JP7214505B2

JP7214505B2 - 感知センサ

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Publication number: JP7214505B2
Application number: JP2019034299A
Authority: JP
Inventors: 祐希柳澤; 啓行茎田; 昭平中川
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2023-01-30
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: US10931235B2; EP3702771B1; EP3702771A1; JP2020139788A; US20200274493A1

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感知センサを用いた感知装置として、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、上記の感知センサを構成する水晶振動子にガスを付着させ、続いて冷却されて比較的低い温度とされた水晶振動子の温度を徐々に上げて、当該水晶振動子に付着したガスを脱離させる手法が知られている。当該手法においては、このガス脱離前後の周波数変化量を測定することでガスの付着量が測定され、ガスが脱離する温度を検出することでガスの成分が特定される。上記の水晶振動子の温度制御を能動的に行うために感知センサとしてペルチェ素子を内蔵したものが知られており、そのような感知センサを用いて行うＱＣＭは、ＴＱＣＭ（Thermoelectric QCM）として知られている。

このようなＴＱＣＭ用の感知センサについてより多様な物質を検出するために、水晶振動子の温度の下限をより低くして、当該水晶振動子の変更可能な温度範囲を広くすることが求められている。その一方で水晶振動子が安定して発振する、即ち発振余裕度を高くすることも求められている。

なお特許文献１には、ＱＣＭを行うための感知センサについて示されている。この感知センサは、発振回路モジュールと、当該発振回路モジュールに対して離間且つ対向するように支持される水晶振動子である水晶基板と、当該水晶基板に設けられるヒーターと、を備えている。ただし、この感知センサはＣＱＣＭ（Cryogenic QCM）と呼ばれるＱＣＭを行うものであり、水晶基板の冷却は当該感知センサを囲う容器の周囲に液体窒素を供給することで行われ、当該感知センサ自体が水晶振動子を冷却可能な構成ではない。

特開２０１８-８０９４７号公報

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、搭載される圧電振動子について変更可能な温度範囲が広く、且つ当該圧電振動子が安定して発振する感知センサを提供することである。

本発明の感知センサは、気体である被感知物質を圧電振動子に付着させ、当該圧電振動子の温度を変化させて被感知物質を脱離させ、前記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、
前記圧電振動子を発振させるための発振回路と、
一方側に前記発振回路を収納する凹部が形成されるベース本体と、前記凹部を塞ぐ蓋部とを備え、前記ベース本体の他方側に設けられる前記圧電振動子を支持すると共に、前記発振周波数を前記感知センサの外部に取り出すためベースと、
前記ベースの一方側に設けられ、当該ベースを一方側から冷却するための冷却機構に接続される接続部と、
前記圧電振動子の冷却及び加熱を行うと共に、当該圧電振動子の冷却を行うために放出される熱が前記ベースの他方側から一方側へ伝導するように、前記圧電振動子と前記ベースとの間に介在する温度変更部と、
を備え、
前記凹部には前記発振回路を備える回路基板が収納され、当該回路基板の一方側には前記蓋部と当該回路基板との間を断熱するための断熱部が、当該回路基板の他方側には前記ベースと当該回路基板との間を断熱するための断熱部が夫々設けられることを特徴とする。

本発明によれば、発振回路と圧電振動子との距離が長くなることが抑制されるので、圧電振動子を安定して発振させることができる。さらに、温度変更部から生じた熱は効率良くベースを介して放熱され、圧電振動子の温度をより低い温度にすることができるため、圧電振動子の変更可能な温度範囲を広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の分解斜視図である。前記感知センサの縦断側面図である。前記感知センサを構成するベースの縦断側面図である。前記感知センサを構成する水晶振動子の概略縦断側面図である。前記感知センサを含む感知装置のブロック図である。前記感知センサにおける熱の移動を示す模式図である。前記感知センサにおけるベースの他の構成例を示す概略構成図である。前記感知センサにおけるベースの他の構成例を示す概略構成図である。

