JP5117506B2 - 光音響検出器用発振素子 - Google Patents

Description

本発明は、サンプル混合物におけるサンプルの濃度を検出するための光音響検出器に用いられる発振素子であって、前記光音響検出器は、当該発振素子の励起領域の近傍において前記サンプルの分子の励起をなすための光ビームを用い、当該励起により当該発振素子の共振をもたらすようにした発振素子であって、・機械的に歪んだときに電圧を発生する圧電性材料と、・当該発生した電圧を記録するために当該発振素子の表面を少なくとも一部分カバーする電極と、を有するものに関する。

本発明はさらに、このような発振素子を有する光音響検出器に関する。

このような発振素子は、ＵＳ２００５／０１１７１５５として発行された合衆国特許出願に記述された光音響微量ガス検知器にも用いられている。光音響微量ガス検知器は、ガス混合物における微量ガスの分子を励起するためのレーザビームを用いている。この微量ガス分子の励起により、温度及び圧力が上昇することになる。レーザビームは、ガス混合物における圧力変化を生じさせるために波長又は振幅変調される。ＵＳ２００５／０１１７１５５による光音響微量ガス検知器においては、水晶音叉が圧力変化を検出する。前置増幅器による増幅の後、ロックイン増幅器は、出力信号を得るために当該音叉信号を基準信号と混合する。圧力変化の検出のための当該水晶音叉の使用は、比較的に小型の光音響微量ガス検知器を見越すものである。

光音響微量ガス検知器の重要な用途は、呼気検査である。呼気検査は、医療技術の有望な分野である。呼気検査は、非侵襲性で、ユーザフレンドリでかつ低コストなものである。呼気検査の主な例には、喘息の監視、呼気アルコール濃度検査、並びに胃病及び急性臓器拒絶反応の検出である。第１の臨床試験は、乳癌及び肺癌のプレスクリーニングにおける適用可能性を示している。こうした揮発性生体指標は、１０億分の１（ｐｐｂ）のレンジの代表的濃度を有する。酸化窒素（ＮＯ）は、人の呼気における最も重要な微量ガスの１つであり、ＮＯの濃度上昇は、喘息の患者に見られるものである。現在、ｐｐｂ濃度での排出ＮＯレベルは、化学ルミネセンス又は光吸収分光法に基づいて高価でかつ嵩張る機器を用いてのみ測定可能である。小型の低コストＮＯセンサは、気道炎症を診断し監視するために用いることが可能でかつ医院においてそして自宅での薬物療法コントロールのために用いることが可能な魅力的装置を形成する。

排出呼気中のＮＯを検出するため、ＮＯが、青色半導体レーザを組み込んだ光音響センサにより引き続き検出されるＮＯ_２に化学的に変換されるといったアプローチが選ばれている。ＮＯ_２は、青色の波長範囲において広域の吸収スペクトルを有するので、波長変調は、ＮＯ_２を検出するための好適な変調方法ではない。残念ながら、レーザパワーの振幅変調は、小さなＮＯ_２関連光音響信号を簡単に支配する大きなバックグラウンド信号を招く。測定の精度が不十分な点は、ＵＳ２００５／０１１７１５５による光音響微量ガス検知器の問題点である。

本発明の目的は、冒頭の段落による発振素子であって、最先端の光音響検出器の精度を向上させるものを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、この目的は、光ビームによる励起領域における電極の加熱を回避するように励起領域を配置することによって達成される。

本発明は、従来技術の光音響検出器の検出器信号は、小さな光音響信号の検出を難しくする音叉ピックアップ素子の強力な直接の励起により悪い影響を受ける、という洞察に基づいている。光音響検出において、光ビームは、発振素子により圧力変化の検出を可能にするよう発振素子の非常に近くにおいてサンプル混合物に焦点合わせさせられる。光の散乱、軽微な位置合わせ誤り及びレーザビームの強度分布の幅が原因で、レーザビームは、サンプル分子を励起するだけでなく、発振素子の各部分をも直接に励起してしまい、加熱及びバックグラウンド信号の発生をもたらす。本文の全体にわたって、サンプル分子励起光スポットの近傍の領域は、これもまた当該光音響検出器が使用中にあるときにレーザビームにより加熱されるものであるが、励起領域と呼ばれる。この励起領域の加熱は、発振素子の膨張及び機械的歪みをもたらし、電圧変化を導きこれが電極によって検出される。当該励起領域に突き当たる光ビームによる発振素子の加熱が回避されるように当該励起領域を構成することによって、サンプル濃度検出の精度が向上する。

