JP2007093550A - センサ及びこれを使用した装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサ間で均一な特性を有し、溶液中での安定な測定が可能なセンサ及びこれを使用した装置を提供する。
【解決手段】 基板の一端側に、圧電板の両面に設けられた電極のうちの一方の電極が空間を介して被覆されるようにして固定し、前記基板は、前記圧電板から離れる方向に延出する形状となるように、複数の平板を積層して形成されることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液中に浸漬された状態で所定振動数の信号を発振する発振子を備えたセンサ及びこれを利用して液中の物質の量を計測する装置に関する。

発振子を、基板に設けることにより構成されるセンサについての提案が、特許文献１になされている。
この文献では、センサが浸漬される溶液の温度変化に伴う発振挙動の不安定さを問題として、圧電板の裏面とプラスチック製の被覆材とによって形成される空間内に気体を保持して、裏側の電極が溶液に接触して表面の電極と短絡することを防止し、更に、被覆材に開口を設け、裏面の電極が面する空間に開口を連通させることにより、空間内の気圧を一定に保持し、比較的短時間で発振子の発振振動数を安定させることが提案されている。

一方、特許文献２には、圧電板の裏面とポリアクリル製の被覆材とによって形成される空間内を大気圧に保つために、空間にニードルをエポキシ樹脂で固定した振動子が開示されている。

しかしながら、特許文献１のセンサは、複雑な形状を樹脂を使用して一体成型しており、特許文献２のセンサは、不安定な状態でニードルが固定されており、いずれのセンサも製品間において形状の均一さが得られず、測定の際にセンサ毎の特性に応じた調整をする必要があった。

国際公開ＷＯ０２／０６１３９６号パンフレット 特開平８−３３８７９８号公報

そこで、本発明は、センサ間で均一な特性を有し、溶液中での安定な測定が可能なセンサ及びこれを使用した装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者等は、鋭意検討の結果、複数の平板を積層して基板を形成すれば、量産した場合に特性のばらつきが少ないという知見に基づき、下記の通り解決手段を見いだした。
即ち、本発明のセンサは、請求項１に記載の通り、基板の一端側に、圧電板の両面に設けられた電極のうちの一方の電極が空間を介して被覆されるようにして固定し、前記基板は、前記圧電板から離れる方向に延出する形状となるように、複数の平板を積層して形成されることを特徴とする。
また、請求項２に記載のセンサは、請求項１に記載のセンサにおいて、前記基板の前記圧電板と離れる側の端部に、前記空間に連通する通気口を設けることを特徴とする。
また、請求項３に記載のセンサは、請求項２に記載のセンサにおいて、前記開口は、前記基板の前記圧電板と離れる側の端面に形成されていることを特徴とする。
また、請求項４に記載のセンサは、請求項１乃至３の何れかに記載のセンサにおいて、前記平板は、無機材料から構成されることを特徴とする。
また、請求項５に記載のセンサは、請求項１乃至４の何れかに記載のセンサにおいて、積層された前記平板の露出していない面に、外部の電源と接続するための配線が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の測定装置は、請求項６に記載の通り、請求項１乃至５の何れかに記載のセンサを備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数の平板を積層して基板を形成することにより、複雑なセンサ形状を一体成型することなく得ることができるので、製造されるセンサ間での特性のばらつきを少なくすることができる。
また、基板の圧電板が設けられている側とは反対側の端部に通気口を設けて、圧電板の裏側に形成される空間に連通させた場合には、成形性のよい平板に予め通気路を形成しておくことにより、通気路の内径や長さも均一にすることができる。また、圧電板の裏側に形成される空間は、圧電板から離れた側で外気に連通することになるので、溶液が入り込むことなく、精度の高い測定が可能となる。
また、基板の圧電板と離れる側の端面に通気口を設けるようにした場合、基板を構成する平板の少なくとも一枚に溝を形成するだけで、容易に通気路を形成することができる。
また、基板を無機材料から構成した場合、水溶液及び有機溶媒を使用した溶液のいずれの溶液中においても測定が可能となる。
また、基板を構成する平板に配線を設けて、その上に他の平板を重ねるようにした場合、配線を保護するための構造を容易に得られる。
また、上記センサを備える装置は、上記センサの効果により、精度の高い測定が可能となる。

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。尚、本発明は、本実施の形態により限定されるものではない。
本実施の形態のセンサ３０は、図１に示されるように、発振子２を、発振子２を構成する圧電板３から、その板面と平行であって、離れる方向に延出する形状に形成された基板１に設けることにより構成される。前記発振子２は、円形状に形成された圧電板３とその両面の略中央部に同じく円形状に形成された電極４，５とを備えている。各電極４，５からは、互いに反対方向となるように、圧電板３の外周方向に向かってリード線６，７が設けられており、リード線６，７の外周側の端部には円弧状に形成された接続端子８，９が形成されている。尚、図３に示されるように、圧電板３の表側のリード線６は、裏側に回り込み、接続端子８は圧電板３の裏側に配置される。