本発明の一実施形態であるＴＱＣＭに用いる感知センサ１について、図１の分解斜視図及び図２の縦断側面図を参照して説明する。感知センサ１は、ベース２、回路基板３、第１のペルチェ素子であるペルチェ素子６３、第２のペルチェ素子であるペルチェ素子６４、水晶振動子４を備えるセンサ部５及びカバー６を備えている。感知センサ１の構造の概略を述べると、ベース２にペルチェ素子６３、６４、センサ部５、カバー６が各々支持され、カバー６によってベース２上のペルチェ素子６３、６４及びセンサ部５が覆われる。カバー６は開口しており、水晶振動子４にガスを供給可能に構成されている。また、水晶振動子４を発振させるための回路基板３は、ベース２の内部に収納される。この感知センサ１は、ペルチェ素子６３、６４によって、水晶振動子４の温度を例えば－８０℃～１２５℃の範囲内で変更できるように構成されている。ベース２は水晶振動子４の発振周波数を感知センサ１の外部装置へ取り出すと共に、ペルチェ素子６３、６４が水晶振動子４を冷却するにあたり発生する熱を排熱するための冷却機構に接続できるように構成されている。

図３はベース２の縦断側面図であり、図２とは当該ベース２の中心軸回りに９０°異なる方向に向いた状態を示している。図１～図３を参照して、先ずベース２について説明する。当該ベース２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、ベース本体２１と蓋部２２とにより構成されている。

ベース本体２１は平面視円形なブロックとして構成されており、高い伝熱性が得られるように例えば一体成形されている。当該ベース本体２１の一面側（上面側）の中央部は当該一面側に突出し、平面視円形の突起部２３として構成されており、当該突起部２３の一面は平坦面２３Ａとして構成されている。この平坦面２３Ａの周縁部から一面側に向けて４つの円筒部２４が突出しており、円筒部２４は平坦面２３Ａ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２３Ａには２つの長穴２０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２１の他面側の中央部には凹部１９が形成されており、上記の長穴２０は当該凹部１９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２３の突出方向を上方向、２つの長穴２０の配列方向を左右方向、当該長穴２０の形成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感知センサ１の方向が限られるものでは無い。

ベース２を構成する蓋部２２は、ベース本体２１の下方側（一方側）から上記の凹部１９を塞いで上記の回路基板３などを収納する密閉された収納空間２５を形成する円形の板状体２６と、当該板状体２６の下方に突出する矩形状のコネクタ２７と、を備えている。なお、収納空間２５の天井面を図中２５Ａとして示している。板状体２６の上方側の周縁部には、板状体２６の周に沿って間隔を空けて突起２８Ａが設けられている（図１、図３参照）。当該突起２８Ａは、ベース本体２１の下方側に設けられる孔２８Ｂに差し込まれて当該孔２８Ｂと嵌合し、それによりベース本体２１と蓋部２２とが互いに固定される。また、板状体２６の上面側において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２９として形成されている。また、板状体２６の上面側のコネクタ２７と重なる位置には、凹部２２Ａが形成されている（図１、図２参照）。

続いて、回路基板３について説明する。回路基板３は基板（基板本体）３１と、基板３１の上面側の中央部、下面側の中央部に各々設けられた集積回路３２と、を備えている。集積回路３２はシリコン製の半導体素子によって構成されており、詳しくは後述するが水晶振動子４に接続されて当該水晶振動子４を発振させる発振回路や、レギュレータや、スイッチなどを含む。基板３１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３３が複数ずつ、前後方向に並べて形成される。ソケット３３は導電性であり、各集積回路３２と電気的に接続されている。また、各ソケット３３の位置は、後述の当該ソケット３３に差し込まれるピン５３の位置に対応する。基板３１においては、このソケット３３の孔と重なるように孔が厚さ方向に穿孔されており、ソケット３３に差し込まれたピン５３は、基板３１を貫通できるように構成されている。また、基板３１には図示しないケーブルの一端が接続される接続部３４が設けられている（図１参照）。当該ケーブルの他端は、上記のベース２の板状体２６の凹部２２Ａへ引き出され、コネクタ２７に接続される。つまり、回路基板３とコネクタ２７とは電気的に接続されている。

