WO2002061396A1 - Oscillateur et detecteur de masse - Google Patents

Description

明 細 書

発振子および質量検出装置 発明の属する技術分野

本発明は、 液中に浸漬された状態で所定振動数の信号を発振する発振 子、 およびこれを利用して液中の物質の量を計測する質量検出装置に関 する。

背景技術

水晶発振子は、 薄い水晶板の表面と裏面とにそれぞれ金属電極を蒸着 したものである。 そして、 各金属電極を交流電源に接続する。 一対の金 属電極間に交流電界を印加すると、 水晶の圧電効果により、 水晶板が一 定周期の振動を発生する。

ここで、 電極上に何らかの物質が付着すると、 発振子から発振される 信号の振動数が減少する。 付着物の重量と振動数変化とは比例関係にあ る。 例えば、 9 M H z、 A T— c u tの水晶発振子では、 l n gの物質 が電極上に付着すると、 約 1 H z振動数が減少する。 これにより、 微小 な質量を有する物質の質量を計測できる。

このような水晶振動子を溶液中に浸潰し、 溶液中の物質の質量の測定 に使用することが知られている。 この場合は、 一対の電極が溶液により 短絡 （ショート） しないようにしなければならない。 そこで、 一方の電 極を溶液に対して接触させつつ、 他方の電極を気体中に気密に封止し、 他方の電極が溶液に接触しないようにする必要があった。 具体的には、 例えば 0リングを用いて水晶板を挟み付けることによって、 水晶板を気 密に封止することが知られている。 また、 特開平 1 0— 3 8 7 8 4号公 報においては、 0リングを用いずに、 水晶板の他方の電極が液にさらさ れないように封止する方法が記載されている。 発明の開示

しかし、 これらの従来技術においては、 水晶板に交流電界を印加した ときに、 水晶板の発振が機械的に押さえられ、 発振効率が低いという問 題があった。 本出願人は、 この問題点を解決するために、 特願平 1 1— 3 3 5 7 2 3号明細書 （平成 1 1年 1 1月 2 6日出願） において、 水晶 板の裏面に設けられた他方の電極を片面被覆材によって気密に被覆する とともに、 片面被覆材に側壁を設け、 片面被覆材の側壁の内側面を水晶 板の側面に接触させて保持することを提案した。 そして、 水晶板の最も 周縁の領域と片面被覆材の内側面との間をシリコーン樹脂によって封止 し、 片面被覆材と水晶板の裏面との間に気体を気密に保持することで、 裏面側の電極がこの気体に接触し、 液に接触しないようにした。

しかし、 本発明者が更に検討を進めた結果、 更に次の未解決の問題が 残ることが判明してきた。即ち、例えば水晶発振子を水溶液中に浸漬し、 一対の電極の間に交流電界を印加し、 所定振動数の信号を発振させたと きに、 水温が変化すると発振振動数が変動し、 挙動が不安定になる。 典 型的には、 2 °C以上水温が変化すると、 次に振動数が安定するまで 4— 6時間かかる。 このように、 水晶発振子の振動数の変化を利用した質量 検出装置は優れた技術ではあり、 例えば医療測定装置として注目を集め ながらも、 水温が変化すると、 発振振動数が変動し、 発振挙動が不安定 になるために、 普及がいま一つ妨げられてきた。

本発明の課題は、 液中に浸漬された状態で所定振動数の信号を発振す る発振子、 およびこれを利用した質量検出装置において、 液温が変動し た場合にも、 比較的に短時間で発振振動数が安定するような新規な構造 を提供することである。

本発明は、 液中に浸潰された状態で所定振動数の信号を発振する発振 子であって、 表面、 裏面および側面を有する圧電材料製の振動板、 振動 板の表面に設けられた第一の電極、 振動板の裏面に設けられた第二の電 極、 および少なく とも振動板の裏面側を被覆する被覆材を備えており、 発振子が液中に浸漬された状態で、 第一の電極が液に接触しており、 振 動板の裏面と被覆材とによって形成される空間内に気体が保持されてお り、 この空間に連通する開口が前記被覆材に設けられていることを特徴 とする、 発振子に係るものである。

また、 本発明は、 液中に溶解または懸濁されている標的物質の質量を 検出する質量検出装置であって、 前記発振子、 および第一の電極上に固 定化されており、 標的物質と結合する検出用物質を備えていることを特 徴とする、 質量検出装置に係るものである。

