すれば、発振周波数よりも遙かに小さな周波数が計測対象となるので有利であることが記載されている。更にこの特許文献２には、発振周波数が互いに異なるセンサ振動子を用い、各センサ振動子の発振周波数ｆｒ１〜ｆｒｎとこれらに夫々対応する基準周波数ｆ１〜ｆｎとの差をサンプリング回路で検出し、各チャンネルをセレクタで切り替えて演算装置に取り込む構成が記載されている。

ところでこの種の感知装置の用途によっては、水晶センサが差し込まれる発振回路側のユニットと測定系を含む装置本体側とを分離し、これらを例えばケーブルを介して着脱自在とすることが好ましい場合がある。しかしながらこのような装置においては、発振周波数と基準周波数との差を用いて測定を行う手法を採用し難い。その理由は、使用する水晶センサの発振周波数に応じて基準周波数を選択しなければならないが、特に発振回路ユニット毎に発振周波数が割り当てられていて、発振回路ユニットを交換することで発振周波数を変更する装置においては、装置本体側ではどの発振周波数が用いられているのかを知ることができないからである。なお発振回路ユニットと装置本体とを１対１の関係にすればこのような課題はなくなるが、コスト的にもスペース上からも現実的な製品とは言い難い。
特開２００１−８３１５４号公報：段落０００２、０００４特開平６−２４１９７２号公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる水晶振動子などの圧電振動子を用いた感知装置において、発振回路ユニットと測定部を含む装置本体とが別体でありかつ発振回路ユニットを交換することで発振周波数を変更することのできる装置を提供することを目的とする。

本発明は、感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電振動子が設けられた感知センサを用い、前記圧電振動子の固有振動数の変化に基づいて感知対象物を感知する感知装置において、
前記感知センサが接続され、当該感知センサの圧電振動子を発振させるための発振回路を含む発振回路ユニットと、
この発振回路ユニットと着脱自在に接続され、前記発振回路の発振出力の周波数に関する信号を測定するための測定部を含む装置本体と、
この装置本体にて前記発振回路ユニットからの周波数信号ラインが複数に分岐されてなる複数のチャンネルと、これらチャンネルに夫々設けられ、前記発振回路の発振周波数に夫々対応する通過特性を備えた複数のバンドパスフィルタと、を有する周波数分別回路と、
前記複数のチャンネルのうち選択されたチャンネルを前記測定部に接続するためのスイッチ部と、
前記複数のバンドパスフィルタの出力側における信号レベルを夫々検出するための複数のレベル検出回路と、
これら複数のレベル検出回路にて夫々検出されたレベル検出値をしきい値と比較し、しきい値以上のレベル検出値が出力されたチャンネルを測定部に接続するようにスイッチ部を制御すると共に、当該チャンネルに対応する周波数信号の周波数に応じて前記測定部を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
測定部は、前記発振回路の発振出力の周波数に関する信号を測定するものであるが、「周波数に関する信号」とは、周波数信号の例えば周波数あるいは信号レベルである。

この発明は、例えば以下のような態様を採用することができる。
イ．前記測定部は、複数の基準周波数から選択された基準周波数と発振回路からの周波数信号の周波数との差分を取り出し、差分対応する周波数に関する信号を測定するものであり、
前記制御部は、しきい値以上のレベル検出値が出力されたチャンネルに対応する周波数信号の周波数に応じて、複数の基準周波数から基準周波数を選択するように構成されている。
ロ．制御部は、バンドパスフィルタの出力側における信号レベルを検出するときには、信号レベルを検出しようとするチャンネルを前記測定部に接続するようにスイッチ部を制御する。
ハ．前記発振回路ユニットと装置本体とはケーブル例えば同軸ケーブルを介して着脱自在に接続される。
ニ．装置本体側には、前記周波数分別回路の入力側の周波数信号ラインに直流電圧を給電するための給電用ラインが接続され、
前記発振回路ユニット側には、前記発振回路の出力側に前記直流電圧を取り出すための電源ラインが接続され、
前記給電用ライン及び前記電源ラインには、各々発振出力の通過を阻止するためにローパスフィルタが設けられ、
前記周波数信号ラインにおける給電用ラインの接続点とバンドパスフィルタとの間、及び周波数信号ラインにおける前記電源ラインの接続点と発振回路との間には、各々直流電圧の通過を阻止するためのハイパスフィルタが設けられ、
装置本体側の直流電圧を周波数信号ラインを介して発振回路側に供給する。