ところで収納空間２５には、回路基板３の他に２つのスペーサー３５及び２つのガイド部材３７が収納される。これらのスペーサー３５及びガイド部材３７は、ベース２から回路基板３への伝熱を抑制する断熱部であり、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３５は、回路基板３の基板３１の左右の各端部の下方に配置され、ガイド部材３７は当該基板３１の左右の各端部の上方に配置される。

スペーサー３５は板状体であり、左右の一方の縁部が上記のベース２の支持突起２９上に支持される。そして、左右の他方の縁部は支持突起２９の外側且つベース２の周縁部側へと突出するように配置されている。この左右の他方の縁部にはスペーサー３５を厚さ方向に貫通する複数の孔３６が形成されており、当該孔３６は前後方向に配列されている。この孔３６は既述の回路基板３のソケット３３の孔に重なり、ピン５３が挿通されるように設けられている。

ガイド部材３７は、当該ガイド部材３７を上下方向に貫通する複数の貫通孔３８を備えており、当該貫通孔３８は前後方向に配列されている。貫通孔３８の下部側には上記のソケット３３が挿入される。また貫通孔３８の上部側については、当該ソケット３３内にピン５３を差し込むにあたり当該ピン５３がソケット３３内へガイドされるように、上端に向かうにつれて拡径された構造となっている。

既述のようにベース２のベース本体２１と蓋部２２とが互いに固定されることで、ガイド部材３７の上面、下面は収納空間２５の天井面２５Ａ、基板３１の上面に夫々密着し、且つスペーサー３５の上面、下面は基板３１の下面、支持突起２９に夫々密着するように、基板３１の左右の端部はガイド部材３７及びスペーサー３５によって挟み込まれる。それにより収納空間２５におけるガイド部材３７、スペーサー３５、基板３１の各位置が固定される。このように各部材が固定された際に、基板３１の上面側の集積回路３２は収納空間２５の天井面２５Ａから離れ、基板３１の下面側の集積回路３２は、ベース２の板状体２６から離れる。つまり、ガイド部材３７の高さは基板３１の上面側の集積回路３２の高さよりも大きく、支持突起２９の高さ及びスペーサー３５の高さの合計は、基板３１の下面側の集積回路３２の高さよりも大きい。また、基板３１の側面は収納空間２５を形成する側壁から離れている。

続いてセンサ部５の構成について説明する。先ず、当該センサ部５を構成する圧電振動子である水晶振動子４について、その概略縦断側面図である図４も用いて説明する。この水晶振動子４は、例えばＡＴカットされた圧電片である円板状の水晶片４０を備えている。水晶片４０の上面側には励振電極４１、４２が離間して設けられ、水晶片４０の下面側には励振電極４３、４４が前後に離間して設けられる。励振電極４１～４４は例えば金（Ａｕ）により構成され、円形に形成されている。

励振電極４１、４３は対をなし、水晶片４０を挟んで互いに重なり、これらの励振電極４１、４３を第１の励振電極とする。励振電極４２、４４は対をなし、水晶片４０を挟んで互いに重なり、これらの励振電極４２、４４を第２の励振電極とする。水晶片４０の一面側における第１の励振電極４１、第２の励振電極４２について、第１の励振電極４１はガスを付着させる反応電極であり、第２の励振電極４２はガスを付着させない参照電極である。励振電極４１～４４の周の一部は水晶片４０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。

また、センサ部５は、その中央部に上記の水晶振動子４を保持する基板５０を備えている。当該基板５０の上面には、水晶振動子４の下面側の第１の励振電極４３及び第２の励振電極４４を収納する概ね楕円形の凹部５１が形成されており、水晶振動子４の周縁部は、当該凹部５１の開口縁部に支持されている。また、この基板５０の上面には、水晶振動子４の温度を検出するための温度検出部５２が設けられている（図１、図２参照）。

