JP5023282B2 - 圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は、物理量計測及び化学計測用の圧電振動子用の発振回路に係り、更に詳しくは、粘度センサ、流速センサ、圧力センサ、温度センサ、振動センサ、ガスセンサ、浮遊微粒子、化学センサ、免疫センサ、等として特に液体中に浸漬され用いられている圧電振動子を発振させるのに好適な圧電発振器に関するものである。

近年、圧電振動子である水晶振動子を用いた微量天秤と呼ばれる水晶振動子微量天秤（Quartz Crystal Microbalance：ＱＣＭ）が注目されている。このＱＣＭは、水晶振動子の電極に物質が付着して生ずる表面の質量を、水晶振動子など周波数変換素子の共振周波数変化として検出するものである。ＱＣＭは、ナノグラム（ng）以下の質量検出が可能であるところから、バイオセンサや化学センサなどとして医学や生化学、食品や環境測定などの広い分野において微量物質の検出に応用されている。

例えば、水晶振動子を液相用質量測定装置として、水晶振動子を液体中に浸して使用する場合がある。このとき、空気中と液体中とでは、水晶振動子の実効的なクリスタルインピーダンス（以下、「ＣＩ値」と表記）が大幅に増加し、液体中におけるＣＩ値が空気中よりも約１０〜３０倍も大きくなるため、液中では水晶振動子を発振させることが困難である。

従来の水晶振動子を液体中でも発振させる方法の一つに、発振回路の増幅度を上げる提案がある（例えば、特許文献１）。また、高速ＣＭＯＳからなるインバータを用いて基本周波数の異なる複数の水晶振動子を同じ回路によって発振させる発振回路が提案されている（特許文献２）。ただし、特許文献２では、気相中での動作しか示唆していない。

従来の考え方では、水晶振動子を液体中でも発振させる際には、振動子の両面に設けられた電極が溶液により互いに短絡（ショート）しないようにしなければならず、振動子電極の片方の電極は完全に絶縁されたものであることは当然であると考えられていた。

従来の振動子電極の片方の電極は完全に絶縁されたものにする方法の一つに、Ｏリングにより水晶板を挟むようにする方法がある。水晶板を両側から２つのＯリングで挟みつけることで、Ｏリングと水晶板との空間から溶液が進入しないようにしている。よって片面の電極は溶液にさらされるが、もう片側の電極は溶液にさらされず、短絡（ショート）しない構造が提案されている（特許文献３）。また、片面被覆材に覆われる側に露出側の電極の一部を収容し、短絡しない構造も提案されている（特許文献４）。
特開平１１−１６３６３３号公報 特開２００１−２８９７６５号公報 特開２００１−１５３７７７号公報 特開平１１−１４５２５号公報

しかしながら、特許文献１においては、実施例に実際の液相中における発振のデータが掲載されておらず、特許文献１に示される発振回路での液相中発振が可能か確認できない。また液体中におけるＣＩ値が空気中よりも約１０〜３０倍も大きくなるため発振が困難とは言い切れず、発振に必要な回路側の負性抵抗を発振回路で作り出すことが出来れば発振は可能である。

特許文献２においては、実施例に気相中における発振のデータのみ掲載されており、特許文献２に示される発振回路での液相中発振が可能か確認できない。

特許文献３においては、Ｏリングで水晶板を挟む方法は、溶液の進入を確実に防ぐためにきつく挟む場合、水晶板が発振しにくくなる。また、緩く挟めば溶液が進入するのに加え、水晶板を挟む力が不均一になりやすく、適正な力で水晶板を挟むことが困難である。

特許文献４においては、振動子を片面被覆材に固定する際に導電性接着剤を使用しており、接着部が振動子の発振に減衰等の影響を及ぼすことは避けられない。

一般的に圧電振動子はハンダ付けやプリント基板等、圧電振動子と直接接するものに必然的に生ずる寄生容量の影響を受けやすい。よって、圧電振動子を水中で発振させる場合には、振動子を水に浸漬すると水の誘電率が大きいため圧電振動子の電極間容量C0に対して非常に大きな寄生容量Cαが生ずることが予想される。図１は圧電発振回路の等価回路である。圧電振動子の電気的等価回路２０は、圧電振動子の直列アーム１０と電極間容量C0との並列接続により構成されている。圧電振動子の直列アーム１０は、圧電振動子の等価直列抵抗R1、等価直列容量C1、等価直列インダクタンスL1の直列接続により構成されている。圧電振動子を除く発振回路３０は、等価入力インダクタンスLci、負性抵抗-Rciの直列接続により構成されている。従来はC0及びCαを振動子の直列アーム側に合成して回路解析を行うが、この考え方ではCαが増大すると発振に必要な負性抵抗-Rciは得られない。

