感知装置
【課題】試料液中の感知対象物を精度高く検出することができる技術を提供すること。
【解決手段】第１の圧電振動子と第２の圧電振動子とで発振回路への接続を切り替えて当該発振回路を共用し、前記発振回路から第１の圧電振動子を構成する一面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の圧電振動子を構成する第２の一面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、が互いに揃い、且つ前記発振回路から第１の圧電振動子を構成する第１の他面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の圧電振動子を構成する第２の他面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、が互いに揃うように感知装置を構成する。
【解決手段】第１の圧電振動子と第２の圧電振動子とで発振回路への接続を切り替えて当該発振回路を共用し、前記発振回路から第１の圧電振動子を構成する一面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の圧電振動子を構成する第２の一面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、が互いに揃い、且つ前記発振回路から第１の圧電振動子を構成する第１の他面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の圧電振動子を構成する第２の他面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、が互いに揃うように感知装置を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を用いて感知対象物を検出する感知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料液中の感知対象物の検出や定量を行う装置として、ＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）を利用した感知装置が知られており、図１５にはこの感知装置の一例の概略を示している。図１５の感知装置１００は、２つの水晶振動子１０１、１０２を備え、これらの水晶振動子１０１、１０２は、共通の水晶片１０３に形成されている。水晶振動子１０１の表面には感知対象物が吸着し、水晶振動子１０２の表面には感知対象物が吸着しないように構成されている。各水晶振動子１０１、１０２に夫々接続された第１の発振回路１０４、第２の発振回路１０５により、これら水晶振動子１０１、１０２が個別に発振する。各水晶振動子１０１、１０２の出力は、スイッチ１０６により時分割されて周波数の計測部１０８に取り込まれ、計測部１０８は水晶振動子１０１、１０２の周波数の差分値を演算する。
【０００３】
共通の水晶片１０３を備えることで、水晶振動子１０１、１０２は装置の外部の振動などの外乱の影響を互いに同じように受ける。従って演算された周波数の差分値には、感知対象物の吸着による周波数変化が反映されるので、この差分値に基づいて、感知対象物の検出や定量を行っていた。
【０００４】
ところで、病院の生化学検査や試薬メーカーによる研究では比較的粘性が高い試料液中に含まれる感知対象物の測定を行いたいという要望がある。具体的には、例えば人間の唾液を採取し、この唾液に含まれる各種の疾病のマーカーの検出や定量を行うことで、患者の病気の診断を行う研究が進められている。このような検査を行うために、上記の感知装置１００を用いることが考えられる。
【０００５】
しかし、この感知装置１００で粘性が高い試料液について測定を行うと、前記一方の水晶振動子と他方の水晶振動子とで粘性による周波数の変化量が異なってしまい、その結果として測定精度が低下してしまうおそれがあることが分かった。これは、発振回路１０４、１０５から水晶片１０３に形成される電極に至るまでの導電路のインピーダンスの違いが、水晶振動子を等価回路で見たときのＣ０の値やＲ１となるクリスタルインピーダンス（ＣＩ）値の差として現れるためであり、また発振回路１０４、１０５間で各回路の特性にわずかな差異があったとしても、その差異が反映されてしまうためである。
【０００６】
特許文献１では１枚の水晶片に複数の振動子を設けてなる感知センサーについて示されているが、発振回路から各振動子への導電路の長さは互いに異なっており、上記の問題を解決できるものではない。また、特許文献２では、複数の振動子に対して１つの発振回路を用いて接続を時間的に切り替える旨が記載されているが、上記の問題を解決する手段については記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３２８０２２号公報
【特許文献２】特開２００９−３１２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、試料液中の感知対象物を精度高く検出することができる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の感知装置は、試料液中に含まれる感知対象物の吸着により固有振動数が変化する圧電振動子を用い、前記固有振動数の変化により感知対象物を感知する感知装置において、
圧電片に設けられた第１の振動領域の表面及び裏面のうち一方に第１の一面側励振電極を、他方に第１の他面側励振電極を夫々設けて構成され、且つ前記感知対象物が吸着するように構成された第１の圧電振動子と、
前記圧電片に設けられた第２の振動領域の表面及び裏面のうち一方に第２の一面側励振電極を、他方に第２の他面側励振電極を夫々設けて構成され、且つ前記感知対象物が吸着されないように構成された第２の圧電振動子と、
第１の一面側励振電極と、第２の一面側励振電極とを互いに切り替えて後段側に接続するための切り替え部と、
第１の他面側励振電極及び第２の他面側励振電極に接続されると共に前記切り替え部の後段に設けられ、第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子を時分割で発振させるこれら第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子に共通の発振回路と、
前記発振回路の後段に設けられ、第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子からの出力を取り込み、第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子の固有振動数を各々測定するための測定部と、
を含み、
前記発振回路から第１の一面側励振電極、第２の一面側励振電極に向かって夫々見て、当該第１の一面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の一面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、が互いに揃い、
前記発振回路から第１の他面側励振電極、第２の他面側励振電極に向かって夫々見て、当該第１の他面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の他面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、が互いに揃うことを特徴とする。
【００１０】
例えば、前記導電路のインピーダンスと、導電路のインピーダンスとが互いに揃うとは、各導電路のインピーダンスの差が３％以下であり、例えば前記スイッチは、切り替え信号出力部から出力される切り替え信号を受けて、第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子の後段側への接続を互いに切り替え、前記測定部は、切り替え信号が出力されてから、予め設定した時間が経過した後の固有振動数の測定値を有効とすることを特徴とする。導電路のインピーダンスの差が３％とは、インピーダンスが大きい方の導電路の当該インピーダンスを１００％とすると、インピーダンスが小さい方の導電路の当該インピーダンスが９７％であることを示す。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の感知装置によれば、圧電振動子間で共用される発振回路から第１の圧電振動子の電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の圧電振動子の電極を含む導電路のインピーダンスとが互いに揃うように構成されている。この構成により、発振回路から第１の圧電振動子に至るまでの回路の特性と、発振回路から第２の圧電振動子に至るまでの回路の特性とが揃うため、試料液の粘性が高い場合にも第１の圧電振動子の固有振動数の変化と、第２の圧電振動子の固有振動数の変化との間でばらつきが抑えられるため、精度高く感知対象物の検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る感知装置の外観構成図である。
