JP2006029870A - 水晶発振器及び感知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水晶振動子の周波数の変化を利用して疫病マーカー物質あるいはダイオキシンなどの環境汚染物質などを感知する場合に、溶液の粘度変化に基づく水晶振動子の発振周波数の変化分の誤差をなくすこと。
【解決手段】 水晶振動子を流れる駆動電流を電流検出器により検出し、その電流検出値をアンプ及び整流回路を介して差動アンプに入力する。差動アンプでは電流検出値に対応する電圧と設定電圧Ｖ１とを比較し、その偏差分をレギュレータに供給する。このレギュレータから前記偏差分に応じた電圧を発振回路のインバータに電源電圧として供給し、これにより水晶振動子の駆動電流が設定値に維持される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶発振器、及びこの回路を用い水晶振動子の固有振動数の変化分を検出して感知対象物を感知する感知装置に関する。

バイオテクノロジーの分野あるいは環境保全の分野などにおいては、微量な物質の有無あるいは濃度を検出しなければならない場合が多く、このため微量な汚染物質あるいは有機物の計測技術の確立が望まれている。その感知対象物としては、例えば疫病マーカー蛋白質、伝染病の細菌、ダイオキシン、ＰＣＢあるいはストレスマーカーなどを挙げることができる。

ところでＢ型肝炎ウイルスやＣ型肝炎ウイルスなどの疫病マーカータンパク質の分析は免疫ラテックスの凝集反応を光学的に検出する手法が知られているが、多検体の試料の自動分析には大型の分析装置を必要とする。またダイオキシンを精度良く測定する手法としては、高分解能ガスクロマトグラフ質量分析計を用いる方法が公定分析法（ＪＩＳ）として知られているが、装置価格が極めて高く、このため分析コストも可成り高いものになっており、更に分析に長い期間を必要とするという欠点がある。

そこで本発明者は、感知対象物が水晶振動子に付着するとその固有振動数がその付着量に応じて変化することから、上記の微量物質を簡易、迅速に測定でき、しかも安価な測定装置として水晶振動子に着眼している。一方、水晶振動子を用いて疫病マーカタンパク質を検出する装置として特許文献１に記載された技術がある。この特許文献１には、片面を封止した９ＭＨｚの水晶振動子を、リン酸バッファー及びＣＲＰ抗体固定ラテックスの攪拌溶液に入れ、その発振周波数が安定したところでＣＲＰ標準血清を添加したところ、振動子の発振周波数が減少し約６０分後に、添加するＣＲＰ濃度に依存した一定値に収束し、０．０１ｍｇ／ｄｌの感度で測定できることが記載されている。

しかしながら水晶振動子の発振周波数の変化を利用して溶液中の感知対象物を精度良く検出しようとすると次の課題がある。即ち、溶液中に、感知対象物が含まれている液体を入れると溶液の粘度が極微量ではあるが変わってしまう。また測定溶液のシールを上部にて行わないと、測定中に溶液から水分が蒸発するために溶液の粘度が変わってしまう。溶液の粘度が変わってしまうと、水晶振動子の等価回路での共振抵抗成分が変化したことになり、発振周波数の安定性の低下が生じてしまう。水晶振動子の共振周波数をｆ、水晶振動子の駆動電流をＩ、水晶振動子の共振抵抗をＲ1、ｋを定数とすると、（１）式が成り立つ。

ｆ＝ｋ・Ｒ1・Ｉ^２ （１）
このため溶液の粘度が変化すると結局水晶振動子の共振周波数に影響を及ぼすことになる。一方、水晶振動子を用いる利点の一つは、極微量に感知物質が含まれていても発振周波数が変化することから極めて高い感度で測定できることにある。このため本発明者は、ｎｇからｐｇのオーダの質量の付着物の検出用として、極くわずかの周波数変化をも精度良く検出できるように測定回路に工夫を重ねているが、このような超高感度の測定を狙っていくと、溶液の粘度変化に基づく水晶振動子の周波数変化が周波数の測定変化分に効いてくるようになり、測定精度が落ちてくる。