この温度検出部５２及び上記の各励振電極４１～４４から延出される引き出し電極については、基板５０に形成される図示しない配線パターンや基板５０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、細長で小径の棒状のピン５３の上端部に電気的に接続されている。このピン５３は導電性部材であり、基板５０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、当該基板５０を貫通すると共に当該基板５０の垂直下方に長く伸び出している。そして、当該ピン５３は、ベース２の長穴２０、ガイド部材３７の貫通孔３８、ソケット３３の孔、基板３１の孔、スペーサー３５の孔３６に順に挿通されており、その下端は支持突起２９の側方に位置する。このようにピン５３が各部材の孔に差し込まれることで、センサ部５、ガイド部材３７、回路基板３及びスペーサー３５について、互いの前後方向の位置及び互いの左右方向の位置が固定されている。

また、ピン５３がソケット３３に差し込まれることで、ピン５３とソケット３３とが電気的に接続され、センサ部５の水晶振動子４及び温度検出部５２と回路基板３とが電気的に接続される。上記のように回路基板３とベース２のコネクタ２７とは互いに電気的に接続されるため、水晶振動子４及び温度検出部５２と、回路基板３と、コネクタ２７とが互いに電気的に接続される。このようにピン５３が差し込まれた基板５０は、上記のベース２の円筒部２４に支持され、その下面はベース２の平坦面２３Ａに対向する。図１中５４はねじであり、基板５０に形成された貫通孔５５及び円筒部２４の孔に上方側から差し込まれ、基板５０をベース２上に固定する。

ところで、回路基板３をベース２に設けるのは、水晶振動子４と発振回路との距離を短くするためであり、そのように距離が短くなることによって発振回路の負性抵抗が大きくなる結果、水晶振動子４の発振余裕度が大きくなり、水晶振動子４を安定して発振させて被感知物質の検出精度を高めることができる。また、このように水晶振動子４と発振回路との距離を短くすると、発振回路と水晶振動子４との間の寄生容量が低減することになる。その結果として水晶振動子４の質量変化と発振周波数の変化とが精度高く対応するので、例えば当該発振周波数の経時変化をグラフで表す場合において当該グラフの波形がシャープなものとなる。つまり、この寄生容量を低減させるという点からも、被感知物質の検出を精度高く行うことができる。これらの効果が得られるように、上記のピン５３について、センサ部５と回路基板３の基板３１との間の長さＬ１は例えば１２．８ｍｍ～１３．８ｍｍとされている。なお、このように径が小さいピン５３によって回路基板３とセンサ部５とを接続するのは、回路基板３とセンサ部５との間の伝熱を抑制するためである。

続いてカバー６について説明する。このカバー６は、上記の水晶振動子４の上面側の第１の励振電極４１にガスを導入できるように構成されている。具体的にその構成を述べると、このカバー６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６の下端部はベース２の突起部２３の側周面を囲み、当該ベース２に係合される。そして、カバー６の天井部には円形の開口部６１が、既述した第１の励振電極４１に重なるように開口している。開口部６１の開口縁は下方へと延伸されて、下方に向かうにつれて開口径が次第に小さくなる筒状のガイド６２を形成する。ガイド６２の下端は、水晶振動子４の表面からわずかに、例えば０．５ｍｍ離間している。

また、上記のセンサ部５の基板５０の下面とベース２の平坦面２３Ａ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６５、ペルチェ素子６３、ペルチェ素子６４、熱伝導シート６６がこの順番で積層されている。従ってこれらペルチェ素子６３、６４及び熱伝導シート６５、６６は、水晶振動子４とベース２との間に介在しても受けられている。センサ部５を温度変更する温度変更部であるペルチェ素子６３、６４は各々角型に形成されており、ペルチェ素子６３の下面及びペルチェ素子６４の上面は互いに密着している。また熱伝導シート６５は基板５０の下面及びペルチェ素子６３の上面に各々密着しており、熱伝導シート６６は平坦面２３Ａ及びペルチェ素子６４の下面に各々密着している。熱伝導シート６５、６６は熱伝導性が比較的高い材料、例えばグラファイトシートにより構成されている。

