カンチレバー型センサ
【課題】高精度に物理量を検出することができるようにする。
【解決手段】ブリッジ回路１８Ａによって、カンチレバー１０の振動状態に応じた歪み抵抗素子１６Ａの抵抗変化を電圧変化として検出し、検出した振動信号を出力する。また、カンチレバー１０が共振している状態において、ハイパスフィルタ１９Ｂによって振動信号から高周波数成分の共振信号が取り出され、ローパスフィルタ１９Ｃによって、振動信号から低周波数成分としてのＤＣ成分の変形信号が取り出される。そして、変形信号を用いて共振信号を補正して、共振周波数の変化を検出し、共振周波数の変化からカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化を検出する。または、変形信号に基づいて、温度の時間変化を検出する。
【解決手段】ブリッジ回路１８Ａによって、カンチレバー１０の振動状態に応じた歪み抵抗素子１６Ａの抵抗変化を電圧変化として検出し、検出した振動信号を出力する。また、カンチレバー１０が共振している状態において、ハイパスフィルタ１９Ｂによって振動信号から高周波数成分の共振信号が取り出され、ローパスフィルタ１９Ｃによって、振動信号から低周波数成分としてのＤＣ成分の変形信号が取り出される。そして、変形信号を用いて共振信号を補正して、共振周波数の変化を検出し、共振周波数の変化からカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化を検出する。または、変形信号に基づいて、温度の時間変化を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カンチレバー型センサに係り、特に、片持ち張り（カンチレバー）を用いて物理量を高精度に検出することができるカンチレバー型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子間力電子顕微鏡で用いられているカンチレバーは、共振点を持ち、外部から受ける力により共振点がシフトすることを利用して微小な力であるｐＮ（ピコニュートン）単位の力を計測できるセンサとして利用されている。
【０００３】
カンチレバーをバイオセンサとして利用した論文としては、ラング等が発表したセンサ（非特許文献１）が知られている。
【０００４】
このカンチレバー型センサは、光てこを利用して小さなカンチレバーの共振周波数の変化を検出し、物理量、化学量、温度、または応力等を検出するセンサである。
【非特許文献１】”人工ノーズ”（アナリティカ ケミカ アクタ Ａｎａｌｙｔｉｃａ Ｃｈａｍｉｃａ Ａｃｔａ 第３９３巻（１９９９年）５９頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のカンチレバー型センサでは、検出環境に影響されて、多くの誤差が生じるため、精度よく物理量を検出することができない、という問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、高精度に物理量を検出することができるカンチレバー型センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために本発明に係るカンチレバー型センサは、カンチレバーと、前記カンチレバーを振動させるアクチュエータと、前記カンチレバーの振動状態を検出する振動検出手段と、前記カンチレバーが共振するように前記アクチュエータを制御する制御手段と、前記カンチレバーが共振するように制御されている状態で、前記振動検出手段で検出された前記振動状態の低周波数成分、又は前記低周波数成分及び高周波数成分に基づいて、物理量を検出する物理量検出手段とを含んで構成されている。
【０００８】
本発明に係るカンチレバー型センサによれば、カンチレバーが共振するように制御されている状態で、物理量が変化するとカンチレバーの共振周波数等の振動状態が変化する。この振動状態の低周波数成分、又は振動状態の低周波数成分及び高周波数成分の変化と、物理量とは相関があるため、振動検出手段で検出された振動状態の低周波数成分、又は低周波数成分及び高周波数成分に基づいて、物理量を検出することができる。
【０００９】
このように、カンチレバーの振動状態の低周波数成分、又は低周波数成分及び高周波数成分に基づいて、物理量を検出することにより、高精度に物理量を検出することができる。
【００１０】
ここで、振動状態は、振動していない状態を含む状態を示しており、また、高周波数成分は、共振周波数又は加振周波数を含んだ周波数成分である。
【００１１】
本発明に係る制御手段は、振動検出手段で検出された振動状態に基づいて、カンチレバーが共振するようにアクチュエータを制御することができる。これによって、カンチレバーが共振するように制御することができる。
【００１２】
本発明に係る制御手段は、アクチュエータを制御して、カンチレバーをパルス加振させることができる。これによって、カンチレバーの共振周波数で、カンチレバーが共振するように加振制御することができる。
【００１３】
本発明に係る制御手段は、アクチュエータを制御して、カンチレバーが共振するように、カンチレバーの加振周波数を変化させることができる。これによって、カンチレバーの共振周波数で、カンチレバーが共振するように制御することができる。
【００１４】
また、本発明に係る物理量検出手段は、振動検出手段で検出された振動状態の低周波数成分に基づいて、温度を物理量として検出することができる。これによって、カンチレバーの振動状態の低周波数成分と温度とは相関があるため、低周波数成分に基づいて、高精度に温度を検出することができる。
【００１５】
また、上記の物理量検出手段は、振動状態の低周波数成分と温度との予め定められた関係に基づいて、振動検出手段で検出された振動状態の低周波数成分に応じた温度を検出することができる。
【００１６】
本発明に係る物理量検出手段は、低周波数成分に基づいて高周波数成分の変化を予測し、予測された高周波数成分の変化より高周波数成分を補正することにより、カンチレバーに付着した物質の付着量を物理量として検出することができる。これによって、カンチレバーの振動状態の高周波数成分と付着量とは相関があり、低周波数成分によって高周波数成分に混入した誤差を求めることができるため、低周波数成分に基づいて高周波数成分の変化を予測して高周波数成分を補正し、補正された高周波数成分に基づいて、カンチレバーに付着した物質の付着量を高精度に検出することができる。
【００１７】
ここで、上記の高周波数成分には、カンチレバーの共振周波数が含まれている。これによって、共振周波数とカンチレバーに付着した物質の付着量とは相関があるため、共振周波数を含む高周波数成分に基づいて、カンチレバーに付着した物質の付着量を検出することができる。
【００１８】
上記の振動検出手段を、カンチレバーの振動状態を検出するようにカンチレバーに設けられたセンサで構成することができる。これによって、センサがカンチレバーに設けられているので自己検知型であり、このため、バイオセンサを使用する際に再度調整する必要がなく、簡便に使用することができる。
【００１９】
上記のカンチレバーに設けられたセンサを、カンチレバーの振動に応じて抵抗が変化する歪み抵抗素子を含んで構成することができる。
【００２０】
上記のカンチレバーに設けられたセンサを、歪み抵抗素子、及び歪み抵抗素子の抵抗の変化によって振動状態を検出するためのブリッジ回路を含んで構成することができる。
【００２１】
また、上記のカンチレバーを、液中に浸漬するか、ガス中に配置するか、真空中に配置するか、又は大気中に配置して使用することができる。
【００２２】
上記の物理量検出手段は、カンチレバーの反りを検出する反り検出手段を有することができる。これによって、カンチレバーの反りに基づいて、物理量を検出することができる。
【００２３】
また、カンチレバーの表面を、金属、絶縁物、有機物、抗原、抗体、及びＤＮＡの少なくとも一つで被覆することができる。
【００２４】
また、上記のカンチレバー型センサは、カンチレバーを複数有することができる。これによって、複数のカンチレバーの各々について、物理量を検出することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明のカンチレバー型センサによれば、カンチレバーの振動状態の低周波数成分、又は低周波数成分及び高周波数成分に基づいて、物理量を検出することにより、高精度に物理量を検出することができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、基板としての台座１２に支持された薄板状のカンチレバー１０を備えている。
【００２７】
台座１２には、台座１２を加振することによりカンチレバー１０を振動させる圧電素子で構成されたアクチュエータ１４が取り付けられている。アクチュエータ１４は、台座１２に接着又は機械的に接合させて、台座１２と一体化するように取り付けられている。また、アクチュエータ１４を取り付ける位置は、カンチレバー１０をカンチレバー１０の厚み方向に振動させることができる位置であればよく、図示したように台座１２のカンチレバーが形成されていない側、又はカンチレバーが形成されている側に取り付けられる。
【００２８】
また、カンチレバー１０の台座１２との接合部１６には、自己検知型のセンサである歪み抵抗素子１６Ａが埋め込まれている。アクチュエータ１４によりカンチレバー１０を厚み方向に振動させることにより、カンチレバー１０の台座１２との接合部１６に引張り及び圧縮応力が生じて、歪み抵抗素子１６Ａの抵抗値が変化し、また、歪み抵抗素子１６Ａの抵抗は、カンチレバー１０の位置情報を表わすため、歪み抵抗素子１６Ａの抵抗に基づいて、カンチレバー１０の位置情報を検出することができ、位置情報の変化（抵抗値の変化）から、カンチレバー１０の振動状態を検出することができる。
【００２９】
カンチレバー１０は、シリコン、ＳｉＮ、ＳｉＯ２等で形成された半導体基板を台座１２に相当する部分を残存させて薄板状にエッチングすることにより、台座１２と一体的に形成することができる。また、歪み抵抗素子１６Ａについては、カンチレバー１０の台座１２との接合部１６に、半導体技術で一対の電極が形成されており、ボロン等の不純物原子を電極間にイオン打ち込みすることにより歪み抵抗パターンが形成されて作成されている。歪み抵抗の抵抗値は、２ｋΩ以下が望ましい。なお、カンチレバー１０と台座１２とは、シリコン基板で形成することが好ましいが、イオン打ち込みすることなく、既存の歪み抵抗素子を貼着するようにしてもよい。
【００３０】
歪み抵抗素子１６Ａの電極には、歪み抵抗素子１６Ａの抵抗値の変化を検出するための検出回路１８が接続されている。図２に示すように、検出回路１８は、歪み抵抗素子１６Ａの電極が接続されたホイーストンブリッジを構成するブリッジ回路１８Ａ、及びブリッジ回路に電圧を印加する電源１８Ｂを備えており、カンチレバー１０の振動状態に応じた歪み抵抗素子１６Ａの抵抗変化を電圧変化として検出し、検出した振動信号を出力する。
【００３１】
この検出回路１８には、検出回路１８から出力された信号を増幅すると共に、増幅した信号から高周波数成分と低周波数成分とを取り出す増幅回路１９とが接続されている。増幅回路１９は、信号を増幅するためのアンプ１９Ａと、増幅された信号の高周波数成分を取り出すためのハイパスフィルタ１９Ｂと、増幅された信号の低周波数成分を取り出すためのローパスフィルタ１９Ｃとを備えており、カンチレバー１０が共振している状態では、ハイパスフィルタ１９Ｂによって高周波数成分として共振信号が取り出される。また、ローパスフィルタ１９Ｃは、低周波数成分としてＤＣ成分の信号が取り出される。
【００３２】
この増幅回路１９のハイパスフィルタ１９Ｂの出力端は、アクチュエータ１４を駆動してカンチレバー１０を共振させるための正帰還回路２０、及び周波数を電圧に変換するＦ−Ｖ変換回路（ＦＭ復調回路）２２に接続されている。Ｆ−Ｖ変換回路２２は、増幅回路１９のハイパスフィルタ１９Ｂから出力される共振信号の周波数を電圧Ｖに変換して出力する。
【００３３】
Ｆ−Ｖ変換回路２２には、データ処理及び表示を行なうパーソナルコンピュータ２６が接続されている。また、増幅回路１９のローパスフィルタ１９Ｃの出力端は、パーソナルコンピュータ２６に接続されている。
【００３４】
パーソナルコンピュータ２６は、一般的なパーソナルコンピュータの構成であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク、ディスプレイ等を備えており、Ｆ−Ｖ変換回路２２及び増幅回路１９のローパスフィルタ１９Ｃから入力されたデータをハードディスクに保存し、また、保存したデータに基づいて所定のデータ処理を行う。
【００３５】
以下、本実施の形態のカンチレバー１０の構成について図３を用いて説明する。図３（Ａ）に示すように、台座１２の先端にカンチレバー１０の一端が支持されて取り付けられており、また、台座１２の中には、２つの電極１２Ａ、１２Ｂが形成されている。また、図３（Ｂ）に示すように、２つの電極１２Ａ、１２Ｂは、接合部１６で接続されている。また、カンチレバー１０の表面には、表面に開口し、かつ、カンチレバー１０の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔１０Ａを穿設されている。貫通孔１０Ａの開口部は、各々矩形状のフレーム構造となっており、一辺が３μｍ〜６μｍの大きさとなっている。粘性抵抗を小さくするために、分子の移動をスムーズにするとよいことから、開口面積をできるだけ大きくするために、複数の貫通孔１０Ａを穿設する。また、物質が付着する部分の面積を増やすために、カンチレバー１０の表面積ができるだけ大きくなるように構成するとよい。
【００３６】
次に、本実施の形態のカンチレバー型センサで温度を検出するための原理について説明する。製作時のエッチングや蒸着により、カンチレバーはひずみを持っており、カンチレバーのそりは、以下の（１）式で表わされる。