特開２００１−８３１５４（段落０００７、０００９、００１９及び図１）

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、水晶振動子の駆動電流が変化する要因があっても発振周波数が安定している水晶発振器を提供することにある。他の目的は、この水晶発振回路を用いることにより、疫病マーカー蛋白質や環境汚染物質などの感知測定対象物を高感度、高精度に検出することのできる感知装置を提供することにある。

本発明は、水晶振動子に発振回路を接続した水晶発振器において、
水晶振動子に流れる駆動電流を検出する電流検出部と、
この電流検出部の電流検出値と予め定めた設定値との偏差を求める偏差演算部と、
この偏差演算部の出力に基づいて前記駆動電流を調整する調整部と、を備えたことを特徴とする。この場合、発振回路は水晶振動子に直列に接続されたインバータを含み、前記調整部は、前記インバータの電源電圧を調整する手段として構成してもよい。

他の発明は、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た水晶振動子とこの水晶振動子を発振させる発振回路とを含む水晶発振器と、この水晶発振器の発振周波数の変化分を測定する手段と、この手段により測定した発振周波数の変化分に基づいて感知対象物を感知する手段と、を備えた感知装置において、
前記水晶発振器として上記発明の水晶発振器を用いたことを特徴とする。この感知装置において、水晶発振器の発振周波数の変化分を測定する手段は、周波数をカウントして周波数の変化分を測定する場合、及び周波数の周期を測定して周波数の変化分を求める場合のいずれも該当する。発振周波数の変化分に基づいて感知対象物を感知する手段とは、発振周波数の変化分と感知対象物の濃度との関係式（検量線）を用いて感知対象物の濃度を求める手段などが相当する。

本発明の水晶発振器は、水晶振動子の駆動電流を検出してその駆動電流を所定値に維持するようにしているため、駆動電流が変化する環境に置かれても発振周波数が安定している。またこの水晶発振器を用いて感知装置を構成すれば、測定雰囲気である例えば液体と接触し、測定中に測定雰囲気である液体の粘性が変わったとしても、あるいは溶液に感知対象物質が加わることにより粘性が変わったとしても、駆動電流が一定化されているので、発振周波数が安定し、周波数の変化分を精度良く取り出すことができ、高精度に感知することができる。

図１は本発明に係る水晶発振器の実施の形態を示す図であり、１は例えばＡＴカットの基本波周波数が９ＭＨｚ（約９ＭＨｚ）である水晶振動子である。この水晶振動子１には、例えばコルピッツ形の発振回路２が直列に接続されている。この発振回路２は、第１のインバータ（反転増幅器）２１及び第２のインバータ（反転増幅器）２２をコンデンサ２３を介して直列に接続して構成されている。１段目のインバータ２１の入力端及び出力端の間には、バイアスを与えるための抵抗２４及びコンデンサ２５の並列回路が接続されている。また２段目のインバータ２２の入力端及び出力端の間には、帰還抵抗２６が接続されている。３１は電源であり、３２はこの水晶発振器の出力端である。

水晶振動子１の駆動電流が流れる通電路例えばインバータ２２と水晶振動子１との間の通電路には、電流検出部である電流検出器４１が設けられている。この電流検出器４１の出力側には、当該電流検出器４１にて検出された電流検出値を増幅するためのアンプ４２が設けられている。なお電流検出器４１にて得られた電流は図示しない回路で電圧信号に変換されてアンプ４２に入力される。このアンプ４２の出力側は、整流回路４３を介して差動アンプ４４の負の入力端に接続されている。差動アンプ４４の正の入力端には、設定電圧Ｖ１を発生する設定電圧発生部４５が接続されている。設定電圧Ｖ１は、水晶振動子１の駆動電流の設定値に対応するものであり、差動アンプ４４は、電流検出器４１にて得られた電流検出値と駆動電流の設定値との偏差を求める偏差演算部に相当するものである。