ペルチェ素子６３、６４については、その上面の温度及び下面の温度が各々変更される。即ち、ペルチェ素子６３、６４の上面及び下面のうちの一方の面が放熱面（加熱面）、他方の面が冷却面であり、ペルチェ素子６３、６４へ供給される電流の方向が切り替えられることによって放熱面と冷却面とが互いに切り替えられて、センサ部５の冷却と加熱とを行うことができる。センサ部５を冷却する際にはペルチェ素子６３、６４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５を加熱する際にはペルチェ素子６３、６４共にその上面が放熱面となり、その下面が冷却面となる。また、下段側のペルチェ素子６４の上面は、上段側のペルチェ素子６３の下面よりも大きく形成されており、当該ペルチェ素子６４の上面の中央部にペルチェ素子６３の下面が配置される。このような構成としているのは、上記のようにセンサ部５を冷却するにあたり、ペルチェ素子６３の放熱面を効率良く冷却するためである。なお、ペルチェ素子６３、６４については別個の部品であるように示しているが、例えばこのように２段重ねで一体の部品が用いられる。

ここで上記のベース２のコネクタ２７について補足して説明する。コネクタ２７は、感知センサ１を冷却するための冷却機構７１に設けられる凹部７２に差し込まれて、当該冷却機構７１に接続される接続部である（図２参照）。この差し込みにより、コネクタ２７に設けられる図示しない電極と、凹部７２内に設けられる図示しない電極とが互いに接続される。この冷却機構７１の凹部７２内に設けられる電極については、感知センサ１の動作を制御するための外部装置である装置本体８に接続されている。つまり、コネクタ２７の凹部７２への差し込みにより、感知センサ１は装置本体８に電気的に接続されると共に、冷却機構７１により冷却可能になる。これら感知センサ１、冷却機構７１及び装置本体８により、感知装置が構成される。

冷却機構７１は例えば冷媒が流通する流路を備えたチラーにより構成され、凹部７２及び凹部７２の開口縁部を冷却できるように構成されている。従って、凹部７２に差し込まれた状態のコネクタ２７及びベース２の下面が冷却機構７１により冷却される。なお、このように凹部７２にベース２を構成する突起であるコネクタ２７が差し込まれて当該ベース２の冷却が行われるため、冷却機構７１とベース２との接触面積は比較的大きいものとなる。従って、ベース２について効率良く冷却が行われ、ひいては後述のように水晶振動子４を効率良く冷却することができる。

ところで、このようにベース２は下方側から冷却される。また、上記のようにセンサ部５を冷却する際にはペルチェ素子６３、６４の下面が放熱面となり、ベース２の上部へと放熱される。ベース２については、このセンサ部５を冷却する際に発生するペルチェ素子６３、６４の熱を、冷却が行われている下方側へと効率良く伝熱させることで除去し、水晶振動子４をより低い温度に冷却可能にするために、既述のようにベース本体２１の下方側に凹部１９を形成して回路基板３を収納する構成とされている。

このベース２の構成による効果についてさらに詳しく説明するために、ベースの比較例を挙げて説明する。この比較例のベースとしては、ベース本体２１について下方に凹部が形成される代わりに上方に凹部が形成され、この凹部を蓋により塞ぐことで回路基板３を収納する収納空間２５が形成されるように構成され、当該蓋上にペルチェ素子６３、６４を配置されているものとする。ベース上においては上記のピン５３及びセンサ部５を支持する円筒部２４が設けられるスペースを確保する必要が有るので、この比較例におけるベースの蓋の形状については制約を受けることになる。つまり、蓋をピン５３及び円筒部２４に干渉しないように形成することになるため、当該蓋の縁部とベース本体２１における凹部の開口縁部との接触面積を十分に確保することが難しい。そのような構成の場合、ペルチェ素子６３、６４から発した熱を、蓋を介してベース本体２１の下方側へ十分に伝熱させることができないおそれが有る。また、蓋の厚さが小さい場合には当該蓋の熱容量が小さいため、このベース本体２１の下方側への伝熱性がさらに低くなる。従って、比較例のベースの構成では、ペルチェ素子６３、６４からの放熱が不十分となり、水晶振動子４の温度を十分に低下させることができないおそれが有る。