本発明者は、 前述したように、 液温が変化したときに発振挙動が不安 定になる原因を検討し、 次の知見を得た。 即ち、 水晶等の圧電体からな る振動板は、 非常にデリケートな振動状態を有しており、 振動板の周囲 の環境条件によって大きく影響を受ける。 本発明者は、 液温が変化した ときに、 特に主として以下の機構によって、 前述した発振挙動の不安定 化が引き起こされることを発見した。

発振子においては、 振動板と被覆材との間の空間に気体が充填されて おり、 振動板の裏面側の第二の電極はこの空間に面していて、 発振子の 外部の液体には直接には接触していない。いずれの従来技術においても、 当然のことながら、 この空間を密閉することによって、 第二の電極が液 体に接触して第一の電極と短絡しないように工夫している。

しかし、 この発振子を液中に浸潰した状態で、 発振子の周囲の液温が わずかに上昇すると、 振動板と被覆材との間の空間に充填された気体が 膨張する。 この結果、 振動中の振動板に加わる気圧が上昇し、 振動板に 微細な変形ないし歪みが発生する。

これと共に、 振動板と被覆材との間の封止部分に負荷が加わる。 被覆 材は典型的にはゴムによって形成されており、 変形しやすい。 このため、 気圧変化に応じて、 被覆材の振動板の封止部分が変形する。 これととも に、 被覆材の振動板の封止部分の水和状態が不均衡になることから、 封 止部分に変形が生ずる。 被覆材の封止部分にこう した微細な変形が発生 すると、 被覆材によって保持されている振動板の方にも間接的に歪みが 発生する。 この結果、 振動板の振動状態が変動し、 なかなか安定な振動 状態に移行しないものと思われる。

また、 これと同時に、 液温が上昇すると、 液体に直接接触している振 動板の表面側の温度が高くなる一方、 液体に直接接触していない振動板 の裏面の温度は相対的に低くなる。 このため、 振動板の表面と裏面との 間で温度差が発生する。 このとき、 振動板と被覆材との間の空間内の気 圧が上昇することから、 飽和湿度が変化し、 振動板の裏面上に結露が発 生することがわかった。 振動板裏面に結露が生成すると、 結露の質量に よって振動板の振動状態が変化する。

本発明者は、 これらの知見に立脚し、 振動板の裏面と被覆材とによつ て形成される空間内に気体を保持することによって、 裏面側の電極 （第 二の電極） が液に接触して第一の電極と短絡することを防止しつつも、 被覆材に開口を設け、 第二の電極が面する空間に開口を連通させること を想到した。

この結果、 液温が変化し、 振動板と被覆材との間の空間内の気体が膨 張しょうとしたときに、 この気体の一部が開口から液中へと放出され、 空間内の気圧が常に一定に保持される。 従って、 振動板と被覆材との間 の空間内の気圧変動に伴う、 振動板の変形、 被覆材の変形、 振動板裏面 への結露といった問題を解決できることがわかった。 この結果、 液温が 変化したときにも、 比較的に短時間で発振子の発振振動数が安定するよ つになった。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の実施の形態にかかる水晶発振子 1 を示す正面図であ る。

図 2は、 図 1の水晶発振子 1を裏面側から見た背面図である。

図 3は、 発振子 1の側面図である。

図 4 ( a ) は、 水晶板 9の周辺を表面 9 a側から見た正面図であり、 図 4 ( b ) は図 4 ( a ) の I V b— I V b線断面図である。

図 5は、 水晶板 9の周辺を裏面側から見た正面図である。

図 6は、 発振子 1の使用状態を模式的に示す図である。

図 7は、 本発明例の発振子について、 液温を変化させたときの発振 周波数の経時変化を示すグラフである。

図 8は、 比較例の発振子について、 液温を変化させたときの発振周 波数の経時変化を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態

好適な実施形態においては、 液中に発振子を浸漬しているときに、 気 体が膨張する際に、 この気体の一部を開口から液中に放出させ、 空間内 の気圧を一定に保持する。 また、 気体が収縮する際にも、 開口近辺にお いて気相一液相界面が移動することで、空間内の気圧を一定に保持する。 好適な実施形態においては、 液中に発振子を浸漬しているときに、 開 口が第二の電極よりも下側に位置する。 これによつて、 開口から液が浸 入したときにも、 液が空間内の低い位置に溜まり、 裏面側の第二の電極 には接触し.ないので、 これによる測定誤差を防止できる。

被覆材の材質は限定されないが、 振動板の振動に対する影響を最小限 に抑えるためには、 弾性材料であることが好ましく、 粘弾性高分子材料 であることが更に好ましい。 具体的には、 揮水性の粘弾性高分子材料が 好ましく、 シリコーン樹脂が特に好ましい。