差動アンプ４４の出力側には、レギュレータ（電圧調整部）４６が接続されており、このレギュレータ４６の出力（ＶＣ）は、前記インバータ２１及び２２の各電源電圧として供給される。この例では、図２に示すようにインバータ２１（２２）はＭＯＳトランジスタ２０ａ及び２０ｂを直列に接続してなり、その直列回路の電源電圧として前記出力（ＶＣ）が用いられる。レギュレータ４６は、差動アンプ４４からの出力に基づいて、前記駆動電流が設定値になるようにインバータ２１（２２）への供給電圧ＶＣを発生するように構成されている。

次に上述実施の形態の作用について説明する。水晶振動子１から出力されたパルスは前段のインバータ２１により反転され、更にコンデンサ２３により反転され、後段のインバータ２２に入力される。後段のインバータ２２の出力は帰還抵抗２６を介してフィードバックされているので、結局コンデンサ２３を通過したパルスは、その位相のままインバータ２２から出力される。従って水晶振動子１から出力されたパルスは発振回路２を介して位相が元に戻るので、水晶振動子１に発振が起こり、共振周波数が例えば９ＭＨｚの周波数信号が出力端３２に現れる。

一方、水晶振動子１を流れる駆動電流は、電流検出器４１により検出され、電流検出値がアンプ４２により増幅され、更に整流回路４３により整流されて差動アンプ４４に入力される。差動アンプ４４では電流検出値に対応する電圧と設定電圧Ｖ１とを比較し、その偏差分をレギュレータ４６に供給する。今、水晶振動子１の駆動電流が設定値であるＩ0で安定しているものとすると、駆動電流の検出値に対応する電圧と設定電圧Ｖ１との差に応じた差動アンプ４４の出力に基づいてレギュレータ４６からインバータ２１、２２に電圧ＶＣが供給される。

ここで水晶振動子１の置かれている雰囲気が変化して水晶振動子１の抵抗が変化し例えば大きくなって、駆動電流がＩ0から少し小さくなってＩ1に変わったとする。この場合差動アンプ４４の負の入力端子に入力される電圧（電流検出値）が小さくなるので、差動アンプ４４からの出力が大きくなり、このためレギュレータ４６からインバータ２１、２２に供給される出力電圧ＶＣは、駆動電流がＩ0からＩ1に減少した分だけ大きくなる。この結果、駆動電流がＩ1から増加してＩ0に戻る。

逆に水晶振動子１の抵抗が小さくなって、駆動電流がＩ0から少し大きいＩ2に変わったとすると、この場合差動アンプ４４の負の入力端子に入力される電圧（電流検出値）が大きくなるので、差動アンプ４４からの出力が小さくなり、このためレギュレータ４６からインバータ２１、２２に供給される出力電圧ＶＣは、駆動電流がＩ0からＩ2に増加した分だけ小さくなる。この結果、駆動電流がＩ2から減少してＩ0に戻る。

こうして水晶振動子１が置かれている雰囲気が変化してその抵抗が変わっても駆動電流が一定になるようにコントロールされる。このため水晶振動子の発振周波数が安定し、例えば後述のようにこの実施の形態の水晶発振器を感知装置に適用した場合には信頼性の高い感知を行うことができるし、またクロック発生部として用いる場合には、安定したクロック信号を適用装置に供給できるなどの効果がある。

本発明では、水晶振動子１の駆動電流を検出する手段として、電流検出器４１を用いる代わりに、駆動電流が流れる通電路にインピーダンス成分例えば抵抗、コンデンサあるいはインダクタンス成分を設けてその両端の電圧を検出するようにしてもよい。図３はインピーダンス成分として抵抗４７を用いた例を示しており、この抵抗４７の両端電圧がアンプ４８に入力され、抵抗４７の電位差に対応する電圧つまり駆動電流に対応する電圧がアンプ４８から取り出されて整流回路４３に入力される。このような構成であっても同様の作用効果が得られる。

次に本発明の水晶発振器を適用した感知装置について図４を参照しながら説明する。５は水晶片５０の一方の面を石英などにより密閉すると共に他方の面が露出していて、容器５１内の溶液５２に浸漬されるランジュバン型水晶振動子として構成されている。先の実施の形態と用語を統一するならば、水晶片が水晶振動子に相当するのであるが、説明を分かりやすくするために、水晶片と石英とが一体になったユニット（ランジュバン型水晶振動子）を水晶振動子５と称して説明することにする。この水晶振動子５の共振周波数は例えば９ＭＨｚである。