【００３７】
【数１】
【００３８】
ここで、ｋはバネ定数、Ｆ（ｘ）はひずみによる力、ｘはそりの変位である。
【００３９】
カンチレバーを微小化すると、カンチレバーはひずみを持ち、温度によってひずみが変化する。例えば、図４に示すように、温度上昇により、カンチレバーがリラックスするようにカンチレバーが変形し、ひずみが少なくなり、そりの変位が小さくなる方向に変化する。また、見かけ上のバネ定数が、減少する。このように、温度によってバネ定数が変化するため、カンチレバーが温度センサとして機能する。
【００４０】
また、図５に示すように、温度が変化すると、カンチレバーのひずみが変化するため、歪み抵抗素子の抵抗が変化する。例えば、振動していない初期状態における歪み抵抗素子の抵抗をＲ１とし、カンチレバーの共振による抵抗変化をΔＲとすると、ひずみが変形する前の初期状態における歪み抵抗素子の抵抗は、（Ｒ１＋ΔＲ）である（図５（Ａ）参照）。このとき、ブリッジ回路から出力される振動信号Ｖは、以下の（２）式で表わされる（図６参照）。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ここで、Ｅは検出回路の電源の電圧であり、Ｒはブリッジ回路の抵抗の和であり、以下の（３）式で表わされる。
Ｒ＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４ ・・・（３）
【００４３】
また、温度が変化し、カンチレバーのひずみが変形した後については、ひずみの変形による歪み抵抗素子の抵抗変化をＲｓとし、温度変化後におけるカンチレバーの共振による抵抗変化をΔＲ´とすると、歪み抵抗素子の抵抗は、（Ｒ１＋ΔＲ´＋Ｒｓ）となる（図５（Ｂ）参照）。このとき、ブリッジ回路から出力される振動信号Ｖは、以下の（４）式で表わされる（図７参照）。
【００４４】
【数３】
【００４５】
上記（２）式で表わされる振動信号は、共振信号である。一方、上記（４）式で表わされる振動信号の第１項は、共振信号を表わし、第２項は、ひずみの変形による歪み抵抗素子の抵抗変化に応じた電圧変化を示す変形信号を表わしている。従って、温度が変化する前には、ハイパスフィルタから上記（２）式で表わされる共振信号が出力される。一方、温度が変化した後には、ハイパスフィルタから上記（４）式の第１項で表わされる共振信号が出力され、ローパスフィルタから上記（４）式の第２項で表わされる変形信号が出力される。
【００４６】
また、ローパスフィルタから出力される変形信号は、ブリッジ回路から出力される振動信号のＤＣ成分電圧ＶＤＣであり、カンチレバーを水中に浸漬けした場合には、このＤＣ成分電圧ＶＤＣと水温との関係は、図８に示すような関係となる。
【００４７】
上記図８に示すように、ＤＣ成分電圧ＶＤＣが高くなるほど、水温Ｔが低下し、ＤＣ成分電圧ＶＤＣが低くなるほど、水温Ｔが上昇する。例えば、ＤＣ成分電圧ＶＤＣが１０４ｍＶ低下すると、水温Ｔが１．４℃上昇する。従って、増幅回路のローパスフィルタからの出力であるＤＣ成分電圧の変化によって、水温の変化を検出することができる。
【００４８】
以下、本実施の形態のカンチレバー型センサを用いた温度の検出方法について説明する。正帰還回路２０から加振信号がアクチュエータ１４に入力されると、アクチュエータ１４によって、台座１２が加振され、これによってカンチレバー１０がカンチレバーの厚み方向に加振される。容器２４中の反応溶液にカンチレバー１０を浸漬すると、カンチレバー１０に反応溶液が付着すると共に反応溶液の粘性の影響によってカンチレバー１０の振動数が若干減少する。しかしながら、このとき種々の振動モードが発生するので、カンチレバー１０は当初の共振周波数とは異なる周波数で共振する。このときのカンチレバー１０と台座１２との動きが一体ではないので、歪み抵抗素子１６Ａに引張り及び圧縮応力が発生し、歪み抵抗素子１６Ａの抵抗が変化するため、歪み抵抗素子１６Ａに一定電圧を印加していると、電流がカンチレバー１０の振動に応じて変化する。この電流変化を検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで電圧変化として検出することにより、カンチレバー１０の振動状態としての振動周波数を検出することができる。
【００４９】
また、増幅回路１９のハイパスフィルタ１９Ｂによって、ブリッジ回路１８Ａから出力されるカンチレバー１０の振動状態を示す振動信号のうち、高周波数成分である共振信号を取り出す。このハイパスフィルタ１９Ｂによって取り出された共振信号の電圧変化は、正帰還回路２０で増幅され、位相が揃えられ、アクチュエータ１４に入力される。これによって、カンチレバー１０は共振周波数で振動される。
【００５０】
また、増幅回路１９のローパスフィルタ１９Ｃによって、ブリッジ回路１８Ａから出力される振動信号のうち、低周波成分としてのＤＣ成分である変形信号（カンチレバー１０の反りを表わす信号）を取り出す。このローパスフィルタ１９Ｃによって取り出された変形信号の電圧は、パーソナルコンピュータ２６に入力される。
【００５１】
そして、パーソナルコンピュータ２６は、ローパスフィルタ１９Ｃによって取り出されたアナログ信号をデジタル信号に変換して取り込み、上述した図８の温度とＤＣ成分電圧との予め定められた関係に基づいて、取り込んだ信号の電圧の変化に応じた温度の時間変化を検出する。また、この温度の時間変化を所定時間にわたって積算することにより、所定時間内に変化した温度を検出することができる。
【００５２】
このようにして検出した温度変化は、パーソナルコンピュータ２６に接続されているＬＣＤ等の表示装置に表示される。
【００５３】
以上説明したように、第１の実施の形態に係るカンチレバー型センサによれば、カンチレバーの振動状態の低周波数成分と温度とは相関があるため、カンチレバーの振動状態を示す振動信号の低周波数成分に基づいて、温度を検出することにより、高精度に温度を検出することができる。
【００５４】
従来の温度センサには熱電対、水晶発振器などが用いられているが、小型、高感度の点で問題があり、温度測定素子が大きい場合、熱伝導により微小部の熱がセンサに移動し、正確な温度が計測できないという欠点があったが、本実施の形態に係るカンチレバー型センサによれば、素子のボリュームの問題を解消することができ、高感度で小型な温度センサを実現することができる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、ＤＣ成分電圧の変化から温度の変化を検出する場合を例に説明したが、ＤＣ成分電圧の変化から温度を検量するための予め定められた検量曲線に基づいて、ＤＣ成分電圧の変化に応じた温度を求めるようにしてもよい。
【００５６】
次に、第２の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサについて説明する。なお、第２の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、第１の実施の形態と同様の構成であるため、同一符号を付して説明を省略する。
【００５７】
第２の実施の形態では、ハイパスフィルタから出力される共振信号及びローパスフィルタから出力される変形信号に基づいて、カンチレバーに付着した物質の付着量を検出している点が第１の実施の形態と異なっている。
【００５８】
第２の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、パーソナルコンピュータ２６において、Ｆ−Ｖ変換回路２２及び増幅回路１９のローパスフィルタ１９Ｃの各々からデータを取り込んで、取り込んだデータに対して所定の計算処理を行うことにより、カンチレバーに付着した物質の付着量を検出する。
【００５９】
次に、本実施の形態のカンチレバーに付着した物質の質量を検出するための原理について説明する。カンチレバーは、外力が加わると撓み、共振している状態で質量が変化すると共振周波数が変化する。カンチレバーの動作は以下の（６）式の運動方程式で表すことができる。
【００６０】
【数４】
ここで、ｍはカンチレバーの有効質量、ａはカンチレバーが浸漬されている液体等の粘性係数、ｋはカンチレバーのバネ定数、Ａｓｉｎωｔはアクチュエータの励振力、Ｆ（ｘ）はアクチュエータへの外力、ｘはカンチレバーの変位である。また、Ｆ（ｘ）は力勾配Ｆ´と変位ｘとの積で表されるので、以下の（７）式で表わすことができる。
【００６１】
【数５】
【００６２】
また、一般式は、以下の（８）式で表すことができる。
【００６３】
【数６】
【００６４】
また、上記（６）式より、ａ及びＦ´が小さく無視できるとすると、カンチレバーの共振周波数ｆ０は、カンチレバーの有効質量ｍ及びばね定数ｋを用いて以下の（９）式で表わされる。
【００６５】
【数７】
【００６６】
ここで、カンチレバーが共振周波数ｆ0で共振している状態で、カンチレバーの質量がΔｍ増加すると、上記（９）式は、周波数の変化Δｆを用いて、以下の（１０）式のように表される。
【００６７】
【数８】
【００６８】
したがって、上記（１０）式より、カンチレバーの共振周波数の変化を検出することにより、カンチレバーの質量の変化、すなわちカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。周波数の変化を１Ｈｚ以下の精度で計測できることから、上記（１０）式ではピコグラムまたはフェムトグラムでカンチレバーの質量の変化が計測できることを意味する。例えば、共振周波数ｆ0を１００ｋＨｚ、カンチレバーの有効質量ｍを１０ｎｇとすると、約１ｐｇ／Ｈｚの感度でカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。
【００６９】
ここで、大気中測定と水中測定とでは粘性係数ａが変化することを考慮する必要があるため、以下に説明するように、粘性を考慮する場合（水中の場合）の周波数変化Δｆを解析する。
【００７０】
粘性係数ａを考慮し、ａが０でない場合には、上記（８）式より、共振周波数ｆは以下の（１１）式で表わされる。
【００７１】
【数９】
【００７２】
上記（１１）式を、ｍ、ｋで全微分すると、共振周波数の変化Δｆが以下の（１２）式が表わされる。
【００７３】
【数１０】
【００７４】
また、Δｍ＝０とすると、上記（１２）式より、共振周波数の変化Δｆ２が以下の（１３）式で表わされる。
【００７５】
【数１１】
【００７６】
一方、バネ定数の変化を無視すると、Δｋ＝０となるため、上記（１２）式より、共振周波数の変化Δｆ１は、以下の（１４）式で表わされる。
【００７７】
【数１２】
【００７８】
上記（１４）式より、粘性ａの変化や、温度等の変化による内部のひずみ量（力勾配Ｆ´）の変化によって、周波数変動が起こる。粘性ａに関しては、非常に変化が少ないので無視できる。一方、温度等の変化は、カンチレバーのひずみから測定できる。また、ひずみは、共振周波数より非常に低い周波数で変化をするものであるから、共振周波数の低周波数成分であるＤＣ成分に基づいて、カンチレバーのひずみ（平均的そり）が検出される。そして、検出されたカンチレバーのひずみに基づいて、周波数の誤差量が検出される。
【００７９】
これをさらに、共振周波数の変化に対応させて、カンチレバーのひずみの変化分だけ共振周波数の誤差を差し引いて、共振周波数の変化を補正し、正確な共振周波数の変化を計測する。
【００８０】
次に、ＤＣ成分から高周波数成分である共振周波数の変化を補正する方法について説明する。まず、ローパスフィルタから出力される信号のＤＣ成分電圧とカンチレバーの共振周波数との関係は、図９に示すような関係となる。ＤＣ成分電圧と共振周波数との関係は、直線で表わすことができ、例えば、ＤＣ成分電圧が高くなるほど、共振周波数が高くなる。例えば、ＤＣ成分電圧が９７ｍＶ高くなると、共振周波数が１．２７ｋＨｚ高くなる。すなわち、周波数の誤差量は、ＤＣ成分が高く変化するほど、比例して大きくなるため、ＤＣ成分電圧の変化ΔＶＤＣに対する周波数の誤差量の比例係数をｒとし、ハイパスフィルタから出力される信号の共振信号の周波数変化をΔｆとすると、正確な周波数変化Δｆｃは、以下の（１５）式で表わされる。
Δｆｃ＝Δｆ−ｒ・ΔＶＤＣ ・・・（１５）
【００８１】
上記（１５）式によって、ハイパスフィルタから出力される信号の共振信号の周波数の変化を、ローパスフィルタから出力される信号のＤＣ成分電圧の変化を用いて補正することにより、正確な周波数変化を得ることができるため、カンチレバーに付着した物質の重量変化を正しく計測することができる。
【００８２】
次に、コンピュータによる演算処理について図１０を参照して説明する。ステップ１００では、Ｆ−Ｖ変換回路２２からの出力Ｖをアナログ信号からデジタル信号に変換して取り込むと共に、増幅回路１９のローパスフィルタ１９Ｃからの出力ＶＤＣをアナログ信号からデジタル信号に変換して取り込み、ステップ１０２において、取り込んだ出力Ｖ、ＶＤＣをコンピュータのメモリに記憶する。
【００８３】
次のステップ１０４では、前回取り込んだ出力Ｖを今回取り込んだ出力Ｖとを比較し、出力の変化量ΔＶを演算すると共に、前回取り込んだ出力ＶＤＣを今回取り込んだ出力ＶＤＣとを比較し、出力の変化量ΔＶＤＣを演算する。そして、ステップ１０６において、カンチレバーに付着した物質の質量の変化を演算する。
【００８４】
上記ステップ１０６では、上記ステップ１０４で演算されたΔＶを周波数変化Δｆに変換し、そして、上記ステップ１０４で演算されたΔＶＤＣを用いて、誤差による周波数の変化（ｒ・ΔＶＤＣ）を予測し、上記（１５）式に基づいて、Δｆを補正して、Δｆｃを取得する。そして、Δｆｃを用いて、上記（１０）式に基づいて、カンチレバーに付着した物質の質量変化Δｍを演算する。
【００８５】
これにより、カンチレバーに付着した物質の質量の時間変化を検出することができる。また、この質量の時間変化を所定時間にわたって計測することにより、所定時間内にカンチレバーに付着した物質の総量を検出することができる。このようにして検出したカンチレバーに付着した物質の質量は、コンピュータに接続されているＬＣＤ等の表示装置に表示される。
