感知装置
【課題】圧電振動子に形成された吸着層に感知対象物が吸着されることで、その固有振動数が変化することを利用して感知対象物を感知する感知装置において、発振周波数を安定させるのに要する時間を短縮すること。
【解決手段】水晶振動子１２を発振させるための発振回路４と、この発信回路４に接続された水晶振動子１２に水晶振動子１２の発振を安定化させるために、感知対象物の測定時に供給される通常電力の２倍以上の大電力を供給して水晶振動子１２をワンショット回路２２で予め設定した設定時間だけ強励振させる、抵抗５２及びＰＮＰ型の第３のトランジスタ５３の直列回路を含む発振回路４から構成される強励振回路と、を備え、水晶振動子１２の接続を検出すると、ワンショット回路２２が発振回路４をエージング状態にして水晶振動子１２に高電力を供給し、水晶振動子１２を強励振させて水晶板２０の歪や応力を除去する。
【解決手段】水晶振動子１２を発振させるための発振回路４と、この発信回路４に接続された水晶振動子１２に水晶振動子１２の発振を安定化させるために、感知対象物の測定時に供給される通常電力の２倍以上の大電力を供給して水晶振動子１２をワンショット回路２２で予め設定した設定時間だけ強励振させる、抵抗５２及びＰＮＰ型の第３のトランジスタ５３の直列回路を含む発振回路４から構成される強励振回路と、を備え、水晶振動子１２の接続を検出すると、ワンショット回路２２が発振回路４をエージング状態にして水晶振動子１２に高電力を供給し、水晶振動子１２を強励振させて水晶板２０の歪や応力を除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子に形成された吸着層に感知対象物が吸着されることで、その固有振動数が変化することを利用して感知対象物を感知する感知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば試料液中の微量な物質を感知する方法として、圧電振動子の一つである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、水晶振動子に形成された吸着層例えば抗体層に抗原抗体反応を利用して抗原を捕捉し、水晶振動子の発振周波数の変化分を抗原の捕捉量、即ち試料液中の感知対象物の濃度として評価するものである。
【０００３】
ところで水晶には、無用な歪が生じていたり、内部に応力が発生している場合があり、この状態では水晶振動子の発振周波数が不安定になる。感知装置は、水晶振動子の固有の発振周波数を基づいて感知対象物の測定を行うため、発振周波数が不安定であると感知対象物を高精度に感知できなくなる。
【０００４】
一方水晶振動子は、発振させると水晶片の歪や内部応力が少しずつ消失され、それに伴って発振周波数が安定化していくという特性を有している。そして通常時よりも２倍以上、好ましくは５倍以上の大電力を供給して強励振させ、大きな機械振動を与えると、歪や内部応力の消失が促進されて水晶振動子の発振周波数が短時間で安定化する。そこで従来は、出荷時に水晶振動子に大電力を供給して強励振させ、大きな機械振動を与えて発振周波数を安定化させる処理を行う場合があった。しかしながらこの方法では、２〜３ヶ月経過すると効果が薄れるという問題点がある。
【０００５】
また一般的に発振回路は定電流回路を用いているので、大電力を供給できず、水晶振動子を強励振させることができない。そのため従来の感知装置では、通常電力を供給して水晶の歪や内部応力を少しずつ消失させ、発振周波数を安定化させるエージング処理を行っているが、この方法では大電力を供給する場合と比較して、水晶振動子の発振周波数の安定化に要する時間が長くなる。このエージング処理中は感知対象物の感知を行えないことから、作業効率が低下するという問題があった。従ってこの発振周波数の安定化に要する時間を短縮することができる感知装置が求められている。
【０００６】
一方特許文献１には、バイオセンサの２つの電極端子とコンデンサとを接続し、バイオセンサの測定が終了した後にエージングを行い、電界局面に安定性の高い電荷を保持させると共に、コンデンサに電荷を蓄積して電界局面に安定性の高い電荷が保持された状態を維持する電気化学センサ用ホルダが記載されている。しかしながら特許文献１は、一度測定が終了した後、次の測定時に測定の準備に要する時間を短縮するものであり、バイオセンサを装置に取り付けたときの測定の準備に要する時間を短縮することについては記載されていない。また特許文献１のエージングは、電界局面に安定性の高い電荷が保持された状態を維持することを目的としたものであり、上述した水晶の歪や応力を消失することを目的としたものではない。
【０００７】
また特許文献２には、アルミナ基板、白金ヒータ、絶縁層、酸化触媒層、基準電極、固体電界質厚膜及び検知電極を積層したセンサ素子を備え、電源投入と同時にヒータに通常より高めの電圧を印加すると共に電極間に電圧を印加してエージングを行い、水素ガスに対する感度を低下させ一酸化炭素炭素に対する感度を向上させる一酸化炭素センサが記載されている。しかしながら特許文献２のエージングは、電圧を印加して一酸化炭素に対する感度を向上させることを目的したものであり、上述した水晶の歪や応力を消失することを目的としたものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
［特許文献１］ 特開２００５−１６４４０７号公報（段落番号００５５、００５６）
［特許文献２］ 特開平１１−３０４７５２号公報（段落番号００２３、００２４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電振動子に形成された吸着層に感知対象物が吸着されることで、その固有振動数が変化することを利用して感知する感知装置において、発振周波数を安定化させるのに要する時間を短縮できる感知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の感知装置は、
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を用い、この圧電振動子の固有振動数に基づいて感知対象物を感知する感知装置において、
前記圧電振動子を発振させるための発振回路と、
前記発振回路に接続された圧電振動子に、当該圧電振動子の発振を安定化させるために、感知対象物の測定時に供給される通常電力の２倍以上の大電力を供給して圧電振動子を予め設定した設定時間だけ強励振させる強励振回路と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また本発明の感知装置は、例えば前記発振回路は前記強励振回路の一部を兼用し、前記強励振回路は、この発振回路に接続され、当該発振回路から圧電振動子に供給される電力が前記通常電力と前記大電力との間で切り替わるスイッチ部を備えていてもよい。また本発明の感知装置は、例えば前記圧電振動子を強励振させる時間を設定するための時間設定部を備えていてもよい。また本発明の感知装置は、例えば感知装置を操作するための操作画面表示部を備え、前記時間設定部はこの操作画面表示部に組み合わされていてもよい。また本発明の感知装置は、例えば前記圧電振動子が発振回路に接続されたことを検出して、前記強励振回路に強励振動作を開始させるための信号を出力する接続検出部を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、前記発振回路に接続された圧電振動子を予め設定した設定時間だけ強励振させる強励振回路を設けているため、強制的に大きな機械振動が与えられて圧電振動子の歪や内部応力の消失が促進されることになり、圧電振動子の発振周波数の安定化に要する時間が短縮される。従って感知装置におけるエージング処理に要する時間を短縮することができ、作業効率が向上する。また強励振させる時間を設定するための時間設定部を設けるようにすれば、測定結果の解析などに応じて柔軟に対応することができ、強励振が不足していたり、無駄に長い時間に強励振させたりすることが回避できる。更にまた圧電振動子が発振回路に接続されたことを検出して、前記強励振回路に強励振動作を開始させるための信号を出力するようにすれば、作業を円滑に行うことができ、便利である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】感知装置の全体を示す斜視図である。
【図２】水晶センサの概要について説明するための説明図である。
【図３】感知装置の全体の回路について説明するための平面図である。
【図４】第２の実施形態の感知装置について説明するための平面図である。
【図５】第３の実施形態の感知装置について説明するための平面図である。
【図６】他の実施形態の感知装置における発振回路ユニットについて説明するための平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