前記水晶振動子５における溶液に接触する面には、感知対象物質を吸着（捕獲）するための吸着層、例えば疫病マーカー物質を選択的に捕捉し吸着するための抗体を含む吸着層が形成されている。５３は水晶振動子５を発振させる発振回路であり、水晶振動子５と発振回路５３とを含む水晶発振器は、既述のように駆動電流を一定化する回路を備えている。

６は基準周波数発生部であり、周波数の安定度が極めて高い１０ＭＨｚの基準周波数信号を出力する。６１は、発振回路５３からの周波数信号と基準周波数発生部６からの基準周波数信号との周波数差を取り出し、その周波数差に相当する周波数信号を出力する手段に対応するヘテロダイン検波器である。このヘテロダイン検波器６の後段には、ローパスフィルタ６２を介してアンプ６３が接続されている。このアンプ６３の後段には、当該アンプ６３からのパルスをカウントする計数手段であるカウンタ６４が接続されており、カウンタ６４の後段にはカウント値に基づいデータ処理を行うデータ処理部６５が設けられている。

次にこの感知装置の作用について説明する。水晶振動子５を所定の溶液中に浸漬すると、溶液が水晶面に付着したことにより大気雰囲気よりもわずかに発振周波数が低くなった状態で発振する。なお駆動電流を一定化するために設けられた既述の差動アンプ４４は、水晶振動子５を溶液に浸漬した状態において流れる駆動電流に合わせて動作点が設定されている。水晶振動子５の発振周波数を９ＭＨｚとして説明すると、ヘテロダイン検波器６１により基準周波数である１０ＭＨｚの周波数信号と発振回路５３からの９ＭＨｚの周波数信号との周波数差である１ＭＨｚの周波数信号を取り出す。そしてこの周波数信号についてローパスフィルタ６２にてノイズを除去し、１ＭＨｚの周波数信号のレベルをアンプ６３により増幅する。次いでこの１ＭＨｚの周波数信号をカウンタ６４にてカウントし、データ処理部６５にてこのカウント値を記憶する。

続いて容器５１内の溶液５２中に、感知対象物例えば疫病マーカータンパク質が含まれている溶液を供給して攪拌すると、前記の疫病マーカータンパク質が水晶振動子５の表面の抗体からなる吸着層に捕獲され、その吸着量に応じて水晶振動子５の共振周波数（固有振動数）がΔｆだけ変化する。このため発振回路５３からの発振周波数が９ＭＨｚ−Δｆとなり、このためヘテロダイン検波器６１からの周波数信号の周波数は１ＭＨｚ＋Δｆととなり、カウンタ６４にてカウントされる。このカウント値と先のカウント値とをデータ処理部６５にて比較演算し、Δｆが周波数の変化分として求められ、予め求めておいた関係式（検量線）に基づいて疫病マーカータンパク質の濃度が測定できる。

この場合、測定中に溶液５２の粘度が蒸発により変化して水晶振動子５の抵抗が変化し例えば小さくなり、水晶振動子５の駆動電流が変化しようとしても、駆動電流が設定値になるようにコントロールされるので、駆動電流が安定している。また疫病マーカータンパク質を溶液に入れることにより溶液の粘度が変化し、このため駆動電流が変化しようとするが、この場合においても駆動電流が安定している。

測定感度がそれほど高くなけば、駆動電流の変化に基づく周波数の変化分は測定値に見えてこないが、測定感度を高めようとすると、測定誤差になってくる。従ってこの実施の形態のように駆動電流を設定値に維持するようにコントロールすれば、駆動電流の変化に基づく周波数の変化分が測定値に載ってこないので、感知対象物質例えば疫病マーカータンパク質の濃度を高精度に測定することができる。このことは別の言い方をすれば、測定感度を高くすること例えば超高感度に測定ができるということになる。