圧電振動子を水中に浸漬すると水の粘性により振動子の等価直列抵抗R1が極端に大きく（20〜30倍）なると言われている。図２にC0とCαを圧電振動子の直列アーム側に合成した際の圧電発振回路の等価回路を示す。合成後の等価回路は実効インダクタンスLeと直列接続される実効抵抗RLが、負荷容量Cciと直列接続される負性抵抗-Rciとの並列接続により構成されている。圧電振動子が発振するための条件は、（１）式で示される。上記のように寄生容量の影響で発振に必要な-Rciが充分に得られないにも関わらず、R1が極端に大きくなれば必然的にRLが増大し、（１）式の発振条件を満たさない。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、被覆材を用いて振動子電極を両面とも絶縁することなく直接液体に浸漬可能で、液相中・気相中を問わず安定して発振可能な圧電発振器を提供する。さらに本発明は、水中に浸漬することに伴う寄生容量Cα及び振動子の等価直列抵抗R1の増大に対しても、充分な負性抵抗を発生し安定な発振を可能とするものである。本発振回路は全く新規の回路内容および構成であり、従来の電子回路からは予測・予想のできない形式のものである。

上記の目的を達成するため、本発明に係る圧電発振器は、所定の周波数で励振される圧電振動子と、前記圧電振動子を励振させる論理素子と、前記圧電振動子に並列接続されるコンデンサと、前記論理素子の出力に接続される第１のインダクタおよび第１のパスコンデンサと、前記論理素子の入力に接続される第２のインダクタおよび第２のパスコンデンサと、を備えた圧電発振器であって、前記論理素子の出力より第１のインダクタを介して接地すると共に、前記論理素子の入力より第２のインダクタを介して接地することにより、前記コンデンサと第１のインダクタと第２のインダクタとが、前記圧電振動子の発振周波数において共振するタンク回路を構成することを特徴としている。

以上に示す様な発振回路の構成を行うことにより、特に液中などでの発振を容易に行うことができる。これらの特徴はQCM（水晶振動子を用いる微少質量測定）、などのセンサ発振に対し大きな効果を与え、これらの分野の技術発展に期待を与えるものである。

図３にC0及びCαを回路側に合成した後の等価回路を示す。-Rcci、は合成等価抵抗である。その場合の発振条件は（２）式に示され、C0＋Cαが大きくなると極端に‐Rcciが減少する。しかし、本発明回路は、図１のC0+CαとLciの共振周波数を、Ｌ１とＣ１の共振周波数と一致させると、合成等価抵抗‐Rcciが増大し、このときの回路リアクタンスは回路誘導性リアクタンスLcciまたは回路容量性リアクタンスCcciとなる特徴を用いて、液体に浸漬した圧電振動子を発振させることが可能となる。

図４に発振回路（圧電発振器１）のブロック図を示す。INVはインバーターロジック（論理素子）を示す。インバータロジックは、高速ＣＭＯＳであることが好ましい。Cp1（第１のパスコンデンサ）、Cp2（第２のパスコンデンサ）はパスコンデンサであり、発振に影響しないとする。Zxtは圧電振動子であり、Zxtが無い場合、回路はLC発振回路として動作し、Zxtを圧電振動子とした時、圧電発振回路として動作する。Ceは付加コンデンサ（容量素子）、R2は抵抗（第１の抵抗）、z2（第１のインダクタ）、z3（第２のインダクタ）は共にインダクタであり、ｒ2、ｒ3はそれぞれのインダクタの抵抗成分、L2、L3はそれぞれのインダクタのインダクタ成分を表している。即ち、本発明回路（圧電発振器１）は、圧電振動子Zxtと、圧電振動子Zxtを励振させるインバーターロジックINVと、インバーターロジックINVに並列接続される付加コンデンサCeと、付加コンデンサCeに並列接続される抵抗R2と、により構成される圧電発振器であって、INVの出力よりインダクタz3とパスコンデンサCp2を介して接地すると共に、前記INVの入力よりインダクタz2とパスコンデンサCp1を介して接地することにより構成される。付加コンデンサCeとインダクタZ2とインダクタZ3との共振回路を構成し、その共振周波数を振動子のL1、C1との共振周波数に一致させることで、前記の内容を具現化したものである。

このブロック図を元に回路解析を行い、発明回路の回路特性を以下に詳細に述べる。

図４の回路解析により得られたブロック図を図５に示す。Rcは合成直列抵抗、Lcは合成直列インダクタンスでありそれぞれ（３）式と（４）式で示される。（３）式と（４）式内のｇｍは相互コンダクタンスである。２端子インピーダンス回路ZaはRcと直列接続されたLcにより構成される。