〔第１の実施形態〕
本発明の感知装置の一実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。図１に示すようにこの感知装置は、感知対象物を含む試料溶液が供給される水晶センサ１、この水晶センサ１が着脱自在に接続される発振回路ユニット２、この発振回路ユニット２に接続される計測部３及び発振回路ユニット２と計測部３とを制御する制御用コンピュータ（以下、単に制御用PCという）３０を備えている。計測部３には、発振回路ユニット２及び制御用PC３０が夫々専用のデータケーブルによって接続されており、計測部３は、水晶センサ１の周波数信号を発振回路ユニット２から受信して計測を行い、その結果を制御用PC３０に送信する。
【００１５】
水晶センサ１は、図２（ａ）に示すように配線基板であるプリント基板１０の上にゴムシート１１を重ね、このゴムシート１１上に圧電振動子に相当する水晶振動子１２（図２（ｂ）参照）を設け、その上から上蓋ケース１３を装着することによって構成されている。水晶振動子１２は、例えば円形の水晶板２６の両面に電極２７（裏面側の電極は見えない）が設けられ、電極２７は夫々プリント基板１０に設けられているプリント配線１６、１７に導電性接着剤等によって電気的に接続されている。電極２７の表面側には、感知対象物を吸着するための吸着層２８が形成されている。この吸着層２８は、感知対象物である試料溶液中の抗原を抗原抗体反応で捕捉するための抗体から構成される。また上蓋ケース１３には、試料溶液の注入口１４と試料溶液の観察口１５とが形成されている。
【００１６】
この水晶センサ１は、既述のように発振回路ユニット２に対してプリント基板１０を抜脱することにより着脱できるように構成されており、この水晶センサ１を差し込むと水晶振動子１２がプリント配線１６、１７を介して発振回路ユニット２内の発振回路４（図３参照）と電気的に接続される。そして水晶センサ１では、感知対象物を含む試料溶液を注入口１４から注入して内部に設けられた水晶振動子１２の上面側の空間に満たし、水晶振動子１２上に設けられた吸着層２８に試料溶液中の感知対象物を吸着させる。吸着層２８に感知対象物が吸着されると水晶振動子１２の発振周波数が変化するため、感知装置ではこの発振周波数の変化を検知することにより感知対象物の感知を行う。
【００１７】
発振回路ユニット２は、図３に示すように、発振回路４と、この発振回路４の後段に接続されたバッファアンプ２０と、発振回路４の発振出力に基づいて水晶センサ１が発振回路ユニット２に接続されたことを検出し、パルスを出力する接続検出部２１と、この接続検出部２１の出力パルスにより所定長さのパルス幅のパルスを出力する時間設定部に相当するワンショット回路（単安定マルチバイブレータ）２２と、を備えている。接続検出部２１は、発振回路４の出力の立ち上がりに基づいてパルスを出力するように構成されている。ワンショット回路２２は、出力パスルのパルス幅を調整する機能を備えており、具体的には前記パルス幅を決定する時定数回路の可変コンデンサの容量値を調整できるようになっている。またワンショット回路２２のパルスを出力する出力端には、ワンショット回路２２の出力を反転させる否定回路２２ａが設けられている。
【００１８】
発振回路４は、コルピッツ型発振回路として構成されている。この発振回路４には、図３に示すように、発振増幅素子となるＮＰＮ型の第１のトランジスタ４０が設けられており、第１のトランジスタ４０のベース側には、コンデンサ４１を介して水晶振動子１２が接続されている。また第１のトランジスタ４０のベース、接地間には、分割容量成分をなすコンデンサ４２、４３の直列回路が接続され、コンデンサ４２、４３の中間点は、第１のトランジスタ４０のエミッタ側に接続されている。さらに第１のトランジスタ４０のベース、接地間には、コンデンサ４２、４３の直列回路と並列になるようにブリーダ抵抗４４が設けられている。
【００１９】
第１のトランジスタ４０のエミッタ、接地間には正帰還ループを構成するＮＰＮ型の第２のトランジスタ４５及び抵抗４６が接続されている。第１のトランジスタ４０のコレクタ側には、インダクタ４７及びコンデンサ４８の並列回路を介して＋Ｖｃｃを供給する電源端子３７が接続されている。第２のトランジスタ４５のベースは、電源端子３７と接地との間に設けられた２個の直列抵抗５１、５４の中間点に接続され、第２のトランジスタ４５、抵抗４６及び直列抵抗５１、５４により定電流回路が構成される。従って、感知対象物の測定時には水晶センサ１に対して定電流が供給されることになる。なお図３に示した４９はブリーダ抵抗、５０は発振回路の出力端である。
【００２０】
直列抵抗５１に対して並列に抵抗５２及びＰＮＰ型の第３のトランジスタ５３から構成される直列回路が接続され、第３のトランジスタ５３はエミッタ側が電源端子３７に、コレクタ側が抵抗５２に、ベース側がワンショット回路２２に接続されている。抵抗５２は、第２のトランジスタ４５のベース電位を上昇させるためのものであるため直列抵抗５１よりも抵抗値が小さく、例えば直列抵抗５１、５４及び抵抗５２の各抵抗値は、夫々１５ｋΩ、１０ｋΩ及び０ｋΩとされる。
【００２１】
ここで第３のトランジスタ５３は水晶振動子１２に供給される電力を通常電力とすると、エージング用の大電力との間で切り替えるためのスイッチ部に相当し、その役割について簡単に触れておくと、通常時（感知対象物の測定を行う時）には、第３のトランジスタ５３はオフであるため、第２のトランジスタ４５のベースには、電源端子３７の直流電圧を直列抵抗５１、５４で分圧された電圧が供給され、第２のトランジスタ４５に定電流が流れる。これに対して後述するエージング時には第３のトランジスタ５３がオンとなり、第２のトランジスタ４５のベースには、概ね電源端子３７の直流電圧を抵抗５２及び直列抵抗５４で分圧された電圧が印加されるので、当該第２のトランジスタ４５のベース電圧が増大し、これにより第２のトランジスタ４５の電流が増加することとなる。従って、抵抗５２及びＰＮＰ型の第３のトランジスタ５３の直列回路を含む発振回路４が、本発明の強励振回路に相当する。
【００２２】
計測部３は、図３に示すようにダイオード３１、Ａ／Ｄ変換回路３２及びこのＡ／Ｄ変換回路３２からのディジタル信号を処理する信号処理回路であるＦＧＰＡ（Field Programmable Gate Array）３３と、を備え、さらに計測部３を制御すると共に発振回路ユニット２及び制御用PC３０との間で、データの送受信を制御するためのＣＰＵ３４とを備えている。また制御用PC３０は、計測部３を制御すると共に計測部３から受け取った計測情報を解析する制御用ソフトウェア３６を備えている。
【００２３】
この計測部３では、起動するとＣＰＵ３４が、ＦＧＰＡ３３等に制御命令を送信し、制御用PC３０に起動したことを報知する。そして発振回路ユニット２から受信した周波数信号を計測して、その計測結果を制御用PC３０に送信する。また制御用PC３０の制御用ソフトウェア３６は、受信した計測結果をディスプレイ３９（図１参照）に表示する機能と、受信した計測結果からワンショット回路２２の状態を判定してディスプレイ３９に表示する機能と、を有しており、使用者は現在の水晶振動子１２の発振周波数と、ワンショット回路２２からパルスが出力されている状態（後述するエージング処理状態）かどうかをディスプレイ３９上で認識できるようになっている。
【００２４】
また発振回路ユニット２には、ワンショット回路２２からパルスが出力されていることを報知する赤色ＬＥＤ２４が設けられている。この赤色ＬＥＤ２４は、図３に示すように否定回路２２ａのワンショット回路２２側に接続されており、ワンショット回路２２からパルスが出力されている時に点灯し続けるように構成されている。
【００２５】
次に本実施形態における感知対象物の計測の流れについて説明する。まず図１に示すように水晶センサ１を発振回路ユニット２に取り付ける。これにより水晶振動子１２と発振回路４とが接続され、発振回路４から周波数信号（発振出力）が出力される。接続検出部２１では例えば入力レベルの立ち上がりを検出してワンショット回路２２にパルスを出力し、これによりワンショット回路２２から予め設定された長さのパルスが否定回路２２ａを介して第３のトランジスタ５３のベースに供給される。
【００２６】