しかし、ベース２では上記のようにベース本体２１の下方側に凹部１９を形成して下方側から回路基板３を挿入すると共に凹部１９を塞いで収納空間２５を形成する構成とされている。それにより、ベース本体２１においてペルチェ素子６３、６４と収納空間２５との間の上部について、熱容量が大きくなるように肉厚とされ、この肉厚の上部に熱が吸収されやすい。そして下方側から凹部１９が形成されることで、この肉厚の上部と当該凹部１９の側壁との間の熱容量も大きなものとなり、肉厚の上部から凹部１９の側壁への伝熱がなされやすい。つまり、ペルチェ素子６３、６４から見てベース２の熱抵抗が小さく、冷却が行われているベース２の下方側へ熱が効率良く伝導することで、高い放熱性が得られ、その結果として既述のように水晶振動子４の温度をより低い温度にすることができる。なお、そのように高い放熱性が得られるようにするために、ペルチェ素子６３、６４を支持するベース本体２１の平坦面２３Ａと、回路基板３の収納空間２５の天井面２５Ａとの距離Ｌ２（図２参照）は、例えば４．８ｍｍ～５．８ｍｍである。

さらに、このようにベース本体２１の下方側に凹部１９を形成して下方側から回路基板３が挿入される構成とすることで、感知センサ１の使用時において回路基板３は冷却機構７１の比較的近くに位置する。従って発振回路の温度上昇が抑制される。そのように発振回路の温度上昇が抑制されると、当該発振回路の負性抵抗の低下を抑制することができ、水晶振動子４の発振余裕度を、より高くすることができる。このような効果が得られるように、例えば回路基板３の下面とベース２の蓋部２２の下面との距離Ｌ３は、例えば２．８ｍｍ～３．８ｍｍである。

続いて上記の感知装置の全体構成について、図５を参照して説明する。図中１１は発振回路であり、図中１２は発振回路１１に供給される電圧を調整するためのレギュレータ１２である。既述したようにこれら発振回路１１及びレギュレータ１２は、回路基板３の集積回路３２に設けられている。上記のようにセンサ部５と回路基板３とがピン５３を介して電気的に接続される。それにより、水晶振動子４における上面側の第１の励振電極４１及び第２の励振電極４２が、集積回路３２に設けられたスイッチ１３を介して発振回路１１に接続され、水晶振動子４における下面側の第１の励振電極４３及び第２の励振電極４４が、集積回路３２に設けられたスイッチ１４を介して発振回路１１に接続される。なお、図中１５はヒーター抵抗であり、装置本体８から供給される電力によって発熱して、回路基板３の温度を調整し、回路基板３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。

装置本体８は、上記のレギュレータ１２及びヒーター抵抗１５が並列に接続される電源部８１を備えている。この電源部８１により、発振回路１１にレギュレータ１２を介して駆動電圧が印加される。また装置本体８は、周波数測定部８２、制御部８３、及び出力調整部８４を備えている。周波数測定部８２は発振回路１１に接続され、発振回路１１から出力される周波数を測定する。周波数測定部８２にて測定された周波数についてのデータ信号が、制御部８３に入力される。出力調整部８４は温度検出部５２に接続され、当該温度検出部５２にて検出された水晶振動子４の温度に基づいて、ペルチェ素子６３、６４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４の温度を調整する。この出力調整部８４の動作は制御部８３により制御され、後述のように水晶振動子４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。

上記のように装置本体８に冷却機構７１を介して感知センサ１を接続すると、周波数測定部８２が、発振回路１１に接続される。感知センサ１は、スイッチ１３、１４を切り替えることで、発振回路１１に接続される励振電極を反応電極（第１の励振電極４１、４３）と、参照電極側（第２の励振電極４２、４４）との間で切り替える。この切り替えにより周波数測定部８２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。そして感知センサ１に向けて、被感知物質を含むガスが供給されると、第１の励振電極４１に被感知物質が付着するため、被感知物質の量に対応して第１の発振周波数Ｆ１が変化する。