【００８６】
そして、ステップ１０８において、一定時間内で出力Ｖが変化したか否かを判定し、変化したと判断された場合には、ステップ１００へ戻るが、一定時間内で出力Ｖの変化がなかった場合には、カンチレバーに付着する物質の質量変化がなくなったと判断し、演算処理を終了する。この他にコンピュータでは、ノイズ除去や反応速度等を処理、演算することができる。
【００８７】
本実施の形態のバイオセンサを抗原抗体反応の検出に利用するには、最初に抗体をカンチレバーの表面に付着してカンチレバーを反応溶液に浸漬し、その後抗原を持つ測定試料を反応容器２４の反応溶液中に投入する。これにより、アレルギー等の要因を持つ体質か否かが明らかになる。また、このような場合と逆に、最初に抗体を反応容器に入れてから抗原を投入すると、人間の体内にアレルギー物質が生成しているのが分かる。
【００８８】
次に、本実施の形態の手法に関する実験結果について説明する。実験では、比較対照として、ブリッジ回路のハイパスフィルタから出力される共振信号を、Ｆ−Ｖ変換器を介してパーソナルコンピュータに入力し、共振周波数を補正しない構成のカンチレバー型バイオセンサを用意し、本実施の形態に係るローパスフィルタから出力される信号を用いて共振周波数を補正する構成のカンチレバー型バイオセンサと比較対象のカンチレバー型バイオセンサとについて、抗原を水中に滴下したときの共振周波数の変化を計測した。
【００８９】
比較対象となる構成のカンチレバー型バイオセンサにおいて、抗原を水中に滴下したときの共振周波数の計測結果を図１１に示す。上記図１１では、抗原の滴下により、カンチレバーに物質が付着して、共振周波数が低下しており、２．３１ｋＨｚだけ周波数が低下することが計測された。また、０．９４ｎｇの物質がカンチレバーに付着した。なお、ローパスフィルタによって取り出されるＤＣ成分電圧は、抗原の滴下の前後で変化していることがわかる。
【００９０】
ＤＣ成分が変化しているときには、温度等が変化し、共振周波数に影響を与えている。このことより、この影響を除く必要がある。図１２に補正後の結果を示す。上記図１２では、補正によって、正確には、抗原の滴下により、カンチレバーに物質が付着して、共振周波数が低下しており、２．７ｋＨｚだけ周波数が低下することが分かる。また、補正により、０．９４ｎｇではなく、１．１９ｎｇの物質がカンチレバーに付着したことが分かる。
【００９１】
以上の実験結果により、ローパスフィルタによって取り出されるＤＣ成分電圧に基づいて、共振周波数の変化を補正することによって、高精度に共振周波数の変化を検出することができ、カンチレバーに付着した物質の付着量を精度よく検出することができることがわかった。
【００９２】
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサによれば、カンチレバーの振動状態の高周波数成分と付着した物質の質量とは相関があり、低周波数成分によって高周波数成分の誤差を求めることができるため、低周波数成分に基づいて高周波数成分を補正して、補正された高周波数成分に基づいて、カンチレバーに付着した物質の質量を検出することにより、高精度にカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。
【００９３】
従来のカンチレバー共振型バイオセンサにおいて、検出環境（温度、表面張力等）に影響され、重量検出に多くの誤差を生じていたが、本実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサによれば、振動信号のＤＣ成分によって検出環境の影響因子の量（カンチレバーのゆがみ量）を計測して、誤差量を検出し、共振周波数の変化を補正することにより、高精度にカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。
【００９４】
また、大気中や液中でのバイオセンサや重量センサの高精度化が実現できる。
【００９５】
また、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設して、分子を通り易くしたフレーム構造としたことにより、大きな粘性抵抗が発生することを防ぐことができるため、液中の中でもＱ値を落とさずに、検出感度を劣化させないようにして、カンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。また、粘性抵抗が小さくなって、質量変化に対する周波数変化の変化量が大きくなるため、液中でも、高い検出感度でカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。
【００９６】
また、センサとして歪み抵抗素子をカンチレバーに埋め込むことより、光てこ方式を使用しないため、溶液中などでカンチレバー型バイオセンサを使用する際に再度光軸調整する必要がなく、簡便に使用することができる。
【００９７】
また、検出回路で検出された電圧変化を示す振動信号をデジタルデータに変換し、このデジタルデータに基づいて計測対象物に関する物理量を計測することにより、検出できる電圧変化の周波数領域に制限がなく、また、電圧変化が大きくても高精度に電圧変化を検出できるため、高精度かつ広範囲に計測対象物に関する物理量を計測することができる。
【００９８】
なお、本実施の形態では、カンチレバーの振動周波数を検出する場合を例に説明したが、カンチレバーの加振周波数を検出するようにしてもよい。この場合には、検出回路の後段にロックインアンプを設け、振動信号が表わす振動周波数から加振周波数を抽出するようにすればよい。
【００９９】
また、カンチレバーを一つだけ設けた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、複数のカンチレバーを設けて、各カンチレバーの振動周波数から、高周波成分と低周波成分とを各々検出するようにしてもよい。この場合には、複数のカンチレバーに異なる物質が付着するように構成し、同時に異なる物質の付着量を計測するようにしてもよい。また、各カンチレバーに同じ物質が付着するようにして、計測結果の各々を用いて、より高精度に物質の付着量を計測するようにしてもよい。
【０１００】
また、本実施の形態では、アクチュエータ１４を圧電素子で構成した例について説明したが、本実施の形態においては図１３に示すように圧電素子の電極部分の各々に絶縁皮膜２８を被覆し、電気的に絶縁するようにしてもよい。この場合においても、上記と同様に、アクチュエータ１４の一方の絶縁皮膜を台座１２に接着または機械的に接合させてアクチュエータ１４を台座１２とを一体化させる。アクチュエータ１４の電極が絶縁皮膜２８により被覆されているため、このカンチレバー１０を反応溶液に浸漬することにより直ちに計測を開始することができる。
【０１０１】
また、上記では、カンチレバーを溶液中に浸漬した場合を例に説明したが、計測対象物が浮遊している大気中又はガス中にカンチレバーを配置するようにしてもよい。また、真空中にカンチレバーを配置するようにしてもよい。
【０１０２】
また、図１４に示すように、カンチレバー１０及び台座１２を絶縁皮膜２８で被覆するようにしてもよい。この場合には、アクチュエータ１４は上記図１３に示したように絶縁皮膜により被覆してもよいし、被覆しないようにしてもよい。これにより、カンチレバー１０を反応溶液中に浸漬したときに、カンチレバー１０の表面にリーク電流が流れるのを防止し、検出回路１８によって正確に電流を計測することができる。
【０１０３】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態は、カンチレバーの振動状態の変化を検出するセンサとして第１の実施の形態及び第２の実施の形態の歪み抵抗素子に代えて、カンチレバーの振動に応じて静電容量が変化する静電容量素子を使用するものである。本実施の形態では、図１５に示すように、カンチレバー１０と台座１２との接合部１６には、歪み抵抗素子が設けられていない。
【０１０４】
また、図１５に示すように、カンチレバー１０と対向して平行になるように対向電極３０が台座１２に固定され、対向電極３０により、カンチレバー１０の貫通孔１０Ａが穿設されていない未開口部分を静電容量素子の一部とし、対向電極３０とカンチレバー１０の未開口部分との間に静電容量素子が構成されている。そして、カンチレバー１０及び対向電極３０は、上記と同様に静電容量素子と共にホイーストンブリッジを構成するブリッジ回路１８Ａを備えた検出回路１８に接続されている。これにより、カンチレバーが振動すると静電容量素子の静電容量が周期的に変化するため、検出回路１８のブリッジ回路１８Ａによってカンチレバーの振動を検出し、振動信号を出力することができる。
【０１０５】
本実施の形態によれば、検出回路１８から出力される振動信号の高周波数成分（共振信号）及び低周波数成分（変形信号）の各々をハイパスフィルタ１９Ｂ及びローパスフィルタ１９Ｃの各々によって取り出し、低周波数成分によって高周波数成分を補正して、共振周波数の変化を検出する。また、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。または、検出回路１８から出力される振動信号の低周波数成分（変形信号）をローパスフィルタ１９Ｃによって取り出し、低周波数成分に基づいて、温度の時間変化等を検出することができる。
【０１０６】
次に、図１６を参照して本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第３の実施の形態の対向電極をアクチュエータとして使用するようにしたものである。カンチレバーの振動を検出するセンサとしては、第１の実施の形態と同様の歪み抵抗素子１６Ａが用いられている。
【０１０７】
歪み抵抗素子１６Ａは、第１の実施の形態と同様に、検出回路１８のブリッジ回路１８Ａに接続されている。また、カンチレバー１０の基端側は接地され、静電容量素子を構成する対向電極３０は、正帰還回路２０に接続されている。
【０１０８】
本実施の形態によれば、歪み抵抗素子１６Ａの電圧変化を検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで検出し、検出した振動信号から高周波数成分を増幅回路１９のハイパスフィルタ１９Ｂによって取り出して、正帰還回路２０に入力し、対向電極３０に加振信号として入力されるので、カンチレバー１０が共振振動するように制御される。また、検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで検出された振動信号からハイパスフィルタ１９Ｂによって取り出された高周波数成分は、Ｆ−Ｖ変換回路２２を介してパーソナルコンピュータ２６に入力される。また、検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで検出された振動信号からローパスフィルタ１９Ｃによって取り出された低周波数数成分がパーソナルコンピュータ２６に入力される。そして、パーソナルコンピュータ２６において、低周波数成分に基づいて高周波数成分を補正して、共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバー１０に付着した物質の質量の時間変化等が検出される。または、検出回路１８から出力される振動信号の低周波数成分（変形信号）をローパスフィルタ１９Ｃによって取り出し、低周波数成分に基づいて、温度の時間変化等を検出することができる。
【０１０９】
次に、図１７を参照して本発明の第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第４の実施の形態の静電誘導アクチュエータに代えて、電磁誘導型アクチュエータを用いたものである。本実施の形態では、カンチレバー１０と対向して略並行になるように電磁誘導コイル３２が台座１２に固定され、カンチレバー１０の表面側には磁性材で構成された磁性薄膜３４がコーティングされている。カンチレバーの振動を検出するセンサとしては、第１の実施の形態と同様の歪み抵抗素子１６Ａが用いられている。
【０１１０】
本実施の形態によれば、上記と同様に歪み抵抗素子１６Ａからの信号を検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで検出し、検出した振動信号から増幅回路１９のハイパスフィルタ１９Ｂによって高周波数成分（共振信号）が取り出されて正帰還回路２０に入力され、電磁誘導コイル３２に加振信号として入力されるので、カンチレバー１０が共振振動される。また、上記と同様に、検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで検出された振動信号からハイパスフィルタ１９Ｂによって取り出された高周波数成分は、Ｆ−Ｖ変換回路２２を介してパーソナルコンピュータ２６に入力され、また、検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで検出された振動信号からローパスフィルタ１９Ｃによって取り出された低周波数数成分がパーソナルコンピュータ２６に入力される。そして、パーソナルコンピュータ２６において共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバー１０に付着した物質の質量の時間変化等が検出される。または、検出回路１８から出力される振動信号の低周波数成分（変形信号）をローパスフィルタ１９Ｃによって取り出し、低周波数成分に基づいて、温度の時間変化等を検出することができる。
【０１１１】
図１７では片面だけにコーティングしたが、両面にコーティングしてもよく、図１７と反対の面にコーティングしてもよい。
【０１１２】