このため第３のトランジスタ５３のベース電位は、「Ｈ（ハイレベル）」から「Ｌ（ローレベル）」に変わり、第３のトランジスタ５３がオンとなる。この結果、第２のトランジスタ４５のベース電位が上昇するので、当該第２のトランジスタ４５のコレクタ−エミッタ電流が増加し、これにより第１のトランジスタ４０のベース−エミッタ間の電圧が上昇し、水晶センサ１の供給電力が大きくなる。このときに水晶センサ１に供給される電力を大電力と呼ぶとすると、この大電力の値は、感知対象物の測定を行うとき（通常時）に水晶センサ１に供給される電力の２倍以上であり、５倍以上が好ましい。なお本実施形態では、大電力を計測した結果、大電力の値が通常時に供給される電力の１０倍となった。また制御用PC３０には、制御用ソフトウェア３６によりワンショット回路２２からパルスが出力されている状態、即ちエージング処理状態であることが表示部であるディスプレイ３９に表示される。またこのとき発振回路ユニット２においては、赤色ＬＥＤ２４が点灯している状態になる。即ち、水晶振動子１２に大電力が印加されている状態がディスプレイ３９及び発振回路ユニット２に表示されることになる。
【００２７】
水晶センサ１に大電力が供給されると、水晶振動子１２のエージング処理が行われ、水晶振動子１２が強励振する。そのため水晶板２６に大きな機械振動が与えられ、水晶板２６の歪や内部応力の消失が促進されるので、水晶振動子１２の発振周波数が短時間で安定化する。
【００２８】
ワンショット回路２２のワンショットパルスの設定幅に対応する時間が経過すると、ワンショット回路２２からのパルスが消失し、第３のトランジスタ５３のベース電位が「Ｌ」から「Ｈ」に変わるので第３のトランジスタ５３がオフになる。この結果第２のトランジスタ４５のベース電位が低下し、第２のトランジスタ４５のコレクタ−エミッタ間には、直列抵抗５１、５４及び抵抗４６で決定される定電流が流れることになり、水晶振動子１２の供給電力は、通常時に設定された値、例えば３μＷになる。なおディスプレイ３９からは、エージング処理状態の表示が消え、また発振回路ユニット２では、赤色ＬＥＤ２４が消灯する。
【００２９】
作業者は、制御用PC３０の「エージング処理状態」の表示の消失、若しくは赤色ＬＥＤ２５の消灯を確認し、純水或いは緩衝液を水晶センサ１内に注入させて、所謂ブランク値に対応する水晶センサ１の発振周波数を求める。即ち発振回路４の周波数信号がバッファアンプ２０、ダイオード３１及びＡ／Ｄ変換回路３２を介してＦＧＰＡ３３に入力され、ＦＧＰＡ３３にて周波数信号の周波数を求める。この周波数信号の測定は、例えばＡ／Ｄ変換回路３２にて得られたディジタル信号を直交検波して得られる回転ベクトルの実数成分及び虚数成分に基づいて当該回転ベクトルの回転速度を求めるといった手法で行われる。なお周波数の測定は、周波数カウンタを用いてもよい。
【００３０】
計測部３で求められた周波数の測定値の時系列データが、制御用PC３０の制御用プログラム３６に取り込まれた後、作業者は、感知対象物を含む試料液を水晶センサ１の注入口１４に注入する。水晶センサ１に感知対象物を含む試料液が注入されると、水晶振動子１２の吸着層２８に試料液中の感知対象物が吸着され、水晶振動子１２の発振周波数が、感知対象物の吸着量に応じて低くなる。
【００３１】
そして計測部３では、発振回路ユニット２の周波数信号の周波数を求め、その周波数の測定値の時系列データを制御用PC３０へと送信する。制御用PC３０には、純水或いは緩衝液を用いたブランク値である周波数の測定値の時系列データと、試料液が注入された後の周波数の測定値の時系列データとが表示され、作業者によりあるいは制御用PC３０の制御プログラム３６によってこれらの時系列データに基づいて、試料液を注入したことによる水晶振動子１２の周波数の低下分（周波数差）を求める。そして例えば予め作成しておいた検量線に基づいて試料液中の感知対象物の濃度を求める。
【００３２】
上述したように本実施形態の感知装置では、予め設定した時間だけワンショット回路２２からパルスを出力し、これに基づいて発振回路４に接続された水晶センサ１の水晶振動子１２を強励振させるように発振回路ユニット２が構成されている。そのため水晶振動子１２に、強制的に大きな機械振動を与えて水晶振動子１２の歪や内部応力の消失を促進し、水晶振動子１２の発振周波数を安定化させるのに要する時間を短縮することができる。従って感知装置におけるエージング処理に要する時間を短縮することができ、作業効率が向上する。
【００３３】
またワンショット回路２２によって、水晶振動子１２を強励振させる時間を設定できるようにしているため、測定結果の解析などに応じて設定を変更し、強励振させる時間を変更する等柔軟に対応することができ、強励振が不足していたり、無駄に長い時間に強励振させたりすることが回避できる。また接続検出部２１によって水晶振動子１２が発振回路４に接続されたことを検出し、水晶振動子１２を強励振させるようにしているため、水晶センサ１を発振回路ユニット２に差し込むだけでエージング処理が自動的に開始されることになり、作業を円滑に行うことができ、便利である。
【００３４】
また本実施形態では、ワンショット回路２２からパルスが出力されている状態、即ち水晶振動子１２に大電力が供給されてエージング処理が行われている状態であることを、ディスプレイ３９の表示と、発振回路ユニット２に設けられた赤色ＬＥＤ２４によって作業者に報知できるように構成されており、エージング処理が終わる前に水晶センサ１に試料液が注入されてしまう事を防止できるようになっている。特に水晶センサ１が装着される発振回路ユニット２に表示部となる赤色ＬＥＤ２４を設けたことにより、水晶センサ１の側に表示部があるため試料液を注入するときにこの赤色ＬＥＤ２４を確認するだけでエージング中かどうかを確認でき、エージング処理中の処理液の誤注入を防止することができる。
【００３５】
［第２の実施形態］
第２の実施形態は、発振回路ユニット２に接続検出２１とワンショット回路２２とを設けることに代えて、計測部３に水晶振動子１２の接続を検出したときに、予め設定したパルス幅の（時間）のパルスが出力されるプログラムが設けられる。このプログラムは、図４に機能的に示すと、発振回路ユニット２から振幅が一定レベル以上の周波数信号が入力されたか否かを判断する接続検出部に相当する判断部６１と、その判断結果が「ＹＥＳ」のときに時間設定部となるタイマ部６２により設定された時間だけパルスを出力するパルス出力部６３と、を備えている。さらに前記プログラムは、パルス出力部６３からパルスが一旦出力されると、フラグ６４を立て、その後判断部により周波数信号が消失したと判断したとき、つまり水晶振動子１２が発振回路ユニット２から取り外されたときには、フラグ６４を消去する機能を備えている。なお図４中６５は、否定回路２２ａを介して第３のトランジスタ５３のベースとパルス出力部６３とを接続する専用線である。またそれ以外の構成については第１の実施形態の感知装置と同じであるため、第１の実施形態と同一部分または相当部分には、同一の符号を付して説明する。
【００３６】
この感知装置では、以下の手順でエージング処理が行われる。水晶振動子１２が発振回路４に接続され、発信回路４の周波数信号が、バッファアンプ２０、ダイオード３１及びＡ／Ｄ変換回路３２を介してＦＧＰＡ３３に入力されると、ＣＰＵ３４は、判断部６１によって入力された周波数信号の入力レベルの立ち上がりを検出し、そのレベルが一定値を超えた時点でフラグ６４を確認する。そしてＣＰＵ３４は、このフラグ６４が論理「０」であることが確認された場合には、水晶センサ１が接続された直後の状態、即ちエージング処理を行っていない状態であると判定してエージング処理を開始する。なおフラグ６４が論理「１」の場合には、エージング処理済みと判定され、エージング処理は行われない。
【００３７】
エージング処理が開始されると、まずＣＰＵ３４は、パルス出力部６３とタイマ部６２とに起動命令を送信し、パルス出力部６３から予め設定された長さのパルスを、否定回路２２ａを介して第３のトランジスタ５３のベースに供給すると共に、タイマ部６２による処理時間のカウントを開始する。またＣＰＵ３４は、タイマ部６２のカウント情報を制御用PC３０に送信し、制御用PC３０の制御用プログラム３６は、そのカウント情報をディスプレイ３９（図１参照）に表示する。
【００３８】
パルス出力部６３から第３のトランジスタ５３のベースにパスルが出力されると、発振回路ユニット２の赤色ＬＥＤ２４が点灯し、第１の実施形態と同様に水晶振動子１２に大電力が供給されてエージング処理が行われる。またＣＰＵ３４は、エージング処理中、タイマ部６２のカウント情報を制御用PC３０に送信し、制御用PC３０の制御用プログラム３６は、そのカウント情報をディスプレイ３９（図１参照）に表示する。
【００３９】
その後タイマ部６２のカウントが処理終了時間になると、ＣＰＵ３４は、パルス出力部６３に停止命令を送信し、タイマ部６２のカウントをリセットする。その後発振回路ユニット２では、パルス出力部６３からのパルスの出力が停止するので赤色ＬＥＤ２４が消灯し、水晶振動子１２の供給電力が通常時に設定された値になる。またＣＰＵ３４は、タイマ部６２の停止情報を制御用PC３０に送信すると共にフラグ６４の値を１に変更し、制御用プログラム３６は、エージング処理が終了したことをディスプレイ３９に表示する。その後第１の実施形態と同様に感知対象物の処理を行う。
【００４０】