本発明によれば、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電振動子例えば水晶振動子を用いた感知装置において、発振回路ユニットと測定部を含む装置本体とを別体とする構成を採用するにあたり、装置本体側に発振回路の発振周波数に夫々対応する通過特性を備えた複数のバンドパスフィルタを設けて周波数信号を分別し、分別された周波数信号のレベルを検出するようにしている。このためこの信号レベルの検出値に基づいてどのチャンネル（バンドパスフィルタ）の信号レベルがしきい値以上であるかを把握でき、発振周波数を知ることができる。その結果、当該チャンネルを測定部に接続するようにスイッチ部を制御すると共に、当該チャンネルに対応する周波数信号の周波数に応じて前記測定部を制御すること、例えば周波数信号と基準周波数信号との差の周波数を取り出して周波数に関する信号（例えば周波数や位相）を測定するにあたり、発振出力に応じた基準周波数を選択することができる。

以下に本発明に係る感知装置の実施の形態を説明する。この感知装置は、図１及び図３に示すように、発振回路ユニット１０と装置本体２０とを備えており、発振回路ユニット１０はケーブル例えば同軸ケーブル３０により装置本体２０に着脱自在に接続できるようになっている。
発振回路ユニット１０は、筐体１１内に発振回路１２とこの発振回路１２の共振周波数（後述の水晶振動子の主振動周波数）の信号を通過させるためのバンドパスフィルタ（帯域フィルタ）１３とハイパスフィルタ１４と、を備えている。

また発振回路ユニット１０には感知センサである水晶センサ１が着脱自在に接続される。水晶センサ１は、公知であるため図２にその一例の外観だけ示しておくが、一旦側が接続端子をなす配線基板であるプリント基板１０１の上にゴムシート１０２を重ね、このゴムシート２２に設けられた凹部を塞ぐように圧電振動子である水晶振動子が設けられ、更にゴムシート１０２の上から上蓋ケース１０３を装着して構成されている。上蓋ケース１０３には、試料溶液の注入口１０４と試料溶液の観察口１０５とが形成され、注入口１０４から試料溶液が注入され、水晶振動子の上面側の空間に試料溶液が満たされることになる。水晶振動子の下面側は前記凹部により気密空間とされ、これによってランジュバン型の水晶センサが構成されることになる。

装置本体２０は、例えばＬＥＤの表示文字により測定結果例えば周波数あるいは周波数の変化分などを表示する表示部２０１などが前面に設けられた筐体２１内に回路が収納されている。この回路は、発振回路１２からの周波数信号の信号ラインに沿ってハイパスフィルタ２２と、周波数を分別するための複数例えば３つのバンドパスフィルタ（帯域フィルタ）２３ａ〜２３ｃを並列に接続してなる周波数分別回路２３とが設けられ、各バンドパスフィルタ２３ａ〜２３ｃの出力側の各々には、アンプ２４及びローパスフィルタ２５の直列回路が接続されている。また周波数分別回路２３により３つに分岐された信号ラインをチャンネルと呼ぶことにすると、各チャンネルの下流端（ローパスフィルタ２５の出力端）を、測定部である周波数計測部４に切り替え接続するスイッチ部５が設けられている。