図１８は、本発明の第６の実施の形態を示すものであり、図１４に示したカンチレバーの絶縁皮膜に、検出対象の物質を付着させるために、特別な化学反応基を付着させるための金等で構成された薄膜３６を被覆したものである。薄膜の種類は、付着させる物質に応じて適宜選択される。これにより、チオール基等を介在して人為的に選択された蛋白質、ＤＮＡ、抗体、または抗原等の計測対象物に関する物理量の時間変化等を検出することができる。
【０１１３】
次に、第７の実施の形態について説明する。第７の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、図１９に示すように、レーザ光を照射する半導体レーザ２１２と、半導体レーザ２１２から照射されたレーザ光であって、かつ、レンズ（図示省略）によって集光された光を反射させるための反射面を有するカンチレバー２１０と、カンチレバー２１０の反射面で反射されたレーザ光を入射させるように設けられたフォトダイオード等で構成された位置検出器２１４とを備えており、光てこを利用して小さなカンチレバー２１０の共振周波数の変化を検出し、物理量、化学量、温度、または応力等を検出する。
【０１１４】
また、カンチレバー型バイオセンサは、台座２１５を加振することによりカンチレバー２１０を振動させる圧電素子で構成されたアクチュエータ２１６と、カンチレバー２１０の振動状態の変化を検出するための検出回路２１８と、検出回路２１８から出力された振動信号を増幅すると共に、高周波数成分と低周波数成分とを取り出す増幅回路２１９と、アクチュエータ２１６を駆動してカンチレバー２１０を共振させるための正帰還回路２２０、周波数を電圧に変換するＦ−Ｖ変換回路（ＦＭ復調回路）２２２と、データ処理及び表示を行なうパーソナルコンピュータ２２６とを備えている。
【０１１５】
また、図２０に示すように、カンチレバー２１０は、貫通孔１０Ａが穿設されていない未開口部分を反射面としている。なお、カンチレバー２１０の反射面は平坦である。
【０１１６】
本実施の形態によれば、半導体レーザ２１２からレーザ光をカンチレバー２１０の反射面に照射し、カンチレバー２１０からの反射光を位置検出器２１４に入射し、位置検出器２１４から出力される信号に基づいて、検出回路２１８において振動信号を検出する。そして、振動信号から高周波数成分及び低周波数成分を取り出して、振動信号の高周波数成分及び低周波数成分に基づいて、共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。または、検出回路２１８から出力される振動信号の低周波数成分（変形信号）をローパスフィルタによって取り出し、低周波数成分に基づいて、温度の時間変化等を検出することができる。
【０１１７】
次に、第８の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。第８の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、図２１に示すように、カンチレバー１０、台座１２、アクチュエータ１４、接合部１６、検出回路１８、増幅回路１９、Ｆ−Ｖ変換回路２２、パーソナルコンピュータ２６、及びアクチュエータ１４に接続され、かつ、アクチュエータ１４へ発振信号を出力することにより、アクチュエータ１４を振動させる加振回路３２０を備えている。
【０１１８】
パーソナルコンピュータ２６は、加振回路３２０に接続されており、加振回路３２０が発振信号を出力するように制御する。アクチュエータ１４をインパルス加振させるためのインパルス加振制御信号を加振回路３２０へ出力し、加振回路３２０からインパルス加振させるための加振信号をアクチュエータ１４に入力させる。これによってカンチレバー１０をカンチレバーの厚み方向に加振させる。
【０１１９】
また、パーソナルコンピュータ２６は、カンチレバー１０が共振周波数で振動されるように、インパルス加振制御信号を加振回路３２０に出力し、カンチレバー１０を共振周波数で振動させる。
【０１２０】
そして、カンチレバー１０を共振周波数で振動させた状態において、パーソナルコンピュータ２６は、検出回路１８から出力される振動信号の高周波数成分（共振信号）及び低周波数成分（変形信号）から、共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。または、検出回路１８から出力される振動信号の低周波数成分（変形信号）をローパスフィルタ１９Ｃによって取り出し、低周波数成分に基づいて、温度の時間変化等を検出することができる。
【０１２１】
次に、第９の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。第９の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、図２２に示すように、カンチレバー１０、台座１２、アクチュエータ１４、接合部１６、検出回路１８、増幅回路１９、Ｆ−Ｖ変換回路２２、パーソナルコンピュータ２６、及びアクチュエータ１４に接続され、かつ、振動周波数を徐々に変更しながらアクチュエータ１４へ発振信号を出力して、アクチュエータ１４を振動させる振動周波数制御回路４２０を備えている。
【０１２２】
パーソナルコンピュータ２６は、振動周波数制御回路４２０に接続されており、振動周波数制御回路４２０が出力する発振信号の振動周波数の変化を制御する。振動周波数を徐々に変更しながらアクチュエータ１４を振動させるための周波数制御開始信号を振動周波数制御回路４２０へ出力し、振動周波数制御回路４２０から振動周波数を徐々に変更しながら、発振信号をアクチュエータ１４に入力させる。これによって、振動周波数を徐々に変更しながら、カンチレバー１０をカンチレバーの厚み方向に加振させる。
【０１２３】
また、パーソナルコンピュータ２６は、カンチレバー１０が共振周波数で振動している状態であると判断すると、振動周波数の変更を停止させる周波数制御停止信号を振動周波数制御回路４２０へ出力し、カンチレバー１０を共振周波数で振動させた状態を維持させる。
【０１２４】
そして、カンチレバー１０を共振周波数で振動させた状態において、パーソナルコンピュータ２６は、検出回路１８から出力される振動信号の高周波数成分（共振信号）及び低周波数成分（変形信号）から、共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。または、検出回路１８から出力される振動信号の低周波数成分（変形信号）をローパスフィルタ１９Ｃによって取り出し、低周波数成分に基づいて、温度の時間変化等を検出することができる。
【０１２５】
なお、上記の実施の形態では、自己検知素子として、歪み抵抗素子または静電容量素子を用いた例について説明したが、圧電素子、電磁誘導素子、または温度検知素子等を用いるようにしてもよい。また、アクチュエータとしても圧電素子、静電駆動の静電容量素子に代えて、温度駆動のアクチュエータ、または光駆動のアクチュエータ等を用いるようにしてもよい。さらに、カンチレバーを絶縁皮膜で被覆した例について説明したが、自然酸化膜で覆うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るカンチレバー型センサの構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る検出回路及び増幅回路の構成を示す概略図である。
【図３】（Ａ）本発明の第１の実施の形態に係るカンチレバー及び台座の構成を示す図、及び（Ｂ）カンチレバーの構成を示す図である。
【図４】温度変化によってカンチレバーのばね定数が変化する様子を示すイメージ図である。
【図５】（Ａ）初期状態におけるカンチレバーが共振しているときの歪み抵抗素子の抵抗を説明するための図、及び（Ｂ）温度変化後におけるカンチレバーが共振しているときの歪み抵抗素子の抵抗を説明するための図である。
【図６】初期状態においてブリッジ回路から出力される振動信号を説明するための回路図である。
【図７】温度変化後においてブリッジ回路から出力される振動信号を説明するための回路図である。
【図８】振動信号のＤＣ成分電圧と水温との関係を示すグラフである。
【図９】振動信号のＤＣ成分電圧と共振周波数との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２の実施の形態のカンチレバーに付着した物質を検出する処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】比較対象となるカンチレバー型バイオセンサの実験結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの実験結果を示すグラフである。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の変形例を示す概略図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態の他の変形例を示す概略図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図１６】本発明の第４の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図１７】本発明の第５の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図１８】本発明の第６の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図１９】本発明の第７の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図２０】本発明の第７の実施の形態に係るカンチレバーの構成を示す図である。
【図２１】本発明の第８の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図２２】本発明の第９の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１０、２１０ カンチレバー
１２、２１５ 台座
１４、２１６ アクチュエータ
１６Ａ 歪み抵抗素子
１８、２１８ 検出回路
１８Ａ ブリッジ回路
１９、２１９ 増幅回路
１９Ｂ ハイパスフィルタ
１９Ｃ ローパスフィルタ
２０、２２０ 正帰還回路
２２ Ｆ−Ｖ変換回路
２６、２２６ パーソナルコンピュータ
２１２ 半導体レーザ
２１４ 位置検出器
３２０ 加振回路
４２０ 振動周波数制御回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カンチレバー型センサに係り、特に、片持ち張り（カンチレバー）を用いて物理量を高精度に検出することができるカンチレバー型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子間力電子顕微鏡で用いられているカンチレバーは、共振点を持ち、外部から受ける力により共振点がシフトすることを利用して微小な力であるｐＮ（ピコニュートン）単位の力を計測できるセンサとして利用されている。
【０００３】
カンチレバーをバイオセンサとして利用した論文としては、ラング等が発表したセンサ（非特許文献１）が知られている。
【０００４】
このカンチレバー型センサは、光てこを利用して小さなカンチレバーの共振周波数の変化を検出し、物理量、化学量、温度、または応力等を検出するセンサである。
【非特許文献１】”人工ノーズ”（アナリティカ ケミカ アクタ Ａｎａｌｙｔｉｃａ Ｃｈａｍｉｃａ Ａｃｔａ 第３９３巻（１９９９年）５９頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のカンチレバー型センサでは、検出環境に影響されて、多くの誤差が生じるため、精度よく物理量を検出することができない、という問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、高精度に物理量を検出することができるカンチレバー型センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために本発明に係るカンチレバー型センサは、カンチレバーと、前記カンチレバーを振動させるアクチュエータと、前記カンチレバーの振動状態を検出する振動検出手段と、前記カンチレバーが共振するように前記アクチュエータを制御する制御手段と、前記カンチレバーが共振するように制御されている状態で、前記振動検出手段で検出された前記振動状態の低周波数成分、又は前記低周波数成分及び高周波数成分に基づいて、物理量を検出する物理量検出手段とを含んで構成されている。
【０００８】
本発明に係るカンチレバー型センサによれば、カンチレバーが共振するように制御されている状態で、物理量が変化するとカンチレバーの共振周波数等の振動状態が変化する。この振動状態の低周波数成分、又は振動状態の低周波数成分及び高周波数成分の変化と、物理量とは相関があるため、振動検出手段で検出された振動状態の低周波数成分、又は低周波数成分及び高周波数成分に基づいて、物理量を検出することができる。
【０００９】
このように、カンチレバーの振動状態の低周波数成分、又は低周波数成分及び高周波数成分に基づいて、物理量を検出することにより、高精度に物理量を検出することができる。
【００１０】
ここで、振動状態は、振動していない状態を含む状態を示しており、また、高周波数成分は、共振周波数又は加振周波数を含んだ周波数成分である。
【００１１】
本発明に係る制御手段は、振動検出手段で検出された振動状態に基づいて、カンチレバーが共振するようにアクチュエータを制御することができる。これによって、カンチレバーが共振するように制御することができる。
【００１２】
本発明に係る制御手段は、アクチュエータを制御して、カンチレバーをパルス加振させることができる。これによって、カンチレバーの共振周波数で、カンチレバーが共振するように加振制御することができる。
【００１３】