また上記の制御部８３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、装置本体８に設けられる表示部（図示は省略している）に表示することができる。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。

続いて、感知センサ１の作用について説明する。先ず、感知センサ１のコネクタ２７を冷却機構７１の凹部７２に接続することで、感知センサ１を装置本体８に接続し、感知装置を形成する。そして冷却機構７１を動作させ、ベース２を冷却する。その一方でペルチェ素子６３、６４の各上面が各々冷却面とされてその温度が低下し、水晶振動子４が冷却される。このとき上段側のペルチェ素子６３の放熱面（下面）が、下段側のペルチェ素子６４の冷却面（上面）により冷却されることで、ペルチェ素子６３からの放熱効率は高くなる。

図６は上記のように水晶振動子４を冷却するにあたり、感知センサ１において熱が伝導する方向を矢印で模式的に示したものである。上記のように上段側のペルチェ素子６３の冷却面の温度が低下する一方で、ペルチェ素子６４の放熱面（下面）の温度が上昇し、このペルチェ素子６４からベース２の突起部２３へと伝熱される。上記したように、この熱は効率良くベース２の下部へと伝わり、除去される。つまり、高い放熱効率をもってペルチェ素子６３、６４からの熱が除去され、この熱が水晶振動子４の周囲に放射されることが抑制される。このようにベース２へ効率良く熱が伝導すること、及び上記のように下段側のペルチェ素子６４による冷却が行われることにより、上段側のペルチェ素子６３の冷却面の温度は非常に低くなり、水晶振動子４についても非常に低い温度となる。

また、このようにベース２への放熱が行われる際に、回路基板３とベース２の収納空間２５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２の熱が回路基板３に伝導することが抑制される。従って、回路基板３の温度上昇が抑制される。そして、水晶振動子４の温度が設定温度である－８０℃となると、感知センサ１の開口部６１に向けて感知対象物となるガスを供給する。このガスが開口部６１の底部に臨む第１の励振電極４１に接触することにより冷却され、当該第１の励振電極４１に付着する。

その後、スイッチ１３、１４が高速で切り替えられ、制御部８３により反応電極（第１の励振電極４１、４３）の発振周波数Ｆ１と、参照電極側（第２の励振電極４２、４４）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６３、６４による冷却を弱め、水晶振動子４を例えば１℃／分の速度で昇温させる。この水晶振動子４の昇温により、第１の励振電極４１に付着した被感知物質が脱離すると、発振周波数Ｆ１が大きく変化する。一方で、参照電極側の第２の励振電極４２においては被感知物質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４の昇温が続けられて、ペルチェ素子６３、６４からベース２への放熱量が変化し、当該ベース２の温度が低くなるが、スペーサー３５及びガイド部材３７の断熱作用により、回路基板３の温度の変動が抑制される。従って、発振回路１１の温度特性に起因する発振周波数の変動が起きることが抑制される。そのため取得される第１の発振周波数Ｆ１及び第１の発振周波数Ｆ１と第２の発振周波数Ｆ２との差分は、上記の励振電極の質量の変化に精度高く対応する。水晶振動子４が設定温度例えば１２５℃に達すると、昇温が停止する。

感知装置のユーザーは、第１の発振周波数Ｆ１と第２の発振周波数Ｆ２との差分の経時変化を示すグラフから、この差分が変化するタイミングを読み出し、この変化したタイミングに基づいて当該変化が起きた温度を特定し、さらにはその温度に基づいて被感知物質の種類を特定することができる。また、このＦ１とＦ２との差分が変化した量に基づいて、被感知物質の質量を算出することができる。なお、これら被感知物質の種類の特定及び質量の算出が、取得されたＦ１とＦ２との差分の時系列データに基づいて自動で行われるように、装置本体８が構成されていてもよい。