また、圧電板３の裏側の電極５は、所定の空間１０を存して基板１により被覆されている。詳細には、図３において、図１のＢ−Ｂ断面を示されるように、基板１の一端側の端部に、圧電板３をはめ込むことができる程度の円形状の凹部１１が設けられており、この凹部１１の内周面は階段状に形成されて、圧電板３の裏側の電極５が基板１に接触しないようになっている。尚、本実施の形態では、基板１の一部により被覆部材を構成するようにしている。
前記凹部１１の内周面の階段の平坦部１２にも接続端子１３，１４が設けられ、これらに、圧電板３に設けられた接続端子８，９は、導電性フィラーを混入して構成された導電性接着剤１５により接着されることになる。導電性接着剤１５としては、必要とされる導電性と接着性を備えるものであれば制限はなく、例えば、銀分散エポキシ樹脂等を使用することができる。
尚、基板１に設けられた接続端子１３，１４は、基板１内部に設けられた配線１６を介して、基板１の他端側において、外部電源に接続されることになる。

前記基板１は、複数の平板を積層して構成される。詳細には、図２及び図３に示される構造は、図４に示される平板２３を、（ａ）〜（ｄ）の順に積層することにより、凹部１１や凹部１１の内周面の階段の平坦部１２が形成される。また、基板１中に設けられた配線１６は、予め平板２３上にプリントされる。
そして、少なくとも１枚の平板２３に、圧電板３の裏側に形成される空間１０と外部とを連通するための通気路２４を形成するために使用される。具体的には、通気路２４は平板２３に形成された溝２５と、必要に応じて他の平板２３とを組み合わせて形成される。この溝２５は、外部と連通できるような構造であれば、特に制限はなく、平板２３を貫通するものや、所定の深さで切削したものも含まれる。
通気路２４の内径は、特に制限はないが、０．３ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲とすることができるが、基板１を構成する材料がセラミックである場合には、焼結時の割れの発生率を少なくし、圧力変化に対して良好な追随性を得るためには、１ｍｍ〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。また、通気路２４の断面形状についても特に制限はないが、例えば、矩形状、円形状等とすることができる。
また、通気路２４の本数についても、特に制限はなく、通気口２０を複数設けて複数本の通気路を形成してもよい。

通気路２４の端面の通気口２０は、圧電板３と反対側に位置するものであれば特に制限はないが、溶液に浸漬した場合に、通気口２０が溶液に浸漬しない位置にする必要がある。通気口２０から溶液の浸入を防いで、精度の高い測定をするためである。従って、基板１の圧電板３と反対側の接続端子１３，１４近傍、更には、基板１の接続端子１３，１４側の端面に、通気口２０を形成することが好ましい。

上記説明した基板１は、圧電板３が設けられる側から、圧電板３から離れる側に向けて延出した形状、即ち、細長片として形成される。具体的な例を挙げると、長さ１０〜８０ｍｍ、幅３〜５０ｍｍ、厚さ１〜１５ｍｍの範囲で形成することができる。

また、基板１は、寸法変化率１０％以下の材料により構成することが好ましい。
寸法変化率が１０％を超える材料を使用した場合、導電性ペーストの接着面に剥離が生じ発振が停止したり、寸法差により圧電板３にストレスがかかり測定値が安定しない、或いは、安定するまでに時間がかかるという事態が生じたり、環境の変化のような外乱に対する応答量が異なりノイズレベルの違いが生じ、同じ測定変化量に対しても、Ｓ／Ｎ比の違いによる検出限界差となって影響してしまうといった問題があるためである。

基板１を構成する材料としては、無機材料とすることが好ましい。また、単一の部材であっても、単一の部材に対して溶液が浸透したりすることがないように無機材料のコーティングが施されたものであってもよい。具体的な例を挙げると、ガラス、セラミック、金属、カーボン、水晶等の無機材料であることが好ましく、これらの中でも、型成型により良好な寸法精度が得られるという理由から、セラミックであることが好ましい。無機材料により基板１を構成することにより、センサーを組み立てる際や測定に使用する際などに、形状が不安定であったり、寸法が個々のセンサーでばらついてしまうような事が生じにくく、センサー間の測定値再現性が良好となるからである。また、従来は、シリコーン樹脂等の柔軟な材料を使用しないと、早期に発振周波数を安定させることができないとされていたが、セラミック等の無機材料であっても早期に発振周波数を安定させることを発見したためである。