本発明に係る制御手段は、アクチュエータを制御して、カンチレバーが共振するように、カンチレバーの加振周波数を変化させることができる。これによって、カンチレバーの共振周波数で、カンチレバーが共振するように制御することができる。
【００１４】
また、本発明に係る物理量検出手段は、振動検出手段で検出された振動状態の低周波数成分に基づいて、温度を物理量として検出することができる。これによって、カンチレバーの振動状態の低周波数成分と温度とは相関があるため、低周波数成分に基づいて、高精度に温度を検出することができる。
【００１５】
また、上記の物理量検出手段は、振動状態の低周波数成分と温度との予め定められた関係に基づいて、振動検出手段で検出された振動状態の低周波数成分に応じた温度を検出することができる。
【００１６】
本発明に係る物理量検出手段は、低周波数成分に基づいて高周波数成分の変化を予測し、予測された高周波数成分の変化より高周波数成分を補正することにより、カンチレバーに付着した物質の付着量を物理量として検出することができる。これによって、カンチレバーの振動状態の高周波数成分と付着量とは相関があり、低周波数成分によって高周波数成分に混入した誤差を求めることができるため、低周波数成分に基づいて高周波数成分の変化を予測して高周波数成分を補正し、補正された高周波数成分に基づいて、カンチレバーに付着した物質の付着量を高精度に検出することができる。
【００１７】
ここで、上記の高周波数成分には、カンチレバーの共振周波数が含まれている。これによって、共振周波数とカンチレバーに付着した物質の付着量とは相関があるため、共振周波数を含む高周波数成分に基づいて、カンチレバーに付着した物質の付着量を検出することができる。
【００１８】
上記の振動検出手段を、カンチレバーの振動状態を検出するようにカンチレバーに設けられたセンサで構成することができる。これによって、センサがカンチレバーに設けられているので自己検知型であり、このため、バイオセンサを使用する際に再度調整する必要がなく、簡便に使用することができる。
【００１９】
上記のカンチレバーに設けられたセンサを、カンチレバーの振動に応じて抵抗が変化する歪み抵抗素子を含んで構成することができる。
【００２０】
上記のカンチレバーに設けられたセンサを、歪み抵抗素子、及び歪み抵抗素子の抵抗の変化によって振動状態を検出するためのブリッジ回路を含んで構成することができる。
【００２１】
また、上記のカンチレバーを、液中に浸漬するか、ガス中に配置するか、真空中に配置するか、又は大気中に配置して使用することができる。
【００２２】
上記の物理量検出手段は、カンチレバーの反りを検出する反り検出手段を有することができる。これによって、カンチレバーの反りに基づいて、物理量を検出することができる。
【００２３】
また、カンチレバーの表面を、金属、絶縁物、有機物、抗原、抗体、及びＤＮＡの少なくとも一つで被覆することができる。
【００２４】
また、上記のカンチレバー型センサは、カンチレバーを複数有することができる。これによって、複数のカンチレバーの各々について、物理量を検出することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明のカンチレバー型センサによれば、カンチレバーの振動状態の低周波数成分、又は低周波数成分及び高周波数成分に基づいて、物理量を検出することにより、高精度に物理量を検出することができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、基板としての台座１２に支持された薄板状のカンチレバー１０を備えている。
【００２７】
台座１２には、台座１２を加振することによりカンチレバー１０を振動させる圧電素子で構成されたアクチュエータ１４が取り付けられている。アクチュエータ１４は、台座１２に接着又は機械的に接合させて、台座１２と一体化するように取り付けられている。また、アクチュエータ１４を取り付ける位置は、カンチレバー１０をカンチレバー１０の厚み方向に振動させることができる位置であればよく、図示したように台座１２のカンチレバーが形成されていない側、又はカンチレバーが形成されている側に取り付けられる。
【００２８】
また、カンチレバー１０の台座１２との接合部１６には、自己検知型のセンサである歪み抵抗素子１６Ａが埋め込まれている。アクチュエータ１４によりカンチレバー１０を厚み方向に振動させることにより、カンチレバー１０の台座１２との接合部１６に引張り及び圧縮応力が生じて、歪み抵抗素子１６Ａの抵抗値が変化し、また、歪み抵抗素子１６Ａの抵抗は、カンチレバー１０の位置情報を表わすため、歪み抵抗素子１６Ａの抵抗に基づいて、カンチレバー１０の位置情報を検出することができ、位置情報の変化（抵抗値の変化）から、カンチレバー１０の振動状態を検出することができる。
【００２９】
カンチレバー１０は、シリコン、ＳｉＮ、ＳｉＯ２等で形成された半導体基板を台座１２に相当する部分を残存させて薄板状にエッチングすることにより、台座１２と一体的に形成することができる。また、歪み抵抗素子１６Ａについては、カンチレバー１０の台座１２との接合部１６に、半導体技術で一対の電極が形成されており、ボロン等の不純物原子を電極間にイオン打ち込みすることにより歪み抵抗パターンが形成されて作成されている。歪み抵抗の抵抗値は、２ｋΩ以下が望ましい。なお、カンチレバー１０と台座１２とは、シリコン基板で形成することが好ましいが、イオン打ち込みすることなく、既存の歪み抵抗素子を貼着するようにしてもよい。
【００３０】
歪み抵抗素子１６Ａの電極には、歪み抵抗素子１６Ａの抵抗値の変化を検出するための検出回路１８が接続されている。図２に示すように、検出回路１８は、歪み抵抗素子１６Ａの電極が接続されたホイーストンブリッジを構成するブリッジ回路１８Ａ、及びブリッジ回路に電圧を印加する電源１８Ｂを備えており、カンチレバー１０の振動状態に応じた歪み抵抗素子１６Ａの抵抗変化を電圧変化として検出し、検出した振動信号を出力する。
【００３１】
この検出回路１８には、検出回路１８から出力された信号を増幅すると共に、増幅した信号から高周波数成分と低周波数成分とを取り出す増幅回路１９とが接続されている。増幅回路１９は、信号を増幅するためのアンプ１９Ａと、増幅された信号の高周波数成分を取り出すためのハイパスフィルタ１９Ｂと、増幅された信号の低周波数成分を取り出すためのローパスフィルタ１９Ｃとを備えており、カンチレバー１０が共振している状態では、ハイパスフィルタ１９Ｂによって高周波数成分として共振信号が取り出される。また、ローパスフィルタ１９Ｃは、低周波数成分としてＤＣ成分の信号が取り出される。
【００３２】
この増幅回路１９のハイパスフィルタ１９Ｂの出力端は、アクチュエータ１４を駆動してカンチレバー１０を共振させるための正帰還回路２０、及び周波数を電圧に変換するＦ−Ｖ変換回路（ＦＭ復調回路）２２に接続されている。Ｆ−Ｖ変換回路２２は、増幅回路１９のハイパスフィルタ１９Ｂから出力される共振信号の周波数を電圧Ｖに変換して出力する。
【００３３】
Ｆ−Ｖ変換回路２２には、データ処理及び表示を行なうパーソナルコンピュータ２６が接続されている。また、増幅回路１９のローパスフィルタ１９Ｃの出力端は、パーソナルコンピュータ２６に接続されている。
【００３４】
パーソナルコンピュータ２６は、一般的なパーソナルコンピュータの構成であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク、ディスプレイ等を備えており、Ｆ−Ｖ変換回路２２及び増幅回路１９のローパスフィルタ１９Ｃから入力されたデータをハードディスクに保存し、また、保存したデータに基づいて所定のデータ処理を行う。
【００３５】
以下、本実施の形態のカンチレバー１０の構成について図３を用いて説明する。図３（Ａ）に示すように、台座１２の先端にカンチレバー１０の一端が支持されて取り付けられており、また、台座１２の中には、２つの電極１２Ａ、１２Ｂが形成されている。また、図３（Ｂ）に示すように、２つの電極１２Ａ、１２Ｂは、接合部１６で接続されている。また、カンチレバー１０の表面には、表面に開口し、かつ、カンチレバー１０の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔１０Ａを穿設されている。貫通孔１０Ａの開口部は、各々矩形状のフレーム構造となっており、一辺が３μｍ〜６μｍの大きさとなっている。粘性抵抗を小さくするために、分子の移動をスムーズにするとよいことから、開口面積をできるだけ大きくするために、複数の貫通孔１０Ａを穿設する。また、物質が付着する部分の面積を増やすために、カンチレバー１０の表面積ができるだけ大きくなるように構成するとよい。
【００３６】
次に、本実施の形態のカンチレバー型センサで温度を検出するための原理について説明する。製作時のエッチングや蒸着により、カンチレバーはひずみを持っており、カンチレバーのそりは、以下の（１）式で表わされる。
【００３７】
【数１】
【００３８】
ここで、ｋはバネ定数、Ｆ（ｘ）はひずみによる力、ｘはそりの変位である。
【００３９】
カンチレバーを微小化すると、カンチレバーはひずみを持ち、温度によってひずみが変化する。例えば、図４に示すように、温度上昇により、カンチレバーがリラックスするようにカンチレバーが変形し、ひずみが少なくなり、そりの変位が小さくなる方向に変化する。また、見かけ上のバネ定数が、減少する。このように、温度によってバネ定数が変化するため、カンチレバーが温度センサとして機能する。
【００４０】
また、図５に示すように、温度が変化すると、カンチレバーのひずみが変化するため、歪み抵抗素子の抵抗が変化する。例えば、振動していない初期状態における歪み抵抗素子の抵抗をＲ１とし、カンチレバーの共振による抵抗変化をΔＲとすると、ひずみが変形する前の初期状態における歪み抵抗素子の抵抗は、（Ｒ１＋ΔＲ）である（図５（Ａ）参照）。このとき、ブリッジ回路から出力される振動信号Ｖは、以下の（２）式で表わされる（図６参照）。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ここで、Ｅは検出回路の電源の電圧であり、Ｒはブリッジ回路の抵抗の和であり、以下の（３）式で表わされる。
Ｒ＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４ ・・・（３）
【００４３】
また、温度が変化し、カンチレバーのひずみが変形した後については、ひずみの変形による歪み抵抗素子の抵抗変化をＲｓとし、温度変化後におけるカンチレバーの共振による抵抗変化をΔＲ´とすると、歪み抵抗素子の抵抗は、（Ｒ１＋ΔＲ´＋Ｒｓ）となる（図５（Ｂ）参照）。このとき、ブリッジ回路から出力される振動信号Ｖは、以下の（４）式で表わされる（図７参照）。
【００４４】
【数３】
【００４５】
上記（２）式で表わされる振動信号は、共振信号である。一方、上記（４）式で表わされる振動信号の第１項は、共振信号を表わし、第２項は、ひずみの変形による歪み抵抗素子の抵抗変化に応じた電圧変化を示す変形信号を表わしている。従って、温度が変化する前には、ハイパスフィルタから上記（２）式で表わされる共振信号が出力される。一方、温度が変化した後には、ハイパスフィルタから上記（４）式の第１項で表わされる共振信号が出力され、ローパスフィルタから上記（４）式の第２項で表わされる変形信号が出力される。
【００４６】
また、ローパスフィルタから出力される変形信号は、ブリッジ回路から出力される振動信号のＤＣ成分電圧ＶＤＣであり、カンチレバーを水中に浸漬けした場合には、このＤＣ成分電圧ＶＤＣと水温との関係は、図８に示すような関係となる。
【００４７】
上記図８に示すように、ＤＣ成分電圧ＶＤＣが高くなるほど、水温Ｔが低下し、ＤＣ成分電圧ＶＤＣが低くなるほど、水温Ｔが上昇する。例えば、ＤＣ成分電圧ＶＤＣが１０４ｍＶ低下すると、水温Ｔが１．４℃上昇する。従って、増幅回路のローパスフィルタからの出力であるＤＣ成分電圧の変化によって、水温の変化を検出することができる。
【００４８】
以下、本実施の形態のカンチレバー型センサを用いた温度の検出方法について説明する。正帰還回路２０から加振信号がアクチュエータ１４に入力されると、アクチュエータ１４によって、台座１２が加振され、これによってカンチレバー１０がカンチレバーの厚み方向に加振される。容器２４中の反応溶液にカンチレバー１０を浸漬すると、カンチレバー１０に反応溶液が付着すると共に反応溶液の粘性の影響によってカンチレバー１０の振動数が若干減少する。しかしながら、このとき種々の振動モードが発生するので、カンチレバー１０は当初の共振周波数とは異なる周波数で共振する。このときのカンチレバー１０と台座１２との動きが一体ではないので、歪み抵抗素子１６Ａに引張り及び圧縮応力が発生し、歪み抵抗素子１６Ａの抵抗が変化するため、歪み抵抗素子１６Ａに一定電圧を印加していると、電流がカンチレバー１０の振動に応じて変化する。この電流変化を検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで電圧変化として検出することにより、カンチレバー１０の振動状態としての振動周波数を検出することができる。
【００４９】
また、増幅回路１９のハイパスフィルタ１９Ｂによって、ブリッジ回路１８Ａから出力されるカンチレバー１０の振動状態を示す振動信号のうち、高周波数成分である共振信号を取り出す。このハイパスフィルタ１９Ｂによって取り出された共振信号の電圧変化は、正帰還回路２０で増幅され、位相が揃えられ、アクチュエータ１４に入力される。これによって、カンチレバー１０は共振周波数で振動される。
【００５０】
また、増幅回路１９のローパスフィルタ１９Ｃによって、ブリッジ回路１８Ａから出力される振動信号のうち、低周波成分としてのＤＣ成分である変形信号（カンチレバー１０の反りを表わす信号）を取り出す。このローパスフィルタ１９Ｃによって取り出された変形信号の電圧は、パーソナルコンピュータ２６に入力される。
【００５１】