このような感知装置であっても、第１の実施形態と同様に、抵抗５２及びＰＮＰ型の第３のトランジスタ５３の直列回路を含む発振回路４が強励振回路となり、水晶センサ１が発振回路ユニット２に接続されたことを検出し、水晶振動子１２に高電力を供給して強制的に大きな機械振動を与え、水晶振動子１２の歪や応力の消失を促進することができ、水晶振動子１２のエージング処理に要する時間を削減して、作業効率を向上させることができる。
【００４１】
［第３の実施形態］
第３の実施形態は、図５に示すように第２の実施形態の発振回路ユニット２に否定回路２２ａ、第３のトランジスタ５３、直列抵抗５１、５４及び抵抗５２を設けることに代えて、発振回路４に第２のトランジスタ４５のベースにパルスを出力するスイッチ部に相当するＤ／Ａ変換回路７１が設けられ、計測部３に、パスル出力部６３を設けることに代えてＣＰＵ３４からの命令に基づいてディジタルの制御信号をＤ／Ａ変換回路７１に送信する制御信号発信部７２が設けられる。そしてＤ／Ａ変換回路７１は、制御信号発信部７２を介してＣＰＵ３４からディジタルの制御信号を受け取ると、その制御信号をアナログ信号に変換し、そのアナログ信号に基づくパルスを第２のトランジスタ４５のベースに出力する。なお図５中７３は、Ｄ／Ａ変換回路７１と制御信号発信部７３とを接続する高速データ通信が可能な通信ケーブルの一つであるパラレルケーブルである。またそれ以外の構成については第２の実施形態の感知装置と同じであるため、第２の実施形態と同一部分または相当部分には、同一の符号を付して説明する。
【００４２】
この感知装置でエージング処理を行う場合、まず第２の実施形態と同様に、判断部６１によって入力された周波数信号の入力レベルの立ち上がりを検出し、そのレベルが一定値を超えた時点でフラグ６４を確認する。このフラグ６４が論理「０」であることが確認された場合には、水晶センサ１が接続された直後の状態、即ちエージング処理を行っていない状態であると判定してエージング処理を開始する。
【００４３】
エージング処理が開始されると、ＣＰＵ３４は、Ｄ／Ａ変換回路７１に第２のトランジスタ４５のベース電位を上昇させるパルスを第２のトランジスタ４５に向けて出力させるためのディジタルの制御信号を、制御信号発信部７２を介して送信する。またＣＰＵ３４は、タイマ部６２のカウント情報を制御用PC３０に送信し、制御用PC３０の制御用プログラム３６は、そのカウント情報をディスプレイ３９（図１参照）に表示する。
【００４４】
この制御信号を受け取ったＤ／Ａ変換回路７１は、ディジタルの制御信号をアナログの制御信号に変換し、この制御信号に基づくパルスを第２のトランジスタ４５のベースに出力する。これにより第２のトランジスタ４５のベース電位が上昇するので、第１及び第２の実施形態と同様に第１のトランジスタ４０のベース−エミッタ間の電圧が上昇して水晶振動子１２に大電力が供給され、エージング処理が行われる。
【００４５】
その後タイマ部６２のカウントが処理終了時間になると、ＣＰＵ３４は、Ｄ／Ａ変換回路７１に、第２のトランジスタ４５のベース電位を上昇させるパルスを第２のトランジスタ４５に向けて出力させるためのディジタルの制御信号を、制御信号発信部７２を介して送信する。これによりＤ／Ａ変換回路７１からは、第２のトランジスタ４５のベース電位を元に戻すパルスが出力され、水晶振動子１２の供給電力が、通常時に設定された値になる。またＣＰＵ３４は、タイマ部６２の停止情報を制御用PC３０に送信すると共にフラグ６４の値を１に変更し、制御用プログラム３６は、エージング処理が終了したことをディスプレイ３９に表示する。その後第１の実施形態と同様に感知対象物の処理を行う。
【００４６】
このような感知装置であっても、Ｄ／Ａ変換回路７１を含む発振回路４が強励振回路となり、水晶センサ１が発振回路ユニット２に接続されたことを検出し、水晶振動子１２に高電力を供給して強制的に大きな機械振動を与え、水晶振動子１２の歪や応力の消失を促進することができ、水晶振動子１２のエージング処理に要する時間を削減して、作業効率を向上させることができる。
【００４７】
なお第２及び第３本実施形態では、エージング処理の処理時間をタイマ部６２によって制御するように構成されているため、このタイマ部６２を書き換えることによって、エージング処理時に水晶振動子１２に大電力が供給される時間を変更することができる。従って本実施形態では、タイマ部６２を書き換えるだけで種類の異なる水晶振動子１２に対して適切なエージング処理を行うことができる。
【００４８】
また第２及び第３の実施形態では、判定部６１、タイマ部６２及びフラグ６４を計測部３に組み込んでいるが、本発明の実施の形態としては、これらのプログラムを制御PC３０の制御プログラム３６に組み込み、制御PC３０から計測部３を介して発振回路ユニット２に命令を送信するようにしてもよい。
【００４９】
また第２及び第３の実施形態では、エージング処理の終了判定を、タイマ部６２よるカウントによって判定しているが、本発明の実施の形態としては、例えば制御プログラムによって計測部から送信される周波数信号の時系列のデータを監視するようにし、周波数信号の振幅の幅が予め設定された許容値の範囲内になったことが確認できるまでの時間を処理時間として、この処理時間の経過を確認できたときにパルス出力部または制御信号発信部にエージング処理の終了命令を送信するようにしてもよい。
【００５０】
［他の実施形態］
本発明の感知装置は、次の図６に示すような感知装置であってもよい。この感知装置は、第１の実施形態で発振回路４に設けられていた抵抗５２及び第３のトランジスタ５３と否定回路２２ａとを設けることに代えて、水晶センサ１に電源端子３７とは別に設けられた追加電源３８から直接電流を供給する給電線８０と、給電線８０に設けられたスイッチング素子８１とを備えている。このスイッチング素子８１は、ワンショット回路２２に接続され、ワンショット回路２２からパルスが出力されると、スイッチング素子８１のスイッチが入り水晶センサ１側に電流が供給されるように構成されている。なお、それ以外の構成については第１の実施形態の感知装置と同じであるため説明は省略する。
【００５１】
この感知装置では、接続検出部２１によって水晶センサ１の水晶振動子１２が発振回路４に接続されたことが検出され、ワンショット回路２２からパルスがスイッチング素子８１に出力されると、給電線８０を介して水晶センサ１側に追加電源３８から電流が供給される。そのため水晶振動子１２に供給される電力が大きくなり、強制的に大きな機械振動を与えて水晶振動子１２の歪や応力の消失を促進することができる。従ってこのような感知装置であっても、給電線８０とスイッチング素子８１とが強励振回路となり、上述した各実施形態と同様に、感知対象物の計測を行う為に要する準備時間を短縮して作業効率を向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【００５２】
１ 水晶センサ
２ 発振回路ユニット
３ 計測部
４ 発振回路
１２ 水晶振動子（圧電振動子）
１４ 注入口
２０ バッファアンプ
２１ 接続検出部
２２ ワンショット回路
２２ａ 否定回路
２４ 赤色ＬＥＤ
２６ 水晶板
２８ 吸着層
３０ 制御用コンピュータ（制御用PC）
３４ ＣＰＵ
３６ 制御用プログラム
３７ 電源端子
３８ 追加電源
３９ ディスプレイ
４０ 第１のトランジスタ
４５ 第２のトランジスタ
５３ 第３のトランジスタ
６１ 判断部
６２ タイマ部
６３ パルス出力部
６４ フラグ
６５ 専用線
７１ Ｄ／Ａ変換回路
７２ 制御信号発信部
７３ パラレルケーブル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子に形成された吸着層に感知対象物が吸着されることで、その固有振動数が変化することを利用して感知対象物を感知する感知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば試料液中の微量な物質を感知する方法として、圧電振動子の一つである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、水晶振動子に形成された吸着層例えば抗体層に抗原抗体反応を利用して抗原を捕捉し、水晶振動子の発振周波数の変化分を抗原の捕捉量、即ち試料液中の感知対象物の濃度として評価するものである。
【０００３】
ところで水晶には、無用な歪が生じていたり、内部に応力が発生している場合があり、この状態では水晶振動子の発振周波数が不安定になる。感知装置は、水晶振動子の固有の発振周波数を基づいて感知対象物の測定を行うため、発振周波数が不安定であると感知対象物を高精度に感知できなくなる。
【０００４】