Zxtが無いLC発振回路の場合、CeとR2の合成インピーダンスの抵抗成分を、Zaに合成した結果得られる図６に示される２端子インピーダンス回路Zbは、Lcと直列接続される負性抵抗Recから構成される。Recを（５）式、発振周波数fecを（６）式にそれぞれ示す。

図７に発明回路がLC発振回路として動作する時の、付加容量Ceをパラメーターとする負性抵抗Rec及び発振周波数fecのシミュレーション結果を示す。シミュレーションは（５）式、（６）式に基づき行い、シミュレーション条件はf=3.3MHz、L2=L3=10μF、r2=r3=2.9Ω、R2=1MΩ、gm=15mA/Vとした。LC発振回路として動作する場合は、Ceの増大に伴い共振周波数が著しく低下する。負性抵抗は増大するCe=10pF近傍まで急激に増大しその後は一定の値を保つ。

図８は図４が圧電発振回路として動作する場合に、付加コンデンサCeと抵抗R2の合成インピーダンスをZaに合成した結果のブロック図である。図８に示す回路は負性抵抗Reciと直列接続される起動時回路誘導性リアクタンスLeciが、Zxtと並列接続され構成される。Reciを（７）式、Leciを（８）式に示す。

（７）式と（８）式内のLｄとRdはそれぞれ（９）式、（１０）式、で示される。

図９に発明回路が圧電発振回路として動作する時の、付加容量Ceをパラメーターとする負性抵抗Reci及び起動時回路誘導性リアクタンスLeciのシミュレーション結果を示す。シミュレーションは（９）式と（１０）式に基づき行い、シミュレーション条件はf=3.3MHz、L2=L3=10μF、r2=r3=2.9Ω、R2=1MΩ、gm=15mA/Vとした。圧電発振回路として動作する場合、発明回路はCe=21pF近傍でLeciが正の値から負の値に急峻に減少し、発振回路が誘導性から容量性に変化している。この時、Reciは最大値を示しており上記の内容と一致することが確認された。圧電発振器１は化学計測、物理計測または質量計測に用いられることが好ましい。

以下に、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但しこの実施例に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる実施例にすぎない。また、圧電振動子は、ＡＴカット水晶振動子、逆メサ型ＡＴカット水晶振動子、ＳＣカット水晶振動子、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）振動子、ラーメモード（輪郭振動モード）水晶振動子またはラム波水晶振動子のいずれかであってよい。

図１０に実施例に用いた回路図を示す。INVはインバーターロジック（論理素子）、OUTは出力端子、C3はコンデンサを示す。Cp1（第１のパスコンデンサ）、Cp2（第２のパスコンデンサ）はパスコンデンサであり、発振に影響しないとする。Zxtは圧電振動子であり、C4は付加コンデンサ、Cxは可変コンデンサ、Ce（容量素子）はC4とCxの合成容量、R2は抵抗（第１の抵抗）、L2（第１のインダクタ）とL3（第２のインダクタ）はともにインダクタである。設定定数はR2=1MΩ、L2=L3=10μH、Cp1=Cp2=1μF、C3=47μF、INV：TC7SU04F（東芝）、Zxt：At-Cut水晶振動子（3.25MHz）とし、Zxtが無い時3.25MHzにおいてLC発振するC4の値としてC4=47pFを選択した。

以下に、前段落に記載した設定定数の回路を用いて行った実施例をもとに、圧電振動子を水中に浸漬した時の回路特性を説明する。図１１に振動子を水中に浸漬したときの電源電圧と発振周波数の特性を示す。電圧上昇によって3.4Vから基準周波数付近で水晶発振を始め、その後4V付近からはLC発振に移行している。

図１２に電源電圧Vcc=3.4Vにて水晶振動子を大気中で発振を継続させたまま、水中に浸漬した時の連続的周波数変化を示す。経過時間が7分まで大気中で発振させ、7分の時水中に浸漬し以後振動子は水中にあるが、水中でも発振が継続していることが確認された。このように、圧電振動子Zxtは、その両面が液体に浸漬しても安定した発振が可能である。

図１３にVcc＝3.4Vの時、Cxの可変に対する発振周波数特性を示す。水晶振動子が液中にあるとき、Cxの周波数変化は、ほぼLC発振とほぼ同等となっている。しかし、Cx=40pF前後で周波数変化が小さくなっており、これは水晶発振に移行していることを示している。

図１４にCxの可変に対する負性抵抗特性を示す。LC発振、水晶発振ともにほぼ同等の負性抵抗が発生しているが、水中での発振では全体的に負性抵抗が低下している。この差分が、水による水晶振動子の抵抗増加分である。