そして、パーソナルコンピュータ２６は、ローパスフィルタ１９Ｃによって取り出されたアナログ信号をデジタル信号に変換して取り込み、上述した図８の温度とＤＣ成分電圧との予め定められた関係に基づいて、取り込んだ信号の電圧の変化に応じた温度の時間変化を検出する。また、この温度の時間変化を所定時間にわたって積算することにより、所定時間内に変化した温度を検出することができる。
【００５２】
このようにして検出した温度変化は、パーソナルコンピュータ２６に接続されているＬＣＤ等の表示装置に表示される。
【００５３】
以上説明したように、第１の実施の形態に係るカンチレバー型センサによれば、カンチレバーの振動状態の低周波数成分と温度とは相関があるため、カンチレバーの振動状態を示す振動信号の低周波数成分に基づいて、温度を検出することにより、高精度に温度を検出することができる。
【００５４】
従来の温度センサには熱電対、水晶発振器などが用いられているが、小型、高感度の点で問題があり、温度測定素子が大きい場合、熱伝導により微小部の熱がセンサに移動し、正確な温度が計測できないという欠点があったが、本実施の形態に係るカンチレバー型センサによれば、素子のボリュームの問題を解消することができ、高感度で小型な温度センサを実現することができる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、ＤＣ成分電圧の変化から温度の変化を検出する場合を例に説明したが、ＤＣ成分電圧の変化から温度を検量するための予め定められた検量曲線に基づいて、ＤＣ成分電圧の変化に応じた温度を求めるようにしてもよい。
【００５６】
次に、第２の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサについて説明する。なお、第２の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、第１の実施の形態と同様の構成であるため、同一符号を付して説明を省略する。
【００５７】
第２の実施の形態では、ハイパスフィルタから出力される共振信号及びローパスフィルタから出力される変形信号に基づいて、カンチレバーに付着した物質の付着量を検出している点が第１の実施の形態と異なっている。
【００５８】
第２の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、パーソナルコンピュータ２６において、Ｆ−Ｖ変換回路２２及び増幅回路１９のローパスフィルタ１９Ｃの各々からデータを取り込んで、取り込んだデータに対して所定の計算処理を行うことにより、カンチレバーに付着した物質の付着量を検出する。
【００５９】
次に、本実施の形態のカンチレバーに付着した物質の質量を検出するための原理について説明する。カンチレバーは、外力が加わると撓み、共振している状態で質量が変化すると共振周波数が変化する。カンチレバーの動作は以下の（６）式の運動方程式で表すことができる。
【００６０】
【数４】
ここで、ｍはカンチレバーの有効質量、ａはカンチレバーが浸漬されている液体等の粘性係数、ｋはカンチレバーのバネ定数、Ａｓｉｎωｔはアクチュエータの励振力、Ｆ（ｘ）はアクチュエータへの外力、ｘはカンチレバーの変位である。また、Ｆ（ｘ）は力勾配Ｆ´と変位ｘとの積で表されるので、以下の（７）式で表わすことができる。
【００６１】
【数５】
【００６２】
また、一般式は、以下の（８）式で表すことができる。
【００６３】
【数６】
【００６４】
また、上記（６）式より、ａ及びＦ´が小さく無視できるとすると、カンチレバーの共振周波数ｆ０は、カンチレバーの有効質量ｍ及びばね定数ｋを用いて以下の（９）式で表わされる。
【００６５】
【数７】
【００６６】
ここで、カンチレバーが共振周波数ｆ0で共振している状態で、カンチレバーの質量がΔｍ増加すると、上記（９）式は、周波数の変化Δｆを用いて、以下の（１０）式のように表される。
【００６７】
【数８】
【００６８】
したがって、上記（１０）式より、カンチレバーの共振周波数の変化を検出することにより、カンチレバーの質量の変化、すなわちカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。周波数の変化を１Ｈｚ以下の精度で計測できることから、上記（１０）式ではピコグラムまたはフェムトグラムでカンチレバーの質量の変化が計測できることを意味する。例えば、共振周波数ｆ0を１００ｋＨｚ、カンチレバーの有効質量ｍを１０ｎｇとすると、約１ｐｇ／Ｈｚの感度でカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。
【００６９】
ここで、大気中測定と水中測定とでは粘性係数ａが変化することを考慮する必要があるため、以下に説明するように、粘性を考慮する場合（水中の場合）の周波数変化Δｆを解析する。
【００７０】
粘性係数ａを考慮し、ａが０でない場合には、上記（８）式より、共振周波数ｆは以下の（１１）式で表わされる。
【００７１】
【数９】
【００７２】
上記（１１）式を、ｍ、ｋで全微分すると、共振周波数の変化Δｆが以下の（１２）式が表わされる。
【００７３】
【数１０】
【００７４】
また、Δｍ＝０とすると、上記（１２）式より、共振周波数の変化Δｆ２が以下の（１３）式で表わされる。
【００７５】
【数１１】
【００７６】
一方、バネ定数の変化を無視すると、Δｋ＝０となるため、上記（１２）式より、共振周波数の変化Δｆ１は、以下の（１４）式で表わされる。
【００７７】
【数１２】
【００７８】
上記（１４）式より、粘性ａの変化や、温度等の変化による内部のひずみ量（力勾配Ｆ´）の変化によって、周波数変動が起こる。粘性ａに関しては、非常に変化が少ないので無視できる。一方、温度等の変化は、カンチレバーのひずみから測定できる。また、ひずみは、共振周波数より非常に低い周波数で変化をするものであるから、共振周波数の低周波数成分であるＤＣ成分に基づいて、カンチレバーのひずみ（平均的そり）が検出される。そして、検出されたカンチレバーのひずみに基づいて、周波数の誤差量が検出される。
【００７９】
これをさらに、共振周波数の変化に対応させて、カンチレバーのひずみの変化分だけ共振周波数の誤差を差し引いて、共振周波数の変化を補正し、正確な共振周波数の変化を計測する。
【００８０】
次に、ＤＣ成分から高周波数成分である共振周波数の変化を補正する方法について説明する。まず、ローパスフィルタから出力される信号のＤＣ成分電圧とカンチレバーの共振周波数との関係は、図９に示すような関係となる。ＤＣ成分電圧と共振周波数との関係は、直線で表わすことができ、例えば、ＤＣ成分電圧が高くなるほど、共振周波数が高くなる。例えば、ＤＣ成分電圧が９７ｍＶ高くなると、共振周波数が１．２７ｋＨｚ高くなる。すなわち、周波数の誤差量は、ＤＣ成分が高く変化するほど、比例して大きくなるため、ＤＣ成分電圧の変化ΔＶＤＣに対する周波数の誤差量の比例係数をｒとし、ハイパスフィルタから出力される信号の共振信号の周波数変化をΔｆとすると、正確な周波数変化Δｆｃは、以下の（１５）式で表わされる。
Δｆｃ＝Δｆ−ｒ・ΔＶＤＣ ・・・（１５）
【００８１】
上記（１５）式によって、ハイパスフィルタから出力される信号の共振信号の周波数の変化を、ローパスフィルタから出力される信号のＤＣ成分電圧の変化を用いて補正することにより、正確な周波数変化を得ることができるため、カンチレバーに付着した物質の重量変化を正しく計測することができる。
【００８２】
次に、コンピュータによる演算処理について図１０を参照して説明する。ステップ１００では、Ｆ−Ｖ変換回路２２からの出力Ｖをアナログ信号からデジタル信号に変換して取り込むと共に、増幅回路１９のローパスフィルタ１９Ｃからの出力ＶＤＣをアナログ信号からデジタル信号に変換して取り込み、ステップ１０２において、取り込んだ出力Ｖ、ＶＤＣをコンピュータのメモリに記憶する。
【００８３】
次のステップ１０４では、前回取り込んだ出力Ｖを今回取り込んだ出力Ｖとを比較し、出力の変化量ΔＶを演算すると共に、前回取り込んだ出力ＶＤＣを今回取り込んだ出力ＶＤＣとを比較し、出力の変化量ΔＶＤＣを演算する。そして、ステップ１０６において、カンチレバーに付着した物質の質量の変化を演算する。
【００８４】
上記ステップ１０６では、上記ステップ１０４で演算されたΔＶを周波数変化Δｆに変換し、そして、上記ステップ１０４で演算されたΔＶＤＣを用いて、誤差による周波数の変化（ｒ・ΔＶＤＣ）を予測し、上記（１５）式に基づいて、Δｆを補正して、Δｆｃを取得する。そして、Δｆｃを用いて、上記（１０）式に基づいて、カンチレバーに付着した物質の質量変化Δｍを演算する。
【００８５】
これにより、カンチレバーに付着した物質の質量の時間変化を検出することができる。また、この質量の時間変化を所定時間にわたって計測することにより、所定時間内にカンチレバーに付着した物質の総量を検出することができる。このようにして検出したカンチレバーに付着した物質の質量は、コンピュータに接続されているＬＣＤ等の表示装置に表示される。
【００８６】
そして、ステップ１０８において、一定時間内で出力Ｖが変化したか否かを判定し、変化したと判断された場合には、ステップ１００へ戻るが、一定時間内で出力Ｖの変化がなかった場合には、カンチレバーに付着する物質の質量変化がなくなったと判断し、演算処理を終了する。この他にコンピュータでは、ノイズ除去や反応速度等を処理、演算することができる。
【００８７】
本実施の形態のバイオセンサを抗原抗体反応の検出に利用するには、最初に抗体をカンチレバーの表面に付着してカンチレバーを反応溶液に浸漬し、その後抗原を持つ測定試料を反応容器２４の反応溶液中に投入する。これにより、アレルギー等の要因を持つ体質か否かが明らかになる。また、このような場合と逆に、最初に抗体を反応容器に入れてから抗原を投入すると、人間の体内にアレルギー物質が生成しているのが分かる。
【００８８】
次に、本実施の形態の手法に関する実験結果について説明する。実験では、比較対照として、ブリッジ回路のハイパスフィルタから出力される共振信号を、Ｆ−Ｖ変換器を介してパーソナルコンピュータに入力し、共振周波数を補正しない構成のカンチレバー型バイオセンサを用意し、本実施の形態に係るローパスフィルタから出力される信号を用いて共振周波数を補正する構成のカンチレバー型バイオセンサと比較対象のカンチレバー型バイオセンサとについて、抗原を水中に滴下したときの共振周波数の変化を計測した。
【００８９】
比較対象となる構成のカンチレバー型バイオセンサにおいて、抗原を水中に滴下したときの共振周波数の計測結果を図１１に示す。上記図１１では、抗原の滴下により、カンチレバーに物質が付着して、共振周波数が低下しており、２．３１ｋＨｚだけ周波数が低下することが計測された。また、０．９４ｎｇの物質がカンチレバーに付着した。なお、ローパスフィルタによって取り出されるＤＣ成分電圧は、抗原の滴下の前後で変化していることがわかる。
【００９０】
ＤＣ成分が変化しているときには、温度等が変化し、共振周波数に影響を与えている。このことより、この影響を除く必要がある。図１２に補正後の結果を示す。上記図１２では、補正によって、正確には、抗原の滴下により、カンチレバーに物質が付着して、共振周波数が低下しており、２．７ｋＨｚだけ周波数が低下することが分かる。また、補正により、０．９４ｎｇではなく、１．１９ｎｇの物質がカンチレバーに付着したことが分かる。
【００９１】
以上の実験結果により、ローパスフィルタによって取り出されるＤＣ成分電圧に基づいて、共振周波数の変化を補正することによって、高精度に共振周波数の変化を検出することができ、カンチレバーに付着した物質の付着量を精度よく検出することができることがわかった。
【００９２】
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサによれば、カンチレバーの振動状態の高周波数成分と付着した物質の質量とは相関があり、低周波数成分によって高周波数成分の誤差を求めることができるため、低周波数成分に基づいて高周波数成分を補正して、補正された高周波数成分に基づいて、カンチレバーに付着した物質の質量を検出することにより、高精度にカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。
【００９３】
従来のカンチレバー共振型バイオセンサにおいて、検出環境（温度、表面張力等）に影響され、重量検出に多くの誤差を生じていたが、本実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサによれば、振動信号のＤＣ成分によって検出環境の影響因子の量（カンチレバーのゆがみ量）を計測して、誤差量を検出し、共振周波数の変化を補正することにより、高精度にカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。
【００９４】
また、大気中や液中でのバイオセンサや重量センサの高精度化が実現できる。
【００９５】
また、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設して、分子を通り易くしたフレーム構造としたことにより、大きな粘性抵抗が発生することを防ぐことができるため、液中の中でもＱ値を落とさずに、検出感度を劣化させないようにして、カンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。また、粘性抵抗が小さくなって、質量変化に対する周波数変化の変化量が大きくなるため、液中でも、高い検出感度でカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。
【００９６】
また、センサとして歪み抵抗素子をカンチレバーに埋め込むことより、光てこ方式を使用しないため、溶液中などでカンチレバー型バイオセンサを使用する際に再度光軸調整する必要がなく、簡便に使用することができる。
【００９７】