一方水晶振動子は、発振させると水晶片の歪や内部応力が少しずつ消失され、それに伴って発振周波数が安定化していくという特性を有している。そして通常時よりも２倍以上、好ましくは５倍以上の大電力を供給して強励振させ、大きな機械振動を与えると、歪や内部応力の消失が促進されて水晶振動子の発振周波数が短時間で安定化する。そこで従来は、出荷時に水晶振動子に大電力を供給して強励振させ、大きな機械振動を与えて発振周波数を安定化させる処理を行う場合があった。しかしながらこの方法では、２〜３ヶ月経過すると効果が薄れるという問題点がある。
【０００５】
また一般的に発振回路は定電流回路を用いているので、大電力を供給できず、水晶振動子を強励振させることができない。そのため従来の感知装置では、通常電力を供給して水晶の歪や内部応力を少しずつ消失させ、発振周波数を安定化させるエージング処理を行っているが、この方法では大電力を供給する場合と比較して、水晶振動子の発振周波数の安定化に要する時間が長くなる。このエージング処理中は感知対象物の感知を行えないことから、作業効率が低下するという問題があった。従ってこの発振周波数の安定化に要する時間を短縮することができる感知装置が求められている。
【０００６】
一方特許文献１には、バイオセンサの２つの電極端子とコンデンサとを接続し、バイオセンサの測定が終了した後にエージングを行い、電界局面に安定性の高い電荷を保持させると共に、コンデンサに電荷を蓄積して電界局面に安定性の高い電荷が保持された状態を維持する電気化学センサ用ホルダが記載されている。しかしながら特許文献１は、一度測定が終了した後、次の測定時に測定の準備に要する時間を短縮するものであり、バイオセンサを装置に取り付けたときの測定の準備に要する時間を短縮することについては記載されていない。また特許文献１のエージングは、電界局面に安定性の高い電荷が保持された状態を維持することを目的としたものであり、上述した水晶の歪や応力を消失することを目的としたものではない。
【０００７】
また特許文献２には、アルミナ基板、白金ヒータ、絶縁層、酸化触媒層、基準電極、固体電界質厚膜及び検知電極を積層したセンサ素子を備え、電源投入と同時にヒータに通常より高めの電圧を印加すると共に電極間に電圧を印加してエージングを行い、水素ガスに対する感度を低下させ一酸化炭素炭素に対する感度を向上させる一酸化炭素センサが記載されている。しかしながら特許文献２のエージングは、電圧を印加して一酸化炭素に対する感度を向上させることを目的したものであり、上述した水晶の歪や応力を消失することを目的としたものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
［特許文献１］ 特開２００５−１６４４０７号公報（段落番号００５５、００５６）
［特許文献２］ 特開平１１−３０４７５２号公報（段落番号００２３、００２４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電振動子に形成された吸着層に感知対象物が吸着されることで、その固有振動数が変化することを利用して感知する感知装置において、発振周波数を安定化させるのに要する時間を短縮できる感知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の感知装置は、
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を用い、この圧電振動子の固有振動数に基づいて感知対象物を感知する感知装置において、
前記圧電振動子を発振させるための発振回路と、
前記発振回路に接続された圧電振動子に、当該圧電振動子の発振を安定化させるために、感知対象物の測定時に供給される通常電力の２倍以上の大電力を供給して圧電振動子を予め設定した設定時間だけ強励振させる強励振回路と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また本発明の感知装置は、例えば前記発振回路は前記強励振回路の一部を兼用し、前記強励振回路は、この発振回路に接続され、当該発振回路から圧電振動子に供給される電力が前記通常電力と前記大電力との間で切り替わるスイッチ部を備えていてもよい。また本発明の感知装置は、例えば前記圧電振動子を強励振させる時間を設定するための時間設定部を備えていてもよい。また本発明の感知装置は、例えば感知装置を操作するための操作画面表示部を備え、前記時間設定部はこの操作画面表示部に組み合わされていてもよい。また本発明の感知装置は、例えば前記圧電振動子が発振回路に接続されたことを検出して、前記強励振回路に強励振動作を開始させるための信号を出力する接続検出部を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、前記発振回路に接続された圧電振動子を予め設定した設定時間だけ強励振させる強励振回路を設けているため、強制的に大きな機械振動が与えられて圧電振動子の歪や内部応力の消失が促進されることになり、圧電振動子の発振周波数の安定化に要する時間が短縮される。従って感知装置におけるエージング処理に要する時間を短縮することができ、作業効率が向上する。また強励振させる時間を設定するための時間設定部を設けるようにすれば、測定結果の解析などに応じて柔軟に対応することができ、強励振が不足していたり、無駄に長い時間に強励振させたりすることが回避できる。更にまた圧電振動子が発振回路に接続されたことを検出して、前記強励振回路に強励振動作を開始させるための信号を出力するようにすれば、作業を円滑に行うことができ、便利である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】感知装置の全体を示す斜視図である。
【図２】水晶センサの概要について説明するための説明図である。
【図３】感知装置の全体の回路について説明するための平面図である。
【図４】第２の実施形態の感知装置について説明するための平面図である。
【図５】第３の実施形態の感知装置について説明するための平面図である。
【図６】他の実施形態の感知装置における発振回路ユニットについて説明するための平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
〔第１の実施形態〕
本発明の感知装置の一実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。図１に示すようにこの感知装置は、感知対象物を含む試料溶液が供給される水晶センサ１、この水晶センサ１が着脱自在に接続される発振回路ユニット２、この発振回路ユニット２に接続される計測部３及び発振回路ユニット２と計測部３とを制御する制御用コンピュータ（以下、単に制御用PCという）３０を備えている。計測部３には、発振回路ユニット２及び制御用PC３０が夫々専用のデータケーブルによって接続されており、計測部３は、水晶センサ１の周波数信号を発振回路ユニット２から受信して計測を行い、その結果を制御用PC３０に送信する。
【００１５】
水晶センサ１は、図２（ａ）に示すように配線基板であるプリント基板１０の上にゴムシート１１を重ね、このゴムシート１１上に圧電振動子に相当する水晶振動子１２（図２（ｂ）参照）を設け、その上から上蓋ケース１３を装着することによって構成されている。水晶振動子１２は、例えば円形の水晶板２６の両面に電極２７（裏面側の電極は見えない）が設けられ、電極２７は夫々プリント基板１０に設けられているプリント配線１６、１７に導電性接着剤等によって電気的に接続されている。電極２７の表面側には、感知対象物を吸着するための吸着層２８が形成されている。この吸着層２８は、感知対象物である試料溶液中の抗原を抗原抗体反応で捕捉するための抗体から構成される。また上蓋ケース１３には、試料溶液の注入口１４と試料溶液の観察口１５とが形成されている。
【００１６】
この水晶センサ１は、既述のように発振回路ユニット２に対してプリント基板１０を抜脱することにより着脱できるように構成されており、この水晶センサ１を差し込むと水晶振動子１２がプリント配線１６、１７を介して発振回路ユニット２内の発振回路４（図３参照）と電気的に接続される。そして水晶センサ１では、感知対象物を含む試料溶液を注入口１４から注入して内部に設けられた水晶振動子１２の上面側の空間に満たし、水晶振動子１２上に設けられた吸着層２８に試料溶液中の感知対象物を吸着させる。吸着層２８に感知対象物が吸着されると水晶振動子１２の発振周波数が変化するため、感知装置ではこの発振周波数の変化を検知することにより感知対象物の感知を行う。
【００１７】