前記バンドパスフィルタ２３ａ〜２３ｃは、使用される発振回路ユニット１０の発振周波数に夫々対応する周波数の信号を選択的に通過させるためのものであり、例えば発振回路ユニット１０として９ＭＨｚ、３０ＭＨｚ及び６０ＭＨｚの３つの発振回路が選択して使用されるとすると、これら周波数に対応したものが用意される。

ここで装置本体２０及び発振回路ユニット１０の電源に関して述べておく。発振回路ユニット１０内の回路に供給される直流電圧＋Ｖｃｃは、ローパスフィルタ２６を介してハイパスフィルタ２２の入力側の信号ラインに接続されている。一方発振回路ユニット１０においては、ハイパスフィルタ１４の出力側の信号ラインから分岐して、ローパスフィルタ１５が介挿された電源ライン１６が形成されている。１７、２７はバリスタである。このような構成とすれば、装置本体２０側の直流電圧が信号ラインに重畳され、同軸ケーブル３０の芯線を介して発振回路ユニット１０内に送られ、ハイパスフィルタ１４により発振回路１２側には送られず、ローパスフィルタ１５を通して直流電圧＋Ｖｃｃが得られる。従って発振回路ユニット１０では、この直流電圧＋Ｖｃｃを発振回路１２などに供給することができ、直流電源を搭載しなくて済み、構成が簡単になる。なお同軸ケーブル３０の外側導体は発振回路ユニット１０及び装置本体２０にて接地されている。

また装置本体２０においては、既述の各チャンネル毎にアンプ２４の出力側の信号レベル（振幅）を検出するためのレベル検出部６が設けられている。このレベル検出部６は、図４に示すようにアンプ２４および検波器６２の直流カットをするためのコンデンサ６１、検波器６２及びアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器６３を備えており、ここで検出された信号レベルはコンピュータからなる制御部７に入力される。

制御部７は、ＣＰＵ７１、ワークメモリ７２及び周波数の測定に必要な一連の処理を行うためのプログラム７３を備えている。なおプログラム７３は実際にはＲＯＭに格納されているが、記載を簡略化してある。前記プログラムは、３つのチャンネルを周波数計測部４に順次接続し、接続されたチャンネルのレベル検出値をしきい値と比較し、レベル検出値がしきい値以上であればそのチャンネルを周波数計測部４に接続するようにスイッチ部５を制御すると共に、そのチャンネルに対応する周波数に応じた計測ができるように制御信号を出力するためのステップが組まれている。
なお各チャンネルの出力端をオープンにした状態で信号レベルを検出すると、周波数計測部４にて周波数が計測されるときの終端インピーダンスの値と異なってしまい、信号レベルの検出の正確性が低くなることから、検出時にはそのチャンネルを周波数計測部４に接続しておくことが好ましい。

前記周波数計測部４は、この例では後述のように発振回路ユニット１０からの周波数信号の周波数と基準周波数信号の周波数との差に相当する周波数信号に基づいてデジタル処理により周波数の変化分を求めるようにしており、基準周波数信号は、使用される発振回路ユニット１０の発振周波数に応じて使い分ける必要がある。このため前記プログラムは、レベル検出値がしきい値以上であるチャンネルを把握することにより、周波数信号がいずれのバンドパスフィルタ２３ａ〜２３ｃの帯域に相当する周波数であるかが分かるので、即ち装置本体２０に接続されている発振回路ユニット１０の発振周波数が分かるので、その周波数に応じた基準周波数を選択するための制御信号、例えば３つの基準周波数出力部のうちのいずれを有効にするかの制御信号を出力する。

次に上述の実施の形態の作用について説明する。先ず装置本体２０側で電源を投入することにより装置本体２０の内部回路に直流電圧が供給されると共にその直流電圧が同軸ケーブル３０を介して既述のように発振回路ユニット１０側に供給される。ここで例えば発振回路ユニット１０としては９ＭＨｚ、３０ＭＨｚ及び６０ＭＨｚの３種類のものが使用可能であるとし、今９ＭＨｚの発振回路ユニット１０が装置本体２０に接続されているものとし、この発振回路ユニット１０に９ＭＨｚの水晶センサ１が差し込まれたとする。そして例えば基準値を求めるために感知対象物が含まれない溶液を水晶センサ１内に注入し、水晶振動子２４を発振させる。この溶液は純水であってもよいし、あるいはその他の溶液であってもよい。