また、検出回路で検出された電圧変化を示す振動信号をデジタルデータに変換し、このデジタルデータに基づいて計測対象物に関する物理量を計測することにより、検出できる電圧変化の周波数領域に制限がなく、また、電圧変化が大きくても高精度に電圧変化を検出できるため、高精度かつ広範囲に計測対象物に関する物理量を計測することができる。
【００９８】
なお、本実施の形態では、カンチレバーの振動周波数を検出する場合を例に説明したが、カンチレバーの加振周波数を検出するようにしてもよい。この場合には、検出回路の後段にロックインアンプを設け、振動信号が表わす振動周波数から加振周波数を抽出するようにすればよい。
【００９９】
また、カンチレバーを一つだけ設けた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、複数のカンチレバーを設けて、各カンチレバーの振動周波数から、高周波成分と低周波成分とを各々検出するようにしてもよい。この場合には、複数のカンチレバーに異なる物質が付着するように構成し、同時に異なる物質の付着量を計測するようにしてもよい。また、各カンチレバーに同じ物質が付着するようにして、計測結果の各々を用いて、より高精度に物質の付着量を計測するようにしてもよい。
【０１００】
また、本実施の形態では、アクチュエータ１４を圧電素子で構成した例について説明したが、本実施の形態においては図１３に示すように圧電素子の電極部分の各々に絶縁皮膜２８を被覆し、電気的に絶縁するようにしてもよい。この場合においても、上記と同様に、アクチュエータ１４の一方の絶縁皮膜を台座１２に接着または機械的に接合させてアクチュエータ１４を台座１２とを一体化させる。アクチュエータ１４の電極が絶縁皮膜２８により被覆されているため、このカンチレバー１０を反応溶液に浸漬することにより直ちに計測を開始することができる。
【０１０１】
また、上記では、カンチレバーを溶液中に浸漬した場合を例に説明したが、計測対象物が浮遊している大気中又はガス中にカンチレバーを配置するようにしてもよい。また、真空中にカンチレバーを配置するようにしてもよい。
【０１０２】
また、図１４に示すように、カンチレバー１０及び台座１２を絶縁皮膜２８で被覆するようにしてもよい。この場合には、アクチュエータ１４は上記図１３に示したように絶縁皮膜により被覆してもよいし、被覆しないようにしてもよい。これにより、カンチレバー１０を反応溶液中に浸漬したときに、カンチレバー１０の表面にリーク電流が流れるのを防止し、検出回路１８によって正確に電流を計測することができる。
【０１０３】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態は、カンチレバーの振動状態の変化を検出するセンサとして第１の実施の形態及び第２の実施の形態の歪み抵抗素子に代えて、カンチレバーの振動に応じて静電容量が変化する静電容量素子を使用するものである。本実施の形態では、図１５に示すように、カンチレバー１０と台座１２との接合部１６には、歪み抵抗素子が設けられていない。
【０１０４】
また、図１５に示すように、カンチレバー１０と対向して平行になるように対向電極３０が台座１２に固定され、対向電極３０により、カンチレバー１０の貫通孔１０Ａが穿設されていない未開口部分を静電容量素子の一部とし、対向電極３０とカンチレバー１０の未開口部分との間に静電容量素子が構成されている。そして、カンチレバー１０及び対向電極３０は、上記と同様に静電容量素子と共にホイーストンブリッジを構成するブリッジ回路１８Ａを備えた検出回路１８に接続されている。これにより、カンチレバーが振動すると静電容量素子の静電容量が周期的に変化するため、検出回路１８のブリッジ回路１８Ａによってカンチレバーの振動を検出し、振動信号を出力することができる。
【０１０５】
本実施の形態によれば、検出回路１８から出力される振動信号の高周波数成分（共振信号）及び低周波数成分（変形信号）の各々をハイパスフィルタ１９Ｂ及びローパスフィルタ１９Ｃの各々によって取り出し、低周波数成分によって高周波数成分を補正して、共振周波数の変化を検出する。また、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。または、検出回路１８から出力される振動信号の低周波数成分（変形信号）をローパスフィルタ１９Ｃによって取り出し、低周波数成分に基づいて、温度の時間変化等を検出することができる。
【０１０６】
次に、図１６を参照して本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第３の実施の形態の対向電極をアクチュエータとして使用するようにしたものである。カンチレバーの振動を検出するセンサとしては、第１の実施の形態と同様の歪み抵抗素子１６Ａが用いられている。
【０１０７】
歪み抵抗素子１６Ａは、第１の実施の形態と同様に、検出回路１８のブリッジ回路１８Ａに接続されている。また、カンチレバー１０の基端側は接地され、静電容量素子を構成する対向電極３０は、正帰還回路２０に接続されている。
【０１０８】
本実施の形態によれば、歪み抵抗素子１６Ａの電圧変化を検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで検出し、検出した振動信号から高周波数成分を増幅回路１９のハイパスフィルタ１９Ｂによって取り出して、正帰還回路２０に入力し、対向電極３０に加振信号として入力されるので、カンチレバー１０が共振振動するように制御される。また、検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで検出された振動信号からハイパスフィルタ１９Ｂによって取り出された高周波数成分は、Ｆ−Ｖ変換回路２２を介してパーソナルコンピュータ２６に入力される。また、検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで検出された振動信号からローパスフィルタ１９Ｃによって取り出された低周波数数成分がパーソナルコンピュータ２６に入力される。そして、パーソナルコンピュータ２６において、低周波数成分に基づいて高周波数成分を補正して、共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバー１０に付着した物質の質量の時間変化等が検出される。または、検出回路１８から出力される振動信号の低周波数成分（変形信号）をローパスフィルタ１９Ｃによって取り出し、低周波数成分に基づいて、温度の時間変化等を検出することができる。
【０１０９】
次に、図１７を参照して本発明の第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第４の実施の形態の静電誘導アクチュエータに代えて、電磁誘導型アクチュエータを用いたものである。本実施の形態では、カンチレバー１０と対向して略並行になるように電磁誘導コイル３２が台座１２に固定され、カンチレバー１０の表面側には磁性材で構成された磁性薄膜３４がコーティングされている。カンチレバーの振動を検出するセンサとしては、第１の実施の形態と同様の歪み抵抗素子１６Ａが用いられている。
【０１１０】
本実施の形態によれば、上記と同様に歪み抵抗素子１６Ａからの信号を検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで検出し、検出した振動信号から増幅回路１９のハイパスフィルタ１９Ｂによって高周波数成分（共振信号）が取り出されて正帰還回路２０に入力され、電磁誘導コイル３２に加振信号として入力されるので、カンチレバー１０が共振振動される。また、上記と同様に、検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで検出された振動信号からハイパスフィルタ１９Ｂによって取り出された高周波数成分は、Ｆ−Ｖ変換回路２２を介してパーソナルコンピュータ２６に入力され、また、検出回路１８のブリッジ回路１８Ａで検出された振動信号からローパスフィルタ１９Ｃによって取り出された低周波数数成分がパーソナルコンピュータ２６に入力される。そして、パーソナルコンピュータ２６において共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバー１０に付着した物質の質量の時間変化等が検出される。または、検出回路１８から出力される振動信号の低周波数成分（変形信号）をローパスフィルタ１９Ｃによって取り出し、低周波数成分に基づいて、温度の時間変化等を検出することができる。
【０１１１】
図１７では片面だけにコーティングしたが、両面にコーティングしてもよく、図１７と反対の面にコーティングしてもよい。
【０１１２】
図１８は、本発明の第６の実施の形態を示すものであり、図１４に示したカンチレバーの絶縁皮膜に、検出対象の物質を付着させるために、特別な化学反応基を付着させるための金等で構成された薄膜３６を被覆したものである。薄膜の種類は、付着させる物質に応じて適宜選択される。これにより、チオール基等を介在して人為的に選択された蛋白質、ＤＮＡ、抗体、または抗原等の計測対象物に関する物理量の時間変化等を検出することができる。
【０１１３】
次に、第７の実施の形態について説明する。第７の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、図１９に示すように、レーザ光を照射する半導体レーザ２１２と、半導体レーザ２１２から照射されたレーザ光であって、かつ、レンズ（図示省略）によって集光された光を反射させるための反射面を有するカンチレバー２１０と、カンチレバー２１０の反射面で反射されたレーザ光を入射させるように設けられたフォトダイオード等で構成された位置検出器２１４とを備えており、光てこを利用して小さなカンチレバー２１０の共振周波数の変化を検出し、物理量、化学量、温度、または応力等を検出する。
【０１１４】
また、カンチレバー型バイオセンサは、台座２１５を加振することによりカンチレバー２１０を振動させる圧電素子で構成されたアクチュエータ２１６と、カンチレバー２１０の振動状態の変化を検出するための検出回路２１８と、検出回路２１８から出力された振動信号を増幅すると共に、高周波数成分と低周波数成分とを取り出す増幅回路２１９と、アクチュエータ２１６を駆動してカンチレバー２１０を共振させるための正帰還回路２２０、周波数を電圧に変換するＦ−Ｖ変換回路（ＦＭ復調回路）２２２と、データ処理及び表示を行なうパーソナルコンピュータ２２６とを備えている。
【０１１５】
また、図２０に示すように、カンチレバー２１０は、貫通孔１０Ａが穿設されていない未開口部分を反射面としている。なお、カンチレバー２１０の反射面は平坦である。
【０１１６】
本実施の形態によれば、半導体レーザ２１２からレーザ光をカンチレバー２１０の反射面に照射し、カンチレバー２１０からの反射光を位置検出器２１４に入射し、位置検出器２１４から出力される信号に基づいて、検出回路２１８において振動信号を検出する。そして、振動信号から高周波数成分及び低周波数成分を取り出して、振動信号の高周波数成分及び低周波数成分に基づいて、共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。または、検出回路２１８から出力される振動信号の低周波数成分（変形信号）をローパスフィルタによって取り出し、低周波数成分に基づいて、温度の時間変化等を検出することができる。
【０１１７】
次に、第８の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。第８の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、図２１に示すように、カンチレバー１０、台座１２、アクチュエータ１４、接合部１６、検出回路１８、増幅回路１９、Ｆ−Ｖ変換回路２２、パーソナルコンピュータ２６、及びアクチュエータ１４に接続され、かつ、アクチュエータ１４へ発振信号を出力することにより、アクチュエータ１４を振動させる加振回路３２０を備えている。
【０１１８】
パーソナルコンピュータ２６は、加振回路３２０に接続されており、加振回路３２０が発振信号を出力するように制御する。アクチュエータ１４をインパルス加振させるためのインパルス加振制御信号を加振回路３２０へ出力し、加振回路３２０からインパルス加振させるための加振信号をアクチュエータ１４に入力させる。これによってカンチレバー１０をカンチレバーの厚み方向に加振させる。
【０１１９】
また、パーソナルコンピュータ２６は、カンチレバー１０が共振周波数で振動されるように、インパルス加振制御信号を加振回路３２０に出力し、カンチレバー１０を共振周波数で振動させる。
【０１２０】
そして、カンチレバー１０を共振周波数で振動させた状態において、パーソナルコンピュータ２６は、検出回路１８から出力される振動信号の高周波数成分（共振信号）及び低周波数成分（変形信号）から、共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。または、検出回路１８から出力される振動信号の低周波数成分（変形信号）をローパスフィルタ１９Ｃによって取り出し、低周波数成分に基づいて、温度の時間変化等を検出することができる。
【０１２１】
次に、第９の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。第９の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、図２２に示すように、カンチレバー１０、台座１２、アクチュエータ１４、接合部１６、検出回路１８、増幅回路１９、Ｆ−Ｖ変換回路２２、パーソナルコンピュータ２６、及びアクチュエータ１４に接続され、かつ、振動周波数を徐々に変更しながらアクチュエータ１４へ発振信号を出力して、アクチュエータ１４を振動させる振動周波数制御回路４２０を備えている。
【０１２２】