本発明による発振素子の好適実施例において、電極は、励起領域において発振素子の表面をカバーしない。発振素子の直接励起は、その表面において金属電極における光の吸収により生じ、電極及び電極後方の圧電材料の局部的加熱をもたらす。電極が励起領域において発振素子の表面をカバーしない場合、光ビームは、電極を加熱しないことになる。圧電材料自体の吸収は小さく、バックグラウンド信号は導かない。電極によりカバーされる領域の縮小化は、発振素子からの少し弱められた電子信号をもたらすが、この効果は、バックグラウンド信号が無いことにより大きく補償される。好ましくは、しばしば透明な圧電材料を光線が透過したときに中断領域のバックサイドにおける吸収を回避するため、電極材料は当該バックサイドにおいても中断させられる。当該バックサイドにおいて電極材料を中断する他の理由は、当該セルを通じて順方向及び逆方向に通過するビームにより光音響検出を可能にすることである。

他の実施例において、電極は、光ビームの波長において光の高い反射率を有する。入射光の高い反射性は、低吸収をもたらし、発振素子の最小温度上昇をもたらす。例えば、青色光が当該光音響検出のために用いられる場合、この波長範囲における高反射をなす金属を選ぶことができ、例えば、銀又はアルミニウムである。金及び真鍮は、この波長に対してはあまり好ましくない。

低吸収性／高反射性は、高い反射率を得るための被覆で当該電極をカバーすることによっても得ることができる。例えば、適切な厚さを持つ誘電体層又は誘電体層積層部を、高い反射率の被覆が得られるように用いることができる。

或いは、電極は、少なくとも励起領域において、透明な導電性材料により作られる。

好適実施例において、圧電材料は水晶である。水晶発振器は、高精度な発振素子であることがよく知られている。好ましくは、圧電材料は、音叉として整形される。

実験において、当該音叉の分岐突出部の端部に近いところで、最も大きな光音響信号及び最も小さなバックグラウンド信号が得られることが判明した。したがって、好適実施例は、励起領域が音叉の２つの分岐突出部の端部に配されるものとされる。

本発明の第２の態様によれば、本発明による発振素子を有する光音響検出器が提供される。

本発明のこれらの態様及びその他の態様は、以下に説明する実施例から明らかとなり、当該実施例に基づいて詳説される。

光音響微量ガス検知器の一部を示す図。 音叉として具現化された従来技術の発振素子の正面図。 音叉の断面図。 音叉の断面図。 光ビームが突き当たる音叉の断面図。 光ビームが突き当たる音叉の断面図。 本発明による発振素子の正面図。 本発明による発振素子の利点を示す図。

図１は、光音響検出器の一部を示している。以下に説明する光音響微量ガス検知器は、ガス混合物における微量ガス濃度を検出するが、本発明は、他のサンプル混合物における組織、流体又は固体サンプルを検出ためにも適用可能である。微量ガス検知器は、ガス混合物１４の中に配される発振素子１０を有する。ガス混合物１４は、ガスセルに含まれる。平均的な呼気分析装置において、このガスセルは、人がガスセルを通じて空気を吸うことができるようにガス入口とガス出口を有する。この実施例において、発振素子１０は音叉であるが、発振素子１０の他の形状を用いることもできる。高強度光ビーム１１、好ましくはレーザビーム１１は、ガス混合物１４を透過し、発振素子１０の近くに焦点が合わされる。好ましくは、レーザビーム１１は、ちょうど音叉１０の２つの分岐突出部の間に焦点が合わされる。レーザビーム１１の光は、正しい波長を有する場合、微量ガス１５の分子により吸収される。ガス混合物１４の温度は、励起された分子がそれらの元の状態に戻るときに上昇する。かかる温度上昇は、圧力増加をもたらす。音叉１０の共振周波数において光ビーム１１の振幅を変調することによって、繰り返される圧力変化は、音叉１０に共振を起こさせる。より高い微量ガス１５の濃度は、音叉１０のより大きな発振をもたらす。この実施例において、音響セル１２は、音波を増幅し音叉１０の応答を高進させるために設けられる。発振信号１３は、他の処理のためにＡＤＣ又は他の電子回路に送出されるようにしてもよい。