本発明の感知装置は、血液中の成分を測定する場合に好適である。何故ならば血液の粘度は人によって異なるし、また血液が空気にさらされることにより測定中に粘度が大きくなるので、駆動電流を制御しないと駆動電流が大きく変化してしまい、周波数の測定誤差が大きくなるからである。

以上の実施の形態は、カウンタ６４と、データ処理手段６５においてカウンタ値に基づいて周波数の変化分を求める手段とは、発振周波数の変化分を測定する手段に相当し、データ処理手段６５において前記変化分と検量線とに基づいて感知対象物の濃度を求める手段は、発振周波数の変化分に基づいて感知対象物を感知する手段に相当する。

本発明の感知装置においては、水晶振動子を溶液中に浸漬することに限られず、溶液を水晶振動子５の表面に垂らすようにしてもよく、また疫病マーカータンパク質を感知することに限られず、ウイルス、あるいはダイオキシンやＰＣＢ（ポリ塩化ビフェニール）などの環境汚染物質などを感知するものであってもよい。また感知装置は、濃度センサとして用いてもよいし、感知対象物の有無センサとして用いてもよい。更にまた発振回路５３からの周波数信号の周波数と基準周波数発生部６からの周波数信号の周波数との差に相当する周波数差をそのままカウントすることに限られず、例えば分周した後にカウントする場合なども含まれる。また基準周波数発生部６を用いずに発振回路５３の発振周波数を直接カウントするようにしてもよい。

水晶振動子が置かれる環境は、溶液中に限られず、スラリー、超臨界流体あるいはガス雰囲気例えば大気圧よりも高いガス雰囲気であってもよい。そして水晶振動子は感知装置に適用されることに限られるものではなく、感知装置以外に適用した場合でも、水晶振動子が駆動電流が変わる環境に置かれても駆動電流を一定化できることから発振周波数が安定し、このため有効な技術である。

なお水晶振動子の置かれる環境の粘度が変わると周波数が変化することを示す一例としては、既述のように水晶振動子が空気中と水中とでは、周波数が異なることを挙げることができる。水晶振動子の等価回路での共振抵抗は、水中では約２７０Ωであり、空気中では約１２Ωである。このため水晶振動子の駆動電流は、水中では１ｍＡ、空気中では５ｍＡであり、周波数の変化分は約０．２ｐｐｍである。従って本発明のように駆動電流を一定化することで、駆動電流が変化したならば周波数が変化したであろうその変化分が周波数の測定結果に現れなくなる。

本発明に係る水晶発振回路の実施の形態を示す回路図である。 上記の水晶発振回路の一部を示す回路図である。 本発明に係る水晶発振回路の実施の形態を示す回路図である。 本発明に係る感知装置の実施の形態を示す構成図である。

符号の説明

１ 水晶振動子
２ 発振回路
２１、２２ インバータ
４１ 電流検出器
４２ アンプ
４３ 整流回路
４４ 差動アンプ
４６ レギュレータ
５ 水晶振動子
５２ 溶液
５３ 発振回路
６ 基準周波数発生部
６１ ヘテロダイン検波器
６４ カウンタ

Claims (3)

1. 水晶振動子に発振回路を接続した水晶発振器において、
   水晶振動子に流れる駆動電流を検出する電流検出部と、
   この電流検出部の電流検出値と予め定めた設定値との偏差を求める偏差演算部と、
   この偏差演算部の出力に基づいて前記駆動電流を調整する調整部と、を備えたことを特徴とする水晶発振器。
2. 前記発振回路は水晶振動子に直列に接続されたインバータを含み、
   前記調整部は、前記インバータの電源電圧を調整する手段であることを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。
3. 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た水晶振動子とこの水晶振動子を発振させる発振回路とを含む水晶発振器と、この水晶発振器の発振周波数の変化分を測定する手段と、この手段により測定した発振周波数の変化分に基づいて感知対象物を感知する手段と、を備えた感知装置において、
   前記水晶発振器として請求項１または２記載の水晶発振器を用いたことを特徴とする感知装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Images