パーソナルコンピュータ２６は、振動周波数制御回路４２０に接続されており、振動周波数制御回路４２０が出力する発振信号の振動周波数の変化を制御する。振動周波数を徐々に変更しながらアクチュエータ１４を振動させるための周波数制御開始信号を振動周波数制御回路４２０へ出力し、振動周波数制御回路４２０から振動周波数を徐々に変更しながら、発振信号をアクチュエータ１４に入力させる。これによって、振動周波数を徐々に変更しながら、カンチレバー１０をカンチレバーの厚み方向に加振させる。
【０１２３】
また、パーソナルコンピュータ２６は、カンチレバー１０が共振周波数で振動している状態であると判断すると、振動周波数の変更を停止させる周波数制御停止信号を振動周波数制御回路４２０へ出力し、カンチレバー１０を共振周波数で振動させた状態を維持させる。
【０１２４】
そして、カンチレバー１０を共振周波数で振動させた状態において、パーソナルコンピュータ２６は、検出回路１８から出力される振動信号の高周波数成分（共振信号）及び低周波数成分（変形信号）から、共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。または、検出回路１８から出力される振動信号の低周波数成分（変形信号）をローパスフィルタ１９Ｃによって取り出し、低周波数成分に基づいて、温度の時間変化等を検出することができる。
【０１２５】
なお、上記の実施の形態では、自己検知素子として、歪み抵抗素子または静電容量素子を用いた例について説明したが、圧電素子、電磁誘導素子、または温度検知素子等を用いるようにしてもよい。また、アクチュエータとしても圧電素子、静電駆動の静電容量素子に代えて、温度駆動のアクチュエータ、または光駆動のアクチュエータ等を用いるようにしてもよい。さらに、カンチレバーを絶縁皮膜で被覆した例について説明したが、自然酸化膜で覆うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るカンチレバー型センサの構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る検出回路及び増幅回路の構成を示す概略図である。
【図３】（Ａ）本発明の第１の実施の形態に係るカンチレバー及び台座の構成を示す図、及び（Ｂ）カンチレバーの構成を示す図である。
【図４】温度変化によってカンチレバーのばね定数が変化する様子を示すイメージ図である。
【図５】（Ａ）初期状態におけるカンチレバーが共振しているときの歪み抵抗素子の抵抗を説明するための図、及び（Ｂ）温度変化後におけるカンチレバーが共振しているときの歪み抵抗素子の抵抗を説明するための図である。
【図６】初期状態においてブリッジ回路から出力される振動信号を説明するための回路図である。
【図７】温度変化後においてブリッジ回路から出力される振動信号を説明するための回路図である。
【図８】振動信号のＤＣ成分電圧と水温との関係を示すグラフである。
【図９】振動信号のＤＣ成分電圧と共振周波数との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２の実施の形態のカンチレバーに付着した物質を検出する処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】比較対象となるカンチレバー型バイオセンサの実験結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの実験結果を示すグラフである。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の変形例を示す概略図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態の他の変形例を示す概略図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図１６】本発明の第４の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図１７】本発明の第５の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図１８】本発明の第６の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図１９】本発明の第７の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図２０】本発明の第７の実施の形態に係るカンチレバーの構成を示す図である。
【図２１】本発明の第８の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図２２】本発明の第９の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１０、２１０ カンチレバー
１２、２１５ 台座
１４、２１６ アクチュエータ
１６Ａ 歪み抵抗素子
１８、２１８ 検出回路
１８Ａ ブリッジ回路
１９、２１９ 増幅回路
１９Ｂ ハイパスフィルタ
１９Ｃ ローパスフィルタ
２０、２２０ 正帰還回路
２２ Ｆ−Ｖ変換回路
２６、２２６ パーソナルコンピュータ
２１２ 半導体レーザ
２１４ 位置検出器
３２０ 加振回路
４２０ 振動周波数制御回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーと、
前記カンチレバーを振動させるアクチュエータと、
前記カンチレバーの振動状態を検出する振動検出手段と、
前記カンチレバーが共振するように前記アクチュエータを制御する制御手段と、
前記カンチレバーが共振するように制御されている状態で、前記振動検出手段で検出された前記振動状態の低周波数成分、又は前記低周波数成分及び高周波数成分に基づいて、物理量を検出する物理量検出手段と、
を含むカンチレバー型センサ。
【請求項２】
前記制御手段は、前記振動検出手段で検出された前記振動状態に基づいて、前記カンチレバーが共振するように前記アクチュエータを制御する請求項１記載のカンチレバー型センサ。
【請求項３】
前記制御手段は、前記アクチュエータを制御して、前記カンチレバーをパルス加振させる請求項１記載のカンチレバー型センサ。
【請求項４】
前記制御手段は、前記アクチュエータを制御して、前記カンチレバーが共振するように、前記カンチレバーの加振周波数を変化させる請求項１記載のカンチレバー型センサ。
【請求項５】
前記物理量検出手段は、前記振動検出手段で検出された前記振動状態の前記低周波数成分に基づいて、温度を前記物理量として検出する請求項１〜請求項４の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【請求項６】
前記物理量検出手段は、前記振動状態の低周波数成分と温度との予め定められた関係に基づいて、前記振動検出手段で検出された前記振動状態の前記低周波数成分に応じた前記温度を検出する請求項５記載のカンチレバー型センサ。
【請求項７】
前記物理量検出手段は、前記低周波数成分に基づいて高周波数成分の変化を予測し、前記予測された高周波数成分の変化より前記高周波数成分を補正することにより、前記カンチレバーに付着した物質の付着量を前記物理量として検出する請求項１〜請求項４の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【請求項８】
前記振動検出手段を、前記カンチレバーの振動状態を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサで構成した請求項１〜請求項７の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【請求項９】
前記カンチレバーに設けられたセンサを、前記カンチレバーの振動に応じて抵抗が変化する歪み抵抗素子を含んで構成した請求項８記載のカンチレバー型センサ。
【請求項１０】
前記カンチレバーに設けられたセンサを、前記歪み抵抗素子、及び前記歪み抵抗素子の抵抗の変化によって前記振動状態を検出するためのブリッジ回路を含んで構成した請求項９記載のカンチレバー型センサ。
【請求項１１】
前記カンチレバーを、液中に浸漬するか、ガス中に配置するか、真空中に配置するか、又は大気中に配置した請求項１〜請求項１０の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【請求項１２】
前記物理量検出手段は、カンチレバーの反りを検出する反り検出手段を有することを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【請求項１３】
前記カンチレバーの表面を、金属、絶縁物、有機物、抗原、抗体、及びＤＮＡの少なくとも一つで被覆したことを特徴とする請求項１〜請求項１２の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【請求項１４】
前記カンチレバーを複数有することを特徴とした請求項１〜請求項１３の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【請求項１】
カンチレバーと、
前記カンチレバーを振動させるアクチュエータと、
前記カンチレバーの振動状態を検出する振動検出手段と、
前記カンチレバーが共振するように前記アクチュエータを制御する制御手段と、
前記カンチレバーが共振するように制御されている状態で、前記振動検出手段で検出された前記振動状態の低周波数成分、又は前記低周波数成分及び高周波数成分に基づいて、物理量を検出する物理量検出手段と、
を含むカンチレバー型センサ。
【請求項２】
前記制御手段は、前記振動検出手段で検出された前記振動状態に基づいて、前記カンチレバーが共振するように前記アクチュエータを制御する請求項１記載のカンチレバー型センサ。
【請求項３】
前記制御手段は、前記アクチュエータを制御して、前記カンチレバーをパルス加振させる請求項１記載のカンチレバー型センサ。
【請求項４】
前記制御手段は、前記アクチュエータを制御して、前記カンチレバーが共振するように、前記カンチレバーの加振周波数を変化させる請求項１記載のカンチレバー型センサ。
【請求項５】
前記物理量検出手段は、前記振動検出手段で検出された前記振動状態の前記低周波数成分に基づいて、温度を前記物理量として検出する請求項１〜請求項４の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【請求項６】
前記物理量検出手段は、前記振動状態の低周波数成分と温度との予め定められた関係に基づいて、前記振動検出手段で検出された前記振動状態の前記低周波数成分に応じた前記温度を検出する請求項５記載のカンチレバー型センサ。
【請求項７】
前記物理量検出手段は、前記低周波数成分に基づいて高周波数成分の変化を予測し、前記予測された高周波数成分の変化より前記高周波数成分を補正することにより、前記カンチレバーに付着した物質の付着量を前記物理量として検出する請求項１〜請求項４の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【請求項８】
前記振動検出手段を、前記カンチレバーの振動状態を検出するように前記カンチレバーに設けられたセンサで構成した請求項１〜請求項７の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【請求項９】
前記カンチレバーに設けられたセンサを、前記カンチレバーの振動に応じて抵抗が変化する歪み抵抗素子を含んで構成した請求項８記載のカンチレバー型センサ。
【請求項１０】
前記カンチレバーに設けられたセンサを、前記歪み抵抗素子、及び前記歪み抵抗素子の抵抗の変化によって前記振動状態を検出するためのブリッジ回路を含んで構成した請求項９記載のカンチレバー型センサ。
【請求項１１】
前記カンチレバーを、液中に浸漬するか、ガス中に配置するか、真空中に配置するか、又は大気中に配置した請求項１〜請求項１０の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【請求項１２】
前記物理量検出手段は、カンチレバーの反りを検出する反り検出手段を有することを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【請求項１３】
前記カンチレバーの表面を、金属、絶縁物、有機物、抗原、抗体、及びＤＮＡの少なくとも一つで被覆したことを特徴とする請求項１〜請求項１２の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【請求項１４】
前記カンチレバーを複数有することを特徴とした請求項１〜請求項１３の何れか１項記載のカンチレバー型センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００８−２４１６１８（Ｐ２００８−２４１６１８Ａ）
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８５５６８（Ｐ２００７−８５５６８）
【出願日】平成１９年３月２８日（２００７．３．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１８年度地域コンソーシアム研究開発事業、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【出願人】（０００１５１５２０）株式会社東京測器研究所 (29)
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２８日（２００７．３．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１８年度地域コンソーシアム研究開発事業、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【出願人】（０００１５１５２０）株式会社東京測器研究所 (29)
[ Back to top ]