好適な実施形態においては、 液が水溶液または水性懸濁液である。 好適な実施形態においては、 被覆材が、 裏面に対して対向する本体部 分と、 振動板の側面を包囲する側壁部分とを備えており、 振動板の側面 に対して側壁部分の内壁面が接しており、 側壁部分と振動板の表面との 間を封止する封止材を備えている。 つまり、 封止材は、 振動板の側面に 接する内壁面に接着されているため、 必然的の振動板の端部に封止材が 位置することになる。 従って、 振動板のうち最も振幅の小さい最周縁部 が封止され、 固定されることから、 振動板を発振させ易くなる。

本発明において、 開口の形状、 個数は特に限定されない。 開口の形状 は、 真円形、 楕円形、 三角形、 四角形、 六角形等の種々の形状であって よい。

本発明において、 開口の寸法は特に限定されない。 しかし、 一般的に は、 開口を大きくすることによって、 被覆材と振動板との間の空間内の 急激な気圧変化に迅速に応答する上で有利である。 この観点からは、 開 口の面積が 0 . 0 1 m m 以上であることが好ましく、 1 . 0 0 m m 以 上であることが更に好ましい。

また、 同様の観点から、 開口が真円形、 楕円形である場合には、 直径 または長径は 0 . 1 m m以上であることが好ましく、 0 . 5 m m以上で あることが更に好ましい。 開口が正方形である場合には、 各辺の長さが 0 . 1 m m以上であることが好ましく、 0 . 5 m m以上であることが更 に好ましい。

ただし、 開口が大きすぎると、 開口から液が浸入しやすくなる。 液が 静穏な状態である場合には開口からの液の浸入の問題は少ないが、 液を 攪拌する場合や振動ないし振とうさせている場合には、 開口から液が浸 入しやすくなる。 こう した液の浸入を抑制するという観点からは、 開口 の面積が 1 0. O mm 以下であることが好ましく、 8. O mm 以下で あることが更に好ましい。

また、 同様の観点から、 開口が真円形、 楕円形である場合には、 直径 または長径は 3. 5 mm以下であることが好ましく、 3. O mm以下で あることが更に好ましい。 開口が正方形である場合には、 各辺の長さが 3. 5 mm以下であることが好ましく、 3. O mm以下であることが更 に好ましい。

振動板を構成する圧電材料としては、水晶、 ニオブ酸リチウム単結晶、 タンタル酸リチウム単結晶、 ニオブ酸リチウム一タンタル酸リチウム固 溶体単結晶、 ニオブ酸リチウムカリウム単結晶等の圧電性結晶が好まし く、 水晶が特に好ましい。

本発明の質量検出装置において、 標的物質と検出用物質との組み合わ せは特に限定されない。 しかし、 特に好ましくは、 以下の組み合わせを 例示できる。

( 1 ) 有機化合物と、 この有機化合物に対する抗体

これには、 アルキルフヱノールェトキシレートとこれに対する抗体、 ビスフエノ一ル Aと 1 7 エス トラジオール抗体、 フタル酸エステル と 1 7 —エス トラジオール抗体を例示できる。

( 2 ) 有機化合物と、 この有機化合物にイン夕一力レートする D NA これには、 アルキルフエノ一ルェトキシレートと D N Aとの組み合わ せを例示できる。

( 3 ) 微生物抗原と、 この微生物を特異的に認識する抗体

これには、 大腸菌と大腸菌に対する抗体、 レジオネラ菌とレジオネラ 菌抗体、 黄色ブドウ球菌と黄色ブドウ球菌抗体を例示できる。

(4 ) 細胞抗原と、 この細胞を特異的に認識する抗体 これには、 血中細胞と血中細胞に対する抗体、 組織細胞と組織細胞に 対する抗体を例示できる。

以下、 本発明の実施の形態を、 図面を参照しながら説明する。

図 1は本発明の実施の形態にかかる水晶発振子 1 を示す正面図であり、 図 2は、 図 1の水晶発振子 1を裏面側から見た背面図であり、 図 3は発 振子 1の側面図であり、 図 4 ( a ) は、 振動板 9の周辺を表面 9 a側か ら見た正面図であり、 図 4 ( b ) は図 4 ( a ) の I V b— I V b線断面 図であり、 図 5は、 振動板 9の周辺を裏面側から見た正面図であり、 図 6は、 発振子 1の使用状態を模式的に示す図である。

図 1に示すように、 本実施形態に係る発振装置 1は、 基部 4と、 発振 子 2 と、 基部 4と発振子 2 とを接続する一対のリード線カバ一 3 A、 3 Bとを備えている。 リード線 5 A、 5 Bは、 基部 4およびリード線カバ 一 3 A、 3 Bを通り、 発振子 2の内部に挿入されている。