【図２】前記感知装置を構成する感知センサーの斜視図である
【図３】前記感知センサーの縦断側面図である。
【図４】前記感知センサーを構成する基板の平面図である。
【図５】前記感知センサーを構成する水晶振動子の平面図である。
【図６】前記水晶振動子の縦断側面図である。
【図７】前記感知装置の構成を示すブロック図である。
【図８】周波数が計測されるタイミングを示すタイムチャートである。
【図９】周波数が変化する様子を示すグラフである。
【図１０】周波数が変化する様子を示すグラフである。
【図１１】水晶振動子の他の構成を示す平面図である。
【図１２】周波数が変化する様子を示すグラフである。
【図１３】スイッチの切り替え時における周波数信号の振幅変化を示すグラフである。
【図１４】周波数が変化する様子を示すグラフである。
【図１５】従来の感知装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の感知方法を実施するための感知装置１について説明する。この感知装置１は、人間の唾液を試料液とし、当該唾液中に含まれ、ストレスマーカーとなるクロモグラニンを感知対象物として、その定量を行う。図１の外観構成図に示すように、感知装置１は発振回路ユニット１１と計測部１２とを備えており、発振回路ユニット１１はケーブル１３を介して計測部１２に着脱自在に接続されている。計測部１２の筐体１４前面に設けられた表示部１５は、例えばＬＥＤ表示画面や液晶表示画面により構成され、周波数あるいは周波数の変化分等の測定結果を表示する。
【００１４】
発振回路ユニット１１には、感知センサー２が着脱自在に接続される。図２には感知センサー２の斜視図を、図３には感知センサー２の縦断側面図を夫々示している。感知センサー２を構成する基板２１の一端側には貫通孔２２が形成され、この貫通孔２２を塞ぐように後述する水晶片３１が設けられている。基板２１の裏面側からシート２３により前記貫通孔２２が塞がれ、基板２１の表面側からはシート２４、上蓋ケース２５を下からこの順に積層した構成となっている。当該構成により前記貫通孔２２が気密空間として形成され、ランジュバン型の感知センサー２が構成される。また、シート２４にその周縁部が押圧され、水晶片３１が基板２１に固定される。
【００１５】
上蓋ケース２５には試料液の注入口２５ａと試料液の観察口２５ｂとが設けられており、注入口２５ａから試料液を注入することによって、シート２４に設けられた貫通孔により形成された水晶片３１の上面側の貯留空間２６に試料液が満たされる。
【００１６】
図４は、前記基板２１の表面を示している。基板２１には、長さ方向の他端から一端側に向かう直線状の電極膜２７ａ、２７ｂ、２７ｃが設けられており、各電極膜２７ａ〜２７ｃの前記他端側は拡幅されて接続端子２８ａ〜２８ｃとして構成されている。電極膜２７ａ〜２７ｃは互いに同じ幅、同じ膜厚になるように形成され、また互いに同じ材質例えば金により構成されている。また、電極膜２７ａ、２７ｂは、基板２１の幅中心の左右に対称な形状に形成され、同じ長さを有している。それによって電極膜２７ａ、２７ｂは互いに同じインピーダンスを有している。
【００１７】
その表面、裏面を夫々示した図５（ａ）、（ｂ）を参照して水晶片３１について説明する。水晶片３１は例えば円形状であり、互いに独立して振動する第１の振動領域３０Ａ及び第２の振動領域３０Ｂを備えている。第１の振動領域３０Ａは第１の水晶振動子３Ａを構成し、第２の振動領域３０Ｂは第１の水晶振動子３Ｂを構成している。水晶片３１の表面にはＵ字状の励振電極３２ｃが形成されている。励振電極３２ｃから、前記Ｕ字の開口方向とは逆方向に、水晶片３１の周縁部に向けて電極３３ｃが引き出され、当該電極３３ｃは水晶片３１の側端面を介して裏面側へと引き回されている。また、図５（ａ）では励振電極３２ｃにおいて、後述の励振電極３２ａと対向する領域を領域３４ａ、励振電極３２ｂと対向する領域を領域３４ｂとして夫々鎖線で囲って示している。
【００１８】
また、水晶片３１の裏面において、第１の振動領域３０Ａには励振電極３２ａが設けられ、第２の振動領域３０Ｂには励振電極３２ｂが設けられている。各励振電極３２ａ、３２ｂは矩形状に形成され、励振電極３２ｃに対向して設けられている。励振電極３２ａ、３２ｂから水晶片３１の縁部に向かって電極３３ａ、３３ｂが夫々引き出されている。
【００１９】
水晶片３１の表側及び裏側においては、左右の電極のレイアウトが同様に構成され、また、各電極の膜厚は均一である。これによって、電極３３ｃから励振電極３２ｃの領域３４ａまでの導電路のインピーダンスと、電極３３ｃから励振電極３２ｃの領域３４ｂまでの導電路のインピーダンスとが等しく構成され、電極３３ａから励振電極３２ａまでの導電路のインピーダンスと、電極３３ｂから励振電極３２ｂまでのインピーダンスとが等しく構成される。特許請求の範囲において、励振電極３２ａは第１の一面側励振電極、励振電極３２ｂは第２の一面側励振電極、領域３４ａは第１の他面側励振電極、領域３４ｂは第２の他面側励振電極に相当する。図４に示すように電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃは、夫々基板２１の電極膜２７ａ、２７ｂ、２７ｃに電気的に接続されている。
【００２０】
図６（ａ）、（ｂ）は夫々第１の水晶振動子３Ａの側面、第２の水晶振動子３Ｂの側面を模式的に示している。第１の水晶振動子３Ａの励振電極３３ｃの領域３４ａの表面には、吸着膜４１が形成されている。この吸着膜４１は、感知対象物３５であるクロモグラニンを例えば抗原抗体反応により吸着する。また、第２の水晶振動子３Ｂの励振電極３３ｃの領域３４ｂの表面には、吸着阻害膜４２が形成されており、前記クロモグラニンが吸着されないようになっている。
【００２１】
図７は感知装置１のブロック図であり、この図７を参照しながら感知装置１を構成する発振回路ユニット１１について説明する。発振回路ユニット１１に設けられるスロットには前記基板２１の端部が着脱自在に差し込まれ、このスロット内には導電路５１ａ、５１ｂ、５１ｃが形成されている。基板２１が当該スロットに差し込まれると、基板２１の接続端子２８ａ、２８ｂ、２８ｃが夫々導電路５１ａ、５１ｂ、５１ｃに接続される。この導電路５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、例えば接続端子２８ａ〜２８ｃと同様に基板にパターニングされた電極膜により構成されている。
【００２２】
導電路５１ａ、５１ｂは、例えば電極膜２７ａ、２７ｂと同様に互いに同じ膜厚を持ち、同じ長さ、同じ幅に形成されることで、その一端から他端に至るまで同様のインピーダンスを有するように形成されている。導電路５１ａ、５１ｂの後段にはスイッチ５２が接続されている。導電路５１ｃは発振回路５３に接続されると共に接地されている。
【００２３】
スイッチ５２の後段には、前記発振回路５３が設けられている。スイッチ５２は切り替え信号出力部５４から出力される切り替え信号に応じて、励振電極３２ａ、３２ｂ間で発振回路５３への接続を切り替える。発振回路５３が励振電極３２ａと接続されると、当該発振回路５３により第１の水晶振動子３Ａが発振し、発振回路５３が励振電極３２ｂと接続されると、当該発振回路５３により第２の水晶振動子３Ｂが発振する。このように交互に第１の水晶振動子３Ａ、第２の水晶振動子３Ｂが発振し、各水晶振動子３Ａ、３Ｂからの周波数信号が時分割で後段に取り込まれる。それによって、後述の計測部１２が各水晶振動子３Ａ、３Ｂの発振周波数を並行して求めることができる。第１の水晶振動子３Ａからの出力をチャンネル１（Ｆ１）、第２の水晶振動子３Ｂからの出力をチャンネル２（Ｆ２）とすると、例えば１／ｎ秒毎に接続が切り替わり、各チャンネルの発振周波数が後段に取り込まれ、実質同時に各チャンネルの周波数を取得することができるように構成されている。
【００２４】
上記のように発振回路５３及び発振回路５３の前段側が構成されることで、発振回路５３から見て、スイッチ５２を介して励振電極３２ａに至るまでの当該励振電極３２ａを含む導電路のインピーダンスと、スイッチ５２を介して励振電極３２ｂに至るまでの当該励振電極３２ｂを含む導電路のインピーダンスとが互いに等しく構成されている。また、発振回路５３から見て励振電極３２ｃの領域３４ａに至るまでの導電路のインピーダンスと、発振回路５３から見て励振電極３２ｃの領域３４ｂに至るまでの導電路のインピーダンスとが互いに等しく構成されている。また、第１の水晶振動子３Ａ、第２の水晶振動子３Ｂ間において発振回路５３が共通化されているため、各水晶振動子から見て発振回路の回路特性が揃っている。
【００２５】
続いて、計測部１２について説明する。計測部１２は測定回路部５５を備えている。測定回路部５５は、発振回路５３の後段に設けられ、入力信号である周波数信号をディジタル処理して後段に出力する。また、計測部１２はデータバス６１を備えており、データバス６１にはＣＰＵ６２、データ処理プログラム６３を格納した記憶手段、既述の切り替え信号出力部５４、測定回路部５５及び既述の表示部１５が接続されている。