図２は、音叉１０として具現化される従来技術の発振素子の正面図を示している。音叉は、水晶、ガリウムオルト燐酸塩（ＧａＰＯ_４）又はチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ_３）のような圧電材料２０により構成される。圧電気は、印加された機械的応力に応答して電圧を発生する結晶体の能力である。この圧電効果は、圧電性結晶が、外部印加された電圧がかけられているときに少し形状を変えることができる点で、可逆性である。圧電性材料２０の表面上の電極２１〜２４は、機械的応力から生じる電荷を集める。電極２１〜２４は、電気を通すために金属により作られる。音叉の共振に対する最も大きな電子的応答のために、電極２１〜２４は、当該圧電性材料の表面のほぼ全体をカバーする。

図２に示される実施例において、第１の分岐突出部の前方及び後方電極２１は、第２の分岐突出部の側方電極２４に接続される。第２の分岐突出部の前方及び後方電極２３は、第１の分岐突出部の側方電極２２に接続される。この電極構成は、図３ａに示されるように音叉１０の断面においても示される。

図３ｂに示されるように、この電極構成は、互いに対して当該分岐突出部の動きを検出し励起する。一方の分岐突出部が反れたときには、今度は電圧を生成してこれにより反対方向において他方の分岐突出部を反らす電荷分離を起こす。離れた音源から発する音波であって、当該２つの分岐突出部の各々に同じ方向において力をかけるような傾向にある音波は、音叉１０を励起しない、という点は、この電極構成の有利な点である。

図４ａ及び図４ｂは、光ビーム１１が突き当たる音叉１０の断面を示している。光音響微量ガス検出の間において、概して光１１のごく僅かは分岐突出部に当たり、光１１が音叉１０の共振において又はその近傍において振幅変調された場合には、音叉１０の分岐突出部は発振し始める。照射により、複合の横方向及び前後方向発振モードとなる。この後者の発振の周波数は、横方向の動きに対して少しシフトさせられる。固定周波数が光ビーム１１の振幅変調のために用いられる場合、この周波数シフトは、検出された信号１３における位相シフトとして検出される。こうした作用は、光音響信号と干渉し、好ましくは抑制され又は回避されるのが良い。

図５は、本発明による発振素子１０の正面図を示している。本発明者らは、音叉１０の励起の後にあるメカニズムは、音叉１０の表面における金属電極２１〜２４における光１１の吸収であり、これにより電極２１〜２４及び電極２１〜２４の後方の圧電性材料２０の局部的な加熱をもたらすことを確認している。この加熱により、圧電性材料２０の膨張及び機械的歪みとなり、これが圧電作用及び電極２１〜２４により電子的に検出される。光ビーム１１による電極２１〜２４の加熱を防止するように電極２１〜２４を構成することによって、微量ガス検知の感度及び精度が改善される。

図５に示される実施例において、分岐突出部にレーザービーム１１の袖の部分が入る領域２５には電極構造がない。電極２１〜２４が励起領域における音叉１０の表面をカバーしない場合、光ビームは、電極２１〜２４を加熱しないことになる。圧電性材料２０自体の吸収は、無視することができ、バックグラウンド信号をもたらさない。電極の改変は、発振する分岐突出部からの電気信号１３を少し低減させることになるが、この効果は、大部分はバックグラウンド信号の欠如により補償される。中断される電極は、分岐突出部のうちの他の部分において接続されることが可能であり、或いは当該中断のサイズを、全部の電極は中断されないように選ぶことができる。照射光が透明な圧電性材料２０を通過したときに中断領域２５の裏側における吸収を回避するために、電極材料は、裏側でも中断されていなければならない。電極を中断するとともに、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）により作られる透明電極を用いることもできる。