発振回路ユニット２は、図３に示すように、発振回路４と、この発振回路４の後段に接続されたバッファアンプ２０と、発振回路４の発振出力に基づいて水晶センサ１が発振回路ユニット２に接続されたことを検出し、パルスを出力する接続検出部２１と、この接続検出部２１の出力パルスにより所定長さのパルス幅のパルスを出力する時間設定部に相当するワンショット回路（単安定マルチバイブレータ）２２と、を備えている。接続検出部２１は、発振回路４の出力の立ち上がりに基づいてパルスを出力するように構成されている。ワンショット回路２２は、出力パスルのパルス幅を調整する機能を備えており、具体的には前記パルス幅を決定する時定数回路の可変コンデンサの容量値を調整できるようになっている。またワンショット回路２２のパルスを出力する出力端には、ワンショット回路２２の出力を反転させる否定回路２２ａが設けられている。
【００１８】
発振回路４は、コルピッツ型発振回路として構成されている。この発振回路４には、図３に示すように、発振増幅素子となるＮＰＮ型の第１のトランジスタ４０が設けられており、第１のトランジスタ４０のベース側には、コンデンサ４１を介して水晶振動子１２が接続されている。また第１のトランジスタ４０のベース、接地間には、分割容量成分をなすコンデンサ４２、４３の直列回路が接続され、コンデンサ４２、４３の中間点は、第１のトランジスタ４０のエミッタ側に接続されている。さらに第１のトランジスタ４０のベース、接地間には、コンデンサ４２、４３の直列回路と並列になるようにブリーダ抵抗４４が設けられている。
【００１９】
第１のトランジスタ４０のエミッタ、接地間には正帰還ループを構成するＮＰＮ型の第２のトランジスタ４５及び抵抗４６が接続されている。第１のトランジスタ４０のコレクタ側には、インダクタ４７及びコンデンサ４８の並列回路を介して＋Ｖｃｃを供給する電源端子３７が接続されている。第２のトランジスタ４５のベースは、電源端子３７と接地との間に設けられた２個の直列抵抗５１、５４の中間点に接続され、第２のトランジスタ４５、抵抗４６及び直列抵抗５１、５４により定電流回路が構成される。従って、感知対象物の測定時には水晶センサ１に対して定電流が供給されることになる。なお図３に示した４９はブリーダ抵抗、５０は発振回路の出力端である。
【００２０】
直列抵抗５１に対して並列に抵抗５２及びＰＮＰ型の第３のトランジスタ５３から構成される直列回路が接続され、第３のトランジスタ５３はエミッタ側が電源端子３７に、コレクタ側が抵抗５２に、ベース側がワンショット回路２２に接続されている。抵抗５２は、第２のトランジスタ４５のベース電位を上昇させるためのものであるため直列抵抗５１よりも抵抗値が小さく、例えば直列抵抗５１、５４及び抵抗５２の各抵抗値は、夫々１５ｋΩ、１０ｋΩ及び０ｋΩとされる。
【００２１】
ここで第３のトランジスタ５３は水晶振動子１２に供給される電力を通常電力とすると、エージング用の大電力との間で切り替えるためのスイッチ部に相当し、その役割について簡単に触れておくと、通常時（感知対象物の測定を行う時）には、第３のトランジスタ５３はオフであるため、第２のトランジスタ４５のベースには、電源端子３７の直流電圧を直列抵抗５１、５４で分圧された電圧が供給され、第２のトランジスタ４５に定電流が流れる。これに対して後述するエージング時には第３のトランジスタ５３がオンとなり、第２のトランジスタ４５のベースには、概ね電源端子３７の直流電圧を抵抗５２及び直列抵抗５４で分圧された電圧が印加されるので、当該第２のトランジスタ４５のベース電圧が増大し、これにより第２のトランジスタ４５の電流が増加することとなる。従って、抵抗５２及びＰＮＰ型の第３のトランジスタ５３の直列回路を含む発振回路４が、本発明の強励振回路に相当する。
【００２２】
計測部３は、図３に示すようにダイオード３１、Ａ／Ｄ変換回路３２及びこのＡ／Ｄ変換回路３２からのディジタル信号を処理する信号処理回路であるＦＧＰＡ（Field Programmable Gate Array）３３と、を備え、さらに計測部３を制御すると共に発振回路ユニット２及び制御用PC３０との間で、データの送受信を制御するためのＣＰＵ３４とを備えている。また制御用PC３０は、計測部３を制御すると共に計測部３から受け取った計測情報を解析する制御用ソフトウェア３６を備えている。
【００２３】
この計測部３では、起動するとＣＰＵ３４が、ＦＧＰＡ３３等に制御命令を送信し、制御用PC３０に起動したことを報知する。そして発振回路ユニット２から受信した周波数信号を計測して、その計測結果を制御用PC３０に送信する。また制御用PC３０の制御用ソフトウェア３６は、受信した計測結果をディスプレイ３９（図１参照）に表示する機能と、受信した計測結果からワンショット回路２２の状態を判定してディスプレイ３９に表示する機能と、を有しており、使用者は現在の水晶振動子１２の発振周波数と、ワンショット回路２２からパルスが出力されている状態（後述するエージング処理状態）かどうかをディスプレイ３９上で認識できるようになっている。
【００２４】
また発振回路ユニット２には、ワンショット回路２２からパルスが出力されていることを報知する赤色ＬＥＤ２４が設けられている。この赤色ＬＥＤ２４は、図３に示すように否定回路２２ａのワンショット回路２２側に接続されており、ワンショット回路２２からパルスが出力されている時に点灯し続けるように構成されている。
【００２５】
次に本実施形態における感知対象物の計測の流れについて説明する。まず図１に示すように水晶センサ１を発振回路ユニット２に取り付ける。これにより水晶振動子１２と発振回路４とが接続され、発振回路４から周波数信号（発振出力）が出力される。接続検出部２１では例えば入力レベルの立ち上がりを検出してワンショット回路２２にパルスを出力し、これによりワンショット回路２２から予め設定された長さのパルスが否定回路２２ａを介して第３のトランジスタ５３のベースに供給される。
【００２６】
このため第３のトランジスタ５３のベース電位は、「Ｈ（ハイレベル）」から「Ｌ（ローレベル）」に変わり、第３のトランジスタ５３がオンとなる。この結果、第２のトランジスタ４５のベース電位が上昇するので、当該第２のトランジスタ４５のコレクタ−エミッタ電流が増加し、これにより第１のトランジスタ４０のベース−エミッタ間の電圧が上昇し、水晶センサ１の供給電力が大きくなる。このときに水晶センサ１に供給される電力を大電力と呼ぶとすると、この大電力の値は、感知対象物の測定を行うとき（通常時）に水晶センサ１に供給される電力の２倍以上であり、５倍以上が好ましい。なお本実施形態では、大電力を計測した結果、大電力の値が通常時に供給される電力の１０倍となった。また制御用PC３０には、制御用ソフトウェア３６によりワンショット回路２２からパルスが出力されている状態、即ちエージング処理状態であることが表示部であるディスプレイ３９に表示される。またこのとき発振回路ユニット２においては、赤色ＬＥＤ２４が点灯している状態になる。即ち、水晶振動子１２に大電力が印加されている状態がディスプレイ３９及び発振回路ユニット２に表示されることになる。
【００２７】
水晶センサ１に大電力が供給されると、水晶振動子１２のエージング処理が行われ、水晶振動子１２が強励振する。そのため水晶板２６に大きな機械振動が与えられ、水晶板２６の歪や内部応力の消失が促進されるので、水晶振動子１２の発振周波数が短時間で安定化する。
【００２８】
ワンショット回路２２のワンショットパルスの設定幅に対応する時間が経過すると、ワンショット回路２２からのパルスが消失し、第３のトランジスタ５３のベース電位が「Ｌ」から「Ｈ」に変わるので第３のトランジスタ５３がオフになる。この結果第２のトランジスタ４５のベース電位が低下し、第２のトランジスタ４５のコレクタ−エミッタ間には、直列抵抗５１、５４及び抵抗４６で決定される定電流が流れることになり、水晶振動子１２の供給電力は、通常時に設定された値、例えば３μＷになる。なおディスプレイ３９からは、エージング処理状態の表示が消え、また発振回路ユニット２では、赤色ＬＥＤ２４が消灯する。
【００２９】
作業者は、制御用PC３０の「エージング処理状態」の表示の消失、若しくは赤色ＬＥＤ２５の消灯を確認し、純水或いは緩衝液を水晶センサ１内に注入させて、所謂ブランク値に対応する水晶センサ１の発振周波数を求める。即ち発振回路４の周波数信号がバッファアンプ２０、ダイオード３１及びＡ／Ｄ変換回路３２を介してＦＧＰＡ３３に入力され、ＦＧＰＡ３３にて周波数信号の周波数を求める。この周波数信号の測定は、例えばＡ／Ｄ変換回路３２にて得られたディジタル信号を直交検波して得られる回転ベクトルの実数成分及び虚数成分に基づいて当該回転ベクトルの回転速度を求めるといった手法で行われる。なお周波数の測定は、周波数カウンタを用いてもよい。
【００３０】
計測部３で求められた周波数の測定値の時系列データが、制御用PC３０の制御用プログラム３６に取り込まれた後、作業者は、感知対象物を含む試料液を水晶センサ１の注入口１４に注入する。水晶センサ１に感知対象物を含む試料液が注入されると、水晶振動子１２の吸着層２８に試料液中の感知対象物が吸着され、水晶振動子１２の発振周波数が、感知対象物の吸着量に応じて低くなる。
【００３１】