図 1、 図 4に示すように、 振動板 9の表面 9 aの中央部には第一の電 極 1 0 Aが形成されており、 電極 1 0 Aからリード部分 1 0 aが延びて いる。 リード部分 1 0 aは、 図 4 ( b ) に示すように、 更に振動板 9の 側面を通って裏面 9 bにまで至っている。 また、 振動板 9の裏面 9 bの 中央部には第二の電極 1 0 Bが形成されており、 電極 1 0 Bからリード 部分 1 0 bが振動板 9の周縁に向かって延びている。

振動板 9は、 被覆材 6によって保持されている。 被覆材 6は、 略平板 形状の本体部分 6 bと、 本体部分 6 bから突出する側壁部分 6 aとを備 えている。 被覆材 6の側壁部分 6 aの内壁面 7の内側に振動板 9が挿入 固定されており、 振動板 9の側面 9 cが内壁面 7に接触し、 保持されて いる。 内壁面 7と振動板 9の周縁部との間が封止材 8によって封止され ている。 被覆材 6の本体部分 6 bと振動板 9の裏面 9 bとの間にも、 0 リング等の封止材 1 6が設置されている。 振動板 9の裏面 9 bと被覆材 6とによって空間 2 3が形成されており、 空間 2 3内には気体が存在す る

第一の電極 1 0 Aはリ一ド部分 1 0 aを通してリ一ド線 3 Aに接続さ れており、 第二の電極 1 0 Bはリード部分 1 0 bを通してリード線 3 B に接続されている。 各リード線は、 被覆材 6によって被覆されており、 更にリード線カバ一 3 A、 3 B中を通り、 基部 4内に延びている。

被覆材 6の本体部分 6 bに、 空間 2 3 と連通している開口 1 4が形成 されている。 この結果、 空間 2 3は、 開口 1 4を通じて、 外部の液に対 して開放状態になっている。

図 6に発振装置 1の液計測への適用例を示す。 発振装置 1を発振子取 付アーム 1 6に取り付け、 発振子 2を液 1 7内に浸漬する。 液 1 7は、 恒温ヒートブロヅク 1 9に収容されている。 液は攪拌機 （ス夕一ラ一） 1 8により攪袢される。 発振回路 2 0によって、 発振子 2の第一の電極 と第二の電極とに交流電界を印加し、 発振子 2を発振させる。 発振回路 2 0の発振周波数をユニバーサルカウン夕 2 1によりカウント し、 コン ピュー夕 2 2により解析する。

本発明の発振子 1を液 1 7内に浸潰したときには、 空間 2 3内には気 体が充填されていることから、 気体の圧力によって、 開口 1 4から空間 2 3内への液の浸入は基本的に生じない。 この状態で発振回路 2 0を駆 動し、 発振振動数が安定化するのを待つ。

発振周波数が安定すると、 試料注入装置から液中に、 質量を計測すベ き試料を注入する。 この結果、 試料の一部が、 電極上に固定化されてい る検出用物質と結合し、 質量変化を引き起し、 発振振動数が変化する。 この発振振動数の変化に基づき、試料中の物質の質量などを計算できる。 この間、 液温が変動しても、 空間 2 3内の気圧は大気圧と同程度に保 持されているので、 前述した振動数の不安定化は抑制されるので、 比較 的短時間で発振振動数が安定化する。

本発明においては、 図 5に示すように、 第二の電極 1 0 Bの最も下の 位置を示す線 Aよりも下側に、 開口 1 4を設けることが好ましい。 これ によって、 開口 1 4から液が少量空間内に浸入したとしても、 その液が 電極 1 0 Bに直接接触することを防止できる。

実施例

(実験 1 )

図 1一図 6を参照しつつ説明した発振装置を使用し、 以下の実験を行 つた。 ただし、 被覆材 6はシリコーンゴムによって形成し、 振動板 9は 水晶によって形成し、 振動板 9の半径は 3 . 8 m mとした。第一の電極、 第二の電極は、 それぞれ金の蒸着によって形成した。 開口 1 4の形状は 円形とし、 個数は一個とし、 開口 1 4の直径は 0 . 1— 4 . 0 m mの間 で変更した。

8 m l燐酸緩衝液 （p H 7 . 4 ) 1 7を恒温ヒートプロヅク 1 9内に 収容した。 液の温度を 3 7 °Cに制御した。 発振回路 2 0によって基本周 波数 2 7 M H zで水晶を発振させた後、 付属コンピュータ上のソフ トで 周波数のモニタ リングを開始した。 次いで、 液 1 Ί内に発振子 2を浸漬 し、 室温において安定発振させた。 次いで、 表 1に示すように液温を変 化させ、 発振周波数が安定するまで経時的に周波数を測定した。 発振周 波数が安定するまでに要した時間を表 1に示す。