【００２６】
データ処理プログラム６３は、測定回路部５５から出力される信号に基づいて第１の水晶振動子３Ａの発振周波数「Ｆ１」の時系列データ及び第２の水晶振動子３Ｂの発振周波数「Ｆ２」の時系列データを取得し、メモリ６４に格納する。またこのデータ取得動作と同時に、同一の時間帯におけるチャンネル１から取得した発振周波数Ｆ１、チャンネル２から取得した発振周波数Ｆ２の各時系列データの差分「Ｆ１−Ｆ２」を夫々演算し、当該差分データの時系列データを取得してメモリ６４に格納すると共に、この「Ｆ１−Ｆ２」の経時変化のグラフを表示部１５に表示する。
【００２７】
次に感知装置１を用いて、既述のように人間の唾液中に含まれる感知対象物の有無を判定する工程について説明する。先ず、計測部１２を起動し、感知センサー２０を発振回路ユニット１１のスロットに差し込むと、切り替え信号の出力に応じたスイッチ５２の切り替えにより、第１の水晶振動子３Ａと、第２の水晶振動子３Ｂと発振回路５３との接続が切り替えられて、発振回路５３に接続された水晶振動子が発振し、夫々の周波数に対応する周波数信号Ｆ１、Ｆ２が交互に後段に出力される。そして、各周波数信号Ｆ１、Ｆ２は測定回路部５７に取り込まれ、Ａ／Ｄ変換された後、各ディジタル値が後段に出力される。
【００２８】
ところで図８は切り替え信号の出力レベルと、この出力レベルに対応して接続される水晶振動子との関係を示したタイムチャートであり、出力レベルは所定の周期でＬとＨとの間で切り替わる。出力レベルがＬのときは発振回路５３に第１の水晶振動子３Ａが接続され、出力レベルがＨのときには発振回路５３に第２の水晶振動子３Ｂが接続される。後述の実験に示すようにスイッチ信号レベルがＬとＨとの間で切り替わる時点から所定の時間例えば１ｍ秒の間は、水晶振動子３Ａ、３Ｂの発振が不安定となるため、計測部１２において周波数の計測が行われない。図８ではこのように周波数の計測を行わない期間をガードタイムとして示している。そして、このガードタイムが経過すると、計測部１２は各周波数信号Ｆ１、Ｆ２の周波数を測定する。なお、特許請求の範囲において、切り替え信号がＬからＨに切り替わる瞬間及びＨからＬに切り替わる瞬間を切り替え信号の出力時とする。
【００２９】
測定された各チャンネルの周波数「Ｆ１、Ｆ２」はメモリ６４に記憶され、さらに記憶された「Ｆ１、Ｆ２」に基づいて「Ｆ１−Ｆ２」が演算され、メモリ６４に記憶される動作が継続される。また、表示部１５に既述のグラフが表示され、周波数差「Ｆ１−Ｆ２」の変化がリアルタイムで表示される。
【００３０】
次いで、ユーザが感知センサー２の注入口２５ａに試料液を滴下する。それによって、第１の水晶振動子３Ａ及び第２の水晶振動子３Ｂの表面の環境雰囲気が気相から液相に変わり、これら第１の水晶振動子３Ａ及び第２の水晶振動子３Ｂが水圧に基づく質量付加効果を受ける。このとき、既述のように発振回路５３から励振電極３２ａまでの導電路のインピーダンスと、励振電極３２ｂまでの導電路のインピーダンスとが等しく構成され、また、発振回路５３から励振電極３３ｃの領域３４ａまでのインピーダンスと、発振回路５３から励振電極３３ｃの領域３４ｂまでのインピーダンスとが互いに等しく構成されているため、発振回路５３から第１の水晶振動子３Ａに向かって見た回路と、発振回路５３から第２の水晶振動子３Ｂに向かって見た回路とで、実質的にその特性が同一となる。従って、試料液の粘性に依らず、第１の水晶振動子３Ａからの発振周波数Ｆ１、第２の水晶振動子３Ｂからの発振周波数Ｆ２が互いに同様に低下する。
【００３１】
試料液が感知対象物を含まない場合、第１の水晶振動子３Ａでは上記の感知対象物の吸着が起こらず、チャンネル１及びチャンネル２からは試料液の温度や粘性に応じて変化する周波数Ｆ１、Ｆ２が取り出される。従って、図９（ａ）のグラフに示すように発振周波数Ｆ１、Ｆ２は互いに揃って低下し、図９（ｂ）に示すように、周波数差Ｆ１−Ｆ２が殆ど変化しない。
【００３２】
試料液に感知対象物が含まれる場合、試料液中の感知対象物が第１の水晶振動子３Ａの表面に吸着されるが、当該感知対象物は第２の水晶振動子３Ｂの表面には吸着されないので、第２の水晶振動子３Ｂに比べて第１の水晶振動子３Ａが受ける質量付加効果が大きくなる結果、図１０（ａ）のグラフに示すように発振周波数Ｆ２に比べて発振周波数Ｆ１が大きく低下し、図１０（ｂ）のグラフに示すように周波数差「Ｆ１−Ｆ２」が大きくなる。なお、図９及び図１０のグラフで時刻ｔ１は、試料液を感知センサー２に注入するタイミングを示している。
【００３３】
ユーザは、試料液供給前の「Ｆ１−Ｆ２」の値ａと、試料液供給後の「Ｆ１−Ｆ２」の値ｂとの差分値ａ−ｂを計算し、この差分値ａ−ｂが所定の許容値に収まっていれば、試料液中に感知対象物は無いものと判定し、差分値ａ−ｂが許容値を超えていれば試料液中に感知対象物が存在するものと判定する。
【００３４】
上記のように感知装置１では第１の水晶振動子３Ａ、第２の水晶振動子３Ｂ間で発振回路５３が共通化され、この発振回路５３から第１の水晶振動子３Ａの励振電極３２ａまでの導電路のインピーダンスと、励振電極３２ｂまでの導電路のインピーダンスとが等しく構成され、また、発振回路５３から励振電極３３ｃの領域３４ａまでのインピーダンスと、発振回路５３から励振電極３３ｃの領域３４ｂまでのインピーダンスとが互いに等しく構成されている。これによって、水晶振動子毎に発振回路５３を個別に設けることによる発振回路間での特性の差異が各チャンネルの周波数に影響することが防がれ、また発振回路５３から第１の水晶振動子３Ａに向かって見た回路と、発振回路５３から第２の水晶振動子３Ｂに向かって見た回路とで、特性にばらつきが生じることが抑えられる。その結果として、試料液の粘性により発振周波数Ｆ１、発振周波数Ｆ２にばらつきが生じることが抑えられるので、周波数差Ｆ１−Ｆ２に基づいて精度高く感知対象物の測定を行うことができる。
【００３５】
また、この感知装置１ではスイッチ５２が切り替えられた直後の発振が安定しない状態で出力される周波数を計測しないため、より精度高く発振周波数Ｆ１、Ｆ２を測定することができるので、より確実に感知対象物の測定を行うことができる。
【００３６】
ところで、従来の感知装置では共通の水晶片に２つの水晶振動子が形成されるため、各水晶振動子の振動が相互に干渉して周波数安定度が悪くなることを防ぐために、水晶片に励振電極を離して設けたり、例えば水晶片や励振電極の膜厚を水晶振動子間で変えて発振周波数をずらしたり、水晶を発振させるためのドライブ電力を低減させていた。しかし、上記の感知装置１では第１の水晶振動子３Ａと、第２の水晶振動子３Ｂとを時分割に発振させるため、一方の水晶振動子の振動が他方の水晶振動子の振動に干渉することを抑えることができる。従って、上記のように水晶片や電極の膜厚を調整する必要が無く、感知センサー２の製造工程数を減らすことができるし、水晶片における励振電極の配置についての自由度も高くなる。また、前記ドライブ電力を上げることができ、従って水晶の発振余裕度を上げることができる。さらに、発振回路が水晶振動子３Ａ、３Ｂで共通化されているため、水晶振動子ごとに発振回路を設ける場合よりも感知装置１の部品点数を低減させることができるので、感知装置１の製造コストの低下及び小型化を図ることができる。
【００３７】
また、上記の例では、試料液中の感知対象物の有無を検出しているが、上記の発振周波数差「Ｆ１−Ｆ２」の変化量（ａ−ｂ）と試料液中の感知対象物の濃度との関係式を予め取得しておき、この関係式と測定により得られた変化量（ａ−ｂ）とから、試料液中の感知対象物の濃度を求めてもよい。また、上記の例では感知センサーを所定の量の試料液を滴下後、静止状態に保つように構成しているが、ポンプなどにより試料液を連続して水晶振動子３Ａ、３Ｂの表面に供給すると共に水晶振動子３Ａ、３Ｂの表面から連続して試料液を排液し、それによって水晶片の一縁から他縁に向けて試料液を流通させる、いわゆるフローセル方式の感知センサーとして構成してもよい。
【００３８】
上記のように発振回路５３から励振電極３２ａまでの導電路のインピーダンスと、励振電極３２ｂまでの導電路のインピーダンスとが等しく構成され、且つ発振回路５３から励振電極３３ｃの領域３４ａまでのインピーダンスと、発振回路５３から励振電極３３ｃの領域３４ｂまでのインピーダンスとが等しく構成されることで、同一の環境で周波数Ｆ１とＦ２の変化を揃えることができるが、このように各インピーダンスが等しくなくても互いに近似し、揃っていれば試料液の粘性による周波数Ｆ１、Ｆ２のずれを抑えることができる。例えば、各インピーダンスの違いが３％以下に収まるのであればこのような効果を得ることができる。つまり例えば大きいほうのインピーダンスを１００％とすると小さいほうのインピーダンスは９７％〜１００％である。
【００３９】