尚、本明細書において、寸法変化率は、以下のように定義される。
基板１を構成する材料からなる試験片（縦辺１ｃｍ、横辺１ｃｍ、厚さ５ｍｍ）を、温度２５±０．１℃、常圧に設定された恒温槽内に２４時間放置して、精密測長機により、縦辺と横辺の長さを測定して、これらを、それぞれ、ａ，ｂとする。
そして、常圧下において、対象となる溶液中に前記試験片を浸漬して、３時間後に取り出し、上記と同様に、縦辺と横辺の長さを測定し、これらを、それぞれ、ａ'，ｂ'とする。尚、溶液への浸漬に際しては、常温常圧下で、溶液の温度を２５℃±０．１℃に設定する。
そして、下記式により、当該試験片の寸法変化率を算出する。合計５個の試験片に対して寸法変化率を得、その平均値を、本明細書でいう寸法変化率とした。
寸法変化率（％）＝｜（（ｂ'−ｂ）＋（ａ'−ａ））／２｜／（ａ＋ｂ）×１００

上記対象となる溶液とは、本発明のセンサが浸漬される溶液のことで、各測定毎に異なる。尚、測定に使用される溶液の例を挙げると、アセチレン、アセトアルデヒド、アセトニトリル、アセトン、アニリン、イソブチルアルコール、イソプロピルアルコール、ジエチルエーテル、エタノールアミン、エチルアルコール、エチルベンゼン、エチレングリコール、塩化エチル、塩化メチル、キシレン、グリセリン、クロロトルエン、クロロナフタリン、クロロホルム、ジエチルエーテル、ジエチレングリコール、四塩化炭素、ジオキサン、シクロヘキサン、ジクロロベンゼン、ジブチルエーテル、ジメチルスホキシド、ジメチルホルムアミド、テトラクロロエタン、テトラヒドロフラン、トリエタノールアミン、トリクロロエチレン、トルエン、パークロルエチレン、ピリジン、フェノール、ブチルアルコール、ブチルセルソルブ、プロピルアルコール、フロロベンゼン、ヘキサアルデヒド、ヘキサン、ベンジルアルコール、ベンズアルデヒド、ベンゼン、ホルムアルデヒド及びメチルアルコールの何れか又はこれらのうちの少なくとも２種の混合物等がある。

また、平板２３の平面形状については、特に制限はないが、圧電板３が設けられている側は、その圧電板３の形状に沿うようにすることが好ましい。また、平板２３の断面形状についても特に制限するものではない。
平板２３同士を積層して接着する方法については、平板２３を接着剤により接着したり、或いは、複数の平板２３を積層して焼結する方法等を利用することができる。

また、本発明の測定装置は、上記圧電板３の電極４，５に対して交流電圧を印加して振動させ、この振動周波数等の変化を測定することができるものであれば、特に制限はなく、単に発振回路とセンサ３０の周波数等の電気的特性を測定できるものや、ネットワークアナライザ、インピーダンスアナライザを使用したものも当然含まれる。

上記した圧電板３も、公知のものを使用することができ、例えば、水晶以外にも、チタン酸バリウム、ＰＺＴ（登録商標）等を使用することができる。また、その形状についても特に制限はなく、上記説明した円板形状の他に、矩形状等のものも使用することができる。
また、基板１に設けられる接続端子１３，１４や、圧電板３に設けられる電極４，５や接続端子８，９についても、同様に公知のものであり、金等の金属製材料を蒸着等して設けられる。

本発明は、ＤＮＡやタンパク質等の生体物質の相互作用や抗原抗体反応を利用した測定等に利用することができる。

本発明の一実施の形態のセンサの平面図 同Ａ−Ａ断面図 同Ｂ−Ｂ断面図 同基板の分解平面図

符号の説明

１ 基板
２ 発振子
３ 圧電板
４ 電極
５ 電極
６ リード線
７ リード線
８ 接続端子
９ 接続端子
１０ 空間
１１ 凹部
１２ 平坦部
１３ 接続端子
１４ 接続端子
１５ 導電性接着剤
１６ 配線
１７ シール剤
２０ 通気口
２３ 平板
２４ 通気路
２５ 溝
３０ センサ

Claims (6)

1. 基板の一端側に、圧電板の両面に設けられた電極のうちの一方の電極が空間を介して被覆されるようにして固定し、前記基板は、前記圧電板から離れる方向に延出する形状となるように、複数の平板を積層して形成されることを特徴とするセンサ。
2. 前記基板の前記圧電板と離れる側の端部に、前記空間に連通する通気口を設けることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記通気口は、前記基板の前記圧電板と離れる側の端面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
4. 前記基板は、無機材料から構成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のセンサ。
5. 積層された前記平板の露出していない面に、外部の電源と接続するための配線が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のセンサ。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載のセンサを備えることを特徴とする測定装置。
   

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