表 1

(実験 2 )

実験 1 と同様の実験を行った。 ただし、 実験 1において、 開口 1 4の 個数は一個とし、 開口 1 4の形状は方形とし、 その 2辺の長さを、 表 2 に示すように変更した。 表 2に示すように液温を変化させ、 発振周波数 が安定するまで経時的に周波数を測定した。 発振周波数が安定するまで に要した時間を表 2に示す。

表 2

(実験 3 )

実験 1 と同様の実験を行った。 ただし、 実験 1において、 開口 1 4の 個数と直径とは、 表 3に示すように種々変更した。 表 3に示すように液 温を変化させ、 発振周波数が安定するまで経時的に周波数を測定した。 発振周波数が安定するまでに要した時間を表 3に示す。

表 3 開口の直径 1 . 5 1 . 5 1 . 5 1 . 5 1 . 5 1 . 5 m m

開口の個数 1 2 3 4 5 6 開口の総面積 1 . 8 3 5 5 3 7 . 0 8 . 8 1 0 . 6 m m

液温の変化 + 1 0 + 1 0 + 1 0 + 1 0 + 1 0

(°C )

安定化に要 0 2 0 . 2 0 . 2 0 . 2 0 . 5

する時間

( h r ) (実験 4 )

実験 1 と同様の実験を行った。 ただし、 実験 1において、 開口 1 4の 個数は一個とし、 開口の形状は真円形とし、 直径は 1 . 5 m mとした。 室温 （ 2 0— 2 5 °C ) において発振周波数を安定化させた後、 液温を 3 0 °Cに上昇させ、 発振周波数の変化を測定した。 この結果を図 7のグラ フに示す。 図 7において、 縦軸は発振周波数を示し、 横軸は経過時間を 示す。 このように、 比較的に短時間で発振周波数が安定している。

また、 開口 1 4を設けずに、 上記と同様の実験を行い、 発振周波数の 変化を測定した。 この結果を図 8に示す。 図 7の例に比べて、 発信周波 数の安定化に時間がかかっていることがわかる。

以上述べたように、 本発明によれば、 液中に浸潰された状態で所定振 動数の信号を発振する発振子、 およびこれを利用した質量検出装置にお いて、 液温が変動した場合にも、 比較的に短時間で発振振動数が安定す るような新規な構造を提供できる。

Claims

請求の範囲

1 . 液中に浸潰された状態で所定振動数の信号を発振する発振子であつ て、

表面、 裏面および側面を有する圧電材料製の振動板、

前記振動板の前記表面に設けられた第一の電極、

前記振動板の前記裏面に設けられた第二の電極、 および

少なく とも前記振動板の前記裏面側を被覆する被覆材を備えており、 前記発振子が液中に浸漬された状態で、 前記第一の電極が前記液に接 触しており、 前記裏面と前記被覆材とによって形成される空間内に気体 が保持されており、 前記空間に連通する開口が前記被覆材に設けられて いることを特徴とする、 発振子。

2 . 前記液中に前記発振子を浸漬しているときに、 前記気体が膨張する 際に、 この気体の一部を前記開口から前記液中に放出させ、 前記空間内 の気圧を一定に保持することを特徴とする、 請求項 1記載の発振子。

3 . 前記液中に前記発振子を浸漬しているときに、 前記開口が前記第二 の電極よりも下側に位置することを特徴とする、 請求項 1 または 2記載 の発振子。

4 . 前記被覆材が、 前記裏面に対して対向する本体部分と、 前記側面を 包囲する側壁部分とを備えており、 前記振動板の側面に対して前記側壁 部分の内壁面が接しており、 前記側壁部分と前記振動板の表面との間を 封止する封止材を備えていることを特徴とする、 請求項 1〜 3のいずれ か一つの請求項に記載の発振子。

5 . 前記被覆材が弾性材料からなることを特徴とする、 請求項 1〜 4の いずれか一つの請求項に記載の発振子。

6 . 前記液が水溶液または水性懸濁液であることを特徴とする、 請求項 1〜 5のいずれか一つの請求項に記載の発振子。

7 . 液中に溶解または懸濁されている標的物質の質量を検出する質量検 出装置であって、

請求項 1〜 6のいずれか一つの請求項に記載の発振子、 および前記第 一の電極上に固定化されており、 前記標的物質と結合する検出用物質を 備えていることを特徴とする、 質量検出装置。