従って、水晶片３１の電極のレイアウトとしては図１１（ａ）（ｂ）に示すように構成してもよい。図１１（ａ）は水晶片３１の表面側、図１１（ｂ）は水晶片３１の裏面側を示している。この水晶片３１は既述の例と同様に基板２１に載置されたときに電極３３ａ〜３３ｃが電極膜２７ａ〜２７ｃに接続されるようになっている。水晶片３１における上記の例との差異点として、電極３３ｃは励振電極３２ｃのＵ字の開口方向と直交するように引き出されている。従って、発振回路５３から見て励振電極３２ｃの領域３４ａまでのインピーダンスと、励振電極３２ｃの領域３４ｂまでのインピーダンスとは互いに異なっているが、このインピーダンスの差が上記の範囲に収まっていれば、図５のように水晶片３１を構成した場合と同様の効果が得られる。
【００４０】
（評価試験）
本発明に関連して行われた評価試験について説明する。以下の各評価試験では感知センサーを既述したフローセル方式のセンサーとして構成して試験を行っている。
[評価試験１−１]
上記の実施形態の基板２１とは異なる基板を用いて感知センサーを構成した。この基板においては電極膜２７ａ〜２７ｃのレイアウトが図４に示したレイアウトと異なり、それによって各電極膜２７ａ〜２７ｃの一端から他端までのインピーダンスが互いに異なるように構成している。この感知センサーを発振回路ユニット１１に接続し、試料液として先ず純水を供給した後、純水で希釈したグリセロール３０％溶液（粘性係数約３．５％）を供給して、各チャンネルの周波数Ｆ１、Ｆ２の変化及び周波数差Ｆ１−Ｆ２の変化を調べた。
【００４１】
図１２（ａ）は、この実験結果を示したグラフである。グラフ中に点線でＦ１、鎖線でＦ２、実線でＦ１−Ｆ２を夫々示している。このグラフでは純水が水晶片３１に供給されているときの周波数Ｆ１、Ｆ２の値を０としている。なお、図を見やすくするために実際に得られた各グラフ線の波形を若干上下にずらして示している。図中ｔ２は、前記グリセロール３０％溶液が供給された時点を示している。このグラフに示されるようにグリセロール溶液供給後のＦ１、Ｆ２の降下量は揃っておらず、図中Ｈ１で示すＦ１とＦ２のずれ量の最大値は１０００Ｈｚとなっていた。
【００４２】
[評価試験１−２]
上記の実施形態の基板２１を用いた他は評価試験１−１と同様の条件で試験を行った。図１２（ｂ）は、この実験結果を示したグラフであり、周波数Ｆ１及び周波数Ｆ２が同様に変化していることが分かる。従って、評価試験１−１、１−２から、各水晶振動子３Ａの降下量を揃えるためには、発振回路５３から励振電極３２ａ、３２ｂに至るまでの各導電路のインピーダンスを等しくすることが有効であることが分かる。
【００４３】
[評価試験２]
感知装置１において、発振回路５３の接続がチャンネル１からチャンネル２に切り替わるときの当該チャンネル２から出力される周波数と、切り替え信号出力部５４から出力される信号とをオシロスコープにより測定した。図１３は、この実験結果から得られた波形を概略的に示しており、図中Ｃが切り替え信号の波形を、図中Ａがチャンネル２の出力波形を夫々示している。図１３のグラフに示されるように、切り替え信号Ｃの出力レベルが変化する時刻ｔ３から、その後の時刻ｔ４までは、チャンネル２の振幅が不安定になっている。
【００４４】
発振回路５３の接続をチャンネル２からチャンネル１に切り替わるときのチャンネル１の波形も同様に測定した。その結果、切り替え信号の出力レベルが切り替わった直後は、同様に波形が乱れていたことが確認された。従って、既述の実施形態のように周波数が不安定となっている時刻ｔ３〜時刻ｔ４については周波数を測定しないガードタイムとして設定することが、測定精度高くを行うために有効であることが分かる。
【００４５】
[評価試験３−１]
評価試験１−１と同様に、電極膜２７ａ〜２７ｃのレイアウトが図４とは異なり、それによって各電極膜２７ａ〜２７ｃの一端から他端までのインピーダンスが互いに異なるように構成した基板を用いて感知センサーを形成した。そして、この感知センサーについてチャンネル１、チャンネル２の水晶等価定数であるＣＩ（Ω）、Ｃ０（ｐＦ）、Ｃ１（ｆＦ）、Ｌ１（ｍＨ）の各値を測定し、各定数ごとにチャンネル１とチャンネル２との差分を演算した。演算結果の中で、ＣＩの差分値は−１．３６Ωであり、Ｃ０の差分値は０．１７ｐＦであった。
【００４６】
[評価試験３−２]
図４に示した上記の実施形態の感知センサーについて同様にチャンネル１、チャンネル２の水晶等価定数であるＣＩ（Ω）、Ｃ０（ｐＦ）、Ｃ１（ｆＦ）、Ｌ１（ｍＨ）の各値を測定し、各定数ごとにチャンネル１とチャンネル２との差分を演算した。感知センサー間で演算した差分値を比較すると、ＣＩの差分値が−０．８０Ω、Ｃ０の差分値が０．０１ｐＦとなっており、評価試験３−１の結果と比較して、これらについては特にチャンネル間で差異が抑えられていることが分かった。
【００４７】
[評価試験４−１]
評価試験３−１の感知センサーに純水を供給し、続いて純水と当該純水よりも粘度が高い２０％グリセロール溶液との混合液を供給して、評価試験１−１と同様に周波数Ｆ１、Ｆ２及び周波数差Ｆ１−Ｆ２の変化を測定した。続いて、評価試験３の感知センサー６に純水を供給し、続いて純水と３０％グリセロール溶液との混合液を供給して、評価試験２と同様に周波数Ｆ１、Ｆ２及び周波数差Ｆ１−Ｆ２の変化を測定した。
【００４８】
図１４（ａ）は、評価試験４−１の結果を評価試験１−１と同様にグラフで示している。このグラフに示すように評価試験４−１では試料液の粘性により発振周波数Ｆ１、Ｆ２の差が比較的大きく現れている。なお、グラフ中時刻ｔ５、ｔ６は夫々２０％グリセロール溶液、３０％グリセロール溶液を夫々供給したタイミングを示している。
【００４９】
[評価試験４−２]
評価試験３−２の感知センサー２を用いて、評価試験４−１と同様に試験を行った。図１４（ｂ）は、この実験結果を示している。この図に示すように評価試験４−１に比べて、各２０％グリセロール溶液、３０％グリセロール溶液供給時に発振周波数Ｆ１、Ｆ２の差が小さく、これら発振周波数が揃って変化している。評価試験３−１、３−２、４−１、４−２の結果から導電路のインピーダンスが水晶等価定数のＣ０値及びＣＩ値に影響しており、これらチャンネル間でのＣ０値及びＣＩ値の差により、各チャンネルの周波数の変化が揃わなくなることが分かる。また、評価試験４−１、４−２の結果から、本発明のように導電路のインピーダンスを揃えることがチャンネル間で周波数の変化を揃えるために有効であることが示された。
【符号の説明】
【００５０】
１ 感知装置
１２ 計測部
２１ 基板
３１ 水晶片
３Ａ 第１の水晶振動子
３Ｂ 第２の水晶振動子
３０Ａ 第１の振動領域
３０Ｂ 第２の振動領域
３２ａ 励振電極
３２ｂ 励振電極
３３ｃ 励振電極
５２ スイッチ
５３ 発振回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を用いて感知対象物を検出する感知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料液中の感知対象物の検出や定量を行う装置として、ＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）を利用した感知装置が知られており、図１５にはこの感知装置の一例の概略を示している。図１５の感知装置１００は、２つの水晶振動子１０１、１０２を備え、これらの水晶振動子１０１、１０２は、共通の水晶片１０３に形成されている。水晶振動子１０１の表面には感知対象物が吸着し、水晶振動子１０２の表面には感知対象物が吸着しないように構成されている。各水晶振動子１０１、１０２に夫々接続された第１の発振回路１０４、第２の発振回路１０５により、これら水晶振動子１０１、１０２が個別に発振する。各水晶振動子１０１、１０２の出力は、スイッチ１０６により時分割されて周波数の計測部１０８に取り込まれ、計測部１０８は水晶振動子１０１、１０２の周波数の差分値を演算する。
【０００３】
共通の水晶片１０３を備えることで、水晶振動子１０１、１０２は装置の外部の振動などの外乱の影響を互いに同じように受ける。従って演算された周波数の差分値には、感知対象物の吸着による周波数変化が反映されるので、この差分値に基づいて、感知対象物の検出や定量を行っていた。
【０００４】
ところで、病院の生化学検査や試薬メーカーによる研究では比較的粘性が高い試料液中に含まれる感知対象物の測定を行いたいという要望がある。具体的には、例えば人間の唾液を採取し、この唾液に含まれる各種の疾病のマーカーの検出や定量を行うことで、患者の病気の診断を行う研究が進められている。このような検査を行うために、上記の感知装置１００を用いることが考えられる。
【０００５】
しかし、この感知装置１００で粘性が高い試料液について測定を行うと、前記一方の水晶振動子と他方の水晶振動子とで粘性による周波数の変化量が異なってしまい、その結果として測定精度が低下してしまうおそれがあることが分かった。これは、発振回路１０４、１０５から水晶片１０３に形成される電極に至るまでの導電路のインピーダンスの違いが、水晶振動子を等価回路で見たときのＣ０の値やＲ１となるクリスタルインピーダンス（ＣＩ）値の差として現れるためであり、また発振回路１０４、１０５間で各回路の特性にわずかな差異があったとしても、その差異が反映されてしまうためである。