そして計測部３では、発振回路ユニット２の周波数信号の周波数を求め、その周波数の測定値の時系列データを制御用PC３０へと送信する。制御用PC３０には、純水或いは緩衝液を用いたブランク値である周波数の測定値の時系列データと、試料液が注入された後の周波数の測定値の時系列データとが表示され、作業者によりあるいは制御用PC３０の制御プログラム３６によってこれらの時系列データに基づいて、試料液を注入したことによる水晶振動子１２の周波数の低下分（周波数差）を求める。そして例えば予め作成しておいた検量線に基づいて試料液中の感知対象物の濃度を求める。
【００３２】
上述したように本実施形態の感知装置では、予め設定した時間だけワンショット回路２２からパルスを出力し、これに基づいて発振回路４に接続された水晶センサ１の水晶振動子１２を強励振させるように発振回路ユニット２が構成されている。そのため水晶振動子１２に、強制的に大きな機械振動を与えて水晶振動子１２の歪や内部応力の消失を促進し、水晶振動子１２の発振周波数を安定化させるのに要する時間を短縮することができる。従って感知装置におけるエージング処理に要する時間を短縮することができ、作業効率が向上する。
【００３３】
またワンショット回路２２によって、水晶振動子１２を強励振させる時間を設定できるようにしているため、測定結果の解析などに応じて設定を変更し、強励振させる時間を変更する等柔軟に対応することができ、強励振が不足していたり、無駄に長い時間に強励振させたりすることが回避できる。また接続検出部２１によって水晶振動子１２が発振回路４に接続されたことを検出し、水晶振動子１２を強励振させるようにしているため、水晶センサ１を発振回路ユニット２に差し込むだけでエージング処理が自動的に開始されることになり、作業を円滑に行うことができ、便利である。
【００３４】
また本実施形態では、ワンショット回路２２からパルスが出力されている状態、即ち水晶振動子１２に大電力が供給されてエージング処理が行われている状態であることを、ディスプレイ３９の表示と、発振回路ユニット２に設けられた赤色ＬＥＤ２４によって作業者に報知できるように構成されており、エージング処理が終わる前に水晶センサ１に試料液が注入されてしまう事を防止できるようになっている。特に水晶センサ１が装着される発振回路ユニット２に表示部となる赤色ＬＥＤ２４を設けたことにより、水晶センサ１の側に表示部があるため試料液を注入するときにこの赤色ＬＥＤ２４を確認するだけでエージング中かどうかを確認でき、エージング処理中の処理液の誤注入を防止することができる。
【００３５】
［第２の実施形態］
第２の実施形態は、発振回路ユニット２に接続検出２１とワンショット回路２２とを設けることに代えて、計測部３に水晶振動子１２の接続を検出したときに、予め設定したパルス幅の（時間）のパルスが出力されるプログラムが設けられる。このプログラムは、図４に機能的に示すと、発振回路ユニット２から振幅が一定レベル以上の周波数信号が入力されたか否かを判断する接続検出部に相当する判断部６１と、その判断結果が「ＹＥＳ」のときに時間設定部となるタイマ部６２により設定された時間だけパルスを出力するパルス出力部６３と、を備えている。さらに前記プログラムは、パルス出力部６３からパルスが一旦出力されると、フラグ６４を立て、その後判断部により周波数信号が消失したと判断したとき、つまり水晶振動子１２が発振回路ユニット２から取り外されたときには、フラグ６４を消去する機能を備えている。なお図４中６５は、否定回路２２ａを介して第３のトランジスタ５３のベースとパルス出力部６３とを接続する専用線である。またそれ以外の構成については第１の実施形態の感知装置と同じであるため、第１の実施形態と同一部分または相当部分には、同一の符号を付して説明する。
【００３６】
この感知装置では、以下の手順でエージング処理が行われる。水晶振動子１２が発振回路４に接続され、発信回路４の周波数信号が、バッファアンプ２０、ダイオード３１及びＡ／Ｄ変換回路３２を介してＦＧＰＡ３３に入力されると、ＣＰＵ３４は、判断部６１によって入力された周波数信号の入力レベルの立ち上がりを検出し、そのレベルが一定値を超えた時点でフラグ６４を確認する。そしてＣＰＵ３４は、このフラグ６４が論理「０」であることが確認された場合には、水晶センサ１が接続された直後の状態、即ちエージング処理を行っていない状態であると判定してエージング処理を開始する。なおフラグ６４が論理「１」の場合には、エージング処理済みと判定され、エージング処理は行われない。
【００３７】
エージング処理が開始されると、まずＣＰＵ３４は、パルス出力部６３とタイマ部６２とに起動命令を送信し、パルス出力部６３から予め設定された長さのパルスを、否定回路２２ａを介して第３のトランジスタ５３のベースに供給すると共に、タイマ部６２による処理時間のカウントを開始する。またＣＰＵ３４は、タイマ部６２のカウント情報を制御用PC３０に送信し、制御用PC３０の制御用プログラム３６は、そのカウント情報をディスプレイ３９（図１参照）に表示する。
【００３８】
パルス出力部６３から第３のトランジスタ５３のベースにパスルが出力されると、発振回路ユニット２の赤色ＬＥＤ２４が点灯し、第１の実施形態と同様に水晶振動子１２に大電力が供給されてエージング処理が行われる。またＣＰＵ３４は、エージング処理中、タイマ部６２のカウント情報を制御用PC３０に送信し、制御用PC３０の制御用プログラム３６は、そのカウント情報をディスプレイ３９（図１参照）に表示する。
【００３９】
その後タイマ部６２のカウントが処理終了時間になると、ＣＰＵ３４は、パルス出力部６３に停止命令を送信し、タイマ部６２のカウントをリセットする。その後発振回路ユニット２では、パルス出力部６３からのパルスの出力が停止するので赤色ＬＥＤ２４が消灯し、水晶振動子１２の供給電力が通常時に設定された値になる。またＣＰＵ３４は、タイマ部６２の停止情報を制御用PC３０に送信すると共にフラグ６４の値を１に変更し、制御用プログラム３６は、エージング処理が終了したことをディスプレイ３９に表示する。その後第１の実施形態と同様に感知対象物の処理を行う。
【００４０】
このような感知装置であっても、第１の実施形態と同様に、抵抗５２及びＰＮＰ型の第３のトランジスタ５３の直列回路を含む発振回路４が強励振回路となり、水晶センサ１が発振回路ユニット２に接続されたことを検出し、水晶振動子１２に高電力を供給して強制的に大きな機械振動を与え、水晶振動子１２の歪や応力の消失を促進することができ、水晶振動子１２のエージング処理に要する時間を削減して、作業効率を向上させることができる。
【００４１】
［第３の実施形態］
第３の実施形態は、図５に示すように第２の実施形態の発振回路ユニット２に否定回路２２ａ、第３のトランジスタ５３、直列抵抗５１、５４及び抵抗５２を設けることに代えて、発振回路４に第２のトランジスタ４５のベースにパルスを出力するスイッチ部に相当するＤ／Ａ変換回路７１が設けられ、計測部３に、パスル出力部６３を設けることに代えてＣＰＵ３４からの命令に基づいてディジタルの制御信号をＤ／Ａ変換回路７１に送信する制御信号発信部７２が設けられる。そしてＤ／Ａ変換回路７１は、制御信号発信部７２を介してＣＰＵ３４からディジタルの制御信号を受け取ると、その制御信号をアナログ信号に変換し、そのアナログ信号に基づくパルスを第２のトランジスタ４５のベースに出力する。なお図５中７３は、Ｄ／Ａ変換回路７１と制御信号発信部７３とを接続する高速データ通信が可能な通信ケーブルの一つであるパラレルケーブルである。またそれ以外の構成については第２の実施形態の感知装置と同じであるため、第２の実施形態と同一部分または相当部分には、同一の符号を付して説明する。
【００４２】
この感知装置でエージング処理を行う場合、まず第２の実施形態と同様に、判断部６１によって入力された周波数信号の入力レベルの立ち上がりを検出し、そのレベルが一定値を超えた時点でフラグ６４を確認する。このフラグ６４が論理「０」であることが確認された場合には、水晶センサ１が接続された直後の状態、即ちエージング処理を行っていない状態であると判定してエージング処理を開始する。
【００４３】
エージング処理が開始されると、ＣＰＵ３４は、Ｄ／Ａ変換回路７１に第２のトランジスタ４５のベース電位を上昇させるパルスを第２のトランジスタ４５に向けて出力させるためのディジタルの制御信号を、制御信号発信部７２を介して送信する。またＣＰＵ３４は、タイマ部６２のカウント情報を制御用PC３０に送信し、制御用PC３０の制御用プログラム３６は、そのカウント情報をディスプレイ３９（図１参照）に表示する。
【００４４】
この制御信号を受け取ったＤ／Ａ変換回路７１は、ディジタルの制御信号をアナログの制御信号に変換し、この制御信号に基づくパルスを第２のトランジスタ４５のベースに出力する。これにより第２のトランジスタ４５のベース電位が上昇するので、第１及び第２の実施形態と同様に第１のトランジスタ４０のベース−エミッタ間の電圧が上昇して水晶振動子１２に大電力が供給され、エージング処理が行われる。