このときプログラム７３は、図５に示すようにステップが進行する。今、説明の便宜上、９ＭＨｚのバンドパスフィルタ２３ａが設けられているチャンネルをチャンネル１、３０ＭＨｚのバンドパスフィルタ２３ｂが設けられているチャンネルをチャンネル２、６０ＭＨｚのバンドパスフィルタ２３ｃが設けられているチャンネルをチャンネル３とする。先ずスイッチ部５によりチャンネル１を選択して周波数計測部４に接続し（ステップＳ１）、そのチャンネル１の周波数信号が安定するまでの時間例えば１秒間が経過した後（ステップＳ２）、当該チャンネル１の信号レベルを検出してしきい値以上か否かを判定する（ステップＳ３及びＳ４）。信号レベルがしきい値以上であれば、表示部２０１のＬＥＤを点灯する（ステップＳ５）。つまりこの場合には、チャンネル１のバンドパスフィルタ２３ａの通過帯域が９ＭＨｚであるから、発振回路ユニット１０の発振周波数は９ＭＨｚであることが分かり、周波数計測部４において９ＭＨｚの測定を行うための基準周波数である１０ＭＨｚの基準周波数が選択されて周波数の計測が行われる。この計測例に関しては説明の煩雑化を避けるためにここでは詳しく述べない。

こうして周波数の計測が行われるとその計測結果、この例では発振回路ユニット１０からの周波数信号の周波数と基準周波数との周波数差が表示部２０１に表示され、ＬＥＤを点灯することにより作業者が確認することができる。図５のフローでは測定に関しては記載していないため、表示ＬＥＤの点灯後、再度チャンネル１の信号レベルの検出、判定（ステップＳ６、Ｓ７）を行い、レベルがしきい値以上であればステップＳ５〜Ｓ７が繰り返される。なお測定が終了して水晶センサ１が取り外されると、ステップＳ７から抜けて表示部２０１を消灯し（ステップＳＳ８）、ステップ１に戻る。

一方チャンネル１の信号レベルがしきい値よりも低い場合には、スイッチ部５にてチャンネル１からチャンネル２に切り替わり、同様のステップが行われる。即ち、ステップ２０にてチャンネル２の信号レベルがしきい値以上と判定されれば、発振回路ユニット１０の発振周波数が３０ＭＨｚであることが分かり、周波数計測部４において３０ＭＨｚの測定を行うための基準周波数である３１ＭＨｚの基準周波数が選択されて周波数の計測が行われ、同様にして表示部２０１に計測結果が表示される。
またステップ２０にてチャンネル２の信号レベルがしきい値よりも低いと判定されれば、スイッチ部５にてチャンネル２からチャンネル３に切り替わり、同様のステップが行われる。そしてステップＳ３０にてチャンネル２の信号レベルがしきい値よりも低いと判定されれば、ステップＳ１に戻る。この場合には、９ＭＨｚ、３０ＭＨｚ、６０ＭＨｚのいずれの周波数信号もそのレベルがしきい値を下回っており、言い換えればこのことは水晶センサ１に不具合が生じていることになる。このとき表示部２０１は点灯しないため、オペレータは異常が発生していることを認識できる。この例では不具合を知らせる手法として、表示部２０１を消灯したままという手段を採用しているが、表示部２０１を点灯して異常の表示をする手法、異常ランプを点灯する手法、異常ブザーを鳴動する手法などであってもよい。