【０００６】
特許文献１では１枚の水晶片に複数の振動子を設けてなる感知センサーについて示されているが、発振回路から各振動子への導電路の長さは互いに異なっており、上記の問題を解決できるものではない。また、特許文献２では、複数の振動子に対して１つの発振回路を用いて接続を時間的に切り替える旨が記載されているが、上記の問題を解決する手段については記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３２８０２２号公報
【特許文献２】特開２００９−３１２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、試料液中の感知対象物を精度高く検出することができる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の感知装置は、試料液中に含まれる感知対象物の吸着により固有振動数が変化する圧電振動子を用い、前記固有振動数の変化により感知対象物を感知する感知装置において、
圧電片に設けられた第１の振動領域の表面及び裏面のうち一方に第１の一面側励振電極を、他方に第１の他面側励振電極を夫々設けて構成され、且つ前記感知対象物が吸着するように構成された第１の圧電振動子と、
前記圧電片に設けられた第２の振動領域の表面及び裏面のうち一方に第２の一面側励振電極を、他方に第２の他面側励振電極を夫々設けて構成され、且つ前記感知対象物が吸着されないように構成された第２の圧電振動子と、
第１の一面側励振電極と、第２の一面側励振電極とを互いに切り替えて後段側に接続するための切り替え部と、
第１の他面側励振電極及び第２の他面側励振電極に接続されると共に前記切り替え部の後段に設けられ、第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子を時分割で発振させるこれら第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子に共通の発振回路と、
前記発振回路の後段に設けられ、第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子からの出力を取り込み、第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子の固有振動数を各々測定するための測定部と、
を含み、
前記発振回路から第１の一面側励振電極、第２の一面側励振電極に向かって夫々見て、当該第１の一面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の一面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、が互いに揃い、
前記発振回路から第１の他面側励振電極、第２の他面側励振電極に向かって夫々見て、当該第１の他面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の他面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、が互いに揃うことを特徴とする。
【００１０】
例えば、前記導電路のインピーダンスと、導電路のインピーダンスとが互いに揃うとは、各導電路のインピーダンスの差が３％以下であり、例えば前記スイッチは、切り替え信号出力部から出力される切り替え信号を受けて、第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子の後段側への接続を互いに切り替え、前記測定部は、切り替え信号が出力されてから、予め設定した時間が経過した後の固有振動数の測定値を有効とすることを特徴とする。導電路のインピーダンスの差が３％とは、インピーダンスが大きい方の導電路の当該インピーダンスを１００％とすると、インピーダンスが小さい方の導電路の当該インピーダンスが９７％であることを示す。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の感知装置によれば、圧電振動子間で共用される発振回路から第１の圧電振動子の電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の圧電振動子の電極を含む導電路のインピーダンスとが互いに揃うように構成されている。この構成により、発振回路から第１の圧電振動子に至るまでの回路の特性と、発振回路から第２の圧電振動子に至るまでの回路の特性とが揃うため、試料液の粘性が高い場合にも第１の圧電振動子の固有振動数の変化と、第２の圧電振動子の固有振動数の変化との間でばらつきが抑えられるため、精度高く感知対象物の検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る感知装置の外観構成図である。
【図２】前記感知装置を構成する感知センサーの斜視図である
【図３】前記感知センサーの縦断側面図である。
【図４】前記感知センサーを構成する基板の平面図である。
【図５】前記感知センサーを構成する水晶振動子の平面図である。
【図６】前記水晶振動子の縦断側面図である。
【図７】前記感知装置の構成を示すブロック図である。
【図８】周波数が計測されるタイミングを示すタイムチャートである。
【図９】周波数が変化する様子を示すグラフである。
【図１０】周波数が変化する様子を示すグラフである。
【図１１】水晶振動子の他の構成を示す平面図である。
【図１２】周波数が変化する様子を示すグラフである。
【図１３】スイッチの切り替え時における周波数信号の振幅変化を示すグラフである。
【図１４】周波数が変化する様子を示すグラフである。
【図１５】従来の感知装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の感知方法を実施するための感知装置１について説明する。この感知装置１は、人間の唾液を試料液とし、当該唾液中に含まれ、ストレスマーカーとなるクロモグラニンを感知対象物として、その定量を行う。図１の外観構成図に示すように、感知装置１は発振回路ユニット１１と計測部１２とを備えており、発振回路ユニット１１はケーブル１３を介して計測部１２に着脱自在に接続されている。計測部１２の筐体１４前面に設けられた表示部１５は、例えばＬＥＤ表示画面や液晶表示画面により構成され、周波数あるいは周波数の変化分等の測定結果を表示する。
【００１４】
発振回路ユニット１１には、感知センサー２が着脱自在に接続される。図２には感知センサー２の斜視図を、図３には感知センサー２の縦断側面図を夫々示している。感知センサー２を構成する基板２１の一端側には貫通孔２２が形成され、この貫通孔２２を塞ぐように後述する水晶片３１が設けられている。基板２１の裏面側からシート２３により前記貫通孔２２が塞がれ、基板２１の表面側からはシート２４、上蓋ケース２５を下からこの順に積層した構成となっている。当該構成により前記貫通孔２２が気密空間として形成され、ランジュバン型の感知センサー２が構成される。また、シート２４にその周縁部が押圧され、水晶片３１が基板２１に固定される。
【００１５】
上蓋ケース２５には試料液の注入口２５ａと試料液の観察口２５ｂとが設けられており、注入口２５ａから試料液を注入することによって、シート２４に設けられた貫通孔により形成された水晶片３１の上面側の貯留空間２６に試料液が満たされる。
【００１６】
図４は、前記基板２１の表面を示している。基板２１には、長さ方向の他端から一端側に向かう直線状の電極膜２７ａ、２７ｂ、２７ｃが設けられており、各電極膜２７ａ〜２７ｃの前記他端側は拡幅されて接続端子２８ａ〜２８ｃとして構成されている。電極膜２７ａ〜２７ｃは互いに同じ幅、同じ膜厚になるように形成され、また互いに同じ材質例えば金により構成されている。また、電極膜２７ａ、２７ｂは、基板２１の幅中心の左右に対称な形状に形成され、同じ長さを有している。それによって電極膜２７ａ、２７ｂは互いに同じインピーダンスを有している。
【００１７】
その表面、裏面を夫々示した図５（ａ）、（ｂ）を参照して水晶片３１について説明する。水晶片３１は例えば円形状であり、互いに独立して振動する第１の振動領域３０Ａ及び第２の振動領域３０Ｂを備えている。第１の振動領域３０Ａは第１の水晶振動子３Ａを構成し、第２の振動領域３０Ｂは第１の水晶振動子３Ｂを構成している。水晶片３１の表面にはＵ字状の励振電極３２ｃが形成されている。励振電極３２ｃから、前記Ｕ字の開口方向とは逆方向に、水晶片３１の周縁部に向けて電極３３ｃが引き出され、当該電極３３ｃは水晶片３１の側端面を介して裏面側へと引き回されている。また、図５（ａ）では励振電極３２ｃにおいて、後述の励振電極３２ａと対向する領域を領域３４ａ、励振電極３２ｂと対向する領域を領域３４ｂとして夫々鎖線で囲って示している。