【００４５】
その後タイマ部６２のカウントが処理終了時間になると、ＣＰＵ３４は、Ｄ／Ａ変換回路７１に、第２のトランジスタ４５のベース電位を上昇させるパルスを第２のトランジスタ４５に向けて出力させるためのディジタルの制御信号を、制御信号発信部７２を介して送信する。これによりＤ／Ａ変換回路７１からは、第２のトランジスタ４５のベース電位を元に戻すパルスが出力され、水晶振動子１２の供給電力が、通常時に設定された値になる。またＣＰＵ３４は、タイマ部６２の停止情報を制御用PC３０に送信すると共にフラグ６４の値を１に変更し、制御用プログラム３６は、エージング処理が終了したことをディスプレイ３９に表示する。その後第１の実施形態と同様に感知対象物の処理を行う。
【００４６】
このような感知装置であっても、Ｄ／Ａ変換回路７１を含む発振回路４が強励振回路となり、水晶センサ１が発振回路ユニット２に接続されたことを検出し、水晶振動子１２に高電力を供給して強制的に大きな機械振動を与え、水晶振動子１２の歪や応力の消失を促進することができ、水晶振動子１２のエージング処理に要する時間を削減して、作業効率を向上させることができる。
【００４７】
なお第２及び第３本実施形態では、エージング処理の処理時間をタイマ部６２によって制御するように構成されているため、このタイマ部６２を書き換えることによって、エージング処理時に水晶振動子１２に大電力が供給される時間を変更することができる。従って本実施形態では、タイマ部６２を書き換えるだけで種類の異なる水晶振動子１２に対して適切なエージング処理を行うことができる。
【００４８】
また第２及び第３の実施形態では、判定部６１、タイマ部６２及びフラグ６４を計測部３に組み込んでいるが、本発明の実施の形態としては、これらのプログラムを制御PC３０の制御プログラム３６に組み込み、制御PC３０から計測部３を介して発振回路ユニット２に命令を送信するようにしてもよい。
【００４９】
また第２及び第３の実施形態では、エージング処理の終了判定を、タイマ部６２よるカウントによって判定しているが、本発明の実施の形態としては、例えば制御プログラムによって計測部から送信される周波数信号の時系列のデータを監視するようにし、周波数信号の振幅の幅が予め設定された許容値の範囲内になったことが確認できるまでの時間を処理時間として、この処理時間の経過を確認できたときにパルス出力部または制御信号発信部にエージング処理の終了命令を送信するようにしてもよい。
【００５０】
［他の実施形態］
本発明の感知装置は、次の図６に示すような感知装置であってもよい。この感知装置は、第１の実施形態で発振回路４に設けられていた抵抗５２及び第３のトランジスタ５３と否定回路２２ａとを設けることに代えて、水晶センサ１に電源端子３７とは別に設けられた追加電源３８から直接電流を供給する給電線８０と、給電線８０に設けられたスイッチング素子８１とを備えている。このスイッチング素子８１は、ワンショット回路２２に接続され、ワンショット回路２２からパルスが出力されると、スイッチング素子８１のスイッチが入り水晶センサ１側に電流が供給されるように構成されている。なお、それ以外の構成については第１の実施形態の感知装置と同じであるため説明は省略する。
【００５１】
この感知装置では、接続検出部２１によって水晶センサ１の水晶振動子１２が発振回路４に接続されたことが検出され、ワンショット回路２２からパルスがスイッチング素子８１に出力されると、給電線８０を介して水晶センサ１側に追加電源３８から電流が供給される。そのため水晶振動子１２に供給される電力が大きくなり、強制的に大きな機械振動を与えて水晶振動子１２の歪や応力の消失を促進することができる。従ってこのような感知装置であっても、給電線８０とスイッチング素子８１とが強励振回路となり、上述した各実施形態と同様に、感知対象物の計測を行う為に要する準備時間を短縮して作業効率を向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【００５２】
１ 水晶センサ
２ 発振回路ユニット
３ 計測部
４ 発振回路
１２ 水晶振動子（圧電振動子）
１４ 注入口
２０ バッファアンプ
２１ 接続検出部
２２ ワンショット回路
２２ａ 否定回路
２４ 赤色ＬＥＤ
２６ 水晶板
２８ 吸着層
３０ 制御用コンピュータ（制御用PC）
３４ ＣＰＵ
３６ 制御用プログラム
３７ 電源端子
３８ 追加電源
３９ ディスプレイ
４０ 第１のトランジスタ
４５ 第２のトランジスタ
５３ 第３のトランジスタ
６１ 判断部
６２ タイマ部
６３ パルス出力部
６４ フラグ
６５ 専用線
７１ Ｄ／Ａ変換回路
７２ 制御信号発信部
７３ パラレルケーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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を用い、この圧電振動子の固有振動数に基づいて感知対象物を感知する感知装置において、
前記圧電振動子を発振させるための発振回路と、
前記発振回路に接続された圧電振動子に、当該圧電振動子の発振を安定化させるために、感知対象物の測定時に供給される通常電力の２倍以上の大電力を供給して圧電振動子を予め設定した設定時間だけ強励振させる強励振回路と、を備えたことを特徴とする感知装置。
【請求項２】
前記発振回路は前記強励振回路の一部を兼用し、
前記強励振回路は、この発振回路に接続され、当該発振回路から圧電振動子に供給される電力が前記通常電力と前記大電力との間で切り替わるスイッチ部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の感知装置。
【請求項３】
前記圧電振動子を強励振させる時間を設定するための時間設定部を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の感知装置。
【請求項４】
感知装置を操作するための操作画面表示部を備え、前記時間設定部はこの操作画面表示部に組み合わされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の感知装置。
【請求項５】
前記圧電振動子が発振回路に接続されたことを検出して、前記強励振回路に強励振動作を開始させるための信号を出力する接続検出部を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の感知装置。
【請求項１】
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を用い、この圧電振動子の固有振動数に基づいて感知対象物を感知する感知装置において、
前記圧電振動子を発振させるための発振回路と、
前記発振回路に接続された圧電振動子に、当該圧電振動子の発振を安定化させるために、感知対象物の測定時に供給される通常電力の２倍以上の大電力を供給して圧電振動子を予め設定した設定時間だけ強励振させる強励振回路と、を備えたことを特徴とする感知装置。
【請求項２】
前記発振回路は前記強励振回路の一部を兼用し、
前記強励振回路は、この発振回路に接続され、当該発振回路から圧電振動子に供給される電力が前記通常電力と前記大電力との間で切り替わるスイッチ部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の感知装置。
【請求項３】
前記圧電振動子を強励振させる時間を設定するための時間設定部を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の感知装置。
【請求項４】
感知装置を操作するための操作画面表示部を備え、前記時間設定部はこの操作画面表示部に組み合わされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の感知装置。
【請求項５】
前記圧電振動子が発振回路に接続されたことを検出して、前記強励振回路に強励振動作を開始させるための信号を出力する接続検出部を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の感知装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２４９７０８（Ｐ２０１０−２４９７０８Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１００３９７（Ｐ２００９−１００３９７）
【出願日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
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