上記のように感知対象物が含まれない溶液を設定した量だけ水晶センサ１内に入れて周波数の測定が行われた後、感知対象物の測定を行おうとする試料溶液を、前記溶液が入っている水晶センサ１に注入し、試料溶液を入れた後の水晶センサ１の水晶振動子の発振周波数を求める。例えば９ＭＨｚの水晶センサ１が使用されているとしたら、図５のステップＳ５〜Ｓ７が繰り返されている間に周波数の計測が行われ、表示部２０１に周波数が表示される。そして試料溶液を入れたことによる周波数の変化分を求め、例えば検量線を用いることにより、水晶センサ１内の感知対象物の濃度が分かり、その結果試料溶液中の感知対象物の濃度が分かる。

ここで回路中の通過特性について確認した結果を図６〜図８に示しておく。図６は、図３に示す回路において、９．２ＭＨｚの水晶センサ１を用い、周波数分別部２３にてこの周波数に対応するバンドパスフィルタの出力端における通過特性を示している。また図７は、同様に３０．８ＭＨｚの水晶センサ１を用いた場合に、対応するバンドパスフィルタの出力端における通過特性を示している。この結果から、例えば９．２ＭＨｚの発振回路ユニット１０と３０．８ＭＨｚの発振回路ユニット１０とを使い分けようとしたとき、周波数分別部２３の出力側では、両周波数におけるレベルの差が十分に大きいので、しきい値を設定することで、信号レベルの高低を確実に判断することができることがわかる。
また図８は、９．２ＭＨｚの発振回路ユニット１０において、信号ラインと電源ライン１５との分岐点(ハイパスフィルタ１４の出力側)の通過特性を示している。この結果から、装置本体２０から供給される直流電圧は電源ライン１５側に供給され、また発振出力は電源ライン１５側に回りこんでいないことが分かる。

上述の実施の形態によれば、発振回路ユニット１０と装置本体２０とを別体とする構成を採用するにあたり、装置本体２０側に発振回路１２の発振周波数に夫々対応する通過特性を備えた複数この例では３つのバンドパスフィルタ２３ａ〜２３ｃを設けて周波数信号を分別し、分別された周波数信号のレベルを検出するようにしている。このためこの信号レベルの検出値に基づいてどのチャンネル（バンドパスフィルタ２３ａ〜２３ｃ）の信号レベルがしきい値以上であるかを把握でき、その結果発振回路ユニット１０の発振周波数を知ることができる。その結果、当該チャンネルを測定部に接続するようにスイッチ部を制御すると共に、周波数計測部４で用いられる、発振出力に応じた基準周波数を設定することができ、周波数の計測を行うことができる。従って発振回路ユニット１０と装置本体２０とを別体とし、複数種類の周波数の中から感知対象物に適正な周波数の発振回路ユニット１０を選択できる一方、装置本体２０については各発振回路ユニット１０に対して共通化することができる。

本発明では、上述のように３種類の発振回路ユニット１０が利用できることに限らず、２種類あるいは４種類以上の発振回路ユニット１０の中から選択して装置本体２０に接続できる装置として構成してもよい。また周波数計測部４では、周波数を直接計測することに限らず、周波数信号の位相を検出して、結果として周波数を検出するようにしてもよい。

ここで周波数計測部４の一例を図９に示す。図９において、８１は基準クロック発生部であり、前記スイッチ部からの周波数信号をサンプリングするために周波数の安定性が極めて高い周波数信号であるクロック信号を出力する。８２はＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器であり、前記周波数信号を基準クロック発生部８１からのクロック信号によりサンプリングしてそのサンプリング値をディジタル信号として出力する。前記周波数信号の周波数をｆｃとサンプリング周波数（クロック信号の周波数）ｆｓとについては、例えばｆｃを１１ＭＨz、ｆｓを１２ＭＨｚに設定することができる。この場合、Ａ／Ｄ変換器６１からのディジタル信号である出力信号で特定される周波数信号の基本波は１ＭＨｚの正弦波となる。