【００１８】
また、水晶片３１の裏面において、第１の振動領域３０Ａには励振電極３２ａが設けられ、第２の振動領域３０Ｂには励振電極３２ｂが設けられている。各励振電極３２ａ、３２ｂは矩形状に形成され、励振電極３２ｃに対向して設けられている。励振電極３２ａ、３２ｂから水晶片３１の縁部に向かって電極３３ａ、３３ｂが夫々引き出されている。
【００１９】
水晶片３１の表側及び裏側においては、左右の電極のレイアウトが同様に構成され、また、各電極の膜厚は均一である。これによって、電極３３ｃから励振電極３２ｃの領域３４ａまでの導電路のインピーダンスと、電極３３ｃから励振電極３２ｃの領域３４ｂまでの導電路のインピーダンスとが等しく構成され、電極３３ａから励振電極３２ａまでの導電路のインピーダンスと、電極３３ｂから励振電極３２ｂまでのインピーダンスとが等しく構成される。特許請求の範囲において、励振電極３２ａは第１の一面側励振電極、励振電極３２ｂは第２の一面側励振電極、領域３４ａは第１の他面側励振電極、領域３４ｂは第２の他面側励振電極に相当する。図４に示すように電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃは、夫々基板２１の電極膜２７ａ、２７ｂ、２７ｃに電気的に接続されている。
【００２０】
図６（ａ）、（ｂ）は夫々第１の水晶振動子３Ａの側面、第２の水晶振動子３Ｂの側面を模式的に示している。第１の水晶振動子３Ａの励振電極３３ｃの領域３４ａの表面には、吸着膜４１が形成されている。この吸着膜４１は、感知対象物３５であるクロモグラニンを例えば抗原抗体反応により吸着する。また、第２の水晶振動子３Ｂの励振電極３３ｃの領域３４ｂの表面には、吸着阻害膜４２が形成されており、前記クロモグラニンが吸着されないようになっている。
【００２１】
図７は感知装置１のブロック図であり、この図７を参照しながら感知装置１を構成する発振回路ユニット１１について説明する。発振回路ユニット１１に設けられるスロットには前記基板２１の端部が着脱自在に差し込まれ、このスロット内には導電路５１ａ、５１ｂ、５１ｃが形成されている。基板２１が当該スロットに差し込まれると、基板２１の接続端子２８ａ、２８ｂ、２８ｃが夫々導電路５１ａ、５１ｂ、５１ｃに接続される。この導電路５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、例えば接続端子２８ａ〜２８ｃと同様に基板にパターニングされた電極膜により構成されている。
【００２２】
導電路５１ａ、５１ｂは、例えば電極膜２７ａ、２７ｂと同様に互いに同じ膜厚を持ち、同じ長さ、同じ幅に形成されることで、その一端から他端に至るまで同様のインピーダンスを有するように形成されている。導電路５１ａ、５１ｂの後段にはスイッチ５２が接続されている。導電路５１ｃは発振回路５３に接続されると共に接地されている。
【００２３】
スイッチ５２の後段には、前記発振回路５３が設けられている。スイッチ５２は切り替え信号出力部５４から出力される切り替え信号に応じて、励振電極３２ａ、３２ｂ間で発振回路５３への接続を切り替える。発振回路５３が励振電極３２ａと接続されると、当該発振回路５３により第１の水晶振動子３Ａが発振し、発振回路５３が励振電極３２ｂと接続されると、当該発振回路５３により第２の水晶振動子３Ｂが発振する。このように交互に第１の水晶振動子３Ａ、第２の水晶振動子３Ｂが発振し、各水晶振動子３Ａ、３Ｂからの周波数信号が時分割で後段に取り込まれる。それによって、後述の計測部１２が各水晶振動子３Ａ、３Ｂの発振周波数を並行して求めることができる。第１の水晶振動子３Ａからの出力をチャンネル１（Ｆ１）、第２の水晶振動子３Ｂからの出力をチャンネル２（Ｆ２）とすると、例えば１／ｎ秒毎に接続が切り替わり、各チャンネルの発振周波数が後段に取り込まれ、実質同時に各チャンネルの周波数を取得することができるように構成されている。
【００２４】
上記のように発振回路５３及び発振回路５３の前段側が構成されることで、発振回路５３から見て、スイッチ５２を介して励振電極３２ａに至るまでの当該励振電極３２ａを含む導電路のインピーダンスと、スイッチ５２を介して励振電極３２ｂに至るまでの当該励振電極３２ｂを含む導電路のインピーダンスとが互いに等しく構成されている。また、発振回路５３から見て励振電極３２ｃの領域３４ａに至るまでの導電路のインピーダンスと、発振回路５３から見て励振電極３２ｃの領域３４ｂに至るまでの導電路のインピーダンスとが互いに等しく構成されている。また、第１の水晶振動子３Ａ、第２の水晶振動子３Ｂ間において発振回路５３が共通化されているため、各水晶振動子から見て発振回路の回路特性が揃っている。
【００２５】
続いて、計測部１２について説明する。計測部１２は測定回路部５５を備えている。測定回路部５５は、発振回路５３の後段に設けられ、入力信号である周波数信号をディジタル処理して後段に出力する。また、計測部１２はデータバス６１を備えており、データバス６１にはＣＰＵ６２、データ処理プログラム６３を格納した記憶手段、既述の切り替え信号出力部５４、測定回路部５５及び既述の表示部１５が接続されている。
【００２６】
データ処理プログラム６３は、測定回路部５５から出力される信号に基づいて第１の水晶振動子３Ａの発振周波数「Ｆ１」の時系列データ及び第２の水晶振動子３Ｂの発振周波数「Ｆ２」の時系列データを取得し、メモリ６４に格納する。またこのデータ取得動作と同時に、同一の時間帯におけるチャンネル１から取得した発振周波数Ｆ１、チャンネル２から取得した発振周波数Ｆ２の各時系列データの差分「Ｆ１−Ｆ２」を夫々演算し、当該差分データの時系列データを取得してメモリ６４に格納すると共に、この「Ｆ１−Ｆ２」の経時変化のグラフを表示部１５に表示する。
【００２７】
次に感知装置１を用いて、既述のように人間の唾液中に含まれる感知対象物の有無を判定する工程について説明する。先ず、計測部１２を起動し、感知センサー２０を発振回路ユニット１１のスロットに差し込むと、切り替え信号の出力に応じたスイッチ５２の切り替えにより、第１の水晶振動子３Ａと、第２の水晶振動子３Ｂと発振回路５３との接続が切り替えられて、発振回路５３に接続された水晶振動子が発振し、夫々の周波数に対応する周波数信号Ｆ１、Ｆ２が交互に後段に出力される。そして、各周波数信号Ｆ１、Ｆ２は測定回路部５７に取り込まれ、Ａ／Ｄ変換された後、各ディジタル値が後段に出力される。
【００２８】
ところで図８は切り替え信号の出力レベルと、この出力レベルに対応して接続される水晶振動子との関係を示したタイムチャートであり、出力レベルは所定の周期でＬとＨとの間で切り替わる。出力レベルがＬのときは発振回路５３に第１の水晶振動子３Ａが接続され、出力レベルがＨのときには発振回路５３に第２の水晶振動子３Ｂが接続される。後述の実験に示すようにスイッチ信号レベルがＬとＨとの間で切り替わる時点から所定の時間例えば１ｍ秒の間は、水晶振動子３Ａ、３Ｂの発振が不安定となるため、計測部１２において周波数の計測が行われない。図８ではこのように周波数の計測を行わない期間をガードタイムとして示している。そして、このガードタイムが経過すると、計測部１２は各周波数信号Ｆ１、Ｆ２の周波数を測定する。なお、特許請求の範囲において、切り替え信号がＬからＨに切り替わる瞬間及びＨからＬに切り替わる瞬間を切り替え信号の出力時とする。
【００２９】
測定された各チャンネルの周波数「Ｆ１、Ｆ２」はメモリ６４に記憶され、さらに記憶された「Ｆ１、Ｆ２」に基づいて「Ｆ１−Ｆ２」が演算され、メモリ６４に記憶される動作が継続される。また、表示部１５に既述のグラフが表示され、周波数差「Ｆ１−Ｆ２」の変化がリアルタイムで表示される。
【００３０】
次いで、ユーザが感知センサー２の注入口２５ａに試料液を滴下する。それによって、第１の水晶振動子３Ａ及び第２の水晶振動子３Ｂの表面の環境雰囲気が気相から液相に変わり、これら第１の水晶振動子３Ａ及び第２の水晶振動子３Ｂが水圧に基づく質量付加効果を受ける。このとき、既述のように発振回路５３から励振電極３２ａまでの導電路のインピーダンスと、励振電極３２ｂまでの導電路のインピーダンスとが等しく構成され、また、発振回路５３から励振電極３３ｃの領域３４ａまでのインピーダンスと、発振回路５３から励振電極３３ｃの領域３４ｂまでのインピーダンスとが互いに等しく構成されているため、発振回路５３から第１の水晶振動子３Ａに向かって見た回路と、発振回路５３から第２の水晶振動子３Ｂに向かって見た回路とで、実質的にその特性が同一となる。従って、試料液の粘性に依らず、第１の水晶振動子３Ａからの発振周波数Ｆ１、第２の水晶振動子３Ｂからの発振周波数Ｆ２が互いに同様に低下する。
【００３１】
試料液が感知対象物を含まない場合、第１の水晶振動子３Ａでは上記の感知対象物の吸着が起こらず、チャンネル１及びチャンネル２からは試料液の温度や粘性に応じて変化する周波数Ｆ１、Ｆ２が取り出される。従って、図９（ａ）のグラフに示すように発振周波数Ｆ１、Ｆ２は互いに揃って低下し、図９（ｂ）に示すように、周波数差Ｆ１−Ｆ２が殆ど変化しない。