上記の感知センサ１によれば、水晶振動子４を支持する基板５０を上部側に支持すると共に下部側が冷却機構７１により冷却されるベース２に設けられる収納空間２５内に発振回路１１を備える回路基板３を設け、基板５０とベース２との間にペルチェ素子６３、６４が介在している。そして上記の収納空間２５は、ベース本体２１の下部側に形成された凹部１９を、冷却機構７１に接続される蓋部２２が塞ぐことで形成されている。このような構成により、発振回路１１と水晶振動子４との距離が長くなることが抑制されるので発振余裕度を高くし、水晶振動子４を安定して発振させることができる。また、ペルチェ素子６３、６４からベース２を介する放熱を効率良く行うことができるので、水晶振動子４を冷却温度の下限を低いものとして、当該水晶振動子４の変更可能な温度範囲を広くすることができ、結果として多様な種類の被感知物質の検知を行うことができる。

ところでベース２を構成するベース本体２１に回路基板３を収納する凹部１９が形成され、蓋部２２によりその凹部が塞がれて収納空間２５が形成される構成であればよく、蓋部２２としてはその凹部を塞ぐにあたり、平板状の構造を備えることに限られない。例えば図７に示すように蓋部２２が凹部を備えるように構成し、当該凹部の開口縁部とベース本体２１の凹部１９の開口縁部とが接することで収納空間２５が形成されてもよい。また、ベース本体２１については分割された構成であってもよい。図８では上下に分割された例を示している。ただし、ベース本体２１としては一体成形とした方がその伝熱性が高くなり、冷却機構７１によってペルチェ素子６３、６４からの熱を効率良く除去できるため好ましい。なお凹部１９が回路基板３を収納するとは、例えば凹部１９の側壁の下端が回路基板３の下端よりも下方に位置することであり、回路基板３の下端とは上記の例のように下面に集積回路３２が設けられているときはその集積回路３２の下端、集積回路３２が設けられていないときには基板本体３１の下面である。また、上記の例では感知センサ１を装置本体８に接続するための電極がコネクタ２７に設けられるとしているが、このような位置に設けることには限られず、例えば蓋部２２の板状体２６の下面であってもよい。

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。例えば、ペルチェ素子は１つのみ設けられてもよいし、３段以上の多段に設けられていてもよい。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。

１感知装置
１１発振回路
１９凹部
２ベース
２１ベース本体
２２蓋部
２５収納空間
２７コネクタ
３回路基板
３５スペーサー
３７ガイド部材
４水晶振動子
６３、６４ペルチェ素子
７１冷却機構

Claims

気体である被感知物質を圧電振動子に付着させ、当該圧電振動子の温度を変化させて被感知物質を脱離させ、前記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、
前記圧電振動子を発振させるための発振回路と、
一方側に前記発振回路を収納する凹部が形成されるベース本体と、前記凹部を塞ぐ蓋部とを備え、前記ベース本体の他方側に設けられる前記圧電振動子を支持すると共に、前記発振周波数を前記感知センサの外部に取り出すためベースと、
前記ベースの一方側に設けられ、当該ベースを一方側から冷却するための冷却機構に接続される接続部と、
前記圧電振動子の冷却及び加熱を行うと共に、当該圧電振動子の冷却を行うために放出される熱が前記ベースの他方側から一方側へ伝導するように、前記圧電振動子と前記ベースとの間に介在する温度変更部と、
を備え、
前記凹部には前記発振回路を備える回路基板が収納され、当該回路基板の一方側には前記蓋部と当該回路基板との間を断熱するための断熱部が、当該回路基板の他方側には前記ベースと当該回路基板との間を断熱するための断熱部が夫々設けられることを特徴とする感知センサ。
前記温度変更部は、ペルチェ素子を備えることを特徴とする請求項１記載の感知センサ。
前記ペルチェ素子は、互いに積層された第１のペルチェ素子及び第２のペルチェ素子を含むことを特徴とする請求項２記載の感知センサ。
前記温度変更部は、前記圧電振動子の温度を－８０℃～１２５℃の範囲で変化させ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センサ。