Ａ／Ｄ変換器８２の後段には、キャリアリムーブ８３及びローパスフィルタ８４がこの順に設けられている。キャリアリムーブ８３及びローパスフィルタ８４は、Ａ／Ｄ変換器８２からのディジタル信号により特定される例えば１ＭＨｚの正弦波信号の周波数と、直交検波に用いられる正弦波信号の周波数との差の周波数で回転する回転ベクトルを取り出すために用いられている。

回転ベクトルを取り出す作用をわかりやすく説明するために、Ａ／Ｄ変換器８２からのディジタル信号により特定される正弦波信号をＡcos（ω0ｔ＋θ）とする。一方、キャリアリムーブ８３は、図１０に示すように前記正弦波信号に対してcos（ω0ｔ）を掛け算する掛け算部８３ａと前記正弦波信号に対して−sin（ω0ｔ）を掛け算する掛け算部８３ｂとを備えている。即ちこのような演算をすることにより直交検波される。掛け算部８３ａの出力及び掛け算部８３ｂの出力は夫々（２）式及び（３）式により表される。

Ａcos（ω0ｔ＋θ）・cos（ω0ｔ）
＝１／２・Ａcosθ＋１／２｛cos（２ω0ｔ）・cosθ＋sin（２ω0ｔ）・sinθ｝……（２）
Ａcos（ω0ｔ＋θ）・−sin（ω0ｔ）
＝１／２・Ａsinθ−１／２｛sin（２ω0ｔ）・cosθ＋cos（２ω0ｔ）・sinθ｝……（３）
従って掛け算部８３ａの出力及び掛け算部８３ｂの出力を夫々ローパスフィルタ８４ａ及び８４ｂを通すことにより、２ω0ｔの周波数信号は除去されるので、結局ローパスフィルタ８４からは１／２・Ａcosθと１／２・Ａsinθとが取り出される。

そしてＡcos（ω0ｔ＋θ）で表される正弦波信号の周波数が変化すると、Ａcos（ω0ｔ＋θ）はＡcos（ω0ｔ＋θ＋ω1ｔ）となる。ただしω1はω0よりも十分小さいものとする。従って１／２・Ａcosθは１／２・Ａcos（θ＋ω1ｔ）となり、１／２・Ａsinθは１／２・Ａsin（θ＋ω1ｔ）となる。即ち、ローパスフィルタ８４から得られた出力は、正弦波信号［Ａcos（ω0ｔ＋θ）］の周波数の変化分ω1／２πに対応する信号である。つまりこれらの値は、Ａ／Ｄ変換器８２からのディジタル信号により特定される正弦波信号の周波数と直交検波に用いた正弦波信号の周波数ω0／２πとの差の周波数で回転する回転するベクトルを複素表示したときの実数部分（Ｉ）及び虚数部分（Ｑ）である。

図１１はこの回転ベクトルを表した図であり、この回転ベクトルは角速度がω1である。従って前記正弦波信号の周波数が変化しなければ、ω1ｔはゼロであるからこの回転ベクトルの回転速度はゼロであるが、水晶振動子２４に感知対象物質が吸着されて水晶振動子の周波数が変化し、これにより前記正弦波信号の周波数が変化すると、その変化分に応じた回転速度で回転することになる。

ところで感知対象物質が存在しないときの水晶振動子の発振周波数に対応する角速度が直交検波に用いた正弦波信号の角速度に一致することはかなり稀であることから、実際には、感知対象物質が存在しないときの水晶振動子の発振周波数に対応する回転ベクトルの角速度と感知対象物質が存在するときの水晶振動子の発振周波数に対応する回転ベクトルの角速度とを夫々求め、その角速度の差が求められる。この回転ベクトルの角速度の差は、水晶振動子に感知対象物質が吸着したことによる水晶振動子の周波数の変化分に対応する値である。

以上において、測定部としては上述のようなディジタル処理を行う構成に限らず、既述の特許文献２などにも記載されているように、スイッチ部からの周波数信号の周波数例えば９ＭＨｚと基準周波数発生部９１の基準周波数信号の基準周波数例えば１０ＭＨｚとの周波数差をヘテロダイン検波器９２により取り出し、その周波数差の周波数信号の周波数を計測する回路であってもよい。