【００３２】
試料液に感知対象物が含まれる場合、試料液中の感知対象物が第１の水晶振動子３Ａの表面に吸着されるが、当該感知対象物は第２の水晶振動子３Ｂの表面には吸着されないので、第２の水晶振動子３Ｂに比べて第１の水晶振動子３Ａが受ける質量付加効果が大きくなる結果、図１０（ａ）のグラフに示すように発振周波数Ｆ２に比べて発振周波数Ｆ１が大きく低下し、図１０（ｂ）のグラフに示すように周波数差「Ｆ１−Ｆ２」が大きくなる。なお、図９及び図１０のグラフで時刻ｔ１は、試料液を感知センサー２に注入するタイミングを示している。
【００３３】
ユーザは、試料液供給前の「Ｆ１−Ｆ２」の値ａと、試料液供給後の「Ｆ１−Ｆ２」の値ｂとの差分値ａ−ｂを計算し、この差分値ａ−ｂが所定の許容値に収まっていれば、試料液中に感知対象物は無いものと判定し、差分値ａ−ｂが許容値を超えていれば試料液中に感知対象物が存在するものと判定する。
【００３４】
上記のように感知装置１では第１の水晶振動子３Ａ、第２の水晶振動子３Ｂ間で発振回路５３が共通化され、この発振回路５３から第１の水晶振動子３Ａの励振電極３２ａまでの導電路のインピーダンスと、励振電極３２ｂまでの導電路のインピーダンスとが等しく構成され、また、発振回路５３から励振電極３３ｃの領域３４ａまでのインピーダンスと、発振回路５３から励振電極３３ｃの領域３４ｂまでのインピーダンスとが互いに等しく構成されている。これによって、水晶振動子毎に発振回路５３を個別に設けることによる発振回路間での特性の差異が各チャンネルの周波数に影響することが防がれ、また発振回路５３から第１の水晶振動子３Ａに向かって見た回路と、発振回路５３から第２の水晶振動子３Ｂに向かって見た回路とで、特性にばらつきが生じることが抑えられる。その結果として、試料液の粘性により発振周波数Ｆ１、発振周波数Ｆ２にばらつきが生じることが抑えられるので、周波数差Ｆ１−Ｆ２に基づいて精度高く感知対象物の測定を行うことができる。
【００３５】
また、この感知装置１ではスイッチ５２が切り替えられた直後の発振が安定しない状態で出力される周波数を計測しないため、より精度高く発振周波数Ｆ１、Ｆ２を測定することができるので、より確実に感知対象物の測定を行うことができる。
【００３６】
ところで、従来の感知装置では共通の水晶片に２つの水晶振動子が形成されるため、各水晶振動子の振動が相互に干渉して周波数安定度が悪くなることを防ぐために、水晶片に励振電極を離して設けたり、例えば水晶片や励振電極の膜厚を水晶振動子間で変えて発振周波数をずらしたり、水晶を発振させるためのドライブ電力を低減させていた。しかし、上記の感知装置１では第１の水晶振動子３Ａと、第２の水晶振動子３Ｂとを時分割に発振させるため、一方の水晶振動子の振動が他方の水晶振動子の振動に干渉することを抑えることができる。従って、上記のように水晶片や電極の膜厚を調整する必要が無く、感知センサー２の製造工程数を減らすことができるし、水晶片における励振電極の配置についての自由度も高くなる。また、前記ドライブ電力を上げることができ、従って水晶の発振余裕度を上げることができる。さらに、発振回路が水晶振動子３Ａ、３Ｂで共通化されているため、水晶振動子ごとに発振回路を設ける場合よりも感知装置１の部品点数を低減させることができるので、感知装置１の製造コストの低下及び小型化を図ることができる。
【００３７】
また、上記の例では、試料液中の感知対象物の有無を検出しているが、上記の発振周波数差「Ｆ１−Ｆ２」の変化量（ａ−ｂ）と試料液中の感知対象物の濃度との関係式を予め取得しておき、この関係式と測定により得られた変化量（ａ−ｂ）とから、試料液中の感知対象物の濃度を求めてもよい。また、上記の例では感知センサーを所定の量の試料液を滴下後、静止状態に保つように構成しているが、ポンプなどにより試料液を連続して水晶振動子３Ａ、３Ｂの表面に供給すると共に水晶振動子３Ａ、３Ｂの表面から連続して試料液を排液し、それによって水晶片の一縁から他縁に向けて試料液を流通させる、いわゆるフローセル方式の感知センサーとして構成してもよい。
【００３８】
上記のように発振回路５３から励振電極３２ａまでの導電路のインピーダンスと、励振電極３２ｂまでの導電路のインピーダンスとが等しく構成され、且つ発振回路５３から励振電極３３ｃの領域３４ａまでのインピーダンスと、発振回路５３から励振電極３３ｃの領域３４ｂまでのインピーダンスとが等しく構成されることで、同一の環境で周波数Ｆ１とＦ２の変化を揃えることができるが、このように各インピーダンスが等しくなくても互いに近似し、揃っていれば試料液の粘性による周波数Ｆ１、Ｆ２のずれを抑えることができる。例えば、各インピーダンスの違いが３％以下に収まるのであればこのような効果を得ることができる。つまり例えば大きいほうのインピーダンスを１００％とすると小さいほうのインピーダンスは９７％〜１００％である。
【００３９】
従って、水晶片３１の電極のレイアウトとしては図１１（ａ）（ｂ）に示すように構成してもよい。図１１（ａ）は水晶片３１の表面側、図１１（ｂ）は水晶片３１の裏面側を示している。この水晶片３１は既述の例と同様に基板２１に載置されたときに電極３３ａ〜３３ｃが電極膜２７ａ〜２７ｃに接続されるようになっている。水晶片３１における上記の例との差異点として、電極３３ｃは励振電極３２ｃのＵ字の開口方向と直交するように引き出されている。従って、発振回路５３から見て励振電極３２ｃの領域３４ａまでのインピーダンスと、励振電極３２ｃの領域３４ｂまでのインピーダンスとは互いに異なっているが、このインピーダンスの差が上記の範囲に収まっていれば、図５のように水晶片３１を構成した場合と同様の効果が得られる。
【００４０】
（評価試験）
本発明に関連して行われた評価試験について説明する。以下の各評価試験では感知センサーを既述したフローセル方式のセンサーとして構成して試験を行っている。
[評価試験１−１]
上記の実施形態の基板２１とは異なる基板を用いて感知センサーを構成した。この基板においては電極膜２７ａ〜２７ｃのレイアウトが図４に示したレイアウトと異なり、それによって各電極膜２７ａ〜２７ｃの一端から他端までのインピーダンスが互いに異なるように構成している。この感知センサーを発振回路ユニット１１に接続し、試料液として先ず純水を供給した後、純水で希釈したグリセロール３０％溶液（粘性係数約３．５％）を供給して、各チャンネルの周波数Ｆ１、Ｆ２の変化及び周波数差Ｆ１−Ｆ２の変化を調べた。
【００４１】
図１２（ａ）は、この実験結果を示したグラフである。グラフ中に点線でＦ１、鎖線でＦ２、実線でＦ１−Ｆ２を夫々示している。このグラフでは純水が水晶片３１に供給されているときの周波数Ｆ１、Ｆ２の値を０としている。なお、図を見やすくするために実際に得られた各グラフ線の波形を若干上下にずらして示している。図中ｔ２は、前記グリセロール３０％溶液が供給された時点を示している。このグラフに示されるようにグリセロール溶液供給後のＦ１、Ｆ２の降下量は揃っておらず、図中Ｈ１で示すＦ１とＦ２のずれ量の最大値は１０００Ｈｚとなっていた。
【００４２】
[評価試験１−２]
上記の実施形態の基板２１を用いた他は評価試験１−１と同様の条件で試験を行った。図１２（ｂ）は、この実験結果を示したグラフであり、周波数Ｆ１及び周波数Ｆ２が同様に変化していることが分かる。従って、評価試験１−１、１−２から、各水晶振動子３Ａの降下量を揃えるためには、発振回路５３から励振電極３２ａ、３２ｂに至るまでの各導電路のインピーダンスを等しくすることが有効であることが分かる。
【００４３】
[評価試験２]
感知装置１において、発振回路５３の接続がチャンネル１からチャンネル２に切り替わるときの当該チャンネル２から出力される周波数と、切り替え信号出力部５４から出力される信号とをオシロスコープにより測定した。図１３は、この実験結果から得られた波形を概略的に示しており、図中Ｃが切り替え信号の波形を、図中Ａがチャンネル２の出力波形を夫々示している。図１３のグラフに示されるように、切り替え信号Ｃの出力レベルが変化する時刻ｔ３から、その後の時刻ｔ４までは、チャンネル２の振幅が不安定になっている。
【００４４】
発振回路５３の接続をチャンネル２からチャンネル１に切り替わるときのチャンネル１の波形も同様に測定した。その結果、切り替え信号の出力レベルが切り替わった直後は、同様に波形が乱れていたことが確認された。従って、既述の実施形態のように周波数が不安定となっている時刻ｔ３〜時刻ｔ４については周波数を測定しないガードタイムとして設定することが、測定精度高くを行うために有効であることが分かる。
【００４５】
[評価試験３−１]
評価試験１−１と同様に、電極膜２７ａ〜２７ｃのレイアウトが図４とは異なり、それによって各電極膜２７ａ〜２７ｃの一端から他端までのインピーダンスが互いに異なるように構成した基板を用いて感知センサーを形成した。そして、この感知センサーについてチャンネル１、チャンネル２の水晶等価定数であるＣＩ（Ω）、Ｃ０（ｐＦ）、Ｃ１（ｆＦ）、Ｌ１（ｍＨ）の各値を測定し、各定数ごとにチャンネル１とチャンネル２との差分を演算した。演算結果の中で、ＣＩの差分値は−１．３６Ωであり、Ｃ０の差分値は０．１７ｐＦであった。