実験においては、分岐突出部の端部に近いところで、最大の光音響信号及び最小のバックグラウンド信号が得られることが判明している。したがって、好適実施例は、分岐突出部の端部パートに電極構造がないものとすることである。

代替えの実施例において、電極２１〜２４の材料は、最小の吸収のために最適化される。例えば、光音響検出のために青色光が用いられた場合、この波長範囲における高い反射率の金属、例えば銀又はアルミニウムを選ぶことができる。金及び真鍮は、この波長に対してはそれほど好適ではないが、他の波長に対しては好適となりうる。さらなる低減は、高反射率の被覆が得られるように適切な厚さの誘電層又は誘電層スタックが当該金属を被覆するときに得ることができる。かかる被覆は、電極全体、又は専ら当該励起領域の一部又はその近傍であるところの部分に適用可能である。

図６は、本発明による発振素子１０の利点を示している。この図は、焦点合わせさせられた振幅変調されたレーザスポットが音叉電極構造部にわたりスキャンさせられ、対応の電子信号１３がロックイン検出法を用いて捕捉された実験の結果を示している。当該スポットが、電極が中断されている領域２５にわたりスキャンさせられるとき、バックグラウンド信号は、ゼロに降下する。

なお、上述した実施例は本発明を限定するのではなく例示するものであり、当業者であれば、添付の請求項の範囲を逸脱することなく数多くの代替実施例を構成することができることになることを注記すべきである。請求項において、括弧内に付された参照符号は、その請求項を限定するものと解釈してはならない。「有する」なる動詞及びその活用形の使用は、請求項に記載されたもの以外の要素又はステップの存在を排除しない。要素の単数表現は、当該要素の複数の存在を排除しない。本発明は、幾つかの個別の要素を有するハードウェアにより、また、適切にプログラムされたコンピュータによって実現可能である。幾つかの手段を列挙する請求項において、これら手段の幾つかは、同一アイテムのハードウェアにより具現化可能である。或る特定の方策が相互に異なる従属請求項に挙げられているという点は、これらの方策の組み合わせが活用できないことを示すものではない。

Claims (8)

1. サンプル混合物におけるサンプルの濃度を検出するための光音響検出器に用いられる発振素子であって、前記光音響検出器は、当該発振素子の励起領域の近傍において前記サンプルの分子の励起をなすための光ビームを用い、当該励起により当該発振素子の共振をもたらすようにした発振素子であって、
   ・機械的に歪んだときに電圧を発生する圧電性材料と、
   ・当該発生した電圧を記録するために当該発振素子の表面を少なくとも一部分カバーする電極と、
   を有し、
   ・前記励起領域は、前記光ビームによる前記励起領域における前記電極の加熱が回避されるように構成され、
   ・前記電極は、前記光ビームの波長において光の高反射率を有する、
   発振素子。
2. 請求項１に記載の発振素子であって、前記電極は、前記励起領域において当該発振素子の表面をカバーしない、発振素子。
3. 請求項１に記載の発振素子であって、前記電極は、前記高反射率を得るための被覆によりカバーされている、発振素子。
4. 請求項１に記載の発振素子であって、前記電極は、透明な導電性材料により少なくとも一部が形成されている、発振素子。
5. 請求項１に記載の発振素子であって、前記圧電性材料は、水晶である、発振素子。
6. 請求項１に記載の発振素子であって、前記圧電性材料は、音叉として整形される、発振素子。
7. 請求項６に記載の発振素子であって、前記励起領域は、前記音叉の２つの分岐突出部の端部に配される、発振素子。
8. 請求項１に記載の発振素子を有する光音響検出器。

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