本発明に係る感知装置の実施の形態の外観を示す斜視図である。上記実施の形態に用いられる水晶センサを示す斜視図である。上記実施の形態の全体の回路構成を示すブロック回路図である。レベル検出回路及び制御部を示すブロック図である。上記実施の形態の動作の一部を示すフローチャートである。上記実施の形態の一部の回路の周波数通過特性を示す特性図である上記実施の形態の一部の回路の周波数通過特性を示す特性図である上記実施の形態の一部の回路の周波数通過特性を示す特性図である測定部の一例を示すブロック図である。図９に示す回路ブロックの一部を示す構成図である。図９に示すブロック図により取り出された回転ベクトルを示す説明図である。測定部の他の例を示すブロック図である。

符号の説明

１水晶センサ
１０発振回路ユニット
１２発振回路
２０装置本体
２０１表示部
２３周波数分別部
２３ａ〜２３ｃバンドパスフィルタ
３０同軸ケーブル
４周波数計測部
５スイッチ部
６レベル検出部
７制御部

Claims

感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電振動子が設けられた感知センサを用い、前記圧電振動子の固有振動数の変化に基づいて感知対象物を感知する感知装置において、
前記感知センサが接続され、当該感知センサの圧電振動子を発振させるための発振回路を含む発振回路ユニットと、
この発振回路ユニットと着脱自在に接続され、前記発振回路の発振出力の周波数に関する信号を測定するための測定部を含む装置本体と、
この装置本体にて前記発振回路ユニットからの周波数信号ラインが複数に分岐されてなる複数のチャンネルと、これらチャンネルに夫々設けられ、前記発振回路の発振周波数に夫々対応する通過特性を備えた複数のバンドパスフィルタと、を有する周波数分別回路と、
前記複数のチャンネルのうち選択されたチャンネルを前記測定部に接続するためのスイッチ部と、
前記複数のバンドパスフィルタの出力側における信号レベルを夫々検出するための複数のレベル検出回路と、
これら複数のレベル検出回路にて夫々検出されたレベル検出値をしきい値と比較し、しきい値以上のレベル検出値が出力されたチャンネルを測定部に接続するようにスイッチ部を制御すると共に、当該チャンネルに対応する周波数信号の周波数に応じて前記測定部を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする感知装置。
前記測定部は、複数の基準周波数から選択された基準周波数と発振回路からの周波数信号の周波数との差分を取り出し、その周波数差に関する信号を測定するものであり、
前記制御部は、しきい値以上のレベル検出値が出力されたチャンネルに対応する周波数信号の周波数に応じて、複数の基準周波数から基準周波数を選択するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の感知装置。
制御部は、バンドパスフィルタの出力側における信号レベルを検出するときには、信号レベルを検出しようとするチャンネルを前記測定部に接続するようにスイッチ部を制御することを特徴とする請求項１または２記載の感知装置。
前記発振回路ユニットと装置本体とはケーブルを介して着脱自在に接続されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の感知装置。
装置本体側には、前記周波数分別回路の入力側の周波数信号ラインに直流電圧を給電するための給電用ラインが接続され、
前記発振回路ユニット側には、前記発振回路の出力側に前記直流電圧を取り出すための電源ラインが接続され、
前記給電用ライン及び前記電源ラインには、各々発振出力の通過を阻止するためにローパスフィルタが設けられ、
前記周波数信号ラインにおける給電用ラインの接続点とバンドパスフィルタとの間、及び周波数信号ラインにおける前記電源ラインの接続点と発振回路との間には、各々直流電圧の通過を阻止するためのフィルタが設けられ、
装置本体側の直流電圧を周波数信号ラインを介して発振回路側に供給することを特徴とする請求項４記載の感知装置。