【００４６】
[評価試験３−２]
図４に示した上記の実施形態の感知センサーについて同様にチャンネル１、チャンネル２の水晶等価定数であるＣＩ（Ω）、Ｃ０（ｐＦ）、Ｃ１（ｆＦ）、Ｌ１（ｍＨ）の各値を測定し、各定数ごとにチャンネル１とチャンネル２との差分を演算した。感知センサー間で演算した差分値を比較すると、ＣＩの差分値が−０．８０Ω、Ｃ０の差分値が０．０１ｐＦとなっており、評価試験３−１の結果と比較して、これらについては特にチャンネル間で差異が抑えられていることが分かった。
【００４７】
[評価試験４−１]
評価試験３−１の感知センサーに純水を供給し、続いて純水と当該純水よりも粘度が高い２０％グリセロール溶液との混合液を供給して、評価試験１−１と同様に周波数Ｆ１、Ｆ２及び周波数差Ｆ１−Ｆ２の変化を測定した。続いて、評価試験３の感知センサー６に純水を供給し、続いて純水と３０％グリセロール溶液との混合液を供給して、評価試験２と同様に周波数Ｆ１、Ｆ２及び周波数差Ｆ１−Ｆ２の変化を測定した。
【００４８】
図１４（ａ）は、評価試験４−１の結果を評価試験１−１と同様にグラフで示している。このグラフに示すように評価試験４−１では試料液の粘性により発振周波数Ｆ１、Ｆ２の差が比較的大きく現れている。なお、グラフ中時刻ｔ５、ｔ６は夫々２０％グリセロール溶液、３０％グリセロール溶液を夫々供給したタイミングを示している。
【００４９】
[評価試験４−２]
評価試験３−２の感知センサー２を用いて、評価試験４−１と同様に試験を行った。図１４（ｂ）は、この実験結果を示している。この図に示すように評価試験４−１に比べて、各２０％グリセロール溶液、３０％グリセロール溶液供給時に発振周波数Ｆ１、Ｆ２の差が小さく、これら発振周波数が揃って変化している。評価試験３−１、３−２、４−１、４−２の結果から導電路のインピーダンスが水晶等価定数のＣ０値及びＣＩ値に影響しており、これらチャンネル間でのＣ０値及びＣＩ値の差により、各チャンネルの周波数の変化が揃わなくなることが分かる。また、評価試験４−１、４−２の結果から、本発明のように導電路のインピーダンスを揃えることがチャンネル間で周波数の変化を揃えるために有効であることが示された。
【符号の説明】
【００５０】
１ 感知装置
１２ 計測部
２１ 基板
３１ 水晶片
３Ａ 第１の水晶振動子
３Ｂ 第２の水晶振動子
３０Ａ 第１の振動領域
３０Ｂ 第２の振動領域
３２ａ 励振電極
３２ｂ 励振電極
３３ｃ 励振電極
５２ スイッチ
５３ 発振回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料液中に含まれる感知対象物の吸着により固有振動数が変化する圧電振動子を用い、前記固有振動数の変化により感知対象物を感知する感知装置において、
圧電片に設けられた第１の振動領域の表面及び裏面のうち一方に第１の一面側励振電極を、他方に第１の他面側励振電極を夫々設けて構成され、且つ前記感知対象物が吸着するように構成された第１の圧電振動子と、
前記圧電片に設けられた第２の振動領域の表面及び裏面のうち一方に第２の一面側励振電極を、他方に第２の他面側励振電極を夫々設けて構成され、且つ前記感知対象物が吸着されないように構成された第２の圧電振動子と、
第１の一面側励振電極と、第２の一面側励振電極とを互いに切り替えて後段側に接続するための切り替え部と、
第１の他面側励振電極及び第２の他面側励振電極に接続されると共に前記切り替え部の後段に設けられ、第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子を時分割で発振させるこれら第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子に共通の発振回路と、
前記発振回路の後段に設けられ、第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子からの出力を取り込み、第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子の固有振動数を各々測定するための測定部と、
を含み、
前記発振回路から第１の一面側励振電極、第２の一面側励振電極に向かって夫々見て、当該第１の一面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の一面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、が互いに揃い、
前記発振回路から第１の他面側励振電極、第２の他面側励振電極に向かって夫々見て、当該第１の他面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の他面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、が互いに揃うことを特徴とする感知装置。
【請求項２】
前記導電路のインピーダンスと、導電路のインピーダンスとが互いに揃うとは、各導電路のインピーダンスの差が３％以下であることを特徴とする請求項１記載の感知装置。
【請求項３】
前記スイッチは、切り替え信号出力部から出力される切り替え信号を受けて、第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子の後段側への接続を互いに切り替え、前記測定部は、切り替え信号が出力されてから、予め設定した時間が経過した後の固有振動数の測定値を有効とすることを特徴とする請求項１または２記載の感知装置。
【請求項１】
試料液中に含まれる感知対象物の吸着により固有振動数が変化する圧電振動子を用い、前記固有振動数の変化により感知対象物を感知する感知装置において、
圧電片に設けられた第１の振動領域の表面及び裏面のうち一方に第１の一面側励振電極を、他方に第１の他面側励振電極を夫々設けて構成され、且つ前記感知対象物が吸着するように構成された第１の圧電振動子と、
前記圧電片に設けられた第２の振動領域の表面及び裏面のうち一方に第２の一面側励振電極を、他方に第２の他面側励振電極を夫々設けて構成され、且つ前記感知対象物が吸着されないように構成された第２の圧電振動子と、
第１の一面側励振電極と、第２の一面側励振電極とを互いに切り替えて後段側に接続するための切り替え部と、
第１の他面側励振電極及び第２の他面側励振電極に接続されると共に前記切り替え部の後段に設けられ、第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子を時分割で発振させるこれら第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子に共通の発振回路と、
前記発振回路の後段に設けられ、第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子からの出力を取り込み、第１の圧電振動子及び第２の圧電振動子の固有振動数を各々測定するための測定部と、
を含み、
前記発振回路から第１の一面側励振電極、第２の一面側励振電極に向かって夫々見て、当該第１の一面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の一面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、が互いに揃い、
前記発振回路から第１の他面側励振電極、第２の他面側励振電極に向かって夫々見て、当該第１の他面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、第２の他面側励振電極を含む導電路のインピーダンスと、が互いに揃うことを特徴とする感知装置。
【請求項２】
前記導電路のインピーダンスと、導電路のインピーダンスとが互いに揃うとは、各導電路のインピーダンスの差が３％以下であることを特徴とする請求項１記載の感知装置。
【請求項３】
前記スイッチは、切り替え信号出力部から出力される切り替え信号を受けて、第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子の後段側への接続を互いに切り替え、前記測定部は、切り替え信号が出力されてから、予め設定した時間が経過した後の固有振動数の測定値を有効とすることを特徴とする請求項１または２記載の感知装置。
【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】
【公開番号】特開２０１２−１７３２７４（Ｐ２０１２−１７３２７４Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３８９３７（Ｐ２０１１−３８９３７）
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
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