以下に、図１０に示す設定定数の回路を用いて、圧電振動子を水中に浸漬して行ったセンサとしての実施例を用いて、本発明回路のセンサ特性を説明する。本発明回路を用いて、図１５に蒸留水中で発振している振動子の蒸留水58mlにエタノール1mlを加えた時の発振周波数の時間的変化を示す。発振回路の設定定数は実施例１で用いたものと同じである。100ppmの周波数変化として検出しており、液中での物理量センサとしての使用が可能であることを示している。また、従来のQCMと同様に、振動子上に検知膜を形成し、感度を上げることも可能である。

従来例の圧電発振回路の電気的等価回路図である。 従来例における、C0を圧電振動子の直列アーム側に合成した圧電発振回路の等価回路図である。 従来例における、C0を直列アーム以外の発振回路側に合成した圧電発振回路の等価回路図である。 本発明に係る圧電発振器を表す発振回路のブロック図である。 本発明に係る圧電発振器を表す発振回路のブロック図を解析して得られたブロック図である。 本発明に係る圧電発振器を表す回路がLC発振回路として動作する時の２端子インピーダンス回路Zbの回路図である。 LC発振回路として付加抵抗を変化させた時の負性抵抗と圧電振動子の発振周波数の変化をシミュレーションした結果を示す図である。 本発明に係る圧電発振器を表す回路が圧電発振回路として動作する時のブロック図である。 圧電発振回路として付加抵抗を変化させた時の負性抵抗と起動時回路誘導性リアクタンスの変化をシミュレーションした結果を示す図である。 本発明に係る圧電発振器の実施形態の具体例を示す回路図である。 電源電圧を変化させた時の発振周波数の変化を示す図である。 空気中と液体中との発振状態を示す図である。 可変容量を変化させた時の発振周波数偏差の変化を示す図である。 可変容量を変化させた時の負性抵抗の変化を示す図である。 液体中にエタノールを加えた時の発振状態を示す図である。

符号の説明

１ 圧電発振器
１０ 圧電振動子の直列アーム
２０ 圧電振動子の電気的等価回路
３０ 圧電振動子を除く発振回路
C0 電極間容量
Cα 寄生容量
Ce 付加コンデンサ（容量素子）
R2 第１の抵抗
R1 等価直列抵抗
C1 等価直列容量
L1 等価直列インダクタンス
Lci 等価入力インダクタンス
Le 実効インダクタンス
RL 実効抵抗
Cci 負荷容量
-Rcci 合成等価抵抗
Ccci 回路容量性リアクタンス
Lcci 回路誘導性リアクタンス
Fec 発振周波数
Leci 起動時回路誘導性リアクタンス
-Rci、Rec、Reci 負性抵抗
INV インバーターロジック（論理素子）
ｇｍ 相互コンダクタンス
Cp1 パスコンデンサ（第１のパスコンデンサ）
Cp2 パスコンデンサ（第２のパスコンデンサ）
C3 コンデンサ
C4 LC共振用コンデンサ
Cx 可変コンデンサ
z2 インダクタ（第１のインダクタ）
z3 インダクタ（第２のインダクタ）
ｒ2、ｒ3 インダクタの抵抗成分
L2、L3 インダクタのインダクタ成分
Zxt At-Cut水晶振動子（圧電振動子）
Vcc 電源電圧
Rc 合成直列抵抗
Lc 合成直列インダクタンス
Za、Zb ２端子インピーダンス回路

Claims (6)

1. 所定の周波数で励振される圧電振動子と、
   前記圧電振動子を励振させる論理素子と、
   前記論理素子に並列接続される容量素子と、前記容量素子に並列接続される抵抗と、
   前記論理素子の出力に接続される第１のインダクタおよび第１のパスコンデンサと、
   前記論理素子の入力に接続される第２のインダクタおよび第２のパスコンデンサと、を備えた圧電発振器であって、
   前記論理素子の出力より第１のインダクタと第１のパスコンデンサを介して接地すると共に、前記論理素子の入力より第２のインダクタと第２のパスコンデンサを介して接地することにより、前記容量素子と第１のインダクタと第２のインダクタとが、前記圧電振動子の発振周波数において共振するタンク回路を構成することを特徴とする圧電発振器。
2. 前記論理素子は、高速のＣＭＯＳであることを特徴とする請求項１記載の圧電発振器。
3. 前記容量素子、前記圧電振動子および第１の抵抗は、前記論理素子の入出力を結ぶ閉回路の中に並列接続されて組み込まれていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電発振器。
4. 前記圧電振動子は、水晶振動子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電発振器。
5. 前記圧電振動子は、ＳＡＷ振動子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電発振器。
6. 前記圧電振動子は、ラム波振動子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電発振器。

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